[发明专利]有机半导体材料、有机半导体薄膜以及有机薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及有机半导体材料、由该材料形成的有机半导体薄膜、利用了该有机半导体薄膜的有机薄膜晶体管，该有机半导体材料包含由苝四羧酸酰二亚胺环形成的环状共轭系骨架结构的两个氮原子与具有2价的氧原子、硒原子或硫原子的烷基键合而成的3,4:9,10-苝四甲酰二亚胺衍生物。

背景技术

近年来高度信息化社会进展显著，数码技术的发展使得计算机、计算机互联网等通信技术渗透到了日常生活中。随之而来，薄型电视机和个人电脑的普及加速，从而对液晶显示器、有机EL显示器、电子纸等的显示屏的要求也不断高涨。特别是，近年来随着显示器的大型化，精细化也不断发展，从而要求组装与像素数相应的比以往更多的场效应晶体管。在液晶显示器中，将场效应晶体管作为有源元件配置在各像素上，对信号进行开/关控制，从而能够驱动液晶。

作为用于有源元件的场效应晶体管，可以使用薄膜晶体管。薄膜晶体管的性能由所使用的半导体材料的种类和结构决定，但特别是通过得到大载体迁移率以及高开/关比，可以得到大电流。如果能够得到大电流，则不仅能够以更高精度进行有机EL等的驱动，而且能够实现薄膜晶体管的微细化以及对比度的提高。

在用于有源元件的薄膜晶体管中，可以使用非晶硅或多晶硅等硅系的半导体。使这些硅半导体多层化，在基板上形成源电极、漏电极以及栅电极，由此制造薄膜晶体管。

但是，在使用了硅半导体的薄膜晶体管的制造中，需要大规模且价格高的制造设备，另外，由于使用光刻法，因此需要经过多个工序，有制造成本增高这样的经济上的问题。另外，其制造温度需要设为300℃至500℃以上的高温，因此不仅制造成本增高，而且有难以形成在塑料基板或柔性塑料膜上这样的技术上的问题。

另一方面，使用了由有机半导体材料形成的有机半导体薄膜的有机薄膜晶体管是通过蒸镀法、印刷法、涂布法等各种制膜法制作的，具有低成本化、大面积化、轻量化的可能性。另外，有机半导体薄膜与无机半导体层相比，能够在低温下制作，实现低成本化，并且能够形成在塑料基板或柔性塑料膜上，从而能够实现轻量化以及向柔性电子设备等中的应用。

由此，至今已经对多种有机半导体材料进行了研究，已知利用了共轭高分子化合物或低分子化合物作为有机半导体薄膜的半导体材料。半导体中有n型半导体和p型半导体，期待开发显示出更优良的晶体管特性等的n型半导体材料以及p型半导体材料。n型半导体材料中，电子作为主要的载体而移动，由此产生电流，p型半导体材料中，空穴（正孔）作为主要的载体而移动，由此产生电流。

作为显示出作为有机薄膜晶体管的高性能的有机半导体材料，已知有：并五苯（pentacene）系材料或噻吩系材料，但这些为显示p型特性的半导体材料。相对于此，关于高性能的n型有机半导体材料的报告很少，期待开发高性能的n型有机半导体材料。为了有机电子进一步发展，需要低电力消耗、更单纯的电路等，需要n型以及p型二种有机半导体材料的互补型金属氧化物半导体(CMOS)这样的有机互补型MOS电路变得必要。因此，期待开发比以前更高性能的n型有机半导体材料。

至今，作为n型有机半导体材料，已知有：萘酰亚胺、萘二酰亚胺以及它们的衍生物。但是，这些n型有机半导体材料中，对于作为薄膜晶体管的高性能没有报道。另外，非专利文献1中记载了具有苝骨架的低分子化合物能够用于显现出高性能的有机薄膜晶体管的可能性(非专利文献1：电子迁移率为1.7cm²/Vs)。

关于通过真空蒸镀法形成的使用了由苝四羧酸衍生物形成的有机半导体膜的有机薄膜晶体管，例如有下述公开内容。专利文献1中记载了：由包含具有用含氟基团取代的碳环式或杂环式芳香环系的苝四甲酰二亚胺衍生物的有机半导体材料层形成的薄膜晶体管的迁移率为0.05~0.2cm2/Vs，开/关比为10⁴~10⁵，显示出空气中的稳定性以及优良的再现性。另外，专利文献2中记载了：由包含具有取代型或非取代型苯基烷基的苝四羧酸酰二亚胺衍生物的有机半导体材料层形成的薄膜晶体管的迁移率为0.04~0.7cm²/Vs，开/关比为10⁴~10⁵，显示出空气中的稳定性、以及优良的再现性。