JP2005322870A - 有機装置の電気性質を向上する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機薄膜トランジスタの電気性質を向上するための有機装置の電気性質を向上する方法の提供。
【解決手段】 ゲート及び絶縁層が形成された装置基板を提供し、有機半導体高分子材料、有機絶縁高分子材料、導電粒子と溶剤を混合し有機溶液を形成し、該有機溶液を使用して有機半導体層を該絶縁層の上に形成する。そのうち、該有機半導体高分子材料は、ポリ−３−アルキルチオフェン（Ｐ３ＡＴ）より選択し、該有機絶縁高分子材料はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の相互に類似の材料より選択し、該導電粒子はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボン６０及びナノ銀粒子等の相互に類似の導電材料より選択する。該溶剤はキシレン、トルエン及びＴＨＦ等の相互に類似の溶剤より選択する。
【選択図】 図１

Description

本発明は一種の有機装置の電気性質を向上する方法に係り、特に、半導体材料物理改質方式を利用することで有機薄膜トランジスタの電気性質を向上する方法に関する。

有機半導体は１９４０年代末期より研究開始され、その電界効果は１９７０年に提出された。１９８７年までに、有機電界効果トランジスタ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＯＦＥＴ）はＫｏｅｚｕｋａ氏等により潜在力を有する電子装置として実証された。ＯＦＥＴが採用するのは薄膜トランジスタの構造であり、ゆえに有機薄膜トランジスタ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＯＴＦＴ）とも称される。有機装置の製造コストは比較的低く、且つ低温工程を使用し、またプラスチック基板上に製作でき、加えて有機薄膜トランジスタの電気特性はアモルファスシリコン薄膜トランジスタに迫り、且つ装置の表現上もすでに相当の成果を有しているため、有機薄膜トランジスタの低コスト、大面積電子製品への応用の機会は大幅に増している。例えば、アクティブマトリクスディスプレイ、スマートカード、プライスタグ、インベントリータグ、或いは大面積センサアレイ等である。

ＯＴＦＴの操作原理は、電圧で抵抗を制御することであり、ゲート電圧を制御し、一層の絶縁層の作用により、有機半導体層と絶縁層の接触表面のキャリアに累積層（ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を発生させることで二つのオームコンタクト間の導通電流を制御する。有機薄膜トランジスタの製造過程は構造により二種類に分けられる。その一つはトップコンタクト方式であり、もう一つはボトムコンタクト方式である。前者は先に有機半導体層を、更にソースとドレインを形成し、後者は先にソースとドレインを形成し、その上に有機半導体層を形成する。有機半導体層の材料は、小分子、モノマー或いは高分子を使用可能で、そのうち高分子有機半導体層はレジオレギュラーポリ３−ヘキシルチオフェン（ｒｒ−Ｐ３ＨＴ）を有機溶剤に溶かし、更に溶液工程方式を用いて半導体層のコーティングを完成する。周知の有機半導体層の製作のほとんどは実験段階に留まっており、ゆえにその電流のオンオフ比（ｏｎ−ｏｆｆ ｒａｔｉｏ）はいずれも非常に低く、且つほとんどはクロロホルムを有機溶剤として使用するが、クロロホルムは工業界では使用が厳格に禁止されている化学薬品である。

以上を総合すると、周知の有機薄膜トランジスタの製造方法は少なくとも以下のような欠点を有している。
１．製造完成した有機薄膜トランジスタの電流のオンオフ比がいずれも非常に低く、有機薄膜トランジスタの特性に厳重な影響を与え、有機薄膜トランジスタの実用性が大きくならない。
２．小分子及びモノマーの有機薄膜トランジスタ製造に必要なステップは無機薄膜トランジスタの煩瑣で且つ速度が遅い製造工程とは異なるが、真空設備を組合せなければ実施できず、このため大幅に製造コストが増す。
３．クロロホルムの使用は工業界の使用の標準に符合せず且つ環境保護に符合せず、将来的な量産の可能性に影響を及ぼし、間接的に研究開発の意欲を下げる。

周知の技術の欠点を鑑み、本発明の主要な目的は、一種の有機装置の電気性質を向上する方法を提供することにあり、それは有機薄膜トランジスタの電流のオンオフ比を確実に効果的に向上できる方法であるものとする。

本発明の次の目的は、一種の有機装置の電気性質を向上する方法を提供することにあり、それは、工程が急速で容易であり、且つ真空設備を必要とせず、製造コストを節約できる方法であるものとする。

本発明の別の目的は、一種の有機装置の電気性質を向上する方法を提供することにあり、それは現在の工業界の使用の標準に符合し、且つ環境保護概念に符合する方法であるものとする。

請求項１の発明は、有機薄膜トランジスタの電気性質を向上するのに用いられる有機装置の電気性質を向上する方法において、
ゲート及び絶縁層が形成された装置基板を提供する工程、
有機半導体高分子材料、有機絶縁高分子材料、導電粒子と溶剤を混合し有機溶液を形成する工程、
該有機溶液を使用して有機半導体層を該絶縁層の上に形成する工程を具え、
そのうち、該有機半導体高分子材料は、ポリ−３−アルキルチオフェン（ｐｏｌｙ３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ；Ｐ３ＡＴ）より選択し、該有機絶縁高分子材料はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）より選択し、該導電粒子はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボン６０及びナノ銀粒子より選択し、該溶剤はキシレン、トルエン及びＴＨＦより選択することを特徴とする、有機装置の電気性質を向上する方法としている。

本発明の有機装置の電気性質を向上する方法は確実に有機薄膜トランジスタの電流のオンオフ比を高めることができ、且つその製造工程は速やかで容易であり、真空設備を必要とせず、製造コストが低く、現在の工業界の使用の標準に符合し、環境保護概念に符合する。本発明は周知の技術領域に関係する技術の記載がなく、新規性を有し、本発明の技術内容は確実にこの領域の問題を解決でき、且つ方法原理は周知の技術に基づき容易に完成できるものではなく、その作用効果については既に述べたとうりであり、進歩性を有しており、ゆえに本発明は特許の要件を具備する。

本発明の好ましい実施例は有機薄膜トランジスタの電気性質を向上するのに用いられる有機装置の電気性質を向上する方法を提供する。それは、ゲート及び絶縁層が形成された装置基板を提供する工程、有機半導体高分子材料、有機絶縁高分子材料、導電粒子と溶剤を混合し有機溶液を形成する工程、該有機溶液を使用して有機半導体層を該絶縁層の上に形成する工程を具えている。

そのうち、該有機半導体高分子材料は、ポリ−３−アルキルチオフェン（ｐｏｌｙ３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ；Ｐ３ＡＴ）より選択し、側鎖長の違いにより、アルキル基数は２、４、６、８、１０、１２及び１８とされ得て、Ｐ３ＨＴはアルキル基数が６のＰ３ＡＴである。該有機絶縁高分子材料はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の相互に類似の材料より選択する。該導電粒子はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボン６０及びナノ銀粒子等の相互に類似の導電材料より選択する。該溶剤はキシレン、トルエン及びＴＨＦ等の相互に類似の溶剤より選択する。

図１は本発明の有機装置の電気性質を向上する方法の好ましい実施例による有機薄膜トランジスタの表示図である。装置基板１００の上にゲート１０１を形成した後、有機絶縁材料或いは無機絶縁材料を使用して絶縁層１０２を形成し、並びに絶縁層１０２の上にソース１０３、ドレイン１０４及び有機半導体層１０５を形成し、有機薄膜トランジスタ１を完成する。そのうち、装置基板１００の材料としてシリコンウエハー、ガラス基板、金属基板或いはプラスチック基板を装置基板１００の材料として使用することができ、且つ通常、ゲート１０１、ソース１０３及びドレイン１０４には金属材料、有機導電分子材料或いは透明導電膜（ＩＴＯ）を使用する。上述の有機薄膜トランジスタ１の製造方法中、有機半導体層１０５はスピンコーティング、インクジェットプリンティング、ドロッププリンティング、キャスティング、マイクロコンタクト或いはマイクロスタンプの方法を使用して形成することができ、成分調合後の有機溶液をコーティングして有機半導体層１０５を形成する。そのうち、有機溶液の調合方式は、有機半導体高分子材料として、例えばポリ−３−アルキルチオフェン（ｐｏｌｙ３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ；Ｐ３ＡＴ）、これは側鎖長の違いにより、アルキル基数は２、４、６、８、１０、１２及び１８でありＰ３ＨＴはアルキル基数が６のＰ３ＡＴであるが、本実施例では、レジオレギュラーポリ３−ヘキシルチオフェン（ｒｒ−Ｐ３ＨＴ）を、キシレン、トルエン或いはＴＨＦの溶剤中に溶かし、並びにポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の絶縁高分子材料と少量の導電粒子、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボン６０及びナノ銀粒子等をドープする。本発明の好ましい実施例では、キシレンを溶剤として使用し、ｒｒ−Ｐ３ＨＴをそれに溶かし、並びに比例によりＰＭＭＡを混合し少量のＣＮＴをドープして有機溶剤を形成する。この有機溶剤の比率はキシレン／ＰＭＭＡ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＣＮＴ＝９４．６％／５．２％／０．１７％／０．０３％である。ガラス基板上に導電ガラスをスパッタしてゲート１０１を形成し（〜１ｋÅ）、ＰＥＣＶＤを使用して二酸化シリコンを堆積させて絶縁層１０２（〜１ｋÅ）とし、さらに導電ガラスをスパッタしてソース１０３とドレイン１０４となし（〜１ｋÅ）、さらに混合したｒｒ−Ｐ３ＨＴ有機溶液でドロッププリンティング法を利用して有機半導体層１０５を形成する。

本発明は最もｒｒ−Ｐ３ＨＴに適合する溶剤すなわちクロロホルムを使用せず、セカンドレベルの溶剤であるキシレンを使用し、これはクロロホルムが工業界で使用が禁止されているためである、ただしＰＭＭＡと少量のＣＮＴをドープすることで、有機薄膜トランジスタ１の電気性質を大幅に向上でき、有機薄膜トランジスタ１の電流オンオフ比は１０⁴ 以上に達し、更に工業界の使用の標準に符合し、環境保護の概念にも符合する。

図２に示されるのは純のｒｒ−Ｐ３ＨＴ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線表示図であり、ｒｒ−Ｐ３ＨＴ自身は常態導通（Ｎｏｒｍａｌ−Ｏｎ）の状態であるため、Ｖ_G ＝０のときＶ＝_G で駆動され、その電流はすでに１０^-7 Ａに達し、大気中の酸素分子と水分子がｒｒ−Ｐ３ＨＴに対して重大な影響を有し、キャリア遷移率と導電度の高まりをもたらし、ゆえにＶ_G の増加に伴い、先ず、水、酸素ドープによりもたらされる逆方向電流を克服しなければならない。ゆえに純のｒｒ−Ｐ３ＨＴ有機薄膜トランジスタで測定されるオン電流とオフ電流はそれぞれ−２．１７×１０^-6Ａ及び−８．２２×１０^-7Ａであり、ゆえにその電流のオンオフ比はわずかに２．６４である。ゆえに図２から有機薄膜トランジスタの出力特性曲線は線形エリアしかないことが分かり、すなわち表示される純のｒｒ−Ｐ３ＨＴ有機薄膜トランジスタの電気特性は極めて低い。

図３はｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線図であり、ｒｒ−Ｐ３ＨＴは比例によりＰＭＭＡを混合後、希釈と包覆の作用によりｒｒ−Ｐ３ＨＴ分子鎖の間の距離が引き伸ばされ、並びにＰＭＭＡは水、酸素を隔離する機能があり、ゆえに水、酸素のｒｒ−Ｐ３ＨＴに対する作用を防止して有機薄膜トランジスタのオフ電流を−４．６０×１０^-12 Ａまで下げることができる。ただしオン電流はわずかに−２．１９×１０^-8Ａまでしか下げられない。ゆえに明らかに、ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの電流オンオフ比は４．７６×１０³ に引き上げられる。ゆえに図３中のｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線は線形エリアと明らかな飽和エリアで組成され、すなわちｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの電気特性は大幅に向上されている。

図４はＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線図であり、ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタのオン電流を改善するため、少量のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が加えられ、ＣＮＴの導電特性を利用して有機薄膜トランジスタのオン電流を−１．３５×１０^-6Ａまで高めているが、有機薄膜トランジスタのオフ電流はただ−２．６１×１０^-11 Ａまでしか高められていない。ゆえにＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの電流オンオフ比は大幅に高められて５．１７×１０⁴ となり、ゆえに図４中のＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線も線形エリアと明らかな飽和エリアで組成され、すなわちｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの電気特性よりも更に向上されている。

図５はＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの変換特性曲線図であり、それはＶ_DS＝−１００Ｖの状態下で行なわれ、図５中のＡ曲線は左辺の目盛り座標に対応し、図５中のＡ曲線よりＶ_D ＝０の時の−Ｉ_D 電流が何アンペアかが分かり、即ちＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタのターンオフ時のオフ電流がどれほどかが分かり、及び、Ｖ_G ＝−１００Ｖの時の−Ｉ_D 電流が何アンペアか、即ちＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタのターンオン時のオン電流がどれほどかが分かり、これからＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの電流オンオフ比を計算できる。図５中のＢ曲線は右辺の目盛り座標に対応し，図５中のＢ曲線より我々は斜率を読み出してさらに読み出した斜率を公式にかけてＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタのキャリア遷移率を推算でき、この推算の過程はこの技術を熟知する者であれば行なうことができるため、ここでは説明を省略する。

本発明の有機装置の電気性質を向上する方法の実施例は本発明の請求範囲を限定するものではなく、本発明から容易に思いつくことのできる変化、例えば異なる材料の導電粒子の添加、或いは異なる溶剤の使用、或いは添加の後先の順序を逆にする等はいずれも本発明に基づきなしうるものであり、本発明に基づきなしうるこのような細部の変化或いは修飾はいずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明の有機装置の電気性質を向上する方法の好ましい実施例による有機薄膜トランジスタの表示図である。 純のｒｒ−Ｐ３ＨＴ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線表示図である。 ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線図である。 ＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタ出力特性曲線図である。 ＣＮＴ／ｒｒ−Ｐ３ＨＴ／ＰＭＭＡ有機薄膜トランジスタの変換特性曲線図である。

符号の説明

１００ 装置基板 １０１ ゲート
１０２ 絶縁層 １０３ ソース
１０４ ドレイン １０５ 有機半導体層
１ 有機薄膜トランジスタ

Claims (1)

1. 有機薄膜トランジスタの電気性質を向上するのに用いられる有機装置の電気性質を向上する方法において、
   ゲート及び絶縁層が形成された装置基板を提供する工程、
   有機半導体高分子材料、有機絶縁高分子材料、導電粒子と溶剤を混合し有機溶液を形成する工程、
   該有機溶液を使用して有機半導体層を該絶縁層の上に形成する工程を具え、
   そのうち、該有機半導体高分子材料は、ポリ−３−アルキルチオフェン（ｐｏｌｙ３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ；Ｐ３ＡＴ）より選択し、該有機絶縁高分子材料はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）より選択し、該導電粒子はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボン６０及びナノ銀粒子より選択し、該溶剤はキシレン、トルエン及びＴＨＦより選択することを特徴とする、有機装置の電気性質を向上する方法。
   

Images