JP2009111002A - 有機薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造条件を厳しく制御しなくても均質性の高い電気特性が得られる有機薄膜トランジスタを製造する方法の提供。
【解決手段】（１）有機半導体膜上に、該有機半導体に対して溶解性のある溶媒を塗布する工程を経る有機薄膜トランジスタの製造方法。
（２）有機半導体膜が配向領域を有する（１）記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
（３）有機半導体に対して溶解性のある溶媒が、溶質として、該有機半導体と同一又は異種の有機半導体を含有する（１）又は（２）記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法に関する。

近年、有機電子デバイスについては、低コスト化、フレキシブル化、大面積化が可能であるという理由から、薄膜トランジスタへの応用を中心とした有機半導体材料の研究開発が盛んに行なわれている。特に、有機半導体材料としては、低コストな方法で薄膜化するために、有機溶媒への可溶性を有するπ共役ポリマーの素材開発と、高性能化を目指したそれらの材料設計が注目されている。
例えば、非特許文献１には、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）が良好な溶解性を示すこと、及び、このポリマーが持つ主鎖と側鎖の相分離に起因する自己組織化により、局所的な規則性を有する薄膜が形成され高い移動度を示すことが開示されている。
また、特許文献１には、更に高移動度を目指し、一方向に配向したポリマー膜を製造する方法として、機械的に研磨したポリイミド等の基板の上にポリマー膜を設け、加熱して液晶相にした後、急冷する方法が開示されている。
更に、特許文献２には、可溶、不溶に拘わらず、水や有機溶媒を使用せずに、ポリマーを加圧成形した成形体をシリコン基板に押印転写することにより、配向したポリマー膜を得る方法が開示されており、キャリアの輸送方向を一方向にすることにより、移動度向上を試みた例が示されている。

しかしながら、非特許文献１のような、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）の自己組織化による局所的規則性を有する薄膜では、薄膜形成に際し、溶媒の種類や塗工条件等によって自己組織化の状態が異なるため有機半導体膜の均質性が異なり、成膜条件によって移動度に差が出てくることが明らかになっている。即ち、この薄膜では、規則性が局所的である上に膜面内の異方性はなく、その規則性を均一に形成するためには、形成環境を厳密に管理する必要があり、現実的に再現性のある素子の製造は困難である。
一方、特許文献１の方法は、ポリマーを一方向に配列させやすい優れた方法であるが、基板を機械的に研磨するため、配向膜の界面に必然的に凹凸が存在することになり、結果的に均質な性能が得られない。また、基板の凹凸を反映した膜の不均一性が膜上部又は膜表面に及ぶこともあり、薄膜を積層した構造のデバイス作製を困難にする恐れがある。
また、特許文献２の方法は、平滑性を有するシリコンウエハを基板とし、この上にポリマーを押圧転写することにより、一方向に配向したポリマー膜を形成する方法であるが、使用するポリマーの性質や転写条件によっては適切な膜厚を得ることが難しいという問題点がある。また、転写膜の表面に凹凸が生じてしまうため、トランジスタとして使用する場合に、ポリマー膜表面に積層される電極との接合に不均一性が生じ、結果的に均質な性能が得られないという問題点を有している。

特表２００３−５０２８７４号公報 特開２００４−３５６４２２号公報 Ｚｈｅｎａｎ Ｂａｏ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．２６，ｐ４１０８〜４１１０（２１９９６）

本発明は、製造条件を厳しく制御しなくても均質性の高い電気特性が得られる有機薄膜トランジスタを製造する方法の提供を目的とする。

上記課題は、次の１）〜３）の発明によって解決される。
１） 有機半導体膜上に、該有機半導体に対して溶解性のある溶媒を塗布する工程を経ることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
２） 有機半導体膜が配向領域を有することを特徴とする１）記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
３） 有機半導体に対して溶解性のある溶媒が、溶質として、該有機半導体と同一又は異種の有機半導体を含有することを特徴とする１）又は２）記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。

以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法では、有機半導体膜上に、該有機半導体に対して溶解性のある溶媒を塗布し、該有機半導体膜表面を部分的に溶解させる。これにより、性能の均質な有機薄膜トランジスタが得られる。したがって、この有機薄膜トランジスタを利用すれば、例えば、積層型の素子において均質な界面を実現できるので、有機電子デバイスなどに応用することにより、素子性能のばらつきが低減された再現性の高いものを提供できる。
溶媒の塗布法は特に限定されるものではないが、代表的なものとしてはスピンコート法、印刷法、インクジェット法、スプレー塗工法などを用いることができる。
溶媒としては、特に限定されるものではないが、代表的なものとしてはテトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、ジオキサン、クロロホルム、ジクロロメタン等、又は、これらの混合溶媒を用いることができる。
上記の溶媒は、溶質として該有機半導体と同一又は異種の有機半導体を含有していてもよい。塗布される溶液中の有機半導体の濃度は、特に限定されるものではないが、一般に、０．１〜１重量％がよく用いられる。
上記の溶媒又は有機半導体を塗布した後は、溶媒種や膜質に応じた温度で加熱乾燥させることが望ましい。

本発明の有機薄膜トランジスタは、通常基板上に設けられる。基板としては、金属基板、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板等が挙げられる。一連の製造工程において寸法変化が少ない基板は製造工程を容易にすることができる。また、金属薄膜や、折り曲げ可能なＰＥＳ基板、ポリイミド基板、ＰＥＴ基板等のプラスチック基板を用いると、完成するデバイスにフレキシビリティを与えることができる。
また、本発明の有機薄膜トランジスタは、絶縁膜上に設けてもよい。これにより、様々な有機電子デバイスへの応用が可能となる。特に、本発明の有機薄膜トランジスタは、素子性能の再現性が高いため、これらを集積化した電子デバイスにおいても、素子間の性能のばらつきが少ないものを提供できる。
絶縁膜の材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の無機絶縁膜の他、有機絶縁膜としてポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエステル、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリアクリロニトリル、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
絶縁膜の作製方法には特に制限はなく、例えば、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ重合法、蒸着法、スピンコート法、ディッピング法、印刷法、インクジェット法などを用いることができる。

本発明で利用できる配向領域を持つ有機半導体膜を得る方法としては、特に限定されないが、有機半導体の粉末を加圧成形し、厚さ１〜３ｍｍ程度に加工したペレットを基板の一方向に圧着掃引して形成してもよい。有機半導体の粉末の加圧成形は所望により真空下で行なってもよい。
圧着掃引する際の基板の温度は、有機半導体の軟化温度以下が好ましく、通常は、室温から軟化温度までの範囲とするが、薄膜形成しやすく且つ高度に配向したものが得られることから、軟化温度よりも３０℃低い温度から軟化温度までの範囲がより好ましい。
本発明に適した有機半導体としては特に限定されないが、好ましい例としては、チオフェン及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、フルオレン及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、フェニレン−ビニレン及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、トリアリールアミン及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、カルバゾール及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、ビニルカルバゾール及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、アセチレン及びその誘導体の骨格を有するホモポリマー又は共重合体、などが挙げられる。

図１、図２は本発明の有機薄膜トランジスタの一例の概略構造を示している。
本発明の有機薄膜トランジスタには、基板６上で空間的に分離された第一の電極３と第二の電極４、及び第三の電極５が設けられており、第三の電極５への電圧印加により、本発明の有機半導体膜からなる半導体層１内に流れる電流を制御することができる。
第一の電極３及び第二の電極４は、本発明の有機半導体膜とオーミック接触できる材料で形成することが望ましい。しかし、ショットキー接触となる材料であっても、そのエネルギー障壁が低いものであれば使用することができる。具体的には、金、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、チタンなどの金属、又は、ポリ（スチレンスルホネート）、ポリ〔２，３−ジヒドロチエノ（３，４−ｂ）−１，４−ジオキシン〕（ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリンなどの有機導電性材料等が挙げられる。
更に、有機半導体にキャリア注入しやすくするために、電極の仕事関数と有機半導体のフェルミ準位が近いものがより好ましい。

絶縁膜２によって半導体層１と隔てられた第三の電極５も、上記の金属又は有機導電性材料を用いることができる。更に、ｎ型半導体又はｐ型半導体などを用いて形成することもできる。第三の電極材料に半導体を用いる場合は、予め不純物によるキャリアドーピングをしたものを用いて電極を形成してもよく、ゲート電極を形成した後、不純物のドーピングを行なってもよい。更に、第三の電極５が基板を兼ねていてもよい。
本発明の有機薄膜トランジスタは、集積化することにより、電子デバイスに応用できる。例えば、液晶、有機電界発光、電気泳動等の画像表示素子を駆動するための素子として利用でき、これらを集積化することにより、いわゆる「電子ペーパー」と呼ばれるディスプレイを製造することが可能である。また、ＩＣタグ等の電子デバイスとして、本発明の有機薄膜トランジスタを集積したＩＣを利用することも可能である。

本発明によれば、製造条件を厳しく制御しなくても均質性の高い電気特性が得られる有機薄膜トランジスタの製造方法を提供できる。

以下、実施例及び比較例を示して、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

実施例１
ペレット状に加圧成形されたジオクチルフルオレン−ビチオフェンコポリマー（π共役ポリマー）をシリコン基板上に加圧転写して一軸配向膜を形成し、次いで、テトラヒドロフランをスピンコートして、膜表面を部分的に溶解し膜表面を再構成することにより平坦化した。
溶媒をスピンコートする前の膜のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を図３に、溶媒をスピンコートし表面が平坦化された膜のＡＦＭ像を図４に示した。
図３、図４から分かるように、本発明の方法で作製した有機半導体膜は、膜表面が平坦化されていることが確認できた。

実施例２
シリコン基板の代りに石英基板を用いた点以外は、実施例１と同様にして本発明の有機半導体膜を作製した。その偏光紫外吸収スペクトルを図５に示す。
図５から分かるように、ジオクチルフルオレン−ビチオフェンコポリマーに由来する吸収波長領域では、このポリマーを加圧転写した掃引方向に平行な電場ベクトルを持つ偏光を強く吸収し、垂直偏光はあまり吸収しない特性となっている。このことから、ジオクチルフルオレン−ビチオフェンコポリマーが、面内方向に高度に一軸配向していることが分かり、スピンコートした溶媒は膜表面の平坦化に寄与していることが確認できた。

実施例３
シリコン基板の代りに、ｐ−ドープされている第三の電極として作用するシリコン基板表面を熱酸化して、ＳｉＯ_２の絶縁膜を２００ｎｍ形成した基板を用いた点以外は、実施例１と同様にして、本発明の有機薄膜トランジスタを作製した。
次いで、有機半導体膜表面に、真空蒸着法により、チャネル長３０μｍ、チャネル幅１０ｍｍとなるように、第一の電極及び第二の電極として金膜を形成し、図１の構造を有する有機薄膜トランジスタを作成した。
更に、この有機薄膜トランジスタの特性の再現性を確認するために、同様の操作を繰り返して、合計２つの有機薄膜トランジスタを作製した。
これらの有機薄膜トランジスタについて電界効果移動度と閾値電圧を測定したところ、電界効果移動度は１．５×１０^−３ｃｍ^２／Ｖｓ、及び、１．４×１０^−３ｃｍ^２／Ｖｓ、閾値電圧は、−０．５Ｖ、及び、−０．６Ｖであった。
このことから、本発明の有機薄膜トランジスタは高い再現性を有することが確認できた。

比較例１
テトラヒドロフランをスピンコートしなかった点以外は、実施例３と同様にして有機薄膜トランジスタを作製した。この際も、再現性を確認するため、同様な操作を繰り返し、合計２つの有機薄膜トランジスタを作製した。
これらの有機薄膜トランジスタについて電界効果移動度と閾値電圧を測定したところ、電界効果移動度は６．５×１０^−４ｃｍ^２／Ｖｓ、及び、１．１×１０^−４ｃｍ^２／Ｖｓ、閾値電圧は、−２．１Ｖ、及び、−７．３Ｖであった。
表面の平坦化処理を行なわないと、電極と有機半導体膜の接合にばらつきが生じ、結果としてトランジスタの性能がばらつくことが分かる。

以上のように、本発明の有機薄膜トランジスタは、再現性の高い素子を形成することが分かった。これは、有機半導体膜表面が平坦化され、電極と半導体の界面が場所によらず均質であることによる。

本発明の有機薄膜トランジスタの一例の概略構造を示す図。 本発明の有機薄膜トランジスタの他の例の概略構造を示す図。 実施例１の一軸配向膜の、溶媒をスピンコートする前のＡＦＭ像。 実施例１の一軸配向膜の、溶媒をスピンコートした後のＡＦＭ像。 実施例２の一軸配向膜の、偏光紫外吸収スペクトルを示す図。

符号の説明

１ 半導体層
２ 絶縁膜
３ 第一の電極
４ 第二の電極
５ 第三の電極
６ 基板

Claims (3)

1. 有機半導体膜上に、該有機半導体に対して溶解性のある溶媒を塗布する工程を経ることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
2. 有機半導体膜が配向領域を有することを特徴とする請求項１記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
3. 有機半導体に対して溶解性のある溶媒が、溶質として、該有機半導体と同一又は異種の有機半導体を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。