(57)【要約】【課題】  オンオフ比が改善され、閾値電圧が低い電界効果型有機トランジスタを提供する。【解決手段】  ソース電極１５、ドレイン電極１４、ゲート電極１２、ゲート絶縁層１３及び有機半導体層１６を有する電界効果型有機トランジスタであって、該有機半導体層１６が有機半導体化合物と、イオンと結合または包接可能な化合物とを含有する電界効果型有機トランジスタ。前記化合物が、クラウンエーテル化合物、アルミナ化合物、ケイ素化合物、チタン化合物である。前記有機半導体化合物は共役高分子化合物である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層及び有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタであって、該有機半導体層が有機半導体化合物と、イオンと結合または包接可能な化合物とを含有することを特徴とする電界効果型有機トランジスタ。
【請求項２】
前記化合物がクラウンエーテル化合物、アルミナ化合物、ケイ素化合物またはチタン化合物である請求項１記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項３】
前記化合物が１４−クラウン−４エーテル誘導体、１５−クラウン−５エーテル誘導体、１８−クラウン−６エーテル誘導体、２１−クラウン−７エーテル誘導体、２４−クラウン−８エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１２−クラウン−４エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、４，１３−ジアザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 またはＴｉＯ2 である請求項１または２記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項４】
前記化合物の含有量が有機半導体化合物に対して１．０質量％以下である請求項１乃至３のいずれかの項に記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項５】
前記化合物の含有量が有機半導体化合物に対して０．１質量％以下である請求項１乃至３のいずれかの項に記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項６】
前記有機半導体化合物が共役高分子化合物からなる請求項１乃至５のいずれかの項に記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項７】
前記共役高分子化合物がポリチオフェン誘導体である請求項６記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項８】
前記共役高分子化合物の重量平均分子量が５，０００〜１００，０００である請求項６または７記載の電界効果型有機トランジスタ。
【請求項９】
前記共役高分子化合物が配向している請求項６乃至８のいずれかの項に記載の電界効果型有機トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界効果型有機トランジスタに関して、特に表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野に有用な有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体を利用した有機トランジスタは、シリコントランジスタでは困難とされるプラスチック基板上への製造や大画面化が可能である。特に可溶性有機半導体を利用したものは真空プロセスを必要としない為に低コスト化が可能であり、フレキシブルな電子ペーパー、情報タグ等の新しいデバイスへの適用が期待されている。
【０００３】
しかしながら、有機トランジスタは未だ実用レベルの特性が得られていない。例えば移動度が低い、オンオフ比が低い、閾値電圧が高い、経時的に劣化し易い等の多くの課題が未解決である。この様な特性を悪化させる原因の１つとして有機半導体の純度が低いことが指摘されている。そのために、特許文献１及び特許文献２には、有機半導体を精製することで不純物を取り除き、特性を改善できることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−６３９７８
【特許文献２】特開２００４−８３６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有機物はその合成工程において、原料、溶媒、触媒、副生成物、ガラス容器、環境等から混入する不純物を一般的手法により完全に取り除くことは不可能である。特に共役高分子化合物は低分子化合物で有効な精製法である昇華精製が適用できない為に高純度化が極めて困難である。また、精製工程を増やしたり、特殊な精製を行うことはコストの増加にもつながる。
【０００５】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、オンオフ比が改善され、閾値電圧が低い電界効果型有機トランジスタを提供するものである。
また、本発明は、有機半導体の高度な精製法を必要としない、低コストな電界効果型有機トランジスタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層及び有機半導体層を有する電界効果型有機トランジスタであって、該有機半導体層が有機半導体化合物と、イオンと結合または包接可能な化合物とを含有することを特徴とする電界効果型有機トランジスタである。
【０００７】
好ましくは前記化合物が、クラウンエーテル化合物、アルミナ化合物、ケイ素化合物、チタン化合物である。更に好ましくは前記化合物が１４−クラウン−４エーテル誘導体、１５−クラウン−５エーテル誘導体、１８−クラウン−６エーテル誘導体、２１−クラウン−７エーテル誘導体、２４−クラウン−８エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１２−クラウン−４エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、４，１３−ジアザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 である。
【０００８】
また、前記化合物の含有量は、有機半導体化合物に対して１．０質量％以下であるものが好ましく、更に好ましくは０．１質量％以下である。
前記有機半導体化合物は共役高分子化合物からなるものが好ましくは、更に好ましくはポリチオフェン誘導体である。また、前記共役高分子化合物の重量平均分子量は５，０００〜１００，０００であるものが好ましい。また、前記共役高分子化合物は配向しているものが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、オンオフ比が改善され、閾値電圧が低い電界効果型有機トランジスタを提供することができる。
また、有機半導体の高度な精製法を必要としない為に、低コストな電界効果型有機トランジスタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の電界効果型有機トランジスタは、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の３つの電極と、ゲート絶縁層及び有機半導体層とで構成された電界効果型有機トランジスタであって、該有機半導体層が有機半導体化合物と、イオンと結合または包接可能な化合物を含有することを特徴とする。
【００１１】
本発明は、有機半導体層に含まれる不純物を取り除くのではなく、不純物を残したまま、それと相互作用をする化合物を加えることで、不純物を取り除いた時と同様にオンオフ比が改善できることを見出したものである。また、それだけでなく閾値電圧を低下させることができることを見出したものである。
【００１２】
好ましくは前記化合物がクラウンエーテル化合物、アルミナ化合物、ケイ素化合物、チタン化合物である。更に好ましくは前記化合物が１４−クラウン−４エーテル誘導体、１５−クラウン−５エーテル誘導体、１８−クラウン−６エーテル誘導体、２１−クラウン−７エーテル誘導体、２４−クラウン−８エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１２−クラウン−４エーテル誘導体、４，１０−ジアザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１５−クラウン−５エーテル誘導体、１−アザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、４，１３−ジアザ−１８−クラウン−６エーテル誘導体、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 である。例えば以下に示す構造の化合物が挙げられる。
【００１３】
【化１】
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【００１４】
また、前記化合物の含有量は、本発明の効果を得ることができれば特に限定されないが、有機半導体化合物の本来の特性を阻害しないことを加味すると、有機半導体化合物に対して１．０質量％以下であるものが好ましく、更に好ましくは０．１質量％以下、特に０．０１質量％〜０．１質量％である。また、前記化合物は１種だけでなく複数種含有することが好ましい。
【００１５】
本発明で用いる有機半導体化合物は、例えば以下に示す化合物が好適である。（１）ポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物、（２）ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー、（３）ペリレン、テトラセン、ペンタセンに代表されるアセン類、銅フタロシアニン誘導体に代表される堆積有機分子、（４）トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、（５）ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００１６】
また、好ましくは共役高分子化合物であり、ポリチオフェン誘導体が特に好ましい。例えば以下に示す構造の化合物が挙げられる。
【００１７】
【化２】
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【００１８】
【化３】
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【００１９】
（式中、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 、Ｒ4 はＨ、Ｆまたは炭素原子数が１〜２０のアルキル基またはアルコキシ基、パールルオロアルキル基を示す。ｎは正の整数を示す。）
これらの共役高分子化合物の分子量は特に限定はされないが、溶媒に対する可溶性、成膜性等を考慮すると重量平均分子量が５，０００から１００，０００が好ましい。また、共役高分子化合物は配向していることが好ましい。配向方法としてはラビング法、温度勾配法、摩擦転写法、磁場あるいは電界印加による配向法等が挙げられる。
【００２０】
本発明の電界効果型有機トランジスタの構造は、プレーナー型、スタガー型または逆スタガー型の何れにおいても有効であるが、プレーナー型を一例に図１を用いて本発明の電界効果型有機トランジスタの構造を説明する。
【００２１】
図１は本発明の電界効果型有機トランジスタの一例を示す断面模式図である。同図において、本発明の電界効果型有機トランジスタは、絶縁性基板１１上にゲート電極１２を配置し、その上にゲート絶縁層１３を配置し、更にその上にソース電極１５およびドレイン電極１４を配置し、その上に有機半導体層１６そして最上部に保護膜１７を配置してなるものである。
【００２２】
本発明で用いるゲート絶縁層は特に限定はされないがＳｉＯ2 、ＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｔａ2 Ｏ5 等の無機材料、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料および有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。好ましくは、低コストにつながる液相プロセスを利用できるという観点から有機化合物が好ましい。
【００２３】
絶縁性基板としては特に限定されないが、例えばガラス、石英等の無機材料のほかアクリル系、ビニル系、エステル系、イミド系、ウレタン系、ジアゾ系、シンナモイル系等の感光性高分子化合物、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン等の有機材料、有機無機ハイブリッド材料を用いることができる。また、これらの材料を２層以上積層させて用いることもでき、絶縁耐圧を上げる目的で効果がある。
【００２４】
さらに本発明で用いるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極は導電体であれば特に限定はされないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料、ポリシリコン、シリサイド、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ2 等の無機材料も好適であるが、ハイドープされたポリピリジン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンに代表される導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等を用いることができる。特にフレキシブル電子ペーパー等に用いる場合、各電極は導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等であるものが基板との熱膨張をそろえ易く好ましい。
【００２５】
これら各電極、ゲート絶縁層の形成方法は特に限定はされないが有機材料の場合、電解重合法、キャスティング法、スピンコート法、浸漬コート法、スクリーン印刷法、マイクロモールド法、マイクロコンタクト法、ロール塗布法、インクジェット法、ＬＢ法等で形成することができる。また、用いる材料により真空蒸着法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等も有効な形成方法である。また、これらはフォトリソグラフおよびエッチング処理により所望の形状にパターニングすることができる。その他、ソフトリソグラフ、インクジェット法も有効なパターニング方法である。また、必要に応じて各電極からの引出し電極や保護膜等を形成することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
図２は本発明の実施例に用いる電界効果型有機トランジスタを示す断面模式図である。ゲート電極２１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層２２としてＳｉＯ2 、ソース電極２４およびドレイン電極２３として金、有機半導体層２５を形成する有機半導体化合物としてポリ（３−ヘキシルチオフェン）（重量平均分子量４７，０００）を用いる。以下に製造手順を示す。
【００２７】
シリコン基板上に熱酸化膜ＳｉＯ2 （厚さ３００ｎｍ）を形成する。その上にリフトオフ法によりチャネル長５０μｍ、チャネル幅５０ｍｍのクロム（５ｎｍ）／金（１００ｎｍ）ソースドレイン両電極を作製する。ポリ（３−ヘキシルチオフェン）１ｇに対してそれぞれ０．１質量％の割合で１４−クラウン−４エーテルと１５−クラウン−５エーテルと１８−クラウン−６エーテルを加え、クロロホルム１００ｇに溶解させる。この溶液をスピンコート法により塗布し、１２０℃で１２時間乾燥し、有機半導体層を形成する。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００２８】
次にゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。
次にドレイン電流の平方根とゲート電圧の関係からドレイン電流Ｉｄ＝０に外挿することにより閾値電圧Ｖｔｈを求め、更に式（１）から移動度μを算出する。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
（式中、μは移動度、Ｉｄはドレイン電流（Ａ）、Ｗはチャネル幅（ｃｍ）、Ｌはチャネル長（ｃｍ）、Ｃｉはゲート絶縁層の単位面積あたりの容量（Ｆ／ｃｍ2 ）、Ｖｇはゲート電圧（Ｖ）、Ｖｔｈは閾値電圧（Ｖ））
また、ゲート電圧０Ｖ、ソース−ドレイン電極間−５０Ｖのときのドレイン電流（オフ電流）とゲート電圧−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間−５０Ｖのときのドレイン電流（オン電流）の比からオンオフ比を算出する。
【００３１】
実施例２
実施例１で使用した１４−クラウン−４エーテルと１５−クラウン−５エーテルの代わりに、４，１０−ジアザ−１２−クラウン−４エーテル、４，１０−ジアザ−１５−クラウン−５エーテルを使用する以外は実施例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００３２】
ゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。実施例１と同様の方法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求めることができる。
【００３３】
実施例３
実施例１で使用した１４−クラウン−４エーテルと１５−クラウン−５エーテルと１８−クラウン−６エーテルの代わりに、Ａｌ2 Ｏ3 とＳｉＯ2 とＴｉＯ2 を使用する以外は実施例１と同様の方法で電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００３４】
ゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。実施例１と同様の方法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求めることができる。
【００３５】
比較例１
次に比較実験として有機半導体層としてポリ（３−ヘキシルチオフェン）のみを使用する以外は実施例１と同様の方法により電界効果型有機トランジスタを作製し、実施例１と同様の手法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求める。その結果、実施例１〜３で作製される電界効果型有機トランジスタは比較例１で作製されるものに比べ、移動度は変化しないものの、何れもオンオフ比が２〜３桁改善され、閾値電圧が小さくなることが確認される。
【００３６】
実施例４
図３は本発明の実施例に用いる電界効果型有機トランジスタを示す断面模式図である。ゲート電極３１としてｎ型に高ドープされたシリコン基板、ゲート絶縁層３２としてポリイミド、ソース電極３４およびドレイン電極３３として金、有機半導体層３５を形成する有機半導体化合物としてポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（重量平均分子量２８，０００）を用いる。以下に製造手順を示す。
【００３７】
シリコン基板上にポリアミック酸をスピンコート法で塗布し、２００℃で焼成しポリイミド膜を形成する。その表面を布で擦りラビング処理を施す。ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）１ｇに対してそれぞれ０．５質量％の１４−クラウン−４エーテルと、０．３質量％の１−アザ−１５−クラウン−５エーテル、０．２質量％の１−アザ−１８−クラウン−６エーテル、０．１質量％の４，１３−ジアザ−１８−クラウン−６エーテルを加え、ジクロロベンゼン１００ｇに溶解させる。その上に、この溶液をスピンコート法により塗布し、２００℃で６時間、２８０℃で１時間乾燥し、有機半導体層を形成する。その上に金（５０ｎｍ）を真空蒸着し、チャネル長５０μｍ、チャネル幅１０ｍｍのソースドレイン両電極を作製する。この時、電流が流れる方向とラビング方向が平行になるようにソースドレイン両電極を配置する。ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極の各電極に０．１ｍｍφの金線を銀ペーストで配線し、電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００３８】
次にゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。実施例１と同様の方法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求めることができる。
【００３９】
実施例５
実施例４で使用した１４−クラウン−４エーテルと１−アザ−１５−クラウン−５エーテルの代わりに、２１−クラウン−７エーテルと２４−クラウン−８エーテルを使用する以外は実施例４と同様の方法で電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００４０】
ゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。実施例１と同様の方法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求めることができる。
【００４１】
実施例６
実施例４で使用した１４−クラウン−４エーテルと１−アザ−１５−クラウン−５エーテルの代わりにＡｌ2 Ｏ3 とＳｉＯ2 を使用する以外は実施例４と同様の方法で電界効果型有機トランジスタ素子を作製する。
【００４２】
ゲート電圧を０Ｖ〜−５０Ｖ、ソース−ドレイン電極間の電圧０Ｖ〜−５０Ｖでのドレイン電流を測定し、良好なＩＶ特性が得られることが確認される。実施例１と同様の方法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求めることができる。
【００４３】
比較例２
次に比較実験として有機半導体層としてポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）のみを使用する以外は実施例４と同様の方法により電界効果型有機トランジスタを作製し、上記と同様の手法で移動度、オンオフ比、閾値電圧を求める。その結果、実施例４〜６で作製される電界効果型有機トランジスタは比較例２で作製されるものに比べ、移動度は変化しないものの、何れもオンオフ比が２〜３桁改善され、閾値電圧が小さくなることが確認される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の電界効果型有機トランジスタは、オンオフ比が改善され、閾値電圧が低いので、表示デバイス、情報タグ、ＩＣ等のエレクトロ分野における電界効果型有機トランジスタに利用することができる。また、有機半導体の高度な精製法を必要としない為に、低コストな電界効果型有機トランジスタである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の電界効果型有機トランジスタの断面模式図である。
【図２】実施例で用いる電界効果型有機トランジスタの断面模式図である。
【図３】実施例で用いる電界効果型有機トランジスタの断面模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  絶縁性基板
１２、２１、３１  ゲート電極
１３、２２、３２  ゲート絶縁層
１４、２３、３３  ドレイン電極
１５、２４、３４  ソース電極
１６、２５、３５  有機半導体層
１７  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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