薄膜トランジスタ及びその製造方法
本発明の薄膜トランジスタは、半導体層（１４）と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域（１５）とドレーン領域（１６）とを有する薄膜トランジスタ（１００）であって、前記半導体層はπ共役系有機半導体分子を主成分として有し、前記π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関し、特に、配向形成されたπ共役系有機半導体を半導体層として用いる薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【技術背景】
現在、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）は、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ等における駆動素子として好適に使用されている。このＴＦＴの構成としては種々の構成が提案されているが、基本的には、半導体層に接触して設けられたソース電極とドレーン電極との間に流れる電流を、半導体層に対して絶縁層を介して設けられたゲート電極に印加される電圧（つまり、印加される電圧で発生する電界）により制御するように構成されている。そして、ＴＦＴを構成する前記半導体層に関し、現在実用化されている半導体材料としては、結晶シリコンと比して特性面では劣るものの、比較的安価であるアモルファスシリコンや低温ポリシリコン等といった半導体材料がある。又、ゲート電極が設けられる前記絶縁層に関し、現在実用化されている絶縁材料としては、酸化シリコンや窒化シリコン等がある。しかし、これらの半導体材料及び絶縁材料を用いるＴＦＴの製造プロセスでは、プラズマＣＶＤ法等の大規模な装置や、精密加工のための薄膜制御装置を必要とする。そのため、ＴＦＴの製造コストは高コスト化する。又、前記製造プロセスは、一般に、３５０℃を越えるような処理温度のプロセスを含むため、使用可能な基板材料等には制限がある。
ところで、近年では、ＴＦＴ用として利用可能な半導体材料として、有機化合物で構成される有機物半導体が注目されている。この有機物半導体は、前述したアモルファスシリコンや低温ポリシリコン等の無機系の半導体を用いる場合と比べて、低コストプロセスでありかつ低温プロセスであるスピンコーティング、インクジェット印刷、及び浸漬コーティング等の製造プロセスによって前記半導体層を形成することが可能である。そのため、ＴＦＴの製造コストを低コスト化することが可能であり、又、使用可能な基板材料等に関する制限が解消される。又、前述した低コストプロセスや低温プロセスが適用可能であることにより、フレキシブルな基板上や大面積な基板へのＴＦＴ形成が実現でき、これによって大画面ディスプレイやシートライク、或いはペーパーライクなディスプレイ、又は無線ＩＤタグ等への用途拡大が期待されている。しかしながら、現在報告されている有機物半導体は、そのキャリア移動度が前記無機系半導体と比して低い。そのため、アモルファスシリコン並のキャリア移動度を実現するために、種々の取り組みがなされている。
有機物半導体の内、π共役系の有機物半導体は、π共役二重結合を有する分子骨格からなる有機化合物で構成されている。そして、前記π共役二重結合におけるπ軌道の重なりによって生じる荷電子帯と伝導帯、及びそれらの間のバンドギャップによって、半導体特性が得られると考えられている。ところで、π共役系有機半導体分子を寄せ集めて集合体を形成した場合、電気伝導の容易さは、その容易さの上位から、分子内の主鎖方向に沿った電気伝導、隣り合う分子同士のπ軌道の重なりを利用した電気伝導、分子間の電子のホッピングによる電気伝導の順となる。従って、π共役系有機半導体分子においてキャリア移動度を向上させるためには、如何に前記電気伝導の容易さの内で上位の電気伝導を有効に利用できる構成にするかが問題となる。そして、前記分子間の電子のホッピングによる電気伝導をより少なくする方法としては、従来から、分子を一定の方向に配向制御する方法が採られてきた。より具体的な配向方法としては、ポリシラン薄膜を、ラングミュア・ブロジェット法（ＬＢ法）や、延伸法を用いて配向させる方法が開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平５−２７５６９５号公報）。又、基板上にポリテトラフルオロエチレンを一定圧力で押し付けスライドさせて配向形成し、その配向形成したポリテトラフルオロエチレンの膜の上面にオリゴチオフェン化合物を接触させることで配向成膜する方法が開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平７−２０６５９９号公報）。又、π共役系オリゴマー分子を、ホット・ウォール・エピタキシー法を用いて配向成長させる方法も開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開２００２−２７０６２１号公報）。これらの配向方法を用いることによって、前記分子間の電子のホッピングによる電気伝導を限りなく少なくすることが可能となる。
又、更なるキャリア移動度の改善方法としては、π共役系有機半導体分子の配向方向を、ＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して平行になるように制御し、これによって前記分子内の主鎖方向に沿った電気伝導を有効に利用しようという方法や（例えば、日本国特許公開公報：特開平５−２７５６９５号公報、及び、日本国特許公表公報：特表２００３−５０２８７４号公報）、π共役系有機半導体分子の配向方向を、ＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、これによって前記隣り合う分子同士のπ軌道の重なりを利用した電気伝導を有効に利用しようという方法等も提案されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平９−１１６１６３号公報）。
ところで、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ直線に対して平行になるように制御し、これによってπ共役系有機半導体分子の主鎖方向に沿った電気伝導を利用して高キャリア移動度を実現しようとする方法においては、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子長と比してソース電極とドレーン電極との間の距離が長くなってくると、その距離の増大に伴ってπ共役系有機半導体分子間における電子の移動回数が次第に多くなってくる。そして、この場合、ソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直方向に隣り合うπ共役系有機半導体分子間における電子の移動は、ソース電極とドレーン電極との間の電界が形成されている方向と直交する方向に電子が移動しなければならないため、非常に困難となる。つまり、ソース電極とドレーン電極との間の距離と比較して非常に長い分子長を有するπ共役系有機半導体分子を用いる場合や、π共役系有機半導体分子の分子長と比較してソース電極とドレーン電極との間の距離が充分に狭い場合を除いて、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して平行になるように制御しても、十分なキャリア移動度を得ることはできない。
又、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、これによって隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道の重なりを利用して高キャリア移動度を実現しようとする方法においては、π共役系有機半導体分子の主鎖の長手方向はソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に垂直に並んでおり、これによってπ共役系有機半導体分子内の主鎖方向に沿った電気伝導は寄与せず、殆どπ共役系有機半導体分子間のπ軌道の重なりを利用する電気伝導が支配的となる。そのため、ソース電極とドレーン電極との間の距離が増大すると、その距離の増大に比例して電子の移動回数が多くなる。つまり、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、かつ配向度を上げても、キャリアの移動度の改善には限界がある。
【発明の開示】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、そのＴＦＴの製造方法を提供することを第１の目的としている。又、本発明は、キャリア移動度が改善されたＴＦＴを複数個配置したアクティブマトリクス型のディスプレイや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた無線ＩＤタグや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等の携行用機器を提供することを第２の目的としている。
そして、これらの目的を達成するために、本発明に係るＴＦＴは、半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタであって、前記半導体層はπ共役系有機半導体分子を主成分として有し、前記π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。ここで、本明細書において、ソース領域及びドレーン領域とは、ソース電極及びドレーン電極、並びに、ソース電極及びドレーン電極を半導体層に接続するコンタクト層又は高濃度不純物領域（層）等を含む概念をいう。かかる構成により、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った電荷移動と、電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動とが有効に活用されるので、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
この場合、ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設けられ、前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。又、ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設けられ、前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース領域とドレーン領域との対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されているので、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った伝導がソース領域とドレーン領域との間の電荷移動において有効に活用される。又、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道がソース領域からドレーン領域への方向において対向するように形成されており、従って分子間の電荷の移動はホッピングではなく電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動が主となる。そのため、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
上記の場合、前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向されている構成を採ることが好ましい。かかる構成により、薄膜トランジスタのＯＮ時の状態において最も導電率の高くなる方向を基準にしてソース領域及びドレーン領域が形成されることになるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±１０°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面内に配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±５°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面に対して所定の角度をもって配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子が、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体である構成を採る。かかる構成により、キャリア移動度の優れたπ共役系の電荷移動が実現できるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子における各々のπ軌道の延出方向が、全て同一ベクトル方向に統一されていない構成を採ることが好ましい。かかる構成により、１つのπ共役系有機半導体分子中においてπ軌道の延出方向が全て同一ベクトル方向に統一されていないので、主鎖の分子軸の方向を揃えることにより、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道が容易に対向するようにできるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子が結晶質である構成を採ることがより好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の配向度を、非晶質の分子を用いる場合よりも高めることができるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明に係るＴＦＴの製造方法は、半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記半導体層にπ共役系有機半導体分子を主成分として用い、前記π共役系有機半導体分子を、π軌道が実質的に対向するように配向し、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向する構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った電荷移動と、電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動とが有効に活用されるので、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
この場合、ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設け、前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向する構成を採る。又、ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設け、前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向する構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース領域とドレーン領域との対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されているので、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った伝導がソース領域とドレーン領域との間の電荷移動において有効に活用されるとする。又、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道がソース領域からドレーン領域への方向において対向するように形成されており、従って分子間の電荷の移動はホッピングではなく電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動が主となる。そのため、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
上記の場合、前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向する構成を採ることが好ましい。かかる構成により、薄膜トランジスタのＯＮ時の状態において最も導電率の高くなる方向を基準にしてソース領域及びドレーン領域が形成されることになるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±１０°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面内に配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±５°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面に対して所定の角度をもって配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子として、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体を用いる構成を採る。かかる構成により、キャリア移動度の優れたπ共役系の電荷移動が実現できるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型ディスプレイは、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、画素を駆動するためのスイッチング素子として複数個配設されてなる構成を採る。かかる構成により、低コストで特性の良いシートライク、或いはペーパーライクなディスプレイを具現化することができるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いた無線ＩＤタグは、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる構成を採る。かかる構成により、無線ＩＤタグを様々な形状の物体、或いは素材へ貼り付けることができるとする。又、任意の形状に形成可能な無線ＩＤタグを具現化することができるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いた携行用機器は、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる構成を採る。ここで、携行用機器としては、例えば、携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等が挙げられる。しかし、これらの携行用機器に限定されることはなく、例えば、携帯用ＡＶ機器、携帯用コンピュータ等の如何なる携行用機器も含まれる。かかる構成により、携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等の携行用機器に、低コスト、フレキシブル、耐衝撃性、任意形状に形成可能等の利点を付加することができるとする。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ＴＦＴの第１の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図２は、ＴＦＴの第２の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図３は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子の構造を示す図であり、図３Ａは化学構造式を示し、図３Ｂはσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図３Ｃは分子を模式的に示す斜視図である。
図４は、半導体層におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向状態を模式的に示す斜視図である。
図５は、ＴＦＴのキャリア移動度を測定するための測定試料の構成を示す模式図である。
図６は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフであり、図６Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｂはゲート電圧が３０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｃはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示す。
図７は、６個の五員環を有しかつ両方の末端をアルキル基で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いたＴＦＴのキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。
図８は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンの構造を示す図であり、図８Ａはペンタセンの化学構造式を示し、図８Ｂはペンタセンにおけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図８Ｃはペンタセンを模式的に示す斜視図である。
図９は、半導体層におけるペンタセンの配向状態を模式的に示す斜視図である。
図１０は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるペンタセンの配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフであり、図１０Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図１０Ｂはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示す。
図１１は、有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成を模式的に示す斜視図である。
図１２は、ＴＦＴ駆動回路部の構成を拡大して示した模式図である。
図１３は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた無線ＩＤタグの構成を模式的に示した斜視図である。
図１４は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯テレビの構成を模式的に示した正面図である。
図１５は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯電話の構成を模式的に示した正面図である。
図１６は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯用医療機器の構成を模式的に示した斜視図である。
参照符号一覧表（１）
１０ 垂線
１１ 基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４ 半導体層
１５ ソース電極
１６ ドレーン電極
２１ 炭素原子
２２ 硫黄原子
２３ π電子雲
４０ 半導体層
４０ａ オリゴチオフェン誘導体分子
４１ プラスティック基盤
４２ 半導体層
４３ ソース電極
４４ ドレーン電極
４５ ゲート絶縁層
４６ ゲート電極
４７ 半導体層の配向方向
４８ 半導体層
４８ａ ペンタセン
７１ 炭素原子
７３ π電子雲
１００ ＴＦＴ
１０１ プラスティック基板
１０２ 有機ＥＬ層
１０３ 透明電極
１０４ 保護フィルム
１０５ ソース電極線
１０６ ゲート電極線
１１０ ＴＦＴ駆動回路部
１１２ ゲート電極
１１３ ゲート絶縁層
１１４ 半導体層
１１５ ソース電極
参照符号一覧表（２）
１１６ ドレーン電極
１１７ 画素電極
１１８ 絶縁層
１２０ 無線ＩＤタグ
１２１ プラスティック基板
１２２ アンテナ部
１２３ メモリーＩＣ部
１３０ 携帯テレビ
１３１ 表示部
１３２ 受信部
１３３ 電源スイッチ
１３４ 操作スイッチ
１３５ 音声出力部
１３６ 入出力端子
１３７ 記録メディア挿入部
１４０ 携帯電話
１４１ 表示部
１４２ 送受信部
１４３ 音声出力部
１４４ カメラ部
１４５ 折り畳み用可動部
１４６ 操作スイッチ
１４７ 音声入力部
１５０ 携帯用医療機器
１５１ 表示部
１５２ 操作スイッチ
１５３ 医療的処置部
１５４ 経皮コンタクト部
１５５ 腕
２００ ＴＦＴ
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態では、ＴＦＴの半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子として、オリゴチオフェン誘導体を用いる場合について説明する。
図１は、ＴＦＴの第１の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、本実施の形態に係るＴＦＴ１００の構成としては、様々な構成が考えられている。何れの構成においても、その構成要素として、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６とを備えていることでは共通している。ここで、一般に、図１Ａ及び図１Ｂは、ボトムゲート方式と呼ばれている。又、図１Ｃ及び図１Ｄは、トップゲート方式と呼ばれている。更に、半導体層１４とソース電極１５、ドレーン電極１６との位置関係により、図１Ａ及び図１Ｃは、トップコンタクト方式とも呼ばれている。又、図１Ｂ及び図１Ｄは、ボトムコンタクト方式とも呼ばれている。これらの図１Ａ〜図１Ｄで示したＴＦＴ１００は、ソース電極１５とドレーン電極１６とが断面視において横方向に対向するよう配置されているので、横型ＴＦＴと呼ばれている。
一方、図１Ａ〜図１Ｄに示した従来の横型ＴＦＴに対し、近年では、ソース電極１５とドレーン電極１６とが断面視において縦方向に対向するよう配置された縦型ＴＦＴも提案されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、ＴＦＴの第２の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施の形態に係るＴＦＴ２００の構成でも、その構成要素として、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６とを備えていることでは、図１Ａ〜図１Ｄで示したＴＦＴ１００と基本的に同様である。しかし、本実施の形態に係るＴＦＴ２００では、図２Ａ及び図２Ｂの何れにおいても、ソース電極１５とドレーン電極１６とが半導体層１４をその膜厚方向に（縦方向に）挟んで対向するように配置されている。このため、ＴＦＴ２００は、縱型ＴＦＴと呼ばれている。
尚、本発明によって得られる効果は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子の配向方向をソース電極とドレーン電極との配置に対して適当な方向に制御することによって得られるものであるので、ＴＦＴ自体の構成は図１及び図２に示した何れの構成でも良く、即ち、何れかの構成に限定されるものではない。従って、以降の説明では、ＴＦＴの構成の代表例として、図１Ｃに示したトップゲート方式のＴＦＴ１００の構成を適用した場合について説明する。
図１Ｃに示すように、トップゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１と、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６と、ゲート絶縁層１３と、ゲート電極１２とを有している。具体的には、基板１１の主面上に半導体層１４が設けられており、この半導体層１４の上に、ソース電極１５及びドレーン電極１６が、互いに分離するように設けられている。又、このソース電極１５及びドレーン電極１６と、半導体層１４の露出面とを覆うように、ゲート絶縁層１３が設けられている。そして、このゲート絶縁層１３の上に、平面視において少なくともソース電極１５とドレーン電極１６との間に位置するように、ゲート電極１２が設けられている。このように、図１Ｃに示すトップゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１上に半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６、ゲート絶縁層１３が積層され、このゲート絶縁層１３の上にゲート電極１２が配設された構成を有している。
上記構成を有するＴＦＴ１００を製造する場合、先ず、所定の溶媒に溶解・分散させたπ共役系有機半導体分子を、予め所望の配向方向に平行に溝を形成した基板１１上に塗布する。そして、そのπ共役系有機半導体分子が塗布された基板１１を十分に乾燥させることにより、基板１１上にπ共役系有機半導体分子からなる半導体層１４を配向成膜する。次に、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４上にソース電極１５とドレーン電極１６とを形成するために、所定の電極材料を、所望の形状が得られるように予めパターニングされたスクリーン版を用いることによって印刷した後、十分に乾燥させる。これによって、半導体層１４上には、所望の形状のソース電極１５及びドレーン電極１６が形成される。その後、ゲート絶縁層１３を形成するために、所定の絶縁材料を予めパターニングされたスクリーン版を用いることによってソース電極１５、ドレーン電極１６、及び半導体層１４上に印刷した後、十分に乾燥させる。これにより、半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６上には、所望の形状のゲート絶縁層１３が形成される。そして、最後に、ゲート絶縁層１３上にゲート電極１２を形成するために、上記と同様にして、所定の電極材料を、所望の形状が得られるように予めパターニングされたスクリーン版を用いることによって印刷した後、これを十分に乾燥させる。これによって、ゲート絶縁層１３上には所望の形状のゲート電極１２が形成される。このように、ＴＦＴ１００は、基板１１上に半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６、ゲート絶縁層１３、及びゲート電極１２の各々がスクリーン版を用いる印刷法によって印刷され、その後十分に乾燥されることによって形成される。
本実施の形態におけるＴＦＴ１００では、基板１１を構成する材料としては、ポリエチレン系のプラスティック基板を用いた。又、半導体層１４を構成する材料としては、π共役系有機半導体分子の内の１つであるオリゴチオフェン誘導体分子を用いた。又、ソース電極１５、ドレーン電極１６、及びゲート電極１２を構成する材料としては、ポリ３，４−エチレンダイオキシチオフェン（以下、ＰＥＤＯＴという）を主成分とする電極材料を用いた。更に、ゲート絶縁層１３を構成する材料としては、ポリビニルフェノールを用いた。
先ず、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子について詳細に説明する。
図３は、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子の構造を示す図である。ここで、図３Ａはオリゴチオフェン誘導体分子の化学構造式を示し、図３Ｂはオリゴチオフェン誘導体分子におけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図３Ｃはオリゴチオフェン誘導体分子を模式的に示す斜視図である。尚、図３Ａにおいて、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の末端の化学構造は、その記載を省略している。
図３Ａに示すように、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖においては、硫黄原子（Ｓ）を含み二重結合を有する五員環がσ結合により繰り返し結合して構成されるπ共役系が発達している。尚、図３Ａでは、水素原子は明示していない。この時、分子軌道法等の手段を用いて電子状態を計算すると、二重結合の内のπ結合に利用されるπ電子の電子雲の存在範囲を求めることができる。即ち、図３Ｂに示すように、このオリゴチオフェン誘導体分子では、炭素原子２１と硫黄原子２２とで構成される各五員環面に対して垂直方向にπ電子雲２３が存在している。尚、このオリゴチオフェン誘導体分子では、各五員環同士は同一平面内に存在するのではなく、各五員環同士がσ結合により多少ねじれて結合しているため、π電子雲２３の存在方向を示すベクトルは、一定の方向に統一されていない。そして、本実施の形態では、実際には、オリゴチオフェン分子の主鎖の末端を所定の置換基で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いている。具体的には、図３Ａに示すように硫黄原子を含む８個の五員環を有し、かつ主鎖の両末端をアルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いている。
次に、本発明を特徴付けるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度に関する検討方法と、その検討結果について説明する。尚、以降の説明では、オリゴチオフェン誘導体分子の１分子を図３Ｃに示すように短冊状の四角形で表すこととする。又、π電子雲はその存在方向を示すベクトルが実際には全て統一されている訳ではないが、実質的にこの四角形平面に対して垂直な方向に存在するものと仮定する。
図４は、前述した製造方法によって得られた半導体層４０におけるオリゴチオフェン誘導体分子４０ａの配向状態を模式的に示す斜視図である。ここで、図４においては、ＸＹ軸によって形成される平面は半導体層４０の主面と平行な平面を表しており、Ｚ軸方向は半導体層４０の厚み方向を示している。
図４において、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａは、その主鎖の分子軸がＹ軸方向と平行になるように配向されており、かつ、各々の分子面を表す四角形がＹＺ軸で形成される平面に平行となるように配置されている。つまり、半導体層４０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を除く方向、即ちＸ軸方向において、隣り合うオリゴチオフェン誘導体分子同士のπ軌道が対向するように構成されている。
このように配向形成された半導体層４０を用いて、図５に示すように、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの配向方向であるＹ軸方向に対して各々矩形形状を有するソース電極及びドレーン電極の対向する辺同士に共通するその垂線１０を１０°ずつ傾けたＴＦＴ１００を各々作製した。即ち、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの各々を、そのπ軌道が実質的に対向するように配向し、かつその主鎖の分子軸をソース電極とドレーン電極との対向する辺に垂直な方向に対して１０°ずつ傾斜するように各々配向した。ここで、この作製された各々のＴＦＴ１００は、プラスティック基板４１と、図４の半導体層４０で構成された半導体層４２と、ソース電極４３と、ドレーン電極４４と、絶縁層４５と、ゲート電極４６とを有して構成されている。尚、矢印４７は、半導体層４２における図５では図示しないオリゴチオフェン誘導体分子の配向方向を示している。
以上のようにして準備された各々の測定サンプルについて、ゲート電極に種々のゲート電圧を印加した場合のＩ−Ｖ特性を測定することによって、ＴＦＴ１００のキャリア移動度を求めた。又、ソース電極４３とドレーン電極４４との対向する辺の垂線１０と、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの主鎖の分子軸とのなす角（配向角度）が０°である場合のソース電極−ドレーン電極間の導電率（即ち、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸に代表される方向の導電率σ１に相当）と、同じく９０°である場合の導電率（即ち、配向方向と垂直方向で、かつπ電子雲存在方向の導電率σ２に相当）とを求め、こられの導電率の値を（１）式に代入することによってθを算出した。ここで、式（１）における「ａｒｃｔａｎ」は、逆正接ｔａｎ−１を意味する。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
図６は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。ここで、図６Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｂはゲート電圧が３０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｃはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示している。尚、図６において、横軸はオリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の分子軸と、ソース電極とドレーン電極との対向する辺の垂線とのなす角（°）を示し、縦軸はキャリア移動度（ｃｍ２／Ｖｓｅｃ）を示している。
図６Ａに示すように、ゲート電圧が２０Ｖである場合には、導電率σ１は７．７×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は１．９×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝１４°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
又、図６Ｂに示すように、ゲート電圧が３０Ｖである場合には、導電率σ１は９．２×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は３．９×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ゲート電圧が２０Ｖである場合と同様に、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝２３°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
更に、図６Ｃに示すように、ゲート電圧が４０Ｖである場合には、導電率σ１は１．０×１０−２Ｓ／ｍであり、導電率σ２は５．４×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ゲート電圧が２０Ｖ及び３０Ｖである場合と同様に、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝２８°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
このように、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が９０°の場合、即ち、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の分子軸がソース電極とドレーン電極との対向する辺に垂直な方向に対して垂直である場合には、キャリア移動度が最も低下することが判明した。又、図６Ａ〜図６Ｃにおいて斜線で示した領域におけるキャリア移動度は、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°の場合、即ち、オリゴチオフェン誘導体分子がソース電極からドレーン電極への方向において隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように形成されていない場合に比べて改善していることが分かった。更に、最高のキャリア移動度が得られる配向角度は、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθの近傍であることが分かった。そして、オリゴチオフェン誘導体分子の好ましい配向角度の範囲について更に調査した結果、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±１０°の範囲が最も好適であることが判明した。
更に、本実施の形態では、半導体層４０に用いるオリゴチオフェン誘導体分子として、６個の五員環を有し、かつ、両方の末端をアルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で修飾したオリゴチオフェン誘導体分子についても、同様の測定サンプルを作製し測定を行った。その測定の結果を、図７に示す。ここで、図７に示す測定結果は、ゲート電圧が３０Ｖである場合についての測定結果を示している。尚、図７における横軸と縦軸とは、図６の場合と同様である。
図７に示すように、６個の五員環を有し末端が前記化学修飾されたオリゴチオフェン誘導体分子を用いた場合には、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°である場合と９０°である場合とのキャリア移動度は概ね等しく、その他の配向角度におけるキャリア移動度は、前記０°及び前記９０°の場合のキャリア移動度に対して改善されていることが分かった。又、前記８個の五員環を有するオリゴチオフェン誘導体分子を用いる場合と同様に、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθ＝３９°の近傍において最高のキャリア移動度が得られることが分かった。そして、この場合も、オリゴチオフェン誘導体分子の好ましい配向角度の範囲は、図７に示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±１０°の範囲であることが判明した。
尚、本実施の形態では、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子として、五員環が８個又は６個であり、末端が各々アルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で修飾されたオリゴチオフェン誘導体を用いた場合について説明したが、本発明の効果はこのような構造を有する材料に限定されるものではない。つまり、本発明によって得られる効果は、ＴＦＴのソース電極及びドレーン電極の配設方向と、半導体層の配向方向との位置関係によって発現するものであるので、他のπ共役系有機半導体分子を用いた場合でも、同様の効果が得られる。例えば、五員環の数が異なるポリチオフェン誘導体を用いても良いし、末端の修飾基をその他の適当な置換基に変更することも可能である。又、末端ではなく、主鎖の途中に修飾基を導入しても良い。
又、図４ではオリゴチオフェン誘導体分子を表す四角形がＹＺ軸で形成される平面に平行に配置されているよう模式的に示したが、分子面を表す四角形は全てが完全にＸＹ軸で形成される平面に対して直立している必要は無い。つまり、π軌道の重なりを利用した電荷移動が可能である程度においては、多少分子面が傾いていても良いし、その傾きも一様である必要は無い。その際、本実施例で用いたオリゴチオフェン誘導体分子のように、π電子雲の存在方向を示すベクトル方向が一方向に統一されていないものは、その傾きの許容範囲が広くなるので、本発明に係るＴＦＴの作製が容易になるという効果が得られる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、ＴＦＴの半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子として、ペンタセンを用いる場合について説明する。
本実施の形態では、図１Ｂに示す構成を有するＴＦＴ１００を採用した。尚、本発明の効果は、半導体層の配向方向を基板平面に対して適当な角度の向きに制御することによって得られるものである。従って、ＴＦＴ１００自体の構成は、図１Ｂに示した構成に限定されるものではない。
図１Ｂに示すように、ボトムゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６と、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４とを有している。具体的には、基板１１の主面上にゲート電極１２が設けられており、このゲート電極１２と基板１１との露出した表面を覆うようにして、ゲート絶縁層１３が設けられている。このゲート絶縁層１３上に、ソース電極１５及びドレーン電極１６が、平面視においてゲート電極１２の両側に位置するように設けられている。そして、このソース電極５及びドレーン電極６とゲート絶縁層１３の露出する表面とを覆うようにして、半導体層１４が設けられている。このように、図１Ｂに示すボトムゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、ソース電極１５及びドレーン電極１６、及び半導体層１４が順次積層された構成を有している。
上記構成を有するＴＦＴ１００を製造する場合、先ず、ゲート電極１２を形成するために、基板１１上に所定の電極材料を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。これによって、基板１１上の所定の位置には、所定の形状のゲート電極１２が形成される。次に、ゲート絶縁層１３を形成するために、所定の絶縁材料をスピンコーティング法にて塗布した後に十分に乾燥させる。次いで、ソース電極１５及びドレーン電極１６を形成するために、所定の電極材料を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。これにより、ゲート絶縁層１３上には所定の形状を有するソース電極１５及びドレーン電極１６が形成される。最後に、半導体層１４を形成するために、π共役系有機半導体分子を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。この時、前記π共役系有機半導体分子の分子軸と基板１１の平面とのなす角については、成膜条件を調整することによって制御した。又、平面方向におけるπ共役系有機半導体分子の重なりについては、通常の成膜ではグレイン毎にはその重なる方向が揃うが、層全体としてはグレイン毎にランダムな方向になってしまうため、実際にはπ共役系有機半導体分子を成膜する前に下地となるゲート絶縁層１３上に配向層を塗布及び乾燥により設けて、これにより層全体として一様な分子の重なりが得られるようにした。このように、ＴＦＴ１００は、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、ソース電極１５及びドレーン電極１６、及び半導体層１４の各々が真空蒸着法又はスピンコーティング法によって成膜及びパターニングされることによって形成される。
本実施例におけるＴＦＴ１００では、基板１１を構成する材料としてポリエチレン系のプラスティック基板を用いた。又、ゲート電極１２を構成する材料としては、金（以下、Ａｕ）を用いた。又、ゲート絶縁層１３を構成する材料としては、ポリビニルフェノールを用いた。又、ソース電極１５及びドレーン電極１６を構成する材料としては、Ａｕを用いた。そして、半導体層１４を構成する材料としては、π共役系有機半導体分子の内の１つであるペンタセンを用いた。
先ず、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンについて詳細に説明する。
図８は、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンの構造を示す図である。ここで、図８Ａはペンタセンの化学構造式を示し、図８Ｂはペンタセンにおけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図８Ｃはペンタセンを模式的に示す斜視図である。
図８Ａに示すように、ペンタセンの主鎖においては、複数の二重結合を有する六員環が繰り返し結合して構成されるπ共役系が発達している。尚、図８Ａでは、水素原子は明示していない。この時、分子軌道法等の手段を用いて電子状態を計算すると、二重結合の内のπ結合に利用されるπ電子の電子雲の存在範囲を求めることができる。即ち、図８Ｂに示すように、このペンタセンでは、炭素原子７１で構成される各六員環面に対して垂直方向にπ電子雲７３が存在している。尚、このペンタセンでは、各六員環同士は同一平面内に存在するので、π電子雲７３の存在方向を示すベクトルは、図８Ｃに示す四角形平面に垂直な方向に統一されている。
次に、本発明を特徴付けるペンタセンの配向角度に関する検討方法と、その検討結果について説明する。尚、以降の説明では、ペンタセンの１分子を図８Ｃに示すように短冊状の四角形で表すこととする。
図９は、前述した製造方法によって得られた半導体層４８におけるペンタセン４８ａの配向状態を模式的に示す斜視図である。ここで、図９においては、ＸＹ軸によって形成される平面は半導体層４８の主面と平行な平面を表しており、Ｚ軸方向は半導体層４８の厚み方向を示している。
図９において、ペンタセン４８ａは、その主鎖の分子軸がＸＹ軸で形成される平面に対してα°のなす角をもって配向されており、かつ、各々の分子面を表す四角形がＸ軸に平行な方向において、隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように構成されている。尚、このように形成された半導体層４８に対して、ソース電極及びドレーン電極は、何れのなす角α°のペンタセン４８ａについても、Ｘ軸方向がチャネル方向となるよう形成される。
以上のようにして準備された各々の測定サンプルについて、ゲート電極に種々のゲート電圧を印加した場合のＩ−Ｖ特性を測定することによって、ＴＦＴ１００のキャリア移動度を求めた。又、なす角α°が０°である場合のソース電極とドレーン電極との間の導電率（即ち、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸に代表される方向の導電率σ１に相当）と、なす角α°が９０°である場合の導電率（即ち、配向方向と垂直方向で、かつπ電子雲存在方向の導電率σ２に相当；実際には完全に９０°配向の物が得られていないが、最も９０°に近いもので代表させた）とを求め、これらの導電率の値を前述の（１）式に代入することによってθを算出した。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
図１０は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるペンタセンの配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。ここで、図１０Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図１０Ｂはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示している。尚、図１０における横軸と縦軸とについても、図６の場合と同様である。
図１０Ａに示すように、ゲート電圧が２０Ｖである場合には、導電率σ１は１．９×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は１．３×１０−２Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ペンタセンの配向角度が０°で最も低い移動度となったが、０°より大きくなるに従って次第に向上し、前記式（１）で求められるθ＝８１°近傍でピークとなった後、徐々に低下することが分かった。
又、図１０Ｂに示すように、ゲート電圧が４０Ｖである場合には、導電率σ１は３．２×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は６．３×１０−２Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ペンタセンの配向角度が０°で最も低い移動度となったが、０°より大きくなるに従って次第に向上し、前記式（１）で求められるθ＝８７°近傍でピークとなった後、徐々に低下することが分かった。
このように、半導体層４８のキャリア移動度は、ペンタセンの配向角度を０°より大きくするに従って、配向角度が０°である場合（即ち、ペンタセンの分子軸が基板平面と平行に配向しており、π共役系有機半導体分子がソース電極からドレーン電極への方向において隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように形成されていない場合）に比べて改善することが分かった。又、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて斜線で示した領域におけるキャリア移動度は、ペンタセンの配向角度が９０°近傍である場合、即ち、ペンタセンの分子軸が基板平面に直立しており、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース電極とドレーン電極との対向する辺の垂線に対して垂直である場合に比べて改善していることが分かった。更に、最高のキャリア移動度が得られる配向角度は、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθの近傍であることが分かった。そして、ペンタセンの好ましい配向角度の範囲について更に調査した結果、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±５°の範囲（但し、９０°を超える部分を除く）が最も好適であることが判明した。
尚、本実施の形態では、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子としてペンタセンを用いた場合について説明したが、本発明の効果はこの材料に限定されるものではない。即ち、本発明の効果は、半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子の分子軸の配向方向と基板平面との位置関係によって発現するものであるので、その他のπ共役系有機半導体分子を用いた場合でも同様の効果が得られる。例えば、六員環の数が異なるテトラセン等のその他のオリゴアセンを用いても良いし、それらの構造の一部を置換したり、又は化学修飾したりしたオリゴアセン系の誘導体を用いても良い。
又、第１の実施形態ではチオフェン系ポリマーの誘導体を用いた場合を、第２の実施形態ではアセン系ポリマーの誘導体を用いた場合を例として説明したが、本発明の効果はこれらの材料に限定されるものではなく、アセチレン系、ピロール系、又はフェニレン系のポリマーの誘導体を用いても、本発明の主旨に沿って配向方向が制御されて成膜される限りにおいては同様の効果が得られる。又、前記材料の何れかを組み合わせたコポリマーの誘導体を用いた場合も、本発明の効果と同様の効果が得られる。又、これらの中から材料を選択する際、第２の実施形態で説明したペンタセンのように結晶質の材料を選択すると、非晶質の材料を用いる場合と比べてより一層高いキャリア移動度を得ることが可能になる。
又、第１，２の実施形態では、ソース電極、ドレーン電極、ゲート電極の各々の電極材料として有機材料であるＰＥＤＯＴを主成分とする材料、若しくはＡｕを用いたが、その他の導電性高分子材料を用いることも可能であり、又、ＩＴＯ，Ｃｕ等の無機材料を用いることも可能である。但し、機械的柔軟性、耐衝撃性のあるＴＦＴを構成するためには弾性のある材料を選択するか、若しくは曲げの影響を受けにくい電極構成を選択することが好ましい。又、ゲート絶縁層や基板も第１，２の実施形態で用いた材料に限定はされないが、電極と同様に弾性のある材料を選択するか、若しくは曲げの影響を受けにくい材料を用いることが好ましい。
又、第１の実施形態では、オリゴチオフェン誘導体分子を所定の方向に配向させる方法として、基板に溝を設けてその上に溶媒に分散させたオリゴチオフェン誘導体分子を塗布し乾燥させるという方法を、又、第２の実施形態では、ペンタセンを所定の方向に配向させる方法として、下地となるゲート絶縁層上に配向層を設けて所定の条件で真空蒸着して成膜する方法を各々用いたが、本発明の効果は前述の通り半導体層の配向方向とソース電極−ドレーン電極、或いは基板平面との位置関係によって発現するものであるので、その配向方法が何であるかは問題でない。例えば、背景技術として説明したＬＢ法、延伸法、又は、基板上にポリテトラフルオロエチレンを一定圧力で押し付けスライドさせて配向形成し、その上に有機半導体を接触させる方法や、π共役系オリゴマー分子を、ホット・ウォール・エピタキシー法を用いる方法等を用いて配向成膜しても同様の効果が得られる。又、π共役系有機半導体分子の側鎖に液晶性の置換基を化学修飾し、その置換基の効果を利用することによって配向制御する方法を用いても良い。
更に、第１，２の実施形態で用いた材料について、各々のゲート電圧において最適と思われる配向角度をθとして示したが、これらは材料によって一意的に決まるものではない。つまり、導電率σ１、及びσ２は同一材料であってもその成膜状態、又はＴＦＴの構成等によって変わり得る。しかしながら、本発明の主旨に従って配向角度を決定することにより、実際に使われる状態において、最もキャリア移動度が高くなるＴＦＴを構成することが可能となる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いたアプリケーション例として、シートライクなフレキシブルディスプレイ、無線ＩＤタグ、及び、携帯テレビ、通信端末、携帯用医療機器等の携行用機器について説明する。
先ず、シートライクなフレキシブルディスプレイとして有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成例について説明する。
図１１は、本実施の形態に係る有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成を模式的に示す斜視図である。
図１１に示すように、本実施の形態に係るアクティブマトリクス型ディスプレイは、プラスティック基板１０１上に画素電極に接続されたＴＦＴ駆動回路１１０がアレイ状に配置されており、そのＴＦＴ駆動回路１１０の上に有機ＥＬ層１０２と保護フィルム１０４とが配設されている。尚、有機ＥＬ層１０２の上面には、透明電極１０３が設けられる。ここで、有機ＥＬ層１０２は、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等の各層が積層され構成されている。そして、各々のＴＦＴの所定の電極から延長されたソース電極線１０５とゲート電極線１０６とは、各々ここでは図示しない制御回路へ接続されている。ここで、ＴＦＴ駆動回路部１１０の拡大図を図１２に示す。尚、ＴＦＴ自体の積層構成は、基本的に第１の実施形態で示した積層構造と同様である。つまり、図１２に示すＴＦＴは、半導体層１１４と、ソース電極１１５及びドレーン電極１１６と、ゲート絶縁層１１３と、ゲート電極１１２とが積層されてなる。そして、図１２に示すように、ドレーン電極１１６は有機ＥＬの画素電極１１７に電気的に接続されている。又、ゲート電極１１２が接続されたゲート電極線１０６と、ソース電極１１５が接続されたソース電極線１０５とが交差する部分には、絶縁層１１８が配設されている。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いてアクティブマトリクス型のディスプレイを構成することにより、ＴＦＴ部分を低コストプロセスで作製できるため、ディスプレイ全体としても安価で、かつ機械的柔軟性及び耐衝撃性に優れたシートライクなディスプレイを実現することができる。又、表示速度（反応速度）の速いアクティブマトリクス型のディスプレイを提供することが可能になる。
尚、本実施の形態では、表示部に有機ＥＬを用いた場合について説明したが、本発明の効果はこの構成を有するアクティブマトリクス型のディスプレイに限定されるものではない。つまり、ＴＦＴ回路を必要とするアクティブマトリクス型のディスプレイであれば、その効果は同様に発揮される。
又、画素を駆動する駆動回路部の構成は、本実施の形態で示した構成に限定されるものではない。つまり、例えば、１つの画素を駆動するために電流駆動用のＴＦＴとそれを制御するためのスイッチング用ＴＦＴとを組み合わせた構成としても良い。又、更に複数個のＴＦＴを組み合わせた回路構成とすることも可能である。
次に、本発明に係るＴＦＴを無線ＩＤタグに応用した場合について説明する。
図１３は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた無線ＩＤタグの構成を模式的に示した斜視図である。
図１３に示すように、本実施の形態に係る無線ＩＤタグ１２０は、フィルム状のプラスティック基板１２１を基材として使用している。この基板１２１上には、アンテナ部１２２とメモリーＩＣ部１２３とが設けられている。ここで、メモリーＩＣ部１２３は、第１，２の実施形態において説明したＴＦＴを利用して構成することが可能である。そして、この無線ＩＤタグ１２０は、裏面に粘着効果を持たせることで、菓子袋やドリンク缶のような平坦でないものにも貼り付けて使用することが可能である。尚、無線ＩＤタグ１２０の表面には、必要に応じて保護膜が設けられる。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いて無線ＩＤタグを構成することにより、様々な形状、又は素材へ貼り付けることが可能な無線ＩＤタグを具現化することが可能になる。又、反応速度（処理速度）の速い無線ＩＤタグを提供することが可能になる。
尚、本発明の効果は、図１３に示した無線ＩＤタグの構成に限定され得られるものではない。従って、アンテナ部、メモリーＩＣ部の配置や構成方法は、任意に設定可能である。又、例えば、倫理回路部を無線ＩＤタグに組み込むことも可能である。
又、本実施の形態では、プラスティック基板１２１上に予めアンテナ部１２２とメモリーＩＣ部１２３とを形成しておく形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、インクジェット印刷のような方法を用いて、直接対象物に無線ＩＤタグを形成することも可能である。そして、その際も、本発明に係るＴＦＴの構成を用いることにより、機械的柔軟性、耐衝撃性に優れた高性能な無線ＩＤタグを低コストで作製することが可能になる。
最後に、本発明に係るＴＦＴを携行用機器に応用した場合について説明する。図１４〜図１６では、本発明に係るＴＦＴを利用した携行用機器の幾つかの具体的な応用例を示している。
先ず、本発明に係るＴＦＴを携帯テレビに応用した場合について説明する。
図１４は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯テレビの構成を模式的に示した正面図である。
図１４に示すように、本実施の形態に係る携帯テレビ１３０は、テレビ映像を表示する液晶表示装置等からなる表示部１３１と、ここでは伸縮自在なロッドアンテナからなる放送電波を受信可能な受信部１３２と、携帯テレビ１３０電源のＯＮ／ＯＦＦを制御する電源スイッチ１３３と、後述する音声出力装置１３５から出力される音声出力の音量の調整や受信するテレビ放送のチャンネルの切り換えを行うための操作スイッチ１３４と、テレビ音声を出力するスピーカ等からなる音声出力部１３５と、音声信号や映像信号を携帯テレビ１３０に入力又は携帯テレビ１３０から出力する入出力端子１３６と、受信したテレビ放送等に係る音声信号及び映像信号が必要に応じて記録される記録メディアを挿入する記録メディア挿入部１３７とを備えている。
この携帯テレビ１３０は、図１４では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯テレビ１３０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯テレビ１３０は、携帯型のテレビ放送受信機として機能する。
次に、本発明に係るＴＦＴを通信端末に応用した場合について説明する。尚、ここでは、通信端末として、携帯電話を例示している。
図１５は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯電話の構成を模式的に示した正面図である。
図１５に示すように、本実施の形態に係る携帯電話１４０は、電話番号等を表示する液晶表示装置等からなる表示部１４１と、ここでは収納自在なホイップアンテナからなる通信電波を送受信可能な送受信部１４２と、通信音声を出力するスピーカ等からなる音声出力部１４３と、写真撮影可能なＣＣＤ素子等を有するカメラ部１４４と、携帯電話１４０を必要に応じて折り畳むための折り畳み用可動部１４５と、電話番号や文字を入力するための複数の操作スイッチ１４６と、通信音声を入力するコンデンサマイク等からなる音声入力部１４７とを備えている。
この携帯電話１４０は、図１５では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯電話１４０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯電話１４０は、携帯型の通信端末として機能する。
次に、本発明に係るＴＦＴを携帯用医療機器に応用した場合について説明する。
図１６は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯用医療機器の構成を模式的に示した斜視図である。尚、ここでは、携帯用医療機器の一例として、取得された生体情報に基づいて患者に対し薬物投与等の医療的処置を自動的に行う携帯用医療機器を例示している。又、図１６では、後述する患者の腕１５５を透視的に表している。
図１６に示すように、本実施の形態に係る携帯用医療機器１５０は、機器の動作状態や取得された生体情報等を表示する液晶表示装置等からなる表示部１５１と、携帯用医療機器１５０の動作に係る設定等を行うための操作スイッチ１５２と、後述する経皮コンタクト部１５４によって取得された生体情報を処理しかつその処理の結果に基づいて経皮コンタクト部１５４を介した患者に対する薬物投与等の医療的処置を行う医療的処置部１５３と、医療的処置のための患者の生体情報を逐次収集すると共に患者に対する医療的処置を実質的に行う経皮コンタクト部１５４とを備えている。
この携帯用医療機器１５０が用いられて患者に対する医療的処置が行われる場合、携帯用医療機器１５０は、例えば図１６に示すように患者の腕１５５に巻き付けられて携行される。この図１６に示す装着状態において、経皮コンタクト部１５４と患者の腕１５５の表面とは相互に密着している。そして、携帯用医療機器１５０は、この図１６に示す装着状態において、経皮コンタクト部１５４を介して腕１５５から医療的処置のための生体情報を取得する。患者の生体情報が取得されると、この取得された生体情報は医療的処置部１５３に入力される。医療的処置部１５３では、取得された生体情報の医療的処置のための所定の処理が行われる。そして、その処理の結果に基づいて、医療的処置部１５３によって経皮コンタクト部１５４を介した患者に対する薬物投与等の医療的処置が行われる。
この携帯用医療機器１５０は、図１６では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯用医療機器１５０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯用医療機器１５０は、携帯型の医療機器として機能する。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴが利用された集積回路を用いて携行用機器を構成することにより、以下に記す効果が得られる。即ち、上述した携行用機器において利用される集積回路としては演算素子、記憶素子、及びスイッチング素子等の半導体特性を使った素子が種々考えられるが、前記携行用機器において、機械的柔軟性、耐衝撃性、廃却する際の対環境性や軽量、安価等の有機材料の利点として挙げられる性能が要求される際にその一部を本発明に係るＴＦＴを利用して構成することにより、高性能な素子を安価に実現することが可能になる。又、その結果として、前記利点を備えた携行用機器を安価に製造することが可能になる。
第３の実施形態では、本発明に係るＴＦＴを応用した携行用機器として幾つかの例を挙げて説明したが、これらの例示した機器の構成は上述した構成に限定されるものではない。又、本発明に係るＴＦＴを応用可能な携行用機器についても、上述した機器に限定されるものではない。例えば、ＰＤＡ端末、ウェアラブルなＡＶ機器、ポータブルなコンピュータ、腕時計タイプの通信機器等、機械的柔軟性、耐衝撃性、廃却する際の対環境性、軽量、安価等が要求される携行用機器に対して本発明に係るＴＦＴを好適に応用することが可能である。
尚、第１，２の実施形態では、図１Ｂ及び図１Ｃの構成のＴＦＴに本発明を適用したが、図１Ａ及び図１Ｄの構成のＴＦＴにも本発明を同様に適用することが可能である。ここで、図１Ａは、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、及び半導体層１４が積層され、この半導体層１４の上にソース電極１５及びドレーン電極１６が積層され構成されている。又、図１Ｄは、基板１１上にソース電極１５及びドレーン電極１６、半導体層１４、及びゲート絶縁層１３が積層され、このゲート絶縁層１３の上にゲート電極１２が積層され構成されている。
又、第１，２の実施形態では、ソース電極及びドレーン電極が矩形の形状を有する場合を説明したが、平面視においてソース電極とドレーン電極とが相互に対向する辺を有するように形成されていれば、本発明を好適に適用することができる。又、ソース電極及びドレーン電極が任意の形状を有する場合にも、方向π共役系有機半導体の主鎖の分子軸が半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対し傾斜して配向させることにより、本発明を適用することができる。
又、第１，２実施形態では、平面視において相互に対向する辺を有するように分離して設けられたソース電極とドレーン電極とを有する薄膜トランジスタの構成について示したが、この構成以外に、例えば、厚み方向において相互に対向する辺を有するように分離して設けられたソース電極とドレーン電極とを有する構成において、π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されてなる構成としてもよい。かかる構成としても、第１，２の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明は以上に述べたような構成を有し、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、その製造方法を提供することができると共に、キャリア移動度が改善されたＴＦＴを複数個配置したアクティブマトリクス型のディスプレイや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた無線ＩＤタグや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた携行用機器等を提供することができるという効果を奏する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
〔産業上の利用の可能性〕
本発明に係るＴＦＴ及びその製造方法は、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、そのＴＦＴの製造方法として有用である。又、本発明に係るＴＦＴは、シートライク又はペーパーライクなアクティブマトリクス型のディスプレイや、無線ＩＤタグ、携帯テレビや携帯電話等の携行用機器等を製造するために有用である。
【図４】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関し、特に、配向形成されたπ共役系有機半導体を半導体層として用いる薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【技術背景】
現在、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）は、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ等における駆動素子として好適に使用されている。このＴＦＴの構成としては種々の構成が提案されているが、基本的には、半導体層に接触して設けられたソース電極とドレーン電極との間に流れる電流を、半導体層に対して絶縁層を介して設けられたゲート電極に印加される電圧（つまり、印加される電圧で発生する電界）により制御するように構成されている。そして、ＴＦＴを構成する前記半導体層に関し、現在実用化されている半導体材料としては、結晶シリコンと比して特性面では劣るものの、比較的安価であるアモルファスシリコンや低温ポリシリコン等といった半導体材料がある。又、ゲート電極が設けられる前記絶縁層に関し、現在実用化されている絶縁材料としては、酸化シリコンや窒化シリコン等がある。しかし、これらの半導体材料及び絶縁材料を用いるＴＦＴの製造プロセスでは、プラズマＣＶＤ法等の大規模な装置や、精密加工のための薄膜制御装置を必要とする。そのため、ＴＦＴの製造コストは高コスト化する。又、前記製造プロセスは、一般に、３５０℃を越えるような処理温度のプロセスを含むため、使用可能な基板材料等には制限がある。
ところで、近年では、ＴＦＴ用として利用可能な半導体材料として、有機化合物で構成される有機物半導体が注目されている。この有機物半導体は、前述したアモルファスシリコンや低温ポリシリコン等の無機系の半導体を用いる場合と比べて、低コストプロセスでありかつ低温プロセスであるスピンコーティング、インクジェット印刷、及び浸漬コーティング等の製造プロセスによって前記半導体層を形成することが可能である。そのため、ＴＦＴの製造コストを低コスト化することが可能であり、又、使用可能な基板材料等に関する制限が解消される。又、前述した低コストプロセスや低温プロセスが適用可能であることにより、フレキシブルな基板上や大面積な基板へのＴＦＴ形成が実現でき、これによって大画面ディスプレイやシートライク、或いはペーパーライクなディスプレイ、又は無線ＩＤタグ等への用途拡大が期待されている。しかしながら、現在報告されている有機物半導体は、そのキャリア移動度が前記無機系半導体と比して低い。そのため、アモルファスシリコン並のキャリア移動度を実現するために、種々の取り組みがなされている。
有機物半導体の内、π共役系の有機物半導体は、π共役二重結合を有する分子骨格からなる有機化合物で構成されている。そして、前記π共役二重結合におけるπ軌道の重なりによって生じる荷電子帯と伝導帯、及びそれらの間のバンドギャップによって、半導体特性が得られると考えられている。ところで、π共役系有機半導体分子を寄せ集めて集合体を形成した場合、電気伝導の容易さは、その容易さの上位から、分子内の主鎖方向に沿った電気伝導、隣り合う分子同士のπ軌道の重なりを利用した電気伝導、分子間の電子のホッピングによる電気伝導の順となる。従って、π共役系有機半導体分子においてキャリア移動度を向上させるためには、如何に前記電気伝導の容易さの内で上位の電気伝導を有効に利用できる構成にするかが問題となる。そして、前記分子間の電子のホッピングによる電気伝導をより少なくする方法としては、従来から、分子を一定の方向に配向制御する方法が採られてきた。より具体的な配向方法としては、ポリシラン薄膜を、ラングミュア・ブロジェット法（ＬＢ法）や、延伸法を用いて配向させる方法が開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平５−２７５６９５号公報）。又、基板上にポリテトラフルオロエチレンを一定圧力で押し付けスライドさせて配向形成し、その配向形成したポリテトラフルオロエチレンの膜の上面にオリゴチオフェン化合物を接触させることで配向成膜する方法が開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平７−２０６５９９号公報）。又、π共役系オリゴマー分子を、ホット・ウォール・エピタキシー法を用いて配向成長させる方法も開示されている（例えば、日本国特許公開公報：特開２００２−２７０６２１号公報）。これらの配向方法を用いることによって、前記分子間の電子のホッピングによる電気伝導を限りなく少なくすることが可能となる。
又、更なるキャリア移動度の改善方法としては、π共役系有機半導体分子の配向方向を、ＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して平行になるように制御し、これによって前記分子内の主鎖方向に沿った電気伝導を有効に利用しようという方法や（例えば、日本国特許公開公報：特開平５−２７５６９５号公報、及び、日本国特許公表公報：特表２００３−５０２８７４号公報）、π共役系有機半導体分子の配向方向を、ＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、これによって前記隣り合う分子同士のπ軌道の重なりを利用した電気伝導を有効に利用しようという方法等も提案されている（例えば、日本国特許公開公報：特開平９−１１６１６３号公報）。
ところで、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ直線に対して平行になるように制御し、これによってπ共役系有機半導体分子の主鎖方向に沿った電気伝導を利用して高キャリア移動度を実現しようとする方法においては、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子長と比してソース電極とドレーン電極との間の距離が長くなってくると、その距離の増大に伴ってπ共役系有機半導体分子間における電子の移動回数が次第に多くなってくる。そして、この場合、ソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直方向に隣り合うπ共役系有機半導体分子間における電子の移動は、ソース電極とドレーン電極との間の電界が形成されている方向と直交する方向に電子が移動しなければならないため、非常に困難となる。つまり、ソース電極とドレーン電極との間の距離と比較して非常に長い分子長を有するπ共役系有機半導体分子を用いる場合や、π共役系有機半導体分子の分子長と比較してソース電極とドレーン電極との間の距離が充分に狭い場合を除いて、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して平行になるように制御しても、十分なキャリア移動度を得ることはできない。
又、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、これによって隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道の重なりを利用して高キャリア移動度を実現しようとする方法においては、π共役系有機半導体分子の主鎖の長手方向はソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に垂直に並んでおり、これによってπ共役系有機半導体分子内の主鎖方向に沿った電気伝導は寄与せず、殆どπ共役系有機半導体分子間のπ軌道の重なりを利用する電気伝導が支配的となる。そのため、ソース電極とドレーン電極との間の距離が増大すると、その距離の増大に比例して電子の移動回数が多くなる。つまり、π共役系有機半導体分子の配向方向をＴＦＴのソース電極とドレーン電極とを結ぶ垂線に対して垂直になるように制御し、かつ配向度を上げても、キャリアの移動度の改善には限界がある。
【発明の開示】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、そのＴＦＴの製造方法を提供することを第１の目的としている。又、本発明は、キャリア移動度が改善されたＴＦＴを複数個配置したアクティブマトリクス型のディスプレイや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた無線ＩＤタグや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等の携行用機器を提供することを第２の目的としている。
そして、これらの目的を達成するために、本発明に係るＴＦＴは、半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタであって、前記半導体層はπ共役系有機半導体分子を主成分として有し、前記π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。ここで、本明細書において、ソース領域及びドレーン領域とは、ソース電極及びドレーン電極、並びに、ソース電極及びドレーン電極を半導体層に接続するコンタクト層又は高濃度不純物領域（層）等を含む概念をいう。かかる構成により、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った電荷移動と、電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動とが有効に活用されるので、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
この場合、ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設けられ、前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。又、ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設けられ、前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向されている構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース領域とドレーン領域との対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されているので、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った伝導がソース領域とドレーン領域との間の電荷移動において有効に活用される。又、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道がソース領域からドレーン領域への方向において対向するように形成されており、従って分子間の電荷の移動はホッピングではなく電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動が主となる。そのため、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
上記の場合、前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向されている構成を採ることが好ましい。かかる構成により、薄膜トランジスタのＯＮ時の状態において最も導電率の高くなる方向を基準にしてソース領域及びドレーン領域が形成されることになるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±１０°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面内に配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±５°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面に対して所定の角度をもって配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子が、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体である構成を採る。かかる構成により、キャリア移動度の優れたπ共役系の電荷移動が実現できるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子における各々のπ軌道の延出方向が、全て同一ベクトル方向に統一されていない構成を採ることが好ましい。かかる構成により、１つのπ共役系有機半導体分子中においてπ軌道の延出方向が全て同一ベクトル方向に統一されていないので、主鎖の分子軸の方向を揃えることにより、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道が容易に対向するようにできるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子が結晶質である構成を採ることがより好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の配向度を、非晶質の分子を用いる場合よりも高めることができるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
又、本発明に係るＴＦＴの製造方法は、半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記半導体層にπ共役系有機半導体分子を主成分として用い、前記π共役系有機半導体分子を、π軌道が実質的に対向するように配向し、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向する構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った電荷移動と、電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動とが有効に活用されるので、キャリア移動度の高いＴＦＴを実現することができるとする。
この場合、ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設け、前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向する構成を採る。又、ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設け、前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向する構成を採る。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース領域とドレーン領域との対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されているので、π共役系有機半導体分子内での主鎖方向に沿った伝導がソース領域とドレーン領域との間の電荷移動において有効に活用されるとする。又、隣り合うπ共役系有機半導体分子同士のπ軌道がソース領域からドレーン領域への方向において対向するように形成されており、従って分子間の電荷の移動はホッピングではなく電界の掛かっているソース領域からドレーン領域の方向へのπ軌道の重なりを利用した電荷移動が主となる。そのため、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
上記の場合、前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向する構成を採ることが好ましい。かかる構成により、薄膜トランジスタのＯＮ時の状態において最も導電率の高くなる方向を基準にしてソース領域及びドレーン領域が形成されることになるので、より一層キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±１０°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面内に配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±５°なる構成を採ることが好ましい。かかる構成により、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が半導体層の主面に実質的に平行な平面に対して所定の角度をもって配向可能な材料について、キャリア移動度の高いＴＦＴを製造することができるとする。
又、本発明は、前記π共役系有機半導体分子として、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体を用いる構成を採る。かかる構成により、キャリア移動度の優れたπ共役系の電荷移動が実現できるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型ディスプレイは、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、画素を駆動するためのスイッチング素子として複数個配設されてなる構成を採る。かかる構成により、低コストで特性の良いシートライク、或いはペーパーライクなディスプレイを具現化することができるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いた無線ＩＤタグは、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる構成を採る。かかる構成により、無線ＩＤタグを様々な形状の物体、或いは素材へ貼り付けることができるとする。又、任意の形状に形成可能な無線ＩＤタグを具現化することができるとする。
又、本発明に係る薄膜トランジスタを用いた携行用機器は、請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる構成を採る。ここで、携行用機器としては、例えば、携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等が挙げられる。しかし、これらの携行用機器に限定されることはなく、例えば、携帯用ＡＶ機器、携帯用コンピュータ等の如何なる携行用機器も含まれる。かかる構成により、携帯テレビ、通信端末、ＰＤＡ、携帯用医療機器等の携行用機器に、低コスト、フレキシブル、耐衝撃性、任意形状に形成可能等の利点を付加することができるとする。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ＴＦＴの第１の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図２は、ＴＦＴの第２の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図３は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子の構造を示す図であり、図３Ａは化学構造式を示し、図３Ｂはσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図３Ｃは分子を模式的に示す斜視図である。
図４は、半導体層におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向状態を模式的に示す斜視図である。
図５は、ＴＦＴのキャリア移動度を測定するための測定試料の構成を示す模式図である。
図６は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフであり、図６Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｂはゲート電圧が３０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｃはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示す。
図７は、６個の五員環を有しかつ両方の末端をアルキル基で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いたＴＦＴのキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。
図８は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンの構造を示す図であり、図８Ａはペンタセンの化学構造式を示し、図８Ｂはペンタセンにおけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図８Ｃはペンタセンを模式的に示す斜視図である。
図９は、半導体層におけるペンタセンの配向状態を模式的に示す斜視図である。
図１０は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるペンタセンの配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフであり、図１０Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図１０Ｂはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示す。
図１１は、有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成を模式的に示す斜視図である。
図１２は、ＴＦＴ駆動回路部の構成を拡大して示した模式図である。
図１３は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた無線ＩＤタグの構成を模式的に示した斜視図である。
図１４は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯テレビの構成を模式的に示した正面図である。
図１５は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯電話の構成を模式的に示した正面図である。
図１６は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯用医療機器の構成を模式的に示した斜視図である。
参照符号一覧表（１）
１０ 垂線
１１ 基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４ 半導体層
１５ ソース電極
１６ ドレーン電極
２１ 炭素原子
２２ 硫黄原子
２３ π電子雲
４０ 半導体層
４０ａ オリゴチオフェン誘導体分子
４１ プラスティック基盤
４２ 半導体層
４３ ソース電極
４４ ドレーン電極
４５ ゲート絶縁層
４６ ゲート電極
４７ 半導体層の配向方向
４８ 半導体層
４８ａ ペンタセン
７１ 炭素原子
７３ π電子雲
１００ ＴＦＴ
１０１ プラスティック基板
１０２ 有機ＥＬ層
１０３ 透明電極
１０４ 保護フィルム
１０５ ソース電極線
１０６ ゲート電極線
１１０ ＴＦＴ駆動回路部
１１２ ゲート電極
１１３ ゲート絶縁層
１１４ 半導体層
１１５ ソース電極
参照符号一覧表（２）
１１６ ドレーン電極
１１７ 画素電極
１１８ 絶縁層
１２０ 無線ＩＤタグ
１２１ プラスティック基板
１２２ アンテナ部
１２３ メモリーＩＣ部
１３０ 携帯テレビ
１３１ 表示部
１３２ 受信部
１３３ 電源スイッチ
１３４ 操作スイッチ
１３５ 音声出力部
１３６ 入出力端子
１３７ 記録メディア挿入部
１４０ 携帯電話
１４１ 表示部
１４２ 送受信部
１４３ 音声出力部
１４４ カメラ部
１４５ 折り畳み用可動部
１４６ 操作スイッチ
１４７ 音声入力部
１５０ 携帯用医療機器
１５１ 表示部
１５２ 操作スイッチ
１５３ 医療的処置部
１５４ 経皮コンタクト部
１５５ 腕
２００ ＴＦＴ
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態では、ＴＦＴの半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子として、オリゴチオフェン誘導体を用いる場合について説明する。
図１は、ＴＦＴの第１の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、本実施の形態に係るＴＦＴ１００の構成としては、様々な構成が考えられている。何れの構成においても、その構成要素として、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６とを備えていることでは共通している。ここで、一般に、図１Ａ及び図１Ｂは、ボトムゲート方式と呼ばれている。又、図１Ｃ及び図１Ｄは、トップゲート方式と呼ばれている。更に、半導体層１４とソース電極１５、ドレーン電極１６との位置関係により、図１Ａ及び図１Ｃは、トップコンタクト方式とも呼ばれている。又、図１Ｂ及び図１Ｄは、ボトムコンタクト方式とも呼ばれている。これらの図１Ａ〜図１Ｄで示したＴＦＴ１００は、ソース電極１５とドレーン電極１６とが断面視において横方向に対向するよう配置されているので、横型ＴＦＴと呼ばれている。
一方、図１Ａ〜図１Ｄに示した従来の横型ＴＦＴに対し、近年では、ソース電極１５とドレーン電極１６とが断面視において縦方向に対向するよう配置された縦型ＴＦＴも提案されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、ＴＦＴの第２の代表的な構成の各々を模式的に示す断面図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施の形態に係るＴＦＴ２００の構成でも、その構成要素として、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６とを備えていることでは、図１Ａ〜図１Ｄで示したＴＦＴ１００と基本的に同様である。しかし、本実施の形態に係るＴＦＴ２００では、図２Ａ及び図２Ｂの何れにおいても、ソース電極１５とドレーン電極１６とが半導体層１４をその膜厚方向に（縦方向に）挟んで対向するように配置されている。このため、ＴＦＴ２００は、縱型ＴＦＴと呼ばれている。
尚、本発明によって得られる効果は、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子の配向方向をソース電極とドレーン電極との配置に対して適当な方向に制御することによって得られるものであるので、ＴＦＴ自体の構成は図１及び図２に示した何れの構成でも良く、即ち、何れかの構成に限定されるものではない。従って、以降の説明では、ＴＦＴの構成の代表例として、図１Ｃに示したトップゲート方式のＴＦＴ１００の構成を適用した場合について説明する。
図１Ｃに示すように、トップゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１と、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６と、ゲート絶縁層１３と、ゲート電極１２とを有している。具体的には、基板１１の主面上に半導体層１４が設けられており、この半導体層１４の上に、ソース電極１５及びドレーン電極１６が、互いに分離するように設けられている。又、このソース電極１５及びドレーン電極１６と、半導体層１４の露出面とを覆うように、ゲート絶縁層１３が設けられている。そして、このゲート絶縁層１３の上に、平面視において少なくともソース電極１５とドレーン電極１６との間に位置するように、ゲート電極１２が設けられている。このように、図１Ｃに示すトップゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１上に半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６、ゲート絶縁層１３が積層され、このゲート絶縁層１３の上にゲート電極１２が配設された構成を有している。
上記構成を有するＴＦＴ１００を製造する場合、先ず、所定の溶媒に溶解・分散させたπ共役系有機半導体分子を、予め所望の配向方向に平行に溝を形成した基板１１上に塗布する。そして、そのπ共役系有機半導体分子が塗布された基板１１を十分に乾燥させることにより、基板１１上にπ共役系有機半導体分子からなる半導体層１４を配向成膜する。次に、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４上にソース電極１５とドレーン電極１６とを形成するために、所定の電極材料を、所望の形状が得られるように予めパターニングされたスクリーン版を用いることによって印刷した後、十分に乾燥させる。これによって、半導体層１４上には、所望の形状のソース電極１５及びドレーン電極１６が形成される。その後、ゲート絶縁層１３を形成するために、所定の絶縁材料を予めパターニングされたスクリーン版を用いることによってソース電極１５、ドレーン電極１６、及び半導体層１４上に印刷した後、十分に乾燥させる。これにより、半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６上には、所望の形状のゲート絶縁層１３が形成される。そして、最後に、ゲート絶縁層１３上にゲート電極１２を形成するために、上記と同様にして、所定の電極材料を、所望の形状が得られるように予めパターニングされたスクリーン版を用いることによって印刷した後、これを十分に乾燥させる。これによって、ゲート絶縁層１３上には所望の形状のゲート電極１２が形成される。このように、ＴＦＴ１００は、基板１１上に半導体層１４、ソース電極１５及びドレーン電極１６、ゲート絶縁層１３、及びゲート電極１２の各々がスクリーン版を用いる印刷法によって印刷され、その後十分に乾燥されることによって形成される。
本実施の形態におけるＴＦＴ１００では、基板１１を構成する材料としては、ポリエチレン系のプラスティック基板を用いた。又、半導体層１４を構成する材料としては、π共役系有機半導体分子の内の１つであるオリゴチオフェン誘導体分子を用いた。又、ソース電極１５、ドレーン電極１６、及びゲート電極１２を構成する材料としては、ポリ３，４−エチレンダイオキシチオフェン（以下、ＰＥＤＯＴという）を主成分とする電極材料を用いた。更に、ゲート絶縁層１３を構成する材料としては、ポリビニルフェノールを用いた。
先ず、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子について詳細に説明する。
図３は、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるオリゴチオフェン誘導体分子の構造を示す図である。ここで、図３Ａはオリゴチオフェン誘導体分子の化学構造式を示し、図３Ｂはオリゴチオフェン誘導体分子におけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図３Ｃはオリゴチオフェン誘導体分子を模式的に示す斜視図である。尚、図３Ａにおいて、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の末端の化学構造は、その記載を省略している。
図３Ａに示すように、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖においては、硫黄原子（Ｓ）を含み二重結合を有する五員環がσ結合により繰り返し結合して構成されるπ共役系が発達している。尚、図３Ａでは、水素原子は明示していない。この時、分子軌道法等の手段を用いて電子状態を計算すると、二重結合の内のπ結合に利用されるπ電子の電子雲の存在範囲を求めることができる。即ち、図３Ｂに示すように、このオリゴチオフェン誘導体分子では、炭素原子２１と硫黄原子２２とで構成される各五員環面に対して垂直方向にπ電子雲２３が存在している。尚、このオリゴチオフェン誘導体分子では、各五員環同士は同一平面内に存在するのではなく、各五員環同士がσ結合により多少ねじれて結合しているため、π電子雲２３の存在方向を示すベクトルは、一定の方向に統一されていない。そして、本実施の形態では、実際には、オリゴチオフェン分子の主鎖の末端を所定の置換基で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いている。具体的には、図３Ａに示すように硫黄原子を含む８個の五員環を有し、かつ主鎖の両末端をアルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で化学修飾したオリゴチオフェン誘導体分子を用いている。
次に、本発明を特徴付けるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度に関する検討方法と、その検討結果について説明する。尚、以降の説明では、オリゴチオフェン誘導体分子の１分子を図３Ｃに示すように短冊状の四角形で表すこととする。又、π電子雲はその存在方向を示すベクトルが実際には全て統一されている訳ではないが、実質的にこの四角形平面に対して垂直な方向に存在するものと仮定する。
図４は、前述した製造方法によって得られた半導体層４０におけるオリゴチオフェン誘導体分子４０ａの配向状態を模式的に示す斜視図である。ここで、図４においては、ＸＹ軸によって形成される平面は半導体層４０の主面と平行な平面を表しており、Ｚ軸方向は半導体層４０の厚み方向を示している。
図４において、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａは、その主鎖の分子軸がＹ軸方向と平行になるように配向されており、かつ、各々の分子面を表す四角形がＹＺ軸で形成される平面に平行となるように配置されている。つまり、半導体層４０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を除く方向、即ちＸ軸方向において、隣り合うオリゴチオフェン誘導体分子同士のπ軌道が対向するように構成されている。
このように配向形成された半導体層４０を用いて、図５に示すように、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの配向方向であるＹ軸方向に対して各々矩形形状を有するソース電極及びドレーン電極の対向する辺同士に共通するその垂線１０を１０°ずつ傾けたＴＦＴ１００を各々作製した。即ち、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの各々を、そのπ軌道が実質的に対向するように配向し、かつその主鎖の分子軸をソース電極とドレーン電極との対向する辺に垂直な方向に対して１０°ずつ傾斜するように各々配向した。ここで、この作製された各々のＴＦＴ１００は、プラスティック基板４１と、図４の半導体層４０で構成された半導体層４２と、ソース電極４３と、ドレーン電極４４と、絶縁層４５と、ゲート電極４６とを有して構成されている。尚、矢印４７は、半導体層４２における図５では図示しないオリゴチオフェン誘導体分子の配向方向を示している。
以上のようにして準備された各々の測定サンプルについて、ゲート電極に種々のゲート電圧を印加した場合のＩ−Ｖ特性を測定することによって、ＴＦＴ１００のキャリア移動度を求めた。又、ソース電極４３とドレーン電極４４との対向する辺の垂線１０と、オリゴチオフェン誘導体分子４０ａの主鎖の分子軸とのなす角（配向角度）が０°である場合のソース電極−ドレーン電極間の導電率（即ち、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸に代表される方向の導電率σ１に相当）と、同じく９０°である場合の導電率（即ち、配向方向と垂直方向で、かつπ電子雲存在方向の導電率σ２に相当）とを求め、こられの導電率の値を（１）式に代入することによってθを算出した。ここで、式（１）における「ａｒｃｔａｎ」は、逆正接ｔａｎ−１を意味する。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
図６は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるオリゴチオフェン誘導体分子の配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。ここで、図６Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｂはゲート電圧が３０Ｖである場合の測定結果を示し、図６Ｃはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示している。尚、図６において、横軸はオリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の分子軸と、ソース電極とドレーン電極との対向する辺の垂線とのなす角（°）を示し、縦軸はキャリア移動度（ｃｍ２／Ｖｓｅｃ）を示している。
図６Ａに示すように、ゲート電圧が２０Ｖである場合には、導電率σ１は７．７×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は１．９×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝１４°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
又、図６Ｂに示すように、ゲート電圧が３０Ｖである場合には、導電率σ１は９．２×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は３．９×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ゲート電圧が２０Ｖである場合と同様に、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝２３°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
更に、図６Ｃに示すように、ゲート電圧が４０Ｖである場合には、導電率σ１は１．０×１０−２Ｓ／ｍであり、導電率σ２は５．４×１０−３Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ゲート電圧が２０Ｖ及び３０Ｖである場合と同様に、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°より大きくなるに従って向上するが、前記式（１）で求められるθ＝２８°近傍を超えると徐々に低下し、配向角度が９０°では最も低いキャリア移動度となった。
このように、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が９０°の場合、即ち、オリゴチオフェン誘導体分子の主鎖の分子軸がソース電極とドレーン電極との対向する辺に垂直な方向に対して垂直である場合には、キャリア移動度が最も低下することが判明した。又、図６Ａ〜図６Ｃにおいて斜線で示した領域におけるキャリア移動度は、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°の場合、即ち、オリゴチオフェン誘導体分子がソース電極からドレーン電極への方向において隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように形成されていない場合に比べて改善していることが分かった。更に、最高のキャリア移動度が得られる配向角度は、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθの近傍であることが分かった。そして、オリゴチオフェン誘導体分子の好ましい配向角度の範囲について更に調査した結果、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±１０°の範囲が最も好適であることが判明した。
更に、本実施の形態では、半導体層４０に用いるオリゴチオフェン誘導体分子として、６個の五員環を有し、かつ、両方の末端をアルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で修飾したオリゴチオフェン誘導体分子についても、同様の測定サンプルを作製し測定を行った。その測定の結果を、図７に示す。ここで、図７に示す測定結果は、ゲート電圧が３０Ｖである場合についての測定結果を示している。尚、図７における横軸と縦軸とは、図６の場合と同様である。
図７に示すように、６個の五員環を有し末端が前記化学修飾されたオリゴチオフェン誘導体分子を用いた場合には、オリゴチオフェン誘導体分子の配向角度が０°である場合と９０°である場合とのキャリア移動度は概ね等しく、その他の配向角度におけるキャリア移動度は、前記０°及び前記９０°の場合のキャリア移動度に対して改善されていることが分かった。又、前記８個の五員環を有するオリゴチオフェン誘導体分子を用いる場合と同様に、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθ＝３９°の近傍において最高のキャリア移動度が得られることが分かった。そして、この場合も、オリゴチオフェン誘導体分子の好ましい配向角度の範囲は、図７に示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±１０°の範囲であることが判明した。
尚、本実施の形態では、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子として、五員環が８個又は６個であり、末端が各々アルキル基（例えば、−Ｃ１０Ｈ２１）で修飾されたオリゴチオフェン誘導体を用いた場合について説明したが、本発明の効果はこのような構造を有する材料に限定されるものではない。つまり、本発明によって得られる効果は、ＴＦＴのソース電極及びドレーン電極の配設方向と、半導体層の配向方向との位置関係によって発現するものであるので、他のπ共役系有機半導体分子を用いた場合でも、同様の効果が得られる。例えば、五員環の数が異なるポリチオフェン誘導体を用いても良いし、末端の修飾基をその他の適当な置換基に変更することも可能である。又、末端ではなく、主鎖の途中に修飾基を導入しても良い。
又、図４ではオリゴチオフェン誘導体分子を表す四角形がＹＺ軸で形成される平面に平行に配置されているよう模式的に示したが、分子面を表す四角形は全てが完全にＸＹ軸で形成される平面に対して直立している必要は無い。つまり、π軌道の重なりを利用した電荷移動が可能である程度においては、多少分子面が傾いていても良いし、その傾きも一様である必要は無い。その際、本実施例で用いたオリゴチオフェン誘導体分子のように、π電子雲の存在方向を示すベクトル方向が一方向に統一されていないものは、その傾きの許容範囲が広くなるので、本発明に係るＴＦＴの作製が容易になるという効果が得られる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、ＴＦＴの半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子として、ペンタセンを用いる場合について説明する。
本実施の形態では、図１Ｂに示す構成を有するＴＦＴ１００を採用した。尚、本発明の効果は、半導体層の配向方向を基板平面に対して適当な角度の向きに制御することによって得られるものである。従って、ＴＦＴ１００自体の構成は、図１Ｂに示した構成に限定されるものではない。
図１Ｂに示すように、ボトムゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、ソース電極１５と、ドレーン電極１６と、π共役系有機半導体分子からなる半導体層１４とを有している。具体的には、基板１１の主面上にゲート電極１２が設けられており、このゲート電極１２と基板１１との露出した表面を覆うようにして、ゲート絶縁層１３が設けられている。このゲート絶縁層１３上に、ソース電極１５及びドレーン電極１６が、平面視においてゲート電極１２の両側に位置するように設けられている。そして、このソース電極５及びドレーン電極６とゲート絶縁層１３の露出する表面とを覆うようにして、半導体層１４が設けられている。このように、図１Ｂに示すボトムゲート方式が採用されたＴＦＴ１００は、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、ソース電極１５及びドレーン電極１６、及び半導体層１４が順次積層された構成を有している。
上記構成を有するＴＦＴ１００を製造する場合、先ず、ゲート電極１２を形成するために、基板１１上に所定の電極材料を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。これによって、基板１１上の所定の位置には、所定の形状のゲート電極１２が形成される。次に、ゲート絶縁層１３を形成するために、所定の絶縁材料をスピンコーティング法にて塗布した後に十分に乾燥させる。次いで、ソース電極１５及びドレーン電極１６を形成するために、所定の電極材料を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。これにより、ゲート絶縁層１３上には所定の形状を有するソース電極１５及びドレーン電極１６が形成される。最後に、半導体層１４を形成するために、π共役系有機半導体分子を真空蒸着法にて成膜した後にパターニングする。この時、前記π共役系有機半導体分子の分子軸と基板１１の平面とのなす角については、成膜条件を調整することによって制御した。又、平面方向におけるπ共役系有機半導体分子の重なりについては、通常の成膜ではグレイン毎にはその重なる方向が揃うが、層全体としてはグレイン毎にランダムな方向になってしまうため、実際にはπ共役系有機半導体分子を成膜する前に下地となるゲート絶縁層１３上に配向層を塗布及び乾燥により設けて、これにより層全体として一様な分子の重なりが得られるようにした。このように、ＴＦＴ１００は、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、ソース電極１５及びドレーン電極１６、及び半導体層１４の各々が真空蒸着法又はスピンコーティング法によって成膜及びパターニングされることによって形成される。
本実施例におけるＴＦＴ１００では、基板１１を構成する材料としてポリエチレン系のプラスティック基板を用いた。又、ゲート電極１２を構成する材料としては、金（以下、Ａｕ）を用いた。又、ゲート絶縁層１３を構成する材料としては、ポリビニルフェノールを用いた。又、ソース電極１５及びドレーン電極１６を構成する材料としては、Ａｕを用いた。そして、半導体層１４を構成する材料としては、π共役系有機半導体分子の内の１つであるペンタセンを用いた。
先ず、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンについて詳細に説明する。
図８は、半導体層１４に用いるπ共役系有機半導体分子であるペンタセンの構造を示す図である。ここで、図８Ａはペンタセンの化学構造式を示し、図８Ｂはペンタセンにおけるσ結合及びπ電子雲の様子を示し、図８Ｃはペンタセンを模式的に示す斜視図である。
図８Ａに示すように、ペンタセンの主鎖においては、複数の二重結合を有する六員環が繰り返し結合して構成されるπ共役系が発達している。尚、図８Ａでは、水素原子は明示していない。この時、分子軌道法等の手段を用いて電子状態を計算すると、二重結合の内のπ結合に利用されるπ電子の電子雲の存在範囲を求めることができる。即ち、図８Ｂに示すように、このペンタセンでは、炭素原子７１で構成される各六員環面に対して垂直方向にπ電子雲７３が存在している。尚、このペンタセンでは、各六員環同士は同一平面内に存在するので、π電子雲７３の存在方向を示すベクトルは、図８Ｃに示す四角形平面に垂直な方向に統一されている。
次に、本発明を特徴付けるペンタセンの配向角度に関する検討方法と、その検討結果について説明する。尚、以降の説明では、ペンタセンの１分子を図８Ｃに示すように短冊状の四角形で表すこととする。
図９は、前述した製造方法によって得られた半導体層４８におけるペンタセン４８ａの配向状態を模式的に示す斜視図である。ここで、図９においては、ＸＹ軸によって形成される平面は半導体層４８の主面と平行な平面を表しており、Ｚ軸方向は半導体層４８の厚み方向を示している。
図９において、ペンタセン４８ａは、その主鎖の分子軸がＸＹ軸で形成される平面に対してα°のなす角をもって配向されており、かつ、各々の分子面を表す四角形がＸ軸に平行な方向において、隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように構成されている。尚、このように形成された半導体層４８に対して、ソース電極及びドレーン電極は、何れのなす角α°のペンタセン４８ａについても、Ｘ軸方向がチャネル方向となるよう形成される。
以上のようにして準備された各々の測定サンプルについて、ゲート電極に種々のゲート電圧を印加した場合のＩ−Ｖ特性を測定することによって、ＴＦＴ１００のキャリア移動度を求めた。又、なす角α°が０°である場合のソース電極とドレーン電極との間の導電率（即ち、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸に代表される方向の導電率σ１に相当）と、なす角α°が９０°である場合の導電率（即ち、配向方向と垂直方向で、かつπ電子雲存在方向の導電率σ２に相当；実際には完全に９０°配向の物が得られていないが、最も９０°に近いもので代表させた）とを求め、これらの導電率の値を前述の（１）式に代入することによってθを算出した。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
図１０は、種々のゲート電圧を印加した場合におけるペンタセンの配向角度を変化させた際のキャリア移動度の変化を測定した結果を表すグラフである。ここで、図１０Ａはゲート電圧が２０Ｖである場合の測定結果を示し、図１０Ｂはゲート電圧が４０Ｖである場合の測定結果を示している。尚、図１０における横軸と縦軸とについても、図６の場合と同様である。
図１０Ａに示すように、ゲート電圧が２０Ｖである場合には、導電率σ１は１．９×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は１．３×１０−２Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ペンタセンの配向角度が０°で最も低い移動度となったが、０°より大きくなるに従って次第に向上し、前記式（１）で求められるθ＝８１°近傍でピークとなった後、徐々に低下することが分かった。
又、図１０Ｂに示すように、ゲート電圧が４０Ｖである場合には、導電率σ１は３．２×１０−３Ｓ／ｍであり、導電率σ２は６．３×１０−２Ｓ／ｍであった。又、キャリア移動度については、ペンタセンの配向角度が０°で最も低い移動度となったが、０°より大きくなるに従って次第に向上し、前記式（１）で求められるθ＝８７°近傍でピークとなった後、徐々に低下することが分かった。
このように、半導体層４８のキャリア移動度は、ペンタセンの配向角度を０°より大きくするに従って、配向角度が０°である場合（即ち、ペンタセンの分子軸が基板平面と平行に配向しており、π共役系有機半導体分子がソース電極からドレーン電極への方向において隣り合う分子同士のπ軌道が対向するように形成されていない場合）に比べて改善することが分かった。又、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて斜線で示した領域におけるキャリア移動度は、ペンタセンの配向角度が９０°近傍である場合、即ち、ペンタセンの分子軸が基板平面に直立しており、π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸がソース電極とドレーン電極との対向する辺の垂線に対して垂直である場合に比べて改善していることが分かった。更に、最高のキャリア移動度が得られる配向角度は、配向角度が０°である場合の導電率σ１と、配向角度が９０°である場合の導電率σ２とを用いて式（１）によって計算されるθの近傍であることが分かった。そして、ペンタセンの好ましい配向角度の範囲について更に調査した結果、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、式（１）によって算出されるθを中心として±５°の範囲（但し、９０°を超える部分を除く）が最も好適であることが判明した。
尚、本実施の形態では、半導体層に用いるπ共役系有機半導体分子としてペンタセンを用いた場合について説明したが、本発明の効果はこの材料に限定されるものではない。即ち、本発明の効果は、半導体層を構成するπ共役系有機半導体分子の分子軸の配向方向と基板平面との位置関係によって発現するものであるので、その他のπ共役系有機半導体分子を用いた場合でも同様の効果が得られる。例えば、六員環の数が異なるテトラセン等のその他のオリゴアセンを用いても良いし、それらの構造の一部を置換したり、又は化学修飾したりしたオリゴアセン系の誘導体を用いても良い。
又、第１の実施形態ではチオフェン系ポリマーの誘導体を用いた場合を、第２の実施形態ではアセン系ポリマーの誘導体を用いた場合を例として説明したが、本発明の効果はこれらの材料に限定されるものではなく、アセチレン系、ピロール系、又はフェニレン系のポリマーの誘導体を用いても、本発明の主旨に沿って配向方向が制御されて成膜される限りにおいては同様の効果が得られる。又、前記材料の何れかを組み合わせたコポリマーの誘導体を用いた場合も、本発明の効果と同様の効果が得られる。又、これらの中から材料を選択する際、第２の実施形態で説明したペンタセンのように結晶質の材料を選択すると、非晶質の材料を用いる場合と比べてより一層高いキャリア移動度を得ることが可能になる。
又、第１，２の実施形態では、ソース電極、ドレーン電極、ゲート電極の各々の電極材料として有機材料であるＰＥＤＯＴを主成分とする材料、若しくはＡｕを用いたが、その他の導電性高分子材料を用いることも可能であり、又、ＩＴＯ，Ｃｕ等の無機材料を用いることも可能である。但し、機械的柔軟性、耐衝撃性のあるＴＦＴを構成するためには弾性のある材料を選択するか、若しくは曲げの影響を受けにくい電極構成を選択することが好ましい。又、ゲート絶縁層や基板も第１，２の実施形態で用いた材料に限定はされないが、電極と同様に弾性のある材料を選択するか、若しくは曲げの影響を受けにくい材料を用いることが好ましい。
又、第１の実施形態では、オリゴチオフェン誘導体分子を所定の方向に配向させる方法として、基板に溝を設けてその上に溶媒に分散させたオリゴチオフェン誘導体分子を塗布し乾燥させるという方法を、又、第２の実施形態では、ペンタセンを所定の方向に配向させる方法として、下地となるゲート絶縁層上に配向層を設けて所定の条件で真空蒸着して成膜する方法を各々用いたが、本発明の効果は前述の通り半導体層の配向方向とソース電極−ドレーン電極、或いは基板平面との位置関係によって発現するものであるので、その配向方法が何であるかは問題でない。例えば、背景技術として説明したＬＢ法、延伸法、又は、基板上にポリテトラフルオロエチレンを一定圧力で押し付けスライドさせて配向形成し、その上に有機半導体を接触させる方法や、π共役系オリゴマー分子を、ホット・ウォール・エピタキシー法を用いる方法等を用いて配向成膜しても同様の効果が得られる。又、π共役系有機半導体分子の側鎖に液晶性の置換基を化学修飾し、その置換基の効果を利用することによって配向制御する方法を用いても良い。
更に、第１，２の実施形態で用いた材料について、各々のゲート電圧において最適と思われる配向角度をθとして示したが、これらは材料によって一意的に決まるものではない。つまり、導電率σ１、及びσ２は同一材料であってもその成膜状態、又はＴＦＴの構成等によって変わり得る。しかしながら、本発明の主旨に従って配向角度を決定することにより、実際に使われる状態において、最もキャリア移動度が高くなるＴＦＴを構成することが可能となる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いたアプリケーション例として、シートライクなフレキシブルディスプレイ、無線ＩＤタグ、及び、携帯テレビ、通信端末、携帯用医療機器等の携行用機器について説明する。
先ず、シートライクなフレキシブルディスプレイとして有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成例について説明する。
図１１は、本実施の形態に係る有機ＥＬを表示部に用いたアクティブマトリクス型ディスプレイの構成を模式的に示す斜視図である。
図１１に示すように、本実施の形態に係るアクティブマトリクス型ディスプレイは、プラスティック基板１０１上に画素電極に接続されたＴＦＴ駆動回路１１０がアレイ状に配置されており、そのＴＦＴ駆動回路１１０の上に有機ＥＬ層１０２と保護フィルム１０４とが配設されている。尚、有機ＥＬ層１０２の上面には、透明電極１０３が設けられる。ここで、有機ＥＬ層１０２は、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等の各層が積層され構成されている。そして、各々のＴＦＴの所定の電極から延長されたソース電極線１０５とゲート電極線１０６とは、各々ここでは図示しない制御回路へ接続されている。ここで、ＴＦＴ駆動回路部１１０の拡大図を図１２に示す。尚、ＴＦＴ自体の積層構成は、基本的に第１の実施形態で示した積層構造と同様である。つまり、図１２に示すＴＦＴは、半導体層１１４と、ソース電極１１５及びドレーン電極１１６と、ゲート絶縁層１１３と、ゲート電極１１２とが積層されてなる。そして、図１２に示すように、ドレーン電極１１６は有機ＥＬの画素電極１１７に電気的に接続されている。又、ゲート電極１１２が接続されたゲート電極線１０６と、ソース電極１１５が接続されたソース電極線１０５とが交差する部分には、絶縁層１１８が配設されている。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いてアクティブマトリクス型のディスプレイを構成することにより、ＴＦＴ部分を低コストプロセスで作製できるため、ディスプレイ全体としても安価で、かつ機械的柔軟性及び耐衝撃性に優れたシートライクなディスプレイを実現することができる。又、表示速度（反応速度）の速いアクティブマトリクス型のディスプレイを提供することが可能になる。
尚、本実施の形態では、表示部に有機ＥＬを用いた場合について説明したが、本発明の効果はこの構成を有するアクティブマトリクス型のディスプレイに限定されるものではない。つまり、ＴＦＴ回路を必要とするアクティブマトリクス型のディスプレイであれば、その効果は同様に発揮される。
又、画素を駆動する駆動回路部の構成は、本実施の形態で示した構成に限定されるものではない。つまり、例えば、１つの画素を駆動するために電流駆動用のＴＦＴとそれを制御するためのスイッチング用ＴＦＴとを組み合わせた構成としても良い。又、更に複数個のＴＦＴを組み合わせた回路構成とすることも可能である。
次に、本発明に係るＴＦＴを無線ＩＤタグに応用した場合について説明する。
図１３は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた無線ＩＤタグの構成を模式的に示した斜視図である。
図１３に示すように、本実施の形態に係る無線ＩＤタグ１２０は、フィルム状のプラスティック基板１２１を基材として使用している。この基板１２１上には、アンテナ部１２２とメモリーＩＣ部１２３とが設けられている。ここで、メモリーＩＣ部１２３は、第１，２の実施形態において説明したＴＦＴを利用して構成することが可能である。そして、この無線ＩＤタグ１２０は、裏面に粘着効果を持たせることで、菓子袋やドリンク缶のような平坦でないものにも貼り付けて使用することが可能である。尚、無線ＩＤタグ１２０の表面には、必要に応じて保護膜が設けられる。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴを用いて無線ＩＤタグを構成することにより、様々な形状、又は素材へ貼り付けることが可能な無線ＩＤタグを具現化することが可能になる。又、反応速度（処理速度）の速い無線ＩＤタグを提供することが可能になる。
尚、本発明の効果は、図１３に示した無線ＩＤタグの構成に限定され得られるものではない。従って、アンテナ部、メモリーＩＣ部の配置や構成方法は、任意に設定可能である。又、例えば、倫理回路部を無線ＩＤタグに組み込むことも可能である。
又、本実施の形態では、プラスティック基板１２１上に予めアンテナ部１２２とメモリーＩＣ部１２３とを形成しておく形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、インクジェット印刷のような方法を用いて、直接対象物に無線ＩＤタグを形成することも可能である。そして、その際も、本発明に係るＴＦＴの構成を用いることにより、機械的柔軟性、耐衝撃性に優れた高性能な無線ＩＤタグを低コストで作製することが可能になる。
最後に、本発明に係るＴＦＴを携行用機器に応用した場合について説明する。図１４〜図１６では、本発明に係るＴＦＴを利用した携行用機器の幾つかの具体的な応用例を示している。
先ず、本発明に係るＴＦＴを携帯テレビに応用した場合について説明する。
図１４は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯テレビの構成を模式的に示した正面図である。
図１４に示すように、本実施の形態に係る携帯テレビ１３０は、テレビ映像を表示する液晶表示装置等からなる表示部１３１と、ここでは伸縮自在なロッドアンテナからなる放送電波を受信可能な受信部１３２と、携帯テレビ１３０電源のＯＮ／ＯＦＦを制御する電源スイッチ１３３と、後述する音声出力装置１３５から出力される音声出力の音量の調整や受信するテレビ放送のチャンネルの切り換えを行うための操作スイッチ１３４と、テレビ音声を出力するスピーカ等からなる音声出力部１３５と、音声信号や映像信号を携帯テレビ１３０に入力又は携帯テレビ１３０から出力する入出力端子１３６と、受信したテレビ放送等に係る音声信号及び映像信号が必要に応じて記録される記録メディアを挿入する記録メディア挿入部１３７とを備えている。
この携帯テレビ１３０は、図１４では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯テレビ１３０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯テレビ１３０は、携帯型のテレビ放送受信機として機能する。
次に、本発明に係るＴＦＴを通信端末に応用した場合について説明する。尚、ここでは、通信端末として、携帯電話を例示している。
図１５は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯電話の構成を模式的に示した正面図である。
図１５に示すように、本実施の形態に係る携帯電話１４０は、電話番号等を表示する液晶表示装置等からなる表示部１４１と、ここでは収納自在なホイップアンテナからなる通信電波を送受信可能な送受信部１４２と、通信音声を出力するスピーカ等からなる音声出力部１４３と、写真撮影可能なＣＣＤ素子等を有するカメラ部１４４と、携帯電話１４０を必要に応じて折り畳むための折り畳み用可動部１４５と、電話番号や文字を入力するための複数の操作スイッチ１４６と、通信音声を入力するコンデンサマイク等からなる音声入力部１４７とを備えている。
この携帯電話１４０は、図１５では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯電話１４０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯電話１４０は、携帯型の通信端末として機能する。
次に、本発明に係るＴＦＴを携帯用医療機器に応用した場合について説明する。
図１６は、本実施の形態に係るＴＦＴを用いた携帯用医療機器の構成を模式的に示した斜視図である。尚、ここでは、携帯用医療機器の一例として、取得された生体情報に基づいて患者に対し薬物投与等の医療的処置を自動的に行う携帯用医療機器を例示している。又、図１６では、後述する患者の腕１５５を透視的に表している。
図１６に示すように、本実施の形態に係る携帯用医療機器１５０は、機器の動作状態や取得された生体情報等を表示する液晶表示装置等からなる表示部１５１と、携帯用医療機器１５０の動作に係る設定等を行うための操作スイッチ１５２と、後述する経皮コンタクト部１５４によって取得された生体情報を処理しかつその処理の結果に基づいて経皮コンタクト部１５４を介した患者に対する薬物投与等の医療的処置を行う医療的処置部１５３と、医療的処置のための患者の生体情報を逐次収集すると共に患者に対する医療的処置を実質的に行う経皮コンタクト部１５４とを備えている。
この携帯用医療機器１５０が用いられて患者に対する医療的処置が行われる場合、携帯用医療機器１５０は、例えば図１６に示すように患者の腕１５５に巻き付けられて携行される。この図１６に示す装着状態において、経皮コンタクト部１５４と患者の腕１５５の表面とは相互に密着している。そして、携帯用医療機器１５０は、この図１６に示す装着状態において、経皮コンタクト部１５４を介して腕１５５から医療的処置のための生体情報を取得する。患者の生体情報が取得されると、この取得された生体情報は医療的処置部１５３に入力される。医療的処置部１５３では、取得された生体情報の医療的処置のための所定の処理が行われる。そして、その処理の結果に基づいて、医療的処置部１５３によって経皮コンタクト部１５４を介した患者に対する薬物投与等の医療的処置が行われる。
この携帯用医療機器１５０は、図１６では特に図示しないが、その内部にＩＣやＬＳＩ等の集積回路を有している。そして、本発明に係るＴＦＴを利用した集積回路が、携帯用医療機器１５０を構成する演算素子、記憶素子、スイッチング素子等として適宜使用されている。これにより、携帯用医療機器１５０は、携帯型の医療機器として機能する。
このように、第１，２の実施形態で説明したＴＦＴが利用された集積回路を用いて携行用機器を構成することにより、以下に記す効果が得られる。即ち、上述した携行用機器において利用される集積回路としては演算素子、記憶素子、及びスイッチング素子等の半導体特性を使った素子が種々考えられるが、前記携行用機器において、機械的柔軟性、耐衝撃性、廃却する際の対環境性や軽量、安価等の有機材料の利点として挙げられる性能が要求される際にその一部を本発明に係るＴＦＴを利用して構成することにより、高性能な素子を安価に実現することが可能になる。又、その結果として、前記利点を備えた携行用機器を安価に製造することが可能になる。
第３の実施形態では、本発明に係るＴＦＴを応用した携行用機器として幾つかの例を挙げて説明したが、これらの例示した機器の構成は上述した構成に限定されるものではない。又、本発明に係るＴＦＴを応用可能な携行用機器についても、上述した機器に限定されるものではない。例えば、ＰＤＡ端末、ウェアラブルなＡＶ機器、ポータブルなコンピュータ、腕時計タイプの通信機器等、機械的柔軟性、耐衝撃性、廃却する際の対環境性、軽量、安価等が要求される携行用機器に対して本発明に係るＴＦＴを好適に応用することが可能である。
尚、第１，２の実施形態では、図１Ｂ及び図１Ｃの構成のＴＦＴに本発明を適用したが、図１Ａ及び図１Ｄの構成のＴＦＴにも本発明を同様に適用することが可能である。ここで、図１Ａは、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、及び半導体層１４が積層され、この半導体層１４の上にソース電極１５及びドレーン電極１６が積層され構成されている。又、図１Ｄは、基板１１上にソース電極１５及びドレーン電極１６、半導体層１４、及びゲート絶縁層１３が積層され、このゲート絶縁層１３の上にゲート電極１２が積層され構成されている。
又、第１，２の実施形態では、ソース電極及びドレーン電極が矩形の形状を有する場合を説明したが、平面視においてソース電極とドレーン電極とが相互に対向する辺を有するように形成されていれば、本発明を好適に適用することができる。又、ソース電極及びドレーン電極が任意の形状を有する場合にも、方向π共役系有機半導体の主鎖の分子軸が半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対し傾斜して配向させることにより、本発明を適用することができる。
又、第１，２実施形態では、平面視において相互に対向する辺を有するように分離して設けられたソース電極とドレーン電極とを有する薄膜トランジスタの構成について示したが、この構成以外に、例えば、厚み方向において相互に対向する辺を有するように分離して設けられたソース電極とドレーン電極とを有する構成において、π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されてなる構成としてもよい。かかる構成としても、第１，２の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明は以上に述べたような構成を有し、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、その製造方法を提供することができると共に、キャリア移動度が改善されたＴＦＴを複数個配置したアクティブマトリクス型のディスプレイや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた無線ＩＤタグや、前記キャリア移動度が改善されたＴＦＴを集積回路部に用いた携行用機器等を提供することができるという効果を奏する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
〔産業上の利用の可能性〕
本発明に係るＴＦＴ及びその製造方法は、π共役系有機半導体分子を所定の方向に配向形成して構成したキャリア移動度が改善されたＴＦＴと、そのＴＦＴの製造方法として有用である。又、本発明に係るＴＦＴは、シートライク又はペーパーライクなアクティブマトリクス型のディスプレイや、無線ＩＤタグ、携帯テレビや携帯電話等の携行用機器等を製造するために有用である。
【図４】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層はπ共役系有機半導体分子を主成分として有し、
前記π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向されている、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設けられ、
前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されている、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設けられ、
前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向されている、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、
前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向されている、請求の範囲第２項又は第３項記載の薄膜トランジスタ。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
【請求項５】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±１０°である、請求の範囲第４項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±５°である、請求の範囲第４項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記π共役系有機半導体分子が、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体である、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記π共役系有機半導体分子における各々のπ軌道の延出方向が、全て同一ベクトル方向に統一されていない、請求の範囲第７項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記π共役系有機半導体分子が結晶質である、請求の範囲第７項又は第８項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記半導体層にπ共役系有機半導体分子を主成分として用い、
前記π共役系有機半導体分子を、π軌道が実質的に対向するように配向し、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向する、薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設け、
前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向する、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設け、
前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向する、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、
前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向する、請求の範囲第１１項又は第１２項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
【請求項１４】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±１０°とする、請求の範囲第１３項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±５°とする、請求の範囲第１３項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】
前記π共役系有機半導体分子として、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体を用いる、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、画素を駆動するためのスイッチング素子として複数個配設されてなる、アクティブマトリクス型ディスプレイ。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる、無線ＩＤタグ。
【請求項１９】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる、携行用機器。
【請求項１】
半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタであって、
前記半導体層はπ共役系有機半導体分子を主成分として有し、
前記π共役系有機半導体分子が、π軌道が実質的に対向するように配向され、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向されている、薄膜トランジスタ。
【請求項２】
ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設けられ、
前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向されている、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
ソース領域とドレーン領域とが前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設けられ、
前記π共役系有機半導体分子が、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向されている、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、
前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向されている、請求の範囲第２項又は第３項記載の薄膜トランジスタ。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
【請求項５】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±１０°である、請求の範囲第４項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸が前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向され、かつ該配向範囲が前記角度θ±５°である、請求の範囲第４項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記π共役系有機半導体分子が、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体である、請求の範囲第１項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記π共役系有機半導体分子における各々のπ軌道の延出方向が、全て同一ベクトル方向に統一されていない、請求の範囲第７項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記π共役系有機半導体分子が結晶質である、請求の範囲第７項又は第８項記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
半導体層と、前記半導体層に相互に対向するように分離して設けられたソース領域とドレーン領域とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記半導体層にπ共役系有機半導体分子を主成分として用い、
前記π共役系有機半導体分子を、π軌道が実質的に対向するように配向し、かつ主鎖の分子軸が前記半導体層に形成されるチャネルにおける電界の方向に対して傾斜して配向する、薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に相互に対向する辺を有するように分離して設け、
前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する辺に垂直な方向に対して傾斜して配向する、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
ソース領域とドレーン領域とを前記半導体層に該半導体層の膜厚方向において相互に対向する面を有するように分離して設け、
前記π共役系有機半導体分子を、主鎖の分子軸が前記対向する面に垂直な方向に対して傾斜して配向する、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記半導体層の少なくとも一面にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を有し、
前記ゲート電極に前記薄膜トランジスタのＯＮ時と同等の電圧が印加された状態における前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸方向の導電率がσ１で、前記分子軸方向と垂直方向でかつπ軌道軸方向の導電率がσ２であるとき、
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を、前記ソース領域と前記ドレーン領域との対向する辺または対向する面に垂直な方向に対して（１）式で算出される角度θ傾いた方向を実質的な配向方向として配向する、請求の範囲第１１項又は第１２項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
θ＝ａｒｃｔａｎ（σ２／σ１） ・・・（１）
【請求項１４】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在するよう配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±１０°とする、請求の範囲第１３項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】
前記π共役系有機半導体分子の主鎖の分子軸を前記半導体層の主面に実質的に平行な平面内に存在しないように配向し、かつ該配向範囲を前記角度θ±５°とする、請求の範囲第１３項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】
前記π共役系有機半導体分子として、チオフェン、アセチレン、ピロール、フェニレン、及びアセンの内の何れか、若しくは、これらを組み合わせた分子骨格を主鎖とする誘導体を用いる、請求の範囲第１０項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、画素を駆動するためのスイッチング素子として複数個配設されてなる、アクティブマトリクス型ディスプレイ。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる、無線ＩＤタグ。
【請求項１９】
請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の薄膜トランジスタが、集積回路を構成するための半導体素子として利用されてなる、携行用機器。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４５９３９
【国際公開日】平成１７年５月１９日（２００５．５．１９）
【発行日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１５２３３（Ｐ２００５−５１５２３３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１０７５９
【国際出願日】平成１６年７月２２日（２００４．７．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年５月１９日（２００５．５．１９）
【発行日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１０７５９
【国際出願日】平成１６年７月２２日（２００４．７．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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