JP6275874B2 - 有機半導体素子及びその製造方法、有機半導体組成物、並びに、有機半導体膜 - Google Patents
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Description
従来の有機トランジスタ材料としては、特許文献1〜3に記載されたものが知られている。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、塗布製造プロセス適性に優れ、キャリア移動度、耐熱性及び柔軟性に優れた有機半導体を形成することができる有機半導体組成物、並びに、上記組成物を用いた有機半導体膜及び有機半導体素子の製造方法を提供することである。
<1>下記式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半導体素子、
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
<3>Zが、水素原子である、<1>又は<2>に記載の有機半導体素子、
<4>p及びqがそれぞれ独立に、1又は2である、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<5>p及びqがともに1である、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<6>R1及びR2の置換位置がそれぞれ、末端カルコゲノフェン環の2位である、<5>に記載の有機半導体素子、
<7>Xaが、S原子である、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<8>上記式1における2つの末端カルコゲノフェン環がいずれも、チオフェン環である、<1>〜<7>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<9>上記式Wで表される基の炭素数の合計が、4〜40である、<1>〜<8>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<10>Lが、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基、又は、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基である、<1>〜<9>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<11>Lが、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれか単独で表される2価の連結基である、<1>〜<10>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<12>Tが、アルキル基である、<1>〜<11>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<13>Wが、アルキル基である、<1>〜<12>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<14>有機薄膜トランジスタである、<1>〜<13>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<15>下記式1で表される化合物と、沸点100℃以上の溶媒と、を含有し、上記式1で表される化合物の含有量が、有機半導体組成物の総量に対し、20質量%以下であることを特徴とする有機半導体組成物、
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又はアルキレン基−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
<17><15>又は<16>に記載の有機半導体組成物を、インクジェット法又はフレキソ印刷法により基板上に付与する付与工程、及び、上記付与した有機半導体組成物から上記溶媒を少なくとも一部除去する除去工程を含む有機半導体素子の製造方法、
<18><15>又は<16>に記載の有機半導体組成物より形成された有機半導体膜。
また、本発明によれば、塗布製造プロセス適性に優れ、キャリア移動度、耐熱性及び柔軟性に優れた有機半導体を形成することができる有機半導体組成物、並びに、上記組成物を用いた有機半導体膜及び有機半導体素子の製造方法を提供することができる。
本明細書における基(原子団)の表記において、置換及び無置換を記していない表記は、置換基を有さないものとともに置換基を有するものをも包含するものである。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
また、本明細書における化学構造式は、水素原子を省略した簡略構造式で記載する場合もある。
本発明において、「移動度」との記載は、キャリア移動度を意味し、電子移動度及びホール移動度のいずれか、又は、双方を意味する。
また、本発明において、「質量%」と「重量%」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
また、本発明において、好ましい態様の組み合わせは、より好ましい。
本発明の有機半導体素子は、下記式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。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
詳細な効果の発現機構については不明であるが、式1で表される化合物が特定の縮合多環芳香環構造を有することにより、本発明の効果が発現しているものと推定される。
以下、本発明の有機半導体素子について説明する。
本発明の有機半導体素子は、上記式1で表される化合物を半導体活性層に含む。
式1で表される化合物は、有機半導体化合物である。
Aは中央の芳香族環を表し、上記式2又は式3で表される芳香環のいずれかより選ばれる芳香環であり、*は2つの側方カルコゲノフェン環との結合位置を表す。
Aは、移動度の観点から、式2で表される芳香環であることが好ましい。
Xaは、カルコゲン原子(O原子、S原子、Se原子、Te原子)を表し、S原子又はSe原子であることが好ましく、S原子であることがより好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体膜のキャリア移動度により優れる。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)である。
また、X1及びX2がともにカルコゲン原子であるか、又は、Y1及びY2がともにカルコゲン原子であることが好ましい。
X1、Y1、X2及びY2におけるカルコゲン原子(O原子、S原子、Se原子、Te原子)を表し、S原子又はSe原子であることが好ましく、S原子であることがより好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体膜のキャリア移動度により優れる。
Aが式2で表される芳香環である場合、X1及びX2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、Y1がC(Ra)であり、かつ、Y2がC(Rb)であることが好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体膜のキャリア移動度により優れる。
また、各末端のカルコゲノフェン環における点線は、共役鎖を形成していることを表す。
Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、水素原子であることが好ましい。
R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表し、下記式Wで表される基であることが好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体膜のキャリア移動度により優れる。
−S−L−T (W)
Sは、単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、単結合であることが好ましい。
RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、水素原子であることが好ましい。
nは、1〜17の整数を表し、1〜8の整数であることが好ましく、1〜4の整数であることがより好ましい。
R1及びR2は、塗布成膜性、結晶サイズ及び得られる有機半導体膜の耐熱性の観点から、同一の基であることが好ましい。
R1の炭素数は、5〜40であることが好ましく、8〜20であることがより好ましい。
また、R2の炭素数は、5〜40であることが好ましく、8〜20であることがより好ましい。
なお、Lが式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す場合、一方の連結基の*が、他方の連結基の波線部分と結合する。
式L−13〜式L−15におけるR’の結合位置及びT側の結合位置*は、芳香環又は複素芳香環上の任意の位置をとることができる。
また、式L−13におけるT側の結合位置*は、芳香環上の任意の位置をとることができる。
式L−13〜式L−15におけるmは、0又は1であることが好ましく、0であることがより好ましい。
式L−13〜式L−15中のR”としては、ハロゲン原子、アルキル基、アルキニル基、アルケニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基又はアリール基であることが好ましい。
また、Tにおけるアルキル基は、直鎖アルキル基であることが好ましい。
式1−1〜式1−3におけるZ及び式Wで表される基は、式1におけるZ及び式Wで表される基と同義であり、好ましい態様も同様である。
式1−1〜式1−3におけるp及びqは、1であることが好ましい。
式1−1〜式1−3におけるR1及びR2は、同じ基であることが好ましい。
また、式1−1〜式1−3におけるR1及びR2はそれぞれ独立に、アルキル基であることが好ましい。
更に、式1−1〜式1−3におけるR1の炭素数は、2〜40であることが好ましく、2〜18であることがより好ましい。
また、式1−1〜式1−3におけるR2の炭素数は、2〜40であることが好ましく、2〜18であることがより好ましい。
式1−4〜式1−6における式Wで表される基は、式1における式Wで表される基と同義であり、好ましい態様も同様である。
式1−4〜式1−6におけるR1及びR2は、同じ基であることが好ましい。
また、式1−4〜式1−6におけるR1及びR2はそれぞれ独立に、アルキル基であることが好ましい。
更に、式1−4〜式1−6におけるR1の炭素数は、2〜40であることが好ましく、2〜18であることがより好ましい。
また、式1−4〜式1−6におけるR2の炭素数は、2〜40であることが好ましく、2〜18であることがより好ましい。
Ph−:フェニル基
−Ph−:フェニレン基
本発明の有機半導体素子の半導体活性層又は後述する本発明の有機半導体膜における、式1で表される化合物の含有量は、30〜100質量%であることが好ましく、50〜100質量%であることがより好ましく、70〜100質量%であることが更に好ましい。また、後述するバインダーポリマーを含有しない場合は、上記総含有量が、90〜100質量%であることが好ましく、95〜100質量%であることがより好ましい。
本発明の有機半導体素子の半導体活性層は、バインダーポリマーを含有することが好ましい。
また、本発明の有機半導体素子は、上記半導体活性層とバインダーポリマーを含む層を有する有機半導体素子であってもよい。
バインダーポリマーの種類は特に制限されず、公知のバインダーポリマーを用いることができる。
バインダーポリマーとしては、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
中でも、バインダーポリマーとしては、ベンゼン環を有する高分子化合物(ベンゼン環基を有する単量体単位を有する高分子)が好ましい。ベンゼン環基を有する単量体単位の含有量は特に制限されないが、全単量体単位中、50モル%以上が好ましく、70モル%以上がより好ましく、90モル%以上が更に好ましい。上限は特に制限されないが、100モル%が挙げられる。
上記バインダーポリマーとしては、例えば、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリビニルシンナメート、ポリ(4−ビニルフェニル)、ポリ(4−メチルスチレン)などが挙げられる。
また、後述する溶媒を用いる場合、パインダーポリマーは、使用する溶媒への溶解度が、式1で表される化合物よりも高いことが好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体の移動度及び耐熱性により優れる。
本発明の有機半導体素子の半導体活性層におけるバインダーポリマーの含有量は、式1で表される化合物の含有量100質量部に対し、1〜200質量部であることが好ましく、10〜150質量部であることがより好ましく、20〜120質量部であることが更に好ましい。上記範囲であると、得られる有機半導体の移動度及び耐熱性により優れる。
本発明の有機半導体素子における半導体活性層には、式1で表される化合物及びバインダーポリマー以外に他の成分が含まれていてもよい。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
上記半導体活性層における式1で表される化合物及びバインダーポリマー以外の成分の含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び耐熱性により優れる。
本発明の有機半導体組成物を用いて有機半導体膜や有機半導体素子を製造する方法は、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、組成物を所定の基材上に付与して、必要に応じて乾燥処理を施して、有機半導体膜を製造する方法が挙げられる。
基材上に組成物を付与する方法は特に制限されず、公知の方法を採用でき、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、バーコート法、スピンコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法などが挙げられ、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法が好ましい。
なお、フレキソ印刷法としては、フレキソ印刷版として感光性樹脂版を用いる態様が好適に挙げられる。態様によって、組成物を基板上に印刷して、パターンを容易に形成することができる。
中でも、本発明の有機半導体素子の製造方法は、後述する本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程、を含むことが好ましく、本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程、及び、塗布された有機半導体組成物から溶媒を少なくとも一部除去する除去工程を含むことがより好ましい。
溶媒としては、公知の溶媒を用いることができる。
具体的には、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、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、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、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、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、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒、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が挙げられる。
また、有機半導体組成物を付与後、溶媒を乾燥させる観点から、溶媒の常圧における沸点は、300℃以下であることが好ましく、250℃以下であることがより好ましく、220℃以下であることが更に好ましい。
なお、本発明において、特に断りのない限り、沸点は常圧における沸点である。
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及び/又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、ジクロロベンゼン又はアニソールがより好ましい。
溶媒を含有する場合、本発明の有機半導体組成物における式1で表される化合物の含有量は、20質量%以下であることが好ましく、0.01〜20質量%であることがより好ましく、0.05〜10質量%であることが更に好ましく、0.1〜5質量%であることが特に好ましい。また、バインダーポリマー及び溶媒を含有する場合、本発明の有機半導体組成物におけるバインダーポリマーの含有量は、0.01〜80質量%であることが好ましく、0.05〜10質量%であることがより好ましく、0.1〜5質量%であることが更に好ましい。上記範囲であると、塗布性に優れ、容易に有機半導体膜を形成することができる。
また、有機半導体素子としては、光電変換素子でないことが好ましい。
更に、本発明の有機半導体素子は、非発光性有機半導体素子であることが好ましい。
2端子素子としては、整流用ダイオード、定電圧ダイオード、PINダイオード、ショットキーバリアダイオード、サージ保護用ダイオード、ダイアック、バリスタ、トンネルダイオード等が挙げられる。
3端子素子としては、バイポーラトランジスタ、ダーリントントランジスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ユニジャンクショントランジスタ、静電誘導トランジスタ、ゲートターンサイリスタ、トライアック、静電誘導サイリスタ等が挙げられる。
これらの中でも、整流用ダイオード、及び、トランジスタ類が好ましく挙げられ、電界効果トランジスタがより好ましく挙げられる。
電界効果トランジスタとしては、有機薄膜トランジスタが好ましく挙げられる。
図1は、本発明の有機半導体素子(有機薄膜トランジスタ(有機TFT))の一態様の断面模式図である。
図1において、有機薄膜トランジスタ100は、基板10と、基板10上に配置されたゲート電極20と、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30のゲート電極20側とは反対側の表面に接するソース電極40及びドレイン電極42と、ソース電極40とドレイン電極42との間のゲート絶縁膜30の表面を覆う有機半導体膜50と、各部材を覆う封止層60とを備える。有機薄膜トランジスタ100は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタである。
なお、図1においては、有機半導体膜50が、上述した組成物より形成される膜に該当する。
以下、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極及び封止層並びにそれぞれの形成方法について詳述する。
基板は、後述するゲート電極、ソース電極、ドレイン電極などを支持する役割を果たす。
基板の種類は特に制限されず、例えば、プラスチック基板、ガラス基板、セラミック基板などが挙げられる。中でも、各デバイスへの適用性及びコストの観点から、ガラス基板又はプラスチック基板であることが好ましい。
プラスチック基板の材料としては、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)など)又は熱可塑性樹脂(例えば、フェノキシ樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフォンなど)が挙げられる。
セラミック基板の材料としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイドなどが挙げられる。
ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダガラス、カリガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、アルミケイ酸ガラス、鉛ガラスなどが挙げられる。
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の材料としては、例えば、金(Au)、銀、アルミニウム(Al)、銅、クロム、ニッケル、コバルト、チタン、白金、タンタル、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属;InO2、SnO2、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性の酸化物;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン等の導電性高分子;シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の半導体;フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト等の炭素材料などが挙げられる。中でも、金属であることが好ましく、銀又はアルミニウムであることがより好ましい。
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の厚みは特に制限されないが、20〜200nmであることが好ましい。
ゲート絶縁膜の材料としては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルフォン、ポリベンゾオキサゾール、ポリシルセスキオキサン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のポリマー;二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン等の酸化物;窒化珪素等の窒化物などが挙げられる。これらの材料のうち、有機半導体膜との相性から、ポリマーであることが好ましい。
ゲート絶縁膜の材料としてポリマーを用いる場合、架橋剤(例えば、メラミン)を併用するのが好ましい。架橋剤を併用することで、ポリマーが架橋されて、形成されるゲート絶縁膜の耐久性が向上する。
ゲート絶縁膜の膜厚は特に制限されないが、100〜1,000nmであることが好ましい。
ゲート絶縁膜形成用組成物を塗布してゲート絶縁膜を形成する場合、溶媒除去、架橋などを目的として、塗布後に加熱(ベーク)してもよい。
本発明の有機半導体素子は、上記半導体活性層と絶縁膜との間にバインダーポリマー層を有することが好ましく、上記半導体活性層とゲート絶縁膜との間に上記バインダーポリマー層を有することがより好ましい。上記バインダーポリマー層の膜厚は特に制限されないが、20〜500nmであることが好ましい。上記バインダーポリマー層は、上記ポリマーを含む層であればよいが、上記バインダーポリマーからなる層であることが好ましい。
バインダーポリマー層形成用組成物を塗布してバインダーポリマー層を形成する場合、溶媒除去、架橋などを目的として、塗布後に加熱(ベーク)してもよい。
また、上記バインダーポリマー層は、本発明の有機半導体組成物により半導体活性層とともに形成されたバインダーポリマー層であることが好ましい。
本発明の有機半導体素子は、耐久性の観点から、最外層に封止層を備えることが好ましい。封止層には公知の封止剤を用いることができる。
封止層の厚さは特に制限されないが、0.2〜10μmであることが好ましい。
図2において、有機薄膜トランジスタ200は、基板10と、基板10上に配置されたゲート電極20と、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に配置された有機半導体膜50と、有機半導体膜50上に配置されたソース電極40及びドレイン電極42と、各部材を覆う封止層60とを備える。ここで、ソース電極40及びドレイン電極42は、上述した本発明の組成物を用いて形成されたものである。有機薄膜トランジスタ200は、ボトムゲート−トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタである。
基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜及び封止層については、上述のとおりである。
なお、上述した有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー、ディスプレイデバイスなどに好適に使用できる。
本発明の有機半導体組成物は、下記式1で表される化合物と、溶媒と、を含有する有機半導体組成物であり、下記式1で表される化合物と、沸点100℃以上の溶媒と、を含有し、下記式1で表される化合物の含有量が、有機半導体組成物の総量に対し、20質量%以下であることが好ましい。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
本発明の有機半導体組成物における式1で表される化合物及びバインダーポリマーは、上述した式1で表される化合物及びバインダーポリマーと同義であり、好ましい態様も同様である。
本発明の有機半導体組成物は、沸点100℃以上の溶媒を含有する。
沸点100℃以上の溶媒としては、例えば、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、テトラリン、ジメチルテトラリンなどの炭化水素系溶媒、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、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、1−フルオロナフタレン、1−クロロナフタレンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル系溶媒、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、ジブチルエーテル、ジオキサン、アニソール、4−ターシャリブチルアニソール、m−ジメトキシベンゼンなどのエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒、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、ブチロニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル系溶媒が挙げられる。
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及び/又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、ジクロロベンゼン又はアニソールがより好ましい。上記の溶媒であると、塗布性に優れ、容易に有機半導体膜を形成することができる。
また、本発明の有機半導体組成物は、沸点100℃未満の溶媒を含有していてもよいが、その含有量は、沸点100℃以上の溶媒の含有量未満であることが好ましく、沸点100℃以上の溶媒の含有量の1/10以下であることがより好ましく、沸点100℃未満の溶媒を含有しないことが更に好ましい。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
本発明の有機半導体組成物における式1で表される化合物、バインダーポリマー及び溶媒以外の成分の含有量は、全固形分に対し、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び耐熱性により優れる。なお、固形分とは、溶媒等の揮発性成分を除いた成分の量である。
粘度の測定方法としては、JIS Z8803に準拠した測定方法であることが好ましい。
また、式1で表される化合物の含有量は、固形分総量の30〜99質量%であることが好ましく、50〜95質量%であることがより好ましく、70〜90質量%であることが更に好ましい。
本発明の有機半導体膜は、上記式1で表される化合物を含有することを特徴とする。
また、本発明の有機半導体膜は、本発明の有機半導体組成物より形成された有機半導体膜であることが好ましい。
本発明の有機半導体膜は、バインダーポリマーを含有することが好ましい。
本発明の有機半導体膜における式1で表される化合物及びバインダーポリマーは、本発明の有機半導体素子において上述した式1で表される化合物及びバインダーポリマーと同義であり、好ましい態様も同様である。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
本発明の有機半導体膜における式1で表される化合物及びバインダーポリマー以外の成分の含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び耐熱性により優れる。なお、固形分とは、溶媒等の揮発性成分を除いた成分の量である。
本発明の有機半導体膜は、有機半導体素子に好適に使用することができ、有機トランジスタ(有機薄膜トランジスタ)に特に好適に使用することができる。
本発明の有機半導体化合物は、下記式1で表されることを特徴とする。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
また、合成上の観点から、上記式1−2又は式1−3で表される化合物が好ましく挙げられ、上記式1−5又は式1−6で表される化合物がより好ましく挙げられる。
下記スキームX1にしたがって、中間体M1を合成した。
TMSCl:トリメチルシリルクロライド(和光純薬工業(株)製)
THF:テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)
Br2:臭素(和光純薬工業(株)製)
CH2Cl2:ジクロロメタン(和光純薬工業(株)製)
3−メルカプトチオフェン:東京化成工業(株)製
K2CO3:炭酸カリウム(東京化成工業(株)製)
NMP:N−メチルピロリドン(関東化学(株)製)
H2O2:過酸化水素(関東化学(株)製)
MTO−Re:メチルレニウムトリオキサイド(和光純薬工業(株)製)
CH3CN:アセトニトリル(和光純薬工業(株)製)
Pd(OAc)2:酢酸パラジウム(II)(和光純薬工業(株)製)
KOAc:酢酸カリウム(和光純薬工業(株)製)
DMAc:ジメチルアセトアミド(和光純薬工業(株)製)
KI:ヨウ化カリウム(和光純薬工業(株)製)
p−TSA・H2O:p−トルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業(株)製)
リチウム2,2,6,6−テトラメチルピペリジド:テトラメチルピペリジン(和光純薬工業(株)製)をTHFに溶解させ、0℃でn−ブチルリチウム(関東化学(株)製)を滴下することにより調製して用いた。
1,2−ジブロモ−1,1,2,2−テトラクロロエタン:和光純薬工業(株)製
dryTHF:乾燥テトラヒドロフラン(和光純薬工業(株)製)
<FET素子の作製>
表11に記載の化合物(各1mg)とトルエン(1mL)とを混合し、100℃に加熱したものを、有機半導体組成物とした。この組成物を窒素雰囲気下、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有機半導体膜(厚さ200nm)を形成し、FET特性測定用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、ソース及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を用いた。
各実施例及び比較例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(株)製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent社製、4156C)を用いて常圧かつ窒素雰囲気下で、キャリア移動度を評価した。
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を表す下記式を用いてキャリア移動度μを算出した。
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は閾値電圧を表す。
表11に記載の化合物(各1mg)とトルエン(1mL)とを混合し、100℃に加熱したものを、有機半導体組成物とした。この組成物を窒素雰囲気下、90℃に加熱した50素子分のチャネルを形成した基板上全面にキャストすることで有機半導体薄膜を形成し、50素子FET特性測定用の有機薄膜トランジスタ素子を得た。
−評価基準−
塗布成膜性A:得られた50素子のうち、TFT素子として駆動した素子が45個以上(90%以上)。
塗布成膜性B:得られた50素子のうち、TFT素子として駆動した素子が45個未満(90%未満)。
以下に示す方法で塗布膜の品質を評価した。
有機薄膜トランジスタ素子の半導体活性層について、偏光顕微鏡を用いてドメインサイズを1mm四方の範囲で測定し、平均ドメインサイズを計算した。得られた結果を以下の5段階で評価した。実用上、D評価であっても問題はないが、A、B又はC評価であることが好ましく、A又はB評価であることがより好ましく、A評価であることが特に好ましい。
A:平均ドメインサイズが5マイクロメートル超える。
B:平均ドメインサイズが1マイクロメートルを超え、かつ、5マイクロメートル以下である。
C:平均ドメインサイズが0.5マイクロメートルを超え、かつ、1マイクロメートル以下である。
D:平均ドメインサイズが0.5マイクロメートル以下である。
E:連続膜にならず評価不能。
作製した各有機薄膜トランジスタ素子を、窒素グローブボックス中130℃にて1時間加熱した後に、キャリア移動度μを測定し、下記式より加熱後のキャリア移動度維持率を算出した。
加熱後のキャリア移動度維持率(%)=移動度(加熱後)/移動度(初期値)
得られた結果を以下の評価基準にしたがって評価した。
−評価基準−
A:95%以上。
B:70%以上、95%未満。
C:40%以上、70%未満。
D:20%以上、40%未満。
E:20%未満。
ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム(帝人デュポンフィルム(株)製のテオネックス65H)上に作製した各有機薄膜トランジスタ素子を、曲率半径4ミリで100回折り曲げ試験を行った後に、キャリア移動度μを測定し、下記式より折り曲げ試験後のキャリア移動度維持率を算出した。
折り曲げ試験後のキャリア移動度維持率(%)=移動度(折り曲げ後)/移動度(初期値)
得られた結果を以下の評価基準にしたがって評価した。
−評価基準−
A:95%以上。
B:90%以上、95%未満。
C:90%未満。
実用上、A又はB評価であることが必要であり、A評価であることが好ましい。
表12に記載の化合物又は比較化合物(各1mg)、PαMS(ポリ(α−メチルスチレン)、Mw=300,000、Aldrich社製)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1〜7及び比較例1〜9と同様にして、実施例8〜11、並びに、比較例10及び11の有機半導体組成物及び有機薄膜トランジスタ素子をそれぞれ作製し、各種評価を行った。評価結果をまとめて表12に示す。
上記塗布成膜性評価で作製した有機半導体組成物をインクジェット印刷によってFET特性測定用基板上に付与した。具体的には、インクジェット装置としてDPP2831(富士フイルムグラフィックシステムズ(株)製)、10pLヘッドを用い、吐出周波数2Hz、ドット間ピッチ20μmでベタ膜を形成した。その後70℃で1時間乾燥することにより有機半導体膜を形成し、FET特性測定用の有機TFT素子を得た。
各実施例又は比較例において、インクジェット印刷により得られた有機TFT素子の、後述するキャリア移動度、塗布成膜性、耐熱性、折り曲げ耐性の評価は、キャスト法によって得られた有機TFT素子の評価と全て同じであった。
また、インクジェット法により有機半導体膜をチャネル領域にパターニングした場合にもキャスト法により作製した素子、また、インクジェット法により作製したベタ膜素子と同じ性能を示した。
上記塗布成膜性評価で作製した有機半導体組成物を、上記ソースドレイン電極を形成した基板上に、フレキソ印刷法によりコートした。印刷装置として、フレキソ適性試験機F1(アイジーティ・テスティングシステムズ(株)製)を用い、フレキソ樹脂版として、AFP DSH1.70%(旭化成(株)製)/ベタ画像を用いた。版と基板との間の圧は、60N、搬送速度0.4m/秒で印刷を行った後、そのまま、40℃下で2時間乾燥することで、半導体活性層を作製した。
各実施例又は比較例において、フレキソ印刷により得られた有機TFT素子の、後述するキャリア移動度、塗布成膜性、耐熱性、折り曲げ耐性の評価は、キャスト法によって得られた有機TFT素子の評価と全て同じであった。
溶媒としてトルエンの代わりに、アニソール、又は、テトラリンをそれぞれ使用した以外は、実施例1〜33と同様にして、有機半導体組成物及び有機薄膜トランジスタ素子を作製し、評価したところ、対応する各実施例と同様の特性及び評価結果が得られた。
Claims (18)
- 下記式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
有機半導体素子。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
- X1及びX2がともにカルコゲン原子であるか、又は、Y1及びY2がともにカルコゲン原子である、請求項1に記載の有機半導体素子。
- Zが、水素原子である、請求項1又は2に記載の有機半導体素子。
- p及びqがそれぞれ独立に、1又は2である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- p及びqがともに1である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- R1及びR2の置換位置がそれぞれ、末端カルコゲノフェン環の2位である、請求項5に記載の有機半導体素子。
- Xaが、S原子である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- 前記式1における2つの末端カルコゲノフェン環がいずれも、チオフェン環である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- 前記式Wで表される基の炭素数の合計が、4〜40である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- Lが、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基、又は、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- Lが、式L−1〜式L−4及び式L−13〜式L−15のいずれか単独で表される2価の連結基である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- Tが、アルキル基である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- Wが、アルキル基である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- 有機薄膜トランジスタである、請求項1〜13のいずれか一項に記載の有機半導体素子。
- 下記式1で表される化合物と、
沸点100℃以上の溶媒と、を含有し、
前記式1で表される化合物の含有量が、有機半導体組成物の総量に対し、20質量%以下であることを特徴とする
有機半導体組成物。
X1及びY1のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Ra)であり、かつ、X2及びY2のうち一方がカルコゲン原子であり、残る一方はC(Rb)であり、Raはそれぞれ独立に、水素原子又はR1を表し、Rbはそれぞれ独立に、水素原子又はR2を表し、Aが式3で表される芳香環である場合、Y1及びY2がそれぞれ独立に、カルコゲン原子であり、X1がC(Ra)であり、かつX2がC(Rb)であり、
p及びqはそれぞれ独立に、0〜2の整数を表し、Zはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、R1及びR2はそれぞれ独立に、ハロゲン原子又は下記式Wで表される基を表す。
−S−L−T (W)
式W中、Sは単結合又は−(C(RS)2)n−を表し、RSはそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子を表し、nは1〜17の整数を表し、Lは単結合、下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基又は下記式L−1〜式L−15のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表し、Tはアルキル基、ハロアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、アリール基、ヘテロアリール基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基、シロキサン基、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基、又は、トリアルキルシリル基を表す。
- バインダーポリマーを更に含有し、
前記バインダーポリマーの含有量が、有機半導体組成物の総量に対し、0.001〜10質量%である、請求項15に記載の有機半導体組成物。 - 請求項15又は16に記載の有機半導体組成物を、インクジェット法又はフレキソ印刷法により基板上に付与する付与工程、及び、前記付与した有機半導体組成物から前記溶媒を少なくとも一部除去する除去工程を含む有機半導体素子の製造方法。
- 請求項15又は16に記載の有機半導体組成物より形成された有機半導体膜。
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