JP2007214326A - 有機半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の有機半導体素子と比較して、キャリア移動度及び応答性が高く、かつ駆動電圧が低い有機半導体素子を提供する。
【解決手段】
有機半導体層５０と、ソース電極２０と、ドレイン電極３０と、ゲート電極１０と、ゲート絶縁層とを具備する有機半導体素子１において、ゲート絶縁層はゲル状電解質１００からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機半導体を用いた電界効果トランジスタ、あるいはスイッチ素子などの有機半導体素子に関する。

近年、有機半導体材料を用いた活性層（以下、有機半導体層という。）を備えた有機半導体素子に関する研究が盛んに行なわれている（例えば、特許文献１参照）。このような有機半導体素子に用いられる半導体材料は、低環境負荷、低生産性コスト、簡便な製造プロセス及び機械的柔軟性などの特徴を有している。したがって、このような有機半導体素子は、シリコン等の無機半導体材料を用いた活性層（以下、無機半導体層という。）を備えた従来の無機半導体素子と比較して、低温プロセスによる製造が可能であること、大面積素子の大量生産が可能であること、フレキシブルな半導体素子を製造することができること等の特徴を有する。

しかしながら、従来の有機半導体素子では、有機半導体材料と、その有機半導体材料の表面に設けられる絶縁材料との間の界面状態が悪いために、無機半導体素子と比較して半導体素子としての性能が低いという問題があった。すなわち、従来の有機半導体素子では、有機半導体材料の表面に凹凸が存在するので、有機半導体材料と絶縁材料との密着性が悪くなるためにキャリア移動度が低くなり、結果として半導体素子としての性能が低くなるという問題があった。また、有機半導体素子は、無機半導体素子と比較して応答性が低いという問題点や、駆動電圧が高いという問題点があった。

特開２００４−５５６５３号公報

本発明は、上述した事情に鑑み、従来の有機半導体素子と比較して、キャリア移動度及び応答性が高く、かつ駆動電圧が低い有機半導体素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、有機半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層とを具備する有機半導体素子において、前記ゲート絶縁層はゲル状電解質からなることを特徴とする有機半導体素子にある。

かかる第１の態様では、従来の有機半導体素子と比較して、キャリア移動度及び応答性が高く、かつ駆動電圧が低い有機半導体素子を提供することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の有機半導体素子において、前記有機半導体層は、有機半導体化合物の単結晶で形成されていることを特徴とする有機半導体素子にある。

かかる第２の態様では、よりキャリア移動度が高い有機半導体素子を提供することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載の有機半導体素子において、前記ゲル状電解質は、ゲル状ポリマー電解質であることを特徴とする有機半導体素子にある。

かかる第３の態様では、より構造安定性が高い有機半導体素子を提供することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の有機半導体素子において、前記有機半導体層はルブレン単結晶で形成され、前記ゲル状電解質は、ポリエチレングリコールと、ＬｉＣｌＯ₄と、アセトニトリルと、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体素子にある。

かかる第４の態様では、キャリア移動度及び応答性がより高く、かつ駆動電圧がより低い有機半導体素子を提供することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の有機半導体素子において、前記有機半導体層はペンタセン単結晶で形成され、前記ゲル状電解質は、ポリフッ化ビリニデンと、ＬｉＡｓＦ₆と、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体素子にある。

かかる第５の態様では、キャリア移動度及び応答性がより高く、かつ駆動電圧がより低い有機半導体素子を提供することができる。

本発明に係る有機半導体素子によると、従来の有機半導体素子と比較して、キャリア移動度及び応答性が高く、かつ駆動電圧が低い有機半導体素子を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る有機半導体素子を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る有機半導体素子１は、絶縁体からなる基板４０上に所定の間隔を隔てて設けられたソース電極２０及びドレイン電極３０と、それらを覆うように設けられた有機半導体層５０と、有機半導体層５０のチャネル領域の位置に対応して有機半導体層５０上に設けられたゲート絶縁層であるゲル状電解質１００と、ゲル状電解質１００上に設けられたゲート電極１０とから構成されている。

そして、ゲート電極１０、ソース電極２０及びドレイン電極３０はそれぞれ電源８０に接続されており、ゲート電極１０、ソース電極２０及びドレイン電極３０に電界を印加することができるようになっている。

このように構成された有機半導体素子１は、ゲル状電解質１００を介して、ゲート電極１０と有機半導体層５０とが接続されているので、従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機半導体素子と比較して、キャリア移動度及び応答性を高くすることができる。すなわち、このように構成された有機半導体素子１は、電源８０からゲート電極１０を介してゲル状電解質１００に電界が印加されると、ゲル状電解質１００は陽イオンと陰イオンとに解離し、ゲル状電解質１００中の陰イオンがゲル状電解質１００と有機半導体層５０との界面付近に蓄積することになる。したがって、ゲル状電解質１００と有機半導体層５０を電極として、いわゆる電気二重層が形成されることになる。すると、有機半導体層５０が分極し、基板４０と接する有機半導体層５０の表面近傍に電子が蓄積することになる。そして、基板４０と接する有機半導体層５０の表面近傍に蓄積した電子によって、ソース電極２０とドレイン電極３０との間で電流が流れることになる。ここで、有機半導体素子１は、上述したように、ゲル状電解質１００中のイオンが移動することにより電界効果を奏するので、従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機半導体素子と比較して、応答性が高いという効果を奏する。また、有機半導体層５０の表面に凹凸があったとしても、その凹凸に応じてゲル状電解質１００の表面形状が変化することにより、有機半導体層５０とゲル状電解質１００との密着性が向上するので、有機半導体層５０とゲル状電解質１００との界面状態が良好に保たれる。したがって、ゲート電極１０に電界を印加した際に、ゲル状電解質１００は有機半導体層５０とゲル状電解質１００との界面付近に多くの陰イオンを蓄積することができると共に、有機半導体層５０は基板４０と接する有機半導体層５０の表面近傍に多くの電子を蓄積することでき、結果として有機半導体素子１のキャリア移動度を高くすることができるという効果を奏する。

さらに、この有機半導体素子１は、ゲート絶縁層としてゲル状電解質１００を用いて構成されているので、上述したようにゲル状電解質１００中の陰イオンがゲル状電解質１００と有機半導体層５０との界面付近に蓄積して電気二重層が形成される。すると、ゲート電極１０から加えられる電圧は、有機半導体層５０と接するゲル状電解質１００の界面近傍の１ｎｍ以下の厚さに実効的に集中することになり、有機半導体素子１は、通常１００ｎｍ以上の厚みを持つ従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機半導体素子と比較して、１００分の１程度のより低い駆動電圧で駆動させることができるという効果を奏する。

次に、本実施形態に係る有機半導体素子１を構成する構成要素について説明する。有機半導体素子１を構成する有機半導体層５０は、有機半導体化合物の単結晶で構成されても多結晶で構成されてもよいが、表面が平滑な単結晶の方がゲル状電解質１００との密着性が高くなるので好ましい。そして、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物としては、半導体的な電気的性質を示す有機化合物であれば特に限定されない。有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物としては、例えば、（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセン、などオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレン、ペンタセンが好ましい。すなわち、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物としては、ルブレン単結晶及びペンタセン単結晶が最も好ましい。

ゲル状電解質１００としては、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物と反応しないゲル状の電解質であれば特に限定されないが、ゲル状ポリマー電解質が好ましい。ゲル状電解質１００としてゲル状ポリマー電解質を用いると、有機半導体素子の構造安定性を向上させることができる。ゲル状ポリマー電解質としては、例えばポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ₄とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ₆とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ₆とメチルピロリドンの混合物やポリメチルメタクリレートとＬｉＢＦ₆とメチルピロリドンの混合物などが挙げられる。そして、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物がルブレンである場合には、ポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ₄とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ₆とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ₆とメチルピロリドンの混合物などが好ましく、特にポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ₄とメチルピロリドンの混合物が好ましい。また、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物がペンタセンである場合には、ポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ₄とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ₆とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ₆とメチルピロリドンの混合物などが挙げられ、特にポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ₆とメチルピロリドンの混合物が好ましい。

ゲート電極１０、ソース電極２０及びドレイン電極３０を構成する物質は特に限定されず、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどの金属が挙げられ、特に比抵抗が低いＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が好ましい。

電源８０は、有機半導体素子１に所定の電圧を印加することができるものであれば特に限定されない。

（他の実施形態）
実施形態１では、図１に示すような有機半導体素子を構成したが、図２に示すような有機半導体素子を構成してもよい。図２は、本実施形態に係る有機半導体素子を示す概略断面図である。

図２に示すように、本実施形態に係る有機半導体素子１Ａは、絶縁体からなる基板４０上に設けられた有機半導体層５０と、有機半導体層５０上に所定の間隔を隔てて設けられたソース電極２０及びドレイン電極３０と、有機半導体層５０のチャネル領域の位置に対応して有機半導体層５０上に設けられたゲート絶縁層であるゲル状電解質１００と、ゲル状電解質１００上に設けられたゲート電極１０とから構成されている。

そして、ゲート電極１０、ソース電極２０及びドレイン電極３０はそれぞれ電源８０に接続されており、ゲート電極１０、ソース電極２０及びドレイン電極３０に電界を印加することができるようになっている。

このように有機半導体素子１Ａを形成しても、実施形態１に係る有機半導体素子１と同様の効果が得られる。なお、有機半導体素子１Ａを構成する構成要素は、実施形態１に係る有機半導体素子１と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。

（実施例）
実施例として、図３に示すデュアルゲートトランジスタを作成し、通常の酸化シリコントランジスタをリファレンスとして、ゲル状ポリマー電解質を用いた有機トランジスタのキャリア移動度の特性を評価した。

図３は、本実施例に係るデュアルゲートトランジスタの概略断面図である。図３に示すように、本実施例に係るデュアルゲートトランジスタ５００は、酸化シリコン絶縁膜４０Ａ上に所定の間隔を隔てて設けられたＡｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａと、それらを覆うように設けられたルブレン単結晶層５０Ａと、ルブレン単結晶層５０Ａのチャネル領域の位置に対応してルブレン単結晶層５０Ａ上に設けられたゲル状ポリマー電解質１００Ａと、ゲル状ポリマー電解質１００Ａ上に設けられたＡｕワイヤー１０Ａと、酸化シリコン絶縁膜４０Ａの下方に設けられた導電性シリコンゲート電極６０Ａとから構成されている。

そして、Ａｕワイヤー１０Ａ、Ａｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａがそれぞれ電源８０Ａに接続されると共に、導電性シリコンゲート電極６０Ａ、Ａｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａがそれぞれ電源９０Ａに接続されており、Ａｕワイヤー１０Ａ、Ａｕ電極２０Ａ、Ａｕ電極３０Ａ及び導電性シリコンゲート電極６０Ａのそれぞれに電界を印加することができるようになっている。

すなわち、Ａｕワイヤー１０Ａ、ゲル状ポリマー電解質１００Ａ、ルブレン単結晶層５０Ａ、Ａｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａにより有機半導体素子２００が形成されると共に、導電性シリコンゲート電極６０Ａ、酸化シリコン絶縁膜４０Ａ、Ａｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａにより無機半導体素子３００が形成されており、デュアルゲートトランジスタ５００内に有機半導体素子２００及び無機半導体素子３００の二つの半導体素子が存在していることになる。そして、このようなデュアルゲートトランジスタ５００は、以下に示すようにして作製した。

＜導電性シリコンゲート電極及び酸化シリコン絶縁膜の作製＞
導電性シリコンウェーハの表面を８００℃の酸素中で５００ｎｍ程度の厚さにわたって酸化することにより、導電性シリコンゲート電極６０Ａ及びその表面に設けられた酸化シリコン絶縁膜４０Ａを作製した。

＜Ａｕ電極の作製＞
上述した酸化シリコン絶縁膜４０Ａが設けられた導電性シリコンゲート電極６０Ａの表面上に、電極の形状をもつ穴が開いた金属マスクを設け、その導電性シリコンゲート電極６０Ａを真空蒸着装置に入れて金を蒸着させた。その後、金属マスクを除去して、酸化シリコン絶縁膜４０Ａ上に厚さが０．０２μｍのＡｕ電極２０Ａ及びＡｕ電極３０Ａを作製した。

＜ルブレン単結晶層の作製＞
ルブレンの粉末原料（Aldrich社製，sublimed grade）を、２つの連続した電気炉（２ゾーン電気炉）に入れ、３００度で加熱し、一方のゾーンで昇華した分子を他方のゾーンで結晶化させる物理蒸着法（ＰＶＤ）により、ルブレン単結晶を作製した。そして、得られたルブレン単結晶の中から実体顕微鏡下で観察しながら１μｍ厚のルブレン単結晶薄膜を選び出し、そのルブレン単結晶薄膜を上述したＡｕ電極２０Ａ、Ａｕ電極３０Ａが設けられた酸化シリコン絶縁膜４０Ａに静電気力により接着させて、ルブレン単結晶層５０Ａを作製した。

＜ゲル状ポリマー電解質の作製＞
２０ｍｌのアセトニトリル（Alfa Aesar社製）と５ｍｌのメチルピロリドン（Methyl-2-Pyrolidon（Aldrich社製））からなる混合溶液に、３．５ｇのポリエチレングリコール（Alfa Aesar社製，分子量50,000，ポリエチレンオキシド）と０．６ｇのＬｉＣｌＯ₄（和光純薬社製）とを溶解させてゲル状ポリマー電解質を作製した。

＜デュアルゲートトランジスタの作製＞
上述したようにして得られたルブレン単結晶層５０Ａの上面に、上述したゲル状ポリマー電解質を１滴垂らして、ルブレン単結晶層５０Ａ上にゲル状ポリマー電解質１００Ａを作製し、さらにゲート電極として働くＡｕワイヤー１０Ａをゲル状ポリマー電解質１００Ａと接触させることによって、デュアルゲートトランジスタ５００を作製した。

＜試験例＞
実施例に係るデュアルゲートトランジスタ５００において、Ａｕワイヤー１０ＡとＡｕ電極２０Ａとに電圧Ｖ_elを印加して有機半導体素子２００を駆動させた際のＡｕ電極３０Ａに流れた電流Ｉ_Dと、導電性シリコンゲート電極６０ＡとＡｕ電極２０Ａとに電圧Ｖ_OXを印加して無機半導体素子３００を駆動させた際のＡｕ電極３０Ａに流れた電流Ｉ_Dを測定した。

有機半導体素子２００の測定結果を図４に、無機半導体素子３００の測定結果を図５に示す。図４に示すように、Ａｕワイヤー１０ＡとＡｕ電極２０Ａとに印加する電圧Ｖ_elを大きくするにつれて、Ａｕ電極３０Ａを流れる電流Ｉ_Dが増加することが分かった。また、図５に示すように、導電性シリコンゲート電極６０ＡとＡｕ電極２０Ａとに印加する電圧Ｖ_OXを大きくするにつれて、Ａｕ電極３０Ａを流れる電流Ｉ_Dが増加することが分かった。すなわち、有機半導体素子２００及び無機半導体素子３００は共に、より大きなマイナス電圧を印加するにつれて、より大きな電流Ｉ_DがＡｕ電極３０Ａに流れることが分かった。また、図４と図５とを比較することにより、同じ電圧を印加しても有機半導体素子２００の方がより大きな電流Ｉ_Dが流れることが分かった。すなわち、有機半導体素子２００は、無機半導体素子３００と比較して、より大きな電界効果を有することが確認された。

実施形態１に係る有機半導体素子の概略断面図である。 他の実施形態に係る有機半導体素子の概略断面図である。 実施例に係るデュアルゲートトランジスタの概略断面図である。 実施例に係るデュアルゲートトランジスタにおける電圧Ｖ_elと電流Ｉ_Dとの関係を示す図である。 実施例に係るデュアルゲートトランジスタにおける電圧Ｖ_OXと電流Ｉ_Dとの関係を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、２００ 有機半導体素子
１０ ゲート電極
１０Ａ Ａｕワイヤー
２０ ソース電極
２０Ａ、３０Ａ Ａｕ電極
３０ ドレイン電極
４０ 基板
４０Ａ 酸化シリコン絶縁膜
５０ 有機半導体層
５０Ａ ルブレン単結晶層
６０Ａ 導電性シリコンゲート電極
８０、８０Ａ、９０Ａ 電源
１００ ゲル状電解質
１００Ａ ゲル状ポリマー電解質
３００ 無機半導体素子
５００ デュアルゲートトランジスタ

Claims (5)

1. 有機半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート絶縁層とを具備する有機半導体素子において、
   前記ゲート絶縁層はゲル状電解質からなることを特徴とする有機半導体素子。
2. 請求項１に記載の有機半導体素子において、
   前記有機半導体層は、有機半導体化合物の単結晶で形成されていることを特徴とする有機半導体素子。
3. 請求項１又は２に記載の有機半導体素子において、
   前記ゲル状電解質は、ゲル状ポリマー電解質であることを特徴とする有機半導体素子。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の有機半導体素子において、
   前記有機半導体層はルブレン単結晶で形成され、
   前記ゲル状電解質は、ポリエチレングリコールと、ＬｉＣｌＯ₄と、アセトニトリルと、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体素子。
5. 請求項１〜３の何れかに記載の有機半導体素子において、
   前記有機半導体層はペンタセン単結晶で形成され、
   前記ゲル状電解質は、ポリフッ化ビリニデンと、ＬｉＡｓＦ₆と、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体素子。
   

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