有机半导体材料及使用该材料的有机半导体元件制造技术

本发明专利技术涉及一种有机半导体材料，是在共轭高分子中分散了碳纳米管、且碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为３％或３％以下的有机半导体材料。根据本发明专利技术能够提供以工业规模生产的载流子迁移率高的有机半导体材料。另外，能够提供高性能的有机薄膜晶体管元件、有机光电动势元件等有机半导体元件。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种由共轭高分子和碳纳米管构成的有机半导体材料及将该有机半导体材料作为半导体使用的有机半导体元件。
技术介绍
由于共轭高分子具有半导体特性，因此作为替代现有的硅或化合物半导体的半导体材料开始为人们所关注。如果将所述高分子作为半导体材料使用，则与目前使用的结晶硅或非晶硅等无机半导体相比，因材料价格低廉、元件制造过程简单等，可以期待大幅度降低成本。另外，由于无需高温处理，且可以采用涂布技术或印刷技术制造元件，因此也可以在有机薄膜上制造元件，实现了柔性显示器(flexibledisplays)的驱动元件和可穿用式电脑(wearable computers)的半导体元件。另外，目前开始在光电动势元件中使用结晶硅或非晶硅等无机半导体。但是，使用此类无机半导体制造的太阳能电池与火力发电或原子能发电等发电方式相比，因成本高而未得到广泛普及。成本高的主要原因在于在真空且高温条件下制造半导体薄膜的加工过程。因此，如果能够开发出廉价的制造方法，则能够大幅度削减成本，并可以期待太阳能电池市场的迅速扩大。对于半导体材料而言，通常要求该材料中具有的载流子(电子或空穴)有较高的迁移率，但是共轭高分子的缺点在于其迁移率低于无机结晶半导体或非晶硅。因此，使用共轭高分子的场效应晶体管(FieldEffect Transistor，以下简称为FET)或光电动势元件等半导体元件还存在应答时间或输出电流不充分的问题。因此，目前使用有机半导体的领域还非常有限，其现状为通常使用结晶硅、砷化镓、非晶硅等无机化合物。对于FET元件而言，源极和漏极间流动的电流越大越好，而该电流随迁移率的提高而增大。例如，源极和漏极间流动的电流相对于栅极电压处于饱和状态区域内的电流Is(称为饱和电流)用下式表示Is＝(μCW/2D)(Vg-Vth)2(1)此处，μ为迁移率，C为栅极上的绝缘体容量，D及W分别为源极和漏极间的距离及电极宽度。Vg为栅极电压，Vth为开始流过饱和电流时的栅极电压。由式(1)可知，半导体元件的迁移率μ越高，FET的饱和电流越大。另外，FET的最大工作频率fm可大致用下式表示，迁移率越高，越能够在高频率下驱动。fm＝μV/2πD2(2)此处，μ为迁移率，V为源极与漏极间的电压，D为源极与漏极间的距离。另一方面，使用共轭高分子的有机光电动势元件中存在的最大问题是光电转换率低于现有的无机半导体，且还未达到实用化。其主要原因在于在有机半导体中容易形成捕获载流子的陷阱，因此生成的载流子容易被陷阱捕获，从而导致载流子的迁移率变慢，并形成由入射光产生的电子难以与空穴分离的激发子之类的束缚状态。本专利技术的目的在于提供一种提高载流子在形成晶体管或光电动势元件等半导体元件的有机半导体材料中的迁移率的方法，及根据该方法获得的有机半导体材料、和使用该材料制成的有机半导体元件。
技术实现思路
为了实现上述课题，本专利技术由下述部分构成。一种有机半导体材料，其中，在共轭高分子中分散了碳纳米管，且碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为3％或3％以下。一种有机薄膜晶体管元件，所述有机薄膜晶体管元件具有在共轭高分子中分散了碳纳米管的有机半导体材料层。一种有机光电动势元件，所述有机光电动势元件具有有机半导体材料层夹持在光透过性第1电极与第2电极间的结构，所述有机半导体材料层是使碳纳米管分散在共轭高分子中而形成的。一种通过使碳纳米管分散在共轭高分子中而提高共轭高分子迁移率的方法。附图说明图1是有机薄膜晶体管元件的简图。图2是梳形电极的示意图。图3是光电动势元件的简图。图4是有机半导体材料的荧光光谱。具体实施例方式本专利技术者等为了开发出迁移率高的有机半导体材料，进行了深入研究，最终完成了本专利技术。即，本专利技术者等发现，通过将碳纳米管(以下简称为CNT)微量分散在共轭高分子内，能够获得迁移率高的有机半导体材料，并且通过使用该有机半导体材料能够获得高性能的有机半导体元件。通过使CNT分散在高分子介质中而提高高分子材料导电性的方法公开于例如特开平7-102197号公报、特开2000-63726号公报等中。所述方法使CNT在高分子中相互接触形成电流通路，由此赋予高分子导电性。然而，由于CNT为良导体，因此所述方法虽然提高了导电性，但是并未提高半导体特性，不符合本专利技术的目的。另一方面，由于本专利技术中配合的CNT是微量的，因此几乎不形成由CNT相互接触而产生的导电通路。在具有半导体特性的高分子中，虽然载流子在结晶等的界面或非晶区域内被捕获，但是并未成为迁移率降低的原因。本专利技术人等发现通过分散微量的CNT，能够使具有高迁移率的CNT进行这种区域的交联，抑制捕获，并提高载流子的迁移率。在本专利技术中，必须使用具有半导体特性的共轭高分子作为介质。另外，由于利用由CNT相互接触而形成的导电通路提高电传导并非本专利技术的目的，因此必须将CNT的分散量抑制在较低水平。下面，详细说明本专利技术。1、碳纳米管碳纳米管采用电弧放电法、化学气相沉积法(CVD法)、激光消融法等制成，任一种方法均可用于本专利技术。碳纳米管包括将1张碳膜(石墨薄片)卷成圆筒状得到的单层碳纳米管(SWCTN)和将2张或2张以上的多张石墨薄片卷成同心圆状得到的多层碳纳米管(MWCNT)，本专利技术中可以使用SWCNT及MWCNT中的任一种。其中，由于SWCNT在相同体积密度下的表面积大于MWCNT，因此容易提高迁移率。采用上述方法制造SWCNT或MWCNT时，同时生成富勒烯(fullerene)、石墨、非晶碳等碳类副产物，另外，还残留镍、铁、钴、钇等催化剂金属。必须进行杂质的纯化。特别是由于富勒烯等碳类副产物对半导体特性有不良影响，因此共轭高分子中所含的碳类副产物量相对于共轭高分子优选为0.03重量％或0.03重量％以下，更优选为0.01重量％或0.01重量％以下。另外，在本专利技术中，为了防止夹持有机半导体材料层的电极间发生短路，优选使用较短的CNT。本专利技术中使用的CNT的平均长度优选为2μm或2μm以下，更优选为0.5μm或0.5μm以下。由于CNT通常形成带状，因此优选将其切断成短纤维。在进行上述杂质纯化或切断成短纤维之类处理时，在用硝酸、硫酸等进行酸处理的同时进行超声波处理是有效的，另外，从提高纯度方面考虑，更优选并用利用过滤膜进行的分离。需要说明的是不仅切断后的CNT，预先制成短纤维状的CNT也更优选用于本专利技术。例如，如下获得所述短纤维状CNT在基板上形成铁、钴等催化剂金属，利用CVD法在700～900℃下使碳化合物在催化剂金属表面发生热分解，使CNT气相沉积，由此以在基板表面上垂直取向的形状获得短纤维状CNT。由此制成的短纤维状CNT可以采用从基板上剥离等方法取出。另外，也可以如下获得短纤维状CNT使催化剂金属载带在多孔硅之类多孔支持体、氧化铝的阳极氧化膜上、沸石化合物等上，采用CVD法使CNT在该表面上成长，由此获得短纤维状CNT。也可以采用下述方法制成取向的短纤维状CNT，所述方法以分子内含有催化剂金属的铁酞菁之类分子为原料，在氩气/氢气的气流中实施CVD，由此在基板上制成CNT。而且，采用外延生长法也可以在SiC单晶表面上获得取向的短纤维状CNT。本专利技术中使用的CNT的直径无特别限定，优选为1nm或1nm以上、100nm或100nm以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机半导体材料，其特征在于，在共轭高分子中分散碳纳米管，且碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为３％或３％以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2001-9-27 295899/20011.一种有机半导体材料，其特征在于，在共轭高分子中分散碳纳米管，且碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为3％或3％以下。2.如权利要求1所述的有机半导体材料，其中碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为0.1％或0.1％以上、3％或3％以下。3.如权利要求1所述的有机半导体材料，其中共轭高分子为直链状共轭高分子。4.如权利要求1所述的有机半导体材料，其中共轭高分子为选自聚噻吩类高分子、聚亚苯基亚乙烯基类高分子及聚亚噻吩基亚乙烯基类高分子中的至少1种。5.如权利要求1所述的有机半导体材料，其中碳纳米管为单层碳纳米管。6.如权利要求1所述的有机半导体材料，其中有机半导体材料的迁移率为10-3cm2/V·sec或10-3cm2/V·sec以上。7.一种有机半导体元件，是使用权利要求1所述的有机半导体材料的有机半导体元件。8.如权利要求7所述的有机半导体元件，其中有机半导体元件为有机薄膜晶体管元件。9.如权利要求7所述的有机半导体元件，其中有机半导体元件为有机光电动势元件。10.一种有机薄膜晶体管元件，所述有机薄膜晶体管元件具有在共轭高分子中分散了碳纳米管的有机半导体材料层。11.如权利要求10所述的有机薄膜晶体管元件，其中碳纳米管为单层碳纳米管。12.如权利要求10所述的有机薄膜晶体管元件，其中有机半导体材料层中碳纳米管相对于共轭高分子的重量分数为3％或3％以下。13.如权利要求10所述的有机薄膜晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：本遵，真多淳二，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]