JP5531243B2 - 半導体デバイスの製造方法及び太陽電池 - Google Patents
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Description
その一方がp型半導体材料であり他方がn型半導体材料である、第1の半導体材料と第2の半導体材料とを含む半導体層を備える半導体デバイスを製造する、半導体デバイスの製造方法であって、
前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層に対して、前記第3の材料を前記第2の半導体材料で置換する置換工程を備え、
前記第3の材料は半導体材料ではない
ことを特徴とする。
図1において、Aは半導体材料である第1の化合物を、Bは半導体材料である第2の化合物を、Cは半導体材料ではない第3の化合物を示す。本発明の製造方法では、第1の化合物(A)と第3の化合物(C)とを含む層に対して、第3の化合物(C)を第2の化合物(B)で置換する。この結果、第1の化合物(A)と第2の化合物(B)とを含む層が形成される。
本発明で用いられる化合物A及びBは各々異なる極性の半導体の材料であり、Aがp型半導体の材料である場合は、Bはn型半導体の材料であるし、Aがn型半導体の材料である場合は、Bはp型半導体の材料である。半導体は、p型半導体とn型半導体に大きく分けられる。また、p型とn型の両極性を示すものが知られているが、特性が強い方の極性を用いて活用されることが望ましい。また、化合物Aに無機半導体材料を、化合物Bに有機半導体材料を用い、ハイブリッド型半導体デバイスとすることも可能である。なお、本発明における半導体とは、成膜した際に移動度が10−4cm2/V・s以上を示すものである。移動度は、FET特性、Time of Flight法、SCLC法等によって求める事ができる。
本発明に係る半導体デバイスに用いられるp型半導体は、電子供与体として機能すれば特に限定されない。なお、本発明に係るp型半導体デバイスに用いられる半導体は、一種の化合物により構成されても、複数種の化合物の混合物として構成されてもよい。
本発明に係る半導体デバイスに用いられるn型半導体は、電子受容体として機能すれば特に限定されない。n型半導体の材料として例えば、フラーレン及びフラーレン誘導体、ペリレン及びペリレン誘導体、キノリン及びキノリン誘導体、ナフタレン及びナフタレン誘導体、フルオレン誘導体、多環キノン、カーボンナノチューブ等が挙げられる。また、上記骨格を持つオリゴマーやポリマー、シアノポリフェニレンビニレン等のポリマーも挙げられる。なお、本発明に係る半導体デバイスに用いられるn型半導体は、一種の化合物で構成されても、複数種の化合物の混合物として構成されてもよい。また、本発明で用いられる好ましいn型半導体の材料は、フラーレン誘導体である。
本発明で用いられる半導体材料には、膜を形成した際には半導体特性を示さないが、変換を施すことで半導体特性を示すようになる材料も用いられる。変換を施す前の材料を前駆体と呼ぶ。
本発明に係る半導体デバイスの製造に用いられる化合物C(第3の化合物)は、化合物A(第1の化合物)との混合溶液を作製する時に使用する溶媒に可溶なものであれば、特に限定されない。ただし、化合物Cが半導体材料であると、化合物Aと化合物Cとの混合溶液が不安定で変質しやすくなるため、化合物Cとしては半導体材料ではない化合物を用いる。本発明に係る化合物Cの第一還元電位は、−1.2Vよりマイナス方向にシフトした値であることが好ましい。さらに好ましくは、−1.3Vよりマイナス方向にシフトした値である。第一還元電位がプラス方向にシフトした値であると、化合物Aと化合物Cとの混合溶液において化合物Aからの電子移動が起きやすく、混合溶液の安定性が悪くなる可能性がある。なお還元電位の値は、サイクリックボルタンメトリー法によって測定されることができる。また本明細書における還元電位は、フェロセンの酸化還元電位を基準とした値である。化合物Cは有機溶媒に対して0.1重量%以上溶解するものであればよいが、0.5重量%以上の溶解度を有することが好ましい。化合物Aと化合物Cとの混合溶液に使用されうる溶媒の例を挙げると、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、デカン等の脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル等のエステル類;クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン等のハロゲン炭化水素類;エチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類等が挙げられる。また、化合物Cは、常温常圧で固体であることが望ましい。
本発明に係る半導体デバイスの製造に用いられる、化合物Aと化合物Cとを含む層は、湿式の塗布法によって化合物Aと化合物Cとの混合膜として形成すればよい。具体的にはダイコート法、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、スプレーコート法、インクジェット法等が挙げられる。これらの塗布法を用いて、化合物Aと化合物Cとの混合溶液を塗布することにより、混合膜が作製される。混合膜が薄すぎると混合膜に欠陥が生じる可能性がある。混合膜の好ましい厚みは10nmから1000nmであり、さらに好ましくは、50nmから200nmである。また、化合物Aの前駆体を用いる場合は、上記の塗布法により化合物Aの前駆体と化合物Cとの溶液から混合膜を作製する。その後熱処理を施すことによって、化合物Aと化合物Cとの混合膜を作製することができる。この時、化合物Aと化合物Cとの混合膜を作製する際に用いる、化合物Aと化合物Cとの混合溶液は、保存安定性の良好なものである事が好ましい。保存安定性が良好であるとは、有機溶媒中に化合物A及び化合物Cを各0.1重量%以上溶解して作製した混合溶液を、窒素下で1週間保管してから本発明の方法に従って塗布して作製した半導体デバイスの光電変換効率が、混合溶液を作製後すぐに塗布して作製した半導体デバイスの光電変換効率の75%以上となることを示す。化合物Aの前駆体と化合物Cとの混合溶液を用いて、化合物Aと化合物Cとの混合膜を作製する場合も、化合物Aの前駆体と化合物Cとの混合溶液は、保存安定性の良好なものである事が好ましい。化合物Aの前駆体は、半導体材料である化合物Aよりも一般には安定であるため、化合物Aの前駆体と化合物Cとの混合溶液の保存安定性はより良好であることが期待される。
本発明に係る半導体デバイスの製造における、化合物Bによる化合物Cの置換方法としては、二通りある。一つは、化合物Bの溶液を、化合物Aと化合物Cとの混合膜上へ直接塗布する方法である。もう一つは、化合物Bの溶液を化合物Aと化合物Cの混合膜上に塗布する前に、化合物Cを化合物Cの溶剤を用いて洗い流すことで除去し、その後に化合物Bの溶液を塗布する方法である。前者は化合物Cが電荷の輸送を妨げない物質である場合に好ましく用いられ、後者は化合物Cが電荷の輸送を妨げる物質である場合に好ましく用いられる方法である。
本発明に係る半導体デバイスは、1対の電極と、化合物Aと化合物Bとを含む層とを有する。化合物Aと化合物Bとを含む層は、電極間に配置されている。また、化合物Aと化合物Bとを含む層は、化合物Aと化合物Cを含む層に対して、化合物Cを化合物Bによって置換することにより作製される。
[正孔取り出し層の成膜(1)]
ガラス基板上に電極としてITO電極がパターニングされた、ITO付きガラス基板上に、1層目の正孔取り出し層としてポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフォネート水分散液(スタルクヴィテック社製 商品名「Baytron PH」)をスピンコート法により塗布した。塗布後のガラス基板を120℃のホットプレート上で大気中10分間、加熱処理を施して、1層目の正孔取り出し層を成膜した。ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフォネート層の膜厚は40nmであった。
ガラス基板をグローブボックス中に持ち込み、ガラス基板を窒素雰囲気下180℃で3分間加熱処理して乾燥させた。続けてクロロホルム/モノクロロベンゼンの重量比1:2の混合溶媒に式(B1)で表される化合物を0.5重量%溶解した液をろ過し、ろ液を得た。得たろ液をグローブボックス中でガラス基板上の1層目の正孔取り出し層上に1500rpmでスピンコート法により塗布し、塗布後のガラス基板をグローブボックス中180℃で20分間加熱した。式(B1)で表される化合物は、p型半導体材料であるテトラベンゾポルフィリンの前駆体である。加熱により式(B1)で表される化合物はテトラベンゾポルフィリンへと変換される。こうして、ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフォネート層の上に2層目の正孔取り出し層であるテトラベンゾポルフィリン層を形成した。
クロロホルム/モノクロロベンゼンの1:1混合溶媒(重量)に、式(B1)で表される化合物を0.6重量%、アダマンタン(アルドリッチ社製)を1.4重量%溶解した液(以下溶液Sと称する)を調製し、ろ過してろ液を得た。得たろ液をグローブボックス中で窒素雰囲気下、2層目の正孔取り出し層上に1500rpmでスピンコートし、グローブボックス中180℃で20分間加熱した。加熱により式(B1)で表される化合物は、テトラベンゾポルフィリンへと変換される。テトラベンゾポルフィリンはp型半導体材料である化合物Aであり、アダマンタンは半導体材料ではない化合物Cである。こうして、正孔取り出し層の上に化合物A(テトラベンゾポルフィリン)と化合物C(アダマンタン)とを含む層を形成した。
トルエンに式(B2)で表されるフラーレン誘導体を1.2重量%溶解した液を調整し、ろ過してろ液を得た。得たろ液をグローブボックス中で窒素雰囲気下3000rpmで化合物Aと化合物Cとを含む層上にスピンコートし、グローブボックス中65℃で10分間加熱処理を施した。加熱処理後のガラス基板を真空蒸着装置内に設置し、クライオポンプを用いて排気した。式(B2)で表されるフラーレン誘導体はn型半導体材料である。こうして、化合物C(アダマンタン)を化合物B(フラーレン誘導体)で置換して、化合物Aと化合物Bとを含む層を形成した。
真空蒸着装置内に配置されたメタルボートにフェナントロリン誘導体(バソキュプロイン:BCP)を入れ、加熱した。化合物Aと化合物Bとを含む層上にフェナントロリン誘導体(バソキュプロイン:BCP)を膜厚6nmになるまで蒸着し、電子取り出し層を形成した。
電子取り出し層の上に真空蒸着により厚さ80nmのアルミニウム膜を電極として設けた。作製したITO付きガラス基板、正孔取り出し層、化合物Aと化合物Bとを含む層、電子取り出し層、アルミニウム膜からなる積層体に対して、ITO付きガラス基板側に透明ガラス基板(非図示)を取り付けた。取り付けには封止剤を用い、積層体の全体を封止剤でシールするとともに積層体を封止剤で透明ガラス基板へと固定して、光電変換素子を作製した。
実施例1においては、式(B2)で示されるフラーレン誘導体のトルエン溶液を化合物Aと化合物Cとを含む層上にスピンコートすることによって、アダマンタンを式(B2)で示されるフラーレン誘導体で置換した。実施例2では、化合物Aと化合物Cとを含む層にトルエンを2回スピンコートすることにより、アダマンタンを洗い流した後、式(B2)で示されるフラーレン誘導体のトルエン溶液を実施例1と同様にスピンコートした。他の工程は実施例1と同様に行い、光電変換素子を作製した。
実施例2では、化合物Cとしてアダマンタンを用いたが、実施例3では化合物Cとしてp−Terphenylを用いた。また、実施例2では化合物Aと化合物Cとを含む層にトルエンを2回スピンコートすることによりアダマンタンを洗い流したが、実施例3では化合物Aと化合物Cとを含む層にクロロホルムを1回、トルエンを1回スピンコートしてp−Terphenylを洗い流した。他の工程は実施例2と同様に行い、光電変換素子を作製した。
実施例2では、化合物Cとしてアダマンタンを用いたが、実施例4では化合物Cとして式(B3)に示すカリックス[4]アレンテトラ−n−プロピルエーテルを用いた。他の工程は実施例2と同様に行い、光電変換素子を作製した。
実施例2では、化合物Cとしてアダマンタンを用いたが、実施例5では化合物Cとして、式(B4)に示すフタロシアニン様化合物を用いた。また、実施例2では化合物Aとして式(B2)のフラーレン誘導体を用いたが、実施例5では式(B5)のフラーレン誘導体を用いた。他の工程は実施例2と同様に行い、光電変換素子を作製した。
以下のようにして、実施例1における、式(B1)で表される化合物(化合物A)とアダマンタン(化合物C)とを含む層の成膜時に使用した上述の溶液Sの耐久性を評価した。すなわち、溶液Sを透明のサンプル管に入れ、大気下室温にて11日間保管し、その後60℃のホットプレート上で12時間35分加熱した。この間溶液Sは室内光に晒されていた。さらにその後、溶液Sの入ったサンプル管に対してソーラシミュレーター(AM1.5G)で88mW/cm2の強度の光を25分間照射した。以上の方法により、溶液Sに対して耐久性試験のための負荷を与えた。
溶液Sを調製する際に、アダマンタン(化合物C)の代わりに、式(B2)で表されるフラーレン誘導体を用いた。それ以外は、実施例6と同様に試験を行った。結果を表1に示した。
Claims (12)
- その一方がp型半導体材料であり他方がn型半導体材料である、第1の半導体材料と第2の半導体材料とを含む半導体層を備える半導体デバイスの製造方法であって、
前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層に対して、前記第3の材料を前記第2の半導体材料で置換する置換工程を備え、
前記第3の材料は半導体材料ではない
ことを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。 - 前記置換工程では、前記第2の半導体材料の溶液を、前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層に塗布することにより、前記第3の材料を前記第2の半導体材料で置換することを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記置換工程は、前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層から前記第3の材料を当該第3の材料の溶剤を用いて除去する工程と、前記工程において前記第3の材料が除去された前記層に前記第2の半導体材料の溶液を塗布することにより、前記第2の半導体材料を含有させる工程とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記置換工程は、前記第2の半導体材料の前駆体の溶液を、前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層に塗布することにより、前記第3の材料を前記第2の半導体材料の前駆体で置換する工程と、前記工程において第2の半導体材料の前駆体で置換された前記層を加熱することにより、前記第2の半導体材料の前駆体を前記第2の半導体材料へと変換する工程とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記置換工程は、前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層から前記第3の材料を当該第3の材料の溶剤を用いて除去する工程と、前記工程において前記第3の材料が除去された前記層に前記第2の半導体材料の前駆体の溶液を塗布することにより、前記第2の半導体材料の前駆体を含有させる工程と、前記工程において第2の半導体材料の前駆体を含有させた前記層を加熱することにより、前記第2の半導体材料の前駆体を前記第2の半導体材料へと変換する工程とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の半導体材料は、前記第2の半導体材料の溶液中の溶媒に難溶又は不溶であり、前記第3の材料は、前記第2の半導体材料の溶液中の溶媒に可溶であることを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の半導体材料は、前記第2の半導体材料の前駆体の溶液中の溶媒に難溶又は不溶であり、前記第3の材料は、前記第2の半導体材料の前駆体の溶液中の溶媒に可溶であることを特徴とする、請求項4に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の半導体材料は、前記第3の材料の溶剤に難溶又は不溶であることを特徴とする、請求項3又は5に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1の半導体材料と第3の材料とを含む層は、前記第1の半導体材料の前駆体と前記第3の材料との混合液を塗布して得た層を加熱し、前記第1の半導体材料の前駆体を前記第1の半導体材料へと変換することにより得たものであることを特徴とする、請求項1乃至8の何れか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記半導体デバイスは光電変換素子であることを特徴とする、請求項1乃至10の何れか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 請求項11に記載の製造方法により製造された光電変換素子を含むことを特徴とする、太陽電池。
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