JP2008098485A - 有機半導体トランジスタ素子及びその製造方法、並びに半導体装置及び表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】有機半導体が平坦で、動作速度が速く、且つ製造が容易な有機半導体トランジスタ素子及びその製造方法、並びに該有機半導体トランジスタ素子を用いた半導体装置及び表示素子を提供すること。
【解決手段】ソース及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、ゲート電極とを備え、有機半導体が下記構造式（Ｉ−１）および（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有する有機半導体トランジスタ素子。

【選択図】なし

Description

本発明は、有機半導体を利用した有機半導体トランジスタ素子及びその製造方法、並びに半導体装置及び表示素子に関するものである。

薄膜トランジスタは、液晶表示素子等の表示用スイッチング素子として幅広く用いられている。従来、薄膜トランジスタは、アモルファスや多結晶のシリコンを用いて作製されている。しかし、このようなシリコンを用いた薄膜トランジスタの作製には、スパッタリング、ＣＶＤ装置、その他の真空系を用いた製造プロセスが用いられるが、大変高額である。さらには薄膜トランジスタを作製するために真空系の製造プロセスを繰り返し行い、半導体層等の各層を形成するため、薄膜トランジスタを用いた表示装置等の大型化は製造コストの大幅な増加を伴う問題点があった。
また、アモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは非常に高い温度で行なわれ、基材として用いられる材料が限定されてしまう。従って、軽量でフレキシビリィがある樹脂基板等は使用できないという問題点があった。

一方、近年有機ＥＬ素子等に代表される有機半導体の研究が盛んに行なわれている。それとともにシリコン材料には無い軽量性、柔軟性という特徴を有する有機材料を回路に組み込もうとする研究が報告されるようになってきた。
このような薄膜トランジスタに用いる有機物としては、低分子化合物および高分子化合物が用いられる。低分子化合物としては、ペンタセン、テトラセン等のポリアセン化合物（例えば、特許文献１〜３参照）、銅フタロシアニン等のフタロシアニン化合物（例えば、特許文献４、５）が提案されている。

しかし、これらのポリアセン化合物は、分子量が大きくなると蒸着の際に蒸着レートが低くなる等の問題が生じ、また、分子量が低くなると蒸気圧が高くなり膜質が低下するという問題があり、効率よく良好な被膜を形成するのが困難であった。
また、これらの化合物を活性層としてデバイス化する場合に必要となる導電性、半導電性などの特性は、材料の純度のみでなく結晶性や配向性に大きく依存する。 例えば、ペンタセンなどは、結晶性は高いものの溶媒に不溶なため、真空蒸着法によって成膜されているが、 空気中の酸素や水分によって劣化され易く、取扱いに注意を要する。
一方、フタロシアニン化合物は、例えば、蒸着温度が１２５℃〜１７５℃と低いものの、形成される膜の平坦性が悪く、キャリア移動度も悪いという問題がある。

高分子化合物としては、セクシチオフェン等の芳香族オリゴマー（例えば、特許文献６参照）、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）等の高分子化合物（例えば、特許文献７〜１０、非特許文献１参照）が提案されている。

このような、高分子化合物は、可溶性が大きく、スピンコーティングやディプコーティングなど低コストの技術で成膜が可能であるため、製造プロセスで有利であるが、キャリア移動度が低いという問題点があった。また、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）においては、可溶前駆体をスピンコート後、熱処理するため、主鎖共役系高分子中に欠陥が入りやすく電気特性を著しく低下させる問題点があった。
特開平０５−０５５５６８号公報 特開平１０−２７０７１２号公報 特開２００１−０９４１０７号公報 特開平１０−０９３１０４号公報 特開２０００−１７４２７７号公報 特開平０８−２６４８０５号公報 特開平０８−２２８０３４号公報 特開平０８−２２８０３５号公報 特開平１０−１２５９２４号公報 特開平１０−１９０００１号公報 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，７３，（１），１０８（１９９８）

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、平坦な有機半導体を形成することができ、動作速度が速く、且つ製造が容易な有機半導体トランジスタ素子及びその製造方法、並びに前記有機半導体トランジスタ素子を用いた半導体装置及び表示素子を提供することにある。

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、本発明は、
＜１＞
ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極および該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする有機半導体トランジスタ素子である。

＜２＞
ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有する有機半導体トランジスタ素子を、１個以上有する半導体装置である。

＜３＞
下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を用いて有機半導体を形成することを特徴とする有機半導体トランジスタ素子の製造方法である。

＜４＞
前記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を真空蒸着することにより前記有機半導体を形成することを特徴とする＜３＞に記載の有機半導体トランジスタ素子の製造方法である。
＜５＞
少なくとも、第１の色を呈する状態と第２の色を呈する状態とが可逆的に変化する表示素子と、
ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有する有機半導体トランジスタ素子と、
を具備することを特徴とする表示装置である。

＜６＞
前記表示素子は、分散状態に応じて発色性を呈する電荷移動性粒子を含む表示層を有することを特徴とする＜５＞に記載の表示装置である。
＜７＞
前記電荷移動性粒子は、プラズモン発色機能を有する金属粒子であることを特徴とする＜５＞に記載の表示装置である。

本発明によれば、平坦な有機半導体を形成することができ、動作速度が速く、且つ製造が容易な有機半導体トランジスタ素子及びその製造方法、並びに前記有機半導体トランジスタ素子を用いた半導体装置及び表示素子を提供することができる。

−有機半導体トランジスタ素子−
本発明の有機半導体トランジスタ素子は、ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物（以下、適宜「ベンゾチオフェン化合物」と称す）から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする。
該ベンゾチオフェン化合物は、動作時の熱安定性、成膜性に優れる上にキャリア移動度が高いため、該ベンゾチオフェン化合物を含有してなる本発明の有機半導体トランジスタ素子は、有機半導体が平坦で、動作速度が速く且つ製造が容易である。

前記ベンゾチオフェン化合物は、例えば、以下のように合成することができるが、これに限定するものではない。（Ｉ−１）については、下記合成ルート１で合成することができる。また、（Ｉ−２）については下記合成ルート２で合成することができる。

有機半導体を形成する方法としては、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等を用いることができるが、平坦な有機半導体を形成するには、該有機半導体を１７０〜２２０℃に保って真空蒸着することにより形成することが望ましい。

−有機半導体トランジスタ素子の構成、製造方法等−
次に、上述したベンゾチオフェン化合物を用いた本発明の有機半導体トランジスタ素子の構成について具体例を挙げて詳細に説明する。
本発明の有機半導体トランジスタ素子は、ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極および該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極と、を少なくとも含む構成を有するものである。
ここで、前記有機半導体には上記に説明した少なくとも１種のベンゾチオフェン化合物が含まれる。なお、本発明の有機半導体トランジスタ素子の形状は、必要に応じて、所望の形状とすることができるが、薄膜状であることが好ましい。

以下、図を参照しつつ、本発明の有機半導体トランジスタ素子の構成についてより詳細に説明するが、これに限定されるわけではない。
図１〜図３は、本発明の有機半導体トランジスタ素子の構成の一例を示す模式断面図である。ここで、図１および２は、本発明の有機半導体トランジスタ素子が、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造を有している場合について示したものである。また、図３は、本発明の有機半導体トランジスタ素子が、静電誘導トランジスタ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ）構造を有している場合について示したものである。

図１〜３中、機能が共通する部材には同一の符号が付してあり、１が基板、２がソース電極、３がドレイン電極、４が有機半導体層、５がゲート電極、６が絶縁層を表す。以下、図１〜３に示す本発明の有機半導体トランジスタ素子の構成について順に説明する。
図１に示す本発明の有機半導体トランジスタ素子は、基板１上にゲート電極５、絶縁層６がこの順に設けられ、この絶縁層６上に、ソース電極２およびドレイン電極３とが離間した位置に設けられると共に、ソース電極２およびドレイン電極３を被覆するように有機半導体層４が設けられている。

また、図２に示す本発明の有機半導体トランジスタ素子は、基板１上にゲート電極５、絶縁層６がこの順に設けられ、この絶縁層６上に、ソース電極２、および、このソース電極２の絶縁層６と接する側と反対側の面も覆うように有機半導体層４が設けられている。さらに、ドレイン電極３が、有機半導体層４の絶縁層６が設けられた側と反対側の面上で、ソース電極２に対して基板１の平面方向に離間した位置に設けられている。
さらに、図３に示す本発明の有機半導体トランジスタ素子は、基板１上にソース電極２、有機半導体層４、ドレイン電極３がこの順に積層され、複数のゲート電極５が、有機半導体層４中に設けられる（図３に示す例では、４つのゲート電極５が、基板１の平面方向と平行且つ等間隔に配置されている）。

なお、ゲート電極５は、紙面に対して垂直方向に、ソース電極２及びドレイン電極３の双方と平行になるように配置され、各々のゲート電極５同士も相互に平行となるように設けられている。また、図３中、ゲート電極５と、有機半導体層４とは、両者の界面に設けられた不図示の絶縁層により絶縁されている。
図１〜図３に示すような有機半導体トランジスタ素子においては、ゲート電極５に印加される電圧によってソース電極２とドレイン電極３との間に流れる電流を制御することができる。

なお、本発明の有機半導体トランジスタ素子を用いて、何らかの電子デバイスを作製する場合には、基板上に、１個以上の本発明の有機半導体トランジスタ素子を搭載した構成（半導体装置）として利用することができ、この半導体装置に、さらに他の素子や回路等を組み合わせることにより所望の電子デバイスを作製することができる。

次に、有機半導体部分を除く、本発明の有機半導体素子や半導体装置を構成する各部材について詳細に説明する。
ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極に用いられる電極材料としては、効率よく電荷注入することができる材料が用いられ、具体的には、金属、金属酸化物、導電性高分子等が使用される。
金属としてはマグネシウム、アルミニウム、金、銀、銅、クロム、タンタル、インジウム、パラジウム、リチウム、カルシウムおよびこれらの合金が挙げられる。金属酸化物としては、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化スズインジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＮＥＳＡ）、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛等の金属酸化膜があげられる。

導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール、ポリピリジン、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があげられる。
また、電極に用いられる材料と有機半導体（層）に用いられる上述したベンゾチオフェン化合物とのイオン化ポテンシャルの差が大きいと電荷注入特性が悪くなるため、ドレイン電極および／またはソース電極に用いられる材料のイオン化ポテンシャルと、有機半導体（層）に用いられるベンゾチオフェン化合物とのイオン化ポテンシャルの差が１．０ｅＶ以内であることが好ましく、特に０．５ｅｖ以内であることがさらに好ましい。また、このような電極−ベンゾチオフェン化合物間のイオン化ポテンシャルの差という観点からは、電極材料としては、特にＡｕを用いることが好ましい。

電極の形成方法としては、上記の電極材料を蒸着法や、スパッタ等の公知の薄膜形成方法を用いて作製した薄膜を、公知のフォトリソグラフィー法やリフトオフ法を利用して形成したり、インクジェット等によりレジストを用いて所望のパターン（電極形状）にエッチングする方法や、アルミニウムなどの電極材料を直接熱転写する方法が利用できる。また、電極材料として導電性高分子を用いる場合には、これを溶媒に溶解させ、インクジェット等によりパターニングしても良い。

各電極間や、ゲート電極と有機半導体（層）とを絶縁する絶縁部材としては、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタン等の無機物、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、セルロース樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリススチレン樹脂、ポリビニルアセテート樹脂、スチレンブタジエン共重合体、塩化ビニルデン−アクリロニトリル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−無水マレイン酸共重合体、シリコン樹脂等の有機絶縁高分子等が挙げられるが、これに限定されるものではない。

基板としては、リン等を高濃度にドープしたシリコン単結晶やガラス、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、セルロース樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリススチレン樹脂、ポリビニルアセテート樹脂、スチレンブタジエン共重合体、塩化ビニルデン−アクリロニトリル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−無水マレイン酸共重合体、シリコン樹脂等のプラスチック基板等が挙げられるが、これに限定されるものではない。

特に、電子ペーパーまたはデジタルペーパーや携帯電子機器等の可撓性を求められる電子デバイス（以下、「可撓性電子デバイス」と称す）に用いられる電子回路に本発明の有機半導体トランジスタ素子を用いる場合、基板として可撓性がある基板を用いることが望ましい。特に基板として曲げ弾性率が１０００ＭＰａ以上、より好ましくは５０００ＭＰａ以上である基板を用いることにより可撓性がある表示素子の駆動回路や電子回路に適応させることができる。

本発明の有機半導体トランジスタ素子は、有機半導体部分が、上述したようなベンゾチオフェン化合物を主成分として含むために弾性を有しており、可撓性のある基板上に素子を形成しても、変形の繰り返しに耐え、安定した性能を維持し続けることができる。一方、無機半導体トランジスタ素子では、半導体部分が無機材料からなるため、弾性に欠け、このような変形を前提とした使用は極めて困難である。さらに無機半導体トランジスタ素子を作製するプロセスは、高温を必要とするため基板にプラスチックを用いることが出来ないという不具合がある。

なお、本発明において、「可撓性電子デバイス」とは、〔１〕その使用態様が、上述した電子ペーパーやデジタルペーパー等のように、電源のオン／オフ状態に係わらず、平坦な状態から曲げたり、撓ませたり、屈曲させたりした状態としたり、あるいは、その逆の態様で使用することが可能であり、〔２〕その構成が、基板と、該基板上に１個以上設けられた有機半導体トランジスタ素子とを少なくとも含み、〔３〕上記〔１〕項に説明したような可撓性が、有機半導体トランジスタ素子が設けられた基板部分において少なくとも求められる電子デバイスを意味する。

本発明の有機半導体トランジスタ素子及びこれを用いた半導体装置の用途は特に限定されないが、電子ペーパーあるいはデジタルペーパー、有機ＥＬ素子、電気泳動型表示素子、液晶素子等の表示素子の駆動回路、電子タグ、スマートカード等に用いる理論回路およびメモリー素子、ガスセンサー等の分野に好適に使用できる。

−表示装置−
本発明の表示装置は、少なくとも、第１の色を呈する状態と第２の色を呈する状態とが可逆的に変化する表示素子と、上記本発明の有機半導体トランジスタ素子と、を具備する。本発明の表示装置では、有機半導体トランジスタ素子を表示素子の駆動回路の一部として具備し、当該有機半導体トランジスタ素子により表示素子を駆動するものである。

表示素子としては、例えば、ＣＲＴ（ｃａｔｈｏｄｅ ｒａｙ ｔｕｂｅ：冷陰極管）、ＰＤＰ（ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｐｌａｙ：プラズマディスプレイ）、ＥＬＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ：エレクトロルミネセントディスプレイ）、ＶＦＤ（ｖａｃｕｕｍ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ：蛍光表示管）、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）、ＬＣＤ（ｌｉｑｉｕｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ：液晶ディスプレイ）、ＥＣＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ：エレクトロケミカルディスプレイ）、ＥＰＩＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｐｌａｙ ：電気泳動ディスプレイ）、ＳＰＤ（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ：分散粒子配向型ディスプレイ）、ＴＢＤ（ｔｗｉｓｔｉｎｇ ｂａｌｌ ｄｉｓｐｌａｙ ：着色粒子回転型ディスプレイ）、ＰＬＺＴ（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｒａｍｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ ：ＰＬＺＴディスプレイ）、ＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｉｖｉｃｅ：デジタルマイクロミラーデバイス）等、公知の表示素子を利用することができる。

ここで、本発明の表示装置について図面を参照しつつ、分散状態に応じて発色性を呈する電荷移動性粒子を含む表示層を有する表示素子を適用した例について説明する。「分散状態に応じて発色性を呈する」とは、電荷移動性粒子が分散されている状態で目視により観測できる色相を呈することをいう。

図４は、本発明の表示装置の一例を示す概略構成図である。また、図５は、本発明の表示装置の他の一例を示す概略構成図である。

図４に示す表示装置１００は、有機半導体トランジスタ素子１０と、当該有機半導体トランジスタ素子１０上に層間絶縁層４０を介して積層配置された表示素子２０と、を具備するものである。

有機半導体トランジスタ素子１０は、基板１１上にゲート電極１２、ゲート絶縁層１３、有機半導体層１４がこの順に設けられ、この有機半導体層１４上に、ソース電極１５およびドレイン電極１６とが離間した位置に設けられている。

表示素子２０は、視認方向側に設けられた透明な表示基板２１と、表示基板２１に対し間隙をもって対向する背面基板２２と、これらの基板間を所定間隔に保持するための間隙部材２３とを具備している。表示基板２１及び背面基板２２の対向面側には電極２４、２５が配設されている。

これらの表示基板２１、背面基板２２及び間隙部材２３内に、第１電荷移動性粒子２６Ａ（例えば白色粒子）及び第１電荷移動性粒子２６Ａとは異なる色を呈する第２電荷移動性粒子２６Ｂ（例えば黒色粒子）を保持したマイクロカプセル２７と分散媒２８（例えばマトリックス樹脂）とが封入され、表示層２９を構成している。

このような構成の表示素子２０は、マイクロカプセル２７中に保持された第１電荷移動性粒子２６Ａ及び第２電荷移動性粒子２６Ｂのいずれか一方を電気泳動法により表示面側に移動させることにより、それぞれの粒子の色（例えば白色又は黒色）の表示を行うことができる。

そして、表示素子２０と有機半導体トランジスタ素子１０とは、表示素子２０の電極２５と、有機半導体トランジスタ素子１０のドレイン電極１６とを金属ワイヤ４１（例えばＡｕワイヤ）により電気的に連結されている。

一方、図５に示す表示装置１０１も、有機半導体トランジスタ素子１０と、当該有機半導体トランジスタ素子１０上に層間絶縁層４０を介して積層配置された表示素子３０と、を具備するものである。なお、有機半導体トランジスタ素子１０は、図４に示すものと同様な構成のため説明を省略する。

表示素子３０は、視認方向側に設けられた透明な表示基板３１と、表示基板３１に対し間隙をもって対向する背面基板３２と、これらの基板間を所定間隔に保持するための間隙部材３３とを具備している。表示基板３１及び背面基板３２の対向面側には電極３４、３５が配設されている。

これらの表示基板３１、背面基板３２及び間隙部材３３内に、電荷移動性粒子３６（例えば、プラズモン発色機能を有する金属粒子）と、該電荷移動性粒子３６より移動度が小さく且つ電荷移動性粒子３６の呈示可能な明度範囲より低い明度の色を呈する異性粒子３７（例えば、白色粒子）と、分散媒３８（例えば絶縁性液体）とが封入され、表示層３９を構成している。

このような構成の表示素子３０は、電荷移動性粒子３６を電気泳動法により表示面側に移動させることにより、電荷移動性粒子３６が呈する色を表示し、当該電荷移動性粒子３６を背面側に移動させることにより異性粒子３７が呈する色を表示することができる。

そして、表示素子３０と有機半導体トランジスタ素子１０とは、表示素子３０の電極３５と、有機半導体トランジスタ素子１０のドレイン電極１６とを金属ワイヤ（例えばＡｕワイヤ）により電気的に連結されている。

ここで、電荷移動性粒子について簡単に説明する。電荷移動性粒子としては、電気泳動法に用いられるものであれば、制限なく用いることができる。例えば、黒色粒子としては、カーボンブラック、マンガンフェライトブラック、チタンブラック等の黒色顔料粒子を使用することができる。また、白色粒子としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ等の白色顔料粒子を使用することができる。また、その他の着色粒子としては、着色性、安定性の観点からプラズモン発色機能を有する金属粒子、特に金属コロイド粒子を用いることができる。

なお、金属コロイド粒子を構成する金属としては、貴金属又は銅等（以下、合わせて「金属」という。）が挙げられ、前記貴金属としては特に限定されず、例えば、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金等を挙げることができる。前記金属の中でも、金、銀、白金が好ましい。

金属コロイド粒子の調製方法は、金属イオンを還元して金属原子、金属クラスターを経てナノ粒子に調製する化学的方法や、バルク金属を不活性ガス中で蒸発させて粒子となった金属をコールドトラップなどで捕捉したり、ポリマー薄膜上に真空蒸着させて金属薄膜を形成した後に加熱して金属薄膜を壊し、固相状態でポリマー中に金属粒子を分散させる物理的方法が知られている。化学的方法は、特殊な装置を使わなくても良く、本発明の金属コロイド粒子調製に有利であるため、一般例を後述するが、これらに限定されるものではない。

なお、その他の構成については、公知の構成を適用することができる。

以上説明したように、本発明の有機半導体トランジスタ素子は、種々の表示素子に適用することができる。

以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。ただし、これら各実施例は、本発明を制限するものではない。
（実施例１）
コーニング１７３７ガラス基板上に厚さ１５０ｎｍのＣｒＭｏ膜をスパッタリング法により形成し、ゲート電極とした。次いでゲート電極上にＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成しゲート絶縁膜とした。その上に、ベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）を蒸着法（装置名：ＶＰＣ−１１００（真空機工（株）製）、条件；成膜レート：５〜８ｎｍ／ｓ、圧力：１．３×１０^−４Ｐａ）により成膜した。このときの成膜温度は２００℃、膜厚は５０ｎｍとした。更に、金をスパッタリング法により膜厚が１５０ｎｍとなるように成膜し、フォトリソ工程によりパターンニングを行い、ソース電極、ドレイン電極を形成した。その後、ポリイミド（京セラケミカル製ＣＴ４１１２Ａ）前駆体をスピンコートし、１３０℃でアニールを行い、層間絶縁膜として、有機半導体トランジスタ素子を作製した。このようにして作製した有機半導体トランジスタのチャネル長は１８μｍ、チャネル幅は４００μｍとした。

（実施例２）
実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにベンゾチオフェン化合物（Ｉ−２）を用いた以外は、実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

（比較例１）
上記実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにペンタセンを用い、成膜温度を２５０℃にして蒸着法（装置名：ＶＰＣ−１１００（真空機工（株）製）、条件；成膜レート：５〜８ｎｍ／ｓ、圧力：１．３×１０^−４Ｐａ）により有機半導体を形成した他は実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

（比較例２）
上記実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにテトラセンを用い、成膜温度を２７０℃にして蒸着法（装置名：ＶＰＣ−１１００（真空機工（株）製）、条件；成膜レート：５〜８ｎｍ／ｓ、圧力：１．３×１０^−４Ｐａ）により有機半導体を形成した他は実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

（比較例３）
上記実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにフタロシアニン系化合物である銅フタロシアニンを用い、成膜温度を７０℃にして蒸着法（装置名：ＶＰＣ−１１００（真空機工（株）製）、条件；成膜レート：５〜８ｎｍ／ｓ、圧力：１．３×１０^−４Ｐａ）により有機半導体を形成した他は実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

（比較例４）
上記実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにα‐ω―ヘキサチオフェンを用い、成膜温度を１００℃にして蒸着法（装置名：ＶＰＣ−１１００（真空機工（株）製）、条件；成膜レート：５〜８ｎｍ／ｓ、圧力：１．３×１０^−４Ｐａ）により有機半導体を形成した他は実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

（比較例５）
上記実施例１で用いたベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）の代わりにポリチオフェンであるポリ（３−ヘキシルチオフェン）を用い、スピンコーター法（溶媒：クロロベンゼン）により有機半導体を形成した他は実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。

−評価−
実施例および比較例で得られた有機半導体トランジスタ素子を半導体パラメーターアナライザー（アジレントテクノロジー社製、４１５５Ｃ）を用いて、ゲート電圧を印加した時の電流−電圧特性を測定し、キャリア移動度（線形領域）とオン／オフ比を算出した。
また、表面粗さＲａは、表面粗さ形状測定器（東京精密製サーフコム（株）１４００Ａシリーズ）を用い、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に準じて測定した。詳しくは測定長さ２．５ｍｍ、カットオフ波長０．８ｍｍ、測定速度０．６０ｍｍ／ｓの条件で測定した。有機半導体の欠陥の有無は、大気下の条件下でＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により評価した。

以上のように作製した有機半導体トランジスタ素子の膜質、オン／オフ比、有機化合物の形成に用いた電荷輸送性材料のキャリア移動度を有機半導体の成膜温度と共に表１に示す。併せて、有機半導体トランジスタ素子の欠陥の有無を示す。

表１からわかるように、実施例１及び２は比較例１〜３よりも表面粗さＲａが小さく、成膜性が優れていることがわかった。
いずれの実施例に示す有機半導体トランジスタ素子もゲート電極に印加する電圧（ゲート電圧）の変化に伴い、ソース電極・有機半導体層・ドレイン電極間を流れるドレイン‐ソース電流が変化するスイッチング特性を示し、良好なオンオフ比を示していた。
しかし、比較例では、有機半導体の形成に用いた電荷輸送性材料のキャリア移動度が低かったために、オン／オフ比が、実施例の素子と比べて劣っていることがわかった。
また、実施例１及び２は比較例１〜４よりも空気中の酸素・水分によって劣化しにくく、有機半導体に欠陥は認められなかったことがわかる。
（実施例３）
以下に示すようにして、図４示す表示装置と同様な構成の表示装置を作製した。
まず、実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。
一方、チタニヤ系カップリング剤（味の素製 ＫＲ−ＴＴＳ）及びアルミ系カップリング剤（味の素製 ＡＬ−Ｍ）で表面処理したチタニヤ粒子（石原産業製）をドデシルベンゼン（関東化学製）に分散し、さらに、アントラキノン系染料（中央合成化学製）を加え分散した。この分散液をアラビヤゴムとゼラチンを溶解した溶液に滴下し、回転速度は１３００ｒｐｍで撹拌した。

次に、酢酸によって溶液のｐＨを３．７に調節し、その後、氷冷することによってカプセルを析出させた。さらに、ホルムアルデヒドを加え、カプセルに架橋構造を形成した。その後、一昼夜撹拌を続けた後、分級することで、粒径５０〜６０μｍのマイクロカプセルを作製した。作製したマイクロカプセルと、水系エマルジョン型のバインダ材（信越化学製、「ポロン」）と、水とを混合し、水にマイクロカプセルおよびバインダ材が分散されたマイクロカプセル分散液を調製した。このとき、マイクロカプセル分散液中のバインダ材の濃度は、５ｗｔ％とした。

作製したマイクロカプセル分散液を、透明電極ＩＴＯ付きガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）上にドクターブレード法によって塗布することで、６０μｍの厚み（マイクロカプセルの平均粒径と略同じ厚み）の表示層を形成したのち、ＩＴＯを形成したガラスを張り合わせた。このようにして表示素子を作製した。

得られた表示素子を有機半導体トランジスタ素子上に貼り合わせ、ＩＴＯとドレイン電極をＡｕワイヤによって接続して、表示装置を作製した。この表示装置における表示素子では、ゲート電極に接続された電源からの電圧と、ソース電極に接続された電源からの電圧の組合せを調整する事によって、白色表示と、黒色表示を任意に切り替えることが出来た。

（実施例４）
以下に示すようにして、図５示す表示装置と同様な構成の表示装置を作製した。
まず、実施例１と同様にして有機半導体トランジスタ素子を作製した。
一方、厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に、ＩＴＯをスパッタリング法により５０ｎｍの厚さで成膜した後、光観光性ポリイミドワニスを用いて隔壁のための層を塗布により形成し、フォトリソ工程によって高さ５０μｍ、幅２０μｍの隔壁を形成した。その後、隔壁の丈夫に接着層を形成した後、白色粒子（酸化チタン、体積平均粒子径１０μｍ）を含む金コロイドのエタノール溶液（体積平均粒子径２０ｎｍ）を充填した後、ＩＴＯを成膜したガラス基板に熱をかけて貼り合わせて表示素子を作製した。

得られた表示素子を有機半導体トランジスタ上に貼り合わせ、ＩＴＯとドレイン電極をＡｕワイヤによって接続して、表示装置を作製した。この表示装置における表示素子では、金コロイド粒子が分散された状態にあり、赤色を示していたが、ゲート電極に接続された電源からの電圧（−５０Ｖ）と、ソース電極に接続された電源からの電圧（３０Ｖ）の組合せによって、金コロイド粒子は下部電極側へ移動し、白色粒子の色、すなわち白色として観察された。

（比較例６）
実施例４において、ベンゾチオフェン化合物（Ｉ−１）に代えて、ペンタセンを用いた以外は全て、実施例４と同様にして表示素子を作製した。
この表示素子は、金コロイド粒子が分散された状態にあり、赤色を示していたが、実施例４と同様の電圧、即ち、ゲート電極に接続された電源からの電圧（−５０Ｖ）と、ソース電極に接続された電源からの電圧（３０Ｖ）の組合せによって、表示素子は、赤色を示したままであり、変化が認められなかった。

本発明の有機半導体トランジスタ素子の層構成の一例を示した概略構成図である。 本発明の有機半導体トランジスタ素子の層構成の一例を示した概略構成図である。 本発明の有機半導体トランジスタ素子の層構成の一例を示した概略構成図である。 本発明の有機半導体トランジスタ素子を用いた表示装置の構成の一例を示した概略構成図である。 本発明の有機半導体トランジスタ素子を用いた表示装置の構成の一例を示した概略構成図である。

符号の説明

１ 基板
２ ソース電極
３ ドレイン電極
４ 有機半導体層
５ ゲート電極
６ 絶縁層
１０ 有機半導体トランジスタ素子
１１ 基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４ 有機半導体層
１５ ソース電極
１６ ドレイン電極
２０ 表示素子
２１ 表示基板
２２ 背面基板
２３ 間隙部材
２４ 電極
２５ 電極
２６Ａ 第１電荷移動性粒子
２６Ｂ 第２電荷移動性粒子
２７ マイクロカプセル
２８ 分散媒
２９ 表示層
３０ 表示素子
３１ 表示基板
３２ 背面基板
３３ 間隙部材
３４ 電極
３５ 電極
３６ 電荷移動性粒子
３７ 異性粒子
３８ 分散媒
３９ 表示層
４０ 層間絶縁層
４１ 金属ワイヤ
１００ 表示装置
１０１ 表示装置

Claims (7)

1. ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする有機半導体トランジスタ素子。
   

   
2. ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有する有機半導体トランジスタ素子を、１個以上有する半導体装置。
   

   
3. 下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を用いて有機半導体を形成することを特徴とする有機半導体トランジスタ素子の製造方法。
   

   
4. 前記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を真空蒸着することにより前記有機半導体を形成することを特徴とする請求項３に記載の有機半導体トランジスタ素子の製造方法。
5. 少なくとも、第１の色を呈する状態と第２の色を呈する状態とが可逆的に変化する表示素子と、
   ソース電極と、ドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極と導通可能に設けられた有機半導体と、該有機半導体に対して絶縁され且つ電場を印加することが可能なゲート電極とを少なくとも含み、該有機半導体が、下記構造式（Ｉ−１）及び（Ｉ−２）で示される化合物から選択される少なくとも１種を含有する有機半導体トランジスタ素子と、
   を具備することを特徴とする表示装置。
   

   
6. 前記表示素子は、分散状態に応じて発色性を呈する電荷移動性粒子を含む表示層を有することを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
7. 前記電荷移動性粒子は、プラズモン発色機能を有する金属粒子であることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。

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