JP2010532095A - 界面導電性クラスターを組み入れた薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

電界効果トランジスタのゲート絶縁体と活性層との間に不連続的導電性クラスターの薄層が含まれている。この活性層には、有機半導体、又は有機半導体と高分子とのブレンドが含まれ得る。この導電性クラスターの層を形成するには、金属、酸化金属、主として非炭素の金属材料、及び／又はカーボンナノチューブを用いることができる。この導電性クラスターは、トランジスタ性能を向上させ、またトランジスタ製造を促進する。

Description

本発明は、薄膜トランジスタ、及び薄膜トランジスタ製造に対するアプローチに関するものである。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、特に有機半導体材料で製造されたものは、フラットパネルディスプレイ、及びその他数多くの用途における使用に関して関心が寄せられている。例えば、有機ＴＦＴを用いたフラットパネルディスプレイは、無機材料を用いて製造したＴＦＴに比べ、製造コストが低い。有機系トランジスタは大型ディスプレイ及びその他のデバイスの製造を、高性能かつ低コストで実現する可能性を有している。しかしながら、現時点では、無機構成要素を使用したデバイスの方が、有機系の同等品の性能を大幅に上回る。

ＴＦＴの製造に現在使用されている材料の中で、小分子及び溶液系の高分子有機材料に、特に関心が寄せられている。典型的には、小分子有機材料は有機溶媒に対する溶解度が低く、よって有用なＴＦＴの製造には、真空蒸着及び／又はフォトリソグラフィーなどの比較的高価な製造プロセスが必要となる。溶液系有機トランジスタは、安価なコーティング及びパターニング技法を用いたプロセスにすることができるため、より低コストで製造される。よって、溶液系有機ＴＦＴは、大面積又は使い捨てデバイスでの使用において、魅力的なオプションを提供する。

有機又は無機薄膜トランジスタの性能及び製造プロセスの向上が、望ましい。本発明は、これらの及び他のニーズを満たす、また先行技術より優れた他の利点を提供する。

本発明の実施形態は、薄膜トランジスタ、及び薄膜トランジスタ製造に対するアプローチを目的とする。１つの実施形態は、薄膜電界効果トランジスタを目的とする。このトランジスタは、半導体を含む活性層を有する。ゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触が、活性層に電気的に接合している。ゲート絶縁体が、ゲート接触に対して配置される。不連続的導電性クラスターの層が、ゲート絶縁体と活性層との間に配置される。

本発明の別の実施形態は、半導体材料及びカーボンナノチューブを含む活性層を有する薄膜電界効果トランジスタを目的とする。ゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触が、活性層に電気的に接合している。絶縁性材料が、ゲート接触に対して配置される。不連続的導電性材料の層が、絶縁性材料と活性層との間に配置される。

本発明の更なる実施形態は、ゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触を有する薄膜トランジスタの製造方法を伴う。半導体を含む活性層が形成される。絶縁層が、トランジスタの活性層とゲート接触との間に形成される。不連続的導電性クラスターの層が、絶縁体と活性層との間に形成される。

上記の課題を解決するための手段は、本発明の各実施形態又はあらゆる実施を説明することは意図しない。本発明の利点及び効果、並びに本発明に対する一層の理解は、以下に記載する「発明を実施するための形態」及び「特許請求の範囲」を添付図面と併せて参照することによって明らかになり、理解するに至るであろう。

本発明の実施形態による不連続的導電性クラスターの層を有し、活性層を除いた、ＴＦＴ構造である。 さまざまな実施形態の１つによる界面導電性クラスターを組み入れたＴＦＴ構成の断面図である。 さまざまな実施形態の１つによる界面導電性クラスターを組み入れたＴＦＴ構成の断面図である。 さまざまな実施形態の１つによる界面導電性クラスターを組み入れたＴＦＴ構成の断面図である。 本発明の実施形態によるＴＦＴ製造プロセスのフローチャートである。 本発明の実施形態により、界面導電性クラスターを組み入れ、活性層にカーボンナノチューブが分散しているＴＦＴの断面図である。 本発明の実施形態による不連続的導電性クラスターの層の表面の原子間力顕微鏡画像である。 図５の表面の段差プロットである。 本発明の実施形態により、界面に金のクラスターを有する改善されたＴＦＴのキャリア移動度を示す、絶縁体−半導体界面に金のクラスターを有して及び有さずに、さまざまな有機半導体処方を用いて製造されたＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態により、界面に金のクラスターを有する改善されたＴＦＴのキャリア移動度を示す、絶縁体−半導体界面に金のクラスターを有して及び有さずに、さまざまな有機半導体処方を用いて製造されたＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態に従って、界面に金のクラスターを有するＴＦＴの再現性を示す、界面に金のクラスターを有して及び有さずに製造されたＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態に従って、界面に金のクラスターを有するＴＦＴの再現性を示す、界面に金のクラスターを有して及び有さずに製造されたＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態により、チャネル長さに対する界面層の影響を示す、界面に金のクラスターを有して製造されたＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態により、チャネル長さに対する界面層の影響を示す、界面に金のクラスターを有して製造されたＴＦＴの特性プロットである。 活性層中に分散されたカーボンナノチューブを用いて、しかしながら導電性クラスターの界面層なしに製造された、ＴＦＴの特性プロットを３回別個に走査したものである。 本発明の実施形態により、活性層中に分散されたカーボンナノチューブを用い、導電性クラスターの界面層も有して製造された、ＴＦＴの特性プロットである。 本発明の実施形態により、活性層中に分散されたカーボンナノチューブを用い、導電性クラスターの界面層も有して製造された、ＴＦＴの特性プロットである。

本発明は様々な変更例及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すと共に詳細に説明する。ただし、本発明は記載される特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。逆に、添付の特許請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更、均等物、及び代替物が含まれることを意図している。

以下に示す実施形態の説明において、本明細書の一部をなすとともに、本発明を実施し得る各種の実施形態を例として示す添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を用いてもよく、また、構造的変更を行なってもよいことを理解すべきである。

有機系薄膜トランジスタは、使い捨て及び／又は大面積電子デバイスの製造に、比較的低コストの選択肢をもたらす。電子デバイス製造には現在、いくつかのタイプの半導体が使用されている。例として、小分子有機半導体及び溶液系高分子有機半導体の２つが挙げられる。一般に、小分子有機物は有機溶媒に対する溶解度が低いため、膜を形成するには真空蒸着又は他の比較的高価な技法が必要になる。有用なデバイスを製造するために複数の層をパターニングするには、シャドーマスク又はフォトリソグラフィー技法が使用される。真空蒸着、シャドーマスク、及びフォトリソグラフィーは、溶液系高分子半導体で使用できるプロセスに比べ、比較的高価な製造プロセスである。

溶液系有機ＴＦＴは、より安価なコーティング及びパターニングプロセスを用いてデバイスを形成することができるため、複数の有機半導体タイプの中で、製造コストが最も低くなる可能性がある。例えば、膜の蒸着は、スピンコーティング、ナイフコーティング、ロールトゥロールウェブコーティング、ディップコーティング、及びその他の技法によって達成することができる。溶液系有機デバイスは、例えばインクジェット印刷、グラビア印刷、又はスクリーン印刷によってパターニングすることができる。

溶液系有機トランジスタの性能は、通常、真空蒸着された小分子系トランジスタよりも劣る。あらゆる種類のＴＦＴ、特に低コストの電子デバイスを供給する可能性を有する有機ＴＦＴの性能を改善することが望ましい。

有機半導体材料、特に溶液系有機物により示される、低いキャリア移動度は、印刷プロセスなどの安価なＴＦＴ製造技法と組み合わせられると、その影響は更に悪化する。一部の安価なパターニングプロセスの形状分解能が制限されることにより、有用なデバイスを提供するための十分に短いチャネルの電子デバイスの製造が排除され得る。例えば、一部のプロセスにおいて、形状分解能は２０マイクロメートルを超えることがある。よって、安価な製造プロセスによって製造される、比較的長いチャネルを補うような構造を開発することが望ましい。

本発明の実施形態は、有機又は無機ＴＦＴの性能、特に、溶液系有機ＴＦＴを含む有機ＴＦＴの性能を向上させるアプローチを目的とする。本明細書に記述される技法は、真空蒸着された小分子材料を用いて形成される有機ＴＦＴに匹敵する性能を有する、溶液系有機ＴＦＴを製造するものである。

本発明の実施形態は、ゲート絶縁体と活性層との間の界面に、二次元不連続的電気的導電性クラスター又はアイランドの層を含む、ＴＦＴデバイスを目的とする。この二次元不連続的導電性クラスターは、活性層内若しくは活性層の上、又はゲート絶縁体内にも存在し得る。図１のトランジスタ構造１００は、活性層を除いたＴＦＴ構造を示す。トランジスタ構造１００には、ゲート電極１０５、ソース電極１２０、及びドレイン電極１３０が含まれる。不連続的導電性クラスター１１０の薄膜が、ゲート絶縁体１４０と活性層（図１には示されていない）との間の界面で、ゲート絶縁体１４０の上に配置される。

特定の理論に束縛されるものではないが、界面導電性クラスターを用いて構成されるＴＦＴの性能に関する１つの説明としては、導電性クラスター１１０の層が、ＴＦＴのチャネル領域におけるキャリアの輸送メカニズムを変化させることが挙げられる。導電性クラスター１１０の薄層は、絶縁体−半導体界面近くのＴＦＴチャネル領域のキャリアの一部を、チャネルにわたるそれらの経路の一部に対して弾道的に通す。矢印１６０は、導電性クラスター１１０内を弾道的に流れるキャリアの経路を示す。このようにして弾道的に流れるキャリアは、分子のホッピング及び散乱を伴う半導体活性層を通る、比較的遅い輸送プロセスを回避することができる。絶縁体１４０と半導体層との間のチャネル領域に導電性クラスター１１０が存在することにより、チャネル長さを効果的に短縮し、キャリア移動度を効果的に増大させ、ＴＦＴの相互コンダクタンスを効果的に増加させる。導電性クラスター１１０はまた、活性層の半導体材料における電荷捕獲プロセスを低減させる役割も果たす。

図２Ａ〜２Ｃは、さまざまな実施形態による、界面導電性クラスターを組み入れたさまざまなＴＦＴ構成の断面図である。図２Ａは、基材２０１上で、ソース接触２２０及びドレイン接触２３０を上側に、ゲート接触２０５を下側に配置した構成を示す。不連続的導電性クラスターの薄層２１０が、ゲート絶縁体２４０と活性層２５０との間に配置されている。

図２Ｂに示されている構成は、上記図１に関連して論じられた構成と同様である。この構成において、ソース接触２２０及びドレイン接触２３０は、少なくとも一部分が活性層２５０の下になるよう配置される。ゲート接触２０５は基材２０１上に配置される。導電性クラスターの界面層２１０は、活性層２５０と絶縁体２４０との間にある。

図２Ｃは、本発明の実施形態による更に別のＴＦＴ構成を示す。図２Ｃに示す構成は、ソース接触２２０及びドレイン接触２３０が基材２０１上に配置されている。活性層２５０は、ソース接触２２０及びドレイン接触２３０の上に配置されている。導電性クラスターの界面層２１０は、ゲート絶縁体２４０と活性層２５０との間に配置されている。ゲート接触２０５は絶縁体２４０の上に配置されている。

図２Ａ〜２Ｃは導電性クラスターの界面層を組み入れたＴＦＴ構成のいくつかの例を示すものである。数多くの他の構成も可能である。

他のトランジスタ技術においては、半導体接合部に不純物が存在すると、接合部の特性が劣化することが知られているため、デバイスの特性を向上させるために絶縁体／半導体の界面に導電性クラスターの層を追加することは、経験にそぐわない。例えば、ゲート−半導体接合部に不純物があると、漏れ電流を増大させ、ＯＮ／ＯＦＦ電流比を低下させることが知られている。しかしながら、理論に束縛されるものではないが、特に溶液系有機ＴＦＴの場合、導電性クラスターの界面層は、全体的なキャリア輸送プロセスをより効率的にすることが観察され、よってトランジスタ特性が改善される。溶液系高分子半導体においては、キャリア移動度の改善が最も明らかである。これは、これらの半導体材料が比較的低いキャリア移動度を有するため、導電性クラスターの追加によってこのキャリア移動度が大幅に改善できるためと考えられる。

更に、ゲート絶縁体−活性層界面にある導電性クラスターは、予想外のこととして、絶縁膜上の半導体の濡れ性を改変する。導電性クラスターの薄膜の存在は、ＴＦＴ製造中における絶縁膜と半導体材料との間の接触を大幅に改善する。更に、導電性クラスター界面層を有するＴＦＴは、ドレイン電流（Ｉ_ｄ）対ゲート電圧（Ｖ_ｇ）の連続的走査を行った場合、再現性の向上が示された。導電性クラスター層を有するＴＦＴは、導電性クラスター層のないＴＦＴと比較した場合、閾値電圧の再現性が改善された。

図３は、本発明の実施形態によるＴＦＴ製造プロセスのフローチャートである。プロセスの工程は、特定の順序で実施する必要はない。ゲート絶縁体が形成される（３１０）。導電性クラスターの薄層が、ゲート絶縁膜に隣接して形成される（３２０）。この導電性クラスター層の厚さは、デバイスチャネルにわたって連続的な導電性経路が生じない程度に、十分に薄い。活性層が、導電性クラスター層に隣接して形成される（３３０）。

ＴＦＴ形成の１つの例としては、ゲート金属化電極の形成を行い、次にそのゲート金属化電極上にゲート絶縁膜を形成することを伴う。主として非炭素の金属クラスターの超薄層が、ゲート絶縁膜上に形成される。有機半導体を含む活性層が、金属クラスター表面にコーティング又は印刷され、次にソース電極及びドレイン電極が形成されて、上側接触ＴＦＴが形成される。

絶縁体−半導体界面で不連続的導電性クラスター薄層を利用するプロセス及び構造は、特に、印刷プロセスなどの低コストのパターニング手法と適合性があるが、分解能は限定されている。導電性クラスター層は、印刷による物理的に長いチャネル長さを、効果的に短縮することができる。よって、絶縁体−半導体界面に少なくとも部分的に導電性クラスターの薄層を利用することにより、安価なパターニング手法の低い分解能を補うことができる。

活性層（１つ以上の材質層を含み得る）は、小分子有機半導体若しくは溶液系有機半導体などの有機半導体、又は有機半導体と高分子若しくは無機半導体とのブレンドを含む。１つの実施形態において、活性層は低分子量の有機半導体を含み得る。別の実施形態において、活性層は高分子有機半導体を含み得る。別の実施形態において、活性層は有機半導体と高分子とのブレンドを含み得る。

いくつかの実施形態において、カーボンナノチューブを、半導体材料、又は半導体と高分子とをブレンドした材料に分散させて、活性層中に不連続的三次元導電経路が形成される。活性層に適した材料のいくつかの例は、以下に詳述される。

導電性クラスターの材料選択には数多くの選択肢があり、これには例えば、主として非炭素の金属材料、金属、又は金属酸化物が含まれ得る。クラスター材料の選択は、好ましくは、活性層を形成するのに用いられる半導体のタイプを考慮して行われる。導電性クラスターと有機半導体との間にオーム性接触が形成されるのが望ましい。例えば、ｐ型半導体については、クラスター材料は、金、パラジウム、白金などの高仕事関数材料から選択することができる。ｎ型半導体については、アルミニウム、銀、カルシウムなどの低仕事関数材料から選択することができる。クラスター材料には、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が含まれ得る。電気的導電性クラスターを伴う又は伴わない、非常に希薄なＣＮＴ分散液を、表面にコーティングすることにより、不連続的導電性経路を形成することができる。ＣＮＴの仕事関数により、ほとんどのｐ型有機半導体とのオーム性接触を形成することができる。

いくつかの実施形態において、導電性クラスターの界面層には、複数の副層が含まれてもよい。例えば、界面層には、第一材料の第一副層、及び第二材料の第二副層が含まれ得る。これら副層のクラスターの材料、特性、及び／又は物理的寸法は、同じであってもよく、あるいは、ある副層のクラスターは、別の副層のクラスターとは異なる材料、特性、及び／又は寸法を有してもよい。

先に論じたように、界面導電性クラスターを有するＴＦＴは、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇの連続的走査を行った場合、再現性の改善が示される。閾値電圧は、導電性クラスターのないＴＦＴに比べ、導電性クラスターを含むＴＦＴの方が変動が少ない。更に、導電性クラスターを含まない同等品に比べ、導電性クラスターを含むＴＦＴの方が、高いキャリア移動度及びＯＮ／ＯＦＦ電流比が得られる。

本発明のいくつかの実施形態では、半導体材料内に分散したカーボンナノチューブを伴う導電性クラスターの界面層を採用している。図４に示すＴＦＴ構成は、図２Ａの構成に似ているが、カーボンナノチューブ４５１が活性層４５０に分散している。例えば、低パーセンテージの単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）を、可溶性ＴＩＰＳペンタセン（（トリアルキルシリル）エチニル基で置換されたペンタセン、例えば、２つの（トリイソプロピルシリル）エチニル基で置換されたペンタセンなど）、又はポリチオフェン半導体マトリックスに分散させ、ＴＦＴの活性層を形成することができる。ＳＷＣＮＴを半導体マトリックスに含めると、有効キャリア移動度が大幅に増大し、ＯＮ／ＯＦＦ電流比はわずかしか低下しない。有機半導体マトリックス中のＳＷＣＮＴの量は、マトリックス中の三次元導電性経路の形成を防ぐために、浸透閾値を下回っていなければならない。ＳＷＣＮＴ、並びに、図２Ｂ及び図２Ｃに類似の構成又はその他の構成を有するゲート絶縁体と活性層との間に導電性クラスターの界面層を採用したＴＦＴも、構築することが可能である。

特定の理論に束縛されるものではないが、半導体マトリックス内のＳＷＣＮＴの金属部分を経由した部分的導電性ネットワークは、ソースとドレインとの間のチャネル長さを効果的に短縮する。これは、ＳＷＣＮＴを含まない有機半導体で起こるような典型的なホッピング／散乱による輸送プロセスを介することなく、キャリアがＳＷＣＮＴ内を弾道的に流れることができるからである。よって、ＳＷＣＮＴを活性層に含めることにより、キャリア移動度及びＴＦＴの相互コンダクタンスが効果的に増大する。

分散ＳＷＣＮＴを組み入れたＴＦＴの動作パラメーターは、活性層の材料組成を制御することにより改善することができる。商業サプライヤから購入したＳＷＣＮＴにおけるＳＷＣＮＴ長さの分布は、非常に幅広い。マトリックスに組み込まれたＳＷＣＮＴの装荷パーセンテージは、得られたＳＷＣＮＴの特性によって非常に異なり得る。ＳＷＣＮＴは、有機半導体に十分に分散していなければならない。マトリックス内にＳＷＣＮＴの塊があると、ＴＦＴ性能を低下させ得る。

有機半導体の活性層マトリックス内に最小限の割合のＳＷＣＮＴを分散させた場合であっても、しばしば、絶縁性基材を濡らすことができないブレンド溶液が生じることがある。活性層を蒸着させてトランジスタを形成するには、絶縁性基材を濡らすことが必要である。絶縁体−活性層の界面に、導電性クラスターの薄層（例えば約１０Å又は約５Åの厚さを有する層）を含めると、ＳＷＣＮＴ／有機半導体ブレンド溶液の濡れ特性を劇的に改善することができ、その結果、高収率でＴＦＴが得られる。導電性クラスターの界面層と、有機半導体溶液内にＳＷＣＮＴを含めたブレンド活性層材料との組み合わせにより、高収率の堅牢な有機ＴＦＴが実現する。溶液系の上側接触ＴＦＴは、１．３ｃｍ^２／Ｖ・ｓを上回るキャリア移動度、７×１０^３を上回るＯＮ／ＯＦＦ電流比、及び１０^−４アンペアを上回るドレイン電流を示す。

先に論じられたように、分散した導電性クラスターの界面層を組み入れることにより、ＳＷＣＮＴの有無を問わず、有機系ＴＦＴのキャリア移動度及び相互コンダクタンスが改善される。更に、ソースドレイン電流対ゲート電圧の再現可能な走査において、より高いＯＮ／ＯＦＦ電流比及びより安定した閾値電圧が観察されている。この後に半導体溶液のコーティングを行う際、濡れ特性が改善されていることは、絶縁層に金属クラスターを挿入することによる有益な副産物である。界面層のクラスター性のため、二次元平面において、クラスターによる連続的な導電性経路は形成されない。金属層の厚さを制御することにより、すなわちクラスターの大きさ及び密度を制御することにより、漏れ電流を抑制することができる。

導電性クラスターの界面層と、カーボンナノチューブを含まない活性層とを使用したＴＦＴの製造は、特定の利点を有する。例えば、ＳＷＣＮＴは高価であり、その寸法はサプライヤによって異なり得るため、デバイス特性を制御するのは更に複雑になり得る。しかしながら、絶縁体−半導体界面に導電性クラスター界面層を用いることに加えて、半導体マトリックス内にＳＷＣＮＴを組み込むことにより、デバイスの性能が更に改善される。例えば、半導体層に分散させたＳＷＣＮＴと、界面層との両方を用いた、溶液系の上側接触ＴＦＴでは、移動度、ＯＮ／ＯＦＦ電流比及びドレイン電流の向上が示されている。

例：ＳＷＣＮＴのないＴＦＴに関して、３種類のｐ型有機半導体（ここでＡ、Ｂ、Ｃとする）を、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）で処理したＳｉＯ_２／ｐ−Ｓｉ／Ａｌ又はＳｉＯ_２／ｎ^＋−Ｓｉ／Ａｌ表面上に５Å又は１０Åの金クラスターを真空蒸着した基材上で、及びＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２／ｐ−Ｓｉ／Ａｌ表面だけ又は裸のＳｉＯ_２／ｎ^＋−Ｓｉ／Ａｌを有する同じ基材上で、試験が行われた。ＨＭＤＳは、電圧バイアスがかかったときに、有機半導体がより導電性になるよう、分子の整列を助ける。

３つのタイプの有機半導体材料Ａ、Ｂ、及びＣはそれぞれ、ジクロロベンゼン（ＤＣＢ）中に溶解された。これら３つの材料の化学構造は以下の図の通りである。

Ａ．ポリ（３，４−ジヘキシルチオフェン−ａｌｔ−２，６−アントラセン）−ＤＣＢ中にＡを１．２重量％溶解。

Ｂ．ポリ（３，４−エチレンジオキシ−２，５−チオフェン−ａｌｔ−９，１０−ｂｉｓ［（トリイソプロピルシリル）エチニル］−２，６−アントラセン）−ＤＣＢ中にＢを２重量％溶解。

Ｃ．ＴＩＰＳ−ペンタセン−ＤＣＢ中にＣを１重量％、及びポリスチレンを２．５重量％溶解。

ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２上に金クラスターを蒸着した場合、３つの溶液系有機半導体すべてにおいて濡れ性が改善された。金クラスターがない領域では、３つの有機溶液の濡れ性は、乏しいか、又は表面をまったく濡らすことがなかった。ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２上に金クラスターを有する場合、及びＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２のみの場合の両方を有する基材上に、有機半導体をスピンコーティングした場合も、同じ影響が観察された。

例１．例１は界面層を形成する導電性クラスターの不連続構造を示す。厚さ約１０Åの金クラスター層が、ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２表面上に真空蒸着された。タッピングモードを使用して撮影した、この表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を図５に示す。図５で、色の薄い部分が金クラスターである。図５には、金クラスターが連続した導電性経路を形成していないことが明白に示されている。図６は、図５の表面の段差プロットであり、金クラスターの段差高さが２ｎｍ未満であることを示す。

例２．例２は、導電性クラスターの界面層を有するＴＦＴが、同様のＴＦＴで導電性クラスターの界面層をもたないものと比較して、移動度が高いことを示す。１０Åの金クラスターを有する及び有さない有機半導体溶液Ｂから製造された、同じチャネル幅及び長さ（Ｗ／Ｌ）を有するＴＦＴが製造された。図７Ａは、絶縁体−半導体界面に１０Åの金クラスターを含む、半導体Ｂから製造したＴＦＴについて、ドレイン電流（Ｉ_ｄ）対ゲート電圧（Ｖ_ｇ）特性のプロット７０５、

対Ｖ_ｇ特性のプロット７１０、及びゲート電流（Ｉ_ｇ）対Ｖ_ｇ特性のプロット７１５を示す。図７Ａには、金クラスターを有さない半導体Ｂから製造されたＴＦＴについて、ドレイン電流（Ｉ_ｄ）対ゲート電圧（Ｖ_ｇ）特性のプロット７２０、

対Ｖ_ｇ特性のプロット７２５、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性のプロット７２７も示されている。これらの特性の解析により、界面に金クラスターを有するＴＦＴは、移動度（３．８×１０^−５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）及びＯＮ／ＯＦＦ電流比（４．７×１０^４）が、金クラスターを有さないＴＦＴの移動度（１．１×１０^−５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）及びＯＮ／ＯＦＦ電流比（１．１×１０^４）よりも高いことが示される。

これら２つのパラメーターの改善は、有機半導体溶液Ｃを活性層として用いたＴＦＴについても観察された。図７Ｂは、半導体溶液Ｃから製造され、ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２絶縁体上に５Åの金クラスターを含むＴＦＴについて、Ｉ_ｄ対ゲート電圧Ｖ_ｇ特性のプロット７３０、

対Ｖ_ｇ特性のプロット７３５、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性のプロット７４０を示す。図７Ｂは、金クラスターの界面を含まない、ＳｉＯ_２絶縁体上の半導体溶液Ｃから製造されたＴＦＴについての、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性のプロット７４５、

対Ｖ_ｇ特性のプロット７５０、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性のプロット７５５も示す。半導体ＣはＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２絶縁体を濡らさず、したがって信頼性のあるデバイスは製造できなかった。これらの特性の解析により、界面に金クラスターを有するＴＦＴは、移動度（０．１７ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）及びＯＮ／ＯＦＦ電流比（３．１×１０^４）が、金クラスターを有さないＴＦＴの移動度（０．０２ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）及びＯＮ／ＯＦＦ電流比（１．６×１０^３）よりも高いことが示される。

チャネル内の正孔輸送は、キャリアが金クラスター領域に入って有機半導体とオーム性接触を形成する際に、弾道的運動により行われる。さまざまな有機分子にある正孔によるホッピング、及び非晶質構造における散乱は、キャリアが金クラスター内にある間は起こらない。よって、金クラスターの大きさ及び密度が、導体の移動時間を短縮できる割合に寄与する。導体の移動時間の短縮は、チャネル長さの効果的な短縮としても表現される。

例３．例３は、導電性クラスターの界面層を有するＴＦＴが、同様のＴＦＴで導電性クラスターの界面層を有さないものと比較して、優れた再現性を有することを示す。ＴＦＴは、ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２表面上に蒸着された１０Åの金クラスター上にスピンコーティングされた有機半導体Ａ上に、カプトン（Kapton）シャドーマスクを通して約８００Åの金を蒸着させることにより、上側にソース接触及びドレイン接触（Ｗ／Ｌ＝１１２０μｍ／１１０μｍ）をパターン化させて製造された。図８Ａは、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性８１１〜８１４、

対Ｖ_ｇ特性８２１〜８２４、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性８３１〜８３４を示すが、これらは４つの別個の走査において、閾値電圧Ｖ_ｔ（約−２０．６±０．５ボルトに等しい）の大きな変化が観察されることなく、互いにほぼ重なり合う。

対照的に、同じ有機半導体溶液Ａを、ＨＭＤＳ処理されただけのＳｉＯ_２表面にスピンコーティングして、前に構成されたものと同じＷ／Ｌ比を有するが、界面金クラスターがないＴＦＴを形成した。図８Ｂは、このＴＦＴ構成に関する３回の連続走査における、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性８４１〜８４３、

対Ｖ_ｇ特性８５１〜８５３、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性８６１〜８６３を示す。これらの走査は、トランジスタ特性を時を異にして走査した際、閾値電圧が大きく変化したことを示しており、

対Ｖ_ｇ特性曲線８５３により示される約−３．５ボルトから、

対Ｖ_ｇ特性曲線８５２では約−２４．５ボルト、

対Ｖ_ｇ特性曲線８５１では約２５．８ボルトに変化している。

例４．例４は、チャネル長さに対する導体クラスターの界面層の影響を示す。

所与の表面上で、所与の厚さに超薄の金を真空蒸着したものについて、クラスターの大きさ及び密度の統計的分布が、広範囲にあらかじめ定められている。金クラスターの界面層を組み入れたＴＦＴについては、最適のチャネル長さがある。チャネル長さが短縮されると、ソース電極からドレイン電極に、蒸着された超薄層の金を通る連続した導電性経路が存在する確率が高まる。チャネル長さが十分に短ければ、ＴＦＴは高い漏れ電流を有する可能性があり、これによりＯＮ／ＯＦＦ電流比が低くなる。

図９Ａは、金クラスターを含み、有機半導体Ａを用い、３つのＷ／Ｌ比がそれぞれ、１１２０μｍ／１１０μｍ（プロット９１１、９２１、９３１）、５００μｍ／５７μｍ（プロット９１２、９２２、９３２）、及び４００μｍ／４７μｍ（プロット９１３、９２３、９３３）であるＴＦＴの、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性９１１〜９１３、

対Ｖ_ｇ特性９２１〜９２３、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性９３１〜９３３を示す。チャネル長さ４７μｍで、Ｉ_ｄの基線は、閾値電圧より前の、より短いＬで増加した。ＯＮ／ＯＦＦ電流比は、Ｌ＝１１０μｍのとき３．９×１０^３であり、Ｌ＝４７μｍで４．４に減少した。

図９Ｂは、金クラスターを含み、有機半導体Ｃを用い、３つのＷ／Ｌ比がそれぞれ、１１２０μｍ／１１０μｍ（プロット９４１、９５１、９６１）、５００μｍ／５７μｍ（プロット９４２、９５２、９６２）、及び４００μｍ／４７μｍ（プロット９４３、９５３、９６３）であるＴＦＴの、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性９４１〜９４３、

対Ｖ_ｇ特性９５１〜９５３、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性９６１〜９６３を示す。キャリア移動度（３．６×１０^−２ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）及びＯＮ／ＯＦＦ電流比（１．７×１０^５）を有するＴＦＴは、チャネル長さＬ＝５７μｍで最高の性能を示した。Ｌ＝４７μｍのとき、ＯＮ／ＯＦＦ電流比は８．７×１０^３に下がり、キャリア移動度も低下した。

例５及び例６は、半導体マトリックス内に分散したＳＷＣＮＴを有するＴＦＴに関するものである。これらの例は、一般的なタイプの基材である１，０００ÅのＳｉＯ_２／ｐ−Ｓｉ／Ａｌを有する。ホウ素ドーピングされたｐ−Ｓｉは、約５〜３０ｏｈｍ−ｃｍのバルク電気抵抗率を有し、裏側の約５，０００Åのアルミニウムと合わせて、ＴＦＴのゲート電極としての役割を果たす。ＴＩＰＳペンタセン１重量％を、ポリスチレン２．５重量％と共にジクロロベンゼン（ＤＣＢ）に溶かし、塩基性活性層溶液とした。ＴＦＴの活性層は、ＤＣＢ中に０．０１重量％のＳＷＣＮＴ／０．９重量％のＴＩＰＳペンタセン／２．２４重量％のＰＳを含有する混合物を用い、これをナイフコーターで上記の基材にコーティングすることにより、形成された。

例５．例５は、ＳｉＯ_２上の活性層として有機半導体にＳＷＣＮＴをブレンドしたＴＦＴに関するものである。

ＳＷＣＮＴは、部分的精製されたものがカーボン・ナノテクノロジーズ社（Carbon Nanotechnologies Incorporated、テキサス州ヒューストン）から購入された。より純粋なＳＷＣＮＴを得てＤＣＢへの分散を促進するために、更なる精製プロセスが実施された。この精製プロセスは次の通り行われた。

単一壁のカーボンナノチューブ（１．６０９ｇ）を、硝酸（３Ｍ、６０ｍＬ）中に懸濁させた。この懸濁液を１２０℃で４時間還流させた。懸濁液を室温に冷ましてから、濾過によりＳＷＣＮＴを回収し、中性になるまでＤＩ水で洗浄した。固形物を８０℃で一晩乾燥させ、更に空気中で３０分間、４８０℃で加熱した。高温加熱により非晶質炭素を燃やした後、黒い固形物のＳＷＣＮＴが０．９６１ｇ得られた。次に、この黒い固形物のＳＷＣＮＴをＨＮＯ_３（３Ｍ、６０ｍＬ）中で１２０℃において１時間還流させた。室温に冷ました後、濾過により固形物を回収し、中性になるまでＤＩ水で洗浄した。このようにして、更なる乾燥後、０．９５９ｇの固形物が得られた。

この精製したＳＷＣＮＴをＤＣＢ中で０．１重量％に調製した。変性活性層を形成するために、この溶液を数日間、超音波で振盪してから塩基性活性層溶液とブレンドして、ＤＣＢ中に０．０１重量％のＳＷＣＮＴ／０．９重量％のＴＩＰＳペンタセン／２．２４重量％のＰＳを得た。

少量であってもＳＷＣＮＴを含有する上記溶液を、ＳｉＯ_２又はＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２表面にナイフコーティングしたときに、製造上の問題が生じた。少量であってもＳＷＣＮＴをＳｉＯ_２又はＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２表面にナイフコーティングしたとき、非常に不良な濡れ性が発生した。濡れ性の悪さから、対象のＴＦＴの収率は非常に低かった。実際に使えるデバイスは、ＳＷＣＮＴを有さないＴＦＴに比べ、性能が劣っていた。

図１０は、ＳｉＯ_２／ｐ−Ｓｉ／Ａｌ基材上、ＤＣＢ中０．０１重量％のＳＷＣＮＴ／０．９重量％のＴＩＰＳペンタセン／２．２４重量％のＰＳを含有するナイフコーティング溶液から製造されたＴＦＴの、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性１０１０、

対Ｖ_ｇ特性１０２０、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性１０３０を３回別個に走査した結果を示す。この試料から得られた１つの明確な結果は、同じＴＦＴの３回の連続走査によって、大きな閾値電圧の変化が観察されなかったことである。しかしながら、特にチャネル長さが短いＴＦＴ（この例では３２μｍ）の場合、又は活性溶液中のＳＷＣＮＴ濃度が高い場合に、かなり低いＯＮ／ＯＦＦ電流比（この例では約１００程度）がしばしば観察された。

例６．例６では、活性層として有機半導体にＳＷＣＮＴをブレンドしたＴＦＴが、ゲート絶縁体上に蒸着させた金属クラスター上に製造された。

少量であってもＳＷＣＮＴを含有する活性溶液が、非常に濡れ性が悪くなる問題は、裸のＳｉＯ_２表面、ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２表面、又は他の高分子ゲート絶縁体表面上に金属クラスターの超薄層を蒸着させることにより、解決された。

更に、ゲート絶縁体と有機半導体との界面にある金属クラスターは、キャリアを弾道的に輸送するための追加の導電性セグメントに寄与する。

よって、ゲート絶縁体と半導体との界面にある有機ホスト及び金属クラスター中でＳＷＣＮＴの三次元導電経路及び二次元導電経路をそれぞれ利用することにより、より良い性能を示すＴＦＴが製造された。

図１１及び図１２は、異なる日に製造された２つの異なるそのようなＴＦＴを示す。ＴＦＴ性能の顕著な改善が示されていることが明らかである。また、キャリア移動度が高く、閾値電圧変化が少なく、妥当な高さのＯＮ／ＯＦＦ電流比を有するＴＦＴを高収率で製造できる、確固たる製造プロセスが開発されたことがこれで明らかである。

図１１は、Ｗ／Ｌ＝２００μｍ／２７μｍのＴＦＴの、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性１１１０、

対Ｖ_ｇ特性１１２０、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性１１３０を４回連続して走査した結果を示す。ＴＦＴは、ＤＣＢ中０．０１重量％のＳＷＣＮＴ／０．９重量％のＴＩＰＳペンタセン／２．２４重量％のＰＳを含む活性溶液をマルチパスナイフコーティングすることにより製造された。基材は、５Åの金クラスター／ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２（３，０００ｒｐｍでスピン）であった。特性プロット１１１０、１１２０、１１３０は、ＴＦＴの移動度が０．４ｃｍ^２／Ｖ・ｓを上回り、ＯＮ／ＯＦＦ電流比が３×１０^４〜１．７×１０^５であることを示している。閾値電圧の変化は０．１Ｖ以内である。

より高いキャリア移動度と、妥当な高さのＯＮ／ＯＦＦ電流比を達成するための折り合い点として、所与のチャネル長さに対する、活性溶液におけるＳＷＣＮＴの濃度と金クラスターの密度との最適の組み合わせが存在する。

図１２は、５Åの金クラスター／ＨＭＤＳ処理されたＳｉＯ_２上に構築された同じＷ／Ｌ＝５００μｍ／５７μｍの試料で、活性層中にＳＷＣＮＴを含有する５つのＴＦＴの、Ｉ_ｄ対Ｖ_ｇ特性１２１１〜１２１５、

対Ｖ_ｇ特性１２２１〜１２２５、及びＩ_ｇ対Ｖ_ｇ特性１２３１〜１２３５を示す。これら５つの溶液系ＴＦＴすべてについて、１ｃｍ^２／Ｖ・ｓを上回る移動度が達成され、ＯＮ／ＯＦＦ電流比は１０^３を超えた。この例で試験されたＴＦＴの中で、最高の移動度は１．４ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、これは真空蒸着によって形成されたペンタセン又は非晶質ケイ素ＴＦＴの性能に匹敵する。

本発明の様々な実施形態の上述の説明を、例証及び説明の目的で提示してきた。これまでの記述は、包括的であることも、開示されたそのままの形態に本発明を限定することも意図しない。以上の教示を考慮すれば、多くの修正形態及び変形形態が可能である。例えば、本発明の実施形態は、ナノ粒子（金及びその他）を使用して金属クラスターを形成するなど、幅広いさまざまな製造手法に利用することができる。本発明の範囲は、発明を実施するための形態によってではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図される。

Claims (20)

1. 半導体を含む活性層と、
   該活性層に電気的に接合するゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触と、
   該ゲート接触に対して配置されるゲート絶縁体と、
   該ゲート絶縁体と該活性層との間に配置される、不連続的導電性クラスターの層と、
   を含む、電界効果トランジスタ。
2. 前記導電性クラスターの層が、絶縁性材料の表面に配置される、請求項１に記載のトランジスタ。
3. 前記電界効果トランジスタがチャネルを含み、
   前記導電性クラスターの層が、該チャネルの有効長さを短縮する複数の導電性領域を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
4. 前記活性層が、溶液系有機半導体材料の１つ以上の層を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
5. 前記活性層が、高分子半導体の１つ以上の層を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
6. 前記活性層が、低分子量有機半導体の１つ以上の層を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
7. 前記活性層が、有機半導体と高分子とのブレンドの１つ以上の層を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
8. 前記導電性クラスターの層が、主として非炭素の金属材料を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
9. 前記導電性クラスターの仕事関数が、前記活性層とのオーム性接触を形成させる、請求項１に記載のトランジスタ。
10. 前記導電性クラスターの層が、該導電性クラスターの層のいずれかの面に配置された複数の層の間の接触を向上させる濡れ層を供給するよう構成される、請求項１に記載のトランジスタ。
11. 半導体材料及びカーボンナノチューブを含む活性層と、
    該活性層に電気的に接合するゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触と、
    該ゲート接触に対して配置される絶縁性材料と、
    該絶縁性材料と該活性層との間に配置される、不連続的導電性材料の層と、
    を含む、電界効果トランジスタ。
12. 前記不連続的導電性材料の層が、導電性クラスターの層のいずれかの面に配置された複数の層の間の接触を向上させる濡れ層を供給するよう構成される、請求項１１に記載のトランジスタ。
13. 前記不連続的導電性材料の層が、前記絶縁性材料の表面に配置される、請求項１１に記載のトランジスタ。
14. 前記活性層が、溶液系有機半導体材料の１つ以上の層を含む、請求項１１に記載のトランジスタ。
15. 前記不連続的導電性材料の仕事関数が、前記活性層とのオーム性接触を形成させる、請求項１１に記載のトランジスタ。
16. ゲート接触、ソース接触、及びドレイン接触を有する電界効果トランジスタの製造方法であって、
    半導体を含む活性層を形成することと、
    該活性層と該ゲート接触との間に絶縁体を形成することと、
    該絶縁体と該活性層との間に不連続的導電性クラスターの層を形成することと、
    を含む、方法。
17. 前記活性層の形成が、前記活性層、前記絶縁体、又は前記接触の１つ以上を印刷することを含み、
    前記不連続的導電性クラスター層の形成が、前記不連続的導電性クラスター層を前記絶縁体上に配置又は印刷することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記不連続的導電性層の形成が、
    前記活性層とオーム性接触を形成する仕事関数を有する導電性材料の選択と、
    選択した該導電性材料を用いた前記不連続的導電性層の形成と、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記活性層の形成が、溶液系有機半導体を用いた前記活性層の形成を含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記活性層の形成が、有機半導体及びカーボンナノチューブを用いた前記活性層の形成を含む、請求項１６に記載の方法。

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