JP5031584B2 - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
mおよびnは各々1または2で、
lは0または1で、
X1およびX2は各々独立してCHまたはNであり、
Y1およびY2は各々独立してn=1である時にNR0で、n=2である時にNであり、ここでR0は水素、置換または非置換されたアルキル基、および置換または非置換されたアリール基からなる群から選択され、
R1〜R8は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたアルキル基、置換または非置換されたアルコキシ基、置換または非置換されたアルケニル基、置換または非置換されたアリール基、置換または非置換されたアリールアミン基、置換または非置換された複素環基、置換または非置換されたシラン基、置換または非置換されたホウ素基、置換または非置換された脂肪族環基、ニトリル基(−CN)、ニトロ基(−NO2)、ハロゲン基、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エステル基(−COOR)、スルホニル基(−SO2R)、スルホキシド基(−SOR)、スルホンアミド基(−SO2NRR’)、スルホネート基(−SO3R)、トリフルオロメチル基(−CF3)、アミン基(−NHR、−NRR’)、および−L−Mからなる群から選択され、これらは互いに隣接する基と芳香族、脂肪族またはヘテロの縮合環を形成することができ、
前記Lはアミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換されたC1−C60のアルキレン基;アミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換されたC6−C60のアリーレン基;またはアミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換された5−7原子の複素環基であり、
Mはアルコール基(−OH)、チオール基(−SH)、リン酸基(−PO3H)、アミン基(−NHR、−NRR’)、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択され得、
前記RおよびR’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたC1−C60のアルキル基、置換または非置換されたC6−C60のアリール基、または置換または非置換された5−7原子の複素環基である。
nは0または1で、
R9〜R18は各々独立して、水素、ハロゲン基、ニトリル基(−CN)、ニトロ基(−NO2)、スルホニル基(−SO2R)、スルホキシド基(SOR)、スルホンアミド基(−SO2NRR’)、スルホネート基(−SO3R)、トリフルオロメチル基(−CF3)、エステル基(CO−OR)、アミド基(−CO−NHR、−CO−NRR’)、置換または非置換された直鎖型または分枝型のC1−C12のアルコキシ基、置換または非置換された直鎖型または分枝型のC1−C12のアルキル基、置換または非置換された芳香族または非芳香族複素環基、置換または非置換されたC6−C20のアリール基、置換または非置換されたアミン基(−NHR、−NRR’)、および−L−Mからなる群から選択され得、R9とR10、またはR11とR12が結合して芳香族または複素環を形成することができ、
前記Lはアミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)、およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換されたC1−C60のアルキレン基;アミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換されたC6−C60のアリーレン基;またはアミン基(−NHR、−NRR’)、アミド基(−NHCOR、−CONHR、−CONRR’)、エーテル基(−COR)、およびエステル基(−COOR)からなる群から選択された1つ以上の基で置換または非置換された5−7原子の複素環基であり、
Mはアルコール基(−OH)、チオール基(−SH)、リン酸基(−PO3H)、アミン基(−NHR、−NRR’)、置換または非置換されたポリオレフィン、置換または非置換されたポリビニール、置換または非置換されたポリアクリレート、置換または非置換されたポリチオフェン、置換または非置換されたポリピロール、および置換または非置換されたポリアニリンからなる群から選択され得、
前記RおよびR’は互いに同一または相異し、各々独立して水素、置換または非置換されたC1−C60のアルキル基、置換または非置換されたC6−C60のアリール基、または置換または非置換された5−7原子の複素環基である。
有機薄膜トランジスタのための熱力学的および機械的要求事項を満たすガラス、半導体ウェハ(semiconductor wafer)、金属酸化物、セラミック物質、およびプラスチックなどが基板13として用いられ得る。
導電性物質がゲート電極16として用いられ得るが、このような導電性物質の非制限的な例としては、炭素、アルミニウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、スズ、鉛、金属類似物および前記金属の合金、p−またはn−ドープシリコン、酸化亜鉛、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物およびスズ類似酸化物またはスズ酸化物インジウム系複合化合物、ZnO:Al、SnO2:Sbのような酸化物と金属の混合物、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ[3,4−(エチレン−1,2−ジオキシ)チオフェン]、ポリピロール、およびポリアニリンのような導電性高分子を含む。
絶縁層12として用いられ得る絶縁物質の非制限的な例としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、およびポリイミド、ポリ(2−ビニルピリジン)、ポリ(4−ビニルフェノール)、ポリメチルメタクリレートのようなプラスチック絶縁体を含む。
半導体層として用いられ得るものとして2種類形態の分子があるが、これはp−型およびn−型有機半導体物質である。P−型半導体性物質では正孔が電荷担体であり、n−型半導体性物質では電子が電荷担体である。
P−型有機半導体性物質の非制限的な例としては、ペンタセン、アントラジチオフェン、ベンゾジチオフェン、チオフェンオリゴマ、ポリチオフェン、チオフェンオリゴマの下位単位混合物、酸素−機能基が結合したチオフェンオリゴマなどがある(H.E.Katz et al.,Acc.Chem.Res.34,359(2001))。
N−型有機半導体材料としては、例えば、フッ素化メタロフタロシアニン(Z.Bao,J.Am.Chem.Soc.120,207(1998))、ペルフルオロアレーン変形されたポリチオフェン(A.Facchetti,Angew.Chem.Int.Ed.42,3900(2003))などが含まれる。
前記有機物層は、前記化学式1と表示される化合物のうち少なくとも1つを含む。前記化学式1の化合物を含む有機物層は、半導体層とソース電極および/またはドレーン電極との間にオーミックコンタクトが形成されるのに役立つ。したがって、有機薄膜トランジスタにおいて駆動電圧(threshold voltage)および電荷担体の移動性は、上記で説明した化学式1と表示される化合物のうち少なくとも1つを含む有機物層によって向上させられる。
導電性物質がソース電極/ドレーン電極として用いられ得るが、このような導電性物質の非制限的な例としては、炭素、アルミニウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、スズ、鉛、ネオジム、白金、パラジウム、金属類似物および前記金属の合金、p−またはn−ドープ(doped)シリコン、酸化亜鉛、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物およびスズ類似酸化物またはスズ酸化物インジウム系複合化合物、ZnO:Al、SnO2:Sbのような酸化物と金属の混合物、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ[3,4−(エチレン−1,2−ジオキシ)チオフェン]、ポリピロール、およびポリアニリンのような導電性高分子を含む。
本発明による有機薄膜トランジスタは、半導体層とソース電極/ドレーン電極との間のオーミックコンタクトを容易にし、かつ半導体層そのものとして作用する有機化合物を含む有機物層を導入することによって、前記半導体層とソース電極/ドレーン電極との間の電気的接触を向上させる。その結果、前記有機薄膜トランジスタのソース電極やドレーン電極用材料として、仕事関数が比較的に低くても低費用で加工性に優れた物質を用いることができる。
電界効果トランジスタは、図5のようなボトムゲートのトップコンタクト構造で製造された。基板13とゲート電極16としてはn−ドープシリコンウェハを用いた。ゲート誘電体または絶縁層12は、n−ドープシリコン上にシリコンジオキシド(SiO2)を熱的に成長させて製造した。シリコンジオキシド(SiO2)ゲート絶縁層の厚さは300nmであった。半導体層14は、前記シリコンジオキシド(SiO2)絶縁層12の上に形成された。ペンタセンがp−型半導体物質として用いられた。ペンタセン層14は、1x10−6Torrのベース圧力下で0.3Å/sの速度で蒸着された。前記ペンタセン層の厚さは50nmであった。有機物層17および金(Au)からなるソース電極15/ドレーン電極11は、各々図5に示すようにシャドウマスク(shadow mask)によってペンタセン膜上に蒸着された。図5に示すように、金ソース電極15/ドレーン電極11を蒸着する前に、前記有機物層17を前記ペンタセン膜上にパターニングせずに蒸着した。前記化学式2−11と表示される化合物が有機物層17の形成のために用いられた。有機物層17は1x10−6Torrのベース圧力下で0.5Å/sの速度で蒸着され、前記有機物層17の厚さは20nmであった。図9に示すように、前記有機FETのチャネル長さ(L)および幅(W)は、前記有機薄膜トランジスタの性能に相当影響を及ぼす。本発明の実施例では、前記有機薄膜トランジスタのチャネル幅と長さは各々1mmと100μmにした。
前記実施例1においてソース電極/ドレーン電極として金(Au)をアルミニウム(Al)に代えたのを除いては、実施例1で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
図2に示すように、前記有機物層17をシャドウマスクによって電極のような形態でパターニングして、ペンタセン膜上に蒸着したのを除いては、実施例2で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
有機物層17を形成する時に前記化学式2−30の化合物を用いたのを除いては、実施例2で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
前記有機物層17を形成しないのを除いては、実施例1で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
前記比較例1でソース電極/ドレーン電極として金(Au)をアルミニウム(Al)に代えたのを除いては、比較例1で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
電界効果トランジスタは、図7のようなボトムゲートのボトムコンタクト構造で製造された。基板13とゲート電極16としてn−ドープシリコンウェハを用いた。ゲート誘電体または絶縁層12は、n−ドープシリコン上にシリコンジオキシド(SiO2)を熱的に成長させて製造した。シリコンジオキシド(SiO2)ゲート絶縁層の厚さは300nmであった。金(Au)からなるソース電極15/ドレーン電極11は、各々図7に示すようにシャドウマスクによって前記シリコンジオキシド(SiO2)絶縁層12の上に形成された。前記有機物層17を前記ソース電極15/ドレーン電極11が形成された基板上にパターニングせずに蒸着した。前記化学式2−11と表示される化合物が有機物層17の形成のために用いられた。前記有機物層17は、1x10−6Torrのベース圧力下で0.5Å/sの速度で蒸着され、前記有機物層17の厚さは20nmであった。前記有機物層17の上にp−型半導体物質であるペンタセンを用いて半導体層14を形成した。ペンタセン層14は、1x10−6Torrのベース圧力下で0.3Å/sの速度で蒸着された。前記ペンタセン層の厚さは50nmであった。
前記有機物層17を形成する時、前記化学式2−38の化合物(数平均分子量(Mn)=8000))を溶媒に溶かしてスピンコーティングで形成したのを除いては、実施例4で説明したのと同一方法によって素子を製造した。溶媒としてはテトラヒドロフラン(THF)を用いて、1500rpmで20秒間回転させた後、80℃で2分間乾燥させた。
前記有機物層17を形成しないのを除いては、実施例5で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
前記有機物層17を形成せず、前記半導体層14をペンタセン代わりに前記化学式2−30の化合物を用いたのを除いては、実施例5で説明したのと同一方法によって素子を製造した。
Claims (15)
- 有機薄膜トランジスタであって、
ゲート電極と、絶縁層と、ソース電極と、ドレーン電極と、半導体層と、及び少なくとも1つの有機物層とを備えてなり、
前記少なくとも1つの有機物層が、前記半導体層と、前記ソース電極および前記ドレーン電極のうち少なくとも1つとの間に配置されてなるものであり、
前記半導体層と、前記ソース電極および前記ドレーン電極のうち少なくとも1つとの間に配置された、前記少なくとも1つの有機物層が、下記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含んでなり、
前記有機物層が、前記ソース電極、前記ドレーン電極、又は前記ソース電極及び前記ドレーン電極全てに接するように配置されてなり、
前記半導体層としてp−型物質が用いられる時に、前記ソース電極およびドレーン電極がパラジウム、白金及び金であり、
前記半導体層としてn−型物質が用いられる時に、前記ソース電極およびドレーン電極がアルミニウムである、有機薄膜トランジスタ。
xは2〜10,000,000であり、
R19およびR20は各々独立して置換または非置換されたC1−C60のアルキルまたは置換または非置換されたC1−C60のアリールである。] - 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された有機物層、および前記有機物層と前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極を含んでなり、
前記有機物層は、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたゲート電極、前記ゲート電極と基板上に配置された絶縁層、前記絶縁層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記絶縁層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された有機物層、および前記有機物層上に配置された半導体層を含んでなり、
前記有機物層が、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記基板、ソース電極およびドレーン電極上に配置された有機物層、前記有機物層上に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
前記有機物層が、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記有機薄膜トランジスタが、基板、前記基板に配置された半導体層、前記半導体層上に配置された有機物層、前記有機物層上に配置されたソース電極およびドレーン電極、前記有機物層、ソース電極およびドレーン電極上に配置された絶縁層、および前記絶縁層上に配置されたゲート電極を含んでなり、
前記有機物層が、前記ソース電極、ドレーン電極またはソース電極とドレーン電極全てに接するように配置され、前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む有機物層は、その厚さが単分子層厚さ〜100nmである、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
有機薄膜トランジスタが、ゲート電極と、絶縁層と、ソース電極と、ドレーン電極と、半導体層と、及び少なくとも1つの有機物層とを備えてなるものであり、
ゲート電極と、絶縁層と、ソース電極と、ドレーン電極と、半導体層と、及び少なくとも1つの有機物層とを形成するステップを含んでなり、
前記少なくとも1つの有機物層を、前記半導体層と、前記ソース電極および前記ドレーン電極のうち少なくとも1つとの間に形成し、
前記半導体層と、前記ソース電極および前記ドレーン電極のうち少なくとも1つとの間に形成された、前記少なくとも1つの有機物層が、下記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含んでなるものであり、
下記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物で形成された前記有機物層を、前記ソース電極、前記ドレーン電極、又は前記ソース電極及び前記ドレーン電極全てに接するように形成してなることを含んでなり、
前記有機物層が、前記ソース電極、前記ドレーン電極、又は前記ソース電極及び前記ドレーン電極全てに接するように配置されてなり、
前記半導体層としてp−型物質が用いられる時に、前記ソース電極およびドレーン電極がパラジウム、白金及び金であり、
前記半導体層としてn−型物質が用いられる時に、前記ソース電極およびドレーン電極がアルミニウムである、有機薄膜トランジスタの製造方法。
xは2〜10,000,000であり、
R19およびR20は各々独立して置換または非置換されたC1−C60のアルキルまたは置換または非置換されたC1−C60のアリールである。] - 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層と前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップとを含む、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板上にゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極と基板上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記絶縁層と前記ソース電極およびドレーン電極上に化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップとを含む、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記基板と前記ソース電極およびドレーン電極上に前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 基板に半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を含む有機物層を形成するステップと、前記有機物層上にソース電極およびドレーン電極を形成するステップと、前記有機物層と前記ソース電極およびドレーン電極上に絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上にゲート電極を形成するステップとを含む、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を用いて形成する有機物層の厚さを単分子層厚さ〜100nmで形成する、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記化学式2−1〜2−41の化合物のうちから選択される化合物を用いて形成する有機物層を、真空蒸着、スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング 、マイクロコンタクトプリンティング、スピンコーティング、ディップコーティングおよびSAM(Self−assembled Monolayer)のうちから選択する方法によって形成する、請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項1の有機薄膜トランジスタを含む、電子装置。
- 電子ペーパー、スマートカードおよびディスプレイ装置のうちから選択される、請求項14に記載の電子装置。
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