JP2004031801A - Organic transistor, organic electronic device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機電子トランジスタ及び該有機電子トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】有機トランジスタは、基板1に形成されたゲート電極2、ゲート電極2に形成されたゲート絶縁膜3、ゲート絶縁膜3に形成された、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜4、第一の有機膜4に形成された、疎水基を有する複数の有機分子からなる有機材料を含む第二の有機膜5、第二の有機膜5に形成された、有機半導体材料を含む有機半導体膜6、並びに有機半導体膜6に形成されたソース電極7及びドレイン電極8、を有する。
【選択図】 図1An organic electronic transistor including an insulating film having excellent insulating properties, an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted, and a method for manufacturing the organic electronic transistor.
An organic transistor includes a gate electrode formed on a substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and a first organic material formed on the gate insulating film and containing a highly wettable organic material. Organic film 4, second organic film 5 formed on first organic film 4, including organic material comprising a plurality of organic molecules having a hydrophobic group, organic semiconductor material formed on second organic film 5 And a source electrode 7 and a drain electrode 8 formed on the organic semiconductor film 6.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜及び有機半導体膜を有する有機電子デバイス及び該有機電子デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、いろいろな電子デバイスの駆動素子として有機トランジスタが注目されている。有機トランジスタは、半導体膜に有機材料を用いている。このため、真空装置を使用することが多い無機トランジスタに比べて、均一な膜を作製することが容易な印刷法などを使用して、低温で作製することができ、大面積化も容易である。さらに低温で半導体層膜を作製できる有機材料を用いているため、軟らかいプラスチック基板を使用することができ、フレキシブルな素子を作製することができるという特徴を持つ。
【0003】
一般的な有機トランジスタは、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極、及び有機半導体膜の構成からなる。有機トランジスタにおいては、ゲート電極に印加する電圧(ゲート電圧)を変化させることで、ゲート絶縁膜と有機半導体の界面の電荷量を制御し、ソース電極及びドレイン電極間の電流値を変化させてスイッチングを行なう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、この有機トランジスタの特性は、ゲート絶縁膜の絶縁性と有機半導体膜の配向に大きく依存する。基板の材料にプラスチックを用いた揚合には、全ての製作工程を低温で行う必要があり、ゲート絶縁膜を形成する温度も低温であることが要求される。しかしながら、ゲート絶縁膜を低温で形成した場合には、ゲート絶縁膜に、ピンホールや凹凸(ポーラス)が生じることがある。このように、ゲート絶縁膜にピンホールや凹凸があると、ゲート絶縁膜の絶縁性が低下してゲートの漏れ電流の発生が懸念される。
【0005】
一方、Y−Y.Lin,D.J.Gundlach,S.F.Nelson,and T. N.Jackson,IEEE Electron Devices Letters vol.8 No.12 P.P.606−P.P.608(1997)によれば、ゲート絶縁膜の表面に疎水性を示す材料を形成することで、有機半導体膜を形成する表面の表面エネルギーを小さくし、有機半導体の結晶粒を成長させ、高いキャリア移動度を得たことが報告されている。
【0006】
また、ゲート絶縁膜の形成方法や表面処理法に関していくつかの報告がなされている。M.L.Swiggers,G.Xia,J.D.Slinker,A.A.Gorodetsky,and G.G.Malliaras,Applied Physics Letters,vol.79,No.9 P.P.1300−130(2001)では、ポリビニルアルコール(PVA)の薄膜をゲート絶縁膜SiO2の表面に形成し、有機半導体の材料であるペンタセンのキャリア移動度として0.02cm/Vsが得られたことを報告している。
【0007】
しかしながら、この方法においては、PVAは、塗れ性の高い材料であるため、ゲート絶縁膜のピンホールや凹凸を埋めるゲート絶縁膜の平坦化には適しているが、ペンタセンなどの有機分子で有機半導体膜を形成した場合、結晶粒の成長が促進されず、高い移動度を得ることが期待できない。
【0008】
また、特開平13−94107号では、ゲート絶縁膜にフッ素ポリマー層を薄く形成する方法を開示している。しかしながら、この方法においては、フッ素ポリマー層の表面に配置された疎水基を利用して、有機半導体の結晶粒の成長を促進させているが、フッ素ポリマーは塗れ性が低いため、ゲート絶縁膜の微細な凹凸やピンホールを十分に埋めることができず、ゲート絶縁膜の絶縁性を向上させることができない。
【0009】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機電子デバイス及び該有機電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、有機電子デバイスにおいて、基板上に、少なくとも二つの電極、少なくとも一つの該電極に形成された少なくとも一つの絶縁膜、少なくとも一つの前記絶縁膜に形成された塗れ性の高い有機材料を含む少なくとも一つの第一の有機膜、該少なくとも一つの第一の有機膜に形成された疎水基を有する有機材料を含む少なくとも一つの第二の有機膜、及び該少なくとも一つの第二の有機膜に形成された、有機半導体材料を含む少なくとも一つの有機半導体膜、を有することを特徴とする。
【0011】
請求項1記載の発明によれば、基板上に、少なくとも二つの電極、少なくとも一つの該電極に形成された少なくとも一つの絶縁膜、少なくとも一つの前記絶縁膜に形成された塗れ性の高い有機材料を含む少なくとも一つの第一の有機膜、該少なくとも一つの第一の有機膜に形成された疎水基を有する有機材料を含む少なくとも一つの第二の有機膜、及び該少なくとも一つの第二の有機膜に形成された、有機半導体材料を含む少なくとも一つの有機半導体膜、を有するので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機電子デバイスを提供することができる。
【0012】
請求項2記載の発明は、有機トランジスタにおいて、基板に形成されたゲート電極、該ゲート電極に形成されたゲート絶縁膜、該ゲート絶縁膜に形成された、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜、該第一の有機膜に形成された、疎水基を有する複数の有機分子からなる有機材料を含む第二の有機膜、該第二の有機膜に形成された、有機半導体材料を含む有機半導体膜、並びに該有機半導体膜に形成されたソース電極及びドレイン電極、を有することを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の発明によれば、基板に形成されたゲート電極、該ゲート電極に形成されたゲート絶縁膜、該ゲート絶縁膜に形成された、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜、該第一の有機膜に形成された、疎水基を有する複数の有機分子からなる有機材料を含む第二の有機膜、該第二の有機膜に形成された、有機半導体材料を含む有機半導体膜、並びに該有機半導体膜に形成されたソース電極及びドレイン電極、を有するので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機トランジスタを提供することができる。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の有機トランジスタにおいて、前記複数の有機分子の前記疎水基は、一定方向に配向していることを特徴とする。
【0015】
請求項3記載の発明によれば、前記複数の有機分子の前記疎水基は、一定方向に配向しているので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有すると共に、有機分子の配向が任意に制御された有機半導体膜を有する、有機トランジスタを提供することができる。
【0016】
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の有機トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜は、一又は複数の層からなり、該一又は複数の層の材料は、酸化物、窒化物、酸化窒化物、フッカ物、及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から独立に選択されることを特徴とする。
【0017】
請求項4記載の発明によれば、前記ゲート絶縁膜は、一又は複数の層からなり、該一又は複数の層の材料は、酸化物、窒化物、酸化窒化物、フッカ物、及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から独立に選択されるので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有すると共に、様々な方法で形成することができるゲート絶縁膜を有する、有機トランジスタを提供することができる。
【0018】
請求項5記載の発明は、有機電子デバイスの製造方法において、基板上に第一の電極を形成するステップ、該第一の電極に絶縁膜を形成するステップ、該絶縁膜に、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜を形成するステップ、該第一の有機膜に、疎水基を有する有機材料を含む第二の有機膜を形成するステップ、該第二の有機膜に、有機半導体材料を含む有機半導体膜を形成するステップ、及び、該有機半導体膜の上に第二の電極を形成するステップを有することを特徴とする。
【0019】
請求項5記載の発明によれば、基板上に第一の電極を形成するステップ、該第一の電極に絶縁膜を形成するステップ、該絶縁膜に、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜を形成するステップ、該第一の有機膜に、疎水基を有する有機材料を含む第二の有機膜を形成するステップ、該第二の有機膜に、有機半導体材料を含む有機半導体膜を形成するステップ、及び、該有機半導体膜の上に第二の電極を形成するステップを有するので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機電子デバイスの製造方法を提供することができる。
【0020】
請求項6記載の発明は、請求項5記載の有機電子デバイスの製造方法において、前記第二の有機膜をラビングして、前記疎水基を有する有機材料を構成する複数の有機分子の前記疎水基を一定方向に配向させるステップをさらに含むことを特徴とする。
【0021】
請求項6記載の発明によれば、前記第二の有機膜をラビングして、前記疎水基を有する有機材料を構成する複数の有機分子の前記疎水基を一定方向に配向させるステップをさらに含むので、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有すると共に、有機分子の配向が任意に制御された有機半導体膜を有する、有機電子デバイスの製造方法を提供することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【0023】
本発明の有機電子デバイスは、例えば、有機トランジスタである。以下では、本発明の有機電子デバイスを有機トランジスタとして説明する。
【0024】
本発明は、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体膜を含む有機トランジスタにおいて、第一の有機薄膜、及び第二の有機薄膜を含む。ここで、第一の有機薄膜は、ゲート絶縁膜の表面に形成され、第二の有機薄膜は、第一の有機薄膜の表面に形成される。これらの第一及び第二の有機薄膜は、これらの二つの有機薄膜に対応する有機材料を、ゲート絶縁膜の表面に順次塗布することで形成され、ゲート絶縁膜、第一及び第二の有機薄膜を含む(積層)絶縁膜となる。
【0025】
基板上において、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極は、周知の金属材料及び方法で作製することができる。有機半導体膜の材料は、有機分子のペンタセンなどを使用することができ、有機半導体膜は、印刷法によって形成してもよい。
【0026】
ゲート絶縁膜は、SiO2、Ta2O5、Al2O3、ZrO2、La2O3、TiO2、Y2O3、CeO2などの酸化物、Si2N3などの窒化物、SiOxNyなどの酸化窒化物、CaFなどのフッ化物、及びダイヤモンドライクカーボン(DLC)などの無機材料を含む一又は複数の層からなる。ゲート絶縁膜が、複数の層からなる場合には、各層の材料は、それぞれ独立に上記無機材料から選択される。
【0027】
ゲート絶縁膜が、ゲート電極の金属の酸化物からなる場合には、ゲート電極の表面を陽極酸化法で酸化することで酸化物のゲート絶縁膜を形成することができる。有機トランジスタの基板の材料にプラスチックを使用した場合には、陽極酸化法を用いることで、低温でゲート絶縁膜を形成することができる。ただし、低温でプラスチック基板上にゲート絶縁膜を形成することができれば、陽極酸化法以外にスパッタ法、真空蒸着法、イオンビームスパッタ法、CVD法などを用いてもよい。
【0028】
ゲート絶縁膜が酸化物以外の場合には、マグネトロンスパッタ法などのスパッタ法、真空蒸着法、イオンビームスパッタ法、CVD法などを用いて、低温でプラスチック基板上にゲート絶縁膜を形成することができる。
【0029】
第一の有機材料は、塗れ性が高い有機材料である。ここで、塗れ性が高い有機材料とは、ゲート絶縁膜の表面に対する接触角が90度よりも小さい有機材料であることを意味する。具体的には、CH2CHOCOCH3 、CH3CHOなどの化合物、(−CH2CHOH−)n 、(−CH2CHCl−)n 、(−CH2CHOCOCH3−)n などの高分子化合物、また繰り返し単位に−CH2CHCl−や−CH2CCl2−を有する高分子化合物が挙げられる。これらの塗れ性の高い有機材料を、溶剤であるメタノール、アセトン、トルエン、酢酸エチルなどのエステルに溶解させ、ディップ法、スピンコート法などを用いてゲート絶縁膜の表面に均一に塗布し、第一の有機薄膜を形成する。
【0030】
ここで上記のようにゲート絶縁膜を低温で形成した場合には、ゲート絶縁膜の表面にピンホールや凹凸が形成される場合がある。このようなピンホールや凹凸は、ゲート絶縁膜の絶縁性の低下を引き起こす。
【0031】
このような第一の有機材料は、塗れ性が高いため、ゲート絶縁膜の表面形成されたピンホールや凹凸を埋め、絶縁膜を緻密にすると共に平坦化することができる。よって、第一の有機材料をゲート絶縁膜に塗布することで、ゲート絶縁膜の絶縁性を保持することができる。
【0032】
第二の有機材料は、疎水性を有する有機材料である。具体的には、 C8F17SO2N(C2H5)(CH2)2OH、C8F17SO2N(C2H5)SO4Na、H(CF2)8PO(OH)2 、CF3(CF2)6(CH2)5COONaなどの分子式で表されるフッ素系界面活性剤、Si[O(CH2)nOR]4で表されるシリコーン系界面活性剤などの疎水性の高い有機材料が挙げられる。また、CnF2n+1−やH(CF2)nCH2−のような炭化フッ素系の疎水基を有する界面活性剤、CH3[Si(CH3)2O]nC3H7のような、シリコーン系の疎水基を有する界面活性剤でもよい。加えて、上記の界面活性材を組み合わせた組成物でもよい。これらの疎水性を示す有機材料を、デイップ法、スピンコート法など用いて、第一の有機薄膜の表面に均一に塗布し、第二の有機薄膜を形成する。
【0033】
このように疎水性を示す第二の有機薄膜を形成することで、有機半導体膜が形成される表面の表面エネルギーを小さくし、有機半導体膜の結晶粒の成長を促進させることができる。即ち、有機半導体膜を構成する有機分子を規則正しく配列させることで、有機半導体膜のキャリア移動度を向上させることができる。
【0034】
また、ラビング装置を用いて第二の有機薄膜の表面をラビングし、第二の有機薄膜を構成する分子の疎水基を一定方向に配向させてもよい。このように、第二の有機薄膜の表面をラビングすることで、第二の有機薄膜に積層させる有機半導体膜を構成する有機分子の配向を、疎水基の配向を制御することによって、任意に制御することができる。
【0035】
よって、本発明によれば、低温で形成したゲート絶縁膜の表面に塗れ性の高い有機材料及び疎水基を有する有機材料とを順次塗布し、第一の有機薄膜及び第二の有機薄膜からなる(積層)絶縁膜を形成することで、ゲート絶縁膜の膜質を緻密化すると共に第二の有機薄膜における表面エネルギーを低下させることができる。これにより、(積層)絶縁膜の絶縁性が高く、キャリア移動度の高い半導体膜を有する有機トランジスタを作製できる。したがって、プラスチック基板を用いたフレキシブルな有機トランジスタに本発明の(積層)絶縁膜を適用すれば、応答性に優れ、効率的に駆動する有機トランジスタを作製することができる。
【0036】
[実施例1]
次に、本発明における有機トランジスタの第一の実施例を図1と共に説明する。
図1(a)乃至(d)は、本発明の第一の実施例における有機トランジスタの製造方法を模式的に示す有機トランジスタの断面図である。
【0037】
図1(a)に示すように、本実施例における有機トランジスタにおいて、ポリカーボネートからなるプラスチック基板1の表面上に、まずゲート金属(タンタル:Ta)からなるゲート電極2を形成した。次に、このゲート電極2の表面を陽極酸化することで、ゲート電極2の表面にゲート金属の酸化物(五酸化二タンタル:Ta2O5)からなるゲート絶縁膜3を形成した。
【0038】
次に、図1(b)に示すように、このゲート絶縁膜3上に、第一の有機材料をスピンコート法などを用いて、ゲート絶縁膜3の表面上に均一に塗布し、第一の有機薄膜4を形成した。第一の有機薄膜4の膜厚は、10nm以下である。ゲート絶縁膜3に塗布する第一の有機材料としては、ポリ酢酸ビニル(−CH2CHOCOCH3−)nを用いた。この有機材料は基板に対する塗れ性が高く、親水性を示すことから下地のゲート絶縁膜3の表面にあるピンホールや凹凸を埋め、緻密にすることができた。この第一の有機材料をゲート絶縁膜3に塗布した後、120℃以下の温度で基板をベークして、第一の有機薄膜4を形成した。ベークに要する時間は、1〜2時間であった。
【0039】
次に図1(c)に示すように、第一の有機薄膜4の表面上に、第二の有機材料を、スピンコート法によって均一に塗布し、第二の有機薄膜5を形成した。第一の有機薄膜4に塗布した第二の有機材料としては、フッ素系界面活性剤を用いた。
【0040】
次に図1(d)に示すように、第二の有機薄膜5の表面上に、有機分子であるペンタセンを印刷法によって塗布し、有機半導体膜6を形成した。ここで、第二の有機材料に、疎水性の高いフッ素系界面活性剤を用いたため、ペンタセンからなる有機半導体膜6の結晶粒の成長を促進させることができた。さらに、有機半導体膜6の表面上に、金からなるソース電極7、ドレイン電極8として、水平方向に間隔を設けた2つの導電ストリップを形成した。
【0041】
以上のようにして、ゲート絶縁膜3に塗れ性の高い第一の有機薄膜4及び疎水性の高い第二の有機薄膜5を順次積層することで、ゲート絶縁膜の膜質を緻密にし、ペンタセンからなる有機半導体膜6の結晶粒の成長を促進させることができた。
【0042】
[実施例2]
次に、本発明における有機トランジスタの第二の実施例を図2と共に説明する。
図2(a)乃至(d)は、本発明の第二の実施例における有機トランジスタの製造方法を模式的に示す有機トランジスタの断面図である。
【0043】
図2(a)に示すように、本実施例における有機トランジスタにおいて、ポリカーボネートからなるプラスチック基板11の表面上に、まずゲート金属(タンタル:Ta)からなるゲート電極12を形成した。次に、このゲート電極12の表面を陽極酸化することで、ゲート電極2の表面にゲート金属の酸化物(五酸化二タンタル:Ta2O5)からなるゲート絶縁膜13を形成した。
【0044】
次に、図2(b)に示すように、このゲート絶縁膜13上に、第一の有機材料をスピンコート法などを用いて、ゲート絶縁膜13の表面上に均一に塗布し、第一の有機薄膜14を形成した。ゲート絶縁膜3に塗布する第一の有機材料としては、ポリ酢酸ビニル(−CH2CHOCOCH3−)nを用いた。この有機材料は基板に対する塗れ性が高く、親水性を示すことから下地のゲート絶縁膜3の表面にあるピンホールや凹凸を埋め、緻密にすることができた。この第一の有機材料をゲート絶縁膜13に塗布した後、120℃以下の温度で1〜2時間、基板をベークして、第一の有機薄膜14を形成した。
【0045】
次に図2(c)に示すように、第一の有機薄膜14の表面上に、第二の有機材料を、スピンコート法によって均一に塗布し、第二の有機薄膜15を形成した。第一の有機薄膜14に塗布した第二の有機材料としては、フッ素系界面活性剤を用いた。ここで、第二の有機薄膜15の表面を、ラビング装置を用いてラビングした。これにより、第二の有機薄膜15を構成するフッ素界面活性剤の疎水基を基板に対して一定方向に配向させることができた。
【0046】
次に図2(d)に示すように、第二の有機薄膜15の表面上に、有機分子であるペンタセンを印刷法によって塗布し、有機半導体膜16を形成した。ここで、第二の有機材料に、疎水性の高いフッ素系界面活性剤を用いたため、ペンタセンからなる有機半導体膜16の結晶粒の成長を促進させると共に、第二の有機薄膜15の表面をラビングしたことで、第二の有機薄膜15の表面に対してペンタセンの分子面が垂直に一様に配向させることができた。さらに、有機半導体膜6の表面上に、金からなるソース電極17、ドレイン電極18として、水平方向に間隔を設けた2つの導電ストリップを形成した。
【0047】
[実施例3]
次に、本発明における有機トランジスタの第三の実施例を図3と共に説明する。
図3は、本発明の第三の実施例における有機トランジスタの断面図である。
【0048】
本実施例の有機トランジスタは、第一及び第二の実施例と同様に、プラスチック基板21の表面上にゲート電極22、ゲート電極22の表面上にゲート絶縁膜23、ゲート絶縁膜23上に第一の有機薄膜24、第一の有機薄膜24上に第二の有機薄膜25、第二の有機薄膜25上に有機半導体膜26、有機半導体膜26上に水平に間隔を設けた二つの導電ストリップ(ソース電極及びドレイン電極)27、28を有する。
【0049】
本実施形態では、ゲート絶縁膜23の材料は、窒化シリコン(Si2N3)であり、ゲート絶縁膜23をマグネトロンスパッタ法により形成した。プラスチック基板の温度は、100℃以下にし、ゲート絶縁膜の膜厚は1000Åであった。次に上述と同じ第一の有機材料及び第二の有機材料をゲート絶縁膜23の表面上にスピンコート法を用いて順次均一に塗布して、第一の有機薄膜24及び第二の有機薄膜25を形成した。
【0050】
また、ゲート絶縁膜23としてSiO2、Ta2O5、Al2O3、ZrO2、La2O3、TiO2、Y2O3、CeO2などの酸化物、CaF(フッ化膜)、SiOxNy(酸化窒化膜)、又はDLC(ダイヤモンドライクカーボン膜)を用いた有機トランジスタを同様に作製した。このようにして、電流のON/OFF特性が高く、キャリア移動度の大きい有機電界効果トランジスタ(FET)を得た。
【0051】
以上、本発明を発明の実施の形態及び実施例として説明してきたが、本発明は、これら実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、これら実施の形態や実施例の種々の変形、応用、及び組み合わせを行うことができる。例えば、必要に応じて第一の有機材料及び/又は第二の有機材料を、それぞれ、上述した材料から適宜選択して、複数の薄膜からなる(積層)絶縁膜としてもよい。また、発明の実施の形態においては、本発明を有機トランジスタとして説明してきたが、本発明は、有機トランジスタに限定されるものではなく、特に低温で、絶縁性の高い絶縁膜を形成し、その絶縁膜に結晶成長が促進された有機半導体膜を形成する有機電子デバイス及び該有機電子デバイスの製造方法に適用することができる。ここで有機電子デバイスは、基板上に、少なくとも二つの電極、少なくとも一つの電極に形成された少なくとも一つの絶縁膜、及び有機半導体材料を含む少なくとも一つの有機半導体膜を有し、例えば、有機トランジスタ以外には有機ダイオードを含む。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁性の優れた絶縁膜、及び有機分子の結晶成長が促進された有機半導体膜を有する有機電子デバイス及び該有機電子デバイスの製造方法を提供することができる。
【0053】
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)乃至(d)は、本発明の第一の実施例における有機トランジスタの製造方法を模式的に示す有機トランジスタの断面図である。
【図2】(a)乃至(d)は、本発明の第二の実施例における有機トランジスタの製造方法を模式的に示す有機トランジスタの断面図である。
【図3】本発明の第三の実施例における有機トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
1、11、21 プラスチック基板
2、12、22 ゲート電極
3、13、23 ゲート絶縁膜
4、14、24 第一の有機薄膜
5、15、25 第二の有機薄膜
6、16、26 有機半導体膜
7、17、27 ソース電極
8、18、28 ドレイン電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic electronic device having an insulating film and an organic semiconductor film, and a method for manufacturing the organic electronic device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, organic transistors have been attracting attention as driving elements for various electronic devices. An organic transistor uses an organic material for a semiconductor film. For this reason, compared to inorganic transistors that often use a vacuum device, they can be manufactured at a low temperature by using a printing method or the like in which a uniform film can be easily manufactured, and the area can be easily increased. . Further, since an organic material capable of forming a semiconductor layer film at a low temperature is used, a soft plastic substrate can be used, and a flexible element can be manufactured.
[0003]
A general organic transistor has a configuration of a substrate, a gate electrode, a gate insulating film, source / drain electrodes, and an organic semiconductor film. In an organic transistor, by changing the voltage (gate voltage) applied to the gate electrode, the amount of charge at the interface between the gate insulating film and the organic semiconductor is controlled, and the current value between the source electrode and the drain electrode is changed to perform switching. Perform
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Here, the characteristics of the organic transistor largely depend on the insulating property of the gate insulating film and the orientation of the organic semiconductor film. In the case of using plastic as the material of the substrate, all the manufacturing steps need to be performed at a low temperature, and the temperature for forming the gate insulating film also needs to be low. However, when the gate insulating film is formed at a low temperature, pinholes and irregularities (porous) may be generated in the gate insulating film. As described above, if the gate insulating film has pinholes or irregularities, the insulating property of the gate insulating film is reduced, and there is a concern that a gate leakage current may occur.
[0005]
On the other hand, YY. Lin, D .; J. Gundlach, S .; F. Nelson, and T.W. N. Jackson, IEEE Electron Devices Letters vol. 8 No. 12 p. P. 606-P. P. According to 608 (1997), by forming a hydrophobic material on the surface of the gate insulating film, the surface energy of the surface on which the organic semiconductor film is formed is reduced, crystal grains of the organic semiconductor are grown, and high carriers are formed. It is reported that mobility was obtained.
[0006]
In addition, several reports have been made on a method of forming a gate insulating film and a surface treatment method. M. L. Swiggers, G .; Xia, J .; D. Slinker, A .; A. Gorodetsky, and G.W. G. FIG. Mallieras, Applied Physics Letters, vol. 79, No. 9P. P. In 1300-130 (2001), a thin film of polyvinyl alcohol (PVA) was formed on the surface of a gate insulating film SiO 2 , and it was found that 0.02 cm / Vs was obtained as a carrier mobility of pentacene which is a material of an organic semiconductor. Reporting.
[0007]
However, in this method, since PVA is a material having high wettability, it is suitable for flattening a gate insulating film that fills pinholes and irregularities of the gate insulating film. When a film is formed, growth of crystal grains is not promoted, and high mobility cannot be expected.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 13-94107 discloses a method of forming a thin fluoropolymer layer on a gate insulating film. However, in this method, the growth of the crystal grains of the organic semiconductor is promoted by utilizing the hydrophobic group disposed on the surface of the fluoropolymer layer. Fine irregularities and pinholes cannot be sufficiently filled, and the insulating property of the gate insulating film cannot be improved.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an organic electronic device including an insulating film having excellent insulating properties, an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted, and a method for manufacturing the organic electronic device. The purpose is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is an organic electronic device, wherein at least two electrodes, at least one insulating film formed on at least one electrode, and wettability formed on at least one insulating film are formed on the substrate. At least one first organic film including a high organic material, at least one second organic film including an organic material having a hydrophobic group formed on the at least one first organic film, and the at least one first organic film. It has at least one organic semiconductor film including an organic semiconductor material formed on the two organic films.
[0011]
According to the invention described in claim 1, at least two electrodes, at least one insulating film formed on at least one of the electrodes, and a highly wettable organic material formed on at least one of the insulating films on the substrate At least one first organic film including at least one second organic film including an organic material having a hydrophobic group formed on the at least one first organic film, and the at least one second organic film Since at least one organic semiconductor film containing an organic semiconductor material is formed on the film, an organic electronic device having an insulating film with excellent insulating properties and an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted is provided. can do.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an organic transistor comprising a gate electrode formed on a substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and an organic material having high wettability formed on the gate insulating film. An organic film formed on the first organic film, a second organic film containing an organic material comprising a plurality of organic molecules having a hydrophobic group, and an organic semiconductor material formed on the second organic film. And a source electrode and a drain electrode formed in the organic semiconductor film.
[0013]
According to the invention described in claim 2, a gate electrode formed on the substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and a first organic material formed on the gate insulating film and containing an organic material having high wettability. A film, a second organic film formed on the first organic film, including an organic material comprising a plurality of organic molecules having a hydrophobic group, an organic film formed on the second organic film, including an organic semiconductor material Since there is a semiconductor film and a source electrode and a drain electrode formed in the organic semiconductor film, an organic transistor having an insulating film with excellent insulating properties and an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted is provided. be able to.
[0014]
The invention according to
[0015]
According to the third aspect of the present invention, since the hydrophobic groups of the plurality of organic molecules are oriented in a certain direction, an insulating film having excellent insulating properties and an organic semiconductor in which crystal growth of the organic molecules is promoted. An organic transistor having a film and an organic semiconductor film in which the orientation of organic molecules is arbitrarily controlled can be provided.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the organic transistor according to the second or third aspect, the gate insulating film includes one or more layers, and the material of the one or more layers is an oxide, a nitride, or an oxide. It is characterized by being independently selected from the group consisting of nitride, hooker, and diamond-like carbon.
[0017]
According to the invention described in claim 4, the gate insulating film includes one or more layers, and the material of the one or more layers is an oxide, a nitride, an oxynitride, a hooker, and a diamond-like material. Since it is independently selected from the group consisting of carbon, it has an insulating film with excellent insulating properties, and an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted, and a gate insulating film that can be formed by various methods. The organic transistor can be provided.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an organic electronic device, a step of forming a first electrode on a substrate, a step of forming an insulating film on the first electrode, and a step of forming the insulating film with high wettability. Forming a first organic film containing an organic material, forming a second organic film containing an organic material having a hydrophobic group on the first organic film, forming an organic semiconductor on the second organic film; A step of forming an organic semiconductor film containing a material; and a step of forming a second electrode on the organic semiconductor film.
[0019]
According to the invention as set forth in claim 5, a step of forming a first electrode on the substrate, a step of forming an insulating film on the first electrode, and a step of forming the first insulating film containing an organic material having high wettability. Forming an organic film, forming a second organic film containing an organic material having a hydrophobic group on the first organic film, and forming an organic semiconductor film containing an organic semiconductor material on the second organic film. Forming a second electrode on the organic semiconductor film, so that an organic film having an insulating film with excellent insulating properties and an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted. A method for manufacturing an electronic device can be provided.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an organic electronic device according to the fifth aspect, the hydrophobic group of a plurality of organic molecules constituting the organic material having the hydrophobic group is obtained by rubbing the second organic film. Further comprising a step of orienting the particles in a certain direction.
[0021]
According to the invention described in claim 6, the method further includes a step of rubbing the second organic film to orient the hydrophobic groups of a plurality of organic molecules constituting the organic material having the hydrophobic group in a certain direction. A method for manufacturing an organic electronic device, comprising: an insulating film having excellent insulating properties; and an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted, and an organic semiconductor film in which the orientation of organic molecules is arbitrarily controlled. can do.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
The organic electronic device of the present invention is, for example, an organic transistor. Hereinafter, the organic electronic device of the present invention will be described as an organic transistor.
[0024]
The present invention relates to an organic transistor including a substrate, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode, a drain electrode, and an organic semiconductor film, including a first organic thin film and a second organic thin film. Here, the first organic thin film is formed on the surface of the gate insulating film, and the second organic thin film is formed on the surface of the first organic thin film. These first and second organic thin films are formed by sequentially applying an organic material corresponding to these two organic thin films to the surface of the gate insulating film, and the gate insulating film and the first and second organic thin films are formed. It becomes a (laminated) insulating film including a thin film.
[0025]
On the substrate, the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode can be formed using a known metal material and method. As a material of the organic semiconductor film, pentacene or the like of an organic molecule can be used, and the organic semiconductor film may be formed by a printing method.
[0026]
The gate insulating film is made of an oxide such as SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , La 2 O 3 , TiO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , a nitride such as Si 2 N 3 , oxynitrides such as SiO x N y, composed of one or more layers comprising an inorganic material such as fluoride such CaF, and diamond-like carbon (DLC). When the gate insulating film is composed of a plurality of layers, the material of each layer is independently selected from the above inorganic materials.
[0027]
In the case where the gate insulating film is made of a metal oxide of the gate electrode, the oxide gate insulating film can be formed by oxidizing the surface of the gate electrode by an anodic oxidation method. In the case where plastic is used as the material of the substrate of the organic transistor, the gate insulating film can be formed at a low temperature by using an anodic oxidation method. However, as long as a gate insulating film can be formed over a plastic substrate at a low temperature, a sputtering method, a vacuum evaporation method, an ion beam sputtering method, a CVD method, or the like may be used instead of the anodic oxidation method.
[0028]
When the gate insulating film is made of a material other than oxide, the gate insulating film can be formed on a plastic substrate at a low temperature by using a sputtering method such as a magnetron sputtering method, a vacuum evaporation method, an ion beam sputtering method, a CVD method, or the like. it can.
[0029]
The first organic material is an organic material having high wettability. Here, an organic material having high wettability means an organic material having a contact angle of less than 90 degrees with the surface of the gate insulating film. Specifically, CH 2 CHOCOCH 3, compounds such as CH 3 CHO, (- CH 2 CHOH-) n, (- CH 2 CHCl-) n, (- CH 2 CHOCOCH 3 -) n polymer compound such as, In addition, a high molecular compound having —CH 2 CHCl— or —CH 2 CCl 2 — as a repeating unit can be given. These highly wettable organic materials are dissolved in a solvent such as methanol, acetone, toluene, or an ester such as ethyl acetate, and are uniformly applied to the surface of the gate insulating film using a dip method, a spin coat method, or the like. One organic thin film is formed.
[0030]
Here, when the gate insulating film is formed at a low temperature as described above, pinholes and unevenness may be formed on the surface of the gate insulating film. Such pinholes and irregularities cause a decrease in the insulating property of the gate insulating film.
[0031]
Since such a first organic material has high wettability, the first organic material can fill pinholes and irregularities formed on the surface of the gate insulating film, and can make the insulating film dense and flat. Therefore, the insulating property of the gate insulating film can be maintained by applying the first organic material to the gate insulating film.
[0032]
The second organic material is an organic material having hydrophobicity. Specifically, C 8 F 17 SO 2 N (C 2 H 5 ) (CH 2 ) 2 OH, C 8 F 17 SO 2 N (C 2 H 5 ) SO 4 Na, H (CF 2 ) 8 PO ( A fluorine-based surfactant represented by a molecular formula such as OH) 2 , CF 3 (CF 2 ) 6 (CH 2 ) 5 COONa, and a silicone-based surfactant represented by Si [O (CH 2 ) n OR] 4 And organic materials having high hydrophobicity. Also, C n F 2n + 1 - and H (CF 2) n CH 2 - surfactant having a fluorocarbon hydrophobic group such as, CH 3 [Si (CH 3 ) 2 O] as n
[0033]
By forming the hydrophobic second organic thin film in this manner, the surface energy of the surface on which the organic semiconductor film is formed can be reduced, and the growth of crystal grains of the organic semiconductor film can be promoted. That is, by regularly arranging the organic molecules constituting the organic semiconductor film, the carrier mobility of the organic semiconductor film can be improved.
[0034]
In addition, the surface of the second organic thin film may be rubbed using a rubbing device to orient the hydrophobic groups of the molecules constituting the second organic thin film in a certain direction. As described above, by rubbing the surface of the second organic thin film, the orientation of the organic molecules constituting the organic semiconductor film to be laminated on the second organic thin film can be arbitrarily controlled by controlling the orientation of the hydrophobic group. can do.
[0035]
Therefore, according to the present invention, an organic material having high wettability and an organic material having a hydrophobic group are sequentially applied to the surface of the gate insulating film formed at a low temperature, and the first insulating film and the second organic thin film are formed. By forming the (laminated) insulating film, the film quality of the gate insulating film can be densified and the surface energy of the second organic thin film can be reduced. Accordingly, an organic transistor having a semiconductor film with high insulating property of the (laminated) insulating film and high carrier mobility can be manufactured. Therefore, when the (laminated) insulating film of the present invention is applied to a flexible organic transistor using a plastic substrate, an organic transistor having excellent responsiveness and being driven efficiently can be manufactured.
[0036]
[Example 1]
Next, a first embodiment of the organic transistor according to the present invention will be described with reference to FIG.
1A to 1D are cross-sectional views of an organic transistor schematically illustrating a method for manufacturing an organic transistor according to a first embodiment of the present invention.
[0037]
As shown in FIG. 1A, in the organic transistor according to the present embodiment, a gate electrode 2 made of a gate metal (tantalum: Ta) was first formed on a surface of a plastic substrate 1 made of polycarbonate. Next, the surface of the gate electrode 2 was anodized to form a
[0038]
Next, as shown in FIG. 1B, a first organic material is uniformly applied on the surface of the
[0039]
Next, as shown in FIG. 1C, a second organic material was uniformly applied on the surface of the first organic thin film 4 by a spin coating method to form a second organic thin film 5. As the second organic material applied to the first organic thin film 4, a fluorine-based surfactant was used.
[0040]
Next, as shown in FIG. 1D, pentacene which is an organic molecule was applied on the surface of the second organic thin film 5 by a printing method to form an organic semiconductor film 6. Here, since a highly hydrophobic fluorine-based surfactant was used as the second organic material, the growth of crystal grains of the organic semiconductor film 6 made of pentacene could be promoted. Further, on the surface of the organic semiconductor film 6, two conductive strips were provided as a
[0041]
As described above, by sequentially laminating the first organic thin film 4 having high wettability and the second organic thin film 5 having high hydrophobicity on the
[0042]
[Example 2]
Next, a second embodiment of the organic transistor according to the present invention will be described with reference to FIG.
2A to 2D are cross-sectional views of an organic transistor schematically illustrating a method for manufacturing an organic transistor according to a second embodiment of the present invention.
[0043]
As shown in FIG. 2A, in the organic transistor of this example, first, a
[0044]
Next, as shown in FIG. 2B, a first organic material is uniformly applied on the surface of the
[0045]
Next, as shown in FIG. 2C, a second organic material was uniformly applied on the surface of the first organic
[0046]
Next, as shown in FIG. 2D, pentacene, which is an organic molecule, was applied on the surface of the second organic
[0047]
[Example 3]
Next, a third embodiment of the organic transistor according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a sectional view of an organic transistor according to a third embodiment of the present invention.
[0048]
As in the first and second embodiments, the organic transistor of this embodiment has a
[0049]
In the present embodiment, the material of the
[0050]
Further, oxides such as SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , La 2 O 3 , TiO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , CaF (fluoride film), An organic transistor using SiO x N y (oxynitride film) or DLC (diamond-like carbon film) was similarly manufactured. Thus, an organic field effect transistor (FET) having high current ON / OFF characteristics and high carrier mobility was obtained.
[0051]
As described above, the present invention has been described as the embodiments and examples of the present invention. However, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and the present invention is not limited thereto. Various modifications, applications, and combinations of the embodiments and examples can be made. For example, the first organic material and / or the second organic material may be appropriately selected from the above-described materials as needed to form a (laminated) insulating film including a plurality of thin films. Further, in the embodiments of the present invention, the present invention has been described as an organic transistor.However, the present invention is not limited to an organic transistor. The present invention can be applied to an organic electronic device in which an organic semiconductor film in which crystal growth is promoted on an insulating film and a method for manufacturing the organic electronic device. Here, the organic electronic device has, on a substrate, at least two electrodes, at least one insulating film formed on at least one electrode, and at least one organic semiconductor film including an organic semiconductor material. Others include organic diodes.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an organic electronic device having an insulating film having excellent insulating properties, an organic semiconductor film in which crystal growth of organic molecules is promoted, and a method for manufacturing the organic electronic device.
[0053]
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views of an organic transistor schematically illustrating a method for manufacturing an organic transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views of an organic transistor schematically illustrating a method for manufacturing an organic transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of an organic transistor according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21
Claims (6)
該一又は複数の層の材料は、酸化物、窒化物、酸化窒化物、フッカ物、及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から独立に選択されることを特徴とする請求項2又は3記載の有機トランジスタ。The gate insulating film is composed of one or more layers,
4. The organic transistor according to claim 2, wherein the material of the one or more layers is independently selected from the group consisting of oxide, nitride, oxynitride, hooker, and diamond-like carbon. .
該第一の電極に絶縁膜を形成するステップ、
該絶縁膜に、塗れ性の高い有機材料を含む第一の有機膜を形成するステップ、
該第一の有機膜に、疎水基を有する有機材料を含む第二の有機膜を形成するステップ、
該第二の有機膜に、有機半導体材料を含む有機半導体膜を形成するステップ、及び、
該有機半導体膜の上に第二の電極を形成するステップを有することを特徴とする有機電子デバイスの製造方法。Forming a first electrode on the substrate,
Forming an insulating film on the first electrode;
Forming a first organic film including a highly wettable organic material on the insulating film;
Forming a second organic film including an organic material having a hydrophobic group on the first organic film;
Forming an organic semiconductor film containing an organic semiconductor material on the second organic film, and
A method for manufacturing an organic electronic device, comprising a step of forming a second electrode on the organic semiconductor film.
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