JP2003261655A - ポリチオフェン類及びそれを用いたデバイス - Google Patents
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Abstract
溶液処理によって経済的に加工可能な半導体ポリマーを
用いたデバイスを提供する。 【解決手段】 下記式のポリチオフェンを含むエレクト
ロニックデバイスである。 【化1】 式中、Rは側鎖を示し、mは置換基Rの数を示し、Aは
二価結合基であり、x、y、及びzはそれぞれモノマー
セグメント中における、Rm置換チエニレン、非置換チ
エニレン、及び二価結合基Aの数を示し、zは0又は1
であり、nはポリマー中の繰り返しモノマーセグメント
の数又は重合度を示す。
Description
フェン類とその使用に関する。より詳細には、本発明は
実施の形態において、特定の繰り返しチエニレン単位が
アルキルなどの側鎖を持ち、この側鎖がポリチオフェン
主鎖上に位置規則性(レジオレギュラ:regioregular)
に配列したポリチオフェン類であって、例えば薄膜電界
効果トランジスタ(FET)の活性半導体材料として有
用なポリチオフェン類に関する。
体材料として有用な、ある種のポリチオフェン類などの
半導体ポリマーが報告されている。これらのポリマーの
多くは有機溶媒に多少の溶解度を持つため、スピンコー
ティング、溶液キャスティング、浸漬塗布、スクリーン
印刷、スタンプ印刷、ジェット印刷等の溶液処理によっ
てTFT内の半導体チャネル層に加工することができ
る。通常の溶液処理によって加工できることは、水素化
アモルファスシリコンTFTなどのシリコンベースのデ
バイスに特有なコストの高い従来のフォトリソグラフ処
理に比べ、その製造をより簡単かつ低コストにする。更
に、ポリマーTFTと呼ばれる、優れた機械的耐久性と
構造可撓性とを備えた、ポリチオフェン類などのポリマ
ー材料から作られたトランジスタが望まれている。プラ
スチック基板上の可撓性TFTの製造のためには、優れ
た機械的耐久性と構造可撓性が非常に望ましい。可撓性
TFTは、構造可撓性と機械的耐久性の特性を通常必要
とする電子的デバイスの設計を可能にすると考えられ
る。有機又はポリマートランジスタ要素と共にプラスチ
ック基板を用いれば、従来の堅牢なシリコンTFTを、
機械的により頑丈で、構造可撓性のポリマーTFT設計
に代えることができる。後者は、大面積画像センサ、電
子ペーパー、その他の表示媒体など、大面積デバイスに
とって特に価値がある。また、スマートカード、無線周
波データキャリア(RFID)タグ、メモリ/記憶デバ
イスなどの低価格のマイクロエレクトロニクス用の集積
回路論理素子にポリマーTFTを用いると、その機械的
耐久性が大きく向上し、その使用可能寿命が長くなる。
しかし半導体ポリチオフェン類の多くは、周囲の酸素に
よって酸化的にドープされ、導電率が増大してしまうた
め空気に触れると安定ではないと考えられる。この結
果、これらの材料から製造したデバイスのオフ電流は大
きくなり、そのため電流オン/オフ比は小さくなる。従
ってこれらの材料の多くは、材料加工とデバイス製造の
間に環境酸素を排除して酸化的ドーピングを起こさな
い、あるいは最小とするよう厳重に注意しなければなら
ない。この予防措置は製造コストを押し上げるため、特
に大面積デバイスのための、アモルファスシリコン技術
に代わる経済的な技術としてのある種のポリマーTFT
の魅力が削がれてしまう。これら及びその他の欠点は、
本発明の実施の形態において回避され、あるいは最小と
なる。
る有機半導体材料がいくつか例示されている(非特許文
献1から非特許文献3、特許文献1から特許文献5)。
ntacone organic thin film
transistors−molecular or
doring and mobility”,IEEE
Electron Device Lett. Vo
l.18, p.87(1997)
ular engineering of organ
ic semiconductors:Designo
f self−assembly propertie
s in conjugated thiophene
oligomers”,Amer.Chem.So
c.,Vol.115,p.8716(1993)
nd processableregioregula
r poly(3−hexylthiophene)f
or field−effect thin film
transistor application w
ith high mobility”,Appl.P
hys.Lett.Vol.69,P.4108(19
96)
な超小型電子装置用途に用いることができ、さらに有機
溶媒に対してある程度の溶解性を有し溶液処理が可能で
あるポリチオフェン類などの有機半導体材料が未だ提供
されていない。
較的高い電流オン/オフ非を示すエレクトロニックデバ
イスが望まれている。
実施の形態を図1〜図4に示す。ここでは薄膜トランジ
スタ(TFT)構造体中のチャネル材料としてポリチオ
フェン類を用いている。
超小形電子デバイスの用途に有用な、ポリチオフェン類
などの半導体ポリマーの提供である。
クトルから求めたバンドギャップが約1.5〜約3eV
であるポリチオフェン類の提供であり、このポリチオフ
ェン類は、TFT半導体チャネル層材料としての使用に
適する。
の構成要素体として有用なポリチオフェン類の提供であ
り、このポリチオフェン類は、ジクロロメタン、テトラ
ヒドロフラン、トルエン、キシレン、メシチレン、クロ
ロベンゼン等の一般的な有機溶媒に適度な、例えば約
0.1重量%以上の溶解度を持ち、このためこれらの構
成要素体を、スピンコーティング、スクリーン印刷、ス
タンプ印刷、浸漬塗布、溶液キャスティング、ジェット
印刷等の溶液処理によって経済的に製造することができ
る。
チャネル層を持ち、その層の導電率が約10-6〜約10
-9S/cm(ジーメンス/センチメートル)であるTF
Tなどのエレクトロニックデバイスの提供である。
類とそれを用いたデバイスの提供であり、このデバイス
は酸素の悪影響に対して強い抵抗性を示し、すなわちこ
のデバイスは比較的高い電流オン/オフ比を示し、その
性能は実質的に、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフ
ェン−2,5−ジイル)などの位置規則性ポリチオフェ
ン類から製造した同様のデバイスのように急激に低下す
ることがない。
徴を持ち、これにより適当な加工条件下において分子が
自己配列し、またその構造的特徴がデバイス性能の安定
性をも向上させるようなポリチオフェン類の提供であ
る。適当な分子配列は、効率良く電荷キャリアを移動さ
せて高い電気的性能を得るために重要な、薄膜中のより
高次の分子構造配列を可能とする。
(I)で示される、又はこれに包含されるポリチオフェ
ン類に関するものである。
アルキル誘導体とを含み、アルキル誘導体は、アルコキ
シアルキル、シロキシ置換アルキル、パーフルオロなど
のパーハロアルキル、オリゴエチレンオキシドなどのポ
リエーテル、ポリシロキシ等であり、Aは二価結合基で
あって、例えば、フェニレン、ビフェニレン、フェナン
トレニレン、ジヒドロフェナントレニレン、フルオレニ
レン、オリゴアリーレン、メチレン、ポリメチレン、ジ
アルキルメチレン、ジオキシアルキレン、ジオキシアリ
ーレン、オリゴエチレンオキシド等のアリーレンから成
る群より選ばれ、mは側鎖の数であって、例えば1又は
2であり、x及びyはそれぞれ、R置換チエニレン及び
非置換チエニレン部分の数であり、zは二価結合基の数
であって、通常0又は1であり、R置換及び非置換チエ
ニレン部分と二価結合基との相対位置、及びnはセグメ
ントの数を示す。モノマーセグメント中のAは、構造式
(I)に示されるもの、つまり、例えば、TFTデバイ
スの半導体層として下記化5の構造式(II)に図示した
ポリチオフェン類(I)とは異なっても良い。
ル、シロキシ置換アルキル、パーフルオロなどのパーハ
ロアルキル、オリゴエチレンオキシドなどのポリエーテ
ル、ポリシロキシ誘導体、等のアルキル誘導体を含み、
aは約0〜約5の整数(又は数)であり、b、c、及び
dは、約1〜約5の整数であり、nは重合度であって、
約5〜5,000以上、より詳細には約10〜約1,0
00とすることができ、このときこのポリチオフェン類
の、いずれもポリスチレン標準を用いたゲル浸透クロマ
トグラフ法より求めた、数平均分子量(Mn)は、例え
ば、約2,000〜約10万、より詳細には約4,00
0〜5万であり、その重量平均分子量(Mw)は約4,
000〜約50万、より詳細には約5,000〜約10
万とすることができる。ポリチオフェン類(I)及び
(II)の側鎖の例としては、アルキル、アルコキシルア
ルキル、ポリエーテル鎖、パーハロアルキル、ポリシロ
キシ鎖等が挙げられ、アルキルは例えば、炭素数約1〜
約25、より詳細には約4〜約12(この範囲の数を全
て含む。例えば、4、5、6、7、8、9、10、1
1、及び12)の、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプ
チル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシ
ル、それらの異性体、それらの混合物等であり、アルコ
キシアルキルは例えば、炭素数約2〜約30の、例え
ば、メトキシプロピル、メトキシブチル、メトキシペン
チル、メトキシヘキシル、メトキシヘプチル等であり、
ポリエーテル鎖はポリエチレンオキシドなどであり、パ
ーハロアルキルはパーフルオロアルキルなどであり、ポ
リシロキシ鎖はトリアルキルシロキシアルキル誘導体な
どである。
明示のものである。
フェン類は、一般的な被覆用溶媒に可溶であり、例え
ば、実施の形態において、ジクロロメタン、1,2−ジ
クロロエタン、テトラヒドロフラン、トルエン、キシレ
ン、メシチレン、クロロベンゼン等の溶媒に約0.1重
量%以上、より詳細には約0.5〜約5重量%の溶解度
を持つ。更に、本発明の実施の形態のポリチオフェン類
をTFTデバイスの半導体チャネル層に加工すると安定
した導電率となり、一般的な4プローブ伝導率測定法に
よれば、例えば、約10-9〜約10-6S/cm、より詳
細には約10-8〜約10-7S/cmである。更に、ポリ
チオフェン類(II)は、後述の、ポリチオフェン(II-
e)の4本のポリマー鎖を図示した構造式IIIに示すよう
に、ポリチオフェン主鎖上に位置規則性に並んだ側鎖を
含んでいる。(II)に計画的に配置された側鎖は、側鎖
の適切な配列を促進し、薄膜中により高次の微小構造ド
メインを形成することができる。これらのポリチオフェ
ン類は、溶液から、例えば約10〜約500nmの薄膜
に製造すると、密に積み重なったラメラ構造を形成し、
これは導電性で効率良く電荷キャリヤを移動すると考え
られる。(II)中に組み込まれた非置換チエニレン部分
は多少の回転自由度を持つため、酸化的ドーピングを十
分に抑制する程度にポリチオフェン系に広がるπ共役を
妨げる。従って、これらの材料は周囲条件下でより安定
であり、これらのポリチオフェン類から製造したデバイ
スは、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン−2,
5−ジイル)などの位置規則性ポリチオフェン類のもの
より機能的により安定である。保護しなくても、前述の
安定な材料とデバイスは通常数週間以上も安定である。
これに対し、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン
−2,5−ジイル)の場合、周囲の酸素に曝すと数日、
あるいは数時間で劣化してしまう。このように、本発明
の実施の形態のポリチオフェン類から製造したデバイス
は、高い電流オン/オフ比を持ち、その性能特性は実質
的に、材料調製、デバイス製造、及び評価の間に周囲の
酸素を排除するよう厳重な操作上の対策を講じなくと
も、ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)
のものほど急激には変化しない。実施の形態において本
発明のポリチオフェンは酸化的ドーピングに対して安定
であり、特に低コストデバイスの製造にとっては、通常
不活性雰囲気中で扱う必要がないためその加工がより単
純かつ低コストであり、その製造を大規模な製造工程に
応用することができる。
れた一般的な方法に従って、(IIIa)又は(IIIb)な
どの適切に組み立てられたオリゴチオフェンモノマーか
らのポリチオフェン(IV)の調製を参照して説明するこ
とができる。ポリチオフェン(IV)は、ポリチオフェン
(II)のa=0、b=d=1の場合である。モノマー
(IIIa)は、3−R−チエニル−2−マグネシウム=ブ
ロミドと、5,5’−ジブロモ−2,2’−ジチオフェ
ンとの反応から容易に得ることができる。モノマー(II
Ia)又は(IIIb)は、末端チエニレン単位上に計画的
に配置された側鎖を持つため、重合すると、生成するポ
リチオフェン(IV)は、その主鎖上に位置規則的に並ん
だ側鎖を有する。位置規則性カップリング反応が必要な
ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)など
の位置規則性ポリチオフェン類の調製とは異なり、本発
明のポリチオフェン類は、位置規則性の複雑さの無い通
常の重合法により調製できる。詳細には、ポリチオフェ
ン(IV)の調製には、(IIIa)のFeCl3を介在させ
た酸化的カップリングを用いると良い。
した1モル等量の(IIIa)を、同じ塩化物溶媒に懸濁し
た約1〜約5モル当量の無水FeCl3に加えることに
より行う。得られた混合物を、乾燥空気気流中、あるい
は乾燥空気の泡をゆっくり反応混合物中に通しながら、
約25〜約60℃の温度で、約30分〜約48時間反応
させる。反応後、反応混合物を水又は希塩酸水溶液で洗
い、希アンモニア水溶液と約15分〜1時間撹拌した後
に水で洗い、非溶剤から沈殿させ、また必要に応じて、
メタノール、トルエン、キシレン、クロロベンゼン等の
適当な溶媒を用いてソックスレー抽出によりポリチオフ
ェン生成物を抽出し、ポリマー生成物を単離することが
できる。こうして得られたポリチオフェン生成物は、メ
タノールやアセトンなどの適当な溶媒からの沈殿により
更に精製可能である。
化学式のポリチオフェンを含むエレクトロニックデバイ
スである。
二価結合基であり、x、y、及びzはそれぞれモノマー
セグメント中における、Rm置換チエニレン、非置換チ
エニレン、及び二価結合基Aの数を示し、zは0又は1
であり、nはポリマー中の繰り返しモノマーセグメント
の数又は重合度を示す。;基板と、ゲート電極と、ゲー
ト誘電体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ソース
/ドレイン電極とゲート誘電体層とに接した半導体層
と、を含む薄膜トランジスタ(TFT)であるデバイス
であって、半導体層はポリチオフェンを含み、式中、R
は、アルコキシアルキル、シロキシ置換アルキル、パー
ハロアルキル、又はポリエーテルであり、Aは、炭素数
約6〜約40のアリーレンから成る群より選ばれる二価
結合基であり、mは1又は2であり、x及びyはそれぞ
れ、R置換チエニレン及び非置換チエニレン部分の数で
あってそれぞれ1〜5であり、zは0又は1であって二
価結合基の数を示し、nはモノマーセグメントの数を示
す。;nは約5〜約5,000であり、ポリチオフェン
の、いずれもポリスチレン標準を用いたゲル浸透クロマ
トグラフ法より求めた、数平均分子量(Mn)は約2,
000〜約10万であり、重量平均分子量(Mw)は約
4,000〜50万以上であるデバイス。;Rは1〜約
20の炭素原子を含むアルキルであり、nは約10〜約
1,000であり、Mnは約4,000〜約5万であ
り、Mwは約5,000〜約10万であるデバイス。;
アルキル側鎖Rは6〜約12の炭素原子を含むデバイ
ス。;アルキル側鎖Rは、ブチル、ペンチル、ヘキシ
ル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシ
ル、又はドデシルであるデバイス。;側鎖Rは炭素数約
2〜約15のパーフルオロアルキルであるデバイス。;
側鎖Rは、トリメチルシロキシアルキル、トリエチルシ
ロキシアルキルであるシロキシアルキルであって、アル
キルは必要に応じて約4〜約10の炭素を含み、アルキ
ルはブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、又はオク
チルであるデバイス。;二価結合基Aは炭素数約6〜約
40のアリーレンであるデバイス。;二価結合基Aは、
フェニレン、ビフェニレン、フェナントレニレン、9,
10−ジヒドロフェナントレニレン、フルオレニレン、
メチレン、ポリメチレン、ジオキシアルキレン、ジオキ
シアリーレン、及びオリゴエチレンオキシドから成る群
より選ばれるTFTデバイス。;下記化学式により示さ
れるポリチオフェンを含む薄膜トランジスタ。
ン部分の数を示し、nは重合度である。;Rは約1〜約
20の炭素原子を含むアルキルであるデバイス。;Rは
約6〜約12の炭素原子を含むアルキルであるデバイ
ス。;Rは、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、
オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、又はドデシル
であるデバイス。;b及びdは約1〜約5であるデバイ
ス。;b及びdは約1〜約3であるデバイス。;aは約
0〜約5であり、cは約1〜約5であり、又はaは約0
〜約3であり、cは約1〜約3であるデバイス。;下記
構造式(IV)で示されるポリチオフェンを含む薄膜トラ
ンジスタ。;
o)から成る群より選ばれるポリチオフェンを含む薄膜
トランジスタデバイス。;本願に示す(II-a)〜(II-
e)から成る群より選ばれるポリチオフェンを含む薄膜
トランジスタ。;nは約5〜約5,000の数であるデ
バイス。;nは約5〜約3,000の数であるデバイ
ス。;Rは、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、
デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデ
シル、又はペンタデシル等であり、m=1、x=y=
2、z=0又は1であるデバイス。;Rは、ヘキシル、
ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ド
デシル、トリデシル、テトラデシル、又はペンタデシル
であり、m=1、x=y=2、z=0又は1であるデバ
イス。;使用するポリチオフェンは約2,000〜約1
0万のMnと、約4,000〜約50万のMwとを有する
デバイス。;使用するポリチオフェンは約2,000〜
約10万のMnと、約4,000〜約100万のMwとを
有するデバイス。;ポリチオフェンは下記構造式(II-
a)〜(II-e)から成る群より選ばれ、式中、nは約5
0〜約3,000の数であるデバイス。;
ミドであるプラスチックシートであり、ゲート、ソー
ス、及びドレイン電極はそれぞれ独立して、金、ニッケ
ル、アルミニウム、プラチナ、酸化インジウムチタン、
又は導電性ポリマーを含み、ゲートは、窒化ケイ素又は
酸化ケイ素を含む誘電体層であるTFTデバイス。;基
板はガラス又はプラスチックシートであり、ゲート、ソ
ース、及びドレイン電極はそれぞれ金を含み、ゲート誘
電体層は、ポリ(メタクリレート)、又はポリ(ビニル
フェノール)である有機ポリマーを含むTFTデバイ
ス。;ポリチオフェン層は、スピンコーティング、スタ
ンプ印刷、スクリーン印刷、又はジェット印刷である溶
液処理により形成されるデバイス。;ゲート、ソース、
及びドレイン電極、ゲート誘電体、半導体層は、スピン
コーティング、溶液キャスティング、スタンプ印刷、ス
クリーン印刷、又はジェット印刷である溶液処理により
形成されるデバイス。;基板は、ポリエステル、ポリカ
ーボネート、又はポリイミドであるプラスチックシート
であり、ゲート、ソース、及びドレイン電極は、ポリス
チレンスルホナートをドープしたポリ(3,4−エチレ
ンジオキシチオフェン)である有機導電性ポリマー、又
は、ポリマーバインダ中に銀をコロイド状に分散させた
導電性インキ/ペースト化合物から製造され、ゲート誘
電体層は、有機ポリマー又は無機酸化物粒子−ポリマー
複合材であるTFTデバイス。;TFTなどのエレクト
ロニックデバイスを含むデバイス又はデバイス類。
点18(ゲート電極)と、絶縁性誘電体層14の層と、
その上に置かれた2つの金属接点20及び22(ソース
及びドレイン電極)とを含むTFT構造体10の概略図
である。ゲート電極は、その一部又はゲート全体が誘電
体層14と接している。金属接点20及び22の上と間
にはポリチオフェン半導体層12がある。ゲート電極
は、基板中、誘電体層中などのどこに含まれていても良
い。
ソース電極40と、ドレイン電極42と、絶縁性誘電体
層34と、ポリチオフェン半導体層32とを含む、別の
TFT構造体30の概略図である。
できる高濃度n−ドープシリコンウエハ56と、熱によ
り生成した酸化ケイ素誘電体層54と、ポリチオフェン
半導体層52と、その上に置かれたソース電極60とド
レイン電極62と、ゲート電極接点64とを含む、更な
るTFT構造体50の概略図である。
ソース電極80と、ドレイン電極82と、ポリチオフェ
ン半導体層72と、絶縁性誘電体層74とを含む、TF
T構造体70の概略図である。
じて、図1〜図4の各トランジスタ構造体の上に保護層
を加えても良い。図4のTFT構造体では、絶縁性誘電
体層74は保護層としても機能する。
の図を参照するなら、基板層は一般に、目的とする用途
に応じて、様々な適当な形のシリコンを含むシリコン材
料、ガラス板、プラスチックフィルム又はシート、等で
ある。構造可撓性のデバイスでは、例えば、ポリエステ
ル、ポリカーボネート、ポリイミドシート等のプラスチ
ック基板を用いる。基板の厚さは、例えば約10μm〜
10mm以上であり、詳細な厚さは、可撓性のプラスチ
ック基板では約50〜約100μm、ガラス又はシリコ
ンなどの堅牢な基板では約1〜約10mmである。
てることができ、半導体層に接している絶縁性誘電体層
は一般に、無機材料膜、有機ポリマー膜、又は有機−無
機複合材料膜とすることができる。誘電体層の厚さは、
例えば約10nm〜約1μm、より詳細な厚さは約10
0〜約500nmである。誘電体層に適した無機材料の
具体例としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミ
ニウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸バリウ
ム、等が挙げられ、誘電体層に適した有機ポリマーの具
体例としては、ポリエステル類、ポリカーボネート類、
ポリ(ビニルフェノール)、ポリイミド類、ポリスチレ
ン、ポリ(メタクリレート)類、ポリ(アクリレート)
類、エポキシ樹脂、等が挙げられ、無機−有機複合材料
の具体例としては、ポリエステル、ポリイミド、エポキ
シ樹脂等のポリマー中に分散した超微小金属酸化物粒子
などが挙げられる。絶縁性誘電体層の厚さは通常、使用
する誘電体材料の比誘電率に応じて約50〜約500n
mである。より詳細には、誘電体材料は例えば約3以上
の比誘電率を持つため、約300nmの適当な誘電体の
厚さがあれば望ましい静電容量、例えば約10-9〜約1
0-7F/cm2とすることができる。
の間に接して、本願に述べるポリチオフェン類を含む活
性半導体層を置く。このとき、この層の厚さは通常、例
えば約10nm〜約1μm、又は約40〜約100nm
である。この層は通常、本発明のポリチオフェン類の溶
液からスピンコーティング、キャスティング、スクリー
ン、スタンプ、又はジェット印刷などの溶液処理によっ
て製造可能である。
膜、導電性インキ又はペーストから作った導電性膜、あ
るいは基板自体(例えば、高濃度にドープしたシリコ
ン)とすることができる。ゲート電極材料の例として
は、アルミニウム、金、クロム、酸化インジウムスズ、
導電性ポリマー類、導電性インキ/ペースト等が挙げら
れるが、これらに限るものではない。導電性ポリマー
は、ポリスチレンスルホナートをドープしたポリ(3,
4−エチレンジオキシチオフェン)(PSS/PEDO
T)などであり、導電性インキ/ペーストは、カーボン
ブラック/グラファイト又はコロイド状の銀をポリマー
バインダ中に分散したもの(例えば、アチソン・コロイ
ズ社(Acheson Colloids Company)製のエレクトロダグ
(ELECTRODAG))や、銀を充填した導電性熱可塑性イン
キ(ノエル・インダストリーズ(NoelleIndustries)
製)である。ゲート層は、真空蒸着、金属又は導電性金
属酸化物のスパッタリング、導電性ポリマー溶液又は導
電性インキあるいは分散液のスピンコーティング、キャ
スティング、又は印刷による塗布によって調製可能であ
る。ゲート電極層の厚さは、例えば約10nm〜約10
μmであり、詳細な厚さは例えば、金属薄膜では約10
〜約200nm、ポリマー導電体では約1〜約10μm
である。
対して低抵抗オーム接触となる材料から製造することが
できる。ソース及びドレイン電極としての使用に適した
典型的な材料は、金、ニッケル、アルミニウム、プラチ
ナ、導電性ポリマー、導電性インキなどのゲート電極材
料として挙げられたものなどである。この層の典型的な
厚さは、例えば、約40nm〜約1μmであり、より詳
細な厚さは約100〜約400nmである。TFTデバ
イスは、幅W、長さLの半導体チャネルを含む。半導体
チャネル幅は例えば約10μm〜約5mmであり、詳細
なチャネル幅は約100μm〜約1mmである。半導体
チャネル長さは例えば約1μm〜約1mmであり、より
詳細なチャネル長さは約5〜約100μmである。
〜約−80ボルトの電圧をゲート電極に印加したとき
に、半導体チャネルを通って移動する電荷キャリヤを集
めるため、通常、例えば約0〜約−80ボルトのバイア
ス電圧をドレイン電極に印加する。
トップコンタクト型薄膜トランジスタ構造体を用いた。
ウエハと、その上に熱生成させた厚さ約110nmの酸
化ケイ素層とを含む。ウエハがゲート電極として機能す
る一方、酸化ケイ素層はゲート誘電体として働き、その
静電容量は約32nF/cm 2(ナノファラッド/平方
センチメートル)であった。デバイスの製造は周囲条件
で行い、周囲の酸素、湿気、又は光への材料及びデバイ
スの暴露を防止する対策は何ら講じなかった。シリコン
ウエハをまずメタノールで清浄にし、空気乾燥後、0.
01Mの1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラ
ザンのジクロロメタン溶液に、室温(約23〜約25
℃)で30分間浸した。次にこのウエハをジクロロメタ
ンで洗い、乾燥した。次に、厚さ約30〜約100nm
の供試半導体ポリチオフェン層を、速さ1,000rp
m、約35秒間のスピンコーティングにより、酸化ケイ
素誘電体層の上に塗布し、真空中80℃で20時間乾燥
した。半導体層の製造に使用した溶液は、適当な溶媒に
溶解した1重量%のポリチオフェンを含み、使用前に
0.45μmのフィルタで濾過した。その後、金のソー
ス及びドレイン電極を、半導体ポリチオフェン層の上
に、様々なチャネル長さと幅のシャドウマスクを通して
真空蒸着し、様々な大きさの一連のトランジスタを製作
した。念のため製造後のデバイスは、評価の前後には相
対湿度約30%の乾燥雰囲気中、暗所で保存した。
トランジスタの性能を、キースリー(Keithley)420
0SCS半導体特性評価デバイスを用いて、暗箱中周囲
条件で評価した。キャリヤ移動度(μ)は、飽和領域
(ゲート電圧、VG<ソース−ドレイン電圧、VSD)に
おけるデータより、下記の式(1)に従って計算した。
とLはそれぞれ半導体チャネルの幅と長さであり、Ci
はゲート誘電体層の単位面積当たりの静電容量であり、
VG及びVTはそれぞれ、ゲート電圧及びしきい電圧であ
る。このデバイスのVTは、飽和領域におけるISDの平
方根と、測定データからISD=0を外挿して求めたデバ
イスのVGとの関係から求めた。
は、その電流オン/オフ比である。これはゲート電圧V
Gがドレイン電圧VDと等しいかそれ以上であるときの飽
和ソース−ドレイン電流と、ゲート電圧VGがゼロの時
のソース−ドレイン電流との比である。
て知られるポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジ
イル)を用いて、一連の比較用の薄膜トランジスタを製
作した。この材料はアルドリッチ・ケミカル(Aldrich
Chemical)より購入し、そのクロロベンゼン溶液からメ
タノールへの沈殿を3回繰り返して精製した。
を製作した。W=5,000μm、L=60μmの大き
さのトランジスタを用い、5個以上のトランジスタから
得た平均特性値は次のとおりである。
sec 初期電流オン/オフ比:1.5〜2.1×103 5日後の電流オン/オフ比:5〜10
は、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)
が酸化的ドーピングを受け易く、すなわち環境酸素の存
在下ではポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイ
ル)が不安定であることを示している。僅か5日のうち
に電流オン/オフ比が甚だしく減少するのも、周囲条件
でのポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)
の機能不安定性を更に裏付けている。
ニル)−2,2’−ジチオフェン](II-e)の合成:
(II-e)の調製に用いるモノマー、5,5’−ビス(3
−ドデシル−2−チエニル)−2,2’−ジチオフェン
を次のように合成した。
底フラスコ中で、10mlのTHF(テトラヒドロフラ
ン)に懸濁したマグネシウム細片(1.26g、51.
83mmol)を攪拌機で撹拌しながら、これに40m
lの無水THFに溶解した2−ブロモ−3−ドデシルチ
オフェン(11.5g、34.92mmol)の溶液
を、20分間かけてゆっくり加えた。得られた混合物
を、約22〜約25℃の室温で2時間撹拌し、次に50
℃で20分間加熱後室温まで放冷した。この得られた混
合物をカニューレを用いて、不活性雰囲気中、250m
lの丸底フラスコ中の、80mlの無水THFに溶解し
た5,5’−ジブロモ−2,2’−ジチオフェン(4.
5g、13.88mmol)と、[1,3−ビス(ジフ
ェニルホスフィノプロパン)]ジクロロニッケル(II)
(0.189g、0.35mmol)との混合物に加
え、48時間還流した。次に、反応混合物を200ml
の酢酸エチルで希釈し、水で2回洗い、5%塩酸(HC
l)水溶液で洗い、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。溶
媒留去後に得られた暗茶色のシロップ状物質を、シリカ
ゲルを用いたカラムクロマトグラフ法で精製し、黄色結
晶の5,5’−ビス(3−ドデシル−2−チエニル)−
2,2’−ジチオフェン(収率55%、融点58.9
℃)を得た。
を、室温において、ブルカ(Bruker)DPX300NM
Rスペクトロメータを用いて測定した。1 H−NMR(CDCl3):δ7.18(d,J=5.
4Hz,2H),7.13(d,J=3.6Hz,2
H),7.02(d,J=3.6Hz,2H),6.9
4(d,J=5.4Hz,2H),2.78(t,4
H),1.65(q,1.65Hz,4H),1.28
(bs,36H),0.88(m,6H)
ニル)−2,2’−ジチオフェンの重合は、次のよう
に、FeCl3を介在させた酸化的カップリング反応に
より行った。
で、3mlのクロロホルムに加えたFeCl3(0.4
0g、2.47mmol)の混合物を良く撹拌しなが
ら、これに7mlのクロロホルムに溶解した5,5’−
ビス(3−ドデシル−2−チエニル)−2,2’−ジチ
オフェン(0.50g,0.75mmol)の溶液を約
10分間かけてゆっくりと加えた。得られた混合物を乾
燥空気気流中、50℃で1時間、次に40℃で24時間
加熱した。重合後、この混合物を20mlのトルエンで
希釈し、水で3回洗った。有機相を分け、200mlの
7.5%アンモニア水溶液と1時間半撹拌し、水で3回
洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成
物を沈殿させた。後者を、メタノール、ヘキサン、及び
クロロベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製し
た。ポリスチレン標準との比較より求めたMwは27,
300、Mnは16,900であった。
ンゼンに溶解した1重量%のポリチオフェンの溶液をス
ピンコーティングし、真空中80℃で20時間乾燥し
て、薄膜トランジスタデバイスを本件に述べるように製
造した。デバイス製造の間、周囲の酸素、湿気、又は光
を除くような対策は取らなかった。W=5,000μ
m、L=60μmの大きさのトランジスタを用いて、各
ポリチオフェンについて5個以上の別々のトランジスタ
からの平均特性値を次の表1にまとめた。
オフェンを用いたデバイスの、40日後の平均電流オン
/オフ比は、例えば、約1×105であった。
比が高く、電流オン/オフ比の低下が遅いことから、本
発明のポリチオフェン半導体層が安定であることが示さ
れた。
の形態のTFT構造体の概略図である。
の形態の別のTFT構造体の概略図である。
の形態の別のTFT構造体の概略図である。
の形態の別のTFT構造体の概略図である。
14 絶縁性誘電体層、16 基板、18,20,22
金属接点、30 TFT構造体、32 ポリチオフェ
ン半導体層、34 絶縁性誘電体層、36 基板、38
ゲート電極、40 ソース電極、42 ドレイン電
極、50 TFT構造体、52 ポリチオフェン半導体
層、54 酸化ケイ素誘電体層、56 シリコンウエ
ハ、60 ソース電極、62 ドレイン電極、70 T
FT構造体、72 ポリチオフェン半導体層、74 絶
縁性誘電体層、76 基板、78 ゲート電極、80
ソース電極、82 ドレイン電極。
Claims (10)
- 【請求項1】 ポリチオフェンを含むエレクトロニック
デバイスであって、前記ポリチオフェンは下記の構造式
を持ち、 【化1】 式中、Rは側鎖を示し、mは置換基Rの数を示し、Aは
二価結合基であり、x、y、及びzはそれぞれモノマー
セグメント中における、Rm置換チエニレン、非置換チ
エニレン、及び二価結合基Aの数を示し、zは0又は1
であり、nはポリマー中の繰り返しモノマーセグメント
の数又は重合度を示すことを特徴とするエレクトロニッ
クデバイス。 - 【請求項2】 請求項1に記載のデバイスであって、前
記デバイスは、基板と、ゲート電極と、ゲート誘電体層
と、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース/ドレ
イン電極と前記ゲート誘電体層とに接した半導体層と、
を含む薄膜トランジスタ(TFT)であり、前記半導体
層は前記ポリチオフェンを含み、式中、Rは、アルコキ
シアルキル、シロキシ置換アルキル、パーハロアルキ
ル、又はポリエーテルであり、Aは、炭素数約6〜約4
0のアリーレンから成る群より選ばれる二価結合基であ
り、mは1又は2であり、x及びyはそれぞれ、R置換
チエニレン及び非置換チエニレン部分の数であってそれ
ぞれ1〜5であり、zは0又は1であって二価結合基の
数を示し、nはモノマーセグメントの数を示すことを特
徴とするデバイス。 - 【請求項3】 請求項1に記載のデバイスであって、n
は約5〜約5,000であり、いずれもポリスチレン標
準を用いたゲル浸透クロマトグラフ法より求めた、ポリ
チオフェンの数平均分子量(Mn)は約2,000〜約
10万であり、ポリチオフェンの重量平均分子量
(Mw)は約4,000〜50万以上であることを特徴
とするデバイス。 - 【請求項4】 請求項1に記載のデバイスであって、側
鎖Rは、トリメチルシロキシアルキル、トリエチルシロ
キシアルキルであるシロキシアルキルであって、アルキ
ルは必要に応じて約4〜約10の炭素を含み、前記アル
キルは、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、又は
オクチルであることを特徴とするデバイス。 - 【請求項5】 請求項1に記載のデバイスであって、前
記デバイスは薄膜トランジスタであって、前記ポリチオ
フェンは下記式で示され、 【化2】 式中、Rは側鎖であり、a、b、c、及びdはチエニレ
ン部分の数を示し、nは重合度であることを特徴とする
デバイス。 - 【請求項6】 下記式のポリチオフェン類(II-a)〜
(II-o)から成る群より選ばれるポリチオフェンを含む
ことを特徴とする薄膜トランジスタデバイス。 【化3】 【化4】 【化5】 【化6】 - 【請求項7】 請求項1に記載のデバイスであって、n
は約5〜約5,000の数であることを特徴とするデバ
イス。 - 【請求項8】 請求項5に記載のデバイスであって、n
は約5〜約5,000の数であることを特徴とするデバ
イス。 - 【請求項9】 請求項1に記載のデバイスであって、R
は、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、
ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、又
はペンタデシルであり、m=1、x=y=2、z=0又
は1であることを特徴とするデバイス。 - 【請求項10】 請求項2に記載のデバイスであって、
前記基板は、ポリエステル、ポリカーボネート、又はポ
リイミドであるプラスチックシートであり、前記ゲー
ト、ソース、及びドレイン電極はそれぞれ独立して、
金、ニッケル、アルミニウム、プラチナ、酸化インジウ
ムチタン、又は導電性ポリマーを含み、前記ゲートは、
窒化ケイ素又は酸化ケイ素を含む誘電体層であることを
特徴とするデバイス。
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