JP2008060117A - Organic thin-film transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機半導体膜を用いた有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an organic thin film transistor using an organic semiconductor film and a manufacturing method thereof.
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、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。 With the widespread use of information terminals, there is an increasing need for flat panel displays as computer displays. In addition, with the progress of computerization, the information that has been provided in paper media has been increasingly digitized. As a mobile display medium that is thin, light, and easy to carry, it has become electronic paper or digital paper. Needs are growing.
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(有機エレクトロルミネッセンス)、電気泳動等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等を確保するために、画像駆動方法としては薄膜トランジスタ素子(TFT素子)を用いるアクティブ駆動方法が主流になっている。例えば、通常のコンピュータディスプレイではガラス基体上にこれらTFT素子を形成し、液晶、有機EL素子等が封止されている。 In general, in a flat panel display device, a display medium is formed using elements utilizing liquid crystal, organic EL (organic electroluminescence), electrophoresis, or the like. In such a display medium, an active driving method using a thin film transistor element (TFT element) has become mainstream as an image driving method in order to ensure uniformity of screen luminance, screen rewriting speed, and the like. For example, in a normal computer display, these TFT elements are formed on a glass substrate, and liquid crystal, organic EL elements, etc. are sealed.
ここでTFT素子には主にa−Si(アモルファスシリコン)、p−Si(ポリシリコン)等の半導体を用いており、これらのSi半導体(必要に応じて金属膜も)を多層化し、ソース、ドレイン、ゲート電極を基体上に順次形成していくことでTFT素子が製造される。こうしたTFT素子の製造には、通常スパッタリング、その他の真空系の製造プロセスが必要とされる。 Here, a semiconductor such as a-Si (amorphous silicon), p-Si (polysilicon) or the like is mainly used for the TFT element, and these Si semiconductors (and metal films as necessary) are multilayered, and the source, The TFT element is manufactured by sequentially forming the drain and gate electrodes on the substrate. The manufacture of such TFT elements usually requires sputtering or other vacuum manufacturing processes.
しかしながらこれらSi系のTFT素子では、スイッチング動作の要となる半導体層だけでもp型とn型といった複数の半導体層が積層されているように、多数の層の形成が必要であり、これらの層の形成には真空チャンバーを含む真空系の製造プロセスが必要であるため、装置コスト、ランニングコストが非常に膨大なものとなっている。さらに、これらの真空系の製造プロセスで形成した層を、フォトリソグラフ等の手段によってパターニングする必要があり、このパターニング工程においても露光・現像・洗浄等の多数の工程を行う必要があり、結果として、素子を基体上に形成するためには何十もの工程を必要とてしている。こうした従来のSi半導体による製造方法ではディスプレイ画面の大型化のニーズに対し、真空チャンバー等の製造装置の大幅な設計変更が必要とされる等、設備の変更が容易ではない。 However, in these Si-based TFT elements, it is necessary to form a large number of layers so that a plurality of semiconductor layers such as p-type and n-type are stacked only on the semiconductor layer that is necessary for the switching operation. Since a vacuum manufacturing process including a vacuum chamber is required to form the film, the apparatus cost and running cost are extremely enormous. Furthermore, it is necessary to pattern the layer formed by these vacuum manufacturing processes by means such as photolithography, and in this patterning process, it is necessary to perform a number of steps such as exposure, development, and washing, and as a result In order to form the element on the substrate, dozens of processes are required. In such a conventional manufacturing method using a Si semiconductor, it is not easy to change the equipment, for example, a design change of a manufacturing apparatus such as a vacuum chamber is required in response to the need for a large display screen.
また、このような従来からのSi材料を用いたTFT素子の形成には高い温度の工程が含まれるため、基体材料には工程温度に耐える材料であるという制限が加わることになる。このため実際上はガラスを用いざるをえず、先に述べた電子ペーパーあるいはデジタルペーパーといった薄型ディスプレイを、こうした従来知られたTFT素子を利用して構成した場合、そのディスプレイは重く、柔軟性に欠け、落下の衝撃で割れる可能性のある製品となってしまう。ガラス基体上にSi系TFT素子を形成することに起因するこれらの特徴は、情報化の進展に伴う手軽な携行用薄型ディスプレイへのニーズを満たすにあたり望ましくないものである。 Further, since the formation of such a conventional TFT element using a Si material includes a high temperature process, the base material is restricted to be a material that can withstand the process temperature. Therefore, in practice, glass must be used, and when the above-described thin display such as electronic paper or digital paper is configured using such a conventionally known TFT element, the display is heavy and flexible. Products that may break due to chipping or dropping impact. These characteristics resulting from the formation of Si-based TFT elements on a glass substrate are undesirable in satisfying the need for an easy-to-carry-type thin display with the progress of computerization.
一方、近年において高い電荷輸送性を有する有機化合物として、有機半導体材料の研究が精力的に進められている。これらの化合物は有機EL素子用の電荷輸送性材料のほか、例えば、有機レーザー発振素子や、多数の論文にて報告されている有機薄膜トランジスタ素子(有機TFT素子)への応用が期待されている。 On the other hand, in recent years, organic semiconductor materials have been energetically studied as organic compounds having high charge transport properties. In addition to charge transport materials for organic EL devices, these compounds are expected to be applied to, for example, organic laser oscillation devices and organic thin film transistor devices (organic TFT devices) reported in many papers.
これまでに半導体層として検討されてきた材料としては、ペンタセンやテトラセンといったアセン類、またこれらに置換基を導入した化合物、フタロシアニンやポルフィリン類、およびこれらの前駆体、ペリレンやそのテトラカルボン酸誘導体といった低分子化合物や、α−チエニールもしくはセクシチオフェンと呼ばれるチオフェン6量体を代表例とする芳香族オリゴマー、ナフタレン、アントラセンに5員の芳香族複素環が対称に縮合した化合物、モノ、オリゴ及びポリジチエノピリジン、更にはポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリ−p−フェニレンビニレンといった共役高分子などが挙げられる。 Materials that have been studied as semiconductor layers so far include acenes such as pentacene and tetracene, compounds having substituents introduced thereto, phthalocyanines and porphyrins, and precursors thereof, perylene and its tetracarboxylic acid derivatives, etc. Low molecular weight compounds, aromatic oligomers such as thiophene hexamers called α-thienyl or sexithiophene, compounds obtained by symmetrically condensing 5-membered aromatic heterocycles with naphthalene and anthracene, mono, oligo and polydithienopyridines Furthermore, conjugated polymers such as polythiophene, polythienylene vinylene, and poly-p-phenylene vinylene can be used.
これらのような有機材料が半導体層であるデバイスを実現できれば、低温での真空ないし低圧蒸着による製造ができると考えられる。このような低温プロセスによる製造は、透明樹脂基体上へのTFT素子の形成を可能とし、ディスプレイを従来のものよりも軽く、柔軟性に富み、落としても割れない(もしくは非常に割れにくい)ディスプレイとすることができると考えられる。 If a device in which such an organic material is a semiconductor layer can be realized, it may be possible to manufacture by vacuum or low pressure deposition at a low temperature. Manufacturing by such a low temperature process makes it possible to form TFT elements on a transparent resin substrate, making the display lighter and more flexible than conventional ones, and not broken (or very difficult to break) when dropped. It is thought that it can be.
さらに、これらの有機半導体材料の分子構造を適切に改良することによって溶剤に可溶化することができれば、インクジェット法または印刷法などといった簡便な溶液プロセスによってパターニングが可能となり、フォトリソグラフに伴う露光・現像・洗浄等の多数の工程を削減することができ、簡便な工程でディスプレイを製造できることが期待される。 Furthermore, if it can be solubilized in a solvent by appropriately improving the molecular structure of these organic semiconductor materials, patterning is possible by a simple solution process such as an ink jet method or a printing method, and exposure and development associated with photolithography -It is expected that a number of processes such as washing can be reduced and a display can be manufactured by a simple process.
ところでこれらのTFT素子では、半導体層はソース電極およびドレイン電極と接して形成されており、ソース電極から半導体層へとキャリアが注入され、半導体層の表面または内部をキャリアが通過し、半導体層からドレイン電極へとキャリアが放出される。これらの層はそれぞれに異なる材料で構成されているため、TFT素子では半導体層と電極との間にキャリアの注入障壁が存在している。半導体層が有機半導体材料であった場合、Si系の半導体層に比してキャリア注入障壁が大きく、高性能なTFT素子の作成が困難であることが知られている。 By the way, in these TFT elements, the semiconductor layer is formed in contact with the source electrode and the drain electrode, carriers are injected from the source electrode into the semiconductor layer, the carriers pass through the surface or inside of the semiconductor layer, and from the semiconductor layer. Carriers are released to the drain electrode. Since these layers are formed of different materials, a carrier injection barrier exists between the semiconductor layer and the electrode in the TFT element. When the semiconductor layer is an organic semiconductor material, it is known that the carrier injection barrier is larger than that of the Si-based semiconductor layer, and it is difficult to create a high-performance TFT element.
このような、電極と半導体層の界面におけるキャリア注入の問題を改善するために、電極と有機半導体層の間に中間的な薄膜を設けるといった手段が考案されている。 In order to improve such a problem of carrier injection at the interface between the electrode and the semiconductor layer, means for providing an intermediate thin film between the electrode and the organic semiconductor layer has been devised.
例えば特許文献1では、電極と半導体層との間にカーボンナノチューブを設けている。特許文献2では銅フタロシアニン等の金属錯体からなる中間層を形成している。特許文献3ではポリフッ化ビニリデン等の永久双極子モーメントを有する中間層を形成している。また、非特許文献1では電極をペンタフルオロチオフェノールによって処理することによって、電極と有機半導体層との間のキャリア注入効率を向上させ、キャリア移動度を向上させようといった試みがなされている。
For example, in Patent Document 1, a carbon nanotube is provided between an electrode and a semiconductor layer. In
しかしこれらの中間層は、蒸着によって形成しなければならないため、工程が煩雑であるだけでなく膜厚の制御が困難であるために特性が安定しないといった課題を有していたり、あるいは溶液を弾きやすい材料であるために、塗布プロセスによる有機半導体層の形成が困難であったりといった課題を有していた。また、得られる移動度についてもいまだ不十分なものにとどまっていた。
本発明の目的は、薄膜トランジスタ特性が良好で、さらには生産効率が高い溶液プロセスによって製造することのできる有機薄膜トランジスタ、及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an organic thin film transistor that can be manufactured by a solution process having good thin film transistor characteristics and high production efficiency, and a method for manufacturing the same.
本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。 The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.
1.少なくとも、基体上に形成された第1の電極パターンと、該第1の電極パターンに接して形成された絶縁層と、該絶縁層に接して形成された第2の電極パターンと、金属と化学的結合力を有する官能基を有し、かつ該第2の電極パターンに該官能基を介して化学的に結合されたコーティング層と、該コーティング層に接して形成された有機半導体層とを有する有機薄膜トランジスタにおいて、該コーティング層の形成に用いられる電極表面処理剤が、下記一般式(1)で表される化合物であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 1. At least a first electrode pattern formed on the substrate, an insulating layer formed in contact with the first electrode pattern, a second electrode pattern formed in contact with the insulating layer, a metal and a chemical And a coating layer chemically bonded to the second electrode pattern via the functional group, and an organic semiconductor layer formed in contact with the coating layer An organic thin film transistor, wherein the electrode surface treating agent used for forming the coating layer is a compound represented by the following general formula (1).
(式中、Aは金属と化学的結合力を有する官能基を表す。L1は置換または無置換のアルキレン基、シクロアルキレン基、アルケン−1,2−ジイル基、アルキン−1,2−ジイル基、アリーレン基から選ばれる2価の連結基を表す。QはC、Si、Ge、Sn、Pbから選ばれる4価の原子を表し、R1〜R3は置換または無置換のアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、互いに連結して環を形成していても良い。)
2.前記コーティング層を、上記一般式(1)で表される化合物の官能基Aがチオール基である電極表面処理剤で形成されたことを特徴とする前記1に記載の有機薄膜トランジスタ。
(In the formula, A represents a functional group having a chemical bonding force with a metal. L 1 represents a substituted or unsubstituted alkylene group, cycloalkylene group, alkene-1,2-diyl group, alkyne-1,2-diyl. Group represents a divalent linking group selected from an arylene group, Q represents a tetravalent atom selected from C, Si, Ge, Sn, and Pb, R 1 to R 3 represent a substituted or unsubstituted alkyl group, This represents a substituent selected from a halogenated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group, which may be linked to each other to form a ring.
2. 2. The organic thin film transistor according to 1 above, wherein the coating layer is formed of an electrode surface treatment agent in which the functional group A of the compound represented by the general formula (1) is a thiol group.
3.前記コーティング層を、上記一般式(1)で表される化合物の4価の原子Qがケイ素原子である電極表面処理剤で形成されたことを特徴とする前記1又は2に記載の有機薄膜トランジスタ。 3. 3. The organic thin film transistor according to 1 or 2 above, wherein the coating layer is formed of an electrode surface treatment agent in which the tetravalent atom Q of the compound represented by the general formula (1) is a silicon atom.
4.前記コーティング層の形成に用いられる電極表面処理剤が、下記一般式(2)で表される化合物であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 4). An organic thin film transistor, wherein the electrode surface treating agent used for forming the coating layer is a compound represented by the following general formula (2).
(式中L2は置換または無置換のアルキレン基、シクロアルキレン基、アリーレン基から選ばれる2価の連結基を表す。R4は置換または無置換のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、互いに連結して環を形成していても良い。)
5.前記第2の電極パターンを形成する金属が、金であることを特徴とする前記1〜4のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。
(In the formula, L 2 represents a divalent linking group selected from a substituted or unsubstituted alkylene group, a cycloalkylene group, and an arylene group. R 4 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, alkyl group. It represents a substituent selected from silyl groups and may be linked to each other to form a ring.
5. 5. The organic thin film transistor according to any one of 1 to 4, wherein the metal forming the second electrode pattern is gold.
6.前記絶縁層上に、下記一般式(3)で表されるシランカップリング剤で処理することによって形成された、第2のコーティング層を有していることを特徴とする前記1〜5のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタ。 6). Any one of 1 to 5 above, wherein the insulating layer has a second coating layer formed by treatment with a silane coupling agent represented by the following general formula (3). The organic thin-film transistor of Claim 1.
(式中、Xはハロゲン原子、アルコキシ基、イソシアナート基から選ばれる、加水分解性の置換基を表す。Q″は前記一般式(1)におけるQと同じ4価の原子を表し、R1′、R2′、R3′は前記一般式(1)におけるR1、R2、R3と同じ置換基を表す。L3は置換または無置換のアルキレン基、シクロアルキレン基、アルケン−1,2−ジイル基、アルキン−1,2−ジイル基、アリーレン基から選ばれる2価の連結基を表す。)
7.前記1〜6のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタの有機半導体層が塗布によって形成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
(Wherein, X is a halogen atom, an alkoxy group, selected from isocyanate groups, .Q representing a hydrolyzable substituent "are the same as tetravalent atoms and Q in the formula (1), R 1 ′, R 2 ′, R 3 ′ represent the same substituents as R 1 , R 2 , R 3 in the general formula (1), L 3 represents a substituted or unsubstituted alkylene group, cycloalkylene group, alkene-1 , 2-diyl group, alkyne-1,2-diyl group, arylene group represents a divalent linking group.)
7). 7. The method for producing an organic thin film transistor, wherein the organic semiconductor layer of the organic thin film transistor according to any one of 1 to 6 is formed by coating.
8.前記1〜6のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタのコーティング層の形成が、大気圧プラズマ処理によって前記第2の電極パターンの表面を洗浄する工程と、前記電極表面処理剤を含有する溶液を洗浄された前記第2の電極パターン表面に供給する工程と、前記電極表面処理剤を溶解していた溶液を揮発・乾燥させる工程によって成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 8). The formation of the coating layer of the organic thin film transistor according to any one of 1 to 6 includes a step of cleaning the surface of the second electrode pattern by atmospheric pressure plasma treatment, and a solution containing the electrode surface treatment agent. An organic thin film transistor manufacturing method comprising: supplying the cleaned second electrode pattern surface; and volatilizing and drying a solution in which the electrode surface treating agent is dissolved.
本発明によれば、薄膜トランジスタ特性が良好で、生産効率が高い溶液プロセスにより製造することができる有機薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the organic thin-film transistor which can be manufactured with the solution process with favorable thin-film transistor characteristics and high production efficiency, and its manufacturing method can be provided.
本発明を更に詳しく説明する。 The present invention will be described in more detail.
本発明の有機薄膜トランジスタは、ゲート電極のパターンとなる第1の電極パターンと、ゲート電極を被覆する絶縁層と、該絶縁層上に形成された、ソース/ドレイン電極となる第2の電極パターンと、ソース/ドレイン電極に接して形成されたコーティング層と、該コーティング層に接して形成された有機半導体層と、からなる有機薄膜トランジスタであって、ソース/ドレイン電極と有機半導体層の間のコーティング層に特定の電極表面処理剤から形成されるコーティング層を有することによって、ソース/ドレイン電極から有機半導体層へのキャリアの注入が改善された、特性の良好な有機薄膜トランジスタであることを特徴とする。以下、このようなコーティング層を形成することのできる表面処理剤、および有機薄膜トランジスタを構成する層とその材料について詳しく説明する。 The organic thin film transistor of the present invention includes a first electrode pattern serving as a gate electrode pattern, an insulating layer covering the gate electrode, and a second electrode pattern serving as a source / drain electrode formed on the insulating layer. An organic thin film transistor comprising: a coating layer formed in contact with a source / drain electrode; and an organic semiconductor layer formed in contact with the coating layer, wherein the coating layer is between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer. It is an organic thin film transistor with good characteristics that has improved coating of carriers from the source / drain electrode to the organic semiconductor layer by having a coating layer formed from a specific electrode surface treatment agent. Hereinafter, the surface treatment agent capable of forming such a coating layer, the layer constituting the organic thin film transistor, and the material thereof will be described in detail.
〔電極表面処理剤〕
本発明の有機薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン電極と有機半導体層の間に、前記一般式(1)で表される電極表面処理剤からなるコーティング層を有していることを特徴とする。
[Electrode surface treatment agent]
The organic thin film transistor of the present invention is characterized in that a coating layer made of the electrode surface treatment agent represented by the general formula (1) is provided between the source / drain electrodes and the organic semiconductor layer.
一般式(1)において、Aは金属と化学的結合力を有する官能基を表し、具体的には、アミノ基、イミノ基、ヒドロキシ基、エーテル基、チオール基、スルフィド基、ジスルフィド基、ホスフィニル基、ピリジル基、ビピリジル基、ベンゾトリアゾリル基(−C6H4N3)、カルボニルオキシベンゾトリアゾール基(−OC(=O)C6H4N3)、オキシベンゾトリアゾール基(−O−C6H4N3)、アミノベンゾトリアゾール基(−NH−C6H4N3)、および−CONHOH、−COOH、−COSH、−C5H4N、−SO3H、−NC、−CHO、−PO3H2、−OPO3H2といった構造式であらわされる置換基等が挙げられるが、これに限ったものではない。 In the general formula (1), A represents a functional group having a chemical bonding force with a metal, specifically, an amino group, an imino group, a hydroxy group, an ether group, a thiol group, a sulfide group, a disulfide group, a phosphinyl group. , Pyridyl group, bipyridyl group, benzotriazolyl group (—C 6 H 4 N 3 ), carbonyloxybenzotriazole group (—OC (═O) C 6 H 4 N 3 ), oxybenzotriazole group (—O—) C 6 H 4 N 3), aminobenzotriazole group (-NH-C 6 H 4 N 3), and -CONHOH, -COOH, -COSH, -C 5 H 4 N, -SO 3 H, -NC, - Examples include substituents represented by structural formulas such as CHO, —PO 3 H 2 , and —OPO 3 H 2, but are not limited thereto.
このような、金属と化学的結合力を有する官能基を有することで、電極と結合した単分子膜からなるコーティング層を形成することができる。そのため、本発明のコーティング層は常に一定の厚さのコーティング層とすることができ、コーティング層の厚さのバラツキに起因するキャリアの注入障壁の変動を抑制し、安定した特性を有する有機薄膜トランジスタを得ることができる。 By having such a functional group having a chemical bonding force with a metal, a coating layer made of a monomolecular film bonded to an electrode can be formed. Therefore, the coating layer of the present invention can always be a coating layer having a constant thickness, and the organic thin film transistor having stable characteristics can be suppressed by suppressing the fluctuation of the carrier injection barrier due to the variation in the coating layer thickness. Obtainable.
また、一般式(1)において、L1は置換または無置換のアルキレン基、シクロアルキレン基、アルケン−1,2−ジイル基、アルキン−1,2−ジイル基、アリーレン基から選ばれる2価の連結基を表し、QはC、Si、Ge、Sn、Pbから選ばれる4価の原子を表す。R1〜R3は置換または無置換のアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、互いに連結して環を形成していても良い。 In the general formula (1), L 1 is a divalent group selected from a substituted or unsubstituted alkylene group, cycloalkylene group, alkene-1,2-diyl group, alkyne-1,2-diyl group, and arylene group. Represents a linking group, and Q represents a tetravalent atom selected from C, Si, Ge, Sn, and Pb. R 1 to R 3 represent a substituent selected from a substituted or unsubstituted alkyl group, a halogenated alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and an alkylsilyl group, and are connected to each other. May form a ring.
具体的には、アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等)、ハロゲン化アルキル基(例えば、トリフルオロメチル基、1,1,1−トリフルオロプロピル基等)、アルケニル基(例えば、ビニル基、アリル基等)、アルキニル基(例えば、エチニル基、プロパルギル基等)、シクロアルキル基(例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等)、アリール基(例えば、フェニル基、p−クロロフェニル基、メシチル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、アントリル基、アズレニル基、アセナフテニル基、フルオレニル基、フェナントリル基、インデニル基、ピレニル基、ビフェニリル基等)、ヘテロアリール基(例えば、フリル基、チエニル基、ピリジル基、ピリダジニル基、ピリミジニル基、ピラジニル基、トリアジニル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、チアゾリル基、キナゾリニル基、フタラジニル基等)、アルキルシリル基(例えば、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリプロピル(i又はn)シリル基、トリブチル(i、t又はn)シリル基等)、これらの置換基は上記の置換基によってさらに置換されていても、複数が互いに結合して環を形成していてもよい。また、好ましくは、直鎖、分岐または環状のアルキル基である。 Specifically, an alkyl group (for example, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, etc.), Halogenated alkyl group (for example, trifluoromethyl group, 1,1,1-trifluoropropyl group, etc.), alkenyl group (for example, vinyl group, allyl group, etc.), alkynyl group (for example, ethynyl group, propargyl group, etc.) , Cycloalkyl groups (for example, cyclopentyl group, cyclohexyl group, etc.), aryl groups (for example, phenyl group, p-chlorophenyl group, mesityl group, tolyl group, xylyl group, naphthyl group, anthryl group, azulenyl group, acenaphthenyl group, fluorenyl group) Group, phenanthryl group, indenyl group, pyrenyl group, bif Nitryl group, etc.), heteroaryl group (for example, furyl group, thienyl group, pyridyl group, pyridazinyl group, pyrimidinyl group, pyrazinyl group, triazinyl group, imidazolyl group, pyrazolyl group, thiazolyl group, quinazolinyl group, phthalazinyl group, etc.), alkyl A silyl group (for example, a trimethylsilyl group, a triethylsilyl group, a tripropyl (i or n) silyl group, a tributyl (i, t or n) silyl group, etc.), these substituents are further substituted by the above substituents Alternatively, a plurality of them may be bonded to each other to form a ring. Moreover, it is preferably a linear, branched or cyclic alkyl group.
従来公知の電極表面処理剤は、直鎖状アルキル基やアリール基有する電極表面処理剤であり、比較的膜密度の高いコーティング層を形成するのに対し、本発明の電極表面処理剤は、末端部が立体的に嵩高い電極表面処理剤とすることで、膜密度の低いコーティング層とすることができる。詳細は不明であるが、このようなコーティング層を電極と有機半導体層の間に形成することで、電極から有機半導体層へのキャリアの注入が改善され、良好な特性を有する有機薄膜トランジスタが得られるものと推定される。また、有機溶剤系の溶液を塗布する際に、直鎖状アルキル基やアリール基を有する電極表面処理剤から形成されるコーティング層よりも、溶剤をはじきにくいといった効果もある。 A conventionally known electrode surface treatment agent is an electrode surface treatment agent having a linear alkyl group or an aryl group, and forms a coating layer having a relatively high film density, whereas the electrode surface treatment agent of the present invention has a terminal end. By using an electrode surface treatment agent having a three-dimensionally bulky part, a coating layer having a low film density can be obtained. Although details are unknown, by forming such a coating layer between the electrode and the organic semiconductor layer, carrier injection from the electrode to the organic semiconductor layer is improved, and an organic thin film transistor having good characteristics is obtained. Estimated. In addition, when an organic solvent-based solution is applied, there is an effect that the solvent is less likely to be repelled than a coating layer formed from an electrode surface treatment agent having a linear alkyl group or an aryl group.
本発明の電極表面処理剤の中でも、前記Aで表される金属と化学的結合力を有する官能基がチオール基である電極表面処理剤であることが好ましい。これはチオール基が、金属と共有結合に近い強固な結合を形成し、安定ではがれにくいコーティング層を形成するためである。 Among the electrode surface treatment agents of the present invention, an electrode surface treatment agent in which the functional group having a chemical binding force with the metal represented by A is a thiol group is preferable. This is because the thiol group forms a strong bond close to a covalent bond with the metal and forms a coating layer that is difficult to peel off stably.
より好ましくは、前記Qで表される原子がケイ素原子である電極表面処理剤である。ケイ素原子は炭素よりも大きな原子であり、嵩高い末端を形成しやすく、より膜密度の低いコーティング層を形成することができる。またケイ素よりもおおきな原子ではR1〜R3で表される置換基やL1で表される連結基との結合が不安定となる傾向がある。 More preferably, it is an electrode surface treatment agent in which the atom represented by Q is a silicon atom. A silicon atom is an atom larger than carbon, can easily form a bulky end, and can form a coating layer having a lower film density. Further, atoms larger than silicon tend to be unstable in bonding with a substituent represented by R 1 to R 3 or a linking group represented by L 1 .
さらに好ましい電極表面処理剤としては、前記一般式(2)で表される化合物である。 A more preferable electrode surface treatment agent is a compound represented by the general formula (2).
一般式(2)において、L2は置換または無置換のアルキレン基、シクロアルキレン基、アリーレン基から選ばれる2価の連結基を表し、R4は置換または無置換のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルシリル基から選ばれる置換基を表し、互いに連結して環を形成していても良い。アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルシリル基は、上述した一般式(1)のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルシリル基で挙げた基を挙げることができる。 In the general formula (2), L 2 represents a divalent linking group selected from a substituted or unsubstituted alkylene group, a cycloalkylene group, and an arylene group, and R 4 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, a cycloalkyl group, It represents a substituent selected from an aryl group and an alkylsilyl group, and may be connected to each other to form a ring. Examples of the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, and alkylsilyl group include the groups described above for the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, and alkylsilyl group of the general formula (1).
このように、ケイ素原子を置換する置換基R1〜R3が全て同一の置換基R4となることで、規則的で欠陥の少ないコーティング層を形成することができ、ひいては良好な特性を有する有機薄膜トランジスタを得ることができる。 Thus, since the substituents R 1 to R 3 for substituting silicon atoms are all the same substituent R 4 , it is possible to form a coating layer that is regular and has few defects, and thus has good characteristics. An organic thin film transistor can be obtained.
以下、本発明の一般式(1)又は(2)で表される化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されない。 Hereinafter, although the specific example of a compound represented by General formula (1) or (2) of this invention is shown, this invention is not limited to these.
これらの化合物は、上記の化合物は以下の文献を参考にして合成することができる。 These compounds can be synthesized by referring to the following documents.
一方の末端にアルキルシリル基を有し、他方の末端にビニル基を有する化合物は、例えば、Tetrahedron Lett.,vol.26(1985),5375頁、またJ.Org.Chem.,vol.70(2005),4865頁等を参考に合成することができる。また、末端のビニル基にチオール基を付加する反応としては、例えば、J.Org.Chem.,vol.28(1963),3263頁、等を参考に合成することができる。 Compounds having an alkylsilyl group at one end and a vinyl group at the other end are described in, for example, Tetrahedron Lett. , Vol. 26 (1985), page 5375; Org. Chem. , Vol. 70 (2005), 4865 pages and the like. Examples of the reaction for adding a thiol group to a vinyl group at the terminal include J. Org. Org. Chem. , Vol. 28 (1963), p. 3263, and the like.
本発明に用いられる表面処理剤としては、基体の表面を表面処理した時、表面の水に対する接触角が特定の範囲となるものが好ましく、表面処理後の表面の水に対する接触角は、50度〜150度となることが好ましく、より好ましくは70〜120度、さらに好ましくは85〜105度がである。接触角が低いと、トランジスタ素子のキャリア移動度やon/off比を著しく低下させ、高すぎると有機半導体層を形成する際に有機半導体材料を含有する溶液をはじきやすくなる。この接触角は接触角計(CA−DT・A型:協和界面科学社製)を用いて20℃、50%RHの環境下で測定するものである。 As the surface treatment agent used in the present invention, when the surface of the substrate is surface-treated, the surface contact angle with water is preferably in a specific range, and the surface contact angle with water after the surface treatment is 50 degrees. It is preferably ˜150 degrees, more preferably 70 to 120 degrees, and still more preferably 85 to 105 degrees. When the contact angle is low, the carrier mobility and on / off ratio of the transistor element are remarkably reduced. When the contact angle is too high, the solution containing the organic semiconductor material is easily repelled when the organic semiconductor layer is formed. This contact angle is measured under an environment of 20 ° C. and 50% RH using a contact angle meter (CA-DT • A type: manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.).
本発明に係る表面処理剤は他の表面処理剤と混合して用いることができる。他の表面処理剤としてはアルキルトリクロロシラン、アルキルトリアルコキシシラン等が挙げられる。 The surface treatment agent according to the present invention can be used by mixing with other surface treatment agents. Examples of other surface treatment agents include alkyltrichlorosilane and alkyltrialkoxysilane.
本発明に係る電極表面処理剤により形成されるコーティング層の厚さは、0.5〜20nmの範囲が好ましく、より好ましくは0.7〜10nm、さらに好ましくは1.0〜3.0nmである。 The thickness of the coating layer formed by the electrode surface treatment agent according to the present invention is preferably in the range of 0.5 to 20 nm, more preferably 0.7 to 10 nm, and still more preferably 1.0 to 3.0 nm. .
また、薄膜表面の表面粗さRaは、薄膜トランジスタが後述のボトムゲート型では、その基体、ゲート電極、ゲート絶縁膜の表面性にも大きく影響を受けるが、概して0.01〜10nmとすることが、トランジスタ素子のキャリア移動度の観点から好ましい。 The surface roughness Ra of the thin film surface is greatly influenced by the surface properties of the substrate, the gate electrode, and the gate insulating film when the thin film transistor is a bottom gate type described later. From the viewpoint of carrier mobility of the transistor element, it is preferable.
本発明のコーティング層を形成する方法としては、本発明の電極表面処理剤を含有する溶液を、スピンコート法やスクリーン印刷法、インクジェット印刷法、エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、ナイフコーター法、スクイズコーター法、リバースロールコーター法、トランスファーロールコーター法、グラビアコーター法、キスコーター法、キャストコーター法、スプレーコーター法、スリットオリフィスコーター法、カレンダーコーター法、浸漬法、スプレー法、滴下法、ラングミャー・ブロジェット法などといった各種の溶液プロセスを用いて第2の電極パターン上に塗布し、洗浄、乾燥することによって形成することができる。 As a method for forming the coating layer of the present invention, a solution containing the electrode surface treatment agent of the present invention is prepared by spin coating, screen printing, ink jet printing, air doctor coater, blade coater, rod coater, Knife coater method, squeeze coater method, reverse roll coater method, transfer roll coater method, gravure coater method, kiss coater method, cast coater method, spray coater method, slit orifice coater method, calendar coater method, dipping method, spray method, dropping method It can be formed by applying on the second electrode pattern using various solution processes such as the Langmyr-Blodgett method, washing, and drying.
〔電極〕
次に、ゲート電極である第1の電極パターン、およびソース/ドレイン電極である第2の電極パターンを形成する電極材料とその形成方法について説明する。
〔electrode〕
Next, an electrode material for forming a first electrode pattern that is a gate electrode and a second electrode pattern that is a source / drain electrode and a method for forming the electrode material will be described.
本発明の有機薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極である第1の電極パターン、および電極と電源とをつなぐ配線部を構成する材料としては、導電性材料であれば特に限定されず、公知の電極材料にて形成される。電極材料として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、銀ペースト及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。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等)も好適に用いられる。 In the organic thin film transistor of the present invention, the material constituting the first electrode pattern that is the gate electrode and the wiring portion that connects the electrode and the power source is not particularly limited as long as it is a conductive material. It is formed. The electrode material is not particularly limited as long as it is a conductive material. Platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, Germanium, molybdenum, tungsten, tin oxide / antimony, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and carbon paste, lithium, beryllium, sodium, magnesium, potassium, calcium , Scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, aluminum, magnesium / copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum Miniumu mixture, a magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide mixture, a lithium / aluminum mixture, or the like is used. Alternatively, known conductive polymers whose conductivity is improved by doping or the like, for example, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiophene (polyethylenedioxythiophene and polystyrenesulfonic acid complex, etc.) are also preferably used.
またソース/ドレイン電極である第2の電極パターンを形成する材料としては、上に挙げた中でも、前述の電極表面処理剤と結合可能な金属を含有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、銀ペースト及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を挙げることができる。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く、半導体層がp型半導体の場合は、白金、金、銀、銅が好ましい。中でも好ましくは、有機半導体材料との電位差が少なく、電極から有機半導体へのキャリア注入障壁の小さい金である。また、金は酸化などによって電極表面に酸化皮膜を作ることがないため、電極表面と本発明の電極表面処理剤との反応性が低下するといった恐れがない。 The material for forming the second electrode pattern that is the source / drain electrode is not particularly limited as long as it contains a metal that can be combined with the above-described electrode surface treatment agent, and is not particularly limited. , Silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, tin oxide / antimony, indium tin oxide (ITO) , Fluorine-doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and carbon paste, lithium, beryllium, sodium, magnesium, potassium, calcium, scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium, sodium-cariou Alloy, magnesium, lithium, aluminum, magnesium / copper mixture, a magnesium / silver mixture, a magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide mixture, and lithium / aluminum mixtures. Among them, those having a small electric resistance at the contact surface with the semiconductor layer are preferable, and platinum, gold, silver, and copper are preferable when the semiconductor layer is a p-type semiconductor. Among them, gold is preferable because it has a small potential difference with respect to the organic semiconductor material and has a small carrier injection barrier from the electrode to the organic semiconductor. Further, since gold does not form an oxide film on the electrode surface due to oxidation or the like, there is no fear that the reactivity between the electrode surface and the electrode surface treating agent of the present invention is lowered.
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ドライプロセス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状を形成する方法、アルミニウムや銅等の金属箔上に熱転写、インクジェット等により、レジストを形成しエッチングによって形成したパターニングし、レーザーアブレーション等により転写する方法、また導電性ポリマーの溶液あるいは金属微粒子を含有する分散液、導電性インク、導電性ペースト等を凸版、凹版、平版、スクリーン印刷等印刷法、インクジェット法などの溶液プロセスによって形成する方法、などが挙げられる。 As a method for forming an electrode, a conductive thin film formed using a dry process such as vapor deposition or sputtering using the above as a raw material, and a method for forming an electrode shape using a known photolithography method or a lift-off method, aluminum, copper, or the like A method in which a resist is formed on a metal foil by thermal transfer, ink jet, etc., patterned by etching, transferred by laser ablation, etc., or a conductive polymer solution or dispersion containing metal fine particles, conductive ink, conductive And a method of forming a functional paste or the like by a printing process such as relief printing, intaglio printing, lithographic printing, screen printing, or a solution process such as an inkjet method.
ソース電極及びドレイン電極の形状を形成する手段としては、フォトリソグラフ法またはインクジェット法を用いて形成することが好ましい。 As a means for forming the shape of the source electrode and the drain electrode, it is preferable to use a photolithographic method or an inkjet method.
なお上述した電極表面処理剤は、電極の表面が酸化されて酸化皮膜を形成していたり、有機物などによる汚れが付着していると電極との反応性が低下し、制御された厚みを有するコーティング層を形成することが困難となる場合があるため、前述の電極表面処理剤を用いてコーティング層を形成する際は、コーティング層を形成する直前に、公知の洗浄方法を用いて電極表面を清浄に洗浄しておくことが好ましい。 Note that the electrode surface treatment agent described above is a coating having a controlled thickness because the surface of the electrode is oxidized to form an oxide film, or when dirt due to organic matter or the like is attached, the reactivity with the electrode decreases. Since it may be difficult to form a layer, when forming a coating layer using the above-described electrode surface treatment agent, clean the electrode surface using a known cleaning method immediately before forming the coating layer. It is preferable to wash it.
このような電極表面洗浄方法としては、強酸・強アルカリによる処理、紫外線照射、オゾン処理、コロナ放電処理、プラズマ処理等を挙げることができる。中でも好ましくはプラズマ処理であり、さらに好ましくは大気圧プラズマ処理である。 Examples of such an electrode surface cleaning method include treatment with a strong acid / strong alkali, ultraviolet irradiation, ozone treatment, corona discharge treatment, plasma treatment and the like. Of these, plasma treatment is preferred, and atmospheric pressure plasma treatment is more preferred.
大気圧プラズマ処理とは、大気圧下において対向する電極間に電界を印加することにより発生したプラズマを含有するガスを、基材に吹き付けるといった処理である。大気圧プラズマ処理では、真空プラズマ処理に比して活性種の密度が高いために高速・高効率で電極表面の処理ができ、また処理時に真空にする必要がないために少ない工程数で処理ができるといったメリットがある。大気圧プラズマ処理は、特開2003−309266号等を参考にして行うことができる。 The atmospheric pressure plasma treatment is a treatment in which a gas containing plasma generated by applying an electric field between opposing electrodes under atmospheric pressure is sprayed onto a substrate. In atmospheric pressure plasma processing, the density of active species is higher than in vacuum plasma processing, so the electrode surface can be processed at high speed and high efficiency. There is an advantage that you can. The atmospheric pressure plasma treatment can be performed with reference to JP-A No. 2003-309266.
〔有機半導体膜〕
有機半導体膜を構成する有機半導体材料としては、電界効果によってキャリアの移動度を制御できる材料であれば制限なく用いることができるが、キャリアが正孔であるp型半導体と、キャリアが電子であるn型半導体に大別することができる。しかしこれまでn型の有機半導体材料で高移動度かつ安定な材料はほとんど見つかっておらず、大多数はp型の有機半導体材料である。
[Organic semiconductor film]
As an organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film, any material can be used as long as it can control the mobility of carriers by the electric field effect. However, a p-type semiconductor in which the carriers are holes and the carriers are electrons. It can be roughly divided into n-type semiconductors. However, up to now, there are few n-type organic semiconductor materials with high mobility and stability, and the majority are p-type organic semiconductor materials.
このような有機半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族化合物や共役系化合物が挙げられる。 Examples of such organic semiconductor materials include various condensed polycyclic aromatic compounds and conjugated compounds.
縮合多環芳香族化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、へプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。 Examples of the condensed polycyclic aromatic compound include anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, thacumanthracene, bisanthene, zeslen, heptazelene. , Pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, and the like, and derivatives and precursors thereof.
共役系化合物としては、例えば、ポリチオフェン及びそのオリゴマー、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、テトラチアフルバレン化合物、キノン化合物、テトラシアノキノジメタン等のシアノ化合物、フラーレン及びこれらの誘導体あるいは混合物を挙げることができる。 Examples of the conjugated compound include polythiophene and its oligomer, polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, tetrathiafulvalene compound, quinone Compounds, cyano compounds such as tetracyanoquinodimethane, fullerenes and derivatives or mixtures thereof.
また、特にポリチオフェン及びそのオリゴマーのうち、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、等のオリゴマーが好適に用いることができる。 In particular, among polythiophene and oligomers thereof, thiophene hexamer, α-seccithiophene α, ω-dihexyl-α-sexualthiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3- An oligomer such as butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.
さらに、ポルフィリンや銅フタロシアニン、特開平11−251601号に記載のフッ素置換銅フタロシアニン等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等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等のアントラセンテトラカルボン酸ジイミド類等の縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、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、等の有機分子錯体、C60、C70、C76、C78、C84等フラーレン類、SWNT等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等の色素等、さらにポリシラン、ポリゲルマン等の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。
Furthermore, porphyrin, copper phthalocyanine, metal phthalocyanines such as fluorine-substituted copper phthalocyanine described in JP-A No. 11-251601, naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide, N, N′-bis (4-tri Fluoromethylbenzyl) naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide, N, N'-bis (1H, 1H-perfluorooctyl), N, N'-bis (1H, 1H-perfluorobutyl) and N , N'-dioctylnaphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide derivative, naphthalene tetracarboxylic acid diimides such as
これらのπ共役系材料のうちでも、ペンタセン等の縮合多環芳香族化合物、フラーレン類、縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、金属フタロシアニン、金属ポルフィリンよりなる群から選ばれた少なくとも1種が好ましい。 Among these π-conjugated materials, at least one selected from the group consisting of condensed polycyclic aromatic compounds such as pentacene, fullerenes, condensed ring tetracarboxylic acid diimides, metal phthalocyanines, and metal porphyrins is preferable.
有機半導体層を形成する方法としては、真空蒸着法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)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、スパッター法、などの物理的気相成長法(PVD法)や化学的気相成長法(CVD法)のようなドライプロセス、
スピンコート法やスクリーン印刷法、インクジェット印刷法、エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、ナイフコーター法、スクイズコーター法、リバースロールコーター法、トランスファーロールコーター法、グラビアコーター法、キスコーター法、キャストコーター法、スプレーコーター法、スリットオリフィスコーター法、カレンダーコーター法、浸漬法、スプレー法、滴下法、ラングミャー・ブロジェット法などといった溶液プロセスを挙げることができ、用いる有機半導体材料に応じてこれらの中から適切な方法を用いればよい。
As a method for forming the organic semiconductor layer, physical vapor deposition methods such as a vacuum deposition method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, an ion cluster beam method, a low energy ion beam method, an ion plating method, and a sputtering method ( Dry processes such as PVD and chemical vapor deposition (CVD),
Spin coating method, screen printing method, inkjet printing method, air doctor coater method, blade coater method, rod coater method, knife coater method, squeeze coater method, reverse roll coater method, transfer roll coater method, gravure coater method, kiss coater method, Examples of the solution process include cast coater method, spray coater method, slit orifice coater method, calender coater method, dipping method, spray method, dripping method, Langmyer-Blodgett method, etc., depending on the organic semiconductor material used. An appropriate method may be used.
本発明の有機薄膜トランジスタにおいては、上記のプロセスのうち、溶液プロセスで有機半導体層を形成することが好ましい。溶液プロセスで形成することができれば工程数の大幅な削減ができ、簡便な工程で有機薄膜トランジスタを形成することができるだけでなく、ドライプロセスで形成するよりも大きな結晶を形成することが可能であり、ひいては良好な移動度を有する有機薄膜トランジスタを形成することができる。 In the organic thin film transistor of the present invention, it is preferable to form the organic semiconductor layer by a solution process among the above processes. If it can be formed by a solution process, the number of steps can be greatly reduced, and not only can an organic thin film transistor be formed by a simple process, but also a crystal larger than that formed by a dry process can be formed. As a result, an organic thin film transistor having good mobility can be formed.
しかし、一般に上記の縮合多環芳香族化合物や共役系化合物は溶解性に乏しく、可溶性の有機半導体材料とするためには、上記のような有機半導体材料に、アルキル基、アルキルシリル基、シクロアルキル基、アリール基等の置換基を付与することによって、溶媒に可溶化された有機半導体材料を用いることが好ましい。 However, in general, the above condensed polycyclic aromatic compounds and conjugated compounds have poor solubility, and in order to obtain a soluble organic semiconductor material, an organic group such as the above, an alkyl group, an alkylsilyl group, or a cycloalkyl group. It is preferable to use an organic semiconductor material solubilized in a solvent by adding a substituent such as a group or an aryl group.
このような可溶性の有機半導体材料としては、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)や特開2003−292588号および特開2005−76030号に記載されているような、アルキル基を有するポリチオフェン系化合物、前記非特許文献1に記載されているような、トリアルキルシリルエチニル基を有するようなアセン化合物およびヘテロアセン化合物、また特開2003−304104号に記載されている、ビシクロ環のような立体的な環状構造を有するポルフィリン化合物などを挙げることができる。 Examples of such a soluble organic semiconductor material include poly (3-hexylthiophene) and polythiophene compounds having an alkyl group as described in JP-A Nos. 2003-292588 and 2005-76030, An acene compound and a heteroacene compound having a trialkylsilylethynyl group as described in Patent Document 1, and a three-dimensional cyclic structure such as a bicyclo ring described in JP-A-2003-304104 Examples thereof include porphyrin compounds.
これら有機半導体膜の膜厚としては、特に制限はないが、得られたトランジスタの特性は、有機半導体膜の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体により異なるが、一般に10nm〜1μm、好ましくは、20nm〜500nm、より好ましくは30nm〜300nmである。 The film thickness of these organic semiconductor films is not particularly limited, but the characteristics of the obtained transistor are often greatly influenced by the film thickness of the organic semiconductor film, and the film thickness varies depending on the organic semiconductor. In general, the thickness is 10 nm to 1 μm, preferably 20 nm to 500 nm, more preferably 30 nm to 300 nm.
〔ゲート絶縁膜〕
本発明の有機薄膜トランジスタのゲート絶縁層としては種々の絶縁膜を用いることができるが、例えば、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、等の金属酸化物、
窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン等の金属窒化物、ポリメチルメタクリレート(PMMA)やポリビニルフェノール(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、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、エポキシ樹脂やオキセタン樹脂等の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、及びシアノエチルプルランやトリアセチルセルロース等の天然多糖類を原料とした樹脂、ゼラチン、低温化学的気相成長法で形成したパリレン等の有機系絶縁材料を挙げることができるし、これらの組み合わせを用いることもできる。
[Gate insulation film]
Various insulating films can be used as the gate insulating layer of the organic thin film transistor of the present invention. For example, silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, titanium zirconate Barium oxide, lead zirconate titanate, lead lanthanum titanate, strontium titanate, barium titanate, barium fluoride magnesium, bismuth titanate, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, bismuth tantalate niobate, trioxide yttrium Metal oxides, etc.
Metal nitrides such as silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, titanium nitride, polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl phenol (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyimide, polyamide, polyester, polyacrylate, radical photopolymerization system, Photo-curing resin such as epoxy resin and oxetane resin, or copolymer containing acrylonitrile component, polyvinylphenol, polyvinyl alcohol, novolac resin, and natural polysaccharides such as cyanoethyl pullulan and triacetyl cellulose And organic insulating materials such as resin, gelatin, and parylene formed by low-temperature chemical vapor deposition, and combinations thereof can also be used.
これらの材料の中でも、絶縁破壊電圧が高く、かつ比誘電率の高い材料を用いることが好ましい。絶縁破壊電圧が高い材料では絶縁膜の膜圧を薄くすることができ、生産速度を高いものとすることができ、素子を折り曲げた際のクラックの発生や剥がれを低減することができる。また、比誘電率が高い材料を用いれば、低いゲート電圧でチャネルを形成することができ、低電圧で駆動できる有機薄膜トランジスタとすることができる。このような特性を満たす絶縁膜材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリビニルフェノール、およびポリイミドを好ましく用いることができる。 Among these materials, it is preferable to use a material having a high dielectric breakdown voltage and a high relative dielectric constant. With a material having a high dielectric breakdown voltage, the film pressure of the insulating film can be reduced, the production speed can be increased, and the occurrence of cracks and peeling when the element is bent can be reduced. If a material having a high relative dielectric constant is used, a channel can be formed with a low gate voltage, and an organic thin film transistor that can be driven with a low voltage can be obtained. As the insulating film material satisfying such characteristics, silicon oxide, silicon nitride, polyvinylphenol, and polyimide can be preferably used.
絶縁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、化学的気相成長(CVD)法、スパッタリング法、大気圧プラズマCVD法等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、ダイコート法等の塗布による方法、印刷やインクジェット等のパターニングによる方法等のウェットプロセス、ゲート電極の表面を酸化あるいは窒化することによって形成する方法が挙げられ、材料に応じて使用できる。ウェットプロセスとしては、例えばAu電極に対しては、一端をメルカプト基で修飾された炭化水素およびアルキルシランなどのように、ゲート電極と化学的に結合を形成し得る官能基を有する絶縁性分子によって、浸漬法等の方法で自己組織的にゲート電極表面を被覆することで、ゲート電極の表面に絶縁膜を形成することもできる。また、ゲート電極の表面を酸化あるいは窒化するといった手法を用いても絶縁膜を形成することができる。ゲート電極を酸化する方法としては、酸素プラズマを用いた酸化法、陽極酸化法を例示することができる。またゲート電極の表面を窒化する方法としては、窒素プラズマを用いた窒化法を例示することができる。 The insulating film can be formed by vacuum deposition, molecular beam epitaxial growth, ion cluster beam method, low energy ion beam method, ion plating method, chemical vapor deposition (CVD) method, sputtering method, atmospheric pressure plasma CVD. Dry processes such as spray coating, spray coating, spin coating, blade coating, dip coating, casting, roll coating, bar coating, die coating, etc. And a method of forming the surface of the gate electrode by oxidizing or nitriding, and can be used depending on the material. As a wet process, for example, for an Au electrode, an insulating molecule having a functional group capable of forming a chemical bond with a gate electrode, such as a hydrocarbon modified with a mercapto group at one end and an alkylsilane, is used. An insulating film can also be formed on the surface of the gate electrode by covering the surface of the gate electrode in a self-organizing manner by a method such as immersion. The insulating film can also be formed by using a technique such as oxidizing or nitriding the surface of the gate electrode. Examples of the method for oxidizing the gate electrode include an oxidation method using oxygen plasma and an anodic oxidation method. As a method for nitriding the surface of the gate electrode, a nitriding method using nitrogen plasma can be exemplified.
これらのうち、無機系の薄膜を形成する方法として好ましいのは、陽極酸化法、大気圧プラズマCVD法、およびそれらを組み合わせた方法である。 Among these, the method for forming an inorganic thin film is preferably an anodic oxidation method, an atmospheric pressure plasma CVD method, or a method combining them.
陽極酸化膜は、陽極酸化が可能な金属を公知の方法により陽極酸化することにより、金属の表面上に形成することができる。陽極酸化処理可能な金属としては、アルミニウムまたはタンタルを挙げられる。陽極酸化処理に用いられる電解液としては、多孔質酸化皮膜を形成することができるものならばいかなるものでも使用でき、一般には、硫酸、燐酸、蓚酸、クロム酸、ホウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸等あるいはこれらを2種類以上組み合わせた混酸あるいそれらの塩が用いられる。陽極酸化の処理条件は使用する電解液により種々変化するので一概に特定し得ないが、一般的には、電解液の濃度が1〜80質量%、電解液の温度5〜70℃、電流密度0.5〜60A/dm2、電圧1〜100ボルト、電解時間10秒〜5分の範囲が適当である。好ましい陽極酸化処理は、電解液として硫酸、リン酸またはホウ酸の水溶液を用い、直流電流で処理する方法であるが、交流電流を用いることもできる。これらの酸の濃度は5〜45質量%であることが好ましく、電解液の温度20〜50℃、電流密度0.5〜20A/dm2で20〜250秒間電解処理するのが好ましい。 The anodized film can be formed on the surface of the metal by anodizing a metal that can be anodized by a known method. Examples of the metal that can be anodized include aluminum and tantalum. Any electrolyte solution that can form a porous oxide film can be used as the anodizing treatment. Generally, sulfuric acid, phosphoric acid, oxalic acid, chromic acid, boric acid, sulfamic acid, benzenesulfone, and the like can be used. Acids or the like, or mixed acids obtained by combining two or more of these or salts thereof are used. The treatment conditions for anodization vary depending on the electrolyte used, and thus cannot be specified in general. In general, the electrolyte concentration is 1 to 80% by mass, the electrolyte temperature is 5 to 70 ° C., and the current density. A range of 0.5 to 60 A / dm 2 , a voltage of 1 to 100 volts, and an electrolysis time of 10 seconds to 5 minutes are suitable. A preferred anodizing treatment is a method in which an aqueous solution of sulfuric acid, phosphoric acid or boric acid is used as the electrolytic solution and the treatment is performed with a direct current, but an alternating current can also be used. The concentration of these acids is preferably 5 to 45% by mass, and the electrolytic treatment is preferably performed for 20 to 250 seconds at an electrolyte temperature of 20 to 50 ° C. and a current density of 0.5 to 20 A / dm 2 .
大気圧プラズマCVD法とは、大気圧下において対向する電極間に電界を印加することにより発生したプラズマ中に、薄膜を形成する原料化合物を導入し、プラズマ中で化学反応を起こして生成した微粒子を、基板上に堆積させることによって薄膜を形成するといった手法であり、その方法については特開平11−43781号、特開2003−179234号、WO2004−75279号等に記載の公知の技術を用いて作成することができる。 The atmospheric pressure plasma CVD method is a fine particle generated by introducing a raw material compound that forms a thin film into a plasma generated by applying an electric field between opposing electrodes under atmospheric pressure, and causing a chemical reaction in the plasma. Is deposited on a substrate to form a thin film using a known technique described in JP-A-11-43781, JP-A-2003-179234, WO2004-75279, or the like. Can be created.
有機化合物からなる絶縁膜の形成法としては、前記ウェットプロセスが好ましい。 As the method for forming an insulating film made of an organic compound, the wet process is preferable.
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。 An inorganic oxide film and an organic oxide film can be laminated and used together. The thickness of these insulating films is generally 50 nm to 3 μm, preferably 100 nm to 1 μm.
また、ゲート絶縁層表面には、平面性や表面エネルギー等の各種の特性の改質を目的として、第2のコーティング層を形成しても良い。 In addition, a second coating layer may be formed on the surface of the gate insulating layer for the purpose of modifying various characteristics such as flatness and surface energy.
第2のコーティング層は、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機酸化物、ポリフッ化ビニリデン等の高誘電率ポリマーなどからなる薄膜を形成しても良いし、オクタデシルトリクロロシラン、トリクロロメチルシラザン等のシランカップリング剤、アルカン燐酸、アルカンスルホン酸、アルカンカルボン酸等、および特願2006−82419号等に記載の化合物からなる自己組織化配向膜を用い手も良い。 The second coating layer may form a thin film made of an inorganic oxide such as titanium oxide, aluminum oxide or tantalum oxide, a high dielectric constant polymer such as polyvinylidene fluoride, octadecyltrichlorosilane, trichloromethylsilazane, etc. It is also possible to use a self-assembled alignment film comprising a silane coupling agent, alkane phosphoric acid, alkane sulfonic acid, alkane carboxylic acid, etc., and compounds described in Japanese Patent Application No. 2006-82419.
これらの中でも、シランカップリング剤から形成されるコーティング層を用いることが好ましい。このような、絶縁膜表面と反応性を有する官能基を有するコーティング材料を用いると、単分子膜を形成することができるため、第2のコーティング層の膜厚を一定とすることができ、バラツキの少ない有機薄膜トランジスタ素子を得ることができる。 Among these, it is preferable to use a coating layer formed from a silane coupling agent. When such a coating material having a functional group having reactivity with the surface of the insulating film is used, a monomolecular film can be formed. Therefore, the thickness of the second coating layer can be made constant, and variations are caused. An organic thin film transistor element with a small amount can be obtained.
より好ましくは前記一般式(3)で表されるシランカップリング剤を用いて形成した第2のコーティング層を有することである。 More preferably, it has the 2nd coating layer formed using the silane coupling agent represented by the said General formula (3).
このようにソース/ドレイン電極および絶縁層の表面を、同一の置換基を有するように第1および第2のコーティング層を形成することで、ソース/ドレイン電極、絶縁層などの隣接する層の表面状態によって有機半導体層の特性が変動することを抑制し、安定した高性能な有機薄膜トランジスタ素子を得ることができる。 Thus, by forming the first and second coating layers so that the surfaces of the source / drain electrodes and the insulating layer have the same substituent, the surfaces of adjacent layers such as the source / drain electrodes and the insulating layer are formed. It is possible to obtain a stable and high-performance organic thin film transistor element by suppressing the fluctuation of the characteristics of the organic semiconductor layer depending on the state.
〔基体〕
有機薄膜トランジスタを形成する基体(基板ともいう)としては、種々の材料が利用可能であり、例えば、ガラス、石英、酸化アルミニウム、サファイア、チッ化珪素、炭化珪素等のセラミック基体、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウム窒素等半導体基体、紙、不織布等、および屈曲が可能な程度の厚みを有するステンレス、アルミ等の金属からなる基板等を用いることができるが、本発明において基体は樹脂からなることが好ましく、例えばプラスチックフィルムシートを用いることができる。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。プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基体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。また、曲面形状を有するディスプレイ装置や電子機器への電界効果型トランジスタの組込みあるいは一体化が可能となる。
[Substrate]
Various materials can be used as a base (also referred to as a substrate) for forming an organic thin film transistor. For example, glass, quartz, aluminum oxide, sapphire, silicon nitride, silicon carbide and other ceramic bases, silicon, germanium, gallium A semiconductor substrate such as arsenic, gallium phosphide, and gallium nitrogen, paper, non-woven fabric, and the like, and a substrate made of a metal such as stainless steel and aluminum having a thickness that can be bent can be used. Preferably, for example, a plastic film sheet can be used. Examples of plastic films include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polyetherimide, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyimide, polycarbonate (PC), and cellulose. Examples include films made of triacetate (TAC), cellulose acetate propionate (CAP), and the like. By using a plastic film, it is possible to reduce the weight as compared to the case of using a glass substrate, to improve portability, and to improve resistance to impact. Further, it becomes possible to incorporate or integrate a field effect transistor into a display device or electronic device having a curved shape.
〔下引き層〕
また、本発明の有機薄膜トランジスタにおいては、基体がプラスチックフィルムの場合、基体と有機薄膜トランジスタとの密着性を高めるために、無機酸化物および無機窒化物から選ばれる化合物を含有する下引き層、及びポリマーを含む下引き層の少なくとも一方を有することが好ましい。
[Undercoat layer]
In the organic thin film transistor of the present invention, when the substrate is a plastic film, an undercoat layer containing a compound selected from an inorganic oxide and an inorganic nitride, and a polymer in order to improve the adhesion between the substrate and the organic thin film transistor It is preferable to have at least one of the undercoat layers containing.
下引き層に含有される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等が挙げられる。また無機窒化物としては窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。 Inorganic oxides contained in the undercoat layer include silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, titanate Examples thereof include lead lanthanum, strontium titanate, barium titanate, barium fluoride magnesium, bismuth titanate, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, bismuth tantalate niobate, and yttrium trioxide. Examples of the inorganic nitride include silicon nitride and aluminum nitride.
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、窒化ケイ素である。 Of these, silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, and silicon nitride are preferable.
本発明において、無機酸化物及び無機窒化物から選ばれる化合物を含有する下引き層の形成方法としては、前述したゲート絶縁膜の形成法と同様の無機酸化物または無機窒化物の形成方法を挙げることができるが、好ましくは大気圧プラズマ法で形成されるのが好ましい。 In the present invention, as a method for forming an undercoat layer containing a compound selected from inorganic oxides and inorganic nitrides, the same method for forming an inorganic oxide or inorganic nitride as the above-described gate insulating film forming method is used. However, it is preferably formed by an atmospheric pressure plasma method.
ポリマーを含む下引き層に用いるポリマーとしては、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース樹脂、ゼラチン、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノキシ樹脂、ノルボルネン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、酢酸ビニルとビニルアルコールの共重合体、部分加水分解した塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−アクリロニトリル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリビニルアルコール、塩素化ポリ塩化ビニル、エチレン−塩化ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のビニル系重合体、ポリアミド樹脂、エチレン−ブタジエン樹脂、ブタジエン−アクリロニトリル樹脂等のゴム系樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂等を挙げることができる。 Polymers used for the undercoat layer containing polymer include polyester resin, polycarbonate resin, cellulose resin, gelatin, acrylic resin, polyurethane resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polystyrene resin, phenoxy resin, norbornene resin, epoxy resin, vinyl chloride Vinyl acetate copolymer, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, copolymer of vinyl acetate and vinyl alcohol, partially hydrolyzed vinyl chloride-vinyl acetate copolymer, vinyl chloride-vinylidene chloride copolymer, vinyl chloride-acrylonitrile Copolymers, ethylene-vinyl alcohol copolymers, polyvinyl alcohol, chlorinated polyvinyl chloride, ethylene-vinyl chloride copolymers, vinyl polymers such as ethylene-vinyl acetate copolymers, polyamide resins, ethylene-butadiene Down resin, a butadiene - rubber resin such as acrylonitrile resin, silicone resin, and fluorine resins.
〔保護層〕
また本発明の有機薄膜トランジスタ上には保護層を設けることも可能である。保護層としては無機酸化物または無機窒化物、アルミニウム等の金属薄膜、ガス透過性の低いポリマーフィルム、およびこれらの積層物等が挙げられ、このような保護層を有することにより、有機薄膜トランジスタの耐久性が向上する。これらの保護層の形成方法としては、前述したゲート絶縁膜の形成法と同様の方法を挙げることができる。また、ポリマーフィルム上に各種の無機酸化物等が積層されたフィルムを単にラミネートするなどといった方法で保護層を設けても良い。
[Protective layer]
It is also possible to provide a protective layer on the organic thin film transistor of the present invention. Examples of the protective layer include inorganic oxides or inorganic nitrides, metal thin films such as aluminum, polymer films with low gas permeability, and laminates thereof. By having such a protective layer, durability of organic thin film transistors can be mentioned. Improves. As a method for forming these protective layers, the same method as the method for forming the gate insulating film described above can be used. Further, the protective layer may be provided by a method such as simply laminating a film in which various inorganic oxides are laminated on the polymer film.
〔有機薄膜トランジスタの構成〕
本発明の有機薄膜トランジスタの層構成例を図で説明する。
[Configuration of organic thin film transistor]
An example of the layer structure of the organic thin film transistor of the present invention will be described with reference to the drawings.
有機薄膜トランジスタは、基体上に有機半導体膜(以下、有機半導体層ともいう)で連結されたソース電極とドレイン電極を有し、その上にゲート絶縁層を介してゲート電極を有するトップゲート型と、基体上に先ずゲート電極を有し、ゲート絶縁層を介して有機半導体膜で連結されたソース電極とドレイン電極を有するボトムゲート型に大別される。さらに、ゲート電極から見てソース/ドレイン電極が、有機半導体層の手前にあるボトムコンタクト型と、有機半導体層の向こう側にあるトップコンタクト型に区別することができ、両者を組み合わせることによって、4種類の有機薄膜トランジスタの構成が可能であるが、本発明の有機薄膜トランジスタではソースおよびドレイン電極上にコーティング層を形成する必要があるため、ボトムゲート・ボトムコンタクト型構成およびトップゲート・トップコンタクト型構成のいずれかであることが好ましい。また、有機半導体層の上に多数の層を形成すると、それらの層を形成する際の熱や光などによって有機半導体層が劣化する恐れがあるため、最も好ましい素子構成は、図1及び図2に示されるようなボトムゲート・ボトムコンタクト型の素子である。 The organic thin film transistor has a source electrode and a drain electrode connected with an organic semiconductor film (hereinafter also referred to as an organic semiconductor layer) on a base, and a top gate type having a gate electrode on the gate electrode via the gate electrode, First, it is roughly classified into a bottom gate type having a gate electrode on a substrate and having a source electrode and a drain electrode connected by an organic semiconductor film through a gate insulating layer. Further, the source / drain electrodes as viewed from the gate electrode can be distinguished into a bottom contact type in front of the organic semiconductor layer and a top contact type in the other side of the organic semiconductor layer. Various organic thin film transistor configurations are possible, but the organic thin film transistor of the present invention requires the formation of a coating layer on the source and drain electrodes. Therefore, the bottom gate / bottom contact type configuration and the top gate / top contact type configuration are applicable. Either is preferable. In addition, when a large number of layers are formed on the organic semiconductor layer, the organic semiconductor layer may be deteriorated by heat, light, or the like when these layers are formed. This is a bottom gate / bottom contact type device as shown in FIG.
図1において、基体1上に第1の電極パターン2を形成し、第1の電極パターン2を総て被覆するように絶縁層3を形成する。絶縁層3上に第2の電極パターン4を形成し、この上に、第2の電極パターン4と化学的に結合されたコーティング層5を形成し、コーティング層5上に有機半導体層6が形成されている。
In FIG. 1, a
図2の構成においては、絶縁層と有機半導体層の中間にも第2のコーティング層7を有している。本発明において、第1のコーティング層5と第2のコーティング層7は同一の表面特性とすることができるため、これらのコーティング層上に形成される有機半導体層は下地による影響を低減でき、均一な有機半導体層を形成することができるため、より良好な特性を有する有機薄膜トランジスタとすることができる。 In the configuration of FIG. 2, the second coating layer 7 is also provided between the insulating layer and the organic semiconductor layer. In the present invention, since the first coating layer 5 and the second coating layer 7 can have the same surface characteristics, the organic semiconductor layer formed on these coating layers can reduce the influence of the base and is uniform. Since an organic semiconductor layer can be formed, an organic thin film transistor having better characteristics can be obtained.
なお、ソース・ドレイン電極上にコーティング層を形成した電極パターンを、有機半導体層上に転写するようなプロセスを用いれば、ボトムゲート・トップコンタクト型構成、トップゲート・ボトムコンタクト型構成の有機薄膜トランジスタを得ることも可能である。 If a process that transfers the electrode pattern in which the coating layer is formed on the source / drain electrodes onto the organic semiconductor layer is used, the organic thin film transistor having the bottom gate / top contact type configuration and the top gate / bottom contact type configuration can be obtained. It is also possible to obtain.
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
実施例1
熱酸化によって形成された厚さ200nmの酸化ケイ素膜を有する、比抵抗0.02Ω・cmのn型Siウェハー上に、下記無電解メッキ触媒液をインクとして用い、回転ロール(支持ロール)にはバイアス電圧2000Vの電圧を印加し、さらにパルス電圧(400V)を重畳させてソース、ドレイン電極パターンに従ってインクを吐出した。ノズル吐出口の内径は10μmとし、ノズル吐出口と基材とのギャップは500μmに保持した。メッキ触媒含有インクとして下記処方のものを用いた。
Example 1
The following electroless plating catalyst solution is used as an ink on an n-type Si wafer having a specific resistance of 0.02 Ω · cm having a 200 nm thick silicon oxide film formed by thermal oxidation. A voltage with a bias voltage of 2000 V was applied, and a pulse voltage (400 V) was further superimposed to eject ink according to the source and drain electrode patterns. The inner diameter of the nozzle outlet was 10 μm, and the gap between the nozzle outlet and the substrate was kept at 500 μm. The following prescription was used as the plating catalyst-containing ink.
(無電解メッキ触媒液)
可溶性パラジウム塩(塩化パラジウム) 20質量%(Pd2+濃度1.0g/L)
イソプロピルアルコール 12質量%
グリセリン 20質量%
2−メチル−ペンタンチオール 5質量%
1,3−ブタンジオール 3質量%
イオン交換水 40質量%
さらに、乾燥定着させることにより、触媒パターンを形成した。
(Electroless plating catalyst solution)
Soluble palladium salt (palladium chloride) 20% by mass (Pd 2+ concentration 1.0 g / L)
Isopropyl alcohol 12% by mass
Glycerin 20% by mass
2-Methyl-pentanethiol 5% by mass
1,3-
Ion exchange water 40% by mass
Furthermore, a catalyst pattern was formed by drying and fixing.
次いで、スクリーン印刷法により、下記無電解金メッキ液をインクとして用いてメッキ触媒パターンが形成された領域を含む領域に印刷を行った。メッキ剤がメッキ触媒と接触することでメッキ触媒のパターン上のみに金薄膜が堆積した。 Next, printing was performed on the region including the region where the plating catalyst pattern was formed by using the following electroless gold plating solution as an ink by a screen printing method. When the plating agent was in contact with the plating catalyst, the gold thin film was deposited only on the plating catalyst pattern.
(無電解金メッキ液)
ジシアノ金カリウム 0.1モル/L
蓚酸ナトリウム 0.1モル/L
酒石酸ナトリウムカリウム 0.1モル/L
を溶解した均一水溶液
金薄膜が形成された基板表面を、純水で、充分に洗浄、乾燥して、金からなるソース・ドレイン電極パターンが形成された。なおソース・ドレイン電極の形状は、チャネル長Lが50μm、チャネル幅Wが5mmとなるように作製した(W/L=100)。
(Electroless gold plating solution)
Dicyano gold potassium 0.1 mol / L
Sodium oxalate 0.1 mol / L
Sodium potassium tartrate 0.1mol / L
The substrate surface on which the gold thin film was dissolved was thoroughly washed with pure water and dried to form a source / drain electrode pattern made of gold. The source / drain electrodes were formed so that the channel length L was 50 μm and the channel width W was 5 mm (W / L = 100).
次に、このソース・ドレイン電極を形成したSiウェハーを、アネルバ株式会社製ドライエッチング装置DEM−451を用いて、酸素流量50sccm、真空度10Pa、出力200W、といった条件で1分間真空酸素プラズマ処理を行い、ソース・ドレイン電極表面の洗浄を行った。 Next, the Si wafer on which the source / drain electrodes are formed is subjected to a vacuum oxygen plasma treatment for 1 minute under the conditions of an oxygen flow rate of 50 sccm, a degree of vacuum of 10 Pa, and an output of 200 W using a dry etching apparatus DEM-451 manufactured by Anerva Corporation. The surface of the source / drain electrode was cleaned.
ソース・ドレイン電極の表面が清浄化されたSiウェハーを、下記表1に記載の電極表面処理剤を10mmol/Lの濃度でトルエンに溶解した溶液に、60℃で30分間浸漬した後、トルエンですすぎ、乾燥させ、ソース・ドレイン電極の表面処理を行った。 After immersing the Si wafer with the surface of the source / drain electrode cleaned in toluene at a concentration of 10 mmol / L of the electrode surface treatment agent listed in Table 1 below, the solution is toluene. And dried, and surface treatment of the source / drain electrodes was performed.
次に、p型の有機半導体材料として下記有機半導体材料(1)を、トルエンに0.5質量%の濃度で溶解し、この溶液を前記のソース・ドレイン電極を完全に覆うような大きさの略円形に塗布し、室温で乾燥させた後、窒素ガス雰囲気中で90℃、1分間の熱処理を施すことによって、有機半導体膜を形成した。このとき有機半導体膜の膜厚は30nmであった。 Next, the following organic semiconductor material (1) as a p-type organic semiconductor material is dissolved in toluene at a concentration of 0.5% by mass, and this solution is so sized as to completely cover the source / drain electrodes. After applying in a substantially circular shape and drying at room temperature, an organic semiconductor film was formed by performing heat treatment at 90 ° C. for 1 minute in a nitrogen gas atmosphere. At this time, the film thickness of the organic semiconductor film was 30 nm.
このようにして得られた有機薄膜トランジスタを、下記のようにキャリア移動度の評価を行った。 The organic thin film transistor thus obtained was evaluated for carrier mobility as follows.
なお、比較に用いた電極処理剤の構造は以下の通りである。 In addition, the structure of the electrode processing agent used for the comparison is as follows.
《キャリア移動度の評価》
得られた有機薄膜トランジスタ1〜7について、ドレインバイアスを−50Vとし、ゲートバイアスを−50Vから0Vまで掃引したときのI−V特性の飽和領域から、キャリア移動度を算出した。
<Evaluation of carrier mobility>
About the obtained organic thin-film transistors 1-7, carrier mobility was computed from the saturation area | region of the IV characteristic when drain bias was -50V and gate bias was swept from -50V to 0V.
得られた有機薄膜トランジスタについて、キャリア移動度を測定し、結果を表1に示す。 About the obtained organic thin-film transistor, carrier mobility was measured and the result is shown in Table 1.
このように、本発明の電極表面処理剤を用いることで、電極から有機半導体層へのキャリアの注入が改善され、移動度およびon/off比の改善された有機薄膜トランジスタを得ることができた。 Thus, by using the electrode surface treating agent of the present invention, the injection of carriers from the electrode to the organic semiconductor layer was improved, and an organic thin film transistor with improved mobility and on / off ratio could be obtained.
実施例2
実施例1で得られた、ソース・ドレイン電極を形成したSiウェハーを、同様に真空酸素プラズマ処理を行い、ソース・ドレイン電極表面の洗浄を行った後、電極表面処理剤として例示化合物20を10mmol/L、およびシランカップリング剤として下記のシランカップリング剤1を10mmol/Lの濃度でトルエンに溶解した溶液に、60℃で30分間浸漬した後、トルエンですすぎ、乾燥させ、ソース・ドレイン電極、および絶縁膜の表面処理を行った。
Example 2
The Si wafer formed with the source / drain electrodes obtained in Example 1 was similarly subjected to vacuum oxygen plasma treatment to clean the surface of the source / drain electrodes, and then 10 mmol of Exemplified Compound 20 as an electrode surface treatment agent. / L and the following silane coupling agent 1 as a silane coupling agent are immersed in a solution of toluene at a concentration of 10 mmol / L for 30 minutes at 60 ° C., rinsed with toluene, dried, and source / drain electrodes And surface treatment of the insulating film.
この後、実施例1と同様に、前記有機半導体材料(1)をトルエンに0.5質量%の濃度で溶解した溶液をディスペンザーで塗布し、室温で乾燥させた後、窒素ガス雰囲気中で90℃、1分間の熱処理を施すことによって、膜厚30nmの有機半導体膜を形成し、有機薄膜トランジスタ8を形成し、同様にキャリア移動度の評価を行い結果を表2に示す。 Thereafter, as in Example 1, a solution obtained by dissolving the organic semiconductor material (1) in toluene at a concentration of 0.5% by mass was applied with a dispenser and dried at room temperature, and then in a nitrogen gas atmosphere. By performing a heat treatment at 1 ° C. for 1 minute, an organic semiconductor film having a film thickness of 30 nm is formed, an organic thin film transistor 8 is formed, carrier mobility is similarly evaluated, and the results are shown in Table 2.
このように、絶縁膜上に第2のコーティング層を設けることによって、より移動度の向上した有機薄膜トランジスタを得ることができた。 Thus, by providing the second coating layer on the insulating film, an organic thin film transistor with improved mobility could be obtained.
なお上記のシランカップリング剤1は、J.Org.Chem.,vol.70(2005),4865頁を参考に合成することができる末端ビニル化合物に対し、トリクロロシランを用いてヒドロシリル化反応を行うことによって容易に得ることができる。 The above silane coupling agent 1 is disclosed in J. Org. Org. Chem. , Vol. 70 (2005), page 4865, and can be easily obtained by subjecting a terminal vinyl compound that can be synthesized with reference to a hydrosilylation reaction using trichlorosilane.
実施例3
180μm厚のポリエーテルスルホン(PES)フィルム上に、20nmの厚さでアルミニウム薄膜を蒸着し、フォトリソグラフィー法により、ゲート電極の形状を形成した。
Example 3
An aluminum thin film was deposited to a thickness of 20 nm on a polyethersulfone (PES) film having a thickness of 180 μm, and the shape of the gate electrode was formed by photolithography.
さらにゲート電極上に、スパッタ法によって酸化ケイ素を200nmの厚さで形成し、ゲート絶縁膜とした。 Further, a silicon oxide film having a thickness of 200 nm was formed on the gate electrode by sputtering to form a gate insulating film.
このようにして得られたPESフィルムに対し、実施例1と同様の無電解メッキ触媒液、無電解金メッキ液を使用してソース・ドレイン電極を形成した。 Source / drain electrodes were formed on the PES film thus obtained using the same electroless plating catalyst solution and electroless gold plating solution as in Example 1.
このソース・ドレイン電極表面の洗浄処理として、真空プラズマ処理および大気圧プラズマ処理の2種を行った。真空プラズマ処理は実施例1に記載の方法と同一の方法で行い、大気圧プラズマ処理は特開2003−309266号に記載の大気圧プラズマ処理装置を用いて下記の条件で行った。 As the cleaning process for the surface of the source / drain electrode, two kinds of processes were performed: vacuum plasma treatment and atmospheric pressure plasma treatment. The vacuum plasma treatment was performed by the same method as that described in Example 1, and the atmospheric pressure plasma treatment was performed using the atmospheric pressure plasma treatment apparatus described in JP-A No. 2003-309266 under the following conditions.
<大気圧プラズマ処理>
放電ガス: アルゴン 99.0体積%
反応ガス: 酸素 1.0体積%
放電条件: 13.56MHz、4W/cm2
処理時間: 0.6秒
これらの処理を行ったPESフィルムに、電極表面処理剤として例示化合物20を10mmol/L、および前記シランカップリング剤1を10mmol/Lの濃度でトルエンに溶解した溶液に、60℃で30分間浸漬した後、トルエンですすぎ、乾燥させ、ソース・ドレイン電極、および絶縁膜の表面処理を行った。
<Atmospheric pressure plasma treatment>
Discharge gas: Argon 99.0% by volume
Reaction gas: Oxygen 1.0% by volume
Discharge conditions: 13.56 MHz, 4 W / cm 2
Treatment time: 0.6 seconds In a PES film subjected to these treatments, a solution in which Exemplified Compound 20 as an electrode surface treatment agent was dissolved in toluene at a concentration of 10 mmol / L and the silane coupling agent 1 at a concentration of 10 mmol / L. After immersing at 60 ° C. for 30 minutes, the substrate was rinsed with toluene, dried, and surface treatment of the source / drain electrodes and the insulating film was performed.
この後、前記有機半導体材料(1)をトルエンに0.5質量%の濃度で溶解した溶液をディスペンザーで塗布し、室温で乾燥させた後、窒素ガス雰囲気中で90℃、1分間の熱処理を施すことによって、膜厚30nmの有機半導体膜を形成し、有機薄膜トランジスタ9および10を形成し、同様にキャリア移動度の評価を行行い結果を表3に示す。
Thereafter, a solution in which the organic semiconductor material (1) is dissolved in toluene at a concentration of 0.5% by mass is applied with a dispenser and dried at room temperature, followed by heat treatment at 90 ° C. for 1 minute in a nitrogen gas atmosphere. As a result, an organic semiconductor film having a thickness of 30 nm is formed, organic
このように、どちらの処理においても良好な薄膜トランジスタ特性が得られているが、大気圧プラズマ処理の方が処理時間が短く、高効率で生産性よく有機薄膜トランジスタを作成できることがわかる。 As described above, good thin film transistor characteristics are obtained in both treatments, but it can be seen that the atmospheric pressure plasma treatment has a shorter treatment time, and can produce an organic thin film transistor with high efficiency and high productivity.
1 基体
2 第1の電極パターン
3 絶縁層
4 第2の電極パターン
5 第1のコーティング層
6 有機半導体層
7 第2のコーティング層
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