JP2013038127A - 有機トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ソース、ドレイン電極と有機半導体層の間の接触抵抗を低減して、短チャネル化により高速応答性能を向上させ、かつ、短チャネル化に伴うソース、ドレイン電極とゲート電極間の短絡の発生を回避可能とする。
【解決手段】絶縁性の基板と、基板上に相互間に間隔を設けて配置され、各々台状平面を形成する一対の絶縁性の台座２、３と、一方の台座が形成する台状平面上に設けられたソース電極４と、他方の台座が形成する台状平面上に設けられたドレイン電極５と、一対の台座の間の基板上に設けられたゲート電極６と、ソース電極及びドレイン電極の上面に接触させて配置された有機半導体層７とを備える。ゲート電極と有機半導体層の下面とはギャップ領域８を介在させて上下方向に対向し、ギャップ領域に面する台座の側面は、上側端縁に対して下側端縁がゲート電極から遠ざかる側に後退した形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機半導体を活性層に用いた有機トランジスタに関し、特に、チャネル長を短くすることにより応答性能を向上させるのに適した素子構造を有する有機トランジスタに関する。

有機半導体材料は、近年ではアモルファスシリコンと同等の移動度を示す例も報告されており、これら有機半導体を活性層に用いた有機トランジスタは、非常に高温の製造プロセスを必要とせず、低価格、低環境負荷の製造装置で簡単に素子を製造できるという利点を有するため、新しいエレクトロニクス産業を担う半導体素子として期待されている。

有機トランジスタの応答速度を向上させるためには、ソース電極とドレイン電極間の距離であるチャネル長を短くすることが必須である。しかし、チャネル長を短くすると、有機半導体層とソース、ドレイン電極との間の接触抵抗が、チャネル抵抗に対する割合において大きくなるため、チャネル長を短くしてもトランジスタの動作速度の向上が制限されてしまう。このため、現在までに報告されている大気中安定な有機トランジスタの応答性能は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度までの低い値に留まっている。

チャネル長を短くしたときの有機半導体層とソース、ドレイン電極との間の接触抵抗の影響について、図１０を参照してより詳細に説明する。図１０は、有機トランジスタの一般的な構造の一例を示す断面図である。この有機トランジスタでは、絶縁性の基板３１の上にゲート電極３２が設けられ、その上部を被覆してゲート絶縁層３３が形成されている。ゲート絶縁層３３上には、ゲート電極３２の両側に位置させてソース電極３４、ドレイン電極３５が設けられている。ソース電極３４、ドレイン電極３５の上部には有機半導体層３６が設けられている。

この有機トランジスタが応答可能な最高の周波数である遮断周波数ｆ_Cは、一般的には、ゲート電流Ｉ_Gとドレイン電流Ｉ_Dの関係が、｜Ｉ_G｜＝｜Ｉ_D｜となるときの周波数と定義される。

有機トランジスタのｏｎ状態を、ゲート絶縁層３３の両側がゲート電極３２とキャリアが注入された有機半導体層３６とで挟まれているとする、いわゆるコンデンサのモデルで考える。静電容量ＣのコンデンサのインピーダンスＺは、Ｚ＝１／（ｊ・ω・Ｃ）（但しｊは虚数単位、ωは角周波数）と表されるので、ゲート容量をＣ_G、ゲート電極３２に印加されるゲート電圧をＶ_Gとすると、
｜Ｉ_G／Ｖ_G｜＝ωＣ_G
すなわち、
｜Ｉ_G｜＝ωＣ_G｜Ｖ_G｜ （１）
と表すことができる。

次に、|Ｉ_D|に関して記述する。図１０の構成において、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷ、ソース電極３４とドレイン電極３５間の電気抵抗をＲ（＝Ｒ_PS＋Ｒ_CH＋Ｒ_PD）とする。Ｒ_PSは、ソース電極３４から有機半導体層３６へ電荷が移動する際に生じる接触抵抗、Ｒ_CHは、有機半導体層３６のチャネル内のｏｎ状態でのチャネル抵抗、Ｒ_PDは、有機半導体層３６からドレイン電極３５へ電荷移動する際の接触抵抗である。

ここで、ある固体中の電気伝導率σは、電子密度をｎ、電気素量をｅ、固体中での電荷移動度をμとして、σ＝ｎｅμで表される。上述のコンデンサモデルを考えると、チャネルの単位面積あたりに存在する電荷量ｎｅは、ｏｎ状態の有機トランジスタのチャネル単位面積あたりのゲート容量をｃ_iとして、下記のとおりに表わされる。

ｎｅ＝ｃ_iＶ_G
有機半導体材料３６とソース、ドレイン電極３４、３５との間の接触抵抗が無視できるとき、
Ｒ＝Ｒ_CH＝（１／σ）×（Ｌ／Ｗ）
となり、ソース電極３４からドレイン電極３５に流れるドレイン電流Ｉ_Dは、σ＝ｎｅμより、ドレイン電圧をＶ_Dとして、下記の式（２）により表すことができる。

Ｉ_D＝Ｖ_D／Ｒ_CH＝σ（Ｗ／Ｌ）Ｖ_D＝（ｃ_iＶ_Gμ）（Ｗ／Ｌ）Ｖ_D （２）
従って、式（１）、式（２）より、｜Ｉ_G｜＝｜Ｉ_D｜としてω＝２πｆ_Cを代入すれば、下記の式が得られる。

ｆ_C＝｛μＶ_D／（２πＬ²）｝×（ｃ_iＷＬ／Ｃ_G） （３）
ｃ_iＷＬは、チャネル部分の静電容量に相当し、（ｃ_iＷＬ／Ｃ_G）の項は、チャネル部分の静電容量と、寄生容量を含めたゲート容量全体との比であり、応答速度がこの比に比例することを表している。

式（３）より、電極との接触抵抗が無視できる場合は、チャネル長Ｌを短くすれば、Ｌ²の逆数に比例して、飛躍的に最高動作周波数を上げることができることがわかる。

一方、電極との接触抵抗が無視できない場合については、接触抵抗を加味した見かけ上の移動度μ_eff（以下、実効移動度と記す）を、下記の式（４）を満たすものとして定義する。

Ｉ_D＝Ｖ_D／Ｒ＝（ｃ_iＶ_Gμ_eff）（Ｗ／Ｌ）Ｖ_D （４）
接触抵抗の和をＲ_P＝Ｒ_PS＋Ｒ_PDとし、Ｒ＝Ｒ_CH＋Ｒ_Pとすると、式（２）、式（４）を用いて実効移動度μ_effと材料本来の電荷移動度μとの関係を整理すると、下記の式のように表される。

μ_eff＝μ／｛１＋Ｒ_P×（ｃ_iＶ_Gμ）×（Ｗ／Ｌ）｝ （５）
この式において、接触抵抗Ｒ_P＝０のとき、確かにμ_eff＝μとなることが確認できる。

式（５）より、接触抵抗が存在する場合は、チャネル長Ｌが短くなるとともに、実効移動度μ_effが本来のμ から低下する度合いが増すことが判る。

この場合、遮断周波数ｆ_Cは、
ｆ_C＝｛μ_effＶ_D／（２πＬ²）｝×（ｃ_iＷＬ／Ｃ_G） （６）
となり、短チャネル化とともに実効移動度μ_effが低下してしまう場合は、動作周波数を上げることができないことがわかる。このように、有機トランジスタの動作速度の高速化のためには、接触抵抗の影響を極力低減させて短チャネルデバイスを構築することが、非常に重要である。

ところで、一般的な有機トランジスタの素子構造は、主にトップコンタクト型とボトムコンタクト型の２種類に大別される。トップコンタクト型は、半導体層上のゲート電極側と反対側にソース電極とドレイン電極とが形成された構造、ボトムコンタクト型は、半導体層の下部にソース電極とドレイン電極とが形成された、図１０に示したような構造である。

トップコンタクト型の場合には、ドレイン電流が流れる経路は、上部のソース電極から半導体層中をその厚み方向に流れ、その後チャネル部分を流れた後、再度半導体層中を厚み方向に流れてドレイン電極に至る経路となる。この場合、有機半導体層の厚み方向の移動度は、一般にチャネル方向に比べて移動度が低いことが多いため、有機半導体層を非常に薄くする技術が必要となる。また、トップコンタクト型で、フォトリソグラフィなどの微細加工プロセスを用いてチャネル長の短い構造を作製する場合、有機半導体層を作製した後にフォトリソグラフィプロセスが必要となる。しかし一般的には、フォトリソグラフィのプロセス中に有機半導体層がダメージを受ける場合が多いため、このようなプロセスを採用することができない。このため、チャネル長をあまり短くできず、高速応答性能を得ることが困難であるという課題がある。

ボトムコンタクト型の素子構造の場合、ドレイン電流の経路として有機半導体層の厚み方向は含まれず、ソース、ドレイン電極とチャネル面内を考慮するのみでよい。また、フォトリソグラフィによりソース、ドレイン電極を形成することにより微細な短チャネルを構成した後に有機半導体層を作製できるため、チャネル長をより短くできるという利点がある。しかし、一般的に、ボトムコンタクト型で作製した素子では、電極と有機半導体との間の接触抵抗が、トップコンタクト型に比べて大きいという課題がある。このために、トランジスタの応答速度を上げるために、ボトムコンタクト型を採用しつつ、電極と有機半導体との間の接触抵抗を下げる試みがこれまでに行われている。

例えば、ソース、ドレイン電極となる金電極の上に、膜厚が数ナノメートルの自己組織化単分子膜（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ：ＳＡＭ）を形成することにより、寄生抵抗を抑制する方法や、有機半導体のエネルギー準位と電極の仕事関数を合わせる技術等が提案されている。

また、特許文献１には、金からなるソース、ドレイン電極と絶縁性基板との間に設ける密着層として、金を主成分とした合金、すなわち、金の含有量が、６７原子％以上９７原子％以下の範囲内である合金を採用することが開示されている。ｐ型動作の有機トランジスタのソース、ドレイン電極を形成する材料としては、有機半導体のＨＯＭＯレベルと仕事関数が近い金からなる電極が用いられることが多いが、金は他の材料に対する密着力が低い。このため、金電極と基板との間に密着層を形成する対策が一般に行われているが、この密着層が、ソース、ドレイン電極と有機半導体層との間の寄生抵抗の原因となることが指摘されている。これに対して、特許文献１には、上述のように、金を含む合金を密着層の材料として用いることにより、有機半導体層と電極間の寄生抵抗を低減させる技術が開示されている。しかし、特許文献１に開示された有機トランジスタにおいても、その実効移動度は、０．４〜２．２ｃｍ²／Ｖｓ程度にとどまっている。

これは、ソース電極及びドレイン電極の上面と、両電極間のゲート絶縁層の上面との間の段差の存在が原因と考えられる。すなわち、この段差の領域に形成される有機半導体層は、平坦面と比べると変形しており、分子配向に乱れが生じ、移動度の向上に対する障害となるからである。さらに、そのような有機半導体層の変形は、有機半導体層とソース、ドレイン電極との間の接触抵抗を増大させる原因ともなる。このため、さらにチャネル長が短い条件においては、この分子配向の乱れが避けられなくなり、短チャネルで高い実効移動度を得ることは困難である。

段差に起因する有機半導体層の変形を回避して平坦な状態で有機半導体層を設けるためには、非特許文献１に開示されたギャップ構造を採用することが考えられる。ギャップ構造とは、ボトムコンタクト型の素子構造の一態様である。絶縁性の基板上に段差構造が設けられ、この段差構造の上にそれぞれソース電極とドレイン電極が独立して設けられている。単結晶有機半導体が、段差上面のソース、ドレイン電極の上に支持されており、ソース電極とドレイン電極に亘る単結晶有機半導体が平坦な形状を有する素子構造が形成されている。

ソース電極とドレイン電極間における単結晶有機半導体の下面と基板との間には、空間すなわちギャップが形成される。ソース、ドレイン電極間の基板上に形成されたゲート電極は、ギャップを介して単結晶有機半導体と対向する。ソース、ドレイン電極は、基板上に所定の間隔を設けて形成された一対の台座上に形成され、ゲート電極は、一対の台座間の基板上に形成されている。この素子構造によれば、単結晶有機半導体がゲート電極と空気層を介して対向しているため、従来一般的に用いられている、ゲート絶縁層をなす絶縁性固体と有機半導体とが接する構造を採用する場合に比べて、ゲート絶縁体と有機半導体界面の不純物などに起因する移動度の低下を防ぐことが可能となり、単結晶有機半導体材料の固有の電荷移動度をより正確に求めることができる。

但し、非特許文献１では、ギャップ素子構造は、有機単結晶界面の電子伝導を評価するために採用されたものであり、チャネル長を短くして高速応答を可能にするための構造は開示されていない。

特開２０１０−１３５５４２号公報

"Elastomeric Transistor Stamps: Reversible Probing of Charge Transport in Organic Crystals", Vikram C. Sundar他, p. 1644-1646, Science March 12, 2004, Vol.303

非特許文献１に開示されたギャップ構造であれば、有機単結晶の材料固有の移動度に近い値を測定することが可能であり、チャネル長が長い場合に高い移動度を得ることが可能である。しかし、非特許文献１におけるギャップ素子構造は、有機単結晶界面の電子伝導を評価するために採用されたものであるため、トランジスタ応答の高速化を実現するために、短チャネル長でかつ接触抵抗が小さい素子構造を実現するための技術や具体的な構造は全く開示されていない。また、有機半導体の電極近傍での変形を低減する効果についても述べられていない。

ギャップ構造においてチャネル長を短くしようとすると、ソース電極とゲート電極間、或いはドレイン電極とゲート電極間の短絡が発生し易いという課題がある。チャネル長を短くする場合は、いわゆるグラジュアルチャネル近似を成立させるために、ギャップ構造の段差の高さを低くすることが同時に必要となる。即ち、チャネル長を短くするだけではなく、素子構造全体のスケールダウンが必要となる。

ここで、ギャップ構造を採用したトランジスタを作製するためには、段差壁面の垂直性を高くしておき、段差の真上から一方向に有機半導体分子を蒸着することにより、ソース、ドレイン電極とゲート電極を一度の蒸着で同時に形成する手法が用いられる。このため、段差の高さを低くする場合、分子の蒸着方向をより厳密に垂直の一方向とする必要が生じるが、現実的にこれを実現するのは非常に困難であるために、段差の上面と下面で電気的短絡が生じてしまう。

以上を考慮して、本発明は、チャネル長が短い場合であってもソース、ドレイン電極と有機半導体層の間の接触抵抗を低減し、短チャネル化によりトランジスタ応答性能を向上させ、かつ、短チャネル化に伴うソース、ドレイン電極とゲート電極間の短絡の発生を回避可能な有機トランジスタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の有機トランジスタは、絶縁性の基板と、前記基板上に相互間に間隔を設けて配置され、各々台状平面を形成する一対の絶縁性の台座と、一方の前記台座が形成する前記台状平面上に設けられたソース電極と、他方の前記台座が形成する前記台状平面上に設けられたドレイン電極と、前記一対の台座の間の前記基板上に設けられたゲート電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上面に接触させて配置された有機半導体層とを備え、前記ゲート電極と前記有機半導体層の下面とはギャップ領域を介在させて上下方向に対向し、前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、上側端縁に対して下側端縁が前記ゲート電極から遠ざかる側に後退した形状を有することを特徴とする。

また、本発明の有機トランジスタの製造方法は、絶縁性の基板上に、各々台状平面を形成する一対の絶縁性の台座を相互間に間隔を設けて形成し、一方の前記台座が形成する前記台状平面にソース電極を形成し、他方の前記台座が形成する前記台状平面にドレイン電極を形成するとともに、前記一対の台座の間の前記基板上にゲート電極を形成し、予め作製された有機半導体層を、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上面に接触させて載置して、前記ゲート電極と前記有機半導体層の下面の間にギャップ領域を形成し、前記台座を形成する工程では、前記ギャップ領域に面する前記台座の側面を、上側端縁に対して下側端縁が前記ゲート電極から遠ざかる側に後退した形状とすることを特徴とする。

本発明によれば、有機半導体層をソース、ドレイン電極上に載置して、ゲート電極と有機半導体層間にギャップ領域が設けられた構造を採用することにより、ソース、ドレイン電極の近傍での有機半導体層の平坦度が十分に確保され、ソース、ドレイン電極と有機半導体層の間の接触抵抗が低減されて、短チャネル長であっても高速応答性能を実現できる。また、ギャップ領域における台座の側面が、台状平面側に対して底面側がゲート電極から遠ざかる側に後退した形状を有することにより、ギャップ構造を採用することに伴う、ソース、ドレイン電極とゲート電極間の短絡を容易に回避可能である。

実施の形態１における有機トランジスタの構造を示す断面図 同有機トランジスタの実施例１の特性を従来例と比較して示す図 同有機トランジスタの実施例２の特性を従来例と比較して示す図 同有機トランジスタの製造方法を示す断面図 同有機トランジスタの他の構造例を示す断面図 実施の形態２における有機トランジスタの構造を示す断面図 同有機トランジスタの製造方法を示す断面図 実施の形態３における有機トランジスタの構造を示す断面図 同実施の形態における有機トランジスタの構造の他の例を示す断面図 実施の形態４における有機トランジスタの構造を示す断面図 同実施の形態における有機トランジスタの構造の他の例を示す断面図 従来例の有機トランジスタの問題点を説明するための断面図

本発明の有機トランジスタは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、前記下側端縁から前記上側端縁に向かって逆テーパを形成している構成とすることができる。この場合、前記ソース電極と前記ドレイン電極間のチャネル方向を含むチャネル方向断面における前記台座の形状は、逆メサ型とすることができる。

また、前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、前記ゲート電極に対向する部分を含む前記下側端縁の側の一定高さの領域が、当該領域よりも前記上側端縁の側に対して段差を形成して後退し、逆階段状となっている構成とすることができる。

或いは、支持基板上に前記有機半導体層が形成された半導体層部材を備え、前記有機半導体層側の面を前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対向させて、前記半導体層部材が前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に載置されている構成とすることができる。

また、前記ギャップ領域中の少なくとも一部が絶縁性固体からなり、前記絶縁性固体の誘電率が１よりも大きい構成とすることができる。

また、前記ギャップ領域の全域がイオン液体からなる構成とすることができる。あるいは、前記ギャップ領域中の、少なくとも前記有機半導体層に接する部分が前記絶縁性固体からなり、前記絶縁性固体以外の部分がイオン液体からなる構成とすることができる。

また、前記ソース電極と前記ドレイン電極間の距離であるチャネル長Ｌが２０μｍ以下であることが好ましい。

また、前記台座の高さｄが、前記チャネル長Ｌに対して、ｄ≦Ｌ／２μｍの関係を満足することが好ましい。

本発明の有機トランジスタの製造方法は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、支持基板上に前記有機半導体層を形成した半導体層部材を作製し、前記有機半導体層側の面を前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対向させて、前記半導体層部材を前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に載置する工程を用いることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における有機トランジスタの構造を示す断面図である。この有機トランジスタは、絶縁性の基板１の上に形成された一対の台座２、３を有する。台座２、３は、基板１の上面に対して段差を有する台状平面２ａ、３ａを形成し、相互間に間隙を設けて対向している。

一方の台状平面２ａ上にはソース電極４が設けられ、他方の台状平面３ａ上にはドレイン電極５が設けられている。台座２、３間の間隙中の基板１上には、ゲート電極６が設けられている。ソース電極４及びドレイン電極５の上面に接触させて、有機半導体層７が配置されている。この構成によれば、基板１の上面、台座２、３の側面、及び有機半導体層７の下面により囲まれた空間がギャップ領域８を形成している。従って、基板１上に形成されたゲート電極６が、ギャップ領域８を介して有機半導体層７と対向したギャップ構造が形成されている。なお、図１に示される構成では、ギャップ領域８は空気層であるが、ギャップ領域は、乾燥窒素等の気体が充填された構成、あるいは後述するように、少なくとも一部に絶縁性固体等が充填された構成とすることもできる。

図１の断面形状は、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル方向を含む断面を示したものである。この断面形状において、台座２、３は逆メサ構造を有する。逆メサ構造とは、台形状の断面を有する順メサ構造に対する上下逆の構造を意味し、逆台形状の断面構造である。言い換えれば、ギャップ領域８に面する台座２、３の側面は、その下側端縁（底面側、すなわち基板１側の端縁）から、上側端縁（上面側、すなわち台状平面２ａ、３ａ側）に向かって、逆テーパ形状を形成している。

台座２、３のこのような形状は、ギャップ領域８に面する台座２、３の側面に、本発明に特有の形状、すなわち、上側端縁に対して下側端縁がゲート電極６から遠ざかる側に後退した形状を与えるために採用される。この形状は、ゲート電極６がギャップ領域８を介して有機半導体層７と対向した構造において短チャネル化を図ることに伴う、ソース電極４及びドレイン電極５と、ゲート電極６間の短絡を回避するために有効である。

すなわち、ギャップ構造を持つトランジスタを作製するためには、ソース、ドレイン電極４、５、及びゲート電極６を、１度の成膜により同時に形成することが効率的である。しかし、チャネル長が短い構造を採用するために素子サイズ全体を縮小する場合、同時に基板１と有機半導体７との間の距離、即ち台座２、３の高さも低くする必要があるため、台状平面２ａ、３ａ及び台座２、３間の基板１面上に同時に形成される電極は、成膜中に互いに繋がり易くなる。これが、チャネル長を短くするのに伴う短絡発生の原因である。特に、台座２、３の側面が垂直あるいは順テーパを有する台形状（順メサ）であると、台状平面２ａ、３ａ上、及び台座２、３間の基板１面上に成膜される電極層は繋がり易い。これに対して、台座２、３の側面形状が上述のような状態であれば、成膜される電極どうしが繋がり難くなり、電気的短絡を回避できる。

なお、電気的短絡を回避する効果を得るためには、台座２、及び台座３がギャップ領域８に面する側面のうちの少なくとも一部分が逆テーパ状であればよく、必ずしも全体として逆メサ型である必要はない。また、電極の短絡を防止するための台座２、３の側面の形状は、逆テーパ形状に限られない。他のどのような形状であっても、ギャップ領域８に面する台座２、３の側面に、上側端縁に対して下側端縁がゲート電極６から遠ざかる側に後退した形状を与えることができれば、電気的短絡を防止する効果を得ることができる。

有機半導体層７としては、予め作製した単独の有機半導体層、あるいは支持基板上に有機半導体層を形成したものを用いる。そして、基板１上に形成されたソース、ドレイン電極４、５上に、有機半導体層７を貼り合せることにより上記構成の有機トランジスタを作製することができる。有機半導体層７は、台座２、３上に載置したとき、その下面が所定の平坦さを維持できる状態に作製することが必要である。但し、短チャネル化により応答性能を向上させる場合には、台座２、３の間の間隙の長さが極めて短くなるので、下面の平坦さを維持可能とすることは容易である。

以上のような、本実施の形態の構成によれば、ギャップ構造の採用により、平坦に形成された有機半導体層７がソース、ドレイン電極４、５上に載置される。そのため、有機半導体層が段差部分に成膜された構造と比べて、ソース、ドレイン電極４、５の電極近傍での有機半導体層７の分子配向の乱れが極小化される。それにより、ソース、ドレイン電極４、５と有機半導体層７の間の接触抵抗が格段に低減され、短チャネル長であっても高速応答性能を実現可能な有機トランジスタが得られる。また、ギャップ構造を採用することに伴う、ソース、ドレイン電極４、５とゲート電極６間の電気的短絡のおそれは、ギャップ領域８に面する台座２、３の側面に、上側端縁に対して下側端縁がゲート電極６から遠ざかる側に後退した形状を与えることにより回避することができる。

本実施の形態の構成を有する有機トランジスタの特性について、従来例の構成を有する有機トランジスタと比較した結果について、図２及び図３を参照して説明する。同図において、横軸はチャネル長（μｍ）、縦軸は実効移動度μ_eff（ｃｍ²／Ｖｓ）を示す。

比較実験のために、本実施の形態における有機トランジスタについては、ルブレン結晶からなる有機半導体層を用いたｐ型の有機トランジスタを実施例１とし、ＰＤＩＦ−ＣＮ₂（fluorocarbon-substituted dicyanoperylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide)）結晶からなる有機半導体層を用いたｎ型の有機トランジスタを実施例２として用意した。一方、比較例としては、図１０に示すボトムコンタクト型構造を採用したトランジスタを、実施例１、２の場合と全く同様に作製した有機結晶を有機半導体層に用いてそれぞれ作製し、比較例１、２とした。

実施例の有機トランジスタの構造としては、図１に示す構造を用い、比較例と同様にボトムコンタクト型の構造を採用した。基板１としてガラス基板を、台座２、３の材料として逆テーパ形状の形成が可能なフォトレジストを用い、ソース、ドレイン、ゲート電極４、５、６として、いずれも金電極を採用した。各部の寸法は、チャネル長Ｌを３μｍ〜２００μｍ（実施例１）及び３μｍ〜５０μｍ（実施例２）の範囲で変化させ、チャネル幅Ｗを４５０μｍ、台座２、３の高さを１μｍで共通とした。

比較例については、図１０の構造において、基板３１としてガラス基板を、ゲート絶縁体３３としてシリコン酸化膜を、ソース、ドレイン、ゲート電極３２、３４、３５としていずれも金電極を用いた。また、ゲート絶縁層３３をフッ素系アモルファス樹脂とし、ゲート絶縁層３３の膜厚を２００ｎｍとした以外は、実施例と同様の寸法を用い、チャネル長Ｌを３μｍ〜２００μｍ（比較例１）及び３μｍ〜５０μｍ（比較例２）の範囲で変化させ、チャネル幅Ｗを４５０μｍとした。

トランジスタ特性の測定は、大気による影響を避けるため、窒素置換したグローブボックス中で行った。ドレイン電圧Ｖ_Dは１Ｖとし、ゲート電圧Ｖ_Gを１０Ｖ〜−１０Ｖで変化させて、トランスコンダクタンスの値（ゲート電圧Ｖ_Gを変化させたときのドレイン電流Ｉ_Dの変化分△Ｉ_D/△Ｖ_G）を求めた。得られたトランスコンダクタンスの値、チャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗ、及びドレイン電圧Ｖ_D、及びチャネル静電容量の値ｃ_iの値を式（４）に入れることにより、接触抵抗の影響を含んだ実効移動度μ_effの値を求めた。

図２には、実施例１であるルブレンを用いたｐ型の有機トランジスタの特性が、曲線Ａ１で示される。比較例１の有機トランジスタの特性は、曲線Ｂ１で示される。この図から明瞭に判るとおり、曲線Ａ１で示される実施例１の有機トランジスタは、チャネル長を１０μｍまで短くしても、１０ｃｍ²／Ｖｓ程度という高い実効移動度μ_effを示す。これに対して、曲線Ｂ１で示される比較例１の場合は、チャネル長５０μｍでも実効移動度μ_effは５ｃｍ²／Ｖｓ未満と低く、チャネル長が２０μｍ以下に短くなると実効移動度μ_effは２．５ｃｍ²／Ｖｓ未満まで低下する。ちなみに、チャネル長が２００μｍの場合は、実施例１の構造、及び比較例１の場合のいずれも、実効移動度μ_eff が１２ｃｍ²／Ｖｓと、同程度の値が得られた。

図３には、実施例２であるＰＤＩＦ−ＣＮ₂を用いたｎ型の有機トランジスタの特性が、曲線Ａ２で示される。比較例２の有機トランジスタの特性は、曲線Ｂ２で示される。この図に示される比較においても、曲線Ａ２で示される実施例２の有機トランジスタは、チャネル長を１０μｍまで短くしても、５ｃｍ²／Ｖｓを超える高い実効移動度μ_effを示す。これに対して、曲線Ｂ２で示される比較例２の場合は、チャネル長５０μｍでも実効移動度μ_effは１ｃｍ²／Ｖｓ未満と低く、チャネル長が２０μｍ以下に短くなると実効移動度μ_effはさらに低下する。

以上のとおり、本発明の実施例の有機トランジスタでは、非常に短チャネルでも高い実効移動度が得られる。これにより、桁違いに高速動作が可能な有機トランジスタが実現可能になる。

また、比較例３として、図１の構造において逆メサ型構造を採用せず、ギャップ領域８と台座２、３との境界が垂直である構造とし、それ以外の寸法を全て同一とした構造を作製した。この場合、ソース、ドレイン電極４、５とゲート電極６は電気的に短絡してしまった。

次に、本実施の形態における有機トランジスタを製造する方法について、図４を参照して説明する。但し、図１に示した要素には同一の参照番号を付して、構造についての説明の繰り返しを省略する。

先ず、図４（ａ）に示すように、絶縁性の基板１の上面に、一対の絶縁性の台座２、３を相互間に間隔を設けて形成する。台座２、３は、逆メサ型に形成する。次に図４（ｂ）に示すように、一対の台座２、３の台状平面２ａ、３ａの一方にソース電極４を、他方にドレイン電極５を形成し、同時に、台座２、３の間の基板１上にゲート電極６を形成する。これらの電極の形成は、例えば蒸着やスパッタリング法によって行う。

次に、図４（ｃ）に示すように、予め作製した有機半導体層７を、ソース電極４及びドレイン電極５の上面に接触させて載置し、これらを静電気力を利用して貼り合わせる。具体的には、有機半導体層７を保持した基板とソース電極４、及びドレイン電極５が形成された構造体とを接触させる、或いは接合させることにより行う。これにより、ゲート電極６と有機半導体層７の下面とがギャップ領域８を介在させて上下方向に対向し、ソース電極４とドレイン電極５が、ギャップ領域８を介在させて横方向に対向したギャップ構造を有する有機トランジスタが完成する。

以上のように、本実施の形態の製造方法によれば、基板１上に台座２、３の凹凸構造を予め形成し、その凹凸構造上にトランジスタの電極構造を作製し、これらの電極構造と有機半導体とを貼り合わせる工程を用いることができる。

台座２、３を逆メサ型に形成する方法としては、例えば、逆テーパ形状が形成できるフォトレジストを用いることができる。逆メサ型ではなく、ギャップ領域８に面する部分のうちの少なくとも一部分のみが逆テーパ状に形成されるように、例えば、別の材料で段差を作製した後に、上記フォトレジスト等により台座２、３を形成してもよい。或いは、フォトレジストの作製条件を調整することにより、台座の上部の部分のみを逆テーパ形状としてもよい。

有機半導体層７とソース、ドレイン電極４、５を貼り合せる手段は静電気力に限られず、例えば、構造体と基板とを接合させることにより接触させる手法を用いることができる。

上述のとおり、電極間の短絡を回避するための台座２、３の側面形状は、逆メサ構造あるいは逆テーパ形状に限られない。図５に、台座の側面形状の他の一例を示す。この例におけるギャップ領域８に面する台座９、１０の側面は、逆階段状に形成されている。逆階段状とは、台座９、１０の側面が、下端側のゲート電極６に対向する部分を含む一定高さの領域が当該領域よりも上端側に対して段差部９ｂ、１０ｂを形成して後退している形状を意味する。

この逆階段状の形状により、ギャップ領域８に面する９、１０の側面に、上側端縁に対して下側端縁がゲート電極６から遠ざかる側に後退した形状を与えられている。従って、ゲート電極６の厚みに対して、段差部９ｂ、１０ｂの基板１の上面からの高さの方が大きくなるように設定すれば、ソース、ドレイン電極４、５とゲート電極６間の短絡を回避することが容易である。

逆階段状の台座９、１０を形成する方法としては、例えば、現像速度の異なる２層のフォトレジストを組み合わせる方法を用いることができる。

本実施の形態において、台座２、３、９、１０の寸法は、次のような条件を考慮して設定される。チャネル長Ｌは０．１〜２０μｍが好ましく、さらに好ましくは、Ｌ＝１〜１０μｍとする。この場合、台座高さｄは、ｄ≦Ｌ／２μｍとすることが好ましい。この限定が好ましい理由は、次のとおりである。すなわち、図２、図３に示した実験等の結果、チャネル長Ｌを２０μｍ以下とした場合に、本発明の有機トランジスタの構成を採用することにより、従来例の構成の場合と比べて実効移動度が顕著に向上し、実用上十分に高い実効移動度が得られることが判った。一方、チャネル長Ｌが小さい方が動作速度を速くできるが、量産可能なフォトリソグラフィで加工する場合は、チャネル長Ｌ＝１μｍ程度が微細加工の限界となる。台座高さｄについては、いわゆるグラジュアルチャネル近似を成り立たせるために、ｄ≦Ｌ／２μｍ以下程度とすることが好ましい。

台座２、３、９、１０を形成する材料としては、絶縁体であって上述のように、ギャップ領域８に面する台座の側面が、台状平面側に対して底面側がゲート電極から遠ざかる側に後退した状態を有する形状に台座を形成できるものであれば、任意のものを使用することができる。例えば、ガラスをエッチングしたもの、現像速度の異なる２層のフォトレジストを組み合わせたもの、大きさの異なる絶縁体２層を積層したもの、あるいは、Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂膜を逆テーパ形状にエッチングしたもの等を用いることができる。

１層で逆テーパ形状の台座を形成可能な膜を用いた場合は、作製プロセスが簡単にできるという利点がある。用いる材料として具体的には、フォトレジストの場合、例えば東京応化工業のＴＬＯＲ−ＰＯＯ３、ＡＺ社のＡＺ５２１４Ｅ、ＡＺ−ＣＴＰ、日本化薬（株）社のＳＵ８シリーズ、ＫＭＰＲシリーズ等（全て登録商標）、逆テーパ形状の形成が可能なものを用いることができる。或いは、逆テーパ形状をＳｉや石英等の型を用いて形成し、そこにＰＤＭＳ樹脂（polydimethylsiloxane）等の剛性の低い樹脂を流しこみ、離型させて本発明の台座の形状を形成することができる。

また２層の膜を組み合わせて台座を形成する場合は、上述のような台座の形状を形成しやすいため、作製条件のマージンが広がり、確実に所望の形状を形成できる利点がある。
台座を２層で作製する例としては、日本化薬（株）社のＰＭＧＩ、ＬＯＲなど（全て登録商標）のアンダーカットの形成が可能なフォトレジストを用いることができる。

基板１の材質としては、例えば、ガラス基板、各種のプラスチック基板等、少なくともその表面が絶縁体である基板を用いることができる。

有機半導体層７としては、例えば、ルブレン、ＤＮＴＴ（dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno [3,2-b]thiophene）、アルキル−ＤＮＴＴ、ＴＩＰＳペンタセン（6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene）、ＰＤＩＦ−ＣＮ₂等の低分子材料、ｐＢＴＴＴ（poly[2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno(3,2-b)thiophene]）、ｐＤＡ２Ｔ(poly(dialkylthieno[3,2-b]thiophene-co-bithiophene))、Ｐ３ＨＴ（poly(3-hexylthiophene)）、ＰＱＴ（poly[5,5′-bis(3-alkyl-2-thienyl)-2,2′-bithiophene]）等の高分子材料、グラフェン、多層グラフェン、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）等の各種有機材料等、任意の有機半導体材料を用いることができる。

有機半導体層７の作製には、単結晶を気相中で作製する方法、蒸着等の気相成長手法や、スピンコート、インクジェット、印刷、各種のキャスト手法等の塗布手法を用いることができる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２における有機トランジスタの構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１における有機半導体層７に代えて、支持基板１１上に有機半導体層１２が形成された半導体層部材１３を用いることが特徴である。従って、実施の形態１の要素と同一の要素には同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

この有機トランジスタは、実施の形態１の構成と同様、絶縁性の基板１の上に形成された一対の台座２、３を有する。台座２、３の断面形状は逆メサ構造を有する。台状平面２ａ、３ａ上にはそれぞれ、ソース電極４、ドレイン電極５が設けら、台座２、３間の間隙中の基板１上には、ゲート電極６が設けられている。ソース電極４及びドレイン電極５の上面に有機半導体層１２を接触させて、半導体層部材１３が載置されている。

これにより、基板１の上面、台座２、３の側面、及び有機半導体層１２の下面により囲まれた空間が形成され、基板１上に形成されたゲート電極６が、ギャップ領域８を介して有機半導体層１２と対向した構造が形成されている。

台座２、３の断面形状は、実施の形態１と同様、少なくともギャップ領域８において、側面が底面側から台状平面２ａ、３ａ側に向かって、逆テーパを形成していればよい。あるいは、図２に示したように逆階段上とすることもできる。

本実施の形態の構成による作用・効果は、実施の形態１の場合と同様である。

本実施の形態における有機トランジスタを製造する方法について、図７を参照して説明する。但し、図６に示した要素には同一の参照番号を付して、構造についての説明の繰り返しを省略する。

先ず、図７（ａ）に示すように、絶縁性の基板１の上面に、一対の絶縁性の台座２、３を相互間に間隙を設けて形成し、台状平面２ａ、３ａの一方にソース電極４を、他方にドレイン電極５を形成するとともに、間隙中の基板１上にゲート電極６を形成する。ここまでの工程は、実施の形態１における図４（ａ）、（ｂ）に示した工程と同様である。

また、図７（ｂ）に示すように、支持基板１１上に有機半導体層１２を形成することにより、半導体層部材１３を作製する。有機半導体層１２を形成するには、例えばスピンコート、各種キャスト手法、インクジェット等の塗布方法、及び、蒸着等の気相成長方法を用いることができる。

次に、図７（ｃ）に示すように、半導体層部材１３を、ソース電極４及びドレイン電極５の上面に有機半導体層１２を接触させて載置し、これらを静電気力で貼り合せる。これにより、ゲート電極６と有機半導体層１２の下面とがギャップ領域８を介在させて上下方向に対向し、ソース電極４とドレイン電極５が、ギャップ領域８を介在させて横方向に対向したギャップ構造を有する有機トランジスタが完成する。

（実施の形態３）
図８Ａ、図８Ｂは、実施の形態３における有機トランジスタの構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１のようなギャップ領域８の全域が気体層からなる構成に代えて、ギャップ領域の少なくとも一部が絶縁性固体（或いは封止材）で形成された構成を有することを特徴とする。なお、実施の形態１の要素と同一の要素には同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

図８Ａに示す有機トランジスタは、図１に示した構成におけるギャップ領域８（気体層）に対応する全域に、絶縁性固体１４が充填された構成を有する。本実施の形態の特徴は、さらに、ギャップ領域の絶縁性固体１４の比誘電率が１より大きいことである。それにより、空気層の場合と比べて有機トランジスタの出力電流を増大させることができる。ギャップ領域に充填する絶縁性固体１４としては、例えば、パリレン、ポリスチレン、アクリル樹脂等を用いることができる。

一方、図８Ｂに示す有機トランジスタのように、ギャップ領域の一部が絶縁性固体１４により構成され、気体部１５が残された構成であってもよい。この場合、少なくとも有機半導体層７に接する部分が絶縁性固体１４からなることが好ましい。

ギャップ領域の絶縁性固体１４の部分を形成する方法の一例としては、まず、図４に示した工程と同様にして、絶縁性の基板１の上に、一対の台座２、３、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極６を形成し、ソース電極４及びドレイン電極５の上面に有機半導体層７を配置して、ギャップ領域に相当する空間が形成された構造体を作製する。

次に、その構造体の全体を封止するようにパリレン膜を成膜する。それにより、ギャップ領域である空間にパリレンが充填され、絶縁性固体１４の層が形成される。その際、パリレン膜の成膜量を適宜設定することにより、図８Ａに示すようにギャップ領域の全域に絶縁性固体１４の層を形成するか、図８Ｂに示すように気体部１５が残された状態を形成するかを調整することができる。

（実施の形態４）
図９Ａ、図９Ｂは、実施の形態４における有機トランジスタの構造を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態１のようなギャップ領域８の全域が気体層からなる構成に代えて、ギャップ領域の少なくとも一部がイオン液体で形成された構成を有することを特徴とする。なお、実施の形態１の要素と同一の要素には同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。

図９Ａに示す有機トランジスタは、図１に示した構成におけるギャップ領域８（気体層）に対応する全域が、注入されたイオン液体１６からなる構成を有する。

一方、図９Ｂに示す有機トランジスタは、図１に示した構成におけるギャップ領域８中の、少なくとも有機半導体層７に接する部分が、実施の形態３で用いた絶縁性固体１４からなる構成を有する。つまり、ギャップ領域中に気体部分が残るように、絶縁性固体１４の層が形成され、気体部分にイオン液体１６ａが注入されている。

図９Ａの構成は、イオン液体１６をゲート絶縁層として用いる場合の適用例である。図９Ｂの構成は、絶縁性固体１４を第１のゲート絶縁層とし、イオン液体１６ａを第２のゲート絶縁層として用いる場合の適用例である。ギャップ領域にイオン液体を用いることにより、界面で強い電界強度が得られる。そのため、ゲート電極に印加するスイッチング電圧（ゲート電極とソース電極及びドレイン電極の間の電圧）が低くても、充分に大きな出力電流を得る事ができる。したがって、電界効果トランジスタの消費電力を低減することができる。

イオン液体は、粘度が低いため、ゲル状電解質等の他の電解質に比べて、高い周波数応答性、高いイオン伝導度を実現することができる。このため、本実施の形態の構成によりイオン液体を適用することは、より低電圧で高い周波数応答性を得ることが可能になる点で効果的である。

イオン液体としては、例えば、イミダゾリウム系カチオン、ピリジニウム系カチオン、アンモニウム系カチオンなどのカチオンと、bis(trifluoromethanesulfonyl)imide（ＴＦＳＩ）、bis(fluorosulfonyl)imide（ＦＳＩ）、bis(perfluoroethylsulfonyl)imide（ＢＥＴＩ）、tetrafluoroborate（ＢＦ４）、hexafluorophosphate（ＰＦ６）などのアニオンから構成される材料を用いることができる。

特にイオン液体電解質として、ＥＭＩ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎを用いた場合、高い応答性能が得られる。例えば、実施の形態１に関して説明した実施例１の設定において、チャネル長Ｌ＝５μｍの構造に、イオン液体としてＥＭＩ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎを注入した有機トランジスタについて、ゲート電圧＝０．２Ｖ、ドレイン電圧＝０．２Ｖで特性を測定したところ、実効移動度１．０ｃｍ²／Ｖｓという結果が得られた。

以上のような本発明の各実施の形態における有機トランジスタによれば、有機論理素子の動作速度の高速化が可能である。また、プラスチック基板上へも形成できるため、プラスチック基板上で動作可能な論理素子の高速化を実現できる。応用例としては、高速の有機論理素子、例えばディスプレイを駆動するためのアクティブマトリクス素子、アクティブマトリクスを駆動するためのドライバ回路、有機ｐＭＯＳ、有機ｃＭＯＳ回路、インバータ、ＡＤ／ＤＡコンバータ、フリップフロップ回路等の論理素子、センサデバイスの信号処理回路、ＩＤタグ用の信号処理回路などが挙げられる。或いは有機トランジスタ構造を用いたセンシングデバイスへも適用できる。中でも、ドライバ回路や論理回路は、高速で動作することが強く求められるため、本発明による効果を得ることが、実用上重要な利点を与えることになる。

本発明の有機トランジスタは、チャネル長の短縮化により高速応答性能を十分に向上させることが可能であり、ディスプレイ、センサ、ＩＣカード等に用いる有機トランジスタとして有用である。

１ 基板
２、３、９、１０ 台座
２ａ、３ａ、９ａ、１０ａ 台状平面
４ ソース電極
５ ドレイン電極
６ ゲート電極
７、１２ 有機半導体層
８ ギャップ領域
９ｂ、１０ｂ 段差部
１１ 支持基板
１３ 半導体部材
１４ 絶縁性固体
１５ 気体部
１６、１６ａ イオン液体

Claims (12)

1. 絶縁性の基板と、
   前記基板上に相互間に間隔を設けて配置され、各々台状平面を形成する一対の絶縁性の台座と、
   一方の前記台座が形成する前記台状平面上に設けられたソース電極と、
   他方の前記台座が形成する前記台状平面上に設けられたドレイン電極と、
   前記一対の台座の間の前記基板上に設けられたゲート電極と、
   前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上面に接触させて配置された有機半導体層とを備え、
   前記ゲート電極と前記有機半導体層の下面とはギャップ領域を介在させて上下方向に対向し、
   前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、上側端縁に対して下側端縁が前記ゲート電極から遠ざかる側に後退した形状を有することを特徴とする有機トランジスタ。
2. 前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、前記下側端縁から前記上側端縁に向かって逆テーパを形成している請求項１に記載の有機トランジスタ。
3. 前記ソース電極と前記ドレイン電極間のチャネル方向を含むチャネル方向断面における前記台座の形状は、逆メサ型である請求項２に記載の有機トランジスタ。
4. 前記ギャップ領域に面する前記台座の側面は、前記ゲート電極に対向する部分を含む前記下側端縁の側の一定高さの領域が、当該領域よりも前記上側端縁の側に対して段差を形成して後退し、逆階段状となっている請求項１に記載の有機トランジスタ。
5. 支持基板上に前記有機半導体層が形成された半導体層部材を備え、
   前記有機半導体層側の面を前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対向させて、前記半導体層部材が前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に載置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
6. 前記ギャップ領域中の少なくとも一部が絶縁性固体からなり、前記絶縁性固体の誘電率が１よりも大きい請求項１〜５のいずれか１項に記載に記載の有機トランジスタ。
7. 前記ギャップ領域の全域がイオン液体からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載に記載の有機トランジスタ。
8. 前記ギャップ領域中の、少なくとも前記有機半導体層に接する部分が前記絶縁性固体からなり、前記絶縁性固体以外の部分がイオン液体からなる請求項６に記載に記載の有機トランジスタ。
9. 前記ソース電極と前記ドレイン電極間の距離であるチャネル長Ｌが２０μｍ以下である請求項１〜８のいずれか１項に記載に記載の有機トランジスタ。
10. 前記台座の高さｄが、前記チャネル長Ｌに対して、ｄ≦Ｌ／２μｍの関係を満足する請求項９に記載に記載の有機トランジスタ。
11. 絶縁性の基板上に、各々台状平面を形成する一対の絶縁性の台座を相互間に間隔を設けて形成し、
    一方の前記台座が形成する前記台状平面にソース電極を形成し、他方の前記台座が形成する前記台状平面にドレイン電極を形成するとともに、前記一対の台座の間の前記基板上にゲート電極を形成し、
    予め作製された有機半導体層を、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上面に接触させて載置して、前記ゲート電極と前記有機半導体層の下面の間にギャップ領域を形成し、
    前記台座を形成する工程では、前記ギャップ領域に面する前記台座の側面を、上側端縁に対して下側端縁が前記ゲート電極から遠ざかる側に後退した形状とすることを特徴とする有機トランジスタの製造方法。
12. 支持基板上に前記有機半導体層を形成した半導体層部材を作製し、
    前記有機半導体層側の面を前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対向させて、前記半導体層部材を前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に載置する請求項７に記載の有機トランジスタの製造方法。

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