JP2015505157A - イオン交換ガラス基板を備える有機薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

強化ガラス基板、例えばイオン交換ガラス基板を有機分子またはポリマーと組み合わせて利用する製品が、当該製品を形成する方法とともに記載される。これらの製品は、有機薄膜トランジスタを利用する電子表示装置において有用である。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１１年１２月６日に出願された米国仮特許出願第６１／５６７，３４２号の優先権の利益を米国特許法第１１９条に基づいて主張するものであり、この仮特許出願の内容は、本明細書で参照することにより、当該出願の内容全体が援用され、そして本明細書に組み込まれる。

種々の実施形態は概して、強化ガラスを基板として使用する製品に関するものであり、特に有機分子またはポリマーと組み合わせた強化ガラスを、薄膜トランジスタのような電子素子の基板として使用することに関するものであり、そしてこれらの製品を形成する方法に関するものである。

電子ブックリーダ、ビデオディスプレイ、及び他の電子機器のような持ち運び型電子機器が、世界中に広がりつつあるなか、これらの機器の機械的耐久性を向上させる要求が益々強くなっている。これらの機器の多くは、薄膜トランジスタを搭載しており、この薄膜トランジスタは殆どの場合、ガラス支持基板を備えている。ガラスを背面基板として使用するこれらの製品の場合、床に落としたときの衝撃、過酷な環境条件、または同様の現象によって機器故障が起きてしまう。例えば、ガラス背面基板の割れが、現在の電子ブックリーダの殆どの故障態様である。

機器製造業者は、ガラスが機器の耐久性を悪化させている原因であると考えており、そして当該ガラスを金属板（例えば、アルミニウムまたはステンレス鋼）及びポリマーフィルム（ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレート）のような他の材料に置き換える試みが為されている。金属フィルム及びポリマーフィルムは脆くはないが、これらの材料には制約もある。金属フィルムは多くの場合、粗過ぎて、平坦化層を必要とし、そしてポリマーフィルムを溶媒に浸漬させることができず、そしてポリマーフィルムには熱的制約−寸法的制約がある。更に、金属基板及びポリマー基板からは、支持基板として使用される場合に、ガラスの場合には問題にならない相性の問題が更に発生する可能性がある。

理想的な基板は、高温に耐えることができ、表面の低粗度を維持することができ、処理溶媒の影響を受けることがなく、そして最終製品を毎日使用することに耐えることができる。現在の基板は、これらの重要な要素のうちの少なくとも１つの要素を満たすことができず、性能を向上させた画期的な基板を開発するという要求に応えることができていない。

能動電子構造をイオン交換ガラスの上に形成すると、殆ど壊れることがない高強度のガラスを、液晶表示装置のような電子装置の電子背面板として使用することができる。これらの電子装置の背面板が、イオン交換ガラスにより構成されるとした場合、この余分のハードウェアの殆どは、無くすことができ、そして新規のフレームレス装置を開発することができることにより、美的外観を大幅に向上させ、軽量化し、製造コストを低減し、そして／または製品耐久性を高めることができる。イオン交換ガラス上の能動電子素子が更に、光透過材料により構成される場合、これによって透明な全面ガラス電子装置が可能になる。

１つの可能性として、Ｇｏｒｉｌｌａ（コーニング社の登録商標）ガラスのような強化ガラスを背面基板として使用する。しかしながら、イオン交換Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスは、ナトリウム及びカリウムが表面に多量に含まれており、そしてアルカリ金属は、半導体素子の動作及び形成には不利であり、例えばＴＦＴ形成には不利である。アルカリを含まない金属イオンは、シリコン（Ｓｉ）ＴＦＴのような通常のＴＦＴ素子を汚染してしまい、そしてアルカリ含有ガラスは、通常の高温真空処理工程では避ける必要があり、これらの高温真空処理工程は、無機ＴＦＴを形成するために使用され、かつ性能に悪影響を及ぼす能動半導体へのアルカリ金属イオンの移動を許容してしまう。従来、アルカリを含まないガラスは、当該ガラスが、シリコンを汚染しないことからＴＦＴに使用されてきたが、アルカリを含まないガラスは、イオン交換ガラスの機械的信頼性を実現することができない。

別の可能性として、熱強化されたソーダ石灰ガラスなどの、熱硬化されたかまたは化学硬化された更に古いガラスを使用する。しかしながら、ソーダ石灰ガラスはまた、アルカリ金属を高濃度で有するので、これらの材料を使用すると、ＴＦＴ素子を更に汚染してしまう。

現在では、半導体素子、例えば有機ＴＦＴを機械的耐久性のある強化ガラス、例えばイオン交換基板に、バリア層を設けることなく直接形成することができる。本明細書において記載される種々の実施形態は、以下の利点のうちの１つ以上の利点を提供することができる：すなわち、有機ＴＦＴ及び回路を、イオン交換ガラス基板及び熱強化ガラス基板を含む強化ガラスの上に形成する実用的な方法を提供することができ；強化ガラス、例えばイオン交換ガラスまたは熱強化ガラスを、ディスプレイ背面板に適する基板として使用する手段を提供することができ；電子素子を強化ガラス、例えばイオン交換ガラスまたは熱強化ガラスの上に、ガラスの極めて優れた圧縮強度を変えることなく形成することができ；そして／またはバリア層を除去することにより、装置を、より少ない製造工程でより薄くすることができるので、方法を、コストを低く抑えて向上させることができる。

第１の実施形態は製品を備え、該製品は：第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板と；第１表面及び第２表面を有する有機半導体層と；第１表面及び第２表面を有する誘電体層と；そして少なくとも１つの電極と、を備え；前記製品はバリア層を含まない。幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの電極は、ゲート電極と、ドレイン電極と、そしてソース電極と、を含む。幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの電極は、金属、導電性金属酸化膜、導電性金属ナノ粒子インク、または導電性ポリマーを含む。幾つかの実施形態では、前記有機半導体層は、小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーを含む。幾つかの実施形態では、前記誘電体層は、膜として、約２５０℃未満の温度で塗布することができる有機材料または無機材料を含む。幾つかの実施形態では、前記強化ガラスはイオン交換ガラスを含む。幾つかの実施形態では、前記強化ガラスは熱強化ガラスを含む。幾つかの実施形態では、前記ガラスは、アルミノホウケイ酸ガラス、アルカリアルミノホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、またはソーダ石灰ガラスである。幾つかの実施形態では、前記製品は、薄膜トランジスタ、太陽電池素子、ダイオード、または表示素子を含む。

幾つかの実施形態では、前記製品は更に、機能層を前記強化ガラス基板の前記有機半導体層及び誘電体層の反対側の表面に含み、前記機能層は、アンチグレア層、汚れ防止層、セルフクリーニング層、反射防止層、指紋付着防止表面層、光散乱層、亀裂防止層、及びこれらの層の複合層から選択される。

別の実施形態は薄膜トランジスタを備え、該薄膜トランジスタは：第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板と；第１表面及び第２表面を有する有機半導体層と；第１表面及び第２表面を有する誘電体層と；そして少なくとも１つの電極と、を備え、前記製品はバリア層を含まない。幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの電極は、ゲート電極と、ドレイン電極と、そしてソース電極と、を含む。幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの電極は、金属、導電性金属酸化膜、導電性金属ナノ粒子インク、または導電性ポリマーを含む。幾つかの実施形態では、前記有機半導体層は、小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーを含む。幾つかの実施形態では、前記誘電体層は、膜として、約２５０℃未満の温度で塗布することができる有機材料または無機材料を含む。幾つかの実施形態では、前記強化ガラスはイオン交換ガラスを含む。

幾つかの実施形態では、前記薄膜トランジスタは更に、機能層を前記強化ガラス基板の前記有機半導体層及び誘電体層の反対側の表面に含み、前記機能層は、アンチグレア層、汚れ防止層、セルフクリーニング層、反射防止層、指紋付着防止表面層、光散乱層、亀裂防止層、及びこれらの層の複合層から選択される。

幾つかの実施形態では、前記薄膜トランジスタは、ボトムゲートトップコンタクト構造を含む。幾つかの実施形態では、前記薄膜トランジスタは、ボトムゲートボトムコンタクト構造を含む。幾つかの実施形態では、前記薄膜トランジスタは、トップゲートトップコンタクト構造を含む。幾つかの実施形態では、前記薄膜トランジスタは、トップゲートボトムコンタクト構造を含む。

別の実施形態は、製品を形成する方法を備え、該方法は：第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板を設ける工程と；有機半導体層を設ける工程と；誘電体層を設ける工程と；そして少なくとも１つの電極を設ける工程と、を含み、前記製品はバリア層を含まない。幾つかの実施形態では、有機半導体層を設ける前記工程は、前記強化ガラス基板を前記有機半導体層でコーティングする工程と、そして前記有機半導体層を前記誘電体層でコーティングする工程と、を含む。幾つかの実施形態では、前記誘電体層を設ける前記工程は、前記強化ガラス基板を前記誘電体層でコーティングする工程と、そして前記誘電体層を前記前記有機半導体層でコーティングする工程と、を含む。

幾つかの実施形態では、コーティング法は、スピンコーティング法、ドクターブレード法、ディップコーティング法、ドロップキャスティング法、またはインクジェット印刷法のような種々の印刷法、スロットダイコーティング法、及びグラビア印刷法を含む。

ボトムゲートトップコンタクト（ＢＧ−ＴＣ）型トランジスタ素子を側面から見た図であり、３８はドレイン電極であり、４０はソース電極であり、３２はゲート電極であり、３４は誘電体層であり、１０はイオン交換ガラス基板であり、そして３６は有機半導体層である。 ボトムゲートボトムコンタクト（ＢＧ−ＢＣ）型トランジスタ素子を側面から見た図であり、３８はドレイン電極であり、４０はソース電極であり、３２はゲート電極であり、３４は誘電体層であり、１０はイオン交換ガラス基板であり、そして３６は有機半導体層である。 トップゲートボトムコンタクト（ＴＧ−ＢＣ）型トランジスタ素子を側面から見た図であり、３８はドレイン電極であり、４０はソース電極であり、３２はゲート電極であり、３４は誘電体層であり、１０はイオン交換ガラス基板であり、そして３６は有機半導体層である。 トップゲートトップコンタクト（ＴＧ−ＴＣ）型トランジスタ素子を側面から見た図であり、３８はドレイン電極であり、４０はソース電極であり、３２はゲート電極であり、３４は誘電体層であり、１０はイオン交換ガラス基板であり、そして３６は有機半導体層である。 形成後のＢＧ−ＴＣ有機ＴＦＴの伝達特性曲線であり、ＢＧ−ＴＣ有機ＴＦＴは、チオフェンコポリマーであるポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，２’−ビチオフェン）−５，５’−ジイル）］（Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４）をポリマー誘電体層上に含む。曲線から、素子の電界効果正孔移動度が０．０３ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、オン／オフ比が５×１０^３〜１×１０^４であり、そして閾値電圧が−２．５Ｖであることが確認された。 ＴＧ−ＴＣ有機ＴＦＴの伝達特性曲線であり、ＴＧ−ＴＣ有機ＴＦＴは、イオン交換ガラス基板に接触するポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，２’−ビチオフェン）−５，５’−ジイル）］（Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４）有機半導体を含む。誘電体層は、ＰＶＰ共重合ＰＭＭＡポリマーである。素子の測定伝達特性曲線から、電界効果正孔移動度が０．０２ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、オン／オフ比が７００であり、そして閾値電圧が５Ｖであることが分かる。 実施形態において使用することができる２通りの有機半導体ポリマーの合成方法を示している。図７Ａは、縮合チオフェン−イソインジゴポリマーの合成方法を示している。図７Ｂは、スチルベン−縮合チオフェンポリマーの合成方法を示している。 実施形態において使用することができる２通りの有機半導体ポリマーの合成方法を示している。図８Ａは、縮合チオフェン−ジケトピロロピロールポリマーの合成方法を示している。図８Ｂは、ビチオフェン−縮合チオフェンポリマーの合成方法を示している。Ｒ＝ｎ−ヘプタデシルである場合、Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の合成方法を示している。

本発明による実施形態は、以下の詳細な説明、図面、実施例、及び請求項、及びこれらの実施形態に関するこれまでの説明、及び以下の詳細な説明を参照することにより更に容易に理解することができる。しかしながら、本発明による組成物、製品、装置、及び方法を開示し、そして説明する前に、本記述は、特に断らない限り、開示される特定の組成物、製品、装置、及び方法に限定されないのであるから、勿論、変わり得ることを理解されたい。また、本明細書において使用される専門用語は、特定の態様を記述するためにのみ用いられ、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

以下の説明は、教示を可能にするために提供される。この目的のために、この関連技術分野の当業者であれば、多くの変更を本明細書において記載される種々の実施形態に、有利な結果を実現しながら加えることができることを認識し、かつ理解できるであろう。また、所望の利点のうちの幾つかの利点は、これらの特徴のうちの幾つかの特徴を、他の特徴を利用することなく選択することにより得られることを理解できるであろう。従って、この技術分野に関わる当業者であれば、多くの変形及び適応が、本発明による実施形態に対して為され得るものであり、そして特定の環境において望ましくなり得るものでもあり、更には本記述の一部であることを理解できるであろう。従って、以下の説明は、例示として提供され、本発明を限定するものとして解釈されてはならない。

開示されるのは、化合物、組成物、及び成分であり、これらの化合物、組成物、及び成分は、開示される方法及び組成物の実施形態に使用することができる、開示される方法及び組成物の実施形態と併せて使用することができる、開示される方法及び組成物の実施形態を調製するために使用することができる、または開示される方法及び組成物の実施形態である。これらの材料、及び他の材料は本明細書において開示され、そしてこれらの材料の組合せ、一部、相互作用、グループなどが開示される場合、これらの化合物の各種々個別の組合せ、及び集合的な組合せ、及び順序に関する特定の記載が明示的に開示されていない可能性があるが、各化合物は本明細書において詳細に考慮され、そして記載されていることを理解できるであろう。従って、ある種類の置換基Ａ、Ｂ、及びＣだけでなく、ある種類の置換基Ｄ、Ｅ、及びＦが開示され、そして組合せ形態例Ａ〜Ｄが開示されている場合、各置換基は個々に、かつ集合的に想到される。従って、この例では、これらの組合せＡ〜Ｅ、Ａ〜Ｆ、Ｂ〜Ｄ、Ｂ〜Ｅ、Ｂ〜Ｆ、Ｃ〜Ｄ、Ｃ〜Ｅ、及びＣ〜Ｆの各組合せが詳細に想到され、そしてＡ、Ｂ、及びＣ；Ｄ、Ｅ、及びＦ；及び例示的な組合せＡ〜Ｄの開示に基づいて開示されていると考えられるべきである。同様に、これらのいずれか一部または組合せも、詳細に想到され、そして開示される。従って、例えば、Ａ〜Ｅ、Ｂ〜Ｆ、及びＣ〜Ｅのサブグループが詳細に想到され、そしてＡ、Ｂ、及びＣ；Ｄ、Ｅ、及びＦ；及び例示的な組合せＡ〜Ｄの開示に基づいて開示されていると考えられるべきである。この考え方は、これに限定されないが、開示される組成物を作製し、そして使用する方法における組成物群及び工程群のいずれの構成要素も含む本開示の全ての態様に適用される。従って、実行することができる多種多様な追加工程を設ける場合、これら追加工程の各追加工程は、開示される方法のいずれか特定の実施形態、または種々の実施形態の組合せを用いて実行することができ、そしてこのような各組合せは、詳細に想到され、そして開示されていると考えられるべきであることを理解されたい。

本明細書では、そして以下の請求項では、本明細書において詳述される意味を有するように定義される多くの用語を引用することとする。

「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」などの用語は、「これに限定されることなく含む（ｅｎｃｏｍｐａｓｓｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」を意味する、すなわち「含み（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ）、かつ排除しない（ｎｏｔ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ）」ことを意味する。

「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、特に断らない限り、該当する範囲の全ての数値を指す。例えば、約１，２，または３は、約１，約２，または約３と等価であり、そして更に、約１〜３、約１〜２、及び約２〜３を含む。組成物、構成要素、成分、添加物、及び同様の形態、及び列挙したこれらの要素の範囲について開示される特定の値及び好適な値は例示に過ぎず；これらの値は、定義範囲内の他の定義値または他の値を排除しない。本開示の組成物及び方法は、本明細書において記載される値、特異な値、更に特異な値、及び好適な値のいずれかの値、またはいずれかの組合せを有する組成物及び方法を含む。

本明細書において使用される単数形は、特に断らない限り、「少なくとも１つ」、または「１つ以上」を意味する。

本明細書において使用されるように、「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」という用語は、デバイスの構成によって異なるが、基板または表板のいずれかを指すために使用することができる。例えば、基板は、組み付けて、例えば太陽電池セルとするときに、当該基板が太陽電池セルの光入射側に位置する場合には、表板である。当該表板は、太陽電池材料を衝撃及び環境劣化から、太陽光スペクトルの適切な波長の透過を許容しながら保護することができる。更に、複数の太陽電池セルは、１つの太陽電池モジュール内に配置することができる。太陽電池素子は、セル、モジュール、またはセル及びモジュールの両方を表わすことができる。

本明細書において使用されるように、「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ）」という用語は、非常に近接している状態として定義することができる。隣接する構造群は、互いに物理的に接触している必要があるか、または接触していなくてもよい。隣接する構造群は、他の層群を有することができる、そして／またはこれらの層の間に配置される構造群を有することができる。

１つの態様では、種々の実施形態は製品を備え、当該製品は：第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板と；第１表面及び第２表面を有する有機半導体層と；第１表面及び第２表面を有する誘電体層と；そして少なくとも１つの電極と、を備え；当該製品はバリア層を含まない。

幾つかの実施形態では、強化ガラス基板は、ガラスの強度を高めるために機械的、熱的、または化学的に改質されているガラス基板を含む。

１つの実施形態では、強化ガラス基板は、イオン交換ガラス基板である。イオン交換は、このような用途におけるガラス製品を化学的に強化するために広く使用されている。このプロセスでは、第１金属イオン（例えば、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏなどに含まれるアルカリ陽イオン）を含むガラス製品は、ガラス中に含まれる第１金属イオンよりも大きい、または小さい第２金属イオンを含むイオン交換浴またはイオン交換媒質に少なくとも部分的に浸漬させるか、またはその他には、イオン交換浴またはイオン交換媒質に少なくとも部分的に接触させる。第１金属イオンは、ガラス表面からイオン交換浴／媒質内に、イオン交換浴／媒質の第２金属イオンがガラス中の第１金属イオンと、ガラスの表面の下方の層深さまで置き換わっている状態で拡散する。より大きなイオンがガラス中のより小さなイオンと置き換わると、圧縮応力がガラス表面に発生するのに対し、より小さなイオンがガラス中のより大きなイオンと置き換わると通常、引張応力がガラス表面に発生する。幾つかの実施形態では、第１金属イオン及び第２金属イオンは、一価のアルカリ金属イオンである。しかしながら、Ａｇ^＋，Ｔｌ^＋，Ｃｕ^＋などのような他の一価の金属イオンをイオン交換プロセスにおいて使用することもできる。

１つの実施形態では、強化ガラス基板は、ガラスが、ガラスの表面から少なくとも２０μｍの層深さまでイオン交換される構成の強化ガラスを含む。別の実施形態では、本明細書において記載される強化ガラス基板は、イオン交換によって化学的に強化される場合、少なくとも約５ｋｇｆ（キログラム重）のビッカース割れ発生閾値、幾つかの実施形態では、少なくとも約５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，または２０ｋｇｆの割れ発生閾値を有する。幾つかの実施形態では、本明細書において記載される強化ガラス基板は、イオン交換によって化学的に強化される場合、約５ｋｇｆ〜約５０ｋｇｆ、約５ｋｇｆ〜約４０ｋｇｆ、約５ｋｇｆ〜約３０ｋｇｆ、約５ｋｇｆ〜約２０ｋｇｆ、約７ｋｇｆ〜約５０ｋｇｆ、約７ｋｇｆ〜約４０ｋｇｆ、約７ｋｇｆ〜約３０ｋｇｆ、約７ｋｇｆ〜約２０ｋｇｆ、約１０ｋｇｆ〜約５０ｋｇｆ、約１０ｋｇｆ〜約４０ｋｇｆ、または約１０ｋｇｆ〜約３０ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する。

幾つかの実施形態では、強化ガラス基板はアルカリ含有ガラスを含む。幾つかの実施形態では、強化ガラス基板は、アルミノホウケイ酸ガラス、アルカリアルミノホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、またはソーダ石灰ガラスを含む。幾つかの実施形態では、当該ガラスは、米国仮特許出願第６１／５６０，４３４号、第６１／６５３，４８９号、及び第６１／６５３，４８５号の各明細書、及び米国特許出願第１２／８５８，４９０号、第１２／２７７，５７３号、第１３／５８８，５８１号、第１１／８８８，２１３号、第１３／４０３，７５６号、第１２／３９２，５７７号、第１３／３４６，２３５号、第１３／４９５，３５５号、第１２／８５８，４９０号、第１３／５３３，２９８号、第１３／２９１，５３３号、及び第１３／３０５，２７１号の各明細書に記載されるイオン交換ガラスを含み、これらの出願の全ては、本明細書において参照されることにより、これらの出願の内容全体が本明細書に組み込まれる。

幾つかの実施形態によれば、強化ガラス基板は、４．０ｍｍ以下、例えば３．５ｍｍ以下、例えば３．２ｍｍ以下、例えば３．０ｍｍ以下、例えば２．５ｍｍ以下、例えば２．０ｍｍ以下、例えば１．９ｍｍ以下、例えば１．８ｍｍ以下、例えば１．５ｍｍ以下、例えば１．１ｍｍ以下、例えば約０．０５ｍｍ〜約２．０ｍｍ、例えば約０．０５ｍｍ〜約１．１ｍｍ、例えば約０．１ｍｍ〜約１．１ｍｍの厚さを有する。これらは例示的な厚さであるが、強化ガラス基板は、約０．０４０ｍｍから４．０ｍｍを含む最大４．０ｍｍまでの範囲にある、１０進桁を含む任意の数値の厚さを有することができる。

幾つかの実施形態では、有機半導体層は、小さな半導体分子、オリゴマー、及び／又はポリマーを含む。小さな半導体分子は、ペンタセン、アントラセン、及びルブレン、及び他の共重合芳香族炭化水素のような多環芳香族化合物を含む。ポリマー有機半導体は、例えばポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）だけでなく、ポリアセチレン及びポリアセチレンの誘導体を含む。一般的に、主として２つの重複する種類の有機半導体−有機電荷輸送錯体、及び種々の線形主鎖型導電性ポリマーが存在し、これらの線形主鎖型導電性ポリマーは、ポリアセチレン、及びポリピロール及びポリアニリンのような同様の化合物から誘導される。しかしながら、種々の実施形態は、これらの種類の有機半導体にのみ範囲が限定される訳ではなく、そしてこれらの例に示すように、広い範囲の有機半導体を用いて機能することができる。

幾つかの実施形態では、有機半導体層は縮合チオフェン化合物を含む。幾つかの実施形態では、縮合チオフェンは、ポリマーに取り込まれる。縮合チオフェン及び縮合チオフェンポリマーは、米国特許第７，７０５，１０８号、第７，８３８，６２３号、第７，８９３，１９１号、第７，９１９，６３４号、第８，２１７，１８３号、第８，２７８，３４６号の各明細書、米国特許出願第１２／９０５，６６７号、第１２／９０７，４５３号、第１２／９３５，４２６号、第１３／０９３，２７９号、第１３／０３６，２６９号、第１３／６６０，６３７号、第１３／６６０，５２９号の各明細書、及び米国仮特許出願第６１／６１７，２０２号、及び第６１／６９３，４４８号の各明細書に記載されるような化合物を含むことができ、これらの出願の全ては、本明細書において参照されることにより、これらの出願の内容全体が本明細書に組み込まれる。

使用することができる縮合チオフェン化合物の特定の例として、これらには限定されないが、ポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ］チエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，２’−ビチオフェン）−５，５’−ジイル］、ポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ］チエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，５−ジヘキサデシル−３，６−ジ（チオフェン−２−イル）ピロロ［３，４−ｃ］ピロール−１，４（２Ｈ，５Ｈ）−ジオン）−５，５’−ジイル］、ポリ−３，６−ジヘキシル−チエノ［３，２−ｂ］チオフェン（ＰＤＣ６ＦＴ２）、ポリ−３，６−ジデカニル−チエノ［３，２−ｂ］チオフェン、ポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（１−ヘキサデシル−３−（１−ヘキサデシル−２−オキソインドール−３−イリデン）インドール−２−ワン−６，６’−ジイル）］、及びポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（スチルベン−１，４’−ジイル）］を挙げることができる。縮合チオフェン系ポリマーの更に別の例は、図７及び図８に記載され、図７Ａは、縮合チオフェン−イソインジゴポリマーを示し、そして図７Ｂは、縮合チオフェン−スチルベンポリマーを示している。同様に、図８Ａは、縮合チオフェン−ジケトピロロピロールポリマーを示し、そして図８Ｂは、ビチオフェン−縮合チオフェンポリマーを示している。

幾つかの実施形態では、有機半導体層は、１種類以上のエレクトロルミネセンス有機化合物を含むことができる。幾つかの実施形態では、半導体層の小さな半導体分子、オリゴマー及び／又はポリマーは、エレクトロルミネセンス有機化合物を含むことができる。

幾つかの実施形態では、有機半導体層は、ディップコーティング法、スピンコーティング法、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ラングミュア−ブロジェット）堆積法、エレクトロスプレーイオン化法、直接ナノ粒子堆積法、気相成長法、化学成長法、スプレー堆積法、スクリーン印刷法、ナノインプリントリソグラフィ法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、スプレーコーティング法、スロットダイコーティング法、インクジェット印刷法、レーザ堆積法、ドロップキャスティング法、または化学エッチング法のようなプロセスにより形成される。

幾つかの実施形態では、誘電体層は、膜として２００℃で、または２００℃以下で塗布することができる任意の有機材料または無機材料を含む。種々の実施形態において使用することができる誘電体の例として、ポリマー、ガラス、及び無機材料または有機材料を挙げることができる。誘電体層は、例えばスパッタコーティング法、原子層堆積法、ディップコーティング法、スピンコーティング法、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ラングミュア−ブロジェット）堆積法、エレクトロスプレーイオン化法、直接ナノ粒子堆積法、気相成長法、化学成長法、真空濾過法、フレーム溶射法、エレクトロスプレー法、スプレー堆積法、電着法、スクリーン印刷法、近接昇華法、ナノインプリントリソグラフィ法、その場成長させる方法、マイクロ波支援化学的気相成長法、レーザアブレーション法、アーク放電法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、スプレーコーティング法、スロットダイコーティング法、または化学エッチング法のようなプロセスにより形成することができる。

幾つかの実施形態では、当該電極は、ゲート電極、ドレイン電極、及びソース電極を含む。電極は、任意の導電材料を含むことができ、−例えば、金属、半導電性金属、または導電性非金属を含むことができる。例えば、幾つかの実施形態では、電極は、コーティング、ワイヤ、シート、リボン、マイクロ粒子またはナノ粒子、またはメッシュの形態の金属、または金属群の組合せを含むことができる。電極は、スパッタコーティング法、原子層堆積法、ディップコーティング法、スピンコーティング法、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ラングミュア−ブロジェット）堆積法、エレクトロスプレーイオン化法、直接ナノ粒子堆積法、気相成長法、化学成長法、真空濾過法、フレーム溶射法、エレクトロスプレー法、スプレー堆積法、電着法、スクリーン印刷法、近接昇華法、ナノインプリントリソグラフィ法、その場成長させる方法、マイクロ波支援化学的気相成長法、レーザアブレーション法、アーク放電法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、スプレーコーティング法、スロットダイコーティング法、または化学エッチング法のようなプロセスにより形成することができる。

種々の実施形態は、バリア層を含まない。本明細書において使用されるように、バリア層は、強化ガラス基板と有機半導体層またはソース電極との間に配置され、かつイオン移動を防止する材料からなる。幾つかの実施形態では、例えばＢＧ−ＴＣ型トランジスタ及びＢＧ−ＢＣ型トランジスタでは、誘電体層は、有機半導体層とイオン交換ガラス基板との間に設けることができるが、バリア層は、ゲート電極とイオン交換ガラス基板との間には設けない。幾つかの実施形態では、例えばＢＧ−ＴＣ型トランジスタ及びＢＧ−ＢＣ型トランジスタでは、バリア層または誘電体層は、有機半導体層とイオン交換ガラス基板との間には設けない。従来から、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素が、薄膜トランジスタ及び他の電子素子のバリア層として使用されている。

幾つかの実施形態では、当該製品は更に、アンチグレア層と、汚れ防止層と、セルフクリーニング層と、反射防止層と、指紋付着防止表面層と、光散乱層と、亀裂防止層と、そしてこれらの層の複合層と、を備える。このような層は、米国特許出願公開第２０１１／０１２９６６５号、第２００９／０１９７０４８号、第２００９／０００２８２１号、第２０１１／０２６７６９７号、第２０１１／００１７２８７号、または第２０１１／０２４００６４号の各明細書に開示されるプロセスのような任意の数の公知のプロセスにより取り込むことができ、これらの出願は、本明細書において参照されることにより、本明細書に組み込まれる。

別の態様では、製品の１つの実施形態は有機薄膜トランジスタである。有機ＴＦＴ素子は：バリア層を含むイオン交換ガラス基板を含むことができる。バリア層の上には、ゲート電極、誘電体層、ドレイン電極、ソース電極、及び有機半導体チャネル層を形成することができる。これらの層は、異なる順番で積層させることにより、横方向動作トランジスタ素子または垂直方向動作トランジスタ素子を形成することができる。当該有機半導体チャネル層は、小さな半導体分子、オリゴマー及び／又はポリマーを含む。当該誘電体層は、膜として２００℃で、または２００℃以下で塗布することができる任意の有機材料または無機材料により構成することができる。このようにして、機械的耐久性のある背面板が形成される。

図１〜４は、ＴＦＴ素子を備える製品の種々の実施形態を示している。本明細書において使用されるように、「ボトムゲートトップコンタクトトランジスタ（ｂｏｔｔｏｍ−ｇａｔｅ ｔｏｐ−ｃｏｎｔａｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）」とは、図１に示すような例示的な構造を備えるＴＦＴ素子を指す。ゲート電極３２を強化ガラス基板またはイオン交換ガラス基板１０の上に堆積させ（これまでに説明した実施形態のうちのいずれかの実施形態に従って）、続いて誘電体層３４を堆積させ、そして次に、半導体層３６を堆積させる。ドレイン電極３８及びソース電極４０をそれぞれ、半導体層３６の上に更に堆積させる。

「ボトムゲートボトムコンタクトトランジスタ（ｂｏｔｔｏｍ−ｇａｔｅ ｂｏｔｔｏｍ−ｃｏｎｔａｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）」とは、図２に示すような例示的な構造を備えるＴＦＴ素子を指す。ゲート電極３２を強化ガラス基板またはイオン交換ガラス基板１０の上に堆積させ、続いて誘電体層３４を、そして次に、ドレイン電極３８及びソース電極４０をそれぞれ堆積させる。半導体層３６を更に、これらの下地層の上に堆積させる。

「トップゲートボトムコンタクトトランジスタ（ｔｏｐ−ｇａｔｅ ｂｏｔｔｏｍ−ｃｏｎｔａｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）」とは、図３に示すような例示的な構造を備えるＴＦＴ素子を指す。ドレイン電極３８及びソース電極４０をそれぞれ、強化ガラス基板またはイオン交換ガラス基板１０の上に堆積させる（これまでに説明した実施形態のうちのいずれかの実施形態に従って）。次に、半導体層３６をこれらの電極の上に堆積させ、続いて誘電体層３４を、そして次に、ゲート電極３２を堆積させる。

「トップゲートトップコンタクトトランジスタ（ｔｏｐ−ｇａｔｅ ｔｏｐ−ｃｏｎｔａｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）」とは、図４に示すような例示的な構造を備えるＴＦＴ素子を指す。半導体層３６を強化ガラス基板またはイオン交換ガラス基板１０の上に堆積させ、続いてドレイン電極３８及びソース電極４０をそれぞれ堆積させる。誘電体層３４を更に、これらの電極の上に堆積させ、続いてゲート電極３２を堆積させる。

別の態様は、種々の実施形態を形成する方法を含み、当該方法は：第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも２０ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板を設ける工程と；有機半導体層を設ける工程と；誘電体層を設ける工程と；そして少なくとも１つの電極を設ける工程と、を含み；当該製品はバリア層を含まない。上に説明したように、全てが本明細書に組み込まれる多数のプロセスを利用して、記載される種々の構成要素を形成することができる。幾つかの実施形態では、有機半導体層を設ける工程は、強化ガラス基板を有機半導体層でコーティングする工程と、そして有機半導体層を誘電体層でコーティングする工程と、を含む。幾つかの実施形態では、誘電体層を設ける工程は、強化ガラス基板を誘電体層でコーティングする工程と、そして誘電体層を有機半導体層でコーティングする工程と、を含む。

実施例１：イオン交換ガラス上のボトムゲートトップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
イオン交換ガラス基板を、アセトン中で超音波洗浄し、次にイソプロパノール中で超音波洗浄することにより洗浄した。３０ｎｍ厚さのＡｕゲート電極を当該基板の上に、Ａｕを２Å／秒の速度で加熱蒸発させることにより堆積させた。誘電体は、ＰＧＭＥＡ中の１１重量％のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）溶液とメラミンの混合溶液から形成され（約８００ｎｍ〜１μｍの膜厚）、当該混合溶液を基板の上に１０００ｒｐｍで、３０秒かけてスピンキャストした。この誘電体をＵＶ照射により約３分かけて硬化させた。次に、１，２−ジクロロベンゼン中に３ｍｇ／ｍＬの割合で溶解させた半導体ポリマーであるポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ］チエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，２’−ビチオフェン）−５，５’−ジイル］（Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４）を基板の上にスピン塗布した。当該素子を１００℃で３０分かけてホットプレート上でアニール処理した。最後に、３０ｎｍ厚さのＡｕソース電極及びＡｕドレイン電極を、Ａｕを２Å／秒の速度で加熱蒸発させることにより堆積させた。形成後の有機ＴＦＴ素子の伝達特性曲線（図５）から、電界効果正孔移動度が０．０３ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、オン／オフ比が５×１０^３〜１×１０^４であり、そして閾値電圧が−２．５Ｖであることが分かる。

実施例２：イオン交換ガラス上のトップゲートトップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
イオン交換ガラス基板を、脱イオン水で洗浄し、続いてトルエン中で、そして次に、アセトン中で、そして２−プロパノール中で超音波処理した。次に、ガラス基板をＵＶオゾン浄化装置内に１０分間配置し、そして続いて、当該ガラス基板に、オクチルトリクロロシラン蒸気による表面処理を３０分間施した。有機半導体であるポリ［（３，７−ジヘプタデシルチエノ［３，２−ｂ］チエノ［２’，３’：４，５］チエノ［２，３−ｄ］チオフェン−２，６−ジイル）（２，５−ジヘキサデシル−３，６−ジ（チオフェン−２−イル）ピロロ［３，４−ｃ］ピロール−１，４（２Ｈ，５Ｈ）−ジオン）−５，５’−ジイル］（ＰＴＤＣ１６ＤＰＰＴＤＣ１７ＦＴ４）を洗浄後の基板の上に、１０００ｒｐｍで、６０秒かけてスピンキャストし、次に１３０℃で約３０分かけてホットプレート上でアニール処理した。アニール処理後、３０ｎｍ厚さのＡｕソース電極及びＡｕドレイン電極を、Ａｕを２．５Å／秒の速度で加熱蒸発させることにより堆積させた。次に、ＰＧＭＥＡ溶媒中の２ｍｌの５重量％ＰＶＰ共重合ＰＭＭＡとメラミン（ＰＶＰ共重合ＰＭＭＡ：メラミン＝１０：１の重量比）の混合溶液を、当該基板の上に１０００ｒｐｍで、６０秒かけてスピンキャストし、ホットプレート上に１２０℃で２分間配置して溶媒を除去し、そしてＵＶ光で硬化させて誘電体膜を架橋させた。次に、５０ｎｍ厚さのＡｕゲート電極を２．５Å／秒の速度で加熱堆積させた。当該素子の測定伝達特性曲線（図６）から、電界効果正孔移動度が０．０２ｃｍ^２／Ｖ・ｓであり、オン／オフ比が７００であり、そして閾値電圧が−５Ｖであることが分かる。

１０ イオン交換ガラス基板
３２ ゲート電極
３４ 誘電体層
３６ 半導体層
３８ ドレイン電極
４０ ソース電極

Claims (10)

1. 製品であって：
   ａ．第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板と、
   ｂ．第１表面及び第２表面を有する有機半導体層と、
   ｃ．第１表面及び第２表面を有する誘電体層と、
   ｄ．少なくとも１つの付加電極と、
   を備え、前記製品はバリア層を前記有機半導体層と前記強化ガラス基板との間に含まない、製品。
2. 前記有機半導体層は、小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーを含む、請求項１に記載の製品。
3. 前記小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーは、縮合チオフェン部分を含む、請求項２に記載の製品。
4. 前記製品は、トップゲート薄膜トランジスタ、太陽電池素子、ダイオード、または表示素子を含む、請求項１に記載の製品。
5. 製品であって：
   ａ．第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板と、
   ｂ．第１表面及び第２表面を有する有機半導体層と、
   ｃ．第１表面及び第２表面を有する誘電体層と、
   ｄ．前記強化ガラス基板及び前記誘電体層に接触するゲート電極と、
   ｅ．少なくとも１つの付加電極と、
   を備え、前記製品はバリア層を前記ゲート電極と前記強化ガラス基板との間に含まない、製品。
6. 前記有機半導体層は、小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーを含む、請求項５に記載の製品。
7. 前記小さな半導体分子、半導体オリゴマー、または半導体ポリマーは、縮合チオフェン部分を含む、請求項６に記載の製品。
8. 前記製品は、ボトムゲート薄膜トランジスタ、太陽電池素子、ダイオード、または表示素子を含む、請求項５に記載の製品。
9. 請求項１に記載の製品を形成する方法であって：
   ａ．第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板を設ける工程と、
   ｂ．有機半導体層を設ける工程と、
   ｃ．誘電体層を設ける工程と、
   ｄ．少なくとも１つの電極を設ける工程と、
   を含み、前記製品はバリア層を含まない、方法。
10. 請求項５に記載の製品を形成する方法であって：
    ａ．第１表面及び第２表面を有し、かつ少なくとも７ｋｇｆのビッカース割れ発生閾値を有する強化ガラス基板を設ける工程と、
    ｂ．有機半導体層を設ける工程と、
    ｃ．誘電体層を設ける工程と、
    ｄ．前記強化ガラス基板及び前記誘電体層に接触するゲート電極を設ける工程と、
    ｅ．少なくとも１つの付加電極を設ける工程と、
    含み、前記製品はバリア層を前記ゲート電極と前記強化ガラス基板との間に含まない、方法。

Images