説明

有機化合物または有機金属化合物、および半導体装置

【課題】半導体特性の良好な有機化合物または有機金属化合物を提供する。また、これらの化合物を用いることにより半導体装置の特性の向上を図る。
【解決手段】本発明の有機化合物または有機金属化合物は、複素芳香環または縮合複素芳香環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入している。また、芳香環と複素芳香環の縮合環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入している。上記複素芳香環、縮合複素芳香環または芳香環と複素芳香環の縮合環は、電子共役系であり、動き回れる電子をもっていることから、全体として半導体特性を有する。さらに、これらに酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入することで、ドナー性もしくはアクセプター性が向上し、移動度を大きくすることができる。上記複素芳香環は、例えば、チオフェンのような含カルコゲン複素5員環であり、上記骨格は、例えば、メタロセン(フェロセン)である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機化合物または有機金属化合物、および半導体装置に関し、特に、半導体特性の良好な有機半導体材料に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、TFT(thin film transistor、薄膜トランジスタ)用の半導体材料として、有機半導体材料が注目を集めている(例えば、下記非特許文献参照)。有機半導体は、塗布法や真空蒸着法といった簡便な技術を用いることによって容易に薄膜形成が可能であることに加え、アモルファスまたは多結晶シリコンを用いた従来のTFTに比べて、製造プロセス温度を低温化できるという利点がある。プロセス温度の低温化により、耐熱性の低いプラスチック基板上への形成が可能となり、ディスプレイの軽量化や低コスト化、さらにはプラスチック基板のフレキシビリティを活かしたことによる用途の多様化等が期待される。
【非特許文献1】「有機トランジスタ材料の評価と応用」、シーエムシー出版、第1章 材料
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
有機半導体材料において重要な物理パラメータの一つとしてキャリア移動度があげられる。しかしながら、有機半導体材料は、分子間相互作用が小さく、分子自身の個性を強く発揮するため、その移動度は無機の半導体材料に比べて小さいものであり、実用化の大きな妨げの原因となっていた。
【0004】
本発明者らは、有機半導体材料の特性に関する研究・開発を行っている。特に、電子共役系(π共役系)を分子間により効率的に広げるための分子設計により移動度のさらなる向上を図ることを検討している。
【0005】
そこで、本発明に係る具体的態様は、半導体特性の良好な有機化合物または有機金属化合物を提供することを目的とする。また、本発明に係る具体的態様は、上記有機化合物または有機金属化合物を用いることにより半導体装置の特性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る有機化合物または有機金属化合物は、複素芳香環または縮合複素芳香環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入している。また、本発明に係る有機化合物または有機金属化合物は、芳香環と複素芳香環の縮合環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入している。
【0007】
上記、複素芳香環、縮合複素芳香環または芳香環と複素芳香環の縮合環は、電子共役系であり、動き回れる電子(又はホール)をもっていることから、全体として半導体特性を有する。さらに、これらに酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格(置換基)を導入することで、ドナー性もしくはアクセプター性が向上し、移動度を大きくすることができる。
【0008】
例えば、前記複素芳香環は、含カルコゲン複素5員環である。また、前記縮合複素芳香環は、含カルコゲン複素5員環の縮合環である。さらに、前記含カルコゲン複素5員環は、チオフェンである。かかる構成により移動度の向上を図ることができる。
【0009】
本発明に係る有機化合物または有機金属化合物は、芳香環または縮合芳香環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入している。このように、電子共役系として芳香環または縮合芳香環を用いてもよい。
【0010】
例えば、前記骨格は、メタロセンである。また、前記メタロセンは、フェロセンである。メタロセンやその一種であるフェロセンは、安定的な酸化還元特性を示すため、ドナー性もしくはアクセプター性が向上する。よって、さらに、移動度を大きくすることができる。
【0011】
上記有機化合物または有機金属化合物は、混合原子価状態を形成可能である。即ち、酸化還元点の原子価を変化させることにより、ドナー性もしくはアクセプター性を向上できる。
【0012】
上記酸化還元点は、メタロセンの金属部もしくはフェロセンのFe部である。このように、金属部の原子価数、例えば、Fe(III)/Fe(II)を変化させることで、移動度を大きくすることができる。
【0013】
本発明に係る半導体装置は、有機半導体層を有する半導体装置であって、前記有機半導体層中に、上記有機化合物または有機金属化合物を有する。かかる構成により、半導体装置の特性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
<実施の形態1>
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。以下に、テトラフェロセニルチオフェン(Tetraferrocenylthiophene)の構造を示す。
【0015】
【化1】

【0016】
このように、テトラフェロセニルチオフェンは、チオフェン(C44S)のH(水素)と、フェロセニル基(Fc:C109Fe−)が置換した構成を有する。フェロセン(C1010Fe)は、鉄(Fe)の上下に、シクロペンタジエニル環が配位した非常に安定なサンドイッチ構造を有する有機金属化合物である。フェロセン内の鉄は2価イオン(II)となっているが、電子を放出、即ち、酸化されて3価(III)のフェリシニウムとなる。この反応は可逆的酸化還元反応である。
【0017】
次いで、テトラフェロセニルチオフェンを用いたTFT(半導体装置)の製造方法を説明する。
【0018】
図1は、本実施の形態のTFT(半導体装置)の製造工程を示す工程断面図である。図1(A)に示すように、基板11上に導電性膜を形成し、所望の形状にパターニングすることによりゲート電極12を形成する。例えば、導電性粒子を含む液状材料を基板11上にインクジェット法を用いて吐出し、乾燥、焼成(固化)することにより導電性膜を形成する。この導電性膜上にフォトレジスト膜を塗布し、所望の形状に露光・現像した後、当該フォトレジスト膜(レジストマスク)をマスクに、導電性膜をエッチングすることによりゲート電極12を形成する。このフォトレジスト膜の形成、露光・現像、エッチングおよびフォトレジスト膜除去の一連の工程を「パターニング」という。なお、基板11として、シリコン基板を用いる場合には、シリコン基板に不純物を部分的に注入することにより、ゲート電極12を形成してもよい。また、追って詳述するリフトオフ法を用いてゲート電極12を形成してもよい。
【0019】
次いで、ゲート電極12上にゲート絶縁膜13を形成する。例えば、絶縁材料またはその前駆体を含む溶液を、塗布法を用いて、ゲート電極12上に塗布(供給)した後、熱処理を施すことによりゲート絶縁膜13を形成する。あるいは、インクジェット法を用いて上記溶液を吐出し、熱処理を施すことによりゲート絶縁膜13を形成してもよい。また、シリコン基板の表面を熱酸化することにより、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜13を形成してもよい。
【0020】
次いで、図1(B)に示すように、ゲート絶縁膜13上に、導電性膜を形成した後、パターニングすることにより、ソース電極14およびドレイン電極15を形成する。
【0021】
この導電性膜は、例えば、真空蒸着法により、金属膜を堆積することにより形成する。この他、スパッタリング法やメッキ法、プラズマCVD(chemical vapor deposition)法などを用いて形成してもよい。また、ゾル・ゲル法やMOD(Metal-organic decomposition、有機金属堆積)法を用いてもよい。次いで、上記導電性膜をパターニングする。
【0022】
なお、ソース電極14およびドレイン電極15をリフトオフ法により形成してもよい。即ち、基板11上に、ソース電極14およびドレイン電極15の形状に対応した開口部を有するレジストマスクを形成し、基板11上の全体に導電性膜を堆積させる。その後、レジストマスクを剥離することにより、レジストマスクの開口部にのみ導電性膜を残存させ、ソース電極14およびドレイン電極15を得る。
【0023】
次に、図1(C)に示すように、ソース電極14およびドレイン電極15間に、テトラフェロセニルチオフェンを用いて有機半導体膜17を形成する。テトラフェロセニルチオフェンを用いた有機半導体膜17は、p型である。
【0024】
有機半導体薄膜17は、例えば、真空蒸着法、塗布法またはインクジェット法により形成することができる。塗布法(スピンコート法)によれば、簡易に膜を形成することができる。例えば、上述したテトラフェロセニルチオフェンを溶媒に溶かして得られた溶液を塗布した後、必要に応じて、この塗膜に対して後処理(例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等)を施すことにより形成する。
【0025】
また、インクジェット法を用いて、有機半導体膜17を形成してもよい。インクジェット法によれば、レジストマスクを形成することなく、所望の領域にのみ有機半導体薄膜を形成することができる。これにより、材料の使用量を削減することができ、製造コストの削減を図ることができる。また、インクジェット法を用いることにより、フォトレジストや現像液、剥離液などの化学薬品や、酸素プラズマ、CF4プラズマなどのプラズマ処理を使わなくて済む。そのため、有機半導体材料の特性が変化(例えば、ドープされる)したり、劣化したりするおそれがない。
【0026】
以上により、本実施の形態のTFTが得られる。このTFTは、ボトムゲート型の有機薄膜トランジスタである。なお、有機半導体膜17とゲート絶縁膜13との間に修飾膜を形成してもよい。例えば、修飾膜としてヘキサメチルジシラザンをCVD法により形成する。この修飾膜は、ゲート絶縁膜13への有機半導体薄膜17との界面を制御する役割を果たす。
(実施例)
次いで、上記構成のTFTの特性を測定した。測定対象のTFTは、基板11として、不純物がドープされた単結晶シリコン基板(シリコウエハ)を用い、不純物が導入された導電性領域をゲート電極12としたものである。詳細には、ゲート絶縁膜13として、基板11の表面を熱酸化することにより形成された厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、さらに、ソース電極14及びドレイン電極15として、真空成膜法より形成された金(Au)をパターニングしたTFTを用いた。また、ソース電極14とドレイン電極15の距離(チャネル長)は、50μm、チャネル幅は、2mmとした。また、有機半導体膜17としてテトラフェロセニルチオフェンを真空蒸着した膜を用いた。
【0027】
上記TFTのID−VD特性、ID−VG特性を図2(A)および(B)に示す。測定は、いずれも大気中で行った。図2(A)は、ゲート電位VGを0V〜−80Vまで−10Vずつ変化させた場合のID(ドレイン電流)とVD(ドレイン電圧)との関係を示す図である。なお、−10Vと−20Vの場合のID−VD特性は、0Vの場合のID−VD特性とほぼ重なっている。図2(B)は、VD=−80(V)とした場合のID−VG特性を、横軸をVGとし、縦軸を(a)IDの絶対値の1/2乗プロットと、(b)IDの絶対値の対数プロットで表した図である。左側の縦軸が(a)を、右側の縦軸が(b)を示す。
【0028】
図2(A)に示すように、ゲート電位VDに負電位が印加されるとドレイン電流VDが流れ、半導体特性が確認された。また、ゲート電位VDの絶対値が大きくなればなるほどドレイン電流VDが増加し、良好な半導体特性が確認された。即ち、図2(B)のグラフ(b)に示すように、0V近傍から負電位にかけて急峻にグラフが立ち上がっており、TFT特性が良好であることが確認できた。さらに、グラフ(b)、(a)に示すように、0Vから−80Vへ変化させた場合のグラフ(a1)(b1)と、−80Vから0Vへ変化させた場合のグラフ(a2)(b2)との差が小さく(ヒステリシスが小さく)、TFT特性が良好であることが確認された。
【0029】
上記の通り、テトラフェロセニルチオフェンについて、良好な半導体特性が確認できた。よって、上記の通りテトラフェロセニルチオフェンを半導体膜として用いてTFTなどの半導体装置を形成することが可能であり、その特性も良好であることが確認できた。
(考察)
以上、詳細に説明したように、テトラフェロセニルチオフェンについては、大気中で良好な半導体特性が得られた。このような特性の向上が図られるのは、安定的に酸化還元点(酸化還元電位点)を有するフェロセンが結合(置換)しているためと考えられる。即ち、Fe(III)のフェロセンにより、ホールが生じ、当該ホール密度が向上することによりキャリア(ホール)の移動度が向上する(ドナー性が向上する)と推測される。また、電子共役系であるチオフェンの電子軌道(電子雲)が、Fe(II)、Fe(III)のいずれのフェロセンのシクロペンタジエニル環にまで非局在化し、安定性の一つの指標である電子の最高被占有軌道(HOMO:Highest Occupied Molecular Orbital)のエネルギーレベルの低下により、安定な特性を示し、キャリアの移動度が向上すると推測される。
【0030】
従って、チオフェンに限られず他の電子共役系であるの化学物質を基本骨格(主骨格)とし、安定的な酸化還元点を有する化学物質(基、置換基)が結合した有機化合物材料についても、良好な半導体特性を有すると考えられる。具体的な材料については、実施の形態2で詳細に説明する。
<実施の形態2>
実施の形態1においては、有機半導体膜17の材料としてテトラフェロセニルチオフェンを用いたが、以下に示す有機化合物材料を用いてもよい。なお、TFTの構造およびその製造方法は、実施の形態1と同様であるためその説明を省略する。また、本実施の形態で用いられる有機化合物材料を図3〜図5に示す。図3においては、参考までに、テトラフェロセニルチオフェン〔化1〕の構造も示した。
(有機化合物材料)
<グループA>
有機半導体膜17の材料として〔化2〕〜〔化5〕に示す材料を用いてもよい(図3参照)。これらの化合物においては、チオフェンに2つのフェロセニル基が結合(置換)している。
【0031】
【化2】

【0032】
【化3】

【0033】
【化4】

【0034】
【化5】

【0035】
<グループB>
また、有機半導体膜17の材料として〔化6〕〜〔化9〕に示す材料を用いてもよい(図3参照)。これらの化合物においては、チオフェンに2つのフェロセニル基と2つのベンジル基(C65−)が結合している。
【0036】
【化6】

【0037】
【化7】

【0038】
【化8】

【0039】
【化9】

【0040】
<グループC>
また、有機半導体膜17の材料として〔化10〕〜〔化13〕に示す材料を用いてもよい(図4参照)。これらの化合物においては、チオフェンとベンゼン(C66)の縮合環に1つのフェロセニル基が結合している。〔化11〕の化合物においては、フェロセニル基の他、ベンジル基が結合している。〔化12〕の化合物においては、フェロセニル基の他、メトキシベンジル基(CH3O−C64−)が結合している。〔化13〕の化合物においては、フェロセニル基の他、トリフルオロメチルベンジル基(CF3−C64−)が結合している。このように、芳香環とチオフェンの縮合環を基本骨格としてもよい。
【0041】
【化10】

【0042】
【化11】

【0043】
【化12】

【0044】
【化13】

【0045】
また、有機半導体膜17の材料として〔化14〕および〔化15〕に示すように、チオフェンとベンゼン(C66)の縮合環に2つのフェロセニル基が結合した材料を用いてもよい(図4参照)。
【0046】
【化14】

【0047】
【化15】

【0048】
<グループD>
また、有機半導体膜17の材料として〔化16〕および〔化17〕に示す材料を用いてもよい(図4参照)。〔化16〕の化合物においては、チオフェンとビシクロ[2,2,2]オクタン(C814)の縮合環に2つのフェロセニル基が結合している。また、〔化17〕の化合物においては、チオフェンとシクロヘキサン(C612)の縮合環に2つのフェロセニル基が結合している。このように、シクロアルカンなどの脂環式有機化合物とチオフェンの縮合環を基本骨格としてもよい。
【0049】
【化16】

【0050】
【化17】

【0051】
<グループE>
また、有機半導体膜17の材料として〔化18〕および〔化19〕に示すように、チオフェンの縮合環を基本骨格としてもよい(図5参照)。これらの化合物においては、2つのチオフェンの縮合環に2つのフェロセニル基が結合している。
【0052】
【化18】

【0053】
【化19】

【0054】
<グループF>
また、有機半導体膜17の材料として〔化20〕および〔化21〕に示すように、ベンゼンと2つのチオフェンの縮合環を基本骨格としてもよい(図5参照)。これらの化合物においては、ベンゼンの両側に2つのチオフェンがそれぞれ縮合した縮合環に2つのフェロセニル基が結合している。
【0055】
【化20】

【0056】
【化21】

【0057】
<グループG>
また、有機半導体膜17の材料として〔化22〕〜〔化24〕に示す材料を用いてもよい(図5参照)。即ち、チオフェンの変わりに、セレノフェン(C44Se)を基本骨格としてもよい。〔化22〕の化合物においては、セレノフェンに2つのフェロセニル基が結合している。〔化23〕および〔化24〕の化合物においてはセレノフェンとベンゼンの縮合環に、2つのフェロセニル基が結合している。
【0058】
【化22】

【0059】
【化23】

【0060】
【化24】

【0061】
以上、詳細に説明したように、チオフェンやセレノフェンのような含カルコゲン複素5員環である複素芳香環もしくは縮合複素芳香環を基本骨格としてもよい(例えば、〔化1〕、グループA、B、E、〔化22〕)。
【0062】
また、ベンゼンのような芳香環と上記複素芳香環の縮合環を基本骨格としてもよい(例えば、グループC、〔化23〕、〔化24〕)。また、脂環式有機化合物と上記複素芳香環の縮合環を基本骨格としてもよい(例えば、グループD)。
【0063】
また、電子共役系の材料として、ベンゼンなどの芳香環または縮合芳香環を基本骨格としてもよい。
【0064】
また、縮合の化合物数は、上記例示(〔化1〕〜〔化24〕)のものに限られず、例えば、高分子であってもよい。
【0065】
また、酸化還元点を有する置換基(骨格)としては、Feイオンにシクロペンタジエニルアニオンが上下2個配位結合したフェロセンの他、Mn(マンガン)にシクロペンタジエニルアニオンが上下2個配位結合した基((C552Mn)やCo(コバルト)にシクロペンタジエニルアニオンが上下2個配位結合した基((C552Co)などを用いてもよい。このような、2つの5員環ではさまれた金属化合物は、「メタロセン」と総称される。これらの材料は、混合原子価状態を形成可能であり、置換基として取り込むことで、キャリアの移動度を向上させることができる。メタロセン以外であっても、酸化還元点を安定的に有する材料(特に、錯体)であれば、置換基として用いることができる。
【0066】
また、置換基としてベンゼンやベンジル化合物の電子共役系化合物を組み合わせることにより電子雲の広がりを制御でき、キャリアの移動度の向上を図ることができる(例えば、グループB、〔化11〕、〔化12〕、〔化13〕参照)。
【0067】
このように、上記有機化合物材料(〔化2〕〜〔化24〕)を半導体膜として用いることで、ドナー性が向上し、移動度を大きくすることができる。
【0068】
なお、上記実施の形態のTFTは、例えば、各種表示装置のアクティブマトリクス基板に利用できる。表示装置としては、電気泳動表示装置、液晶表示装置、有機EL(electroluminescence)表示装置、無機EL表示装置等が挙げられる。
【0069】
これらの表示装置は、各種電子機器の表示部として利用される。このような電子機器として、例えば、テレビ、電子ペーパ、ビューファインダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、電子新聞、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、タッチパネルを備えた機器等を挙げることができる。
【0070】
また、上記実施の形態においては、ボトムゲート構造のTFTを例に説明したが、上記実施の形態は、かかる構成に限られず、例えば、トップゲート構造のTFTに適用してもよい。また、TFTに限られず、他の半導体素子にも適用できる。また、発光デバイスなどにも適用可能である。
【0071】
このように、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】実施の形態1のTFT(半導体装置)の製造工程を示す工程断面図である。
【図2】実施の形態1のTFTのID−VD特性、ID−VG特性を示す図(グラフ)である。
【図3】実施の形態2で用いられる有機化合物材料を示す図表である。
【図4】実施の形態2で用いられる有機化合物材料を示す図表である。
【図5】実施の形態2で用いられる有機化合物材料を示す図表である。
【符号の説明】
【0073】
11…基板、12…ゲート電極、13…ゲート絶縁膜、14…ソース電極、15…ドレイン電極、17…有機半導体薄膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複素芳香環または縮合複素芳香環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入した有機化合物または有機金属化合物。
【請求項2】
芳香環と複素芳香環の縮合環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入した有機化合物または有機金属化合物。
【請求項3】
前記複素芳香環は、含カルコゲン複素5員環であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項4】
前記縮合複素芳香環は、含カルコゲン複素5員環の縮合環であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項5】
前記含カルコゲン複素5員環は、チオフェンであることを特徴とする請求項3又は4記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項6】
芳香環または縮合芳香環に酸化還元点を有する少なくとも一つの骨格を導入した有機化合物または有機金属化合物。
【請求項7】
前記骨格は、メタロセンであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項8】
前記メタロセンは、フェロセンであることを特徴する請求項7記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項9】
前記有機化合物または有機金属化合物は、混合原子価状態を形成可能であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項10】
前記酸化還元点は、メタロセンの金属部もしくはフェロセンのFe部であることを特徴する請求項1乃至9のいずれか一項記載の有機化合物または有機金属化合物。
【請求項11】
有機半導体層を有する半導体装置であって、
前記有機半導体層中に、請求項1乃至10のいずれか一項記載の有機化合物または有機金属化合物を有することを特徴とする半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2008−294304(P2008−294304A)
【公開日】平成20年12月4日(2008.12.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−139624(P2007−139624)
【出願日】平成19年5月25日(2007.5.25)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】