JP2008527754A - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents

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Abstract

本発明は、有機薄膜トランジスタにおいて、半導体層と電極との間のオーミックコンタクトを容易にし、かつ半導体層そのものとして作用する有機化合物を含む有機物層を有する有機薄膜トランジスタに関するものである。
本発明に係る有機薄膜トランジスタは、半導体層とソース電極／ドレーン電極との間の電気的接触に優れて、電気電子素子の構成部品として広く用いることができ、その結果、前記有機薄膜トランジスタのソース電極やドレーン電極用材料として仕事関数が比較的低くても低費用で、かつ加工性に優れた物質を用いることができる。

Description

本発明は、有機薄膜トランジスタ(organic thin film transistor)において半導体層(semi-conducting layer)と電極(electrode)との間のオーミックコンタクト(ohmic contact)を容易にし、かつ半導体層そのものとして作用する有機化合物を含む有機物層を有する有機薄膜トランジスタに関するものである。
本出願は、２００５年６月３０日および２００５年１１月１１日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２００５−００５７７１７号および第１０−２００５−０１０７９４０号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。
薄膜形態の電界効果トランジスタ（field-effect transistor, ＦＥＴ）は、マイクロ電子工学分野において基本となる構造体である。このようなＦＥＴは、３つの電極（例えば、ソース電極、ドレーン電極、およびゲート電極）、絶縁層、および半導体層を有する。ＦＥＴは、前記半導体層が前記２つの電極、すなわちソース電極とドレーン電極との間の導電性チャネルである場合にキャパシタ(capacitor)として作用する。前記チャネルで電荷担体(charge carrier)の濃度はゲート電極を通して印加される電圧によって調整され、その結果ソース電極とドレーン電極との間の電気電荷の流れは、前記ゲート電極を通して印加される電圧によって調節され得る。
最近、有機半導体性物質を用いるＦＥＴに対する関心が高まっている。ＦＥＴにおいて有機半導体性物質を用いる場合、スクリーンプリンティング(screen-printing)、インクジェットプリンティング(ink-jet printing)、またはマイクロコンタクトプリンティング(micro-contact printing)のようなプリンティング方法によって電子素子を製造することができる。また、このような物質を用いる場合は、従来の通常の無機半導体性物質を用いる場合に比べて、はるかに低い基板温度および真空がほぼ必要のない状態でも工程が行われ得る。したがって、ＦＥＴを含めて有機半導体性物質を用いる電子素子は、無機半導体性物質を用いる場合に比べて、その製造条件が非常に柔軟でかつ費用が節減できる。
１９８０年代以後には、小さい分子、高分子およびオリゴマのような有機物質をＦＥＴにおける有機半導体性物質として用いるための研究が行われた。このような分野における研究の結果、ＦＥＴにおける電荷担体の移動性(charge carrier mobility)の観点から見る時、有機ＦＥＴの性能(performance)が１０−５ｃｍ２／Ｖｓから１ｃｍ２／Ｖｓまで上昇した（Ｊ．Ｍ．Ｓｈａｗ，Ｐ．Ｆ．Ｓｅｉｄｌｅｒ，ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．＆ Ｄｅｖ．，Ｖｏｌ．４５，３（２００１））。有機薄膜トランジスタの性能は現在アモルファスシリコントランジスタ(amorphous silicon transistor)の性能に匹敵する程度であり、その結果、このような有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー(E-paper)、スマートカード(smart card)、またはディスプレイ装置にまで適用され得る。
半導体性有機物質を用いて製造され得る主な電子素子としては、有機発光ダイオード(organic light emitting diodes)、有機太陽電池(organic solar cell)、および有機トランジスタ(organic transistor)を含む。このような素子において前記半導体性有機物質と電極との間の電気的接触は、前記素子の性能を向上させるにあたって大変重要である。例えば、有機発光ダイオードの性能を向上させるために、半導体層と電極との間に正孔注入層(hole-injection)や電子注入(electron-injection)層のような電荷担体注入層が導入される。たとえ有機トランジスタの作動方式が前記有機発光ダイオードの作動方式と異なるとしても、有機トランジスタにおいても前記半導体層とソースおよびドレーン電極との間の電気的接触は、前記有機トランジスタの性能に相当影響を及ぼす。
一方、有機トランジスタの性能はソース／ドレーン物質に依存すると報告されている（Ｙ．Ｙ．Ｌｉｎ ｅｔ ａｌ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（１９９６）、４１３（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ，ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＩＩ），４１３−４１８．ＣＯＤＥＮ：ＭＲＳＰＤＨ ＩＳＳＮ：０２７２−９１７２）。上記報告書によれば、比較的に低い仕事関数(work function)を有する金属（例えば、Ａｌ）は相当劣った性能を示す一方、高い仕事関数を有する金属（例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕ）は優れた性能を示す。したがって、大部分の有機トランジスタでは、金のように高い仕事関数を有する金属がソース／ドレーン電極として用いられた。
しかし、上記のように高い仕事関数を有する金属は貴金属で、その費用が高くて工業的な方法によって工程を行い難いため、有機トランジスタにおいてこれらの適用工程および適用構造が制約的である。
技術的課題
そこで、本発明者らは、有機薄膜トランジスタにおいて前記半導体層と、ソース電極またはドレーン電極との間の電気的接触を向上させられる方法について研究した。また、有機トランジスタのソース電極やドレーン電極用材料として、低費用の物質を使うことのできる方法について研究した。すなわち、前記有機薄膜トランジスタのソース電極やドレーン電極の材料として、仕事関数が比較的に低くても低費用の物質を使うことのできるように研究した。
本発明は、有機薄膜トランジスタにおいて半導体層と電極との間のオーミックコンタクトを容易にし、かつ半導体層そのものとして作用する有機化合物を含む有機物層を有する有機薄膜トランジスタ、その製造方法、および前記有機薄膜トランジスタを含む電子装置を提供しようとする。
技術的解決方法
本発明は、ゲート電極、絶縁層、ソース電極、ドレーン電極、および半導体層をはじめとする１層以上の有機物層を含む有機薄膜トランジスタであって、前記有機物層のうちの１層以上が、下記化学式１と表示される化合物を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタを提供する。前記化学式１の化合物を含む有機物層は半導体層であり得、半導体層と別個に形成された有機物層であって、半導体層と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に形成された有機物層であり得る。
Figure 2008527754
 前記化学式１において、
ｍおよびｎは各々１または２で、
ｌは０または１で、
Ｘ１およびＸ２は各々独立してＣＨまたはＮであり、
Ｙ１およびＹ２は各々独立してｎ＝１である時にＮＲ０で、ｎ＝２である時にＮであり、ここでＲ０は水素、置換または非置換されたアルキル基、および置換または非置換されたアリール基からなる群から選択され、
Ｒ１〜Ｒ８は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたアルキル基、置換または非置換されたアルコキシ基、置換または非置換されたアルケニル基、置換または非置換されたアリール基、置換または非置換されたアリールアミン基、置換または非置換された複素環基、置換または非置換されたシラン基、置換または非置換されたホウ素基、置換または非置換された脂肪族環基、ニトリル基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、ハロゲン基、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エステル基（−ＣＯＯＲ）、スルホニル基（−ＳＯ２Ｒ）、スルホキシド基（−ＳＯＲ）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＲＲ’）、スルホネート基（−ＳＯ３Ｒ）、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、および−Ｌ−Ｍからなる群から選択され、これらは互いに隣接する基と芳香族、脂肪族またはヘテロの縮合環を形成することができ、
前記Ｌはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキレン基；アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリーレン基；またはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換された５−７原子の複素環基であり、
Ｍはアルコール基（−ＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、リン酸基（−ＰＯ３Ｈ）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択され得、
前記ＲおよびＲ’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキル基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリール基、または置換または非置換された５−７原子の複素環基である。
好ましくは、前記化学式１においてＲ１〜Ｒ８は各々独立して置換または非置換された電子求引性基（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｗｉｔｈｄｒａｗｉｎｇ ｇｒｏｕｐｓ）から選択され得る。これは、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によく知られている。
前記化学式１の化合物は下記化学式２の化合物のうちから選択され得る：
Figure 2008527754
 前記化学式２において、
ｎは０または１で、
Ｒ９〜Ｒ１８は各々独立して、水素、ハロゲン基、ニトリル基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、スルホニル基（−ＳＯ２Ｒ）、スルホキシド基（ＳＯＲ）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＲＲ’）、スルホネート基（−ＳＯ３Ｒ）、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）、エステル基（ＣＯ−ＯＲ）、アミド基（−ＣＯ−ＮＨＲ、−ＣＯ−ＮＲＲ’）、置換または非置換された直鎖型または分枝型のＣ１−Ｃ１２のアルコキシ基、置換または非置換された直鎖型または分枝型のＣ１−Ｃ１２のアルキル基、置換または非置換された芳香族または非芳香族複素環基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ２０のアリール基、置換または非置換されたアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、および−Ｌ−Ｍからなる群から選択され得、Ｒ９とＲ１０、またはＲ１１とＲ１２が結合して芳香族または複素環を形成することができ、
前記Ｌはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）、およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキレン基；アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリーレン基；またはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）、およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換された５−７原子の複素環基であり、
Ｍはアルコール基（−ＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、リン酸基（−ＰＯ３Ｈ）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択され得、
前記ＲおよびＲ’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキル基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリール基、または置換または非置換された５−７原子の複素環基である。
前記化学式の置換基をより詳細に説明すれば次の通りである。
前記化学式中、Ｒ０〜Ｒ１８うちのアリール基の例としては、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、テトラセニル基、ペンタセニル基、ビフェニル基、テルフェニル基、ベンジル、ピレニル基、ペリレニル基、コロネニル基などがあるが、これらに限定されるものではない。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８のうちのアリールアミン基の例としては、ジフェニルアミン基、フェニルナフチルアミン基、ジトリルアミン基、フェニルトリルアミン基、カルバゾリル基、トリフェニルアミン基などがあるが、これらに限定されるものではない。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８のうちの複素環基の例としては、ピリジル基、アクリジル基、チエニル基、イミダゾリル基、オキサゾリル基、チアゾリル基またはキノリル基などがあるが、これらに限定されるものではない。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８のうちのハロゲン基の例としては、フッ素、塩素、ブロムまたはヨウ素がある。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８のうちのシラン基の例としては、シロール基、シリレン基などがあるが、これらに限定されるものではない。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８のうちのハロゲン基の例としては、フッ素、塩素、ブロムまたはヨウ素がある。
前記化学式中、Ｒ１〜Ｒ１８の置換基が他の置換基を有する場合、これら置換基は、水素、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アリール基、アリールアミン基、複素環基、シラン基、ホウ素基、脂肪族環基、アミノ基、ニトリル基、ニトロ基、ハロゲン基、アミド基、エステル基およびエーテル基からなる群から選択され得る。
前記化学式２と表示される化合物のより具体的な例としては下記のような化合物があるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2008527754
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前記化学式で、ｘは２〜１０００００００で、Ｒ１９およびＲ２０は各々独立して置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキルまたは置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアリールである。
有機薄膜トランジスタは、ソース電極、ドレーン電極およびゲート電極と呼ばれる３つの端子を有する電子素子であって、数え切れない程の多様な構造が存在する。以下、本発明に係る有機薄膜トランジスタの構造を図面を参照してより具体的に説明するが、図面および図面に係る内容は本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
図１は、本発明に係る一実施状態に係る有機薄膜トランジスタの断面を示すものである。図１に示された有機薄膜トランジスタは、ボトムゲート(bottom- gate)のトップコンタクト(top-contact)構造であって、基板１3、前記基板に配置されたゲート電極１６、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層１２、前記絶縁層上に配置された半導体層１４、前記半導体層と絶縁層上に配置されたソース電極１５、およびドレーン電極１１を含む。図１の有機薄膜トランジスタは、１層の有機物層を含む構造であり、前記半導体層１４が前記化学式１の化合物を含む。
図１の有機薄膜トランジスタは、基板１3上にゲート電極１６をパターニングして、前記基板とゲート電極上に絶縁層１２を形成し、その上にｐ−型またはｎ−型半導体層１４を形成した後、前記半導体層１４と絶縁層１２上にソース電極１５およびドレーン電極１１を形成することによって製造され得る。
図２〜図５は、ボトムゲートのトップコンタクト構造であり、２層の有機物層を含む構造である。このような構造では、半導体層１４が１層をなしており、前記半導体層１４と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に挿入される有機物層１７が他の層をなしている。前記有機物層１７は前記化学式１の化合物を含む。
図２〜図５に示すように、有機薄膜トランジスタは、基板１3、前記基板に配置されたゲート電極１６、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層１２、前記絶縁層上に配置された半導体層１４、および前記半導体層と絶縁層上に配置されたソース電極１５とドレーン電極１１とを含む構造において、前記化学式１の化合物を含む有機物層１７が、半導体層１４とソース電極１５およびドレーン電極１１との間（図２）、半導体層１４とソース電極１５との間（図３）、または半導体層１４とドレーン電極１１との間（図４）にパターニングされて挿入されたり、パターニングなしでソース電極１５およびドレーン電極１１に接するように形成される（図５）。
前記化学式１の化合物を含む有機物層１７がパターニングされずにソース電極１５とドレーン電極１１との間を連結する場合、前記有機物層１７の電気伝導度によってオフ状態の電流量が増加することができるため、前記有機物層１７がパターニングされて挿入されるのが好ましいが、本発明に用いられる化学式１の化合物を含む有機物層１７は、パターニングされない場合にもオフ状態の電流量の増加が大きくならないようにすることができる。
上記のような構造の有機薄膜トランジスタにおいて、ゲート電極１６に電圧を印加することによって電荷担体が半導体層１４に形成され得る。例えば、負のゲート電圧(negative gate voltage)を用いれば正の電荷担体（正孔）がｐ−型有機物層に形成され得、正のゲート電圧(positive gate voltage)を用いれば負の電荷担体（電子）がｎ−型有機物層に形成され得る。半導体層における電荷担体の密度はゲート電圧によって調節され得るため、ソース電極とドレーン電極との間の電流の流れは、ゲート電極に印加される電圧によって調節され得る。
図６は、本発明に係る他の一実施状態に係る有機薄膜トランジスタの断面を示すものである。図６に示された有機薄膜トランジスタは、ボトムゲートのボトムコンタクト(bottom-contact)構造であり、基板１3、前記基板に配置されたゲート電極１６、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層１２、前記絶縁層上に配置されたソース電極１５およびドレーン電極１１、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に配置された半導体層１４を含む。図６の有機薄膜トランジスタは１層の有機物層を含む構造であり、前記半導体層１４が前記化学式１の化合物を含む。
ボトムゲートのボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタもまた２層の有機物層を含むように製造され得、この場合半導体層１４が１層をなして、前記半導体層１４と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に挿入される有機物層１７が他の層をなす。前記有機物層１７は前記化学式１の化合物を含む。具体的には、有機薄膜トランジスタは、基板１3、前記基板に配置されたゲート電極１６、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層１２、前記絶縁層上に配置されたソース電極１５およびドレーン電極１１、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に配置された半導体層１４を含む構造において、前記化学式１の化合物を含む有機物層１７が、半導体層１４とソース電極１５およびドレーン電極１１との間（図８）、半導体層１４とソース電極１５との間（図示せず）、または半導体層１４とドレーン電極１１との間（図示せず）にパターニングされて挿入されたり、パターニングなしに絶縁層１２、ソース電極１５およびドレーン電極１１上に形成される（図７）。
また、本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタは、基板１３に配置されたソース電極１５とドレーン電極１１、前記基板１３および前記ソース電極１５とドレーン電極１１上に配置された半導体層１４、前記半導体層１４上に配置された絶縁層１２、前記絶縁層１２に配置されたゲート電極１６を含む構造であり得、前記半導体層１４は前記化学式１の化合物を含む。
また、本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタは、基板１３に配置されたソース電極１５とドレーン電極１１、前記基板１３および前記ソース電極１５とドレーン電極１１上に配置された半導体層１４、前記半導体層１４上に配置された絶縁層１２、および前記絶縁層１２に配置されたゲート電極１６を含む構造において、前記化学式１の化合物を含む有機物層１７が、前記半導体層１４とソース電極１５およびドレーン電極１１との間、前記半導体層１４とソース電極１５との間、または前記半導体層１４とドレーン電極１１との間にさらに含む構造を有する。前記化学式１の化合物を含む有機物層１７が、前記半導体層１４とソース電極１５およびドレーン電極１１との間に挿入された構造が図１０に例示されている。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタは、基板１３に配置された半導体層１４、前記半導体層１４に配置されたソース電極１５とドレーン電極１１、前記半導体層１４および前記ソース電極１５とドレーン電極１１上に配置された絶縁層１２、および前記絶縁層１２上に配置されたゲート電極１６を含む構造であり得、この場合前記半導体層１４が前記化学式１の化合物を含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタは、基板１３に配置された半導体層１４、前記半導体層１４に配置されたソース電極１５とドレーン電極１１、前記半導体層１４および前記ソース電極１５とドレーン電極１１上に配置された絶縁層１２、および前記絶縁層１２上に配置されたゲート電極１６を含む構造において、前記化学式１を含む有機物層１７が、半導体層１４とソース電極１５およびドレーン電極１１との間、半導体層１４とソース電極１５との間、または半導体層１４とドレーン電極１１との間に挿入された構造を有する。
本発明は、またゲート電極、絶縁層、ソース電極、ドレーン電極、および半導体層をはじめとする１層以上の有機物層を形成するステップを含む有機薄膜トランジスタの製造方法であって、前記有機物層のうちの１層以上を前記化学式１と表示される化合物を含むように形成することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法を提供する。前記化学式１の化合物を含む有機物層は、ソース電極、ドレーン電極、またはソース電極とドレーン電極全てに接するように形成されるのが好ましい。
前記化学式１の化合物を含むように形成された有機物層は半導体層であり得、半導体層とは別個に形成された有機物層であって、半導体層と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に形成される有機物層であり得る。
具体的に、本発明の一実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層と前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップとを含む。
本発明の他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層と前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記基板と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層にゲート電極を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記基板と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層にゲート電極を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記半導体と前記ソース電極およびドレーン電極上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にゲート電極を形成するステップとを含む。
本発明のまた他の実施状態に係る有機薄膜トランジスタの製造方法は、基板に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記有機物層と前記ソース電極およびドレーン電極上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にゲート電極を形成するステップとを含む。
有機薄膜トランジスタに用いられる各々の構成要素および本発明の効果についてより詳細に説明する。
基板
有機薄膜トランジスタのための熱力学的および機械的要求事項を満たすガラス、半導体ウェハ(semiconductor wafer)、金属酸化物、セラミック物質、およびプラスチックなどが基板１３として用いられ得る。
ゲート電極
導電性物質がゲート電極１６として用いられ得るが、このような導電性物質の非制限的な例としては、炭素、アルミニウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、スズ、鉛、金属類似物および前記金属の合金、ｐ−またはｎ−ドープシリコン、酸化亜鉛、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物およびスズ類似酸化物またはスズ酸化物インジウム系複合化合物、ＺｎＯ：Ａｌ、ＳｎＯ２：Ｓｂのような酸化物と金属の混合物、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ［３，４−（エチレン−１，２−ジオキシ）チオフェン］、ポリピロール、およびポリアニリンのような導電性高分子を含む。
絶縁層
絶縁層１２として用いられ得る絶縁物質の非制限的な例としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、およびポリイミド、ポリ（２−ビニルピリジン）、ポリ（４−ビニルフェノール）、ポリメチルメタクリレートのようなプラスチック絶縁体を含む。
半導体層
半導体層として用いられ得るものとして２種類形態の分子があるが、これはｐ−型およびｎ−型有機半導体物質である。Ｐ−型半導体性物質では正孔が電荷担体であり、ｎ−型半導体性物質では電子が電荷担体である。
Ｐ−型有機半導体性物質の非制限的な例としては、ペンタセン、アントラジチオフェン、ベンゾジチオフェン、チオフェンオリゴマ、ポリチオフェン、チオフェンオリゴマの下位単位混合物、酸素−機能基が結合したチオフェンオリゴマなどがある（Ｈ．Ｅ．Ｋａｔｚ ｅｔ ａｌ．，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．３４，３５９（２００１））。
Ｎ−型有機半導体材料としては、例えば、フッ素化メタロフタロシアニン（Ｚ．Ｂａｏ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２０，２０７（１９９８））、ペルフルオロアレーン変形されたポリチオフェン（Ａ．Ｆａｃｃｈｅｔｔｉ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４２，３９００（２００３））などが含まれる。
また、本発明の化学式１の化合物が半導体層に含まれ得る。
ソース電極またはドレーン電極に接する有機物層(Organic layer)
前記有機物層は、前記化学式１と表示される化合物のうち少なくとも１つを含む。前記化学式１の化合物を含む有機物層は、半導体層とソース電極および／またはドレーン電極との間にオーミックコンタクトが形成されるのに役立つ。したがって、有機薄膜トランジスタにおいて駆動電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）および電荷担体の移動性は、上記で説明した化学式１と表示される化合物のうち少なくとも１つを含む有機物層によって向上させられる。
前記化学式１の化合物を含む有機物層は、真空蒸着やスクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、マイクロコンタクトプリンティング、スピンコーティング(spin coating)、ディップコーティング(dip coating)、ＳＡＭ（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）などの溶液工程を用いて形成することができる。ＳＡＭ工程の場合には、ＳＡＭ工程が可能な化合物を用いて、前記化学式１の化合物のうちから選択される化合物をソース電極およびドレーン電極に選択的に塗布することができる。また、前記化学式１の化合物を含む有機物層は、単分子層から数十ｎｍ程度、好ましくは単分子層から１００ｎｍの薄膜の厚さでより良い効果を示す。
ソース電極／ドレーン電極(Source Electrodes/Drain Electrodes)
導電性物質がソース電極／ドレーン電極として用いられ得るが、このような導電性物質の非制限的な例としては、炭素、アルミニウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、スズ、鉛、ネオジム、白金、パラジウム、金属類似物および前記金属の合金、ｐ−またはｎ−ドープ(doped)シリコン、酸化亜鉛、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物およびスズ類似酸化物またはスズ酸化物インジウム系複合化合物、ＺｎＯ：Ａｌ、ＳｎＯ２：Ｓｂのような酸化物と金属の混合物、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリ［３，４−（エチレン−１，２−ジオキシ）チオフェン］、ポリピロール、およびポリアニリンのような導電性高分子を含む。
また、ソース電極／ドレーン電極用物質は、電荷担体注入バリアを減少させて有機物層とオーミックコンタクトを形成するための適切な仕事関数を有する。半導体層１４としてｐ−型物質が用いられる場合、ソース電極／ドレーン電極物質の仕事関数は、ｐ−型有機物質のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位と対応するかまたは非常に近接する。したがって、パラジウム、白金、および金のように非常に大きい仕事関数を有する金属がソース電極／ドレーン電極として用いられることが好ましい。一方、半導体層１４としてｎ−型物質が用いられる場合、ソース電極／ドレーン電極物質の仕事関数は、ｎ−型有機物質のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位と対応するかまたは非常に近接する。したがって、アルミニウムのように小さい仕事関数を有する金属がソース電極／ドレーン電極として用いられることが好ましい。
しかし、本発明に係る有機薄膜トランジスタの性能は、前記化学式１の化合物を含む有機物層によって、ソース電極／ドレーン電極物質に対して低い依存性を示す。これによって、スクリーンプリンティング、リール・トー・リール工程（ｒｅｅｌ−ｔｏ−ｒｅｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｊ．Ａ．Ｒｏｇｅｒｓ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１１，７４１（１９９９））、マイクロコンタクトプリンティングなどを含む多様な方法に適用できる多様な電極材料を用いて、有機薄膜トランジスタを製造することができる。すなわち、上記本発明は、前記化学式１の化合物を含む有機物層によって、有機薄膜トランジスタの性能が低下しないようにしつつ、多様な電極物質らをより容易な工程を用いてソース電極／ドレーン電極として用いることができる。
例えば、前記化学式１と表示される化合物を含む有機物層を用いることによって、図１０の構造においてアルミニウムをソース電極／ドレーン電極として用いることができる。図１０に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチング方法を適用してアルミニウムをパターニングして、ソース電極１５／ドレーン電極１１の配列を容易にすることができる。また、スクリーンプリンティングが可能な導電性インクのうちの１つである銀ペーストを用い、スクリーンプリンティング方法によってソース電極１５／ドレーン電極１１としてパターニングして用いることができる。
本発明では、特にソース電極およびドレーン電極としてアルミニウム、銀、金、ネオジム、パラジウム、白金、およびこれらの合金のうちから選択される材料を用いることが好ましい。
本発明は、また、前述した本発明に係る有機薄膜トランジスタを含む電子装置を提供する。本発明に係る電子装置は、上記本発明の有機薄膜トランジスタを１つの構成要素としてするものであれば特にその種類に限定されず、例えば電子ペーパー、スマートカードまたはディスプレイ装置などがある。
発明の効果
本発明による有機薄膜トランジスタは、半導体層とソース電極／ドレーン電極との間のオーミックコンタクトを容易にし、かつ半導体層そのものとして作用する有機化合物を含む有機物層を導入することによって、前記半導体層とソース電極／ドレーン電極との間の電気的接触を向上させる。その結果、前記有機薄膜トランジスタのソース電極やドレーン電極用材料として、仕事関数が比較的に低くても低費用で加工性に優れた物質を用いることができる。
したがって、本発明による有機薄膜トランジスタは、半導体層とソース電極／ドレーン電極との間の電気的接触に優れて、電気電子素子の構成部品として広く用いられ得る。特に、本発明に係る有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー、スマートカードまたはディスプレイ装置までにも適用され得る。
本明細書では、本発明を説明するのに最も適切であると判断される、本発明の好ましい例示を中心に説明した。しかし、本発明を脱しない範囲で本発明に対する多様でかつ明らかな変形が可能である。
発明の実施のための形態
以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施例を提示する。しかし、下記実施例は、本発明をより容易に理解するために提供するのみであり、これによって本発明の内容が限定されるものではない。
実施例１：
電界効果トランジスタは、図５のようなボトムゲートのトップコンタクト構造で製造された。基板１３とゲート電極１６としてはｎ−ドープシリコンウェハを用いた。ゲート誘電体または絶縁層１２は、ｎ−ドープシリコン上にシリコンジオキシド（ＳｉＯ２）を熱的に成長させて製造した。シリコンジオキシド（ＳｉＯ２）ゲート絶縁層の厚さは３００ｎｍであった。半導体層１４は、前記シリコンジオキシド（ＳｉＯ２）絶縁層１２の上に形成された。ペンタセンがｐ−型半導体物質として用いられた。ペンタセン層１４は、１ｘ１０−６Ｔｏｒｒのベース圧力下で０．３Å／ｓの速度で蒸着された。前記ペンタセン層の厚さは５０ｎｍであった。有機物層１７および金（Ａｕ）からなるソース電極１５／ドレーン電極１１は、各々図５に示すようにシャドウマスク(shadow mask)によってペンタセン膜上に蒸着された。図５に示すように、金ソース電極１５／ドレーン電極１１を蒸着する前に、前記有機物層１７を前記ペンタセン膜上にパターニングせずに蒸着した。前記化学式２−１１と表示される化合物が有機物層１７の形成のために用いられた。有機物層１７は１ｘ１０−６Ｔｏｒｒのベース圧力下で０．５Å／ｓの速度で蒸着され、前記有機物層１７の厚さは２０ｎｍであった。図９に示すように、前記有機ＦＥＴのチャネル長さ（Ｌ）および幅（Ｗ）は、前記有機薄膜トランジスタの性能に相当影響を及ぼす。本発明の実施例では、前記有機薄膜トランジスタのチャネル幅と長さは各々１ｍｍと１００μｍにした。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図１１に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図１２に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０３ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
実施例２：
前記実施例１においてソース電極／ドレーン電極として金（Ａｕ）をアルミニウム（Ａｌ）に代えたのを除いては、実施例１で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０１ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
有機物層１７を有する有機薄膜トランジスタは、ソース電極／ドレーン電極物質としてアルミニウムを用いても、金を用いる場合と類似する性能を示していることが分かる。
実施例３：
図２に示すように、前記有機物層１７をシャドウマスクによって電極のような形態でパターニングして、ペンタセン膜上に蒸着したのを除いては、実施例２で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図１３に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図１４に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０１ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
実施例２のように有機物層１７がパターニングされないトランジスタと本実施例３のように有機物層１７がパターニングされたトランジスタとは、類似する水準の電界効果移動性を示した。また、有機物層１７がパターニングされないトランジスタ（実施例２）におけるオフ(off)状態の電流量が、有機物層１７がパターニングされたトランジスタ（実施例３）におけるものと類似する水準を示していることから、有機物層１７がパターニングされなくても有機物層１７による漏洩電流が大きくならないということが分かる。
実施例４：
有機物層１７を形成する時に前記化学式２−３０の化合物を用いたのを除いては、実施例２で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図１５に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図１６に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０２ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
比較例１：
前記有機物層１７を形成しないのを除いては、実施例１で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図１７に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図１８に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０１ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
同一のゲートバイアスの下で、ペンタセンと金電極との間に有機物層１７が配置されたトランジスタの場合（実施例１、図１１）には、有機物層１７を含まないトランジスタの場合（図１７）に比べて、より高いソース−ドレーン電流値を有する。有機物層１７が配置されたトランジスタでは、半導体層と電極との間のオーミックコンタクトを容易にして性能が向上したことが分かる。
比較例２：
前記比較例１でソース電極／ドレーン電極として金（Ａｕ）をアルミニウム（Ａｌ）に代えたのを除いては、比較例１で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
前記素子はトランジスタ特性を示さなかった。ソース電極／ドレーン電極としてアルミニウムを用いる場合、有機物層１７がソース電極またはドレーン電極に接するように配置されて、オーミックコンタクトを容易にしてトランジスタとして作動するということが分かる。
実施例５：
電界効果トランジスタは、図７のようなボトムゲートのボトムコンタクト構造で製造された。基板１３とゲート電極１６としてｎ−ドープシリコンウェハを用いた。ゲート誘電体または絶縁層１２は、ｎ−ドープシリコン上にシリコンジオキシド（ＳｉＯ２）を熱的に成長させて製造した。シリコンジオキシド（ＳｉＯ２）ゲート絶縁層の厚さは３００ｎｍであった。金（Ａｕ）からなるソース電極１５／ドレーン電極１１は、各々図７に示すようにシャドウマスクによって前記シリコンジオキシド（ＳｉＯ２）絶縁層１２の上に形成された。前記有機物層１７を前記ソース電極１５／ドレーン電極１１が形成された基板上にパターニングせずに蒸着した。前記化学式２−１１と表示される化合物が有機物層１７の形成のために用いられた。前記有機物層１７は、１ｘ１０−６Ｔｏｒｒのベース圧力下で０．５Å／ｓの速度で蒸着され、前記有機物層１７の厚さは２０ｎｍであった。前記有機物層１７の上にｐ−型半導体物質であるペンタセンを用いて半導体層１４を形成した。ペンタセン層１４は、１ｘ１０−６Ｔｏｒｒのベース圧力下で０．３Å／ｓの速度で蒸着された。前記ペンタセン層の厚さは５０ｎｍであった。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図１９に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図２０に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０３ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
前記有機物層１７が、ボトムコンタクト構造においてもトップコンタクト構造と同一効果を示すことが分かる。
実施例６：
前記有機物層１７を形成する時、前記化学式２−３８の化合物（数平均分子量（Ｍｎ）＝８０００））を溶媒に溶かしてスピンコーティングで形成したのを除いては、実施例４で説明したのと同一方法によって素子を製造した。溶媒としてはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いて、１５００ｒｐｍで２０秒間回転させた後、８０℃で２分間乾燥させた。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図２１に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図２２に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．０２ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
比較例３：
前記有機物層１７を形成しないのを除いては、実施例５で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図２３に示されている。ペンタセントランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図２４に示されている。ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝０．００５ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
ボトムコンタクト構造においても有機物層１７が配置されたトランジスタでは、半導体層と電極との間のオーミックコンタクトを容易にして性能が向上したことが分かる。
実施例７：
前記有機物層１７を形成せず、前記半導体層１４をペンタセン代わりに前記化学式２−３０の化合物を用いたのを除いては、実施例５で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（ＩＤＳ）の特性を示すグラフが図２５に示されている。前記トランジスタ（ＶＤＳ＝−４０Ｖ）でＶＧに対する前記（ＩＤＳ）１／２の特性は図２６に示されている。前記化学式２−３０の化合物を半導体層１４として用いたトランジスタはｎ型トランジスタ特性を示しており、ドレーン−ソース電流の飽和状態における電界効果移動性は、μＦＥＴ＝１．５−１０−５ｃｍ２／Ｖｓで計算される。
前記化学式２を含む化合物は、有機薄膜トランジスタでｎ−型半導体物質として用いられる可能性があることを示す。
図１は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図２は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図３は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図４は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図５は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図６は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図７は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図８は、本発明の実施状態に係る有機物層を有する有機薄膜トランジスタ各々の断面を例示する図である。 図９は、図２の断面を有する有機薄膜トランジスタの上面を示す図である（ＷとＬは各々有機薄膜トランジスタチャネルの幅と長さに対応する）。 図１０は、本発明の一実施状態に係る有機薄膜トランジスタの断面の概略図である。 図１１は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１２は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１３は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１４は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１５は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１６は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１７は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１８は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図１９は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２０は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２１は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２２は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２３は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２４は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２５は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。 図２６は、いくつかのゲート電圧（ＶＧ）でドレーン−ソース電圧（drain-source voltage, ＶＤＳ）に対するドレーン−ソース電流（drain-source current, ＩＤＳ）の特性グラフとＶＧに対する（ＩＤＳ）１／２の特性グラフである。

Claims (32)

  1. ゲート電極、絶縁層、ソース電極、ドレーン電極、および半導体層をはじめとする１層以上の有機物層を備えてなる有機薄膜トランジスタであって、
    前記有機物層のうちの１層以上が下記化学式１と表示される化合物を含むことを特徴とする。有機薄膜トランジスタ。
    Figure 2008527754
     ［前記化学式１において、
    ｍおよびｎは各々１または２であり、
    ｌは０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２は各々独立してＣＨまたはＮであり、
    Ｙ１およびＹ２は各々独立してｎ＝１である時にＮＲ０で、ｎ＝２である時にＮであり、ここでＲ０は水素、置換または非置換されたアルキル基、および置換または非置換されたアリール基からなる群から選択され、
    Ｒ１〜Ｒ８は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたアルキル基、置換または非置換されたアルコキシ基、置換または非置換されたアルケニル基、置換または非置換されたアリール基、置換または非置換されたアリールアミン基、置換または非置換された複素環基、置換または非置換されたシラン基、置換または非置換されたホウ素基、置換または非置換された脂肪族環基、ニトリル基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、ハロゲン基、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エステル基（−ＣＯＯＲ）、スルホニル基（−ＳＯ２Ｒ）、スルホキシド基（−ＳＯＲ）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＲＲ’）、スルホネート基（−ＳＯ３Ｒ）、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、および−Ｌ−Ｍからなる群から選択され、これらは互いに隣接する基と芳香族、脂肪族またはヘテロの縮合環を形成することができるものであり、
    前記Ｌはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキレン基；アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリーレン基；またはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換された５−７原子の複素環基であり、
    Ｍはアルコール基（−ＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、リン酸基（−ＰＯ３Ｈ）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択されてなり、
    前記ＲおよびＲ’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキル基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリール基、または置換または非置換された５−７原子の複素環基である。］
  2. 前記化学式１の化合物を含む有機物層が半導体層である、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  3. 前記化学式１の化合物を含む有機物層が、半導体層と別個の有機物層であって、半導体層と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に配置された有機物層である、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  4. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置された半導体層、および前記半導体層と前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極を含んでなり、
    前記半導体層は、前記ソース電極およびドレーン電極に接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  5. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された有機物層、および前記有機物層と前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極を含んでなり、
    前記有機物層は、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  6. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、および前記絶縁層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された半導体層を含んでなり、
    前記半導体層は、前記ソース電極およびドレーン電極に接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  7. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記絶縁層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された有機物層、および前記有機物層上に配置された半導体層を含んでなり、
    前記有機物層は、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  8. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記基板、ソース電極およびドレーン電極上に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
    前記半導体層は、前記ソース電極およびドレーン電極に接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  9. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記基板、ソース電極およびドレーン電極上に配置された有機物層、前記有機物層上に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
    前記有機物層は、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  10. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置された半導体層、前記半導体層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記半導体層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
    前記半導体層は、前記ソース電極およびドレーン電極に接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  11. 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された有機物層、前記有機物層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記有機物層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
    前記有機物層が、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式１の化合物を含む、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  12. 前記化学式１の化合物は下記化学式２の化合物のうちから選択される、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
    Figure 2008527754
     ［前記化学式２において、
    ｎは０または１であり、
    Ｒ９〜Ｒ１８は各々独立して、水素、ハロゲン基、ニトリル基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、スルホニル基（−ＳＯ２Ｒ）、スルホキシド基（ＳＯＲ）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＲＲ’）、スルホネート基（−ＳＯ３Ｒ）、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）、エステル基（ＣＯ−ＯＲ）、アミド基（−ＣＯ−ＮＨＲ、−ＣＯ−ＮＲＲ’）、置換または非置換された直鎖型または分枝型のＣ１−Ｃ１２のアルコキシ基、置換または非置換された直鎖型または分枝型のＣ１−Ｃ１２のアルキル基、置換または非置換された芳香族または非芳香族複素環基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ２０のアリール基、置換または非置換されたアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、および−Ｌ−Ｍからなる群から選択されてなり
    Ｒ９とＲ１０、またはＲ１１とＲ１２が結合して芳香族または複素環を形成するものであり、
    前記Ｌはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキレン基；アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリーレン基；またはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換された５−７原子の複素環基であり、
    Ｍはアルコール基（−ＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、リン酸基（−ＰＯ３Ｈ）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択されるものであり、
    前記ＲおよびＲ’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキル基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリール基、または置換または非置換された５−７原子の複素環基である。］
  13. 前記化学式１の化合物は下記化学式２−１〜２−４１の化合物のうちから選択される、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
    Figure 2008527754
    Figure 2008527754
    Figure 2008527754
    Figure 2008527754
    Figure 2008527754
    Figure 2008527754
    ［前記化学式において、
    ｘは２〜１０００００００であり、
    Ｒ１９およびＲ２０は各々独立して置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキルまたは置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアリールである。］
  14. 前記化学式１の化合物を含む有機物層は、その厚さが単分子層厚さ〜１００ｎｍである、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  15. 前記ソース電極およびドレーン電極が、アルミニウム、銀、金、ネオジム、パラジウム、白金およびこれらの合金のうちから選択される材料からなる、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
  16. ゲート電極、絶縁層、ソース電極、ドレーン電極、および半導体層をはじめとする１層以上の有機物層を形成するステップを含む有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
    前記有機物層のうちの１層以上を下記化学式１で表示される化合物を含むように形成することを特徴とする、有機薄膜トランジスタの製造方法。
    Figure 2008527754
     ［前記化学式１において、
    ｍおよびｎは各々１または２であり、
    ｌは０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２は各々独立してＣＨまたはＮであり、
    Ｙ１およびＹ２は各々独立してｎ＝１である時にＮＲ０で、ｎ＝２である時にＮであり、ここでＲ０は水素、置換または非置換されたアルキル基、および置換または非置換されたアリール基からなる群から選択され、
    Ｒ１〜Ｒ８は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたアルキル基、置換または非置換されたアルコキシ基、置換または非置換されたアルケニル基、置換または非置換されたアリール基、置換または非置換されたアリールアミン基、置換または非置換された複素環基、置換または非置換されたシラン基、置換または非置換されたホウ素基、置換または非置換された脂肪族環基、ニトリル基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、ハロゲン基、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エステル基（−ＣＯＯＲ）、スルホニル基（−ＳＯ２Ｒ）、スルホキシド基（−ＳＯＲ）、スルホンアミド基（−ＳＯ２ＮＲＲ’）、スルホネート基（−ＳＯ３Ｒ）、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、および−Ｌ−Ｍからなる群から選択され、これらは互いに隣接する基と芳香族、脂肪族またはヘテロの縮合環を形成することができ、
    前記Ｌはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキレン基；アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリーレン基；またはアミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、アミド基（−ＮＨＣＯＲ、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲＲ’）、エーテル基（−ＣＯＲ）およびエステル基（−ＣＯＯＲ）からなる群から選択された１つ以上の基で置換または非置換された５−７原子の複素環基であり、
    Ｍはアルコール基（−ＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、リン酸基（−ＰＯ３Ｈ）、アミン基（−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’）、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択されるものであり、
    前記ＲおよびＲ’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたＣ１−Ｃ６０のアルキル基、置換または非置換されたＣ６−Ｃ６０のアリール基、または置換または非置換された５−７原子の複素環基である。］
  17. 前記化学式１の化合物を含む有機物層が半導体層である、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  18. 前記化学式１の化合物を含む有機物層が、半導体層と別個の有機物層であって、半導体層と、ソース電極およびドレーン電極のうち少なくとも１つとの間に配置された有機物層である、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  19. 前記化学式１の化合物を用いて形成した有機物層を、ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置されるように形成する、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  20. 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層と前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  21. 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層と前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  22. 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  23. 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  24. 基板上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記基板と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  25. 基板上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記基板と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  26. 基板に前記化学式１の化合物を含む半導体層を形成するステップと、前記半導体層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記半導体層と前記ソース電極およびドレーン電極上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  27. 基板に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式１の化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記有機物層と前記ソース電極およびドレーン電極上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  28. 前記化学式１の化合物を用いて形成する有機物層の厚さを単分子層厚さ〜１００ｎｍで形成する、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  29. 前記化学式１の化合物を用いて形成する有機物層を、真空蒸着、スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング 、マイクロコンタクトプリンティング、スピンコーティング、ディップコーティングおよびＳＡＭ（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）のうちから選択する方法によって形成する、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  30. 前記ソース電極およびドレーン電極を、アルミニウム、銀、金、ネオジム、パラジウム、白金および前記金属の合金からなる群から選択される材料で形成する、請求項１６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
  31. 請求項１の有機薄膜トランジスタを含む、電子装置。
  32. 電子ペーパー、スマートカードおよびディスプレイ装置のうちから選択される、請求項３１に記載の電子装置。
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