JP4673135B2 - 有機半導体層の形成方法 - Google Patents
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Description
H.K.Katz, T.Sigrist, et al., J.Phys.Chem., B 2004, 108, p.8567-8571.
本発明の有機半導体層の形成方法は、有機半導体材料と溶媒とを混ぜることによりサーモトロピック混合液晶相を発現することになる混合物を用いて、混合液晶状態の塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜を混合液晶状態を呈しない温度まで冷却させ、もしくは冷却させながら溶媒を除いて、前記有機半導体材料のスメクチック液晶相又は結晶相からなる有機半導体層を形成する工程と、を有している。以下、各工程について説明する。
塗布膜の形成工程は、有機半導体材料と溶媒とを混ぜることによりサーモトロピック混合液晶相を発現することになる混合物を用いて、混合液晶状態の塗布膜を形成する工程である。「混合液晶」とは、一般的には、(i)液晶状態を示す物質と、液晶状態を示さない物質とを混合して液晶相が発現するもの、(ii)液晶状態を示さない物質同士を混合して液晶相が発現するもの、又は、(iii)液晶状態を示す物質同士を混合して、液晶相を発現するもので定義される。また、「混合液晶状態」とは、混合液晶相を発現している状態をいう。本発明においては、有機半導体材料が液晶状態を呈するか否かは問わないが、好ましくは液晶状態を呈する化合物である。そして、サーモトロピック混合液晶とは、相転移温度を有する混合液晶であり、例えば有機半導体材料が液晶性を示すものであっても、その有機半導体材料が示す液晶相とは異なる液晶相を有した液晶である。例えば後述の実施例で示したように、有機半導体材料単体で示すスメクチック相とは異なるスメクチック相を混合液晶状態では発現する。
有機半導体層形成工程は、塗布膜を混合液晶状態を呈しない温度まで冷却させ、もしくは冷却させながら溶媒を除いて、有機半導体材料のスメクチック液晶相又は結晶相からなる有機半導体層を形成する工程である。この工程では、混合液晶状態の塗布膜を冷却させて溶媒を除去し、もしくは混合液晶状態の塗布膜を冷却させながら溶媒を除去するので、溶媒除去後の膜は、よく配向した有機半導体材料のスメクチック液晶相又は結晶相が均一に形成された有機半導体層となる。
本発明の有機半導体構造物は、上記の方法で形成された有機半導体層を有するものであり、その有機半導体層は、少なくとも常温領域でスメクチック液晶相又は結晶相を有している。なお、本発明において、常温領域とは、有機TFT等の半導体素子の使用温度範囲として一般的な、−40℃〜90℃の範囲を言う。
本発明の有機半導体装置101は、例えば図1に示すように、少なくとも基板11、ゲート電極12、ゲート絶縁層13、有機半導体層14、ドレイン電極15及びソ−ス電極16で構成される。この有機半導体装置101は、有機半導体層14が、上述した本発明の有機半導体層の形成方法で形成されている。
基板11は、絶縁性の材料であれば広い範囲の材料から選択することができる。例えば、ガラス、アルミナ焼結体などの無機材料、ポリイミド膜、ポリエステル膜、ポリエチレン膜、ポリフェニレンスルフィド膜、ポリパラキシレン膜等の各種の絶縁性材料を挙げることができる。特に、高分子化合物からなるフィルム状又はシート状の基板を用いると、軽量でフレシキブルな有機半導体装置を作製することができるので、極めて有用である。なお、本発明で適用される基板11の厚さは、25μm〜1.5mm程度である。
ゲート電極12は、ポリアニリン、ポリチオフェン等の有機材料からなる電極又は導電性インキを塗布して形成した電極であることが好ましい。これらの電極は、有機材料や導電性インキを塗布して形成できるので、電極形成プロセスが極めて簡便となるという利点がある。塗布法の具体的な手法としては、スピンコート法、キャスト法、引き上げ法、転写法、インクジェット法等が挙げられる。
ゲート絶縁層13は、上記のゲート電極12と同じように、有機材料を塗布して形成したものであることが好ましく、使用される有機材料としては、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリビニルクロライド、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、ポリサルフォン、ポリカーボネート、ポリイミド等を挙げることができる。塗布法の具体的な手法としては、スピンコート法、キャスト法、引き上げ法、転写法、インクジェット法等が挙げられる。なお、CVD法等の既存パターンプロセスを用いて形成してもよく、その場合には、SiO2、SiNx、A12O3等の無機材料が好ましく使用される。また、これらの材料を2種以上併用してもよい。
ドレイン電極15及びソース電極16は、仕事関数の大きい金属で形成されることが好ましい。その理由としては、通常の有機半導体材料は、電荷を輸送するキャリアがホールであることから、有機半導体層14とオーミック接触していることが必要となるからである。ここでいう仕事関数とは、固体中の電子を外部に取り出すのに必要な電位差であり、真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差として定義される。好ましい仕事関数としては、4.6〜5.2eV程度であり、具体的には、金、白金、透明導電膜(インジウム・スズ酸化物、インジウム・亜鉛酸化物等)等が挙げられる。透明導電膜は、スパッタリング法、電子ビーム(EB)蒸着法で形成することができる。なお、本発明で適用されるドレイン電極15及びソース電極16の厚さは、50nm程度である。
有機半導体層14は、上述した本発明の方法で形成された層である。形成された有機半導体層14は、少なくとも常温を含む温度範囲において整列性のよいスメクチック液晶相又は結晶相を呈するので、均一な大面積の有機半導体装置を構成できるという特徴的な効果がある。
有機半導体装置101には、層間絶縁層を設けることが望ましい。層間絶縁層は、ゲート絶縁層13上にドレイン電極15及びソース電極16を形成する際に、ゲート電極12の表面の汚染を防ぐことを目的として形成される。したがって、層間絶縁層は、ドレイン電極15及びソース電極16を形成する前にゲート絶縁層13の上に形成される。そして、ソース電極15及びドレイン電極16が形成された後においては、チャネル領域上方に位置する部分を完全に除去又は一部を除去するように加工される。除去される層間絶縁層領域は、ゲート電極12のサイズと同等であることが望ましい。
本発明の有機半導体装置においては、その構成として、(i)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層(液晶配向層を兼ねる。)/ソース・ドレイン電極/有機半導体層(/保護層)、(ii)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層/ソース・ドレイン電極/液晶配向層/有機半導体層(/保護層)、(iii)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層(液晶配向層を兼ねる)/有機半導体層/ソース・ドレイン電極/(保護層)、(iv)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層(液晶配向層を兼ねる)/有機半導体層/ソース・ドレイン電極がパタニングされた基板(保護層を兼ねる)、(v)基板/ソース・ドレイン電極/有機半導体層/ゲート絶縁層(液晶配向層を兼ねる)/ゲート電極/基板(保護層を兼ねる)、(vi)基板(配向層を兼ねる)/ソース・ドレイン電極/有機半導体層/ゲート絶縁層/ゲート電極/基板(保護層を兼ねる)、又は、(vii)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層/ソース・ドレイン電極/有機半導体層/基板(配向層を兼ねる)、とすることもできる。
下記化学式の5,5’’’-dioctyl-2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’-Quaterthiophene(8-QT-8で表される。)と、芳香族系溶媒であるキシレンとを、8-QT-8の含有割合が0.5wt%となるように混ぜた混合物を準備した。一方、シリコン酸化絶縁膜の厚さが3000Å(300nm)のシリコンウエハー上に、ソース・ドレイン電極(電極材:金、密着層:クロム)を蒸着し、続いてPhenyltrichlorosilaneで表面処理を行った。このウエハーを約90℃まで加熱し、これに約90℃まで加温した混合物をスピンコーティング(2000rpm×10sec)で塗布して混合液晶状態の塗布膜を形成し、その後、室温(25℃)まで冷却することで、キシレンを除去し、結晶相からなる有機半導体層を形成した。こうして、有機半導体層が形成されたFET素子を作製した。FET素子の特性評価は、KEITHLEY製237 HIGH VOLTAGE SOURCE MEASURE UNITで行った結果、正孔の電荷移動度は、5.0×10−2cm2/Vsであり、ON/OFF比は104程度であった。なお、図2は、有機半導体層が形成されたFET素子の正孔移動度の測定結果を示すグラフである。
下記化学式の5,5’’’’-Didecyl-2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’:5’’’,2’’’’-Quinquetthiophene (10-5T-10で表される。)と、芳香環系溶媒であるメシチレンとを、10-5T-10の含有割合が0.5wt%となるように混ぜた混合物を準備した。一方、シリコン酸化絶縁膜の厚さが3000Å(300nm)のシリコンウエハー上に、ソース・ドレイン電極(電極材:金、密着層:クロム)を蒸着し、続いてPhenyltrichlorosilaneで表面処理を行った。このウエハーを約90℃まで加熱し、これに約90℃まで加温した混合物をスピンコーティング(2000rpm×10sec)で塗布して混合液晶状態の塗布膜を形成し、その後、室温(25℃)まで冷却することで、メシチレンを除去し、結晶相からなる有機半導体層を形成した。こうして、有機半導体層が形成されたFET素子を作製した。FET素子の特性評価は、KEITHLEY製237 HIGH VOLTAGE SOURCE MEASURE UNITで行った結果、正孔の電荷移動度は、3.0×10−2cm2/Vsであり、ON/OFF比は105程度であった。なお、図3は、有機半導体層が形成されたFET素子の正孔移動度の測定結果を示すグラフである。
5,5’’’-dioctyl-2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’-Quaterthiophene(8-QT-8で表される。)と、芳香環系溶媒であるキシレンとを、8-QT-8:キシレンが重量%で1:3及び1:1となるように混ぜた混合物を準備した。この2種類の混合物について、加熱ステージ(メトラー・ドレド社製、 FP82HT、FP80HT)を用いた偏光顕微鏡(オリンパス株式会社製、BH2-UMA)によるテクスチャー観察を行った。
11 基板
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁層
14 高分子有機半導体層
15 ドレイン電極
16 ソ−ス電極
Claims (3)
- 有機半導体材料と溶媒とを混ぜることによりサーモトロピック混合液晶相を発現することになる混合物を用いて、混合液晶状態の塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜を混合液晶状態を呈しない温度まで冷却させ、もしくは冷却させながら溶媒を除いて、前記有機半導体材料のスメクチック液晶相又は結晶相からなる有機半導体層を形成する工程と、を有し,
前記有機半導体材料が,5,5’’’−dioctyl−2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’−Quaterthiophene(8−QT−8で表される。)、又は5,5’’’’−Didecyl−2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’:5’’’,2’’’’−Quinquetthiophene(10−5T−10で表される。)であることを特徴とする有機半導体層の形成方法。 - 前記塗布膜が、前記混合物を加温して塗布することにより形成されることを特徴とする請求項1に記載の有機半導体層の形成方法。
- 前記溶媒が、キシレン、トルエン、メシチレン、テトラリン、モノクロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン等の芳香族系溶媒から選ばれる1種又は2種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機半導体層の形成方法。
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