JP2006005041A - 有機半導体素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子構造の微細化や直接描画による低コスト化等を損なうことなく、素子製造効率の向上を図った有機半導体素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】有機半導体素子１は、ソース電極９と、ドレイン電極１０と、これらソース電極９とドレイン電極１０との間を電気的に接続する有機半導体層７と、この有機半導体層７に電界を印加するようにゲート絶縁膜４を介して配置されたゲート電極３とを具備する。有機半導体層７は有機半導体材料粒子の熱融着層からなる。有機半導体材料粒子の熱融着層は、例えば電子写真方式を適用して有機半導体材料粒子を付着させた後、この有機半導体材料粒子の付着層を加熱して熱融着させることにより形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は有機半導体素子とその製造方法に関する。

近年、有機半導体材料を活性層として利用した有機半導体素子の研究が急速に進められている。有機半導体素子としては、例えば樹脂基板上に設けられたゲート電極上にゲート絶縁膜を介して有機半導体層を形成し、その上にソース電極およびドレイン電極を形成した電界効果型有機トランジスタ（有機ＴＦＴ）等が知られている（例えば特許文献１参照）。有機半導体素子は従来のＳｉ等の無機半導体を用いた素子とは異なり、有機半導体層の形成に低コストな印刷法等が適用でき、また大面積化も容易であるというような利点を有する。さらに、有機半導体層自体の柔軟性に加えて樹脂基板が適用できることから、フレキシブルな半導体素子の作製が可能であるというような特徴を有する。

上述したような有機半導体素子に用いられる有機半導体材料は、ペンタセン等の低分子系有機半導体材料とポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン等の高分子系有機半導体材料とに大別される。ポリチオフェン等の高分子系有機半導体材料は有機溶媒等への溶解性に優れることから、溶液状にした高分子系有機半導体材料をインクとして用いて、インクジェット法、オフセット印刷、グラビア印刷等の印刷法を適用して有機半導体層を形成することが試みられている。

これらの印刷方法のうち、インクジェット法はマスク等を用いることなく直接描画が可能であり、また素子構造の微細化等に対しても有効であるものの、有機半導体素子の製造効率が低いというような難点を有している。また、オフセット印刷やグラビア印刷等は、有機半導体素子の製造効率に優れる反面、素子構造に応じた版の作製が不可欠であることから、有機半導体素子の製造コストが増大しやすいと共に、少量多品種の有機半導体素子の作製には不向きであり、さらに素子構造を十分に微細化することができないというような難点を有している。

一方、ペンタセン等の低分子系有機半導体材料は溶媒溶解性等が乏しいことから、高分子系有機半導体材料のように印刷法を適用して有機半導体素子を作製することが困難とされている。低分子系有機半導体材料を用いた有機半導体素子は、従来の無機半導体と同様に真空成膜プロセスを適用して作製することが試みられているが、これでは有機半導体材料を用いた半導体素子の特徴を十分に生かすことができない。低分子系有機半導体材料は高分子系材料に比べて半導体特性に優れることから、低コストでかつ樹脂基板等の適用が可能な製造プロセスの開発が求められている。
特開2003-179234号公報

上述したように、高分子系有機半導体材料を用いた有機半導体素子の作製には、インクジェット法、オフセット印刷、グラビア印刷等の印刷法を適用することが試みられているが、インクジェット法は有機半導体素子の製造効率が低いという難点を有し、またオフセット印刷やグラビア印刷は有機半導体素子の製造コストが増大しやすいと共に、素子構造の微細化への対応が不十分であるというような難点を有している。一方、低分子系有機半導体材料は溶媒溶解性等が乏しいことから、高分子系有機半導体材料のように印刷法を適用して有機半導体素子を作製することが困難とされている。

本発明はこのような課題に対処するためになされたものであって、素子構造の微細化や直接描画による低コスト化等を損なうことなく、素子製造効率の向上を図った有機半導体素子とその製造方法、さらには溶媒溶解性等が乏しい低分子系有機半導体材料への適合を図った有機半導体素子とその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る有機半導体素子は、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間を電気的に接続する有機半導体層と、前記有機半導体層に電界を印加するようにゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極とを具備する有機半導体素子において、前記有機半導体層は有機半導体材料粒子の熱融着層からなることを特徴としている。

また、本発明の一態様に係る有機半導体素子の製造方法は、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間を電気的に接続する有機半導体層と、前記有機半導体層に電界を印加するようにゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極とを具備する有機半導体素子の製造方法において、前記有機半導体層の下地となる層上に有機半導体材料粒子を付着させる工程と、前記有機半導体材料粒子を加熱して熱融着させる工程とを有することを特徴としている。

本発明の一態様に係る有機半導体素子の製造方法において、前記有機半導体材料粒子の付着工程は、例えば電子写真方式を適用して前記有機半導体材料粒子を前記有機半導体層の下地となる層上に転写する工程を有することを特徴としている。

本発明の一態様によれば、有機半導体層に有機半導体材料粒子の熱融着層を適用しているため、高分子系有機半導体材料に限らず、溶媒溶解性等が乏しい低分子系有機半導体材料を用いた有機半導体層を具備する有機半導体素子を、素子構造の微細性等を損なうことなく低コストかつ高効率に作製することが可能となる。特に、有機半導体材料粒子の付着工程に電子写真方式を適用することによって、微細パターンの形成性や直接描画による低コスト性等を損なうことなく、有機半導体素子の製造効率を高めることが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１は本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の概略構造を示す断面図である。同図に示す有機半導体素子１は、基板２上に形成されたゲート電極３を有しており、このゲート電極３上にはゲート絶縁膜４が形成されている。基板２の構成材料は特に限定されるものではないが、有機半導体素子１の特性を活かす上で樹脂基板を適用することが好ましい。ゲート電極３はメッキ下地層５とその表面に形成された金属メッキ層６とから構成されている。ゲート絶縁膜４は例えばポリビニルフェノール、ポリイミド、フッ素樹脂等の絶縁性樹脂、あるいはＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等の無機絶縁物により形成されている。

ゲート絶縁膜４上には活性層として有機半導体層７が形成されている。有機半導体層７の構成材料には、例えばポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン等の高分子系有機半導体材料、さらにペンタセン等の低分子系有機半導体材料を適用することができる。有機半導体層７はこのような有機半導体材料の粒子を熱融着させて層状にしたものである。すなわち、有機半導体層７はその下地となるゲート絶縁膜４を有する基板２上に有機半導体材料粒子を付着させ、この有機半導体材料粒子の付着層に加熱処理を施して、有機半導体材料粒子間を熱融着させることにより形成してものである。

ゲート絶縁膜４上への有機半導体材料粒子の付着工程には電子写真方式（静電転写方式）を適用することが好ましく、これにより素子製造効率や微細パターンの再現性等を高めることができる。なお、有機半導体材料粒子の付着工程は電子写真方式に限らず、例えば有機半導体材料粒子を分散媒中に分散させた液状物を塗布、乾燥させることにより実施してもよい。いずれにしても、有機半導体材料を粒子形態で下地となる層上に付着させることが重要であり、これにより有機半導体材料の特性を維持しつつ有機半導体層７を形成することが可能となる。また、溶媒溶解性等に乏しい低分子系有機半導体材料を用いて、真空成膜プロセス等を適用することなく有機半導体層７を形成することが可能となる。

有機半導体層７の形成に電子写真方式を適用する場合には、例えば図２に示すような電子写真式印刷装置が用いられる。図２は電子写真方式を適用した印刷装置１００の一構成例を示すものである。印刷装置１００は、主として感光体ドラム１０１、帯電器１０２、レーザ発生・走査装置１０３、現像機１０４、転写部１０５、および定着器１０６から構成されている。現像機１０４には有機半導体材料粒子からなるトナーが貯留されている。トナーを構成する有機半導体材料粒子の粒径は、例えば乾式の現像機１０４を用いる場合、3〜50μmの範囲とすることが好ましい。

このような電子写真式印刷装置１００を用いた有機半導体層７の形成工程について、図３を参照して述べる。まず、感光体ドラム１０１を矢印方向に回転させながら、帯電器１０２により感光体ドラム１０１の表面電位を一定電位（例えばマイナス電荷）に帯電させる。具体的な帯電方法としては、スコロトロン帯電法、ローラ帯電法、ブラシ帯電法等がある。次に、レーザ発生・走査装置１０３から画像信号に応じてレーザ光１０７を感光体ドラム１０１に照射し、照射部分のマイナス電荷を除去することによって、感光体ドラム１０１の表面に所定の素子パターンに応じた電荷の像（静電潜像）１０８を形成する。

次いで、現像機１０４からトナー粒子１０９、すなわち帯電した有機半導体材料粒子を供給し、感光体ドラム１０１上の静電潜像１０８に静電的に付着させる。このとき、正現像法あるいは反転現像法を用いることができる。また、現像機１０４には公知の電子写真式複写システムにおける乾式または湿式のトナー転写技術を適用することができる。続いて、感光体ドラム１０１の表面に有機半導体材料粒子（トナー粒子１０９）により形成された可視像を、転写部１０５で基材１１０上に静電転写する。

すなわち、図３（ａ）に示すように、基材１１０となるゲート絶縁膜４を有する基板上に、トナー粒子１０９として用いた有機半導体材料粒子８を有機半導体層７の形成パターンに応じて転写して付着させる。次に、ゲート絶縁膜４上に転写した有機半導体材料粒子８を、定着器１０６で加熱して定着させる。この加熱定着にあたっては、有機半導体材料粒子８の少なくとも表面部を溶融または軟化させることによって、隣接する有機半導体材料粒子８同士を熱融着させる。このようにして有機半導体材料粒子８の熱融着層からなる有機半導体層７を形成する（図３（ｂ））。なお、有機半導体材料粒子８の転写（付着）工程および加熱定着工程は有機半導体層７の厚さ等に応じて複数回繰返し実施してもよい。

上述した有機半導体材料粒子の熱融着層からなる有機半導体層７上には、ソース電極９とドレイン電極１０とが所定の距離を置いて配置されている。ソース電極９およびドレイン電極１０は、それぞれメッキ下地層１１とその表面に形成された金属メッキ層１２とから構成されている。上記構成を有する有機半導体素子１において、ソース電極９とドレイン電極１０との間は有機半導体層７により電気的に接続されている。ゲート電極３はソース電極９とドレイン電極１０間を接続する有機半導体層７に電界を印加することが可能なようにゲート絶縁膜４を介して配置されている。

そして、有機半導体素子１はゲート電極３への電圧のオン・オフによって、ソース電極９とドレイン電極１０間の電流を制御する電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）として機能する。すなわち、有機半導体素子１はスイッチング素子として機能する有機ＴＦＴを構成するものである。なお、有機半導体素子１は例えば図４や図５に示す素子構造を適用したものであってもよい。図４はゲート絶縁膜４上に設けられたソース電極９およびドレイン電極１０上に有機半導体層７を形成したものである。また、図５は基板２上にソース電極９およびドレイン電極１０を形成し、その上に有機半導体層７、ゲート絶縁膜４およびゲート電極３を順に設けたものである。

上述した第１の実施形態においては、有機半導体層７に有機半導体材料粒子の熱融着層を適用しているため、各種の有機半導体材料からなる有機半導体層７を、その半導体特性を維持しつつ低コストかつ高効率に作製することができる。具体的には、高分子系有機半導体材料に限らず、溶媒溶解性等が乏しい低分子系有機半導体材料を用いる場合においても、有機半導体材料粒子が本来有する半導体特性を維持しつつ、微細な有機半導体層７を再現性よくかつ低コストで作製することが可能となる。

特に、有機半導体材料粒子の付着工程に電子写真方式を適用することによって、微細パターンの形成性や直接描画による低コスト性等を損なうことなく、有機半導体素子１の製造効率を高めることが可能となる。すなわち、電子写真方式によればマスクや版等を用いることなく、有機半導体層７の形成パターンに応じて、直接的に有機半導体材料粒子を基材（下地）上に付着させることができる。そして、このような有機半導体材料粒子の付着層を加熱定着させることによって、微細な有機半導体層７を再現性よく得ることができる。従って、微細パターンの形成性や直接描画による低コスト性等を損なうことなく、有機半導体素子１の製造効率を高めることが可能となる。

上述した有機半導体層７の形成工程、すなわち電子写真方式を適用した有機半導体層７の形成工程は、電極３、９、１０の形成工程（具体的にはメッキシード層の形成工程）やゲート絶縁膜４の形成工程にも応用することができる。すなわち、有機半導体素子１全体の作製工程に電子写真方式を適用することができる。このような電子写真方式を適用した有機半導体素子１の作製工程について、図６を参照して述べる。

まず、図６（ａ）に示すように、基板２上に電子写真方式を適用してゲート電極３のメッキシード層５を形成する。メッキシード層５の形成に電子写真方式を適用するにあたっては、金属微粒子を含有する絶縁性樹脂粒子（金属含有樹脂粒子）をトナーとして使用する。このような金属含有樹脂粒子には、例えばＢステージのエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂中にＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ等の金属微粒子を含有させた粒子が用いられ、この樹脂粒子中の金属微粒子が無電解メッキの核となる。金属含有樹脂粒子は有機半導体材料粒子と同様に、図２に示した電子写真式印刷装置を用いて転写される。

すなわち、一定電位（例えばマイナス電荷）に帯電させた感光体ドラム１０１に、レーザ発生・走査装置１０３から画像信号に応じてレーザ光１０７を照射し、所定パターンの静電潜像１０８を形成する。この際の静電潜像１０８はゲート電極３の形成パターンに対応させて形成する。現像機１０４から金属含有樹脂粒子からなるトナーを供給し、感光体ドラム１０１上の静電潜像１０８に静電的に付着させる。続いて、転写部１０５で感光体ドラム１０１の表面にトナーにより形成された可視像を基材上に静電転写する。

次に、基材上に転写された金属含有樹脂粒子からなるトナーを定着器１０６で加熱して定着される。例えば、Ｂステージの熱硬化性樹脂は加熱により硬化する。このようにして、基板２上に金属微粒子を含有する絶縁性樹脂層からなるメッキシード層５を形成する。このようなメッキシード層５を用いて、電極層となる金属メッキ層６を無電解メッキにより形成する。図２では図示を省略したが、定着器１０６に続いて無電解メッキ槽等が配置されている。メッキシード層５を有する基板２はＣｕ等の無電解メッキ槽に浸漬され、メッキシード層５の表面に突出した金属微粒子を核として、Ｃｕ等の金属メッキ層６を構成する金属を選択的に析出させてゲート電極３を形成する（図６（ｂ））。

次に、図６（ｃ）に示すように、ゲート電極３上に電子写真方式を適用してゲート絶縁膜４を形成する。ゲート絶縁膜４の形成に電子写真方式を適用するにあたっては、例えばポリビニルフェノール、ポリイミド、フッ素樹脂等の絶縁性樹脂粒子をトナーとして使用する。このような絶縁性樹脂粒子からなるトナーを用いて、メッキシード層５の形成と同様に、トナーによる静電潜像の現像、トナーにより形成された可視像の静電転写、転写像の加熱定着を実施して、ゲート電極３上にゲート絶縁膜４を形成する。なお、転写像の加熱定着にあたって、熱硬化性樹脂からなるトナーは加熱硬化させることにより定着される。また、熱可塑性樹脂からなるトナーを用いる場合には熱融着させて定着させる。

次いで、図６（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜４上に電子写真方式を適用して有機半導体層７を形成する。有機半導体層７の形成工程は前述した通りである。なお、図５に素子構造を示した有機半導体素子１の場合には、ソース電極９およびドレイン電極１０を設けた基板２上に、電子写真方式を適用して有機半導体層７を形成する。この際の有機半導体層７の形成工程は、図３と下地となる層が異なるだけで、有機半導体材料粒子の付着工程および加熱定着工程は同様にして実施することができる。

この後、ゲート電極３の形成工程と同様にして、有機半導体層７上にソース電極９およびドレイン電極１０のメッキシード層１１を形成し（図６（ｅ））、これらメッキシード層１１の表面に突出した金属微粒子を核として、Ｃｕ等の金属メッキ層１２を構成する金属を選択的に析出させてソース電極９およびドレイン電極１０を形成する（図６（ｆ））。この際、ソース電極９およびドレイン電極１０のメッキシード層１１は、金属微粒子を含有する有機半導体材料粒子をトナーとして用いて形成する。このような金属微粒子を含有する有機半導体層からなるメッキシード層１１を使用することによって、ソース電極９およびドレイン電極１０と有機半導体層７との電気的な接続を良好に保つことができる。

上述した有機半導体素子１の製造工程においては、ゲート電極３の形成工程、ゲート絶縁膜４の形成工程、有機半導体層７の形成工程、さらにソース電極９およびドレイン電極１０の形成工程を、いずれも電子写真方式を適用して実施している。従って、有機半導体素子１全体を低コストでかつ効率よく作製することができ、さらには素子構造全体の微細性を高めることが可能となる。これらによって、有機半導体素子１の小型・高密度化、高性能化、低コスト化等を実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態による有機半導体素子について、図７を参照して説明する。なお、前述した第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。図７に示す有機半導体素子２０において、基板２上にはそれぞれメッキシード層１１と金属メッキ層１２とから構成されたソース電極９およびドレイン電極１０が形成されている。これらソース電極９およびドレイン電極１０は前述した第１の実施形態と同様に電子写真方式により形成される。この際、メッキシード層１１は金属微粒子を含有する絶縁性樹脂層により構成される。

ソース電極９およびドレイン電極１０上には活性層として有機半導体層７が形成されている。有機半導体層７の構成材料には第１の実施形態と同様に、例えばポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン等の高分子系有機半導体材料、またペンタセン等の低分子系有機半導体材料を適用することができる。有機半導体層７はこのような有機半導体材料の粒子を熱融着させたものである。すなわち、有機半導体層７はソース電極９およびドレイン電極１０を有する基板２上に有機半導体材料粒子を付着させ、この有機半導体材料粒子の付着層に加熱処理を施して、有機半導体材料粒子間を熱融着させることにより形成されたものである。具体的な形成工程は第１の実施形態と同様である。

有機半導体材料粒子の熱融着層からなる有機半導体層７上には、ゲート電極３のメッキ下地層５が形成されており、さらにメッキ下地層５上にゲート電極３として機能する金属メッキ層６が形成されている。メッキ下地層５は前述した第１の実施形態と同様に電子写真方式により形成される。ここで、メッキ下地層５は金属微粒子を含有する絶縁性樹脂層により構成されており、層全体としては絶縁層として機能するものである。すなわち、メッキ核となる金属微粒子は絶縁性樹脂層中に分散されているため、メッキ下地層５自体は絶縁層としての機能が維持されている。

そこで、第２の実施形態の有機半導体素子２０では、絶縁層としての機能を有するメッキ下地層５をゲート絶縁膜として利用している。すなわち、ゲート電極３として機能する金属メッキ層６は、メッキ下地層５からなるゲート絶縁膜を介して、有機半導体層７上に形成されている。言い換えると、ソース電極９とドレイン電極１０間を接続する有機半導体層７上には、メッキ下地層５からなるゲート絶縁膜を介してゲート電極３が配置されており、このゲート電極３から電界が印加されるように構成されている。有機半導体素子２０は第１の実施形態と同様に電界効果トランジスタとして機能するものである。

上述した第２の実施形態の有機半導体素子２０においては、メッキ下地層５をゲート絶縁膜として利用することで、素子の構成層数を減少させているため、有機半導体素子２０の製造コストをさらに削減することができる。また、第１の実施形態と同様に、有機半導体材料粒子の熱融着層からなる有機半導体層７を適用しているため、各種の有機半導体材料からなる有機半導体層７を、その半導体特性を維持しつつ低コストかつ高効率に作製することが可能となる。さらに、有機半導体材料粒子の付着工程に電子写真方式を適用することによって、微細パターンの形成性や直接描画による低コスト性等を損なうことなく、有機半導体素子１の製造効率を高めることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、有機半導体層を活性層として利用する有機半導体素子およびその製造方法であれば本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の概略構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の製造工程に適用される電子写真方式の印刷装置の一構成例を示す図である。 図１に示す有機半導体素子における有機半導体層の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の一変形例の概略構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の他の変形例の概略構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による有機半導体素子の要部製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による有機半導体素子の概略構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１，２０…有機半導体素子、２…基板、３…ゲート電極、４…ゲート絶縁膜、５，１１…メッキシード層、６，１２…金属メッキ層、７…有機半導体層、８…有機半導体材料粒子、９…ソース電極、１０…ドレイン電極。

Claims (5)

1. ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間を電気的に接続する有機半導体層と、前記有機半導体層に電界を印加するようにゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極とを具備する有機半導体素子において、
   前記有機半導体層は有機半導体材料粒子の熱融着層からなることを特徴とする有機半導体素子。
2. ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間を電気的に接続する有機半導体層と、前記有機半導体層に電界を印加するようにゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極とを具備する有機半導体素子の製造方法において、
   前記有機半導体層の下地となる層上に有機半導体材料粒子を付着させる工程と、前記有機半導体材料粒子を加熱して熱融着させる工程とを有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
3. 請求項２記載の有機半導体素子の製造方法において、
   前記有機半導体材料粒子の付着工程は、電子写真方式を適用して前記有機半導体材料粒子を転写する工程を有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
4. 請求項２または請求項３記載の有機半導体素子の製造方法において、
   前記ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極から選ばれる少なくとも1つの電極の形成工程は、電子写真方式を適用して金属微粒子が分散された有機半導体材料粒子を前記電極の下地となる層上に転写する工程と、前記金属微粒子が分散された有機半導体材料粒子を加熱して熱融着させる工程と、前記金属微粒子が分散された有機半導体材料の熱融着層をメッキシード層として金属層をメッキ法により形成する工程とを有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の有機半導体素子の製造方法において、
   前記ゲート絶縁膜の形成工程は、電子写真方式を適用して絶縁性樹脂粒子を前記ゲート絶縁膜の下地となる層上に転写する工程と、前記絶縁性樹脂粒子を加熱して熱硬化または熱融着させる工程とを有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。

Images