JP4281320B2

JP4281320B2 - 有機薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JP4281320B2
Application number: JP2002299976A
Authority: JP
Inventors: 輝彦甲斐; 徳政関根
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP2004134694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体材料を活性層に有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機半導体材料は、現在、発光ダイオード、金属−絶縁体−半導体有機薄膜トランジスタ（ＭＩＳ−ＦＥＴ）のようなＴＦＴなどのさまざまなデバイスにおける活性層としての使用が研究されている（特許文献１など）。有機半導体材料は、柔軟なプラスチック基板との両立性や、スピンコートによる形成の容易さのような加工性の利点を有する。しかし、このような有機半導体材料がＴＦＴデバイスにおいて有用であるためには、結果として得られるデバイスは、個々の応用に適したオン／オフ比を有していなければならない。一般にＴＦＴデバイスでは少なくとも約１０^３のオン／オフ比を有しなければならない。オン／オフ比を支配する有機半導体材料の性質は、キャリア移動度と電気伝導度である。
【０００３】
一般的にＴＦＴデバイスに使用する有機半導体材料は、少なくともキャリア移動度μが約１０^−３ｃｍ^２/Ｖｓ以上で、電気伝導率約１０^−５Ｓ／ｃｍ以下を有していなければならない。このような有機半導体材料を使えば、少なくとも約１０^３のオン／オフ比を有するＴＦＴデバイスを作製することができる。
【０００４】
このような有機材料には、ペンタセン（特許文献２、３）、位置規則的ポリチオフェン（特許文献４）などがあげられる。
しかし、このような有機材料は、水分、酸素により、特性が劣化し、オン／オフ比が１０^３以下になるという問題があった。つまり、水分、酸素等の影響により、有機材料が変質するために、所定のトランジスタ特性を得ることができず、品質が維持できなくなる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５５５６８号公報
【特許文献２】
米国特許第５，９４６，５５１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，９８２，９７０号明細書
【特許文献４】
米国特許第６，１０７，１１７号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、水分や酸素などによる有機半導体材料の劣化のない有機薄膜トランジスタを製造することを課題とし、また初期性能を長時間維持できる長寿命の有機薄膜トランジスタの提供を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、少なくともプラスチック基材上に、ガスバリア層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、絶縁層および有機半導体からなる活性層を含む有機薄膜トランジスタにおいて、ガスバリア層形成前のプラスチック基材を加熱減圧乾燥し水分含有率が重量分率で０．２％以下にする工程と、次に前記プラスチック基材表面にガスバリア層を形成する工程と、次に前記ガスバリア層が形成された前記プラスチック基材上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、絶縁層および有機半導体からなる活性層を形成する工程と、次に前記ガスバリア層および前記活性層が形成された前記プラスチック基材を加熱減圧乾燥する工程を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
【０００８】
請求項２の発明は、前記各電極に用いる電極材料、前記絶縁層に用いる絶縁層材料及び前記活性層に用いる活性層材料の水分含有率がいずれも重量分率で０．２％以下であ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の製造方法。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１および２に記載の方法で製造された有機薄膜トランジスタを用いた、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＲＦＩＤ、センサーなどのデバイスにおいて、該各デバイスを構成する該有機薄膜トランジスタ以外の部材の水分含有率が０．２％以下であることを特徴とするデバイスの製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面を用いて説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。
図１に本発明の一例として、有機半導体材料を活性層に有する金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ型）デバイスの一例を図示した。図１のＭＩＳＦＥＴでは、バリア層２付きプラスチック基材１上に、金属電極３、絶縁層４が形成される。さらに２つの金属電極５、６が絶縁層４上に形成される。有機半導体層７が金属電極５および６の上およびそれらの間に形成される。
【００１１】
本発明に用いるプラスチック基材１には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフェン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリルレートなどを使用することができる。
【００１１】
このようなプラスチック基材１は高分子化合物からなるため、その中にはある程度水分が含まれている。含有水分は基材中を拡散し、有機半導体に影響を与える。プラスチック基材１の水分含有率を低下させておけば、拡散率が高くても、水蒸気の総量は低下し、有機ＴＦＴの劣化を低減することができる。その水分含有率は０．２％以上であると劣化が速く、０．２％以下とすることが望ましい。さらに望ましくは０．１％以下、特に望ましくは０．０５％以下である。
なお、水分含有率の測定は、例えばカール・フィッシャー滴定法（三菱化成製電量滴定式水分測定装置ＣＡ−０６）により行うことができる。
【００１２】
水分含有率を低減する方法としては、元来吸水しにくいポリプロピレン、シクロオレフィンポリマーなどのプラスチック基材１を使用する方法と、元来吸水しやすいポリアミド、ポリエステル系などのプラスチック基材１を、積極的に乾燥させる方法とがある。乾燥を行うことにより、水分だけでなく、酸素、モノマー、溶剤などのガスも除去できる場合があり、素子劣化防止に有効である。
【００１３】
上述のプラスチック基材１を乾燥させる方法としては、通常の加熱乾燥法以外にも、減圧乾燥法、およびこれらを組み合わせた方法などを使用できる。特に、プラスチック基材１内部の水分およびその他のガス分子を短時間で取り除くことができる減圧乾燥法が望ましい。
【００１４】
上述のプラスチック基材１の水分の拡散は、基材の水分含有量と基材中の水蒸気の拡散の大きさとに影響を受ける。
本発明ではプラスチック基材１の表面にガスバリア層２を形成することにより、水蒸気の拡散をも小さくでき、素子劣化の速度を低下させることができる。拡散率の低減により素子劣化速度を低下させる方法としては、プラスチック基材１の表面の少なくとも有機半導体層に接する面側あるいは両側の表面に水蒸気バリア性能を有するガスバリア層２を形成する方法がある。少なくとも有機半導体層に接する面側に水蒸気バリア性能を有するガスバリア層２を形成するのは、有機半導体層に直接的に接する面であり、水蒸気の拡散の影響が大きいからである。水蒸気バリア性能を有するガスバリア層２は、水蒸気バリア性能だけでなく、酸素バリア性能など、他のガスに対するバリア性能も有していてもよい。特に酸素バリア性能を有していることが望ましい。
また、用いるプラスチック基材１は前記した水分含有率の範囲内であるとより好ましい。
【００１５】
ガスバリア層２としては、公知の材料、例えばポリ塩化ビニルやポリ塩化ビニリデン、ポリクロロトリフロロエチレンなどの有機薄膜、酸化アルミニウム、酸化ケイ素などの無機薄膜、および、それらの複合膜・積層膜まで使用することが可能である。その中でも特に酸化アルミニウムや酸化ケイ素などの無機酸化物が水蒸気透過性だけでなく酸素透過性が低くて望ましい。また、巻き取り式真空成膜法により製膜するのが、バリア性能、製造コストの面からも望ましい。
【００１６】
本発明の電極３、５、６には、金、銀、銅、クロム、チタン、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、導電性ポリマーなどを使用することができる。電極３、５、６の膜厚は少なくと０．０１μｍ以上である。電極３、５、６は真空蒸着法、スピンコート法などの公知の方法で形成することができる。
【００１７】
本発明の絶縁層４に用いる絶縁材料は、特に限定はしないが、有機材料を使用することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフェン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリルレートなどを使用することができる。金属電極間のリーク電流を抑えるためには、絶縁材料の伝導度は約１０^−１２Ｓ／ｃｍ以下の材料が好ましい。絶縁層は、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェット法などの従来の方法を用いて形成される。絶縁層の膜厚は０．１〜１μｍが望ましい。また、絶縁材料には、無機材料を使用することもできるが、プロセス温度が高温にならないように注意が必要である。無機絶縁材料には、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムなどをＣＶＤ法、ゾルゲル法などの公知の方法で形成することができる。
【００１８】
本発明の有機半導体層７に用いる有機半導体材料は、ペリレン・テトラカルボキシリック・ジアンヒドリド（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレン・テトラカルボキシリック・ジアンヒドリド（ＮＴＣＤＡ）、銅フタロシアニン、フッ化銅フタロシアニン、テトラセン、ペンタセン、チオフェンオリゴマー、α−セクシチオフェン、レジオレギュラー・ポリ（チオフェン）などの公知の様々な材料を使用することができる。
【００１９】
有機半導体層７は、真空蒸着法などのドライプロセス、あるいはスピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェット法などのウエットプロセスを用いて形成される。有機半導体層の膜厚は少なくとも０．０１μｍ以上が望ましい。
【００２０】
本発明では、有機半導体層７上にさらに保護層を設けることができる。保護層としては公知の材料を用いることができる。また、前記保護層に、ガスバリア性を持たせることにより、プラスチック基材とは反対側からの水分や酸素から保護することができる。
【００２１】
本発明の有機薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、センサーなどのデバイスに使用することができる。
【００２２】
これらのデバイスに使用する場合、これらのデバイスを構成する有機薄膜トランジスタ以外の層間、層表面にガスバリア層を設け、有機薄膜トランジスタへの水分、酸素の侵入を防いでも良い。
【００２３】
また、これらのデバイスを構成する有機薄膜トランジスタ以外の対向基板、液晶層やＥＬ層などの機能薄膜、シール剤などの部材の水分含有率も０．２％以下とすることが望ましい。さらに望ましくは０．１％以下、特に望ましくは０．０５％以下である。そうすれば、有機薄膜トランジスタへの水分、酸素の侵入が防ぐことができる。
【００２４】
【実施例】
＜実施例１＞
実施例１として、図１に示したＭＩＳＦＥＴを作製した。
先ず、プラスチック基材１には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用した。プラスチック基材１を真空中１００℃で２４時間乾燥した。乾燥後、基材１の水分含有量は０．２％以下となった。次に、このＰＥＴの両面に、電子線加熱方式により酸化アルミニウム層を蒸着し、膜厚０．１μｍのガスバリア層２を形成した。
次に、ガスバリア層２上に、ゲート電極３として、真空蒸着法によって膜厚０．１μｍの金膜を形成した。次に、絶縁層４として、スピンコート法により膜厚０．３μｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）層を形成した。次に、ソース電極５とドレイン電極６として、真空蒸着法によって膜厚０．１μｍの金膜を形成した。ここでチャンネル長は５０μｍ、チャンネル幅は５００μｍで形成した。
次に、活性層として、スピンコート法により膜厚０．１μｍの有機半導体層７を形成した。有機半導体材料には、位置規則的なポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ａｌｄｒｉｃｈ製）を使用した。このポリマーにおける連結は、少なくとも９８．５％がＨＴ（ｈｅａｄ−ｔｏ−ｔａｉｌ）連結であった。位置規則的なポリ（３−ヘキシルチオフェン）を室温でクロロホルムに１ｍｇ／ｍｌ溶解し、孔径０．２μｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）メンブランフィルタで濾過した。
次に有機半導体層７形成後、真空中１００℃で２４時間乾燥した。乾燥後、基材１、絶縁層４、有機半導体層７の水分含有量は０．２％以下となった。
作製されたＭＩＳＦＥＴ型ＴＦＴのキャリア移動度、伝導度を測定したところ、それぞれ１×１０^−２ｃｍ^２／Ｖｓ、１×１０^−４Ｓ／ｃｍであった。オン／オフ比は約１０^４であった。
【００２５】
＜比較例１＞
真空乾燥乾工程を除き、ガスバリア層を設けなかったこと以外は実施例１と同様の方法でＭＩＳＦＥＴを作製した。
作製されたＭＩＳＦＥＴ型ＴＦＴの水分含有量は０．４％であり、またキャリア移動度、伝導度を測定したところ、それぞれ１×１０^−３ｃｍ^２／Ｖｓ、１×１０^−５Ｓ／ｃｍであった。オン／オフ比は約１０^２であった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明よれば、有機薄膜トランジスタを構成する部材、材料の含有水分量を低減することで、水分、酸素等の影響を極力除外し、経時劣化が少なく、初期性能を長時間維持できる長寿命の有機薄膜トランジスタとその製造方法を提供することができる。また、プラスチック基材表面の有機薄膜トランジスタを形成する面側にガスバリア層を設けることで水分、酸素等を遮断し、経時劣化が少なく、初期性能を長時間維持できる長寿命の有機薄膜トランジスタを提供できる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機薄膜トランジスタの一例の断面の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１プラスチック基材
２ガスバリア層
３ゲート電極
４絶縁層
５ソース電極
６ドレイン電極
７有機半導体層

Claims

少なくともプラスチック基材上に、ガスバリア層、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、絶縁層および有機半導体からなる活性層を含む有機薄膜トランジスタにおいて、ガスバリア層形成前のプラスチック基材を加熱減圧乾燥し水分含有率が重量分率で０．２％以下にする工程と、次に前記プラスチック基材表面にガスバリア層を形成する工程と、次に前記ガスバリア層が形成された前記プラスチック基材上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、絶縁層および有機半導体からなる活性層を形成する工程と、次に前記ガスバリア層および前記活性層が形成された前記プラスチック基材を加熱減圧乾燥する工程を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記各電極に用いる電極材料、前記絶縁層に用いる絶縁層材料及び前記活性層に用いる活性層材料の水分含有率がいずれも重量分率で０．２％以下であ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の製造方法。
請求項１および２に記載の方法で製造された有機薄膜トランジスタを用いた、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＲＦＩＤ、センサーなどのデバイスにおいて、該各デバイスを構成する該有機薄膜トランジスタ以外の部材の水分含有率が０．２％以下であることを特徴とするデバイスの製造方法。