(57)【要約】【課題】有機半導体層の耐久劣化や酸化劣化を低減することのできる有機半導体電界効果トランジスタを得る。【解決手段】有機半導体層４と、該有機半導体層４に結合されたソース電極２及びドレイン電極３と、絶縁性の基板１と、ゲート電極５とを備えた有機半導体電界効果トランジスタ。有機半導体層４には、酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物が含有されており、繰り返して動作させた場合、流れる電流によって有機半導体層４に生じる耐久劣化や酸化劣化が低減する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、有機半導体層とソース電極とドレイン電極とゲート電極とを備え、ソース電極及びドレイン電極が有機半導体層とそれぞれ結合してなる有機半導体電界効果トランジスタにおいて、
前記有機半導体層に、酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物を含有すること、
を特徴とする有機半導体電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記酸化防止剤がヒンダードフェノール系化合物、前記光安定剤がヒンダードアミン系化合物、前記紫外線吸収剤がベンゾトリアゾール化合物であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物の含有量が前記有機半導体層の０．１〜３０重量％であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の有機半導体電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記有機半導体層が高分子有機半導体を含有していることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の有機半導体電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記有機半導体層の膜厚が１０〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の有機半導体電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体電界効果トランジスタ、特に、ソース電極及びドレイン電極にそれぞれ結合した有機半導体層を備えた有機半導体電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
【特許文献１】
特開２００１−９４１０７号公報
【０００３】
従来から、ソース電極及びドレイン電極にそれぞれ結合した有機半導体層を備えた有機半導体電界効果トランジスタは種々提供されており、その一例として特許文献１に記載のものを挙げることができる。
【０００４】
この種の電界効果トランジスタでは、繰り返して動作させた場合に、流れる電流によって有機半導体層が耐久劣化したり酸化劣化するという問題点を有していた。しかしながら、従来では有機半導体層の耐久劣化や酸化劣化に対して特に有効な対処方法は提案されていなかった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、有機半導体層の耐久劣化や酸化劣化を低減することのできる有機半導体電界効果トランジスタを提供することにある。
【０００６】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明は、少なくとも、有機半導体層とソース電極とドレイン電極とゲート電極とを備え、ソース電極及びドレイン電極が有機半導体層とそれぞれ結合してなる有機半導体電界効果トランジスタにおいて、前記有機半導体層に、酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物を含有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタにおいては、有機半導体層に、酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物を含有することにより、繰り返して動作させた場合、流れる電流によって有機半導体層に生じる耐久劣化や酸化劣化が低減する。
【０００８】
本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタにおいて、酸化防止剤としてはヒンダードフェノール系化合物、光安定剤としてはヒンダードアミン系化合物、紫外線吸収剤としてはベンゾトリアゾール化合物を用いた場合、有機半導体層の耐久性の向上に対する効果が大きい。
【０００９】
また、酸化防止剤、光安定剤及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物の含有量が有機半導体層の０．１〜３０重量％であることが好ましい。含有量が少なすぎると十分な効果を示すことができず、多すぎると電流が流れる速度が低下したり、抵抗が大きくなりすぎる。
【００１０】
有機半導体層は、低分子あるいは高分子の有機半導体のいずれでもでよく、高分子有機半導体を含有する場合は、それ自身で成膜することができ、電流の流れる速度が大きいという利点を有している。また、低分子や高分子の有機半導体を組み合わせてもよく、あるいは、低分子及び／又は高分子の有機半導体に絶縁性の高分子を混合したものでもよい。
【００１１】
有機半導体層は単層フィルム又は多層フィルムであり、その合計の膜厚は１０〜２０００ｎｍの範囲内、好ましくは２５〜５００ｎｍの範囲、より好ましくは５０〜３００ｎｍの範囲である。膜厚は薄すぎると電流の制御が困難であり、厚すぎるとスイッチング電圧が高くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
（有機半導体電界効果トランジスタの基本的な構造と作用）
図１〜図４に本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタの基本的な構造を示す。
【００１４】
図１はブレナー型を示し、絶縁性の基板１の表面にソース電極２及びドレイン電極３を設けると共に有機半導体層４を成膜し、基板１の裏面にゲート電極５を設け、さらにベース基板６を設置したものである。
【００１５】
図２は逆スタガー型を示し、絶縁性の基板１の表面に有機半導体層４を成膜すると共にソース電極２及びドレイン電極３を設け、基板１の裏面にゲート電極５を設け、さらにベース基板６を設置したものである。
【００１６】
図３はスタガー型を示し、絶縁性の基板１の表面にゲート電極５を形成し、基板１の裏面にソース電極２及びドレイン電極３を設けると共に有機半導体層４を成膜し、さらにベース基板６を設置したものである。
【００１７】
図４は縦型を示し、有機半導体層４の表裏面にドレイン電極３及びソース電極２をそれぞれ形成すると共に、有機半導体層４中にゲート電極（グリッド電極）５を設けたものである。
【００１８】
図１〜図４に示すそれぞれの有機半導体電界効果トランジスタにおいて、有機半導体層４がホール輸送性である場合、ゲート電極５に負の電圧を印加すると、有機半導体層４と基板１の絶縁層の界面付近にホールが蓄積され、伝導チャンネルが形成され、その伝導チャンネルを通って電流がソース電極２とドレイン電極３との間を流れる。即ち、「オン」状態になる。ゲート電圧を逆転させると、蓄積ゾーンのホールが消滅して電流が停止する。即ち、「オフ」状態になる。
【００１９】
有機半導体層４が電子輸送性である場合、ゲート電極５に正の電圧を印加すると、有機半導体層４と基板１の絶縁層の界面付近にホールの欠乏（電子の蓄積）が生じ、伝導チャンネルが形成され、その伝導チャンネルを通って電流がソース電極２とドレイン電極３との間を流れる。即ち、「オン」状態になる。ゲート電圧を逆転させると、蓄積ゾーンの電子が消滅して電流が停止する。即ち、「オフ」状態になる。
【００２０】
有機半導体層４の材料としては、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機けい素化合物等を使用することができる。具体的には、ペンタセン、テトラセン、チオフェノリゴマ誘導体、フェニレン誘導体、フタロシアニン化合物、ポリアセチレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフェニレン誘導体、シアニン色素等を挙げることができる。但し、有機半導体層４として使用可能な材料はこれらに限定するものではない。
【００２１】
本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタおいて、前記有機半導体層４には、酸化防止剤、光安定剤（光劣化防止剤と称される場合もある）及び紫外線吸収剤の少なくとも１種類の化合物が含有されている。これらの化合物を含むことにより、有機半導体層４はスイッチングのオン、オフを繰り返すことによる耐久劣化や酸化劣化が低減する。以下、本発明者が製作した実施例１〜６及び比較例１について説明する。
【００２２】
（実施例１、ブレナー型）
電導度が６Ｓ／ｃｍのｎ型シリコン基板（３×３ｃｍ、厚さ４００μｍ）の両面に熱酸化法で厚さ約３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、このシリコン基板の一方の面にポジ型ホトレジストを用いて、ソース電極及びドレイン電極として作用する金属膜形成用パターンを作製した。このパターンの開口有効面積は０．２×０．８ｃｍで開口間距離は６μｍである。
【００２３】
その後、シリコン基板上に、前記パターンを介して、真空蒸着法で厚さ２０ｎｍのクロム蒸着膜を成膜し、さらにその上に厚さ３０ｎｍの金蒸着膜を成膜した。そして、前記ホトレジストを除去し、ソース電極及びドレイン電極を形成した。これらの電極上にはリード線を銀ペーストで接続し、接続部をエポキシ樹脂で固定した。
【００２４】
次に、数平均分子量７０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、４−ヒドロキシ３，５−ジｔｅｒ−ブチルトルエン系酸化防止剤（住友化学社製：スミライザーＢＨＴ）０．５重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成し、乾燥させた。この有機半導体層はソース電極とドレイン電極及びシリコン基板の酸化シリコン膜を被覆しており、その膜厚は２μｍである。
【００２５】
一方、前記シリコン基板の有機半導体層形成面とは反対側の酸化シリコン膜を紙ヤスリで部分的に除去し、インジューム・ガリウム合金にてｎ型シリコンとオーム性接触をとり、この除去部分から銀ペーストでリード線を接続し、接続部をエポキシで固定した。このリード線を通じてｎ型シリコン基板（図１における符号５，６）がゲート電極として作用する。
【００２６】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．２×１０−７Ａであった。
【００２７】
（実施例２、ブレナー型）
実施例２においては、数平均分子量６０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、ヒンダードフェノール系酸化防止剤（長瀬産業社製：イルガノックス１０７６）０．５重量部、紫外線吸収剤（長瀬産業社製：チヌビン３２０）０．２重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成した。これ以外の工程は前記実施例１と同様にして有機半導体電界効果トランジスタを製作した。
【００２８】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．２×１０−７Ａであった。
【００２９】
（実施例３、ブレナー型）
実施例３においては、数平均分子量５０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、ヒンダードフェノール系酸化防止剤（長瀬産業社製：イルガノックス５６５）０．２重量部、ヒンダードアミン系光安定剤（長瀬産業社製：チヌビン６２２ＬＤ）０．１重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成した。これ以外の工程は前記実施例１と同様にして有機半導体電界効果トランジスタを製作した。
【００３０】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．１×１０−７Ａであった。
【００３１】
（実施例４、ブレナー型）
実施例４においては、数平均分子量７０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、ヒンダードフェノール系酸化防止剤（住友化学社製：スミライザーＭＤＰ−Ｓ）０．３重量部、ヒンダードアミン系光安定剤（長瀬産業社製：チヌビン１２３）０．０５重量部、紫外線吸収剤（長瀬産業社製：チヌビン２３４）０．０５重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成した。これ以外の工程は前記実施例１と同様にして有機半導体電界効果トランジスタを製作した。
【００３２】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．２×１０−７Ａであった。
【００３３】
（実施例５、ブレナー型）
ｐ型シリコン基板の両面に熱酸化法で厚さ５０ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、このシリコン基板の一方の面にｎ型シリコンからなるソース電極及びドレイン電極をチャンネル長２．５μｍ、チャンネル幅２ｍｍでくし型に形成した。
【００３４】
次に、数平均分子量６０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、ヒンダードアミン系光安定剤（長瀬産業社製：チマソーブ１１９ＦＬ）０．５重量部、紫外線吸収剤（長瀬産業社製：チヌビン３２９）０．５重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成した。これ以外の工程は前記実施例１と同様にして有機半導体電界効果トランジスタを製作した。
【００３５】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．３×１０−７Ａであった。
【００３６】
（実施例６、逆スタガー型）
ガラス基板上に金電極を真空蒸着法により形成し、ゲート電極とした。そして、ゲート電極上に絶縁膜として酸化シリコン膜を形成した。
【００３７】
次に、数平均分子量９０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部、紫外線吸収剤（長瀬産業社製：チヌビン１５７７ＦＦ）０．１重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液の５重量％クロロホルム溶液にてスピンコート法を用いて前記ガラス基板上に有機半導体層を形成した。さらに、この有機半導体層上に金電極を真空蒸着法により形成し、ソース電極及びドレイン電極とした。
【００３８】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．２×１０−７Ａであった。
【００３９】
（比較例１、ブレナー型）
比較例１においては、数平均分子量７０，０００のポリマー（３−オクチルチオフェン）１０重量部をクロロホルム１９０重量部に溶解させた溶液にてスピンコート法を用いて有機半導体層を形成した。これ以外の工程は前記実施例１と同様にして有機半導体電界効果トランジスタを製作した。
【００４０】
以上の如く製作された有機半導体電界効果トランジスタにあっては、ゲート電圧が−１５Ｖのときに、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．０×１０−７Ａであった。
【００４１】
（耐久試験）
前記実施例１〜６及び比較例１において、ゲート電圧に対するソース−ドレイン間電圧とソース−ドレイン間電流を測定した。次に、電圧のスイッチングを５００回繰り返した後、ゲート電圧に対するソース−ドレイン間電圧とソース−ドレイン間電流を測定した。５００回のスイッチング後の結果を以下に示す。
【００４２】
実施例１においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は０．７×１０−７Ａであった。
【００４３】
実施例２においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は０．９×１０−７Ａであった。
【００４４】
実施例３においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．１×１０−７Ａであった。
【００４５】
実施例４においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は１．２×１０−７Ａであった。
【００４６】
実施例５においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は０．５×１０−７Ａであった。
【００４７】
実施例６においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は０．２×１０−７Ａであった。
【００４８】
比較例１においては、ゲート電圧が−１５Ｖ、ソース−ドレイン間電圧が−２Ｖのときのソース−ドレイン間電流は２．８×１０−８Ａであった。
【００４９】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタは前記実施形態及び実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタ（ブレナー型）の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタ（逆スタガー型）の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタ（スタガー型）の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係る有機半導体電界効果トランジスタ（縦型）の概略構成を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
１…絶縁性基板
２…ソース電極
３…ドレイン電極
４…有機半導体層
５…ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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