JP2007067024A - 薄膜トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタとしてのｏｎ／ｏｆｆ比を大きくとることができるとともに、ゲート電圧あるいはソース−ドレイン電圧掃引に対して電流値にヒステリシスを生じることがないようにする。
【解決手段】基板と、上記基板の一方の面上に形成された絶縁層と、上記絶縁層上に形成された炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムと、上記フィルム上に真空蒸着により形成された炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層と、上記基板の他方の面上に形成された第１の電極と、上記有機材料層に形成された第２の電極と、上記有機材料層に形成された第３の電極とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、薄膜トランジスタおよびその製造方法に関し、さらに詳細には、グラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタおよびその製造方法に関する。

従来より、グラファイト系材料としてカーボンナノチューブが知られているが、このカーボンナノチューブは、カーボンフィルムをシームレス状に円筒形に丸めた形状を備えており、その円筒形状は最長で数百μｍ程度であり直径が１ｎｍ程度であって、一般的に数本以上のバンドルを形成し易い。

こうしたカーボンナノチューブは、その１／３が金属的な電気特性を備え、その２／３が半導体的な電気特性を備えるものであって、近年においてはトランジスタを構成するための材料として注目を集めており、カーボンナノチューブを用いたトランジスタの製造方法が種々提案されている。

例えば、フィルム（薄膜）状に形成されたカーボンナノチューブ（以下、「カーボンナノチューブフィルム」と称する。）を用いた薄膜トランジスタの製造方法が従来より知られており、以下にその手法の一例について説明するが、その前段として、まず、カーボンナノチューブフィルムの製造方法について説明する。

ここで、カーボンナノチューブフィルムの製造方法としては、分散法と直接成長法とが知られている。

即ち、分散法とは、カーボンナノチューブをレーザーアブレーションなどによって作製し、その作製したカーボンナノチューブを溶媒（ＤＭＦ、ジクロロエタン、アセトン、アルコールなど）に分散して、スピンコートあるいは吹き付けによって基板上にカーボンナノチューブフィルムを形成するという手法である。

一方、直接成長法とは、基板上に鉄あるいはコバルトなどの触媒を分散あるいはパターニングし、ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブフィルムを作製するという手法である。

そして、カーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタを製造するには、基板としてゲート電極となる導電性材料上にゲート絶縁膜が形成されたものを用い、そのゲート絶縁膜上に分散法または直接成長法によりカーボンナノチューブフィルムを形成することになる。

図１を参照しながら、カーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタの製造方法についてより詳細に説明すると、半導体よりなる基板１０２の一方の面１０２ａに導電性材料よりなる第１の電極たるゲート電極１０４を形成し、その一方、基板１０２の他方の面１０２ｂに絶縁性材料よりなるゲート絶縁膜１０６を形成する。さらに、ゲート絶縁膜１０６の表面１０６ａに分散法または直接成長法によりカーボンナノチューブフィルム１０８を形成し、カーボンナノチューブフィルム１０８の表面１０８ａに導電性材料よりなる第２の電極たるソース電極１１０と第３の電極たるドレイン電極１１２とを形成することにより、薄膜トランジスタ１００を構成する。

なお、基板１０２としては、例えば、ホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用いることができる。

また、ゲート電極１０４は、例えば、基板１０２の面１０２ａに金属であるＡｌ層とＴｉ層とＡｕ層とを蒸着により順次に堆積して形成することができ、こうして形成したＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極をゲート電極１０４として用いることができる。

さらに、ゲート絶縁膜１０６としては、例えば、絶縁性材料であるＳｉＯ_２膜を用いることができる。

さらにまた、ソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２は、例えば、基板１０２の面１０２ｂに金属であるＰｔ層とＡｕ層とを蒸着により順次に堆積して形成することができ、こうして形成したＰｔ／Ａｕ電極をソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２として用いることができる。

なお、上記において図１を参照しながら説明したカーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタの製造方法とは異なり、基板上に電極となる端子を作製した後に、カーボンナノチューブフィルムを作製するようにしてもよい。

以上において説明したように、カーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタは、その製造が簡単であり、特に、カーボンナノチューブフィルムを分散法で作製する場合には基板温度を上げる必要がないため、プラスチック上に作製することも可能である。また、電界効果移動度が１００〜２００ｃｍ^２／Ｖｓと高く（一般の有機トランジスタの電界効果移動度の１００倍程度である。）、かつ、動作電圧が０．１Ｖオーダーと低い（一般の有機トランジスタの電界効果移動度の１／１００程度である。）という優れた特性を備えている。

しかしながら、従来のグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタに関して、例えば、電極間を１本のカーボンナノチューブで接続して薄膜トランジスタを構成する手法が知られているが、当該１本のカーボンナノチューブは大抵バンドル構造を備えているため、そのバンドルの中に金属的な電気特性を備えたものが混入してしまうと、トランジスタとして機能しなくなってしまうという問題点があった。

一方、従来のグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタとして、上記したようにフィルム状に形成したカーボンナノチューブであるカーボンナノチューブフィルムにより薄膜トランジスタを構成する手法も知られているが、こうした手法においても金属的な電気特性を備えたものの混入は、トランジスタの特性を劣化させる原因となるという問題点があった。

なお、薄膜トランジスタを構成するためのカーボンナノチューブフィルムにおいて、上記したような金属的な電気特性を備えたものの混入を解消する手法として、混入したものを焼き切る手法が提案されているが、カーボンナノチューブが多数集積されたカーボンナノチューブフィルムに対して実施することを考慮すると、全く実用的ではないことが指摘されていた。

また、従来のグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタにおいては、電流値にヒステリシスが生じるとともに、カーボンナノチューブやカーボンナノチューブフィルムなどのグラファイト系材料がその吸着分子に対して過剰に反応してトランジスタとしてのｏｎ／ｏｆｆ（オン／オフ）比が大きくとれないという本質的な問題点もあった。

例えば、図２のグラフには、基板１０２として厚さ０．３８ｍｍのホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用い、ゲート電極１０４として厚さ１００ｎｍのＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を用い、ゲート絶縁膜１０６としてＳｉＯ_２膜を用い、カーボンナノチューブフィルム１０８の厚さを２０ｎｍ以下に形成し、ソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２として厚さ５０ｎｍのＰｔ／Ａｕ電極を用いた薄膜トランジスタ１００において、ゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン間の電流（ソース−ドレイン電流）の電流値のヒステリシス曲線が示されている。

なお、図２において、Ｉｓｄはソース電極１１０とドレイン電極１１２とのソース−ドレイン間の電流（ソース−ドレイン電流）を示し、Ｖｓｄはソース電極１１０とドレイン電極１１２とのソース−ドレイン間の電圧（ソース−ドレイン電圧）を示し、Ｖｇはゲート電極１０４の電圧（ゲート電圧）を示す。なお、他のグラフならびに以下の説明においても、Ｉｓｄ、ＶｓｄならびにＶｇは、上記と同じ意味を示すものとする。

このように、従来のグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタは、ゲート電圧あるいはソース−ドレイン電圧掃引に対して電流値にヒステリシスが必ず観測され、トランジスタとして有効に機能させることが困難であるという問題点があるとともに、トランジスタとしてのｏｎ／ｏｆｆ比が大きくても１００程度と小さい（一般の有機トランジスタのｏｎ／ｏｆｆ比は、１００００〜１０００００程度である。）という問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トランジスタとしてのｏｎ／ｏｆｆ比を大きくとることができるとともに、ゲート電圧あるいはソース−ドレイン電圧掃引に対して電流値にヒステリシスを生じることがないグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、カーボンナノチューブフィルムなどのような炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルム（薄膜）の表面に、ペンタセンやテトラセンなどのようなベンゼン環分子たる炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着により形成し、この有機材料の表面に端子電極（例えば、ソース電極やドレイン電極である。）を形成するようにしたものである。

こうした本発明によれば、炭素６員環を含有するグラファイト系材料に金属的な電気特性を備えるものが混入していたとしても、トランジスタ特性においてヒステリシスをなくし、さらにｏｎ／ｏｆｆ比を著しく向上させることができるようになる。

また、本発明は、カーボンナノチューブフィルムなどのような炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムの表面に端子電極（例えば、ソース電極やドレイン電極である。）を形成した後に、ＵＶオゾン照射などのオゾン処理および／または酸素プラズマを照射する酸素プラズマ処理や、ペンタセンやテトラセンなどのようなベンゼン環分子たる炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着する処理を行うようにしたものである。

こうした本発明によれば、炭素６員環を含有するグラファイト系材料に金属的な電気特性を備えるものが混入していたとしても、トランジスタ特性においてヒステリシスをなくことができるようになる。

また、上記したオゾン処理および／または酸素プラズマを照射する酸素プラズマ処理および炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着する処理を行った薄膜トランジスタを駆動する際に電圧印加速度を高速にする、なお一層トランジスタ特性においてヒステリシスをなくことができるようになる。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、基板と、上記基板の一方の面上に形成された絶縁層と、上記絶縁層上に形成された炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムと、上記フィルム上に真空蒸着により形成された炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層と、上記基板の他方の面上に形成された第１の電極と、上記有機材料層に形成された第２の電極と、上記有機材料層に形成された第３の電極とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記有機材料層は２０〜４０ｎｍの厚さであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記炭素６員環を含有する有機材料はペンタセンであり、上記有機材料層は３０ｎｍの厚さであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記グラファイト系材料からなるフィルムはカーボンナノチューブフィルムであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、基板の一方の面上に絶縁層を形成し、上記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、上記フィルム上に炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成し、上記有機材料層上に電極を形成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、基板の一方の面上に絶縁層を形成し、上記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、上記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタに対し、ＵＶオゾン照射と酸素プラズマ照射との少なくともいずれか一方を行うようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、基板の一方の面上に絶縁層を形成し、上記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、上記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタの上記フィルム上に、炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、基板の一方の面上に絶縁層を形成し、上記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、上記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタに対し、ＵＶオゾン照射と酸素プラズマ照射との少なくともいずれか一方を行った後に、上記フィルム上に炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、トランジスタとしてのｏｎ／ｏｆｆ比を大きくとることができるとともに、ゲート電圧あるいはソース−ドレイン電圧掃引に対して電流値にヒステリシスを生じることがないグラファイト系材料を用いた薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による薄膜トランジスタおよびその製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明する。

なお、以下の説明においては、「背景技術」の項において説明した構成と同一または想到する構成については、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発明による薄膜トランジスタの製造方法の実施の形態の一例を表す説明図が示されている。

この本発明による薄膜トランジスタの製造方法においては、従来の技術と同様に、はじめに、半導体よりなる基板１０２の一方の面１０２ａに導電性材料よりなるゲート電極１０４を形成し、その一方、基板１０２の他方の面１０２ｂに絶縁性材料よりなるゲート絶縁膜１０６を形成し、さらに、ゲート絶縁膜１０６の表面１０６ａに炭素６員環を含有するグラファイト系材料よりなるフィルムとして分散法または直接成長法によりカーボンナノチューブフィルム１０８を形成する（図３（ａ）参照）。

次に、カーボンナノチューブフィルム１０８の表面１０８ａに、ペンタセンやテトラセンなどのようなベンゼン環分子たる炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着して有機材料層１２を薄く形成する（図３（ｂ）参照）。有機材料層１２の厚さは、限定されるものではないが、後述する本願発明者の実験結果によれば、１０〜５０ｎｍの範囲、より好ましくは２０〜４０ｎｍの範囲、特に、３０ｎｍとすることが好ましい。

この真空蒸着の処理において、その真空度は特に限定されるものではないが、例えば、１０^−５〜１０^−３Ｐａの範囲で設定することができ、例えば、１×１０^−４Ｐａに設定すればよい。

それから、有機材料層１２の表面１２ａに、導電性材料よりなるソース電極１１０とドレイン電極１１２とを形成することにより、本発明による薄膜トランジスタ１０を構成する。

以上の構成において、薄膜トランジスタ１０においては、カーボンナノチューブフィルム１０８の表面１０８ａには、真空蒸着の処理により、カーボンナノチューブフィルム１０８からヒステリシスの一因であるカーボンナノチューブに吸着した水や酸素分子を引き出した後に、炭素６員環を含有する有機材料が蒸着されることになる。

ここで、有機材料層１２を構成する炭素６員環を含有する有機材料は、炭素６員環を含有するグラファイト系材料よりなるフィルムたるカーボンナノチューブフィルム１０８と炭素６員環同士で引き合い、自己組織化的にカーボンナノチューブフィルム１０８を封印してカーボンナノチューブフィルム１０８の表面１０８ａに形成される。これにより、ゲート電圧あるいはソース−ドレイン電圧掃引に対して、電流値にヒステリシスを生じることがなくなる。

即ち、図４（ａ）（ｂ）には、本願発明者による実験の結果を表すグラフが示されているが、この実験においては、基板１０２として厚さ０．３８ｍｍのホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用い、ゲート電極１０４として厚さ５０ｎｍのＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を用い、ゲート絶縁膜１０６としてＳｉＯ_２膜を用い、カーボンナノチューブフィルム１０８の厚さを２０ｎｍ以下に形成し、有機材料層１２としてペンタセン（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）を用い、ソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２として厚さ５０ｎｍのＰｔ／Ａｕ電極を用いた薄膜トランジスタ１０を使用した。

ここで、図４（ａ）は、有機材料層１２としてペンタセンを厚さ５ｎｍで真空蒸着した薄膜トランジスタ１０におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図４（ｂ）は、有機材料層１２としてペンタセンを厚さ５０ｎｍで真空蒸着した薄膜トランジスタ１０におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示している。

この図４（ａ）（ｂ）から明らかなように、有機材料層１２としてペンタセンを厚さ５０ｎｍで真空蒸着した薄膜トランジスタ１０においては、ゲート電圧掃引に対して電流値にヒステリシスを生じることがない。

また、炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層１２は、金属端子たるソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２の下に薄いトンネル層を供給することになる。これにより、オン（Ｏｎ）電流は減るが、オフ（Ｏｆｆ）電流も減ることになり、これは、所謂、トレードオフの関係にあるが、以下に説明する本願発明者による実験の結果に示されているように、オン／オフ比を大きくとれる領域が存在する。つまり、本発明による薄膜トランジスタ１０においては、カーボンナノチューブフィルム１０８に金属的な部位が混在していても、それに影響されることなくオン／オフ比を大きくとることができる、
この本願発明者により行われた実験について説明すると、この実験においては、基板１０２として厚さ０．３８ｍｍのホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用い、ゲート電極１０４として厚さ５０ｎｍのＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を用い、ゲート絶縁膜１０６としてＳｉＯ_２膜を用い、カーボンナノチューブフィルム１０８の厚さを２０ｎｍ以下に形成し、有機材料層１２としてペンタセンを用い、ソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２として厚さ５０ｎｍのＡｕ電極を用いた薄膜トランジスタ１０を使用した。なお、有機材料層１２の表面１２ａに形成されたソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２は、図５に示すように、幅（Ｗ）が４００μｍであり、かつ、長さ（Ｌ）が２００ｎｍのチャネルを形成するように配置されている。

ここで、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、有機材料層１２としてペンタセンの厚さ（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を５ｎｍ、１５ｎｍ、３０ｎｍまたは５０ｎｍとしたそれぞれの薄膜トランジスタ１０における測定結果を示し、図６（ａ）は電界効果移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）の変化を示すグラフであり、また、図６（ｂ）はｏｎ／ｏｆｆ比（ｏｎ／ｏｆｆ ｒａｔｉｏ）の変化を示すグラフであり、また、図６（ｃ）はヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の変化を示すグラフである。

この図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す実験結果によれば、有機材料層１２としてペンタセンの厚さが３０ｎｍである薄膜トランジスタ１０は、ｏｎ／ｏｆｆ比を大きくとることができるとともにヒステリシスを著しく低減することができ、しかも実用上十分な移動度を確保することができた。

次に、本発明の他の実施の形態による薄膜トランジスタの製造方法について説明すると、この本発明による薄膜トランジスタの製造方法においては、炭素６員環を含有するグラファイト系材料よりなるフィルムを用いた薄膜トランジスタのヒステリシスを、以下に説明する第１の処理ならびに第２の処理の２つの処理の少なくともいずれか一方を行うことにより著しく低減するようにしたものである。

例えば、図７には、「背景技術」で説明した従来より公知の手法で作製された薄膜トランジスタであって、炭素６員環を含有するグラファイト系材料よりなるフィルムとしてカーボンナノチューブフィルム１０８を用いた薄膜トランジスタ１００が示されている。この薄膜トランジスタ１００は、ソース電極１１０とドレイン電極１１２との間に幅数１０ｎｍのカーボンナノチューブよりなるチャネルを備えている。

ここで、本発明の他の実施の形態による薄膜トランジスタの製造方法は、こうした従来より公知の手法で作製された薄膜トランジスタ１００のチャネルを中心として全体に、ＵＶオゾンまたは酸素プラズマのいずれか一方または両方を照射するようにしたものである（第１の処理）。

このチャネルを中心に全体にＵＶオゾンまたは酸素プラズマのいずれか一方または両方の１分以内（次に説明する本願発明者の実験結果によれば、数十秒程度が適正である。）の照射により、ヒステリシスの原因であるトラップを低減することができる。

なお、オゾン濃度は、ＵＶランプが点灯状態で、約３ｇ／ｍ^３（１４００ｐｐｍ相当）とした。

即ち、図８（ａ）（ｂ）には、本願発明者による実験の結果を表すグラフが示されているが、この実験においては、基板１０２として厚さ０．３８ｍｍのホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用い、ゲート電極１０４として厚さ５０ｎｍのＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を用い、ゲート絶縁膜１０６としてＳｉＯ_２膜を用い、カーボンナノチューブフィルム１０８の厚さを２０ｎｍ以下に形成し、ソース電極１１０ならびにドレイン電極１１２として厚さ５０ｎｍのＰｔ／Ａｕ電極を用いた薄膜トランジスタ１００を使用した。

ここで、図８（ａ）は、ＵＶオゾンを照射していない薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図８（ｂ）は、チャネルを中心に全体にＵＶオゾンを１分間（６０秒間）照射した薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示している。

この図８（ａ）（ｂ）から明らかなように、チャネルを中心に全体にＵＶオゾンを１分間（６０秒間）照射した薄膜トランジスタ１００においては、ゲート電圧掃引に対して電流値に生じるヒステリシスが著しく低減されている。

また、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図８（ａ）（ｂ）に示す実験で用いた薄膜トランジスタ１００に対するＵＶオゾンの照射時間（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）を０秒（ＵＶオゾンを照射しない場合である。）、１分（６０秒）、１分３０秒（９０秒）および１２０秒（２分）としたそれぞれの場合における測定結果を示し、図９（ａ）はヒステリシスの変化を示すグラフであり、また、図９（ｂ）は電界効果移動度の変化を示すグラフであり、また、図９（ｃ）はｏｎ／ｏｆｆ比の変化を示すグラフである。

この図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す実験結果によれば、チャネルを中心に全体にＵＶオゾンを６０秒間照射した薄膜トランジスタ１００は、ヒステリシスを著しく低減することができ、しかも実用上十分な移動度ならびにｏｎ／ｏｆｆ比を確保することができた。

次に、本発明の他の実施の形態による薄膜トランジスタの製造方法は、上記第１の処理に関連して説明したと同様な従来より公知の手法で作製された薄膜トランジスタ１００のカーボンナノチューブフィルム１０８に対して、ペンタセンやテトラセンなどのようなベンゼン環分子たる炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着したものである（第２の処理）。真空蒸着する有機材料の厚さは、限定されるものではないが、１０〜７０ｎｍの範囲、より好ましくは２０〜６０ｎｍの範囲、後述する本願発明者の実験結果によれば、特に、５０ｎｍ程度とすることが好ましい。

このように、カーボンナノチューブフィルム１０８にペンタセンやテトラセンなどのようなベンゼン環分子たる炭素６員環を含有する有機材料を真空蒸着することによっても、ヒステリシスを低減することができる。

なお、この真空蒸着の処理において、その真空度は特に限定されるものではないが、例えば、１０^−５〜１０^−３Ｐａの範囲で設定することができ、例えば、１×１０^−４Ｐａに設定すればよい。

即ち、図１０（ａ）（ｂ）には、本願発明者による実験の結果を表すグラフが示されているが、この実験においては、上記第１の処理に関連して説明したと同様な従来より公知の手法で作製された薄膜トランジスタ１００のカーボンナノチューブフィルム１０８に、１×１０^−４Ｐａの真空度で有機材料としてペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着して、ヒステリシスの測定を行った。

ここで、図１０（ａ）は、カーボンナノチューブフィルム１０８にペンタセンを真空蒸着していない薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図１０（ｂ）は、カーボンナノチューブフィルム１０８に１×１０^−４Ｐａの真空度でペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着した薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示している。

この図１０（ａ）（ｂ）から明らかなように、カーボンナノチューブフィルム１０８に厚さ５０ｎｍでペンタセンを真空蒸着した薄膜トランジスタ１００においては、ゲート電圧掃引に対して電流値に生じるヒステリシスが著しく低減されている。

さらに、上記した第１の処理と第２の処理とを連続的に行うと、さらにヒステリシスを低減することができる。

即ち、図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本願発明者による実験の結果を表すグラフが示されているが、この実験においては、上記第１の処理に関連して説明したと同様な従来より公知の手法で作製された薄膜トランジスタ１００のチャネルを中心に全体に、ＵＶオゾンを２分間照射し、このＵＶオゾンの２分間の照射に引き続き、カーボンナノチューブフィルム１０８に１×１０^−４Ｐａの真空度で有機材料としてペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着して、ヒステリシスの測定を行った。

ここで、図１１（ａ）は、ＵＶオゾンを照射していない薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、図１１（ｂ）は、第１の処理によりチャネルを中心に全体にＵＶオゾンを２分間照射した後の薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、図１１（ｃ）は、第１の処理によりチャネルを中心に全体にＵＶオゾンを２分間照射した後に第２の処理によりカーボンナノチューブフィルム１０８に１×１０^−４Ｐａの真空度でペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着した薄膜トランジスタ１００におけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示している。

この図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されているように、上記した第１の処理と第２の処理とを連続的に行うと、一層大幅にヒステリシスを低減することができる。

また、上記した本発明の他の実施の形態による薄膜トランジスタの製造方法による第１の処理と第２の処理との少なくともいずれか一方を実施した薄膜トランジスタ１００を駆動する際に、ゲート電圧掃引速度を速くすれば、ヒステリシスをさらに低減することができる。

即ち、ゲート電圧掃引速度を速くすると、基板１０２中やゲート絶縁膜１０６中のイオン性ヒステリシス要因が追随できなくなり、実際のトランジスタ動作を考えると、高速動作させれば実用上ヒステリシスの影響は無視できるようになる。

図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本願発明者による実験の結果を表すグラフが示されているが、この実験においては、図１１（ｃ）に示す測定の際に用いた薄膜トランジスタ１００を用いて、ゲート電圧掃引速度を変化させながら、ゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシスの測定を行った。

ここで、図１２（ａ）は、ゲート電圧掃引速度を２Ｖ／ｓｅｃ、４Ｖ／ｓｅｃ、１０Ｖ／ｓｅｃおよび２０Ｖ／ｓｅｃと変化させた場合の測定結果を示し、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における破線で囲んだ矩形領域の拡大図であり、図１２（ｃ）は、ゲート電圧掃引速度（ｓｃａｎ ｓｐｅｅｄ）の変化に伴うヒステリシスの変化を示すグラフである。

この図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されているように、ゲート電圧掃引速度を高速にすればするほど、基板１０２中やゲート絶縁膜１０６中のイオン性ヒステリシス要因が追随できなくなり、ヒステリシスを実用上問題のないレベルまで低減することができる。

なお、以上において説明した上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に説明するように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、炭素６員環を含有するグラファイト系材料としてカーボンナノチューブフィルムを用いた場合について説明したが、グラファイト系材料はカーボンナノチューブフィルムに限られるものではないことは勿論であり、グラファイト系材料としては、例えば、炭素繊維、カーボンフィルム（カーボン薄膜）あるいはフラーレンなどを用いることができるのは勿論である。

（２）上記した実施の形態においては、炭素６員環を含有する有機材料としてペンタセンを用いた場合について説明したが、炭素６員環を含有する有機材料はペンタセンに限られるものではないことは勿論であり、炭素６員環を含有する有機材料としては、例えば、アセン類、フラーレン類、チオフェンやその誘導体などを用いることができるのは勿論である。なお、アセン類としては、ペンタセンの他には、例えば、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ヘキサセンなどを用いることができる。また、フラーレン類としては、グラファイト系材料の炭素６員環と化学的に相互作用する炭素６員環を含むフラーレン類であればよい。

（３）上記した実施の形態においては、基板としてホウ素を高濃度でドーピングされたＳｉ基板たるハイドープｐ型Ｓｉ基板を用い、ゲート電極としてＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を用い、ゲート絶縁膜としてＳｉＯ_２膜を用い、ソース電極ならびにドレイン電極としてＰｔ／Ａｕ電極やＡｕ電極を用いた場合について説明したが、これらの材料は例示に過ぎないものであることは勿論であり、設計条件などに応じて適宜に選択してよいことは勿論である。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、電子機器や医療機器などに用いられるフレキシブルディスプレイ、微小有機電子素子あるいはナノバイオデバイスなどの製造に利用することができる。

図１は、従来のカーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタの構成説明図である。 図２は、従来のカーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示すグラフである。 図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による薄膜トランジスタの製造方法の実施の形態の一例を表す説明図である。 図４（ａ）（ｂ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図４（ａ）は、有機材料層としてペンタセンを厚さ５ｎｍで真空蒸着した薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図４（ｂ）は、有機材料層としてペンタセンを厚さ５０ｎｍで真空蒸着した薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示す。 図５は、実験に使用した本発明による薄膜トランジスタに形成されたソース電極とドレイン電極との間のチャネル示す説明図である。 図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図６（ａ）は、電界効果移動度の変化を示すグラフであり、また、図６（ｂ）は、ｏｎ／ｏｆｆ比の変化を示すグラフであり、また、図６（ｃ）は、ヒステリシスの変化を示すグラフである。 図７は、公知の手法で作製された薄膜トランジスタであって、炭素６員環を含有するグラファイト系材料よりなるフィルムとしてカーボンナノチューブフィルムを用いた薄膜トランジスタの構成説明図である。 図８（ａ）（ｂ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図８（ａ）は、ＵＶオゾンを照射していない薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図８（ｂ）は、チャネルを中心に全体にＵＶオゾンを１分間（６０秒間）照射した薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示す。 図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図９（ａ）は、ヒステリシスの変化を示すグラフであり、また、図９（ｂ）は、電界効果移動度の変化を示すグラフであり、また、図９（ｃ）は、ｏｎ／ｏｆｆ比の変化を示すグラフである。 図１０（ａ）（ｂ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図１０（ａ）は、カーボンナノチューブフィルムにペンタセンを真空蒸着していない薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、また、図１０（ｂ）は、カーボンナノチューブフィルムに１×１０^−４Ｐａの真空度でペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着した薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示す。 図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図１１（ａ）は、ＵＶオゾンを照射していない薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、図１１（ｂ）は、本発明による第１の処理によりチャネルを中心に全体にＵＶオゾンを２分間照射した後の薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示し、図１１（ｃ）は、本発明による第１の処理によりチャネルを中心に全体にＵＶオゾンを２分間照射した後に本発明による第２の処理によりカーボンナノチューブフィルムに１×１０^−４Ｐａの真空度でペンタセンを厚さ５０ｎｍまで真空蒸着した薄膜トランジスタにおけるゲート電圧掃引に対するソース−ドレイン電流の電流値のヒステリシス曲線を示す。 図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による薄膜トランジスタを用いた本願発明者による実験の結果を表すグラフであり、図１２（ａ）は、ゲート電圧掃引速度を２Ｖ／ｓｅｃ、４Ｖ／ｓｅｃ、１０Ｖ／ｓｅｃおよび２０Ｖ／ｓｅｃと変化させた場合の測定結果を示し、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における破線で囲んだ矩形領域の拡大図であり、図１２（ｃ）は、ゲート電圧掃引速度の変化に伴うヒステリシスの変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 薄膜トランジスタ
１２ 有機材料層
１２ａ 表面
１００ 薄膜トランジスタ
１０２ 基板
１０２ａ 面
１０２ｂ 面
１０４ ゲート電極
１０６ ゲート絶縁膜
１０６ａ 表面
１０８ カーボンナノチューブフィルム
１０８ａ 表面
１１０ ソース電極
１１２ ドレイン電極

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムと、
   前記フィルム上に真空蒸着により形成された炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層と、
   前記基板の他方の面上に形成された第１の電極と、
   前記有機材料層に形成された第２の電極と、
   前記有機材料層に形成された第３の電極と
   を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、
   前記有機材料層は２０〜４０ｎｍの厚さである
   ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
3. 請求項１に記載の薄膜トランジスタにおいて、
   前記炭素６員環を含有する有機材料はペンタセンであり、
   前記有機材料層は３０ｎｍの厚さである
   ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタにおいて、
   前記グラファイト系材料からなるフィルムはカーボンナノチューブフィルムである
   ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
5. 基板の一方の面上に絶縁層を形成し、
   前記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、
   前記フィルム上に炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成し、
   前記有機材料層上に電極を形成する
   ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
6. 基板の一方の面上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、前記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタに対し、
   ＵＶオゾン照射と酸素プラズマ照射との少なくともいずれか一方を行う
   ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
7. 基板の一方の面上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、前記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタの前記フィルム上に、炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成する
   ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
8. 基板の一方の面上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に炭素６員環を含有するグラファイト系材料からなるフィルムを形成し、前記フィルム上に電極を形成した薄膜トランジスタに対し、
   ＵＶオゾン照射と酸素プラズマ照射との少なくともいずれか一方を行った後に、前記フィルム上に炭素６員環を含有する有機材料よりなる有機材料層を真空蒸着により形成する
   ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。