JP7493228B2 - Organic semiconductor materials and organic thin film transistors - Google Patents
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Description
本発明は、縮合多環芳香族化合物、該化合物を含有する有機半導体材料ならびに有機半導体組成物、該有機半導体材料を含む有機薄膜、該有機薄膜の製造方法、および該有機薄膜を有する有機半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a condensed polycyclic aromatic compound, an organic semiconductor material and an organic semiconductor composition containing the compound, an organic thin film containing the organic semiconductor material, a method for producing the organic thin film, and an organic semiconductor device having the organic thin film.
近年の電子機器には、トランジスタが多用され必要不可欠となっている。しかしながら、アモルファスシリコンや多結晶シリコンなどの無機半導体材料を用いた電界効果トランジスタの製造には、多数の真空プロセス、不純物のドーピング等製造コスト、およびランニングコストがかかり、電界効果トランジスタの製造コストが高くなっている。 Transistors are widely used in electronic devices these days and have become indispensable. However, manufacturing field-effect transistors using inorganic semiconductor materials such as amorphous silicon and polycrystalline silicon requires numerous vacuum processes, manufacturing costs such as doping with impurities, and running costs, which increases the manufacturing cost of field-effect transistors.
一方で、今日低価格で大量生産が必要とされている電子ペーパーや、RFIDタグの需要が高まっており、より低コスト、大量生産、短時間の回路製作により製造が可能である印刷プロセス(プリンテッドエレクトロニクス)が注目され、半導体材料としては塗布成膜可能な有機半導体が注目されている。 On the other hand, there is a growing demand for electronic paper and RFID tags, which need to be mass-produced at low cost, and printing processes (printed electronics), which enable low-cost, mass-production, and short-time circuit manufacturing, are attracting attention, and organic semiconductors, which can be applied as films, are attracting attention as semiconductor materials.
また、近年ウェアラブル電子デバイスの需要が高まっており、軽量で柔軟性のあるプラスチック基材の上にトランジスタなどのデバイスを作製する技術が必要となってきた。しかしながら、アモルファスシリコンや多結晶シリコンの成膜は、高温度下で実施されるため、熱耐久性に乏しいプラスチック材料などは基板として使用できないという難点がある。 In addition, the demand for wearable electronic devices has increased in recent years, creating a need for technology to fabricate devices such as transistors on lightweight, flexible plastic substrates. However, because amorphous silicon and polycrystalline silicon films are formed at high temperatures, there is a drawback in that plastic materials with poor thermal durability cannot be used as substrates.
上記問題を解決するためにも、有機溶媒に溶解可能で塗布成膜可能な有機半導体化合物をチャネル層に用いて印刷法でトランジスタを作製する技術が有望視され、その実用化に期待が集まっている。 To solve the above problems, a technology that uses an organic semiconductor compound that is soluble in an organic solvent and can be applied to form a film to fabricate transistors by printing is seen as promising, and hopes are high for its practical application.
有機半導体層を形成する方法としては、真空蒸着法や塗布法などが知られており、塗布法を利用することができれば従来の真空プロセスを用いた製造方法を必要としないため、製造コストを抑えることができるとともに、インクジェット印刷、スクリーン印刷などの既存の印刷プロセスが活用できるため、有機トランジスタ素子を大面積かつ大量に製造することができるようになる。 Methods for forming organic semiconductor layers include vacuum deposition and coating methods. If the coating method can be used, there is no need for the conventional manufacturing method using a vacuum process, which reduces manufacturing costs. In addition, existing printing processes such as inkjet printing and screen printing can be used, making it possible to mass-produce large-area organic transistor elements.
さらには、成膜時に必要となる温度を下げることができ、有機半導体化合物を用いた有機トランジスタでは、基板にプラスチック材料を使用することが可能となることでフレキシブルなデバイスへの適用が可能となり、その実用化に期待が集まっている。 Furthermore, the temperature required during film formation can be reduced, and organic transistors using organic semiconductor compounds can be made using plastic materials for the substrate, making them applicable to flexible devices, and there are high hopes for their practical application.
加えて、実用的な有機トランジスタは、高いキャリア移動度(単に移動度ともいう)、および熱耐久性を有している必要がある。
しかし一般に有機化合物は、半導体層となる固相を隣接分子間の相互作用により構築するため、これらを共有結合で構築することができる無機化合物に対して相互作用が弱くなる。そのため、固相内でのキャリア移動に障害が大きくなる傾向があるとともに、熱耐久性が低下するという課題がある。特に、トランジスタのチャネル層に用いる有機半導体化合物は、室温を中心とした広い温度領域にわたって、融解などの相転移をおこさない必要がある。ここで相転移とは、有機化合物の固相から液相への変化、固相から液晶相への変化、固相から他の固相への変化、液晶相から液相への変化、あるいはこれらの逆方向の変化などを指し、これらの相転移の発生する温度を相転移点と呼び、そのなかで特に固相や液晶相から液相に転移する温度を融点とよぶ。
In addition, a practical organic transistor must have high carrier mobility (also simply referred to as mobility) and thermal durability.
However, organic compounds generally construct the solid phase that becomes the semiconductor layer through interactions between adjacent molecules, and therefore the interactions are weaker than those of inorganic compounds, which can construct these layers through covalent bonds. This tends to increase the hindrance to carrier movement within the solid phase, and also reduces thermal durability. In particular, organic semiconductor compounds used in the channel layer of transistors must not undergo phase transitions such as melting over a wide temperature range, centered around room temperature. Here, phase transition refers to the change of an organic compound from a solid phase to a liquid phase, from a solid phase to a liquid crystal phase, from a solid phase to another solid phase, from a liquid crystal phase to a liquid phase, or the reverse change. The temperature at which these phase transitions occur is called the phase transition point, and the temperature at which the solid or liquid crystal phase transitions to the liquid phase is called the melting point.
以上のように、有機半導体には、高いキャリア移動度を実現するための強い分子間相互作用と、実用に足る熱耐久性を得るための高い転移点温度を有することが有機トランジスタの実用化にむけて必要不可欠な物性として求められる。 As described above, organic semiconductors are required to have strong intermolecular interactions to achieve high carrier mobility and a high transition temperature to obtain thermal durability sufficient for practical use, which are essential physical properties for the practical application of organic transistors.
有機トランジスタのチャネル層に用いる有機半導体化合物としてはこれまで、ベンゼン環を5つ縮合させた構造をもつペンタセンや、ベンゼン環とチオフェン環からなるベンゾチエノベンゾチオフェン(BTBT)、ジナフトチエノチオフェン(DNTT)に代表される、ベンゼン環やチオフェン環を縮合させた縮合多環芳香族化合物を主骨格とした化合物が検討されてきた(非特許文献1-3)。これら化合物は母骨格の強い分子間相互作用のため、実用的な高い移動度を示すとともに、高い相転移温度を有することに基づいて優れた熱耐久性を示す。しかし、これら化合物は溶媒にきわめて難溶であるため、有機トランジスタを作製する際に塗布法を適用できないという問題があった。 As organic semiconductor compounds for use in the channel layer of organic transistors, compounds with a main skeleton of a condensed polycyclic aromatic compound in which benzene rings or thiophene rings are condensed, such as pentacene, which has a structure in which five benzene rings are condensed, and benzothienobenzothiophene (BTBT) and dinaphthothienothiophene (DNTT), which are made up of benzene and thiophene rings, have been considered (Non-Patent Documents 1-3). These compounds exhibit practically high mobility due to the strong intermolecular interactions of the main skeleton, and also exhibit excellent thermal durability due to their high phase transition temperatures. However, these compounds are extremely poorly soluble in solvents, which has led to the problem that coating methods cannot be used to fabricate organic transistors.
有機溶媒への溶解性を高めるなどの目的で、縮合多環芳香族化合物にアルキル基を置換することが検討されている。このとき、ベンゼン環やチオフェン環の縮環数が小さい場合は、塗布法を適用するのに充分な溶媒溶解性を示す一方で、より低温で相転移を起こしやすく、有機トランジスタデバイスの熱耐久性の面で不利にはたらきやすいことが問題となる。
例えば非特許文献4に記載されているように、アルキル基を置換したBTBTは塗布製膜が可能な溶解性を有しつつ高い移動度を示すものの、転移点が110℃であることが示されており、特許文献1には半導体デバイスの熱耐久性に関する課題が示されている。
一方、縮環数の大きい場合は、相転移温度が高温側へシフトし有機トランジスタデバイスの熱耐久性は改善されるものの、塗布法を適用するための溶媒溶解性が不充分となる。
例えば前記BTBTよりも縮環数の大きいジナフトベンゾジチオフェン(DNBDT)にアルキル基を付与した非特許文献5に記載した化合物では、高い移動度を示すとともに相転移温度が200℃以上であることから、高耐熱な有機トランジスタの製造が期待できるが、その溶媒溶解性は室温では極めて低いため、文献においても加熱条件下での溶液調整法および塗布成膜法が示されている。
このように、溶媒溶解性と熱耐久性は一般にトレードオフ関係にあり、高い溶媒溶解性と高い熱耐久性を両立する有機半導体材料(有機半導体化合物)の開発が求められている。
Substituting alkyl groups into condensed polycyclic aromatic compounds has been studied for the purpose of increasing solubility in organic solvents, etc. In this case, when the number of condensed rings of benzene rings or thiophene rings is small, the compound shows sufficient solubility in solvents for application of coating methods, but the problem is that it is prone to phase transition at lower temperatures, which can be detrimental to the thermal durability of organic transistor devices.
For example, as described in
On the other hand, when the number of fused rings is large, the phase transition temperature shifts to the higher temperature side and the thermal durability of the organic transistor device is improved, but the solvent solubility becomes insufficient for application of a coating method.
For example, the compound described in
Thus, there is generally a trade-off between solvent solubility and thermal durability, and there is a demand for the development of organic semiconductor materials (organic semiconductor compounds) that have both high solvent solubility and high thermal durability.
また、チエノベンゾチエノベンゾチオフェン(BTBTT)骨格について、有機トランジスタに含有される有機半導体材料として報告されている(非特許文献6および特許文献2-3)。しかしながら、非特許文献6および特許文献2-3は、蒸着成膜により作製した有機トランジスタのキャリア移動度に関する記載があるのみで、いずれの文献においても塗布成膜に向けた溶媒溶解性や有機トランジスタデバイスの熱耐久性については何ら言及されていない。
In addition, the thienobenzothienobenzothiophene (BTBTT) skeleton has been reported as an organic semiconductor material contained in organic transistors (Non-Patent
現在までに、種々の有機化合物を有機半導体層に用いた有機トランジスタの提案がなされているが、そのいずれもが、実用的に充分満足できる特性を有しているとはいい難いものであった。
上述のとおり、塗布製膜が可能な十分な溶媒溶解性を有し、かつ、熱耐久性が高く、キャリア移動度が高い有機半導体材料が開発できれば、印刷などの塗布製膜法を用いて、任意の基板上に簡便に有機薄膜トランジスタを作製することができ、これを集積することでフレキシブルなデバイスを作製することができる。たとえば、これが薄膜の場合には、タッチパネルなどの透明電極や、有機ELや有機太陽電池の電極などに利用でき、また電磁波吸収シートとして利用することが可能となる。その産業的利用価値は極めて大きいが、そのような要請に応える有機半導体材料がまだ開発されていないのが現状である。
Up to now, organic transistors using various organic compounds in the organic semiconductor layer have been proposed, but none of them can be said to have sufficiently satisfactory properties for practical use.
As described above, if an organic semiconductor material that has sufficient solvent solubility to be applied for film formation, high thermal durability, and high carrier mobility can be developed, organic thin-film transistors can be easily fabricated on any substrate using a coating film formation method such as printing, and flexible devices can be fabricated by integrating these. For example, if this is a thin film, it can be used as a transparent electrode for touch panels, electrodes for organic electroluminescence (EL) and organic solar cells, and can also be used as an electromagnetic wave absorbing sheet. Its industrial value is extremely high, but the current situation is that an organic semiconductor material that meets such demands has not yet been developed.
本発明は、このような現状を鑑みてなされたものであって、有機半導体溶液を塗布することによって作製可能であり、熱耐久性に優れ、キャリア移動度が高い有機トランジスタを提供することを目的とするものである。 The present invention was made in consideration of the current situation, and aims to provide an organic transistor that can be fabricated by applying an organic semiconductor solution, has excellent thermal durability, and has high carrier mobility.
本発明者は、前記課題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、下記式(1)または(2)で表されるBTBTTを母骨格とし、ある特定の置換位置に異なる置換基を有する化合物が塗布成膜によって薄膜を作製するに十分な溶媒溶解性と高い相転移温度を示し、さらにこれを有機半導体層とする有機トランジスタは、キャリア移動度が極めて高く、かつ熱耐久性に優れていることを見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本出願は、以下の発明を提供するものである。
〈1〉以下の一般式(1)または(2)で表される化合物。
〈2〉R1は芳香族炭化水素基または複素環基であり、R2およびR3はいずれか一方が水素原子であり、もう一方は炭素数1~20のアルキル基である、〈1〉に記載の化合物。
〈3〉R2が水素原子である、〈1〉または〈2〉に記載の化合物。
〈4〉アルキル基が炭素数6~12のアルキル基である、〈1〉~〈3〉のいずれかに記載の化合物。
〈5〉一般式(1)で示される、〈1〉~〈4〉のいずれかに記載の化合物。
〈6〉有機溶媒に対する25℃における溶解度が0.01質量%以上の、〈1〉~〈5〉のいずれかに記載の化合物。
〈7〉示差走査熱測定において160℃未満に相転移を示すピークが観測されない、〈1〉~〈6〉のいずれかに記載の化合物。
〈8〉〈1〉~〈7〉のいずれかに記載の化合物と有機溶媒とを含有する組成物。
〈9〉〈1〉~〈7〉のいずれかに記載の化合物を含有する有機半導体薄膜。
〈10〉〈9〉に記載の有機半導体薄膜を含んでなる有機半導体デバイス。
〈11〉〈9〉に記載の有機半導体薄膜を含んでなる有機トランジスタ。
〈12〉有機半導体薄膜が単結晶である、〈11〉に記載の有機トランジスタ。
〈13〉〈8〉に記載の有機半導体組成物を基材上に塗布することにより有機半導体薄膜を製膜することを特徴とする、有機トランジスタの製造方法。
〈14〉有機半導体薄膜が単結晶であることを特徴とする、〈13〉に記載の有機トランジスタの製造方法。
Specifically, the present application provides the following inventions:
<1> A compound represented by the following general formula (1) or (2):
<2> The compound according to <1>, wherein R 1 is an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, and one of R 2 and R 3 is a hydrogen atom and the other is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
<3> The compound according to <1> or <2>, wherein R 2 is a hydrogen atom.
<4> The compound according to any one of <1> to <3>, wherein the alkyl group is an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms.
<5> The compound according to any one of <1> to <4>, which is represented by general formula (1).
<6> The compound according to any one of <1> to <5>, which has a solubility of 0.01% by mass or more in an organic solvent at 25° C.
<7> The compound according to any one of <1> to <6>, which does not show a peak indicating a phase transition at less than 160° C. in differential scanning calorimetry.
<8> A composition containing the compound according to any one of <1> to <7> and an organic solvent.
<9> An organic semiconductor thin film containing the compound according to any one of <1> to <7>.
<10> An organic semiconductor device comprising the organic semiconductor thin film according to <9>.
<11> An organic transistor comprising the organic semiconductor thin film according to <9>.
<12> The organic transistor according to <11>, wherein the organic semiconductor thin film is a single crystal.
<13> A method for producing an organic transistor, comprising applying the organic semiconductor composition according to <8> onto a substrate to form an organic semiconductor thin film.
<14> The method for producing an organic transistor according to <13>, wherein the organic semiconductor thin film is a single crystal.
本発明による縮合多環芳香族化合物は、塗布成膜によって薄膜を作製するに十分な溶媒溶解性を示すと共に、キャリア移動度が高くかつ熱耐久性に優れた有機薄膜トランジスタ等の有機半導体デバイスを、高温処理を必要としない塗布製膜により製造することができる。よって、本発明の縮合多環芳香族化合物は、ウェアラブル電子デバイスなどのプラスチックを基材とする用途における有機半導体材料に特に適している。 The condensed polycyclic aromatic compound of the present invention exhibits sufficient solvent solubility to produce a thin film by coating film formation, and organic semiconductor devices such as organic thin film transistors with high carrier mobility and excellent heat durability can be produced by coating film formation that does not require high-temperature treatment. Therefore, the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention is particularly suitable as an organic semiconductor material in applications that use plastic as a substrate, such as wearable electronic devices.
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の縮合多環芳香族化合物は、上記式(1)または(2)で表される構造を有する。式(1)および(2)中、R1は芳香族炭化水素基または複素環基または炭素数1~20のアルキル基を表し、R2およびR3はいずれか一方が水素原子であり、もう一方はR1が芳香族炭化水素基または複素環基であるときは炭素数1~20のアルキル基であり、R1が炭素数1~20のアルキル基であるときは芳香族炭化水素基または複素環基を表す。
The present invention will be described in detail below.
The condensed polycyclic aromatic compound of the present invention has a structure represented by the above formula (1) or (2). In formulas (1) and (2), R1 represents an aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group, or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and one of R2 and R3 is a hydrogen atom, and the other represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms when R1 is an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, or an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group when R1 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
式(1)および(2)のR1~R3が表す炭素数1~20のアルキル基は、直鎖、分岐鎖または脂環式の何れにも限定されない。
直鎖アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基、n-テトラデシル基、n-ペンタデシル基、n-ヘキサデシル基、n-ヘプタデシル基、n-オクタデシル基、n-ノナデシル基およびn-エイコシル基等が挙げられる。分岐鎖アルキル基の具体例としては、iso-プロピル基、iso-ブチル基、t-ブチル基、iso-ペンチル基、t-ペンチル基、sec-ペンチル基、iso-ヘキシル基、sec-ヘプチル基、sec-ノニル基、2-エチルヘキシル基および2-ヘキシルデシル基等が挙げられる。脂環式のアルキル基の具体例としては、シクロヘキシル基、シクロペンチル基、アダマンチル基およびノルボルニル基等が挙げられる。
式(1)および(2)のR1~R3が表すアルキル基としては直鎖または分岐鎖アルキル基であることが好ましく、直鎖アルキル基であることがより好ましい。また、R1~R3が表すアルキル基の炭素数は、炭素数が多いほど溶解性ならびに相転移温度が低下することから、4~14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であることが更に好ましく、6~10であることが最も好ましい。
The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2) is not limited to any of straight chain, branched chain, and alicyclic.
Specific examples of linear alkyl groups include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-undecyl, n-dodecyl, n-tridecyl, n-tetradecyl, n-pentadecyl, n-hexadecyl, n-heptadecyl, n-octadecyl, n-nonadecyl, and n-eicosyl groups, etc. Specific examples of branched alkyl groups include isopropyl, isobutyl, t-butyl, isopentyl, t-pentyl, sec-pentyl, isohexyl, sec-heptyl, sec-nonyl, 2-ethylhexyl, and 2-hexyldecyl groups, etc. Specific examples of the alicyclic alkyl group include a cyclohexyl group, a cyclopentyl group, an adamantyl group, and a norbornyl group.
The alkyl groups represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2) are preferably linear or branched alkyl groups, more preferably linear alkyl groups. The number of carbon atoms in the alkyl groups represented by R 1 to R 3 is preferably 4 to 14, more preferably 6 to 14, even more preferably 6 to 12, and most preferably 6 to 10, since the solubility and phase transition temperature decrease with an increase in the carbon number.
式(1)および(2)のR1~R3が表す芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナンスリル基、ピレニル基およびフェナレニル基等が挙げられる。より少ない炭素数で構成される芳香族炭化水素基ほど溶解性が高くなるため、フェニル基またはナフチル基であることが好ましく、フェニル基であることがより好ましい。
式(1)および(2)のR1~R3が表す芳香族炭化水素基はアルキル基を置換基として有していてもよく、そのアルキル基は直鎖、分岐鎖または脂環式のいずれにも限定されず、その具体例としては、式(1)および(2)のR1~R3が表すアルキル基と同じものが挙げられる。
式(1)および(2)のR1~R3が表す複素環基の具体例としては、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリル基、イソキノリル基、ピロリル基、インドレニル基、イミダゾリル基、カルバゾリル基、チエニル基、フリル基、ピラニル基、ピリドニル基、ベンゾキノリル基、アントラキノリル基、ベンゾチエニル基、ベンゾフリル基およびチエノチエニル基等が挙げられる。より少ない炭素数で構成される複素環基ほど溶解性が高くなるためピリジル基、チエニル基、ベンゾチエニル基またはチエノチエニル基であることが好ましく、ピリジル基、チエニル基またはベンゾチエニル基であることがより好ましく、ピリジル基またはチエニル基であることが更に好ましい。
式(1)および(2)のR1~R3が表す複素環基はアルキル基を置換基として有していてもよく、そのアルキル基は直鎖、分岐鎖または脂環式のいずれにも限定されず、その具体例としては、式(1)および(2)のR1~R3が表すアルキル基と同じものが挙げられる。
Specific examples of the aromatic hydrocarbon group represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2) include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, a pyrenyl group, and a phenalenyl group, etc. Since the aromatic hydrocarbon group having fewer carbon atoms has higher solubility, a phenyl group or a naphthyl group is preferable, and a phenyl group is more preferable.
The aromatic hydrocarbon groups represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2) may have an alkyl group as a substituent, and the alkyl group is not limited to being linear, branched, or alicyclic. Specific examples thereof include the same alkyl groups as those represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2).
Specific examples of the heterocyclic group represented by R 1 to R 3 in formulas (1) and (2) include a pyridyl group, a pyrazyl group, a pyrimidyl group, a quinolyl group, an isoquinolyl group, a pyrrolyl group, an indolenyl group, an imidazolyl group, a carbazolyl group, a thienyl group, a furyl group, a pyranyl group, a pyridonyl group, a benzoquinolyl group, an anthraquinolyl group, a benzothienyl group, a benzofuryl group, and a thienothienyl group, etc. Since the heterocyclic group having fewer carbon atoms has higher solubility, a pyridyl group, a thienyl group, a benzothienyl group, or a thienothienyl group is preferred, a pyridyl group, a thienyl group, or a benzothienyl group is more preferred, and a pyridyl group or a thienyl group is even more preferred.
The heterocyclic groups represented by R 1 to R 3 in formulae (1) and (2) may have an alkyl group as a substituent, and the alkyl group is not limited to being linear, branched, or alicyclic. Specific examples thereof include the same alkyl groups as those represented by R 1 to R 3 in formulae (1) and (2).
式(1)および(2)で表される化合物の具体例を、下記表1-1~1-3に示す。 Specific examples of compounds represented by formulas (1) and (2) are shown in Tables 1-1 to 1-3 below.
一般式(1)および(2)で表される縮合多環芳香族化合物は、塗布製膜による半導体層作製のために、有機溶媒に可溶であることが要求される。そのため該有機溶媒は、一般式(1)および(2)で表される有機化合物を溶解し得るものであれば特に限定なく用いることができる。また、有機溶媒に対する上記縮合多環芳香族化合物の溶解度は、高いほど好ましいので、上限は特にないが、溶液プロセスにより有機半導体薄膜を形成する際、溶液中における化合物の濃度が高くなりすぎると均質性の高い薄膜を形成することが困難になる恐れがあるため、印刷プロセスに応じて化合物の濃度を適宜調整すればよい。また、下限については低濃度であるほど半導体薄膜作成が困難になるため、0.01wt%以上が好ましく、0.02wt%がより好ましく、0.05wt%が更に好ましい。
上記有機溶媒としては、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等のハロゲン系溶媒も使用できるが、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラヒドロナフタレン、シクロヘキシルベンゼンなどの芳香族炭化水素類、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール、ブトキシベンゼンなどのエーテル類などを用いることができ、これら有機溶媒は、単一の有機溶媒でも、複数の有機溶媒を混合して使用することもできる。実用的な観点から環境問題等を考慮した場合、非ハロゲン系溶媒であることが好ましい。
The condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) are required to be soluble in an organic solvent in order to prepare a semiconductor layer by coating. Therefore, the organic solvent can be used without any particular limitation as long as it can dissolve the organic compounds represented by the general formulas (1) and (2). In addition, the solubility of the condensed polycyclic aromatic compounds in the organic solvent is preferably as high as possible, so there is no particular upper limit. However, when forming an organic semiconductor thin film by a solution process, if the concentration of the compound in the solution becomes too high, it may be difficult to form a thin film with high homogeneity, so the concentration of the compound may be appropriately adjusted according to the printing process. In addition, the lower the concentration, the more difficult it is to form a semiconductor thin film, so the lower limit is preferably 0.01 wt% or more, more preferably 0.02 wt%, and even more preferably 0.05 wt%.
As the organic solvent, halogenated solvents such as chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, etc. can be used, but aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetrahydronaphthalene, cyclohexylbenzene, etc., ethers such as tetrahydrofuran, anisole, phenetole, butoxybenzene, etc. can also be used, and these organic solvents can be used alone or in combination of a plurality of organic solvents. From a practical standpoint and in consideration of environmental issues, etc., non-halogenated solvents are preferred.
一般式(1)および(2)で表される縮合多環芳香族化合物は、160℃未満に相転移点を有さないことを特徴とするものである。相転移点は、結晶相から液晶相への転移温度を示す液晶転移点、固相ならびに液晶相が等方性液体となる転移温度を融点、固相ならびに液晶相が液体を介さず直接気相に転移する温度を示す昇華点等、物質が相転移する温度を示すものである。これらは通常、化合物の示差走査熱測定を行い、吸熱ピークあるいは発熱ピークを観測してその温度が示される。特に固相から液相に変化する融点のほか、ネマチック相やスメクティックA相など体積変化の大きい相変化を示す転移温度は、半導体層のキャリア伝導を著しく損なうため、より高い方が好ましい。また、有機トランジスタデバイスの製造工程、すなわち半導体層のレジスト等による封止、フロントプレーン製造工程等やトランジスタデバイスの使用環境等を考慮すると相転移温度が160℃未満に認められないものが好ましく、相転移温度が180℃未満に認められないものがより好ましく、相転移温度が200℃未満に認められないものが更に好ましい。 The condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) are characterized by not having a phase transition point below 160°C. Phase transition points indicate the temperature at which a substance undergoes a phase transition, such as the liquid crystal transition point indicating the transition temperature from a crystalline phase to a liquid crystal phase, the melting point indicating the transition temperature at which the solid phase and liquid crystal phase become isotropic liquids, and the sublimation point indicating the temperature at which the solid phase and liquid crystal phase directly transition to a gas phase without passing through a liquid. These temperatures are usually indicated by performing differential scanning calorimetry of the compound and observing the endothermic or exothermic peaks. In particular, the melting point at which the solid phase changes into a liquid phase, as well as the transition temperature at which a phase change with a large volume change, such as a nematic phase or a smectic A phase, is preferable to be higher, since it significantly impairs the carrier conduction of the semiconductor layer. In addition, taking into consideration the manufacturing process of the organic transistor device, i.e., sealing of the semiconductor layer with a resist or the like, the front plane manufacturing process, etc., and the use environment of the transistor device, it is preferable that the phase transition temperature is not less than 160°C, more preferably that the phase transition temperature is not less than 180°C, and even more preferably that the phase transition temperature is not less than 200°C.
一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物は、単一の分子構造をもつ化合物を単独で用いることができるが、使用目的により、複数の化合物を混合して用いることもできる。また、一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物以外の有機半導体化合物と混合して使用することもできる。
式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物は、必要に応じて他の有機半導体材料や各種の添加剤を含むことができる。上記添加剤としては、例えば、半導体性を示す半導体性高分子化合物や、絶縁性を示す絶縁性高分子化合物などが挙げられる。上記半導体性高分子化合物の具体例として、ポリアセチレン系高分子、ポリジアセチレン系高分子、ポリパラフェニレン系高分子、ポリアニリン系高分子、ポリチオフェン系高分子、ポリアリールアミン系高分子、ポリピロール系高分子、ポリチエニレンビニレン系高分子、ポリカルバゾール系高分子、ポリインドール系高分子、ポリパラフェニレンビニレン系高分子や、これらの誘導体等が挙げられる。上記絶縁性高分子材料の具体例としては、アクリル系高分子、ポリエチレン系高分子、ポリメタクリレート系高分子、ポリスチレン系高分子、ポリエチレンテレフタレート系高分子、ナイロン系高分子、ポリアミド系高分子、ポリエステル系高分子、ビニロン系高分子、ポリイソプレン系高分子、セルロース系高分子、共重合系高分子およびこれらの誘導体等が挙げられる。また、半導体デバイスの特性を損なわない限りにおいて、その他の添加剤、例えばドーパント、導電性物質、粘度調整剤、レベリング剤、レオロジー調整剤などを加えてもよい。
The condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) may be used alone as compounds having a single molecular structure, but may also be used in combination with a plurality of compounds depending on the intended use.Furthermore, they may also be used in combination with organic semiconductor compounds other than the condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2).
The condensed polycyclic aromatic compound represented by formula (1) or (2) may contain other organic semiconductor materials or various additives as necessary. Examples of the additives include semiconducting polymer compounds exhibiting semiconductivity and insulating polymer compounds exhibiting insulating properties. Specific examples of the semiconducting polymer compounds include polyacetylene-based polymers, polydiacetylene-based polymers, polyparaphenylene-based polymers, polyaniline-based polymers, polythiophene-based polymers, polyarylamine-based polymers, polypyrrole-based polymers, polythienylenevinylene-based polymers, polycarbazole-based polymers, polyindole-based polymers, polyparaphenylenevinylene-based polymers, and derivatives thereof. Specific examples of the insulating polymer materials include acrylic-based polymers, polyethylene-based polymers, polymethacrylate-based polymers, polystyrene-based polymers, polyethylene terephthalate-based polymers, nylon-based polymers, polyamide-based polymers, polyester-based polymers, vinylon-based polymers, polyisoprene-based polymers, cellulose-based polymers, copolymer-based polymers, and derivatives thereof. In addition, other additives, such as dopants, conductive materials, viscosity modifiers, leveling agents, and rheology modifiers, may be added as long as they do not impair the properties of the semiconductor device.
本発明の一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を含む有機半導体組成物を用いて有機薄膜を作製することができる。該有機薄膜は、ガラス、アモルファス、結晶性のいずれの形態であってもよい。該有機薄膜の膜厚は、その用途によって異なるが、通常0.5nm~1μmであり、好ましくは1nm~1μmである。 An organic thin film can be prepared using an organic semiconductor composition containing the condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) of the present invention. The organic thin film may be in any form of glass, amorphous, or crystalline. The thickness of the organic thin film varies depending on the application, but is usually 0.5 nm to 1 μm, and preferably 1 nm to 1 μm.
本発明の有機半導体薄膜の形成方法としては、各種の方法を用いることができる。一般的に、上記有機半導体薄膜の形成方法は、真空プロセスによる形成方法と、溶液プロセスによる形成方法とに大別され、何れを用いてもよいが、より実用的な観点から、溶液プロセスによる形成方法であることが好ましい。上記真空プロセスによる有機半導体薄膜の形成方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、CVD法、分子線エピタキシャル成長法、真空蒸着法等が挙げられる。溶液プロセスとしては、スピンコート法、ドロップキャスト法、ディップコート法、ロールコーター法、バーコーター法、スリットコート法、ダイコーター法、スプレー法等の印刷法に加え、インクジェット印刷法、ナノインプリント法、フレキソ印刷、樹脂凸版印刷等の凸版印刷法、オフセット印刷、パッド印刷等の平板版印刷法、グラビア印刷法、リソグラフ印刷等の凹版印刷法、スクリーン印刷等の孔板印刷法等が挙げられる。上記有機半導体薄膜は、上記した1つの形成方法によって形成することも、上記した形成方法を複数組み合わせて形成することも可能である。また、製膜方法と製膜条件の適切な選択によって、結晶のサイズを調整することもでき、結晶性の低い膜から単結晶膜までを作製できる。 Various methods can be used as the method for forming the organic semiconductor thin film of the present invention. Generally, the method for forming the organic semiconductor thin film is roughly divided into a method for forming by a vacuum process and a method for forming by a solution process, and either method may be used, but from a more practical viewpoint, a method for forming by a solution process is preferable. Examples of the method for forming the organic semiconductor thin film by the vacuum process include resistance heating deposition, electron beam deposition, sputtering, CVD, molecular beam epitaxial growth, and vacuum deposition. Examples of the solution process include printing methods such as spin coating, drop casting, dip coating, roll coater, bar coater, slit coating, die coater, and spraying, as well as inkjet printing, nanoimprinting, flexographic printing, and letterpress printing such as resin letterpress printing, offset printing, and lithographic printing, gravure printing, and intaglio printing such as lithographic printing, and hole plate printing such as screen printing. The organic semiconductor thin film can be formed by one of the above-mentioned formation methods, or by combining a plurality of the above-mentioned formation methods. In addition, by appropriately selecting the film-forming method and film-forming conditions, the size of the crystals can be adjusted, making it possible to produce films with low crystallinity as well as single crystal films.
一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を材料として用いて、有機半導体デバイスを作製することができ、有機EL素子、有機太陽電池素子、有機光電変換素子および有機トランジスタ素子等の有機半導体デバイスの有機薄膜の材料として好適に用いられる。その一例として有機トランジスタについて詳細に説明する。 The condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) can be used as materials to fabricate organic semiconductor devices, and are suitable for use as materials for the organic thin films of organic semiconductor devices such as organic EL elements, organic solar cell elements, organic photoelectric conversion elements, and organic transistor elements. As an example, an organic transistor will be described in detail.
有機トランジスタは、有機半導体に接して2つの電極(ソース電極およびドレイン電極)があり、その電極間に流れる電流を、ゲート電極と呼ばれるもう一つの電極に印加する電圧で制御するものである。一般に、有機トランジスタにはゲート電極が絶縁膜で絶縁されている構造(Metal-InsuIator-Semiconductor:MIS構造)がよく用いられる。 An organic transistor has two electrodes (a source electrode and a drain electrode) in contact with an organic semiconductor, and the current flowing between these electrodes is controlled by the voltage applied to another electrode called the gate electrode. In general, organic transistors often have a structure in which the gate electrode is insulated by an insulating film (Metal-Insulator-Semiconductor: MIS structure).
実用的な有機トランジスタの性能については、高いキャリア移動度(単に移動度ともいう)、および大きなオン/オフ比などの特性を有している必要がある。オン/オフ比は、通電(オン)状態と遮断(オフ)状態における電流値の比を指し、これが大きいほどスイッチとして優れている。オン/オフ比は、大きいほど好ましいので、上限は特にない。実用上1×104以上が好ましく、1×105以上がより好ましい。また、キャリア移動度は、キャリアの移動しやすさを示す値であり、キャリア密度、チャネル部近傍のトラップ、絶縁体層の誘電率など、有機デバイスの構造に依存するほか、有機半導体材料においては、薄膜内での隣接分子間の相互作用(隣接する分子のπ共役系の重なり具合)や結晶ドメインのサイズに大きく依存するため、化合物の種類に大きく依存する。スイッチの応答速度に係る重要な指標の一つであり、大きいほど好ましいので、上限は特にない。キャリア移動度は実用上、1cm2/Vs以上が好ましく、2cm2/Vs以上がより好ましく、5cm2/Vs以上が更に好ましく、10cm2/Vs以上が最も好ましい。一般式(1)および(2)であらわされる縮合多環芳香族化合物は、その固体内においてキャリア移動に好適な分子の配列およびπ共役系の重なり具合を有するため、これらの縮合多環芳香族化合物を用いた薄膜デバイスでは高いキャリア移動度を容易に実現可能である。 For practical performance of an organic transistor, it is necessary to have characteristics such as high carrier mobility (also simply called mobility) and a large on/off ratio. The on/off ratio refers to the ratio of the current value in the energized (on) state to the blocked (off) state, and the larger this ratio is, the better the switch is. The on/off ratio is preferable as it is higher, so there is no particular upper limit. In practical use, 1×10 4 or more is preferable, and 1×10 5 or more is more preferable. In addition, carrier mobility is a value indicating the ease of carrier movement, and depends on the structure of the organic device, such as carrier density, traps near the channel, and the dielectric constant of the insulator layer, and in organic semiconductor materials, it depends greatly on the interaction between adjacent molecules in the thin film (the degree of overlap of the π-conjugated systems of adjacent molecules) and the size of the crystal domain, so it depends greatly on the type of compound. It is one of the important indicators related to the response speed of the switch, and the higher it is, the better it is, so there is no particular upper limit. In practical terms, the carrier mobility is preferably 1 cm 2 /Vs or more, more preferably 2 cm 2 /Vs or more, even more preferably 5 cm 2 /Vs or more, and most preferably 10 cm 2 /Vs or more. The condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) have molecular arrangements and overlapping π-conjugated systems that are suitable for carrier migration in the solid, and therefore thin-film devices using these condensed polycyclic aromatic compounds can easily achieve high carrier mobility.
以下、図1に示す有機トランジスタのいくつかの態様例を用いて有機トランジスタについてより詳細に説明するが、本発明はこれらの構造には限定されない。
図1における各態様例の有機トランジスタ10A~10Fにおいて、1がソース電極、2が半導体層、3がドレイン電極、4が絶縁体層、5がゲート電極、6が基板をそれぞれ表す。尚、各層や電極の配置は、有機トランジスタの用途により適宜選択できる。有機トランジスタ10Aはボトムコンタクト-ボトムゲート構造、有機トランジスタ10Bはトップコンタクト-ボトムゲート構造と呼ばれる。また、有機トランジスタ10Cは半導体層2上にソース電極1およびドレイン電極3、絶縁体層4を設け、さらにその上にゲート電極5を形成しており、トップコンタクトトップゲート構造と呼ばれている。有機トランジスタ10Dはトップ&ボトムコンタクトボトムゲート型トランジスタと呼ばれる構造である。有機トランジスタ10Fはボトムコンタクト-トップゲート構造である。有機トランジスタ10Eは縦型の構造をもつトランジスタ、すなわち静電誘導トランジスタ(SIT)の模式図である。このSITは、電流の流れが平面状に広がるので一度に大量のキャリア8が移動できる。またソース電極1とドレイン電極3が縦に配されているので電極間距離を小さくできるため応答が高速である。従って、大電流を流す、高速のスイッチングを行うなどの用途に好ましく適用できる。なお図1中の有機トランジスタ10Eには、基板を記載していないが、通常の場合、有機トランジスタ10Eのソース電極1またはドレイン電極3の外側には基板が設けられる。
Hereinafter, the organic transistor will be described in more detail using some exemplary embodiments of the organic transistor shown in FIG. 1, but the present invention is not limited to these structures.
In the organic transistors 10A to 10F of each embodiment in FIG. 1, 1 represents a source electrode, 2 represents a semiconductor layer, 3 represents a drain electrode, 4 represents an insulator layer, 5 represents a gate electrode, and 6 represents a substrate. The arrangement of each layer and electrode can be appropriately selected depending on the application of the organic transistor. The organic transistor 10A is called a bottom contact-bottom gate structure, and the organic transistor 10B is called a top contact-bottom gate structure. In addition, the
次に各態様例における各構成要素について説明する。
基板6は、その上に形成される各構成要素が剥離することなく保持できることが必要である。基板6としては、例えば、樹脂板、樹脂フィルム、紙、ガラス板、石英板、セラミック板等の絶縁性基板;金属または合金等からなる導電性基板上にコーティング等により絶縁層を形成した基板;樹脂と無機材料との組み合わせ等のような各種組合せからなる基板;半導体基板(例えばシリコンウェハー)等の導電性基板等が使用できる。使用できる樹脂フィルムの例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリカーボネートなどが挙げられる。樹脂フィルムや紙を用いると、デバイスに可撓性を持たせることができ、フレキシブルで、軽量となり、実用性が向上する。基板の厚みは、通常1μm~10mmであり、好ましくは5μm~5mmである。導電性基板を用いた場合は、基板がボトムゲート型トランジスタのゲート電極を兼ねてもよい。
Next, each component in each embodiment will be described.
The
ソース電極1、ドレイン電極3、ゲート電極5には導電性を有する材料が用いられる。例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、コバルト、銅、鉄、亜鉛、インジウム等の金属およびそれらを含む合金;In2O3、ZnO2、ITO等の導電性酸化物;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子化合物;シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の半導体;カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等の炭素材料;等が使用できる。また、導電性高分子化合物や半導体にはドーピングが行われていてもよい。ドーパントとしては、塩酸、硫酸等の無機酸;スルホン酸等の酸性官能基を有する有機酸;PF5、AsF5、FeCl3等のルイス酸;ヨウ素等のハロゲン原子;リチウム、ナトリウム、カリウム等の金属原子;等が挙げられる。
The
ソース電極とドレイン電極間の距離(チャネル長)はデバイスの特性を決める重要なファクターであり、適正なチャネル長が必要である。チャネル長が短ければ取り出せる電流量は増えるが、コンタクト抵抗の影響などの短チャネル効果が生じ、半導体特性を低下させることがある。該チャネル長は、通常0.01~300μm、好ましくは0.1~100μmである。ソース電極とドレイン電極の幅(チャネル幅)は通常10~5000μm、好ましくは30~2000μmとなる。またこのチャネル幅は、電極の構造をくし型構造とすることなどにより、さらに長いチャネル幅を形成することが可能で、必要な電流量やデバイスの構造などにより、適切な長さにする必要がある。 The distance between the source electrode and the drain electrode (channel length) is an important factor that determines the characteristics of the device, and an appropriate channel length is necessary. If the channel length is short, the amount of current that can be extracted increases, but short channel effects such as the influence of contact resistance occur, which may degrade the semiconductor characteristics. The channel length is usually 0.01 to 300 μm, preferably 0.1 to 100 μm. The width of the source electrode and the drain electrode (channel width) is usually 10 to 5000 μm, preferably 30 to 2000 μm. This channel width can be made even longer by using a comb-shaped electrode structure, and it is necessary to set the length appropriately depending on the required amount of current and the device structure.
ソース電極1およびドレイン電極3のそれぞれの構造(形状)について説明する。ソース電極1とドレイン電極3の構造はそれぞれ同じであっても、異なっていてもよい。ボトムコンタクト構造の場合は、一般的にはリソグラフィー法を用いてソース電極1およびドレイン電極3を作製し、またソース電極1およびドレイン電極3を直方体に形成するのが好ましい。インクジェット印刷、グラビア印刷またはスクリーン印刷などの手法を用いることもできる。半導体層2上にソース電極1およびドレイン電極3のあるトップコンタクト構造の場合はシャドウマスクなどを用いて蒸着することによりソース電極1およびドレイン電極3を作製できる。インクジェットなどの既存の印刷手法を用いて電極パターンを直接印刷することも可能になってきている。ソース電極1およびドレイン電極3の長さは前記のチャネル幅と同じである。ソース電極1およびドレイン電極3の幅には特に規定は無いが、電気的特性を安定化できる範囲で、デバイスの面積を小さくするためには短い方が好ましい。ソース電極1およびドレイン電極3の幅は、通常0.1~1000μmであり、好ましくは0.5~500μmである。ソース電極1およびドレイン電極3の厚さは、通常1~1000nmであり、好ましくは5~500nmである。
The structure (shape) of each of the
絶縁体層4としては絶縁性を有する材料が用いられる。絶縁性を有する材料としては、例えば、ポリパラキシリレン、ポリアクリレート、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、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のポリマーおよびこれらを組み合わせた共重合体;酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等の金属酸化物;SrTiO3、BaTiO3等の強誘電性金属酸化物;窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、硫化物、フッ化物などの誘電体;あるいは、これら誘電体の粒子を分散させたポリマー;等が使用しうる。この絶縁体層4はリーク電流を少なくするために電気絶縁特性が高いものが好ましく使用できる。それにより膜厚を薄膜化し、絶縁容量を高くすることができ、取り出せる電流が多くなる。また半導体の移動度を向上させるためには絶縁体層4表面の表面エネルギーを低下させ、凹凸がなくスムーズな膜であることが好ましい。その為に自己組織化単分子膜や、2層の絶縁体層を形成させる場合がある。絶縁体層4の膜厚は、材料や用途によって異なるが、通常1nm~1μm、好ましくは1nm~500nm、より好ましくは1nm~300nmである。
For the
有機半導体層である半導体層2の材料は、上記の一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物のうち少なくとも1種の化合物を有機半導体材料として用いることができる。先に示した有機薄膜の形成方法を用いて、一般式(1)および(2)で表される縮合多環芳香族化合物を含む有機薄膜を形成し、半導体層2とすることができる。
半導体層2については複数の層を形成してもよいが、単層構造であることがより好ましい。半導体層2の膜厚は、必要な機能を失わない範囲で、薄いほど好ましい。これは、有機トランジスタ10A、10Bおよび10Dのような横型の有機トランジスタにおいては、所定以上の膜厚があれば有機トランジスタの特性は膜厚に依存しないが、膜厚が厚くなると半導体特性の低下につながるためである。必要な機能を示すための半導体層2の膜厚は、通常、1nm~1μm、好ましくは5nm~300nmである。
At least one compound selected from the condensed polycyclic aromatic compounds represented by the general formulas (1) and (2) above can be used as the organic semiconductor material for the
The
また半導体層2は、単結晶膜、多結晶膜、アモルファス膜のいずれでもよいが、分子が規則的に配列している状態であるほうが、分子間の電荷キャリアの移動がスムーズとなるので、結晶性の膜であるほうが好ましく、有機トランジスタとして用いる場合にはソース電極とドレイン電極の間を1つの単結晶が占めることが最も好ましい。一般式(1)および(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を用いると、溶液を塗布成膜するだけで高品質な結晶性薄膜を容易に得ることができ、高いキャリア移動度を示す薄膜を容易に作製できるため、高品質デバイス作製プロセスが容易になり、かつ、デバイス間の性能ばらつきを低減させるのに好適である。
The
半導体層2が単結晶膜である場合は、上記のように、ソース電極とドレイン電極の間は1つの単結晶で覆われていることが最も望ましいことから、一つの単結晶ドメインの直径は1μm以上であることが望ましく、10μm以上であることがより望ましい。さらに、多くのトランジスタを並べたアレイとする場合は、トランジスタアレイ全体が単結晶であれば素子間のばらつきが最小となり好ましいため、直径の上限は特にない。
When the
有機トランジスタには、有機トランジスタの外面に必要に応じて他の層を設けてもよい。例えば、有機トランジスタ10Aの半導体層2上に直接、または他の層を介して保護層を形成すると、湿度などの外気の影響を小さくすることで、有機トランジスタのオン/オフ比を上げることができるなど、電気的特性を安定化できる利点もある。
The organic transistor may have other layers on the outer surface of the organic transistor as necessary. For example, forming a protective layer directly on the
上記保護層の材料としては特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、フッ素樹脂、ポリオレフィン等の各種樹脂からなる膜;酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素等の無機酸化膜;および窒化膜等の誘電体からなる膜;等が好ましく用いられ、特に、酸素や水分の透過率や吸水率の小さな樹脂(ポリマー)が好ましい。有機ELディスプレイ用に開発されているガスバリア性保護材料も使用が可能である。保護層の膜厚は、その目的に応じて任意の膜厚を選択できるが、通常100nm~1mmである。 The material of the protective layer is not particularly limited, but examples of preferred materials include films made of various resins such as epoxy resins, acrylic resins such as polymethyl methacrylate, polyurethane, polyimide, polyvinyl alcohol, fluororesins, and polyolefins; inorganic oxide films such as silicon oxide, aluminum oxide, and silicon nitride; and films made of dielectrics such as nitride films; and in particular, resins (polymers) with low oxygen and moisture permeability and water absorption are preferred. Gas barrier protective materials developed for organic EL displays can also be used. The thickness of the protective layer can be selected according to the purpose, but is usually 100 nm to 1 mm.
半導体層2が積層される基板6または絶縁体層4に予め表面改質や表面処理を行うことにより、有機トランジスタの特性を向上せしめてもよい。例えば、基板6または絶縁体層4表面の親水性/疎水性の度合いを調整することにより、その上に成膜される薄膜の膜質や成膜性を改良することができ、特性が向上する。特に、基板6または絶縁体層4と半導体層2の界面付近の膜質をより均質にすることにより特性を向上できる。
The characteristics of the organic transistor may be improved by previously modifying or treating the surface of the
上記のような特性改良のための表面処理としては、例えば、ヘキサメチルジシラザン、オクタデシルトリクロロシラン、トリクロロ(フェニルエチル)シラン等による自己組織化単分子膜処理、ポリマーなどによる表面処理、塩酸や硫酸、酢酸等による酸処理、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等によるアルカリ処理、オゾン処理、フッ素化処理、酸素やアルゴン等のプラズマ処理、その他の絶縁体や半導体の薄膜の形成処理、機械的処理、電気的処理等が挙げられ、それらを組み合わせた処理を行ってもよい。 Surface treatments for improving the above characteristics include, for example, self-assembled monolayer treatments using hexamethyldisilazane, octadecyltrichlorosilane, trichloro(phenylethyl)silane, etc., surface treatments using polymers, etc., acid treatments using hydrochloric acid, sulfuric acid, acetic acid, etc., alkali treatments using sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, etc., ozone treatment, fluorination treatment, plasma treatments using oxygen, argon, etc., other processes for forming thin films of insulators or semiconductors, mechanical treatments, electrical treatments, etc., and combinations of these treatments may also be used.
次に、本発明に係る有機トランジスタデバイスの製造方法について、図1(b)に示すトップコンタクト-ボトムゲート型有機トランジスタ10Bを例として、図2に基づき以下に説明する。この製造方法は前記した他の態様の有機トランジスタ等にも同様に適用しうるものである。 Next, a method for manufacturing an organic transistor device according to the present invention will be described below with reference to FIG. 2, using the top-contact bottom-gate organic transistor 10B shown in FIG. 1(b) as an example. This manufacturing method can also be applied to the organic transistors of the other embodiments described above.
(有機トランジスタの基板6および基板処理について)
本発明の有機トランジスタは、基板6上に必要な各種の層や電極を設けることで作製される(図2(a)参照)。基板6の材質および厚みは上記で説明したとおりであり、この基板6上に前述の表面処理などを行うことも可能である。また、必要により、基板に電極の機能を持たせるようにすることもできる。
(
The organic transistor of the present invention is fabricated by providing various necessary layers and electrodes on a substrate 6 (see FIG. 2(a)). The material and thickness of the
(ゲート電極5の形成について)
基板6上にゲート電極5を形成する(図2(b)参照)。ゲート電極5の材料としては上記で説明したものが用いられる。ゲート電極5を成膜する方法としては、各種の方法を用いることができ、例えば真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、熱転写法、印刷法、ゾルゲル法等が採用される。成膜時または成膜後、所望の形状になるよう必要に応じてパターニングを行うのが好ましい。パターニングの方法としても各種の方法を用いうるが、例えばフォトレジストのパターニングとエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法等が挙げられる。また、シャドウマスクを用いた蒸着法やスパッタ法やインクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷等の印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法等のソフトリソグラフィーの手法、およびこれら手法を複数組み合わせた手法を利用し、パターニングすることも可能である。ゲート電極5の膜厚は、材料によっても異なるが、通常0.1nm~10μmであり、好ましくは0.5nm~5μmであり、より好ましくは1nm~3μmである。また、ゲート電極5と基板6を兼ねるような場合は上記の膜厚より大きくてもよい。
(Regarding formation of gate electrode 5)
A
(絶縁体層4の形成について)
ゲート電極5上に絶縁体層4を形成する(図2(c)参照)。絶縁体層4を構成する絶縁体材料としては上記で説明した材料が用いられる。絶縁体層4を形成するにあたっては各種の方法を用いることができる。例えばスピンコート法、ドロップキャスト法、スプレー法などの塗布法、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット等の印刷法、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法、CVD法などのドライプロセス法が挙げられる。その他、アルミニウム上のアルマイト、シリコン上の酸化珪素のように金属上に熱酸化法などにより酸化物膜を形成する方法等が採用される。なお、絶縁体層4と半導体層2が接する部分においては、基板6と同様の手法で絶縁体層4上に所定の表面処理を行うこともできる。
(Regarding formation of insulator layer 4)
An
(半導体層2の形成について)
本発明の上記一般式(1)および(2)で表される縮合多環芳香族化合物を含む有機半導体材料は、半導体層2の形成に使用される(図2(d)参照)。半導体層2を成膜するにあたっては、上記の各種方法を用いることができ、その厚みについても上記のとおりである。このように形成された半導体層2は、後処理によりさらに特性を改良することが可能である。例えば、微量の元素、原子団、分子、高分子を半導体層2に加えるドーピング手法を用いて有機半導体を酸化/還元することにより、特性を変化させることができる。これには酸/塩基、電子ドナー/アクセプターなどの気相/溶液/固相と接触させることで達成される。これらのドーピングの効果は、キャリア密度の増加あるいは減少による電気伝導度の変化、キャリアの極性の変化(p型、n型)、フェルミ準位の変化等が挙げられる。
(Regarding formation of semiconductor layer 2)
The organic semiconductor material containing the condensed polycyclic aromatic compound represented by the above general formulas (1) and (2) of the present invention is used to form the semiconductor layer 2 (see FIG. 2(d)). The above-mentioned various methods can be used to form the
(ソース電極およびドレイン電極の形成)
ソース電極1およびドレイン電極3の形状や使用される材料、形成方法等は上記のとおりである(図2(e)参照)。また、ソース電極1およびドレイン電極3の形成はゲート電極5の場合に準じて形成することもできる。また半導体層2との接触抵抗を低減するために各種添加剤などを用いることが可能である。
(Formation of source and drain electrodes)
The shapes, materials used, and formation methods of the
(保護層7について)
半導体層2上に保護層7を形成すると、外気の影響を最小限にでき、また、有機トランジスタの電気的特性を安定化できるという利点がある(図2(f)参照)。保護層7の材料や厚みなどは上記のとおりである。保護層7を成膜するにあたっては各種の方法を採用しうるが、保護層7が樹脂からなる場合は、例えば、樹脂溶液を塗布後、乾燥させて樹脂膜とする方法;樹脂モノマーを塗布あるいは蒸着したのち重合する方法;などが挙げられる。成膜後に架橋処理を行ってもよい。無機物の場合は、例えば、スパッタリング法、蒸着法等の真空プロセスでの形成方法や、ゾルゲル法等の溶液プロセスでの形成方法も用いることができる。
(Regarding protective layer 7)
Forming the protective layer 7 on the
本発明の有機薄膜トランジスタは、上記一般式(1)および(2)で表される縮合多環芳香族化合物を有機半導体材料として用いているため、比較的低温プロセスで製造することができる。従って、高温にさらされる条件下では使用できなかったプラスチック板、プラスチックフィルム等フレキシブルな材質も基板6として用いることができる。その結果、軽量で柔軟性に優れた壊れにくい有機トランジスタの製造が可能になり、ディスプレイのアクティブマトリクスのスイッチングデバイス等として利用することができる。
The organic thin-film transistor of the present invention can be manufactured in a relatively low-temperature process because the condensed polycyclic aromatic compounds represented by the above general formulas (1) and (2) are used as the organic semiconductor material. Therefore, flexible materials such as plastic plates and plastic films that cannot be used under conditions exposed to high temperatures can be used as the
本発明の有機薄膜トランジスタは、メモリー回路デバイス、信号ドライバー回路デバイス、信号処理回路デバイス等の、デジタルデバイスまたはアナログデバイスとしても利用できる。さらにこれらを組み合わせることにより、ディスプレイや、IC(集積回路)カードや、ICタグ等の作製が可能となる。さらに、本発明の有機薄膜トランジスタは、化学物質等の外部刺激によりその特性に変化を起こすことができるので、センサーとしての利用も可能である。 The organic thin-film transistor of the present invention can be used as a digital or analog device such as a memory circuit device, a signal driver circuit device, or a signal processing circuit device. Furthermore, by combining these, it is possible to produce displays, IC (integrated circuit) cards, IC tags, and the like. Furthermore, the organic thin-film transistor of the present invention can change its characteristics in response to external stimuli such as chemical substances, and can therefore also be used as a sensor.
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the examples.
以下の操作において、不活性ガス下の反応には市販の脱水溶媒を用い、その他の反応や操作においては市販一級または特級の溶媒を用いた。核磁気共鳴分光は、Bruker AVANCE III(400MHz、σ値、ppm、内部標準TMS)を用いて行った。質量分析は、島津製作所 ガスクロマトグラフ質量分析計 GCMS-QP2010SEを用いて行った。 In the following operations, commercially available dehydrated solvents were used for reactions under inert gas, and commercially available first- or special-grade solvents were used for other reactions and operations. Nuclear magnetic resonance spectroscopy was performed using a Bruker AVANCE III (400 MHz, σ value, ppm, internal standard TMS). Mass spectrometry was performed using a Shimadzu gas chromatograph mass spectrometer GCMS-QP2010SE.
[実施例1] (本発明の縮合多環芳香族化合物(化合物No.1)の合成)
一般式(1)のそれぞれR1がフェニル基、R2が水素、R3がn-デシル基である化合物No.1で表される本発明の縮合多環芳香族化合物を、下記の合成フローに従って合成した。
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光および質量分析の測定結果は以下のとおりであった。
1H-NMR(400MHz,CDCl3):σ8.340(s,1H),8.25(s,1H),7.83(d,J=8.4 Hz,1H),7.78-7.75(m,2H),7.69-7.66(m,2H),7.49-7.44(m,2H),7.38(t,J=7.6 Hz,1H),7.27-7.24(m,1H),2.78(t,J=7.6Hz,2H),1.77-1.67(m,2H),1.42-1.24(m,14H),0.88(t,J=6.8 Hz,3H).MS(EI):m/z512.
Example 1 Synthesis of the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention (Compound No. 1)
The condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by compound No. 1 in which R 1 is a phenyl group, R 2 is hydrogen, and R 3 is an n-decyl group in general formula (1) was synthesized according to the following synthesis flow.
The results of measurement of the nuclear magnetic resonance spectrometry and mass spectrometry of the fused polycyclic aromatic compound represented by No. 1 obtained in Example 1 were as follows.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): σ 8.340 (s, 1H), 8.25 (s, 1H), 7.83 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.78-7.75 (m, 2H), 7.69-7.66 (m, 2H), 7.49-7.44 (m, 2H), 7.38 (t, J = 7.6 Hz, 1H), 7.27-7.24 (m, 1H), 2.78 (t, J = 7.6 Hz, 2H), 1.77-1.67 (m, 2H), 1.42-1.24 (m, 14H), 0.88 (t, J = 6.8 Hz, 3H). MS(EI): m/z 512.
[実施例2] (本発明の縮合多環芳香族化合物(化合物No.2)の合成)
n-デシル基をn-ヘキシル基に代えたPrecursorを用いる以外は実施例1と同様にして、一般式(1)のそれぞれR1がフェニル基、R2が水素、R3がn-ヘキシル基である化合物No.2で表される本発明の縮合多環芳香族化合物を合成した。
実施例2で得られたNo.2で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光および質量分析の測定結果は以下のとおりであった。
1H-NMR(400MHz,CDCl3):σ8.34(s,1H),8.25(s,1H),7.83(d,J=8.4 Hz,1H),7.78-7.74(m,2H),7.69-7.66(m,2H),7.49-7.44(m,2H),7.40-7.35(m,1H),7.27-7.24(m,1H),2.78(t,J=7.6Hz,2H),1.76-1.68(m,2H),1.43-1.30(m,6H),0.90(t,J=6.8 Hz,3H).MS(EI):m/z456.
Example 2 (Synthesis of condensed polycyclic aromatic compound of the present invention (Compound No. 2))
A condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by compound No. 2 in which R 1 is a phenyl group, R 2 is hydrogen, and R 3 is an n-hexyl group in general formula (1) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that a precursor in which the n-decyl group was replaced with an n-hexyl group was used.
The results of measurement of the nuclear magnetic resonance spectrometry and mass spectrometry of the condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 2 obtained in Example 2 were as follows.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): σ 8.34 (s, 1H), 8.25 (s, 1H), 7.83 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.78-7.74 (m, 2H), 7.69-7.66 (m, 2H), 7.49-7.44 (m, 2H), 7.40-7.35 (m, 1H), 7.27-7.24 (m, 1H), 2.78 (t, J = 7.6 Hz, 2H), 1.76-1.68 (m, 2H), 1.43-1.30 (m, 6H), 0.90 (t, J = 6.8 Hz, 3H). MS(EI): m/
[実施例3] (本発明の縮合多環芳香族化合物(化合物No.21)の合成)
一般式(1)のそれぞれR1がフェニル基、R2がn-デシル基、R3が水素である化合物No.21で表される本発明の縮合多環芳香族化合物を、下記の合成フローに従って合成した。
実施例3で得られたNo.21で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光および質量分析の測定結果は以下のとおりであった。
1H-NMR(300MHz,1,1,2,2-tetrachloroethane-d2):σ8.38(s,1H),8.27(s,1H),7.84-7.77(m,4H),7.69(s,1H),7.54-7.47(m,2H),7.42(t,J=7.2 Hz,1H),7.36(d,J=8.1Hz,1H),2.84(t,J=7.5Hz,2H),1.83-1.73(m,2H),1.45-1.32(m,14H),0.95(t,J=6.9 Hz,3H).MS(EI):m/z512.
Example 3 Synthesis of the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention (Compound No. 21)
A condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by compound No. 21 in which R 1 is a phenyl group, R 2 is an n-decyl group, and R 3 is hydrogen in general formula (1) was synthesized according to the following synthesis flow.
The results of measurement of the fused polycyclic aromatic compound represented by No. 21 obtained in Example 3 by nuclear magnetic resonance spectroscopy and mass spectrometry are as follows.
1H -NMR (300MHz, 1,1,2,2-tetrachloroethane-d2): σ8.38 (s, 1H), 8.27 (s, 1H), 7.84-7.77 (m, 4H), 7.69 (s, 1H), 7.54-7.47 (m, 2H), 7.42 (t, J = 7.2 Hz, 1H), 7.36 (d, J = 8.1 Hz, 1H), 2.84 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 1.83-1.73 (m, 2H), 1.45-1.32 (m, 14H), 0.95 (t, J = 6.9 Hz, 3H). MS(EI): m/z 512.
[実施例4] (本発明の縮合多環芳香族化合物(化合物No.31)の合成)
一般式(2)のそれぞれR1がフェニル基、R2が水素、R3がn-ヘキシル基である化合物No.31で表される本発明の縮合多環芳香族化合物を、下記の合成フローに従って合成した。
実施例4で得られたNo.31で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光および質量分析の測定結果は以下のとおりであった。
1H-NMR(400MHz,CDCl3):σ8.31(s,1H),8.29(s,1H),7.82(d,J=7.6 Hz,1H),7.76(d,J=7.2Hz,2H),7.68(s,1H),7.62(s,1H),7.48-7.43(m,2H),7.39-7.34(m,1H),7.26-7.23(m,1H),2.78(t,J=7.6Hz,2H),1.76-1.68(m,2H),1.42-1.31(m,6H),0.90(t,J=6.8 Hz,3H).MS(EI):m/z456.
Example 4 (Synthesis of condensed polycyclic aromatic compound of the present invention (Compound No. 31))
A condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by compound No. 31 in which R 1 is a phenyl group, R 2 is hydrogen, and R 3 is an n-hexyl group in general formula (2) was synthesized according to the following synthesis flow.
The results of measurement of the nuclear magnetic resonance spectrometry and mass spectrometry of the fused polycyclic aromatic compound represented by No. 31 obtained in Example 4 were as follows.
1H -NMR (400MHz, CDCl3 ): σ 8.31 (s, 1H), 8.29 (s, 1H), 7.82 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 7.76 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 7.68 (s, 1H), 7.62 (s, 1H), 7.48-7.43 (m, 2H), 7.39-7.34 (m, 1H), 7.26-7.23 (m, 1H), 2.78 (t, J = 7.6 Hz, 2H), 1.76-1.68 (m, 2H), 1.42-1.31 (m, 6H), 0.90 (t, J = 6.8 Hz, 3H). MS(EI): m/
[実施例5] (化合物No.1の溶解度測定)
実施例1で得られた化合物No.1で表される縮合多環芳香族化合物の粉末約1mgをバイアルに量り取り、正確に質量を測定した。そこに各温度下でクロロベンゼン、キシレン、クロロホルムまたはトルエンをそれぞれ加えていき、縮合多環芳香族化合物が完全に溶解した時点で溶液の質量を正確に測定した。No.1で表される縮合多環芳香族化合物の質量と前記のクロロベンゼン溶液、キシレン溶液、クロロホルム溶液またはトルエン溶液の質量から溶解度(縮合多環芳香族化合物の質量/各溶液の質量×100)を算出した。なお、完全に溶解した時点の見極めは目視確認により行った。得られた溶解度を表2に示す。
[Example 5] (Solubility measurement of compound No. 1)
About 1 mg of the powder of the condensed polycyclic aromatic compound represented by compound No. 1 obtained in Example 1 was weighed into a vial and the mass was accurately measured. Chlorobenzene, xylene, chloroform or toluene was added thereto at each temperature, and the mass of the solution was accurately measured when the condensed polycyclic aromatic compound was completely dissolved. The solubility (mass of the condensed polycyclic aromatic compound/mass of each solution x 100) was calculated from the mass of the condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 1 and the mass of the chlorobenzene solution, xylene solution, chloroform solution or toluene solution. The time when the compound was completely dissolved was determined by visual confirmation. The obtained solubilities are shown in Table 2.
[実施例6] (化合物No.2の溶解度測定)
実施例2で得られた化合物No.2で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例5と同様の手法で溶解度を算出した。得られた溶解度を表2に示す。
[Example 6] (Solubility measurement of compound No. 2)
The solubility of the condensed polycyclic aromatic compound represented by Compound No. 2 obtained in Example 2 was calculated in the same manner as in Example 5. The solubilities obtained are shown in Table 2.
[実施例7] (化合物No.21の溶解度測定)
実施例3で得られた化合物No.21で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例5と同様の手法で溶解度を算出した。得られた溶解度を表2に示す。
[Example 7] (Solubility measurement of compound No. 21)
The solubility of the condensed polycyclic aromatic compound represented by Compound No. 21 obtained in Example 3 was calculated in the same manner as in Example 5. The solubilities obtained are shown in Table 2.
[実施例8] (化合物No.31の溶解度測定)
実施例4で得られた化合物No.31で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例5と同様の手法で溶解度を算出した。得られた溶解度を表2に示す。
[Example 8] (Solubility measurement of compound No. 31)
The solubility of the condensed polycyclic aromatic compound represented by Compound No. 31 obtained in Example 4 was calculated in the same manner as in Example 5. The solubilities obtained are shown in Table 2.
[比較例1]
比較例として、化合物No.1、No.2、No.21およびNo.31と同程度の縮合度を有し、類似する置換基を有する、下記の縮合多環芳香族化合物No.101について知られている溶解度(文献値)を表2に記載した。
As a comparative example, the known solubility (literature value) of the following condensed polycyclic aromatic compound No. 101, which has the same degree of condensation as compounds No. 1, No. 2, No. 21, and No. 31 and has similar substituents, is shown in Table 2.
[比較例2]
比較例として、化合物No.1、No.2、No.21およびNo.31と同程度の縮合度を有し、類似する置換基を有する、下記の縮合多環芳香族化合物No.102について知られている溶解度(文献値)を表2に記載した。
As a comparative example, the known solubility (literature value) of the following condensed polycyclic aromatic compound No. 102, which has the same degree of condensation as compounds No. 1, No. 2, No. 21, and No. 31 and has similar substituents, is shown in Table 2.
[実施例9] (化合物No.1の示差熱・熱重量分析)
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物について、示差熱・熱重量分析計(TG/DTA)を用いて示差熱・熱重量分析を行い、示差熱・熱重量変化曲線を得た。結果を図3に示す。合成した縮合多環芳香族化合物は、369℃付近まで重量減少がなく、高い熱耐久性を示すことが判明した。
[Example 9] (Differential thermal and thermogravimetric analysis of compound No. 1)
The condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 1 obtained in Example 1 was subjected to differential thermal and thermogravimetric analysis using a differential thermal and thermogravimetric analyzer (TG/DTA) to obtain differential thermal and thermogravimetric change curves. The results are shown in Figure 3. It was found that the synthesized condensed polycyclic aromatic compound showed no weight loss up to around 369°C and exhibited high thermal durability.
[実施例10] (化合物No.1の示差走査熱量分析)
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物について、示差走査熱量計(DSC)を用いて示差走査熱量分析を行い、示差走査熱量曲線(DSC曲線)を得た。示差走査熱量曲線から得られた結晶が最初に相転移する温度、および、融点を図4と表3に示す。
[Example 10] (Differential scanning calorimetry of compound No. 1)
The condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 1 obtained in Example 1 was subjected to differential scanning calorimetry using a differential scanning calorimeter (DSC) to obtain a differential scanning calorimetric curve (DSC curve). The temperature at which the crystal first undergoes phase transition and the melting point obtained from the differential scanning calorimetric curve are shown in FIG. 4 and Table 3.
[実施例11] (化合物No.2の示差走査熱量分析)
実施例2で得られたNo.2で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例10と同様の手法で示差走査熱量分析を行った。示差走査熱量曲線から得られた結晶が最初に相転移する温度、および、融点を表3に示す。
[Example 11] (Differential scanning calorimetry of compound No. 2)
The condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 2 obtained in Example 2 was subjected to differential scanning calorimetry in the same manner as in Example 10. The initial phase transition temperature and melting point of the crystal obtained from the differential scanning calorimetry curve are shown in Table 3.
[実施例12] (化合物No.21の示差走査熱量分析)
実施例3で得られたNo.21で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例10と同様の手法で示差走査熱量分析を行った。示差走査熱量曲線から得られた結晶が最初に相転移する温度、および、融点を表3に示す。
[Example 12] (Differential scanning calorimetry of compound No. 21)
The condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 21 obtained in Example 3 was subjected to differential scanning calorimetry in the same manner as in Example 10. The initial phase transition temperature and melting point of the crystal obtained from the differential scanning calorimetry curve are shown in Table 3.
[実施例13] (化合物No.31の示差走査熱量分析)
実施例4で得られたNo.31で表される縮合多環芳香族化合物について、実施例10と同様の手法で示差走査熱量分析を行った。示差走査熱量曲線から得られた結晶が最初に相転移する温度、および、融点を表3に示す。
[Example 13] (Differential scanning calorimetry of compound No. 31)
The condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 31 obtained in Example 4 was subjected to differential scanning calorimetry in the same manner as in Example 10. The initial phase transition temperature and melting point of the crystal obtained from the differential scanning calorimetry curve are shown in Table 3.
[比較例3]
化合物No.1、No.2、No.21およびNo.31と同程度の縮合度、および類似する置換基を有する下記の縮合多環芳香族化合物No.103について知られている、結晶が最初に相転移する温度、および、融点(文献値)を表3に記載した。
The known temperature at which the crystal first undergoes phase transition and the melting point (literature values) of the following condensed polycyclic aromatic compound No. 103, which has the same degree of condensation and similar substituents as Compounds No. 1, No. 2, No. 21, and No. 31, are shown in Table 3.
[比較例4]
化合物No.1、No.2、No.21およびNo.31と同程度の縮合度、および類似する置換基を有する下記の縮合多環芳香族化合物No.104について知られている、結晶が最初に相転移する温度、および、融点(文献値)を表3に記載した。
The known temperature at which the crystal first undergoes phase transition and the melting point (literature values) of the following condensed polycyclic aromatic compound No. 104, which has the same degree of condensation and similar substituents as Compounds No. 1, No. 2, No. 21, and No. 31, are shown in Table 3.
[比較例5]
化合物No.1、No.2、No.21およびNo.31と同程度の縮合度、および類似する置換基を有する下記の縮合多環芳香族化合物No.105について知られている、結晶が最初に相転移する温度、および、融点(文献値)を表3に記載した。
The known temperature at which the crystal first undergoes phase transition and the melting point (literature values) of the following condensed polycyclic aromatic compound No. 105, which has the same degree of condensation and similar substituents as Compounds No. 1, No. 2, No. 21, and No. 31, are shown in Table 3.
[実施例14] (化合物No.1の結晶性薄膜作製)
SiO2熱酸化膜付きpドープシリコンウェハー上に実施例1で得られたNo.1で表される有機化合物のクロロベンゼン溶液をブレード掃引することにより製膜することで、直径約1000ミクロンの良質な結晶性膜を得た。得られた薄膜をクロスニコル下の偏光顕微鏡で観察すると、単一ドメインであり、単結晶性有機薄膜であることが確認された。
[Example 14] (Preparation of crystalline thin film of compound No. 1)
A chlorobenzene solution of the organic compound represented by No. 1 obtained in Example 1 was applied to a p-doped silicon wafer with a thermally oxidized SiO2 film by blade sweeping to form a film, thereby obtaining a high-quality crystalline film with a diameter of about 1000 microns. When the obtained thin film was observed under a polarizing microscope under crossed Nicols, it was confirmed that it was a single domain and a single-crystalline organic thin film.
[実施例15] (化合物No.1の半導体特性評価)
実施例14得られた単結晶性有機薄膜を用いて有機トランジスタデバイスを作製し、トランジスタ特性を評価した。
実施例14で得られた単結晶性有機薄膜上にシャドウマスクを用いてAuを真空蒸着することでソース・ドレイン電極を作製した。今回作製した有機トランジスタデバイスはチャネル長50μm、チャネル幅200μmである。このようにして作製した有機トランジスタデバイスはトップコンタクト型であり、図1b)は、その構造を示すものである。なお、本実施例における有機トランジスタデバイスにおいては、熱酸化膜付きpドープシリコンウェハーにおける熱酸化膜が絶縁体層4の機能を有し、pドープシリコンウェハーが基板6およびゲート電極5の機能を兼ね備えている。
有機トランジスタデバイスの性能は、ゲートに電位をかけた状態でソース・ドレイン間に電位をかけた時に流れた電流量に依存する。この電流値を測定することでトランジスタの特性である移動度を決めることができる。移動度は、絶縁体としてのSiO2にゲート電界を印加した結果、有機半導体層中に生じるキャリア種の電気的特性を表現する式(a)から算出することができる。
式(a)
Id=WμCi(Vg-Vt)2/2L・・・(a)
ここで、Idは飽和したソース・ドレイン電流値、Wはチャネル幅、Ciは絶縁体の電気容量、Vgはゲート電位、Vtはしきい電位、Lはチャネル長であり、μは決定する移動度(cm2/Vs)である。Ciは用いたSiO2絶縁膜の誘電率、W、Lは有機トランジスタデバイスのデバイス構造よりに決まり、Id、Vgは有機トランジスタデバイスの電流値の測定時に決まり、VtはId、Vgから求めることができる。式(a)に各値を代入することで、それぞれのゲート電位での移動度を算出することができる。
上記のように作成したトランジスタ素子をドレイン電圧-50V、ゲート電圧0V~-50Vまで掃引した場合のドレイン電流変化を示すトランスファーカーブを図5に示した。式(a)から算出されたキャリア移動度は10.6cm2/Vs、しきい値電圧-32V、オン電流とオフ電流の比(オンオフ比)は1×109であった。これらの結果を表4に示す。
[Example 15] (Evaluation of Semiconductor Properties of Compound No. 1)
Example 14 An organic transistor device was fabricated using the obtained single crystalline organic thin film, and the transistor characteristics were evaluated.
A source/drain electrode was prepared by vacuum deposition of Au on the single crystalline organic thin film obtained in Example 14 using a shadow mask. The organic transistor device prepared this time has a channel length of 50 μm and a channel width of 200 μm. The organic transistor device thus prepared is a top contact type, and FIG. 1b) shows its structure. In the organic transistor device in this example, the thermal oxide film in the p-doped silicon wafer with the thermal oxide film functions as the
The performance of an organic transistor device depends on the amount of current that flows when a potential is applied between the source and drain with a potential applied to the gate. By measuring this current value, the mobility, which is a characteristic of a transistor, can be determined. The mobility can be calculated from formula (a), which expresses the electrical characteristics of the carrier species generated in the organic semiconductor layer as a result of applying a gate electric field to SiO2 as an insulator.
Formula (a)
Id=WμCi(Vg−Vt) 2 /2L (a)
Here, Id is the saturated source-drain current value, W is the channel width, Ci is the capacitance of the insulator, Vg is the gate potential, Vt is the threshold potential, L is the channel length, and μ is the mobility to be determined (cm 2 /Vs). Ci is the dielectric constant of the SiO 2 insulating film used, W and L are determined by the device structure of the organic transistor device, Id and Vg are determined when the current value of the organic transistor device is measured, and Vt can be calculated from Id and Vg. By substituting each value into formula (a), the mobility at each gate potential can be calculated.
A transfer curve showing the change in drain current when the transistor element prepared as described above was subjected to a drain voltage of -50 V and a gate voltage sweep from 0 V to -50 V is shown in Figure 5. The carrier mobility calculated from formula (a) was 10.6 cm 2 /Vs, the threshold voltage was -32 V, and the ratio of on current to off current (on-off ratio) was 1 x 10 9. These results are shown in Table 4.
[比較例6]
化合物No.1と同程度の縮合度を有し、可溶性有機トランジスタ化合物として知られている下記の縮合多環芳香族化合物No.106を使用して、化合物No.1と同様の製膜法により得られた有機薄膜を有機半導体膜として用いたトランジスタ素子について得られた実験値を表4に記載した。
The following condensed polycyclic aromatic compound No. 106, which has the same degree of condensation as compound No. 1 and is known as a soluble organic transistor compound, was used to form an organic thin film by the same film formation method as compound No. 1. Experimental values obtained for a transistor device using this organic thin film as an organic semiconductor film are shown in Table 4.
本発明の縮合多環芳香族化合物は良好な溶媒溶解性を有し、印刷プロセスで有機半導体デバイスを作製する際に好適に用いられるため、有機トランジスタデバイス、ダイオード、コンデンサ、薄膜光電変換デバイス、色素増感太陽電池、有機ELデバイス等の既存分野への応用が可能になることはいうまでもなく、極めて高い半導体移動度を以て、例えば8Kディスプレイ等の高いキャリア移動度を必要とするハイエンドデバイスのバックプレーンやRF-IDタグなどに使用可能な材料となる。加えて、高い熱耐久性はPETやPENフィルムなどの低温型フレキシブル基板のみならず、耐熱性フレキシブル基板の使用も可能になるため、より広範な産業応用が見込める。 The condensed polycyclic aromatic compound of the present invention has good solvent solubility and is suitable for use in producing organic semiconductor devices by printing processes, which not only enables applications in existing fields such as organic transistor devices, diodes, capacitors, thin-film photoelectric conversion devices, dye-sensitized solar cells, and organic EL devices, but also makes a material that can be used for the backplanes and RF-ID tags of high-end devices that require high carrier mobility, such as 8K displays, due to its extremely high semiconductor mobility. In addition, its high thermal durability enables the use of not only low-temperature flexible substrates such as PET and PEN films, but also heat-resistant flexible substrates, which is expected to lead to a wider range of industrial applications.
図1および図2において同じ名称には同じ番号を付すものとする。
1 ソース電極
2 半導体層
3 ドレイン電極
4 絶縁体層
5 ゲート電極
6 基板
7 保護層
10A~10F 有機トランジスタ
The same numbers are used for the same names in FIG. 1 and FIG.
1
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