JPWO2012033075A1 - 有機半導体材料及び電界効果トランジスタ並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)下記式(1)で表される化合物及びシアノ基を有する電子受容性化合物を、少なくとも1種類の有機溶媒に溶解及び/又は分散してなる有機半導体材料
に関する。
本発明の電界効果トランジスタは、上記の基板1上に必要な電極や各種の層を設けることで作製される(図1参照)。この基板上には前述の表面処理などを行うことも可能である。基板1の厚みは、必要な機能を妨げない範囲で薄い方が好ましい。材料によっても異なるが、通常1μm〜10mmであり、好ましくは5μm〜3mmである。
上記の電極材料等を用いて基板1上にソース電極2及びドレイン電極3を形成する。ソース電極2及びドレイン電極3の材料は同じでも、異なっても良い。電極を形成する方法としては、例えば真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、熱転写法、印刷法、ゾルゲル法等が挙げられる。成膜時又は成膜後、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使用できるが、例えばフォトレジストのパターニングとエッチングと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、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法、及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。ソース電極2及びドレイン電極3の膜厚は、材料によっても異なるが、通常0.1nm〜100μmであり、好ましくは0.5nm〜10μmであり、より好ましくは1nm〜5μmである。ソース電極2及びドレイン電極3の膜厚は同じでも良く、異なっていても良い。
半導体層は上記で説明した有機半導体材料を用いて塗布印刷プロセスによって成膜された有機薄膜である。有機薄膜を有機半導体薄膜と換言することもできる。塗布印刷プロセスとは、溶剤可溶性を有する有機半導体材料、例えば本発明の前記式(1)で表される化合物及びシアノ基を有する電子受容性化合物を予め有機溶媒に溶解又は分散し、得られた有機半導体材料の溶解液を塗布又は印刷し、乾燥して優れた半導体特性を有する半導体層を容易に形成できる半導体層の作製方法を言う。塗布または印刷による製造方法、すなわち塗布印刷プロセスはデバイス製造時の環境を真空や高温状態にする必要が無く、大面積の電界効果トランジスタを低コストで製造できるため工業的にも有利であり、各種半導体層の作製方法の中でも特に好ましい。
上記の絶縁体材料等を用いて半導体層4上にゲート絶縁体層5を形成する(図1参照)。ゲート絶縁体層5の形成方法としては、例えばスピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング、キャスト、バーコート、ブレードコーティング等の塗布法;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、イオンクラスタービーム法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法、CVD法等のドライプロセス法、等が挙げられる。また、ゾルゲル法やアルミニウム上のアルマイトのように金属表面に酸化物膜を形成する方法も使用できる。
(ゲート電極の形成)
ゲート電極6は、ソース電極2及びドレイン電極3の作成方法と同じ方法で形成することが出来る。膜厚は、材料によっても異なるが、通常1nm〜100μmであり、好ましくは0.5nm〜10μmであり、より好ましくは1nm〜5μmである。
前記の保護層材料を使用して保護層7を形成すると、外気の影響を最小限にでき、電界効果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1参照)。保護層7の膜厚は、その目的に応じて任意の膜厚を採用できるが、通常100nm〜1mmである。保護層を成膜するには各種の方法を採用できるが、保護層が樹脂からなる場合は、例えば、樹脂を含有する溶液を塗布後に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後に重合する方法等が挙げられ、成膜後に架橋処理を行ってもよい。保護層が無機物からなる場合は、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、ゾルゲル法等の塗布印刷プロセスでの形成方法を用いることができる。本発明の電界効果トランジスタは、保護層を半導体層表面の他に、各層の間にも必要に応じて設けることが出来る。設置された保護層は、電界効果トランジスタの電気的特性の安定化に役立つ場合がある。
(2)式(1)におけるR1及びR2がそれぞれ独立にC12以下の直鎖の脂肪族炭化水素基である(1)に記載の有機半導体材料、
(3)シアノ基を有する電子受容性化合物がテトラシアノキノジメタン又はその誘導体である(1)又は(2)に記載の有機半導体材料、
(4)式(1)で表される化合物に対するシアノ基を有する電子受容性化合物の含有量が10質量%以下である(1)乃至(3)のいずれか1つに記載の有機半導体材料、
(5)(1)乃至(4)のいずれか一つに記載の有機半導体材料から得られた有機薄膜を含むことを特徴とする電界効果トランジスタ、
(6)(1)乃至(4)のいずれか一つに記載の有機半導体材料を塗布又は印刷し、乾燥することによって有機薄膜を形成する電界効果トランジスタの製造方法、
(7)ゲート電極、ゲート絶縁体層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を備える電界効果トランジスタの製造方法であって、基板もしくはゲート絶縁体層上のソース電極とドレイン電極との間に(1)乃至(4)のいずれか一つに記載の有機半導体材料を塗布又は印刷して、乾燥することにより有機薄膜を形成する電界効果トランジスタの製造方法
表1に記載の化合物(11)を2%となるようにクロロホルムに溶解させ、化合物(11)のストック溶液を調製した。一方、TCNQ(東京化成製)及びF4−TCNQ(東京化成製)をそれぞれ0.2%となるようにアセトニトリルに溶解させ、TCNQ及びF4−TCNQのストック溶液をそれぞれ調製した。
(半導体材料の調製)
化合物(11)のストック溶液を100部、TCNQのストック溶液を20部、クロロホルム80部をそれぞれ混合し、化合物(11)を1%、TCNQを0.02%含むクロロホルムーアセトニトリル(9:1)の有機半導体材料の混合溶液1を調製した。
UV・オゾン処理した300nmのSiO2熱酸化膜付nドープシリコンウエハー上に予め調製した化合物(11)及びTCNQを含む混合溶液1をスピンコート法により塗布した後、この基板をホットプレート上で80℃下で10分間加熱した後、120℃で1分間乾燥させ、有機薄膜を形成させた。この有機薄膜上にメタルマスクを用いた真空蒸着法によりソース電極及びドレイン電極(チャネル長50μm、チャネル幅2mm)として金を蒸着し、ボトムゲート−トップコンタクト素子を作製した。
得られた有機電界効果トランジスタに半導体パラメーター(Agilent製4155C)を用いて、ドレイン電圧を−60V、ゲート電圧Vgを+20〜−80Vに変化させた条件で1つの基板上の4個の半導体特性を評価した。その結果、算出された4個の電極の移動度の平均値は0.31cm2/Vs、基板内のばらつきを示す指標である標準偏差は0.02cm2/Vsであった。また、閾値電圧は、平均−29V、標準偏差1.3Vであり、ON電流は2.3×10−4A、標準偏差2.6×10−5A、高い半導体特性と基板内の均一性を示した。また、OFF電流は、10−11Aオーダーであり、電子受容性材料を添加した際にもOFF電流の上昇は見られなかった。更に大気中に1週間暴露した場合でも移動度は0.32cm2/Vs、閾値電圧−31V、ON電流2.2×10−4Aであり、優れた半導体特性を維持していた。
(半導体材料の調製)
化合物(11)のストック溶液を100部、TCNQのストック溶液を10部、クロロホルム80部、アセトニトリル10部をそれぞれ混合し、化合物(11)を1%、TCNQを0.01%含むクロロホルムーアセトニトリル(9:1)の有機半導体材料の混合溶液2を調製した。
半導体材料を混合溶液1から混合溶液2に変更する以外は実施例1と同様にしてボトムゲート−トップコンタクト素子を作製した。
実施例1と同様の条件で半導体特性を評価した。4個の電極の移動度の平均値は0.58cm2/Vs、基板内のばらつきを示す指標である標準偏差は0.038cm2/Vsであった。また、閾値電圧は、平均−26V、標準偏差0.9Vであり、ON電流は4.5×10−4A、標準偏差3.7×10−6Aであり、高い半導体特性と基板内の均一性を示した。また、OFF電流は、10−11Aオーダーであり、電子受容性材料を添加した際にもOFF電流の上昇はなかった。更に大気中に1週間暴露した場合でも移動度は0.59cm2/Vs、閾値電圧−30V、ON電流4.1×10−4Aであり、優れた半導体特性を維持していた。
(半導体材料の調製)
化合物(11)のストック溶液を100部、F4−TCNQのストック溶液を20部、クロロホルム80部をそれぞれ混合し、化合物(11)を1%、F4−TCNQを0.02%含むクロロホルム−アセトニトリル(9:1)の有機半導体材料の混合溶液2を調製した。
半導体材料を混合溶液1から混合溶液3に変更する以外は実施例1と同様にしてボトムゲート−トップコンタクト素子を作製した。
実施例1と同様の条件で半導体特性を評価した。4個の電極の移動度の平均値は0.42cm2/Vs、基板内のばらつきを示す指標である標準偏差は0.007cm2/Vsであった。また、閾値電圧は、平均−20V、標準偏差0.3Vであり、ON電流は4.0×10−4A、標準偏差9.1×10−6Aであり、高い半導体特性と基板内の均一性を示した。また、OFF電流は、10−11Aオーダーであり、電子受容性材料を添加した際にもOFF電流の上昇はなかった。更に大気中に1週間暴露した場合でも移動度は0.42cm2/Vs、閾値電圧−20V、ON電流3.9×10−4Aであり、優れた半導体特性を維持していた。
(半導体材料の調製)
上記の化合物(11)のストック溶液を100部、クロロホルムを80部、アセトニトリル20部をそれぞれ混合し、電子受容性化合物を含まない、化合物(11)を1%クロロホルム−アセトニトリル(9:1)の有機半導体材料の混合溶液4を調製した。
半導体材料を混合溶液1から混合溶液4に変更する以外は実施例1と同様にしてボトムゲート−トップコンタクト素子を作製した。
実施例1と同様の条件で半導体特性を評価した。4個の電極の移動度の平均値は0.22cm2/Vs、基板内のばらつきを示す指標である標準偏差は0.062cm2/Vsであった。また、閾値電圧は、平均−44V、標準偏差1.5Vであり、ON電流は8.3×10−5A、標準偏差2.9×10−5Aであり、移動度及びON電流は実施例1、2に比べ低く、閾値電圧は大きくなった。また、各特性のばらつきを示す標準偏差も実施例に比べて大きいことを示した。
2 ソース電極
3 ドレイン電極
4 半導体層
5 ゲート絶縁体層
6 ゲート電極
7 保護層
半導体層は上記で説明した有機半導体材料を用いて塗布印刷プロセスによって成膜された有機薄膜である。有機薄膜を有機半導体薄膜と換言することもできる。塗布印刷プロセスとは、溶媒可溶性を有する有機半導体材料、例えば本発明の前記式(1)で表される化合物及びシアノ基を有する電子受容性化合物を予め有機溶媒に溶解又は分散し、得られた有機半導体材料の溶解液を塗布又は印刷し、乾燥して優れた半導体特性を有する半導体層を容易に形成できる半導体層の作製方法を言う。塗布または印刷による製造方法、すなわち塗布印刷プロセスはデバイス製造時の環境を真空や高温状態にする必要が無く、大面積の電界効果トランジスタを低コストで製造できるため工業的にも有利であり、各種半導体層の作製方法の中でも特に好ましい。
(半導体材料の調製)
化合物(11)のストック溶液を100部、F4−TCNQのストック溶液を20部、クロロホルム80部をそれぞれ混合し、化合物(11)を1%、F4−TCNQを0.02%含むクロロホルム−アセトニトリル(9:1)の有機半導体材料の混合溶液3を調製した。
Claims (7)
- 式(1)におけるR1及びR2がそれぞれ独立にC12以下の直鎖の脂肪族炭化水素基である請求項1に記載の有機半導体材料。
- シアノ基を有する電子受容性化合物がテトラシアノキノジメタン又はその誘導体である請求項1又は2に記載の有機半導体材料。
- 式(1)で表される化合物に対するシアノ基を有する電子受容性化合物の含有量が10質量%以下である請求項1乃至3の何れか一項に記載の有機半導体材料。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の有機半導体材料から得られた有機薄膜を含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の有機半導体材料を塗布又は印刷し、乾燥することによって有機薄膜を形成する電界効果トランジスタの製造方法。
- ゲート電極、ゲート絶縁体層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を備える電界効果トランジスタの製造方法であって、基板もしくはゲート絶縁体層上のソース電極とドレイン電極との間に請求項1乃至4のいずれか一項に記載の有機半導体材料を塗布又は印刷して、乾燥することにより有機薄膜を形成する電界効果トランジスタの製造方法。
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