JP4857516B2 - 有機半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、有機半導体層に液晶性有機半導体材料を用いた有機半導体素子及びその製造方法に関する。
近年、有機半導体材料を用いた活性層（以下、有機半導体層という。）を備えた新規な半導体素子（以下、有機半導体素子という。）を開発する研究が盛んに行われている。このような有機半導体素子は、有機半導体材料が柔軟性を有するので、シリコン等の無機半導体材料を用いた活性層（以下、無機半導体層という。）を備えた従来の半導体素子（以下、無機半導体素子という。）と比較して、低温プロセスによる製造が可能であること、大面積素子の大量生産が可能であること、フレキシブルな半導体素子を製造できること等のメリットがある。
このような有機半導体素子は、無機半導体素子と比較してキャリア移動度が低いので、半導体素子としての性能が低いという問題がある。すなわち、無機半導体素子は、無機半導体層の結晶構造が緻密なためドリフト伝導によりキャリアが伝導するが、有機半導体素子では有機半導体層を形成する有機半導体材料の分子間結合が弱いので、隣接分子間でのホッピング伝導が支配的となりキャリアがスムーズに流れない。そのため、最近ではキャリア移動度の高い有機半導体材料の研究が行われている。
キャリア移動度の高い有機半導体材料としては、液晶性有機半導体材料が知られている。液晶性有機半導体材料は、自己組織化により自発的に分子性配向し易いという特徴がある。そのため、液晶性有機半導体材料から形成された有機半導体層は、液晶分子の配向により分子同士が効率よく充填され、キャリアがその分子間をスムーズにホッピング伝導しやすいので、キャリアを高速で移動させることができる。したがって、このような有機半導体層を有する有機半導体素子は、真空蒸着によって作製されるアモルファス有機半導体素子や、溶液塗布によって作製される高分子有機半導体素子等の他の有機半導体素子に比較して、よりキャリア移動度が高いという特徴がある。
このような有機半導体素子において、より高いキャリア移動度を得るためには、液晶分子をさらに効率よく充填するための配向処理を施すことが有効である。
配向処理として、液晶表示装置（ＬＣＤ）の技術分野ではポリイミド膜を布で擦るラビング処理が従来から広く実施されている。ラビング処理とは、基板上に成膜したポリイミド膜を、回転しながら基板を移動するローラーに巻きつけた布で擦り、一軸延伸させる処理である。ＬＣＤは、このような基板で作製されたセルの中に液晶性材料を注入して製造され、ラビング処理された膜によりその液晶性材料の液晶分子が配向し、ダイレクタを良好に駆動できるＬＣＤとなる。
有機半導体層に液晶性有機半導体材料を用いた有機半導体素子についても同様に、液晶分子を配向させる手段としてポリイミド膜をラビング処理することが報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。この有機半導体素子は、透明電極付きガラス基板に成膜したポリイミド薄膜（膜厚６００Å）をラビング処理し、基板間に有機半導体層としてスメクティック液晶相を呈する層を配置している。
Kogo et.Al.,"Polarized light emission from A calamitic liquid crystalline semiconductor doped with dyes"Applied Physics Letters、Vol.73、P1595.（1998年） 特開２００２−２５７７９号公報
Kogo et.Al.,"Polarized light emission from A calamitic liquid crystalline semiconductor doped with dyes"Applied Physics Letters、Vol.73、P1595.（1998年）
しかしながら、上記の非特許文献１に記載された有機半導体素子は、電極間隔が２μｍ程度であるにもかかわらず電流が流れ始める電圧が１５０Ｖと非常に高く、実用的な電流駆動特性を発揮することができない。その理由は、この配向膜に使用されたポリイミドが絶縁体であることに起因している。したがって、このような配向膜は、液晶分子のダイレクタを電界駆動するＬＣＤに使用される場合は問題ないが、液晶性半導体材料を電流制御素子に利用する有機半導体素子に使用される場合は、有機半導体層にキャリアが注入されるのを妨げてしまい、キャリアの移動に必要な量のキャリアを有機半導体層に供給できないという問題がある。
有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子という。）の技術分野では、上記特許文献１に示したように、キャリア輸送層をラビング処理し、配向膜としての機能を持たせ、発光層に電界発光性を持つ液晶性半導体材料を用いた有機ＥＬ素子が報告されている。この発光層に用いられる液晶性半導体材料は、電界印加により液晶分子のダイレクタが変化しやすいネマティック液晶相を呈するものである。この有機ＥＬ素子においても、発光が確認できる電圧は１００Ｖ以上であり、高効率の燐光発光材料を添加した系でも５０Ｖ以上とやはり高いという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、実用的な電流駆動特性と高いキャリア移動度を有する有機半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明の第１の形態にかかる有機半導体素子は、２つの対向する電極の間に有機半導体層を備える有機半導体素子であって、前記有機半導体層が、スメクティック液晶相を呈している液晶性有機半導体材料からなる層を１層又は２層以上有し、前記２つの電極の一方又は両方と前記有機半導体層との間には、導電性高分子材料からなる配向膜が設けられていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するための第２の形態にかかる有機半導体素子は、２つの対向する電極の間に有機半導体層を備える有機半導体素子であって、前記有機半導体層は、液晶相から相転移した結晶相を呈している液晶性有機半導体材料により形成されており、前記２つの電極の一方又は両方と前記有機半導体層との間には、導電性高分子材料からなる配向膜が設けられていることを特徴とする。
これらの発明によれば、対向する２つの電極の一方又は両方と有機半導体層との間に導電性高分子材料からなる配向膜が設けられ、かつ、配向膜の作用により有機半導体層中の液晶分子が配向しているので、有機半導体層にキャリアが容易に注入される。その結果、本発明の有機半導体素子は、電流が流れ始める電圧が低くなり、実用的な電流駆動特性を有する有機半導体素子となる。また、これらの発明によれば、有機半導体層において液晶分子の配向秩序が向上するので、キャリア移動度の高い有機半導体素子となる。
本発明の第１の形態にかかる有機半導体素子において、前記有機半導体層は、等方相からネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相に相転移した液晶性有機半導体材料により形成されていることが好ましい。また、本発明の第２の形態にかかる有機半導体素子において、前記有機半導体層は、等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相に相転移した液晶性有機半導体材料により形成されていることが好ましい。
本発明の有機半導体素子において、前記有機半導体層を形成する液晶性有機半導体材料中の液晶分子が、前記電極の面内方向に配向していることが好ましく、また、前記配向膜は、ラビング処理された前記導電性高分子材料からなる膜であることが好ましい。
これらの発明によれば、有機半導体層の液晶分子が電極の面内方向に高い配向秩序をもって配向しているので、有機半導体層にキャリアを容易に注入でき、かつ、キャリア移動度の高い有機半導体素子となる。
本発明の有機半導体素子は、前記有機半導体層中に埋め込まれた１又は２以上のゲート電極を有し、静電誘導トランジスタとして動作することが好ましい。
上記課題を解決するための本発明の第１の形態にかかる有機半導体素子の製造方法は、電極と導電性高分子材料からなる配向膜とがこの順に形成された２枚の基板を対向させ、前記基板の間に、等方相、ネマティック液晶相及びスメクティック液晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体素子の製造方法であって、前記有機半導体層の形成は、前記基板の間に等方相を呈する前記液晶性有機半導体材料を注入する工程と、等方相からネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相を呈するまで、前記液晶性有機半導体材料を冷却する工程とにより行われることを特徴とする。
上記課題を解決するための本発明の第２の形態にかかる有機半導体素子の製造方法は、電極と導電性高分子材料からなる配向膜とがこの順に形成された２枚の基板を対向させ、前記基板の間に、等方相、ネマティック液晶相及び結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体素子の製造方法であって、前記有機半導体層の形成は、前記基板の間に等方相を呈する前記液晶性有機半導体材料を注入する工程と、等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相を呈するまで、前記液晶性有機半導体材料を冷却する工程とにより行われることを特徴とする。
この発明によれば、有機半導体層の液晶分子が高い配向秩序をもって配向するので、キャリア移動度の高い有機半導体素子を得ることができる。
本発明の有機半導体素子の製造方法において、前記配向膜は、導電性高分子材料の塗布膜をラビング処理する工程により形成することが好ましい。
本発明の有機半導体素子によれば、有機半導体層にキャリアを容易に注入できるので、有機半導体素子に電流が流れ始める電圧が低くなり、実用的な電流駆動特性を有する有機半導体素子となる。また、本発明の有機半導体素子によれば、有機半導体層中の液晶分子の配向秩序が向上するので、高いキャリア移動度を有する有機半導体素子となる。さらに、本発明の有機半導体素子によれば、キャリアを高速で移動させる有機半導体層に充分な量のキャリアを容易に供給できるので、大電流を制御できる有機半導体素子となる。
また、本発明の有機半導体素子の製造方法は、有機半導体層の液晶分子が高い配向秩序をもって配向するので、キャリア移動度の高い有機半導体素子を得ることができる。
本発明の有機半導体素子及びその製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明の有機半導体素子の一例を示す断面図である。本発明の有機半導体素子１は、電極３と配向膜４とを備えた２枚の基板２が、電極３等を備える面を内側にして対向するように配置され、その２枚の基板２の間に有機半導体層５が設けられているものである。
（基板）
基板２は、絶縁性の材料であれば広い範囲の材料から選択され、例えばガラス、プラスチック等からなる基板を適用できる。基板２の厚さは、通常０．５〜２．０ｍｍである。
基板２は、絶縁性の材料であれば広い範囲の材料から選択され、例えばガラス、プラスチック等からなる基板を適用できる。基板２の厚さは、通常０．５〜２．０ｍｍである。
（電極）
電極３は、基板２上に設けられており、配向膜４を介して有機半導体層５にキャリア（正孔又は電子）を注入するものである。
電極３は、基板２上に設けられており、配向膜４を介して有機半導体層５にキャリア（正孔又は電子）を注入するものである。
電極３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）等の材料を用いて、スパッタリング法、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等の方法により形成される。電極の厚さは、１０〜１０００ｎｍ程度である。
（配向膜）
配向膜４は、有機半導体層５の片面又は両面に隣接して設けられている。本発明における配向膜４は、導電性高分子材料で形成された膜に配向処理したものであり、有機半導体層５の液晶分子を秩序高く配向させる役割と有機半導体層５にキャリアを容易に注入させる役割を有する。
配向膜４は、有機半導体層５の片面又は両面に隣接して設けられている。本発明における配向膜４は、導電性高分子材料で形成された膜に配向処理したものであり、有機半導体層５の液晶分子を秩序高く配向させる役割と有機半導体層５にキャリアを容易に注入させる役割を有する。
上記導電性高分子材料は、有機半導体層５にキャリアが注入されるのを妨げない程度の導電率を有する高分子材料であって、この材料からなる膜に配向処理を施した場合に有機半導体層５を構成する液晶分子を配向できるものであればよい。この導電性高分子材料の導電率は、１０−５〜１０−４Ｓ／ｍ程度であることが好ましい。そのような導電性高分子材料としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）を好ましく挙げることができるが、上記の特性を有すればこれに限定されず、例えばポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリピロール又はヨウ素をドープしたポリフェニレンビニレン等も使用できる。このような導電性高分子材料から形成されている配向膜は、有機半導体層５の液晶分子を配向させるだけでなく、有機半導体層５にキャリアを容易に注入させることができる。
この導電性高分子材料には、導電性向上の目的でドーパントを含有させることが好ましく、そのようなドーパントとして、ポリスチレンスルホンネート（ＰＳＳ）等の電子受与体材料を用いることができる。
配向膜４は、このような導電性高分子材料からなる膜に配向処理を施すことにより形成される。このような処理を施すことにより、隣接する有機半導体層５のキャリア移動度を向上させることができるだけでなく、有機半導体層５にキャリアを容易に注入させることができる。
配向膜４は、電極３が形成された基板２上に上記導電性高分子材料で塗布膜を形成し、その塗布膜の上に配向処理を施すことにより形成される。なお、配向処理される前の塗布膜を、必要に応じて焼成することもできる。
配向処理は、有機半導体層を構成する液晶分子が電極の面内方向に配向するように施すことが好ましく、そのような処理としてラビング処理が挙げられる。ラビング処理は、図３に示すように、基板２の電極３が形成されている面に導電性高分子材料を成膜し、ラビングローラー１０に巻きつけたラビング布１１を回転させながらその基板上を移動させて、基板上の導電性高分子材料の膜４’を擦ることより行われる。なお、図３中の符号７は基板を移動させる方向を示し、符号８はラビング方向を示し、符号９はローラーの回転方向を示す。また、他の配向処理として、導電性高分子材料で形成された膜へのエネルギー線照射を利用することができ、例えばイオン照射や紫外線照射を利用することができる。なお、配向膜を利用した配向手段以外の配向手段（例えば、スペーサーエッジ、温度勾配、メカニカルシアーや磁場等を利用した配向手段）を上記配向膜による配向手段と併用することもできる。
配向膜４は、有機半導体層５の片面のみに設けられていても両面に設けられていてもよいが、両面に設けられている場合にはより配向の効果が高いので好ましい。
配向膜４の膜厚は、有機半導体層の液晶分子を配向できる程度であればよく、通常０．０１〜２μｍである。
（有機半導体層）
有機半導体層５は、対向する２つの電極の間に位置し、一方の電極から供給されたキャリアを他方の電極に輸送する層である。本発明における有機半導体層５は、液晶性有機半導体材料から形成される層であり、その液晶性有機半導体材料がスメクティック液晶相を呈している第１の形態と、液晶相から相転移した結晶相を呈している第２の形態とに分けられる。
有機半導体層５は、対向する２つの電極の間に位置し、一方の電極から供給されたキャリアを他方の電極に輸送する層である。本発明における有機半導体層５は、液晶性有機半導体材料から形成される層であり、その液晶性有機半導体材料がスメクティック液晶相を呈している第１の形態と、液晶相から相転移した結晶相を呈している第２の形態とに分けられる。
（１）第１の形態
第１の形態の有機半導体層５は、スメクティック液晶相を呈している液晶性有機半導体材料により形成されている。このような材料として、例えば２‐（４’‐オクチルフェニル）‐６‐テトリロキシナフタレン（以下、８ＰＮＰＯ４という。）が挙げられる。この８ＰＮＰＯ４は、等方相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有している。
第１の形態の有機半導体層５は、スメクティック液晶相を呈している液晶性有機半導体材料により形成されている。このような材料として、例えば２‐（４’‐オクチルフェニル）‐６‐テトリロキシナフタレン（以下、８ＰＮＰＯ４という。）が挙げられる。この８ＰＮＰＯ４は、等方相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有している。
スメクティック液晶相は、図２（ａ）に示すように、概ね一定方向を向いた液晶分子６が、一定の秩序をもって配列している層構造の液晶相である。こうしたスメクティック液晶相は、個々の分子の自由度が制限され配向秩序が高い。したがって、このような有機半導体層は、有機半導体層を構成する液晶分子の分子間距離が短く、電極から供給されたキャリアがその分子間をホッピング伝導しやすいので、キャリアを高速で移動させることができる。一方、ネマティック液晶相の液晶分子は、図２（ｂ）に示すように、液晶分子６が概ね一定方向を向いているものの、個々の分子の自由度が高く配向秩序が低いため、スメクティック液晶相よりもキャリアの移動は低速であると考えられる。
上記液晶性有機半導体材料の呈するスメクティック液晶相は、等方相からネマティック液晶相を経由して相転移したものであることが好ましい。このような有機半導体層は、分子の自由度が高いネマティック液晶相を経由するので、等方相からスメクティック液晶相へ直接転移して形成された有機半導体層よりも配向秩序が高い。このような有機半導体層の液晶性有機半導体材料としては、ＴＲＩＰ−Ｏ１０（４、４’’‐ジデカロキシ‐３’’‐イソプロピル‐ｐ‐ターフェニル）を用いることができる。このＴＲＩＰ−Ｏ１０は、等方相、ネマクティック相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有している。
上記液晶性有機半導体材料の呈するスメクティック液晶相は、液晶分子の配向秩序を高くする観点から、低次相よりも高次相であることが好ましく、具体的にはスメクティックＡ相よりもスメクティックＥ相であることが好ましい。
この有機半導体層５は、上記液晶性有機半導体材料の液晶分子が配向していることが好ましく、特に電極３の面内方向に配向していることが好ましい。本発明において、液晶分子の配向は、有機半導体層５の片面又は両面に隣接する配向膜４によりなされている。液晶分子がこのように配向していると、電極から供給されたキャリアがホッピング伝導しやすいので、有機半導体層におけるキャリアの移動が高速になり、また、そのような有機半導体層にキャリアが容易に注入される。
有機半導体層の厚さは、通常０．１〜１０μｍ程度であり、後述するセルの間隙により制御される。
（２）第２の形態
第２の形態の有機半導体層５は、液晶相から相転移した結晶相を呈している液晶性有機半導体材料で形成されている。このような有機半導体層５は、分子の配向秩序が高いので、キャリアがホッピング伝導しやすく、キャリアを高速で移動させることができる。このような液晶性有機半導体材料としては、例えば、上記の８ＰＮＰＯ４が挙げられる。
第２の形態の有機半導体層５は、液晶相から相転移した結晶相を呈している液晶性有機半導体材料で形成されている。このような有機半導体層５は、分子の配向秩序が高いので、キャリアがホッピング伝導しやすく、キャリアを高速で移動させることができる。このような液晶性有機半導体材料としては、例えば、上記の８ＰＮＰＯ４が挙げられる。
また、この有機半導体層においても、等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相を呈していることが好ましく、このとき用いられる液晶性有機半導体材料としては、上記のＴＲＩＰ−Ｏ１０が挙げられる。このような有機半導体層は、分子の自由度が高いネマティック液晶相を経由するので、等方相から結晶相へ直接転移して形成された有機半導体層よりも配向秩序が高い。
この有機半導体層５を形成する液晶性半導体材料の液晶分子は、電極３の面内方向に配向していることが好ましく、その理由や配向手段については上記した第１の形態の有機半導体層と同様である。
また、有機半導体層の厚さについても上記した第１の形態の有機半導体層と同様である。
（有機半導体素子の製造方法）
図４は、本発明の有機半導体素子１の製造方法の一例を示す製造工程図である。以下の工程により、等方相からネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相となった液晶性有機半導体材料からなる上記第１の形態の有機半導体層を有する有機半導体素子と、等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相となった液晶性有機半導体材料からなる上記第２の形態の有機半導体層を有する有機半導体素子とを製造できる。
図４は、本発明の有機半導体素子１の製造方法の一例を示す製造工程図である。以下の工程により、等方相からネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相となった液晶性有機半導体材料からなる上記第１の形態の有機半導体層を有する有機半導体素子と、等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相となった液晶性有機半導体材料からなる上記第２の形態の有機半導体層を有する有機半導体素子とを製造できる。
まず、基板２に電極３を形成する工程（図４（ａ））と、基板２の電極３が形成された面に導電性高分子材料４’を塗布する工程（図４（ｂ））と、導電性高分子材料からなる膜４’をラビング処理する工程（図４（ｃ））と、このようにして得られた２枚の基板２を、電極３と配向膜４とが形成された面を対向させて注入孔を除いて貼り合わせる工程（図４（ｄ））とによりセル１３を作製する。
次に、このセル１３の注入孔から等方相を呈する液晶性有機半導体材料５’を注入する工程（図４（ｅ）、図中の矢印は材料５’がセル１３に注入されている様子を示す。）と、この材料を、ネマティック液晶相を経由して所望の相（スメクティック液晶相又は結晶相）を呈するまで冷却する工程（図４（ｆ））とにより有機半導体層５を形成して、有機半導体素子１が製造される（図４（ｇ））。ここで、符号１０はラビング布１１が巻かれたラビングローラーを示す。
有機半導体層の形成（図４（ｅ）及び（ｆ））は、液晶性有機半導体材料を、等方相を呈する温度まで加熱してセルに注入した後、ネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相又は結晶相を呈する温度まで冷却することにより行う。このようにして得られた有機半導体素子は、高いキャリア移動度を有する。すなわち、例えばネマティック液晶相を経由してスメクティック液晶相を呈する有機半導体層（第１の形態の有機半導体層）を形成する場合に、ネマティック液晶相の液晶分子は、図２（ｂ）で示したように分子の自由度が高いので最適な位置に動きやすく、スメクティック液晶相に相転移する際に効率よく充填される。したがって、得られる有機半導体層は、分子の配向秩序が向上するので、キャリアがホッピング伝導しやすくなる。
この製造方法で使用できる液晶性有機半導体材料は、等方相、ネマティック液晶相及びスメクティック液晶相の相転移系列を有する材料又は等方相、ネマティック液晶相及び結晶相の相転移系列を有する材料であり、例えば上述したＴＲＩＰ−Ｏ１０を使用できる。液晶性有機半導体材料にＴＲＩＰ−Ｏ１０を用いる場合には、ＴＲＩＰ−Ｏ１０を１００℃以上に加熱して等方相の状態にし、セルに注入後、例えば７５〜６０℃まで冷却することによりネマティック液晶相を経由させてスメクティックＥ相の状態にしたり、４０〜２０℃まで冷却することにより結晶相の状態にしたりして有機半導体層を形成する。
セルに注入された液晶性有機半導体材料の冷却速度は、より配向秩序の高い有機半導体層を形成する観点から遅いことが好ましく、０．１〜０．５℃／分であることが好ましい。
なお、有機半導体層がネマティック液晶相を相転移系列に持たない液晶性有機半導体材料（例えば上記の８ＰＮＰＯ４等。）で形成される場合には、例えば等方相を呈する液晶性有機半導体材料をセル１３に注入し、所望の相を呈するまで冷却することにより有機半導体素子を製造することができる。また、有機半導体層の形成工程（図４（ｅ）及び（ｆ））以外の工程については、上記の各項目で説明したとおりである。
（有機半導体素子）
本発明の有機半導体素子は、図１に示すように、電極３と配向膜４とを備えた２枚の基板２が、電極３等を備える面を内側にして対向するように配置され、その２枚の基板２の間に有機半導体層５が設けられているものである。具体的な有機半導体素子としては、例えば電極と配向膜を備える基板で形成されたセルの中に有機半導体層が設けられた有機半導体素子が挙げられる。
本発明の有機半導体素子は、図１に示すように、電極３と配向膜４とを備えた２枚の基板２が、電極３等を備える面を内側にして対向するように配置され、その２枚の基板２の間に有機半導体層５が設けられているものである。具体的な有機半導体素子としては、例えば電極と配向膜を備える基板で形成されたセルの中に有機半導体層が設けられた有機半導体素子が挙げられる。
本発明の有機半導体素子は、配向膜４の作用により有機半導体層５にキャリアが容易に注入されるので、有機半導体素子に電流が流れ始める電圧が低く、実用的な電流駆動特性を有し、また、有機半導体層５中の液晶分子の配向秩序が高いので、高いキャリア移動度を有する。さらに、本発明の有機半導体素子１は、有機半導体層にキャリアを容易に注入することができるので、キャリア移動に充分な量のキャリアを有機半導体層に容易に供給することができ、低電圧で大電流を制御できる。
本発明の有機半導体素子１は、例えば静電誘導トランジスタとして利用できる。静電誘導トランジスタは、縦型トランジスタとも呼ばれ、ゲート電極が有機半導体層に埋め込まれている構造をしている。したがって、平面型のＭＯＳトランジスタよりもチャネル断面を広くすることもまたチャネル長を短くすることもでき、従来よりも容易に大電流制御が可能となる。
図５は、本発明の有機半導体素子（静電誘導トランジスタ）の一例を示す断面図である。静電誘導トランジスタ１’は、棒状のゲート電極１２が、対抗する電極３の面内方向に水平方向であって、有機半導体層５の液晶分子の配向方向に垂直方向に向いて、有機半導体層５の中に埋め込まれているトランジスタである。なお、このとき対向する２つの電極３は、ソース電極及びドレイン電極となる。
静電誘導トランジスタ１’の製造は、例えば、電極３と配向膜４が形成された２つの基板２を対向させて、この間にゲート電極１２を挟みながら、基板２を貼り合せてセルを作製し、そのセルに液晶性有機半導体材料を注入することにより、容易に行うことができる。ゲート電極には、金、白金，アルミ等を用いることができる。また、ゲート電極１２は１つでも複数でもよく、複数のゲート電極を設ける場合は、それらを電極３の面内方向に平行に並ぶように配置させる。
このような静電誘導トランジスタは、無機半導体素子を利用した場合は、ゲート電極を半導体層中に作りこまなければならず作製が困難であるが、本発明の有機半導体素子は、有機半導体層が液晶性有機半導体材料で形成されるので、このような問題を容易に解決することができる。
以下、本発明を実施例と比較例によりさらに詳しく説明する。
（実施例１）
基板及び電極として、ＩＴＯ透明電極付きのガラス基板（三容真空社製、厚さ１．１ｍｍ、シート抵抗１０Ω）を用い、導電性高分子材料（配向膜の材料）として、ＰＳＳがドーパントとして含有されているＰＥＤＯＴ（バイエル社製、商品名：ＣＨ８０００）を用いた。まず、基板のＩＴＯ透明電極が設けられている側の面に、導電性高分子材料を５００Å（＝５０ｎｍ）厚にスピンコートし、２００℃で３０分間焼成した。続いて、この導電性高分子材料の膜をラビング処理して配向膜とした。ラビング処理は、基板に形成された導電性高分子材料の膜を、回転しながら基板上を移動するローラーに巻きつけた布で擦ることにより行った。ラビング処理の前後での基板の位相差を測定したところ、処理前の位相差は０であったが、処理後は１．２ｎｍの位相差が生じており、ラビング処理によって導電性高分子材料の膜が一軸延伸されて配向処理されていることを確認した。
基板及び電極として、ＩＴＯ透明電極付きのガラス基板（三容真空社製、厚さ１．１ｍｍ、シート抵抗１０Ω）を用い、導電性高分子材料（配向膜の材料）として、ＰＳＳがドーパントとして含有されているＰＥＤＯＴ（バイエル社製、商品名：ＣＨ８０００）を用いた。まず、基板のＩＴＯ透明電極が設けられている側の面に、導電性高分子材料を５００Å（＝５０ｎｍ）厚にスピンコートし、２００℃で３０分間焼成した。続いて、この導電性高分子材料の膜をラビング処理して配向膜とした。ラビング処理は、基板に形成された導電性高分子材料の膜を、回転しながら基板上を移動するローラーに巻きつけた布で擦ることにより行った。ラビング処理の前後での基板の位相差を測定したところ、処理前の位相差は０であったが、処理後は１．２ｎｍの位相差が生じており、ラビング処理によって導電性高分子材料の膜が一軸延伸されて配向処理されていることを確認した。
このようにして得られた２枚の基板を、配向膜が形成された面を内側にし、ラビング方向が平行となるように対向させ、スペーサーとＵＶシール剤を用いて貼り合わせ、セルギャップが４μｍであるセルを作製した。このセルの作製の際、シールの一部に間隙を設けておき液晶性有機半導体材料の注入孔とした。
液晶性有機半導体材料として、８ＰＮＰＯ４（等方相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相、結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料）を用いた。この液晶性有機半導体材料を、等方相を呈するように約１４０℃に加熱しながら真空注入により上記のセルに注入し、注入孔をシール封止した。その後、液晶性有機半導体材料を冷却速度０．１℃／分で冷却温度９０℃まで冷却し、スメクティックＥ相の有機半導体層を有する実施例１の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（実施例２）
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を９０℃に代えて３５℃とした以外は、実施例１と同様の手順で、結晶相の有機半導体層を有する実施例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を９０℃に代えて３５℃とした以外は、実施例１と同様の手順で、結晶相の有機半導体層を有する実施例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（実施例３）
実施例１と同様にセルを作製し、液晶性有機半導体材料として、ＴＰＩＰ−Ｏ１０（等方相、ネマティック液晶相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相、結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料）を用い、この液晶性有機半導体材料を、等方相を呈するように約１４０℃に加熱しながら、実施例１と同様の手順でセルに注入した。その後、液晶性有機半導体材料を冷却速度０．１℃／分で７８℃まで冷却して、ネマティック液晶相を経由して形成されたスメクティックＥ相の有機半導体層を有する実施例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例１と同様にセルを作製し、液晶性有機半導体材料として、ＴＰＩＰ−Ｏ１０（等方相、ネマティック液晶相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相、結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料）を用い、この液晶性有機半導体材料を、等方相を呈するように約１４０℃に加熱しながら、実施例１と同様の手順でセルに注入した。その後、液晶性有機半導体材料を冷却速度０．１℃／分で７８℃まで冷却して、ネマティック液晶相を経由して形成されたスメクティックＥ相の有機半導体層を有する実施例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（実施例４）
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて３５℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相を経由して形成された結晶相の有機半導体層を有する実施例４の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて３５℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相を経由して形成された結晶相の有機半導体層を有する実施例４の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例１）
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例１と同様の手順で比較例１の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例１と同様の手順で比較例１の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例２）
実施例２の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例２と同様の手順で比較例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例２の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例２と同様の手順で比較例２の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例３）
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例３と同様の手順で比較例３の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例３と同様の手順で比較例３の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例４）
実施例４の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例４と同様の手順で比較例４の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例４の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際、基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理しない以外は、実施例４と同様の手順で比較例４の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例５）
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて９０℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相の有機半導体層を有する比較例５の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて９０℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相の有機半導体層を有する比較例５の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（比較例６）
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際に基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理せず、かつ、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて９０℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相の有機半導体層を有する比較例６の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
実施例３の有機半導体素子の製造において、セルの作製の際に基板に成膜された導電性高分子材料の膜をラビング処理せず、かつ、セルに注入した液晶性有機半導体材料の冷却温度を７８℃に代えて９０℃とした以外は、実施例３と同様の手順で、ネマティック液晶相の有機半導体層を有する比較例６の有機半導体素子を製造した。こうして得られた有機半導体素子について以下の評価を行った。
（有機半導体層の状態の評価）
実施例及び比較例の有機半導体素子を偏光顕微鏡（オリンパス光学工業株式会社製、型番：ＢＸ５１）により観察した。
実施例及び比較例の有機半導体素子を偏光顕微鏡（オリンパス光学工業株式会社製、型番：ＢＸ５１）により観察した。
図６は、液晶性半導体材料に８ＰＮＰＯ４を用いた有機半導体素子における有機半導体層の偏光顕微鏡写真であり、図６（ａ）は実施例１の有機半導体素子のものであり、図６（ｂ）は比較例１の有機半導体素子のものである。また、図７は、液晶性半導体材料にＴＰＩＰ−Ｏ１０を用いた有機半導体素子における有機半導体層の偏光顕微鏡写真であって、図７（ａ）は実施例３の有機半導体素子のものであり、図７（ｂ）は比較例３の有機半導体素子のものであり、図７（ｃ）は比較例５の有機半導体素子のものであり、図７（ｄ）は比較例６の有機半導体素子のものである。なお、図７中に示した矢印は、ラビング処理した方向を示す。また、図６及び図７中のＰとＡは、それぞれ偏光子と検光子を示し、それらが直交していることを示す。
実施例１及び３の有機半導体素子は、ラビング処理していない比較例１及び３の有機半導体素子と比較して、有機半導体層におけるドメインが大きく成長しており均一性が明らかに高かった。なお、有機半導体層がネマティック液晶相を経由してスメクティックＥ相を呈している実施例３の有機半導体素子は、有機半導体層がネマティック液晶相を経由しないでスメクティックＥ相を呈している実施例１の有機半導体素子と比較して、有機半導体層におけるドメインの成長が大きく、均一であった。
（電流−電圧特性の評価）
実施例１〜４と比較例１〜４の有機半導体素子について、デジタルソースメーター（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製、型番：ＫＥＩＴＨＬＥＹ２３７）を用い、電極間に電圧を印加して電流−電圧特性を評価した。
実施例１〜４と比較例１〜４の有機半導体素子について、デジタルソースメーター（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製、型番：ＫＥＩＴＨＬＥＹ２３７）を用い、電極間に電圧を印加して電流−電圧特性を評価した。
図８及び図９は、液晶性半導体材料に８ＰＮＰＯ４を用いた有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフである。図８は、実施例１及び２の有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフであり、図９は、比較例１及び２の有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフである。なお、図８の○は実施例１を示し、△は実施例２を示し、図９の○は比較例１を示し、△は比較例２を示す。
実施例１及び２の有機半導体素子は、電圧が１０Ｖを超えた辺りで電流が大きく流れはじめ、配向膜の材料にポリイミドを用いた従来の有機半導体素子（例えば、非特許文献１に記載されている有機半導体素子。）よりも１桁低い電圧で電流が流れた。よって、実施例１及び２の有機半導体素子は、従来の有機半導体素子よりも電流が流れ始める電圧が低く、より実用的な素子であることを確認した。また、実施例１及び２の有機半導体素子は、ラビング処理をしない比較例１及び２の有機半導体素子と比較して、電圧が１０Ｖの時点で２桁大きな電流が流れた。よって、同一の材料を配向膜として用いても、配向処理した有機半導体素子は、配向処理しなかった有機半導体素子よりも低電圧で非常に大きな電流を制御できることを確認した。
また、図１０及び図１１は、液晶性半導体材料にＴＰＩＰ−Ｏ１０を用いた有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフである。図１０は、実施例３及び４の有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフであり、図１１は、比較例３及び４の有機半導体素子の電流−電圧特性を示すグラフである。なお、図１０の○は実施例３を示し、△は実施例４を示し、図１１の○は比較例３を示し、△は比較例４を示す。
実施例３及び４の有機半導体素子は、電圧が４Ｖを超えた辺りで電流が大きく流れはじめ、配向膜の材料にポリイミドを用いた従来の有機半導体素子（例えば、非特許文献１に記載されている有機半導体素子。）よりも１桁低い電圧で電流が流れた。また、実施例３及び４の有機半導体素子は、ラビング処理をしない比較例３及び４の有機半導体素子と比較して、電圧が４Ｖの時点で２桁大きな電流が流れた。
（キャリア移動度の評価）
実施例１の有機半導体素子のキャリア移動度（電極の面内方向）をＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法によって評価した。
実施例１の有機半導体素子のキャリア移動度（電極の面内方向）をＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法によって評価した。
その結果、キャリア移動度として、１０−３〜１０−２ｃｍ２／Ｖ・ｓという高い数値が得られた。
（実施例５）
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルの作製時に基板を対向させて貼り合せる際、Ａｕ線（外径２μｍ）で作製したゲート電極５本を、ラビング方向に直交するように、かつ、５０μｍピッチで基板の間隙のほぼ中央に配置するように挟みこんだ以外は、実施例１と同様の手順で実施例５の有機半導体素子（静電誘導トランジスタ）を作製した。
実施例１の有機半導体素子の製造において、セルの作製時に基板を対向させて貼り合せる際、Ａｕ線（外径２μｍ）で作製したゲート電極５本を、ラビング方向に直交するように、かつ、５０μｍピッチで基板の間隙のほぼ中央に配置するように挟みこんだ以外は、実施例１と同様の手順で実施例５の有機半導体素子（静電誘導トランジスタ）を作製した。
この有機半導体素子の電圧−電流特性を確認したところ、ゲート電圧の増減に応じて対向電極間に流れる電流がしきい値的に変化するトランジスタ動作を確認した。
また、この有機半導体素子と同様の作製方法で、ゲート電極の数を５〜１００本、ピッチを１０〜１００μｍに変化させて有機半導体素子を作製し、同様に動作を確認したところ、安定なトランジスタ動作を確認できた。
１ 有機半導体素子
１’ 静電誘導トランジスタ
２ 基板
３ 電極
４ 配向膜
５ 有機半導体層
６ 液晶分子
１０ ラビングローラー
１１ ラビング布
１２ ゲート電極
１３ セル
１’ 静電誘導トランジスタ
２ 基板
３ 電極
４ 配向膜
５ 有機半導体層
６ 液晶分子
１０ ラビングローラー
１１ ラビング布
１２ ゲート電極
１３ セル
Claims (4)
- 電極と導電性高分子材料からなる配向膜とがこの順に形成された２枚の基板を対向させ、前記基板の間に、等方相、ネマティック相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体素子の製造方法であって、
前記有機半導体層の形成は、前記基板の間に等方相を呈する前記液晶性有機半導体材料を注入する工程と、
等方相からネマティック液晶相を経由してスメクティックＥ相を呈するまで、前記液晶性有機半導体材料を冷却する工程とにより行われ、
前記有機半導体層を形成する液晶性有機半導体材料中の液晶分子が、前記電極面に平行に配向することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。 - 電極と導電性高分子材料からなる配向膜とがこの順に形成された２枚の基板を対向させ、前記基板の間に、等方相、ネマティック液晶相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料からなる有機半導体層を形成する有機半導体素子の製造方法であって、
前記有機半導体層の形成は、前記基板の間に等方相を呈する前記液晶性有機半導体材料を注入する工程と、
等方相からネマティック液晶相を経由して結晶相を呈するまで、前記液晶性有機半導体材料を冷却する工程とにより行われ、
前記有機半導体層を形成する液晶性有機半導体材料中の液晶分子が、前記電極面に平行に配向することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。 - 請求項１又は２に記載の前記等方相、ネマティック相、スメクティックＡ相、スメクティックＥ相及び結晶相の相転移系列を有する液晶性有機半導体材料が、４、４’’−ジデカロキシ−３’’−イソプロピル−ｐ−ターフェニル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素子の製造方法。
- 前記配向膜の形成は、導電性高分子材料の塗布膜をラビング処理する工程により行われることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の有機半導体素子の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2003329137A JP4857516B2 (ja) | 2003-09-19 | 2003-09-19 | 有機半導体素子の製造方法 |
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