JP2005064409A

JP2005064409A - 有機トランジスタ

Info

Publication number: JP2005064409A
Application number: JP2003295938A
Authority: JP
Inventors: Kenji Iida; 健二飯田; Shiro Shichijo; 司朗七条; Kimihiko Saito; 公彦齊藤
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【目的】ソース電極とドレイン電極の間の極細いチャネル長の形成が容易で、且つ低コスト化・量産化を可能とする有機トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【構成】有機トランジスタの構造は、表面に凸型セパレータが形成されたポリイミド基板1上に前記セパレータを挟んでソース電極2とドレイン電極3が形成されており、且つそれら電極の上に有機半導体層4、絶縁体層5、ゲート電極6が形成された、いわゆる横型有機トランジスタ構造をしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソース電極とドレイン電極の間の極細いチャネル長の形成が容易で、且つ低コスト化・量産化を可能とする有機トランジスタ及びその製造方法に関するものである。

近年、有機高分子や有機低分子からなる有機半導体材料をチャネル領域に用いた有機トランジスタが活発に研究されている。これは有機ELを代表とするディスプレイの薄型が進む現在において、より軽量で柔軟であるフレキシブルディスプレイや電子ペーパーが近い将来に必要になると考えられているからである。ディスプレイのフレキシブル化が進めば、表示部分のみでなく駆動回路部分のフレキシブル化も必要となる。現在駆動回路の心臓部とも言える薄膜トランジスター（以下、TFTと記す）にはシリコン系の無機材料が使われているが、折り曲げるとTFTのチャネル領域、つまり半導体層にクラックが生じてしまうため、フレキシブルなデバイスを作製するには適さない。そこでフレキシビリティが高く軽量な有機半導体材料を用いた有機トランジスタへの期待が高まっている。例えば、特許文献１から特許文献５（特開平5−55568、特開2002−208486、特開2002−204012、特開2003−31816、特開2003−101104）などに示される方法で、有機高分子や有機低分子からなる有機半導体材料を用いて有機トランジスタを作製することが提案されている。

一方で、現状の無機TFTを有機TFTに取り替えることには製造上のメリットもあると言われている。これは塗布可能な有機高分子材料を用いれば、ソース、ドレイン、ゲートといった各電極や半導体層、絶縁体層といったトランジスタの各主要構造を、印刷（塗布）工程で作製することができるためである。現状の無機TFT作製工程では、真空中での蒸着や、フォトリソグラフィーによるパターニング、さらにエッチングなどといった複雑な工程を数多くこなす必要性があり、プロセス上のコストが大きくかかってしまう。これらが全て常温・常圧下で印刷（塗布）工程によって行うことができ、且つラインとして連続的に流すことができれば、大幅なコストダウンが期待される。このようなことから、例えば非特許文献１（T.Kawase et al. Tech Digest of IEDM , 623(2000)）などでは、有機高分子材料を用いてインクジェット法とスピンコート法によりソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、半導体層、及び絶縁体層を形成することで、有機トランジスタが作製できることを実証している。

しかしながら、このようなインクジェット法による有機トランジスタの作製においても、ソース電極とドレイン電極の間の極細いチャネル長を制御するため、リソグラフィー工程により基板上にセパレータとしてポリイミド凸部を形成したり、ポリイミド凸部をプラズマ処理により撥水化する必要があったりと、複雑な工程が必要となっている。したがって、基板準備から各デバイス構造の形成まで完全に連続的なライン化にすることが難しく、量産化・低コスト化には向かないという欠点があった。
特開平5−55568号公報特開2002−208486号公報特開2002−204012号公報特開2003−31816号公報特開2003−101104号公報 T.Kawase et al. Tech Digest of IEDM , 623(2000)

有機トランジスタを印刷（塗布）工程により連続的に作製する場合、この欠点はデバイス作製プロセスの完全連続ライン化の妨げになり、量産化・低コスト化が難しい。具体的には、リソグラフィー工程などの露光・現像プロセスが必要となるため、連続ライン中に大型な露光機や現像機が必要となったり、プラズマ処理などによる真空引きやガスパージなどが必要となるため、ラインの連続性が妨げられたりなどの問題があった。

本発明の目的は、ソース電極とドレイン電極の間の極細いチャネル長の形成が容易で、且つ低コスト化・量産化を可能とする有機トランジスタ及びその製造方法を提供することである。

本発明は、基板上にソース電極とドレイン電極とを分離するセパレータが基板と同一材料でかつ基板と一体で形成されており、該基板上にセパレータをはさんでそれぞれ有機材料からなるソース電極とドレイン電極が形成されていることを特徴とする有機トランジスタである。

本発明によれば、セパレータがあらかじめ基板と同じ材料でかつ基板と一体で形成されているため、セパレータが基板から剥がれてしまう恐れも無く基板を取り扱う際のハンドリング性がよくなり、連続ライン生産化が容易になる。
またソース電極とドレイン電極が形成されている下地面は親水処理がなされていることが好ましい。

本発明に従えば、前記セパレータと比較して、周囲の基板表面部分は親水化されているので、ソース電極とドレイン電極はセパレータ周囲に制御良く印刷（塗布）され、極細セパレータの幅に対応した極細いチャネル長を容易に形成できる。さらに本発明では、あらかじめ親水化された部分が基板上に形成されているため、プラズマ処理などによる基板の撥水化や溶液などによる親水化の処理を連続ライン工程中で必要とせず、大量生産化が容易になる。

さらに本発明において、前記基板上の親水化処理が微細な凸凹形状によって実現されることが好ましい。

このように親水化処理を微細凸凹形状によって実現することで、溶液などによる親水化処理が必要なくなり廃液処理などの環境問題が無くなる。

さらに本発明において、前記基板を高分子材料の成形によって作製することが好ましい。

また基板を金型を用いた成形によって作製することが好ましい。これによりデバイス作製ごとにリソグラフィー工程によって基板上に凸型セパレータや微細凸凹形状部を形成する必要が無くなり、基板を準備するプロセスの量産化・低コスト化が可能となる。さらには、射出成形やホットエンボス、押し出し成形などの各種成形技術によって、前記基板をフィルム化したりロール状に巻いたりすることができ、有機トランジスタのフレキシブル化と連続ライン生産化が可能となる。

さらに本発明において、前記高分子材料がポリイミド樹脂によって構成され、且つラビング処理がされていることが好ましい。
このようにポリイミド樹脂によって前記基板を作製することで、前記凸型又は凹型セパレータは比較的疎水性となるため、周囲の比較的親水性な微細凸凹形状部との濡れ性の差がより明確になり、さらに制御良く極細いチャネル長を形成することが可能となる。また、ポリイミド樹脂がラビング処理されていることで、その表面に印刷（塗布）されるソース電極材料、ドレイン電極材料、及び半導体層の材料を配向制御することができ、キャリア移動度やトランジスタ特性がより向上した有機トランジスタ構造を実現することが可能となる。

本発明を用いれば、極細い間隔を形成するセパレータが表面に形成された基板を、容易に且つ低コストに用意することができるため、極細いチャネル長を有した有機トランジスタを簡便に且つ低コストに作製することができる。さらに有機電極を形成する下地を親水性にすることにより、有機材料を塗布した後のパターニングが不要となる。親水性を微細凹凸で付与することにより、プロセス的に簡便になりまた溶液による親水処理が不要で廃液の問題がなくなる。

本発明者らは、ポリイミド基板表面に上底部と側面部が極めて平坦な微細な凸型形状を形成し、さらにその周囲には数10nm〜数um程度の微細な凸凹形状を形成することによって、微細な凸凹形状表面は比較的親水化され、凸型形状部に比べて溶液の濡れ性が上がることを見出した。さらに前記微細な凸凹形状表面にソース電極材やドレイン電極材を印刷（塗布）することで、それらが極細い凸型のセパレータを隔てて制御良く形成され、極細いチャネル長を有した有機トランジスタを容易に作製できることを見出した。さらに前記表面に微細な形状を有したポリイミド基板を成形によって複製できることを見出した。さらに前記ポリイミド基板を前もってラビング処理すれば、その表面に印刷（塗布）された高分子材料は分子配向することを見出した。これによりトランジスタ特性が向上する。

したがって本発明では、有機トランジスタを作製する際、表面に凸型の極細セパレータと微細な凸凹形状が形成された基板をあらかじめ成形によって複製することで準備した後、その基板をラビング処理する。さらに前記基板上にソース電極とドレイン電極を、前記極細セパレータを隔てて印刷（塗布）し、次いで印刷（塗布）などにより半導体層や絶縁体層、ゲート電極などを形成することで有機トランジスタを作製する。このような連続ライン工程化が可能となる簡便なプロセスで、有機トランジスタを作製することが可能となる。

ここで親水性を付与するための微細凸凹は、ポリイミド基板などを用いる場合この表面にセパレータを形成するために酸素プラズマでエッチングする際に、マスクで覆われない面に形成することができる。しかし図３に示すようにフォトリソグラフィーとドライエッチングによって周期的な微細凸凹構造１１を作製することがより好ましい。すなわち図３において、レジストによるセパレータ部マスク７を用いてセパレータを形成した基板にレジストマスク10で微細パターンを形成し(図３(a))、これを酸素プラズマエッチングし（図３(b)）、レジストマスクを除去して表面が微細凹凸で粗面化した基板が得られた（図３(c)）。このとき微細凹凸を周期的に形成することにより粗面化を高めることができる。

またはセパレータ周囲の微細凸凹形状の代わりに、あらかじめ酸性溶液などによって親水化処理する方法を用いることももちろん可能である。さらには、図４のように微細な凸凹形状が凸型セパレータの側面１２にも形成されていることが好ましい。

本発明の一実施例を図１を用いて説明する。以下、ポリイミド樹脂を基板として用いた場合について述べるが、その他の樹脂やガラスやセラミックスなどの絶縁材料を用いることはもちろん可能である。本実施例の有機トランジスタの構造は、表面に凸型セパレータ９が形成されたポリイミド基板1上に前記セパレータを隔ててソース電極2とドレイン電極3が形成されており、且つそれら電極の上に有機半導体層4、絶縁体層5、ゲート電極6が形成された、いわゆる横型有機トランジスタ構造をしている。

本実施例のプロセスを図２〜図９を用いて説明する。本実施例のプロセスは、初めにポリイミド樹脂基板表面に凸型のセパレータと微細な凸凹形状をフォトリソグラフィーとドライエッチングによって形成する。すなわちポリイミド基板１上にセパレータ部マスク７をフォトレジストで形成した(図２(a))。これを酸素プラズマでプラズマエッチングした(図２(b))。セパレータ周囲に形成される微細な凸凹形状８は、図２(b)、図２(c)のようにポリイミドの酸素ガスドライエッチングによって自然と形成される。次に、作製したポリイミド基板の凸部セパレータの形成された面と反対側の面をレーヨン繊維のついた回転ロールなどで摩擦（ラビング）処理する。以上のように準備したポリイミド基板表面の微細凸凹形状表面に、セパレータを隔てて導電性の溶液状の有機材料であるPEDOT（poly-ethylenedioxythio-phene）をインクジェット法により必要な個所のみに印刷することで、ソース電極１３とドレイン電極１４を形成する（図５）。このとき微細凸凹形状表面は凸型セパレータと比べて親水化されているため、各電極は極細いセパレータを隔てて制御良く所望の形状を形成することが可能である。したがって、図６のように微細凸凹構造１５を所望の部分にのみ形成したポリイミド基板を用いればソース電極１３とドレイン電極１４の形状を任意に制御することが可能となる。各電極を基板上に印刷した後、100℃程度の熱処理によりこれら電極を乾燥・固化する。以上のように電極を形成した後、有機半導体材料としてキャリア移動度の高い高分子であるF8T2（fluorene - bithio - phene）を電極表面にスピンコートすることで有機半導体層１６を形成する（図７(a)）。有機半導体層をスピンコートした後、直ちに260℃程度の高温で熱処理することで、乾燥・固化する。以上のように有機半導体層を形成した後、有機絶縁材料であるPVP（poly - vinylphenol）を半導体層上にスピンコートして有機絶縁体層１７を形成し（図７(b)）、さらにその上にインクジェット法によりPEDOTのゲート電極１８を形成し、これを100℃程度の熱処理により乾燥・固化することで（図７(c)）、図１に示した有機トランジスタ構造が作製される。

本実施例ではインクジェット法により各電極を印刷しているが、グラビア印刷法やスクリーン印刷法などその他の印刷方法ももちろん適用可能である。また、本実施例ではスピンコートによって有機半導体層や有機絶縁体層を形成しているが、ダイコートやスプレーコートなどその他のコーティング手法ももちろん適用可能である。

本発明の別の実施例を図１を用いて説明する。以下、ポリイミド樹脂を基板として用いた場合について述べるが、その他の樹脂やガラスやセラミックスなどの絶縁材料を用いることはもちろん可能である。本実施例の有機トランジスタの構造は、表面に凸型セパレータが形成されたポリイミド基板1上に前記セパレータを挟んでソース電極2とドレイン電極3が形成されており、且つそれら電極の上に有機半導体層4、絶縁体層5、ゲート電極6が形成された、いわゆる横型有機トランジスタ構造をしている。本実施例では凸型形状のセパレータを用いているが、凹型形状をセパレータとして用いることはもちろん可能である。

本実施例のプロセスを図５〜図９を用いて説明する。本実施例のプロセスは、初めにポリイミド樹脂基板表面に凸型のセパレータと微細な凸凹形状を射出成形法で形成する。この他ホットエンボス法、押し出し成形法などの成形によって形成することも可能である。射出成形の場合、まず表面にセパレータを形成する凹形状２１とその周囲に微細な凸凹形状２０を有した金型となるスタンパ１９を作製する（図８(a)）。次にスタンパ表面に液状のポリイミド樹脂を流し込んで熱をかけることでポリイミド樹脂を固めて（図８(b)）、冷却した後スタンパから固めた樹脂２２を離型する（図８(c)）。スタンパ１９のセパレータに対応する凹形状２１の側面２３には、図９のように微細な凸凹形状が形成されていて、このスタンパによって成形された凸形状セパレータの側面には同様の微細な凸凹形状が転写される。以上のプロセスによって、表面に凸型のセパレータと微細な凸凹形状を有したポリイミド基板を大量且つ低コストに作製できる。

次に、成形したポリイミド基板をレーヨン繊維のついた回転ロールなどで摩擦（ラビング）処理する。摩擦処理は、セパレータや微細な凸凹形状が形成された面と反対側の面に行う。このようにして準備したポリイミド基板表面の微細凸凹構造１１を有する表面に、セパレータ９を隔てて導電性の溶液状の有機材料をインクジェット法により印刷することで、ソース電極１３とドレイン電極１４を形成する（図５）。このとき微細凸凹構造を有する表面は凸型セパレータ９と比べて親水化されているため、各電極は極細いセパレータを挟んで制御良く所望の形状を形成することが可能である。したがって、図６のように微細凸凹形状を所望の部分にのみ形成したポリイミド基板を成形し、それを基板として用いればソース電極とドレイン電極の形状を任意に制御することが可能となる。以上のように電極を形成した後、有機半導体材料を電極表面にスピンコートすることで有機半導体層１６を形成する（図７(a)）。以上のように有機半導体層を形成した後、有機絶縁材料を半導体層上にスピンコートして有機絶縁体層１７を形成し（図７(b)）、さらにその上にインクジェット法によりゲート電極１８を形成することで（図７(c)）、有機トランジスタ構造が作製される。ここで用いる各有機材料は実施例１と同じ物を用いる。

このような有機トランジスタ及びその製造方法を用いることで、親水性・疎水性の部分が極細い間隔で表面に形成された基板を、容易に且つ低コストに用意することができるため、極細いチャネル長を有した有機トランジスタを簡便に且つ低コストに作製することができる。従って、量産化・製造コスト削減につながる。また、基板上に印刷（塗布）される材料の配向性を制御できるので、有機トランジスタの特性を向上することができる。

本発明の有機トランジスタ構造を説明する図である。本発明の有機トランジスタの基板作製方法を説明する図である。本発明の基板上の微細凸凹形状を説明する図である。本発明の基板上のセパレータを説明する図である。本発明の有機トランジスタのソース電極、ドレイン電極を印刷（塗布）する方法を説明する図である。本発明の基板上所望の場所に電極を印刷（塗布）する方法を説明する図である。本発明の有機トランジスタの製造方法の一部を説明する図である。本発明の基板を成形する方法を説明する図である。本発明の基板を成形する際のスタンパ形状を説明する図である。

符号の説明

１ポリイミド基板、２ソース電極、３ドレイン電極
４有機半導体層、５絶縁体層、６ゲート電極
７セパレータ部マスク、８微細な凸凹形状部、９セパレータ
１０レジストマスク、１１微細凸凹構造、１２セパレータの側面
１３ソース電極、１４ドレイン電極、１５微細凸凹構造
１６有機半導体層、１７有機絶縁体層、１８ゲート電極
１９スタンパ、２０微細な凸凹形状、２１凹形状
２２樹脂、２３側面

Claims

基板上にソース電極とドレイン電極とを分離するセパレータが基板と同一材料でかつ基板と一体で形成されており、該基板上にセパレータをはさんでそれぞれ有機材料からなるソース電極とドレイン電極が形成されていることを特徴とする有機トランジスタ。
ソース電極とドレイン電極が形成されている下地面は親水処理がなされていることを特徴とする請求項１に記載の有機トランジスタ。