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JP2007053147A - Organic semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Organic semiconductor device and its manufacturing method Download PDF

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JP2007053147A
JP2007053147A JP2005235620A JP2005235620A JP2007053147A JP 2007053147 A JP2007053147 A JP 2007053147A JP 2005235620 A JP2005235620 A JP 2005235620A JP 2005235620 A JP2005235620 A JP 2005235620A JP 2007053147 A JP2007053147 A JP 2007053147A
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JP
Japan
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organic semiconductor
protective film
semiconductor layer
semiconductor device
film
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Pending
Application number
JP2005235620A
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Japanese (ja)
Inventor
Noriyuki Kawashima
紀之 川島
Kazumasa Nomoto
和正 野本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic semiconductor device which can be easily formed without using a special material such as parylene and has a protective film with high passivation effects, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: A gate electrode 2 and a gate insulation film 3 are formed on a principal plane of a base substrate 1, a source electrode 4 and a drain electrode 5 are formed on the gate insulation film 3, and an organic semiconductor layer 6 is formed to continuously coat over the electrodes and between the electrodes. Further, a protective film 7 and a protective film 8 coating the organic semiconductor layer 6 are formed by lamination. The protective film 7 is at least a protective film serving to protect the organic semiconductor layer 6 against damage in forming the protective film 8, and is formed by coating or printing. The protective film 8 is at least a protective film serving to prevent oxygen and moisture from entering the semiconductor layer 6. For example, the protective film 7 is formed of PMMA or polyimide, and the protective film 8 made of silicon nitride is formed by a plasma CVD method or a sputtering method. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機電界効果トランジスタなどの有機半導体装置及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは保護膜(パッシベーション膜)の構造に関するものである。   The present invention relates to an organic semiconductor device such as an organic field effect transistor and a manufacturing method thereof, and more particularly to a structure of a protective film (passivation film).

従来、様々な半導体デバイス(トランジスタやダイオードや光電変換デバイスなど)には、シリコンなどの無機半導体材料が用いられてきた。例えば、現在、液晶表示装置のアクティブマトリックス回路にスイッチング素子として広く用いられている薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor;以下、TFTと略記する。)のほとんどが、半導体層としてアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを用いるシリコン系無機半導体トランジスタである。   Conventionally, inorganic semiconductor materials such as silicon have been used for various semiconductor devices (transistors, diodes, photoelectric conversion devices, etc.). For example, most thin film transistors (hereinafter abbreviated as TFTs) that are currently widely used as switching elements in active matrix circuits of liquid crystal display devices are silicon using amorphous silicon or polycrystalline silicon as a semiconductor layer. This is an inorganic semiconductor transistor.

しかし、無機半導体デバイスは、その製造に真空装置などの高価な製造設備や高純度の材料を必要とするため、製造コストが高くなる問題点がある。また、高温での熱処理が必要であるため、基板が制約される問題点もある。   However, the inorganic semiconductor device has a problem in that the manufacturing cost is high because expensive manufacturing equipment such as a vacuum apparatus or a high-purity material is required for manufacturing the inorganic semiconductor device. In addition, since a heat treatment at a high temperature is necessary, there is a problem that the substrate is restricted.

一方、有機半導体層を導電領域とする有機半導体デバイスは、比較的低い温度下で塗布法や浸漬法などで製造でき、低コストで、容易に大面積化が可能である。また、プラスチックなどの耐熱性のないフレキシブルな基板などに形成することができ、機械的衝撃に対しても安定である。このため、近年、次世代の表示装置への応用などを想定して、TFTなどの有機半導体デバイスの研究開発が活発に行われている。   On the other hand, an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer as a conductive region can be manufactured by a coating method or a dipping method at a relatively low temperature, and can be easily increased in area at low cost. Further, it can be formed on a flexible substrate having no heat resistance such as plastic, and is stable against mechanical impact. For this reason, in recent years, research and development of organic semiconductor devices such as TFTs have been actively conducted assuming application to next-generation display devices.

しかしながら、有機半導体デバイスは、有機EL(Electro Luminescence)素子と同様、外部から侵入してくる酸素及び水分によって有機半導体層が変質し、半導体性能が劣化する。酸素などの影響を受けにくい有機半導体材料の開発も行なわれているが、まだ十分であるとはいえない。従って、信頼性の高い有機半導体デバイスを作製するには、保護膜(パッシベーション膜)などによって有機半導体層を外部から完全に遮断する構造を形成することが必要不可欠である。   However, in the organic semiconductor device, like the organic EL (Electro Luminescence) element, the organic semiconductor layer is deteriorated by oxygen and moisture entering from the outside, and the semiconductor performance is deteriorated. Development of organic semiconductor materials that are not easily affected by oxygen has been carried out, but it is still not sufficient. Therefore, in order to manufacture a highly reliable organic semiconductor device, it is indispensable to form a structure that completely blocks the organic semiconductor layer from the outside by a protective film (passivation film) or the like.

このような場合、無機半導体デバイスであれば、プラズマCVD法(プラズマ気相成長法)やスパッタリング法などにより、保護膜として、緻密な窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を形成するのが一般的である。無機薄膜による保護膜が酸素や水の侵入を阻止するブロック層として有効であることは、よく知られている。しかし、有機半導体デバイスでは、プラズマによるダメージが有機半導体層に生じやすく、プラズマを用いてCVD法やスパッタリング法などによって保護膜を形成すると、プラズマによるダメージが有機半導体層に生じ、後に実施例で説明するように、かえってデバイス特性を劣化させてしまうことになる。   In such a case, in the case of an inorganic semiconductor device, a dense silicon nitride film or silicon oxide film is generally formed as a protective film by a plasma CVD method (plasma vapor deposition method) or a sputtering method. . It is well known that a protective film made of an inorganic thin film is effective as a block layer for preventing oxygen and water from entering. However, in an organic semiconductor device, plasma damage is likely to occur in the organic semiconductor layer. When a protective film is formed using plasma or CVD or sputtering, plasma damage occurs in the organic semiconductor layer, which will be described later in Examples. As a result, the device characteristics are deteriorated.

これを避けるために、従来、有機半導体デバイスでは、塗布法などによってベンゾシクロブテン(BCB)やポリイミドなどの有機膜を保護膜として形成するのが一般的である。この場合、有機保護膜が酸素や水の侵入を阻止する性能は無機保護膜に比べて劣っているため、有機保護膜を透過して有機半導体層に侵入する酸素や水分などによって有機半導体デバイスのデバイス特性や信頼性が徐々に低下することが懸念される。   In order to avoid this, conventionally, in an organic semiconductor device, an organic film such as benzocyclobutene (BCB) or polyimide is generally formed as a protective film by a coating method or the like. In this case, the performance of the organic protective film to prevent the entry of oxygen and water is inferior to that of the inorganic protective film. Therefore, the organic semiconductor device penetrates the organic protective film and penetrates into the organic semiconductor layer due to oxygen and moisture. There is concern that device characteristics and reliability will gradually deteriorate.

そこで後述の特許文献1には、ポリパラキシリレン(パリレン)層と、酸化シリコンなどのセラミック膜とを積層して保護膜を形成した、有機半導体によるスイッチング素子が提案されている。   Therefore, Patent Document 1 described later proposes an organic semiconductor switching element in which a protective film is formed by laminating a polyparaxylene (parylene) layer and a ceramic film such as silicon oxide.

特開2004−288774号公報(第2、4及び5頁、図1)JP 2004-288774 A (2nd, 4th and 5th pages, FIG. 1)

特許文献1では、請求項2に「基板材料を有し、前記基板材料の上にカソード電極としての導伝体がパターニングされ、前記カソード電極の上に、電気的に接続した有機半導体材料を塗布してあり、該有機半導体材料上に電気的に接続される導伝体によるアノード電極が形成され、かつ、前記有機半導体材料部分が露出した該有機半導体材料部分を外気遮蔽するようにポリパラキシリレン及びセラミックスを、該有機半導体材料部分を覆うように形成したことを特徴とする有機半導体によるスイッチング素子」を発明とすることが記載されている。   In Patent Document 1, a substrate material is provided, and a conductive material as a cathode electrode is patterned on the substrate material, and an electrically connected organic semiconductor material is applied onto the cathode electrode. An anode electrode is formed on the organic semiconductor material by a conductor electrically connected to the organic semiconductor material, and the organic semiconductor material portion where the organic semiconductor material portion is exposed is shielded from outside air. It is described that a switching element made of an organic semiconductor, characterized in that a lens and a ceramic are formed so as to cover the organic semiconductor material portion.

図8は、特許文献1の発明の第1実施形態のスイッチング素子の側断面図であり、これに関して次の説明が記載されている。   FIG. 8 is a side sectional view of the switching element according to the first embodiment of the invention of Patent Document 1, and the following explanation is described in this regard.

「ガラス基板などガスを通さない基板材料101上に、カソード電極102を形成し、基板材料101及びカソード電極102の上に、有機半導体材料104を蒸着などで形成し、その上にアノード電極103を形成する。次に、有機半導体材料104及びアノード電極103の上に、本発明で提案の材料パリレン(商標)からなる第1保護層111を塗布または成膜により形成し、さらにセラミックスからなるSiO2などの第2保護層112を塗布または成膜により形成する。 “A cathode electrode 102 is formed on a substrate material 101 that does not pass a gas such as a glass substrate, an organic semiconductor material 104 is formed on the substrate material 101 and the cathode electrode 102 by vapor deposition, and an anode electrode 103 is formed thereon. Next, the first protective layer 111 made of the material Parylene (trademark) proposed in the present invention is formed on the organic semiconductor material 104 and the anode electrode 103 by coating or film formation, and further, SiO 2 made of ceramics. The second protective layer 112 such as is formed by coating or film formation.

パリレンは、蒸着による公知の方法が提案されており、またSiO2は、スパッタあるいはゾル・ゲル法などによって成膜する。このように構成することで、有機材料の中では特別にガスの透過率が低い材料であるパリレンからなる第1保護層111にさらに、セラミックスからなる第2保護層112により透過断面積を削減できるために、酸素や水蒸気などの有機半導体材料104に害のあるガスを避けることができる。とくに水蒸気は、パリレン分子の表面において、強い溌水性を持つことでわかるように、水蒸気を透過し難い。 A known method by vapor deposition has been proposed for parylene, and SiO 2 is formed by sputtering or a sol-gel method. By comprising in this way, a transmission cross-sectional area can be reduced by the 1st protective layer 111 which consists of parylene which is a material with especially low gas permeability in an organic material, and also the 2nd protective layer 112 which consists of ceramics. Therefore, a gas harmful to the organic semiconductor material 104 such as oxygen and water vapor can be avoided. In particular, water vapor hardly permeates through the surface of the parylene molecule, as can be seen from its strong hydrophobicity.

第1保護膜111としてパリレンを室温で成膜する。1Pa以下の真空で蒸着した。そして、パリレン膜厚さ約1μmの第1保護膜111を形成し、その上にさらに、セラミックスの第2保護膜112としてSiO2を付けた。SiO2膜は、EB蒸着で0.1μm程度付けると、試料との距離が50cmの装置では膜の表面温度がどうしても40℃以上に上昇してしまうため、試料基板の放熱に十分配慮しながら蒸着する。」 Parylene is formed as the first protective film 111 at room temperature. Vapor deposition was performed at a vacuum of 1 Pa or less. Then, a first protective film 111 having a parylene film thickness of about 1 μm was formed, and SiO 2 was further added thereon as a ceramic second protective film 112. The SiO 2 film is deposited with sufficient consideration for heat dissipation of the sample substrate because the surface temperature of the film inevitably rises to 40 ° C. or more in an apparatus having a distance of 50 cm from the sample when EB deposition is applied to about 0.1 μm. To do. "

しかしながら、特許文献1の発明には不明な点がいくつか存在する。特に、なぜ第1保護層111がパリレンからなる膜でなければならないのか、また、SiO2などのセラミックスからなる第2保護層112と第1保護層111とがどのような関係にあるのか、ということが明確ではない。 However, the invention of Patent Document 1 has some unclear points. In particular, why the first protective layer 111 must be a film made of parylene, and what relationship is there between the second protective layer 112 made of ceramics such as SiO 2 and the first protective layer 111? It is not clear.

パリレンからなる保護層を形成するためには、少なくとも、パリレンダイマーを蒸発させる蒸発領域、気体状のパリレンダイマーを気相でパリレンモノマーに熱分解する熱分解領域、未分解のパリレンダイマーを吸着によって除去する後熱分解領域、および気体状のパリレンモノマーを基板に堆積させ、重合させ、基板上にパリレンポリマーを形成させる蒸着領域を備えた特殊な真空蒸着装置が必要になる。また、成熟した半導体製造技術とは異なり、上記の各領域の温度や圧力などの条件を最適化してパリレンポリマーを作製する技術が確立され、広く普及しているとは言い難い(特表2002−505803号公報参照。)。   In order to form a protective layer consisting of parylene, at least the evaporation zone for evaporating parylene dimer, the thermal decomposition region for thermally decomposing gaseous parylene dimer into parylene monomer in the gas phase, and undegraded parylene dimer are removed by adsorption. After that, a special vacuum vapor deposition apparatus having a pyrolysis region and a vapor deposition region in which a gaseous parylene monomer is deposited on a substrate and polymerized to form a parylene polymer on the substrate is required. Further, unlike mature semiconductor manufacturing technology, a technology for producing parylene polymer by optimizing conditions such as temperature and pressure in each of the above-mentioned regions has been established, and it is difficult to say that it is widely used (Special Table 2002). 505803).

すなわち、現状は、特許文献1の発明を応用したいと考えた利用者の多くが、第1保護層111を形成する材料としてパリレンを容易に利用できる状態にはない。また、パリレンは、真空蒸着装置を用いて成膜するため、大型基板に形成するには大型の真空蒸着装置が必要になり、コスト高になるので、大面積の基板にデバイスを形成する場合には適していない。これらの理由から、第1保護層111の形成材料としてパリレン以外の保護層形成材料を用いて、特許文献1の発明と同様の効果を得たい場合がある。しかし、特許文献1にはパリレンに関して、「蒸着によって形成でき、ガス、とくに水蒸気の透過率が特に低い有機材料」としか記載されておらず、他の保護層形成材料を選定するために参考にできることがらは記載されていない。例えば、「蒸着によって形成できる」ことが必須の条件であるのか、或いは、ガス透過を阻止する性能がパリレンに比べて多少劣る材料であっても、膜厚を厚くすれば用いることができるのか、ということが示されていない。   That is, at present, many users who want to apply the invention of Patent Document 1 are not in a state in which parylene can be easily used as a material for forming the first protective layer 111. In addition, since parylene is deposited using a vacuum deposition apparatus, a large-scale vacuum deposition apparatus is required to form a large substrate, which increases costs, so when forming a device on a large-area substrate. Is not suitable. For these reasons, there are cases where it is desired to obtain the same effect as that of the invention of Patent Document 1, using a protective layer forming material other than parylene as the forming material of the first protective layer 111. However, Patent Document 1 describes only Parylene as “an organic material that can be formed by vapor deposition and has a particularly low permeability of gas, particularly water vapor”, and is used as a reference for selecting other protective layer forming materials. What can be done is not described. For example, it is an essential condition that “it can be formed by vapor deposition”, or even if it is a material whose performance for preventing gas permeation is somewhat inferior to parylene, it can be used by increasing the film thickness, That is not shown.

また、セラミックスからなる第2保護層112と第1保護層111との関係に関しては、「第1保護層111にさらに、セラミックスからなる第2保護層112により(ガスの)透過断面積を削減できる」としか記載されておらず、第1保護層111と第2保護層112との間に特別な関係はなく、両者の積層順が逆順であってもよいように読み取れる。従って、第2保護層112との関係から、パリレン以外の第1保護層111に適した材料を絞り込むこともできず、また、積層構造に関して何らかの手がかりを得ることもできない。   In addition, regarding the relationship between the second protective layer 112 made of ceramics and the first protective layer 111, “(gas) transmission cross-sectional area can be reduced by the second protective layer 112 made of ceramics in addition to the first protective layer 111. ”And there is no special relationship between the first protective layer 111 and the second protective layer 112, and it can be read that the stacking order of both may be reversed. Therefore, a material suitable for the first protective layer 111 other than parylene cannot be narrowed down due to the relationship with the second protective layer 112, and any clue regarding the laminated structure cannot be obtained.

更に、特許文献1には、請求項2に「有機半導体材料を塗布してあり」と記載されているにも関わらず、その第1実施形態では、「有機半導体材料104を蒸着などで形成し」と記載されていたり、パリレン膜は気相を通じてしか形成できないにも関わらず、第1実施形態では、「パリレン(商標)からなる第1保護層111を塗布または成膜により形成し」と記載されていたりするなど、本質的に重要な事項に関して記載の不一致や事実誤認が存在する。   Further, although Patent Document 1 states that “the organic semiconductor material is applied” in claim 2, in the first embodiment, “the organic semiconductor material 104 is formed by vapor deposition or the like”. In the first embodiment, “the first protective layer 111 made of parylene (trademark) is formed by coating or film formation” although the parylene film can be formed only through the gas phase. There are discrepancies and misconceptions about matters that are essential in nature.

以上のように、特許文献1の発明の課題は、特許文献1の発明によって部分的に解決されたとしても、完全に解決されたとは言い難い。   As described above, even if the problem of the invention of Patent Document 1 is partially solved by the invention of Patent Document 1, it cannot be said that it has been completely solved.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、パリレンなどの特殊な材料を用いず、容易に形成でき、パッシベーション効果の高い保護膜を有する有機半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an organic semiconductor device having a protective film having a high passivation effect that can be easily formed without using a special material such as parylene. It is to provide a manufacturing method.

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、特許文献1の第1保護層111は必ずしもパリレンのようにガス透過率が低い層である必要はないことを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of extensive research, the present inventor has found that the first protective layer 111 of Patent Document 1 does not necessarily need to be a layer having a low gas permeability like parylene, and has completed the present invention. .

即ち、本発明は、有機半導体層を導電領域とする有機半導体装置において、
前記有機半導体層が、溶液の被着によって形成された第1の保護膜によって被覆され 、更に、前記第1の保護膜が第2の保護膜によって被覆されており、
前記第1の保護膜は、少なくとも、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有 機半導体層を保護する作用を有し、
前記第2の保護膜は、少なくとも、前記有機半導体層への外部物質の侵入を阻止する 作用を有する
ことを特徴とする、第1の有機半導体装置に係わり、また、有機半導体層を導電領域とする有機半導体装置において、
前記有機半導体層が、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(P VP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、フッ素含有ポリマー及び ポリシラザンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる第1の保護膜によって被 覆され、更に、前記第1の保護膜が第2の保護膜によって被覆されており、
前記第1の保護膜は、少なくとも、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有 機半導体層を保護する作用を有し、
前記第2の保護膜は、少なくとも、前記有機半導体層への外部物質の侵入を阻止する 作用を有する
ことを特徴とする、第2の有機半導体装置に係わるものである。
That is, the present invention provides an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer as a conductive region,
The organic semiconductor layer is covered with a first protective film formed by deposition of a solution; and further, the first protective film is covered with a second protective film;
The first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film;
The second protective film is related to the first organic semiconductor device characterized in that it has an action of preventing at least an external substance from entering the organic semiconductor layer, and the organic semiconductor layer is used as a conductive region. In an organic semiconductor device that
A first protection in which the organic semiconductor layer is made of at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, fluorine-containing polymer, and polysilazane. Covered with a film, and further, the first protective film is covered with a second protective film,
The first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film;
The second protective film relates to the second organic semiconductor device, characterized in that it has at least an action of preventing an external substance from entering the organic semiconductor layer.

更に、前記第1の有機半導体装置又は前記第2の有機半導体装置の製造方法であって
基体に前記有機半導体層を形成する工程と、
前記第1の保護膜の材料を含む前記溶液を被着して、前記第1の保護膜によって前記 有機半導体層を被覆する工程と、
前記第1の保護膜を前記第2の保護膜によって被覆する工程と
を有する、有機半導体装置の製造方法に係わるものである。
Furthermore, in the method for manufacturing the first organic semiconductor device or the second organic semiconductor device, the step of forming the organic semiconductor layer on a substrate;
Depositing the solution containing the material of the first protective film and covering the organic semiconductor layer with the first protective film;
And a step of coating the first protective film with the second protective film.

本発明の第1の有機半導体装置は、有機半導体層を導電領域とする有機半導体装置であって、前記有機半導体層が、溶液の被着によって形成された第1の保護膜によって被覆され、更に、前記第1の保護膜が第2の保護膜によって被覆されている。前記第1の保護膜が前記溶液の被着によって形成されているので、適切な溶媒を選択すれば、前記有機半導体層に対するダメージを最小限に抑えて前記第1の保護膜を形成することができる。また、真空装置などの大がかりな装置を必要とせず、簡易に、低コストで、大面積の前記第1の保護膜を形成することができ、副次的な効果として表面の平坦性も向上する。   The first organic semiconductor device of the present invention is an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer as a conductive region, the organic semiconductor layer being covered with a first protective film formed by deposition of a solution, The first protective film is covered with a second protective film. Since the first protective film is formed by depositing the solution, if the appropriate solvent is selected, the first protective film can be formed while minimizing damage to the organic semiconductor layer. it can. Further, the first protective film having a large area can be formed easily and at low cost without requiring a large-scale device such as a vacuum device, and the flatness of the surface is improved as a secondary effect. .

なお、被着とは、塗布と印刷とを含む液体状物質の配置方法を指すものとする。塗布法には、簡易に、生産性よく前記第1の保護膜を形成できる利点があり、印刷法には、前記第1の保護膜の形成とパターニングを同時に行える利点がり、また、大面積に形成しても膜厚のばらつきが悪化しにくい利点がある。   The term “adhesion” refers to a method for arranging a liquid substance including application and printing. The coating method has an advantage that the first protective film can be easily formed with high productivity, and the printing method has an advantage that the first protective film can be formed and patterned simultaneously, and has a large area. Even if it is formed, there is an advantage that variations in film thickness are hardly deteriorated.

更に、保護膜が、少なくとも、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有する前記第1の保護膜と、少なくとも、前記有機半導体層への前記外部物質の侵入を阻止する作用を有する前記第2の保護膜との積層構造で形成されている。前記第2の保護膜を形成する際には、その際の損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有する前記第1の保護膜が既に形成されているので、前記有機半導体層への損傷などを心配することなく、前記有機半導体層への前記外部物質の侵入を阻止する作用に最も優れた膜を、前記第2の保護膜として選択することができる。また、前記有機半導体層への前記外部物質の侵入は前記第2の保護膜によって阻止されるので、前記第1の保護膜が前記外部物質の侵入を阻止する性能をもつ必要はなく、前記第1の保護膜は、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有するだけでよい。   Furthermore, the protective film has at least the first protective film having an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film, and at least the external substance to the organic semiconductor layer Is formed in a laminated structure with the second protective film having an action of preventing the intrusion. When the second protective film is formed, the first protective film having the function of protecting the organic semiconductor layer from damage at that time has already been formed. Without worrying about the above, it is possible to select, as the second protective film, a film that is most excellent in the action of preventing the entry of the external substance into the organic semiconductor layer. Further, since the intrusion of the external substance into the organic semiconductor layer is blocked by the second protective film, the first protective film does not have to have the performance of blocking the intrusion of the external substance. The protective film 1 only needs to have an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film.

以上のように、前記有機半導体層の保護膜を前記第1の保護膜と前記第2の保護膜とで構成し、保護機能を2つの保護膜で段階的に分担することにより、各保護膜に要求される性能が限定されるので、各保護膜に対してより広い選択肢の中からそれぞれに最適の材料および製造方法を選択することができる。例えば、前記第2の保護膜をプラズマCVD法(化学気相成長法)によって形成される緻密な窒化シリコン膜とすれば、前記有機半導体層への酸素や水分の侵入を阻止することができ、その際、前記第1の保護膜をポリメタクリル酸メチル(PMMA)膜やポリイミド膜などとすれば、前記窒化シリコン膜を形成する際のプラズマによる損傷から前記有機半導体層を保護することができる。この結果、パリレンなどの特殊な材料を用いなくとも、パッシベーション効果の高い保護膜を有する有機半導体装置を、容易に形成することができる。   As described above, the protective film of the organic semiconductor layer is composed of the first protective film and the second protective film, and the protective function is divided in stages by the two protective films, thereby providing each protective film. Therefore, the optimum material and manufacturing method can be selected from a wider range of options for each protective film. For example, if the second protective film is a dense silicon nitride film formed by a plasma CVD method (chemical vapor deposition method), it is possible to prevent oxygen and moisture from entering the organic semiconductor layer. At this time, if the first protective film is a polymethyl methacrylate (PMMA) film or a polyimide film, the organic semiconductor layer can be protected from plasma damage when the silicon nitride film is formed. As a result, an organic semiconductor device having a protective film having a high passivation effect can be easily formed without using a special material such as parylene.

本発明の第2の有機半導体装置は、前記第1の有機半導体装置と同様、前記有機半導体層の保護膜が、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有機半導体層を保護する作用を少なくとも有する前記第1の保護膜と、前記有機半導体層への前記外部物質の侵入を阻止する作用を少なくとも有する前記第2の保護膜との積層構造で形成されている。しかも、前記第1の保護膜が、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、フッ素含有ポリマー及びポリシラザンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる膜である。これらの材料からなる膜は、いずれも溶液の被着によって形成できる膜であるから、前記第2の有機半導体装置は、このような材料限定によって、前記第1の有機半導体装置と同様の効果を確実に得ることのできる装置である。   In the second organic semiconductor device of the present invention, like the first organic semiconductor device, the protective film of the organic semiconductor layer protects the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film. The first protective film having at least an action and the second protective film having at least an action to prevent the external substance from entering the organic semiconductor layer are formed in a laminated structure. In addition, the first protective film is a film made of at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, fluorine-containing polymer, and polysilazane. It is. Since the films made of these materials are films that can be formed by deposition of a solution, the second organic semiconductor device has the same effect as the first organic semiconductor device due to such material limitation. It is a device that can be obtained reliably.

なお、本発明の第1及び第2の有機半導体装置において、前記第1の保護膜及び前記第2の保護膜は、単一層からなるものであっても、複数層が積層されたものであってもよい。単一層からなるものであれば、形成が容易であるメリットがあり、複数層からなるものであれば、形成に手間がかかるものの、複数層の組み合わせによって、単一層では実現できない性能を実現できるメリットがある。   In the first and second organic semiconductor devices of the present invention, the first protective film and the second protective film may be a single layer or a plurality of stacked layers. May be. If it consists of a single layer, there is a merit that it is easy to form. If it consists of multiple layers, it takes time to form, but the combination of multiple layers can realize performance that cannot be achieved with a single layer. There is.

本発明の有機半導体装置の製造方法は、前記第1又は前記第2の有機半導体装置を効率よく製造することを可能にする半導体装置の製造方法である。   The method for manufacturing an organic semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device that makes it possible to manufacture the first or second organic semiconductor device efficiently.

本発明の第1の有機半導体装置又は第2の有機半導体装置の製造方法において、前記有機半導体層を溶解させる性質が乏しい溶媒を用いて前記第1の保護膜材料を溶解させ、この溶液を前記有機半導体層上に被着させると、前記有機半導体層にダメージを与えることなく前記第1の保護膜を形成することができる。この際、最表面よりも表面エネルギーの低い溶媒を用いて前記第1の保護膜の材料を溶解させ、その溶液を形成すると、濡れ性がよくなり、ピンホールの少ない保護膜を形成することができる(Journal of Applied Physics,vol.96,p.2286参照。)。具体的には、前記溶媒が、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、ブタノール、シクロペンタノン、1,4−ジオキサン、γ-ブチルラクトン、アニソール、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PEGMEA)からなる群より選ばれた少なくとも1つからなるのがよい。   In the manufacturing method of the first organic semiconductor device or the second organic semiconductor device of the present invention, the first protective film material is dissolved using a solvent having poor properties for dissolving the organic semiconductor layer, When deposited on the organic semiconductor layer, the first protective film can be formed without damaging the organic semiconductor layer. At this time, when the material of the first protective film is dissolved using a solvent having a surface energy lower than that of the outermost surface and the solution is formed, the wettability is improved and a protective film with few pinholes can be formed. Yes (see Journal of Applied Physics, vol. 96, p. 2286). Specifically, the solvent is selected from the group consisting of 2-propanol (isopropyl alcohol), butanol, cyclopentanone, 1,4-dioxane, γ-butyllactone, anisole, and polyethylene glycol monomethyl ether acetate (PEGMEA). It is good to consist of at least one.

また、前記第1の保護膜が、少なくとも、プラズマによる損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有し、前記第2の保護膜が、プラズマを用いる方法、例えばプラズマCVD法又はスパッタリング法を用いて形成されるのがよい。例えば、プラズマCVD法によって形成される緻密な窒化シリコン膜や、スパッタリング法によって形成される酸化アルミニウム(アルミナ)膜は、前記有機半導体層への酸素や水分の侵入を阻止する前記第2の保護膜として好適な膜である。   Further, the first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage caused by plasma, and the second protective film uses a method using plasma, for example, a plasma CVD method or a sputtering method. It is good to be formed. For example, a dense silicon nitride film formed by a plasma CVD method or an aluminum oxide (alumina) film formed by a sputtering method is used to prevent oxygen and moisture from entering the organic semiconductor layer. As a suitable film.

また、前記第2の保護膜が真空蒸着法又は溶液の被着によって形成されるのがよい。この場合、前記第1の保護膜は、それぞれ、真空蒸着時の熱から前記有機半導体層を保護するもの、又は前記第2の保護膜の材料を含む溶液の溶媒から前記有機半導体層を保護するものであるのがよい。   The second protective film may be formed by vacuum deposition or solution deposition. In this case, each of the first protective films protects the organic semiconductor layer from a solvent that protects the organic semiconductor layer from heat during vacuum deposition or a solution that contains a material for the second protective film. It should be a thing.

なお、既述したように、前記有機半導体層は外部から侵入してくる酸素及び水分によって劣化するので、前記第2の保護膜は前記外部物質として酸素及び水分の侵入を阻止できることが重要である。   As described above, since the organic semiconductor layer is deteriorated by oxygen and moisture entering from the outside, it is important that the second protective film can prevent entry of oxygen and moisture as the external material. .

本発明の第1の有機半導体装置において、前記有機半導体層が基体に形成され、この基体側に、前記有機半導体層への前記外部物質の侵入を阻止する第3の保護膜が形成されているのがよい。このような構造をとることによって、前記基体が前記外部物質の透過を許す材料からなるものであっても、前記基体側から前記有機半導体層に侵入しようとする前記外部物質を阻止することができる。例えば、前記基体がプラスチック基板である場合でも、酸素及び水分の侵入を阻止して、信頼性の高い有機半導体装置を形成することができる。   In the first organic semiconductor device of the present invention, the organic semiconductor layer is formed on a base, and a third protective film for preventing the external substance from entering the organic semiconductor layer is formed on the base. It is good. By adopting such a structure, it is possible to prevent the external substance from entering the organic semiconductor layer from the base side even if the base body is made of a material that allows permeation of the external substance. . For example, even when the base is a plastic substrate, it is possible to prevent oxygen and moisture from entering and form a highly reliable organic semiconductor device.

また、前記第1の保護膜が、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、フッ素含有ポリマー及びポリシラザンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなるのがよい。   Further, the first protective film is made of at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, fluorine-containing polymer and polysilazane. Is good.

また、前記第2の保護膜が、酸化アルミニウム(アルミナ)Al23、窒化シリコンSiNx、酸化シリコンSiO2、酸化窒化シリコンSiOxy、酸化チタンTiO2、酸化タリウムTa25、酸化ハフニウムHfOx及びパリレンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなるのがよい。 The second protective film is made of aluminum oxide (alumina) Al 2 O 3 , silicon nitride SiN x , silicon oxide SiO 2 , silicon oxynitride SiO x N y , titanium oxide TiO 2 , thallium oxide Ta 2 O 5, It is preferable to consist of at least one selected from the group consisting of hafnium oxide HfO x and parylene.

また、前記第3の保護膜が、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタン、酸化タリウム、酸化ハフニウム及びパリレンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなるのがよい。   The third protective film is made of at least one selected from the group consisting of aluminum oxide (alumina), silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, titanium oxide, thallium oxide, hafnium oxide, and parylene. Good.

また、前記有機半導体層がポリチオフェン系化合物若しくはペンタセン系化合物からなるのがよい。これらの有機半導体材料は、移動度が大きいなど、優れた半導体特性を示すことが知られている。なお、「・・・系化合物」とは、その化合物自体およびその化合物から誘導され派生した化合物を意味し、例えば、ポリチオフェン系化合物とは、ポリチオフェンおよびポリチオフェン誘導体を意味するものとする。   The organic semiconductor layer may be made of a polythiophene compound or a pentacene compound. These organic semiconductor materials are known to exhibit excellent semiconductor properties such as high mobility. In addition, "... type | system | group compound" means the compound itself and the compound induced | guided | derived and derived from the compound, for example, a polythiophene type compound shall mean a polythiophene and a polythiophene derivative.

また、本発明の第1の有機半導体装置は、前記導電領域に接してソース電極及びドレイン電極が設けられ、これらの両電極間にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(絶縁ゲート型FET)として構成されているのがよい。上記の有機FETは液晶表示装置の画素トランジスタなどとして好適に用いられる。また、上記の構造は、共役系をもつ有機半導体分子として可視部付近の光に対して光吸収性のある色素を用いれば、光センサ等としても動作可能である。   In the first organic semiconductor device of the present invention, a source electrode and a drain electrode are provided in contact with the conductive region, and a gate electrode is provided between the two electrodes via a gate insulating film. It is preferable to be configured as an effect transistor (insulated gate FET). The organic FET is preferably used as a pixel transistor of a liquid crystal display device. In addition, the above structure can also operate as an optical sensor or the like by using a dye that absorbs light near the visible region as an organic semiconductor molecule having a conjugated system.

例えば、有機FETをRF−IDタグ(Radio Frequency Identification:電磁波を使った自動認識技術)やディスプレイのバックプレーンに応用する場合、長期安定性などの信頼性が必要となるが、本発明の第1の有機半導体装置を用いれば、FETの初期劣化を防ぎ、かつ、経時劣化を最小限に抑えることができる。   For example, when an organic FET is applied to an RF-ID tag (Radio Frequency Identification: automatic recognition technology using electromagnetic waves) or a backplane of a display, reliability such as long-term stability is required. If this organic semiconductor device is used, initial deterioration of the FET can be prevented and deterioration with time can be minimized.

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the drawings.

本実施の形態では、主として請求項1又は2に記載した有機半導体装置、及び請求項15に記載した有機半導体装置の製造方法の例として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ及びその製造方法について説明する。   In the present embodiment, an insulated gate field effect transistor and a manufacturing method thereof will be described mainly as an example of the manufacturing method of the organic semiconductor device described in claim 1 or 2 and the organic semiconductor device described in claim 15.

図1は、本実施の形態に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された有機電界効果トランジスタ(有機FET)10の構造を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an organic field effect transistor (organic FET) 10 configured as an insulated gate field effect transistor according to the present embodiment.

図1に示すように、有機FET10では、支持基板1の一方の主面に、ゲート電極2とゲート絶縁膜3とが形成されている。このゲート絶縁膜3の上に、ソース電極4およびドレイン電極5が形成され、少なくとも、ソース電極4およびドレイン電極5に接し、これらの電極上および電極間を連続的に被覆するように、有機半導体材料からなる有機半導体層6が設けられている。   As shown in FIG. 1, in the organic FET 10, the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 are formed on one main surface of the support substrate 1. A source electrode 4 and a drain electrode 5 are formed on the gate insulating film 3, and are in contact with at least the source electrode 4 and the drain electrode 5 so as to continuously cover the electrodes and the electrodes. An organic semiconductor layer 6 made of a material is provided.

有機FET10では、有機半導体層6におけるキャリア移動がゲート電極2に印加されるゲート電圧によって制御される。図1には、有機FET10が優れたトランジスタ特性が得られるボトムゲート型FETである例を示したが、これに限るものではなく、トップゲート型またはダブルゲート型のFETであってもよい。   In the organic FET 10, carrier movement in the organic semiconductor layer 6 is controlled by a gate voltage applied to the gate electrode 2. Although FIG. 1 shows an example in which the organic FET 10 is a bottom gate type FET capable of obtaining excellent transistor characteristics, the organic FET 10 is not limited to this and may be a top gate type or a double gate type FET.

有機半導体層6の上には、有機半導体層6の保護膜として、前記第1の保護膜である保護膜7と、前記第2の保護膜である保護膜8とが、有機半導体層6を被覆するように形成されている。   On the organic semiconductor layer 6, a protective film 7 that is the first protective film and a protective film 8 that is the second protective film are used as protective films for the organic semiconductor layer 6. It is formed to cover.

以下、さらに詳しく各部を説明する。   Hereinafter, each part will be described in more detail.

支持基板1の材料は、一般に基板材料として用いられるものであれば何でもよく、例えば、プラスチック、金属、シリコンなどの半導体、ガラス、およびセラミックなどを挙げることができる。とりわけ、フレキシブルな画面が形成できることや、安価で軽量であることなどから、例えばポリエチレンナフタレート(PEN)などの有機高分子からなるプラスチック基板が好ましい。   The material of the support substrate 1 may be anything as long as it is generally used as a substrate material, and examples thereof include plastics, metals, semiconductors such as silicon, glass, and ceramics. In particular, a plastic substrate made of an organic polymer such as polyethylene naphthalate (PEN) is preferable because a flexible screen can be formed and it is inexpensive and lightweight.

ゲート電極2の材料としては、アルミニウムAl、金Au、銀Ag、クロムCr、およびニッケルNiなどがよい。   The material of the gate electrode 2 is preferably aluminum Al, gold Au, silver Ag, chromium Cr, nickel Ni, or the like.

ゲート絶縁膜3は、酸化シリコンSiO2、窒化シリコンSiNx、酸化アルミニウム(アルミナ)Al23、酸化タリウムTa25、酸化チタンTiO2、および酸化ハフニウムHfOxなどの無機材料や、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、およびパリレンなどの有機高分子材料からなるのがよい。 The gate insulating film 3 is made of an inorganic material such as silicon oxide SiO 2 , silicon nitride SiN x , aluminum oxide (alumina) Al 2 O 3 , thallium oxide Ta 2 O 5 , titanium oxide TiO 2 , and hafnium oxide HfO x , polyvinyl It may be made of an organic polymer material such as phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, and parylene.

ソース電極4およびドレイン電極5の材料としては、金、銀、クロム、PEDOT/PSS(親水性有機半導体分子であるポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸との混合水溶液から堆積させた、両者の混合物)、およびポリアニリンなどがよい。   The source electrode 4 and the drain electrode 5 are deposited from a mixed aqueous solution of gold, silver, chromium, PEDOT / PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene which is a hydrophilic organic semiconductor molecule) and polystyrene sulfonic acid. And a mixture of both) and polyaniline are preferred.

有機半導体層6は、少なくとも、ソース電極4およびドレイン電極5に接し、これらの電極上および電極間を連続的に被覆するように設けられている。有機半導体層6の材料としては、ポリチオフェン系化合物、ポリフルオレン系化合物、ポリアリルアミン系化合物などの高分子化合物がよいが、ペンタセン系化合物やオリゴチオフェン系化合物などの低分子化合物であってもよい。これらは、キャリア移動度が大きいなど、優れた半導体特性を示すことが知られている。   The organic semiconductor layer 6 is provided in contact with at least the source electrode 4 and the drain electrode 5 so as to continuously cover the electrodes and between the electrodes. The material of the organic semiconductor layer 6 is preferably a high molecular compound such as a polythiophene compound, a polyfluorene compound, or a polyallylamine compound, but may be a low molecular compound such as a pentacene compound or an oligothiophene compound. These are known to exhibit excellent semiconductor properties such as high carrier mobility.

ソース電極4およびドレイン電極5は、くし形電極の形状にパターニングされているのもよい。その場合、有機半導体層6はくし形電極の全体を包み込むように形成される。ソース電極4およびドレイン電極5をくし形電極にすることで、有機半導体層6が形成するチャネル部の実質的な断面積が増加し、移動度の小さい有機半導体層6であっても、十分な量の電流量を得ることができる。   The source electrode 4 and the drain electrode 5 may be patterned in the shape of a comb electrode. In that case, the organic semiconductor layer 6 is formed so as to enclose the entire comb-shaped electrode. By making the source electrode 4 and the drain electrode 5 comb-shaped electrodes, the substantial cross-sectional area of the channel portion formed by the organic semiconductor layer 6 is increased, and even the organic semiconductor layer 6 having a low mobility is sufficient. An amount of current can be obtained.

保護膜7は、ポリビニルアルコール(PVA)、PVP、PMMA、ポリイミド、およびフッ素ポリマーなどの有機高分子材料や、ポリシラザンなどの無機高分子材料からなるのがよい。保護膜7は、これらの溶液を有機半導体層6に被着した後、溶媒を蒸発させて形成する。   The protective film 7 is preferably made of an organic polymer material such as polyvinyl alcohol (PVA), PVP, PMMA, polyimide, and a fluorine polymer, or an inorganic polymer material such as polysilazane. The protective film 7 is formed by depositing these solutions on the organic semiconductor layer 6 and then evaporating the solvent.

保護膜8は、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタン、酸化タリウム、および酸化ハフニウムなどの無機材料や、パリレンなどの有機高分子材料からなるのがよい。   The protective film 8 is preferably made of an inorganic material such as aluminum oxide (alumina), silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, titanium oxide, thallium oxide, and hafnium oxide, or an organic polymer material such as parylene.

ここで、保護膜8は、少なくとも、酸素及び水分などの前記外部物質が有機半導体層6へ侵入するのを阻止する作用を有する保護膜である。保護膜8の膜厚は、酸素および水分の透過を阻止する性能などに応じて適宜選択されるが、酸化アルミニウム(アルミナ)や窒化シリコンでは100nm程度である。また、保護膜7は、少なくとも、保護膜8を形成する際の損傷から有機半導体層6を保護する作用を有する保護膜である。保護膜7の材質や膜厚は、保護膜8の形成方法などに応じて適宜選択する。例えば、プラズマ損傷から有機半導体層6を保護するためにPMMAやポリイミドを形成する場合には、100nm程度の膜厚とする。   Here, the protective film 8 is a protective film having a function of preventing at least the external substance such as oxygen and moisture from entering the organic semiconductor layer 6. The film thickness of the protective film 8 is appropriately selected according to the performance of preventing the permeation of oxygen and moisture, and is about 100 nm for aluminum oxide (alumina) or silicon nitride. The protective film 7 is a protective film having an action of protecting the organic semiconductor layer 6 from damage at the time of forming the protective film 8. The material and film thickness of the protective film 7 are appropriately selected according to the method for forming the protective film 8 and the like. For example, when PMMA or polyimide is formed to protect the organic semiconductor layer 6 from plasma damage, the film thickness is about 100 nm.

保護膜8を形成する際には、その際の損傷から有機半導体層6を保護する作用を有する保護膜7が既に形成されているので、有機半導体層6への損傷などを心配することなく、有機半導体層6への前記外部物質の侵入を阻止する作用に最も優れた膜を、保護膜8として選択することができる。また、有機半導体層6への前記外部物質の侵入は保護膜8によって阻止されるので、保護膜7が前記外部物質の侵入を阻止する性能をもつ必要はなく、保護膜7は、保護膜8を形成する際の損傷から有機半導体層6を保護する作用を有するだけでよい。   When the protective film 8 is formed, since the protective film 7 having the function of protecting the organic semiconductor layer 6 from damage at that time has already been formed, there is no need to worry about damage to the organic semiconductor layer 6. A film that is most excellent in the function of preventing the external substance from entering the organic semiconductor layer 6 can be selected as the protective film 8. Further, since the intrusion of the external substance into the organic semiconductor layer 6 is blocked by the protective film 8, it is not necessary for the protective film 7 to have the performance of blocking the intrusion of the external substance. It is only necessary to protect the organic semiconductor layer 6 from damage when forming.

以上のように、有機半導体層6の保護膜を保護膜7と保護膜8との積層構造で構成し、保護機能を2つの保護膜7および8で段階的に分担することにより、各保護膜に要求される性能は限定される。従って、各保護膜に対してより広い選択肢の中からそれぞれに最適の材料および製造方法を選択することができる。例えば、保護膜8をプラズマCVD法(化学気相成長法)によって形成される緻密な窒化シリコン膜とすれば、有機半導体層6への酸素や水分の侵入を阻止することができ、その際、保護膜7をPMMA膜やポリイミド膜などとすれば、窒化シリコン保護膜8を形成する際のプラズマによる損傷から有機半導体層6を保護することができる。この結果、パリレンなどの特殊な材料を用いなくとも、パッシベーション効果の高い保護膜を有する有機半導体装置を、容易に形成することができる。   As described above, the protective film of the organic semiconductor layer 6 is constituted by a laminated structure of the protective film 7 and the protective film 8, and the protective function is divided in stages by the two protective films 7 and 8, thereby providing each protective film. The performance required is limited. Therefore, it is possible to select an optimum material and manufacturing method for each protective film from a wider range of options. For example, if the protective film 8 is a dense silicon nitride film formed by plasma CVD (chemical vapor deposition), it is possible to prevent oxygen and moisture from entering the organic semiconductor layer 6. If the protective film 7 is a PMMA film or a polyimide film, the organic semiconductor layer 6 can be protected from damage caused by plasma when the silicon nitride protective film 8 is formed. As a result, an organic semiconductor device having a protective film having a high passivation effect can be easily formed without using a special material such as parylene.

なお、保護膜8が無機材料からなり、保護膜7が有機材料からなる場合には、保護膜7は、有機半導体層6と無機保護層8とが直接接すると生じる機械的なストレスを緩和する緩衝層としての効果も有する。   When the protective film 8 is made of an inorganic material and the protective film 7 is made of an organic material, the protective film 7 relieves mechanical stress that occurs when the organic semiconductor layer 6 and the inorganic protective layer 8 are in direct contact with each other. It also has an effect as a buffer layer.

図2および図3は、本実施の形態に基づく有機FET10の作製工程のフローを示す断面図である。   2 and 3 are cross-sectional views showing the flow of the manufacturing process of the organic FET 10 based on the present embodiment.

初めに、例えばポリエチレンナフタレート(PEN)からなる支持基板1を用意し、図2(a)〜図2(c)に示すように、その上にリフトオフ法によってAl、Au、Ag、Cr、またはNiなどの金属薄膜からなるゲート電極2をパターニングして形成する。   First, a support substrate 1 made of, for example, polyethylene naphthalate (PEN) is prepared. As shown in FIGS. 2A to 2C, Al, Au, Ag, Cr, or The gate electrode 2 made of a metal thin film such as Ni is formed by patterning.

すなわち、まず、図2(a)に示すように、支持基板1の全面に塗布法などによってフォトレジスト層を形成した後、フォトリソグラフィによってパターニングして、ゲート電極2を形成する領域以外を被覆するマスク51を形成する。   That is, first, as shown in FIG. 2A, a photoresist layer is formed on the entire surface of the support substrate 1 by a coating method or the like, and then patterned by photolithography to cover a region other than the region where the gate electrode 2 is formed. A mask 51 is formed.

次に、図2(b)に示すように、蒸着法などによって全面に電極材料層52を形成する。次に、マスク層51を溶解除去することにより、その上に堆積した電極材料層52を除去して、図2(c)に示すように、ゲート電極2となる電極材料層52のみを残す。   Next, as shown in FIG. 2B, an electrode material layer 52 is formed on the entire surface by vapor deposition or the like. Next, by dissolving and removing the mask layer 51, the electrode material layer 52 deposited thereon is removed, leaving only the electrode material layer 52 to be the gate electrode 2 as shown in FIG.

以上、リフトオフ法による電極形成方法を説明したが、他の方法として、全面に金属薄膜を蒸着などによって形成した後、この金属薄膜をリソグラフィとエッチングとによってパターニングして、ゲート電極2を形成してもよい。また、インクジェット印刷法、マイクロコンタクト印刷法、およびスクリーン印刷法などの印刷法によって、Au、Agなどの金属微粒子を支持基板1の上にパターニングして被着させ、金属微粒子からなるゲート電極2を形成することもできる。   The electrode forming method by the lift-off method has been described above. As another method, after forming a metal thin film on the entire surface by vapor deposition or the like, the metal thin film is patterned by lithography and etching to form the gate electrode 2. Also good. In addition, metal fine particles such as Au and Ag are patterned and deposited on the support substrate 1 by a printing method such as an ink jet printing method, a micro contact printing method, and a screen printing method, and the gate electrode 2 made of the metal fine particles is formed. It can also be formed.

次に、図2(d)に示すように、ゲート電極2の上も含めて支持基板1の全面に、無機材料や有機高分子材料からなるゲート絶縁膜3を形成する。具体的には、SiO2、SiNx、Al23、Ta25、TiO2、HfOxなどの無機材料からなるゲート絶縁膜3は、CVD法、RF(高周波)スパッタリング法、および真空蒸着法などによって成膜する。また、PVP、PMMA、ポリイミドなどの有機高分子材料からなるゲート絶縁膜3は、スピンコート法、ダイコート法、キャピラリーコート法、およびディップコート法などの塗布法、またはインクジェット印刷法、マイクロコンタクト印刷法、およびスクリーン印刷法などの印刷法によってこれらの溶液を支持基板1に被着させた後、溶媒を蒸発させて成膜する。また、パリレンは真空蒸着法により成膜する。 Next, as shown in FIG. 2D, a gate insulating film 3 made of an inorganic material or an organic polymer material is formed on the entire surface of the support substrate 1 including the gate electrode 2. Specifically, the gate insulating film 3 made of an inorganic material such as SiO 2 , SiN x , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , and HfO x is formed by CVD, RF (radio frequency) sputtering, and vacuum. A film is formed by vapor deposition. Further, the gate insulating film 3 made of an organic polymer material such as PVP, PMMA, or polyimide is applied by a coating method such as a spin coating method, a die coating method, a capillary coating method, or a dip coating method, an ink jet printing method, or a micro contact printing method. These solutions are deposited on the support substrate 1 by a printing method such as a screen printing method, and then the solvent is evaporated to form a film. Parylene is deposited by vacuum deposition.

次に、図2(e)に示すように、ゲート絶縁層3の上に、ゲート電極2と同様の方法によって、ソース電極4およびドレイン電極5を形成する。すなわち、金、銀、クロムなどの金属薄膜からなるソース電極4およびドレイン電極5は、リフトオフ法、または蒸着とその後のリソグラフィとエッチングとによって形成する。また、Au、Agなどの金属微粒子や、PEDOT/PSSおよびポリアニリンなどの有機半導体材料からなるソース電極4およびドレイン電極5は、印刷法によって形成する。   Next, as illustrated in FIG. 2E, the source electrode 4 and the drain electrode 5 are formed on the gate insulating layer 3 by the same method as that for the gate electrode 2. That is, the source electrode 4 and the drain electrode 5 made of a metal thin film such as gold, silver, or chromium are formed by a lift-off method, vapor deposition, and subsequent lithography and etching. The source electrode 4 and the drain electrode 5 made of metal fine particles such as Au and Ag, and organic semiconductor materials such as PEDOT / PSS and polyaniline are formed by a printing method.

次に、図3(f)に示すように、少なくとも、ソース電極4およびドレイン電極5に接し、これらの電極上および電極間を連続的に被覆するように、有機半導体材料からなる有機半導体層6を形成する。具体的には、有機半導体材料が、例えばポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)などの高分子量化合物である場合には、まず、適当な溶媒に溶かし、0.1〜1質量%の溶液を調製する。次に、スピンコート法、ディップコート法、キャピラリーコート法、ディスペンサー法、およびダイコート法などの塗布法や、インクジェット印刷法などの印刷法によって、窒素雰囲気中もしくは大気中でその溶液をゲート絶縁層3の全面もしくは所望の領域に被着させる。この後、窒素雰囲気中もしくは真空中で100〜160℃の温度において30分程度の間、加熱処理して残留溶媒を蒸発させる。このようにして、厚さ50〜100nmの有機半導体層6を形成する。ここで用いる溶媒は、とくに限定されるものではないが、クロロホルム、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン(THF)などがよい。   Next, as shown in FIG. 3 (f), an organic semiconductor layer 6 made of an organic semiconductor material so as to be in contact with at least the source electrode 4 and the drain electrode 5 and to continuously cover the electrodes and between the electrodes. Form. Specifically, when the organic semiconductor material is a high molecular weight compound such as poly (3-hexylthiophene) (P3HT), for example, first, it is dissolved in a suitable solvent, and a 0.1 to 1% by mass solution is prepared. Prepare. Next, the solution is applied to the gate insulating layer 3 in a nitrogen atmosphere or in the air by a coating method such as a spin coating method, a dip coating method, a capillary coating method, a dispenser method, a die coating method, or a printing method such as an ink jet printing method. The entire surface or a desired region is applied. Thereafter, the remaining solvent is evaporated by heat treatment for about 30 minutes at a temperature of 100 to 160 ° C. in a nitrogen atmosphere or in vacuum. In this way, the organic semiconductor layer 6 having a thickness of 50 to 100 nm is formed. The solvent used here is not particularly limited, but chloroform, toluene, xylene, tetrahydrofuran (THF) and the like are preferable.

なお、有機半導体材料がペンタセンやオリゴチオフェンなどの低分子量化合物であれば、抵抗加熱式の蒸着源を用いた蒸着法により有機半導体層6を形成する。   If the organic semiconductor material is a low molecular weight compound such as pentacene or oligothiophene, the organic semiconductor layer 6 is formed by a vapor deposition method using a resistance heating type vapor deposition source.

次に、図3(g)に示すように、有機半導体層6を被覆する保護層7を形成する。具体的には、保護層7の材料であるポリビニルアルコール(PVA)、PVP、PMMA、ポリイミド、およびフッ素ポリマーなどの有機高分子材料や、ポリシラザンなどの無機高分子材料の溶液を、スピンコート法、ディップコート法、キャピラリーコート法、ディスペンサー法、およびダイコート法などの塗布法や、インクジェット印刷法などの印刷法によって、有機半導体層6に被着させた後、溶媒を蒸発させて保護層7を形成する。この後、窒素雰囲気中もしくは真空中で100〜160℃の温度において1時間程度の間、加熱処理して残留溶媒を蒸発させる。材質や膜厚などは、次に説明する保護膜8の形成方法などに応じて適宜選択するが、プラズマ損傷から有機半導体層6を保護するためにPMMAやポリイミドを形成する場合には、100〜500nm程度の膜厚とする。   Next, as shown in FIG. 3G, a protective layer 7 covering the organic semiconductor layer 6 is formed. Specifically, a solution of an organic polymer material such as polyvinyl alcohol (PVA), PVP, PMMA, polyimide, and a fluorine polymer, which is a material of the protective layer 7, or a solution of an inorganic polymer material such as polysilazane, After depositing the organic semiconductor layer 6 by a coating method such as a dip coating method, a capillary coating method, a dispenser method, a die coating method, or a printing method such as an ink jet printing method, the solvent is evaporated to form the protective layer 7. To do. Thereafter, the remaining solvent is evaporated by heat treatment for about 1 hour at a temperature of 100 to 160 ° C. in a nitrogen atmosphere or in vacuum. The material, film thickness, and the like are appropriately selected according to the method for forming the protective film 8 to be described below. However, when PMMA or polyimide is formed to protect the organic semiconductor layer 6 from plasma damage, The film thickness is about 500 nm.

この際、溶媒として、有機半導体層6を構成する有機半導体材料を溶解させる性質が乏しく、最表面よりも表面エネルギーの低い溶媒を用いて、保護膜7の材料を溶解させ、その溶液を形成するのがよい。具体的には、上記の溶媒が、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、ブタノール、シクロペンタノン、1,4−ジオキサン、γ-ブチルラクトン、アニソール、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PEGMEA)からなる群より選ばれた少なくとも1つからなるのがよい。   At this time, as a solvent, the property of dissolving the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor layer 6 is poor, and a solvent having a surface energy lower than that of the outermost surface is used to dissolve the material of the protective film 7 to form a solution. It is good. Specifically, the solvent is selected from the group consisting of 2-propanol (isopropyl alcohol), butanol, cyclopentanone, 1,4-dioxane, γ-butyllactone, anisole, and polyethylene glycol monomethyl ether acetate (PEGMEA). It is good to consist of at least one of them.

このように、本実施の形態では、適切な溶媒を選択して、保護膜7が溶液の被着によって形成されるので、有機半導体層6に対するダメージを最小限に抑え、かつ、ピンホールの少ない保護膜7を形成することができる。また、真空装置などの大がかりな装置を必要としないので、簡易に、低コストで、大面積の保護膜7を形成することができる。また、副次的な効果であるが、表面の平坦性が向上するので、配線形成工程などの後続の工程が容易になり、精度も向上する。   Thus, in the present embodiment, an appropriate solvent is selected and the protective film 7 is formed by depositing the solution, so that damage to the organic semiconductor layer 6 is minimized and there are few pinholes. A protective film 7 can be formed. Further, since a large-scale device such as a vacuum device is not required, the large-area protective film 7 can be formed easily and at low cost. In addition, as a secondary effect, the flatness of the surface is improved, so that subsequent processes such as a wiring forming process are facilitated, and accuracy is improved.

次に、図3(h)に示すように、保護膜7を被覆するように、保護膜7に積層して酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタン、酸化タリウム、および酸化ハフニウムなどの無機材料や、パリレンなどの有機高分子材料からなる保護膜8を形成する。膜厚は、酸素および水分の透過を阻止する性能などに応じて適宜選択するが、酸化アルミニウム(アルミナ)や窒化シリコンでは100nm程度がよい。   Next, as shown in FIG. 3H, aluminum oxide (alumina), silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, titanium oxide, and thallium oxide are laminated on the protective film 7 so as to cover the protective film 7. And a protective film 8 made of an inorganic material such as hafnium oxide or an organic polymer material such as parylene. The film thickness is appropriately selected according to the ability to prevent the permeation of oxygen and moisture, but about 100 nm is preferable for aluminum oxide (alumina) and silicon nitride.

保護膜8を形成する際には、その際の損傷から有機半導体層6を保護する作用を有する保護膜7が既に形成されているので、有機半導体層6への損傷などを心配することなく、広い選択肢の中から、有機半導体層6への前記外部物質の侵入を阻止する作用に最も優れた膜を、保護膜8として選択することができる。   When the protective film 8 is formed, since the protective film 7 having the function of protecting the organic semiconductor layer 6 from damage at that time has already been formed, there is no need to worry about damage to the organic semiconductor layer 6. A film having the best action for preventing the external substance from entering the organic semiconductor layer 6 can be selected as the protective film 8 from a wide range of options.

例えば、プラズマCVD法によって形成される緻密な窒化シリコン膜や、スパッタリング法によって形成される酸化アルミニウム(アルミナ)膜は、有機半導体層6への酸素や水分の侵入を阻止する保護膜8として好適な膜である。これらのように保護膜8をプラズマを用いる方法、例えばプラズマCVD法またはスパッタリング法を用いて形成する場合には、保護膜7として、少なくとも、プラズマによる損傷から有機半導体層6を保護する作用を有する保護膜を形成しておく。但し、有機半導体層6への酸素や水分の侵入は保護膜8によって阻止されるので、保護膜7がこれらの侵入を阻止する性能をもつ必要はなく、保護膜7の材料は、広い選択肢の中から最適の材料を選択することができる。   For example, a dense silicon nitride film formed by a plasma CVD method or an aluminum oxide (alumina) film formed by a sputtering method is suitable as the protective film 8 that prevents intrusion of oxygen and moisture into the organic semiconductor layer 6. It is a membrane. When the protective film 8 is formed using a method using plasma, for example, a plasma CVD method or a sputtering method, the protective film 7 has at least an action of protecting the organic semiconductor layer 6 from damage caused by plasma. A protective film is formed. However, since intrusion of oxygen and moisture into the organic semiconductor layer 6 is blocked by the protective film 8, the protective film 7 does not need to have the performance of blocking these penetrations, and the material of the protective film 7 is a wide choice. The optimum material can be selected from among them.

また、保護膜8を真空蒸着法または溶液の被着によって形成してもよい。この場合、保護膜7としては、それぞれ、真空蒸着時の熱から有機半導体層6を保護するもの、または保護膜8の材料を含む溶液の溶媒から有機半導体層6を保護するものを形成しておく。   Further, the protective film 8 may be formed by vacuum deposition or solution deposition. In this case, as the protective film 7, a film that protects the organic semiconductor layer 6 from heat during vacuum deposition or a film that protects the organic semiconductor layer 6 from a solvent of a solution containing the material of the protective film 8 is formed. deep.

なお、有機半導体層6の形成、保護膜7の形成、および保護膜8の形成は、酸素や水分の影響を避けるために、外気に曝されることなく、一連の処理が行えるように、グローブボックスと連結されたクラスターツールのように構成された処理システム下で行なわれることが望ましい。   The formation of the organic semiconductor layer 6, the formation of the protective film 7, and the formation of the protective film 8 are performed so that a series of treatments can be performed without being exposed to the outside air in order to avoid the influence of oxygen and moisture. It is preferably performed under a processing system configured as a cluster tool coupled to a box.

上述したように、本実施の形態に基づく有機半導体装置の製造方法は、個々の工程では既に確立され普及している技術と設備とのみを用いているので、有機FET10を効率よく確実に製造することができる。   As described above, the organic semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment uses only the techniques and facilities that have already been established and spread in each process, and thus the organic FET 10 is manufactured efficiently and reliably. be able to.

図4は、請求項7に対応する、本実施の形態の変形例に基づく有機FET20の構造を示す断面図である。図4に示すように、有機FET20では、有機半導体層6から見て支持基板1の側に、前記第3の保護膜である保護膜11が形成されている点のみが、有機FET10と異なっている。保護膜11の材料は保護膜8の材料と同じでよく、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタン、酸化タリウム、および酸化ハフニウムなどの無機材料や、パリレンなどの有機高分子材料などである。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of an organic FET 20 according to a modification of the present embodiment, corresponding to claim 7. As shown in FIG. 4, the organic FET 20 is different from the organic FET 10 only in that a protective film 11 as the third protective film is formed on the support substrate 1 side when viewed from the organic semiconductor layer 6. Yes. The material of the protective film 11 may be the same as the material of the protective film 8, and may be an inorganic material such as aluminum oxide (alumina), silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, titanium oxide, thallium oxide, and hafnium oxide, or parylene. Organic polymer materials.

例えば、支持基板1が薄いプラスチック基板である場合のように、支持基板1が前記外部物質の透過を十分に阻止できない場合、支持基板1を透過した前記外部物質が、保護膜8が形成されていない側から有機半導体層6へ侵入しようとする。保護膜11はこれに対応するもので、保護膜11を設けることによって、支持基板1の側から有機半導体層6へ侵入しようとする酸素や水分などの前記外部物質を阻止することができる。   For example, when the support substrate 1 cannot sufficiently block the permeation of the external substance as in the case where the support substrate 1 is a thin plastic substrate, the protective film 8 is formed on the external substance that has permeated the support substrate 1. An attempt is made to enter the organic semiconductor layer 6 from the side not present. The protective film 11 corresponds to this, and by providing the protective film 11, it is possible to block the external substances such as oxygen and moisture that try to enter the organic semiconductor layer 6 from the support substrate 1 side.

また、支持基板1としてプラスチック基板などを用いた場合、加工プロセスの間に支持基板1からガスが放出され、有機半導体装置の品質が低下する原因となることがあるが、保護膜11を設けることによって、支持基板1からのガス放出を抑える効果も得られる。   In addition, when a plastic substrate or the like is used as the support substrate 1, gas may be released from the support substrate 1 during the processing process, which may cause deterioration in the quality of the organic semiconductor device. However, a protective film 11 is provided. As a result, an effect of suppressing gas release from the support substrate 1 can also be obtained.

上記のように、保護膜11を設けることによって、有機FET20の信頼性や製造歩留まりが向上するほか、支持基板1の材料や厚さの自由度も増大する。   By providing the protective film 11 as described above, the reliability and manufacturing yield of the organic FET 20 are improved, and the degree of freedom of the material and thickness of the support substrate 1 is also increased.

なお、保護膜11を設ける位置は、図4に示した支持基板1の上面側だけに限られるものではなく、下面側に設けてもよいし、両面に設けてもよい。また、支持基板1と有機半導体層6との間にはゲート絶縁膜3が存在するので、上面側に設ける保護膜11の役割をゲート絶縁膜3に兼ねさせることも考えられる。しかし、ゲート絶縁膜3にはゲート絶縁膜としての最適な膜厚が存在するので、これが保護膜としての最適膜厚と一致しない場合には、独立した保護膜11を設ける方がよい。   The position where the protective film 11 is provided is not limited to the upper surface side of the support substrate 1 shown in FIG. 4, and may be provided on the lower surface side or on both surfaces. Further, since the gate insulating film 3 exists between the support substrate 1 and the organic semiconductor layer 6, it can be considered that the protective film 11 provided on the upper surface side also serves as the gate insulating film 3. However, since the gate insulating film 3 has an optimum film thickness as a gate insulating film, if this does not coincide with the optimum film thickness as a protective film, it is better to provide an independent protective film 11.

実施例1および2は、図1に示した有機FET10を作製し、ドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を調べ、比較例と比較した例である。これらの例では、支持基板1としてポリエチレンナフタレート(PEN)からなるプラスチック基板を用い、アルミニウムからなるゲート電極2、金からなるソース電極4およびドレイン電極5、および酸化シリコンSiO2からなるゲート絶縁膜3を形成した。また、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)からなる有機半導体層6をクロロホルムを溶媒として形成した。なお、ソース電極4およびドレイン電極5は、くし形電極の形状にパターニングした。 Examples 1 and 2 are examples in which the organic FET 10 shown in FIG. In these examples, a plastic substrate made of polyethylene naphthalate (PEN) is used as the support substrate 1, a gate electrode 2 made of aluminum, a source electrode 4 and a drain electrode 5 made of gold, and a gate insulating film made of silicon oxide SiO 2. 3 was formed. Further, an organic semiconductor layer 6 made of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) was formed using chloroform as a solvent. Note that the source electrode 4 and the drain electrode 5 were patterned in the shape of a comb-shaped electrode.

実施例1は、アニソールを溶媒とし、スピンコート法によってPMMAを100nm程度の厚さに成膜することによって保護膜7を形成した後、RFマグネトロンスパッタリング法により、出力100W、25℃の下で窒化シリコンからなる保護膜8を100nm程度の厚さに成膜した例である。ゲート長Lgは5μm、ゲート幅Wgは47.2mmである。   In Example 1, a protective film 7 was formed by depositing PMMA to a thickness of about 100 nm by spin coating using anisole as a solvent, and then nitrided by RF magnetron sputtering at an output of 100 W and 25 ° C. In this example, the protective film 8 made of silicon is formed to a thickness of about 100 nm. The gate length Lg is 5 μm, and the gate width Wg is 47.2 mm.

比較例は、保護膜7を形成せずに、有機半導体層6の上に直接、実施例1と同様にRFスパッタリング法によって窒化シリコンからなる保護膜8を100nm程度の厚さに成膜した例である。実施例1と同様、ゲート長Lgは5μm、ゲート幅Wgは47.2mmである。   In the comparative example, the protective film 8 made of silicon nitride was formed to a thickness of about 100 nm directly on the organic semiconductor layer 6 without forming the protective film 7 by the RF sputtering method in the same manner as in Example 1. It is. As in the first embodiment, the gate length Lg is 5 μm and the gate width Wg is 47.2 mm.

図7は、ドレイン電圧Vdを−80Vに保った状態で、比較例の有機FETにおけるドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を求めたグラフである。点線は、保護膜8を形成する前の有機FETのグラフであり、実線は、RFスパッタリング法によって窒化シリコン保護膜8を成膜した後のグラフである。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg in the organic FET of the comparative example with the drain voltage Vd kept at −80V. The dotted line is a graph of the organic FET before the protective film 8 is formed, and the solid line is a graph after the silicon nitride protective film 8 is formed by the RF sputtering method.

図7のグラフから、比較例のFETでは、負のゲート電圧Vgを印加したとき、大きなドレイン電流Idが流れ、トランジスタはオンの状態にあり、印加するゲート電圧Vgを正またはゼロ近辺の電圧としたとき、ドレイン電流Idは最少になり、トランジスタがオフの状態になることがわかる。RFスパッタリング法によって保護膜8を形成する前の有機FETでは、オン電流とオフ電との比、すなわちオン/オフ比が最大で2×105程度であるのに対し、RFスパッタリング処理で保護膜8を形成した後の有機FETでは、オン電流が減少し、オフ電流が増加して、オン/オフ比が最大2×103程度まで劣化していることがわかる。 From the graph of FIG. 7, in the FET of the comparative example, when a negative gate voltage Vg is applied, a large drain current Id flows, the transistor is in an on state, and the applied gate voltage Vg is a positive or near zero voltage. It can be seen that the drain current Id is minimized and the transistor is turned off. In the organic FET before the protective film 8 is formed by the RF sputtering method, the ratio of the on current to the off current, that is, the on / off ratio is about 2 × 10 5 at the maximum, whereas the protective film is formed by the RF sputtering process. In the organic FET after forming 8, the on-current is decreased, the off-current is increased, and the on / off ratio is degraded to about 2 × 10 3 at the maximum.

窒化シリコン保護膜8を成膜した際のRFスパッタリング処理におけるプラズマ出力は100Wで、プラズマとしては比較的小さなエネルギーであるから、P3HTからなる有機半導体層6が、プラズマによる損傷を極めて受けやすく、有機半導体層6の上に窒化シリコン保護膜8を直接形成する場合には、RFスパッタリング処理によってFET特性が著しく劣化することがわかる。   Since the plasma output in the RF sputtering process when the silicon nitride protective film 8 is formed is 100 W and the plasma has a relatively small energy, the organic semiconductor layer 6 made of P3HT is extremely susceptible to plasma damage, When the silicon nitride protective film 8 is directly formed on the semiconductor layer 6, it can be seen that the FET characteristics are remarkably deteriorated by the RF sputtering process.

一方、図5は、ドレイン電圧Vdを同じく−80Vに保った状態で、実施例1の有機FETにおけるドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を求めたグラフである。図5のグラフから、実施例1のFETでも、負のゲート電圧Vgを印加したとき、トランジスタはオンの状態にあり、印加するゲート電圧Vgを正の電圧としたとき、トランジスタがオフの状態になることがわかる。オン電流とオフ電との比、すなわちオン/オフ比は最大2×105程度であり、RFスパッタリング処理を行う前の比較例のFETと同じである。このことから、実施例1のFETでは、RFスパッタリング処理に先だってPMMAからなる保護膜7を形成していたために、P3HTからなる有機半導体層6が、窒化シリコン保護膜8を成膜した際のプラズマによる損傷から完全に保護されたことがわかる。 On the other hand, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg in the organic FET of Example 1 while keeping the drain voltage Vd at −80V. From the graph of FIG. 5, even in the FET of Example 1, when the negative gate voltage Vg is applied, the transistor is in an on state, and when the applied gate voltage Vg is a positive voltage, the transistor is in an off state. I understand that The ratio between on-current and off-electricity, that is, the on / off ratio is about 2 × 10 5 at the maximum, which is the same as the FET of the comparative example before the RF sputtering process. Therefore, in the FET of Example 1, since the protective film 7 made of PMMA was formed prior to the RF sputtering process, the plasma when the organic semiconductor layer 6 made of P3HT formed the silicon nitride protective film 8 was formed. It can be seen that it was completely protected from damage caused by.

実施例2は、γ−ブチルラクトンを溶媒とし、スピンコート法によってポリイミドを100nm程度の厚さに成膜することによって保護膜7を形成した後、RFマグネトロンスパッタリング法により、出力100W、25℃の下で窒化シリコンからなる保護膜8を100nm程度の厚さに成膜した例である。ゲート長Lgは10μm、ゲート幅Wgは0.56mmである。   In Example 2, γ-butyllactone was used as a solvent, and a protective film 7 was formed by forming a polyimide film with a thickness of about 100 nm by a spin coating method, and then an output of 100 W at 25 ° C. by an RF magnetron sputtering method. In this example, a protective film 8 made of silicon nitride is formed to a thickness of about 100 nm. The gate length Lg is 10 μm and the gate width Wg is 0.56 mm.

図6は、ドレイン電圧Vdを同じく−80Vに保った状態で、実施例2の有機FETにおけるドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を求めたグラフである。図6のグラフから、実施例2のFETでも、負のゲート電圧Vgを印加したとき、トランジスタはオンの状態にあり、印加するゲート電圧Vgをほぼゼロにしたとき、トランジスタがオフの状態になることがわかる。このFETでは、ターンオン電圧が0V付近にあり、ゲート電圧Vgを0Vにしたとき、オフ状態になるので、制御上好都合である。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg in the organic FET of Example 2 while keeping the drain voltage Vd at −80V. From the graph of FIG. 6, even in the FET of Example 2, when the negative gate voltage Vg is applied, the transistor is in the on state, and when the applied gate voltage Vg is almost zero, the transistor is in the off state. I understand that. In this FET, the turn-on voltage is in the vicinity of 0V, and when the gate voltage Vg is set to 0V, the FET is turned off, which is convenient in terms of control.

このFETは、ゲート長Lgおよびゲート幅Wgが実施例1や比較例のFETと異なるため、ドレイン電流の大きさをこれらと直接比べることはできないが、オン電流とオフ電との比、すなわちオン/オフ比は最大1×106以上であり、このことからRFスパッタリング処理による劣化がなかったことが推測できる。すなわち、実施例2のFETでは、RFスパッタリング処理に先だってポリイミドからなる保護膜7を形成していたために、P3HTからなる有機半導体層6が、窒化シリコン保護膜8を成膜した際のプラズマによる損傷から完全に保護されたことがわかる。 Since this FET has a gate length Lg and a gate width Wg different from those of the first and comparative examples, the magnitude of the drain current cannot be directly compared with these. The / off ratio is 1 × 10 6 or more at the maximum. From this, it can be estimated that there was no deterioration due to the RF sputtering treatment. That is, in the FET of Example 2, since the protective film 7 made of polyimide was formed prior to the RF sputtering process, the organic semiconductor layer 6 made of P3HT was damaged by plasma when the silicon nitride protective film 8 was formed. It can be seen that it was completely protected.

以上に説明したように、実施例1および実施例2では、本発明の実施の形態に基づいて有機FET10を作製し、ドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を実測し、本発明の第1又は第2の有機半導体装置に基づいて、有機半導体層6のトランジスタ特性を劣化させることなく、酸素および水分の侵入を阻止する保護膜8を有する有機FETを得ることができることを確証した。   As described above, in Example 1 and Example 2, the organic FET 10 is manufactured based on the embodiment of the present invention, and the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg is measured, and the first of the present invention. Alternatively, based on the second organic semiconductor device, it was confirmed that an organic FET having the protective film 8 that prevents intrusion of oxygen and moisture can be obtained without deteriorating the transistor characteristics of the organic semiconductor layer 6.

以上、本発明を実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and an Example, this invention is not limited to these examples at all, and it cannot be overemphasized that it can change suitably in the range which does not deviate from the main point of invention. .

本発明の有機半導体装置及びその製造方法は、種々の電子回路、特にディスプレイのアクティブマトリックス回路などのスイッチング素子として広く用いられている薄膜トランジスタ(TFT)などの半導体装置及びその製造方法として用いられ、その低コスト化や、プラスチック等の耐熱性のないフレキシブルな基板への適用などの新規な用途の開発に貢献することができる。   The organic semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention are used as a semiconductor device such as a thin film transistor (TFT) widely used as a switching element for various electronic circuits, in particular, an active matrix circuit of a display, and a manufacturing method thereof. It can contribute to the development of new uses such as cost reduction and application to flexible substrates without heat resistance such as plastic.

本発明の実施の形態に基づく有機FETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of organic FET based on embodiment of this invention. 同、有機FETの作製工程のフローを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flow of the manufacturing process of organic FET same as the above. 同、有機FETの作製工程のフローを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flow of the manufacturing process of organic FET same as the above. 同、変形例に基づく有機FETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of organic FET based on a modification similarly. 本発明に基づく実施例1の有機FETにおける、ドレイン電流Id ゲート電圧Vg の関係を示すグラフである。In the organic FET of Example 1 according to the present invention, it is a graph showing the relationship between the drain current I d the gate voltage V g. 本発明に基づく実施例2の有機FETにおける、ドレイン電流Id ゲート電圧Vg の関係を示すグラフである。In the organic FET of the second embodiment according to the present invention, it is a graph showing the relationship between the drain current I d the gate voltage V g. 比較例の有機FETにおける、ドレイン電流Id ゲート電圧Vg の関係を示すグラフである。In the organic FET of the comparative example, it is a graph showing the relationship between the drain current I d the gate voltage V g. 特許文献1に示されている発明の第1実施形態のスイッチング素子の側断面図である。1 is a side sectional view of a switching element according to a first embodiment of the invention disclosed in Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…支持基板、2…ゲート電極、3…ゲート絶縁層、4…ドレイン電極、
5…ソース電極、6…有機半導体層、7…保護膜、8…保護膜、10…有機FET、
11…保護膜、51…マスク層、52…電極材料層、101…基板、
102…カソード電極、103…アノード電極、104…有機半導体材料、
111…第1保護層、112…第2保護層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support substrate, 2 ... Gate electrode, 3 ... Gate insulating layer, 4 ... Drain electrode,
5 ... Source electrode, 6 ... Organic semiconductor layer, 7 ... Protective film, 8 ... Protective film, 10 ... Organic FET,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Protective film, 51 ... Mask layer, 52 ... Electrode material layer, 101 ... Substrate,
102 ... Cathode electrode, 103 ... Anode electrode, 104 ... Organic semiconductor material,
111 ... 1st protective layer, 112 ... 2nd protective layer

Claims (18)

有機半導体層を導電領域とする有機半導体装置において、
前記有機半導体層が、溶液の被着によって形成された第1の保護膜によって被覆され 、更に、前記第1の保護膜が第2の保護膜によって被覆されており、
前記第1の保護膜は、少なくとも、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有 機半導体層を保護する作用を有し、
前記第2の保護膜は、少なくとも、前記有機半導体層への外部物質の侵入を阻止する 作用を有する
ことを特徴とする、有機半導体装置。
In an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer as a conductive region,
The organic semiconductor layer is covered with a first protective film formed by deposition of a solution; and further, the first protective film is covered with a second protective film;
The first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film;
The organic semiconductor device, wherein the second protective film has an action of preventing at least an external substance from entering the organic semiconductor layer.
有機半導体層を導電領域とする有機半導体装置において、
前記有機半導体層が、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(P VP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、フッ素含有ポリマー及び ポリシラザンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる第1の保護膜によって被 覆され、更に、前記第1の保護膜が第2の保護膜によって被覆されており、
前記第1の保護膜は、少なくとも、前記第2の保護膜を形成する際の損傷から前記有 機半導体層を保護する作用を有し、
前記第2の保護膜は、少なくとも、前記有機半導体層への外部物質の侵入を阻止する 作用を有する
ことを特徴とする、有機半導体装置。
In an organic semiconductor device having an organic semiconductor layer as a conductive region,
A first protection in which the organic semiconductor layer is made of at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, fluorine-containing polymer, and polysilazane. Covered with a film, and further, the first protective film is covered with a second protective film,
The first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage when forming the second protective film;
The organic semiconductor device, wherein the second protective film has an action of preventing at least an external substance from entering the organic semiconductor layer.
前記第1の保護膜が、少なくとも、プラズマによる損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有し、前記第2の保護膜がプラズマを用いて形成される、請求項1に記載した有機半導体装置。   The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the first protective film has at least an action of protecting the organic semiconductor layer from damage due to plasma, and the second protective film is formed using plasma. . 前記第2の保護膜が、プラズマCVD法(化学気相成長法)又はスパッタリング法を用いて形成される、請求項3に記載した有機半導体装置。   The organic semiconductor device according to claim 3, wherein the second protective film is formed using a plasma CVD method (chemical vapor deposition method) or a sputtering method. 前記第2の保護膜が、真空蒸着法又は溶液の被着によって形成される、請求項1に記載した有機半導体装置。   The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the second protective film is formed by vacuum deposition or solution deposition. 前記第1の保護膜が溶液の被着によって形成される、請求項2に記載した有機半導体装置。   The organic semiconductor device according to claim 2, wherein the first protective film is formed by depositing a solution. 前記有機半導体層が基体に形成され、この基体側に、前記有機半導体層への外部物質の侵入を阻止する第3の保護膜が形成されている、請求項1に記載した有機半導体装置。   2. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the organic semiconductor layer is formed on a base, and a third protective film that prevents an external substance from entering the organic semiconductor layer is formed on the base. 前記第1の保護膜が、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリイミド、フッ素含有ポリマー及びポリシラザンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる、請求項1に記載した有機半導体装置。   The first protective film is made of at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl phenol (PVP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, fluorine-containing polymer, and polysilazane. 1. The organic semiconductor device described in 1. 前記第2の保護膜が、酸化アルミニウム(アルミナ)Al23、窒化シリコンSiNx、酸化シリコンSiO2、酸化窒化シリコンSiOxy、酸化チタンTiO2、酸化タリウムTa25、酸化ハフニウムHfOx及びパリレンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる、請求項1に記載した有機半導体装置。 The second protective film is made of aluminum oxide (alumina) Al 2 O 3 , silicon nitride SiN x , silicon oxide SiO 2 , silicon oxynitride SiO x N y , titanium oxide TiO 2 , thallium oxide Ta 2 O 5, hafnium oxide comprises at least one selected from the group consisting of HfO x and parylene, organic semiconductor device according to claim 1. 前記第3の保護膜が、酸化アルミニウム(アルミナ)Al23、窒化シリコンSiNx、酸化シリコンSiO2、酸化窒化シリコンSiOxy、酸化チタンTiO2、酸化タリウムTa25、酸化ハフニウムHfOx及びパリレンからなる群より選ばれた少なくとも1つからなる、請求項7に記載した有機半導体装置。 The third protective film includes aluminum oxide (alumina) Al 2 O 3 , silicon nitride SiN x , silicon oxide SiO 2 , silicon oxynitride SiO x N y , titanium oxide TiO 2 , thallium oxide Ta 2 O 5 , hafnium oxide The organic semiconductor device according to claim 7, comprising at least one selected from the group consisting of HfO x and parylene. 前記有機半導体層がポリチオフェン系化合物からなる、請求項1に記載した有機半導体装置。   The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the organic semiconductor layer is made of a polythiophene compound. 前記導電領域に接してソース電極及びドレイン電極が設けられ、これらの両電極間にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成されている、請求項1に記載した有機半導体装置。   The source electrode and the drain electrode are provided in contact with the conductive region, and a gate electrode is provided between the two electrodes via a gate insulating film, and the device is configured as an insulated gate field effect transistor. Organic semiconductor device. 請求項1又は2に記載した有機半導体装置の製造方法であって
基体に前記有機半導体層を形成する工程と、
前記第1の保護膜の材料を含む前記溶液を被着して、前記第1の保護膜によって前記 有機半導体層を被覆する工程と、
前記第1の保護膜を前記第2の保護膜によって被覆する工程と
を有する、有機半導体装置の製造方法。
A method for producing an organic semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the organic semiconductor layer is formed on a substrate.
Depositing the solution containing the material of the first protective film and covering the organic semiconductor layer with the first protective film;
And a step of covering the first protective film with the second protective film.
前記有機半導体層を溶解させる性質が乏しく、最表面よりも表面エネルギーの低い溶媒を用いて、前記第1の保護膜の材料を含む前記溶液を形成する、請求項13に記載した有機半導体装置の製造方法。   14. The organic semiconductor device according to claim 13, wherein the solution containing the material of the first protective film is formed using a solvent having poor property of dissolving the organic semiconductor layer and having a surface energy lower than that of the outermost surface. Production method. 前記溶媒が、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、ブタノール、シクロペンタノン、1,4−ジオキサン、γ-ブチルラクトン、アニソール、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PEGMEA)からなる群より選ばれた少なくとも1つからなる、請求項14に記載した有機半導体装置の製造方法。   The solvent is at least one selected from the group consisting of 2-propanol (isopropyl alcohol), butanol, cyclopentanone, 1,4-dioxane, γ-butyllactone, anisole, and polyethylene glycol monomethyl ether acetate (PEGMEA). The method for manufacturing an organic semiconductor device according to claim 14. 前記第1の保護膜を、少なくとも、プラズマによる損傷から前記有機半導体層を保護する作用を有する材料を用いて形成し、前記第2の保護膜をプラズマを用いて形成する、請求項13に記載した有機半導体装置の製造方法。   The first protective film is formed using at least a material having an action of protecting the organic semiconductor layer from damage caused by plasma, and the second protective film is formed using plasma. Method for manufacturing an organic semiconductor device. 前記第2の保護膜をプラズマCVD法又はスパッタリング法を用いて形成する、請求項16に記載した有機半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing an organic semiconductor device according to claim 16, wherein the second protective film is formed using a plasma CVD method or a sputtering method. 前記第2の保護膜を真空蒸着法又は溶液の被着によって形成する、請求項13に記載した有機半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing an organic semiconductor device according to claim 13, wherein the second protective film is formed by vacuum deposition or deposition of a solution.
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