JP2008140883A - Organic thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機薄膜トランジスタおよびそれに用いられる電極表面処理材料に関する。 The present invention relates to an organic thin film transistor and an electrode surface treatment material used therefor.
近年、薄膜トランジスタなどのアクティブ素子を用いたアクティブマトリクス液晶表示装置は、高画質、低消費電力および省スペースといった利点から、薄型テレビやパソコンモニタ、携帯電話の表示画面として使用されている。
しかし、従来、半導体層として使用されているアモルファスシリコン薄膜の製造プロセスは高価な真空装置を必要とし、またフォトリソグラフィーを用いるため数ステップの工程を経る必要があるため、製造コストが高くなってしまう。また、前述のような無機材料を半導体として用いた場合、薄膜トランジスタ(TFT)の製造(成膜)温度は300から400℃以上の高温を必要とするため、プラスティックなどのフレキシブル性、耐衝撃性に富んだ基板上への作製は極めて困難である。
In recent years, active matrix liquid crystal display devices using active elements such as thin film transistors have been used as display screens for flat-screen televisions, personal computer monitors, and mobile phones because of their advantages of high image quality, low power consumption, and space saving.
However, the manufacturing process of an amorphous silicon thin film conventionally used as a semiconductor layer requires an expensive vacuum apparatus and requires several steps because of using photolithography, which increases the manufacturing cost. . In addition, when an inorganic material as described above is used as a semiconductor, the manufacturing (film formation) temperature of a thin film transistor (TFT) requires a high temperature of 300 to 400 ° C., so that flexibility such as plastic and impact resistance are improved. Fabrication on a rich substrate is extremely difficult.
一方、有機半導体材料を用いれば、プラスティックの耐熱温度よりも低い温度での成膜が可能となり、更に、溶液プロセスによる半導体成膜が可能となれば、低コスト化、大面積化、フレキシブル化が期待される。
ここで、従来の有機薄膜トランジスタでは、有機半導体材料と良好なオーミックコンタクトを確保するために、仕事関数の大きな、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)などの貴金属が電極に用いられる。しかし、電極を構成する金属と有機半導体層との電気的あるいは物理的な接触は粗悪であり、半導体層の比抵抗に匹敵するあるいはそれ以上の比抵抗値を示す場合があり、このようなコンタクト抵抗がトランジスタの微細化と高性能化を困難にしている。
On the other hand, if an organic semiconductor material is used, it becomes possible to form a film at a temperature lower than the heat resistant temperature of the plastic. Further, if a semiconductor film can be formed by a solution process, cost reduction, large area, and flexibility can be achieved. Be expected.
Here, in the conventional organic thin film transistor, a noble metal having a large work function, such as gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), or the like is used for the electrode in order to ensure good ohmic contact with the organic semiconductor material. . However, the electrical or physical contact between the metal constituting the electrode and the organic semiconductor layer is poor, and may have a specific resistance value comparable to or higher than the specific resistance of the semiconductor layer. Resistors make it difficult to make transistors finer and higher performance.
また、非特許文献1によると、非特許文献1で開示するトランジスタの構造はソース/ドレイン電極に直接有機半導体層が積層されているため、十分なコンタクト抵抗を得ることができない。尚、非特許文献1は、主に学術領域での有機トランジスタの移動度評価を、ゲート電圧およびドレイン電圧が数10V〜100Vもの高電圧下で測定するため、ソース/ドレイン電圧と有機半導体層との間の電荷注入障壁は問題にならないと推察される。
一方、特許文献1あるいは特許文献2は、ソース/ドレイン電極と有機半導体層との間に導電性の有機物を備えたトランジスタを開示しているが、それでもコンタクト抵抗が十分であるとは言えない。しかも、金属のソース/ドレイン電極形成した後、前記導電性有機層をパターニングあるいは不純物ドーピングを施す必要があり、プロセス的に簡便とは言い難い。
According to
On the other hand,
そこで、コスト面プロセス的に簡便である溶液プロセスへの適応性があり、かつ実用的な駆動電圧範囲内でトランジスタを駆動させるためには、できるだけ簡便な方法により、特にソース/ドレイン電極と有機半導体層との間の接触(コンタクト抵抗)を改善させる必要がある。
本発明は、上述のようなソース/ドレイン電極と有機半導体層との間に電気的並びに物理的接触を改善させる界面コンタクト層を用いて、より実用的な低電圧領域でのトランジスタ動作並びに素子性能均一化が可能な有機薄膜トランジスタを提供することである。 The present invention employs an interfacial contact layer that improves electrical and physical contact between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer as described above, thereby making transistor operation and device performance in a more practical low-voltage region. An organic thin film transistor that can be made uniform is provided.
前記の課題を解決するために、本発明者は、鋭意検討した結果、ゲート電極及びゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極、有機半導体層を備える有機薄膜トランジスタの、ソース/ドレイン電極と前記有機半導体層との間の少なくとも一部の領域に式(1)で示される縮合多環芳香族チオールが、ソース/ドレイン電極を構成する金属と該チオールの硫黄との界面でスルフィド結合した構造が有用であることを見出し本発明を完成した。
即ち本発明は、
1、ソース/ドレイン電極と有機半導体層との界面に、該電極を構成する金属とスルフィド結合した記式(1)で表される縮合多環芳香族チオールが存在していることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has intensively studied. As a result, the source / drain electrode of the organic thin film transistor including the gate electrode and the gate insulating layer, the source / drain electrode, and the organic semiconductor layer, the organic semiconductor layer, A structure in which the condensed polycyclic aromatic thiol represented by the formula (1) is sulfide-bonded at the interface between the metal constituting the source / drain electrode and sulfur of the thiol is useful in at least a part of the region between The present invention has been completed.
That is, the present invention
1. A condensed polycyclic aromatic thiol represented by the formula (1) which is sulfide-bonded to a metal constituting the electrode is present at the interface between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer. Organic thin film transistor.
2、基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極を記載の順に配置してなるトランジスタ用基板の表面を、
(1)1に記載の縮合多環芳香族チオールの溶液で表面処理して製造する事を特徴とする界面コンタクト層の製造工程と、
(2)引き続き、有機半導体の溶液で表面処理して製造する事を特徴とする有機半導体層の製造工程と、
を経て製造されることを特徴とする1に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法である。
2. A surface of a transistor substrate in which a gate electrode, a gate insulating layer, and a source / drain electrode are arranged on the substrate in the order described,
(1) A process for producing an interface contact layer, characterized by being produced by surface treatment with a solution of the condensed polycyclic aromatic thiol according to 1;
(2) Subsequently, a manufacturing process of an organic semiconductor layer characterized in that it is manufactured by surface treatment with an organic semiconductor solution;
2. The method for producing an organic thin film transistor according to 1, wherein the organic thin film transistor is produced through a process.
本発明はソース/ドレイン電極と有機半導体層との間に縮合多環芳香族チオールを配置し、且つ、該チオールの硫黄がソース/ドレイン電極を構成する金属とスルフィド結合した構造(以下、縮合多環芳香族チオールの誘導体とも称する)の界面コンタクト層を形成することで、ソース/ドレイン電極から有機半導体層への電荷注入障壁を低減し、これらの間の接触抵抗を減少させることを達成せしめた。
又、縮合多環芳香族チオールの誘導体からなる界面コンタクト層は、有機半導体溶液を用いて有機半導体層を形成する際の濡れ性を向上せしめ、その結果、有機半導体層と界面コンタクト層との物理的な密着性を向上させ、トランジスタ性能の均一化並びに安定化をも実現せしめ、良好な有機薄膜トランジスタを得ることが可能となる。
In the present invention, a condensed polycyclic aromatic thiol is disposed between a source / drain electrode and an organic semiconductor layer, and the sulfur of the thiol is sulfide-bonded to a metal constituting the source / drain electrode (hereinafter referred to as a condensed poly thiol). By forming the interface contact layer (also referred to as a derivative of a ring aromatic thiol), it was possible to reduce the charge injection barrier from the source / drain electrode to the organic semiconductor layer and to reduce the contact resistance between them. .
In addition, the interface contact layer made of a derivative of a condensed polycyclic aromatic thiol improves the wettability when an organic semiconductor layer is formed using an organic semiconductor solution. As a result, the physical contact between the organic semiconductor layer and the interface contact layer is improved. It is possible to improve the general adhesion, to achieve uniform and stable transistor performance, and to obtain a good organic thin film transistor.
本実施形態は、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極が記載の順に配置されたトランジスタ用基板のソース/ドレイン電極表面に下記一般式(1)で表される縮合多環芳香族チオールの誘導体からなる界面コンタクト層を介して有機半導体層が形成された構造であることを特徴とする有機薄膜トランジスタである。
本発明の界面コンタクト層を形成する縮合多環芳香族チオールの誘導体は、下記一般式(1)の構造を有するチオールから構成される。
In this embodiment, the condensed polycyclic aromatic thiol represented by the following general formula (1) is formed on the surface of the source / drain electrode of the transistor substrate in which the gate electrode, the gate insulating layer, and the source / drain electrode are arranged in the order described. An organic thin film transistor having a structure in which an organic semiconductor layer is formed through an interface contact layer made of a derivative.
The condensed polycyclic aromatic thiol derivative forming the interface contact layer of the present invention is composed of a thiol having the structure of the following general formula (1).
これにより前記ソース/ドレイン電極表面金属と界面コンタクト層分子との電荷移動量は分子構造を変更することで調整可能と考えられるため、界面状態の制御も可能となる。
Thereby, it is considered that the amount of charge transfer between the metal on the surface of the source / drain electrode and the interface contact layer molecule can be adjusted by changing the molecular structure, so that the interface state can be controlled.
仮にソース/ドレイン電極表面金属から界面コンタクト層に電子が移動した場合、両層のフェルミエネルギーが平衡状態に至るに伴って、電極表面から界面コンタクト層へ向かう界面双極子が発生する。このとき、界面コンタクト層分子固有の真空準位がソース/ドレイン電極の真空準位に比べて、界面双極子に相当するエネルギー分だけ上昇するため、ソース/ドレイン電極の仕事関数が界面双極子により上昇した真空準位差分だけ増大させることができる。
この界面コンタクト層の効果により仕事関数が増大したソース/ドレイン電極の上に、例えばp型の有機半導体層を形成した場合、ソース/ドレイン電極のフェルミ準位からp型有機半導体分子の最高被占軌道(HOMO)への電荷注入のためのエネルギー障壁が減少され、比較的小さなドレイン電圧で電荷を有機半導体層に注入できるようになる。
If electrons move from the source / drain electrode surface metal to the interface contact layer, an interface dipole from the electrode surface to the interface contact layer is generated as the Fermi energy of both layers reaches an equilibrium state. At this time, the vacuum level specific to the interface contact layer molecule is increased by the energy corresponding to the interface dipole compared to the vacuum level of the source / drain electrode, so that the work function of the source / drain electrode is caused by the interface dipole. It can be increased by the increased vacuum level difference.
For example, when a p-type organic semiconductor layer is formed on the source / drain electrode whose work function is increased by the effect of the interface contact layer, the highest occupation of the p-type organic semiconductor molecule from the Fermi level of the source / drain electrode. The energy barrier for charge injection into the orbit (HOMO) is reduced, and charge can be injected into the organic semiconductor layer with a relatively small drain voltage.
また、ソース/ドレイン電極表面と界面コンタクト層はスルフィド結合(化学結合)で結ばれているため界面の電子状態が安定し、トランジスタ性能のバラツキや有機半導体層とソース/ドレイン電極との間のコンタクト不良が解消され、結果としてトランジスタ性能の信頼性を向上させる。
尚、界面コンタクト層自体の電気伝導性は低く、ソース/ドレイン電極から有機半導体層への電荷注入はトンネル効果によって引き起こされているため、より有効な界面コンタクト層厚が存在すると考えられ、界面コンタクト層としては、式(1)中、nが0以上5以下、より好ましくは1以上4以下の整数であることが求められ、同様の理由から式(1)中、mが0以上12以下、より好ましくは0以上5以下の整数であることが望ましい。
In addition, since the source / drain electrode surface and the interface contact layer are connected by a sulfide bond (chemical bond), the electronic state of the interface is stabilized, and the transistor performance varies and the contact between the organic semiconductor layer and the source / drain electrode. The defect is eliminated, and as a result, the reliability of the transistor performance is improved.
The interface contact layer itself has low electrical conductivity, and charge injection from the source / drain electrode to the organic semiconductor layer is caused by the tunnel effect, so it is considered that there is a more effective interface contact layer thickness. As a layer, in formula (1), it is calculated | required that n is 0 or more and 5 or less, More preferably, it is an integer of 1 or more and 4 or less. For the same reason, in formula (1), m is 0 or more and 12 or less, More preferably, it is an integer of 0 or more and 5 or less.
このような界面コンタクト層を形成するには、式(1)で表されるチオールをトルエン、クロロベンゼン、アルコールといった適当な溶媒に溶解させ、予め互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース/ドレイン電極と、前記有機半導体層に形成されるチャネル領域の位置に対応して配置されたゲート電極と、前記ゲート電極と前記ソース/ドレイン電極の間に配置されたゲート絶縁層を備えたトランジスタ用基板を、前記チオール溶液に0.5時間〜2時間程度浸漬或いは当該チオール溶液をトランジスタ用基板に塗布後放置させることにより容易に前記ソース/ドレイン電極表面に該電極を構成する金属と該チオールの硫黄がスルフィド結合した界面コンタクト層を形成させることができる。 In order to form such an interface contact layer, the thiol represented by the formula (1) is dissolved in an appropriate solvent such as toluene, chlorobenzene, alcohol, and the source / drain electrodes arranged in advance at a predetermined distance from each other. A transistor substrate comprising: a gate electrode disposed corresponding to a position of a channel region formed in the organic semiconductor layer; and a gate insulating layer disposed between the gate electrode and the source / drain electrode. The metal constituting the electrode and sulfur of the thiol are easily sulfided on the surface of the source / drain electrode by immersing in the thiol solution for about 0.5 hours to 2 hours or allowing the thiol solution to be applied to the transistor substrate and allowing it to stand. A bonded interface contact layer can be formed.
チオール溶液の塗布方法としては、スピンコート法、ディップ法、ドロップキャスト法などが望ましい。尚、界面コンタクト層は必ずしも一様な連続的な層状構造(完全にソース/ドレイン電極を被覆する構造)を取る必要性はなく、ソース/ドレイン電極と有機半導体層との界面において、少なくともその一部に界面コンタクト層を形成すればよい。
本発明は、さらに、前記界面コンタクト層でソース/ドレイン電極を被覆したトランジスタ用基板上にさらに有機半導体材料の芳香族系溶媒との溶液を塗布或いは基板を浸漬した後、前記芳香族系溶媒を除去することにより有機半導体層を形成して有機半導体トランジスタとなす。
As a method for applying the thiol solution, a spin coat method, a dip method, a drop cast method, or the like is desirable. Note that the interface contact layer does not necessarily have a uniform continuous layered structure (a structure that completely covers the source / drain electrode), and at least one of the interfaces at the interface between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer. An interface contact layer may be formed on the part.
The present invention further includes applying a solution of an organic semiconductor material with an aromatic solvent on the transistor substrate coated with the source / drain electrodes with the interface contact layer or immersing the substrate, and then adding the aromatic solvent. By removing the organic semiconductor layer, an organic semiconductor transistor is formed.
このような、所謂溶液プロセスによる有機半導体層の製造工程においては、界面コンタクト層自体が縮合多環芳香族化合物であることから、芳香族系溶媒との親和性が向上し、より溶液の濡れ性が改善される。溶液プロセスによる有機半導体薄膜形成において溶液状態での濡れ性は極めて重要な因子であり、前記界面コンタクト層を備えることによって好適な有機半導体薄膜層が形成される。さらには、本発明で用いる有機半導体材料についても共役結合を有することから界面の親和性が向上しソース/ドレイン電極と有機半導体層との間の密着性を向上させることができる。 In such a manufacturing process of an organic semiconductor layer by a so-called solution process, since the interface contact layer itself is a condensed polycyclic aromatic compound, the affinity with an aromatic solvent is improved, and the wettability of the solution is further increased. Is improved. In forming an organic semiconductor thin film by a solution process, wettability in a solution state is an extremely important factor, and a suitable organic semiconductor thin film layer is formed by providing the interface contact layer. Furthermore, since the organic semiconductor material used in the present invention also has a conjugated bond, the affinity of the interface is improved, and the adhesion between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer can be improved.
ところで、前記界面コンタクト層の形成に用いるチオールとしては、上記一般式(1)で表される縮合多環芳香族のチオールであれば構わないが、R1、R2、R3、R4は、各々独立に、アルキル基、アルケニル基、アルコキシル基、エーテル基、ケトン基、エステル基、アミノ基、アミド基、シアノ基、シリル基、およびこれらの基から構成される誘導基の中から選ばれ(mが2以上の場合のR1、R2も各々独立に上記基の中から選ばれる)、且つ、R5、R6、R7、R8は水素、ハロゲン基のいずれかから選ばれる(尚、nが2以上の場合のR7、R8は各々独立に水素、ハロゲン基のいずれかから選ばれる)ことが好ましい。尚、中でもベンゼンチオール、2−ナフタレンチオール、2−ナフタレンメタンチオールがより好ましい。 By the way, the thiol used for forming the interface contact layer may be a condensed polycyclic aromatic thiol represented by the general formula (1), but R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are Each independently selected from alkyl groups, alkenyl groups, alkoxyl groups, ether groups, ketone groups, ester groups, amino groups, amide groups, cyano groups, silyl groups, and derivative groups composed of these groups. (When m is 2 or more, R 1 and R 2 are also independently selected from the above groups), and R 5 , R 6 , R 7 , and R 8 are selected from any of hydrogen and halogen groups (In the case where n is 2 or more, R 7 and R 8 are each independently selected from hydrogen and halogen groups). Of these, benzenethiol, 2-naphthalenethiol, and 2-naphthalenemethanethiol are more preferable.
一方、有機半導体材料としては、高分子、低分子ともに挙げることができる。高分子としてはポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、あるいはこれらの誘導体が望ましい。また低分子では、チオフェンオリゴマ、ペンタセンに代表されるアセン系化合物、銅フタロシアニンで代表されるフタロシアニン、アントラジチオフェン、ビスジチエノチオフェン、あるいはこれらの誘導体などが望ましい。
有機半導体層の形成方法としては、上記のように有機半導体層を溶液プロセスでも形成することが可能である。例えば、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷、インクジェット法、ブレードコート法、印刷(平版印刷、凸版印刷、凹版印刷など)などの方法をあげることができる。尚、低分子系については、例えば、真空蒸着、分子線エピタキシ法、スパッタリング法、レーザー蒸着法、気相輸送成長法などを挙げることができるが、これらの製法は高分子系への適用が困難であること、そして、用いる装置が複雑となることから、溶液プロセスで形成するほうが好ましい。
On the other hand, examples of the organic semiconductor material include both high polymers and low molecules. As the polymer, polyacetylene, polythiophene, polypyrrole, polythienylene vinylene, polyphenylene vinylene, polyfluorene, or derivatives thereof are desirable. For low molecules, thiophene oligomers, acene compounds typified by pentacene, phthalocyanines typified by copper phthalocyanine, anthradithiophene, bisdithienothiophene, or derivatives thereof are desirable.
As a method for forming the organic semiconductor layer, the organic semiconductor layer can be formed by a solution process as described above. For example, methods such as spin coating, dipping, screen printing, ink jet, blade coating, printing (lithographic printing, letterpress printing, intaglio printing, etc.) can be used. Examples of low molecular weight systems include vacuum vapor deposition, molecular beam epitaxy, sputtering, laser vapor deposition, vapor phase transport growth, and the like, but these production methods are difficult to apply to polymer systems. In view of this, and the apparatus to be used becomes complicated, it is preferable to form by a solution process.
次に、本発明の界面コンタクト層及び有機半導体層を配置する基材としてのトランジスタ用基板について説明する。
本発明で用いることができるトランジスタ用基板は、基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極を記載の順に配置したものである。以下、詳説する。
本発明に用いることができるゲート電極を構成する材料としては、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステン、金、白金、銀、銅、アルミニウム、パラジウムなどの金属や、これらの金属を用いた合金、ポリシリコン、アモルファスシリコン、酸化インジウム、インジウム錫酸化物などの無機材料が好ましい。
Next, a transistor substrate as a base material on which the interface contact layer and the organic semiconductor layer of the present invention are arranged will be described.
The transistor substrate that can be used in the present invention is a substrate in which a gate electrode, a gate insulating layer, and a source / drain electrode are arranged in the order described. The details will be described below.
Materials constituting the gate electrode that can be used in the present invention include metals such as chromium, nickel, molybdenum, tungsten, gold, platinum, silver, copper, aluminum, and palladium, alloys using these metals, and polysilicon. Inorganic materials such as amorphous silicon, indium oxide, and indium tin oxide are preferable.
また、本発明において、ゲート絶縁層を構成する材料としては、例えばSiO2, SiNx,AlN,Ta2O5,Al2O3,HfO2等が挙げられる。この他無機材料以外にも高分子絶縁膜材料については、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプル欄、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリメチルメタクリレート、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリイミドなどの有機材料が望ましい。
そして、ソース/ドレイン電極を構成する材料としては、半導体材料とのオーム性接触が可能な金属が好ましい。例えば、輸送キャリアが正孔であるp型有機半導体の場合は、仕事関数の大きな金属が求められ、具体的には金、白金、パラジウムなどが挙げられる。また、輸送キャリアが電子であるn型有機半導体の場合は、仕事関数の小さな金属が必要であり、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。
In the present invention, examples of the material constituting the gate insulating layer include SiO 2 , SiNx, AlN, Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , and HfO 2 . In addition to inorganic materials, polymer insulating film materials include polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, cyanoethyl pull column, polychloropyrene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polysulfone, polycarbonate, polyimide, etc. Organic materials are desirable.
And as a material which comprises a source / drain electrode, the metal in which ohmic contact with a semiconductor material is possible is preferable. For example, in the case of a p-type organic semiconductor in which the transport carrier is a hole, a metal having a large work function is required, and specific examples include gold, platinum, palladium, and the like. In the case of an n-type organic semiconductor whose transport carrier is an electron, a metal having a small work function is required, and examples thereof include aluminum, magnesium, and calcium.
また、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極、有機半導体層および界面コンタクト層が形成される基板としては、絶縁性のある材料であれば良く、広い範囲から好適に選択することができる。例えば、ガラス、アルミナ焼結体などの無機材料や、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルムなどの絶縁性プラスティックなどを挙げることができる。特に、プラスティック基板を用いた場合は、軽量で耐衝撃性に優れたフレキシブルな有機薄膜トランジスタを作製することができる。
以上に説明した基板、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース/ドレイン電極からなるトランジスタ用基板は、通常の手法によって製造することが可能である。
The substrate on which the gate electrode, the gate insulating layer, the source / drain electrode, the organic semiconductor layer, and the interface contact layer are formed may be an insulating material and can be suitably selected from a wide range. Examples thereof include inorganic materials such as glass and alumina sintered bodies, and insulating plastics such as polyimide films, polyester films, and polyethylene films. In particular, when a plastic substrate is used, a flexible organic thin film transistor that is lightweight and excellent in impact resistance can be produced.
The transistor substrate including the substrate, the gate electrode, the gate insulating layer, and the source / drain electrodes described above can be manufactured by a normal method.
以下、本発明の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの構造について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの断面図である。
図1において、基板6上には、ゲート電極5が形成されるとともに、ゲート電極5を覆うようにゲート絶縁層4が形成されている。そしてゲート絶縁層4上には、ゲート電極5を間に互いに所定間隔だけ隔てて配置されたソース/ドレイン電極2が形成される。そして、ソース/ドレイン電極2と有機半導体層1との間に配置された界面コンタクト層3が形成されている。
Hereinafter, the structure of an organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an organic thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a
尚、図2は、本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例を示す断面図である。
図3は、本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例を示す断面図である。
図4は、本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例を示す断面図である。
以上の図の1〜4は本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例をそれぞれ表す断面図である。このように、本発明で用いることができるトランジスタ用基板は、基本的には、ゲート電極とソースドレイン電極の間にゲート絶縁層が存在し、ソース/ドレイン電極間には、有機半導体層が存在し、かつ、ソース/ドレイン電極と有機半導体層の間に、界面コンタクト層が存在している限りにおいて本発明の範囲となる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention.
1 to 4 in the above drawings are cross-sectional views respectively showing examples of the structure of the organic thin film transistor of the present invention. Thus, the transistor substrate that can be used in the present invention basically has a gate insulating layer between the gate electrode and the source / drain electrode, and an organic semiconductor layer between the source / drain electrodes. In addition, as long as the interface contact layer exists between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer, it is within the scope of the present invention.
なお、界面コンタクト層が形成されていることを特定する手段としては、まず、電極の金属原子と硫黄がスルフィド化学結合を形成していることは、金属の仕事関数が界面双極子に相当するエネルギーだけシフトすることを確認することで特定することができる。従って、光電子分光法などの解析手法により、仕事関数のシフト量を解析することで、電極表面に化学結合が形成されていることが確認できる。
また、電極表面に形成されている界面コンタクト層の分子構造を特定する場合、X線光電子分光分析装置、或いは、オージェ電子分光装置により元素を特定し、TOF−SIMS法などの表面質量分析法を用いることで、界面コンタクト層分子の分子量が推定できる。さらには、電極表面を赤外スペクトル法により芳香族環特有の振動スペクトルやその他の官能基の存在を確認することができ、前記解析結果を総合することで、界面コンタクト層分子の構造を特定することが可能である。
As a means for specifying that the interface contact layer is formed, first, the metal atom of the electrode and sulfur form a sulfide chemical bond. The energy that the work function of the metal corresponds to the interface dipole Can be identified by confirming that only shift. Therefore, it can be confirmed that a chemical bond is formed on the electrode surface by analyzing the shift amount of the work function by an analysis method such as photoelectron spectroscopy.
Moreover, when specifying the molecular structure of the interface contact layer formed on the electrode surface, the element is specified by an X-ray photoelectron spectrometer or an Auger electron spectrometer, and surface mass spectrometry such as TOF-SIMS method is performed. By using it, the molecular weight of the interface contact layer molecule can be estimated. Furthermore, the vibration surface of the aromatic ring and the presence of other functional groups can be confirmed on the electrode surface by infrared spectroscopy, and the structure of the interface contact layer molecule is specified by combining the analysis results. It is possible.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
[実施例1]
先ず、n型ドーパントでヘビードープされたシリコン基板(厚さ200nmの熱酸化膜を表面に備えている)を用意し、その表面にソース/ドレイン電極として金電極のパターンを形成した。
次に、界面コンタクト層を形成するためのチオールとしてナフタレン−2−メタンチオールを用い、溶媒としてトルエンに約3mMの濃度で溶解させた。該チオール誘導体溶液に前記電極パターンが形成されたシリコン基板を約1時間浸漬させ、その後新鮮なトルエンに浸して超音波洗浄することにより余剰なチオールを除去しソース/ドレイン電極表面に界面コンタクト層を形成した。
[Example 1]
First, a silicon substrate heavily doped with an n-type dopant (having a 200 nm thick thermal oxide film on the surface) was prepared, and a gold electrode pattern was formed on the surface as a source / drain electrode.
Next, naphthalene-2-methanethiol was used as a thiol for forming the interface contact layer, and dissolved in toluene at a concentration of about 3 mM as a solvent. The silicon substrate on which the electrode pattern is formed is immersed in the thiol derivative solution for about 1 hour, and then immersed in fresh toluene and ultrasonically cleaned to remove excess thiol, and an interface contact layer is formed on the surface of the source / drain electrode. Formed.
ペンタセン粉末10mgと1,2,4−トリクロロベンゼン15gとの混合物を窒素雰囲気下で180〜200℃に加熱して、赤紫色の溶液を調整した。
窒素雰囲気下において、該ペンタセン溶液を予め200℃に加熱した前記界面コンタクト層を備えた電極パターンを有するシリコン基板上に展開し、溶媒を蒸発することにより有機半導体層であるペンタセン薄膜を形成した。
比較として、界面コンタクト層を備えない電極パターン付き基板上に前記ペンタセン溶液を同様に展開し、ペンタセン溶液を形成したが溶液の濡れ性が悪く液滴端が収縮するために基板上に均一な薄膜が得られなかった。前記のとおり作製した有機薄膜トランジスタの特性を評価したところ(チャネル幅500mm、チャネル長50mm)、界面コンタクト層を有するペンタセン薄膜トランジスタの移動度は平均0.10cm2/Vs、しきい値は−10Vであるのに対し、界面コンタクト層を備えていないペンタセン薄膜トランジスタの移動度は平均で0.03cm2/Vs、しきい値は−19Vであった。
A mixture of 10 mg of pentacene powder and 15 g of 1,2,4-trichlorobenzene was heated to 180 to 200 ° C. under a nitrogen atmosphere to prepare a red-purple solution.
Under a nitrogen atmosphere, the pentacene solution was spread on a silicon substrate having an electrode pattern provided with the interface contact layer previously heated to 200 ° C., and the solvent was evaporated to form a pentacene thin film as an organic semiconductor layer.
For comparison, the pentacene solution was similarly developed on a substrate with an electrode pattern without an interfacial contact layer, and a pentacene solution was formed. Was not obtained. When the characteristics of the organic thin film transistor fabricated as described above were evaluated (channel width 500 mm, channel length 50 mm), the mobility of the pentacene thin film transistor having the interface contact layer was 0.10 cm 2 / Vs on average and the threshold was −10 V. On the other hand, the mobility of the pentacene thin film transistor not provided with the interface contact layer was 0.03 cm 2 / Vs on average and the threshold value was −19V.
更に、ソース/ドレイン電極と有機半導体層のコンタクト改善の効果を調べるため、ソース/ドレイン電極と有機半導体層との間のコンタクト抵抗を見積もるため、チャネル抵抗値のチャネル長依存性を調べた。その結果、ゲート電圧−20Vにおいて、界面コンタクト層を有するトランジスタでは、抵抗値が1.4x105Ωcmであるのに対し、界面コンタクト層を有さないトランジスタでは、5.5x105Ωcmと約4倍大きな値を示した。 Furthermore, in order to estimate the contact resistance between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer in order to investigate the effect of improving the contact between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer, the channel length dependence of the channel resistance value was examined. As a result, at a gate voltage of −20 V, the resistance value of the transistor having the interface contact layer is 1.4 × 10 5 Ωcm, whereas the transistor having no interface contact layer is 5.5 × 10 5 Ωcm, which is about four times as large. A large value was shown.
[実施例2]
2−ヘキシルペンタセン粉末5mgと1,2,4−トリクロロベンゼン7mgとの混合物を窒素雰囲気下で120〜130℃に加熱して有機半導体溶液を調整した。
窒素雰囲気下において、該2−ヘキシルペンタセン溶液を予め120℃に加熱した後、実施例1に記載と同様の方法で得られる界面コンタクト層を備えた金電極パターンを有するシリコン基板上に該溶液を展開し、溶媒を加熱蒸発させて除去することにより有機半導体層である2−ヘキシルペンタセン薄膜を形成し、トランジスタ構造とした。
得られたトランジスタは、実施例1と同様に界面コンタクト層を有した基板上での有機半導体溶液の濡れ性は良好であった。該有機薄膜トランジスタの特性を評価したところ、界面コンタクト層を有したトランジスタの移動度は平均で0.08cm2/Vs、しきい値が平均−8.7Vであった。一方、界面コンタクト層を有さないトランジスタでは、移動度の平均値が0.005cm2/Vs、しきい値の平均が5.4Vであった。2−ヘキシルペンタセン薄膜トランジスタについても界面コンタクト層によりコンタクト抵抗の低減が確認され短チャネルのトランジスタにおいても顕著な移動度の低下は見られなかった。
[Example 2]
A mixture of 5 mg of 2-hexylpentacene powder and 7 mg of 1,2,4-trichlorobenzene was heated to 120 to 130 ° C. under a nitrogen atmosphere to prepare an organic semiconductor solution.
In a nitrogen atmosphere, the 2-hexylpentacene solution is preheated to 120 ° C., and then the solution is placed on a silicon substrate having a gold electrode pattern having an interface contact layer obtained by the same method as described in Example 1. By developing and removing the solvent by heating and evaporation, a 2-hexylpentacene thin film, which is an organic semiconductor layer, was formed to obtain a transistor structure.
The obtained transistor had good wettability of the organic semiconductor solution on the substrate having the interface contact layer as in Example 1. When the characteristics of the organic thin film transistor were evaluated, the mobility of the transistor having the interface contact layer was 0.08 cm 2 / Vs on average and the threshold was −8.7 V on average. On the other hand, in the transistor having no interface contact layer, the average mobility was 0.005 cm 2 / Vs, and the average threshold was 5.4 V. With respect to the 2-hexylpentacene thin film transistor, a reduction in contact resistance was confirmed by the interface contact layer, and no significant decrease in mobility was observed even in the short channel transistor.
以上、本発明を好ましい実施例を挙げて説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではない。 Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.
本発明はトランジスタを用いる分野で広く活用することができる。 The present invention can be widely used in the field using transistors.
1 半導体層
2 ソース/ドレイン電極
3 界面コンタクト層
4 ゲート絶縁層
5 ゲート電極
6 基板
DESCRIPTION OF
Claims (2)
(1)請求項1に記載の縮合多環芳香族チオールの溶液で表面処理して製造する事を特徴とする界面コンタクト層の製造工程と、
(2)引き続き、有機半導体溶液で表面処理して製造する事を特徴とする有機半導体層の製造工程と、
を経て製造されることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 A surface of a transistor substrate in which a gate electrode, a gate insulating layer, and a source / drain electrode are arranged on the substrate in the order described,
(1) A process for producing an interfacial contact layer, characterized by being produced by surface treatment with a solution of the condensed polycyclic aromatic thiol according to claim 1;
(2) Subsequently, a manufacturing process of an organic semiconductor layer characterized by being manufactured by surface treatment with an organic semiconductor solution;
The method for producing an organic thin film transistor according to claim 1, wherein the organic thin film transistor is produced through a process.
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