JP5334236B2 - 電界効果型トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、電界効果型トランジスタおよび当該電界効果型トランジスタを有する有機エレクトロルミネッセンス素子に関するものである。

現在、最も一般的な電界効果型トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」という場合がある）は、ＳｉやＧａ、Ａｓなどの無機材料からなる基板上にソース電極とドレイン電極が形成され、これらの電極間にゲート絶縁層を有し、さらに当該ゲート絶縁層上にゲート電極が形成された構造を有する。そしてゲート電極に電圧を印加することによって、無機材料基板の一部（チャネル層）を通じてソース電極からドレイン電極へ電流が流れる。

近年、このチャネル層として有機半導体を用いた有機ＦＥＴが注目されている。この有機半導体からなるチャネル層の利点としては、（１）従来の無機材料基板で用いられていた蒸着プロセス以外に低コストで大量生産し易い印刷などで形成できること、（２）低温で形成できるので熱に弱い有機材料基板を用いることができること、（３）有機半導体自体が柔軟であるので、フレキシブルで耐衝撃性が高く且つ軽量なＦＥＴを形成できるといったことが挙げられる。特に、軽量でフレキシブルという特長を有する有機ＦＥＴは、ＲＦタグ、電子ペーパー、有機ＥＬや液晶ディスプレイ装置などの電子部品として極めて好ましい。

その反面、有機半導体材料は酸素や水分の存在により劣化し易いので、ＦＥＴの寿命が短くなるという欠点を有する。特に最近では軽量化などの観点から有機材料基板が用いられるようになってきているが、有機材料基板のガスバリア性は無機材料基板よりも低いためにトランジスタ中に水分やガスが浸入し易く、有機半導体の劣化が進むという問題がある。

そこで、ガスバリア層により水分やガスの浸入を防ぐ技術が検討されている。例えば特許文献１には、ポリイミドやポリエチレンテレフタレートからなる有機材料基板や有機半導体層の上にガスバリア層を設けることにより有機半導体を水やガスなどから保護する技術が開示されている。
特開２００６−９３３３２号公報

上述した様に、基板やチャネル層が有機材料で形成されているものであって、基板上やチャネル層上にガスバリア層を形成することにより水やガスなどに弱い有機半導体を保護する技術は知られていた。しかしかかる従来技術では有機半導体の劣化を必ずしも抑制できなかった。

例えば上記特許文献１に記載の有機半導体装置では基板材料としてポリイミドまたはポリエチレンフタレートが用いられているが、これら材料はガスバリア性に乏しい。また、当該有機基板上の無機材料ガスバリア層はスパッタリングなどにより形成されるが、その際にピンホールなどの欠陥が生じがちであり、さらに、無機材料によるガスバリア層は屈曲により亀裂が発生する場合がある。よって、これら有機材料からなる基板上へ単にガスバリア層を設けるのみでは、水やガスの浸入を完全に防ぐことはできない。その結果、特にディスプレイなど常時駆動を強いられる電子機器に有機ＦＥＴを適用した場合には、有機半導体の劣化が促進される。

その上、ポリエチレンテレフタレートなどからなるフィルムは耐熱性が低い。また、一般的な有機材料の熱膨張係数は金属や無機物よりも遥かに大きい。その結果、熱履歴を受けると寸法安定性に問題が生じたり、反りが発生する。

そこで本発明が解決すべき課題は、フレキシブル性を有しながらも十分なガスバリア性を示す上に、高い寸法安定性を有する電界効果型トランジスタを提供することにある。また、本発明は、当該電界効果型トランジスタを含む有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することも目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく基板材料としてガスバリア性と寸法安定性の高い材料を探索した。その結果、液晶ポリマーは極めて高いガスバリア性と寸法安定性を示すことから電界効果型トランジスタの基板材料として優れることを見出して本発明を完成した。

本発明の電界効果型トランジスタは、基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層および有機半導体層を有し、当該基板が液晶ポリマーフィルムからなることを特徴とする。

また、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、本発明の電界効果型トランジスタを含むことを特徴とする。

本発明の電界効果型トランジスタは、基板材料として液晶ポリマーを用いていることからフレキシブルでありながら十分なガスバリア性を有するので、有機半導体を水分やガスから保護することができ、長寿命である。また、高い寸法安定性を有するので熱履歴を受けても変形が少ない。よって、本発明の電界効果型トランジスタを、大画面の有機ＥＬディスプレイ装置などに利用できる有機エレクトロルミネッセンス素子に適用することも可能である。従って本発明は、電子デバイス部品として産業上極めて有用である。

本発明の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）は、基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層および有機半導体層を有し、当該基板が液晶ポリマーフィルムからなることを特徴とする。

本発明に係るＦＥＴの基板材料である液晶ポリマーは、耐熱性の熱可塑性樹脂であり、溶融状態で液晶性を示すサーモトロピック液晶ポリマーと溶液状態で液晶性を示すリオトロピック液晶ポリマーとがある。本発明で用いる液晶ポリマーとしてはサーモトロピック液晶ポリマーが好適であり、より具体的にはサーモトロピック液晶ポリエステルやサーモトロピック液晶ポリエステルアミドが好ましい。

サーモトロピック液晶ポリエステル（以下、単に「液晶ポリエステル」という）とは、例えば、芳香族ジカルボン酸と芳香族ジオールや芳香族ヒドロキシカルボン酸などのモノマーを主体として合成される芳香族ポリエステルであって、溶融時に液晶性を示すものである。その代表的なものとしては、パラヒドロキシ安息香酸（ＰＨＢ）とテレフタル酸と４，４’−ビフェノールから合成されるＩ型［下式（１）］、ＰＨＢと２，６−ヒドロキシナフトエ酸から合成されるＩＩ型［下式（２）］、ＰＨＢとテレフタル酸とエチレングリコールから合成されるＩＩＩ型［下式（３）］が挙げられる。

本発明に係る液晶ポリマー樹脂としては、液晶性（特にサーモトロピック液晶性）を示すものであれば、例えば、上記（１）〜（３）式に示すユニットを主体（例えば、液晶ポリマーの全構成ユニット中５０モル％以上）とし、他のユニットも有する共重合タイプのポリマーであってもよい。他のユニットとしては、例えばエーテル結合を有するユニット、イミド結合を有するユニット、アミド結合を有するユニットなどが挙げられる。本発明において特に好適な液晶ポリエステルからなるフィルムとしては、例えばジャパンゴアテックス社製の「ＢＩＡＣ（登録商標）」を挙げることができる。

液晶ポリエステルアミドとしては、他のユニットとしてアミド結合を有する上記液晶ポリエステルが該当し、例えば下式（４）の構造を有するものが挙げられる。例えば、式（４）中、ｓのユニット、ｔのユニットおよびｕのユニットのモル比が、７０／１５／１５のものが知られている。

基板材料である液晶ポリマーとしては、上記液晶ポリマーを含むポリマーアロイを用いてもよい。この場合、液晶ポリマーと混合または化学結合させるアロイ用ポリマーとしては、融点が２２０℃以上、好ましくは２８０〜３６０℃のポリマーがある。例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレートなどが挙げられるが、これらに限定される訳ではない。液晶ポリマーと上記アロイ用ポリマーの混合割合は特に制限されないが、例えば質量比で１０：９０〜９０：１０であることが好ましく、３０：７０〜７０：３０であることがより好ましい。液晶ポリマーを含むポリマーアロイも液晶ポリマーによる優れた特性を保有し得る。

本発明では以上で説明した液晶ポリマーを材料としてフィルムを形成し、基板とする。液晶ポリマーフィルムの厚さとしては１０〜２０００μｍ程度が好ましい。薄過ぎると強度やガスバリア性が不足する可能性がある一方で、厚過ぎるとフィルム化が困難となり得る。なお、平面形状や大きさは最終製品である液晶ディスプレイ装置などに合わせて決定すればよい。

液晶ポリマーフィルムの表面粗度については、レーザー顕微鏡を用いて測定した場合の三次元中心面平均粗さ（ＳＲａ）が５０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２５ｎｍ以下がよい。フィルム上に形成される電極などの厚みが１０〜１００ｎｍ程度と極めて薄いため、粗度が５０ｎｍより大きいと微細な領域で膜厚が不均一となり、電界効果移動度やオン／オフ比が低下するおそれがある。それに対して、当該粗度が高い場合であっても電極や半導体層などの厚さを厚くすれば歩留は維持できるが、それでは製造コストが上ってしまう。しかし当該粗度が５０ｎｍ以下であれば、電極などの厚さを適度なものとした場合でも高品質のＦＥＴを効率良く製造することができる。

本発明における液晶ポリマーフィルムの表面粗度は、三次元中心面平均粗さ（ＳＲａ）をいうものとする。三次元中心面平均粗さは平面方向における凹凸をより正確に表すことができる。

当該表面粗度は、以下の方法により測定することができる。例えばオリンパス製のＯＬＳ３０００などのレーザー顕微鏡を使用し、レーザー種としてλ＝４０８±５ｎｍの半導体レーザーを用い、Ｚ方向の移動分解能を０．０１μｍに設定して、１９２μｍ×２５６μｍの範囲におけるＺ方向の粗さを０．１μｍピッチで５０倍の共焦点モードで測定し、その平均値を求めるものとする。

液晶ポリマーフィルムの表面粗度を小さくするには、熱プレス装置を用いて表面平滑化処理をすることが好ましい。例えば、離型材として少なくとも片面を鏡面加工した金属板やポリイミドなど、平滑性、耐熱性および離型性を有する高分子フィルムや板状物で液晶ポリマーフィルムを挟み、加熱加圧処理すればよい。その際の温度は、液晶ポリマーが十分に軟化はするがその融点未満とする。また、圧力は液晶ポリマーの種類や加熱温度などにもよるが、通常は１〜１０ＭＰａ程度とする。熱プレス装置の種類は特に制限されず、一般的な平板プレス機の他に、熱ロール間で連続的に加圧することもできる。上記の方法以外にも、研磨による平坦化や、別途液晶ポリマーや他のポリマー材料の溶液のコーティングによる平滑層の形成などの公知方法も用い得る。

上記液晶ポリマーフィルムではフィルム平面に平行な方向の線膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下に調整されていることが好ましい。より好ましくは２５ｐｐｍ／℃以下である。また、液晶ポリマーフィルムの上記線膨張係数の下限は５ｐｐｍ／℃であることが望ましい。かかる範囲の線膨張係数を有する液晶ポリマーフィルムであれば、金属等からなる電極などとの線膨張係数の差が小さいため、熱履歴を受けた場合などに発生する反りが低減されるからである。例えば金属層が接する場合には液晶ポリマーフィルムの線膨張係数を５〜２０ｐｐｍ／℃程度とし、有機層と接する場合には２０〜３０ｐｐｍ／℃とすることが好ましい。

液晶ポリマーフィルムの線膨張係数は、機器分析（ＴＭＡ）法により測定することができる。より具体的には、例えば試験片幅：４．５ｍｍ、チャック間距離：１５ｍｍ、荷重：１ｇとし、昇温速度：５℃／分で室温から２００℃まで昇温後に降温速度：５℃／分で冷却する際に、１６０℃から２５℃の間で測定される試験片の寸法変化から求める。液晶ポリマーフィルムのＭＤ方向（フィルム製造時の走行方向）およびＴＤ方向（ＭＤ方向に直交する方向）の線膨張係数のいずれもが上記範囲を満足することが好ましい。

なお、液晶ポリマーフィルムの線膨張係数は、分子配向を制御することにより調節することができる。また、フィラーの添加などにより調節してもよい。但しフィラーは液晶ポリマーフィルムの表面平滑性に悪影響を与える場合があるので、線膨張係数は好適には延伸条件により調整する。

ディスプレイなど常時駆動を強いられる電子機器にＦＥＴを適用する場合には、有機半導体の劣化が進行し易いために基板にはより高度なガスバリア性が要求される。よって、本発明基板の少なくとも片面にはガスバリア性をより一層高めるためにガスバリア層を設けてもよい。かかるガスバリア層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ；これら金属の酸化物；これら金属の窒化物；これら金属の酸化窒化物を挙げることができ、これらから１種を選択して用いるか、２種以上を選択し混合して用いることができる。

ガスバリア層の厚さは、通常５〜１０００ｎｍ程度とする。５ｎｍ未満であるとガスバリア性が十分に発揮できないおそれがある一方で、１０００ｎｍを超えるとコスト高や素子が重くなるといった問題が生じ得る。

ガスバリア層の形成方法は特に制限されず、一般的な公知方法を用いることができる。例えば、ドライプロセスとしては真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の各種ＰＶＤ法と、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ等の各種ＣＶＤ法、ウエットプロセスとしてはゾル−ゲル法、めっき法、塗布法等を挙げることができる。

ガスバリア層は基板の片面または両面に形成することができる。ガスバリア層を片面に設ける場合、通常は後述するゲート電極層と反対側にガスバリア層を形成する。但し、ガスバリア層を電極と同じ側に設けてもよい。例えば、基板上に形成した金属ガスバリア層をグラウンド電極として兼用してもよいし、また、当該ガスバリア層を部分的に金属酸化物とし、残留した金属部分を回路として利用してもよい。

本発明に係るＦＥＴの一態様を示す図１の通り、上記基板上にはソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層および有機半導体層を設ける。

各電極は、ＡｌやＣｕなどの金属、或いは金属やカーボンなどの導電物質を含むペーストにより形成することができる。

電極の形成方法は特に制限されず、蒸着、スパッタリング、めっき、塗布、印刷など公知の形成方法を用いればよい。また、電極の厚さも特に制限されないが、一般的には５０〜１０００μｍ程度とすることができる。

液晶ポリマー基板上にはゲート電極を形成し、当該ゲート電極をソース電極とドレイン電極と絶縁するためにゲート絶縁層で被覆する。

ゲート絶縁層の材料は、従来ＦＥＴのゲート絶縁層に用いられてきたものを使用できる。例えば、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃等の無機物や、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂など絶縁性を有した樹脂を用いることができる。ゲート絶縁層の形成方法も従来公知のものを用いることができる。例えば、塗布、スパッタリング、ゾルゲル法、印刷などの方法で形成すればよい。

ゲート絶縁層の厚さは特に制限されないが、一般的には１０ｎｍ以上、１０μｍ以下程度とすることができる。この範囲であれば、電極間での短絡を確実に防止できる一方で、ゲート絶縁層が過剰に厚くならず余分なコストがかからない。

ゲート絶縁層上には、ソース電極とドレイン電極との間での電流路となる有機半導体層、即ちチャネル層を形成する。

有機半導体層の材料は、従来ＦＥＴの有機半導体層に用いられてきたものを使用できる。例えば、ペンタセン、テトラセン、アントラセン、フタロシアニンなどの低分子型有機半導体材料や、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどの高分子型半導体材料を用いることができる。有機半導体層の形成方法も従来公知のものを用いることができる。例えば、蒸着、塗布、スパッタリング、ゾルゲル法、印刷などの方法で形成すればよい。

有機半導体層の厚さは特に制限されないが、一般的には１０ｎｍ以上、５００μｍ以下程度とすることができる。この範囲であれば、電極間での短絡を確実に防止できる一方で、有機半導体層が過剰に厚くならず余分なコストがかからない。

有機半導体層上にはソース電極とドレイン電極を形成する。これら電極は、ゲート電極と同様に形成することができる。或いは、あらかじめゲート絶縁膜直上にソース電極とドレイン電極を形成し、その後、有機半導体層を形成してもよい。

本発明のＦＥＴは、基板もチャネル層も有機材料で形成されていることから軽量で且つ薄膜化も可能であり、フレキシブルである。その上、基板としてガスバリア性に優れる液晶ポリマーフィルムが用いられていることから内部への水分やガスの浸入が抑制されており、また、熱履歴を受けても寸法安定性に優れる。よって本発明のＦＥＴは、水分などによる有機半導体の劣化が抑制されているので長寿命であり、且つ大画面の有機ＥＬディスプレイ装置などの電子部品として適するものである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

実施例１ 本発明に係るＦＥＴの製造
縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ１２５μｍの液晶ポリマーフィルム（ジャパンゴアテックス製、ＢＩＡＣ ＢＣ１２５）の上下を、離型フィルムとして十分に大きな２０μｍ厚ポリイミドフィルム（宇部興産製、ユーピレックス２０Ｓ）で挟み、真空熱プレス装置を用いて２９０℃、３ＭＰａの条件で５分間加熱加圧することによって、表面平滑化処理を行った。得られた表面平滑化液晶ポリマーフィルムの粗度（Ｒａ）をレーザー顕微鏡（オリンパス製、ＯＬＳ３０００）により測定した。具体的には、レーザー種としてλ＝４０８±５ｎｍの半導体レーザーを用い、Ｚ方向の移動分解能を０．０１μｍに設定して、１９２μｍ×２５６μｍの範囲におけるＺ方向の粗さを０．１μｍピッチで５０倍の共焦点モードで測定した。その結果、粗度（ＳＲａ）は２０ｎｍであった。

また、上記液晶ポリマーフィルムの線膨張係数を以下の通り測定した。即ち、液晶ポリマーフィルムを幅４．５ｍｍに切り取り、チャック間距離：１５ｍｍで装置（ＴＡインストロメンツ製、ＴＭＡ２９４０）に固定し、荷重：１ｇ、昇温速度：５℃／分で室温から２００℃まで昇温後に降温速度：５℃／分で冷却する際に、１６０℃から２５℃の間で測定される試験片の寸法変化を測定した。その結果、ＴＤ方向の線膨張係数は１６ｐｐｍ／℃、ＭＤ方向の線膨張係数は１６ｐｐｍ／℃であった。

上記表面平滑化液晶ポリマーフィルムを３２ｍｍ×２５ｍｍに切断した。その片面に、メタルマスクを用いた真空蒸着法で縦幅３０μｍ×横長さ２５ｍｍ×厚さ０．２μｍのアルミニウム薄膜層を形成し、これをゲート電極とした。当該ゲート電極上へ、スパッタリングにより厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂薄膜を形成してゲート絶縁層とした。さらに当該ゲート絶縁層上に、真空蒸着法によりペンタセンからなる厚さ１００ｎｍの有機半導体層を形成した。当該有機半導体層上に、スパッタリング装置を用い、チャネル幅１０ｍｍ、チャネル長さ３０μｍの金からなるソース電極とドレイン電極を形成した。ソース電極とドレイン電極を形成した有機半導体層上に、スパッタリング装置を用い、ＳｉＯ₂からなる厚さ１００ｎｍの封止層を形成した。

比較例１
有機材料基板として液晶ポリマーフィルムの代わりに厚さ１２５μｍのポリイミドフィルム（宇部興産製、ユーピレックス１２５Ｓ）を用いた以外は上記実施例１と同様にしてＦＥＴを製造した。

試験例１ 透湿度の測定
ＪＩＳ Ｋ７１２９Ｂで定められた等圧法（ＭＯＣＯＮ法）に従い、ガスとしてＯ₂ガスを用いて各有機ＥＬ素子の透湿度を求めた。結果を表１に示す。なお、表１中の「ＬＣＰ」は液晶ポリマーを示し、「ＰＩ」はポリイミドを示す。

試験例２ 電界効果移動度の測定
実施例１および比較例１で製造したＦＥＴを常温常圧下で放置し、作成から２時間後と７２０時間経過後に所定のゲート電圧を印加し、下記式により各ＦＥＴの電界効果移動度（μ）を求めた。結果を表１に示す。
μ＝２ＬＩ_ds／ＷＣ_i（Ｖ_g−Ｖ_th）²
［式中、Ｌはチャネル長、Ｉ_dsは飽和領域におけるドレイン電流値、Ｗはチャネル幅、Ｃ_iはゲート絶縁膜の単位面積あたりの容量、Ｖ_gはゲート電圧、Ｖ_thは閾値電流を示す］

表１の通り、ポリイミドからなる基板のガスバリア性は低く、当該基板を用いたＦＥＴの電界移動度は時間の経過に伴って低下した。一方、液晶ポリマーフィルムのガスバリア性は高いことから液晶ポリマーフィルムを基板とするＦＥＴは耐久性に優れ、空気中で製造から７２０時間放置した後の性能もほとんど低下していなかった。よって、本発明に係るＦＥＴの優れた特性が実証された。

本発明の電界効果型トランジスタの一態様を示す模式図である。

符号の説明

１：液晶ポリマー基板、 ２：ゲート電極、 ３：ゲート絶縁層、 ４：有機半導体層、 ５：ソース電極、 ６：ドレイン電極

Claims (3)

1. 基板上に、少なくともソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁層および有機半導体層を有し、
   当該基板が、下記式（１）で表されるＩ型サーモトロピック液晶ポリエステルまたは下記式（２）で表されるＩＩ型サーモトロピック液晶ポリエステルの液晶ポリマーフィルムからなり、
   

   

   当該液晶ポリマーフィルムの電極を形成する側の表面粗度が、熱プレス装置を用いた表面平滑化処理により三次元中心面平均粗さ（ＳＲａ）で２５ｎｍ以下となっており、且つ、フィルム平面に平行な方向の線膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、３０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
2. 液晶ポリマーフィルムの少なくとも片面にガスバリア層を有する請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
3. 請求項１または２に記載の電界効果型トランジスタを有することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。

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