JP2005268449A - 縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法，縮合多環芳香族化合物薄膜，及び有機半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い移動度を発現する有機半導体薄膜及びその製造方法を提供することを課題とする。また、電子特性の優れた有機半導体素子を提供することを併せて課題とする。
【解決手段】 ペンタセン薄膜を１，２，４−トリクロロベンゼンの蒸気雰囲気中で加熱して、改質した。
【選択図】 なし

Description

本発明は、有機半導体薄膜の改質方法及び改質された有機半導体薄膜、並びに有機半導体素子に関する。

有機半導体を用いたデバイスは、従来の無機半導体デバイスに比べて成膜条件がマイルドであり、各種基板上に半導体薄膜を形成したり、常温で成膜したりすることが可能であるため、低コスト化や、ポリマーフィルム等に薄膜を形成することによるフレキシブル化が期待されている。
有機半導体材料としては、ポリフェニレンビニレン，ポリピロール，ポリチオフェン等の共役系高分子化合物やそのオリゴマーとともに、アントラセン，テトラセン，ペンタセン等のポリアセン化合物を中心とする芳香族化合物が研究されている。特に、ポリアセン化合物は分子間凝集力が強いため高い結晶性を有していて、これによって高いキャリア移動度と、それによる優れた半導体デバイス特性とを発現することが報告されている。

そして、ポリアセン化合物のデバイスへの利用形態としては蒸着膜又は単結晶があげられ、トランジスタ，太陽電池，レーザー等への応用が検討されている（非特許文献１〜３を参照）。
また、蒸着法以外の方法でポリアセン化合物の薄膜を形成する方法として、ポリアセン化合物の一種であるペンタセンの前駆体の溶液を基板上に塗布し、加熱処理してペンタセン薄膜を形成する方法が報告されている（非特許文献４を参照）。この方法は、ポリアセン化合物のような縮合多環芳香族化合物は一般的な溶媒に対する溶解性が低く、ウェットプロセスによって溶液から薄膜を形成することが困難であるため、溶解性の高い前駆体の溶液を用いて薄膜を形成し、熱により前駆体をポリアセン化合物に変換するというものである。

一方、置換基を有するポリアセン化合物は、高橋らの報告（非特許文献５），グラハムらの報告（非特許文献６），及びミラーらの報告（非特許文献７）等に記載されており、さらに非特許文献８には２，３，９，１０−テトラメチルペンタセンの合成例が、非特許文献９には２，３，９，１０−テトラクロロペンタセンの合成例がそれぞれ記載されている。

なお、ペンタセンを超える移動度を有する有機半導体材料は、現在のところ知られていない。
「アドバンスド・マテリアルズ」，２００２年，第１４巻，ｐ．９９ ジミトラコポウラスら，「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」，１９９６年，第８０巻，ｐ．２５０１ クロークら，「ＩＥＥＥ・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシス」，１９９９年，第４６巻，ｐ．１２５８ ブラウンら，「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」，１９９６年，第７９巻，ｐ．２１３６ 高橋ら，「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」，２０００年，第１２２巻，ｐ．１２８７６ グラハムら，「ジャーナル・オブ・オーガニック・ケミストリー」，１９９５年，第６０巻，ｐ．５７７０ ミラーら，「オーガニック・レターズ」，２０００年，第２巻，ｐ．３９７９ 「アドバンスド・マテリアルズ」，２００３年，第１５巻，ｐ．１０９０ 「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」，２００３年，第１２５巻，ｐ．１０１９０

しかしながら、前述のような前駆体を利用してポリアセン化合物の薄膜を形成する方法は、前記前駆体をポリアセン化合物に変換するために高温処理が必要であるという問題点を有していた（例えば、ペンタセンの場合であれば１５０℃程度）。また、ポリアセン化合物への変換反応を完全に行うことが難しいため未反応部分が欠陥として残ったり、高温により変性が生じて欠陥となったりするという問題点も併せて有していた。
そこで、本発明は、前述のような従来技術が有する問題点を解決し、高い移動度を発現する有機半導体薄膜及びその製造方法を提供することを課題とする。また、電子特性の優れた有機半導体素子を提供することを併せて課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、縮合多環芳香族化合物からなる薄膜を、該縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物の蒸気雰囲気中で加熱することにより改質するに際して、前記有機化合物をハロゲン化炭化水素及び炭化水素の少なくとも一方としたことを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、請求項１に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法において、前記縮合多環芳香族化合物がポリアセン化合物及びその誘導体の少なくとも一方であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、請求項１に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法において、前記縮合多環芳香族化合物がペンタセン及びその誘導体の少なくとも一方であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項４の縮合多環芳香族化合物薄膜は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法により改質された縮合多環芳香族化合物薄膜である。
さらに、本発明に係る請求項５の有機半導体素子は、請求項４に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜で少なくとも一部を構成したことを特徴とする。
本発明に係る縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、縮合多環芳香族化合物薄膜の組織構造を改質することにより、縮合多環芳香族化合物薄膜の性能を向上させるというものである。

縮合多環芳香族化合物薄膜は粒子状ドメインで形成された組織構造を有しているが、前述のような処理を施すと、接触する粒子同士の密着性が向上するため、縮合多環芳香族化合物薄膜の電気抵抗が低減し、移動度が高くなる。よって、このような改質が施された縮合多環芳香族化合物薄膜を用いれば、優れた電子特性を有する半導体素子を得ることができる。
また、基板等のベースに密着した縮合多環芳香族化合物薄膜に前述のような処理を施すと、前述のように電気抵抗が低減し移動度が高くなることに加えて、縮合多環芳香族化合物薄膜とベースとの密着性が向上する。よって、縮合多環芳香族化合物薄膜の加工工程におけるプロセス耐性や加工後の半導体素子の信頼性向上につながる。

本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、縮合多環芳香族化合物薄膜の移動度を高めることができる。また、本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜は、該縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物の蒸気雰囲気中で加熱するという改質が施されているため、高い移動度を有している。さらに、本発明の有機半導体素子は優れた電子特性を有している。

本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、縮合多環芳香族化合物からなる薄膜を、該縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物の蒸気雰囲気中で加熱するという方法である。まず、縮合多環芳香族化合物薄膜を構成する縮合多環芳香族化合物について説明する。
本発明において用いられる縮合多環芳香族化合物としては、２個以上１５個以下のベンゼン環が縮合した多環構造の芳香族化合物が好ましい。このような化合物としては、例えば、アントラセン，テトラセン，ペンタセン，ヘキサセン，オバレン，コロネン，ジベンゾコロネン，ヘキサベンゾコロネン，テリレン，クオテリレン，イソビオラントレン，ビスアンテン，アンタンスレン，サーカムアントラセン，テトラベンゾコロネン，ジコロニレン，サーコビフェニルがあげられる。

これらの縮合多環芳香族化合物は、ベンゼン環に結合する水素原子の一部又は全部が官能基で置換された分子構造を有する誘導体であってもよい。官能基としては、例えば、アルキル基，アルケニル基，アルキニル基等の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、アルコキシル基、エーテル基、ハロゲン基、ホルミル基、アシル基、エステル基、メルカプト基、チオアルキル基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、アミド基があげられる。

これらの縮合多環芳香族化合物のうち、テトラセン，ペンタセン，ヘキサセン等のポリアセン化合物及びポリアセン化合物の誘導体は、高い移動度を発現するため好ましい。この理由としては、ポリアセン化合物が分子同士でスタックして導電面が２次元的ネットワークを有するヘリンボン構造を取りやすいため、π電子軌道の重なりが大きくなり、キャリアが分子間を移動しやすいことがあげられる。また、移動度の安定性を考慮すると、ペンタセン及びペンタセン誘導体がさらに好ましい。

このような縮合多環芳香族化合物により、本発明の改質方法に供される縮合多環芳香族化合物薄膜が構成される。縮合多環芳香族化合物から縮合多環芳香族化合物薄膜を製造する方法は、特に限定されるものではなく、公知のドライプロセス又はウェットプロセスにより製造可能である。ドライプロセスとしては、例えば、蒸着法（物理蒸着法，化学蒸着法等），ＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy），スパッタリング法があげられる。また、ウェットプロセスとしては、例えば、縮合多環芳香族化合物の溶液から蒸発等により溶媒を除去して薄膜化する方法や、縮合多環芳香族化合物の粒子を溶媒に分散させた分散液から蒸発等により溶媒を除去して薄膜化する方法があげられる。

ウェットプロセスにおいては、縮合多環芳香族化合物の溶液又は分散液を基板等のベース上に被覆した上、加熱等の方法により前記溶媒を気化させることにより縮合多環芳香族化合物薄膜を得ることができる。縮合多環芳香族化合物の溶液又は分散液をベース上に被覆する方法としては、塗布，噴霧の他、ベースを前記溶液又は前記分散液に接触させる方法等があげられる。具体的には、スピンコート，ディップコート，スクリーン印刷，インクジェット印刷，ブレード塗布，印刷（平版印刷，凹版印刷，凸版印刷等）等の公知の方法があげられる。

なお、前記分散液にバインダー，分散剤等の添加剤を添加することにより、縮合多環芳香族化合物薄膜中に添加剤を含有させてもよい。ただし、添加剤は極力少量であることが好ましい。また、分散液から製造された縮合多環芳香族化合物薄膜であって、該薄膜を構成する縮合多環芳香族化合物の粒子間に空隙が存在するものは、本発明の改質方法による移動度等の性能の向上が顕著であるため好ましい。

次に、縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物について説明する。本発明において用いられる有機化合物は、ハロゲン化炭化水素及び炭化水素の少なくとも一方であり、常温よりも高い温度において縮合多環芳香族化合物を溶解して均一な溶液を形成可能である。

ハロゲン化炭化水素の例としては、クロロベンゼン，ブロモベンゼン，イオドベンゼン，フルオロベンゼン，ジクロロベンゼン，ジブロモベンゼン，ジイオドベンゼン，ジフルオロベンゼン，トリクロロベンゼン，クロロトルエン，ブロモトルエン，イオドトルエン，ジクロロトルエン，ジブロモトルエン，ジフルオロトルエン，クロロキシレン，ブロモキシレン，イオドキシレン，クロロエチルベンゼン，ブロモエチルベンゼン，イオドエチルベンゼン，ジクロロエチルベンゼン，ジブロモエチルベンゼン，クロロナフタレン，ブロモナフタレン，ジクロロナフタレン，ジクロロアントラセン，テトラクロロベンゼン，トリブロモベンゼン，テトラブロモベンゼン等の芳香族ハロゲン化炭化水素や、ジクロロエタン，トリクロロエタン，ジフルオロエタン，テトラクロロエタン，テトラフルオロエタン，フルオロクロロエタン，クロロプロパン，ジクロロプロパン，クロロペンタン，クロロヘキサン等の脂肪族ハロゲン化炭化水素があげられる。

また、炭化水素の例としては、トルエン，キシレン，メシチレン，メチルナフタレン等の芳香族炭化水素や、デカヒドロナフタレン，オクタン，ノナン，デカン，アンデカン，ドデカン，シクロヘプタン等の脂肪族炭化水素があげられる。さらに、ジフェニルエーテル等のエーテル類、炭酸プロピレン等のカーボネート、エステル類（ブチルラクトン，プロピオラクトン等）、ケトン類（シクロヘキサノン，メチルイソブチルケトン等）もあげられる。
これらの有機化合物の中では、縮合多環芳香族化合物の溶解性の高さ及び改質効果の高さを考えると、芳香族ハロゲン化炭化水素，脂肪族ハロゲン化炭化水素，及び芳香族炭化水素が好ましい。

次に、前述のような縮合多環芳香族化合物からなる薄膜を、上記の有機化合物を用いて改質する方法について説明する。本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法は、縮合多環芳香族化合物からなる薄膜を、該縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物の蒸気雰囲気中で加熱するという方法である。
例えば、有機化合物を加熱（加熱温度Ｔ１）して発生した蒸気に、縮合多環芳香族化合物薄膜を加熱（加熱温度Ｔ２）しながら暴露することにより改質処理を行うことができる。このとき、この有機化合物の加熱温度Ｔ１によって蒸気圧を調整することができ、縮合多環芳香族化合物薄膜の加熱温度Ｔ２によって、薄膜内における有機化合物の拡散と縮合多環芳香族化合物の分子拡散とを調整することができると考えられる。

有機化合物の加熱温度Ｔ１が高く、薄膜温度が有機化合物蒸気の露点を下回る場合は、有機化合物蒸気が薄膜上で結露する。少量の結露は問題なく、むしろ薄膜の改質効果が顕著となるため好ましいが、大量に結露した場合は、薄膜が溶解し流動してしまうおそれがあるため好ましくない。このようなことを防ぐため、有機化合物を加熱して生成した蒸気にキャリアガスを混合して、蒸気圧を調整してもよい。

簡便に薄膜の改質を行う方法としては、有機化合物と薄膜とが直接接触しないように両者を同一容器内に配置し、容器全体を加熱することにより有機化合物を気化させ、発生した有機化合物蒸気に薄膜を暴露させながら加熱処理する方法があげられる。また、薄膜が形成された基板を加熱しながら、基板表面の薄膜にノズル等から流出する有機化合物蒸気を接触させる方法でもよい。また、加熱処理時においては、薄膜の雰囲気圧力を減圧又は加圧により調整してもよい。

有機化合物蒸気に縮合多環芳香族化合物薄膜を暴露する際の温度は、常温では改質効果が乏しいため、４０℃以上が好ましく、６０℃以上がより好ましい。一方、上限温度は、縮合多環芳香族化合物が蒸発する温度未満とすることが好ましいが、基板と薄膜の線膨張係数の違いや基板の耐熱性を考慮すると低い方が望ましく、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは２００℃以下である。なお、改質処理の時間は、短い方が好ましい。

縮合多環芳香族化合物薄膜の伝導特性や安定性を考えると、有機化合物蒸気中で薄膜を加熱処理した後は、有機化合物の蒸気圧が低い又はない雰囲気中に処理済み薄膜を保持して、有機化合物を薄膜から極力除去すること好ましい。ただし、伝導特性に悪影響を与えない程度の微量であれば、有機化合物が薄膜内に残存していても差し支えない。
また、薄膜とともに基板も有機化合物蒸気の暴露を受けることを考慮して、改質処理の条件を選択する必要があるが、本発明の改質方法は、有機化合物に直接接触させて加熱する場合と比較して、基板のダメージは小さく抑えることができる。このため、有機化合物と接触すると膨潤又は溶解するプラスチックからなる基板を利用する場合でも、薄膜と基板との間に有機化合物との接触を防ぐバリア層を設けなくてもよい。

さらに、薄膜の一部分を局所的に加熱する方法や、有機化合物蒸気を薄膜の一部分に選択的に供給する方法や、薄膜の一部分をマスキングして有機化合物蒸気への暴露を選択的に行う方法等により、縮合多環芳香族化合物薄膜にパターニング処理を施すことも可能である。さらに特殊な方法として、前述と逆の作用を利用し、有機化合物蒸気で過剰に処理して基板からしみ出したポリマー，可塑剤等を縮合多環芳香族化合物薄膜中に拡散させて、薄膜のキャリア伝導を遮断することによりパターニングすることも可能である。

このように縮合多環芳香族化合物が溶解可能な有機化合物蒸気中で縮合多環芳香族化合物薄膜を加熱処理すると、粒子状ドメインで形成された縮合多環芳香族化合物の粒子の界面から有機化合物分子が拡散して、変形可能な固溶体又は一部溶解した溶液を形成し、粒子間凝集や焼結類似の組織変性が起こるものと考えられる。また、本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法によれば、縮合多環芳香族化合物の接触する粒子同士の密着性が向上するだけでなく、縮合多環芳香族化合物薄膜と基板との界面の密着性も同時に向上すると考えられる。

本発明の改質方法は、縮合多環芳香族化合物に限らず高分子系有機半導体等の他の有機半導体材料の改質にも適用可能であるが、高分子系有機半導体は常温で汎用の有機溶媒に対する溶解性が高いため、縮合多環芳香族化合物の場合よりも低温，低蒸気圧の条件で改質処理を行うことが好ましい。
本発明の方法で改質された縮合多環芳香族化合物薄膜は、改質前と比較して電気抵抗が低下し電界効果移動度が高くなる。この効果の大きさは、縮合多環芳香族化合物薄膜の改質条件によっても異なるが、通常の場合は、電気抵抗は改質前の９０％以下、場合によっては１０％以下に低下し、電界効果移動度は１１０％程度、場合によっては数百％に上昇する。

また、改質された縮合多環芳香族化合物薄膜は、改質前と比較して基板との密着性が高い。例えば、ペンタセン蒸着膜は、通常の粘着テープによる剥離試験により剥離が発生することが多く、ペンタセン蒸着膜の上に溶液を塗布する場合においても部分剥離が発生するため、薄膜の加工が困難であった。しかし、本発明の改質方法によって改質を施せば、ペンタセン蒸着膜と基板との密着性が向上するので、前述のような剥離試験や溶液の塗布における基板からのペンタセン薄膜の剥離を、大幅に低減させることができる。

なお、縮合多環芳香族化合物薄膜が形成される基板等のベースの素材には、各種材料が利用可能である。例えば、ガラス，石英，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，シリコン，ガリウム砒素，インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ），酸化亜鉛，マイカ等のセラミックスや、アルミニウム，金，ステンレス鋼，鉄，銀等の金属があげられる。また、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンテレフタレート，ポリエチレンナフタレート等），ポリカーボネート，ノルボルネン系樹脂，ポリエーテルスルフォン，ポリイミド，ポリアミド，セルロース，シリコーン樹脂，エポキシ樹脂等の樹脂や、炭素や、紙等があげられる。あるいは、これらの複合体でもよい。

前述のような方法により改質された縮合多環芳香族化合物薄膜を用いることにより、エレクトロニクス，フォトニクス，バイオエレクトロニクス等の分野において有益な半導体素子を製造することができる。このような半導体素子の例としては、ダイオード，トランジスタ，薄膜トランジスタ，メモリ，フォトダイオード，発光ダイオード，発光トランジスタ，センサ等があげられる。

トランジスタ及び薄膜トランジスタは、ディスプレイに利用することが可能であり、液晶ディスプレイ，分散型液晶ディスプレイ，電気泳動型ディスプレイ，粒子回転型表示素子，エレクトロクロミックディスプレイ，有機発光ディスプレイ，電子ペーパー等の種々の表示素子に利用可能である。トランジスタ及び薄膜トランジスタは、これらの表示素子において表示画素のスイッチング用トランジスタ，信号ドライバー回路素子，メモリ回路素子，信号処理回路素子等に利用される。

半導体素子がトランジスタである場合には、その素子構造としては、例えば、基板／ゲート電極／絶縁体層（誘電体層）／ソース電極・ドレイン電極／半導体層という構造、基板／半導体層／ソース電極・ドレイン電極／絶縁体層（誘電体層）／ゲート電極という構造、基板／ソース電極（又はドレイン電極）／半導体層＋絶縁体層（誘電体層）＋ゲート電極／ドレイン電極（又はソース電極）という構造等があげられる。このとき、ソース電極，ドレイン電極，ゲート電極は、それぞれ複数設けてもよい。また、複数の半導体層を同一平面内に設けてもよいし、積層して設けてもよい。

トランジスタの構成としては、ＭＯＳ（メタル−酸化物（絶縁体層）−半導体）型及びバイポーラ型のいずれでも採用可能である。縮合多環芳香族化合物は、通常はｐ型半導体であるので、ドナードーピングしてｎ型半導体とした縮合多環芳香族化合物と組み合わせたり、縮合多環芳香族化合物以外のｎ型半導体と組み合わせたりすることにより、素子を構成することができる。
また、半導体素子がダイオードである場合には、その素子構造としては、例えば、電極／ｎ型半導体層／ｐ型半導体層／電極という構造があげられる。そして、ｐ型半導体層に本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜が使用され、ｎ型半導体層に前述のｎ型半導体が使用される。

半導体素子における縮合多環芳香族化合物薄膜内部又は縮合多環芳香族化合物薄膜表面と電極との接合面の少なくとも一部は、ショットキー接合及び／又はトンネル接合とすることができる。このような接合構造を有する半導体素子は、単純な構成でダイオードやトランジスタを作製することができるので好ましい。さらに、このような接合構造を有する有機半導体素子を複数接合して、インバータ，オスシレータ，メモリ，センサ等の素子を形成することもできる。

さらに、本発明の半導体素子を表示素子として用いる場合は、表示素子の各画素に配置され各画素の表示をスイッチングするトランジスタ素子（ディスプレイＴＦＴ）として利用できる。このようなアクティブ駆動表示素子は、対向する導電性基板のパターニングが不要なため、回路構成によっては、画素をスイッチングするトランジスタを持たないパッシブ駆動表示素子と比べて画素配線を簡略化できる。通常は、１画素当たり１個から数個のスイッチング用トランジスタが配置される。このような表示素子は、基板面に二次元的に形成したデータラインとゲートラインとを交差した構造を有し、データラインやゲートラインがトランジスタのゲート電極，ソース電極，ドレイン電極にそれぞれ接合されている。なお、データラインとゲートラインとを分割することや、電流供給ライン，信号ラインを追加することも可能である。

また、表示素子の画素に、画素配線，トランジスタに加えてキャパシタを併設して、信号を記録する機能を付与することもできる。さらに、表示素子が形成された基板に、データライン及びゲートラインのドライバ，画素信号のメモリ，パルスジェネレータ，信号分割器，コントローラ等を搭載することもできる。
また、本発明の有機半導体素子は、ＩＣカード，スマートカード，及び電子タグにおける演算素子，記憶素子としても利用することができる。その場合、これらが接触型であっても非接触型であっても、問題なく適用可能である。このＩＣカード，スマートカード，及び電子タグは、メモリ，パルスジェネレータ，信号分割器，コントローラ，キャパシタ等で構成されており、さらにアンテナ，バッテリを備えていてもよい。

さらに、本発明の有機半導体素子でダイオード，ショットキー接合構造を有する素子，トンネル接合構造を有する素子を構成すれば、その素子は光電変換素子，太陽電池，赤外線センサ等の受光素子，フォトダイオードとして利用することもできるし、発光素子として利用することもできる。また、本発明の有機半導体素子でトランジスタを構成すれば、そのトランジスタは発光トランジスタとして利用することができる。これらの発光素子の発光層には、公知の有機材料や無機材料を使用することができる。

さらに、本発明の有機半導体素子はセンサとして利用することができ、ガスセンサ，バイオセンサ，血液センサ，免疫センサ，人工網膜，味覚センサ等、種々のセンサに応用することができる。通常は、有機半導体素子を構成する縮合多環芳香族化合物薄膜に測定対象物を接触又は隣接させた際に生じる縮合多環芳香族化合物薄膜の抵抗値の変化によって、測定対象物の分析を行うことができる。

また、本発明の有機半導体素子においては、縮合多環芳香族化合物薄膜の上にさらに保護層，配線，別素子等を積層することができる。特に、本発明の縮合多環芳香族化合物薄膜は基板との密着性に優れるため、前述のような積層を行うため薄膜の加工を行っても薄膜に不都合が生じにくく、薄膜加工工程のプロセス耐性に優れている。よって、本発明の有機半導体素子は、前述のような積層を行っても故障率が低く、素子の信頼性及び安定性が優れている。縮合多環芳香族化合物は、元来一般の溶媒には難溶又は不溶であるため、この積層工程で使用される溶液等に溶解しにくい。よって、プロセスの自由度が広げられ好ましい。

以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
〔実施例１〕
ペンタセン粉末（アルドリッチ社製）を石英製の坩堝に充填し、この坩堝を真空チャンバー内で加熱することにより、真空チャンバー内に配置したシリコン基板上にペンタセン薄膜を形成させた。薄膜形成時の雰囲気圧力は２．６×１０^-6Ｐａであり、シリコン基板の温度は４０℃である。また、ペンタセン薄膜の成長速度は０．０６ｎｍ／ｓであり、膜厚は６０ｎｍである。なお、このシリコン基板は厚さ２００ｎｍの酸化膜を表面に備えており、さらに表面に金／チタン薄膜（膜厚は金２４ｎｍ／チタン６ｎｍ）がパターン形成されている。

１，２，４−トリクロロベンゼン１ｍｌが入ったガラス製シャーレを用意し、そこに上記のペンタセン薄膜が形成されたシリコン基板を、１，２，４−トリクロロベンゼンがペンタセン薄膜に接触しないように配置した。窒素雰囲気下、このシャーレを１２０℃に加熱したホットプレート上に載置して１，２，４−トリクロロベンゼンを蒸発させ、シャーレに蓋をした状態で１０分間保持した後、蓋を開放して１時間放置した。

このような有機化合物の蒸気雰囲気中での加熱処理前後のペンタセン薄膜の体積抵抗値を、プローバーを用いて評価した。その結果、加熱処理前は２×１０^-6Ｓ／ｃｍで、加熱処理後は１×１０^-5Ｓ／ｃｍであった。また、シリコン基板をゲート電極、シリコン基板上に形成した金／チタン電極をソース・ドレイン電極として構成した電界効果トランジスタの特性評価を行った。その結果、加熱処理前の電界効果移動度は０．２４ｃｍ² ／Ｖ・ｓで、ｏｎ／ｏｆｆ電流比は１×１０⁴ であったが、加熱処理後の電界効果移動度は０．８６ｃｍ² ／Ｖ・ｓで、ｏｎ／ｏｆｆ電流比は１×１０⁶ に変化していた。

また、加熱処理前後のペンタセン薄膜について、粘着テープによる剥離試験を行った。この剥離試験は、ニチバン株式会社製のセロテープ（商品名）をペンタセン薄膜に貼り付け、５ｍｍ角の碁盤目状に切断した後、該テープの上にさらにテープを貼り付けて剥離し、ペンタセン薄膜の欠落数を測定するというものである。その結果、加熱処理前のペンタセン薄膜の剥離率は７０％であったが、加熱処理後のペンタセン薄膜の剥離率は１０％以下に低下した。
また、ペンタセン薄膜の表面形態について原子間力顕微鏡を用いて観測したところ、加熱処理後の方が加熱処理前よりも、結晶粒子がより密集し、膜厚方向に結晶粒子がより成長していることが分かった。

さらに、加熱処理後のペンタセン薄膜の広角Ｘ線回折パターンは、面間距離１．４６ｎｍに対応する（００ｎ）面（ｎ＝1 〜６）の回折ピークを有していた。そして、この回折ピークは、加熱処理前のペンタセン薄膜のＸ線回折パターンで見られた面間距離１．５６ｎｍに対応する（００ｍ）面の回折ピーク（ｍ＝１〜４）と比較して、相対的に回折ピーク強度が強く、加熱処理により回折ピーク強度が増大していることが分かった。
このことから、加熱処理によってペンタセン薄膜の一部の分子配向が、１．５６ｎｍの面間距離の構造から１．４６ｎｍの面間距離の構造へと変化し、その結果ペンタセン薄膜中の結晶粒子の稠密性が向上したことが分かった。

〔実施例２〕
実施例１と同様に、ペンタセン薄膜に加熱処理を施した。ただし、有機化合物は１，２，４−トリクロロベンゼンに代えてｏ−ジクロロベンゼンを用い、加熱処理温度は１５０℃とした。
この加熱処理前後のペンタセン薄膜の体積抵抗値をプローバーを用いて評価した結果、加熱処理後は１×１０^-4Ｓ／ｃｍであった。また、シリコン基板をゲート電極、シリコン基板上に形成した金／チタン電極をソース・ドレイン電極として構成した電界効果トランジスタの特性評価を行った結果、加熱処理後の電界効果移動度は１．１ｃｍ² ／Ｖ・ｓで、ｏｎ／ｏｆｆ電流比は１×１０⁶ であった。また、実施例１と同様に剥離試験を行ったところ、加熱処理後のペンタセン薄膜の剥離率は３％であった。

さらに、ペンタセン薄膜の表面形態について原子間力顕微鏡を用いて観測したところ、加熱処理後の方が加熱処理前よりも、結晶粒子がより密集し、膜厚方向に結晶粒子がより成長していることが分かった。
さらに、加熱処理後のペンタセン薄膜の広角Ｘ線回折パターンは、面間距離１．４８ｎｍに対応する（００ｎ）面（ｎ＝1 〜６）の回折ピークを有していた。そして、この回折ピークは、加熱処理前のペンタセン薄膜のＸ線回折パターンで見られた面間距離１．５６ｎｍに対応する（００ｍ）面の回折ピーク（ｍ＝１〜４）と比較して、相対的に回折ピーク強度が強く、加熱処理により回折ピーク強度が増大していることが分かった。
このことから、加熱処理によってペンタセン薄膜の一部の分子配向が、１．５６ｎｍの面間距離の構造から１．４８ｎｍの面間距離の構造へと変化し、その結果ペンタセン薄膜中の結晶粒子の稠密性が向上したことが分かった。

〔実施例３〕
ペンタセン粉末（アルドリッチ社製）１０ｍｇとｏ−ジクロロベンゼン１０ｇとの混合物を、窒素雰囲気下で１３０℃に加熱して、均一溶液を調整した。そして、該溶液を室温に冷却して、ペンタセン粉末が分散した分散液を調整した。
実施例１で用いたものと同様のシリコン基板（表面に金／チタン電極パターンが形成されたもの）上に、この分散液を展開し、窒素雰囲気下においてｏ−ジクロロベンゼンを蒸発させた。さらに、真空乾燥機を用いて室温で１日真空乾燥し、溶媒分子（ｏ−ジクロロベンゼン分子）を除去して、シリコン基板上にペンタセン粒子分散体層を形成した。形成した分散体層中のペンタセン粒子の粒子径は約３μｍであった。

実施例２と同様にｏ−ジクロロベンゼンを用い、ペンタセン粒子分散体層に１５０℃で３０分間加熱処理を施した後、シャーレからシリコン基板を取り出し、窒素気流下に３時間保持した。この加熱処理により、ペンタセン粒子分散体層の表面が光沢を有する状態に変化した。
加熱処理前後の金／チタン電極間の抵抗測定により求めた抵抗は、加熱処理前は数十ＭΩで、加熱処理後は２ＭΩであった（膜厚が測定不可のため抵抗値を比較した）。また、実施例１，２と同様に、電界効果トランジスタの特性評価を行った結果、加熱処理前はゲートによるトランジスタ動作が観測されなかったが、加熱処理後は電界効果移動度が０．０９ｃｍ² ／Ｖ・ｓで、ｏｎ／ｏｆｆ電流比が１×１０⁵ と良好なトランジスタ動作が観測できた。

さらに、実施例１と同様に剥離試験を行ったところ、加熱処理前のペンタセン粒子分散体層は内部において構造が破壊し、基板上及び剥離テープ上にペンタセン粉末が付着したが、加熱処理後の剥離試験では２５％程度の剥離率であった。
さらに、光学顕微鏡観察により、加熱処理前のペンタセン粒子分散体層は独立粒子凝集構造であったが、加熱処理後のペンタセン粒子分散体層は粒子間がつながった構造に変化していることが分かった。

さらに、加熱処理後のペンタセン粒子分散体層の広角Ｘ線回折パターンは、面間距離１．４５ｎｍに対応する（００ｎ）面（ｎ＝１，２，３，４）の回折ピークを有していた。一方、加熱処理前のペンタセン粒子分散体層の広角Ｘ線回折パターンは、面間距離１．４３ｎｍに対応する（００ｍ）面とともに、複数のピーク（（１１０）面，（２００）面と考えられる）を有しており、分子配列が乱れた構造であった。

本発明は、エレクトロニクス，フォトニクス，バイオエレクトロニクス等において好適である。

Claims (5)

1. 縮合多環芳香族化合物からなる薄膜を、該縮合多環芳香族化合物を溶解可能な有機化合物の蒸気雰囲気中で加熱することにより改質するに際して、前記有機化合物をハロゲン化炭化水素及び炭化水素の少なくとも一方としたことを特徴とする縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法。
2. 前記縮合多環芳香族化合物がポリアセン化合物及びその誘導体の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法。
3. 前記縮合多環芳香族化合物がペンタセン及びその誘導体の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜の改質方法により改質された縮合多環芳香族化合物薄膜。
5. 請求項４に記載の縮合多環芳香族化合物薄膜で少なくとも一部を構成したことを特徴とする有機半導体素子。