JP2003086804A

JP2003086804A - 有機半導体装置

Info

Publication number: JP2003086804A
Application number: JP2001272234A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Koyama; 智子小山; Taketomi Kamikawa; 武富上川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2003-03-20

Abstract

(57)【要約】【課題】有機半導体層を用いた新規な有機半導体装置
を提供する。【解決手段】本発明の有機半導体装置１００は、ドレ
イン電極３０、ゲート電極４０、有機半導体層８０、お
よびソース電極５０を含む。ドレイン電極３０は基板１
０の上に配置される。ゲート電極４０はドレイン電極３
０の上に第１絶縁層６２を介して配置される。有機半導
体層８０はドレイン電極３０の上に配置され、かつ、ゲ
ート電極４０に対して第２絶縁層６４を介して配置され
る。ソース電極５０は有機半導体層８０の上に配置され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機半導体層を用
いた新規な有機半導体装置に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】半導体
集積回路は近年、さらなる高集積化および高密度化が期
待されている。しかしながら、近い将来、従来の素子動
作原理による高集積化および高密度化が限界であること
も予想され、質的に新たな技術が望まれている。

【０００３】本発明の目的は、有機半導体層を用いた新
規な有機半導体装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる有機半導
体装置は、基板の上に配置されたソース／ドレイン電極
と、前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１絶
縁層を介して配置されたゲート電極と、前記ソース／ド
レイン電極の上に配置され、かつ、前記ゲート電極に対
して少なくとも第２絶縁層を介して配置された有機半導
体層と、前記有機半導体層の上に配置されたドレイン／
ソース電極と、を含む。

【０００５】ここで、「基板の上に配置された」とは、
前記基板上に直接形成された場合のみならず、前記基板
上に所定の層を介して配置された場合を含む。また、
「前記ソース／ドレイン電極の上に配置され」、「前記
有機半導体層の上に配置され」た場合においても同様で
ある。

【０００６】また、「ソース／ドレイン電極」とは、ソ
ース電極またはドレイン電極をいい、「ドレイン／ソー
ス電極」とは、ドレイン電極またはソース電極をいう。
すなわち、ソース／ドレイン電極がソース電極の場合、
ドレイン／ソース電極はドレイン電極であり、ソース／
ドレイン電極がドレイン電極の場合、ドレイン／ソース
電極はソース電極である。

【０００７】なお、本明細書において、「ソース電極」
とは、電子を放出する電極をいい、「ドレイン電極」と
は、電子を取り込む電極をいう。

【０００８】本発明の有機半導体装置によれば、前記ソ
ース／ドレイン電極、前記ドレイン／ソース電極、前記
ゲート電極、および前記有機半導体層によって、電界効
果トランジスタ(FET: field Effect Transistor、以
下、「トランジスタ」とする)が構成され、前記ソース
／ドレイン電極と前記ドレイン／ソース電極との間にド
レイン電流が流れる。また、前記ソース／ドレイン電極
および前記ドレイン／ソース電極は、前記ゲート電極や
前記有機半導体層等を介して前記基板の面方向と垂直な
方向に積層されている。このため、前記ソース／ドレイ
ン電極と前記ドレイン／ソース電極との間を流れる電流
の方向は、前記基板の面方向と垂直な方向である。

【０００９】本発明の有機半導体装置においては、前記
有機半導体層の膜厚が、前記ソース／ドレイン電極、前
記ドレイン／ソース電極、前記ゲート電極、および前記
有機半導体層によってから構成されるトランジスタのチ
ャネル長である。したがって、前記有機半導体層を所定
の膜厚に形成することにより、前記トランジスタのチャ
ネル長を所定の長さに形成することができる。すなわ
ち、前記有機半導体層を所定の膜厚に形成することによ
って、所望のチャネル長を有する前記トランジスタを形
成することができる。

【００１０】また、前記ソース／ドレイン電極と前記ド
レイン／ソース電極との間に配置する層の膜厚をある程
度薄くすることにより、前記ソース／ドレイン電極と前
記ドレイン／ソース電極との間の距離を小さくすること
ができる。これにより、ソース−ドレイン間の距離を小
さくすることができるため、素子の効率を高めることが
できる。詳しくは、発明の実施の形態の欄で説明する。

【００１１】本発明の有機半導体装置においては、以下
に示す各種態様を取りうる。

【００１２】（Ａ）前記ゲート電極を、前記ソース／ド
レイン電極と前記ドレイン／ソース電極との間に挟まれ
た状態で配置させることができる。

【００１３】（Ｂ）前記有機半導体層を、前記ソース／
ドレイン電極と前記ドレイン／ソース電極との間に配置
させることができる。

【００１４】（Ｃ）前記ゲート電極は、第１電極部およ
び第２電極部から構成され、前記有機半導体層を、前記
ゲート電極を構成する前記第１電極部と前記第２電極部
との間に、前記第２絶縁層を介して挟まれた状態で配置
させることができる。

【００１５】（Ｄ）前記有機半導体層は、前記ゲート電
極によって、前記第２絶縁層を介して囲まれた状態で配
置されることができる。

【００１６】（Ｅ）前記ソース／ドレイン電極と前記ド
レイン／ソース電極との間を流れる電流の方向は、前記
基板の面方向と垂直な方向であることができる。

【００１７】ここで、基板の面方向とは、ここで、前記
基板においてソース／ドレイン電極やゲート電極、ドレ
イン／ソース電極が形成される側の面と平行な方向をい
う。

【００１８】（Ｆ）さらに、電子輸送／注入層を含むこ
とができる。

【００１９】（Ｇ）さらに、正孔輸送／注入層を含むこ
とができる。

【００２０】（Ｈ）また、本発明の有機半導体装置の一
態様として、以下に示す有機半導体装置をとることがで
きる。

【００２１】基板の上に配置されたソース／ドレイン電
極と、前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１
ゲート絶縁層を介して配置された第１ゲート電極と、前
記ソース／ドレイン電極の上に配置され、かつ、前記第
１ゲート電極に対して少なくとも第２ゲート絶縁層を介
して配置された第１有機半導体層と、前記第１ゲート電
極の上に少なくとも第３ゲート絶縁層を介して配置され
た第２ゲート電極と、前記第１有機半導体層の上に配置
され、かつ、前記第２ゲート電極に対して少なくとも第
４ゲート絶縁層を介して配置された第２有機半導体層
と、前記第２有機半導体層の上に配置されたドレイン／
ソース電極と、を含む有機半導体装置。

【００２２】ここで、「基板の上に配置された」とは、
前記基板上に直接形成された場合のみならず、前記基板
上に所定の層を介して配置された場合を含む。また、
「前記ソース／ドレイン電極の上に配置され」、「前記
第１ゲート電極の上に配置され」、「前記第１有機半導
体層の上に配置され」、「前記第２有機半導体層の上に
配置され」た場合においても同様である。

【００２３】また、「ソース／ドレイン電極」および
「ドレイン／ソース電極」の意義は、本発明の有機半導
体装置の説明にて前述した意義と同様である。

【００２４】本態様の有機半導体装置においては、前記
第１有機半導体層と前記第２有機半導体層との間に有機
層を形成することができる。また、前記第１有機半導体
層および前記第２有機半導体層には、正バイアスの電圧
を印加することができる。

【００２５】本態様の有機半導体装置によれば、本発明
の第１の有機半導体装置と同様の作用および効果を有す
るのに加えて、４端子のトランジスタ動作が可能とな
る。詳しくは、発明の実施の形態の欄で説明する。

【００２６】次に、本発明にかかる有機半導体装置の各
部分に用いることができる材料の一部を例示する。これ
らの材料は、公知の材料の一部を示したにすぎず、例示
したもの以外の材料を選択できることはもちろんであ
る。

【００２７】（有機半導体層）本発明において、有機半
導体層とは、少なくとも有機半導体材料を含む層をい
う。具体的には、本発明の有機半導体層は、前記有機半
導体材料を含む有機層である。この有機半導体材料は、
公知の化合物から選択される。この有機半導体材料とし
ては、例えば、公知の導電性高分子が挙げられる。前記
導電性高分子としては、例えば、固体物理３６巻３号１
３９−１４６頁（２００１）に開示されているポリアセ
チレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラフェ
ニンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリア
ニリン、ポリアセン等が挙げられる。

【００２８】また、前記有機半導体材料として、前述し
た刊行物に開示されているアンスラセン、テトラセン、
ペンタセンのほか、特開平１０−１５３９６７号公報に
開示された、アロマティックジアミン誘導体（ＴＰ
Ｄ）、オキシジアゾール誘導体（ＰＢＤ）、オキシジア
ゾールダイマー（ＯＸＤ−８）、ジスチルアリーレン誘
導体（ＤＳＡ）、ベリリウム−ベンゾキノリノール錯体
（Ｂｅｂｑ）、トリフェニルアミン誘導体（ＭＴＤＡＴ
Ａ）、ルブレン、キナクリドン、トリアゾール誘導体、
ポリフェニレン、ポリアルキルフルオレン、ポリアルキ
ルチオフェン、アゾメチン亜鉛錯体、ポリフィリン亜鉛
錯体、ベンゾオキサゾール亜鉛錯体、フェナントロリン
ユウロピウム錯体などが例示できる。

【００２９】より具体的には、特開昭６３−７０２５７
号公報、同６３−１７５８６０号公報、特開平２−１３
５３６１号公報、同２−１３５３５９号公報、同３−１
５２１８４号公報、さらに、同８−２４８２７６号公報
および同１０−１５３９６７号公報に記載されているも
のなど、公知のものが有機半導体材料として使用でき
る。これらの化合物は単独で用いてもよく、２種類以上
を混合して用いてもよい。

【００３０】また、本発明の有機半導体層は、前述した
ように、前記有機半導体材料を含む有機層である。具体
的には、本発明の有機半導体層は、前記有機半導体材料
を有機材料に分散または溶解させて形成される。

【００３１】（電極層）ソース電極としては、仕事関数
の小さい（例えば４ｅＶ以下）電子注入性金属、合金電
気伝導性化合物およびこれらの混合物を用いることがで
きる。このような電極物質としては、例えば特開平８−
２４８２７６号公報に開示されたものを用いることがで
きる。

【００３２】ドレイン電極としては、仕事関数の大きい
（例えば４ｅＶ以上）金属、合金、電気伝導性化合物ま
たはこれらの混合物を用いて形成ことができる。例え
ば、ＣｕＩ，ＩＴＯ，ＳｎＯ₂，ＺｎＯなどの導電性透
明材料や、金などの金属を用いることができる。

【００３３】ゲート電極としては、例えばＡｕやＳｉ等
の金属から形成することができる。また、ゲート電極の
表面を酸化してゲート電極の周囲に絶縁層を形成する場
合、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ等を用いることができる。

【００３４】また、本発明の有機半導体装置が後述する
電子輸送／注入層を含む場合、この電子輸送／注入層に
接続されるソース電極としては、以下の関係が成立する
ことが望ましい。

【００３５】［ソース電極を構成する材料の仕事関数＜
電子輸送／注入層を構成する材料の電子親和力］さら
に、本発明の有機半導体装置が後述する正孔輸送／注入
層を含む場合、この正孔輸送／注入層に接続されるドレ
イン電極としては、以下の関係が成立することが望まし
い。

【００３６】［正孔輸送／注入層を構成する材料のイオ
ン化ポテンシャル＜ドレイン電極を構成する材料の仕事
関数］（正孔輸送／注入層）本発明の有機半導体装置において
は、さらに、正孔輸送／注入層を含むことができる。こ
の正孔輸送／注入層は、正孔を前記有機半導体層へと輸
送し、注入する機能を有する。この正孔輸送／注入層
は、前記ドレイン電極と前記有機半導体層との間に配置
させる。なお、この正孔輸送／注入層を有機層から形成
することができる。

【００３７】正孔輸送／注入層を形成するための材料と
しては、公知の光伝導材料の正孔注入材料として用いら
れているもの、あるいは有機発光装置の正孔輸送／注入
層に使用されている公知のものの中から選択して用いる
ことができる。正孔輸送／注入層の材料には、正孔の注
入あるいは電子の障壁性のいずれかの機能を有するもの
を用いる。その具体例としては、例えば、特開平８−２
４８２７６号公報に開示されているものを例示すること
ができる。

【００３８】（電子輸送／注入層）本発明の有機半導体
装置においては、さらに、電子輸送／注入層を含むこと
ができる。この電子輸送／注入層は、電子を前記有機半
導体層へと輸送し、注入する機能を有する。この電子輸
送／注入層は、前記ソース電極と前記有機半導体層との
間に配置させる。なお、この電子輸送／注入層を有機層
から形成することができる。

【００３９】有機層を電子輸送／注入層として機能させ
るためには、当該有機層がソース電極より注入された電
子を前記有機半導体層に伝達する機能を有していればよ
く、このような有機層を形成するための材料は、公知の
物質から選択することができる。その具体例としては、
例えば、特開平８−２４８２７６号公報に開示されたも
のを例示することができる。

【００４０】また、本発明の有機半導体装置の各層は、
公知の方法で形成することができる。たとえば、有機半
導体装置の各層は、その材質によって好適な成膜方法が
選択され、具体的には、蒸着法、スピンコート法、ＬＢ
法、インクジェット法などが例示できる。

【００４１】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］（デバイスの構造）図１は、本発明の一実施の形態にか
かる有機半導体装置１００を模式的に示す断面図であ
る。なお、図１においては、保護層２０の図示は省略す
る。

【００４２】有機半導体装置１００は、ドレイン電極３
０、ゲート電極４０、ソース電極５０、および有機半導
体層８０を含み、これらによってトランジスタとして動
作する。ドレイン電極３０、ゲート電極４０、およびソ
ース電極５０は、後述する絶縁層６０および有機層７０
を除いて、基板１０に近い側からこの順に基板１０上に
積層されている。すなわち、これらの電極は、基板１０
上に、基板１０の面方向と垂直な方向に積層されてい
る。本実施の形態において、基板１０の面方向とは、基
板１０の表面のうちドレイン電極３０が形成されている
面と平行な方向をいう。ドレイン電極３０およびソース
電極５０は、課題を解決するための手段の欄で例示され
た材料から形成される。

【００４３】本実施の形態においては、図１に示すよう
に、ドレイン電極３０は、基板１０の上に配置され、ソ
ース電極５０は、後述する有機半導体層８０の上、なら
びに後述する第３絶縁層６６を介してゲート電極４０の
上に配置されている。

【００４４】また、ドレイン電極３０、ゲート電極４
０、およびソース電極５０はいずれも、基板１０の面方
向と平行な方向に延びている。本実施の形態において、
これらの電極層は、後述する絶縁層６０によって互いに
絶縁されている。

【００４５】ゲート電極４０は、ドレイン電極３０とソ
ース電極５０との間に挟まれた状態で配置される。すな
わち、基板１０を下にして有機半導体装置１００を配置
した場合において、ゲート電極４０は、図１に示すよう
に、基板１０上においてドレイン電極３０よりも上層に
形成され、かつソース電極５０より下層に形成されてい
る。本実施の形態の有機半導体装置１００においては、
ゲート電極４０は、後述する第１絶縁層６２を介してド
レイン電極３０上に配置されている。

【００４６】ゲート電極４０の周囲には絶縁層６０が形
成されている。この絶縁層６０は、第１絶縁層６２、第
２絶縁層６４、および第３絶縁層６６から構成される。
第１絶縁層６２はドレイン電極３０とゲート電極４０を
絶縁し、第２絶縁層６４は有機半導体層８０とゲート電
極４０とを絶縁し、第３絶縁層６６はゲート電極４０と
ソース電極５０とを絶縁している。

【００４７】また、ゲート電極４０は、第１電極部４０
ａおよび第２電極部４０ｂから構成される。第１電極部
４０ａと第２電極部４０ｂとは所定の隔間をおいて配置
され、この隔間には後述する有機半導体層８０が形成さ
れている。具体的には、図１に示すように、この第１電
極部４０ａおよび第２電極部４０ｂは、第２絶縁層６４
を介して有機半導体層８０を挟むように配置されてい
る。

【００４８】有機半導体層８０は、ドレイン電極３０上
に配置されている。また、この有機半導体層８０は、ゲ
ート電極４０に対して第２絶縁層６４を介して配置され
ている。

【００４９】また、本実施の形態においては、有機半導
体層８０の上には、有機層７０を介してソース電極５０
が配置されている。この有機層７０は、電子輸送／注入
層としての機能を有し、有機半導体層８０とソース電極
５０との間に形成されている。この有機半導体層８０お
よび有機層７０はそれぞれ、課題を解決するための手段
の欄で例示された材料から形成することができる。

【００５０】（デバイスの動作）本実施の形態にかかる
有機半導体装置１００は、以下のメカニズムによってト
ランジスタとして動作する。なお、本実施の形態におい
ては、有機半導体層８０を構成する有機半導体材料とし
て、ペンタセンを用いた場合について説明するが、前記
有機半導体材料はペンタセンに限定されるわけではな
く、課題を解決するための手段の欄で例示された材料を
用いた場合でも同様に動作可能である。

【００５１】また、有機半導体装置１００は、ゲート電
極４０に対して印加する電圧によって、Ｎ型トランジス
タもしくはＰ型トランジスタとして動作する。

【００５２】（１）はじめに、有機半導体装置１００が
Ｎ型トランジスタとして動作する場合について説明す
る。

【００５３】まず、ゲート電極４０に対して正電圧を印
加した状態で、ドレイン電極３０側がソース電極５０側
より高電位になるように、ソース電極５０とドレイン電
極３０との間に電圧を印加する。これにより、有機半導
体層８０にチャネル領域が形成されて、有機半導体層８
０中を電子が移動しやすくなる。したがって、ドレイン
電極３０とソース電極５０の間において電流（ドレイン
電流）が流れやすくなる。これにより、トランジスタが
ＯＮした状態となる。

【００５４】一方、この場合において、ゲート電極４０
に対して電圧を印加しない状態で、ドレイン電極３０側
がソース電極５０側より高電位になるように、ソース電
極５０とドレイン電極３０との間に電圧を印加した場
合、有機半導体層８０にチャネル領域が形成されず、有
機半導体層８０中を電子が移動しにくくなる。したがっ
て、ドレイン電極３０とソース電極５０の間においてド
レイン電流が流れにくくなる。これにより、トランジス
タがＯＦＦした状態となる。

【００５５】以上のように、ドレイン電極３０側がソー
ス電極５０側より高電位になるように、ソース電極５０
とドレイン電極３０との間に電圧を印加した場合におい
て、ゲート電極４０に対して正電圧を印加するとトラン
ジスタがＯＮし、ゲート電極４０に対して電圧を印加し
ないとトランジスタがＯＦＦする。この場合において、
ドレイン電極３０とソース電極５０の間を電子が移動す
ることから、有機半導体装置１００はＮ型トランジスタ
として動作する。

【００５６】（２）次に、有機半導体装置１００がＰ型
トランジスタとして動作する場合について説明する。

【００５７】まず、ゲート電極４０に対して負電圧を印
加した状態で、ドレイン電極３０側がソース電極５０側
より高電位になるように、ソース電極５０とドレイン電
極３０との間に電圧を印加する。これにより、有機半導
体層８０にチャネル領域が形成されて、有機半導体層８
０中を正孔が移動しやすくなる。したがって、ドレイン
電極３０とソース電極５０の間においてドレイン電流が
流れやすくなる。これにより、トランジスタがＯＮした
状態となる。

【００５８】一方、この場合において、ゲート電極４０
に対して電圧を印加しない状態で、ドレイン電極３０側
がソース電極５０側より高電位になるように、ソース電
極５０とドレイン電極３０との間に電圧を印加した場
合、有機半導体層８０にチャネル領域が形成されず、有
機半導体層８０中を正孔が移動しにくくなる。したがっ
て、ドレイン電極３０とソース電極５０の間においてド
レイン電流が流れにくくなる。これにより、トランジス
タがＯＦＦした状態となる。

【００５９】以上のように、ドレイン電極３０側がソー
ス電極５０側より高電位になるように、ドレイン電極３
０とソース電極５０との間に電圧を印加した場合におい
て、ゲート電極４０に対して負電圧を印加するとトラン
ジスタがＯＮし、ゲート電極４０に対して電圧を印加し
ないとトランジスタがＯＦＦする。この場合において、
ドレイン電極３０とソース電極５０の間を正孔が移動す
ることから、有機半導体装置１００はＰ型トランジスタ
として動作する。

【００６０】なお、有機半導体層８０を構成する有機半
導体材料として、ペンタセン以外の材料を用いた場合、
前述した（１）の場合にＰ型トランジスタとして機能
し、前述した（２）の場合にＮ型トランジスタとして機
能する場合もある。

【００６１】（デバイスの製造方法）次に、図２（ａ）
〜図９（ｂ）を参照して、本実施の形態の有機半導体装
置１００の製造方法について説明する。

【００６２】（１）まず、図２（ａ）および図２（ｂ）
に示すように、基板１０上にドレイン電極３０をマスク
スパッタ法で形成する。つづいて、図３（ａ）および図
３（ｂ）に示すように、ドレイン電極３０の所定の位置
に第１絶縁層６２を形成する。この第１絶縁層６２は主
として、ドレイン電極３０と、後の工程にて形成するゲ
ート電極４０とを絶縁するために設けられる。

【００６３】（２）次に、図４（ａ）および図４（ｂ）
に示すように、この第１絶縁層６２上に、マスクスパッ
タ法でゲート電極４０を形成する。なお、本実施の形態
においては、第１絶縁層６２上の所定の位置に第１電極
部４０ａおよび第２電極部４０ｂを形成する。つづい
て、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、ゲート
電極４０の側面に第２絶縁層６４を形成するとともに、
ゲート電極４０上に第３絶縁層６６を形成する。この第
２絶縁層６４は、ゲート電極４０と、後の工程において
形成する有機半導体層８０とを絶縁するために設けられ
る。さらに、この第２絶縁層６４は、図５（ｂ）に示す
ように、後の工程にて形成する有機半導体層８０の周囲
を仕切るバンクとしても機能する。また、第３絶縁層６
６は、ゲート電極４０と、後の工程にて形成する有機層
７０とを絶縁するために設けられる。

【００６４】なお、この工程において、ゲート電極４０
がＴａ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属からなる場合、ゲート電極
４０を形成した後、ゲート電極４０の表面を酸化するこ
とにより、第２絶縁層６４および第３絶縁層６６を形成
することもできる。

【００６５】（３）ついで、図６（ａ）および図６
（ｂ）に示すように、例えばスピンコート法により、ド
レイン電極３０上に有機半導体層８０を形成する。つづ
いて、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、例え
ばスピンコート法により、絶縁層６０および有機半導体
層８０上に、電子輸送／注入層として機能する有機層７
０を形成する。この有機層７０は、必要に応じて形成さ
れるもので、有機半導体層８０とソース電極５０との間
に形成する。なお、本実施の形態においては、有機半導
体層８０および絶縁層６０の上に有機層７０を形成する
場合について示したが、ゲート電極４０を構成する第１
電極部４０ａと第２電極部４０ｂの間に、有機半導体層
８０および有機層７０を配置してもよい。この場合、ゲ
ート電極４０によって有機半導体層８０および有機層７
０の両方に電圧が印加される。

【００６６】また、ドレイン電極３０と有機半導体層８
０との間に、正孔輸送／注入層として機能する有機層
（図示せず）を形成してもよい。この場合、ゲート電極
４０を構成する第１電極部４０ａと第２電極部４０ｂの
間に、有機半導体層８０および当該有機層を配置するこ
とができる。この場合、ゲート電極４０によって有機半
導体層８０および当該有機層の両方に電圧が印加され
る。なお、この場合、有機半導体層８０を形成する前
に、ドレイン電極３０上に当該有機層を形成する。

【００６７】以上のように、正孔輸送／注入層または電
子輸送／注入層として機能する有機層をゲート電極４０
に隣接させることにより、有機半導体層８０だけでな
く、前記有機層に対しても、ゲート電極４０によって電
圧を印加することができる。

【００６８】（４）次に、図８（ａ）および図８（ｂ）
に示すように、マスク蒸着法にて、有機層７０上にソー
ス電極５０を形成する。つづいて、図９（ａ）および図
９（ｂ）に示すように、全面的に保護層２０を形成す
る。以上の工程により、有機半導体装置１００が得られ
る。

【００６９】（作用および効果）本実施の形態の有機半
導体装置１００によれば、以下に示す作用および効果が
得られる。

【００７０】（１）本実施の形態の有機半導体装置１０
０においては、ドレイン電極３０、ソース電極５０、ゲ
ート電極４０、および有機半導体層８０によってトラン
ジスタが構成され、ドレイン電極３０とソース電極５０
との間にドレイン電流が流れる。すなわち、ドレイン電
極３０とソース電極５０との間に挟まれている有機半導
体層８０中にチャネル領域が形成される。また、ドレイ
ン電極３０およびソース電極５０はいずれも、基板１０
の面方向と平行な方向に延びており、かつ、ゲート電極
４０や有機半導体層８０等を介して基板１０の面方向と
垂直な方向に積層されている。したがって、ドレイン電
極３０とソース電極５０との間を流れる電流の方向は、
基板１０の面方向と垂直な方向であり、有機半導体層８
０の膜厚が、ドレイン電極３０、ソース電極５０、ゲー
ト電極４０、および有機半導体層８０から構成されるト
ランジスタのチャネル長となる。したがって、有機半導
体層８０を所定の膜厚に形成することにより、前記トラ
ンジスタのチャネル長を所定の長さに形成することがで
きる。すなわち、有機半導体層８０を所定の膜厚に形成
することによって、所望のチャネル長を有する前記トラ
ンジスタを形成することができる。

【００７１】例えば、前述した有機半導体装置１００の
製造方法の欄で説明したように、スピンコート法で有機
半導体層８０を形成する場合、有機半導体層８０を構成
する材料にもよるが、一般に、有機半導体層８０の膜厚
を５０〜１００ｎｍ程度に形成することが可能である。
このように、有機半導体層８０の膜厚を薄く形成するこ
とができるため、前記トランジスタのチャネル長を短く
することができる。

【００７２】（２）また、ドレイン電極３０とソース電
極５０との間に配置する層の膜厚をある程度薄くするこ
とにより、ドレイン電極３０とソース電極５０との間の
距離を小さくすることができる。これにより、ソース−
ドレイン間の距離を小さくすることができるため、素子
の効率を高めることができる。

【００７３】（３）また、有機半導体層８０の断面積を
所定の大きさに形成することにより、ドレイン電極３０
とソース電極５０との間でドレイン電流が流れる領域の
面積を適宜設定することができる。これにより、ドレイ
ン電流を大量に流すことが可能となる。

【００７４】（４）さらに、本実施の形態の有機半導体
装置１００においては、有機半導体層８０のほかに、正
孔輸送／注入層または電子輸送／注入層として機能する
有機層を形成する場合、有機半導体層８０の上下に当該
有機層を容易に積層することができるため、当該有機層
と有機半導体層８０との多層化が容易である。また、こ
れらの有機層に対しても、前述した有機半導体層８０と
同様に、ゲート電極４０によってゲート電圧をかけるこ
とが可能である。なお、後述する第２の実施の形態の有
機半導体装置３００においても同様の作用効果を得るこ
とができる。

【００７５】（変形例）図１０は、本実施の形態にかか
る有機半導体装置の一変形例を示す断面図である。図１
で示す部材と実質的に同じ機能を有する部材には同一符
号を付して、その詳細な説明を省略する。この例の有機
半導体装置２００では、ゲート電極２４０が、図１１
（ａ）に示す平面形状を有する点以外は、図１に示す有
機半導体装置１００と同様の構造を有する。

【００７６】この有機半導体装置２００において、ゲー
ト電極２４０は、図１０、図１１（ａ）、および図１１
（ｂ）に示すように、有機半導体層８０を取り囲むよう
に一体的に形成されている。このように、ゲート電極２
４０が有機半導体層８０を取り囲むように形成されてい
ることにより、ゲート電極２４０に電圧を印加すること
によって有機半導体層８０に有効に電荷を溜めることが
できる。

【００７７】この有機半導体装置２００は、図１に示す
有機半導体装置１００の製造工程のうち図４に相当する
工程で、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す平面形
状となるようにパターニングしてゲート電極２４０を形
成する点を除いて、図１に示す有機半導体装置１００と
ほぼ同様の製造工程により形成することができる。

【００７８】この有機半導体装置２００の動作、ならび
に作用および効果は、図１に示す有機半導体装置１００
と同様である。

【００７９】［第２の実施の形態］図１２は、本発明の
第２の実施の形態にかかる有機半導体装置３００を示す
断面図である。図１で示す部材と実質的に同じ機能を有
する部材には同一符号を付して、その詳細な説明を省略
する。この有機半導体装置３００では、ゲート電極（第
１ゲート電極）４０のほかに、有機層７０上にゲート電
極（第２ゲート電極）１４０が設置されている点、およ
び有機半導体層（第２有機半導体層）１８０がゲート電
極１４０に対して第２絶縁層（第４ゲート絶縁層）１６
４を介して配置されている点以外は、図１に示す有機半
導体装置１００と同様の構造を有する。すなわち、この
有機半導体装置３００では、図１に示す有機半導体装置
１００と同様に、ゲート電極４０が、ドレイン電極３０
の上に第１絶縁層（第１ゲート絶縁層）６２を介して配
置されており、有機半導体層８０がドレイン電極３０上
に配置され、かつ、ゲート電極４０に対して第２絶縁層
（第２ゲート絶縁層）６４を介して配置されている。

【００８０】この有機半導体装置３００において、ゲー
ト電極（第２ゲート電極）１４０は、ゲート電極（第１
ゲート電極）４０と同様の構造を有する。すなわち、ゲ
ート電極１４０は、第１電極部１４０ａおよび第２電極
部１４０ｂから構成されている。また、ゲート電極１４
０の周囲には絶縁層１６０が形成されている。この絶縁
層１６０は、第１絶縁層（第３ゲート絶縁層）１６２、
第２絶縁層（第４ゲート絶縁層）１６４、および第３絶
縁層１６６から構成される。

【００８１】また、有機半導体層（第２有機半導体層）
１８０は、有機半導体層（第１有機半導体層）８０と同
様の構造を有する。すなわち、有機半導体層１８０は、
第２絶縁層（第４ゲート絶縁層）１６４を介して、この
第１電極部１４０ａおよび第２電極部１４０ｂとの間に
挟まれた状態で配置されている。

【００８２】また、ゲート電極１４０は、ゲート電極４
０の上に、第３絶縁層６６、有機層７０および第１絶縁
層（第３ゲート絶縁層）１６２を介して配置されてい
る。さらに、有機半導体層１８０は、有機半導体層８０
の上に有機層７０を介して配置され、かつ、ゲート電極
１４０に対して第２絶縁層（第４ゲート絶縁層）１６４
を介して配置されている。さらに、有機半導体層１８０
の上には、ソース電極５０が配置されている。

【００８３】次に、この有機半導体装置３００の動作、
ならびに作用および効果について説明する。

【００８４】ゲート電極４０，１４０は、図１に示す有
機半導体装置１００を構成するゲート電極４０と同様に
動作する。このゲート電極４０，１４０に対しては、別
々に電圧が印加される。また、ゲート電極１４０には、
ゲート電極４０に印加される電圧に対して正バイアスの
電圧が印加される。

【００８５】具体的には、この有機半導体装置３００に
おいて、ドレイン電極３０、ソース電極５０、ゲート電
極４０、および有機半導体層８０から第１のトランジス
タが構成され、ドレイン電極３０、ソース電極５０、ゲ
ート電極１４０、および有機半導体層１８０から第２の
トランジスタが構成される。すなわち、第１トランジス
タにおいて、有機半導体層８０中にチャネル領域が形成
され、第２トランジスタにおいて、有機半導体層１８０
中にチャネル領域が形成される。

【００８６】この第１および第２のトランジスタはそれ
ぞれ、図１に示す有機半導体装置１００において、ドレ
イン電極３０、ソース電極５０、ゲート電極４０、およ
び有機半導体層８０から構成されるトランジスタと同様
に動作する。また、有機半導体装置３００において、こ
の第１および第２のトランジスタのいずれか一方または
両方を動作させて、４端子の回路を構成することができ
る。４端子の回路としては、例えば、ＡＮＤ回路または
ＯＲ回路が挙げられる。以下、第１および第２トランジ
スタがＡＮＤ回路またはＯＲ回路を構成する場合につい
て説明する。

【００８７】（ＡＮＤ回路）この有機半導体装置３００
において、第１および第２トランジスタをＯＮまたはＯ
ＦＦさせて、第１および第２トランジスタからＡＮＤ回
路を構成することができる。

【００８８】この場合、第１および第２トランジスタが
いずれもＯＮした状態を、「１」とする。一方、第１お
よび第２トランジスタのいずれか一方のみがＯＮした状
態である場合、あるいは第１および第２トランジスタの
両方がＯＦＦした状態である場合には、ドレイン電流が
少なくなる。このように、第１および第２トランジスタ
の一方または両方がＯＦＦした状態を、「０」とする。

【００８９】このように、ドレイン電流を検出すること
によって、第１および第２トランジスタからＡＮＤ回路
が構成される。

【００９０】（ＯＲ回路）この有機半導体装置３００に
おいて、第１および第２トランジスタをＯＮまたはＯＦ
Ｆさせて、第１および第２トランジスタからＯＲ回路を
構成することができる。

【００９１】この場合、閾値を所定の値に設定すること
により、この第１および第２のトランジスタのうち少な
くとも一方がＯＮした状態を、「１」とする。一方、第
１および第２トランジスタの両方がＯＦＦした状態を、
「０」とする。

【００９２】なお、図１２に示す発光装置３００におい
て、ゲート電極４０，１４０の平面形状を、図１０に示
す発光装置２００を構成するゲート電極２４０と同様の
平面形状とすることもできる。

【００９３】以上、本発明の好適な実施の形態について
述べたが、本発明はこれらに限定されず、発明の要旨の
範囲内で各種の態様を取りうる。

【００９４】例えば、本実施の形態においては、基板１
０上にドレイン電極３０が配置され、ドレイン電極３０
より上層にソース電極５０が配置されている場合につい
て説明したが、あるいは、基板１０上にソース電極（図
示せず）が配置され、このソース電極より上層にドレイ
ン電極（図示せず）が配置されていてもよい。例えば、
基板１０上にソース電極（図示せず）を配置し、このソ
ース電極の上に第１絶縁層６２を介してゲート電極４０
を配置し、さらに、このゲート電極４０の上に、少なく
とも第３絶縁層６６を介してドレイン電極（図示せず）
を配置させることもできる。

【００９５】また、本実施の形態においては、有機半導
体層８０とソース電極５０との間に、電子輸送／注入層
として機能する有機層７０が配置されている場合につい
て説明したが、この有機層７０のかわりに、ドレイン電
極３０と有機半導体層８０との間に、正孔輸送／注入層
として機能する有機層を配置することもできる。あるい
は、正孔輸送／注入層として機能する前記有機層と、電
子輸送／注入層として機能する有機層７０とを両方形成
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる有機半導体
装置を模式的に示す断面図である。

【図２】図２（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、
図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図３】図３（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図３（ｂ）は、
図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図４】図４（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図４（ｂ）は、
図４（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図５】図５（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図５（ｂ）は、
図５（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図６】図６（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図６（ｂ）は、
図６（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図７】図７（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図７（ｂ）は、
図７（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図８】図８（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図８（ｂ）は、
図８（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図９】図９（ａ）は、図１に示す有機半導体装置の一
製造工程を模式的に示す平面図であり、図９（ｂ）は、
図９（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式的に示す図で
ある。

【図１０】本発明の第１の実施の形態にかかる有機半導
体装置の一変形例を模式的に示す断面図である。

【図１１】図１１（ａ）は、図１０に示す有機半導体装
置の一製造工程を模式的に示す平面図であり、図１１
（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線における断面を模式
的に示す図である。

【図１２】本発明の第２の実施の形態にかかる有機半導
体装置を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１０基板２０保護層３０ドレイン電極４０ゲート電極（第１ゲート電極）４０ａ第１電極部４０ｂ第２電極部５０ソース電極６０絶縁層６２第１絶縁層（第１ゲート絶縁層）６４第２絶縁層（第２ゲート絶縁層）６６第３絶縁層７０有機層８０有機半導体層（第１有機半導体層）１００，２００，３００有機半導体装置１４０ゲート電極（第２ゲート電極）１４０ａ第１電極部１４０ｂ第２電極部１６０絶縁層１６２第１絶縁層（第３ゲート絶縁層）１６４第２絶縁層（第４ゲート絶縁層）１６６第３絶縁層１８０有機半導体層（第２有機半導体層）２４０ゲート電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F048 BB02 BD00 BD07 CB01 CB07 5F110 AA07 AA30 CC09 EE02 EE03 EE04 EE24 EE33 GG05 GG28 GG41 GG42 HK02 HK07 HK33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に配置されたソース／ドレイン
電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１絶縁層
を介して配置されたゲート電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に配置され、かつ、前記
ゲート電極に対して少なくとも第２絶縁層を介して配置
された有機半導体層と、前記有機半導体層の上に配置されたドレイン／ソース電
極と、を含む、有機半導体装置。
【請求項２】請求項１において、前記ゲート電極は、前記ソース／ドレイン電極と前記ド
レイン／ソース電極との間に挟まれた状態で配置され
た、有機半導体装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記有機半導体層は、前記ソース／ドレイン電極と前記
ドレイン／ソース電極との間に配置された、有機半導体
装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記ゲート電極は、第１電極部および第２電極部から構
成され、前記有機半導体層は、前記ゲート電極を構成する前記第
１電極部と前記第２電極部との間に、前記第２絶縁層を
介して挟まれた状態で配置された、有機半導体装置。
【請求項５】請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記有機半導体層は、前記ゲート電極によって、前記第
２絶縁層を介して囲まれた状態で配置された、有機半導
体装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記ソース／ドレイン電極と前記ドレイン／ソース電極
との間を流れる電流の方向は、前記基板の面方向と垂直
な方向である、有機半導体装置。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかにおいて、さらに、電子輸送／注入層を含む、有機半導体装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかにおいて、さらに、正孔輸送／注入層を含む、有機半導体装置。
【請求項９】基板の上に配置されたソース／ドレイン
電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１ゲート
絶縁層を介して配置された第１ゲート電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に配置され、かつ、前記
第１ゲート電極に対して少なくとも第２ゲート絶縁層を
介して配置された第１有機半導体層と、前記第１ゲート電極の上に少なくとも第３ゲート絶縁層
を介して配置された第２ゲート電極と、前記第１有機半導体層の上に配置され、かつ、前記第２
ゲート電極に対して少なくとも第４ゲート絶縁層を介し
て配置された第２有機半導体層と、前記第２有機半導体層の上に配置されたドレイン／ソー
ス電極と、を含む、有機半導体装置。
【請求項１０】請求項９において、前記第１有機半導体層と前記第２有機半導体層との間に
は、有機層が形成されている、有機半導体装置。
【請求項１１】請求項９または１０において、前記第１有機半導体層および前記第２有機半導体層に
は、正バイアスの電圧が印加される、有機半導体装置。