JP2019153653A - 有機半導体装置 - Google Patents
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本発明は、以下の要旨を含む。
いて、
前記p型有機半導体とn型有機半導体とが共通のゲート絶縁膜に対して同じ側に位置し、かつ、前記p型有機半導体が有機半導体ポリマーを含有する、有機半導体装置。
[2]前記有機半導体ポリマーがドナーアクセプタ型の有機半導体ポリマーを含む、[1]に記載の有機半導体装置。
[3]前記ドナーアクセプタ型の有機半導体ポリマーが、下記のいずれかの構造を含む、[2]に記載の有機半導体装置。
[4]pチャンネル型有機薄膜トランジスタのソース電極、pチャンネル型有機薄膜トランジスタのドレイン電極、nチャンネル型有機薄膜トランジスタのソース電極、nチャンネル型有機薄膜トランジスタのドレイン電極がボトムコンタクト構造で配置され、上記4つの電極表面が一種類以下の表面修飾物質で修飾されている、[1]〜[3]のいずれかに記載の有機半導体装置。
[5]p型有機半導体を用いたpチャンネル型有機薄膜トランジスタと、n型有機半導体
を用いたnチャンネル型有機薄膜トランジスタを備え、pチャンネル型有機薄膜トランジ
スタとnチャンネル型有機薄膜トランジスタが相補型集積回路を構成する有機半導体装置において、
前記p型有機半導体とn型有機半導体とが、2層のゲート絶縁膜に挟まれ、かつ、該ゲート絶縁膜のうち少なくとも1層のゲート絶縁膜を共有しており、
前記p型有機半導体が有機半導体ポリマーを含有する、有機半導体装置。
[6]p型有機半導体およびn型有機半導体を同一の表面に塗工した後、p型及びn型有機半導体を同時に熱処理するアニール工程、を含む[1]〜[5]のいずれかに記載の有機半導体装置の製造方法。
有機薄膜トランジスタ10は、基板11と下地層12との積層体上に、n型有機半導体層13とp型有機半導体層15とが同一表面上に形成され、その後ゲート絶縁膜が積層される。すなわち、n型有機半導体層とp型有機半導体層とが共通のゲート絶縁膜に対して同じ側に位置する構成を有する。
基板11の厚みは特段限定されず、有機薄膜トランジスタを搭載するデバイスに応じ適宜設定されるが、通常1μm以上であり、3μm以上であってよく、5μm以上であってよく、また通常10mm以下であり、5mm以下であってよく、1mm以下であってよい。
下地層12を設ける場合、その厚さは特段限定されず、通常50nm以上であり、100nm以上であってよく、また通常10μm以下であり、5μm以下であってよい。
n型有機半導体層13の厚みは特段限定されず、通常5nm以上であり、8nm以上であってよく、10nm以上であってよく、また通常100nm以下であり、50nm以下であってよく、30nm以下であってよい。
式中Rは置換基を有してもよいアルキル基を表し、通常炭素数が3以上、好ましくは6以上、より好ましくは10以上である。また、通常炭素数は30以下であり、好ましくは25以下である。Rが有してもよい置換基はハロゲン、水酸基、アミノ基、スルホニル基
、エーテル結合を有する基であり得る。
従来、有機半導体層の製造において、p型有機半導体の耐熱性が十分ではないことから、p型有機半導体のアニール温度と、n型有機半導体のアニール温度とが大きく異なっており、両有機半導体を一度に熱処理することができなかった。本実施形態では、耐熱性に優れた有機半導体ポリマーをp型半導体として用いることで、p型有機半導体とn型有機半導体を一度に熱処理することが可能となり、n型有機半導体層とp型有機半導体層とが共通のゲート絶縁膜に対して同じ側に位置する構成とすることが可能となった。
n型有機半導体層13及びp型有機半導体層15には、有機薄膜トランジスタに必要なソース電極16、ドレイン電極17が設けられる。
ソース電極16、ドレイン電極17は、有機半導体装置において用いられる電極材料を適用することができる。例えばAl、Cu、Ag、Ti、Au、Ptなどの金属材料、InO、SnO、ZnO、ITOなどの金属酸化物、グラフェン、カーボンナノチューブなどの炭素材料、PEDOT:PSSなどの導電性高分子材料を用いることができる。
表面処理剤は、特段限定されないが、チオール基を有する化合物、例えば、ヘキサンチオール、オクタンチオール、デカンチオール、ドデカンチオール等のアルカンチオール類、ペンタフルオロベンゼンチオール、4−メチルベンゼンチオール、4−アミノベンゼンチオール等の芳香族チオール類などがあげられる。
ト電極14が形成される。ゲート電極14は、更に絶縁材料より形成される封止層19bで封止されてもよい。ゲート電極14には、ソース電極16、ドレイン電極17と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜19aは、下地層12と同様に絶縁性を有する樹脂を用いることが出来る。例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂などの硬化性ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの熱可塑性ポリマー、CYTOP(登録商標)、テフロン(登録商標)などのフッ素系ポリマーなどが挙げられるがこれらに限定されない。また、ゲート絶縁膜19aには、SiO2、
Al2O3、Ta2O3などの無機材料も使用可能である。
また、具体的には図示しないが、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、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へも適用可能である。トップコンタクト型素子の場合、通常、電極の表面処理は行われない。
ダブル(デュアル)ゲート・ボトムコンタクト構造においても本発明の効果は認められ、p型有機半導体ポリマーとn型有機半導体ポリマーが最低一層のゲート絶縁膜を共有し、形成されたn型有機半導体層とp型有機半導体層は、耐熱性が向上したp型有機半導体を用いることで、アニール処理温度がほぼ同一となり、同時に熱処理を行うアニール工程に供することができる。そのため、製造工程を大幅に削減することができる。
[使用装置]
・インクジェット印刷装置:FUJIFILM Dimatix社 DMP2831
・ディスペンサ装置:武蔵エンジニアリング社製 IMAGE MASTER 350PC
・パリレン成膜装置:パリレン合同会社製 PDS−2010
[使用材料]
・P型半導体:有機半導体ポリマー1(以下に製造方法を記載)
・N型半導体:TU−3(フューチャーインク社製)
・絶縁膜材料/下地層材料:パリレンdiX−SR(KISCO株式会社)
・疎水性バンク材料:AF1600X(デュポン社製)
[使用インク]
・P型半導体インク:有機半導体ポリマー1の溶液(溶媒:メシチレン、濃度:0.01wt%)
・N型半導体インク:TU−3/ポリαメチルスチレン混合溶液(溶媒:1−メチルナフタレン、濃度:TU−3/ポリαメチルスチレン=0.06/0.02wt%)
・電極インク:銀ナノ粒子分散液(ハリマ化成社製NPS−JL)
・疎水性バンク材料インク:AF1600X溶液(溶媒:FC−43 (3M社)、濃度:
1wt%)
・電極表面処理インクA:4−メチルベンゼンチオール溶液(溶媒:テトラリン;濃度:30mM)
上記図2で示した有機半導体装置を製造した。印刷パターンとして、各層の周囲にアライメントマークを配置したパターンを設計した。本実施例では、基板上の下地層上にソース・ドレイン電極が形成され、ソース・ドレイン電極上にP型半導体とN型半導体で構成される半導体層が形成され、半導体層上にゲート絶縁膜が形成され、ゲート絶縁膜上にゲート電極が形成されるトップゲート・ボトムコンタクト構造を用いた。製造工程は以下のとおりである。
2)銀ナノ粒子分散液を、インクジェット印刷装置を用いて印刷し、チャネル長(電極間
隔)約40μm、チャネル幅約1000μmのソース・ドレイン電極を形成した。形成後、120℃で30分間焼成し、厚さ約100〜150nmの銀電極を得た。
3)半導体塗布領域を定義するため、疎水性バンク材料インクを、ディスペンサー装置を用いて印刷し、疎水性バンクを形成した。下地層への疎水性バンクの密着性向上のために基板に100℃、30分間の加熱処理を行った。
4)N型半導体を形成する領域のソースおよびドレイン電極の仕事関数を制御するために表面処理を行った。電極表面処理インクAをディスペンサー装置を用いてN型半導体を形成する領域のソースおよびドレイン電極の上のみに滴下し、5分間保持後にイソプロピルアルコールで基板の全面洗浄処理を行った。
5)N型半導体インクとP型半導体インクをディスペンサー装置を用いて疎水性バンク内に滴下した。まず、N型半導体インクを滴下した。このとき、基板温度を60℃に保持し、インク滴下後は半導体インクの塗布後は溶液が乾燥するまで保持した。次いで、基板温度を60℃に保持したままP型半導体インクを滴下し、半導体インクが乾燥するまで保持した。その後、半導体インクの溶媒除去と加熱処理のため基板をグローブボックス中でホットプレートを用いて150℃、60分で熱アニール処理を行った。
6)ゲート絶縁膜としてパリレン成膜装置にてパリレンdiX−SRを300〜350nmとなるよう成膜した。
7)ゲート電極として、銀ナノ粒子分散液を、インクジェット印刷装置を用いてソース・ドレイン電極の電極間を覆う位置に印刷し、その後、120℃で30分で焼成することで、厚さ約100〜150nmの銀電極を形成した。
た。すなわち、pチャンネル型有機薄膜トランジスタは、VDS = -10 V、nチャンネル型
有機薄膜トランジスタは、VDS = 10 Vとして、ソース電極とゲート電極間で印加電圧(VGS)を変化させながら評価した。
次いで、このpチャンネル型有機薄膜トランジスタおよびnチャンネル型有機薄膜トランジスタを用いて相補型インバータ回路を構成しその特性を評価した。結果を図6に示す。相補型インバータ回路は、2.5〜10Vで駆動し、駆動電圧10Vでゲイン10を得た。
電極処理インクBとして、4−メチルベンゼンチオール溶液(溶媒:イソプロピルアルコール;濃度:30mM)を準備した。
ソースおよびドレイン電極の仕事関数を制御するために表面処理をする際、電極表面処理インクBに基板全体を5分間浸漬したのちに、イソプロピルアルコールで基板の全面洗浄処理を行った点以外は実施例1と同様にして、有機半導体装置を作製した。この場合は、n型半導体を形成する領域のソースおよびドレイン電極だけではなく、p型半導体を形成する領域のソースおよびドレイン電極表面も4−メチルベンゼンチオールによって表面処理した。
。すなわち、pチャンネル型有機薄膜トランジスタは、VDS = -10 V、nチャンネル型有
機薄膜トランジスタは、VDS = 10 Vとして、ソース電極とゲート電極間で印加電圧(VGS
)を変化させながら評価した。
次いで、このpチャンネル型有機薄膜トランジスタおよびnチャンネル型有機薄膜トランジスタを用いて相補型インバータ回路を構成しその特性を評価した。結果を図8に示す。相補型インバータ回路は、2.5〜10Vで駆動し、駆動電圧10Vでゲイン8を得た。
2、12 下地層
3、13、23、33 n型有機半導体層
4、14、24、34 ゲート電極
5、15、25、35 p型有機半導体層
6、16、26、36 ソース電極
7、17、27、37 ドレイン電極
8、18、28、38 バンク
9a、19a、29a、39a ゲート絶縁層
9b、19b、29b 封止層
10、20、30 有機薄膜トランジスタ
Claims (6)
- p型有機半導体を用いたpチャンネル型有機薄膜トランジスタと、n型有機半導体を用いたnチャンネル型有機薄膜トランジスタを備え、pチャンネル型有機薄膜トランジスタとn
チャンネル型有機薄膜トランジスタが相補型集積回路を構成する有機半導体装置において、
前記p型有機半導体とn型有機半導体とが共通のゲート絶縁膜に対して同じ側に位置し、かつ、前記p型有機半導体が有機半導体ポリマーを含有する、有機半導体装置。 - 前記有機半導体ポリマーがドナーアクセプタ型の有機半導体ポリマーを含む、請求項1に記載の有機半導体装置。
- pチャンネル型有機薄膜トランジスタのソース電極、pチャンネル型有機薄膜トランジスタのドレイン電極、nチャンネル型有機薄膜トランジスタのソース電極、nチャンネル型有機薄膜トランジスタのドレイン電極がボトムコンタクト構造で配置され、上記4つの電極表面が一種類以下の表面修飾物質で修飾されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機半導体装置。
- p型有機半導体を用いたpチャンネル型有機薄膜トランジスタと、n型有機半導体を用
いたnチャンネル型有機薄膜トランジスタを備え、pチャンネル型有機薄膜トランジスタ
とnチャンネル型有機薄膜トランジスタが相補型集積回路を構成する有機半導体装置において、
前記p型有機半導体とn型有機半導体とが、2層のゲート絶縁膜に挟まれ、かつ、該ゲート絶縁膜のうち少なくとも1層のゲート絶縁膜を共有しており、
前記p型有機半導体が有機半導体ポリマーを含有する、有機半導体装置。 - p型有機半導体およびn型有機半導体を同一の表面に塗工した後、p型及びn型有機半導体を同時に熱処理するアニール工程、を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機半導体装置の製造方法。
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