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JP2006261528A - 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

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。 Download PDF

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Zenichi Akiyama
善一 秋山
Takumi Yamaga
匠 山賀
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

【課題】 印刷パターンの再現性を向上可能な有機薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】 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、有機半導体膜4と、ソース電極5と、ドレイン電極6とを備える。ゲート電極2は、有機半導体膜4の膜厚方向に電界を生じさせる電界をゲート絶縁膜3を介して印加する。有機半導体膜4は、ソース電極5とドレイン電極6との間に形成される。そして、有機薄膜トランジスタ10において、ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6は、銀粒子に対して銀ナノ粒子を5wt%の比率で混合し、スクリーン印刷により形成される。
【選択図】 図1

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、導電性高分子または共役高分子を利用した有機半導体を活性層に用いた有機薄膜トランジスタが知られている(特許文献1)。また、低分子化合物からなる有機半導体を活性層に用いた有機薄膜トランジスタも知られている(特許文献2)。
そして、有機薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極は、印刷法によって形成されることが知られている(特許文献3)。より具体的には、ゲート電極は、導電性ペーストまたはPEDOT(Polythiophene)を用いて形成される。導電性ペーストとして、導電性カーボンペースト、導電性銀ペースト、導電性銅ペースト、および導電性ニッケルペースト等を用い、スクリーン印刷法、ロールコーター法およびインクジェット法のいずれかの方法により所定のパターンに形成する。その後、所定のパターンに形成された導電性ペーストは、乾燥され、100〜200℃で硬化される。これにより、ゲート電極が形成される。
また、ソース電極およびドレイン電極は、金、白金、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデンおよびニッケル等の金属または合金材料を含む導電性ペーストを用いて印刷法またはロールコーター法により形成される。
特開昭61−202467号公報 特許第2984370号公報 特開2004−80026号公報
しかし、特許文献3におけるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を印刷法により形成する方法では、印刷パターンの再現性を向上させ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、印刷パターンの再現性を向上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、印刷パターンの再現性を向上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、印刷パターンの再現性を向上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、第1から第3の電極と、絶縁膜とを備える。有機半導体膜は、基板上に形成される。第1および第2の電極は、有機半導体膜を通じて電流を流すための電極である。絶縁膜は、有機半導体膜に接して形成される。第3の電極は、有機半導体膜の膜厚方向に電界を生じさせる電圧を絶縁膜を介して印加するための電極である。そして、第1から第3の電極の各々は、ナノメタルとナノメタルの平均粒径よりも大きい平均粒径を有する金属粒子とを含む。
好ましくは、第1および第2の電極と、第3の電極との少なくとも1つは、0.2μm以上の膜厚を有する。
好ましくは、絶縁膜、ポリパラキシリレン誘導体からなる。
また、この発明によれば、表示装置は、請求項1から請求項3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。
さらに、この発明によれば、製造方法は、薄膜トランジスタの製造方法である。有機薄膜トランジスタは、基板上に形成された有機半導体膜と、有機半導体膜を通じて電流を流すための第1および第2の電極と、有機半導体膜に接して形成された絶縁膜と、有機半導体膜の膜厚方向に電界を生じさせる電圧を絶縁膜を介して印加するための第3の電極とを備える。そして、製造方法は、
ナノメタルとナノメタルの平均粒径よりも大きい平均粒径を有する金属粒子とを含むペーストを用いてスクリーン印刷により第1および第2の電極を形成する第1のステップと、有機半導体膜を形成する第2のステップと、絶縁膜を形成する第3のステップと、ペーストを用いてスクリーン印刷により第3の電極を形成する第4のステップとを含む。
この発明による有機薄膜トランジスタにおいては、第1から第3の電極の各々は、ナノメタルとナノメタルの平均粒径よりも大きい平均粒径を有する金属粒子とを含む。
したがって、有機薄膜トランジスタの電極の再現性を向上できる。
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第1の断面構造図であり、図2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第2の断面構造図であり、図3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第3の断面構造図である。
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、有機半導体膜4と、ソース電極5と、ドレイン電極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4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5およびドレイン電極6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5およびドレイン電極6は、有機半導体膜4を通じて電流を流すための電極である。有機半導体膜4は、ソース電極5とドレイン電極6との間に形成される。
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。
この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタは、図2に示す有機薄膜トランジスタ10Aであってもよい。図2を参照して、有機薄膜トランジスタ10Aは、図1に示す有機薄膜トランジスタ10と同じ構成要素からなる。そして、有機薄膜トランジスタ10Aにおいては、有機半導体膜4は、ゲート絶縁膜3の一主面3A上に形成され、ソース電極5およびドレイン電極6が有機半導体膜4の一主面4A上に所定の間隔で形成される。その他は、有機薄膜トランジスタ10と同じである。
なお、図2に示す有機薄膜トランジスタの構造は、「ボトムゲート・トップコンタクト型」と呼ばれる。
また、この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタは、図3に示す有機薄膜トランジスタ10Bであってもよい。図3を参照して、有機薄膜トランジスタ10Bは、図1に示す有機薄膜トランジスタ10と同じ構成要素からなる。有機薄膜トランジスタ10Bにおいては、ソース電極5およびドレイン電極6は、基板1の一主面1A上に所定の間隔で形成され、有機半導体膜4は、ソース電極5およびドレイン電極6を覆うように基板1の一主面1A上に形成される。そして、ゲート絶縁膜3は、有機半導体膜4の一主面4A上に形成され、ゲート電極2は、ゲート絶縁膜3の一主面3A上に形成される。
なお、図3に示す有機薄膜トランジスタの構造は、「トップゲート・ボトムコンタクト型」と呼ばれる。
上述した有機薄膜トランジスタ10,10A,10Bの各々に用いられる基板1、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、有機半導体膜4、ソース電極5およびドレイン電極6について説明する。
基板1は、絶縁性を示し、電界効果トランジスタおよびその上に作製される表示素子、および表示パネル等を支持できるものであればよく、たとえば、ガラス、プラスチックおよび石英のいずれでもよい。
より具体的には、基板1は、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルスルフォン、アモルファスシリコン、アモルファスポリオレフィン、エポキシ樹脂およびガラス等のいずれであってもよい。そして、基板1の膜厚は、0.05mm〜2mmの範囲が好ましく、0.1mm〜1mmの範囲が更に好ましい。基板1の膜厚がこのような範囲に設定されるのは、基板1をフレキシブル基板として機能させるためである。
ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6の各々は、金、銀、パラジウムおよび銅の金属粉とナノメタルとを混合したものから構成されてもよく、銀、パラジウム合金粉とナノメタルとを混合したものから構成されてもよい。そして、これらの金属粉は、0.1〜0.8μmの範囲の平均粒径を有し、ナノメタルは、0.05〜0.1μmの範囲の平均粒径を有する。
ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6の各々は、スクリーン印刷法によって形成される。より具体的には、ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6の各々は、上述した各金属粉に5〜10wt%のナノメタルを混合し、さらに熱硬化型樹脂を加えたペースト材をスクリーン印刷法によって下地に印刷し、その後、200℃程度の熱処理により形成される。この場合、スクリーン版として、325ステンレスメッシュ、線径28μmおよび乳厚15μmのものが用いられ、好ましくは、380ステンレスメッシュ、線径14μmのものが用いられる。
このようにして形成される銀電極パターンは、膜厚が5μmであり、表面粗さを示すPV値(山と谷との差)は、約0.5μmである。
ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6の各々の膜厚は、0.2μm以上である。
ゲート絶縁膜3は、ゲート電極2への電流の漏れを防止し、かつ、低ゲート電圧で電界効果トランジスタを駆動させることができるように絶縁性に優れ、かつ、比較的大きな比誘電率を有する材料からなる。
より具体的には、ゲート絶縁膜3は、ポリパラキシリレン誘導体、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のポリマーおよびこれらを組み合わせた共重合体からなる。
山と谷との差が0.5μmである下地に対し、良好な絶縁耐圧を示す絶縁材料としては、CVD(Chemical Vapour Deposition)法により形成したポリパラキシリレンがあり、0.5μm程度の膜厚で十分な耐圧を示す。これは、CVD法によって形成した膜は、段差被覆性に優れているからである。
ゲート絶縁膜3は、スクリーン印刷およびインクジェット印刷等の印刷法により形成される。
ゲート絶縁膜3の膜厚は、0.1μm〜4μmの範囲であり、好ましくは、0.2μm〜2μmの範囲である。ゲート絶縁膜の膜厚が上記の範囲に設定されるのは、ゲート絶縁膜3を下地であるゲート電極2上に形成する場合の段差被覆性を向上させるためである。
有機半導体膜4は、高分子有機半導体材料からなる。より具体的には、有機半導体膜4は、トリアリールアミンとフェニレンビニレンとの共重合体、トリアリールアミンとフルオレンとの共重合体、トリアリールアミンとチオフェンとの共重合体および一般的に知られている共役高分子材料のいずれかからなる。
そして、有機半導体膜4は、上記の有機半導体材料を溶媒に溶解し、その溶解液をスピンコート法、ドロップキャスト法、インクジェット法およびディップ法のいずれかによって塗布し、さらに、乾燥して形成される。
有機半導体膜4の膜厚は、1nm〜10000nmの範囲であり、好ましくは、10nm〜500nmの範囲である。有機半導体膜4の膜厚がこのような範囲に設定されるのは、有機半導体膜4をソース電極5およびドレイン電極6上に形成するときの段差被覆性を向上させるためである。
図1に示す有機薄膜トランジスタ10の具体的な作製方法について説明する。銀粒子に対して銀ナノ粒子を5wt%の比率で混合し、スクリーン印刷によりゲート電極2をガラスからなる基板1上に形成する。この場合、スクリーン印刷の条件は、次のとおりである。360メッシュ、35mm/sのスキージ速度、0.1Mpaの印圧、および1.2mmのクリアランスを用いて、大研化学社製CA−2502の銀ペーストを基板1(ガラス)上に塗布し、200℃、30分の条件で乾燥した。その後、フォトリソグラフィーによりパターンニングし、ゲート電極2を形成した。
引続いて、ポリパラキシリレンがCVD法によりゲート電極2を覆うように基板1上に堆積される。これにより、ゲート絶縁膜3が基板1上に形成される。この場合、ゲート絶縁膜3の膜厚は、600nmである。
そして、銀粒子に対して銀ナノ粒子を5wt%の比率で混合し、スクリーン印刷によりソース電極5およびドレイン電極6をゲート絶縁膜3上に形成する。この場合、スクリーン印刷の条件は、次のとおりである。360メッシュ、35mm/sのスキージ速度、0.1Mpaの印圧、および1.2mmのクリアランスを用いて、大研化学社製CA−2502の銀ペーストをゲート絶縁膜3上に塗布し、170℃、30分の条件で乾燥した。その後、フォトリソグラフィーによりパターンニングし、電極幅が30μmであり、電極長が10000μmである交差指電極からなるソース電極5およびドレイン電極6を形成した。
その後、下記の(化I)で示される有機半導体材料をキシレンおよびテトラヒドロフラン(THF)の混合溶媒に溶解させて塗布液(有機半導体重量%で1%)を作製し、その作製した塗布液をスピンコート法によって塗布し、膜厚100nmの有機半導体膜4をソース電極5とドレイン電極6との間のゲート絶縁膜3上に形成する。
Figure 2006261528
このようにして作製した有機薄膜トランジスタ10は、−20Vのゲート電圧および−20Vのソース・ドレイン電圧において、ソース・ドレイン電流(オン電流)が1μAであり、0Vのゲート電圧および−20Vのソース・ドレイン電圧において、ソース・ドレイン電流(オフ電流)が100pAであり、−20Vのゲート電圧および−20Vのソース・ドレイン電圧において、ゲート・ソース間に流れる電流(ゲートリーク電流)は、20nAであり、閾値電圧は、−0.9Vである。
なお、ノボラック樹脂を用いてゲート絶縁膜3を形成してもよい。この場合、ノボラック樹脂は、東京応化社製のものが用いられる。具体的には、フォトレジストとして市販されている材料のうち、ナフトキノンジアニド感光体を含まないものである。このノボラック樹脂は、スピンコート法によって塗布され、600nmの膜厚を有するゲート絶縁膜3が形成された。
ノボラック樹脂をゲート絶縁膜3として用いた有機薄膜トランジスタ10において、オン電流は、0.5μAである。
次に、図2に示す有機薄膜トランジスタ10Aの具体的な作製方法について説明する。有機薄膜トランジスタ10のゲート電極2およびゲート絶縁膜3の形成方法と同じ方法によって、ゲート電極2およびゲート絶縁膜3をガラスからなる基板1上に形成する。
その後、上記の(化I)で示される有機半導体材料をキシレンおよびテトラヒドロフラン(THF)の混合溶媒に溶解させて塗布液(有機半導体重量%で1%)を作製し、その作製した塗布液をスピンコート法によって塗布し、膜厚100nmの有機半導体膜4をゲート絶縁膜3上に形成する。
そして、有機薄膜トランジスタ10のソース電極5およびドレイン電極6の形成方法と同じ方法によってソース電極5およびドレイン電極6を有機半導体膜4上に形成する。
これによって、有機薄膜トランジスタ10Aが作製される。そして、このようにして作製した有機薄膜トランジスタ10Aは、有機薄膜トランジスタ10と同じトランジスタ特性を示す。
なお、有機薄膜トランジスタ10Aにおいても、ノボラック樹脂を用いてゲート絶縁膜3を形成してもよい。
さらに、図3に示す有機薄膜トランジスタ10Bの具体的な作製方法について説明する。有機薄膜トランジスタ10のソース電極5およびドレイン電力6の形成方法と同じ方法によってソース電極5およびドレイン電極6をガラスからなる基板1上に形成する。
その後、上記の(化I)で示される有機半導体材料をキシレンおよびテトラヒドロフラン(THF)の混合溶媒に溶解させて塗布液(有機半導体重量%で1%)を作製し、その作製した塗布液をスピンコート法によって塗布し、膜厚100nmの有機半導体膜4をソース電極5およびドレイン電極6を覆うように基板1上に形成する。
引続いて、ポリパラキシリレンがCVD法により有機半導体膜4上に堆積される。これにより、ゲート絶縁膜3が有機半導体膜4上に形成される。この場合、ゲート絶縁膜3の膜厚は、600nmである。
その後、有機薄膜トランジスタ10のゲート電極2の形成方法と同じ方法によってゲート電極2をゲート絶縁膜3上に形成する。
これによって、有機薄膜トランジスタ10Bが作製される。そして、このようにして作製した有機薄膜トランジスタ10Bは、有機薄膜トランジスタ10と同じトランジスタ特性を示す。
なお、有機薄膜トランジスタ10Bにおいても、ノボラック樹脂を用いてゲート絶縁膜3を形成してもよい。
なお、この発明においては、ゲート電極2と、ソース電極5およびドレイン電極6との少なくとも一方が0.2μm以上の膜厚を有すればよい。
上述したように、ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6を銀粒子に対して銀ナノ粒子を5wt%の比率で混合し、スクリーン印刷により形成することによって、各電極の再現性を向上できる。
そして、有機薄膜トランジスタ10,10A,10Bの各々は、表示装置の駆動デバイスとして用いられる。
次に、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素子に用いた実施例につき説明する。図4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5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4に示すように、ガラス基板などの絶縁性基板1上に厚さ70nmのCr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20、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200nmのエポキシ樹脂が形成される。
そして、このエポキシ樹脂の上に上記一般式(I)に示す有機半導体膜を半導体材料に用い、スピンコートにより成膜して、膜厚30nmの有機半導体層4を設ける。
続いて、この有機半導体層4上の所定領域に厚さ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5及びドレイン電極6と信号配線21およびドレイン電極6と連なる画素配線22を形成する。
続いて、図示しない分割化パターン化膜を形成する。なお、この分割化パターン化膜を形成する前に有機半導体層4にダメージを与えないためにポリモノクロロパラキシリレン膜からなる保護膜を形成しても良い。
そして、分割パターン化層をマスクとして、酸素ガスによるドライエッチングにより、分割ラインの下に位置する有機半導体層4及びゲート絶縁膜3を除去し、各TFT素子に分離される。この実施例では、更にこれら素子上ポリモノクロロパラキシリレン膜からなるパッシベーション膜23を設けて、アクティブマトリックス基板31が形成される。
図5に示すように、画像表示装置30は、前述のアクティブマトリックス基板31と、透明導電膜32を第2の基板33との間に表示素子が設けられ、画素電極22に連なるドレイン電極5上の表示素子がスイッチングされる。第2の基板33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31の基板と第2の基板33には、スピンコート法により、配向膜を形成して、配向処理が施されている。そして、両基板1、33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、印刷パターンの再現性を向上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、印刷パターンの再現性を向上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、印刷パターンの再現性を向上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第1の断面構造図である。 この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタの第2の断面構造図である。 この発明の実施の形態による有機薄膜トランジスタの第3の断面構造図である。 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
1,33 基板、1A,3A,4A 一主面、2 ゲート電極、3 ゲート絶縁膜、4 有機半導体膜、5 ソース電極、6 ドレイン電極、10,10A,10B 有機薄膜トランジスタ、21 信号配線、22 画素電極、23 パッシベーション膜、30 画像表示装置、31 アクティブマトリックス基板、32 透明導電膜。

Claims (5)

  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第1および第2の電極と、
    前記有機半導体膜に接して形成された絶縁膜と、
    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絶縁膜を介して印加するための第3の電極とを備え、
    前記第1から第3の電極の各々は、ナノメタルと前記ナノメタルの平均粒径よりも大きい平均粒径を有する金属粒子とを含む、有機薄膜トランジスタ。
  2. 前記第1および第2の電極と、前記第3の電極との少なくとも1つは、0.2μm以上の膜厚を有する、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
  3. 前記絶縁膜、ポリパラキシリレン誘導体からなる、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. 請求項1から請求項3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。
  5. 有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
    前記有機薄膜トランジスタは、
    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第1および第2の電極と、
    前記有機半導体膜に接して形成された絶縁膜と、
    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絶縁膜を介して印加するための第3の電極とを備え、
    前記製造方法は、
    ナノメタルと前記ナノメタルの平均粒径よりも大きい平均粒径を有する金属粒子とを含むペーストを用いてスクリーン印刷により前記第1および第2の電極を形成する第1のステップと、
    前記有機半導体膜を形成する第2のステップと、
    前記絶縁膜を形成する第3のステップと、
    前記ペーストを用いて前記スクリーン印刷により前記第3の電極を形成する第4のステップとを含む、有機薄膜トランジスタの製造方法。
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