专利名称：有机半导体材料和场效应晶体管以及场效应晶体管的制造方法
技术领域：
本发明涉及包含通过涂布或印刷有机薄膜半导体材料并进行干燥而得到的有机薄膜的场效应晶体管及其制造方法、以及用于该场效应晶体管及其制造方法的有机半导体材料。更详细而言，本发明涉及由包含有机杂环化合物和特定添加物的半导体材料得到的场效应晶体管及其制造方法。
背景技术：
场效应晶体管一般包含在衬底上的半导体材料上设置有源极、漏极并且隔着上述电极和绝缘体层而设置有栅极等的结构。目前，场效应晶体管使用以硅为中心的无机系半导体材料，特别是使用非晶硅在玻璃等衬底上制成的薄膜晶体管用于显示器等中，还作为 逻辑电路元件用于集成电路中，此外还广泛用于开关元件等。最近，正在积极地进行使用氧化物半导体作为半导体材料的研究，但在使用上述无机系半导体材料的情况下，制造场效应晶体管时需要在高温下或真空中进行处理，不能使用耐热性差的薄膜或塑料等作为所使用的衬底，另外需要高额的设备投资、制造时需要大量的能量，因此成本非常高，其应用范围非常有限。另ー方面，也正在积极开发使用场效应晶体管制造时不需要高温处理的有机半导体材料的场效应晶体管。如果也能够适用于有机半导体材料，则能够通过低温エ艺制造场效应晶体管，从而使可使用的衬底材料的范围扩大。其结果是，能够制作更具有挠性且轻量、不易损坏的场效应晶体管。另外，在场效应晶体管的制作步骤中，通过涂布含有有机半导体材料的溶液或者通过利用喷墨等的印刷方法，也能够以低成本制造大面积的场效应晶体管。但是，以往，由于用于半导体材料的多数有机半导体材料难溶于有机溶剤，因此，不能使用涂布、印刷等廉价的方法，而需要使用成本较高的真空蒸镀法等在半导体的衬底上形成薄膜。目前，已经能够将有机半导体材料溶解于有机溶剂并利用涂布法进行成膜来制成场效应晶体管，从而得到具有较高的载流子迁移率的器件，但使用涂布或印刷工艺并且使用迁移率高且耐久性优良的有机半导体的场效应晶体管尚未实用化，正在积极进行用于提高各晶体管适应性的开发。对于使用硅等无机系材料的半导体元件而言，为了增减膜中的载流子密度，一般需要使用氧气、氢气等氧化性或还原性气体或者氧化性或还原性液体等对有机半导体层进行处理，以通过氧化或还原引起特性变化。该方法是通过向半导体层中加入微量的元素、原子团、分子、高分子来增减半导体层中的载流子密度、从而使作为半导体特性的电导率、载流子极性(P型-n型转换)、费米能级等发生变化的方法，已知例如以下的方法使其接触氧气和氢气等气体、或者浸溃到含有酸或路易斯酸等的溶液中、或者利用无机化合物对碘等卤素原子或钠、钾等金属原子等进行电化学处理的处理方法，以及预先用受电子性或供电子性有机化合物进行处理的方法等。上述处理一般使用以下的方法在制作半导体层前后的形成半导体层以外的步骤中进行，或者利用真空蒸镀法进行共蒸镀，或者混合到制作半导体层时的气氛中，或者使离子在真空中加速而与半导体层撞击等。专利文献I中公开了使用苯并硒吩[3，2-b] [I]苯并硒吩和苯并噻吩[3，2-b] [I]苯并噻吩的烷基衍生物的场效应晶体管。专利文献2中公开了使用苯并噻吩[3，2-b] [I]苯并噻吩的烷基衍生物与具有特定的溶解度參数的高分子化合物的混合液的场效应晶体管。专利文献3中公开了使用含有苯并噻吩[3，2-b] [I]苯并噻吩的烷基衍生物和高分子材料的材料的场效应晶体管。专利文献4中公开了通过使碘或金属与并五苯薄膜接触而增大电流值的技木。专利文献5中公开了通过使用将混合有多并苯化合物与过量的碘或丁基锂的溶液进行涂布干燥而得到的薄膜来改善电导率的技木。
专利文献6中公开了通过在预先涂布受电子性或供电子性化合物后层叠高分子半导体来改变阈值电压的技木。非专利文献I中公开了使用苯并噻吩[3，2-b] [I]苯并噻吩的烷基衍生物的场效
应晶体管。非专利文献2中公开了使用苯并噻吩[3，2-b] [I]苯并噻吩的烷基衍生物并利用表面选择性沉积法而制成的场效应晶体管。现有技术文献专利文献专利文献I :国际公开第2008/047896号国际公开小册子专利文献2 :日本公开专利公报“日本特开2009-267372号公报”专利文献3 :日本公开专利公报“日本特开2009-283786号公报”专利文献4 日本公开专利公报“日本特开平5-55568号公报”专利文献5 日本专利“第4219807号公报”专利文献6 :日本公开专利公报“日本特开2009-266865号公报”非专利文献非专利文献I J. Am. Chem. Soc. 2007，129，15732.非专利文献2 :Applied Physics Letters, 94, 93307 (2009).
发明内容
发明所要解决的问题本发明目的在于提供不仅能够在维持高载流子迁移率的同时改善阈值电压的降低等半导体特性、而且具备能够以较少的步骤形成均匀性高的薄膜的印刷适应性的优良的场效应晶体管。用于解决问题的方法本发明人为了解决上述问题而进行了深入的研究，结果发现，使用在有机溶剂中混合有特定的有机杂环化合物和具有特定取代基的受电子性材料的有机半导体材料作为半导体材料来形成场效应晶体管的情况下，能够提供不仅能够在维持高载流子迁移率的同时改善阈值电压的降低等半导体特性、而且具备能够以较少的步骤形成均匀性高的薄膜的印刷适应性的实用的场效应晶体管，从而完成了本发明。SP，本发明涉及(I) 一种有机半导体材料，其通过使下式⑴表示的化合物和具有氰基的受电子性化合物溶解和/或分散在至少ー种有机溶剂中而形成，
r^R!⑴式(I)中，R1和R2各自独立地表示未取代的C1-C36脂肪族烃基或卤素取代的C1-C36脂肪族烃基。发明效果
在使用使上述式(I)表示的化合物和具有氰基的受电子性化合物溶解和/或分散在至少ー种有机溶剂中而形成的有机半导体材料来形成场效应晶体管的情况下，能够提供不仅能够在维持高载流子迁移率的同时改善阈值电压的降低等半导体特性、而且具备能够以较少的步骤形成均匀性高的薄膜的优良的印刷适应性的实用的场效应晶体管。
图I是表示本发明的场效应晶体管的结构的一例的示意图。
具体实施例方式对本发明进行详细说明。本发明涉及通过使特定的有机杂环化合物和具有氰基的受电子性化合物溶解和/或分散在至少ー种有机溶剂中而形成的有机半导体材料、以及使用该有机半导体材料的场效应晶体管及其制造方法。首先，对上述式(I)表示的化合物进行说明。上述式(I)中，R1和R2各自独立地表示未取代或卤素取代的C1-C36脂肪族烃基。脂肪族烃基为饱和或不饱和的直链、支链或环状脂肪族烃基，优选为直链或支链脂肪族烃基，进ー步优选为直链脂肪族烃基。碳原子数通常为C1-C36，优选为C2-C24，更优选为C4-C20，进ー步优选为C6-C12。作为直链或支链饱和脂肪族烃基的具体例，可以列举甲基、こ基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、叔戊基、仲戊基、正己基、异己基、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、方酰基、三十ニ烷基、三十六烷基等。另外，作为环状饱和脂肪族烃基的具体例，可以列举环己基、环戊基、金刚烷基、降冰片基等。作为直链或支链不饱和脂肪族烃基的具体例，可以列举こ烯基、芳基、二十碳ニ烯基、11，14- 二十碳ニ烯基、香叶基(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-丙块基、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。
直链、支链和环状脂肪族烃基中，优选直链或支链脂肪族烃基，特别优选直链脂肪
族烃基。饱和或不饱和脂肪族烃基可以列举饱和烷基、包含碳-碳双键的烯基和包含碳-碳三键的炔基，更优选为烷基或炔基，进ー步优选为烷基。作为脂肪族烃残基，也包括上述饱和或不饱和脂肪族烃基组合而成的脂肪族烃残基，即在脂肪族烃基中的部位同时包含碳-碳双键、碳-碳三键的情況。卤素取代的脂肪族烃基是指任意种类的卤素原子在上述脂肪族烃基的任意位置以任意数量进行取代而得到的脂肪族烃基。作为卤素原子，可以列举氟原子、氯原子、溴原子、碘原子，优选列举氟原子、氯原子、溴原子，更优选列举氟原子和溴原子。作为卤素取代的脂肪族烃基的具体例，可以列举氯甲基、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过例如专利文献I和非专利文献I中记载的公知 的方法来合成。上述式(I)表示的化合物的纯化方法没有特别限定，可以采用重结晶、柱层析和真空升华纯化等公知的方法。另外，可以根据需要将上述方法组合使用。下表I中示出上述式(I)表示的化合物的具体例。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 异 C6H13 异 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权利要求
1.一种有机半导体材料，其通过使下式(I)表示的化合物和具有氰基的受电子性化合物溶解和/或分散在至少一种有机溶剂中而形成， 式(I)中，R1和R2各自独立地表示未取代的C1-C36脂肪族烃基或卤素取代的C1-C36脂肪族烃基。
2.如权利要求I所述的有机半导体材料，其中，式(I)中的R1和R2各自独立地为C12以下的直链脂肪族烃基。
3.如权利要求I或2所述的有机半导体材料，其中，具有氰基的受电子性化合物为四氰基对苯醌二甲烷或其衍生物。
4.如权利要求r3中任一项所述的有机半导体材料，其中，具有氰基的受电子性化合物相对于式(I)表示的化合物的含量为10质量％以下。
5.一种场效应晶体管，其特征在于，包含由权利要求r4中任一项所述的有机半导体材料得到的有机薄膜。
6.一种场效应晶体管的制造方法，其中，通过涂布或印刷权利要求广4中任一项所述的有机半导体材料并进行干燥而形成有机薄膜。
7.一种场效应晶体管的制造方法，用于制造具备栅极、栅极绝缘体层、半导体层、源极和漏极的场效应晶体管，其中，通过在衬底或栅极绝缘体层上的源极与漏极之间涂布或印刷权利要求r4中任一项所述的有机半导体材料并进行干燥而形成有机薄膜。
全文摘要
一种有机半导体材料，其通过使下式(1)和具有氰基的受电子性化合物溶解和/或分散在至少一种有机溶剂中而形成。式(1)中，R1和R2各自独立地表示未取代或卤素取代的C1-C36脂肪族烃基。
文档编号H01L51/40GK102770979SQ20118001002
公开日2012年11月7日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月7日
发明者贞光雄一 申请人:日本化药株式会社