JP2007194360A - Organic thin film transistor, and manufacturing method thereof - Google Patents

Organic thin film transistor, and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic thin film transistor having high mobility and low threshold voltage. <P>SOLUTION: The organic thin film transistor comprises a gate electrode 102 formed on a substrate 101, a gate insulating film 103 formed on the gate electrode 102, an organic semiconductor layer 105 formed on the gate insulating film 103, and a source electrode 106 and drain electrode 107 formed on the organic semiconductor layer 105 or on the gate insulating film 103 with the organic semiconductor layer 105 in-between. The surface of the gate insulating film 103 is chemically coupled for modification with a second organic molecule having the same main skeleton as that of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer 105. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機薄膜トランジスタおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to an organic thin film transistor and a method for manufacturing the same.

従来から、有機半導体層を用いた電界効果型の有機薄膜トランジスタが開発されており、トップコンタクト型やボトムコンタクト型など多くの構造が研究されている。また、有機半導体層を形成する有機材料としても低分子から高分子まで数多くの物質が研究されている。
閾値電圧を制御するために、ゲート絶縁膜と有機半導体層の間にバッファ層を付加する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、第1の基板温度で基板上に有機薄膜からなるバッファ層を形成した後、第1の基板温度よりも高い第2の基板温度でバッファ層上にこのバッファ層と同じ有機材料を用いて主要層である有機半導体層を形成し、有機半導体層のグレインサイズを拡大する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
Conventionally, a field effect type organic thin film transistor using an organic semiconductor layer has been developed, and many structures such as a top contact type and a bottom contact type have been studied. In addition, as an organic material for forming the organic semiconductor layer, a large number of substances ranging from low molecules to polymers have been studied.
In order to control the threshold voltage, a method of adding a buffer layer between the gate insulating film and the organic semiconductor layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In addition, after a buffer layer made of an organic thin film is formed on the substrate at the first substrate temperature, the same organic material as the buffer layer is used on the buffer layer at a second substrate temperature higher than the first substrate temperature. A method of forming an organic semiconductor layer as a main layer and enlarging the grain size of the organic semiconductor layer is disclosed (for example, see Patent Document 2).

特開2005−136383号公報JP 2005-136383 A 特開2005−72068号公報JP 2005-72068 A

有機薄膜トランジスタは、一般的に有機半導体層の抵抗が大きいため、移動度が低いという課題、および閾値電圧も大きいため、消費電力が大きくなるという課題がある。また、有機薄膜トランジスタは、通常蒸着により有機半導体層を形成するがグレイン境界が形成され易く、グレイン境界でチャネルが途切れてしまうため抵抗値が大きくなり、移動度が低減するという問題もある。
また、前記特許文献1の方法では、有機半導体層とバッファ層の材料の選択によっては相性が問題となり、必ずしも密着性が良好とは言えない。
また、前記特許文献2の方法では、有機半導体層はグレインサイズが大きく結晶性は良好となっていても、バッファ層形成時の第1の基板温度は有機半導体層形成時の第2の基板温度よりも低温であるため、ゲート絶縁膜上のバッファ層(有機分子)の密度は有機半導体層(有機分子)の密度よりも低く、そのためゲート絶縁膜近傍ではグレインが多く存在していると考えられる。また、ゲート絶縁膜と有機膜は物理的に接触しており、ゲート絶縁膜との密着性が問題となると考えられる。
An organic thin film transistor generally has a problem that the mobility of the organic semiconductor layer is low because of a large resistance of the organic semiconductor layer, and a problem that power consumption increases because the threshold voltage is also large. In addition, the organic thin film transistor usually forms an organic semiconductor layer by vapor deposition, but a grain boundary is easily formed, and a channel is interrupted at the grain boundary, so that a resistance value is increased and mobility is reduced.
In the method of Patent Document 1, compatibility is a problem depending on the selection of materials for the organic semiconductor layer and the buffer layer, and it cannot be said that the adhesion is necessarily good.
In the method of Patent Document 2, even if the organic semiconductor layer has a large grain size and good crystallinity, the first substrate temperature at the time of forming the buffer layer is the second substrate temperature at the time of forming the organic semiconductor layer. The density of the buffer layer (organic molecules) on the gate insulating film is lower than the density of the organic semiconductor layer (organic molecules) because of the lower temperature than that, and it is considered that there are many grains near the gate insulating film. . In addition, the gate insulating film and the organic film are in physical contact, and adhesion with the gate insulating film is considered to be a problem.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、有機半導体層とゲート絶縁膜との密着性および有機半導体層の結晶性が良好であり、閾値電圧が低下しかつ移動度が上昇する有機薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and has an excellent adhesion between an organic semiconductor layer and a gate insulating film and crystallinity of the organic semiconductor layer, an organic thin film transistor in which a threshold voltage is lowered and mobility is increased. And it aims at providing the manufacturing method.

かくして、本発明によれば、 基板上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体層と、該有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極およびドレイン電極を備え、前記ゲート絶縁膜の表面が、前記有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子と化学結合して修飾されたことを特徴とする有機薄膜トランジスタが提供される。
また、本発明の別の観点によれば、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に有機半導体層を形成する工程と、前記有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程とを備え、有機半導体層を形成する前に、前記ゲート絶縁膜の表面に対して前記有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子を化学結合させて修飾する工程を含む有機薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
Thus, according to the present invention, the gate electrode formed on the substrate, the gate insulating film formed on the gate electrode, the organic semiconductor layer formed on the gate insulating film, and the organic semiconductor layer Alternatively, the semiconductor device includes a source electrode and a drain electrode formed on the gate insulating film with an organic semiconductor layer interposed therebetween, and a surface of the gate insulating film includes a main skeleton of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer. An organic thin film transistor is provided that is modified by chemical bonding with a second organic molecule having the same main skeleton.
According to another aspect of the present invention, a step of forming a gate electrode on a substrate, a step of forming a gate insulating film on the gate electrode, and a step of forming an organic semiconductor layer on the gate insulating film And forming a source electrode and a drain electrode on the gate insulating film on the organic semiconductor layer or with the organic semiconductor layer interposed therebetween, and before forming the organic semiconductor layer, the surface of the gate insulating film In contrast, a method of manufacturing an organic thin film transistor is provided that includes a step of chemically bonding and modifying a second organic molecule having the same main skeleton as the main skeleton of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer.

本発明の有機薄膜トランジスタによれば、有機分子膜を構成する第2の有機分子がゲート絶縁膜の表面に化学結合しているため、有機分子膜がゲート絶縁膜上に堆積した物理吸着に比較して、ゲート絶縁膜−有機分子膜間の密着力(結合力)が大きくなって閾値電圧が低減すると共に、ゲート絶縁膜表面に第2の有機分子が高密度に結合してゲート絶縁膜付近におけるグレイン境界が減少するため、チャネルがグレインによって途切れることがなく、有機分子膜が有効なチャネル形成の一部として働き移動度が向上する。さらに、有機分子膜を構成する第2の有機分子の主骨格(基)と同じ主骨格(基)を有する第1の有機分子によって有機半導体層が形成されているため、第1の有機分子と第2の有機分子がそれぞれ異なる主骨格を有するものである場合に比して、有機半導体層と有機分子膜との物理的結合力(密着性)が高まる。よって、本発明の有機薄膜トランジスタは、ゲート電圧が損失なしに均一に印加され、閾値電圧が低下し、低消費電力化が可能である。
また、本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法によれば、上述の効果を有する有機薄膜トランジスタを容易に得ることができる。
According to the organic thin film transistor of the present invention, since the second organic molecule constituting the organic molecular film is chemically bonded to the surface of the gate insulating film, the organic molecular film is compared with physical adsorption deposited on the gate insulating film. As a result, the adhesion (bonding force) between the gate insulating film and the organic molecular film is increased and the threshold voltage is reduced, and the second organic molecules are bonded to the surface of the gate insulating film at a high density, and in the vicinity of the gate insulating film. Since the grain boundary is reduced, the channel is not interrupted by grains, and the organic molecular film works as a part of effective channel formation and the mobility is improved. Furthermore, since the organic semiconductor layer is formed by the first organic molecule having the same main skeleton (group) as the main skeleton (group) of the second organic molecule constituting the organic molecular film, the first organic molecule and Compared with the case where the second organic molecules have different main skeletons, the physical bonding force (adhesion) between the organic semiconductor layer and the organic molecular film is increased. Therefore, in the organic thin film transistor of the present invention, the gate voltage is uniformly applied without loss, the threshold voltage is lowered, and the power consumption can be reduced.
Moreover, according to the manufacturing method of the organic thin-film transistor of this invention, the organic thin-film transistor which has the above-mentioned effect can be obtained easily.

本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体層と、該有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極およびドレイン電極を備え、前記ゲート絶縁膜の表面が、前記有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子と化学結合して修飾されたことを特徴とする。つまり、ゲート絶縁膜の表面が、ゲート絶縁膜と有機半導体層との密着性を高め、かつグレインの発生を抑制する等の目的で、前記第2の有機分子からなる有機分子膜にて修飾されている。   The organic thin film transistor of the present invention includes a gate electrode formed on a substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, an organic semiconductor layer formed on the gate insulating film, and the organic semiconductor layer or A source electrode and a drain electrode formed on the gate insulating film with an organic semiconductor layer interposed therebetween, and the surface of the gate insulating film is the same as the main skeleton of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer It is modified by chemical bonding with a second organic molecule having a main skeleton. That is, the surface of the gate insulating film is modified with the organic molecular film made of the second organic molecule for the purpose of improving the adhesion between the gate insulating film and the organic semiconductor layer and suppressing the generation of grains. ing.

本発明の有機薄膜トランジスタは、以下の2つの形態が挙げられる。
第1の実施形態としては、図1に示すように、基板101上にゲート電極102、ゲート絶縁膜103、有機分子膜104、有機半導体層105、およびソース電極106並びにドレイン電極107がこの順に形成されたものであり、第2の実施形態としては、図3に示すように、基板201上にゲート電極202、ゲート絶縁膜203、有機分子膜204、ソース電極206並びにドレイン電極207および有機半導体層205がこの順に形成され、ソース・ドレイン電極間に有機半導体層205が配置されたものである。
The organic thin film transistor of the present invention includes the following two forms.
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a gate electrode 102, a gate insulating film 103, an organic molecular film 104, an organic semiconductor layer 105, a source electrode 106, and a drain electrode 107 are formed in this order on a substrate 101. In the second embodiment, as shown in FIG. 3, a gate electrode 202, a gate insulating film 203, an organic molecular film 204, a source electrode 206, a drain electrode 207, and an organic semiconductor layer are formed on a substrate 201. 205 is formed in this order, and the organic semiconductor layer 205 is disposed between the source and drain electrodes.

上述の第1および第2の実施形態の有機薄膜トランジスタの製造方法として、例えば以下の5つの工程を挙げることができる。すなわち、基板上にゲート電極を形成する工程(A)と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程(B)と、前記ゲート絶縁膜の表面に有機分子膜を形成する工程(C)と、前記有機分子膜上に有機半導体層を形成する工程(D)と、前記有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記有機分子膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程(E)であり、工程(C)における有機分子膜の形成では、ゲート絶縁膜の表面に対して有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子を化学結合して修飾する。なお、前記工程(A)(B)(C)(D)(E)はこの順に限定されるものではなく、得ようとする形態のトランジスタ構造に応じて工程順序を組み変えることができる。つまり、第1の実施形態の有機薄膜トランジスタを製造する場合は、(A)(B)(C)(D)(E)の工程順であって、工程(E)において有機半導体層上にソース電極およびドレイン電極を形成するが、第2の実施形態の有機薄膜トランジスタを製造する場合は、(A)(B)(C)(E)(D)の工程順であって、工程(E)において有機分子膜上にソース電極およびドレイン電極を形成すると共に、工程(D)において少なくともソース・ドレイン電極間の有機分子膜上に有機半導体層を形成する。
以下、第1および第2の実施形態の有機薄膜トランジスタの各構成要素について説明する。
As a manufacturing method of the organic thin-film transistor of the above-mentioned 1st and 2nd embodiment, the following five processes can be mentioned, for example. That is, a step (A) of forming a gate electrode on the substrate, a step (B) of forming a gate insulating film on the gate electrode, and a step (C) of forming an organic molecular film on the surface of the gate insulating film. And (D) forming an organic semiconductor layer on the organic molecular film, and forming a source electrode and a drain electrode on the organic molecular film with the organic semiconductor layer or the organic semiconductor layer interposed therebetween ( E), and in the formation of the organic molecular film in the step (C), the second organic molecule having the same main skeleton as the main skeleton of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer with respect to the surface of the gate insulating film Are modified by chemical bonding. Note that the steps (A), (B), (C), (D), and (E) are not limited to this order, and the order of the steps can be changed depending on the transistor structure to be obtained. That is, when the organic thin film transistor of the first embodiment is manufactured, the source electrode is formed on the organic semiconductor layer in the order of steps (A), (B), (C), (D), and (E). In the case of manufacturing the organic thin film transistor of the second embodiment, the order of the steps (A), (B), (C), (E), and (D) A source electrode and a drain electrode are formed on the molecular film, and an organic semiconductor layer is formed on at least the organic molecular film between the source and drain electrodes in the step (D).
Hereafter, each component of the organic thin-film transistor of 1st and 2nd embodiment is demonstrated.

<基板>
基板は、絶縁性であれば特に限定されないが、有機薄膜トランジスタの製造段階で寸法変化の少ないものが好ましい。具体的には、合成石英基板、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板などが挙げられる。また、基板コストを低減させ、かつ可撓性を有するデバイスを得る場合は、折り曲げ可能なプラスチック基板が好ましく、例えばポリエーテルスルホン基板、ポリイミド基板、ポリエチレンテレフタレート基板などが挙げられる。
<Board>
The substrate is not particularly limited as long as it is insulative, but is preferably a substrate with little dimensional change at the manufacturing stage of the organic thin film transistor. Specific examples include a synthetic quartz substrate, a glass substrate, a plastic substrate, and a silicon substrate. Moreover, when obtaining the device which reduces board | substrate cost and has flexibility, the plastic substrate which can be bent is preferable, for example, a polyethersulfone board | substrate, a polyimide board | substrate, a polyethylene terephthalate board | substrate etc. are mentioned.

<ゲート電極>
ゲート電極の構成材料としては、導電性材料であれば特に限定されない。具体的には、導電性有機材料、導電性インク、金属、合金、導電性金属酸化物、ドーピングなどで導電率を向上させた無機半導体および有機半導体が挙げられ、これらの材料は2種以上を併用してもよい。例えば、チタンおよび金の2層金属膜が挙げられる。ゲート絶縁膜がシリコン窒化膜のとき、チタンは金とSiNx膜やSiO2膜の密着性を向上させる効果があるので好ましい。
ゲート電極は、真空蒸着法、イオンスパッタリング法、電子ビーム蒸着法などの物理気相堆積法や、化学気相堆積法などの方法で膜厚20〜200nm程度の薄膜として形成することができる。また、ゲート電極は必ずしもパターニングされている必要はなく、パターニングされていない場合でも有機半導体素子として動作は可能である。しかしながら、寄生容量などを考慮するとパターニングされているのが好ましい。
<Gate electrode>
The constituent material of the gate electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material. Specific examples include conductive organic materials, conductive inks, metals, alloys, conductive metal oxides, inorganic semiconductors and organic semiconductors whose conductivity has been improved by doping, and the like. You may use together. For example, a two-layer metal film of titanium and gold can be used. When the gate insulating film is a silicon nitride film, titanium is preferable because it has an effect of improving the adhesion between gold and the SiN x film or the SiO 2 film.
The gate electrode can be formed as a thin film having a thickness of about 20 to 200 nm by a physical vapor deposition method such as vacuum vapor deposition, ion sputtering, or electron beam vapor deposition, or a chemical vapor deposition method. Further, the gate electrode is not necessarily patterned, and can operate as an organic semiconductor element even when it is not patterned. However, in consideration of parasitic capacitance and the like, patterning is preferable.

<ゲート絶縁膜>
ゲート絶縁膜の構成材料としては、有機薄膜トランジスタに通常使用される絶縁材料を用いることができるが、表面処理できる材料が好ましく、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等が挙げられる。
ゲート絶縁膜は、化学気相堆積法(CVD)、減圧化学気相堆積法(LPCVD)およびプラズマ化学気相堆積法(PCVD)などによって膜厚10〜500nm程度で形成することができる。
また、ゲート絶縁膜はその表面に、有機分子膜を構成する有機分子と化学結合させるための官能基を有することが好ましいため、前記工程(C)の前に、ゲート絶縁膜を表面処理して複数の官能基を付加する、例えばゲート絶縁膜の表面を親水化処理してもよい。親水化処理の方法については、特に限定するものではないが、例えば、基板/ゲート電極/ゲート絶縁膜を積層した積層体をフッ酸に浸漬することによりゲート絶縁膜の表面親水化処理を行う方法、またはゲート絶縁膜の表面を酸素プラズマによりアッシングし、水中に浸漬して親水化する方法が挙げられる。
<Gate insulation film>
As a constituent material of the gate insulating film, an insulating material usually used for an organic thin film transistor can be used, but a material that can be surface-treated is preferable, and examples thereof include silicon oxide and silicon nitride.
The gate insulating film can be formed with a thickness of about 10 to 500 nm by a chemical vapor deposition method (CVD), a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD), a plasma chemical vapor deposition method (PCVD), or the like.
Moreover, since it is preferable that the gate insulating film has a functional group for chemically bonding with an organic molecule constituting the organic molecular film on the surface, the gate insulating film is subjected to a surface treatment before the step (C). A plurality of functional groups may be added, for example, the surface of the gate insulating film may be hydrophilized. The method of hydrophilization treatment is not particularly limited. For example, a method of hydrophilizing the surface of the gate insulating film by immersing a laminate of a substrate / gate electrode / gate insulating film in hydrofluoric acid. Alternatively, a method of ashing the surface of the gate insulating film with oxygen plasma and immersing it in water to make it hydrophilic is exemplified.

<有機半導体層>
有機半導体層を形成する材料は、電子受容性有機材料または電子供与性有機材料であれば、限定されるものではない。
電子受容性有機材料としては、π電子共役系化合物で電荷キャリアが電子であればどのようなものでも良いが空気中で安定なn型半導体特性を示す材料であれば、特に限定されるものではない。電子供与性有機材料は、共役系の広がったπ電子化合物で電荷キャリアが正孔であればどのようなものでも良いが空気中で安定なp型半導体特性を示す材料であれば、特に限定されるものではない。
<Organic semiconductor layer>
The material for forming the organic semiconductor layer is not limited as long as it is an electron-accepting organic material or an electron-donating organic material.
The electron-accepting organic material may be any π-electron conjugated compound as long as the charge carrier is an electron, but is not particularly limited as long as it is a material that exhibits stable n-type semiconductor characteristics in air. Absent. The electron-donating organic material may be any π-electron compound having a conjugated system and any charge carrier as long as it is a hole. However, the electron-donating organic material is not particularly limited as long as the material exhibits stable p-type semiconductor characteristics in air. It is not something.

有機半導体層を形成する電子受容性材料としては、フラーレンおよびその誘導体;ピリジンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;キノリンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;ベンゾフェナンスロリン類およびその誘導体によるラダーポリマー;シアノポリフェニレンビニレンなどの高分子;フッ素化無金属フタロシアニン類、フッ素化金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体;ペリレンおよびその誘導体;ナフタレン誘導体;バソキュプロインおよびその誘導体などの低分子を利用できる。   The electron-accepting material for forming the organic semiconductor layer includes fullerene and derivatives thereof; oligomers and polymers having pyridine and derivatives thereof as skeletons; oligomers and polymers having quinoline and derivatives thereof as skeletons; benzophenanthrolines and derivatives thereof Ladder polymers according to the above; polymers such as cyanopolyphenylene vinylene; fluorinated metal-free phthalocyanines, fluorinated metal phthalocyanines and derivatives thereof; perylene and derivatives thereof; naphthalene derivatives; small molecules such as bathocuproine and derivatives thereof can be used.

有機半導体層を形成する電子供与性材料としては、チオフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;チエニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;ビニルカルバゾールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;イソチアナフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー;ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマーなどの高分子;無金属フタロシアニン類、金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体;ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体;ペンタセンなどのアセン類およびその誘導体;ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィルなどの無金属ポルフィリンや金属ポルフィリンおよびその誘導体;シアニン色素;メロシア、ベンゾキノン、ナフトキノンなどのキノン系色素などを利用できる。なお、金属フタロシアニンや金属ポルフィリンの中心金属としては、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、アルミニウム、珪素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、白金、鉛などの金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物が用いられる。   Electron donating materials for forming the organic semiconductor layer include oligomers and polymers having thiophene and its derivatives in the skeleton; oligomers and polymers having phenylene vinylene and its derivatives in the skeleton; oligomers and polymers having thienylene vinylene and its derivatives in the skeleton. Polymer: Oligomers and polymers having vinyl carbazole and its derivatives in the skeleton; Oligomers and polymers having pyrrole and its derivatives in the skeleton; Oligomers and polymers having acetylene and its derivatives in the skeleton; Oligomers having isothiaphene and its derivatives Polymers such as oligomers and polymers having skeletons of heptadiene and its derivatives; metal-free phthalocyanines, metal phthalocyanines and their derivatives; diamines, phenyldiamines Derivatives thereof; acenes such as pentacene and derivatives thereof; porphyrin, tetramethylporphyrin, tetraphenylporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, monoazotetrabenzporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, triazotetrabenzporphyrin, octaethylporphyrin, octa Metal-free porphyrins such as alkylthioporphyrazine, octaalkylaminoporphyrazine, hemiporphyrazine, and chlorophyll, metalloporphyrins and derivatives thereof; cyanine dyes; quinone dyes such as merocyanine, benzoquinone, and naphthoquinone can be used. The central metals of metal phthalocyanine and metal porphyrin include metals such as magnesium, zinc, copper, silver, aluminum, silicon, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, tin, platinum, lead, metal oxide And metal halides are used.

有機半導体層を形成する上述の有機材料の中でも、電子受容性材料としてフラーレンあるいはフラーレン誘導体が好ましい。   Among the above-mentioned organic materials forming the organic semiconductor layer, fullerene or fullerene derivatives are preferable as the electron-accepting material.

有機半導体層は、真空蒸着法あるいはスピンコート法によって30〜200nmの膜厚で形成することができる。
真空蒸着法では、真空状態のチャンバー内で、有機分子膜を有する基板を基板温度50〜250℃に加熱しながら有機材料を有機分子膜上に蒸着することによって有機半導体層を形成することができる。なお、基板温度が50℃より低いと、有機半導体層のグレインサイズが小さくなり移動度が低くなる傾向にあり、一方250℃を越えると有機半導体層を形成し難くなる。
The organic semiconductor layer can be formed with a film thickness of 30 to 200 nm by vacuum deposition or spin coating.
In the vacuum deposition method, an organic semiconductor layer can be formed by depositing an organic material on the organic molecular film while heating the substrate having the organic molecular film to a substrate temperature of 50 to 250 ° C. in a vacuum chamber. . If the substrate temperature is lower than 50 ° C., the grain size of the organic semiconductor layer tends to be small and the mobility tends to be low, while if it exceeds 250 ° C., it becomes difficult to form the organic semiconductor layer.

また、スピンコート法では、有機材料を溶解した溶液をスピンコートによって有機分子膜上に塗布し、100〜250℃で焼成して有機半導体層を形成することができる。スピンコートによって有機半導体層を作製することによって低コストで薄膜形成を行うことができる。なお、焼成温度が100℃より低いと有機半導体層に薄膜が残り抵抗値が上昇し、一方250℃を越えると有機分子自体がダメージを受け特性が悪くなる。
スピンコートに使用する溶媒としては、例えば、アルコール類(メタノール、エタノール、t−ブタノール、ベンジルアルコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等)、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素(ジクロロメタン、ジクロエタン、クロロホルム、クロロベンゼン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、ジメチルスルホキシド、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセタミド等)、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類(酢酸エチル、酢酸ブチル等)、炭酸エステル類(炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等)、ケトン類(アセトン、2−ブタノン、シクロヘキサノン等)、炭化水素(ヘキサン、石油エーテル、ベンゼン、トルエン等)やこれらの混合溶媒が挙げられるが、これらの特性を備えたものであれば限定されるものではない。
In the spin coating method, a solution in which an organic material is dissolved can be applied onto an organic molecular film by spin coating, and baked at 100 to 250 ° C. to form an organic semiconductor layer. A thin film can be formed at low cost by forming an organic semiconductor layer by spin coating. When the firing temperature is lower than 100 ° C., a thin film remains in the organic semiconductor layer and the resistance value is increased. On the other hand, when the temperature exceeds 250 ° C., the organic molecules themselves are damaged and the characteristics are deteriorated.
Examples of the solvent used for spin coating include alcohols (methanol, ethanol, t-butanol, benzyl alcohol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, 3-methoxypropionitrile, etc.), nitromethane, halogenated carbonization, and the like. Hydrogen (dichloromethane, dichloroethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), dimethyl sulfoxide, amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc.), N-methylpyrrolidone 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters (ethyl acetate, butyl acetate, etc.), carbonates (diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), ketones (acetone, 2-butanone) Cyclohexanone), hydrocarbons (hexane, petroleum ether, benzene, toluene, etc.), but mixtures of these solvents, is not limited as long as having these properties.

<有機分子膜>
有機分子膜を形成するための材料としての有機分子(前記第2の有機分子)は、有機半導体層の形成材料である上述の有機分子(前記第1の有機分子)の主骨格と同じ主骨格(基)を有するものが用いられる。つまり、有機分子膜の有機材料としては、フラーレンの誘導体;ピリジンの誘導体;キノリンの誘導体;ベンゾフェナンスロリン類の誘導体;シアノポリフェニレンビニレンなどの高分子;フッ素化無金属フタロシアニン類およびフッ素化金属フタロシアニン類の各誘導体;ペリレンの誘導体;ナフタレン誘導体;バソキュプロインの誘導体といった電子受容性材料、あるいはチオフェンの誘導体;フェニレンビニレンの誘導体;チエニレンビニレンの誘導体;ビニルカルバゾールの誘導体;ピロールの誘導体;アセチレンの誘導体;イソチアナフェンの誘導体;ヘプタジエンの誘導体;無金属フタロシアニン類および金属フタロシアニン類の各誘導体;ジアミン類の誘導体;フェニルジアミン類の誘導体;ペンタセンなどのアセン類の誘導体;ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィルなどの無金属ポルフィリンや金属ポルフィリンの各誘導体、シアニン色素の誘導体;メロシア、ベンゾキノン、ナフトキノンなどのキノン系色素の誘導体といった電子供与性材料が挙げられるが、これらの中から、有機半導体層を形成するために選択した有機分子と同じ主骨格(基)を有する有機分子が選択される。
<Organic molecular film>
The organic molecule (the second organic molecule) as a material for forming the organic molecular film is the same main skeleton as the main skeleton of the organic molecule (the first organic molecule) described above, which is a material for forming the organic semiconductor layer. Those having (group) are used. In other words, organic materials for organic molecular films include: fullerene derivatives; pyridine derivatives; quinoline derivatives; benzophenanthroline derivatives; polymers such as cyanopolyphenylene vinylene; fluorinated metal-free phthalocyanines and fluorinated metal phthalocyanines. Perylene derivatives; naphthalene derivatives; electron-accepting materials such as bathocuproine derivatives, or thiophene derivatives; phenylene vinylene derivatives; thienylene vinylene derivatives; vinyl carbazole derivatives; pyrrole derivatives; acetylene derivatives; Derivatives of isothiaphene; derivatives of heptadiene; derivatives of metal-free phthalocyanines and metal phthalocyanines; derivatives of diamines; derivatives of phenyldiamines; induction of acenes such as pentacene Porphyrin, tetramethylporphyrin, tetraphenylporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, monoazotetrabenzporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, triazotetrabenzporphyrin, octaethylporphyrin, octaalkylthioporphyrazine, octaalkylaminoporphyrazine, hemiporphyrazine Electron-donating materials such as metal-free porphyrins such as chlorophyll, derivatives of metalloporphyrins, derivatives of cyanine dyes; derivatives of quinone dyes such as merocyanine, benzoquinone, and naphthoquinone. An organic molecule having the same main skeleton (group) as the organic molecule selected to form is selected.

さらに、有機分子膜を形成するための材料としての有機分子は、ゲート絶縁膜の表面の前記官能基と反応してゲート絶縁膜表面に化学結合できるよう、前記官能基と反応可能な置換基を有機分子の基の末端に有することが好ましい。
ゲート絶縁膜を上述のように表面親水化処理した場合、ゲート絶縁膜の表面には−OH(ヒドロキシル基)または−NH2(アミノ基)といった官能基が付加されているため、このような官能基の活性水素と反応させるために、有機分子膜の材料である有機分子には−COOH(カルボキシル基)、−COOR(Rはアルキル基、好ましくは炭素数1〜3の低級アルキル基)で表されるアルコキシカルボニル基、−Cl、−F、−Br等のハロゲン原子、−SiOR(Rはアルキル基、好ましくは炭素数1〜3の低級アルキル基)で表されるアルコキシシリル基、−SiCl3、−SiF3といったハロゲン化シリル基などの置換基または原子を主骨格の末端に有することが好ましい。これらの置換基またはハロゲン原子と、ゲート絶縁膜の表面に付加された−OHまたは−NH2の官能基との組み合わせは、−COOHと−NH2、−COOHと−OH、−Clと−OH、Si(OCH33と−OH、−SiCl3と−OHなどの組み合わせが挙げられる。
Furthermore, the organic molecule as a material for forming the organic molecular film has a substituent capable of reacting with the functional group so that it can chemically bond to the surface of the gate insulating film by reacting with the functional group on the surface of the gate insulating film. It is preferable to have at the terminal of the group of the organic molecule.
When the surface of the gate insulating film is hydrophilized as described above, a functional group such as —OH (hydroxyl group) or —NH 2 (amino group) is added to the surface of the gate insulating film. In order to react with the active hydrogen of the group, the organic molecule that is the material of the organic molecular film is represented by —COOH (carboxyl group) or —COOR (R is an alkyl group, preferably a lower alkyl group having 1 to 3 carbon atoms). An alkoxycarbonyl group, a halogen atom such as —Cl, —F, and —Br, an alkoxysilyl group represented by —SiOR (where R is an alkyl group, preferably a lower alkyl group having 1 to 3 carbon atoms), —SiCl 3 It is preferable to have a substituent such as a halogenated silyl group such as —SiF 3 or an atom at the end of the main skeleton. Combinations of these substituents or halogen atoms and —OH or —NH 2 functional groups added to the surface of the gate insulating film are —COOH and —NH 2 , —COOH and —OH, —Cl and —OH. , Si (OCH 3 ) 3 and —OH, and —SiCl 3 and —OH.

有機分子膜の形成、すなわちゲート絶縁膜表面の修飾に際しては、有機分子がゲート絶縁膜に十分化学結合するまで反応させることが好ましく、ゲート絶縁膜の表面に結合した有機分子のゲート絶縁膜表面に対する占有面積率は80%以上が好ましい。この占有面積率が80%より小さいと、ゲート絶縁膜表面上の有機分子の密度が不十分であるためグレインが多く発生し易く、有機薄膜トランジスタとしての閾値電圧が上昇する傾向にある。
ゲート絶縁膜表面に有機分子膜を化学結合させて形成する方法としては、親水化処理されたゲート絶縁膜を有する基板を、有機分子膜形成材料としての有機分子を含む溶液中に浸漬する方法が挙げられる。このとき、ゲート絶縁膜の表面に結合した有機分子のゲート絶縁膜表面に対する占有面積率は80%以上とする上で、基板を有機分子を含む溶液中に40〜200℃で10〜120分間浸漬することが好ましく、さらに好ましくは70〜150℃で20〜90分間、特に好ましくは100℃で40分間である。なお、この反応温度が40℃未満および/または反応時間が10分未満であると、占有面積率が80%以上になり難く、一方200℃超および/または120分超であると占有面積率は80%以上とさせるのにエネルギーおよび/または時間の浪費に繋がる。
When forming the organic molecular film, that is, modifying the surface of the gate insulating film, it is preferable to react until the organic molecule is sufficiently chemically bonded to the gate insulating film. The occupation area ratio is preferably 80% or more. If this occupied area ratio is less than 80%, the density of organic molecules on the surface of the gate insulating film is insufficient, so that many grains are likely to be generated, and the threshold voltage as an organic thin film transistor tends to increase.
As a method of forming an organic molecular film by chemically bonding to the surface of the gate insulating film, there is a method of immersing a substrate having a hydrophilized gate insulating film in a solution containing organic molecules as an organic molecular film forming material. Can be mentioned. At this time, the area ratio of the organic molecules bonded to the surface of the gate insulating film to the surface of the gate insulating film is 80% or more, and the substrate is immersed in a solution containing the organic molecules at 40 to 200 ° C. for 10 to 120 minutes. More preferably, it is 70-150 degreeC for 20 to 90 minutes, Most preferably, it is 100 degreeC for 40 minutes. When the reaction temperature is less than 40 ° C. and / or the reaction time is less than 10 minutes, the occupied area ratio is hardly 80% or more, whereas when the reaction temperature is more than 200 ° C. and / or more than 120 minutes, the occupied area ratio is If it is 80% or more, energy and / or time is wasted.

なお、ゲート絶縁膜表面に対する有機分子膜の有機分子の占有面積率は、(1)例えば石英基板の表面に同様の方法で有機分子膜を化学結合させ、吸光度が飽和した時点で占有面積率100%とし、よってそのときの吸光度の80%のとき、占有面積率も80%とする方法、あるいは(2)有機分子膜の紫外吸収スペクトルの吸光度を測定し、その吸収ピーク強度からゲート絶縁膜表面の単位面積当りの有機分子数を見積り、これの逆数をとることにより求める方法で測定できる。   The organic molecule occupied area ratio of the organic molecular film to the surface of the gate insulating film is as follows: (1) For example, when the organic molecular film is chemically bonded to the surface of the quartz substrate by the same method and the absorbance is saturated, the occupied area ratio is 100 Therefore, when the absorbance at that time is 80%, the occupied area ratio is also 80%, or (2) the absorbance of the ultraviolet absorption spectrum of the organic molecular film is measured, and the surface of the gate insulating film is determined from the absorption peak intensity. The number of organic molecules per unit area can be estimated, and the reciprocal of this number can be used to determine the number of organic molecules.

<ソース電極およびドレイン電極>
ソース電極およびドレイン電極の構成材料としては、導電性材料であれば特に限定されず、例えばゲート電極と同じ材料を用いることができるが、中でも、半導体層との接触面において電気抵抗が小さく、半導体層とオーミック接触する材料が好ましい。また、半導体層とショットキー接合になってしまう材料であっても、その障壁が低いものであれば十分使用できる。例えば、チタンと金の2層金属膜は、チタンは金とSiNx膜やSiO2膜の密着性を向上させる効果があるので好ましい。
ソース電極およびドレイン電極は、真空蒸着法、イオンスパッタリング法、電子ビーム蒸着法などの物理気相堆積法や、化学気相堆積法などの方法で膜厚20〜200nm程度の薄膜として形成することができる。
<Source electrode and drain electrode>
The material constituting the source electrode and the drain electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material. For example, the same material as that of the gate electrode can be used. Materials that are in ohmic contact with the layer are preferred. Even a material that becomes a Schottky junction with the semiconductor layer can be used as long as its barrier is low. For example, a two-layer metal film of titanium and gold is preferable because titanium has an effect of improving the adhesion between gold and a SiN x film or a SiO 2 film.
The source electrode and the drain electrode may be formed as a thin film having a thickness of about 20 to 200 nm by a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method, an ion sputtering method, an electron beam vapor deposition method, or a chemical vapor deposition method. it can.

以下、本発明の各実施形態の製造方法を図面を参照しながら説明する。なお、本発明は実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the manufacturing method of each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment.

(第1の実施形態)
図1に示す第1の実施形態の電界効果型有機薄膜トランジスタを製造するに際しては、まず、基板101を洗浄し、次にマスクを用い真空蒸着などによって前記基板101の上に所定のパターン形状のゲート電極102を膜厚20〜200nm程度の薄膜として形成し、続いてCVD法などによってゲート電極102上および基板101上にゲート絶縁膜103を膜厚10〜500nm程度の薄膜として形成する。
(First embodiment)
When the field effect organic thin film transistor of the first embodiment shown in FIG. 1 is manufactured, first, the substrate 101 is cleaned, and then a gate having a predetermined pattern shape is formed on the substrate 101 by vacuum evaporation using a mask. The electrode 102 is formed as a thin film with a thickness of about 20 to 200 nm, and then the gate insulating film 103 is formed as a thin film with a thickness of about 10 to 500 nm on the gate electrode 102 and the substrate 101 by a CVD method or the like.

その後、ゲート絶縁膜103上に有機分子膜104を形成する前に、ゲート絶縁膜103の表面を親水化処理し、ゲート絶縁膜103の表面に−OHまたは−NH3を付加する。実施形態1では−OHを付加した場合を例示している。親水化処理の方法については、上述したように基板をフッ酸に浸漬する方法または酸素プラズマによる方法がある。 Thereafter, before the organic molecular film 104 is formed on the gate insulating film 103, the surface of the gate insulating film 103 is subjected to a hydrophilic treatment, and —OH or —NH 3 is added to the surface of the gate insulating film 103. Embodiment 1 illustrates the case where —OH is added. As for the hydrophilization treatment method, there are a method of immersing the substrate in hydrofluoric acid or a method using oxygen plasma as described above.

ゲート絶縁膜103を表面親水化処理した後、分子末端に前記−OHと反応する置換基を有する有機分子膜形成用の有機分子を溶媒に溶解した溶液中に、基板/ゲート電極/ゲート絶縁膜を積層した積層体を浸漬し、40〜200℃で10〜120分間加熱し、ゲート絶縁膜103上に有機分子を化学結合させ、有機分子膜104を形成する。図2に示す第1の実施形態の場合、有機分子膜104の材料である有機分子は、その基(主骨格)Xの末端に−Si(OCH33が置換されたものであり、一の有機分子の−Si(OCH33がゲート絶縁膜上の−OHおよび隣接する他の有機分子の−Si(OCH33と反応して、有機分子膜104とゲート絶縁膜103とがSi−O結合によって化学結合すると共に、隣接する有機分子同士がSi−O−Si結合によって2次元的に化学結合(シロキサン結合)する。このとき、有機分子のゲート絶縁膜表面に対する占有面積率が80%以上の高密度となるように前記加熱温度および加熱時間の反応条件で反応させるが、この占有面積率と反応条件との関係は予め実験により測定しておくことにより、反応条件を制御することにより有機分子をゲート絶縁膜表面に占有面積率80%以上で結合させるよう制御することができる。 After the surface of the gate insulating film 103 is hydrophilized, the substrate / gate electrode / gate insulating film is dissolved in a solution in which organic molecules for forming an organic molecular film having a substituent that reacts with —OH at the molecular end are dissolved in a solvent. The laminated body is laminated and heated at 40 to 200 ° C. for 10 to 120 minutes to chemically bond organic molecules on the gate insulating film 103 to form the organic molecular film 104. In the case of the first embodiment shown in FIG. 2, the organic molecule that is the material of the organic molecular film 104 is one in which —Si (OCH 3 ) 3 is substituted at the end of the group (main skeleton) X. The organic molecule -Si (OCH 3 ) 3 reacts with -OH on the gate insulating film and -Si (OCH 3 ) 3 of other adjacent organic molecules, so that the organic molecular film 104 and the gate insulating film 103 become While being chemically bonded by the Si—O bond, adjacent organic molecules are two-dimensionally chemically bonded (siloxane bond) by the Si—O—Si bond. At this time, the reaction is performed under the reaction conditions of the heating temperature and the heating time so that the occupied area ratio of the organic molecules to the surface of the gate insulating film is 80% or higher. The relationship between the occupied area ratio and the reaction condition is as follows. By measuring in advance through experiments, it is possible to control the organic molecules to be bonded to the surface of the gate insulating film at an occupation area ratio of 80% or more by controlling the reaction conditions.

ゲート絶縁膜103上に有機分子膜104を形成した後、上述の真空蒸着法またはスピンコート後に焼成する方法により、有機分子膜104上に有機半導体層105を膜厚30〜200nm程度で形成する。
有機半導体層105を形成した後、マスクを用いて真空蒸着などによってソース電極106およびドレイン電極107を膜厚20〜200nm程度で形成する。
以上のような、ゲート電極102の形成からソース/ドレイン電極106、107の形成までの一連の工程において、光酸化を防ぐために、真空中および窒素などの不活性ガス中で行うのが好ましく、全ての工程を一度も大気中にさらすことなく行うことがさらに好ましい。
After the organic molecular film 104 is formed on the gate insulating film 103, the organic semiconductor layer 105 is formed with a thickness of about 30 to 200 nm on the organic molecular film 104 by the above-described vacuum deposition method or the method of baking after spin coating.
After the organic semiconductor layer 105 is formed, the source electrode 106 and the drain electrode 107 are formed with a film thickness of about 20 to 200 nm by vacuum deposition or the like using a mask.
In order to prevent photo-oxidation, a series of steps from the formation of the gate electrode 102 to the formation of the source / drain electrodes 106 and 107 are preferably performed in a vacuum and in an inert gas such as nitrogen. It is more preferable to carry out the above step without being exposed to the atmosphere even once.

(第2の実施形態)
図3に示す第2の実施形態の電界効果型有機薄膜トランジスタの製造方法では、第1の実施形態における有機半導体層の形成工程とソース/ドレイン電極の形成工程の順番が逆であること以外は、第1の実施形態の製造方法と同様に行なうことができる。この場合、ソース電極206およびドレイン電極207の全体を有機半導体層205によって被覆してもよい。
(Second Embodiment)
In the method of manufacturing the field effect organic thin film transistor of the second embodiment shown in FIG. 3, except that the order of the organic semiconductor layer forming step and the source / drain electrode forming step in the first embodiment is reversed. It can be performed in the same manner as the manufacturing method of the first embodiment. In this case, the entire source electrode 206 and drain electrode 207 may be covered with the organic semiconductor layer 205.

以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
実施例1では図1に示す構造の有機薄膜トランジスタを以下のように作製した。
まず、合成石英基板(縦横各3インチ、厚さ0.6mm)に対して、150℃、RFパワー50Wの条件下でO2プラズマによるアッシングを15分間行い、有機物汚染を除去した。次に、合成石英基板をフッ酸に1分間浸漬した後、超純水に6分間浸漬する洗浄処理を2回行い、洗浄後、超純水をN2ガスで吹き払った。
Example 1
In Example 1, an organic thin film transistor having the structure shown in FIG. 1 was produced as follows.
First, ashing with O 2 plasma was performed on a synthetic quartz substrate (3 inches in length and width, thickness 0.6 mm) under conditions of 150 ° C. and RF power 50 W for 15 minutes to remove organic contamination. Next, the synthetic quartz substrate was immersed in hydrofluoric acid for 1 minute and then washed twice for 6 minutes in ultrapure water. After cleaning, the ultrapure water was blown off with N 2 gas.

洗浄した基板の表面に、電子ビーム蒸着装置を用いてチタンおよび金を順次蒸着し、リフトオフにより膜厚5nmのチタンおよび膜厚100nmの金の2層金属膜からなるゲート電極を形成した。
次に、ゲート絶縁膜として、スパッタリング法に基づき、ゲート電極および基板上に膜厚300nmのSiO2膜を形成した。その後、ゲート絶縁膜の表面に対して酸素プラズマによるアッシング処理を行って清浄表面を露出した後、超純水に10分浸漬することで酸素ラジカル表面を水酸化した。
Titanium and gold were sequentially deposited on the surface of the cleaned substrate using an electron beam deposition apparatus, and a gate electrode made of a two-layer metal film of titanium having a thickness of 5 nm and gold having a thickness of 100 nm was formed by lift-off.
Next, as a gate insulating film, an SiO 2 film having a thickness of 300 nm was formed on the gate electrode and the substrate based on a sputtering method. Thereafter, the surface of the gate insulating film was subjected to an ashing process using oxygen plasma to expose the clean surface, and then immersed in ultrapure water for 10 minutes to hydroxylate the oxygen radical surface.

次に、フラーレン(C60)の誘導体である[6,6]−フェニレン C61−ブチリックアシッドエステル(PCBM:フロンティアカーボン製)のアルキル鎖の末端のカルボニル基の部分をトリクロルシリル基で置換した有機分子を有機分子膜形成用の有機材料として用意し、基板上にゲート電極およびゲート絶縁膜を積層した積層体を前記フラーレン誘導体の2重量%キシレン溶液に浸漬し、100℃で40分間加熱し、ゲート絶縁膜(SiO2)の表面にフラーレン誘導体を化学的に結合して膜厚2nmの有機分子膜(単分子膜)を形成した。 Next, the carbonyl group portion at the terminal of the alkyl chain of [6,6] -phenylene C 61 -butyric acid ester (PCBM: manufactured by Frontier Carbon), which is a derivative of fullerene (C 60 ), was substituted with a trichlorosilyl group. An organic molecule is prepared as an organic material for forming an organic molecular film, and a laminate in which a gate electrode and a gate insulating film are laminated on a substrate is immersed in a 2 wt% xylene solution of the fullerene derivative and heated at 100 ° C. for 40 minutes. Then, a fullerene derivative was chemically bonded to the surface of the gate insulating film (SiO 2 ) to form an organic molecular film (monomolecular film) having a thickness of 2 nm.

有機分子膜の形成後、真空蒸着装置を用いてフラーレン(C60)からなる有機半導体層を膜厚50nmで形成した。このとき、フラーレンを蒸着源に入れ、真空排気系を用いて4×10-6Torr以下になるまで排気し、その後徐々に温度を上昇させ、約250℃で蒸着源のシャッターを開け、温度を上昇させていった。約300℃あたりから蒸発が始まり、蒸着速度が0.1nm/sec程度になるように温度を調節しながら膜厚50nmになるまで蒸着を行った。なお、基板温度は30℃に保持した。 After the formation of the organic molecular film, an organic semiconductor layer made of fullerene (C 60 ) was formed with a film thickness of 50 nm using a vacuum deposition apparatus. At this time, the fullerene is put into the vapor deposition source and evacuated to 4 × 10 −6 Torr or less by using a vacuum exhaust system. Thereafter, the temperature is gradually increased, and the vapor deposition source shutter is opened at about 250 ° C. It was raised. Evaporation started from about 300 ° C., and deposition was performed until the film thickness reached 50 nm while adjusting the temperature so that the deposition rate was about 0.1 nm / sec. The substrate temperature was kept at 30 ° C.

その後、有機半導体層の表面にマスクを用いて真空蒸着(真空度:約4.0×10-4Pa)によりソース電極並びにドレイン電極を膜厚50nmで形成した。ソース/ドレイン電極の材料としては、MgとAgを原子数比で10:1となるように混合したマグネシウム合金を用いた。 Thereafter, a source electrode and a drain electrode were formed with a film thickness of 50 nm by vacuum deposition (vacuum degree: about 4.0 × 10 −4 Pa) using a mask on the surface of the organic semiconductor layer. As a material of the source / drain electrode, a magnesium alloy in which Mg and Ag were mixed so as to have an atomic ratio of 10: 1 was used.

このようにして作製した実施例1の有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の一部を剥離してゲート電極を露出させ、露出したゲート電極に銀ペーストをたらし乾燥させた。その後、得られた有機薄膜トランジスタを金属製のステージに固定し、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極にプローバーの探針を接触させ、ゲート電圧Vg、ドレイン電圧Vdを印加して、Vg−Id1/2曲線を測定した。また、これらから移動度μ(cm2/Vs)および閾値電圧Vth (V)を算出した。 Part of the gate insulating film of the organic thin film transistor of Example 1 produced in this way was peeled to expose the gate electrode, and a silver paste was applied to the exposed gate electrode and dried. Thereafter, the obtained organic thin film transistor is fixed to a metal stage, a prober probe is brought into contact with the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, and a gate voltage Vg and a drain voltage Vd are applied, and Vg−Id 1 / Two curves were measured. From these, the mobility μ (cm 2 / Vs) and the threshold voltage V th (V) were calculated.

(実施例2)
実施例2では、実施例1における有機半導体層形成時の基板温度を200℃に保持すること以外は、実施例1と同様にして有機薄膜トランジスタを作製し、実施例1と同様にVg−Id1/2曲線を測定し、移動度μ(cm2/Vs)および、閾値電圧Vth (V)を算出した。
(Example 2)
In Example 2, an organic thin film transistor was produced in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature during the formation of the organic semiconductor layer in Example 1 was maintained at 200 ° C., and Vg-Id 1 was obtained in the same manner as in Example 1. The / 2 curve was measured, and the mobility μ (cm 2 / Vs) and the threshold voltage V th (V) were calculated.

(比較例1)
比較例1では、実施例1における有機分子膜を形成しないこと以外は、実施例1と同様にして有機薄膜トランジスタを作製し、実施例1と同様にVg−Id1/2曲線を測定し、移動度μ(cm2/Vs)および、閾値電圧Vth (V)を算出した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, an organic thin film transistor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the organic molecular film was not formed in Example 1, and the Vg-Id 1/2 curve was measured and transferred as in Example 1. Degree μ (cm 2 / Vs) and threshold voltage V th (V) were calculated.

(実施例3)
実施例3では図3に示す構造の有機薄膜トランジスタを作製した。実施例3では、実施例1における有機半導体層の形成工程とソース/ドレイン電極の形成工程を逆の順番にしたこと以外は、実施例1と同様の条件で有機薄膜トランジスタを作製し、実施例1と同様にVg−Id1/2曲線を測定し、移動度μ(cm2/Vs)および、閾値電圧Vth (V)を算出した。
(Example 3)
In Example 3, an organic thin film transistor having the structure shown in FIG. 3 was produced. In Example 3, an organic thin film transistor was produced under the same conditions as in Example 1 except that the organic semiconductor layer forming process and the source / drain electrode forming process in Example 1 were reversed. Similarly, the Vg-Id 1/2 curve was measured, and the mobility μ (cm 2 / Vs) and the threshold voltage V th (V) were calculated.

(比較例2)
比較例2では、実施例3における有機分子膜を形成しないこと以外は、実施例3と同様にして有機薄膜トランジスタを作製し、実施例1と同様にVg−Id1/2曲線を測定し、移動度μ(cm2/Vs)および、閾値電圧Vth (V)を算出した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, an organic thin film transistor was produced in the same manner as in Example 3 except that the organic molecular film in Example 3 was not formed, and the Vg-Id 1/2 curve was measured and transferred as in Example 1. Degree μ (cm 2 / Vs) and threshold voltage V th (V) were calculated.

(比較例3)
比較例3では、実施例3における有機分子膜形成時にフラーレン誘導体の2重量%キシレン溶液を100℃で20分間加熱したこと以外は、実施例3と同様にして有機薄膜トランジスタを作製し、実施例1と同様にVg−Id1/2曲線を測定し、移動度μ(cm2/Vs)および、閾値電圧Vth (V)を算出した。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, an organic thin film transistor was prepared in the same manner as in Example 3 except that a 2 wt% xylene solution of a fullerene derivative was heated at 100 ° C. for 20 minutes during the formation of the organic molecular film in Example 3. Similarly, the Vg-Id 1/2 curve was measured, and the mobility μ (cm 2 / Vs) and the threshold voltage V th (V) were calculated.

上記実施例1〜3および比較例1〜3の結果を表1に示す。

Figure 2007194360
The results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1.
Figure 2007194360

表1から、実施例1〜3は高移動度でありかつ低閾値電圧であることがわかった。一方、比較例1は移動度が実施例3よりも若干良好であるが閾値電圧が最も高いため好ましくなく、比較例2および3は移動度および閾値電圧の両方が実施例1〜3に比して劣っていることがわかった。   From Table 1, it was found that Examples 1 to 3 had high mobility and low threshold voltage. On the other hand, Comparative Example 1 has a slightly better mobility than Example 3, but is not preferred because the threshold voltage is the highest, and Comparative Examples 2 and 3 are both less in mobility and threshold voltage than Examples 1-3. It turned out to be inferior.

本発明の有機薄膜トランジスタは、種々の用途、例えば、メモリ、論理素子又は論理回路等の半導体装置として、パーソナルコンピュータ、ノート、ラップトップ、パーソナル・アシスタント/発信機、ミニコンピュータ、ワークステーション、メインフレーム、マルチプロセッサー・コンピュータ又は他の全ての型のコンピュータシステム等のデータ処理システム;CPU、メモリ、データ記憶装置等のデータ処理システムを構成する電子部品;電話、PHS、モデム、ルータ等の通信機器;ディスプレイパネル、プロジェクタ等の画像表示機器;プリンタ、スキャナ、複写機等の事務機器;センサ;ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器;ゲーム機、音楽プレーヤ等の娯楽機器;携帯情報端末、時計、電子辞書等の情報機器;カーナビゲーションシステム、カーオーディオ等の車載機器;動画、静止画、音楽等の情報を記録、再生するためのAV機器;洗濯機、電子レンジ、冷蔵庫、炊飯器、食器洗い機、掃除機、エアコン等の電化製品;マッサージ器、体重計、血圧計等の健康管理機器;ICカード、メモリカード等の携帯型記憶装置等の電子機器への幅広い応用が可能である。   The organic thin film transistor of the present invention is used in various applications, for example, as a semiconductor device such as a memory, a logic element or a logic circuit, as a personal computer, a notebook, a laptop, a personal assistant / transmitter, a minicomputer, a workstation, a mainframe, Data processing systems such as multiprocessor computers or all other types of computer systems; electronic components comprising data processing systems such as CPUs, memories, data storage devices; communication devices such as telephones, PHS, modems, routers; displays Image display equipment such as panels and projectors; office equipment such as printers, scanners, and copiers; sensors; imaging equipment such as video cameras and digital cameras; entertainment equipment such as game machines and music players; portable information terminals, watches, electronic dictionaries Information equipment such as car In-vehicle devices such as navigation systems and car audio; AV devices for recording and playing back information such as videos, still images and music; electrification of washing machines, microwave ovens, refrigerators, rice cookers, dishwashers, vacuum cleaners, air conditioners, etc. Products; Health management equipment such as massagers, weight scales, blood pressure monitors, etc .; Wide application to electronic devices such as portable storage devices such as IC cards and memory cards.

本発明の第1の実施形態の有機薄膜トランジスタの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the organic thin-film transistor of the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態における有機分子膜を示す分子レベルの概略図である。It is the schematic of the molecular level which shows the organic molecular film in 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態の有機薄膜トランジスタの構造を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the organic thin-film transistor of the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101、201 基板
102、202 ゲート電極
103、203 ゲート絶縁膜
104、204 有機分子膜
105、205 有機半導体層
106、206 ソース電極
107、207 ドレイン電極
101, 201 Substrate 102, 202 Gate electrode 103, 203 Gate insulating film 104, 204 Organic molecular film 105, 205 Organic semiconductor layer 106, 206 Source electrode 107, 207 Drain electrode

Claims (11)

基板上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体層と、該有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記ゲート絶縁膜上に形成されたソース電極およびドレイン電極を備え、前記ゲート絶縁膜の表面が、前記有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子と化学結合して修飾されたことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。   A gate electrode formed on the substrate; a gate insulating film formed on the gate electrode; an organic semiconductor layer formed on the gate insulating film; and the organic semiconductor layer or the organic semiconductor layer interposed therebetween And a source electrode and a drain electrode formed on the gate insulating film, wherein the surface of the gate insulating film has the same main skeleton as the main skeleton of the first organic molecule constituting the organic semiconductor layer. An organic thin film transistor, which is modified by chemical bonding with an organic molecule. 前記第2の有機分子のゲート絶縁膜表面に対する占有面積率が80%以上である請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。   2. The organic thin film transistor according to claim 1, wherein an occupation area ratio of the second organic molecule to the surface of the gate insulating film is 80% or more. 前記第1の有機分子がフラーレンまたはその誘導体であり、前記第2の有機分子がフラーレン誘導体である請求項1または2に記載の有機薄膜トランジスタ。   The organic thin film transistor according to claim 1 or 2, wherein the first organic molecule is fullerene or a derivative thereof, and the second organic molecule is a fullerene derivative. 前記第2の有機分子膜とゲート絶縁膜との化学結合がSi−O結合である請求項1〜3のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタ。   The organic thin film transistor according to any one of claims 1 to 3, wherein a chemical bond between the second organic molecular film and the gate insulating film is a Si-O bond. 基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に有機半導体層を形成する工程と、前記有機半導体層上または有機半導体層を間に挟んで前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程とを備え、有機半導体層を形成する前に、前記ゲート絶縁膜の表面に対して前記有機半導体層を構成する第1の有機分子の主骨格と同じ主骨格を有する第2の有機分子を化学結合させて修飾する工程を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。   Forming a gate electrode on the substrate, forming a gate insulating film on the gate electrode, forming an organic semiconductor layer on the gate insulating film, and forming the organic semiconductor layer or the organic semiconductor layer on the gate insulating film; Forming a source electrode and a drain electrode on the gate insulating film with a sandwich therebetween, and forming the organic semiconductor layer on the surface of the gate insulating film before forming the organic semiconductor layer A method for producing an organic thin film transistor, comprising a step of chemically bonding and modifying a second organic molecule having the same main skeleton as the main skeleton of the organic molecule. 前記ゲート絶縁膜の表面を修飾する前に、ゲート絶縁膜を表面処理して複数の官能基を付加し、その後、表面処理されたゲート絶縁膜表面の前記官能基と反応する置換基を基の末端に有する前記第2の有機分子を用いて、ゲート絶縁膜の表面を修飾する請求項5に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。   Before modifying the surface of the gate insulating film, the gate insulating film is surface-treated to add a plurality of functional groups, and then a substituent that reacts with the functional group on the surface of the gate-treated film is treated with a substituent. 6. The method of manufacturing an organic thin film transistor according to claim 5, wherein the surface of the gate insulating film is modified using the second organic molecule at the end. 前記ゲート絶縁膜の表面を修飾するに際して、表面処理されたゲート絶縁膜を有する基板を第2の有機分子を含む溶液中に40〜200℃で10〜120分間浸漬する請求項6に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。   The organic material according to claim 6, wherein when modifying the surface of the gate insulating film, the substrate having the surface-treated gate insulating film is immersed in a solution containing the second organic molecule at 40 to 200 ° C for 10 to 120 minutes. A method for manufacturing a thin film transistor. 前記第2の有機分子の置換基とゲート絶縁膜表面の官能基との組み合わせが、−COOHと−NH2、−COOHと−OH、−Clと−OHまたは−Si(OCH33と−OHである請求項6または7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 The combination of a functional group substituent and the surface of the gate insulating film of the second organic molecules, -COOH and -NH 2, -COOH and -OH, -Cl and -OH or -Si (OCH 3) 3 and - It is OH, The manufacturing method of the organic thin-film transistor of Claim 6 or 7. 前記第1の有機分子がフラーレン誘導体またはその誘導体であり、前記第2の有機分子がフラーレン誘導体である請求項5〜8のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。   The method for producing an organic thin film transistor according to any one of claims 5 to 8, wherein the first organic molecule is a fullerene derivative or a derivative thereof, and the second organic molecule is a fullerene derivative. 有機半導体層が、真空蒸着法により基板温度50〜250℃で形成される請求項5〜9のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。   The method for producing an organic thin film transistor according to any one of claims 5 to 9, wherein the organic semiconductor layer is formed at a substrate temperature of 50 to 250 ° C by a vacuum deposition method. 有機半導体層が、ゲート絶縁膜の修飾された表面上にスピンコート法により第1の有機分子を含む溶液を塗布し、その塗布膜を焼成することにより形成される請求項5〜9のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。   The organic semiconductor layer is formed by applying a solution containing the first organic molecule on the modified surface of the gate insulating film by a spin coating method and baking the applied film. The manufacturing method of the organic thin-film transistor as described in one.
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