高移動度、高安定性信頼性を有する短チャネル有機トランジスタ用材料の開発
福奥李山
渡田田慎廷
川辺靡真正貴＊ 1也＊ 1輝＊ 1
浩＊ 1人＊ 1雄＊ 1

Development of Short-Channel OTFT with High Mobilities and Stability
Takashi FUKUDAOku SHINYA
Junghwi LEE
Hiroshi YAMAKAWA
Makoto WATANABE
Masao TANABIKI

Short-channel organic thin-film transistors with high performance and high reliability are widely required. Here
we report a novel organic semiconductor formulation of dithieno[2,3-d;2 ′,3 ′-d ′]benzo[1,2-b;4,5-b ′] (DTBDT) anda planarization material PC300 for solution-processed transistors with an average mobility of 2.6 ± 0.3 cm2/Vs(maximum of 3.0 cm2/Vs) at a channel length of 10 μ m.

ス耐性などの信頼性が求められる。短チャネル長の1．はじめにOTFT が高い特性を発現するためには有機半導体の材

有機薄膜トランジスタ（OTFT）は溶液プロセスお料特性に加えて結晶性が重要となる。しかしながら、よび低温プロセスでの製造が可能であることから、ポ有機半導体の結晶性は周辺材料の影響を受けるため制リエチレンナフタレート（PEN）やポリエチレンテレ御することが難しいことが知られている。我々はこれまフタレート（PET）のような樹脂基板を用いることがでに、結晶性が高く、移動度 1.0 cm2 ／ Vs 以上の高移できるため、フレキシブルデバイスへの応用が期待さ

動度を示す dithieno［2,3-d;2’,3’-d’］benzo［1,2-b;4,5-b′］れている。近年、OTFT の実用化に向けて、フォトリdithiophene（DTBDT）という低分子有機半導体を開ソグラフィ技術と溶液プロセスを用いた OTFT の製造発したことを報告している［3］。 DTBDT は種々の芳方法が提案されている［1,2］香族系溶媒に室温で 1 wt％ 程度溶解することから溶OTFT には短チャネル長 （L 10 μ m 以下） で高移動度、低バラつき特性、さらに、バイアスストレ＊1

ファンクショナルポリマー研究所

有機電子材料グループ

液プロセスへの適応性を有している。
そこで、短チャネル OTFT が安定して高い特性と信頼性（バイアスストレス耐性）を実現するために、
DTBDT の結晶性を制御する新規 DTBDT インク、お51

TOSOH Research & Technology Review Vol.62（2018）

よび、低極性表面を有する新規光硬化性平坦化材料

Mean Square）が 1.0 nm 未満と平坦性に優れている。

PC300 を開発したので報告する。

これらの特徴が、DTBDT 薄膜の結晶性および OTFTのバイアスストレス耐性の向上に寄与する。
DTBDT に 添 加 し た COP は 開 発 し た 平 坦 化 材 料

2．実

験

［1］ 材料

PC300 との界面エネルギーを算出すると 1mN ／ m と低く、DTBDT インクは PC300 への濡れ性および密着

Fig. １（a）に示すように、DTBDT とシクロオレフィ性が高い設計となっている。この設計により、COPンポリマー（COP）を芳香族溶媒に溶解して DTBDTは PC300 上に結晶性の高い DTBDT 結晶薄膜の形成インクを調製した。

を可能にし、高い移動度、安定した素子特性を発現する役割を有する。

開発した平坦化材料 PC300 を Fig. １（b）に示す。
PC300 はトルエン、キシレン、アニソール、メチルエチルケトンなどの様々な溶媒に溶解することが可能［2］OTFT の作製であり、光架橋基としてビニルカルコン基を有するこFig. ２にトップゲート／ボトムコンタクト型 OTFT2とから、UV 照射（100mJ ／ cm @ λ＝ 365nm）によりの作製プロセスの概略図を示す。 PC300 をガラス基低温短時間で光硬化することができる。 PC300 薄膜板上にスピンコートし、UV 照射により硬化した。次と平坦化材料としてよく知られている架橋ポリビニルに、Ag をスパッタで成膜し、フォトリソグラフィ法

フェノール（C − PVP）の表面特性を Table １に示す。

によりチャネル長（L）10 μ m のソース電極およびドPC300 は低い表面エネルギー（γ s）、特に表面エネルレイン電極を形成した後、ペンタフルオロベンゼンチp

ギーの極性部分（γ s ）が小さく、キャリアトラップオールをスピンコートし、リンスすることで、電極表が生じにくい設計となっている。また、RMS（Root面修飾をおこなった。その後、DTBDT インクを基板上にスピンコートし、90℃で 10 分加熱乾燥し、そのTable１

Planarization
PC300C-PVP

上に CYTOP（AGC 社製）をスピンコートしてゲート

Surface properties of the planarization films
Surfaceenergy (mN/m)γspγsdγs
1.2
11.2

30.8
45.9

29.634.7

絶縁膜を形成した。最後に、CYTOP 層の上に Ag ゲー

Roughness(RMS)

ト電極を形成した。すべてのプロセスは、100℃以下の温度で実施した。

＜1.0 nm＜1.0 nm

PC300

RDTBDT
S

S
S

S

R

O
O＋UV

O

irradiation

O

Cyclo-olefin polymer(COP)

Figure１

Structure of Tosoh materials ; (a) DTBDT ink formulation; (b) planarization material PC300

1) Planarization layer
PC300:
Spin-coating andUV curing2) S-D electrodes:
Ag sputtering andphotolithography3) Self-assembly monolayer:Spin-coating

4) OSC ofDTBDT ink:Spin-coating5) Dielectric ofCytop:Spin-coating

6) Gate electrode ofAg

Figure２52

OTFT fabrication process using Tosoh materials.

東ソー研究・技術報告

3．結第 62 巻（2018）て形成した結晶薄膜の偏光顕微鏡像を Fig. ４（a）に果示す。DTBDT 結晶膜は連続的で数百μ m にもなる大きな結晶グレインが均一に形成していることが分か［1］OTFT の電気的特性
OTFT の電気的特性は大気下で測定した。デバイスる。一方で、Fig. ４（b）に示すように COP を含まなの電界効果移動度は、ドレイン電流対ゲート電圧曲線

い DTBDT インクを用いた結晶膜ではグレインサイの平方根から式（1）を使用して飽和領域から得た。I dズは低下し、また、連続性も低い。本結果は、COPはドレイン電流、C は単位面積当たりの静電容量、V gの添加が DTBDT インクの成膜性の向上、および、はゲート電圧、Vth は閾値電圧である。

DTBDT の結晶性向上に寄与していることを示しており、OTFT が高移動度、高い均一性を発現する要因で

CμsatW2
Id ＝(Vg−Vth)2L⑴

DTBDT に COP を添加したインクを使用して作製あると考えられる。
［3］ バイアスストレス試験
Fig. ５（a）お よ び（b）は、DTBDT ／ COP イ ン ク をした OTFT の伝達特性図を Fig. ３（a）に示す。移動度
222.6 ± 0.3cm ／ Vs（最大：3.0 cm ／ Vs）、閾値電圧（Vth）

用 い て 作 製 し た OTFT の 正 バ イ ア ス ス ト レ ス 試 験− 1.0 ± 0.1 V、スレッシュホールド（SS）0.4 ± 0.1 V（PBST）および負バイアスストレス試験（NBST）前／ dec と高い性能と、高い均一性を示した。対照的に、後の伝達特性図の変化をそれぞれ示す。大気中で Vgs

DTBDT に COP を添加していないインクを用いて作＝ +30 V で 1 時間 PBST を行った結果、電流 − 電圧（I製した OTFT の伝達特性図を Fig. ３（b）に示すが、移− V）特性はわずかにシフトしたが、移動度および Vth2

動度 1.1 ± 0.2 cm ／ Vs、
V th − 0.6 ± 3.0 V、SS 1.9 ± 0.6Vの変化はほとんど見られなかった。また、Vgs ＝ − 30／ dec と特性が大きく低下した。 開発した COP を添V で 1 時間 NBST を行った結果、PBST の結果同様に加した DTBDT インクおよび PC300 を組み合わせる

I − V 特性がわずかにシフトしたが、移動度、Vth はほことで、高い特性を有する OTFT の作製に成功した。

とんど変化しなかった。一方、平坦化層を PC300 の代わりに、C − PVP を用いた場合、素子の I − V 特性は初期状態と比較して有意なシフトを示した。したがっPC300 上に COP を添加した DTBDT インクを用い

Drain current [A]（a）With COP
10−410−5 15 devices
10−610−710−810−910−10
10−1110−12
L＝10μm10−13
VDS＝−10V
10−14
10 5 0 −5 −10 −15 −20 −25
Gate voltage [V]Figure３（b）
Without COP
10−410−5 15 devices
10−610−710−810−910−1010−1110−12L＝10μm
10−13VDS＝−10V10−1410 5 0 −5 −10 −15 −20 −25Gate voltage [V]Transfer characteristics of 15 OTFT using DTBDT ink (a) with COP and (b) without COP(a) With COP(b) Without COP

200μm

Figure４て PC300 の低い表面エネルギー極性成分がキャリア

Drain current [A]［2］結晶膜の観察

200μm

Polarization microscope images of DTBDT crystal thin films (a) with COP and (b) without COP

53

TOSOH Research & Technology Review Vol.62（2018）（a）PBST (Vg＝＋30V，RT，1h)−510
Drain current [A]10−610−4Δμh 12％
ΔVtn 0.9V
ΔSS 9％

Δμh 20％10−5 ΔVtn −0.8V
10−6 ΔSS 62％

10−7−810−910−1010−1110（b）NBST (Vg＝−30V，RT，1h)

t＝1ht＝0

Drain current [A]

10−410−12−1310−1410Figure５10−710−810−910−1010−11t＝1h

t＝010−12VDS＝−10V40 30 20 10 0 −10 −20 −30 −40Gate voltage [V]10−13VDS＝−10V10−1440 30 20 10 0 −10 −20 −30 −40
Gate voltage [V]Transfer characteristics before and after bias stress testing. (a) PBST; (b) NBST.のトラップを抑制し OTFT のバイアス耐性向上に寄与していると考えられる。

［3］T. Fukuda, S. Hamura and M. Watanabe,“A Soluble
Thermally-Stable Organic Semiconductor Materialfor Field-Effect Transistors”, SID 2013 Display

4．まとめ
高性能な短チャネル OTFT を実現するために、新規な DTBDT インクおよび平坦化材料 PC300 を開発

Week.
［4］R. Shiwaku, Y. Takeda, T. Fukuda, K. Fukuda,
H. Matsui, D. Kumaki and S. Tokito, Scientific

Reports . 6. 34723（2016）した。 DTBDT への COP 添加は、DTBDT 薄膜の結［5] R. Shiwaku, H. Matsui, K. Hayasaka, Y. Takeda, T.

晶性の向上およびインクの濡れ性向上に寄与すること

Fukuda, D. Kumaki, and S. Tokito, Adv. Electron.

が明らかとなった。PC300 は低極性かつ平坦性の高い

Mater ., 3. 160057（2017）

表面を形成でき、光架橋基としてビニルカルコン基を有しているため短時間の UV 照射によって容易に硬化することができる。これらの材料を用いて短チャネルOTFT（L ＝ 10 μ m ）を作製した結果、2.6 ± 0.3cm2／ Vs（最大 3.0 cm2 ／ Vs）の高移動度および高い特性均一性を示した。さらに、大気中でバイアスストレステストを実施した結果、PBST、NBST のどちらにおいても移動度および Vth の変化は小さく、信頼性の高さを示した。

5．参考文献［1］S Bain, P. Miskiewicz, I. Afonina, T.Backlund.
“Photolithographic Integration of High
Performance Polymer Thin-Film Transistors”SID
2013 Display Week
［2］D. Kaelblein, T. Musiol, D. Bahl, F. G. Brunetti, R.
Pretot, P. Hayoz, Z. Mi, J. Brill, O. Ossó, K. Exner,“New Organic Semiconductors for Improved
Processing – Direct Photo-Patterning and High
Mobility Materials for Flexible TFTs”SID 2016
Display Week

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