有機薄膜トランジスタ
【課題】 有機物を利用して薄膜トランジスタを製造しようとする場合、有機半導体薄膜のキャリア移動度が小さく、実用的な動作速度を有する有機薄膜トランジスタは得られなかった。この課題を解決するために縦型有機薄膜トランジスタが検討され、高速動作が期待されているが、十分な電流オンオフ比が得られないという課題がある。
【解決手段】 本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース又はドレイン）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン又はソース）の順に積層した構造を有する。第３の電極の膜厚を８０ｎｍ以上の厚膜とする。第３の電極の膜厚を厚くすることで、大きなオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られる。
【解決手段】 本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース又はドレイン）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン又はソース）の順に積層した構造を有する。第３の電極の膜厚を８０ｎｍ以上の厚膜とする。第３の電極の膜厚を厚くすることで、大きなオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機材料を半導体層として有する有機薄膜トランジスタに関し、特にソース-ドレイン間の電流変調量を大きくすることができる有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタは、液晶表示装置等の表示用のスイッチング素子として広く用いられている。従来、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor以下、ＴＦＴとも呼ぶ）は、アモルファスや多結晶のシリコンを用いて作製されていた。しかし、このようなシリコンを用いたＴＦＴの作製に用いられるＣＶＤ装置は、非常に高額であり、ＴＦＴを用いた表示装置等の大型化は、製造コストの大幅な増加を伴うという問題点があった。また、アモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは非常に高い温度下で行われる。そのため基板として使用可能な材料の種類が限られ、軽量な樹脂基板等は使用できないという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決するために、アモルファスや多結晶のシリコンに代えて有機物を用いたＴＦＴが提案されている。この有機物でＴＦＴを形成する際に用いる成膜方法として、真空蒸着法や塗布法等が知られている。これらの成膜方法によれば、コストアップを抑えつつ素子の大型化が実現可能になり、成膜時に必要となるプロセス温度を比較的低温にすることができる。このため、有機物を用いたＴＦＴでは、基板に用いる材料の選択時の制限が少ないといった利点が得られ、その実用化が期待されている。
【０００４】
実際、近年、有機物を用いたＴＦＴは盛んに報告されるようになった。有機薄膜トランジスタに関する報告例としては、下記非特許文献１〜１４や特許文献１〜９などがある。これらのＴＦＴの有機化合物層に用いる有機物としては、共役系ポリマーやチオフェンなどの多量体（特許文献１〜５）、或いは金属フタロシアニン化合物（特許文献６）、またペンタセンなどの縮合芳香族炭化水素（特許文献７、８）などが、単体或いは他の化合物との混合物の状態で用いられている。
【０００５】
また、半導体層の材料として有機材料を使用することにより、素子の基板もガラスなどの硬い材料はもちろんのこと、樹脂やプラスチックを適用することができる。そのため素子全体にフレキシブル性を持たせることが可能となり、フレキシブル有機薄膜トランジスタに関する研究も盛んに行われている。さらに、有機薄膜トランジスタの製造プロセスとして溶液を用いた塗布プロセスを採用することができる。このように低コスト化等を目標とした塗布プロセス、印刷プロセスを適用した製造方法の研究も盛んに行われている。
【０００６】
このように有機材料を用いたＴＦＴの開発は多く行われている。しかし、有機材料をＴＦＴのチャネル材料に用いた場合、シリコン系の材料に比べてキャリアの移動度が著しく小さく、実用的な動作速度を有する有機ＴＦＴを作製することは非常に困難であった。シリコン系材料の場合、アモルファスシリコンでは移動度１〜１０（cm2/Vs）、ポリシリコンでは１００（cm2/Vs）程度が得られる。これに対し、有機材料の移動度は特殊な単結晶を除いて１（cm2/Vs）以下であり、トランジスタの動作性能のひとつである遮断周波数はせいぜい数kHz程度であった。
【０００７】
この移動度の低い有機ＴＦＴを実用化させるための方法のひとつとして、縦型有機トランジスタが検討されている（たとえば、非特許文献１３、１４、特許文献９）。この構造においては実際に遮断周波数数十kＨｚでの動作に成功している。しかし、縦型有機トランジスタにおいて、十分なソースとドレイン間に流れる電流オンオフ比が得られないという課題がある。
【０００８】
【非特許文献１】F. Ebisawaら，Journal of Applied Physics，５４巻，３２５５頁，１９８３年
【非特許文献２】A. Assadiら，Applied Physics Letter，５３巻，１９５頁，１９８８年
【非特許文献３】G. Guillaudら，Chemical Physics Letter，１６７巻，５０３頁，１９９０年
【非特許文献４】X. Pengら，Applied Physics Letter，５７巻，２０１３頁，１９９０年
【非特許文献５】G. Horowitzら, Synthetic Metals, ４１−４３巻，１１２７頁，１９９１年
【非特許文献６】S. Miyauchiら，Synthetic Metals，４１−４３巻，１９９１年
【非特許文献７】H. Fuchigamiら，Applied Physics Letter，６３巻，１３７２頁，１９９３年
【非特許文献８】H. Koezukaら，Applied Physics Letter，６２巻，１７９４頁，１９９３年
【非特許文献９】F. Garnierら，Science，２６５巻，１６８４頁，１９９４年
【非特許文献１０】A. R. Brownら，Synthetic Metals，６８巻，６５頁，１９９４年
【非特許文献１１】A. Dodabalapurら，Science，２６８巻，２７０頁，１９９５年
【非特許文献１２】T. Sumimotoら，Synthetic Metals，８６巻，２２５９頁，１９９７年
【非特許文献１３】K. Kudoら，Thin Solid Films, ３３１巻，５１頁，１９９８年
【非特許文献１４】K. Kudoら，Thin Solid Films，４３８−４３９巻，３３０頁，２００３年
【特許文献１】特開平８−２２８０３４号公報
【特許文献２】特開平８−２２８０３５号公報
【特許文献３】特開平９−２３２５８９号公報
【特許文献４】特開平１０−１２５９２４号公報
【特許文献５】特開平１０−１９０００１号公報
【特許文献６】特開２０００−１７４２７７号公報
【特許文献７】特開平５−５５５６８号公報
【特許文献８】特開２００１−９４１０７号公報
【特許文献９】特開２００４−６４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
有機物を利用して薄膜トランジスタを製造しようとする場合、従来はシリコンデバイスと類似のＭＯＳ型構造で検討されてきた。しかし有機半導体薄膜のキャリア移動度が小さく、実用的な動作速度を有する有機薄膜トランジスタは得られていない。さらにこの課題を解決するために静電誘導型トランジスタに類似の構造を有する縦型有機薄膜トランジスタも検討され、高速動作が期待されている。
【００１０】
しかしながら縦型有機薄膜トランジスタは、構造上ソース電極とドレイン電極が重なっている部分が大きく、ゲート電極による変調が効きにくい部分が多く存在する。そのため、ゲート電極で変調できるソース−ドレイン電流量に限界があり結果として、ソース−ドレイン間の電流オンオフ比の大きな素子を得ることは困難であった。また、電流オンオフ比を大きくするためにはゲート電極の加工を非常に微細に行う必要があり、有機薄膜トランジスタの特徴である製造プロセスの簡便性が失われてしまうという欠点を有していた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑み、高速動作が可能な縦型有機薄膜トランジスタにおいて、複雑なプロセスを用いることなく電流オンオフ比の大きな有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意検討した結果、従来のゲート電極の膜厚よりも厚い膜厚を有するゲート電極を適用することで、ソース−ドレイン電流のオンオフ比が向上することを見いだし、本発明を発明するに到ったものである。
【００１３】
本発明に係る有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース電極もしくはドレイン電極）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート電極）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン電極もしくはソース電極）の順に積層した構造を有し、第３の電極の膜厚が８０ｎｍ以上、５μｍ以下の厚さを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の縦型有機薄膜トランジスタにおいては、従来のゲート電極の膜厚よりも厚い膜厚を有するゲート電極を適用する。ゲート電極の厚さを厚くすることで、ゲート電極によるソース電極とドレイン電極間に流れる電流変調量を大きくでき、大きなオンオフ比を有する縦型の有機薄膜トランジスタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面等を参照し、本発明に係る実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。図２は比較形態例の縦型構造を有する有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。図３及び図４は本発明に係る有機薄膜トランジスタにおける開口部を有する第３の電極（ゲート）の第１例及び第２例を示す平面パターン図である。図５及び図６は第３の電極の上部と下部、及び周囲に絶縁膜を有する有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。
【００１６】
本発明の実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ａは、図１に示すように、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を縦に配置した構造を有している。有機薄膜トランジスタ１０Ａは、基板１１上に第１の電極（ソース又はドレイン）１２、第１の有機半導体層１５、厚さ８０ｎｍ以上の第３の電極（ゲート）１４、第２の有機半導体層１６、第２の電極（ドレイン又はソース）１３が記載の順に積層されている。第３の電極１４に加える電圧によって第１の電極１２と第２の電極１４との間を流れる電流を制御する。図１には本発明に関係するトランジスタの部分のみを示している。しかし、図示していないが、各電極はそれぞれ取り出しパッド等に接続されているものである。
【００１７】
第３の電極１４は、第１の電極１２及び第２の電極１３に挟まれた中間部位に配置され、開口部（１８）を有し、第１の電極１２および第２の電極１３より小さい面積で形成されている。第３の電極は、このように第１及び第２の電極より平面パターン面積が小さく、平面視上小さいほうが有効である。また第３の電極の平面パターンが小さければ特に開口部を有さなくても動作する。しかし、第３の電極の平面パターン全体は大きくし、開口部を有することでその面積を小さくすることが効果的である。このように第３の電極が開口部を有することにより、より大きな電流を得ることが可能となり、トランジスタとして必要な電流値を容易に得ることができる。
【００１８】
この開口部の形状は特に限定されないが、たとえば図３及び図４に示すような櫛歯状もしくは円形状とすることができる。開口部の形状を、櫛歯状もしくは円形状とすることにより、製造冶具の製造や製造プロセスが簡便であり、製造プロセスを複雑にすることなく、有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００１９】
比較形態例の有機薄膜トランジスタ２０は、図２に示すように基板１１、第１の電極１２、第１の有機半導体層１５、開口部を有する第３の電極１４、第２の有機半導体層１６、第２の電極１３から構成される。比較形態例の有機薄膜トランジスタ２０は、図１とほぼ同じ構成を備えているものの、実施形態例に比べて、厚さが薄い第３の電極１４を有する。
【００２０】
以下、本発明の有機薄膜トランジスタに使用される材料や、製造方法について説明する。基板１１として用いることが可能な材料としては、ガラス、シリコン等の無機材料やアクリル系樹脂のようなプラスチックなどを使用することができる。しかし、特にこれらに限定されるものではなく、その上に形成される複合型論理素子を保持できる材料であればよい。また、基板以外の構成要素により有機薄膜トランジスタの構造を十分に支持し得る場合には、使用しない事も可能である。
【００２１】
電極１２〜１４の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、エッチング法、リフトオフ等通常の電極形成プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、導電性ポリマーのような有機材料を電極として使用する場合には、スピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２２】
有機半導体層１５，１６の形成方法としては、真空蒸着法等のドライプロセスの他、スピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。しかし、特にこれらに限定されるものではない。半導体層１５と１６は、主とするキャリアが同一であれば異なる材料でも同一の材料でも良く、また、それぞれの形成方法も同一でも異なる形成方法により形成しても良い。
【００２３】
本発明の有機薄膜トランジスタ１０Ａの電極１２、１３、半導体層１５、１６の膜厚は、特に制限されることはない。しかし、一般に、膜厚が薄すぎるとピンホール等の欠陥が生じやすい。逆に厚すぎるとチャネル長が長くなり、或いは高い印加電圧が必要となって素子の性能劣化の要因になる。そのためこれらの膜厚は、数ｎｍから５００ｎｍの範囲が好ましい。
【００２４】
さらに実施形態例の応用例として、本発明の有機薄膜トランジスタは、図５及び図６に示すように第３の電極１４の上部もしくは下部、もしくは周囲に絶縁性薄膜１７を有することができる。第３の電極１４に縁性薄膜１７を有することにより第３の電極に流れる漏れ電流を抑制することができる。これらの絶縁性薄膜１７の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などの通常の薄膜プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、絶縁性薄膜１７を溶液により形成する場合にはスピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。また、第３の電極にアルミニウムを使用した場合、アルミニウム電極を形成した後に表面を酸化して、アルミニウム酸化物とすることで絶縁膜として使用することが可能となる。
【００２５】
上記したように本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極、第１の有機半導体層、厚さ８０ｎｍ以上の第３の電極、第２の有機半導体層、第２の電極の順に積層した構造を有する。通常５０ｎｍ以下程度の厚さを有する第３の電極の厚さを８０ｎｍ以上の厚膜にすることで、ソースドレイン間の電流変調量を大きくでき、電流オンオフ比の大きな有機薄膜トランジスタが得られる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明にかかる有機薄膜トランジスタの具体的な実施例として、その代表的な構成材料と、その構成材料により作製されたトランジスタの特性について、詳細に説明する。図２に示す有機薄膜トランジスタを比較例１とし、図１、図５、図６に示す本発明の有機薄膜トランジスタを実施例１〜１９として作製する。作製した有機薄膜トランジスタのそれぞれの電流オンオフ比やゲート電流値を測定し、比較した。この実施例における第３の電極１４の開口部は、図３に示す櫛歯状の形状である。さらに第１の電極１２はソース電極、第２の電極１３はドレイン電極、第３の電極１４はゲート電極として説明する。しかし、第１の電極１２をドレイン電極、第２の電極１３をソース電極とすることもできる。このように本発明は、その要旨を越えない限り、これらの実施例に特に限定されるものではない。
【００２７】
（比較例１）
比較形態例で説明した図２の有機薄膜トランジスタ２０を以下の手順で作製した。無アルカリガラス基板上にソース電極１２として金を、シャドウマスクを用いた真空蒸着法にて１００ｎｍ形成した。第１の有機半導体層１５として銅フタロシアニンを、シャドウマスクを用いた蒸着法にて１００ｎｍ形成した。ゲート電極１４としてアルミニウムを、シャドウマスクを用いた真空蒸着法により製膜した。この時の膜厚は３０ｎｍとした。このようにゲート電極１４は、通常５０ｎｍ以下程度の厚さで構成されるものである。ここで用いたシャドウマスクは図３に示す櫛歯状であり、ゲート電極の電極幅２０μm、電極間隔２０μmになるように設計した。次いで第２の有機半導体層１６として銅フタロシアニンを、シャドウマスクを用いた蒸着法にて、ゲート電極上の厚さが１００ｎｍになるように形成した。最後にドレイン電極として真空蒸着法により金を１００ｎｍ製膜し有機薄膜トランジスタ２０１を作製した。
【００２８】
作製した有機薄膜トランジスタ２０１のソース電極とドレイン電極間に５Ｖの電圧を印加し、ゲート電極にオン電圧−５Ｖ、オフ電圧５Ｖの電圧を印加し、ソース−ドレイン電流を測定した。ゲート電圧−５Ｖのときのソース−ドレイン電流（オン電流）とゲート電圧５Ｖのときのソース−ドレイン電流（オフ電流）とのオンオフ比は２．３×１０２であった。
【００２９】
（実施例１〜７）
実施例１〜７は、有機薄膜トランジスタのゲート電極の厚みを４０ｎｍから１００ｎｍまで１０ｎｍ毎に変化させた実施例である。ゲート電極の厚みと、そのゲート電極膜厚に伴う第２の有機半導体層の厚さ以外は、比較例とまったく同じプロセスで、図１の有機薄膜トランジスタ（１０１〜１０７）を作製した。
【００３０】
比較例と同じ条件でオンオフ比を測定した結果を、表１に示す。ゲート電極の厚さが７０ｎｍまではオンオフ比の向上はほとんど見られない。しかし、ゲート電極の厚さが８０ｎｍ以上では、オンオフ比として比較例に対し７５〜８６倍の著しい向上が見られた。ゲート電圧の膜厚としては、厚ければ厚いほどその効果が大きいと考えられる。しかし、縦型のトランジスタは、ソース電極とドレイン電極を縦方向に積層し、そのチャネル長が短いことで、良い特性が得られるトランジスタである。従ってソース電極とドレイン電極間が広がりすぎると一般的なトランジスタ特性となる。
【００３１】
この縦型構造の利点を生かすためには、ソース電極とドレイン電極との間隔（チャネル長）は５μｍ程度以下が好ましい。そのためゲート電極の厚さは、８０ｎｍ以上、５μｍ以下が好ましいといえる。また成膜等の製造における生産性や、段差における被覆性から考えて、段差は１μｍ程度以下が好ましい。従ってゲート電極の厚さは、８０ｎｍ以上、１μｍ以下がより好ましいものである。このように通常の縦型有機薄膜トランジスタの製造プロセスとなんら変わることなく、ゲート電極である第３の電極の膜厚を８０ｎｍ以上とすることによって、電流のオンオフ比を大きくすることが出来る有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
（実施例８〜１０）
実施例８〜１０は、実施例５に対し有機半導体層として下記（表２）の有機半導体層材料を使用した実施例である。有機半導体層材料として表２に示した化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１０８〜１１０）を作製した。ここでの実施例では、ゲート電極の厚さを８０ｎｍとする。さらに有機半導体層材料として例えば有機薄膜トランジスタ１０８はペンタセン、有機薄膜トランジスタ１０９はＮ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン、有機薄膜トランジスタ１１０はポリ-3-ヘキシルチオフェンを使用している。
【００３４】
ここでは、第１の有機半導体層１５と第２の有機半導体層１６として、同じ有機半導体層材料を使用している。有機半導体材料としては、銅フタロシアニンなどのポルフィリン系化合物、ペンタセンなどのアセン系化合物、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンなどの芳香族系アミン化合物、ポリ-3-ヘキシルチオフェンなどのポリマーなどが使用することができる。しかし、特にこれらに限定されることは無く、電極から注入されたキャリアを輸送する性能を有していればよい。
【００３５】
作製した有機薄膜トランジスタ１０８〜１１０について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表２に示す。本実施例によれば、比較例に対し６３〜３５２倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００３６】
【表２】
【００３７】
（実施例１１〜１４）
実施例１１〜１４は、実施例５に対し第１の電極及び第２の電極として下記表３の金属及び金属化合物を使用した実施例である。第１の電極及び第２の電極材料として表２に示した金属及び金属化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１１１〜１１４）を作製した。第１の電極と第２の電極材料として、有機薄膜トランジスタ１１１はインジウムすず酸化物と金、有機薄膜トランジスタ１１２は白金と金、有機薄膜トランジスタ１１３は銀と金、有機薄膜トランジスタ１１４はパラジウムと金とを、それぞれ使用している。また第３の電極としては、実施例５と同様にアルミニウムを使用し、厚さを８０ｎｍとしている。
【００３８】
これらの電極の材料は、導電性の材料であれば特に限定されない。しかしゲート電極となる第３の電極は、たとえば多くの有機半導体材料とショットキー接合を形成することが容易なアルミニウムを用いると安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。また第１の電極及び第２の電極は、たとえば多くの有機半導体材料へのキャリア注入が容易なインジウムすず酸化物、金、銀、パラジウム、白金のうちから選択された１つの材料で形成することにより有機薄膜トランジスタの性能を有効に活用することができる。
【００３９】
作製した有機薄膜トランジスタ１１１〜１１４について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表３に示す。本実施例によれば、比較例に対し７１〜１３０２倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００４０】
【表３】
【００４１】
（実施例１５〜１７）
実施例１５〜１７は、実施例５に対し第１の有機半導体層及び第２の有機半導体層として下記（表４）に示すように異なる有機半導体層材料を使用した実施例である。第１の有機半導体層にペンタセンあるいは銅フタロシアニン、第２の有機半導体層に表４に示した化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１１５〜１１７）を作製した。
【００４２】
有機薄膜トランジスタは、ゲート電極である第３の電極の形成プロセスの前後に有機半導体層を形成させる。この第１の有機半導体層と第２の有機半導体層にそれぞれことなる有機材料を用いることもできる。この場合、ゲート電極より前に形成する第１の有機半導体層を結晶性の有機材料で形成することにより安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。たとえば、第１の有機半導体層をペンタセン、もしくは銅フタロシアニンのどちらかで形成すると安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。この場合、第２の有機半導体層は特に材料を選ばず、第１の有機半導体層の材料とは異なるペンタセン、銅フタロシアニン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンなどを材料として用いることができる。
【００４３】
作製した有機薄膜トランジスタ１１５〜１１７について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表４に示す。本実施例によれば、比較例に対し８７〜９５０倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００４４】
【表４】
【００４５】
（実施例１８）
実施例１８は図５に示すように、実施例５に対し第３の電極の上下層に絶縁膜を形成した実施例である。第３の電極を形成する前後にスパッタ法により二酸化ケイ素薄膜を１０ｎｍずつ挿入し、有機薄膜トランジスタを作製した。これら以外の作製方法は実施例５と全く同様にし、有機薄膜トランジスタ１０Ｄ（１１８）を作製した。このとき二酸化ケイ素はゲート電極形成時と同じシャドウマスクを用い、ゲート電極の上下に重なるように形成した。
【００４６】
縦型有機薄膜トランジスタの場合、第１の電極及び第２の電極と第３の電極が非常に近い位置に配置されるため、第３の電極を流れる漏れ電流が発生しやすいという虞がある。この場合、第３の電極の上部もしくは下部に絶縁性薄膜１７を有することで漏れ電流を抑制することができる。図５においては、第３の電極の上部と下部に絶縁性薄膜１７を有しているが、片側のみとすることもできる。
【００４７】
絶縁性薄膜に使用される材料としては、電気絶縁性を有している材料であれば特に限定されること無く使用することができる。たとえばスパッタ、蒸着等の真空プロセスで形成できる二酸化珪素や、有機材料から選択することで製造プロセスを複雑にすることなく有機薄膜トランジスタを製造することができる。絶縁性薄膜の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などの通常の薄膜プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、絶縁性薄膜１７を溶液により形成する場合にはスピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。
【００４８】
作製した有機薄膜トランジスタ１１８について、実施例５と同様にオンオフ比を測定し、２．１×１０４のオンオフ比を得た。また、このときのゲート電極を流れる電流は２５ナノアンペアで、実施例５のときのゲート電流値（３８５ナノアンペア）の１０分の１以下であった。
【００４９】
（実施例１９）
実施例１９は図６に示すように、実施例５に対し第３の電極を覆うように絶縁膜を形成した実施例である。実施例５において、ゲート電極形成後、純酸素雰囲気下に６時間放置し、酸化アルミニウム皮膜を形成させ、有機薄膜トランジスタを作製した。この絶縁膜の形成工程以外の製造方法は実施例５と全く同様にし、有機薄膜トランジスタ１０Ｅ（１１９）を作製した。
【００５０】
このようにゲート電極にアルミニウムを使用した場合、アルミニウム電極を形成した後に表面を酸化して、アルミニウム酸化物とすることで絶縁膜として使用することが可能となる。
【００５１】
作製した有機薄膜トランジスタ１１９について、実施例５と同様にオンオフ比を測定し、８．６×１０４のオンオフ比を得た。また、このときのゲート電極を流れる電流は３２ナノアンペアで、実施例５のときのゲート電流値（３８５ナノアンペア）の１０分の１以下であった。
【００５２】
以上実施例１〜１９として、本発明にかかる有機薄膜トランジスタの具体的な実施例の構成と、その特性を説明した。本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース電極もしくはドレイン電極）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート電極）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン電極もしくはソース電極）の順に積層した構造を有する。この第３の電極の厚さを、８０ｎｍ以上、５μｍ以下の膜厚とする。第３の電極の膜厚を厚くすることで、ソースドレイン電流のオンオフ比を従来の５倍以上向上させることができる。本発明によれば、特に特殊な製造プロセスを用いることなく、大きなソース−ドレイン電流のオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタを得ることができる。
【００５３】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明した。しかし本発明に係る有機薄膜トランジスタは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではない。すなわち本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した有機薄膜トランジスタも、本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ａの構成を示す断面図である。
【図２】比較例の有機薄膜トランジスタ２０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ｂにおける開口部を有するゲート電極の第１例（櫛歯状）の平面パターン図である。
【図４】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ｃにおける開口部を有するゲート電極の第２例（円形状）の平面パターン図である。
【図５】本発明に係る実施形態例の絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ１０Ｄの構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施形態例の絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ１０Ｅの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０Ａ：有機薄膜トランジスタ
１０Ｂ：有機薄膜トランジスタ(櫛歯開口部構造)
１０Ｃ：有機薄膜トランジスタ(円形開口部構造)
１０Ｄ：絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ
１０Ｅ：絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ
２０：比較例の縦型有機薄膜トランジスタ
１１：基板
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：第３の電極
１５：第１の有機半導体層
１６：第２の有機半導体層
１７：絶縁性薄膜
１８：ゲート電極開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機材料を半導体層として有する有機薄膜トランジスタに関し、特にソース-ドレイン間の電流変調量を大きくすることができる有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタは、液晶表示装置等の表示用のスイッチング素子として広く用いられている。従来、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor以下、ＴＦＴとも呼ぶ）は、アモルファスや多結晶のシリコンを用いて作製されていた。しかし、このようなシリコンを用いたＴＦＴの作製に用いられるＣＶＤ装置は、非常に高額であり、ＴＦＴを用いた表示装置等の大型化は、製造コストの大幅な増加を伴うという問題点があった。また、アモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは非常に高い温度下で行われる。そのため基板として使用可能な材料の種類が限られ、軽量な樹脂基板等は使用できないという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決するために、アモルファスや多結晶のシリコンに代えて有機物を用いたＴＦＴが提案されている。この有機物でＴＦＴを形成する際に用いる成膜方法として、真空蒸着法や塗布法等が知られている。これらの成膜方法によれば、コストアップを抑えつつ素子の大型化が実現可能になり、成膜時に必要となるプロセス温度を比較的低温にすることができる。このため、有機物を用いたＴＦＴでは、基板に用いる材料の選択時の制限が少ないといった利点が得られ、その実用化が期待されている。
【０００４】
実際、近年、有機物を用いたＴＦＴは盛んに報告されるようになった。有機薄膜トランジスタに関する報告例としては、下記非特許文献１〜１４や特許文献１〜９などがある。これらのＴＦＴの有機化合物層に用いる有機物としては、共役系ポリマーやチオフェンなどの多量体（特許文献１〜５）、或いは金属フタロシアニン化合物（特許文献６）、またペンタセンなどの縮合芳香族炭化水素（特許文献７、８）などが、単体或いは他の化合物との混合物の状態で用いられている。
【０００５】
また、半導体層の材料として有機材料を使用することにより、素子の基板もガラスなどの硬い材料はもちろんのこと、樹脂やプラスチックを適用することができる。そのため素子全体にフレキシブル性を持たせることが可能となり、フレキシブル有機薄膜トランジスタに関する研究も盛んに行われている。さらに、有機薄膜トランジスタの製造プロセスとして溶液を用いた塗布プロセスを採用することができる。このように低コスト化等を目標とした塗布プロセス、印刷プロセスを適用した製造方法の研究も盛んに行われている。
【０００６】
このように有機材料を用いたＴＦＴの開発は多く行われている。しかし、有機材料をＴＦＴのチャネル材料に用いた場合、シリコン系の材料に比べてキャリアの移動度が著しく小さく、実用的な動作速度を有する有機ＴＦＴを作製することは非常に困難であった。シリコン系材料の場合、アモルファスシリコンでは移動度１〜１０（cm2/Vs）、ポリシリコンでは１００（cm2/Vs）程度が得られる。これに対し、有機材料の移動度は特殊な単結晶を除いて１（cm2/Vs）以下であり、トランジスタの動作性能のひとつである遮断周波数はせいぜい数kHz程度であった。
【０００７】
この移動度の低い有機ＴＦＴを実用化させるための方法のひとつとして、縦型有機トランジスタが検討されている（たとえば、非特許文献１３、１４、特許文献９）。この構造においては実際に遮断周波数数十kＨｚでの動作に成功している。しかし、縦型有機トランジスタにおいて、十分なソースとドレイン間に流れる電流オンオフ比が得られないという課題がある。
【０００８】
【非特許文献１】F. Ebisawaら，Journal of Applied Physics，５４巻，３２５５頁，１９８３年
【非特許文献２】A. Assadiら，Applied Physics Letter，５３巻，１９５頁，１９８８年
【非特許文献３】G. Guillaudら，Chemical Physics Letter，１６７巻，５０３頁，１９９０年
【非特許文献４】X. Pengら，Applied Physics Letter，５７巻，２０１３頁，１９９０年
【非特許文献５】G. Horowitzら, Synthetic Metals, ４１−４３巻，１１２７頁，１９９１年
【非特許文献６】S. Miyauchiら，Synthetic Metals，４１−４３巻，１９９１年
【非特許文献７】H. Fuchigamiら，Applied Physics Letter，６３巻，１３７２頁，１９９３年
【非特許文献８】H. Koezukaら，Applied Physics Letter，６２巻，１７９４頁，１９９３年
【非特許文献９】F. Garnierら，Science，２６５巻，１６８４頁，１９９４年
【非特許文献１０】A. R. Brownら，Synthetic Metals，６８巻，６５頁，１９９４年
【非特許文献１１】A. Dodabalapurら，Science，２６８巻，２７０頁，１９９５年
【非特許文献１２】T. Sumimotoら，Synthetic Metals，８６巻，２２５９頁，１９９７年
【非特許文献１３】K. Kudoら，Thin Solid Films, ３３１巻，５１頁，１９９８年
【非特許文献１４】K. Kudoら，Thin Solid Films，４３８−４３９巻，３３０頁，２００３年
【特許文献１】特開平８−２２８０３４号公報
【特許文献２】特開平８−２２８０３５号公報
【特許文献３】特開平９−２３２５８９号公報
【特許文献４】特開平１０−１２５９２４号公報
【特許文献５】特開平１０−１９０００１号公報
【特許文献６】特開２０００−１７４２７７号公報
【特許文献７】特開平５−５５５６８号公報
【特許文献８】特開２００１−９４１０７号公報
【特許文献９】特開２００４−６４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
有機物を利用して薄膜トランジスタを製造しようとする場合、従来はシリコンデバイスと類似のＭＯＳ型構造で検討されてきた。しかし有機半導体薄膜のキャリア移動度が小さく、実用的な動作速度を有する有機薄膜トランジスタは得られていない。さらにこの課題を解決するために静電誘導型トランジスタに類似の構造を有する縦型有機薄膜トランジスタも検討され、高速動作が期待されている。
【００１０】
しかしながら縦型有機薄膜トランジスタは、構造上ソース電極とドレイン電極が重なっている部分が大きく、ゲート電極による変調が効きにくい部分が多く存在する。そのため、ゲート電極で変調できるソース−ドレイン電流量に限界があり結果として、ソース−ドレイン間の電流オンオフ比の大きな素子を得ることは困難であった。また、電流オンオフ比を大きくするためにはゲート電極の加工を非常に微細に行う必要があり、有機薄膜トランジスタの特徴である製造プロセスの簡便性が失われてしまうという欠点を有していた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑み、高速動作が可能な縦型有機薄膜トランジスタにおいて、複雑なプロセスを用いることなく電流オンオフ比の大きな有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意検討した結果、従来のゲート電極の膜厚よりも厚い膜厚を有するゲート電極を適用することで、ソース−ドレイン電流のオンオフ比が向上することを見いだし、本発明を発明するに到ったものである。
【００１３】
本発明に係る有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース電極もしくはドレイン電極）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート電極）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン電極もしくはソース電極）の順に積層した構造を有し、第３の電極の膜厚が８０ｎｍ以上、５μｍ以下の厚さを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の縦型有機薄膜トランジスタにおいては、従来のゲート電極の膜厚よりも厚い膜厚を有するゲート電極を適用する。ゲート電極の厚さを厚くすることで、ゲート電極によるソース電極とドレイン電極間に流れる電流変調量を大きくでき、大きなオンオフ比を有する縦型の有機薄膜トランジスタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面等を参照し、本発明に係る実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。図２は比較形態例の縦型構造を有する有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。図３及び図４は本発明に係る有機薄膜トランジスタにおける開口部を有する第３の電極（ゲート）の第１例及び第２例を示す平面パターン図である。図５及び図６は第３の電極の上部と下部、及び周囲に絶縁膜を有する有機薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。
【００１６】
本発明の実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ａは、図１に示すように、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を縦に配置した構造を有している。有機薄膜トランジスタ１０Ａは、基板１１上に第１の電極（ソース又はドレイン）１２、第１の有機半導体層１５、厚さ８０ｎｍ以上の第３の電極（ゲート）１４、第２の有機半導体層１６、第２の電極（ドレイン又はソース）１３が記載の順に積層されている。第３の電極１４に加える電圧によって第１の電極１２と第２の電極１４との間を流れる電流を制御する。図１には本発明に関係するトランジスタの部分のみを示している。しかし、図示していないが、各電極はそれぞれ取り出しパッド等に接続されているものである。
【００１７】
第３の電極１４は、第１の電極１２及び第２の電極１３に挟まれた中間部位に配置され、開口部（１８）を有し、第１の電極１２および第２の電極１３より小さい面積で形成されている。第３の電極は、このように第１及び第２の電極より平面パターン面積が小さく、平面視上小さいほうが有効である。また第３の電極の平面パターンが小さければ特に開口部を有さなくても動作する。しかし、第３の電極の平面パターン全体は大きくし、開口部を有することでその面積を小さくすることが効果的である。このように第３の電極が開口部を有することにより、より大きな電流を得ることが可能となり、トランジスタとして必要な電流値を容易に得ることができる。
【００１８】
この開口部の形状は特に限定されないが、たとえば図３及び図４に示すような櫛歯状もしくは円形状とすることができる。開口部の形状を、櫛歯状もしくは円形状とすることにより、製造冶具の製造や製造プロセスが簡便であり、製造プロセスを複雑にすることなく、有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００１９】
比較形態例の有機薄膜トランジスタ２０は、図２に示すように基板１１、第１の電極１２、第１の有機半導体層１５、開口部を有する第３の電極１４、第２の有機半導体層１６、第２の電極１３から構成される。比較形態例の有機薄膜トランジスタ２０は、図１とほぼ同じ構成を備えているものの、実施形態例に比べて、厚さが薄い第３の電極１４を有する。
【００２０】
以下、本発明の有機薄膜トランジスタに使用される材料や、製造方法について説明する。基板１１として用いることが可能な材料としては、ガラス、シリコン等の無機材料やアクリル系樹脂のようなプラスチックなどを使用することができる。しかし、特にこれらに限定されるものではなく、その上に形成される複合型論理素子を保持できる材料であればよい。また、基板以外の構成要素により有機薄膜トランジスタの構造を十分に支持し得る場合には、使用しない事も可能である。
【００２１】
電極１２〜１４の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、エッチング法、リフトオフ等通常の電極形成プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、導電性ポリマーのような有機材料を電極として使用する場合には、スピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２２】
有機半導体層１５，１６の形成方法としては、真空蒸着法等のドライプロセスの他、スピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。しかし、特にこれらに限定されるものではない。半導体層１５と１６は、主とするキャリアが同一であれば異なる材料でも同一の材料でも良く、また、それぞれの形成方法も同一でも異なる形成方法により形成しても良い。
【００２３】
本発明の有機薄膜トランジスタ１０Ａの電極１２、１３、半導体層１５、１６の膜厚は、特に制限されることはない。しかし、一般に、膜厚が薄すぎるとピンホール等の欠陥が生じやすい。逆に厚すぎるとチャネル長が長くなり、或いは高い印加電圧が必要となって素子の性能劣化の要因になる。そのためこれらの膜厚は、数ｎｍから５００ｎｍの範囲が好ましい。
【００２４】
さらに実施形態例の応用例として、本発明の有機薄膜トランジスタは、図５及び図６に示すように第３の電極１４の上部もしくは下部、もしくは周囲に絶縁性薄膜１７を有することができる。第３の電極１４に縁性薄膜１７を有することにより第３の電極に流れる漏れ電流を抑制することができる。これらの絶縁性薄膜１７の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などの通常の薄膜プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、絶縁性薄膜１７を溶液により形成する場合にはスピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。また、第３の電極にアルミニウムを使用した場合、アルミニウム電極を形成した後に表面を酸化して、アルミニウム酸化物とすることで絶縁膜として使用することが可能となる。
【００２５】
上記したように本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極、第１の有機半導体層、厚さ８０ｎｍ以上の第３の電極、第２の有機半導体層、第２の電極の順に積層した構造を有する。通常５０ｎｍ以下程度の厚さを有する第３の電極の厚さを８０ｎｍ以上の厚膜にすることで、ソースドレイン間の電流変調量を大きくでき、電流オンオフ比の大きな有機薄膜トランジスタが得られる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明にかかる有機薄膜トランジスタの具体的な実施例として、その代表的な構成材料と、その構成材料により作製されたトランジスタの特性について、詳細に説明する。図２に示す有機薄膜トランジスタを比較例１とし、図１、図５、図６に示す本発明の有機薄膜トランジスタを実施例１〜１９として作製する。作製した有機薄膜トランジスタのそれぞれの電流オンオフ比やゲート電流値を測定し、比較した。この実施例における第３の電極１４の開口部は、図３に示す櫛歯状の形状である。さらに第１の電極１２はソース電極、第２の電極１３はドレイン電極、第３の電極１４はゲート電極として説明する。しかし、第１の電極１２をドレイン電極、第２の電極１３をソース電極とすることもできる。このように本発明は、その要旨を越えない限り、これらの実施例に特に限定されるものではない。
【００２７】
（比較例１）
比較形態例で説明した図２の有機薄膜トランジスタ２０を以下の手順で作製した。無アルカリガラス基板上にソース電極１２として金を、シャドウマスクを用いた真空蒸着法にて１００ｎｍ形成した。第１の有機半導体層１５として銅フタロシアニンを、シャドウマスクを用いた蒸着法にて１００ｎｍ形成した。ゲート電極１４としてアルミニウムを、シャドウマスクを用いた真空蒸着法により製膜した。この時の膜厚は３０ｎｍとした。このようにゲート電極１４は、通常５０ｎｍ以下程度の厚さで構成されるものである。ここで用いたシャドウマスクは図３に示す櫛歯状であり、ゲート電極の電極幅２０μm、電極間隔２０μmになるように設計した。次いで第２の有機半導体層１６として銅フタロシアニンを、シャドウマスクを用いた蒸着法にて、ゲート電極上の厚さが１００ｎｍになるように形成した。最後にドレイン電極として真空蒸着法により金を１００ｎｍ製膜し有機薄膜トランジスタ２０１を作製した。
【００２８】
作製した有機薄膜トランジスタ２０１のソース電極とドレイン電極間に５Ｖの電圧を印加し、ゲート電極にオン電圧−５Ｖ、オフ電圧５Ｖの電圧を印加し、ソース−ドレイン電流を測定した。ゲート電圧−５Ｖのときのソース−ドレイン電流（オン電流）とゲート電圧５Ｖのときのソース−ドレイン電流（オフ電流）とのオンオフ比は２．３×１０２であった。
【００２９】
（実施例１〜７）
実施例１〜７は、有機薄膜トランジスタのゲート電極の厚みを４０ｎｍから１００ｎｍまで１０ｎｍ毎に変化させた実施例である。ゲート電極の厚みと、そのゲート電極膜厚に伴う第２の有機半導体層の厚さ以外は、比較例とまったく同じプロセスで、図１の有機薄膜トランジスタ（１０１〜１０７）を作製した。
【００３０】
比較例と同じ条件でオンオフ比を測定した結果を、表１に示す。ゲート電極の厚さが７０ｎｍまではオンオフ比の向上はほとんど見られない。しかし、ゲート電極の厚さが８０ｎｍ以上では、オンオフ比として比較例に対し７５〜８６倍の著しい向上が見られた。ゲート電圧の膜厚としては、厚ければ厚いほどその効果が大きいと考えられる。しかし、縦型のトランジスタは、ソース電極とドレイン電極を縦方向に積層し、そのチャネル長が短いことで、良い特性が得られるトランジスタである。従ってソース電極とドレイン電極間が広がりすぎると一般的なトランジスタ特性となる。
【００３１】
この縦型構造の利点を生かすためには、ソース電極とドレイン電極との間隔（チャネル長）は５μｍ程度以下が好ましい。そのためゲート電極の厚さは、８０ｎｍ以上、５μｍ以下が好ましいといえる。また成膜等の製造における生産性や、段差における被覆性から考えて、段差は１μｍ程度以下が好ましい。従ってゲート電極の厚さは、８０ｎｍ以上、１μｍ以下がより好ましいものである。このように通常の縦型有機薄膜トランジスタの製造プロセスとなんら変わることなく、ゲート電極である第３の電極の膜厚を８０ｎｍ以上とすることによって、電流のオンオフ比を大きくすることが出来る有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
（実施例８〜１０）
実施例８〜１０は、実施例５に対し有機半導体層として下記（表２）の有機半導体層材料を使用した実施例である。有機半導体層材料として表２に示した化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１０８〜１１０）を作製した。ここでの実施例では、ゲート電極の厚さを８０ｎｍとする。さらに有機半導体層材料として例えば有機薄膜トランジスタ１０８はペンタセン、有機薄膜トランジスタ１０９はＮ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン、有機薄膜トランジスタ１１０はポリ-3-ヘキシルチオフェンを使用している。
【００３４】
ここでは、第１の有機半導体層１５と第２の有機半導体層１６として、同じ有機半導体層材料を使用している。有機半導体材料としては、銅フタロシアニンなどのポルフィリン系化合物、ペンタセンなどのアセン系化合物、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンなどの芳香族系アミン化合物、ポリ-3-ヘキシルチオフェンなどのポリマーなどが使用することができる。しかし、特にこれらに限定されることは無く、電極から注入されたキャリアを輸送する性能を有していればよい。
【００３５】
作製した有機薄膜トランジスタ１０８〜１１０について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表２に示す。本実施例によれば、比較例に対し６３〜３５２倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００３６】
【表２】
【００３７】
（実施例１１〜１４）
実施例１１〜１４は、実施例５に対し第１の電極及び第２の電極として下記表３の金属及び金属化合物を使用した実施例である。第１の電極及び第２の電極材料として表２に示した金属及び金属化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１１１〜１１４）を作製した。第１の電極と第２の電極材料として、有機薄膜トランジスタ１１１はインジウムすず酸化物と金、有機薄膜トランジスタ１１２は白金と金、有機薄膜トランジスタ１１３は銀と金、有機薄膜トランジスタ１１４はパラジウムと金とを、それぞれ使用している。また第３の電極としては、実施例５と同様にアルミニウムを使用し、厚さを８０ｎｍとしている。
【００３８】
これらの電極の材料は、導電性の材料であれば特に限定されない。しかしゲート電極となる第３の電極は、たとえば多くの有機半導体材料とショットキー接合を形成することが容易なアルミニウムを用いると安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。また第１の電極及び第２の電極は、たとえば多くの有機半導体材料へのキャリア注入が容易なインジウムすず酸化物、金、銀、パラジウム、白金のうちから選択された１つの材料で形成することにより有機薄膜トランジスタの性能を有効に活用することができる。
【００３９】
作製した有機薄膜トランジスタ１１１〜１１４について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表３に示す。本実施例によれば、比較例に対し７１〜１３０２倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００４０】
【表３】
【００４１】
（実施例１５〜１７）
実施例１５〜１７は、実施例５に対し第１の有機半導体層及び第２の有機半導体層として下記（表４）に示すように異なる有機半導体層材料を使用した実施例である。第１の有機半導体層にペンタセンあるいは銅フタロシアニン、第２の有機半導体層に表４に示した化合物を用いた以外は実施例５と全く同様に有機薄膜トランジスタ１０Ａ（１１５〜１１７）を作製した。
【００４２】
有機薄膜トランジスタは、ゲート電極である第３の電極の形成プロセスの前後に有機半導体層を形成させる。この第１の有機半導体層と第２の有機半導体層にそれぞれことなる有機材料を用いることもできる。この場合、ゲート電極より前に形成する第１の有機半導体層を結晶性の有機材料で形成することにより安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。たとえば、第１の有機半導体層をペンタセン、もしくは銅フタロシアニンのどちらかで形成すると安定した有機薄膜トランジスタを得ることができる。この場合、第２の有機半導体層は特に材料を選ばず、第１の有機半導体層の材料とは異なるペンタセン、銅フタロシアニン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンなどを材料として用いることができる。
【００４３】
作製した有機薄膜トランジスタ１１５〜１１７について、実施例５と同様にオンオフ比を測定した結果を表４に示す。本実施例によれば、比較例に対し８７〜９５０倍の良好なオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタが得られた。
【００４４】
【表４】
【００４５】
（実施例１８）
実施例１８は図５に示すように、実施例５に対し第３の電極の上下層に絶縁膜を形成した実施例である。第３の電極を形成する前後にスパッタ法により二酸化ケイ素薄膜を１０ｎｍずつ挿入し、有機薄膜トランジスタを作製した。これら以外の作製方法は実施例５と全く同様にし、有機薄膜トランジスタ１０Ｄ（１１８）を作製した。このとき二酸化ケイ素はゲート電極形成時と同じシャドウマスクを用い、ゲート電極の上下に重なるように形成した。
【００４６】
縦型有機薄膜トランジスタの場合、第１の電極及び第２の電極と第３の電極が非常に近い位置に配置されるため、第３の電極を流れる漏れ電流が発生しやすいという虞がある。この場合、第３の電極の上部もしくは下部に絶縁性薄膜１７を有することで漏れ電流を抑制することができる。図５においては、第３の電極の上部と下部に絶縁性薄膜１７を有しているが、片側のみとすることもできる。
【００４７】
絶縁性薄膜に使用される材料としては、電気絶縁性を有している材料であれば特に限定されること無く使用することができる。たとえばスパッタ、蒸着等の真空プロセスで形成できる二酸化珪素や、有機材料から選択することで製造プロセスを複雑にすることなく有機薄膜トランジスタを製造することができる。絶縁性薄膜の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などの通常の薄膜プロセスを利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。また、絶縁性薄膜１７を溶液により形成する場合にはスピンコート法、ディップ法等の溶液プロセスも利用することができる。
【００４８】
作製した有機薄膜トランジスタ１１８について、実施例５と同様にオンオフ比を測定し、２．１×１０４のオンオフ比を得た。また、このときのゲート電極を流れる電流は２５ナノアンペアで、実施例５のときのゲート電流値（３８５ナノアンペア）の１０分の１以下であった。
【００４９】
（実施例１９）
実施例１９は図６に示すように、実施例５に対し第３の電極を覆うように絶縁膜を形成した実施例である。実施例５において、ゲート電極形成後、純酸素雰囲気下に６時間放置し、酸化アルミニウム皮膜を形成させ、有機薄膜トランジスタを作製した。この絶縁膜の形成工程以外の製造方法は実施例５と全く同様にし、有機薄膜トランジスタ１０Ｅ（１１９）を作製した。
【００５０】
このようにゲート電極にアルミニウムを使用した場合、アルミニウム電極を形成した後に表面を酸化して、アルミニウム酸化物とすることで絶縁膜として使用することが可能となる。
【００５１】
作製した有機薄膜トランジスタ１１９について、実施例５と同様にオンオフ比を測定し、８．６×１０４のオンオフ比を得た。また、このときのゲート電極を流れる電流は３２ナノアンペアで、実施例５のときのゲート電流値（３８５ナノアンペア）の１０分の１以下であった。
【００５２】
以上実施例１〜１９として、本発明にかかる有機薄膜トランジスタの具体的な実施例の構成と、その特性を説明した。本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に第１の電極（ソース電極もしくはドレイン電極）、第１の有機半導体層、第３の電極（ゲート電極）、第２の有機半導体層、第２の電極（ドレイン電極もしくはソース電極）の順に積層した構造を有する。この第３の電極の厚さを、８０ｎｍ以上、５μｍ以下の膜厚とする。第３の電極の膜厚を厚くすることで、ソースドレイン電流のオンオフ比を従来の５倍以上向上させることができる。本発明によれば、特に特殊な製造プロセスを用いることなく、大きなソース−ドレイン電流のオンオフ比を有する有機薄膜トランジスタを得ることができる。
【００５３】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明した。しかし本発明に係る有機薄膜トランジスタは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではない。すなわち本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した有機薄膜トランジスタも、本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ａの構成を示す断面図である。
【図２】比較例の有機薄膜トランジスタ２０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ｂにおける開口部を有するゲート電極の第１例（櫛歯状）の平面パターン図である。
【図４】本発明に係る実施形態例の有機薄膜トランジスタ１０Ｃにおける開口部を有するゲート電極の第２例（円形状）の平面パターン図である。
【図５】本発明に係る実施形態例の絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ１０Ｄの構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施形態例の絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ１０Ｅの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０Ａ：有機薄膜トランジスタ
１０Ｂ：有機薄膜トランジスタ(櫛歯開口部構造)
１０Ｃ：有機薄膜トランジスタ(円形開口部構造)
１０Ｄ：絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ
１０Ｅ：絶縁性薄膜を有する有機薄膜トランジスタ
２０：比較例の縦型有機薄膜トランジスタ
１１：基板
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：第３の電極
１５：第１の有機半導体層
１６：第２の有機半導体層
１７：絶縁性薄膜
１８：ゲート電極開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の電極、第１の有機半導体層、第３の電極、第２の有機半導体層、第２の電極の順に積層した構造を有する有機半導体トランジスタにおいて、前記第３の電極の膜厚が８０ｎｍ以上、５μｍ以下の厚さを有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記第３の電極が開口部を有し、前記第１及び第２の電極よりも小さな面積を有することを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記第３の電極の開口部が櫛歯状もしくは円形状の形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記有機半導体層が銅フタロシアニン、ペンタセン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン、ポリ−３−ヘキシルチオフェンのうちから選択された１つの有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記第３の電極がアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記第１の電極及び第２の電極がインジウムすず酸化物、金、銀、パラジウム、白金のうちから選択された１つの導電性材料を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記第１の有機半導体層と第２の有機半導体層がそれぞれことなる有機材料から形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記第１の有機半導体層が結晶性の有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第１の有機半導体層がペンタセン、もしくは銅フタロシアニンのどちらかを含有し、前記第２の有機半導体層が第１の有機半導体層の材料とは異なるペンタセン、銅フタロシアニン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンのうちから選択された１つの有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に絶縁性の薄膜を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜が二酸化珪素であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜が有機材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜がアルミニウムの酸化物からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１】
基板上に第１の電極、第１の有機半導体層、第３の電極、第２の有機半導体層、第２の電極の順に積層した構造を有する有機半導体トランジスタにおいて、前記第３の電極の膜厚が８０ｎｍ以上、５μｍ以下の厚さを有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記第３の電極が開口部を有し、前記第１及び第２の電極よりも小さな面積を有することを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記第３の電極の開口部が櫛歯状もしくは円形状の形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記有機半導体層が銅フタロシアニン、ペンタセン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン、ポリ−３−ヘキシルチオフェンのうちから選択された１つの有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記第３の電極がアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記第１の電極及び第２の電極がインジウムすず酸化物、金、銀、パラジウム、白金のうちから選択された１つの導電性材料を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記第１の有機半導体層と第２の有機半導体層がそれぞれことなる有機材料から形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記第１の有機半導体層が結晶性の有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記第１の有機半導体層がペンタセン、もしくは銅フタロシアニンのどちらかを含有し、前記第２の有機半導体層が第１の有機半導体層の材料とは異なるペンタセン、銅フタロシアニン、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジンのうちから選択された１つの有機材料を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に絶縁性の薄膜を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１１】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜が二酸化珪素であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１２】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜が有機材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
前記第３の電極の上部もしくは下部もしくは周囲に配置される絶縁性薄膜がアルミニウムの酸化物からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３００４１９（Ｐ２００８−３００４１９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４２０６４（Ｐ２００７−１４２０６４）
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国などの委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率有機デバイスの開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国などの委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率有機デバイスの開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
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