JP5303955B2 - Semiconductor device and organic semiconductor thin film - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置および有機半導体薄膜に関し、特には有機半導体薄膜を用いた半導体装置よびこれに用いる有機半導体薄膜に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and an organic semiconductor thin film, and more particularly to a semiconductor device using an organic semiconductor thin film and an organic semiconductor thin film used therefor.
有機半導体材料を用いた半導体装置、いわゆる有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）は、従来のシリコン（Ｓｉ）等の無機半導体材料を用いた半導体装置と比較して、比べて製造コストの低減を図ることが可能であり、可撓性を有する半導体装置としても期待されている。有機ＴＦＴのチャネル領域を構成する有機半導体材料としては、例えば、ポリチオフェン、ルブレン等、種々の材料が研究されている。これらの有機半導体材料を用いた有機ＴＦＴは、アモルファスシリコンを用いてチャネル領域を形成したＴＦＴと同程度の移動度を有するものもあると報告されている（例えば、下記非特許文献1参照）
Semiconductor devices using organic semiconductor materials, so-called organic thin film transistors (organic TFTs) can be manufactured at a lower cost than conventional semiconductor devices using inorganic semiconductor materials such as silicon (Si). Therefore, it is also expected as a flexible semiconductor device. Various materials such as polythiophene and rubrene have been studied as organic semiconductor materials constituting the channel region of the organic TFT. Some organic TFTs using these organic semiconductor materials have been reported to have the same mobility as TFTs having channel regions formed using amorphous silicon (for example, see Non-Patent
ところで、有機ＴＦＴにおけるトランジスタ特性の一つにしきい値があり、しきい値を実用レベルの範囲に制御することにより、半導体装置としての実用化が実現される。熱酸化膜をゲート絶縁膜として利用した有機ＴＦＴにおいては、シランカップリング剤を用いたゲート絶縁膜の表面処理により表面の官能基を水酸基、メチル基、アミノ基、フッ素に変えることで、しきい値を制御した報告がある（下記非特許文献２参照）。 By the way, one of the transistor characteristics in the organic TFT has a threshold value, and practical use as a semiconductor device is realized by controlling the threshold value to a practical level. In an organic TFT using a thermal oxide film as a gate insulating film, the surface functional group is changed to a hydroxyl group, a methyl group, an amino group, or fluorine by surface treatment of the gate insulating film using a silane coupling agent, thereby making the threshold There is a report of controlling the value (see Non-Patent Document 2 below).
しかしながら、ゲート絶縁膜の表面処理によって有機ＴＦＴにおけるしきい値を制御する手法は、シリコン基板上の酸化シリコン膜における水酸基とシランカップリング剤の化学反応を利用したものであり、ゲート絶縁膜として有機材料を用いた構成に対しての汎用性がない。 However, the method of controlling the threshold value in the organic TFT by the surface treatment of the gate insulating film is based on the chemical reaction between the hydroxyl group and the silane coupling agent in the silicon oxide film on the silicon substrate. There is no versatility for configurations using materials.
そこで本発明は、有機半導体材料を用いた半導体装置において、ゲート絶縁膜の材料によらずにしきい値を制御可能な有機された半導体装置、およびこの半導体装置に用いられる有機半導体薄膜を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides an organic semiconductor device capable of controlling a threshold value regardless of a material of a gate insulating film in a semiconductor device using an organic semiconductor material, and an organic semiconductor thin film used for the semiconductor device. With the goal.
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、有機半導体薄膜とゲート電極との間にゲート絶縁膜を挟持してなる半導体装置であり、特には有機半導体薄膜がアセン系の同一主骨格を備えかつ同一の導電型特性を示す複数種類の有機半導体材料を混合して用いた膜であることを特徴としている。 The semiconductor device of the present invention for achieving the above object, a semiconductor device formed by sandwiching a gate insulating film between the organic semiconductor thin film and a gate electrode, in particular the same main organic semiconductor thin film acene The film is characterized by being a film using a mixture of a plurality of types of organic semiconductor materials having a skeleton and having the same conductivity type characteristics.
また本発明は、このような構成の有機半導体薄膜でもある。 Moreover, this invention is also an organic-semiconductor thin film of such a structure.
このような構成の半導体装置では、有機半導体薄膜を構成する複数種類の有機半導体材料の選択により、しきい値の特性が変化することが見出された。 In the semiconductor device having such a configuration, it has been found that the threshold characteristics change depending on the selection of a plurality of types of organic semiconductor materials constituting the organic semiconductor thin film.
ここで、半導体材料としてシリコンなどを用いた無機系の電界効果トランジスタにおいては、半導体材料中におけるフェルミエネルギーの位置がしきい値を支配していると考えられている。つまり、半導体材料としてシリコンを用いた電界効果トランジスタであれば、シリコンにドープする不純物の量によってフェルミエネルギーを制御し、これによってしきい値が制御されている。 Here, in an inorganic field effect transistor using silicon or the like as a semiconductor material, the position of Fermi energy in the semiconductor material is considered to dominate the threshold value. That is, in the case of a field effect transistor using silicon as a semiconductor material, the Fermi energy is controlled by the amount of impurities doped into silicon, and the threshold value is controlled thereby.
同様に、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）においても、有機半導体材料のフェルミエネルギーとしきい値とが密接にかかわっていると考えられる。このため、上述したように複数種類の有機半導体材料を用いた有機半導体薄膜を構成することにより、有機半導体薄膜のフェルミエネルギーを制御し、これによって有機半導体薄膜とゲート電極との間にゲート絶縁膜を挟持してなる薄膜トランジスタとしての半導体装置におけるしきい値が制御されると考えられる。 Similarly, in a thin film transistor (field effect transistor) using an organic semiconductor material, it is considered that the Fermi energy of the organic semiconductor material and the threshold value are closely related. For this reason, the Fermi energy of the organic semiconductor thin film is controlled by configuring the organic semiconductor thin film using a plurality of types of organic semiconductor materials as described above, whereby the gate insulating film is interposed between the organic semiconductor thin film and the gate electrode. It is considered that the threshold value in a semiconductor device as a thin film transistor formed by sandwiching the film is controlled.
また、半導体材料におけるフェルミエネルギーは電導帯と価電子帯との間の禁制帯に位置している。電導帯と価電子帯の準位は材料固有のものであり、材料毎に固有の値である。そこで混ぜ合わせる材料として主骨格が同一の材料を選択することにより、電導帯と価電子帯の位置が大きく異なることはなく、混ぜ合わせた場合であっても半導体材料として機能するようになる。このことからすれば、混ぜ合わせる複数の有機半導体材料は、主骨格が同一でなくても、電導帯と価電子帯のエネルギー準位及びフェルミ準位の位置がほぼ同じ材料、仕事関数が近い材料であっても良い。 Further, Fermi energy in a semiconductor material is located in a forbidden band between a conduction band and a valence band. The levels of the conduction band and the valence band are specific to the material, and are specific values for each material. Therefore, by selecting a material having the same main skeleton as a material to be mixed, the positions of the conduction band and the valence band are not greatly different, and even when mixed, the semiconductor material functions as a semiconductor material. Therefore, even if the organic semiconductor materials to be mixed are not the same in the main skeleton, the energy level and the Fermi level of the conduction band and the valence band are almost the same, and the work functions are close. It may be.
以上説明したように本発明によれば、ゲート絶縁膜の材料に係わらず、有機半導体薄膜を構成する有機半導体材料の選択のみによって半導体装置のしきい値を制御することが可能になり、絶縁膜として有機材料を用いることも可能になる。 As described above, according to the present invention, the threshold value of the semiconductor device can be controlled only by selection of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film regardless of the material of the gate insulating film. It is also possible to use organic materials.
以下本発明の実施の形態を説明する。先ず、本発明が適用される半導体装置の構成を図1に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below. First, the configuration of a semiconductor device to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
＜半導体装置の構成＞
本発明が適用される半導体装置は、有機半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、有機半導体薄膜とゲート電極との間にゲート絶縁膜を挟持してなる電界効果トランジスタ（Field effect transistor）である。このような半導体装置として、例えば以下の図１（ａ）〜図１（ｄ）の構成が示される。尚、これらの図面において同一の構成要素には同一の符号を付す。
<Configuration of semiconductor device>
A semiconductor device to which the present invention is applied is a thin film transistor using an organic semiconductor thin film, and is a field effect transistor in which a gate insulating film is sandwiched between an organic semiconductor thin film and a gate electrode. As such a semiconductor device, for example, the following configurations shown in FIGS. 1A to 1D are shown. In these drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.
図1（ａ）は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置の概略断面である。この半導体装置は、絶縁性の基板１上にゲート電極３がパターン形成され、これを覆う状態でゲート絶縁膜５が設けられている。ゲート絶縁膜５上には、ゲート電極３を挟む位置に一対のソース／ドレイン７がパターン形成されている。そして、ソース／ドレイン７間のゲート絶縁膜５上には、ゲート電極３との間にゲート絶縁膜５を挟持する状態で、有機半導体薄膜９が設けられている。この有機半導体薄膜９は、その一部がソース／ドレイン７上に積層されて接する状態で設けられている。以降に説明するように、このようなボトムゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置において、本発明は有機半導体薄膜９の材料構成が特徴的である。
FIG. 1A is a schematic cross section of a bottom gate / bottom contact type semiconductor device. In this semiconductor device, a gate electrode 3 is patterned on an
図1（ｂ）は、ボトムゲート・トップコンタクト型の半導体装置の概略断面であり、有機半導体薄膜９上にソース／ドレイン７が設けられているところにおいてのみ、図１（ａ）のボトムゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置と異なっている。 FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a bottom gate / top contact type semiconductor device. The bottom gate / top contact of FIG. This is different from the bottom contact type semiconductor device.
図１（ｃ）は、トップゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置の概略断面図である。この半導体装置は、絶縁性の基板１上に一対のソース／ドレイン７がパターン形成され、これらのソース／ドレイン７間を覆う状態で有機半導体薄膜９が設けられている。この有機半導体薄膜９は、その一部がソース／ドレイン７上に積層されて接する状態で設けられている。そして、この有機半導体薄膜７を覆う状態でゲート絶縁膜５が設けられ、ゲート絶縁膜５上には、有機半導体薄膜９との間にゲート絶縁膜５を挟持する状態で、ゲート電極３がパターン形成されている。このようなトップゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置において、本発明は有機半導体薄膜９の材料構成が特徴的である。
FIG. 1C is a schematic cross-sectional view of a top gate / bottom contact type semiconductor device. In this semiconductor device, a pair of source / drains 7 are patterned on an
図１（ｄ）は、トップゲート・トップコンタクト型の半導体装置の概略断面であり、有機半導体薄膜９上にソース／ドレイン７が設けられているところにおいてのみ、図１（ｃ）のトップゲート・ボトムコンタクト型の半導体装置と異なっている。 FIG. 1D is a schematic cross-sectional view of a top gate / top contact type semiconductor device, and the top gate of FIG. 1C only when the source / drain 7 is provided on the organic semiconductor thin film 9. This is different from the bottom contact type semiconductor device.
＜有機半導体薄膜の構成＞
次に、以上のような構成の各半導体装置における有機半導体薄膜９の構成を説明する。
<Configuration of organic semiconductor thin film>
Next, the configuration of the organic semiconductor thin film 9 in each semiconductor device having the above configuration will be described.
すなわち有機半導体薄膜９は、複数の異なる有機半導体材料からなる層である。ここで重要なことは、有機半導体薄膜９を構成する複数の有機半導体材料は、それぞれを単独で用いて有機半導体薄膜を構成した場合、この有機半導体薄膜を用いた各薄膜トランジスタがＦＥＴ特性を示すことである。 That is, the organic semiconductor thin film 9 is a layer made of a plurality of different organic semiconductor materials. What is important here is that when a plurality of organic semiconductor materials constituting the organic semiconductor thin film 9 are used alone to form an organic semiconductor thin film, each thin film transistor using the organic semiconductor thin film exhibits FET characteristics. It is.
そして、このような有機半導体材料のうち、有機半導体薄膜９を構成する複数の材料として、同一の導電型特性を示すものが用いられる。つまり、キャリアとして正孔が移動するｐ型の有機半導体材料のうちの異なる材料、またはキャリアとして電子が移動するｎ型の半導体材料のうちの異なる材料が用いられる。また特に、有機半導体薄膜９を構成する複数種類の有機半導体材料は、同一の主骨格を備えている誘導体同士であることが好ましい。 Of such organic semiconductor materials, those showing the same conductivity type are used as the plurality of materials constituting the organic semiconductor thin film 9. That is, a different material among p-type organic semiconductor materials in which holes move as carriers, or a different material among n-type semiconductor materials in which electrons move as carriers is used. In particular, it is preferable that the plurality of types of organic semiconductor materials constituting the organic semiconductor thin film 9 are derivatives having the same main skeleton.
このような範囲から選択された複数種類の有機半導体材料であれば、これらを混ぜ合わせて有機半導体薄膜９を構成した場合、この有機半導体薄膜を用いた各薄膜トランジスタがＦＥＴ特性を示すものとなる。 If a plurality of types of organic semiconductor materials selected from such a range are combined to form the organic semiconductor thin film 9, each thin film transistor using the organic semiconductor thin film exhibits FET characteristics.
そして、このような同一の主骨格を備えている誘導体のうちからの複数種類の有機半導体材料の選択は、一例として、それぞれを単独で用いて有機半導体薄膜を構成した場合、この有機半導体薄膜を用いた各薄膜トランジスタのしきい値により選択さる。つまり、しきい値が大きくなる有機半導体材料と、しきい値が小さくなる有機半導体材料とを組み合わせて有機半導体薄膜９を構成することで、この有機半導体薄膜９を用いた薄膜トランジスタのしきい値が、これらの中間に制御される。 The selection of a plurality of types of organic semiconductor materials from the derivatives having the same main skeleton as an example is as follows. It is selected according to the threshold value of each thin film transistor used. That is, by forming the organic semiconductor thin film 9 by combining an organic semiconductor material having a large threshold value and an organic semiconductor material having a small threshold value, the threshold value of the thin film transistor using the organic semiconductor thin film 9 is reduced. Controlled between these.
またこのようなしきい値は、有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料の選択と共に、選択された有機半導体材料の割合によって、さらに高性度に制御される。 Further, such a threshold value is further highly controlled by the selection of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9 and the ratio of the selected organic semiconductor material.
＜有機半導体材料＞
以上のような有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料としては、下記一般式（１）に示すアセン系の主骨格を備えた材料が例示される。
<Organic semiconductor materials>
Examples of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9 as described above include materials having an acene-based main skeleton represented by the following general formula (1).
ただし、一般式（１）中のｎはｎ＝３〜２０の整数である。また、Ｒ1〜Ｒ8および、複数のＲ5およびＲ8は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。 However, n in General formula (1) is an integer of n = 3-20. R 1 to R 8 and a plurality of R 5 and R 8 may be independent substituents or the same substituent.
上記一般式（１）中のＲ1〜Ｒ8は、それぞれ独立して、炭素原子数１〜２０の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、複素芳香族基、トリイソプロピルシリルエチニル基、カルボキシル基、酸無水物、エステル基、シアノ基、水酸基、チオカルボキシル基、ジチオカルボキシル基、スルホン酸基、スルフィン酸基、スルフェン酸基、スルホニル基、スルフィニル基、ハロゲン化アシル基、カルバモイル基、ヒドラジド基、イミド基、アミド基、アミジノ基、イソシアノ基、シアン酸エステル基、イソシアン酸エステル基、チオシアン酸エステル基、イソチオシアン酸エステル基、ホルミル基、チオホルミル基、アシル基、チオール基、アミノ基、イミノ基、ヒドラジノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、エーテル基、スルフィド基、ジスルフィド基、シリル基、ゲルミル基、スタニル基、ホスフィノ基、ボリル基、ハロゲン原子、または水素原子であることとする。 R 1 to R 8 in the general formula (1) are each independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group, a heteroaromatic group, a triisopropylsilylethynyl group, Carboxyl group, acid anhydride, ester group, cyano group, hydroxyl group, thiocarboxyl group, dithiocarboxyl group, sulfonic acid group, sulfinic acid group, sulfenic acid group, sulfonyl group, sulfinyl group, acyl halide group, carbamoyl group, hydrazide Group, imide group, amide group, amidino group, isocyano group, cyanate ester group, isocyanate ester group, thiocyanate ester group, isothiocyanate ester group, formyl group, thioformyl group, acyl group, thiol group, amino group, imino group Group, hydrazino group, alkoxy group, aryloxy group, ether group, sulfide group, di Rufido group, a silyl group, germyl group, stannyl group, a phosphino group, a boryl group, and it is a halogen atom or a hydrogen atom.
このうち、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、および複素芳香族基は、それぞれがさらに他の置換基で置換されていても良い。この場合の他の置換基としては、例えばカルボキシル基、エステル基、シアノ基、水酸基、チオカルボキシル基、ジチオカルボキシル基、スルホン酸基、スルフィン酸基、スルフェン酸基、スルホニル基、スルフィニル基、ハロゲン化アシル基、カルバモイル基、ヒドラジド基、イミド基、アミド基、アミジノ基、イソシアノ基、シアン酸エステル基、イソシアン酸エステル基、チオシアン酸エステル基、イソチオシアン酸エステル基、ホルミル基、チオホルミル基、アシル基、チオール基、アミノ基、イミノ基、ヒドラジノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、エーテル基、スルフィド基、ジスルフィド基、シリル基、ゲルミル基、スタニル基、ホスフィノ基、ボリル基、ハロゲン原子などが例示される。 Among these, each of the aliphatic hydrocarbon group, the aromatic hydrocarbon group, and the heteroaromatic group may be further substituted with another substituent. Examples of other substituents in this case include carboxyl group, ester group, cyano group, hydroxyl group, thiocarboxyl group, dithiocarboxyl group, sulfonic acid group, sulfinic acid group, sulfenic acid group, sulfonyl group, sulfinyl group, and halogenated group. Acyl group, carbamoyl group, hydrazide group, imide group, amide group, amidino group, isocyano group, cyanate ester group, isocyanate ester group, thiocyanate ester group, isothiocyanate ester group, formyl group, thioformyl group, acyl group, Examples include thiol groups, amino groups, imino groups, hydrazino groups, alkoxy groups, aryloxy groups, ether groups, sulfide groups, disulfide groups, silyl groups, germyl groups, stannyl groups, phosphino groups, boryl groups, and halogen atoms. .
以上のような一般式（１）のアセン系の主骨格を備えた材料のうちでも、特にｎ＝３〜８のアントラセン、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、またはオクタセが好ましい。 Among the materials having the acene main skeleton of the general formula (1) as described above, anthracene, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, or octase with n = 3 to 8 is particularly preferable.
またこのような有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料のさらに具体的な例としては、例えばナフタセン誘導体であれば、下記一般式（２）の材料が例示される。 Further, as a more specific example of the organic semiconductor material constituting such an organic semiconductor thin film 9, for example, a naphthacene derivative, a material represented by the following general formula (2) is exemplified.
ただし、一般式（２）中のＲ1〜Ｒ6は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1〜Ｒ6が示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R < 1 > -R < 6 > in General formula (2) may be an independent substituent, respectively, and may be the same substituent. The substituents represented by R 1 to R 6 are the same as those represented by the general formula (1).
さらに有機半導体薄膜９を構成するナフタセン誘導体の他の例として、下記一般式（３）の材料が例示される。 Furthermore, as another example of the naphthacene derivative constituting the organic semiconductor thin film 9, a material represented by the following general formula (3) is exemplified.
ただし、一般式（３）中のＲ1〜Ｒ4は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1〜Ｒ4が示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R < 1 > -R < 4 > in General formula (3) may be an independent substituent, respectively, and may be the same substituent. The substituents represented by R 1 to R 4 are the same as those represented by the general formula (1).
以上の一般式（２）および一般式（３）で示したナフタセン誘導体は、それぞれがナフタセン骨格を有している。このため、一般式（２）で示される有機半導体材料と、一般式（３）で示される有機半導体材料とを用いて有機半導体薄膜９を構成しても良い。 Each of the naphthacene derivatives represented by the general formulas (2) and (3) has a naphthacene skeleton. For this reason, you may comprise the organic-semiconductor thin film 9 using the organic-semiconductor material shown by General formula (2), and the organic-semiconductor material shown by General formula (3).
また有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料のさらに具体的な他の例としては、例えばペンタセン誘導体であれば、下記一般式（４）の材料が例示される。 Further, another specific example of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9 is exemplified by a material represented by the following general formula (4) in the case of a pentacene derivative.
ただし、一般式（４）中のＲ1〜Ｒ10は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1〜Ｒ10が示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R < 1 > -R < 10 > in General formula (4) may be an independent substituent, respectively, and may be the same substituent. The substituents represented by R 1 to R 10 are the same as those represented by the general formula (1).
そして以上のようなペンタセン誘導体の中でも、上記一般式（４）中におけるＲ5およびＲ10以外の置換部位が水素である下記一般式（５）の材料が例示される。 Among the pentacene derivatives as described above, there are exemplified materials of the following general formula (5) in which the substitution site other than R 5 and R 10 in the general formula (4) is hydrogen.
ただし、一般式（５）中のＲ1およびＲ2は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1およびＲ2が示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R 1 and R 2 in the general formula (5) may be independent substituents, or may be the same substituents. The substituents represented by R 1 and R 2 are the same as those represented by the general formula (1).
尚、このような一般式（５）に示す有機半導体材料は、上記一般式（４）中におけるＲ5およびＲ10以外の置換部位を水素とした材料である。 The organic semiconductor material represented by the general formula (5) is a material in which hydrogen substitution site other than R 5 and R 10 in formula (4).
また有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料の他の例として、下記一般式（６）に示すチオフェン系の主骨格を備えた材料が例示される。 Another example of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9 is a material having a thiophene-based main skeleton represented by the following general formula (6).
ただし、一般式（６）中のｎはｎ＝６以上の整数である。また、Ｒ1およびＲ2は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。 However, n in General formula (6) is an integer greater than or equal to n = 6. R 1 and R 2 may each be an independent substituent, or may be the same substituent.
また上記一般式（６）中のＲ1およびＲ2が示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 In addition, the substituent represented by R 1 and R 2 in the general formula (6) is the same as the substituent represented by the general formula (1).
また有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料の他の例として、下記一般式（７）に示す主骨格を備えた材料が例示される。 As another example of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9, a material having a main skeleton represented by the following general formula (7) is exemplified.
ただし、一般式（７）中のＲ1〜Ｒ16は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1〜Ｒ16示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R < 1 > -R < 16 > in General formula (7) may be an independent substituent, respectively, and may be the same substituent. The substituents represented by R 1 to R 16 are the same as those represented by the general formula (1).
また有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料の他の例として、下記一般式（８）に示す主骨格を備えた材料が例示される。 Another example of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9 is a material having a main skeleton represented by the following general formula (8).
ただし、一般式（８）中のＲ1〜Ｒ12は、それぞれ独立した置換基で有って良く、同じ置換基で有って良い。Ｒ1〜Ｒ12示す置換基としては、上記一般式（１）で示したと同様の置換基であることとする。 However, R < 1 > -R < 12 > in General formula (8) may be an independent substituent, respectively, and may be the same substituent. The substituents represented by R 1 to R 12 are the same as those represented by the general formula (1).
＜有機半導体薄膜の作製＞
以上のような複数種類の有機半導体材料からなる有機半導体薄膜の作製は、1つの蒸着室内において、同時に複数種類の有機半導体材料をそれぞれ個別に蒸発させて共蒸着させる方法や、複数種類の有機半導体材料を予め混合した溶液を塗布したり、または印刷することによって得られる。
<Preparation of organic semiconductor thin film>
The production of organic semiconductor thin films composed of multiple types of organic semiconductor materials as described above can be achieved by simultaneously evaporating and co-depositing multiple types of organic semiconductor materials in one vapor deposition chamber. It is obtained by applying or printing a solution in which materials are premixed.
以上のような半導体装置によれば、複数種類の有機半導体材料を用いて有機半導体薄膜９を構成することにより、次の実施例で説明するように、この有機半導体薄膜９を用いた薄膜トランジスタ構成の半導体装置においけるしきい値が制御される。これにより、例えばゲート絶縁膜５の材料に係わらず、有機半導体薄膜９を構成する有機半導体材料の選択のみによって半導体装置のしきい値を制御することが可能になる。 According to the semiconductor device as described above, by forming the organic semiconductor thin film 9 using a plurality of types of organic semiconductor materials, a thin film transistor configuration using the organic semiconductor thin film 9 is used, as will be described in the next embodiment. The threshold value in the semiconductor device is controlled. Thus, for example, regardless of the material of the gate insulating film 5, the threshold value of the semiconductor device can be controlled only by selection of the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor thin film 9.
この結果、ゲート絶縁膜５として有機材料を用いることも可能になり、全ての要素を有機材料で構成した半導体装置を所望の特性として作製することができる。 As a result, an organic material can be used as the gate insulating film 5, and a semiconductor device in which all elements are made of an organic material can be manufactured with desired characteristics.
本発明を適用した実施例１，２、およびこの比較例として、図１（ａ）に示す構成の半導体装置を以下のようにして作製した。 As examples 1 and 2 to which the present invention is applied, and as a comparative example, a semiconductor device having the configuration shown in FIG. 1A was manufactured as follows.
先ず、本実施例では、高濃度で不純物をドープして低抵抗化した単結晶シリコンからなる基板１を用意し、これをゲート電極３として兼用した。
First, in this example, a
そして、ゲート電極３を兼用する基板１上に、ポリビニルフェノール及びその架橋剤を主とする有機溶液を、スピンコートにより塗布してゲート絶縁膜５を成膜した。
Then, on the
次に、ゲート絶縁膜５上に、リフトオフ法を利用して膜厚５０ｎｍのＡｕからなるソース／ドレイン電極７を形成した。 Next, a source / drain electrode 7 made of Au having a thickness of 50 nm was formed on the gate insulating film 5 by using a lift-off method.
その後、有機半導体材料として、一般式（２）で示される１，２，３，４，６，１１−ヘキサプロピルナフタセンと、一般式（３）で示されるルブレン（５，６，１１，１２テトラフェニルナフタセン）とを用いた有機半導体薄膜を形成した。実施例１，２と比較例とで、これらの材料を以下のように変更した。 Thereafter, as the organic semiconductor material, 1,2,3,4,6,11-hexapropylnaphthacene represented by the general formula (2) and rubrene (5, 6, 11, 12 represented by the general formula (3) are used. An organic semiconductor thin film using tetraphenylnaphthacene) was formed. In Examples 1 and 2 and Comparative Example, these materials were changed as follows.
実施例１においては、ルブレンの飽和溶液としたｐ−ジイソプロピルベンゼンに、１，２，３，４，６，１１−ヘキサプロピルナフタセンを同量溶かし、スピンコートによって有機半導体薄膜９を形成した。 In Example 1, the same amount of 1,2,3,4,6,11-hexapropylnaphthacene was dissolved in p-diisopropylbenzene as a saturated solution of rubrene, and the organic semiconductor thin film 9 was formed by spin coating.
実施例２においては、実施例1においてｐ−ジイソプロピルベンゼンに加えるルブレンの量を半分に減らし、１，２，３，４，６，１１−ヘキサプロピルナフタセンを同量溶かし、スピンコートによって有機半導体薄膜９を形成した。 In Example 2, the amount of rubrene added to p-diisopropylbenzene in Example 1 is reduced to half, 1,2,3,4,6,11-hexapropylnaphthacene is dissolved in the same amount, and organic semiconductor is formed by spin coating. A thin film 9 was formed.
比較例においては、１，２，３，４，６，１１−ヘキサプロピルナフタセンをｐ−ジイソプロピルベンゼンに溶かし、スピンコートによって有機半導体薄膜９を形成した。 In the comparative example, 1,2,3,4,6,11-hexapropylnaphthacene was dissolved in p-diisopropylbenzene, and the organic semiconductor thin film 9 was formed by spin coating.
以上のようにして作製した実施例１，２および比較例の半導体装置について、ゲート電極に印加するゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄ（Ｖｇ−Ｉｄ特性）を測定した。この結果を図２に示す。尚、このＶｇ−Ｉｄ特性において、ドレイン電流Ｉｄが急激に上昇するゲート電圧Ｖｇが、しきい値となる。 With respect to the semiconductor devices of Examples 1 and 2 and the comparative example manufactured as described above, the drain current Id (Vg-Id characteristics) with respect to the gate voltage Vg applied to the gate electrode was measured. The result is shown in FIG. In this Vg-Id characteristic, the gate voltage Vg at which the drain current Id increases rapidly becomes the threshold value.
この図に示すように、１，２，３，４，６，１１−ヘキサプロピルナフタセンのみで有機半導体薄膜９が構成された比較例に対して、２種類の有機半導体材料によって有機半導体薄膜９を構成した実施例１，２においては、しきい値がマイナス側にシフトしていることが分かる。これにより、異なる種類の有機半導体材料を用いて有機半導体薄膜９を構成することにより、しきい値を制御できることが確認された。 As shown in this figure, compared with the comparative example in which the organic semiconductor thin film 9 is composed only of 1,2,3,4,6,11-hexapropylnaphthacene, the organic semiconductor thin film 9 is made of two kinds of organic semiconductor materials. It can be seen that in the first and second embodiments configured as described above, the threshold value is shifted to the minus side. Thereby, it was confirmed that the threshold value can be controlled by configuring the organic semiconductor thin film 9 using different types of organic semiconductor materials.
また実施例１，２の比較から、ルブレンの導入割合が多い実施例１におけるしきい値のシフト量が多く、有機半導体薄膜９中における複数種類の有機半導体材料の割合により、しきい値電圧を高精度に制御できることが確認された。 Further, from the comparison between Examples 1 and 2, the threshold shift amount in Example 1 in which the introduction ratio of rubrene is large is large, and the threshold voltage is set according to the ratio of plural kinds of organic semiconductor materials in the organic semiconductor thin film 9. It was confirmed that it can be controlled with high accuracy.
３…ゲート電極、５…ゲート絶縁膜、７…ソース／ドレイン層、９…有機半導体薄膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Gate electrode, 5 ... Gate insulating film, 7 ... Source / drain layer, 9 ... Organic-semiconductor thin film
Claims (6)
前記有機半導体薄膜は、アセン系の同一主骨格を備えかつ同一の導電型特性を示す複数種類の有機半導体材料を混合して用いた膜である
ことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a gate insulating film is sandwiched between an organic semiconductor thin film and a gate electrode,
The organic semiconductor thin film is a film using a mixture of a plurality of types of organic semiconductor materials having the same acene-based main skeleton and exhibiting the same conductivity type.
前記アセン系の主骨格を備えた有機半導体材料は、アントラセン、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、またはオクタセンである
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 ,
The organic semiconductor material having an acene-based main skeleton is anthracene, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, or octacene.
前記有機半導体薄膜を構成する前記複数種類の有機半導体材料によって、しきい値電圧が制御されている
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
A threshold voltage is controlled by the plurality of types of organic semiconductor materials constituting the organic semiconductor thin film.
前記有機半導体薄膜中における前記複数種類の有機半導体材料の割合により、しきい値電圧が制御されている
ことを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device in any one of Claims 1-3 ,
A threshold voltage is controlled by a ratio of the plurality of types of organic semiconductor materials in the organic semiconductor thin film.
前記有機半導体薄膜に接してソース／ドレイン層が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 ,
A source / drain layer is provided in contact with the organic semiconductor thin film.
ことを特徴とする有機半導体薄膜。 An organic semiconductor thin film characterized by using a mixture of a plurality of types of organic semiconductor materials having the same acene-based main skeleton and exhibiting the same conductivity type characteristics.
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