JP6917106B2 - Condensed polycyclic aromatic compounds and their uses - Google Patents
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Description
本発明は、縮合多環芳香族化合物、該化合物を含有する有機半導体材料並びに有機半導体組成物、該有機半導体材料を含む有機薄膜、該有機薄膜の製造方法、及び該有機薄膜を有する有機半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a condensed polycyclic aromatic compound, an organic semiconductor material and an organic semiconductor composition containing the compound, an organic thin film containing the organic semiconductor material, a method for producing the organic thin film, and an organic semiconductor device having the organic thin film. Regarding.
近年、デバイス製造プロセスの大幅な効率化や、プラスチック材料を用いたフレキシブルデバイスの製造が可能なことから、印刷技術を用いた有機半導体デバイス(プリンテッド・エレクトロニクス)に関する研究開発が盛んに行われている。
このような技術に利用される有機半導体材料には、良好な半導体特性(キャリア移動度など)を有することは言うまでもなく、印刷技術に使用される有機半導体溶液(インク)を調製するために、有機溶媒に可溶であることが求められる。
In recent years, research and development on organic semiconductor devices (printed electronics) using printing technology have been actively carried out because of the significant efficiency of the device manufacturing process and the ability to manufacture flexible devices using plastic materials. There is.
It goes without saying that the organic semiconductor material used in such a technique has good semiconductor properties (carrier mobility, etc.), and is organic in order to prepare an organic semiconductor solution (ink) used in the printing technique. It is required to be soluble in a solvent.
有機溶媒に可溶な低分子半導体材料としては、ベンゾジチオフェン(BDT)骨格、ベンゾチエノベンゾチオフェン(以下、適宜「BTBT」と略記する)骨格及びジナフトジチオフェン(以下、適宜「DNTT」と略記する)骨格を有する硫黄原子やセレン原子を含んだ縮合多環芳香族化合物の分子長軸にアルキル鎖を導入した化合物が知られている(特許文献1乃至3及び非特許文献1乃至3参照)。
Examples of the low molecular weight semiconductor material soluble in an organic solvent include a benzodithiophene (BDT) skeleton, a benzothioenobenzothiophene (hereinafter, abbreviated as “BTBT”) skeleton, and a dinaphthodithiophene (hereinafter, appropriately abbreviated as “DNTT”). A compound in which an alkyl chain is introduced into the molecular major axis of a condensed polycyclic aromatic compound containing a sulfur atom or a selenium atom having a skeleton is known (see
BTBTのアルキル誘導体は、印刷プロセスで半導体薄膜を形成し得る有機半導体溶液の調製に必要な溶媒溶解性を有するが、アルキル鎖長に対する縮環数が相対的に少ないことから低温で相転移を起こしやすく、得られた有機半導体デバイスの半導体特性が低下することが知られている(非特許文献4参照)。その一方で、BTBTよりも縮環を増やしたDNTTのアルキル誘導体を用いた場合、得られた有機半導体デバイスは低温での相転移に起因する半導体特性の低下は改善されるものの、印刷プロセスで半導体薄膜を形成し得る有機半導体溶液の調製に必要な溶媒溶解性が不充分であり、縮環数を増やしても印刷プロセスで半導体薄膜を形成し得る有機半導体溶液の調製に必要な溶媒溶解性を有すると共に、得られた有機半導体デバイスが良好な半導体特性を有する有機半導体材料(有機半導体化合物)の開発が求められている。 The alkyl derivative of BTBT has the solvent solubility necessary for preparing an organic semiconductor solution capable of forming a semiconductor thin film in a printing process, but causes a phase transition at a low temperature because the number of condensed rings relative to the alkyl chain length is relatively small. It is known that the semiconductor characteristics of the obtained organic semiconductor device are easily deteriorated (see Non-Patent Document 4). On the other hand, when an alkyl derivative of DNTT having more fused rings than BTBT is used, the obtained organic semiconductor device improves the deterioration of semiconductor characteristics due to the phase transition at low temperature, but the semiconductor is used in the printing process. The solvent solubility required for the preparation of an organic semiconductor solution capable of forming a thin film is insufficient, and the solvent solubility required for the preparation of an organic semiconductor solution capable of forming a semiconductor thin film in a printing process even if the number of fused rings is increased. It is required to develop an organic semiconductor material (organic semiconductor compound) having good semiconductor properties in the obtained organic semiconductor device.
特許文献4および5には、縮環数がBTBTとDNTTの中間の構造を有しているベンゾチエノナフトチオフェン(以下、適宜「BTNT」と略記する。)誘導体が記載されている。BTNT骨格は、縮環数がBTBTとDNTTの中間の構造を有しており、溶解度と半導体特性の両方を担保することが期待できるが、これらの文献に記載されている誘導体はいずれもキャリア移動度が10−1cm2/Vs程度であり、実用に足る良好な半導体特性を得るに至っていない。
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、印刷プロセスで半導体薄膜を形成し得る有機半導体溶液の調製に必要の溶媒溶解性を有し、かつ該有機半導体溶液を用いて得られた有機半導体デバイスが優れた半導体特性を発現する新規の有機半導体化合物を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an organic semiconductor solution having solvent solubility necessary for preparing an organic semiconductor solution capable of forming a semiconductor thin film in a printing process. It is an object of the present invention to provide a novel organic semiconductor compound in which the organic semiconductor device obtained by using the device exhibits excellent semiconductor characteristics.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、BTNT骨格に特定構造の置換基を導入した縮合多環芳香族化合物を用いることにより、上記の課題が解決することを見出した。
すなわち本発明は、
[1]下記式(1)または(2)
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by using a condensed polycyclic aromatic compound in which a substituent having a specific structure is introduced into the BTNT skeleton. rice field.
That is, the present invention
[1] The following formula (1) or (2)
(式(1)及び(2)中、R1及びR2はいずれか一方が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基を表し、他方が水素原子を表す。R3及びR4はいずれか一方が下記式(3)または(4)
(In formulas (1) and (2), one of
(式(3)及び(4)中、p、q及びrはそれぞれ1乃至20の整数を表す。Xはそれぞれ独立に酸素原子または硫黄原子を表す。R5は炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基を表す。)で表される置換基を表し、他方が水素原子を表す。)で表される縮合多環芳香族化合物、
(2)R1及びR4が水素原子であり、R2が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基であり、かつR3が式(3)または(4)で表される置換基である前項(1)に記載の縮合多環芳香族化合物、
(3)R1が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基であり、R2及びR3が水素原子であり、かつR4が式(3)または(4)で表される置換基である前項(1)に記載の縮合多環芳香族化合物、
(4)R3及びR4のいずれか一方が式(3)で表される置換基である前項(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物、
(5)pが6乃至14の整数である前項(4)に記載の縮合多環芳香族化合物、
(6)R3及びR4のいずれか一方が式(4)で表される置換基である前項(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物、
(7)qが6乃至14の整数であって、かつrが1乃至4の整数である前項(6)に記載の縮合多環芳香族化合物、
(8)R5が炭素数1乃至4のアルキル基である前項(1)乃至(7)のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物、
(9)液晶性を示さない前項(1)乃至(8)のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物、
(10)前項(1)乃至(9)のいずれか一項に記載の縮合多環芳香族化合物を含有する有機半導体材料、
(11)前項(10)に記載の有機半導体材料及び有機溶媒を含有する有機半導体組成物、
(12)前項(10)に記載の有機半導体材料を含む有機薄膜、
(13)前項(12)に記載の有機薄膜を有する有機半導体デバイス、
(14)有機トランジスタである前項(13)に記載の有機半導体デバイス、及び
(15)前項(11)に記載の有機半導体組成物を基板に塗布または印刷する工程、及び該基板に塗布または印刷した有機半導体組成物から有機溶媒を除去する工程を含む有薄膜の製造方法、
に関するものである。
(In formulas (3) and (4), p, q and r each represent an integer of 1 to 20, where X represents an oxygen atom or a sulfur atom, respectively. R 5 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. , Represents an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group.), And the other represents a hydrogen atom. ), Condensed polycyclic aromatic compounds,
(2) R 1 and R 4 are hydrogen atoms, R 2 is a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, and R 3 is the formula (3) or The condensed polycyclic aromatic compound according to the previous item (1), which is a substituent represented by (4).
(3) R 1 is a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, R 2 and R 3 are hydrogen atoms, and R 4 is the formula (3) or The condensed polycyclic aromatic compound according to the previous item (1), which is a substituent represented by (4).
(4) The condensed polycyclic aromatic compound according to any one of the above items (1) to (3), wherein either R 3 or R 4 is a substituent represented by the formula (3).
(5) The condensed polycyclic aromatic compound according to (4) above, wherein p is an integer of 6 to 14.
(6) The condensed polycyclic aromatic compound according to any one of the above items (1) to (3), wherein any one of R 3 and R 4 is a substituent represented by the formula (4).
(7) The condensed polycyclic aromatic compound according to the previous item (6), wherein q is an integer of 6 to 14 and r is an integer of 1 to 4.
(8) R 5 is a condensed polycyclic aromatic compound according to any one of (1) to (7) is an alkyl group of 1 to 4 carbon atoms,
(9) The condensed polycyclic aromatic compound according to any one of (1) to (8) above, which does not exhibit liquid crystallinity.
(10) An organic semiconductor material containing the condensed polycyclic aromatic compound according to any one of (1) to (9) above.
(11) The organic semiconductor composition containing the organic semiconductor material and the organic solvent according to the previous item (10).
(12) An organic thin film containing the organic semiconductor material according to (10) above.
(13) The organic semiconductor device having the organic thin film according to the previous item (12).
(14) The step of applying or printing the organic semiconductor device according to the previous item (13), which is an organic transistor, and (15) the organic semiconductor composition according to the previous item (11) on a substrate, and coating or printing on the substrate. A method for producing a thin film, which comprises a step of removing an organic solvent from an organic semiconductor composition.
It is about.
本発明の縮合多環芳香族化合物は良好な溶媒溶解性を有するため、印刷プロセスで有機半導体デバイスを作成する際に好適に用いられると共に、該化合物を用いて得られる有機薄膜を有する有機半導体デバイスは、良好な半導体特性を発現する。 Since the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention has good solvent solubility, it is suitably used when producing an organic semiconductor device in a printing process, and an organic semiconductor device having an organic thin film obtained by using the compound. Expresses good semiconductor properties.
以下に本発明を説明する。
本発明の縮合多環芳香族化合物は、上記式(1)または(2)で表される構造を有する。
式(1)及び(2)中、R1及びR2はいずれか一方が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基を、他方が水素原子を表す。
The present invention will be described below.
The condensed polycyclic aromatic compound of the present invention has a structure represented by the above formula (1) or (2).
In formulas (1) and (2), one of
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す炭素数1乃至20のアルキル基は、直鎖、分岐鎖または脂環式の何れにも限定されない。
直鎖アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基及びn−エイコシル基等が挙げられる。
分岐鎖アルキル基の具体例としては、iso−プロピル基、iso−ブチル基、t−ブチル基、iso−ペンチル基、t−ペンチル基、sec−ペンチル基、iso−ヘキシル基、sec−ヘプチル基及びsec−ノニル基等が挙げられる。
脂環式のアルキル基の具体例としては、シクロヘキシル基、シクロペンチル基、アダマンチル基及びノルボルニル基等が挙げられる。
式(1)及び(2)のR1またはR2が表すアルキル基としては、直鎖または分岐鎖アルキル基であることが好ましく、直鎖アルキル基であることがより好ましい。また、R1またはR2が表すアルキル基の炭素数は4乃至12であることが好ましく、6乃至12であることがより好ましい。
The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) is not limited to any of the linear, branched chain and alicyclic type.
Specific examples of the linear alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an n-pentyl group, an n-hexyl group, an n-heptyl group, an n-octyl group and an n-nonyl group. , N-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n-nonadecil group. And n-eikosyl group and the like.
Specific examples of the branched alkyl group include iso-propyl group, iso-butyl group, t-butyl group, iso-pentyl group, t-pentyl group, sec-pentyl group, iso-hexyl group, sec-heptyl group and Examples thereof include a sec-nonyl group.
Specific examples of the alicyclic alkyl group include a cyclohexyl group, a cyclopentyl group, an adamantyl group, a norbornyl group and the like.
The alkyl group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) is preferably a straight chain or branched chain alkyl group, and more preferably a straight chain alkyl group. The alkyl group represented by R 1 or R 2 preferably has 4 to 12 carbon atoms, and more preferably 6 to 12 carbon atoms.
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナンスリル基、ピレニル基及びベンゾピレニル基等が挙げられ、フェニル基又はナフチル基であることが好ましく、フェニル基であることがより好ましい。
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基はアルキル基を置換基として有していてもよく、該置換基として有していてもよいアルキル基は直鎖、分岐鎖または脂環式の何れにも限定されず、その具体例としては、式(1)及び(2)のR1またはR2が表すアルキル基と同じものが挙げられる。
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基が置換基として有していてもよいアルキル基としては、直鎖または分岐鎖のアルキル基であることが好ましく、直鎖アルキル基であることがより好ましい。また、R1またはR2が表す芳香族炭化水素基が置換基として有していてもよいアルキル基の炭素数は1乃至20であることが好ましく、1乃至12であることがより好ましく、1乃至6であることが更に好ましい。
Specific examples of the aromatic hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, a phenanthryl group, a pyrenyl group, a benzopyrenyl group and the like, and phenyl. It is preferably a group or a naphthyl group, more preferably a phenyl group.
The aromatic hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) may have an alkyl group as a substituent, and the alkyl group which may have as the substituent is a straight chain. , A branched chain or an alicyclic type, and specific examples thereof include the same alkyl groups represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2).
The alkyl group that the aromatic hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) may have as a substituent is preferably a linear or branched alkyl group. It is more preferably a straight chain alkyl group. Further, the aromatic hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 may have as a substituent, the alkyl group preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 12 carbon atoms. It is more preferably to 6.
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す複素環基の具体例としては、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリル基、イソキノリル基、ピロリル基、インドレニル基、イミダゾリル基、カルバゾリル基、チエニル基、フリル基、ピラニル基、ピリドニル基、ベンゾキノリル基、アントラキノリル基、ベンゾチエニル基、ベンゾフリル基及びチエノチエニル基等が挙げられ、ピリジル基、チエニル基、ベンゾチエニル基又はチエノチエニル基であることが好ましく、ピリジル基、チエニル基又はベンゾチエニル基であることがより好ましく、ピリジル基又はチエニル基であることが更に好ましい。
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基はアルキル基を置換基として有していてもよく、該置換基として有していてもよいアルキル基の具体例としては、式(1)及び(2)のR1またはR2が表すアルキル基と同じものが挙げられる。
式(1)及び(2)のR1またはR2が表す複素環基が置換基として有していてもよいアルキル基としては、式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基が置換基として有していてもよいアルキル基と同じものが挙げられ、好ましいものも同じである。
Specific examples of the heterocyclic group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) include a pyridyl group, a pyrazil group, a pyrimidyl group, a quinolyl group, an isoquinolyl group, a pyrrolyl group, an indrenyl group, an imidazolyl group and a carbazolyl group. Examples thereof include a group, a thienyl group, a frill group, a pyranyl group, a pyridonyl group, a benzoquinolyl group, an anthraquinolyl group, a benzothienyl group, a benzofuryl group and a thienotienyl group, and the group may be a pyridyl group, a thienyl group, a benzothienyl group or a thienotienyl group. It is more preferably a pyridyl group, a thienyl group or a benzothienyl group, and even more preferably a pyridyl group or a thienyl group.
The aromatic hydrocarbon group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) may have an alkyl group as a substituent, and a specific example of the alkyl group which may have as the substituent. Examples thereof include the same alkyl groups represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2).
The alkyl group represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2) may have as a substituent is represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2). Examples thereof include the same alkyl groups that the aromatic hydrocarbon group may have as a substituent, and the same are preferable ones.
式(1)及び(2)中、R3及びR4はいずれか一方が上記式(3)または(4)で表される置換基を、他方が水素原子を表す。
式(3)及び(4)中、p、q及びrはそれぞれ1乃至20の整数を表し、Xはそれぞれ独立に酸素原子または硫黄原子を表し、R5は炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基を表す。
In formulas (1) and (2), one of R 3 and R 4 represents a substituent represented by the above formula (3) or (4), and the other represents a hydrogen atom.
In the formula (3) and (4), p, q and r represents an integer of 1 to 20, X each independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, R 5 is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, Represents an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group.
pは式(3)で表される置換基中のアルキレン基の炭素数を示しており、4乃至16の整数であることが好ましく、6乃至14の整数であることがより好ましく、8乃至12の整数であることが更に好ましい。
q及びrはそれぞれ式(4)で表される置換基中のアルキレン基の炭素数を示しており、qは4乃至16の整数であることが好ましく、6乃至14の整数であることがより好ましく、8乃至12の整数であることが更に好ましく、rは1乃至8の整数であることが好ましく、1乃至6の整数であることがより好ましく、1乃至4の整数であることが更に好ましい。
また、q及びrの合計q+rが、2乃至25であることが好ましく、2乃至20であることがより好ましく、2乃至15であることが更に好ましい。
p represents the carbon number of the alkylene group in the substituent represented by the formula (3), and is preferably an integer of 4 to 16, more preferably an integer of 6 to 14, and 8 to 12 It is more preferably an integer of.
Each of q and r indicates the number of carbon atoms of the alkylene group in the substituent represented by the formula (4), and q is preferably an integer of 4 to 16, and more preferably an integer of 6 to 14. It is preferable that it is an integer of 8 to 12, r is preferably an integer of 1 to 8, more preferably an integer of 1 to 6, and even more preferably an integer of 1 to 4. ..
Further, the total q + r of q and r is preferably 2 to 25, more preferably 2 to 20, and even more preferably 2 to 15.
式(3)及び式(4)のR5が表す炭素数1乃至20のアルキル基は直鎖、分岐鎖または脂環式の何れにも限定されず、その具体例としては、式(1)及び(2)のR1またはR2が表すアルキル基と同じものが挙げられる。
式(3)及び式(4)のR5が表す炭素数1乃至20のアルキル基は芳香族炭化水素基または複素環基を置換基として有していてもよく、該有していてもよい置換基としては、式(1)及び(2)のR1またはR2が表す芳香族炭化水素基及び複素環基と同じものが挙げられる。
式(3)及び式(4)のR5が表す炭素数1乃至20のアルキル基としては、直鎖または分岐鎖のアルキル基であることが好ましく、直鎖アルキル基であることがより好ましい。また、式(3)及び式(4)のR5が表す炭素数1乃至20のアルキル基の炭素数は、1乃至10であることが好ましく、1乃至8であることがより好ましく、1乃至6であることが更に好ましく、1乃至4であることが特に好ましい。
Equation (3) and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms R 5 represents the formula (4) is not limited to any linear, branched or alicyclic, and specific examples thereof, the formula (1) And the same as the alkyl group represented by R 1 or R 2 in (2).
Equation (3) and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms R 5 represents the formula (4) may have as a substituent an aromatic hydrocarbon group or heterocyclic group may be in organic Examples of the substituent include the same aromatic hydrocarbon groups and heterocyclic groups represented by R 1 or R 2 of the formulas (1) and (2).
The alkyl group of the formula (3) and (4) the R 5 is a C 1 -C 20 represents preferably an alkyl group of straight or branched chain, more preferably a straight chain alkyl group. Further, the carbon number of the alkyl group of
式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物としては、以下に記載する(i)または(ii)の条件を満たす化合物が特に好ましい。
(i)R1及びR4が水素原子であり、R2が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基であり、かつR3が式(3)または(4)で表される置換基である縮合多環芳香族化合物が好ましく、該R1乃至R4(及び式(3)、式(4)中のp、q、r、X並びにR5)が、上記の好ましい乃至特に好ましい等の縮合多環芳香族化合物がより好ましい。
(ii)R1が水素原子、炭素数1乃至20のアルキル基、芳香族炭化水素基または複素環基であり、R2及びR3が水素原子であり、かつR4が式(3)または(4)で表される置換基である縮合多環芳香族化合物が好ましく、該R1乃至R4(及び式(3)、式(4)中のp、q、r、X並びにR5)が、上記の好ましい乃至特に好ましい等の縮合多環芳香族化合物がより好ましい。
As the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2), a compound satisfying the conditions of (i) or (ii) described below is particularly preferable.
(I) R 1 and R 4 are hydrogen atoms, R 2 is a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, and R 3 is the formula (3) or Condensed polycyclic aromatic compounds which are substituents represented by (4) are preferable, and the R 1 to R 4 (and p, q, r, X and R 5 in the formulas (3) and (4)) are preferable. However, the above-mentioned preferable or particularly preferable condensed polycyclic aromatic compound is more preferable.
(Ii) R 1 is a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, R 2 and R 3 are hydrogen atoms, and R 4 is the formula (3) or. Condensed polycyclic aromatic compounds which are substituents represented by (4) are preferable, and the R 1 to R 4 (and p, q, r, X and R 5 in the formulas (3) and (4)) are preferable. However, the above-mentioned preferable or particularly preferable condensed polycyclic aromatic compound is more preferable.
本発明の式(1)または式(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物は、例えばJ.Am.Chem.Soc.,2013,135,13900.に記載の合成フローに基づき、対応する置換基を有する原料を用いることで合成することができる。 The condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or the formula (2) of the present invention is, for example, J.I. Am. Chem. Soc. , 2013, 135, 13900. It can be synthesized by using a raw material having a corresponding substituent based on the synthesis flow described in 1.
以下に本発明の式(1)または式(2)で表される縮合多環芳香族化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Specific examples of the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or the formula (2) of the present invention are shown below, but the present invention is not limited thereto.
また、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物は、有機溶媒に可溶であることが求められる。該有機溶媒は、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を溶解し得るものであれば特に限定なく用いることが出来るが、実用的な意味で非ハロゲン系溶媒であることが好ましい。また、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を溶媒に溶解して得られる溶液の安定性を考慮した場合、室温における式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物の溶解度がある程度以上高いことが求められる。25℃における溶解度は通常0.05質量%以上であり、0.1質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましい。また、溶液の安定性は、溶解後24時間経過した後も結晶の析出がないことが好ましく、溶解後1週間経過した後も完全に溶解していることがより好ましい。 Further, the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) is required to be soluble in an organic solvent. The organic solvent can be used without particular limitation as long as it can dissolve the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2), but is a non-halogen solvent in a practical sense. It is preferable to have. Further, when the stability of the solution obtained by dissolving the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) in a solvent is taken into consideration, it is represented by the formula (1) or (2) at room temperature. It is required that the solubility of the condensed polycyclic aromatic compound is higher than a certain level. The solubility at 25 ° C. is usually 0.05% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.3% by mass or more. Further, regarding the stability of the solution, it is preferable that no crystals are precipitated even after 24 hours have passed after the dissolution, and it is more preferable that the solution is completely dissolved even after 1 week has passed after the dissolution.
有機溶媒としては、クロロホルム、ジクロロメタン、クロロベンゼン及びジクロロベンゼン等のハロゲン系溶媒も使用できるが、非ハロゲン系溶媒が好ましく、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン及びシクロヘキシルベンゼンなどの芳香族炭化水素類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール及びブトキシベンゼンなどのエーテル類、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びN−メチルピロリドンなどのアミド類等、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン及びシクロヘキサノンなどのケトン類、アセトニトリル、プロピオニトリル及びベンゾニトリルなどのニトリル類、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びシクロヘキサノールなどのアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸エチル及び炭酸ジエチルなどのエステル類、ヘキサン、オクタン、デカン、シクロヘキサン及びデカリンなどの炭化水素類などを用いることができる。 As the organic solvent, halogen-based solvents such as chloroform, dichloromethane, chlorobenzene and dichlorobenzene can be used, but non-halogen solvents are preferable, and aromatic carbonization such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, tetrahydronaphthalene and cyclohexylbenzene is preferable. Hydrogens, diethyl ethers, tetrahydrofurans, anisole, ethers such as phenetol and butoxybenzene, amides such as dimethylacetamide, dimethylformamide and N-methylpyrrolidone, acetone, methylethylketone, methylisobutylketone, cyclopentanone and cyclohexanone. Ketones, acetonitrile, nitriles such as propionitrile and benzonitrile, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol and cyclohexanol, esters such as ethyl acetate, butyl acetate, ethyl benzoate and diethyl carbonate, hexane, Hydrocarbons such as octane, decane, cyclohexane and decalin can be used.
本発明の有機半導体材料は、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を含有する。
有機半導体材料中の式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物の含有量は特に限定されないが、通常は有機半導体材料中に50乃至100質量%程度である。
The organic semiconductor material of the present invention contains a condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2).
The content of the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) in the organic semiconductor material is not particularly limited, but is usually about 50 to 100% by mass in the organic semiconductor material.
本発明の有機半導体組成物は、式(1)または(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を含有する有機半導体材料を上記の溶媒に溶解または分散したものである。使用できる溶媒は、上記の溶媒を単一の有機溶媒でも、複数の有機溶媒を混合して使用することもできる。
有機半導体組成物中の式(1)または(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物の含有量は、溶媒の種類や作成する薄膜の膜厚により異なるが、溶媒に対して通常0.01乃至5質量%であり、0.1乃至5質量%が好ましく、0.3乃至5質量%がより好ましい。また、本発明の有機半導体組成物は、本発明の有機半導体材料が上記の溶媒に溶解又は分散していれば構わないが、均一な溶液として溶解していることが好ましい。
The organic semiconductor composition of the present invention is obtained by dissolving or dispersing an organic semiconductor material containing a condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) in the above solvent. As the solvent that can be used, the above solvent may be used as a single organic solvent, or a plurality of organic solvents may be mixed and used.
The content of the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) in the organic semiconductor composition varies depending on the type of solvent and the thickness of the thin film to be prepared, but is usually 0.01 with respect to the solvent. It is from 5% by mass, preferably 0.1 to 5% by mass, and more preferably 0.3 to 5% by mass. Further, in the organic semiconductor composition of the present invention, the organic semiconductor material of the present invention may be dissolved or dispersed in the above solvent, but it is preferably dissolved as a uniform solution.
本発明の有機半導体材料は、上記の式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物と有機溶媒以外に、有機半導体デバイスの特性を改善及び/または他の特性を付与する等を目的として、必要に応じて他の添加剤を含んでいてもよく、半導体としての機能を阻害しないものであれば添加剤の種類は特に制限されない。例えば、本発明の式(1)または(2)以外の構造を有する半導体性材料、絶縁性材料のほか、レオロジーの制御するための界面活性剤、増粘剤、キャリア注入やキャリア量を調整するためのドーパントなどが一例として挙げられる。これらは組成物としての安定性を阻害しないものが好ましく、高分子であっても低分子であってもよい。これら添加剤の含有量は、その目的により異なるため一概には言えないが、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物の含有量よりも少ない方が好ましい。 The organic semiconductor material of the present invention improves the characteristics of the organic semiconductor device and / or imparts other characteristics in addition to the condensed polycyclic aromatic compound represented by the above formula (1) or (2) and the organic solvent. If necessary, other additives may be contained for the purpose of the above, and the type of the additive is not particularly limited as long as it does not impair the function as a semiconductor. For example, in addition to semiconductor materials and insulating materials having a structure other than the formula (1) or (2) of the present invention, surfactants, thickeners, carrier injections and carrier amounts for controlling rheology are adjusted. A dopant for this purpose is given as an example. These are preferably those that do not impair the stability of the composition, and may be high molecular weight or low molecular weight. The content of these additives varies depending on the purpose and cannot be unequivocally determined, but it is preferably smaller than the content of the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2).
本発明の有機薄膜は式(1)または(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を含む有機半導体材料を用いて得られる。該薄膜の膜厚は、その用途によって異なるが、通常1nm乃至1μmであり、好ましくは5nm乃至500nmであり、より好ましくは10nm乃至300nmである。 The organic thin film of the present invention can be obtained by using an organic semiconductor material containing a condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2). The film thickness of the thin film varies depending on the application, but is usually 1 nm to 1 μm, preferably 5 nm to 500 nm, and more preferably 10 nm to 300 nm.
有機薄膜の形成方法は、蒸着法などのドライプロセスや種々の溶液プロセスなどがあげられるが、溶液プロセスで形成することが好ましい。溶液プロセスとしてはたとえば、スピンコート法、ドロップキャスト法、ディップコート法、スプレー法、フレキソ印刷、樹脂凸版印刷などの凸版印刷法、オフセット印刷法、ドライオフセット印刷法、パッド印刷法などの平板印刷法、グラビア印刷法などの凹版印刷法、スクリーン印刷法、謄写版印刷法、リングラフ印刷法などの孔版印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法等、さらにはこれらの手法を複数組み合わせた方法が挙げられる。溶液プロセスで成膜する場合、上記の塗布、印刷したのち、溶媒を蒸発させて薄膜を形成することが好ましい。 Examples of the method for forming the organic thin film include a dry process such as a thin film deposition method and various solution processes, but it is preferable to form the organic thin film by a solution process. Examples of the solution process include spin coating method, drop casting method, dip coating method, spray method, flexo printing, letterpress printing method such as resin letterpress printing, offset printing method, dry offset printing method, and flat plate printing method such as pad printing method. , Recessed printing method such as gravure printing method, screen printing method, copy printing method, stencil printing method such as lingraph printing method, inkjet printing method, micro contact printing method, etc., and a method in which a plurality of these methods are combined can be mentioned. .. When forming a film by a solution process, it is preferable to form a thin film by evaporating the solvent after the above coating and printing.
式(1)または式(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物は、有機EL素子、有機太陽電池素子、有機光電変換素子及び有機トランジスタ素子等の有機半導体デバイスの有機薄膜の材料として好適に用いられる。その一例として有機トランジスタについて詳細に説明する。 The condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or the formula (2) is suitable as a material for an organic thin film of an organic semiconductor device such as an organic EL element, an organic solar cell element, an organic photoelectric conversion element and an organic transistor element. Used. As an example, the organic transistor will be described in detail.
有機トランジスタは、有機半導体に接して2つの電極(ソース電極及びドレイン電極)があり、その電極間に流れる電流を、ゲート電極と呼ばれるもう一つの電極に印加する電圧で制御するものである。
一般に、有機トランジスタデバイスはゲート電極が絶縁膜で絶縁されている構造(Metal−InsuIator−Semiconductor MIS構造)がよく用いられる。絶縁膜に金属酸化膜を用いるものはMOS構造と呼ばれる。他には、ショットキー障壁を介してゲート電極が形成されている構造(すなわちMES構造)もあるが、有機トランジスタの場合、MIS構造がよく用いられる。
An organic transistor has two electrodes (source electrode and drain electrode) in contact with an organic semiconductor, and the current flowing between the electrodes is controlled by a voltage applied to another electrode called a gate electrode.
In general, an organic transistor device often uses a structure in which a gate electrode is insulated with an insulating film (Metal-InsuIator-Semiconductor MIS structure). A structure in which a metal oxide film is used as an insulating film is called a MOS structure. In addition, there is a structure in which a gate electrode is formed via a Schottky barrier (that is, a MES structure), but in the case of an organic transistor, a MIS structure is often used.
以下、図1に示す有機トランジスタデバイスのいくつかの態様例を用いて有機トランジスタについてより詳細に説明するが、本発明はこれらの構造には限定されない。
図1における各態様例において、1がソース電極、2が半導体層、3がドレイン電極、4が絶縁体層、5がゲート電極、6が基板をそれぞれ表す。尚、各層や電極の配置は、デバイスの用途により適宜選択できる。A乃至D及びFは基板と並行方向に電流が流れるので、横型トランジスタと呼ばれる。Aはボトムコンタクトボトムゲート構造、Bはトップコンタクトボトムゲート構造と呼ばれる。また、Cは半導体上にソース及びドレイン電極、絶縁体層を設け、さらにその上にゲート電極を形成しており、トップコンタクトトップゲート構造と呼ばれている。Dはトップ&ボトムコンタクトボトムゲート型トランジスタと呼ばれる構造である。Fはボトムコンタクトトップゲート構造である。Eは縦型の構造をもつトランジスタ、すなわち静電誘導トランジスタ(SIT)の模式図である。このSITは、電流の流れが平面状に広がるので一度に大量のキャリアが移動できる。またソース電極とドレイン電極が縦に配されているので電極間距離を小さくできるため応答が高速である。従って、大電流を流す、高速のスイッチングを行うなどの用途に好ましく適用できる。なお図1中のEには、基板を記載していないが、通常の場合、図1E中の1及び3で表されるソース又はドレイン電極の外側には基板が設けられる。
Hereinafter, the organic transistor will be described in more detail with reference to some examples of the organic transistor device shown in FIG. 1, but the present invention is not limited to these structures.
In each embodiment in FIG. 1, 1 is a source electrode, 2 is a semiconductor layer, 3 is a drain electrode, 4 is an insulator layer, 5 is a gate electrode, and 6 is a substrate. The arrangement of each layer and electrodes can be appropriately selected depending on the application of the device. A to D and F are called horizontal transistors because current flows in the direction parallel to the substrate. A is called a bottom contact bottom gate structure, and B is called a top contact bottom gate structure. Further, C has a source and drain electrodes and an insulator layer provided on the semiconductor, and a gate electrode is further formed on the source and drain electrodes, which is called a top contact top gate structure. D has a structure called a top & bottom contact bottom gate type transistor. F has a bottom contact top gate structure. E is a schematic diagram of a transistor having a vertical structure, that is, a static induction transistor (SIT). In this SIT, since the current flow spreads in a plane, a large number of carriers can move at one time. Moreover, since the source electrode and the drain electrode are arranged vertically, the distance between the electrodes can be reduced, so that the response is fast. Therefore, it can be preferably applied to applications such as passing a large current and performing high-speed switching. Although the substrate is not shown in E in FIG. 1, a substrate is usually provided outside the source or drain electrodes represented by 1 and 3 in FIG. 1E.
次に各態様例における各構成要素について説明する。
基板6は、その上に形成される各層が剥離することなく保持できることが必要である。例えば樹脂板やフィルム、紙、ガラス、石英、セラミックなどの絶縁性材料;金属や合金などの導電性基板上にコーティング等により絶縁層を形成した物;樹脂と無機材料など各種組合せからなる材料;等が使用できる。使用できる樹脂フィルムの例としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、セルローストリアセテート、ポリエーテルイミドなどが挙げられる。樹脂フィルムや紙を用いると、デバイスに可撓性を持たせることができ、フレキシブルで、軽量となり、実用性が向上する。基板の厚さとしては、通常1μm乃至10mmであり、好ましくは5μm乃至5mmである。
Next, each component in each embodiment will be described.
The
ソース電極1、ドレイン電極3、ゲート電極5には導電性を有する材料が用いられる。例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、タングステン、タンタル、ニッケル、コバルト、銅、鉄、鉛、錫、チタン、インジウム、パラジウム、モリブデン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、リチウム、カリウム、ナトリウム等の金属及びそれらを含む合金;InO2、ZnO2、SnO2、ITO等の導電性酸化物;ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリジアセチレン等の導電性高分子化合物;シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の半導体;カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等の炭素材料;等が使用できる。また、導電性高分子化合物や半導体にはドーピングが行われていてもよい。ドーパントとしては、例えば、塩酸、硫酸等の無機酸;スルホン酸等の酸性官能基を有する有機酸;PF5、AsF5、FeCl3等のルイス酸;ヨウ素等のハロゲン原子;リチウム、ナトリウム、カリウム等の金属原子;等が挙げられる。ホウ素、リン、砒素などはシリコンなどの無機半導体用のドーパントとしても多用されている。
A conductive material is used for the
また、上記のドーパントにカーボンブラックや金属粒子などを分散した導電性の複合材料も用いられる。直接、半導体と接触するソース電極1およびドレイン電極3はコンタクト抵抗を低減するために適切な仕事関数を選択するか、表面処理などが重要である。
またソース電極とドレイン電極間の距離(チャネル長)がデバイスの特性を決める重要なファクターであり、適正なチャネル長が必要である。チャネル長が短ければ取り出せる電流量は増えるが、コンタクト抵抗の影響などの短チャネル効果が生じ、半導体特性を低下させることがある。該チャネル長は、通常0.01乃至300μm、好ましくは0.1乃至100μmである。ソースとドレイン電極間の幅(チャネル幅)は通常10乃至5000μm、好ましくは40乃至2000μmとなる。またこのチャネル幅は、電極の構造をくし型構造とすることなどにより、さらに長いチャネル幅を形成することが可能で、必要な電流量やデバイスの構造などにより、適切な長さにする必要がある。
Further, a conductive composite material in which carbon black, metal particles, etc. are dispersed in the above-mentioned dopant is also used. For the
In addition, the distance between the source electrode and the drain electrode (channel length) is an important factor that determines the characteristics of the device, and an appropriate channel length is required. If the channel length is short, the amount of current that can be taken out increases, but short-channel effects such as the influence of contact resistance may occur, and the semiconductor characteristics may deteriorate. The channel length is usually 0.01 to 300 μm, preferably 0.1 to 100 μm. The width (channel width) between the source and drain electrodes is usually 10 to 5000 μm, preferably 40 to 2000 μm. In addition, it is possible to form a longer channel width by making the electrode structure a comb-shaped structure, etc., and it is necessary to make this channel width an appropriate length depending on the required amount of current and the structure of the device. be.
次にソース電極及びドレイン電極のそれぞれの構造(形)について説明する。ソース電極とドレイン電極の構造はそれぞれ同じであっても、異なっていてもよい。 Next, the structures (shapes) of the source electrode and the drain electrode will be described. The structures of the source electrode and the drain electrode may be the same or different.
ボトムコンタクト構造の場合は、一般的にはリソグラフィー法を用いて各電極を作製し、また各電極は直方体に形成するのが好ましい。最近は各種印刷方法による印刷精度が向上してきており、インクジェット印刷、グラビア印刷又はスクリーン印刷などの手法を用いて精度よく電極を作製することが可能となってきている。半導体上に電極のあるトップコンタクト構造の場合はシャドウマスクなどを用いて蒸着することが出来る。インクジェットなどの手法を用いて電極パターンを直接印刷形成することも可能となってきている。電極の長さは前記のチャネル幅と同じである。電極の幅には特に規定は無いが、電気的特性を安定化できる範囲で、デバイスの面積を小さくするためには短い方が好ましい。電極の幅は、通常0.1乃至1000μmであり、好ましくは0.5乃至100μmである。電極の厚さは、通常0.5乃至1000nmであり、好ましくは1乃至500nmであり、より好ましくは5乃至200nmである。各電極1、3、5には配線が連結されているが、配線も電極とほぼ同様の材料により作製される。
In the case of a bottom contact structure, it is generally preferable that each electrode is manufactured by a lithography method, and each electrode is formed in a rectangular parallelepiped. Recently, the printing accuracy of various printing methods has been improved, and it has become possible to manufacture electrodes with high accuracy by using techniques such as inkjet printing, gravure printing, and screen printing. In the case of a top contact structure having electrodes on a semiconductor, vapor deposition can be performed using a shadow mask or the like. It has become possible to directly print and form an electrode pattern using a technique such as inkjet. The length of the electrode is the same as the channel width described above. The width of the electrode is not particularly specified, but it is preferably short in order to reduce the area of the device within the range in which the electrical characteristics can be stabilized. The width of the electrode is usually 0.1 to 1000 μm, preferably 0.5 to 100 μm. The thickness of the electrode is usually 0.5 to 1000 nm, preferably 1 to 500 nm, and more preferably 5 to 200 nm. Wiring is connected to each of the
絶縁体層4としては絶縁性を有する材料が用いられる。例えば、ポリパラキシリレン、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、ポリシロキサン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のポリマー及びこれらを組み合わせた共重合体;酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等の金属酸化物;SrTiO3、BaTiO3等の強誘電性金属酸化物;窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、硫化物、フッ化物などの誘電体;あるいは、これら誘電体の粒子を分散させたポリマー;等が使用しうる。この絶縁体層はリーク電流を少なくするために電気絶縁特性が高いものが好ましく使用できる。それにより膜厚を薄膜化し、絶縁容量を高くすることが出来、取り出せる電流が多くなる。また半導体の移動度を向上させるためには絶縁体層表面の表面エネルギーを低下させ、凹凸がなくスムースな膜であることが好ましい。その為に自己組織化単分子膜や、2層の絶縁体層を形成させる場合がある。絶縁体層4の膜厚は、材料によって異なるが、通常1nm乃至100μm、好ましくは5nm乃至50μm、より好ましくは5nm乃至10μmである。
As the
半導体層2の材料には、上記の式(1)または(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を少なくとも1種類含む有機半導体材料を用いることができる。先に示した薄膜の形成方法を用いて、式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を含む有機薄膜を形成し、半導体層2とすることができる。
半導体層については複数の層を形成してもよいが、単層構造であることがより好ましい。半導体層2の膜厚は、必要な機能を失わない範囲で、薄いほど好ましい。A、B及びDに示すような横型の有機トランジスタにおいては、所定以上の膜厚があればデバイスの特性は膜厚に依存しないが、膜厚が厚くなると漏れ電流が増加してくることが多いためである。必要な機能を示すための半導体層の膜厚は、通常、1nm乃至1μm、好ましくは5nm乃至500nm、より好ましくは10nm乃至300nmである。
As the material of the
A plurality of layers may be formed as the semiconductor layer, but a single-layer structure is more preferable. The film thickness of the
有機トランジスタには、例えば基板層と絶縁膜層や絶縁膜層と半導体層の間やデバイスの外面に必要に応じて他の層を設けることができる。例えば、有機半導体層上に直接、又は他の層を介して、保護層を形成すると、湿度などの外気の影響を小さくすることができる。また、有機トランジスタデバイスのオン/オフ比を上げることができるなど、電気的特性を安定化できる利点もある。
上記保護層の材料としては特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、フッ素樹脂、ポリオレフィン等の各種樹脂からなる膜;酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素等の無機酸化膜;及び窒化膜等の誘電体からなる膜;等が好ましく用いられ、特に、酸素や水分の透過率や吸水率の小さな樹脂(ポリマー)が好ましい。有機ELディスプレイ用に開発されているガスバリア性保護材料も使用が可能である。保護層の膜厚は、その目的に応じて任意の膜厚を選択できるが、通常100nm乃至1mmである。
For the organic transistor, for example, another layer can be provided between the substrate layer and the insulating film layer, between the insulating film layer and the semiconductor layer, or on the outer surface of the device, if necessary. For example, when a protective layer is formed directly on the organic semiconductor layer or through another layer, the influence of outside air such as humidity can be reduced. In addition, there is an advantage that the electrical characteristics can be stabilized, such as increasing the on / off ratio of the organic transistor device.
The material of the protective layer is not particularly limited, but for example, a film made of an epoxy resin, an acrylic resin such as polymethylmethacrylate, and various resins such as polyurethane, polyimide, polyvinyl alcohol, fluororesin, and polyolefin; silicon oxide, aluminum oxide, and the like. Inorganic oxide films such as silicon nitride; and films made of dielectrics such as nitride films; etc. are preferably used, and in particular, resins (polymers) having low oxygen and moisture permeability and water absorption are preferable. Gas barrier protective materials developed for organic EL displays can also be used. The film thickness of the protective layer can be selected as desired depending on the purpose, but is usually 100 nm to 1 mm.
また有機半導体層が積層される基板又は絶縁体層に予め表面改質や表面処理を行うことにより、有機トランジスタデバイスとしての特性を向上させることが可能である。例えば基板表面の親水性/疎水性の度合いを調整することにより、その上に成膜される膜の膜質や成膜性を改良することができる。特に、有機半導体材料は分子の配向など膜の状態によって特性が大きく変わることがある。そのため、基板、絶縁体層などへの表面処理によって、その後に成膜される有機半導体層との界面部分の分子配向が制御される、あるいは基板や絶縁体層上のトラップ部位が低減されることにより、キャリア移動度等の特性が改良されるものと考えられる。
トラップ部位とは、未処理の基板に存在する例えば水酸基のような官能基をさし、このような官能基が存在すると、電子が該官能基に引き寄せられ、この結果としてキャリア移動度が低下する。従って、トラップ部位を低減することもキャリア移動度等の特性改良には有効な場合が多い。
Further, by performing surface modification or surface treatment on the substrate or insulator layer on which the organic semiconductor layer is laminated in advance, it is possible to improve the characteristics as an organic transistor device. For example, by adjusting the degree of hydrophilicity / hydrophobicity of the substrate surface, the film quality and film forming property of the film formed on the substrate surface can be improved. In particular, the characteristics of organic semiconductor materials may change significantly depending on the state of the film such as the orientation of molecules. Therefore, by surface-treating the substrate, the insulator layer, etc., the molecular orientation of the interface portion with the organic semiconductor layer to be subsequently formed is controlled, or the trap portion on the substrate or the insulator layer is reduced. Therefore, it is considered that the characteristics such as carrier mobility are improved.
The trap site refers to a functional group such as a hydroxyl group existing on the untreated substrate, and in the presence of such a functional group, electrons are attracted to the functional group, and as a result, the carrier mobility is lowered. .. Therefore, reducing the trap portion is often effective for improving characteristics such as carrier mobility.
上記のような特性改良のための表面処理としては、例えば、ヘキサメチルジシラザン、オクチルトリクロロシラン、オクタデシルトリクロロシラン等による自己組織化単分子膜処理、ポリマーなどによる表面処理、塩酸や硫酸、酢酸等による酸処理、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、アンモニア等によるアルカリ処理、オゾン処理、フッ素化処理、酸素やアルゴン等のプラズマ処理、ラングミュア・ブロジェット膜の形成処理、その他の絶縁体や半導体の薄膜の形成処理、機械的処理、コロナ放電などの電気的処理、繊維等を利用したラビング処理などがあげられ、それらの組み合わせた処理も行うことができる。
これらの態様において、例えば基板層と絶縁膜層や絶縁膜層と有機半導体層等の各層を設ける方法としては、前記した真空プロセス、溶液プロセスが適宜採用できる。
Examples of the surface treatment for improving the characteristics as described above include self-assembling monolayer treatment with hexamethyldisilazane, octyltrichlorosilane, octadecyltrichlorosilane, etc., surface treatment with polymers, hydrochloric acid, sulfuric acid, acetic acid, etc. Acid treatment with sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, ammonia, etc., ozone treatment, fluorination treatment, plasma treatment with oxygen, argon, etc., Langmuir Brodget film formation treatment, and other insulators. And semiconductor thin film formation treatment, mechanical treatment, electrical treatment such as corona discharge, rubbing treatment using fibers and the like, and a combination of these can also be performed.
In these aspects, as a method of providing each layer such as a substrate layer and an insulating film layer or an insulating film layer and an organic semiconductor layer, the above-mentioned vacuum process and solution process can be appropriately adopted.
次に、本発明に係る有機トランジスタデバイスの製造方法について、図1の態様例Bに示すトップコンタクトボトムゲート型有機トランジスタを例として、図2に基づき以下に説明する。この製造方法は前記した他の態様の有機トランジスタ等にも同様に適用しうるものである。 Next, a method for manufacturing the organic transistor device according to the present invention will be described below with reference to FIG. 2 by taking the top contact bottom gate type organic transistor shown in the embodiment B of FIG. 1 as an example. This manufacturing method can be similarly applied to the organic transistors and the like of the other aspects described above.
(有機トランジスタの基板及び基板処理について)
本発明の有機トランジスタは、基板6上に必要な各種の層や電極を設けることで作製される(図2(1)参照)。基板としては上記で説明したものが使用できる。この基板上に前述の表面処理などを行うことも可能である。基板6の厚みは、必要な機能を妨げない範囲で薄い方が好ましい。材料によっても異なるが、通常1μm乃至10mmであり、好ましくは5μm乃至5mmである。また、必要により、基板に電極の機能を持たせるようにする事も出来る。
(About the substrate and substrate processing of organic transistors)
The organic transistor of the present invention is manufactured by providing various necessary layers and electrodes on the substrate 6 (see FIG. 2 (1)). As the substrate, the one described above can be used. It is also possible to perform the above-mentioned surface treatment on this substrate. The thickness of the
(ゲート電極の形成について)
基板6上にゲート電極5を形成する(図2(2)参照)。電極材料としては上記で説明したものが用いられる。電極膜を成膜する方法としては、各種の方法を用いることができ、例えば真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、熱転写法、印刷法、ゾルゲル法等が採用される。成膜時又は成膜後、所望の形状になるよう必要に応じてパターニングを行うのが好ましい。パターニングの方法としても各種の方法を用いうるが、例えばフォトレジストのパターニングとエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法等が挙げられる。また、シャドウマスクを用いた蒸着法やスパッタ法やインクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷等の印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法等のソフトリソグラフィーの手法、及びこれら手法を複数組み合わせた手法を利用し、パターニングすることも可能である。ゲート電極5の膜厚は、材料によっても異なるが、通常0.1nm乃至10μmであり、好ましくは0.5nm乃至5μmであり、より好ましくは1nm乃至3μmである。また、ゲート電極と基板を兼ねるような場合は上記の膜厚より大きくてもよい。
(About the formation of gate electrodes)
The
(絶縁体層の形成について)
ゲート電極5上に絶縁体層4を形成する(図2(3)参照)。絶縁体材料としては上記で説明した材料が用いられる。絶縁体層4を形成するにあたっては各種の方法を用いることができる。例えばスピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング、キャスト、バーコート、ブレードコーティングなどの塗布法、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット等の印刷法、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、イオンプレーティング法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法、CVD法などのドライプロセス法が挙げられる。その他、ゾルゲル法やアルミニウム上のアルマイト、シリコン上の酸化珪素のように金属上に熱酸化法などにより酸化物膜を形成する方法等が採用される。尚、絶縁体層と半導体層が接する部分においては、両層の界面で半導体を構成する分子、例えば上記式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物の分子を良好に配向させるために、絶縁体層に所定の表面処理を行うこともできる。表面処理の手法は、基板の表面処理と同様のものを用いることができうる。絶縁体層4の膜厚は、その電気容量をあげることで取り出す電気量を増やすことが出来るため、出来るだけ薄い膜であることが好ましい。このときに薄い膜になるとリーク電流が増えるため、その機能を損なわない範囲で薄い方が好ましい。通常0.1nm乃至100μmであり、好ましくは0.5nm乃至50μmであり、より好ましくは5nm乃至10μmである。
(About the formation of the insulator layer)
An
(有機半導体層の形成について)
本発明の上記式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を含む有機半導体材料は、有機半導体層の形成に使用される(図2(4)参照)。有機半導体層を成膜するにあたっては、各種の方法を用いることができる。具体的にはディップコート法、ダイコーター法、ロールコーター法、バーコーター法、スピンコート法等の塗布法、インクジェット法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、マイクロコンタクト印刷法などの溶液プロセスによる形成方法が挙げられる。
(About the formation of organic semiconductor layers)
The organic semiconductor material containing the condensed polycyclic aromatic compound represented by the above formula (1) or (2) of the present invention is used for forming an organic semiconductor layer (see FIG. 2 (4)). Various methods can be used to form the organic semiconductor layer. Specifically, a coating method such as a dip coating method, a die coater method, a roll coater method, a bar coater method, or a spin coating method, a forming method by a solution process such as an inkjet method, a screen printing method, an offset printing method, or a microcontact printing method. Can be mentioned.
溶液プロセスによって成膜し有機半導体層を得る方法について説明する。本発明の式(1)または(2)で表わされる縮合多環芳香族化合物を溶媒等に溶解し、さらに必要であれば添加剤などを添加した組成物を、基板(絶縁体層、ソース電極及びドレイン電極間の露出部)に塗布する。塗布の方法としては、スピンコート法、ドロップキャスト法、ディップコート法、スプレー法、フレキソ印刷、樹脂凸版印刷などの凸版印刷法、オフセット印刷法、ドライオフセット印刷法、パッド印刷法などの平板印刷法、グラビア印刷法などの凹版印刷法、シルクスクリーン印刷法、謄写版印刷法、リングラフ印刷法などの孔版印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法等、さらにはこれらの手法を複数組み合わせた方法が挙げられる。
更に、塗布方法に類似した方法として水面上に上記の組成物を滴下することにより作製した有機半導体層の単分子膜を基板に移し積層するラングミュアプロジェクト法、液晶や融液状態の材料を2枚の基板で挟んで毛管現象で基板間に導入する方法等も採用できる。
A method of forming an organic semiconductor layer by forming a film by a solution process will be described. A composition obtained by dissolving a condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) of the present invention in a solvent or the like and further adding an additive or the like if necessary is applied to a substrate (insulator layer, source electrode). And the exposed part between the drain electrodes). The coating method includes spin coating method, drop casting method, dip coating method, spray method, flexo printing, letterpress printing method such as resin letterpress printing, offset printing method, dry offset printing method, and flat plate printing method such as pad printing method. , Recessed printing method such as gravure printing method, silk screen printing method, copy printing method, stencil printing method such as lingraph printing method, inkjet printing method, micro contact printing method, etc. Will be printed.
Further, as a method similar to the coating method, the Langmuir project method in which the monomolecular film of the organic semiconductor layer produced by dropping the above composition on the water surface is transferred to a substrate and laminated, and two liquid crystal or liquid-state materials are used. It is also possible to adopt a method of sandwiching between the substrates and introducing it between the substrates by capillarity.
製膜時における基板や組成物の温度などの環境も重要で、基板や組成物の温度によってトランジスタの特性が変化する場合があるので、注意深く基板及び組成物の温度を選択するのが好ましい。基板温度は通常、0乃至200℃であり、好ましくは10乃至120℃であり、より好ましくは15乃至100℃である。用いる組成物中の溶媒などに大きく依存するため、注意が必要である。
この方法により作製される有機半導体層の膜厚は、機能を損なわない範囲で、薄い方が好ましい。膜厚が厚くなると漏れ電流が大きくなる懸念がある。有機半導体層の膜厚は、通常1nm乃至1μm、好ましくは5nm乃至500nm、より好ましくは10nm乃至300nmである。
The environment such as the temperature of the substrate and the composition at the time of film formation is also important, and the characteristics of the transistor may change depending on the temperature of the substrate and the composition. Therefore, it is preferable to carefully select the temperature of the substrate and the composition. The substrate temperature is usually 0 to 200 ° C, preferably 10 to 120 ° C, and more preferably 15 to 100 ° C. Care must be taken as it largely depends on the solvent in the composition used.
The film thickness of the organic semiconductor layer produced by this method is preferably thin as long as the function is not impaired. There is a concern that the leakage current will increase as the film thickness increases. The film thickness of the organic semiconductor layer is usually 1 nm to 1 μm, preferably 5 nm to 500 nm, and more preferably 10 nm to 300 nm.
このように形成された有機半導体層(図2(4)参照)は、後処理によりさらに特性を改良することが可能である。例えば、熱処理により、成膜時に生じた膜中の歪みが緩和されること、ピンホール等が低減されること、膜中の配列・配向が制御できる等の理由により、有機半導体特性の向上や安定化を図ることができる。本発明の有機トランジスタの作製時にはこの熱処理を行うことが特性の向上の為には効果的である。当該熱処理は有機半導体層を形成した後に基板を加熱することによって行う。熱処理の温度は特に制限は無いが通常、室温から150℃程度で、好ましくは40乃至120℃、さらに好ましくは45乃至100℃である。この時の熱処理時間については特に制限は無いが通常10秒から24時間、好ましくは30秒から3時間程度である。その時の雰囲気は大気中でもよいが、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気下でもよい。その他、溶媒蒸気による膜形状のコントロールなどが可能である。 The characteristics of the organic semiconductor layer thus formed (see FIG. 2 (4)) can be further improved by post-treatment. For example, heat treatment improves and stabilizes the characteristics of organic semiconductors because the distortion in the film generated during film formation is alleviated, pinholes are reduced, and the arrangement and orientation in the film can be controlled. Can be achieved. It is effective to perform this heat treatment at the time of producing the organic transistor of the present invention in order to improve the characteristics. The heat treatment is performed by heating the substrate after forming the organic semiconductor layer. The temperature of the heat treatment is not particularly limited, but is usually about 150 ° C. from room temperature, preferably 40 to 120 ° C., and more preferably 45 to 100 ° C. The heat treatment time at this time is not particularly limited, but is usually about 10 seconds to 24 hours, preferably about 30 seconds to 3 hours. The atmosphere at that time may be in the atmosphere, but it may also be in an inert atmosphere such as nitrogen or argon. In addition, the film shape can be controlled by solvent vapor.
またその他の有機半導体層の後処理方法として、酸素や水素等の酸化性あるいは還元性の気体や、酸化性あるいは還元性の液体などを用いて処理することにより、酸化あるいは還元による特性変化を誘起することもできる。これは例えば膜中のキャリア密度の増加あるいは減少の目的で利用することが出来る。 In addition, as another post-treatment method for the organic semiconductor layer, treatment is performed using an oxidizing or reducing gas such as oxygen or hydrogen, or an oxidizing or reducing liquid, thereby inducing a change in characteristics due to oxidation or reduction. You can also do it. This can be used, for example, for the purpose of increasing or decreasing the carrier density in the membrane.
また、ドーピングと呼ばれる手法において、微量の元素、原子団、分子、高分子を有機半導体層に加えることにより、有機半導体層特性を変化させることができる。例えば、酸素、水素、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸;PF5、AsF5、FeCl3等のルイス酸;ヨウ素等のハロゲン原子;ナトリウム、カリウム等の金属原子;テトラチアフルバレン(TTF)やフタロシアニン等のドナー化合物をドーピングすることができる。これは、有機半導体層に対して、これらのガスを接触させたり、溶液に浸したり、電気化学的なドーピング処理をすることにより達成できる。これらのドーピングは有機半導体層の作製後でなくても、有機半導体化合物の合成時に添加したり、有機半導体デバイス作製用の組成物を用いて有機半導体層を作製するプロセスでは、その組成物に添加したり薄膜を形成する工程段階などで添加することができる。また蒸着時に有機半導体層を形成する材料に、ドーピングに用いる材料を添加して共蒸着したり、有機半導体層を作製する時の周囲の雰囲気に混合したり(ドーピング材料を存在させた環境下で有機半導体層を作製する)、さらにはイオンを真空中で加速して膜に衝突させてドーピングすることも可能である。
これらのドーピングの効果は、キャリア密度の増加あるいは減少による電気伝導度の変化、キャリアの極性の変化(p型、n型)、フェルミ準位の変化等が挙げられる。
Further, in a method called doping, the characteristics of the organic semiconductor layer can be changed by adding a trace amount of elements, atomic groups, molecules, and polymers to the organic semiconductor layer. For example, acids such as oxygen, hydrogen, hydrochloric acid, sulfuric acid, sulfonic acid ; Lewis acids such as PF 5 , AsF 5 , FeCl 3 ; halogen atoms such as iodine; metal atoms such as sodium and potassium; tetrathiafluvalene (TTF) and Donor compounds such as phthalocyanine can be doped. This can be achieved by contacting the organic semiconductor layer with these gases, immersing them in a solution, or subjecting them to an electrochemical doping treatment. These dopings are added at the time of synthesizing the organic semiconductor compound or added to the composition in the process of producing the organic semiconductor layer using the composition for producing the organic semiconductor device, even if it is not after the production of the organic semiconductor layer. It can be added at the stage of forming a thin film or forming a thin film. In addition, the material used for doping is added to the material that forms the organic semiconductor layer during vapor deposition and co-deposited, or mixed with the surrounding atmosphere when the organic semiconductor layer is formed (in an environment where the doping material is present). It is also possible to make an organic semiconductor layer), and further, it is possible to accelerate ions in a vacuum and cause them to collide with a film for doping.
The effects of these dopings include changes in electrical conductivity due to an increase or decrease in carrier density, changes in carrier polarity (p-type, n-type), changes in Fermi levels, and the like.
(ソース電極及びドレイン電極の形成)
ソース電極1及びドレイン電極3の形成方法等はゲート電極5の場合に準じて形成することができる(図2(5)参照)。また有機半導体層との接触抵抗を低減するために各種添加剤などを用いることが可能である。
(Formation of source electrode and drain electrode)
The
(保護層について)
有機半導体層上に保護層7を形成すると、外気の影響を最小限にでき、また、有機トランジスタの電気的特性を安定化できるという利点がある(図2(6)参照)。保護層の材料としては前記のものが使用される。保護層7の膜厚は、その目的に応じて任意の膜厚を採用できるが、通常100nm乃至1mmである。
保護層を成膜するにあたっては各種の方法を採用しうるが、保護層が樹脂からなる場合は、例えば、樹脂溶液を塗布後、乾燥させて樹脂膜とする方法;樹脂モノマーを塗布あるいは蒸着したのち重合する方法;などが挙げられる。成膜後に架橋処理を行ってもよい。保護層が無機物からなる場合は、例えば、スパッタリング法、蒸着法等の真空プロセスでの形成方法や、ゾルゲル法等の溶液プロセスでの形成方法も用いることができる。
有機トランジスタにおいては有機半導体層上の他、各層の間にも必要に応じて保護層を設けることができる。それらの層は有機トランジスタの電気的特性の安定化に役立つ場合がある。
(About the protective layer)
Forming the protective layer 7 on the organic semiconductor layer has an advantage that the influence of the outside air can be minimized and the electrical characteristics of the organic transistor can be stabilized (see FIG. 2 (6)). The above-mentioned material is used as the material of the protective layer. The film thickness of the protective layer 7 can be any film thickness depending on the purpose, but is usually 100 nm to 1 mm.
Various methods can be adopted for forming the protective layer, but when the protective layer is made of resin, for example, a method in which a resin solution is applied and then dried to form a resin film; a resin monomer is applied or vapor-deposited. A method of later polymerizing; and the like. Crosslinking may be performed after the film formation. When the protective layer is made of an inorganic substance, for example, a forming method by a vacuum process such as a sputtering method or a vapor deposition method, or a forming method by a solution process such as a sol-gel method can also be used.
In the organic transistor, a protective layer can be provided between the organic semiconductor layers as well as between the layers as needed. These layers may help stabilize the electrical properties of the organic transistor.
上記式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物を有機半導体材料として用いているため、プラスチック基板上に作製した他の構成部材の作製におけるプロセス温度に十分耐えうることができる。その結果、軽量で柔軟性に優れた壊れにくいデバイスの製造が可能になり、ディスプレイのアクティブマトリクスのスイッチングデバイス等として利用することができる。 Since the condensed polycyclic aromatic compound represented by the above formula (1) or (2) is used as the organic semiconductor material, it can sufficiently withstand the process temperature in the production of other constituent members produced on the plastic substrate. can. As a result, it becomes possible to manufacture a lightweight, flexible and hard-to-break device, which can be used as a switching device for an active matrix of a display.
有機トランジスタは、メモリー回路デバイス、信号ドライバー回路デバイス、信号処理回路デバイスなどのデジタルデバイスやアナログデバイスとしても利用できる。さらにこれらを組み合わせることにより、ディスプレイ、ICカードやICタグ等の作製が可能となる。更に、有機トランジスタは化学物質等の外部刺激によりその特性に変化を起こすことができるので、センサーとしての利用も可能である。 Organic transistors can also be used as digital devices and analog devices such as memory circuit devices, signal driver circuit devices, and signal processing circuit devices. Further, by combining these, it becomes possible to manufacture a display, an IC card, an IC tag, and the like. Further, since the organic transistor can change its characteristics by an external stimulus such as a chemical substance, it can also be used as a sensor.
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下の操作において、不活性ガス下の反応や測定には無水蒸留した溶媒を用い、その他の反応や操作においては市販一級または特級の溶媒を用いた。また、試薬は必要に応じて無水蒸留等で精製し、その他は市販一級または特級の試薬を用いた。以下に、使用した分析機器および測定機器を示す。核磁気共鳴分光は、LAMBDA−NMR(395.75MHz、σ値、ppm、内部標準TMS)を用いて行った。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
In the following operations, an anhydrous distilled solvent was used for the reaction and measurement under the inert gas, and a commercially available first-class or special-grade solvent was used for other reactions and operations. The reagents were purified by anhydrous distillation or the like as needed, and commercially available first-class or special-grade reagents were used for the others. The analytical instruments and measuring instruments used are shown below. Nuclear magnetic resonance spectroscopy was performed using LAMBDA-NMR (395.75 MHz, σ value, ppm, internal standard TMS).
実施例1(上記具体例のNo.1で表される縮合多環芳香族化合物の合成)
化合物No.1で表される本発明の有機化合物を、下記の合成フローに準じて合成した。
Example 1 (Synthesis of condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 1 of the above specific example)
Compound No. The organic compound of the present invention represented by 1 was synthesized according to the following synthesis flow.
窒素雰囲気下、100mLの3つ口フラスコに上記フローに記載したPrecursor3.3g(4.75mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド333mg(0.475mmol)、酢酸ナトリウム780mg(9.50mmol)およびN,N−ジメチルアセトアミド40mLを加え120℃で10時間加熱した。反応液を冷蔵庫で一晩放置し、析出した固体を濾別したのち、ソックスレー抽出器を用いて固体から粗生成物を抽出した(抽出溶媒;クロロホルム)。クロロホルムを濃縮し、得られた固体をクロロホルム−ヘキサンから再結晶した。再結晶により得られた有機化合物を昇華精製することで上記No.1で表される本発明の縮合多環芳香族化合物512mg(収率19%)を黄色固体として得た。 Precursor 3.3 g (4.75 mmol), bis (triphenylphosphine) palladium (II) dichloride 333 mg (0.475 mmol), sodium acetate 780 mg (9.50 mmol) described in the above flow in a 100 mL three-necked flask under a nitrogen atmosphere. ) And 40 mL of N, N-dimethylacetamide were added and heated at 120 ° C. for 10 hours. The reaction mixture was left to stand overnight in a refrigerator, the precipitated solid was filtered off, and then the crude product was extracted from the solid using a Soxhlet extractor (extraction solvent; chloroform). Chloroform was concentrated and the resulting solid was recrystallized from chloroform-hexane. By sublimating and purifying the organic compound obtained by recrystallization, the above No. 512 mg (yield 19%) of the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by 1 was obtained as a yellow solid.
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光の測定結果は以下のとおりであった。
1H−NMR(400MHz,CDCl3)σ1.31−1.36(m,12H)、1.61(m,1H)、1.71(m,1H)、2.79(t,2H)、3.36(s,3H)、3.51(t,2H)、4.62(s,2H)、7.28(dd,1H)、7.41(m,1H)、7.70−7.54(m,2H)、7.70(d,1H)、7.76−7.81(m,3H)、7.85(d,1H)、8.01(d,1H)、8.22(d,1H)、8.40(s,1H)、8,41(s,1H)
No. obtained in Example 1. The measurement results of nuclear magnetic resonance spectroscopy of the condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 are as follows.
1 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) σ1.31-1.36 (m, 12H), 1.61 (m, 1H), 1.71 (m, 1H), 2.79 (t, 2H), 3.36 (s, 3H), 3.51 (t, 2H), 4.62 (s, 2H), 7.28 (dd, 1H), 7.41 (m, 1H), 7.70-7 .54 (m, 2H), 7.70 (d, 1H), 7.76-7.81 (m, 3H), 7.85 (d, 1H), 8.01 (d, 1H), 8. 22 (d, 1H), 8.40 (s, 1H), 8,41 (s, 1H)
実施例2(溶解度の評価)
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物の粉末約1mgをバイアルに量り取り、正確に質量を測定した。そこにシクロヘキサノン及びキシレンをそれぞれ加えていき、縮合多環芳香族化合物が完全に溶解した時点で溶液の質量を正確に測定した。No.1で表される縮合多環芳香族化合物の質量と前記のシクロヘキサノン溶液又はキシレン溶液の質量から溶解度(縮合多環芳香族化合物の質量/各溶液の質量×100)を算出した。尚、完全に溶解した時点の見極めは目視確認により行った。結果を表1に示した。
Example 2 (evaluation of solubility)
No. obtained in Example 1. About 1 mg of the powder of the condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 was weighed into a vial, and the mass was accurately measured. Cyclohexanone and xylene were added thereto, and the mass of the solution was accurately measured when the condensed polycyclic aromatic compound was completely dissolved. No. The solubility (mass of condensed polycyclic aromatic compound / mass of each solution × 100) was calculated from the mass of the condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 and the mass of the cyclohexanone solution or the xylene solution. The time when it was completely dissolved was determined by visual confirmation. The results are shown in Table 1.
実施例3(有機トランジスタの特性評価)
実施例1で得られたNo.1で表される縮合多環芳香族化合物を用いて有機トランジスタデバイスを作製し、トランジスタ特性を評価した。
実施例2で得られたNo.1で表される化合物のキシレン溶液を用いて、フェネチルトリクロロシランにより表面処理を施したSiO2熱酸化膜付きnドープシリコンウェハー上に、スピンコート法により有機薄膜を作製した。次に、前記で得られた有機薄膜上にシャドウマスクを用いてAuを真空蒸着してソース電極及びドレイン電極を作製することによりトップコンタクト型の有機トランジスタを得た。得られた有機トランジスタのチャネル長は20μm、チャネル幅は100μmであった。
図1Bはトップコンタクト型の有機トランジスタの構造を示すものである。尚、本実施例の有機トランジスタにおいては、nドープシリコンウェハー上の熱酸化膜が絶縁層4の機能を有し、nドープシリコンウェハーが基板6及びゲート電極5の機能を兼ね備えている。
Example 3 (Characteristic evaluation of organic transistor)
No. obtained in Example 1. An organic transistor device was prepared using the condensed polycyclic aromatic compound represented by 1, and the transistor characteristics were evaluated.
No. obtained in Example 2. An organic thin film was prepared by a spin coating method on an n-doped silicon wafer with a SiO 2 thermal oxide film surface-treated with phenetiltrichlorosilane using a xylene solution of the compound represented by 1. Next, a top contact type organic transistor was obtained by vacuum-depositing Au on the organic thin film obtained above using a shadow mask to prepare a source electrode and a drain electrode. The channel length of the obtained organic transistor was 20 μm, and the channel width was 100 μm.
FIG. 1B shows the structure of a top contact type organic transistor. In the organic transistor of this embodiment, the thermal oxide film on the n-doped silicon wafer has the function of the insulating
実施例3で得られた有機トランジスタの性能は、ゲート電極に電位をかけた状態でソース電極とドレイン電極の間に電位をかけた時に流れた電流量に依存する。この電流値の測定結果を、有機半導体層中に生じるキャリア種の電気的特性を表現する下記式(a)に用いることにより、移動度を算出することができる。
Id=ZμCi(Vg−Vt)2/2L・・・(a)
式(a)中、Idは飽和したソース・ドレイン電流値、Zはチャネル幅、Ciは絶縁体の電気容量、Vgはゲート電位、Vtはしきい電位、Lはチャネル長であり、μは決定する移動度(cm2/Vs)である。Ciは用いたSiO2絶縁膜の誘電率、Z、Lは有機トランジスタデバイスのデバイス構造よりに決まり、Id、Vgは有機トランジスタデバイスの電流値の測定時に決まり、VtはId、Vgから求めることができる。式(a)に各値を代入することで、それぞれのゲート電位での移動度を算出することができる。
The performance of the organic transistor obtained in Example 3 depends on the amount of current flowing when a potential is applied between the source electrode and the drain electrode while the potential is applied to the gate electrode. The mobility can be calculated by using the measurement result of this current value in the following formula (a) expressing the electrical characteristics of the carrier species generated in the organic semiconductor layer.
Id = ZμCi (Vg-Vt) 2 / 2L ... (a)
In formula (a), Id is the saturated source / drain current value, Z is the channel width, Ci is the capacitance of the insulator, Vg is the gate potential, Vt is the threshold potential, L is the channel length, and μ is determined. Mobility mobility (cm 2 / Vs). Ci is determined by the dielectric constant of the SiO 2 insulating film used, Z and L are determined by the device structure of the organic transistor device, Id and Vg are determined when measuring the current value of the organic transistor device, and Vt is determined by Id and Vg. can. By substituting each value into the equation (a), the mobility at each gate potential can be calculated.
上記のように作成したトランジスタ素子について、ドレイン電圧−30Vの条件で、ゲート電圧を+20V乃至−80Vまで掃引した場合のドレイン電流変化を測定し、その結果から算出した正孔移動度とオン電流とオフ電流の比を表2にまとめた。 For the transistor element created as described above, the change in drain current when the gate voltage was swept from + 20V to -80V under the condition of drain voltage -30V was measured, and the hole mobility and on-current calculated from the results were obtained. The off-current ratios are summarized in Table 2.
本発明の式(1)または(2)で表される縮合多環芳香族化合物は溶媒に対する溶解性に優れるため、該縮合多環芳香族化合物及び有機溶媒を含有する有機半導体組成物から容易に有機薄膜を成形可能であり、しかも該有機薄膜を有する有機トランジスタは、正孔移動度1.0cm2/Vs、オン/オフ比105の優れたトランジスタ特性を発現した。
Since the condensed polycyclic aromatic compound represented by the formula (1) or (2) of the present invention has excellent solubility in a solvent, it can be easily obtained from an organic semiconductor composition containing the condensed polycyclic aromatic compound and an organic solvent. the organic thin film moldable, yet the organic transistor having an organic thin film, and exhibits excellent transistor characteristics hole mobility 1.0
実施例4(上記具体例のNo.41で表される縮合多環芳香族化合物の合成)
Precursorを下記式(5)で表される化合物に変更した以外は実施例1と同様の処理を行うことにより、上記No.41で表される本発明の縮合多環芳香族化合物396mg(収率32%)を黄色固体として得た。
Example 4 (Synthesis of condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 41 of the above specific example)
By performing the same treatment as in Example 1 except that the precursor was changed to the compound represented by the following formula (5), the above No. 396 mg (yield 32%) of the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by 41 was obtained as a yellow solid.
実施例4で得られたNo.41で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光の測定結果は以下のとおりであった。
1H−NMR(400MHz,CDCl3)σ1.25−1.40(m,12H)、1.77(m,4H)、2.79(t,2H)、3.94(t,2H)、6.90(m,3H)、7.25−7.29(m,3H)、7.41(dd,1H)、7.52(dd,2H)、7.70(s,1H)、7.77(d,2H)、7.81(s,1H)、7.85(d,1H)、8.01(d,1H)、8.22(d,1H)、8.40(s,1H)、8,41(s,1H)
No. obtained in Example 4. The measurement results of nuclear magnetic resonance spectroscopy of the condensed polycyclic aromatic compound represented by 41 were as follows.
1 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) σ1.25-1.40 (m, 12H), 1.77 (m, 4H), 2.79 (t, 2H), 3.94 (t, 2H), 6.90 (m, 3H), 7.25-7.29 (m, 3H), 7.41 (dd, 1H), 7.52 (dd, 2H), 7.70 (s, 1H), 7 .77 (d, 2H), 7.81 (s, 1H), 7.85 (d, 1H), 8.01 (d, 1H), 8.22 (d, 1H), 8.40 (s, 1H), 8,41 (s, 1H)
実施例5(上記具体例のNo.42で表される縮合多環芳香族化合物の合成)
Precursorを下記式(6)で表される化合物に変更した以外は実施例1と同様の処理を行うことにより、上記No.42で表される本発明の縮合多環芳香族化合物198mg(収率29%)を黄色固体として得た。
Example 5 (Synthesis of condensed polycyclic aromatic compound represented by No. 42 of the above specific example)
By performing the same treatment as in Example 1 except that the precursor was changed to the compound represented by the following formula (6), the above No. 198 mg (yield 29%) of the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention represented by 42 was obtained as a yellow solid.
実施例5で得られたNo.42で表される縮合多環芳香族化合物の核磁気共鳴分光の測定結果は以下のとおりであった。
1H−NMR(400MHz,CDCl3)σ1.25−1.35(m,14H)、1.77(m,2H)、2.78(t,2H)、3.94(t,2H)、6.90(m,3H)、7.26(m,2H)、7.31(d,1H)、7.52(m,2H)、7.75(s,1H)、7.79(d,1H)、7.93(dd,1H)、8.01(dd,1H)、8.33(s,1H)、8.38(s,1H)
No. obtained in Example 5. The measurement results of nuclear magnetic resonance spectroscopy of the condensed polycyclic aromatic compound represented by 42 were as follows.
1 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) σ1.25-1.35 (m, 14H), 1.77 (m, 2H), 2.78 (t, 2H), 3.94 (t, 2H), 6.90 (m, 3H), 7.26 (m, 2H), 7.31 (d, 1H), 7.52 (m, 2H), 7.75 (s, 1H), 7.79 (d) , 1H), 7.93 (dd, 1H), 8.01 (dd, 1H), 8.33 (s, 1H), 8.38 (s, 1H)
実施例6(溶解度の評価)
No.1で表される縮合多環芳香族化合物をNo.41で表される縮合多環芳香族化合物に変更した以外は実施例2と同様の方法で溶解度を測定した。結果を表3に示した。
Example 6 (evaluation of solubility)
No. The condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 is No. The solubility was measured by the same method as in Example 2 except that the compound was changed to the condensed polycyclic aromatic compound represented by 41. The results are shown in Table 3.
実施例7(溶解度の評価)
No.1で表される縮合多環芳香族化合物をNo.42で表される縮合多環芳香族化合物に変更した以外は実施例2と同様の方法で溶解度を測定した。結果を表3に示した。
Example 7 (evaluation of solubility)
No. The condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 is No. The solubility was measured by the same method as in Example 2 except that the compound was changed to the condensed polycyclic aromatic compound represented by 42. The results are shown in Table 3.
比較例1(溶解度の評価)
No.1で表される縮合多環芳香族化合物を下記式(7)で表される比較用の縮合多環芳香族化合物(特許文献4に記載の化合物の類似化合物)に変更した以外は実施例2と同様の方法で溶解度を測定した。結果を表3に示した。
Comparative Example 1 (Evaluation of solubility)
No. Example 2 except that the condensed polycyclic aromatic compound represented by 1 was changed to a comparative condensed polycyclic aromatic compound represented by the following formula (7) (a compound similar to the compound described in Patent Document 4). The solubility was measured in the same manner as in. The results are shown in Table 3.
表1及び表3の結果より、実施例と比較例の縮合多環芳香族化合物はいずれもBTNT骨格を有しているにもかかわらず、実施例の縮合多環芳香族化合物は比較用の縮合多環芳香族化合物よりも5倍以上も高い有機溶媒に対する溶解度を示した。 From the results of Tables 1 and 3, although the condensed polycyclic aromatic compounds of Examples and Comparative Examples both have a BTNT skeleton, the condensed polycyclic aromatic compounds of Examples are condensed for comparison. It showed a solubility in organic solvents that was more than 5 times higher than that of polycyclic aromatic compounds.
実施例8(有機トランジスタの特性評価)
No.1で表される化合物のキシレン溶液を実施例6で得られたNo.41で表される化合物のキシレン溶液に変更した以外は、実施例3と同様の方法で有機トランジスタデバイスを作製し、トランジスタ特性を評価した。結果を表4に示した。
Example 8 (Characteristic evaluation of organic transistor)
No. The xylene solution of the compound represented by 1 was obtained in Example 6 and No. An organic transistor device was produced in the same manner as in Example 3 except that the compound represented by 41 was changed to a xylene solution, and the transistor characteristics were evaluated. The results are shown in Table 4.
実施例9(有機トランジスタの特性評価)
No.1で表される化合物のキシレン溶液を実施例7で得られたNo.42で表される化合物のキシレン溶液に変更した以外は、実施例3と同様の方法で有機トランジスタデバイスを作製し、トランジスタ特性を評価した。結果を表4に示した。
Example 9 (Characteristic evaluation of organic transistor)
No. The xylene solution of the compound represented by No. 1 was obtained in Example 7. An organic transistor device was produced in the same manner as in Example 3 except that the compound represented by 42 was changed to a xylene solution, and the transistor characteristics were evaluated. The results are shown in Table 4.
比較例2(有機トランジスタの特性評価)
No.1で表される化合物のキシレン溶液を比較例1で得られた式(7)で表される化合物のキシレン溶液に変更した以外は、実施例3と同様の方法で有機トランジスタデバイスを作製し、トランジスタ特性を評価した。結果を表4に示した。
Comparative Example 2 (Characteristic evaluation of organic transistor)
No. An organic transistor device was produced in the same manner as in Example 3 except that the xylene solution of the compound represented by 1 was changed to the xylene solution of the compound represented by the formula (7) obtained in Comparative Example 1. The transistor characteristics were evaluated. The results are shown in Table 4.
式(7)で表される化合物を用いた比較例2では、化合物の溶媒溶解性が不十分であったことから塗布製膜により薄膜を形成することができなかった。これに対して、実施例8及び9で用いた本発明の縮合多芳香族化合物は高い溶媒溶解性を有しているため、容易に有機トランジスタデバイスを作製可能であった。更に、特許文献4および5には、これら文献の化合物を用いた有機トランジスタの正孔移動度が10−1台であったことが報告されている一方で、本発明の縮合多環芳香族化合物を用いた有機トランジスタの正孔移動度は最大で1を超える値を示した。以上の結果から、本発明の縮合多環芳香族化合物は高い溶解性を有すると共に、該化合物を用いて得られた有機トランジスタデバイスは優れたトランジスタ特性を示すことは明らかである。
In Comparative Example 2 using the compound represented by the formula (7), a thin film could not be formed by coating film formation because the solvent solubility of the compound was insufficient. On the other hand, since the condensed polyaromatic compound of the present invention used in Examples 8 and 9 has high solvent solubility, an organic transistor device could be easily produced. Further,
本発明の縮合多環芳香族化合物は良好な溶媒溶解性を有するため、印刷プロセスで有機半導体デバイスを作成する際に好適に用いられると共に、該化合物を用いて得られる有機薄膜を有する有機半導体デバイスは、良好な半導体特性を発現する。よって、本発明は有機トランジスタデバイス、ダイオード、コンデンサ、薄膜光電変換デバイス、色素増感太陽電池、有機ELデバイス等の分野に利用することが可能である。
Since the condensed polycyclic aromatic compound of the present invention has good solvent solubility, it is suitably used when producing an organic semiconductor device in a printing process, and an organic semiconductor device having an organic thin film obtained by using the compound. Expresses good semiconductor properties. Therefore, the present invention can be used in the fields of organic transistor devices, diodes, capacitors, thin film photoelectric conversion devices, dye-sensitized solar cells, organic EL devices, and the like.
Claims (15)
A method for producing an organic thin film, which comprises a step of applying or printing the organic semiconductor composition according to claim 11 on a substrate, and a step of removing an organic solvent from the organic semiconductor composition coated or printed on the substrate.
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