JP4699090B2 - 有機薄膜トランジスタ、それを備えた表示装置および有機薄膜トランジスタの製造方法。 - Google Patents

Description

この発明は、有機薄膜トランジスタ、それを備えた表示装置および有機薄膜トランジスタの製造方法に関するものである。

有機半導体は、無機半導体に比べ、低温成膜および大面積化が容易であることから、低コストなトランジスタ用の材料として注目されている。そして、塗布対象面の所定位置に電荷を付与するとともに、塗布対象面に付与した電荷と反対極性の電荷を塗布材料に付与してクーロン力により電荷を付与した塗布材料を塗布対象面の所定位置に導いて有機半導体を形成し、有機薄膜トランジスタを作製する方法が知られている（特許文献１）。

また、５０ｎｍ以下の平均粒径を有する金属微粒子をソース電極およびドレイン電極の少なくとも１つに用いて有機薄膜トランジスタを作製する方法が知られている（特許文献２）。この方法は、金属微粒子を用いてインクジェットによりパターン化されたソース電極およびドレイン電極を形成する。

さらに、微小なインデントを作製し、その作製したインデントに隣接する場所へインクジェットにより材料を吐出してソース電極およびドレイン電極を作製する方法が知られている（特許文献３）。
特開２００４−２９７０１１号公報 特開２００４−３１９３３号公報 特開２００４−８００２６号公報

しかし、従来の方法によって作製された有機薄膜トランジスタにおいては、ソース電極とドレイン電極との間のチャネル領域における有機半導体膜の膜厚は、ソース電極およびドレイン電極上に形成された有機半導体膜の膜厚と同じように厚膜であるため、オフ電流を低減することが困難である。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタを提供することである。

また、この発明の別の目的は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタを備える表示装置を提供することである。

さらに、この発明の別の目的は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタの製造方法を提供することである。

この発明によれば、有機薄膜トランジスタは、有機半導体膜と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを備える。有機半導体膜は、基板上に形成される。ソース電極およびドレイン電極は、有機半導体膜を通じて電流を流すための電極である。ゲート絶縁膜は、有機半導体膜に接して形成される。ゲート電極は、有機半導体膜の膜厚方向に電界を生じさせる電圧をゲート絶縁膜を介して印加するための電極である。有機半導体膜は、第１および第２の有機半導体膜を含む。第１の有機半導体膜は、ソース電極とドレイン電極との間に配置される。第２の有機半導体膜は、ソース電極およびドレイン電極上に配置される。そして、第１の有機半導体膜の膜厚は、第２の有機半導体膜の膜厚よりも薄い。

好ましくは、有機半導体膜は、トリアリールアミン骨格を有する高分子材料からなる。

好ましくは、ゲート絶縁膜は、高分子材料を用いた有機絶縁膜からなる。

好ましくは、有機絶縁膜は、ポリパラキシリレン誘導体からなる。

好ましくは、有機絶縁膜は、ポリパラキシリレン、ポリモノクロロパラキシリレン、ポリジクロロパラキシリレンおよびポリモノフルオロパラキシリレンのいずれかからなる。

好ましくは、基板は、フレキシブルな絶縁性基板である。

また、この発明によれば、表示装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタを備える表示装置である。

さらに、この発明によれば、製造方法は、有機薄膜トランジスタの製造方法であって、基板上にゲート電極を形成する第１の工程と、ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する第２の工程と、ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する第３の工程と、ソース電極とドレイン電極との間の膜厚がソース電極およびドレイン電極上の膜厚よりも薄くなるように有機半導体膜をゲート絶縁膜、ソース電極およびドレイン電極上に形成する第４の工程とを備える。

好ましくは、第４の工程において、有機半導体膜は、インクジェット法により形成される。

好ましくは、第２の工程において、ゲート絶縁膜は、化学堆積法によって形成される。

この発明による有機薄膜トランジスタにおいては、有機半導体膜は、ソース電極とドレイン電極との間の膜厚がソース電極およびドレイン電極上の膜厚よりも薄い。その結果、ソース電極とドレイン電極との間の有機半導体膜の体積が減少し、有機薄膜トランジスタがオフであるとき、ソース電極とドレイン電極との間の膜厚が薄い有機半導体膜を介してオフ電流が流れるため、ソース電極とドレイン電極との間の膜厚が厚い場合に比べてオフ電流が減少する。

したがって、この発明によれば、有機薄膜トランジスタにおいてオフ電流を低減できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタの概略断面図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタ１０は、基板１と、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜３と、ソース電極４と、ドレイン電極５と、有機半導体膜６とを備える。

ゲート電極２は、基板１の一主面１Ａ上に形成される。そして、ゲート電極２は、有機半導体膜６の膜厚方向に電界を生じさせる電圧をゲート絶縁膜３を介して印加するための電極である。ゲート絶縁膜３は、ゲート電極２を覆うように基板１の一主面１Ａ上に形成される。

ソース電極４およびドレイン電極５は、ゲート絶縁膜３の一主面３Ａ上に所定の間隔で形成される。そして、ソース電極４およびドレイン電極５は、有機半導体膜６を通じて電流を流すための電極である。有機半導体膜６は、ソース電極４とドレイン電極５との間およびソース電極４およびドレイン電極５上に形成される。

この場合、ソース電極４とドレイン電極５との間に形成される有機半導体膜６の膜厚をｄ１、ソース電極４およびドレイン電極５上に形成される有機半導体膜６の膜厚をｄ２とすると、膜厚ｄ１は、膜厚ｄ２の約１０分の１に設定される。

基板１は、プラスチックからなる。ゲート電極２は、アルミニウム（Ａｌ）からなる。ゲート絶縁膜３は、次の化式１によって表されるポリモノクロロパラキシリレンからなる。

ポリモノクロロパラキシリレンは、２．２ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊耐圧を有し、膜厚に関係なく、約３．１の比誘電率を有する。

ソース電極４およびドレイン電極５の各々は、金（Ａｕ）からなる。有機半導体膜６は、次の化２によって表されるトリアリールアミンからなる。

ゲート電極２の膜厚は、１００ｎｍであり、ゲート絶縁膜３の膜厚は、４００ｎｍである。ソース電極４およびドレイン電極５の各々の膜厚は、５０ｎｍであり、有機半導体膜６は、膜厚ｄ１が１０ｎｍであり、膜厚ｄ２が１００ｎｍである。

そして、有機薄膜トランジスタ１０において、チャネル長は、３０μｍであり、チャネル幅は、４０００μｍである。

なお、図１に示す有機薄膜トランジスタの構造は、「ボトムゲート・ボトムコンタクト型」と呼ばれる。

図２は、図１に示す有機薄膜トランジスタ１０の製造方法を示す工程図である。図２を参照して、シャドウマスクを用いてＡｌ膜を真空蒸着法によりプラスチックからなる基板１の一主面１Ａ上に形成し、ゲート電極２を基板１上に形成する（図２の（ａ）参照）。

その後、ゲート電極２を覆うようにポリモノクロロパラキシリレンからなるゲート絶縁膜３をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により基板１上に形成する（図２の（ｂ）参照）。このＣＶＤ法によるゲート絶縁膜３の形成は、ジモノクロロパラキシリレン固体ダイマーを気化および熱分解させ、発生した安定なジラジカルモノクロロパラキシリレンモノマーが基板１上において吸着と重合の同時反応を起こすことを用いて行なわれる。

引続いて、シャドウマスクを用いてＡｕ膜を真空蒸着法によりゲート絶縁膜３上に形成し、ソース電極４およびドレイン電極５を形成する（図２の（ｃ）参照）。

その後、有機半導体膜６をインクジェットによりソース電極４およびドレイン電極５を覆うようにゲート絶縁膜３上に形成する（図２の（ｄ）参照）。

このインクジェットによる有機半導体膜６の形成は、次の方法により行なわれた。キシレン、トルエン、エチルベンゼン、クメン、シクロヘキサンノン、メシチレンおよびシメン等の有機溶剤に１〜３ｗｔ％のトリアリールアミンを溶かして有機半導体溶液を作製する。そして、その作製した有機半導体溶液をソース電極４およびドレイン電極５上に数回に分けて吐出する。そうすると、その吐出された有機半導体溶液は、半球状の形状を有し、液滴の惰性により、ソース電極４およびドレイン電極５上からソース電極４とドレイン電極５との間に流れ込む。これによって、ソース電極４およびドレイン電極５上と、ソース電極４とドレイン電極５との間とに有機半導体膜６が形成される。

そして、ソース電極４とドレイン電極５との間に形成される有機半導体膜、すなわち、チャネル領域を構成する有機半導体膜は、ソース電極４およびドレイン電極５上に吐出された有機半導体溶液がソース電極４とドレイン電極５との間に流れ込むことによって形成されるため、その膜厚は、ソース電極４およびドレイン電極５上に形成される有機は導体膜の膜厚よりも薄くなる。

このように、図２の（ａ）〜（ｄ）に示す工程を経て、有機薄膜トランジスタ１０が作製される。

図３は、比較例１の有機薄膜トランジスタの概略断面図である。図３を参照して、比較例１の有機薄膜トランジスタ２０は、図１に示す有機薄膜トランジスタ１０の有機半導体膜６を有機半導体膜７に代えたものであり、その他は、有機薄膜トランジスタ１０と同じである。

有機半導体膜７は、トリアリールアミン（化２参照）からなり、１００ｎｍの膜厚を有する。そして、有機半導体膜７は、スピンコートによって形成される。したがって、有機薄膜トランジスタ２０は、図２に示す有機薄膜トランジスタ１０の製造工程において、（ｄ）に示す工程を、トリアリールアミンをキシレン等の有機溶剤に溶かした有機半導体溶液をソース電極４およびドレイン電極５上に塗布し、基板１を所定の回転数で回転させることにより有機半導体膜７を形成する工程に代えることによって作製される。

図４は、比較例２の有機薄膜トランジスタの概略断面図である。図４を参照して、比較例２の有機薄膜トランジスタ３０は、図１に示す有機薄膜トランジスタ１０の有機半導体膜６を有機半導体膜８に代えたものであり、その他は、有機薄膜トランジスタ１０と同じである。

有機半導体膜８は、トリアリールアミン（化２参照）からなり、１０ｎｍの膜厚を有する。そして、有機半導体膜８は、スピンコートによって形成される。したがって、有機薄膜トランジスタ３０は、図２に示す有機薄膜トランジスタ１０の製造工程において、（ｄ）に示す工程を、トリアリールアミンをキシレン等の有機溶剤に溶かした有機半導体溶液をソース電極４およびドレイン電極５上に塗布し、基板１を所定の回転数で回転させることにより有機半導体膜８を形成する工程に代えることによって作製される。この場合、有機半導体溶液の濃度を相対的に薄くする。これによって、有機薄膜トランジスタ２０の有機半導体膜７よりも薄い有機半導体膜８が形成される。

図５は、図１に示す有機薄膜トランジスタ１０のトランジスタ特性を示す図である。図５において、縦軸は、ドレイン電流Ｉｄを表し、横軸は、ソース電極４とドレイン電極５との間に印加されるソース−ドレイン電圧Ｖｄｓを表す。

図５を参照して、有機薄膜トランジスタ１０は、ゲート電圧Ｖｇの増加に伴って、ドレイン電流Ｉｄが増加し、良好なトランジスタ特性を示す。

表１は、有機薄膜トランジスタ１０，２０，３０の特性の比較表である。

膜厚をチャネル領域のみ薄くした有機半導体膜６を備える有機薄膜トランジスタ１０は、７．３×１０^−７Ａのオン電流、４．８×１０^−１０Ａのオフ電流、および１．５×１０^３のオン／オフ比を有する。そして、有機薄膜トランジスタ１０は、膜の連続性を確保でき、パターン化も可能である。

また、膜厚が全領域において厚い有機薄膜トランジスタ２０は、８．６×１０^−７Ａのオン電流、３．４×１０^−９Ａのオフ電流、および２．５×１０^２のオン／オフ比を有する。そして、有機薄膜トランジスタ２０は、膜の連続性を確保できるが、パターン化は不可能である。

さらに、膜厚が全領域において薄い有機薄膜トランジスタ３０は、９．８×１０^−７Ａのオン電流、３．５×１０^−１０Ａのオフ電流、および２．８×１０^３のオン／オフ比を有する。しかし、有機薄膜トランジスタ３０は、膜の連続性を確保できず、パターン化も不可能である。その結果、有機薄膜トランジスタ３０は、不良を示すトランジスタが多くなる。

以上の結果から、有機薄膜トランジスタ１０は、オン電流をほぼ保持しながら、オフ電流を大幅に低減でき、膜の連続性を確保でき、パターン化も可能である。

このように、有機半導体膜の膜厚をチャネル領域のみ薄くすることによってオフ電流を低減して良好なトランジスタ特性を有する有機薄膜トランジスタ１０を作製できる。

なお、上記においては、有機薄膜トランジスタ１０のゲート絶縁膜３は、ポリモノクロロパラキシリレンからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、ゲート絶縁膜３は、それぞれ、化３〜化５によって表されるポリパラキシリレン、ポリジクロロパラキシリレンおよびポリモノフルオロパラキシリレンのいずれかからなっていてもよい。

ポリパラキシリレンは、２．８ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊耐圧を有し、膜厚に関係なく約２．７の比誘電率を有する。また、ポリジクロロパラキシリレンは、２．７ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊耐圧を有し、膜厚に関係なく約２．９の比誘電率を有する。さらに、ポリモノフルオロパラキシリレンは、２．０ＭＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊耐圧を有し、膜厚に関係なく約２．６の比誘電率を有する。

このように、ゲート絶縁膜３は、一般的には、ポリパラキシリレン誘導体からなり、より一般的には、高分子材料を用いた有機絶縁膜からなる。

また、上記においては、有機薄膜トランジスタ１０の基板１は、プラスチックからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、基板１は、ガラス、セラミックおよびフレキシブル基板等であってもよい。つまり、基板１は、絶縁性基板から構成されていればよい。

そして、フレキシブル基板としては、たとえば、薄板の歪み導入強化ガラス基板、プラスチックシートおよび絶縁処理を施したニッケル電鋳シート等である。

さらに、上記においては、有機半導体膜６は、トリアリールアミンからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、有機半導体膜６は、トリアリールアミン骨格を有する高分子材料から構成されていればよい。

［応用例］
次に、この発明による有機薄膜トランジスタ１０を画像表示装置のアクティブマトリックス素子に用いた実施例につき説明する。図６は、この発明による有機薄膜トランジスタを画像表示装置のアクティブマトリックス基板に用いた例を示す平面図であり、図７は、この発明のアクティブマトリックス基板を用いた画像表示装置の縦断面図である。アクティブマトリックス基板に、液晶、電気泳動および有機ＥＬなどの画像表示装置を組み合わせることで、アクティブマトリックス型表示装置を構成できる。

図６および図７を参照して、アクティブマトリックス基板１０１は、基板１と、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜３と、ソース電極４と、ドレイン電極５と、有機半導体膜６と、画素電極１３０と、保護膜１４０とを備える。プラスチック基板などの絶縁性基板１上に厚さ１００ｎｍのＡｌ膜をスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィ・エッチング工程により、走査線１１０、ゲート電極２が形成される。ゲート絶縁膜３および走査線２０と信号配線の層間絶縁膜となる絶縁膜として、厚さ４００ｎｍのポリパラキシリレン膜がＣＶＤ法により形成される。

そして、このポリパラキシリレン膜の所定領域に厚さ５０ｎｍのＡｕ膜をシャドウマスクを用いた真空蒸着法によりパターン成膜し、ソース電極４およびドレイン電極５と信号配線１２０およびドレイン電極５と連なる画素配線１３０を形成する。

引き続いて、ソース電極４およびドレイン電極５上に上記の（化２）に示すトリアリールアミン骨格を有する高分子材料を有機半導体材料に用い、インクジェットにより成膜して、有機半導体膜６を設ける。

その後、ポリモノクロロパラキシリレン膜からなる保護膜１４０を形成する。なお、保護膜１４０に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によってスルーホールを形成し、保護膜１４０の上部に、別途、画素電極を形成してもよい。

画像表示装置１００は、アクティブマトリックス基板１０１と、表示素子１５０と、対向基板１６０と、透明導電膜１７０とを備える。

透明導電膜１７０は、厚さ１００ｎｍのＩＴＯからなり、対向基板１６０の一主面上にスパッタリングにより形成される。対向基板１６０上の透明導電膜１７０とアクティブマトリックス基板１０１との間に表示素子１５０が設けられ、画素電極１３０に連なるドレイン電極５上の表示素子１５０がスイッチングされる。対向基板１６０としては、ガラスやポリエステル、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン等のプラスチックなどを用いることができる。表示素子１５０としては、液晶、電気泳動、有機ＥＬ等の方式を用いることができる。

液晶パネルを構成する場合には、例えば、アクティブマトリックス基板１０１の基板１と対向基板１６０には、スピンコート法により、配向膜（厚さ２００ｎｍ）を形成して、配向処理が施されている。そして、両基板１、１６０間にシリカスペーサを配置して接合し、ギャップ間に液晶性材料を封入することで液晶パネルが形成される。

また、電機泳動表示パネルは、透明導電膜１７０を成膜後、対向基板にシリカスペーサを配置接合し、ギャップ間にマイクロカプセル型電気泳動素子を封入することで、電気泳動パネルが形成できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタに適用される。また、この発明は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタを備える表示装置に適用される。さらに、この発明は、オフ電流を低減可能な有機薄膜トランジスタの製造方法に適用される。

この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタの概略断面図である。 図１に示す有機薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図である。 比較例１の有機薄膜トランジスタの概略断面図である。 比較例２の有機薄膜トランジスタの概略断面図である。 図１に示す有機薄膜トランジスタのトランジスタ特性を示す図である。 この発明による有機薄膜トランジスタを画像表示装置のアクティブマトリックス基板に用いた例を示す平面図である。 この発明のアクティブマトリックス基板を用いた画像表示装置の縦断面図である。

符号の説明

１ 基板、１Ａ，３Ａ 一主面、２ ゲート電極、３ ゲート絶縁膜、４ ソース電極、５ ドレイン電極、６ 有機半導体膜、１０，２０，３０ 有機薄膜トランジスタ、１００ 画像表示装置、１００ 画像表示装置、１０１ アクティブマトリックス基板、１１０ 信号配線、１２０ 信号配線、１３０ 画素電極、１４０ パッシベーション膜、１５０ 表示素子、１６０ 対向基板、１７０ 透明導電膜。

Claims (10)

1. 基板上に形成された有機半導体膜と、
   前記有機半導体膜を通じて電流を流すためのソース電極およびドレイン電極と、
   前記有機半導体膜に接して形成されたゲート絶縁膜と、
   前記有機半導体膜の膜厚方向に電界を生じさせる電圧を前記ゲート絶縁膜を介して印加するためのゲート電極とを備え、
   前記有機半導体膜は、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された第１の有機半導体膜と、
   前記ソース電極および前記ドレイン電極上に配置された第２の有機半導体膜とを含み、
   前記第１の有機半導体膜の膜厚は、前記第２の有機半導体膜の膜厚よりも薄い、有機薄膜トランジスタ。
2. 前記有機半導体膜は、トリアリールアミン骨格を有する高分子材料からなる、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
3. 前記ゲート絶縁膜は、高分子材料を用いた有機絶縁膜からなる、請求項１または請求項２に記載の有機薄膜トランジスタ。
4. 前記有機絶縁膜は、ポリパラキシリレン誘導体からなる、請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ。
5. 前記有機絶縁膜は、ポリパラキシリレン、ポリモノクロロパラキシリレン、ポリジクロロパラキシリレンおよびポリモノフルオロパラキシリレンのいずれかからなる、請求項４に記載の有機薄膜トランジスタ。
6. 前記基板は、フレキシブルな絶縁性基板である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタを備える表示装置。
8. 有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
   基板上にゲート電極を形成する第１の工程と、
   前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する第２の工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する第３の工程と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の膜厚が前記ソース電極および前記ドレイン電極上の膜厚よりも薄くなるように有機半導体膜を前記ゲート絶縁膜、前記ソース電極および前記ドレイン電極上に形成する第４の工程とを備える製造方法。
9. 前記第４の工程において、前記有機半導体膜は、インクジェット法により形成される、請求項８に記載の製造方法。
10. 前記第２の工程において、前記ゲート絶縁膜は、化学堆積法によって形成される、請求項８または請求項９に記載の製造方法。