JP6643757B2 - Organic field effect transistor - Google Patents

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Description

本発明は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極および有機半導体膜よりなるトランジスタ素子を、基板に設けてなる有機電界効果トランジスタに関する。   The present invention relates to an organic field-effect transistor in which a transistor element including a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and an organic semiconductor film is provided on a substrate.

従来より、この種の有機電界効果トランジスタは、有機半導体層の規則性、配向性が重要であることが知られている。特に規則性の高い有機半導体膜を得る方法としては、特許文献１に記載のものが提案されている。ここで、特許文献１のものでは、π電子系を持つケイ素化合物よりなる自己組織化単分子膜を有機半導体膜とすることにより、高い規則性を有すると共に、溶液を用いた塗布等の印刷により簡便に製造できる有機半導体膜を実現している。   Conventionally, in this type of organic field-effect transistor, it is known that the regularity and orientation of the organic semiconductor layer are important. Particularly, as a method for obtaining an organic semiconductor film having high regularity, a method described in Patent Document 1 has been proposed. Here, in Patent Document 1, a self-assembled monolayer made of a silicon compound having a π-electron system is used as an organic semiconductor film, so that the organic semiconductor film has high regularity, and is printed by coating using a solution or the like. An organic semiconductor film that can be easily manufactured has been realized.

特開２００４−３０７８４７号公報JP 2004-307847 A

しかしながら、上記特許文献１に記載の有機電界効果トランジスタの場合、有機半導体膜は単分子層であるため、平面のホール移動のみとなり、３次元にホール移動する場合に比較して粒界の影響が大きくなってしまい、高移動度が期待できない。また、上記特許文献１の場合、有機半導体膜であるケイ素化合物と下地とが共有結合するため、電子密度に分布が発生し、高移動度が期待できない。   However, in the case of the organic field-effect transistor described in Patent Document 1, since the organic semiconductor film is a monolayer, only the hole movement in a plane occurs, and the influence of the grain boundary is smaller than in the case where the hole moves three-dimensionally. It becomes large and high mobility cannot be expected. In the case of Patent Document 1, since the silicon compound as the organic semiconductor film and the base are covalently bonded, a distribution occurs in the electron density, and high mobility cannot be expected.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、印刷により簡単に形成でき、高移動度を実現するのに適した有機半導体膜を備える有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an organic field-effect transistor including an organic semiconductor film that can be easily formed by printing and is suitable for achieving high mobility.

本発明者は、有機半導体膜として用いられる有機半導体材料について、鋭意検討を行った。その結果、印刷により簡単に形成することができ、高移動度を持つ２〜４層の積層膜を形成できる有機半導体材料を見出した。本発明は、このような検討の結果、創出されたものである。   The present inventors have conducted intensive studies on an organic semiconductor material used as an organic semiconductor film. As a result, they have found an organic semiconductor material that can be easily formed by printing and can form a two- to four-layer laminated film having high mobility. The present invention has been created as a result of such studies.

すなわち、請求項１に記載の発明では、一面（１１）側にゲート電極（６０）を備える基板（１０）の当該一面上に、ゲート絶縁膜（２０）、ソース電極（４０）、ドレイン電極（５０）および有機半導体膜（３０）よりなるトランジスタ素子（１００）を設けてなる有機電界効果トランジスタであって、
有機半導体膜は、有機半導体材料の単分子膜を２層、３層または４層にて積層してなる結晶膜であり、有機半導体材料は、分子量１０００以下であり、２つのアルキル基を有するカルコゲン含有ポリアセン化合物であって、それぞれのアルキル鎖の炭素数が、ポリアセンの環の数よりも少ないカルコゲン含有ポリアセン化合物を主成分とするものであることを特徴とする。 In other words, according to the first aspect of the present invention, the gate insulating film (20), the source electrode (40), and the drain electrode ( 50) and an organic field effect transistor provided with a transistor element (100) comprising an organic semiconductor film (30),
The organic semiconductor film is a crystal film formed by stacking two, three, or four monomolecular films of an organic semiconductor material. The organic semiconductor material has a molecular weight of 1000 or less and has a chalcogen having two alkyl groups. A polyacene-containing compound, wherein the main component is a chalcogen-containing polyacene compound in which the number of carbon atoms in each alkyl chain is smaller than the number of rings in the polyacene.

それによれば、有機半導体膜を構成する有機半導体材料を上記カルコゲン含有ポリアセン化合物とすることで、印刷により、有機半導体膜を、単分子膜が２層、３層または４層にて積層された高移動度を持つ結晶膜として形成できる。よって、本発明によれば、印刷により簡単に形成でき、高移動度を実現するのに適した有機半導体膜を備える有機電界効果トランジスタを提供することができる。   According to this, by using the chalcogen-containing polyacene compound as the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film, the organic semiconductor film can be formed by printing such that a monomolecular film is stacked in two, three, or four layers. It can be formed as a crystal film having mobility. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an organic field effect transistor including an organic semiconductor film which can be easily formed by printing and is suitable for realizing high mobility.

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   The reference numerals in the parentheses of the claims and the respective means described in this section are examples showing the correspondence with specific means described in the embodiments described later.

本発明の第１実施形態にかかる有機トランジスタの断面構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating a sectional configuration of an organic transistor according to a first embodiment of the present invention. 第１実施形態にかかる有機半導体膜を構成する有機半導体材料の化学構造の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a chemical structure of an organic semiconductor material forming the organic semiconductor film according to the first embodiment. 第１実施形態における具体的な効果を示す図表である。5 is a chart showing specific effects in the first embodiment. 本発明の第２実施形態にかかる有機トランジスタの断面構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional view showing the section composition of the organic transistor concerning a 2nd embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, parts that are the same as or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals in the drawings to simplify the description.

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる有機電界効果トランジスタＳ１について、図１を参照して述べる。この有機電界効果トランジスタＳ１は、たとえばＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子の駆動回路に備えられるトランジスタなどに適用されるものである。 (1st Embodiment)
An organic field effect transistor S1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The organic field effect transistor S1 is applied to, for example, a transistor provided in a drive circuit of an EL (electroluminescence) element.

本実施形態の有機電界効果トランジスタＳ１は、一面１１側にゲート電極を備える基板１０の一面１１上に、トランジスタ素子１００を設けてなるものである。ここで、基板１０の一面１１上のトランジスタ素子１００は複数個でもよい。   The organic field effect transistor S1 of the present embodiment has a structure in which a transistor element 100 is provided on one surface 11 of a substrate 10 provided with a gate electrode on one surface 11 side. Here, a plurality of transistor elements 100 on one surface 11 of the substrate 10 may be provided.

このトランジスタ素子１００は、基板１０の一面１１側から順に、ゲート絶縁膜２０、有機半導体膜３０、ソース電極４０およびドレイン電極５０を積層してなるものとされている。このように、本実施形態のトランジスタ素子１００は、ボトムゲート−トップコンタクトタイプのものとして形成されている。   The transistor element 100 has a structure in which a gate insulating film 20, an organic semiconductor film 30, a source electrode 40, and a drain electrode 50 are stacked in this order from one surface 11 of the substrate 10. As described above, the transistor element 100 of the present embodiment is formed as a bottom gate-top contact type.

ここで、本実施形態では、トランジスタ素子１００におけるゲート電極は、基板１０が兼ねたものとしている。本実施形態では、基板１０は、シリコン（Ｓｉ）ウェハよりなるものであり、一面１１側にてゲート電極としても機能する。つまり、基板１０は、一面１１側にゲート電極を備えたものとして構成されている。   Here, in the present embodiment, the substrate 10 also serves as the gate electrode in the transistor element 100. In the present embodiment, the substrate 10 is made of a silicon (Si) wafer, and also functions as a gate electrode on the one surface 11 side. That is, the substrate 10 is configured to include the gate electrode on the one surface 11 side.

さらに言えば、本実施形態では、トランジスタ素子１００は、ゲート絶縁膜２０、有機半導体膜３０、ソース電極４０およびドレイン電極５０よりなる積層体と、ゲート電極としての基板１０とにより構成されている。   Furthermore, in this embodiment, the transistor element 100 includes the stacked body including the gate insulating film 20, the organic semiconductor film 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50, and the substrate 10 as the gate electrode.

ゲート絶縁膜２０は、基板１０の一面１１上に形成されているが、このゲート絶縁膜２０は、蒸着やスパッタあるいはＡＬＤ（原子層成長法）等により成膜されたシリカ（ＳｉＯ２）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等よりなる。本実施形態では、シリコンウェハよりなる基板１０としており、これを被覆するゲート絶縁膜２０としては、典型的にはシリカが挙げられる。 The gate insulating film 20 is formed on one surface 11 of the substrate 10. The gate insulating film 20 is formed of silica (SiO 2 ) or alumina formed by vapor deposition, sputtering, ALD (atomic layer deposition), or the like. (Al 2 O 3 ). In the present embodiment, the substrate 10 is made of a silicon wafer, and the gate insulating film 20 that covers the substrate 10 typically includes silica.

そして、ゲート絶縁膜２０の上に、チャネル層として機能する有機半導体膜３０が形成されている。この有機半導体膜３０は、印刷により成膜されるもので、有機半導体材料の単分子膜を２層、３層または４層にて積層してなる結晶膜である。本実施形態の有機半導体膜３０の詳細については、後述する。   Then, an organic semiconductor film 30 functioning as a channel layer is formed on the gate insulating film 20. The organic semiconductor film 30 is formed by printing, and is a crystal film formed by stacking two, three, or four monomolecular films of an organic semiconductor material. The details of the organic semiconductor film 30 of the present embodiment will be described later.

そして、有機半導体膜３０の上には、ソース電極４０およびドレイン電極５０が互いに離間して配置されている。ここで、ゲート絶縁膜２０の上において、ソース電極４０とドレイン電極５０との間を繋ぐように有機半導体膜３０が形成されている。   On the organic semiconductor film 30, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are arranged apart from each other. Here, the organic semiconductor film 30 is formed on the gate insulating film 20 so as to connect between the source electrode 40 and the drain electrode 50.

このソース電極４０およびドレイン電極５０は、たとえばＡｕ（金）などによって構成されている。たとえば、シャドウマスクを用いた真空蒸着法等によってＡｕ層を成膜することで、ソース電極４０およびドレイン電極５０が形成される。   The source electrode 40 and the drain electrode 50 are made of, for example, Au (gold). For example, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed by forming an Au layer by a vacuum evaporation method using a shadow mask or the like.

［有機半導体膜３０の詳細構造等］
次に、上記のように構成された有機電界効果トランジスタＳ１のトランジスタ素子１００に備えられた有機半導体膜３０の詳細構造について説明する。 [Detailed Structure of Organic Semiconductor Film 30, etc.]
Next, a detailed structure of the organic semiconductor film 30 provided in the transistor element 100 of the organic field effect transistor S1 configured as described above will be described.

有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料は、分子量１０００以下であり、２つのアルキル基を有するカルコゲン含有ポリアセン化合物であって、それぞれのアルキル鎖の炭素数が、ポリアセンの環の数よりも少ないカルコゲン含有ポリアセン化合物を主成分とするものである。なお、カルコゲンとは、Ｓ（硫黄）やＯ（酸素）等の周期表における第１６族元素である。   The organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30 is a chalcogen-containing polyacene compound having a molecular weight of 1000 or less and having two alkyl groups, and the number of carbon atoms in each alkyl chain is less than the number of rings in the polyacene. It contains a polyacene compound as a main component. Note that chalcogen is a group 16 element in the periodic table such as S (sulfur) and O (oxygen).

この主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物の一例として、図２に示されるような３，１２−ジヘキシルジナフト［２，３−ｄ：２‘，３’−ｄ‘］ナフト［１，２−ｂ：６，７−ｂ’］ジチオフェン（以下、これを材料１と言う）が挙げられる。この材料１においては、各アルキル鎖の炭素数が６であり、ポリアセンの環の数が８である。   As an example of the chalcogen-containing polyacene compound as the main component, 3,12-dihexyldinaphtho [2,3-d: 2 ′, 3′-d ′] naphtho [1,2-b] as shown in FIG. : 6,7-b '] dithiophene (hereinafter referred to as material 1). In this material 1, the number of carbon atoms in each alkyl chain is 6, and the number of rings in polyacene is 8.

この材料１は、国際公開２０１４／１３６８２７号パンフレット（ＷＯ２０１４／１３６８２７）における実施例６および実施例７に記載されている合成法に準じた合成法により作られる。具体的には、当該実施例６の第１工程における出発原料である２−デシル−７−メトキシナフタレンを２−ヘキシル−７−メトキシナフタレンに替えて、当該実施例６の第１工程、第２工程、当該実施例７の第１工程、第２工程を順次行っていけば、材料１が合成される。   This material 1 is produced by a synthesis method according to the synthesis method described in Examples 6 and 7 in WO 2014/136827 pamphlet (WO 2014/136827). Specifically, 2-hexyl-7-methoxynaphthalene as the starting material in the first step of Example 6 was replaced with 2-hexyl-7-methoxynaphthalene, and the first step and the second step of Example 6 were repeated. By sequentially performing the steps, the first step and the second step of Example 7, the material 1 is synthesized.

また、主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物としては、この材料１に限定するものではなく、アルキル鎖の炭素数がポリアセンの環の数よりも少ないものであればよい。たとえば、ポリアセンの環の数は４〜８の範囲とし、アルキル鎖の炭素数はポリアセンの環の数との関係で適宜変えることが可能である。   The chalcogen-containing polyacene compound as a main component is not limited to this material 1, but may be any as long as the number of carbon atoms in the alkyl chain is smaller than the number of rings in the polyacene. For example, the number of polyacene rings is in the range of 4 to 8, and the number of carbon atoms in the alkyl chain can be appropriately changed in relation to the number of polyacene rings.

また、有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料としては、主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物が１００％のものであってもよいが、添加物としての別のカルコゲン含有ポリアセン化合物を微量含有するものであってもよい。この添加物の含有量は、有機半導体材料全体を１００として０．１重量％以上５重量％以下とする。   Further, as the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30, a 100% chalcogen-containing polyacene compound as a main component may be used, but a small amount of another chalcogen-containing polyacene compound as an additive is contained. It may be. The content of this additive is 0.1% by weight or more and 5% by weight or less based on 100 of the whole organic semiconductor material.

たとえば、有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料としては、たとえば材料１が１００ｗｔ％であってもよいが、材料１が９９．９〜９５ｗｔ％であり、添加物が０．１〜５ｗｔ％であるものが望ましい。   For example, as the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30, for example, the material 1 may be 100 wt%, but the material 1 is 99.9 to 95 wt% and the additive is 0.1 to 5 wt%. Some are desirable.

この添加物としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物は、主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物に対して同一の骨格を有し、アルキル鎖の炭素数が少ないものとされる。   The chalcogen-containing polyacene compound as the additive has the same skeleton as the chalcogen-containing polyacene compound as the main component, and has a small number of carbon atoms in the alkyl chain.

たとえば、主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物が、たとえば材料１である場合、添加物としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物は、材料１におけるアルキル鎖の炭素数を６から０〜４に替えたものにできる。さらに言えば、この添加物としては、材料１の骨格と同一の骨格を有しつつ、いずれか一方のアルキル鎖が無いものでもよいし、両側のアルキル鎖が無いものでもよい。   For example, when the chalcogen-containing polyacene compound as the main component is, for example, the material 1, the chalcogen-containing polyacene compound as the additive can be a material in which the number of carbon atoms in the alkyl chain in the material 1 is changed from 6 to 0 to 4. More specifically, the additive may be one having the same skeleton as that of the material 1 and having no alkyl chain on either side, or having no alkyl chain on both sides.

このような添加物としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物は、上記した材料１の合成における微量の副次合成物として０．１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度、主成分中に含有された状態となるが、別途、混合させることで含有させてもよい。   The chalcogen-containing polyacene compound as such an additive is contained in the main component in an amount of about 0.1 wt% to 5 wt% as a minor by-product in the synthesis of the material 1 described above. It may be contained by mixing.

そして、上述したが有機半導体膜３０は、上記した有機半導体材料を用いて印刷により形成される。具体的に、この印刷は、溶媒に有機半導体材料を溶解させた溶液を、ドロップキャスト法等によって、基板１０の一面１１上、ここではゲート絶縁膜２０の表面上に塗布し、これを乾燥させることにより行われる。   As described above, the organic semiconductor film 30 is formed by printing using the organic semiconductor material described above. Specifically, in this printing, a solution in which an organic semiconductor material is dissolved in a solvent is applied on the one surface 11 of the substrate 10, here, on the surface of the gate insulating film 20 by a drop casting method or the like, and dried. This is done by:

ここで、溶媒は、有機半導体材料が溶解するものであれば特に限定しないが、たとえば１−クロロナフタレン等の有機溶媒が好適である。また、溶液における有機半導体材料の濃度は、２〜４層が積層された結晶膜を実現できるものであればよいが、たとえば０．０３ｗｔ％〜０．１３ｗｔ％程度とする。また、乾燥温度は、溶媒の揮発温度であり、たとえば１−クロロナフタレンの場合、１６０℃程度である。   Here, the solvent is not particularly limited as long as the organic semiconductor material can be dissolved, but an organic solvent such as 1-chloronaphthalene is suitable. Further, the concentration of the organic semiconductor material in the solution is not particularly limited as long as it can realize a crystal film in which two to four layers are stacked, and is, for example, about 0.03 wt% to 0.13 wt%. The drying temperature is a temperature at which the solvent evaporates, for example, about 160 ° C. in the case of 1-chloronaphthalene.

Ｃ８−ＢＴＢＴ（４環の縮環）、Ｃ１０−ＤＮＴＴ（６環の縮環）に代表される印刷型の有機半導体材料を用いた有機電界効果トランジスタでは、結晶性薄膜を作製すると球状の結晶核が形成し、結晶核から、テラス状に結晶成長するため、膜厚の分布が大きく、移動度が大きくばらつくが、それぞれのアルキル鎖の炭素数が６であり、縮環数が８である
材料１のような本実施形態の有機半導体材料を用いて印刷を行えば、印刷温度、溶液濃度調整、印刷速度等の調整により、平面状の結晶核から結晶成長し、層数が１、２、３または４層に制御された有機半導体膜３０を得ることができる。 In an organic field effect transistor using a printable organic semiconductor material typified by C8-BTBT (four-ring condensed) and C10-DNTT (six-ring condensed), when a crystalline thin film is formed, a spherical crystal nucleus is formed. Are formed, and the crystal grows in a terrace shape from the crystal nuclei, so that the film thickness distribution is large and the mobility varies widely, but each alkyl chain has 6 carbon atoms and 8 fused rings. When printing is performed using the organic semiconductor material of this embodiment such as 1, the crystal grows from a planar crystal nucleus by adjusting the printing temperature, the solution concentration, the printing speed, and the like, and the number of layers is 1, 2, or The organic semiconductor film 30 controlled in three or four layers can be obtained.

具体的に、有機半導体膜３０が１層の場合および有機半導体膜３０が単分子膜を２層〜４層にて積層してなる積層膜の場合、有機半導体膜３０の膜厚分布は、１ｍｍ２当たり０．３ｎｍ以下と小さいものであり、均一な膜厚を有し平坦性に優れた有機半導体膜３０が実現される。 Specifically, when the organic semiconductor film 30 is a single layer and when the organic semiconductor film 30 is a stacked film in which two to four monomolecular films are stacked, the thickness distribution of the organic semiconductor film 30 is 1 mm. An organic semiconductor film 30 having a small thickness of 0.3 nm or less per 2 and having a uniform thickness and excellent flatness is realized.

また、有機半導体膜３０を２〜４層の積層膜とした場合においては、１層の場合に比べて、大幅な移動度の向上がなされる。また、有機半導体膜３０を２〜４層の積層膜とした場合において、トランジスタ素子１００を基板１０の一面１１上に複数個設けたとき、複数個のトランジスタ素子１００のそれぞれの移動度のばらつきが１０％以内と小さいものにできる。   Further, when the organic semiconductor film 30 is a laminated film of two to four layers, the mobility is greatly improved as compared with the case of a single layer. In the case where the organic semiconductor film 30 is a laminated film of two to four layers, when a plurality of the transistor elements 100 are provided on the one surface 11 of the substrate 10, the variation in the mobility of each of the plurality of transistor elements 100 is reduced. It can be as small as 10% or less.

ちなみに、従来の有機電界効果トランジスタでは、Ｃ８−ＢＴＢＴ（４環の縮環）、Ｃ１０−ＤＮＴＴ（６環の縮環）に代表される印刷型の有機半導体材料を用いて有機半導体膜を形成していた。これら従来の材料の場合、球状の結晶核が形成し、結晶核から、テラス状に結晶成長するため、膜厚の分布が大きく、移動度が大きくばらつくものであった。   Incidentally, in a conventional organic field effect transistor, an organic semiconductor film is formed using a printable organic semiconductor material represented by C8-BTBT (four-ring condensed) and C10-DNTT (six-ring condensed). I was In the case of these conventional materials, spherical crystal nuclei are formed, and crystals grow from the crystal nuclei in a terrace shape, so that the film thickness distribution is large and the mobility is largely varied.

また、本実施形態において、上記した添加物を微量含有させた有機半導体材料により有機半導体膜３０を形成した場合、添加物を含まない場合に比べて、有機半導体膜３０として結晶性の偏りの少ない均一な結晶膜を形成しやすい。なお、このような有機半導体膜３０の結晶性については、偏光顕微鏡観察、または２次元複屈折評価装置により確認できる。   Further, in the present embodiment, when the organic semiconductor film 30 is formed of the organic semiconductor material containing a small amount of the above-described additive, there is less unevenness in crystallinity as the organic semiconductor film 30 as compared with the case where the additive is not included. It is easy to form a uniform crystal film. The crystallinity of the organic semiconductor film 30 can be confirmed by observation with a polarizing microscope or a two-dimensional birefringence evaluation device.

［検証例］
本実施形態の効果について、図３に示される検証例を参照して、具体的に述べる。この例では、有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料として、上記した材料１を主成分とし、これに上記添加物として材料１と同一骨格で且つアルキル鎖の炭素数が２である化合物を５ｗｔ％含有させたものを用いて、上記したように１−クロロナフタレンに０．０３ｗｔ％〜０．１３ｗｔ％程度溶解させた溶液を作製した。 [Example of verification]
The effect of the present embodiment will be specifically described with reference to a verification example shown in FIG. In this example, as the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30, the above-mentioned material 1 is a main component, and a compound having the same skeleton as that of the material 1 and having 2 carbon atoms in the alkyl chain is used as the additive. %, A solution was prepared by dissolving about 0.03 wt% to 0.13 wt% in 1-chloronaphthalene as described above.

そして、この溶液を用いて、基板１０の一面１１上に２０ｍｍ四方のサイズで印刷することにより１層、２層、３層または４層に制御した有機半導体膜３０を成膜した。ここで、各層数について、同一の基板１０面内に１２箇所、有機電界効果トランジスタＳ１を作製し、各層数について、面内における有機半導体膜３０の膜厚分布、及び移動度を評価した。膜厚分布については、透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）による断面分析及び、２次元複屈折評価装置によりフィッティングを行うことで、有機半導体膜３０の平均膜厚、最大膜厚、最小膜厚を測定した。移動度については各トランジスタにおける平均移動度、最大移動度、最小移動度を求めた。   Then, using this solution, the organic semiconductor film 30 was controlled in one layer, two layers, three layers, or four layers by printing on one surface 11 of the substrate 10 in a size of 20 mm square. Here, 12 organic field-effect transistors S1 were formed on the same substrate 10 for each number of layers, and the thickness distribution and mobility of the organic semiconductor film 30 in the plane were evaluated for each number of layers. Regarding the film thickness distribution, the average film thickness, the maximum film thickness, and the minimum film thickness of the organic semiconductor film 30 were measured by performing cross-sectional analysis by transmission electron microscopy (TEM) and fitting by a two-dimensional birefringence evaluation device. . As for the mobility, an average mobility, a maximum mobility, and a minimum mobility of each transistor were obtained.

図３に示されるように、１層の有機半導体膜３０の場合、平均膜厚：３．２ｎｍ、最大膜厚：３．３ｎｍ、最小膜厚：３．２ｎｍ、平均移動度：０．３１ｃｍ２／Ｖｓ、最大移動度：０．３１ｃｍ２／Ｖｓ、最小移動度：０．３０ｃｍ２／Ｖｓであった。 As shown in FIG. 3, in the case of one organic semiconductor film 30, the average film thickness is 3.2 nm, the maximum film thickness is 3.3 nm, the minimum film thickness is 3.2 nm, and the average mobility is 0.31 cm 2. / Vs, maximum mobility: 0.31 cm 2 / Vs, and minimum mobility: 0.30 cm 2 / Vs.

２層の有機半導体膜３０の場合、平均膜厚：７．０ｎｍ、最大膜厚：７．１ｎｍ、最小膜厚：６．９ｎｍ、平均移動度：１．４３ｃｍ２／Ｖｓ、最大移動度：１．５１ｃｍ２／Ｖｓ、最小移動度：１．３８ｃｍ２／Ｖｓであった。 In the case of the two-layer organic semiconductor film 30, the average film thickness: 7.0 nm, the maximum film thickness: 7.1 nm, the minimum film thickness: 6.9 nm, the average mobility: 1.43 cm 2 / Vs, and the maximum mobility: 1 .51 cm 2 / Vs, minimum mobility: 1.38 cm 2 / Vs.

３層の有機半導体膜３０の場合、平均膜厚：１０．７ｎｍ、最大膜厚：１０．８ｎｍ、最小膜厚：１０．５ｎｍ、平均移動度：２．１７ｃｍ２／Ｖｓ、最大移動度：２．２２ｃｍ２／Ｖｓ、最小移動度：２．１０ｃｍ２／Ｖｓであった。 In the case of the three-layer organic semiconductor film 30, the average thickness is 10.7 nm, the maximum thickness is 10.8 nm, the minimum thickness is 10.5 nm, the average mobility is 2.17 cm 2 / Vs, and the maximum mobility is 2 0.22 cm 2 / Vs, minimum mobility: 2.10 cm 2 / Vs.

４層の有機半導体膜３０の場合、平均膜厚：１４．３ｎｍ、最大膜厚：１４．４ｎｍ、最小膜厚：１４．１ｎｍ、平均移動度：２．４５ｃｍ２／Ｖｓ、最大移動度：２．５５ｃｍ２／Ｖｓ、最小移動度：２．３２ｃｍ２／Ｖｓであった。 In the case of the four-layer organic semiconductor film 30, the average thickness is 14.3 nm, the maximum thickness is 14.4 nm, the minimum thickness is 14.1 nm, the average mobility is 2.45 cm 2 / Vs, and the maximum mobility is 2 .55 cm 2 / Vs, minimum mobility: 2.32 cm 2 / Vs.

このように、この検証例によれば、有機半導体膜３０の印刷条件で、基板１０の表面エネルギー、印刷温度、溶液濃度、印刷速度を最適化することで、過飽和度を制御し、１〜４層までの膜厚を制御することができる。   As described above, according to this verification example, the supersaturation is controlled by optimizing the surface energy of the substrate 10, the printing temperature, the solution concentration, and the printing speed under the printing conditions of the organic semiconductor film 30. The film thickness up to the layer can be controlled.

そして、各層数について、１ｍｍ２当たり０．３ｎｍ以下の膜厚分布、および、ばらつきが１０％以内の移動度というように、有機半導体膜３０の膜厚および移動度ともに、ばらつきの小さい有機電界効果トランジスタを実現できた。 For each number of layers, the organic field effect having a small variation in both the film thickness and the mobility of the organic semiconductor film 30 such as a film thickness distribution of 0.3 nm or less per 1 mm 2 and a mobility having a variation of 10% or less. A transistor was realized.

また、有機半導体膜３０を１層に制御した場合は、移動度が低く、有機半導体膜３０は２〜４層に制御したものが有用であることを明らかにした。１層の場合、有機半導体膜３０は単分子層であるため、平面のホール移動のみとなり、上記特許文献１と同様の理由から高移動度が期待できないと考えられる。   In addition, when the organic semiconductor film 30 was controlled to one layer, the mobility was low, and it was clarified that the organic semiconductor film 30 having two to four layers was useful. In the case of a single layer, since the organic semiconductor film 30 is a monomolecular layer, only a hole moves in a plane, and it is considered that high mobility cannot be expected for the same reason as in Patent Document 1.

また、図３の検証例では、添加物を含有する材料１の場合を示したが、添加物を含有しない場合、さらには、材料１以外にも上記した本実施形態の有機半導体材料であれば、図３と同傾向の結果が確認されている。   In addition, in the verification example of FIG. 3, the case of the material 1 containing the additive is shown. However, in the case of not containing the additive, and in addition to the material 1, if the organic semiconductor material of the present embodiment described above is used. 3 and the result of the same tendency as FIG.

以上述べてきたように、本実施形態によれば、有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料を上記カルコゲン含有ポリアセン化合物とすることで、印刷により、有機半導体膜３０を、単分子膜が２層、３層または４層にて積層された高移動度を持つ結晶膜として形成できる。よって、本実施形態によれば、印刷により簡単に形成でき、高移動度を実現するのに適した有機半導体膜３０を備える有機電界効果トランジスタＳ１を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30 is the chalcogen-containing polyacene compound, so that the organic semiconductor film 30 can be formed into a two-layer monomolecular film by printing. It can be formed as a crystal film having high mobility stacked in three or four layers. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide the organic field effect transistor S1 including the organic semiconductor film 30 which can be easily formed by printing and is suitable for realizing high mobility.

また、本実施形態によれば、積層膜としての有機半導体膜３０の膜厚分布は、１ｍｍ２当たり０．３ｎｍ以下であり、このように膜厚分布が小さく、均一な膜厚を有し平坦性に優れた有機半導体膜３０が実現できる。 In addition, according to the present embodiment, the thickness distribution of the organic semiconductor film 30 as a laminated film is 0.3 nm or less per 1 mm 2 , and thus the film thickness distribution is small, has a uniform thickness, and is flat. An organic semiconductor film 30 having excellent properties can be realized.

また、本実施形態によれば、同一の基板１０上に複数個のトランジスタ素子１００を設けた場合でも、それぞれのトランジスタ素子間にて移動度のばらつきが１０％以内と小さいものにできる。   Further, according to the present embodiment, even when a plurality of transistor elements 100 are provided on the same substrate 10, the variation in mobility between the respective transistor elements can be as small as 10% or less.

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる有機電界効果トランジスタＳ２について、図４を参照して、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。上記第１実施形態の有機電界効果トランジスタＳ１は、ボトムゲート−トップコンタクトタイプのものであったが、有機電界効果トランジスタＳ２としては、本実施形態のようなトップゲートタイプのものであってもよい。 (2nd Embodiment)
The organic field effect transistor S2 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4, focusing on differences from the first embodiment. The organic field effect transistor S1 of the first embodiment is a bottom gate-top contact type, but the organic field effect transistor S2 may be a top gate type as in the present embodiment. .

図４に示されるように、本実施形態の有機電界効果トランジスタＳ２は、電気絶縁性の基板１０を有する。この基板１０は、無アルカリガラスなどのガラスやセラミック、あるいはプラスチック等よりなるもので、リジッド基板でもよいし、フレキシブル基板でもよい。   As shown in FIG. 4, the organic field effect transistor S2 of the present embodiment has an electrically insulating substrate 10. The substrate 10 is made of glass such as non-alkali glass, ceramic, plastic, or the like, and may be a rigid substrate or a flexible substrate.

この基板１０の一面１１上には、互いに離間して配置されたソース電極４０およびドレイン電極５０が形成されている。これらソース電極４０およびドレイン電極５０は、上記第１実施形態と同様、たとえばＡｕ（金）などによって構成されている。   On one surface 11 of the substrate 10, a source electrode 40 and a drain electrode 50 which are arranged apart from each other are formed. The source electrode 40 and the drain electrode 50 are made of, for example, Au (gold) as in the first embodiment.

そして、基板１０の一面１１上においてソース電極４０およびドレイン電極５０を覆うように有機半導体膜３０が形成されており、有機半導体膜３０は、ソース電極４０とドレイン電極５０との間を繋いでいる。この有機半導体膜３０は、上記第１実施形態と同様のものである。   An organic semiconductor film 30 is formed on one surface 11 of the substrate 10 so as to cover the source electrode 40 and the drain electrode 50, and the organic semiconductor film 30 connects the source electrode 40 and the drain electrode 50. . This organic semiconductor film 30 is the same as in the first embodiment.

そして、基板１０の一面１１上において有機半導体膜３０を覆うように、ゲート絶縁膜２０が形成されている。このゲート絶縁膜２０は、上記第１実施形態と同様のものである。そして、ゲート絶縁膜２０上には、Ｃｒ（クロム）などで構成されたゲート電極６０が形成されている。このゲート電極６０は、スパッタやフォトリソグラフィー等により形成される。このような構造により、本実施形態にかかる有機トランジスタＳ２が構成されている。   Then, a gate insulating film 20 is formed on one surface 11 of the substrate 10 so as to cover the organic semiconductor film 30. This gate insulating film 20 is the same as in the first embodiment. A gate electrode 60 made of Cr (chromium) or the like is formed on the gate insulating film 20. This gate electrode 60 is formed by sputtering, photolithography, or the like. With such a structure, the organic transistor S2 according to the present embodiment is configured.

本実施形態によっても、有機半導体膜３０を構成する有機半導体材料を上記カルコゲン含有ポリアセン化合物とすることで、印刷により、有機半導体膜３０を、単分子膜が２層、３層または４層にて積層された高移動度を持つ結晶膜として形成できる。よって、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する有機電界効果トランジスタＳ２を提供することができる。   Also in the present embodiment, by using the chalcogen-containing polyacene compound as the organic semiconductor material constituting the organic semiconductor film 30, the organic semiconductor film 30 can be formed into a monomolecular film in two, three, or four layers by printing. It can be formed as a stacked crystal film having high mobility. Therefore, according to the present embodiment, it is also possible to provide the organic field effect transistor S2 having the same effects as those of the first embodiment.

（他の実施形態）
なお、ボトムゲートタイプのトランジスタ素子１００としては、上記図１以外にも、基板１０がガラスやプラスチック等の絶縁基板よりなる基板１０の一面１１上に、Ｃｒ等よりなるゲート電極を形成したものでもよい。この場合、スパッタやフォトリソグラフィー等により形成したゲート電極の上に、上記図１と同様、ゲート絶縁膜２０、有機半導体膜３０、ソース電極４０およびドレイン電極５０を順次形成した構成とすればよい。 (Other embodiments)
In addition, as the bottom gate type transistor element 100, in addition to the above-described FIG. Good. In this case, the gate insulating film 20, the organic semiconductor film 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50 may be sequentially formed on the gate electrode formed by sputtering, photolithography, or the like, as in FIG.

また、ボトムゲートタイプのトランジスタ素子１００としては、上記図１に示したようなトップコンタクトタイプ以外にも、ボトムコンタクトタイプのものであってもよい。つまり、有機電界効果トランジスタとしては、一面１１側にゲート電極６０を備える基板１０の当該一面１１上に、ゲート絶縁膜２０、ソース電極４０、ドレイン電極５０および有機半導体膜３０よりなるトランジスタ素子１００を設けてなるものであればよい。   Further, the bottom gate type transistor element 100 may be a bottom contact type other than the top contact type as shown in FIG. That is, as the organic field effect transistor, the transistor element 100 including the gate insulating film 20, the source electrode 40, the drain electrode 50, and the organic semiconductor film 30 is formed on the one surface 11 of the substrate 10 having the gate electrode 60 on the one surface 11 side. What is necessary is just to be provided.

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。   Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope described in the claims. In addition, the above embodiments are not irrelevant to each other, and can be appropriately combined with each other, unless a combination is clearly not possible.The above embodiments are not limited to the above illustrated examples. Absent. In each of the above embodiments, it is needless to say that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential, unless otherwise clearly indicated as essential or in principle considered to be clearly essential. No. In each of the above embodiments, when a numerical value such as the number, numerical value, amount, range, or the like of the constituent elements of the exemplary embodiment is referred to, it is particularly limited to a specific number when it is clearly stated that it is essential and in principle. The number is not limited to the specific number unless otherwise specified. In each of the above embodiments, when referring to the shape of components and the like, positional relationship, and the like, unless otherwise specified and in principle limited to a specific shape, positional relationship, etc., the shape, It is not limited to a positional relationship or the like.

１０ 基板
１１ 基板の一面
２０ ゲート絶縁膜
３０ 有機半導体膜
４０ ソース電極
５０ ドレイン電極
６０ ゲート電極
１００ トランジスタ素子 Reference Signs List 10 substrate 11 one surface of substrate 20 gate insulating film 30 organic semiconductor film 40 source electrode 50 drain electrode 60 gate electrode 100 transistor element

Claims (5)

一面（１１）側にゲート電極（６０）を備える基板（１０）の当該一面上に、ゲート絶縁膜（２０）、ソース電極（４０）、ドレイン電極（５０）および有機半導体膜（３０）よりなるトランジスタ素子（１００）を設けてなる有機電界効果トランジスタであって、
前記有機半導体膜は、有機半導体材料の単分子膜を２層、３層または４層にて積層してなる結晶膜であり、
前記有機半導体材料は、分子量１０００以下であり、２つのアルキル基を有するカルコゲン含有ポリアセン化合物であって、それぞれのアルキル鎖の炭素数が、ポリアセンの環の数よりも少ないカルコゲン含有ポリアセン化合物を主成分とするものであることを特徴とする有機電界効果トランジスタ。 On one surface of a substrate (10) having a gate electrode (60) on one surface (11), a gate insulating film (20), a source electrode (40), a drain electrode (50) and an organic semiconductor film (30) are formed. An organic field effect transistor provided with a transistor element (100),
The organic semiconductor film is a crystal film formed by stacking two, three, or four monomolecular films of an organic semiconductor material,
The organic semiconductor material is a chalcogen-containing polyacene compound having a molecular weight of 1000 or less and having two alkyl groups, wherein the number of carbon atoms in each alkyl chain is smaller than the number of polyacene rings. An organic field-effect transistor, characterized in that: 前記有機半導体材料は、前記主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物に加えて、０．１重量％以上５重量％以下の添加物としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物を含有するものであり、
前記添加物としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物は、前記主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物に対して同一の骨格を有し、アルキル鎖の炭素数が少ないものであることを特徴とする請求項１に記載の有機電界効果トランジスタ。 The organic semiconductor material contains, in addition to the chalcogen-containing polyacene compound as the main component, a chalcogen-containing polyacene compound as an additive of 0.1% by weight or more and 5% by weight or less,
The chalcogen-containing polyacene compound as the additive has the same skeleton as the chalcogen-containing polyacene compound as the main component, and has a small number of carbon atoms in an alkyl chain. Organic field effect transistor. 積層膜としての前記有機半導体膜の膜厚分布は、１ｍｍ２当たり０．３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の有機電界効果トランジスタ。 3. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein a thickness distribution of the organic semiconductor film as a laminated film is 0.3 nm or less per 1 mm 2 . 前記トランジスタ素子は、前記基板の一面上に複数個設けられており、当該複数個の前記トランジスタ素子のそれぞれの移動度のばらつきが１０％以内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the transistor elements are provided on one surface of the substrate, and a variation in mobility of each of the plurality of the transistor elements is within 10%. 9. The organic field effect transistor according to any one of the above. 前記主成分としてのカルコゲン含有ポリアセン化合物は、３，１２−ジヘキシルジナフト［２，３−ｄ：２‘，３’−ｄ‘］ナフト［１，２−ｂ：６，７−ｂ’］ジチオフェンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。   The chalcogen-containing polyacene compound as the main component is 3,12-dihexyldinaphtho [2,3-d: 2 ′, 3′-d ′] naphtho [1,2-b: 6,7-b ′] dithiophene The organic field effect transistor according to any one of claims 1 to 4, wherein
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