JP4439292B2 - 有機トランジスタおよびその製造方法ならびに有機トランジスタ製造装置 - Google Patents
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Description
<有機トランジスタの構造>
図1〜図4は、本発明による有機トランジスタの断面図である。基板125の上にゲート電極122が形成され、該ゲート電極122を埋設してゲート絶縁層121が形成されている。ソース116とドレイン117は、ゲート電極の上方の半導体層の領域を挟んで対峙して、それぞれゲート絶縁層に接して配置されている。該ゲート絶縁層121の上の少なくともゲート電極122の上方のチャンネル部に相当する領域に、第2の有機材料の微粒子114が第1の有機材料123中に分散された半導体層が形成されている。
図5は、本発明の実施の形態1に基づく有機トランジスタの製造工程を示すフロー図である。
第1の有機材料および第2の有機材料としては、電子受容性材料と電子供与性材料の組み合わせであって、第1の溶液と第2の溶液との混合時の溶液温度において、一方が溶解または分散している溶媒に対する他方の有機材料の溶解度が小さいか、またはほとんど溶解しないような組み合わせを用いることが好ましい。該溶解度はたとえば、0.1mg/100g溶媒、以下とすると良い。この場合、第1の溶液と第2の溶液とを混合することによって第2の有機材料の微粒子を容易に形成できる。適当な官能基や側鎖を分子に付加することにより、溶解度を制御することが可能である。例えば、アルキル鎖を付加することにより、非極性溶媒への溶解度を向上させることが可能であるし、カルボキシル基、硫酸基や水酸基を含む官能基を付加することにより、水や極性溶媒への溶解度を向上させることが可能である。
第1の溶媒、第2の溶媒については、第1の溶液と第2の溶液との混合時の溶液温度において、第1の有機材料と第2の有機材料のうち一方の有機材料が溶解または分散している溶媒に対する他方の有機材料の溶解度が小さいか、ほとんど溶解しないようにすることが可能な溶媒を選択することが好ましい。該溶解度はたとえば、0.1mg/100g溶媒、以下とすることが好ましい。また、第1の溶媒と第2の溶媒とは相溶性であることが望ましい。そのような溶媒の組み合わせとしては、例えば、水とアセトン、水とアルコール類、アルコール類とアセトンなどがあるが、これらに限定されるものではなく、第1の有機材料と第2の有機材料によって、適当なものが選択される。
本発明において使用される基板は、その上部に形成される材料を安定に保持できるものであれば、材質や厚さは特に限定されない。例えば、ガラス、樹脂、ステンレスなどの金属類や合金、紙、布などが挙げられる。また、図4に示す如く基板425に埋設されたソース416およびドレイン417を有する構造の場合には、例えば絶縁性または半絶縁性の基板であって、ドーピングにより導電性を制御できる基板(例えば、非ドープのシリコンや化合物半導体など)を用いることが出来る。
ゲート電極の材料としては、公知の導電性材料が用いられうるが、例えば金、白金、アルミニウムなどの金属類、合金類などが用いられ、透明電極としては、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)やフッ素ドープされた酸化スズ、酸化亜鉛、酸化錫等の金属酸化物が用いられる。ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチアジルなどの導電性高分子を用いてもよい。
ソースまたはドレインの材料は、公知のトランジスタ、IC、LSIまたはTFTに用いられている材料が用いられる。また、ソースまたはドレインの材料は、半導体層との間の電気的性質(オーミック性やショットキー性など)によっても選択される。導電性高分子材料や、カーボンナノチューブなども用いられうる。
ゲート絶縁層または絶縁層には、例えば、無機物質のシリコン酸化物、窒化シリコンなどのほか、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、UVなどによる光硬化性樹脂などの有機材料が用いられる。ゲート絶縁層の膜厚は、1nm〜600nmであり、3nm〜60nmが好ましい。絶縁層の膜厚は、3nm〜1000nmであり、30nm〜600nmが好ましい。ゲート絶縁層または絶縁層は、金属や半導体材料の酸化や窒化の他、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、塗布法などにより作製される。
本発明は、第1の電極と、第1の電極と絶縁層を介して接する有機材料の層と、有機材料の層に接した第2、および第3の電極を有する有機トランジスタにおいて、有機材料の層が、第1導電型を有する第1の有機材料中に第2導電型を有する第2の有機材料の微粒子が分散した混合層であることを特徴とする有機トランジスタの製造装置である。
(1)第1の有機材料を第1の溶媒に溶解または分散して第1の溶液を作製する手段、
(2)第2の有機材料を第2の溶媒に溶解した第2の溶液を作製する手段、
(3)第1の溶液と第2の溶液を混合し、第2の有機材料の微粒子が第1の溶液中に分散した第3の溶液を形成する手段、
(4)該第3の溶液を基板上に供給して第1の有機材料と、第2の有機材料からなる微粒子との混合膜を形成する手段、を含むことを特徴とする。
従来、第1の有機材料中に第2有機材料からなる微粒子が分散した混合層を作製するためには、第2の有機材料からなる微粒子をまず単体で作製し、これを第1の有機材料中に均一に混合するために混練などの方法を用いなければならなかった。本発明の製造方法および製造装置によれば、第2の有機材料の微粒子の製造工程と、該微粒子と第1の有機材料との混合工程が一度の工程で済み、第2の有機材料の微粒子を単体あるいは分散液として取り扱うことがないので、微粒子が保存中に凝集したり、劣化する恐れがなく、保存や取り扱いに手間も必要がない。また、均一に分散させることも容易であり、分散性を高めるために微粒子を他の材料でコートするなど半導体微粒子本来の機能を減縮させるような処理も必要がない。
第3の有機材料中に第2有機材料からなる微粒子が分散した混合膜を形成する工程の後に、モノマー、オリゴマー、または、前駆体等である第3の有機材料が共役重合体である第1の材料に変成されて半導体層が形成される場合について説明する。ここでは、モノマー、オリゴマー、または、前駆体である第3の有機材料が変成されて第1の有機材料となる場合を例として記載するが、第2の有機材料がモノマー、オリゴマー、または、前駆体である第3の有機材料から変成されて形成されてもよいし、第1の有機材料と第2の有機材料の両方がモノマー、オリゴマー、または、前駆体である第3の有機材料から変成されて形成されてもよい。
図6は、本発明の実施の形態2に基づく有機トランジスタの製造工程を示すフロー図である。
第3の有機材料を構成するモノマー、オリゴマー、または、前駆体としては、加熱、光照射、マイクロ波照射、電子線照射、または、粒子線照射などの方法により実施の形態1に記載した高分子材料へと変成出来るモノマー、オリゴマー、または、前駆体が利用されうる。好適なものとしては、これらに限定されるわけではないが、例えば、水溶性スルホニウム塩ポリマーまたは、アルコキシ基を有する有機溶媒可溶性ポリマーがある。具体的には、ポリフェニレン−ビニレンおよびその誘導体は、ポリパラキシレンテトラヒドロチオフェニウムクロライドおよびその誘導体から、ポリチエニレン−ビニレンおよびその誘導体は、ポリジメチルチオフェンテトラヒドロチオフェニウムクロライドおよびその誘導体から、ポリ(ピリジルビニレン)およびその誘導体は、ポリジメチルピリジンテトラヒドロチオフェニウムクロライドおよびその誘導体から、加熱などの方法によりそれぞれ形成される。
本発明の有機トランジスタの製造装置は、上記の(1)〜(4)の手段を含む実施の形態1の装置に、更に次の(5)の手段、すなわち、
(5)第1の有機材料および/または第2の有機材料が、モノマー、オリゴマーまたは前駆体である第3の有機材料から変成されて形成される場合に、混合膜中の第3の有機材料を重合体に変成させるために光照射、マイクロ波照射、電子線照射、または、粒子線照射をする手段、
を付加して構成される。
本発明の製造方法および製造装置によれば、実施の形態1に記載の効果と同様の効果に加えて、次のような効果がある。
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
図5に示す如く、第2の溶液512としての第2の有機材料のペリレンのアセトン溶液(約0.3mM)の10gと、第1の溶液511としての第1の有機材料のポリ(チオフェン−3−エチルスルフォネート)の水溶液(約0.05wt%)の10gを作製した。なおペリレンは、水に対して不溶である。
図6において、第2の溶液612として、第1の有機材料のペリレンをアセトンに溶解し、濃度約0.3mMの溶液10gを作製した。また、第1の溶液611として、第3の有機材料のポリ(p−キシレンテトラヒドロチオフェニウムクロライド)を水に溶解し、濃度約0.05wt%の第1の溶液10gを作製した。図6(a)に示す如く、第2の溶液612としてのペリレンのアセトン溶液を、撹拌されている第1の溶液611のポリ(p−キシレンテトラヒドロチオフェニウム クロライド)の水溶液中に滴下し、ポリ(p−キシレンテトラヒドロチオフェニウム クロライド)の水溶液中に、第2の有機材料の微粒子614であるペリレン微粒子が分散した第3の溶液613を形成した。微粒子の直径は約80nmであった。
Claims (14)
- 第1の電極と、前記第1の電極と絶縁層を介して接する有機材料の層と、前記有機材料の層に接した第2、および第3の電極を有する有機トランジスタにおいて、
前記有機材料の層が、第1導電型を有する第1の有機材料中に第2導電型を有する第2の有機材料の微粒子が分散した混合層であることを特徴とする有機トランジスタ。 - 前記第1の有機材料が電子供与性、かつ、前記第2の有機材料が電子受容性であって、前記第1の有機材料の最高占有分子軌道のエネルギーの絶対値が、前記第2の有機材料の最高占有分子軌道のエネルギーの絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の有機トランジスタ。
- 前記第1の有機材料が電子受容性であって、かつ、前記第2の有機材料が電子供与性であって、前記第1の有機材料の最高占有分子軌道のエネルギーの絶対値が前記第2の有機材料の最高占有分子軌道のエネルギーの絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の有機トランジスタ。
- 第2導電型を有する前記第2の有機材料が、結晶性の有機化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の有機トランジスタ。
- 第1導電型を有する前記第1の有機材料が、重合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の有機トランジスタ。
- 第1導電型を有する第1の有機材料を第1の溶媒に溶解または分散した第1の溶液と、第2導電型を有する第2の有機材料を第2の溶媒に溶解または分散した第2の溶液を混合し、前記第2の有機材料の微粒子が前記第1の溶液と前記第2の溶液の混合溶液中に分散した第3の溶液を形成する工程と、前記第3の溶液を基板上に供給して前記第1の有機材料中に前記第2の有機材料の微粒子が分散した混合膜を形成する工程を備えた有機トランジスタの製造方法。
- 前記第2の有機材料の前記第1の溶媒に対する溶解度が、前記第2の有機材料の前記第2の溶媒に対する溶解度よりも小さいことを特徴とする請求項6に記載の有機トランジスタの製造方法。
- 前記第3の溶液を基板上に供給して前記第1の有機材料と前記第2の有機材料の微粒子との混合膜を形成する工程が、スピンコート法、スプレイ法、スクリーン印刷法、インクジェットプリント法のいずれかであることを特徴とする請求項6または7に記載の有機トランジスタの製造方法。
- 前記第1の有機材料が、重合体であることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の有機トランジスタの製造方法。
- モノマー、オリゴマー、または、前駆体である第3の有機材料を第1の溶媒に溶解または分散した第1の溶液と、第2導電型を有する第2の有機材料を第2の溶媒に溶解または分散した第2の溶液を混合し、前記第2の有機材料の微粒子が前記第1の溶液と前記第2の溶液の混合溶液中に分散した第3の溶液を形成する工程と、前記第3の溶液を基板上に供給して前記第3の有機材料中に前記第2の有機材料の微粒子が分散した混合膜を形成する工程と、前記混合膜中の前記第3の有機材料を共役重合体である第1導電型を有する第1の有機材料に変成する工程を備えた有機トランジスタの製造方法。
- 前駆体である前記第3の有機材料が、水溶性スルホニウム塩ポリマーまたは、アルコキシ基を有する有機溶媒可溶性ポリマーであることを特徴とする請求項10に記載の有機トランジスタの製造方法。
- モノマー、オリゴマー、または、前駆体である前記第3の有機材料から重合体である前記第1の有機材料に変成される工程が、加熱、光照射、マイクロ波照射、電子線照射、または、粒子線照射のいずれか、または、これらの組み合わせであることを特徴とする請求項10または11に記載の有機トランジスタの製造方法。
- 第1の電極と、前記第1の電極と絶縁層を介して接する有機材料の層と、前記有機材料の層に接した第2、および第3の電極を有する有機トランジスタにおいて、前記有機材料の層が、第1導電型を有する第1の有機材料中に第2導電型を有する第2の有機材料の微粒子が分散した混合層であることを特徴とする有機トランジスタ製造装置であって、
前記第1の有機材料を第1の溶媒に溶解または分散して第1の溶液を作製する手段と、
前記第2の有機材料を第2の溶媒に溶解した第2の溶液を作製する手段と、
前記第1の溶液と前記第2の溶液を混合し、前記第2の有機材料の微粒子が前記第1の溶液中に分散した第3の溶液を形成する手段と、
前記第3の溶液を基板上に供給して、前記第1の有機材料と、前記第2の有機材料からなる微粒子との混合膜を形成する手段と、
を備えることを特徴とする有機トランジスタ製造装置。 - 前記混合膜は、モノマー、オリゴマー、または、前駆体を含み、前記混合膜中のモノマー、オリゴマー、または前駆体を重合体に変成させるために光照射、マイクロ波照射、電子線照射、または粒子線照射をする手段を備えることを特徴とする請求項13に記載の有機トランジスタ製造装置。
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