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JP7359793B2 - Field effect transistor, gas sensor, and manufacturing method thereof - Google Patents

Field effect transistor, gas sensor, and manufacturing method thereof Download PDF

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JP7359793B2
JP7359793B2 JP2021014413A JP2021014413A JP7359793B2 JP 7359793 B2 JP7359793 B2 JP 7359793B2 JP 2021014413 A JP2021014413 A JP 2021014413A JP 2021014413 A JP2021014413 A JP 2021014413A JP 7359793 B2 JP7359793 B2 JP 7359793B2
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Description

本開示は、電界効果トランジスタ、ガスセンサー、及びその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a field effect transistor, a gas sensor, and a method of manufacturing the same.

金属有機構造体(MOF:Metal Organic Framework)の中には、半導体特性を有する材料があり、そのような材料は、電界効果トランジスタ(FETとも称す)の半導体層として応用することができる。また、金属有機構造体によっては、半導体特性に加えてガス吸着能を有する材料もあり、そのような材料は、ガスセンサーに用い得る。 BACKGROUND OF THE INVENTION Among metal organic frameworks (MOFs) there are materials with semiconducting properties, and such materials can be applied as semiconductor layers of field effect transistors (also referred to as FETs). Furthermore, some metal-organic structures have gas adsorption ability in addition to semiconductor properties, and such materials can be used in gas sensors.

例えば、特許文献1は、電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタ上に設けられる検出領域と、前記検出領域内に設けられる感応膜と、を備え、前記感応膜は、金属有機構造体を含む、化学センサを開示している。特許文献1には、この化学センサによれば、試料中の検出対象成分を精度よく検出することができると記載されている。 For example, Patent Document 1 includes a field effect transistor, a detection region provided on the field effect transistor, and a sensitive film provided in the detection region, and the sensitive film includes a metal-organic structure. A chemical sensor is disclosed. Patent Document 1 describes that this chemical sensor can accurately detect a component to be detected in a sample.

WO2016/185679WO2016/185679

上述の通り、金属有機構造体膜を応用した電界効果トランジスタは、ガスセンサーを含む様々な機器に応用可能であり、さらなる新規な電界効果トランジスタの開発が望まれている。特に、例えば、低電圧駆動を実現できる電界効果トランジスタが求められている。 As mentioned above, field effect transistors using metal-organic structure films can be applied to various devices including gas sensors, and there is a desire for the development of further novel field effect transistors. In particular, there is a need for field effect transistors that can realize low voltage drive.

そこで、本開示は、金属有機構造体膜を半導体層として用いる電界効果トランジスタであって新規な構造を有する電界効果トランジスタを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a field effect transistor that uses a metal-organic structure film as a semiconductor layer and has a novel structure.

本実施形態の態様例は、以下の通りに記載される。 Example aspects of this embodiment are described as follows.

(1) 基板、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、及び半導体層としての金属有機構造体膜を含む電界効果トランジスタであって、
金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンが基板の面方向に展開するように配位している複数の結晶構造が、π-π相互作用を介して基板上に積層している積層構造を含み、
各結晶構造は、有機配位子及び金属イオンの配位により形成される細孔を有し、前記積層構造において、隣接している結晶構造の細孔が膜厚方向で連通しており、
トップコンタクト型である、電界効果トランジスタ。
(2) ボトムゲート-トップコンタクト型である、(1)に記載の電界効果トランジスタ。
(3) π共役系骨格が、少なくとも1つの芳香環を含んで構成される、(1)又は(2)に記載の電界効果トランジスタ。
(4) π共役系骨格が、多環芳香族炭化水素構造である、(1)~(3)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。
(5) 有機配位子が、3回対称性を有する、(1)~(4)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。
(6) 金属イオンが、4以上の配位数を取り得る金属イオンである、(1)~(5)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。
(7) ゲート電極が、アルミニウム電極である、(1)~(6)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。
(8) アルミニウム電極の表面にゲート絶縁層としての酸化アルミニウムが形成されている、(7)に記載の電界効果トランジスタ。
(9) 金属有機構造体膜が、金属イオンを含む金属イオン含有溶液を基板の上に塗布する工程と、有機配位子を含む有機配位子含有溶液を基板の上に塗布する工程とを含むLBL法により形成されたものである、(1)~(8)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。
(10) (1)~(9)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタを備えるガスセンサー。
(11) (1)~(8)のいずれか1つに記載の電界効果トランジスタを製造する方法であって、 金属有機構造体膜を、
金属イオンを含む金属イオン含有溶液を基板の上に塗布する工程と、
有機配位子を含む有機配位子含有溶液を基板の上に塗布する工程と、
を含むLBL法により形成する工程を含む、方法。
(1) A field effect transistor including a substrate, a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a metal-organic structure film as a semiconductor layer,
A metal-organic structure film has a plurality of crystal structures in which organic ligands and metal ions having a π-conjugated skeleton are coordinated so as to extend in the plane direction of the substrate. Including a laminated structure laminated on top,
Each crystal structure has pores formed by coordination of organic ligands and metal ions, and in the layered structure, pores of adjacent crystal structures communicate in the film thickness direction,
A top contact type field effect transistor.
(2) The field effect transistor according to (1), which is a bottom gate-top contact type.
(3) The field effect transistor according to (1) or (2), wherein the π-conjugated skeleton includes at least one aromatic ring.
(4) The field effect transistor according to any one of (1) to (3), wherein the π-conjugated system skeleton is a polycyclic aromatic hydrocarbon structure.
(5) The field effect transistor according to any one of (1) to (4), wherein the organic ligand has three-fold symmetry.
(6) The field effect transistor according to any one of (1) to (5), wherein the metal ion is a metal ion that can have a coordination number of 4 or more.
(7) The field effect transistor according to any one of (1) to (6), wherein the gate electrode is an aluminum electrode.
(8) The field effect transistor according to (7), wherein aluminum oxide is formed as a gate insulating layer on the surface of the aluminum electrode.
(9) The metal-organic structure film includes a step of applying a metal ion-containing solution containing metal ions onto a substrate, and a step of applying an organic ligand-containing solution containing an organic ligand onto the substrate. The field effect transistor according to any one of (1) to (8), which is formed by an LBL method including:
(10) A gas sensor comprising the field effect transistor according to any one of (1) to (9).
(11) A method for manufacturing the field effect transistor according to any one of (1) to (8), comprising: a metal-organic structure film;
applying a metal ion-containing solution containing metal ions onto the substrate;
applying an organic ligand-containing solution containing an organic ligand onto the substrate;
A method comprising the step of forming by an LBL method comprising:

本開示により、金属有機構造体膜を半導体層として用いる電界効果トランジスタであって新規な構造を有する電界効果トランジスタを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a field effect transistor that uses a metal-organic structure film as a semiconductor layer and has a novel structure.

本実施形態の電界効果トランジスタの一例であるボトムゲート-トップコンタクト型の電界効果トランジスタ10の基本構造を説明するための模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the basic structure of a bottom gate-top contact field effect transistor 10, which is an example of a field effect transistor according to the present embodiment. 電界効果トランジスタの一例であるボトムゲート-ボトムコンタクト型の電界効果トランジスタ200の基本構造を説明するための模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the basic structure of a bottom gate-bottom contact field effect transistor 200, which is an example of a field effect transistor. 実施例1で得られた金属有機構造体膜のAFM画像である。1 is an AFM image of the metal-organic structure film obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属有機構造体膜のAFM画像(拡大)である。1 is an AFM image (enlarged) of the metal-organic structure film obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属有機構造体膜の断面のFE-SEM画像である。1 is an FE-SEM image of a cross section of the metal-organic structure film obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属有機構造体膜のFT-IRスペクトルである。1 is an FT-IR spectrum of the metal-organic structure film obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属有機構造体膜の電気抵抗評価の結果を示すグラフである。2 is a graph showing the results of electrical resistance evaluation of the metal-organic structure film obtained in Example 1. 実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3. 図6Aに続き、実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 6A is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3, following FIG. 6A. 図6Bに続き、実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。Continuing from FIG. 6B, it is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3. 図6Cに続き、実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 6C is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3, continuing from FIG. 6C. 図6Dに続き、実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 6D is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3, continuing from FIG. 6D. 図6Eに続き、実施例2又は3における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。Continuing from FIG. 6E, it is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (top contact type) in Example 2 or 3. 比較例1で得られた粒子状MOFのFT-IRスペクトルである。1 is an FT-IR spectrum of a particulate MOF obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得られた粒子状MOFのXRDスペクトルである。1 is an XRD spectrum of a particulate MOF obtained in Comparative Example 1. 実施例2で得られた電界効果トランジスタE1の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。7 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor E1 obtained in Example 2. 実施例2で得られた電界効果トランジスタE1の出力特性を評価した結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of evaluating the output characteristics of the field effect transistor E1 obtained in Example 2. 比較例1で得られた電界効果トランジスタC1の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor C1 obtained in Comparative Example 1. 比較例2における電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (bottom contact type) in Comparative Example 2. 図10Aに続き、比較例2における電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 10A is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (bottom contact type) in Comparative Example 2, following FIG. 10A. 図10B続き、比較例2における電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。Continuing from FIG. 10B, it is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (bottom contact type) in Comparative Example 2. 図10Cに続き、比較例2における電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。FIG. 10C is a schematic cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (bottom contact type) in Comparative Example 2, continuing from FIG. 10C. 電界効果トランジスタE2(実施例3)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of field effect transistor E2 (Example 3). 電界効果トランジスタC2(比較例2)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of field effect transistor C2 (Comparative Example 2).

本実施形態は、基板、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、及び半導体層としての金属有機構造体膜を含む電界効果トランジスタであって、金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンが基板の面方向に展開するように配位している複数の結晶構造が、π-π相互作用を介して基板上に積層している積層構造を含み、各結晶構造は、有機配位子及び金属イオンの配位により形成される細孔を有し、前記積層構造において、隣接している結晶構造の細孔が膜厚方向で連通しており、トップコンタクト型である、電界効果トランジスタである。 This embodiment is a field effect transistor including a substrate, a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a metal-organic structure film as a semiconductor layer, in which the metal-organic structure film is an organic structure having a π-conjugated skeleton. It includes a layered structure in which a plurality of crystal structures in which atoms and metal ions are coordinated so as to expand in the plane direction of the substrate are stacked on the substrate via π-π interaction, and each crystal structure is , has pores formed by coordination of organic ligands and metal ions, and in the laminated structure, pores of adjacent crystal structures communicate in the film thickness direction, and are of a top contact type. , which is a field effect transistor.

本実施形態により、金属有機構造体膜を半導体層として用いる電界効果トランジスタであって新規な構造を有する電界効果トランジスタを提供することができる。また、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、好ましくは、低電圧で駆動することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a field effect transistor that uses a metal-organic structure film as a semiconductor layer and has a novel structure. Further, the field effect transistor according to this embodiment can preferably be driven at a low voltage.

以下、本実施形態について図を参照して説明するが、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings, but the present disclosure is not limited to the following embodiment.

1.電界効果トランジスタ
本実施形態の電界効果トランジスタは、半導体層として、詳細は後述する本実施形態の金属有機構造体膜を備えている。本実施形態の電界効果トランジスタは、半導体層以外に、基板、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を備える。本実施形態の電界効果トランジスタは、トップコンタクト型である。本実施形態の電界効果トランジスタは、ゲート-チャンネル間が絶縁されている絶縁ゲート型FETとして用いられることが好ましい。
1. Field-Effect Transistor The field-effect transistor of this embodiment includes, as a semiconductor layer, the metal-organic structure film of this embodiment, the details of which will be described later. In addition to the semiconductor layer, the field effect transistor of this embodiment includes a substrate, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode. The field effect transistor of this embodiment is a top contact type. The field effect transistor of this embodiment is preferably used as an insulated gate FET in which the gate and channel are insulated.

本実施形態の電界効果トランジスタの基板を除く厚さは、特に制限されるものではないが、例えば150~350nmである。 The thickness of the field effect transistor of this embodiment excluding the substrate is not particularly limited, but is, for example, 150 to 350 nm.

本実施形態の電界効果トランジスタは、好ましくは、基板と、基板上にゲート電極と、金属有機構造体膜と、ゲート電極及び金属有機構造体膜の間にゲート絶縁層と、金属有機構造体膜に接して設けられ、金属有機構造体膜を介して連結されたソース電極及びドレイン電極とを有する。この電界効果トランジスタにおいては、金属有機構造体膜とゲート絶縁層が隣接して設けられる。 The field effect transistor of this embodiment preferably includes a substrate, a gate electrode on the substrate, a metal-organic structure film, a gate insulating layer between the gate electrode and the metal-organic structure film, and a metal-organic structure film. It has a source electrode and a drain electrode that are provided in contact with and connected to each other via a metal-organic structure film. In this field effect transistor, a metal-organic structure film and a gate insulating layer are provided adjacent to each other.

本実施形態の電界効果トランジスタの構造は、トップコンタクト型である。トップコンタクト型としては、ボトムゲート-トップコンタクト型又はトップゲート-トップコンタクト型等が挙げられる。本実施形態の電界効果トランジスタは、トップコンタクト型であり、より好ましくは、ボトムゲート-トップコンタクト型である。本実施形態の電界効果トランジスタがトップコンタクト型である場合、より効果的に低電圧で駆動することができる。これは、トップコンタクト構造では、半導体層と電極の密着性が高く、ボトムコンタクト構造に比べて高移動度を実現することができるためと推測される。なお、本実施形態は当該推測により限定されない。 The structure of the field effect transistor of this embodiment is a top contact type. Examples of the top contact type include a bottom gate-top contact type and a top gate-top contact type. The field effect transistor of this embodiment is a top contact type, more preferably a bottom gate-top contact type. When the field effect transistor of this embodiment is a top contact type, it can be driven more effectively at a low voltage. This is presumably because the top contact structure has high adhesion between the semiconductor layer and the electrode and can achieve higher mobility than the bottom contact structure. Note that this embodiment is not limited by this assumption.

図1Aは、本実施形態の電界効果トランジスタの一例であるボトムゲート-トップコンタクト型の電界効果トランジスタ10の基本構造を説明するための模式的断面図である。一方、図1Bは、本実施形態ではない、ボトムコンタクト型の電界効果トランジスタ200(ボトムゲート-ボトムコンタクト型)の基本構造を説明するための模式的断面図である。 FIG. 1A is a schematic cross-sectional view for explaining the basic structure of a bottom gate-top contact type field effect transistor 10, which is an example of the field effect transistor of this embodiment. On the other hand, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view for explaining the basic structure of a bottom contact type field effect transistor 200 (bottom gate-bottom contact type), which is not the present embodiment.

電界効果トランジスタ10(ボトムゲート-トップコンタクト型)は、図1Aに示されるように、基板1と、ゲート電極2と、ゲート絶縁層3と、半導体層としての金属有機構造体膜5と、ソース電極4A及びドレイン電極4Bとをこの順で有する。この構造は、不図示の封止層で覆われていてもよい。封止層は、例えば、ガス透過性の材料から構成することができる。 As shown in FIG. 1A, the field effect transistor 10 (bottom gate-top contact type) includes a substrate 1, a gate electrode 2, a gate insulating layer 3, a metal organic structure film 5 as a semiconductor layer, and a source. It has an electrode 4A and a drain electrode 4B in this order. This structure may be covered with a sealing layer (not shown). The sealing layer can be made of a gas-permeable material, for example.

電界効果トランジスタ200(ボトムゲート-ボトムコンタクト型)は、積層態様が電界効果トランジスタ10と異なる。電界効果トランジスタ200(ボトムゲート-ボトムコンタクト型)は、図1Bに示されるように、基板201と、ゲート電極202と、ゲート絶縁層203と、ソース電極204A及びドレイン電極204Bと、半導体層としての金属有機構造体膜205とをこの順で有する。 The field effect transistor 200 (bottom gate-bottom contact type) differs from the field effect transistor 10 in the stacking mode. As shown in FIG. 1B, the field effect transistor 200 (bottom gate-bottom contact type) includes a substrate 201, a gate electrode 202, a gate insulating layer 203, a source electrode 204A, a drain electrode 204B, and a semiconductor layer. and metal-organic structure film 205 in this order.

以下、基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、及び金属有機構造体膜にについて説明する。 The substrate, gate electrode, gate insulating layer, source electrode, drain electrode, and metal-organic structure film will be described below.

(基板)
基板は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極等を支持する役割を果たす。
(substrate)
The substrate plays a role of supporting a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, and the like.

基板の種類は、特に制限されるものではなく、例えば、プラスチック基板、シリコン基板、ガラス基板又はセラミック基板が挙げられる。これらの中でも、デバイスへの適用性及びコストの観点から、ガラス基板又はプラスチック基板であることが好ましい。 The type of substrate is not particularly limited, and examples thereof include a plastic substrate, a silicon substrate, a glass substrate, and a ceramic substrate. Among these, from the viewpoint of device applicability and cost, a glass substrate or a plastic substrate is preferable.

(ゲート電極)
ゲート電極は、特に制限されるものではなく、例えば、電界効果トランジスタのゲート電極として用いられている一般的な電極を用いることができる。
(gate electrode)
The gate electrode is not particularly limited, and for example, a general electrode used as a gate electrode of a field effect transistor can be used.

ゲート電極の材料は、特に制限されるものではなく、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、クロム、ニッケル、コバルト、チタン、白金、マグネシウム、カルシウム、バリウム若しくはナトリウム等の金属、InO、SnO若しくはインジウム錫酸化物(ITO)等の導電性の酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン若しくはポリジアセチレン等の導電性高分子、シリコン、ゲルマニウム若しくはガリウム砒素等の半導体、又は、フラーレン、カーボンナノチューブ若しくはグラファイト等の炭素材料等が挙げられる。これらの中でも、金属が好ましく、アルミニウムが好ましい。アルミニウムは他の金属に比べて昇華温度が低いため、温和な条件下で成膜することができる。また、温和な条件で金属電極表面に金属酸化膜(アルミニウム酸化膜)を形成することができる。さらに、得られるアルミニウム酸化膜は大きな静電容量を有するため、低電圧駆動を効果的に達成し得る。 The material of the gate electrode is not particularly limited, and examples thereof include metals such as gold, silver, aluminum, copper, chromium, nickel, cobalt, titanium, platinum, magnesium, calcium, barium, and sodium, InO 2 , and SnO 2 or conductive oxides such as indium tin oxide (ITO), conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene or polydiacetylene, semiconductors such as silicon, germanium or gallium arsenide, or fullerenes, carbon nanotubes or Examples include carbon materials such as graphite. Among these, metal is preferred, and aluminum is preferred. Since aluminum has a lower sublimation temperature than other metals, it can be formed into a film under mild conditions. Furthermore, a metal oxide film (aluminum oxide film) can be formed on the surface of the metal electrode under mild conditions. Furthermore, since the obtained aluminum oxide film has a large capacitance, low voltage driving can be effectively achieved.

ゲート電極を形成する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、基板上に、電極材料を蒸着又はスパッタする方法や、電極材料を含有する電極形成用組成物を塗布する方法が挙げられる。また、電極をパターニングする場合、パターニング方法としては、例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷若しくは凸版印刷(フレキソ印刷)等の印刷法、フォトリソグラフィー法又はマスク蒸着法が挙げられる。 The method for forming the gate electrode is not particularly limited, but examples include a method of vapor depositing or sputtering an electrode material on a substrate, and a method of applying an electrode forming composition containing an electrode material. . Further, when patterning the electrode, the patterning method includes, for example, a printing method such as inkjet printing, screen printing, offset printing, or letterpress printing (flexo printing), a photolithography method, or a mask vapor deposition method.

(ゲート絶縁層)
ゲート絶縁層は、絶縁性を有する層であれば特に制限されるものではない。また、ゲート絶縁層は、単層であってもよいし、多層であってもよい。
(gate insulating layer)
The gate insulating layer is not particularly limited as long as it is a layer having insulating properties. Further, the gate insulating layer may be a single layer or a multilayer.

ゲート絶縁層の材料としては、特に制限されるものではないが、例えば、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、二酸化ケイ素若しくは酸化チタン等の無機酸化物、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、メラミン樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルフォン、ポリベンゾキサゾール、ポリシルセスキオキサン、エポキシ樹脂若しくはフェノール樹脂等のポリマーが挙げられる。ゲート絶縁層の材料は、1種を単独で用いてもよく、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、膜の均一性の点で、無機酸化物が好ましく、酸化アルミニウムが好ましい。ゲート電極の低電圧印加によって十分な半導体への電荷誘起を達成するためには、ゲート絶縁膜の静電容量を大きくすることが望ましい。そこで、大きな静電容量を有するアルミニウム酸化膜をトップコンタクト構造に導入することで、低電圧駆動を達成することができる。アルミニウム酸化膜は、比較的温和な条件(例えば、酸素プラズマ照射エネルギー:約150W程度、数分から数十分の照射時間)でアルミニウムを酸化することにより形成することができる。また、アルミニウム酸化膜は、薄膜でも優れた絶縁性を有するため、低電圧駆動に寄与し得る。さらに、トップコンタクト構造でMOF型トランジスタを作製する際に、アルミニウム酸化膜の表面に存在する水酸基が金属イオンとの結合し、MOF膜を構築するための基礎となり得る。 Materials for the gate insulating layer are not particularly limited, but include, for example, inorganic oxides such as aluminum oxide, silicon nitride, silicon dioxide, or titanium oxide, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyvinylphenol, melamine resin, polyimide, Examples include polymers such as polycarbonate, polyester, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyurethane, polysulfone, polybenzoxazole, polysilsesquioxane, epoxy resin, or phenolic resin. The materials for the gate insulating layer may be used alone or in combination of two or more. Among these, inorganic oxides are preferred, and aluminum oxide is preferred in terms of film uniformity. In order to achieve sufficient charge induction in the semiconductor by applying a low voltage to the gate electrode, it is desirable to increase the capacitance of the gate insulating film. Therefore, low voltage driving can be achieved by introducing an aluminum oxide film having a large capacitance into the top contact structure. The aluminum oxide film can be formed by oxidizing aluminum under relatively mild conditions (for example, oxygen plasma irradiation energy: approximately 150 W, irradiation time from several minutes to several tens of minutes). Further, since the aluminum oxide film has excellent insulation properties even if it is a thin film, it can contribute to low voltage driving. Furthermore, when manufacturing a MOF transistor with a top contact structure, the hydroxyl groups present on the surface of the aluminum oxide film can bond with metal ions and become the basis for constructing the MOF film.

ゲート絶縁層を形成する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、ゲート電極が形成された基板上に、上記材料を含有するゲート絶縁層形成用組成物を塗布する方法や、上記材料を蒸着又はスパッタする方法が挙げられる。また、その他にも、ゲート電極としての金属の表面を酸化させて酸化物を形成し、この酸化物をゲート絶縁層として利用することもできる。例えば、ゲート電極をアルミニウムで形成し、このアルミニウムの表面を反応性イオンエッチング等により酸化アルミニウムに酸化させ、絶縁層を形成できる。 The method for forming the gate insulating layer is not particularly limited, but examples include a method of applying a composition for forming a gate insulating layer containing the above-mentioned material onto a substrate on which a gate electrode is formed, Examples include methods of vapor deposition or sputtering. In addition, it is also possible to oxidize the surface of the metal serving as the gate electrode to form an oxide, and use this oxide as the gate insulating layer. For example, the gate electrode can be formed of aluminum, and the surface of this aluminum can be oxidized to aluminum oxide by reactive ion etching or the like to form an insulating layer.

(ソース電極及びドレイン電極)
ソース電極は、配線を通じて外部から電流が流入する電極である。また、ドレイン電極は、配線を通じて外部に電流を送り出す電極である。
(source electrode and drain electrode)
The source electrode is an electrode into which a current flows from the outside through wiring. Further, the drain electrode is an electrode that sends a current to the outside through wiring.

ソース電極及びドレイン電極を形成する材料は、上述したゲート電極を形成する電極材料と同じものを用いることができる。中でも、金属が好ましく、金又は銀が好ましい。 The material for forming the source electrode and the drain electrode can be the same as the electrode material for forming the gate electrode described above. Among these, metal is preferred, and gold or silver is preferred.

ソース電極とドレイン電極との間の間隔(ゲート長)は、適宜に決定できるが、例えば、200μm以下が好ましく、100μm以下が特に好ましい。また、ゲート幅は、適宜に決定できるが、例えば、5000μm以下が好ましく、2000μm以下が特に好ましい。更に、ゲート幅Wとゲート長Lとの比は、特に制限されるものではないが、例えば、比W/Lが10以上であることが好ましく、20以上であることが好ましい。 The distance between the source electrode and the drain electrode (gate length) can be determined as appropriate, but is preferably 200 μm or less, and particularly preferably 100 μm or less, for example. Furthermore, although the gate width can be determined as appropriate, it is preferably 5000 μm or less, particularly preferably 2000 μm or less, for example. Further, the ratio between the gate width W and the gate length L is not particularly limited, but for example, the ratio W/L is preferably 10 or more, and preferably 20 or more.

ソース電極及びドレイン電極を形成する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、ゲート電極及びゲート絶縁層、及び場合により金属有機構造体膜が形成された基板上に、電極材料を蒸着又はスパッタする方法、電極形成用組成物を塗布又は印刷する方法等挙げられる。パターニングする場合、パターニング方法は上述したゲート電極の形成方法と同じ手法が挙げられる。 The method for forming the source electrode and the drain electrode is not particularly limited, but for example, the electrode material may be deposited on the substrate on which the gate electrode, the gate insulating layer, and optionally the metal-organic structure film are formed. Examples include a sputtering method and a method of applying or printing an electrode forming composition. In the case of patterning, the patterning method may be the same as the method for forming the gate electrode described above.

(金属有機構造体膜)
本実施形態の電界効果トランジスタは、金属有機構造体膜を半導体層として含む。金属有機構造体膜は、金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンが基板の面方向に展開するように配位している複数の結晶構造が、π-π相互作用を介して基板上に積層している積層構造を含む。各結晶構造は、有機配位子及び金属イオンの配位により形成される細孔を有し、積層構造において、隣接している結晶構造の細孔が膜厚方向で連通し、連通孔を形成している。
(Metal-organic structure film)
The field effect transistor of this embodiment includes a metal-organic structure film as a semiconductor layer. The metal-organic structure film has a π- It includes a stacked structure stacked on a substrate via π interaction. Each crystal structure has pores formed by the coordination of organic ligands and metal ions, and in the layered structure, the pores of adjacent crystal structures communicate in the film thickness direction, forming communicating pores. are doing.

本実施形態における金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンを用いた、LBL(Layer By Layer)法により形成することができる。LBL法は、金属有機構造体膜を形成しようとする領域の上に、金属イオンを含む金属イオン含有溶液と、有機配位子を含む有機配位子含有溶液とを、交互にドロップキャスト等により塗布しながら薄膜を形成していく手法である。π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンを用いたLBL法により、本実施形態における金属有機構造体膜を好ましく得ることができる。すなわち、LBL法で形成される金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位した複数の結晶構造を含む。このような結晶構造には、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンの配位により形成される細孔が形成される。有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位した複数の結晶構造は、有機配位子のπ-π相互作用により、結晶構造の細孔が膜厚方向で繋がって連通孔を形成するように積層する。すなわち、有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位した複数の結晶構造が、膜厚方向に積層し、金属有機構造体膜を形成する。本実施形態における金属有機構造体膜には、非局在化したπ電子が存在する。伝導においては、この非局在化したπ電子が流れ出し、分子全体としては負の電荷を帯びて伝導する。また、金属有機構造体膜が有する連通孔は、例えばガスを吸着する性質を有し得る。連通孔にガスが吸着すると、金属有機構造体膜の抵抗が変化する。 The metal-organic structure film in this embodiment can be formed by an LBL (Layer By Layer) method using an organic ligand having a π-conjugated skeleton and a metal ion. In the LBL method, a metal ion-containing solution containing metal ions and an organic ligand-containing solution containing organic ligands are alternately applied onto a region where a metal-organic structure film is to be formed by drop casting or the like. This is a method of forming a thin film while coating. The metal-organic structure film in this embodiment can be preferably obtained by the LBL method using an organic ligand having a π-conjugated skeleton and a metal ion. That is, the metal-organic structure film formed by the LBL method includes a plurality of crystal structures in which organic ligands having a π-conjugated skeleton and metal ions are coordinated so as to expand in a plane direction. In such a crystal structure, pores are formed by coordination of an organic ligand having a π-conjugated skeleton and a metal ion. Multiple crystal structures in which organic ligands and metal ions are coordinated in a planar direction are created by connecting the pores of the crystal structure in the film thickness direction due to the π-π interaction of the organic ligands, creating communicating pores. Stack them to form a . That is, a plurality of crystal structures in which organic ligands and metal ions are coordinated in a planar direction are stacked in the film thickness direction to form a metal-organic structure film. Delocalized π electrons exist in the metal-organic structure film in this embodiment. During conduction, these delocalized π electrons flow out, and the molecule as a whole conducts with a negative charge. Further, the communicating pores of the metal-organic structure film may have the property of adsorbing gas, for example. When gas is adsorbed to the communicating holes, the resistance of the metal-organic structure film changes.

金属有機構造体膜の形成に用いる有機配位子は、π共役系骨格を有する。有機配位子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。有機配位子は、膜や連通孔の均一性の観点から、1種を単独で用いることが好ましい。 The organic ligand used to form the metal-organic framework film has a π-conjugated skeleton. One type of organic ligand may be used alone, or two or more types may be used in combination. From the viewpoint of uniformity of the membrane and communicating pores, it is preferable to use one type of organic ligand alone.

有機配位子を構成するπ共役系骨格は、少なくとも1つの芳香環を含んで構成されることが好ましい。本実施形態において、骨格は、有機配位子の配位性官能基以外の部分のことを意味することが好ましい。 The π-conjugated skeleton constituting the organic ligand is preferably configured to include at least one aromatic ring. In this embodiment, the skeleton preferably means a portion of the organic ligand other than the coordinating functional group.

有機配位子の配位性官能基は、好ましくは、2つ以上であり、3つ以上であり、4つ以上であり、5つ以上であり、6つ以上である。配位性官能基としては、例えば、ヒドロキシ基(水酸基)、カルボン酸基、又はアミン基が挙げられる。 The number of coordinating functional groups of the organic ligand is preferably two or more, three or more, four or more, five or more, and six or more. Examples of the coordinating functional group include a hydroxy group, a carboxylic acid group, and an amine group.

有機配位子のπ共役系骨格は、多環芳香族炭化水素構造であることが好ましい。多環芳香族炭化水素構造としては、例えば、トリフェニレン構造、ピレン構造、ペリレン構造、又はメリト酸トリイミド構造が挙げられる。π共役系骨格が多環芳香族炭化水素構造である場合、有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位した結晶構造をLBL法により容易に形成することができる。 The π-conjugated skeleton of the organic ligand is preferably a polycyclic aromatic hydrocarbon structure. Examples of the polycyclic aromatic hydrocarbon structure include a triphenylene structure, a pyrene structure, a perylene structure, and a mellitic acid triimide structure. When the π-conjugated system skeleton is a polycyclic aromatic hydrocarbon structure, a crystal structure in which organic ligands and metal ions are coordinated so as to expand in a plane direction can be easily formed by the LBL method.

有機配位子は、3回対称性又は4回対称性を有することが好ましい。3回対称性とは、有機配位子の構造式において、中心を軸として120℃回転させた場合に、元の構造と同じになることを言う。同様に、4回対称性とは、有機配位子の構造式において、中心を軸として120℃回転させた場合に元の構造と同じになることを言う。 The organic ligand preferably has three-fold symmetry or four-fold symmetry. Three-fold symmetry refers to the fact that when the structural formula of an organic ligand is rotated by 120° C. around the center, the structure becomes the same as the original structure. Similarly, 4-fold symmetry means that when the structural formula of an organic ligand is rotated by 120° C. around the center, the structure becomes the same as the original structure.

例えば、3回対称性を有する有機配位子としては、以下の化合物が例として挙げられる。 For example, the following compounds are exemplified as organic ligands having three-fold symmetry.

Figure 0007359793000001
Figure 0007359793000001

Figure 0007359793000002
Figure 0007359793000002

これらの化合物は、120℃回転させた場合でも、回転前と後とで、骨格の各部分及び各配位性官能基の位置に違いがない。それゆえ、当該化合物は、3回対称性を有する。 Even when these compounds are rotated by 120° C., there is no difference in the positions of each part of the skeleton and each coordinating functional group before and after rotation. Therefore, the compound has 3-fold symmetry.

有機配位子は、π共役系骨格が多環芳香族炭化水素構造であり、かつ3回対称性を有することが好ましい。この場合、有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位した結晶構造をLBL法により容易に形成することができ、また、キャリア移動度が高く、大気下においてに安定な金属有機構造体膜を得ることができる。有機配位子の多数の認識点は共役領域の拡張に寄与し、高い剛直性と共役領域を有する分子構造は、規則性のある三次元構造をもたらし得る。 It is preferable that the organic ligand has a π-conjugated skeleton having a polycyclic aromatic hydrocarbon structure and has three-fold symmetry. In this case, a crystal structure in which organic ligands and metal ions are coordinated in a planar direction can be easily formed by the LBL method, and metals with high carrier mobility and stable in the atmosphere can be used. An organic structure film can be obtained. The large number of recognition points of organic ligands contributes to the expansion of the conjugated region, and the molecular structure with high rigidity and conjugated region can lead to a regular three-dimensional structure.

π共役系骨格が多環芳香族炭化水素構造でありかつ3回対称性を有する有機配位子としては、例えば、2,3,6,7,10,11-ヘキサヒドロキシトリフェニレン(HHTP)が挙げられる。 An example of an organic ligand whose π-conjugated skeleton is a polycyclic aromatic hydrocarbon structure and has three-fold symmetry is 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene (HHTP). It will be done.

Figure 0007359793000003
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金属有機構造体膜の形成に使用する金属イオンとしては、特に制限されるものではなく、有機配位子の種類に応じて適宜選択することができる。金属イオンは、例えば、4配位以上を取り得る金属イオンであることが好ましい。4配位以上を取り得る金属イオン、すなわち4以上の配位数を取り得る金属イオンとしては、例えば、銅イオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、コバルトイオン又はカドミウムイオンが挙げられる。金属イオンは、クラスターとして存在していてもよい。 The metal ion used to form the metal-organic structure film is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the type of organic ligand. The metal ion is preferably a metal ion that can have four or more coordinations, for example. Examples of metal ions that can have 4 or more coordinations, that is, metal ions that can have a coordination number of 4 or more, include copper ions, nickel ions, zinc ions, cobalt ions, and cadmium ions. Metal ions may exist as clusters.

本実施形態において、有機配位子として、π共役系骨格が多環芳香族炭化水素構造でありかつ3回対称性を有する有機配位子を用い、並びに、金属イオンとして、4配位を取り得る金属イオンを用いることが好ましい。また、一実施形態において、3回対称性を有する有機配位子1分子に対して3つの金属イオンが配位する。4配位を取り得る金属イオンとしては、例えば、銅イオンが挙げられる。 In this embodiment, an organic ligand whose π-conjugated skeleton is a polycyclic aromatic hydrocarbon structure and has 3-fold symmetry is used as the organic ligand, and an organic ligand with 4-coordination is used as the metal ion. It is preferable to use the metal ions obtained. Further, in one embodiment, three metal ions are coordinated to one molecule of an organic ligand having three-fold symmetry. Examples of metal ions that can be four-coordinated include copper ions.

有機配位子としてHTTPを用いかつ金属イオンとして4配位を取り得る金属イオンを用いて形成した金属有機構造体膜は、下記式(I)の構造単位を含む。 A metal-organic structure film formed using HTTP as an organic ligand and a metal ion capable of having four coordinations as a metal ion contains a structural unit of the following formula (I).

Figure 0007359793000004
(式中、Mは、4配位を取り得る金属イオンを示す。)
Figure 0007359793000004
(In the formula, M represents a metal ion that can be 4-coordinated.)

式(I)の構造単位において、Mは、例えば、銅イオンである。式(I)の構造単位では、1つの有機配位子(HHTP)に3つの金属イオンが配位している。それぞれの金属イオンは、他の有機配位子(不図示)にも配位しており、有機配位子及び金属イオンは、式(I)の構造単位が平面方向に展開するように配位し、結晶構造を形成する。有機配位子及び金属イオンが平面方向に展開するように配位して形成される結晶構造は、金属有機構造体膜中に無数に含まれる。1つの結晶構造は、上方向又は下方向に隣接する他の結晶構造と、二つの結晶構造中の細孔が繋がって連通孔を形成するようにπ-π相互作用により積層している。そのような結晶構造の積層体により金属有機構造体膜が構成される。 In the structural unit of formula (I), M is, for example, a copper ion. In the structural unit of formula (I), three metal ions are coordinated to one organic ligand (HHTP). Each metal ion is also coordinated with other organic ligands (not shown), and the organic ligands and metal ions are coordinated so that the structural unit of formula (I) expands in the plane direction. and form a crystal structure. A countless number of crystal structures formed by coordination of organic ligands and metal ions in a planar direction are included in the metal-organic structure film. One crystal structure is stacked with another crystal structure adjacent to it upwardly or downwardly by π-π interaction so that the pores in the two crystal structures are connected to form a communicating pore. A metal-organic structure film is constituted by a laminate having such a crystal structure.

例えば、具体的には、HHTPと銅イオン(Cu2+)の組み合わせによって形成される金属有機構造体膜では、Cu2+がHHTPの3箇所のジオール部位に配位しており、かつ、Cu2+は4配位をとるため、Cu2+は2つのHHTPと配位する。HHTPによる多数の配位結合点に起因した2次元的な膜形成に加え、垂直方向へのMOF構築の際に発現するπ-π相互作用が相まって、当該MOFは優れた半導体特性を示すと考えられる。 For example, specifically, in a metal-organic structure film formed by a combination of HHTP and copper ions (Cu 2+ ), Cu 2+ is coordinated to three diol sites of HHTP, and Cu 2+ is Since Cu 2+ is four-coordinated, it coordinates with two HHTPs. We believe that the MOF exhibits excellent semiconductor properties due to the two-dimensional film formation caused by the large number of coordination bonding points caused by HHTP, combined with the π-π interaction that occurs when the MOF is constructed in the vertical direction. It will be done.

有機配位子は、水和物又は塩の形態で溶液中に添加してもよい。 The organic ligand may be added to the solution in the form of a hydrate or a salt.

金属有機構造体膜の膜厚は、特に制限されるものではないが、例えば、10~500nmが好ましく、20~200nmがより好ましい。金属有機構造体膜の膜厚は、例えば、LBL法による形成時のドロップキャスト等の塗布工程のサイクル数によって適宜調整することができる。 The thickness of the metal-organic structure film is not particularly limited, but is preferably, for example, 10 to 500 nm, more preferably 20 to 200 nm. The thickness of the metal-organic structure film can be adjusted as appropriate by, for example, the number of cycles of a coating process such as drop casting during formation by the LBL method.

本実施形態の電界効果トランジスタは、その用途については特に制限されるものではないが、例えば、ガスセンサーに使用することができる。すなわち、本実施形態の電界効果トランジスタにおいて、包接されたガス分子がMOF膜に包接されることで導電性が変化し、半導体特性に変化を与える。例えば、アンモニアがMOF膜内に入り込むと、アンモニアの不対電子によってMOF膜の半導体特性が変化する。ガス分子がMOF膜内に入り込んだ際、ガス分子のサイズや分子構造の違いによって、半導体特性は異なる挙動を示すと予想される。そこで、例えば、パターン学習アルゴリズムを組み合わせることで、混合ガスに含まれるガス分子の種類を定量的に特定することができると考えられる。 The field-effect transistor of this embodiment can be used, for example, in a gas sensor, although its application is not particularly limited. That is, in the field effect transistor of this embodiment, the included gas molecules are included in the MOF film, thereby changing the conductivity and changing the semiconductor characteristics. For example, when ammonia enters the MOF film, the semiconductor characteristics of the MOF film change due to the unpaired electrons of the ammonia. When gas molecules enter the MOF film, it is expected that the semiconductor properties will behave differently depending on the size and molecular structure of the gas molecules. Therefore, for example, by combining pattern learning algorithms, it is considered possible to quantitatively identify the types of gas molecules contained in a mixed gas.

2.電界効果トランジスタの製造方法
本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法は、特に制限されるものではないが、上述の通り、本実施形態における金属有機構造体膜は、LBL法により好ましく形成することができる。
2. Method for Manufacturing Field Effect Transistor The method for manufacturing the field effect transistor of this embodiment is not particularly limited, but as described above, the metal-organic structure film in this embodiment is preferably formed by the LBL method. can.

ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極は、いずれも、上記した方法で作製又は成膜することができる。 The gate electrode, the gate insulating layer, the source electrode, and the drain electrode can all be produced or deposited by the method described above.

以下、LBL法により金属有機構造体膜を形成する工程について説明する。 The process of forming a metal-organic structure film by the LBL method will be described below.

なお、本実施形態において、ある組成物を基板上に塗布することは、組成物を基板に直接塗布する態様のみならず、基板上に設けられた別の層を介して基板の上方に組成物を塗布する態様も含むものとする。組成物が塗布される別の層(金属有機構造体膜の土台となる層)は、電界効果トランジスタの構造により必然的に定まる。金属有機構造体膜の土台となる層は、例えば、ボトムゲート型の場合、ゲート絶縁層である。 Note that in this embodiment, applying a certain composition onto a substrate is not limited to applying the composition directly to the substrate, but also applying the composition above the substrate through another layer provided on the substrate. It shall also include a mode of applying. The further layer to which the composition is applied (the underlying layer of the metal-organic framework film) is necessarily determined by the structure of the field-effect transistor. The layer serving as the base of the metal-organic structure film is, for example, a gate insulating layer in the case of a bottom gate type.

LBL法による金属有機構造体膜の形成において、まず、基板の上、すなわち土台となる層(例えばゲート絶縁層)の上に、金属イオンを含む金属イオン含有溶液を塗布し、乾燥させる(金属イオン含有溶液塗布工程)。塗布は一回行ってもよく、複数回行ってもよい。次に、基板の上に有機配位子を含む有機配位子含有溶液を塗布し、乾燥させる(有機配位子含有溶液塗布工程)。塗布は一回行ってもよく、複数回行ってもよい。金属イオン含有溶液塗布工程と有機配位子含有溶液塗布工程とを交互に複数回行うことにより、本実施形態における金属有機構造体膜を形成することができる。LBL法については、例えば、「Ming-Shui Yaoら、Layer-by-Layer Assembled Conductive Metal-Organic Framework Nanofilms for Room-Temperature Chemiresistive Sensing, Angew. Chem. Int., Ed. 2017, 56, 16510-16514」にも記載されている。 In forming a metal-organic structure film by the LBL method, first, a metal ion-containing solution containing metal ions is applied onto the substrate, that is, a base layer (for example, a gate insulating layer), and dried (metal ion containing solution application step). Application may be performed once or multiple times. Next, an organic ligand-containing solution containing an organic ligand is applied onto the substrate and dried (organic ligand-containing solution application step). Application may be performed once or multiple times. The metal-organic structure film in this embodiment can be formed by alternately performing the metal ion-containing solution application step and the organic ligand-containing solution application step multiple times. Regarding the LBL method, for example, "Ming-Shui Yao et al., Layer-by-Layer Assembled Conductive Metal-Organic Framework Nanofilms for Room-Temperature Chemiresistive Sensing, Angew. Chem. Int., Ed. 2017, 56, 16510-16514" It is also stated.

金属イオン含有溶液は、例えば、上述の金属イオンを含む金属塩を溶媒に溶解させることにより調製することができる。 A metal ion-containing solution can be prepared, for example, by dissolving a metal salt containing the above metal ions in a solvent.

金属塩としては、例えば、金属酢酸塩、金属蟻酸塩、金属硝酸塩、金属硫酸塩、金属塩化物、金属臭化物、金属ヨウ化物、金属フッ化物、金属炭酸塩、金属リン酸塩、金属硫化物又は金属水酸化物等が挙げられるが、これらに限定されない。金属塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of metal salts include metal acetates, metal formates, metal nitrates, metal sulfates, metal chlorides, metal bromides, metal iodides, metal fluorides, metal carbonates, metal phosphates, metal sulfides, or Examples include, but are not limited to, metal hydroxides. One type of metal salt may be used alone, or two or more types may be used in combination.

金属イオン含有溶液中の金属イオンの含有量は、特に制限されるものではないが、例えば、1~50mmol/Lである。金属イオン含有溶液の塗布量は、特に制限されるものではないが、例えば、6×10-6~7×10-4μl/μmである。 The content of metal ions in the metal ion-containing solution is not particularly limited, but is, for example, 1 to 50 mmol/L. The amount of the metal ion-containing solution applied is not particularly limited, but is, for example, 6×10 −6 to 7×10 −4 μl/μm 2 .

金属イオン含有溶液に用いる溶媒は、特に制限されるものではなく、金属塩の種類や揮発性、膜の形成性等を考慮して、適宜選択することができる。溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ若しくはエチレングリコール等のアルコール溶媒、ヘキサン、オクタン、デカン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、アミルベンゼン、デカリン、1-メチルナフタレン、1-エチルナフタレン、1,6-ジメチルナフタレン若しくはテトラリン等の炭化水素溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、アセトフェノン、プロピオフェノン若しくはブチロフェノン等のケトン溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル、酢酸-2-エチルヘキシル、γ-ブチロラクトン若しくは酢酸フェニル等のエステル溶媒、アセトニトリル若しくはベンゾニトリル等のニトリル溶媒が挙げられる。溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The solvent used in the metal ion-containing solution is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the type and volatility of the metal salt, film-forming properties, and the like. Examples of the solvent include alcohol solvents such as methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, cyclohexanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, or ethylene glycol, hexane, octane, decane, toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, amyl Hydrocarbon solvents such as benzene, decalin, 1-methylnaphthalene, 1-ethylnaphthalene, 1,6-dimethylnaphthalene or tetralin; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, acetophenone, propiophenone or butyrophenone; Examples include ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, amyl acetate, 2-ethylhexyl acetate, γ-butyrolactone or phenyl acetate, and nitrile solvents such as acetonitrile or benzonitrile. One type of solvent may be used alone, or two or more types may be used in combination.

有機配位子含有溶液は、例えば、上述の有機配位子を溶媒に溶解させることにより調製することができる。 The organic ligand-containing solution can be prepared, for example, by dissolving the above-mentioned organic ligand in a solvent.

有機配位子含有溶液中の有機配位子の含有量は、特に制限されるものではないが、例えば、1~50mmol/Lである。有機配位子含有溶液の塗布量は、特に制限されるものではないが、例えば、6×10-6~7×10-4μl/μmである。 The content of the organic ligand in the organic ligand-containing solution is not particularly limited, but is, for example, 1 to 50 mmol/L. The amount of the organic ligand-containing solution applied is not particularly limited, but is, for example, 6×10 −6 to 7×10 −4 μl/μm 2 .

有機配位子含有溶液に用いる溶媒は、特に制限されるものではなく、有機配位子の種類や揮発性、膜の形成性等を考慮して、適宜選択することができる。溶媒としては、例えば、金属イオン含有溶液に用いる溶媒として例示したものを挙げることができる。 The solvent used in the organic ligand-containing solution is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the type and volatility of the organic ligand, film formability, and the like. Examples of the solvent include those exemplified as solvents used in metal ion-containing solutions.

溶液の塗布方法としては、特に制限されるものではなく、例えば、ドロップキャスト法、キャスト法、ディップコート法、ダイコーター法、ロールコーター法、バーコーター法、若しくはスピンコート法が挙げられる。また、溶液の塗布は、いわゆる印刷手法によっても行うことができ、印刷手法としては、例えば、インクジェット法、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソグラフィー印刷、オフセット印刷、又はマイクロコンタクト印刷が挙げられる。本実施形態では、ドロップキャスト法により溶液を塗布することが好ましい。 The method for applying the solution is not particularly limited, and examples thereof include drop casting, casting, dip coating, die coater, roll coater, bar coater, and spin coating. The solution can also be applied by a so-called printing method, and examples of the printing method include an inkjet method, screen printing, gravure printing, flexography printing, offset printing, or microcontact printing. In this embodiment, it is preferable to apply the solution by drop casting.

基板上に塗布した溶液の乾燥方法としては、特に制限されるものではなく、例えば、自然乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥、又はこれらの組み合わせが挙げられる。乾燥時間は、例えば、10秒~1時間である。 The method for drying the solution applied onto the substrate is not particularly limited, and examples thereof include natural drying, heat drying, reduced pressure drying, or a combination thereof. The drying time is, for example, 10 seconds to 1 hour.

以上の方法により、本実施形態における金属有機構造体膜を形成できる。LBL法では、金属有機構造体の成長が、基板上で同時多発的に発生する。これにより、平面方向に展開するように形成された結晶構造が多点的に成長した金属有機構造体膜が形成される。 By the above method, the metal-organic structure film in this embodiment can be formed. In the LBL method, growth of metal-organic structures occurs multiple times simultaneously on a substrate. As a result, a metal-organic structure film is formed in which a crystal structure expanded in a plane direction is grown at multiple points.

本実施形態において、製造対象となる電界効果トランジスタは、ボトムゲート-トップコンタクト型であることが好ましい。すなわち、半導体層に対して基板側にゲート電極が配置されており、半導体層に対して基板と反対側(すなわち表面側)にソース・ドレイン電極が配置されていることが好ましい。具体的には、基板の上にゲート電極が配置され、ゲート電極の上にゲート絶縁層が配置され、ゲート絶縁層の上に半導体層としての金属有機構造体膜が配置され、金属有機構造体膜の上にソース・ドレイン電極が配置されることが好ましい。特に、この構成の場合において、ゲート電極が金属(好ましくはアルミニウム)で構成され、ゲート絶縁層がその金属酸化物(酸化アルミニウム)で構成されることが好ましい。このような構成を採用することにより、ゲート電極の上に金属有機構造体膜を均一に形成することができる。そして、その金属有機構造体膜の上にソース・ドレイン電極を形成することにより、低電圧駆動を可能とする電界効果トランジスタを効果的に得ることができる。 In this embodiment, the field effect transistor to be manufactured is preferably of a bottom gate-top contact type. That is, it is preferable that the gate electrode be disposed on the substrate side with respect to the semiconductor layer, and the source/drain electrodes be disposed on the opposite side of the semiconductor layer from the substrate (ie, on the front surface side). Specifically, a gate electrode is placed on a substrate, a gate insulating layer is placed on the gate electrode, a metal-organic structure film as a semiconductor layer is placed on the gate insulating layer, and a metal-organic structure film is placed on the gate insulating layer. Preferably, source/drain electrodes are arranged on the film. In particular, in the case of this configuration, it is preferable that the gate electrode is made of metal (preferably aluminum) and the gate insulating layer is made of the metal oxide (aluminum oxide). By employing such a configuration, the metal-organic structure film can be uniformly formed on the gate electrode. By forming source/drain electrodes on the metal organic structure film, a field effect transistor that can be driven at a low voltage can be effectively obtained.

以下、実施例を挙げて本実施形態を説明するが、本開示はこれらの例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to examples, but the present disclosure is not limited to these examples.

[実施例1]
本実施例では、以下の方法により、金属有機構造体膜を形成し、評価した。
[Example 1]
In this example, a metal-organic structure film was formed and evaluated by the following method.

(1)材料
・シリコン基板
・酢酸銅水和物
・2,3,6,7,10,11-ヘキサヒドロキシトリフェニレン水和物(HHTP水和物)
(1) Materials/Silicon substrate/Copper acetate hydrate/2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene hydrate (HHTP hydrate)

(2)金属有機構造体膜の形成
まず、シリコン基板をピラニア溶液で洗浄した。次に、シリコン基板の上に金属有機構造体膜を形成した。金属有機構造体膜の形成は、酢酸銅のエタノール溶液(5mM)中に基板を浸漬させ、洗浄し、乾燥させる工程と、HHTP水和物のエタノール溶液(5mM)中に基板を浸漬させ、乾燥させる工程とからなる1サイクルを15回繰り返すことにより行った。なお、酢酸銅エタノール溶液(5mM)及びHHTP水和物のエタノール溶液(5mM)は、予め200nmのPTFEフィルターを用いてそれぞれ濾過した。また、各工程における乾燥は、窒素ガスを少なくとも30秒間吹き付けることにより行った。以上の工程により、金属有機構造体膜(膜厚:209±38nm)を得た。なお、参考として、サイクル数を5回、10回又は20回として金属有機構造体膜も作製した。それぞれの膜厚は、それぞれ79±12nm、135±21nm又は192±40nmであった。
(2) Formation of metal-organic framework film First, the silicon substrate was cleaned with a piranha solution. Next, a metal-organic structure film was formed on the silicon substrate. Formation of the metal-organic framework film consists of two steps: immersing the substrate in an ethanol solution (5 mM) of copper acetate, washing, and drying; and immersing the substrate in an ethanol solution (5 mM) of HHTP hydrate and drying. This was carried out by repeating one cycle consisting of the steps of 15 times. Note that the copper acetate ethanol solution (5 mM) and the HHTP hydrate ethanol solution (5 mM) were each filtered in advance using a 200 nm PTFE filter. Further, drying in each step was performed by spraying nitrogen gas for at least 30 seconds. Through the above steps, a metal-organic structure film (thickness: 209±38 nm) was obtained. For reference, metal-organic structure films were also produced using 5, 10, or 20 cycles. The respective film thicknesses were 79±12 nm, 135±21 nm, or 192±40 nm, respectively.

[評価]
(1)原子間力顕微鏡(AFM)による観察、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)による観察、FT-IRによる分析
図2A及び図2Bに、得られた金属有機構造体膜のAFM画像を示す。図2Bは、図2AのAFM画像よりも高解像度で取得したものである。図2A及び図2Bから、金属有機構造体膜に数百nm程度の口径を有する孔が形成されていることが分かる。
[evaluation]
(1) Observation using an atomic force microscope (AFM), observation using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and analysis using FT-IR Figures 2A and 2B show AFM images of the obtained metal-organic structure film. shows. FIG. 2B was acquired at a higher resolution than the AFM image in FIG. 2A. It can be seen from FIGS. 2A and 2B that pores with diameters of about several hundred nm are formed in the metal-organic structure film.

図3に、得られた金属有機構造体膜の断面をFE-SEMにより撮影したFE-SEM画像を示す。図3から、金属有機構造体膜(MOF膜)が形成されていることが分かる。 FIG. 3 shows an FE-SEM image of a cross section of the obtained metal-organic structure film taken by FE-SEM. It can be seen from FIG. 3 that a metal-organic structure film (MOF film) is formed.

図4に、得られた金属有機構造体膜をFT-IRにより分析した結果を示す。図4に示されるように、環伸縮を示す1450cm-1付近及びC-O伸縮を示す1370cm-1付近にピークが観測された。また、XRDスペクトル(不図示)においても、(100)、(200)、(210)付近にピークが観測された。 FIG. 4 shows the results of FT-IR analysis of the obtained metal-organic structure film. As shown in FIG. 4, peaks were observed around 1450 cm −1 indicating ring expansion and contraction and around 1370 cm −1 indicating CO expansion and contraction. Also, in the XRD spectrum (not shown), peaks were observed near (100), (200), and (210).

以上の結果から、金属有機構造体膜が形成されていることを確認した。 From the above results, it was confirmed that a metal-organic structure film was formed.

(2)四端子測定によるI-V特性評価
上述の金属有機構造体膜の表面に4つの金電極を形成し、四端子測定法により金属有機構造体膜の電気抵抗を評価した。
(2) Evaluation of IV characteristics by four-probe measurement Four gold electrodes were formed on the surface of the metal-organic structure film described above, and the electrical resistance of the metal-organic structure film was evaluated by the four-probe measurement method.

σ=(I/V)×(L/WT)[S/cm]
Iは電流、Vは電圧、Lは電極間距離(実測値:100μm)、Wは電極幅(実測値:1000μm)、Tは金属有機構造体膜の膜厚を表す。Tは、AFM画像から取得した複数箇所の厚さの平均値とした。
σ=(I/V)×(L/WT) [S/cm]
I represents the current, V represents the voltage, L represents the distance between the electrodes (actually measured value: 100 μm), W represents the electrode width (actually measured value: 1000 μm), and T represents the film thickness of the metal-organic structure film. T was the average value of the thicknesses at multiple locations obtained from the AFM images.

図5に示される通り、オーミック接触由来の直線的なI-V曲線と0V付近における整流特性が観測された。半導体材料の抵抗測定の場合、半導体-金属界面にショットキー障壁が存在するため0V付近ではダイオード的な特性、すなわち整流特性を示す。したがって、得られた金属有機構造体膜は、半導体特性を有することが分かる。 As shown in FIG. 5, a linear IV curve derived from ohmic contact and rectification characteristics near 0 V were observed. In the case of resistance measurement of semiconductor materials, since a Schottky barrier exists at the semiconductor-metal interface, it exhibits diode-like characteristics, that is, rectification characteristics, near 0V. Therefore, it can be seen that the obtained metal-organic structure film has semiconductor properties.

[実施例2]
(1)材料
・ガラス基板(イーグルガラス、寸法:2×2.5cm)
・蒸着用アルミニウム(ゲート電極)
・蒸着用金(ソース電極、ドレイン電極)
・テフロン
・酢酸銅水和物
・2,3,6,7,10,11-ヘキサヒドロキシトリフェニレン水和物(HHTP水和物)
[Example 2]
(1) Materials/Glass substrate (Eagle glass, dimensions: 2 x 2.5 cm)
・Aluminum for vapor deposition (gate electrode)
・Vapourized gold (source electrode, drain electrode)
・Teflon・Copper acetate hydrate ・2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene hydrate (HHTP hydrate)

(2)装置
・真空蒸着装置:SVC700TMSG/SVC-7PS80 vacuum evaporator、サンユー電子社製
・ドライエッチング装置:RIE-10NG reactive ion etching system、SAMCO社製
・ロボッティックディスペンサー:Imagemaster 350 dispenser equipment、武蔵エンジニアリング社製
(2) Equipment - Vacuum evaporation equipment: SVC700TMSG/SVC-7PS80 vacuum evaporator, made by Sanyu Electronics Co., Ltd. - Dry etching device: RIE-10NG reactive ion etching system, made by SAMCO Co., Ltd. - Robotic dispenser: Imagemast er 350 dispenser equipment, Musashi Engineering Co., Ltd. Made

(3)電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程
図6A~図6Fは、実施例1における電界効果トランジスタ(トップコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。
(3) Manufacturing process of field effect transistor (top contact type) FIGS. 6A to 6F are schematic cross-sectional process diagrams for explaining the manufacturing process of the field effect transistor (top contact type) in Example 1.

まず、図6Aに示すように、基板としてのガラス基板101をピラニア溶液で洗浄した。 First, as shown in FIG. 6A, a glass substrate 101 as a substrate was cleaned with a piranha solution.

次に、図6Bに示すように、シャドウマスクを使用した真空蒸着装置を用いて、ゲート電極となるアルミニウム電極102をガラス基板101の上に蒸着した。アルミニウム電極102の厚さは50nmであった。 Next, as shown in FIG. 6B, an aluminum electrode 102 to be a gate electrode was deposited on the glass substrate 101 using a vacuum deposition apparatus using a shadow mask. The thickness of the aluminum electrode 102 was 50 nm.

次に、図6Cに示すように、ドライエッチング装置を用い、150Wで5分間の条件にて反応性イオンエッチング(RIE)処理を行い、絶縁体層となる酸化アルミニウム膜103を形成した。 Next, as shown in FIG. 6C, a reactive ion etching (RIE) process was performed using a dry etching apparatus at 150 W for 5 minutes to form an aluminum oxide film 103 that would become an insulating layer.

次に、図6Dに示すように、ロボッティックディスペンサーを用い、半導体層を形成する領域を規定するためのテフロンバンク104を形成した。 Next, as shown in FIG. 6D, a Teflon bank 104 was formed using a robotic dispenser to define a region where a semiconductor layer was to be formed.

次に、図6Eに示すように、半導体層としての金属有機構造体膜105を形成した。金属有機構造体膜105の形成は、0.3μLの酢酸銅エタノール溶液(5mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させることを4回繰り返す工程と0.3μLのHHTP水和物のエタノール溶液(5mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させることを4回繰り返す工程とからなる1サイクルを4回繰り返すことにより行った。なお、酢酸銅エタノール溶液(5mM)及びHHTPのエタノール溶液(5mM)は、ドロップキャストする前に200nmのPTFEフィルターを用いてそれぞれ濾過した。また、各工程における乾燥は、少なくとも30秒間静置させることにより行った。 Next, as shown in FIG. 6E, a metal-organic structure film 105 as a semiconductor layer was formed. Formation of the metal-organic framework film 105 involves repeating the steps of drop-casting 0.3 μL of a copper acetate ethanol solution (5 mM) onto the substrate and drying it four times, and 0.3 μL of an ethanol solution of HHTP hydrate ( This was carried out by repeating one cycle four times, consisting of a step of drop-casting 5mM) onto the substrate and drying it four times. Note that the copper acetate ethanol solution (5 mM) and the HHTP ethanol solution (5 mM) were each filtered using a 200 nm PTFE filter before drop casting. Further, drying in each step was performed by allowing the product to stand for at least 30 seconds.

次に、図6Fに示すように、金属有機構造体膜105の上に、シャドウマスクを使用した真空蒸着によりソース電極106A及びドレイン電極106Bを形成した(チャネル幅/チャネル長=1000μm/50μm)。ソース電極106A及びドレイン電極106Bには、金を用いた。 Next, as shown in FIG. 6F, a source electrode 106A and a drain electrode 106B were formed on the metal-organic structure film 105 by vacuum deposition using a shadow mask (channel width/channel length=1000 μm/50 μm). Gold was used for the source electrode 106A and the drain electrode 106B.

以上の工程により、トップコンタクト型の電界効果トランジスタE1を得た。 Through the above steps, a top contact type field effect transistor E1 was obtained.

[実施例3]
実施例3では、有機配位子として1,3,5-ベンゼントリカルボン酸(BTC)を用いて金属有機構造体膜を形成した。具体的には、図6Eに示す半導体層としての金属有機構造体膜の形成工程を以下に示す方法により行ったこと以外は、実施例2と同様の方法によりトップコンタクト型の電界効果トランジスタE2を得た。
[Example 3]
In Example 3, a metal organic framework film was formed using 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) as an organic ligand. Specifically, a top-contact field effect transistor E2 was formed in the same manner as in Example 2, except that the step of forming a metal-organic structure film as a semiconductor layer shown in FIG. 6E was performed in the following manner. Obtained.

図6Eに示す半導体層としての金属有機構造体膜の形成工程において、金属有機構造体膜105の形成は、0.2μLの酢酸銅エタノール溶液(1mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させる工程と、0.2μLのBTCのエタノール溶液(1mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させる工程とからなる1サイクルを16回繰り返すことにより行った。なお、酢酸銅エタノール溶液(1mM)及びBTCのエタノール溶液(1mM)は、ドロップキャストする前に200nmのPTFEフィルターを用いてそれぞれ濾過した。また、各工程における乾燥は、少なくとも30秒間静置させることにより行った。 In the process of forming a metal-organic structure film as a semiconductor layer shown in FIG. 6E, the metal-organic structure film 105 is formed by drop-casting 0.2 μL of a copper acetate ethanol solution (1 mM) onto the substrate and drying it. This was carried out by repeating 16 times one cycle consisting of the step of drop-casting 0.2 μL of BTC in ethanol solution (1 mM) onto the substrate and drying it. Note that the copper acetate ethanol solution (1 mM) and the BTC ethanol solution (1 mM) were each filtered using a 200 nm PTFE filter before drop casting. Further, drying in each step was performed by allowing the product to stand for at least 30 seconds.

[比較例1]
HHTP水和物と酢酸銅とをメタノール中で混合し、65℃で24時間反応させ、粒子状の金属有機構造体を形成した。図7Aに、得られた粒子状MOFのFT-IRスペクトルを、図7Bに、XRDスペクトルを示す。図7A及び図7Bより、HHTP及び銅イオンから構成される粒子状の金属有機構造体が得られたことが分かる。
[Comparative example 1]
HHTP hydrate and copper acetate were mixed in methanol and reacted at 65° C. for 24 hours to form a particulate metal-organic framework. FIG. 7A shows the FT-IR spectrum of the obtained particulate MOF, and FIG. 7B shows the XRD spectrum. It can be seen from FIGS. 7A and 7B that a particulate metal-organic structure composed of HHTP and copper ions was obtained.

得られた粒子状MOFを用い、金属有機構造体膜の形成以外の工程は、実施例2に記載の工程に従ってトップコンタクト型の電界効果トランジスタC1を形成した。具体的な工程を以下に記載する。 Using the obtained particulate MOF, a top-contact field effect transistor C1 was formed according to the steps described in Example 2 except for forming the metal-organic structure film. The specific steps are described below.

まず、図6Aが参考として示されるように、基板としてのガラス基板をピラニア溶液で洗浄した。 First, as shown in FIG. 6A for reference, a glass substrate as a substrate was cleaned with a piranha solution.

次に、図6Bが参考として示されるように、シャドウマスクを使用した真空蒸着装置を用いて、ゲート電極となるアルミニウム電極をガラス基板の上に蒸着した。アルミニウム電極の厚さは50nmであった。 Next, as shown in FIG. 6B for reference, an aluminum electrode that would become a gate electrode was deposited on the glass substrate using a vacuum deposition apparatus using a shadow mask. The thickness of the aluminum electrode was 50 nm.

次に、図6Cが参考として示されるように、ドライエッチング装置を用い、150Wで5分間の条件にて反応性イオンエッチング(RIE)処理を行い、絶縁体層となる酸化アルミニウム膜を形成した。 Next, as shown in FIG. 6C for reference, a reactive ion etching (RIE) process was performed using a dry etching device at 150 W for 5 minutes to form an aluminum oxide film that would become an insulating layer.

次に、図6Dが参考として示されるように、ロボッティックディスペンサーを用い、半導体層を形成する領域を規定するためのテフロンバンクを形成した。 Next, as shown in FIG. 6D for reference, a Teflon bank was formed using a robotic dispenser to define a region where a semiconductor layer was to be formed.

次に、図6Eが参考として示されるように、粒子状MOFを用いて金属有機構造体からなる層を形成した。金属有機構造体の層の形成は、0.25μLの量の粒子状MOFのアニリン溶液(0.16重量%)を、基板上にドロップキャストして乾燥させることにより行った。 Next, as shown in FIG. 6E for reference, a layer of metal-organic framework was formed using particulate MOF. Formation of the layer of metal-organic framework was carried out by drop-casting an amount of 0.25 μL of particulate MOF in aniline solution (0.16 wt %) onto the substrate and drying.

次に、図6Fが参考として示されるように、金属有機構造体の層の上に、シャドウマスクを使用した真空蒸着によりソース電極及びドレイン電極を形成した(チャネル幅/チャネル長=1000μm/50μm)。ソース電極及びドレイン電極には、金を用いた。 Next, as shown in FIG. 6F for reference, source and drain electrodes were formed on the layer of metal-organic structure by vacuum evaporation using a shadow mask (channel width/channel length = 1000 μm/50 μm). . Gold was used for the source electrode and the drain electrode.

以上の工程により、電界効果トランジスタC1を得た。 Through the above steps, a field effect transistor C1 was obtained.

[比較例2]
(1)材料
・シリコン基板(寸法:2×2.5cm)
・蒸着用金(ソース電極、ドレイン電極)
・テフロン
・酢酸銅水和物
・2,3,6,7,10,11-ヘキサヒドロキシトリフェニレン水和物(HHTP水和物)
・2,3,5,6-テトラフルオロ-4-メルカプト安息香酸(TFMBA)
なお、TFMBAは金との結合部位と銅イオンとの結合部位を有するため、金属有機構造体膜と金電極との密着性を確実にするために使用した。
[Comparative example 2]
(1) Materials/Silicon substrate (dimensions: 2 x 2.5 cm)
・Vapourized gold (source electrode, drain electrode)
・Teflon・Copper acetate hydrate ・2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene hydrate (HHTP hydrate)
・2,3,5,6-tetrafluoro-4-mercaptobenzoic acid (TFMBA)
Note that since TFMBA has a bonding site with gold and a bonding site with copper ions, it was used to ensure the adhesion between the metal-organic structure film and the gold electrode.

(2)装置
・真空蒸着装置:SVC700TMSG/SVC-7PS80 vacuum evaporator、サンユー電子社製
・ドライエッチング装置:RIE-10NG reactive ion etching system、SAMCO社製
・ロボッティックディスペンサー:Imagemaster 350 dispenser equipment、武蔵エンジニアリング社製
(2) Equipment - Vacuum evaporation equipment: SVC700TMSG/SVC-7PS80 vacuum evaporator, made by Sanyu Electronics Co., Ltd. - Dry etching device: RIE-10NG reactive ion etching system, made by SAMCO Co., Ltd. - Robotic dispenser: Imagemast er 350 dispenser equipment, Musashi Engineering Co., Ltd. Made

(3)電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程
図10A~図10Dは、比較例2における電界効果トランジスタ(ボトムコンタクト型)の製造工程を説明するための模式的断面工程図である。
(3) Manufacturing process of field effect transistor (bottom contact type) FIGS. 10A to 10D are schematic cross-sectional process diagrams for explaining the manufacturing process of a field effect transistor (bottom contact type) in Comparative Example 2.

まず、図10Aに示すように、基板としてのシリコン基板201をピラニア溶液で洗浄した。 First, as shown in FIG. 10A, a silicon substrate 201 as a substrate was cleaned with a piranha solution.

次に、図10Bに示すように、シャドウマスクを使用した真空蒸着装置を用いて、ソース電極206A及びドレイン電極206Bを形成した。ソース電極206A及びドレイン電極206Bには、金を用いた。電極の厚さは、それぞれ50nmであった。また、2-プロパノールに溶解させたTFMBA溶液(10mM)に金を蒸着した基板を10分間浸漬させTFMBA処理を行った。浸漬後、基板を2-プロパノールで洗浄し、窒素ブローを行った。 Next, as shown in FIG. 10B, a source electrode 206A and a drain electrode 206B were formed using a vacuum evaporation apparatus using a shadow mask. Gold was used for the source electrode 206A and the drain electrode 206B. The thickness of each electrode was 50 nm. Further, the substrate on which gold was deposited was immersed for 10 minutes in a TFMBA solution (10 mM) dissolved in 2-propanol to perform TFMBA treatment. After immersion, the substrate was washed with 2-propanol and then blown with nitrogen.

次に、図10Cに示すように、ロボッティックディスペンサーを用い、半導体層を形成する領域を規定するためのテフロンバンク204を形成した。 Next, as shown in FIG. 10C, a Teflon bank 204 was formed using a robotic dispenser to define a region where a semiconductor layer would be formed.

次に、図10Dに示すように、半導体層としての金属有機構造体膜205を形成した。金属有機構造体膜205の形成は、3μLの酢酸銅エタノール溶液(50mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させる工程と、3μLのHHTP水和物のエタノール溶液(50mM)を基板上にドロップキャストして乾燥させる工程とからなる1サイクルを7回繰り返すことにより行った。なお、酢酸銅エタノール溶液(50mM)及びHHTPのエタノール溶液(50mM)は、ドロップキャストする前に200nmのPTFEフィルターを用いてそれぞれ濾過した。また、各工程における乾燥は、少なくとも5分間静置させることにより行った。 Next, as shown in FIG. 10D, a metal organic structure film 205 as a semiconductor layer was formed. Formation of the metal-organic framework film 205 involves drop-casting 3 μL of a copper acetate ethanol solution (50 mM) onto the substrate and drying it, and drop-casting 3 μL of an ethanol solution of HHTP hydrate (50 mM) onto the substrate. This was carried out by repeating one cycle consisting of the steps of drying and drying seven times. Note that the copper acetate ethanol solution (50 mM) and the HHTP ethanol solution (50 mM) were each filtered using a 200 nm PTFE filter before drop casting. Further, drying in each step was performed by allowing the product to stand for at least 5 minutes.

以上の工程により、ボトムコンタクト型の電界効果トランジスタC2を得た。なお、電界効果トランジスタC2では、シリコンがゲート電極、酸化シリコン膜が絶縁体層の機能を有する。 Through the above steps, a bottom contact type field effect transistor C2 was obtained. Note that in the field effect transistor C2, silicon functions as a gate electrode, and the silicon oxide film functions as an insulator layer.

[評価]
(1)伝達特性及び出力特性
作製した電界効果トランジスタE1、E2、C1及びC2の伝達特性及び/又は出力特性を、ソースメーター(KEITHLEY社製)を用い、大気中にて評価した。具体的には、以下のようにして評価した。電流や電圧は、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極にプローブの短針を当てて測定した。伝達特性は、ソースメーターを介してドレイン電圧を一定に設定しかつゲート電圧(VGS)を変調させながら掃引した際に取得されるゲート電圧(VGS)とドレイン電流(IDS)との相関関係により示される(例えば図8A)。また、出力特性は、ゲート電圧を一定に設定しかつドレイン電圧(VDS)を変調させ掃引した場合に得られるドレイン電圧とドレイン電流との相関関係により示される(例えば図8B)。その際、両者ともソースは常にアースである。本測定では、通常の有機トランジスタの印加電圧よりも低電圧である-5V以下のゲート電圧を印加した。なお、出力特性については、VGSを0、-1、-2、-3Vとした出力特性を測定した。
[evaluation]
(1) Transfer characteristics and output characteristics The transfer characteristics and/or output characteristics of the produced field effect transistors E1, E2, C1, and C2 were evaluated in the atmosphere using a source meter (manufactured by KEITHLEY). Specifically, the evaluation was performed as follows. Current and voltage were measured by applying the short needle of the probe to the gate electrode, source electrode, and drain electrode. The transfer characteristic is the correlation between the gate voltage (V GS ) and the drain current (I DS ) obtained when the drain voltage is set constant and the gate voltage (V GS ) is modulated and swept through a source meter. (eg, FIG. 8A). Further, the output characteristics are indicated by the correlation between the drain voltage and drain current obtained when the gate voltage is set constant and the drain voltage (V DS ) is modulated and swept (for example, FIG. 8B). In this case, the source for both is always grounded. In this measurement, a gate voltage of −5 V or lower, which is lower than the voltage applied to a normal organic transistor, was applied. Note that the output characteristics were measured with V GS set to 0, -1, -2, and -3V.

図8Aは、電界効果トランジスタE1(実施例2)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。図8Bは、電界効果トランジスタE1(実施例2)の出力特性を評価した結果を示すグラフである。図9は、電界効果トランジスタC1(比較例1)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。図11は、電界効果トランジスタE2(実施例3)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。図12は、電界効果トランジスタC2(比較例2)の伝達特性を評価した結果を示すグラフである。 FIG. 8A is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor E1 (Example 2). FIG. 8B is a graph showing the results of evaluating the output characteristics of the field effect transistor E1 (Example 2). FIG. 9 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor C1 (Comparative Example 1). FIG. 11 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor E2 (Example 3). FIG. 12 is a graph showing the results of evaluating the transfer characteristics of the field effect transistor C2 (Comparative Example 2).

図8Aに示されるように、伝達特性では、-2.5V付近でON電流の立ち上がりが観測され、当該電界効果トランジスタE1は良好なFET特性を示すことが確認された。出力特性についても、印加した電圧に応じたFET特性が得られた(図8B)。通常、有機半導体材料は大気中で不安定であるため、伝達特性や出力特性の評価は、窒素雰囲気下で行われることが一般的であるが、本実施例で得られた電界効果トランジスタは、封止剤等の特別な処理を施さずとも、大気中で安定したトランジスタ特性を示した。また、図8A及び図8Bから理解されるように、5V以下の低電圧での駆動が確認された。また、図11に示されるように、非線形的なドレイン電流値上昇が観察された。 As shown in FIG. 8A, in the transfer characteristics, a rise in the ON current was observed near −2.5 V, and it was confirmed that the field effect transistor E1 exhibited good FET characteristics. Regarding the output characteristics, FET characteristics depending on the applied voltage were also obtained (FIG. 8B). Since organic semiconductor materials are usually unstable in the atmosphere, evaluation of transfer characteristics and output characteristics is generally performed in a nitrogen atmosphere. However, the field effect transistor obtained in this example The transistor exhibited stable transistor characteristics in the atmosphere even without special treatment such as encapsulants. Further, as understood from FIGS. 8A and 8B, driving at a low voltage of 5 V or less was confirmed. Furthermore, as shown in FIG. 11, a nonlinear increase in drain current value was observed.

一方、図9から理解されるように、比較例1の電界効果トランジスタC1は、半導体特性を示さなかった。また、図12から理解されるように、比較例2の電界効果トランジスタC2も、半導体特性を示さなかった。なお、トランジスタ特性は、ゲート電圧の印加に伴うオフからオンへ切り替わる電流変化が特徴である。図12のグラフでは、そのような特性が観測されなかったため、トランジスタ特性は得られなかったものと判断した。比較例の電界効果トランジスタが半導体特性を示さなかった理由としては、以下の事由が推測される。ボトムコンタクト型の場合、微小空間のチャネル(ソース-ドレイン間)で金属有機構造体膜を形成させる必要がある。しかし、ボトムコンタクト型における電極と金属有機構造体膜の密着性は、トップコンタクト型よりも低減する。そのため,ボトムコンタクト型では、トランジスタ特性が得られなかったものと推測される。なお、以上の推測は本開示を限定するものではない。 On the other hand, as understood from FIG. 9, the field effect transistor C1 of Comparative Example 1 did not exhibit semiconductor characteristics. Moreover, as understood from FIG. 12, the field effect transistor C2 of Comparative Example 2 also did not exhibit semiconductor characteristics. Note that the transistor characteristics are characterized by a current change from off to on due to the application of a gate voltage. Since such characteristics were not observed in the graph of FIG. 12, it was determined that transistor characteristics were not obtained. The reason why the field effect transistor of the comparative example did not exhibit semiconductor characteristics is presumed to be due to the following reasons. In the case of the bottom contact type, it is necessary to form a metal-organic structure film in the channel (between the source and drain) in a microscopic space. However, the adhesion between the electrode and the metal-organic structure film in the bottom contact type is lower than that in the top contact type. Therefore, it is presumed that transistor characteristics could not be obtained with the bottom contact type. Note that the above speculation does not limit the present disclosure.

(2)ガスセンサーとしての評価
ガスセンシング評価用装置として、UNICO社の協力のもと、ガスセンシング評価用小型グローブボックスを設計した。このグローブボックスは背面にフランジを装えており、ガス雰囲気下でのトランジスタ特性の評価を可能とする。その際、自作のコネクターとソースメーターとはフランジを介して連結させた状態で、トランジスタの評価を行う。ガスの流量はパーミエーター(ガステック社製)を用いて調整する。このパーミエーターにより、定量的なガス流量を実現できる。検出対象となるガスの成分としては、例えば、アンモニア、エタノール、アセトン、n-デカン、n-ドデカン、エチルベンゼン、トルエン、アセトアルデヒド、フェノール、又はプロピルアミンが挙げられる。
(2) Evaluation as a gas sensor As a gas sensing evaluation device, a small glove box for gas sensing evaluation was designed in cooperation with UNICO. This glove box is equipped with a flange on the back, making it possible to evaluate transistor characteristics in a gas atmosphere. At that time, the transistor was evaluated with the self-made connector connected to the source meter via a flange. The gas flow rate is adjusted using a permeator (manufactured by Gastech). This permeator makes it possible to achieve a quantitative gas flow rate. Examples of gas components to be detected include ammonia, ethanol, acetone, n-decane, n-dodecane, ethylbenzene, toluene, acetaldehyde, phenol, and propylamine.

実施例1で得られた電界効果トランジスタE1(Cu-HHTP型MOF)について、上記ガスセンシング評価用装置を用いてガスセンシング能を評価した。具体的には、グローブボックス内に電界効果トランジスタを配置し、グローブボックス内にアンモニアガスを各所定の濃度となるように注入し、5分後に電気抵抗を上述の四端子測定法により測定した。結果を表1に示す。 The gas sensing ability of the field effect transistor E1 (Cu-HHTP MOF) obtained in Example 1 was evaluated using the gas sensing evaluation apparatus described above. Specifically, a field effect transistor was placed in a glove box, ammonia gas was injected into the glove box to each predetermined concentration, and after 5 minutes, the electrical resistance was measured by the above-mentioned four-terminal measurement method. The results are shown in Table 1.

Figure 0007359793000005
Figure 0007359793000005

表1に示されるように、電界効果トランジスタE1は、アンモニアガスの濃度に応じて異なる電気抵抗を示しており、アンモニアガス濃度に依存したMOFの導電性変化を示すことがわかる。これにより、本実施形態の電界効果トランジスタがガスセンシング能を有することが確認された。 As shown in Table 1, the field effect transistor E1 exhibits different electrical resistances depending on the concentration of ammonia gas, and it can be seen that the conductivity of the MOF changes depending on the concentration of ammonia gas. This confirmed that the field effect transistor of this embodiment has gas sensing ability.

本明細書中に記載した数値範囲の上限値及び/又は下限値は、それぞれ任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。例えば、数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、数値範囲の上限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、また、数値範囲の下限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。 The upper limits and/or lower limits of the numerical ranges described herein can be arbitrarily combined to define a preferable range. For example, a preferable range can be defined by arbitrarily combining the upper and lower limits of a numerical range, a preferable range can be defined by arbitrarily combining the upper limits of a numerical range, and the lower limit of a numerical range Preferred ranges can be defined by arbitrarily combining values.

以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本開示に含まれるものである。 Although this embodiment has been described in detail above, the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there are design changes within the scope of the gist of the present disclosure, they are not included in the present disclosure. It is something that can be done.

1 基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁層
4A ソース電極
4B ドレイン電極
5 金属有機構造体膜(半導体層)
101 ガラス基板
102 アルミニウム電極
103 酸化アルミニウム膜
104 テフロンバンク
105 金属有機構造体膜(半導体層)
106A ソース電極
106B ドレイン電極
201 基板
202 ゲート電極
203 ゲート絶縁層
204A ソース電極
204B ドレイン電極
205 金属有機構造体膜

1 Substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating layer 4A Source electrode 4B Drain electrode 5 Metal-organic structure film (semiconductor layer)
101 Glass substrate 102 Aluminum electrode 103 Aluminum oxide film 104 Teflon bank 105 Metal-organic structure film (semiconductor layer)
106A Source electrode 106B Drain electrode 201 Substrate 202 Gate electrode 203 Gate insulating layer 204A Source electrode 204B Drain electrode 205 Metal-organic structure film

Claims (9)

基板、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、及び半導体層としての金属有機構造体膜を含む電界効果トランジスタであって、
金属有機構造体膜は、π共役系骨格を有する有機配位子及び金属イオンが基板の面方向に展開するように配位している複数の結晶構造が、π-π相互作用を介して基板上に積層している積層構造を含み、
各結晶構造は、有機配位子及び金属イオンの配位により形成される細孔を有し、前記積層構造において、隣接している結晶構造の細孔が膜厚方向で連通しており、
トップコンタクト型であり、
有機配位子が、2,3,6,7,10,11-ヘキサヒドロキシトリフェニレン(HHTP)又は1,3,5-ベンゼントリカルボン酸(BTC)である、電界効果トランジスタ。
A field effect transistor comprising a substrate, a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a metal-organic structure film as a semiconductor layer,
A metal-organic structure film has a plurality of crystal structures in which organic ligands and metal ions having a π-conjugated skeleton are coordinated so as to extend in the plane direction of the substrate. Including a laminated structure laminated on top,
Each crystal structure has pores formed by coordination of organic ligands and metal ions, and in the layered structure, pores of adjacent crystal structures communicate in the film thickness direction,
It is a top contact type,
A field effect transistor in which the organic ligand is 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene (HHTP) or 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) .
ボトムゲート-トップコンタクト型である、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1, which is of the bottom gate-top contact type. π共役系骨格が、少なくとも1つの芳香環を含んで構成される、請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。 3. The field effect transistor according to claim 1, wherein the π-conjugated skeleton includes at least one aromatic ring. π共役系骨格が、多環芳香族炭化水素構造である、請求項1~3のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3, wherein the π-conjugated system skeleton is a polycyclic aromatic hydrocarbon structure. ゲート電極が、アルミニウム電極である、請求項1~のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the gate electrode is an aluminum electrode. アルミニウム電極の表面にゲート絶縁層としての酸化アルミニウムが形成されている、請求項に記載の電界効果トランジスタ。 6. The field effect transistor according to claim 5 , wherein aluminum oxide is formed as a gate insulating layer on the surface of the aluminum electrode. 金属有機構造体膜が、金属イオンを含む金属イオン含有溶液を基板の上に塗布する工程と、有機配位子を含む有機配位子含有溶液を基板の上に塗布する工程とを含むLBL法により形成されたものである、請求項1~のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 The metal-organic framework film is produced using an LBL method, which includes the steps of applying a metal ion-containing solution containing metal ions onto a substrate, and applying an organic ligand-containing solution containing an organic ligand onto the substrate. The field effect transistor according to any one of claims 1 to 6 , which is formed by. 請求項1~のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタを備えるガスセンサー。 A gas sensor comprising the field effect transistor according to any one of claims 1 to 7 . 請求項1~のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタを製造する方法であって、
金属有機構造体膜を、
金属イオンを含む金属イオン含有溶液を基板の上に塗布する工程と、
有機配位子を含む有機配位子含有溶液を基板の上に塗布する工程と、
を含むLBL法により形成する工程を含む、方法。
A method for manufacturing a field effect transistor according to any one of claims 1 to 6 , comprising:
metal-organic framework film,
applying a metal ion-containing solution containing metal ions onto the substrate;
applying an organic ligand-containing solution containing an organic ligand onto the substrate;
A method comprising the step of forming by an LBL method comprising:
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