JP5725494B2

JP5725494B2 - 有機半導体材料並びに有機半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP5725494B2
Application number: JP2010182792A
Authority: JP
Inventors: 小川　智; 智小川; 則之吉本; 博之藤代
Original assignee: Iwate University
Current assignee: Iwate University
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: JP2012043921A

Description

本発明は、有機半導体材料並びに有機半導体装置及びその製造方法に関する。

有機半導体材料として、例えば次の式で示す材料（ＤＳ２Ｔ）が提供されている。

しかし、この有機半導体材料は、大気中や溶媒中で不安定である。すなわち、大気中や溶媒中に放置すると、酸化等により分解し、一両日で半導体としての性能を失う。
また、この材料を用いて作成した半導体装置は、その移動度が小さい。従って、特性として必ずしも優れた半導体装置を作成することができない。
さらに、この材料を用いて薄膜の形成を行う場合、薄膜中の結晶は３次的に成長するために、膜は凹凸の多いものになり、トランジスタとしての性能は低いものとならざるを得ない。

本発明は、大気中あるいはモノクロロベンゼン等の有機溶媒中で長期に渡り安定であり、またトランジスタの半導体材料として使用でき、大気中で保存、測定しても長期に渡り当初の性能を維持することができる有機半導体材料を提供することを目的とする。
薄膜の形成を行う場合、二次元的に成長が起こり、凹凸が少なく優れたトランジスタ性能を達成することが可能な有機半導体材料を提供することを目的とする。
また、経時的変化も無く、優れた移動度を示す半導体装置を提供することを目的とする。

本願発明は以下の通りである。
下記の式１で表される有機半導体材料である。
（式１）

R１は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。
R２は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。

請求項１記載の有機半導体材料を用いて半導体層を形成した有機半導体装置である。

参考発明として、下記の式２の表される有機半導体材料である。
（式２）

R１は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。
R２は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。

本発明によれば次の諸々の効果を達成することができる。
本発明の半導体材料は、大気中あるいは溶媒中に長期保存しても酸化されない。
本発明の半導体装置は、大気中においても半導体特性が劣化しない。
本発明の半導体材料は、溶媒と接触させても特性が変化しない。
本発明の半導体材料は、蒸着法などのドライプロセスのみならず、溶液を塗布して乾燥させるドロップキャスト法、スピンコート法、インクジェット法などの印刷法などのウエットプロセスにより特性の劣化の生じない膜の形成が可能である。

実施例１において形成した薄膜のAFM（原子間力顕微鏡）像である。実施例２において形成した薄膜のAFM（原子間力顕微鏡）像である。実施例３において形成した薄膜のAFM（原子間力顕微鏡）像である。実施例４において形成した薄膜のAFM（原子間力顕微鏡）像である。結晶成長の様子を概念的に示したモデル図である。実施例１、２において形成した薄膜のXRD（X線回折装置）図である。実施例３、４において形成した薄膜のXRD（X線回折装置）図である。薄膜トランジスタの構成概念図である。

（実施例１）
本例では、有機半導体材料としてDSTT（2,5’-ジスチリルチエノ［3,2-b］チオフェン：2,5’-Distyril-thieno[3,2-b]thiophene）及びその誘導体の４種類を用いた。
すなわち、式１におけるＲとして次の４種類の材料を用いた。
Ｒ＝Ｈ
Ｒ＝ブチル（Butyl）
Ｒ＝ヘキシル（Hexyl）
Ｒ＝オクチル（Octyl）

粉末である有機半導体材料を坩堝に投入し、基板が配置された真空室内において蒸着を行うことにより有機半導体薄膜を形成した。
基板温度は３０℃とした。
（実施例２）
本例では、薄膜形成時の基板温度を８０℃とした。他の点は実施例１と同様である。
（実施例３）
本例では、有機半導体材料としてDS２TT（5,5’-ジスチリル2,2’-ビチエノ［3,2-b］チオフェン：5,5’-Distyril-2,2'bithieno[3,2-b]thiophene）及びその誘導体の４種類を用いた。すなわち、式２におけるＲとして次の４種類の材料を用いた。
Ｒ＝Ｈ
Ｒ＝ブチル（Butyl）
Ｒ＝ヘキシル（Hexyl）
Ｒ＝オクチル（Octyl）

他の点は実施例１と同様とした。
（実施例４）
本例では、薄膜形成時の基板温度を８０℃とした。他の点は実施例３と同様とした。
（比較例）
材料として（化１）で示したＤＳ２Ｔを用いた。他の点は、実施例２と同様とした。

［評価］
（ＡＦＭ観察：膜表面形状）
成膜後の膜表面をAFM（原子間力顕微鏡）で観察した。
それぞれの観察結果を図１〜図４に示す。
図１は実施例１、図２は実施例２、図３は実施例３、図４は実施例４をそれぞれ示している。
DSTT（non-alkyl)、ＤＳ２ＴＴ（non-alkyl)の場合は、三次元的な成長をしている。それに対して、アルキルが付いた誘導体の場合には、二次元的な成長を示している。
DSTT、ＤＳ２ＴＴ（Non-alkyl)の場合は、図５の左側に示す状態で成長している。すなわち、三次元的に成長しており、表面は凹凸状態となっている。それに対し、誘導体の場合には、図５の右側に示すように二次元的に成長しており表面の凹凸も少ない。
特に図３に示すように、アルキルを付加した誘導体は、ＤＳ２ＴＴ（Non-alkyl)に比べ、粒が小さいにもかかわらず、後に示す移動度において優れた特性と示している。従って、粒径を」大きくすればより優れた特性が期待される。
なお、粒径を大きくするためには、基板温度を上げる、蒸着速度を遅くする、成膜時に大きな磁場をかけるなどの手法をとればよい。
（ＸＲＤ：Ｘ線回折）
膜をXRD（X線回折装置）により回折した。その結果を図６、図７に示す。
図６，７において、ａで示した線は基板温度３０℃の場合を示し、ｂで示した線は基板温度８０℃の場合を示している。
アルキル基Ｒの鎖長が長くなるほどピーク間間隔が小さくなっており、層状に膜が形成されていることがわかる。

（トランジスタ特性）
図８に示す構成のトランジスタを作成し、その移動度を調べた。その結果、以下の移動度が得られた。

・ＤＳＴＴ（実施例１、２）
単位：ｍ（cm2/Vs)
Ｒ＝Ｈ (non-alkyl) 4.35×10^-3 m（cm²/Vs)

Ｒ＝ブチル（Butyl） 2.67×10^-２ m（cm²/Vs)

Ｒ＝ヘキシル（Hexyl） 4.08×10^-3 m（cm²/Vs)

Ｒ＝オクチル（Octyl） 9.88×10^-3 m（cm²/Vs)

・DS２TT（実施例３，４）
単位：ｍ（cm²/Vs)
Ｒ＝Ｈ (non-alkyl) 3.95×10^-2 m（cm²/Vs)

Ｒ＝ブチル（Butyl） 6.8×10^-２ m（cm²/Vs)

Ｒ＝ヘキシル（Hexyl） 4.08×10^-2 m（cm²/Vs)
Ｒ＝オクチル（Octyl） 1.88×10^-2 m（cm²/Vs)

（耐酸化特性）
実施例１、実施例３、比較例で用いた有機半導体材料を、有機溶媒に溶解させ、そのまま大気中に放置し経時変化を調べた。
比較例（ＤＳ２Ｔ）については、２日後に酸化が始まった。
それに対して、実施例１、実施例３で用いた有機半導体材料は３０日経過した後にも酸化が生じていなかった。
従って、実施例１，３で用いた材料は、溶液を塗布して乾燥させるドロップキャスト法やスピンコート法その他の印刷法によっても薄膜の形成が可能であることがわかる。
また、半導体特性として移動度の経時変化を大気中で調査したところ、比較例の場合は、２日経過後に移動度の低下が認められたが、実施例１，３で用いた材料の場合は、３０日経過後においても移動度の低下は認められなかった。

なお、移動度の結果を表１に示す。

本発明に係る半導体装置は、ICタグ、液晶駆動用薄膜トランジスタ、有機薄膜太陽電池そのたの半導体装置に適用が可能である。小型電子機器の低コスト化、軽量化を促進し、産業分野や社会生活への多大な貢献が期待できる。

Claims

下記の式１で表される有機半導体材料。
（式１）

R１は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。
R２は、水素、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基である。
請求項１記載の有機半導体材料を用いて半導体層を形成した有機半導体装置。