JPWO2016148169A1 - 有機半導体素子及びその製造方法、化合物、有機半導体組成物、並びに、有機半導体膜及びその製造方法 - Google Patents

有機半導体素子及びその製造方法、化合物、有機半導体組成物、並びに、有機半導体膜及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明の目的は、キャリア移動度が高く、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体素子及びその製造方法を提供すること、有機半導体として好適な新規な化合物を提供すること、並びに、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体膜及びその製造方法、並びに、上記有機半導体膜を好適に形成することができる有機半導体組成物を提供することがである。本発明の有機半導体素子は、式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物を含有する有機半導体層を有することを特徴とする。

Description

本発明は、有機半導体素子及びその製造方法、化合物、有機半導体組成物、並びに、有機半導体膜及びその製造方法に関する。
軽量化、低コスト化、柔軟化が可能であることから、液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイに用いられるFET(電界効果トランジスタ)、RFID(Radio Frequency Identifier、RFタグ)等に、有機半導体膜(有機半導体層)を有する有機トランジスタが利用されている。
従来の有機半導体としては、特許文献1又は2に記載されたものが知られている。
特表2010−527327号公報 特開2008−153667号公報
本発明が解決しようとする課題は、キャリア移動度(以下、単に「移動度」ともいい、キャリア移動度が高いことを「高移動度」ともいう。)が高く、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体素子及びその製造方法を提供することである。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、有機半導体として好適な新規な化合物を提供することである。
更に、本発明が解決しようとする他の課題は、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体膜及びその製造方法、並びに、上記有機半導体膜を好適に形成することができる有機半導体組成物を提供することである。
本発明の上記課題は、以下の<1>、<9>、<13>、<15>又は<17>〜<20>に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である<2>〜<8>、<10>〜<12>、<14>及び<16>と共に以下に記載する。
<1> 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物を含有する有機半導体層を有することを特徴とする有機半導体素子、
Figure 2016148169
式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1により表される一価の基を少なくとも1つ有する、
Figure 2016148169
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す、
<2> 上記式1−1により表される一価の基が、下記式1−2又は式1−3により表される一価の基である、<1>に記載の有機半導体素子、
Figure 2016148169
式1−2、及び、式1−3中、mは1以上の整数であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、Raは置換基を有さない炭素数aのアルキル基であり、Rbは置換基を有さない炭素数bのアルキル基であり、6≦m+n≦50、又は、6≦m+a+b≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す、
<3> 式1において、Aが下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有する、<1>又は<2>に記載の有機半導体素子、
Figure 2016148169
式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す、
<4> 式1において、Dが式D−1で表される構造である、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
Figure 2016148169
式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す、
<5> 上記式1で表される構成繰り返し単位が、式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位である、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
Figure 2016148169
式2〜式5中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表す、
<6> 上記有機半導体層が、下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
Figure 2016148169
式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す、
<7> 表面エネルギーが50〜75mNm-1であるゲート絶縁膜を更に含む、<6>に記載の有機半導体素子、
<8> 有機薄膜トランジスタである、<1>〜<7>のいずれか1つに記載の有機半導体素子、
<9> 式1で表される構成繰り返し単位を有し、分子量が2,000以上であることを特徴とする化合物、
Figure 2016148169
式1中、Aは下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有する電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1により表される一価の基を少なくとも1つ有する、
Figure 2016148169
式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、下記式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す、
Figure 2016148169
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す、
<10> 式1において、Dが式D−1で表される構造である、<9>に記載の化合物、
Figure 2016148169
式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す、
<11> 上記式1で表される構成繰り返し単位が、式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位である、<9>又は<10>に記載の化合物、
Figure 2016148169
式2〜式5中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表す、
<12> 有機半導体化合物である、<9>〜<11>のいずれか1つに記載の化合物、
<13> 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物と、溶媒と、を含むことを特徴とする有機半導体組成物、
Figure 2016148169
式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する、
Figure 2016148169
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す、
<14> 下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、<13>に記載の有機半導体組成物、
Figure 2016148169
式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す、
<15> 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物を含むことを特徴とする有機半導体膜、
Figure 2016148169
式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する、
Figure 2016148169
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す、
<16> 下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、<15>に記載の有機半導体膜、
Figure 2016148169
式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す、
<17> <13>又は<14>に記載の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体膜の製造方法、
<18> <14>に記載の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体膜の製造方法、
<19> <13>又は<14>に記載の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体素子の製造方法、
<20> <14>に記載の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体素子の製造方法。
本発明によれば、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体素子及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、有機半導体として好適な新規な化合物を提供することができる。
更に、本発明によれば、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れた有機半導体膜及びその製造方法、並びに、上記有機半導体膜を好適に形成することができる有機半導体組成物を提供することができる。
本発明の有機半導体素子の一態様の断面模式図である。 本発明の有機半導体素子の別の一態様の断面模式図である。
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
本明細書における基(原子団)の表記において、置換及び無置換を記していない表記は、置換基を有さないものと共に置換基を有するものをも包含するものである。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含するものである。
また、本明細書における化学構造式は、水素原子を省略した簡略構造式で記載する場合もある。
また、本発明において、「質量%」と「重量%」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
また、本発明において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
(有機半導体素子)
本発明の有機半導体素子は、下記式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物(以下、「特定化合物」ともいう。)を含有する有機半導体層を有することを特徴とする。
本発明者は、本発明の有機半導体素子は、キャリア移動度が高く、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れることを見出した。
上記効果が得られるメカニズムの詳細は不明であるが、以下の理由によるものと推測している。
式1で表される高分子化合物は電子ドナーユニットとアクセプターユニットから形成された主鎖骨格を有する、いわゆるドナー・アクセプター型(「D−A型」ともいう)ポリマーである。このようなD−A型ポリマーは分子内ではドナーユニットとアクセプターユニットとの間で分極しやすい構造であり、分子内のキャリア伝導に有利であると考えられる。また、分子間ではドナーユニットとアクセプターユニットとの間の相互作用(分子間力)が働きやすく、分子間距離を狭める効果があると考えており、分子間のキャリア伝導にも有利と考えている。結果、D−A型ポリマーはキャリア移動度に有利であると考えられる。また、ポリマーを塗布した後の膜質(「モルフォロジー」ともいう。)も移動度に影響することが知られており、凹凸の多い膜ではなく、凹凸の少ない均一な膜が望ましいと考えている。
式1のD−A型ポリマーに対し、式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有することで、溶液状態では立体配座の自由度が高くなり、ポリマーの溶解性を向上させることができ、凹凸が少なく緻密で均一な膜を形成することができると推測している。また、固体状態では分子間相互作用又は分子間のパッキングの阻害がおこりにくく、高移動度に必要な膜質を維持することができると推測している。その結果、移動度が高く、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れると考えている。
上記特定化合物は、有機半導体化合物であることが好ましい。
また、本発明の有機半導体素子は、有機薄膜トランジスタであることが好ましい。
Figure 2016148169
式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する。
電子アクセプターユニットとは、電子受容性を有する構成単位をいい、例としてはフタルイミドのような、π電子不足系の複素環ユニットが挙げられる。
電子ドナーユニットとは、電子供与性を有する構成単位をいい、例としてはチオフェンのような、π電子過剰系の複素環ユニットが挙げられる。
Figure 2016148169
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
<式1で表される構成繰り返し単位を有する化合物>
本発明の有機半導体素子は、特定化合物を含有する有機半導体層を有する。
〔電子アクセプターユニット〕
式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基及びチオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニットを表す。
Aは下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することが好ましく、Aが下記式A−1〜式A−12よりなる群から選ばれた少なくとも1つにより表される構造であることがより好ましい。
Figure 2016148169
式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
なお、式A−5及び式A−10においては、Zaを含む2つの環構造中のそれぞれにおいて、1つのZaがCRA2であり、かつ、RA2が他の構造との結合部位を表す。この他の構造との結合部位が、式中の*に該当する。より具体的には、他の構造との結合位置を表す*が先端に位置する結合手(以後、単に「結合手」と称する)は、各式中のいずれかのZaから伸びるものであり、この結合手が伸びるZaは、CRA2であり、かつ、RA2が他の構造との結合部位を表す態様に該当する。
また、式A−11においては、2つのZaがCRA2であり、かつ、RA2が他の構造との結合部位を表す。この他の構造との結合部位が、式中の*に該当する。
また、式A−6において、Wを含む2つの環構造中のそれぞれにおいて、1つのWが以下の3つの態様のうちいずれか一つを表す。
態様1:WがCRA2であり、かつ、RA2が他の構造との結合部位を表す。
態様2:WがNRA1であり、かつ、RA1が他の構造との結合部位を表す。
態様3:WがC(RA22であり、かつ、RA2のうち一方が他の構造との結合部位を表す。
式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、NRA1が好ましい。
Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、O原子が好ましい。
aはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、CRA2が好ましい。
Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、C(RA22、CRA2、又はS原子が好ましい。
A1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、式1−1で表される一価の基が好ましい。
A1がアルキル基を表す場合、炭素数2〜30のアルキル基が好ましく、炭素数8〜25のアルキル基がより好ましい。また、上記アルキル基は直鎖状でも分岐鎖状でもよい。
なお、RA1における他の構造との結合部位とは、上記式A−1〜式A−12中の*で表される他の構造との結合部位である。
A2はそれぞれ独立に、アルキル基、水素原子、ハロゲン原子、又は、他の構造との結合部位を表し、水素原子又は他の構造との結合部位が好ましい。
A2がアルキル基を表す場合、炭素数2〜30のアルキル基が好ましく、炭素数8〜25のアルキル基がより好ましい。また、上記アルキル基は直鎖状でも分岐鎖状でもよい。
A2がハロゲン原子を表す場合、F原子、Cl原子、Br原子、I原子が好ましく、F原子がより好ましい。
なお、RA2における他の構造との結合部位とは、上記式A−1〜式A−12中の*で表される他の構造との結合部位である。
特定化合物は、式1中のAが下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することが好ましく、式A−1〜式A〜6、式A−8〜式A−10及び式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することがより好ましく、式A−1、式A−3、式A−5及び式A−8で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することが更に好ましく、式A−1、式A−3及び式A−5で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することが特に好ましく、式A−1及び式A−3で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有することが最も好ましい。
また、特定化合物は、上記それぞれの態様において、式1中のAが各式により表される構造を部分構造として有する態様よりも、式1中のAが各式により表される構造である態様の方が好ましい。
式A−1〜式A−12で表される構造の例を以下に示すが、本発明は以下の例示により限定されるものではない。下記構造式中、RA1は式A−1〜式A−12中のRA1と同義であり、好ましい態様も同様である。
また、*は他の構造との結合部位を表す。
Figure 2016148169
Figure 2016148169
〔電子ドナーユニット〕
Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットである。
少なくとも1つのN原子、O原子、S原子又はSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基としては、少なくとも1つのS原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基が好ましい。
また、上記二価の芳香族複素環基は、単環であっても、2環以上の縮環構造を有していてもよく、単環の二価の芳香族複素環基を2以上組み合わせた構造であるか、2以上の単環の二価の芳香族複素環基と、1以上の2環以上の縮環構造を有する二価の芳香族複素環基を組み合わせた構造であることが好ましい。
上記二価の芳香族複素環基は更に置換基を有していてもよく、好ましい置換基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基、ハロゲン原子、式1−1で表される一価の基が挙げられる。
上記二価の芳香族複素環基の例を以下に示すが、本発明は以下の例示により限定されるものではない。下記構造式中、水素原子はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環基、ハロゲン原子、又は、式1−1により表される基により置換されていてもよく、RD1は後述する式D−1中のRD1と同義であり、好ましい態様も同様であり、*は他の構造との結合部位を表す。上記アルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基が好ましく、炭素数8〜30のアルキル基がより好ましい。
Figure 2016148169
2環以上の縮環構造からなる芳香族炭化水素基としては、炭素数10〜20の芳香族炭化水素基が好ましく、フルオレン基、ナフチレン基、若しくは、3環又は4環が縮合した芳香族炭化水素から水素原子を2つ除いた基がより好ましく、フルオレン基、ナフチレン基、若しくは、アントラセン環、フェナントレン環、クリセン環、又はピレン環から水素原子を2つ除いた基が更に好ましい。
上記芳香族炭化水素基は更に置換基を有していてもよく、好ましい置換基としては、アルキル基、ハロゲン原子、式1−1で表される一価の基が挙げられる。
また、式1において、Dは式D−1で表される構造であることが好ましい。
Figure 2016148169
式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子、又は、一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、O原子、S原子又はSe原子であることが好ましく、S原子であることがより好ましい。
dはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、CRD2であることがより好ましい。
D1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、アルキル基(炭素数1〜30が好ましい。)、アルキニル基(炭素数2〜30が好ましい。)、アルケニル基(炭素数2〜30が好ましい。)、アルコキシ基(炭素数1〜30が好ましい。)、芳香族炭化水素基(炭素数6〜30が好ましい。)、芳香族複素環基(5〜7員環が好ましい。ヘテロ原子としては、O原子、N原子、S原子、Se原子が好ましい。)、ハロゲン原子(F原子、Cl原子、Br原子、I原子が好ましく、F原子又はCl原子がより好ましく、F原子が特に好ましい。)、又は、式1−1で表される一価の基であることが好ましく、アルキル基、ハロゲン原子、又は式1−1で表される一価の基であることがより好ましい。
D2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、水素原子、アルキル基(炭素数1〜30が好ましい。)、アルキニル基(炭素数2〜30が好ましい。)、アルケニル基(炭素数2〜30が好ましい。)、アルコキシ基(炭素数1〜30が好ましい。)、芳香族炭化水素基(炭素数6〜30が好ましい。)、芳香族複素環基(5〜7員環が好ましい。ヘテロ原子としては、O原子、N原子、S原子、Se原子が好ましい。)、ハロゲン原子(F原子、Cl原子、Br原子、I原子が好ましく、F原子又はCl原子が更に好ましく、F原子が特に好ましい。)、又は、式1−1で表される一価の基であることが好ましく、水素原子、アルキル基、ハロゲン原子、又は式1−1で表される一価の基であることがより好ましい。
Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又はこれらを組み合わせてなる二価の基を表す。
上記Mにおける二価の芳香族複素環基は、単環であっても、2環以上の縮環構造を有していてもよい。本発明に好ましく用いられる二価の芳香族複素環基の例は、上記2環以上の縮環構造を有する二価の芳香族複素環基の例と同様である。
Mにおける二価の芳香族炭化水素基としては、炭素数6〜20の芳香族炭化水素基が好ましく、フェニレン基、ビフェニレン基、フルオレン基、ナフチレン基、又は、3環若しくは4環が縮合した芳香族炭化水素から水素原子を2つ除いた基がより好ましく、フルオレン基、ナフチレン基、アントラセン環、フェナントレン環、クリセン環、若しくはピレン環から水素原子を2つ除いた基が更に好ましい。
Mにおける二価の芳香族複素環基、又は、二価の芳香族炭化水素基は、更に置換基を有していてもよく、好ましい置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、式1−1で表される一価の基が挙げられる。
Mにおけるアルケニレン基としては、炭素数2〜10のアルケニレン基が好ましく、炭素数2〜4のアルケニレン基がより好ましく、エテニレン基が更に好ましい。
Mにおけるアルキニレン基としては、炭素数2〜10のアルキニレン基が好ましく、炭素数2〜4のアルキニレン基がより好ましく、エチニレン基が更に好ましい。
p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数であり、1〜3の整数であることが好ましく、1〜2の整数であることがより好ましい。pとqは同じ値であることが好ましい。また、p+qが2〜4であることが好ましい。
式D−1で表される構造の例を以下に示すが、本発明は以下の例示により限定されるものではない。下記構造式中、水素原子はアルキル基、又は、式1−1により表される基により置換されていてもよく、RD1は上記式D−1中のRD1と同義であり、好ましい態様も同様であり、*は他の構造との結合部位を表す。上記アルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基が好ましく、炭素数8〜30のアルキル基がより好ましい。
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
式1中、D及び/又はAは上記式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する。
式1で表される構成繰り返し単位中の、式1−1で表される一価の基の数は、1〜4であることが好ましく、1又は2であることがより好ましい。
式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、mは1以上の整数であり、2以上の整数であることが好ましく、3以上の整数であることがより好ましい。また、mは30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。
式1−1中、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50である。
式1−1中、nは2以上の整数であることが好ましく。4以上の整数であることがより好ましく、6以上の整数であることがより好ましい。また、nは30以下であることが好ましく、25以下であることがより好ましい。
式1−1中、m+nは、6≦m+n≦50であり、6≦m+n≦40であることが好ましく、8≦m+n≦35であることがより好ましく、14≦m+n≦30であることが更に好ましい。
式1−1中、Rで表されるアルキル基は直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよいが、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基であることが好ましい。特に、Lが直鎖状のアルキレン基の場合、Rは分岐鎖状のアルキル基であることがより好ましく、Lが分岐鎖状のアルキレン基の場合、Rは直鎖状のアルキル基であることがより好ましい。
上記式1−1で表される一価の基は、式1中のAが有することが好ましく、式1中のAに存在する窒素原子に結合していることがより好ましい。
上記式1−1により表される一価の基は、下記式1−2又は式1−3により表される一価の基であることが好ましい。
Figure 2016148169
式1−2、及び、式1−3中、mは1以上の整数であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、Raは置換基を有さない炭素数aのアルキル基であり、Rbは置換基を有さない炭素数bのアルキル基であり、6≦m+n≦50、又は6≦m+a+b≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
式1−2中、mは1以上の整数であり、2以上の整数であることが好ましく、3以上の整数であることがより好ましい。また、mは30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。
式1−2中、nは2以上の整数であることが好ましく。4以上の整数であることがより好ましく、6以上の整数であることがより好ましい。また、nは30以下であることが好ましく、25以下であることがより好ましい。
式1−2中、m+nは、6≦m+n≦50であり、6≦m+n≦40であることが好ましく、8≦m+n≦35であることがより好ましく、14≦m+n≦30であることが更に好ましい。
式1−2中、Rで表されるアルキル基は直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよいが、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基であることが好ましく、分岐鎖状のアルキル基であることがより好ましい。
式1−3中、mは1以上の整数であり、2以上の整数であることが好ましく、3以上の整数であることがより好ましい。また、mは30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。
式1−3中、aは1以上の整数であることが好ましく。2以上の整数であることがより好ましく、4以上の整数であることがより好ましい。また、aは30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。
式1−3中、bは2以上の整数であることが好ましく。4以上の整数であることがより好ましく、6以上の整数であることがより好ましい。また、bは30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。
式1−3中、m+a+bは、6≦m+a+b≦50であり、6≦m+a+b≦40であることが好ましく、8≦m+a+b≦35であることがより好ましく、14≦m+a+b≦30であることが更に好ましい。
式1−3中、Ra又は、Rbで表されるアルキル基は直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよいが、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基であることが好ましく、直鎖状のアルキル基であることがより好ましい。
式1で表される化合物の結晶性の観点から、式1中、Aは、対称性がC2、C2v、又は、C2hであることが好ましい。
また、式1で表される化合物の結晶性の観点から、式1中、Dは、対称性がC2、C2v、又は、C2hであることが好ましい。
更に、式1で表される化合物の結晶性の観点から、式1中、Aの対称性がC2、C2v、又は、C2hであり、かつ、Dの対称性がC2、C2v、又は、C2hであることがより好ましい。対称性については、『分子の対称と群論』(中崎昌雄著、東京化学同人)の記載が参酌される。
〔式2〜式5で表される構成繰り返し単位〕
上記式1で表される構成繰り返し単位は、式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位であることが好ましく、式2又は式3で表される構成繰り返し単位であることがより好ましく、式3で表される構成繰り返し単位であることが更に好ましい。
Figure 2016148169
式2〜式5中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表す。
式2〜式5中、X、Y、Za、RA1、及び、RA2は、上記式A−1〜式A−12におけるX、Y、Za、RA1、及び、RA2とそれぞれ同義であり、好ましい態様も同様である。
また、式2〜式5中、X’、Zd、RD1、RD2、M、p、及び、qは上記式D−1におけるX’、Zd、RD1、RD2、M、p、及び、qとそれぞれ同義であり、好ましい態様も同様である。
〔特定化合物の好ましい態様〕
特定化合物中、式1で表される構成繰り返し単位の含有量は、特定化合物の全質量に対し、60〜100質量%であることが好ましく、80〜100質量%であることがより好ましく、90〜100質量%であることが更に好ましく、実質的に式1で表される構成繰り返し単位のみから形成されていることが特に好ましい。なお、実質的に式1で表される構成繰り返し単位のみから形成されているとは、式1で表される構成繰り返し単位の含有量が95質量%以上であることを意味し、97質量%以上であることが好ましく、99質量%以上であることがより好ましい。
式1で表される構成繰り返し単位の含有量が上記範囲内であると、移動度により優れる有機半導体が得られる。
また、特定化合物は、式1で表される構成繰り返し単位を1種単独で含んでもよいし、2種以上含んでもよい。
特定化合物は、式1で表される構成繰り返し単位を2以上有する化合物であり、構成繰り返し単位数nが2〜9のオリゴマーであってもよく、構成繰り返し単位数nが10以上の高分子(ポリマー)であってもよい。これらの中でも、構成繰り返し単位数nが10以上の高分子であることが、移動度及び得られる有機半導体膜の物性の観点から好ましい。
式1で表される構成繰り返し単位を有する化合物の分子量は、移動度の観点から、2,000以上であり、10,000以上であることが好ましく、20,000以上であることがより好ましく、30,000以上であることが更に好ましく、45,000以上であることが特に好ましい。また、溶解度の観点から、1,000,000以下であることが好ましく、300,000以下であることがより好ましく、200,000以下であることが更に好ましく、150,000以下であることが特に好ましい。
本発明において、化合物が分子量分布を有する場合、その化合物の分子量とは重量平均分子量を意味する。
本発明において、特定高分子化合物が分子量分布を有する場合、その化合物の分子量とは重量平均分子量を意味する。
本発明において、特定高分子化合物の重量平均分子量及び数平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィ(GPC(Gel Permeation Chromatography))法にて測定され、標準ポリスチレンで換算して求められる。具体的には、例えば、GPCは、HLC−8121GPC(東ソー(株)製)を用い、カラムとして、TSKgel GMHHR−H(20) HT(東ソー(株)製、7.8mmID×30cm)を2本用い、溶離液として1,2,4−トリクロロベンゼンを用いる。また、条件としては、試料濃度を0.02質量%、流速を1.0ml/min、サンプル注入量を300μl、測定温度を160℃とし、IR(infrared)検出器を用いて行う。また、検量線は、東ソー(株)製「標準試料TSK standard,polystyrene」:「F−128」、「F−80」、「F−40」、「F−20」、「F−10」、「F−4」、「F−2」、「F−1」、「A−5000」、「A−2500」、「A−1000」、「A−500」の12サンプルから作製する。
また、特定化合物の末端の構造は、特に制限はなく、他の構成単位に有無や、合成時に使用した基質の種類、合成時のクエンチ剤(反応停止剤)の種類にもよるが、例えば、水素原子、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、エチレン性不飽和基、アルキル基、芳香族複素環基(チオフェン環が好ましい)、芳香族炭化水素基(ベンゼン環が好ましい)等が挙げられる。
特定化合物の合成方法は、特に限定されず、公知の方法を参照して合成すればよい。例えば、特表2010−527327号公報、特表2007−516315号公報、特表2014−515043号公報、特表2014−507488号公報、特表2011−501451号公報、特開2010−18790号公報、国際公開2012/174561号、特表2011−514399号公報、特表2011−514913号公報等の文献を参考に、電子アクセプターユニットの前駆体と電子ドナーユニットの前駆体を合成して、それぞれの前駆体を鈴木カップリングやStilleカップイリング等のクロスカップリング反応させることにより合成することができる。
以下に、式1で表される構成繰り返し単位の好ましい具体例を示すが、本発明は以下の例示により限定されるものではない。
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
<バインダーポリマー>
本発明の有機半導体素子の有機半導体層は、バインダーポリマーを含有してもよい。
また、本発明の有機半導体素子は、上記有機半導体層とバインダーポリマーを含む層(以下、「バインダーポリマー層」ともいう。)を有する有機半導体素子であってもよい。
バインダーポリマーの種類は特に制限されず、公知のバインダーポリマーを用いることができる。
上記バインダーポリマーとしては、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリビニルシンナメート、ポリ(4−ビニルフェニル)、ポリ(4−メチルスチレン)、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリシロキサン、ポリスルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの絶縁性ポリマー、及び、これらの共重合体、ポリシラン、ポリカルバゾール、ポリアリールアミン、ポリフルオレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリヘテロアセンなどの半導体ポリマー、及び、これらの共重合体、ゴム、熱可塑性エラストマーを挙げることができる。
中でも、バインダーポリマーとしては、ベンゼン環を有する高分子化合物(ベンゼン環基を有する単量体単位を有する高分子)が好ましい。ベンゼン環基を有する単量体単位の含有量は特に制限されないが、全単量体単位中、50モル%以上が好ましく、70モル%以上がより好ましく、90モル%以上が更に好ましい。上限は特に制限されないが、100モル%が挙げられる。
また、バインダーポリマーとしては、絶縁性ポリマーを含むことが好ましい。
絶縁性ポリマーは、絶縁性を示すものであれば特に制限なく用いることができる。本発明において「絶縁性ポリマー」とは、体積抵抗値が106Ωcm以上のポリマーを意味する。体積抵抗値は下記方法により測定される。
〔体積抵抗値の測定方法〕
清浄な50mm角のガラス基板に、ポリマーを塗布し、厚さ1μmのポリマー膜を得る。得られた膜について、ロレスタGP MCP−T610型(商品名、三菱マテリアル製)を用いて体積抵抗値を測定する。
本発明において、有機半導体層が絶縁性ポリマーを含むことは、有機半導体層を、エッチング用イオンビームを併用して、飛行時間型二次イオン分析(TOF−SIMS)により元素マッピング測定することにより、確認することが可能である。
上記絶縁性ポリマーとしては、下記式I−1で表される構成単位を含むポリマーが好ましい。
Figure 2016148169
式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す。
22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子が好ましく、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基がより好ましく、水素原子、アルキル基が更に好ましく、水素原子が最も好ましい。
上記アルキル基は直鎖状、分岐鎖状又は環状のいずれであってもよく、直鎖状又は分岐鎖常であることが好ましい。
上記アルキル基の炭素数は1〜15が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜4が更に好ましい。
上記アルコキシ基の炭素数は1〜15が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜4が更に好ましい。
上記アルケニル基の炭素数は1〜15が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜4が更に好ましい。
上記アルキニル基の炭素数は1〜15が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜4が更に好ましい。
上記アリール基の炭素数は6〜20が好ましく、6〜12がより好ましい。
上記アラルキル基の炭素数は7〜21が好ましく、7〜15がより好ましい。
22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよい。形成される環としては芳香族環が挙げられ、ベンゼン環が好ましい。
21は水素原子又はアルキル基(メチル基、エチル基など)を表し、水素原子が好ましい。
上記ハロゲン原子としては、フッ素原子が好ましい。
上記式I−1で表される構成単位を含むポリマーは、上記式I−1で表される構成単位を、式I−1で表される構成単位を含むポリマーの全質量に対し、50質量%以上含むことが好ましく、80質量%以上含むことがより好ましく、90質量%以上含むことが更に好ましい。
式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーは、式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマー、ポリマーの繰り返し単位が式I−1で表される構成単位のみからなる共重合体、又は、式I−1で表される構成単位のみからなるホモポリマーが好ましく、ポリマーの繰り返し単位が式I−1で表される構成単位のみからなる共重合体、又は、式I−1で表される構成単位のみからなるホモポリマーがより好ましく、式I−1で表される構成単位のみからなるホモポリマーが更に好ましい。
バインダーポリマーの重量平均分子量は、特に制限されないが、1,000〜200万が好ましく、1,500〜100万がより好ましく、3,000〜100万が更に好ましく、2,500〜20万が特に好ましく、2万〜15万が最も好ましい。
また、バインダーポリマーの多分散度(重量平均分子量/数平均分子量)は2.5以下であることが好ましく、1.5以下であることがより好ましく、1.1以下であることが更に好ましい。
上述のバインダーポリマーの重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)は、標準ポリスチレン換算であり、ゲル浸透クロマトグラフィ(GPC、東ソー(株)製;HLC−8120;Tskgel Multipore HXL−M)を用い、溶媒としてTHF(テトラヒドロフラン)を使用して測定できる。
また、後述する溶媒を用いる場合、バインダーポリマーは、使用する溶媒への溶解度が、特定化合物よりも高いことが好ましい。上記態様であると、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れる。
本発明の有機半導体素子の有機半導体層におけるバインダーポリマーの含有量は、特定化合物の含有量100質量部に対し、1〜200質量部であることが好ましく、10〜150質量部であることがより好ましく、20〜120質量部であることが更に好ましい。上記範囲であると、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れる。
<その他の成分>
本発明の有機半導体素子における有機半導体層には、特定化合物及びバインダーポリマー以外に他の成分が含まれていてもよい。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
上記有機半導体層における特定化合物及びバインダーポリマー以外の成分の含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れる。
<有機半導体層の形成方法>
本発明の有機半導体素子における有機半導体層の形成方法は特に制限されず、後述する本発明の有機半導体組成物を、ソース電極、ドレイン電極、及び、ゲート絶縁膜上に付与して、必要に応じて乾燥処理を施すことにより、所望の有機半導体層を形成することができる。
本発明の有機半導体素子は、後述する本発明の有機半導体組成物を用いて製造されたものであることが好ましい。
本発明の有機半導体組成物を用いて有機半導体膜や有機半導体素子を製造する方法は、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、組成物を所定の基材上に付与して、必要に応じて乾燥処理を施して、有機半導体膜を製造する方法が挙げられる。
基材上に組成物を付与する方法は特に制限されず、公知の方法を採用でき、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、バーコート法、スピンコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法などが挙げられ、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法が好ましい。
なお、フレキソ印刷法としては、フレキソ印刷版として感光性樹脂版を用いる態様が好適に挙げられる。態様によって、組成物を基板上に印刷して、パターンを容易に形成することができる。
中でも、本発明の有機半導体素子の製造方法は、後述する本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程を含むことが好ましく、本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程、及び、塗布された組成物から溶媒を除去する除去工程を含むことがより好ましい。
上記塗布工程は、式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する本発明の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程であることがより好ましい。
上記態様によれば、有機半導体層に、上記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを含み、かつ、表面エネルギーが50〜75mNm-1であるゲート絶縁膜を更に含む有機半導体素子が得られる。
上記有機半導体素子は、高移動度の有機半導体素子である。
後述する本発明の有機半導体組成物は、溶媒を含み、有機溶媒を含むことが好ましい。
溶媒としては、公知の溶媒を用いることができる。
具体的には、例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、アミルベンゼン、デカリン、1−メチルナフタレン、1−エチルナフタレン、1,6−ジメチルナフタレン、テトラリンなどの炭化水素系溶媒、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、アセトフェノン、プロピオフェノン、ブチロフェノン、α−テトラロン、β−テトラロンなどのケトン系溶媒、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼン、クロロトルエン、1−フルオロナフタレンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ピリジン、ピコリン、キノリン、チオフェン、3−ブチルチオフェン、チエノ[2,3−b]チオフェン等の複素環系溶媒、2−クロロチオフェン、3−クロロチオフェン、2,5−ジクロロチオフェン、3,4−ジクロロチオフェン、2−ブロモチオフェン、3−ブロモチオフェン、2,3−ジブロモチオフェン、2,4−ジブロモチオフェン、2,5−ジブロモチオフェン、3,4−ジブロモチオフェン、3,4−ジクロロ−1,2,5−チアジアゾール等のハロゲン化複素環系溶媒、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル、酢酸−2−エチルヘキシル、γ−ブチロラクトン、酢酸フェニルなどのエステル系溶媒、例えば、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールなどのアルコール系溶媒、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソール、エトキシベンゼン、プロポキシベンゼン、イソプロポキシベンゼン、ブトキシベンゼン、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−メチルアニソール、4−エチルアニソール、ジメチルアニソール(2,3−、2,4−、2,5−、2,6−、3,4−、3,5−、3,6−のいずれか)、1,4−ベンゾジオキサン、2,3−ジヒドロベンゾフラン、フタラン、クロマン、イソクロマンなどのエーテル系溶媒、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン、1−メチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等のアミド・イミド系溶媒、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド系溶媒、リン酸トリメチルなどのリン酸エステル系溶媒、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロベンゼンなどのニトロ系溶媒を挙げることができる。
溶媒は、1種単独で用いてもよく、複数組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒、複素環系溶媒、ハロゲン化複素環系溶媒又はエーテル系溶媒が好ましく、トルエン、キシレン、メシチレン、アミルベンゼン、テトラリン、アセトフェノン、プロピオフェノン、ブチロフェノン、α−テトラロン、ジクロロベンゼン、アニソール、エトキシベンゼン、プロポキシベンゼン、イソプロポキシベンゼン、ブトキシベンゼン、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−メチルアニソール、2,3−ジヒドロベンゾフラン、フタラン、クロマン、イソクロマン、1−フルオロナフタレン、3−クロロチオフェン、2,5−ジブロモチオフェンがより好ましく、トルエン、キシレン、テトラリン、アセトフェノン、プロピオフェノン、ブチロフェノン、α−テトラロン、アニソール、エトキシベンゼン、プロポキシベンゼン、ブトキシベンゼン、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−メチルアニソール、2,3−ジヒドロベンゾフラン、フタラン、クロマン、イソクロマン、1−フルオロナフタレン、3−クロロチオフェン、2,5−ジブロモチオフェンが特に好ましい。
溶媒の沸点が100℃以上であることが、製膜性の観点から好ましい。溶媒の沸点は、100〜300℃であることがより好ましく、125〜250℃であることが更に好ましく、150〜225℃であることが特に好ましい。
なお、最も含有量の多い溶媒の沸点が100℃以上であることが好ましく、全ての溶媒の沸点が100℃以上であることがより好ましい。
溶媒を含有する場合、本発明の有機半導体組成物における特定化合物の含有量は、0.01〜50質量%であることが好ましく、0.02〜25質量%であることがより好ましく、0.05〜15質量%であることが更に好ましく、0.1〜10質量%であることが特に好ましく、また、バインダーポリマーを含有する場合、バインダーポリマーの含有量は、0.01〜50質量%であることが好ましく、0.05〜25質量%であることがより好ましく、0.1〜10質量%であることが更に好ましい。上記範囲であると、塗布性に優れ、容易に有機半導体膜を形成することができる。
上記除去工程における乾燥処理は、必要に応じて実施される処理であり、使用される特定化合物及び溶媒の種類により適宜最適な条件が選択される。中でも、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れ、また、生産性に優れる点で、加熱温度としては30℃〜100℃が好ましく、40℃〜80℃がより好ましく、加熱時間としては10〜300分が好ましく、30〜180分がより好ましい。
本発明の有機半導体デバイス組成物は、界面活性剤、酸化防止剤、結晶化制御剤、結晶配向制御剤、等、ポリマーバインダー以外の添加剤を含有してもよい。
界面活性剤の例としては、特に限定されるものではないが、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックコポリマー類、ソルビタン脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルなどのノニオン系界面活性剤、メガファックF171、F176(DIC(株)製)やフロラードFC430(住友スリーエム(株)製)やサーフィノールE1004(旭硝子(株)製)、OMNOVA社製のPF656及びPF6320、等のフッ素系界面活性剤、ポリシロキサンポリマーKP−341(信越化学工業(株)製)、KF−410(信越化学工業(株)製)、KF−412(信越化学工業(株)製)、KF−96−100cs(信越化学工業(株)製)、BYK−322(BYK社製)、BYK−323(BYK社製)等のオルガノシロキサンポリマーが挙げられる。
界面活性剤の含有量は、塗布液中、約0.001〜約1質量%であることが好ましい。
例えば、酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、及びイオウ系酸化防止剤等が挙げられる。
フェノール系酸化防止剤の具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、n−オクタデシル−3−(3’,5’−ジ−t−ブチル−4’−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、テトラキス〔メチレン−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート〕メタン、トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)イソシアヌレート、4,4’−ブチリデンビス−(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)、トリエチレングリコール−ビス〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオネート〕、3,9−ビス{2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ〔5,5〕ウンデカン等が挙げられる。
フェノール系酸化防止剤の市販品としては、イルガノックス1010、イルガノックス1035、イルガノックス1076、イルガノックス1135、イルガノックス245、イルガノックス259、イルガノックス295、及びイルガノックス3114(以上、いずれもBASF社製)、アデカスタブ AO−20、アデカスタブ AO−30、アデカスタブ AO−40、アデカスタブ AO−50、アデカスタブ AO−60、アデカスタブ AO−70、アデカスタブ AO−80、アデカスタブ AO−90、及びアデカスタブ AO−330(以上、いずれも(株)ADEKA社製)、スミライザー BHT、スミライザー BP−101、スミライザー GA−80、スミライザー MDP−S、スミライザー BBM−S、スミライザー GM、スミライザー GS(F)、及びスミライザー GP(以上、いずれも住友化学(株)製)、HOSTANOX O10、HOSTANOX O16、HOSTANOX O14、及びHOSTANOX O3(以上、いずれもクラリアント社製)、アンテージ BHT、アンテージ W−300、アンテージ W−400、及びアンテージ W500(以上、いずれも川口化学工業(株)製)、並びにSEENOX 224M、及びSEENOX 326M(以上、いずれもシプロ化成(株)製)、ヨシノックスBHT、ヨシノックスBB、トミノックスTT、トミノックス917(以上、いずれも吉富製薬(株)製)、TTHP(東レ(株)製)等が挙げられる。
リン系酸化防止剤の具体例としては、トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジステアリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ペンタエリスリトールホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールホスファイト、2,2−メチレンビス(4,6−ジ−t−ブチルフェニル)オクチルホスファイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)−4,4−ビフェニレン−ジ−ホスホナイト等が挙げられる。リン系酸化防止剤の市販品としては、アデカスタブ1178(旭電化(株)製)、スミライザーTNP(住友化学(株)製)、JP−135(城北化学(株)製)、アデカスタブ2112(旭電化(株)製)、JPP−2000(城北化学(株)製)、Weston 618(GE社製)、アデカスタブPEP−24G(旭電化(株)製)、アデカスタブPEP−36(旭電化(株)製)、アデカスタブHP−10(旭電化(株)製)、SandstabP−EPQ(サンド(株)製)、フォスファイト168(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ(株)製)等が挙げられる。
イオウ系酸化防止剤の具体例としては、ジラウリル−3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル−3,3’−チオジプロピオネート、ジステアリル−3,3’−チオジプロピオネート、ペンタエリスリトールテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)等が挙げられる。イオウ系酸化防止剤の市販品としては、スミライザーTPL(住友化学(株)製)、ヨシノックスDLTP(吉富製薬(株)製)、アンチオックスL(日本油脂(株)製)、スミライザーTPM(住友化学(株)製)、ヨシノックスDMTP(吉富製薬(株)製)、アンチオックスM(日本油脂(株)製)、スミライザーTPS(住友化学(株)製)、ヨシノックスDSTP(吉富製薬(株)製)、アンチオックスS(日本油脂(株)製)、アデカスタブAO−412S(旭電化(株)製)、SEENOX 412S(シプロ化成(株)製)、スミライザーTDP(住友化学(株)製)等が挙げられる。
酸化防止剤の含有量は、塗布液中、約0.01〜約5質量%であることが好ましい。
形成される有機半導体層の厚さは、特に制限されないが、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性の観点から、10〜500nmが好ましく、30〜200nmがより好ましい。
本発明の有機半導体組成物を塗布後、形成される有機半導体膜を加熱アニールすることが好ましい。アニール温度は用いる基板により、適宜最適化されるが、80℃〜300℃であることが好ましく、120℃〜250℃であることが好ましく、150℃〜200℃であることが更に好ましい。上記加熱アニールにより、フレキシブルな置換基である式1−1で表される置換基が再配列を起こすと考えられ、より優れた膜質(モルフォロジー)を形成すると推測している。その結果、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れる有機半導体膜が得られる。
有機半導体素子としては、特に制限はないが、2〜5端子の有機半導体素子であることが好ましく、2又は3端子の有機半導体素子であることがより好ましい。
また、有機半導体素子としては、光電変換素子でないことが好ましい。
更に、本発明の有機半導体素子は、非発光性有機半導体素子であることが好ましい。
2端子素子としては、整流用ダイオード、定電圧ダイオード、PINダイオード、ショットキーバリアダイオード、サージ保護用ダイオード、ダイアック、バリスタ、トンネルダイオード等が挙げられる。
3端子素子としては、バイポーラトランジスタ、ダーリントントランジスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ユニジャンクショントランジスタ、静電誘導トランジスタ、ゲートターンサイリスタ、トライアック、静電誘導サイリスタ等が挙げられる。
これらの中でも、整流用ダイオード、及び、トランジスタ類が好ましく挙げられ、電界効果トランジスタがより好ましく挙げられる。
電界効果トランジスタとしては、有機薄膜トランジスタが好ましく挙げられる。
本発明における有機薄膜トランジスタの一態様について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の有機半導体素子(有機薄膜トランジスタ(有機TFT))の一態様の断面模式図である。
図1において、有機薄膜トランジスタ100は、基板10と、基板10上に配置されたゲート電極20と、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30のゲート電極20側とは反対側の表面に接するソース電極40及びドレイン電極42と、ソース電極40とドレイン電極42との間のゲート絶縁膜30の表面を覆う有機半導体膜50と、各部材を覆う封止層60とを備える。有機薄膜トランジスタ100は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタである。
なお、図1においては、有機半導体膜50が、上述した組成物より形成される膜に該当する。
以下、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜及び封止層並びにそれぞれの形成方法について詳述する。
<基板>
基板は、後述するゲート電極、ソース電極、ドレイン電極などを支持する役割を果たす。
基板の種類は特に制限されず、例えば、プラスチック基板、ガラス基板、セラミック基板などが挙げられる。中でも、各デバイスへの適用性及びコストの観点から、ガラス基板又はプラスチック基板であることが好ましい。
プラスチック基板の材料としては、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)など)又は熱可塑性樹脂(例えば、フェノキシ樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフォンなど)が挙げられる。
セラミック基板の材料としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイドなどが挙げられる。
ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダガラス、カリガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、アルミケイ酸ガラス、鉛ガラスなどが挙げられる。
<ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極>
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の材料としては、例えば、金(Au)、銀、アルミニウム(Al)、銅、クロム、ニッケル、コバルト、チタン、白金、タンタル、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属;InO2、SnO2、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性の酸化物;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン等の導電性高分子;シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の半導体;フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト等の炭素材料などが挙げられる。中でも、金属であることが好ましく、銀又はアルミニウムであることがより好ましい。
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の厚みは特に制限されないが、20〜200nmであることが好ましい。
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を形成する方法は特に制限されないが、例えば、基板上に、電極材料を真空蒸着又はスパッタする方法、電極形成用組成物を塗布又は印刷する方法などが挙げられる。また、電極をパターニングする場合、パターニングする方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法;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;マスク蒸着法などが挙げられる。
<ゲート絶縁膜>
ゲート絶縁膜は、ゲート電極と有機半導体層との間に設けられ、絶縁性を有する膜であれば特に限定されず、単層の膜であってもよいし、多層の膜であってもよい。
ゲート絶縁膜は、絶縁性の材料で形成されるのが好ましく、絶縁性の材料として、例えば、有機高分子などの有機材料、無機酸化物などの無機材料等が好ましく挙げられ、取り扱い性などの点から、有機材料を用いることが好ましい。
有機高分子及び無機酸化物等は、絶縁性を有するものであれば特に限定されず、薄膜、例えば厚み1μm以下の薄膜を形成できるものが好ましい。
有機高分子及び無機酸化物は、ぞれぞれ、1種を用いても、2種以上を併用してもよい。また、ゲート絶縁膜は、それぞれ後述する有機高分子と無機酸化物とを混合させたハイブリッド層としてもよい。
有機高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリビニルフェノール、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレートに代表されるポリ(メタ)アクリレート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、CYTOPに代表される環状フルオロアルキルポリマー、ポリシクロオレフィン、ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリベンゾオキサゾール、エポキシ樹脂、ポリジメチルシロキサン(PDMS)に代表されるポリオルガノシロキサン、ポリシルセスキオキサン又はブタジエンゴム等が挙げられる。また、上記の他にも、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、シンナメート樹脂、アクリル樹脂、ポリパラキシリレン樹脂等の熱硬化性樹脂も挙げられる。
有機高分子は、アルコキシシリル基やビニル基、アクリロイルオキシ基、エポキシ基、メチロール基等の反応性置換基を有する化合物と併用することもできる。
有機高分子でゲート絶縁膜を形成する場合、ゲート絶縁膜の耐溶媒性や絶縁耐性を増す目的等で、有機高分子を架橋し、硬化させることも好ましい。架橋は、光、熱又はこれら双方を用いて、酸又はラジカルを発生させることにより、行うのが好ましい。
ラジカルにより架橋する場合、光又は熱によりラジカルを発生させるラジカル発生剤として、例えば、特開2013−214649号公報の段落0182〜0186に記載の熱重合開始剤(H1)及び光重合開始剤(H2)、特開2011−186069号公報の段落0046〜0051に記載の光ラジカル発生剤、特開2010−285518号公報の段落0042〜0056に記載の光ラジカル重合開始剤等を好適に用いることができ、好ましくはこれらの内容は本願明細書に組み込まれる。
また、特開2013−214649号公報の段落0167〜0177に記載の「数平均分子量(Mn)が140〜5,000であり、架橋性官能基を有し、フッ素原子を有さない化合物(G)」を用いるのも好ましく、これらの内容は好ましくは本願明細書に組み込まれる。
酸により架橋する場合、光により酸を発生させる光酸発生剤として、例えば、特開2010−285518号公報の段落0033〜0034に記載の光カチオン重合開始剤、特開2012−163946号公報の段落0120〜0136に記載の酸発生剤、特にスルホニウム塩、ヨードニウム塩等を好ましく使用することができ、好ましくはこれらの内容は本願明細書に組み込まれる。
熱により酸を発生させる熱酸発生剤(触媒)として、例えば、特開2010−285518号公報の段落0035〜0038に記載の熱カチオン重合開始剤、特にオニウム塩等や、特開2005−354012号公報の段落0034〜0035に記載の触媒、特にスルホン酸類及びスルホン酸アミン塩等を好ましく使用することができ、好ましくはこれらの内容は本願明細書に組み込まれる。
また、特開2005−354012号公報の段落0032〜0033に記載の架橋剤、特に二官能以上のエポキシ化合物、オキセタン化合物、特開2006−303465号公報の段落0046〜0062に記載の架橋剤、特に2個以上の架橋基を有し、この架橋基の少なくとも一つがメチロール基若しくはNH基であることを特徴とする化合物、及び、特開2012−163946号公報の段落0137〜0145に記載の、ヒドロキシメチル基又はアルコキシメチル基を分子内に2個以上有する化合物を用いるのも好ましく、これらの内容は好ましくは本願明細書に組み込まれる。
ゲート絶縁膜を有機高分子で形成する方法としては、例えば、有機高分子を塗工、硬化する方法が挙げられる。塗工方法は、特に限定されず、上記の各印刷法が挙げられる。中でも、マイクログラビアコート法、ディップコート法、スクリーンコート印刷、ダイコート法又はスピンコート法等のウエットコーティング法が好ましい。
上記無機酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素(SiNY)、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化銅、酸化ニッケル等の酸化物、また、SrTiO3、CaTiO3、BaTiO3、MgTiO3、SrNb26のようなペロブスカイト、あるいはこれらの複合酸化物又は混合物等が挙げられる。ここで、酸化ケイ素としては、酸化シリコン(SiOX)の他に、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)、PSG(Phosphorus Silicon Glass)、BSG(borosilicate glass)、AsSG(砒素シリケートガラス)、PbSG(鉛シリケートガラス)、酸化窒化シリコン(SiON)、SOG(スピンオングラス)、低誘電率SiO2系材料(例えば、ポリアリールエーテル、シクロパーフルオロカーボンポリマー及びベンゾシクロブテン、環状フッ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、アモルファスカーボン、有機SOG)を含む。
ゲート絶縁膜を無機酸化物で形成する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング又はCVD(chemical vapor deposition)法等の真空成膜法を用いることができ、また成膜中に任意のガスを用いたプラズマやイオン銃、ラジカル銃等でアシストを行ってもよい。
また、それぞれの金属酸化物に対応する前駆体、具体的には塩化物、臭化物等の金属ハロゲン化物や金属アルコキシド、金属水酸化物等を、アルコールや水中で塩酸、硫酸、硝酸等の酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の塩基と反応させて加水分解することにより、形成してもよい。このような溶液系のプロセスを用いる場合、上記ウエットコーティング法を用いることができる。
ゲート絶縁膜は、上記の方法以外にも、リフトオフ法、ゾル−ゲル法、電着法及びシャドウマスク法のいずれかと、必要に応じてパターニング法とを組み合わせた方法により、設けることもできる。
ゲート絶縁膜は、コロナ処理、プラズマ処理、UV(紫外線)/オゾン処理等の表面処理を施してもよいが、この場合、処理による表面粗さを粗くしないのが好ましい。好ましくは、ゲート絶縁膜表面の算術平均粗さRa又は二乗平均粗さRMSは0.5nm以下である。
絶縁膜の表面エネルギーの調整方法としては、UV(紫外線)/オゾン処理が有効であり、処理時間を適切に選択することでゲート絶縁膜表面を親水化することができる。
本発明の有機半導体素子は、有機半導体層に、上記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを含む場合に、表面エネルギーが50〜75mNm-1であるゲート絶縁膜を更に含むことが好ましい。
上記表面エネルギーは、樹脂(C)からなる膜の接触角を水及び有機溶媒(グリセリンやジヨードメタンが主に用いられる。)の双方で測定し、下記Owensの式に代入することで、公知の方法により求めることができる(下記は有機溶媒にグリセリン(gly)を用いる場合)。
Owensの式
1+cosθH2O=2(γS d1/2(γH2O d1/2/γH2O,V+2(γS h1/2(γH2O h1/2/γH2O,V
1+cosθgly=2(γS d1/2(γgly d1/2/γgly,V+2(γS h1/2(γgly h1/2/γgly,V
ここで、γH2O d=21.8、γgly d=37.0、γH2O h=51.0、γgly h=26.4、γH2OV=72.8、γgly,V=63.4の文献測定値を代入した上で、θH2Oに水の接触角の測定値、θglyにグリセリンの接触角の測定値を代入すると、表面エネルギーの分散力成分γS d、極性成分γS hがそれぞれ求まり、その和γS Vh=γS d+γS hを表面エネルギー(mNm-1)として求めることができる。
本発明者は、本発明の有機半導体素子が、上記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを含み、かつ、表面エネルギーが50〜75mNm-1であるゲート絶縁膜を更に含むことにより、得られる有機薄膜トランジスタのキャリア移動度を効果的に高めることができることを見出した。
詳細なメカニズムは定かではないが、有機半導体層において有機半導体化合物と特定の絶縁性ポリマーとが共存することにより、有機半導体化合物単独の場合に比べて有機半導体化合物の配列規則性が高められることが一因であると考えている。この配列規則性の向上により、有機半導体化合物の主鎖内における構造のゆらぎに起因して生じるキャリア拡散が抑制され、また有機半導体化合物のポリマー鎖間でのキャリアのホッピングが良化するものと推定される。配列規則性が高められる理由については、有機半導体化合物と特定の絶縁性ポリマーを共存させた組成液の状態では両者が適度に相溶された状態でおり、その状態から溶媒が乾燥し膜状態に変化する際に相分離が促進され、有機半導体化合物のドメインと絶縁性ポリマーのドメインが別々に形成されると考えられる。これらのドメイン形成時の速度や相分離の程度が配列規則性の制御に関係していると考えられ、本願の式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物と式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーの組み合わせが適したため、移動度が向上したと考えられる。
<バインダーポリマー層>
本発明の有機半導体素子は、上記有機半導体層と絶縁膜との間に上記バインダーポリマー層を有してもよく、バインダーポリマー層を有する場合、上記有機半導体層とゲート絶縁膜との間に上記バインダーポリマー層を有することが好ましい。上記バインダーポリマー層の膜厚は特に制限されないが、20〜500nmであることが好ましい。上記バインダーポリマー層は、上記ポリマーを含む層であればよいが、上記バインダーポリマーからなる層であることが好ましい。
バインダーポリマー層を形成する方法は特に制限されないが、公知の方法(バーコート法、スピンコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法、インクジェット法)を使用することができる。
バインダーポリマー層形成用組成物を塗布してバインダーポリマー層を形成する場合、溶媒除去、架橋などを目的として、塗布後に加熱(ベーク)してもよい。
<封止層>
本発明の有機半導体素子は、耐久性の観点から、最外層に封止層を備えることが好ましい。封止層には公知の封止剤を用いることができる。
封止層の厚さは特に制限されないが、0.2〜10μmであることが好ましい。
封止層を形成する方法は特に制限されないが、例えば、ゲート電極とゲート絶縁膜とソース電極とドレイン電極と有機半導体膜とが形成された基板上に、封止層形成用組成物を塗布する方法などが挙げられる。封止層形成用組成物を塗布する方法の具体例は、ゲート絶縁膜形成用組成物を塗布する方法と同じである。封止層形成用組成物を塗布して有機半導体膜を形成する場合、溶媒除去、架橋などを目的として、塗布後に加熱(ベーク)してもよい。
また、図2は、本発明の有機半導体素子(有機薄膜トランジスタ)の別の一態様の断面模式図である。
図2において、有機薄膜トランジスタ200は、基板10と、基板10上に配置されたゲート電極20と、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に配置された有機半導体膜50と、有機半導体膜50上に配置されたソース電極40及びドレイン電極42と、各部材を覆う封止層60とを備える。ここで、ソース電極40及びドレイン電極42は、上述した本発明の組成物を用いて形成されたものである。有機薄膜トランジスタ200は、ボトムゲート−トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタである。
基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜及び封止層については、上述のとおりである。
上記では図1及び図2において、ボトムゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ、及び、ボトムゲート−トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタの態様について詳述したが、本発明の有機半導体素子は、トップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ、及び、トップゲート−トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタにも好適に使用できる。
なお、上述した有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー、ディスプレイデバイスなどに好適に使用できる。
(化合物)
本発明の化合物は、上記式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位を有し、分子量が2,000以上であることを特徴とする。
また、本発明の化合物は有機半導体化合物であることが好ましい。
本発明の化合物における上記式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位を有し、分子量が2,000以上である化合物は、上述した式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位を有する化合物と同義であり、好ましい態様も同様である。
(有機半導体組成物)
本発明の有機半導体組成物は、本発明の化合物(上記特定化合物)、及び、溶媒を含有することを特徴とする。
また、本発明の有機半導体組成物は、バインダーポリマーを含有してもよい。
本発明の有機半導体組成物における特定化合物、バインダーポリマー及び溶媒は、上述した特定化合物、バインダーポリマー及び溶媒と同義であり、好ましい態様も同様である。
本発明の有機半導体組成物における特定化合物の含有量は、特に制限はないが、有機半導体組成物の全質量に対し、0.005〜10質量%であることが好ましく、0.01〜5質量%であることがより好ましく、0.05〜3質量%であることが更に好ましい。
本発明の有機半導体組成物は、特定化合物、バインダーポリマー及び溶媒以外に他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
本発明の有機半導体組成物における特定化合物、バインダーポリマー及び溶媒以外の成分の含有量は、全固形分に対し、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れる。なお、固形分とは、溶媒等の揮発性成分を除いた成分の量である。
本発明の有機半導体組成物の粘度は、特に制限されないが、塗布性により優れる点で、3〜100mPa・sが好ましく、5〜50mPa・sがより好ましく、9〜40mPa・sが更に好ましい。なお、本発明における粘度は、25℃での粘度である。
粘度の測定方法としては、JIS Z8803に準拠した測定方法であることが好ましい。
本発明の有機半導体組成物の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、溶媒中に所定量の特定化合物を添加して、適宜撹拌処理を施すことにより、所望の組成物を得ることができる。また、バインダーポリマーを用いる場合は、特定化合物及びバインダーポリマーを同時又は逐次に添加して好適に組成物を作製することができる。
(有機半導体膜)
本発明の有機半導体膜は、特定化合物を含有することを特徴とする。
また、本発明の有機半導体膜は、バインダーポリマーを含有してもよい。
本発明の有機半導体膜における特定化合物、及び、バインダーポリマーは、本発明の有機半導体素子において上述した特定化合物、及び、バインダーポリマーと同義であり、好ましい態様も同様である。
本発明の有機半導体組成物は、特定化合物、及び、バインダーポリマー以外に他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、公知の添加剤等を用いることができる。
本発明の有機半導体膜における特定化合物、及び、バインダーポリマー以外の成分の含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.1質量%以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、膜形成性に優れ、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性により優れる。なお、固形分とは、溶媒等の揮発性成分を除いた成分の量である。
本発明の有機半導体膜の膜厚は、特に制限されないが、得られる有機半導体の移動度及び高温高湿下での経時安定性の観点から、10〜500nmが好ましく、30〜200nmがより好ましい。
本発明の有機半導体膜は、有機半導体素子に好適に使用することができ、有機トランジスタ(有機薄膜トランジスタ)に特に好適に使用することができる。
本発明の有機半導体膜は、本発明の有機半導体組成物を用いて好適に作製することができる。
本発明の有機半導体膜の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、本発明の有機半導体組成物を所定の基材上に付与して、必要に応じて乾燥処理を施して、有機半導体膜を製造する方法が挙げられる。
基材上に組成物を付与する方法は特に制限されず、公知の方法を採用でき、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、バーコート法、スピンコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法などが挙げられ、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法が好ましい。
中でも、本発明の有機半導体膜の製造方法は、本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程、を含むことが好ましく、本発明の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程、及び、塗布された組成物から溶媒を除去する除去工程を含むことがより好ましい。
上記塗布工程は、式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する本発明の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程であることがより好ましい。
上記態様によれば、高移動度の有機半導体膜が得られる。
以下に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」、「%」は質量基準である。
(実施例1〜23及び比較例1〜10)
<有機半導体>
有機半導体層に用いた化合物1〜23及び比較化合物1〜10の構造を以下に示す。
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
Figure 2016148169
<合成例>
合成法は一般的なD−A型π共役ポリマーの合成法に従った。代表例として化合物1及び化合物7の合成法を示す。
〔化合物1の合成〕
モノマーである1、3−ジブロモ−5−(2−オクチルドデシル)−4H−チエノ[3,4−c]ピロール−4,6(5H)−ジオンはJ.Mater.Chem.,2012,22,14639.に記載の方法により合成した。もう一方のモノマーである中間体1は特表2008−504379号公報及びJ.Polym.Sci.PartA:Polym.Chem.,2013,51,424.を参考に、下記スキームX1に示す合成ルートにより合成した。
Figure 2016148169
1,3−ジブロモ−5−(2−オクチルドデシル)−4H−チエノ[3,4−c]ピロール−4,6(5H)−ジオン(296mg、500μmol)、中間体1(485mg、500μmol)、トリ(o−トリル)ホスフィン(30.4mg,100μmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(22.9mg,25μmol)、脱水トルエン(25mL)を混合し、窒素雰囲気下、100℃で60時間撹拌した。反応液を室温まで冷却した後、メタノール(480mL)/濃塩酸(20mL)混合液に注ぎ、2時間撹拌した。析出物をろ過、メタノール洗浄した後、メタノール、アセトン、ジクロロメタンで順次ソックスレー抽出し、可溶性の不純物を取り除いた。続いて、ジクロロベンゼンでソックスレー抽出し、得られた溶液を減圧濃縮した後、メタノールを添加し、析出した固形分をろ過、メタノール洗浄し80℃で12時間真空乾燥することで化合物1を344mg得た(収率64%)。
ポリスチレン換算の数平均分子量は2.5×104であり、重量平均分子量は4.7×104であった。
Figure 2016148169
〔化合物7の合成〕
モノマーである中間体2は、Tetrahedron,2010,66,3173.及びOrganic Electronics,2011,12,993.を参考に、スキームX2に示す合成ルートにより合成した。
Figure 2016148169
合成中間体2(244mg、200μmol)、5,5’−ビス(トリメチルスタンニル)−2,2’−ビチオフェン(98.4mg、200μmol)、トリ(o−トリル)ホスフィン(4.9mg、16μmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(3.7mg、4μmol)、脱水クロロベンゼン(17mL)を混合し、窒素雰囲気下、130℃で24時間撹拌した。反応液を室温まで冷却した後、メタノール(240mL)/濃塩酸(10mL)混合液に注ぎ、2時間撹拌した。析出物をろ過、メタノール洗浄した後、メタノール、アセトン、酢酸エチルで順次ソックスレー抽出し、可溶性の不純物を取り除いた。続いて、クロロホルムでソックスレー抽出し、得られた溶液を減圧濃縮した後、メタノールを添加し、析出した固形分をろ過、メタノール洗浄し80℃で12時間真空乾燥することで化合物7を201mg得た(収率82%)。
ポリスチレン換算の数平均分子量は4.4×104であり、重量平均分子量は1.1×105であった。
Figure 2016148169
〔化合物19の合成〕
モノマーである中間体3はスキームX3に示す合成ルートにより合成した。
−中間体3の合成−
加熱して活性化したモルキュラーシーブス4Å(10g)、ジクロロメタン(150mL)、N−メチルモルホリン−N−オキシド(15g、131mmol)、過ルテニウム酸テトラプロピルアンモニウム(1.85g、5.3mmol)を窒素雰囲気下で混合した溶液に対し、発熱に注意しながら6−ヘプテン−1−オール(10g、88mmol)/ジクロロメタン(50mL)を滴下し、室温で30分撹拌した。反応溶液をセライトとシリカゲル上をろ過し、減圧濃縮することで中間体3を7g得た(収率71%)。
−中間体4の合成−
中間体3(5g、45mmol)、テトラヒドロフラン(55mL)を窒素雰囲気下で混合し、0℃まで冷却し、ドデシルマグネシウムブロミドのエーテル溶液(48mL,48mmol)を滴下した。反応溶液を室温まで昇温し、3時間撹拌した。水を加えて、グリニャール試薬を失活させた後、ヘキサンで抽出した。有機層を硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ろ過し、減圧濃縮した。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶出液:ヘキサン〜ヘキサン:酢酸エチル=9:1)に供することで精製し、中間体4を8.8g得た(収率70%)。
−中間体5の合成−
中間体4(5g、18mmol)、THF(40mL)を窒素雰囲気下で混合した。反応溶液を0℃まで冷却し、水素化ナトリウム60%(743mg,18mmol)を加えた。室温まで昇温し、1時間撹拌した後、1−ヨードノナン(4.95g、19mmol)を加え、反応溶液を加熱還流させ、更に1時間撹拌した。反応溶液を室温まで冷却し、水を加え、ヘキサンで抽出した。
有機層を25質量%食塩水で洗浄した後、硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ろ過紙、減圧濃縮した。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶出液:ヘキサン〜ヘキサン:酢酸エチル=9:1)に供することで精製し、中間体5を2.5g得た(収率35%)。
中間体6から中間体9までの合成は中間体2と同様の方法により行った。
Figure 2016148169
合成中間体9(255mg、200μmol)、5,5’−ビス(トリメチルスタンニル)−2,2’−ビチオフェン(98.4mg、200μmol)、トリ(o−トリル)ホスフィン(4.9mg、16μmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(3.7mg、4μmol)、脱水クロロベンゼン(17mL)を混合し、窒素雰囲気下、130℃で24時間撹拌した。反応液を室温まで冷却した後、メタノール(240mL)/濃塩酸(10mL)混合液に注ぎ、2時間撹拌した。析出物をろ過、メタノール洗浄した後、メタノール、アセトン、酢酸エチルで順次ソックスレー抽出し、可溶性の不純物を取り除いた。続いて、クロロホルムでソックスレー抽出し、得られた溶液を減圧濃縮した後、メタノールを添加し、析出した固形分をろ過、メタノール洗浄し80℃で12時間真空乾燥することで化合物19を201mg得た(収率82%)。
ポリスチレン換算の数平均分子量は2.7×104であり、重量平均分子量は7.5×104であった。
Figure 2016148169
比較化合物1は特表2010−527327号公報、比較化合物2は特表2007−516315号公報、比較化合物3は国際公開第2013/047858号、比較化合物4は特開2009−158921号公報、比較化合物5はMacromolecules,2013,46,6408.、比較化合物6はJournal of Physical Chemistry C,2014,118,11536.、比較化合物7は特開2008−153667号公報、比較化合物8は特開2012−251129号公報、比較化合物9は特表2012−506928号公報に記載の化合物である。比較化合物10はAdvanced Materials、2014、24、3734−3744に記載の合成法を参考に合成した。
<有機半導体組成物の調製>
表1に記載の有機半導体化合物(0.20質量%)/1,2−ジクロロベンゼンを硝子バイヤルに秤量し、ミックスローター(アズワン(株)製)で80℃24時間撹拌混合した後、0.5μmメンブレンフィルターでろ過することで、有機半導体塗布液を得た。
<TFT素子作製>
ガラス基板(イーグルXG:コーニング社製)上に、ゲート電極となるAlを蒸着した(厚み:50nm)。その上にゲート絶縁膜形成用組成物(ポリビニルフェノール/2、4、6、−トリス[ビス(メトキシメチル)アミノ]−1、3、5、−トリアジン=1質量部/1質量部(w/w)のPGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)溶液(固形分濃度:2質量%))をスピンコートし、150℃で60分間ベークを行うことで膜厚400nmのゲート絶縁膜を形成した。その上に銀インク(H−1、三菱マテリアル(株)製)をインクジェット装置DMP−2831(富士フイルムダイマティクス社製)を用いてソース電極及びドレイン電極状(チャネル長40μm、チャネル幅200μm)に描画した。その後オーブンにて180℃、30分ベークを行い、焼結して、ソース電極及びドレイン電極を形成することでTFT特性評価用素子基板を得た。
窒素グローブボックス中で、TFT特性評価用素子基板の上に各有機半導体塗布液をスピンコート(500rpm10秒間の後1,000rpm30秒間)した後、ホットプレート上で180℃10分間乾燥することで有機半導体層を形成し、ボトムゲートボトムコンタクト型の有機TFT素子を得た。
<特性評価>
半導体特性評価装置B2900A(アジレントテクノロジーズ社製)を用い、大気下で以下の性能評価を行った。
(a)キャリア移動度、(b)移動度バラツキ
各有機TFT素子のソース電極−ドレイン電極間に−60Vの電圧を印加し、ゲート電圧を+10V〜−60Vの範囲で変化させ、ドレイン電流Idを表わす下記式を用いてキャリア移動度μを算出した。
d=(w/2L)μCi(Vg−Vth2
式中、Lはゲート長、wはゲート幅、Ciは絶縁膜の単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、Vthは閾値電圧を表す。
表1中に示すキャリア移動度の値は、10素子の平均値である。キャリア移動度μは高いほど好ましく、実用上は1.0×10-2cm2/V・s以上であることが好ましく、1.0×10-1cm2/V・s以上であることが更に好ましい。なお、移動度が1.0×10-5cm2/V・sを下回るものに関しては特性が低すぎるため、以下の評価は行わず、表のキャリア移動度の欄には「<1.0×10-5」と記載した。
また、10素子のキャリア移動度に対して以下の式で計算した変異係数を、以下の4段階で評価し、移動度バラツキの指標として用いた。この値は小さいほど素子間の移動度バラツキが小さいことを示す。実用上、A又はBであることが好ましく、Aであることがより好ましい。
変異係数=標準偏差÷平均値×100
<評価基準>
A:15%未満
B:15%以上30%未満
C:30%以上50%未満
D:50%以上
(c)高温高湿下での経時安定性
作製した各有機薄膜トランジスタ素子を、60℃、湿度80%下で24時間保管した後、上記「(a)キャリア移動度」と同様の方法によりキャリア移動度を測定した場合のキャリア移動度維持率(下記式)を以下の5段階で評価し、高温高湿下での経時安定性の指標とした。この値が大きいほど高温高湿下での経時安定性が高く、実用上、A又はBであることが好ましい。
高温高湿下保管後のキャリア移動度維持率(%)=キャリア移動度(高温高湿下保管後)/キャリア移動度(高温高湿下保管前)×100
A:90%以上
B:75%以上90%未満
C:50%以上75%未満
D:25%以上50%未満
E:25%未満
Figure 2016148169
表1の記載から、実施例の有機TFT素子は、高移動度であり、移動度のバラツキが抑制され、高温高湿下での経時安定性に優れることがわかる。
一方、式1−1で表される基を有さないポリマーは課題である高移動度、移動度のバラツキ抑制、高温高湿下での経時安定性の項目を全て満足することはできなかった。
(実施例24〜41)
有機半導体化合物7(0.20質量%)と表2に記載の絶縁性ポリマー(0.10質量%)/1,2−ジクロロベンゼンを硝子バイヤルに秤量し、ミックスローター(アズワン(株)製)で80℃24時間撹拌混合した後、0.5μmメンブレンフィルターでろ過することで、有機半導体塗布液を得た。実施例1と同様の方法で有機TFT素子を得た。
以下実施例1と同様の方法により、キャリア移動度及び、高温多湿下での経時安定性を評価した。
表2に示した相対移動度は、得られた各有機TFT素子のキャリア移動度を実施例7のキャリア移動度で除した相対値であり、下記式により計算した値である。
実施例24〜41の相対移動度=各実施例の平均移動度/実施例7の平均移動度(=1.05)
なお、各実施例における高温多湿下での経時安定性は実施例7と同様の結果であった。
Figure 2016148169
表2に記載の略語の詳細は下記の通りである。
In−1−1:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.A−1000)、Mw:1,000、Mw/Mn:1.13
In−1−2:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.A−2500)、Mw:2,500、Mw/Mn:1.05
In−1−3:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−2)、Mw:18,100、Mw/Mn:1.01
In−1−4:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−4)、Mw:37,200、Mw/Mn:1.01
In−1−5:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−10)、Mw:98,900、Mw/Mn:1.01
In−1−6:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−20)、Mw:189,000、Mw/Mn:1.04
In−1−7:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−40)、Mw:397,000、Mw/Mn:1.02
In−1−8:ポリスチレン、東ソー(株)製(カタログNo.F−128)、Mw:1,110,000、Mw/Mn:1.08
In−1−9:ポリスチレン、ポリマーソース社製(カタログNo.P10453−S)、Mw:93,000、Mw/Mn:1.05
In−1−10:ポリスチレン、ポリマーソース社製(カタログNo.P8713−S)、Mw:90,000、Mw/Mn:1.45
In−1−11:ポリスチレン、ポリマーソース社製(カタログNo.P15004−S)、Mw:103,000、Mw/Mn:2.5
In−2:ポリ−α−メチルスチレン、ポリマーソース社製(カタログNo.P74−MeS)、Mn:32,300、Mw/Mn:1.02
In−3:ポリ(4−t−ブチルスチレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P1579−4tBuS)、Mn:40,600、Mw/Mn:1.03
In−4:ポリ(4−メチルスチレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P1346−4MeS)、Mn:40,500、Mw/Mn:1.06
In−5:ポリ(4−メトキシスチレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P18292−4MeOS)、Mn:39,000、Mw/Mn:1.40
In−6:ポリ(4−ヒドロキシスチレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P4404−4HOS)、Mn:6,500、Mw/Mn:1.15
In−7:ポリ(4−アセトキシスチレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P5509−4AcS)、Mn:30,500、Mw/Mn:1.70
In−8:ポリ(2−ビニルナフタレン)、ポリマーソース社製(カタログNo.P10992A−2VN)、Mn:38,000、Mw/Mn:1.38
以上の結果から、ポリスチレン誘導体の中でもポリスチレンとの組み合わせが良好であった。更に分子量は1,000〜20万が特に良好であった。また、分散度については1.5未満が特に良好であった。
(実施例42〜45)
<TFT素子作製>
ガラス基板(イーグルXG:コーニング社製)上に、ゲート電極となるAlを蒸着した(厚み:50nm)。その上にゲート絶縁膜形成用組成物(ポリビニルフェノール/2、4、6、−トリス[ビス(メトキシメチル)アミノ]−1、3、5、−トリアジン=1質量部/1質量部(w/w)のPGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)溶液(固形分濃度:2質量%))をスピンコートし、150℃で60分間ベークを行うことで膜厚400nmのゲート絶縁膜を形成した。続いて、表3の表面エネルギーになるようにUV(紫外線)/オゾン処理(Jelight社製、UVO−CLEANER Model No.42)を行った。その後の工程は実施例27と同様の方法により有機TFT素子を作製した。
以下実施例1と同様の方法により、キャリア移動度、移動度バラツキ及び、高温多湿下での経時安定性を評価した。
表3に示した相対移動度は、得られた各有機TFT素子のキャリア移動度を実施例27のキャリア移動度で除した相対値であり、下記式により計算した値である。
実施例42〜45の相対移動度=各実施例の平均移動度/実施例27の平均移動度
なお、各実施例における移動度バラツキ、高温多湿下での経時安定性は実施例7と同様の結果であった。
Figure 2016148169
(実施例46〜49)
ガラス基板(イーグルXG:コーニング社製)上に、ゲート電極となるAlを蒸着した(厚み:50nm)。その上にゲート絶縁膜形成用組成物(ポリ(スチレン−co−メチルメタクリラート)/ペンタエリスリトールテトラアクリレート/1、2−オクタンジオン、1−[4−(フェニルチオ)−2−(O−ベンゾイルオキシム)]=1質量部/1質量部/0.01質量部(w/w)のPGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)溶液(固形分濃度:2質量%))をスピンコートし、110℃で5分間プリベークを行った後、露光(365nm、100mJ/cm2)し、200℃で60分ポストベークすることで膜厚400nmのゲート絶縁膜を形成した。続いて、表4の表面エネルギーになるようにUV(紫外線)/オゾン処理(Jelight社製、UVO−CLEANER Model No.42)を行った。その後の工程は実施例27と同様の方法で有機TFT素子を作製した。
以下実施例1と同様の方法により、キャリア移動度、移動度バラツキ及び、高温多湿下での経時安定性を評価した。
表4に示した相対移動度は、得られた各有機TFT素子のキャリア移動度を実施例27のキャリア移動度で除した相対値であり、下記式により計算した値である。
実施例46〜49の相対移動度=各実施例の平均移動度/実施例27の平均移動度
なお、各実施例における移動度バラツキ、高温多湿下での経時安定性は実施例7と同様の結果であった。
Figure 2016148169
表3と表4の結果から、式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する本発明の有機半導体組成物を塗布する際、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜を使用すると移動度が顕著に向上することがわかる。
10:基板、20:ゲート電極、30:ゲート絶縁膜、40:ソース電極、42:ドレイン電極、50:有機半導体膜、60:封止層、100、200:有機薄膜トランジスタ

Claims (20)

  1. 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物を含有する有機半導体層を有することを特徴とする
    有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1により表される一価の基を少なくとも1つ有する。
    Figure 2016148169
    式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
  2. 前記式1−1により表される一価の基が、下記式1−2又は式1−3により表される一価の基である、請求項1に記載の有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式1−2、及び、式1−3中、mは1以上の整数であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、Raは置換基を有さない炭素数aのアルキル基であり、Rbは置換基を有さない炭素数bのアルキル基であり、6≦m+n≦50、又は、6≦m+a+b≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
  3. 式1において、Aが下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有する、請求項1又は2に記載の有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
  4. 式1において、Dが式D−1で表される構造である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
  5. 前記式1で表される構成繰り返し単位が、式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式2〜式5中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表す。
  6. 前記有機半導体層が、下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機半導体素子。
    Figure 2016148169
    式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す。
  7. 表面エネルギーが50〜75mNm-1であるゲート絶縁膜を更に含む、請求項6に記載の有機半導体素子。
  8. 有機薄膜トランジスタである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機半導体素子。
  9. 式1で表される構成繰り返し単位を有し、分子量が2,000以上であることを特徴とする
    化合物。
    Figure 2016148169
    式1中、Aは下記式A−1〜式A−12で表される構造よりなる群から選ばれた少なくとも1つの構造を部分構造として有する電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1により表される一価の基を少なくとも1つ有する。
    Figure 2016148169
    式A−1〜式A−12中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、Wはそれぞれ独立に、C(RA22、NRA1、N原子、CRA2、O原子、S原子、又はSe原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
    Figure 2016148169
    式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
  10. 式1において、Dが式D−1で表される構造である、請求項9に記載の化合物。
    Figure 2016148169
    式D−1中、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表し、*はそれぞれ独立に、他の構造との結合部位を表す。
  11. 前記式1で表される構成繰り返し単位が、式2〜式5のいずれかで表される構成繰り返し単位である、請求項9又は10に記載の化合物。
    Figure 2016148169
    式2〜式5中、Xはそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子又はNRA1を表し、Yはそれぞれ独立に、O原子又はS原子を表し、Zaはそれぞれ独立に、CRA2又はN原子を表し、RA1はそれぞれ独立に、アルキル基、式1−1で表される一価の基、又は、他の構造との結合部位を表し、RA2はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、又は、他の構造との結合部位を表し、X’はそれぞれ独立に、O原子、S原子、Se原子、又は、NRD1を表し、Zdはそれぞれ独立に、N原子又はCRD2を表し、RD1はそれぞれ独立に、一価の有機基を表し、RD2はそれぞれ独立に、水素原子又は一価の有機基を表し、Mは単結合、二価の芳香族複素環基、二価の芳香族炭化水素基、アルケニレン基、アルキニレン基、又は、これらを組み合わせてなる二価の基を表し、p及びqはそれぞれ独立に、0〜4の整数を表す。
  12. 有機半導体化合物である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の化合物。
  13. 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物と、
    溶媒と、を含むことを特徴とする
    有機半導体組成物。
    Figure 2016148169
    式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する。
    Figure 2016148169
    式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
  14. 下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、請求項13に記載の有機半導体組成物。
    Figure 2016148169
    式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す。
  15. 式1で表される構成繰り返し単位を有する、分子量2,000以上の化合物を含むことを特徴とする
    有機半導体膜。
    Figure 2016148169
    式1中、Aはsp2窒素原子、カルボニル基、及び、チオカルボニル基のうち少なくとも1つを環構造内に有する部分構造を含む電子アクセプターユニット、Dは少なくとも1つのN原子、O原子、S原子、若しくはSe原子を環構造内に有する二価の芳香族複素環基、又は2環以上の縮環構造からなる二価の芳香族炭化水素基を部分構造として含む電子ドナーユニットであり、D及び/又はAは式1−1で表される一価の基を少なくとも1つ有する。
    Figure 2016148169
    式1−1中、Lは直鎖状又は分岐鎖状の炭素数mのアルキレン基であり、Rは置換基を有さない炭素数nのアルキル基であり、6≦m+n≦50であり、*は他の構造との結合部位を表す。
  16. 下記式I−1で表される構成単位を含む絶縁性ポリマーを更に含有する、請求項15に記載の有機半導体膜。
    Figure 2016148169
    式I−1中、R22〜R26はそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシ基、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アラルキル基、又は、ハロゲン原子を表し、R22〜R26のうち隣り合う2つは互いに連結して環を形成してもよく、R21は水素原子又はアルキル基を表す。
  17. 請求項13又は14に記載の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体膜の製造方法。
  18. 請求項14に記載の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体膜の製造方法。
  19. 請求項13又は14に記載の有機半導体組成物を基板上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体素子の製造方法。
  20. 請求項14に記載の有機半導体組成物を、表面エネルギーが50〜75mNm-1以下であるゲート絶縁膜上に塗布する塗布工程を含む、有機半導体素子の製造方法。
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