JP2004055652A - 有機半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の付着性、エッチング性、低抵抗性が向上した有機半導体素子を提供する。
【解決手段】有機半導体素子は、対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、１対の電極の少なくとも一方は、有機半導体層に接触しかつ有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、キャリア中継膜に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、を含む。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア移動性の有機化合物を利用し、かかる有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオードや、信号処理に必要なスイッチや増幅機能を行うトランジスタに用いられる半導体には、高いキャリア移動度や、低い暗電流や、低い駆動電圧や、複雑な素子構造など、の性能が要求されるので、シリコンに代表される無機半導体が、半導体素子の主役となっている。
【０００３】
有機半導体では、その電気−光変換特性を利用した有機エレクトロルミネセンス装置が開発されている。さらに、有機半導体薄膜に電界を加えるとキャリア密度が増加するので、有機半導体薄膜上に１対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。例えば、有機半導体薄膜上にソース電極及びドレイン電極を配置し、その間のゲート電極で薄膜の厚さ方向に電圧を印加し、有機半導体薄膜に沿った方向の電流をスイッチングできる。よって、有機トランジスタの研究もなされ、電気信号を利用して、接合界面（金属−有機半導体、有機半導体−有機半導体）にて、有機半導体中のキャリア（電子及び正孔）を制御する情報の伝達、処理及び記録表示などの技術に有機半導体が利用されつつある。
【０００４】
図１及び図２は有機半導体薄膜を用いた有機ＭＯＳ−ＴＦＴの構造のボトムコンタクト型及びトップコンタクト型の例を示す。有機ＭＯＳ−ＴＦＴは、基板１０上にゲート電極１４、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１１及びドレイン電極１５、並びに有機半導体層１３を備えている。ゲート電極１４としてはＮｉ、Ｃｒなどが、ゲート絶縁膜１２にはＳｉＯ_２、ＳｉＮなど金属の酸化物や窒化物などの無機物やＰＭＭＡなどの樹脂が、有機半導体層１３にはペンタセンなどが、それぞれ用いられている。また、ソース電極１１及びドレイン電極１５にはＰｄ、Ａｕなどの単層膜が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有機半導体素子のＰｄ又はＡｕ単層膜からなるソース電極及びドレイン電極においては、１）Ｐｄ、Ａｕが王水などの非常に強い酸を用いないとウエットエッチングできないので、エッチングの際にゲート電極などの下地を傷めてしまい、電極パターニングが困難である、２）Ｐｄ、Ａｕ薄膜の下地膜への付着力が弱く素子の信頼性が低い、３）Ｐｄ、Ａｕはそのクラーク数が小さく高価である、４）電極材料として一般に用いられるＡｌなどに比べＰｄの抵抗率が高い、など問題がいくつかあり、実用化の障害となっている。
【０００６】
本発明の解決しようとする課題には、電極の付着性、エッチング性、低抵抗性が向上した有機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体素子の発明は、対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記１対の電極の少なくとも一方は、前記有機半導体層に接触しかつ前記有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、前記キャリア中継膜に積層されかつ前記キャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明による有機半導体素子として有機トランジスタの実施例を図面を参照しつつ説明する。
図３は実施形態のボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。有機トランジスタは、ガラスなどの絶縁性の基板１０上に形成されたゲート電極１４上に形成されたゲート絶縁膜１２と、この上に形成されたペンタセンなどのキャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層１３と、有機半導体層１３と接触するように形成されたソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されている。ソース電極１１及びドレイン電極１５の各々はキャリア中継膜１１ａ及び１５ａと、キャリア中継膜に積層された伝導体膜１１ｂ及び１５ｂとからなる。ゲート電極１４は対向するソース電極１１及びドレイン電極１５の間の有機半導体層１３に電界を印加する。
【０００９】
図４は実施形態のトップコンタクト型有機トランジスタを示す。トップコンタクト型素子は、有機半導体層１３が先に成膜され、その上にソース電極１１及びドレイン電極１５が形成されて、キャリア中継膜１１ａ及び１５ａと伝導体膜１１ｂ及び１５ｂの積層順がキャリア中継膜から伝導体膜の順となる以外、図３のボトムコンタクト型と同じ構成を有する。
【００１０】
有機半導体層１３は電界印加によって正孔又は電子の輸送能力を有する有機化合物からなる。有機半導体層１３は、それぞれキャリア輸送能力を有する有機化合物の薄膜からなる多層構造とすることもできる。有機半導体として、キャリア移動度が大きいペンタセンの他に、アントラセン、テトラセンなどの縮合環類も用いられる。
【００１１】
ゲート電極１４は、ゲート絶縁膜１２を介して電界を印加する場合、電極材料として一般に用いられるＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びそれらを含む合金などが用いられる。
ソース電極及びドレイン電極１１、１５の材料には、有機半導体との電荷注入障壁を低くするため、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近いことが求められる。例えば、図３に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１５のそれぞれに、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近くなる特性とすべく２種類以上の金属膜からなる積層膜１１ａ及び１１ｂ、並びに１５ａ及び１５ｂを用いる。すなわち、ソース電極１１は、有機半導体層１３に接触しかつそのイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜１１ａと、キャリア中継膜１１ａ上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜１１ｂと、からなる。また、ドレイン電極１５も、有機半導体層１３に接触しかつそのイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜１５ａと、キャリア中継膜１５ａ上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜１５ｂと、からなる。
【００１２】
有機半導体中のキャリア移動のためにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａの仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い値である特性は特に重要である。よって、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い材料を少なくとも１つ以上含む金属膜をキャリア中継膜とし、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂはかかるキャリア中継膜の特性以外を補完するように、これらの積層膜を用いることが好ましい。２種層の金属膜からなる積層膜で特性を十分改善できない場合は、更に特性を改善するために、３種層以上の金属膜からなる積層膜としてもよい。なお、有機半導体層への電荷注入障壁を小さくするために、ソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａを有機半導体に接する側に設けるが、１対の電極の少なくとも一方が、有機半導体層に接触しかつ有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、キャリア中継膜上に積層されかつキャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、からなる構成としてもよい。
【００１３】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａには仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。キャリア中継膜に含まれる材料の仕事関数は、使用する有機半導体のイオン化ポテンシャルを中心とした±１ｅＶ以内であることが好ましく、さらに好ましくは±０．５ｅＶ以内である。
【００１４】
例えば代表的な有機半導体材料であるペンタセン（イオン化ポテンシャル＝５．０６ｅＶ）を用いた場合、キャリア中継膜に含まれる材料の仕事関数は４．５６〜５．５６ｅＶが好適であり、このような特性を満たす金属の例として、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅなどが挙げられる。キャリア中継膜にはこれらの金属の単体、もしくはこれらの金属を含む合金を用い得る。
【００１５】
伝導体膜１１ｂ及び１５ｂとしては、キャリア中継膜より低い比抵抗、微細なパターニング可能なエッチングが良好に行えるエッチング性、付着力の少なくとも一つの特性に優れる金属を用いる。伝導体膜の上に第２、第３、第４、第５金属と、順に金属膜を積層する場合でも、それぞれキャリア中継膜より低い比抵抗、エッチング性、下地（図３の場合、ゲート絶縁膜１２）に対し強く膜付着する高い付着力のうち少なくとも一つの特性に優れる金属を用いる。
【００１６】
比抵抗が低い金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどが挙げられる。これらの中では、特に比抵抗が低いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。
容易にウエットエッチングが可能であるエッチング性の高い金属としては、りん酸を主成分とする酸に溶解するＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｍｏなどや、硝酸セリウムアンモニウムを主成分とする溶液に溶解するＣｒなどが伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。表１に電極材料、その比抵抗及びその使用可能エッチャントの例を示す。
【００１７】
【表１】

付着性が高い金属としては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉなどの高融点金属が伝導体膜１１ｂ及び１５ｂに好適である。よって、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂにはこれらの金属の単体、もしくはこれらの金属を含む合金を用い得る。
【００１８】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａの膜厚が厚すぎると、低抵抗性、エッチング性が損なわれてしまうため、キャリア中継膜の膜厚は１０００Å以下が好ましく、さらに好ましくは５００Å以下である。一方、キャリア中継膜の膜厚が薄すぎると、有機半導体層への注入障壁を低くする効果がなくなってしまう恐れがあるが、通常ごく薄い膜厚でも効果があり、有機半導体層に接するキャリア中継膜の膜厚は１Å以上、さらに好ましくは１０Å以上である。
【００１９】
これらソース電極１１及びドレイン電極１５の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など、任意の方法を用い得る。材料の使用効率、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
成膜した積層膜は所定の形状にパターニングする。パターン方法は任意の方法で構わないが、フォトエッチング法が好ましく用いられる。フォトエッチング法では、先ず、積層膜上にフォトレジストを所定の形状にパターン形成し、溶液によるエッチング（ウエットエッチング）もしくはガスによるエッチング（ドライエッチング）を行う。その後、フォトレジストを除去すれば所望の積層膜パターンが得られる。
【００２０】
キャリア中継膜及び伝導体膜のエッチング性が異なる場合、積層膜を各々に最適なエッチング液もしくはエッチングガスを用い、２工程に分けてエッチングする。キャリア中継膜及び伝導体膜のエッチング性に共通性があれば、共通するエッチング液もしくはエッチングガスを用いて、１工程でエッチングできるので、好ましい。
【００２１】
本発明を実施する際、ボトムコンタクト型に適用する場合と、トップコンタクト型に適用する際では、伝導体膜の選び方に若干の違いがある。ただし何れの場合にせよ、伝導体膜では比抵抗が低いこと、エッチング性のよいことが共通して必要な特性である。
図３に示すように、ボトムコンタクト型素子に本発明を適用すると、ソース電極１１及びドレイン電極１５の積層順は伝導体膜からキャリア中継膜の順となる。この場合、ゲート絶縁膜１２に対する伝導体膜の付着性が重要となる。一方、図４に示すトップコンタクト型に本発明を適用すると、ソース電極１１及びドレイン電極１５の積層順は伝導体膜からキャリア中継膜の順となるので、ゲート絶縁膜１２に対する伝導体膜の付着性が重要ではないが、キャリア中継膜の付着性が重要となる。
【００２２】
有機半導体層のペンタセンは、高い正孔移動度を示すキャリア輸送性材料である。このペンタセン有機半導体層を用いて、図１に示すボトムコンタクト型素子を作成すると、正孔輸送性（ｐ型）素子が実現できる。
有機半導体層におけるキャリアが正孔の場合には正孔が移動できる正孔輸送性材料または両性輸送性材料が有機半導体として必要になり、キャリアが電子の場合には電子が移動できる電子輸送材料または両性輸送性材料が必要になる。正孔輸送材料又は両性輸送材料としては、銅フタロシアニン（ｃｏｐｐｅｒ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）などが、電子輸送材としてはアルミニウムキノリノール錯体（ｔｒｉｓ−８−ｈｙｄｏｒｏｘｙｑｕｎｏｌｉｎｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ）などがある。
【００２３】
各積層電極の有機半導体層に接するキャリア中継膜には、キャリア輸送性有機薄膜のイオン化ポテンシャルとほぼ同じ仕事関数を有する金属を選択する。キャリアの移動は接触する材料のエネルギー障壁が異なるとその差を埋める電圧印加の必要があり、抵抗なくキャリアが移動するにはエネルギー障壁が小さいほうがよいからである。イオン化ポテンシャルは真空準位から価電子帯上端の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。キャリア中継膜には金属及び金属酸化物材料が使用できるが、これらについての仕事関数は真空準位（０ｅＶ）からフェルミ準位へと測定したエネルギーである。なお、正孔輸送性材料に電界をかけて陽イオン化するのに必要な仕事はイオン化ポテンシャルエネルギー（ｉｏｎｉｚｅｄ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ）で、電子輸送性材料に電界をかけて陰イオン化するのに必要な仕事は電子親和力（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ａｆｆｉｎｉｔｙ　ｅｎｅｒｇｙ）である。
【００２４】
本実施形態の有機トランジスタで使用するキャリア中継膜材料で仕事関数が大きなものには、例えば、４．５１ｅＶを越える金、白金、パラジウム、セレン、ニッケルなどの金属、インジウムすず酸化物（以下、ＩＴＯという）、イリジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛やこれらの合金、あるいは、酸化錫、ヨウ化銅などがある。
【００２５】
一方、仕事関数が小さなキャリア中継膜材料として、例えば、４．５１ｅＶ以下の銀、鉛、錫、アルミニウム、カルシウム、インジウム、クロムなどの金属、リチウムなどのアルカリ金属、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、またはこれらの合金、あるいは、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物などが用いられる。表２に選択使用され得る物質の仕事関数の例を示す。表のセル中、上は元素記号、下は仕事関数を示す。
【００２６】
【表２】

［素子の作製］−ボトムコンタクト型素子と比較のため比較素子とを作製した。全ての実施例及び比較例においてソース電極及びドレイン電極それぞれの積層膜の合計膜厚を２０００Åに統一した。
【００２７】
［実施例１］−以下のような手順で、図３に示すようなボトムコンタクト型の有機ＭＯＳ−ＴＦＴを作製した。
（１）［ゲート電極の形成］−ガラス基板上にＣｒを膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＣｒ膜上にパターン形成した。この基板を硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸を含む水溶液中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＣｒを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、所定のゲート電極パターンを基板上に得た。
【００２８】
（２）［ゲート絶縁膜の形成］−得られた基板のゲート電極パターン上に、ＳｉＯ_２を膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＳｉＯ_２膜上にパターン形成した。この基板をＣＦ４ガスによるドライエッチングにより、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＳｉＯ_２を除去した。最後にＯ２プラズマによりレジストマスクを除去して、ＳｉＯ_２ゲート絶縁膜の所定パターンを基板上に得た。
【００２９】
（３）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、日本ゼオン製フォトレジストＺＰＮ１１００のマスクをパターン形成した。次に伝導体膜としてＡｌを膜厚１５００Åで、続いてキャリア中継膜としてＰｄを膜厚５００Åでスパッタ法により成膜した。更にアセトンでマスクとマスク上の金属膜をリフトオフし、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。ソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。
【００３０】
（４）［有機半導体層の形成］−得られた基板の電極パターン上に、ペンタセンを膜厚５００Åで、基板を６０℃に加熱し、マスクを用いた所定パターンで抵抗加熱蒸着法により有機半導体層を成膜し、有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例２］−実施例１の（３）で伝導体層としてＡｌを膜厚１８００Åで、キャリア中継膜としてＰｄの膜厚を２００Åとしたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３１】
［実施例３］−実施例１の（３）で付着性を向上させる第３金属膜としてＣｒを膜厚５００Åで、続いて伝導体膜としてＡｌを膜厚１３００Åで、更にキャリア中継膜としてＰｄを膜厚２００Åでスパッタ法により成膜し、３層の積層膜からなるソース電極及びドレイン電極としたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３２】
［比較例１］−実施例１の（３）でソース電極及びドレイン電極としてＰｄを膜厚２０００Åでスパッタし単層膜で用いたこと以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例４］−伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、キャリア中継膜としてＮｉを膜厚２００Åとし、素子を作製した。ＡｌとＮｉはエッチング性に共通点があるため、積層膜はフォトエッチング法でパターニングした。具体的には、実施例１の（３）を以下のようにした以外は、実施例１と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３３】
（３）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、続いてキャリア中継膜としてＮｉを膜厚２００Åで、スパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＡｌ／Ｎｉの積層膜上にパターン形成した。この基板をリン酸、硝酸からなる混酸中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＡｌ／Ｎｉを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。ソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。
【００３４】
［比較例２］−実施例１の（３）でソース電極及びドレイン電極としてＮｉを膜厚２０００Åでスパッタし単層膜で用いたこと以外は、実施例３と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
［実施例５］−以下のような手順で、図４に示すようなトップコンタクト型の有機ＭＯＳ−ＴＦＴを作製した。
【００３５】
（１）［ゲート電極の形成］−ガラス基板上にＣｒを膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＣｒ膜上にパターン形成した。この基板を硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸を含む水溶液中に浸漬し、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＣｒを溶解除去した。最後に基板をアセトン中に浸漬しレジストマスクを除去、所定のゲート電極パターンを得た。
【００３６】
（２）［ゲート絶縁膜の形成］−得られた基板のゲート電極パターン上に、ＳｉＯ_２を膜厚１０００Åでスパッタ法により成膜した。次に東京応化製フォトレジストＡＺ６１１２のマスクをＳｉＯ_２膜上にパターン形成した。この基板をＣＦガスによるドライエッチングにより、レジストマスクに覆われていない不要な部分のＳｉＯ_２を除去した。最後にＯ２プラズマによりレジストマスクを除去、ＳｉＯ_２ゲート絶縁膜の所定パターンを得た。
【００３７】
（３）［有機半導体層の形成］−得られた基板のゲート絶縁膜パターン上に、ペンタセンを膜厚５００Åで、基板を６０℃に加熱し、マスクを用いた抵抗加熱蒸着法により有機半導体層を形成した。
（４）［ソース電極及びドレイン電極の形成］−得られた基板の有機半導体層パターン上に、マスクを用いて、キャリア中継膜としてＰｄを膜厚２００Åで、続いて伝導体膜としてＡｌを膜厚１８００Åで、それぞれ抵抗加熱蒸着法により形成し、ソース電極及びドレイン電極の所定パターンを得た。マスクによりパターニングされたソース電極及びドレイン電極のパターンにより確定されるチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１００μｍとした。以上のようにして、有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３８】
［実施例６］−実施例５の（４）でキャリア中継膜であるＰｄの膜厚を１０Åで、伝導体膜であるＡｌの膜厚を１９９０Åとしたこと以外は、実施例５と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴを完成させた。
［比較例３］−実施例５の（４）でソース電極及びドレイン電極としてＰｄを膜厚２０００Åでマスク蒸着し単層膜で用いたこと以外は、実施例５と全く同様にして有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子を完成させた。
【００３９】
［ソース電極及びドレイン電極の付着性］−上記実施例１〜４並びに比較例１及び２で素子を形成する際、ＳｉＯ_２ゲート絶縁膜とソース電極及びドレイン電極とのスパッタ成膜のみを行ったサンプルを同時に作製し、下地のＳｉＯ_２ゲート絶縁膜に対する膜の付着性を評価した。付着性の評価は以下のように行った。
カッターナイフを用いＳｉＯ_２膜に１ｍｍピッチで水平垂直それぞれ１１本の切り込みを入れ、１０×１０＝１００個のマス目を作った。
【００４０】
マス目上に粘着テープを貼り、上から十分に押さえた。
テープを勢いよく剥がし、剥がれずに残ったマス目の数を数えた。表３に付着性評価の結果を示す。（表３中の積層膜材料の欄は、伝導体膜材料／キャリア中継膜材料を示し、付着性欄にて、１００個が満点で、数が大きいほど付着性が高いことになる。）
【００４１】
【表３】

何れも、実施例の付着性は比較例に比べ同等以上であることがわかった。特にＰｄ単層膜の場合（比較例１）と比較して、実施例の付着性の向上が著しかった。
【００４２】
［ソース電極及びドレイン電極の積層膜の抵抗率］−上記実施例、比較例で素子を形成する際、ＳｉＯ_２ゲート絶縁膜とソース電極及びドレイン電極のスパッタ形成のみを行ったサンプルを同時に作製し、膜の比抵抗を評価した。比抵抗測定は、厚さ２０００Åにおけるシート抵抗（Ω／□）を四探針法にて行った。表３に比抵抗の測定結果を示す。何れも、金属単層膜に比べ、本発明による積層膜の方が低抵抗であることがわかった。
【００４３】
［有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子の電気特性］−各実施例、比較例で作製した有機ＭＯＳ−ＴＦＴについて、ゲート電極電圧一定のもと、ソース電極１１及びドレイン電極１５間の電圧を変化させてソース電極及びドレイン電極間の電流を測定した。測定結果を表３、図５、図６及び図７に示す。
表３、図５、図６及び図７に示すように、ソース電極１１及びドレイン電極１５にＡｌ／Ｐｄ積層膜とＣｒ／Ａｌ／Ｐｄ積層膜を用いた素子は、Ｐｄ単層膜を用いた素子に比べほぼ同等な特性を示すことがわかった。また、ソース電極及びドレイン電極にＡｌ／Ｎｉ積層膜を用いた素子は、Ｎｉ単層膜を用いた素子に比べほぼ同等な特性を示すことがわかった。
【００４４】
本発明による素子は、従来の有機半導体に仕事関数が近い金属単体をソース電極及びドレイン電極に用いた素子に比べ素子特性はほぼ同等であるにもかかわらず、ソース電極及びドレイン電極の低抵抗性、付着性の少なくとも１つ以上の特性が向上することがわかった。
図８は他の実施形態のボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。本発明をボトムコンタクト型の素子に適用する際、図８のようにソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａを極薄の島状の状態にし、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂをエッチング性のよいものにすれば、ソース電極及びドレイン電極のパターニングを容易に行える。キャリア中継膜１１ａ及び１５ａが島状になる膜厚は、材料、成膜法により異なるが、２００Å以下が好ましい。
【００４５】
キャリア中継膜１１ａ及び１５ａが島状構造である場合、各々伝導体膜／キャリア中継膜からなるソース電極１１及びドレイン電極１５のエッチングは、伝導体膜のエッチング液又はエッチングガスのみで行える。キャリア中継膜が島状構造であるため、島状キャリア中継膜の隙間からエッチング液（エッチングガス）が浸入し、伝導体膜をエッチングするからである。その結果、キャリア中継膜は下地から浮いた状態となり、剥離してしまう。このように一工程でエッチングが完了する。
【００４６】
上記実施例では、本発明をソース電極及びドレイン電極の両電極に適用したが、ソース電極とドレイン電極の何れか一方の電極のみに適用することもでき、３極の有機トランジスタの他に２極の有機ダイオードの電極にも適応でき、さらに図３及び図４に示す以外にも、ソース電極から有機半導体、ドレイン電極の経路で電流を流す、任意の構造の有機半導体素子に適用できる。
【００４７】
例えば、上記実施例ではＴＦＴ単体の作製における実施例を示したが、本発明によるＴＦＴをＬＣＤ、ＥＬなど表示装置の画素の駆動に用いることもできる。具体的には、少なくとも本発明による有機トランジスタを１つ以上、コンデンサなど必要な素子、画素電極などを共通の基板上に作製すれば、本発明による有機ＭＯＳ−ＴＦＴを用いたアクティブ駆動型の表示装置を実現できる。例として、図９は本発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す。表示装置において、キャリア中継膜１１ａ及び伝導体膜１１ｂからなるソース電極１１がＬＣＤの画素電極２０に接続され、有機半導体層１３が保護膜２１で被覆されている。
【００４８】
さらに、図１０に示すように、本発明を有機トランジスタとして縦型構造のＳＩＴ（静電誘導形トランジスタ）に適用できる。積層膜厚方向の電流をスイッチングできるＳＩＴは、各々がキャリア中継膜及び伝導体膜の積層膜からなるソース電極１１及びドレイン電極１５のキャリア中継膜１１ａ及び１５ａで有機半導体層１３を挟み、有機半導体層１３の厚さ方向の中間に包埋された多孔性のゲート電極１４を有した３端子構造を有する。そのゲート電極１４に電圧を印加したとき、ゲート電極周りの有機半導体に生じる空乏層によってドレイン及びソース間の電流を制御できる。
【００４９】
またさらに、図１１に示すように、有機トランジスタは、互いに積層されたゲート電極１４、ソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されていればよく、図３とは逆の順序すなわち、基板１０上に、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂ並びにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａからなるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、有機半導体層１３、ゲート絶縁膜１２、並びにゲート電極１４の順で積層して形成されてもよい。
【００５０】
同様に、図１２に示すように、有機トランジスタは、有機半導体層１３を挟んで、伝導体膜１１ｂ及び１５ｂ並びにキャリア中継膜１１ａ及び１５ａからなるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、ゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１４を離間させるように形成されてもよい。
このように本実施形態による有機半導体素子においては、キャリア移動にかかわる電極を、有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い仕事関数を持つキャリア中継膜とキャリア中継膜よりも付着性、エッチング性、抵抗の低さのうち少なくとも一つの特性が優れた少なくとも１つの伝導体膜とからなる積層膜で構成したことにより、有機半導体への電荷の注入は障壁の小さいキャリア中継膜から行われるので、金属単体層を用いた場合と同等で素子特性がよく、さらに、金属単体層で電極を形成した場合に比べ、付着性、エッチング性、比抵抗の低さのうち少なくとも一つの特性に優れる有機半導体が実現できる。よって、電極材料の組み合わせの多様化を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機トランジスタを示す断面図。
【図２】有機トランジスタを示す断面図。
【図３】本発明による実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図４】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図５】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図６】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図７】本発明による有機トランジスタのソースドレイン電極間電流電圧特性を示すグラフ。
【図８】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図９】本発明による他の実施形態の有機トランジスタ発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す断面図。
【図１０】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図１１】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図１２】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【符号の説明】
１０　基板
１１　ソース電極
１１ａ　キャリア中継膜
１１ｂ　伝導体膜
１２　ゲート絶縁膜
１３　有機半導体層
１４　ゲート電極
１５　ドレイン電極
１５ａ　キャリア中継膜
１５ｂ　伝導体膜

Claims (13)

1. 対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記１対の電極の少なくとも一方は、前記有機半導体層に接触しかつ前記有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有するキャリア中継膜と、前記キャリア中継膜に積層されかつ前記キャリア中継膜よりも低い抵抗率を有する伝導体膜と、を含むことを特徴とする有機半導体素子。
2. 前記キャリア中継膜は、前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルを中心とした−１ｅＶ〜＋１ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
3. 前記キャリア中継膜は、前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルを中心とした−０．５ｅＶ〜＋０．５ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項２記載の有機半導体素子。
4. 前記キャリア中継膜は１０００Å以下の膜厚を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の有機半導体素子。
5. 前記キャリア中継膜は５００Å以下の膜厚を有することを特徴とする請求項４記載の有機半導体素子。
6. 前記キャリア中継膜は島状に離散して形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の有機半導体素子。
7. 前記１対の電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように積層され、さらに、前記ソース電極及びドレイン電極の間の前記有機半導体層に電界を印加せしめるゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の有機半導体素子。
8. 前記ゲート電極を前記ソース電極及びドレイン電極から電気的に絶縁するゲート絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
9. 前記ソース電極及びドレイン電極は共に前記有機半導体層の片側面に配置されたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
10. 前記ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ前記有機半導体層を挟んで両側に配置されたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
11. 前記ゲート絶縁膜が前記伝導体膜に接触する場合、前記伝導体膜は、前記キャリア中継膜より前記ゲート絶縁膜に対して付着力が強い材料であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１記載の有機半導体素子。
12. 前記１対の電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極の間に挟持されるように膜厚方向に積層され、かつ、前記有機半導体層に包埋されたゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の有機半導体素子。
13. 前記有機半導体層に包埋されたゲート電極は、格子状、櫛状又は簾状の形状を備えたことを特徴とする請求項１２記載の有機半導体素子。

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