JP2017157752A - 有機トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】有機半導体層の１層目と２層目の結晶軸方位を工夫することで、有機半導体層に入るクラックを抑制し、保護膜で用いる溶剤に対して高い耐性を実現する。【解決手段】有機半導体層４０は、ゲート絶縁膜３０側に位置する第１の有機半導体層４１と、第１の有機半導体層４１の上に積層されて保護膜７０に接触する第２の有機半導体層４２とを備える２層構造を有するものであり、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とでは、有機半導体における層に平行な結晶軸方位が互いに異なる方向とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、有機半導体材料で構成される有機半導体層を有する有機トランジスタに関するもので、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などに適用すると好適である。

従来、この種の有機トランジスタとしては、特許文献１に記載のものが提案されている。このものは、基板と、基板の上に形成されたゲート電極と、基板の上においてゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して、互いに離間して配置されたソース電極およびドレイン電極と、を備える。

そして、有機半導体層は、ゲート絶縁膜の表面上において、少なくともソース電極とドレイン電極との間を繋ぐように形成されている。また、このものでは、樹脂よりなる保護膜が、ソース電極、ドレイン電極および有機半導体層を覆うように設けられている。

さらに、特許文献１のものでは、有機半導体層は、ゲート絶縁膜側に位置する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層の上に積層されて保護膜に接触する第２の有機半導体層とを備える２層構造を有するものとされている。ここでは、第１の有機半導体層が低分子有機半導体材料、第２の有機半導体層が高分子有機半導体材料というように、異なる有機半導体材料よりなる。

特開２０１５−１８５７８９号公報

ところで、有機トランジスタにおいて、保護膜は、外力からの保護、水分に対する保護などの目的で形成されている。ここで、保護膜が樹脂よりなる場合、当該樹脂を溶剤に溶かした溶液を用いた印刷により形成される。しかし、有機半導体層にクラックが入っていると、保護膜を形成する際に溶剤がそこから染み込み、有機半導体層を溶かしてしまうおそれがある。

上記特許文献１のものでは、このような保護膜による問題についての記載は無く、また、有機半導体層を２層構造としているが、有機半導体層の膜厚や結晶軸方位について考慮されていないため、２層目が１層目の欠陥を十分に保障できるとは言えない。さらに１層目と２層目とが異なる材料からなるため、熱膨張係数がそれぞれ異なり、熱プロセスを与えた際に熱応力がかかり、有機半導体層にクラックが入りやすいという懸念がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、有機半導体層の１層目と２層目の結晶軸方位を工夫することで、有機半導体層に入るクラックを抑制し、保護膜で用いる溶剤に対して高い耐性を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１０）と、基板の上に形成されたゲート電極（２０）と、基板の上においてゲート電極を覆うゲート絶縁膜（３０）と、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して、互いに離間して配置されたソース電極（５０）およびドレイン電極（６０）と、ゲート絶縁膜の表面上において、少なくともソース電極とドレイン電極との間を繋ぐように形成された有機半導体層（４０）と、ソース電極、ドレイン電極および有機半導体層を覆う樹脂よりなる保護膜（７０）と、を備え、
有機半導体層は、ゲート絶縁膜側に位置する第１の有機半導体層（４１）と、第１の有機半導体層の上に積層されて保護膜に接触する第２の有機半導体層（４２）とを備える２層構造を有するものであり、第１の有機半導体層と第２の有機半導体層とでは、有機半導体における層に平行な結晶軸方位が互いに異なる方向とされていることを特徴とする。

有機半導体層においてクラックは、層に平行な結晶軸に沿って発生しやすい。ここで、トランジスタの特性上、特に第１の有機半導体層におけるクラックの発生を抑制することが望まれる。

その点、本発明によれば、その上の第２の有機半導体層における層に平行な結晶軸が第１の有機半導体層におけるクラック進展方向とは異なる方向とされているので、第１の有機半導体層にて層に平行な結晶軸に沿ってクラックが発生する応力が加わったとしても、第２の有機半導体層が、第１の有機半導体層におけるクラック発生を抑制する役目を果たす。

このようなことから、本発明によれば、有機半導体層に入るクラックを抑制し、保護膜で用いる溶剤に対して高い耐性を実現することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の実施形態にかかる有機トランジスタの断面構成を示す概略断面図である。 図１に示される有機トランジスタにおける第１の有機半導体層と第２の有機半導体層との結晶軸方位の関係を模式的に示す図である。 第１の有機半導体層における膜厚と初期移動度との関係を示すグラフである。 第１の有機半導体層における膜厚に対する加熱後の移動度変化率の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

本実施形態にかかる有機トランジスタの構成について、図１、図２を参照して述べる。この有機トランジスタは、たとえばＥＬ素子の駆動回路に備えられるトランジスタなどに適用されるものである。

本実施形態の有機トランジスタは、図１に示される構造によって構成されている。具体的には、無アルカリガラスなどの絶縁性のガラス基板やフレキシブル基板を基材とする基板１０の上に、Ｃｒ（クロム）などで構成されたゲート電極２０が形成されている。そして、このゲート電極２０を覆うように酸化シリコンや酸化アルミニウム等の絶縁材料で構成されたゲート絶縁膜３０が形成されている。

ゲート絶縁膜３０の上には、有機半導体層４０が形成されている。有機半導体層４０は、例えばチオフェン系有機半導体材料（例えばＣ８−ＢＴＢＴ）や高分子有機化合物であるＤＮＢＤＴによって構成されており、チャネル層として機能する。

そして、有機半導体層４０の上には、ソース電極５０およびドレイン電極６０が形成されている。ソース電極５０およびドレイン電極６０は、ゲート電極２０の両端上において、ゲート絶縁膜３０および有機半導体層４０を介して、互いに離間するように配置されている。

そして、有機半導体層４０は、ソース電極５０とドレイン電極６０との間を繋ぐように形成されている。これらソース電極５０およびドレイン電極６０は、たとえばＡｕ（金）などによって構成されている。

さらに、保護膜７０が、ソース電極５０、ドレイン電極６０および有機半導体層４０を覆うように形成されている。この保護膜７０は、樹脂よりなるもので、たとえば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のポリアクリレート、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＰ（ポリビニルフェノール）やフッ素樹脂等よりなる。このような保護膜は、スピンコート法や凸版印刷法等の印刷により形成されている。このような構造により、本実施形態にかかる有機トランジスタが構成されている。

次に、上記のように構成された有機トランジスタに備えられた有機半導体層４０の詳細構造について説明する。

有機半導体層４０は、ゲート絶縁膜３０側に位置する第１の有機半導体層４１と、第１の有機半導体層４１の上に積層されて保護膜７０に接触する第２の有機半導体層４２とを備える２層構造を有する。ここでは、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とは、同一の有機半導体材料よりなる。

これら第１の有機半導体層４１、第２の有機半導体層４２は、後述する直描塗布法やスクリーン印刷等の印刷により形成される。そして、本実施形態では、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とでは、当該層を構成する有機半導体における当該層に平行な結晶軸方位が互いに、平行ではなく異なる方向とされている。

具体的には、有機半導体における層に平行な結晶軸は、ｃ軸である。このｃ軸は、有機半導体層４１、４２を上記の印刷により形成するときの印刷の方向に沿った軸である。つまり、本実施形態では、図２に示されるように、第１の有機半導体層４１におけるｃ軸４１ａと第２の有機半導体層４２におけるｃ軸４２ａとが平行ではなく所定の角度θをもって交差している。ここで、角度θは、３０°以上６０°以下が望ましい。

次に、本実施形態の有機トランジスタの製造方法について、説明する。まず、無アルカリガラスなどの絶縁性のフレキシブル基板を基材とする基板１０を準備し、この基板１０の表面にＣｒなどの電極材料をスパッタ法などによって成膜する。その後、これをフォトリソグラフィ法によるレジスト膜パターンを用いたエッチングにてゲート電極２０を形成する。

次に、蒸着やスパッタやＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により、基板１０の上においてゲート電極２０を覆うゲート絶縁膜３０を形成する。次に、上記の直描塗布法やスクリーン印刷等の印刷により、ゲート絶縁膜３０上に第１の有機半導体層４１、第２の有機半導体層４２を順次、形成する。

なお、直描塗布法とは、有機半導体層４１、４２を構成する有機半導体材料を含む溶液を吐出するノズルを用い、所定方向つまり印刷の方向に沿って、溶液を吐出させながらノズルを移動させることで、溶液をライン状に塗布するものである。そして、この塗布時において、溶液を乾燥させながら溶液の塗布方向に結晶を成長させていくことで有機半導体層４１、４２を形成するものである。

次に、ゲート電極２０と重なりつつ、ゲート絶縁膜３０上にて有機半導体層４０に接してソース電極５０とドレイン電極６０とを形成する。具体的には、有機半導体層４０の表面に例えばシャドウマスクを用いた真空蒸着法によってＡｕ層を成膜することでソース電極５０およびドレイン電極６０を形成する。

そして、スピンコート法や凸版印刷法等の印刷により、ソース電極５０、ドレイン電極６０および有機半導体層４０を覆うように、保護膜７０を形成する。このようにして、本実施形態にかかる有機トランジスタを製造することができる。

ところで、有機半導体層４０は、上記した直描塗布法やスクリーン印刷等の印刷により形成されるが、層に平行な結晶軸方位は、この印刷の方向に沿った方向となる。そして、有機半導体層４０においてクラックは、層に平行な結晶軸に沿って発生しやすい。ここで、トランジスタの特性上、２層の有機半導体層４１、４２のうちゲート絶縁膜３０に近い第１の有機半導体層４１が主たる電流経路となるため、特に第１の有機半導体層４１におけるクラックの発生を抑制することが望まれる。

その点、本実施形態によれば、その上の第２の有機半導体層４２における層に平行な結晶軸が第１の有機半導体層４１におけるクラック進展方向とは異なる方向とされている。そのため、第１の有機半導体層４１にて層に平行な結晶軸に沿ってクラックが発生する応力が加わったとしても、第２の有機半導体層４２が第１の有機半導体層４１におけるクラック発生を抑制する役目を果たす。

このようなことから、本実施形態によれば、有機半導体層４０に入るクラックを抑制し、保護膜７０で用いる溶剤に対して高い耐性を実現することができる。そして、このような効果を奏するためには、上述のように、第１の有機半導体層４１におけるｃ軸４１ａと第２の有機半導体層４２におけるｃ軸４２ａとのなす角度θが、３０°以上６０°以下が好ましい。

また、本実施形態では、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とが同一の有機半導体材料から成る。同一材料であれば熱膨張係数が同じであるため、熱プロセスにおいて、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２との間で熱応力差が発生することなく、クラックの抑制の点で好ましい。

また、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２との互いの膜厚は、たとえば同程度とするが、これに限定するものではなく、多少相違した膜厚であってもよい。また、有機トランジスタをＥＬ素子の駆動回路に適用する場合には、第１の有機半導体層４１の膜厚は６ｎｍ以上１１ｎｍ以下であることが望ましい。この根拠について図３、図４を参照して述べる。

図３では、上記図１に示される有機トランジスタの構成において、第２の有機半導体層４２を形成せずに、有機半導体層４０を第１の有機半導体層４１の１層のみとしたサンプルを用い、第１の有機半導体層４１の膜厚（単位：ｎｍ）と初期移動度（単位：ｃｍ^２／Ｖｓ）との関係を調べた。

また、図４では、同サンプルを用い、第１の有機半導体層４１の膜厚を変えていき、加熱前後における移動度を調べた。そして、当該膜厚（単位：ｎｍ）と加熱後の移動度変化率（単位：％）との関係を調べた。

なお、この変化率が１００％のとき、変化なしを意味し、１００％に近いほど変化が少なく好ましい。ここで、加熱温度は、有機トランジスタをＥＬ素子の駆動回路に用いる場合に、有機トランジスタ上に形成されるＥＬ素子の製造に要する温度、たとえば２００℃前後とした。

上記したＥＬ素子の駆動回路に有機トランジスタを適用する場合、初期移動度は、おおよそ７．５ｃｍ^２／Ｖｓ以上、加熱後の移動度変化率は６０％以上が望ましい。この点で、図３によれば、第１の有機半導体層４１の膜厚を１１ｎｍ以下とすることでクラックを抑制し、移動度の向上につながることが、実験的にわかった。

また、第１の有機半導体層４１の膜厚が１１ｎｍ以下であっても、図４に示されるように、当該膜厚が６ｎｍ以下であると、加熱による移動度の低下の問題がある。これらのことから、第１の有機半導体層４１の膜厚は、６ｎｍ以上１１ｎｍ以下とすることが望ましい。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ゲート絶縁膜３０の上に有機半導体層４０を塗布成膜したのち、その上にソース電極５０およびドレイン電極６０を形成した構造としていた。そのため、ソース電極５０およびドレイン電極６０は第２の有機半導体層４２に接触していた。

しかし、有機トランジスタとしては、ゲート絶縁膜３０の上にソース電極５０およびドレイン電極６０を形成した後、有機半導体層４０を塗布成膜した構造することで、ソース電極５０およびドレイン電極６０は第１の有機半導体層４１に接触したものであってもよい。つまり、上記実施形態において、有機半導体層４０とソース電極５０およびドレイン電極６０との上下関係を入れ替えた構造としてもよい。

また、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とは、互いに、層に平行な結晶軸方位が異なる方向の配置関係を有するものであればよく、第１の有機半導体層４１と第２の有機半導体層４２とは、互いに異なる有機半導体材料よりなるものであってもよい。

また、第１の有機半導体層４１における層に平行な結晶軸、第２の有機半導体層４２における層に平行な結晶軸は、層に平行な結晶軸であれば、上記のｃ軸に限定するものではない。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 基板
２０ ゲート電極
３０ ゲート絶縁膜
４０ 有機半導体層
４１ 第１の有機半導体層
４２ 第２の有機半導体層
５０ ソース電極
６０ ドレイン電極
７０ 保護膜

Claims (4)

1. 基板（１０）と、
   前記基板の上に形成されたゲート電極（２０）と、
   前記基板の上において前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜（３０）と、
   前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介して、互いに離間して配置されたソース電極（５０）およびドレイン電極（６０）と、
   前記ゲート絶縁膜の表面上において、少なくとも前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を繋ぐように形成された有機半導体層（４０）と、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極および前記有機半導体層を覆う樹脂よりなる保護膜（７０）と、を備え、
   前記有機半導体層は、前記ゲート絶縁膜側に位置する第１の有機半導体層（４１）と、前記第１の有機半導体層の上に積層されて前記保護膜に接触する第２の有機半導体層（４２）とを備える２層構造を有するものであり、
   前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とでは、有機半導体における層に平行な結晶軸方位が互いに異なる方向とされている有機トランジスタ。
2. 前記有機半導体における層に平行な結晶軸方位はｃ軸方向であり、
   前記第１の有機半導体層におけるｃ軸方向と前記第２の有機半導体層におけるｃ軸方向との成す角度θが、３０°以上６０°以下である請求項１に記載の有機トランジスタ。
3. 前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは、同一の有機半導体材料よりなる請求項１または２に記載の有機トランジスタ。
4. 前記第１の有機半導体層の膜厚は、６ｎｍ以上１１ｎｍ以下である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の有機トランジスタ。

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