JP2016518721A - 有機エレクトロニクス用途における誘電体としての可溶性環状イミド含有ポリマー - Google Patents

有機エレクトロニクス用途における誘電体としての可溶性環状イミド含有ポリマー Download PDF

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Abstract

本発明は、スチレンおよびマレイン酸イミドまたはこれらの誘導体を含むコポリマーを構造単位として有する誘電性材料を含む、電子デバイス、当該電子デバイスの製造法、ならびに誘電性材料としての、殊に印刷された電子デバイス、例えばキャパシタおよび有機電界効果トランジスタにおける誘電性層としての前記コポリマーの使用に関する。

Description

技術分野
本発明は、スチレンおよびマレイミドまたはこれらの誘導体をベースとする誘電性材料を含む、電子デバイス、例えばキャパシタまたはトランジスタならびに当該電子デバイスの製造法および前記電子デバイスの使用に関する。
背景
トランジスタ、殊に有機電界効果トランジスタ(OFETs)は、例えば、印刷された電子デバイス、例えば有機発光ディスプレイ、e−paper、液晶ディスプレイおよび無線IDタグのための部品として使用されている。OFETは、有機半導電性材料を含む半導電性層、誘電性材料を含む誘電性層、ゲート電極およびソース/ドレイン電極からなる。
殊に、誘電性材料が溶液処理技術によって塗布されうるOFETsは、望ましい。溶液処理技術は、加工性の点から有利でありかつプラスチック基板に適用することもできる。したがって、溶液処理技術、例えば回転塗布法に適合しうる有機誘電性材料は、フレキシブルな基板上での低価格な有機電界効果トランジスタの製造を可能にする。
欧州特許出願公開第11459392号明細書Aには、有機半導体層を溶液から析出させ、続いて溶液から、ゲート絶縁体の少なくとも一部を形成させる、低い誘電率の絶縁(すなわち、誘電性)材料の層を析出させることを含む、有機電界効果デバイスの製造法が開示されている。前記有機電界効果デバイスは、さらに、低い誘電率の絶縁層の他方の側に析出された、高い誘電率の絶縁層を含むことができる。欧州特許出願公開第11459392号明細書Aによれば、前記有機半導体層は、典型的な構造単位のアリールアミン、フルオレンおよびチオフェンを有する、ホモポリマーまたはコポリマーであってよい。半導体層は、芳香族溶剤またはクロロ芳香族溶剤、例えばトルエンから基板上に塗布されている。ポリスチレンをベースとしてよい、欧州特許出願公開第11459392号明細書の低い誘電率の絶縁材料は、好ましくは、典型的にOFETsにおいて使用される半導体を溶解しないフルオロ溶剤から有機半導体層上に析出されるフルオロポリマーである。高い誘電率の絶縁材料は、フルオロポリマーをベースとしていてもよくかつ好ましくは、フルオロ溶剤から析出される。
WO 2012/059386には、ポリアミドを含む絶縁層を有するトランジスタを基板上に製造する方法が開示されており、ここで、前記ポリイミドは、光硬化性ポリイミドを含む層を基板上に形成させかつさらに、せいぜい360nmの波長の光での照射によって前記ポリイミドを重合させることによって得られる。前記光硬化性ポリイミドは、少なくとも1個の感光性基を有する二無水物を、少なくとも1個の架橋性基を有するジアミンと反応させることによって得ることができる。少なくとも1個の感光性基を有する二無水物は、2個の官能基−C(O)−O−C(O)−を有するベンゾフェノン誘導体であってよい。少なくとも1個の架橋性基を有するジアミンは、2個のアミノ官能基および当該アミノ官能基に結合して少なくとも1個のCH2もしくはCH3または少なくとも1個の炭素−炭素二重結合を有する、少なくとも1個の芳香環を有する有機化合物であってよい。基板へのその後の適用のために、半導体層は、有機溶剤、例えばトルエンから塗布され、および絶縁層は、有機溶剤、例えばN−メチルピロリドン、シクロペンタノン、メチルエチルケトンまたはエチルアセテートから塗布される。
しかし、溶液処理における、いわゆる直交溶剤中での制限された可溶性のために、前記処理条件下でより良好な可溶性を示す誘電性材料が必要とされる。さらに、当該材料には、低い相対誘電率(ε)rが望ましい。意外なことに、前記課題は、コポリマーが構造単位(I)および構造単位(II)
Figure 2016518721
をベースとする、誘電性材料としての特別なコポリマーによって解決されうる。
殊に、意外なことに、構造単位(I)および構造単位(II)を有するコポリマーを含む前記誘電性材料は、意外にも低い誘電率を有しかつ有利に、溶液処理技術によって電子デバイス中に組み入れることができることが見い出された。良好な可溶性の他に、上記ポリマーを含む、本発明による誘電体は、高いガラス転移温度を示し、この高いガラス転移温度は、その後の処理工程(例えば、典型的には、約90〜100℃で実施された乾燥)に供された場合に、誘電体の変形を防止するのに有利である。本発明による誘電性ポリマーは、典型的には、約130℃〜140℃(すなわち、通常、100〜110℃までのTgを示す[構造単位(I)だけからなる]常用のポリスチレンよりも高い)のガラス転移温度を有する。
要約
それゆえに、本発明は、誘電性材料が式(I)と式(II)
Figure 2016518721
〔式中、R11、R12、R13、R14およびR15は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されており、
およびR21、R22、R23、R24およびR25は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されており、
或いはR21とR22、またはR22とR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成し、およびR23とR24とR25、またはR21とR24とR25は、上記の記載と同様であり、
Lは、直接結合であるか、または中断されていないかもしくは1個以上の酸素原子によって中断されているC1〜C4アルキレンであり、および
そのつど、Rは、独立して、HまたはC1〜C24アルキルである〕の構造単位を有するコポリマーを含む、誘電性材料を含む電子デバイスに関する。
さらに、本発明は、電子デバイスの製造法であって、この方法が、
a)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)
Figure 2016518721
とのフリーラジカル重合(典型的に、溶液重合、または分散重合もしくは懸濁重合)
および/または
b)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)との制御ラジカル重合
および/または
c)構造単位(I)および構造単位(IIb)を有するコポリマーとアミン化合物(IIc)
Figure 2016518721
とのイミド形成反応
によって、式(I)および式(II)
Figure 2016518721
の構造単位を有するコポリマーを含む誘電性材料を製造することを含む、前記方法に関する。
さらに、本発明は、誘電性材料としての、好ましくは印刷された電子デバイス、例えばキャパシタおよび有機電界効果トランジスタ中の誘電性層としての、上記に記載されたようなコポリマーの使用に関する。
詳細な説明
上記したように、本発明は、その誘電性材料が式(I)の構造単位と式(II)の構造単位を有するコポリマーを含む、当該誘電性材料を含む電子デバイスに関する。
好ましくは、本発明によるデバイスは、キャパシタ、トランジスタ、例えば有機電界効果トランジスタ、または当該キャパシタおよび/または当該トランジスタを含むデバイスである。
前記トランジスタは、好ましくは、電界効果トランジスタ(FET)、およびより好ましくは有機電界効果トランジスタ(OFET)である。通常、有機電界効果トランジスタは、誘電性層および半導体層を含む。さらに、有機電界効果トランジスタは、通常、ゲート電極およびソース/ドレイン電極を含む。
有機電界効果トランジスタの典型的な設計は、ボトムゲート型の設計およびトップゲート型の設計である。
ボトムゲートトップコンタクト(BGTC)型の設計の場合には、ゲートは、基板の上面上および誘電性層の底面にあり、半導体層は、誘電性層の上面上にあり、およびソース/ドレイン電極は、半導体層の上面上にある。
トップゲートボトムコンタクト(TGBC)型の設計の場合には、ソース/ドレイン電極は、基板の上面上および半導体層の底面にあり、誘電性層は、半導体層の上面上にあり、およびゲート電極は、誘電性層の上面上にある。溶液処理によって製造した場合には、誘電体に使用された溶剤は、半導体に対して、完全に直交していなければならない。ここで使用されたような“完全に直交”の用語は、誘電体に対する良好な溶解性および半導体に対する絶対的な非溶解性を提供する溶剤に関連する。
一般的に、本発明によるコポリマーにおいて、式(I)の構造単位対式(II)の構造単位の比は、広い範囲にわたって変動してよい。好ましくは、式(I)の構造単位対式(II)の構造単位の比は、20:1〜1:10、例えば20:1〜1:5の範囲内、より好ましくは、17:1〜1:6、例えば17:1〜1:3の範囲内、よりいっそう好ましくは、13:1〜1:2の範囲内、さらにより好ましくは、10:1〜1:1.5の範囲内にある。考えられる範囲は、例えば、10:1〜8:1または9:1〜7:1または8:1〜6:1または7:1〜5:1または6:1〜4:1または5:1〜3:1または4:1〜2:1または3:1〜1.5:1である。
本発明の考えられる実施態様によれば、R11、R12、R13、R14およびR15は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C20アルキル、ホルミル、C1〜C20アルキル−カルボニル、C2〜C20アルケニル、C2〜C8アルキニル、C2〜C20アルケニル−カルボニル、C3〜C8シクロアルキル、C3〜C8シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C21アリールアルキルまたはC7〜C21アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C10アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている。
本発明の考えられる実施態様によれば、R11、R12、R13、R14およびR15は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C16アルキル、ホルミル、C1〜C16アルキル−カルボニル、C2〜C16アルケニル、C2〜C8アルキニル、C2〜C16アルケニル−カルボニル、C3〜C8シクロアルキル、C3〜C8シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C17アリールアルキルまたはC7〜C17アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C8アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている。
本発明の考えられる実施態様によれば、R21、R22、R23、R24およびR25は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C20アルキル、ホルミル、C1〜C20アルキル−カルボニル、C2〜C20アルケニル、C2〜C8アルキニル、C2〜C20アルケニル−カルボニル、C3〜C8シクロアルキル、C3〜C8シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C21アリールアルキルまたはC7〜C21アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている。
本発明の考えられる実施態様によれば、R21、R22、R23、R24およびR25は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C16アルキル、ホルミル、C1〜C16アルキル−カルボニル、C2〜C16アルケニル、C2〜C8アルキニル、C2〜C16アルケニル−カルボニル、C3〜C8シクロアルキル、C3〜C8シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C17アリールアルキルまたはC7〜C17アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C8アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている。
本発明の考えられる実施態様によれば、R21とR22、またはR22とR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C10アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成する。
本発明の考えられる実施態様によれば、R21とR22、またはR22とR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C8アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成する。
本発明の考えられる実施態様によれば、Lは、直接結合であるか、またはそのアルキレンが中断されていないかもしくは1個以上の酸素原子によって中断されている、C1〜C4アルキレン、またはC1〜C3アルキレン、またはC1〜C2アルキレンである。
本発明の考えられる実施態様によれば、そのつど、Rは、独立して、HまたはC1〜C20アルキルまたはC1〜C16アルキルまたはC1〜C12アルキルまたはC1〜C8アルキルまたはC1〜C4アルキルである。
本発明の好ましい実施態様によれば、R21、R22、R24、R25は、Hであり、およびR23は、Hまたはハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている。好ましくは、R11、R12、R13、R14およびR15は、上記に記載されている。より好ましくは、R11、R12、R14、R15は、Hであり、およびR13は、上記に記載されている。
本発明の好ましい実施態様によれば、R21、R24、R25は、Hであり、およびR22およびR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成する。前記環状構造に関連して、数ある中で、R22とR23は、互いに、ラクトン、より好ましくは、δ−ラクトンを形成する。好ましくは、R11、R12、R13、R14およびR15は、上記に記載されている。より好ましくは、R11、R12、R14、R15は、Hであり、およびR13は、上記に記載されている。
典型的には、前記電子デバイスは、本質的に、式(I)の構造単位と式(II)の構造単位を有するコポリマーからなる、すなわち、このコポリマーを本発明の誘電性材料の質量の80%を上回る、好ましくは本発明の誘電性材料の質量の90%を上回る量で含有する、本発明の誘電性材料を含むか、またはさらに十分には、本発明のコポリマーからなる本発明の誘電性材料を含む。
式(I)の構造単位と式(II)の構造単位は、典型的には、本発明のコポリマーの主要部を形成し、すなわち、本発明のコポリマーの質量の50%を上回る。本発明の好ましい実施態様によれば、前記コポリマーは、さらに、
Figure 2016518721
好ましくは構造単位
Figure 2016518721
または構造単位
Figure 2016518721
または構造単位
Figure 2016518721
からなる群から選択された構造単位の少なくとも1つを有する。しかし、一定の技術的重要性をもつ他の選択可能な実施態様において、本発明のコポリマーは、上記に示されたような構造単位の他に、式(I)の構造単位および式(II)の構造単位の約10〜50%から構成されていてよい。
好ましくは、R11、R12、R13、R14、R15、R21、R22、R23、R24、R25は、上記の記載と同様である。より好ましくは、R11、R12、R14、R15は、Hであり、およびR13、R21、R22、R23、R24、R25は、上記の記載と同様である。よりいっそう好ましくは、R11、R12、R13、R14、R15、R21、R22、R23、R24、R25は、上記の記載と同様である。
さらに、モノマー(IIa)がN−フェニルマレインイミド、1−[4−(アセトキシ)フェニル]マレイミド、1−(4−ブロモフェニル)マレイミド、1−(4−ヨードフェニル)マレイミド、1−[4−(エトキシカルボニル)フェニル]マレイミド、1−[7−クマリン]マレイミド、1−[7−クマリン]マレイミド、およびこれらの中の2つ以上の混合物からなる群から選択されていることは、好ましい。
本発明のコポリマーが5000〜2000000g/mol、好ましくは10000〜1000000g/molの、ゲル浸透クロマトグラフィーによって測定される質量平均分子量を有することは、好ましい。好ましい質量平均分子量は、20000〜500000g/molまたは25000〜200000g/molまたは30000〜150000g/molの範囲内にあってよい。考えられる範囲は、30000〜90000g/molまたは60000〜120000g/molまたは90000〜150000g/molである。
好ましくは、誘電性材料を含むデバイスは、さらに、半導電性ポリマー材料を含む層を含み、および式(I)のモノマー単位および式(II)のモノマー単位を有する誘電性材料と半導電性ポリマー材料とは、双方とも、少なくとも一対の溶剤または溶剤混合物中で直交した溶解性を示す。
半導電性層は、半導電性材料を含む。半導電性材料の例は、p型導電性(キャリア:ホール)を有する半導電性材料およびn型導電性(キャリア:電子)を有する半導電性材料である。n型導電性を有する半導体の例は、ペリレンジイミド、ナフタレンジイミドおよびフラーレンである。
p型導電性を有する半導電性材料が好ましい。p型導電性をもつ半導電性材料の例は、分子、例えばルブレン、テトラセン、ペンタセン、6,13−ビス(トリイソプロピルエチニル)ペンタセン、ジインデノペリレン、ペリレンジイミドおよびテトラシアノキノジメタン、およびポリマー、例えばポリチオフェン、殊にポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)、ポリフルオレン、ポリジアセチレン、ポリ−2,5−チエニレンビニレン、ポリ−p−フェニレンビニレン(PPV)およびジケトピロロピロール基を有する繰返し単位を有するポリマー(DPPポリマー)である。
特に、半導電性ポリマー材料がジケトピロロピロール基を有する単位を有し(DPPポリマー)および/またはチオフェン基を有する単位を有する(以下、“ジケトピロロピロール(DPP)−チオフェンポリマー”とも呼称される)ことは、好ましい。当該DPPポリマーおよびその合成の例は、例えば、米国特許第6451459号明細書B1、WO 2005/049695、WO 2008/000664、WO 2010/049321(殊に、WO 2010/049321の実施例1の化合物が好ましい)、WO 2010/049323、WO 2010/108873、WO 2010/115767、WO 2010/136353、WO 2010/136352およびWO 2013/144856であり;例えば、WO 2013/144856A1の第41頁第3行ないし第52頁第1行の文節を参照のこと、当該文献の開示内容は、参照のために本明細書に援用される。
好ましくは、前記半導電性材料は、有機溶剤A中の溶液として、トランジスタの層上または基板上に塗布される。
有機溶剤Aは、半導電性材料の溶液の質量に対して、半導電性材料を少なくとも0.1質量%、好ましくは少なくとも0.5質量%、より好ましくは少なくとも1質量%、よりいっそう好ましくは少なくとも4質量%溶解することができる、任意の溶剤または2つの以上の溶剤の混合物であることができる。
有機溶剤Aは、せいぜい180℃、好ましくはせいぜい150℃、より好ましくはせいぜい130℃の沸点(周囲圧力で)を有する、任意の溶剤または2つ以上の溶剤の混合物であることができる。
好ましくは、有機溶剤Aは、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)
Figure 2016518721
〔式中、R31、R32、R33、R34およびR35は、互いに独立して、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C6アルキル、C2〜C6アルケニル、C5〜C6シクロアルキルであり、
aは、0、1、2または3であり、
bは、0、1、2または3であり、
cは、0、1、2または3であり、
dは、0、1、2または3であり、
eは、0、1、2または3であり、
b+cは、3以下であり、
d+eは、3以下である〕の化合物およびこれらの中の2つ以上の混合物からなる群から選択された芳香族炭化水素溶剤である。
好ましくは、式(IIIa)の芳香族炭化水素溶剤は、ベンゼン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、1,2−ジエチルベンゼン、1,3−ジエチルベンゼン、1,4−ジエチルベンゼン、プロピルベンゼン、イソプロピルベンゼン、シメン、2−フェニルブタン、t−ブチルベンゼン、アミルベンゼン、アミルトルエン、ジアミルベンゼン、スチレン、ビニルトルエン、α−メチルスチレン、シクロヘキシルベンゼンおよびこれらの中の2つ以上の混合物からなる群から選択されている。より好ましくは、式(IIIa)の芳香族炭化水素溶剤は、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレンおよびシクロヘキシルベンゼンならびにこれらの中の2つ以上の混合物からなる群から選択されている。
式(IIIb)の芳香族炭化水素溶剤の例は、ナフタレン、1−メチルナフタレン、1−エチルナフタレン、2−エチルナフタレン、1,4−ジメチルナフタレンおよびこれらの中の2つ以上の混合物である。好ましくは、式(IIIb)の芳香族炭化水素溶剤は、1−メチルナフタレンである。
式(IIIc)の芳香族炭化水素溶剤の例は、インダン、1−メチル−インダン、2−メチル−インダン、4−メチル−インダン、5−メチル−インダンおよびこれらの中の2つ以上の混合物である。式(IIIc)の芳香族炭化水素溶剤は、インダンであるのが好ましい。
好ましくは、本発明の誘電性材料は、有機溶剤B中の溶液として、トランジスタの層上または基板上に塗布される。
有機溶剤Bは、誘電性材料の溶液の質量に対して、誘電性材料を少なくとも0.5質量%、好ましくは少なくとも5質量%、より好ましくは少なくとも8質量%溶解することができる、任意の溶剤または2つの以上の溶剤の混合物であることができる。
有機溶剤Bとして、一般に、周囲圧力で80〜250℃の範囲内の沸点を有する任意の溶剤を選択してよい。溶剤Bは、当該溶剤の中の2つ以上の混合物であってよい。好ましい方法において、溶剤Bの全ての成分は、100〜220℃、殊に100〜200℃の範囲内の沸点を有する。前記混合物中に、例えば、少なくとも70質量%、例えば少なくとも80質量%、少なくとも90質量%または少なくとも95質量%の量で含まれかつ120〜180℃、例えば130〜170℃または140〜160℃の範囲内の沸点を有する主要溶剤、およびさらに前記混合物中に、例えば、せいぜい30質量%、例えばせいぜい20質量%、せいぜい10質量%、またはせいぜい5質量%の量で含まれかつ少なくとも200℃の範囲内、例えば200〜250℃の範囲内の沸点を有する副次的溶剤を含む混合物が考えられる。好ましくは、有機溶剤Bは、N−メチル−ピロリドン、C4〜C8シクロアルカノン、C1〜C4アルキル−C(O)C1〜C4アルキル、C1〜C4アルカン酸C1〜C4アルキルエステルからなる群から選択されており、ここで、C1〜C4アルキルまたはC1〜C4アルカン酸は、ヒドロキシルまたはO−C1〜C4アルキルおよびC1〜C4アルキル−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキルおよびこれらの中の2つ以上の混合物によって置換されていてよい。
1〜C4アルキル−C(O)C1〜C4アルキルの例は、エチルイソプロピルケトン、メチルエチルケトンおよびメチルイソブチルケトンである。
1〜C4アルカン酸C1〜C4アルキルエステル、ただし、C1〜C4アルキルまたはC1〜C4アルカン酸は、ヒドロキシルまたはO−C1〜C4アルキルによって置換されていてよいものとし、の例は、エチルアセテート、ブチルアセテート、イソブチルアセテート、(2−メトキシ)エチルアセテート、(2−メトキシ)プロピルアセテートおよびエチルラクテートである。
1〜C4アルキル−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキルの例は、ジエチレングリコールジメチルエーテルである。
より好ましくは、有機溶剤Bは、C4〜C8シクロアルカノン、C1〜C4アルキル−C(O)−C1〜C4アルキル、C1〜C4アルカン酸C1〜C4アルキルエステルからなる群から選択されており、ここで、C1〜C4アルキルまたはC1〜C4アルカン酸は、ヒドロキシルまたはO−C1〜C4アルキルおよびC1〜C4アルキル−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキレン−O−C1〜C4アルキルならびにこれらの混合物によって置換されていてよい。例は、メチルエチルケトン、1,4−ジオキサン、メチルイソブチルケトン、ブチルアセテート、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、2−メトキシ−1,3−ジオキソラン、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート(PGMEA)、エチルラクテート、ジグリメ、5−メチル−3H−フラン−2−オン(“α−アンゲリカラクトン”)、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(ProGlyde DMM)、N−メチルピロリドン(NMP)、γ−ブチロラクトン、アセトフェノン、イソホロン、γ−カプロラクトン、1,2−プロピレンカーボネート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートのブレンド(PGMEA、例えば95%およびプロピレンカーボネート、例えば5%)である。
最も好ましくは、有機溶剤Bは、C5〜C6シクロアルカノン、C1〜C4アルカン酸C1〜C4アルキルエステルおよびこれらの混合物からなる群から選択されている。さらに最も好ましくは、有機溶剤Aは、シクロペンタノンもしくはブチルアセテートまたはこれらの混合物である。殊に好ましくは、有機溶剤Aは、ブチルアセテート、またはブチルアセテートとシクロペンタノンとの混合物であり、ここで、ブチルアセテート/シクロペンタノンの質量比は、好ましくは、少なくとも99:1〜20:80、より好ましくは99:1〜25:75、よりいっそう好ましくは99:1〜30:70である。
前記誘電性材料が有機溶剤B中の溶液として、トランジスタの層上または基板上に塗布される場合には、誘電性材料は、任意の可能な溶液処理法、例えば回転塗布法、滴下注型法または印刷法によって塗布されうる。
前記誘電性材料を有機溶剤B中の溶液としてトランジスタの層上または基板上に塗布した後、せいぜい140℃、好ましくは140℃未満の温度で、例えば60〜120℃の範囲内の温度で、好ましくはせいぜい120℃、好ましくは120℃未満、例えば60〜110℃の範囲内の温度での熱処理が実施されうる。
前記電子デバイスによって構成された誘電性材料が層の形で存在し、および層厚が50nm〜2000nm、好ましくは100nm〜1000nmであることは、好ましい。
方法
上述したように、本発明は、さらに、本発明の電子デバイスを製造する方法に関し、この方法は、
a)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)とのフリーラジカル重合および/または
b)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)との制御ラジカル重合、および/または
c)構造単位(I)および構造単位(IIb)を有するコポリマーとアミンを含むモノマー(IIc)とのイミド形成反応
によって、式(I)の構造単位および式(II)の構造単位を有するコポリマーを含む誘電性材料を製造することを含む。
(a)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)とのフリーラジカル重合
従来技術で公知のフリーラジカル重合法は、本発明のコポリマーを製造するために使用されてよい。モノマーの重合は、塊状重合、溶液重合、通常、有機溶剤中、好ましくは鉱油中での溶液重合を含めて、種々の条件下で行なうことができる。好ましくは、式(IV)のコポリマーが得られる。
溶液重合のために、出発反応混合物は、好ましくは、希釈剤、モノマー(Ia)および(IIa)、重合開始剤および任意に、連鎖移動剤を含む。
適当な重合開始剤は、加熱下で解離する開始剤を含み、フリーラジカル、例えば過酸化物化合物、例えば過酸化ベンゾイル、t−ブチルペルオキシベンゾエート、t−ブチルペルオキシオクトエートおよびクメンヒドロペルオキシド;またはアゾ化合物、例えばアゾイソブチロニトリルおよび2,2’−アゾビス(2−メチルブタンニトリル)を生じる。
適当な連鎖移動剤は、当業界で常用の連鎖移動剤、例えばメルカプタンおよびアルコールを含む。例えば、トリデシルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタンおよびエチルメルカプタンが連鎖移動剤として使用されてよい。使用されるべき連鎖移動剤の量の選択は、合成されるポリマーの所望の分子量に基づくものである。
実施例により制限なしに、典型的には、反応器に式(Ia)のモノマー、ラジカル開始剤および適当な溶剤が装入される。滴下漏斗には、式(Ia)によるモノマーおよび式(IIa)によるモノマーが装入される。反応器中での式(Ia)のモノマーは、ラジカル反応が開始するまで加熱され、および式(IIa)のモノマーは、前記滴下漏斗から徐々に添加される。反応後に、混合物は、適当な溶剤、例えばメタノール中に注入され、ポリマーは、ろ過によって捕集され、適当な洗浄剤、例えばメタノールで洗浄され、かつ乾燥される。
(b)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)との制御フリーラジカル重合
それとは別に、式(I)の構造単位と式(II)の構造単位を有する、誘電性材料コポリマー中のコポリマーは、制御フリーラジカル重合によって得られる。従来技術で公知の方法により、制御フリーラジカル法による重合は、例えば、安定なフリーラジカル重合(SFRP)、可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT)重合または原子移動ラジカル重合(ATRP)によって達成されてよい。好ましくは、式(IV)のコポリマーが得られる。
溶液重合のために、出発反応混合物は、好ましくは、希釈剤、モノマー(Ia)およびモノマー(IIa)、重合開始剤および任意に、連鎖移動剤を含む。
実施例によれば、制限なしに、典型的には、反応器に式(Ia)のモノマー、ラジカル開始剤および適当な溶剤が装入される。滴下漏斗には、式(Ia)によるモノマーおよび式(IIa)によるモノマーが装入される。反応器中での式(Ia)のモノマーは、ラジカル反応が開始するまで加熱され、および式(IIa)のモノマーは、前記滴下漏斗から徐々に添加される。反応後に、混合物は、適当な溶剤、例えばメタノール中に注入され、ポリマーは、ろ過によって捕集され、適当な洗浄剤、例えばメタノールで洗浄され、かつ乾燥される。
(c)構造単位(I)および構造単位(IIb)を有するコポリマーと、アミンを含む化合物(IIc)とのイミド形成反応
それとは別に、式(I)の構造単位および式(II)の構造単位を有する、誘電性材料コポリマー中のコポリマーは、イミド形成反応によって得られる。好ましくは、式(IV)のコポリマーが得られる。
このイミド形成反応のために、出発反応混合物は、好ましくは、希釈剤、構造単位(I)と構造単位(IIb)を有するコポリマーおよびアミンを含むモノマー(IIc)を含む。
好ましくは、本発明の誘電性材料は、式(IV)
Figure 2016518721
〔式中、
fは、1〜20、好ましくは1〜15、より好ましくは1〜10、より好ましくは1〜7、よりいっそう好ましくは1〜5の範囲内にあり、および
gは、1〜20、好ましくは1〜15、より好ましくは1〜10、より好ましくは1〜7、よりいっそう好ましくは1〜5、さらによりいっそう好ましくは1〜3の範囲内にあり、よりいっそう十分に好ましくは1である〕のコポリマーを含む。
本発明は、さらに、誘電性材料としての、典型的には、印刷された電子デバイス、例えばキャパシタおよび有機電界効果トランジスタにおける誘電性層または封止層としての、上記に記載されたようなコポリマーの使用に関する。殊に、誘電性層としての上記に記載されたコポリマーを含む、本発明の電子デバイスが好ましく、ここで、前記誘電性層は、半導体層と接触している。
図1は、それぞれ、−1V(四角)および−20V(三角)のソース電圧Vdsでコポリマー(3a)ゲート誘電体を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsを示す(本発明の例4参照)。 図2は、それぞれ、0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(3a)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsを示す(本発明の例4参照)。 図3は、−1V(四角)および−20V(三角)のソース電圧Vdsでゲート誘電体としての、それぞれ、コポリマー(2b)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;本発明の例6を参照のこと。 図4は、0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2b)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;例6参照。 図5は、−1V(四角)および−20V(三角)のソース電圧Vdsでゲート誘電体としての、それぞれ、コポリマー(2c)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;本発明の例8を参照のこと。 図6は、0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2c)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;例8参照。 図7は、−1V(四角)および−20V(三角)のソース電圧Vdsでゲート誘電体としての、それぞれ、コポリマー(2d)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;本発明の例10を参照のこと。 図8は、0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2d)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsを示す;例10参照。
本発明は、さらに、次の例によって説明される。
有機半導体としての例において使用される、ジケトピロロピロール(DPP)チオフェンポリマーは、式
Figure 2016518721
のWO2010/049321の実施例1中に記載されたものである。
例1:フリーラジカル重合による誘電性材料の製造
1.1 式(IIa)のN−フェニルマレインイミドモノマーの製造
式(IIa)のN−フェニルマレインイミドモノマー(モノマー(Ia)ないし(Ie))を、次の一般的な反応図式および反応手順により製造した:
Figure 2016518721
工程A:N−置換マレアミン酸
無水マレイン酸(6.04mmol)を無水CH2Cl2(15mL)中に溶解し、その後に、アニリンまたはアニリン誘導体(5.49mmol)を添加した。混合物を室温で1時間、攪拌した(酸の沈殿を数分後に観察した)。純粋な固体のN置換マレアミン酸を、ろ過およびCH2Cl2での洗浄によって得た。
工程B:イミドへの環化
無水テトラヒドロフラン(60mL)中の、工程Aで得られたN−フェニルマレアミン酸(3g、14.8mmol)の溶液に、等モル量の酢酸ナトリウム(1.14g)および無水酢酸(1.5mL)を添加し、混合物を60℃で8時間、攪拌し、続けて溶剤を真空下に蒸発させた。残留物をHCl水溶液で洗浄しかつ水で洗浄し、および乾燥させた。
前記手順により、次のマレイミドを合成させた:
N−フェニルマレインイミド(Ia)、白色の固体。収率:95%。融点301℃
Figure 2016518721
1−[4−(アセトキシ)フェニル]マレイミド(Ib)、黄色の結晶の固体。収率:87%。融点260〜262℃
Figure 2016518721
1−(4−ブロモフェニル)マレイミド(Ic)、黄色の結晶の固体。収率:87%。融点128〜130℃
Figure 2016518721
1−(4−ヨードフェニル)マレイミド(Id)、黄色の結晶の固体。収率:90%。融点145〜147℃
Figure 2016518721
1−[4−(エトキシカルボニル)フェニル]マレイミド(Ie)、無色の固体、収率93%。融点114.5〜115.5℃
Figure 2016518721
Figure 2016518721
1.2 式(Ia)の構造単位と式(IIa)の構造単位を有するコポリマーの製造
特に、スチレン−N−フェニル−マレインイミドコポリマー(2a)を、反応器にスチレン6.5g(0.06モル)、開始剤としてのt−ブチルペルオキシオクテート0.4g、電荷移動剤としてのn−ドデシルメルカプタンおよびMEK30mlを装入することによって製造する。滴下漏斗にスチレン35.7g(0.342モル)およびN−フェニル−マレインイミド(1a)7.8g(0.045モル)を装入する。反応器を85℃へ加熱し、スチレン−マレイミド混合物を反応混合物中に徐々に(約5時間)滴加する。前記混合物を冷却し、かつ冷たいメタノール500ml中に注入する。沈殿したコポリマーをろ過によって単離し、メタノールで洗浄し、かつ真空炉内で乾燥させる。反応は、スチレンとの白色粉末としてのコポリマー17.9gを提供する。7:3のマレイミド比、MW100000g/molおよびTg(ガラス転移温度)=163℃。
1.3 1.2に記載された方法により、コポリマー(2b)
Figure 2016518721
を、スチレン49質量%、N−フェニル−マレインイミド42質量%および無水マレイン酸9質量%のモノマーを用いて製造する:Mw109000;多分散指数(PDI)2.4;Tg201℃。
1.4 1.2に記載された方法により、コポリマー(2c)
Figure 2016518721
を、スチレン49質量%、N−フェニル−マレインイミド43質量%およびアクリロニトリル8質量%のモノマーを用いて製造する:Mw122000;多分散指数(PDI)2.5;Tg172℃。
1.5 1.2に記載された方法により、コポリマー(2d)
Figure 2016518721
を、スチレン3質量%、N−フェニル−マレインイミド17質量%およびメチル−メタクリレート78質量%およびN−シクロヘキシル−マレイミド2質量%のモノマーを用いて製造する:
Mw137000;多分散指数(PDI)3.0;Tg139℃。
例2:イミド化反応による誘電性材料の製造
特に、スチレン−N−ベンジル−マレインイミドコポリマー(3a)を、スチレンと無水マレイン酸とをベースとするコポリマー7.8g(Cray Valley社から得られたSMA 2000)、ベンジルアミン2.73g(107g/mol、0.0255モル)およびMPA15.00g(1−メトキシ−2−プロピルアセテート)を室温で1時間、次に60℃で1時間、次に90℃で1時間、次に130℃で1時間、および160℃で、酸価が50mg KOH/g未満になる(2*26000/413=270mg KOH/g、60%の閉環度)まで攪拌することによって製造する。沈殿したコポリマーをろ過によって単離し、メタノールで洗浄し、かつ真空炉内で乾燥させる。10mg KOH/gのアミン価およびTg=113℃が前記コポリマーについて測定される。
例3:コポリマー(3a)の層を含むキャパシタの製造
1−メトキシ−2−プロピルアセテート(質量/質量)中のコポリマー(3a)の20%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ回転塗布(3600rpm、30秒)によって、インジウムスズオキサイド(ITO)電極を有する、きれいなガラス基板上に塗布する。湿った被膜を100℃で10分間、ホットプレート上で予め焼き付けて530nmの厚手の層を生じさせる。次に、金電極(面積=3mm2)をシャドーマスクを通して1×10-6トル(1.3×10-4Pa)未満でコポリマー(3a)上に真空蒸着する。
こうして得られたキャパシタを、次のように特性決定する:相対誘電率(ε)rおよびtg(δ)=(ε)r’’をLCRメーターAgilent 4284A(信号振幅1V)で測定された複素容量から推論する。電流/電圧(I/V)曲線は、半導体パラメーター分析装置Agilent 4155Cを用いて得られる。降伏電圧は、電圧Edであり、ここで、電流は、1マイクロアンペアの値を達成する。体積抵抗率ρを抵抗率、試験体の厚さおよび電極の表面積から計算する。
Figure 2016518721
例4:化合物(3a)のゲート誘電性層を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの製造
金をポリ(エチレンテレフタレート)(PET)箔上にスパッタリングして約40nmの厚さの被膜を形成させ、次に、ソース/ドレイン電極(チャンネル長さ:10μm;チャンネル幅:10mm)をフォトリソグラフィー法によって構造化する。トルエン中のジケトピロロピロール(DPP)−チオフェンポリマーの0.75%(質量/質量)溶液を、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルターを通してろ過し、かつ次に回転塗布(1300rpm、10000rpm/秒、15秒)によって塗布する。湿った有機半導電性ポリマー層を100℃でホットプレート上で30秒間、乾燥させる。1−メトキシ−2−プロピルアセテート(質量/質量)中のコポリマー(3a)の20%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ次に、回転塗布(3000rpm、60秒)によって塗布する。湿った誘電性被膜を100℃で10分間、ホットプレート上で予め焼き付け、556nmの厚手の層を生じさせる。金のゲート電極(厚さ約120nm)を、シャドーマスクを通してコポリマー(3a)層上で蒸発させる。全ての方法を保護雰囲気なしに実施する。
トップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの特性値を、Keithley 2612A半導体パラメーター分析装置を用いて測定する。それぞれ、−1V(四角)、−20V(三角)のソース電圧Vdsでコポリマー(3a)ゲート誘電体を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsは、図1に示されている。
コポリマー(3a)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタは、0.23cm2/Vsの移動度(飽和レジームに対して計算した)および7.1E+4のlon/loff比を示す。0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(3a)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsは、図2に示されている。
例5:ポリマー(2b)の層を含むキャパシタの製造
2−メトキシ−1,3−ジオキソラン/2−ブタノン/シクロヘキサノン45/45/10(質量/質量)中のポリマー(2b)の5%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ回転塗布(1100rpm、30秒)によって、インジウムスズオキサイド(ITO)電極を有する、きれいなガラス基板上に塗布する。湿った被膜を100℃で10分間、ホットプレート上で予め焼き付け、530nmの厚手の層を生じさせる。次に、金電極(面積=3mm2)を、シャドーマスクを通して1×10-6トル(1.3×10-4Pa)未満でポリマー2b上に真空蒸着する。
こうして得られたキャパシタを、次のように特性決定する:相対誘電率(ε)rおよびtg(δ)=(ε)r’’をLCRメーターAgilent 4284A(信号振幅1V)で測定された複素容量から推論する。電流/電圧(I/V)曲線は、半導体パラメーター分析装置Agilent 4155Cを用いて得られる。降伏電圧は、電圧Edであり、ここで、電流は、1マイクロアンペアの値を達成する。体積抵抗率ρを抵抗率、試験体の厚さおよび電極の表面積から計算する。
Figure 2016518721
例6:ポリマー(2b)のゲート誘電性層を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの製造
金をポリ(エチレンテレフタレート)(PET)箔上にスパッタリングして約40nmの厚さの被膜を形成させ、次に、ソース/ドレイン電極(チャンネル長さ:10μm;チャンネル幅:10mm)をフォトリソグラフィー法によって構造化する。トルエン中のジケトピロロピロール(DPP)−チオフェンポリマーの0.75%(質量/質量)溶液を、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルターを通してろ過し、かつ次に回転塗布(1300rpm、10000rpm/秒、15秒)によって塗布する。湿った有機半導電性ポリマー層を100℃でホットプレート上で30秒間、乾燥させる。2−メトキシ−1,3−ジオキソラン/2−ブタノン 50/50(質量/質量)中のコポリマー(2b)の5%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ次に、回転塗布(1500rpm、60秒)によって塗布する。湿った誘電性被膜を100℃でホットプレート上で10分間予め焼き付けて540nmの厚手の層を生じさせる。金のゲート電極(厚さ約120nm)を、シャドーマスクを通してコポリマー(2b)層上で蒸発させる。全ての方法は、保護雰囲気なしに実施される。
こうして製造された、3つのトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの特性値を、Keithley 2612A半導体パラメーター分析装置を用いて測定する。それぞれ、−1V(四角)、−20V(三角)のソース電圧Vdsでコポリマー(2b)ゲート誘電体を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsは、図3に示されている。
コポリマー(2b)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタは、0.39cm2/Vsの移動度(飽和レジームに対して計算した)および1.5E+5のlon/loff比を示す。0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2b)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsは、図4に示されている。
例7:ポリマー(2c)の層を含むキャパシタの製造
2−メトキシ−1,3−ジオキソラン/2−ブタノン/シクロヘキサノン 45/45/10(質量/質量)中のポリマー(2c)の6%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ回転塗布(2500rpm、30秒)によって、インジウムスズオキサイド(ITO)電極を有する、きれいなガラス基板上に塗布する。湿った被膜を100℃で10分間、ホットプレート上で予め焼き付けて540nmの厚手の層を生じさせる。次に、金電極(面積=3mm2)を、シャドーマスクを通して1×10-6トル(1.3×10-4Pa)未満でポリマー(2c)上に真空蒸着する。
こうして得られたキャパシタを、次のように特性決定する:相対誘電率(ε)rおよびtg(δ)=(ε)r’’をLCRメーターAgilent 4284A(信号振幅1V)で測定された複素容量から推論する。電流/電圧(I/V)曲線は、半導体パラメーター分析装置Agilent 4155Cを用いて得られる。降伏電圧は、電圧Edであり、ここで、電流は、1マイクロアンペアの値を達成する。体積抵抗率ρを抵抗率、試験体の厚さおよび電極の表面積から計算する。
Figure 2016518721
例8:ポリマー(2c)のゲート誘電性層を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの製造
金をポリ(エチレンテレフタレート)(PET)箔上にスパッタリングして約40nmの厚さの被膜を形成させ、次に、ソース/ドレイン電極(チャンネル長さ:10μm;チャンネル幅:10mm)をフォトリソグラフィー法によって構造化する。トルエン中のジケトピロロピロール(DPP)−チオフェンポリマーの0.75%(質量/質量)溶液を、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルターを通してろ過し、かつ次に回転塗布(1300rpm、10000rpm/秒、15秒)によって塗布する。湿った有機半導電性ポリマー層を100℃でホットプレート上で30秒間、乾燥させる。2−メトキシ−1,3−ジオキソラン/2−ブタノン/シクロヘキサノン 45/45/10(質量/質量)中のコポリマー(2c)の5%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ次に、回転塗布(2000rpm、60秒)によって塗布する。湿った誘電性被膜を100℃でホットプレート上で10分間予め焼き付けて570nmの厚手の層を生じさせる。金のゲート電極(厚さ約120nm)をシャドーマスクを通してコポリマー(2c)層上で蒸発させる。全ての方法は、保護雰囲気なしに実施される。
こうして製造された、3つのトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの特性値を、Keithley 2612A半導体パラメーター分析装置を用いて測定する。それぞれ、−1V(四角)、−20V(三角)のソース電圧Vdsでコポリマー(2c)ゲート誘電体を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsは、図5に示されている。
コポリマー(2c)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタは、0.18cm2/Vsの移動度(飽和レジームに対して計算した)および1.1E+5のlon/loff比を示す。
0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2c)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsは、図6に示されている。
例9:ポリマー(2d)の層を含むキャパシタの製造
1−メトキシ−2−プロピルアセテート中のポリマー(2d)の8%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ回転塗布(1400rpm、30秒)によって、インジウムスズオキサイド(ITO)電極を有する、きれいなガラス基板上に塗布する。湿った被膜を100℃で10分間、ホットプレート上で予め焼き付けて530nmの厚手の層を生じさせる。次に、金電極(面積=3mm2)を、シャドーマスクを通して1×10-6トル(1.3×10-4Pa)未満でポリマー(2d)上に真空蒸着する。
こうして得られたキャパシタを、次のように特性決定する:相対誘電率(ε)rおよびtg(δ)=(ε)r’’をLCRメーターAgilent 4284A(信号振幅1V)で測定された複素容量から推論する。電流/電圧(I/V)曲線は、半導体パラメーター分析装置Agilent 4155Cを用いて得られる。降伏電圧は、電圧Edであり、ここで、電流は、1マイクロアンペアの値を達成する。体積抵抗率ρを抵抗率、試験体の厚さおよび電極の表面積から計算する。
Figure 2016518721
例10:ポリマー(2d)のゲート誘電性層を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの製造
金をポリ(エチレンテレフタレート)(PET)箔上にスパッタリングして約40nmの厚さの被膜を形成させ、次に、ソース/ドレイン電極(チャンネル長さ:10μm;チャンネル幅:10mm)をフォトリソグラフィー法によって構造化する。トルエン中のジケトピロロピロール(DPP)−チオフェンポリマーの0.75%(質量/質量)溶液を、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルターを通してろ過し、かつ次に回転塗布(1300rpm、10000rpm/秒、15秒)によって塗布する。湿った有機半導電性ポリマー層を100℃でホットプレート上で30秒間、乾燥させる。1−メトキシ−2−プロピルアセテート中のコポリマー(2d)の8%(質量/質量)溶液を、0.45μmのフィルターを通してろ過し、かつ次に、回転塗布(1400rpm、60秒)によって塗布する。湿った誘電性被膜を100℃でホットプレート上で10分間予め焼き付けて515nmの厚手の層を生じさせる。金のゲート電極(厚さ約120nm)を、シャドーマスクを通してコポリマー(2d)層上で蒸発させる。全ての方法は、保護雰囲気なしに実施される。
こうして製造された、3つのトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタの特性値を、Keithley 2612A半導体パラメーター分析装置を用いて測定する。それぞれ、−1V(四角)、−20V(三角)のソース電圧Vdsでコポリマー(2d)ゲート誘電体を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのゲート電圧Vgs(増幅特性曲線)に対するドレイン電流Idsは、図7に示されている。
コポリマー(2d)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタは、0.17cm2/Vsの移動度(飽和レジームに対して計算した)および9.7E+4のlon/loff比を示す。
0V(星形)、−5V(四角)、−10V(ひし形)、−15V(三角)および−20V(円形)のゲート電圧Vgsでコポリマー(2d)を含むトップゲートボトムコンタクト(TGBC)電界効果型トランジスタについてのドレイン電圧Vds(出力曲線)に対するドレイン電流Idsは、図8に示されている。
本発明によるコポリマーは、簡単に溶解することができかつ有利な低い誘電率を示し、かつ、こうしてキャパシタおよび電界効果トランジスタにおける誘電性材料として極めて十分に適している。
本発明の好ましい実施態様によれば、R21、R24、R25は、Hであり、およびR22およびR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成する。前記環状構造に関連して、数ある中で、R22とR23は、互いに、ラクトン、より好ましくは、δ−ラクトンを形成する。好ましくは、R11、R12、R13、R14およびR15は、上記に記載されている。より好ましくは、R11、R12、R14、R15は、Hである
さらに、モノマー(IIa)がN−フェニルマレインイミド、1−[4−(アセトキシ)フェニル]マレイミド、1−(4−ブロモフェニル)マレイミド、1−(4−ヨードフェニル)マレイミド、1−[4−(エトキシカルボニル)フェニル]マレイミド、1−[7−クマリン]マレイミド、およびこれらの中の2つ以上の混合物からなる群から選択されていることは、好ましい。

Claims (15)

  1. 誘電性材料を含む電子デバイスであって、誘電性材料が式(I)および式(II)
    Figure 2016518721
    〔式中、R11、R12、R13、R14およびR15は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、
    前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されており、
    およびR21、R22、R23、R24およびR25は、互いに独立して、H、ハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、
    前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されており、
    或いはR21とR22、またはR22とR23は、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成し、およびR23とR24とR25、またはR21とR24とR25は、上記の記載と同様であり、
    Lは、直接結合であるか、または中断されていないかもしくは1個以上の酸素原子によって中断されているC1〜C4アルキレンであり、および
    そのつど、Rは、独立して、HまたはC1〜C24アルキルである〕の構造単位を有するコポリマーを含む、前記電子デバイス。
  2. デバイスが、キャパシタ、トランジスタ、例えば有機電界効果トランジスタ、または当該キャパシタおよび/または当該トランジスタを含むデバイス、殊に誘電性層としての請求項1記載のコポリマーを含有するトランジスタ、またはトランジスタを含むデバイスであり、前記誘電性層が半導体層と接触している、請求項1記載の電子デバイス。
  3. 前記コポリマーにおいて、(I)対(II)の比が20:1〜1:5の範囲内、好ましくは10:1〜1:1.5の範囲内にある、請求項1または2記載の電子デバイス。
  4. 21、R22、R24、R25が、Hであり、およびR23が、Hまたはハロゲン、直鎖状または分枝鎖状のC1〜C24アルキル、ホルミル、C1〜C24アルキル−カルボニル、C2〜C24アルケニル、C2〜C10アルキニル、C2〜C24アルケニル−カルボニル、C3〜C12シクロアルキル、C3〜C12シクロアルケニル、C6〜C12アリール、C7〜C25アリールアルキルまたはC7〜C25アルキルアリールであり、前記基の炭素原子鎖は、そのつど、中断されていないかまたは1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、−S−、−SO2−、−N(H)−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断されており、および前記基は、そのつど、置換されていないかまたは1個以上の部分−OR、−NH2、−N(H)R、−NR2、−N3、−ハロゲンおよび/または−SO3Hによって1回以上置換されている、請求項1から3までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  5. 21、R24、R25が、Hであり、およびR22およびR23が、任意に、1個以上の酸素原子、−C(O)O−、−OC(O)−、硫黄原子、−SO2−、−NH−、−N(C1〜C12アルキル)−および/または−C(O)N(H)−によって中断された、5〜8個のC原子を有する互いの環状構造を形成する、請求項1から3までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  6. 22とR23が互いにδ−ラクトンを形成する、請求項5記載の電子デバイス。
  7. 11、R12、R14、R15がHである、請求項1から6までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  8. 前記コポリマーがさらに
    Figure 2016518721
    好ましくは構造単位
    Figure 2016518721
    または構造単位
    Figure 2016518721
    または構造単位
    Figure 2016518721
    からなる群から選択された構造単位の少なくとも1個を有する、請求項1から7までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  9. 11、R12、R13、R14、R15、R21、R22、R23、R24、R25がHである、請求項8記載の電子デバイス。
  10. 前記コポリマーが5000〜2000000g/mol、好ましくは10000〜1000000g/molの、ゲル浸透クロマトグラフィーによって測定される質量平均分子量を有する、請求項1から9までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  11. 前記デバイスがさらに半導電性ポリマー材料を含む層を含み、および式(I)のモノマー単位および式(II)のモノマー単位を有する誘電性材料と半導電性ポリマー材料とは、双方とも、少なくとも一対の溶剤または溶剤混合物中で直交した溶解性を示す、請求項1から10までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  12. 前記半導電性ポリマー材料がジケトピロロピロール基(DPPポリマー)および/またはチオフェン基を有する単位を有する、請求項1から11までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  13. 前記誘電性材料が層の形で存在し、および層厚が50〜2000nm、好ましくは100〜1000nmである、請求項1から12までのいずれか1項に記載の電子デバイス。
  14. 請求項1から13までのいずれか1項に記載の電子デバイスを製造する方法であって、この方法が、
    a)少なくともモノマー(Ia)とモノマー(IIa)
    Figure 2016518721
    の、ラジカルを介した重合、例えばフリーラジカル重合または制御ラジカル重合、
    および/または
    b)構造単位(I)および構造単位(IIb)を有するコポリマーとアミン化合物(IIc)
    Figure 2016518721
    とのイミド形成反応
    によって、式(I)および式(II)
    Figure 2016518721
    の構造単位を有するコポリマーを含む誘電性材料を製造することを含む、前記方法。
  15. 電子デバイスにおける誘電性材料としての、好ましくは、印刷された電子デバイス、例えばキャパシタおよび有機電界効果トランジスタにおける誘電性層または封止層としての、請求項1から13までのいずれか1項に記載のコポリマーの使用。
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