JP2004055654A - 有機半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】特性の優れた有機半導体素子を提供する。
【解決手段】有機半導体素子は、対向する１対の第１及び第２電極の間に成膜されたキャリア移動性を有する有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、第１及び第２電極は互いに異なる仕事関数を有する材料からなる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオードや、信号処理に必要なスイッチや増幅機能を行うトランジスタに用いられる半導体には、高いキャリア移動度などの性能が要求されるので、シリコンに代表される無機半導体が、半導体素子の主役となっている。
一方、キャリア移動性を有する有機化合物を利用した有機半導体では、その電気−光変換特性を利用した有機エレクトロルミネセンス装置が開発されている。さらに、有機半導体薄膜に電界を加えるとキャリア密度が増加するので、有機半導体薄膜上に１対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。例えば、有機半導体薄膜上にソース電極及びドレイン電極を配置し、その間のゲート電極で薄膜の厚さ方向に電圧を印加し、有機半導体薄膜に沿った方向の電流をスイッチングできる。よって、有機トランジスタの研究もなされ、電気信号を利用して、接合界面（金属−有機半導体、有機半導体−有機半導体）にて、有機半導体中のキャリア（電子及び正孔）を制御する情報の伝達、処理及び記録表示などの技術に有機半導体が利用されつつある。
【０００３】
例えば、有機半導体薄膜を用いた有機ＭＯＳ−ＴＦＴの構造には、例えば、ボトムコンタクト型及びトップコンタクト型がある。いずれの構造も、基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極及びドレイン電極、並びに有機半導体層を備えている。有機トランジスタの動作周波数を高めるためにはキャリア移動度の向上が必要であるので、有機半導体層にペンタセンなどをゲート絶縁膜にＰＭＭＡ、シクロヘキセンをなど用いた積層構造が提案されている。電極材料としてソース及びドレインともにＰｄ、Ａｕなどが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決しようとする課題には、特性の優れた有機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体素子の発明は、対向する１対の第１及び第２電極の間に成膜されたキャリア移動性を有する有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記第１及び第２電極は互いに異なる仕事関数を有する材料からなることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態の有機半導体素子の一例として有機トランジスタの実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は実施形態のｐ型有機半導体を用いたボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。有機トランジスタは、ガラスなどの絶縁性の基板１０上に形成されたゲート電極１４上に形成されたゲート絶縁膜１２と、この上に形成されたｐ型有機半導体のペンタセンなどのキャリア（正孔）移動性を有する有機化合物からなる有機半導体層１３と、有機半導体層１３上に接触するように形成されたソース電極１１（第１電極）及びドレイン電極１５（第２電極）から構成されている。ゲート電極１４は対向するソース電極１１及びドレイン電極１５の間の有機半導体層１３に電界を印加する。
【０００７】
図２は他の実施形態のトップコンタクト型有機トランジスタを示す。トップコンタクト型素子は、有機半導体層１３が先に成膜され、その上にソース電極１１及びドレイン電極１５が形成される以外、図１のボトムコンタクト型と同じ構成を有する。
有機半導体層１３は電界印加によって正孔（又は電子）の輸送能力を発揮する有機化合物からなる。有機半導体層１３は、キャリア輸送能力を有する有機化合物の薄膜からなる多層構造とすることもできる。有機半導体として、キャリア移動度が大きいペンタセンの他に、アントラセン、テトラセンなどの縮合環類も用いられる。
【０００８】
ゲート電極１４はゲート絶縁膜１２を介して電界を印加する場合は、電極材料として一般に用いられるＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びそれらを含む合金などが用いられる。
図３に示すように、ソース電極１１の材料には、有機半導体との電荷注入障壁を低くするため、仕事関数が有機半導体層１３のイオン化ポテンシャルに近いあるいは大きいことが求められる。例えば、ソース電極１１に、仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い金属又は合金膜を用いる。ドレイン電極１５の材料には、有機半導体との電荷注入障壁を低くするため、仕事関数が有機半導体層１３のイオン化ポテンシャルより小さいことが求められる。よって、ドレイン電極１５には、その仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルより小さい金属又は合金膜を用いる。
【０００９】
ソース電極１１（第１電極）はドレイン電極１５（第２電極）より大なる仕事関数を有する。図３に示すように、電子親和力Ｅａは０ｅＶの基準エネルギー準位の真空準位（ＶＡＣＵＵＭ　ＬＥＶＥＬ）から伝導帯ＣＢ下端の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。イオン化ポテンシャルＩｐは真空準位から価電子帯ＶＢ上端の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。金属及び金属酸化物材料について、ソース電極１１（第１電極）及びドレイン電極１５（第２電極）の仕事関数ＷｆＡ、ＷｆＣは真空準位（０ｅＶ）から各フェルミ準位へと測定したエネルギーである。
【００１０】
本実施形態のｐ型有機半導体素子で使用するソース電極１１（第１電極）の材料としては、仕事関数ＷｆＡがなるべく大きなものがよく、例えば、４．５ｅＶ以上の金、白金、パラジウム、クロム、セレン、ニッケルなどの金属、インジウムすず酸化物（いわゆるＩＴＯ）、イリジウム亜鉛酸化物（いわゆるＩＺＯ）、酸化亜鉛やこれらの合金、あるいは、酸化錫、ヨウ化銅などが好ましい。ソース電極１１（第１電極）には仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルに近い材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。第１電極に含まれる材料の仕事関数は、使用する有機半導体のイオン化ポテンシャルを中心とした±１ｅＶ以内であることが好ましく、さらに好ましくは±０．５ｅＶ以内である。
【００１１】
例えば、高い正孔移動度を示すキャリア輸送性材料であるペンタセン（イオン化ポテンシャル＝５．０６ｅＶ）を用いた場合、ソース電極１１（第１電極）に含まれる材料の仕事関数は４．５６〜５．５６ｅＶが好適であり、このような特性を満たす金属の例として、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅなどが挙げられる。第１電極にはこれらの金属の単体、もしくはこれらの複数を用い得る。なお、電極にポリ（３−メチルチオフェン）、ポリフェニレンスルフィドあるいはポリアニリンなどの導電性ポリマーも使用することができる。これらは単独で、あるいはＩＴＯ上にポリアニリンを成膜したもののように二種以上を積層して用いることもできる。
【００１２】
一方、ドレイン電極１５（第２電極）の材料としては、その仕事関数ＷｆＣがＷｆＡより小さな金属又は化合物、例えば、４．５ｅＶ未満の銀、鉛、錫、アルミニウム、カルシウム、インジウムなどの金属、リチウムなどのアルカリ金属、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、またはこれらの合金、あるいは、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物などが用いられる。ドレイン電極１５（第２電極）には仕事関数が有機半導体のイオン化ポテンシャルより小さい材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。
【００１３】
有機半導体層におけるキャリアが正孔の場合には正孔が移動できる正孔輸送性材料または両性輸送性材料が有機半導体として必要になり、上記例のように、ペンタセン有機半導体層を用いて正孔輸送性（ｐ型）素子が実現できるが、キャリアが電子の場合には電子が移動できる電子輸送材料または両性輸送性材料が必要になる。正孔輸送材料又は両性輸送材料としては、銅フタロシアニン（ｃｏｐｐｅｒ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）などが、電子輸送材としてはアルミニウムキノリノール錯体（ｔｒｉｓ−８−ｈｙｄｏｒｏｘｙｑｕｎｏｌｉｎｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ）などがある。図４に示すように、絶縁性の基板１０上でゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１４上に形成された電子輸送材からなるｎ型有機半導体層を用いた場合、電子輸送性（ｎ型）素子が実現できる。ｎ型素子のソース電極１１（第１電極）にはその仕事関数が有機半導体の電子親和力に近い材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。第１電極に含まれる材料の仕事関数は、使用する有機半導体の電子親和力を中心とした±１ｅＶ以内であることが好ましく、さらに好ましくは±０．５ｅＶ以内である。ｎ型素子のドレイン電極１５（第２電極）にはその仕事関数が有機半導体の電子親和力より大きい材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。ｎ型素子のゲート電極に電圧をかけ閾値を越えたときにチャネルが形成され、電子はソース電極１１よりｎ型有機半導体層に注入され、電流として流れる。
【００１４】
本発明の有機半導体素子で用いられる有機半導体層は、例えば、真空蒸着、スピンコート、スパッタリング、または、ゾル−ゲルなどの方法により成膜できる。ソース電極及びドレイン電極の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など、任意の方法を用い得る。材料の使用効率、電極合金の組成比の安定性、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
【００１５】
本実施形態では、ソース電極及びドレイン電極並びにゲート電極の３極の有機トランジスタを説明したが、本発明は他に２極の有機ダイオードの電極にも適応でき、さらに図１及び図２に示す以外にも、ソース電極から有機半導体、ドレイン電極の経路で電流を流す、任意の構造の有機半導体素子に適用できる。
例えば、上記実施例ではＴＦＴ単体の作製における実施例を示したが、本発明によるＴＦＴをＬＣＤ、有機エレクトロルミネセンス装置など表示装置の画素の駆動に用いることもできる。具体的には、少なくとも本発明による有機トランジスタを１つ以上、コンデンサなど必要な素子、画素電極などを共通の基板上に作製すれば、本発明による有機ＭＯＳ−ＴＦＴを用いたアクティブ駆動型の表示装置を実現できる。例として、図５は本発明をＴＦＴ−有機エレクトロルミネセンス表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す。ＴＦＴ−有機エレクトロルミネセンス表示装置において、ドレイン電極１５が有機エレクトロルミネセンス装置の画素電極２０に接続され、有機半導体層１３が保護膜２１で被覆されている以外、図１の構成と同一である。
【００１６】
さらに、図６に示すように、本発明を有機トランジスタとして縦型構造のＳＩＴ（静電誘導形トランジスタ）に適用できる。有機半導体層１３の膜厚方向の電流をスイッチングできるＳＩＴは、それぞれ仕事関数の異なるソース電極１１及びドレイン電極１５で有機半導体層１３を挟み、有機半導体層１３の厚さ方向の中間に包埋された格子状、櫛状又は簾状の形状などの多孔性のゲート電極１４を有した３端子構造を有する。そのゲート電極１４に電圧を印加したとき、ゲート電極周りの有機半導体に生じる空乏層によってドレイン及びソース間の電流を制御できる。
【００１７】
またさらに、図７に示すように、有機トランジスタは、互いに積層されたゲート電極１４、ソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されていればよく、図１とは逆の順序すなわち、基板１０上に、第１金属及び第２金属の合金膜からなるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、有機半導体層１３、ゲート絶縁膜１２、並びにゲート電極１４の順で積層して形成されてもよい。
【００１８】
同様に、図８に示すように、有機トランジスタは、有機半導体層１３を挟んで、それぞれ仕事関数の異なるソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、ゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１４を離間させるように形成されてもよい。このように本実施形態による有機半導体素子においては、電極をキャリア移動にかかわるその方向に応じて仕事関数が適切となるような材料として、有機半導体のイオン化ポテンシャル又は電子親和力に近い仕事関数を持つ第１及び第２電極としたことにより、有機半導体への電荷注入障壁の小さい電気特性に優れる有機半導体が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図２】
本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図３】
有機半導体素子の有機半導体素子のエネルギー準位を示す図。
【図４】
本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図５】本発明による他の実施形態の有機トランジスタ発明をＴＦＴ−有機エレクトロルミネセンス表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す断面図。
【図６】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図７】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図８】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【符号の説明】
１０　基板
１１　ソース電極
１２　ゲート絶縁膜
１３　有機半導体層
１４　ゲート電極
１５　ドレイン電極

Claims (17)

1. 対向する１対の第１及び第２電極の間に成膜されたキャリア移動性を有する有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記第１及び第２電極は互いに異なる仕事関数を有する材料からなることを特徴とする有機半導体素子。
2. 前記有機半導体層は、ｐ型半導体であることを特長とする請求項１記載の有機半導体素子。
3. 前記第１電極は前記第２電極の仕事関数より大なる仕事関数を有することを特徴とする請求項２記載の有機半導体素子。
4. 前記第１電極は前記有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有することを特徴とする請求項２又は３記載の有機半導体素子。
5. 前記第１電極は、前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルを中心とした−１ｅＶ〜＋１ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項４記載の有機半導体素子。
6. 前記第１電極は、前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルを中心とした−０．５ｅＶ〜＋０．５ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項５記載の有機半導体素子。
7. 前記有機半導体層はｎ型半導体であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
8. 前記第１電極は前記第２電極の仕事関数より小なる仕事関数を有することを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
9. 前記第１電極は前記有機半導体層の電子親和力近傍の仕事関数を有することを特徴とする請求項８記載の有機半導体素子。
10. 前記第１電極は、前記有機半導体層の電子親和力を中心とした−１ｅＶ〜＋１ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項９記載の有機半導体素子。
11. 前記第１電極は、前記有機半導体層の電子親和力を中心とした−０．５ｅＶ〜＋０．５ｅＶの範囲内の仕事関数を有することを特徴とする請求項１０記載の有機半導体素子。
12. 前記第１及び第２電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように積層され、さらに、前記ソース電極及びドレイン電極の間の前記有機半導体層に電界を印加せしめるゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の有機半導体素子。
13. 前記ゲート電極を前記ソース電極及びドレイン電極から電気的に絶縁するゲート絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項１２記載の有機半導体素子。
14. 前記ソース電極及びドレイン電極は共に前記有機半導体層の片側面に配置されたことを特徴とする請求項１３記載の有機半導体素子。
15. 前記ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ前記有機半導体層を挟んで両側に配置されたことを特徴とする請求項１４記載の有機半導体素子。
16. 前記第１及び第２電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極の間に挟持されるように膜厚方向に積層され、かつ、前記有機半導体層に包埋されたゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１記載の有機半導体素子。
17. 前記有機半導体層に包埋されたゲート電極は、格子状、櫛状又は簾状の形状を備えたことを特徴とする請求項１６記載の有機半導体素子。

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