(57)【要約】【課題】膜形成時の配向性に優れ、キャリア移動度が高い有機半導体材料及びをそれを用いた有機半導体素子を得る。【解決手段】一方端に線状非極性基を有し、他方端に極性基を有し、これらの間に結晶性ユニットが設けられた以下の一般式で表わされることを特徴としている。【化１】2007234668.tif 000015  Ａ：線状非極性基  Ｃ：結晶性ユニット  Ｆ：極性基【選択図】図１
2007234668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方端に線状非極性基を有し、他方端に極性基を有し、これらの間に結晶性ユニットが設けられた以下の一般式で表わされることを特徴とする有機半導体材料。
【化１】
2007234668.tif 000010
Ａ：線状非極性基
Ｃ：結晶性ユニット
Ｆ：極性基
【請求項２】
前記線状非極性基が、以下の一般式で表わされる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体材料。
【化２】
2007234668.tif 000011
（式中、ｍ、ｎ及びｐは１から２０までの整数である。）
【請求項３】
前記結晶性ユニットが、以下の一般式で表わされる少なくとも１種であること特徴とする請求項１または２に記載の有機半導体材料。
【化３】
2007234668.tif 000012
（式中、ｎは１から１０までの整数である。）
【化４】
2007234668.tif 000013
（式中、ｎは１から１０までの整数であり、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、水素、置換されてもよいアルキル基、置換されてもよいアルコキシ基、置換されてもよいエーテル基、または置換されてもよいアリール基であり、互いに同一または異なっていてもよい。）
【請求項４】
前記極性基が、以下の一般式で表わされる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機半導体材料。
【化５】
2007234668.tif 000014
（式中、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、水素、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、置換されてもよいアルキル基、置換されてもよいアルコキシ基、置換されてもよいエーテル基、または置換されてもよいアリール基であり、互いに同一または異なっていてもよい。）
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機半導体材料を用いたことを特徴とする有機半導体素子。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機半導体材料を用いたことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【請求項７】
電荷輸送性材料層と、該電荷輸送性材料層に直接または間接に接するゲート電極とを備え、前記ゲート電極及び前記電荷輸送性材料層の間に、電界を印加することにより、前記電荷輸送性材料層中の電流を制御する電界効果トランジスタにおいて、
前記電荷輸送性材料層を、請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機半導体材料から形成したことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機半導体材料及びそれを用いた有機半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機半導体の研究とともに、従来よりＳｉ材料が用いられているトランジスタなどの半導体素子に、有機半導体材料を用いる検討がなされている。有機半導体材料は、比較的低い温度での蒸着が可能であり、溶液化することにより、インクジェット方式などの印刷法によって半導体層を形成することができる。従って、Ｓｉ材料を用いる場合に比べ、簡単なプロセスで半導体素子を作製することが可能である。
【０００３】
特許文献１においては、アントラセン、ナフタレン、テトラセン、及びペンタセンなどの有機半導体材料を用いて有機半導体層を形成し、この上にＣＨ３−（ＣＨ２）ｍ−ＰＯ３Ｈ２などで示される前駆物質を用いて、ゲート誘導体と有機半導体層の間に自己組織化単分子層を形成した有機薄膜トランジスタが提案されている。
【０００４】
しかしながら、従来の有機半導体材料は、キャリア移動度が十分ではなく、従来より高いキャリア移動度を有する有機半導体材料が求められている。
【特許文献１】特表２００５−５０３０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、膜形成時の配向性に優れ、キャリア移動度が高い有機半導体材料及びそれを用いた有機半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の有機半導体材料は、一方端に線状非極性基を有し、他方端に極性基を有し、これらの間に結晶性ユニットが設けられた以下の一般式で表わされることを特徴としている。
【０００７】
【化１】
2007234668.tif 000003
【０００８】
Ａ：線状非極性基
Ｃ：結晶性ユニット
Ｆ：極性基
本発明の有機半導体材料は、膜形成時における配向性に優れており、キャリア移動度の高い有機半導体材料である。従って、このような有機半導体材料を用いて、例えば有機薄膜トランジスタ素子を形成した場合、優れたトランジスタ特性を得ることができる。
【０００９】
本発明における線状非極性基としては、以下の一般式で表わされる少なくとも１種が挙げられる。
【００１０】
【化２】
2007234668.tif 000004
【００１１】
（式中、ｍ、ｎ及びｐは１から２０までの整数である。）
また、本発明における結晶性ユニットとしては、以下の一般式で表わされる少なくとも１種が挙げられる。
【００１２】
【化３】
2007234668.tif 000005
【００１３】
（式中、ｎは１から１０までの整数である。）
【００１４】
【化４】
2007234668.tif 000006
【００１５】
（式中、ｎは１から１０までの整数であり、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、水素、置換されてもよいアルキル基、置換されてもよいアルコキシ基、置換されてもよいエーテル基、または置換されてもよいアリール基であり、互いに同一または異なっていてもよい。）
また、本発明における極性基としては、以下の一般式で表わされる少なくとも１種が挙げられる。
【００１６】
【化５】
2007234668.tif 000007
【００１７】
（式中、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、水素、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、置換されてもよいアルキル基、置換されてもよいアルコキシ基、置換されてもよいエーテル基、または置換されてもよいアリール基であり、互いに同一または異なっていてもよい。）
本発明に従う好ましい実施形態において用いる具体的な有機半導体材料としては、以下に示す一般式で表わされるものが挙げられる。
【００１８】
【化６】
2007234668.tif 000008
【００１９】
（式中、ｎは１から１０までの整数であり、Ｘは、フェニレン基、オリゴフェニレン基（ベンゼン環の環数は１〜１０）、炭素数１〜１０のアルキル基であり、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は炭素数１〜２０のアルキル基、または炭素１〜５０のアリール基（環を形成する原子はヘテロ原子であってもよい）であり、Ｘがなく、チオフェン基とＳｉが直接結合されていてもよい。）
本発明の有機半導体素子は、上記本発明の有機半導体材料を用いたことを特徴としている。
【００２０】
本発明の有機薄膜トランジスタは、上記本発明の有機半導体材料を用いたことを特徴としている。
【００２１】
本発明の電界効果トランジスタは、電荷輸送性材料層と、該電荷輸送性材料層に直接または間接に接するゲート電極とを備え、ゲート電極及び電荷輸送性材料層の間に電界を印加することにより、電荷輸送性材料層中の電流を制御する電界効果トランジスタであり、電荷輸送性材料層を上記本発明の有機半導体材料から形成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の有機半導体材料は、キャリア移動度が高く、有機半導体素子に用いた場合に、良好な半導体特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２４】
（合成実施例）
４−（５′′′′−ｎ−ヘキシル−ペンタチオフェン−２−イル）−トリメチルシリルベンゼン〔化合物１〕
【００２５】
【化７】
2007234668.tif 000009
【００２６】
機械式攪拌機を備え、窒素ライン及び真空ラインに接続可能な乾燥した気密性反応容器に、２，５−ジヨードチオフェン（６７２ｍｇ、２ｍｍｏｌ）、２，５−チオフェンジボロン酸（１７２ｍｇ、１ｍｍｏｌ）、鈴木カップリング触媒、トルエン５ｍｌ、テトラエチルアンモニウムヒドロキサイド（２０重量％）８ｍｌを添加し反応させた。反応容器は減圧−窒素置換の操作を３回繰り返し、その後９５℃に加熱した。反応は９５℃で窒素雰囲気下約３時間行った。次に、５−（４，４，５，５−テトラメチル−１，３，２−ジオキサボロラン−２−イル）−５′−Ｎ−ヘキシル−２，２′−ビチオフェン（３７６ｍｇ、１ｍｍｏｌ）を添加した後、９５℃で窒素雰囲気下においてさらに２時間反応させた。その後、４−（トリメチルシリル）フェニルボロン酸（１９４ｍｇ、１ｍｍｏｌ）を添加し、反応をさらに４時間継続した。
【００２７】
生成物を冷却した後、２００ｍｌのメタノール中に滴下して、生成物を沈殿させた。次に、メタノールで３回洗浄した。真空乾燥した後、生成物を３０ｍｌのクロロホルムに溶解させ、シリカゲルを充填したカラムクロマトグラフィで精製した。溶媒をロータリーエバポレーターで除去して適量まで濃縮した後、２００ｍｌのメタノールに滴下して生成物を沈殿させた。沈殿物をメタノールで３回洗浄し、真空乾燥した。最終生成物として褐色の粉末が得られた。収率は約１０％であった。
【００２８】
〔有機薄膜トランジスタの作製〕
上記で作製した有機半導体材料を用いて、ＭＯＳ型電界効果トランジスタを作製した。
【００２９】
図１は作製したＭＯＳ型電界効果トランジスタの構造を示す模式的断面図である。図１に示すように、シリコンウェハ１の上に絶縁膜２を設け、絶縁膜２の上に有機半導体膜３を形成し，有機半導体膜３の上に所定の距離離してソース電極４及びドレイン電極５を形成している。
【００３０】
図２は、ソース電極４及びドレイン電極５を示す平面図である。図２に示すように、ソース電極４とドレイン電極５の間の距離Ｌをチャネル長とし、ソース電極４及びドレイン電極５のそれぞれの幅をチャネル幅Ｗとしている。
【００３１】
図１に示す有機薄膜トランジスタにおいては、ｎ型にドープされたシリコンウェハ１をゲート電極としている。このシリコンウェハ１の上に、膜厚１００ｎｍの二酸化ケイ素からなる絶縁膜２が形成されている。シリコンウェハ１は、２−プロパノール、アセトン、イオン交換水、メタノールの順で、超音波洗浄を行った後、紫外線・オゾン処理により表面を清浄化してから用いた。絶縁膜２の上には有機半導体膜３が形成されている。
【００３２】
有機半導体膜３は以下のようにして形成した。有機溶剤で有機半導体材料を溶液とし、絶縁膜２の表面にこの溶液をスピンコートし、真空オーブン中で減圧下、８０℃で２時間ベークして、有機溶剤を除去した。これにより、膜厚５０ｎｍ〜１００ｎｍの有機半導体膜３を形成した。
【００３３】
有機半導体膜３の上には、真空蒸着により、金からなるソース電極４及びドレイン電極５をマスクを用いて形成した。
【００３４】
シリコンウェハ１からなるゲート電極１、ソース電極４、及びドレイン電極５の３端子間のトランジスタ特性を、アジレント社製の４１５６Ｃ型高精度半導体パラメータアナライザを用いて、室温（約２７℃）で評価した。
【００３５】
（実施例１）
化合物１を用いて有機半導体膜３を形成し、得られた有機薄膜トランジスタの特性を上記のようにして評価した。チャネル長Ｌは０．０５ｍｍであり、チャネル幅Ｗは１ｍｍである。
【００３６】
図３は、Ｖ−Ｉ特性を示す図である。オン／オフ比は６４であり、移動度は１．０２×１０−３ｃｍ２／ＶＳであり、良好なトランジスタ特性が得られた。
【００３７】
（実施例２）
絶縁膜２として、膜厚１００ｎｍの二酸化ケイ素の膜の上に、膜厚２０ｎｍのポリ（４−ビニルフェノール−コ−メチルメタクリレート）薄膜を積層した積層膜を用いる以外は、上記と同様にして有機薄膜トランジスタを作製し、上記実施例１と同様にして評価した。
【００３８】
図４は、Ｖ−Ｉ特性を示す図である。オン／オフ比は１８００であり、移動度は２．３４×１０−３ｃｍ２／ｖｓであり、良好なトランジスタ特性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に従う実施例において作製した有機薄膜トランジスタを示す模式的断面図。
【図２】図１に示す有機薄膜トランジスタにおけるソース電極及びドレイン電極の平面図。
【図３】実施例１において作製した有機薄膜トランジスタのＶ−Ｉ特性を示す図。
【図４】実施例２において作製した有機薄膜トランジスタのＶ−Ｉ特性を示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１…ゲート電極
２…絶縁膜
３…有機半導体膜
４…ソース電極
５…ドレイン電極
【図１】
2007234668.tif 000016
【図２】
2007234668.tif 000017
【図３】
2007234668.tif 000018
【図４】
2007234668.tif 000019