JP2005303270A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 溶液塗布による層形成が可能であって、且つ、電界効果トランジスタとしての電界効果移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比とを両立し得たゲート絶縁層を有する電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】 支持基板１上に、ゲート絶縁層３と、該ゲート絶縁層３により隔離されたゲート電極２及び有機半導体層４と、該有機半導体層４に接して設けられたソース電極５及びドレイン電極６とを有する電界効果トランジスタであって、ゲート絶縁層３が、架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有する架橋ポリマーを含有する有機ゲート絶縁層３である電界効果トランジスタ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電界効果トランジスタに関し、更に詳しくは、ゲート絶縁層が特定の架橋構造を有する架橋ポリマーを含有する有機ゲート絶縁層である電界効果トランジスタに関する。

支持基板上に、ゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層により隔離されたゲート電極及び半導体層と、該半導体層に接して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有する電界効果トランジスタにおいて、その半導体層、或いはゲート絶縁層として、従前のシリコン等の無機材料を用いた蒸着等による形成方法に比して、溶液の塗布による形成方法で層を形成し得る有機材料は、その層形成コスト面での優位性に加えて、有機ポリマー等の使用による軽量化、耐衝撃性の付与等が可能であることから注目されている。しかしながら、溶液の塗布による層形成においては、上層の形成時における下層の耐溶剤性が求められ、そのための材料の選択が重要になってくる。

耐溶剤性の優れた有機材料として架橋ポリマーが提案され、例えば、特許文献１には、ゲート絶縁層を、架橋性ポリマー溶液の塗布、及び乾燥後の架橋処理による架橋ポリマーにより形成した例が示されており、その架橋ポリマーとして、架橋ポリビニルフェノール、ノボラック系フォトレジスト、ポリエポキシ系フォトレジスト等が例示されている。しかしながら、本発明者等の検討によると、ゲート絶縁層にこのようなフェノール性水酸基やエポキシ基等の極性基を有するポリマーを用いると、電界効果トランジスタとして、電界効果移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比とを両立し得ず、更に、経時による低下等も認められ、それらの面での改良を要するものであることが判明した。
特表２００３−５１３４７５号公報

本発明は、前述の従来技術に鑑みてなされたものであって、従って、本発明は、溶液塗布による層形成が可能であって、且つ、電界効果トランジスタとしての電界効果移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比とを両立し得たゲート絶縁層を有する電界効果トランジスタを提供することを目的とする。

本発明者等は、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、ゲート絶縁層に特定の架橋構造を有する架橋ポリマーを含有させることにより、前記目的が達成できことを見出し本発明に到達したもので、従って、本発明は、支持基板上に、ゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有する電界効果トランジスタであって、ゲート絶縁層が、架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有する架橋ポリマーを含有する有機ゲート絶縁層である電界効果トランジスタ、を要旨とする。

本発明によれば、溶液塗布による層形成が可能であって、且つ、電界効果トランジスタとしての電界効果移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比とを両立し得たゲート絶縁層を有する電界効果トランジスタを提供することができる。

本発明の電界効果トランジスタを図面に基づいて説明すると、図１〜３は、各々、本発明の電界効果トランジスタの一実施例を示す縦断面図であり、図１〜３において、本発明の電界効果トランジスタは、支持基板１上に、ゲート絶縁層３と、該ゲート絶縁層３により隔離されたゲート電極２及び有機半導体層４と、該有機半導体層４に接して設けられたソース電極５及びドレイン電極６とを有してなり、その構造は特に限定されず、代表的には、図１に示されるボトムゲート・ボトムコンタクト型、図２に示されるボトムゲート・トップコンタクト型、図３に示されるトップゲート・ボトムコンタクト型等が挙げられる。

＜ゲート絶縁層＞
電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁層は、ソース電極及びドレイン電極とゲート電極のオーバーラッピング領域、並びにゲート電極上のチャネル領域が電気的絶縁領域として維持する機能を有するものである。尚、ここで、電気的絶縁とは、電気伝導度が１０^-9Ｓ／ｃｍ以下のことを言う。

そして、本発明においては、そのゲート絶縁層が、架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有する架橋ポリマーを含有する有機ゲート絶縁層であることを必須とする。未架橋ポリマー、及び、架橋ポリマーであってもその架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有さないものでは、電界効果トランジスタとしての電界効果移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比とを両立し得ないこととなる。

本発明において、架橋ポリマーが架橋鎖中に有する脂環式炭化水素基としては、例えば、飽和の２価基としてのシクロブチレン基、及び、不飽和の２価基としての、シクロヘキセニレン基、シクロヘキサジエニレン基、シクロオクタジエニレン基等が挙げられるが、中で、シクロブチレン基、又はシクロヘキセニレン基が好ましい。

尚、これらの脂環式炭化水素基は、置換基を有していてもよく、その置換基としては、例えば、アルキル基、アリール基、シアノ基、ハロゲン原子等が挙げられ、中で、炭素数６以下のアルキル基、又はフェニル基が好ましい。又、置換基として、例えば、水酸基、アミノ基、カルバモイル基、スルホ基、スルファモイル基、及び、活性水素、プロトン遊離水素等を出し得る基等の極性基を有さないのが好ましい。

又、架橋ポリマーの有する架橋鎖としては、前記脂環式炭化水素基の外に、例えば、アルキレン基、アリーレン基、オキシ基、カルボニル基、又はオキシカルボニル基等を有していてもよく、中で、炭素数６以下のアルキレン基、カルボニル基、又はオキシカルボニル基が好ましい。又、ここでも、前記の如き極性基を有さないのが好ましい。

本発明において、以上の架橋鎖を有する架橋ポリマーは、基本的には、側鎖に炭素−炭素二重結合を有する架橋性ポリマーを光照射又は加熱して、分子間を側鎖の炭素−炭素二重結合同士の環化反応によって二量化させることにより構成されるものであり、その架橋性ポリマーの側鎖構造としては、下記式(I) 、(II)、(III) 、又は(IV)で表される構造のいずれかを含むものであるのが好ましい。

〔式(III) 及び(IV)中、Ｒ¹ 、Ｒ² 、Ｒ³ 、及びＲ⁴ は各々独立して、脂肪族炭化水素基、シアノ基、又は水素原子を示す。〕

これらの側鎖構造の中で、前記式(I) 、又は(II)で表される構造を含むものが好ましく、その具体例としては、例えば、２−プロペン酸基、３−フェニルプロペン酸基（シンナモイル基）、２，４−ペンタジエン酸基、及び６−フェニル−２，４−ペンタジエン酸基等が挙げられ、中で、３−フェニルプロペン酸基（シンナモイル基）、又は６−フェニル−２，４−ペンタジエン酸基が好ましく、３−フェニルプロペン酸基（シンナモイル基）が特に好ましい。

又、その架橋性ポリマーの主鎖構造としては、特に限定されるものではなく、例えば、ビニル系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリイミド系等が挙げられるが、中で、ビニル系であるのが好ましく、前記側鎖構造を有するビニル系モノマーの単独重合体、又は、前記側鎖構造を有するビニル系モノマーと、前記側鎖構造を有さないビニル系モノマーとの共重合体のいずれであってもよい。又、その共重合モノマーとしては、ポリマーに耐熱性やより高度の耐溶剤性等を付与し得る面から、例えば、マレイミド等が挙げられる。

以上より、本発明における前記の、架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有する架橋ポリマーを構成する架橋性ポリマーのモノマーとしては、３−フェニルプロペン酸ビニル、又は６−フェニル−２，４−ペンタジエン酸ビニルが好ましく、３−フェニルプロペン酸ビニルが特に好ましい。

そして、例えば、架橋ポリマーが架橋鎖中に有する脂環式炭化水素基としての前記シクロブチレン基は、下記式(V) に示されるように、前記式(I) 又は(III) で表される構造を含む側鎖同士を、又、前記シクロヘキセニレン基は、下記式(VI)に示されるように、前記式(I) 又は(III) で表される構造を含む側鎖と前記式(II)又は(IV)で表される構造を有する側鎖とを、光照射又は加熱、好ましくは光照射によって、環化反応させ二量化させることにより、それぞれ形成されるものである。

尚、本発明におけるゲート絶縁層に含有される前記架橋ポリマーは、前述したように極性基を有さないのが好ましいが、有しているとしても、ポリマーの構成繰返し単位当たりの平均個数として、１個以下であるのが好ましく、０．５個以下であるのがより好ましく、０．４個以下であるのが更に好ましい。ゲート絶縁層に含有される架橋ポリマーが極性基を有する場合、該層中及び層表面に水分の付着を引き起こし易くなり、それにより、例えば、後述するポリチオフェン等のπ共役系有機半導体材料においては、水分によりドーピングが起こり、オフ電流が増大する傾向となる。

従って、本発明における架橋ポリマーとしては、カールフィッシャー法による水分分析による吸水量が、０．８０ｍｇ／ｃｍ³ 以下であるのが好ましく、０．６８ｍｇ／ｃｍ³ 以下であるのが更に好ましく、０．４２ｍｇ／ｃｍ³ 以下であるのが特に好ましい。

又、本発明における架橋ポリマーとしては、ガラス転移点が８０℃以上であるのが好ましい。ガラス転移点が８０℃より低いと、流動性が大きすぎて、他の層の積層時や加熱時に軟化してゲート絶縁層としての膜厚の不均一や表面の凹凸等が発生し易く、絶縁層を維持し難い傾向となる。尚、後述する支持基板等のゲート絶縁層形成時における下層を溶解しない溶媒に可溶で、且つ、有機半導体層等の上層の形成時における溶剤に侵食されない耐溶剤性を有することが望ましい。

又、本発明における架橋ポリマーとしては、前記架橋性ポリマーにおける架橋性基の全量する架橋の形成に関与している架橋基の割合が、０．３モル％以上であるのが好ましく、０．５モル％以上であるのが更に好ましく、５モル％以上であるのが特に好ましい。又、本発明においては、ゲート絶縁層が前記架橋ポリマーを含有するものであるが、その含有量としては、０．３重量％以上であるのが好ましく、０．５重量％以上であるのが更に好ましく、１０重量％以上であるのが特に好ましい。

本発明において、前記ゲート絶縁層としては、ゲート電極への漏れ電流、電界効果トランジスタの低ゲート電圧駆動に関係することから、室温での電気伝導度が１０^-9Ｓ／ｃｍ以下であるのが好ましく、１０^-14 Ｓ／ｃｍ以下であるのが更に好ましく、又、比誘電率が２．０以上であるのが好ましく、２．５以上であるのが更に好ましい。

本発明における前記ゲート絶縁層は、例えば、スピンコーティング、溶液キャスティング、スタンプ印刷、スクリーン印刷、又はジェット印刷等の公知の方法で溶液処理し、乾燥させて未架橋ポリマー層を形成した後、１０ｍＪ／ｃｍ² 以上の照射量での紫外線照射、又は、加熱処理によって架橋構造を形成して架橋ポリマー層となすことにより形成される。尚、例えば、紫外線照射による架橋処理中に、フォトマスク等を使用することによってパターニングが可能であり、紫外線未照射の未架橋ポリマー部分は有機溶媒等で容易に除去することができる。このパターニング処理を施すことによって、ビアホール構造を電界効果トランジスタ中に構築することが容易となる。

尚、前記ゲート絶縁層の厚みは、４μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以下であるのが更に好ましく、１μｍ以下であるのが特に好ましい。又、０．０１μｍ以上であるのが好ましく、０．１μｍ以上であるのが更に好ましく、０．２μｍ以上であるのが特に好ましい。

＜支持基板＞
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁層以外の構成材料自体には特に制限はなく、従来の電界効果トランジスタに用いられているものを用いることができる。

本発明における支持基板の材料としては、電界効果トランジスタ及びその上に作成される表示素子、表示パネル等を支持できるものであればよく、公知のガラス、ポリシロキサン等の無機基板、及び各種有機ポリマー等の有機基板が挙げられるが、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルフォン、エポキシ樹脂、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリパラバン酸、ポリシルセスキオキサン、及びポリオレフィン等のビニル系ポリマー等の有機ポリマーが好適である。中で、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリパラバン酸等の縮合系ポリマーや、ポリビニルフェノール等の架橋体が耐熱性や耐溶剤性の点から好ましく、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールが更に好ましく、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、又はポリイミドが特に好ましい。尚、支持基板の材料としては、これらポリマー同士のブレンド物であってもよく、又、必要に応じて、充填材、添加剤等を含んでいてもよい。

又、支持基板の材料としては、ガラス転移点が４０℃以上であるのが好ましい。ガラス転移点が４０℃より低いと、流動性が大きすぎて、他の層の積層時や加熱時に軟化して基板を維持し難い傾向となる。又、線膨張係数が２５×１０^-5ｃｍ／ｃｍ・℃以下であるのが好ましく、１０×１０^-5ｃｍ／ｃｍ・℃以下であるのが更に好ましい。線膨張係数が２５×１０^-5ｃｍ／ｃｍ・℃より大きいと、支持基板製造時の熱処理において寸法変化を起こし易く、電界効果トランジスタとしてトランジスタ性能が安定しない傾向となる。又、電界効果トランジスタ作製時の使用溶媒に対して耐溶剤性を示すものが好ましく、前記ゲート絶縁層や電極との密着性が高いものが好ましい。

又、前記支持基板の厚みは、１０ｍｍ以下であるのが好ましく、２ｍｍ以下であるのが更に好ましく、１ｍｍ以下であるのが特に好ましい。又、０．０１ｍｍ以上であるのが好ましく、０．０５ｍｍ以上であるのが更に好ましい。例えば、有機ポリマーの基板の場合は、０．０５〜０．１ｍｍ程度とし、ガラス、シリコン等の基板の場合は、０．１〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。

＜有機半導体層＞
本発明における有機半導体層を構成する有機半導体としては、π共役系の低分子及び高分子であれば、公知のもののいずれをも用いることができ、例えば、可溶性のペンタセン、置換基を有するオリゴチオフェン、ビスジチエノチオフェン、置換基を有するジアルキルアントラジチオフェン、可溶性のフラーレン、フタロシアニンやポルフィリン等の大環状化合物等のπ共役系低分子、及び、レジオレギュラーポリ（３- ヘキシルチオフェン）に代表されるレジオレギュラーポリ（３- アルキルチオフェン）、ポリ- ９，９’- ジアルキルフルオレンコビチオフェン等のπ共役系共重合体等のπ共役系高分子が挙げられる。大環状化合物としては、銅フタロシアニン、パーフルオロ銅フタロシアニン、テトラベンゾポルフィリン及びその金属塩が挙げられる。

これらπ共役系低分子及び高分子の中でも、有機半導体層としての、ソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度が１０^-4Ｓ／ｃｍ以下、１０^-12 Ｓ／ｃｍ以上を示すものが好ましく、１０^-6Ｓ／ｃｍ以下、１０^-11 Ｓ／ｃｍ以上を示すものが更に好ましく、１０^-7Ｓ／ｃｍ以下、１０^-10 Ｓ／ｃｍ以上を示すものが特に好ましい。又、これらπ共役系低分子及び高分子の中でも、有機半導体層としての、電界効果移動度とソース電極−ドレイン電極方向の電気伝導度、及び電荷素量から求めたキャリア密度が１０⁷ ／ｃｍ³ 以上、１０¹⁸／ｃｍ³ 以下を示すものが好ましく、１０⁸ ／ｃｍ³ 以上、１０¹⁷／ｃｍ³ 以下を示すものが更に好ましい。又、これらπ共役系低分子及び高分子の中でも、有機半導体層としての、電界効果移動度の室温以下での温度依存性から求められる電荷移動に要する活性化エネルギーが０．２ｅＶ以下を示すものが好ましく、０．１ｅＶ以下を示すものが更に好ましい。

本発明における前記有機半導体層は、例えば、スピンコーティング、スタンプ印刷、スクリーン印刷、又はジェット印刷等の公知の方法で溶液処理し、乾燥させることにより形成される。

又、前記有機半導体層の膜厚は、１ｎｍ以上であるのが好ましく、１０ｎｍ以上であるのが更に好ましい。又、１０μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以下であるのが更に好ましく、５００ｎｍ以下であるのが特に好ましい。

＜ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極＞
本発明におけるゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の構成材料としては、導電性を示すものであればよく、公知のもののいずれをも用いることができ、例えば、白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、ＩｎＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、ＩＴＯ等の導電性金属酸化物、樟脳スルホン酸がドープされたポリアニリン、パラトルエンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン等の、ドープされた導電性高分子、及び、カーボンブラック、グラファイト粉、金属微粒子等がバインダーに分散されてなる導電性複合材料等が挙げられる。

本発明におけるゲート電極、ソース電極、ドレイン電極は、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、印刷法、ゾルゲル法等により形成され、又、そのパターンニング方法としては、例えば、フォトレジストのパターニングとエッチング液や反応性のプラズマでのエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷等の印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法等のソフトリソグラフィーの手法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。又、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを形成することも可能である。

これらゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の厚みは、０．０１μｍ以上であるのが好ましく、０．０２μｍ以上であるのが更に好ましい。又、２μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以下であるのが更に好ましい。

尚、ソース電極、ドレイン電極は、ソース電極−ドレイン電極間距離（チャンネル長さＬ）を通常１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下とし、チャンネル幅Ｗを通常２，０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下とし、Ｌ／Ｗを通常０．１以下、好ましくは０．０５以下として形成される。

＜その他の層＞
本発明の電界効果トランジスタの基本的な構造は、以上の前記支持基板上に、前記ゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層により隔離された前記ゲート電極及び前記有機半導体層と、該有機半導体層に接して設けられた前記ソース電極及び前記ドレイン電極と有するものであり、その代表的な構造例としては図１〜３に示すようなものが挙げられるが、本発明の電界効果トランジスタは、図１〜３に示す構造の電界効果トランジスタに何ら限定されず、前記の層以外の層が更に形成されていてもよい。

例えば、図１、図２に示される電界効果トランジスタのように、有機半導体層が表出している電界効果トランジスタにあっては、有機半導体層に対する外気の影響を最小限にするために、その上に更に保護層が形成されていてもよく、その場合、保護層の材料としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール等の有機ポリマーや酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等の酸化物や窒化物等の無機物が挙げられる。尚、保護層の形成方法としては、塗布法や真空蒸着法等が挙げられる。

＜電界効果トランジスタ＞
本発明の電界効果トランジスタは、電界効果移動度が１０^-3ｃｍ² ／Ｖｓ以上を有するのが好ましく、１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ以上を有するのが更に好ましい。又、Ｏｎ／Ｏｆｆ比は、アプリケーションに依存するが、一般的には、１０² 以上を有するのが好ましく、１０³ 以上を有するのが更に好ましく、１０⁴ 以上を有するのが特に好ましい。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
耐熱ガラス板（フルウチ化学社製、２．５ｃｍ×２．５ｃｍ）を支持基板とし、この上を幅１．２ｍｍのシャドーマスクで覆い、真空蒸着機（ウルバック社製「ＥＸ−４００」）にて、真空度を１０^-6Ｔｏｒｒとして、アルミニウムを１，０００Åの厚さで蒸着することによりゲート電極を形成した。この上に、５重量％濃度でクロロホルムに溶解させ、０．２μｍのフィルターで濾過したポリ桂皮酸ビニル（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、重量平均分子量２００，０００）溶液を２ｍｌ展開し、３，０００ｒｐｍで１２０秒間スピンコートし、乾燥させた後、紫外線を照射量３００ｍＪ／ｃｍ² で照射してゲート絶縁層を形成した。膜厚計（Ｔｅｎｃｏｒ社製「Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ５００」）で測定した膜厚は８，０００Åであった。又、ＩＲ、 ¹Ｈ−ＮＭＲ、¹³Ｃ−ＮＭＲ、紫外可視分光分析により、このゲート絶縁層にはシクロブチレン基が形成されていることを確認した。

次いで、このゲート絶縁層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成するためチャネル（Ｗ：１，０００μｍ、Ｌ：２５μｍ）のシャドーマスクで覆い、クロムを１００Å、金を１，０００Åの厚さで蒸着し、ボトムコンタクト素子を作製した。引き続いて、下記化合物であるテトラビシクロポルフィリンを窒素雰囲気下、室温においてクロロホルムに溶解させて作製した０．７重量％クロロホルム溶液を、前記で作製したボトムコンタクト素子上に１，０００ｒｐｍでスピンコートし、乾燥させて層を形成した後、１６０℃で１２０分間加熱処理して半導体層に変換して有機半導体層となすことにより、図１に示される構造の電界効果トランジスタを作製した。

得られた電界効果トランジスタについて、以下に示す方法で、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、２．９×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び２．０×１０³ であった。

＜電界効果移動度、Ｏｎ／Ｏｆｆ比＞
半導体パラメーターアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ社製「４１５５」）を用いて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図４）、算出した。

尚、ここで得られたゲート絶縁層について、以下に示す方法で、吸水量、ガラス転移点、及び電気伝導度を測定したところ、それぞれ、０．２６ｍｇ／ｃｍ³ 、１２６℃、及び１．３×１０^-15 Ｓ／ｃｍであった。

＜吸水量＞
前記耐熱ガラス板を２等分し、その一方に、１０重量％濃度で脱水クロロホルムに溶解させ、０．２μｍのフィルターで濾過したポリ桂皮酸ビニル溶液を２ｍｌ展開し、５００ｒｐｍで１２０秒間スピンコートし、乾燥させた後、紫外線を照射量３００ｍＪ／ｃｍ² で照射して膜厚１０μｍの絶縁層を形成し、その絶縁層の吸水量をカールフィッシャー法にて、残り半分のガラス板をリファレンスとして測定した。

＜ガラス転移点＞
吸水量の測定におけると同様にして作製した絶縁層について、示差走査熱量計を用いて測定した。

＜電気伝導度＞
前記耐熱ガラス板上に、ゲート電極、及びゲート絶縁層を形成した後、その上に、ゲート電極に対してクロスになるように幅１ｍｍのシャドーマスクを用いて、厚さ１，０００Åのアルミニウム電極を真空蒸着し、半導体パラメーターアナライザーを用いて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１２）、ゲート絶縁層の電気伝導度を算出した。

比較例１
実施例１において、ポリ桂皮酸ビニルのクロロホルム溶液を、５重量％濃度でテトラヒドロフランに溶解させたポリビニルフェノール（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、重量平均分子量２０，０００）溶液と架橋剤としてのポリ（メラミン・ホルムアルデヒド）メタクリレート（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）との混合物（混合比４：１）に変更し、更にこの溶液をスピンコートした後に１２０℃にて３分間の加熱処理を行って熱架橋ポリマーとした以外は、実施例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。尚、ゲート絶縁層の膜厚は９，０００Åであった。得られた電界効果トランジスタについて、前記と同様の方法で、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図５）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、１．２×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．５×１０であった。

又、ここで得られたゲート絶縁層について、以下に示す方法で、吸水量、ガラス転移点、及び電気伝導度を測定したところ、それぞれ、０．８３ｍｇ／ｃｍ³ 、１４３℃、及び１．８×１０^-15 Ｓ／ｃｍであった。

＜吸水量＞
前記方法において、ポリ桂皮酸ビニル溶液を、ポリビニルフェノールを１０重量％濃度で脱水テトラヒドロフランに溶解させた溶液と、架橋剤としてのポリ（メラミン・ホルムアルデヒド）メタクリレートとの混合物（混合比４：１）に変更し、更にこの溶液をスピンコートした後に１２０℃にて３分間の加熱処理を行って熱架橋ポリマーとした以外は、前記と同様にして絶縁層を形成し、吸水量を測定した。

＜ガラス転移点＞
吸水量の測定におけると同様にして作製した絶縁層について、示差走査熱量計を用いて測定した。

＜電気伝導度＞
前記方法において、ポリ桂皮酸ビニル溶液を、ポリビニルフェノールを１０重量％濃度で脱水テトラヒドロフランに溶解させた溶液と、架橋剤としてのポリ（メラミン・ホルムアルデヒド）メタクリレートとの混合物（混合比４：１）に変更し、更にこの溶液をスピンコートした後に１２０℃にて３分間の加熱処理を行って熱架橋ポリマーとしてゲート絶縁層を形成した以外は、前記と同様にして、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１２）、ゲート絶縁層の電気伝導度を算出した。

実施例２
実施例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、レジオレギュラーポリ（３−ヘキシルチオフェン−２，５−ジイル）（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、重量平均分子量８７，０００）を１５ｍｇ／ｍｌとなるように調整したクロロホルム溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、実施例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図６）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、１．１×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．５×１０³ であった。

比較例２
比較例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、レジオレギュラーポリ（３−ヘキシルチオフェン−２，５−ジイル）（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、重量平均分子量８７，０００）を１５ｍｇ／ｍｌとなるように調整したクロロホルム溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、比較例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図７）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、１．０×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び４．２×１０² であった。

実施例３
実施例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ａｌｔ−ビチオフェン）の０．５重量％クロロホルム溶液に変更し、１６０℃で３０分間、窒素中で加熱処理して半導体層に変換した以外は、実施例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図８）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、８．１×１０^-3ｃｍ² ／Ｖｓ、及び２．６×１０³ であった。

比較例３
比較例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ａｌｔ−ビチオフェン）の０．５重量％クロロホルム溶液に変更し、１６０℃で３０分間、窒素中で加熱処理して半導体層に変換した以外は、比較例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図９）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、３．３×１０^-3ｃｍ² ／Ｖｓ、及び２．５×１０² であった。

実施例４
実施例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、ジヘキシルヘキサチオフェンの０．１重量％メチシレン溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、実施例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１０）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、５．０×１０^-3ｃｍ² ／Ｖｓ、及び２．２×１０³ であった。

比較例４
比較例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、ジヘキシルヘキサチオフェンの０．１重量％メチシレン溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、比較例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１１）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、３．５×１０^-3ｃｍ² ／Ｖｓ、及び７．５×１０² であった。

実施例５
実施例１において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、下記化合物である銅ビシクロポルフィリン錯体の０．７重量％クロロホルム溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、実施例１と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１３）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、０．２ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．２×１０³ であった。

合成例１
窒素雰囲気下、室温でテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）２００ｍＬに桂皮酸ビニル１．７４ｇ（１ｍｍｏｌ）とスチレン１．０４ｇ（１ｍｍｏｌ）を溶解させ、この溶液を褐色重合管に投入した。この重合管にスターラーチップを投入しよく撹拌した。撹拌中にアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）１．６４ｍｇ（０．０１ｍｍｏｌ）を加え、重合管を加熱還流し１０時間反応を行った。１０時間後に重合管を室温へ戻し、中の反応溶液をメタノールに投入すると白色のポリマー固形物が沈殿した。このポリマーをろ別乾燥してＩＲ、 ¹Ｈ−ＮＭＲおよびゲルパーミテーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で分析を行うと桂皮酸ビニル：スチレンの組成比１：１で重量平均分子量１００，０００のポリマー１が得られた。

合成例２
窒素雰囲気下、室温でテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）２００ｍＬに桂皮酸ビニル５．２２ｇ（３ｍｍｏｌ）とスチレ７．２８ンｇ（７ｍｍｏｌ）を溶解させ、この溶液を褐色重合管に投入した。この重合管にスターラーチップを投入しよく撹拌した。撹拌中にアゾビスベンゾニトリル（ＡＩＢＮ）１６．４ｍｇ（０．１ｍｍｏｌ）を加え、重合管を加熱還流し１０時間反応を行った。１０時間後に重合管を室温へ戻し、中の反応溶液をメタノールに投入すると白色のポリマー固形物が沈殿した。このポリマーをろ別乾燥してＩＲ、 ¹Ｈ−ＮＭＲおよびゲルパーミテーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で分析を行うと桂皮酸ビニル：スチレンの組成比３：７で重量平均分子量３００，０００のポリマー２が得られた。

実施例６
４インチガラスマスクウェハー基板（表面研磨、ユニバーサル社製）上に、ネガ型フォトレジストＺＰＮ１１００（日本ゼオン社製）を用いて、フォトリソグラフィーを行いゲ真空度：１０^-6Ｔｏｒｒ）を用いてクロムを１０００Åの厚さで蒸着を行った。次いで、不要となったレジストパターンを有機溶剤を用いて除去し、さらに表面をエキシトラン洗浄液（メルク社製）を用いて超音波洗浄を行ってガラスウェハー上にクロムゲート電極がパターニングされた基板を作製した。
この上に５ｗｔ％濃度でクロロホルムに溶解させ、０．２μｍのフィルターでろ過を行ったポリマー１溶液を２ｍＬ展開し、３０００ｒｐｍ，１２０ｓｅｃの間スピンコートを行い、さらに紫外線を照射量３００ｍＪ／ｃｍ² で照射してポリマー１絶縁膜を作製した。膜厚計（Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ５００：Ｔｅｎｃｏｒ社製）で絶縁膜の膜厚を測定した結果、３５００Åであった。
このポリマー１絶縁膜上に再びポジ型フォトレジスト（ナガセケミテックス社製）を用いて、フォトリソグラフィーを行いソース・ドレイン電極のパターニングを行った。このパターンに真空蒸着機ＥＸ−４００（アルバック社製、真空度：１０^-6Ｔｏｒｒ）を用いてクロムを１００Å、金を１０００Åの厚さで蒸着を行った。次いで、不要となったレジストパターンを有機溶剤で除去、洗浄してボトムコンタクト基板を作製した。
次いで、実施例１で調整したテトラビシクロポルフィリン溶液を上記で作製したポリマー１絶縁膜付きボトムコンタクト基板上に１０００ｒｐｍでスピンコートし薄膜を作製した。この基板を２１０℃で５ｍｉｎ加熱処理を行い、半導体層に変換を行い、電界効果トランジスタを作製した。この電界効果トランジスタをアジレントテクノロジー社製半導体パラメータアナライザー４１５５Ｃを用いて測定し、電圧−電流曲線を求めて移動度とＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、３．１×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．５×１０³となった
。（図１４）
また、得られたポリマー１絶縁膜の吸水量、及び電気伝導度を測定したところ、それぞれ、０．２５ｍｇ／ｃｍ³ 、及び１．６×１０^-15 Ｓ／ｃｍであった。

実施例７
実施例６において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、実施例５と同じ銅ビシクロポルフィリン錯体の０．７重量％クロロホルム溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、実施例６と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１５）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、０．３ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．４×１０³ であった。

実施例８
実施例６において、５ｗｔ％濃度でクロロホルムに溶解させ、０．２μｍのフィルターでろ過を行ったポリマー２溶液を２ｍＬ展開し、３０００ｒｐｍ，１２０ｓｅｃの間スピ
ンコートを行い、さらに紫外線を照射量３００ｍＪ／ｃｍ² で照射してポリマー２絶縁膜した以外すべて同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１６）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、１．８×１０^-2ｃｍ² ／Ｖｓ、及び２．４×１０³ であった。また、得られたポリマー２絶縁膜の吸水量、及び電気伝導度を測定したところ、それぞれ、０．２７ｍｇ／ｃｍ³ 、及び１．９×１０^-15 Ｓ／ｃｍであった。

実施例９
実施例８において、テトラビシクロポフィリンのクロロホルム溶液を、実施例５と同じ銅ビシクロポルフィリン錯体の０．７重量％クロロホルム溶液に変更し、有機半導体層とした以外は、実施例８と同様にして電界効果トランジスタを作製した。得られた電界効果トランジスタについて、ゲート電圧印加時の電圧−電流曲線を求め（図１７）、電界効果移動度、及びＯｎ／Ｏｆｆ比を算出した結果、それぞれ、０．２ｃｍ² ／Ｖｓ、及び１．１×１０³ であった。

本発明の電界効果トランジスタは、ディスプレーのアクティブマトリクスのスイッチング素子として利用することができる。これは、ゲート電極に印加される電圧でソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングできることを利用して、ある表示素子に電圧を印加或いは電流を供給する時のみスイッチを入れ、その他の時間は回路を切断することにより、高速、高コントラストな表示を行うものである。適用される表示素子としては、液晶表示素子、高分子分散型液晶表示素子、電気泳動表示素子、エレクトロルミネッセンス素子、エレクトロクロミック素子等が挙げられる。

特に、本発明の電界効果トランジスタは、低温プロセスでの素子作製が可能であり、プラスチック等の高温処理に耐え難い基板を用いることができ、又、塗布或いは印刷プロセスでの素子作製が可能であることから、大面積のディスプレーへの応用にも適している。又、従来のアクディブマトリクスの代替としても、省エネルギー、低コストプロセスの可能な素子として有利である。

又、トランジスタを集積することにより、デジタル素子やアナログ素子が実現できる。これらの例としては、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＴ等の論理回路、メモリー素子、発振素子、増幅素子等が挙げられる。更にこれらを組み合わせることにより、ＩＣカードやＩＣタグ等を作製することもできる。

本発明の電界効果トランジスタの一実施例を示す縦断面図である。 本発明の電界効果トランジスタの一実施例を示す縦断面図である。 本発明の電界効果トランジスタの一実施例を示す縦断面図である。 実施例１の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 比較例１の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例２の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 比較例２の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例３の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 比較例３の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例４の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 比較例４の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例１と比較例１におけるゲート絶縁層の電圧−電流曲線である。 実施例５の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例６の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例７の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例８の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。 実施例９の電界効果トランジスタにおける電圧−電流曲線である。

符号の説明

１ 支持基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁層
４ 有機半導体層
５ ソース電極
６ ドレイン電極

Claims (6)

1. 支持基板上に、ゲート絶縁層と、該ゲート絶縁層により隔離されたゲート電極及び有機半導体層と、該有機半導体層に接して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有する電界効果トランジスタであって、ゲート絶縁層が、架橋鎖中に脂環式炭化水素基を有する架橋ポリマーを含有する有機ゲート絶縁層であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 架橋ポリマーの架橋鎖における脂環式炭化水素基が、置換基を有していてもよいシクロブチレン基、又はシクロヘキセニレン基である請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 架橋ポリマーの架橋鎖における脂環式炭化水素基が、側鎖に炭素−炭素二重結合を有する架橋性ポリマーの光照射又は加熱による環化二量化反応により形成されたものである請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ。
4. 架橋性ポリマーが、下記式(I) 、(II)、(III) 、及び(IV)で表される構造より選択されたいずれかを含む側鎖を有するものである請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
   

   

   〔式(III) 及び(IV)中、Ｒ¹ 、Ｒ² 、Ｒ³ 、及びＲ⁴ は各々独立して、脂肪族炭化水素基、シアノ基、又は水素原子を示す。〕
5. 架橋ポリマーが、ビニル系ポリマーである請求項１乃至４のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
6. 架橋ポリマーが、吸水量０．８０ｍｇ／ｃｍ³ 以下のものである請求項１乃至５のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。

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