JP4433746B2 - Organic field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、有機電界効果トランジスタ(有機FET;field-effect transistor)及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an organic field effect transistor (organic FET) and a method for manufacturing the same.

トランジスタやダイオード等の半導体素子に用いる半導体材料として、有機半導体が注目されている。有機半導体を利用した有機半導体素子は、半導体層が印刷法、スプレー法、インクジェット法等の簡便なプロセスで形成され得るので、無機半導体を用いた素子に比して格段に安価に製造することができる。また、大面積で且つ軽量、薄型の集積回路を平易に作製できる可能性がある。   Organic semiconductors have attracted attention as semiconductor materials used for semiconductor elements such as transistors and diodes. An organic semiconductor element using an organic semiconductor can be manufactured at a much lower cost than an element using an inorganic semiconductor because a semiconductor layer can be formed by a simple process such as a printing method, a spray method, or an ink jet method. it can. In addition, there is a possibility that a light-weight and thin integrated circuit having a large area can be easily manufactured.

近年、有機半導体のキャリア移動度が向上し、アモルファスシリコンに匹敵する程度の移動度を発現し得るものが見出されている。このような有機半導体の材料としては、ペンタセン、ポリアルキルチオフェン等が知られている。   In recent years, the carrier mobility of organic semiconductors has been improved, and those capable of expressing mobility comparable to amorphous silicon have been found. As such organic semiconductor materials, pentacene, polyalkylthiophene, and the like are known.

これらの有機半導体を用いた有機半導体素子のなかでも、有機FETは、興味深い研究対象の1つであり、軽量且つ薄型の液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、ICカード等への応用が期待されている。   Among these organic semiconductor elements using organic semiconductors, organic FETs are one of interesting research objects, and are expected to be applied to lightweight and thin liquid crystal displays, organic EL displays, IC cards and the like.

これらの有機FETにおいては、ソース電極、ドレイン電極等の電極は、金属等の無機材料から構成されることが一般的である。しかし、これらの電極と有機材料からなる有機半導体層とは親和性が低く、これに起因して電極と有機半導体層との間の接触抵抗が大きくなる傾向にあった。そのため、有機FETは、印加するゲート電圧の損失を生じ易く、無機半導体を用いたFETと同等の電流値を得るためには過剰なゲート電圧が必要とされる場合が多かった。このように、これまでの有機FETは、有機半導体が本来有している高い移動度にもかかわらず、実用的な電圧の範囲で使用することが困難であった。   In these organic FETs, electrodes such as a source electrode and a drain electrode are generally composed of an inorganic material such as a metal. However, the affinity between these electrodes and the organic semiconductor layer made of an organic material is low, and as a result, the contact resistance between the electrodes and the organic semiconductor layer tends to increase. Therefore, the organic FET is likely to cause a loss of the applied gate voltage, and an excessive gate voltage is often required to obtain a current value equivalent to that of the FET using the inorganic semiconductor. Thus, conventional organic FETs have been difficult to use within a practical voltage range, despite the high mobility inherent in organic semiconductors.

金属等の無機材料からなる電極と有機半導体との接触抵抗を低減する試みとしては、例えば、以下に示すような方法が検討されている。すなわち、まず、下記特許文献1には、有機FETにおいて、有機半導体と対の性質を有するドーパントを半導体層におけるソース電極及びドレイン電極に接する領域にドープさせる方法が記載されている。こうして電極と有機半導体とを接合させた有機FETにおいては、ドーパントをドープさせた領域に電荷移動錯体が形成されており、この電荷移動錯体によってキャリア密度が増加して、これにより電極と有機半導体層との接触抵抗が低減されている。   As an attempt to reduce the contact resistance between an electrode made of an inorganic material such as a metal and an organic semiconductor, for example, the following method has been studied. That is, first, the following Patent Document 1 describes a method in which a dopant having a property of being paired with an organic semiconductor is doped in a region of a semiconductor layer in contact with a source electrode and a drain electrode in an organic FET. In the organic FET in which the electrode and the organic semiconductor are joined in this way, a charge transfer complex is formed in the region doped with the dopant, and the carrier density is increased by the charge transfer complex, thereby the electrode and the organic semiconductor layer. The contact resistance with is reduced.

また、下記非特許文献1には、有機半導体素子において、双極子の大きさが異なる複数の官能基を有しているアルカンチオールを電極上にグラフトさせ、このアルカンチオールからなる単分子膜上に有機半導体層を形成させる方法が記載されている。こうして電極と有機半導体とを接合させた有機半導体素子においては、電極表面の単分子膜により表面の仕事関数がシフトして、電極と有機半導体層との接触による電位障壁が低くなり、これにより両者の接触抵抗が低減されている。
特開2002−204012号公報 I. H. Campbell et al, “Applied Physics Letters”, vol 71, pp3528(1997).
Further, in Non-Patent Document 1 below, in an organic semiconductor element, an alkanethiol having a plurality of functional groups having different dipole sizes is grafted onto an electrode, and the monomolecular film composed of the alkanethiol is formed on the electrode. A method for forming an organic semiconductor layer is described. In an organic semiconductor element in which an electrode and an organic semiconductor are bonded in this way, the work function of the surface is shifted by the monomolecular film on the surface of the electrode, and the potential barrier due to the contact between the electrode and the organic semiconductor layer is lowered. The contact resistance is reduced.
JP 2002-204012 A IH Campbell et al, “Applied Physics Letters”, vol 71, pp3528 (1997).

しかし、上記従来技術に記載されているような方法によっても、電極と有機半導体間の接触抵抗が不都合な程に大きくなってしまう傾向にあった。このため、実用的な有機FETを得るためには、両者の接触に関して更なる改良が必要であった。   However, even a method as described in the above prior art tends to undesirably increase the contact resistance between the electrode and the organic semiconductor. For this reason, in order to obtain a practical organic FET, it was necessary to further improve the contact between the two.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ソース電極又はドレイン電極と有機半導体層との間の接触抵抗が充分に低減された有機FET及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an organic FET in which contact resistance between a source or drain electrode and an organic semiconductor layer is sufficiently reduced, and a method for manufacturing the same. .

本発明者が、上記従来技術による接触抵抗を低減する方法を適用した有機半導体素子について更に検討を行ったところ、電極と有機半導体との間の接触が好ましくない状態となってしまうのは、以下に示すような原因によることが判明した。すなわち、まず、上記特許文献1に記載の有機FETは、有機半導体層におけるソース及びドレイン電極付近のキャリア密度を高めることによって、キャリアの移動による電極−有機半導体層間の電気的な相互作用を起こり易くしている。しかし、かかる手法によっても、ソース及びドレイン電極と有機半導体層との親和性は低いままであったため、充分に接触抵抗を低減することができなかった。   When the inventor further examined the organic semiconductor element to which the method for reducing the contact resistance according to the above-described prior art is applied, the contact between the electrode and the organic semiconductor becomes unfavorable. It became clear that it was due to the cause as shown in. That is, first, the organic FET described in Patent Document 1 easily causes electrical interaction between the electrode and the organic semiconductor layer due to carrier movement by increasing the carrier density in the vicinity of the source and drain electrodes in the organic semiconductor layer. is doing. However, even with such a technique, the affinity between the source and drain electrodes and the organic semiconductor layer remained low, so that the contact resistance could not be reduced sufficiently.

また、ソース電極及びドレイン電極が有機半導体層上に形成されている、いわゆるトップコンタクト型の有機FETにおいては、これらの電極は蒸着等により形成されることが一般的である。しかし、上記特許文献1に記載の有機FETのように、電極と有機半導体とを直接接触させた場合、有機半導体層が蒸着時の高温によって熱ダメージを受けることが多く、これにより電極との接合部付近において有機半導体層が劣化してしまう場合があった。このような有機半導体層の劣化も、電極と有機半導体層との接触抵抗を増大させる一因となっていた。   In a so-called top contact type organic FET in which a source electrode and a drain electrode are formed on an organic semiconductor layer, these electrodes are generally formed by vapor deposition or the like. However, like the organic FET described in Patent Document 1, when the electrode and the organic semiconductor are in direct contact with each other, the organic semiconductor layer is often subjected to thermal damage due to the high temperature during the vapor deposition, thereby joining the electrode. In some cases, the organic semiconductor layer deteriorates near the portion. Such deterioration of the organic semiconductor layer has also contributed to an increase in contact resistance between the electrode and the organic semiconductor layer.

さらに、上記非特許文献1に記載の方法においては、電極表面に予め単分子膜を形成させた後に、この電極上に有機半導体層を形成させていたため、単分子膜を構成しているアルカンチオールは、電極に対して常に一定の方向に配向する傾向にあった。このため、製造された有機FETにおいては、単分子膜がキャリアの流れる方向とは逆の方向に分極してしまっている場合があった。こうなると、電極及び有機半導体層間のキャリアの移動が、単分子膜の有する逆の分極状態によって抑制され、これにより両者の接触抵抗が大きくなる傾向にある。   Furthermore, in the method described in Non-Patent Document 1, since an organic semiconductor layer is formed on the electrode after a monomolecular film is formed on the electrode surface in advance, the alkanethiol constituting the monomolecular film is formed. Tends to be always oriented in a certain direction with respect to the electrode. For this reason, in the manufactured organic FET, the monomolecular film may be polarized in a direction opposite to the direction in which carriers flow. If it becomes like this, the movement of the carrier between an electrode and an organic-semiconductor layer will be suppressed by the reverse polarization state which a monomolecular film has, and it exists in the tendency for both contact resistance to become large by this.

本発明者は、このような知見に基づいてさらに研究を進めた結果、任意の分極状態を生じ得るバッファ層を、ソース電極又はドレイン電極と有機半導体層との間に導入することにより、両者の接触抵抗を低減できるとともに、キャリアの移動が生じやすくなることを見出し、本発明に到達した。   As a result of further research based on such knowledge, the present inventor introduced a buffer layer capable of generating an arbitrary polarization state between the source electrode or the drain electrode and the organic semiconductor layer, so that The present inventors have found that the contact resistance can be reduced and the carrier is likely to move.

すなわち、本発明の有機FETは、金属材料からなるソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルとなる有機半導体層と、チャネルを通る電流量を制御するためのゲート電極と、有機半導体層とソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一方の電極との間に形成されており、永久双極子モーメントを有する化合物を含むバッファ層とを備え、バッファ層に含まれる永久双極子モーメントを有する化合物は、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するように配向していることを特徴とする。
That is, the organic FET of the present invention includes a source electrode and a drain electrode made of a metal material , an organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode for controlling the amount of current passing through the channel. are formed between the at least one electrode of the organic semiconductor layer and the source and drain electrodes, Bei example a buffer layer comprising a compound having a permanent dipole moment, the permanent dipole moment contained in the buffer layer In the path constituted by the source electrode, the channel and the drain electrode, the compound having a charge having a different polarity from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode and the charge having the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode It is characterized by having an orientation .

このような構成を有する有機FETにおける、永久双極子モーメントを有する化合物を含むバッファ層は、容易にその分極状態を変化させることができる。そして、バッファ層を所定の方向に分極させることで、ソース又はドレイン電極と有機半導体層との間の接触抵抗を更に低減することができるようになる。具体的には、ソース電極、チャネル及びドレイン電極からなる経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するように分極させることができる。有機FETにおいて、ソース又はドレイン電極と有機半導体層との間にこのような分極状態のバッファ層が形成されていると、これらの間でキャリアの移動が極めて生じやすくなり、その結果、ソース又はドレイン電極と有機半導体層との間の抵抗が大幅に小さくなる。   The buffer layer containing a compound having a permanent dipole moment in the organic FET having such a configuration can easily change its polarization state. Then, by polarizing the buffer layer in a predetermined direction, the contact resistance between the source or drain electrode and the organic semiconductor layer can be further reduced. Specifically, in the path composed of the source electrode, the channel, and the drain electrode, the carrier has a charge of a polarity different from that of the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode, and the charge of the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode. Can be polarized. In an organic FET, when a buffer layer having such a polarization state is formed between a source or drain electrode and an organic semiconductor layer, carrier movement between them is extremely likely to occur, and as a result, the source or drain The resistance between the electrode and the organic semiconductor layer is significantly reduced.

バッファ層をこのように分極させることで、キャリアの移動が生じやすくなる要因については未だ明らかでないものの、本発明者は次のように考察している。上記構成を有する有機FETの動作においては、例えば有機半導体層がp型半導体である場合には、ソース電極側が正、ドレイン電極側が負となるように電圧を印加しつつゲート電極に負の電圧を印加することによって、この場合のキャリアとなる正孔が、ソース電極、チャネル及びドレイン電極の経路を移動する。また、有機半導体層がn型半導体である場合には、ソース電極側が負、ドレイン電極側が正となるように電圧を印加しつつゲート電極に正の電圧を印加することにより、この場合のキャリアとなる電子が、ソース電極、チャネル及びドレイン電極の経路を移動する。   Although the cause of the tendency of carrier movement by polarization of the buffer layer in this way is not yet clear, the present inventor considers as follows. In the operation of the organic FET having the above configuration, for example, when the organic semiconductor layer is a p-type semiconductor, a negative voltage is applied to the gate electrode while applying a voltage so that the source electrode side is positive and the drain electrode side is negative. By application, holes serving as carriers in this case move through the paths of the source electrode, the channel, and the drain electrode. When the organic semiconductor layer is an n-type semiconductor, a positive voltage is applied to the gate electrode while applying a voltage so that the source electrode side is negative and the drain electrode side is positive. The resulting electrons move through the source electrode, channel and drain electrode paths.

このような経路でキャリアの移動が生じるとき、上述した分極状態とされたバッファ層は、キャリアが注入される側にこのキャリアと異なる極性の電荷を有することになる。この結果、例えば、ソース電極−有機半導体層間に設けられたバッファ層は、ソース電極から強くキャリアを引き抜く作用を有し、また、ドレイン電極−有機半導体層間に設けられたバッファ層は、有機半導体層から強くキャリアを引き抜く作用を有するようになる。そして、バッファ層がこのような作用を有しているため、ソース電極からチャネルへのキャリアの移動、又は、有機半導体層からドレイン電極へのキャリアの移動が極めて容易に生じるようになる。このように、ソース電極又はドレイン電極と有機半導体層との間にバッファ層を形成させることで、両者の電気的相互作用が増大し、これによりキャリアのトンネル注入が生じやすくなって、ソース又はドレイン電極と有機半導体層との間のキャリアの移動が容易となるものと考えられる。但し、作用はこれらに限定されない。   When carrier movement occurs in such a path, the above-described polarized buffer layer has a charge having a polarity different from that of the carrier on the carrier injection side. As a result, for example, the buffer layer provided between the source electrode and the organic semiconductor layer has a function of strongly extracting carriers from the source electrode, and the buffer layer provided between the drain electrode and the organic semiconductor layer is an organic semiconductor layer. It has the effect of pulling out the carrier strongly. Since the buffer layer has such an action, the movement of carriers from the source electrode to the channel or the movement of carriers from the organic semiconductor layer to the drain electrode occurs very easily. Thus, by forming the buffer layer between the source or drain electrode and the organic semiconductor layer, the electrical interaction between the two increases, thereby making it easier for carrier tunnel injection to occur. It is considered that carrier movement between the electrode and the organic semiconductor layer is facilitated. However, the action is not limited to these.

また、前述したトップコンタクト型の有機FETを製造する場合、本発明の有機FETにおいては、ソース又はドレイン電極はバッファ層上に形成されることになる。このため、本発明の有機FETは、ソース又はドレイン電極を有機半導体層上に直接形成させていた従来の有機FETに比して、電極を蒸着させる際に受ける有機半導体層の熱ダメージが低減されており、これによる有機半導体層の劣化が少ないものとなる。   Further, when the above-described top contact type organic FET is manufactured, the source or drain electrode is formed on the buffer layer in the organic FET of the present invention. For this reason, the organic FET of the present invention reduces the heat damage of the organic semiconductor layer received when the electrode is deposited, as compared with the conventional organic FET in which the source or drain electrode is directly formed on the organic semiconductor layer. Therefore, the organic semiconductor layer is less deteriorated by this.

さらに、本発明者らが検討したところ、上記特許文献1に記載の有機FETは、長時間大気に晒されたり使用回数が増加したりすると、有機半導体層が経時的な劣化を生じてしまう可能性があることが判明した。これは、この有機FETにおいては、ソース及びドレイン電極付近の有機半導体層にのみドープさせたドーパントが、徐々に有機半導体層の他の領域への拡散やマイグレーションを生じてしまうためである。こうなると、オフ時においても不都合に大きな電流が流れるようになり、いずれトランジスタとしての使用が困難となる。   Furthermore, when the present inventors examined, when the organic FET of the said patent document 1 was exposed to air | atmosphere for a long time, or the frequency | count of use increased, an organic-semiconductor layer may produce deterioration with time. It turns out that there is sex. This is because in this organic FET, the dopant doped only in the organic semiconductor layer in the vicinity of the source and drain electrodes gradually diffuses or migrates to other regions of the organic semiconductor layer. In this case, an undesirably large current flows even when the transistor is off, and it becomes difficult to use it as a transistor.

これに対して、上記本発明の有機FETによれば、実質的に単一の有機半導体から構成される有機半導体層であってもソース又はドレイン電極との間の接触状態を改善することが可能である。従って、上記従来の有機FETのように有機半導体層中にドーパント等を導入する必要がなく、このため、ドーパントの拡散等に起因した有機半導体層の経時劣化は生じ得ない。   On the other hand, according to the organic FET of the present invention, it is possible to improve the contact state between the source and drain electrodes even in an organic semiconductor layer substantially composed of a single organic semiconductor. It is. Therefore, it is not necessary to introduce a dopant or the like into the organic semiconductor layer as in the conventional organic FET, and therefore, the deterioration of the organic semiconductor layer over time due to the diffusion of the dopant or the like cannot occur.

バッファ層を主として構成している永久双極子モーメントを有する化合物としては、共鳴効果により電子吸引性を示す官能基若しくは共鳴効果により電子供与性を示す官能基がπ共役構造に結合してなり、非対称の電荷分布を有しているπ共役分子、又は、誘起効果により電子吸引性を示す官能基若しくは誘起効果により電子供与性を示す官能基が直鎖状の炭化水素構造に結合してなる構造を繰り返し単位として有しており、非対称の電荷分布を有している重合体が好ましい。これらの化合物は、永久双極子モーメントを有する有機化合物であり、有機材料である有機半導体層との親和性に極めて優れるものである。このため、ソース電極又はドレイン電極と有機半導体層とを直接接触させる場合に比して、両者の親和性の低さに起因する接触抵抗の増大を少なくすることができる。   As a compound having a permanent dipole moment that mainly constitutes the buffer layer, a functional group that exhibits electron-withdrawing property by a resonance effect or a functional group that exhibits electron-donating property by a resonance effect is bonded to a π-conjugated structure, and is asymmetric. A structure in which a π-conjugated molecule having a charge distribution of, or a functional group that exhibits an electron-withdrawing property by an induced effect or a functional group that exhibits an electron-donating property by an induced effect is bonded to a linear hydrocarbon structure Polymers having repeating units and having an asymmetric charge distribution are preferred. These compounds are organic compounds having a permanent dipole moment, and are extremely excellent in affinity with an organic semiconductor layer that is an organic material. For this reason, compared with the case where a source electrode or a drain electrode and an organic-semiconductor layer are made to contact directly, the increase in contact resistance resulting from the low affinity of both can be decreased.

より具体的には、共鳴効果により電子吸引性を示す官能基は、アルデヒド基、アルキルカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基及びニトロ基のうち少なくとも1つの基であると好ましく、また、共鳴効果により電子供与性を示す官能基は、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基及びアルキルアミノ基のうち少なくとも1つの基であると好ましい。   More specifically, the functional group that exhibits electron-withdrawing property due to the resonance effect is preferably at least one of an aldehyde group, an alkylcarbonyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, and a nitro group, The functional group that exhibits an electron donating property by the resonance effect is preferably at least one group selected from a halogen atom, a hydroxyl group, an alkoxy group, an amino group, and an alkylamino group.

また、これらの官能基が結合するπ共役構造としては、ベンゼン環構造、より好ましくは一つ又は複数のベンゼン環を有するπ共役構造が挙げられる。上述の官能基がこのようなπ共役構造に結合してなり、非対称の電荷分布を有しているπ共役分子は、より大きな双極子モーメントを有するようになり、かかるπ共役分子から構成されるバッファ層は、更に容易に分極状態を形成し得る。このようなπ共役分子としては、パラニトロアニリンが特に好ましい。   Examples of the π-conjugated structure to which these functional groups are bonded include a benzene ring structure, more preferably a π-conjugated structure having one or a plurality of benzene rings. The above-mentioned functional group is bonded to such a π-conjugated structure, and a π-conjugated molecule having an asymmetric charge distribution has a larger dipole moment and is composed of such a π-conjugated molecule. The buffer layer can form a polarization state more easily. As such a π-conjugated molecule, paranitroaniline is particularly preferable.

また、誘起効果により電子吸引性を示す官能基は、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アルデヒド基、アルキルカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基及びニトロ基のうち少なくとも1つの基であると好ましい。これらの官能基が直鎖状の炭化水素構造に結合してなる繰り返し単位を有する重合体も、上記π共役分子と同様に、大きな双極子モーメントを有するようになる。このような重合体としては、ポリフッ化ビニリデンが特に好ましい。   In addition, functional groups that exhibit electron-withdrawing properties by inducing effects include halogen atoms, hydroxyl groups, alkoxy groups, amino groups, alkylamino groups, aldehyde groups, alkylcarbonyl groups, carboxyl groups, alkoxycarbonyl groups, cyano groups, and nitro groups. Of these, at least one group is preferred. A polymer having a repeating unit in which these functional groups are bonded to a linear hydrocarbon structure also has a large dipole moment, like the π-conjugated molecule. As such a polymer, polyvinylidene fluoride is particularly preferable.

そして、バッファ層を構成しているこれらの永久双極子モーメントを有する化合物が、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するように配向することによって、バッファ層に上述したような分極状態が形成される。   The compound having the permanent dipole moment constituting the buffer layer has a charge different in polarity from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode in the path constituted by the source electrode, the channel and the drain electrode. And having the same polarity as the carriers on the side close to the drain electrode, the above-described polarization state is formed in the buffer layer.

また、本発明による有機FETの別の形態は、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルとなる有機半導体層と、チャネルを通る電流量を制御するためのゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一方の電極と有機半導体層との間に形成され、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有しているバッファ層とを備えることを特徴とする。このような構成を有する有機FETにおいて、バッファ層は永久双極子モーメントを有する化合物を含むものであると好ましい。   Another form of the organic FET according to the present invention includes a source electrode and a drain electrode, an organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode for controlling an amount of current passing through the channel. In a path formed by at least one of the source electrode and the drain electrode and the organic semiconductor layer and configured by the source electrode, the channel, and the drain electrode, a polarity different from that of the carrier passing through the channel on the side closer to the source electrode And a buffer layer having a charge of the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode. In the organic FET having such a configuration, the buffer layer preferably contains a compound having a permanent dipole moment.

この有機FETにおいては、バッファ層が上述のような分極状態となっているため、キャリアを強く引きつける作用を有している。このため、ソース又はドレイン電極と有機半導体層との間でキャリアの移動が極めて生じやすくなっており、これにより電極−有機半導体層間の抵抗が大幅に低減される。   In this organic FET, since the buffer layer is in the polarization state as described above, it has a function of strongly attracting carriers. For this reason, it is very easy for carriers to move between the source or drain electrode and the organic semiconductor layer, thereby greatly reducing the resistance between the electrode and the organic semiconductor layer.

また、本発明による有機FETの製造方法は、金属材料からなるソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルとなる有機半導体層と、チャネルを通る電流量を制御するためのゲート電極とを備える上記本発明の有機FETを平易に製造する方法であって、ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一方の電極と有機半導体層との間に、永久双極子モーメントを有する化合物から主として構成されるバッファ層を形成する工程を有し、バッファ層を形成する工程を実施した後に、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するようにバッファ層を分極させる工程を更に有することを特徴とする。
In addition, the organic FET manufacturing method according to the present invention includes a source electrode and a drain electrode made of a metal material , an organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode, and an amount of current passing through the channel. A method for easily producing the organic FET of the present invention comprising a gate electrode, mainly from a compound having a permanent dipole moment between at least one of the source electrode and the drain electrode and the organic semiconductor layer. have a step of forming a configured buffer layer, after the step of forming a buffer layer, in the path constituted by the source electrode, the channel and the drain electrode, different from the carrier through the channel closer to the source electrode Buffer so that it has a charge of polarity and the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode Characterized by further comprising the step of polarizing the.

このようにして製造された有機FETに、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するようにバッファ層を分極させる工程を更に実施することにより、この有機FETにおけるバッファ層に上述したような分極状態を生じさせることができる。   In the organic FET manufactured in this way, in the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode, it has a charge of a polarity different from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode, and on the side close to the drain electrode. By further performing the step of polarizing the buffer layer so as to have the same polarity of charge as the carrier, the polarization state as described above can be generated in the buffer layer in the organic FET.

より具体的には、本発明による有機FETの製造方法は、ゲート電極及びゲート電極上に絶縁層を形成する工程、絶縁層に有機半導体層を形成する工程、有機半導体層にバッファ層を形成する工程、ソース電極及びドレイン電極を当該各電極のうち少なくとも一方の電極がバッファ層上に位置するように形成する工程、及び、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するようにバッファ層を分極させる工程の各工程を有することを特徴とする。このような製造方法によって、有機半導体層上にソース電極及びドレイン電極が形成された、いわゆるトップコンタクト型の有機FETが製造される。
More specifically, the method of manufacturing the organic FET according to the present invention comprises the steps that form an insulating layer on the gate electrode and the gate electrode, forming an organic semiconductor layer on the insulation layer, on the organic semiconductor layer step process, the source over source electrode and the drain electrode at least one electrode among the individual electrodes formed so as to be positioned on the buffer layer forming a buffer layer, and constituted by the source electrode, the channel and the drain electrode In the path, each step of polarizing the buffer layer so as to have a charge of a different polarity from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode and to have a charge of the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode It is characterized by. By such a manufacturing method, a so-called top contact type organic FET in which a source electrode and a drain electrode are formed on an organic semiconductor layer is manufactured.

また、本発明による有機FETの製造方法は、有機半導体層の下部にソース及びゲート電極を備えるボトムコンタクト型の有機FETを平易に製造するための方法も提供する。かかる製造方法は、すなわち、ゲート電極及びゲート電極上に絶縁層を形成する工程、絶縁層にソース電極及びドレイン電極を形成する工程、ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一方の電極上にバッファ層を形成する工程、有機半導体層をソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方との間にバッファ層を挟むように形成する工程、及び、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有するようにバッファ層を分極させる工程の各工程を有することを特徴とする。 The method for manufacturing an organic FET according to the present invention also provides a method for easily manufacturing a bottom contact type organic FET having a source and a gate electrode under the organic semiconductor layer. Such manufacturing methods, i.e., step that form an insulating layer on the gate electrode and the gate electrode, forming a source electrode and a drain electrode on the insulation layer, on at least one electrode of the source electrode and the drain electrode Forming a buffer layer; forming an organic semiconductor layer such that the buffer layer is sandwiched between at least one of the source electrode and the drain electrode; and a path formed by the source electrode, the channel, and the drain electrode. Each step of polarizing the buffer layer so as to have a charge different in polarity from the carrier passing through the channel on the side close to the electrode and to have the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode .

これらの有機FETの製造方法においては、バッファ層は、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方と有機半導体層との間に形成される。従って、バッファ層を分極させる工程は、バッファ層がソース電極と有機半導体層との間及びドレイン電極と有機半導体層との間の両方に設けられる時は、各バッファ層に対して実施し、バッファ層がいずれか一方にのみ形成される時は、当該バッファ層に対してのみ実施することになる。   In these organic FET manufacturing methods, the buffer layer is formed between at least one of the source electrode and the drain electrode and the organic semiconductor layer. Accordingly, the step of polarizing the buffer layer is performed for each buffer layer when the buffer layer is provided between the source electrode and the organic semiconductor layer and between the drain electrode and the organic semiconductor layer. When a layer is formed on only one of the layers, it is performed only on the buffer layer.

本発明によれば、ソース電極又はドレイン電極と有機半導体層との間の接触抵抗が低減された有機FET及びその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, organic FET by which the contact resistance between a source electrode or a drain electrode and an organic-semiconductor layer was reduced, and its manufacturing method can be provided.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、図面の位置関係に基づくものとする。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted. Also, the positional relationship such as up / down / left / right is based on the positional relationship of the drawings.

図1は、本発明の第1実施形態に係る有機FETの要部を模式的に示す断面図である。有機FET1はゲート絶縁膜4(絶縁層)の一側(図中下側)に設けられたゲート電極2、ゲート絶縁膜4の他側(図中上側)に設けられた有機半導体層6、ゲート絶縁膜4の他側(図中上側)であって、有機半導体層6の上に設けられたソース電極10及びドレイン電極12、及び有機半導体層6とソース電極10及びドレイン電極12との間にそれぞれ設けられたバッファ層8を有しており、いわゆるトップコンタクト型の構成を有する有機FETである。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the main part of an organic FET according to the first embodiment of the present invention. The organic FET 1 includes a gate electrode 2 provided on one side (lower side in the figure) of the gate insulating film 4 (insulating layer), an organic semiconductor layer 6 provided on the other side (upper side in the figure), and a gate. On the other side of the insulating film 4 (upper side in the figure), between the source electrode 10 and the drain electrode 12 provided on the organic semiconductor layer 6, and between the organic semiconductor layer 6 and the source electrode 10 and drain electrode 12. Each of them has a buffer layer 8 provided, and is an organic FET having a so-called top contact type configuration.

このような構成を有する有機FET1におけるゲート電極2は、チャネルとして機能する後述の有機半導体層6を通るドレイン電流量を制御する機能を有している。このゲート電極2は、例えば、ポリシリコン、ドープトSi、金属、導電性ポリマー等の導電性部材からなり、基板としての役割も兼ねるものである。なお、基板としてガラス材、セラミックス材、プラスチック材等の絶縁性基板をゲート電極2とは別に設けることもでき、その場合、これらの基板上に上述した材料等からなるゲート電極2を形成させる。   The gate electrode 2 in the organic FET 1 having such a configuration has a function of controlling the amount of drain current passing through the organic semiconductor layer 6 described later functioning as a channel. The gate electrode 2 is made of a conductive member such as polysilicon, doped Si, metal, or conductive polymer, and also serves as a substrate. Note that an insulating substrate such as a glass material, a ceramic material, or a plastic material can be provided separately from the gate electrode 2 as a substrate, and in that case, the gate electrode 2 made of the above-described material or the like is formed on these substrates.

ゲート電極2上に形成されたゲート絶縁膜4は、適宜の誘電性を発現し得る材料から構成される。具体的には、例えば、SiO、Al、Si、TiO等の無機誘電体や、ポリイミド、マイラー、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート等の有機高分子等が挙げられる。また、ゲート電極2が酸化されて誘電性を示すような材料からなる場合、ゲート絶縁膜4は、このゲート電極2の表面に酸化を施して形成された酸化膜とすることもできる。このようなゲート電極2及びゲート絶縁膜4としては、例えばSi及びSiOが挙げられる。 The gate insulating film 4 formed on the gate electrode 2 is made of a material that can exhibit appropriate dielectric properties. Specific examples include inorganic dielectrics such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and TiO 2 , and organic polymers such as polyimide, mylar, polyvinylidene fluoride, and polymethyl methacrylate. When the gate electrode 2 is made of a material that is oxidized to exhibit dielectric properties, the gate insulating film 4 can be an oxide film formed by oxidizing the surface of the gate electrode 2. Examples of the gate electrode 2 and the gate insulating film 4 include Si and SiO 2 .

また、ゲート絶縁膜4上に形成された有機半導体層6は、後述するソース電極10及びドレイン電極12との間の電流路となる、いわゆるチャネルとしての機能を有するものである。かかる有機半導体層6は、このチャネル構造が実現されるような半導体特性を有する有機物であれば、p型、n型の区別なく適用でき、例えば、p型半導体としてはペンタセン、テトラセンといった直列配置された4つ又は5つ以上のオルト縮合ベンゼン環からなる多環体(アセン)、ポリアルキルチオフェン、チオフェンオリゴマー等が挙げられ、n型半導体としてはC60、フッ素化フタロシアニン類等が挙げられる。 The organic semiconductor layer 6 formed on the gate insulating film 4 has a function as a so-called channel that becomes a current path between a source electrode 10 and a drain electrode 12 described later. The organic semiconductor layer 6 can be applied without distinction between p-type and n-type as long as it is an organic substance having such semiconductor characteristics as to realize this channel structure. For example, the p-type semiconductor is arranged in series such as pentacene and tetracene. Examples thereof include polycycles (acene) composed of 4 or 5 or more ortho-fused benzene rings, polyalkylthiophenes, thiophene oligomers, and the like. Examples of n-type semiconductors include C 60 and fluorinated phthalocyanines.

バッファ層8は、有機半導体層6とソース電極10及びドレイン電極12との間に、この両者の接触が生じないように形成されている。有機FET1においては、このバッファ層8は分極した状態で形成されている。   The buffer layer 8 is formed between the organic semiconductor layer 6 and the source electrode 10 and the drain electrode 12 so as not to contact each other. In the organic FET 1, the buffer layer 8 is formed in a polarized state.

図2(a)及び図2(b)は、有機半導体層6にp型半導体を用いた場合のバッファ層8周辺の領域R、Rの模式拡大図である。図示されるように、一対のバッファ層8は、それぞれソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアである正孔と異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にこのキャリアと同じ極性の電荷を有している。より具体的には、有機半導体層6とソース電極10との間に形成されたバッファ層8(図2(a)、R)は、ソース電極10に近い側に負の電荷を有し、且つ、有機半導体層6に近い側に正の電荷を有している。また、有機半導体層6とドレイン電極12との間に形成されたバッファ層8(図2(b)、R)は、ドレイン電極12に近い側に正の電荷を有し、且つ、有機半導体層6に近い側に負の電荷を有している。なお、有機FET1において、有機半導体層6にn型半導体を用い、チャネルを通るキャリアが電子となる場合には、バッファ層8は、図2(a),(b)で示される分極状態と逆の方向に分極した状態となる。 2A and 2B are schematic enlarged views of the regions R 1 and R 2 around the buffer layer 8 when a p-type semiconductor is used for the organic semiconductor layer 6. As shown in the figure, each of the pair of buffer layers 8 has a charge different in polarity from holes that are carriers passing through the channel on the side close to the source electrode in the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode. The carrier has a charge of the same polarity as this carrier on the side close to the drain electrode. More specifically, the buffer layer 8 (FIG. 2A, R 1 ) formed between the organic semiconductor layer 6 and the source electrode 10 has a negative charge on the side close to the source electrode 10, Moreover, it has a positive charge on the side close to the organic semiconductor layer 6. Further, the buffer layer 8 (FIG. 2B, R 2 ) formed between the organic semiconductor layer 6 and the drain electrode 12 has a positive charge on the side close to the drain electrode 12, and the organic semiconductor It has a negative charge on the side close to the layer 6. In the organic FET 1, when an n-type semiconductor is used for the organic semiconductor layer 6 and carriers passing through the channel are electrons, the buffer layer 8 is opposite to the polarization state shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). It becomes a state polarized in the direction of.

ここで、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路とは、有機FET1を動作させる際に電流が流れる経路を意味し、このような経路は、例えば、図1中、点線Lによって示されるものである。   Here, the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode means a path through which a current flows when the organic FET 1 is operated. Such a path is indicated by a dotted line L in FIG. Is.

このバッファ層8は、永久双極子モーメント、すなわち極性を有している化合物(以下、「極性化合物」と略す。)から主として構成される。ソース電極10及びドレイン電極12と有機半導体層6との接触状態をより良好にするためには、極性化合物の有している双極子モーメントは、2D以上であると好ましく、3〜20Dであるとより好ましく、3〜12Dであると更に好ましい。また、永久双極子モーメントを有する化合物としては、安定に成膜でき、且つ膜形成後の安定性にも優れるものが好ましい。   The buffer layer 8 is mainly composed of a compound having a permanent dipole moment, that is, a polarity (hereinafter abbreviated as “polar compound”). In order to improve the contact state between the source electrode 10 and the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6, the dipole moment of the polar compound is preferably 2D or more, and is 3 to 20D. More preferably, it is more preferable in it being 3-12D. As the compound having a permanent dipole moment, a compound that can form a film stably and is excellent in stability after film formation is preferable.

極性化合物としては、有機系の極性化合物と、無機系の極性化合物とを用いることができる。有機系の極性化合物としては、具体的には、共鳴効果により電子吸引性を示す官能基、若しくは共鳴効果により電子供与性を示す官能基がπ共役構造に結合してなるπ共役分子や、誘起効果により電子吸引性を示す官能基、若しくは誘起効果により電子供与性を示す官能基が直鎖状の炭化水素に結合した構造を単量体単位として有する重合体が挙げられる。これらの化合物においては、立体的に対称性を有しないように上述の官能基が配置されている。そして、これにより極性化合物に非対称の電荷分布が形成され、その結果、極性化合物は永久双極子モーメントを有するようになる。   As the polar compound, an organic polar compound and an inorganic polar compound can be used. Specific examples of the organic polar compound include a π-conjugated molecule in which a functional group that exhibits an electron-withdrawing property due to a resonance effect, or a functional group that exhibits an electron-donating property due to a resonance effect is bonded to a π-conjugated structure. Examples thereof include a polymer having, as a monomer unit, a functional group that exhibits an electron-withdrawing effect due to an effect or a structure in which a functional group that exhibits an electron-donating property due to an inducing effect is bonded to a linear hydrocarbon. In these compounds, the above functional groups are arranged so as not to have steric symmetry. This creates an asymmetric charge distribution in the polar compound, so that the polar compound has a permanent dipole moment.

共鳴効果により電子吸引性を示す官能基とは、例えばベンゼン等のπ共役構造に結合し、共鳴によってこのπ共役構造の電子密度を減少させるような効果を有する官能基をいう。具体的には、例えば、アルデヒド基(−CHO)、アルキルカルボニル基(−COR;Rはアルキル基を示す。以下同様。)、カルボキシル基(−COOH)、アルコキシカルボニル基(−COOR)、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO)等が挙げられる。また、共鳴効果により電子供与性を示す官能基とは、上述の例においてπ共役構造の電子密度を増加させる効果を有する官能基をいい、ハロゲン原子(−F、−Cl、−Br、−I等)、ヒドロキシル基(−OH)、アルコキシ基(−OR)、アミノ基(−NH)、アルキルアミノ基(−NR)、アルキル基(−R)等が挙げられる。 A functional group that exhibits an electron-withdrawing property by a resonance effect refers to a functional group that has an effect of binding to a π-conjugated structure such as benzene and reducing the electron density of the π-conjugated structure by resonance. Specifically, for example, an aldehyde group (—CHO), an alkylcarbonyl group (—COR; R represents an alkyl group, the same shall apply hereinafter), a carboxyl group (—COOH), an alkoxycarbonyl group (—COOR), a cyano group. (-CN), include a nitro group (-NO 2) and the like. In addition, the functional group exhibiting an electron donating property due to the resonance effect means a functional group having an effect of increasing the electron density of the π-conjugated structure in the above-described example, and is a halogen atom (—F, —Cl, —Br, —I). Etc.), hydroxyl group (—OH), alkoxy group (—OR), amino group (—NH 2 ), alkylamino group (—NR 2 ), alkyl group (—R) and the like.

これらの共鳴効果により電子吸引性又は電子供与姓を示す官能基が結合するπ共役構造としては、下記一般式(1)で表される一つのベンゼン環を有するπ共役構造や、下記一般式(2a)又は(2b)で表される複数のベンゼン環を有するπ共役構造が例示できる。

Figure 0004433746


Figure 0004433746

As a π-conjugated structure to which a functional group that exhibits electron-withdrawing property or electron-donating name is bonded by these resonance effects, a π-conjugated structure having one benzene ring represented by the following general formula (1), or the following general formula ( A π-conjugated structure having a plurality of benzene rings represented by 2a) or (2b) can be exemplified.
Figure 0004433746


Figure 0004433746

上記式中、Xは共鳴効果により電子吸引性又は電子供与性を示す上述した官能基であり、nは1〜6、mは0〜3の整数を示す。なお、上記式(1)、(2a)及び(2b)で表される化合物において、Xで表される官能基を複数有している場合、複数のXはそれぞれ同一でも異なっていてもよいが、分子が対称性を有しないような組み合わせとなるように選択される。   In the above formula, X is the functional group described above showing electron withdrawing property or electron donating property by resonance effect, n is 1 to 6, and m is an integer of 0 to 3. In the compounds represented by the above formulas (1), (2a) and (2b), when having a plurality of functional groups represented by X, the plurality of X may be the same or different from each other. , Selected such that the molecules are not symmetric.

このような化合物としては、具体的には、パラニトロアニリン、エチル安息香酸、アミノベンゾニトリル、アミノベンゾフェノン、5−アセチル−2−メトキシベンズアルデヒド、アミノ安息香酸、シアノフェノール、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、4’−ニトロ−4−ビフェニルアミン、4’−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸、4’−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボニトリル、4’−エチル−4−ビフェニルカルボン酸、6−アミノ−2−ナフタレンカルボン酸、6−フルオロ−2−ナフトアルデヒド、6−メトキシ−2−ナフトニトリルが例示できる。なかでも、パラニトロアニリンは、バッファ層に用いた場合に所定の方向に配向しやすい性質を有していることから好ましい。   Specific examples of such a compound include paranitroaniline, ethylbenzoic acid, aminobenzonitrile, aminobenzophenone, 5-acetyl-2-methoxybenzaldehyde, aminobenzoic acid, cyanophenol, p-hydroxybenzaldehyde, 4 ′. -Nitro-4-biphenylamine, 4'-hydroxy-4-biphenylcarboxylic acid, 4'-hydroxy-4-biphenylcarbonitrile, 4'-ethyl-4-biphenylcarboxylic acid, 6-amino-2-naphthalenecarboxylic acid , 6-fluoro-2-naphthaldehyde, and 6-methoxy-2-naphthonitrile. Among these, paranitroaniline is preferable because it has a property of being easily oriented in a predetermined direction when used in the buffer layer.

また、誘起効果により電子吸引性を示す官能基とは、当該官能基が結合している構造の電子密度を、σ結合を介して減少させる効果を有する官能基をいう。このような官能基としては、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アルデヒド基、アルキルカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ニトロ基等が挙げられる。   Further, the functional group that exhibits electron-withdrawing property due to the inducing effect refers to a functional group that has an effect of reducing the electron density of the structure to which the functional group is bonded through a σ bond. Examples of such functional groups include halogen atoms, hydroxyl groups, alkoxy groups, amino groups, alkylamino groups, aldehyde groups, alkylcarbonyl groups, carboxyl groups, alkoxycarbonyl groups, cyano groups, nitro groups, and the like.

これらの官能基が結合する直鎖状の炭化水素構造としては、炭素数1〜3の炭化水素構造が好ましく、エチレンに基づくモノマー単位がより好ましい。このような構造を有する繰り返し単位としては、例えば、下記式(3)で表される構造が好適である。

Figure 0004433746

The linear hydrocarbon structure to which these functional groups are bonded is preferably a hydrocarbon structure having 1 to 3 carbon atoms, and more preferably a monomer unit based on ethylene. As the repeating unit having such a structure, for example, a structure represented by the following formula (3) is preferable.
Figure 0004433746

式中、Yは、水素原子又は上述した誘起効果により電子吸引性又は電子供与性を示す官能基である。なお複数のYはそれぞれ同一でも異なっていてもよいが、形成される重合体が対称性を有しないような組み合わせとなるように選択される。極性化合物となる重合体は、このような繰り返し単位を有してなるものであり、その重量平均分子量は、10万〜300万程度であると好ましい。   In the formula, Y is a hydrogen atom or a functional group that exhibits an electron-withdrawing property or an electron-donating property due to the inductive effect described above. A plurality of Ys may be the same or different from each other, but are selected so that the formed polymer has no symmetry. The polymer to be a polar compound has such a repeating unit, and its weight average molecular weight is preferably about 100,000 to 3,000,000.

このような重合体としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリシアン化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステルが例示できる。これらの中でもポリフッ化ビニリデンが好ましい。   Examples of such polymers include polyvinylidene fluoride, poly (vinylidene cyanide), polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, and polyacrylic acid esters. Among these, polyvinylidene fluoride is preferable.

また、無機系の極性化合物としては、上述した範囲の双極子モーメントを有しており、また成膜性に優れるという特性を有している無機化合物を適宜選択して用いることができる。このような無機化合物としては、例えば、BaO(7.954D)、LiO(6.84D)等が好ましい。   In addition, as the inorganic polar compound, an inorganic compound having a dipole moment in the above-described range and excellent in film formability can be appropriately selected and used. As such an inorganic compound, for example, BaO (7.954D), LiO (6.84D) and the like are preferable.

さらに、このバッファ層8上に形成されているソース電極10及びドレイン電極12は、公知の導電性材料から構成されるものであり、この両電極10,12のうち少なくとも一方は、金属材料からなることが好ましい。金属材料としては、Au、Ag、Cu、Pt等、通常電極用の材料として用いられるものを特に制限なく適用できる。   Further, the source electrode 10 and the drain electrode 12 formed on the buffer layer 8 are made of a known conductive material, and at least one of the electrodes 10 and 12 is made of a metal material. It is preferable. As the metal material, those usually used as materials for electrodes, such as Au, Ag, Cu, and Pt, can be applied without particular limitation.

次に、図3を参照しつつ、有機FET1を製造する手順の一例について説明する。図3は、有機FET1の製造方法を模式的に示す工程図である。まず、n型シリコン等からなり、基板を兼ねるゲート電極2を準備した後(図3(a))、このゲート電極2に適宜の熱処理を施し、30〜500nm程度の厚さの熱酸化膜(SiO膜)からなるゲート絶縁膜4を形成し、ゲート電極2及びゲート絶縁膜4からなる積層体5を形成する(図3(b))。なお、ゲート電極2が基板を兼ねるような材料から構成されるものでない場合は、別途基板を準備した後、この上に金属等からなる層を公知の方法で積層してゲート電極2を形成させ、さらにその上に絶縁性材料等を蒸着等してゲート絶縁膜4を形成させることもできる。 Next, an example of a procedure for manufacturing the organic FET 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a process diagram schematically showing a method of manufacturing the organic FET 1. First, after preparing a gate electrode 2 made of n-type silicon or the like and also serving as a substrate (FIG. 3A), the gate electrode 2 is subjected to an appropriate heat treatment, and a thermal oxide film having a thickness of about 30 to 500 nm ( A gate insulating film 4 made of (SiO 2 film) is formed, and a laminated body 5 made of the gate electrode 2 and the gate insulating film 4 is formed (FIG. 3B). If the gate electrode 2 is not composed of a material that also serves as a substrate, a separate substrate is prepared, and then a layer made of metal or the like is laminated thereon by a known method to form the gate electrode 2. Furthermore, the gate insulating film 4 can be formed by vapor-depositing an insulating material or the like thereon.

次に、上述したような有機半導体材料を、蒸着等により積層体5におけるゲート絶縁膜4上に積層して、10〜100nm程度の厚さの有機半導体層6を形成する(図3(c))。また、有機半導体材料として、例えば分子量300以下の低分子量モノマーを用いる場合等、蒸着によると均一な膜形成が困難となるときには、このモノマーを溶媒とともに有機高分子材料等からなるマトリクス材の中に分散させた溶液を用い、これをスピンコート法等によりゲート絶縁膜4上に塗布することにより有機半導体層6を形成させることもできる。このマトリクス材としては、例えば、ポリイミド、マイラー、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート等を用いることができる。   Next, the organic semiconductor material as described above is stacked on the gate insulating film 4 in the stacked body 5 by vapor deposition or the like to form the organic semiconductor layer 6 having a thickness of about 10 to 100 nm (FIG. 3C). ). Further, when it is difficult to form a uniform film by vapor deposition, for example, when a low molecular weight monomer having a molecular weight of 300 or less is used as the organic semiconductor material, the monomer is put into a matrix material made of an organic polymer material together with a solvent. The organic semiconductor layer 6 can also be formed by using a dispersed solution and applying it to the gate insulating film 4 by a spin coating method or the like. As this matrix material, for example, polyimide, mylar, polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, or the like can be used.

その後、有機半導体層6上に、好ましくは0.5〜10nmの厚さのバッファ層8を、後の工程でソース電極10及びドレイン電極12を形成させる位置に該当する有機半導体層6上の部位に形成する(図3(d))。かかるバッファ層8は、永久双極子モーメントを有する化合物から主として構成されるものである。バッファ層8の形成方法としては、蒸着、スパッタ等による方法や、極性化合物を含む材料を溶媒に溶解させ、この溶液を有機半導体層6上にスピンコート法等の公知の方法で塗布した後に、溶媒を乾燥させる方法等が例示できる。蒸着法による場合、バッファ層8を形成させる部位に開口部を有するようなシャドウマスクを介して蒸着を実施する等により、上述した所望の位置にバッファ層8を形成させることができる。   Thereafter, the buffer layer 8 having a thickness of preferably 0.5 to 10 nm is formed on the organic semiconductor layer 6, and the portion on the organic semiconductor layer 6 corresponding to the position where the source electrode 10 and the drain electrode 12 are formed in a later step. (FIG. 3D). The buffer layer 8 is mainly composed of a compound having a permanent dipole moment. As a method for forming the buffer layer 8, after vapor deposition, sputtering, or the like, a material containing a polar compound is dissolved in a solvent, and this solution is applied onto the organic semiconductor layer 6 by a known method such as a spin coating method. Examples include a method of drying the solvent. In the case of the vapor deposition method, the buffer layer 8 can be formed at the above-described desired position by performing vapor deposition through a shadow mask having an opening at a portion where the buffer layer 8 is to be formed.

さらに、こうして形成されたバッファ層8上に、Au等の金属からなる電極材料を蒸着等することにより、それぞれ厚さ50〜200nm程度のソース電極10及びドレイン電極12を形成し、有機FET1を得る(図3(e))。この場合、チャネル長は0.1〜100μm程度とし、チャネル幅は0.1〜10mm程度とすることが好ましい。   Further, by depositing an electrode material made of a metal such as Au on the buffer layer 8 thus formed, the source electrode 10 and the drain electrode 12 each having a thickness of about 50 to 200 nm are formed, and the organic FET 1 is obtained. (FIG. 3 (e)). In this case, the channel length is preferably about 0.1 to 100 μm, and the channel width is preferably about 0.1 to 10 mm.

本発明による有機FETの製造においては、上述した工程により有機FET1を製造した後、さらに、有機FET1におけるバッファ層8に所定の分極を生じさせる工程を実施することが好ましい。具体的には、例えば、有機半導体層6がp型半導体材料から構成され、キャリアが正孔となる場合には、有機半導体層6とソース電極10との間に形成されたバッファ層8に対しては、ソース電極10に近い側に負の電荷を、有機半導体層6に近い側に正の電荷をそれぞれ有するように分極させ、また、ドレイン電極12と有機半導体層6との間に形成されたバッファ層8に対しては、ドレイン電極に近い側に正の電荷を、有機半導体層6に近い側に負の電荷を有するように分極させる。   In the manufacture of the organic FET according to the present invention, it is preferable that after the organic FET 1 is manufactured by the above-described steps, a step of causing a predetermined polarization in the buffer layer 8 in the organic FET 1 is further performed. Specifically, for example, when the organic semiconductor layer 6 is made of a p-type semiconductor material and carriers are holes, the buffer layer 8 formed between the organic semiconductor layer 6 and the source electrode 10 is used. Thus, a negative charge is polarized on the side close to the source electrode 10 and a positive charge is polarized on the side close to the organic semiconductor layer 6, and is formed between the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6. The buffer layer 8 is polarized so as to have a positive charge on the side close to the drain electrode and a negative charge on the side close to the organic semiconductor layer 6.

このような分極を生じさせるための具体的な方法としては、バッファ層8に電圧を印加する方法が挙げられる。例えば、上述のように有機半導体層6がp型半導体から構成される場合、ソース電極10と有機半導体層6間のバッファ層に対しては、バッファ層8におけるソース電極10に近い側が正、有機半導体層6に近い側が負となるように電圧を印加する。一方、ドレイン電極12と有機半導体層6との間のバッファ層8に対しては、バッファ層8におけるドレイン電極12に近い側が負、有機半導体層6に近い側が正となるように電圧を印加する。バッファ層8への電圧印加は、積層体に形成されたソース及びドレイン電極10,12及びゲート電極2に対して上述の条件を満たすように電圧を印加することにより実施できる。なお、有機FET1の有機半導体層6がn型半導体から構成されるものである場合には、分極工程において上記と逆方向に電圧を印加することになる。   A specific method for generating such polarization includes a method of applying a voltage to the buffer layer 8. For example, when the organic semiconductor layer 6 is composed of a p-type semiconductor as described above, the side close to the source electrode 10 in the buffer layer 8 is positive and organic with respect to the buffer layer between the source electrode 10 and the organic semiconductor layer 6. A voltage is applied so that the side close to the semiconductor layer 6 is negative. On the other hand, a voltage is applied to the buffer layer 8 between the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6 so that the side close to the drain electrode 12 in the buffer layer 8 is negative and the side close to the organic semiconductor layer 6 is positive. . The voltage can be applied to the buffer layer 8 by applying a voltage to the source and drain electrodes 10 and 12 and the gate electrode 2 formed in the stacked body so as to satisfy the above conditions. In the case where the organic semiconductor layer 6 of the organic FET 1 is composed of an n-type semiconductor, a voltage is applied in the direction opposite to the above in the polarization step.

これらの条件でバッファ層8に電圧が印加されると、バッファ層8を構成している極性化合物は双極子モーメントを有しているため、各電極に印加された電位に対応するように分子の向きを変え、上述した方向に電荷を有するように配向するようになり、こうしてバッファ層8に分極状態が形成される。   When a voltage is applied to the buffer layer 8 under these conditions, since the polar compound constituting the buffer layer 8 has a dipole moment, the molecular compound corresponds to the potential applied to each electrode. The orientation is changed so that the charge is oriented in the above-described direction, and thus a polarization state is formed in the buffer layer 8.

この際、分子の配向状態の変化を生じやすくする観点からは、有機FET1を加熱しながら電圧を印加することが好ましい。例えばバッファ層が重合体から主として構成されるものである場合、加熱は、この重合体のガラス転移温度以上の温度で実施することが望ましい。こうすることで、重合体の分子構造を比較的自由に変化させることができるようになり、電圧の印加による重合体の配向状態の変化が更に生じやすくなる。また、配向後に有機FET1をガラス転移温度以下に冷却すると、重合体の配向状態が固定されて好適な分極状態を維持することが容易となる。   In this case, it is preferable to apply a voltage while heating the organic FET 1 from the viewpoint of easily causing a change in the molecular orientation state. For example, when the buffer layer is mainly composed of a polymer, the heating is desirably performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the polymer. By doing so, the molecular structure of the polymer can be changed relatively freely, and the change in the orientation state of the polymer due to the application of voltage is more likely to occur. Further, when the organic FET 1 is cooled to the glass transition temperature or lower after the orientation, the orientation state of the polymer is fixed and it becomes easy to maintain a suitable polarization state.

有機FET1において、上述してきたようにバッファ層8が分極していると、ソース及びドレイン両電極10,12と有機半導体層6との間においてキャリアの移動が容易に生じるようになる。このため、両電極10,12と有機半導体層6との接触抵抗は、電極と有機半導体とを直接接合させていた従来の有機FETに比して極めて小さいものとなる。   In the organic FET 1, if the buffer layer 8 is polarized as described above, carrier movement easily occurs between the source and drain electrodes 10 and 12 and the organic semiconductor layer 6. For this reason, the contact resistance between the electrodes 10 and 12 and the organic semiconductor layer 6 is extremely smaller than that of a conventional organic FET in which the electrodes and the organic semiconductor are directly joined.

また、バッファ層8は、永久双極子モーメントを有している有機化合物から構成されるものであるため、有機半導体層6との親和性が良好である。このようなバッファ層8をソース及びドレイン両電極10,12と有機半導体層6との間に介在させることにより、互いに親和性の低い両電極10,12と有機半導体層6とを直接接触させた場合に比べて、これらの間の抵抗を大幅に低減することができるという作用も有するようになる。   Further, since the buffer layer 8 is composed of an organic compound having a permanent dipole moment, the affinity with the organic semiconductor layer 6 is good. By interposing the buffer layer 8 between the source and drain electrodes 10 and 12 and the organic semiconductor layer 6, the electrodes 10 and 12 having low affinity with the organic semiconductor layer 6 are brought into direct contact with each other. Compared with the case, it also has the effect | action that the resistance between these can be reduced significantly.

さらに、ソース電極10及びドレイン電極12はバッファ層8を介して有機半導体層6上に形成されていることから、両電極10,12を蒸着等により形成させる際の有機半導体層6への熱ダメージは極めて少なくなり、従来問題となっていた有機FETの製造時に生じる有機半導体層の劣化は殆どない。   Furthermore, since the source electrode 10 and the drain electrode 12 are formed on the organic semiconductor layer 6 via the buffer layer 8, thermal damage to the organic semiconductor layer 6 when the electrodes 10 and 12 are formed by vapor deposition or the like. The organic semiconductor layer hardly deteriorates during the production of the organic FET, which has been a problem in the past.

以上、本発明の有機FETの第1実施形態について説明したが、このようなトップコンタクト型の有機FETは、必ずしも上述した構成を有するものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。   The first embodiment of the organic FET of the present invention has been described above. However, such a top contact type organic FET is not necessarily limited to the above-described configuration, and does not depart from the spirit of the present invention. Various modifications are possible within the range.

例えば、バッファ層8は、必ずしもソース電極10及びドレイン電極12の両方と有機半導体層6との間に形成されている必要はなく、両電極10,12のうち少なくとも一方と有機半導体層6との間に形成されていれば、接触状態の改善効果は発揮され得る。なお、両電極10,12のうちのいずれか一方のみが金属材料から形成されている場合には、金属からなる電極の側にバッファ層8が形成されていることが望ましい。   For example, the buffer layer 8 is not necessarily formed between both the source electrode 10 and the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6, and at least one of the electrodes 10 and 12 and the organic semiconductor layer 6 If formed in between, the effect of improving the contact state can be exhibited. When only one of the electrodes 10 and 12 is made of a metal material, it is desirable that the buffer layer 8 be formed on the side of the electrode made of metal.

また、バッファ層8は、少なくともソース電極10及びドレイン電極12と有機半導体層6とが接触しないように設けられていればよい。このため、例えば、上部に形成される電極10,12よりもバッファ層8のサイズが大きくてもよい。   Moreover, the buffer layer 8 should just be provided so that at least the source electrode 10 and the drain electrode 12 and the organic-semiconductor layer 6 may not contact. For this reason, for example, the size of the buffer layer 8 may be larger than the electrodes 10 and 12 formed on the upper portion.

次に、本発明の有機FETの第2実施形態について説明する。図4は、本発明の第2実施形態に係る有機FETの要部を模式的に示す断面図である。有機FET11は、いわゆるボトムコンタクト型の構成を有する有機FETであり、ゲート絶縁膜4(絶縁層)の一側(図中下側)にチャネルを通るドレイン電流量を制御するためのゲート電極2が形成され、またゲート絶縁膜4の他側(図中上側)に、一定の間隔をおいて配置されたソース電極10及びドレイン電極12を有している。さらに、ゲート絶縁膜4の他側(図中上側)であって、ソース電極10及びドレイン電極12上に、極性化合物から主として構成されるバッファ層18が形成されており、これらのバッファ層18の上方及び間には、ソース電極10及びドレイン電極12の間のチャネルとなる有機半導体層6が形成されている。この有機FET11の各構成は上述した有機FET1と同様の材料から形成され得る。また、バッファ層18は、ソース電極、チャネル及びドレイン電極によって構成される経路において、ソース電極に近い側にチャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、ドレイン電極に近い側にキャリアと同じ極性の電荷を有している。   Next, a second embodiment of the organic FET of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a main part of an organic FET according to the second embodiment of the present invention. The organic FET 11 is an organic FET having a so-called bottom contact type structure, and a gate electrode 2 for controlling the amount of drain current passing through the channel is provided on one side (lower side in the figure) of the gate insulating film 4 (insulating layer). The source electrode 10 and the drain electrode 12 are formed and arranged on the other side (upper side in the drawing) of the gate insulating film 4 with a certain interval. Further, a buffer layer 18 mainly composed of a polar compound is formed on the other side (the upper side in the drawing) of the gate insulating film 4 and on the source electrode 10 and the drain electrode 12. An organic semiconductor layer 6 serving as a channel between the source electrode 10 and the drain electrode 12 is formed above and between them. Each component of the organic FET 11 can be formed of the same material as the organic FET 1 described above. The buffer layer 18 has a charge different in polarity from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode in the path constituted by the source electrode, the channel and the drain electrode, and has the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode. Have a charge of.

この有機FET11は、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、まず、ゲート電極2を準備し、この上にゲート絶縁膜4を上記有機FET1における場合と同様の方法で形成して積層体を得る。次に、この積層体のゲート絶縁膜4上に所定の間隔で配置されたソース電極10及びドレイン電極12を形成する。この場合、両電極10,12の形成方法は特に限定されないが、例えば、ゲート絶縁膜4上に電極の材料をスパッタリングにより成膜させた後、フォトリソグラフィ等によりパターニングする方法が例示できる。   This organic FET 11 can be manufactured as follows, for example. That is, first, the gate electrode 2 is prepared, and the gate insulating film 4 is formed thereon by the same method as in the organic FET 1 to obtain a stacked body. Next, the source electrode 10 and the drain electrode 12 arranged at a predetermined interval are formed on the gate insulating film 4 of the stacked body. In this case, the method for forming both electrodes 10 and 12 is not particularly limited. For example, after the electrode material is formed on the gate insulating film 4 by sputtering, patterning is performed by photolithography or the like.

次いで、形成されたソース電極10及びドレイン電極12の上に、有機FET1における場合と同様の手段で極性化合物からなるバッファ層18を形成させる。この際、バッファ層18は、両電極10,12とこれらの上に形成させる有機半導体層6との接触が生じないようにするため、両電極10,12を覆うようにして形成させることが望ましい。   Next, a buffer layer 18 made of a polar compound is formed on the formed source electrode 10 and drain electrode 12 by the same means as in the organic FET 1. At this time, the buffer layer 18 is preferably formed so as to cover both the electrodes 10 and 12 in order to prevent the electrodes 10 and 12 from contacting the organic semiconductor layer 6 formed thereon. .

バッファ層18の形成後、各電極上に形成されたバッファ層18の上方及び間に、ソース電極10及びドレイン電極12の電流路となるように有機半導体層6を形成して、有機FET11を得る。この有機半導体層6の形成方法としては蒸着法が好ましい。   After the buffer layer 18 is formed, the organic semiconductor layer 6 is formed so as to provide a current path for the source electrode 10 and the drain electrode 12 above and between the buffer layers 18 formed on the respective electrodes, thereby obtaining the organic FET 11. . As a method for forming the organic semiconductor layer 6, a vapor deposition method is preferable.

こうして有機FET11を製造した後、バッファ層18に所定の分極を生じさせる工程を更に実施する。この分極の工程においては、例えば、有機半導体層6にp型半導体を用い、キャリアが正孔となる場合、得られた有機FET11においては、有機半導体層6とソース電極10との間に形成されたバッファ層が、ソース電極10に近い側に負の電荷を、有機半導体層6に近い側に正の電荷をそれぞれ有し、また、ドレイン電極12と有機半導体層6との間に形成されたバッファ層8が、ドレイン電極12に近い側に正の電荷を、また、有機半導体層6に近い側に負の電荷を有するように分極を生じさせる。一方、有機半導体層6にn型半導体を用いた場合には、バッファ層8は上記と逆の状態となるように分極を生じさせる。かかる分極の工程は、上述した有機FET1の製造時と同様にして実施することができる。   After manufacturing the organic FET 11 in this manner, a step of causing the buffer layer 18 to generate a predetermined polarization is further performed. In this polarization step, for example, when a p-type semiconductor is used for the organic semiconductor layer 6 and the carriers are holes, the organic FET 11 obtained is formed between the organic semiconductor layer 6 and the source electrode 10. The buffer layer has a negative charge on the side close to the source electrode 10 and a positive charge on the side close to the organic semiconductor layer 6, and is formed between the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6. The buffer layer 8 is polarized so as to have a positive charge on the side close to the drain electrode 12 and a negative charge on the side close to the organic semiconductor layer 6. On the other hand, when an n-type semiconductor is used for the organic semiconductor layer 6, the buffer layer 8 is polarized so as to be in the opposite state. Such a polarization step can be performed in the same manner as in the manufacture of the organic FET 1 described above.

なお、バッファ層18に分極を生じさせる方法としては、このような方法に必ずしも限定されず、種々の方法を適用することができる。例えば、有機FET11における有機半導体層6上に、分極を生じさせるための分極用の電極を形成する方法が挙げられる。図5は、分極用電極を更に有する有機FETの要部を模式的に示す断面図である。図示されるように、有機FET21は、有機FET11における有機半導体層6上に、更に分極用電極20を備えた構成を有している。   The method for causing polarization in the buffer layer 18 is not necessarily limited to such a method, and various methods can be applied. For example, a method of forming an electrode for polarization for causing polarization on the organic semiconductor layer 6 in the organic FET 11 can be mentioned. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a main part of an organic FET further having a polarization electrode. As illustrated, the organic FET 21 has a configuration in which a polarization electrode 20 is further provided on the organic semiconductor layer 6 in the organic FET 11.

この有機FET21においては、ソース電極10又はドレイン電極12と分極用電極20との間に電圧を印加することによって所定の分極を生じさせることができる。具体的には、例えば、有機半導体層6がp型半導体からなる場合、ソース電極10と有機半導体層6との間に形成されたバッファ層18に対しては、分極用電極20が負、ソース電極が正となるように電圧を印加し、ドレイン電極12と有機半導体層6との間のバッファ層8に対しては、分極用電極20が正、ドレイン電極12が負となるように電圧を印加する。この分極工程の終了後には、分極用電極20は、有機FET21から除去することが好ましいが、FETとしての機能を損なわない限り、分極用電極20は、有機FET21に設置されたままであっても構わない。   In the organic FET 21, a predetermined polarization can be generated by applying a voltage between the source electrode 10 or the drain electrode 12 and the polarization electrode 20. Specifically, for example, when the organic semiconductor layer 6 is made of a p-type semiconductor, the polarization electrode 20 is negative with respect to the buffer layer 18 formed between the source electrode 10 and the organic semiconductor layer 6. A voltage is applied so that the electrode is positive, and the voltage is applied to the buffer layer 8 between the drain electrode 12 and the organic semiconductor layer 6 so that the polarization electrode 20 is positive and the drain electrode 12 is negative. Apply. After the polarization step, the polarization electrode 20 is preferably removed from the organic FET 21, but the polarization electrode 20 may remain installed in the organic FET 21 as long as the function as the FET is not impaired. Absent.

このように構成されたボトムコンタクト型の有機FET11及び有機FET21は、上述した有機FET1と同様に種々の変形が可能である。例えば、バッファ層18は、必ずしもソース電極10及びドレイン電極12の両方の上に形成されている必要はなく、いずれか一方の上に形成されていれば、ソース電極10又はドレイン電極12と有機半導体層6との接触状態の改善効果が発揮され得る。   The bottom contact type organic FET 11 and the organic FET 21 configured as described above can be variously modified in the same manner as the organic FET 1 described above. For example, the buffer layer 18 does not necessarily have to be formed on both the source electrode 10 and the drain electrode 12, and if it is formed on either one, the source electrode 10 or the drain electrode 12 and the organic semiconductor The effect of improving the contact state with the layer 6 can be exhibited.

この有機FET11及び有機FET21においては、有機半導体層6とソース電極10及びドレイン電極12とは、これらの間に極性化合物から主として構成されるバッファ層18を介在させた状態で接触している。このため、有機FET1における場合と同様に、バッファ層18によって、両電極10,12と有機半導体層6とは接触による抵抗は極めて小さいものとなる。   In the organic FET 11 and the organic FET 21, the organic semiconductor layer 6, the source electrode 10 and the drain electrode 12 are in contact with each other with a buffer layer 18 mainly composed of a polar compound interposed therebetween. For this reason, as in the case of the organic FET 1, the resistance due to contact between the electrodes 10, 12 and the organic semiconductor layer 6 becomes extremely small due to the buffer layer 18.

以上、本発明によるトップコンタクト型及びボトムコンタクト型の構造を有する有機FETについて説明してきたが、本発明の有機FETは必ずしもこれらの構造に限定されない。具体的には、例えば、有機半導体層の一側にソース電極及びドレイン電極のいずれか一方の電極が形成され、他側に他方の電極が形成されたトップアンドボトムコンタクト型有機FETや、ソース電極とドレイン電極との間にゲート電極が形成されており、ゲート電極の周囲にソース電極及びドレイン電極間のチャネルとなる有機半導体層が形成されている縦型有機FET等も本発明の有機FETに含まれる。そして、いずれの有機FETにおいても、ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一方の電極と有機半導体層との間に、極性化合物から主として構成されるバッファ層が形成されており、これによりソース電極又はドレイン電極と有機半導体層との間の接触抵抗が低いものとなる。   The organic FET having the top contact type and the bottom contact type structure according to the present invention has been described above, but the organic FET of the present invention is not necessarily limited to these structures. Specifically, for example, a top-and-bottom contact type organic FET in which one of a source electrode and a drain electrode is formed on one side of the organic semiconductor layer and the other electrode is formed on the other side, or a source electrode A vertical organic FET in which a gate electrode is formed between the gate electrode and the drain electrode and an organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode is formed around the gate electrode is also an organic FET of the present invention. included. In any organic FET, a buffer layer mainly composed of a polar compound is formed between at least one of the source electrode and the drain electrode and the organic semiconductor layer, whereby the source electrode or the drain electrode And the contact resistance between the organic semiconductor layer is low.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.

[有機半導体素子の製造]
(参考例1)
ガラス基板(#7059、コーニング社製)上に、抵抗加熱蒸着源を用いて金を真空蒸着して厚さ100nmの下部電極を形成した。この下部電極上に、ポリフッ化ビニリデンのシクロヘキサノン溶液をスピンコートにより塗布した後、減圧下で乾燥させて10nmの厚さのバッファ層を形成した。次に、このバッファ層上に1×10−6Torr(1.33×10−4Pa)の真空条件でペンタセンを真空蒸着して、100nmの厚さの有機半導体層を形成させた。さらに、この有機半導体層上に金を真空蒸着して厚さ100nmの上部電極を形成させて積層体を得た。そして、得られた積層体を50℃に加熱しながら、下部電極の電圧を0Vとし、上部電極に+10Vの電圧を印加した後、室温に戻して有機半導体素子を得た。
[Manufacture of organic semiconductor elements]
(Reference Example 1)
Gold was vacuum-deposited on a glass substrate (# 7059, manufactured by Corning) using a resistance heating evaporation source to form a lower electrode having a thickness of 100 nm. On this lower electrode, a cyclohexanone solution of polyvinylidene fluoride was applied by spin coating, and then dried under reduced pressure to form a buffer layer having a thickness of 10 nm. Next, pentacene was vacuum-deposited on the buffer layer under a vacuum condition of 1 × 10 −6 Torr (1.33 × 10 −4 Pa) to form an organic semiconductor layer having a thickness of 100 nm. Furthermore, gold was vacuum-deposited on the organic semiconductor layer to form an upper electrode having a thickness of 100 nm to obtain a laminate. And while heating the obtained laminated body to 50 degreeC, the voltage of the lower electrode was set to 0V, the voltage of + 10V was applied to the upper electrode, and it returned to room temperature, and the organic-semiconductor element was obtained.

(比較参考例1)
バッファ層を形成させなかったこと以外は、参考例1と同様にして有機半導体素子を得た。
(Comparative Reference Example 1)
An organic semiconductor element was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the buffer layer was not formed.

[特性評価]
参考例1及び比較参考例1で得られた有機半導体素子に、半導体パラメータ・アナライザ(4155C、Agilent Technologies社製)を用い、上部電極に印加する電圧を−15〜+15Vの範囲で連続的に変化させて、それぞれ得られる電流値を測定した。図6は、参考例1及び比較参考例1の有機半導体素子で得られた印加電圧に対する電流値(印加電圧に対する電流値を示す曲線を以下、「電圧−電流曲線」と略す。)を示すグラフである。なお、図中の印加電圧の値は、下部電極側を0Vとしたときの上部電極側の電位を示している。図6中、実線で示される曲線が参考例1の有機半導体素子により得られた電圧−電流曲線を、点線で示される曲線が比較参考例1の有機半導体素子により得られた電圧−電流曲線をそれぞれ示している。
[Characteristic evaluation]
For the organic semiconductor elements obtained in Reference Example 1 and Comparative Reference Example 1, a semiconductor parameter analyzer (4155C, manufactured by Agilent Technologies) was used, and the voltage applied to the upper electrode was continuously changed in the range of −15 to + 15V. Each current value obtained was measured. FIG. 6 is a graph showing a current value with respect to an applied voltage obtained by the organic semiconductor elements of Reference Example 1 and Comparative Reference Example 1 (the curve showing the current value with respect to the applied voltage is hereinafter abbreviated as “voltage-current curve”). It is. In addition, the value of the applied voltage in the figure indicates the potential on the upper electrode side when the lower electrode side is set to 0V. In FIG. 6, the curve indicated by the solid line is the voltage-current curve obtained by the organic semiconductor element of Reference Example 1, and the curve indicated by the dotted line is the voltage-current curve obtained by the organic semiconductor element of Comparative Reference Example 1. Each is shown.

図6より、バッファ層を形成させた参考例1の有機半導体素子は、バッファ層を形成させなかった比較参考例1の有機半導体素子に比して、下部電極対して上部電極の電位を正とした場合、すなわち、素子形成時と同一の方向に電圧を印加した場合に顕著に大きい電流値が得られることが判明した。   From FIG. 6, the organic semiconductor element of Reference Example 1 in which the buffer layer is formed has a positive potential on the upper electrode with respect to the lower electrode as compared with the organic semiconductor element of Comparative Reference Example 1 in which the buffer layer is not formed. In other words, it was found that a remarkably large current value can be obtained when a voltage is applied in the same direction as when the element was formed.

[有機FETの製造]
(実施例1)
まず、ゲート絶縁膜として約200nmの熱酸化膜を形成させたゲート電極を兼ねる高ドープのn型シリコン基板(バルク抵抗率:1Ωcm)を準備し、これを9×25mmの矩形板状に切り出した。次に、この基板におけるゲート絶縁膜上に、ペンタセンを真空蒸着して、約50nmの厚さの有機半導体層を形成させた。
[Manufacture of organic FET]
Example 1
First, a highly doped n-type silicon substrate (bulk resistivity: 1 Ωcm) also serving as a gate electrode on which a thermal oxide film of about 200 nm was formed as a gate insulating film was prepared, and this was cut into a 9 × 25 mm rectangular plate shape. . Next, pentacene was vacuum-deposited on the gate insulating film of the substrate to form an organic semiconductor layer having a thickness of about 50 nm.

この有機半導体層上に、チャネル部となるべき部分をセパレートしたシャドウマスクを介してパラニトロアニリンを真空蒸着し、厚さ約2nmのバッファ層を形成した。さらに、このバッファ層上に厚さ約80nmの金の膜を真空蒸着してソース電極及びドレイン電極を形成させ、トップコンタクト型の有機FETを得た。なお、チャネル長を20μmとし、チャネル幅を5mmとした。   On this organic semiconductor layer, paranitroaniline was vacuum-deposited through a shadow mask in which a portion to be a channel portion was separated to form a buffer layer having a thickness of about 2 nm. Further, a gold film having a thickness of about 80 nm was vacuum deposited on the buffer layer to form a source electrode and a drain electrode, thereby obtaining a top contact type organic FET. The channel length was 20 μm and the channel width was 5 mm.

(実施例2)
有機半導体層上に、ポリフッ化ビニリデンのシクロヘキサノン溶液をスピンコートした後、減圧下で乾燥させてバッファ層を形成したこと以外は実施例1と同様にして有機FETを製造した。
(Example 2)
An organic FET was produced in the same manner as in Example 1, except that a cyclohexanone solution of polyvinylidene fluoride was spin-coated on the organic semiconductor layer and then dried under reduced pressure to form a buffer layer.

次に、この有機FETを減圧下で50℃に加熱した状態で、ゲート電極に対して+50Vの電圧をソース電極に、ゲート電極に対して−50Vの電圧をドレイン電極にそれぞれ独立に印加した後、室温まで冷却して特性評価用の有機FETとした。   Next, in a state where the organic FET is heated to 50 ° C. under reduced pressure, a voltage of +50 V is applied to the source electrode and a voltage of −50 V to the gate electrode is independently applied to the drain electrode. Then, it was cooled to room temperature to obtain an organic FET for characteristic evaluation.

(比較例1)
バッファ層を形成させなかったこと以外は、実施例1と同様にして有機FETを得た。
(Comparative Example 1)
Organic FET was obtained like Example 1 except not having formed the buffer layer.

(特性評価)
実施例1〜2及び比較例1で得られた有機FETについて、ゲート電圧に対するドレイン電流の変化を測定した。この測定は、半導体パラメータ・アナライザ(4155C、Agilent Technologies社製)を用いて行い、種々の値のドレイン/ソース電極間の電圧(ドレイン電圧)に対して、ゲート/ソース電極間の電圧(ゲート電圧)を連続的に変化させた場合に、ソース電極及びドレイン電極間に流れる電流(ドレイン電流)の値をモニターすることにより行った。
(Characteristic evaluation)
For the organic FETs obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the change in drain current with respect to the gate voltage was measured. This measurement is performed using a semiconductor parameter analyzer (4155C, manufactured by Agilent Technologies), and the voltage between the gate and the source electrode (gate voltage) with respect to the voltage between the drain and source electrodes (drain voltage) of various values. ) Was continuously monitored to monitor the value of the current (drain current) flowing between the source electrode and the drain electrode.

次に、得られたゲート電圧に対するドレイン電流の変化のプロットから、FET構造における電界効果移動度及びゲート電圧のしきい値(Vth)を算出した。具体的には、ドレイン電圧を−100Vとしたときの、ゲート電圧の値に対するドレイン電流の値の平方根をプロットした。移動度は、このプロットにおいて十分に飽和領域が得られる条件であるゲート電圧−50Vにおける接線の傾きから算出した。また、Vthはこの接線におけるX軸の切片を読み取ることにより導き出した。得られた移動度及びVthの結果を表1に示す。
Next, the field effect mobility and the gate voltage threshold value (Vth) in the FET structure were calculated from the plot of the change in drain current against the obtained gate voltage. Specifically, the square root of the drain current value versus the gate voltage value when the drain voltage is set to −100 V is plotted. The mobility was calculated from the slope of the tangent line at a gate voltage of −50 V, which is a condition for obtaining a sufficiently saturated region in this plot. Vth was derived by reading the X-axis intercept at this tangent. The obtained mobility and Vth results are shown in Table 1.


Figure 0004433746
Figure 0004433746

表1より、バッファ層を有する実施例1及び実施例2の有機FETは、バッファ層を有していない比較例1の有機FETに比して、移動度が有意に高く、またしきい電圧も低いことが判明した。特に、製造時に電圧を印加してバッファ層を分極させた実施例2の有機FETが顕著に良好な結果を示したことから、バッファ層がキャリアの移動方向に沿って分極している場合に、最も優れた結果が得られることが判明した。   From Table 1, the organic FETs of Example 1 and Example 2 having a buffer layer have significantly higher mobility and threshold voltage than the organic FET of Comparative Example 1 having no buffer layer. It turned out to be low. In particular, the organic FET of Example 2 in which the buffer layer was polarized by applying a voltage at the time of manufacture showed a remarkably good result, so when the buffer layer is polarized along the carrier movement direction, It has been found that the best results are obtained.

本発明の第1実施形態に係る有機FETの要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of organic FET which concerns on 1st Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、有機半導体層6にp型半導体を用いた場合のバッファ層8周辺の領域R、Rの模式拡大図である。(A) and (b) is a schematic enlarged view of the region near the buffer layer 8 R 1, R 2 in the case of using a p-type semiconductor in the organic semiconductor layer 6. 有機FET1の製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of organic FET1 typically. 本発明の第2実施形態に係る有機FETの要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of organic FET which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 分極用電極を更に有する有機FETの要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of organic FET which further has an electrode for polarization. 参考例1及び参考例2の有機半導体素子で得られた印加電圧に対する電流値を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current value with respect to the applied voltage obtained with the organic-semiconductor element of the reference example 1 and the reference example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…有機FET、2…ゲート電極、4…ゲート絶縁膜、5…積層体、6…有機半導体層、8…バッファ層、10…ソース電極、11…有機FET、12…ドレイン電極、18…バッファ層、20…分極用電極、21…有機FET。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Organic FET, 2 ... Gate electrode, 4 ... Gate insulating film, 5 ... Laminated body, 6 ... Organic-semiconductor layer, 8 ... Buffer layer, 10 ... Source electrode, 11 ... Organic FET, 12 ... Drain electrode, 18 ... Buffer Layer, 20 ... electrode for polarization, 21 ... organic FET.

Claims (9)

金属材料からなるソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネルとなる有機半導体層と、
前記チャネルを通る電流量を制御するためのゲート電極と、
前記有機半導体層と前記ソース電極及び前記ドレイン電極のうち少なくとも一方の電極との間に形成されており、永久双極子モーメントを有する化合物を含むバッファ層とを備え、
前記バッファ層に含まれる前記永久双極子モーメントを有する化合物は、前記ソース電極、前記チャネル及び前記ドレイン電極によって構成される経路において、前記ソース電極に近い側に前記チャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、前記ドレイン電極に近い側に前記キャリアと同じ極性の電荷を有するように配向している、有機電界効果トランジスタ。
A source electrode and a drain electrode made of a metal material ;
An organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode;
A gate electrode for controlling the amount of current through the channel;
A buffer layer that is formed between the organic semiconductor layer and at least one of the source electrode and the drain electrode and includes a compound having a permanent dipole moment ;
The compound having the permanent dipole moment contained in the buffer layer has a charge different in polarity from carriers passing through the channel on a side close to the source electrode in a path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode. the a, are oriented so as to have the carrier to the same polarity of charge on the side closer to the drain electrode, organic electromechanical field effect transistor.
前記永久双極子モーメントを有する化合物は、共鳴効果により電子吸引性を示す官能基若しくは共鳴効果により電子供与性を示す官能基がπ共役構造に結合してなり、非対称の電荷分布を有しているπ共役分子、又は、誘起効果により電子吸引性を示す官能基若しくは誘起効果により電子供与性を示す官能基が直鎖状の炭化水素構造に結合してなる構造を繰り返し単位として有しており、非対称の電荷分布を有している重合体、である請求項1記載の有機電界効果トランジスタ。   The compound having a permanent dipole moment has an asymmetric charge distribution in which a functional group that exhibits electron-withdrawing property by a resonance effect or a functional group that exhibits electron-donating property by a resonance effect is bonded to a π-conjugated structure. a π-conjugated molecule, or a functional group that exhibits an electron-withdrawing property by an inductive effect or a structure in which a functional group that exhibits an electron-donating property by an inductive effect is bonded to a linear hydrocarbon structure as a repeating unit; 2. The organic field effect transistor according to claim 1, which is a polymer having an asymmetric charge distribution. 前記共鳴効果により電子吸引性を示す官能基は、アルデヒド基、アルキルカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基及びニトロ基のうち少なくとも1つの基であり、前記共鳴効果により電子供与性を示す官能基は、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基及びアルキルアミノ基のうち少なくとも1つの基である請求項2記載の有機電界効果トランジスタ。   The functional group exhibiting electron withdrawing property due to the resonance effect is at least one group of aldehyde group, alkylcarbonyl group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, cyano group and nitro group, and exhibits electron donating property due to the resonance effect. 3. The organic field effect transistor according to claim 2, wherein the functional group is at least one of a halogen atom, a hydroxyl group, an alkoxy group, an amino group, and an alkylamino group. 前記π共役構造は、一つ又は複数のベンゼン環を有するπ共役構造である請求項2又は3記載の有機電界効果トランジスタ。   The organic field effect transistor according to claim 2 or 3, wherein the π-conjugated structure is a π-conjugated structure having one or a plurality of benzene rings. 前記誘起効果により電子吸引性を示す官能基は、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アルデヒド基、アルキルカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基及びニトロ基のうち少なくとも1つの基である請求項2記載の有機電界効果トランジスタ。   The functional group that exhibits electron withdrawing due to the inducing effect is a halogen atom, a hydroxyl group, an alkoxy group, an amino group, an alkylamino group, an aldehyde group, an alkylcarbonyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, or a nitro group. 3. The organic field effect transistor according to claim 2, which is at least one group. 前記永久双極子モーメントを有する化合物は、ポリフッ化ビニリデン又はパラニトロアニリンである請求項1記載の有機電界効果トランジスタ。   2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the compound having a permanent dipole moment is polyvinylidene fluoride or paranitroaniline. 金属材料からなるソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネルとなる有機半導体層と、前記チャネルを通る電流量を制御するためのゲート電極と、を備える有機電界効果トランジスタを製造する方法であって、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極のうち少なくとも一方の電極と前記有機半導体層との間に、永久双極子モーメントを有する化合物を含むバッファ層を形成する工程を有し、
前記バッファ層を形成する工程を実施した後に、前記ソース電極、前記チャネル及び前記ドレイン電極によって構成される経路において、前記ソース電極に近い側に前記チャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、前記ドレイン電極に近い側に前記キャリアと同じ極性の電荷を有するように前記バッファ層を分極させる工程を更に有する、有機電界効果トランジスタの製造方法。
Organic field effect comprising: a source electrode and a drain electrode made of a metal material ; an organic semiconductor layer serving as a channel between the source electrode and the drain electrode; and a gate electrode for controlling the amount of current passing through the channel. A method of manufacturing a transistor, comprising:
Between at least one electrode and the organic semiconductor layer of the source electrode and the drain electrode, it has a step of forming a buffer layer comprising a compound having a permanent dipole moment,
After performing the step of forming the buffer layer, in the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode, has a charge of a polarity different from the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode, further comprising, chromatic electromechanical field effect method for producing a transistor of the step of polarizing the buffer layer so as to have a charge of the same polarity as the carrier closer to the drain electrode.
前記ゲート電極及び前記ゲート電極上に絶縁層を形成する工程と、
記絶縁層に、前記有機半導体層を形成する工程と、
記有機半導体層に、前記バッファ層を形成する工程と、
記ソース電極及び前記ドレイン電極を当該各電極のうち少なくとも一方の電極が前記バッファ層上に位置するように形成する工程と、
前記ソース電極、前記チャネル及び前記ドレイン電極によって構成される経路において、前記ソース電極に近い側に前記チャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、前記ドレイン電極に近い側に前記キャリアと同じ極性の電荷を有するように前記バッファ層を分極させる工程と、
を有する請求項記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
A step that form an insulating layer on the gate electrode and the gate electrode,
Before Symbol insulating layer, and forming the organic semiconductor layer,
Before SL organic semiconductor layer, and forming the buffer layer,
A step of at least one of the electrodes is formed so as to be positioned on the buffer layer of the prior SL source electrode and the said drain electrode each electrode,
In the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode, it has a charge of a polarity different from that of the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode, and the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode Polarizing the buffer layer to have a charge of
The manufacturing method of the organic field effect transistor of Claim 7 which has these.
前記ゲート電極及び前記ゲート電極上に絶縁層を形成する工程と、
記絶縁層に、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極のうち少なくとも一方の電極上に、前記バッファ層を形成する工程と、
前記有機半導体層を、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方との間に前記バッファ層を挟むように形成する工程と、
前記ソース電極、前記チャネル及び前記ドレイン電極によって構成される経路において、前記ソース電極に近い側に前記チャネルを通るキャリアと異なる極性の電荷を有し、前記ドレイン電極に近い側に前記キャリアと同じ極性の電荷を有するように前記バッファ層を分極させる工程と、
を有する請求項記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
A step that form an insulating layer on the gate electrode and the gate electrode,
Before Symbol insulating layer, and forming the source electrode and the drain electrode,
Forming the buffer layer on at least one of the source electrode and the drain electrode;
Forming the organic semiconductor layer so as to sandwich the buffer layer between at least one of the source electrode and the drain electrode;
In the path constituted by the source electrode, the channel, and the drain electrode, it has a charge of a polarity different from that of the carrier passing through the channel on the side close to the source electrode, and the same polarity as the carrier on the side close to the drain electrode Polarizing the buffer layer to have a charge of
The manufacturing method of the organic field effect transistor of Claim 7 which has these.
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