JP5733612B2 - Material for organic semiconductor thin film, method of forming organic semiconductor thin film using the material, and organic thin film transistor - Google Patents

Material for organic semiconductor thin film, method of forming organic semiconductor thin film using the material, and organic thin film transistor Download PDF

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本発明は、有機半導体薄膜用材料、該材料を用いた有機半導体薄膜の形成方法および該形成方法で形成した有機半導体薄膜を有してなる有機薄膜トランジスタに関する。詳しくは、n型有機半導体素子として使用できる有機半導体材料であって、80℃〜250℃の温度に加熱されると液晶状態へと相転移する有機半導体薄膜用材料、さらには、該材料を用いて有機半導体薄膜を形成する方法、該方法によって形成した有機半導体薄膜を有する有機薄膜トランジスタに関する。   The present invention relates to a material for an organic semiconductor thin film, a method for forming an organic semiconductor thin film using the material, and an organic thin film transistor having an organic semiconductor thin film formed by the forming method. Specifically, it is an organic semiconductor material that can be used as an n-type organic semiconductor element, and when it is heated to a temperature of 80 ° C. to 250 ° C., a material for an organic semiconductor thin film that undergoes a phase transition to a liquid crystal state. The present invention relates to a method for forming an organic semiconductor thin film, and an organic thin film transistor having an organic semiconductor thin film formed by the method.

近年の高度情報化社会の進展は目覚ましく、デジタル技術の発展は、コンピュータ、コンピュータ・ネットワークなどの通信技術を日常生活に浸透させている。それとともに、薄型テレビ、ノートパソコン、携帯電話の普及が進んでおり、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、電子ペーパーなど、表示ディスプレイへの要求も高まりつつある。特に近年、ディスプレイの大型化とともに精細化も進みつつあり、これまで以上に、画素数に対応した多数の電界効果トランジスタの組み込みが要求されている。液晶ディスプレイにおいては、電界効果トランジスタをアクティブ素子として各画素に配置し、信号のオン/オフ制御を行うことによって液晶を駆動できる。   The progress of the advanced information society in recent years is remarkable, and the development of digital technology has penetrated communication technologies such as computers and computer networks into daily life. At the same time, flat-screen TVs, notebook computers, and mobile phones have been widely used, and demands for display displays such as liquid crystal displays, organic EL displays, and electronic papers are increasing. In recent years, in particular, the display has become larger and more detailed, and more field effect transistors corresponding to the number of pixels have been required than ever. In a liquid crystal display, a liquid crystal can be driven by disposing a field effect transistor as an active element in each pixel and performing signal on / off control.

アクティブ素子に使用されている電界効果トランジスタとしては、薄膜トランジスタを用いることができる。薄膜トランジスタの性能は、用いられる半導体材料や構造によって決まる。そして、特に、大きなキャリア移動度および高いオン/オフ比を得ることは、大きな電流を得ることを可能とし、有機ELなどの駆動などが可能となるばかりでなく、薄膜トランジスタの微細化およびコントラストの向上ができる。   As the field effect transistor used for the active element, a thin film transistor can be used. The performance of thin film transistors depends on the semiconductor material and structure used. In particular, obtaining a large carrier mobility and a high on / off ratio makes it possible to obtain a large current, and not only enables driving of an organic EL or the like, but also miniaturization of a thin film transistor and improvement of contrast. Can do.

アクティブ素子に使用されている薄膜トランジスタには、アモルファスシリコンやポリシリコンなどのシリコン系半導体を用いることができる。これらのシリコン半導体を多層化し、ソース、ドレインおよびゲート電極を基板上に形成していくことで薄膜トランジスタが製造されている。   As the thin film transistor used for the active element, a silicon-based semiconductor such as amorphous silicon or polysilicon can be used. Thin film transistors are manufactured by multilayering these silicon semiconductors and forming source, drain and gate electrodes on a substrate.

シリコン半導体を用いた薄膜トランジスタの製造には、大規模で高価な製造設備が必要であり、また、フォトリソグラフィを用いるため多くの工程を経る必要があり、製造コストが高くなるという実用上の課題がある。また、その製造温度は300℃から500℃以上の高温を必要とするため、製造コストが高くなるばかりでなく、プラスチック基板やフレキシブルなプラスチックフィルムへの薄膜形成が困難となるといった、材料の適用性についての課題もある。   Manufacturing a thin film transistor using a silicon semiconductor requires a large-scale and expensive manufacturing facility, and also requires many steps because of using photolithography. is there. In addition, since the manufacturing temperature requires a high temperature of 300 ° C. to 500 ° C. or higher, not only the manufacturing cost is increased, but also the applicability of materials such that it is difficult to form a thin film on a plastic substrate or a flexible plastic film. There is also a problem about.

一方、有機半導体材料からなる有機半導体薄膜を使用した有機薄膜トランジスタは、蒸着法(真空製膜法)や溶液塗布法(印刷製膜法)により作成され、低コスト化、大面積化、軽量化の可能性がある。また、有機半導体薄膜は、無機半導体層に比べて低温での作成が可能となるので、低コスト化がなされる。さらに、これに加えて、プラスチック基板や、フレキシブルなプラスチックフィルムに有機半導体薄膜を形成ができるので、軽量化を達成でき、フレキシブルな電子デバイスなどへの適用も可能となる。   On the other hand, an organic thin film transistor using an organic semiconductor thin film made of an organic semiconductor material is produced by a vapor deposition method (vacuum film forming method) or a solution coating method (print film forming method), and is low in cost, large in area, and light in weight. there is a possibility. In addition, since the organic semiconductor thin film can be produced at a lower temperature than the inorganic semiconductor layer, the cost can be reduced. In addition, since an organic semiconductor thin film can be formed on a plastic substrate or a flexible plastic film, the weight can be reduced and application to a flexible electronic device is also possible.

これまで、多くの有機半導体材料が研究されており、低分子化合物や共役高分子化合物を有機半導体薄膜として利用したものが知られている。しかしながら、共役高分子化合物は、溶媒への溶解性が優れ簡便な溶液塗布法による有機半導体膜の形成が可能であるものの、有機薄膜トランジスタとした場合の性能は、十分に満足できるものとは言い難い。一方、低分子化合物は有機薄膜トランジスタとして高い性能を示すが、溶媒への溶解性が乏しく、薄膜化が難しいという課題があった。ここで、半導体薄膜を製造する方法としては、蒸着法による半導体膜の形成、もしくは、希薄溶液を用いた溶液塗布法により有機半導体膜を形成することが挙げられ、特に、簡便な溶液塗布法によって形成できれば非常に有用である。しかし、溶液塗布法では、上記のような化合物を溶媒に溶解した希薄溶液を用いて薄膜を形成しているため、有機トランジスタとして安定な性能得るに十分な膜厚を、安定して得ることは困難であるという課題があった。すなわち、溶解性の高い有機半導体材料が望まれるが、高い溶解性と高い性能はトレードオフの関係にあり、高い溶解性と高い性能を両立した半導体薄膜材料は、いまだ開発されていない。   Many organic semiconductor materials have been studied so far, and those using low molecular compounds and conjugated polymer compounds as organic semiconductor thin films are known. However, although the conjugated polymer compound has excellent solubility in a solvent and can form an organic semiconductor film by a simple solution coating method, the performance in the case of an organic thin film transistor is not sufficiently satisfactory. . On the other hand, the low molecular weight compound shows high performance as an organic thin film transistor, but there is a problem that it is difficult to make a thin film due to poor solubility in a solvent. Here, as a method for producing a semiconductor thin film, there is a method of forming a semiconductor film by a vapor deposition method or an organic semiconductor film by a solution coating method using a dilute solution, and particularly by a simple solution coating method. It is very useful if it can be formed. However, in the solution coating method, since a thin film is formed using a dilute solution obtained by dissolving the above compound in a solvent, it is not possible to stably obtain a film thickness sufficient to obtain stable performance as an organic transistor. There was a problem that it was difficult. That is, an organic semiconductor material having high solubility is desired, but high solubility and high performance are in a trade-off relationship, and a semiconductor thin film material having both high solubility and high performance has not been developed yet.

さらに、有機半導体材料には、n型半導体を得るためのn型半導体材料と、p型半導体を得るためのp型半導体材料があるが、下記に述べるように、特にn型半導体材料として高い性能を発揮できる材料の開発が待望されている。n型半導体材料は、電子が主たるキャリアとして移動することにより電流が生じ、p型半導体材料ではホール(正孔)が主たるキャリアとして移動することで電流が生じる。高い性能を示す有機半導体材料として知られるペンタセン系材料やチオフェン系材料は、p型特性を示す半導体材料であり、高性能のn型有機半導体材料についての報告は限られている。   Furthermore, the organic semiconductor material includes an n-type semiconductor material for obtaining an n-type semiconductor and a p-type semiconductor material for obtaining a p-type semiconductor. The development of a material that can demonstrate this is awaited. In the n-type semiconductor material, an electric current is generated by moving electrons as main carriers, and in the p-type semiconductor material, an electric current is generated by moving holes (holes) as main carriers. Pentacene-based materials and thiophene-based materials known as organic semiconductor materials exhibiting high performance are semiconductor materials exhibiting p-type characteristics, and reports on high-performance n-type organic semiconductor materials are limited.

上記した現状に対し、有機エレクトロニクスが、さらに発展するためには、低電力消費、より単純な回路などが必須であり、相補型金属酸化物半導体(CMOS)のような有機相補型MOS回路が必要となる。有機相補型MOS回路は、少なくとも一つのn型チャンネルを有する有機薄膜トランジスタと、少なくとも一つのp型チャンネルを有する有機薄膜トランジスタの両方を必要とする。このような回路においては、n型チャンネルを有する有機薄膜トランジスタとp型チャンネルを有する有機薄膜トランジスタの電子および正孔の電荷移動度、オン/オフ比は同じ大きさであることがしばしば要求される。したがって、電子移動度、オン/オフ比の高いn型有機薄膜トランジスタ、および正孔移動度、オン/オフ比の高いp型有機薄膜トランジスタ両方の有機半導体材料が必要となる。これまでp型有機薄膜トランジスタ材料については、ペンタセン、オリゴチオフェンなど、高い移動度をもつ有機半導体材料が報告されているが、n型有機薄膜トランジスタについては、p型に比べ低い移動度のものしか報告されていない。このため、以前にもまして、高性能のn型有機半導体材料が望まれている。   In order for organic electronics to further develop against the above situation, low power consumption and simpler circuits are essential, and organic complementary MOS circuits such as complementary metal oxide semiconductors (CMOS) are required. It becomes. Organic complementary MOS circuits require both an organic thin film transistor having at least one n-type channel and an organic thin film transistor having at least one p-type channel. In such a circuit, it is often required that the organic thin film transistor having an n-type channel and the organic thin film transistor having a p-type channel have the same charge mobility and on / off ratio of electrons and holes. Accordingly, organic semiconductor materials for both an n-type organic thin film transistor having a high electron mobility and on / off ratio and a p-type organic thin film transistor having a high hole mobility and on / off ratio are required. So far, organic semiconductor materials with high mobility such as pentacene and oligothiophene have been reported for p-type organic thin-film transistors, but only n-type organic thin-film transistors with lower mobility than p-type have been reported. Not. For this reason, higher performance n-type organic semiconductor materials are desired than ever before.

これまで、n型有機半導体材料としては、ペリレンおよびこれらのジイミド誘導体、フラーレンおよびその誘導体が知られている。しかし、これらのn型有機半導体材料では、生産コスト、有機半導体材料の生産性などの実用面を満足し、かつ、印刷法・塗布法により大量生産が可能であるといった、高いトランジスタ性能を有する薄膜トランジスタについての報告はされていない。   So far, perylene and diimide derivatives thereof, fullerene and derivatives thereof are known as n-type organic semiconductor materials. However, with these n-type organic semiconductor materials, thin film transistors having high transistor performance that satisfy practical aspects such as production cost and productivity of organic semiconductor materials and can be mass-produced by printing and coating methods. There is no report about.

一方で、ナフタレンテトラカルボン酸誘導体を用いた有機薄膜トランジスタとしては、特許文献1に、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物(NTCDA)、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド(NTCDI)、テトラシアノキノメタン(TCNQ)からなる有機半導体薄膜を用いた有機薄膜トランジスタの電子移動度が、10-3〜10-5cm2/Vsとなることが記載されている。 On the other hand, as an organic thin film transistor using a naphthalene tetracarboxylic acid derivative, Patent Document 1 discloses 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic anhydride (NTCDA), 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxyl. It is described that the electron mobility of an organic thin film transistor using an organic semiconductor thin film made of diimide (NTCDI) and tetracyanoquinomethane (TCNQ) is 10 −3 to 10 −5 cm 2 / Vs.

また、特許文献2に、アルキル基、フッ素含有基で置換されたアルキル基を有する1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含む有機半導体材料層からなる薄膜トランジスタが、移動度0.005〜0.2cm2/Vs、オン/オフ比は104〜105であり、空気中の安定性、および優れた再現性を示すことが記載されている。特許文献3に、フッ素含有基で置換されたアルキル基を有する1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含む有機半導体溶液から形成した有機半導体薄膜層からなる薄膜トランジスタが、移動度0.005cm2/Vs、0.07cm2/Vsであり、空気中の安定性、および優れた再現性を示すことが記載されている。 Further, in Patent Document 2, a thin film transistor including an organic semiconductor material layer including a 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide derivative having an alkyl group and an alkyl group substituted with a fluorine-containing group has a mobility of 0.005. ~0.2cm 2 / Vs, the on / off ratio was 10 4 -10 5, it is described that show stability in the air, and excellent reproducibility. In Patent Document 3, a thin film transistor including an organic semiconductor thin film layer formed from an organic semiconductor solution containing a 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide derivative having an alkyl group substituted with a fluorine-containing group has a mobility of 0. a 005cm 2 /Vs,0.07cm 2 / Vs, it is described that show stability in the air, and excellent reproducibility.

特許文献4には、シクロアルキル基を有する1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含む有機半導体溶液から形成した有機半導体薄膜層からなる薄膜トランジスタが、移動度0.07〜2.5cm2/Vs、オンオフ比104〜105であり、空気中の安定性、および優れた再現性を示すことが記載されている。特許文献5には、シクロアルキル基を有する1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含む有機半導体溶液から形成した有機半導体薄膜層からなる薄膜トランジスタが、移動度0.07〜2.5cm2/Vs、オンオフ比104〜105であり、空気中の安定性、および優れた再現性を示すことが記載されている。 In Patent Document 4, a thin film transistor including an organic semiconductor thin film layer formed from an organic semiconductor solution containing a 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide derivative having a cycloalkyl group has a mobility of 0.07 to 2.5 cm. 2 / Vs, and an on / off ratio of 10 4 to 10 5 , indicating stability in air and excellent reproducibility. In Patent Document 5, a thin film transistor including an organic semiconductor thin film layer formed from an organic semiconductor solution containing a 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide derivative having a cycloalkyl group has a mobility of 0.07 to 2.5 cm. 2 / Vs, and an on / off ratio of 10 4 to 10 5 , indicating stability in air and excellent reproducibility.

また、非特許文献1には、ナフタレン−チオフェン誘導体が溶解性に優れ、印刷法により作製した有機薄膜トランジスタが電子移動度0.1〜0.8cm2/Vsという高いトランジスタ特性を示すことが報告されている。さらに、上記特許文献5には、液晶性スチリル誘導体からなる有機半導体層をスメクチック液晶状態の温度範囲に加熱処理し有機半導体素子を形成する方法についても記載されている。 Further, Non-Patent Document 1 reports that naphthalene-thiophene derivatives have excellent solubility, and organic thin film transistors produced by a printing method exhibit high transistor characteristics of electron mobility of 0.1 to 0.8 cm 2 / Vs. ing. Further, Patent Document 5 also describes a method of forming an organic semiconductor element by heat-treating an organic semiconductor layer made of a liquid crystalline styryl derivative in a temperature range of a smectic liquid crystal state.

前述した真空製膜法や印刷製膜法(溶液塗布法)などの方法により形成された有機半導体薄膜は、一般に微結晶が集合した多結晶構造であり、多くの粒界や欠陥が存在し、これらの結晶粒界や欠陥は電荷の輸送を阻害する。そのために、真空製膜法や印刷製膜法により形成された有機半導体薄膜は、大面積にわたり均一にすることが困難であり、これらの方法で、安定したデバイス性能を有する有機半導体デバイスを作成することは事実上困難であった。   The organic semiconductor thin film formed by a method such as the vacuum film forming method or the printing film forming method (solution coating method) described above generally has a polycrystalline structure in which microcrystals are aggregated, and has many grain boundaries and defects. These grain boundaries and defects hinder charge transport. Therefore, it is difficult to make the organic semiconductor thin film formed by a vacuum film forming method or a printing film forming method uniform over a large area, and these methods produce an organic semiconductor device having stable device performance. That was practically difficult.

このような課題を解決するために、本発明者らは、これまでに、下記の提案をしている。分解温度以下にサーモトロピック液晶相を有する有機半導体材料であるN,N’−ジトリデシル−3,4,9,10−ペリレンジカルボン酸イミドを、真空製膜法により作成した有機半導体薄膜を利用し、スメクチック液晶相を呈する温度で熱処理した有機薄膜トランジスタを提案している(非特許文献2:電子移動度2.1cm2/Vs)。 In order to solve such a problem, the present inventors have made the following proposals so far. Using an organic semiconductor thin film prepared by vacuum film-forming N, N′-ditridecyl-3,4,9,10-perylenedicarboxylic imide, which is an organic semiconductor material having a thermotropic liquid crystal phase below the decomposition temperature, The organic thin-film transistor heat-processed at the temperature which exhibits a smectic liquid crystal phase is proposed (nonpatent literature 2: electron mobility 2.1cm < 2 > / Vs).

欧州特許出願公開第1,041,653号明細書European Patent Application Publication No. 1,041,653 米国特許第6,252,245号明細書US Pat. No. 6,252,245 特開2000−307173号公報JP 2000-307173 A 特開2009−516930号公報JP 2009-516930 A 特開2009−538653号公報JP 2009-538653 A

H. Yan et al, Nature, 457, 679(2009)H. Yan et al, Nature, 457, 679 (2009) Ichikawa et al, Appl, Phys,Lett, 89(11), 112108 (2006)Ichikawa et al, Appl, Phys, Lett, 89 (11), 112108 (2006)

本発明者らは、さらに検討を進め、分解温度以下にサーモトロピック液晶相を有する有機半導体材料であるN,N’−ジアルキル−1,4,5,8−ナフタレンジカルボン酸イミドを、液媒体に分散してなる微粒子分散液とすることで高濃度化を達成し、印刷製膜法によって形成された有機半導体薄膜を、スメクチック液晶相を呈する温度で熱処理することで、高い電子移動度および高いオン/オフ値を有する有機薄膜トランジスタとなることを知見した。かかる知見に基づき、さらに優れた実用化技術を目指して、ナフタレン化合物を可溶性とすることで、有機半導体膜を溶液塗布法によって形成し、これを有機薄膜の相転移温度で熱処理をして、有機薄膜トランジスタに適用することについて、さらに検討を進めている。   The present inventors have further studied, and N, N′-dialkyl-1,4,5,8-naphthalenedicarboxylic imide, which is an organic semiconductor material having a thermotropic liquid crystal phase below the decomposition temperature, is used as a liquid medium. High concentration is achieved by forming a fine particle dispersion that is dispersed, and an organic semiconductor thin film formed by a printing film forming method is heat-treated at a temperature exhibiting a smectic liquid crystal phase, thereby achieving high electron mobility and high on-state. / It turned out that it becomes an organic thin-film transistor which has an off value. Based on this knowledge, aiming for further practical technology, by making the naphthalene compound soluble, an organic semiconductor film is formed by a solution coating method, and this is heat-treated at the phase transition temperature of the organic thin film, Further studies are ongoing on application to thin film transistors.

上記検討を進めていく過程で、上述した有機半導体材料は、溶媒への溶解度が低く、溶液塗布法による有機半導体膜形成では塗布工程、乾燥工程において膜が不均一となる場合があった。すなわち、上記技術では均一な大面積膜を得ることが難しく、大面積膜を得るためには、真空蒸着法によって有機半導体膜を形成する必要があることがわかった。上記したように、現状では、印刷製膜法による製膜が可能な有機半導体材料であり、しかも、印刷製膜法により形成された有機半導体薄膜を、大面積にわたり均一に作成することが容易にできる有機半導体材料は見いだされていない。   In the course of proceeding with the above studies, the organic semiconductor material described above has low solubility in a solvent, and in the case of forming an organic semiconductor film by a solution coating method, the film may be non-uniform in the coating process and the drying process. That is, it has been found that it is difficult to obtain a uniform large-area film with the above technique, and in order to obtain a large-area film, it is necessary to form an organic semiconductor film by a vacuum deposition method. As described above, at present, it is an organic semiconductor material that can be formed by a printing film formation method, and it is easy to uniformly produce an organic semiconductor thin film formed by a printing film formation method over a large area. No organic semiconductor material has been found.

また、前述したナフタレンテトラカルボキシジイミドおよびその誘導体を有機半導体材料として用いて作成された有機薄膜トランジスタは、高いトランジスタ性能を得るために、その材料を合成する際に、チオフェン基を導入する必要があり、また、ナフタレン骨格や側鎖のアルキル基にフッ素などのハロゲン基を導入する必要があった。このため、製造工程の複雑化や多段化により、有機半導体材料は高価なものとなっており、安価なデバイスの作成が困難になる、という工業化にとって重要な実用上の課題があった。このため、有機半導体材料の製造が多くの工程を経ずに容易にでき、より安価に製造することができると同時に、有機半導体材料としての高い性能を有する材料開発が望まれる。さらに、上記に加えて、溶液塗布法の利用が可能であり、印刷製膜法によって形成された有機半導体薄膜を大面積にわたり均一に作成することが容易にでき、しかも、上記した簡便な方法で形成した薄膜でありながら、優れた電子移動度、オン/オフ比を有する有機半導体層や有機薄膜トランジスタとして利用できる技術開発が待望されている。   In addition, an organic thin film transistor created using the above-described naphthalene tetracarboxydiimide and its derivative as an organic semiconductor material needs to introduce a thiophene group when synthesizing the material in order to obtain high transistor performance. In addition, it is necessary to introduce a halogen group such as fluorine into the naphthalene skeleton or the alkyl group on the side chain. For this reason, organic semiconductor materials have become expensive due to the complexity and multi-stage manufacturing process, and there has been a practical problem that is important for industrialization, which makes it difficult to produce inexpensive devices. For this reason, manufacture of an organic semiconductor material can be easily performed without passing through many processes, and it can manufacture more cheaply, and at the same time, development of a material having high performance as an organic semiconductor material is desired. Furthermore, in addition to the above, a solution coating method can be used, and an organic semiconductor thin film formed by a printing film forming method can be easily formed uniformly over a large area, and the above-described simple method can be used. The development of technology that can be used as an organic semiconductor layer or an organic thin film transistor having an excellent electron mobility and on / off ratio while being a formed thin film is awaited.

従って、本発明の目的は、これまでに開発してきたn型有機半導体薄膜用材料をさらに進展させ、溶媒への溶解性に優れた有機半導体薄膜用材料とすることで、該材料の高濃度の溶解液を得ることができ、該有機半導体薄膜用材料を利用することで、印刷製膜法によって形成された有機半導体薄膜を大面積にわたり均一に作成することが容易にでき、しかも形成した有機薄膜が、高い電子移動度および高いオン/オフ値を有する有機半導体薄膜を形成することが可能になる、極めて有用な有機半導体薄膜用材料を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to further advance the material for n-type organic semiconductor thin film that has been developed so far, and to obtain a material for organic semiconductor thin film having excellent solubility in a solvent. A solution can be obtained, and by using the organic semiconductor thin film material, an organic semiconductor thin film formed by a printing film forming method can be easily formed uniformly over a large area, and the formed organic thin film However, an object of the present invention is to provide a very useful material for an organic semiconductor thin film, which can form an organic semiconductor thin film having high electron mobility and high on / off value.

また、本発明の目的は、有機薄膜トランジスタにおける電子移動度を主課題の一つとし、上記有機半導体薄膜材料を利用した、経済性および性能に優れる有機薄膜トランジスタを提供することにある。また、本発明の目的は、熱処理により均一化された安定な有機半導体膜からなる有機トランジスタを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide an organic thin film transistor that is excellent in economic efficiency and performance using the organic semiconductor thin film material, in which the electron mobility in the organic thin film transistor is one of the main problems. Another object of the present invention is to provide an organic transistor comprising a stable organic semiconductor film that has been made uniform by heat treatment.

上記目的は、以下の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、n型有機半導体素子として使用可能な有機半導体薄膜用材料であって、80℃〜250℃の温度領域に相転移温度を有し、かつ、下記一般構造式(1)で表されるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含むことを特徴とする有機半導体薄膜用材料を提供する。   The above object is achieved by the present invention described below. That is, the present invention is an organic semiconductor thin film material that can be used as an n-type organic semiconductor element, has a phase transition temperature in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C., and has the following general structural formula (1): Provided is a material for an organic semiconductor thin film characterized by including a naphthalenetetracarboxydiimide derivative represented by:

(但し、式中、R1、R2は、それぞれ独立に、炭素数が10〜22の分岐または非分岐のアルキル基であり、さらにN、O、S、Pのヘテロ原子を含んでいてもよい。X1、X2、X3、X4は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基から選ばれる。) (However, in the formula, R 1 and R 2 are each independently a branched or unbranched alkyl group having 10 to 22 carbon atoms and may further contain N, O, S, and P heteroatoms. X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are each independently selected from a hydrogen atom, a halogen atom and a cyano group.)

上記有機半導体薄膜用材料の好ましい形態としては、前記一般構造式(1)中のR1およびR2が、nの数が同一であるか又は互いに異なるCn2n+1(nは10〜18の整数を表す)であること;前記一般構造式(1)で表される誘導体が、下記構造式(1)で表わされるN,N’−ジウンデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(2)で表わされるN,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(3)で表わされるN,N’−ジペンタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、或いは下記構造式(4)で表わされるN,N’−ジヘプタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドのいずれかが挙げられる。
The preferred mode of the organic semiconductor thin film material, the general formula (1) R1 and R2 in, C n H 2n + 1 where the number of n are different or is mutually identical (n is 10 to 18 The derivative represented by the general structural formula (1) is N, N′-diundecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (1): N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (2), N, N′-dipentadecyl-1,4 represented by the following structural formula (3) Any of 5,8-naphthalenetetracarboxydiimide and N, N′-diheptadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (4) may be mentioned.

また、上記有機半導体薄膜用材料の好ましい形態としては、前記一般構造式(1)中のR1およびR2が、nの数が同一であるか又は互いに異なるCn2n+1−O−C36(nは7〜19の整数を表す)であること;前記一般構造式(1)で表される誘導体が、下記構造式(5)で表わされるN,N’−ビス(3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル)−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドであることが挙げられる。
Further, as a preferred form of the organic semiconductor thin film material, the general formula (1) wherein R1 and R2, the number of n are different or is mutually identical C n H 2n + 1 -O- C 3 H 6 (n represents an integer of 7 to 19); the derivative represented by the general structural formula (1) is N, N′-bis (3- ( n-dodecyloxy) -n-propyl) -1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide.

また、本発明は、別の実施形態として、前記いずれかの形態の有機半導体薄膜用材料を用い、該材料を、有機溶媒に溶解又は/及び分散させた状態で基板上に塗工し、乾燥後、形成した塗工膜を80℃〜350℃の温度で加熱処理して該塗工膜を加熱し、さらに冷えた後の塗工膜の膜厚を10nm〜10μmとすることを特徴とする有機半導体薄膜の形成方法を提供する。   As another embodiment, the present invention uses, as another embodiment, the organic semiconductor thin film material of any of the above forms, and the material is applied on a substrate in a state of being dissolved or / and dispersed in an organic solvent, followed by drying. Then, the formed coating film is heat-treated at a temperature of 80 ° C. to 350 ° C. to heat the coating film, and the coating film after further cooling has a thickness of 10 nm to 10 μm. A method for forming an organic semiconductor thin film is provided.

また、上記有機半導体薄膜の形成方法の好ましい形態としては、前記塗工膜を80℃〜250℃の温度に加熱すること;前記加熱処理を、10-5〜50,000Paの減圧雰囲気下において行うこと;前記加熱処理を、不活性ガス雰囲気下において行うことが挙げられる。 Moreover, as a preferable form of the method for forming the organic semiconductor thin film, the coating film is heated to a temperature of 80 ° C. to 250 ° C .; the heat treatment is performed in a reduced pressure atmosphere of 10 −5 to 50,000 Pa. That said heat treatment is performed in an inert gas atmosphere.

さらに本発明は、別の実施形態として、基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体薄膜ならびにソース電極およびドレイン電極が少なくとも形成されている有機薄膜トランジスタにおいて、上記有機半導体薄膜が、上記いずれかの有機半導体薄膜の形成方法で形成されたものであることを特徴とする有機薄膜トランジスタを提供する。該有機薄膜トランジスタの好ましい形態は、そのキャリア移動度が0.01cm2/Vs以上であることである。 Furthermore, the present invention provides, as another embodiment, an organic thin film transistor in which at least a gate electrode, a gate insulating layer, an organic semiconductor thin film, and a source electrode and a drain electrode are formed on a substrate. An organic thin film transistor is provided which is formed by the method for forming an organic semiconductor thin film. A preferred form of the organic thin film transistor is that its carrier mobility is 0.01 cm 2 / Vs or more.

本発明によれば、有用な有機半導体材料として期待できるN,N’−ジアルキル−1,4,5,8−ナフタレンカルボキシジイミドのナフタレンジイミド骨格に長鎖アルキル基を導入することにより、さらに、高い電子移動度および高いオン/オフ値を有する有機半導体薄膜を形成することが可能な有機半導体薄膜用材料の提供が可能になる。また、本発明によれば、上記優れた特性を有する本発明の有機半導体薄膜用材料によって、溶媒に溶解または分散した溶液を、これを用いる簡便な印刷製膜法によって、大面積にわたり均一で特性に優れた有機半導体薄膜の形成が可能となる。さらに、本発明によれば、形成された有機半導体薄膜を相転移温度領域で熱処理することで、さらに分子配列の揃った均一な有機半導体薄膜の形成を可能にできる。本発明によれば、上記した有機半導体薄膜を適用することで、経済性およびトランジスタ性能に優れる極めて有用な有機薄膜トランジスタの提供が可能になる。   According to the present invention, by introducing a long-chain alkyl group into the naphthalene diimide skeleton of N, N′-dialkyl-1,4,5,8-naphthalenecarboxydiimide, which can be expected as a useful organic semiconductor material, it is further increased. An organic semiconductor thin film material capable of forming an organic semiconductor thin film having electron mobility and a high on / off value can be provided. Further, according to the present invention, a solution dissolved or dispersed in a solvent by the organic semiconductor thin film material of the present invention having the above-mentioned excellent characteristics can be obtained uniformly and over a large area by a simple printing film forming method using the solution. It is possible to form an organic semiconductor thin film excellent in the above. Furthermore, according to the present invention, it is possible to form a uniform organic semiconductor thin film with a more uniform molecular arrangement by heat-treating the formed organic semiconductor thin film in a phase transition temperature region. According to the present invention, by applying the organic semiconductor thin film described above, it is possible to provide an extremely useful organic thin film transistor that is excellent in economy and transistor performance.

本発明のボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタの構造の1例を表す断面図。Sectional drawing showing an example of the structure of the bottom contact type organic thin-film transistor of this invention. 本発明のトップコンタクト型有機薄膜トランジスタの構造の1例を表す断面図。Sectional drawing showing an example of the structure of the top contact type organic thin-film transistor of this invention. N,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド薄膜(未処理・熱処理後)のX線回折パターンを表す図。The figure showing the X-ray-diffraction pattern of a N, N'-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalene tetracarboxydiimide thin film (after an untreated and heat processing). 実施例4の電流変調特性(ドレイン電流とドレイン電圧)の関係を示す図。FIG. 10 is a graph showing the relationship between current modulation characteristics (drain current and drain voltage) in Example 4; 実施例4の電流変調特性(ドレイン電流とゲート電圧)の関係を示す図。FIG. 10 is a graph showing the relationship between current modulation characteristics (drain current and gate voltage) in Example 4; N,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド薄膜のAFM像を表す図。The figure showing the AFM image of a N, N'-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalene tetracarboxydiimide thin film. N,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの示走査熱量測定による熱流の変化図。FIG. 4 is a change diagram of heat flow of N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide by scanning calorimetry. N,N’−ジオクタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの、DSCによる熱流の変化図。The heat flow change figure by DSC of N, N'-dioctadecyl-1,4,5,8-naphthalene tetracarboxydiimide.

次に、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、実施することができる。先ず、本発明の有機半導体薄膜用材料について説明する。   Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be carried out without departing from the gist of the present invention. First, the organic semiconductor thin film material of the present invention will be described.

本発明の有機半導体薄膜用材料は、n型有機半導体素子として使用可能であって、80℃から250℃の温度領域に相転移温度を有し、かつ、下記一般構造式(1)で表されるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含むことを特徴とする。本発明の有機半導体薄膜用材料は、サーモトロピック液晶性を有することによって、熱処理工程により、分子の配列の揃った均一で性能に優れる有用な有機半導体膜の形成を可能にできる。なお、下記一般構造式(1)において、「さらにN、O、S、Pのヘテロ原子を含んでいてもよい」とは、炭素数が10〜22のアルキル基内に炭素とは別にヘテロ原子を含んでよいことを意味している。   The organic semiconductor thin film material of the present invention can be used as an n-type organic semiconductor element, has a phase transition temperature in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C., and is represented by the following general structural formula (1). And naphthalenetetracarboxydiimide derivatives. The organic semiconductor thin film material of the present invention has a thermotropic liquid crystallinity, so that a useful organic semiconductor film with uniform molecular alignment and excellent performance can be formed by a heat treatment process. In addition, in the following general structural formula (1), “may further contain a heteroatom of N, O, S, P” means a heteroatom other than carbon in an alkyl group having 10 to 22 carbon atoms. Means that it may contain.

(ただし、式中、R1、R2は、それぞれ独立に、炭素数が10〜22の分岐または非分岐のアルキル基であり、さらにN、O、S、Pのヘテロ原子を含んでいてもよい。X1、X2、X3、X4は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基から選ばれる。) (However, in the formula, R 1 and R 2 are each independently a branched or unbranched alkyl group having 10 to 22 carbon atoms, and may further contain N, O, S, and P heteroatoms. X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are each independently selected from a hydrogen atom, a halogen atom and a cyano group.)

上記の構成を満足する有機半導体薄膜用材料としては、具体的には、以下のものが挙げられる。例えば、N,N’−ジアルキル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドや、N,N’−ジアルキルエーテル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、および、これらのハロゲン化化合物、シアノ化化合物などがある。   Specific examples of the organic semiconductor thin film material that satisfies the above configuration include the following. For example, N, N′-dialkyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, N, N′-dialkylether-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, and halogenation thereof Compounds, cyanated compounds, and the like.

上記に挙げた化合物は、π共役骨格構造とアルキル基および/または、アルキルエーテル基を有するものであるが、本発明者らは、鋭意検討の結果、このような材料は、加熱することで液晶状態へ相転移し、サーモトロピック液晶性を示すことを知見した。そして、サーモトロピック液晶性を有する材料であれば、熱処理工程によって、半導体特性に優れた、より均一な有機半導体薄膜の形成が可能になるので、かかる特性は、工業上、極めて有用であると考えられる。したがって、このようなものであれば、本発明の有機半導体薄膜として問題なく使用することができる。   The above-mentioned compounds have a π-conjugated skeleton structure and an alkyl group and / or an alkyl ether group. However, as a result of intensive studies, the present inventors have found that such a material is liquid crystal by heating. It has been found that the phase transitions to a state and exhibits thermotropic liquid crystallinity. And, if the material has thermotropic liquid crystallinity, the heat treatment process makes it possible to form a more uniform organic semiconductor thin film with excellent semiconductor characteristics, and such characteristics are considered to be extremely useful industrially. It is done. Therefore, if it is such, it can be used without a problem as an organic-semiconductor thin film of this invention.

ここで、ナフタレンテトラカルボン酸誘導体は、酸素原子が二重結合により炭素と結合しているカルボニル基2個を両末端に有しており、該カルボニル基による強い電子吸引性が生じることにより、n型有機半導体特性を示す材料となる。したがって、ナフタレンテトラカルボン酸誘導体は、深いHOMOを有しており、大気中に含まれる酸素や水などの不純物の存在にもかかわらず、安定したトランジスタ性能を発現する有機薄膜トランジスタを提供できる可能性がある。また、芳香族環からなるナフタレン骨格構造同士の強い分子間の相互作用により、強いスタッキングを形成し、電子移動材料として特性を発現することができる。さらに、本発明を特徴づける一般構造式(1)で示されるような、アルキル基を有するナフタレンテトラカルボン酸誘導体は、蒸着法や溶液塗布法による基板への有機薄膜の形成において基板に対して垂直な配置をとる有機半導体薄膜を形成し、ナフタレン骨格構造の水平方向の広がりにより、高い電子移動度を達成する。さらに、本発明で規定する構造を有するものは、サーモトロピック液晶性を有するため、有機半導体膜を相転移温度付近まで加熱処理することにより、さらに分子配列の揃った膜の均一化が可能となり、電子移動度も大きくなり、オン/オフ比が大きくなり、閾電圧も小さくなる。   Here, the naphthalene tetracarboxylic acid derivative has two carbonyl groups in which oxygen atoms are bonded to carbon by a double bond at both ends, and a strong electron withdrawing property due to the carbonyl group is generated. It becomes the material which shows the type organic semiconductor characteristic. Therefore, the naphthalene tetracarboxylic acid derivative has a deep HOMO, and there is a possibility of providing an organic thin film transistor that exhibits stable transistor performance despite the presence of impurities such as oxygen and water contained in the atmosphere. is there. In addition, strong stacking can be formed by the strong intermolecular interaction between the naphthalene skeleton structures composed of aromatic rings, and the characteristics can be expressed as an electron transfer material. Furthermore, the naphthalene tetracarboxylic acid derivative having an alkyl group as shown by the general structural formula (1) characterizing the present invention is perpendicular to the substrate in the formation of an organic thin film on the substrate by vapor deposition or solution coating. An organic semiconductor thin film having a proper arrangement is formed, and a high electron mobility is achieved by the horizontal expansion of the naphthalene skeleton structure. Furthermore, since the one having the structure defined in the present invention has thermotropic liquid crystallinity, it becomes possible to homogenize a film with a more uniform molecular arrangement by heating the organic semiconductor film to near the phase transition temperature, Electron mobility also increases, the on / off ratio increases, and the threshold voltage also decreases.

本発明を特徴づける下記一般構造式(1)で表わされるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体の両末端窒素原子に結合する置換基R1、R2は、炭素数が10〜22までの分岐または非分岐のアルキル基である。   Substituents R1 and R2 bonded to nitrogen atoms at both ends of the naphthalenetetracarboxydiimide derivative represented by the following general structural formula (1) characterizing the present invention are branched or unbranched alkyl groups having 10 to 22 carbon atoms. It is.

上記において、アルキル基の炭素数が10未満であると熱処理による分子配列の効果が小さく、加熱処理による均一な膜の形成がなされない。一方、アルキル基の数が22を超えるものは、化合物中でのアルキル基の比率が大きくなり半導体特性が低下するとともに、溶媒への溶解性が低下するため溶液塗布法による膜の形成が困難となる。   In the above, when the number of carbon atoms of the alkyl group is less than 10, the effect of molecular arrangement by heat treatment is small, and a uniform film cannot be formed by heat treatment. On the other hand, when the number of alkyl groups exceeds 22, the ratio of the alkyl groups in the compound is increased, the semiconductor characteristics are lowered, and the solubility in the solvent is lowered, so that it is difficult to form a film by a solution coating method. Become.

上記したアルキル基の具体的なとしては、例えば、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、エイコシル基、ヘネイコシル基、ドコシル基の炭素数10から22の直鎖アルキル基、または、これらの分岐したアルキル基などが挙げられる。   Specific examples of the alkyl group include, for example, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, octadecyl group, nonadecyl group, eicosyl group, heneicosyl group, docosyl group. Examples thereof include a linear alkyl group having 10 to 22 carbon atoms of the group or a branched alkyl group thereof.

原材料の入手し易さや反応の容易さ、および、ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体の半導体特性などを考慮すると、上記一般構造式(1)のR1およびR2が、同一か、又は互いに異なるCn2n+1(nが10〜18の整数)で表わされものが好ましい。具体的には、R1およびR2は、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基である炭素数10から18の直鎖アルキル基、または、これらの分岐したアルキル基であることが好ましい。 Considering the availability of raw materials, the ease of reaction, and the semiconductor characteristics of naphthalene tetracarboxydiimide derivatives, R 1 and R 2 in the general structural formula (1) are the same or different from each other C n H 2n + Those represented by 1 (n is an integer of 10 to 18) are preferred. Specifically, R 1 and R 2 are a decyl group, an undecyl group, a dodecyl group, a tridecyl group, a tetradecyl group, a pentadecyl group, a hexadecyl group, a heptadecyl group, an octadecyl group, a linear alkyl group having 10 to 18 carbon atoms, or These branched alkyl groups are preferred.

さらに、本発明を特徴づける前記一般構造式(1)で表わされるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体の特に好ましいものとしては、例えば、下記構造式(1)で表わされるN,N’−ジウンデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(2)で表わされるN,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(3)で表わされるN,N’−ジペンタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、または、下記構造式(4)で表わされるN,N’−ジヘプタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドが挙げられる。   Furthermore, particularly preferable examples of the naphthalene tetracarboxydiimide derivative represented by the general structural formula (1) characterizing the present invention include, for example, N, N′-diundecyl-1,4 represented by the following structural formula (1). , 5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (2), N, represented by the following structural formula (3) N'-dipentadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide or N, N'-diheptadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (4) It is done.

本発明者らの検討によれば、上記に挙げた奇数の炭素数からなるアルキル基を有するナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体は、偶数の炭素数からなるアルキル基を有するナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体に比べ、相転移が起きる温度領域が広く、熱処理による効果が得られる温度領域が広いため、熱処理温度の制御が容易にできることとなる。このため、熱処理によってもたらされる分子の配列の効果を確実に得ることができ、さらに、安定して均一の膜を得ることができる。例えば、本発明で規定する有機半導体薄膜用材料である、アルキル基の炭素数が10であるN,N’−ジデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの相転移温度は、146.8℃、165.6℃である。同様に本発明で規定する有機半導体薄膜用材料である、アルキル基の炭素数が13で奇数である、N,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの相転移温度は、109.2℃、144.7℃、161.3℃であり、上記したアルキル基の炭素数が偶数である場合と比べて相転移温度領域が広い。このように相転移温度領域が広い有機半導体薄膜用材料を用いた場合には、該材料を塗工して形成される有機半導体薄膜の熱処理工程の温度調整が容易であり、さらに、該有機半導体薄膜を形成してなる有機薄膜トランジスタの半導体特性のバラつきを小さくすることができる。   According to the study by the present inventors, the naphthalene tetracarboxydiimide derivatives having an alkyl group having an odd number of carbon atoms listed above are more in phase than the naphthalene tetracarboxydiimide derivatives having an alkyl group having an even number of carbon atoms. Since the temperature range where the transition occurs is wide and the temperature range where the effect of the heat treatment can be obtained is wide, the heat treatment temperature can be easily controlled. For this reason, the effect of molecular arrangement brought about by the heat treatment can be surely obtained, and furthermore, a stable and uniform film can be obtained. For example, the phase transition temperature of N, N′-didecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide having 10 carbon atoms in the alkyl group, which is a material for an organic semiconductor thin film defined in the present invention, is 146 8 ° C and 165.6 ° C. Similarly, the phase transition temperature of N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, which is an organic semiconductor thin film material defined in the present invention, wherein the alkyl group has 13 carbon atoms and an odd number. Is 109.2 ° C., 144.7 ° C., and 161.3 ° C., and the phase transition temperature region is wider than that in the case where the alkyl group has an even number of carbon atoms. When an organic semiconductor thin film material having a wide phase transition temperature region is used as described above, it is easy to adjust the temperature of the heat treatment step of the organic semiconductor thin film formed by coating the material. Variation in semiconductor characteristics of the organic thin film transistor formed by forming a thin film can be reduced.

また、本発明らの検討によれば、前記一般構造式(1)で表わされる誘導体の有機溶媒への溶解は、ナフタレンテトラカルボキシジイミドの両末端窒素原子のそれぞれに、先に説明したような、アルキル基、および/または、N、O、S、Pなどから選ばれたヘテロ原子を有するアルキル基を有する構造のものとすることで、サーモトロピック液晶性を有するとともに、溶解安定性に優れたものとなり、これにより、塗布法による有機半導体薄膜を安定して形成することが可能になる。   Further, according to the study of the present invention, the dissolution of the derivative represented by the general structural formula (1) in the organic solvent is as described above for each of the nitrogen atoms at both ends of naphthalenetetracarboxydiimide. By having a structure having an alkyl group and / or an alkyl group having a hetero atom selected from N, O, S, P, etc., it has a thermotropic liquid crystallinity and an excellent solution stability Thus, it becomes possible to stably form an organic semiconductor thin film by a coating method.

また、本発明の有機半導体薄膜用材料は、本発明を特徴づける前記一般構造式(1)のR1およびR2が、同一か又は互いに異なる、Cn2n+1−O−C36(nは7〜19の整数を表す)で表わされるアルキルエーテル基を有するものであってもよい。アルキルエーテル基は、アルキル基中に酸素原子を含んでいることにより、溶媒との親和性に優れるため溶媒に対する溶解度が高くなり、溶媒に溶解した高濃度溶液を塗工することができ、膜の欠損・欠陥がほとんどない有機半導体薄膜を形成することができる。上記した材料を用いて形成された有機半導体薄膜や、該有機半導体薄膜を用いた有機薄膜トランジスタは、素子間の半導体特性においてバラつきを小さくすることができる。 In addition, the organic semiconductor thin film material of the present invention has the same or different R 1 and R 2 in the general structural formula (1) characterizing the present invention as C n H 2n + 1 —O—C 3 H 6 ( n represents an integer of 7 to 19). Since the alkyl ether group contains an oxygen atom in the alkyl group, the affinity with the solvent is excellent, so the solubility in the solvent is increased, and a high-concentration solution dissolved in the solvent can be applied. An organic semiconductor thin film having almost no defects or defects can be formed. An organic semiconductor thin film formed using the above materials and an organic thin film transistor using the organic semiconductor thin film can reduce variations in semiconductor characteristics between elements.

上記におけるアルキルエーテル基としては、以下のものが挙げられる。例えば、3−(n−ヘプチルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−オクチルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−ノナオキシ)−n−プロピル基、3−(n−デシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−ウンデシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−トリデシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−テトラデカオキシ)−n−プロピル基3−(n−エイコサオキシ)−n−プロピル基、3−(2−エチルヘキシルオキシ)−n−プロピル基、などヘテロ原子を含む分岐または非分岐のアルキル基などが挙げられる。   The following are mentioned as an alkyl ether group in the above. For example, 3- (n-heptyloxy) -n-propyl group, 3- (n-octyloxy) -n-propyl group, 3- (n-nonaoxy) -n-propyl group, 3- (n-decyloxy) -N-propyl group, 3- (n-undecyloxy) -n-propyl group, 3- (n-dodecyloxy) -n-propyl group, 3- (n-dodecyloxy) -n-propyl group, 3 -(N-tridecyloxy) -n-propyl group, 3- (n-tetradecaoxy) -n-propyl group 3- (n-eicosaoxy) -n-propyl group, 3- (2-ethylhexyloxy)- Examples thereof include a branched or unbranched alkyl group containing a hetero atom such as an n-propyl group.

原材料の入手し易さや反応の容易さ、および、ナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体の半導体特性、膜形成能力などを考慮すると、上記におけるアルキルエーテル基が、3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル基、3−(n−テトラデシルオキシ)−n−プロピル基のいずれかであるものが好ましい。該アルキルエーテル基をもつ化合物としては、例えば、下記構造式(5)で表される、N,N’−ビス(3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル)−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドが挙げられる。
Considering the availability of raw materials and the ease of reaction, and the semiconductor characteristics and film forming ability of naphthalenetetracarboxydiimide derivatives, the alkyl ether group in the above is a 3- (n-dodecyloxy) -n-propyl group , 3- (n-tetradecyloxy) -n-propyl group is preferable. Examples of the compound having an alkyl ether group include N, N′-bis (3- (n-dodecyloxy) -n-propyl) -1,4,5, represented by the following structural formula (5). 8-Naphthalenetetracarboxydiimide is mentioned.

本発明を特徴づける一般構造式(1)で表されるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体は、下記のような公知の方法で合成できる。例えば、高沸点有機溶媒中で、ナフタレンテトラカルボン酸無水物を、該当するアミン類と反応させる、或いは、ナフタレンテトラカルボン酸を一旦カリウム塩にした後、該当するハロゲン化アルキルと反応させることにより、一般構造式(1)で表されるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を得ることができる。   The naphthalene tetracarboxydiimide derivative represented by the general structural formula (1) characterizing the present invention can be synthesized by the following known methods. For example, in a high-boiling organic solvent, naphthalene tetracarboxylic acid anhydride is reacted with a corresponding amine, or once naphthalene tetracarboxylic acid is converted into a potassium salt and then reacted with a corresponding alkyl halide, A naphthalene tetracarboxydiimide derivative represented by the general structural formula (1) can be obtained.

また、本発明を特徴づける一般構造式(1)で表される誘導体において、該式(1)中のX1、X2、X3、X4は、水素原子でもよいが、必要に応じて、それぞれ独立に、フッ素、塩素、または臭素などのハロゲン元素やシアノ基を、そのナフタレン骨格に導入することができる。ナフタレン骨格にハロゲン基やシアノ基を導入することで有機溶媒への溶解性がさらに高くなり、塗布方法によって有機半導体薄膜を容易に形成することができる。さらに、本発明の有機半導体薄膜用材料によって形成された有機半導体薄膜によれば、大気中において、トランジスタ特性を安定して実現することが可能となる。また、本発明者らの検討によれば、本発明を特徴づける前記した一般構造式(1)において、該式中のR1およびR2の一部がフッ素で置換されたアルキル基である材料を用いることにより、形成される薄膜は、水、酸素、空気などの不純物が浸入することを防止可能なものとなり、安定してn型半導体特性を発現できる有用な有機半導体膜となる。 Further, in the derivative represented by the general structural formula (1) characterizing the present invention, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 in the formula (1) may be a hydrogen atom. Independently, a halogen element such as fluorine, chlorine, or bromine or a cyano group can be introduced into the naphthalene skeleton. By introducing a halogen group or a cyano group into the naphthalene skeleton, the solubility in an organic solvent is further increased, and an organic semiconductor thin film can be easily formed by a coating method. Furthermore, according to the organic semiconductor thin film formed of the organic semiconductor thin film material of the present invention, transistor characteristics can be stably realized in the atmosphere. Further, according to the study by the present inventors, in the general structural formula (1) characterizing the present invention, a material in which R1 and R2 in the formula are alkyl groups substituted with fluorine is used. Thus, the formed thin film can prevent impurities such as water, oxygen, and air from entering, and becomes a useful organic semiconductor film that can stably exhibit n-type semiconductor characteristics.

本発明の有機半導体薄膜用材料を特徴づけるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を合成する際に使用する、ナフタレンテトラカルボン酸無水物としては、以下のものが挙げられる。例えば、無置換の1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、2,6−ジシアノ−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、2,6−ジクロロ−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、2,6−ジフルオロ−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、2,3,6,7−テトラフルオロ−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸無水物などが挙げられる。これらの中でも、原材料の入手のし易さや、反応の容易さ、そして合成されたナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体の半導体特性などを考慮すると、ナフタレン骨格に置換基を導入していない、無置換のナフタレンテトラカルボン酸無水物を使用することが好ましい。   Examples of naphthalene tetracarboxylic acid anhydrides used when synthesizing a naphthalene tetracarboxydiimide derivative characterizing the material for an organic semiconductor thin film of the present invention include the following. For example, unsubstituted 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic anhydride, 2,6-dicyano-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic anhydride, 2,6-dichloro-1,4 , 5,8-naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, 2,6-difluoro-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, 2,3,6,7-tetrafluoro-1,4,5, Examples include 8-naphthalene tetracarboxylic acid anhydride. Among these, considering the availability of raw materials, the ease of reaction, and the semiconductor properties of the synthesized naphthalenetetracarboxydiimide derivatives, unsubstituted naphthalenetetra which has no substituents introduced into the naphthalene skeleton Preference is given to using carboxylic anhydrides.

先に述べたように、本発明の有機半導体薄膜用材料には、前記一般構造式(1)で表される誘導体において、該式(1)中のR1およびR2が同一か、又は異なるアルキル基、アルキルエーテル基を有するものが利用できるが、これらは、例えば、以下のようにして得られる。まず、R1およびR2が同一の誘導体の合成は、単段階であり、ナフタレンテトラカルボン酸と該当するアミンを混合し加熱することにより得ることができる。一方、R1およびR2が、互いに異なるアルキル基、アルキルエーテル基である誘導体の合成は多段階となるが、得られた誘導体は、その構造の非対称性により有機溶媒への溶解度が高く、高濃度で溶媒に溶解した高濃度溶液で塗工することができる。このような高濃度溶液で塗工して膜を形成すると膜厚は厚くなり、膜の欠損・欠陥がほとんどない有機半導体薄膜を形成でき、これらの膜を用いて形成された有機薄膜トランジスタは、素子間の半導体特性において生じるバラつきを小さくすることができる。   As described above, in the organic semiconductor thin film material of the present invention, in the derivative represented by the general structural formula (1), R1 and R2 in the formula (1) are the same or different alkyl groups. Those having an alkyl ether group can be used, and these can be obtained, for example, as follows. First, the synthesis of a derivative having the same R1 and R2 is a single step, and can be obtained by mixing and heating naphthalenetetracarboxylic acid and the corresponding amine. On the other hand, the synthesis of derivatives in which R1 and R2 are different alkyl groups and alkyl ether groups is a multi-step process, but the obtained derivatives have high solubility in organic solvents due to the asymmetry of the structure, and high concentrations. It can be applied with a high concentration solution dissolved in a solvent. When a film is formed by coating with such a high-concentration solution, the film thickness increases, and an organic semiconductor thin film with almost no film defects or defects can be formed. An organic thin film transistor formed using these films It is possible to reduce variations occurring in the semiconductor characteristics.

本発明の有機半導体薄膜用材料によって形成される有機半導体膜を、有機薄膜トランジスタに使用する場合は、より純度の高い一般構造式(1)で表される化合物を使用することが好ましい。すなわち、有機半導体薄膜用材料中の不純物を減らすことは、有機半導体薄膜における電子の移動を妨げる要因を減らし、有機薄膜トランジスタの電子移動度を高め、トランジスタの性能を向上させることができる。純度を高める方法としては、特に限定されるものではないが、クロマト法、再結晶法、昇華精製法、ゾーンリファイン法、超臨界法などの精製方法、或いはこれらの方法を併用して、純度を高めた化合物を使用することが有効である。   When using the organic-semiconductor film formed with the organic-semiconductor thin-film material of this invention for an organic thin-film transistor, it is preferable to use the compound represented by general structural formula (1) with higher purity. That is, reducing the impurities in the organic semiconductor thin film material can reduce factors that hinder the movement of electrons in the organic semiconductor thin film, increase the electron mobility of the organic thin film transistor, and improve the transistor performance. The method for increasing the purity is not particularly limited, but purification methods such as a chromatographic method, a recrystallization method, a sublimation purification method, a zone refining method, a supercritical method, or a combination of these methods can be used to increase the purity. It is effective to use elevated compounds.

上記したように、本発明の有機半導体薄膜用材料は、溶媒への溶解性に優れ、該材料の高濃度の溶解液を得ることができるので、印刷製膜法によって形成された有機半導体薄膜を、大面積にわたり均一に作成することが容易にできる。さらに、このようにして形成された有機半導体薄膜を、相転移温度を含む温度領域で熱処理することによって、さらに分子配列の揃った均一な有機半導体薄膜の形成を可能にできる。すなわち、本発明の有機半導体薄膜の形成方法は、上記で説明した有機半導体薄膜用材料を用い、該材料を、有機溶媒に溶解又は/及び分散させた状態で基板上に塗工し、乾燥後、形成した塗工膜を80℃〜350℃の温度で加熱処理して該塗工膜を加熱し、さらに冷えた後の塗工膜の膜厚を10nm〜10μmとすることを特徴とする。   As described above, since the organic semiconductor thin film material of the present invention is excellent in solubility in a solvent and can obtain a high-concentration solution of the material, an organic semiconductor thin film formed by a printing film forming method can be obtained. It can be easily created uniformly over a large area. Furthermore, the organic semiconductor thin film thus formed can be heat-treated in a temperature region including the phase transition temperature, thereby making it possible to form a uniform organic semiconductor thin film with a more uniform molecular arrangement. That is, the method for forming an organic semiconductor thin film of the present invention uses the organic semiconductor thin film material described above, and the material is applied on a substrate in a state of being dissolved or / and dispersed in an organic solvent, followed by drying. The formed coating film is heat-treated at a temperature of 80 ° C. to 350 ° C., the coating film is heated, and the coating film after being further cooled has a thickness of 10 nm to 10 μm.

本発明によって有機半導体薄膜を形成する場合は、その膜厚を10nm〜10μmになるようにすればよい。本発明の有機半導体薄膜用材料によって形成した有機半導体薄膜を有機薄膜トランジスタとして利用する場合は、基板表面に単分子層の薄膜が形成されていれば、半導体特性を得ることができる。また、膜厚が厚い場合においても電子が移動するチャネルとして機能する膜領域は、基板から数分子に限られる。したがって、有機半導体薄膜の厚さは、膜厚が薄いと膜の欠損・欠陥が発生する確率が高くなるので、10nm以上、好ましくは20nm以上とし、特に50nm以上とすることがより好ましい。また、膜が厚い場合は、有機薄膜トランジスタとして問題なく機能するが、コスト面から、10μm以下、好ましくは1μm以下とするとよい。   When an organic semiconductor thin film is formed according to the present invention, the film thickness may be 10 nm to 10 μm. When the organic semiconductor thin film formed of the organic semiconductor thin film material of the present invention is used as an organic thin film transistor, semiconductor characteristics can be obtained as long as a monomolecular thin film is formed on the substrate surface. In addition, even when the film thickness is large, the film region functioning as a channel through which electrons move is limited to a few molecules from the substrate. Therefore, the thickness of the organic semiconductor thin film is 10 nm or more, preferably 20 nm or more, and more preferably 50 nm or more, because the thin film thickness increases the probability of film defects / defects. When the film is thick, it functions as an organic thin film transistor without problems, but from the viewpoint of cost, it is 10 μm or less, preferably 1 μm or less.

本発明の有機薄膜トランジスタは、上記で説明した本発明の有機半導体薄膜用材料によって形成されてなる有機半導体薄膜を有することを特徴とするが、該有機半導体膜は、本発明の有機半導体薄膜用材料を特徴づける一般構造式(1)で表される誘導体が単独で形成されたものでも、種類の異なる誘導体を複数併用して形成したものでもよい。さらに、有機半導体薄膜の形成に用いられる本発明の有機半導体薄膜用材料は、上記した誘導体に加え、80℃〜250℃の温度領域で液晶状態へ相転移するn型半導体特性を示す有機半導体薄膜用材料を併用した形態とすることもできる。例えば、ペリレンジイミド及びその誘導体と併用することができる。この場合に併用し得るペリレン誘導体としては、N,N’−ジトリデシル−3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシジイミド、N,N’−ビス(n−ドデシルオキシプロピル)−1,4,5,8−ペリレンテトラカルボキシジイミドなど、長鎖アルキル基、長鎖アルキルエーテル基を有するペリレン誘導体などが好ましい。   The organic thin film transistor of the present invention is characterized by having an organic semiconductor thin film formed of the organic semiconductor thin film material of the present invention described above. The organic semiconductor film is a material for the organic semiconductor thin film of the present invention. The derivative represented by the general structural formula (1) characterizing the above may be formed singly or may be formed by combining a plurality of different types of derivatives. Furthermore, the organic semiconductor thin film material of the present invention used for forming the organic semiconductor thin film is an organic semiconductor thin film exhibiting an n-type semiconductor property that undergoes a phase transition to a liquid crystal state in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C. in addition to the above-described derivatives. It can also be made into the form which used the material for use together. For example, it can be used in combination with perylene diimide and its derivatives. Perylene derivatives that can be used in this case include N, N′-ditridecyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxydiimide, N, N′-bis (n-dodecyloxypropyl) -1,4,5. Perylene derivatives having a long-chain alkyl group or a long-chain alkyl ether group, such as 1,8-perylenetetracarboxydiimide, are preferred.

有機半導体薄膜を形成する際に、本発明の有機半導体薄膜用材料を特徴づける一般構造式(1)で表される誘導体と、上記に挙げたようなペリレン誘導体と併用する場合は、例えば、ペリレン誘導体を有機溶媒に添加する方法、ペリレン誘導体微粒子を分散させる方法を利用することができる。また、この場合には、有機半導体薄膜の形成に用いる材料100質量%中における一般構造式(1)の誘導体の含有量は、20質量%以上が好ましく、より好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは、90質量%以上とする。かかる含有量が50質量%以下であると均一な膜の形成が困難となり、有機半導体膜としての十分な膜厚を得ることができず、20質量%以下であると安定した有機半導体膜を得ることが困難となる。   When the organic semiconductor thin film is formed, when the derivative represented by the general structural formula (1) characterizing the organic semiconductor thin film material of the present invention and the perylene derivative as described above are used in combination, for example, perylene A method of adding a derivative to an organic solvent or a method of dispersing perylene derivative fine particles can be used. In this case, the content of the derivative of the general structural formula (1) in 100% by mass of the material used for forming the organic semiconductor thin film is preferably 20% by mass or more, more preferably 50% by mass or more, and still more preferably. Is 90% by mass or more. If the content is 50% by mass or less, it is difficult to form a uniform film, and a sufficient film thickness as an organic semiconductor film cannot be obtained. If the content is 20% by mass or less, a stable organic semiconductor film is obtained. It becomes difficult.

本発明の有機半導体薄膜用材料を用い、有機半導体薄膜を形成する本発明の有機半導体薄膜の形成方法について説明する。まず、本発明の有機半導体薄膜用材料を、有機溶媒に溶解又は/及び分散させた状態で基板上に塗工、乾燥して塗工膜を形成する。好適には、上述した一般構造式(1)の誘導体を含む有機半導体薄膜用材料を有機溶媒に溶解させ、溶液とした状態で基板上に塗工することで、容易に塗工膜を形成できる。また、溶解性が低い貧溶媒を用いて有機半導体膜を形成する場合には、本発明の有機半導体薄膜用材料を固体状態で溶媒に分散させ、該分散液を用いることで塗工膜を形成できる。この際に使用する有機溶媒としては、適当な濃度の分散液、または、溶解液が得られるものであれば、特に制限はなく使用できる。例えば、クロロホルム、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロナフタレンなどのハロゲン系炭化水素溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール、n−ヘキサノールなどのアルコール系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族系炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、スルフォラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリルなどの非プロトン系極性溶媒を挙げることができる。これらの溶媒は、単独で使用してもよく、或いは複数を併用してもよい。上記有機溶媒とともに使用するのであれば、水を併用することも可能である。   The method for forming an organic semiconductor thin film of the present invention for forming an organic semiconductor thin film using the organic semiconductor thin film material of the present invention will be described. First, the organic semiconductor thin film material of the present invention is coated and dried on a substrate in a state of being dissolved or / and dispersed in an organic solvent to form a coated film. Preferably, the organic semiconductor thin film material containing the derivative of the general structural formula (1) described above is dissolved in an organic solvent and coated on the substrate in a solution state, whereby a coating film can be easily formed. . Moreover, when forming an organic semiconductor film using a poor solvent having low solubility, the organic semiconductor thin film material of the present invention is dispersed in a solvent in a solid state, and a coating film is formed by using the dispersion. it can. The organic solvent used at this time is not particularly limited as long as a dispersion or solution having an appropriate concentration can be obtained. For example, halogen hydrocarbon solvents such as chloroform, dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, chloronaphthalene, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, methanol, ethanol Alcohol solvents such as n-propanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, isobutanol, tert-butanol, n-hexanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether , Diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether ethylene group Coal, diethylene glycol, triethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol di Ether solvents such as butyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol dimethyl ether, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene and ethylbenzene, tetrahydrofuran, sulfolane, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, Methyl sulfoxide, may be mentioned aprotic polar solvents such as acetonitrile. These solvents may be used alone or in combination. If used together with the organic solvent, water can be used in combination.

本発明の有機半導体薄膜用材料を有機溶媒に溶解又は/及び分散させてなる有機半導体の溶液・分散液(以下、塗工液という場合がある)の調製においては、必要に応じて、塗工液の安定性や、得られる有機半導体の塗工膜の造膜性を高めるために、低分子界面活性剤や高分子活性剤、分散剤、シリカなどの無機化合物を添加することができる。これにより、例えば、分散状態が安定し、凝集を防ぐことができる。   In the preparation of an organic semiconductor solution / dispersion liquid (hereinafter sometimes referred to as a coating liquid) obtained by dissolving or / and dispersing the organic semiconductor thin film material of the present invention in an organic solvent, coating may be applied as necessary. An inorganic compound such as a low molecular surfactant, a high molecular surfactant, a dispersant, and silica can be added to improve the stability of the liquid and the film forming property of the resulting organic semiconductor coating film. Thereby, for example, the dispersion state is stabilized and aggregation can be prevented.

有機半導体薄膜用材料を有機溶媒に溶解又は/及び分散させた場合における、有機半導体薄膜用材料の濃度は、塗工液全量100質量%に対して0.001質量%以上であることが好ましく、より好ましくは、0.01質量%以上である。有機半導体薄膜用材料の溶媒に対する濃度の上限は、特になく、有機薄膜を形成する塗工機・印刷機に適した分散液粘度が得られる濃度であれば、問題なく使用することができる。   When the organic semiconductor thin film material is dissolved or / and dispersed in an organic solvent, the concentration of the organic semiconductor thin film material is preferably 0.001% by mass or more with respect to 100% by mass of the total coating liquid, More preferably, it is 0.01 mass% or more. The upper limit of the concentration of the organic semiconductor thin film material with respect to the solvent is not particularly limited, and any concentration can be used as long as the viscosity of the dispersion liquid suitable for a coating machine / printer for forming the organic thin film is obtained.

本発明の有機半導体薄膜用材料から形成される有機半導体薄膜は、上記のようにして得た塗工液を基板に塗布し、乾燥後、形成した塗工膜を80℃〜350℃の温度にて加熱処理して該塗工膜を加熱することによって、より良好で性能に優れた有機半導体薄膜が形成できる。例えば、溶媒に分散した分散液、または、溶媒に溶解した溶解液を、基板上に印刷・塗布後、加熱することで、より均一で性能に優れる有機半導体薄膜を形成することができる。   The organic semiconductor thin film formed from the material for organic semiconductor thin film of the present invention is obtained by applying the coating liquid obtained as described above to a substrate and drying, and then forming the formed coating film at a temperature of 80 ° C to 350 ° C. By heating the coating film by heat treatment, an organic semiconductor thin film having better performance and excellent performance can be formed. For example, an organic semiconductor thin film that is more uniform and excellent in performance can be formed by printing a dispersion dispersed in a solvent or a solution dissolved in a solvent on a substrate, followed by heating.

塗工液を塗布する印刷方法の適用を可能とできる本発明の有機半導体薄膜の形成方法によれば、さらなる装置の簡素化と、さらなるコストの低減化を可能にし、大面積において有機半導体薄膜が形成され、均一であり十分な膜厚のものを得ることができる。上記において使用する印刷方法としては、公知の印刷方法が使用でき、例えば、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、平版印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法などの印刷方法、加圧エアによって霧吹きの原理によって塗装するエアスプレー法、静電気印加スプレー法、エアレススプレー法などにより、基板上に、有機半導体薄膜用材料からなる有機半導体薄膜(塗工膜)を形成することができる。また、本発明の有機半導体薄膜用材料を用いて有機半導体膜を形成する方法としては、有機溶媒や水などの溶媒を用いない100%固形分の有機半導体薄膜用材料を帯電させ、アースの取れた基板(加熱されていてもよい)に静電気を使って塗布する静電粉体塗装法などにより、有機半導体薄膜用材料からなる有機半導体薄膜(塗工膜)を形成することも適用可能である。このような方法は、溶剤除去工程が無く、工程が少ない点では、環境やコスト面で、好ましい方法の一つである。   According to the method for forming an organic semiconductor thin film of the present invention, which can be applied to a printing method for applying a coating liquid, further simplification of the apparatus and further cost reduction can be achieved. A uniform, sufficient film thickness can be obtained. As the printing method used in the above, a known printing method can be used. For example, a spin coating method, an ink jet method, a screen printing method, a lithographic printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, etc., by a pressurized air An organic semiconductor thin film (coating film) made of an organic semiconductor thin film material can be formed on a substrate by an air spray method, an electrostatic spray method, an airless spray method, or the like that is applied according to the principle of spraying. In addition, as a method of forming an organic semiconductor film using the organic semiconductor thin film material of the present invention, a 100% solid organic semiconductor thin film material that does not use an organic solvent or water is charged and grounded. It is also possible to form an organic semiconductor thin film (coating film) made of an organic semiconductor thin film material by an electrostatic powder coating method that applies static electricity to a substrate (which may be heated). . Such a method is one of the preferred methods in terms of environment and cost in that there is no solvent removal step and there are few steps.

本発明の有機半導体薄膜の形成方法では、上記のようにして塗工液を基板上に塗工し、乾燥後、形成した塗工膜を、80℃〜350℃の温度で加熱処理して該塗工膜を加熱することを要する。本発明の有機半導体薄膜用材料により、良好な有機半導体薄膜を形成するために必須となる温度変化による有機半導体薄膜用材料の相変化は、ナフタレンテトラカルボキシジイミド基に結合しているアルキル鎖の導入、または、鎖中にヘテロ原子を有するアルキル鎖の導入により、80℃から250℃の温度領域において、液晶相(スメクチック液晶)へ相転移を示すと考えられる。長鎖アルキルペリレンテトラカルボキシジイミドの相変化については、C.W.Struijk et al., J. Am. Chem. Soc. 122 (2000)に記載されている。上記したことから、本発明の有機半導体薄膜の形成方法では、有機半導体薄膜用材料の相変化が確実に起こる80℃〜350℃の温度で加熱処理を行って、塗工膜を加熱することとした。   In the method for forming an organic semiconductor thin film of the present invention, the coating liquid is applied onto the substrate as described above, and after drying, the formed coating film is heated at a temperature of 80 ° C. to 350 ° C. It is necessary to heat the coating film. The phase change of the organic semiconductor thin film material due to the temperature change that is essential for forming a good organic semiconductor thin film by the organic semiconductor thin film material of the present invention is the introduction of an alkyl chain bonded to the naphthalene tetracarboxydiimide group. Alternatively, by introducing an alkyl chain having a hetero atom in the chain, it is considered that a phase transition to a liquid crystal phase (smectic liquid crystal) is exhibited in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C. The phase change of long chain alkylperylene tetracarboxydiimide is described in C.W. Struijk et al., J. Am. Chem. Soc. 122 (2000). From the above, in the method for forming an organic semiconductor thin film according to the present invention, the coating film is heated by performing heat treatment at a temperature of 80 ° C. to 350 ° C. in which the phase change of the organic semiconductor thin film material occurs reliably. did.

図7に、本発明の有機半導体薄膜用材料に使用できるN,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの示走査熱量測定(以下、DSCと略記)による熱流の変化を示した。長鎖アルキル基であるトリデシル基を有していることにより、109℃、145℃、161℃付近で吸熱が起こり、相転移が起きていることが確認できる。また、図8に、N,N’−ジオクタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドの、DSCによる熱流の変化を示した。長鎖アルキル基であるトリデシル基を有していることにより、138℃、149℃付近で吸熱が起こり、相転移が起きていることが確認できる。一方、アルキル鎖の短いN,N’−ジオクチル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドのDSCでは、185℃付近に融点となる吸熱が確認されたものの、相転移は起きていない。   FIG. 7 shows changes in heat flow by scanning calorimetry (hereinafter abbreviated as DSC) of N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide that can be used for the organic semiconductor thin film material of the present invention. showed that. By having a tridecyl group which is a long-chain alkyl group, it is possible to confirm that endotherm occurs near 109 ° C., 145 ° C., and 161 ° C., and phase transition occurs. FIG. 8 shows the change in heat flow by DSC of N, N′-dioctadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide. By having a tridecyl group which is a long-chain alkyl group, it is possible to confirm that endotherm occurs near 138 ° C. and 149 ° C., and phase transition occurs. On the other hand, in the DSC of N, N′-dioctyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide having a short alkyl chain, an endotherm with a melting point was confirmed at around 185 ° C., but no phase transition occurred.

本発明者らは、ペリレンテトラカルボキシジイミド誘導体により形成された有機半導体薄膜を、相変化温度付近で熱処理することにより、有機薄膜トランジスタのトランジスタ性能が向上することを報告している(前記の非特許文献2)。   The present inventors have reported that the transistor performance of an organic thin film transistor is improved by heat-treating an organic semiconductor thin film formed of a perylene tetracarboxydiimide derivative near the phase change temperature (the above-mentioned non-patent document). 2).

本発明の有機半導体薄膜用材料の分散液、または、溶解液の塗布により形成された塗工膜は、多くの結晶粒界や欠陥が存在し、微結晶が集合した多結晶構造も存在し、このままであると、多くの結晶粒界や欠陥が存在し、電荷の輸送が阻害された有機半導体膜となっていた。しかし、本発明では、有機半導体薄膜用材料により形成された薄膜(塗工膜)を熱処理することにより、下記の顕著な効果を得ている。薄膜(塗工膜)を熱処理すると、本発明の有機半導体薄膜用材料を特徴づける一般構造式(1)で表されるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体が液晶状態になり、均一な塗工膜の形成を可能とし、その後、冷めると再び結晶状態になって有機半導体特性を示すようになる。このため、結晶状態になる際に、[1]分子の再配列による強いスタック状態の形成、[2]結晶化する際に不純物が排出、[3]グレインサイズが増大し、結晶粒界、欠陥および欠損の減少、[4]電極との密着性の向上などの複合的な作用により、トランジスタ特性の向上、すなわち、電子移動度が増加する。   The dispersion film of the organic semiconductor thin film material of the present invention, or a coating film formed by application of a solution, has many crystal grain boundaries and defects, and also has a polycrystalline structure in which microcrystals are aggregated, As it is, many crystal grain boundaries and defects existed, and the organic semiconductor film was inhibited from transporting charges. However, in the present invention, the following remarkable effects are obtained by heat-treating a thin film (coating film) formed of the organic semiconductor thin film material. When the thin film (coating film) is heat-treated, the naphthalene tetracarboxydiimide derivative represented by the general structural formula (1) that characterizes the organic semiconductor thin film material of the present invention becomes a liquid crystal state, thereby forming a uniform coating film. After that, when cooled, it becomes a crystalline state again and exhibits organic semiconductor characteristics. For this reason, [1] formation of a strong stack state by rearrangement of molecules in the crystalline state, [2] impurities are discharged during crystallization, [3] grain size increases, grain boundaries, defects The transistor characteristics are improved, that is, the electron mobility is increased by a combined action such as reduction of defects and improvement of adhesion to the [4] electrode.

上記の結果、膜厚が厚く、膜の欠損・欠陥がほとんどない優れた有機半導体薄膜の形成が可能になる。さらに、このようにして形成した有機半導体薄膜を有機薄膜トランジスタに用いた場合には、素子間の半導体特性においてバラつきを小さくすることができる。上記の方法においては、塗工膜の加熱処理を、80℃〜350℃の温度で行うことが好ましい。加熱処理温度を上記範囲にすることにより、有機半導体薄膜用材料に含まれる一般構造式(1)の誘導体における相転移が確実に起こり、液晶状態から結晶状態となる際に、上記した[1]〜[4]の作用が発現することで、膜の欠損・欠陥のない優れた有機半導体薄膜を得ることができる。   As a result, it is possible to form an excellent organic semiconductor thin film having a large film thickness and almost no film defects or defects. Furthermore, when the organic semiconductor thin film thus formed is used for an organic thin film transistor, variation in semiconductor characteristics between elements can be reduced. In said method, it is preferable to heat-process a coating film at the temperature of 80 to 350 degreeC. By setting the heat treatment temperature in the above range, the phase transition in the derivative of the general structural formula (1) contained in the organic semiconductor thin film material occurs surely, and the above-mentioned [1] By exhibiting the actions [4], an excellent organic semiconductor thin film free from film defects and defects can be obtained.

本発明の有機半導体薄膜用材料は、サーモトロピック液晶性を有するため、本発明の有機半導体薄膜用材料を基板に印刷・塗布後、さらにスメクチック液晶、ネマチック液晶、等方性液晶となる温度領域における熱処理工程により、さらなる膜の均一化を行うことができる。本発明の有機半導体薄膜用材料は、80℃〜250℃の温度領域で、スメクチック液晶またはネマチック液晶のいずれかの液晶状態へ相転移するサーモトロピック液晶であることを特徴とする。80℃以下であると有機薄膜トランジスタとして利用する温度環境によりトランジスタ特性が大きく変わる可能性がある。また、250℃以上であると、プラスチック基板の使用が困難となるばかりでなく、有機半導体薄膜用材料のメリットである低コスト、安価な製造設備での製造が困難となる。特に、コスト面、トランジスタ性能面と共に、フレキシブルなプラスチック基板上に有機トランジスタが形成される可能性もあるため、100℃〜200℃の温度領域に相転移温度を有するものであることが好ましい。   Since the organic semiconductor thin film material of the present invention has a thermotropic liquid crystallinity, after printing and coating the organic semiconductor thin film material of the present invention on a substrate, it is further in a temperature region where it becomes a smectic liquid crystal, a nematic liquid crystal, or an isotropic liquid crystal. The film can be further homogenized by the heat treatment step. The material for an organic semiconductor thin film of the present invention is a thermotropic liquid crystal that undergoes a phase transition to a liquid crystal state of either a smectic liquid crystal or a nematic liquid crystal in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C. When the temperature is 80 ° C. or lower, the transistor characteristics may vary greatly depending on the temperature environment used as the organic thin film transistor. When the temperature is 250 ° C. or higher, not only is it difficult to use a plastic substrate, but it is also difficult to manufacture with low-cost and inexpensive manufacturing equipment, which is a merit of the organic semiconductor thin film material. In particular, in addition to cost and transistor performance, an organic transistor may be formed on a flexible plastic substrate. Therefore, it is preferable to have a phase transition temperature in a temperature range of 100 ° C. to 200 ° C.

本発明の有機半導体薄膜用材料を特徴づけるN,N’−ジトリデシル−1,4,5、8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドからなる有機半導体薄膜を100℃、125℃、150℃で加熱処理した有機半導体薄膜のX線回折パターンを図3に示した。図3から明らかなように、加熱処理により、確認されるピークの数が減少し、有機半導体薄膜内の分子の配列が揃った層状構造による回折パターンのみ確認される。また、この有機半導体薄膜時の原子間力顕微鏡(AFM)像を図6に示した。未処理(加熱処理しないことを意味する)では、結晶状物質が多く確認されたが、125℃、150℃と加熱処理を行うことにより、結晶状物質のサイズが大きくなり、更に、結晶と別の結晶との間の不連続な境界面(結晶粒界)が存在しない単結晶のような薄膜となる。   Organic semiconductor thin film comprising N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, which characterizes the material for organic semiconductor thin film of the present invention, which is heat-treated at 100 ° C., 125 ° C. and 150 ° C. The X-ray diffraction pattern of the thin film is shown in FIG. As is clear from FIG. 3, the number of peaks to be confirmed is reduced by the heat treatment, and only the diffraction pattern having a layered structure in which the molecules of the organic semiconductor thin film are aligned is confirmed. An atomic force microscope (AFM) image of this organic semiconductor thin film is shown in FIG. In the untreated (meaning that no heat treatment was performed), a large amount of crystalline substance was confirmed. However, by performing the heat treatment at 125 ° C. and 150 ° C., the size of the crystalline substance was increased. It becomes a thin film like a single crystal in which there is no discontinuous interface (crystal grain boundary) between the two crystals.

本発明の有機半導体薄膜を形成する際における熱処理する環境雰囲気は、大気中、不活性ガス中または真空中で行うことができる。真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で熱処理を行うことは、各材料の劣化や酸化などを防げるので好ましい。熱処理雰囲気に使用される不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどのほか、窒素、水素、二酸化炭素など有機半導体薄膜、有機薄膜トランジスタおよびその基材を腐食および劣化するものでなければ問題なく利用できる。不活性ガスは、酸素など有機半導体薄膜用材料を劣化する気体が含まれないことが必要となり、高純度のガスが必要となる。真空中で処理は、高純度のガスを使用する必要がなくコスト的に有利となる。真空中で熱処理を行う場合は、圧力が10-5〜50,000Paである減圧雰囲気下で行うことが好ましい。より好ましくは、1〜50,000Pa、さらに好ましくは、100〜10,000Paである。真空度が高い場合には、熱処理を効果的に行うため、金属板の上に有機薄膜、または、有機薄膜トランジスタを設置することが有効であり、このようにすれば効果的に熱を伝達できる。 The environmental atmosphere for heat treatment in forming the organic semiconductor thin film of the present invention can be performed in the air, in an inert gas, or in a vacuum. It is preferable to perform the heat treatment in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere because deterioration or oxidation of each material can be prevented. Inert gas used in the heat treatment atmosphere can be used without problems if it does not corrode and deteriorate organic semiconductor thin films such as nitrogen, hydrogen, carbon dioxide, etc. it can. The inert gas needs to contain no gas that degrades the organic semiconductor thin film material such as oxygen, and a high-purity gas is required. Processing in a vacuum is advantageous in terms of cost because it is not necessary to use a high-purity gas. When the heat treatment is performed in a vacuum, it is preferably performed in a reduced pressure atmosphere having a pressure of 10 −5 to 50,000 Pa. More preferably, it is 1-50,000 Pa, More preferably, it is 100-10,000 Pa. When the degree of vacuum is high, it is effective to install an organic thin film or an organic thin film transistor on the metal plate in order to effectively perform the heat treatment. In this way, heat can be effectively transferred.

また、熱処理の方法としては、特に限定されないが、オーブン、熱ロールまたは熱プレスなどが利用できる。また、印刷法により有機半導体薄膜を形成後、乾燥ゾーンにおいて、熱処理と乾燥を兼ねることもできる。また、熱処理の時間は、有機半導体薄膜が所定の温度に達すれば、特に限定されないが、長時間の熱処理は基材の劣化を促進するので、10時間以内が望ましい。   The heat treatment method is not particularly limited, and an oven, a hot roll, a hot press, or the like can be used. Moreover, after forming an organic-semiconductor thin film by the printing method, it can also serve as heat processing and drying in a drying zone. Further, the heat treatment time is not particularly limited as long as the organic semiconductor thin film reaches a predetermined temperature. However, since the heat treatment for a long time promotes the deterioration of the base material, it is preferably within 10 hours.

本発明の有機半導体薄膜用材料よりなる有機半導体膜は、有機溶媒の蒸気中に保持することにより、有機半導体微粒子の再配列が起き、より均一で、平滑な膜を与える。このような溶媒としては、先に挙げた分散に使用する溶媒であれば問題なく使用できるが、特に好ましい溶媒として、クロロホルム、トリクロロメタン、トリクロロエチレンなどハロゲンを含む有機溶媒、ピリジン、n−メチルピロリドン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。溶媒の処理の方法としては、溶媒を含む密閉された容器中に有機薄膜を保持する方法、溶媒蒸気を有機薄膜にふきつける方法などがある。   The organic semiconductor film made of the material for an organic semiconductor thin film of the present invention is held in the vapor of an organic solvent, so that rearrangement of the organic semiconductor fine particles occurs, and a more uniform and smooth film is provided. As such a solvent, any solvent can be used without any problem as long as it is used for the above-mentioned dispersion. Particularly preferred solvents include organic solvents containing halogen such as chloroform, trichloromethane, and trichloroethylene, pyridine, n-methylpyrrolidone, Examples include toluene and xylene. Examples of the solvent treatment method include a method of holding the organic thin film in a sealed container containing the solvent, and a method of wiping the solvent vapor on the organic thin film.

前述した本発明を特徴づける一般構造式(1)で表される化合物は、n型有機半導体薄膜用材料としての特性を発現し、上記化合物を有機半導体薄膜の形成材料として利用することにより、より有用な有機薄膜トランジスタを製造することができる。以下、本発明による有機系の有機薄膜トランジスタについてより詳細に説明するが、本発明はこれら構造には限られない。   The compound represented by the general structural formula (1) characterizing the present invention described above exhibits characteristics as a material for an n-type organic semiconductor thin film, and the compound is used as a material for forming an organic semiconductor thin film. Useful organic thin film transistors can be manufactured. Hereinafter, although the organic type organic thin-film transistor by this invention is demonstrated in detail, this invention is not restricted to these structures.

一般に、有機薄膜トランジスタの構造は、ゲート電極が絶縁膜で絶縁されているMIS構造(Metal-Insulator-Semiconductor構造)がよく用いられる。本発明で用いることができる有機薄膜トランジスタは、有機半導体薄膜よりなる有機半導体層を有しており、さらに、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とゲート絶縁層からなるものである。本発明の有機薄膜トランジスタにおいては、有機半導体薄膜が有機半導体薄膜用材料により形成されるものである。   In general, an MIS structure (Metal-Insulator-Semiconductor structure) in which a gate electrode is insulated by an insulating film is often used as the structure of the organic thin film transistor. The organic thin film transistor that can be used in the present invention has an organic semiconductor layer made of an organic semiconductor thin film, and further includes a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a gate insulating layer. In the organic thin film transistor of the present invention, the organic semiconductor thin film is formed of an organic semiconductor thin film material.

次に、本発明の有機薄膜トランジスタの形態について説明する。図1、2は、本発明の有機薄膜トランジスタの構造の1例をそれぞれ表す断面図である。図1の有機薄膜トランジスタの形態においては、基板16の上にゲート電極14が設けられ、ゲート電極上に絶縁層11が積層されており、その上に所定の間隔で形成されたソース電極12およびドレイン電極13が形成されており、さらにその上に有機半導体薄膜15が積層されているボトムゲートボトムコンタクト型を示す。図2の有機薄膜トランジスタの形態においては、基板16の上にゲート電極14が設けられ、ゲート電極上に絶縁層11が積層されており、その上に有機半導体薄膜15が積層され、さらにその上に所定の間隔で形成されたソース電極12およびドレイン電極13が形成されているボトムゲートトップコンタクト型を示す。   Next, the form of the organic thin film transistor of the present invention will be described. 1 and 2 are cross-sectional views respectively showing examples of the structure of the organic thin film transistor of the present invention. In the form of the organic thin film transistor of FIG. 1, a gate electrode 14 is provided on a substrate 16, an insulating layer 11 is laminated on the gate electrode, and a source electrode 12 and a drain formed on the gate electrode at predetermined intervals. A bottom gate bottom contact type in which an electrode 13 is formed and an organic semiconductor thin film 15 is further stacked thereon is shown. In the form of the organic thin film transistor of FIG. 2, a gate electrode 14 is provided on a substrate 16, an insulating layer 11 is laminated on the gate electrode, an organic semiconductor thin film 15 is laminated thereon, and further thereon. A bottom gate top contact type in which a source electrode 12 and a drain electrode 13 formed at a predetermined interval are formed is shown.

このような構成を有するトランジスタ素子では、ゲート電極とソース電極の間に電圧を印加し、印加される電圧により有機半導体薄膜がチャネル領域を形成し、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流が制御されることによってスイッチング動作する。   In the transistor element having such a configuration, a voltage is applied between the gate electrode and the source electrode, the organic semiconductor thin film forms a channel region by the applied voltage, and a current flowing between the source electrode and the drain electrode is controlled. Switching operation is performed.

次に、本発明の有機薄膜トランジスタを形成する基材について説明する。基板としては、絶縁性のある材料であればよく、ガラス、アルミナなどの無機材料、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどのプラスチック基板を用いて作製することができる。プラスチック基板を用いた場合は、軽量で耐衝撃性に優れたフレキシブルな有機薄膜トランジスタを作製することができる。これら基板は、単独で使用してもよく、或いは併用してもよい。なお、導電性のある基板、例えば、シリコンを基板に用いた場合、その基板はゲート電極を兼ねることもできる。   Next, the base material which forms the organic thin-film transistor of this invention is demonstrated. The substrate may be an insulating material, and can be manufactured using an inorganic material such as glass or alumina, a plastic substrate such as a polyimide film, a polyester film, a polyethylene film, polystyrene, polypropylene, or polycarbonate. When a plastic substrate is used, a flexible organic thin film transistor that is lightweight and excellent in impact resistance can be manufactured. These substrates may be used alone or in combination. Note that in the case where a conductive substrate, for example, silicon is used for the substrate, the substrate can also serve as the gate electrode.

次に、本発明の有機薄膜トランジスタを形成する絶縁体層について説明する。本発明において、ゲート絶縁層を構成する材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、SiO2、ZrO2、Ta25、La23、Al23、HfO2などの無機材料が挙げられる。また、高分子系絶縁膜材料としては、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネートなどの有機材料が利用できる。ゲート絶縁層に使用する絶縁材料は、単独で使用してもよく、或いは併用してもよい。 Next, the insulator layer forming the organic thin film transistor of the present invention will be described. In the present invention, the material constituting the gate insulating layer is not particularly limited, and examples thereof include SiO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , Al 2 O 3 , and HfO 2 . An inorganic material is mentioned. In addition, as the polymer insulating film material, organic materials such as polyimide, polymethyl methacrylate, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyethylene terephthalate, polyethersulfone, and polycarbonate can be used. The insulating material used for the gate insulating layer may be used alone or in combination.

これら、絶縁体層の形成方法は、特に限定するものではないが、例えば、真空蒸着法、CVD法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などのドライプロセス、さらには、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、エアーナイフ法、スライドホッパー法、エクストリュージョン法などの塗布法、各種印刷法やインクジェット法などのウェットプロセスを挙げることができ、使用する材料の特性に応じて適宜選択して適用することができる。例えば、シリコン基板上に熱酸化、水蒸気酸化またはプラズマ酸化でSiO2層を形成させたものでもよい。 The method for forming these insulator layers is not particularly limited. For example, a dry process such as a vacuum deposition method, a CVD method, a sputtering method, an atmospheric pressure plasma method, a spray coating method, a spin coating method, Application methods such as blade coating method, dip coating method, cast method, roll coating method, bar coating method, die coating method, air knife method, slide hopper method, and extrusion method, and wet processes such as various printing methods and inkjet methods And can be appropriately selected and applied according to the characteristics of the material to be used. For example, a silicon substrate having a SiO 2 layer formed by thermal oxidation, steam oxidation or plasma oxidation may be used.

なお、ゲート絶縁膜は、化学的表面処理により疎水化することにより、絶縁体層と有機半導体薄膜の親和性が向上し、均一な有機半導体薄膜の形成を可能とし、リーク電流も抑制することが可能となる。特に制限されるものではないが、例えば、OTS(オクタデシルトリクロロシラン)、ODS(オクタデシルトリメトキシシラン)、HMDS(ヘキサメチルジシラザン)などのシランカップリング剤、フッ素含有アルキルシランカップリング剤をゲート絶縁膜上に溶液塗布または真空成膜し、形成される。   The gate insulating film is hydrophobized by chemical surface treatment, so that the affinity between the insulator layer and the organic semiconductor thin film is improved, a uniform organic semiconductor thin film can be formed, and leakage current is also suppressed. It becomes possible. Although not particularly limited, for example, gate insulation of silane coupling agents such as OTS (octadecyltrichlorosilane), ODS (octadecyltrimethoxysilane), HMDS (hexamethyldisilazane), and fluorine-containing alkylsilane coupling agents The film is formed by applying a solution or vacuum film formation on the film.

次に、本発明の有機薄膜トランジスタを形成する電極材料について説明する。ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極に用いる電極材料は、導電性を有する材料が用いられる。例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、インジウム、パラジウム、マンガンモリブデン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、クロム、タングステン、タンタル、ニッケル、コバルト、銅、鉄、鉛、錫などの金属材料、およびこれらの合金、InO2、ZnO2、SnO2、酸化インジウムスズ(以下、ITOと略記)、酸化インジウム亜鉛(以下、IZOと略記)などの導電性酸化物、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイトなどの炭素材料、導電性高分子化合物などが使用できる。なお、有機半導体薄膜との接触面において電気抵抗が小さい金、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ITO、IZO、金/クロム合金がより好ましい。 Next, the electrode material for forming the organic thin film transistor of the present invention will be described. As an electrode material used for the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode, a conductive material is used. For example, gold, silver, copper, platinum, aluminum, lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, titanium, indium, palladium, manganese molybdenum, magnesium, calcium, barium, chromium, tungsten, tantalum, nickel, cobalt, copper, iron , Lead, tin and other metal materials, and alloys thereof, conductive oxides such as InO 2 , ZnO 2 , SnO 2 , indium tin oxide (hereinafter abbreviated as ITO), and indium zinc oxide (hereinafter abbreviated as IZO) Carbon materials such as carbon black, fullerene, carbon nanotube, and graphite, and conductive polymer compounds can be used. Note that gold, aluminum, magnesium, calcium, ITO, IZO, and a gold / chromium alloy having a low electric resistance at the contact surface with the organic semiconductor thin film are more preferable.

これらの電極の形成方法としては、特に限定するものではないが、例えば、導電性材料を溶液に分散させた分散液を用いた印刷法、導電性材料を溶液に溶解させた溶解液を用いた印刷法、蒸着法やスパッタリング法などの方法を用いて形成することができる。   The method for forming these electrodes is not particularly limited. For example, a printing method using a dispersion in which a conductive material is dispersed in a solution, or a solution in which a conductive material is dissolved in a solution is used. It can be formed by using a printing method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.

また、ソース電極とドレイン電極は、互いに対向して配置されるが、電極間の距離(チャネル長)がトランジスタ特性を決める要因のひとつとなる。電極間の距離(チャネル長)は、通常5,000μm以下であれば問題なく使用できるが、好ましくは1,000μm以下であり、ソースとドレイン電極間の幅(チャネル幅)は特に制限なく使用できるが、好ましくは1mm以下である。また、このチャネル幅は電極の構造がくし型の構造になる時などは、さらに長いチャネル幅を形成してもよい。形成されたソース電極、ドレイン電極の厚さは、数nmから数百μmの範囲であれば問題なく使用できるが、30nmから200μmがより好ましい。   Further, although the source electrode and the drain electrode are arranged to face each other, the distance (channel length) between the electrodes is one of the factors that determine the transistor characteristics. The distance between the electrodes (channel length) is usually 5,000 μm or less and can be used without any problem, but is preferably 1,000 μm or less, and the width between the source and drain electrodes (channel width) can be used without any particular limitation. However, it is preferably 1 mm or less. The channel width may be longer when the electrode structure is a comb structure. The thickness of the formed source electrode and drain electrode can be used without any problem as long as it is in the range of several nanometers to several hundred micrometers, but 30 nm to 200 micrometers is more preferable.

また、本発明の有機薄膜トランジスタは、大気中の酸素や水分などの影響を軽減する目的で、有機薄膜トランジスタの外周面の全面、または一部にガスバリア層を設けることもできる。ガスバリア層を形成する材料としては、例えば、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、などを挙げることができる。   Moreover, the organic thin-film transistor of this invention can also provide a gas barrier layer in the whole outer peripheral surface of an organic thin-film transistor, or a part in order to reduce the influence of oxygen, a water | moisture content, etc. in air | atmosphere. Examples of the material for forming the gas barrier layer include polyvinyl alcohol, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, and polytetrafluoroethylene.

なお、本発明の有機薄膜トランジスタは、電子(キャリア)移動度(cm2/Vs)、オン/オフ比、閾値電圧(V)により、トランジスタ特性を評価できる。特に、電子移動度は有機薄膜トランジスタにおいて、大きな電流を得られるなど、大きな値であることが重要である。電子移動度は、0.001cm2/Vs以上であることが望ましい。また、0.01cm2/Vsであれば、メモリ、電子ペーパー用駆動素子として使用できるが、0.1cm2/Vs以上であれば、アモルファスシリコンの代替品として、アクティブマトリックスの駆動素子などへの使用が可能となる。 In addition, the organic thin-film transistor of this invention can evaluate a transistor characteristic with an electron (carrier) mobility (cm < 2 > / Vs), on / off ratio, and a threshold voltage (V). In particular, it is important that the electron mobility has a large value such that a large current can be obtained in the organic thin film transistor. The electron mobility is desirably 0.001 cm 2 / Vs or more. If it is 0.01 cm 2 / Vs, it can be used as a drive element for memory and electronic paper, but if it is 0.1 cm 2 / Vs or more, it can be used as an active matrix drive element as an alternative to amorphous silicon. Can be used.

以下、本発明の実施例について説明する。
[製造例1:化合物Aの合成]
ナフタレンテトラカルボン酸無水物2.23gと、トリデシルアミン4.15gとを、ジメチルホルムアミド20ml中に分散させ、窒素気流下、還流下で6時間撹拌する。冷却後、濾過し、濾物をメタノール・希塩酸、次いで水の順に洗浄する。洗浄後、乾燥して3.27gのN,N’−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドを得た(収率62%)。得られた化合物は、カラムクロマトを用いて分取し、再結晶により精製し、NTCDI−C13(化合物A)を得た。示差走査熱量測定熱分析(DSC)による吸熱ピーク(室温〜250℃まで測定)は、109℃、145℃、161℃に存在した(図7参照)。
Examples of the present invention will be described below.
[Production Example 1: Synthesis of Compound A]
2.23 g of naphthalenetetracarboxylic anhydride and 4.15 g of tridecylamine are dispersed in 20 ml of dimethylformamide and stirred for 6 hours under reflux in a nitrogen stream. After cooling, the mixture is filtered, and the residue is washed with methanol / dilute hydrochloric acid and then water. After washing, drying was performed to obtain 3.27 g of N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide (yield 62%). The resulting compound was collected using column chromatography and purified by recrystallization to obtain NTCDI-C13 (Compound A). Endothermic peaks (measured from room temperature to 250 ° C.) by differential scanning calorimetry thermal analysis (DSC) were present at 109 ° C., 145 ° C., and 161 ° C. (see FIG. 7).

[製造例2:化合物B〜G合成]
製造例1のトリデシルアミンに変えて、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、3−(ドデシルオキシ)プロピルアミン、及び、オクチルアミンをおのおの用いて化合物B、C、D、E、F、Gを得た。得られた化合物A〜Fを実施例に、化合物Gを比較例の化合物として用いた。得られた化合物の相転移温度を表1に示した。
[Production Example 2: Synthesis of compounds BG]
In place of the tridecylamine of Production Example 1, undecylamine, dodecylamine, heptadecylamine, octadecylamine, 3- (dodecyloxy) propylamine, and octylamine were used respectively for compounds B, C, D, E. , F, G were obtained. The obtained compounds A to F were used as examples, and the compound G was used as a compound of comparative examples. The phase transition temperature of the obtained compound is shown in Table 1.

[薄膜トランジスタの評価]
薄膜トランジスタの電気特性は、Agilent社製半導体デバイスアナライザー(B1500A)で室温・真空下にて測定した。ID(ドレイン電流)−VD(ソース−ドレイン間電圧)特性(伝達特性)は、VG(ゲート電圧)を、100V、80V、60V、40V、20V、それぞれ印加した各条件において、ドレイン電圧VDを0から100Vへと掃引して測定した。また、ID−VG特性(出力特性)は、VD=100Vにおいて、VGを0から100Vまで掃引して測定した。
(ID1/2−VG特性の直線領域と式(1)から移動度を算出した。
なお、上記式(1)中、Ciはゲート誘電体の静電容量(nF/cm2)、VTは閾電圧である。電界効果移動度(μ)は、(ID1/2−VG特性の傾きから式(1)を用いて求め、フィッティング直線のX切片から、閾電圧(VT)を算出した。
[Evaluation of Thin Film Transistor]
The electrical characteristics of the thin film transistor were measured with a semiconductor device analyzer (B1500A) manufactured by Agilent at room temperature and under vacuum. I D (drain current) -V D (source-drain voltage) characteristics (transfer characteristics) are as follows: V G (gate voltage) is 100 V, 80 V, 60 V, 40 V, 20 V, and the drain voltage under each condition. V D was measured by sweeping from 0 to 100V. Also, I D -V G characteristics (output characteristics), in V D = 100 V, as measured by sweeping the V G from 0 to 100 V.
It was calculated mobility from the linear region and the formula (I D) 1/2 -V G characteristics (1).
In the above formula (1), C i is the capacitance (nF / cm 2 ) of the gate dielectric, and V T is the threshold voltage. Field-effect mobility (mu) is, (I D) calculated using equation (1) from the slope of 1/2 -V G characteristics, the X-intercept of the fitted straight line was calculated threshold voltage (V T).

[参考例1]
「化合物A(NTCDI−C13)を用いた有機薄膜トランジスタの作製」
ゲート絶縁体層となる酸化シリコン膜(厚さ200nm)を表面に有するシリコン基板を用意し、ITO(150nm)をスパッタ成膜し、フォトリソグラフィとウェットエッチングを用いて、ソース電極、およびドレイン電極をパターニングした。このときのチャネル長、チャネル幅はそれぞれ100μm、2,000μmであった。その後、製造例1で得た化合物Aをクロロホルムに濃度0.50%となるように溶解し、該溶液を用いて、スピンコーター(1,500r.p.m./60s)にてシリコン基板上に有機半導体薄膜を形成し、真空中において1時間の減圧乾燥を行った。
[Reference Example 1]
“Preparation of organic thin-film transistors using Compound A (NTCDI-C13)”
A silicon substrate having a silicon oxide film (thickness: 200 nm) on the surface as a gate insulator layer is prepared, ITO (150 nm) is formed by sputtering, and the source electrode and the drain electrode are formed by photolithography and wet etching. Patterned. The channel length and channel width at this time were 100 μm and 2,000 μm, respectively. Thereafter, the compound A obtained in Production Example 1 was dissolved in chloroform so as to have a concentration of 0.50%, and this solution was used on a silicon substrate with a spin coater (1,500 rpm) / 60 s. An organic semiconductor thin film was formed on the substrate and dried under reduced pressure for 1 hour in a vacuum.

上記で得られたトランジスタについて、ID−VD特性は、VG(ゲート電圧)を100V、80V、60V、40V、20Vでそれぞれ印加した各条件において、ソース−ドレイン電圧(VD)を0から100Vへと掃引して測定した。また、ID−VG特性は、VD=100Vにおいて、VGを、0から100Vまで掃引して測定した。 With respect to the transistor obtained above, the I D -V D characteristic shows that the source-drain voltage (V D ) is 0 under the respective conditions in which V G (gate voltage) is applied at 100 V, 80 V, 60 V, 40 V, and 20 V, respectively. Measured by sweeping from 100 to 100V. Also, I D -V G characteristics, in V D = 100 V, a V G, was measured by sweeping from 0 to 100 V.

[実施例1〜3]
参考例1で作成したデバイスを用い、真空雰囲気下(2,000Pa)において、表1に示した所定の温度でそれぞれ熱処理を2時間行い、処理したものを実施例1〜3のデバイスとした。得られた各デバイスの(ID1/2−VG特性より算出したトランジスタ特性を表2に示した。
[Examples 1 to 3]
Using the device prepared in Reference Example 1, heat treatment was performed for 2 hours at a predetermined temperature shown in Table 1 under a vacuum atmosphere (2,000 Pa), and the processed devices were referred to as devices of Examples 1 to 3. Obtained for each device the (I D) transistor characteristics calculated from 1/2 -V G characteristics shown in Table 2.

実施例3の測定の結果得られた、ドレイン電流とゲート電圧の関係(出力特性)を図3に示し、ドレイン電流とドレイン電圧の関係(伝達特性)を図4にそれぞれ示した。その結果、ID−VD特性において、ドレイン電流−ドレイン電圧曲線に明澄な飽和領域が認められたことから、典型的なn型特性を有する電界効果トランジスタとして駆動することが示された。(ID1/2−VG特性から算出した電子移動度は、2.1×10-1cm2/Vs、閾電圧値は25V、ON/OFF比:105であった。また、このときの、熱処理による有機半導体薄膜のグレインサイズの成長を図6に示した。 The relationship between drain current and gate voltage (output characteristics) obtained as a result of the measurement in Example 3 is shown in FIG. 3, and the relationship between drain current and drain voltage (transfer characteristics) is shown in FIG. As a result, in the I D -V D characteristics, a clear saturation region was recognized in the drain current-drain voltage curve, which indicates that the transistor is driven as a field effect transistor having a typical n-type characteristic. (I D) electron mobility calculated from 1/2 -V G characteristics, 2.1 × 10 -1 cm 2 / Vs, the threshold voltage value is 25V, ON / OFF ratio: 10 5. In addition, the grain size growth of the organic semiconductor thin film by heat treatment at this time is shown in FIG.

[実施例4〜7]
「化合物A(NTCDI−C13)を用いた有機薄膜トランジスタの作製」
参考例1と同様に作成した有機薄膜トランジスタを、窒素雰囲気下(高純度ガス:G3)において、表3に示す所定の温度でそれぞれ1時間の熱処理し、有機薄膜トランジスタを作成し、これらをデバイスとした。得られた各デバイスの(ID1/2−VG特性より算出したトランジスタ特性を表3に示した。
[Examples 4 to 7]
“Preparation of organic thin-film transistors using Compound A (NTCDI-C13)”
The organic thin film transistor prepared in the same manner as in Reference Example 1 was heat-treated at a predetermined temperature shown in Table 3 for 1 hour in a nitrogen atmosphere (high purity gas: G3) to prepare organic thin film transistors, which were used as devices. . Obtained for each device the (I D) transistor characteristics calculated from 1/2 -V G characteristics shown in Table 3.

[実施例8]
「化合物C(NTCDI−C12)を用いた有機薄膜トランジスタの作製」
ゲート絶縁体層となる酸化シリコン膜(厚さ200nm)を表面に有するシリコン基板を用意し、ITO(150nm)をスパッタ製膜し、フォトリソグラフィとウェットエッチングを用いてソース電極、およびドレイン電極をパターニングした。このときのチャネル長、チャネル幅は100μm、2,000μmであった。その後、合成例3で得た化合物Cをクロロホルムに濃度1.0%となるように溶解し、スピンコーター(1,500r.p.m./60s)にてシリコン基板上に有機半導体薄膜を形成した。そして、常温において減圧乾燥した後、真空中において150℃で、それぞれ1時間の熱処理を行った。
[Example 8]
“Preparation of organic thin-film transistor using Compound C (NTCDI-C12)”
A silicon substrate having a silicon oxide film (thickness: 200 nm) as a gate insulator layer on the surface is prepared, ITO (150 nm) is formed by sputtering, and the source and drain electrodes are patterned using photolithography and wet etching. did. The channel length and channel width at this time were 100 μm and 2,000 μm. Thereafter, the compound C obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in chloroform so as to have a concentration of 1.0%, and an organic semiconductor thin film was formed on the silicon substrate with a spin coater (1,500 rpm) / 60 s. did. And after drying under reduced pressure at normal temperature, each was heat-processed at 150 degreeC in the vacuum for 1 hour.

上記で得たトランジスタについて、異なるゲート電圧毎でのドレイン電圧とドレイン電流とを測定した。ドレイン電流−ドレイン電圧曲線に明澄な飽和領域が認められたことから、典型的なn型特性を有する電界効果トランジスタとして駆動することが示された。
その結果、ID−VD特性において、ドレイン電流−ドレイン電圧曲線に明澄な飽和領域が認められたことから、典型的なn型特性を有する電界効果トランジスタとして駆動することが示された。(ID1/2−VG特性から算出した電子移動度は、1.72×10-1cm2/Vs、閾電圧値は24V、ON/OFF比:105であった。
With respect to the transistor obtained above, the drain voltage and drain current at different gate voltages were measured. Since a clear saturation region was observed in the drain current-drain voltage curve, it was shown that the transistor was driven as a field effect transistor having typical n-type characteristics.
As a result, in the I D -V D characteristics, a clear saturation region was recognized in the drain current-drain voltage curve, which indicates that the transistor is driven as a field effect transistor having a typical n-type characteristic. (I D) electron mobility calculated from 1/2 -V G characteristics, 1.72 × 10 -1 cm 2 / Vs, the threshold voltage value is 24V, ON / OFF ratio: 10 5.

[実施例9]
「化合物F(NTCDI−C12−O−C3−)を用いた有機薄膜トランジスタの作製」
実施例3の化合物Aを化合物Fに代えた以外は、実施例3と同様に有機薄膜トランジスタを作製した。得られた有機薄膜トランジスタは高い移動度と高いオンオフ比を示し、バランスのよいトランジスタ特性を示した。
[Example 9]
“Preparation of Organic Thin-Film Transistor Using Compound F (NTCDI-C12-O-C3-)”
An organic thin film transistor was produced in the same manner as in Example 3 except that Compound A in Example 3 was replaced with Compound F. The obtained organic thin film transistor showed high mobility and high on / off ratio, and showed well-balanced transistor characteristics.

[比較例1]
「化合物G(NTCDI−C8)を用いた有機薄膜トランジスタの作製」
実施例1の化合物Aを化合物Fに代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例1の有機薄膜トランジスタを作製した。得られた有機薄膜トランジスタを真空オーブンで2時間乾燥した。得られたトランジスタについて、トランジスタ特性を実施例1と同様に測定した。その結果、実施例と比較すると、移動度及びオン/オフ比の値は、共に小さかった。本有機薄膜トランジスタは、熱処理を行わなかった。表1に、(ID1/2−VG特性から算出した電子移動度は、0.005cm2/Vs、閾電圧は43Vであった。
[Comparative Example 1]
“Preparation of organic thin-film transistors using Compound G (NTCDI-C8)”
An organic thin film transistor of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that Compound A in Example 1 was replaced with Compound F. The obtained organic thin film transistor was dried in a vacuum oven for 2 hours. The transistor characteristics of the obtained transistor were measured in the same manner as in Example 1. As a result, compared with the example, both the mobility and the on / off ratio were small. This organic thin film transistor was not heat-treated. Table 1, (I D) electron mobility calculated from 1/2 -V G characteristics, 0.005cm 2 / Vs, threshold voltage was 43V.

[評価結果]
本発明を特徴づける、一般構造式(1)で表わされるナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体によれば、簡便な方法である印刷法によって、良好な有機半導体薄膜の形成が可能となった。本発明の有機半導体薄膜により作成された有機薄膜トランジスタは液晶状態への転移温度付近での熱処理を行うことで、電子移動度を一桁以上増大させることが、良好なトランジスタ特性を示すことが確認された。
[Evaluation results]
According to the naphthalene tetracarboxydiimide derivative represented by the general structural formula (1) that characterizes the present invention, a favorable organic semiconductor thin film can be formed by a printing method which is a simple method. It has been confirmed that the organic thin film transistor made of the organic semiconductor thin film of the present invention exhibits good transistor characteristics by increasing the electron mobility by one digit or more by performing a heat treatment near the transition temperature to the liquid crystal state. It was.

一方、熱処理をしないナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体によって作製された有機薄膜トランジスタは、移動度、ON/OFF比ともに値が低く、また、加温により相転移することがない有機半導体薄膜用材料は、熱処理の効果は小さかった。
以上、本発明を好ましい実施例を挙げて説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではない。
On the other hand, organic thin film transistors made from naphthalene tetracarboxydiimide derivatives that are not heat-treated have low values for both mobility and ON / OFF ratio, and materials for organic semiconductor thin films that do not undergo phase transition due to heating are treated with heat treatment. The effect was small.
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.

本発明によれば、高い電子移動度および高いオン/オフ値を有するとともに、有機半導体薄膜用材料を用いた塗布法・印刷法により、簡便に、大面積にわたり均一で特性に優れた有機半導体薄膜の形成することのできるn型有機半導体素子として使用可能な有用な有機半導体薄膜用材料を提供することができる。また、上記有機半導体薄膜用材料を用いて製造される有用な有機薄膜トランジスタを提供することができる。   According to the present invention, an organic semiconductor thin film having a high electron mobility and a high on / off value, and being easily uniform over a large area and excellent in properties by a coating method / printing method using an organic semiconductor thin film material. A useful organic semiconductor thin film material that can be used as an n-type organic semiconductor element that can be formed can be provided. Moreover, the useful organic thin-film transistor manufactured using the said organic-semiconductor thin film material can be provided.

11:絶縁層
12:ソース電極
13:ドレイン電極
14:ゲート電極
15:有機半導体薄膜
16:基板
11: Insulating layer 12: Source electrode 13: Drain electrode 14: Gate electrode 15: Organic semiconductor thin film 16: Substrate

Claims (11)

n型有機半導体素子として使用可能な有機半導体薄膜用材料であって、80℃〜250℃の温度領域に相転移温度を有し、かつ、下記一般構造式(1)で表される、加熱することで液晶状態へ相転移し、分解温度以下でサーモトロピック液晶相を有するナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含むことを特徴とする有機半導体薄膜用材料。

(但し、式中、R1、R2は、それぞれ独立に、炭素数が11、13、15又は17の奇数の炭素数の、分岐または非分岐のアルキル基であり、さらにN、O、S、Pのヘテロ原子を含んでいてもよい。X1、X2、X3、X4は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基から選ばれる。)
An organic semiconductor thin film material that can be used as an n-type organic semiconductor element, having a phase transition temperature in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C., and represented by the following general structural formula (1) An organic semiconductor thin film material comprising a naphthalenetetracarboxydiimide derivative having a thermotropic liquid crystal phase at a decomposition temperature or lower and having a phase transition to a liquid crystal state .

(However, in the formula, R 1 and R 2 are each independently a branched or unbranched alkyl group having an odd number of carbon atoms of 11, 13, 15 or 17 ; and N, O, S, P (X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 are each independently selected from a hydrogen atom, a halogen atom, and a cyano group.)
前記一般構造式(1)で表される誘導体が、下記構造式(1)で表わされるN,N'−ジウンデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(2)で表わされるN,N'−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(3)で表わされるN,N'−ジペンタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(4)で表わされるN,N'−ジヘプタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、或いは、下記構造式(5)で表わされるN,N'−ビス(3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル)−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドのいずれかである請求項1に記載の有機半導体薄膜用材料。
The derivative represented by the general structural formula (1) is N, N′-diundecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (1), and the following structural formula (2): N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented, N, N′-dipentadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (3) , N represented by the following Symbol structural formula (4), N'Jiheputadeshiru 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic diimide, or, N represented by the following structural formula (5), N'-bis (3 The material for an organic semiconductor thin film according to claim 1, which is any one of-(n-dodecyloxy) -n-propyl) -1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide .
前記一般構造式(1)で表される誘導体が、下記構造式(1)で表わされるN,N'−ジウンデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(2)で表わされるN,N'−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、或いは、下記構造式(3)で表わされるN,N'−ジペンタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドのいずれかである請求項に記載の有機半導体薄膜用材料。
The derivative represented by the general structural formula (1) is N, N′-diundecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (1), and the following structural formula (2): N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented, or N, N′-dipentadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetra represented by the following structural formula (3) the organic semiconductor thin film material according to claim 1 is either Karubokishijiimi de.
80℃〜250℃の温度領域に相転移温度を有し、かつ、下記一般構造式(1)で表される、加熱することで液晶状態へ相転移してサーモトロピック液晶性を示すナフタレンテトラカルボキシジイミド誘導体を含む有機半導体薄膜用材料を用い、該材料を、有機溶媒に溶解又は/及び分散させた状態で基板上に塗工し、乾燥後、形成した塗工膜を80℃〜350℃の温度で加熱処理して該塗工膜を加熱し、さらに冷えた後の塗工膜の膜厚を10nm〜10μmとすることを特徴とする有機半導体薄膜の形成方法。

(但し、式中、R1、R2は、それぞれ独立に、炭素数が10〜22の分岐または非分岐のアルキル基であり、さらにN、O、S、Pのヘテロ原子を含んでいてもよい。X 1 、X 2 、X 3 、X 4 は、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基から選ばれる。)
A naphthalene tetracarboxy having a phase transition temperature in a temperature range of 80 ° C. to 250 ° C. and having a thermotropic liquid crystallinity, which is represented by the following general structural formula (1) and undergoes phase transition to a liquid crystal state by heating. Using a material for an organic semiconductor thin film containing a diimide derivative , the material is coated on a substrate in a state of being dissolved or / and dispersed in an organic solvent, and after drying, the formed coating film is 80 ° C to 350 ° C. A method for forming an organic semiconductor thin film, characterized in that the coating film is heated to a temperature to heat the coating film and further cooled to a thickness of 10 nm to 10 μm.

(However, in the formula, R 1 and R 2 are each independently a branched or unbranched alkyl group having 10 to 22 carbon atoms and may further contain N, O, S, and P heteroatoms. X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are each independently selected from a hydrogen atom, a halogen atom and a cyano group.)
前記分岐または非分岐のアルキル基の炭素数が、11、13、15又は17の奇数の炭素数である請求項4に記載の有機半導体薄膜の形成方法。The method for forming an organic semiconductor thin film according to claim 4, wherein the branched or unbranched alkyl group has an odd number of carbon atoms of 11, 13, 15 or 17. 前記一般構造式(1)で表される誘導体が、下記構造式(1)で表わされるN,N'−ジウンデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(2)で表わされるN,N'−ジトリデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(3)で表わされるN,N'−ジペンタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、下記構造式(4)で表わされるN,N'−ジヘプタデシル−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミド、或いは、下記構造式(5)で表わされるN,N'−ビス(3−(n−ドデシルオキシ)−n−プロピル)−1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシジイミドのいずれかである請求項4に記載の有機半導体薄膜の形成方法。
The derivative represented by the general structural formula (1) is N, N′-diundecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (1), and the following structural formula (2): N, N′-ditridecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented, N, N′-dipentadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (3) N, N′-diheptadecyl-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide represented by the following structural formula (4), or N, N′-bis (3- The method for forming an organic semiconductor thin film according to claim 4, which is any one of (n-dodecyloxy) -n-propyl) -1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide.
前記塗工膜を80℃〜250℃の温度に加熱する請求項4〜6のいずれか1項に記載の有機半導体薄膜の形成方法。 The formation method of the organic-semiconductor thin film of any one of Claims 4-6 which heats the said coating film to the temperature of 80 to 250 degreeC. 前記加熱処理を、10-5〜50,000Paの減圧雰囲気下において行う請求項4〜7のいずれか1項に記載の有機半導体薄膜の形成方法。 The method for forming an organic semiconductor thin film according to claim 4 , wherein the heat treatment is performed in a reduced pressure atmosphere of 10 −5 to 50,000 Pa. 前記加熱処理を、不活性ガス雰囲気下において行う請求項〜8のいずれか1項に記載の有機半導体薄膜の形成方法。 The method for forming an organic semiconductor thin film according to any one of claims 4 to 8, wherein the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. 基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体薄膜ならびにソース電極およびドレイン電極が少なくとも形成されている有機薄膜トランジスタにおいて、上記有機半導体薄膜が、請求項のいずれか1項に記載の有機半導体薄膜用材料で形成されたものであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 On a substrate, a gate electrode, a gate insulating layer, the organic thin-film transistor organic semiconductor thin film and the source electrode and the drain electrode are formed at least, the organic semiconductor thin film, an organic according to any one of claims 1 to 3 An organic thin film transistor characterized by being formed of a semiconductor thin film material . そのキャリア移動度が0.01cm2/Vs以上である請求項10に記載の有機薄膜トランジスタ。 The organic thin film transistor according to claim 10, wherein the carrier mobility is 0.01 cm 2 / Vs or more.
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