有機半導體材料和場效應電晶體以及場效應電晶體的製造方法

2023-10-10 20:06:39 2

專利名稱：有機半導體材料和場效應電晶體以及場效應電晶體的製造方法
技術領域：
本發明涉及包含通過塗布或印刷有機薄膜半導體材料並進行乾燥而得到的有機薄膜的場效應電晶體及其製造方法、以及用於該場效應電晶體及其製造方法的有機半導體材料。更詳細而言，本發明涉及由包含有機雜環化合物和特定添加物的半導體材料得到的場效應電晶體及其製造方法。
背景技術：
場效應電晶體一般包含在襯底上的半導體材料上設置有源極、漏極並且隔著上述電極和絕緣體層而設置有柵極等的結構。目前，場效應電晶體使用以矽為中心的無機系半導體材料，特別是使用非晶矽在玻璃等襯底上製成的薄膜電晶體用於顯示器等中，還作為 邏輯電路元件用於集成電路中，此外還廣泛用於開關元件等。最近，正在積極地進行使用氧化物半導體作為半導體材料的研究，但在使用上述無機系半導體材料的情況下，製造場效應電晶體時需要在高溫下或真空中進行處理，不能使用耐熱性差的薄膜或塑料等作為所使用的襯底，另外需要高額的設備投資、製造時需要大量的能量，因此成本非常高，其應用範圍非常有限。另ー方面，也正在積極開發使用場效應電晶體製造時不需要高溫處理的有機半導體材料的場效應電晶體。如果也能夠適用於有機半導體材料，則能夠通過低溫エ藝製造場效應電晶體，從而使可使用的襯底材料的範圍擴大。其結果是，能夠製作更具有撓性且輕量、不易損壞的場效應電晶體。另外，在場效應電晶體的製作步驟中，通過塗布含有有機半導體材料的溶液或者通過利用噴墨等的印刷方法，也能夠以低成本製造大面積的場效應電晶體。但是，以往，由於用於半導體材料的多數有機半導體材料難溶於有機溶剤，因此，不能使用塗布、印刷等廉價的方法，而需要使用成本較高的真空蒸鍍法等在半導體的襯底上形成薄膜。目前，已經能夠將有機半導體材料溶解於有機溶劑並利用塗布法進行成膜來製成場效應電晶體，從而得到具有較高的載流子遷移率的器件，但使用塗布或印刷工藝並且使用遷移率高且耐久性優良的有機半導體的場效應電晶體尚未實用化，正在積極進行用於提高各電晶體適應性的開發。對於使用矽等無機系材料的半導體元件而言，為了增減膜中的載流子密度，一般需要使用氧氣、氫氣等氧化性或還原性氣體或者氧化性或還原性液體等對有機半導體層進行處理，以通過氧化或還原引起特性變化。該方法是通過向半導體層中加入微量的元素、原子團、分子、高分子來增減半導體層中的載流子密度、從而使作為半導體特性的電導率、載流子極性(P型-n型轉換)、費米能級等發生變化的方法，已知例如以下的方法使其接觸氧氣和氫氣等氣體、或者浸潰到含有酸或路易斯酸等的溶液中、或者利用無機化合物對碘等滷素原子或鈉、鉀等金屬原子等進行電化學處理的處理方法，以及預先用受電子性或供電子性有機化合物進行處理的方法等。上述處理一般使用以下的方法在製作半導體層前後的形成半導體層以外的步驟中進行，或者利用真空蒸鍍法進行共蒸鍍，或者混合到製作半導體層時的氣氛中，或者使離子在真空中加速而與半導體層撞擊等。專利文獻I中公開了使用苯並硒吩[3，2-b] [I]苯並硒吩和苯並噻吩[3，2-b] [I]苯並噻吩的烷基衍生物的場效應電晶體。專利文獻2中公開了使用苯並噻吩[3，2-b] [I]苯並噻吩的烷基衍生物與具有特定的溶解度參數的高分子化合物的混合液的場效應電晶體。專利文獻3中公開了使用含有苯並噻吩[3，2-b] [I]苯並噻吩的烷基衍生物和高分子材料的材料的場效應電晶體。專利文獻4中公開了通過使碘或金屬與並五苯薄膜接觸而增大電流值的技木。專利文獻5中公開了通過使用將混合有多並苯化合物與過量的碘或丁基鋰的溶液進行塗布乾燥而得到的薄膜來改善電導率的技木。
專利文獻6中公開了通過在預先塗布受電子性或供電子性化合物後層疊高分子半導體來改變閾值電壓的技木。非專利文獻I中公開了使用苯並噻吩[3，2-b] [I]苯並噻吩的烷基衍生物的場效
應電晶體。非專利文獻2中公開了使用苯並噻吩[3，2-b] [I]苯並噻吩的烷基衍生物並利用表面選擇性沉積法而製成的場效應電晶體。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :國際公開第2008/047896號國際公開小冊子專利文獻2 :日本公開專利公報「日本特開2009-267372號公報」專利文獻3 :日本公開專利公報「日本特開2009-283786號公報」專利文獻4 日本公開專利公報「日本特開平5-55568號公報」專利文獻5 日本專利「第4219807號公報」專利文獻6 :日本公開專利公報「日本特開2009-266865號公報」非專利文獻非專利文獻I J. Am. Chem. Soc. 2007，129，15732.非專利文獻2 :Applied Physics Letters, 94, 93307 (2009).

發明內容
發明所要解決的問題本發明目的在於提供不僅能夠在維持高載流子遷移率的同時改善閾值電壓的降低等半導體特性、而且具備能夠以較少的步驟形成均勻性高的薄膜的印刷適應性的優良的場效應電晶體。用於解決問題的方法本發明人為了解決上述問題而進行了深入的研究，結果發現，使用在有機溶劑中混合有特定的有機雜環化合物和具有特定取代基的受電子性材料的有機半導體材料作為半導體材料來形成場效應電晶體的情況下，能夠提供不僅能夠在維持高載流子遷移率的同時改善閾值電壓的降低等半導體特性、而且具備能夠以較少的步驟形成均勻性高的薄膜的印刷適應性的實用的場效應電晶體，從而完成了本發明。SP，本發明涉及(I) 一種有機半導體材料，其通過使下式⑴表示的化合物和具有氰基的受電子性化合物溶解和/或分散在至少ー種有機溶劑中而形成，
r^R!⑴式(I)中，R1和R2各自獨立地表示未取代的C1-C36脂肪族烴基或滷素取代的C1-C36脂肪族烴基。發明效果
在使用使上述式(I)表示的化合物和具有氰基的受電子性化合物溶解和/或分散在至少ー種有機溶劑中而形成的有機半導體材料來形成場效應電晶體的情況下，能夠提供不僅能夠在維持高載流子遷移率的同時改善閾值電壓的降低等半導體特性、而且具備能夠以較少的步驟形成均勻性高的薄膜的優良的印刷適應性的實用的場效應電晶體。


圖I是表示本發明的場效應電晶體的結構的一例的示意圖。
具體實施例方式對本發明進行詳細說明。本發明涉及通過使特定的有機雜環化合物和具有氰基的受電子性化合物溶解和/或分散在至少ー種有機溶劑中而形成的有機半導體材料、以及使用該有機半導體材料的場效應電晶體及其製造方法。首先，對上述式(I)表示的化合物進行說明。上述式(I)中，R1和R2各自獨立地表示未取代或滷素取代的C1-C36脂肪族烴基。脂肪族烴基為飽和或不飽和的直鏈、支鏈或環狀脂肪族烴基，優選為直鏈或支鏈脂肪族烴基，進ー步優選為直鏈脂肪族烴基。碳原子數通常為C1-C36，優選為C2-C24，更優選為C4-C20，進ー步優選為C6-C12。作為直鏈或支鏈飽和脂肪族烴基的具體例，可以列舉甲基、こ基、丙基、異丙基、正丁基、異丁基、叔丁基、正戊基、異戊基、叔戊基、仲戊基、正己基、異己基、正庚基、仲庚基、正辛基、正壬基、仲壬基、正癸基、正i^ 一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十五烷基、正十六烷基、正十七烷基、正十八烷基、正十九烷基、正二十烷基、二十ニ烷基、正二十五烷基、正二十八烷基、正三十烷基、5-(正戊基)癸基、ニi^一烷基、二十三烷基、二十四烷基、二十六烷基、二十七烷基、二十九烷基、正三十烷基、方醯基、三十ニ烷基、三十六烷基等。另外，作為環狀飽和脂肪族烴基的具體例，可以列舉環己基、環戊基、金剛烷基、降冰片基等。作為直鏈或支鏈不飽和脂肪族烴基的具體例，可以列舉こ烯基、芳基、二十碳ニ烯基、11，14- 二十碳ニ烯基、香葉基(反-3，7- ニ甲基_2，6-辛ニ烯-I-基)、法呢基(反，反_3，7, 11- ニ甲基-2，6, 10-十二碳ニ烯-I-基)、4_戍烯基、I-丙塊基、I-己炔基、I-辛炔基、I-癸炔基、I- i 碳炔基、I-十二碳炔基、I-十四碳炔基、I-十六碳炔基、I-十九碳炔基等。
直鏈、支鏈和環狀脂肪族烴基中，優選直鏈或支鏈脂肪族烴基，特別優選直鏈脂肪
族烴基。飽和或不飽和脂肪族烴基可以列舉飽和烷基、包含碳-碳雙鍵的烯基和包含碳-碳三鍵的炔基，更優選為烷基或炔基，進ー步優選為烷基。作為脂肪族烴殘基，也包括上述飽和或不飽和脂肪族烴基組合而成的脂肪族烴殘基，即在脂肪族烴基中的部位同時包含碳-碳雙鍵、碳-碳三鍵的情況。滷素取代的脂肪族烴基是指任意種類的滷素原子在上述脂肪族烴基的任意位置以任意數量進行取代而得到的脂肪族烴基。作為滷素原子，可以列舉氟原子、氯原子、溴原子、碘原子，優選列舉氟原子、氯原子、溴原子，更優選列舉氟原子和溴原子。作為滷素取代的脂肪族烴基的具體例，可以列舉氯甲基、溴甲基、三氟甲基、五氟こ基、正全氟丙基、正全氟丁基、正全氟戊基、正全氟辛基、正全氟癸基、正(十二氟)-6_碘己基、2，2，3，3，3-五氟丙基、2，2，3，3-四氟丙基等。上述式(I)表示的化合物可以通過例如專利文獻I和非專利文獻I中記載的公知 的方法來合成。上述式(I)表示的化合物的純化方法沒有特別限定，可以採用重結晶、柱層析和真空升華純化等公知的方法。另外，可以根據需要將上述方法組合使用。下表I中示出上述式(I)表示的化合物的具體例。表I
化合物No. I Rl「R2
ICH3CH3 ~ CA CA
3正 C3H7正 C3H7
4叔 C4H9叔 C4H9~ 正 C5H11 正 C5H11~~6 仲 C5H11 仲 C5H11~ 正 C6H13 正 C6H13~~8 異 C6H13 異 C6H13~~9 正 C7H15 正 C7H15
10仲 C7H15仲 C7H15
II正 C8H17正 C8H1712I 正 C9H19「正 C9H19
~~13正 C10H21正 C10H21
~~14正 C11H23正 C11H23
~~15正 C12H25正 C12H25
16正 C13H27正 C13H27
17正 C14H29正 C14H29正 C15H31正 C15H31
~^9正 C16H33正 C16H33 ~^0正 C17H35正 C17H35
正 C18H37正 C18H37
22正 C2tjH4I正 QmH41
23正 C22H45正 C22H45
24正 C24H49正 C24H49
25正 CmH6I正 CsoH61
26正 C36H73正 C36H73hC5H9(C5H11)2C5H9(C5H11)2~^8正 C9H19仲 C9H19~^9正 C6H13仲 C9H19
30正 C8H17正 C10H21
31正 C8H17正 C12H25
32正 C8H16Cl正 C8H16Cl
33正 C8H16Br正 C8H16Br
34CH2ClCH2Cl
35C3F7C3F權利要求
1.一種有機半導體材料，其通過使下式(I)表示的化合物和具有氰基的受電子性化合物溶解和/或分散在至少一種有機溶劑中而形成， 式(I)中，R1和R2各自獨立地表示未取代的C1-C36脂肪族烴基或滷素取代的C1-C36脂肪族烴基。
2.如權利要求I所述的有機半導體材料，其中，式(I)中的R1和R2各自獨立地為C12以下的直鏈脂肪族烴基。
3.如權利要求I或2所述的有機半導體材料，其中，具有氰基的受電子性化合物為四氰基對苯醌二甲烷或其衍生物。
4.如權利要求r3中任一項所述的有機半導體材料，其中，具有氰基的受電子性化合物相對於式(I)表示的化合物的含量為10質量％以下。
5.一種場效應電晶體，其特徵在於，包含由權利要求r4中任一項所述的有機半導體材料得到的有機薄膜。
6.一種場效應電晶體的製造方法，其中，通過塗布或印刷權利要求廣4中任一項所述的有機半導體材料並進行乾燥而形成有機薄膜。
7.一種場效應電晶體的製造方法，用於製造具備柵極、柵極絕緣體層、半導體層、源極和漏極的場效應電晶體，其中，通過在襯底或柵極絕緣體層上的源極與漏極之間塗布或印刷權利要求r4中任一項所述的有機半導體材料並進行乾燥而形成有機薄膜。
全文摘要
一種有機半導體材料，其通過使下式(1)和具有氰基的受電子性化合物溶解和/或分散在至少一種有機溶劑中而形成。式(1)中，R1和R2各自獨立地表示未取代或滷素取代的C1-C36脂肪族烴基。
文檔編號H01L51/40GK102770979SQ20118001002
公開日2012年11月7日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年9月7日
發明者貞光雄一 申請人:日本化藥株式會社