JP2004103905A - 有機半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】駆動電圧の上昇を抑え得る有機半導体素子を提供する。
【解決手段】対向する1対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子は、1対の電極の少なくとも一方と有機半導体層との間に接触して挿入されかつ接触する電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を含む。
【選択図】 図3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア移動性の有機化合物を利用し、かかる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や、低い暗電流や、低い駆動電圧や、複雑な素子構造など、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。
【0003】
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。
【0004】
図1及び図2は有機半導体薄膜を用いた有機MOS−TFTの構造のボトムコンタクト型及びトップコンタクト型の例を示す。有機MOS−TFTは、基板10上にゲート電極14、ゲート絶縁膜12、ソース電極11及びドレイン電極15、並びに有機半導体層13を備えている。ゲート電極14としてはNi、Crなどが、ゲート絶縁膜12にはSiO、SiNなど金属の酸化物や窒化物などの無機物やPMMAなどの樹脂が、有機半導体層13にはペンタセンなどが、それぞれ用いられている。また、ソース電極11及びドレイン電極15にはPd、Auなどの単層膜が用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソース電極から有機半導体層を介してドレイン電極へと電流が流れる際、各々の界面ではソース電極及びドレイン電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの差による障壁が存在し、駆動電圧が高くなってしまっていた。
【0006】
本発明の解決しようとする課題には、駆動電圧の上昇を抑え得る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。
【0007】
【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対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記1対の電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に接触して挿入されかつ前記接触する電極の仕事関数の値と前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を備えることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明による有機半導体素子として有機トランジスタの実施例を図面を参照しつつ説明する。
図3は実施形態の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、プラスチック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ペンタセンなどのキャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層13と、ソース電極11及びドレイン電極15と有機半導体層13との間に接触して挿入されるように形成されたバッファ層BFから構成されている。バッファ層BFは、接触する電極の仕事関数と有機半導体層の仕事関数(又はイオン化ポテンシャル)との間の値のイオン化ポテンシャルを有する。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。
【0009】
図4は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、その上にバッファ層BF、ソース電極11及びドレイン電極15が順に形成されて、その積層順が逆の順となる以外、図3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有する有機化合物からなる。有機半導体層13は、それぞれ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。
【0010】
ソース電極11及びドレイン電極15には、例えば、Au、Al、Cu、Ag、Mo、W、Mg、Znなどの金属が挙げられる。これらの中では、特に比抵抗が低いAl、Cu、Ag又はこれらを含む合金が好適である。
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、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。
【0011】
有機半導体中のキャリア移動のために、バッファ層BFが有するイオン化ポテンシャルの条件すなわち、接触電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルとの間の仕事関数(又はイオン化ポテンシャル)の値は特に重要である。抵抗なくキャリアが移動するにはエネルギー障壁が小さいほうがよいからである。図5に示すように、金属からなるソース電極11及びドレイン電極15の仕事関数Wf及びバッファ層BFの仕事関数WfB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。有機半導体層13の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。なお、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。
【0012】
本実施形態のp型有機半導体素子で使用するバッファ層BFの材料としては、Wf<WfB<Ipを満たすものが好ましい。かかるバッファ層BFの挿入によって、ソース電極11からバッファ層BFを介して有機半導体層へと障壁が段階的になり、電流が流れやすくなる。例えば、有機半導体層材料としてペンタセン(イオン化ポテンシャルIp=5.06eV)、ソース電極及びドレイン電極としてAu(仕事関数φ=4.58eV)を用いた場合、バッファ層の仕事関数(又はイオン化ポテンシャル)をこれらの間(4.58〜5.06eV)とすればよい。例えば、4.5eV以上の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)、酸化錫、酸化亜鉛など、金属の酸化物や窒化物や酸化物、などがバッファ層BFに用いられる。さらに、バッファ層BFに接触電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間のイオン化ポテンシャル値を有する電荷輸送性例えば正孔輸送性を有する有機化合物を用いることができる。また、ソース電極11及びドレイン電極15間の絶縁が確保される場合、白金、パラジウム、クロム、セレン、ニッケルなどの金属若しくはこれらの合金、あるいは、ヨウ化銅など接触電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数値を有する金属若しくは合金もバッファ層BFに用いられる。
【0013】
バッファ層の膜厚は挿入による効果が発現する範囲であれば、できる限り薄い方が望ましい。一般に、バッファ層挿入の効果は、膜厚が100Å以下の連続膜とならない不連続な島状構造であっても発現する。図6に示すようにバッファ層BFの膜厚が非常に薄く島状構造となる場合、バッファ層に金属などの導電体を用いることもできる。この場合、バッファ層BFが不連続な島状構造であるため、材料に導電性があっても横方向には電流が流れず、ソース電極及びドレイン電極間はショートしない。
【0014】
バッファ層の具体的な膜厚は、最も好ましいのは5〜100Å、好ましくは100〜1000Å、少なくとも5000Å以下にする必要がある。図3のようなボトムコンタクト型の素子では、バッファ層が厚いとチャネル部分に電流が流れにくくなるので、特にバッファ層の膜厚を薄くする方が好ましい。
これらバッファ層、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、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
【0015】
有機半導体層のペンタセンは、高い正孔移動度を示すキャリア輸送性材料である。このペンタセン有機半導体層を用いて、図3に示すボトムコンタクト型素子を作成すると、正孔輸送性(p型)素子が実現できる。
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、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。
【0016】
上記実施例では、本発明をソース電極及びドレイン電極の両電極に適用したが、ソース電極とドレイン電極の何れか一方の電極のみに適用することもできる。さらに、他の実施形態では図7及び図8に示すトップコンタクト型及びボトムコンタクト型の有機トランジスタのように、ソース電極11及びドレイン電極15の直下部分にのみバッファ層BF1及びBF2を形成しても良い。
【0017】
また、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、EL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9は本発明をTFT−LCD表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す。表示装置において、バッファ層BF上に積層されたソース電極11がLCD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。
【0018】
さらに、図10に示すように、他の実施形態の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。積層膜厚方向の電流をスイッチングできるSITは、各々が積層されたソース電極11及びドレイン電極15接触したバッファ層BF1及びBF2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。
【0019】
またさらに、図11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3とは逆の順序すなわち、基板10上に、ソース電極11及びドレイン電極15、バッファ層BF1及びBF2並びにソース電極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してもよい。
【0020】
同様に、図12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、バッファ層BF1及びBF2並びにソース電極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してもよい。
本実施形態による有機MOS−TFT素子は、ソース電極及びドレイン電極と有機半導体層の間に、仕事関数(又はイオン化ポテンシャル)が、ソース電極及びドレイン電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの間であるバッファ層を挿入した構造としたため、電極からバッファ層を介して有機半導体層へと障壁が段階的になり、電流が流れやすくなって、ソース電極及びドレイン電極間の駆動電圧を低くできるので、消費電力が小さい。
【図面の簡単な説明】
【図1】有機トランジスタを示す断面図。
【図2】有機トランジスタを示す断面図。
【図3】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】本発明による実施形態の有機半導体素子の一部のエネルギー準位を示す図。
【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。
【図9】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−LCD表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す部分断面図。
【図10】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11】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12】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
BF、BF1、BF2 バッファ層

Claims (12)

  1. 対向する1対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記1対の電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に接触して挿入されかつ前記接触する電極の仕事関数の値と前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を備え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徴とする請求項1記載の有機半導体素子。
  3. 前記バッファ層は、金属、金属酸化物又は有機化合物であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機半導体素子。
  4. 前記バッファ層は5000Å以下の膜厚を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1記載の有機半導体素子。
  5. 前記バッファ層は1000Å以下の膜厚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. 前記バッファ層は島状に離散して形成されたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の有機半導体素子。
  7. 前記1対の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1〜6のいずれか1記載の有機半導体素子。
  8. 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7記載の有機半導体素子。
  9. 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7記載の有機半導体素子。
  10. 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7記載の有機半導体素子。
  11. 前記1対の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1〜6のいずれか1記載の有機半導体素子。
  12. 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11記載の有機半導体素子。
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