JP5035587B2 - 有機半導体素子 - Google Patents
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で表される1,4−ジチエニルベンゼン誘導体を含有する有機半導体材料で構成されてなる有機半導体素子に係るものである。
一般に、有機半導体素子のキャリア移動度は、有機半導体素子の高い動作周波数を確保するためには、10-2 cm2/Vs以上であるのが好ましく、10-1 cm2/Vs以上であるのがより好ましい。本発明の一般式(I)で表される有機半導体材料のうち、例えば、1,4−ビス(5'−オクチル−2'−チエニル)−ベンゼン(8TPT8)は、製造例1に示すように、M1相で3×10-2 cm2/Vs、M2相で7×10-2 cm2/Vs、M3相で1×10-1 cm2/Vsのホール移動度を有する。
1,4−置換ベンゼン(1)とチオフェン誘導体(2)の混合は、(1)に対して、(2)を0.5〜1.0当量用いるのが好ましい。1,4−置換ベンゼン(1)とチオフェン誘導体(7)の混合は、(1)に対して、(7)を2.0〜2.2当量用いるのが好ましい。チエニルベンゼン誘導体(3)とチオフェン誘導体(4)の混合は、(3)に対して、(4)を1.0〜1.1当量用いるのが好ましい。チエニルベンゼン誘導体(3)とチオフェン誘導体(5)の混合は、(3)に対して、(5)を1.0〜1.1当量用いるのが好ましい。
これらのうち、仕事関数が大きい素材が好ましく、特に仕事関数が有機半導体のイオン化エネルギーに近い金、白金、ITOが好ましい。なお、仕事関数とは、真空順位とフェルミ順位とのエネルギー差をいい、4.6〜5.2eVが好ましい。
また、基板としてシリコン、タンタルを用いた場合には、当該基板をゲート電極として使用することもできる。
絶縁層表面を疎水化することにより、キャリア移動度を向上させ、閾値を低下させることができ、低電圧、高性能化に資することができる。
配向処理の方法としては、(a)ゲート絶縁層の上にソース・ドレイン電極に対して垂直にラビングしたポリイミド配向膜を形成してその上に有機半導体層を形成する方法、(b)有機半導体層形成後に赤外自由電子レーザーを照射することによって有機半導体分子を配向する方法、(c)有機半導体素子を作製後、有機半導体層に用いた化合物が液晶相もしくは中間相を示す温度において、一定時間熱処理(アニール)する方法等が挙げられる。熱処理時間は、有機半導体分子の自己組織化を十分に促すために0.5時間以上が望ましい。熱処理時の雰囲気は、湿度が80%以上と高い場合は大気中の水分が有機半導体材料を劣化させる可能性があるため不活性ガス雰囲気下もしくは真空下が好ましいが、湿度が80%より低い場合は大気中でよい。
従って、本発明の有機半導体素子は、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、電子ペーパー、RFID(Radio Frequency Identification)、センサー、太陽電池、発光型トランジスタ等の有機光電子デバイスに使用することができ、特に電子ペーパー、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、RFID等の駆動回路等に好ましく用いられる。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
1,4−ビス(5’−オクチル−2’−チエニル)−ベンゼン(8TPT8)
0.88(t,J=7.1Hz,6H),1.28−1.39(m,20H),1.70(m,4H),2.81(t,J=7.1Hz,4H),6.73(d,J=3.4Hz,2H),7.12(d,J=3.4Hz,2H),7.53(s,4H).
UV−Visスペクトル;λmax=342nm(logε4.54)
8TPT8は、示差走査熱量(DSC)測定、及び偏光顕微鏡による観察から、等方相から145℃で高い配向秩序の中間相M1に転移し、87℃で中間相M2に転移し、更に71℃で別の中間相M3に転移し、47℃で結晶相に転移する。
前記液晶性物質の電荷輸送特性をTime−of−flight(タイムオブフライト:TOF)法を用いて測定した。測定に用いたITOサンドイッチセルは、陽極陰極いずれもITO電極であり、電極間距離15.9μm、電極面積0.25cm2のセルを使用した。そのセルに前記液晶性物質を155℃の条件下封入し、TOF測定試料セルとした。測定は120℃、75℃、60℃、照射波長337nmで行った。
1−(5’−ドデシル−2’−チエニル)−4−(5’’−オクチル−2’’−チエニル)−ベンゼン(8TPT12)
0.87(t,J=7.3Hz,6H),1.26−1.39(m,28H),1.69(m,4H),2.81(t,J=7.8Hz,4H),6.74(d,J=3.4Hz,2H),7.13(d,J=3.7Hz,2H)7.53(s,4H).
UV−Visスペクトル(クロロホルム溶液);λmax=341nm(logε4.24)
8TPT12は、示差走査熱量(DSC)測定、および偏光顕微鏡による観察から、等方相から136℃で高い配向秩序の中間相に転移し、44℃でさらに配向秩序の高い別の中間相に転移する。
前記液晶性物質の電荷輸送特性をTOF法により評価した。測定に用いたITOサンドイッチセルは、陽極陰極いずれもITO電極であり、電極間距離12.1μm、電極面積0.25cm2のセルを使用した。そのセルに前記液晶性物質を150℃の条件下封入し、TOF測定試料セルとした。測定は120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、27℃、照射波長337nmで行った。
有機半導体素子の構成を基板/ゲート電極/ゲート絶縁層/有機半導体層/ソース・ドレイン電極として形成した(図1)。
1)基板/ゲート電極/ゲート絶縁層
素子基板兼ゲート電極として、300nmの熱酸化膜付nドープSiウエハ(100)を用いた。このSiウエハをHMDSが少量入ったシャーレの中にSi基板が浸らないよう少し浮かせ、大きなシャーレで蓋をし、約12時間放置した。未処理、HMDS処理基板を2センチ四方に切り分け、未処理基板はアセトン、メタノール、脱イオン水で各々20分超音波洗浄して乾燥した。
2)有機半導体層
1,4−ビス(5’−オクチル−2’−チエニル)−ベンゼン(8TPT8)をるつぼの中に約20mg仕込み、チャンバー内にセッティングした。その後、未処理、HMDS処理基板に有機半導体層を真空蒸着(有機物蒸着条件;膜厚100nm、真空度<10-5 Torr,蒸着速度1 Å/s、基板温度室温)により製膜した。必要に応じて、30分間大気中でアニールを行なった。
3)ソース・ドレイン電極
ソース・ドレイン電極としてAuを抵抗加熱蒸着(条件;電極厚300Å、真空度10-5 Torr、蒸着速度0.3〜0.4 Å/s、抵抗加熱電源60A)にてメタルマスク(チャネル長L=50μm,チャネル幅W=5.5mm)を用いて形成した。
実施例1で作製した有機半導体素子の半導体物性を測定した。測定は、有機半導体素子を半導体パラメーターアナライザー(Agilent社製)に接続し、真空下において半導体物性を評価した。飽和領域の電界効果移動度(移動度)は、ゲート電圧VGに対するドレイン電流の平方根(Id)1/2プロットの傾きから求められ、下記式(3)を用いて算出した。閾値電圧は、VGに対するIdのルートをプロットしたときの切片から求めた。
8TPT8を1−(5’−ドデシル−2’−チエニル)−4−(5’’−オクチル−2’’−チエニル)−ベンゼン(8TPT12)に替えた以外は実施例1と同様の条件で有機半導体素子を作製し、実施例2と同様に半導体特性を評価した。結果を表2に示す。HMDS処理を施すことにより、未処理よりも移動度が向上し、閾値電圧Vthは約−10ボルト低下した。さらに8TPT12が中間相を示す温度である100℃において、30分間大気中でアニールした結果、移動度は10-2cm2/Vsに向上した。Vthはさらに約−6ボルト低下した。
2 ゲート絶縁層
3 有機半導体薄膜層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
Claims (4)
- 少なくとも基板、有機半導体層、絶縁層及び電極を有する有機半導体素子であって、有機半導体層が下記一般式(I)
で表される1,4−ジチエニルベンゼン誘導体を含有する有機半導体材料で構成されてなる有機半導体素子。 - 前記絶縁層の表面を疎水化してなる請求項1記載の有機半導体素子。
- さらに、前記絶縁層又は前記有機半導体層に配向処理を施してなる請求項1又は2記載の有機半導体素子。
- 請求項1〜3のいずれか1項記載の有機半導体素子を用いた有機光電子デバイス。
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