JP2019117884A - Laminate structure and manufacturing method thereof - Google Patents

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さおり 上田
Saori Ueda
さおり 上田
貴 福田
Takashi Fukuda
貴 福田
廷輝 李
Junghwi LEE
廷輝 李
慎也 奥
Shinya OKU
慎也 奥
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Abstract

To provide a laminate structure improved in bias stress resistance, a manufacturing method thereof, and an organic transistor employing the same.SOLUTION: The present invention relates to a laminate structure of an organic semiconductor layer, a solvent soluble polymer layer and a solvent resistant lower layer and interface energy between the solvent soluble polymer layer and the solvent resistant lower layer is 3 mJ/mor less, thereby reducing roughness of an interface between the organic semiconductor layer and the solvent soluble polymer layer. When the interface energy between the solvent soluble polymer layer and the solvent resistant lower layer is 3 mJ/m2 or less, the solvent soluble polymer layer is wet-spread over the solvent resistant lower layer and surface roughness of the solvent soluble polymer layer is reduced, thereby smoothing the interface between the organic semiconductor layer and the solvent soluble polymer layer. The organic semiconductor layer is smooth, thereby forming an excellent organic semiconductor/gate insulation film interface of a reduced charge trap. Thus, an organic transistor configured by employing the laminate structure is improved in bias stress resistance.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、有機半導体層および有機薄膜トランジスタに関するものであり、特に印刷法に適用可能な塗工性に優れた低分子有機半導体材料を含む有機半導体層、これを用いて形成した有機薄膜トランジスタに関するものである。   The present invention relates to an organic semiconductor layer and an organic thin film transistor, and more particularly to an organic semiconductor layer containing a low molecular weight organic semiconductor material excellent in coatability applicable to a printing method, and an organic thin film transistor formed using the same. is there.

有機薄膜トランジスタに代表される有機半導体デバイスは、省エネルギー、低コストおよびフレキシブルといった無機半導体デバイスにはない特徴を有することから近年注目されている。この有機半導体デバイスは、有機半導体層、基板、絶縁層、電極等の数種類の材料から構成され、有機半導体デバイスの電気特性(キャリア移動度、オン電流及びオン・オフ比、閾値電圧、電流ヒステリシス等)および信頼性(耐熱性、バイアスストレス耐性等)は、デバイスを構成する材料の特性により左右されることから、高い電気特性および高い信頼性を与える材料ならびに製造方法の開発が所望されている。   BACKGROUND ART Organic semiconductor devices represented by organic thin film transistors are attracting attention in recent years because they have features not found in inorganic semiconductor devices, such as energy saving, low cost and flexibility. This organic semiconductor device is composed of several kinds of materials such as an organic semiconductor layer, a substrate, an insulating layer, an electrode, etc., and the electrical characteristics (carrier mobility, on current and on / off ratio, threshold voltage, current hysteresis, etc.) of the organic semiconductor device And reliability (heat resistance, bias stress resistance, etc.) depend on the properties of the material constituting the device, it is desirable to develop materials and manufacturing methods that provide high electrical properties and high reliability.

中でも電荷のキャリア移動を担う有機半導体層は該デバイスの中心的な役割を有している。有機半導体層を作製する方法としては、高温真空下、有機半導体材料を気化させて実施する真空蒸着法、有機半導体材料を適当な溶媒に溶解させその溶液を塗布する塗布法等の方法が一般的に知られている。塗布は高温高真空条件を用いることなく印刷技術を用いても実施することができるため、経済的に好ましいプロセスと考えられており、塗工性が高く、キャリア移動度に優れた塗布型有機半導体層が望まれている。   Among them, the organic semiconductor layer responsible for charge carrier movement plays a central role in the device. As a method of producing the organic semiconductor layer, a general method such as a vacuum evaporation method which is carried out by evaporating the organic semiconductor material under high temperature vacuum, a coating method of dissolving the organic semiconductor material in a suitable solvent and coating the solution It is known to. Coating can be carried out using printing technology without using high temperature and high vacuum conditions, so it is considered to be an economically preferable process, and is a coating type organic semiconductor with high coatability and excellent carrier mobility. Layers are desired.

一般的に印刷技術を用いて塗布型有機半導体層を形成するには溶液の成膜性を改善する必要があり、有機半導体材料にポリマーバインダーを添加した溶液を用いる方法が知られている。   Generally, in order to form a coating type organic semiconductor layer using printing technology, it is necessary to improve the film formability of the solution, and a method using a solution in which a polymer binder is added to an organic semiconductor material is known.

例えば、ポリスチレン等のポリマーバインダーと高分子半導体等の有機半導体とを含む溶液を用いて形成した有機半導体層を用いてなる有機薄膜トランジスタが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、ポリマーバインダーを用いることにより良好な性能特性を有するトランジスタを生産できることが開示されている。好ましいポリマーバインダーは低誘電率の材料であり、共役結合、特に二重結合及び/または芳香環を含有していることが好ましいと記載されている。また、材料の誘電率は、周波数への依存度が小さいことが望ましく、これは無極性材料の特徴であると記載されている。さらに、低誘電率(低極性)ポリマーバインダーとしては、スチレン、αメチルスチレン、ブタジエンのコポリマーが好適に用いることができると記載されている。   For example, an organic thin film transistor formed using an organic semiconductor layer formed using a solution containing a polymer binder such as polystyrene and an organic semiconductor such as a polymer semiconductor has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses that a transistor having good performance characteristics can be produced by using a polymer binder. Preferred polymeric binders are low dielectric constant materials and are stated to preferably contain conjugated bonds, in particular double bonds and / or aromatic rings. It is also desirable that the dielectric constant of the material be less dependent on frequency, which is said to be a feature of non-polar materials. Furthermore, as a low dielectric constant (low polarity) polymer binder, it is described that a copolymer of styrene, α-methylstyrene and butadiene can be suitably used.

また、有機半導体材料にポリスチレン等のポリマーバインダーを添加した溶液を用いる別の方法として、特定のポリアセン化合物とポリマーバインダー(有機結合剤樹脂)を含む溶液を用いて有機半導体層を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2では、該方法を用いることで、有機半導体層を基板上の広い領域に均一に被覆でき、OFET(有機電界効果トランジスタ)の移動度及び均一性が改善されるとされている。好ましいポリマーバインダーは低い誘電率の材料であり、高い誘電率のポリマーバインダーは、移動度の減少、望ましくない電流ヒステリシスの増加をもたらすことが示されている。また、好ましいポリマーバインダーとしてはスチレン、αメチルスチレン、ブタジエンのコポリマーであると記載されている。しかしながら、特許文献1および特許文献2で得られる有機トランジスタは、バイアスストレス耐性等のデバイスの信頼性に課題があった。   Also, as another method using a solution obtained by adding a polymer binder such as polystyrene to an organic semiconductor material, a method of forming an organic semiconductor layer using a solution containing a specific polyacene compound and a polymer binder (organic binder resin) is proposed. (See, for example, Patent Document 2). According to Patent Document 2, by using the method, the organic semiconductor layer can be uniformly coated on a wide region on the substrate, and mobility and uniformity of the OFET (organic field effect transistor) are improved. Preferred polymeric binders are low dielectric constant materials, and high dielectric constant polymeric binders have been shown to result in reduced mobility, an undesirable increase in current hysteresis. Also, preferred polymer binders are described as copolymers of styrene, alpha methyl styrene and butadiene. However, the organic transistors obtained in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem in device reliability such as bias stress resistance.

WO2002−045184号公報WO 2002-045184 WO2005−055248号公報WO 2005-055248

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、バイアスストレス耐性に優れた有機トランジスタの作製に好適な積層構造体およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a laminated structure suitable for manufacturing an organic transistor excellent in bias stress resistance and a method for manufacturing the same.

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討の結果、特定の構造の積層構造体が上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   MEANS TO SOLVE THE PROBLEM As a result of earnest examination, in order to solve the said subject, the present inventors discover that the laminated structure of a specific structure can solve the said subject, and came to complete this invention.

即ち、本発明は、
有機半導体層と、溶剤溶解性ポリマー層と、耐溶剤性下層との積層構造体であり、該溶剤溶解性ポリマー層と該耐溶剤性下層との界面エネルギーが3mJ/m以下である積層構造体に関するものである。
That is, the present invention
A laminate structure of an organic semiconductor layer, a solvent-soluble polymer layer, and a solvent-resistant lower layer, wherein the interface energy between the solvent-soluble polymer layer and the solvent-resistant lower layer is 3 mJ / m 2 or less It is about the body.

以下に、本発明をより詳細に説明する。   The invention will be described in more detail below.

本発明の積層構造体は、有機トランジスタのチャネル領域に存在している。ここで、チャネル領域とは、ソース電極からドレイン電極の間の領域で、かつ、垂直方向にゲート電極と重複している領域である。   The laminated structure of the present invention is present in the channel region of the organic transistor. Here, the channel region is a region between the source electrode and the drain electrode, and a region overlapping with the gate electrode in the vertical direction.

本発明の積層構造体は、有機半導体層と、溶剤溶解性ポリマー層と、耐溶剤性下層との積層構造体であることを特徴とする。ここで、本発明において、「溶剤溶解性ポリマー」とは、有機半導体層を形成する段階で、用いる有機半導体の溶媒に対して1重量%以上が溶解するポリマーを示し、「耐溶剤性下層」とは、有機半導体層を形成する段階で該溶媒に溶解しない層を示す。また、「有機半導体層」、「溶剤溶解性ポリマー層」、および「耐溶剤性下層」は、それぞれ有機半導体、溶剤溶解性ポリマー、および耐溶剤性を有する層であることを示す。   The laminated structure of the present invention is characterized in that it is a laminated structure of an organic semiconductor layer, a solvent-soluble polymer layer, and a solvent resistant lower layer. Here, in the present invention, “solvent-soluble polymer” refers to a polymer in which 1% by weight or more dissolves in the solvent of the organic semiconductor to be used at the stage of forming the organic semiconductor layer, “solvent resistant lower layer” The term indicates a layer which does not dissolve in the solvent at the stage of forming the organic semiconductor layer. The “organic semiconductor layer”, “solvent-soluble polymer layer”, and “solvent-resistant lower layer” indicate that the layer has an organic semiconductor, a solvent-soluble polymer, and solvent resistance, respectively.

本発明の積層構造体は、有機半導体層と耐溶剤性下層とが、溶剤溶解性ポリマー層を介して接することで、積層構造を有することを特徴とする。また、本発明の積層構造体は、該溶剤溶解性ポリマー層と該耐溶剤性下層との界面エネルギーが3mJ/m以下であることで、有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層との界面の粗さが小さいことを特徴とする。ここで、該溶剤溶解性ポリマー層と該耐溶剤性下層との界面エネルギーが3mJ/m以下であるとき、該耐溶剤性下層上に溶剤溶解性ポリマー層が濡れ拡がり、溶剤溶解性ポリマー層の表面粗さが小さくなることで、有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層との界面の平滑化が可能となるものである。そして、有機半導体層が平滑であるため、電荷トラップの少ない良好な有機半導体/ゲート絶縁膜界面が形成され、本発明の積層構造体を用いてなる有機トランジスタは、バイアスストレス耐性に優れたものになるものである。溶剤溶解性ポリマー層と耐溶剤性下層との界面エネルギーは、2mJ/m以下であることが好ましく、1mJ/m以下であることがさらに好ましい。 The laminated structure of the present invention is characterized in that the organic semiconductor layer and the solvent resistant lower layer have a laminated structure by being in contact with each other via the solvent-soluble polymer layer. In the laminated structure of the present invention, the interface energy between the solvent-soluble polymer layer and the solvent-resistant lower layer is 3 mJ / m 2 or less, so that the interface between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer is It is characterized in that the roughness is small. Here, when the interfacial energy between the solvent-soluble polymer layer and the solvent-resistant lower layer is 3 mJ / m 2 or less, the solvent-soluble polymer layer is wet and spread on the solvent-resistant lower layer, and the solvent-soluble polymer layer By reducing the surface roughness of the above, the interface between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer can be smoothed. Then, since the organic semiconductor layer is smooth, a good organic semiconductor / gate insulating film interface with few charge traps is formed, and the organic transistor using the laminated structure of the present invention has excellent bias stress resistance. It will be Interfacial energy between the solvent soluble polymer layer and the solvent resistance underlayer is preferably at 2 mJ / m 2 or less, and more preferably 1 mJ / m 2 or less.

溶剤溶解性ポリマー層と耐溶剤性下層との界面エネルギー(γSL)は、下記計算式(1)から求めることができる。 The interface energy (γ SL ) between the solvent-soluble polymer layer and the solvent-resistant lower layer can be determined from the following formula (1).

γSL=γ+γ−2(γ γ 1/2−2(γ γ 1/2 (1)
(式中、γは耐溶剤性下層の表面エネルギー、γは溶剤溶解性ポリマーの表面エネルギー、γ は耐溶剤性下層の表面エネルギーの分散項、γ は耐溶剤性下層の表面エネルギーの極性項、γ は溶剤溶解性ポリマーの表面エネルギーの分散項、γ は溶剤溶解性ポリマーの表面エネルギーの極性項を示す。)
ここで、本発明の耐溶剤性下層は有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層の積層構造体の下層であり、該溶剤溶解性ポリマーを製膜する表面を示す。有機トランジスタの場合、素子構造によっては、耐溶剤性下層はゲート絶縁層であってもよい。
γ SL = γ S + γ L −2 (γ S d γ L d ) 1/2 −2 (γ S p γ L p ) 1/2 (1)
(Wherein, γ S is the surface energy of the solvent resistant lower layer, γ L is the surface energy of the solvent soluble polymer, γ S d is the dispersion term of the solvent resistant lower layer surface energy, and γ S p is the solvent resistant lower layer Polar term of surface energy, γ L d is dispersion term of surface energy of solvent-soluble polymer, and γ L p shows polar term of surface energy of solvent-soluble polymer.)
Here, the solvent-resistant lower layer of the present invention is a lower layer of a laminated structure of an organic semiconductor layer and a solvent-soluble polymer layer, and indicates a surface on which the solvent-soluble polymer is formed. In the case of the organic transistor, depending on the device structure, the solvent resistant lower layer may be a gate insulating layer.

本発明で用いられる有機半導体は、半導体特性を有するものであれば特に制限はなく、低分子半導体、高分子半導体のいずれも使用することができる。   The organic semiconductor used in the present invention is not particularly limited as long as it has semiconductor characteristics, and either a low molecular semiconductor or a high molecular semiconductor can be used.

本発明では、有機半導体が低分子半導体の場合、例えば、下記一般式(2)で示される化合物が挙げられる。   In the present invention, when the organic semiconductor is a low molecular semiconductor, for example, a compound represented by the following general formula (2) can be mentioned.

Figure 2019117884
Figure 2019117884

(ここで、環構造Ar及びArは、それぞれ独立してチオフェン環、チアゾール環、又はベンゼン環を示し、環構造Ar及びArは、それぞれ独立してチオフェン環、ベンゼン環、又はシクロブテン環を示し、環構造Arはベンゼン環、チオフェン環、又はシクロブテン環を示す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数4〜20のアリール基、炭素数2〜20のアルケニル基、又は炭素数2〜20のアルキニル基を示し、RおよびRは、それぞれ独立して、水素原子、トリアルキルシリルエチニル基、炭素数1〜20のアルキル基、又は炭素数1〜20のアルコキシ基を示す。mは1又は2の整数、nは0〜2の整数、oは0又は1の整数を示す。但し、環構造Arがチオフェン環又はシクロブテン環の場合、oは0である。)
該有機半導体の環構造Ar及びArは、それぞれ独立してチオフェン環、チアゾール環、又はベンゼン環を示し、高移動度のためチオフェン環、チアゾール環が好ましい。
(Here, ring structures Ar 1 and Ar 5 each independently represent a thiophene ring, a thiazole ring, or a benzene ring, and ring structures Ar 2 and Ar 4 each independently represent a thiophene ring, a benzene ring, or cyclobutene And a ring structure Ar 3 represents a benzene ring, a thiophene ring, or a cyclobutene ring, R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a carbon number 4-20 aryl group, alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, or alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, and R 5 and R 6 each independently represent a hydrogen atom, trialkylsilylethynyl group, carbon The alkyl group is an alkyl group of 1 to 20 or an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, m is an integer of 1 or 2, n is an integer of 0 to 2, and o is an integer of 0 or 1. If the structure Ar 3 is thiophene ring or a cyclobutene ring, o is zero.)
The ring structures Ar 1 and Ar 5 of the organic semiconductor each independently represent a thiophene ring, a thiazole ring or a benzene ring, and a thiophene ring and a thiazole ring are preferable because of high mobility.

環構造Ar及びArは、それぞれ独立してチオフェン環、ベンゼン環、又はシクロブテン環を示し、高い耐酸化性のため、チオフェン環が好ましい。 The ring structures Ar 2 and Ar 4 each independently represent a thiophene ring, a benzene ring, or a cyclobutene ring, and a thiophene ring is preferable because of high oxidation resistance.

環構造Arはベンゼン環、チオフェン環、又はシクロブテン環を示し、高い耐熱性のためベンゼン環が好ましい。 The ring structure Ar 3 represents a benzene ring, a thiophene ring or a cyclobutene ring, and a benzene ring is preferable because of high heat resistance.

及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数4〜20のアリール基、炭素数2〜20のアルケニル基、又は炭素数2〜20のアルキニル基を示し、溶解性の観点から炭素数1〜20のアルキル基であることが好ましい。 Each of R 3 and R 4 independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 4 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, or 20 is an alkynyl group, preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms from the viewpoint of solubility.

及びRにおける炭素数1〜20のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−テトラデシル基、n−オクタデシル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘプチル基、3−エチルデシル、2−ヘキシルデシル基等の直鎖又は分岐アルキル基が挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すことから、炭素数3〜12のアルキル基が好ましく、n−プロピル、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基がさらに好ましい。 The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in R 3 and R 4 is, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, isohexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, n-tetradecyl group, n-octadecyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylheptyl group, 3-ethyldecyl, A linear or branched alkyl group such as 2-hexyldecyl group may be mentioned. And since it shows high mobility and high solubility especially among them, a C3-C12 alkyl group is preferable, and n-propyl, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl Groups, n-octyl groups, n-nonyl groups and n-decyl groups are more preferred.

及びRにおける炭素数4〜20のアリール基は、例えば、フェニル基、p−トリル基、p−(n−ヘキシル)フェニル基、p−(n−オクチル)フェニル基、p−(2−エチルヘキシル)フェニル基等のアルキル置換フェニル基;2−フリル基;2−チエニル基;5−フルオロ−2−フリル基、5−メチル−2−フリル基、5−エチル−2−フリル基、5−(n−プロピル)−2−フリル基、5−(n−ブチル)−2−フリル基、5−(n−ペンチル)−2−フリル基、5−(n−ヘキシル)−2−フリル基、5−(n−オクチル)−2−フリル基、5−(2−エチルヘキシル)−2−フリル基、5−フルオロ−2−チエニル基、5−メチル−2−チエニル基、5−エチル−2−チエニル基、5−(n−プロピル)−2−チエニル基、5−(n−ブチル)−2−チエニル基、5−(n−ペンチル)−2−チエニル基、5−(n−ヘキシル)−2−チエニル基、5−(n−オクチル)−2−チエニル基、5−(2−エチルヘキシル)−2−チエニル基等のアルキル置換カルコゲノフェン基を挙げることができる。 The aryl group having 4 to 20 carbon atoms for R 3 and R 4 is, for example, phenyl group, p-tolyl group, p- (n-hexyl) phenyl group, p- (n-octyl) phenyl group, p- (2) Alkyl substituted phenyl group such as -ethylhexyl) phenyl group; 2-furyl group; 2-thienyl group; 5-fluoro-2-furyl group, 5-methyl-2-furyl group, 5-ethyl-2-furyl group, 5 -(N-propyl) -2-furyl group, 5- (n-butyl) -2-furyl group, 5- (n-pentyl) -2-furyl group, 5- (n-hexyl) -2-furyl group , 5- (n-octyl) -2-furyl group, 5- (2-ethylhexyl) -2-furyl group, 5-fluoro-2-thienyl group, 5-methyl-2-thienyl group, 5-ethyl-2 -Thienyl group, 5- (n-propyl) -2-thienyl group 5- (n-butyl) -2-thienyl group, 5- (n-pentyl) -2-thienyl group, 5- (n-hexyl) -2-thienyl group, 5- (n-octyl) -2-thienyl group And alkyl substituted chalcogenophene groups such as 5- (2-ethylhexyl) -2-thienyl group and the like.

及びRにおける炭素数2〜20のアルケニル基は、例えば、エテニル基、n−プロペニル基、n−ブテニル基、n−ペンテニル基、n−ヘキセニル基、n−ヘプテニル基、n−オクテニル基、n−ノネル基、n−デセニル基、n−ドデセニル基等が挙げられる。 The alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms in R 3 and R 4 is, for example, ethenyl group, n-propenyl group, n-butenyl group, n-pentenyl group, n-hexenyl group, n-heptenyl group, n-octenyl group , N-nonel group, n-decenyl group, n-dodecenyl group and the like.

及びRにおける炭素数2〜20のアルキニル基は、例えば、エチニル基、n−プロピニル基、n−ブチニル基、n−ペンチニル基、n−ヘキシニル基、n−ヘプチニル基、n−オクチニル基、n−ノニニル基、n−デシニル基、n−ドデシニル基等が挙げられる。 The alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms as R 3 and R 4 is, for example, ethynyl group, n-propynyl group, n-butynyl group, n-pentynyl group, n-hexynyl group, n-heptynyl group, n-octynyl group , N-nonynyl group, n-decynyl group, n-dodecynyl group and the like.

及びRは、それぞれ独立して水素原子、トリアルキルシリルエチニル基、炭素数1〜20のアルキル基又は炭素数1〜20のアルコキシ基を示し、高移動度のため水素原子であることが好ましい。 R 5 and R 6 each independently represent a hydrogen atom, a trialkylsilylethynyl group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and is a hydrogen atom because of high mobility Is preferred.

及びRにおけるトリアルキルシリルエチニル基は、例えば、トリメチルシリルエチニル基、トリエチルシリルエチニル基、トリイソプロピルシリルエチニル基等が挙げられる。 Trialkylsilylethynyl group in R 5 and R 6, for example, trimethylsilyl ethynyl group, triethylsilyl ethynyl, triisopropylsilylethynyl group, and the like.

及びRにおける炭素数1〜20のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−テトラデシル基、n−オクタデシル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘプチル基、3−エチルデシル、2−ヘキシルデシル基等の直鎖又は分岐アルキル基が挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すことから、炭素数1〜8のアルキル基が好ましく、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基がさらに好ましい。 The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms for R 5 and R 6 is, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, isohexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, n-tetradecyl group, n-octadecyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylheptyl group, 3-ethyldecyl, A linear or branched alkyl group such as 2-hexyldecyl group may be mentioned. Among them, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms is preferable because of its high mobility and high solubility, and a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an n-pentyl group, n -Hexyl group, n-heptyl group and n-octyl group are more preferable.

及びRにおける炭素数1〜20のアルコキシ基は、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、n−ペンチロキシ基、n−ヘキシリキシ基、イソヘキシロキシ基、n−ヘプチロキシ基、n−オクチロオキシ基、n−ノニロキシ基、n−デシロキシ基、n−ドデシロキシ基、n−テトラデシロキシ基、2−エチルヘキシロキシ基、3−エチルヘプチロキシ基、2−ヘキシルデシロキシ基等の直鎖又は分岐アルキル基が挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すことから、炭素数1〜8のアルコキシ基が好ましく、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、n−ペンチロキシ基、n−ヘキシロキシ基、イソヘキシロキシ基、n−ヘプチロキシ基、n−オクチロキシ基がさらに好ましい。 The alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms for R 5 and R 6 is, for example, a methoxy group, an ethoxy group, an n-propoxy group, an n-butoxy group, an isobutoxy group, an n-pentyloxy group, an n-hexyloxy group, an isohexyloxy group, n-heptyloxy, n-octyloxy, n-nonyloxy, n-decyloxy, n-dodecyloxy, n-tetradecyloxy, 2-ethylhexyloxy, 3-ethylheptyloxy, 2-hexyl A linear or branched alkyl group such as a desiloxy group may be mentioned. And since it shows high mobility and high solubility especially, a C1-C8 alkoxy group is preferable, and a methoxy group, an ethoxy group, n-propoxy group, n-butoxy group, isobutoxy group, n-pentyloxy group is preferable. Further preferred are an n-hexyloxy group, an isohexyloxy group, an n-heptyloxy group and an n-octyloxy group.

mは1又は2の整数であるが、高溶解性のため、1であることが好ましい。   m is an integer of 1 or 2, but is preferably 1 because of high solubility.

nは0〜2の整数を示し、πスタッキングが強固なため、1であることが好ましい。   n is an integer of 0 to 2 and is preferably 1 because π stacking is strong.

oは0又は1の整数を示し、高い耐熱性のため、0であることが好ましい。なお、環構造Arがチオフェン環又はシクロブテン環の場合、oは0である。 o represents an integer of 0 or 1, and is preferably 0 because of high heat resistance. When the ring structure Ar 3 is a thiophene ring or a cyclobutene ring, o is 0.

本発明で用いられる有機半導体は高融点のため、5個以上の縮合環数を持つ構造が好ましい。   Since the organic semiconductor used in the present invention has a high melting point, a structure having a condensed ring number of 5 or more is preferable.

本発明で用いられる有機半導体は、対称性が高く高移動度となるため、下記一般式(3)で示される化合物であることがさらに好ましい。   The organic semiconductor used in the present invention is more preferably a compound represented by the following general formula (3) because of its high symmetry and high mobility.

Figure 2019117884
Figure 2019117884

(ここで、Xは硫黄又はCH=CHを示し、YはCH又は窒素を示す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数4〜20のアリール基、炭素数2〜20のアルケニル基、又は炭素数2〜20のアルキニル基を示し、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、又はトリアルキルシリルエチニル基を示す。mは1又は2の整数、nは0〜2の整数を示す。但し、XがCH=CHの場合、YはCHを示す。)
さらに本発明で用いられる有機半導体は、高溶解性であることから、下記一般式(4)で示される化合物であることが特に好ましい。
(Here, X represents sulfur or CHCHCH and Y represents CH or nitrogen. R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, carbon R 4 to C 20 aryl groups, C 2 to C 20 alkenyl groups, or C 2 to C 20 alkynyl groups are shown, and R 5 and R 6 each independently represent a hydrogen atom or C 1 to 20 carbon atoms And R represents an alkyl group, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or a trialkylsilylethynyl group, m represents an integer of 1 or 2, and n represents an integer of 0 to 2, provided that when X is CH = CH, Y represents Y. Indicates CH.)
Furthermore, the organic semiconductor used in the present invention is particularly preferably a compound represented by the following general formula (4) because of its high solubility.

Figure 2019117884
Figure 2019117884

(ここで、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数4〜20のアリール基、炭素数2〜20のアルケニル基、又は炭素数2〜20のアルキニル基を示す。)
本発明で用いられる有機半導体の具体的例示としては、以下の構造のものを挙げることができる。
(Here, R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 4 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, or C2-20 alkynyl group is shown.)
As a specific example of the organic semiconductor used in the present invention, one having the following structure can be mentioned.

Figure 2019117884
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Figure 2019117884
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Figure 2019117884
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Figure 2019117884
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本発明では、有機半導体が高分子半導体の場合、該高分子半導体としては、例えば、下記(A)〜(I)で示される構造の繰り返し単位のいずれかを含む高分子半導体が挙げられる。   In the present invention, when the organic semiconductor is a polymer semiconductor, examples of the polymer semiconductor include polymer semiconductors containing any of the repeating units of the structures shown in the following (A) to (I).

Figure 2019117884
Figure 2019117884

(ここで、置換基R〜R30は、それぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1〜20のアルキル基を示し、lは1〜4の整数を示す。)
〜R30は、それぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1〜20のアルキル基を示す。
(Here, substituents R 7 to R 30 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and 1 represents an integer of 1 to 4).
R 7 to R 30 are respectively independently a hydrogen atom, or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.

〜R30における炭素数1〜20のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−テトラデシル基、n−オクタデシル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘプチル基、3−エチルデシル基、2−ヘキシルデシル基等の直鎖又は分岐アルキル基が挙げられる。 The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in R 7 to R 30 is, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, isohexyl group, n-Heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, n-tetradecyl group, n-octadecyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylheptyl group, 3-ethyldecyl group And linear or branched alkyl groups such as 2-hexyldecyl group.

lは1〜4の整数である。   l is an integer of 1 to 4;

該高分子半導体の分子量は、高分子半導体とポリマーが分離しやすく高移動度となることから、2,000〜1,000,000であることが好ましく、10,000〜1,000,000がさらに好ましく、20,000〜500,000が特に好ましい。ここで、該高分子半導体の分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)をいうものである。   The molecular weight of the polymer semiconductor is preferably 2,000 to 1,000,000, and 10,000 to 1,000,000, since the polymer semiconductor and the polymer are easily separated and have high mobility. More preferably, 20,000 to 500,000 are particularly preferred. Here, the molecular weight of the polymer semiconductor refers to the weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene.

本発明で使用される高分子半導体は高キャリア移動度の有機トランジスタが得られるため、(A)の構造を持つものがさらに好ましい。   The polymer semiconductor used in the present invention is more preferably one having the structure of (A) because an organic transistor with high carrier mobility can be obtained.

有機半導体層の厚みについては特に制限はなく、例えば、1nm〜1,000nmが挙げられ、膜厚の制御のし易さのため、5nm〜300nmが好ましく、10nm〜100nmがさらに好ましい。   There is no restriction | limiting in particular about the thickness of an organic-semiconductor layer, For example, 1 nm-1,000 nm are mentioned, 5 nm-300 nm are preferable, and 10 nm-100 nm are more preferable from the ease of control of a film thickness.

本発明で用いられる溶剤溶解性ポリマーは、ポリマーバインダーとして機能し、溶剤溶解性ポリマー層として用いられるときの耐溶剤性下層との界面エネルギーが3.0mJ/m以下である限り特に制限はなく、例えば、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリ(4−メチルスチレン)、ポリ(1−ビニルナフタレン)、ポリ(2−ビニルナフタレン)、ポリ(スチレン−ブロック−ブタジエン−ブロック−スチレン)、ポリ(スチレン−ブロック−イソプレン−ブロック−スチレン)、ポリ(ビニルトルエン)、ポリ(スチレン−コ−2,4−ジメチルスチレン)、ポリ(クロロスチレン)、ポリ(スチレン−コ−α−メチルスチレン)、ポリ(スチレン−コ−ブタジエン)、ポリ(エチレン−コ−ノルボルネン)、ポリカルバゾール、ポリトリアリールアミン、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−コ−ジメチルトリアリールアミン)、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸n−プロピル、ポリメタクリル酸イソプロピル、ポリメタクリル酸n−ブチル、ポリメタクリル酸フェニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸n−プロピル、極性環状ポリオレフィン類、ポリスルホン類、アクリロニトリル−スチレン共重合体、メチルメタクリレート−スチレン共重合体類等を挙げることができる。なお、本発明で用いられる溶剤溶解性ポリマーは、1種類の溶剤溶解性ポリマーを単独で使用、または2種類以上の溶剤溶解性ポリマーの混合物として使用することが可能である。更に、異なる分子量の溶剤溶解性ポリマーを混合して使用することも可能である。 The solvent-soluble polymer used in the present invention functions as a polymer binder and is not particularly limited as long as the interfacial energy with the solvent resistant lower layer when used as a solvent-soluble polymer layer is 3.0 mJ / m 2 or less. For example, polystyrene, poly (α-methylstyrene), poly (4-methylstyrene), poly (1-vinylnaphthalene), poly (2-vinylnaphthalene), poly (styrene-block-butadiene-block-styrene), Poly (styrene-block-isoprene-block-styrene), poly (vinyltoluene), poly (styrene-co-2,4-dimethylstyrene), poly (chlorostyrene), poly (styrene-co-α-methylstyrene) , Poly (styrene-co-butadiene), poly (ethylene-co-norbornene), polycarba , Poly (triarylamine), poly (9,9-dioctylfluorene-co-dimethyltriarylamine), poly (N-vinylcarbazole), poly (methyl methacrylate), poly (ethyl methacrylate), n-propyl poly (methacrylate), Polyisopropyl methacrylate, n-butyl polymethacrylate, phenyl polymethacrylate, methyl polyacrylate, ethyl polyacrylate, n-propyl polyacrylate, polar cyclic polyolefins, polysulfones, acrylonitrile-styrene copolymer, methyl Methacrylate-styrene copolymers etc. can be mentioned. As the solvent-soluble polymer used in the present invention, it is possible to use one type of solvent-soluble polymer alone or as a mixture of two or more types of solvent-soluble polymers. Furthermore, it is also possible to mix and use solvent soluble polymers of different molecular weights.

本発明では、有機半導体を用いた電子デバイス製造時のプロセス温度への対応により好適であることから(製造時のプロセス加熱によって有機トランジスタ性能が低下しない)、溶剤溶解性ポリマーのガラス転移温度(Tg)が105℃以上であることが好ましく、該溶剤溶解性ポリマーとしては、例えば、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリ(ビスフェノールAカーボネート(PC)、 ポリフェニレンオキシド(PPO)、極性環状ポリオレフィン類を挙げることができるが、これらに限定するものではない。   In the present invention, the glass transition temperature (Tg) of the solvent-soluble polymer is preferred because it is more suitable to cope with the process temperature at the time of manufacturing an electronic device using an organic semiconductor (the performance of the organic transistor is not reduced by the process heating at the time of manufacturing). Is preferably 105 ° C. or higher, and examples of the solvent-soluble polymer include poly (α-methylstyrene), poly (bisphenol A carbonate (PC), polyphenylene oxide (PPO) and polar cyclic polyolefins. But can not be limited to these.

本発明で用いられる溶剤溶解性ポリマーは、表面処理剤により表面エネルギーを調整したものを用いることができる。表面処理剤としては、シランカップリング剤を用いることができ、その具体例としては、例えば、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン、フェニルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、β−フェネチルトリクロロシラン、β−フェネチルトリメトキシシラン等を挙げることができる。   As the solvent-soluble polymer used in the present invention, one having its surface energy adjusted by a surface treatment agent can be used. As a surface treatment agent, a silane coupling agent can be used, and as a specific example thereof, for example, 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane, phenyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, (beta) -phenethyl trichlorosilane, (beta) phenethyl trimethoxysilane etc. can be mentioned.

有機半導体と耐溶剤性下層との界面の粗さRaは、バイアスストレス耐性を高めるため、10nm以下であることが好ましく、7nm以下であることがさらに好ましい。   The roughness Ra of the interface between the organic semiconductor and the solvent resistant lower layer is preferably 10 nm or less, and more preferably 7 nm or less, in order to enhance bias stress resistance.

溶剤溶解性ポリマー層の平均厚みは、本発明の積層構造体を有機トランジスタに用いる際に、有機半導体とソース電極、ドレイン電極、またはゲート絶縁膜との接触を阻害させないため、平均厚みを指標として、30nm以下であることが好ましく、25nm以下であることがさらに好ましい。ここで、有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの界面の粗さRa、および溶剤溶解性ポリマーの平均膜厚は、レーザーテック株式会社のハイブリッドレーザーマイクロスコープを用いて求めることができる。   The average thickness of the solvent-soluble polymer layer does not inhibit the contact between the organic semiconductor and the source electrode, the drain electrode, or the gate insulating film when the laminated structure of the present invention is used for the organic transistor. And 30 nm or less, and more preferably 25 nm or less. Here, the roughness Ra of the interface between the organic semiconductor and the solvent-soluble polymer, and the average film thickness of the solvent-soluble polymer can be determined using a hybrid laser microscope of Lasertec Corporation.

本発明の耐溶剤性下層に用いられる材料としては、例えば、架橋ポリマー、自己組織化単分子膜、無機膜等が挙げられるが、溶剤溶解性ポリマーを製膜する際の溶媒に対して耐溶剤性があれば特に制限はない。該耐溶剤性下層がゲート絶縁膜としても用いられる場合(ゲート絶縁膜が有機半導体層の下側になる有機トランジスタの場合)、後述するゲート絶縁膜の例示うち、該溶剤に対して耐溶剤性のあるものも好適に用いられる。   Examples of the material used for the solvent resistant lower layer of the present invention include a crosslinked polymer, a self-assembled monolayer, an inorganic film and the like, and a solvent resistant to a solvent when forming a solvent soluble polymer. There is no particular limitation as long as there is a sex. When the solvent resistant lower layer is also used as a gate insulating film (in the case of an organic transistor in which the gate insulating film is on the lower side of the organic semiconductor layer), solvent resistance to the solvent among the examples of the gate insulating film described later Some of them are also suitably used.

本発明の有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層の2層は、有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの混合溶液を用いて作製してもよく(該溶液を用いて層を作製する際に層分離して2層となる)、それぞれの溶液から段階的に形成してもよい。   The two layers of the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer of the present invention may be prepared using a mixed solution of an organic semiconductor and a solvent-soluble polymer (layer separation when forming a layer using this solution) (2 layers), and may be formed stepwise from each solution.

本発明の有機半導体を溶解させた有機半導体層形成用溶液の溶媒としては、有機半導体および/または本発明に係る溶剤溶解性ポリマーを溶解することが可能な有機溶媒であれば如何なる溶媒を使用してもよい。   Any solvent can be used as the solvent for the solution for forming an organic semiconductor layer in which the organic semiconductor of the present invention is dissolved, as long as it can dissolve the organic semiconductor and / or the solvent-soluble polymer according to the present invention. May be

本発明で用いることが可能な有機溶媒として、特に制限はなく、例えば、テトラリン、インダン、メシチレン、o−キシレン、m−キシレン、イソプロピルベンゼン、ペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、1,2,4−トリメチルベンゼン、トルエン、アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール、2,6−ジメチルアニソール、ベンゾチアゾール、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、1,2−メチレンジオキシベンゼン、1,2−エチレンジオキシベンゼン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン等の芳香族化合物;シクロヘキサノン、イソホロン、メチルエチルケトン等のケトン類;オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、デカリン等の飽和脂肪族化合物;フェニルアセテート、シクロヘキシルアセテート等のエステル類;ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,4−ブタンジオールジアセテート、1,3−ブチレングリコールジアセテート、1,3−ブチレングリコールジアセテート、1,6−ヘキサンジオールジアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、3−メトキシブチルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール類;トリアセチレンなどを挙げられることができ、その中でも高溶解性のため芳香族化合物が好ましく、適度な乾燥速度を持つことから、テトラリン、メシチレン、o−キシレン、m−キシレン、1,2,4−トリメチルベンゼン、アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール、2,6−ジメチルアニソール、ベンゾチアゾール、1,2−メチレンジオキシベンゼン、1,2−エチレンジオキシベンゼン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼンがさらに好ましい。   The organic solvent which can be used in the present invention is not particularly limited. For example, tetralin, indane, mesitylene, o-xylene, m-xylene, isopropylbenzene, pentylbenzene, cyclohexylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene , Toluene, anisole, 2-methyl anisole, 3-methyl anisole, 2,3-dimethyl anisole, 3,4- dimethyl anisole, 2,6-dimethyl anisole, benzothiazole, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, 1,2 -Aromatic compounds such as methylenedioxybenzene, 1,2-ethylenedioxybenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene; cyclohexanone, isophorone, methyl ethyl ketone Ketones; saturated aliphatic compounds such as octane, nonane, decane, dodecane and decalin; esters such as phenyl acetate and cyclohexyl acetate; dipropylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol diacetate, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether , Dipropylene glycol methyl ether acetate, 1,4-butanediol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1,6-hexanediol diacetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, Propylene glycol monomethyl ether acetate, 3-methoxybutyl acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, diethylene glycol monoether And glycols such as diethylene glycol monobutyl ether acetate; triacetylene etc., among which aromatic compounds are preferred because of their high solubility, and tetralin, mesitylene, o Xylene, m-xylene, 1,2,4-trimethylbenzene, anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, 2,6-dimethylanisole, benzothiazole More preferred are 1,2-methylenedioxybenzene, 1,2-ethylenedioxybenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene.

なお、本発明で用いる有機溶媒は、1種類の有機溶媒を単独で使用、または沸点、極性、溶解度パラメーターなど性質の異なる有機溶媒を2種類以上混合して使用することが可能である。   As the organic solvent used in the present invention, it is possible to use one kind of organic solvent alone or to use two or more kinds of organic solvents having different properties such as boiling point, polarity, solubility parameter and the like.

本発明の有機半導体層形成用溶液は、有機半導体および/または本発明に係るポリマーを有機溶媒と混合し、溶解することで調製することができる。   The solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention can be prepared by mixing and dissolving the organic semiconductor and / or the polymer of the present invention with an organic solvent.

本発明の有機半導体層形成用溶液における有機半導体の濃度に特に制限はないが、0.001〜50.0重量%の範囲であると、取り扱いがより容易になり、有機半導体層を形成する際の効率により優れるものとなる。また、有機半導体層形成用溶液の粘度が0.3〜100mPa・sの範囲であると、より好適な塗工性を発現するものとなる。   The concentration of the organic semiconductor in the solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention is not particularly limited, but when it is in the range of 0.001 to 50.0% by weight, handling becomes easier, and when forming an organic semiconductor layer The efficiency of the In addition, when the viscosity of the solution for forming an organic semiconductor layer is in the range of 0.3 to 100 mPa · s, more suitable coatability is exhibited.

有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの混合溶液を用いて作製する場合、有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの混合組成比に特に制限はないが、本発明の積層構造体を形成するのにより好適であるため、有機半導体の重量に対してポリマーの重量が0.0001〜100重量%の範囲であることが好ましく、0.0001〜50重量%の範囲であることがさらに好ましく、0.0001〜30重量%の範囲が特に好ましい。   When prepared using a mixed solution of an organic semiconductor and a solvent-soluble polymer, the mixing composition ratio of the organic semiconductor and the solvent-soluble polymer is not particularly limited, but it is more preferable to form the laminated structure of the present invention For this reason, the weight of the polymer is preferably in the range of 0.0001 to 100% by weight, more preferably in the range of 0.0001 to 50% by weight, based on the weight of the organic semiconductor, and 0.0001 to 30%. The range by weight is particularly preferred.

有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの混合溶液を用いて層を形成する際の塗布方法としては、特に制限はなく、例えば、スピンコート、ドロップキャスト、ディップコート、キャストコート等の簡易塗工法;ディスペンサー、インクジェット、スリットコート、ブレードコート、フレキソ印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷等の印刷法を挙げることができ、中でも容易に効率よく製造することが可能となることから、スピンコート、ディスペンサー、インクジェットであることがさらに好ましい。また、その際の温度については特に制限はなく、基板や溶液を加熱した状態で塗工することもできる。加熱する際は、均一に塗工するため、ポリマーのガラス転移温度以下で塗工することが好ましく、70℃以下で塗工することがさらに好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as a coating method at the time of forming a layer using the mixed solution of an organic semiconductor and a solvent-soluble polymer, For example, Simple coating methods, such as spin coat, drop cast, dip coat, cast coat; Dispenser Printing methods such as inkjet, slit coat, blade coat, flexographic printing, screen printing, gravure printing, offset printing, etc., and among them, spin coating, dispenser, and the like because they can be easily and efficiently produced. More preferably, it is an inkjet. Further, the temperature at that time is not particularly limited, and the coating can be performed in a state where the substrate or the solution is heated. When heating, in order to apply uniformly, it is preferable to apply below the glass transition temperature of a polymer, and it is more preferable to apply at 70 degrees C or less.

塗布した有機半導体層およびポリマー層から有機溶媒を乾燥除去する際、乾燥する条件に特に制限はなく、例えば、常圧下、又は減圧下で有機溶媒の乾燥除去を行うことが可能である。乾燥除去する温度に特に制限はないが、ポリマーを流動させないため、ポリマーのガラス転移温度以下の温度で行うことが好ましい。   When the organic solvent is dried and removed from the applied organic semiconductor layer and the polymer layer, the drying conditions are not particularly limited. For example, the organic solvent can be dried and removed under normal pressure or reduced pressure. There is no particular limitation on the temperature for drying and removal, but in order to prevent the polymer from flowing, it is preferable to carry out at a temperature below the glass transition temperature of the polymer.

本発明の有機半導体層形成用溶液より形成される有機半導体層は、有機半導体デバイス、特に有機トランジスタの有機半導体層として使用することが可能である。   The organic semiconductor layer formed from the solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention can be used as an organic semiconductor layer of an organic semiconductor device, particularly an organic transistor.

有機トランジスタは、基板上に、ソース電極およびドレイン電極を付設した有機半導体層とゲート電極とを絶縁層を介し積層することにより得ることができ、該有機半導体層に本発明の有機半導体層形成用溶液により形成した有機半導体層を用いることにより、優れた半導体・電気特性を発現する有機トランジスタとすることが可能である。   An organic transistor can be obtained by laminating an organic semiconductor layer provided with a source electrode and a drain electrode on a substrate and a gate electrode via an insulating layer, and the organic semiconductor layer of the present invention is formed on the organic semiconductor layer. By using an organic semiconductor layer formed of a solution, an organic transistor can be provided which exhibits excellent semiconductor and electrical characteristics.

図1に一般的な有機トランジスタの断面形状による構造を示す。ここで、(A)は、ボトムゲート−トップコンタクト型、(B)は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型、(C)は、トップゲート−トップコンタクト型、(D)は、トップゲート−ボトムコンタクト型の有機トランジスタであり、1は有機半導体層、2は基板、3はゲート電極、4はゲート絶縁層、5はソース電極、6はドレイン電極を示し、本発明の積層構造体は、いずれの有機ランジスタにも適用することが可能である。   The structure by the cross-sectional shape of a general organic transistor is shown in FIG. Here, (A) is a bottom gate-top contact type, (B) is a bottom gate-bottom contact type, (C) is a top gate-top contact type, and (D) is a top gate-bottom contact type 1 is an organic semiconductor layer, 2 is a substrate, 3 is a gate electrode, 4 is a gate insulating layer, 5 is a source electrode, 6 is a drain electrode, and the laminated structure of the present invention is any of organic compounds. It is possible to apply also to a transistor.

基板の具体例としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、環状ポリオレフィン、ハロゲン化環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、ポリ(ジイソプロピルマレエート)、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、セルローストリアセテート等のプラスチック基板;ガラス、石英、酸化アルミニウム、シリコン、ハイドープシリコン、酸化シリコン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物等の無機材料基板;金、銅、クロム、チタン、アルミニウム等の金属基板等を挙げることができる。なお、ハイドープシリコンを基板に用いた場合、その基板はゲート電極を兼ねることができる。   Specific examples of the substrate include, for example, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, cyclic polyolefin, halogenated cyclic polyolefin, polyimide, polycarbonate, polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, poly (poly (poly) Diisopropyl fumarate), poly (diethyl fumarate), poly (diisopropyl maleate), polyether sulfone, polyphenylene sulfide, plastic substrate such as cellulose triacetate; glass, quartz, aluminum oxide, silicon, highly doped silicon, silicon oxide, dioxide Inorganic material substrates such as tantalum, tantalum pentoxide, indium tin oxide; gold, copper, chromium, titanium, aluminum It can include a metal substrate such as um. Note that when highly doped silicon is used for the substrate, the substrate can also serve as the gate electrode.

本発明に係るゲート電極としては特に制限はなく、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、ハイドープシリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、クロム、チタン、タンタル、グラフェン、カーボンナノチューブ等の無機材料;ドープされた導電性高分子(例えばPEDOT−PSS)等の有機材料を挙げることができる。   There is no restriction | limiting in particular as a gate electrode which concerns on this invention, For example, aluminum, gold | metal | money, silver, copper, highly doped silicon, tin oxide, indium oxide, indium tin oxide, chromium, titanium, tantalum, graphene, a carbon nanotube etc. And inorganic materials; organic materials such as doped conductive polymers (eg, PEDOT-PSS).

また、上記の無機材料は、金属のナノ粒子インクとしても差し支えなく使用することができる。この場合の溶媒は、適度の分散性のため、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール等の極性溶媒;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の炭素数6〜14の脂肪族炭化水素溶媒;トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、ペンチルベンゼン、ヘキシルベンゼン、オクチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、テトラリン、インダン、アニソール、1,2−ジメトキシベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、1,2−ジメチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール等の炭素数7〜14の芳香族炭化水素溶媒であることが好ましい。該ナノ粒子インクを塗布後、導電性向上のため、80℃〜200℃の温度範囲でアニール処理することが好ましい。   In addition, the above-mentioned inorganic material can be used without any problem as a metal nanoparticle ink. In this case, the solvent is a polar solvent such as water, methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, etc. because of appropriate dispersibility; carbon number such as hexane, heptane, octane, decane, dodecane, tetradecane etc. 6 to 14 aliphatic hydrocarbon solvents; toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, octylbenzene, cyclohexylbenzene, tetralin, indane, anisole, 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, It is preferable that they are C7-C14 aromatic hydrocarbon solvents, such as a 1, 2- dimethyl anisole, a 2, 3- dimethyl anisole, a 3, 4- dimethyl anisole. After the application of the nanoparticle ink, annealing is preferably performed in a temperature range of 80 ° C. to 200 ° C. in order to improve the conductivity.

本発明に係るゲート絶縁層としては特に制限はなく、例えば、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、酸化チタン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス等の無機材料;ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリけい皮酸エチル、ポリけい皮酸メチル、ポリクロトン酸エチル、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン−コ−1−ブテン、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、ポリシクロペンタン、ポリシクロヘキサン、ポリシクロヘキサン−エチレン共重合体、ポリハロゲン化シクロペンタン、ポリハロゲン化シクロヘキサン、ポリハロゲン化シクロヘキサン−エチレン共重合体、ハロゲン化環状ポリオレフィン、BCB樹脂(商品名:サイクロテン、ダウ・ケミカル社製)、Cytop(商標)、Teflon(商標)、パリレンC等のパリレン(商標)類のポリマー絶縁材料を挙げることができる。   The gate insulating layer according to the present invention is not particularly limited. For example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, tantalum oxide, tantalum pentoxide, indium tin oxide, tin oxide, vanadium oxide, titanium Inorganic materials such as barium titanate and bismuth titanate; polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyimide, polycarbonate, polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, poly (diisopropyl fumarate), poly (diethyl fumarate), polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, Ethyl polycinnamate, methyl polycinnamate, ethyl polycrotonate, polyether sulfone, polypropylene-co-1-butene, polyisobutylene, polypropylene, polycyclopentane Polycyclohexane, polycyclohexane-ethylene copolymer, polyhalogenated cyclopentane, polyhalogenated cyclohexane, polyhalogenated cyclohexane-ethylene copolymer, halogenated cyclic polyolefin, BCB resin (trade name: Cycloten, Dow Chemical Co., Ltd.) Polymer insulating materials such as Parylene.TM., Such as Cytop.TM., Teflon.TM., Parylene C, and the like.

また、これらのゲート絶縁層の表面は、例えば、オクタデシルトリクロロシラン、デシルトリクロロシラン、デシルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、β−フェネチルトリクロロシラン、β−フェネチルトリメトキシシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等のシラン類;ヘキサメチルジシラザン等のシリルアミン類で修飾処理したものであっても使用することができる。   In addition, the surfaces of these gate insulating layers are, for example, octadecyltrichlorosilane, decyltrichlorosilane, decyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, octadecyltrimethoxysilane, β-phenethyltrichlorosilane, β-phenethyltrimethoxysilane, phenyltrichloride, and the like. Even silanes such as chlorosilane, phenyltrimethoxysilane and phenyltriethoxysilane; and silylamines such as hexamethyldisilazane can be used.

ソース電極およびドレイン電極の材料としては、ゲート電極と同様の材料を用いることができ、ゲート電極の材料と同じであっても異なっていてもよく、異種材料を積層してもよい。また、キャリアの注入効率を上げるために、これらの電極材料に表面処理を実施することもできる。表面処理に用いる表面処理剤としては、例えば、ベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、4−フルオロベンゼンチオール、4−メトキシベンゼンチオール等を挙げることができる。   The material of the source electrode and the drain electrode may be the same as that of the gate electrode, and may be the same as or different from the material of the gate electrode, and different materials may be stacked. Moreover, in order to raise the injection | pouring efficiency of a carrier, surface treatment can also be implemented to these electrode materials. Examples of surface treatment agents used for surface treatment include benzenethiol, pentafluorobenzenethiol, 4-fluorobenzenethiol, 4-methoxybenzenethiol and the like.

本発明の有機半導体層形成用溶液を用いて得られる有機トランジスタは、速い動作性のため、キャリア移動度が、0.5cm/V・s以上であることが好ましい。 The organic transistor obtained by using the solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention preferably has a carrier mobility of 0.5 cm 2 / V · s or more because of its fast operability.

本発明の有機半導体層形成用溶液を用いて得られる有機トランジスタは、高いバイアスストレス耐性のため、閾値電圧のシフトΔVthが3V以下であることが好ましく、1V以下であることがさらに好ましい。   In the organic transistor obtained by using the solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention, the threshold voltage shift ΔVth is preferably 3 V or less, more preferably 1 V or less, because of high resistance to bias stress.

本発明の有機半導体層形成用溶液およびそれより形成される有機半導体層は、電子ペーパー、有機ELディスプレイ、液晶ディスプレイ、ICタグ(RFIDタグ)、メモリー、センサー用等の有機薄膜トランジスタ用途;有機ELディスプレイ材料;有機半導体レーザー材料;有機薄膜太陽電池材料;フォトニック結晶材料等の電子材料に利用することができ、有機半導体が結晶性の薄膜となるため、有機トランジスタの半導体層用途として用いられることが好ましい。   The solution for forming an organic semiconductor layer of the present invention and the organic semiconductor layer formed therefrom are organic thin film transistor applications such as electronic paper, organic EL display, liquid crystal display, IC tag (RFID tag), memory, sensor, etc .; organic EL display Materials: Organic semiconductor laser materials; Organic thin film solar cell materials; It can be used for electronic materials such as photonic crystal materials, and since organic semiconductors become crystalline thin films, they can be used as semiconductor layer applications of organic transistors preferable.

本発明の積層構造体を用いることで、バイアスストレス耐性の高い有機トランジスタを提供することが可能となる。   By using the stacked structure of the present invention, it is possible to provide an organic transistor having high bias stress resistance.

以下実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described in more detail by the following examples, but the present invention is not limited by these examples.

実施例中、有機半導体と溶剤溶解性ポリマーとの界面の粗さRaおよび溶剤溶解性ポリマー層の厚みについては、ハイブリッドレーザーマイクロスコープ(レーザーテック社製)を用い、チャネル領域(100μm)を測定し、解析した。電気物性については、半導体パラメータアナライザー(ケースレー社製4200SCS)を用い、ドレイン電圧(Vd=−20V)、ゲート電圧(Vg)を+5〜−20Vまで1V刻みで走査し、伝達特性(Id-Vg)の評価を行った。 In the examples, for the roughness Ra of the interface between the organic semiconductor and the solvent-soluble polymer and the thickness of the solvent-soluble polymer layer, the channel region (100 μm 2 ) was measured using a hybrid laser microscope (manufactured by Lasertec Corporation). , Analyzed. Regarding electrical properties, using a semiconductor parameter analyzer (4200 SCS manufactured by Keithley), the drain voltage (Vd = −20 V) and gate voltage (Vg) are scanned in 1 V steps from +5 to −20 V, and transfer characteristics (Id-Vg) The evaluation of

合成例1
(耐溶剤性下層に用いられる材料(架橋ポリマー1)の合成)
窒素ボックス内で500mLのシュレンク管に重量平均分子量28万のポリスチレン−b−ポリ(エチレン・ブチレン)−b−ポリスチレン(以下、SEBS」という)10.0g、脱水した塩化メチレン300mL、桂皮酸クロリド3.4gを仕込み、室温、撹拌下で溶解させた。シュレンク管を氷水で冷却し、トリフルオロメタンスルホン酸(以下、「TFMS」という)4.6gをシリンジで10分かけて滴下した。滴下とともにポリマー溶液の色は赤紫色に着色した。滴下終了後、氷水浴を除き、室温で40時間反応させた。反応溶液を再度、氷水で冷却した後、飽和炭酸水素ナトリウム5.6gを溶解させた飽和水溶液を添加してTFMS及び系内の塩酸を中和した。反応物を分液ロートに移し、塩化メチレン層を分離した。更に水層を塩化メチレンで3回洗浄、分液してポリマーの塩化メチレン溶液を得た。この溶液を3μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過後、1.5Lのメタノールで再沈殿させ、ポリマーを濾過により単離する操作を2回行った後、50℃で減圧乾燥して8.8gの架橋ポリマー1を得た。
Synthesis example 1
(Synthesis of material used for solvent resistant lower layer (crosslinked polymer 1))
10.0 g of polystyrene-b-poly (ethylene butylene) -b-polystyrene (hereinafter referred to as SEBS) having a weight average molecular weight of 280,000 in a 500 mL Schlenk tube in a nitrogen box, 300 mL of dehydrated methylene chloride, cinnamic acid chloride 3 .4g was charged and dissolved at room temperature under stirring. The Schlenk tube was cooled with ice water, and 4.6 g of trifluoromethanesulfonic acid (hereinafter referred to as "TFMS") was added dropwise over 10 minutes with a syringe. The color of the polymer solution was colored in reddish purple along with the dropping. After completion of the addition, the ice water bath was removed and the reaction was allowed to proceed at room temperature for 40 hours. The reaction solution was again cooled with ice water, and then a saturated aqueous solution in which 5.6 g of saturated sodium bicarbonate was dissolved was added to neutralize TFMS and hydrochloric acid in the system. The reaction was transferred to a separatory funnel and the methylene chloride layer was separated. The aqueous layer was further washed three times with methylene chloride and separated to obtain a methylene chloride solution of the polymer. This solution is filtered through a 3 μm Teflon filter, reprecipitated with 1.5 L of methanol, and the polymer is isolated by filtration twice, and then dried under reduced pressure at 50 ° C. and 8.8 g The crosslinked polymer 1 of

H−NMRによる分析の結果、得られた架橋ポリマー1のカルコン基の含有量は、7.7モル%有していることを確認した。 As a result of analysis by 1 H-NMR, it was confirmed that the content of chalcone group of the obtained crosslinked polymer 1 was 7.7 mol%.

用いたSEBSは特許2777239号記載の製造方法に従って合成し、スチレンユニットの含有量は28モル%有していることを確認した。   The SEBS used was synthesized according to the production method described in Japanese Patent No. 2777239, and it was confirmed that the content of styrene units was 28 mol%.

実施例1
(有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製)
空気下、10mlサンプル管に、m−キシレン1.5g、2,7−ジ(n−ヘキシル)ジチエノベンゾジチオフェン(化合物1)12mg(0.8wt%)、およびPMMA(アルドリッチ製、Mw350,0000.75mg(0.05wt%)を加え、50℃に加熱して溶解させることで、有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製を行った。
(積層構造体の作製)
ガラス基板上に耐溶剤性下層として、架橋PVPを製膜した(PMMAとの界面エネルギー0.22mJ/m)。Agを全面に50nmの厚みで真空蒸着し、フォトリソグラフィーによりL/W=10/10μmのソース・ドレイン電極を形成し、ペンタフルオロベンゼンチオールで電極修飾した。空気下、ソース・ドレイン電極上に、上述の方法で調製した有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液を室温でディスペンサ印刷し、90℃で10分加熱して積層構造体を作製した。
(有機トランジスタの作製)
上述の方法で作製した積層構造体に、ゲート絶縁膜としてパリレンを600nm真空蒸着した。チャネル上にシャドウマスクを置き、ゲート電極としてAgを50nm蒸着し、トップゲート−ボトムコンタクト型の有機トランジスタを作製した。
(バイアスストレス試験前の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機薄膜トランジスタの伝達特性から、正孔のキャリア移動度は2.35cm/V・s(p型)、閾値電圧は0.45Vであった。
Example 1
(Preparation of mixed solution of organic semiconductor and solvent soluble polymer)
In a 10 ml sample tube under air, 1.5 g of m-xylene, 12 mg (0.8 wt%) of 2,7-di (n-hexyl) dithienobenzodithiophene (compound 1), and PMMA (manufactured by Aldrich, Mw 350, An organic semiconductor / solvent-soluble polymer mixed solution was prepared by adding 0000.75 mg (0.05 wt%) and heating at 50 ° C. for dissolution.
(Preparation of laminated structure)
Crosslinked PVP was formed as a solvent resistant lower layer on a glass substrate (interface energy with PMMA 0.22 mJ / m 2 ). Ag was vacuum deposited on the entire surface to a thickness of 50 nm, a source / drain electrode of L / W = 10/10 μm was formed by photolithography, and electrode modification was performed with pentafluorobenzenethiol. The mixed solution of the organic semiconductor and solvent-soluble polymer prepared by the above-mentioned method was dispenser printed at room temperature on the source / drain electrode under air and heated at 90 ° C. for 10 minutes to produce a laminated structure.
(Fabrication of organic transistor)
Parylene was vacuum-deposited as a gate insulating film to a thickness of 600 nm on the laminated structure manufactured by the above method. A shadow mask was placed on the channel, and 50 nm of Ag was vapor-deposited as a gate electrode, to fabricate a top gate-bottom contact type organic transistor.
(Measurement of electrical properties before bias stress test)
From the transfer characteristics of the organic thin film transistor manufactured by the above method, the carrier mobility of holes was 2.35 cm 2 / V · s (p type), and the threshold voltage was 0.45 V.

バイアスストレス試験前の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、良好な電気物性を発現することがわかった。
(バイアスストレス試験後の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機薄膜トランジスタに+30Vのゲート電圧を大気下で1時間印加(バイアスストレス試験)後、伝達特性を測定した。その結果、伝達特性からキャリア移動度は2.35cm/V・s(p型)、閾値電圧は0.60V(ΔVth=+0.15V)であった。
From the measurement results of the electrical properties before the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor exhibited good electrical properties.
(Measurement of electrical properties after bias stress test)
After applying a gate voltage of +30 V to the organic thin film transistor manufactured by the above method for one hour in the atmosphere (bias stress test), the transfer characteristics were measured. As a result, the carrier mobility was 2.35 cm 2 / V · s (p-type), and the threshold voltage was 0.60 V (ΔVth = + 0.15 V) from the transfer characteristics.

バイアスストレス試験後の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、バイアスストレス耐性に優れていることがわかった。
(積層構造体の解析)
電気物性を測定した後、ゲート電極およびゲート絶縁膜をテープで剥離した。さらに有機半導体を貧溶媒中で超音波除去し、露出したポリマー層を解析した。有機半導体層と溶剤溶解性ポリマーとの界面粗さRa、すなわちPMMA表面のRaは6nm、PMMAの平均膜厚は11nmであった。
From the measurement results of the electrical properties after the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor is excellent in bias stress resistance.
(Analysis of laminated structure)
After measuring the electrical properties, the gate electrode and the gate insulating film were peeled off with a tape. Furthermore, the organic semiconductor was ultrasonically removed in a poor solvent, and the exposed polymer layer was analyzed. The interface roughness Ra between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer, that is, the Ra of the PMMA surface was 6 nm, and the average film thickness of PMMA was 11 nm.

実施例2
(有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製)
PMMAの代わりに極性環状ポリオレフィン1(GPCによるMw=44,000)1.5mg(0.1wt%)を用いた以外は実施例1と同様の方法により有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製をおこなった。
Example 2
(Preparation of mixed solution of organic semiconductor and solvent soluble polymer)
Preparation of mixed solution of organic semiconductor and solvent-soluble polymer in the same manner as in Example 1 except that 1.5 mg (0.1 wt%) of polar cyclic polyolefin 1 (Mw = 44,000 by GPC) was used instead of PMMA Did.

極性環状ポリオレフィン1の構造を下記に示した。   The structure of polar cyclic polyolefin 1 is shown below.

Figure 2019117884
Figure 2019117884


(積層構造体の作製)
ガラス基板上に耐溶剤性下層として、架橋ポリマー1を製膜した(極性環状ポリオレフィン1との界面エネルギー0.12mJ/m)。50℃で1分間乾燥した後、250mJ/cmの紫外線を照射して架橋した。Agを全面に50nmの厚みで真空蒸着し、フォトリソグラフィーによりL/W=10/10μmのソース・ドレイン電極を形成し、ペンタフルオロベンゼンチオールで電極修飾した。空気下、ソース・ドレイン電極上に、上述の方法で調製した有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液を室温でスピンコート製膜し、90℃で20分加熱して積層構造体を作製した。
(有機薄膜トランジスタの作製)
上述の方法で作製した積層構造体に、ゲート絶縁膜としてサイトップ(旭化成製)をスピンコート製膜した。Agを全面に50nmの厚みで真空蒸着し、フォトリソグラフィーによりチャネル上にゲート電極を形成し、トップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
(バイアスストレス試験前の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機薄膜トランジスタの伝達特性から、正孔のキャリア移動度は1.82cm/V・s(p型)、閾値電圧は−0.41Vであった。

(Preparation of laminated structure)
The crosslinked polymer 1 was formed into a film as a solvent-resistant lower layer on a glass substrate (interface energy with polar cyclic polyolefin 1 0.12 mJ / m 2 ). After drying at 50 ° C. for 1 minute, it was crosslinked by irradiation with ultraviolet light of 250 mJ / cm 2 . Ag was vacuum deposited on the entire surface to a thickness of 50 nm, a source / drain electrode of L / W = 10/10 μm was formed by photolithography, and electrode modification was performed with pentafluorobenzenethiol. An organic semiconductor / solvent-soluble polymer mixed solution prepared by the above method was spin-coated at room temperature on the source / drain electrode under air, and heated at 90 ° C. for 20 minutes to produce a laminated structure.
(Fabrication of organic thin film transistor)
Cytop (made by Asahi Kasei Co., Ltd.) was spin-coated as a gate insulating film to the laminated structure produced by the above-mentioned method. Ag was vacuum-deposited on the entire surface to a thickness of 50 nm, and a gate electrode was formed on the channel by photolithography to fabricate a top gate-bottom contact type organic thin film transistor.
(Measurement of electrical properties before bias stress test)
From the transfer characteristics of the organic thin film transistor manufactured by the method described above, the carrier mobility of holes was 1.82 cm 2 / V · s (p type), and the threshold voltage was −0.41 V.

バイアスストレス試験前の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、良好な電気物性を発現することがわかった。
(バイアスストレス試験後の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機薄膜トランジスタに+30Vのゲート電圧を大気下で1時間印加(バイアスストレス試験)後、伝達特性を測定した。その結果、伝達特性からキャリア移動度は1.87cm/V・s(p型)、閾値電圧は−0.39V(ΔVth=+0.02V)であった。
From the measurement results of the electrical properties before the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor exhibited good electrical properties.
(Measurement of electrical properties after bias stress test)
After applying a gate voltage of +30 V to the organic thin film transistor manufactured by the above method for one hour in the atmosphere (bias stress test), the transfer characteristics were measured. As a result, the carrier mobility was 1.87 cm 2 / V · s (p type) and the threshold voltage was −0.39 V (ΔVth = + 0.02 V) from the transfer characteristics.

バイアスストレス試験後の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、バイアスストレス耐性に優れていることがわかった。
(積層構造体の解析)
実施例1と同様の方法で解析をおこなったところ、有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層との界面粗さRa、すなわち極性環状ポリオレフィン1表面のRaは1nm、極性環状ポリオレフィン1の平均膜厚は24nmであった。
From the measurement results of the electrical properties after the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor is excellent in bias stress resistance.
(Analysis of laminated structure)
The analysis was conducted in the same manner as in Example 1. As a result, the interface roughness Ra between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer, that is, the Ra of the polar cyclic polyolefin 1 surface is 1 nm, and the average film thickness of the polar cyclic polyolefin 1 is It was 24 nm.

比較例1
(有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製)
PMMAの代わりにPSt(アルドリッチ製、Mw280,000)(架橋PVPとの界面エネルギー4.2mJ/m)を用いた以外は実施例1と同様の方法により有機半導体・溶剤溶解性ポリマー混合溶液の調製をおこなった。
(積層構造体の作製)
実施例1と同様の方法により積層構造体を作製した。
(バイアスストレス試験前の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機トランジスタの伝達特性から、正孔のキャリア移動度は2.55cm/V・s(p型)、閾値電圧は0.56Vであった。
Comparative Example 1
(Preparation of mixed solution of organic semiconductor and solvent soluble polymer)
An organic semiconductor / solvent-soluble polymer mixed solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that PSt (manufactured by Aldrich, Mw 280,000) (interface energy of 4.2 mJ / m 2 with crosslinked PVP) was used instead of PMMA. Preparation was done.
(Preparation of laminated structure)
A laminated structure was produced in the same manner as in Example 1.
(Measurement of electrical properties before bias stress test)
From the transfer characteristics of the organic transistor manufactured by the above method, the carrier mobility of holes was 2.55 cm 2 / V · s (p-type), and the threshold voltage was 0.56 V.

バイアスストレス試験前の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、良好な電気物性を発現することがわかった。
(バイアスストレス試験後の電気物性の測定)
上述の方法で作製した有機薄膜トランジスタに+30Vのゲート電圧を大気下で1時間印加(バイアスストレス試験)後、伝達特性を測定した。その結果、伝達特性からキャリア移動度は2.46cm/V・s(p型)、閾値電圧は1.69V(ΔVth=+1.13V)であった。
From the measurement results of the electrical properties before the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor exhibited good electrical properties.
(Measurement of electrical properties after bias stress test)
After applying a gate voltage of +30 V to the organic thin film transistor manufactured by the above method for one hour in the atmosphere (bias stress test), the transfer characteristics were measured. As a result, the carrier mobility was 2.46 cm 2 / V · s (p type) and the threshold voltage was 1.69 V (ΔVth = + 1.13 V) from the transfer characteristics.

バイアスストレス試験後の電気物性の測定結果から、得られた有機薄膜トランジスタは、バイアスストレス耐性に劣っていることがわかった。
(積層構造体の解析)
実施例1と同様の方法で解析をおこなったところ、有機半導層と溶剤溶解性ポリマー層との界面粗さRa、すなわちPSt表面のRaは12nm、PStの平均膜厚は31nmであった。
From the measurement results of the electrical properties after the bias stress test, it was found that the obtained organic thin film transistor is inferior in bias stress resistance.
(Analysis of laminated structure)
The analysis was conducted in the same manner as in Example 1. As a result, the interface roughness Ra between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer, that is, Ra on the PSt surface was 12 nm, and the average film thickness of PSt was 31 nm.

本発明の積層構造体を用いることで、優れた半導体・電気物性を有する有機薄膜トランジスタを作製することができるため、半導体デバイス材料としての適用が期待できる。   By using the laminated structure of the present invention, an organic thin film transistor having excellent semiconductor and electrical properties can be manufactured, so that application as a semiconductor device material can be expected.

;有機薄膜トランジスタの断面形状による構造を示す図である。FIG. 5 is a view showing a structure based on the cross-sectional shape of the organic thin film transistor.

(A):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
(B):ボトムゲート−ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(C):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
(D):トップゲート−ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
1:有機半導体層
2:基板
3:ゲート電極
4:ゲート絶縁層
5:ソース電極
6:ドレイン電極
(A): bottom gate-top contact type organic thin film transistor (B): bottom gate-bottom contact type organic thin film transistor (C): top gate-top contact type organic thin film transistor (D): top gate-bottom contact type organic thin film transistor 1: Organic semiconductor layer 2: substrate 3: gate electrode 4: gate insulating layer 5: source electrode 6: drain electrode

Claims (5)

有機半導体層と、溶剤溶解性ポリマー層と、耐溶剤性下層との積層構造体であり、該溶剤溶解性ポリマー層と該耐溶剤性下層との界面エネルギーが3mJ/m以下であることを特徴とする積層構造体。 A laminated structure of an organic semiconductor layer, a solvent-soluble polymer layer, and a solvent-resistant lower layer, and the interface energy between the solvent-soluble polymer layer and the solvent-resistant lower layer is 3 mJ / m 2 or less Feature of laminated structure. 溶剤溶解性ポリマーの平均膜厚が30nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層構造体。 The laminated structure according to claim 1, wherein the average film thickness of the solvent-soluble polymer is 30 nm or less. 有機半導体層と溶剤溶解性ポリマー層との界面の粗さRaが10nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の積層構造体。 The laminate structure according to claim 1 or 2, wherein the roughness Ra of the interface between the organic semiconductor layer and the solvent-soluble polymer layer is 10 nm or less. 溶剤溶解性ポリマー層に用いるポリマーのガラス転移温度以下で加熱して積層構造体を製造することを特徴とする積層構造体の製造方法。 A method for producing a laminate structure, comprising heating the laminate at a temperature not higher than the glass transition temperature of a polymer used for the solvent-soluble polymer layer. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載された積層構造体をトランジスタのチャネル領域に有することを特徴とする有機トランジスタ。 An organic transistor comprising the laminated structure according to any one of claims 1 to 3 in a channel region of the transistor.
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