JP6321965B2 - 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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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などに関する。詳しくは、本発明は、2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格構造を有する化合物、有機薄膜トランジスタ、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料、有機薄膜トランジスタ用材料、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜、上記化合物を合成するための中間体である化合物に関する。
有機半導体材料を用いたデバイスは、従来のシリコンなどの無機半導体材料を用いたデバイスと比較して、様々な優位性が見込まれているため、高い関心を集めている。有機半導体材料を用いたデバイスの例としては、有機半導体材料を光電変換材料として用いた有機薄膜太陽電池や固体撮像素子などの光電変換素子や、非発光性の有機トランジスタが挙げられる。有機半導体材料を用いたデバイスは、無機半導体材料を用いたデバイスと比べて低温、低コストで大面積の素子を作製できる可能性がある。さらに分子構造を変化させることで容易に材料特性を変化させることが可能であるため材料のバリエーションが豊富であり、無機半導体材料ではなし得なかったような機能や素子を実現することができる。
有機薄膜トランジスタ材料としては、縮合環を有する化合物を半導体活性層に用いることで、キャリア移動度を高めることが検討されてきていた。
ここで、縮合環を有する化合物として、特許文献1には、N原子上に嵩高い置換基を有するフェナントロジピロール化合物が記載されている。
KR−10−2012−0081539A号公報
このような状況のもと、本発明者らが特許文献1に記載の化合物を用いた有機薄膜トランジスタについて検討したところ、有機薄膜トランジスタに使用した例の記載がない特許文献1に記載されている化合物を有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたとしてもキャリア移動度が低く、高いトランジスタ特性が得られないことがわかった。
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために検討を進めた。本発明が解決しようとする課題は、キャリア移動度が高い有機薄膜トランジスタを提供することである。
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、2つのヘテロ5員環を特定の組み合わせで特定の位置に縮環させことで、有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときに高いキャリア移動度が得られることを見出し、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。
[1] 下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含む有機薄膜トランジスタ:
一般式(1)
Figure 0006321965
一般式(1)中、
1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、
1〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、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)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
[2] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、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:
一般式(2−1)
Figure 0006321965
一般式(2−1)中、X1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
1〜R5、R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、ただし、R5は−La−Raで表される基ではなく、
aは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
aは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、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、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;
一般式(2−2)
Figure 0006321965
一般式(2−2)中、
1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
1〜R4、R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
bおよびLcはそれぞれ独立に下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
bおよびRcはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
[3] [1]または[2]に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、A1がCR7であるか、A2がCR8であり、R7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ことが好ましい。
[4] [1]〜[3]のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、X1およびX2のうち少なくとも1つがS原子であることが好ましい。
[5] [1]〜[4]のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、L、La、LbおよびLcが一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)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。
[6] [1]〜[5]のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、L、La、LbおよびLcが一般式(L−1)、(L−3)(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基であることが好ましい。
[7] [1]〜[6]のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、R、Ra、RbおよびRcが置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[8] 下記一般式(1)で表される化合物:
一般式(1)
Figure 0006321965
一般式(1)中、
1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、
1〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、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)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
[9] [8]に記載の化合物は、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。
一般式(2−1)
Figure 0006321965
一般式(2−1)中、X1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
1〜R5、R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、ただし、R5は−La−Raで表される基ではなく、
aは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
aは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、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、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;
一般式(2−2)
Figure 0006321965
一般式(2−2)中、
1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
1〜R4、R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
bおよびLcはそれぞれ独立に下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
bおよびRcはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
[10] [8]または[9]に記載の化合物は、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、A1がCR7であるか、A2がCR8であり、R7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ことが好ましい。
[11] [8]〜[10]のいずれかに記載の化合物は、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、X1およびX2のうち少なくとも1つがS原子であることが好ましい。
[12] [8]〜[11]のいずれかに記載の化合物は、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、L、La、LbおよびLcが一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)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。
[13] [8]〜[12]のいずれかに記載の化合物は、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、L、La、LbおよびLcが一般式(L−1)、(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基であることが好ましい。
[14] [8]〜[13]のいずれかに記載の化合物は、一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、R、Ra、RbおよびRcが置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[15] [8]〜[14]のいずれかに記載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。
[16] [8]〜[14]のいずれかに記載の化合物を含有する有機薄膜トランジスタ用材料。
[17] [8]〜[14]のいずれかに記載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。
[18] [8]〜[14]のいずれかに記載の化合物とポリマーバインダーを含有する非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[19] [8]〜[14]のいずれかに記載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。
[20] [8]〜[14]のいずれかに記載の化合物とポリマーバインダー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。
[21] [19]または[20]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。
[22] 下記一般式(3)で表される化合物:
一般式(3)
Figure 0006321965
一般式(3)中、
1およびY2はそれぞれ独立にハロゲン原子を表し、
9およびR10はそれぞれ独立にハロゲン原子、カルボニル基、トリアルキルシリル基、アルキニル基、アルケニル基を表し、
11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
[23] 下記一般式(4)で表される化合物:
一般式(4)
Figure 0006321965
一般式(4)中、
1およびY2は、それぞれ独立にハロゲン原子を表し、
9およびR10はそれぞれ独立にハロゲン原子、カルボニル基、トリアルキルシリル基、アルキニル基、アルケニル基を表し、
11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
[24] [22]または[23]に記載の化合物は、[8]〜[14]のいずれかに記載の化合物の中間体化合物であることが好ましい。
本発明によれば、キャリア移動度が高い有機薄膜トランジスタを提供することができる。
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。
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
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。
[有機薄膜トランジスタ]
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。
一般式(1)
Figure 0006321965
一般式(1)中、
1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表し、
1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、
1〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、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)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
本発明の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことにより、キャリア移動度が高い。
ここで、特許文献1では、本発明の化合物と類似の骨格を有するフェナントロジピロール化合物が記載されているが、縮環数が異なっていることやN原子上に嵩高い置換基を有することで、化合物が結晶化した際、分子間で十分な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。
これに対し本発明の化合物は、2つのヘテロ5員環を特定の組み合わせで特定の位置に縮環させることで、フェナントレン骨格に十分なHOMO軌道の重なりが得られ、トランジスタ用半導体材料としての十分な高いキャリア移動度を示すものである。
さらに、一般式(1)で表される化合物を用いた本発明の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が好ましい。繰り返し駆動後の閾値電圧変化を小さくするためには、有機半導体材料のHOMOが浅すぎずかつ深すぎないこと、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。また、一般式(1)で表される化合物は、成膜時の有機溶媒への溶解性が高いほど、有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときの繰り返し駆動後の閾値電圧変化を小さくできる。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。
なお、有機EL素子材料として有用なものが、ただちに有機薄膜トランジスタ用半導体材料として有用であると言うことはできない。これは、有機EL素子と有機薄膜トランジスタでは、有機化合物に求められる特性が異なるためである。有機EL素子では通常薄膜の膜厚方向(通常数nm〜数100nm)に電荷を輸送する必要があるのに対し、有機薄膜トランジスタでは薄膜面方向の電極間(通常数μm〜数100μm)の長距離を電荷(キャリア)輸送する必要がある。このため、求められるキャリア移動度が格段に高い。そのため、有機薄膜トランジスタ用半導体材料としては、分子の配列秩序が高い、結晶性が高い有機化合物が求められている。また、高いキャリア移動度発現のため、π共役平面は基板に対して直立していることが好ましい。一方、有機EL素子では、発光効率を高めるため、発光効率が高く、面内での発光が均一な素子が求められている。通常、結晶性の高い有機化合物は、面内の電界強度不均一、発光不均一、発光クエンチ等、発光欠陥を生じさせる原因となるため、有機EL素子用材料は結晶性を低くし、アモルファス性の高い材料が望まれる。このため、有機EL素子材料を構成する有機化合物を有機半導体材料にそのまま転用しても、ただちに良好なトランジスタ特性を得ることができる訳ではない。
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。
<一般式(1)で表される化合物>
本発明の化合物は、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。
一般式(1)
Figure 0006321965
一般式(1)中、X1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表す。X1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子であることが合成容易性の観点から好ましい。一方、X1およびX2のうち少なくとも1つがS原子であることが、キャリア移動度を高める観点から好ましい。X1およびX2は、同じ連結基であることが好ましい。X1およびX2はいずれもS原子であることがより好ましい。
13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基またはアシル基であることが好ましく、水素原子またはアルキル基であることがより好ましく、炭素数1〜14のアルキル基であることが特に好ましく、炭素数1〜4のアルキル基であることがより特に好ましい。
13がアルキル基を表す場合、直鎖アルキル基でも、分枝アルキル基でも、環状アルキル基でもよいが、直鎖アルキル基であることが、分子の直線性が高まり、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
一般式(1)中、A1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、R7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。A1がCR7であるか、A2がCR8であることが好ましく、A1がCR7かつA2がCR8であることがより好ましい。A1およびA2は、同じであっても互いに異なっていてもよいが、同じあることが好ましい。
一般式(1)において、R5とR7は互いに結合して環を形成してもよく、互いに結合して環を形成しなくてもよいが、互いに結合して環を形成しない方が好ましい。
一般式(1)において、R5とR13は互いに結合して環を形成してもよく、互いに結合して環を形成しなくてもよいが、互いに結合して環を形成しない方が好ましい。
一般式(1)において、R6とR8は互いに結合して環を形成してもよく、互いに結合して環を形成しなくてもよいが、互いに結合して環を形成しない方が好ましい。
一般式(1)において、R6とR13は互いに結合して環を形成してもよく、互いに結合して環を形成しなくてもよいが、互いに結合して環を形成しない方が好ましい。
一般式(1)中、R1〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、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)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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:
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
一般式(1)中、R1〜R8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、少なくとも1つは一般式(W)で表される基を表す。
一般式(1)のR1〜R8がそれぞれ独立にとりうる置換基として、ハロゲン原子、アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等の炭素数1〜40のアルキル基、ただし、2,6−ジメチルオクチル基、2−デシルテトラデシル基、2−ヘキシルドデシル基、2−エチルオクチル基、2−デシルテトラデシル基、2−ブチルデシル基、1−オクチルノニル基、2−エチルオクチル基、2−オクチルテトラデシル基、2−エチルヘキシル基、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等を含む)、アルケニル基(1−ペンテニル基、シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基等を含む)、アルキニル基(1−ペンチニル基、トリメチルシリルエチニル基、トリエチルシリルエチニル基、トリ−i−プロピルシリルエチニル基、2−p−プロピルフェニルエチニル基等を含む)、アリール基(フェニル基、ナフチル基、p−ペンチルフェニル基、3,4−ジペンチルフェニル基、p−ヘプトキシフェニル基、3,4−ジヘプトキシフェニル基の炭素数6〜20のアリール基等を含む)、複素環基(ヘテロ環基といってもよい。2−ヘキシルフラニル基等を含む)、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アシル基(ヘキサノイル基、ベンゾイル基等を含む)、アルコキシ基(ブトキシ基等を含む)、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、アミノ基(アニリノ基を含む)、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基(ウレイド基含む)、アルコキシおよびアリールオキシカルボニルアミノ基、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、アルキルおよびアリールチオ基(メチルチオ基、オクチルチオ基等を含む)、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、アルキルおよびアリールオキシカルボニル基、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(ジトリメチルシロキシメチルブトキシ基等)、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。
また、これら置換基は、さらに上記置換基を有していてもよい。また、一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物である場合は、R1〜R8が重合性基由来の基を有していてもよい。
これらの中でも、R1〜R8がそれぞれ独立にとりうる置換基として、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基、複素環基、アルコキシ基、アルキルチオ基、後述の一般式(W)で表される基が好ましく、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数2〜12のアルケニル基、炭素数2〜12のアルキニル基、炭素数1〜11のアルコキシ基、炭素数5〜12の複素環基、炭素数1〜12のアルキルチオ基、後述の一般式(W)で表される基がより好ましく、後述の連結基鎖長が3.7Å以下の基および後述の一般式(W)で表される基が特に好ましく、後述の一般式(W)で表される基がより特に好ましい。
一般式(W)で表される基について説明する。
−L−R 一般式(W)
一般式(W)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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:
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
Nは水素原子または置換基を表し、
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上が結合した2価の連結基を表す。
Figure 0006321965
一般式(L−1)〜(L−25)において、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表す。なお、本明細書中、Lが一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上が結合した2価の連結基を表す場合、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置および一般式(L−1)〜(L−25)で表される2価の連結基のいずれかとの結合位置を表してもよい。
*は一般式(L−1)〜(L−25)で表される2価の連結基およびRのいずれかとの結合位置を示す。
一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表す。
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
Nは水素原子または置換基を表す。
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
一般式(L−1)および(L−2)中のR’はそれぞれLに隣接するRと結合して縮合環を形成してもよい。
この中でも、一般式(L−17)〜(L−21)、(L−23)および(L−24)で表される2価の連結基は、下記一般式(L−17A)〜(L−21A)、(L−23A)および(L−24A)で表される2価の連結基であることがより好ましい。
Figure 0006321965
ここで、置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基が置換基の末端に存在する場合は、一般式(W)における−R単独と解釈することもでき、一般式(W)における−L−Rと解釈することもできる。
本発明では、主鎖が炭素数N個の置換または無置換のアルキル基が置換基の末端に存在する場合は、置換基の末端から可能な限りの連結基を含めた上で一般式(W)における−L−Rと解釈することとし、一般式(W)における−R単独とは解釈しない。具体的には「一般式(W)におけるLに相当する(L−1)1個」と「一般式(W)におけるRに相当する主鎖が炭素数N−1個の置換または無置換のアルキル基」とが結合した置換基として解釈する。例えば、炭素数8のアルキル基であるn−オクチル基が置換基の末端に存在する場合、2個のR’が水素原子である(L−1)1個と、炭素数7のn−ヘプチル基とが結合した置換基として解釈する。また、一般式(W)で表される置換基が炭素数8のアルコキシ基である場合、−O−である一般式(L−4)で表される連結基1個と、2個のR’が水素原子である(L−1)で表される連結基1個と、炭素数7のn−ヘプチル基とが結合した置換基として解釈する。
一方、本発明では、オキシエチレン基、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、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、あるいは、置換または無置換のトリアルキルシリル基が置換基の末端に存在する場合は、置換基の末端から可能な限りの連結基を含めた上で、一般式(W)におけるR単独と解釈する。例えば、−(OCH2CH2)−(OCH2CH2)−(OCH2CH2)−OCH3基が置換基の末端に存在する場合、オキシエチレン単位の繰り返し数vが3のオリゴオキシエチレン基単独の置換基として解釈する。
Lが一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基が結合した連結基を形成する場合、一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基の結合数は2〜4であることが好ましく、2または3であることがより好ましい。
一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)中の置換基R’としては、上記の一般式(1)のR1〜R8が採りうる置換基として例示したものを挙げることができる。その中でも一般式(L−6)中の置換基R’はアルキル基であることが好ましく、(L−6)中のR’がアルキル基である場合は、該アルキル基の炭素数は1〜9であることが好ましく、4〜9であることが化学的安定性、キャリア輸送性の観点からより好ましく、5〜9であることがさらに好ましい。(L−6)中のR’がアルキル基である場合は、該アルキル基は直鎖アルキル基であることが、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
Nは水素原子または置換基を表し、RNとしては、上記の一般式(1)のR1〜R8が採りうる置換基として例示したものを挙げることができる。その中でもRNとしては水素原子またはメチル基が好ましい。
siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基アルキニル基を表し、アルキル基であることが好ましい。Rsiがとり得るアルキル基としては特に制限はないが、Rsiがとり得るアルキル基の好ましい範囲はRがシリル基である場合に該シリル基がとり得るアルキル基の好ましい範囲と同様である。Rsiがとり得るアルケニル基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルケニル基が好ましく、分枝アルケニル基であることがより好ましく、該アルケニル基の炭素数は2〜3であることが好ましい。Rsiがとり得るアルキニル基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルキニル基が好ましく、分枝アルキニル基であることがより好ましく、該アルキニル基の炭素数は2〜3であることが好ましい。
Lは一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、または一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)のいずれかで表される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く、一般式(L−1)、(L−3)、(L−13)もしくは(L−18)のいずれかで表される2価の連結基または一般式(L−1)、(L−3)、(L−13)もしくは(L−18)で表される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より好ましく、(L−1)、(L−3)、(L−13)もしくは(L−18)で表される2価の連結基、あるいは一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基であることが特に好ましい。一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基は、一般式(L−1)で表される2価の連結基がR側に結合することが好ましい。
化学的安定性、キャリア輸送性の観点から一般式(L−1)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが特に好ましく、一般式(L−1)で表される2価の連結基であることがより特に好ましく、Lが一般式(L−18)および(L−1)で表される2価の連結基であり、(L−1)を介してRと結合し、Rが置換または無置換のアルキル基であることがさらにより特に好ましく、Lが一般式(L−18A)および(L−1)で表される2価の連結基であり、(L−1)を介してRと結合し、Rが置換または無置換のアルキル基であることがさらにより特に好ましい。
一般式(W)において、Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、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、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。好ましくは、置換または無置換のアルキル基である。
一般式(W)において、Rに隣接するLが一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は、Rは置換または無置換のアルキル基、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であることが好ましく、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い。
一般式(W)において、Rに隣接するLが一般式(L−2)および(L−4)〜(L−25)で表される2価の連結基である場合は、Rは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い。
一般式(W)において、Rに隣接するLが一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合は、Rは置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のシリル基であることが好ましい。
Rが置換または無置換のアルキル基の場合、炭素数は4〜17であることが好ましく、6〜14であることが化学的安定性、キャリア輸送性の観点からより好ましく、6〜12であることがさらに好ましい。Rが上記の範囲の長鎖アルキル基であること、特に長鎖の直鎖アルキル基であることが、分子の直線性が高まり、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
Rがアルキル基を表す場合、直鎖アルキル基でも、分枝アルキル基でも、環状アルキル基でもよいが、直鎖アルキル基であることが、分子の直線性が高まり、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
これらの中でも、一般式(W)におけるRとLの組み合わせとしては、一般式(1)、のLが一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、Rが直鎖の炭素数4〜17のアルキル基であるか;あるいは、Lが一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基であり、かつ、Rが直鎖のアルキル基であることが、キャリア移動度を高める観点から好ましい。
Lが全一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、かつ、Rが直鎖の炭素数4〜17のアルキル基である場合、Rが直鎖の炭素数6〜14のアルキル基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、直鎖の炭素数6〜12のアルキル基であることが特に好ましい。
Lが一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基であり、かつ、R、が直鎖のアルキル基である場合、Rが直鎖の炭素数4〜17のアルキル基であることがより好ましく、直鎖の炭素数6〜14のアルキル基であることが化学的安定性、キャリア輸送性の観点からより好ましく、直鎖の炭素数6〜12のアルキル基であることがキャリア移動度を高める観点から特に好ましい。
一方、有機溶媒への溶解度を高める観点からは、Rが分枝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。ただし、Rは無置換のアルキル基であることが好ましい。
Rがエチレンオキシ基、または、オキシエチレン基の繰り返し数が2以上のオリゴエチレンオキシ基の場合、Rが表す「オリゴオキシエチレン基」とは本明細書中、−(OCH2CH2vOYで表される基のことを言う(オキシエチレン単位の繰り返し数vは2以上の整数を表し、末端のYは水素原子または置換基を表す)。なお、オリゴオキシエチレン基の末端のYが水素原子である場合はヒドロキシ基となる。オキシエチレン単位の繰り返し数vは2〜4であることが好ましく、2〜3であることがさらに好ましい。オリゴオキシエチレン基の末端のヒドロキシ基は封止されていること、すなわちYが置換基を表すことが好ましい。この場合、ヒドロキシ基は、炭素数が1〜3のアルキル基で封止されること、すなわちYが炭素数1〜3のアルキル基であることが好ましく、Yがメチル基やエチル基であることがより好ましく、メチル基であることが特に好ましい。
Rが、シロキサン基、または、ケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基の場合、シロキサン単位の繰り返し数は2〜4であることが好ましく、2〜3であることがさらに好ましい。また、Si原子には、水素原子やアルキル基が結合することが好ましい。Si原子にアルキル基が結合する場合、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、異なるアルキル基または水素原子が結合してもよい。また、オリゴシロキサン基を構成するシロキサン単位はすべて同一であっても異なっていてもよいが、すべて同一であることが好ましい。
Rに隣接するLが一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合、Rが置換または無置換のシリル基であることも好ましい。Rが置換または無置換のシリル基である場合はその中でも、Rが置換シリル基であることが好ましい。シリル基の置換基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルキル基が好ましく、分枝アルキル基であることがより好ましい。Rが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がアルキル基上にさらに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。
一般式(W)において、LおよびRに含まれる炭素数の合計は5〜18であることが好ましい。LおよびRに含まれる炭素数の合計が上記範囲の下限値以上であると、キャリア移動度が高くなり、駆動電圧を低くなる。LおよびRに含まれる炭素数の合計が上記範囲の上限値以下であると、有機溶媒に対する溶解性が高くなる。
LおよびRに含まれる炭素数の合計は5〜14であることが好ましく、6〜14であることがより好ましく、6〜12であることが特に好ましく、8〜12であることがより特に好ましい。
一般式(1)で表される化合物中、R1〜R8のうち、一般式(W)で表される基は1〜4個であることが、キャリア移動度を高め、有機溶媒への溶解性を高める観点から好ましく、1または2個であることがより好ましく、2個であることが特に好ましい。
1〜R8のうち、一般式(W)で表される基の位置に特に制限はないが、R5またはR6であることが、キャリア移動度を高め、有機溶媒への溶解性を高める観点から好ましい。
1〜R8のうち、一般式(W)で表される基以外の置換基は、0〜4個であることが好ましく、0〜2個であることがより好ましく、0または1個であることが特に好ましく、0個であることがより特に好ましい。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基は、連結基鎖長が3.7Å以下の基であることが好ましく、連結基鎖長が1.0〜3.7Åの基であることが好ましく、連結基鎖長が1.0〜2.1Åの基であることがより好ましい。
ここで、連結基鎖長とはC−R0結合におけるC原子から置換基R0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)を用いて行うことができる。なお、代表的な置換基の分子長としては、プロピル基は4.6Å、ピロール基は4.6Å、プロピニル基は4.5Å、プロペニル基は4.6Å、エトキシ基は4.5Å、メチルチオ基は3.7Å、エテニル基は3.4Å、エチル基は3.5Å、エチニル基は3.6Å、メトキシ基は3.3Å、メチル基は2.1Å、水素原子は1.0Åである。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基はそれぞれ独立に炭素数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、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い。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基がそれぞれ独立に炭素数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。一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基が表す炭素数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、シアノ基置換のメチル基が好ましく、メチル基またはシアノ基置換のメチル基がより好ましく、シアノ基置換のメチル基が特に好ましい。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基がそれぞれ独立に炭素数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。一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基が表す炭素数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、重水素原子置換のアセチレン基を挙げることができ、エチニル基が好ましい。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基がそれぞれ独立に炭素数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。一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基が表す炭素数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。
1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基がそれぞれ独立に炭素数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。一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の置換基が表す炭素数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。
一般式(1)で表される化合物は、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く、高移動度の観点からは一般式(2−1)で表される化合物であることが特に好ましい。
一般式(1)で表される化合物が下記一般式(2−1)で表される化合物である場合について、まず説明する。
一般式(2−1)
Figure 0006321965
一般式(2−1)中、X1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表す。一般式(2−1)におけるX1およびX2の好ましい範囲は一般式(1)におけるX1およびX2の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−1)中、A1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表す。一般式(2−1)中のA1、A2、R7およびR8は、一般式(1)中のA1、A2、R7およびR8とそれぞれ同義である。一般式(2−1)中のA1およびA2の好ましい範囲は、一般式(1)中のA1およびA2の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−1)中、R1〜R5、R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R5は−La−Raで表される基ではない。一般式(2−1)中のR1〜R5、R7およびR8が置換基を表す場合、この置換基の好ましい範囲は、一般式(1)中のR1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−1)中、Laは一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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。一般式(2−1)中のLaおよびRaの好ましい範囲は、一般式(1)中のLおよびRの好ましい範囲と同様である。
次に、一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−2)で表される化合物である場合について説明する。
一般式(2−2)
Figure 0006321965
一般式(2−2)中、X1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表す。一般式(2−2)におけるX1およびX2の好ましい範囲は一般式(1)におけるX1およびX2の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−2)中、A1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表す。一般式(2−2)中のA1、A2、R7およびR8は、一般式(1)中のA1、A2、R7およびR8とそれぞれ同義である。一般式(2−2)中のA1およびA2の好ましい範囲は、一般式(1)中のA1およびA2の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−2)中、R1〜R4、R7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。一般式(2−2)中のR1〜R4、R7およびR8が置換基を表す場合、この置換基の好ましい範囲は、一般式(1)中のR1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の好ましい範囲と同様である。
一般式(2−2)中、LbおよびLcはそれぞれ独立に一般式(L−1)〜(L−25)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の一般式(L−1)〜(L−25)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およびRcはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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。一般式(2−2)中のLbおよびLcの好ましい範囲は一般式(1)中のLの好ましい範囲と同様であり、一般式(2−2)中のRbおよびRcの好ましい範囲は一般式(1)中のRの好ましい範囲と同様である。
上記一般式(1)で表される化合物の具体例を以下に示すが、本発明で用いることができる一般式(1)で表される化合物は、これらの具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
Figure 0006321965
Figure 0006321965
Figure 0006321965
Figure 0006321965
上記一般式(1)で表される化合物は、繰り返し構造をとってもよく、低分子でも高分子でも良い。一般式(1)で表される化合物が低分子化合物の場合は、分子量が3000以下であることが好ましく、2000以下であることがより好ましく、1000以下であることがさらに好ましく、850以下であることが特に好ましい。分子量を上記上限値以下とすることにより、溶媒への溶解性を高めることができるため好ましい。
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。
また、一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物の場合は、重量平均分子量が3万以上であることが好ましく、5万以上であることがより好ましく、10万以上であることがさらに好ましい。一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物である場合に、重量平均分子量を上記下限値以上とすることにより、分子間相互作用を高めることができ、高い移動度が得られるため好ましい。
繰り返し構造を有する高分子化合物としては、一般式(1)で表される化合物が少なくとも1つ以上のアリーレン基、ヘテロアリーレン基(チオフェン、ビチオフェン)を表して繰り返し構造を示すπ共役ポリマーや、一般式(1)で表される化合物が高分子主鎖に側鎖を介して結合したペンダント型ポリマーがあげられ、高分子主鎖としては、ポリアクリレート、ポリビニル、ポリシロキサンなどが好ましく、側鎖としては、アルキレン基、ポリエチレンオキシド基などが好ましい。
一般式(1)で表される化合物は、後述のスキーム1に記載の化合物aを出発原料として公知文献(J.Org.Chem.2011,696、Org.Lett.,2001,3,3471、Macromolecules 2010,43,6264、J.Org.Chem.2013,78,7741、Chem.Eur.J.2013,19,3721)を参考に合成することができる。
本発明の化合物の合成において、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、目的とする化合物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。
<中間体化合物>
各種置換基を有する合成中間体は公知の反応を組み合わせて合成することができる。また、各置換基はいずれの中間体の段階で導入してもよい。中間体の合成後は、カラムクロマトグラフィー、再結晶等による精製を行った後、昇華精製により精製する事が好ましい。昇華精製により、有機不純物を分離できるだけでなく、無機塩や残留溶媒等を効果的に取り除くことができる。
本発明は、下記一般式(3)で表される化合物および下記一般式(4)で表される化合物にも関する。
一般式(3)
Figure 0006321965
一般式(3)中、
1およびY2はそれぞれ独立にハロゲン原子を表し、
9およびR10はそれぞれ独立にハロゲン原子、カルボニル基、トリアルキルシリル基、アルキニル基、アルケニル基を表し、
11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
一般式(4)
Figure 0006321965
一般式(4)中、
1およびY2は、それぞれ独立にハロゲン原子を表し、
9およびR10はそれぞれ独立にハロゲン原子、カルボニル基、トリアルキルシリル基、アルキニル基、アルケニル基を表し、
11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
上述の一般式(3)で表される化合物および上述の一般式(4)で表される化合物は、上述の一般式(1)で表される化合物の中間体化合物であることが好ましい。上述の一般式(1)で表される化合物は、上述の一般式(3)で表される化合物および上述の一般式(4)で表される化合物を合成中間体化合物として経て、後述のスキーム1にしたがって、合成することができる。
一般式(3)、一般式(4)におけるY1、Y2は、ハロゲン原子である。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられ、フッ素原子が好ましい。
一般式(3)、一般式(4)におけるR9、R10は、それぞれ独立にハロゲン原子、カルボニル基、トリアルキルシリル基、アルキニル基、アルケニル基を表し、ハロゲン原子、トリアルキルシリル基またはアルキニル基が好ましい。
9、R10がハロゲン原子を表す場合、ハロゲン原子としては、ヨウ素原子、臭素原子、塩素原子が挙げられ、ヨウ素原子が好ましい。
9、R10がトリアルキルシリル基を表す場合、シリル基に連結するアルキル基としては、炭素数1〜4のアルキル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
9、R10がアルキニル基を表す場合のアルキニル基としては、炭素数1〜24のアルキニル基が好ましく、炭素数1〜16のアルキニル基がより好ましい。
9、R10がアルケニル基を表す場合のアルケニル基としては、炭素数1〜24のアルケニル基が好ましく、炭素数1〜16のアルケニル基がより好ましい。
一般式(3)、一般式(4)におけるR11およびR12は、水素原子または置換基を表す。
一般式(3)、一般式(4)におけるR13およびR14は、水素原子または置換基を表し、水素原子であることが好ましい。
一般式(3)、一般式(4)におけるR11〜R14がそれぞれ独立に置換基を表す場合、置換基の好ましい範囲は、一般式(W)で表される置換基の好ましい範囲、または、一般式(1)中のR1〜R8が一般式(W)で表される置換基以外の置換基である場合の好ましい範囲と同様である。
<有機薄膜トランジスタの構造>
本発明の有機薄膜トランジスタは、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。
(積層構造)
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。
本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例としては、ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子を挙げることができる。
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の構造としては、その他、絶縁体、ゲート電極が半導体活性層の上部にあるトップゲート・トップコンタクト型素子や、トップゲート・ボトムコンタクト型素子も好ましく用いることができる。
(厚さ)
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。
(封止)
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。
<基板>
(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。
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、ポリエチレンナフタレート(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。
<電極>
(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。
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。
(厚さ)
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。
<絶縁層>
(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。
(厚さ)
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。
<半導体活性層>
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、半導体活性層が一般式(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。
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。
半導体活性層中における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。
(厚さ)
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。
[非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料]
本発明は、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。
(非発光性有機半導体デバイス)
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。
(有機半導体材料)
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)有機半導体材料と、電子をキャリアとして伝導するn型(電子輸送性)有機半導体材料がある。
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、1×10-4cm2/Vs以上であることが好ましく、1×10-3cm2/Vs以上であることがより好ましく、5×10-3cm2/Vs以上であることが特に好ましく、1×10-2cm2/Vs以上であることがより特に好ましく、5×10-2cm2/Vs以上であることがよりさらに特に好ましい。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。
[非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜]
(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、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、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。
ポリマーバインダーとしては、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリシロキサン、ポリスルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの絶縁性ポリマー、およびこれらの共重合体、ポリビニルカルバゾール、ポリシランなどの光伝導性ポリマー、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリパラフェニレンビニレンなどの導電性ポリマー、半導体ポリマーを挙げることができる。
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。
さらに、本発明では、化合物が上述した構造をとることにより、膜質の良い有機薄膜を得ることができる。具体的には、本発明で得られる化合物は、結晶性が良いため、十分な膜厚を得ることができ、得られ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良質なものとなる。
(成膜方法)
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。
真空プロセスによる成膜の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、分子ビームエピタキシー(MBE)法などの物理気相成長法あるいはプラズマ重合などの化学気相蒸着(CVD)法が挙げられ、真空蒸着法を用いることが特に好ましい。
溶液プロセスによる成膜とは、ここでは有機化合物を溶解させることができる溶媒中に溶解させ、その溶液を用いて成膜する方法をさす。具体的には、キャスト法、ディップコート法、ダイコーター法、ロールコーター法、バーコーター法、スピンコート法などの塗布法、インクジェット法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、フレキソグラフィー印刷法、オフセット印刷法、マイクロコンタクト印刷法などの各種印刷法、Langmuir−Blodgett(LB)法などの通常の方法を用いることができ、キャスト法、スピンコート法、インクジェット法、グラビア印刷法、フレキソグラフィー印刷法、オフセット印刷法、マイクロコンタクト印刷法を用いることが特に好ましい。
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。
[非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液]
本発明は、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−メチルー2−ピロリドン、1−メチルー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%、特に好ましくは0.5〜10重量%とすることにより、任意の厚さの膜を形成できる。
溶液プロセスで成膜するためには、上記で挙げた溶媒などに材料が溶解することが必要であるが、単に溶解するだけでは不十分である。通常、真空プロセスで成膜する材料でも、溶媒にある程度溶解させることができる。しかし、溶液プロセスでは、材料を溶媒に溶解させて塗布した後で、溶媒が蒸発して薄膜が形成する過程があり、溶液プロセス成膜に適さない材料は結晶性が高いものが多いため、この過程で不適切に結晶化(凝集)してしまい良好な薄膜を形成させることが困難である。一般式(1)で表される化合物は、このような結晶化(凝集)が起こりにくい点でも優れている。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液は、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み、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塗布溶液は、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。
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
[実施例1]
<合成例1> 化合物1〜3、5、11、13、15、16および24、ならびに、中間体化合物c、d、e、fの合成
以下のスキーム1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1〜3、5、11、13、15、16および24、ならびに、中間体化合物c、d、e、fを合成した。


Figure 0006321965
下記の中間体化合物bから、一般式(3)で表される中間体化合物c、中間体化合物dおよび中間体化合物E、一般式(4)で表される中間体化合物F、一般式(1)で表される化合物までの合成の詳細を以下に示す。
(化合物cの合成)
Figure 0006321965
化合物cは、米国公開特許2008−45511号公報を参考に合成することができる。
化合物cの構造は、1H−NMRにより同定した。
(化合物dの合成)
Figure 0006321965
化合物dは、公知文献(Org.Lett.,2001,3,3471)を参考に合成することができる。
化合物dの構造は、1H−NMRにより同定した。
(化合物Eの合成)
Figure 0006321965
上記スキーム1中の中間体化合物eにおいて、Rがともにn−オクチル基である上記の化合物Eを合成した。
化合物Eは、公知文献(Tetrahedron.Lett.,1996,37,7901)を参考に合成することができる。
化合物Eの構造は、1H−NMRにより同定した。
(化合物Fの合成)
Figure 0006321965
上記スキーム1中の中間体化合物fにおいて、Rがともにn−オクチル基である上記の化合物Fを合成した。
化合物Fは、公知文献(Tetrahedron.Lett.,2006,47,1221)を参考に合成することができる。
化合物Fの構造は、1H−NMRにより同定した。
(化合物1の合成)
Figure 0006321965
上記スキーム1中の化合物gにおいて、Rがともにn−オクチル基である上記の化合物1を合成した。
化合物1は、公知文献(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,5024)を参考に合成することができる。
化合物1の構造は、1H−NMRにより同定した。
化合物1の合成と同様にして、一般式(1)で表される化合物2、3、5、11、13、15、16および24を合成した。
なお、得られた一般式(1)で表される各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。
<比較化合物の合成>
比較素子の半導体活性層(有機半導体層)に用いた比較化合物1および2を特開2011−46687号公報およびKR−10−2012−0081539Aに記載の方法にしたがって合成した。比較化合物1は特開2011−46687号公報の化合物1であり、比較化合物2は、KR−10−2012−0081539Aの化合物No.133である。
比較化合物1および2の構造を以下に示す。
Figure 0006321965
[実施例2]
<素子作製・評価>
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2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。
[評価]
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。
(a)キャリア移動度
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を表わす下記式を用いてキャリア移動度μを算出した。
d=(w/2L)μCi(Vg−Vth2
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。
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。
(b)繰り返し駆動後の閾値電圧変化
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。
A:|V後−V前|≦5V
B:5V<|V後−V前|≦10V
C:|V後−V前|>10V
(c)溶解性
本発明の化合物または比較化合物(各20mg)とトルエン(1mL)を混合し、溶解性を以下の2段階で評価した。
A:完溶した
B:完溶しなかった
Figure 0006321965
上記表1より、本発明の化合物を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が高いことがわかった。そのため、本発明の化合物は非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料として好ましく用いられることがわかった。
一方、比較化合物1、2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。
なお、本発明の化合物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も小さいものであった。また、本発明の化合物は有機溶媒への溶解性も良好であった。
[実施例3]
<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。
Figure 0006321965
上記表2より、本発明の化合物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、キャリア移動度が高いことがわかった。そのため、本発明の化合物は非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料として好ましく用いられることがわかった。
一方、比較化合物1、2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。
なお、本発明の化合物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も小さいものであった。
さらに、実施例3で得られた各有機薄膜トランジスタ素子について、肉眼による観察および光学顕微鏡観察を行ったところ、バインダーとしてPαMSを用いた薄膜はいずれも膜の平滑性・均一性が非常に高いことが分かった。
以上より、比較素子ではバインダーと比較化合物の複合系で半導体活性層を形成した場合にキャリア移動度が非常に低くなるのに対し、本発明の有機薄膜トランジスタ素子では本発明の化合物をバインダーとともに用いて半導体活性層を形成した場合も良好なキャリア移動度を示す上、好ましくは繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さく、膜の平滑性・均一性が非常に高い素子を得ることができることが分かった。
[実施例4]
<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行った。
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、実施例2と同様の評価を行った。
得られた結果を下記表3に示す。
Figure 0006321965
上記表3より、本発明の化合物を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が高いことがわかった。そのため、本発明の化合物は非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料として好ましく用いられることがわかった。
一方、比較化合物1、2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。
なお、本発明の化合物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も小さいものであった。
11 基板
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 (26)

  1. 下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含み、
    前記半導体活性層が前記一般式(1)で表される化合物からなる層、または前記一般式(1)で表される化合物およびポリマーバインダーを含有する層である有機薄膜トランジスタ:
    一般式(1)
    Figure 0006321965
    一般式(1)中、
    1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表し、
    1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
    13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、
    1 4 、R 7 および8 は水素原子を表し、
    5 及びR 6 はそれぞれ独立に下記一般式(W)で表される置換基である:
    −L−R 一般式(W)
    一般式(W)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
    Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
    Figure 0006321965
    一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
    一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
    一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
    Nは水素原子または置換基を表し、
    siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
  2. 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−2)で表される化合物である請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ
    般式(2−2)
    Figure 0006321965
    一般式(2−2)中、
    1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
    1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
    1〜R4、R7およびR8 は水素原子を表し、
    bおよびLcはそれぞれ独立に下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
    bおよびRcはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
    Figure 0006321965
    一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
    一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
    一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
    Nは水素原子または置換基を表し、
    siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
  3. 前記一般式(1)または(2−2)中、A1がCR7であるか、A2がCR8であり、R7およびR8 は水素原子を表す請求項1または2に記載の有機薄膜トランジスタ。
  4. 前記一般式(1)または(2−2)中、X1およびX2のうち少なくとも1つがS原子である請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  5. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびLcが前記一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)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価の連結基である請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  6. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびLcが前記一般式(L−1)、(L−3)(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは前記一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と前記一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基である請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  7. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびL c が前記一般式(L−3)(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは前記一般式(L−3)、(L−4)、(L−5)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基が2以上結合した2価の連結基である請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  8. 前記一般式(1)または(2−2)中、R、R b およびRcが置換または無置換のアルキル基である請求項1〜のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
  9. 下記一般式(1)で表される化合物:
    一般式(1)
    Figure 0006321965
    一般式(1)中、
    1およびX2はそれぞれ独立にNR13、O原子またはS原子を表し、
    1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
    13は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アシル基、アリール基またはヘテロアリール基を表し、
    1 4 、R 7 および8 は水素原子を表し、
    5 及びR 6 はそれぞれ独立に下記一般式(W)で表される置換基である:
    −L−R 一般式(W)
    一般式(W)中、Lは下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
    Rは置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
    Figure 0006321965
    一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
    一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
    一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
    Nは水素原子または置換基を表し、
    siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
  10. 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−2)で表される化合物である請求項に記載の化合物
    般式(2−2)
    Figure 0006321965
    一般式(2−2)中、
    1およびX2はそれぞれ独立にO原子またはS原子を表し、
    1はCR7またはN原子を表し、A2はCR8またはN原子を表し、
    1〜R4、R7およびR8 は水素原子を表し、
    bおよびLcはそれぞれ独立に下記一般式(L−1)〜(L−25)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−25)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、
    bおよびRcはそれぞれ独立に置換または無置換のアルキル基、シアノ基、ビニル基、エチニル基、オキシエチレン基、オキシエチレン単位の繰り返し数v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、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;
    Figure 0006321965
    一般式(L−1)〜(L−25)中、波線部分は2つのヘテロ5員環が縮環したフェナントレン骨格との結合位置を表し、
    一般式(L−13)におけるmは4を表し、一般式(L−14)および(L−15)におけるmは3を表し、一般式(L−16)〜(L−20)におけるmは2を表し、(L−22)におけるmは6を表し、
    一般式(L−1)、(L−2)、(L−6)および(L−13)〜(L−24)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、
    Nは水素原子または置換基を表し、
    siはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。
  11. 前記一般式(1)、(2−1)または(2−2)中、A1がCR7であるか、A2がCR8であり、R7およびR8 は水素原子を表す請求項または10に記載の化合物。
  12. 前記一般式(1)または(2−2)中、X1およびX2のうち少なくとも1つがS原子である請求項11のいずれか一項に記載の化合物。
  13. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびLcが前記一般式(L−1)〜(L−5)、(L−13)、(L−17)もしくは(L−18)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価の連結基である請求項12のいずれか一項に記載の化合物。
  14. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびLcが前記一般式(L−1)、(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは前記一般式(L−3)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基と前記一般式(L−1)で表される2価の連結基が結合した2価の連結基である請求項13のいずれか一項に記載の化合物。
  15. 前記一般式(1)または(2−2)中、L、L b およびL c が前記一般式(L−3)(L−13)または(L−18)のいずれかで表される2価の連結基、あるいは前記一般式(L−3)、(L−4)、(L−5)、(L−13)または(L−18)のいずれか1つで表される2価の連結基が2以上結合した2価の連結基である請求項9〜12のいずれか一項に記載の化合物。
  16. 前記一般式(1)または(2−2)中、R、R b およびRcが置換または無置換のアルキル基である請求項15のいずれか一項に記載の化合物。
  17. 請求項15のいずれか一項に記載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。
  18. 請求項15のいずれか一項に記載の化合物を含有する有機薄膜トランジスタ用材料。
  19. 請求項15のいずれか一項に記載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。
  20. 請求項15のいずれか一項に記載の化合物とポリマーバインダーを含有する非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
  21. 請求項15のいずれか一項に記載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。
  22. 請求項15のいずれか一項に記載の化合物とポリマーバインダー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。
  23. 溶液塗布法により作製された請求項21または22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。
  24. 下記一般式(3)で表される化合物:
    一般式(3)
    Figure 0006321965
    一般式(3)中、
    1およびY2はそれぞれ独立にハロゲン原子を表し、
    9およびR10はそれぞれ独立にアルキニル基を表し、
    11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
  25. 下記一般式(4)で表される化合物:
    一般式(4)
    Figure 0006321965
    一般式(4)中、
    1およびY2は、それぞれ独立にハロゲン原子を表し、
    9およびR10はそれぞれ独立にアルキニル基を表し、
    11〜R14はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。
  26. 請求項15のいずれか一項に記載の化合物の中間体化合物である請求項24または25に記載の化合物。
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