[发明专利]有机半导体薄膜以及有机半导体单晶薄膜的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机半导体薄膜以及有机半导体单晶薄膜的制造方法。

背景技术

使用高分子系以及低分子系的有机半导体的有机电子，作为一种用于制造平板显示器和电子纸的主要的下一代技术一直受到关注。包括已经产品化的有机电致发光二极管在内，还有将有源矩阵用开关元件用作有机半导体薄膜场效应晶体管，上述的研究开发近几年进展都很大。

有机电子的一大特长是，通过不需要真空的溶液处理，并且利用对其进行高度化的印刷技术，就能够制作电子器件。因此，与随着产品尺寸面积的大型化而需要大规模的真空装置、高温装置等成本较高的以往的无机系半导体器件相比，人们期待能够以节约能源且低成本的方式制造面积大的平板显示器和电子纸。

作为利用印刷技术来构筑有机半导体薄膜的技术，目前为止大多以溶液粘性增大的高分子系有机半导体作为对象而进行了研究。另一方面，能够获得比高分子系更高的器件特性的低分子系有机半导体，由于其溶液的粘性低，而且低分子系有机半导体表现出高结晶性，因此难以形成均匀的半导体层。

作为对粘性比较低的墨水进行处理的有效的印刷技术，已提出了一种喷墨印刷法（参照专利文献1）。通过喷墨印刷法制作有机半导体薄膜的方法是，将有机半导体以高浓度溶解在有机溶剂等中而得到的溶液（墨水）从墨水头滴到基板上，然后通过有机溶剂的蒸发而使有机半导体层析出。但是，该方法由于在滴下墨水后，在液滴内部产生对流的同时会进行有机半导体的析出，因此，材料的析出会集中在以溶剂蒸发为主的液滴外缘部上，外缘部的膜厚明显变厚，只能得到不均匀的薄膜。

为了改善膜的形成特性，已提出了一种如下方法：其是在溶液内混合聚（α-甲基苯乙烯）等的可溶性聚合物，从而抑制液滴内部的对流（参照非专利文献1）。并报告了如下情况：由于利用高分子基质（polymer matrix）的效果，而使溶剂蒸发速度变慢，因此具有使更大的微晶粒生长的效果。

另外，还报告了如下的尝试：通过混合不同的有机溶剂，来控制液滴内部的对流，从而使有机半导体层的膜厚的均一性提高（参照非专利文献2）。但是，从在低分子系的有机半导体中混合与传导性没有关系的聚合物而使特性发生劣化、进行滴下而得到的膜形成整体的可控性和均一性等观点出发，可以说很不充分。

另一方面，作为低分子系有机材料的喷墨印刷法，已提出了一种双注射喷墨印刷（double-shot inkjetprinting）法：该方法是以由供电子分子和吸电子分子这两种分子构成的分子化合物系的导电性有机材料作为对象（参照专利文献2、3）。在该方法中，分别准备以高浓度溶解了供电子分子而得到的墨水和以高浓度溶解了吸电子分子而得到的墨水，从各自的墨水头喷在基板上的同一位置并进行混合，并且在基板上的同一位置涂布这些墨水并进行混合，从而在基板上形成分子化合物薄膜。还报告了如下情况：由于分子化合物的溶解度远远低于各个分子的溶解度，在有机溶剂蒸发之前分子化合物就会析出，因此，可以得到膜质与膜厚的均匀性都高的薄膜。

但是，上述方法仅限于如下情况：在由两种分子构成的分子化合物中，能够利用原料分子与化合物的较大的溶解度差的情况。目前为止利用低分子系的有机半导体而得到高器件特性，是由于由单一成分的有机分子构成的有机材料较多，所以无法直接利用上述的喷墨印刷法。

可是，在有机半导体器件中，成为器件动作核心的有机半导体层利用了多晶薄膜，所述多晶薄膜由分子排列不规则的非晶形薄膜、或者分子排列规则的数微米以下尺寸的微晶构成。而另一方面，作为用于调查有机半导体层内的载流子输送状态的原型器件，大多对使用了数百微米以上尺寸的单晶的单晶器件进行研究。并报告了如下情况：单晶器件由于没有晶界，在半导体的整个区域内分子排列规则，因此表现出优良的载流子输送特性，所述晶界就成为阻碍载流子输送的原因之一（参照非专利文献3）。

并且，近几年也在进行如下研究：即利用处理技术，在基板上构筑表现出优良特性的单晶器件，并将其作为实用器件进行有效利用。

在非专利文献4中提出了一种如下方法：该方法例如是在基板上制作的多个源极·漏极电极排列中，通过用十八烷基三乙氧基硅烷（OTS）的硅烷偶联剂而仅对电极之间有选择地实施表面处理，并利用气相法仅在处理区域内使有机半导体单晶生长。