JP4562027B2 - 有機絶縁体形成用組成物及びこれから製造された有機絶縁体 - Google Patents

Description

本発明は、有機絶縁体形成用組成物及びこれから製造された有機絶縁体に関し、より詳しくは、（ｉ）有機−無機ハイブリッド物質と、（ｉｉ）１種以上の有機金属化合物及び／または１種以上の有機高分子と、（ｉｉｉ）前記（ｉ）及び前記（ｉｉ）の成分を溶解させる溶媒と、を含む有機絶縁体形成用組成物に関する。

現在、表示素子に多く用いられている薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、一般に、非晶質シリコン半導体、酸化シリコン絶縁膜及び金属電極から構成されている。最近、様々な材料の開発に伴い、有機半導体を用いる有機薄膜トランジスタが開発され（特許文献１参照）、この有機薄膜トランジスタについて新しい形での応用性が全世界的に広く研究されている。特に、柔軟性及び製造上の利便性はディスプレイ分野への適用を加速化させている。

通常、有機半導体は、半導体特性を示す共役性有機高分子のポリアセチレンが開発されて以来、有機物の特性、すなわち合成方法の多様性、繊維またはフィルム形への成形容易性、柔軟性、伝導性、低価な生産費などから、新しい電気電子材料として機能性電子素子や光素子など広範囲な分野で活発な研究が行われている。このような伝導性高分子を用いた素子の中で、有機物を活性層として用いる有機ＴＦＴに関する研究は１９８０年以後から始まり、近年には全世界で多くの研究が行われている。前記有機ＴＦＴはＳｉ−ＴＦＴと構造的にほぼ同一の形であって、半導体領域にＳｉの代わりに有機物を使用するという差異点がある。このような有機ＴＦＴは、既存のシリコン工程であるプラズマを用いた化学蒸着（ＣＶＤ）ではなく常圧のプリンティング工程が可能であり、ひいてはプラスチック基板を用いた連続工程（Ｒｏｌｌ ｔｏ Ｒｏｌｌ）が可能であって、低価のトランジスタを実現することができるという大きな利点がある。

一般に、有機ＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比較すると、電荷の移動度が同等またはより優れた水準であるが、駆動電圧及びスレッショルド電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）が非常に高い。非晶質シリコンＳｉＯ_２とペンタセンを用いた場合、０．６ｃｍ^２／Ｖ−ｓｅｃの電荷移動度が実現されて実用の可能性が示されたが（非特許文献１）、１００Ｖ以上の駆動電圧が要求され、サブスレッショルド電圧（Ｓｕｂ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）が非晶質シリコンの５０倍も要求されるなどの問題点がある。ＴＦＴの特性、特に駆動電圧を調節し、且つスレッショルド電圧を減らすために、高誘電定数（ｈｉｇｈ ｋ）の絶縁膜を使用した研究は、Ｓｉ−ＴＦＴだけでなく、有機ＴＦＴにおいても多数回発表されたことがある（特許文献２、非特許文献２、非特許文献３参照）。例えば、Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘＴｉＯ_３（ＢＳＴ）を代表として、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２などの強誘電性の絶縁体系列とＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３（ＰＺＴ）、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＢａＭｇＦ_４、ＳｒＢｉ_２（Ｔａ_１−ｘＮｂ_ｘ）_２Ｏ_９、Ｂａ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（ＢＺＴ）、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２などの誘電率１５以上の無機絶縁膜を使用したことがある（特許文献３参照）、これらを用いた素子の場合、絶縁物質は、蒸着方法（ＣＶＤ、スパッタリング、ＡＬＤ）またはゾルーゲル方式でコートされ、電荷移動度０．６ｃｍ^２／Ｖ−ｓｅｃ以下、駆動電圧−５Ｖ以下の特性を有することが報告されたことがある。ところが、これらの大部分は製造工程で高温（２００〜４００℃）が要求されることにより、様々な基板の使用に制約が伴い、素子の製作においてもプリンティングを使用し難いという欠点がある。有機絶縁膜としてはポリイミド、ＢＣＢ（ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、フォトアクリル（ｐｈｏｔｏａｃｒｙｌ）などが用いられているが、有機絶縁膜は、無機絶縁膜を代替する程度の素子特性は示していないのが実情である（特許文献４参照）。

最近、有機ＴＦＴを液晶表示素子だけでなく、有機ＥＬを用いたフレキシブルディスプレイ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ）の駆動素子にまで応用するために、１０ｃｍ^２／Ｖ−ｓｅｃ以上の電荷移動度が要求されている。製作方法においてもプラスチック基板にオールプリンティング（ａｌｌ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式またはオールスピンオン（ａｌｌ ｓｐｉｎ ｏｎ）方式を用いる方法が研究されている。このため、製造工程が簡単であるうえ、有機活性層の形成に有利な条件を提供することにより、無機絶縁膜に代えて素子への適用時に有機活性層のグレーンサイズを増加させて電荷の移動度を増加させることが可能な有機絶縁体の研究が活発に行われており、現在１〜５ｃｍ^２／Ｖ−ｓｅｃ程度の電荷移動度が報告されている。ところが、一般に、これら有機絶縁膜の場合誘電率が３〜４程度であって、高い駆動電圧（３０〜５０Ｖ）とスレッショルド電圧（１５〜２０Ｖ）とが要求される。

有機絶縁体の誘電率を高めるための方法として、ナノメートルサイズの強誘電体セラミック粒子を絶縁ポリマーに分散させた例がある（特許文献５参照）。しかし、このような場合、セラミック粒子が有機活性層の形成に影響を及ぼし、電荷移動度が低くなるか、あるいは漏れ電流が大きくなるため、絶縁特性に優れた有機物との二重構造で使用しなくてはならないという問題点がある。したがって、実際に素子へ適用するためには、誘電率が高く、電気絶縁性に優れるうえ、製造効率に優れる有機絶縁体の開発が必須である。
米国特許第５，３４７，１１４号明細書 米国特許第５，９８１，９７０号明細書 米国特許第５，９４６，５５１号明細書 米国特許第６，２３２，１５７号明細書 米国特許第６，５８６，７９１号明細書 Ｎ．Ｊａｃｋｓｏｎ、５４ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｉｇｅｓｔ、１９９６、ｐ．８０ Ｃ．Ｄ．Ｄｉｍｉｔｒａｋｏｐｏｕｌｏｓ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９９、Ｖｏｌ．２８３、Ｉｓｓｕｅ．５４６３、ｐ．８２２−８２４ Ｃａｒｍｅｎ Ｂａｒｔｉｃ、Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２００２、Ｖｏｌ．３、ｎｏ．２、ｐ．６５−７２

本発明は、従来の技術のかかる問題点を解決するためのもので、その目的は、低いスレッショルド電圧及び駆動電圧を有し、有機活性層との電荷移動度が高い有機絶縁体を製造することが可能な組成物を提供することにある。

すなわち、本発明の一側面は、（ｉ）有機−無機ハイブリッド物質と、（ｉｉ）１種以上の有機金属化合物及び／または１種以上の有機高分子と、（ｉｉｉ）前記（ｉ）及び前記（ｉｉ）の成分を溶解させる溶媒と、を含む有機絶縁体形成用組成物に関する。

本発明の他の側面は、前記組成物を基板上にコーティングした後硬化させる段階を含む有機絶縁体の製造方法に関する。

本発明のさらに他の側面は、前記組成物を基板上にコーティングした後硬化されてなる有機絶縁体に関する。

本発明のさらに他の側面は、基板、ゲート電極、絶縁層、有機半導体層及びドレイン−ソース電極対を含んでなる有機薄膜トランジスタにおいて、前記組成物を用いて製造された有機絶縁体であることを特徴とする有機薄膜トランジスタに関する。

本発明に係る有機絶縁体は、有機ＴＦＴのスレッショルド電圧及び駆動電圧を減少させると同時に高い電荷移動度を示し、湿式工程により形成可能であって工程単純化及びコスト節減に寄与するので、有機ＴＦＴの製造に非常に有用である。

以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明に係る有機絶縁体形成用組成物は、（ｉ）有機−無機ハイブリッド物質と、（ｉｉ）１種以上の有機金属化合物及び／または１種以上の有機高分子と、（ｉｉｉ）前記（ｉ）及び前記（ｉｉ）の成分を溶解させる溶媒と、を含んでなる。

前記有機−無機ハイブリッド物質とは、有機シラン系化合物または有機シラン系化合物を酸または塩基触媒と、水との下で加水分解反応及び縮合反応させて得られた重合体であることが好ましい。有機シラン系化合物は、下記化学式１〜３で表わされる物質であることが好ましく、かつこれらを有機溶媒の下で酸または塩基触媒と水とを用いて加水分解反応及び縮合反応させて製造した有機−無機ハイブリッド樹脂を使用することができる。

化学式１〜３中、Ｒ^１、Ｒ^２は独立して水素原子、炭素数１〜１０のアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、炭素数６〜１５のアリール基、または炭素数２〜３０のアクリル基であり、前記アルキル基、前記シクロアルキル基、及び前記アリール基はエポキシ基で置換されていてもよく、Ｘ^１、Ｘ^２、Ｘ^３及びＸ^４は独立してハロゲン原子、または炭素数１〜５のアルコキシ基である。また、上記化学式２においてＲ ^１ はメタクリロイルオキシプロピル基であり、Ｘ ^１ 、Ｘ ^２ およびＸ ^３ はメトキシ基であることも好ましい。

前記有機−無機ハイブリッド樹脂の製造時に用いられる酸または塩基触媒は、塩酸、硝酸、ベンゼンスルホン酸、シュウ酸、蟻酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、トリエチルアミン、炭酸水素ナトリウム、ピリジンからなる群より選択された１種以上を例として挙げることができる。その添加量は、化学式１〜３で表わされるモノマーの総含量と触媒とのモル比が順番に１：０．０００００１〜１：１０の範囲となるように使用することが好ましい。前記加水分解反応及び縮合反応中に使用される水の量は、化学式１〜３で表わされるモノマーにと水とのモル比が順番に１：１〜１：１０００の範囲となるように使用することが好ましい。

また、使用される有機溶媒としては、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素溶媒；アニソール、メシチレンまたはキシレンなどの芳香族炭化水素溶媒；メチルイソブチルケトン、１−メチル−２−ピロリジノン、アセトンなどのケトン系溶媒；シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、イソプロピルエーテルなどのエーテル系溶媒；エチルアセテート、ブチルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどのアセテート系溶媒；イソプロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール系溶媒；ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなどのアミド系溶媒；シリコン系溶媒；またはこれらの混合物を使用することが好ましい。

反応温度は０〜２００℃とし、反応時間は０．１〜１００時間とすることが好ましい。

前記で製造された重合体分子量が３，０００〜３００，０００の範囲となることが好ましいが、これに限定されない。

前記有機金属化合物は、絶縁特性に優れ且つ高誘電率を示すものが好ましく、誘電率４以上の金属酸化物を含む。前記有機金属化合物は、チタニウム化合物、ジルコニウム化合物、ハフニウム化合物およびアルミニウム化合物からなる群より選択された少なくとも一種であることが好ましい。具体的には、チタニウム（ＩＶ）ｎ−ブトキシド［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｎ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、チタニウム（ＩＶ）ｔ−ブトキシド［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｔ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、チタニウム（ＩＶ）エトキシド［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｅｔｈｏｘｉｄｅ］、チタニウム（ＩＶ）２−エチルヘキソキシド［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｅｔｈｙｌｈｅｘｏｘｉｄｅ］、チタニウム（ＩＶ）イソ−プロポキシド［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ］、チタニウム（ＩＶ）（ジ−イソ−プロポキシド）ビス（アセチルアセトナト）［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）（ｄｉ−ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ）ｂｉｓ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）］、チタニウム（ＩＶ）オキシドビス（アセチルアセトナト）［ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）ｏｘｉｄｅ ｂｉｓ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）］、トリクロロトリス（テトラヒドロフラン）チタニウム（ＩＩＩ）［ｔｒｉｃｈｌｏｒｏｔｒｉｓ（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＩＩ）］、トリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）チタニウム（ＩＩＩ）［ｔｒｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＩＩ）］、（トリメチル）ペンタメチル−シクロペンタジエニルチタニウム（ＩＶ）［（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ）ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌ ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、ペンタメチルシクロペンタジエニルチタニウムトリクロライド（ＩＶ）［ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌｔｉｔａｎｉｕｍ ｔｒｉｃｈｌｏｒｉｄｅ（ＩＶ）］、ペンタメチルシクロ−ペンタジエニルチタニウムトリメトキシド（ＩＶ）［ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏ−ｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌｔｉｔａｎｉｕｍ ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｉｄｅ（ＩＶ）］、テトラクロロビス（シクロヘキシルメルカプト）チタニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｈｘｙｌｍｅｒｃａｐｔｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、テトラクロロビス（テトラヒドロフラン）チタニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｂｉｓ（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、テトラクロロジアミンチタニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｄｉａｍｉｎｅｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、テトラキス（ジエチルアミノ）チタニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、テトラキス（ジメチルアミノ）チタニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、ビス（ｔ−ブチルクロロペンタジエニル）チタニウムジクロライド［ｂｉｓ（ｔ−ｂｕｔｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｃｈｌｏｒｉｄｅ］、ビス（シクロペンタジエニル）ジカルボニルチタニウム（ＩＩ）［ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｄｉｃａｒｂｏｎｙｌ ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＩ）］、ビス（シクロペンタジエニル）チタニウムジクロライド［ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｄｉｃａｒｂｏｎｙｌ ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＩ）］、ビス（エチルシクロペンタジエニル）チタニウムジクロライド［ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｃｈｌｏｒｉｄｅ］、ビス（ペンタメチルシクロペンタジエニル）チタニウムジクロライド［ｂｉｓ（ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｃｈｌｏｒｉｄｅ］、ビス（イソ−プロピルシクロペンタジエニル）チタニウムジクロライド［ｂｉｓ（ｉｓｏ−ｐｒｏｐｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｃｈｌｏｒｉｄｅ］、トリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）オキソチタニウム（ＩＶ）［ｔｒｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ｏｘｏｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、クロロチタニウムトリイソプロポキシド（ｃｈｌｏｒｏｔｉｔａｎｉｕｍ ｔｒｉｉｓｏｐｒｏｐｏｘｉｄｅ）、シクロペンタジエニルチタニウムトリクロライド（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌｔｉｔａｎｉｕｍ ｔｒｉｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ジクロロビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）チタニウム（ＩＶ）［ｄｉｃｈｌｏｒｏｂｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、ジメチルビス（ｔ−ブチルシクロペンタジエニル）チタニウム（ＩＶ）［ｄｉｍｅｔｈｙｌｂｉｓ（ｔ−ｂｕｔｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］、ジ（イソプロポキシド）ビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）チタニウム（ＩＶ）［ｄｉ（ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ）ｂｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ｔｉｔａｎｉｕｍ（ＩＶ）］などのチタニウム系化合物；ジルコニウム（ＩＶ）ｎ−ブトキシド［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｎ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）ｔ−ブトキシド［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｔ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）エトキシド［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｅｔｈｏｘｉｄｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）イソ−プロポキシド［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｎ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）アセチルアセトナト［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）ヘキサフルオロアセチルアセトナト［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ］、ジルコニウム（ＩＶ）トリフルオロアセチルアセトナト［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ］、テトラキス（ジエチルアミノ）ジルコニウム［ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ］、テトラキス（ジメチルアミノ）ジルコニウム［ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ］、テトラキス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）ジルコニウム（ＩＶ）［ｔｅｔｒａｋｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）］、ジルコニウム（ＩＶ）サルフェートテトラハイドレート［ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（ＩＶ）ｓｕｌｆａｔｅ ｔｅｔｒａｈｙｄｒａｔｅ］などのジルコニウム化合物；ハフニウム（ＩＶ）ｎ−ブトキシド［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ｎ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、ハフニウム（ＩＶ）ｔ−ブトキシド［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ｔ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、ハフニウム（ＩＶ）エトキシド［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ｅｔｈｏｘｉｄｅ］、ハフニウム（ＩＶ）イソ−プロポキシド［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ］、ハフニウム（ＩＶ）イソ−プロポキシドモノイソプロピレート［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ ｍｏｎｏｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｔｅ］、ハフニウム（ＩＶ）アセチルアセトナト［ｈａｆｎｉｕｍ（ＩＶ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ］、テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム［ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｈａｆｎｉｕｍ］などのハフニウム系化合物；及びアルミニウムｎ−ブトキシド［ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｎ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ］、アルミニウムｔ−ブトキシド（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｔ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ）、アルミニウムｓ−ブトキシド（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｓ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ）、アルミニウムエトキシド（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｅｔｈｏｘｉｄｅ）、アルミニウムイソ−プロポキシド（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｉｓｏ−ｐｒｏｐｏｘｉｄｅ）、アルミニウムアセチルアセトナト（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アルミニウムヘキサフルオロアセチルアセトナト（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アルミニウムトリフルオロアセチルアセトナト（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、トリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナト）アルミニウム［ｔｒｉｓ（２，２，６，６−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｉｕｍ］などのアルミニウム系化合物を例として挙げることができるが、これらに限定されない。

本発明の組成物に添加される有機金属化合物の含量は、有機−無機ハイブリッド物質１００重量部に対し１〜３００重量部が好ましく、より好ましくは５〜１００重量部の範囲である。前記含量が３００重量部を超過する場合、過多な漏れ電流が発生して点滅比（以下Ｉ_ｏｎ／Ｉ_ｏｆｆとも記載）及び電荷移動度などが低下するおそれがあり、１重量部未満の場合、薄膜形成が難しく、電荷移動度が著しく低下するおそれがある。

前記の有機高分子としては、具体的に、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニールアルコール、ポリビニールブチラール、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、ポリシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ニトリルゴム、アクリルゴム、ポリエチレンテトラフルオリド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、ポリブテン、ポリペンテン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン−ジエン共重合体、ポリブタジエン、ポリイソプレン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、ブチルゴム、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、スチレン−ブタジエン共重合体、水添スチレン−ブタジエン共重合体、水添ポリイソプレン、または水添ポリブタジエンなどを例として挙げることができるが、これらに制限されない。

本発明に添加される有機高分子の含量は、前記有機−無機ハイブリッド物質１００重量部に対し０．０１〜５０重量部が好ましく、より好ましくは０．１〜２５重量部の範囲である。前記含量が５０重量部を超過する場合、素子の特性が著しく低下するおそれがあり、０．０１重量部未満の場合、スピンコーティングによる薄膜形成に問題が発生するおそれがある。

本発明の組成物では、添加される有機−無機ハイブリッド物質と有機金属化合物及び／または有機高分子の含量を調節し、これから製造される有機絶縁体の誘電定数、漏れ電流値などを調節することができる。

本発明の組成物に使用可能な溶媒としては、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素溶媒；アニソール、メシチレン、キシレンなどの芳香族炭化水素溶媒；メチルイソブチルケトン、１−メチル−２−ピロリジノン、アセトンなどのケトン系溶媒；シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、イソプロピルエーテルなどのエーテル系溶媒；エチルアセテート、ブチルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどのアセテート系溶媒；イソプロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール系溶媒；ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなどのアミド系溶媒；シリコン系溶媒；またはこれらの混合物などを例として挙げることができる。

溶媒は、前記固形成分（ｉ）及び（ｉｉ）を基板に塗布するために必要な濃度に希釈できるまでの十分な量が存在しなければならないが、その量は、好ましくは全体組成物の２０〜９９．９重量％、より好ましくは７０〜９５重量％である。前記溶媒の含量が２０重量％未満の場合、固形成分が完全に溶解されないおそれがあり、９９．９重量％を超過する場合、薄膜が１０００Å以下に薄く形成されるおそれがある。

また、本発明では、前記組成物を基板上にコートした後、硬化させて有機絶縁体を製造する方法を提供する。この際、コーティングとしてはスピンコーティング、ディップコーティング、プリンティング、スプレーコーティング、ロールコーティングなどの方法を好ましく用いることができ、より好ましくはスピンコーティングを用いる。有機絶縁体を形成するための硬化段階は、７０〜１５０℃で３０分〜２時間基板を加熱することが好ましい。

このように形成された有機絶縁体は、優れた絶縁特性を有するうえ、これを用いた有機ＴＦＴは、電荷移動度が高く、駆動電圧及びスレッショルド電圧が低く、Ｉ_ｏｎ／Ｉ_ｏｆｆも優れる。特に、絶縁膜の製造がプリンティングまたはスピンコーティングなど通常の湿式工程によって製造可能である反面、その性能は化学蒸着などの煩わしい工程によってのみ形成できる無機絶縁膜に匹敵する。

また、本発明は、前記有機絶縁体を絶縁層として含む有機ＴＦＴを提供する。

図１は一般的な有機ＴＦＴの構造を示す図であって、図１に示す有機ＴＦＴは、基板１、絶縁膜２、有機活性層３、ゲート電極４、ソース電極５、及びドレイン電極６から構成されている。ただし、図１は一つの好ましい例であり、本発明の目的を阻害しない範囲内で、本発明の絶縁膜を様々な構造の有機ＴＦＴに使用できる。

基板は、プラスチック、ガラス、またはシリコンなどの材質で作られたものを使用することができる。

有機活性層としては、一般に知られている物質を使用することができ、具体的には、ペンタセン、銅フタロシアニン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレンまたはこれらの誘導体を例として挙げることができるが、これに限定されない。

ゲート及びソース−ドレイン電極としては、通常用いられる金属が使用でき、具体的には、金、銀、アルミニウム、ニッケル、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などを例として挙げることができるが、これに限定されない。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、これらの実施例は説明の目的のためのもので、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
有機−無機ハイブリッド物質としてメタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン（ｍｅｔｈａｃｒｙｌｏｘｙｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ、以下ＭＡＰＴＭＳと記載）の重合体を使用した。ＭＡＰＴＭＳ（２０ｇ、８０．５３１ｍｍｏｌ）をフラスコに仕込み、ここに金属イオンが除去された水（Ｄ．Ｉ．Ｗａｔｅｒ）で一定量の塩酸を希釈して作った溶液（水１ｃｃ当り塩酸０．００１０２１ｍｍｏｌ）３．５ｍｌを仕込んだ。その後、３０分間常温で反応を行わせた後、テトラヒドロフラン１００ｍｌとジエチルエーテル１００ｍｌを入れて反応を終結させた。この溶液を分別漏斗に移した後、水３０ｍｌで３回洗浄し、その後減圧下で揮発性物質を除去して粘性のある無色の液体状態の重合体を得た。前記方法で得た重合体を１５ｍｌのアセトンで溶かした。この溶液を孔径０．２μｍのフィルタを用いて微細な粉末及びその他の異物を除去し、薄い溶液部分のみを取った後、減圧下で揮発性物質を除去して粘性のある無色の液体状態の重合体１３ｇを得た。

有機−無機ハイブリッド物質として前記ＭＡＰＴＭＳ重合体と有機金属化合物としてテトラブトキシチタネート（Ｔｉ（ＯＣ_４Ｈ_９）_４）とを順番に７０：３０の重量比で混合し、これをブタノールに溶解させて濃度１０重量％の溶液を製造した。スピンコーティング法を用いてガラス基板上に前記溶液を塗布し、厚さ７０００Åのフィルムを形成し、７０℃で１時間、１５０℃で３０分間熱硬化させて絶縁層を製造した。製造された絶縁層上にＯＭＢＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式で７００Åの厚さにペンタセンの有機活性層を形成した。活性層の形成は真空度２×１０^−６ｔｏｒｒ、基板温度８０℃、蒸着比０．３Å／ｓｅｃの条件下で行った。製造された活性層上にチャネル長１００μｍ、チャネル幅１ｍｍのシャドーマスクとしてトップコンタクト（ｔｏｐ ｃｏｎｔａｃｔ）方式によってソース−ドレイン電極を形成することにより、有機ＴＦＴを製作した。製作された有機ＴＦＴの電荷移動度、スレッショルド電圧及びＩ_ｏｎ／Ｉ_ｏｆｆを次のように測定した。

１）電荷移動度及びスレッショルド電圧
電荷移動度は、下記飽和領域（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）電流式から（Ｉ_ＳＤ）^１／２とＶ_Ｇを変数としたグラフを得て、その傾きから求めた。

式中、Ｉ_ＳＤはソース−ドレイン電流、μまたはμ_ＦＥＴは電荷移動度、Ｃ_０は酸化膜静電容量、Ｗはチャネル幅、Ｌはチャネル長、Ｖ_Ｇはゲート電圧、Ｖ_Ｔはスレッショルド電圧をそれぞれ示す。

スレッショルド電圧Ｖ_Ｔは（Ｉ_ＳＤ）^１／２とＶ_Ｇ間のグラフにおいて線形部分の延長線とＶ_Ｇ軸との交点から求めた。スレッショルド電圧は絶対値が０に近ければ電力消耗が少ない。

２）点滅比
点滅比は、オン状態の最大電流値とオフ状態の最小電流値の比で求められ、下記の関係を有する。

式中、Ｉ_ｏｎは最大電流値、Ｉ_ｏｆｆは遮断漏れ電流（ｏｆｆ−ｓｔａｔｅ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）、μは電荷移動度、σは薄膜の伝導度、ｑは電荷量、Ｎ_Ａは電荷密度、ｔは半導体膜の厚さ、Ｃ_０は酸化膜静電容量、Ｖ_Ｄはドレイン電圧をそれぞれ示す。

点滅比は、誘電膜の誘電率が大きく且つ厚さが小さいほど大きくなるので、誘電膜の種類と厚さが電流比を決定するのに重要な要因となる。

表１において、電荷移動度が１０以上であって、現在発表された物質の中で最も高い値を示し、スレッショルド電圧も−５Ｖ未満であって、低電圧駆動特性を示すことがわかる。

（実施例２）
有機高分子としてポリビニールブチラール（以下「ＰＶＢ」と記載する）をブタノールに溶解させて濃度７重量％の溶液を製造した。ＭＡＰＴＭＳ重合体とＰＶＢ溶液とを、表２に表わされた含量で混合して膜を製造した。膜の形成及び有機ＴＦＴの製造は、実施例１と同一の方法で行い、製造されたＴＦＴの物性も同一の方法で測定した。

表２において、点滅比が１０^５以上と非常に高く、電荷移動度も８以上であり、優れたトランジスタ特性を示すことがわかる。

（実施例３）
ＰＶＢ溶液を実施例２に記載のように製造した後、この溶液とＭＡＰＴＭＳ重合体、テトラブチルチタネートを表３の重量比で混合し、その後、実施例１と同一の方法でスピンコートした。この際、アルミニウム基板上にコーティングを施して厚さ２０００Åのフィルムを形成し、７０℃で１時間、１５０℃で３０分間熱硬化させて絶縁層を製造した。製造された絶縁層上にアルミニウム膜を蒸着し、金属−絶縁膜−金属構造のキャパシタを製造し、これを用いて１００ＫＨｚで単位面積当たりの誘電率Ｃ_０を測定した。測定された誘電率から下記の式を用いて誘電定数を測定し、その結果を下記の表３に示した。

式中、Ｃ_０は単位面積当たりの誘電率であり、ε及びε_０はそれぞれ誘電体及び真空の誘電定数であり、Ａは測定素子の面積であり、ｄは誘電体の厚さである。

実施例４
ＰＶＢ溶液を実施例２に記載のように製造した後、この溶液とＭＡＰＴＭＳ重合体、テトラブチルチタネートを表４の重量比で混合し、その後、膜の形成及び有機ＴＦＴの製造を実施例１と同一の方法で行い、製造されたＴＦＴの物性も同一の方法で測定した。

表４より、有機チタニウムの量が増加すると、しきい値電圧が減少する反面、電荷移動度及び点滅比も減少することが分かる。また、有機−無機ハイブリッド物質であるＭＡＰＴＭＳの量が増えるほど、電荷移動度及び点滅比が大きくなっており、電荷移動度は１００倍まで、点滅比は１００００倍まで増加することが分かる。

（実施例５）
ＰＶＢ溶液（７重量％）及びテトラブチルチタネートの含量をそれぞれ０．１５ｇ及び０．３５ｇに固定し、ＭＡＰＴＭＳ重合体の含量が０．１ｇ、０．２５ｇ、０．５ｇ及び０．７５ｇであるものを製造した。膜の形成及び有機ＴＦＴの製造は、実施例１と同一の方法で行い、製造されたＴＦＴの駆動特性を測定して図２に示した。図２に示すように、ＭＡＰＴＭＳの量が増えるほど漏れ電流が減少し、ｏｎ−ｃｕｒｒｅｎｔが大きくなることが分かり、電荷移動度も増加する。スレッショルド電圧は、−５Ｖ未満であって、既存の有機絶縁体に比べて低い。

（実施例６）
ＭＡＰＴＭＳ重合体、エポキシ樹脂及びテトラブチルチタネートを表５に表わされた重合で混合した後、ここにブタノールを添加して溶液を製造した。これを実施例１と同一の方法でスピンコートした後、表５に示されているように硬化条件を適用した。有機ＴＦＴの製造は、実施例１と同一の方法で行い、その物性も同一の方法で測定した。

表５において、エポキシ樹脂が使用された場合にも、ＰＶＢが使用された場合と類似の駆動特性を示す。有機−無機ハイブリッド物質の量に応じて電気的特性が変わり、硬化方法によってもその特性が変わることが分かる。実施例６−６の場合、点滅比が非常に高く、電荷移動度も大きくて優れた特性を示すことがわかる。

（実施例７）
ＰＶＢ溶液（７重量％）及びテトラブチルチタネートの含量をそれぞれ０．１５ｇ及び０．３５ｇに固定し、ここにモノマー状態のＭＡＰＴＭＳ０．７５ｇを混合した後、ブタノールに溶解させて濃度１０重量％の溶液をそれぞれ製造した。これを実施例１と同一の方法でスピンコートした後、フィルムを形成した。有機ＴＦＴの製造は、実施例１と同一の方法で行い、その物性も同一の方法で測定した。図３に示すように、点滅比は１０^４程度であり、電荷移動度は約３〜５程度の値を示す。既存の有機絶縁体に比べては優れた特性を示すことがわかる。

一般的な薄膜トランジスタ素子の構造を示す断面図である。 実施例５で製造された有機薄膜トランジスタ素子の有機−無機ハイブリッド物質の量による駆動特性を示すグラフである。 実施例７で製造された有機薄膜トランジスタの駆動特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板、
２ 絶縁膜、
３ 有機活性層、
４ ゲート電極、
５ ソース電極、
６ ドレイン電極。

Claims (6)

1. （ｉ）下記化学式２：
   

   

   （式中、Ｒ ^１ はメタクリルオキシプロピルであり、Ｘ ^１ 、Ｘ ^２ 及びＸ ^３ は独立して炭素数１〜５のアルコキシ基である）で示される有機シラン系化合物を、ケトン系溶媒またはエーテル系溶媒内で酸または塩基触媒と水とを用いて加水分解反応及び縮合反応させて得られた重合体である有機−無機ハイブリッド物質と、
   （ｉｉ）テトラブトキシチタネート、チタニウム（ＩＶ）エトキシド、チタニウム（ＩＶ）２−エチルヘキソキシドまたはチタニウム（ＩＶ）イソ−プロポキシドである有機金属化合物および／または
   ポリビニールブチラール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂およびウレア樹脂からなる群より選択された１種以上の物質である有機高分子と、
   （ｉｉｉ）前記（ｉ）及び前記（ｉｉ）の成分を溶解させるアルコール系溶媒と、
   を含み、
   前記有機金属化合物を含む場合、前記有機金属化合物の含量が前記有機−無機ハイブリッド物質１００重量部に対し１〜３００重量部であり、
   前記有機高分子を含む場合、前記有機高分子の含量が前記有機−無機ハイブリッド物質１００重量部に対し０．０１〜５０重量部であり、
   組成物中の前記アルコール系溶媒の含量が２０〜９９．９重量％である、有機薄膜トランジスタにおける絶縁膜に使用する、有機絶縁体形成用組成物。
2. 請求項１に記載の組成物を基板上にコーティングした後硬化させる段階を含む有機絶縁体の製造方法。
3. 前記コーティングがスピンコーティング、ディップコーティング、プリンティング、スプレーコーティングまたはロールコーティングであることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記硬化が７０〜１５０℃の温度で３０分〜２時間行われることを特徴とする請求項２または３記載の方法。
5. 請求項１記載の組成物を基板上にコーティングしたものを硬化されてなる有機絶縁体。
6. 基板、ゲート電極、絶縁層、有機半導体層及びドレイン−ソース電極対を含んでなる有機薄膜トランジスタにおいて、前記絶縁層が請求項５記載の有機絶縁体からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。

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