有机薄膜晶体管及其制造方法.pdf

本发明公开了一种即使不改变形成有机半导体薄膜的材料，也能够容易地控制阈值电压的有机薄膜晶体管及其制造方法。该有机薄膜晶体管包括栅电极(12)、栅极绝缘膜(14)、源电极(16)、漏电极(18)和有机半导体膜(20)，其中，在栅极绝缘膜(14)和有机半导体薄膜(20)之间具有阈值电压控制膜(22)。

1.  一种有机薄膜晶体管，其包括栅电极、栅极绝缘膜、源电极、漏电极和有机半导体膜，其中，
在所述栅极绝缘膜和所述有机半导体薄膜之间具有阈值电压控制膜。

2.  根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其所述阈值电压控制膜的厚度小于或等于3nm。

3.  根据权利要求1或2所述的有机薄膜晶体管，其中，
所述阈值电压控制膜化学吸附于所述栅极绝缘膜或所述有机半导体薄膜中的至少一个。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的有机薄膜晶体管，其中，所述阈值电压控制膜由硅烷化合物形成。

5.  根据权利要求4所述的有机薄膜晶体管，其中，所述硅烷化合物至少包括一个三氟甲基。

6.  根据权利要求4所述的有机薄膜晶体管，其中，所述硅烷化合物至少包括一个氨基。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的有机薄膜晶体管，其中，所述有机半导体膜由选自有机低分子材料、有机高分子材料、金属络合物、富勒烯系列材料、以及纳米碳管系列材料组成的组中的至少一种形成。

8.  一种有机薄膜晶体管的制造方法，其系包括栅电极、栅极绝缘膜、源电极、漏电极、以及有机半导体膜的有机薄膜晶体管的制造方法，所述方法包括：
在所述栅极绝缘膜和所述有机半导体薄膜之间形成阈值电压控制膜的步骤。

9.  根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中包括形成其厚度小于等于3nm的所述阈值电压控制膜的步骤。

10.  根据权利要求8或9所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中，所述阈值电压控制膜由具有官能团的化合物形成，所述官能团可化学吸附于所述栅极绝缘膜或所述有机半导体薄膜中的至少一个。

11.  根据权利要求8至10中任一项所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中，
所述阈值电压控制膜由硅烷化合物形成。

12.  根据权利要求11所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中，所述硅烷化合物至少具有一个三氟甲基。

13.  根据权利要求11所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中，所述硅烷化合物至少具有一个氨基。

14.  根据权利要求8至13中任一项所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中，
所述有机半导体膜由选自有机低分子材料、有机高分子材料、金属络合物、富勒烯系列材料和纳米碳管系列材料组成的组中的至少一种形成。

15.  根据权利要求8至14中任一项所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其还包括，
在形成所述阈值电压控制膜之前，至少对其基底表面进行亲水性处理的步骤。

有机薄膜晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及有机薄膜晶体管，尤其涉及有机薄膜晶体管的阈值电压的控制方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)，作为有源矩阵液晶显示器等的转换元件在已经得以产品化应用，并通过将非晶硅或多晶硅作为半导体使用来制造。
近来，作为TFT用的半导体材料，有机半导体材料引起了人们的重视。由于有机半导体通过被称之为旋涂法和真空蒸镀法这样的简单的技术就能容易地形成薄膜，因而，与使用非晶硅或多晶硅的现有TFT相比，具有可实现制造工艺温度低温化的优点。低温工艺可以在一般耐热性低的塑料基板上形成TFT，对于实现显示器的轻量化和低成本化，以及，基于塑料基板的挠性而使其用途多样化等方面具有巨大的潜能。
然而，在迄今为止的使用了有机半导体材料的TFT研制中，难以通过像使用非晶硅或多晶硅制造TFT时那样的杂质掺杂进行阈值电压的控制，这成为实际应用上的障碍之一。
有关阈值电压，在Jiyoul Lee上有所记载(例如参照非专利文献1)，但对于任意地控制阈值电压的技术未加描述。
非专利文献1：APPLIED PHYSICS LETTERS，Vol.80，2925-2927(2002)
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过在栅极绝缘膜和有机半导体薄膜之间设置阈值电压控制膜，使不改变形成有机半导体薄膜的材料的情况下，也能够容易地控制阈值电压的有机半导体薄膜晶体管及其制造方法。
(1)本发明涉及的有机薄膜晶体管，是具有栅电极、栅极绝缘膜、源电极、漏电极和有机半导体膜的有机薄膜晶体管，其中，在所述栅极绝缘膜和所述有机半导体薄膜之间具有阈值电压控制膜。
在本发明中，通过在栅极绝缘膜和有机半导体薄膜之间设置阈值电压控制膜，可在不改变形成有机半导体膜的材料的情况下，也能够容易地使阈值电压改变。
(2)所述阈值电压控制膜的厚度可以小于或等于3nm。
这样，通过将阈值电压控制膜制成超薄膜，在晶体管的构造设计和制造工艺的处理中，能够与没有阈值电压控制膜的情况几乎相同的状态下进行，所以几乎不会因设置阈值电压控制膜而产生新的制约。此外，因为能够用极少量的材料而形成阈值控制膜，所以非常经济。
(3)所述阈值电压控制膜可以化学吸附于所述栅极绝缘膜或所述有机半导体薄膜中的至少一个。由于是化学吸附，所以即使是超薄膜，也能够形成致密、强固的膜，具有非常有效的功能。
(4)所述阈值电压控制膜可以由硅烷化合物形成。因为硅烷化合物容易化学吸附于适用于栅极绝缘膜的SiO₂或Al₂O₃等的氧化物表面，或者吸附于经过简单的亲水性处理的亲水表面，并形成致密、强固的超薄膜(单分子膜)，所以优选使用硅烷化合物。这里所谓的亲水性处理是指在表面上形成羟基(-OH)的处理。
(5)所述硅烷化合物可以至少具有一个三氟甲基(-CF₃)。有效地使阈值电压向正向移动。
(6)所述硅烷化合物可以至少具有一个氨基(-NH₂)。有效地使阈值电压向负向移动。
(7)所述有机半导体膜可以由选自并五苯和噻酚低聚物(oligothiophene)等的有机低分子、聚噻吩等的有机高分子、酞菁(phthalocyanine)等的金属络合物、C₆₀、C₇₀、金属内嵌富勒烯等的富勒烯系列，以及纳米碳管类的组中的至少一种形成。
(8)根据本发明的有机薄膜晶体管的制造方法，其是包括栅电极、栅极绝缘膜、源电极、漏电极和有机半导体膜的有机薄膜晶体管的制造方法，其包括：
在所述栅极绝缘膜和所述有机半导体薄膜之间形成阈值电压控制膜的工艺。
(9)根据本发明的有机薄膜晶体管的制造方法还可以包括形成小于或等于3nm的所述阈值电压控制膜厚度的工艺。
(10)所述阈值电压控制膜可以由具有官能团的化合物形成，该官能团可化学吸附于所述栅极绝缘膜或所述有机半导体薄膜中的至少一个。
(11)形成所述阈值电压控制膜的化合物可以是硅烷化合物。
(12)所述硅烷化合物可以至少具有一个三氟甲基(-CF₃)。有效地使阈值电压向正向移动。
(13)所述硅烷化合物可以至少具有一个氨基(-NH₂)。有效地使阈值电压向负向移动。
(14)根据本发明的有机薄膜晶体管的制造方法还可以包括：所述有机半导体膜由从并五苯和噻酚低聚物(oligothiophene)等的有机低分子、聚噻吩等的有机高分子、酞菁等的金属络合物、C₆₀、C₇₀、金属内嵌富勒烯等的富勒烯系列，以及纳米碳管类中选择至少一种形成的工艺。
(15)还可以包括：在形成所述阈值电压控制膜之前，至少对所述阈值电压的基础表面进行亲水性处理的工艺。
附图说明
图1是表示本发明的实施例涉及的有机薄膜晶体管构造地截面模式图。
图2中的图2(A)～(D)是表示本发明实施例涉及的有机薄膜晶体管的制造方法的截面模式图。
图3是表示本发明的实施例涉及的试验体的漏极电流I_D和栅极电压V_G间关系的示意图。
图4是表示本发明的实施例涉及的试验体的漏极电流I_D和栅极电压V_G间关系的示意图。
图5是本发明实施例涉及的有机薄膜晶体管的构造的变形例的截面模式图。
图6是本发明的实施例涉及的有机薄膜晶体管的构造的变形例的截面模式图。
具体实施方式
下面参照附图就本发明的实施例进行说明。
(有机薄膜晶体管)
以下，就实施例涉及的有机薄膜晶体管的构造进行说明。
图1是本实施例涉及的有机薄膜晶体管构造的截面模式图。
本发明的有机薄膜晶体管在基板10上配置有栅电极12、栅极绝缘膜14、源电极16、漏电极18、有机半导体膜20和阈值电压控制膜22，在栅极绝缘膜14和有机半导体膜20之间设置阈值电压控制膜22。通过该阈值电压控制膜22，可不必改变构成有机半导体膜20的材料，就能够控制有机薄膜晶体管的阈值电压(V_th)。
(制造工艺)
以下，对实施例的有机薄膜晶体管的制造方法进行说明。
图2(A)～(D)是适用本发明的实施例涉及的有机薄膜晶体管的制造步骤的截面模式图。
作为基板10没有特别的限定，例如，可以采用添加了作为杂质的硼(B)、磷(P)、锑(Sb)等的p型或n型的单晶硅基板、玻璃基板、石英基板、塑料基板，该塑料基板是聚甲基丙烯酸甲酯(俗称：有机玻璃)、聚醚砜(polyethersulfone)、或聚碳酸酯等的基板。
在本实施例中，基板10使用掺杂了杂质的单晶硅基板，并将其作为栅电极12。
首先，如图2(A)所示，在基板10上形成栅极绝缘膜14。
栅极绝缘膜14的形成方法没有特别限制，例如，既可以通过热氧化法使基板表面氧化形成二氧化硅(SiO₂)，也可以通过溅射法(sputtering)或化学气相沉积法(CVD法)的真空镀膜法形成SiO₂、Al₂O₃等的绝缘性膜。
栅极绝缘膜14的厚度诸如是100～800nm。
接着，如图2(B)所示，形成源电极16和漏电极18。
源电极16和漏电极18的材质没有特别限定，可以使用金属电极、金属氧化物电极和炭精电极。例如，有机半导体膜20使用富勒烯(C₆₀)时，适宜使用铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铟-锡氧化物(ITO)等。
源电极16和漏电极18的厚度诸如是50～300nm。
源电极16和漏电极18的形成方法，通过真空镀膜法在栅极绝缘膜14上形成导电性的薄膜，再利用平版印刷技术形成源电极16和漏电极18的特定的图案。
接着，如图2(C)所示，形成阈值电压控制膜22。
阈值电压控制膜22是将有机半导体膜20的阈值电压特性控制为希望值的膜，例如可以利用以R¹(CH₂)_mSiR²_nX_3-n(m是自然数，n是1或2)的通式表示的硅烷化合物。在这种以通式表示的硅烷化合物中，当X为卤素或烷氧基等的时候，容易化学吸附于栅极绝缘膜14适宜使用的SiO₂、Al₂O₃等氧化物表面上，形成致密、强固的超薄膜(单分子膜)，端基R¹配置在阈值电压控制膜22的表面。该阈值电压控制膜22负责控制有机薄膜晶体管的阈值电压。具体地说，通过改变R¹，能够控制有机半导体膜20的阈值电压特性。R¹可以采用诸如氢(-H)、甲基(-CH₃)、三氟甲基(-CF₃)、氨基(-NH₂)、巯基(-SH)等。
阈值电压控制膜22的形成方法没有特别限制，例如既可以通过CVD法的气相法形成，又可以通过旋涂法或浸渍法等的液相法形成。
在形成阈值电压控制膜22前，至少对成为其基础(这里是指栅极绝缘膜14)的表面进行亲水性处理，形成阈值电压控制膜22的材料容易化学吸附于基础表面。亲水性处理方法可以利用诸如波长150～200nm的真空紫外光或氧(O₂)等离子体(plasma)。
此外，形成阈值电压控制膜22后，根据需要，通过使用乙醇或2-丙醇等的醇类、超纯水等进行冲洗，可以除去不需要的吸附物。
阈值电压控制膜22如果获得了希望的晶体管特性，就可以仅在栅极绝缘膜14和有机半导体薄膜20之间的一部分区域形成，可以不在全部区域上形成。此外，如果获得的晶体管特性没有问题，可以在绝缘膜14和有机半导体薄膜20之间以外的地方，例如在源电极16或漏电极18上形成。
接着，如图2(D)所示，在基板上形成有机半导体膜20。
有机半导体膜20可以从诸如并五苯和噻酚低聚物(oligothiophene)等的有机低分子、聚噻吩等的有机高分子、酞菁等的金属络合物、C₆₀、C₇₀、金属内嵌富勒烯等的富勒烯系列，以及纳米碳管类的一族中选择一种利用。
有机半导体膜20的形成方法可以采用蒸镀法、旋涂法、铸塑法等。
对有机半导体膜18制作图案可以采用诸如平版印刷法、掩膜成膜法、喷墨法等。
(实验1)
试验体(有机薄膜晶体管)具有如下的构成。在基板上使用N型单晶基板，并将此作为栅电极。在该基板上形成300nm的热氧化膜，而且，使用金(Au)形成源电极、漏电极。Au的厚度为100nm。在露出的栅极绝缘膜上分别使用下列的三种硅烷化合物(a)、(b)、(c)，形成不同的阈值电压控制膜。
(a)CF₃(CH₂)₉Si(OC₂H₅)₃(b)CH₃(CH₂)₇Si(OC₂H₅)₃(c)NH₂(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃；硅烷化合物(a)和(b)通过CVD法形成(阈值电压控制膜)，硅烷化合物(c)通过浸渍法形成(阈值电压控制膜)。在阈值电压控制膜上通过分子束蒸镀法(MEB法)将富勒烯(C₆₀)成膜，作为有机半导体膜。其中，生长时的真空度是1×10^-9托，蒸镀速度是0.15/s，基板温度是110℃。
图3是表示将该三种试验体的漏极电压V_D设定为80V时的漏极电流I_D和栅极电压V_G之间关系的图表，其中纵轴以I_D的平方根表示。如图3所示，可观察到，将硅烷化合物按照(a)、(b)、(c)的顺序变化(在图3中，以F、Me、NH₂表示)，其特性向左移动。并可观察到，将直线部向左外推的虚线与横轴的交点是阈值电压(V_th)，V_th按照(a)、(b)、(c)的顺序逐渐变小。这种情况表明可以通过阈值电压控制膜，控制使用C₆₀制造的薄膜晶体管(C₆₀-TFT)的V_th。
(实验2)
试验体(有机薄膜晶体管)具有如下的构成。在基板上使用N型单晶基板，并将此作为栅电极。在该基板上形成300nm的热氧化膜，而且，使用金(Au)形成源电极、漏电极。Au的厚度为100nm。在露出的栅极绝缘膜上分别使用下列三种硅烷化合物(a)、(b)、(c)，形成不同的阈值电压控制膜。
(a)CF₃(CH₂)₉Si(OC₂H₅)₃(b)CH₃(CH₂)₇Si(OC₂H₅)₃(c)NH₂(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃；硅烷化合物(a)和(b)通过CVD法形成(阈值电压控制膜)，硅烷化合物(c)通过浸渍法形成(阈值电压控制膜)。
在阈值电压控制膜上通过分子束蒸镀法(分子束外延法)(MEB法)将并五苯(C₂₂H₁₄)成膜，作为有机半导体膜。生长(成膜)时的真空度是1×10^-9托，蒸镀(气相沉积)速度是0.15/s，基板温度是30℃。
图4是表示将该三种试验体的漏极电压V_D设定为80V时的漏极电流I_D和栅极电压V_G之间关系的图表，其中纵轴表示的是I_D的平方根。如图4所示，可观察到，将硅烷化合物按照(a)、(b)、(c)的顺序变化(在图4中，以F、Me、NH₂表示)，其特性向左移动。并可观察到，将直线部向右外推的虚线与横轴的交点是阈值电压(V_th)，V_th的绝对值按照(a)、(b)、(c)的顺序逐渐变大。这种情况表明可以通过阈值电压控制膜，控制使用并五苯制造的薄膜晶体管(并五苯-TFT)的V_th。
(变形例)
上述实施例可以有以下变形。
如图5所示，可以通过栅极绝缘膜将栅电极18设置在有机半导体膜层的上面。这种情况下，与图1的构造相比较，具有基板的自由度大的优点。
此外，如图6所示，可以将源电极16、漏电极18设置在有机半导体膜20的上面。这种情况下，与图1的构造相比较，有机半导体膜20的膜质因为难以受到源电极16、漏电极18的影响，所以具有易动度变高的优点。
本发明不限于以上所述的实施例，在不超出本发明的主题范围内可以进行各种变形。
(发明的效果)
如上所述，根据本发明，通过在栅极绝缘膜和有机半导体薄膜之间设置阈值电压控制膜，从而即使不改变形成有机半导体膜的材料，也能够容易地控制阈值电压。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同物由权利要求书的内容涵盖。
附图标记说明
10  基板                     12  栅电极
14  栅极绝缘膜               16  源电极
18  漏电极                   20  有机半导体膜
22  阈值电压控制膜