JP2004247558A

JP2004247558A - Organic thin film transistor element

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Publication number: JP2004247558A
Application number: JP2003036452A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hirai; 桂平井; Hiroshi Kita; 弘志北
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP4345317B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make an on/off ratio high by improving the carrier mobility of an organic thin film transistor element. <P>SOLUTION: The organic thin film transistor element comprises a gate insulation layer containing titanium oxide and an organic semiconductor layer having an oriented film formed on at least one interface. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ性能に優れる有機薄膜トランジスタ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報端末の普及に伴い、コンピュータ用のディスプレイとしてフラットパネルディスプレイに対するニーズが高まっている。またさらに情報化の進展に伴い、従来紙媒体で提供されていた情報が電子化されて提供される機会が増え、薄くて軽い、手軽に持ち運びが可能なモバイル用表示媒体として、電子ペーパーあるいはデジタルペーパーへのニーズも高まりつつある。
【０００３】
一般に平板型のディスプレイ装置においては液晶、有機ＥＬ、電気泳動などを利用した素子を用いて表示媒体を形成している。またこうした表示媒体では画面輝度の均一性や画面書き換え速度などを確保するために、画像駆動素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により構成されたアクティブ駆動素子を用いる技術が主流になっている。
【０００４】
ここでＴＦＴ素子は、通常、ガラス基板上に、主にａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）、ｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）などの半導体薄膜や、ソース、ドレイン、ゲート電極などの金属薄膜を基板上に順次形成していくことで製造される。このＴＦＴを用いるフラットパネルディスプレイの製造には通常、ＣＶＤ、スパッタリングなどの真空系設備や高温処理工程を要する薄膜形成工程に加え、精度の高いフォトリソグラフ工程が必要とされ、設備コスト、ランニングコストの負荷が非常に大きい。さらに、近年のディスプレイの大画面化のニーズに伴い、それらのコストは非常に膨大なものとなっている。
【０００５】
近年、従来のＴＦＴ素子のデメリットを補う技術として、有機半導体材料を用いた有機ＴＦＴ素子の研究開発が盛んに進められている（特許文献１、非特許文献１等参照）。この有機ＴＦＴ素子は低温プロセスで製造可能であるため、軽く、割れにくい樹脂基板を用いることができ、さらに、樹脂フィルムを支持体として用いたフレキシブルなディスプレイが実現できると言われている（非特許文献２参照）。また、大気圧下で、印刷や塗布などのウェットプロセスで製造できる有機半導体材料を用いることで、生産性に優れ、非常に低コストのディスプレイが実現できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１９０００１号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平９−２３２５８９号公報
【０００８】
【特許文献３】
国際公開００／７９６１７号パンフレット
【０００９】
【非特許文献１】
ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌ誌２００２年第２号９９頁（レビュー）
【００１０】
【非特許文献２】
ＳＩＤ‘０２Ｄｉｇｅｓｔｐ５７
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
有機薄膜トランジスタ素子は、Ｓｉ材料を用いたものに比べてキャリア移動度が低く、性能が劣るという問題を有する。
【００１２】
その問題を解消する手段として、特許文献２には配向膜を有機半導体層に隣接させて分子整合させることにより、そのキャリア移動度を向上させることが、非特許文献１には移動度向上のため、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルトリクロロメチルシラザンにより、シリコン熱酸化膜に配向膜を形成することが、特許文献３には半導体ポリマーを融点以上に加熱した際の液晶性と隣接する配向膜を利用することにより有機半導体の配向処理を行い、有機半導体層の移動度を向上させることが、それぞれ記載されている。
【００１３】
しかしながらこれらの従来技術では、キャリア移動度向上の効果が低く、したがってｏｎ／ｏｆｆ比が小さいという問題がある。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機薄膜トランジスタ素子のキャリア移動度を向上させて、ｏｎ／ｏｆｆ比を高くすることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、
１）酸化チタンを含有するゲート絶縁層及び、少なくとも一方の界面に配向膜が形成された有機半導体層を有する有機薄膜トランジスタ素子、
２）配向膜が有機半導体層とゲート絶縁層との界面に形成される１）の有機薄膜トランジスタ素子、
３）酸化チタンを含有するゲート絶縁層が大気圧プラズマ法で形成される１）又は２）の有機薄膜トランジスタ素子、
４）配向膜がシランカップリング剤からなる１）〜３の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
５）配向膜が有機酸からなる１）〜３）の何れかの有機薄膜トランジスタ素子、
６）有機酸が脂肪族カルボン酸である５）の有機薄膜トランジスタ素子、
７）有機酸の分子量が１０００以下である５）又は６）の有機薄膜トランジスタ素子、
８）支持体上にゲート電極、ゲート絶縁層及び有機半導体層をこの順に有する１）〜７）の有機薄膜トランジスタ素子、
によって達成される。
【００１６】
即ち本発明者は、配向膜を有機半導体層に隣接させる有機ＴＦＴ素子に、酸化チタンを含有するゲート絶縁層を導入して、性能が大きく向上することを見出し本発明に至った。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳しく述べる。
【００１８】
本発明の有機薄膜トランジスタ素子は、支持体上に有機半導体からなるチャネル（有機半導体層）で連結されたソース電極とドレイン電極を有し、その上にゲート絶縁層を介してゲート電極を有するトップゲート型と、支持体上にまずゲート電極を有し、ゲート絶縁層を介して有機半導体チャネルで連結されたソース電極とドレイン電極を有するボトムゲート型に大別される。
【００１９】
そして本発明の有機薄膜トランジスタ素子は、有機半導体層の少なくとも一方の界面に配向膜が形成され、ゲート絶縁層が酸化チタンを含有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の配向膜には、所謂シランカップリング剤、チタンカップリング剤などの表面処理剤を用いることができる。配向膜の厚みは、配向膜の材料にもよるが、１ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、単分子膜を形成することがより好ましい。
【００２１】
配向膜の原料としては、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルトリクロロメチルシラザンのようなやアルキルハロゲノシラン類、アルキルハロゲノチタン類や、ＳｉまたはＴｉのアルコキシド類を用いることができる。Ｓｉのアルコキシドの例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラ−ｎ−プロポキシシラン、テトラ−ｎ−ブトキシシラン、テトラ−ｓ−ブトキシシラン、テトラ−ｔ−ブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、オクチルメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルジプロポキシシラン、ジメチルジブトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルプロポキシシラン、トリメチルブトキシシラン等が挙げられる。またＴｉのアルコキシドについては、上記のＳｉアルコキシドのＳｉをＴｉに置換した化合物を用いることができる。
【００２２】
また、配向膜を構成するのは有機酸およびヘテロ有機酸も好ましく、有機カルボン酸、有機ホスフィン酸、有機スルホン酸を用いることができる。有機カルボン酸としては、オクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ステアリン酸、ベヘン酸、アラキジン酸、パルミチン酸、ラウリン酸、オレイン酸等が挙げられる。
【００２３】
有機ホスフィン酸としては、オクチルホスホン酸、ドデシルホスホン酸、オクタデシルホスホン酸等が挙げられる。
【００２４】
有機スルホン酸としては、オクチルスルホン酸、ドデシルスルホン酸、ｐ−ドデシルベンゼンスルホン酸、オクタデシルスルホン酸等が挙げられる。
以上の有機酸およびヘテロ有機酸の中で、炭素数が１０〜３０のもの、さらには炭素数１５〜２５のものが好ましく、特に炭素数１５〜２５の長鎖脂肪族カルボン酸であることが好ましい。
【００２５】
これら配向膜の形成方法としては、配向膜の材料を、任意の溶媒、たとえば、アルコール系溶媒や、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、キシレンなどの非極性有機溶媒に、溶解または分散した塗布液を塗布し、あるいは塗布液に浸漬した後に、キャスト（乾燥）して形成してもよい。また、必要に応じて、塗布または浸漬またはキャスト中に熱処理を施してもよい。
【００２６】
配向膜としては、液晶ディスプレイなどに用いられる公知の技術、例えば特開平９−１９４７２５、同９−２５８２２９に記載される技術も用いることができ、膜形成後にラビング処理を行うことが好ましい。米国特許第５，４６８，５１９号等に記載された電磁場中で配向させる方法を利用してもよい。
【００２７】
ゲート絶縁層は酸化チタンを含有する種々の絶縁膜を用いることができる。他の成分としては比誘電率の高い無機酸化物が好ましい。無機酸化物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウムなどが挙げられる。それらのうち好ましいのは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタルである。窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物も好適に用いることができる。
【００２８】
皮膜の形成方法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などのドライプロセスや、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法などの塗布による方法、印刷やインクジェットなどのパターニングによる方法などのウェットプロセスが挙げられ、材料に応じて使用できる。
【００２９】
ウェットプロセスは、無機酸化物の微粒子を、任意の有機溶剤あるいは水に必要に応じて界面活性剤などの分散補助剤を用いて分散した液を塗布、乾燥する方法や、酸化物前駆体、例えばアルコキシド体の溶液を塗布、乾燥する、いわゆるゾルゲル法が用いられる。
【００３０】
これらのうち好ましいのは、連続かつ表面が平滑な被膜を簡易なプロセスで形成できる大気圧プラズマ法である。
【００３１】
大気圧下でのプラズマ製膜処理を大気圧プラズマ法と称し、大気圧または大気圧近傍の圧力下で放電し、反応性ガスをプラズマ励起し、基材上に薄膜を形成する処理で、その方法については特開平１１−６１４０６、同１１−１３３２０５、特開２０００−１２１８０４、同２０００−１４７２０９、同２０００−１８５３６２等に記載されている。これによって高機能性の薄膜を、生産性高く形成することができる。
【００３２】
本発明においては、ボトムゲート型のＴＦＴ素子とし、本発明に係るゲート絶縁層上に配向膜を介して有機半導体層を形成すると、その効果を遺憾なく発揮でき、トランジスタ特性の向上がより顕著であって好ましい。
【００３３】
チャネルを構成する有機半導体材料としては、π共役系材料が用いられ、例えばポリピロール、ポリ（Ｎ−置換ピロール）、ポリ（３−置換ピロール）、ポリ（３，４−二置換ピロール）などのポリピロール類、ポリチオフェン、ポリ（３−置換チオフェン）、ポリ（３，４−二置換チオフェン）、ポリベンゾチオフェンなどのポリチオフェン類、ポリイソチアナフテンなどのポリイソチアナフテン類、ポリチェニレンビニレンなどのポリチェニレンビニレン類、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）などのポリ（ｐ−フェニレンビニレン）類、ポリアニリン、ポリ（Ｎ−置換アニリン）、ポリ（３−置換アニリン）、ポリ（２，３−置換アニリン）などのポリアニリン類、ポリアセチレンなどのポリアセチレン類、ポリジアセチレンなどのポリジアセチレン類、ポリアズレンなどのポリアズレン類、ポリピレンなどのポリピレン類、ポリカルバゾール、ポリ（Ｎ−置換カルバゾール）などのポリカルバゾール類、ポリセレノフェンなどのポリセレノフェン類、ポリフラン、ポリベンゾフランなどのポリフラン類、ポリ（ｐ−フェニレン）などのポリ（ｐ−フェニレン）類、ポリインドールなどのポリインドール類、ポリピリダジンなどのポリピリダジン類、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、ジベンゾペンタセン、テトラベンゾペンタセン、ピレン、ジベンゾピレン、クリセン、ペリレン、コロネン、テリレン、オバレン、クオテリレン、サーカムアントラセンなどのポリアセン類およびポリアセン類の炭素の一部をＮ、Ｓ、Ｏなどの原子、カルボニル基などの官能基に置換した誘導体（トリフェノジオキサジン、トリフェノジチアジン、ヘキサセン−６，１５−キノンなど）、ポリビニルカルバゾール、ポリフエニレンスルフィド、ポリビニレンスルフィドなどのポリマーや特開平１１−１９５７９０に記載された多環縮合体などを用いることができる。
【００３４】
また、これらのポリマーと同じ繰返し単位を有するたとえばチオフェン６量体であるα−セクシチオフェンα，ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α，ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α，ω−ビス（３−ブトキシプロピル）−α−セクシチオフェン、スチリルベンゼン誘導体などのオリゴマーも好適に用いることができる。
【００３５】
さらに銅フタロシアニンや特開平１１−２５１６０１に記載のフッ素置換銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン類、ナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミド、Ｎ，Ｎ’−ビス（４−トリフルオロメチルベンジル）ナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミドとともに、Ｎ，Ｎ’−ビス（１Ｈ，１Ｈ−ペルフルオロオクチル）、Ｎ，Ｎ’−ビス（１Ｈ，１Ｈ−ペルフルオロブチル）及びＮ，Ｎ’−ジオクチルナフタレン１，４，５，８−テトラカルボン酸ジイミド誘導体、ナフタレン２，３，６，７テトラカルボン酸ジイミドなどのナフタレンテトラカルボン酸ジイミド類、及びアントラセン２，３，６，７−テトラカルボン酸ジイミドなどのアントラセンテトラカルボン酸ジイミド類などの縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４等フラーレン類、ＳＷＮＴなどのカーボンナノチューブ、メロシアニン色素類、ヘミシアニン色素類などの色素などがあげられる。
【００３６】
これらのπ共役系材料のうちでも、チオフェン、ビニレン、チェニレンビニレン、フェニレンビニレン、ｐ−フェニレン、これらの置換体またはこれらの２種以上を繰返し単位とし、かつ該繰返し単位の数ｎが４〜１０であるオリゴマーもしくは該繰返し単位の数ｎが２０以上であるポリマー、ペンタセンなどの縮合多環芳香族化合物、フラーレン類、縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、金属フタロシアニンよりなる群から選ばれた少なくとも１種が好ましい。
【００３７】
また、その他の有機半導体材料としては、テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）−テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン（ＢＥＤＴＴＴＦ）−過塩素酸錯体、ＢＥＤＴＴＴＦ−ヨウ素錯体、ＴＣＮＱ−ヨウ素錯体、などの有機分子錯体も用いることができる。さらにポリシラン、ポリゲルマンなどのσ共役系ポリマーや特開２０００−２６０９９９に記載の有機・無機混成材料も用いることができる。
【００３８】
本発明においては、有機半導体層に、たとえば、アクリル酸、アセトアミド、ジメチルアミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ニトロ基などの官能基を有する材料や、ベンゾキノン誘導体、テトラシアノエチレンおよびテトラシアノキノジメタンやそれらの誘導体などのように電子を受容するアクセプターとなる材料や、たとえばアミノ基、トリフェニル基、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、フェニル基などの官能基を有する材料、フェニレンジアミンなどの置換アミン類、アントラセン、ベンゾアントラセン、置換ベンゾアントラセン類、ピレン、置換ピレン、カルバゾールおよびその誘導体、テトラチアフルバレンとその誘導体などのように電子の供与体であるドナーとなるような材料を含有させ、いわゆるドーピング処理を施してもよい。
【００３９】
前記ドーピングとは電子授与性分子（アクセプター）または電子供与性分子（ドナー）をドーパントとして該薄膜に導入することを意味する。従って，ドーピングが施された薄膜は、前記の縮合多環芳香族化合物とドーパントを含有する薄膜である。本発明に用いるドーパントとしては公知のものを採用することができる。
【００４０】
これら有機薄膜の作製法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法およびＬＢ法等が挙げられ、材料に応じて使用できる。ただし、この中で生産性の点で、有機半導体の溶液を用いて簡単かつ精密に薄膜が形成できるスピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法等が好まれる。
【００４１】
なおＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌ誌１９９９年第６号、ｐ４８０〜４８３に記載の様に、ペンタセン等前駆体が溶媒に可溶であるものは、塗布により形成した前駆体の膜を熱処理して目的とする有機材料の薄膜を形成しても良い。
【００４２】
これら有機半導体からなる薄膜の膜厚としては、特に制限はないが、得られたトランジスタの特性は、有機半導体からなる活性層の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体により異なるが、一般に１μｍ以下、特に１０〜３００ｎｍが好ましい。
【００４３】
本発明おいて、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する材料は導電性材料であれば特に限定されず、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、アルミニウム／酸化アルミニウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物等が用いられるが、特に、白金、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、ＩＴＯおよび炭素が好ましい。あるいはドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体なども好適に用いられる。中でも半導体層との接触面において電気抵抗が少ないものが好ましい。
【００４４】
電極の形成方法としては、上記を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒子分散液を直接インクジェットによりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフやレーザーアブレーションなどにより形成してもよい。さらに導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペーストなどを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
【００４５】
このような金属微粒子分散液の製造方法として、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法が挙げられるが、好ましくは、特開平１１−７６８００号、同１１−８０６４７号、同１１−３１９５３８号、特開２０００−２３９８５３等に示されたコロイド法、特開２００１−２５４１８５、同２００１−５３０２８、同２００１−３５２５５、同２０００−１２４１５７、同２０００−１２３６３４などに記載されたガス中蒸発法により製造された金属微粒子分散物である。これらの金属微粒子分散物を、下記に示す方法により層を成形した後、溶媒を乾燥させ、さらに１００〜３００℃、好ましくは１５０〜２００℃の範囲で熱処理することにより、金属微粒子を熱融着させることで電極形成する。
【００４６】
また支持体はガラスやフレキシブルな樹脂製シートで構成され、例えばプラスチックフィルムをシートとして用いることができる。前記プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ボリカーボネート（ＰＣ）、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）等からなるフィルム等が挙げられる。このように、プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めることができるとともに、衝撃に対する耐性を向上できる。
【００４７】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
実施例１．
比抵抗０．０２ΩｃｍのＳｉウェハー上に、大気圧プラズマ法を用いて基板温度１５０℃にて、厚さ２００ｎｍの酸化チタン層を設けた。
【００４９】
この上にオクタデシルトリクロロシランによる表面処理を施した後、昇華精製を３回繰り返したペンタセンを蒸着し、厚さ５０ｎｍの有機半導体層を形成した。
【００５０】
この膜の表面に、マスクを用いて金を蒸着し、ソース、ドレイン電極を形成し、チャネル幅Ｗ＝０．３ｍｍ、チャネル長Ｌ＝２０μｍ、ボトムゲート構造の有機ＴＦＴ素子１が形成された。
【００５１】
この有機薄膜トランジスタ素子は、ｐチャネルのエンハンスメント型ＦＥＴの良好な動作特性を示した。
【００５２】
表面処理を行わずに素子を作製した以外は有機ＴＦＴ素子１と同様にして比較有機ＴＦＴ素子１を得た。
【００５３】
比抵抗０．０２ΩｃｍのＳｉウェハー上に、大気圧プラズマ法を用いて基板温度１５０℃にて、厚さ２００ｎｍの酸化ケイ素層を設けた以外は有機ＴＦＴ素子１と同様にして比較有機ＴＦＴ素子２を作製した。
【００５４】
酸化ケイ素層の表面処理を行わずに素子を作製した以外は比較有機ＴＦＴ素子２と同様にして比較有機ＴＦＴ素子３を作製した。
【００５５】
それぞれの素子について、Ｉ−Ｖ特性の飽和領域から、キャリア移動度を求めた。結果を以下に示す。
【００５６】
有機ＴＦＴ素子キャリア移動度（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）
１１．０
比較１０．１
比較２０．０７
比較３０．０３
なお有機ＴＦＴ素子１と同様に形成した酸化チタン層の上に、下記化合物Ｃのクロロホルム溶液を塗布し、窒素ガス中で、５０℃３分乾燥し２００℃で１０分の熱処理を行ったところ、ペンタセン薄膜が形成され、得られた有機ＴＦＴ素子は、同様にｐチャネルのエンハンスメント型ＦＥＴの良好な動作特性を示した。
【００５７】
【化１】

【００５８】
実施例２
実施例１の有機半導体層を以下に代えて、得られた有機ＴＦＴ素子２、比較１−２、同２−２、同３−２について同様に評価した。
【００５９】
良く精製した、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）のｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ体（アルドリッチ社製）のクロロホルム溶液を調製し、アプリケーターを用いて塗布し、室温で乾燥させた後、窒素ガス雰囲気中で、５０℃、３０分間の熱処理を施した。このときポリ（３−ヘキシルチオフェン）の膜厚は１００ｎｍであった。
【００６０】
有機ＴＦＴ素子キャリア移動度（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）
２０．１５
比較１−２０．０１
比較２−２０．００５
比較３−２０．００１
実施例３
実施例１の酸化チタン層のオクタデシルトリクロロシランによる表面処理に代えて、ステアリン酸による表面処理を行い（ステアリン酸をトルエンに加え、リフラックスさせた系内で上記基板を処理した）得られた有機ＴＦＴ素子３、比較１−３、同２−３、同３−３について同様に評価した。結果を以下に示す。
【００６１】
有機ＴＦＴ素子キャリア移動度（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）
３０．８
比較１−３０．０７
比較２−３０．０６
比較３−３０．０２
実施例４
比抵抗１００ΩｃｍのＳｉウェハー上に、大気圧プラズマ法を用いて基板温度１５０℃にて、厚さ５００ｎｍの酸化ケイ素層を設けた。その上に、マスクを用いて、厚さ１０ｎｍのＣｒ、２００ｎｍ厚の金を蒸着し、ソース、ドレイン電極を形成した。
【００６２】
さらに、酸化ケイ素膜およびソース、ドレイン電極の表面にオクタデシルトリクロロシランによる処理を施した。
【００６３】
良く精製した、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）のｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ体（アルドリッチ社製）のクロロホルム溶液を調製し、アプリケーターを用いて、上記基板の上に塗布し、室温で乾燥させた後、窒素ガス雰囲気中で、５０℃、３０分間の熱処理を施した。このときポリ（３−ヘキシルチオフェン）の膜厚は１００ｎｍであった。
【００６４】
次に大気圧プラズマ法を用いて厚さ２００ｎｍの酸化チタン層を設け、スパッタリングによりアルミニウムを成膜し、ゲート電極とした。
【００６５】
得られた有機ＴＦＴ素子４は、ｐチャネルのエンハンスメント型ＦＥＴの良好な動作特性を示した。
【００６６】
表面処理を行わずに素子を作製した以外は有機ＴＦＴ素子４と同様にして比較有機ＴＦＴ素子１−４を得た。
【００６７】
酸化チタン層に代えて大気圧プラズマ法を用いて厚さ２００ｎｍの酸化ケイ素層を設けた以外は有機ＴＦＴ素子４と同様にして比較有機ＴＦＴ素子２−４を作製した。
【００６８】
ソース、ドレイン電極のオクタデシルトリクロロシランによる表面処理を行わずに素子を作製した以外は比較有機ＴＦＴ素子２−４と同様にして比較有機ＴＦＴ素子３−４を作製した。
【００６９】
得られた各素子を同様に評価した。
有機ＴＦＴ素子キャリア移動度（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）
４０．０２
比較１−４０．００３
比較２−４０．００４
比較３−４０．００１
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、トランジスタ性能に優れる有機薄膜トランジスタ素子を得ることができる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic thin film transistor device having excellent transistor performance.
[0002]
[Prior art]
With the spread of information terminals, needs for flat panel displays as displays for computers are increasing. In addition, with the progress of computerization, information provided in the form of paper has been provided electronically, and the number of opportunities to provide the information has increased, and electronic paper or digital media has become a thin, light, and portable mobile display medium. The need for paper is also growing.
[0003]
Generally, in a flat panel display device, a display medium is formed using elements utilizing liquid crystal, organic EL, electrophoresis, or the like. Further, in such display media, in order to ensure uniformity of screen luminance and screen rewriting speed, a technique using an active driving element constituted by a thin film transistor (TFT) as an image driving element has become mainstream.
[0004]
Here, a TFT element is usually formed by forming a semiconductor thin film such as a-Si (amorphous silicon) or p-Si (polysilicon) or a metal thin film such as a source, a drain or a gate electrode on a glass substrate. It is manufactured by forming sequentially. The manufacture of a flat panel display using this TFT usually requires a high-precision photolithography process in addition to a vacuum system such as CVD and sputtering, and a thin film formation process requiring a high-temperature treatment process. The load is very large. Furthermore, with the recent demand for larger screens of displays, their costs have become extremely enormous.
[0005]
In recent years, research and development of an organic TFT element using an organic semiconductor material has been actively pursued as a technique to compensate for the disadvantages of the conventional TFT element (see Patent Document 1, Non-Patent Document 1, etc.). Since this organic TFT element can be manufactured by a low-temperature process, it is said that a light and hard-to-break resin substrate can be used, and that a flexible display using a resin film as a support can be realized (Non-patented). Reference 2). In addition, by using an organic semiconductor material that can be manufactured by a wet process such as printing or coating under atmospheric pressure, a display with excellent productivity and extremely low cost can be realized.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 10-190001 A
[Patent Document 2]
JP-A-9-232589
[Patent Document 3]
WO 00/79617 pamphlet [0009]
[Non-patent document 1]
Advanced Material 2002, Issue 2, p. 99 (review)
[0010]
[Non-patent document 2]
SID'02 Digest p57
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The organic thin film transistor element has a problem that carrier mobility is low and performance is inferior to that using an Si material.
[0012]
As a means for solving the problem, Patent Document 2 discloses that the alignment film is adjacent to the organic semiconductor layer and molecular alignment is performed to improve the carrier mobility. Patent Document 3 discloses that an alignment film is formed on a silicon thermal oxide film by using octadecyltrichlorosilane and octadecyltrichloromethylsilazane. Describes that the organic semiconductor layer is subjected to orientation treatment to improve the mobility of the organic semiconductor layer.
[0013]
However, these conventional techniques have a problem that the effect of improving the carrier mobility is low, and the on / off ratio is small.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the carrier mobility of an organic thin film transistor element and increase the on / off ratio.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The above object of the present invention is
1) an organic thin-film transistor element having a gate insulating layer containing titanium oxide and an organic semiconductor layer having an alignment film formed on at least one interface;
2) The organic thin film transistor device according to 1), wherein an alignment film is formed at an interface between the organic semiconductor layer and the gate insulating layer,
3) The organic thin film transistor element according to 1) or 2), wherein a gate insulating layer containing titanium oxide is formed by an atmospheric pressure plasma method;
4) The organic thin film transistor device according to any one of 1) to 3 wherein the alignment film is made of a silane coupling agent,
5) The organic thin film transistor device according to any one of 1) to 3), wherein the alignment film is made of an organic acid.
6) The organic thin film transistor device according to 5), wherein the organic acid is an aliphatic carboxylic acid,
7) The organic thin film transistor element according to 5) or 6), wherein the molecular weight of the organic acid is 1000 or less,
8) The organic thin film transistor element according to 1) to 7), having a gate electrode, a gate insulating layer, and an organic semiconductor layer in this order on a support;
Achieved by
[0016]
That is, the present inventors have found that the performance is greatly improved by introducing a gate insulating layer containing titanium oxide into an organic TFT element in which an alignment film is adjacent to an organic semiconductor layer, and have reached the present invention.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0018]
The organic thin film transistor element of the present invention has a source electrode and a drain electrode connected by a channel (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor on a support, and a top gate having a gate electrode thereover via a gate insulating layer. And a bottom-gate type having a gate electrode on a support and a source electrode and a drain electrode connected by an organic semiconductor channel via a gate insulating layer.
[0019]
The organic thin film transistor element of the present invention is characterized in that an alignment film is formed on at least one interface of the organic semiconductor layer, and the gate insulating layer contains titanium oxide.
[0020]
For the alignment film of the present invention, a surface treatment agent such as a so-called silane coupling agent and a titanium coupling agent can be used. Although the thickness of the alignment film depends on the material of the alignment film, it is preferably 1 nm to 100 nm, and more preferably a monomolecular film is formed.
[0021]
As a raw material of the alignment film, there can be used an alkylhalogenosilane, an alkylhalogenotitanium, such as octadecyltrichlorosilane or octadecyltrichloromethylsilazane, or an alkoxide of Si or Ti. Examples of alkoxides of Si include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra-n-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetra-s-butoxysilane, tetra-t-butoxysilane, methyl Trimethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, octylmethoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltributoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, dimethyldipropoxysilane, dimethyldibutoxy Examples include silane, trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, trimethylpropoxysilane, and trimethylbutoxysilane. As for the alkoxide of Ti, a compound in which Si of the above-mentioned Si alkoxide is substituted by Ti can be used.
[0022]
Further, an organic acid and a hetero organic acid are also preferable for constituting the alignment film, and an organic carboxylic acid, an organic phosphinic acid, and an organic sulfonic acid can be used. Examples of the organic carboxylic acid include octanoic acid, decanoic acid, dodecanoic acid, stearic acid, behenic acid, arachidic acid, palmitic acid, lauric acid, oleic acid, and the like.
[0023]
Examples of the organic phosphinic acid include octylphosphonic acid, dodecylphosphonic acid, and octadecylphosphonic acid.
[0024]
Examples of the organic sulfonic acid include octylsulfonic acid, dodecylsulfonic acid, p-dodecylbenzenesulfonic acid, and octadecylsulfonic acid.
Among the above organic acids and heteroorganic acids, those having 10 to 30 carbon atoms, more preferably those having 15 to 25 carbon atoms, and particularly those having a long-chain aliphatic carboxylic acid having 15 to 25 carbon atoms are preferred. preferable.
[0025]
As a method for forming these alignment films, a material for the alignment film is coated with a coating solution dissolved or dispersed in an arbitrary solvent, for example, an alcohol-based solvent or a non-polar organic solvent such as hexane, cyclohexane, toluene, or xylene. Alternatively, it may be formed by dipping in a coating solution and then casting (drying). If necessary, a heat treatment may be performed during coating, dipping, or casting.
[0026]
As the alignment film, a known technology used for a liquid crystal display or the like, for example, a technology described in JP-A-9-194725 and JP-A-9-258229 can be used, and it is preferable to perform a rubbing treatment after the film is formed. The method of orienting in an electromagnetic field described in US Pat. No. 5,468,519 may be used.
[0027]
Various insulating films containing titanium oxide can be used for the gate insulating layer. As the other component, an inorganic oxide having a high relative dielectric constant is preferable. As inorganic oxides, silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, barium zirconate titanate, lead zirconate titanate, lanthanum lead titanate, strontium titanate, barium titanate , Barium magnesium fluoride, bismuth titanate, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalate, bismuth niobate tantalate, yttrium trioxide and the like. Among them, preferred are silicon oxide, aluminum oxide and tantalum oxide. Inorganic nitrides such as silicon nitride and aluminum nitride can also be suitably used.
[0028]
Examples of the method of forming a film include a dry process such as a vacuum evaporation method, a molecular beam epitaxial growth method, an ion cluster beam method, a low energy ion beam method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, an atmospheric pressure plasma method, and a spray coating method. Wet processes such as coating, spin coating, blade coating, dip coating, casting, roll coating, bar coating, and die coating, and printing and inkjet patterning. Can be used according to
[0029]
The wet process is a method in which fine particles of an inorganic oxide are dispersed in an optional organic solvent or water using a dispersing aid such as a surfactant, if necessary, and a method of drying, or a method of drying an oxide precursor, for example, A so-called sol-gel method of applying and drying a solution of the alkoxide compound is used.
[0030]
Among these, the atmospheric pressure plasma method which can form a continuous and smooth surface coating by a simple process is preferable.
[0031]
Atmospheric pressure plasma film forming process is called atmospheric pressure plasma method.It is a process that discharges under atmospheric pressure or near atmospheric pressure, excites reactive gas with plasma, and forms a thin film on the substrate. The method is described in JP-A-11-61406, JP-A-11-133205, JP-A-2000-121804, JP-A-2000-147209, JP-A-2000-185362 and the like. Thereby, a highly functional thin film can be formed with high productivity.
[0032]
In the present invention, when a bottom-gate type TFT element is used and an organic semiconductor layer is formed on the gate insulating layer according to the present invention via an alignment film, the effect can be exerted without regret and the improvement in transistor characteristics is more remarkable. It is preferable.
[0033]
As the organic semiconductor material constituting the channel, a π-conjugated material is used. For example, polypyrrole such as polypyrrole, poly (N-substituted pyrrole), poly (3-substituted pyrrole), and poly (3,4-disubstituted pyrrole) , Polythiophenes such as polythiophene, poly (3-substituted thiophene), poly (3,4-disubstituted thiophene), polybenzothiophene, polyisothianaphthenes such as polyisothianaphthene, and polyphenylenevinylene Poly (p-phenylenevinylene) s such as chenylenevinylenes and poly (p-phenylenevinylene), polyaniline, poly (N-substituted aniline), poly (3-substituted aniline), poly (2,3-substituted aniline) Such as polyaniline, polyacetylene such as polyacetylene, polydiacetylene such as poly Acetylenes, polyazulene such as polyazulene, polypyrenes such as polypyrene, polycarbazoles such as polycarbazole, poly (N-substituted carbazole), polyselenophenes such as polyselenophene, polyfurans such as polyfuran and polybenzofuran, Poly (p-phenylene) such as poly (p-phenylene), polyindole such as polyindole, polypyridazine such as polypyridazine, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, dibenzopentacene, tetrabenzopentacene, pyrene, diene Polyacenes such as benzopyrene, chrysene, perylene, coronene, terylene, ovalen, quaterylene, circum anthracene and a part of the carbon of the polyacenes such as atoms such as N, S and O, and functional groups such as carbonyl group (Triphenodioxazine, triphenodithiazine, hexacene-6,15-quinone, etc.), polymers such as polyvinylcarbazole, polyphenylene sulfide, and polyvinylene sulfide, and polycyclic compounds described in JP-A-11-195790. Condensates and the like can be used.
[0034]
Further, for example, thiophene hexamer α-sexithiophene α, ω-dihexyl-α-sexithiophene, α, ω-dihexyl-α-quinquethiophene, α, ω-bis ( Oligomers such as 3-butoxypropyl) -α-sexithiophene and styrylbenzene derivatives can also be suitably used.
[0035]
Further, metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and fluorine-substituted copper phthalocyanine described in JP-A-11-251601, naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide, N, N'-bis (4-trifluoromethylbenzyl) N, N′-bis (1H, 1H-perfluorooctyl), N, N′-bis (1H, 1H-perfluorobutyl) and N, N′- along with naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide Dioctylnaphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide derivatives, naphthalene tetracarboxylic diimides such as naphthalene 2,3,6,7 tetracarboxylic diimide, and anthracene 2,3,6,7-tetracarboxylic acid Condensed ring tetracarboxylic acids such as anthracenetetracarboxylic diimides such as diimide _Diimides, fullerenes such as _{_{_{C 60, C 70, C 76}}} , C 78, C 84, carbon nanotube, merocyanine dyes, such as SWNT, such as dyes such hemicyanine dyes and the like.
[0036]
Among these π-conjugated materials, thiophene, vinylene, chenylene vinylene, phenylene vinylene, p-phenylene, a substituted product thereof, or two or more of these are used as a repeating unit, and the number n of the repeating unit is 4 to 4. At least one selected from the group consisting of oligomers having 10 or a polymer in which the number n of the repeating units is 20 or more, condensed polycyclic aromatic compounds such as pentacene, fullerenes, condensed ring tetracarboxylic diimides, and metal phthalocyanines Species are preferred.
[0037]
Other organic semiconductor materials include tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF) -perchloric acid complex, BEDTTTF-iodine complex, and TCNQ-iodine complex. , Etc. can also be used. Further, σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane, and organic / inorganic hybrid materials described in JP-A-2000-260999 can also be used.
[0038]
In the present invention, for example, a material having a functional group such as acrylic acid, acetamido, dimethylamino group, cyano group, carboxyl group, or nitro group in the organic semiconductor layer, a benzoquinone derivative, tetracyanoethylene, and tetracyanoquinodimethane And materials that have an electron acceptor such as derivatives thereof and materials having functional groups such as amino group, triphenyl group, alkyl group, hydroxyl group, alkoxy group and phenyl group, and substituted amines such as phenylenediamine , Anthracene, benzoanthracene, substituted benzoanthracenes, pyrene, substituted pyrene, carbazole and its derivatives, tetrathiafulvalene and its derivatives, etc. Process Good.
[0039]
The doping means that an electron donating molecule (acceptor) or an electron donating molecule (donor) is introduced into the thin film as a dopant. Therefore, the doped thin film is a thin film containing the condensed polycyclic aromatic compound and the dopant. Known dopants can be used for the present invention.
[0040]
These organic thin films can be prepared by vacuum deposition, molecular beam epitaxy, ion cluster beam, low energy ion beam, ion plating, CVD, sputtering, plasma polymerization, electrolytic polymerization, chemical polymerization, etc. Examples include a synthesizing method, a spray coating method, a spin coating method, a blade coating method, a dip coating method, a casting method, a roll coating method, a bar coating method, a die coating method, and an LB method, which can be used depending on the material. However, in terms of productivity, spin coating, blade coating, dip coating, roll coating, bar coating, die coating, etc., which can easily and precisely form a thin film using an organic semiconductor solution, are used. Preferred.
[0041]
In addition, as described in Advanced Material Magazine, No. 6, 1999, p480 to 483, those in which a precursor such as pentacene is soluble in a solvent are prepared by subjecting a precursor film formed by coating to a heat treatment to obtain an intended organic material. May be formed.
[0042]
The thickness of the organic semiconductor thin film is not particularly limited, but the characteristics of the obtained transistor are often greatly influenced by the thickness of the active layer made of the organic semiconductor. Although it differs depending on the semiconductor, it is generally preferably 1 μm or less, particularly preferably 10 to 300 nm.
[0043]
In the present invention, the material forming the source electrode, the drain electrode and the gate electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material, and platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, Indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, tin / antimony oxide, indium / tin oxide (ITO), fluorine-doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and Carbon paste, lithium, beryllium, sodium, magnesium, potassium, calcium, scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, aluminum, magnesium / Copper mixture, magnesium / silver mixture, magnesium / aluminum mixture, magnesium / indium mixture, aluminum / aluminum oxide mixture, lithium / aluminum mixture, etc., among which platinum, gold, silver, copper, aluminum, indium, ITO And carbon are preferred. Alternatively, a known conductive polymer whose conductivity has been improved by doping or the like, for example, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiophene, a complex of polyethylene dioxythiophene and polystyrene sulfonic acid, or the like is also preferably used. Among them, those having low electric resistance at the contact surface with the semiconductor layer are preferable.
[0044]
As a method of forming an electrode, a method of forming an electrode using a known photolithographic method or a lift-off method on a conductive thin film formed by using a method such as evaporation or sputtering using the above as a raw material, or a metal foil such as aluminum or copper There is a method of etching using a resist by thermal transfer, ink jet or the like. A solution or dispersion of a conductive polymer or a dispersion of conductive fine particles may be directly patterned by ink jet, or may be formed from a coating film by lithography or laser ablation. Further, a method of patterning an ink, a conductive paste, or the like containing a conductive polymer or conductive fine particles by a printing method such as letterpress, intaglio, lithographic, or screen printing can also be used.
[0045]
As a method for producing such a metal fine particle dispersion, a metal ion is reduced in a liquid phase, such as a physical generation method such as a gas evaporation method, a sputtering method, a metal vapor synthesis method, a colloid method, and a coprecipitation method. A chemical production method for producing metal fine particles can be mentioned. Preferably, a colloid method described in JP-A-11-76800, JP-A-11-80647, JP-A-11-319538, JP-A-2000-239853, etc. It is a metal fine particle dispersion produced by the in-gas evaporation method described in JP 2001-254185, JP 2001-53028, JP 2001-35255, JP 2000-124157, JP 2000-123634 and the like. These metal fine particle dispersions are formed into a layer by the method described below, then the solvent is dried, and further heat-treated at a temperature of 100 to 300 ° C, preferably 150 to 200 ° C, whereby the metal fine particles are thermally fused. Then, an electrode is formed.
[0046]
The support is made of a sheet made of glass or a flexible resin. For example, a plastic film can be used as the sheet. Examples of the plastic film include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyether sulfone (PES), polyether imide, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyimide, polycarbonate (PC), Examples include a film made of cellulose triacetate (TAC), cellulose acetate propionate (CAP), and the like. As described above, by using a plastic film, the weight can be reduced as compared with the case of using a glass substrate, portability can be improved, and resistance to impact can be improved.
[0047]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[0048]
Embodiment 1 FIG.
On a Si wafer having a specific resistance of 0.02 Ωcm, a 200-nm-thick titanium oxide layer was provided at a substrate temperature of 150 ° C. using an atmospheric pressure plasma method.
[0049]
After a surface treatment with octadecyltrichlorosilane was performed thereon, pentacene, which was subjected to sublimation purification three times, was deposited to form an organic semiconductor layer having a thickness of 50 nm.
[0050]
Gold was vapor-deposited on the surface of this film using a mask to form source and drain electrodes. Thus, an organic TFT element 1 having a channel width W = 0.3 mm, a channel length L = 20 μm, and a bottom gate structure was formed.
[0051]
This organic thin-film transistor element exhibited favorable operation characteristics of a p-channel enhancement type FET.
[0052]
A comparative organic TFT element 1 was obtained in the same manner as the organic TFT element 1 except that the element was produced without performing the surface treatment.
[0053]
Comparative organic TFT device 2 was prepared in the same manner as organic TFT device 1 except that a silicon oxide layer having a thickness of 200 nm was provided on a Si wafer having a specific resistance of 0.02 Ωcm at a substrate temperature of 150 ° C. using an atmospheric pressure plasma method. Was prepared.
[0054]
Comparative organic TFT element 3 was produced in the same manner as comparative organic TFT element 2 except that the element was produced without performing the surface treatment of the silicon oxide layer.
[0055]
For each device, the carrier mobility was determined from the saturation region of the IV characteristics. The results are shown below.
[0056]
Organic TFT element Carrier mobility (cm ² / V · s)
1 1.0
Comparison 1 0.1
Comparative 2 0.07
Comparison 3 0.03
A chloroform solution of the following compound C was applied on the titanium oxide layer formed in the same manner as in the organic TFT element 1, dried in nitrogen gas at 50 ° C. for 3 minutes, and heat-treated at 200 ° C. for 10 minutes. A pentacene thin film was formed, and the obtained organic TFT element also showed good operation characteristics of a p-channel enhancement type FET.
[0057]
Embedded image

[0058]
Example 2
The obtained organic TFT element 2, Comparative 1-2, 2-2, and 3-2 were similarly evaluated by replacing the organic semiconductor layer of Example 1 with the following.
[0059]
A well-purified chloroform solution of a poly (3-hexylthiophene) in the form of a regioregular body (manufactured by Aldrich) was prepared, applied using an applicator, dried at room temperature, and then dried at 50 ° C., 30 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. Min heat treatment. At this time, the film thickness of poly (3-hexylthiophene) was 100 nm.
[0060]
Organic TFT element Carrier mobility (cm ² / V · s)
2 0.15
Comparative 1-2 0.01
Comparison 2-2 0.005
Comparison 3-2 0.001
Example 3
Instead of the surface treatment of the titanium oxide layer of Example 1 with octadecyltrichlorosilane, a surface treatment with stearic acid was performed (the substrate was treated in a system in which stearic acid was added to toluene and refluxed) to obtain an organic compound. The TFT element 3, Comparative 1-3, 2-3, and 3-3 were similarly evaluated. The results are shown below.
[0061]
Organic TFT element Carrier mobility (cm ² / V · s)
3 0.8
Comparative 1-3 0.07
Comparative 2-3 0.06
Comparative 3-3 0.02
Example 4
A silicon oxide layer having a thickness of 500 nm was provided on a Si wafer having a specific resistance of 100 Ωcm at a substrate temperature of 150 ° C. using an atmospheric pressure plasma method. Using a mask, 10 nm thick Cr and 200 nm thick gold were deposited thereon to form source and drain electrodes.
[0062]
Further, the surfaces of the silicon oxide film and the source and drain electrodes were treated with octadecyltrichlorosilane.
[0063]
A well-purified chloroform solution of poly (3-hexylthiophene) in the form of a regioregular body (manufactured by Aldrich) is prepared, applied to the above substrate using an applicator, dried at room temperature, and then dried in a nitrogen gas atmosphere. At 50 ° C. for 30 minutes. At this time, the film thickness of poly (3-hexylthiophene) was 100 nm.
[0064]
Next, a 200-nm-thick titanium oxide layer was provided by an atmospheric pressure plasma method, and aluminum was formed by sputtering to form a gate electrode.
[0065]
The obtained organic TFT element 4 exhibited favorable operation characteristics of a p-channel enhancement type FET.
[0066]
A comparative organic TFT element 1-4 was obtained in the same manner as in the organic TFT element 4, except that the element was produced without performing the surface treatment.
[0067]
A comparative organic TFT device 2-4 was prepared in the same manner as the organic TFT device 4 except that a 200-nm-thick silicon oxide layer was provided using an atmospheric pressure plasma method instead of the titanium oxide layer.
[0068]
A comparative organic TFT element 3-4 was produced in the same manner as the comparative organic TFT element 2-4, except that the element was produced without performing the surface treatment of the source and drain electrodes with octadecyltrichlorosilane.
[0069]
Each of the obtained devices was similarly evaluated.
Organic TFT element Carrier mobility (cm ² / V · s)
4 0.02
Comparison 1-4 0.003
Comparative 2-4 0.004
Comparison 3-4 0.001
[0070]
【The invention's effect】
According to the present invention, an organic thin-film transistor element having excellent transistor performance can be obtained.

Claims

酸化チタンを含有するゲート絶縁層及び、少なくとも一方の界面に配向膜が形成された有機半導体層を有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ素子。An organic thin-film transistor element comprising: a gate insulating layer containing titanium oxide; and an organic semiconductor layer having an alignment film formed on at least one interface.

配向膜が有機半導体層とゲート絶縁層との界面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ素子。The organic thin film transistor device according to claim 1, wherein the alignment film is formed at an interface between the organic semiconductor layer and the gate insulating layer.

酸化チタンを含有するゲート絶縁層が大気圧プラズマ法で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機薄膜トランジスタ素子。3. The organic thin film transistor device according to claim 1, wherein the gate insulating layer containing titanium oxide is formed by an atmospheric pressure plasma method.

配向膜がシランカップリング剤からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。The organic thin film transistor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the alignment film comprises a silane coupling agent.

配向膜が有機酸からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。4. The organic thin film transistor device according to claim 1, wherein the alignment film is made of an organic acid.

有機酸が脂肪族カルボン酸であることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜トランジスタ素子。The organic thin film transistor element according to claim 5, wherein the organic acid is an aliphatic carboxylic acid.

有機酸の分子量が１０００以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の有機薄膜トランジスタ素子。7. The organic thin film transistor device according to claim 5, wherein the molecular weight of the organic acid is 1,000 or less.

支持体上にゲート電極、ゲート絶縁層及び有機半導体層をこの順に有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタ素子。The organic thin-film transistor element according to claim 1, further comprising a gate electrode, a gate insulating layer, and an organic semiconductor layer on the support in this order.