JP2004128028A - Vertical organic transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自発光型有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイの駆動素子として有用な縦型有機トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機ＥＬ素子を用いたフルカラーディスプレイは、無機材料を用いた発光素子に比べて、▲１▼軽量化が可能であること、▲２▼大面積化が容易であること、▲３▼低コストであること、▲４▼種々の発光が得られること、といった利点を有していることが明らかになってきたので、注目されるようになってきた。このようなフルカラーディスプレイにおいて用いられる有機半導体は、商品としての実用化の時代を迎えようとしており、その実用化研究がますます盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いたフルカラーディスプレイは、▲１▼高輝度であって、▲２▼薄型であり、しかも、▲３▼極めて早い応答速度を有しているので、現在、主流となっている液晶ディスプレイに代わる次世代ディスプレイデバイスとして有望視されている。
【０００３】
有機トランジスタの研究は、１９８０年代初頭から盛んに行われ、低分子有機半導体膜及び高分子有機半導体膜の基礎的な特性が調べられたが、有機半導体材料は、無機半導体材料に比べて、低電荷移動度及び高電気抵抗を有する材料であるので、実用的な観点においては、あまり注目されなかった。高移動度有機半導体材料としては、▲１▼ペンタセン、金属フタロシアニン等の低分子化合物、▲２▼Ｃ３ 〜Ｃ８ のｎ−チオフェン等の短鎖オリゴマー、及び、▲３▼ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン等の長鎖ポリマーがある。前記長鎖ポリマーは、π共役系導電性高分子として知られており、隣接する多重結合した原子間の原子軌道の重なり合いによって、分子、オリゴマー及びポリマーに沿った電荷の移動が可能になり、また、隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動も可能になる。低分子化合物又は短鎖オリゴマーの有機薄膜は、有機材料としては最も高い移動度を示すことが知られているが、このような高移動度を示す低分子化合物又は短鎖オリゴマーは、真空蒸着によって、規則的に配列された薄膜として基板等に付着される。この薄膜内の規則配列により、原子軌道が重なり合い、そのために、隣接する分子間の電荷の移動をもたらすと考えられている。前記長鎖ポリマーは、可溶性が大きく、スピン・コーティングやディッピング・コーティングやキャストなど低コストのプロセス技術で成膜が可能であるので、工業的にやや有利であるが、配列が不規則なので電荷移動度はより低いという問題があった。このように、いまのところ、決定的に高い電荷移動度を有する有機半導体材料は見当たらず、今後の高電荷移動度有機材料の出現に期待するところは極めて大きい。
【０００４】
一般的に、有機半導体材料を用いたデバイスに対しては、材料によらずに、電流密度や動作速度を高める構造的な工夫とアプローチ方法が有効であが、例えば、前述の有機ＥＬ素子に、隣接して駆動用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を横にした構造の横型ＴＦＴを単純に導入しても、その電荷移動度が低く、動作速度及び電力の観点から、十分な特性を得ることが非常に難しいという問題があった。そこで、本発明者は、低い電荷移動度でも、大きな電流と比較的高い動作速度が得られるスイッチング素子として、縦型ＦＥＴ構造を採用することによって、トランジスタ特性を向上した縦型有機静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ：Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）を提案した（非特許文献１を参照。）。
【０００５】
縦型ＳＩＴは、通常の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）が活性層の水平方向に電流を流す横形であるのに対して、活性層の垂直方向に電流を流す縦形であるので、（イ）トランジスタの電流経路であるチャネル長を有機膜厚以下にすることができ、そのために、リソグラフィ技術によらずチャネル長を短くすることができ、（ロ）表面に形成した電極全体を有効利用でき、そして、（ハ）チャネル界面のラフネスの影響を少なくできる。それ故、縦型ＳＩＴは、高抵抗、低移動度である有機半導体材料を半導体層の構成材料に用いたものであっても、大きな電流密度と高い動作速度の実現が期待できる。また、縦型ＳＩＴと有機ＥＬ素子と組み合わせた複合型有機発光素子は、プロセスが簡単である上に、ＦＥＴ部がディスプレイの占有面積を妨げずに有効に使われるので、有利である。
【０００６】
図１１は、ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。ＳＩＴは、一般的に、ｎ＋ ソース電極１０１とｎ＋ ドレイン電極１０２に挟まれた半導体層１０４にｐ＋ ゲート１０３が挿入された構造をしている。ｐ＋ ゲート電極１０３に電圧を印加したとき、両側にあるｐ＋ ゲート１０３から半導体層１０４中に伸びてきた空乏層（図中点線で示した部分）１０５がお互いにちょうど接触するときの電圧に対して、ゲート電圧が小さい場合に、ＳＩＴはオン状態になる。オフ状態にするには、ｐ＋ ゲート１０３とｎ＋ ソース電極１０１との間に負の電圧を印加して、電位レベルを持ち上げてやる。つまり、ｎ＋ ソース電極１０１とｎ＋ ドレイン電極１０２との間に流れる電流ＩＤＳは、ｐ＋ ゲート１０３に印加された電圧とドレイン電圧ＶＤによって生じる電位障壁の高さによって決まる。このような動作をするＳＩＴは、ノーマリーオン特性のＳＩＴと呼ばれている。ノーマリーオン特性のＳＩＴは、▲１▼ゲートからのキャリアの注入がないので動作速度が速いこと、▲２▼電流集中がないので、大電流が流せること、▲３▼小駆動電力で電圧制御デバイスであること、及び、▲４▼不飽和電流電圧特性を示すこと、等の特徴を有している。有機半導体を用いたＳＩＴとしては、ＣｕＰｃをソース電極、ドレイン電極で挟み、ゲート電極にアルミニウムを有機材料のＣｕＰｃ内部に薄く真空蒸着により形成したスリット状のアルミニウムを埋め込んだ縦型ＴＦＴが報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００７】
また、複合型有機発光トランジスタとしては、ＣｕＰｃ上に、正孔輸送材料としてα−ＮＰＤ、発光材料としてＡｌｑ３を使用し、ゲート電極を前述のα−ＮＰＤ層中に配置した素子の性能が報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００８】
これらの有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、ＣｕＰｃによる有機分子蒸着膜とストライプ状のアルミニウムゲート電極との界面近傍でショットキー障壁が形成されている。このストライプ状のゲート電極は、アルミニウム蒸着源を２箇所に配置して行う２点蒸着法、即ち、２箇所に配置したアルミニウム蒸着源と、蒸着マスクと、基板と、の距離を調整することによって、スリット間隔の均一なストライプ状のゲート電極を形成している。このストライプ状のゲート電極がＳＩＴのゲート電極として働くには、ゲート電極のスリット巾をショットキー障壁の空乏層巾（数１００Å程度以下）相当にする必要があるが、通常の蒸着方法でこれを実現できない。そこで、このＳＩＴにおいては、２点蒸着法によるアルミニウムのにじみ効果を利用して、アルミニウムがにじんでできたアルミニウム半透膜とアルミニウムが存在しない空乏層巾に相当するスリット巾とを実現している。
【０００９】
このように、従来においては、２点蒸着法を用いてゲート電極を形成することにより、ＳＩＴを実現しているわけであるが、この２点蒸着法においては、蒸着源とメタルマスクと基板との位置関係を三角比を利用して幾何学的に設定しているので、最適設定が難しく、そのために、安定したＳＩＴ素子性能を得るのが難しく、しかも、大量生産に不向きであるという問題があった。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ３３１（１９９８）５１−５４
【非特許文献２】
工藤ら、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ａ，Ｎｏ．１０，（１９９８） Ｐ１１６６−１１７１
【非特許文献３】
池上ら、電子情報通信学会、ＯＭＥ２０００−２０、Ｐ４７−５１
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。
即ち、本発明は、電流密度及び動作速度を向上させると共に、安定性能を再現できる構造の縦型有機トランジスタを低コストで提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したところ、従来のＳＩＴが有機半導体層中に形成したストライプ状のスリットゲート電極のショットキー障壁によるポテンシャルの上げ下げにより動作させていたのに対して、導電性を有する金属酸化物で構成される第一の半導体層と第二の半導体層との間に形成される接合障壁をも用いることにより、電流密度及び動作速度を向上させると共に、再現性良く大量に生産できる構造の縦型有機トランジスタを低コストで提供できることを見いだして本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したことを特徴とする縦型有機トランジスタである。
【００１４】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、基板、第一の電極及び第一の半導体層が可視光に対して透明であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、第一の半導体層と第一の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第三の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触、及び、第二の半導体層と第二の電極との接触の内どちらか一方が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８に記載された発明は、請求項１〜７のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層を構成する無機半導体材料が、導電性を有する金属酸化物であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９に記載された発明は、請求項８に記載された発明において、前記導電性を有する金属酸化物が、▲１▼酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化銀、酸化インジウム、酸化タリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、クロム酸ランタン、酸化タングステン、酸化ユーロピウム、酸化アルミニウム、及び、クロム酸鉛から選択される、少なくとも１種の化学量論比からずれることによって、酸素空孔又は格子間金属を生じて高い導電率を示す金属酸化物、▲２▼酸化レニウム、酸化チタン、チタン酸ランタン、ニッケル酸ランタン、酸化銅ランタン、酸化ルテニウム銅、イリジウム酸ストロンチウム、クロム酸ストロンチウム、チタン酸リチウム、酸化イリジウム、酸化モリブデンから選択される、少なくとも１種の化学量論比のときに、最も導電率の高い金属酸化物、▲３▼酸化バナジウム、酸化クロム、鉄酸化カルシウム、鉄酸化ストロンチウム、コバルト酸ストロンチウム、バナジウム酸ストロンチウム、ルテニウム酸ストロンチウム、コバルト酸ランタン、及び、酸化ニッケルから選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物、或いは、▲４▼酸化タングステン、酸化モリブデン、及び、酸化レニウムのペロブスカイト構造のＡ位置の原子の無いところに、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は、希土類金属が入ったタングステンブロンズ（ＭｘＷ０３）、ＭｘＭ０３、及び、ＭｘＲｅ０３から選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物ブロンズであることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０に記載された発明は、請求項１〜７のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層を構成する無機半導体材料が、半導体的性質を有する金属酸化物であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１１に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択されるｎ型半導体、（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択されるｐ型半導体、或いは、（ｃ）請求項９に記載された▲１▼〜▲４▼、前記（ａ）〜（ｂ）に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成したｎ型半導体又はｐ型半導体で構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１２に記載された発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載された発明において、前記第二の有機半導体層を構成する有機半導体材料が、▲１▼ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼銅フタロシアニン系化合物（ＣｕＰｃ）、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）、（２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（ｍＭＴＤＡＴＡ ）、２，２′，７，７′−テトラキス（２，２−ジフェニルビニル）スピロ−９，９′−ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＤＰＶＢｉ ）、４，４′，ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（ＤＰＶＢｉ ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Ａｌｑ ）、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム錯化合物（Ａｌｍｑ３ ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（ＰＰＶ ）、ビフェニル基を有するポリマー（Ｂｉｐｈｅｎｙｌ−Ｍｏｎｏｍｅｒｓ ）、ジアルコキシ基を有するポリマー（Ｄｉａｌｋｏｘｙ−Ｍｏｎｏｍｅｒｓ）、アルコキシ−フェニル−ＰＰＶ、フェニル−ＰＰＶ 、フェニル−ジアルコキシ−ＰＰＶコポリマー、 ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ ）、ポリスチレンスルフォン酸（ＰＳＳ ）、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物、で構成されていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１３に記載された発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載された発明において、前記第二の有機半導体層と第三の電極との間に電荷輸送層を有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１４に記載された発明は、請求項１３に記載された発明において、前記電荷輸送層が、▲１▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（ｍＭＴＤＡＴＡ ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲２▼ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ ）、ポリスチレンスルフォン酸（ＰＳＳ ）、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１５に記載された発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載された発明において、前記第一の電極、第二の電極及び第三の電極が、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル、及び、導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１６に記載された発明は、請求項１〜１５のいずれかに記載された発明において、前記ゲート電極が、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１７に記載された発明は、請求項１〜１６のいずれかに記載された発明において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。図２は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。図３は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。図４は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図５は、実施例１２で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図６は、実施例６で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図８は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図９は、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図１０は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【００３１】
本発明は、基板１上に、少なくとも、第一の電極２、第一の半導体層３、櫛状又はメッシュ状の第二の電極４、第二の半導体層５、及び、第三の電極７を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層３を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層５を有機半導体材料で構成したことを特徴としている。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、それぞれ、ドレイン電極、ゲート電極、及び、ソース電極である。
【００３２】
本発明は、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７との間に第一の半導体層３と第二の半導体層５を有しているので、両電極の間隔が狭くなり、そのために、従来のＦＥＴにおけるピンチオフ点が第一の電極２側の近くに生じる。したがって、実効チャネル長は、零に近くなるので、チャネルが電流値を規制できない状態になり、そのために、第一の電極２付近の調整作用が支配的になる。
【００３３】
図２の一点鎖線で示すように、いま、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７の間にバイアスをかけると、キャリアのポテンシャルエネルギーは線形の傾斜ができる。しかし、ゲート電極（第二の電極）４のポテンシャル位置は変らないので、図２のようなポテンシャル分布が得られ、第二の電極に電圧（ゲート電圧）ＶＧ を加えていくと、山の部分が高くなり、また、第一の電極に対する電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。
【００３４】
第二の電極には、空乏層が広がるように（障壁が高くなるように）バイアスをかけるので、図１のａ−ａ線上はキャリアに対して、大きな障壁を作る。一方、ｂ−ｂ線上は、第二の電極４にバイアスが加わると、ポテンシャルエネルギーは、第二の電極４に引き上げられて幾分高くなるものの、ａ−ａ線上に比べれば小さくなっているので、トータルとしては、エネルギー障壁が低くなり、そのために、キャリアは、この第二の電極４の間を通って、第一の電極２の側に流れ落ちることになる。ドレイン電極２におけるキャリアのポテンシャルを基準にとれば、ピンチオフ点は、半導体層界面との間で形成される拡散電位φＤだけ高い位置にあり、さらに、第二の電極４のポテンシャルエネルギー位置は、実効的ゲート位置よりも第二の電極４による電圧ＶＧ だけ高い位置にある。これらのことから、ゲート電極近傍を境界面とした接合面を形成してやれば、前述のトータルとしての障壁が高くなる。また、一方、酸化物半導体材料と有機半導体材料の界面のへテロ接合による障壁の高さも利用できる。
【００３５】
本発明は、このように、第一の半導体層（例えば、無機半導体材料で構成される半導体層）３と第二の半導体層（例えば、有機半導体材料で構成される半導体層）５とを複合させた構造を有する縦型有機トランジスタとしたので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層３と第二の半導体層４との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、第三の電極７と第二の電極４、及び、第二の電極４と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極４の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【００３６】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３は、好ましくは、可視光に対して透明である。このように、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３が可視光に対して透明であると、本発明の縦型有機トランジスタは、有機ＥＬ表示素子となる。
【００３７】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第一の電極２との接触は、好ましくは、オーミック接触であり、第一の半導体層３と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第三の電極７との接触は、好ましくは、オーミック接触である。そして、本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第二の電極４との接触、及び、第二の半導体層５と第二の電極４との接触の内どちらか一方は、好ましくは、ショットキー接触である。
【００３８】
第一の電極２と第一の半導体層３と間のキャリア注入障壁、又は、第三の電極７と第二の半導体層５と間のキャリア注入障壁を下げれば、印加電圧を低下することにつながり、逆に、キャリア注入障壁を上げれば、印加電圧を高くすることにつながる。金属又は金属的性質を示す有機材料には、必ずしも、整流特性を示さないものがあり、金属−ｐ型有機半導体では、電極材料の仕事関数がφｍ＞φｓであって、かつ、その差が小さい場合、オーミック接触に近いものになる。電子に対しては、電極の電子親和力がχｍ（＝φｍ）＞χｓ であって、かつ、その差が小さい場合、オーミック接触に近いものになる。有機半導体材料においては、正孔に対しては、電極の仕事関数と有機半導体材料のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位よりも大きなφｍであって、かつ、その差が小さい材料を選定し、電子に対しては、電極の電子親和力と有機半導体材料のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ ）準位よりも大きなχｍ（＝φｍ）を満足する金属又は金属的な性質の材料を選定してやれば、比較的容易にオーミック接触を得ることができ、駆動電圧を低くできる。
【００３９】
また、電極材料の仕事関数がφｍ＜φｓであって、かつ、その差が大きい場合、ショットキー接触になる。有機半導体材料内のエネルギー準位は、正孔からみれば、表面よりもφｓ−φｍだけ低くなって障壁ができ、金属側の障壁は、φｓｂ＝（χｓ＋（ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ 差））−χｍ 、即ち、拡散電位は、φｓ−φｍとなる。
【００４０】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、導電性を有する金属酸化物である。このような導電性を有する金属酸化物は、例えば、▲１▼酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化銀、酸化インジウム、酸化タリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、クロム酸ランタン、酸化タングステン、酸化ユーロピウム、酸化アルミニウム、及び、クロム酸鉛から選択される、少なくとも１種の化学量論比からずれることによって、酸素空孔又は格子間金属を生じて高い導電率を示す金属酸化物、▲２▼酸化レニウム、酸化チタン、チタン酸ランタン、ニッケル酸ランタン、酸化銅ランタン、酸化ルテニウム銅、イリジウム酸ストロンチウム、クロム酸ストロンチウム、チタン酸リチウム、酸化イリジウム、酸化モリブデンから選択される、少なくとも１種の化学量論比のときに、最も導電率の高い金属酸化物、▲３▼酸化バナジウム、酸化クロム、鉄酸化カルシウム、鉄酸化ストロンチウム、コバルト酸ストロンチウム、バナジウム酸ストロンチウム、ルテニウム酸ストロンチウム、コバルト酸ランタン、及び、酸化ニッケルから選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物、或いは、▲４▼酸化タングステン、酸化モリブデン、及び、酸化レニウムのペロブスカイト構造のＡ位置の原子の無いところに、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は、希土類金属が入ったタングステンブロンズ（ＭｘＷ０３）、ＭｘＭ０３、及び、ＭｘＲｅ０３から選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物ブロンズである。
【００４１】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、半導体的性質を有する金属酸化物である。このような半導体的性質を有する金属酸化物は、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択されるｎ型半導体、（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択されるｐ型半導体、或いは、（ｃ）請求項９に記載された▲１▼〜▲４▼、前記（ａ）〜（ｂ）に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成したｎ型半導体又はｐ型半導体で構成されている。
【００４２】
前記金属酸化物、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）は、アンドープ、又は、ＩＩＩ 族元素であるＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジューム）、Ｂ（ボロン）等をそれぞれドープした場合には、ｎ型で半導体的な性質を示し、キャリア濃度を制御可能であることが知られている。また、ＺｎＯにＮ（窒素）をドープしたものはｐ型半導体的性質を示すことが最近になって、報告されている。ＺｎＯのエネルギーバンドギャップは、室温で３．３〜３．６ｅＶ程度であり、可視域で透明である。一方、有機材料でＰ型の半導体的な性質を示すＡｌｑ３は、ＨＯＭＯ準位が、５．７ｅＶ、ＬＵＭＯ準位は、３．０ｅＶである。したがって、これらの半導体材料に電極材料の仕事関数を考慮して積層した場合、界面に形成される正孔と電子に対する障壁は、酸化物材料については、Ｍｏｔｔ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ モデルに従って、▲１▼界面で両者の真空準位が揃い、▲２▼両固体間でフェルミ準位が一致するように電荷のやり取りが生じ、界面近傍でバンドの曲がりが生じる。有機半導体材料については、ＨＯＭＯ準位差とＬＵＭＯ準位差に対応する。したがって、Ｍｏｔｔ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ モデルとＨＯＭＯ準位差およびＬＵＭＯ準位差に代表されるような準位の界面接続モデルで議論される現象を同一のデバイス構造内に導入して、ショットキーゲート障壁とオーミック接合を有効に活用すれば、新規な動作メカニズムを有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４３】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第二の有機半導体層５を構成する有機半導体材料は、例えば、▲１▼ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼銅フタロシアニン系化合物（ＣｕＰｃ）、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（ｍＭＴＤＡＴＡ ）、２，２′，７，７′−テトラキス（２，２−ジフェニルビニル）スピロ−９，９′−ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＤＰＶＢｉ ）、４，４′，ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（ＤＰＶＢｉ ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Ａｌｑ ）、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム錯化合物（Ａｌｍｑ３ ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（ＰＰＶ ）、ビフェニル基を有するポリマー（Ｂｉｐｈｅｎｙｌ−Ｍｏｎｏｍｅｒｓ ）、ジアルコキシ基を有するポリマー（Ｄｉａｌｋｏｘｙ−Ｍｏｎｏｍｅｒｓ ）、アルコキシ−フェニル−ＰＰＶ 、フェニル−ＰＰＶ 、フェニル−ジアルコキシ−ＰＰＶ コポリマー、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ ）、ポリスチレンスルフォン酸（ＰＳＳ ）、ＰＡＮＩ：ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４４】
前記縦型有機トランジスタにおける第二の半導体層５は、好ましくは、有機発光材料で構成されるが、このような有機発光材料は、好ましくは、前記Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ 、Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ 、ｍＭＴＤＡＴＡ 、Ｓｐｉｒｏ−ＤＰＶＢｉ 、ＤＰＶＢｉ 、Ａｌｑ 、Ａｌｑ３、Ａｌｍｑ３ 及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、ＰＰＶ 、アルコキシ−モノマー、アルコキシ−フェニル−ＰＰＶ 、フェニル−ＰＰＶ 、フェニル−ジアルコキシ−ＰＰＶ コポリマー、ＭＥＨ−ＰＰＶ 及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４５】本発明の縦型有機トランジスタは、好ましくは、第二の半導体層５と第三の電極７との間に電荷輸送層６を有している。このような電荷輸送層６は、好ましくは、▲１▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（ｍＭＴＤＡＴＡ ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲２▼ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ ）、ポリスチレンスルフォン酸（ＰＳＳ ）、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されている。
【００４６】
このように、本発明の縦型有機トランジスタの有機半導体層は、第二の半導体層５及び電荷輸送層６が前記したような有機半導体材料で構成されていると、有機トランジスタの全体の構造を小型化することができ、製造コストも低減化することができる。
【００４７】
また、前記有機半導体材料は、蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、印刷、塗布・ベーキング、エレクトロポリマラインゼーション、分子ビーム付着、溶液からのセルフ・アセンブリ、及び、これらの組合せよりなる群から選択され手段によって有機半導体層に形成される。それ故、本発明は、その有機半導体層の成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することが可能となり、そのために、有機トランジスタの製造コストを低減化することができる。
【００４８】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル、及び、導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されている。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７がこのような電極材料で構成されていると、接触抵抗を低減して電気特性を改善することができる。そして、これらの電極材料は、蒸着、スパッタリング、化学蒸着、電着、無電解メッキ、スピンコーティング、印刷、及び、塗布よりなる群から選択されたプロセスでゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に形成される。
【００４９】
本発明の縦型有機トランジスタにおける基板は、例えば、ガラス、プラスチック、石英、アンドープ・シリコン、及び、高ドープ・シリコンよりなる群から選択される。また、本発明における基板は、プラスチック基板であってもかまわない。かかるプラスチック基板は、ポリカーボネート、マイラー、及び、ポリイミドを含む群から選択される。
【００５０】
本発明におけるゲート電極は、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成される。また、本発明におけるソース電極及びドレイン電極は、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成される。
【００５１】
［本発明の縦型有機トランジスタの製造例］
本発明の縦型有機トランジスタ（図１）は、図３に示されるように、
▲１▼基板１の上面に電極材料を成膜して第一の電極（ドレイン電極）２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記第一の電極２の上面に無機半導体材料を成膜して第一の半導体層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記第一の半導体層３の上面に電極材料を櫛状又はメッシュ状に成膜して第二の電極（ゲート電極）４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の半導体層３の上端及び前記第二の電極４の上面に有機半導体材料を成膜して第二の半導体層５を形成する工程（ｄ）、
▲５▼前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料を成膜して電荷輸送層６を形成する工程（ｅ）、及び、
▲６▼前記電荷輸送層６の上面に電極材料を成膜して第三の電極（ソース電極）７を形成する工程（ｆ）、
を順次経て製造される。
【００５２】
【実施例】
（実施例１）
（イ）透明な０．７ｍｍ厚のガラス基板（コーニング社製無アルカリガラス１７３７Ｆ）の上面にＩｎ酸化物とＳｎ酸化物とからなるＩＴＯ透明電極をスパッタリングにより成膜して１１０ｎｍ厚の第１の電極（ドレイン電極）を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０−３Ｔｏｒｒの真空条件下においてスパッタリングして６０ｎｍ厚の第一の半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の半導体層の上面にレジスト（東京応化社製、ＯＦＲＲ８００ ）でストライブ状のパターニングをした後、Ａｕを１×１０−６Ｔｏｒｒの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、ストライプ／スリット状に形成した５０ｎｍ厚の第２の電極（ゲート電極）を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記第２の電極及び第一の半導体層の上面に有機半導体発光材料であるＡｌｑ３を２〜３×１０−６Ｔｏｒｒの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、１００ｎｍ厚の第二の半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料であるα−ＮＰＤを１．６×１０−６Ｔｏｒｒの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、８０ｎｍ厚の電荷輸送層を成膜した［図３（ｅ）］。
（ヘ）前記電荷輸送層の上面にＡｕを１×１０−６ Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚の第三の電極（ソース電極）を成膜した［図３（ｆ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図４に示される構造を有している。なお、図４において、矢印は、エンルギー線の放射する方向を示している（以下、図５，６においても同様のものを示している）。
【００５３】
（実施例２）
前記（イ）工程において、前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０−３Ｔｏｒｒの真空条件下でスパッタリングして６０ｎｍ厚の膜厚に成膜することにより第１の電極（ドレイン電極）及び第一の半導体層を共有する層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図６に示される構造を有している。
【００５４】
（実施例３）
前記（ハ）工程において、Ｐｔを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５５】
（実施例４）
前記（ハ）工程において、Ｐｄを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５６】
（実施例５）
前記（ニ）工程において、Ｓｐｉｒｏ−ＮＰＢ を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５７】
（実施例６）
前記（ニ）工程において、ＤＰＶＢｉ を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５８】
（実施例７）
前記（ニ）工程において、Ａｌｑ を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５９】
（実施例８）
前記（ニ）工程において、Ａｌｑ３を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６０】
（実施例９）
前記（ニ）工程において、ＰＰＶ 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６１】
（実施例１０）
前記（ニ）工程において、アルコキシフェニルＰＰＶ 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６２】
（実施例１１）
前記（ホ）工程において、Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤを成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６３】
（実施例１２）
前記（ホ）工程において、α−ＮＰＤ 層（８０ｎｍ）を成膜し、続いて、ＣｕＰｃ層（３０ｎｍ）を成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図５に示される構造を有している。
【００６４】
（実施例１３）
前記（ホ）工程において、ＰＥＤＯＴ 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６５】
（実施例１４）
前記（ホ）工程において、ＰＰＳ 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６６】
前記、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図７に示される測定結果が得られた。そして、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／Ａｌｑ３ 層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層の構造で測定したところ、図８に示される測定結果が得られた。また、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性をＩＴＯ層／ＺｎＯ層／Ａｌの構造で測定したところ、図９に示される測定結果が得られた。また、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／α−ＮＰＤ層／Ａｌｑ３ 層／Ａｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図１０に示される測定結果が得られた。
【００６７】
以上、図７〜９に示されるグラフからみると、図７，８に示されるグラフは、それらのカーブが、いずれも、図１０のグラフよりも１．０Ｖあたりから急激に立ち上がっているので、前記縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極（ゲート電極）との間にショットキー接合が確認できた。このように、前記縦型有機トランジスタは、第二の電極によるショットキー接合の空乏層により、ゲート間のポテンシャルを変化させ、それにより第一の電極側から第三の電極側へのキャリアの注入量を制御可能であることが明らかになった。また、前記有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間にショットキーダイオード接合が確認できた。その際、図７では、立ち上がり電圧は、１．０Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．５Ｖ程度であった。さらに、図８では、立ち上がり電圧は、１．２Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．０Ｖ程度であった。そして、図１０より、前記縦型有機トランジスタのダイオード特性を確認した。その際、図１０では、立ち上がり電圧は、４０Ｖ程度であった。
したがって、本発明の縦型有機トランジスタによれば、第１の半導体層と第２の半導体層のｐｎ接合による障壁と、第２の半導体層近傍のショットキー障壁とを利用しているので、▲１▼リーク電流の低減によってオン電流とフ電流との比が向上し、しかも、▲２▼第２電極（ゲート電極）からのキャリアの注入が低減され、それらのために、応答速度が向上することがわかった。
【００６８】
実施例２〜１４で得られた縦型有機トランジスタについても、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタと同様にＩ−Ｖ特性を測定したところ、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタとほぼ同様の測定結果が得られた。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層と第二の半導体層との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、第二の電極と第一の電極、及び、第二の電極と第三の電極の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。
【図４】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図５】実施例１２で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図６】実施例６で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図７】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図８】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図９】第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１０】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１１】ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 第一の電極（ドレイン電極）
３ 第一の半導体層
４ 第二の電極（ゲート電極）
５ 第二の半導体層
６ 電荷輸送層
７ 第三の電極（ソース電極）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical organic transistor useful as a driving element for a self-luminous organic electroluminescence (EL) display.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a full-color display using an organic EL element has: (1) lighter weight, (2) easier area enlargement, and (3) lower than a light-emitting element using an inorganic material. It has become clear that it has the advantages of cost and (4) that various types of light can be obtained. The organic semiconductor used in such a full-color display is about to enter the era of practical use as a commercial product, and research on its practical use has been increasingly conducted. Further, full-color displays using organic EL elements are (1) have high brightness, (2) are thin, and (3) have a very fast response speed. It is promising as a next-generation display device to replace the liquid crystal display.
[0003]
Research on organic transistors has been actively conducted since the early 1980s, and the basic characteristics of low-molecular-weight organic semiconductor films and high-molecular-weight organic semiconductor films have been investigated. However, organic semiconductor materials are lower than inorganic semiconductor materials. Since it is a material having charge mobility and high electric resistance, it has not received much attention from a practical viewpoint. Examples of high mobility organic semiconductor materials include (1) low molecular weight compounds such as pentacene and metal phthalocyanine; (2) C 3 ~ C 8 And short-chain oligomers such as n-thiophene, and (3) long-chain polymers such as polythiophene and polyphenylenevinylene. The long-chain polymer is known as a π-conjugated conductive polymer, and the superposition of atomic orbitals between adjacent multiple-bonded atoms enables charge transfer along molecules, oligomers and polymers, and Depending on the overlap of molecular orbitals between adjacent molecules, charge transfer between molecules is also possible. It is known that an organic thin film of a low-molecular compound or a short-chain oligomer exhibits the highest mobility as an organic material. Is attached to a substrate or the like as a regularly arranged thin film. It is believed that the ordered arrangement in the thin film causes the atomic orbitals to overlap, thereby causing charge transfer between adjacent molecules. The long-chain polymer has high solubility, and can be formed by low-cost process technology such as spin coating, dipping coating, or casting. There was a problem that the degree was lower. As described above, no organic semiconductor material having a crucially high charge mobility has been found so far, and there is a great expectation that a high charge mobility organic material will appear in the future.
[0004]
In general, for devices using organic semiconductor materials, structural measures and approaches for increasing the current density and operating speed are effective regardless of the material. Even if a horizontal TFT having a structure in which a driving field-effect transistor (FET) is placed adjacent thereto is simply introduced, its charge mobility is low, and sufficient characteristics are obtained from the viewpoint of operating speed and power. There was a problem that it was very difficult. Therefore, the present inventor has proposed a vertical organic electrostatic induction transistor having improved transistor characteristics by adopting a vertical FET structure as a switching element capable of obtaining a large current and a relatively high operation speed even at a low charge mobility. (SIT: Static Induction Transistor) has been proposed (see Non-Patent Document 1).
[0005]
The vertical SIT is a vertical type in which a current flows in the vertical direction of the active layer, whereas a normal field-effect transistor (FET: Field Effect Transistor) is a horizontal type in which a current flows in the horizontal direction of the active layer. (A) The channel length, which is the current path of the transistor, can be made smaller than the organic film thickness. Therefore, the channel length can be shortened regardless of the lithography technique. (B) The entire electrode formed on the surface can be effectively used. (C) The influence of roughness at the channel interface can be reduced. Therefore, the vertical SIT can be expected to achieve a large current density and a high operation speed even when an organic semiconductor material having high resistance and low mobility is used as a constituent material of the semiconductor layer. In addition, a composite organic light emitting device in which a vertical SIT and an organic EL device are combined is advantageous because the process is simple and the FET portion is effectively used without obstructing the area occupied by the display.
[0006]
FIG. 11 is a schematic sectional view for explaining the operation mechanism of the SIT. The SIT generally has a structure in which a p + gate 103 is inserted into a
[0007]
Further, as the composite organic light emitting transistor, α-NPD as a hole transport material and Alq as a light emitting material were formed on CuPc. 3 And the performance of an element in which a gate electrode is arranged in the above-described α-NPD layer has been reported (see Non-Patent Document 2).
[0008]
In the SIT using these organic semiconductors, a Schottky barrier is formed near the interface between the organic molecule vapor-deposited film of CuPc and the stripe-shaped aluminum gate electrode. This striped gate electrode is formed by a two-point evaporation method in which an aluminum evaporation source is arranged at two places, that is, by adjusting the distance between the aluminum evaporation source arranged at two places, the evaporation mask, and the substrate. , A gate electrode in the form of a stripe having a uniform slit interval is formed. In order for this striped gate electrode to function as the gate electrode of the SIT, the slit width of the gate electrode must be equivalent to the width of the depletion layer of the Schottky barrier (about several hundred degrees or less). I can't. Therefore, in this SIT, a semi-permeable aluminum film formed by bleeding aluminum and a slit width corresponding to the width of a depletion layer where aluminum does not exist are realized by utilizing the bleeding effect of aluminum by the two-point vapor deposition method. .
[0009]
As described above, conventionally, the SIT is realized by forming the gate electrode using the two-point evaporation method. However, in the two-point evaporation method, the evaporation source, the metal mask, the substrate, Is set geometrically using the triangular ratio, it is difficult to set the optimum, and therefore, it is difficult to obtain stable SIT element performance, and it is not suitable for mass production. there were.
[0010]
[Non-patent document 1]
Thin Solid Films 331 (1998) 51-54.
[Non-patent document 2]
Kudo et al. IEEE Japan, Vol. 118-A, no. 10, (1998) P1166-1171.
[Non-Patent Document 3]
Ikegami et al., IEICE, OME2000-20, P47-51.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention aims to solve such a problem.
That is, an object of the present invention is to provide a low-cost vertical organic transistor having a structure capable of improving current density and operating speed and reproducing stable performance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The inventor has at least a first electrode, a first semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped second electrode, a second semiconductor layer, and a vertical electrode sequentially having a third electrode on a substrate. In an organic transistor, when the first semiconductor layer is made of an inorganic semiconductor material and the second semiconductor layer is made of an organic semiconductor material, a conventional SIT has a stripe-shaped slit formed in the organic semiconductor layer. A junction formed between a first semiconductor layer and a second semiconductor layer composed of a conductive metal oxide, while operating by raising and lowering the potential due to the Schottky barrier of the gate electrode It has been found that by using a barrier, it is possible to improve the current density and operation speed and to provide a low-cost vertical organic transistor with a structure that can be mass-produced with high reproducibility. Which resulted in the completion of the Akira.
[0013]
That is, in order to achieve the above object, the invention described in
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the substrate, the first electrode, and the first semiconductor layer are transparent to visible light.
[0015]
The invention described in
[0016]
The invention described in
[0017]
The invention described in
[0018]
The invention described in
[0019]
The invention described in
[0020]
The invention described in claim 8 is the invention according to any one of
[0021]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to the eighth aspect, the conductive metal oxide is (1) tin oxide, titanium oxide, germanium oxide, copper oxide, silver oxide, indium oxide. By deviating from at least one stoichiometric ratio selected from thallium oxide, barium titanate, strontium titanate, lanthanum chromate, tungsten oxide, europium oxide, aluminum oxide, and lead chromate. Metal oxides that exhibit high conductivity by generating pores or interstitial metals; (2) rhenium oxide, titanium oxide, lanthanum titanate, lanthanum nickelate, lanthanum copper oxide, copper ruthenium oxide, strontium iridate, strontium chromate, Selected from lithium titanate, iridium oxide, molybdenum oxide, at least At one stoichiometric ratio, the metal oxide with the highest conductivity: (3) vanadium oxide, chromium oxide, iron oxide calcium, strontium iron oxide, strontium cobaltate, strontium vanadate, strontium ruthenate, cobalt At least one conductive metal oxide selected from lanthanum acid and nickel oxide, or (4) a tungsten oxide, molybdenum oxide, and rhenium oxide where there is no atom at position A in the perovskite structure, Tungsten bronze containing hydrogen atom, alkali metal, alkaline earth metal or rare earth metal (M x W0 3 ), M x M0 3 , And M x Re0 3 At least one conductive metal oxide bronze selected from the group consisting of:
[0022]
The invention described in
[0023]
The invention described in claim 11 is the invention according to
[0024]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eleventh aspects, the organic semiconductor material constituting the second organic semiconductor layer is (1) naphthalene, anthracene, tetracene, or pentacene. , Hexacene, and at least one acene molecular material selected from derivatives thereof, (2) at least one selected from copper phthalocyanine-based compound (CuPc), azo-based compound, perylene-based compound, and derivatives thereof Kinds of pigments, (3) hydrazone compound, triphenylmethane compound, diphenylmethane compound, stilbene compound, arylvinyl compound, pyrazoline compound, triphenylamine derivative (TPD), triarylamine compound, low molecular weight arylamine derivative (α-NPD) ), (2,2 ', 7,7'-diphenyl) Mino-spiro-9,9'bifluorene (Spiro-TAD), N, N-7-di-1-naphthyl-N, N'-diphenyl-4,4'-diamino-biphenyl (Spiro-NPB), 4, 4 ', 4 "-tris [3-methylphenyl- (phenyl) -amino] -triphenyl-amine (mMDATA), 2,2', 7,7'-tetrakis (2,2-diphenylvinyl) spiro-9 , 9'-bifluorene (spiro-DPVBi), 4,4 ', bis (2,2-diphenylvinyl) biphenyl (DPVBi), aluminum-trisoxyquinoline (Alq), 8-hydroxyquinoline aluminum (Alq 3 ), Tris (4-methyl-8-hydroxyquinolate) aluminum complex compound (Almq 3 ) And at least one low molecular weight compound selected from derivatives thereof, or (4) poly-p-phenylenevinylene (PPV), a polymer having a biphenyl group (Biphenyl-Monomers), having a dialkoxy group Polymers (Dialoxy-Monomers), alkoxy-phenyl-PPV, phenyl-PPV, phenyl-dialkoxy-PPV copolymer, poly (2-methoxy-5- (2'-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV), poly (ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polystyrenesulfonic acid (PSS), polyaniline (PANI), poly-N-vinylcarbazole, halogenated poly-N-vinylcarbazole, polyvinylpyrene, polyvinylidene It is characterized by being composed of at least one polymer compound selected from nilanthracene, pyrene formaldehyde resin, ethylcarbazole formaldehyde resin, and modified products thereof.
[0025]
The invention described in claim 13 is the invention described in any one of
[0026]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the thirteenth aspect, the charge transport layer comprises: (1) a triphenylamine derivative (TPD), a triarylamine compound, a low molecular weight arylamine derivative (α- NPD), 2,2 ', 7,7'-diphenylamino-spiro-9,9'bifluorene (Spiro-TAD), N, N-7-di-1-naphthyl-N, N'-diphenyl-4, Selected from 4'-diamino-biphenyl (spiro-NPB), 4,4 ', 4 "-tris [3-methylphenyl- (phenyl) -amino] -triphenyl-amine (mMTDATA), and derivatives thereof. Or (2) poly (ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polystyrenesulfonic acid (PSS), It is characterized by being composed of at least one polymer compound selected from polyaniline (PANI) and modified products thereof.
[0027]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the first aspect, the first electrode, the second electrode, and the third electrode are made of chromium (Cr), Ta (thallium). ), Titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag) ), Tin (Sn), lithium (Li), calcium (Ca), conductive oxides such as ITO, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl, and conductive polymers. It is characterized by being composed of at least one kind of material.
[0028]
The invention according to claim 16 is the invention according to any one of
[0029]
According to a seventeenth aspect, in the first aspect, the source electrode and the drain electrode are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm. Is what you do.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a sectional view of a vertical organic transistor showing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the potential energy of carriers in the vertical organic transistor according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional explanatory view of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 5 is a schematic sectional explanatory view of the vertical organic transistor obtained in Example 12. FIG. 6 is a schematic cross-sectional explanatory view of the vertical organic transistor obtained in Example 6. FIG. 7 is a graph showing the measured IV characteristics between the first electrode and the second electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 8 is a graph showing the measured IV characteristics between the first electrode and the third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 9 is a graph showing measured IV characteristics between the first electrode, the first semiconductor layer, and the second electrode. FIG. 10 is a graph showing the measured IV characteristics between the first electrode and the third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
[0031]
The present invention provides at least a
[0032]
The present invention includes the
[0033]
As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2, when a bias is applied between the first electrode (drain electrode) 2 and the third electrode (source electrode) 7, the potential energy of the carrier can have a linear gradient. However, since the potential position of the gate electrode (second electrode) 4 does not change, a potential distribution as shown in FIG. 2 is obtained, and a voltage (gate voltage) V is applied to the second electrode. G As the voltage is applied, the height of the peak increases, and as the voltage to the first electrode is increased, the height of the peak decreases.
[0034]
Since a bias is applied to the second electrode so that the depletion layer spreads (the barrier becomes higher), a large barrier is created for carriers on the line aa in FIG. On the other hand, on the bb line, when a bias is applied to the
[0035]
The present invention thus combines the first semiconductor layer (for example, a semiconductor layer composed of an inorganic semiconductor material) 3 and the second semiconductor layer (for example, a semiconductor layer composed of an organic semiconductor material) 5. (1) The channel length, which is the current path of the transistor, is reduced in accordance with the film thickness (the sum of the
[0036]
In the vertical organic transistor of the present invention, the
[0037]
In the vertical organic transistor of the present invention, the contact between the
[0038]
If the carrier injection barrier between the
[0039]
If the work function of the electrode material is φm <φs and the difference is large, Schottky contact occurs. When viewed from the holes, the energy level in the organic semiconductor material is lower than the surface by φs−φm to form a barrier, and the barrier on the metal side is φsb = (Δs + (HOMO−LUMO difference)) − Δm, That is, the diffusion potential is φs−φm.
[0040]
The inorganic semiconductor material constituting the
[0041]
The inorganic semiconductor material forming the
[0042]
The metal oxide, for example, ZnO (zinc oxide) is undoped or when doped with a group III element such as Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), B (boron), etc. Is known to be n-type, exhibit semiconductor properties, and to be capable of controlling the carrier concentration. It has recently been reported that ZnO doped with N (nitrogen) exhibits p-type semiconductor properties. ZnO has an energy band gap of about 3.3 to 3.6 eV at room temperature and is transparent in the visible region. On the other hand, Alq, which is an organic material and exhibits P-type semiconductor properties 3 Has a HOMO level of 5.7 eV and a LUMO level of 3.0 eV. Therefore, when these semiconductor materials are stacked in consideration of the work function of the electrode material, the barrier against holes and electrons formed at the interface is, for oxide materials, at the {1} interface according to the Mott-Schottky model. (2) Charge exchange occurs so that the Fermi levels match between the two solids, and band bending occurs near the interface. The organic semiconductor material corresponds to the HOMO level difference and the LUMO level difference. Therefore, the phenomenon discussed in the Mott-Schottky model and the level interface connection model represented by the HOMO level difference and the LUMO level difference is introduced into the same device structure, and the Schottky gate barrier and the ohmic By effectively utilizing the junction, a vertical organic transistor having a novel operation mechanism can be realized.
[0043]
The organic semiconductor material constituting the second organic semiconductor layer 5 in the vertical organic transistor of the present invention is, for example, {circle around (1)} at least one selected from naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, and derivatives thereof. (2) at least one pigment selected from copper phthalocyanine-based compound (CuPc), azo-based compound, perylene-based compound, and derivatives thereof; (3) hydrazone compound, triphenylmethane compound; Diphenylmethane compound, stilbene compound, arylvinyl compound, pyrazoline compound, triphenylamine derivative (TPD), triarylamine compound, low molecular weight arylamine derivative (α-NPD), 2,2 ′, 7,7′-diphenylamino- Spiro-9,9'bifluorene (S iro-TAD), N, N-7-di-1-naphthyl-N, N'-diphenyl-4,4'-diamino-biphenyl (Spiro-NPB), 4,4 ', 4 "-tris [3- Methylphenyl- (phenyl) -amino] -triphenyl-amine (mMDATA), 2,2 ', 7,7'-tetrakis (2,2-diphenylvinyl) spiro-9,9'-bifluorene (Spiro-DPVBi) , 4,4 ', bis (2,2-diphenylvinyl) biphenyl (DPVBi), aluminum-trisoxyquinoline (Alq), 8-hydroxyquinoline aluminum (Alq 3 ), Tris (4-methyl-8-hydroxyquinolate) aluminum complex compound (Almq 3 ) And at least one low molecular weight compound selected from derivatives thereof, or (4) poly-p-phenylenevinylene (PPV), a polymer having a biphenyl group (Biphenyl-Monomers), having a dialkoxy group Polymer (Dialoxy-Monomers), alkoxy-phenyl-PPV, phenyl-PPV, phenyl-dialkoxy-PPV copolymer, poly (2-methoxy-5- (2'-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV), poly (ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polystyrenesulfonic acid (PSS), PANI: polyaniline (PANI), poly-N-vinylcarbazole, halogenated poly-N-vinylcarbazole, polyvinylpyridone Emissions, polyvinyl anthracene, pyrene formaldehyde resin, ethylcarbazole formaldehyde resin, and at least one polymeric compound selected from modified compounds thereof.
[0044]
The
The vertical organic transistor of the present invention preferably has a
[0046]
Thus, the organic semiconductor layer of the vertical organic transistor of the present invention, when the
[0047]
The organic semiconductor material is selected from the group consisting of vapor deposition, chemical vapor deposition, spin coating, printing, coating and baking, electropolymerization, molecular beam deposition, self-assembly from solution, and combinations thereof. Is formed on the organic semiconductor layer. Therefore, according to the present invention, it is possible to employ simple means such as vapor deposition and coating in the formation of the organic semiconductor layer, and therefore, it is possible to reduce the manufacturing cost of the organic transistor.
[0048]
The
[0049]
The substrate in the vertical organic transistor of the present invention is selected, for example, from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and highly doped silicon. Further, the substrate in the present invention may be a plastic substrate. Such a plastic substrate is selected from the group comprising polycarbonate, mylar, and polyimide.
[0050]
The gate electrode in the present invention is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm. Further, the source electrode and the drain electrode in the present invention are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm.
[0051]
[Example of manufacturing vertical organic transistor of the present invention]
As shown in FIG. 3, the vertical organic transistor of the present invention (FIG. 1)
(1) a step of forming an electrode material on the upper surface of the
(2) a step (b) of forming an inorganic semiconductor material on the upper surface of the
(3) a step (c) of forming a second electrode (gate electrode) 4 by forming an electrode material on the upper surface of the
(4) forming an organic semiconductor material on the upper end of the
(5) a step (e) of forming a
(6) a step (f) of forming an electrode material on the upper surface of the
Are sequentially manufactured.
[0052]
【Example】
(Example 1)
(A) An ITO transparent electrode made of In oxide and Sn oxide is formed on the upper surface of a transparent glass substrate having a thickness of 0.7 mm (1737F, alkali-free glass manufactured by Corning Incorporated) by sputtering to form a 110 nm thick first electrode. An electrode (drain electrode) was formed [FIG. 3 (a)].
(B) ZnO, which is an n-type semiconductor material, is placed on the upper surface of the first electrode at room temperature for 1 to 3 × 10 -3 A first semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by sputtering under a vacuum condition of Torr [FIG. 3B].
(C) After patterning in the form of a stripe on the upper surface of the first semiconductor layer with a resist (OFRR800, manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd.), Au -6 A second electrode (gate electrode) having a stripe / slit shape and a thickness of 50 nm was formed by vacuum evaporation under Torr vacuum and resistance heating [FIG. 3 (c)].
(D) Alq, which is an organic semiconductor light emitting material, is formed on the upper surfaces of the second electrode and the first semiconductor layer. 3 Is 2-3 × 10 -6 A second semiconductor layer having a thickness of 100 nm was formed by vacuum evaporation under Torr vacuum and resistance heating [FIG. 3 (d)].
(E) On the upper surface of the second semiconductor layer, 1.6 × 10 α-NPD as a charge transport material is applied. -6 An 80 nm-thick charge transport layer was formed by vacuum evaporation under Torr vacuum and resistance heating [FIG. 3 (e)].
(F) 1 × 10 Au on the upper surface of the charge transport layer -6 A third electrode (source electrode) having a thickness of 100 nm was formed by vacuum evaporation under Torr and resistance heating [FIG. 3 (f)].
The vertical organic transistor thus obtained has a structure shown in FIG. Note that, in FIG. 4, the arrow indicates the direction in which the energy ray is emitted (the same applies to FIGS. 5 and 6).
[0053]
(Example 2)
In the step (a), ZnO, which is an n-type semiconductor material, is placed on the upper surface of the first electrode at room temperature for 1 to 3 × 10 -3 In the same manner as in Example 1 except that the first electrode (drain electrode) and the layer sharing the first semiconductor layer were formed by sputtering to a thickness of 60 nm under a vacuum condition of Torr. Thus, a vertical organic transistor was formed.
The vertical organic transistor thus obtained has a structure shown in FIG.
[0054]
(Example 3)
In the step (c), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that a second electrode (gate electrode) was formed by depositing Pt.
[0055]
(Example 4)
In the step (c), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that Pd was formed to form a second electrode (gate electrode).
[0056]
(Example 5)
In the step (d), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1 except that Spiro-NPB was formed to form a second semiconductor layer.
[0057]
(Example 6)
In step (d), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that DPVBi was formed into a film to form a second semiconductor layer.
[0058]
(Example 7)
In the step (d), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that the second semiconductor layer was formed by depositing
[0059]
(Example 8)
In the step (d), Alq 3 Was formed in the same manner as in Example 1, except that a second semiconductor layer was formed.
[0060]
(Example 9)
In the step (d), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that the second semiconductor layer was formed by forming a film by applying a PPV solution.
[0061]
(Example 10)
In the step (d), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that the second semiconductor layer was formed by applying a film of an alkoxyphenyl PPV solution.
[0062]
(Example 11)
In the step (e), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1 except that Spiro-TAD was formed to form a charge transport layer.
[0063]
(Example 12)
In the step (e), an α-NPD layer (80 nm) was formed, and then a CuPc layer (30 nm) was formed to form a charge transport layer. An organic transistor was formed.
The vertical organic transistor thus obtained has a structure shown in FIG.
[0064]
(Example 13)
In step (e), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that a PEDOT solution was formed by coating to form a charge transport layer.
[0065]
(Example 14)
In the step (e), a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1, except that the charge transport layer was formed by applying a PPS solution to form a film.
[0066]
When the IV characteristics between the first electrode and the second electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1 were measured using the structure of Au layer / ZnO layer / ITO layer / glass substrate, The measurement results shown in FIG. 7 were obtained. Then, the IV characteristics between the second electrode and the third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1 were determined by comparing the Au layer / Alq 3 When the measurement was performed using the layer / ZnO layer / ITO layer structure, the measurement results shown in FIG. 8 were obtained. When the IV characteristics between the first electrode, the first semiconductor layer, and the second electrode were measured with the structure of ITO layer / ZnO layer / Al, the measurement results shown in FIG. 9 were obtained. . In addition, the IV characteristics between the first electrode and the third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1 were expressed as Au layer / α-NPD layer / Alq 3 When the measurement was performed using the following structure: layer / Au layer / ZnO layer / ITO layer / glass substrate, the measurement result shown in FIG. 10 was obtained.
[0067]
As described above, the graphs shown in FIGS. 7 to 9 show that the curves shown in FIGS. 7 and 8 all rise more rapidly from around 1.0 V than the graph shown in FIG. A Schottky junction was confirmed between the first electrode and the second electrode (gate electrode) of the vertical organic transistor. As described above, in the vertical organic transistor, the potential between the gates is changed by the depletion layer of the Schottky junction formed by the second electrode, whereby carriers are injected from the first electrode side to the third electrode side. It turned out that the amount could be controlled. In addition, a Schottky diode junction was confirmed between the second electrode and the third electrode of the organic transistor. At that time, in FIG. 7, the rise voltage was about 1.0 V, and the breakdown voltage was about -3.5 V. Further, in FIG. 8, the rise voltage was about 1.2 V, and the breakdown voltage was about -3.0 V. Then, the diode characteristics of the vertical organic transistor were confirmed from FIG. At that time, in FIG. 10, the rising voltage was about 40V.
Therefore, according to the vertical organic transistor of the present invention, the barrier formed by the pn junction between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and the Schottky barrier near the second semiconductor layer are used. 1) The ratio of the on-current to the off-current is improved by the reduction of the leak current, and 2) The injection of carriers from the second electrode (gate electrode) is reduced, so that the response speed is improved. I understand.
[0068]
The IV characteristics of the vertical organic transistors obtained in Examples 2 to 14 were measured in the same manner as the vertical organic transistors obtained in Example 1, and the vertical organic transistors obtained in Example 1 were measured. Almost the same measurement results as those of the organic transistor were obtained.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, at least a first electrode, a first semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped second electrode, a second semiconductor layer, and a vertical electrode sequentially having a third electrode are provided on a substrate. In the type organic transistor, the first semiconductor layer is made of an inorganic semiconductor material, and the second semiconductor layer is made of an organic semiconductor material. By reducing the thickness corresponding to (the sum of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer), the operating speed can be improved by lowering the operating resistance, and the current density can be improved. The operation speed can be further improved by using the inorganic semiconductor material. (2) A barrier formed by the difference between the Schottky contact formed near the second electrode and the HOMO level of the two types of semiconductor materials, or LUMO Level By effectively utilizing the barrier caused by the difference, it is possible to reduce the leak current between the second electrode and the first electrode, and between the second electrode and the third electrode, and to improve the on / off ratio. (3) The photolithography process, the lift-off process, and the metal etching process can be performed without using the conventional two-point evaporation method for forming the comb-shaped or mesh-shaped second electrode. It can be used, and for this reason, the slit width can be processed to a high definition of 1 μm or less, so that a vertical organic transistor having reproducible element performance suitable for mass production can be realized, and (4) the yield is good, Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the height of potential energy of carriers in a vertical organic transistor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 5 is a schematic sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 12.
FIG. 6 is a schematic sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 6.
FIG. 7 is a graph showing a measured IV characteristic between a first electrode and a second electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 8 is a graph showing measured IV characteristics between a second electrode and a third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 9 is a graph showing measured IV characteristics between a first electrode, a first semiconductor layer, and a second electrode.
FIG. 10 is a graph showing measured IV characteristics between a first electrode and a third electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 11 is a schematic sectional view illustrating an operation mechanism of the SIT.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2 First electrode (drain electrode)
3 First semiconductor layer
4 Second electrode (gate electrode)
5 Second semiconductor layer
6 charge transport layer
7. Third electrode (source electrode)
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