(57)【要約】半導体本体を形成するための方法であって、この方法は、有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および前記半導体材料を前記結合剤材料から少なくとも部分的に分離させるように前記結合剤材料を結晶化させる工程を具備する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体本体を形成するための方法であって、
有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および
前記半導体材料を前記結合剤材料から少なくとも部分的に分離させるように、前記結合剤材料を結晶化させる工程、
を具備する方法。
【請求項２】
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、前記結合剤を結晶化させる工程の前に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、前記半導体材料を結晶化させる工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記結合剤材料を結晶化させる工程は、前記混合物の温度を下げる工程を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記有機半導体材料は半導体ポリマーである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記結合剤材料は半結晶性ポリマーである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記有機半導体ポリマーは前記ポリマー結合剤とブロックコポリマーを形成する、請求項５に従属する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記結合剤材料は半導体性である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記混合物は溶媒を含んでおり、前記方法は、さらに、前記結合剤材料を結晶化させる工程の前に前記溶媒を除去する工程を具備する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶媒を除去する工程は、前記半導体材料を固化させる工程の前に行われる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記有機半導体は、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記有機半導体は、α−クウォーターチオフェン（４Ｔ）である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記結合剤は、イソタクチックポリスチレン（ｉ−ＰＳ）である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記結合剤は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
半導体本体を形成するための方法であって、
有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および
前記結合剤材料と隣接の媒体との界面で前記半導体材料を濃縮させるように、前記結合剤材料を結晶化させる工程、
を具備する方法。
【請求項１６】
前記結合剤材料の界面は、結合剤材料の隣接し合う層間の界面を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
半導体本体を形成するための方法であって、
有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、および
前記半導体材料を前記結合剤材料から分離させるように、前記結合剤材料を合体させる工程、
を具備する方法。
【請求項１８】
さらに、前記結合剤材料を合体させる工程の前に、前記半導体材料を固化させる工程を具備する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記半導体材料を固化させる工程は、前記半導体材料を結晶化させる工程を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記結合剤材料を合体させる工程は、前記混合物の温度を下げる工程を含む、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記分離された半導体材料および結合剤材料は層状構造を形成する、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
さらに、前記有機半導体材料と前記結合剤材料との混合物を基板上に蒸着する工程を具備する、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記結合剤材料を合体させる工程は、前記結合剤材料を結晶化させる工程を含む、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
半導体本体を備える電子デバイスであって、前記半導体本体は、
有機半導体材料と、
結晶性結合剤材料とを含む、
電子デバイス。
【請求項２５】
前記有機半導体材料は、前記半導体本体と隣接の媒体との界面で主に濃縮される、請求項２４に記載の電子デバイス。
【請求項２６】
前記半導体本体は相分離される、請求項２４または２５に記載の電子デバイス。
【請求項２７】
前記結晶性結合剤材料は誘電体である、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項２８】
前記結晶性結合剤材料は半導体または伝導体である、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項２９】
前記有機半導体材料は半結晶性ポリマーである、請求項２４〜２８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記結晶性結合剤材料は半結晶性ポリマーである、請求項２４〜２９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記有機半導体材料は、前記結晶性結合剤材料よりも高い融点を持つ、請求項２４〜３０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記結晶性結合剤材料は球状の微細構造を示す、請求項２４〜３１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記半導体本体における前記有機半導体材料の濃度は５０重量％未満である、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記半導体本体における前記有機半導体材料の濃度は２０重量％未満である、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記半導体本体における前記有機半導体材料の濃度は１０重量％未満である、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記半導体本体は幾何学的な面を定義し、前記有機半導体材料はラメラ構造を持ち、前記ラメラ構造は概して前記面に存在するように配向される、請求項２４〜３５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記有機半導体は、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）である、請求項２４〜３６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記有機半導体は、α−クウォーターチオフェン（４Ｔ）である、請求項２４〜３６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記結合剤は、イソタクチックポリスチレン（ｉ−ＰＳ）である、請求項２４〜３８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４０】
前記半結晶性ポリマーは、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）である、請求項２４〜３９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４１】
前記デバイスはトランジスタである、請求項２４〜４０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記半導体本体と隣接の媒体との界面で濃縮される前記有機半導体材料は、前記トランジスタのソース電極から前記トランジスタのドレイン電極まで前記有機半導体材料を通って電荷輸送のための連続的な経路を構成する、請求項２５に従属する請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記デバイスはダイオードである、請求項２４〜４１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記デバイスは光起電ダイオードである、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
結合剤および有機半導体材料を含む半導体層であって、前記有機半導体材料はラメラ区域内に濃縮され、前記ラメラ区域は前記結合剤から分離し前記層の面に概して存在するように配向される、半導体層。
【請求項４６】
有機半導体材料および半結晶性ポリマー結合剤を含むプラスチック基板。
【請求項４７】
前記基板における前記有機半導体材料の濃度は５０重量％未満である、請求項４６に記載のプラスチック基板。
【請求項４８】
前記基板における前記有機半導体材料の濃度は２０重量％未満である、請求項４６に記載のプラスチック基板。
【請求項４９】
前記基板における前記有機半導体材料の濃度は１０重量％未満である、請求項４６に記載のプラスチック基板。
【請求項５０】
前記有機半導体材料は半導体ポリマーである、請求項４６〜４９のいずれか１項に記載のプラスチック基板。
【請求項５１】
前記基板はフレキシブルである、請求項４６〜５０のいずれか１項に記載のプラスチック基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配合ポリマー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
共役ポリマー半導体は溶液から加工でき、このことにより、かかる材料が広範囲の印刷技術に適合できるようになり、軽量で柔軟な基板上に電子デバイスを低費用で製造することが可能となる。溶液加工の特に魅力的な特徴は、数種類のポリマー成分の混合物からなる、意図された特性を持つ新規の材料を簡単に形成できることである。組成物および加工条件を賢明に選択することで、適切な共溶媒から蒸着されるポリマーブレンドの形態を注意深く制御することにより、得られる膜の機械的、光学的、および電子的特性を、単一成分系と比べて改善できることがしばしばある（非特許文献１及び非特許文献２）。場合によっては、例えば特定の印刷工程のためのインクレオロジー要件を満たすために、適切な結合剤ポリマーの添加が不可欠でさえある（非特許文献３）。ポリマー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の場合、結合剤の使用は大きな課題である。なぜなら、２成分活性層では、電荷輸送が２成分のうちの一方で優先的に発生する傾向があり、例えば、最も低いイオン化電位を持つ成分中に正孔電荷担体が優先的に局在し、第２の半導体性または誘電体性成分の存在が装置性能を劣化させる傾向があるからである。このことはいくつかの系で観察されてきた。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）とポリスチレン（ＰＳ）の混合物では、Ｐ３ＨＴの比率が下がるのに従って、移動度は数桁も下がる（非特許文献４）。Ｐ３ＨＴとＰＳの２成分ブロックコポリマーでは、ＢＣＰ（ブロックコポリマー）全体におけるＰ３ＨＴブロックの含有率が下がると伝導性が著しく低下する（非特許文献５）。ポリマーブレンドの形態は相分離によって制御されるが、かかる相分離は、混合エントロピーが小さい結果として、２つのポリマー間の好ましくないエンタルピー相互作用が小さい場合でさえも生じるものである。ほとんどの条件下では、相分離は被膜の面で横方向に進行する。鉛直方向に層状の形態はあまり一般的ではない（非特許文献６）が、もし活性成分をゲート誘電体との界面へと相分離させることができて電荷輸送のための連続的な経路を作成できるなら、電界効果トランジスタ用途にとって有利であると期待される（非特許文献７）。近年、鉛直方向に層状の形態はスピンコーティング中の中間形態であるが、薄膜の不安定性によって引き起こされて分解し、横方向に相分離した形態となることが報告されている（非特許文献８）。相分離はまたブロックコポリマーの形態も決定するものの、この場合、ナノメートルの規模で発生するにすぎない。文献においてポリマーブレンドおよびブロックコポリマーに関する文献中の研究の多くは、アモルファス−アモルファス系または結晶性−アモルファス系に関するものであった。結合剤が結晶性ポリマーである系についてはほとんど知られていない。従来の（非電気活性の）ポリマーについては、結晶性−結晶性配合物がこれまでに研究され、２つの成分ポリマーの融点に対して加工温度を調整することの効果が検討されている（非特許文献９）。従来の結晶性−結晶性ブロックコポリマーの微細構造もまたこれまでに検討されており、エピタキシーまたは指向性の溶媒結晶化の影響（非特許文献１０）がこれまでに研究されている。
【０００３】
特許文献１には、有機半導体を溶融加工するための方法が記載されている。ポリマーの形状の脱濡れ剤を有機半導体の溶液に混合する。有機半導体は好ましくはルブレン（rubrene）のような小分子半導体であり、融点より高い温度に加熱されると基板から脱濡れする傾向を持つものである。これを脱濡れ剤の存在によって防止する。脱濡れ剤は好ましくはポリスチレンのようなポリマーである。有機半導体の融点を下げ、また蒸着したままの状態にある膜で有機半導体が結晶化するのを防止するため、有機半導体の組成物に第２の物質を添加してもよい。この物質は１％から５０％の組成で存在し、最も好ましくは５−１５％の組成で存在する。有機半導体をさらに希釈すると、電荷輸送特性が劣化する。かかる劣化を回避するための結合剤ポリマーの要件についてはなんら言及されていない。
【０００４】
特許文献２には、有機半導体をポリマー結合剤と混合するための方法が記載されている。ポリマー結合剤の要件は低い誘電定数を持つことである。しかしながら、特許文献２に記載の表から見て取れるように、結合剤は典型的には５０％未満の重量比で組成物中に存在しており、すでにかかる範囲において、純粋な半導体ポリマーと比べて電界効果移動度が大幅に低下することが観察される。この文献には、結合剤を選択する場合の１つの基準は、その誘電定数εが、双極性障害が高まる結果としての移動度の低下を回避するのに十分低い必要があることである（ＰＳに対してε＝２．６）、と記載されている。しかしながら、半導体成分が結合剤によって希釈されている場合に観察される電界効果移動度の劣化を回避するための結合剤ポリマーの要件については何ら言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】WO 2005 104625号
【特許文献２】US 2004/0038459号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Morteani et al., Phys. Rev. Lett. 92, 247402 (2004)
【非特許文献２】Halls et al., Nature 376, 498 (1995)
【非特許文献３】de Gans, Adv. Mat. 16, 203 (2004)
【非特許文献４】Babel, et al. Macromolecules 37, 9835 (2004)
【非特許文献５】Liu, et. al., Angewandte Chemie International Edition 41, 329 (2002)
【非特許文献６】Arias et al., Macromolecules 34, 6005 (2001)
【非特許文献７】Chua, et al., Advanced Materials 16, 1609 (2004)
【非特許文献８】Heriot et al., Nature 4, 782 (2005)
【非特許文献９】Ikehara, et al. Macromolecules 38, 5104 (2005)
【非特許文献１０】Park et al., Polymer 44, 6725 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、結合剤ポリマーを有機半導体組成物に混合する際に一般的に観察される電気性能の劣化を回避することに関する。本発明者は、これを実現するための鍵となる工程が結晶性の結合剤ポリマーを使用することであることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面によれば、半導体本体を形成するための方法が提供され、この方法は、有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および前記半導体材料を結合剤材料から少なくとも部分的に分離させるように前記結合剤材料を結晶化させる工程、を具備する。
【０００９】
好ましくは、半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、結合剤を結晶化させる工程の前に行われる。半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、半導体材料を結晶化させることを含み得る。適切には、結合剤材料を結晶化させる工程は、混合物の温度を下げることを含む。
【００１０】
好ましくは、有機半導体材料は半導体ポリマーである。好ましくは、結合剤材料は半結晶性ポリマーである。有機半導体ポリマーはポリマー結合剤とブロックコポリマーを形成し得る。結合剤材料は半導体性であり得る。
【００１１】
好ましくは、混合物は溶媒を含んでおり、前記方法は、結合剤材料を結晶化させる工程の前に溶媒を除去する工程をさらに具備する。好ましくは、溶媒を除去する工程は、半導体材料を固化させる工程の前に行われる。
【００１２】
有機半導体はポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）またはα−クウォーターチオフェン（quaterthiophene）（４Ｔ）であり得る。結合剤はイソタクチックポリスチレン（ｉ−ＰＳ）または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）であり得る。
【００１３】
本発明の第２の側面によれば、半導体本体を形成するための方法が提供され、この方法は、有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および前記結合剤材料と隣接の媒体との界面で半導体材料を濃縮させるように前記結合剤材料を結晶化させる工程、を具備する。
【００１４】
結合剤材料の界面は、結合剤材料の隣接し合う層間の界面を含み得る。
【００１５】
本発明の第３の側面によれば、半導体本体を形成するための方法が提供され、この方法は、有機半導体材料と結合剤材料の混合物を形成する工程、および前記半導体材料を前記結合剤材料から分離させるように前記結合剤材料を合体させる工程、を具備する。
【００１６】
好ましくは、半導体材料を固化させる工程は、結合剤材料を合体させる工程の前に行われる。好ましくは、半導体材料を固化させる工程は、半導体材料を結晶化させることを含む。
【００１７】
適切には、結合剤材料を合体させる工程は、混合物の温度を下げることを含む。分離された半導体材料および結合剤材料は層状構造を形成し得る。
【００１８】
好ましくは、有機半導体材料と結合剤材料の混合物は基板上に蒸着される。好ましくは、結合剤材料を合体させる工程は、結合剤材料を結晶化させることを含む。
【００１９】
本発明の第４の側面によれば、半導体本体を備える電子デバイスが提供され、この本体は、有機半導体材料、結晶性結合剤材料を含む。
【００２０】
好ましくは、有機半導体材料は半導体本体と隣接の媒体との界面で主に濃縮される。半導体本体は相分離され得る。
【００２１】
結晶性結合剤材料は誘電体、半導体、または伝導体であり得る。有機半導体材料は半結晶性ポリマーであり得る。結晶性結合剤材料は半結晶性ポリマーであり得る。
【００２２】
適切には、有機半導体材料は、結晶性結合剤材料よりも高い融点を持つ。
【００２３】
結晶性結合剤材料は球状の微細構造を示し得る。
【００２４】
半導体本体における有機半導体材料の濃度は、１０、２０、３０、４０、または５０重量％未満であり得る。
【００２５】
好ましくは、半導体本体は幾何学的な面を定義し、有機半導体材料はラメラ構造を持っており、そのラメラ構造は概して前記面に存在するように配向される。
【００２６】
デバイスは、トランジスタ、ダイオード、または光起電ダイオードであり得る。
【００２７】
好ましくは、半導体本体と隣接の媒体との界面で濃縮される有機半導体材料は、トランジスタのソース電極からトランジスタのドレイン電極まで有機半導体材料を通って電荷が輸送されるための連続的な経路を構成する。
【００２８】
本発明の第５の側面によれば、結合剤および有機半導体材料を含む半導体層が提供され、前記有機半導体材料はラメラ区域内に濃縮され、前記ラメラ区域は前記結合剤から分離し、前記層の面に概して存在するように配向される。
【００２９】
本発明の第６の側面によれば、有機半導体材料および半結晶性ポリマー結合剤を含むプラスチック基板が提供される。
【００３０】
基板内の有機半導体材料の濃度は、１０、２０、３０、４０、または５０重量％未満であり得る。有機半導体材料は半導体ポリマーであり得る。好ましくは、基板はフレキシブルであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、（ａ）は、１０重量％のポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）：イソタクチックポリスチレン（ｉ−ＰＳ）配合物について、Ｖｄｓ＝−６０Ｖで測定された転移特性、および同じ条件下で加工された、１０％Ｐ３ＨＴ：アタクチックポリスチレン（ａ−ＰＳ）配合物について、Ｖｄｓ＝−６０Ｖで測定された転移特性を示し、（ｂ）は、１０重量％のＰ３ＨＴ：ｉ−ＰＳ配合物の出力特性を示している。
【００３２】
【図２】図２は、Ｐ３ＨＴ：ｉ−ＰＳ（ｉ−ＰＳはＭｗ４００，０００）、およびＰ３ＨＴ：ａ−ＰＳ（ａ−ＰＳはＭｗ４００，０００）の配合物におけるＰ３ＨＴ濃度の関数としての移動度を示している。
【００３３】
【図３】図３は、Ｐ３ＨＴ／ｉ−ＰＳ配合物（上）およびＰ３ＨＴ／ａ−ＰＳ配合物（下）の広角Ｘ線散乱（ＷＡＸＳ）撮像を示している。
【００３４】
【図４】図４は、Ｐ３ＨＴと高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）（Ｍｎ５１，０００、Ｍｗ２２１，０００）、低密度ＰＥ（ＬＤＰＥ）（Ｍｎ２０，０００、Ｍｗ２００，０００）、および超低密度ＰＥ（ＵＬＤＰＥ）との配合物におけるＰ３ＨＴ濃度の関数としての移動度を示している。
【００３５】
【図５】図５は、（ａ）は、冷却測定におけるＤＳＣピーク温度および光学顕微鏡法から推定された、Ｐ３ＨＴとＨＤＰＥとの配合物の２元非平衡組成−温度図を示している。黒丸：ＤＳＣによって得られたＨＤＰＥ（Ｍｎ５１，０００、Ｍｗ２２１，０００）。黒三角：ＤＳＣによって得られたＰ３ＨＴ（Ｍｎ１４，０００、Ｍｗ２２，０００）。白丸：光学顕微鏡法によって得られたＨＤＰＥ（Ｍｎ２１，０００、Ｍｗ９１，０００）。白三角：光学顕微鏡法によって得られたＰ３ＨＴ（Ｍｎ１４，０００、Ｍｗ２２，０００）。（ｂ）は、１０μｍＨＤＰＥ薄膜（Ｍｎ１０，０００、Ｍｗ１０，０００）の、交差偏光子の下での光学顕微鏡像、および（ｃ）は、交差偏光子なしでの光学顕微鏡像を示す。中心にはＰ３ＨＴ（Ｍｎ１４，０００、Ｍｗ２２，０００）の粒子があり（右側）、そこからＰ３ＨＴを２５０℃で３０分間拡散させている。
【００３６】
【図６】図６は、Ｐ３ＨＴをまず最初に結晶化させるという条件下で加工されたＰ３ＨＴ−ＰＥ配合物の斜入射Ｘ線回折（ＧＩＸＤ）走査（点線−面外回折、実線−面内回折）、およびＰＥをまず最初に結晶化させるという条件下で加工されたＰ３ＨＴ−ＰＥ配合物の面内回折を示している。主なＰＥ反射（Ｑ＝１．５２Å−１の１１０、Ｑ＝１．６９Å−１の２００、およびＱ＝２．１１Å−１のより弱い２１０）を星印で表している。
【００３７】
【図７】図７は、Ｐ３ＨＴ：ＨＤＰＥ配合物のラザフォード後方拡散スペクトルを示している。ＯおよびＳからの１７０°における４Ｈｅ＋の最大反跳エネルギーを元素のマーカーで示す。Ｐ３ＨＴをまず最初に結晶化させた高移動度膜で得られる大きなピークはＰ３ＨＴの表面分離を示しており、ＰＥをまず最初に結晶化させるという条件下で加工された同じ材料にはないものである。挿入図：厚み４ｍｍの１０重量％Ｐ３ＨＴ：ＨＤＰＥ配合膜の断面写真。
【００３８】
【図８】図８は、１２０℃でキシレンから蒸着され、１４０℃まで加熱され、そして室温に冷却された膜について、移動度対温度を示している。×印：純粋なＰ３ＨＴ、白三角：Ｐ３ＨＴ：ＰＥ（５：９５）配合物、黒三角：Ｐ３ＨＴ：ＰＥ（１：９）。
【００３９】
【図９】図９は、Ｐ３ＨＴおよびＨＤＰＥの２成分ブロックコポリマーにおけるＰ３ＨＴ濃度の関数としての移動度を示している。
【００４０】
【図１０】図１０は、１０−９０ Ｐ３ＨＴ−ＰＥおよびキシレンの２元非平衡組成−温度図を示している。概略的な加工経路を、Ｉは青色の、ＩＩは赤色の矢印で表しており、両者とも、キシレン中のＰ３ＨＴ−ＰＥ希釈液であるＬから始まり、ＳＰＥブロック＋ＳＰ３ＨＴブロックで終わっている。結晶化温度は示差走査熱量測定（ＤＳＣ）冷却サーモグラフ（塗りつぶし符号）におけるピーク温度から推定され、目視で、Ｐ３ＨＴのサーモクロミック特性（半塗りつぶし符号）を導き出している。三角：ＰＥ；  丸：Ｐ３ＨＴ。
【００４１】
【図１１】図１１は、スキームＩ（上）およびＩＩ（下）によってそれぞれ加工されたＰ３ＨＴ−ＰＥブロックコポリマーの光学顕微鏡写真、ＷＡＸＳ、ＧＩＸＤ、ＴＥＭおよびＥＤを示しており、特に記載しない限り、１２５℃以下でキシレン中の均質な０．１重量％溶液から開始している。左側のパネル：１０−９０Ｐ３ＨＴの偏光光学顕微鏡像（左上：キシレン中の非常に希薄な０．０１重量％溶液からの結晶化）、右側のパネル：ＷＡＸＳ（上）およびＧＩＸＤ（下）。
【００４２】
【図１２】図１２は、３５−６５ Ｐ３ＨＴ−ＰＥの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像（左側のパネル）および電子回折（ＥＤ）（右側のパネル）を示している。上側の画像および対応するＥＤは、キシレン中の０．０１重量％溶液から調製されたサンプルから得たものである。
【００４３】
【図１３】図１３は、２つの半固体レジームにおけるコポリマーの概略図を示している。
【００４４】
【図１４】図１４は、出力電界効果トランジスタデバイス性能を示している。ａ：スキームＩおよびＩＩによって加工された１０−９０Ｐ３ＨＴ−ＰＥの薄膜を備えるＦＥＴの特徴。ｂ：スキームＩＩを介して加工されたその他のポリマーの薄膜を備えるＦＥＴの特徴。ＡＦＭの挿入図は、右側のパネル。タッピングモードは１０−９０Ｐ３ＨＴ−ＰＥおよび５−９５ Ｐ３ＨＴ−ＰＥを走査している。
【００４５】
【図１５】図１５ａは、電子スイッチングデバイスの概略図である。図１５ｂは、鉛直方向に層状の二重層構造で製造されたＦＥＴデバイスである。
【００４６】
【図１６】図１６は、光起電力電池に適したデバイス構造を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明の１つの側面によると、本発明者は半導体層を備える電子デバイスを開示する。前記半導体層は、有機半導体および結晶性結合剤を含んでいる。結晶性結合剤を使うことにより、電界効果移動度を全く劣化させることなく、活性ポリマー半導体の濃度を３〜５％またはそれ以下という低い値にまで低くすることができる。本発明において、結合剤という用語は、ただ単に、有機半導体層に混合される成分を指すに過ぎない。その主な役割は、材料の機械的特性、膜形成特性または加工特性を改質することである。そのようなものであるため、結合剤は、半導体層における電荷輸送に直接的には寄与しない誘電体材料であってよい。しかしながら、さらに電気光学機能または半導体機能を結合剤に組み込むことも可能である（例えば、図１６の説明を参照のこと）。好ましくは、結合剤は結晶性ポリマーである。本発明の他の実施形態では、結合剤は、結晶性で溶液加工可能な小分子またはオリゴマー分子である。
【００４８】
好ましくは、有機半導体および結晶性結合剤は半導体層において分離する。
【００４９】
図１５ａは、基板１と、その上に蒸着されパターンニングされているゲート電極とを備える電子スイッチングデバイスの概略図である。その後ゲート誘電体層３が蒸着され、そしてソース−ドレイン電極４がパターンニングされる。その後、デバイスの半導体層が溶液または溶融物から蒸着される。半導体層は有機半導体および結晶性結合剤ポリマーを含む。結合剤の結晶性の性質の結果として、有機半導体層は基板５との界面および表面７へと分離するように駆り立てられ鉛直方向に層状の形態となる。両者の間にある結合剤層６は、低濃度の有機半導体を含み得る、これは例えば、有機半導体が結合剤の溶融相にいくらか混和性があるからである。しかしながら、有機半導体材料はほとんどが膜の表面および界面に分離して、そこでゲート誘電体／半導体界面に沿って電荷輸送の連続的な経路を形成し、たとえ有機半導体が低濃度である場合でも高い移動度をもたらす。このようにすることで、結合剤を有機半導体組成物に混合する際に通常観察されるような電気性能の劣化を回避することができる。
【００５０】
好ましくは、結合剤の結晶度の程度は５％から１００％の間である。
【００５１】
本発明の１つの側面によると、本発明者は半導体層を備える電子デバイスを形成するための方法を開示する。この方法は、有機半導体と、結晶化可能な結合剤とを含む溶液から前記半導体層を蒸着させることを含む。好ましくは、蒸着条件は、結合剤および半導体が半導体層において分離するような条件である。好ましくは、蒸着条件は、結合剤、またはその実質的な割合が、蒸着中および／または蒸着後に結晶化するような条件である。好ましくは、蒸着条件は、有機半導体が、結合剤が結晶化する前に固化するように選択される。これは好ましくは溶媒を除去する際に起こる。その結果、好ましくは半導体層が層状形状に適合することになり、この層状形状は、好ましくは１つ以上の有機半導体の下位層および１つ以上の結合剤の層を備えている。これら下位層は、鉛直方向に区別し得る、すなわち、層が蒸着され得る基板に対してほぼ平行に存在し得るものである。
【００５２】
理論に縛られることを望むものではないが、この方法は、結合剤の強力なエンタルピー結晶化力に基づく、すなわち、結合剤の結晶化の過程で、鉛直方向に層状の形態になるように半導体成分が膜の表面および界面へと追い出される力に基づくものと考えられる。
【００５３】
半導体および結合剤は別個の材料であり得る。あるいは、これらは単一の材料の成分として、例えば、通常の分子のブロックとして構成されてもよい。前記単一の材料は、１つ以上の半導体ブロックまたは成分並びに１つ以上の結合剤ブロックまたは成分を含むポリマーを含み得る。
【００５４】
本発明の１つの側面によると、本発明者は半導体層を備える電子デバイスを開示する。前記半導体層は、活性な半導体の第１のブロックと、半導体または誘電体の第２のブロックとの２成分ブロックコポリマーを含んでおり、前記第２のブロックは結晶性ポリマーである。
【００５５】
図１５ａは、基板１と、その上に蒸着されパターンニングされたゲート電極２とを備える電子スイッチングデバイスの概略図を示している。ゲート誘電体層３がその後蒸着され、ソース−ドレイン電極４がその後パターンニングされる。その後、デバイスの半導体層が溶液からまたは融液から蒸着される。半導体層は、半導体ポリマーブロックおよび結晶性誘電体ブロックを持つ２成分ブロックコポリマーを含む。誘電体ブロックの結晶性の性質の結果として、半導体ブロックは、基板５との界面および表面７へと分離するように駆り立てられて鉛直方向に層状の形態となる。両者の間にあって、誘電体ブロック６に富む層６は、低濃度のポリマー半導体を含む場合があり、特に、（この場合に存在する誘電体との共有結合により）半導体ポリマーがミクロ相分離を行って界面または表面に到達することが可能でないように、膜厚が選択されている場合にそうである。しかしながら、膜の表面および界面に分離することができる半導体ポリマーは、電荷輸送のための連続的な経路をゲート誘電体／半導体界面に沿って形成し、その結果たとえポリマー半導体が低濃度の場合でも高い移動度をもたらす。このようにして、誘電体ブロックの長さが半導体ブロックの長さに対して長くなるため、半導体２成分ブロックコポリマーで一般的に観察される電気性能の劣化を回避することができる。
【００５６】
本発明の１つの側面によると、本発明者は、活性な半導体の第１ブロックと結晶性半導体または誘電体の第２ブロックとの２成分ブロックコポリマーの半導体層を備える電子デバイスを形成するための方法を開示する。前記方法は、２成分ブロックコポリマーを含む溶液から前記半導体層を蒸着することを含む。好ましくは、蒸着条件は、溶媒を除去する際に、第２ブロックが結晶化する前に第１ブロックが固化するように選択される。理論に束縛されることを望まないが、この方法は結合剤の強力なエンタルピー結晶化力に基づく、すなわち、結合剤の結晶化の過程で、鉛直方向に層状の形態になるように半導体成分が膜の表面および界面へと追い出される力に基づくものと考えられる。
【００５７】
本発明の１つの側面によると、本発明者は自立型半導体性の膜、繊維、テープ、およびその他の物を作るための方法を開示する。前記自立型半導体膜、繊維、テープ、およびその他の物は、有機半導体および結晶性結合剤を含む。
【００５８】
結晶性−結晶性ポリマー配合物およびブロックコポリマーを使用することにより、機能性ポリマーの微細構造を制御するための新しい加工方法が可能となり、より少ない費用で高性能の半導体ポリマー膜を実現するためのより大きな柔軟性が得られ、すべてのアプリケーション要件を活性半導体ポリマー自体に設計する必要をなくすことで機械的および電気的特性の改善が可能となる。本発明の方法は、半導体ポリマー配合物において鉛直層状の構造を実現するための新しいアプローチを開拓するものであり、かかる半導体ポリマー配合物は、光起電力電池のようなその他のさまざまな装置用途でも関心の的である。多くの有機系製品の材料費は半導体ポリマーに左右されるため、性能を損なうことなく比較的高価な半導体材料をより安価な汎用ポリマーで希釈することによって、かかる技術は費用削減の大きな潜在的可能性をも提供する。これにより、ポリエチレンのような結合剤ポリマーの優れた機械的特性を利用した、自立型半導体ポリマー基板、繊維、テープ、およびその他の物の使用が可能となる。
【００５９】
本発明の１つの側面によると、半導体本体を形成するための方法が提供される。この方法は、有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程と、半導体材料を結合剤材料から分離させるように結合剤材料を合体させる工程とを具備する。結合剤材料、および結合剤材料を合体させる工程において主流となる条件は、好ましくは例えば、半導体材料が完全にまたは実質的に結合剤材料から分離することがエネルギー的に好都合となる局面を、結合剤材料に取らせるようにすることである。結合剤材料を合体させる工程は、好ましくは、結合剤材料を結晶化させることを含む。本方法は、好ましくは、結合剤材料を合体させる工程の前に、半導体材料を固化させる工程を具備する。混合物はまた溶媒を含んでいてもよい。半導体本体は半導体デバイスの半導体構成部材を形成し得る。
【００６０】
本発明のそれぞれの側面において、有機半導体は２つ以上の有機半導体材料で構成することができる。これらは分離して２つ以上のそのような材料を含む配合相にすることができ、または互いに分離するのみならず結合剤からも分離することができる。結合剤は２つ以上の結合剤材料で構成することができる。これらは分離して２つ以上のそのような材料を含む配合相にすることができ、または互いに分離するのみならず半導体材料からも分離することができる。
【００６１】
それぞれの実施形態において、有機半導体の濃度、または半導体ポリマーの活性状態での濃度は、半導体層または膜、または形成されるその他の形状の半導体構造物に対して、質量または体積比率で、好ましくは２０％未満であり、より好ましくは１０％未満であり、最も好ましくは５％または３％未満である。
【実施例】
【００６２】
実施例１：Ｐ３ＨＴとイソタクチックおよびアタクチックポリスチレンとの配合物
【００６３】
第１の系として、本発明者は、結晶性イソタクチックポリスチレン（ｉ−ＰＳ）とアモルファス性のアタクチックポリスチレン（ａ−ＰＳ）とを直接比較して、ポリスチレンと立体規則性を有するＰ３ＨＴとの配合物を研究した。
【００６４】
Ｐ３ＨＴおよびｉ−ＰＳ（０．１重量％のＰ３ＨＴ、Ｐ３ＨＴのｉ−ＰＳに対する重量比は１：９）の３元配合溶液をトリクロロベンゼン（ＴＣＢ）中で調製した。高温の溶液を、１８０℃で保持されている基板上にドロップキャスティングによって蒸着した。溶媒が蒸発した後、基板を結晶化温度Ｔｃ＝１２０℃までゆっくりと冷却させ、この温度を維持して、サンプルを室温（ＲＴ）に冷却する前にｉ−ＰＳを結晶化させた。Ｐ３ＨＴおよびｉ−ＰＳは同じような融点を持っており（約２４０℃）、これらのポリマーは両者とも室温において希釈液中でＴＣＢに可溶である。ここで使用する条件下では、ｉ−ＰＳの結晶化速度は選択された結晶化温度Ｔｃでは緩慢であるため、Ｐ３ＨＴがまず最初に結晶化する。半導体ポリマーをまず最初に結晶化させる必要性については、以下により詳細に説明する。ａ−ＰＳについては、本発明者は同じ加工条件を使用したが、この場合は、ＰＳはアモルファスのままであった。
【００６５】
斜入射広角度Ｘ線散乱（ＷＡＸＳ）を使用して、膜の微細構造を判断した。データは散乱ベクトルＱ≡４πｓｉｎθ／λの関数として表され、ここでθはブラッグ角であり、λはＸ線波長である。２種類のＰＳ間には微細構造に大きな違いが観察される；ａ−ＰＳは本質的にアモルファスであるが、高結晶性のｉ−ＰＳについてはシャープでより高次の反射が数多く観察される（図３）。デバイ−シェラーリング上の強度分布は本質的に均一であるように見え、ｉ−ＰＳ結晶方位の等方分布に一致している。ａ−ＰＳを含むサンプルでは、Ｐ３ＨＴ１００回折はいくぶん弱く広範囲であり、より高次の回折は観察されない。ｉ−ＰＳでは、特徴的な１００および２００回折ピークはシャープでありはっきりと分解していて、Ｐ３ＨＴがａ−ＰＳサンプル中よりも有意により結晶状態にあることを表している。Ｐ３ＨＴ３００および０２０（「π−スタック」）ピークは、ｉ−ＰＳピークと重なり合っているため、観察することができない。ラメラ積層によるＰ３ＨＴｈ００ピークはより大きな面外強度を示しており、これは共役ラメラが膜の面内で配向していることを表しており、電荷輸送にとって有利な配向である（Sirringhaus et al., Nature 401, 685 (1999)）。
【００６６】
これらの配合膜における電気輸送を、標準的なボトム‐ゲートＦＥＴ構造で研究した。これは、上述の膜加工条件と同じ条件であらかじめパターニングしたＡｕソースおよびドレイン電極（Ｌ＝２０μｍ、Ｗ／Ｌ＝５００）を持つ、加熱したヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）で処理したＳｉ−ＳｉＯ２の上に、配合液をドロップキャスティングすることによって行った。Ｐ３ＨＴ：ａ−ＰＳ（１：９）配合膜の移動度は以前に報告された結果に一致して５・１０−６ｃｍ２／Ｖｓｅｃであった（図１）。Ｐ３ＨＴ：ａ−ＰＳ系における移動度は、以前の結果（Babel, et al. Macromolecules 37, 9835 (2004)）に一致して、Ｐ３ＨＴ濃度の関数としての典型的なパーコレーション挙動を示している（図２）。移動度は、Ｐ３ＨＴ濃度が低下するのに従って単調な減少を示し、すでに３０％の濃度で、移動度は純粋なＰ３ＨＴの移動度を下回る桁となる。下回ると移動度がゼロとなるパーコレーション閾値は１０％未満であるように見える。対照的に、Ｐ３ＨＴ／ｉ−ＰＳはずっと良好な性能を示しており、移動度は、純粋なＰ３ＨＴの移動度に大変近い１・１０−２ｃｍ２／Ｖｓという高い値を、１０％の濃度に至るまで維持し、Ｐ３ＨＴ濃度が５〜１０パーセントを下回った時に急速に低下するのみである。これは、アモルファス結合剤とは対照的に結晶を使用すると、半導体成分の濃度が低い場合でも電荷輸送のための連続的なネットワークを維持するという配合物の能力に劇的な影響を与えることができる明確な証拠である。
【００６７】
実施例２：Ｐ３ＨＴとポリエチレンとの配合物
【００６８】
観察された現象の一般性を証明するために、本発明者はＰ３ＨＴとポリエチレン（ＰＥ）との配合物も検討した。ＰＥは安価な汎用結晶性ポリマー（ε＝２．３）であり、広い範囲の分子量および結晶化度で入手できるものである。結晶度は、側鎖の量および分岐によって制御できる。本発明者は、分子量の異なる、高結晶性の高密度ＰＥ（ＨＤＰＥ）、半結晶性の直鎖状低密度ＰＥ（ＬＬＤＰＥ）およびアモルファスに近い超低密度ＰＥ（ＵＬＤＰＥ）を比較した。キシレンまたはＴＣＢのいずれかにおけるＰ３ＨＴ−ＰＥの高温溶液を、１４０℃の温度に維持した基板上にドロップキャスティングし、溶媒が蒸発するのを待ち、その後、ＲＴまで冷却した。基板温度はＰＥの融点（Ｔｍ＝１１５℃）を上回るがＰ３ＨＴの融点は下回るものである。かかる条件下では、Ｐ３ＨＴが溶媒の蒸発中にまず最初に結晶化しつつ溶融ＰＥのマトリックスに埋め込まれていく。ＰＥは後に、基板温度が室温まで下げ戻されるときに結晶化する。注目すべきことに、Ｐ３ＨＴ−ＨＤＰＥ配合物では、３〜５％程度の低いＰ３ＨＴ濃度で１・１０−２ｃｍ２／Ｖｓという高い移動度が保持されており、この値は同じ条件で加工された同じ分子量の純粋なＰ３ＨＴ基準サンプルの移動度と同じである（図４）。膜蒸着条件を最適化することによって、たった１０％のＰ３ＨＴしか含有しない配合物で０．０６ｃｍ２／Ｖｓまでの移動度を実現することが可能であり、この値はＰ３ＨＴについて報告されている最も高い移動度に近いものである（Sirringhaus et al, Nature 401, 685 (1999)）。移動度は、膜中のＰ３ＨＴ含有量が３％未満の時に急速に低下するのみである。Ｐ３ＨＴ：ＬＬＤＰＥについても類似の挙動が観察されるが、移動度の低下は１０％というより高いＰ３ＨＴ濃度ですでに起こる。アモルファスに近いＵＬＤＰＥでは、膜中のＰ３ＨＴの割合が少なくなるにつれて移動度が一本調子で低下していく。ＵＬＤＰＥ配合物の挙動はａ−ＰＳ配合物について上記報告されている従来のパーコレーション挙動にほぼ等しい。
【００６９】
希釈された配合物およびブロックコポリマーにおいてかかる高い性能を実現するためには、２つの成分を結晶化させる順序が重要であることが見出された。もし、ＰＥがＰ３ＨＴの前に結晶化するような、例えば、ＰＥの融点未満の温度に保持されている基板上に高温溶液からドロップキャスティングするような膜加工条件を選択すると、ずっと低い性能が観察された。周囲のＰＥがすでに固化した時点でＰ３ＨＴが結晶化する必要があるという条件下で加工されたＰ３ＨＴ／ＨＤＰＥ（１：９）配合の配合物では、８・１０−６ｃｍ２／Ｖｓという低い移動度および１００というオン‐オフ比が観察された。Ｐ３ＨＴがまず最初に結晶化するという条件下で成長させた高移動度膜で見られたＧＩＸＲＤは、Ｐ３ＨＴおよびＰＥの両方が結晶性であることを示している（図６）。Ｐ３ＨＴ（ｈ００）回折は面内散乱形状よりも面外散乱形状においてより顕著であり、これは、Ｐ３ＨＴラメラが高い移動度に一致して優先的な面内配向を有していることを意味する。対照的に、同じ組成を持ってはいるが、ＰＥをまず最初に結晶化させるという条件下で成長させた膜では、Ｐ３ＨＴからの結晶性回折についてなんの証拠も観察されず、強力なＰＥ回折が存在した。これは、固体ＰＥの環境下でＰ３ＨＴが固化すると、Ｐ３ＨＴが効率的に結晶化できず、その結果移動度が低くなるということを示唆している。
【００７０】
高結晶性Ｐ３ＨＴ／ＨＤＰＥ配合物において移動度が濃度に依存するという特異な濃度依存性を説明するために、本発明者は、ＤＳＣおよび光学顕微鏡法の組み合わせによって、Ｐ３ＨＴ：ＰＥ（溶媒の蒸発後のもの）の２元非平衡組成−温度図を作成した（図５）。臨界濃度Ｃｃｒｉｔである約１％を上回るＰ３ＨＴ濃度の場合、固体Ｐ３ＨＴ相Ｓ２が２００℃未満の温度で結晶化し、ＰＥ富裕溶融物Ｌ１から相分離する。ＰＥの融点である１１５℃より下に温度が低下すると、固体ＰＥ相Ｓ１が結晶化する。Ｐ３ＨＴ濃度がＣｃｒｉｔ未満の場合、Ｓ２相の結晶化温度は大幅に低くなり純粋なＰＥの結晶化温度に近づく。これは、Ｐ３ＨＴのＰＥ溶融物中への混和性が限られていることを表している。共融点の立場から、本発明者は、この相図が作成された分子量（ＨＤＰＥ−Ｍｎ２１ｋ；Ｐ３ＨＴ−Ｍｎ １４ｋ）では、約０．５％のＰ３ＨＴがＰＥに混和できると推定する。この限られた混和性は、ＰＥの膜の上に固体Ｐ３ＨＴの小さな粒子を置いて、基板をＰ３ＨＴの融点を上回る温度に加熱すると、直接的に観察することができる。Ｐ３ＨＴが周囲のＰＥ液体膜中へと拡散するのを見ることができる（図５のｂ／ｃ）。もしＰ３ＨＴが混和性でなかったならば、溶融ＰＥ膜中への拡散は不可能であったであろう。相図から抽出されたＣｃｒｉｔと、下回ると高結晶性配合物における移動度が急速に低下するＰ３ＨＴ濃度との間には、密接な相関関係があると思われる。本発明者は、分子量が高いＨＤＰＥは、小さなＣｃｒｉｔの値を示し、これに対応して、分子量がより低くＣｃｒｉｔの値がより大きいＨＤＰＥよりも、低濃度まで高い移動度の値を維持することを見出した。
【００７１】
ラザフォード後方散乱スペクトル（ＲＢＳ）を使って、膜の組成を深さの関数として分析した（図７）。高移動度の膜では、膜の表面ならびに基板との界面の両方にＰ３ＨＴの分離層が存在するというまぎれもない証拠がある。後者は、基板の膜を持ち上げこれをひっくり返すことによってよりはっきりと観察された（データは示さず）。本発明者は、Ｐ３ＨＴ結晶化の前にＰＥが結晶化されるという条件下で加工された膜は、深さとは無関係の硫黄の兆候を示すことに注目する。これは、膜の厚み全体にわたってＰ３ＨＴが均一に分布していることを示唆しており、電気輸送が悪いことと一致する。表面及び界面でのＰ３ＨＴの形成は、厚みが非常に大きな（４ｍｍ）Ｐ３ＨＴ：ＨＤＰＥ（１：９）配合の配合膜では光学顕微鏡法によっても観察することができる（図７の挿入図）。膜を切開して断面を露出させると、膜の表面および界面の両方、並びに膜の内側の空隙の表面に、赤色の層を観察することができる（図７の挿入図、画像の左側）。濃度がＣｃｒｉｔ未満の膜の場合、表面へのＰ３ＨＴの分離は観察されない（図７の挿入図、画像の右側）。
【００７２】
これらの観察から、ポリマー半導体と高結晶性結合剤ポリマーとの配合物において移動度は濃度に依存するという特異な濃度依存性について、次のような説明が示唆される。濃度がＣｃｒｉｔを十分に上回る場合、配合物中にはＰ３ＨＴが十分にあり、溶媒の除去後に純粋なＰ３ＨＴの固相（Ｓ１）が膜の成長温度で形成される。これらのＰ３ＨＴ結晶質はまだ溶融状態にある結合剤中に埋め込まれる。結合剤が結晶化する際に、Ｐ３ＨＴ結晶は、成長中の結合剤結晶の外へとＰ３ＨＴ鎖を追い出す強力なエンタルピー力によって、膜の表面および界面へと駆り立てられる。このような鉛直方向に層状の構造では、Ｐ３ＨＴの連続的な膜がゲート誘電体との界面に形成され、界面にこの連続的な膜を形成するのに十分なＰ３ＨＴが膜中にある限り、劣化しない電界効果移動度を維持することができる。これによって結合剤ポリマーの結晶性の重要な役割が説明される。というのは、アモルファス系では鉛直層状の構造を形成するための駆動力はずっと弱いことが予期されるからである。いったんＰ３ＨＴの濃度がＣｃｒｉｔに対比し得る濃度になると、利用可能なＰ３ＨＴの増加した部分が結合剤溶融物中に溶解するため、この相を形成するのに利用可能な材料はますます少なくなる。結合剤が結晶化してしまうと、溶解したＰ３ＨＴは、パーコレーション経路を形成することができない濃度で結合剤膜中に均一に分布されるため、電荷輸送のための連続的な経路を形成することはできない。これにより、Ｐ３ＨＴの濃度がＣｃｒｉｔに近づくにつれて移動度が急速に低下することが説明される。注目すべきは、２成分ブロックコポリマーの場合についても同様の説明が適用できると期待されることであり、この場合でも、Ｐ３ＨＴの表面および界面への分離層の証拠がＲＢＳにおいて観察された。ただ、配合物の場合に比べるとあまり顕著ではないことがわかったが、これは、Ｐ３ＨＴをＰＥ膜中により均一に分散させるような長い領域の相分離がないことによるものである可能性が高い。
【００７３】
このモデルをさらにサポートする証拠が、膜形成のプロセス中にＦＥＴ性能を測定することにより得られた。膜をＦＥＴプローブステーションにドロップキャスティングし、いったん溶媒を蒸発した後にＦＥＴ特性を高温下で測定した。その後、基板温度をゆっくりと室温まで下げつつ、低下する温度の関数としてＦＥＴ移動度を測定した（図８）。約５・１０−５ｃｍ２／Ｖｓの移動度を持つきれいなＦＥＴ特性が１４０℃で観察されたが、これはかかる温度でＰ３ＨＴの固相がすでに存在していることの明らかな証拠である。冷却すると、移動度が１〜２桁大きくなるのが観察されたが、この事象は、ＤＳＣによって決定されたＰＥ結晶化の始まり（１１０−１１５℃）未満まで温度がいったん低下すると、開始される。対照的に、純粋なＰ３ＨＴ基準サンプルでは、はるかに弱い温度依存性が観察される。これは、配合物における高い移動度をもたらす電荷輸送経路が形成されるのは、ＰＥの結晶化の際に、Ｐ３ＨＴの固相が界面へと追い出されるときであることの明らかな証拠である。
【００７４】
本発明者はまた、Ｐ３ＨＴの濃度が低い配合物デバイスは、純粋なＰ３ＨＴデバイスと比べて大幅に改善された環境安定性を示すという証拠も得ている。Ｐ３ＨＴは、空気および光にさらされるとドーピング誘発性の不安定性を示すことが知られている。本発明者は、ボトムゲートデバイスの稼動寿命を純粋なＰ３ＨＴおよびＰ３ＨＴ／ＰＥ活性層と比較した。純粋なＰ３ＨＴの場合、デバイスを空気および光にさらすとオン−オフ電流比が急速に劣化し、オフ電流が急速に上昇した。Ｐ３ＨＴ／ＰＥ配合活性層を持つデバイスは、デバイスの開始電圧がより正の値にシフトしたことを検出するまでに空気および光の中で何日間も保管ですることが可能である。これは、配合によってＰ３ＨＴの環境安定性を大幅に改善できることを明確に示している。本発明者の取り組みは、例えば、これらに限られるわけではないが、ポリ（２，５−ビス（３−アルキルチオフェン−２−イル）チエノ［３，２−ｂ］チオフェン（McCullouch et al., Nature Materials 5, 328 (2006)）、またはポリ［５，５＿−ビス（３−アルキル−２−チエニル）−２，２＿−ビチオフェン］（Ong, et al., J. Am. Chem. Soc. 126, 3378 (2004)）などのポリチオフェン系のコポリマーを含む他の半導体ポリマーにも等しく適用可能である。これらはＰ３ＨＴに比べて環境安定性を改善した。そして、本発明による配合方法を使用することにより、これらの材料を使うに必要な信頼性要件を満たすために、さらなる安定性の改善を達成することができる。
【００７５】
実施例３：結晶性−結晶性のＰ３ＨＴ−ポリエチレンブロックコポリマー
【００７６】
共役ポリマーブロックおよびアモルファスのポリマーブロックを含むブロックコポリマーに対する関心が高まっており、これは前者の良好な電子特性を後者の潜在的に優れた機械的特性および加工特性と組み合わせることを目的としている。共有結合で結合したブロックの微小規模の相分離によって促進された、このようなブロックコポリマーのサブミクロン（submicrometer）規模の構造は、球状、棒状から共連続相またはラメラにまでわたり、その成分の相対的な体積分率に大きく依存することが知られている（Park, C. et al., Polymer 44, 6725 (2003)）。残念なことに、これまでのところ、このようなブロックコポリマーの電子特性は共役ポリマーの含有量が少なくなるにつれて急速に劣化することが報告されており、そのため両方のブロックを併せた品質を示すことはできなかった。２種類の結晶部分を含むブロックコポリマーは、より広い範囲の加工選択肢を提供することが示されている。かかるブロックコポリマーの微細構造は、それらの組成やいずれか一方のブロックの結晶化に依存し、言い換えると、第２のブロックが引き続いて結晶化する能力に大きく影響する場合がある（Liu, et al., Angewandte Chemie International Edition 41, 329 (2002)）。
【００７７】
報告されている方法に従って、組成の異なる一連のＰ３ＨＴ−ＰＥブロックコポリマーを合成し、その特徴を明らかにした（Radano, C. et al. J. Am. Chem. Soc 127, 12502 (2005)）。ここで、本発明者は、これらのポリマーに利用可能な異なる加工選択肢を開示し、選択された電子特性に対してブロック組成物が及ぼす影響を検討した。表１に、ブロックコポリマーの選択した物理的特性、ならびにＰ３ＨＴおよびＰＥ基準材料の選択した物理的特性を一覧にしている。
【００７８】
【表１】
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【００７９】
表１に見られるように、Ｐ３ＨＴブロックはすべての材料で大まかには同じ数平均分子量Ｍｎを持っている。組成全体はＰＥブロック長が変化するのに従って変動する。また、１２５℃以下における、異なるポリマーのキシレン中０．１重量％溶液を含むバイアルの写真も示されている。これらの写真は溶解したコポリマーの異なる色を明らかにしており、すべての材料について、均一な溶液が得られることを示している。
【００８０】
これらのブロックコポリマー膜における電気輸送を標準的なボトムゲートＦＥＴ構造において検討した。これは、あらかじめパターンニングされているＡｕソースおよびドレイン電極（Ｌ＝２０μｍ、Ｗ／Ｌ＝５００）を持つ、加熱ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）で処理したＳｉ−ＳｉＯ２上に、ブロックコポリマー溶液をドロップキャスティングすることによって行った。基板温度は１２０〜１６０℃の間で変動させた。Ｐ３ＨＴ：ＰＥ組成に対する移動度の依存性を図９に示す。移動度の組成依存性は、上記実施例２で説明したＰ３ＨＴ：ＰＥ配合物の場合に観察されたものに似ている。Ｐ３ＨＴの重量パーセントが１０％を上回ると、１・１０−２ｃｍ２／Ｖｓという高い値の移動度が得られ、この値は同じ分子量の純粋なＰ３ＨＴの移動度に似ている。Ｐ３ＨＴの重量パーセントが１０％を下回った場合にだけ、本発明者はまさに電界効果移動度の急速な低下を観察した。これは、Ｐ３ＨＴに結合した結晶性ブロックを使うと、電気的活性ポリマーが誘電体ブロックと共重合する際の、以前に観察された電気特性の劣化（Liu, et. al., Angewandte Chemie International Edition 41, 329 (2002)）を回避することができることの明らかな証拠である。
【００８１】
本発明者はまた、移動度が蒸着温度に依存することも観察した。１４０〜１６０℃の蒸着温度では、６・１０−２ｃｍ２／Ｖｓに迫る一層高い移動度が測定された。
【００８２】
ＰＥなどの多くの一般的な結晶性ポリマーは、融解物から高温で都合よく加工することができる。しかしながら、Ｐ３ＨＴは融解温度が高く高温安定性が限られているため、この材料は、融解物よりはむしろ、例えばキシレンに溶解した溶液から加工することが通例になっていた。表１は、驚くべきことではないが、本発明のブロックコポリマーはＰ３ＨＴホモポリマーの最終融解温度に迫る融解温度を示すことも明らかにしている。それゆえ、本研究では、材料は溶液から加工される。提示されたＰ３ＨＴ−ＰＥブロックコポリマーは融解温度および溶解挙動を含む著しく異なる化学的および物理的特性を持つ構成要素を含むため、新規材料およびキシレンの相状態図が作成された。
【００８３】
図１０は、一例として、以下「１０−９０ Ｐ３ＨＴ−ＰＥ」と呼ぶ１０重量％のＰ３ＨＴおよびキシレンを含むブロックコポリマーの２元温度−組成図を示しており、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）冷却サーモグラフから作成され、Ｐ３ＨＴのサーモクロミック特性を光学的に説明している。デカリン、シクロヘキサノン、およびクロロベンゼンなどの他の高沸点溶媒は、Ｐ３ＨＴ−ＰＥと組み合わせると類似の相挙動を示した。図１０の非平衡相図は、２つのはっきりと識別できる領域を明らかにしている。コポリマーが４５重量％までの低濃度溶液では、Ｐ３ＨＴブロックは可溶であり、５重量％未満では室温でも可溶であるが、一方ＰＥブロックは可溶ではない。これに対して、より高濃度の溶液では、２つのブロックの相挙動は逆転し、ＰＥブロックは可溶であるがＰ３ＨＴブロックは可溶ではないという領域が存在する。より低濃度の領域ではＰ３ＨＴブロックの温度遷移がない点に留意すべきであり、これは、適用した実験条件下では、Ｐ３ＨＴブロックは検出可能なＤＳＣ発熱を示す秩序構造を形成しないことを示唆しているように思われる。
【００８４】
この特有の相挙動は、明らかに２つの加工スキームを提供するものであり、図１０に概略的に描かれているように、両者とも希薄で同質な溶液から開始し、その後明らかに異なる構造になる。Ｉという符号の付けられた加工スキームでは、ブロックコポリマー溶液はまず最初に室温に冷却され、すなわち組成の変化はなく、ＰＥブロックを結晶化させ、その後溶媒を蒸発させる。一方、加工スキームＩＩでは、ポリマー溶液は高温（１００℃を上回る温度）に維持された後に、この材料が室温に冷却される前に溶媒が蒸発し、これによりＰＥ部分が結晶化する前にＰ３ＨＴブロックが結晶化する。これら２つの加工経路は、Ｐ３ＨＴブロックおよびＰＥブロックの結晶化順序が逆転するため、主として異なる構造を持つ固体をもたらすと予想される。
【００８５】
図１１は、２つの加工スキームによって得られる固体−固体の１０−９０Ｐ３ＨＴ−ＰＥの実際に根本的に異なる形態を明らかにしている。左上の写真は、交差させた偏光子間で撮影したもので、高度に希釈した０．０１重量％溶液から加工ルートＩを介して調製した材料を示している。ＰＥブロックの結晶化により従来の単結晶型の構造となる。対照的に、左下の写真は、希釈０．１重量％溶液から得られる同じＰ３ＨＴ−ＰＥコポリマーであって、加工ルートＩＩを介して調製されたＰ３ＨＴ−ＰＥコポリマーの薄膜を示している。この場合には、多くの結晶性ポリマーに典型的である球状の構造を識別することができる。微細構造の形態の違いに加えて、２つのスキームに従って加工されたＰ３ＨＴ−ＰＥコポリマーはまた、結晶化順序の大きな違いも示しており、これはＰ３ＨＴの結晶化順序でもっとも顕著である。図１１の右側の図には、両方のスキームを介して加工された膜の広角Ｘ散乱（ＷＡＸＳ）および斜入射回折（ＧＩＸＤ）が描写されている。両方の場合において、ＰＥ１１０および２００反射が存在する。しかしながら、通常のＰ３ＨＴ１００および０２０反射は、スキームＩＩを介して調製されたサンプルでのみはっきりと検出することができた。
【００８６】
同様の形態的および構造的特徴は、図１２に図示するように、他のコポリマーの溶液加工サンプルでも見られた。図１２の上の図は、ルートＩを介して加工された、０．０１重量％溶液から結晶化された３５−６５Ｐ３ＨＴ−ＰＥコポリマーの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を示している。このＴＥＭ顕微鏡写真は再び従来のＰＥ単結晶型の構造を明らかにしており、電子回折（ＥＤ）パターンは強力なＰＥ１１０および２００回折を示している（図１２の右上）。しかしながら、Ｐ３ＨＴの特徴的な０２０回折が明らかに無い点に留意すべきである。さらに、ＴＥＭ画像ではより暗い領域を識別できるが、これはあまり順序良く配列されていないＰ３ＨＴに起因すると考えられる。ルートＩＩを介して薄膜に加工された同じＰ３ＨＴ−ＰＥコポリマーのＴＥＭ画像は、再び高結晶質のＰＥラメラを明らかにしており、ＥＤは強力なＰＥの１１０および２００回折を明らかにしている（それぞれ、図１２の左下および右下）。これらのＰＥラメラは、もっと大きな尺度では典型的な球状超構造に組織され、偏光光学顕微鏡ではっきりと目視できる（図１１の左下）。しかしながら、対照的に、ＥＤは、上とは違い、連続的なＰ３ＨＴ０２０回折リングを見せており、これはＰ３ＨＴブロックの実質的な配列を示し、ＰＥラメラに関する好ましい配向が存在しないことを示している。
【００８７】
これらの観察は、半固体相にあるコポリマーについて図１３に概略的に示されるように、加工ルートに依存して２つの基本的に異なる構造が形成されることを強く示唆し、またこれに一致する。図１１の温度組成図から明らかなように、スキームＩは、ＰＥブロックをまず最初に結晶化させて、Ｐ３ＨＴ部分の移動度を制限し、これにより、もしあっても、その後の固化の過程におけるＰ３ＨＴの結晶配列を減少させる。これに対して、スキームＩＩはＰＥブロックより先にＰ３ＨＴブロックを結晶化するように仕向け、これにより、ブロックコポリマーの共役半導体部分の高度に配列したラメラをもたらす。
【００８８】
これら異なる構造がＰ３ＨＴ−ＰＥブロックコポリマーの半導体特性にもたらす影響を探求するために、本発明者は、ボトムゲート、ボトムコンタクト電界効果トランジスタＦＥＴデバイス構造におけるこれらの性能を研究した。本発明者は、半導体ポリマーがまず最初に結晶化する加工ルートＩＩは、ルートＩに比べて大幅に良好なデバイス性能をもたらすという明らかな証拠を見出した。図１４ａおよび１４ｂは、それぞれルートＩおよびＩＩを介して加工された１０−９０Ｐ３ＨＴ−ＰＥの薄膜の典型的なＦＥＴ伝達特性および出力特性を示している。スキームＩを介して加工された薄膜を備えるＦＥＴは、きわめて粗悪なＦＥＴ性能を示すことがわかった。ＦＥＴ移動度は非常に低く（典型的には１０−５ｃｍ２／Ｖｓ未満）、強度に非直線性の出力特性の証拠が見出されたが、これはおそらく、これらの条件下では、膜の微細構造は、電荷がＰＥの障壁を横切って移動する必要があるような構造であり、その結果、移動度が電界に大きく依存するまたは接触抵抗が大きくなることを示すものであろう。対照的に、スキームＩＩを介して加工された薄膜に基づくＦＥＴは優れたＦＥＴ性能を示し、移動度は１０−２ｃｍ２／Ｖｓのオーダーであった。Ｐ３ＨＴの半導体特性にとって結晶化度の度合いが決定的に重要な意味を持つという公知の事実を考慮すると（Sirringhaus et al., Nature 401, 685 (1999)）、この観察は、上で説明した異なるコポリマー膜の構造特性に合致する。同じ方法で製造され同じデバイス構造に設けたＰ３ＨＴホモポリマー薄膜は、０．０１ｃｍ２／Ｖｓｅｃの飽和移動度を示したにすぎず、これはＰ３ＨＴ−ＰＥの同等またはより優れた性能を示唆する。Ｐ３ＨＴブロックを５重量％しか含有しないＰ３ＨＴ−ＰＥコポリマーの薄膜は、電荷担体移動度、ヒステリシス、オン−オフ比および接触抵抗の著しい劣化を示したが、これはＰ３ＨＴドメイン間の連結の断絶を示唆する（図９）。ルートＩＩを介して加工された薄膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）タッピングモード画像はこのことを裏付けている。すなわち、１０−９０Ｐ３ＨＴ−ＰＥの膜は、構造がより非連続的であると思われる５−９５Ｐ３ＨＴ−ＰＥブロックコポリマーの膜と比較すると、連続した、高度に配列した構造を示す（図１４ａおよび図１４ｂの挿入図）。
【００８９】
ラザフォード後方散乱スペクトル（ＲＢＳ）を使って、膜の組成を深さの関数として分析した。高移動度の膜では、Ｐ３ＨＴの分離層が膜の表面ならびに基板との界面の両方に存在するというまぎれもない証拠がある。分離の量は配合物の場合にくらべるといくらか顕著さは劣るが、これは、誘電体ブロックとの共有結合を課せられることによってＰ３ＨＴブロックの移動度が制約されることによると考えられる。にもかかわらず、膜の表面および界面の両方で分離した層が検出可能であり、これが、半導体ブロックの長さが短い場合でも優れた電荷輸送特性を実現する役割を担っている。本発明者はふたたび、Ｐ３ＨＴの前にＰＥが結晶化したという条件下で加工された膜は、深さとは無関係の硫黄の兆候を示すことに注目する。これは、膜の厚み全体にわたってＰ３ＨＴが均一に分布していることを示唆しており、劣悪な電気輸送に一致する。
【００９０】
この実施例は、活性半導体ブロックに結合した結晶性誘電体ブロックを使うと、電気活性ポリマーが誘電体ブロックと共重合する際に以前に観察された電気性能の劣化を回避することができることを明確に示している（Liu, et al., Angewandte Chemie International Edition 41, 329 (2002)）。この実施例はまた、２つのブロックが結晶化する順序が非常に重要であることも示している。良好な性能を実現するためには、これら２つのブロックおよび加工条件は、誘電体ブロックの固化／結晶化の前に活性な半導体が固化／結晶化するように選択される必要がある。
【００９１】
実施例４：鉛直層状ポリマー半導体−結晶性ゲート誘電体二重層の製造
【００９２】
実施例１および２で、本発明者は、鉛直方向に層状の二重層を形成するための方法を実証した。この方法では、結合剤ポリマーの結晶化の過程で半導体ポリマーは膜の表面および表面との界面に向かって駆り立てられる。この技術を使って、結晶性結合剤がトランジスタのゲート誘電体を形成しているデバイスを製造することができる（図１５ｂ）。このような鉛直層状の二重層構造はこれまでは有機ＦＥＴデバイスの製造に使用されてきた（Chua, et al., Advanced Materials 16, 1609 (2004)）が、これまでに開示されてきた特定の方法は、３元配合物溶液の一般的な表面張力駆動アセンブリに頼るものであり、本願で開示するような結晶化駆動アセンブリに頼るものではなかった。基板１上には、ソースおよびドレイン電極８が蒸着され、適切なパターニング技術、例えば、限定されるわけではないが、フォトリソグラフィー、レーザー研磨、または直接書き込み印刷のようなパターニング技術によってパターンニングされる。半導体／誘電体二重層は有機半導体および結晶性誘電体ポリマーの溶液から蒸着される。蒸着条件は、実施例１および２で詳細に説明したように、有機半導体がまず最初に結晶化し、そして結合剤ポリマーの結晶化の過程で膜の表面および界面へと追い出されるように、選択される。このようなやり方で、ソース−ドレイン電極と接触する有機半導体の層９、ゲート誘電体層１０、６、および有機半導体の表面層１１を持つ鉛直層状の形態が作られる。デバイスは、半導体／誘電体層の表面にゲート電極１２を蒸着およびパターンニングすることによって完成する。半導体および誘電体層の相対的な厚みは、配合溶液の組成を変動させることによって調節できるが、有機半導体の移動度は典型的には５〜１０％未満の半導体組成の場合にだけしか劣化しないため、厚みを所望の値に調節するために広い範囲の組成物を利用することができる。表面層１１はゲート電極と直接接触しているので、その存在がデバイスの性能に大きく影響することはない。
【００９３】
実施例５：半導体−ゲート誘電体ブロックコポリマー活性層を有する有機電界効果トランジスタ
【００９４】
実施例３で示したように、半導体ポリマーブロックおよび結晶性ポリマー誘電体ブロックを含む２成分ブロックコポリマーを使うと、鉛直層状のラメラ構造を形成することができる。この構造では、誘電体ブロックの結晶化の過程で半導体ブロックが層の表面／界面へと追い出されるようにして、微小規模の相分離が行われる。これを使ってブロックコポリマーの誘電体ブロックがデバイスのゲート誘電体として機能する有機ＦＥＴデバイスを製造することができる（図１５ｂ）。基板１上には、ソースおよびドレイン電極８が蒸着され、限定されるわけではないが、フォトリソグラフィー、レーザー研磨、または直接書き込み印刷のような適切なパターニング技術によってパターンニングされる。半導体／誘電体ブロックコポリマーは溶液から蒸着される。蒸着条件は、実施例３で詳細に説明したように、有機半導体ブロックがまず最初に結晶化し、そして誘電体ブロックの結晶化の過程で膜の表面および界面へと追い出されるように、選択される。このようなやり方で、ソース−ドレイン電極と接触する有機半導体ブロック９と、その上に設けられた誘電体ブロック１０とを持つ鉛直層状の形態が作られる。半導体ブロックの表面分離層が表面に存在していてもよい。有機半導体の表面層１１が生成される。デバイスは、半導体／誘電体層の表面にゲート電極１２を蒸着およびパターンニングすることによって完成する。半導体および誘電体層の相対的な厚みは、配合溶液の組成を変動させることによって調節できるが、有機半導体の移動度は典型的には５〜１０％未満の半導体組成の場合にだけしか劣化しないため、厚みを所望の値に調節するために広い範囲の組成物を利用することができる。表面層１１はゲート電極と直接接触しているので、その存在がデバイスの性能に大きく影響することはない。このような半導体−誘電体ブロックコポリマーの面内ラメラ構造を使用することは、例えば、チャネル長さがサブミクロン（submicrometer）であるがゆえにゲート誘電体の厚みが典型的には５０ｎｍ未満、好ましくは１０〜２０ｎｍのオーダーでなければならないという理由で、厚みの薄いゲート誘電体を必要とする有機電界効果デバイスにとっては、特に魅力的である（Sele, et al., Advanced Materials 17, 997 (2005)）。本発明の特に好ましい実施形態は、半導体−結晶性２成分ブロックコポリマーの膜であり、その厚みは半導体ブロックおよび誘電体ブロックの単一の二重層によって決定される。これは、溶液の濃度、蒸着条件、および基板の適切な表面処理（基板からの薄膜の脱濡れを防止するため）を調節することによって達成され得る。直鎖３成分ブロックコポリマーまたは分岐ブロックコポリマーのような他のブロックコポリマーも同様に使用することができ、同じやり方で加工することができる。
【００９５】
実施例５：有機半導体および結晶性結合剤ポリマーを含む自立半導体膜の製造
【００９６】
本発明によって可能となる用途は半導体特性を持つ自立基板の製造である。Ｐ３ＨＴのような普通のポリマー半導体は、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの一般的構造のポリマーよりも機械的特性および機械的強度が著しく劣る傾向があるため、自立膜の製造には使用できない。また、ポリマー半導体は、その合成方法が本来的により高価であるかまたは一般的な誘電体ポリマーの場合よりもあまり開発がなされていないため、ずっと費用が高くなる傾向がある。限定されるわけではないが、上述の実施例で検討したようなＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＮまたはポリプロピレン（ＰＰ）などの結晶性ポリマー結合剤に、少ない割合の半導体材料を混合することにより、誘電体結合剤材料それ自体の機械的特性に非常に近い機械的特性を持ち、良好な電荷輸送特性を備えた半導体機能も併せ持つ基板を作ることができる。その基板の半導体機能を使って、例えば、かかる基板上に、検知デバイス、電子スイッチングデバイス、または有機半導体の光吸収により光信号を検出するためのデバイスなどの電子デバイスを実現することができる。自立膜はまた、加工可能なオリゴマーおよび小分子結合剤材料をベースとすることもできる。
【００９７】
実施例６：ＨＤＰＥと小分子有機半導体クウォーターチオフェンの配合物（４Ｔ−ＨＤＰＥ）
【００９８】
本発明による方法は、結晶性結合剤ポリマーと小分子有機半導体の配合物にも適用することができる。ここで、本発明者はこれをα−クウォーターチオフェン（quaterthiophene）によって実証する。既存の（非置換）オリゴチオフェンのうち、α−クウォーターチオフェンは、材料の融解温度および可溶性の点からみて電子特性と加工可能性との間に良好な妥協点を提供する。一方、５つ以上のチオフェン単位を含むオリゴチオフェンは、電子特性が優れている点で興味深いものではあるが、不都合なことに２５０℃を越える高い融解温度を示す。
【００９９】
α−クウォーターチオフェンの示差走査熱量測定（ＤＳＣ）は、溶融加工は２１５℃を超える比較的高い温度も必要とし、同様の温度で昇華が始まることを示している。従って、溶融加工は比較的小さな加工ウィンドウしか許容されない。しかしながら、その高い同族性とは対照的に、４Ｔは比較的直進的な溶液加工が可能である。例えば、１０重量％以下の濃度の場合、デカリンなどの一般的な非塩素性良性溶媒においてこの物の溶解温度は約１４０℃未満であり、対応する結晶化温度Ｔｃは１１０℃未満であることが見出されている。このような溶液は、多環式テトラセンおよびペンタセンなどの他の共役オリゴマーとは対照的に、（核磁気共鳴（ＮＭＲ）によって確認されたように）熱的にかなり安定であることがわかった。
【０１００】
４Ｔ：ＨＤＰＥ配合物は高温でデカリン中に均質な希釈液を形成した。上述の、２つの異なる固化の順序を導くことができるＰ３ＨＴ：ＰＥ２成分系（すなわち、ＰＥの前にＰ３ＨＴが結晶化する、およびその逆）とは対照的に、本発明者は、４Ｔが、検討したすべての濃度においてＰＥよりも高い結晶化温度を示し、従って、常にポリマーよりも先に結晶化することを見出した。好都合なことに、これは、高い移動度、低いパーコレーション閾値の系を生み出すのに最も有利な結晶化順序である。
【０１０１】
それゆえ、本発明者は、４Ｔ：ＨＤＰＥ配合物を用いて、異なる固化速度が誘発される微細構造に及ぼす影響および配合物の電子特性に及ぼす影響を検討することができた。この目的で、本発明者は次の２つの加工経路を取った。スキームＩでは、２つの成分の高温溶液を室温で形成し、引き続いて同じ温度で溶媒を蒸発させて、材料を希釈液からゆっくりと結晶化させた。１３０℃以下の高温で溶媒を「瞬時に」除去し（スキームＩＩ）、その結果、４Ｔをより濃度の高い粘性液体からより速く結晶化させ、その後ポリマーを固化させた。
【０１０２】
室温で高温溶液形成および溶媒除去を行うと粗い微細構造となるが、高温で作成された（すなわち、高速溶媒除去）４Ｔ：ＨＤＰＥ膜は、半導体の明らかにより微細でより均質な分布を特徴とした。
【０１０３】
２元４Ｔ：ＨＤＰＥ混合物の相挙動に対して、固化の速度が大きな影響を及ぼすこともわかった。すべての温度／組成図は、広い範囲の温度および組成にわたって２つの成分の間に混和性のギャップがある単純な偏晶相挙動を示している。しかしながら、半導体種の融解温度、溶解温度、および結晶化温度は、４Ｔ：ＨＤＰＥ配合物の製造方法によって大きく影響された。高温で溶液形成することによって得られた配合物では、４ＴのＴｍおよびＴｃの両方について大幅により低い値が記録され、この配合物のより小さな結晶サイズおよびドメインサイズに合致している。
【０１０４】
選択された加工経路は分子配列にも影響を及ぼす可能性が高く、分子配列は共役種の半導体特性に影響する可能性が高いことが知られているので、異なったやり方で加工された４Ｔ：ＨＤＰＥ配合物に対して、純粋な４ＴおよびＨＤＰＥを基準として、広角Ｘ線散乱（ＷＡＸＳ）を行った。２元混合物の場合、それぞれの成分に由来する回折が観察された。純粋な４Ｔは、スキームＩに従って加工されると低温多形体として結晶化し、ルートＩＩを介すると高温の変形として結晶化し、これはＨＤＰＥと配合した４Ｔについても見られた。しかしながら、偶数の数のチオフェン単位のα−オリゴチオフェンの場合は、電荷輸送特性は多形体によりほとんど影響されないことが報告されているため、ここではあまり関係がない。
【０１０５】
最初の一連の実験では、４Ｔ：ＨＤＰＥ配合物の薄膜の電子特性をボトム−ゲートボトムコンタクトＦＥＴ構造で検討した。室温で溶媒をゆっくりと除去することによって作られた４Ｔ：ＨＤＰＥに基づくトランジスタでは、小さなソース−ドレイン電流が記録された。かかる膜における移動度は１０−６ｃｍ２／Ｖｓ未満と推定された。
【０１０６】
著しく対照的に、高温で作られた４Ｔ：ＨＤＰＥ層を備えるデバイスについては、きれいなＦＥＴ特性が観察された。事実、１０重量％の４Ｔを含む配合物については、１０３の電流移動度および１×１０−４ｃｍ２／Ｖｓ以下の電荷−担体移動度が測定された。これは気相蒸着された純粋なα−クウォーターチオフェンで報告されているμＦＥＴ値に匹敵するものである。
【０１０７】
４Ｔ：ＨＤＰＥ２成分中の半導体含有量が１０重量％未満にまで低くなると、電子特性は急激に劣化した。これらのデバイスについては１０−６ｃｍ２／Ｖｓ未満の電荷−担体移動度が得られ、１５Ｖ以下の閾値電圧Ｖｔｈの明確なシフトが観察された。これは、ソース−ドレイン電極からより濃度の高い絶縁体からなる活性層へと電荷担体が効率的に注入されるのを防止する障壁が形成された可能性があることを示している。
【０１０８】
重要な点は、スキームＩＩを介して加工され、（高温で）液体−液体相分離を特徴とした４Ｔ：ＨＤＰＥ２成分に基づくデバイスで、純粋な４Ｔに匹敵するＦＥＴ性能が記録されたことである。これに対し、２つの成分が液体状態で混和可能であった配合物は、半導体の含有量が少なくなるのに従って電荷輸送の急激な劣化を示し、固化スキームＩによって誘発されるような大規模な相分離を示す活性層に基づくＦＥＴの場合に見られるデバイス性能に類似のデバイス性能を持っていた。
【０１０９】
本発明において説明するプロセスおよびデバイスは、上の実施例のいずれかに記載の材料に限定されるわけではない。本方法は一般的に適用可能である。本発明者は、ポリ（［２−メトキシ−５−（３’，７’−ジメチルオクチルオキシ）］−ｐ−フェニレンビニレン（ＯＣ１Ｃ１０−ＰＰＶ）などの結晶性ポリマー配合物と配合した広い範囲の他の有機半導体だけでなく、ＨＤＰＥと配合したルブレンおよびテトラセンなどの小分子半導体でも、類似の輸送特性を観察した。好ましくは、有機半導体は結晶性材料であるが、半結晶性ならびにアモルファス材料も使用できる。好ましくは、有機半導体は誘電体結合剤ポリマーの融点より高い温度で固化する。電気活性半導体層に使用できる可能性のある材料としては、１０−３ｃｍ２／Ｖｓを上回り好ましくは１０−２ｃｍ２／Ｖｓを上回る適切な電界効果移動度を示すどのような溶液加工可能な共役ポリマー性またはオリゴマー性材料でもよい。適切と思われる材料は、例えばH. E. Katz, J. Mater. Chem. 7, 369 (1997)、またはZ. Bao, Advanced Materials 12, 227 (2000) において、これまでに報告されてきている。その他の可能性のあるものとしては、可溶性の側鎖を持つ小型共役分子が挙げられる（J. G. Laquindanum, et al., J. Am. Chem. Soc. 120, 664 (1998)）。
【０１１０】
本発明はまた、他の加工可能な半導体にも適用可能であり、制限されるわけではないが、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、またはＳｉ（B. A. Ridley, et al., Siceience 286, 746 (1999)）などの無機コロイド状ナノ粒子などがあり、これらは結合剤と一緒に溶媒中に分散させることができる。
【０１１１】
ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）およびＰＰなどの他の結晶性結合剤ポリマーもまた、首尾よく使用することができた。他の結晶性または半結晶性結合剤ポリマーの例としては、ＰＥＴおよびＰＥＮなどのポリエステルが挙げられる。非常に広い範囲の使用できる結晶性または半結晶性結合剤ポリマーがある。種々の材料およびこれらの加工についての総説は、Wunderlich, Macromolecular Physics, Vol 1-3, New York, London; Academie Press 1973に記載されている。結合剤ポリマー（配合物の場合）または第２のブロック（ブロックコポリマーの場合）は、誘電体ポリマーである必要はない。それは、電気活性有機半導体と配合された／共重合された結晶性半導体ポリマーであってもよい。その場合、電気活性有機半導体は、結合剤ポリマーのエネルギーレベルに対して、電荷輸送が電気活性ポリマーにおいて優先的に発生するように配置されたエネルギーレベルを持つと考えられる。
【０１１２】
結合剤ポリマーは優先的に、誘電定数が３．５未満、好ましくは３未満である低誘電率ポリマーである。これにより、結合剤成分の双極性無秩序によって電気活性半導体の密度状態が無秩序誘発的に広がるのが回避される。
【０１１３】
本発明は、ボトムゲート、トップコンタクトおよびボトムコンタクトデバイスを含む広い範囲のデバイス構造物に適用可能である。電気活性半導体成分の分離はデバイスの表面および界面の両方で発生するため、トップゲート構造物も使用できる。ゲート誘電体層としては、限られるわけではないが、ＳｉＯ２、またはＳｉＮｘなどの広い範囲の液相または気相蒸着誘電体、またはＰＭＭＡ、ポリビニルフェノールなどのポリマー誘電体、および文献で公知の（例えば、Facchetti et al., Adv. Mat. 17, 1705 (2005)参照）その他のゲート誘電体を使用することができる。電極は広範囲の材料から製造でき、気相蒸着金属、導電性ポリマー、または印刷可能な金属ナノ粒子インクが挙げられる。活性半導体層を含むデバイスのさまざまな層のパターンニングは、フォトリソグラフィー、ナノインプリンティングまたはレーザー研磨などの減法パターンニングによっても、またはインクジェット、オフセット、グラビア、フレキソ印刷またはスクリーン印刷による加法パターンニングによってもよい（Forrest et al. Nature 428, 911 (2004)）。デバイスおよび回路のすべての層および成分を溶液加工および印刷技術によって蒸着しパターンニングするのが好ましいが、１つ以上の成分を真空蒸着技術によって蒸着し、および／またはフォトリソグラフィープロセスによってパターンニングしてもよい。
【０１１４】
ここで開示した、ポリマー配合物およびブロックコポリマーに鉛直層状の形態を作成するための方法は、その他のデバイス構造にも適用可能である。例えば、光起電力電池では、２つのポリマー間の界面で生成された電荷の効率的な電荷収集を確実に行えるようにするため、電子輸送ポリマーの層の下に正孔輸送ポリマーの層を持つ（またはその逆の）二重層の形態が必要とされる（Arias et al., Macromolecules 34, 6005 (2001)）（図１６）。この場合、配合物は、低い／高い融点を持つ結晶性正孔輸送ポリマー１４と、より高い／より低い融点を持つ結晶性電子輸送ポリマー１５とを含む場合がある。この場合、膜は、基板上でアノード１３と接触すると思われるポリマーがまず最初に結晶化し、そして基板との界面へと駆り立てられるように、加工することができる。電子輸送ポリマーがその上に配置され、カソード１６と接触する。この場合、電子がカソードに集まるのを妨げないために、電子輸送層の上に正孔輸送ポリマーの表面層が存在するという事態は回避すべきである。これは、例えば、電子輸送の結晶化の過程における正孔輸送ポリマーの分離が、好ましくは膜の開放面と反対側の界面に向けられるように、基板の相対的な表面張力、および２つのポリマーの表面張力を調節することによって、達成される。あるいは、これら２つのポリマーを、下にある電子輸送層が溶けない溶媒中で正孔輸送ポリマーの上部表面層を洗い落とすことが可能となるように、選択してもよい。正孔輸送ポリマーが電子輸送ポリマーの上に配置されるという逆の構造を同様の方法で製造できる点に留意すべきである。
【０１１５】
上述のように製造されたＴＦＴのようなデバイスは、１つ以上を互いにおよび／またはその他のデバイスと一体化することで、より複雑な回路またはデバイスの一部とすることができる。かかる用途の例としては、ディスプレイまたはメモリデバイスのための論理回路およびアクティブマトリックス回路系、またはユーザー定義のゲートアレー回路が挙げられる。
【０１１６】
本発明は上述の実施例に限定されるわけではない。本発明の側面は、ここで説明した概念のすべての新規かつ進歩的な側面、およびここで説明した特徴のすべての新規かつ進歩的な組み合わせを含んでいる。
【０１１７】
ここに出願人は、ここで説明した個々の特徴、および２つ以上のそのような特徴のあらゆる組み合わせを別に開示し、その範囲において、そのような特徴または特徴の組み合わせがここで説明したあらゆる問題を解決するかどうかにかかわらず、クレームの範囲に限られることなく、当業者の通常の一般的な知識に照らし合わせて全体として本明細書に基づいて、そのような特徴または組み合わせを実施することができる。出願人は、本発明の側面があらゆるそのような個々の特徴または特徴の組み合わせからなり得ることを表明する。上述の記載に鑑みて、本発明の範囲内においてさまざまな改変を行い得ることは当業者にとって明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月24日(2009.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体本体を形成するための方法であって、
有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および
前記半導体材料を前記結合剤材料から少なくとも部分的に分離させるように、前記結合剤材料を結晶化させる工程、
を具備する方法。
【請求項２】
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、前記結合剤を結晶化させる工程の前に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程は、前記半導体材料を結晶化させる工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記結合剤材料を結晶化させる工程は、前記混合物の温度を下げる工程を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記有機半導体材料は半導体ポリマーである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記結合剤材料は半結晶性ポリマーである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記有機半導体ポリマーは前記ポリマー結合剤とブロックコポリマーを形成する、請求項５に従属する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記結合剤材料は半導体性である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記混合物は溶媒を含んでおり、前記方法は、さらに、前記結合剤材料を結晶化させる工程の前に前記溶媒を除去する工程を具備する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶媒を除去する工程は、前記半導体材料を固化させる工程の前に行われる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
半導体本体を形成するための方法であって、
有機半導体材料と結合剤材料との混合物を形成する工程、
前記半導体材料を少なくとも部分的に固化させる工程、および
前記結合剤材料と隣接の媒体との界面で前記半導体材料を濃縮させるように、前記結合剤材料を結晶化させる工程、
を具備する方法。
【請求項１２】
半導体本体を備える電子デバイスであって、前記半導体本体は、
有機半導体材料と、
結晶性結合剤材料とを含む、
電子デバイス。
【請求項１３】
前記有機半導体材料は、前記半導体本体と隣接の媒体との界面で主に濃縮される、請求項１２に記載の電子デバイス。
【請求項１４】
前記半導体本体は相分離される、請求項１２または１３に記載の電子デバイス。
【請求項１５】
前記結晶性結合剤材料は誘電体である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項１６】
前記結晶性結合剤材料は半導体または伝導体である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項１７】
前記有機半導体材料は半結晶性ポリマーである、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記結晶性結合剤材料は半結晶性ポリマーである、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記有機半導体材料は、前記結晶性結合剤材料よりも高い融点を持つ、請求項１２〜１８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記結晶性結合剤材料は球状の微細構造を示す、請求項１２〜１９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記半導体本体における前記有機半導体材料の濃度は１０重量％未満である、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記デバイスはトランジスタである、請求項１２〜２１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記半導体本体と隣接の媒体との界面で濃縮される前記有機半導体材料は、前記トランジスタのソース電極から前記トランジスタのドレイン電極まで前記有機半導体材料を通って電荷輸送のための連続的な経路を構成する、請求項１３に従属する請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記デバイスは光起電ダイオードである、請求項１２〜２１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２５】
有機半導体材料および半結晶性ポリマー結合剤を含むプラスチック基板。
【請求項２６】
前記基板における前記有機半導体材料の濃度は１０重量％未満である、請求項２５に記載のプラスチック基板。
【国際調査報告】
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