JP6091445B2 - 有機薄膜トランジスタ、有機半導体薄膜および有機半導体材料 - Google Patents
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Description
また、特許文献5には、N原子上の置換基としてブチル基、ヘキシル基、フェニル基、アントラセニル基、ピレニル基、チエニル基などを有するベンゾチエノインドール誘導体が記載されており、光や酸素、熱に対して安定であり、有機薄膜太陽電池に用いたときに高効率の光電変換特性を示す化合物が記載されている。特許文献5の実施例にはN原子上の置換基としてフェニル基またはアントラセニル基を有するベンゾチエノインドール誘導体のみについて諸特性が検討されていた。
しかしながら、特許文献4および5には、これらのような構造の化合物を有機薄膜トランジスタに用いることは記載されていなかった。
特許文献3や4に記載のN原子上にブチル基やヘキシル基などの置換基を有するベンゾチエノインドールまたはベンゾフラノインドール化合物は、N原子上に嵩高い置換基を有することで分子間距離が広がり、十分なHOMO軌道の重なりが得られず、高いキャリア移動度が得られないものであった。また、特許文献3や4では有機トランジスタに使用した例はなく、本発明者らが特許文献3に記載の化合物を使用して有機薄膜トランジスタを製造したところキャリア移動度が低い上に繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きく、特許文献4に記載の化合物を使用して有機薄膜トランジスタを製造したところキャリア移動度が低く、いずれも十分なトランジスタ特性が得られないことがわかった。
特許文献5に記載のN原子上に嵩高いアリール基の置換基を有するベンゾチエノインドール化合物は、N原子上に嵩高い置換基を有することで分子間距離が広がり、十分なHOMO軌道の重なりが得られず、高いキャリア移動度が得られないものであった。また、特許文献5では有機トランジスタに使用した例はなく、本発明者らが特許文献5に記載されている化合物を使用して有機薄膜トランジスタを製造したところキャリア移動度が低く、十分なトランジスタ特性が得られないことがわかった。
さらに、本発明者らは、特定の構造の置換基を有するベンゾチエノインドールまたはベンゾフラノインドール誘導体を半導体活性層に用いた有機薄膜トランジスタは、繰り返し駆動後の閾値電圧変化も小さいことを見出し、本発明に至った。
上記課題を解決するための具体的な手段である本発明は、以下の構成を有する。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
[2] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることが好ましい。
[3] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることが好ましい。
[4] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(3)で表される化合物であることが好ましい。
[5] [3]または[4]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、あるいは、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基であることが好ましい。
[6] [3]〜[5]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、R1、R4、R5およびR8がそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3の置換または無置換のアルキル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルケニル基、炭素数1〜2の置換または無置換のアルコキシ基、あるいは、置換または無置換のメチルチオ基であることが好ましい。
[7] [3]〜[6]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[8] [3]〜[7]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全てそれぞれ独立に前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることが好ましい。
[9] [3]〜[8]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全てそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[10] [3]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(2−1)または(2−2)において、RaおよびRbがそれぞれ独立に分岐アルキル基であるか;
前記LaおよびLbがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことが好ましい。
[11] [4]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(3)において、RcおよびRdがそれぞれ独立に直鎖アルキル基である(ただし、前記LcおよびLdがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は該一般式(L−1)で表される2価の連結基中のR’は全て水素原子を表す)ことが好ましい。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
[13] [12]に記載の化合物は、前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることが好ましい。
[14] [12]に記載の化合物は、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることが好ましい。
[15] [12]に記載の化合物は、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(3)で表される化合物であることが好ましい。
[16] [14]または[15]に記載の化合物は、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、あるいは、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基であることが好ましい。
[17] [14]〜[16]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、R1、R4、R5およびR8がそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3の置換または無置換のアルキル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルケニル基、炭素数1〜2の置換または無置換のアルコキシ基、あるいは、置換または無置換のメチルチオ基であることが好ましい。
[18] [14]〜[17]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[19] [14]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全てそれぞれ独立に前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることが好ましい。
[20] [14]〜[19]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全てそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[21] [14]に記載の化合物は、前記一般式(2−1)または(2−2)において、RaおよびRbがそれぞれ独立に分岐アルキル基であるか;
前記LaおよびLbが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことが好ましい。
[22] [15]に記載の化合物は、前記一般式(3)において、RcおよびRdがそれぞれ独立に直鎖アルキル基である(ただし、前記LcおよびLdがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は該一般式(L−1)で表される2価の連結基中のR’は全て水素原子を表す)ことが好ましい。
[24] [12]〜[22]のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ用材料。
[25] [12]〜[22]のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[26] [12]〜[22]のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[27] [12]〜[22]のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[28] [12]〜[22]のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[29] [27]または[28]に記載の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、溶液塗布法により作製されたことが好ましい。
本発明において、各一般式の説明において特に区別されずに用いられている場合における水素原子は同位体(重水素原子等)も含んでいることを表す。さらに、置換基を構成する原子は、その同位体も含んでいることを表す。
本発明の有機薄膜トランジスタは、下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
前記一般式(1)で表される化合物は、R1〜R8のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基を有するため、材料の溶液プロセス適性および膜中での分子配列の観点で好ましく、結晶性が高く、キャリア輸送に有利な有機薄膜を形成する半導体材料を得ることができる。これにより、キャリア移動度が高い有機薄膜トランジスタを得ることができる。なお、さらに有機薄膜トランジスタに適用できる有機薄膜の製造効率を上げ、製造コストを抑制することができ、薄膜の化学的、物理的安定性も向上する。
一方、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さいためには、有機半導体材料の化学的安定性(特に耐空気酸化性、酸化還元安定性)、薄膜状態の熱安定性、空気や水分が入りこみにくい高い膜密度、電荷がたまりにくい欠陥の少ない膜質、等が必要である。前記一般式(1)で表される化合物はこれらを満足するため、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さいと考えられる。すなわち、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さい本発明の有機薄膜トランジスタは、半導体活性層が高い化学的安定性や膜密度等を有し、長期間に渡ってトランジスタとして有効に機能し得る。
以下、本発明の化合物や本発明の有機薄膜トランジスタなどの好ましい態様を説明する。
本発明の化合物は、下記一般式(1)で表されることを特徴とする。本発明の化合物は、本発明の有機薄膜トランジスタにおいて、後述の半導体活性層に含まれる。すなわち、本発明の化合物は、有機薄膜トランジスタ用材料として用いることができる。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
一般式(1)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基であることが好ましく、水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基であることがより好ましく、水素原子であることが特に好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルキル基を表す場合、該アルキル基がとり得る置換基としては、シアノ基、フッ素原子、重水素原子などを挙げることができ、シアノ基が好ましい。Zが表す置換アルキル基の炭素数は1であることが好ましい。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基としては、メチル基、エチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルキニル基を表す場合、該アルキニル基がとり得る置換基としては、重水素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基としては、エチニル基、重水素原子置換のエチニル基を挙げることができ、エチニルが好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルケニル基を表す場合、該アルケニル基がとり得る置換基としては、重水素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基としては、エテニル基、重水素原子置換のエテニル基を挙げることができ、エテニルが好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アシル基を表す場合、該アシル基がとり得る置換基としては、フッ素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアシル基としては、ホルミル基、アセチル基、フッ素原子置換のアセチル基を挙げることができ、ホルミル基が好ましい。
前記一般式(1)のR1〜R8が採りうる置換基として、ハロゲン原子、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロ環基といってもよい)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルおよびアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルおよびアリールスルフィニル基、アルキルおよびアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールおよびヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(−B(OH)2)、ホスファト基(−OPO(OH)2)、スルファト基(−OSO3H)、その他の公知の置換基が挙げられる。
これらの中でもハロゲン原子、アルキル基およびアリール基が好ましく、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、フェニル基がより好ましい。
前記一般式(1)で表される化合物中において、R1〜R8のうち、前記一般式(W)で表される置換基以外のその他の置換基の個数は0〜4であることが好ましく、0〜2であることがより好ましく、0であることが特に好ましい。
一般式(L−1)中のR’は、それぞれ独立に水素原子、炭素数1〜8の置換または無置換のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜6の無置換のアルキル基であることがより好ましく、炭素数1〜3の無置換のアルキル基であることが特に好ましい。一般式(L−1)に含まれる4つのR’中、置換基の個数は0〜3であることが好ましく、0〜2であることがより好ましく、0または1であることがより好ましく、0であることが特に好ましい。一般式(L−1)に含まれる4つのR’が置換基を有する場合、一般式(L−1)における*に隣接する炭素原子が置換基を有することが好ましい。
一般式(L−2)中のR’は、それぞれ独立に水素原子、炭素数1以上の置換または無置換のアルキル基であることが好ましく、水素原子、炭素数1〜4の置換または無置換のアルキル基であることがより好ましく、水素原子であることが特に好ましい。
一般式(L−10)、(L−11)および(L−12)中のR’は、それぞれ独立に水素原子、炭素数1以上の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以上の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2以上の置換または無置換のアルキニル基、炭素数1以上の置換または無置換のアルコキシ基であることが好ましく、水素原子、炭素数1〜12の置換または無置換のアルキル基、炭素数2〜12の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2〜12の置換または無置換のアルキニル基、炭素数1〜12の置換または無置換のアルコキシ基であることがより好ましく、水素原子であることが特に好ましい。
前記一般式(W)におけるRが置換または無置換のアルキル基の場合、Lが(L−2)または(L−3)のときの該アルキル基は炭素数2以上であり、炭素数2〜12であることが好ましく、炭素数3〜10であることがキャリア移動度を高める観点からより好ましく、炭素数4〜9であることがよりキャリア移動度を高める観点から特に好ましい。
前記一般式(W)におけるRが置換または無置換のアルキル基の場合、Lが(L−4)〜(L−12)のときの該アルキル基は炭素数4以上であり、炭素数4〜12であることが好ましく、炭素数6〜12であることがキャリア移動度を高める観点からより好ましい。
なお、Lが2以上の一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す場合、上記のRが表す置換または無置換のアルキル基の炭素数の好ましい範囲は、Rに隣接する一般式(L−1)〜(L−12)の種類によって定まる。
前記一般式(1)で表される化合物は、前記一般式(W)で表される基にアルキル基が含まれる場合、LおよびRの合計のアルキル基の炭素数が4以上であるとキャリア移動度が高くなり、LおよびRの合計のアルキル基の主鎖の炭素数が4以上であるとキャリア移動度がより高くなる。
Rが採りうるアルキル基は、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよく、直鎖アルキル基であることが好ましい。Rが置換基を有するアルキル基である場合の該置換基としては、ハロゲン原子などを挙げることができ、フッ素原子が好ましい。なお、Rがフッ素原子を有するアルキル基である場合は該アルキル基の水素原子が全てフッ素原子で置換されてパーフルオロアルキル基を形成してもよい。
Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限り、前記一般式(W)におけるRが置換または無置換のトリアルキルシリル基をとり得る。前記一般式(W)におけるRが置換または無置換のトリアルキルシリル基の場合、Si原子に結合するアルキル基の炭素数は1〜3であることが好ましく、例えば、メチル基やエチル基やイソプロピル基が結合することが好ましい。Si原子には、同一のアルキル基が結合してもよく、異なるアルキル基が結合してもよい。Rが置換基を有するトリアルキルシリル基である場合の該置換基としては、特に制限はない。
前記一般式(1)における置換位置として、これらの位置が好ましいのは、化合物の化学的安定性に優れ、HOMO準位、分子の膜中でのパッキングの観点からも好適であるためであると考えられる。特に、前記一般式(1)において、R2またはR3のいずれか、およびR6またはR7のいずれかの1または2箇所を置換基とすることにより、高いキャリア濃度を得ることができる。
以下において、一般式(2−1)、一般式(2−2)および一般式(3)の好ましい範囲を、この順で説明する。なお、以下の一般式(2−1)、一般式(2−2)および一般式(3)の説明中における一般式(L−1)〜(L−12)において、*はそれぞれ独立に一般式(L−1)〜(L−12)に隣接するRa、Rb、RcおよびRdのいずれかとの結合位置を示す。
前記一般式(2−1)において、R1、R2およびR4〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表すが、R7は−La−Raで表される置換基ではない。前記一般式(2−1)において、R1、R2およびR4〜R8が表す置換基の好ましい範囲は前記一般式(1)においてR1〜R8が表す前記一般式(W)で表される置換基以外のその他の置換基の好ましい範囲と同様である。
前記一般式(2−1)において、Laの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるLの好ましい範囲と同様である。
前記一般式(2−1)において、Raの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるRの好ましい範囲と同様である。
これらの中でも、前記一般式(2−1)において、Raが分岐アルキル基であるか;前記Laが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことが、前記一般式(2−1)で表される化合物分子同士のパッキングが良好となり(複数の分子が隣り合う分子と反転して配向しやすくなり)、へリングボーン構造の結晶性が高まる観点から好ましい。
前記一般式(2−2)において、R1〜R6およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表すが、R3は−Lb−Rbで表される置換基ではない。前記一般式(2−2)において、R1〜R6およびR8が表す置換基の好ましい範囲は前記一般式(1)においてR1〜R8が表す前記一般式(W)で表される置換基以外のその他の置換基の好ましい範囲と同様である。
前記一般式(2−2)において、Lbの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるLの好ましい範囲と同様である。
前記一般式(2−2)において、Rbの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるRの好ましい範囲と同様である。
これらの中でも、前記一般式(2−2)において、Rbが分岐アルキル基であるか;前記Lbが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことが、前記一般式(2−2)で表される化合物分子同士のパッキングが良好となり(複数の分子が隣り合う分子と反転して配向しやすくなり)、へリングボーン構造の結晶性が高まる観点から好ましい。
前記一般式(3)において、R1、R2、R4〜R6およびR8の好ましい範囲は、前記一般式(1)においてR1〜R8が表す前記一般式(W)で表される置換基以外のその他の置換基の好ましい範囲と同様である。
前記一般式(3)において、LcおよびLdの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるLの好ましい範囲と同様である。また、LcおよびLdは互いに同一であっても異なっていてもよいが、互いに同一であることが好ましい。
前記一般式(3)において、RcおよびRdの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるRの好ましい範囲と同様である。また、RcおよびRdは互いに同一であっても異なっていてもよいが、互いに同一であることが好ましい。
これらの中でも、前記一般式(3)において、RcおよびRdがそれぞれ独立に直鎖アルキル基である(ただし、前記LcおよびLdがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は該一般式(L−1)で表される2価の連結基中のR’は全て水素原子を表す)ことが、前記一般式(2−2)で表される化合物分子同士のパッキングが良好となり(反転せずに、同じ向きに並んで配向しやすくなり)、へリングボーン構造の結晶性が高まる観点から好ましい。
一方で、薄膜の膜質安定性の観点からは、分子量は400以上であることが好ましく、450以上であることがより好ましく、500以上であることがさらに好ましい。
ベンゾチエノインドール環またはベンゾフラノインドール環形成反応において、いかなる反応条件を用いてもよい。反応溶媒としては、いかなる溶媒を用いてもよい。また、環形成反応促進のために、酸または塩基を用いることが好ましく、特に塩基を用いることが好ましい。最適な反応条件は、目的とするベンゾチエノインドールまたはベンゾフラノインドール誘導体の構造により異なるが、上記の文献に記載された具体的な反応条件を参考に設定することができる。
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物を含む半導体活性層を有する。
本発明の有機薄膜トランジスタは、さらに前記半導体活性層以外にその他の層を含んでいてもよい。
本発明の有機薄膜トランジスタは、有機電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、FET)として用いられることが好ましく、ゲート−チャンネル間が絶縁されている絶縁ゲート型FETとして用いられることがより好ましい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの好ましい構造の態様について、図面を用いて詳しく説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
有機電界効果トランジスタの積層構造としては特に制限はなく、公知の様々な構造のものとすることができる。
本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例としては、最下層の基板の上面に、電極、絶縁体層、半導体活性層(有機半導体層)、2つの電極を順に配置した構造(ボトムゲート・トップコンタクト型)を挙げることができる。この構造では、最下層の基板の上面の電極は基板の一部に設けられ、絶縁体層は、電極以外の部分で基板と接するように配置される。また、半導体活性層の上面に設けられる2つの電極は、互いに隔離して配置される。
ボトムゲート・トップコンタクト型素子の構成を図1に示す。図1は、本発明の有機薄膜トランジスタの一例の構造の断面を示す概略図である。図1の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板11を配置し、その上面の一部に電極12を設け、さらに該電極12を覆い、かつ電極12以外の部分で基板11と接するように絶縁体層13を設けている。さらに絶縁体層13の上面に半導体活性層14を設け、その上面の一部に2つの電極15aと15bとを隔離して配置している。
図1に示した有機薄膜トランジスタは、電極12がゲートであり、電極15aと電極15bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図1に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子の構成を図2に示す。図2は本発明の実施例でFET特性測定用基板として製造した有機薄膜トランジスタの構造の断面を示す概略図である。図2の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板31を配置し、その上面の一部に電極32を設け、さらに該電極32を覆い、かつ電極32以外の部分で基板31と接するように絶縁体層33を設けている。さらに絶縁体層33の上面に半導体活性層35を設け、電極34aと34bが半導体活性層35の下部にある。
図2に示した有機薄膜トランジスタは、電極32がゲートであり、電極34aと電極34bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図2に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
本発明の有機薄膜トランジスタは、より薄いトランジスタとする必要がある場合には、例えばトランジスタ全体の厚さを0.1〜0.5μmとすることが好ましい。
有機薄膜トランジスタ素子を大気や水分から遮断し、有機薄膜トランジスタ素子の保存性を高めるために、有機薄膜トランジスタ素子全体を金属の封止缶やガラス、窒化ケイ素などの無機材料、パリレンなどの高分子材料や、低分子材料などで封止してもよい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの各層の好ましい態様について説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、基板を含むことが好ましい。
前記基板の材料としては特に制限はなく、公知の材料を用いることができ、例えば、ポリエチレンナフトエート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステルフィルム、シクロオレフィンポリマーフィルム、ポリカーボネートフィルム、トリアセチルセルロース(TAC)フィルム、ポリイミドフィルム、およびこれらポリマーフィルムを極薄ガラスに貼り合わせたもの、セラミック、シリコン、石英、ガラス、などを挙げることができ、シリコンが好ましい。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、電極を含むことが好ましい。
前記電極の構成材料としては、例えば、Cr、Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、In、NiあるいはNdなどの金属材料やこれらの合金材料、あるいはカーボン材料、導電性高分子などの既知の導電性材料であれば特に制限することなく使用できる。
電極の厚さは特に制限はないが、10〜50nmとすることが好ましい。
ゲート幅(またはチャンネル幅)Wとゲート長(またはチャンネル長)Lに特に制限はないが、これらの比W/Lが10以上であることが好ましく、20以上であることがより好ましい。
(材料)
絶縁層を構成する材料は必要な絶縁効果が得られれば特に制限はないが、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、PTFE、CYTOP等のフッ素ポリマー系絶縁材料、ポリエステル絶縁材料、ポリカーボネート絶縁材料、アクリルポリマー系絶縁材料、エポキシ樹脂系絶縁材料、ポリイミド絶縁材料、ポリビニルフェノール樹脂系絶縁材料、ポリパラキシリレン樹脂系絶縁材料などが挙げられる。
絶縁層の上面は表面処理がなされていてもよく、例えば、二酸化ケイ素表面をヘキサメチルジシラザン(HMDS)やオクタデシルトリクロロシラン(OTS)の塗布により表面処理した絶縁層を好ましく用いることができる。
絶縁層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、20〜200nmとすることがより好ましく、50〜200nmとすることが特に好ましい。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記半導体活性層が前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含むことを特徴とする。
前記半導体活性層は、本発明の化合物からなる層であってもよく、本発明の化合物に加えて後述のポリマーバインダーがさらに含まれた層であってもよい。また、成膜時の残留溶媒が含まれていてもよい。
前記半導体活性層中における前記ポリマーバインダーの含有量は、特に制限はないが、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
半導体活性層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、10〜200nmとすることがより好ましく、10〜100nmとすることが特に好ましい。
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料にも関する。
なお、本明細書において、「非発光性有機半導体デバイス」とは、発光することを目的としないデバイスを意味する。非発光性有機半導体デバイスは、薄膜の層構造を有するエレクトロニクス要素を用いた非発光性有機半導体デバイスとすることが好ましい。非発光性有機半導体デバイスには、有機薄膜トランジスタ、有機光電変換素子(光センサ用途の固体撮像素子、エネルギー変換用途の太陽電池等)、ガスセンサ、有機整流素子、有機インバータ、情報記録素子などが包含される。有機光電変換素子は光センサ用途(固体撮像素子)、エネルギー変換用途(太陽電池)のいずれにも用いることができる。好ましくは、有機光電変換素子、有機薄膜トランジスタであり、さらに好ましくは有機薄膜トランジスタである。すなわち、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料は、上述のとおり有機薄膜トランジスタ用材料であることが好ましい。
本明細書において、「有機半導体材料」とは、半導体の特性を示す有機材料のことである。無機材料からなる半導体と同様に、正孔をキャリアとして伝導するp型(ホール輸送性)有機半導体と、電子をキャリアとして伝導するn型(電子輸送性)有機半導体がある。
本発明の化合物はp型有機半導体材料、n型の有機半導体材料のどちらとして用いてもよいが、p型として用いることがより好ましい。有機半導体中のキャリアの流れやすさはキャリア移動度μで表される。キャリア移動度μは高い方がよく、5×10-3cm2/Vs以上であることが好ましく、1×10-2cm2/Vs以上であることがより好ましく、5×10-2cm2/Vs以上であることが特に好ましく、1×10-1cm2/Vs以上であることがより特に好ましく、5×10-1cm2/Vs以上であることがさらにより特に好ましく、1cm2/Vs以上であることがよりさらにより特に好ましい。キャリア移動度μは電界効果トランジスタ(FET)素子を作製したときの特性や飛行時間計測(TOF)法により求めることができる。
(材料)
本発明は、上記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜にも関する。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有し、ポリマーバインダーを含有しない態様も好ましい。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。
前記ポリマーバインダーは、単独で使用してもよく、あるいは複数併用してもよい。
また、有機半導体材料と前記ポリマーバインダーとは均一に混合していてもよく、一部または全部が相分離していてもよいが、電荷移動度の観点では、膜中で膜厚方向に有機半導体とバインダーが相分離した構造が、バインダーが有機半導体の電荷移動を妨げず最も好ましい。
薄膜の機械的強度を考慮するとガラス転移温度の高いポリマーバインダーが好ましく、電荷移動度を考慮すると極性基を含まない構造のポリマーバインダーや光伝導性ポリマー、導電性ポリマーが好ましい。
ポリマーバインダーの使用量は、特に制限はないが、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜中、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
本発明の化合物を基板上に成膜する方法はいかなる方法でもよい。
成膜の際、基板を加熱または冷却してもよく、基板の温度を変化させることで膜質や膜中での分子のパッキングを制御することが可能である。基板の温度としては特に制限はないが、0℃から200℃の間であることが好ましく、15℃〜100℃の間であることがより好ましく、20℃〜95℃の間であることが特に好ましい。
本発明の化合物を基板上に成膜するとき、真空プロセスあるいは溶液プロセスにより成膜することが可能であり、いずれも好ましい。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、溶液塗布法により作製されたことが好ましい。また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜がポリマーバインダーを含有する場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により形成されることが好ましい。
以下、溶液プロセスによる成膜に用いることができる、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液について説明する。
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液にも関する。
溶液プロセスを用いて基板上に成膜する場合、層を形成する材料を適当な有機溶媒(例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、デカリン、1−メチルナフタレンなどの炭化水素系溶媒、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル系溶媒、例えば、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールなどのアルコール系溶媒、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソールなどのエーテル系溶媒、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン、1−メチル−2−イミダゾリジノン等のアミド・イミド系溶媒、ジメチルスルフォキサイドなどのスルホキシド系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒)および/または水に溶解、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。溶媒は単独で用いてもよく、複数組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒またはエーテル系溶媒が好ましく、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、ジクロロベンゼンまたはアニソールがより好ましく、トルエン、キシレン、テトラリン、アニソールが特に好ましい。その塗布液中の一般式(1)で表される化合物の濃度は、好ましくは、0.1〜80質量%、より好ましくは0.1〜10質量%とすることにより、任意の厚さの膜を形成できる。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。この場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを前述の適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。ポリマーバインダーとしては、上述したものから選択することができる。
<合成例1> 化合物3の合成
以下のスキームに示した具体的合成手順にしたがって、一般式(1)で表される化合物である、化合物3を合成した。
6−ブロモベンゾ[b]チオフェン(ALDRICH社製)(3g)、1−オクチン(3.1g)、PdCl2(PPh3)2(1g)、ヨウ化銅(I)(0.53g)のピペリジン溶液(60ml)を、窒素雰囲気下、55℃で4時間攪拌した。反応液を酢酸エチル/水=1/1に注加し、セライト濾過した。得られた濾液の水層を1N塩酸水で酸性にし、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物3a(3.2g)を得た。
オートクレーブに、化合物物3a(3.0g)、10質量%Pd/C(2.6g)、イソプロピルアルコール(35ml)を入れ、水素5気圧下、50℃で3時間攪拌した。反応液をセライト濾過し、得られた濾液を減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物3b(2.8g)を得た。
化合物3b(2.0g)のTHF溶液(100ml)に、−78℃で1.6規定n−BuLi/n−ヘキサン溶液(6.1ml)を滴下した。1時間攪拌後、トリメトキシボラン(1.7g)を滴下し、室温にて1時間攪拌した。反応液を酢酸エチル/1N塩酸水=1/1に注加し、有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物3c(1.7g)を得た。
化合物3c(1g)、2−ブロモニトロベンゼン(0.6g)、2−ジシクロヘキシルホスフィノ−2’,6’−ジメトキシビフェニル(SPhos)(0.15g)、炭酸ナトリウム(0.95g)に1,2−ジメトキシエタン(12ml)および水(3ml)を加え、そこに酢酸パラジウム(20mg)を添加した後、窒素雰囲気下、加熱還流しながら2時間撹拌した。反応液をセライト濾過し、水を加えた後、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物3d(0.86g)を得た。
化合物3d(0.8g)、トリフェニルホスフィン(6.1g)を、窒素雰囲気下、180℃で4時間撹拌した。反応混合物をシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物3(0.54g)を得た。なお、得られた化合物の同定は元素分析、NMR及びMASSスペクトルにより行った。化合物3の構造を1H−NMRにより同定した結果を以下に示す。
1H−NMR(DMSO−d6):12.05(1H), 8.00(1H), 7.81(1H), 7.76(1H), 7.56(1H), 7.33(1H), 7.27(1H), 7.15(1H), 2.74(2H), 1.66(2H), 1.31−1.24(10H), 0.86(3H)
化合物1の構造を1H−NMRにより同定した結果を以下に示す。
1H−NMR(DMSO−d6):12.04(1H), 8.01(1H), 7.80(1H), 7.76(1H), 7.55(1H), 7.35(1H), 7.30(1H), 7.15(1H), 2.71(2H), 1.65(2H), 1.31−1.23(4H), 0.85(3H)
化合物9の構造を1H−NMRにより同定した結果を以下に示す。
1H−NMR(CDCl3):11.86(1H), 7.91(1H), 7.80(1H), 7.61(1H), 7.33(1H), 7.30(1H), 6.97(1H), 2.71(4H), 1.64(4H), 1.31−1.24(20H), 0.85(6H)
化合物81の構造を1H−NMRにより同定した結果を以下に示す。
1H−NMR(DMSO−d6):12.04(1H), 8.00(1H), 7.82(1H), 7.74(1H), 7.57(1H), 7.33(1H), 7.27(1H), 7.13(1H), 2.72(2H), 1.66(2H), 1.35−1.20(16H), 0.86(3H)
素子作製に用いた材料は全て昇華精製を行い、高速液体クロマトグラフィー(東ソーTSKgel ODS−100Z)により純度(254nmの吸収強度面積比)が99.5%以上であることを確認した。
<化合物単独で半導体活性層(有機半導体層)を形成>
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液とした。この塗布溶液を窒素雰囲気下、90℃に加熱したFET特性測定用基板上にキャストすることで、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜を形成し、FET特性測定用の実施例1の有機薄膜トランジスタ素子を得た。FET特性測定用基板としては、ソースおよびドレイン電極としてくし型に配置されたクロム/金(ゲート幅W=100mm、ゲート長L=100μm)、絶縁膜としてSiO2(膜厚200nm)を備えたボトムゲート・ボトムコンタクト構造のシリコン基板(図2に構造の概略図を示した)を用いた。
実施例2の有機薄膜トランジスタ素子のFET特性は、セミオートプローバー(ベクターセミコン製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent製、4156C)を用いて常圧・窒素雰囲気下で、キャリア移動度、繰り返し駆動後の閾値電圧変化の観点で評価した。
得られた結果を下記表1に示す。
各有機薄膜トランジスタ素子(FET素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を20V〜−100Vの範囲で変化させ、ドレイン電流Idを表わす式Id=(w/2L)μCi(Vg−Vth)2(式中、Lはゲート長、Wはゲート幅、Ciは絶縁層の単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、Vthは閾値電圧)を用いてキャリア移動度μを算出した。なお、キャリア移動度が1×10-5cm2/Vsを下回るものに関しては特性が低過ぎるため、後の(b)繰り返し駆動後の閾値電圧変化の評価は行っていない。
各有機薄膜トランジスタ素子(FET素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を+20V〜−100Vの範囲で100回繰り返して(a)と同様の測定を行い、繰り返し駆動前の閾値電圧V前と繰り返し駆動後の閾値電圧V後の差(|V後−V前|)を以下の3段階で評価した。この値は小さいほど素子の繰り返し駆動安定性が高く、好ましい。実用上、繰り返し駆動後の閾値電圧変化はA評価であることが好ましい。
A:|V後−V前|≦5V
B:5V<|V後−V前|≦10V
C:|V後−V前|>10V
置換基Zの分子長とは、ベンゾチエノインドール構造またはべンゾフラノインドール構造のN−Z結合におけるN原子から置換基Zの末端までの長さのことを指す。構造最適化計算は、密度汎関数法(Gaussian03(米ガウシアン社)/基底関数:6−31G*、交換相関汎関数:B3LYP/LANL2DZ)を用いて行った。
各素子作製に用いた有機半導体化合物を別途良溶媒・貧溶媒法により単結晶成長させ、Bruker社製APEX2を用いたX線結晶構造回折によりヘリングボーン構造の有無を調べた。「A」はヘリングボーン構造を、「B」はその他の構造を示す。
一方、比較化合物1〜9はヘリングボーン構造をとらず、これらを用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低く、かつ繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きいものであった。
<化合物をバインダーとともに用いて半導体活性層(有機半導体層)を形成>
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)、PαMS(ポリ(α−メチルスチレン、Mw=300,000)、Aldrich製)1mg、トルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを塗布溶液として用いる以外は実施例2と同様にしてFET特性測定用の有機薄膜トランジスタ素子を作製し、実施例2と同様の評価を行った。
得られた結果を下記表2に示す。
一方、比較化合物1〜9をバインダーとともに用いて半導体活性層を形成した有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低いものであった。また、比較化合物8および9をバインダーとともに用いて半導体活性層を形成した有機薄膜トランジスタ素子は繰り返し駆動後の閾値電圧変化も大きいものであった。
<半導体活性層(有機半導体層)形成>
ゲート絶縁膜としてSiO2(膜厚370nm)を備えたシリコンウエハーを用い、オクチルトリクロロシランで表面処理をおこなった。
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液とした。この塗布溶液を窒素雰囲気下、90℃に加熱したオクチルシラン表面処理シリコンウエハー上にキャストすることで、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜を形成した。
更にこの薄膜表面にマスクを用いて金を蒸着することで、ソースおよびドレイン電極を作製し、ゲート幅W=5mm、ゲート長L=80μmのボトムゲート・トップコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ素子を得た(図1に構造の概略図を示した)。
実施例4の有機薄膜トランジスタ素子のFET特性は、セミオートプローバー(ベクターセミコン製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent製、4156C)を用いて常圧・窒素雰囲気下で、キャリア移動度、繰り返し駆動後の閾値電圧変化の観点で評価した。
得られた結果を下記表3に示す。
一方、比較化合物1、4〜7を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低いものであった。比較化合物2〜6、8、9を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きいものであった。
一般的に、トップコンタクト素子(実施例4)は電極とのコンタクトがトップコンタクト素子の方が良い為、ボトムコンタクト素子(実施例2や3)と比較して、1桁近く移動度が高くなる傾向にある。比較素子20および21の移動度は比較的高いが、これはトップコンタクト素子の結果であり、同じトップコンタクト素子構成で評価した本発明の化合物とは1桁近い差があることがわかった。
12 電極
13 絶縁体層
14 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
15a、15b 電極
31 基板
32 電極
33 絶縁体層
34a、34b 電極
35 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
Claims (28)
- 下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
- 前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(3)で表される化合物であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、あるいは、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基であることを特徴とする請求項3または4に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、R1、R4、R5およびR8がそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3の置換または無置換のアルキル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルケニル基、炭素数1〜2の置換または無置換のアルコキシ基、あるいは、置換または無置換のメチルチオ基であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全てそれぞれ独立に前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることを特徴とする請求項3〜7のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全てそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基であることを特徴とする請求項3〜8のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、RaおよびRbがそれぞれ独立に分岐アルキル基であるか;
前記LaおよびLbがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことを特徴とする請求項3に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記一般式(3)において、RcおよびRdがそれぞれ独立に直鎖アルキル基である(ただし、前記LcおよびLdがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は該一般式(L−1)で表される2価の連結基中のR’は全て水素原子を表す)ことを特徴とする請求項4に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 下記一般式(1)で表されることを特徴とする化合物。
ただし、R 4 およびR 8 は下記群から選ばれる範囲を除く。
R 107 は炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
R 108 及びR 109 は独立して水素、炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
上記群中におけるR 110 、R 111 、R 112 及びR 113 は独立して炭素数が1〜10のアルキルである)
ただし、R1〜R8のうち少なくとも1つが下記一般式(W)で表される置換基である。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。Rは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rが表す置換または無置換のアルキル基は、Lが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
- 前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることを特徴とする請求項12に記載の化合物。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることを特徴とする請求項12に記載の化合物。
ただし、R 4 およびR 8 は下記群から選ばれる範囲を除く。
R 107 は炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
R 108 及びR 109 は独立して水素、炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
上記群中におけるR 110 、R 111 、R 112 及びR 113 は独立して炭素数が1〜10のアルキルである)
Laは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Raは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Raが表す置換または無置換のアルキル基は、Laが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Raが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Raに隣接するLaが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
ただし、R 4 およびR 8 は下記群から選ばれる範囲を除く。
R 107 は炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
R 108 及びR 109 は独立して水素、炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
上記群中におけるR 110 、R 111 、R 112 及びR 113 は独立して炭素数が1〜10のアルキルである)
Lbは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rbは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、Rbが表す置換または無置換のアルキル基は、Lbが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、Rbが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、Rbに隣接するLbが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(3)で表される化合物であることを特徴とする請求項12に記載の化合物。
R 107 は炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
R 108 及びR 109 は独立して水素、炭素数が1〜10のアルキル、炭素数が3〜10のシクロアルキル、炭素数が7〜20のアラルキル又は炭素数が6〜12のアリールであり;
上記群中におけるR 110 、R 111 、R 112 及びR 113 は独立して炭素数が1〜10のアルキルである)
LcおよびLdはそれぞれ独立に下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、RcおよびRdはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが2以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基を表す。ただし、RcまたはRdが表す置換または無置換のアルキル基は、LcまたはLdが前記一般式(L−1)〜(L−3)で表される場合は炭素数2以上であり、前記一般式(L−4)〜(L−12)で表される場合は炭素数4以上である。また、RcおよびRdが置換または無置換のトリアルキルシリル基を表すのは、RcまたはRdに隣接するLcまたはLdが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、R1、R4、R5およびR8がそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3の置換または無置換のアルキル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2〜3の置換または無置換のアルケニル基、炭素数1〜2の置換または無置換のアルコキシ基、あるいは、置換または無置換のメチルチオ基であることを特徴とする請求項14または15に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることを特徴とする請求項14〜16のいずれか一項に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、La、Lb、LcおよびLdが全てそれぞれ独立に前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることを特徴とする請求項14〜17のいずれか一項に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)、(2−2)または(3)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全てそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基であることを特徴とする請求項14〜18のいずれか一項に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、RaおよびRbがそれぞれ独立に分岐アルキル基であるか;
前記LaおよびLbがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、該一般式(L−1)で表される2価の連結基中の少なくとも1つのR’がアルキル基を表すことを特徴とする請求項14に記載の化合物。 - 前記一般式(3)において、RcおよびRdがそれぞれ独立に直鎖アルキル基である(ただし、前記LcおよびLdがそれぞれ独立に前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は該一般式(L−1)で表される2価の連結基中のR’は全て水素原子を表す)ことを特徴とする請求項15に記載の化合物。
- 請求項12〜21のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料。
- 請求項1に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ用材料。
- 請求項12〜21のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
- 請求項12〜21のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
- 請求項12〜21のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
- 請求項12〜21のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
- 溶液塗布法により作製されたことを特徴とする請求項26または27に記載の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
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