JP5403578B2 - 有機半導体薄膜及びこれを用いた有機薄膜トランジスター - Google Patents
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このものは、分子運動の自由度のため、結晶性薄膜に比べて柔軟性に富み、フレキシブルな液晶性半導体を用いた薄膜トランジスターに適していると期待できる。また、物性値の再現性は良好であり、ロットごとのばらつきもほとんどない。
しかしながら、これらの有機薄膜トランジスターにおいては、基板はシリコンであり、また、ここで用いられている液晶化合物は、室温付近では結晶化してしまうビス(アルキルチエニルエチニル)ターチオフェンやビス(アルキルチエニル)ナフタレンであるため、たとえ、薄膜作成時には液晶性を利用したとしても、得られた薄膜は結晶性の薄膜となってしまい、しかもデバイスの駆動も結晶相において行われることから、液晶相の柔軟性を利用することができないといった難点があった。
有機半導体を用いたフレキシブルデバイスを実現するには、軽量で耐熱性に優れた高分子フィルムを基板として用いること、有機半導体層が優れた電荷輸送特性を示すことに加えて、十分な柔軟性を有することが必要であり、曲げなどの変形を受けた際にもデバイスが正常に動作することが求められている。
しかし、ここで得られる薄膜は非常にリジッドな分子性結晶構造を有するため、曲げなどの変形に対しては十分な強度と安定性を有しているわけではなく、例えば、ペンタセンの蒸着膜を用いたトランジスターでは、1%の変形を加えただけでキャリア移動度は一桁以上低下する。
しかし、物性値とサイズのそろった単結晶を多数作成するのはまだ難しく、一般的な技術にはなっていない。
〈1〉高分子フィルム上に下記一般式(1)で示される液晶化合物を含む液晶性半導体層を設けた有機半導体薄膜。
〈2〉高分子フィルムと液晶性半導体層の間に高分子絶縁膜を設けたことを特徴とする上記〈1〉に記載の有機半導体薄膜。
〈3〉上記〈1〉又は〈2〉に記載の有機半導体薄膜を用いた有機薄膜トランジスター。
〈4〉前記半導体層は、p型半導体であり、該p型半導体層は電界効果移動度0.01 cm2/Vsを備えることを特徴とする上記〈3〉に記載の有機薄膜トランジスター。
〈5〉高分子フィルム上に前記一般式(1)で示される液晶化合物を含む有機半導体薄膜を設ける工程と、該薄膜をアニールする工程を備えることを特徴とする上記〈1〉に記載の有機半導体薄膜の製造法。
また、本発明に係る高分子フィルムと液晶性半導体層の間に高分子絶縁膜を設けた有機半導体薄膜は発光トランジスターやセンサーデバイスにも応用可能である。
また、本発明に係る有機薄膜トランジスターは溶液プロセスにより作製できるため、デバイスの低コスト化、大面積化に有効である。また、曲げなどの変形に対しても安定な特性を示すことから、電子ペーパーやフレキシブルディスプレーの駆動素子として使用可能である。
具体的には、本発明の有機薄膜トランジスターは、高いキャリア移動度、高いon/off比を示し、基板を曲げた場合でも移動度、on/off比は低下しない。
前記一般式(I)において、R1は炭素数1〜8の直鎖アルキル基を示す。具体的には、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられるが、プロピル基が好ましい。
また、R2は炭素数1〜8の直鎖アルキル基、あるいはアルコキシ基を示す。具体的には、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられるが、プロピル基が好ましい。nは0〜3の整数であり、好ましくは1である。このスメクティック液晶化合物それ自体公知であり、たとえば、特開2008−13539号公報記載の方法によって合成することができる。
ポリイミドフィルム(2 cm角、厚さ0.3 mm)上に金を蒸着してゲート電極を作製し、その上に、10 wt% ポリビニルアルコール水溶液をスピンコートして、絶縁層を形成する。ついで、80℃で一昼夜加熱する。絶縁層の厚さは2μm、静電容量は3.5 nF/cm2程度になる。さらに、オクチルトリクロロシランのトルエン溶液に浸して表面を疎水処理する。
こうして得られた薄膜上に長さ5 mm、幅0.2 mmの金電極を20〜50μmの間隔で真空蒸着し、ソース電極、および、ドレイン電極とする。
(有機半導体薄膜の作製)
厚さ0.3 mmのポリイミドフィルム上に、金電極を真空蒸着する。その上に、ポリビニルアルコール水溶液(濃度10 wt%)を回転速度1000 rpmでスピンコートして高分子絶縁層を製膜した後、ポリイミドフィルムを80℃で12時間加熱乾燥する。その後、フィルムをオクチルトリクロロシランのトルエン溶液(5%)に浸し3時間放置してフィルムの表面を疎水処理した。
つぎに、前記一般式に示されるスメクティック液晶化合物(R1:C3H7 R2:C5H11 n:1)をクロロベンゼンに溶解し、濃度0.6 wt%の溶液とした。この溶液を上記で作製した高分子絶縁層上にスピンコートした(回転速度;1500 rpm、回転時間;25秒)。
得られた薄膜を真空オーブン中100℃で10分間熱アニールした。その後、室温まで冷却した。図2の(a)、(b)にアニール後の薄膜のAFM像を示す。層状構造を反映したテラス構造が明確に観察される。約20 nmの段差は分子長に対応しているものと考えられる。図2の(c)にアニール後の薄膜のX線回折を示す。層状構造を示す鋭い回折ピークが低角度側に現れ、2次の回折ピークまで観測されることから、この膜が明確な層状構造を持っており、液晶分子が基板に対して垂直に立っていることがわかる。
ここで得られたAFMによる表面モルフォロジーやX線回折パターンは熱酸化膜付シリコン基板上に薄膜を作成した場合と同様であり、高分子フィルム上に液晶性薄膜を作成した場合にも、液晶分子が基板に対して垂直に立ち、高い分子配向秩序を持った層状構造を形成しているものと考えられる。
(有機薄膜トランジスターの作製と評価)
熱アニール処理した上記薄膜にシャドウマスクを介して金電極を蒸着した。蒸着速度は1 A/s、電極の厚さは60 nmとした。図3に、電極のマスクパターンとデバイスの構成を示す。トランジスター特性はKethley digital source meterを用いて行った。図4(a)に大気中でトランジスターを駆動した場合のoutput特性を、図4(b)にtransfer特性を示す。ゲート電極に負電圧が印加された場合にソースドレイン電流が流れることから、本トランジスターがp型の特性を示していることがわかる。
(有機薄膜トランジスターを曲げた際のデバイス特性の変化)
図5に示すように、実施例2で得たフレキシブルトランジスターを半径Rの円筒に密着させ、トランジスターの特性を測定した。
曲げ変形εは、絶縁層の厚さdd、高分子フィルム基板の厚さds、曲げの半径Rを用いると、
図6の(a)にトランジスターを曲げた場合の移動度、および、(b)に閾値電圧の変化を示す。変形が2.7 %になっても、変形がない場合と同等かそれ以上の特性を示している。これまで主に検討されてきたペンタセンなどの分子性結晶薄膜を用いて作製した有機薄膜トランジスターは変形εが1 %を超えると特性が大幅に低下することから、液晶性半導体が変形に対して安定であり、フレキシブルディスプレーなどに適した材料であることがわかる。
Claims (5)
- 厚さ0.1〜1.0mmの可撓性高分子フィルム上に下記一般式(1)で示される液晶化合物を含む厚さ20から100nmの変形可能な液晶性半導体層を設けた有機半導体薄膜。
- 高分子フィルムと液晶性半導体層の間に高分子絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項1に記載の有機半導体薄膜。
- 請求項1又は2に記載の有機半導体薄膜を用いた有機薄膜トランジスター。
- 前記半導体層は、p型半導体であり、該p型半導体層は電界効果移動度0.01cm2/Vsを備えることを特徴とする請求項3に記載の有機薄膜トランジスター。
- 高分子フィルム上に前記一般式(1)で示される液晶化合物を含む液晶半導体薄膜を設ける工程と、該薄膜をアニールする工程を備えることを特徴とする請求項1に記載の有機半導体薄膜の製造法。
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