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JP2004207331A - Organic semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Organic semiconductor device and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2004207331A
JP2004207331A JP2002371941A JP2002371941A JP2004207331A JP 2004207331 A JP2004207331 A JP 2004207331A JP 2002371941 A JP2002371941 A JP 2002371941A JP 2002371941 A JP2002371941 A JP 2002371941A JP 2004207331 A JP2004207331 A JP 2004207331A
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organic semiconductor
insulating film
semiconductor device
electrode
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Application number
JP2002371941A
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Inventor
Katsura Hirai
桂 平井
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Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
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Abstract

【課題】有機半導体素子の特性を向上させ、かつ製造コストの低減、製造プロセスの簡略化を実現するものである。
【解決手段】ソース電極、ドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極を連結する有機半導体材料からなる活性半導体層、およびゲート電極を有する有機半導体素子であって、前記活性層が大気圧下におけるプラズマ処理によって形成された絶縁膜に挟まれるように配置されていることを特徴とする有機半導体素子。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to improve the characteristics of an organic semiconductor element, reduce the manufacturing cost, and simplify the manufacturing process.
An organic semiconductor device having a source electrode, a drain electrode, an active semiconductor layer made of an organic semiconductor material connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode, wherein the active layer is a plasma under atmospheric pressure. An organic semiconductor element, which is arranged so as to be sandwiched between insulating films formed by processing.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機半導体の活性層(有機半導体材料により形成された活性半導体層)を含む有機半導体素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報端末の普及に伴い、コンピュータ用のディスプレイとしてフラットパネルディスプレイに対するニーズが高まっている。またさらに情報化の進展に伴い、従来紙媒体で提供されていた情報が電子化されて提供される機会が増え、薄くて軽い、手軽に持ち運びが可能なモバイル用表示媒体として、電子ペーパーあるいはデジタルペーパーへのニーズも高まりつつある。
【0003】
一般にディスプレイ装置においては液晶、有機EL、電気泳動などを利用した素子を用いて表示媒体を形成しており、こうした表示媒体では画面輝度の均一性や画面書き換え速度などを確保するために、画像駆動素子としてアクティブ駆動素子(TFT素子)を用いる技術が主流になっている。例えば通常のコンピュータディスプレイではガラス基板上にこれらTFT素子を形成し、液晶、有機EL等が封止されている。
ここでTFT素子には主にa-Si(アモルファスシリコン)、p-Si(ポリシリコン)などの半導体を用いることができ、例えば図2に示すようにこれらのSi半導体(必要に応じて金属膜も)を多層化し、ソース、ドレイン、ゲート電極を基板上に順次形成していくことでTFT素子が製造される(例えば、下記特許文献1)。こうしたTFT素子の製造には通常、スパッタリング、その他の真空系の製造プロセスが必要とされる。
【0004】
一方、最近、薄膜トランジスタ(TFT)内の活性半導体層として使用するために有機材料が検討されている。有機材料は加工が容易であり、一般にTFTが形成されるプラスチック基板と親和性が高いので、薄膜デバイス内の活性半導体層としての利用が期待されている。従って、低コストで大面積のデバイス、特にディスプレイのアクティブ駆動素子として検討が進められている(例えば、下記特許文献2,3)。
【特許文献1】
特開平9−311321号公報
【特許文献2】
特開平10−190001号公報
【特許文献3】
特開2000−307172号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のようなSi半導体を用いたTFT素子の製造では真空チャンバーを含む真空系の製造プロセスを何度も繰り返して各層を形成せざるを得ず、装置コスト、ランニングコストが非常に膨大なものとなっていた。通常、こうしたTFT素子ではそれぞれの層の形成のために、スパッタ、CVD、フォトリソグラフ、等の工程を何度も繰り返す必要があり、何十もの工程を経て素子を基板上に形成している。
【0006】
こうした従来のSi半導体による製造方法ではディスプレイ画面の大型化のニーズに対し、真空チャンバー等の製造装置の大幅な設計変更が必要とされるなど、設備の変更が容易ではない。
またトランジスタのゲート絶縁膜もシリコン基板の熱酸化による酸化ケイ素膜、スパッタ法などのドライプロセスによる酸化物薄膜により形成されることが一般的であった。
【0007】
後者のようにTFT内の活性半導体層として有機材料を用いた場合、加工は容易となる可能性があるが、結果として得られるデバイスのオン/オフ比やリーク電流、また安定性や寿命を充分に満たすことは容易でなく、こうした特性を実現するための具体的手法、素子構成についてはこれまで十分に見いだされていなかった。
本発明の目的は製造コストの低減、製造プロセスの簡略化とともに半導体素子としての特性および安定性が向上した有機半導体素子を実現するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の各々の構成により達成された。
(1)ソース電極、ドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極を連結する有機半導体材料からなる活性半導体層、およびゲート電極を有する有機半導体素子であって、前記活性層が大気圧下におけるプラズマ処理によって形成された絶縁膜に挟まれるように配置されていることを特徴とする有機半導体素子、あるいは
(2)大気圧下におけるプラズマ処理によって第1の絶縁膜を形成するステップ、前記第1の絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極をチャネルとして配置するステップ、前記ソース電極およびドレイン電極を連結するように有機半導体材料からなる活性半導体層を配置するステップ、および前記活性半導体層の上に大気圧下におけるプラズマ処理によって第2の絶縁膜を形成するステップ、を含むことを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の素子の構成は、例えば図1に示すように配置される。すなわちゲート電極G、ゲート絶縁膜I、有機半導体材料からなる活性半導体層P(有機半導体層)、ソース電極S、ドレイン電極Dから成る。
図1(a)は支持体上に、ゲート電極、第1の絶縁膜(ゲート絶縁膜)、有機半導体材料からなる活性半導体層(有機半導体層)によるチャネル、がこの順序で配置されており、さらに有機半導体層を第2の絶縁膜で被覆したものである。すなわち支持体上でチャネルとなる活性半導体層(有機半導体層)がゲート電極より上部に配置されている。有機半導体層は第1の絶縁膜上に所定の間隔を置いて配置されたソース電極、ドレイン電極上部にまたがるように配置され、これらソース電極、ドレイン電極間にチャネルを形成している。
【0010】
図1(b)は支持体上に第1の絶縁膜、有機半導体材料による活性半導体層(有機半導体層)によるチャネル、第2の絶縁膜(ゲート絶縁膜)、ゲート電極がこの順序で配置されており、支持体上でゲート電極をチャネルとなる活性半導体層(有機半導体層)より上部に配置した例である。
【0011】
なおソース電極、ドレイン電極と有機半導体材料との間に接合用の膜を形成しても良く、例えばこうした膜としてCr薄膜、Au薄膜、Pt薄膜、および導電性ポリマー薄膜等が挙げられる。
本発明の有機半導体素子では上記第1および第2の絶縁膜が大気圧プラズマ法により形成された絶縁膜であり、有機半導体材料による活性半導体層(有機半導体層)がこうして形成された絶縁膜によって挟まれるように配置されている。
以下に各部材の構成、材質、プロセスについて説明する。
【0012】
<有機半導体材料からなる活性半導体層(有機半導体層)>
本発明のチャネルとなる活性半導体層を形成する有機半導体材料として好ましいのはπ共役系高分子化合物である。 たとえばポリピロール、ポリ(N−置換ピロール)、ポリ(3−置換ピロール)、ポリ(3,4−二置換ピロール)などのポリピロール類、ポリチオフェン、ポリ(3−置換チオフェン)、ポリ(3,4−二置換チオフェン)、ポリベンゾチオフェンなどのポリチオフェン類、ポリイソチアナフテンなどのポリイソチアナフテン類、ポリチェニレンビニレンなどのポリチェニレンビニレン類、ポリ(p−フェニレンビニレン)などのポリ(p−フェニレンビニレン)類、ポリアニリン、ポリ(N−置換アニリン)、ポリ(3−置換アニリン)、ポリ(2,3−置換アニリン)などのポリアニリン類、ポリアセチレンなどのポリアセチレン類、ポリジアセチレンなどのポリジアセチレン類、ポリアズレンなどのポリアズレン類、ポリピレンなどのポリピレン類、ポリカルバゾール、ポリ(N−置換カルバゾール)などのポリカルバゾール類、ポリセレノフェンなどのポリセレノフェン類、ポリフラン、ポリベンゾフランなどのポリフラン類、ポリ(p−フェニレン)などのポリ(p−フェニレン)類、ポリインドールなどのポリインドール類、ポリピリダジンなどのポリピリダジン類、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、ジベンゾペンタセン、テトラベンゾペンタセン、ピレン、ジベンゾピレン、クリセン、ペリレン、コロネン、テリレン、オバレン、クオテリレン、サーカムアントラセンなどのポリアセン類およびポリアセン類の炭素の一部をN、S、Oなどの原子、カルボニル基などの官能基に置換した誘導体(トリフェノジオキサジン、トリフェノジチアジン、ヘキサセン−6,15−キノンなど)、ポリビニルカルバゾール、ポリフエニレンスルフィド、ポリビニレンスルフィドなどのポリマーや特開平11−195790に記載された多環縮合体などを用いることができる。また、これらのポリマーと同じ繰返し単位を有するたとえばチオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、スチリルベンゼン誘導体などのオリゴマーも好適に用いることができる。さらに銅フタロシアニンや特開平11−251601に記載のフッ素置換銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン類、ナフタレン1,4,5,8−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(4−トリフルオロメチルベンジル)ナフタレン1,4,5,8−テトラカルボン酸ジイミドとともに、N,N’−ビス(1H,1H−ペルフルオロオクチル)、N,N’−ビス(1H,1H−ペルフルオロブチル)及びN,N’−ジオクチルナフタレン1,4,5,8−テトラカルボン酸ジイミド誘導体、ナフタレン2,3,6,7テトラカルボン酸ジイミドなどのナフタレンテトラカルボン酸ジイミド類、及びアントラセン2,3,6,7−テトラカルボン酸ジイミドなどのアントラセンテトラカルボン酸ジイミド類などの縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、C60、C70、C76、C78、C84等フラーレン類、SWNTなどのカーボンナノチューブ、メロシアニン色素類、ヘミシアニン色素類などの色素などがあげられる。
【0013】
これらのπ共役系材料のうちでも、チオフェン、ビニレン、チェニレンビニレン、フェニレンビニレン、p−フェニレン、これらの置換体またはこれらの2種以上を繰返し単位とし、かつ該繰返し単位の数nが4〜10であるオリゴマーもしくは該繰返し単位の数nが20以上であるポリマー、ペンタセンなどの縮合多環芳香族化合物、フラーレン類、縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、金属フタロシアニンよりなる群から選ばれた少なくとも1種が好ましい。
【0014】
また、その他の有機半導体材料としては、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、BEDTTTF−ヨウ素錯体、TCNQ−ヨウ素錯体、などの有機分子錯体も用いることができる。さらにポリシラン、ポリゲルマンなどのσ共役系ポリマーや特開2000−260999号に記載の有機・無機混成材料も用いることができる。
【0015】
本発明においては、活性半導体層に、たとえば、アクリル酸、アセトアミド、ジメチルアミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ニトロ基などの官能基を有する材料や、ベンゾキノン誘導体、テトラシアノエチレンおよびテトラシアノキノジメタンやそれらの誘導体などのように電子を受容するアクセプターとなる材料や、たとえばアミノ基、トリフェニル基、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、フェニル基などの官能基を有する材料、フェニレンジアミンなどの置換アミン類、アントラセン、ベンゾアントラセン、置換ベンゾアントラセン類、ピレン、置換ピレン、カルバゾールおよびその誘導体、テトラチアフルバレンとその誘導体などのように電子の供与体であるドナーとなるような材料を含有させ、いわゆるドーピング処理を施してもよい。
【0016】
前記ドーピングとは電子授与性分子(アクセクター)または電子供与性分子(ドナー)をドーパントとして該薄膜に導入することを意味する。従って,ドーピングが施された薄膜は、前記の縮合多環芳香族化合物とドーパントを含有する薄膜である。本発明に用いるドーパントとしてアクセプター、ドナーのいずれも使用可能である。このアクセプターとしてCl2、Br2、I2、ICl、ICl3、IBr、IFなどのハロゲン、PF5、AsF5、SbF5、BF3、BC13、BBr3、SO3などのルイス酸、HF、HC1、HNO3、H2S- O4、HClO4、FSO3H、ClSO3H、CF3SO3Hなどのプロトン酸、酢酸、蟻酸、アミノ酸などの有機酸、FeCl3、FeOCl、TiCl4、ZrCl4、HfCl4、NbF5、NbCl5、TaCl5、MoCl5、WF5、WCl6、UF6、LnCl3(Ln=La、Ce、Nd、Pr、などのランタノイドとY)などの遷移金属化合物、Cl- , Br- , I- , ClO4- 、PF6- 、AsF5- 、SbF6- 、BF4- 、スルホン酸アニオンなどの電解質アニオンなどを挙げることができる。またドナーとしては、Li、Na、K、Rb、Csなどのアルカリ金属、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類金属、アンモニウムイオン、R4P+、R4As+、R3S+、アセチルコリンなどをあげることができる。これらのドーパントのドーピングの方法として予め有機半導体の薄膜を作製しておき、ドーパントを後で導入する方法、有機半導体の薄膜作製時にドーパントを導入する方法のいずれも使用可能である。前者の方法のドーピングとして、ガス状態のドーパントを用いる気相ドーピング、溶液あるいは液体のドーパントを該薄膜に接触させてドーピングする液相ドーピング、個体状態のドーパントを該薄膜に接触させてドーパントを拡散ドーピングする固相ドーピングの方法をあげることができる。また液相ドーピングにおいては電解を施すことによってドーピングの効率を調整することができる。後者の方法では、有機半導体化合物とドーパントの混合溶液あるいは分散液を同時に塗布、乾燥してもよい。たとえば真空蒸着法を用いる場合、有機半導体化合物とともにドーパントを共蒸着することによりドーパントを導入することができる。またスパッタリング法で薄膜を作製する場合、有機半導体化合物とドーパントの二元ターゲットを用いてスパッタリングして薄膜中にドーパントを導入させることができる。さらに他の方法として、電気化学的ドーピング、光開始ドーピング等の化学的ドーピングおよび例えば刊行物{工業材料、34巻、第4号、55頁、1986年}に示されたイオン注入法等の物理的ドーピングの何れも使用可能である。
【0017】
これら有機薄膜の作製法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法およびLB法等が挙げられ、材料に応じて使用できる。ただし、この中で生産性の点で、有機半導体の溶液をもちいて簡単かつ精密に薄膜が形成できるスピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法等が好まれる。これら有機半導体からなる薄膜の膜厚としては、特に制限はないが、得られたトランジスタの特性は、有機半導体からなる活性層の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体により異なるが、一般に1μm以下、特に10〜300nmが好ましい。
【0018】
<電極(ソース、ドレイン、ゲート電極>
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極としては、導電性材料であれば特に限定されず、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン,タングステン,酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム混合物、リチウム/アルミニウム混合物等が用いられるが、特に、白金、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、ITOおよび炭素が好ましい。あるいはドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体なども好適に用いられる。ソース電極、ドレイン電極は、上に挙げた中でも有機半導体層との接触面において電気抵抗が少ないものが好ましい。
【0019】
電極の形成方法としては、上記を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液,導電性微粒子分散液を直接インクジェットによりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフやレーザーアブレーションなどにより形成してもよい。さらに導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペーストなどを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
【0020】
上記導電性微粒子として、粒子径が1〜50nm好ましくは1〜10nmの白金、金、銀、銅、コバルト、クロム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、モリブデン、タングステンなどの金属微粒子が挙げられる。このような金属微粒子分散液の製造方法として、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法が挙げられるが、好ましくは、特開平11−76800号、特開平11−80647号、特開平11−319538号、および特開2000−239853号などに示されたコロイド法、特開2001−254185号、特開2001−53028号、特開2001−35814号、特開2001−35255号、特開2000−124157号、および特開2000−123634号などに記載されたガス中蒸発法により製造された分散物である。これらの分散物を、塗設し電極パターン状に成型した後、溶媒を乾燥させ、さらに100℃〜300℃、好ましくは150℃〜200℃の範囲で熱処理することにより、金属微粒子を熱融着させることで電極形成する。なおゲートライン、ソースラインについても上記電極と同様に形成することが可能である。
【0021】
<第1の絶縁膜(絶縁層)および第2の絶縁膜(絶縁層)>
本発明の絶縁膜として種々の絶縁膜を用いることができるが、特に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。本発明では特に該絶縁膜を大気圧下でのプラズマ製膜処理によって形成する。以下にこの大気圧下でのプラズマ製膜処理について説明する。
【0022】
大気圧下でのプラズマ製膜処理による絶縁膜(例えば酸化物:SiO2、TiO2等 /窒化物:Si3N4等)の形成方法については以下のように説明される。
上記大気圧下でのプラズマ製膜処理とは、大気圧または大気圧近傍の圧力下で放電し、反応性ガスをプラズマ励起し、基材上に薄膜を形成する処理を指し、その方法については特開平11−133205号、特開2000−185362号、特開平11−61406号、特開2000−147209号、および特開2000−121804号等に記載されている(以下、大気圧プラズマ法とも称する)。 これによって高機能性の薄膜を、生産性高く形成することができる。
【0023】
図4はプラズマ成膜処理を行う装置を示す図である。図4において、プラズマ放電処理容器31、ガス発生装置51、電源41、電極冷却ユニット60等が装置構成として配置されている。電極冷却ユニット60の冷却剤としては、蒸留水、油等の絶縁性材料が用いられる。
前記プラズマ放電処理容器31内にロール電極25、固定されている電極36を所定位置に配置し、ガス発生装置51で発生させた混合ガスを流量制御して、給気口52よりプラズマ放電処理容器31内に入れ、前記プラズマ放電処理容器31内をプラズマ処理に用いる混合ガスで充填し排気口53より排気する。次に電源41により電極36に電圧を印加し、ロール電極25はアースに接地し、放電プラズマを発生させる。ここでロール状の元巻き基材61より基材Fを供給し、ガイドローラ64を介して、ロール電極25に巻回された基材Fは、ニップローラ65、66で押圧され、プラズマ放電処理容器31内の電極間を片面接触(ロール電極25に接触している)の状態で搬送され、基材Fは搬送中に放電プラズマにより表面が放電処理され、その後にガイドローラ67を介して、次工程に搬送される。ここで、基材Fはロール電極25に接触していない面のみ放電処理がなされる。
また、仕切板54は前記ニップローラ65、66に近接して配置され、基材Fに同伴する空気がプラズマ放電処理容器31内に進入するのを抑制する。
アース電極であるロール電極25は、金属等の導電性母材に対しセラミックスを溶射後、無機材料を用いて封孔処理したセラミック被覆処理誘電体を被覆した組み合わせで構成されているものである。または、金属等の導電性母材へライニングにより無機材料を設けたライニング処理誘電体を被覆した組み合わせてもよい。ライニング材としては、ケイ酸塩系ガラス、ホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、ゲルマン酸塩系ガラス、亜テルル酸塩ガラス、アルミン酸塩ガラス、バナジン酸塩ガラス等が好ましく用いられるが、この中でもホウ酸塩系ガラスが加工し易いので、更に好ましく用いられる。金属等の導電性母材としては、銀、白金、ステンレス、アルミニウム、鉄等の金属等が挙げられるが、加工の観点からステンレスが好ましい。また、溶射に用いるセラミックス材としては、アルミナ・窒化珪素等が好ましく用いられるが、この中でもアルミナが加工し易いので、更に好ましく用いられる。ロール電極の母材は、冷却水による冷却手段を有するステンレス製ジャケットロール母材を使用することができる(不図示)。
【0024】
印加電極36に電圧を印加する電源41としては、特に限定はないが、パール工業製高周波電源(200kHz)、パール工業製高周波電源(800kHz)、日本電子製高周波電源(13.56MHz)、パール工業製高周波電源(150MHz)等が使用できる。
【0025】
上記電極間の距離は、電極の母材に設置した固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮して決定される。上記電極の一方に固体誘電体を設置した場合の固体誘電体と電極の最短距離、上記電極の双方に固体誘電体を設置した場合の固体誘電体同士の距離としては、いずれの場合も均一な放電を行う観点から0.5mm〜20mmが好ましく、特に好ましくは1mm±0.5mmである。
【0026】
対向する電極間には100kHzを越えた高周波電圧で、且つ、1W/cm2以上の電力を供給し、反応性ガスを励起してプラズマを発生させる。このようなハイパワーの電界を印加することによって、緻密で、膜厚均一性の高い高機能性の薄膜を、生産効率高く得ることが可能である。
【0027】
ここで電極間に印加する高周波電圧の周波数の上限値は、好ましくは150MHz以下である。 また、高周波電圧の周波数の下限値としては、好ましくは200kHz以上、さらに好ましくは800kHz以上である。
さらに電極間に供給する電力の下限値は、好ましくは1.2W/cm2以上であり、上限値としては、好ましくは50W/cm2以下、さらに好ましくは20W/cm2以下である。尚、電極における電圧の印加面積(/cm2)は、放電が起こる範囲の面積のことを指す。
【0028】
電源41より固定されている電極36に印加される電圧の値は適宜決定される。なお電源の印加法に関しては、連続モードと呼ばれる連続サイン波状の連続発振モードとパルスモードと呼ばれるON/OFFを断続的に行う断続発振モードのどちらを採用しても良いが連続モードの方がより緻密で良質な膜が得られる。
【0029】
また、放電プラズマ処理時の基材への影響を最小限に抑制するために、放電プラズマ処理時の基材の温度を常温(15℃〜25℃)〜200℃未満の温度に調整することが好ましく、更に好ましくは常温〜100℃に調整することである。上記の温度範囲に調整する為、必要に応じて電極、基材は冷却手段で冷却しながら放電プラズマ処理される。
【0030】
上記の放電プラズマ処理はが大気圧または大気圧近傍で行われるが、ここで大気圧近傍とは、20kPa〜110kPaの圧力を表し、好ましくは、93kPa〜104kPaが好ましい。
【0031】
また、薄膜形成方法に係る放電用電極においては、電極の少なくとも基材と接する側のJIS B 0601で規定される表面粗さの最大高さ(Rmax)が10μm以下になるように調整されることが、好ましいが、更に好ましくは、表面粗さの最大値が8μm以下であり、特に好ましくは、7μm以下に調整することである。
【0032】
また、JIS B 0601で規定される中心線平均表面粗さ(Ra)は0.5μm以下が好ましく、更に好ましくは0.1μm以下である。
【0033】
混合ガスについて説明する。 薄膜形成方法を実施するにあたり、使用するガスは、基材上に設けたい薄膜の種類によって異なるが、基本的に、不活性ガスと、薄膜を形成するための反応性ガスの混合ガスである。反応性ガスは、混合ガスに対し、0.01〜10体積%含有させることが好ましい。
【0034】
上記不活性ガスとは、周期表の第18属元素、具体的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等が挙げられるが、窒素ガスもここでいう不活性ガスとして有用である。
【0035】
また反応性ガスとしては、珪素化合物またはチタン化合物、有機フッ素化合物を含有する反応性ガスを用いることができる。
【0036】
混合ガス中に上記記載のチタン化合物を用いる場合、放電プラズマ処理により基材上に均一な薄膜を形成する観点から、混合ガス中のチタン化合物の含有率は、0.1〜10体積%であることが好ましいが、更に好ましくは、0.1〜5体積%である。
また、上記記載の混合ガス中に酸素ガスを0.1〜10体積%含有させることにより薄膜の硬度を著しく向上させることが出来る。
また、混合ガス中に酸素、オゾン、過酸化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、窒素から選択される成分を0.01〜5体積%含有させることにより、反応促進され、且つ、緻密で良質な薄膜を形成することができる。
【0037】
上記記載の珪素化合物、チタン化合物としては、取り扱い上の観点から金属水素化合物、金属アルコキシドが好ましく、腐食性、有害ガスの発生がなく、工程上の汚れなども少ないことから、金属アルコキシドが好ましく用いられる。
【0038】
また、上記記載の珪素化合物、チタン化合物を放電空間である電極間に導入するには、両者は常温常圧で、気体、液体、固体いずれの状態であっても構わない。気体の場合は、そのまま放電空間に導入できるが、液体、固体の場合は、加熱、減圧、超音波照射等の手段により気化させて使用される。
【0039】
珪素化合物、チタン化合物を加熱により気化して用いる場合、常温で液体で、沸点が200℃以下である金属アルコキシドが好適に用いられる。上記金属アルコキシドは、溶媒によって希釈して使用されても良く、溶媒は、メタノール、エタノール、n−ヘキサンなどの有機溶媒及びこれらの混合溶媒が使用できる。尚、これらの希釈溶媒は、プラズマ放電処理中において、分子状、原子状に分解される為、基材上への薄膜の形成、薄膜の組成などに対する影響は殆ど無視することが出来る。
【0040】
上記記載の珪素化合物としては、例えば、ジメチルシラン、テトラメチルシランなどのアルキルシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、ジメチルジエトキシシランなどのアルコキシシラン、オルガノシラン、等の有機金属化合物や、二塩化シラン、三塩化シランなどの金属ハロゲン化合物、その他モノシラン、ジシランなどの金属水素化合物などを用いることが好ましいがこれらに限定されない。また、これらは適宜組み合わせて用いることが出来る。
【0041】
混合ガス中に上記記載の珪素化合物を用いる場合、放電プラズマ処理により基材上に均一な薄膜を形成する観点から、混合ガス中の珪素化合物の含有率は、0.1〜10体積%であることが好ましいが、更に好ましくは、0.1〜5体積%である。
【0042】
上記記載のチタン化合物としては、テトラジメチルアミノチタンなどのアルキルシラン、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラブトキシチタンなどの金属アルコキシド、等の有機金属化合物や、二塩化チタン、三塩化チタン、四塩化チタンなどの金属ハロゲン化合物、その他モノチタン、ジチタンなどの金属水素化合物、などを用いることが好ましいがこれらに限定されない。
【0043】
<支持体>
支持体はフレキシブルな樹脂製シート等のポリマー支持体、ガラスで構成され、ポリマー支持体としては例えばプラスチックフィルムをシートとして用いることができる。前記プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ボリカーボネート(PC)、セルローストリアセテート(TAC)、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)等からなるフィルム等が挙げられる。これらのフィルムは公知の表面処理、表面コートを行うことができる。このように、プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めることができるとともに、衝撃に対する耐性を向上できる。
【0044】
<実施例>
上記に基づく幾つかの実施態様について以下に説明する。大気圧フ゜ラス゛マ法による第1および第2の絶縁膜形成の詳細は以下の通りである。
【0045】
[処理例]
《反応性ガス》
プラズマ処理に用いる混合ガス(反応性ガス)の組成を以下に記す。
(SiO2層形成用)
不活性ガス:ヘリウム98.25体積%
反応性ガス1:酸素ガス1.5体積%
反応性ガス2:テトラエトキシシラン蒸気(ヘリウムガスにてバブリング)0.25体積%
【0046】
《放電条件》
放電出力は10W/cm2とする。
《電極条件》
ロール電極は、冷却水による冷却手段を有するステンレス製ジャケットロール母材に対して、セラミック溶射によりアルミナを1mm被覆し、その後、テトラメトキシシランを酢酸エチルで希釈した溶液を塗布乾燥後、紫外線照射により硬化させ封孔処理を行い、表面を平滑にしてRmax5μmとした誘電体(比誘電率10)を有するロール電極であり、アースされている。一方、印加電極としては、中空の角型のステンレスパイプに対し、上記同様の誘電体を同条件にて被覆している。
【0047】
基材フィルム8の上に、上記反応性ガス、上記放電条件および上記電極条件により、連続的に大気圧プラズマ処理して、100nmの薄膜を設ける。
以下に作成した有機薄膜トランジスタ素子について説明する。
【0048】
<実施例A>
図1(a)に示す有機薄膜トランジスタ素子を以下のように作成した。
厚さ150μmのPESフィルム上に、スパッタ法により、厚さ300nm、幅300μmのアルミニウム皮膜を成膜し、ゲート電極とした。このゲート電極上に、大気圧プラズマ法により、上述の条件で厚さ200nmの酸化ケイ素皮膜を形成し、ゲート絶縁膜(第1の絶縁膜)とした。ZnおよびNiの含有量が10ppm以下になるよう良く精製した、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)のregioregular体(アルドリッチ社製)のクロロホルム溶液を調製し、N2ガス雰囲気中で、ゲート絶縁膜の表面にアプリケーターを用いて塗布し、室温で乾燥させた後、N2ガス雰囲気中で50℃、30分間の熱処理を施した。このときポリ(3−ヘキシルチオフェン)の膜厚は30nmであった。さらに、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)膜の表面に、マスクを用いて金を蒸着し、ソース、ドレイン電極を形成した。幅100μm、厚さ100nmのソース、ドレイン電極は、先のゲート電極に直交するよう配置され、チャネル幅W=0.3mm(ソース電極がドレイン電極と対向する部分の長さ)、チャネル長L=20μm(ソース、ドレイン電極の間隔)の有機薄膜トランジスタが形成された。
さらにこの有機薄膜トランジスタ上に、上述の大気圧プラズマ法により、厚さ300nmの酸化ケイ素被膜(第2の絶縁膜)を形成した。
【0049】
<実施例B>
第2の絶縁膜に、大気圧プラズマ法による酸化チタン薄膜を用いた他は、実施例Aと同様に有機薄膜トランジスタを作成、評価した。
【0050】
<実施例C>
図1(b)に示す有機薄膜トランジスタ素子を以下のように作成した。
150μm厚のPESフィルム上に大気圧プラズマ法により、上述の条件で厚さ200nmの酸化ケイ素膜を第1の絶縁膜として形成した。この絶縁膜上にマスクを用いて金を蒸着し、ソース、ドレイン電極を形成した。チャネル長Lは20μm、チャネル幅Wは0.3mmとした。さらに精製したregioregular-ポリ(3−ヘキシルチオフェン)のクロロホルム溶液をピエゾ方式のインクジェットを用いて吐出し、ソース、ドレイン電極間に溶液を満たした。溶媒であるクロロホルムを乾燥後、窒素ガス雰囲気中で50℃で30分間熱処理し、24時間真空中で放置することにより、ソース、ドレイン電極間に有機半導体材料からなる活性半導体層(有機半導体層)を形成した。このように有機半導体層として設けられたポリ(3−ヘキシルチオフェン)膜の厚さは約30nmであった。この有機半導体層、ソース電極、およびドレイン電極を被覆するように上述の大気圧プラズマ法により、厚さ200nmの酸化ケイ素膜を第2の絶縁膜として形成した。その後、さらにフォトリソ法により幅30μのゲート電極を有機半導体層の上部に第2の絶縁膜を挟んで形成することで、図1(b)に示す本トランジスタ素子を作成した。
【0051】
<比較例1>(絶縁膜なし)
第2の絶縁膜を形成しないこと以外、実施例Aと同様に有機薄膜トランジスタを作成した。
【0052】
<比較例2>(絶縁膜を蒸着により形成)
第2の絶縁膜を加熱蒸着により形成した以外、実施例Aと同様に有機薄膜トランジスタを作成した。
【0053】
<比較例3>(絶縁膜を塗布・硬化処理により形成)
実施例Aの第2の絶縁膜である酸化ケイ素膜を塗布および硬化処理により形成した以外は実施例Aと全く同様に素子を作成した。絶縁膜を塗布・硬化により形成する場合、具体的には金属アルコキシド及びその加水分解物から選ばれる少なくとも一つ、及び有機溶媒を含有する組成物を透明基材上に塗設し、活性エネルギー線、例えば熱線あるいは紫外線などのエネルギーをかけて、硬化させる。
ここでは支持体上に以下の調製によって得られた組成物を乾燥膜厚3.5μmとなるように塗布し、80℃にて5分間乾燥した。次に高圧水銀ランプ(80W)を用いて紫外線を400mJ/cm2を照射して硬化させている。なお組成物は以下のように調整している。
【0054】
[組成物の調製]
・SiO2ゾル(スノーテックス(IPA−ST、日産化学(株)製))6重量部
・トリメチルロールプロパントリグリシジルエーテル (活性エネルギー線反応性化合物) 1重量部
・γ−グリシドプロピルトリメトキシシラン 0.3重量部
・4,4′−ビス(ジ(β−ヒドロキシエトキシ)フェニルスルフォニオ)フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート(UV開始剤)0.03重量部
・シクロヘキサノン 600重量部
シリコンオイル(SH200、東レ・ダウコーニング・シリコーン(株)製)0.05重量部
【0055】
<比較例4>(絶縁膜なし)
実施例Cの第1の絶縁膜を形成しないこと以外は、実施例Cと同様に素子を作成した。
【0056】
(比較結果)
図3に示すトランジスタ特性評価系により、上記実施例および比較例のトランジスタ特性を大気圧中で測定した(なお図3はソース、ドレイン、ゲート電極と測定部の接続を模式的に示すものであり、素子の詳細な構造を示すものではない)。
・ドレイン電流(リーク電流):I
ゲートバイアスを30Vとし、ソース、ドレイン間のバイアスを−50Vとしたときのドレイン電流を測定した。
・ON/OFF比:R
ゲートバイアスを−100Vとし、ソース、ドレイン間のバイアスを−50Vとしたときのドレイン電流を測定し、▲1▼の電流値との比(ON/OFF比)を求めた。
・その他
作成した有機薄膜トランジスタを、空気中室温下で1ヶ月放置した後、上記ドレイン電流、ON/OFF比を求めた。それぞれIn、Rnとする。
【0057】
評価結果は以下の通りであった。

Figure 2004207331
【0058】
実施例A、Bでは大気圧プラズマ法で形成された2つの絶縁膜(第1、第2の絶縁膜)で有機半導体層が挟みこまれることにより、絶縁膜の一方がない比較例1に比して、ドレイン電流(リーク電流)が低減しており、またスイッチング動作としてON/OFF比が大きく向上していることが分かる。特に絶縁膜の形成方法が異なる比較例2,3と比較すると、絶縁膜の形成方法として大気圧プラズマ法がドレイン電流(リーク電流)、ON/OFF比における性能に大きく寄与していることが分かる。
こうした効果は素子の配置を変えた実施例C(ゲート電極を有機半導体層の上部に配置)でも同様に認められることが比較例4との比較によって分かる。
すなわち有機半導体材料によって形成された活性半導体層では、大気圧プラズマ法で形成された2つの絶縁膜(第1、第2の絶縁膜)との組み合わせ、および活性半導体層を挟み込む配置により非常に良好な特性を示すことが分かった。
また各実施例と比較例におけるI、RとIn、Rnの比較から本発明のように大気圧プラズマ法で形成された2つの絶縁膜(第1、第2の絶縁膜)で有機半導体層が挟みこまれることにより、その性能を高いレベルで長期に渡り維持することができた。
【0059】
【発明の効果】
以上のことから本発明によれば、有機半導体材料が薄膜TFT内の活性半導体層として使用される際のデバイスのオン/オフ比やリーク電流、等の特性および安定性が向上し、これまでの絶縁膜と有機半導体材料との組み合わせより、優れた薄膜トランジスタの効果が得られる。さらに大気圧環境下での成膜が可能であり、真空工程を必要としないことから製造コストの低減、製造プロセスの簡略化を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の有機半導体素子の構成を示す概略図である。
【図2】従来のSi半導体を用いたTFT素子をディスプレイパネル基板上に形成した様子を示す図である。
【図3】本発明の素子の評価系を示す図である。
【図4】本発明における大気圧プラズマ成膜処理を行う装置を示す図である。
【符号の説明】
25:ロール電極
31:プラズマ発生処理容器
36:電極
41:電源
51:ガス発生装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic semiconductor device including an organic semiconductor active layer (an active semiconductor layer formed of an organic semiconductor material) and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
With the spread of information terminals, needs for flat panel displays as displays for computers are increasing. In addition, with the progress of computerization, information provided in the form of paper has been provided electronically, and the number of opportunities to provide the information has increased, and electronic paper or digital media has become a thin, light, and portable mobile display medium. The need for paper is also growing.
[0003]
In general, display devices use liquid crystal, organic EL, electrophoresis, and other elements to form a display medium. In such a display medium, image driving is performed to ensure uniformity of screen luminance and screen rewriting speed. A technique using an active driving element (TFT element) as an element has become mainstream. For example, in a general computer display, these TFT elements are formed on a glass substrate, and a liquid crystal, an organic EL, and the like are sealed.
Here, semiconductors such as a-Si (amorphous silicon) and p-Si (polysilicon) can be mainly used for the TFT element. For example, as shown in FIG. ), And a TFT element is manufactured by sequentially forming a source, a drain, and a gate electrode on a substrate (for example, Patent Document 1 below). The production of such a TFT element usually requires sputtering and other vacuum-based production processes.
[0004]
On the other hand, recently, an organic material has been studied for use as an active semiconductor layer in a thin film transistor (TFT). Organic materials are easy to process and generally have a high affinity for a plastic substrate on which TFTs are formed, and thus are expected to be used as active semiconductor layers in thin film devices. Accordingly, studies have been made on low-cost and large-area devices, particularly active drive elements for displays (for example, Patent Documents 2 and 3 below).
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-31321 [Patent Document 2]
JP-A-10-190001 [Patent Document 3]
JP 2000-307172 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of manufacturing a TFT device using a Si semiconductor as in the former, each layer must be formed by repeating a vacuum-based manufacturing process including a vacuum chamber many times, and the equipment cost and running cost are extremely enormous. Had become something. Usually, in such a TFT device, it is necessary to repeat processes such as sputtering, CVD, and photolithography for forming each layer many times, and the device is formed on the substrate through dozens of processes.
[0006]
In such a conventional manufacturing method using a Si semiconductor, it is not easy to change the equipment, for example, a large design change of a manufacturing apparatus such as a vacuum chamber is required to meet the need for a large display screen.
Also, the gate insulating film of the transistor is generally formed of a silicon oxide film formed by thermal oxidation of a silicon substrate or an oxide thin film formed by a dry process such as sputtering.
[0007]
When an organic material is used as the active semiconductor layer in the TFT as in the latter, processing may be easy, but the ON / OFF ratio, leak current, stability and life of the resulting device are sufficiently high. Is not easy, and a specific method and an element configuration for realizing such characteristics have not been found so far.
An object of the present invention is to realize an organic semiconductor device in which characteristics and stability as a semiconductor device are improved while manufacturing costs are reduced and a manufacturing process is simplified.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The above object of the present invention has been achieved by each of the following constitutions.
(1) An organic semiconductor device having a source electrode, a drain electrode, an active semiconductor layer made of an organic semiconductor material connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode, wherein the active layer is subjected to plasma treatment under atmospheric pressure. Or (2) forming a first insulating film by plasma treatment under atmospheric pressure, wherein the first insulating film is disposed so as to be sandwiched between insulating films formed by Arranging a source electrode and a drain electrode as a channel on the film, arranging an active semiconductor layer made of an organic semiconductor material so as to connect the source electrode and the drain electrode, and under atmospheric pressure on the active semiconductor layer. Forming a second insulating film by plasma processing in the step (a). The manufacturing method of an organic semiconductor device.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The configuration of the element of the present invention is arranged, for example, as shown in FIG. That is, it is composed of a gate electrode G, a gate insulating film I, an active semiconductor layer P (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor material, a source electrode S, and a drain electrode D.
In FIG. 1A, a gate electrode, a first insulating film (gate insulating film), and a channel formed by an active semiconductor layer (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor material are arranged in this order on a support. Further, the organic semiconductor layer is covered with a second insulating film. That is, the active semiconductor layer (organic semiconductor layer) serving as a channel on the support is disposed above the gate electrode. The organic semiconductor layer is disposed so as to extend over the source electrode and the drain electrode which are disposed at a predetermined interval on the first insulating film, and forms a channel between the source electrode and the drain electrode.
[0010]
FIG. 1B shows a first insulating film, a channel formed by an active semiconductor layer (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor material, a second insulating film (gate insulating film), and a gate electrode arranged in this order on a support. This is an example in which a gate electrode is disposed above an active semiconductor layer (organic semiconductor layer) serving as a channel on a support.
[0011]
Note that a bonding film may be formed between the source electrode and the drain electrode and the organic semiconductor material. Examples of such a film include a Cr thin film, an Au thin film, a Pt thin film, and a conductive polymer thin film.
In the organic semiconductor device of the present invention, the first and second insulating films are insulating films formed by an atmospheric pressure plasma method, and an active semiconductor layer (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor material is formed by the insulating film thus formed. It is arranged to be sandwiched.
Hereinafter, the configuration, material, and process of each member will be described.
[0012]
<Active semiconductor layer made of organic semiconductor material (organic semiconductor layer)>
As the organic semiconductor material for forming the active semiconductor layer serving as the channel of the present invention, a π-conjugated polymer compound is preferable. For example, polypyrroles such as polypyrrole, poly (N-substituted pyrrole), poly (3-substituted pyrrole), poly (3,4-disubstituted pyrrole), polythiophene, poly (3-substituted thiophene), poly (3,4- Poly (diphenylthiophene), polythiophenes such as polybenzothiophene, polyisothianaphthenes such as polyisothianaphthene, polyphenylenevinylenes such as polyphenylenevinylene, poly (p-phenylenevinylene) such as poly (p-phenylenevinylene) Phenylene vinylenes), polyaniline, poly (N-substituted aniline), poly (3-substituted aniline), polyaniline such as poly (2,3-substituted aniline), polyacetylene such as polyacetylene, polydiacetylene such as polydiacetylene , Polyazulene such as polyazulene, polypyrene etc. Polypyrenes, polycarbazoles, polycarbazoles such as poly (N-substituted carbazole), polyselenophenes such as polyselenophene, polyfurans such as polyfuran and polybenzofuran, and poly (p-) such as poly (p-phenylene) Phenylenes), polyindoles such as polyindole, polypyridazines such as polypyridazine, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, dibenzopentacene, tetrabenzopentacene, pyrene, dibenzopyrene, chrysene, perylene, coronene, terylene, ovalene, Polyacenes such as quaterylene and circum anthracene; and derivatives in which a part of carbon of the polyacenes is substituted with a functional group such as an atom such as N, S or O, or a carbonyl group (triphenodioxazine, triphenodithiazine Hexacene-6,15-quinone, etc.), polyvinylcarbazole, polyphenylene sulfide, or the like can be used polycyclic condensate described in polyvinylene sulfide polymer and JP-like de 11-195790. Further, for example, thiophene hexamer α-sexithiophene α, ω-dihexyl-α-sexithiophene, α, ω-dihexyl-α-quinquethiophene, α, ω-bis ( Oligomers such as 3-butoxypropyl) -α-sexithiophene and styrylbenzene derivatives can also be suitably used. Further, metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and fluorine-substituted copper phthalocyanine described in JP-A-11-251601, naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide, N, N'-bis (4-trifluoromethylbenzyl) N, N′-bis (1H, 1H-perfluorooctyl), N, N′-bis (1H, 1H-perfluorobutyl) and N, N′- along with naphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide Dioctylnaphthalene 1,4,5,8-tetracarboxylic diimide derivatives, naphthalene tetracarboxylic diimides such as naphthalene 2,3,6,7 tetracarboxylic diimide, and anthracene 2,3,6,7-tetracarboxylic acid Condensed ring tetracarboxylic acids such as anthracenetetracarboxylic diimides such as diimide Examples include diimides, fullerenes such as C60, C70, C76, C78, and C84, carbon nanotubes such as SWNT, and dyes such as merocyanine dyes and hemicyanine dyes.
[0013]
Among these π-conjugated materials, thiophene, vinylene, chenylene vinylene, phenylene vinylene, p-phenylene, a substituted product thereof, or two or more of these are used as a repeating unit, and the number n of the repeating unit is 4 to 4. At least one selected from the group consisting of oligomers having 10 or a polymer in which the number n of the repeating units is 20 or more, condensed polycyclic aromatic compounds such as pentacene, fullerenes, condensed ring tetracarboxylic diimides, and metal phthalocyanines Species are preferred.
[0014]
Other organic semiconductor materials include tetrathiafulvalene (TTF) -tetracyanoquinodimethane (TCNQ) complex, bisethylenetetrathiafulvalene (BEDTTTTF) -perchloric acid complex, BEDTTTF-iodine complex, and TCNQ-iodine complex. , Etc. can also be used. Further, σ-conjugated polymers such as polysilane and polygermane, and organic / inorganic hybrid materials described in JP-A-2000-260999 can also be used.
[0015]
In the present invention, for example, a material having a functional group such as acrylic acid, acetamido, dimethylamino group, cyano group, carboxyl group, or nitro group in the active semiconductor layer, a benzoquinone derivative, tetracyanoethylene, and tetracyanoquinodimethane And materials that have an electron acceptor such as derivatives thereof and materials having functional groups such as amino group, triphenyl group, alkyl group, hydroxyl group, alkoxy group and phenyl group, and substituted amines such as phenylenediamine , Anthracene, benzoanthracene, substituted benzoanthracenes, pyrene, substituted pyrene, carbazole and its derivatives, tetrathiafulvalene and its derivatives, etc. Process Good.
[0016]
The doping means that an electron donating molecule (acsector) or an electron donating molecule (donor) is introduced as a dopant into the thin film. Therefore, the doped thin film is a thin film containing the condensed polycyclic aromatic compound and the dopant. Either an acceptor or a donor can be used as the dopant used in the present invention. As the acceptor, halogens such as Cl2, Br2, I2, ICl, ICl3, IBr, IF, Lewis acids such as PF5, AsF5, SbF5, BF3, BC13, BBr3, SO3, HF, HC1, HNO3, H2S-O4, HClO4, Protic acids such as FSO3H, ClSO3H, CF3SO3H, and organic acids such as acetic acid, formic acid, and amino acids; FeCl3, FeOCl, TiCl4, ZrCl4, HfCl4, NbF5, NbCl5, TaCl5, MoCl5, WF5, WCl6, UF6, LnCl3 (Ln = La, Lanthanoids such as Ce, Nd, Pr, etc. and transition metal compounds such as Y), electrolyte anions such as Cl-, Br-, I-, ClO4-, PF6-, AsF5-, SbF6-, BF4-, sulfonate anions, etc. Can be mentioned. Examples of the donor include alkali metals such as Li, Na, K, Rb, and Cs; alkaline earth metals such as Ca, Sr, and Ba; Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, and Dy. , Ho, Er, Yb, and other rare earth metals, ammonium ions, R4P +, R4As +, R3S +, acetylcholine, and the like. As a method of doping these dopants, any of a method of preparing a thin film of an organic semiconductor in advance and introducing the dopant later, and a method of introducing a dopant at the time of forming the thin film of the organic semiconductor can be used. As the doping of the former method, gas-phase doping using a gas-state dopant, liquid-phase doping in which a solution or liquid dopant is brought into contact with the thin film, and diffusion doping by bringing a solid-state dopant into contact with the thin film Solid doping method. In liquid phase doping, the efficiency of doping can be adjusted by performing electrolysis. In the latter method, a mixed solution or dispersion of an organic semiconductor compound and a dopant may be simultaneously applied and dried. For example, when a vacuum evaporation method is used, the dopant can be introduced by co-evaporating the dopant together with the organic semiconductor compound. When a thin film is formed by a sputtering method, a dopant can be introduced into the thin film by sputtering using a binary target of an organic semiconductor compound and a dopant. Still other methods include chemical doping such as electrochemical doping and photo-initiated doping and physical doping such as ion implantation as described in the publication {Industrial Materials, Vol. 34, No. 4, page 55, 1986}. Any of the conventional dopings can be used.
[0017]
These organic thin films can be prepared by vacuum deposition, molecular beam epitaxy, ion cluster beam, low energy ion beam, ion plating, CVD, sputtering, plasma polymerization, electrolytic polymerization, chemical polymerization, etc. Examples include a synthesizing method, a spray coating method, a spin coating method, a blade coating method, a dip coating method, a casting method, a roll coating method, a bar coating method, a die coating method, and an LB method, which can be used depending on the material. However, in terms of productivity, spin coating, blade coating, dip coating, roll coating, bar coating, die coating, etc., which can easily and precisely form a thin film using an organic semiconductor solution, are used. Preferred. The thickness of the organic semiconductor thin film is not particularly limited, but the characteristics of the obtained transistor are often greatly influenced by the thickness of the active layer made of the organic semiconductor. Although it differs depending on the semiconductor, it is generally preferably 1 μm or less, particularly preferably 10 to 300 nm.
[0018]
<Electrode (source, drain, gate electrode)>
The gate electrode, source electrode, and drain electrode are not particularly limited as long as they are conductive materials, and include platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, and rhenium. , Iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, tin / antimony, indium / tin oxide (ITO), fluorine-doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and carbon paste, lithium, beryllium, Sodium, magnesium, potassium, calcium, scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium, sodium-potassium alloy, magnesium, lithium, aluminum, magnesium / copper mixture, magnesi A mixture of silver / aluminum, a mixture of magnesium / aluminum, a mixture of magnesium / indium, a mixture of aluminum / aluminum oxide, a mixture of lithium / aluminum and the like are used, and platinum, gold, silver, copper, aluminum, indium, ITO and carbon are particularly preferable. . Alternatively, a known conductive polymer whose conductivity has been improved by doping or the like, for example, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiophene, a complex of polyethylene dioxythiophene and polystyrene sulfonic acid, or the like is also preferably used. As the source electrode and the drain electrode, those having low electric resistance at the contact surface with the organic semiconductor layer are preferable among the above.
[0019]
As a method of forming an electrode, a method of forming an electrode using a known photolithographic method or a lift-off method on a conductive thin film formed by using a method such as evaporation or sputtering using the above as a raw material, or a metal foil such as aluminum or copper There is a method of etching using a resist by thermal transfer, ink jet or the like. In addition, a conductive polymer solution or dispersion, or a conductive fine particle dispersion may be directly patterned by ink jet, or may be formed from a coating film by lithography or laser ablation. Further, a method of patterning an ink, a conductive paste, or the like containing a conductive polymer or conductive fine particles by a printing method such as letterpress, intaglio, lithographic, or screen printing can also be used.
[0020]
Examples of the conductive fine particles include metal fine particles having a particle diameter of 1 to 50 nm, preferably 1 to 10 nm, such as platinum, gold, silver, copper, cobalt, chromium, iridium, nickel, palladium, molybdenum, and tungsten. As a method for producing such a metal fine particle dispersion, a metal ion is reduced in a liquid phase, such as a physical generation method such as a gas evaporation method, a sputtering method, a metal vapor synthesis method, a colloid method, and a coprecipitation method. Although a chemical generation method for generating metal fine particles is exemplified, preferably, the method is described in JP-A-11-76800, JP-A-11-80647, JP-A-11-319538, and JP-A-2000-239853. Colloid method, described in JP-A-2001-254185, JP-A-2001-53028, JP-A-2001-35814, JP-A-2001-35255, JP-A-2000-124157, and JP-A-2000-123634. It is a dispersion produced by a gas evaporation method. After applying these dispersions and forming them into an electrode pattern, the solvent is dried, and further heat-treated at 100 to 300 ° C., preferably 150 to 200 ° C., to thereby heat-bond the metal fine particles. Then, an electrode is formed. Note that a gate line and a source line can be formed in a manner similar to that of the above electrode.
[0021]
<First insulating film (insulating layer) and second insulating film (insulating layer)>
Although various insulating films can be used as the insulating film of the present invention, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are particularly preferable. In the present invention, in particular, the insulating film is formed by a plasma film forming process under atmospheric pressure. The plasma film forming process under the atmospheric pressure will be described below.
[0022]
A method for forming an insulating film (eg, oxide: SiO 2 , TiO 2 , etc./nitride: Si 3 N 4, etc.) by plasma film formation under atmospheric pressure will be described as follows.
The plasma film forming process under the above-mentioned atmospheric pressure refers to a process of discharging under an atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, exciting a reactive gas by plasma, and forming a thin film on a base material. JP-A-11-133205, JP-A-2000-185362, JP-A-11-61406, JP-A-2000-147209, JP-A-2000-121804 and the like (hereinafter also referred to as atmospheric pressure plasma method) ). Thereby, a highly functional thin film can be formed with high productivity.
[0023]
FIG. 4 is a diagram showing an apparatus for performing a plasma film forming process. 4, a plasma discharge processing container 31, a gas generator 51, a power supply 41, an electrode cooling unit 60, and the like are arranged as a device configuration. As a coolant for the electrode cooling unit 60, an insulating material such as distilled water or oil is used.
The roll electrode 25 and the fixed electrode 36 are arranged at predetermined positions in the plasma discharge processing container 31, and the flow rate of the mixed gas generated by the gas generator 51 is controlled. Then, the inside of the plasma discharge processing container 31 is filled with a mixed gas used for plasma processing and exhausted from an exhaust port 53. Next, a voltage is applied to the electrode 36 by the power supply 41, the roll electrode 25 is grounded to ground, and discharge plasma is generated. Here, the base material F is supplied from the roll-shaped original winding base material 61, and the base material F wound around the roll electrode 25 via the guide roller 64 is pressed by the nip rollers 65 and 66, and the plasma discharge treatment container is formed. The substrate F is transported in a state of single-sided contact (in contact with the roll electrode 25) between the electrodes in the substrate 31, and the surface of the substrate F is subjected to discharge treatment by discharge plasma during the transport. Conveyed to the process. Here, the discharge treatment is performed only on the surface of the base material F that is not in contact with the roll electrode 25.
Further, the partition plate 54 is arranged close to the nip rollers 65 and 66, and suppresses the air accompanying the substrate F from entering the plasma discharge processing container 31.
The roll electrode 25, which is an earth electrode, is formed by spraying ceramics on a conductive base material such as a metal, and coating the dielectric with a ceramic-coated dielectric which is sealed using an inorganic material. Alternatively, a combination of a conductive base material such as a metal and a lining treated dielectric material provided with an inorganic material by lining may be used. As the lining material, silicate glass, borate glass, phosphate glass, germanate glass, tellurite glass, aluminate glass, vanadate glass and the like are preferably used. Of these, borate glass is more preferably used because it is easy to process. Examples of the conductive base material such as a metal include metals such as silver, platinum, stainless steel, aluminum, and iron, and stainless steel is preferable from the viewpoint of processing. As the ceramic material used for thermal spraying, alumina and silicon nitride are preferably used. Among them, alumina is more preferably used because it is easy to process. As a base material of the roll electrode, a stainless steel jacket roll base material having cooling means with cooling water can be used (not shown).
[0024]
The power source 41 for applying a voltage to the application electrode 36 is not particularly limited, but is a high frequency power source (200 kHz) manufactured by Pearl Industries, a high frequency power source (800 kHz) manufactured by Pearl Industries, a high frequency power source manufactured by JEOL (13.56 MHz), A high frequency power supply (150 MHz) manufactured by the company can be used.
[0025]
The distance between the electrodes is determined in consideration of the thickness of the solid dielectric placed on the base material of the electrode, the magnitude of the applied voltage, the purpose of using plasma, and the like. The shortest distance between the solid dielectric and the electrode when the solid dielectric is installed on one of the electrodes, and the distance between the solid dielectrics when the solid dielectric is installed on both of the electrodes is uniform in each case. From the viewpoint of discharging, the thickness is preferably 0.5 mm to 20 mm, particularly preferably 1 mm ± 0.5 mm.
[0026]
A high-frequency voltage exceeding 100 kHz and a power of 1 W / cm 2 or more are supplied between the opposing electrodes to excite the reactive gas to generate plasma. By applying such a high-power electric field, it is possible to obtain a dense, highly functional thin film having high uniformity in film thickness with high production efficiency.
[0027]
Here, the upper limit of the frequency of the high-frequency voltage applied between the electrodes is preferably 150 MHz or less. The lower limit of the frequency of the high-frequency voltage is preferably 200 kHz or more, and more preferably 800 kHz or more.
Further, the lower limit of the power supplied between the electrodes is preferably 1.2 W / cm2 or more, and the upper limit is preferably 50 W / cm2 or less, more preferably 20 W / cm2 or less. Note that the voltage application area (/ cm 2) at the electrode indicates an area within a range in which discharge occurs.
[0028]
The value of the voltage applied to the electrode 36 fixed by the power supply 41 is appropriately determined. Regarding the power supply method, either a continuous sine wave continuous oscillation mode called a continuous mode or an intermittent oscillation mode in which ON / OFF is intermittently called a pulse mode may be adopted, but the continuous mode is more preferable. A dense and high quality film can be obtained.
[0029]
In addition, in order to minimize the influence on the substrate during the discharge plasma treatment, the temperature of the substrate during the discharge plasma treatment may be adjusted to a temperature between room temperature (15 ° C. to 25 ° C.) and less than 200 ° C. Preferably, it is more preferably adjusted to room temperature to 100 ° C. In order to adjust the temperature to the above-mentioned temperature range, the electrodes and the substrate are subjected to a discharge plasma treatment while being cooled by a cooling means, if necessary.
[0030]
The above-mentioned discharge plasma treatment is performed at or near atmospheric pressure. Here, "atmospheric pressure" means a pressure of 20 kPa to 110 kPa, and preferably 93 kPa to 104 kPa.
[0031]
In the discharge electrode according to the method for forming a thin film, the maximum height (Rmax) of the surface roughness defined by JIS B0601 on at least the side of the electrode in contact with the base material is adjusted to be 10 μm or less. However, it is more preferable that the maximum value of the surface roughness is 8 μm or less, particularly preferably 7 μm or less.
[0032]
Further, the center line average surface roughness (Ra) specified in JIS B 0601 is preferably 0.5 μm or less, more preferably 0.1 μm or less.
[0033]
The mixed gas will be described. In carrying out the method of forming a thin film, the gas used depends on the type of the thin film to be provided on the substrate, but is basically a mixed gas of an inert gas and a reactive gas for forming the thin film. The reactive gas is preferably contained at 0.01 to 10% by volume based on the mixed gas.
[0034]
Examples of the inert gas include elements belonging to Group 18 of the periodic table, specifically, helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon. Nitrogen gas is also useful as the inert gas. .
[0035]
As the reactive gas, a reactive gas containing a silicon compound, a titanium compound, or an organic fluorine compound can be used.
[0036]
When the above-described titanium compound is used in the mixed gas, the content of the titanium compound in the mixed gas is 0.1 to 10% by volume from the viewpoint of forming a uniform thin film on the base material by the discharge plasma treatment. Preferably, it is more preferably 0.1 to 5% by volume.
Further, the hardness of the thin film can be remarkably improved by containing 0.1 to 10% by volume of oxygen gas in the above-mentioned mixed gas.
In addition, by containing a component selected from oxygen, ozone, hydrogen peroxide, carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen, and nitrogen in the mixed gas in an amount of 0.01 to 5% by volume, the reaction is promoted and the density is increased. A high-quality thin film can be formed.
[0037]
As the silicon compound and the titanium compound described above, a metal hydrogen compound and a metal alkoxide are preferable from the viewpoint of handling, and a metal alkoxide is preferably used because corrosiveness, no generation of harmful gas, and less contamination in the process are preferred. Can be
[0038]
In order to introduce the above-mentioned silicon compound and titanium compound between the electrodes which are discharge spaces, both may be in a gas, liquid or solid state at normal temperature and normal pressure. In the case of gas, it can be directly introduced into the discharge space, but in the case of liquid or solid, it is used after being vaporized by means such as heating, decompression, and ultrasonic irradiation.
[0039]
When a silicon compound or a titanium compound is used after being vaporized by heating, a metal alkoxide which is liquid at ordinary temperature and has a boiling point of 200 ° C. or less is preferably used. The metal alkoxide may be used after being diluted with a solvent. As the solvent, an organic solvent such as methanol, ethanol, or n-hexane, or a mixed solvent thereof can be used. Since these diluting solvents are decomposed into molecules and atoms during the plasma discharge treatment, the influence on the formation of the thin film on the base material, the composition of the thin film, and the like can be almost ignored.
[0040]
Examples of the silicon compound described above include alkylsilanes such as dimethylsilane and tetramethylsilane, alkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane and dimethyldiethoxysilane, organometallic compounds such as organosilane, and dichloride. It is preferable to use metal halides such as silane and trichloride silane, and other metal hydrogen compounds such as monosilane and disilane, but not limited thereto. These can be used in appropriate combination.
[0041]
When the silicon compound described above is used in the mixed gas, the content of the silicon compound in the mixed gas is 0.1 to 10% by volume from the viewpoint of forming a uniform thin film on the substrate by the discharge plasma treatment. It is preferably, but more preferably, 0.1 to 5% by volume.
[0042]
Examples of the titanium compound described above include alkylsilanes such as tetradimethylaminotitanium, metal alkoxides such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, and tetrabutoxytitanium; and organic metal compounds such as titanium dichloride, titanium trichloride, It is preferable to use a metal halogen compound such as titanium chloride or the like, or a metal hydrogen compound such as monotitanium or dititanium, but is not limited thereto.
[0043]
<Support>
The support is made of a polymer support such as a flexible resin sheet or glass, and a plastic film, for example, can be used as the polymer support. Examples of the plastic film include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyether sulfone (PES), polyether imide, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyimide, polycarbonate (PC), Examples include a film made of cellulose triacetate (TAC), cellulose acetate propionate (CAP), and the like. These films can be subjected to known surface treatment and surface coating. As described above, by using a plastic film, the weight can be reduced as compared with the case of using a glass substrate, portability can be improved, and resistance to impact can be improved.
[0044]
<Example>
Several embodiments based on the above are described below. The details of forming the first and second insulating films by the atmospheric pressure plasma method are as follows.
[0045]
[Processing example]
《Reactive gas》
The composition of the mixed gas (reactive gas) used for the plasma treatment is described below.
(For forming SiO 2 layer)
Inert gas: 98.25% by volume of helium
Reactive gas 1: 1.5% by volume of oxygen gas
Reactive gas 2: Tetraethoxysilane vapor (bubble with helium gas) 0.25% by volume
[0046]
《Discharge conditions》
The discharge output is 10 W / cm2.
《Electrode conditions》
The roll electrode was coated with 1 mm of alumina by ceramic spraying on a stainless steel jacket roll base material having cooling means with cooling water, and then applied and dried a solution obtained by diluting tetramethoxysilane with ethyl acetate, followed by ultraviolet irradiation. This is a roll electrode having a dielectric material (relative dielectric constant of 10) which is cured, subjected to a sealing treatment, and has a smooth surface and Rmax of 5 μm, and is grounded. On the other hand, as an application electrode, a hollow rectangular stainless steel pipe is coated with the same dielectric as described above under the same conditions.
[0047]
On the base film 8, a plasma treatment is continuously performed under the atmospheric pressure under the above-mentioned reactive gas, the above-mentioned discharge conditions, and the above-mentioned electrode conditions to form a thin film having a thickness of 100 nm.
Hereinafter, the organic thin film transistor element manufactured will be described.
[0048]
<Example A>
The organic thin film transistor device shown in FIG. 1A was produced as follows.
An aluminum film having a thickness of 300 nm and a width of 300 μm was formed on a 150 μm-thick PES film by a sputtering method to form a gate electrode. On this gate electrode, a 200-nm-thick silicon oxide film was formed by the atmospheric pressure plasma method under the above-mentioned conditions, and used as a gate insulating film (first insulating film). A chloroform solution of a regioregular body of poly (3-hexylthiophene) (manufactured by Aldrich), which was well purified so that the contents of Zn and Ni became 10 ppm or less, was prepared on the surface of the gate insulating film in an N2 gas atmosphere. After applying using an applicator and drying at room temperature, a heat treatment was performed at 50 ° C. for 30 minutes in an N 2 gas atmosphere. At this time, the film thickness of poly (3-hexylthiophene) was 30 nm. Further, gold was deposited on the surface of the poly (3-hexylthiophene) film using a mask to form source and drain electrodes. Source and drain electrodes having a width of 100 μm and a thickness of 100 nm are arranged so as to be orthogonal to the gate electrode, and have a channel width W = 0.3 mm (length of a portion where the source electrode faces the drain electrode) and a channel length L = An organic thin film transistor having a thickness of 20 μm (the distance between the source and drain electrodes) was formed.
Further, a silicon oxide film (second insulating film) having a thickness of 300 nm was formed on the organic thin film transistor by the above-mentioned atmospheric pressure plasma method.
[0049]
<Example B>
An organic thin film transistor was prepared and evaluated in the same manner as in Example A, except that a titanium oxide thin film formed by an atmospheric pressure plasma method was used as the second insulating film.
[0050]
<Example C>
The organic thin-film transistor device shown in FIG. 1B was prepared as follows.
A 200-nm-thick silicon oxide film was formed as a first insulating film on a 150 μm-thick PES film by the atmospheric pressure plasma method under the above-described conditions. Gold was deposited on this insulating film using a mask to form source and drain electrodes. The channel length L was 20 μm, and the channel width W was 0.3 mm. Further, a purified chloroform solution of regioregular-poly (3-hexylthiophene) was discharged using a piezo-type inkjet, and the solution was filled between the source and drain electrodes. After drying chloroform as a solvent, it is heat-treated in a nitrogen gas atmosphere at 50 ° C. for 30 minutes and left in a vacuum for 24 hours, so that an active semiconductor layer (organic semiconductor layer) made of an organic semiconductor material is formed between the source and drain electrodes. Was formed. Thus, the thickness of the poly (3-hexylthiophene) film provided as the organic semiconductor layer was about 30 nm. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm was formed as a second insulating film by the above-described atmospheric pressure plasma method so as to cover the organic semiconductor layer, the source electrode, and the drain electrode. Thereafter, a gate electrode having a width of 30 μm was further formed by a photolithography method on the organic semiconductor layer with the second insulating film interposed therebetween, whereby the transistor element shown in FIG. 1B was formed.
[0051]
<Comparative Example 1> (without insulating film)
An organic thin film transistor was fabricated in the same manner as in Example A except that the second insulating film was not formed.
[0052]
<Comparative Example 2> (An insulating film was formed by vapor deposition)
An organic thin-film transistor was fabricated in the same manner as in Example A, except that the second insulating film was formed by heat evaporation.
[0053]
<Comparative Example 3> (formed by applying and curing an insulating film)
An element was fabricated in the same manner as in Example A except that the silicon oxide film as the second insulating film of Example A was formed by coating and curing. When the insulating film is formed by coating and curing, specifically, at least one selected from a metal alkoxide and a hydrolyzate thereof, and a composition containing an organic solvent are applied on a transparent substrate, and an active energy ray is applied. For example, curing is performed by applying energy such as heat rays or ultraviolet rays.
Here, the composition obtained by the following preparation was applied on a support so as to have a dry film thickness of 3.5 μm, and dried at 80 ° C. for 5 minutes. Next, it is cured by irradiating it with 400 mJ / cm 2 of ultraviolet rays using a high-pressure mercury lamp (80 W). The composition was adjusted as follows.
[0054]
[Preparation of composition]
-6 parts by weight of SiO2 sol (Snowtex (IPA-ST, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.))-1 part by weight of trimethylolpropane triglycidyl ether (active energy ray reactive compound)-γ-glycidopropyltrimethoxysilane 0 0.3 parts by weight, 4,3'-bis (di (β-hydroxyethoxy) phenylsulfonio) phenylsulfide-bis-hexafluoroantimonate (UV initiator) 0.03 part by weight, cyclohexanone 600 parts by weight silicon oil (SH200, manufactured by Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd.) 0.05 parts by weight
<Comparative Example 4> (no insulating film)
An element was prepared in the same manner as in Example C except that the first insulating film of Example C was not formed.
[0056]
(Comparison result)
The transistor characteristics of the above example and the comparative example were measured at atmospheric pressure by the transistor characteristic evaluation system shown in FIG. 3 (FIG. 3 schematically shows the connection between the source, drain, gate electrodes and the measurement unit. , Does not show the detailed structure of the element).
・ Drain current (leak current): I
The drain current was measured when the gate bias was 30 V and the bias between the source and the drain was -50 V.
・ ON / OFF ratio: R
The drain current was measured when the gate bias was -100 V and the bias between the source and drain was -50 V, and the ratio (ON / OFF ratio) to the current value of (1) was obtained.
-After leaving the prepared organic thin film transistor in the air at room temperature for one month, the above drain current and ON / OFF ratio were obtained. Let them be In and Rn, respectively.
[0057]
The evaluation results were as follows.
Figure 2004207331
[0058]
In Examples A and B, the organic semiconductor layer was sandwiched between two insulating films (first and second insulating films) formed by the atmospheric pressure plasma method, so that the insulating film was compared with Comparative Example 1 in which one of the insulating films was not provided. As a result, it can be seen that the drain current (leakage current) has been reduced and the ON / OFF ratio has been greatly improved as a switching operation. In particular, when compared with Comparative Examples 2 and 3 in which the method of forming the insulating film is different, it can be seen that the atmospheric pressure plasma method greatly contributes to the drain current (leakage current) and the performance in the ON / OFF ratio as the method of forming the insulating film. .
It can be seen from a comparison with Comparative Example 4 that such an effect is similarly observed in Example C (where the gate electrode is disposed above the organic semiconductor layer) in which the arrangement of the elements is changed.
That is, an active semiconductor layer formed of an organic semiconductor material is very good because of a combination with two insulating films (first and second insulating films) formed by an atmospheric pressure plasma method and an arrangement sandwiching the active semiconductor layer. It has been found that it exhibits excellent characteristics.
Also, from the comparison of I, R, In, and Rn in each of the examples and the comparative example, the organic semiconductor layer is formed of two insulating films (first and second insulating films) formed by the atmospheric pressure plasma method as in the present invention. By being sandwiched, the performance could be maintained at a high level for a long time.
[0059]
【The invention's effect】
From the above, according to the present invention, when an organic semiconductor material is used as an active semiconductor layer in a thin film TFT, characteristics and stability such as an on / off ratio and a leak current of a device are improved. An excellent effect of a thin film transistor can be obtained by combining an insulating film and an organic semiconductor material. Further, film formation can be performed under an atmospheric pressure environment, and a vacuum process is not required, so that manufacturing cost can be reduced and a manufacturing process can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an organic semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a state in which a TFT element using a conventional Si semiconductor is formed on a display panel substrate.
FIG. 3 is a view showing an evaluation system of the device of the present invention.
FIG. 4 is a view showing an apparatus for performing an atmospheric pressure plasma film forming process in the present invention.
[Explanation of symbols]
25: Roll electrode 31: Plasma generation processing vessel 36: Electrode 41: Power supply 51: Gas generator

Claims (22)

ソース電極、ドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極を連結する有機半導体材料からなる活性半導体層、およびゲート電極を有する有機半導体素子であって、
前記活性層が大気圧下におけるプラズマ処理によって形成された絶縁膜に挟まれるように配置されていることを特徴とする有機半導体素子。
A source electrode, a drain electrode, an active semiconductor layer made of an organic semiconductor material connecting the source electrode and the drain electrode, and an organic semiconductor element having a gate electrode,
An organic semiconductor device, wherein the active layer is disposed so as to be sandwiched between insulating films formed by plasma processing under atmospheric pressure.
前記絶縁膜が酸化物または窒化物から成ることを特徴とする前記請求項1記載の有機半導体素子。 2. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is made of an oxide or a nitride. 前記絶縁膜は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンのいずれかから成ることを特徴とする前記請求項2記載の有機半導体素子。 3. The organic semiconductor device according to claim 2, wherein the insulating film is made of any one of silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide. 前記絶縁膜は窒化ケイ素から成ることを特徴とする前記請求項2記載の有機半導体素子。 3. The organic semiconductor device according to claim 2, wherein the insulating film is made of silicon nitride. 前記活性半導体層を形成する有機半導体材料がπ共役系高分子化合物であることを特徴とする前記請求項1乃至4記載の有機半導体素子。 5. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the organic semiconductor material forming the active semiconductor layer is a π-conjugated polymer compound. 前記支持体は樹脂製シートであることを特徴とする前記請求項1乃至5記載の有機半導体素子。 6. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the support is a resin sheet. 前記支持体はプラスチックフィルムであることを特徴とする前記請求項6記載の有機半導体素子。 The organic semiconductor device according to claim 6, wherein the support is a plastic film. 前記支持体はポリマー支持体であることを特徴とする前記請求項1乃至5記載の有機半導体素子。 The organic semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the support is a polymer support. 前記支持体上に前記活性半導体層、前記絶縁膜、前記ゲート電極がこの順序で配置されることを特徴とする前記請求項1乃至8記載の有機半導体素子。 9. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the active semiconductor layer, the insulating film, and the gate electrode are arranged on the support in this order. 前記支持体上に前記ゲート電極、前記絶縁膜、前記活性半導体層がこの順序で配置されることを特徴とする前記請求項1乃至9記載の有機半導体素子。 10. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode, the insulating film, and the active semiconductor layer are arranged on the support in this order. 前記有機半導体素子はトランジスタであることを特徴とする前記請求項1乃至10記載の有機半導体素子。11. The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the organic semiconductor device is a transistor. 有機半導体素子の製造方法であって、
大気圧下におけるプラズマ処理によって第1の絶縁膜を形成するステップ、
前記第1の絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極をチャネルとして配置するステップ、
前記ソース電極およびドレイン電極を連結するように有機半導体材料からなる活性半導体層を配置するステップ、および
前記活性半導体層の上に大気圧下におけるプラズマ処理によって第2の絶縁膜を形成するステップ、を含むことを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
A method for manufacturing an organic semiconductor element,
Forming a first insulating film by plasma treatment under atmospheric pressure;
Arranging a source electrode and a drain electrode as a channel on the first insulating film;
Disposing an active semiconductor layer made of an organic semiconductor material so as to connect the source electrode and the drain electrode, and forming a second insulating film on the active semiconductor layer by plasma treatment under atmospheric pressure. A method for manufacturing an organic semiconductor device, comprising:
前記第1および第2の絶縁膜は大気圧または大気圧近傍の圧力下で反応性ガスをプラズマ励起することにより形成されることを特徴とする前記請求項12記載の有機半導体素子の製造方法。 13. The method for manufacturing an organic semiconductor device according to claim 12, wherein the first and second insulating films are formed by plasma-exciting a reactive gas at or near atmospheric pressure. 支持体上にゲート電極を配置後、前記第1の絶縁膜を形成することを特徴とする前記請求項12乃至請求項13記載の有機半導体素子の製造方法。 14. The method according to claim 12, wherein the first insulating film is formed after disposing a gate electrode on a support. 第2の絶縁膜を形成後にゲート電極を配置することを特徴とする前記請求項12および前記請求項13記載の有機半導体素子の製造方法。 14. The method for manufacturing an organic semiconductor device according to claim 12, wherein a gate electrode is disposed after forming the second insulating film. 前記絶縁膜が酸化物または窒化物から成ることを特徴とする前記請求項12乃至15記載の有機半導体素子の製造方法。 16. The method according to claim 12, wherein the insulating film is made of an oxide or a nitride. 前記絶縁膜は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、および酸化チタンのいずれかから成ることを特徴とする前記請求項16記載の有機半導体素子の製造方法。 17. The method according to claim 16, wherein the insulating film is made of any one of silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide. 前記絶縁膜は窒化ケイ素から成ることを特徴とする前記請求項16記載の有機半導体素子の製造方法。 17. The method according to claim 16, wherein the insulating film is made of silicon nitride. 有機半導体材料がπ共役系高分子化合物であることを特徴とする前記請求項12乃至18記載の有機半導体素子の製造方法。 19. The method according to claim 12, wherein the organic semiconductor material is a π-conjugated polymer compound. 前記支持体は樹脂製シートであることを特徴とする前記請求項12乃至19記載の有機半導体素子の製造方法。 20. The method according to claim 12, wherein the support is a resin sheet. 前記支持体はプラスチックフィルムであることを特徴とする前記請求項20記載の有機半導体素子の製造方法。 21. The method according to claim 20, wherein the support is a plastic film. 前記支持体はポリマー支持体であることを特徴とする前記請求項12乃至19記載の有機半導体素子の製造方法。 20. The method according to claim 12, wherein the support is a polymer support.
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