JP5039126B2

JP5039126B2 - 有機半導体素子及びその製造方法

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Publication number: JP5039126B2
Application number: JP2009506109A
Authority: JP
Inventors: 隆中馬; 千寛原田
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: KR101062108B1; KR20100005086A; US20100090204A1; WO2008117395A1; JPWO2008117395A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体素子である有機ＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、有機半導体材料を用いて作製されるため、素子を軽量化でき、低温で簡単に製造することができる。また、基板にフィルム材料を用いれば、フレキシビリティな素子を得ることができる。有機ＴＦＴは、一対のソース・ドレイン電極間のチャネル領域に有機半導体層が形成され、チャネル領域で有機半導体層にゲート絶縁層を介してゲート電極が対向する。有機半導体材料をそれぞれのＴＦＴに分離して成膜する場合に、フォトリソグラフィやエッチング等の処理は、有機半導体材料が熱や水で劣化することがあるため好ましくない。そこで、例えば、ペンタセン等の低分子系の有機半導体材料を真空蒸着法等でマスクを用いて成膜する方法がある。しかし、真空蒸着法では、工程を真空にするため処理が複雑になり、また、高精細なマスクが必要になるためコストが掛かる。そのため、有機半導体材料を簡単に常温で処理できる方法として塗布法の開発が望まれている。
【０００３】
塗布法の一つであるインクジェット法は、液体状の有機半導体材料をインク状として基板面に直接パターニングすることができ、常温かつ大気圧下での処理が可能である。また、パターンを基板面に直接形成するため、マスクが不要であるとともに、原料の消費を抑えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、インクジェット法等の塗布法で有機半導体層を形成する場合には次のような問題が一例として挙げられる。
【０００５】
図８にボトムコンタクト型の有機ＴＦＴの一例を示す。図８に示す有機ＴＦＴは、基板１０１上にゲート電極１０２、ゲート絶縁層１０３、及びソース・ドレイン電極１０４、１０５が順に形成され、チャネル領域を囲む隔壁１０７内に有機半導体層１０６が形成される。インクジェット法を用いて有機半導体層を形成する場合では、チャネル領域を囲む隔壁１０７内で、ソース・ドレイン電極１０４、１０５とゲート絶縁層１０３という表面エネルギーの異なる材料の上にインク状の有機半導体材料を塗布することになる。そのため、図９に示すように、比較的表面エネルギーが高いソース・ドレイン電極１０４、１０５上に有機半導体材料が引っ張られ、ゲート絶縁層１０３上には有機半導体層１０６が形成されない、又は層が不均一になる可能性がある。
［０００６］
また、有機ＴＦＴの特性を向上させるためにゲート絶縁層表面にＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）処理やＯＴＳ（Ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）処理等の撥液処理をして表面エネルギーを低下させることが知られており、これによりソース・ドレイン電極とゲート絶縁層の表面エネルギーにさらに差が生じ、有機半導体材料がソース・ドレイン電極側に引き寄せられ、有機半導体層が不均一になりやすいことがある。
［０００７］
そこで、本発明の目的の一つとしては、より高精細なパターン形成を可能とし、チャネル領域に有機半導体層をより均一に形成することである。
課題を解決するための手段
【０００８】
本発明の有機半導体素子としては、請求項１に記載のとおり、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極に対向する有機半導体層を有する半導体素子であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極の面に、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と前記チャネル領域との縁部まで、表面エネルギーが前記チャネル領域よりも低い被覆層が形成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の有機半導体素子の製造方法としては、請求項７に記載のとおり、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極に対向する有機半導体層を有する有機半導体素子の製造方法であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極の面に、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と前記チャネル領域との縁部まで、表面エネルギーが前記チャネル領域よりも低い被覆層を形成し、前記チャネル領域に前記有機半導体層を形成することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の有機ＴＦＴの断面模式図である。
【図２】図１に示す有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態２の有機ＴＦＴの断面模式図である。
【図４】図２に示す有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３の有機ＴＦＴの断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態４の有機ＴＦＴの断面模式図である。
【図７】図６に示す有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の課題を説明するための有機ＴＦＴの断面模式図である。
【図９】本発明の課題を説明するための有機ＴＦＴの断面模式図である。
【符号の説明】
【００１１】
１基板
２ゲート電極
３ゲート絶縁層
４ソース電極
５ドレイン電極
６有機半導体層
６ａインク状有機半導体材料
７隔壁
８被覆膜
１０インクジェットヘッド
１０１基板
１０２ゲート電極
１０３ゲート絶縁層
１０４ソース電極
１０５ドレイン電極
１０６有機半導体層
１０７隔壁
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における例示が本発明を限定することはない。
【００１３】
（実施の形態１）
図１には、本発明である有機半導体素子の実施の形態１として、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴの断面模式図を示す。
【００１４】
図１に示す有機ＴＦＴは、基板１上にゲート電極２が形成され、ゲート電極２上にゲート絶縁層３が形成され、ゲート絶縁層３上にソース電極４とドレイン電極５が形成され、及び、ソース・ドレイン電極４、５間でゲート絶縁層３を介してゲート電極２に対向するＰ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）等の有機半導体材料からなる有機半導体層６を有する。
【００１５】
ソース・ドレイン電極４、５面には、ソース・ドレイン電極４、５間に形成されるチャネル領域を除いて、表面エネルギーがチャネル領域より低い被覆層としての隔壁７を有する。隔壁７は、チャネル領域の縁部まで形成され、有機半導体層６の形成領域を規定し、液体状の有機半導体材料がチャネル領域に供給されるときに、有機半導体材料が飛散や流出しないようにする。また、隔壁７が形成されることで、隣接する素子間での電気的な干渉を防ぐことができる。
【００１６】
隔壁７は、チャネル領域のゲート絶縁層３及びソース・ドレイン電極４、５よりも表面エネルギーが低く、その表面で液体をはじきやすい性質である。隔壁７は、例えば、フッ素系樹脂等の絶縁性で撥液性のある材料からなることが好ましい。
【００１７】
このように、比較的表面エネルギーが高く液体を引き寄せやすいソース・ドレイン電極４、５を表面エネルギーが低い隔壁７で覆って、表面エネルギーを低くし液体をはじくようにする。これによって、比較的表面エネルギーが低く液体をはじきやすいゲート絶縁層３が、隔壁７に比べると相対的に表面エネルギーが高くなり、チャネル領域のゲート絶縁層３上に液体状の有機半導体材料が引き寄せられ、均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００１８】
チャネル領域に供給された有機半導体材料は、チャネル領域で表面エネルギーの低い隔壁７によって囲まれているため、チャネル領域から周囲に引っ張られることなく、ゲート絶縁層３上で均一な有機半導体層６を維持することができる。
【００１９】
また、液体状の有機半導体材料をチャネル領域に供給するときに、有機半導体材料は隔壁７に接触してもはじかれ、チャネル領域に集中して供給されるため、適当量の有機半導体材料によって均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００２０】
また、有機ＴＦＴの特性を向上させるためにゲート絶縁層３面にＨＭＤＳ処理やＯＴＳ処理等の撥液処理をし、ゲート絶縁層３とソース・ドレイン電極４、５との表面エネルギーの差が大きくなる場合でも、ソース・ドレイン電極４、５面を隔壁７で覆うことで表面エネルギーを低くし、チャネル領域のゲート絶縁層３上で有機半導体層６を均一に形成することができる。
【００２１】
図１に示す例では、隔壁７の形状が順テーパ形状であり傾斜角θが約４０°になっているが、特に限定されず、処理工程や用途に応じて矩形形状等の他の形状としてもよい。また、隔壁７の傾斜角θは４０°に限らず、２０°〜９０°の範囲で調整することができる。さらに厚さも特に限定されず、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲で調整することができる。なお、図１に示す例のように、ソース電極４及びドレイン電極５のチャネル側端部まで隔壁７で覆った場合、傾斜角θを大きくするとインク状材料を滴下する領域（開口領域）が狭くなってしまうため、傾斜角を約４０°程度に設定するのが好ましい。
【００２２】
図２は、本実施の形態における有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、基板１上にゲート電極２、ゲート絶縁層３、及びソース・ドレイン電極４、５を順に積層する。例えば、基板１としてガラス基板を用い、基板１上にゲート電極２としてＣｒを成膜し、ウェットエッチング法でパターニングし、ゲート電極２上にゲート絶縁層３としてＳｉＯ_２を形成する。次に、ゲート絶縁層３上にソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｒの積層膜を形成し、ウェットエッチング法でパターニングする。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、ソース・ドレイン電極４、５面上に、チャネル領域を除いて、チャネル領域の縁部まで覆うように、隔壁７を形成する。例えば、隔壁７として感光性のフッ素系樹脂を成膜しフォトリソグラフィでパターングする。ポジ型レジストのフッ素系樹脂を用いると、露光時に隔壁７の底面方向で光が散乱し、除去時に光の散乱によって露光された部分を残して、隔壁７が底面方向に徐々に広がった形状にパターニングされる。これによって、隔壁７は順テーパ形状となる。テーパ角度θは露光時間や強度によって調整することができる。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、隔壁７で囲まれたチャネル領域に液体状の有機半導体材料をインクジェット法で塗布し、チャネル領域に有機半導体層６を形成する。例えば、チャネル領域に位置調整したインクジェットヘッド１０からインク状の有機半導体材料６ａを塗布する。Ｐ３ＨＴ等の高分子系の有機半導体材料を用いることで、有機半導体材料をインク状として印刷することができる。低分子系の有機半導体材料でも、前躯体等にすることで溶媒に溶解することが可能になり、インク状として印刷することができる。なお、液体状の半導体材料を塗布する方法としては、インクジェット法に限らず、ディスペンサーを用いて塗布する等の他の塗布法を用いることもできる。
【００２６】
このような製造方法によれば、隔壁７の表面エネルギーがチャネル領域より低いため、チャネル領域のゲート絶縁層３上に均一に有機半導体層６を形成することができる。また、有機半導体材料が隔壁７に接触してもはじかれてチャネル領域に供給されるため、適当量の有機半導体材料で均一に有機半導体層６を形成することができる。また、チャネル領域では、周囲が隔壁７で囲まれるため、均一に有機半導体層６を維持することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３には、本発明である有機半導体素子の実施の形態２として、有機ＴＦＴの断面模式図を示す。上述した実施の形態１と同様の部材には同一の符号を付し、共通する構成には説明を省略する。
【００２８】
図３に示す有機ＴＦＴは、基板１上にゲート電極２が形成され、ゲート電極２上にゲート絶縁層３が形成され、ゲート絶縁層３上にソース電極４とドレイン電極５が形成され、及び、ソース・ドレイン電極４、５間のチャネル領域にＰ３ＨＴ等の有機半導体材料からなる有機半導体層６を有する。
【００２９】
ソース・ドレイン電極４、５面には、チャネル領域を除いて、表面エネルギーがチャネル領域よりも低い被覆層の膜部としての被覆膜８が形成される。被覆膜８は、チャネル領域の縁部まで形成され、ソース・ドレイン電極４、５面を覆う。被覆膜８は、チャネル領域のゲート絶縁層３及びソース・ドレイン電極４、５よりも表面エネルギーが低く、その表面で液体をはじきやすい性質である。被覆膜８は、例えば、フッ素系樹脂等の絶縁性で撥液性のある材料からなることが好ましい。
【００３０】
このように、比較的表面エネルギーが高く液体を引き寄せやすいソース・ドレイン電極４、５を表面エネルギーが低い被覆膜８で覆って、表面エネルギーを低くし液体をはじくようにする。これによって、比較的表面エネルギーが低く液体をはじきやすいゲート絶縁層３が、被覆膜８に比べると相対的に表面エネルギーが高くなり、チャネル領域に液体状の有機半導体材料が引き寄せられ、均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００３１】
また、この被覆膜８は、ソース・ドレイン電極４、５をパターニングするときに、マスクとして使用することもできる。ソース・ドレイン電極４、５を全面に形成しておき、チャネル領域に相当する領域を除いて被覆膜８を形成し、被覆膜８をマスクとしてチャネル領域のソース・ドレイン電極４、５を除去してパターニングする。これによって、被覆膜８とソース・ドレイン電極４、５の縁部がそろう形状とすることができる。また、被覆膜８は素子の一部として用いるため除去する必要がなく、従来のマスク除去に相当する工程を省略することができる。
【００３２】
被覆膜８上には、チャネル領域を囲むように被覆膜８と同じ材料で被覆層の隔壁部としての隔壁７が形成される。隔壁７は、液体状の有機半導体材料がチャネル領域に供給されるときに、有機半導体材料が飛散や流出しないようにする。被覆膜８がチャネル領域の縁部まで形成されるため、隔壁７の縁部をチャネル領域の縁部に合わせなくても、チャネル領域の縁部近傍での表面エネルギーを低く保つことができる。また、隔壁７で囲まれた領域は被覆膜８がある分だけ広がるため、インク状材料を滴下する領域を広くすることができ、図３に示すように、隔壁７の傾斜角度θを約７０°程度と大きくすることができる。
【００３３】
図４は、本実施の形態における有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、基板上にゲート電極２、及びゲート絶縁層３を順に積層し、ゲート絶縁層３上に全面にソース・ドレイン電極４、５を形成する。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、ソース・ドレイン電極４、５上に、チャネル領域に相当する領域を除いて、被覆膜８を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、被覆膜８をマスクとして、ソース・ドレイン電極４、５をパターニングし、チャネル領域を形成する。例えば、ソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｕの積層膜を用いて、被覆膜８としてフッ素系樹脂を用いてチャネル領域が開口するようにパターニングし、被覆膜８をマスクとしてソース・ドレイン電極４、５をウェットエッチング法で除去しパターニングする。
【００３６】
次に、図４（ｄ）に示すように、被覆膜８上にチャネル領域を囲むように隔壁７を形成する。隔壁７は、被覆膜８と同様の材料とし、上述したように、ポジ型レジストのフッ素系樹脂を用いることで、順テーパ形状とすることができる。また、被覆膜８がチャネル領域の縁部まで形成されているため、隔壁７の端部をチャネル領域の縁部に位置調整する必要がなくなる。
【００３７】
次に、図４（ｅ）に示すように、液体状の有機半導体材料をチャネル領域にインクジェット法で塗布し、有機半導体層６を形成する。有機半導体材料は、チャネル領域に塗布されるときに、被覆膜８と隔壁７に接触しても表面エネルギーが低いためはじかれて、相対的に表面エネルギーが高いチャネル領域に集められる。そのため、チャネル領域では、適当量の有機半導体材料が供給され、均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００３８】
（実施の形態３）
図５には、本発明である有機半導体素子の実施の形態３として、有機ＴＦＴの断面模式図を示す。上述した実施の形態１及び２と同様の部材には同一の符号を付し、共通する構成には説明を省略する。
【００３９】
上述した実施の形態２では被覆膜８と隔壁７に同様の材料を用いたが、本実施の形態では被覆膜８と隔壁７に異なる材料を用いる。その他の構成は、実施の形態２と同様の構成を用いることができる。
【００４０】
本実施の形態では、ソース・ドレイン電極４、５面に、チャネル領域を除いて、チャネル領域の縁部まで、被覆膜８を形成し、被覆膜８上に被覆膜８とは異なる材料で隔壁７を形成する。例えば、被覆膜８と隔壁７にそれぞれ異なるフッ素系樹脂を用いることができる。
【００４１】
これによって、例えば、被覆膜８に適した材料と隔壁７に適した材料が、塗布後の膜厚や解像度等を考慮して異なる方がよい場合に、被覆膜８と隔壁７にそれぞれ異なる適した材料を用いることができる。
【００４２】
（実施の形態４）
図６には、本発明である有機半導体素子の実施の形態４として、トップゲート型の有機ＴＦＴの断面模式図を示す。上述した実施の形態１から３と同様の部材には同一の符号を付し、共通する構成には説明を省略する。
【００４３】
図６に示す有機ＴＦＴは、基板１上にソース・ドレイン電極４、５が形成され、ソース・ドレイン電極４、５面にチャネル領域を除いてチャネル領域の縁部まで表面エネルギーがチャネル領域よりも低い隔壁７が形成され、隔壁７で囲まれたチャネル領域にＰ３ＨＴ等の有機半導体材料からなる有機半導体層６が形成され、さらに隔壁７に囲まれた領域内で有機半導体層６上にゲート絶縁層３が形成され、ゲート絶縁層３上にゲート電極２が形成される。
【００４４】
隔壁７は、チャネル領域の基板１及びソース・ドレイン電極４、５よりも表面エネルギーが低く、その表面で液体をはじきやすい性質である。隔壁７は、例えば、フッ素系樹脂等の絶縁性で撥液性のある材料からなることが好ましい。
【００４５】
このように、比較的表面エネルギーが高く液体を引き寄せやすいソース・ドレイン電極４、５を表面エネルギーが低い隔壁７で覆って、表面エネルギーを低くし液体をはじくようにする。これによって、チャネル領域の基板１が隔壁７に比べると相対的に表面エネルギーが高くなるため、チャネル領域の基板１上に液体状の有機半導体材料が引き寄せられ、均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００４６】
また、チャネル領域に供給された有機半導体材料は、チャネル領域で表面エネルギーの低い隔壁７によって囲まれているため、チャネル領域から周囲に引っ張られることなく、基板１上で均一な有機半導体層６を維持することができる。
【００４７】
また、液体状の有機半導体材料をチャネル領域に供給するときに、有機半導体材料は隔壁７に接触してもはじかれ、チャネル領域に集中して供給されるため、適当量の有機半導体材料によって均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００４８】
また、有機半導体層６上にゲート絶縁層３を形成するときには、隔壁７がゲート絶縁層３の形成領域を規定することができる。
【００４９】
このようなトップゲート型の有機ＴＦＴの構造では、ソース・ドレイン電極４、５とゲート電極２が垂直方向に重なる領域が少なくなり、また、重なる領域には絶縁性の隔壁７が存在する。このため、電極間に発生し素子特性を劣化させる寄生容量を抑えることができる。
【００５０】
図７は、本実施の形態における有機ＴＦＴの製造方法を説明するための図である。
【００５１】
図７（ａ）に示すように、基板１上にソース・ドレイン電極４、５を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、ソース・ドレイン電極４、５面に、チャネル領域を除いて、チャネル領域の縁部まで隔壁７を形成する。液隔壁７は、上述したように、ポジ型レジストのフッ素系樹脂を用いることで、順テーパ形状とすることができる。
【００５２】
次に、図７（ｃ）に示すように、隔壁７で囲まれたチャネル領域に、液体状の有機半導体材料を供給し、有機半導体層６を形成する。隔壁７の表面エネルギーがチャネル領域の基板１よりも低いため、チャネル領域の基板１上に均一に有機半導体層６を形成することができる。また、液体状の有機半導体材料は、隔壁７に接触してもはじかれてチャネル領域６に集められる。チャネル領域６では、隔壁７の表面エネルギーが低いため、有機半導体材料はチャネル領域の周囲に引っ張られずに、均一に有機半導体層６を形成することができる。
【００５３】
次に、図７（ｄ）に示すように、有機半導体層６上にゲート絶縁層３を形成し、図７（ｅ）に示すように、ゲート絶縁層３上にゲート電極２を形成する。
【００５４】
本発明の被覆層としては、上述したフッ素系樹脂に限らず、表面エネルギーがチャネル領域よりも低い材料であれば、有機材料と無機材料のいずれでもよく、これらを複数積層した構造であってもよい。また、被覆層のパターニング方法としては、上述したように感光性の樹脂を用いてフォトリソグラフィを用いることができるが、これに限らず、ドライエッチング等のドライプロセスを用いることもできる。また、被覆層は、表面エネルギーが低い材料で形成することに限らず、絶縁性の材料で形状を形成した後に表面処理をして表面エネルギーが低くしてもよい。
【００５５】
また、本発明の被覆層は、ソース・ドレイン電極面に、少なくともチャネル領域を除いて形成されていればよい。ソース・ドレイン電極面をチャネル領域の縁部まで被覆層で覆わなくても、チャネル領域の周囲でソース・ドレイン電極が有機半導体材料と対向する面の一部に被覆層が形成されることで本発明の効果を得ることができる。
【００５６】
本発明の有機半導体層としては、上述したＰ３ＨＴに限らず、半導体特性を示す有機材料であればよい。また、塗布法に適用できるようにインク状となることが望ましく、液体状の有機半導体材料や、溶媒に可溶な有機半導体材料を用いるとよい。例えば、高分子材料ではその構造がポリエチレン鎖、ポリシロキサン鎖、ポリエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリアミド鎖、ポリイミド鎖等の高分子の主鎖中に用いられた物あるいは側鎖としてペンダント状に結合したもの、又はポリパラフェニレン等の芳香族系共役性高分子、ポリアセチレン等の脂肪族系共役性高分子、ポリピノールやポリチオフェン率の複素環式共役性高分子、ポリアニリン類やポリフェニレンサルファイド等の含ヘテロ原子共役性高分子、ポリ（フェニレンビニレン）やポリ（アニーレンビニレン）やポリ（チェニレンビニレン）等の共役性高分子の構成単位が交互に結合した構造を有する複合型共役系高分子等の炭素系共役高分子が用いられる。また、ポリシラン類やジシラニレンアリレンポリマー類、（ジシラニレン）エチニレンポリマー類のようなジシラニレン炭素系共役性ポリマー構造等のオリゴシラン類と炭素系共役性構造が交互に連鎖した高分子類等が用いられる。他にも、リン系、窒素系等の無機元素からなる高分子鎖でもよく、さらにフタロシアナートポリシロキサンのような高分子鎖の芳香族系配位子が配位した高分子類、ペリレンテトラカルボン酸のようなペリレン類を熱処理して縮環させた高分子類、ポリアクリロニトリル等のシアノ基を有するポリエチレン誘導体を熱処理して得られるラダー型高分子類、さらにペロブスカイト類に有機化合物がインターカレートした複合材料を用いてもよい。また、低分子系材料ではフタロシアニン系誘導体、ナフタロシアニン系誘導体、アゾ化合物系誘導体、ペリレン系誘導体、インジゴ系誘導体、キナクリドン系誘導体、アントラキノン類等の多環キノン系誘導体、シアニン系誘導体、フラーレン類誘導体、あるいはインドール、カルバゾール、オキサゾール、インオキサゾール、チアゾール、イミダゾール、ピラゾール、オキサアジアゾール、ピラゾリン、チアチアゾール、トリアゾール等の含窒素環式化合物誘導体、ヒドラジン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、スチルベン類、アントラキノンジフェノキノン等のキノン化合物誘導体、アントラセン、ビレン、フェナントレン、コロネン等の多環芳香族化合物誘導体等のうち、官能基の付与等によって溶媒に可溶なものであればよい。
【００５７】
本発明のゲート絶縁層としては、上述したＳｉＯ_２に限らず、絶縁性を有すれば無機材料と有機材料のいずれでもゲート絶縁層として使用することができる。例えば、ＬｉＯｘ、ＬｉＮｘ、ＮａＯｘ、ＫＯｘ、ＲｂＯｘ、ＣｓＯｘ、ＢｅＯｘ、ＭｇＯｘ、ＭｇＮｘ、ＣａＯｘ、ＣａＮｘ、ＳｒＯｘ、ＢａＯｘ、ＳｃＯｘ、ＹＯｘ、ＹＮｘ、ＬａＯｘ、ＬａＮｘ、ＣｅＯｘ、ＰｒＯｘ、ＮｄＯｘ、ＳｍＯｘ、ＥｕＯｘ、ＧｄＯｘ、ＴｂＯｘ、ＤｙＯｘ、ＨｏＯｘ、ＥｒＯｘ、ＴｍＯｘ、ＹｂＯｘ、ＬｕＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴｉＮｘ、ＺｒＯｘ、ＺｒＮｘ、ＨｆＯｘ、ＨｆＮｘ、ＴｈＯｘ、ＶＯｘ、ＶＮｘ、ＮｂＯｘ、ＴａＯｘ、ＴａＮｘ、ＣｒＯｘ、ＣｒＮｘ、ＭｏＯｘ、ＭｏＮｘ、ＷＯｘ、ＷＮｘ、ＭｎＯｘ、ＲｅＯｘ、ＦｅＯｘ、ＦｅＮｘ、ＲｕＯｘ、ＯｓＯｘ、ＣｏＯｘ、ＲｈＯｘ、ＩｒＯｘ、ＮｉＯｘ、ＰｄＯｘ、ＰｔＯｘ、ＣｕＯｘ、ＣｕＮｘ、ＡｇＯｘ、ＡｕＯｘ、ＺｎＯｘ、ＣｄＯｘ、ＨｇＯｘ、ＢＯｘ、ＢＮｘ、ＡｌＯｘ、ＡｌＮｘ、ＧａＯｘ、ＧａＮｘ、ＩｎＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴｉＮｘ、ＳｉＮｘ、ＧｅＯｘ、ＳｎＯｘ、ＰｂＯｘ、ＰＯｘ、ＰＮｘ、ＡｓＯｘ、ＳｂＯｘ、ＳｅＯｘ、ＴｅＯｘ等の金属酸化物でも、ＬｉＡｌＯ_２、Ｌｉ_２ＳｉＯ_３、Ｌｉ_２ＴｉＯ_３、Ｎａ_２Ａｌ_２２Ｏ_３４、ＮａＦｅＯ_２、Ｎａ_４ＳｉＯ_４、Ｋ_２ＳｉＯ_３、Ｋ_２ＴｉＯ_３、Ｋ_２ＷＯ_４、Ｒｂ_２ＣｒＯ_４、Ｃｓ_２ＣｒＯ_４、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＦｅ_２Ｏ_４、ＭｇＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＣａＷＯ_４、ＣａＺｒＯ_３、ＳｒＦｅ_１２Ｏ_１９、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、ＢａＡｌ_２Ｏ_４、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９、ＢａＴｉＯ_３、Ｙ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＬａＦｅＯ_３、Ｌａ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７、ＣｅＳｎＯ_４、ＣｅＴｉＯ_４、Ｓｍ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＥｕＦｅＯ_３、Ｅｕ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＧｄＦｅＯ_３、Ｇｄ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＤｙＦｅＯ_３、Ｄｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＨｏＦｅＯ_３、Ｈｏ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＥｒＦｅＯ_３、Ｅｒ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、Ｔｍ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＬｕＦｅＯ_３、Ｌｕ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＮｉＴｉＯ_３、Ａｌ_２ＴｉＯ_３、ＦｅＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＬｉＺｒＯ_３、ＭｇＺｒＯ_３、ＨｆＴｉＯ_４、ＮＨ_４ＶＯ_３、ＡｇＶＯ_３、ＬｉＶＯ_３、ＢａＮｂ_２Ｏ_６、ＮａＮｂＯ_３、ＳｒＮｂ_２Ｏ_６、ＫＴａＯ_３、ＮａＴａＯ_３、ＳｒＴａ_２Ｏ_６、ＣｕＣｒ_２Ｏ_４、Ａｇ_２ＣｒＯ_４、ＢａＣｒＯ_４、Ｋ_２ＭｏＯ_４、Ｎａ_２ＭｏＯ_４、ＮｉＭｏＯ_４、ＢａＷＯ_４、Ｎａ_２ＷＯ_４、ＳｒＷＯ_４、ＭｎＣｒ_２Ｏ_４、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４、ＭｎＴｉＯ_３、ＭｎＷＯ_４、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、ＦｅＷＯ_４、ＣｏＭｏＯ_４、ＣｕＴｉＯ_３、ＣｕＷＯ_４、Ａｇ_２ＭｏＯ_４、Ａｇ_２ＷＯ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＭｏＯ_４、ＺｎＷＯ_４、ＣｄＳｎＯ_３、ＣｄＴｉＯ_３、ＣｄＭｏＯ_４、ＣｄＷＯ_４、ＮａＡｌＯ_２、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４、Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２、ＩｎＦｅＯ_３、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、Ａｌ_２ＴｉＯ_５、ＦｅＴｉＯ_３、ＭｇＴｉＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＣａＳｉＯ_３、ＺｒＳｉＯ_４、Ｋ_２ＧｅＯ_３、Ｌｉ_２ＧｅＯ_３、Ｎａ_２ＧｅＯ_３、Ｂｉ_２Ｓｎ_３Ｏ_９、ＭｇＳｎＯ_３、ＳｒＳｎＯ_３、ＰｂＳｉＯ_３、ＰｂＭｏＯ_４、ＰｂＴｉＯ_３、ＳｎＯ_２−Ｓｂ_２Ｏ_３、ＣｕＳｅＯ_４、Ｎａ_２ＳｅＯ_３、ＺｎＳｅＯ_３、Ｋ_２ＴｅＯ_３、Ｋ_２ＴｅＯ_４、Ｎａ_２ＴｅＯ_３、Ｎａ_２ＴｅＯ_４等の金属複合酸化物でも、ＦｅＳ、Ａｌ_２Ｓ_３、ＭｇＳ、ＺｎＳ等の硫化物、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、ＳｍＦ_３等のフッ化物、ＨｇＣｌ、ＦｅＣｌ_２、ＣｒＣｌ_３等の塩化物、ＡｇＢｒ、ＣｕＢｒ、ＭｎＢｒ_２等の臭化物、ＰｂＩ_２、ＣｕＩ、ＦｅＩ_２等のヨウ化物、またはＳｉＡｌＯＮ等の金属酸化窒化物でも有効である。またゲート電極を陽極酸化することによりゲート絶縁層を形成してもよい。例えば、Ｔａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ等の単体又はそれらの合金等が有効である。また、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール等のポリマー系材料でも有効である。また、上述したように、ゲート絶縁層表面をＨＭＤＳ処理や、ＯＴＳ処理等で撥液処理を行ってもよい。
【００５８】
本発明のゲート電極、ソース電極とドレイン電極としては、上述したゲート電極としてのＣｒ、ソース電極とドレイン電極としてのＣｒ／Ａｕに限らず、十分な導電性がある材料であればよい。例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の金属単体、これらの化合物、又はこれらの積層でもよい。また、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）のような金属酸化物類、ポリアニリン類、ポリチオフェン類、ポリピロール類等の共役性高分子化合物を含む有機導電材料でもよい。
【００５９】
本発明の有機半導体素子としては、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及びソース電極とドレイン電極間でゲート絶縁層を介してゲート電極に対向する有機半導体層を有する半導体素子であって、ソース電極とドレイン電極面に、少なくともソース電極とドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、表面エネルギーがチャネル領域よりも低い被覆層が形成される。
【００６０】
また、本発明の有機半導体素子の製造方法としては、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及びソース電極とドレイン電極間でゲート絶縁層を介してゲート電極に対向する有機半導体層を有する有機半導体素子の製造方法であって、ソース電極とドレイン電極面に、少なくともソース電極とドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、表面エネルギーがチャネル領域よりも低い被覆層を形成し、チャネル領域に有機半導体層を形成する。
【００６１】
このような本発明によれば、より高精細なパターン形成を可能とし、チャネル領域に有機半導体層をより均一に形成することができる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は実施例によって限定されない。
【００６３】
（実施例1）
本実施例では、図１に示す有機トランジスタを作製し、その特性を評価した。
有機ＴＦＴのチャネル長／幅は５μｍ／３００μｍとした。基板１としてガラス基板を用い、基板１上にゲート電極２としてＣｒを成膜、パターニングした。Ｃｒの膜厚は１００ｎｍとし、パターニングにはウェットエッチング法を用いた。次に、ゲート電極２上にゲート絶縁層３としてＳｉＯ_２を厚さ２００ｎｍで形成した。ゲート絶縁層３上にソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｕの積層膜をそれぞれ５ｎｍ／１００ｎｍで形成した。なお、ソース・ドレイン電極４、５のパターニングにはウェットエッチング法を用いた。次に、チャネル領域を除いてチャネル領域の縁部まで隔壁７としてフッ素系樹脂（ＰＭＡ−＃７０２、チッソ石油化学製）をパターニングした。隔壁７は順テーパ構造とし、その端部がチャネル領域の縁部にあるようにした。隔壁７の高さは約４μｍ、テーパ角度は約４０°であった。次に、有機半導体層６としてＰ３ＨＴをインクジェット法により約１００ｎｍ厚で成膜し、有機ＴＦＴ素子を作製した。この素子のＴＦＴ特性を評価したところ、移動度：０．０３ｃｍ^２／Ｖｓ、スレッショルド電圧：−２．０Ｖ、ｏｎ／ｏｆｆ：１０^５と良好な特性を示した。
【００６４】
（実施例２）
本実施例では、図３に示す有機トランジスタを作製し、その特性を評価した。
有機ＴＦＴのチャネル長／幅を５μｍ／３００μｍとした。基板１としてガラス基板を用い、基板１上にゲート電極２としてＣｒを成膜、パターニングした。Ｃｒの膜厚は１００ｎｍとし、パターニングにはウェットエッチング法を用いた。次に、ゲート電極２上にゲート絶縁層３としてＳｉＯ_２を厚さ２００ｎｍで形成した。ゲート絶縁層３上にソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｕの積層膜をそれぞれ５ｎｍ／１００ｎｍで形成した。次に、被覆膜８としてフッ素系樹脂（ＰＭＡ−＃７０２、チッソ石油化学製）をソース・ドレイン電極４、５の形状にパターニングし、この被覆膜８をマスクとしてソース・ドレイン電極４、５のパターニングをウェットエッチング法で行った。被覆膜８を残したまま、さらに、被覆膜８と同じフッ素系樹脂で隔壁７をチャネル領域を囲むようにパターニングした。隔壁７は順テーパ構造であり、チャネル領域より広く開口するようにした。隔壁７の高さは約４μｍ、テーパ角度は約７０°であった。次に、有機半導体層６としてＰ３ＨＴをインクジェット法により約１００ｎｍ厚で成膜し、有機ＴＦＴ素子を作製した。この素子のＴＦＴ特性を評価したところ、移動度：０．０４ｃｍ^２／Ｖｓ、スレッショルド電圧：−１．５Ｖ、ｏｎ／ｏｆｆ：１０^５と良好な特性を示した。
【００６５】
（実施例３）
本実施例では、図５に示す有機トランジスタを作製し、その特性を評価した。
有機ＴＦＴのチャネル長／幅を５μｍ／３００μｍとした。基板１としてガラス基板を用い、基板１上にゲート電極２としてＣｒを成膜、パターニングした。Ｃｒの膜厚は１００ｎｍであり、パターニングにはウェットエッチング法を用いた。次に、ゲート電極２上にゲート絶縁層３としてＳｉＯ_２を厚さ２００ｎｍで形成した。ゲート絶縁層３上にソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｕの積層膜をそれぞれ５ｎｍ／１００ｎｍ形成した。次に、被覆膜８としてフッ素系樹脂（ＰＭＡ−＃８０２、チッソ石油化学製）をソース・ドレイン電極４、５の形状にパターニングし、被覆膜８をマスクとして、ソース・ドレイン電極４、５のパターニングをウェットエッチング法で行った。被覆膜８を残したまま、さらに、被覆膜８とは異なるフッ素系樹脂（ＰＭＡ−＃７０２、チッソ石油化学製）を用いて隔壁７をチャネル領域を囲むようにパターニングした。隔壁７は順テーパ構造であり、チャネル領域より広く開口するようにした。隔壁７の高さは約４μｍ、テーパ角度は約７０°であった。次に、有機半導体層６としてＰ３ＨＴをインクジェット法により約１００ｎｍ厚で成膜し、有機ＴＦＴ素子を作製した。この素子のＴＦＴ特性を評価したところ、移動度：０．０４ｃｍ^２／Ｖｓ、スレッショルド電圧：−２．０Ｖ、ｏｎ／ｏｆｆ：１０^５と良好な特性を示した。
【００６６】
（実施例４）
本実施例では、図６に示す有機トランジスタを作製し、その特性を評価した。
有機ＴＦＴのチャネル長／幅を５μｍ／３００μｍとした。基板１としてガラス基板を用い、基板１上にソース・ドレイン電極４、５としてＣｒ／Ａｕの積層膜をそれぞれ５ｎｍ／１００ｎｍ形成した。ソース・ドレイン電極４、５のパターニングにはウェットエッチング法を用いた。次に、隔壁７としてフッ素系樹脂（ＰＭＡ−＃７０２、チッソ石油化学製）を、チャネル領域を除いて形成されるようにパターニングした。隔壁７は順テーパ構造であり、隔壁７の端部がチャネル領域の縁部にあるようにした。隔壁７の高さは約４μｍ、テーパ角度は約４０°であった。隔壁７で囲まれた領域内に有機半導体層６としてＰ３ＨＴをインクジェット法により約１００ｎｍ厚で成膜した。有機半導体層６上にゲート絶縁層３としてＳｉＯ_２膜を２００ｎｍ厚形成し、次に、ゲート電極２としてＣｒを成膜し、パターニングした。Ｃｒの膜厚は１００ｎｍであり、パターニングにはウェットエッチング法を用いた。この素子のＴＦＴ特性を評価したところ、移動度：０．０２ｃｍ^２／Ｖｓ、スレッショルド電圧：＋１．０Ｖ、ｏｎ／ｏｆｆ：１０^５と良好な特性を示した。

Claims

基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極に対向する有機半導体層を有する半導体素子であって、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の面に、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と前記チャネル領域との縁部まで、表面エネルギーが前記チャネル領域よりも低い被覆層が形成されることを特徴とする有機半導体素子。
前記被覆層は前記チャネル領域を囲む隔壁形状である請求項１に記載された有機半導体素子。
前記被覆層は、前記ソース電極と前記ドレイン電極面を覆う膜部と、前記チャネル領域を囲む隔壁部を有することを特徴とする請求項１に記載された有機半導体素子。
前記膜部と前記隔壁部の材料が異なることを特徴とする請求項３に記載された有機半導体素子。
前記基板上に前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層、前記ソース電極と前記ドレイン電極、及び前記被覆層が順に積層され、前記チャネル領域に前記有機半導体層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載された有機半導体素子。
前記基板上に前記ソース電極と前記ドレイン電極、及び前記被覆層が順に積層され、前記チャネル領域に前記有機半導体層を有し、前記有機半導体層上にゲート絶縁層、及びゲート電極が順に積層されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載された有機半導体素子。
基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極とドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極に対向する有機半導体層を有する有機半導体素子の製造方法であって、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の面に、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に形成されるチャネル領域を除き、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と前記チャネル領域との縁部まで、表面エネルギーが前記チャネル領域よりも低い被覆層を形成し、前記チャネル領域に前記有機半導体層を形成することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
前記有機半導体層をインクジェット法で形成することを特徴とする請求項７に記載された有機半導体素子の製造方法。
前記ソース電極と前記ドレイン電極を形成するときに前記被覆層をマスクとして用いることを特徴とする請求項７または８に記載された有機半導体素子の製造方法。