JP5920806B2 - Organic semiconductor thin film formation method - Google Patents

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Description

本発明は有機半導体デバイスなどに使用可能な有機半導体薄膜の形成方法に関し、特に結晶性が高い有機半導体薄膜を形成する方法に関する


The present invention relates to a method for forming an organic semiconductor thin film that can be used in an organic semiconductor device, and more particularly to a method for forming an organic semiconductor thin film having high crystallinity .


有機半導体は、その溶解性を活かした溶液プロセスによって製膜可能であり、低コスト・低環境負荷プロセスの実現が期待される。その一方で、有機半導体は無機半導体と比較して低移動度である。これは、有機分子はファンデルワールス力で集合しているため分子間の相互作用が小さい点、また有機薄膜は一般的に多結晶性であり、特に粒界内部に分子のディスオーダーが多く存在する点などが原因である。そのため、有機半導体の移動度を向上させるには、結晶性が高くディスオーダーの少ない薄膜を形成する必要があった。   Organic semiconductors can be formed by a solution process that takes advantage of their solubility, and realization of a low-cost, low-environmental load process is expected. On the other hand, organic semiconductors have low mobility compared to inorganic semiconductors. This is because organic molecules are gathered by van der Waals forces, so the interaction between molecules is small. Organic thin films are generally polycrystalline, and there are many disordered molecules inside the grain boundaries. This is due to the point to do. Therefore, in order to improve the mobility of the organic semiconductor, it is necessary to form a thin film with high crystallinity and less disorder.

一般的な有機半導体薄膜は特に粒界内に分子のディスオーダーによる多くのトラップ準位が存在し、電荷輸送を妨げているという問題がある。本発明の課題は、有機半導体薄膜中の粒界と分子のディスオーダーを減少させ、より結晶性の高い有機半導体薄膜を形成したり、有機半導体単結晶そのものを基板上に直接形成することにある。なお、本願では薄膜中に形成された有機半導体単結晶も有機半導体薄膜の一部として取り扱う。   A general organic semiconductor thin film has a problem that many trap levels due to molecular disorder are present in the grain boundary, which impedes charge transport. An object of the present invention is to reduce grain boundaries and molecular disorder in an organic semiconductor thin film, to form an organic semiconductor thin film with higher crystallinity, or to form an organic semiconductor single crystal itself directly on a substrate. . In the present application, an organic semiconductor single crystal formed in the thin film is also handled as a part of the organic semiconductor thin film.

本発明の一側面によれば、以下のステップを含む有機半導体薄膜形成方法が与えられる。
(a) 高分子の層及び有機半導体の層からなる二層構造を基板上に形成する。
(b) 前記二層構造に対して前記高分子及び前記有機半導体が可溶な溶媒を使用して溶媒蒸気アニール処理を施す。
ここにおいて、前記溶媒に対する前記高分子の溶解度は1 mg/mL以上であってよい。
また、前記基板上に前記高分子の層が形成され、前記高分子層上に前記有機半導体の層が形成されてよい。
また、前記二層構造は層分離法により形成してよい。
また、前記基板上に前記有機半導体の層が形成され、前記有機半導体層の上に前記高分子の層が形成されてよい。
また、前記二層構造の形成は前記高分子の層及び前記有機半導体の層を個別に形成することにより行ってよい。
また、前記高分子の分子量は1000以上であってよい。
また、前記高分子はPMMA、PVP、PαMS、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、及びポリエチレングリコールからなる群から選ばれてよい。
また、前記溶媒蒸気アニールに使用される溶媒はトルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロホルム、THF、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれてよい。
また、前記有機半導体はπ電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物からなる群から選ばれてよい。
また、前記有機半導体は、C8-BTBT、C10-BTBT、C12-BTBT、及びTIPS-pentaceneからなる群から選ばれてよい。
また、前記高分子の層の厚さは10〜200 nmの範囲であってよい。
本発明の他の側面によれば、半導体として上述の何れかの方法で形成した有機半導体薄膜を使用する半導体素子が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、チャネルの材料として上述の何れかの方法で形成した有機半導体薄膜を使用する有機電界効果トランジスタが与えられる。
ここで、前記有機半導体薄膜中に形成された有機半導体の単一の単結晶上にソース及びドレインを配置してよい。
According to one aspect of the present invention, an organic semiconductor thin film forming method including the following steps is provided.
(a) A two-layer structure comprising a polymer layer and an organic semiconductor layer is formed on a substrate.
(b) Solvent vapor annealing treatment is performed on the two-layer structure using a solvent in which the polymer and the organic semiconductor are soluble.
Here, the solubility of the polymer in the solvent may be 1 mg / mL or more.
The polymer layer may be formed on the substrate, and the organic semiconductor layer may be formed on the polymer layer.
The two-layer structure may be formed by a layer separation method.
The organic semiconductor layer may be formed on the substrate, and the polymer layer may be formed on the organic semiconductor layer.
The two-layer structure may be formed by separately forming the polymer layer and the organic semiconductor layer.
The molecular weight of the polymer may be 1000 or more.
The polymer may be selected from the group consisting of PMMA, PVP, PαMS, polystyrene, polyvinyl alcohol, and polyethylene glycol.
The solvent used for the solvent vapor annealing may be selected from the group consisting of toluene, xylene, tetralin, decalin, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, chloroform, THF, and cyclohexane.
The organic semiconductor may be selected from the group consisting of π-electron conjugated aromatic compounds, chain compounds, organic pigments, and organosilicon compounds.
The organic semiconductor may be selected from the group consisting of C8-BTBT, C10-BTBT, C12-BTBT, and TIPS-pentacene.
The thickness of the polymer layer may be in the range of 10 to 200 nm.
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor element that uses an organic semiconductor thin film formed by any of the methods described above as a semiconductor.
According to still another aspect of the present invention, there is provided an organic field effect transistor using an organic semiconductor thin film formed by any of the above-described methods as a channel material.
Here, a source and a drain may be disposed on a single single crystal of an organic semiconductor formed in the organic semiconductor thin film.

本発明によれば、溶媒蒸気アニールという簡単な処理を用いることで、高い結晶性を有する有機半導体薄膜を形成することができる。   According to the present invention, an organic semiconductor thin film having high crystallinity can be formed by using a simple process called solvent vapor annealing.

a)は比較例1であるSiO2基板上にスピンコートしたdioctylbenzothienobenzothiophene (C8-BTBT)薄膜の偏光顕微鏡像。挿入図はC8-BTBTの分子構造。b)はa)に示すSiO2基板上にスピンコートしたC8-BTBT薄膜に対し、溶媒蒸気アニールを行った結果の偏光顕微鏡像。a) is a polarization microscope image of a dioctylbenzothienobenzothiophene (C8-BTBT) thin film spin-coated on the SiO 2 substrate of Comparative Example 1. Inset is the molecular structure of C8-BTBT. b) Polarized light microscope image of the result of solvent vapor annealing of the C8-BTBT thin film spin-coated on the SiO 2 substrate shown in a). a)は比較例2であるpoly(methyl methacrylate) (PMMA)上にスピンコートしたC8-BTBT薄膜の偏光顕微鏡像。b)はa)に示すPMMA上にスピンコートしたC8-BTBT薄膜に対し、溶媒蒸気アニールを行った結果の偏光顕微鏡像。a) is a polarizing microscope image of a C8-BTBT thin film spin-coated on poly (methyl methacrylate) (PMMA) in Comparative Example 2. b) Polarization microscope image of the result of solvent vapor annealing of the C8-BTBT thin film spin-coated on PMMA shown in a). a)は本発明に従ってC8-BTBTとPMMAの混合溶液をスピンコートによって塗布することにより形成された層分離構造を持つC8-BTBT/PMMA薄膜の偏光顕微鏡像。b)はa)に示す層分離構造C8-BTBT/PMMA薄膜に対し、溶媒蒸気アニールを行ったものの偏光顕微鏡像。a) A polarization microscope image of a C8-BTBT / PMMA thin film having a layer separation structure formed by applying a mixed solution of C8-BTBT and PMMA by spin coating according to the present invention. b) Polarized microscope image of the layer-separated C8-BTBT / PMMA thin film shown in a) after solvent vapor annealing. a) C8-BTBTとPMMAの混合溶液の塗布により、2層分離構造を形成した薄膜の偏光顕微鏡像。中央部を引っ掻くことで上層のC8-BTBTのみを除去した。挿入図は2層分離構造の概念図。b) 各層の膜厚高さを示す表面形状の測定結果を示すグラフであり、a)中の矢印の向きに表面高さを測定したものである。a) Polarized light microscope image of a thin film having a two-layer separation structure formed by applying a mixed solution of C8-BTBT and PMMA. Only the upper C8-BTBT was removed by scratching the center. Inset is a conceptual diagram of a two-layer separation structure. b) A graph showing the measurement result of the surface shape indicating the film thickness height of each layer, wherein the surface height is measured in the direction of the arrow in a). a)からf)は上記C8-BTBTとPMMAの2層分離構造を持つ薄膜に夫々3〜120分間溶媒蒸気アニールを施した結果を示す偏光顕微鏡像。g)は溶媒蒸気アニールで形成したC8-BTBT単結晶のAFM像。h)は同じく針状結晶の先端部を拡大したAFM像であり、結晶のファセット面が観察できる。i)はg)中のC8-BTBT単結晶を中央やや右よりの左上から右下への白線に沿って切断した場合の断面形状を示す図。a) to f) are polarization microscope images showing the results of solvent vapor annealing for 3 to 120 minutes, respectively, on the thin films having the two-layer separation structure of C8-BTBT and PMMA. g) AFM image of C8-BTBT single crystal formed by solvent vapor annealing. h) is an AFM image in which the tip of the needle crystal is enlarged, and the facet plane of the crystal can be observed. i) is a diagram showing a cross-sectional shape of the C8-BTBT single crystal in g) taken along the white line from the upper left to the lower right from the center slightly right. a)は作製した単結晶有機FETの模式図。b)は作製した単結晶有機FETのチャネル領域の顕微鏡像。単一の結晶を測定するために、残りの結晶はレーザーでパターン形成(切断)している(図中の点線部分)。c)は単結晶有機FETのドレイン電流−ゲート電圧特性を示すグラフ。a) Schematic of the fabricated single crystal organic FET. b) Microscopic image of the channel region of the fabricated single crystal organic FET. In order to measure a single crystal, the remaining crystal is patterned (cut) by a laser (dotted line portion in the figure). c) is a graph showing drain current-gate voltage characteristics of a single crystal organic FET. a)は作製した単結晶有機FETの移動度の分布を示すヒストグラム。b)は同じFETのしきい電圧の分布を示すヒストグラム。a) is a histogram showing the mobility distribution of the fabricated single crystal organic FET. b) Histogram showing the threshold voltage distribution of the same FET. a)は作製した単結晶有機FETのドレイン電流−ゲート電圧特性の温度依存性を示すグラフ。b)は同じFETの移動度としきい電圧の温度依存性を示すグラフ。a) is a graph showing the temperature dependence of the drain current-gate voltage characteristics of the fabricated single crystal organic FET. b) A graph showing the temperature dependence of the mobility and threshold voltage of the same FET. 3種類の高分子基板上に真空昇華法により形成したC8-BTBT膜を3種類の溶媒を用いた溶媒蒸気アニール処理を約15時間施した結果の偏光顕微鏡写真。A polarization micrograph of the result of subjecting a C8-BTBT film formed on three types of polymer substrates by vacuum sublimation to solvent vapor annealing using three types of solvents for about 15 hours. PMMA膜の偏光顕微鏡写真及び形成された単結晶除去後のPMMA膜表面プロファイル図。(a)はスピンコーティング直後の偏光顕微鏡写真。(b)は溶媒蒸気アニール後の偏光顕微鏡写真であり、膨潤効果が現れている。(c)は形成された単結晶をシクロヘキサンですすぎ流した後の試料の偏光顕微鏡写真である。細長い領域(単結晶が形成された場所)の縁の濃色部分(元の偏光顕微鏡写真では青色)はすすぎによって除去されなかった部分であり、従ってこの部分はC8-BTBTではなく厚いPMMAであることがわかる。(d)及び(e)は試料上のC8-BTBT単結晶が除去された部分を横切る表面プロファイル走査結果である。(d)は薄い(33 nm)PMMA膜を、(e)は厚い(155nm)PMMA膜を使用した場合であり、PMMAがC8-BTBT結晶の縁をよじ登ること、また厚いPMMA膜では結晶が深く潜り込むことが示されている。The polarizing microscope photograph of a PMMA film | membrane and the PMMA film | membrane surface profile figure after the formed single crystal removal. (a) is a polarized light micrograph immediately after spin coating. (b) is a polarization micrograph after solvent vapor annealing, which shows a swelling effect. (c) is a polarization micrograph of the sample after rinsing the formed single crystal with cyclohexane. The dark part (blue in the original polarization micrograph) of the edge of the elongated area (where the single crystal was formed) is the part that was not removed by rinsing, so this part is thick PMMA, not C8-BTBT I understand that. (d) and (e) are the surface profile scan results across the portion of the sample where the C8-BTBT single crystal has been removed. (d) shows a thin (33 nm) PMMA film and (e) shows a thick (155 nm) PMMA film. PMMA climbs the edge of the C8-BTBT crystal. It has been shown to sink. (a)から(f)は各種の厚さdのPMMA膜上のC8-BTBTを同じ条件でクロロホルムにより約15時間溶媒蒸気アニール処理した後の偏光顕微鏡写真。なお、dが10 nm未満の場合には単結晶は見られなかった。dが200 nmを越えると結晶サイズは一様にならなかったが、(e)及び(f)に示されるように、長さ1 mmを越える単結晶が生成された。(g)は生成された単結晶のサイズ及び結晶深度をPMMA膜厚dの関数として表したグラフであり、PMMA膜が厚いほど結晶が長く、また結晶深度が深くなるという一般的な傾向を表す。グラフ中の破線は傾向を見やすくするためのものである。(a) to (f) are polarization micrographs after C8-BTBT on PMMA films of various thicknesses d were subjected to solvent vapor annealing for about 15 hours with chloroform under the same conditions. Single crystals were not seen when d was less than 10 nm. When d exceeded 200 nm, the crystal size did not become uniform, but as shown in (e) and (f), a single crystal exceeding 1 mm in length was produced. (g) is a graph showing the size and crystal depth of the generated single crystal as a function of the PMMA film thickness d, indicating the general tendency that the thicker the PMMA film, the longer the crystal and the deeper the crystal depth. . The broken lines in the graph are for making it easier to see the trend. クロロホルムを使用して約15時間行った溶媒蒸気アニール処理の結果を示す偏光顕微鏡写真であり、試料として(a)はPMMA上のC10-BTBTを、(b)はPMMA上のC12-BTBTを、また(c)及び(d)はPαMS上のTIPS-pentaceneを使用した場合を示す。なお、(c)中の差込み図はTIPS-pentacene結晶を拡大した写真である。(d)に示すTIPS-pentaceneの大きな結晶は厚いPαMS層上に形成されたものである。図12中の写真は、単結晶周囲の高分子基板の局所的な変形(図12中では濃色に見える部分、元の偏光顕微鏡写真では青色)を示すために、直交偏光子を使用して背景を暗くする処理は行っていない。It is a polarization micrograph showing the result of a solvent vapor annealing process performed using chloroform for about 15 hours. As a sample, (a) shows C10-BTBT on PMMA, (b) shows C12-BTBT on PMMA, (C) and (d) show the case where TIPS-pentacene on PαMS is used. The inset in (c) is an enlarged photograph of the TIPS-pentacene crystal. The large crystal of TIPS-pentacene shown in (d) is formed on a thick PαMS layer. The photograph in FIG. 12 uses an orthogonal polarizer to show local deformation of the polymer substrate around the single crystal (the part that appears dark in FIG. 12, blue in the original polarization micrograph). The process of darkening the background is not performed. Si/SiO2基板上にスピンコートしたTIPS-pentaceneを15時間溶媒蒸気アニール処理した結果の写真。(a)は偏光子を使用しなかった場合、(b)は偏光子を使用した場合の写真である。A photograph of the results of solvent vapor annealing treatment of TIPS-pentacene spin-coated on a Si / SiO 2 substrate for 15 hours. (a) is a photograph when a polarizer is not used, and (b) is a photograph when a polarizer is used. (a)〜(d)はC10-BTBTトランジスタの光学顕微鏡写真。(e)はこのトランジスタの伝達特性を測定した結果を示すグラフであり、グラフ中で小さな丸(○)でプロットされたデータは左側の縦軸(Id/A)に、小さな正方形(□)でプロットされたデータは右側の縦軸(sqrt(Id)/A1/2)に対応する。(a)-(d) are optical micrographs of C10-BTBT transistors. (e) is a graph showing the results of measuring the transfer characteristics of this transistor. The data plotted with a small circle (○) in the graph is a small square (□) on the left vertical axis (I d / A). The data plotted in ( 1 ) corresponds to the right vertical axis (sqrt (I d ) / A 1/2 ).

本発明は有機半導体膜の形成に当たって高分子と有機半導体との二層構造を形成し、これに対して溶媒蒸気アニール法を適用することにより、結晶性の良好な有機半導体膜を得るものである。有機半導体層の厚さは数10 nm程度が都合よく、これより厚くなると結晶が厚くなりすぎるなどの問題が生じる。ただし、100 nm以上でもプロセス自体は可能なので、必ずしも数10 nmを厚さの上限とするものではない。高分子層は10〜200 nm程度なら厚ければ厚いほど溶媒蒸気アニールの効果が高くなるが、あまり厚くなりすぎると逆に溶媒を取り込みすぎるため、結晶が流れてしまう等の問題が生じる。   In the formation of an organic semiconductor film, the present invention forms a two-layer structure of a polymer and an organic semiconductor, and a solvent vapor annealing method is applied thereto, thereby obtaining an organic semiconductor film having good crystallinity. . The thickness of the organic semiconductor layer is conveniently about several tens of nanometers, and if it is thicker than this, problems such as crystals becoming too thick arise. However, since the process itself is possible even at 100 nm or more, the upper limit of the thickness is not necessarily several tens of nm. If the polymer layer is about 10 to 200 nm thicker, the thicker the film, the higher the effect of solvent vapor annealing. However, if the polymer layer is too thick, the solvent will be taken in too much, causing problems such as crystal flow.

溶媒蒸気アニール処理を行う以上、当該処理で使用する溶媒に対して有機半導体は当然溶解する必要があるが、高分子も同じ溶媒に対して溶解性を有するものを使用する必要がある。具体的には本発明において溶媒蒸気アニール処理に使用する溶媒に対する高分子の溶解度は1 mg/mL以上であることが好ましい。   As long as the solvent vapor annealing treatment is performed, the organic semiconductor must naturally be dissolved in the solvent used in the treatment, but the polymer must be soluble in the same solvent. Specifically, the solubility of the polymer in the solvent used for the solvent vapor annealing treatment in the present invention is preferably 1 mg / mL or more.

高分子層−有機半導体の二層構造を作製するに当たっては適切な方法を適宜使用すればよく、特定の方法に限定する必要はない。非限定的な例示を行えば、基板上に高分子膜をスピンコートし、その上に真空昇華法等によって有機半導体膜を蒸着することで二層構造を実現しても良い。   In producing the two-layer structure of polymer layer-organic semiconductor, an appropriate method may be used as appropriate, and it is not necessary to limit to a specific method. As a non-limiting example, a two-layer structure may be realized by spin-coating a polymer film on a substrate and depositing an organic semiconductor film thereon by a vacuum sublimation method or the like.

あるいは、層分離法を使用することにより、この二層構造を一段階で形成することもできる。ここで層分離法による二層構造作成法を説明すれば、最初に高分子と半導体の層分離構造を形成する。具体的には、分子量が1000程度以上の高分子と、低分子有機半導体を同時に溶媒に溶解させ、基板上にスピンコートなどの方法で塗布すると、両者の分子量の違いによって、高分子リッチな層と低分子半導体リッチな層に分離する。このような層分離プロセスで形成される両層の界面は非常にスムースになる。   Alternatively, this two-layer structure can be formed in one step by using a layer separation method. Here, a method for creating a two-layer structure by a layer separation method will be described. First, a layer separation structure of a polymer and a semiconductor is formed. Specifically, when a polymer having a molecular weight of about 1000 or more and a low molecular organic semiconductor are simultaneously dissolved in a solvent and applied onto a substrate by a method such as spin coating, a polymer-rich layer is formed due to the difference in molecular weight between the two. And separate into a low molecular semiconductor rich layer. The interface between the two layers formed by such a layer separation process becomes very smooth.

なお、層分離法による上記二層構造の形成については、例えば、非特許文献3ではTIPS-Pentaceneとpoly(a-methylstylene)を混合して塗布することで生じる層分離現象を利用して、有機FETの特性と均一性を向上したことが報告されている。   As for the formation of the above two-layer structure by the layer separation method, for example, in Non-Patent Document 3, an organic layer is utilized by utilizing a layer separation phenomenon that occurs when TIPS-Pentacene and poly (a-methylstylene) are mixed and applied. It has been reported that FET characteristics and uniformity have been improved.

二層構造に形成された薄膜に対して溶媒蒸気アニールを行うと、有機半導体分子は高分子層の上を移動して薄膜が再構成される。その結果、粒界の少ない薄膜や、有機半導体単結晶を基板の上に形成することができる。   When solvent vapor annealing is performed on a thin film formed in a two-layer structure, organic semiconductor molecules move on the polymer layer to reconfigure the thin film. As a result, a thin film with few grain boundaries or an organic semiconductor single crystal can be formed on the substrate.

ここで、溶媒蒸気アニールについて説明する。溶媒蒸気アニールは試料を溶媒の蒸気で飽和した環境に曝すことによって行われる。その結果起こる機能材料の再構成はデポジットされた層の部分的な再溶解に起因するのであるが、これが分子再配置の誘因となって材料のモルフォロジーを改善する。   Here, the solvent vapor annealing will be described. Solvent vapor annealing is performed by exposing the sample to an environment saturated with solvent vapor. The resulting functional material reorganization is due to partial remelting of the deposited layer, which triggers molecular rearrangement and improves the material morphology.

たとえば、非特許文献1においては、Triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES ADT)薄膜に対して溶媒蒸気アニールを行うことで、薄膜が結晶化して有機FETの特性が向上したことが報告されている。また、非特許文献2でも、同じく溶媒蒸気アニールによる有機薄膜の結晶化と有機FETへの応用が説明されている。   For example, Non-Patent Document 1 reports that by performing solvent vapor annealing on a triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES ADT) thin film, the thin film crystallizes and the characteristics of the organic FET are improved. Non-Patent Document 2 also describes crystallization of an organic thin film by solvent vapor annealing and application to an organic FET.

一般に、蒸気中の溶媒濃度が高い方が好ましい。これを達成するためには、溶解性が高く、蒸気圧の高い溶媒を使用したり、温度調節を行うことで達成することができる(非特許文献11、15、16)。しかしながら、溶媒蒸気アニールは溶媒−基板間、分子−溶媒間、また分子−基板間の複雑な相互作用であり(非特許文献16)、その解析には多くの困難を伴う。これまで無機基板上での蒸気アニールについては重要な研究がなされてきたが、有機物基板上についてはそのような研究は非常に遅れていた。   In general, a higher solvent concentration in the vapor is preferred. In order to achieve this, it can be achieved by using a solvent having high solubility and high vapor pressure, or by adjusting the temperature (Non-Patent Documents 11, 15, and 16). However, the solvent vapor annealing is a complicated interaction between the solvent and the substrate, between the molecule and the solvent, and between the molecule and the substrate (Non-patent Document 16), and its analysis involves many difficulties. So far, significant research has been conducted on vapor annealing on inorganic substrates, but such research on organic substrates has been very delayed.

本願発明者は、溶媒蒸気アニール処理において、有機物基板として作用する層(具体的には高分子の層。以下高分子基板とも称する)がこの溶媒に良好な溶解性を有する場合に分子の運動性を劇的に増大させ、これによってC8-BTBT等の有機半導体の単結晶形成が促進されることを見いだした。すなわち、本願発明者の検討の結果、有機半導体膜の結晶性と溶媒−高分子基板間の親和性との相関性が見いだされた。本発明における結晶化プロセスにおいては、溶媒蒸気アニール処理を行う溶媒への高分子基板の溶解度は、無機質である不溶性の基板の場合には決定的な要因であった極性や沸点(非特許文献14、15を参照)よりも重要である。この一般的な方法は、混和性のある任意の高分子基板と溶媒蒸気アニール処理溶媒とを使用して基板上に直接的に有機単結晶を作製するために使用可能である。   The inventor of the present application uses molecular mobility when a layer (specifically, a polymer layer, hereinafter also referred to as a polymer substrate) acting as an organic substrate has a good solubility in the solvent in the solvent vapor annealing process. It has been found that this increases the formation of single crystals of organic semiconductors such as C8-BTBT. That is, as a result of the study by the present inventors, a correlation between the crystallinity of the organic semiconductor film and the affinity between the solvent and the polymer substrate was found. In the crystallization process of the present invention, the solubility of the polymer substrate in the solvent subjected to the solvent vapor annealing treatment is determined by the polarity and boiling point (non-patent document 14), which are decisive factors in the case of an inorganic insoluble substrate. , 15). This general method can be used to make organic single crystals directly on a substrate using any miscible polymeric substrate and solvent vapor annealing solvent.

なお、以下に説明する実施例においては、有機半導体としてC8-BTBTを中心に説明しているが、本発明の効果はC8-BTBTに限られるものではなく、実験5及び実験6の結果から判るように、すべての低分子系有機半導体に対して発揮される。例えば、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物等が挙げられる。より具体的には、アセン系(TIPS-pentacene等)、チオフェン系、ペリレン系、フラーレン系、ポルフィリン系等の材料が挙げられる。有機半導体層と重ねて形成する高分子層の材料に関しても、溶媒蒸気アニールに使用する溶媒に可溶であり分子量が1000程度以上であれば、その種類は問わない。個別の物質を挙げれば、もちろんこれに限定する意図は全くないが、例えばPMMA、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、poly(4-vinylphenol) (PVP)、α-methyl polystyrene (PαMS)等が使用できる。溶媒蒸気アニールに用いる溶媒に関しても、種類によって効果の大小はあるが、その種類を問わない。溶媒蒸気アニールに用いる溶媒としては、有機半導体と高分子材料分子双方が当該溶媒に可溶であることが条件なので、具体的にはトルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロホルム、テトラヒドロフラン(THF)、シクロヘキサン等が挙げられる。また、以下の実施例ではトップコンタクト型構造を有する有機FETを例に挙げたが、本発明の効果はチャネル領域の結晶性向上であり、従って本質的に有機デバイスの種類や構造は効果の有無に関係しない。   In the examples described below, C8-BTBT is mainly described as the organic semiconductor, but the effect of the present invention is not limited to C8-BTBT, and can be understood from the results of Experiment 5 and Experiment 6. As shown, it is effective for all low molecular organic semiconductors. For example, π-electron conjugated aromatic compounds, chain compounds, organic pigments, organosilicon compounds, and the like can be given. More specifically, examples include acene (TIPS-pentacene, etc.), thiophene, perylene, fullerene, porphyrin, and the like. The material of the polymer layer formed so as to overlap with the organic semiconductor layer is not limited as long as it is soluble in the solvent used for solvent vapor annealing and has a molecular weight of about 1000 or more. Of course, there is no intention to limit this to individual substances. For example, PMMA, polystyrene, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, poly (4-vinylphenol) (PVP), α-methyl polystyrene (PαMS), etc. can be used. . The solvent used for solvent vapor annealing also has a large or small effect depending on the type, but it does not matter. As a solvent used for solvent vapor annealing, since both organic semiconductor and polymer material molecules are soluble in the solvent, specifically, toluene, xylene, tetralin, decalin, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, Examples include chloroform, tetrahydrofuran (THF), cyclohexane and the like. Further, in the following examples, an organic FET having a top contact type structure was taken as an example. However, the effect of the present invention is to improve the crystallinity of the channel region. Therefore, the type and structure of the organic device essentially has no effect. It doesn't matter.

ここで注意すべきこととして、本発明における溶媒蒸気アニール処理には、処理対象の二層構造の向きは影響しないという点がある。以下で説明する実施例からも判るように、二層構造の表面を下向きにして溶媒蒸気を与える実験(例えば、[実験条件等]の中の「○結晶成長と測定」におけるペトリ皿のカバーへの試料の貼付け態様を参照)と当該表面をその反対の上向きにして溶媒蒸気を与える実験(例えば、同じ箇所中の動画撮影のための試料設置態様を参照)の両者を行ったが、結果は同じであった。また、具体的には説明しないが、試料を縦置き(つまり、溶媒蒸気に曝される表面が垂直になるように置く)にした場合でも溶媒蒸気アニールの結果への影響はないことが確認された。   It should be noted that the direction of the two-layer structure to be processed does not affect the solvent vapor annealing process in the present invention. As can be seen from the examples described below, to the cover of the Petri dish in “○ Crystal growth and measurement” in an experiment (for example, [Experimental conditions etc.]) in which solvent vapor is applied with the surface of the two-layer structure facing downward. The sample was attached to the sample), and the experiment was carried out by applying the solvent vapor with the surface facing upward (for example, see the sample installation for video recording in the same location). It was the same. Although not specifically explained, it has been confirmed that there is no influence on the result of the solvent vapor annealing even when the sample is placed vertically (that is, the surface exposed to the solvent vapor is placed vertically). It was.

更には、溶媒蒸気アニール処理対象の二層構造における高分子層と有機半導体層の順序は処理結果には影響しないことがわかった。即ち、以下の実験では基板側に高分子膜を、その上に有機半導体膜を形成することで、試料表面に有機半導体が現れている状態で溶媒蒸気アニール処理を行った。しかし、この積層順序を逆にして、先ず有機半導体膜を基板上に先ず形成し、その上に溶媒蒸気アニール処理に使用する溶媒に可溶の高分子の膜を形成したものに対して溶媒蒸気アニール処理を施すと、驚くべきことに処理中にこの積層順序が逆転し、基板側には高分子膜が、表面側には結晶性の良好な(大きな単結晶が成長した)有機半導体膜が形成されている二層構造が得られた。この現象は、溶媒蒸気アニールとともに、当該処理によって与えられた溶媒が引き起こす層分離が並行して作用した結果であると考えられる。   Furthermore, it was found that the order of the polymer layer and the organic semiconductor layer in the two-layer structure subject to the solvent vapor annealing treatment does not affect the treatment result. That is, in the following experiment, the polymer vapor film was formed on the substrate side, and the organic semiconductor film was formed thereon, so that the solvent vapor annealing treatment was performed in a state where the organic semiconductor appeared on the sample surface. However, by reversing the stacking order, first, an organic semiconductor film is first formed on a substrate, and a solvent vapor-soluble polymer film formed thereon is formed with a solvent vapor. Surprisingly, when the annealing process is performed, the stacking order is reversed during the process, and a polymer film is formed on the substrate side, and an organic semiconductor film having a good crystallinity (a large single crystal is grown) is formed on the surface side. A formed two-layer structure was obtained. This phenomenon is considered to be the result of the layer separation caused by the solvent given by the treatment in parallel with the solvent vapor annealing.

[実験1]
以下に示すようにして、従来技術の方法(比較例1及び2)及び本発明の方法に従って有機半導体薄膜を製膜し、これらの膜を比較した。
[Experiment 1]
As shown below, organic semiconductor thin films were formed according to the conventional method (Comparative Examples 1 and 2) and the method of the present invention, and these films were compared.

高ドープシリコンウエハの表面に、50 nmのシリコン酸化膜を形成したものを基板として用いて、その上に本発明の実施例に従って有機半導体薄膜を形成した。ここで、実験2において高ドープシリコンはゲート電極、シリコン酸化膜はゲート絶縁層として働く。C8-BTBT(日本化薬株式会社)およびPMMA(米国のSigma-Aldrich Corporation)を1:1の割合でクロロベンゼンに溶解させ、2 wt%の溶液とした。この溶液を基板上にスピンコートすることにより、分子量の違いによってC8-BTBTとPMMAが層分離し、下層にPMMA、上層にC8-BTBTの2層構造を形成した。その偏光顕微鏡写真を図3のa)に示す。更に基板を室温のクロロホルムの蒸気によって120分間溶媒蒸気アニールすると、C8-BTBTが基板上で自己組織化的に集合し、図3のb)に示すように、針状の単結晶を形成した。   An organic semiconductor thin film was formed on a highly doped silicon wafer having a silicon oxide film of 50 nm formed thereon as a substrate, according to an embodiment of the present invention. Here, in Experiment 2, the highly doped silicon functions as a gate electrode, and the silicon oxide film functions as a gate insulating layer. C8-BTBT (Nippon Kayaku Co., Ltd.) and PMMA (Sigma-Aldrich Corporation, USA) were dissolved in chlorobenzene at a ratio of 1: 1 to obtain a 2 wt% solution. By spin coating this solution on a substrate, C8-BTBT and PMMA were separated into layers by the difference in molecular weight, and a two-layer structure of PMMA in the lower layer and C8-BTBT in the upper layer was formed. The polarization micrograph is shown in FIG. Further, when the substrate was subjected to solvent vapor annealing for 120 minutes with chloroform vapor at room temperature, C8-BTBT gathered in a self-organized manner on the substrate, and a needle-like single crystal was formed as shown in FIG.

これに対して、比較例2として、同じ基板に対して同量のC8-BTBTを溶解したクロロベンゼン溶液を上と同じ条件でスピンコートすることにより形成されたC8-BTBT単層膜の偏光顕微鏡写真を図1のa)に示す。更に、この基板を上と同じ条件下でクロロホルムの蒸気によって120分間溶媒蒸気アニールした結果の偏光顕微鏡写真を図1のb)に示す。   On the other hand, as Comparative Example 2, a polarizing micrograph of a C8-BTBT monolayer film formed by spin-coating a chlorobenzene solution in which the same amount of C8-BTBT is dissolved on the same substrate under the same conditions as above. Is shown in FIG. Further, FIG. 1 b) shows a polarization micrograph of the result of solvent vapor annealing for 120 minutes with chloroform vapor under the same conditions as above.

更に、比較例2として、同じ基板に対して先ずPMMA薄膜をスピンコートによって形成し、その上に比較例1と同じ条件でC8-BTBT薄膜を形成した。この偏光顕微鏡写真を図2のa)に示す。その後、上と同じ条件下でクロロホルムの蒸気によって120分間溶媒蒸気アニールした結果の偏光顕微鏡写真を図2のb)に示す。   Furthermore, as Comparative Example 2, a PMMA thin film was first formed on the same substrate by spin coating, and a C8-BTBT thin film was formed thereon under the same conditions as in Comparative Example 1. This polarized light micrograph is shown in FIG. Thereafter, a polarizing micrograph of the result of solvent vapor annealing with chloroform vapor for 120 minutes under the same conditions as above is shown in FIG. 2 b).

本発明に従った実験例と比較例1,2、とりわけ夫々の120分間の溶媒蒸気アニール後の偏光顕微鏡を比較すると、比較例1,2における有機半導体結晶は本発明によるものよりもはるかに小さいことがわかる(図3のb)の写真の倍率が図1のb)及び図2のb)のそれのほぼ半分であることに注意されたい)。本発明の方法による有機半導体結晶の方がはるかに大きいだけではなく、これらの写真を比較すれば直ちにわかるように、結晶の形状も本発明によるものの方がはるかに整っており、その内部のディスオーダーが少ないことを示している。   Comparing the experimental example according to the present invention with comparative examples 1 and 2, in particular the polarization microscope after each 120 minute solvent vapor anneal, the organic semiconductor crystals in comparative examples 1 and 2 are much smaller than those according to the present invention. It can be seen (note that the magnification of the photograph in FIG. 3b) is approximately half that of b) in FIG. 1 and b) in FIG. Not only is the organic semiconductor crystal according to the method of the present invention much larger, but as can be readily seen by comparing these photographs, the crystal shape is much better according to the present invention, and its internal disc It shows that there are few orders.

図4のa)に示す偏光顕微鏡写真は、図3のb)と同じ方法によって形成した有機半導体膜の表面の中央部を掻き取ることによって下層のPMMAが現れている様子を示している。また、この写真の左側の部分には薄膜の形成を行っていないため、基板表面のSiO2が露出している。この表面の表面高さを図中の白い破線矢印で示す線に沿って測定した結果を図3のb)に示す。特にC8-BTBTを掻き取った領域(すなわちPMMAが露出している領域)は、この処理の性質上、表面の荒れが大きいが、それでもC8-BTBT層とPMMA層の厚さが夫々約50 nm、約50〜60 nmであることが判る。   The polarization micrograph shown in a) of FIG. 4 shows a state in which the lower layer PMMA appears by scraping the central portion of the surface of the organic semiconductor film formed by the same method as in b) of FIG. In addition, since no thin film is formed on the left portion of this photograph, SiO2 on the substrate surface is exposed. The result of measuring the surface height of this surface along the line indicated by the white dashed arrow in the figure is shown in FIG. In particular, the area where C8-BTBT is scraped (ie, the area where PMMA is exposed) is rough due to the nature of this treatment, but the thickness of the C8-BTBT layer and PMMA layer is still about 50 nm. , About 50-60 nm.

更に、本発明に従って有機半導体薄膜を形成する場合の溶媒蒸気アニール時間を変化させた場合に形成される有機半導体薄膜がどのように変化するかを調べた。図3の場合と同じ条件で、溶媒蒸気アニール時間を3分間、5分間、15分間、25分間、40分間、120分間とした結果の有機半導体薄膜の偏光顕微鏡写真を図5のa)〜f)に夫々示す。これらの写真から判るように、この範囲では120分間の溶媒蒸気アニールを行った有機半導体薄膜が、より大きな有機半導体単結晶が出来上がり、またその単結晶の形状が整っている点で、最良であることがわかった。   Furthermore, it was investigated how the organic semiconductor thin film formed changes when the solvent vapor annealing time is changed in forming the organic semiconductor thin film according to the present invention. Polarized micrographs of the organic semiconductor thin films obtained under the same conditions as in FIG. 3 and with the solvent vapor annealing time of 3 minutes, 5 minutes, 15 minutes, 25 minutes, 40 minutes, and 120 minutes are shown in FIGS. ) Respectively. As can be seen from these photographs, the organic semiconductor thin film that has been subjected to solvent vapor annealing for 120 minutes is the best in this range because a larger organic semiconductor single crystal is completed and the shape of the single crystal is in order. I understood it.

また、図5のg)は溶媒蒸気アニールで形成したC8-BTBT単結晶のAFM像であり、同図のh)は同じく針状結晶の先端部を拡大したAFM像であり、結晶のファセット面が観察できる。図5のi)は同図のg)中のC8-BTBT単結晶を中央やや右よりの左上から右下への白線に沿って切断した場合の断面形状を示す。   Fig. 5g) is an AFM image of a C8-BTBT single crystal formed by solvent vapor annealing, and Fig. 5h) is an AFM image obtained by enlarging the tip of the needle-like crystal. Can be observed. FIG. 5 i) shows a cross-sectional shape of the C8-BTBT single crystal in g) of FIG. 5 cut along the white line from the upper left to the lower right from the center slightly right.

[実験2]
実験1で本発明の方法に従って形成した有機半導体薄膜を使用して、有機半導体素子の例として有機電界効果トランジスタ(FET)を作製し、その特性を評価した。
[Experiment 2]
Using the organic semiconductor thin film formed according to the method of the present invention in Experiment 1, an organic field effect transistor (FET) was produced as an example of the organic semiconductor element, and its characteristics were evaluated.

すなわち、図3のb)と同じ条件で形成された有機半導体薄膜上に、さらにソース・ドレイン電極として15 nmの酸化モリブデンと50 nmの金を真空蒸着し、電極間に2つ以上の結晶が存在する場合はレーザーでパターンする(切断する)ことにより、単一の結晶をチャネルとする有機FETを形成した。実験1において個々の単結晶が非常に大きくまた夫々良好な結晶性を有していることから、複数の結晶が直列に接続された形態のチャネルであっても従来の有機半導体膜を使用して作製した有機FETよりも良好な特性を示すことが予測される。しかし、単一の単結晶からなるチャネルの方が、結晶粒界がないためにより良好な特性を示すはずなので、このような構成の有機FETで測定を行った。なお、レーザーで切断を行うことによって複数の単結晶が並列に並ばないようにしたのは、単一の有機半導体単結晶チャネルの特性を測定しようとしたからである。   That is, 15 nm of molybdenum oxide and 50 nm of gold are further vacuum-deposited as source / drain electrodes on the organic semiconductor thin film formed under the same conditions as in b) of FIG. 3, and two or more crystals are formed between the electrodes. If present, the organic FET having a single crystal channel was formed by patterning (cutting) with a laser. In Experiment 1, each single crystal is very large and has good crystallinity. Therefore, a conventional organic semiconductor film is used even in a channel in which a plurality of crystals are connected in series. It is expected to show better characteristics than the fabricated organic FET. However, a channel consisting of a single single crystal should show better characteristics because there is no grain boundary, so measurement was performed with an organic FET having such a configuration. The reason why the plurality of single crystals are not arranged in parallel by cutting with a laser is that the characteristics of a single organic semiconductor single crystal channel are to be measured.

このようにして作製した有機FETの模式図を図6のa)に示す。また、実際に形成された有機FETのソース電極とドレイン電極との間のチャネル領域領域の顕微鏡写真を図6のb)に示す。この顕微鏡写真で左側の白の破線で囲まれた部分がレーザーによって切断された結晶を示している。また、その右側に斜めに走っている帯状部がC8-BTBTの単結晶である。また、図6のc)は単結晶有機FETのドレイン電流−ゲート電圧特性を示すグラフである。ここで、このグラフ上の左右方向の矢印は、その根元のカーブの縦軸の目盛りがグラフの左右どちら側にあるかを示す。   A schematic diagram of the organic FET fabricated in this way is shown in FIG. Also, a micrograph of the channel region region between the source electrode and the drain electrode of the organic FET actually formed is shown in FIG. In this micrograph, the portion surrounded by the white broken line on the left side shows a crystal cut by a laser. The strip running diagonally to the right is a C8-BTBT single crystal. FIG. 6 c) is a graph showing the drain current-gate voltage characteristics of the single crystal organic FET. Here, the left and right arrows on the graph indicate on the left or right side of the graph the scale of the vertical axis of the base curve.

作製した有機FETの電気測定を真空中にて行った結果、平均で3.0 cm2/V s、最高で9.1 cm2/V sの移動度を得た。いくつかの素子について移動度の温度依存性を評価した結果、300 Kで3 cm2/V s程度の移動度であったものが80 Kにおいて9 cm2/V s程度まで上昇という通常の有機半導体とは逆の温度特性を示し、バンド的な伝導によるキャリア輸送を示唆した。図7のa)は作製した単結晶有機FETの300 Kにおける移動度の分布を示すヒストグラム、同図b)は同じFETのしきい電圧の分布を示すヒストグラムである。また、図8のa)は作製した単結晶有機FETのドレイン電流−ゲート電圧特性の温度依存性を示すグラフ、同図b)は同じFETの移動度としきい電圧の温度依存性を示すグラフである。図8のb)において、白丸と黒丸は夫々温度下降過程、温度上昇過程で測定された移動度、白い正方形と黒い正方形はそれぞれ温度下降過程、温度上昇過程で測定された閾値電圧を表す。図8のb)において閾値電圧が温度に対して一定であることから、結晶中の電荷輸送を妨げるトラップ準位が非常に少ないことがわかる。 As a result of electrical measurement of the fabricated organic FET in a vacuum, a mobility of 3.0 cm 2 / V s on average and a maximum of 9.1 cm 2 / V s were obtained. As a result of evaluating the temperature dependence of the mobility of several devices, it was about 3 cm 2 / V s at 300 K, but it increased to about 9 cm 2 / V s at 80 K. The temperature characteristics were opposite to those of semiconductors, suggesting carrier transport by band conduction. FIG. 7 a) is a histogram showing the mobility distribution of the fabricated single crystal organic FET at 300 K, and FIG. 7 b) is a histogram showing the threshold voltage distribution of the same FET. 8a) is a graph showing the temperature dependence of the drain current-gate voltage characteristics of the fabricated single crystal organic FET, and FIG. 8b) is a graph showing the temperature dependence of the mobility and threshold voltage of the same FET. is there. In FIG. 8 b), white circles and black circles represent the mobility measured in the temperature lowering process and the temperature rising process, respectively, and white squares and black squares represent the threshold voltages measured in the temperature lowering process and the temperature rising process, respectively. In FIG. 8 b), the threshold voltage is constant with respect to the temperature, so it can be seen that there are very few trap levels that hinder charge transport in the crystal.

[実験3]
以下では、良好な結晶性を有する有機半導体膜を形成する条件、とりわけ溶媒蒸気アニール処理についての条件を更に検討するために行った実験の結果を説明する。なお、実験3以降の詳細な条件については本明細書の末尾近くで別途説明する。
[Experiment 3]
Hereinafter, the results of experiments conducted to further examine the conditions for forming an organic semiconductor film having good crystallinity, particularly the conditions for the solvent vapor annealing treatment will be described. Detailed conditions after Experiment 3 will be described separately near the end of this specification.

基板として働く3種類の高分子層上にC8-BTBT層を設けたものに3種類の溶媒による溶媒蒸気アニール処理を施した場合の、9通りの組合せの夫々のC8-BTBTの単結晶化の程度を図9に示す。   When C8-BTBT layer is provided on three kinds of polymer layers that serve as substrates and solvent vapor annealing treatment with three kinds of solvents is applied, single combinations of nine combinations of C8-BTBT are obtained. The degree is shown in FIG.

図9に示す実験においては、PVP、PMMA及びPαMSの3種類の高分子を使用し、各々の高分子層上に真空昇華法によりC8-BTBT膜を形成した。このようにして形成された高分子−C8-BTBT二層構造の試料に対して、THF、クロロホルム及びシクロヘキサンの3種類の有機溶媒によって溶媒蒸気アニール処理を施した。図9に示す写真は、夫々その列方向(つまり上側)に位置する高分子を使用した二層構造の試料に対してその行方向(つまり左側)に位置する溶媒による溶媒蒸気アニール処理を15時間行った結果を示す偏光顕微鏡写真である。例えば、図中の(d)はPVP基板上にC8-BTBT膜を形成した試料をクロロホルム蒸気で15時間溶媒蒸気アニール処理した結果を示す。   In the experiment shown in FIG. 9, three types of polymers, PVP, PMMA, and PαMS, were used, and a C8-BTBT film was formed on each polymer layer by vacuum sublimation. The polymer-C8-BTBT bilayer sample thus formed was subjected to a solvent vapor annealing treatment with three kinds of organic solvents such as THF, chloroform and cyclohexane. The photograph shown in FIG. 9 shows that the sample of the two-layer structure using the polymer positioned in the column direction (that is, the upper side) is subjected to the solvent vapor annealing treatment with the solvent positioned in the row direction (that is, the left side) for 15 hours. It is a polarizing microscope photograph which shows the result. For example, (d) in the figure shows the result of solvent vapor annealing treatment of a sample in which a C8-BTBT film is formed on a PVP substrate with chloroform vapor for 15 hours.

ここで使用した3種類の高分子の基板は全てその表面が疎水性であり、また3種類の溶媒全てが、40 ℃以上に昇温したときC8-BTBTを良く溶解する(約1.5 wt%)。従って、溶媒の蒸気圧と相対極性度(relative polarity)(表1の極性指数に対応)、並びに溶媒に対する高分子の溶解性が、溶媒蒸気アニールによる単結晶化の有無を左右する要因として検討すべきものとして残された。図9から明らかなように、組合せ(a)、(b)、(c)、(e)、(f)及び(i)では溶媒蒸気アニールを行うことによってC8-BTBTの単結晶の成長が観測されたが、それ以外の組合せでは単結晶の成長は見られなかった。これらの結果を、上に挙げた単結晶化が起こるか否かに影響する要因の候補と共に整理したものを表1に示す。   The three polymer substrates used here are all hydrophobic on the surface, and all three solvents dissolve C8-BTBT well when heated to 40 ° C or higher (approximately 1.5 wt%). . Therefore, the vapor pressure and relative polarity of the solvent (corresponding to the polarity index in Table 1) and the solubility of the polymer in the solvent should be considered as factors that determine the presence or absence of single crystallization by solvent vapor annealing. It was left as a kimono. As is clear from FIG. 9, in the combinations (a), (b), (c), (e), (f) and (i), the growth of C8-BTBT single crystals was observed by performing solvent vapor annealing. However, no single crystal growth was observed in other combinations. Table 1 shows a summary of these results together with candidate factors that influence whether or not single crystallization occurs.

表1において、図9との対応を取りやすくするため、溶媒及び高分子の配列順は図9と同じになっている。表中、セクションAは溶媒の蒸気圧及び極性指数(polarity index)を示す。セクションBは9通りの高分子−溶媒の組合せ毎に溶媒蒸気アニーリング処理後にC8-BTBT単結晶の成長が見られたか否かを夫々○、×で示す(単結晶のサイズは問わず、単結晶が観測されれば○とした)。セクションCは、同じく9通りの組合せ毎に溶媒に高分子が可溶か否かを夫々Y、nで示す。例えば、表1のセクションBには、PVPを基板として使用した場合には、溶媒としてTHFを使用したとき単結晶が観測されたが、クロロホルムあるいはシクロヘキサンを使用したときには単結晶が見られなかったことが示されている。   In Table 1, in order to facilitate the correspondence with FIG. 9, the arrangement order of the solvent and the polymer is the same as FIG. In the table, section A shows the vapor pressure and polarity index of the solvent. Section B indicates whether or not C8-BTBT single crystals grew after solvent vapor annealing for each of the nine polymer-solvent combinations, as indicated by ○ and × (regardless of the size of the single crystal, the single crystal ) If observed. Section C also indicates whether the polymer is soluble in the solvent for each of the nine combinations by Y and n, respectively. For example, in section B of Table 1, when PVP was used as a substrate, single crystals were observed when THF was used as a solvent, but no single crystals were observed when chloroform or cyclohexane was used. It is shown.

表1において、セクションAとセクションBとを比較したとき、単結晶形成の有無と溶媒の蒸気圧あるいは極性指標との間には相関は認められなかった。なお、表1のセクションBで、PVP列が溶媒の蒸気圧の順番に関連していると見えるかもしれない。つまり、PVP列中ではその一番上にある、最大の蒸気圧を示す溶媒THFだけで単結晶が見られる。しかし、この規則性は、表1のクロロホルム、シクロヘキサンの行では成り立たない。例えば、クロロホルムはPMMAとPαMSとに対しては単結晶ができるという同じ結果を与えるが、PVPの場合にはこれらと同じ結果にはなっていない。極性の要因について検討しても、溶媒の蒸気圧と同様な不一致が現れる。例えば、PαMS基板については、非極性溶媒であるシクロヘキサンで溶媒蒸気アニール処理することで、極性溶媒であるTHF及びクロロホルムと同じくC8-BTBTの単結晶をもたらす。従って、溶媒の蒸気圧と極性の何れも、溶媒蒸気アニール処理による単結晶成長に当たって支配的な要因であるとは認められない。   In Table 1, when section A and section B were compared, no correlation was observed between the presence or absence of single crystal formation and the vapor pressure or polarity index of the solvent. Note that in Section B of Table 1, it may appear that the PVP column is related to the order of the vapor pressure of the solvent. That is, a single crystal can be seen only in the solvent THF showing the maximum vapor pressure at the top of the PVP row. However, this regularity does not hold for the chloroform and cyclohexane rows in Table 1. For example, chloroform gives the same result that single crystals can be formed for PMMA and PαMS, but not the same result for PVP. Even when the polar factor is examined, a discrepancy similar to the vapor pressure of the solvent appears. For example, a PαMS substrate is subjected to a solvent vapor annealing treatment with cyclohexane, which is a nonpolar solvent, to produce a single crystal of C8-BTBT, similar to THF and chloroform, which are polar solvents. Therefore, neither the vapor pressure nor the polarity of the solvent is recognized as a dominant factor in the single crystal growth by the solvent vapor annealing treatment.

これに対して、表1のセクションBとセクションCとを比較することにより、溶媒蒸気アニール処理における単結晶形成は、基板を構成する高分子の溶媒への溶解性に強く関連していることが判る。つまり、基板を構成する高分子が蒸気として与えられる溶媒に可溶である全ての場合に単結晶成長が見られ、他方、不溶である場合には単結晶が見られない。この相関関係により、溶媒蒸気アニール処理に使用される溶媒に可溶である基板は、恐らくはその流動性が増すために再結晶化を助けることが示唆される。溶媒蒸気アニールの研究から、溶媒の薄い層(厚さ数10 nm)が基板上に凝結し、これが表面における分子の移動の媒体となることが明らかになった(非特許文献16参照)。本願発明者が溶媒蒸気アニール処理中の試料表面を撮影した実時間動画を検討したところ、基板としてPMMAを使用した試料は早くも2分以内にC8-BTBT膜の溶解・再構成が明確に観察されたが、裸の(つまり、高分子で被覆されていない)Si/SiO2基板上にC8-BTBTを設けた試料では1時間経過した後でも再構成は全く見られなかった。これらの観察結果から、可溶のPMMAが存在することにより、PMMAがない場合に比べてクロロホルム(他の多くの溶媒でも同様だが、ここではクロロホルムを例に挙げて説明する)の取り込み量が劇的に増加することが明確に示された。高分子層に取り込まれたクロロホルムがC8-BTBT分子の表面における移動度を大幅に増大させることで、C8-BTBTが自己組織化的に再結晶化が促進された。長時間の溶媒蒸気アニール処理を行うことで、C8-BTBT結晶の平均サイズはOstwald熟成により増大し続ける(非特許文献20参照)。このプロセスは、系が熱平衡に達するまで数日間にわたって継続することがあり、溶媒蒸気アニールを行った時間に依存して結晶サイズがより大きくなる。 On the other hand, by comparing section B and section C in Table 1, the formation of single crystals in the solvent vapor annealing treatment is strongly related to the solubility of the polymer constituting the substrate in the solvent. I understand. That is, single crystal growth is observed in all cases where the polymer constituting the substrate is soluble in the solvent given as vapor, whereas no single crystal is observed when it is insoluble. This correlation suggests that a substrate that is soluble in the solvent used in the solvent vapor annealing process assists in recrystallization, possibly due to its increased fluidity. A study of solvent vapor annealing revealed that a thin layer of solvent (thickness of 10 nm) condensed on the substrate, which became a medium for the movement of molecules on the surface (see Non-Patent Document 16). The inventor of the present application examined a real-time video image of the sample surface during the solvent vapor annealing process, and the sample using PMMA as the substrate clearly observed the dissolution and reconstitution of the C8-BTBT film within 2 minutes at the earliest. However, in the sample in which C8-BTBT was provided on a bare (that is, not coated with a polymer) Si / SiO 2 substrate, no reconstruction was observed even after 1 hour. From these observations, the presence of soluble PMMA has a dramatic effect on the amount of chloroform taken up (similar to many other solvents, but here we will use chloroform as an example) compared to the case without PMMA. Clearly increased. Chloroform incorporated into the polymer layer significantly increased the mobility of C8-BTBT molecules on the surface, which promoted recrystallization of C8-BTBT in a self-organized manner. By performing the solvent vapor annealing process for a long time, the average size of C8-BTBT crystals continues to increase due to Ostwald ripening (see Non-Patent Document 20). This process may continue for several days until the system reaches thermal equilibrium, with larger crystal sizes depending on the time of solvent vapor annealing.

有機半導体結晶成長に必要とされるところの、溶媒蒸気アニールに使用される溶媒に対する高分子の溶解度の下限を確認する実験を更に行った。具体的には、高分子に対して溶媒をマイクロピペットを用いて滴下し、高分子を完全に溶解するために必要とした溶媒の量を見積もった。例えばPVPとTHFとの組み合わせでは、PVP 53.4 mgに対してTHFを50uLずつ滴下していき、9回目ですべて溶解したため、400〜450μLの溶媒が必要であることがわかった。溶解度はポリマーの重量/溶媒の量なので、53.4×1000/450から53.4×1000/400の間ということになり、結局この場合の溶解度は118.7〜133.5 mg/mLと計算された。この実験を3種類の高分子(PVP、PMMA、PαMS)と3種類の溶媒(THF、クロロホルム、シクロヘキサン)の9通りの組合せについて行った。その測定結果を表2に示す。また、このようにして測定した溶解度と、当該高分子−溶媒組合せの場合に溶媒蒸気アニールでC8-BTBT単結晶成長が見られたか否かの実験結果とを比較対照するため、C8-BTBT単結晶成長の有無を○/×で表2の右端カラムに示す。   Further experiments were conducted to confirm the lower limit of the solubility of the polymer in the solvent used for solvent vapor annealing, which is required for organic semiconductor crystal growth. Specifically, a solvent was dropped into the polymer using a micropipette, and the amount of the solvent required to completely dissolve the polymer was estimated. For example, in the case of the combination of PVP and THF, it was found that THF was added dropwise to 53.4 mg of PVP at a time by 50 uL and dissolved in the ninth time, so that 400 to 450 μL of solvent was required. Since the solubility is the polymer weight / solvent amount, it was between 53.4 × 1000/450 and 53.4 × 1000/400, and in this case the solubility was calculated to be 118.7-133.5 mg / mL. This experiment was performed for nine combinations of three types of polymers (PVP, PMMA, PαMS) and three types of solvents (THF, chloroform, cyclohexane). The measurement results are shown in Table 2. In addition, in order to compare and contrast the solubility measured in this way with the experimental results on whether C8-BTBT single crystal growth was observed by solvent vapor annealing in the case of the polymer-solvent combination, The presence / absence of crystal growth is indicated in the rightmost column of Table 2 by ○ / ×.

なお、表2の滴下液滴数の右側に「+」記号を付している箇所(100+、50+)は、当該数値で表される回数の溶媒の滴下を行っても高分子を完全に溶解させることができなかったことを示す。また、「μL」、「mL」は夫々「マイクロリットル」、「ミリリットル」を表す。   In addition, in the part (100+, 50+) with a “+” symbol on the right side of the number of droplets dropped in Table 2, the polymer is completely removed even when the solvent is dropped the number of times indicated by the value. It was shown that it could not be dissolved. “ΜL” and “mL” represent “microliter” and “milliliter”, respectively.

表2に示される結果から、単結晶成長を起こすために必要とされる高分子の溶解度(溶媒蒸気アニールに使用される溶媒に対する溶解度)は1 mg/mL以上、より好ましくは4 mg/mL以上、更に好ましくは7 mg/mL以上であると見積もることができる。   From the results shown in Table 2, the solubility of the polymer required to cause single crystal growth (solubility in the solvent used for solvent vapor annealing) is 1 mg / mL or more, more preferably 4 mg / mL or more. More preferably, it can be estimated to be 7 mg / mL or more.

[実験4]
溶媒吸収量の増大以外に、PMMA等の高分子膜上でのC8-BTBT結晶化は、溶媒蒸気中でのPMMAの膨潤に依存している(非特許文献19参照)。図10のa)はスピンコーティングしたままの状態のPMMA膜、b)は溶媒蒸気アニール後のPMMA膜を示す位相差顕微鏡写真である。これらの写真から、クロロホルムによる溶媒蒸気アニールで処理された純粋なPMMA膜は、とりわけ基板の縁及び欠陥の周囲で大幅な膨潤を起こすことが判った。従って、溶媒蒸気アニール処理中、PMMA鎖は大きく弛緩して、その上のC8-BTBT分子と共に局所的な分布の再配置が行われ、恐らくは分子の移動及びπ−π相互作用によりもたらされる再結晶化を支援する。溶媒蒸気アニールによって単結晶が成長した試料をシクロヘキサンですすぐことでこれらの単結晶を除去すると、図10のc)の偏光顕微鏡写真に示されるように、PMMA膜上の除去された単結晶の縁の周囲の部分に高さの偏倚が見られた。更に、図10のd)に示す表面プロファイルスキャンの結果から、溶媒蒸気アニール処理中にPMMAが膨潤し、毛細管力によって膨潤したPMMAが結晶の縁を上昇したことが判った。その結果、溶解したC8-BTBT分子もまたPMMA表面と共にC8-BTBT単結晶の縁を上昇し、一般にはこの単結晶の厚みを大きくする。とりわけ、より厚いPMMA膜を使用すると、恐らくはより大きな膨潤及び上昇作用により、図10のe)に示すように、C8-BTBT単結晶はPMMA膜中に深く潜り込むことが判った。
[Experiment 4]
In addition to the increase in solvent absorption, C8-BTBT crystallization on polymer films such as PMMA depends on the swelling of PMMA in solvent vapor (see Non-Patent Document 19). FIG. 10 a) is a phase contrast photomicrograph showing the PMMA film as spin-coated and b) the PMMA film after solvent vapor annealing. From these photographs, it was found that pure PMMA films treated with solvent vapor annealing with chloroform caused significant swelling, especially around the edges and defects of the substrate. Thus, during the solvent vapor annealing process, the PMMA chains are greatly relaxed and redistributed locally with the C8-BTBT molecules above it, possibly due to molecular migration and recrystallization caused by π-π interactions. Support When these single crystals were removed by rinsing the sample on which the single crystals were grown by solvent vapor annealing with cyclohexane, the edges of the removed single crystals on the PMMA film were obtained as shown in the polarization micrograph of c) of FIG. There was a height deviation in the surrounding area. Furthermore, from the results of the surface profile scan shown in d) of FIG. 10, it was found that PMMA swelled during the solvent vapor annealing treatment, and the PMMA swollen by the capillary force raised the edge of the crystal. As a result, the dissolved C8-BTBT molecule also rises along the PMMA surface with the edge of the C8-BTBT single crystal and generally increases the thickness of this single crystal. In particular, it has been found that when a thicker PMMA film is used, the C8-BTBT single crystal is deeply embedded in the PMMA film, as shown in FIG.

一般に、同じ溶媒蒸気アニール処理条件の下では、図11に示すように、PMMA基板が厚いほど出来上がる単結晶が長くなり、また結晶深度が大きくなる。この結果から、次の結論が導き出される。すなわち、厚いPMMA層は凝結してC8-BTBT分子を溶解したクロロホルムをより多く吸収し、より大きく膨潤する。従って、熱平衡に到達するまでに、同じ量のC8-BTBT分子はより長い距離を移動し、再結晶時間がより長くなる(非特許文献16参照)。よって、C8-BTBT単結晶生成のプロセス全体は、PMMAの溶媒取込と膨潤の結果である。PMMAを更に厚くすると、図4のe)及びf)に示すように、特に長い(1 mmよりも長い)結晶が得られることがあった。しかし、一方では、溶媒アニール処理過程を撮影した動画の観察により、凝結したクロロホルムの量が増大すると、分子を溶解しすぎるため安定した結晶化が妨げられる効果が観測されることもあった。   In general, under the same solvent vapor annealing treatment conditions, as shown in FIG. 11, the thicker the PMMA substrate, the longer the resulting single crystal and the greater the crystal depth. From this result, the following conclusion can be drawn. That is, the thick PMMA layer condenses and absorbs more chloroform in which C8-BTBT molecules are dissolved, and swells more. Therefore, by the time the thermal equilibrium is reached, the same amount of C8-BTBT molecules travels a longer distance and the recrystallization time becomes longer (see Non-Patent Document 16). Thus, the entire process of C8-BTBT single crystal formation is the result of solvent uptake and swelling of PMMA. When PMMA was made thicker, particularly long crystals (longer than 1 mm) were sometimes obtained as shown in e) and f) of FIG. However, on the other hand, by observing a moving image of the solvent annealing process, when the amount of condensed chloroform is increased, an effect of preventing stable crystallization due to excessive dissolution of molecules may be observed.

[実験5]
高分子基板の溶解性がいつでも結晶形成を改善するかどうかを更に検証するため、他の3種類の有機半導体分子、具体的にはC10-BTBT、C12-BTBT(非特許文献18参照)及び6,13-bis(triisopropyl-silylethynyl) pentacene(TIPS-pentacene)(非特許文献21参照)、を使って結晶形成の追加の実験を行った。C10-BTBTとC12-BTBTはCn-BTBT類に属しているがC8-BTBTに比べてアルキル鎖が長く、従ってクロロホルムへの溶解度が低い。TIPS-pentaceneは溶解度が高くまたFET移動度が高いため、広範な研究がなされてきた。図12に示すように、PMMAあるいはPαMS膜上で溶媒蒸気アニールを行うことによって、単結晶の成長が見られた。これに対して、図13に示すように、裸のSiO2基板上の有機半導体に対して溶媒蒸気アニールを行っても、このような単結晶は得られなかった。これらの有機半導体分子を用いた場合には、C8-BTBTに比較してかなり小さな単結晶しか得られなかった。これは、クロロホルムに対する溶解度がC8-BTBTに比べて低いためと考えられる。
[Experiment 5]
In order to further verify whether the solubility of the polymer substrate always improves crystal formation, other three types of organic semiconductor molecules, specifically C10-BTBT, C12-BTBT (see Non-Patent Document 18) and 6 , 13-bis (triisopropyl-silylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene) (see Non-Patent Document 21) was used to conduct additional experiments for crystal formation. C10-BTBT and C12-BTBT belong to Cn-BTBTs, but have a longer alkyl chain than C8-BTBT, and therefore have low solubility in chloroform. TIPS-pentacene has been extensively studied due to its high solubility and high FET mobility. As shown in FIG. 12, single crystal growth was observed by performing solvent vapor annealing on the PMMA or PαMS film. On the other hand, as shown in FIG. 13, even when solvent vapor annealing was performed on the organic semiconductor on the bare SiO 2 substrate, such a single crystal was not obtained. When these organic semiconductor molecules were used, only a considerably small single crystal was obtained compared to C8-BTBT. This is probably because the solubility in chloroform is lower than that of C8-BTBT.

[実験6]
実験5により作製されたC10-BTBT単結晶を用いてボトムゲート/トップコンタクト型トランジスタを作製した。このようにして作製されたトランジスタを図14に示す。このトランジスタの伝達特性を測定したところ、電界効果移動度μFET=6.0 cm2V-1s-1を得た。
[Experiment 6]
A bottom gate / top contact transistor was fabricated using the C10-BTBT single crystal fabricated in Experiment 5. A transistor manufactured in this manner is shown in FIG. When the transfer characteristics of this transistor were measured, field effect mobility μ FET = 6.0 cm 2 V −1 s −1 was obtained.

実験5及び実験6の結果は、本発明の方法が一般の有機半導体の結晶化に適用できる高い可能性を示している。原理上、本発明の方法は、高分子基板上の他の有機半導体についても、溶媒蒸気アニールに使用する溶媒に対して基板と有機半導体の両者が可溶である限り、適用することができる。   The results of Experiment 5 and Experiment 6 show a high possibility that the method of the present invention can be applied to crystallization of a general organic semiconductor. In principle, the method of the present invention can be applied to other organic semiconductors on a polymer substrate as long as both the substrate and the organic semiconductor are soluble in the solvent used for solvent vapor annealing.

[実験条件等]
実験3以降の実験は以下のようにして行った。
[Experimental conditions]
Experiments after Experiment 3 were performed as follows.

○基板の準備
特段の記載のない限り、全ての実験プロセスは大気中で行った。Si/SiO2層は、脱イオン水、アセトン、及びイソプロパノール中で順番に夫々5分間の超音波洗浄を施し、UVオゾンで5分間処理することで清浄化した。この基板上への高分子コーティングは、多様な濃度の、PMMA(Fluka、Mw: 10,000)のクロロベンゼンまたはアニソール溶液、PVP(Sigma-Aldrich Corporation製、Mw: 25,000)のクロロホルム溶液、またはPαMS(Fluka、Mw: 10,000)のトルエン溶液をSi/SiO2層の上にスピンコートすることによって行い、40 nm〜210 nmの厚さの高分子膜を形成した。
○ Preparation of substrate Unless otherwise specified, all experimental processes were performed in the atmosphere. The Si / SiO 2 layer was cleaned by ultrasonic cleaning for 5 minutes each in deionized water, acetone and isopropanol, followed by treatment with UV ozone for 5 minutes. Polymer coatings on this substrate are available in various concentrations of PMMA (Fluka, Mw: 10,000) in chlorobenzene or anisole, PVP (Sigma-Aldrich Corporation, Mw: 25,000) in chloroform, or PαMS (Fluka, A Mw: 10,000) toluene solution was spin-coated on the Si / SiO 2 layer to form a polymer film having a thickness of 40 nm to 210 nm.

○結晶成長と測定
C8-BTBT(日本化薬株式会社製)を各種の基板上に真空蒸着(40 nm、0.3 Å/s、<3×10-4 Par)またはスピンコート(1〜2 wt%クロロベンゼン又はアニソール溶液、2000 rpm、40秒間)した。TIPS-pentacene(Sigma-Aldrich Corporation製)膜はトルエン溶液のスピンコーティングにより形成した。溶媒蒸気アニール処理については、クロロホルムが半分入ったペトリ皿を覆うペトリ皿カバーに、試料の上面を下に向けた状態でテープで貼り付けた。同一の溶媒を使用した実験間での比較のため、全ての試料を同じサイズとして一つのペトリ皿内に収容することで、同じ蒸気圧の下での実験となるようにした(非特許文献22参照)。溶媒蒸気アニール処理中の蒸気圧が溶媒表面と試料との間の距離の影響を受けることがあるため、実験開始時にこの距離が試料間でほぼ同一となるようにした。各種の厚さのPMMA上での単結晶の成長を比較するため、各種の濃度のPMMA溶液をスピンコートして180 ℃で2分間アニールし、その後、これらのPMMA膜の上に同じC8-BTBT溶液(1 w%のアニソール溶液)をスピンコートした。実時間の動画撮影のため、試料をペトリ皿底部のガラススライド上に設置し、これを石英片(フルウチ化学製、0.3 mm厚さ)で覆った後、この構成全体を顕微鏡下に置いた。動画撮影と結晶長測定は、VHX-1000ディジタル顕微鏡(株式会社キーエンス製)により行った。結晶深度測定はP-16+スタイラスプロファイラ(KLA-Tencor)を使用し、図11(g)のグラフ中の各ドットは10回を越える測定結果の値を平均したものである。
-Crystal growth and measurement
C8-BTBT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) is vacuum-deposited (40 nm, 0.3 Å / s, <3 × 10 -4 Par) or spin coat (1-2 wt% chlorobenzene or anisole solution, 2000 rpm for 40 seconds). A TIPS-pentacene (Sigma-Aldrich Corporation) film was formed by spin coating of a toluene solution. For the solvent vapor annealing treatment, the sample was attached to a Petri dish cover covering a Petri dish containing half of chloroform with a tape with the upper surface of the sample facing down. For comparison between experiments using the same solvent, all the samples were accommodated in one Petri dish with the same size, so that the experiment was performed under the same vapor pressure (Non-patent Document 22). reference). Since the vapor pressure during the solvent vapor annealing process may be affected by the distance between the solvent surface and the sample, this distance was set to be approximately the same between the samples at the start of the experiment. In order to compare the growth of single crystals on various thicknesses of PMMA, PMMA solutions with various concentrations were spin-coated and annealed at 180 ° C for 2 minutes, and then the same C8-BTBT on these PMMA films. The solution (1 w% anisole solution) was spin coated. For real-time video recording, the sample was placed on a glass slide at the bottom of the Petri dish, covered with a piece of quartz (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd., 0.3 mm thickness), and then the entire configuration was placed under a microscope. Movie shooting and crystal length measurement were performed with a VHX-1000 digital microscope (manufactured by Keyence Corporation). The crystal depth measurement uses a P-16 + stylus profiler (KLA-Tencor), and each dot in the graph of FIG. 11 (g) is an average of the values of measurement results exceeding 10 times.

○FETの製造と測定
50 nmのSiO2層を有する高ドープn型(100)シリコンウエハーを上述のように清浄化し、PMMAおよびC8-BTBTの各層を形成後、溶媒蒸気アニールによって単結晶を得た。ソース電極及びドレイン電極は、真空中(< 4×10-4 Par)でシャドーマスクを介して酸化モリブデンと金とを蒸着(15/50 nm、0.4 Å/s)することによって作製した。FETの特性測定は、Agilent 4156C半導体パラメーターアナライザーを使用して大気中で行った。チャネル長(L)及び幅(W)の測定は、カラー三次元レーザー走査顕微鏡(株式会社キーエンス製、VK9510)を使用して行った。μFET及びVthは、飽和領域の伝達特性から、Id=(W/(2L))CiμFET(Vg-Vth)2によって求めた。キャパシタンス−電圧測定によって測定した絶縁層のCi(単位面積当たりのキャパシタンス)は、C10-BTBT試料の場合、50 Hzにおいて40 nFcm-2であった。
○ FET manufacturing and measurement
A highly doped n-type (100) silicon wafer having a 50 nm SiO 2 layer was cleaned as described above, and after forming each layer of PMMA and C8-BTBT, a single crystal was obtained by solvent vapor annealing. The source electrode and the drain electrode were produced by vapor-depositing molybdenum oxide and gold (15/50 nm, 0.4 s / s) through a shadow mask in vacuum (<4 × 10 −4 Par). The FET characteristics were measured in the atmosphere using an Agilent 4156C semiconductor parameter analyzer. The channel length (L) and width (W) were measured using a color three-dimensional laser scanning microscope (manufactured by Keyence Corporation, VK9510). μ FET and V th were obtained by I d = (W / (2L)) C i μ FET (V g −V th ) 2 from the transfer characteristics in the saturation region. The C i (capacitance per unit area) of the insulating layer measured by capacitance-voltage measurement was 40 nFcm −2 at 50 Hz for the C10-BTBT sample.

以上説明したように、従来に比べてキャリアの移動度の高い有機半導体膜、及びそれを利用した有機半導体素子を提供することができるので、有機FET、有機LED、太陽電池を含む広い応用分野での有機半導体の実用化を促進することができる。   As described above, since an organic semiconductor film having higher carrier mobility than the conventional one and an organic semiconductor element using the same can be provided, it can be used in a wide range of applications including organic FETs, organic LEDs, and solar cells. The practical application of organic semiconductors can be promoted.

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Claims (7)

以下のステップを含む有機半導体薄膜形成方法。
(a)高分子の層を基板上に形成する。
(b) 前記高分子の層が形成された後、その上に有機半導体の層を形成することにより、二層構造を基板上に形成する。
(c)前記二層構造に対して前記高分子及び前記有機半導体が可溶であるとともに、前記高分子の溶解度が1mg/mL以上である溶媒を使用して溶媒蒸気アニール処理を施すことによって、前記有機半導体の層中に前記有機半導体の単結晶を成長させる
An organic semiconductor thin film forming method including the following steps.
(A) A polymer layer is formed on a substrate.
(B) After the polymer layer is formed, an organic semiconductor layer is formed thereon to form a two-layer structure on the substrate.
(C) by performing a solvent vapor annealing process using a solvent in which the polymer and the organic semiconductor are soluble in the two-layer structure and the solubility of the polymer is 1 mg / mL or more , A single crystal of the organic semiconductor is grown in the organic semiconductor layer .
前記高分子の分子量は1000以上である、請求項1に記載の有機半導体薄膜形成方法。 The method for forming an organic semiconductor thin film according to claim 1, wherein the polymer has a molecular weight of 1000 or more . 前記高分子はPMMA、PVP、PαMS、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、及びポリエチレングリコールからなる群から選ばれる、請求項1または2に記載の有機半導体薄膜形成方法。 The organic semiconductor thin film forming method according to claim 1 , wherein the polymer is selected from the group consisting of PMMA, PVP, PαMS, polystyrene, polyvinyl alcohol, and polyethylene glycol . 前記溶媒蒸気アニールに使用される溶媒はトルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、クロロホルム、THF、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれる、請求項1から3の何れかに記載の有機半導体薄膜形成方法。 The solvent used in the solvent vapor annealing is selected from the group consisting of toluene, xylene, tetralin, decalin, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, chloroform, THF, and cyclohexane . Organic semiconductor thin film forming method. 前記有機半導体はπ電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる有機半導体である、請求項1から4の何れかに記載の有機半導体薄膜形成方法。 The organic semiconductor thin film forming method according to any one of claims 1 to 4, wherein the organic semiconductor is an organic semiconductor selected from the group consisting of a π-electron conjugated aromatic compound, a chain compound, an organic pigment, and an organic silicon compound. . 前記有機半導体は、C8-BTBT、C10-BTBT、C12-BTBT、及びTIPS-pentaceneからなる群から選ばれる、請求項5に記載の有機半導体薄膜形成方法。 The organic semiconductor thin film forming method according to claim 5 , wherein the organic semiconductor is selected from the group consisting of C8-BTBT, C10-BTBT, C12-BTBT, and TIPS-pentacene . 前記高分子の層の厚さは10〜200 nmの範囲である、請求項1から6の何れかに記載の有機半導体薄膜形成方法。
The method for forming an organic semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer layer has a thickness in a range of 10 to 200 nm .
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