JP2004165427A

JP2004165427A - 有機薄膜トランジスタ素子

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Publication number: JP2004165427A
Application number: JP2002329505A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hirai; 桂平井
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】機械的強度に優れ、且つトランジスタ性能に優れた有機薄膜トランジスタ素子を提供する。
【解決手段】ゲート絶縁層に接して、ソース電極とドレイン電極を連結する有機半導体からなるチャネルが、互いに相溶性を有さない２以上の有機半導体層で構成される有機薄膜トランジスタ素子。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的強度及びトランジスタ性能に優れる有機薄膜トランジスタ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報端末の普及に伴い、コンピュータ用のディスプレイとしてフラットパネルディスプレイに対するニーズが高まっている。またさらに情報化の進展に伴い、従来紙媒体で提供されていた情報が電子化されて提供される機会が増え、薄くて軽い、手軽に持ち運びが可能なモバイル用表示媒体として、電子ペーパーあるいはデジタルペーパーへのニーズも高まりつつある。
【０００３】
一般に平板型のディスプレイ装置においては液晶、有機ＥＬ、電気泳動などを利用した素子を用いて表示媒体を形成している。またこうした表示媒体では画面輝度の均一性や画面書き換え速度などを確保するために、画像駆動素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により構成されたアクティブ駆動素子を用いる技術が主流になっている。
【０００４】
近年、低温プロセス、大気圧下での印刷や塗布による製造、ローコスト化、フィルムを支持体として用いるフレキシブルなディスプレイの実現などをメリットに掲げた有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子の研究開発が盛んに進められており、中でも有機半導体層にペンタセン等の低分子有機半導体材料を用いた有機ＴＦＴ素子はキャリア移動度、ドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比、駆動安定性などの半導体性能が優れている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５５５６８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゲート絶縁層に接して低分子有機半導体の薄膜を形成すると、当該薄膜は機械的に脆く、例えばロール搬送を用いたプロセスの様な膜面に物理的な摩擦を伴う工程での利用が難しい。又、有機ＴＦＴにフレキシブルなフィルム支持体を用いると、支持体を曲げるなどした場合に、キャリア移動度が極端に低下し、駆動性能が劣化する問題がある。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械的強度に優れ、且つトランジスタ性能に優れた有機薄膜トランジスタ素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、
１）ゲート絶縁層に接して、ソース電極とドレイン電極を連結する有機半導体からなるチャネルが、互いに相溶性を有さない２以上の有機半導体層で構成される有機薄膜トランジスタ素子、
２）前記チャネルが２層の有機半導体層からなり、ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の方が、もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料よりも低分子量である１）の有機薄膜トランジスタ素子、
３）前記ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の分子量が２０００以下である２）の有機薄膜トランジスタ素子、
４）前記有機半導体材料の分子量が１０００以下である３）の有機薄膜トランジスタ素子、
５）前記もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料の重量平均分子量が５０００以上である２）〜４）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
６）ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料がアセン類である１）〜５）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
７）前記有機半導体材料がペンタセンである６）の有機薄膜トランジスタ素子、
８）ゲート絶縁層側の有機半導体層が、有機半導体前駆体の熱処理を光熱変換法により行う行程を経て形成された１）〜７）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
９）ゲート絶縁層側ではない有機半導体層を構成する有機半導体材料がポリチオフェン又はその誘導体である１）〜８）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
１０）ゲート絶縁層側ではない有機半導体層が有機半導体材料の溶液を塗工する工程を経て形成された１）〜９）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
１１）ゲート絶縁層側の有機半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下である１）〜１０）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
１２）ゲート絶縁層側ではない有機半導体層の膜厚が３０ｎｍ以下である１）〜１１）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
により達成される。
【０００９】
即ち本発明者は、主として半導体性能を担う有機半導体層と、主として機械的強度の補完を担う有機半導体層とに機能を分離させて、互いに相溶性を有さない２以上の有機半導体層で有機半導体チャネルを構成しようと考え、本発明に至った。
【００１０】
以下、本発明について詳しく述べる。
本発明の有機薄膜トランジスタ素子として、図１にてその層構成の例を示す様に、支持体１上にまずゲート電極６を有し、ゲート絶縁層５を介して有機半導体チャネル２で連結されたソース電極３とドレイン電極４を有する、いわゆるボトムゲート型のものを例にとって、各構成について説明する。なお８は保護層である。
【００１１】
本発明おいて、ソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極６を形成する材料は導電性材料であれば特に限定されず、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物等が用いられるが、特に、白金、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、ＩＴＯおよび炭素が好ましい。あるいはドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体なども好適に用いられる。中でも半導体層との接触面において電気抵抗が少ないものが好ましい。
【００１２】
電極の形成方法としては、上記を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒子分散液を直接インクジェットによりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフやレーザーアブレーションなどにより形成してもよい。さらに導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペーストなどを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
【００１３】
ゲート絶縁層５としては種々の絶縁膜を用いることができるが、特に、比誘電率の高い無機酸化物皮膜が好ましい。無機酸化物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウムなどが挙げられる。それらのうち好ましいのは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンである。窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物も好適に用いることができる。
【００１４】
上記皮膜の形成方法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などのドライプロセスや、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法などの塗布による方法、印刷やインクジェットなどのパターニングによる方法などのウェットプロセスが挙げられ、材料に応じて使用できる。
【００１５】
ウェットプロセスは、無機酸化物の微粒子を、任意の有機溶剤あるいは水に必要に応じて界面活性剤などの分散補助剤を用いて分散した液を塗布、乾燥する方法や、酸化物前駆体、例えばアルコキシド体の溶液を塗布、乾燥する、いわゆるゾルゲル法が用いられる。
【００１６】
これらのうち好ましいのは、大気圧プラズマ法である。
大気圧下でのプラズマ製膜処理による絶縁膜の形成方法は、大気圧または大気圧近傍の圧力下で放電し、反応性ガスをプラズマ励起し、基材上に薄膜を形成する処理で、その方法については特開平１１−６１４０６、同１１−１３３２０５、特開２０００−１２１８０４、同２０００−１４７２０９、同２０００−１８５３６２等に記載されている（以下、大気圧プラズマ法とも称する）。これによって高機能性の薄膜を、生産性高く形成することができる。
【００１７】
また有機化合物皮膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、光ラジカル重合系、光カチオン重合系の光硬化性樹脂、あるいはアクリロニトリル成分を含有する共重合体、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂、およびシアノエチルプルラン等を用いることもできる。
【００１８】
有機化合物皮膜の形成法としては、前記ウェットプロセスが好ましい。
無機酸化物皮膜と有機酸化物皮膜は積層して併用することができる。またこれら絶縁膜の膜厚としては、一般に５０ｎｍ〜３μｍ、好ましくは、１００ｎｍ〜１μｍである。
【００１９】
また支持体１はガラスやフレキシブルな樹脂製シートで構成され、例えばプラスチックフィルムをシートとして用いることができる。前記プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ボリカーボネート（ＰＣ）、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）等からなるフィルム等が挙げられる。このように、プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めることができるとともに、衝撃に対する耐性を向上できる。
【００２０】
さて本発明の有機薄膜トランジスタ素子は、有機半導体チャネルが、互いに相溶性を有さない２以上の有機半導体層で構成されることを特徴とし、好ましくは該チャネルが２層の有機半導体層からなり、ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の方が、もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料よりも低分子量のものである。
【００２１】
具体的には、ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の分子量が２０００以下、更には１０００以下（の低分子材料又はオリゴマー）であり、もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料の重量平均分子量が５０００以上（のポリマー）であることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る有機半導体層を構成する有機半導体材料としては、互いに相溶性を有さない２以上の層を形成できて、また上記の分子量条件を満たしうる材料が用いられ、例えばポリピロール、ポリ（Ｎ−置換ピロール）、ポリ（３−置換ピロール）、ポリ（３，４−二置換ピロール）などのポリピロール類、ポリチオフェン、ポリ（３−置換チオフェン）、ポリ（３，４−二置換チオフェン）、ポリベンゾチオフェンなどのポリチオフェン類、ポリイソチアナフテンなどのポリイソチアナフテン類、ポリチェニレンビニレンなどのポリチェニレンビニレン類、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）などのポリ（ｐ−フェニレンビニレン）類、ポリアニリン、ポリ（Ｎ−置換アニリン）、ポリ（３−置換アニリン）、ポリ（２，３−置換アニリン）などのポリアニリン類、ポリアセチレンなどのポリアセチレン類、ポリジアセチレンなどのポリジアセチレン類、ポリアズレンなどのポリアズレン類、ポリピレンなどのポリピレン類、ポリカルバゾール、ポリ（Ｎ−置換カルバゾール）などのポリカルバゾール類、ポリセレノフェンなどのポリセレノフェン類、ポリフラン、ポリベンゾフランなどのポリフラン類、ポリ（ｐ−フェニレン）などのポリ（ｐ−フェニレン）類、ポリインドールなどのポリインドール類、ポリピリダジンなどのポリピリダジン類、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、ジベンゾペンタセン、テトラベンゾペンタセン、ピレン、ジベンゾピレン、クリセン、ペリレン、コロネン、テリレン、オバレン、クオテリレン、サーカムアントラセンなどのポリアセン類およびポリアセン類の炭素の一部をＮ、Ｓ、Ｏなどの原子、カルボニル基などの官能基に置換した誘導体（トリフェノジオキサジン、トリフェノジチアジン、ヘキサセン−６，１５−キノンなど）、ポリビニルカルバゾール、ポリフエニレンスルフィド、ポリビニレンスルフィドなどのポリマーや特開平１１−１９５７９０に記載された多環縮合体などを用いることができる。
【００２３】
また、これらのポリマーと同じ繰返し単位を有するたとえばチオフェン６量体であるα−セクシチオフェンα，ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α，ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α，ω−ビス（３−ブトキシプロピル）−α−セクシチオフェン、スチリルベンゼン誘導体などのオリゴマーも好適に用いることができる。
【００２４】
さらに銅フタロシアニンや特開平１１−２５１６０１に記載のフッ素置換銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン類、ナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミド、Ｎ，Ｎ’−ビス（４−トリフルオロメチルベンジル）ナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミドとともに、Ｎ，Ｎ’−ビス（１Ｈ，１Ｈ−ペルフルオロオクチル）、Ｎ，Ｎ’−ビス（１Ｈ，１Ｈ−ペルフルオロブチル）及びＮ，Ｎ’−ジオクチルナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミド誘導体、ナフタレン２，３，６，７テトラカルボン酸ジイミドなどのナフタレンテトラカルボン酸ジイミド類、及びアントラセン２，３，６，７−テトラカルボン酸ジイミドなどのアントラセンテトラカルボン酸ジイミド類などの縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４等フラーレン類、ＳＷＮＴなどのカーボンナノチューブ、メロシアニン色素類、ヘミシアニン色素類などの色素などがあげられる。
【００２５】
また、その他の有機半導体材料としては、テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）−テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン（ＢＥＤＴＴＴＦ）−過塩素酸錯体、ＢＥＤＴＴＴＦ−ヨウ素錯体、ＴＣＮＱ−ヨウ素錯体、などの有機分子錯体も用いることができる。さらにポリシラン、ポリゲルマンなどのσ共役系ポリマーや特開２０００−２６０９９９に記載の有機・無機混成材料も用いることができる。
【００２６】
中でもゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料がテトラセン、ペンタセン等のアセン類、チオフェンオリゴマーであることが好ましく、特に好ましくはアセン類で、とりわけペンタセンであることが好ましく、ゲート絶縁層側ではない有機半導体層を構成する有機半導体材料がポリ（３−アルキルチオフェン）の規則体の様なポリチオフェン又はその誘導体であることが好ましい。
【００２７】
本発明においては、有機半導体層に、たとえば、アクリル酸、アセトアミド、ジメチルアミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ニトロ基などの官能基を有する材料や、ベンゾキノン誘導体、テトラシアノエチレンおよびテトラシアノキノジメタンやそれらの誘導体などのように電子を受容するアクセプターとなる材料や、たとえばアミノ基、トリフェニル基、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、フェニル基などの官能基を有する材料、フェニレンジアミンなどの置換アミン類、アントラセン、ベンゾアントラセン、置換ベンゾアントラセン類、ピレン、置換ピレン、カルバゾールおよびその誘導体、テトラチアフルバレンとその誘導体などのように電子の供与体であるドナーとなるような材料を含有させ、いわゆるドーピング処理を施してもよい。
【００２８】
前記ドーピングとは電子授与性分子（アクセプター）または電子供与性分子（ドナー）をドーパントとして該薄膜に導入することを意味する。従って，ドーピングが施された薄膜は、前記の縮合多環芳香族化合物とドーパントを含有する薄膜である。本発明に用いるドーパントとしてアクセプター、ドナーのいずれも使用可能である。
【００２９】
このアクセプターとしてＣｌ_２、Ｂｒ_２、Ｉ_２、ＩＣｌ、ＩＣｌ_３、ＩＢｒ、ＩＦなどのハロゲン、ＰＦ_５、ＡｓＦ_５、ＳｂＦ_５、ＢＦ_３、ＢＣ１_３、ＢＢｒ_３、ＳＯ_３などのルイス酸、ＨＦ、ＨＣ１、ＨＮＯ_３、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＣｌＯ_４、ＦＳＯ_３Ｈ、ＣｌＳＯ_３Ｈ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｈなどのプロトン酸、酢酸、蟻酸、アミノ酸などの有機酸、ＦｅＣｌ_３、ＦｅＯＣｌ、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＨｆＣｌ_４、ＮｂＦ_５、ＮｂＣｌ_５、ＴａＣｌ_５、ＭｏＣｌ_５、ＷＦ_５、ＷＣｌ_６、ＵＦ_６、ＬｎＣｌ_３（Ｌｎ＝Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ、などのランタノイドとＹ）などの遷移金属化合物、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、Ｉ⁻、ＣｌＯ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＡｓＦ_５ ⁻、ＳｂＦ_６ ⁻、ＢＦ_４ ⁻、スルホン酸アニオンなどの電解質アニオンなどを挙げることができる。
【００３０】
またドナーとしては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなどのアルカリ金属、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂなどの希土類金属、アンモニウムイオン、Ｒ_４Ｐ^＋、Ｒ_４Ａｓ^＋、Ｒ_３Ｓ^＋、アセチルコリンなどをあげることができる。
【００３１】
これらのドーパントのドーピングの方法として予め有機半導体の薄膜を作製しておき、ドーパントを後で導入する方法、有機半導体の薄膜作製時にドーパントを導入する方法のいずれも使用可能である。前者の方法のドーピングとして、ガス状態のドーパントを用いる気相ドーピング、溶液あるいは液体のドーパントを該薄膜に接触させてドーピングする液相ドーピング、個体状態のドーパントを該薄膜に接触させてドーパントを拡散ドーピングする固相ドーピングの方法をあげることができる。また液相ドーピングにおいては電解を施すことによってドーピングの効率を調整することができる。後者の方法では、有機半導体化合物とドーパントの混合溶液あるいは分散液を同時に塗布、乾燥してもよい。たとえば真空蒸着法を用いる場合、有機半導体化合物とともにドーパントを共蒸着することによりドーパントを導入することができる。またスパッタリング法で薄膜を作製する場合、有機半導体化合物とドーパントの二元ターゲットを用いてスパッタリングして薄膜中にドーパントを導入させることができる。さらに他の方法として、電気化学的ドーピング、光開始ドーピング等の化学的ドーピングおよび例えば刊行物「工業材料」３４巻、第４号、５５頁（１９８６年）に示されたイオン注入法等の物理的ドーピングの何れも使用可能である。
【００３２】
これら有機薄膜の作製法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法およびＬＢ法等が挙げられ、材料に応じて使用できる。ただし、この中で生産性の点で、有機半導体の溶液を用いて簡単かつ精密に薄膜が形成できるスピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法等が好まれる。
【００３３】
ゲート絶縁層側の有機半導体層は、有機半導体そのものは溶媒に不溶な場合、該有機半導体の溶媒に可溶な前駆体を含む層をウェットプロセスで形成し、該層の熱処理を光熱変換層を形成して光熱変換法により行い、有機半導体層に変化させることが好ましい。従って有機半導体材料としては、有機半導体そのものは溶媒に不溶であるが、熱処理でその構造に変化し得る、溶媒に可溶な前駆体を有するものならば特に制限なく用い得る。半導体性能からはアセン系化合物が好ましく、特に好ましくはペンタセンである。
【００３４】
ペンタセンの前駆体として好ましい化合物を以下に挙げる。
【００３５】
【化１】

【００３６】
図１の構成に対して、光熱変換層を導入する位置の例を図２に示す。
図２（ａ）は支持体１上に光熱変換層７を形成し、その上にゲート電極６を設け、ゲート絶縁層５を介して有機半導体チャネル２で連結されたソース電極３とドレイン電極４を設けた例であり、光熱変換層７を最上層に形成する例が図２（ｂ）である。
【００３７】
図２（ｃ）は支持体１上に光熱変換層７を形成し、その上にゲート電極６を設け、更にゲート絶縁層５、有機半導体チャネル２を形成し、その上にソース電極３とドレイン電極４を設けた例である。
【００３８】
図２（ｄ）は支持体１上にゲート電極６を設け、その上にゲート絶縁層５、有機半導体チャネル２を形成してソース電極３とドレイン電極４を設け、ソース電極３とドレイン電極４を覆う光熱変換層７を形成した例である。なお図２（ｅ）に示す様に、ソース電極３とドレイン電極４を保護層８で覆い、光熱変換層７を形成してもよい。
【００３９】
光熱変換層７に用いられる光熱変換剤としては、従来公知の近赤外光吸収剤を用いることができ、例えば、シアニン系、ポリメチン系、アズレニウム系、スクワリウム系、チオピリリウム系、ナフトキノン系、アントラキノン系色素等の有機化合物、フタロシアニン系、アゾ系、チオアミド系の有機金属錯体などが好適に用いられ、具体的には、特開昭６３−１３９１９１号、同６４−３３５４７号、特開平１−１６０６８３号、同１−２８０７５０号、同１−２９３３４２号、同２−２０７４号、同３−２６５９３号、同３−３０９９１号、同３−３４８９１号、同３−３６０９３号、同３−３６０９４号、同３−３６０９５号、同３−４２２８１号、同３−９７５８９号および同３−１０３４７６号に記載の化合物が挙げられる。これらは１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。又、カーボンブラック等も好ましいものの一つである。これらの光熱変換剤を樹脂溶液中に分散或いは溶解し、塗布、乾燥して、或いは、光熱変換剤を樹脂中に混練し延伸してフィルムとし、光熱変換層を得ることができる。
【００４０】
光熱変換層の塗布方法としては、ディッピング、スピンコート、ナイフコート、バーコート、ブレードコート、スクイズコート、リバースロールコート、グラビアロールコート、カーテンコート、スプレイコート、ダイコート等の公知の塗布方法を用いることができ、連続塗布又は薄膜塗布が可能な塗布方法が好ましく用いられる。
【００４１】
光熱変換法に用いる光源としては高照度光が用いられ、光熱変換層での熱により有機半導体前駆体が有機半導体に変化する温度まで加熱することが可能であれば、特に制限はなく用いることができ、好ましくはレーザ光が用いられるが、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプなどによるフラッシュ露光を、マスクを介して行っても良い。レーザ光の場合は、ビーム状に絞り、目的に応じた走査露光を行うことが可能であり、さらに、露光面積を微小サイズに絞ることが容易なことから、好適に用いることができる。
【００４２】
なお、レーザ光による露光で、高解像度を得るためには、エネルギー印加面積が絞り込める電磁波、特に波長が１ｎｍ〜１ｍｍの紫外線、可視光線、赤外線が好ましく、このようなレーザ光源としては、一般によく知られている、ルビーレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ等の固体レーザ；Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒイオンレーザ、Ｋｒイオンレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ｎ_２レーザ、エキシマーレーザ等の気体レーザ；ＩｎＧａＰレーザ、ＡｌＧａＡｓレーザ、ＧａＡｓＰレーザ、ＩｎＧａＡｓレーザ、ＩｎＡｓＰレーザ、ＣｄＳｎＰ_２レーザ、ＧａＳｂレーザ等の半導体レーザ；化学レーザ、色素レーザ等を挙げることができ、これらの中でも波長が７００〜１２００ｎｍの半導体レーザが好ましい。
【００４３】
レーザ１ビーム当たりの出力が２０〜２００ｍＷである赤外線レーザが最も好ましく用いられる。エネルギー密度としては、好ましくは５０〜５００ｍＪ／ｃｍ^２、更に好ましくは１００〜２００ｍＪ／ｃｍ^２である。
【００４４】
またゲート絶縁層側ではない有機半導体層は、有機半導体材料の溶液を塗工する工程を経て形成されることが好ましい。
【００４５】
これら有機半導体層の膜厚としては、特に制限はなく、有機半導体により異なるが、一般に１μｍ以下、特に１０〜３００ｎｍが好ましい。更には、ゲート絶縁層側の有機半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下で、ゲート絶縁層側ではない有機半導体層の膜厚が３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
この様にして形成された本発明に係る有機半導体チャネルは、例えば図３に示す様に、ゲート絶縁層側の有機半導体層のポリドメインに、その上層の有機半導体層のポリマー膜が浸透した構造となり、移動度の向上が見られる。
【００４７】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
実施例１
（有機ＴＦＴ素子１の作製）
厚さ２００μｍのポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）フィルム支持体上に、フォトリソグラフ用のポジ型感光性レジストを塗設した後、リフトオフ法により幅３００μｍのゲート電極を形成した。なおゲート電極はＡｌをスパッタリングで３００ｎｍの厚さに成膜した。
【００４９】
次いで、このＡｌ膜をリン酸水溶液を用いて陽極酸化処理し、厚さ１００ｎｍの酸化アルミニウム被膜を形成した後、大気圧プラズマ法により厚さ５０ｎｍの酸化ケイ素皮膜をゲート絶縁層として設けた。
【００５０】
（ゲート絶縁層側の有機半導体層）
次いで、昇華精製を３回行ったペンタセンを、加熱蒸着により１Å／ｓｅｃの成膜速度で酸化ケイ素皮膜上に蒸着し、厚さ５０ｎｍのペンタセン薄膜を形成した。
【００５１】
（上層有機半導体層）
このペンタセン薄膜上に、よく精製したｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ型ポリ−（３−ヘキシルチオフェン）（重量平均分子量５万）のクロロホルム溶液を、アプリケーターを用いて塗布し、自然乾燥して平均厚さ１０ｎｍのキャスト膜を形成し、窒素置換雰囲気下で５０℃、３０分間の熱処理を施した。
【００５２】
形成した有機半導体層上に、マスクを介して厚さ２００ｎｍの金を蒸着し、ソース電極及びドレイン電極を形成した。
【００５３】
以上によりチャネル幅Ｗ＝３００μｍ、チャネル長Ｌ＝２０μｍの有機薄膜トランジスタ素子１を形成した。
【００５４】
この有機ＴＦＴ素子はｐチャネルエンハンスメント型ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の良好な静特性、及び動作性を示した。
【００５５】
（比較有機ＴＦＴ素子１の作製）
上層有機半導体層を形成しない以外は、有機ＴＦＴ素子１と同様にして比較有機ＴＦＴ素子１を作製した。
【００５６】
（有機ＴＦＴ素子２の作製）
ゲート絶縁層側の有機半導体層を、酸化ケイ素皮膜上に前記化合物Ｃのキシレン溶液を塗布して有機半導体前駆体膜形成し、窒素置換雰囲気下で２００℃、３０分間の熱処理を施して、前駆体をペンタセンに変換して形成した以外は、有機ＴＦＴ素子１と同様にして有機ＴＦＴ素子２を作製した。
【００５７】
（比較有機ＴＦＴ素子２の作製）
上層有機半導体層を形成しない以外は、有機ＴＦＴ素子２と同様にして比較有機ＴＦＴ素子２を作製した。
【００５８】
（有機ＴＦＴ素子３の作製）
ゲート絶縁層側の有機半導体層の有機半導体材料をα，ω−ジメチルセクシチオフェンに換えた以外は、有機ＴＦＴ素子１と同様にして有機ＴＦＴ素子３を作製した。
【００５９】
（比較有機ＴＦＴ素子３の作製）
上層有機半導体層を形成しない以外は、有機ＴＦＴ素子３と同様にして比較有機ＴＦＴ素子３を作製した。
【００６０】
（性能評価）
〔移動度〕
作製した各有機ＴＦＴ素子の飽和領域におけるキャリア移動度を測定した。
【００６１】
〔耐傷性〕
ＴＦＴ素子のチャネル部分に、Ｒ＝１０μｍの曲率の先端形状を有するダイアモンド針を当て、荷重（０．５ｇ、２ｇ）を掛けながら対向するソース電極及びドレイン電極の間を掻引した後、同様にしてキャリア移動度を測定した。
【００６２】
〔曲げ耐性〕
ＴＦＴ素子を形成した支持体フィルムを、一定の曲率（Ｒ＝２０ｍｍ、５ｍｍ）を有するシャフトに巻き付けた後、同様にキャリア移動度を測定した。なお巻き付けは、チャネル長さＬ方向と、チャネル幅Ｗ方向とに各１回ずつ行った。
【００６３】
以上の結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
【発明の効果】
実施例にて実証した如く、本発明の有機薄膜トランジスタ素子は、機械的強度に優れるばかりでなく、驚くべきことにキャリア移動度の向上がみられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機薄膜トランジスタ素子の層構成の例を示す図である。
【図２】光熱変換層を導入する位置の例を示す図である。
【図３】本発明に係る有機半導体チャネルの構造を示す図である。
【符号の説明】
１支持体
２有機半導体層（チャネル）
３ソース電極
４ドレイン電極
５ゲート絶縁層
６ゲート電極
７光熱変換層
８保護層

Claims

ゲート絶縁層に接して、ソース電極とドレイン電極を連結する有機半導体からなるチャネルが、互いに相溶性を有さない２以上の有機半導体層で構成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタ素子。
前記チャネルが２層の有機半導体層からなり、ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の方が、もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料よりも低分子量であることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
前記ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料の分子量が２０００以下であることを特徴とする請求項２に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
前記有機半導体材料の分子量が１０００以下であることを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
前記もう一方の有機半導体層を構成する有機半導体材料の重量平均分子量が５０００以上であることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側の有機半導体層を構成する有機半導体材料がアセン類であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
前記有機半導体材料がペンタセンであることを特徴とする請求項６に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側の有機半導体層が、有機半導体前駆体の熱処理を光熱変換法により行う行程を経て形成されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側ではない有機半導体層を構成する有機半導体材料がポリチオフェン又はその誘導体であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側ではない有機半導体層が有機半導体材料の溶液を塗工する工程を経て形成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側の有機半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。
ゲート絶縁層側ではない有機半導体層の膜厚が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。