JP2013535112A - 改良された電流オン/オフ比及び制御可能な閾値変動を有する有機電界効果トランジスタ - Google Patents

改良された電流オン/オフ比及び制御可能な閾値変動を有する有機電界効果トランジスタ Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体デバイス、特に有機電界効果トランジスタであって、ジケトピロロピロール骨格を有する繰返単位を含むポリマー(DPPポリマー)と、真空中で4.6eV以上の電子親和力を有するアクセプタ化合物とを含む層を有する半導体デバイス、特に有機電界効果トランジスタを提供する。DPPポリマーのアクセプタ化合物でのドーピングは、改良された正孔移動度、電流オン/オフ比及び制御可能な閾値変動を有する有機電界効果トランジスタを導く。

Description

本発明は、半導体デバイス、特に有機電界効果トランジスタであって、ジケトピロロピロール骨格を有する繰返単位を含むポリマー(DPPポリマー)と、真空中で4.6eV以上の電子親和力を有するアクセプタ化合物とを含む層を有する半導体デバイス、特に有機電界効果トランジスタを提供する。DPPポリマーのアクセプタ化合物でのドーピングは、改良された正孔移動度、電流オン/オフ比及び制御可能な閾値変動を有する有機電界効果トランジスタを導く。
シリコン半導体のドーピングは、既に数十年間、技術水準である。この方法によって、材料中で電荷キャリヤーを生じることによって、及び使用されるドーパントのタイプに依存する半導体のフェルミ準位における変動によって、当初は極めて低かった導電性における増加が得られる。しかしながら、数年前に、有機半導体が、同様に、ドーピングによってそれらの導電率に関して強く影響されうることも開示されていた。かかる有機半導体のマトリックス材料は、良好な電子供与体特性を有する化合物又は良好な電子受容体特性を有する化合物から製造されてよい。ドーピング電子供与体材料について、強い電子受容体、例えばテトラシアノキノンジメタン(TCNQ)又は2,3,5,6−テトラフルオロテトラシアノ−1,4−ベンゾキノンジメタン(F4TCNQ)がよく知られている(M. Pfeiffer, A. Beyer, T. Fritz, K. Leo, Appl. Phys. Lett., 73 (22), 3202−3204 (1998)及びJ. Blochwitz, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, Appl. Phys. Lett., 73 (6), 729−731 (1998))。電子輸送プロセスに関して、基礎材料の導電性が比較的有意に変動する数及び移動度によって、該電子輸送プロセスは、いわゆる電子供与体様の基礎材料における正孔(正孔輸送材料)を製造する。例えばN,N’−ペルアリール化(perarylated)ベンジジンTPD又はN,N’,N’’ペルアリール化星型化合物、例えばTDATA物質、しかし特定の金属フタロシアニン、例えば特に亜鉛フタロシアニンZnPcも、正孔輸送特性を有するマトリックス材料として公知である。
EP1538684号A1(US2005121667号)は、有機半導体材料をドーピングするための有機ドーピング材料として有機メソメリー化合物(mesomeric compound)を使用して、有機半導体材料の電気的性質を変える方法に関する。該メソメリー化合物は、キノンもしくはキノン誘導体、又は1,3,2−ジオキサボリンもしくは1,3,2−ジオキサボリン誘導体であり、かつ該メソメリー化合物は、同一の蒸発条件下で、テトラフルオロテレシアノキノンジメタンよりも低い揮発性を有する。ドーパントが、有機発光ダイオード(OLED)、有機太陽電池、有機ダイオード、又は有機電界効果トランジスタの製造のために使用されてよいことが言われている。
有利には、マトリックス材料は、部分的に又は完全に、金属フタロシアニン錯体、ポルフィリン錯体、オリゴチオフェン化合物、オリゴフェニル化合物、オリゴフェニレンビニレン化合物、オリゴフルオレン化合物、ペンタセン化合物、トリアリールアミン単位を有する化合物、及び/又はスピロ−ビフルオレン化合物からなる。WO 2009003455号A1は、他のキノイド化合物、並びに半導体マトリックス材料、電子部品及び光電子部品におけるそれらの使用を開示している。
US2008265216号A1は、オキソカーボン化合物、擬オキソカーボン化合物及びラジアレン化合物に、並びに有機半導体マトリックス材料をドーピングするためのドーピング剤としての、ブロック材としての、電荷注入層としての、電極材料としての、及び有機半導体としてのそれらの使用に、並びにそれらを使用した電子部品及び有機半導体材料に関する。
WO2008138580号A1は、イミダゾール誘導体に、並びに有機半導体マトリックス材料をドーピングするためのドーパントとして、有機半導体マトリックス材料として、及び電子部品又は光電子部品としてのそれらの使用に関する。
EP1681733号及びUS2010005192号は、ソース−ドレインコンタクトと半導体層との間に挿入されたアクセプタを含む有機薄膜トランジスタを開示している。その方法は、追加の層を必要とし、この層は蒸発工程で作成されるが、蒸発行程は好ましいものではない。
E. Lim et al., J. Mater. Chem. 2007, 17,1416−1420は、電子受容体、2,5,6−テトラフルオレ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4TCNQ)でドープしたp−タイプポリマー半導体(F8T2)を使用する有機トランジスタに関する結果を示す。最適なドーピング率8質量%でドープしたF8T2フィルムを使用して、増加した正孔移動度を見出したのに対して、オン/オフ比は、ドープした(8質量%)フィルム及びドープしていないフィルムについて同様のオーダーであった。
WO200906068869号は、自己組織化単分子層としてF4TCNQを使用することによって化学的に改質した銀電極を開示している。このSAMの存在は、著しく、輸送特性を変え、それは、正の範囲で閾値電圧の固定したシフトをもたらす。これは、より複雑な回路図を要求し、かつしたがって好ましくない。
W. Takashima et al., Appl. Physics Letters 91 (7), 071905及びUS201000065833号は、p−タイプ有機材料及びn−タイプ材料を有する相補的FET回路を開示しており、その単極化は、p−タイプの導電性トランジスタのためのアクセプタ層をインバータ構造中に挿入することによって起こる。
X. Cheng et al., Adv. Funct. Material 2009, 19, 2407−2415は、同時二極性ポリフルオレン半導体(F8BT)との組合せで、自己組織化したチオールを基礎とする単分子層による金及びドレイン電極の改質を報告している。電子注入及び正孔注入の同時増強が見出されており、正孔/電子比を改良して高いオン/オフ比を達成するためのあらゆる方法は提供されていない。
L. Ma et al., Applied Physics Letters 92 (2008) 063310は、非常に少量でのF4TCNQの導入が、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)の薄膜トランジスタの性能を改良したことを報告した。そのデバイスの電界効果移動度は高められ、かつ閾値電圧を、F4TCNQ濃度を調整することによって制御することができた。
WO2010/063609号は、式
Figure 2013535112
[式中、
1及びR2は、互いに独立して、C1〜C12アルキル、1つ以上の酸素原子によって中断されているC1〜C12アルキル、非置換であるか又はC1〜C4アルキル、非置換のC6〜C12アリールもしくはC3〜C7ヘテロアリールによって置換されているC3〜C8シクロアルキル、又はベンジル、又はC6〜C12アリール、又はC3〜C7ヘテロアリール、又はF、Cl、Br、C1〜C6アルキル、C1〜C6アルコキシ又はジ(C1〜C6アルキルアミノ)によって置換されているベンジルである]の化合物を含む電子デバイスに関する。前記式Iの化合物は、本質的に、高いデバイス安定性及び信頼性をもたらす、良好な半導体材料であるn−タイプ有機材料である。
ジケトピロロピロールを基礎とするポリマーは、例えばWO2010/049321号及びEP2034537号において記載されている。
本発明の課題は、例えばWO2010/049321号において記載されている同時二極性半導体材料の選択によって、高品質の有機電界効果トランジスタ(OFET)を製造するための新たな及び改良されたOFETを提供することである。
前記課題は、ジケトピロロピロール骨格を有する繰返単位を含むポリマー(DPPポリマー)と、真空で4.6eV以上、特に4.8eV以上、より特に5.0eV以上の電子親和力を有する、電荷キャリヤー密度の調整を可能にするアクセプタ化合物とを含む層を有する半導体デバイス、特に有機電界効果トランジスタによって解決される。
一般に、前記アクセプタ化合物は、真空で6.0eV以下、特に5.5eV以下の電子親和力を有する。したがって、該アクセプタ化合物は、真空で4.6〜6.0eV、特に4.8〜5.5eV、より特に5.0〜5.5eVの電子親和力を有する。
一般に、"ドーピング"は、半導体の特性を調整するために(特に半導体の導電タイプを調整するために)不純物を添加することを意味する。
前記アクセプタ化合物でのDPPポリマーのドーピングは、改良された正孔移動度、電流オン/オフ比(Iオン/Iオフ)及び制御可能な閾値変動を有する有機電界効果トランジスタを導く。
前記アクセプタ化合物でのDPPポリマーのドーピングは、約5×10-2cm2/Vsより大きい正孔移動度及び105以上のIオン/Iオフ比を導きうる。
さらに、閾値電圧は、ドーパント材料(アクセプタ化合物)のドーピング濃度を変更することによって調整されうる。該閾値電圧は、IEEE−1620 (Test Methods for the Characterization of Organic Transistors and Materials)による輸送特性から抜粋されうる。
前記ドーピング濃度は、オン/オフ比及び閾値電圧に影響する。該オン/オフは、
トランジスタがソース−ドレイン電流に対してオンである場合、トランジスタがオフである場合の、ソース−ドレイン電流の比をいう。ソース/ドレイン電流をオンからオフに変えるゲート電圧、すなわちゲート電圧の閾値は、トランジスタの性能の重要なパラメータである。
一般に、アクセプタ化合物は、DPPポリマー及びアクセプタ化合物の量に対して、0.1〜20質量%、特に0.5〜8質量%、より特に0.5〜5質量%の量で含まれる。電界効果トランジスタについて、8質量%までのドーピング比が適切であり、8質量%より多いドーピングは導電性ポリマーを導き、それは、大規模適用(有機発光デバイス(OLED)、太陽電池等)のための正孔注入層として関心が持たれてよい。
本発明によって使用されるドーパント(アクセプタ化合物)でのそれぞれの式Iの化合物(DPPポリマー、マトリックス材料)のドーピングは、次の方法の1つ又は組合せによって製造されてよい:a)マトリックス材料及びドーパントの連続堆積、続く熱処理によるドーパントの内部拡散;b)ドーパントの溶液によるマトリックス材料層のドーピング、続く熱処理による溶剤の蒸発;及びc)溶液のドーピング、又はドーパントの溶液によるマトリックス材料の分散液のドーピング、続く熱処理による溶剤の蒸発。
"ジケトピロロピロール(DPP)骨格を有する繰り返し単位を含むポリマー"は、次の式
Figure 2013535112
によって示される1つ以上のDPP骨格を繰返単位で有するポリマーをいう。
ポリマーという言葉は、オリゴマー及びポリマーを含む。本発明のオリゴマーは、質量平均分子量<4000ダルトンを有する。本発明のポリマーは、有利には、質量平均分子量4000ダルトン以上、特に4000〜2000000ダルトン、より有利には10000〜1000000ダルトン、及び最も有利には10000〜100000ダルトンを有する。分子量は、ポリスチレン標準を使用する高温ゲル浸透クロマトグラフィ(HT−GPC)によって測定される。

Figure 2013535112
のポリマーの場合に、式中、nは4(特に10)〜1000、特に4(特に10)〜200、より特に5(特に20)〜100であるポリマーがより好ましい。式Ia及びIb(式中、nは2又は3である)のオリゴマーはほとんど好ましくない。
DPPポリマー及びそれらの合成の例は、例えばUS6451459号B1、WO05/049695号、WO2008/000664号、WO2010/049321号、WO2010/049323号、WO2010/108873号(PCT/EP2010/053655号)、WO2010/115767号(PCT/EP2010/054152号)、WO2010/136353号(PCT/EP2010/056778号)、及びWO2010/136352号(PCT/EP2010/056776号)において記載されており、かつ式
Figure 2013535112
のポリマー、

Figure 2013535112
のコポリマー、

Figure 2013535112
のコポリマー、

Figure 2013535112
のコポリマー、[式中、
x=0.995〜0.005、y=0.005〜0.995であり、特にx=0.2〜0.8、y=0.8〜0.2であり、かつx+y=1であり、
r=0.985〜0.005、s=0.005〜0.985、t=0.005〜0.985、u=0.005〜0.985であり、かつr+s+t+u=1であり、
nは4〜1000、特に4〜200、より特に5〜100であり、
Aは、式
Figure 2013535112
の基であり、前記式中、
a’は1、2又は3であり、a''は0、1、2又は3であり、bは0、1、2又は3であり、b’は0、1、2又は3であり、cは0、1、2又は3であり、c’は0、1、2又は3であり、dは0、1、2又は3であり、d’は0、1、2又は3であり(但し、a''が0である場合に、b’は0ではない)、
1及びR2は、同一又は異なってよく、かつ水素、C1〜C100アルキル基、−COOR106"、C1〜C100アルキル基(このアルキル基は、1つ以上のハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、−CN又はC6〜C18アリール基によって置換されており、かつ/又は−O−、−COO−、−OCO−又は−S−によって中断されている)、C7〜C100アリールアルキル基、カルバモイル基、C5〜C12シクロアルキル基(このシクロアルキル基は、C1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されていてよい)、C6〜C24アリール基、特にフェニルもしくは1−ナフチルもしくは2−ナフチル(前記アリール基は、C1〜C8アルキル、C1〜C25チオアルコキシ及び/又はC1〜C25アルコキシで1〜3回置換されていてよい)、又はペンタフルオロフェニルから選択され、
106"は、C1〜C50アルキル、特にC4〜C25アルキルであり;
Ar1、Ar1'、Ar2、Ar2'、Ar3、Ar3'、Ar4及びAr4'は、互いに独立して、場合により縮合及び/又は置換されていてよい複素芳香族環又は芳香族環、特に
Figure 2013535112
であり、前記式中、X3及びX4の一方はNであり、かつ他方はCR99であり、
99、R104、R104'、R123及びR123'は、互いに独立して、水素、ハロゲン、特にF、又は場合により1つ以上の酸素原子もしくは硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル基、C7〜C25アリールアルキル基、又はC1〜C25アルコキシ基であり、
105、R105'、R106及びR106'は、互いに独立して、水素、ハロゲン、場合により1つ以上の酸素原子もしくは硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル、C7〜C25アリールアルキル、又はC1〜C18アルコキシであり、
107は、C7〜C25アリールアルキル、C6〜C18アリール、C6〜C18アリール(このアリールは、C1〜C18アルキル、C1〜C18ペルフルオロアルキルもしくはC1〜C18アルコキシによって置換されている)、C1〜C18アルキル、−O−もしくは−S−によって中断されているC1〜C18アルキル、又は−COOR124であり、
124は、場合により1つ以上の酸素原子又は硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル基、C7〜C25アリールアルキル基であり、
108及びR109は、互いに独立して、H、C1〜C25アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C25アルキル、C7〜C25アリールアルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、C2〜C20ヘテロアリール、Gによって置換されているC2〜C20ヘテロアリール、C2〜C18アルケニル、C2〜C18アルキニル、C1〜C18アルコキシ、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルコキシ、又はC7〜C25アラルキルであり、又は
108及びR109は、一緒になって、式CR110111の基を形成し、前記式中、R110及びR111は、互いに独立して、H、C1〜C18アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、又はC2〜C20ヘテロアリール、又はGによって置換されているC2〜C20ヘテロアリールであり、又は
108及びR109は、一緒になって、五員環又は六員環を形成し、前記環は、場合により、C1〜C18アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、C2〜C20ヘテロアリール、Gによって置換されているC2〜C20ヘテロアリール、C2〜C18アルケニル、C2〜C18アルキニル、C1〜C18アルコキシ、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルコキシ、又はC7〜C25アラルキルによって置換されていてよく、
D’は、−CO−、−COO−、−S−、−O−又は−NR112−であり、
E’は、C1〜C8チオアルコキシ、C1〜C8アルコキシ、CN、−NR112113、−CONR112113、又はハロゲンであり、
Gは、E’又はC1〜C18アルキルであり、かつ
112及びR113は、互いに独立して、H、C6〜C18アリール、C6〜C18アリール(このアリールは、C1〜C18アルキルもしくはC1〜C18アルコキシによって置換されている)、C1〜C18アルキル、又は−O−によって中断されているC1〜C18アルキルであり、かつ
B、D及びEは、互いに独立して、式
Figure 2013535112
の基、又は式Xの基(但し、B、D及びEが式Xの基である場合に、それらはAとは異なる)であり、前記式中、
kは1であり、
lは0又は1であり、
rは0又は1であり、
zは0又は1であり、かつ
Ar4、Ar5、Ar6及びAr7は、互いに独立して、式
Figure 2013535112
の基であり、前記式中、X5及びX6の一方はNであり、他方はCR14であり、
14、R14'、R17及びR17'は、互いに独立して、H、又は場合により1つ以上の酸素原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC6〜C25アルキル基である]から選択されてよい。
好ましいポリマーは、WO2010/049321号において記載されている。
Ar1及びAr1'は、特に
Figure 2013535112
より特に
Figure 2013535112
であり、その際、
Figure 2013535112
が最も好ましい。
Ar2、Ar2'、Ar3、Ar3'、Ar4及びAr4'は、特に
Figure 2013535112
より特に
Figure 2013535112
である。
さらに好ましいポリマーは、WO2010/108873号において記載されている。
Ar1及びAr1'は、特に
Figure 2013535112
より特に
Figure 2013535112
である。
Ar2、Ar2'、Ar3、Ar3'、Ar4及びAr4'は、特に
Figure 2013535112
より特に
Figure 2013535112
である。

Figure 2013535112
の基は、有利には
Figure 2013535112
より有利には
Figure 2013535112
最も好ましくは
Figure 2013535112
である。
1及びR2は、同一又は異なってよく、かつ有利には水素、C1〜C100アルキル基、特にC8〜C36アルキル基から選択される。
Aは、有利には
Figure 2013535112
から選択される。

Figure 2013535112
の基は、有利には、式
Figure 2013535112
の基である。
好ましい式IaのDPPポリマーの例を以下に示す:
Figure 2013535112
好ましい式IbのDPPポリマーの例を以下に示す:
Figure 2013535112
Figure 2013535112
1及びR2は、C1〜C36アルキル基、特にC8〜C36アルキル基である。nは、4〜1000、特に4〜200、より特に5〜100である。
好ましい式IcのDPPポリマーの例を以下に示す:
Figure 2013535112
1及びR2は、C1〜C36アルキル基、特にC8〜C36アルキル基である。R3は、C1〜C18アルキル基である。R15は、C4〜C18アルキル基である。x=0.995〜0.005、y=0.005〜0.995であり、特にx=0.4〜0.9、y=0.6〜0.1であり、その際x+y=1である。式Ic−1のポリマーは、式Ic−2のポリマーより好ましい。前記ポリマーは、有利には、質量平均分子量4000ダルトン以上、特に4000〜2000000ダルトン、より有利には10000〜1000000ダルトン、及び最も有利には10000〜100000ダルトンを有する。
式Ib−1のポリマーが特に好ましい。例えば、WO2010/049321号の実施例1を参照できる:
Figure 2013535112
(Mw=39500、多分散性=2.2(HT−GPCによって測定))。
"アクセプタ化合物"は、前記ポリマー化合物に関して電子受容特性を呈し、かつ4.6eVより大きい、特に4.8eVより大きい、より特に5.0eVより大きい電子親和力を有する化合物を示す。
電子親和力(EA)は、材料が真空から電子を受容する場合に放出されるエネルギーである。電子親和力は、材料の極性に直接関連せず、又は電子親和力と誘電率との間には何の関係も無い。
本発明によって、EAを、有機半導体についてのサイクリックボルタンメトリー実験から、又はその測定されたイオン化エネルギーからバンドギャップエネルギーを減じることにより決定することができる。材料のイオン化エネルギー(IE)を、標準の紫外光電子分光法(UPS)実験から決定することができる。代わりに、有機半導体のEAを、より直接的な方法で、又は標準のサイクリックボルタンメトリーによって測定することができる。ドナーポリマーから電子を供給するための電荷輸送を導入するための条件は、ドナーの最高被占軌道レベル(イオン化ポテンシャルはIpに該当する)が、アクセプタ分子の最低空軌道レベル(EAに該当する電子親和力として表される)を超えることである。
前記アクセプタ化合物は、例えば、キノイド化合物、例えばキノン又はキノン誘導体、1,3,2−ジオキサボリン、1,3,2−ジオキサボリン誘導体、オキソカーボン化合物、擬オキソカーボン化合物及びラジアレン化合物、並びにイミダゾール誘導体から選択される。
かかる化合物は、例えばK. Walzer, B. Maennig, M. Pfeiffer, and K. Leo, Chem. Rev. 107 (2007) 1233−1271 , EP1596445号A1(キノンもしくはキノン誘導体、又は1,3,2−ジオキサボリンもしくは1,3,2−ジオキサボリン誘導体)、WO2009/003455号A1(キノイド化合物)、WO2008/138580号(イミダゾール誘導体)、及びUS2008/0265216号(オキソカーボン化合物、擬オキソカーボン化合物及びラジアレン化合物)において記載されている。
本発明の好ましい一実施態様において、前記アクセプタ化合物は、式
Figure 2013535112
[式中、
201及びR202は、互いに独立して、C1〜C12アルキル、1つ以上の酸素原子によって中断されているC1〜C12アルキル、C3〜C8シクロアルキル(このシクロアルキルは、非置換であるか又はC1〜C4アルキル、非置換のC6〜C12アリール、又はC3〜C7ヘテロアリールによって置換されている)、又はベンジル、又はC6〜C12アリール、又はC3〜C7ヘテロアリール、ベンジル(このベンジルは、F、Cl、Br、C1〜C6アルキル、C1〜C6アルコキシもしくはジ(C1〜C6アルキルアミノ)によって置換されている)である]の化合物、又は式
Figure 2013535112
[式中、R203及びR204は、互いに独立して、H、Cl又はC1〜C25アルコキシである]の化合物である。式IIIの化合物は、例えばUS5281730号、US5464697号及びWO2010/063609号(PCT/EP2009/065687号)において記載されている。式IVの化合物は、例えばEP860820号において記載されている。式III及びIVの化合物の特定の例を以下に示す:
Figure 2013535112
前記アクセプタ化合物の他の特定の例は、2−(6−ジシアノメチレン−1,3,4,5,7,8,−ヘキサフルオロ−6H−ナフタレン−2−イリデン)−マロノニトリル、
Figure 2013535112
2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)、
Figure 2013535112
を含む。
前記アクセプタ化合物の1つは、単独で使用されてよく、又は2つ以上のこれらの化合物は、組み合わせて使用されてよい。
本発明の最も好ましいアクセプタ化合物は、F4−TCNQである。前記誘導体は、DPPポリマーをドーピングする点、ソース/ドレイン電極に結合する点、及び通常の溶剤で良好な溶解度を提供する点で、特に良好である。
本発明の特に好ましい一実施態様において、前記アクセプタ化合物は、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)であり、かつ該DPPポリマーは、式
Figure 2013535112
[式中、nは5〜100であり、かつR1及びR2はC1〜C36アルキル基、特にC8〜C36アルキル基である]によって示される。
4−TCNQは、有利には、DPPポリマーIb−1及びアクセプタ化合物の量に対して、0.5〜5質量%の量で使用される。
ハロゲンは、フッ素、塩素、ホウ素及びヨウ素であり、特にフッ素である。
1〜C25アルキル(C1〜C18アルキル)は、可能な場合に、典型的に直鎖又は分枝鎖である。例は、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチル、イソブチル、tert.−ブチル、n−ペンチル、2−ペンチル、3−ペンチル、2,2−ジメチルプロピル、1,1,3,3−テトラメチルペンチル、n−ヘキシル、1−メチルヘキシル、1,1,3,3,5,5−ヘキサメチルヘキシル、n−ヘプチル、イソヘプチル、1,1,3,3−テトラメチルブチル、1−メチルヘプチル、3−メチル−ヘプチル、n−オクチル、1,1,3,3−テトラメチルブチル及び2−エチルヘキシル、n−ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、エイコシル、ヘンエイコシル、ドコシル、テトラコシル又はペンタコシルである。C1〜C8アルキルは、典型的に、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチル、イソブチル、tert.−ブチル、n−ペンチル、2−ペンチル、3−ペンチル、2,2−ジメチル−プロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、1,1,3,3−テトラメチルブチル及び2−エチルヘキシルである。C1〜C4アルキルは、典型的に、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチル、イソブチル、tert.−ブチルである。
1〜C25アルコキシ(C1〜C18アルコキシ)基は、直鎖又は分枝鎖のアルコキシ基、例えばメトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、イソプロポキシ、n−ブトキシ、sec−ブトキシ、tert−ブトキシ、アミルオキシ、イソアミルオキシ又はtert−アミルオキシ、ヘプチルオキシ、オクチルオキシ、イソオクチルオキシ、ノニルオキシ、デシルオキシ、ウンデシルオキシ、ドデシルオキシ、テトラデシルオキシ、ペンタデシルオキシ、ヘキサデシルオキシ、ヘプタデシルオキシ及びオクタデシルオキシである。C1〜C8アルコキシの例は、メトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、イソプロポキシ、n−ブトキシ、sec.−ブトキシ、イソブトキシ、tert.−ブトキシ、n−ペントキシ、2−ペントキシ、3−ペントキシ、2,2−ジメチルプロポキシ、n−ヘキソキシ、n−ヘプトキシ、n−オクトキシ、1,1,3,3−テトラメチルブトキシ及び2−エチルヘキソキシ、有利にはC1〜C4アルコキシ、例えば典型的にメトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、イソプロポキシ、n−ブトキシ、sec.−ブトキシ、イソブトキシ、tert.−ブトキシである。"アルキルチオ基"と言う用語は、アルコキシ基と同様の基を意味する(エーテル結合の酸素原子が硫黄原子によって置換されていることを除く)。
2〜C25アルケニル(C2〜C18アルケニル)基は、直鎖又は分枝鎖のアルケニル基、例えばビニル、アリル、メタリル、イソプロペニル、2−ブテニル、3−ブテニル、イソブテニル、n−ペンタ−2,4−ジエニル、3−メチル−ブト−2−エニル、n−オクト−2−エニル、n−ドデク−2−エニル、イソドデセニル、n−ドデク−2−エニル又はn−オクタドデク−4−エニルである。
2〜C24アルキニル(C2〜C18アルキニル)は、直鎖又は分枝鎖であり、かつ有利には非置換であるか又は置換されていてよいC2〜C8アルキニル、例えばエチニル、1−プロピン−3−イル、1−ブチン−4−イル、1−ペンチン−5−イル、2−メチル−3−ブチン−2−イル、1,4−ペンタジイン−3−イル、1,3−ペンタジイン−5−イル、1−ヘキシン−6−イル、シス−3−メチル−2−ペンテン−4−イン−1−イル、トランス−3−メチル−2−ペンテン−4−イン−1−イル、1,3−ヘキサジイン−5−イル、1−オクチン−8−イル、1−ノニン−9−イル、1−デシン−10−イル、又は1−テトラコシン−24−イルである。
5〜C12シクロアルキルは、典型的に、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、シクロデシル、シクロウンデシル、シクロドデシル、有利にはシクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、又はシクロオクチルであり、それらは非置換であるか又は置換されていてよい。シクロアルキル基、特にシクロヘキシル基は、C1〜C4アルキル、ハロゲン及びシアノで1〜3回置換されていてよいフェニルによって1又は2回縮合されていてよい。かかる縮合シクロヘキシル基の例は、以下である:
Figure 2013535112
特に
Figure 2013535112
[式中、R151、R152、R153、R154、R155及びR156は、互いに独立して、C1〜C8アルキル、C1〜C8アルコキシ、ハロゲン及びシアノ、特に水素である]。
6〜C24アリール(C6〜C24アリール)は、典型的に、フェニル、インデニル、アズレニル、ナフチル、ビフェニル、as−インダセニル、s−インダセニル、アセナフチレニル、フルオレニル、フェナントリル、フルオランテニル、トリフェンレニル、クリセニル、ナフタセン、ピセニル、ペリレニル、ペンタフェニル、ヘキサセニル、ピレニル、又はアントラセニル、有利にはフェニル、1−ナフチル、2−ナフチル、4−ビフェニル、9−フェナントリル、2−又は9−フルオレニル、3−又は4−ビフェニルであり、それらは非置換であるか又は置換されていてよい。C6〜C12アリールの例は、フェニル、1−ナフチル、2−ナフチル、3−もしくは4−ビフェニル、2−もしくは9−フルオレニル、又は9−フェナントリルであり、それらは非置換であるか又は置換されていてよい。
7〜C25アラルキルは、典型的に、ベンジル、2−ベンジル−2−プロピル、β−フェニル−エチル、α,α−ジメチルベンジル、ω−フェニル−ブチル、ω,ω−ジメチル−ω−フェニル−ブチル、ω−フェニル−ドデシル、ω−フェニル−オクタデシル、ω−フェニル−エイコシル又はω−フェニル−ドコシル、有利にはC7〜C18アラルキル、例えばベンジル、2−ベンジル−2−プロピル、β−フェニル−エチル、α,α−ジメチルベンジル、ω−フェニル−ブチル、ω,ω−ジメチル−ω−フェニル−ブチル、ω−フェニル−ドデシル又はω−フェニル−オクタデシル、及び特に好ましくはC7〜C12アラルキル、例えばベンジル、2−ベンジル−2−プロピル、β−フェニル−エチル、α,α−ジメチルベンジル、ω−フェニル−ブチル、又はω,ω−ジメチル−ω−フェニル−ブチルであり、それらの脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基の双方は、非置換であるか、又は置換されていてよい。好ましい例は、ベンジル、2−フェニルエチル、3−フェニルプロピル、ナフチルエチル、ナフチルメチル、及びクミルである。
"カルバモイル基"の用語は、典型的に、非置換であるか又は置換されていてよいC1〜C18カルバモイル基、有利にはC1〜C8カルバモイル基、例えばカルバモイル、メチルカルバモイル、エチルカルバモイル、n−ブチルカルバモイル、tert−ブチルカルバモイル、ジメチルカルバモイルオキシ、モルホリノカルバモイル又はピロリジノカルバモイルである。
ヘテロアリールは、典型的に、C2〜C26ヘテロアリール(C2〜C20ヘテロアリール)、すなわち5〜7個の環原子を有する環又は縮合環系(その際窒素、酸素又は硫黄が可能なヘテロ原子である)であり、かつ典型的に少なくとも6個の共益π−電子を有する5〜30個の原子を有する不飽和複素環基であり、例えばチエニル、ベンゾ[b]チエニル、ジベンゾ[b,d]チエニル、チアントレニル、フリル、フルフリル、2H−ピラニル、ベンゾフラニル、イソベンゾフラニル、ジベンゾフラニル、フェノキシチエニル、ピロールイル、イミダゾールイル、ピラゾールイル、ピリジル、ジピリジル、トリアジニル、ピリミジニル、ピラジニル、ピリダジニル、インドーリジニル、イソインドールイル、インドールイル、インダゾールイル、プリニル、キノリジニル、キノールイル、イソキノールイル、フタラジニル、ナフチリジニル、キノキサリニル、キナゾールイニル、シンノリニル、プテリジニル、カルバゾールイル、カルボリニル、ベンゾトリアゾールイル、ベンゾオキサゾールイル、フェナントリジニル、アクリジニル、ピリミジニル、フェナントロリニル、フェナジニル、イソチアゾールイル、フェノチアジニル、イソキサゾールイル、フラザニル又はフェノキサジニルであり、それらは非置換であるか又は置換されていてよい。
前記基の可能な置換基は、C1〜C8アルキル、ヒドロキシル基、メルカプト基、C1〜C8アルコキシ、C1〜C8アルキルチオ、ハロゲン、ハロ−C1〜C8アルキル、シアノ基、カルバモイル基、ニトロ基又はシリル基であり、特にC1〜C8アルキル、C1〜C8アルコキシ、C1〜C8アルキルチオ、ハロゲン、ハロ−C1〜C8アルキル又はシアノ基である。
前記のように、前記基は、E’によって置換されていてよく、かつ/又は所望の場合にD’によって中断されていてよい。中断は、当然、単結合によって互いに連結した少なくとも2個の炭素原子を含む基の場合にのみ可能であり、C6〜C18アリールは、中断されず、中断されたアリールアルキル又はアルキルアリールは、アルキル成分中で単位D’を含む。1つ以上のE’によって置換された及び/又は1つ以上のD’単位によって中断されたC1〜C18アルキルは、例えば(CH2CH2O)1-9−Rx[式中Rxは、H又はC1〜C10アルキル又はC2〜C10アルカノール(例えばCO−CH(C25)C49)である]、CH2−CH(ORy')−CH2−O−Ry[式中、Ryは、C1〜C18アルキル、C5〜C12シクロアルキル、フェニル、C7〜C15フェニルアルキルであり、かつRy'は、Ryと同様の定義を含むか、又はHである]、C1〜C8アルキレン−COO−Rz、例えばCH2COORz、CH(CH3)COORz、C(CH32COORz[式中RzはH、C1〜C18アルキル、(CH2CH2O)1-9−Rx[式中Rxは前記出示した定義を含む]である]、CH2CH2−O−CO−CH=CH2、CH2CH(OH)CH2−O−CO−C(CH3)=CH2である。
本発明による半導体デバイスは、有利には有機電界効果トランジスタである。該有機電界効果トランジスタは、ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を含み、その際半導体層は、DPPポリマーとアクセプタ化合物とを含む層を示す。
有機半導体材料(DPPポリマー及びアクセプタ化合物)は、溶液処理可能であり、すなわち該有機半導体材料は、例えばインクジェット印刷によって堆積されてよい。
本発明によるOFETデバイスは、有利には、
− ソース電極
− ドレイン電極
− ゲート電極
− 半導体層
− 1つ以上のゲート絶縁体層、及び
− 場合により基板(その際半導体層は、DPPポリマーとアクセプタ化合物とを含む)
を含む。
前記OFETデバイスにおけるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極並びに絶縁層及び半導体層は、任意の順序で配置されてよいが、但し、ソース電極及びドレイン電極は、絶縁層によってゲート電極から分けられ、ゲート電極及び半導体層の双方は、絶縁層と接触し、かつソース電極及びドレイン電極の双方は、半導体層と接触する。
有利には、前記OFETは、第一の側面及び第二の側面を有する絶縁体、絶縁体の第一の側面上に位置するゲート電極、絶縁体の第二の側面上に位置するDPPポリマーとアクセプタ化合物とを含む層、並びにポリマー層上に位置するドレイン電極及びソース電極を含む。
前記OFETデバイスは、トップゲート(top gate)デバイス又はボトムゲート(bottom gate)デバイスであってよい。
OFETデバイスの適した構造及び製造方法は、当業者に公知であり、かつ文献、例えばWO03/052841号において記載されている。
典型的に、本発明の半導体層は、ほとんど厚さ1ミクロン(=1μm)であるが、必要であればより厚くてもよい。種々の電子デバイス適用のために、その厚さは、厚さ約1ミクロン未満であってもよい。例えば、OFETにおける使用のために、層の厚さは、典型的に100nm以下であってよい。該層の正確な厚さは、例えば層を使用する電子デバイスの要求に依存する。
前記絶縁体層(誘電層)は、一般に、無機材料フィルム又は有機ポリマーフィルムであってよい。ゲート誘電層として適している無機材料の例は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムジルコニウム等を含む。ゲート誘電層のための有機ポリマーの例は、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ(ビニルフェノール)、ポリイミド、ポリスチレン、ポリ(メタクリレート)、ポリ(アクリレート)エポキシ樹脂、WO07/113107号において記載されている感光性レジスト等を含む。例示的な実施態様において、熱成長酸化ケイ素(SiO2)を誘電層として使用してよい。
誘電層の厚さは、例えば使用する誘電材料の誘電率に依存して、約10ナノメートル〜約2000ナノメートルである。該誘電層の代表的な厚さは、約100ナノメートル〜約500ナノメートルである。該誘電層は、例えば約10-12S/cm未満である導電率を有してよい。
ゲート絶縁体層は、例えばフルオロポリマー、例えば市販のCytop 809M(登録商標)又はCytop 107M(登録商標)(旭硝子社製)を含んでよい。有利には、該ゲート絶縁体層は、例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、ワイヤバーコーティング、スプレーコーティングもしくは浸漬コーティング、又は他の公知の方法によって、絶縁体材料を含む調合物、及び1つ以上のフルオロ原子(フルオロ溶剤)を有する1つ以上の溶剤、有利にはペルフルオロ溶剤から堆積される。適したペルフルオロ溶剤は、例えばFC75(登録商標)(Acros社製、カタログ番号12380)である。他の適したフルオロポリマー及びフルオロ溶剤は、先行技術において公知であり、例えばペルフルオロポリマーのTeflon AF(登録商標)1600もしくは2400(DuPont社製)、又はFluoropel(登録商標)(Cytonix社製)、又はペルフルオロ溶剤のFC 43(登録商標)(Acros社製、番号12377)である。
DPPポリマー及びアクセプタ化合物を使用する有機活性層を形成するために、クロロホルム又はクロロベンゼンを含む有機活性層のための組成物が使用されてよい。有機活性層のための組成物中で使用される溶剤の例は、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン及びトルエン、又はそれらの混合物を含んでよい。
有機活性層の形成のプロセスの例は、制限されることなく、スクリーン印刷、印刷、スピンコーティング、浸漬又はインクジェットを含んでよい。
それ自体、OFET中で含まれるゲート絶縁層(ゲート誘電)において、典型的に当業者に公知である限り、高い誘電率を有するあらゆる絶縁体を使用してよい。それらの特定の例は、制限されること無く、Ba0.33Sr0.66TiO3(BST:チタン酸バリウムストロンチウム)、Al23、Ta25、La25、Y25もしくはTiO2を含む強絶縁体、PbZr0.33Ti0.663(PZT)、Bi4Ti312、BaMgF4、SrBi2(TaNb)29、Ba(ZrTi)O3(BZT)、BaTiO3、SrTiO3、Bi4Ti312、SiO2、SiNxもしくはAlONを含む無機絶縁体、又はポリアミド、ベンゾシクロブタン(BCB)、パリレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリビニルピロリドン(PVP)、アクリレート、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)及びベンゾシクロブタン(BCB)を含む有機絶縁体を含んでよい。前記絶縁層は、材料の混合物から形成されてよく、又は多層構造を含んでよい。前記誘電材料は、当業者に公知の熱蒸発、真空処理又は積層技術によって堆積されてよい。代わりに、該誘電材料は、例えばスピンコーティング又はインクジェット印刷技術及び他の溶液堆積技術を使用して、溶液から堆積されてよい。
前記誘電材料を有機半導体上に溶液から堆積する場合に、該誘電材料は、有機半導体の溶解をもたらすべきでない。同様に、該誘電材料は、前記有機半導体をその上に溶液から堆積する場合に溶解されるべきでない。かかる溶解を妨げるための技術は、下にある層を溶解しない最上層の堆積のための及び下にある層の架橋のための溶剤の使用である直交溶剤(orthogonal solvent)の使用を含む。前記絶縁層の厚さは、有利には2ミクロメートル未満、より有利には500nm未満である。
本発明のOFETにおいて含まれるゲート電極及びソース/ドレイン電極において、典型的な金属が使用されてよく、それらの特定の例は、制限されること無く、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)を含む。合金及び酸化物、例えば三酸化モリブデン及び酸化インジウムスズ(ITO)を使用してもよい。有利には、少なくとも1つのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の材料は、Cu、Ag、Au又はそれらの合金の群から選択される。前記ソース電極及びドレイン電極は、熱蒸発によって堆積されてよく、かつ当業者に公知の標準フォトリソグラフィー及びリフトオフ技術を使用してパターン化されてよい。
基板は、硬く又は可撓性であってよい。硬い基板は、ガラス又はケイ素から選択されてよく、かつ可撓性の基板は、薄いガラス又はプラスチック、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)、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリノルボルネン及びポリエーテルスルホン(PES)を含んでよい。
代わりに、導電性ポリマーを、ソース電極及びドレイン電極として堆積してよい。かかる導電性ポリマーの例は、ポリ(エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)であるが、しかし他の導電性ポリマーが当業者に公知である。かかる導電性ポリマーは、例えばスピンコーティング又はインクジェット印刷技術及び他の溶液堆積技術を使用して、溶液から堆積されてよい。
前記ソース電極及びドレイン電極は、有利には製造の容易さのために同様の材料から形成される。しかしながら、該ソース電極及びドレイン電極が、それぞれ電荷注入及び電荷抽出の最適化のために異なる材料から形成されてよいことが評価される。
典型的なソース電極及びドレイン電極の厚さは、例えば約40ナノメートル〜約1ミクロメートルであり、その際より特定の厚さは、約100〜約400ナノメートルである。
ソース電極とドレイン電極との間で定義されるチャネルの長さは、500ミクロンまでであってよいが、しかし有利にはその長さは、200ミクロン未満、より有利には100ミクロン未満、最も有利には20ミクロン未満である。
他の層が、デバイスアーキテクチャ中で含まれてよい。例えば、自己組織化単分子層(SAM)を、ゲート電極、ソース電極又はドレイン電極、基材、絶縁層及び有機半導体材料上で堆積させて、結晶化を促進し、接触抵抗を低減し、表面特性を修復し、かつ要求される場合に付着を促進してよい。かかる単分子層についての例示的な材料は、長鎖アルキルを有するクロロシラン又はアルコキシシラン、例えばオクタデシルトリクロロシランを含む。
同時二極性有機薄膜トランジスタを作成する方法は、基板上で、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機活性層及びソース/ドレイン電極を形成することを含んでよく、その際有機活性層(半導体層)は、DPPポリマーとアクセプタ化合物とを含む。前記有機活性層は、薄膜中に、スクリーン印刷、印刷、スピンコーティング、浸漬又はインクジェットによって形成されてよい。前記絶縁層を、Ba0.33Sr0.66TiO3(BST:チタン酸バリウムストロンチウム)、Al23、Ta25、La25、Y25もしくはTiO2を含む強絶縁体、PbZr0.33Ti0.663(PZT)、Bi4Ti312、BaMgF4、SrBi2(TaNb)29、Ba(ZrTi)O3(BZT)、BaTiO3、SrTiO3、Bi4Ti312、SiO2、SiNxもしくはAlONを含む無機絶縁体、又はポリイミド、ベンゾシクロブタン(BCB)、パリレン、ポリビニルアルコールもしくはポリビニルフェノールを含む有機絶縁体からなる群から選択される材料を使用して形成してよい。前記基板を、ガラス、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリノルボルネン及びポリエーテルスルホン(PES)からなる群から選択される材料を使用して形成されてよい。前記ゲート電極及びソース/ドレイン電極は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)及び酸化インジウムスズ(ITO)からなる群から選択される材料を使用して形成してよい。
前記有機薄膜トランジスタを製造する方法は、ソース電極及びドレイン電極を堆積すること、半導体層を該ソース電極及びドレイン電極上で形成することを含んでよく、その際該半導体層は、該ソース電極とドレイン電極との間のチャネル領域でDPPポリマーとアクセプタ化合物を含む。前記有機半導体材料は、有利には溶液から堆積される。好ましい溶液堆積技術は、スピンコーティング及びインクジェット印刷を含む。他の溶液堆積技術は、浸漬コーティング、ロール印刷及びスクリーン印刷を含む。
ボトムゲートOFETデバイスは、以下で例示した方法を使用して形成されてよい。
1.ゲートの堆積及びパターン化(例えばITO被覆した基板のパターン化)。
2.誘電体の堆積及びパターン化(例えば架橋可能な、フォトパターン化可能な誘電体)。
3.ソース−ドレイン材料の堆積及びパターン化(例えば、銀、フォトリソグラフィー)。
4.ソース−ドレイン表面の処理。その表面処理の群は、基板を自己組織化材料の溶液中に浸漬すること、又はスピンコーティングによって希釈溶液から適用することによって適用されうる。過剰な(連結していない)材料は、洗浄によって取り除かれうる。
5.有機半導体材料の堆積(例えばインクジェット印刷による)。
この技術は、トップゲートデバイスとも相容性がある。この場合に、ソース−ドレイン層を最初に堆積し、そしてパターン化する。そして表面処理を、有機半導体材料、ゲート誘電及びゲート堆積の前に、ソース−ドレイン層に適用する。
OFETは、幅広い範囲の可能な適用を有する。かかる適用の1つは、光学デバイス(装置)、有利には有機光学デバイス中でピクセルをドライブすることである。かかる光学デバイスの例は、光応答デバイス、特に光検出器、及び発光デバイス、特に有機発光デバイスを含む。高移動度OTFTは、特に、アクティブマトリックス有機発光装置での使用のための、例えばディスプレイ適用における使用のためのバックプレーンとして適している。
次の実施例は、単に例示的な目的のために含まれ、かつ特許請求の範囲を制限するものではない。特に明記しない限り、全ての部及びパーセンテージは質量による。
実施例
適用例
p−Siゲート(10Ωcm)を有するボトムゲート薄膜トランジスタ(TFT)構造を、全ての実験について使用する。300nmの厚さの高品質の熱SiO2層は、単位面積毎の電気容量Ci=32.6nF/cm2のゲート絶縁体として供給する。ソース電極及びドレイン電極を、フォトリソグラフィーによって直接ゲート酸化物上にパターン化する。幅W=10mm及び可変長L=2.5、5、10、20μmのチャネルを規定する金ソースドレイン電極を使用する。有機半導体の堆積の前に、SiO2表面を、60℃で、トルエン中でオクタデシルトリクロロシラン(OTS)0.1m溶液で、20分間処理する。イソプロパノールでの洗浄後に、基板を乾燥する。少量のF4TCNQ(Aldrich Company)を、o−キシレン(puriss.)中で溶解し、そして式
Figure 2013535112
(WO2010/049321号の実施例1に従って得られる)のDPP−ポリマーと、次の質量比:0/100、0.5/99.5、1/99、3/97、6/94及び8/92(ドーパントとポリマーとの質量比)で混合して、出発溶液0.5質量%(o−キシレン10mg中でDPPポリマー5mg)を生じる。溶解度を改良するために、前記溶液を80℃まで加熱する。半導体薄膜を、ドープ溶液のスピンコーティングによって製造する。使用前に、その溶液を0.2μmフィルターを通して濾過する。前記スピンコーティングを、スピン速度3000rpmで約20秒間、周囲条件で実施して、薄膜(30〜50nm)を作成する。そのデバイスを、評価前に150℃で15分間乾燥する。
トランジスタ性能
トランジスタ挙動を、Agilent 4155 C半導体パラメータ分析器を使用して自動(transistor prober TP−10、CSEM)で測定した。その輸送特性を、同様の実施で製造した種々のチャネル長さを有するデバイスで測定する。電界効果移動度を、Vd=−30Vで飽和領域(saturation regime)で算出する。これらの特性から、閾値電圧(Vt)を、IEEE−1620において記載されているゲート電圧依存性ドレイン電流の第二の誘導体のピークから導き出す。トランスファーライン法(transfer line method)に従って、接触抵抗を、ソース−ドレイン電圧1Vで算出する。オン/オフ電流を、それぞれVgs=−30V及びVds=−30V、Vgs=10V及びVds=−30Vで得る。
以下の表1は、種々のF4−TCNQ量でドープしたDPPを基礎とするポリマーのデバイス特性を示す。
Figure 2013535112

Claims (15)

  1. ジケトピロロピロール骨格を有する繰返単位を含むポリマー(DPPポリマー)と、4.6eV以上の電子親和力(真空中)を有するアクセプタ化合物とを含む層を有する半導体デバイス。
  2. 有機電界効果トランジスタである、請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 前記有機電界効果トランジスタが、ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を含み、その際半導体層が、DPPポリマーとアクセプタ化合物とを含む層を示す、請求項2に記載の半導体デバイス。
  4. 前記DPPポリマーが、式
    Figure 2013535112
    のポリマー、式
    Figure 2013535112
    のコポリマー、式
    Figure 2013535112
    のコポリマー、式
    Figure 2013535112
    のコポリマー、
    [式中、
    x=0.995〜0.005、y=0.005〜0.995であり、特にx=0.2〜0.8、y=0.8〜0.2であり、かつx+y=1であり、
    r=0.985〜0.005、s=0.005〜0.985、t=0.005〜0.985、u=0.005〜0.985であり、かつr+s+t+u=1であり、
    nは4〜1000、特に4〜200、より特に5〜100であり、
    Aは、式
    Figure 2013535112
    の基であり、前記式中、a’は1、2又は3であり、a''は0、1、2又は3であり、bは0、1、2又は3であり、b’は0、1、2又は3であり、cは0、1、2又は3であり、c’は0、1、2又は3であり、dは0、1、2又は3であり、d’は0、1、2又は3であり(但し、a''が0である場合に、b’は0ではない)、
    1及びR2は、同一又は異なってよく、かつ水素、C1〜C100アルキル基、−COOR106"、C1〜C100アルキル基(このアルキル基は、1つ以上のハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、−CN又はC6〜C18アリール基によって置換されており、かつ/又は−O−、−COO−、−OCO−又は−S−によって中断されている)、C7〜C100アリールアルキル基、カルバモイル基、C5〜C12シクロアルキル基(このシクロアルキル基は、C1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されていてよい)、C6〜C24アリール基、特にフェニルもしくは1−ナフチルもしくは2−ナフチル(前記アリール基は、C1〜C8アルキル、C1〜C25チオアルコキシ及び/又はC1〜C25アルコキシで1〜3回置換されていてよい)、又はペンタフルオロフェニルから選択され、
    106"は、C1〜C50アルキル、特にC4〜C25アルキルであり;
    Ar1、Ar1'、Ar2、Ar2'、Ar3、Ar3'、Ar4及びAr4'は、互いに独立して、場合により縮合及び/又は置換されていてよい複素芳香族環又は芳香族環、特に
    Figure 2013535112
    であり、前記式中、X3及びX4の一方はNであり、かつ他方はCR99であり、
    99、R104、R104'、R123及びR123'は、互いに独立して、水素、ハロゲン、特にF、又は場合により1つ以上の酸素原子もしくは硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル基、C7〜C25アリールアルキル、又はC1〜C25アルコキシ基であり、
    105、R105'、R106及びR106'は、互いに独立して、水素、ハロゲン、場合により1つ以上の酸素原子もしくは硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル、C7〜C25アリールアルキル、又はC1〜C18アルコキシであり、
    107は、C7〜C25アリールアルキル、C6〜C18アリール、C6〜C18アリール(このアリールは、C1〜C18アルキル、C1〜C18ペルフルオロアルキルもしくはC1〜C18アルコキシによって置換されている)、C1〜C18アルキル、−O−もしくは−S−によって中断されているC1〜C18アルキル、又は−COOR124であり、
    124は、場合により1つ以上の酸素原子又は硫黄原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル基、C7〜C25アリールアルキル基であり、
    108及びR109は、互いに独立して、H、C1〜C25アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C25アルキル、C7〜C25アリールアルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、C2〜C20ヘテロアリール、Gによって置換されているC2〜C20ヘテロアリール、C2〜C18アルケニル、C2〜C18アルキニル、C1〜C18アルコキシ、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルコキシ、又はC7〜C25アラルキルであり、又は
    108及びR109は、一緒になって、式CR110111の基を形成し、前記式中、R110及びR111は、互いに独立して、H、C1〜C18アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、又はC2〜C20ヘテロアリール、又はGによって置換されているC2〜C20ヘテロアリールであり、又は
    108及びR109は、一緒になって、五員環又は六員環を形成し、前記環は、場合により、C1〜C18アルキル、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルキル、C6〜C24アリール、Gによって置換されているC6〜C24アリール、C2〜C20ヘテロアリール、Gによって置換されているC2〜C20ヘテロアリール、C2〜C18アルケニル、C2〜C18アルキニル、C1〜C18アルコキシ、E’によって置換され、かつ/又はD’によって中断されているC1〜C18アルコキシ、又はC7〜C25アラルキルによって置換されていてよく、
    D’は、−CO−、−COO−、−S−、−O−又は−NR112−であり、
    E’は、C1〜C8チオアルコキシ、C1〜C8アルコキシ、CN、−NR112113、−CONR112113、又はハロゲンであり、
    Gは、E’又はC1〜C18アルキルであり、かつ
    112及びR113は、互いに独立して、H、C6〜C18アリール、C6〜C18アリール(このアリールは、C1〜C18アルキルもしくはC1〜C18アルコキシによって置換されている)、C1〜C18アルキル、又は−O−によって中断されているC1〜C18アルキルであり、かつ
    B、D及びEは、互いに独立して、式
    Figure 2013535112
    の基、又は式Xの基(但し、B、D及びEが式Xの基である場合に、それらはAとは異なる)であり、前記式中、
    kは1であり、
    lは0又は1であり、
    rは0又は1であり、
    zは0又は1であり、かつ
    Ar4、Ar5、Ar6及びAr7は、互いに独立して、式
    Figure 2013535112
    の基であり、前記式中、X5及びX6の一方はNであり、かつ他方はCR14であり、
    14、R14'、R17及びR17'は、互いに独立して、H、又は場合により1つ以上の酸素原子によって中断されていてよいC1〜C25アルキル基、特にC6〜C25アルキル基である]から選択される、請求項1から3までのいずれか1項に記載の有機電子デバイス。
  5. 前記DPPポリマーが、式
    Figure 2013535112
    Figure 2013535112
    Figure 2013535112
    [式中、
    nは4〜1000、特に4〜200、より特に5〜100であり、
    1及びR2は、C1〜C36アルキル基、特にC8〜C36アルキル基であり、
    3はC1〜C18アルキル基であり、R15はC4〜C18アルキル基であり、
    x=0.995〜0.005、y=0.005〜0.995であり、特にx=0.4〜0.9、y=0.6〜0.1であり、かつx+y=1である]のポリマーから選択される、請求項1から4までのいずれか1項に記載の有機電子デバイス。
  6. 前記アクセプタ化合物が、キノイド化合物、例えばキノン又はキノン誘導体、1,3,2−ジオキサボリン、1,3,2−ジオキサボリン誘導体、オキソカーボン化合物、擬オキソカーボン化合物及びラジアレン化合物、並びにイミダゾール誘導体から選択される化合物である、請求項1から5までのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
  7. 前記アクセプタ化合物が、式
    Figure 2013535112
    [式中、
    201及びR202は、互いに独立して、C1〜C12アルキル、1つ以上の酸素原子によって中断されているC1〜C12アルキル、C3〜C8シクロアルキル(このシクロアルキルは、非置換であるか又はC1〜C4アルキル、非置換のC6〜C12アリール、又はC3〜C7ヘテロアリールによって置換されている)、又はベンジル、又はC6〜C12アリール、又はC3〜C7ヘテロアリール、ベンジル(このベンジルは、F、Cl、Br、C1〜C6アルキル、C1〜C6アルコキシもしくはジ(C1〜C6アルキルアミノ)によって置換されている)である]の化合物、又は式
    Figure 2013535112
    [式中、R203及びR204は、互いに独立して、H、Cl又はC1〜C25アルコキシである]の化合物である、請求項1から6までのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
  8. 前記アクセプタ化合物が、
    Figure 2013535112
    から選択される、請求項7に記載の半導体デバイス。
  9. 前記アクセプタ化合物が、2−(6−ジシアノメチレン−1,3,4,5,7,8,−ヘキサフルオロ−6H−ナフタレン−2−イリデン)−マロノニトリル、
    Figure 2013535112
    2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)、
    Figure 2013535112
    から選択される化合物である、請求項6に記載の半導体デバイス。
  10. 前記アクセプタ化合物が、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)である、請求項9に記載の半導体デバイス。
  11. 前記DPPポリマーが、式
    Figure 2013535112
    [式中、nは5〜100であり、かつR1及びR2はC1〜C36アルキル基、特にC8〜C36アルキル基である]によって示される、請求項10に記載の半導体デバイス。
  12. 前記アクセプタ化合物を、DPPポリマー及びアクセプタ化合物の量に対して、0.1〜8質量%、有利には0.5〜5質量%の量で含む、請求項1から11までのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
  13. ジケトピロロピロール骨格を有する繰返単位を含むポリマー(DPPポリマー)と、4.6eVより大きい、特に4.8eVより大きい、より特に5.0eVより大きい電子親和力を有するアクセプタ化合物とを含む、有機層、特に半導体層。
  14. 有機半導体デバイスにおける請求項13に記載の有機層の使用。
  15. 請求項1から12までのいずれか1項に記載の有機半導体デバイス、又は請求項13に記載の有機層を含む装置。
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