JP4570341B2 - 薄膜トランジスタおよびそれを用いた表示素子、ならびに液晶表示素子 - Google Patents
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Description
本発明はトランジスタおよび液晶表示素子に関し、特に有機高分子層を含むトランジスタおよびそれを用いた表示素子、ならびに、有機高分子層を含む液晶表示素子に関する。
近年、ＣＲＴに変わる表示素子として、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬ、またはプラズマディスプレイパネル等が着目されているが、これらの表示素子はＣＲＴと比較して、価格が高いという問題がある。従って、更なる普及のために、一層の低価格化が求められている。
第一の低価格化の手法として、有機薄膜半導体を用いた薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）のうち、例えば電界効果型トランジスタ（有機ＦＥＴ）をアクティブ素子に適用することが挙げられる（例えば特許文献１〜３）。有機ＴＦＴは、比較的簡便な方法で作製できるという利点を有する。
現行のアモルファスシリコンやポリシリコンＴＦＴの絶縁層や半導体層を作成するプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置や、電極形成に使用するスパッタ装置は高額である。また、ＣＶＤ法は２３０度〜３５０度の高温条件を必要とし、また、クリーニング等の保守を頻繁に行う必要があり、スループットが低い。これに対して、有機ＴＦＴを作製する塗布装置、インクジェット装置等はＣＶＤ装置やスパッタ装置と比較して安価であり、成膜温度が低く、メンテナンスが簡単である。従って、液晶表示素子や有機ＥＬ等の表示素子に有機ＦＥＴを適用すれば、低コスト化を実現できる。
表示素子のうち液晶表示素子では、第二の低価格化の手法として、液晶表示素子の表示部の設計を簡便にする手法が挙げられる。
一般に液晶表示素子は、ＴＦＴが形成された基板、およびカラーフィルタが形成された基板の上に、スパッタリング等の方法で電極を形成し、その上に配向膜を塗布し、焼成、ラビング、基板の貼り合わせ、液晶材料の注入、および封止を行うことによって作製されるので、製造工程数が非常に多く、製造コストが高い。また、ラビング処理等を施すと、静電気やラビング布の影響により、歩留まりの低下を招く。従って、予め基板上にリブを形成させることによりラビングを行わない工程を用いたり、光配向技術の検討が行われている（例えば特許文献４および５）。
特開平５−１０７５２３号公報
特開２００３−１９２４９９号公報
特開平１０−１２５９２４号公報
特開２００１−２８１６６９号公報
特開平１０−１２３５２１号公報
しかしながら第一の低価格化の手法では、一般的な有機ＴＦＴは、ガラス等の透明基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体膜が形成されなければならず、製造工程数が多いため、半導体層に塗布プロセスを用いることが可能になっても、有機ＴＦＴおよびそれを備えた表示素子の製造コストを十分に低くすることができない。
また、液晶表示素子に対する第二の低価格化の手法では、ラビングを行わない代わりに、リブ形成のプロセス導入や、光配向プロセスを行わなければならず、液晶表示素子の製造コストを十分に低くすることができない。
本発明は上記の諸点に鑑みてなされたものであり、低コストで製造可能な、トランジスタおよびそれを用いた表示素子、ならびに液晶表示素子を提供することを目的とする。
本発明のトランジスタは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた有機層と、前記有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、前記有機層は、導電性部位と絶縁性部位とを有する複合機能型有機高分子を含み、これにより上記の課題が解決される。
前記複合機能型有機高分子は直鎖型高分子であってもよい。
前記複合機能型有機高分子はデンドリック高分子であってもよい。
前記有機層は、前記複合機能型有機高分子の前記絶縁性部位を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有することが好ましい。
前記有機層は、ドーパントを含んでもよい。
本発明のトランジスタは、前記第３電極によって印加された電界に対する前記有機層の電界効果を利用する電界効果型トランジスタであってもよい。
本発明のトランジスタは、ナノメータスケールの大きさを有してもよい。
本発明の表示素子は、上記のトランジスタと、前記トランジスタに接続された画素とを備え、これにより上記の課題が解決される。
本発明の表示素子は、基板と、前記基板上に形成されたトランジスタとを有する表示素子であって、前記トランジスタは、導電性部位および絶縁性部位を有する複合機能型有機高分子を含む有機層と、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを有し、前記有機層と、前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極とのいずれの間にも絶縁層が設けられておらず、これにより、上記の課題が解決される。
前記有機層は、前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極のそれぞれと直接接触していてもよい。
本発明の液晶表示素子は、互いに対向する第１基板および第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶層と、前記液晶層と前記第１基板との間、および、前記液晶層と前記第２基板との間のうちの少なくとも一方に設けられた有機層とを有し、前記有機層は、導電性部位と絶縁性部位とを有する複合機能型有機高分子を含み、これにより上記の課題が解決される。
前記有機層はドーパントを含んでもよい。
前記複合機能型有機高分子は直鎖型高分子であってもよい。
前記複合機能型有機高分子はデンドリック高分子であってもよい。
前記有機層は、前記複合機能型有機高分子の前記絶縁性部位を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有することが好ましい。
前記有機層は、前記液晶層と直接接触していてもよい。
前記有機層は、前記液晶層に含まれる液晶分子を、自己組織化構造と関連付けられる所定の方向に配向させていてもよい。
本発明の液晶表示素子は、互いに対向する第１基板および第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶層と、画素に接続されたトランジスタと有する液晶表示素子であって、さらに、前記液晶層と前記第１基板との間、および前記液晶層と前記第２基板との間のうちの少なくとも一方に第１有機層を有し、前記トランジスタは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第２有機層と、前記第２有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、前記第１および第２有機層は、導電性部位と絶縁性部位とを有する複合機能型有機高分子を含み、これにより上記の課題が解決される。
前記第１有機層はドーパントを含んでもよい。
前記複合機能型有機高分子は直鎖型高分子であってもよい。
前記複合機能型有機高分子はデンドリック高分子であってもよい。
前記第１および第２有機層は、前記複合機能型有機高分子の前記絶縁性部位を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有することが好ましい。
本発明により、低コストで製造可能な、トランジスタおよびそれを用いた表示素子、ならびに液晶表示素子が提供される。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態のトランジスタ１０は図１に示すように、絶縁性基板１上に形成されたゲート電極２（第３電極）と、ゲート電極２を覆うように形成された有機層３と、有機層３上に形成されたソース電極４（第１電極）及びドレイン電極５（第２電極）とを有している。有機層３は、導電性部位と絶縁性部位とを有する複合機能型有機高分子を含む。
なお、図１および以下の説明では、ボトムゲート型の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）１０を例示するが、本発明はボトムゲート型のＦＥＴに限られず、種々のタイプのＦＥＴ、その他のトランジスタに広く適用される。
トランジスタ１０では、有機層３が、従来のトランジスタが有するゲート絶縁膜と半導体層との機能を兼ね備えることができる。従って、従来のトランジスタが有するゲート絶縁膜と半導体層とに代えて、有機層３を用いてトランジスタを構成することが可能である。
すなわち、有機層３とゲート電極２との間、有機層３とソース電極４との間、および、有機層３とドレイン電極５との間のいずれにも、絶縁層を設ける必要がない。また、有機層３は、ゲート電極２、ソース電極４およびドレイン電極５のそれぞれと直接接触するように作製される。
有機層３は、例えばインクジェット法等を用い、半導体層を作製する工程よりも低温条件下で形成されるため、製造工程が容易である。また、インクジェット装置はＣＶＤ装置やスパッタリング装置に比べて安価で、メンテナンスが簡単である。従って、トランジスタ１０は、従来のトランジスタに比べて少ない製造工程で作製され、製造コストが安い。
また、トランジスタ１０では、従来必要とされていたゲート絶縁膜を必要とせず、ナノメータスケールの大きさを有し得るので、従来のトランジスタに比べて非常に優れた特性を有する。例えば、トランジスタ１０の有機層３は、好ましくは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有し、長さ（チャネル長に相当）は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
なお、トランジスタ１０のゲート電極２、ソース電極４およびドレイン電極５は、従来のトランジスタと同様に、金属材料、ＩＴＯ、または導電性高分子材料を用いて形成しても良いが、上記有機層３に含まれる複合機能型有機高分子材料を用いて形成することも可能である。複合機能型有機高分子材料を用いて上記電極を形成する場合、必要に応じてドーパントを添加することが好ましい。
本発明の実施形態の液晶表示素子１００は図２に示すように、互いに対向する２枚の基板１１と、これらの基板１１の間に配置された液晶層１３と、２枚の基板１１のそれぞれと液晶層１３との間に設けられた有機層１２とを有する。有機層１２は、上述した有機層３と同様に、導電性部位と絶縁性部位とを有する複合機能型有機高分子を含む。なお、図２に示す液晶表示素子１００では、ホモジニアス型の液晶配向（平行配向）を例示するが、液晶の配向はこれに限定されない。
液晶表示素子１００では、有機層１２が、従来の液晶表示素子が有する画素電極（または対向電極）と液晶配向膜との機能を兼ね備えることができる。
有機層１２が、従来の液晶表示素子が有する画素電極（または対向電極）と液晶配向膜との機能を兼ね備える場合、従来の液晶表示素子が有する画素電極（または対向電極）と液晶配向膜とに代えて、有機層１２を用いて液晶表示素子を構成することも可能である。すなわち、有機層１２は、液晶層１３と直接接触するように配置される。
有機層１２が液晶配向膜の機能を有している場合、ラビング処理工程を省略できるので、製造工程をより簡略化し、また、静電気の発生等によって液晶表示素子の歩留まりが低下するのを抑制できる。なお、有機層１２が十分な液晶配向機能を備えていない場合、必要に応じて、有機層１２自体にラビング処理を施すか、または、有機層１２上にポリイミド膜などの液晶配向膜を設け、ラビング処理を施しても良い。もちろん、有機層１２が液晶配向機能を備えている場合であっても、所望の液晶配向機能を得るために、必要に応じて、上記と同様のラビング処理を行っても良い。
なお、液晶層１３と、２枚の基板１１のそれぞれとの間に有機層１２を設けることにより、画素電極、対向電極および液晶配向膜を省略できる構成が最も好ましいが、本実施形態の液晶表示素子１００はこれに限られない。例えば、液晶層１３と、２枚の基板１１の一方の基板の間にのみ有機層１２を設け、液晶層１３と、他方の基板との間には画素電極または対向電極と液晶配向膜とを設けてもよい。
以下、トランジスタ１０（図１）を詳細に説明する。まず有機層３を説明する。有機層３は、例えば直鎖型高分子、またはデンドリック高分子を含む。この直鎖型高分子およびデンドリック高分子等の有機高分子は、絶縁性と半導体性とを兼ね備える複合機能型有機高分子である。有機層３は、複合機能型有機高分子の絶縁性部位を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有していることが好ましい。
直鎖型高分子は、図３（ａ）に示すように、高分子主鎖にキャリア伝導性の線状のπ共役系分子を含み、側鎖に絶縁性残基を含んでいることが好ましい。π共役系主鎖としては、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリ‐ｐ（フェニレンビニレン）、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリナフテン、ポリ（アリーレンビニレン）、ポリ（チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリアセチレン等が好適に用いられるが、これらに限らない。絶縁性側鎖としては、アルキル基（ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基等）、メソゲン、エチレングリコール、環状不飽和化合物、水素結合性残基、糖質化合物、脂質（コレステロール、胆汁酸等）等が好ましいが、これらに限らない。絶縁性側鎖の分子サイズを調節することにより、ゲート電極のオン、オフを適切に調節することが可能である。また絶縁性残基について、水素結合性残基やメソゲン等、自己組織化機能を有する分子が好適に用いられる。
デンドリック高分子は、図４（ａ）に示すように、コアにキャリア伝導性のπ共役系分子を含み、デンドロンが絶縁性残基を含むことが好ましい。なお図４（ａ）では、デンドリック高分子が円盤状（ディスク状）を有している場合を例示するが、デンドリック高分子の形状はこれに限定されない。デンドリック高分子は例えば球状であってもよい。
π共役系コアとしては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレン、ペリレン、アルミキノリン錯体等錯体及びポルフィリン類、オリゴフルオレン、オリゴチオフェン、オリゴフェニレンビニレン、スピロ−ＮＰＢ、スピロ−ＴＡＤ、スピロ−ＤＰＶＢｉのように平面性の高い分子が好ましいが、これらに限らない。絶縁性デンドロンとしては、ベンジルエーテル、ポリスチレンスルホン酸等が好ましいが、これらに限らない。絶縁性デンドロンの分子サイズ（世代数）を調節することにより、ゲート電極のオン、オフを適切に調節することが可能である。また絶縁性残基について、水素結合性残基やメソゲン等、自己組織化機能を有する分子が好適に用いられる。
上記の有機高分子において、絶縁性分子の分子サイズを調整すれば、従来のトランジスタの絶縁膜の厚さを調節するのと同様の効果が得られる。また、絶縁性残基が自己組織化機能を有する場合、分子配向性を高めることにより、移動度を高くすることができる。
自己組織化は、化学共有結合以外のいずれかの相互作用（分子間に働く非共有結合相互作用）によって、分子間で凝集が起こることにより達成される。非共有結合相互作用には、水素結合、ファンデアワールス力、永久双極子間相互作用、永久双極子−誘起双極子相互作用、一時双極子−誘起双極子間相互作用、電荷移動力（電子供与体−電子受容体間相互作用）、配位結合、静電相互作用、および親和性（疎水性相互作用）等が含まれる。
図４（ａ）に示したディスク状のデンドリック高分子は、図４（ｂ）に示すように、ディスク面が互いに平行に配置され、コア部同士が互いに重なるように配置されるような自己組織化構造を形成する。図３（ａ）に示した直鎖型高分子は、側鎖分子同士の会合性が高い場合、例えば図３（ｂ）に示すように、主鎖と側鎖が交互に積層するような自己組織化構造を形成する。
上記直鎖型高分子およびデンドリック高分子等の複合機能型有機高分子材料を含む有機層３を形成する方法には、公知の成膜方法を広く適用することができる。上述した複合機能型有機高分子材料は溶媒に対する溶解性に優れるので、種々の溶媒を用いて溶液を調整することができる。この溶液をスピンコーティング法、ディップコーティング法、キャスティング法、印刷法及びインクジェット法等の方法により基板上に塗布または印刷し、乾燥後、必要に応じて加熱処理することにより、複合機能型有機高分子材料の膜を形成することができる。また、複合機能型有機高分子材料層を支持体上に形成し、支持体から基板に転写してもよい。
次に、この複合機能型有機高分子材料を用いて、図１に示したトランジスタ１０を製造する方法を例示する。
まず、絶縁性基板１上にゲート電極２を形成する。ゲート電極２の材料としては、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｎｄやこれらの合金、ポリシリコン、非晶質シリコン、錫酸化物、酸化インジウム、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の無機材料や、ドープされた導電性高分子（例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸ナトリウムとの混合物等）等の有機材料が挙げられる。また二層以上の膜を積層しても良い。蒸着法やスパッタリング法、塗布法、印刷法またはインクジェット法等材料に応じた公知の成膜方法を用いて導電性の膜を堆積した後、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程によって、この導電性膜をゲート電極２の所定の形状に加工する。
次に、ゲート電極２を覆うように複合機能型有機高分子材料を含む有機層３を形成する。有機層３は、上述したように、有機高分子材料の溶液を調整し、この溶液を用いて種々の塗布方法及び印刷法で形成することができる。乾燥後、必要に応じて加熱処理することにより、有機層３を形成することができる。
有機層３上にソース電極４及びドレイン電極５を形成する。ソース電極４及びドレイン電極５の材料としては、ゲート電極２と同様の材料を用いて、同様の方法で形成され得る。もちろん、ゲート電極２の材料とソース電極４及びドレイン電極５の材料とは異なっても良いし同じでも良い。二層以上の膜を積層しても良い。
以上の工程により、トランジスタ１０が作製される。
なお、トランジスタ１０の構造は上記の例に限られず、トップゲート型、コブラナー型、或いはソース電極／ゲート電極／ドレイン電極を積層し、ソース−ドレイン間に半導体層を形成する縦型構造であってもよく、さらにはドレイン電極／ゲート電極／ソース電極が同じ層に並んで配置された構造でも構わない。
トランジスタ１０は、有機層３が分子配向性を有する場合、高いキャリア移動度を有する。また有機層３を形成する過程で、下地層に配向処理を行い、有機層３を配向させれば、キャリア移動度を更に向上させることができる。
有機層３は、単に有機高分子を含む溶液を塗布または印刷するだけで形成することが可能であり、また、有機層３の形成に高い温度が必要とされないので、プラスティック基板上にも容易に形成できる。
また、上記の複合機能型有機高分子材料にドーパンドを添加することによって、電極として十分利用可能なレベルまで導電性を高くすることができる。従って、ゲート電極２、ソース電極４及びドレイン電極５のすべてを、複合機能型有機高分子材料を用いて形成することが可能である。
なお、ゲート電極２、ソース電極４及びドレイン電極５は、公知の導電性有機材料を用いても形成可能である。上記導電性有機材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリシロキサン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミドやポリイミド等の主鎖に、フタロシアニン系誘導体、アゾ化合物系誘導体、ぺリレン系誘導体、キナクリドン系誘導体、多環キノン系誘導体、シアニン系誘導体、フラーレン誘導体、インドール、カルバゾール等の含窒素環式化合物誘導体、ヒドラゾン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、多環芳香族化合物誘導体等の側鎖が導入されたものが挙げられる。更に、π共役系高分子である、ポリ（ｐ−フェニレン）等の芳香族共役系高分子、ポリアセチレン等の脂肪族共役系高分子、ポリピロールやポリチオフェン等の複素環式共役系高分子、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）やポリ（アリーレンビニレン）や、ポリ（チエニレンビニレン）等の上記共役系高分子の構成単位が交互に結合した構造を有する複合型共役系高分子等の炭素型共役系高分子や、ポリシラン類や、ジシラニレンポリマー類、ジシラニレン−炭素系共役性ポリマー構造等が挙げられる。
トランジスタ１０は、液晶表示素子や有機ＥＬ表示素子などの表示素子に好適に用いられる。
表示素子は、例えばトランジスタ１０のドレイン電極５に接続された画素電極を有する。画素電極は、透過型液晶表示素子の場合、錫酸化物、酸化インジウム、ＩＴＯ等の透明導電膜を用いて形成される。反射型液晶表示素子の場合、ＡｌやＡｇ等の金属膜を用いて形成される。また、有機ＥＬ表示素子の場合、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ａｕ等の金属膜を用いて形成される。画素電極にドレイン電極やソース電極と同じ材料を用いると、画素電極をドレイン電極やソース電極と同じ工程で形成することができるという利点がある。異なる材料を用いる場合、画素電極は、ドレイン電極やソース電極を形成する前、或いは後に形成される。
次に、液晶表示素子１００を詳細に説明する。
まず有機層１２を説明する。有機層１２は有機層３と同様に、例えば直鎖型高分子、またはデンドリック高分子を含む。この直鎖型高分子およびデンドリック高分子等の有機高分子は、導電性（電極の機能）と、液晶配向性（液晶配向膜の機能）とを兼ね備える複合機能型高分子である。有機層１２は、複合機能型有機高分子の絶縁性部位を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有していることが好ましい。
直鎖型高分子は、図３（ａ）に示すように、高分子主鎖に導電性の線状π共役系分子を含み、側鎖に液晶配向性を有する絶縁性残基を含む構造が好ましい。π共役系主鎖としては、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリ‐ｐ（フェニレンビニレン）、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリナフテン、ポリ（アリーレンビニレン）、ポリ（チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリアセチレン等が好適に用いられるが、これらに限らない。液晶配向性を有する絶縁性側鎖としては、アルキル基（ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基等）、メソゲン、エチレングリコール、環状不飽和化合物、水素結合性残基、糖質化合物、脂質（コレステロール、胆汁酸等）等が好ましいが、これらに限らない。絶縁性側鎖の分子構造や分子サイズを調節することにより、プレチルト角を調節することが可能である。また絶縁性残基について、水素結合性残基やメソゲン等、自己組織化機能を有する分子が好適に用いられる。
デンドリック高分子としては、図４に示すように、コアに導電性のπ共役系分子を含み、デンドロンに液晶配向性を有する絶縁性残基を含む構造が好ましい。π共役系コアとしては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレン、ペリレン、アルミキノリン錯体等錯体及びポルフィリン類、オリゴフルオレン、オリゴチオフェン、オリゴフェニレンビニレン、スピロ−ＮＰＢ、スピロ−ＴＡＤ、スピロ−ＤＰＶＢｉのように平面性の高い分子が好ましいが、これらに限らない。液晶配向性を有する絶縁性デンドロンとしては、ベンジルエーテル、ポリスチレンスルホン酸等が好ましいが、これらに限らない。絶縁性デンドロンの分子サイズ（世代数）を調節することにより、プレチルト角を適切に調節することが可能である。また絶縁性残基について、水素結合性残基やメソゲン等、自己組織化機能を有する分子が好適に用いられる。
複合機能型高分子を電極材料として用いるために、微量のドーパンドを添加することが好ましい。ドーパンド剤として、アルカリ金属（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ等）、アルカリアンモニウムイオン（例えば、テトラエチルアンモニウム塩、テトラブチルアンモニウム塩）、ハロゲン類（例えば、Ｂｒ2、Ｉ2、Ｃｌ2）、ルイス酸（例えば、ＢＦ2、ＰＦ5、ＡｓＦ5、ＢＦ4、ＰＦ6、ＡｓＦ6等）、プロトン酸（例えば、ＨＮＯ3、Ｈ2ＳＯ4、ＨＦ、ＨＣｌ等）、遷移金属ハライド（例えば、ＦｅＣｌ3、ＭｏＣｌ5、ＷＣｌ5、ＳｎＣＬ4、ＭｏＦ5、ＲｕＦ5）、ポルフィリン類、アミノ酸類、アルキルスルホン酸塩、ポリスチレンスルホン酸塩等高分子タイプ等が挙げられるが、これらに限定されない。
有機層１２において、絶縁性残基を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造が形成されている場合、液晶層に含まれる液晶分子を自己組織化構造と関連付けられる所定の方向に配向させることができるので、ラビング処理工程が必要とされない。
自己組織化は、化学共有結合以外のいずれかの相互作用（分子間に働く非共有結合相互作用）によって、分子間で凝集が起こることにより達成される。非共有結合相互作用には、水素結合、ファンデアワールス力、永久双極子間相互作用、永久双極子−誘起双極子相互作用、一時双極子−誘起双極子間相互作用、電荷移動力（電子供与体−電子受容体間相互作用）、配位結合、静電相互作用、および親和性（疎水性相互作用）等が含まれる。
図３（ａ）に示した直鎖型高分子は、側鎖同士の会合性が高い場合、例えば図３（ｂ）に示すように、主鎖と側鎖が交互に積層するような自己組織化構造を形成する。この直鎖型高分子は、側鎖の非π共役系部分が液晶と相互作用することにより、プレチルト角が決まる。具体的なプレチルト角は、側鎖の非π共役系分子および液晶分子の種類によって異なるが、側鎖間に何等かの秩序が存在すれば、液晶分子のプレチルト角は安定に制御できると考えられる。十分な配向性を有しない場合には、ラビング処理を施せばよい。
図４（ａ）に示したディスク状のデンドリック高分子は、図４（ｂ）に示すように、ディスク面が互いに平行に配置され、コア部同士が互いに重なるように配置されるような自己組織化構造を形成する。このデンドリック高分子は液晶分子と相互作用することにより、プレチルト角が決まる。デンドリック高分子を用いると、上記自己組織化構造が形成されているので、ラビング処理を施さなくても十分な配向性が得られると考えられる。
上述した複合機能型有機高分子材料を用いて有機層１２を形成するには、公知の成膜方法を広く適用することができる。本複合機能型有機高分子材料は、溶媒に対する溶解性に優れるので、種々の溶媒を用いて溶液を調整することができる。この溶液をスピンコーティング法、ディップコーティング法、キャスティング法、印刷法及びインクジェット法等の方法により基板上に塗布または印刷し、乾燥後、必要に応じて加熱処理することにより、複合機能型有機高分子材料の膜を形成することができる。また、複合機能型有機高分子材料層を支持体上に形成し、支持体から基板に転写してもよい。
次に、この複合機能型有機高分子材料を用いて、図２に示した液晶表示素子１００を製造する方法を例示する。
まず、２枚の絶縁性基板１１のそれぞれの主面に、有機層１２を形成する。有機層１２の形成には、塗布法、印刷法またはインクジェット法等、材料に応じた公知の成膜方法を用いる。また、必要に応じてラビング処理を施しても良い。
次に、有機層１２が形成された２枚の絶縁性基板を貼り合わせる。貼り合わせは公知の方法を用いて行われ、例えば、片側基板にシール剤を塗り、他方の基板に所定のサイズのビーズを散布して、貼り合わせる。貼り合わせ完了後、所定の液晶材料を注入する。尚、アクティブマトリクス型液晶表示素子の場合、基板の片方にスイッチング素子を搭載する。
以上の工程により、液晶表示素子１００が作製される。本実施形態による表示素子の液晶モードは、ホモジニアス配向に限られず、捩れ配向、スプレイ‐ベンド配向、ホメオトロピック配向、或いは強誘電・反強誘電性液晶等、あらゆる液晶モードに適用できる。
有機層１２は、自己組織化による分子配向性を備えている場合、高い液晶配向性を有する。また有機層を形成する過程で、下地層に配向処理を行い、有機層を配向させると、液晶配向をより安定にし、高いコントラスト比が得られる。
また、この有機層１２は、単に有機高分子を含む溶液を塗布または印刷するだけで形成することができるとともに、有機層の作製に高い温度を必要としないので、プラスティック基板上にも容易に形成できる。
なお、本実施形態の液晶表示素子において、有機層１２は、少なくとも電極の機能を有していれば、液晶配向膜の機能を有していなくても良い。従来は、真空プロセスであるスパッタ法によってＩＴＯ電極を成膜したり、蒸着法によってＡｌ電極を成膜する等して電極を作製していたのに対し、有機層１２が少なくとも電極の機能を有していれば、例えば印刷法のような簡易な方法によって作製できるという効果が得られる。
次に、本実施形態におけるトランジスタおよび液晶表示素子の実施例を説明する。
（実施例１）
実施例１では、下記の（化１）で示される複合機能型高分子材料（直鎖型高分子）を有機層３に用いた電界効果型トランジスタ１０を作製した。複合機能型高分子材料は、高分子主鎖にキャリア輸送能があるポリ（ｐ‐フェニレンビニレン）構造を有し、側鎖に絶縁性のエチレングリコール構造を有する。ゲート電極２にはＴａを用い、ソース電極４及びドレイン電極５にはＡｕを用いた。
実施例１では、下記の（化１）で示される複合機能型高分子材料（直鎖型高分子）を有機層３に用いた電界効果型トランジスタ１０を作製した。複合機能型高分子材料は、高分子主鎖にキャリア輸送能があるポリ（ｐ‐フェニレンビニレン）構造を有し、側鎖に絶縁性のエチレングリコール構造を有する。ゲート電極２にはＴａを用い、ソース電極４及びドレイン電極５にはＡｕを用いた。
実施例１のトランジスタ１０は、以下の手順で作製した。
（１）マスクを用いた蒸着法でＴａを基板１上に堆積し、ゲート電極２を形成する。
（２）ゲート電極２上に、（化１）で示される複合機能型高分子材料を含む溶液をインクジェット法により所定の位置に付与し、乾燥することによって、有機層３を形成する。有機層３は単分子層以上であればよく、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。
（３）マスクを用いた蒸着法で、Ａｕを堆積し、ソース電極４及びドレイン電極５を形成する。このとき、チャネル長が８μｍとなるように、ソース電極４とドレイン電極５との間隔を設定した。
上記の製造方法によって得られたトランジスタ１０を用いると、電流−電圧特性として、およそ１０5のオン／オフ電流比を得ることができ、またキャリア移動度として、０．５ ｃｍ2／Ｖｓを得ることができた。オン／オフ電流比、キャリア移動度の両結果は共に現行のａ−Ｓｉの性能に匹敵するものである。
（実施例２）
図５は、実施例２の液晶表示素子１０００の模式的な断面図を示す。液晶表示素子１０００は、トランジスタ１０（図１）と、液晶表示素子１００（図２）との組み合わせで構成される。
図５は、実施例２の液晶表示素子１０００の模式的な断面図を示す。液晶表示素子１０００は、トランジスタ１０（図１）と、液晶表示素子１００（図２）との組み合わせで構成される。
すなわち、液晶表示素子１０００は、従来の画素電極に代えて有機層１１２を有するとともに、表示領域の各画素に設けられたトランジスタが、ゲート絶縁膜および半導体層に代えて有機層１０３を有する。
有機層１１２および有機層１０３は、上記（化１）で示される複合機能型高分子材料を含む。有機層１１２は、ドーパントとして、例えばポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）を含む。なお、ドーパントとして、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ルイス酸、ルイス塩基、高分子電解質等を用いても良い。
液晶表示素子１０００は、典型的なＴＮモードのＴＦＴ型液晶表示素子である。
液晶表示素子１０００は、上記二点以外は公知の構成を有し、公知の方法で作製される。以下、図５を参照しながら液晶表示素子１０００をより詳細に説明する。
液晶表示素子１０００では、ガラス基板１０１上に、ゲート電極１０２、有機層１０３、ドレイン電極１０４及びソース電極１０５が形成されている。有機層１０３は、半導体性および絶縁体性を兼ね備える。
ドレイン電極１０４には、有機層１１２が接続されている。また、対向基板のガラス基板１０１にも、有機層１１２が設けられている。本実施例で用いた有機層１１２は、電極の機能を備えているが、液晶配向膜の機能を十分に備えていない。
一対の基板１０１間の液晶層１１３の液晶分子は、対向する有機層１１２の間でＴＮ配向している。液晶材料として正の誘電率異方性を持つネマティック液晶を用いた。また、有機層１１２の表面に、プレチルト角が２°のポリイミド配向膜を形成した。
液晶表示素子１０００は、５Ｖで駆動可能であった。また、コントラスト比は３００であった。トランジスタ１０は、移動度及びオン／オフ特性がａ−ＳｉＴＦＴ並みであることから、本液晶表示素子１０００は、液晶ＴＶ、ゲーム機器、カーナビゲーションシステム等のような大型動画用表示素子として用いることができる。
また、トランジスタ１０は、ａ−ＳｉＴＦＴよりも小型化可能なため、従来６５％程度であった開口率を８５％まで向上させることができた。その結果、冷陰管バックライトを用いたときの輝度を、従来の３００Ｃｄ／ｍ2から５００Ｃｄ／ｍ2に向上させることができた。
以上説明したように、トランジスタ１０と液晶表示素子１００とを組み合わせることにより、従来と同等以上の特性を有する液晶表示素子を短い工程で製造することができる。
（実施例３）
実施例３では、下記の（化２）で示される複合機能型高分子材料を有機層３に用いた電界効果型トランジスタ１０を作製した。複合機能型高分子材料は、コアにキャリア輸送能があるフルオレン構造を有し、デンドロンに絶縁性のベンジルエーテル構造を有する。ゲート電極２にはＴａを用い、ソース電極４及びドレイン電極５にはＡｕを用いた。
実施例３では、下記の（化２）で示される複合機能型高分子材料を有機層３に用いた電界効果型トランジスタ１０を作製した。複合機能型高分子材料は、コアにキャリア輸送能があるフルオレン構造を有し、デンドロンに絶縁性のベンジルエーテル構造を有する。ゲート電極２にはＴａを用い、ソース電極４及びドレイン電極５にはＡｕを用いた。
実施例３のトランジスタ１０は、実施例１のトランジスタ１０と同様の手順で作製される。
実施例３で得られたトランジスタ１０を用いると、電流−電圧特性として、およそ１０5のオン／オフ電流比を得ることができ、またキャリア移動度として、０．５ ｃｍ2／Ｖｓを得ることができた。オン／オフ電流比、キャリア移動度の両結果は共に現行のａ−Ｓｉの性能に匹敵するものである。
（実施例４）
実施例４の液晶表示素子１０００は、図５に示すように、実施例２の液晶表示素子１０００と同様の構成を有する。実施例４の液晶表示素子１０００は、トランジスタ１０（図１）と、液晶表示素子１００（図２）との組み合わせで構成される。
実施例４の液晶表示素子１０００は、図５に示すように、実施例２の液晶表示素子１０００と同様の構成を有する。実施例４の液晶表示素子１０００は、トランジスタ１０（図１）と、液晶表示素子１００（図２）との組み合わせで構成される。
すなわち、液晶表示素子１０００は、従来の液晶配向膜および画素電極に代えて有機層１１２を有するとともに、表示領域の各画素に設けられたトランジスタが、ゲート絶縁膜および半導体層に代えて有機層１０３を有する。
有機層１１２および有機層１０３は、上記（化２）で示される複合機能型高分子材料（デンドリック高分子）を含む。有機層１１２は、ドーパントとして、例えばポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）を含む。なお、ドーパントとして、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ルイス酸、ルイス塩基、高分子電解質等を用いても良い。液晶表示素子１０００は、典型的なＴＮモードのＴＦＴ型液晶表示素子である。
液晶表示素子１０００は、上記二点以外は公知の構成を有し、公知の方法で作製される。なお、実施例２の液晶表示素子１０００と異なり、本実施例４の液晶表示素子１０００では、有機層１１２が十分な液晶配向性を備えるため、有機層１１２にラビング処理を施さなくても充分な配向性が得られた。
液晶表示素子１０００は、５Ｖで駆動可能であった。また、コントラスト比は４００であった。トランジスタ１０は、移動度及びオン／オフ特性がａ−ＳｉＴＦＴ並みであることから、本液晶表示素子１０００は、液晶ＴＶ、ゲーム機器、カーナビゲーションシステム等のような大型動画用表示素子として用いることができる。
また、トランジスタ１０は、ａ−ＳｉＴＦＴよりも小型化可能なため、従来６５％程度であった開口率を８５％まで向上させることができた。その結果、冷陰管バックライトを用いたときの輝度を、従来の３００Ｃｄ／ｍ2から５００Ｃｄ／ｍ2に向上させることができた。
以上説明したように、トランジスタ１０と液晶表示素子１００とを組み合わせることにより、従来と同等以上の特性を有する液晶表示素子を短い工程で製造することができる。
有機層１１２を、上記（化１）で示される複合機能型高分子材料（直鎖型高分子）を用いて形成した場合であっても、有機層１１２にラビング処理を施せば、有機層１１２に十分な液晶配向性を付与することができるので、実施例４の液晶表示素子と同様に配向膜を省略できる。
１ 基板
２ ゲート電極
３ 有機層
４ ソース電極
５ ドレイン電極
１０ トランジスタ
１１ 基板
１２ 有機層
１３ 液晶層
１００ 液晶表示素子
１０１ 基板
１０２ ゲート電極
１０３ 有機層
１０４ ドレイン電極
１０５ ソース電極
１１２ 有機層
１１３ 液晶層
２ ゲート電極
３ 有機層
４ ソース電極
５ ドレイン電極
１０ トランジスタ
１１ 基板
１２ 有機層
１３ 液晶層
１００ 液晶表示素子
１０１ 基板
１０２ ゲート電極
１０３ 有機層
１０４ ドレイン電極
１０５ ソース電極
１１２ 有機層
１１３ 液晶層
Claims (12)
- 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた有機層と、前記有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、
前記有機層と前記第３電極との間に絶縁層を有さず、
前記有機層は、直鎖型高分子を有し、
前記直鎖型高分子は、主鎖に導電性の線状π共役系分子を有するポリ（ｐ‐フェニレンビニレン）構造、ポリチオフェン構造およびポリフルオレン構造の少なくともいずれか一つを有し、側鎖にエチレングリコール構造の絶縁性残基を有し、
前記直鎖型高分子は、前記側鎖を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有する、薄膜トランジスタ。 - 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた有機層と、前記有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、
前記有機層と前記第３電極との間に絶縁層を有さず、
前記有機層は、デンドリック高分子を有し、
前記デンドリック高分子は、コアに導電性のπ共役系分子を有するフルオレン構造、オリゴチオフェン構造、オリゴフェニレンビニレン構造、アントラセン構造、ポルフィリン類構造の少なくともいずれか一つを有し、デンドロンにベンジルエーテル構造、または、ベンジルエーテル構造であって末端基にアミンを付加した構造の絶縁性残基を有し、
前記デンドリック高分子は、前記デンドロンを介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有する、薄膜トランジスタ。 - 前記有機層は、ドーパントを含む、請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記第３電極によって印加された電界に対する前記有機層の電界効果を利用する電界効果型トランジスタである、請求項１から３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
- 前記第１、第２および第３電極と前記有機層が直接接触している請求項１から４のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項１から５のいずれかに記載の薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに接続された画素とを備える表示素子。
- 互いに対向する第１基板および第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶層と、
画素に接続された薄膜トランジスタとを有する液晶表示素子であって、
さらに、前記液晶層と前記第１基板との間、および前記液晶層と前記第２基板との間のうち少なくとも一方に第１有機層を有し、
前記薄膜トランジスタは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第２有機層と、前記第２有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、
前記第２有機層と前記第３電極との間に絶縁層を有さず、
前記第１および第２有機層は、直鎖型高分子を有し、
前記直鎖型高分子は、主鎖に導電性の線状π共役系分子を有するポリ（ｐ‐フェニレンビニレン）構造、ポリチオフェン構造およびポリフルオレン構造の少なくともいずれか一つを有し、側鎖にエチレングリコール構造の絶縁性残基を有し、
前記直鎖型高分子は、前記側鎖を介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有する、液晶表示素子。 - 前記液晶層は、前記第１有機層と直接接触している請求項７に記載の液晶表示素子。
- 互いに対向する第１基板および第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置された液晶層と、
画素に接続された薄膜トランジスタとを有する液晶表示素子であって、
さらに、前記液晶層と前記第１基板との間、および前記液晶層と前記第２基板との間のうち少なくとも一方に第１有機層を有し、
前記薄膜トランジスタは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第２有機層と、前記第２有機層に電界を印加するための第３電極とを備え、
前記第２有機層と前記第３電極との間に絶縁層を有さず、
前記第１および第２有機層は、デンドリック高分子を有し、
前記デンドリック高分子は、コアに導電性のπ共役系分子を有するフルオレン構造、オリゴチオフェン構造、オリゴフェニレンビニレン構造、アントラセン構造およびポルフィリン類構造の少なくともいずれか一つを有し、デンドロンにベンジルエーテル構造、または、ベンジルエーテル構造であって末端基にアミンを付加した構造の絶縁性残基を有し、
前記デンドリック高分子は、前記デンドロンを介した非共有結合的相互作用による自己組織化構造を有する、液晶表示素子。 - 前記液晶層は、前記第１有機層と直接接触している請求項９に記載の液晶表示素子。
- 前記第１有機層は、配向処理をされていない請求項１０に記載の液晶表示素子。
- 前記第１有機層は、ドーパントを含む、請求項７から１１のいずれかに記載の液晶表示素子。
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