有機薄膜トランジスタ
【課題】本発明は、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を高めることができ、低電圧で動作させることができる有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【解決手段】ゲート電極２０と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜３０とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜３１上に高分子絶縁膜３２が形成された積層構造を有することを特徴とする。
【解決手段】ゲート電極２０と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜３０とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜３１上に高分子絶縁膜３２が形成された積層構造を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜トランジスタに関し、特に、ゲート電極上にゲート絶縁膜が形成された有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フレキシブル化、軽量化などの視点から、有機半導体を用いたトランジスタ（有機ＴＦＴ、Thin Film Transistor）の研究が盛んになっている。一般に、有機半導体を用いる場合、溶液からの塗布成膜が可能となり、各種印刷法を使った大面積プロセスを適用することができ、大幅な低コスト化が可能となる。また、低温作製プロセスであるため、プラスチックなどのフレキシブル基板を利用できると言った利点もある。
【０００３】
有機ＴＦＴの応用分野は広く、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、液晶、電子ペーパー等表示デバイスをアクティブ駆動させる駆動素子として、また、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグやセンサー等への応用も検討されている。しかしながら、現状の有機ＴＦＴは、移動度、動作電圧、駆動安定性において実用的なレベルに到達していない。そのため、有機半導体のみならず、素子構成、作製プロセス等、様々な角度からの改良が急務となっている。
【０００４】
有機ＴＦＴは、一般的に駆動電圧が高いことが問題となっており、その動作電圧が数１０Ｖ〜１００Ｖ程度である特性が報告されている。実際の電子デバイスでは、ロジック回路等に用いる場合で５Ｖ以下、ディスプレイ駆動回路で２０Ｖ以下の動作電圧にする必要がある。
【０００５】
有機ＴＦＴの動作電圧を低くするためには、２つの方法がある。1つはゲート絶縁膜を薄くする方法で、具体的には、自己組織化単分子膜を用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。かかる非特許文献１に記載の方法によれば、自己組織化単分子膜をゲート絶縁膜として用いることで、ゲート絶縁膜の膜厚を数ｎｍ程度にすることができ、ゲート容量を大きくすることができる。これにより、有機ＴＦＴの動作電圧を３Ｖ以下まで大幅に下げることが可能となる。
【０００６】
もう1つの方法は、ゲート絶縁膜の誘電率を大きくする方法が挙げられる（例えば、非特許文献２参照）。かかる非特許文献２に記載の方法によれば、ゲート絶縁膜の誘電率を大きくすることで、少ない電圧でより多くの電流を流すことが可能になるため、有機ＴＦＴの動作電圧を低減することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Nature, Vol.364, No. 6436, 1993年7月29日発行, p.745
【非特許文献２】Yoshiki Iino et al, "Organic Thin Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxide High-Dielectric-Constant Insulators", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) pp. 299-304
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、有機ＴＦＴで用いられる高分子絶縁材料は、誘電率の小さな材料がほとんどであり、有機ＴＦＴの動作電圧を下げる方法は、ゲート絶縁膜の膜厚を薄くする方法にほぼ限られており、上述の非特許文献２に記載の方法は現実的ではない。
【０００９】
一方、上述の非特許文献１に記載された方法のように、ゲート絶縁膜を薄くして有機ＴＦＴの動作電圧を低減した場合、絶縁耐圧が低くなるという問題があった。非特許文献1で報告されている自己組織化単分子膜を使ったゲート絶縁膜は、膜厚が数ｎｍ程度であるため、およそ４Ｖ程度の電圧で絶縁破壊を起こしてしまう。そのため、この絶縁膜は動作電圧が２０Ｖ程度となるディスプレイ駆動回路の有機ＴＦＴには用いることはできないという問題があった。また、高分子絶縁材料を薄膜化して動作電圧を低減することもできるが、高分子絶縁材料の絶縁耐圧は一般的に１ＭＶ／ｃｍ程度と低いため、ディスプレイ駆動回路に用いる場合、２００ｎｍ程度までしか薄膜化できないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を高めることができ、低電圧で動作させることができる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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜上に高分子絶縁膜が形成された積層構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記自己組織化単分子膜は、リン酸系自己組織化単分子膜であってもよい。
【００１３】
また、前記リン酸系自己組織化単分子膜は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表される長鎖アルキル基を有してもよい。
【００１４】
また、前記高分子絶縁膜は、疎水性を有する膜であってもよい。
【００１５】
また、前記ゲート電極はアルミニウムで構成され、表面が酸素プラズマ処理されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上させることができ、トランジスタ動作を低電圧で行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図２】実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法の説明図である。図２（Ａ）は、ゲート電極形成工程の一例を示した図である。図２（Ｂ）は、ゲート電極表面処理工程の一例を示した図である。図２（Ｃ）は、自己組織化単分子膜形成工程の一例を示した図である。図２（Ｄ）は、高分子ゲート絶縁膜形成工程の一例を示した図である。図２（Ｅ）は、ソース・ドレイン電極形成工程の一例を示した図である。図２（Ｆ）は、有機半導体層形成工程の一例を示した図である。
【図３】実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図４】実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図５】実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのトランジスタ特性図である。図５（Ａ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の変化特性図である。図５（Ｂ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するゲート電流の変化特性図である。
【図６】実施例２及び比較例３、４に係る有機薄膜トランジスタの電流電圧特性の測定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１９】
〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る有機薄膜トランジスタ（以下、「有機ＴＦＴ」と呼んでもよいこととする。）の一例を示した断面構成図である。図１において、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０と、ゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０と、ソース電極４０と、ドレイン電極４１と、有機半導体層５０とを有する。また、ゲート絶縁膜３０は、自己組織化単分子膜３１と、高分子ゲート絶縁膜３２とを有する。
【００２０】
図１において、絶縁基板１０上にゲート電極２０が形成され、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成された積層構造を有している。また、ソース電極４０及びドレイン電極４１は、高分子ゲート絶縁膜３２の表面上の、上面視的にゲート電極２０の両端を覆うような位置に形成されている。また、ソース電極４０とドレイン電極４１との間の高分子ゲート絶縁膜３２上には、有機半導体層５０が形成されており、有機半導体層５０は、ソース電極４０とドレイン電極４１の内側端部を覆っている。図１に示す構造は、ボトムゲート・ボトムコンタクト構造と呼ばれる構造である。
【００２１】
絶縁基板１０は、絶縁材料からなる種々の基板で構成されてよいが、例えば、石英、シリコンなどのガラス基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン、ポリカーボネート等のプラスチックフィルム等を用いることが出来る。また、表面が絶縁性処理されていれば、金属フォイル等も絶縁基板１０として用いることができる。
【００２２】
ゲート電極２０は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの入力となる電極であり、例えば、アルミニウムで構成されてよい。ゲート電極２０の表面上には、自己組織化単分子膜３１が形成されるが、ゲート電極２０の表面は、自己組織化単分子膜３１を積層形成するために、必要な表面処理が施されてよい。
【００２３】
ゲート絶縁膜３０は、ゲート電極２０の周囲を覆ってゲート電極２０を絶縁する膜である。本実施形態に係る有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜３０は、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が積層形成された積層構造を有する。有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート電極２０に電圧が印加されたときに、有機半導体層５０にチャネルが形成され、ソース電極４０とドレイン電極４１との間が導通してトランジスタ動作を行うが、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧が、実際の回路に要求される耐圧よりも低いと、有機薄膜トランジスタを実際の回路中のデバイスとして動作させることができない。本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２を形成する積層構造を採用することにより、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を高めている。
【００２４】
自己組織化単分子膜３１は、絶縁基板１０に特定の処理を施すと、化学反応により、有機分子が自ら１分子分だけ付着してゆくという性質を有する膜であり、このような性質を有する膜として、例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１が知られている。自己組織化単分子膜３１は、欠陥が非常に少なく、均一性が非常に高い膜を形成することができるという利点を有する。しかしながら、厚さ方向への成長性が無く、膜厚を厚く形成することができない。よって、自己組織化単分子膜３１は、厚さがほぼ一定に定まってしまい、例えば、数ｎｍ程度の厚さの膜しか形成できない。この場合、２〜３Ｖ程度の絶縁耐圧を得ることができるが、ディスプレイの駆動回路では、２０Ｖの耐圧が要求されるため、このままでは実際の回路に用いることができない。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、自己組織化単分子膜３１の上に、高分子ゲート絶縁膜３２を積層形成し、ゲート絶縁膜３０を構成している。高分子ゲート絶縁膜３２は、ピンホール等の欠陥が多く、単体で用いると大きな絶縁耐圧を得ることができないが、自己組織化単分子膜３１と異なり、厚さ方向に成長させて成膜することが可能であり、膜の厚さを制御することができるという利点を有する。よって、自己組織化単分子膜３１の上に必要な厚さで成膜することにより、ゲート絶縁膜３０全体の絶縁耐圧を向上させることができる。例えば、数ｎｍの自己組織化単分子膜３１の上に、数１０ｎｍ、例えば５０ｎｍ程度の厚さの高分子ゲート酸化膜３２を積層形成することにより、５〜１０Ｖ程度の耐圧を有するゲート酸化膜３０を構成することが可能である。よって、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１を形成した後、高分子ゲート絶縁膜３２を、厚さを調整して形成することにより、所望の耐圧のゲート絶縁膜３０を構成することができる。
【００２６】
このように、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜３０を、自己組織化単分子膜３１と高分子ゲート絶縁膜３２との積層構造とすることにより、所望の絶縁耐圧を得ることができる。
【００２７】
なお、自己組織化単分子膜３１は、自己組織化の性質を有する種々の膜を用いることができるが、例えば、リン酸系自己組織化単分子膜を用いる場合には、ゲート電極２０をアルミニウムで構成することが好ましい。ゲート電極２０の上に形成されるリン酸系の自己組織化単分子膜３１は、Ａｌ表面にある酸化膜Ａｌ２Ｏ３と最も結合し易く、相性が良いからである。なお、アルミニウムのゲート電極２０は、種々の方法で形成されてよい。
【００２８】
高分子ゲート絶縁膜３２は、種々の高分子ポリマー絶縁膜で構成されてよい。高分子ゲート絶縁膜３２に用いる材料は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、サイトップ、テフロン（登録商標）などの絶縁性高分子を用いることができる。
【００２９】
なお、自己組織化単分子膜３１と高分子ゲート絶縁膜３２は、両者の密着度が高くなるような材料の組み合わせを選択することが好ましい。例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１は撥水性を有するので、高分子ゲート絶縁膜３２には、疎水性を有する溶媒を選択する必要がある。この場合、例えば、高分子ゲート絶縁膜３２に、疎水性のあるフッ素系の膜を用いることにより、適切に積層構造のゲート絶縁膜３０を構成することができる。
【００３０】
ソース電極４０及びドレイン電極４１は、有機薄膜トランジスタの出力電極であり、種々の材料から構成することができる。ソース電極４０及びドレイン電極４１の材料としては、例えば、金、銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液若しくは銀などの金属粒子を導電材料として用いたペーストが挙げられる。また、例えば、金属や合金、透明導電膜材料を、全面にスパッタ法や蒸着法等によって成膜後、レジスト材料を用い、フォトリソグラフィ法やスクリーン印刷法で所望のレジストパターンを形成した後、酸等のエッチング液でエッチングすることにより所望のパターンを形成することができる。また、金属や合金、透明導電膜材料を、マスクを用いてスパッタ法や蒸着法で直接所望のパターンを形成することもできる。これらスパッタ法や蒸着法に使用できる金属材料としては、アルミニウム、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、ニッケル、銅、銀、金、白金、パラジウム等が、透明導電膜材料としてはＩＴＯ等が挙げられる。
【００３１】
有機半導体層５０は、トランジスタ動作時にチャネルを形成するアクティブ半導体領域であり、有機半導体膜から構成される。有機半導体層５０は、種々の材料から構成されてよいが、例えば、ペンタセンやアントラセン、ルブラン等の多環芳香族炭化水素、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等の低分子化合物、ポリアセチレンやポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）等のポリマー等を用いてもよい。
【００３２】
なお、図１においては示していないが、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタは、必要に応じて、封止層、遮光層等を設けるようにしてもよい。
【００３３】
次に、図２を用いて、本発明の実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図２は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための図である。なお、図２においては、自己組織化単分子膜３１のリン酸系自己組織化単分子膜を用いた例を挙げて説明する。
【００３４】
図２（Ａ）は、ゲート電極形成工程の一例を示した図である。ゲート電極形成工程においては、絶縁基板１０上にゲート電極２０を成膜する。ゲート電極２０の上に形成されるリン酸系の自己組織化単分子膜３１は、Ａｌ表面にある酸化膜Ａｌ２Ｏ３と最も結合しやすいため、ゲート電極２０にＡｌを用いる必要がある。よって、ゲート電極２０はＡｌで構成する。なお、ゲート電極２０の形成方法は問わない。
【００３５】
図２（Ｂ）は、ゲート電極表面処理工程の一例を示した図である。ゲート電極表面処理工程においては、ゲート電極２０を酸素プラズマにより表面酸化させる。具体的には、ゲート電極２０となるアルミを成膜した後、そのアルミ電極表面を酸素プラズマ処理することで非常に薄いアルミナ層を形成する。なお、プラズマによる表面酸化処理は、ゲート電極２０及び絶縁基板１０を含む全面に行われてよい。
【００３６】
図２（Ｃ）は、自己組織化単分子膜形成工程の一例を示した図である。自己組織化単分子膜形成工程においては、プラズマ処理したゲート電極２０上にアルキル鎖長が炭素数１４のリン酸表面処理剤を用いて、自己組織化単分子膜３１を形成する。つまり、ゲート電極表面所定工程で形成されたアルミナ層を、リン酸系の自己組織化単分子膜で表面処理することで、リン酸系自己組織化膜と反応し、この単分子膜がアルミナ層上に形成される。リン酸系の自己組織化単分子膜３１の分子構造は問わないが、アルキル鎖長が炭素数８以上のリン酸処理剤を用いたほうが効果的である。また、自己組織化単分子膜３１を形成した後の表面の濡れ性を制御するために、アルキル鎖の末端構造を変化させたリン酸処理剤も用いることができる。例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表されるリン酸処理剤を用いてよい。
【００３７】
図２（Ｄ）は、高分子ゲート絶縁膜形成工程の一例を示した図である。高分子ゲート絶縁膜形成工程においては、自己組織化単分子膜３１が形成されたゲート電極２０上に高分子ゲート絶縁材料を塗布し、高分子ゲート絶縁膜３２を形成する。これにより、ゲート絶縁膜３０が完成する。
【００３８】
図２（Ｅ）は、ソース・ドレイン電極形成工程の一例を示した図である。ソース・ドレイン電極形成工程においては、ゲート絶縁膜３０の高分子ゲート絶縁膜３２上に、ソース電極４０及びドレイン電極４１が形成される。ソース電極４０及びドレイン電極４１は、ゲート電極２０の中央領域は開口部となるように、ゲート電極２０の両端部の上方に形成され、ゲート電極２０の両端部と一部重なるような位置に形成される。なお、ソース電極４０とゲート電強４１は、同じ材料から構成されているので、ソース電極４０とドレイン電極４１が入れ替わって形成されてもよい。ソース電極４０及びドレイン電極４１の形成方法や材料は問わない。例えば、フォトリソグラフィ法やディスペンサ法の他、スクリーン印刷法、インクジェット法、フレキソ印刷法、反転オフセット印刷法等の印刷法により形成されてもよい。上述のように、スパッタ法や蒸着法を用いて成膜し、その後にフォトリソグラフィやスクリーン印刷により所定のパターンを形成してもよいし、マスクを用いてスパッタ法や蒸着法により所定のパターンに成膜して構成してもよい。用いる材料は、図１において説明した通り、種々の材料を用いることができる。
【００３９】
図２（Ｆ）は、有機半導体層形成工程の一例を示した図である。有機半導体層形成工程においては、ソース電極４０及びドレイン領域４１の開口部にあり、高分子ゲート絶縁膜３２が露出した部分に、有機半導体膜が形成される。有機半導体層５０の形成方法は問わず、種々の方法により形成されてよい。有機半導体層５０は、高分子ゲート絶縁膜３２上に形成されるとともに、ソース電極４０とドレイン電強４１の各々の開口部側端部を覆うように形成される。有機半導体層５０も、図１において説明した通り、種々の材料から構成されてよい。
【００４０】
例えば、このような工程で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタが製造される。真空プロセスも要せず、低温度でのプロセスで済むので、簡素な工程で低電圧動作可能な有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００４１】
〔実施形態２〕
図３は、本発明の実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０と、ゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０とを備え、これらが下から順に積層されて構成されている点は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。また、ゲート絶縁膜３０が、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が積層形成された構成となっている点も、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。よって、これらの構成要素には、実施形態１と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、高分子ゲート絶縁膜３２上の全面に有機半導体層５１が形成され、有機半導体層５１の上にソース領域４２及びドレイン領域４３が形成されている点で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと異なっている。
【００４３】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、ボトムゲート・トップコンタクト構造と呼ばれている構造を有している。このように、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成されている構成を有していれば、トップコンタクト構造に構成されてもよい。この場合であっても、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成された積層構造を有するので、ゲート絶縁膜３０絶縁耐圧を向上させ、低電圧で動作可能な有機薄膜トランジスタを構成することができる。
【００４４】
なお、ソース電極４０とドレイン電強４１は、厚さ方向の形成位置は有機半導体層５０の上であり、実施形態１と異なるが、上面視的な位置は、ゲート電極２０の両端部を覆うような位置である点で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。
【００４５】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの製造方法については、図２（Ｅ）で説明したソース・ドレイン電極形成工程と、図２（Ｆ）で説明した有機半導体層形成工程の順序を入れ替え、有機半導体層形成工程において、高分子ゲート絶縁膜３２の全面に有機半導体層５１を形成すればよく、他の工程は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００４６】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタによれば、ボトムゲート・トップコンタクト構造の有機薄膜トランジスタにおいても、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を向上させ、トランジスタ動作を低電圧で行うことができる。
【００４７】
〔実施形態３〕
図４は、本発明の実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。図４において、実施形態３に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０上にゲート電極２０が形成され、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成されている点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。よって、これらの構成要素には、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４８】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜３０の高分子ゲート絶縁膜３２の上にドレイン電極４５及び有機半導体層５２が形成され、有機半導体層５２の上方にソース電極４４が形成されている点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと異なっている。なお、ソース電極４４及びドレイン電極４５の上面視的な位置は、ゲート電極２０の両端部を覆うような配置である点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。なお、ソース電極４４とドレイン電極４５の位置が入れ替わっていてもよい点は、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。
【００４９】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタは、トップ＆ボトムコンタクト構造と呼ばれる構造であり、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、このようなトップ＆ボトムコンタクト構造に構成されてもよい。実施形態３に係る有機薄膜トランジスタにおいても、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成され、ゲート絶縁膜３０は、ゲート電極２０上に形成された自己組織化単分子膜３１と、自己組織化単分子膜３１上に形成された高分子ゲート絶縁膜３２の積層構造を有するので、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を向上させ、低電圧でのトランジスタ動作が可能となる。
【００５０】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、図２（Ｅ）で説明したソース・ドレイン電極形成工程と、図２（Ｆ）で説明した有機半導体層形成工程の順序を入れ替え、ドレイン電極４５を形成してから有機半導体層５２を形成し、最後にソース電極４４を形成すればよい。その他の工程は、実施形態１及び２と同様であるので、その説明を省略する。
【００５１】
このように、実施形態１乃至３で説明したように、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成されたボトムゲート構造を有すれば、種々の構造の有機薄膜トランジスタに適用することができる。
【００５２】
次に、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタについて説明する。本実施例に係る有機薄膜トランジスタにおいては、有機半導体層５１に低分子半導体であるペンタセンを用いて、図３に示した実施形態２に係るボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタを作製し、比較例に係る有機薄膜トランジスタと特性比較を行った。なお、以下の各実施例において、実施形態２に係る有機薄膜トランジスタと同様の構成要素については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
〔実施例１〕
本発明の実施例１に係る有機薄膜トランジスタは、以下のようにして作製した。まず、絶縁基板１０としてガラス基板を用い、この絶縁基板１０上にゲート電極２０となるＡｌを、真空蒸着法で３０ｎｍの膜厚になるよう成膜した。この絶縁基板１０をプラズマ処理装置（サムコ製：ＰＣ３００）にセットし、３００Ｗで１０分間、酸素プラズマ処理を行った。その絶縁基板１０を、イソプロピルアルコールを溶媒に用いたリン酸系処理剤（溶液）に数時間浸漬させることで、リン酸系の自己組織化単分子膜３１を形成した。
【００５４】
次に、ゲート絶縁膜材料としてテフロン（登録商標）ＡＦ１６００（三井・デュポンフルオロケミカル製）をスピンコート法により成膜した後、９０℃で３０分、１２０℃で２時間、順にホットプレート上でベークし、膜厚５０ｎｍの高分子ゲート絶縁膜３２を形成した。
【００５５】
高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０を、真空蒸着装置にセットし、ペンタセンを５０ｎｍ成膜し、有機半導体層５０を形成した。
【００５６】
その上にＡｕを３０ｎｍの膜厚になるようマスク蒸着で成膜し、ソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した。
【００５７】
〔比較例１〕
実施例１と同様の作製方法で、自己組織化単分子膜３１まで形成した絶縁基板１０上に、高分子ゲート絶縁膜３２を成膜せず、有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した有機薄膜トランジスタを比較例１とした。有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３の形成法は実施例1と同様である。
【００５８】
なお、比較例１は、高分子ゲート絶縁膜３２が存在せず、実施形態２とは対応していないが、理解の容易のため、対応する構成要素については、実施形態２と同様の参照符号を付すものとする。この点は、以下の比較例においても同様とする。
【００５９】
〔比較例２〕
実施例１と同様の作製方法で、ゲート電極２０まで形成した絶縁基板１０上に、自己組織化単分子膜３１を形成せずに、高分子ゲート絶縁膜３２、有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した有機薄膜トランジスタを比較例２とした。高分子ゲート絶縁膜３２、有機半導体層５１、ソース電極４２及びドレイン電極４３の形成法は実施例1と同様である。
【００６０】
〔実施例２〕
実施例２においては、絶縁耐圧を測定するための素子を作成した。実施例1と同様の方法で高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第１のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と、最後に成膜された第２のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６１】
〔比較例３〕
比較例１と同様の方法で自己組織化単分子膜３１まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第1のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と最後に成膜された第２のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６２】
〔比較例４〕
比較例２と同様の方法で高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第1のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と最後に成膜された第2のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６３】
図５は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのトランジスタ特性を示した図である。図５（Ａ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の変化特性を示した図である。図５（Ａ）において、実施例１、比較例１及び比較例２に係る有機薄膜トランジスタの特性曲線がそれぞれ示されている。なお、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタは、Ｐチャネル型であり、ゲート電極２０に負電圧を印加して駆動する。図５（Ａ）の各特性曲線において、極小値より右側がトランジスタオフ状態を示し、左側がトランジスタオン状態を示している。また、ここでの説明は、極性を無視して、電圧の低い、高いは絶対値の高低を意味するものとする。
【００６４】
図５（Ａ）に示されるように、比較例１に係る自己組織化単分子膜をゲート絶縁膜に用いた有機薄膜トランジスタは、動作電圧は低いが、４Ｖ程度で絶縁破壊を起こした。また、実施例１の特性と比較例２の特性とを比較すると、実施例１の特性曲線の極小値が、比較例３の特性曲線の極小値よりも小さくなっている。これは、実施例1に係る有機薄膜トランジスタが、比較例２に係る有機薄膜トランジスタに比べて、オフ電流が低くリーク電流が少ない特性であることを示している。また、実施例１に係る有機薄膜トランジスタの方が、やや低い電圧でトランジスタを駆動できていることが分かる。
【００６５】
図５（Ｂ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するゲート電流の変化特性を示した図である。図５（Ｂ）において、各特性曲線のゲート電流の変化を比較すると、比較例２と比べて実施例1の有機薄膜トランジスタは、流れる電流量が少ないことから、リーク電流が低いことを示している。また、比較例１に係る有機薄膜トランジスタは、やはり低い電圧で絶縁破壊が発生している。このことから、本発明に示した、リン酸系自己組織化単分子膜３１と高分子膜からなる積層のゲート絶縁膜３２を用いることで、有機薄膜トランジスタの動作電圧を低減し、かつ高い絶縁耐圧を得ることができることを実証することができた。
【００６６】
図６は、実施例２及び比較例３、４に係る有機薄膜トランジスタの電流電圧特性の測定結果を示した図である。比較例３の素子は、４Ｖ程度で絶縁破壊を起こした。実施例２と比較例４の素子を比較すると、実施例２の特性の方が、同じ電圧でも1桁以上電流が少なく、実施例２に係る有機薄膜トランジスタの絶縁特性の方が優れていることがわかる。また、絶縁破壊が起こる電圧も、実施例２の素子の方が１０Ｖ程度高くなっており、このことからも、絶縁耐圧が向上していることを示している。以上の結果から、自己組織化単分子膜３１によってゲート電極２０を表面処理することが、高分子ゲート絶縁膜３２の絶縁耐圧を高めることに効果的であることが分かる。
【００６７】
このように、本発明に係る有機薄膜トランジスタによれば、絶縁ゲート３０の絶縁耐性を高め、低い電圧でトランジスタ動作を行うことができる。
【００６８】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、トランジスタ及びトランジスタを用いた種々の電子回路に利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 絶縁基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
３１ 自己組織化単分子膜
３２ 高分子ゲート絶縁膜
４０、４２、４４ ソース電極
４１、４３、４５ ドレイン電極
５０、５１、５２ 有機半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜トランジスタに関し、特に、ゲート電極上にゲート絶縁膜が形成された有機薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フレキシブル化、軽量化などの視点から、有機半導体を用いたトランジスタ（有機ＴＦＴ、Thin Film Transistor）の研究が盛んになっている。一般に、有機半導体を用いる場合、溶液からの塗布成膜が可能となり、各種印刷法を使った大面積プロセスを適用することができ、大幅な低コスト化が可能となる。また、低温作製プロセスであるため、プラスチックなどのフレキシブル基板を利用できると言った利点もある。
【０００３】
有機ＴＦＴの応用分野は広く、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、液晶、電子ペーパー等表示デバイスをアクティブ駆動させる駆動素子として、また、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグやセンサー等への応用も検討されている。しかしながら、現状の有機ＴＦＴは、移動度、動作電圧、駆動安定性において実用的なレベルに到達していない。そのため、有機半導体のみならず、素子構成、作製プロセス等、様々な角度からの改良が急務となっている。
【０００４】
有機ＴＦＴは、一般的に駆動電圧が高いことが問題となっており、その動作電圧が数１０Ｖ〜１００Ｖ程度である特性が報告されている。実際の電子デバイスでは、ロジック回路等に用いる場合で５Ｖ以下、ディスプレイ駆動回路で２０Ｖ以下の動作電圧にする必要がある。
【０００５】
有機ＴＦＴの動作電圧を低くするためには、２つの方法がある。1つはゲート絶縁膜を薄くする方法で、具体的には、自己組織化単分子膜を用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。かかる非特許文献１に記載の方法によれば、自己組織化単分子膜をゲート絶縁膜として用いることで、ゲート絶縁膜の膜厚を数ｎｍ程度にすることができ、ゲート容量を大きくすることができる。これにより、有機ＴＦＴの動作電圧を３Ｖ以下まで大幅に下げることが可能となる。
【０００６】
もう1つの方法は、ゲート絶縁膜の誘電率を大きくする方法が挙げられる（例えば、非特許文献２参照）。かかる非特許文献２に記載の方法によれば、ゲート絶縁膜の誘電率を大きくすることで、少ない電圧でより多くの電流を流すことが可能になるため、有機ＴＦＴの動作電圧を低減することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Nature, Vol.364, No. 6436, 1993年7月29日発行, p.745
【非特許文献２】Yoshiki Iino et al, "Organic Thin Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxide High-Dielectric-Constant Insulators", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) pp. 299-304
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、有機ＴＦＴで用いられる高分子絶縁材料は、誘電率の小さな材料がほとんどであり、有機ＴＦＴの動作電圧を下げる方法は、ゲート絶縁膜の膜厚を薄くする方法にほぼ限られており、上述の非特許文献２に記載の方法は現実的ではない。
【０００９】
一方、上述の非特許文献１に記載された方法のように、ゲート絶縁膜を薄くして有機ＴＦＴの動作電圧を低減した場合、絶縁耐圧が低くなるという問題があった。非特許文献1で報告されている自己組織化単分子膜を使ったゲート絶縁膜は、膜厚が数ｎｍ程度であるため、およそ４Ｖ程度の電圧で絶縁破壊を起こしてしまう。そのため、この絶縁膜は動作電圧が２０Ｖ程度となるディスプレイ駆動回路の有機ＴＦＴには用いることはできないという問題があった。また、高分子絶縁材料を薄膜化して動作電圧を低減することもできるが、高分子絶縁材料の絶縁耐圧は一般的に１ＭＶ／ｃｍ程度と低いため、ディスプレイ駆動回路に用いる場合、２００ｎｍ程度までしか薄膜化できないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を高めることができ、低電圧で動作させることができる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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜上に高分子絶縁膜が形成された積層構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記自己組織化単分子膜は、リン酸系自己組織化単分子膜であってもよい。
【００１３】
また、前記リン酸系自己組織化単分子膜は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表される長鎖アルキル基を有してもよい。
【００１４】
また、前記高分子絶縁膜は、疎水性を有する膜であってもよい。
【００１５】
また、前記ゲート電極はアルミニウムで構成され、表面が酸素プラズマ処理されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧を向上させることができ、トランジスタ動作を低電圧で行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図２】実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法の説明図である。図２（Ａ）は、ゲート電極形成工程の一例を示した図である。図２（Ｂ）は、ゲート電極表面処理工程の一例を示した図である。図２（Ｃ）は、自己組織化単分子膜形成工程の一例を示した図である。図２（Ｄ）は、高分子ゲート絶縁膜形成工程の一例を示した図である。図２（Ｅ）は、ソース・ドレイン電極形成工程の一例を示した図である。図２（Ｆ）は、有機半導体層形成工程の一例を示した図である。
【図３】実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図４】実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。
【図５】実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのトランジスタ特性図である。図５（Ａ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の変化特性図である。図５（Ｂ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するゲート電流の変化特性図である。
【図６】実施例２及び比較例３、４に係る有機薄膜トランジスタの電流電圧特性の測定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１９】
〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る有機薄膜トランジスタ（以下、「有機ＴＦＴ」と呼んでもよいこととする。）の一例を示した断面構成図である。図１において、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０と、ゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０と、ソース電極４０と、ドレイン電極４１と、有機半導体層５０とを有する。また、ゲート絶縁膜３０は、自己組織化単分子膜３１と、高分子ゲート絶縁膜３２とを有する。
【００２０】
図１において、絶縁基板１０上にゲート電極２０が形成され、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成された積層構造を有している。また、ソース電極４０及びドレイン電極４１は、高分子ゲート絶縁膜３２の表面上の、上面視的にゲート電極２０の両端を覆うような位置に形成されている。また、ソース電極４０とドレイン電極４１との間の高分子ゲート絶縁膜３２上には、有機半導体層５０が形成されており、有機半導体層５０は、ソース電極４０とドレイン電極４１の内側端部を覆っている。図１に示す構造は、ボトムゲート・ボトムコンタクト構造と呼ばれる構造である。
【００２１】
絶縁基板１０は、絶縁材料からなる種々の基板で構成されてよいが、例えば、石英、シリコンなどのガラス基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン、ポリカーボネート等のプラスチックフィルム等を用いることが出来る。また、表面が絶縁性処理されていれば、金属フォイル等も絶縁基板１０として用いることができる。
【００２２】
ゲート電極２０は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの入力となる電極であり、例えば、アルミニウムで構成されてよい。ゲート電極２０の表面上には、自己組織化単分子膜３１が形成されるが、ゲート電極２０の表面は、自己組織化単分子膜３１を積層形成するために、必要な表面処理が施されてよい。
【００２３】
ゲート絶縁膜３０は、ゲート電極２０の周囲を覆ってゲート電極２０を絶縁する膜である。本実施形態に係る有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜３０は、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が積層形成された積層構造を有する。有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート電極２０に電圧が印加されたときに、有機半導体層５０にチャネルが形成され、ソース電極４０とドレイン電極４１との間が導通してトランジスタ動作を行うが、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧が、実際の回路に要求される耐圧よりも低いと、有機薄膜トランジスタを実際の回路中のデバイスとして動作させることができない。本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２を形成する積層構造を採用することにより、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を高めている。
【００２４】
自己組織化単分子膜３１は、絶縁基板１０に特定の処理を施すと、化学反応により、有機分子が自ら１分子分だけ付着してゆくという性質を有する膜であり、このような性質を有する膜として、例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１が知られている。自己組織化単分子膜３１は、欠陥が非常に少なく、均一性が非常に高い膜を形成することができるという利点を有する。しかしながら、厚さ方向への成長性が無く、膜厚を厚く形成することができない。よって、自己組織化単分子膜３１は、厚さがほぼ一定に定まってしまい、例えば、数ｎｍ程度の厚さの膜しか形成できない。この場合、２〜３Ｖ程度の絶縁耐圧を得ることができるが、ディスプレイの駆動回路では、２０Ｖの耐圧が要求されるため、このままでは実際の回路に用いることができない。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、自己組織化単分子膜３１の上に、高分子ゲート絶縁膜３２を積層形成し、ゲート絶縁膜３０を構成している。高分子ゲート絶縁膜３２は、ピンホール等の欠陥が多く、単体で用いると大きな絶縁耐圧を得ることができないが、自己組織化単分子膜３１と異なり、厚さ方向に成長させて成膜することが可能であり、膜の厚さを制御することができるという利点を有する。よって、自己組織化単分子膜３１の上に必要な厚さで成膜することにより、ゲート絶縁膜３０全体の絶縁耐圧を向上させることができる。例えば、数ｎｍの自己組織化単分子膜３１の上に、数１０ｎｍ、例えば５０ｎｍ程度の厚さの高分子ゲート酸化膜３２を積層形成することにより、５〜１０Ｖ程度の耐圧を有するゲート酸化膜３０を構成することが可能である。よって、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１を形成した後、高分子ゲート絶縁膜３２を、厚さを調整して形成することにより、所望の耐圧のゲート絶縁膜３０を構成することができる。
【００２６】
このように、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜３０を、自己組織化単分子膜３１と高分子ゲート絶縁膜３２との積層構造とすることにより、所望の絶縁耐圧を得ることができる。
【００２７】
なお、自己組織化単分子膜３１は、自己組織化の性質を有する種々の膜を用いることができるが、例えば、リン酸系自己組織化単分子膜を用いる場合には、ゲート電極２０をアルミニウムで構成することが好ましい。ゲート電極２０の上に形成されるリン酸系の自己組織化単分子膜３１は、Ａｌ表面にある酸化膜Ａｌ２Ｏ３と最も結合し易く、相性が良いからである。なお、アルミニウムのゲート電極２０は、種々の方法で形成されてよい。
【００２８】
高分子ゲート絶縁膜３２は、種々の高分子ポリマー絶縁膜で構成されてよい。高分子ゲート絶縁膜３２に用いる材料は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、サイトップ、テフロン（登録商標）などの絶縁性高分子を用いることができる。
【００２９】
なお、自己組織化単分子膜３１と高分子ゲート絶縁膜３２は、両者の密着度が高くなるような材料の組み合わせを選択することが好ましい。例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１は撥水性を有するので、高分子ゲート絶縁膜３２には、疎水性を有する溶媒を選択する必要がある。この場合、例えば、高分子ゲート絶縁膜３２に、疎水性のあるフッ素系の膜を用いることにより、適切に積層構造のゲート絶縁膜３０を構成することができる。
【００３０】
ソース電極４０及びドレイン電極４１は、有機薄膜トランジスタの出力電極であり、種々の材料から構成することができる。ソース電極４０及びドレイン電極４１の材料としては、例えば、金、銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液若しくは銀などの金属粒子を導電材料として用いたペーストが挙げられる。また、例えば、金属や合金、透明導電膜材料を、全面にスパッタ法や蒸着法等によって成膜後、レジスト材料を用い、フォトリソグラフィ法やスクリーン印刷法で所望のレジストパターンを形成した後、酸等のエッチング液でエッチングすることにより所望のパターンを形成することができる。また、金属や合金、透明導電膜材料を、マスクを用いてスパッタ法や蒸着法で直接所望のパターンを形成することもできる。これらスパッタ法や蒸着法に使用できる金属材料としては、アルミニウム、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、ニッケル、銅、銀、金、白金、パラジウム等が、透明導電膜材料としてはＩＴＯ等が挙げられる。
【００３１】
有機半導体層５０は、トランジスタ動作時にチャネルを形成するアクティブ半導体領域であり、有機半導体膜から構成される。有機半導体層５０は、種々の材料から構成されてよいが、例えば、ペンタセンやアントラセン、ルブラン等の多環芳香族炭化水素、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等の低分子化合物、ポリアセチレンやポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）等のポリマー等を用いてもよい。
【００３２】
なお、図１においては示していないが、本実施形態に係る有機薄膜トランジスタは、必要に応じて、封止層、遮光層等を設けるようにしてもよい。
【００３３】
次に、図２を用いて、本発明の実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図２は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための図である。なお、図２においては、自己組織化単分子膜３１のリン酸系自己組織化単分子膜を用いた例を挙げて説明する。
【００３４】
図２（Ａ）は、ゲート電極形成工程の一例を示した図である。ゲート電極形成工程においては、絶縁基板１０上にゲート電極２０を成膜する。ゲート電極２０の上に形成されるリン酸系の自己組織化単分子膜３１は、Ａｌ表面にある酸化膜Ａｌ２Ｏ３と最も結合しやすいため、ゲート電極２０にＡｌを用いる必要がある。よって、ゲート電極２０はＡｌで構成する。なお、ゲート電極２０の形成方法は問わない。
【００３５】
図２（Ｂ）は、ゲート電極表面処理工程の一例を示した図である。ゲート電極表面処理工程においては、ゲート電極２０を酸素プラズマにより表面酸化させる。具体的には、ゲート電極２０となるアルミを成膜した後、そのアルミ電極表面を酸素プラズマ処理することで非常に薄いアルミナ層を形成する。なお、プラズマによる表面酸化処理は、ゲート電極２０及び絶縁基板１０を含む全面に行われてよい。
【００３６】
図２（Ｃ）は、自己組織化単分子膜形成工程の一例を示した図である。自己組織化単分子膜形成工程においては、プラズマ処理したゲート電極２０上にアルキル鎖長が炭素数１４のリン酸表面処理剤を用いて、自己組織化単分子膜３１を形成する。つまり、ゲート電極表面所定工程で形成されたアルミナ層を、リン酸系の自己組織化単分子膜で表面処理することで、リン酸系自己組織化膜と反応し、この単分子膜がアルミナ層上に形成される。リン酸系の自己組織化単分子膜３１の分子構造は問わないが、アルキル鎖長が炭素数８以上のリン酸処理剤を用いたほうが効果的である。また、自己組織化単分子膜３１を形成した後の表面の濡れ性を制御するために、アルキル鎖の末端構造を変化させたリン酸処理剤も用いることができる。例えば、リン酸系の自己組織化単分子膜３１は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表されるリン酸処理剤を用いてよい。
【００３７】
図２（Ｄ）は、高分子ゲート絶縁膜形成工程の一例を示した図である。高分子ゲート絶縁膜形成工程においては、自己組織化単分子膜３１が形成されたゲート電極２０上に高分子ゲート絶縁材料を塗布し、高分子ゲート絶縁膜３２を形成する。これにより、ゲート絶縁膜３０が完成する。
【００３８】
図２（Ｅ）は、ソース・ドレイン電極形成工程の一例を示した図である。ソース・ドレイン電極形成工程においては、ゲート絶縁膜３０の高分子ゲート絶縁膜３２上に、ソース電極４０及びドレイン電極４１が形成される。ソース電極４０及びドレイン電極４１は、ゲート電極２０の中央領域は開口部となるように、ゲート電極２０の両端部の上方に形成され、ゲート電極２０の両端部と一部重なるような位置に形成される。なお、ソース電極４０とゲート電強４１は、同じ材料から構成されているので、ソース電極４０とドレイン電極４１が入れ替わって形成されてもよい。ソース電極４０及びドレイン電極４１の形成方法や材料は問わない。例えば、フォトリソグラフィ法やディスペンサ法の他、スクリーン印刷法、インクジェット法、フレキソ印刷法、反転オフセット印刷法等の印刷法により形成されてもよい。上述のように、スパッタ法や蒸着法を用いて成膜し、その後にフォトリソグラフィやスクリーン印刷により所定のパターンを形成してもよいし、マスクを用いてスパッタ法や蒸着法により所定のパターンに成膜して構成してもよい。用いる材料は、図１において説明した通り、種々の材料を用いることができる。
【００３９】
図２（Ｆ）は、有機半導体層形成工程の一例を示した図である。有機半導体層形成工程においては、ソース電極４０及びドレイン領域４１の開口部にあり、高分子ゲート絶縁膜３２が露出した部分に、有機半導体膜が形成される。有機半導体層５０の形成方法は問わず、種々の方法により形成されてよい。有機半導体層５０は、高分子ゲート絶縁膜３２上に形成されるとともに、ソース電極４０とドレイン電強４１の各々の開口部側端部を覆うように形成される。有機半導体層５０も、図１において説明した通り、種々の材料から構成されてよい。
【００４０】
例えば、このような工程で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタが製造される。真空プロセスも要せず、低温度でのプロセスで済むので、簡素な工程で低電圧動作可能な有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【００４１】
〔実施形態２〕
図３は、本発明の実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０と、ゲート電極２０と、ゲート絶縁膜３０とを備え、これらが下から順に積層されて構成されている点は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。また、ゲート絶縁膜３０が、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が積層形成された構成となっている点も、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。よって、これらの構成要素には、実施形態１と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、高分子ゲート絶縁膜３２上の全面に有機半導体層５１が形成され、有機半導体層５１の上にソース領域４２及びドレイン領域４３が形成されている点で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと異なっている。
【００４３】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタは、ボトムゲート・トップコンタクト構造と呼ばれている構造を有している。このように、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成されている構成を有していれば、トップコンタクト構造に構成されてもよい。この場合であっても、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成された積層構造を有するので、ゲート絶縁膜３０絶縁耐圧を向上させ、低電圧で動作可能な有機薄膜トランジスタを構成することができる。
【００４４】
なお、ソース電極４０とドレイン電強４１は、厚さ方向の形成位置は有機半導体層５０の上であり、実施形態１と異なるが、上面視的な位置は、ゲート電極２０の両端部を覆うような位置である点で、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタと同様である。
【００４５】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタの製造方法については、図２（Ｅ）で説明したソース・ドレイン電極形成工程と、図２（Ｆ）で説明した有機半導体層形成工程の順序を入れ替え、有機半導体層形成工程において、高分子ゲート絶縁膜３２の全面に有機半導体層５１を形成すればよく、他の工程は、実施形態１に係る有機薄膜トランジスタの製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００４６】
実施形態２に係る有機薄膜トランジスタによれば、ボトムゲート・トップコンタクト構造の有機薄膜トランジスタにおいても、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を向上させ、トランジスタ動作を低電圧で行うことができる。
【００４７】
〔実施形態３〕
図４は、本発明の実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの一例を示した断面構成図である。図４において、実施形態３に係る有機薄膜トランジスタは、絶縁基板１０上にゲート電極２０が形成され、ゲート電極２０上に自己組織化単分子膜３１が形成され、自己組織化単分子膜３１上に高分子ゲート絶縁膜３２が形成されている点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。よって、これらの構成要素には、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４８】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜３０の高分子ゲート絶縁膜３２の上にドレイン電極４５及び有機半導体層５２が形成され、有機半導体層５２の上方にソース電極４４が形成されている点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと異なっている。なお、ソース電極４４及びドレイン電極４５の上面視的な位置は、ゲート電極２０の両端部を覆うような配置である点で、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。なお、ソース電極４４とドレイン電極４５の位置が入れ替わっていてもよい点は、実施形態１及び２に係る有機薄膜トランジスタと同様である。
【００４９】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタは、トップ＆ボトムコンタクト構造と呼ばれる構造であり、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、このようなトップ＆ボトムコンタクト構造に構成されてもよい。実施形態３に係る有機薄膜トランジスタにおいても、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成され、ゲート絶縁膜３０は、ゲート電極２０上に形成された自己組織化単分子膜３１と、自己組織化単分子膜３１上に形成された高分子ゲート絶縁膜３２の積層構造を有するので、ゲート絶縁膜３０の絶縁耐圧を向上させ、低電圧でのトランジスタ動作が可能となる。
【００５０】
実施形態３に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、図２（Ｅ）で説明したソース・ドレイン電極形成工程と、図２（Ｆ）で説明した有機半導体層形成工程の順序を入れ替え、ドレイン電極４５を形成してから有機半導体層５２を形成し、最後にソース電極４４を形成すればよい。その他の工程は、実施形態１及び２と同様であるので、その説明を省略する。
【００５１】
このように、実施形態１乃至３で説明したように、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、ゲート電極２０上にゲート絶縁膜３０が形成されたボトムゲート構造を有すれば、種々の構造の有機薄膜トランジスタに適用することができる。
【００５２】
次に、本発明の実施例に係る有機薄膜トランジスタについて説明する。本実施例に係る有機薄膜トランジスタにおいては、有機半導体層５１に低分子半導体であるペンタセンを用いて、図３に示した実施形態２に係るボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタを作製し、比較例に係る有機薄膜トランジスタと特性比較を行った。なお、以下の各実施例において、実施形態２に係る有機薄膜トランジスタと同様の構成要素については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
〔実施例１〕
本発明の実施例１に係る有機薄膜トランジスタは、以下のようにして作製した。まず、絶縁基板１０としてガラス基板を用い、この絶縁基板１０上にゲート電極２０となるＡｌを、真空蒸着法で３０ｎｍの膜厚になるよう成膜した。この絶縁基板１０をプラズマ処理装置（サムコ製：ＰＣ３００）にセットし、３００Ｗで１０分間、酸素プラズマ処理を行った。その絶縁基板１０を、イソプロピルアルコールを溶媒に用いたリン酸系処理剤（溶液）に数時間浸漬させることで、リン酸系の自己組織化単分子膜３１を形成した。
【００５４】
次に、ゲート絶縁膜材料としてテフロン（登録商標）ＡＦ１６００（三井・デュポンフルオロケミカル製）をスピンコート法により成膜した後、９０℃で３０分、１２０℃で２時間、順にホットプレート上でベークし、膜厚５０ｎｍの高分子ゲート絶縁膜３２を形成した。
【００５５】
高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０を、真空蒸着装置にセットし、ペンタセンを５０ｎｍ成膜し、有機半導体層５０を形成した。
【００５６】
その上にＡｕを３０ｎｍの膜厚になるようマスク蒸着で成膜し、ソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した。
【００５７】
〔比較例１〕
実施例１と同様の作製方法で、自己組織化単分子膜３１まで形成した絶縁基板１０上に、高分子ゲート絶縁膜３２を成膜せず、有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した有機薄膜トランジスタを比較例１とした。有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３の形成法は実施例1と同様である。
【００５８】
なお、比較例１は、高分子ゲート絶縁膜３２が存在せず、実施形態２とは対応していないが、理解の容易のため、対応する構成要素については、実施形態２と同様の参照符号を付すものとする。この点は、以下の比較例においても同様とする。
【００５９】
〔比較例２〕
実施例１と同様の作製方法で、ゲート電極２０まで形成した絶縁基板１０上に、自己組織化単分子膜３１を形成せずに、高分子ゲート絶縁膜３２、有機半導体層５１とソース電極４２及びドレイン電極４３を形成した有機薄膜トランジスタを比較例２とした。高分子ゲート絶縁膜３２、有機半導体層５１、ソース電極４２及びドレイン電極４３の形成法は実施例1と同様である。
【００６０】
〔実施例２〕
実施例２においては、絶縁耐圧を測定するための素子を作成した。実施例1と同様の方法で高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第１のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と、最後に成膜された第２のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６１】
〔比較例３〕
比較例１と同様の方法で自己組織化単分子膜３１まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第1のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と最後に成膜された第２のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６２】
〔比較例４〕
比較例２と同様の方法で高分子ゲート絶縁膜３２まで形成した絶縁基板１０上に、３０ｎｍの膜厚のＡｌ電極を成膜した。絶縁基板１０の上に成膜された第1のＡｌ層（ゲート電極２０に相当）と最後に成膜された第2のＡｌ層とが重なる面積は０．０９ｃｍ２である。
【００６３】
図５は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのトランジスタ特性を示した図である。図５（Ａ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の変化特性を示した図である。図５（Ａ）において、実施例１、比較例１及び比較例２に係る有機薄膜トランジスタの特性曲線がそれぞれ示されている。なお、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタは、Ｐチャネル型であり、ゲート電極２０に負電圧を印加して駆動する。図５（Ａ）の各特性曲線において、極小値より右側がトランジスタオフ状態を示し、左側がトランジスタオン状態を示している。また、ここでの説明は、極性を無視して、電圧の低い、高いは絶対値の高低を意味するものとする。
【００６４】
図５（Ａ）に示されるように、比較例１に係る自己組織化単分子膜をゲート絶縁膜に用いた有機薄膜トランジスタは、動作電圧は低いが、４Ｖ程度で絶縁破壊を起こした。また、実施例１の特性と比較例２の特性とを比較すると、実施例１の特性曲線の極小値が、比較例３の特性曲線の極小値よりも小さくなっている。これは、実施例1に係る有機薄膜トランジスタが、比較例２に係る有機薄膜トランジスタに比べて、オフ電流が低くリーク電流が少ない特性であることを示している。また、実施例１に係る有機薄膜トランジスタの方が、やや低い電圧でトランジスタを駆動できていることが分かる。
【００６５】
図５（Ｂ）は、実施例１及び比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタのゲート電圧に対するゲート電流の変化特性を示した図である。図５（Ｂ）において、各特性曲線のゲート電流の変化を比較すると、比較例２と比べて実施例1の有機薄膜トランジスタは、流れる電流量が少ないことから、リーク電流が低いことを示している。また、比較例１に係る有機薄膜トランジスタは、やはり低い電圧で絶縁破壊が発生している。このことから、本発明に示した、リン酸系自己組織化単分子膜３１と高分子膜からなる積層のゲート絶縁膜３２を用いることで、有機薄膜トランジスタの動作電圧を低減し、かつ高い絶縁耐圧を得ることができることを実証することができた。
【００６６】
図６は、実施例２及び比較例３、４に係る有機薄膜トランジスタの電流電圧特性の測定結果を示した図である。比較例３の素子は、４Ｖ程度で絶縁破壊を起こした。実施例２と比較例４の素子を比較すると、実施例２の特性の方が、同じ電圧でも1桁以上電流が少なく、実施例２に係る有機薄膜トランジスタの絶縁特性の方が優れていることがわかる。また、絶縁破壊が起こる電圧も、実施例２の素子の方が１０Ｖ程度高くなっており、このことからも、絶縁耐圧が向上していることを示している。以上の結果から、自己組織化単分子膜３１によってゲート電極２０を表面処理することが、高分子ゲート絶縁膜３２の絶縁耐圧を高めることに効果的であることが分かる。
【００６７】
このように、本発明に係る有機薄膜トランジスタによれば、絶縁ゲート３０の絶縁耐性を高め、低い電圧でトランジスタ動作を行うことができる。
【００６８】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、トランジスタ及びトランジスタを用いた種々の電子回路に利用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 絶縁基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
３１ 自己組織化単分子膜
３２ 高分子ゲート絶縁膜
４０、４２、４４ ソース電極
４１、４３、４５ ドレイン電極
５０、５１、５２ 有機半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜上に高分子絶縁膜が形成された積層構造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】
前記自己組織化単分子膜は、リン酸系自己組織化単分子膜であ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】
前記リン酸系自己組織化単分子膜は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表される長鎖アルキル基を有することを特徴とする請求項２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記高分子絶縁膜は、疎水性を有する膜であることを特徴とする請求項２又は３に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート電極はアルミニウムで構成され、表面が酸素プラズマ処理されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項１】
ゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ゲート絶縁膜は、自己組織化単分子膜上に高分子絶縁膜が形成された積層構造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】
前記自己組織化単分子膜は、リン酸系自己組織化単分子膜であ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】
前記リン酸系自己組織化単分子膜は、ｎ−ａｌｋｙｌ−ＰＯ（ＯＨ）２（ｎは８以上の整数）で表される長鎖アルキル基を有することを特徴とする請求項２に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記高分子絶縁膜は、疎水性を有する膜であることを特徴とする請求項２又は３に記載の有機薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記ゲート電極はアルミニウムで構成され、表面が酸素プラズマ処理されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項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２０１２−１６９４１９（Ｐ２０１２−１６９４１９Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８５４４（Ｐ２０１１−２８５４４）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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