JP2005519486A - ゲート絶縁膜の改質した表面を有する有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
X−Y−Zn
(式中、XはHまたはCH3であり;
Yは、直鎖状もしくは分枝状のC5〜C50脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基、または直鎖状もしくは分枝状のC8〜C50の芳香族基を含有する基およびC3〜C44の脂肪族もしくは環状脂肪族結合基であり;
Zは、−PO3H2、−OPO3H2、ベンゾトリアゾリル(−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルカルボニルオキシ(−OC(=O)C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルオキシ(−O−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルアミノ(−NH−C6H4N3)、−CONHOH、−COOH、−OH、−SH、−COSH、−COSeH、−C5H4N、−SeH、−SO3H、−NC、−SiCl(CH3)2、−SiCl2CH3、アミノ、およびホスフィニルから選択され;そして、
nは1、2、または3であるが、ただしZが−SiCl(CH3)2または−SiCl2CH3である場合にはn=1であり;そして前記有機半導体層には、少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子またはそれらの組合せで置換したアセン、または、場合によっては少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子、またはそれらの組合せによって置換されていてもよい、ベンゾ環生成(benzo−annellated)アセン(acene)またはポリベンゾ環生成アセンから選択される材料を含む)
を有する組成物を含む、OTFTを提供するものである。
X−Y−Zn
(式中、XはHまたはCH3であり;
Yは、直鎖状もしくは分枝状のC5〜C50脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基、または直鎖状もしくは分枝状のC8〜C50の芳香族基を含有する基およびC3〜C44の脂肪族もしくは環状脂肪族結合基であり;
Zは、−PO3H2、−OPO3H2、ベンゾトリアゾリル(−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルカルボニルオキシ(−OC(=O)C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルオキシ(−O−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルアミノ(−NH−C6H4N3)、−CONHOH、−COOH、−OH、−SH、−COSH、−COSeH、−C5H4N、−SeH、−SO3H、−NC、−SiCl(CH3)2、−SiCl2CH3、アミノ、およびホスフィニルから選択され;そして、
nは1、2、または3であるが、ただしZが−SiCl(CH3)2または−SiCl2CH3である場合にはn=1である)
を有する組成物を含み;そしてここで、前記有機半導体層には次式:
の半導体を含む、有機薄膜トランジスタを提供するものである。
たとえば製造中、試験、貯蔵、使用あるいはそれらの組合せの際に、OTFTを支持するために、基板を使用することができる。ゲート電極および/またはゲート絶縁膜に、得られるOTFTの目的とする用途において充分な支持効果を持たせて、別の基板が必要ないようにすることも可能である。たとえば、ドープトシリコンに、ゲート電極として機能させるとともに、OTFTを支持させることが可能である。また別の例を挙げれば、各種の実施態様の試験またはスクリーニングのためにある基板を選択し、それに対して商業的な実施においては他の基板を選択するということも可能である。また別の実施態様においては、たとえば一時的な目的で支持が望ましい場合に、支持物を基板に取り外し可能に接着させたり、または機械的に貼り付けたりすることもできる。たとえば、可撓性のあるポリマー基板を固いガラス支持体に接着し、その支持体は除去可能にしておくことができる。ある種の実施態様においては、基板は、OTFTに対して電気的な機能を供することは一切ない。このタイプの基板は、本明細書においては、「非関与型基板」と呼ぶこととする。
ゲート電極は、使用可能な導電材料なら何であってもよい。たとえば、ゲート電極にはドープトシリコン、または金属たとえばアルミニウム、クロム、銅、金、銀、ニッケル、パラジウム、白金、タンタル、およびチタンが含まれていてよい。導電性ポリマーを使用することもでき、そのようなものとしてはたとえば、ポリアニリン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)などが挙げられる。さらに、これらの材料の合金、組合せおよび多層化したものなども有用である。
ゲート絶縁膜はゲート電極上に、たとえば析出法によって提供する。このゲート絶縁膜はOTFTデバイスの使用条件下で、デバイスの他のものから、ゲート電極を電気的に絶縁する。したがって、このゲート絶縁膜には電気的絶縁材料が使用される。このゲート絶縁膜は、約2より高い、より好ましくは約5より高い誘電率を有しているべきである。ゲート絶縁膜の誘電率は、非常に高く、たとえば80〜100またはそれ以上であってもよい。ゲート絶縁膜として有用な材料としては、有機または無機の電気的絶縁材料、またはそれらの組合せを挙げることができる。
ソース電極およびドレイン電極はゲート絶縁膜によってゲート電極から分離されているが、一方、有機半導体層はソース電極およびドレイン電極の上にあっても、または下にあってもよい。ソース電極およびドレイン電極は、有用な導電性材料ならばどのようなものであってもよい。有用な材料としては、ゲート電極について先に挙げたもの、さらにはバリウムおよびカルシウムが挙げられる。
本発明の実施態様において、前記有機半導体層には、少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子またはそれらの組合せで置換したアセン、または、場合によっては少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子、またはそれらの組合せによって置換されていてもよい、ベンゾ環生成アセンまたはポリベンゾ環生成アセンから選択される材料を含む。前記電子供与性基は、1〜24個の炭素原子を有する、アルキル、アルコキシ、またはチオアルコキシ基から選択する。
の半導体を含む。
自己組織化単分子層(SAM)を、ゲート絶縁膜と有機半導体層との間に介在させる。この単分子層は、ゲート絶縁膜と自己組織化単分子層の前駆体との間の反応の生成物である。
X−Y−Zn
ここでXはHまたはCH3であり;
Yは、直鎖状もしくは分枝状のC5〜C50脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基、または直鎖状もしくは分枝状のC8〜C50の芳香族基を含有する基およびC3〜C44の脂肪族もしくは環状脂肪族結合基であり;
Zは、−PO3H2、−OPO3H2、ベンゾトリアゾリル(−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルカルボニルオキシ(−OC(=O)C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルオキシ(−O−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルアミノ(−NH−C6H4N3)、−CONHOH、−COOH、−OH、−SH、−COSH、−COSeH、−C5H4N、−SeH、−SO3H、イソニトリル(−NC)、クロロジメチルシリル(−SiCl(CH3)2)、ジクロロメチルシリル(−SiCl2CH3)、アミノ、およびホスフィニルから選択され;そして、
nは1、2、または3であるが、ただしZが−SiCl(CH3)2または−SiCl2CH3である場合にはn=1である。
CH3−(CH2)m−PO3H2
(式中、mは4〜21の整数である)
の組成物を含むことができる。
本発明は薄膜トランジスタを製造する方法をさらに提供するが、それに含まれる工程は、(a)基板を提供する工程;(b)前記基板の上にゲート電極材料を提供する工程;(c)前記ゲート電極材料の上にゲート絶縁膜を提供する工程;(d)前記ゲート絶縁膜に近接する自己組織化単分子層(SAM)を提供する工程であって、前記単分子層はゲート絶縁膜と自己組織化単分子層の前駆体との間の反応生成物であり、前記前駆体には前記式X−Y−Znを有する組成を含む工程;(e)前記単分子層の上に、上述のようにして有機半導体層を適用する工程;および(f)前記有機半導体層に接触させてソース電極およびドレイン電極を提供する工程、である。
A.フィルム厚み
単一波長エリプソメトリ法を用いて、表面処理有機膜の厚みの推定値を得た。基板のプサイおよびデルタの値(ΨsおよびΔs)は、ゲルトナー・デュアル・モード・オートマチック・エリプソメータ(Gaertner Dual Mode Automatic Ellipsometer)L116A型(イリノイ州スコーキー(Skokie、IL)のゲルトナー・カンパニー(Gaertner Co.)製)を使用して、入射角70度、波長632.8nmで、清浄化した基板から得た。膜を基板に適用し、その膜の値(ΨfおよびΔf)を測定した。
トランジスタ性能は、当業者には公知の技術を用いて室温空気中で試験したが、この技術はたとえば、S.M.スゼ(S.M.Sze)「フィジックス・オブ・セミコンダクター・デバイシズ(Physics of Semiconductor Devices)」(ニューヨークのジョン・ワイリー・アンド・ソンズ(John Wiley & Sons(New York))、1981年、p.442に記載されている。半導体パラメータ・アナライザ(4145A型、カリフォルニア州サン・ホセ(San Jose、CA)のヒューレット・パッカード(Hewlett−Packard)製)を使用して、以下の結果が得られた。
単分子層前駆体
自己組織化単分子層前駆体、1−ホスホノヘキサデカン(CH3−(CH2)15−PO3H2)は、マサチューセッツ州チェルムスフォード(Chelmsford、MA)のオリザ・ラボラトリーズ(Oryza Laboratories)から購入した。
2,9−ジメチルペンタセンは、米国特許出願第09/966,961号明細書(出願日2001年9月27日)の記載に従って調製し、流動ガス(4容積%の水素を含む窒素、30〜35cm3/秒)存在下で、最高温度300℃、圧力約0.67MPaの条件でさらに精製した。昇華した原料を集め、それ以上精製することはせずに使用した。
単結晶<100>配向ケイ素ウェーハは、カリフォルニア州サン・ホセ(San Jose、CA)のシリコン・バレー・マイクロエレクトロニクス(Silicon Valley Microelectronics)から入手したもので、それぞれのウェーハフロント上に化学気相成長法によって1500Åのアルミナ層が蒸着され、それぞれのウェーハの裏側上に5000Åのアルミニウム金属層が蒸着されている。有機薄膜トランジスタをこの基板材料を用いて調製した場合、アルミニウムで覆ったドープされたウェーハがゲート電極として機能し、アルミニウム酸化物がゲート絶縁膜として機能した。
上述のケイ素ウェーハ基板を、UV/オゾンチャンバ(自製、短波長UV)中で5分間暴露させることにより、清浄化させた。次いで、単分子層前駆体(1−ホスホノヘキサデカン)をスピンコート法を用いて基板のアルミナ表面に適用したが、前駆体の無水エタノール中0.1重量パーセント溶液を使用し、300rpmで5秒、次いで2000rpmで15秒の条件を用いた。こうしてコーティングした基板を次いで、真空ホットプレート上で150℃、3分間加熱し、きれいなエタノールで洗浄し、窒素気流中で乾燥させた。その結果、基板のアルミナ層の上に厚み19Å(上記に従って測定)の自己組織化単分子層が得られた。単分子層の存在しない対照の基板を調製したが、その場合上述のケイ素ウェーハ基板を、アセトン、メタノール、2−プロパノール、水の順で洗浄し、窒素気流中で乾燥させ、ホットプレート上で100℃で3分間加熱し、チャンバ(自製、短波長UV)中で15分間UV/オゾンに暴露させる処理を行った。
Claims (28)
- ゲート絶縁膜と有機半導体層との間に介在させた自己組織化単分子層を含む有機薄膜トランジスタ(OTFT)であって、前記単分子層は、ゲート絶縁膜と自己組織化単分子層の前駆体との間の反応生成物であり、前記前駆体は次式:
X−Y−Zn
(式中、XはHまたはCH3であり;Yは、直鎖状もしくは分枝状のC5〜C50脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基、または直鎖状もしくは分枝状のC8〜C50の芳香族基含有基およびC3〜C44の脂肪族もしくは環状脂肪族結合基であり;Zは、−PO3H2、−OPO3H2、ベンゾトリアゾリル(−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルカルボニルオキシ(−OC(=O)C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルオキシ(−O−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルアミノ(−NH−C6H4N3)、−CONHOH、−COOH、−OH、−SH、−COSH、−COSeH、−C5H4N、−SeH、−SO3H、−NC、−SiCl(CH3)2、−SiCl2CH3、アミノ、およびホスフィニルから選択され;そして、nは1、2、または3であるが、ただしZが−SiCl(CH3)2または−SiCl2CH3である場合にはn=1であり;そしてここで前記有機半導体層が:
少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子、またはそれらの組合せで置換したアセン、または
少なくとも1種の電子供与性基、ハロゲン原子、またはそれらの組合せで場合によっては置換した、ベンゾ環生成アセンまたはポリベンゾ環生成アセン、から選択される物質を含む)
を有する組成物を有する、OTFT。 - 前記少なくとも1種の電子供与性基がアルキル、アルコキシ、またはチオアルコキシから選択され、そして1〜24個の炭素原子を有する、請求項1に記載のOTFT。
- 約−25〜25ボルトの間のしきい値電圧と、約10V/dec(絶対値)未満のサブスレッショルド勾配と、少なくとも約104のオンオフ比と、同一の構成であるが自己組織化単分子層を有さない比較のOTFTよりも、少なくとも約25%、少なくとも約50%、および少なくとも約100%から選択される分だけ改良された電荷キャリア移動度とを有する、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体層が、C1〜C24アルキル−、ポリアルキル−、アルコキシ−、またはポリアルコキシ−置換アセンから選択される材料を含む、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体層が、C1〜C24アルキル−、ポリアルキル−、アルコキシ−、またはポリアルコキシ−置換アントラセンから選択される材料を含む、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体層が、C1〜C24アルキル−、ポリアルキル−、アルコキシ−、またはポリアルコキシ−置換テトラセンから選択される材料を含む、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体層が、C1〜C24アルキル−、ポリアルキル−、アルコキシ−、またはポリアルコキシ−置換ペンタセンから選択される材料を含む、請求項1に記載のOTFT。
- 少なくとも1種のR基が、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、2−メチルヘキシル、2−エチルヘキシル、n−オクチル、n−ノニル、n−デシル、n−ドデシル、n−オクタデシル、または3,5,5−トリメチルヘキシルから選択される、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体が、1−メチルアントラセン、2−メチルアントラセン、1,2−ジメチルアントラセン、2,3−ジメチルアントラセン、2,3,6,7−テトラメチルアントラセン、1,2,3,4−テトラメチルアントラセン、2−エチルアントラセン、2,6−ジエチルアントラセン、2−ヘキシルアントラセン、2,6−ジヘキシルアントラセン、1−メチルテトラセン、2−メチルテトラセン、2,3−ジメチルテトラセン、2,8−ジメチルテトラセン、2,3,9,10−テトラメチルペンタセン、2−エチルテトラセン、2,8−ジエチルペンタセン、2,9−ジエチルペンタセン、2−ヘキシルテトラセン、2−ノニルテトラセン、1−メチルペンタセン、2−メチルペンタセン、2,6−ジアルキルアントラセン、2,8−ジアルキルテトラセン、2,3−ジアルキルペンタセン、2,9−ジアルキルペンタセン、2,10−ジアルキルペンタセン、2−エチルペンタセン、2,10−ジアルコキシペンタセン、2,3,9,10−テトラアルキルペンタセン、1,4,8,11−テトラアルコキシペンタセン、または1,2,3,4,8,9,10,11−オクタアルキルペンタセン、ジベンゾ[de,qr]テトラセン、ゼスレン、ジベンゾ[de,st]ペンタセン、およびジベンゾ[de,uv]ペンタセンから選択される材料を含み;ここでそれぞれの式の中の前記アルキルまたはアルコキシ基が1〜24個の炭素を有する、請求項1に記載のOTFT。
- 前記半導体が、2,3−ジメチルペンタセン、2,9−ジメチルペンタセン、2,10−ジメチルペンタセン、2,10−ジメトキシペンタセン、2,3,9,10−テトラメチルペンタセン、1,4,8,11−テトラメトキシペンタセン、または1,2,3,4,8,9,10,11−オクタメチルペンタセン、から選択される材料を含む、請求項1に記載のOTFT。
- ゲート絶縁膜と有機半導体層との間に介在させた自己組織化単分子層を含む有機薄膜トランジスタ(OTFT)であって、前記単分子層は、ゲート絶縁膜と自己組織化単分子層の前駆体との間の反応生成物であり、前記前駆体は次式:
X−Y−Zn
(式中、XはHまたはCH3であり;Yは、直鎖状もしくは分枝状のC5〜C50脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基、または直鎖状もしくは分枝状のC8〜C50の芳香族基含有基およびC3〜C44の脂肪族もしくは環状脂肪族の結合基であり;Zは、−PO3H2、−OPO3H2、ベンゾトリアゾリル(−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルカルボニルオキシ(−OC(=O)C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルオキシ(−O−C6H4N3)、ベンゾトリアゾリルアミノ(−NH−C6H4N3)、−CONHOH、−COOH、−OH、−SH、−COSH、−COSeH、−C5H4N、−SeH、−SO3H、−NC、−SiCl(CH3)2、−SiCl2CH3、アミノ、およびホスフィニルから選択され;そして、nは1、2、または3であるが、ただしZが−SiCl(CH3)2または−SiCl2CH3である場合にはn=1である)
を有する組成物を含み;そしてここで、前記有機半導体層には次式:
ただし、R2とR3も、R6とR7も結合して6員芳香族環の一部となることはなく;そして、
mが1の場合には、R9もR10も6員芳香族環の一部となることもない)
の半導体を含む、OTFT。 - Yが、飽和脂肪族基、不飽和脂肪族基、飽和環状脂肪族基、および不飽和環状脂肪族基、またはそれらの組合せから選択され、それらのそれぞれは直鎖状であっても分枝状であってもよい、請求項11に記載のOTFT。
- 前記単分子層前駆体が、1−ホスホノヘキサン、1−ホスホノオクタン、1−ホスホノヘキサデカン、および1−ホスホノ−3,7,11,15−テトラメチルヘキサデカンから選択される組成物を含む、請求項11に記載のOTFT。
- 前記単分子層前駆体が、CH3−(CH2)m−PO3H2(式中、mが4〜21の整数である)から選択される組成物を含む、請求項11に記載のOTFT。
- 前記単分子層前駆体が、5〜50個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状のホスホノアルカンを含む、請求項11に記載のOTFT。
- 前記有機半導体層が、1〜24個の炭素を有する少なくとも1種のアルキルまたはアルコキシ基で置換されたペンタセンを含む、請求項15に記載のOTFT。
- 前記半導体が、2,3−、2,9−、もしくは2,10−ジアルキル−もしくはジアルコキシ−置換ペンタセン(それぞれのアルキルまたはアルコキシ基が独立して1〜24個の炭素を有している)、または2,3,9,10−もしくは1,4,8,11−テトラアルキル−もしくはテトラアルコキシ−置換ペンタセン(それぞれのアルキルまたはアルコキシ基が独立して1〜24個の炭素を有している)から選択される、請求項17に記載のOTFT。
- 前記有機半導体が、2,3−、2,9−または2,10−ジメチルペンタセンから選択される、請求項15に記載のOTFT。
- 複数の請求項1に記載の薄膜トランジスタを含む集積回路。
- 場合によってはフレキシブルでもよい非関与型基板の上に、複数の請求項1に記載の薄膜トランジスタを含む集積回路。
- 有機薄膜トランジスタを製造する方法であって:
a)基板を提供する工程;
b)前記基板の上にゲート電極材料を提供する工程;
c)前記ゲート電極材料の上にゲート絶縁膜を提供する工程;
d)前記ゲート絶縁膜に隣接して請求項1に記載の自己組織化単分子層を提供する工程;および
e)前記単分子層の上に請求項1に記載の有機半導体層を適用する工程;および
f)前記有機半導体層に接触させてソース電極およびドレイン電極を提供する工程、を含む方法。 - 前記工程を(a)から(f)の順に実施する、請求項22に記載の方法。
- 工程(d)において過剰の前駆体を提供し、それに続けて相互作用が起きるのに充分な時間を与え、そして過剰の前駆体を除去する、請求項22に記載の方法。
- 前記基板がフレキシブルである、請求項22に記載の方法。
- 約250℃未満、約150℃未満および約70℃未満から選択されるピーク基板温度より低い温度ですべてを実施する、請求項22に記載の方法。
- ウェブ上で実施する、請求項22に記載の方法。
- 請求項22の方法で製造された複数の薄膜トランジスタを含む集積回路。
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