JP2004335557A - 縦型有機トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】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ようにした縦型有機トランジスタを低コストで提供する。
【解決手段】基板１の上に、第一の電極２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極５、第二の有機半導体層６、及び、第三の電極７を順次有する縦型有機トランジスタ１０において、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有するものとする。前記電荷注入層は、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ，ＣｕＰｃ，ＰＥＤＯＴ ，ＰＳＳ 等の電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成され、そして、前記電荷輸送層は、例えば、α−ＮＰＤ，ＴＰＤ ，Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ 等の電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】基板１の上に、第一の電極２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極５、第二の有機半導体層６、及び、第三の電極７を順次有する縦型有機トランジスタ１０において、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有するものとする。前記電荷注入層は、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ，ＣｕＰｃ，ＰＥＤＯＴ ，ＰＳＳ 等の電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成され、そして、前記電荷輸送層は、例えば、α−ＮＰＤ，ＴＰＤ ，Ｓｐｉｒｏ−ＴＡＤ 等の電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されている。
【選択図】 図１
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素子を利用し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、及び、▲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、かかる有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイを商品として実用化すべく、その研究開発が盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイは、高輝度であって、薄型であり、しかも、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、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。しかし、最近になって、例えば、高濃度にドープしたシリコン基板上にペンタセンを成膜して０．５２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの電荷移動度を実現した有機トランジスタが提案されている（特許文献１を参照。）。
【０００４】
有機半導体材料には、▲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る。隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動が可能になる。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易動度を示すことが知られているが、このような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、有機溶剤等に対する可溶性が大きく、スピン・コーティングやディッピング・コーティングなど低コストの技術で成膜が可能であるので、工業的に有利であると考えられているが、分子配列が不規則であるので、電荷易動度は低いという問題があった。このように、いまのところ、決定的に高い電荷易動度を有する有機半導体材料は見当たらず、今後の高電荷易動度有機材料の出現に期待するところは極めて大きい。
【０００５】
有機半導体材料を用いた有機トランジスタに対しては、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る。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：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）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、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 ）が、提案されている（非特許文献１を参照。）。
【０００６】
縦型ＳＩＴは、通常の電界効果型トランジスタ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のトランジスタであるから、（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。
【０００７】
図９は、ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面説明図である。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＋ ゲート電極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＋ ゲート電極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＋ ゲート電極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必要がある。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＋ ゲート電極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、破壊耐量が大きい（大電流が流せる）こと、▲３▼電圧駆動有機トランジスタであること、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。
【０００８】
有機半導体を用いたＳＩＴとしては、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）層をソース電極とドレイン電極とで挟み、そして、前記ＣｕＰｃ層の内部に真空蒸着により薄く形成したスリット状のアルミニウムで構成されるゲート電極を埋め込んだ縦型ＳＩＴが報告されている（非特許文献２を参照。）。また、ペンタセンを用いたＳＩＴも報告されている（家地ら、電気通信学会誌和文誌Ｃ１２月号（掲載予定））。これらの有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、ＣｕＰｃ又はペンタセン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】
【特許文献１】
特開平１０−２７０７１２号公報
【非特許文献１】
Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ １４１（１９９８）５１−５４
【非特許文献２】
工藤ら、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ａ，Ｎｏ．１０，（１９９８） Ｐ１１６６−１１７１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、第一の電極（ソース電極）と第一の有機半導体層とのショットキー接触が悪く、しかも、第一の電極の平坦性が悪いので、電流密度及び動作速度が低下する、という問題があった。
【００１１】
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、再現性良く大量に生産できるようにした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、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を設けたところ、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ようにした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、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を有する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、前記第一の有機半導体層及び第二の有機半導体層が、▲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▼フタロシアニン系化合物、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化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼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、よりなる有機半導体材料で構成されてい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１〜３のいずれかに記載された発明において、前記電荷注入層が、▲１▼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（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のスターバスト型アミン系低分子化合物、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されてい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又は２に記載された発明において、前記電荷輸送層が、▲１▼Ｎ，Ｎ′ジ（１−ナフチル）Ｎ，Ｎ′ジフェニル［１，１′ビフェニル４，４′ジアミン］（α−ＮＰＤ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のベンジジン型化合物、或いは、▲２▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のアミン系化合物、又は、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されてい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、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（タンタル）、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）、及び、これらの酸化物、並びに、ＩＴＯ、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。
【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、前記第一の電極と前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層との接触が、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、前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層と前記第一の有機半導体層との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【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、前記第一の有機半導体層と、前記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。
【００２１】
請求項９に記載された発明は、請求項１〜８のいずれかに記載された発明において、前記第二の電極と前記第二の有機半導体層との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０に記載された発明は、請求項１〜９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前記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。
【００２３】
請求項１１に記載された発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載された発明において、前記基板が、可視光に対して透明な材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
【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ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間の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、性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図４は、性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図５は、性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）、及び、第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図６は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図７は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）のショットキー接触特性を示すグラフである。図８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説明図である。
【００２５】
性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における電気的な評価測定をおこなったところ、幾つかのＳＩＴで、第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」という。）は、図３に示すようなものとなった。一方、図３に示したデータが得られた同一素子における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）のＩ−Ｖ特性は、図４に示すようなものとなった。また、性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）のソース−ゲート間及びドレイン−ゲート間のＩ−Ｖ特性を図６に示す。図５と図３、図５と図４を比較すると、両方ともに、ブレークダウン電圧の低下や大きなヒステリシスが観察される。即ち、図３のＩ−Ｖ特性は、ショットキー接触が得られていないばかりでなく、ＩＴＯ電極とアルミニウム電極との間を電荷が抜けているように見うけられる。一方、図４は、ショットキーダイオード特性を示しているものの、弱く、ブレークダウン電圧は、−２Ｖ程度と低い。
【００２６】
本発明者は、このような実験結果に基づいて、「ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ」構造の成膜条件と表面の状態を徹底的に調査したところ、真空成膜条件が同じであっても、表面の状態が異なることを突き止めた。その原因は、特定できなかったが、本発明者は、ＩＴＯ成膜時にＩＴＯ表面がダメージを受けて、平坦性が失われたために、その上に成膜した有機膜も平坦でなくなり、積層すればするほど凹凸が大きくなって、ＩＴＯ電極とアルミニウム電極間にリーク電流が流れるようになったか、或いは、ＩＴＯとペンタセン、又は、アルミニウムとペンタセンの界面物性に起因する何かが関与しているものと考えた。そして、図３のグラフからみると、ＩＴＯとペンタセンの界面、及び、ペンタセンとアルミニウムとの界面の両方が関係しているように判断されたが、図４のグラフをも併せて観察すると、アルミニウムとペンタセンとの界面では、弱いショットキー接触が確認できるので、ＩＴＯとペンタセンとの間の接触に何らかの問題があることがわかった。
【００２７】
そこで、本発明者は、ＩＴＯ電極と有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を配置すれば、かかる問題を解決できるのではないかと考えて、実験的に検証した。一般的に、ＣｕＰｃは、大気中の酸素に触れることによって、ｐ型半導体的性質が顕著になることが知られているので、まず、ＣｕＰｃを電荷注入層に用いて調べた。図６は、本発明を具体化したＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）（実施例１）におけるソース−ゲート間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すものであが、ＣｕＰｃを介さないもの（図３を参照。）に比べて、特性が改善されていることがわかった。このような本発明のＳＩＴにおける電流−電圧特性の改善は、▲１▼ＩＴＯ／ペンタセン界面の平坦性が改善されたこと、▲２▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲３▼ＣｕＰｃ ／ペンタセンのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲４▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／ペンタセンのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲４▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／ペンタセンの凹凸が改善され、アルミニウムとＩＴＯとの短絡が防止されたこと、等によることがわかった。
【００２８】
即ち、本発明の縦型有機トランジスタは、図１に示される。図１に示すように、本発明の縦型有機トランジスタ１０は、基板１の上に、第一の電極（ソース電極）２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極（ゲート電極）５、第二の有機半導体層５、及び、第三の電極（ドレイン電極）７を順次有し、そして、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有している。
【００２９】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有しているが、その電荷注入層及び／又は電荷輸送層３は、好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚に形成される。電荷注入層（３）及び電荷輸送層（３）を共に有する場合には、前記電荷注入層（３）及び電荷輸送層（３）を順次有していることが好ましい。
【００３０】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、第一の電極（ソース電極）２と第三の電極（ドレイン電極）７との間に第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６を有しており、両電極の間隔が狭いので、従来の横型ＦＥＴにおけるピンチオフ点がソース電極２の側の近くに生じる。そのために、実効チャンネル長が零に近くなって、チャンネルが電流値を規制できない状態になるので、ソース電極２付近の調整作用が支配的になる。図２の一点鎖線で示すように、いま、ソース電極２とドレイン電極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、第二の電極（ゲート電極）５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、そのために、このような状態でゲート電圧ＶＧ を加えていくと、山の部分が高くなり、ドレイン電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。ゲート電極５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、ゲート電極５にバイアスが加われば、ポテンシャルエネルギーがゲート電極５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、トータルとして障壁は低くなって、キャリアはこのゲート電極５の間を通って、ドレイン電極７の側に流れ落ちることになる。ソース電極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、また、ゲート電極５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ゲート電圧ＶＧ だけ高い位置にある。
【００３１】
これらのことから、本発明者は、ソース電極２の近傍を境界面とした接合面を形成してやれば、前述のソース電極２からゲート電極５にいたるポテンシャルが滑らかになるのではないかと考えて、ソース電極２と第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を設けたところ、キャリアがゲート電極５の間を通ってドレイン電極７の側に流れ落ちる効果を確実に得られることを見出した。
【００３２】
ソース電極２と第一の有機半導体層４との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、ソース電極２と第一の有機半導体層４と間の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φｍ＞φｓでかつ差が小さい場合、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χｍ（＝φｍ）＞χｓ でかつ差が小さい場合、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 でかつ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すれば、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。
【００３３】
また、電極材料の仕事関数φｍ＜φｓでかつ差が大きい場合、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、正孔から見れば、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。
【００３４】
このように、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有していると、第一の電極２と第一の有機半導体層４とのショットキー接触を確実に形成でき、また、第一の電極２の凹凸を平坦化することができるので、電荷が抜けることを防止できると共に、トランジスタ性能が向上し、しかも、安定した性能を再現でき、よって、電流密度及び動作速度を向上させることができる。また、成膜において蒸着、塗布といった簡易な手段を採用することが可能となる。
【００３５】
したがって、本発明によれば、基板１の上に、第一の電極２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極５、第二の有機半導体層６、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、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有しているので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路である第一の電極２と第一の有機半導体層４との間のキャリアの輸送過程を妨げることがなくなり、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、大きな電流密度の向上ができること、▲２▼第一の電極２の作製時にダメージ等により形成された凹凸を平坦化できるので、第一の有機半導体層４と第二の電極５とを積層する際にも、均一な厚さの積層構造が形成でき、端子間の短絡が避けられ、素子の安定制御が可能になること、▲３▼第二の電極５の近傍に形成したショットキー接触による障壁、第三の電極７と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能にすると共に、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ること、▲４▼安定した素子性能の再現が可能になること、並びに、▲４▼歩留まりが良いので製造コストを低減化することができること、といった顕著な効果を奏する。
【００３６】
本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６は、好ましくは、▲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▼フタロシアニン系化合物、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化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼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、よりなる有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した有機半導体材料以外のもので構成されていてもかまわない。
【００３７】
本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６は、前記したような有機半導体材料で構成されているので、蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、印刷、塗布、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形成される。それ故、本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６の成膜において蒸着、塗布といった簡易な手段を採用することが可能となり、製造コストを低減化することができる。
【００３８】
本発明においては、前記電荷注入層（３）は、好ましくは、▲１▼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（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のスターバスト型アミン系低分子化合物、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した以外の電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されていてもかまわない。
【００３９】
本発明においては、前記電荷輸送層（３）は、好ましくは、▲１▼Ｎ，Ｎ′ジ（１−ナフチル）Ｎ，Ｎ′ジフェニル［１，１′ビフェニル４，４′ジアミン］（α−ＮＰＤ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のベンジジン型化合物、或いは、▲２▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のアミン系化合物、又は、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した以外の電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されていてもかまわない。
【００４０】
本発明においては、前記第一の電極２、第二の電極５、及び、第三の電極７は、例えば、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タンタル）、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）、及び、これらの酸化物、並びに、ＩＴＯ、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。本発明における第二の電極（ゲート電極）５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、本発明における第一の電極（ソース電極）２及び第三の電極（ドレイン電極）７は、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成される。
【００４１】
前記第一の電極２、第二の電極５、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それぞれの電極に形成される。
【００４２】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、前記第一の電極２と前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３との接触は、オーミック接触であり、前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３と前記第一の有機半導体層４との接触は、オーミック接触であり、前記第一の有機半導体層４と、前記第二の電極５との接触は、ショットキー接触であり、前記第二の電極５と前記第二の有機半導体層６との接触は、ショットキー接触であり、そして、前記第二の有機半導体層６と前記第三の電極７との接触が、オーミック接触である。
【００４３】
本発明においては、前記基板１は、可視光に対して透明な材料で構成されている。このような材料は、ガラス、プラスチック、石英、よりなる群から選択される。前記プラスチックは、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。この場合には、縦型有機トランジスタの上に、有機ＥＬ素子を積層して配置することができ、発光の出射窓となる。縦型有機トランジスタとしてのみに使用する場合には、本発明における基板は、アンドープ・シリコン、及び、高ドープ・シリコンなど可視光に対して透明でない材料であってもかまわない。
【００４４】
［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）１０は、図８に示されるように、
▲１▼基板１の上面にＩＴＯ等の電極材料を成膜して第一の電極２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記第一の電極２の上面に電荷を注入する性質を有する有機半導体材料及び／又は電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料を成膜して電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３の上面に第一の有機半導体層４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の有機半導体層４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）５を形成する工程（ｄ）、
▲５▼前記第一の有機半導体層４及び前記第二の電極５の上面に第二の有機半導体層６を形成する工程（ｅ）、及び、
▲６▼前記第二の有機半導体層６の上面に電極材料を成膜して第三の電極７を形成する工程（ｆ）、
を順次経て製造される。
【００４５】
【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 厚の第一の電極を形成した［図８（ａ）］。
（ロ）前記第一の電極の上面にｐ型半導体材料であるＣｕＰｃを室温、１〜３×１０−５Ｔｏｒｒの真空条件、常温下において成膜して２０ｎｍ厚の電荷注入層を形成した［図８（ｂ）］。
（ハ）前記電荷注入層の上面にペンタセンを２〜３×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において成膜して６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を形成した［図８（ｃ）］。
（ニ）前記第一の有機半導体層の上面にＡｌを１×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において２点蒸着法により櫛状に成膜して５０ｎｍ厚の櫛状の第２の電極（ゲート電極）を形成した［図８（ｄ）］
（ホ）前記第二の電極及び第一の有機半導体層の上面にペンタセンを２〜３×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において真空蒸着させて１２０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を形成した［図８（ｅ）］。
（ヘ）前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを１×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において成膜して１００ｎｍ厚の第三の電極を形成することにより縦型有機トランジスタ（ＳＩＴ）を得た［図８（ｆ）］。
【００４６】
【実施例】
（実施例２）
前記（イ）工程において、Ｐｔを成膜して第一の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。
【００４７】
（実施例３）
前記（イ）工程において、Ｐｄを成膜して第一の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。
【００４８】
（実施例４）
前記（ロ）工程において、α−ＮＰＤ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。
【００４９】
（実施例５）
前記（ロ）工程において、ＰＥＤＯＴ 溶液を塗布により成膜して電荷注入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。
【００５０】
（実施例６）
前記（ハ）及び（ホ）工程において、弗化銅フタロシアニン（Ｆ−ＣｕＰｃ）を成膜して第一の有機半導体層及び第二の有機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。
【００５１】
（実施例７）
前記（ハ）及び（ホ）工程において、ポリチオフェンを塗布により成膜して第一の有機半導体層及び第二の有機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。
【００５２】
（実施例８）
前記（ニ）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。
【００５３】
前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタ（ＳＩＴ）は、図１に示される構造を有している。そして、図７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタにおける第一の電極と第二の電極（ゲート）との間のＩ−Ｖ特性を示すグラフであるが、このグラフをみると、ゲート電極界面に良好なショットキー接触が得られていることがわかる。また、実施例１で得られた縦型有機トランジスタについて、実験的に動作を確認したところ、縦型有機トランジスタの効果が確認された。即ち、実施例１で得られた縦型有機トランジスタによれば、第一の電極と第一の有機半導体層との間に配置した電荷注入層によるなだらかなポテンシャル障壁とＣｕＰｃ膜の平坦化とによって、▲１▼リーク電流の低減ができ、しかも、▲２▼ショットキー接触が再現性良く得られ、それらのために、応答速度が向上することがわかった。
【００５４】
前記実施例２〜８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、また、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタと同様の効果が得られることがわかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を有しているので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路である第一の電極２と第一の有機半導体層４との間のキャリアの輸送過程を妨げることがなくなり、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、大きな電流密度の向上ができること、▲２▼第一の電極２の作製時にダメージ等により形成された凹凸を平坦化できるので、第一の有機半導体層４と第二の電極５とを積層する際にも、均一な厚さの積層構造が形成でき、端子間の短絡が避けられ、素子の安定制御が可能になること、▲３▼第二の電極５の近傍に形成したショットキー接触による障壁、第三の電極７と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能にすると共に、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ること、▲４▼安定した素子性能の再現が可能になること、並びに、▲４▼歩留まりが良いので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ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間の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】性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）、及び、第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）のショットキー接触特性を示すグラフである。
【図８】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説明図である。
【図９】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（ソース電極）
３ 電荷注入層及び／又は電荷輸送層
４ 第一の有機半導体層
５ 第二の電極（ゲート電極）
６ 第二の有機半導体層
７ 第三の電極（ドレイン電極）
【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素子を利用し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、及び、▲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、かかる有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイを商品として実用化すべく、その研究開発が盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイは、高輝度であって、薄型であり、しかも、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、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。しかし、最近になって、例えば、高濃度にドープしたシリコン基板上にペンタセンを成膜して０．５２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの電荷移動度を実現した有機トランジスタが提案されている（特許文献１を参照。）。
【０００４】
有機半導体材料には、▲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る。隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動が可能になる。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易動度を示すことが知られているが、このような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、有機溶剤等に対する可溶性が大きく、スピン・コーティングやディッピング・コーティングなど低コストの技術で成膜が可能であるので、工業的に有利であると考えられているが、分子配列が不規則であるので、電荷易動度は低いという問題があった。このように、いまのところ、決定的に高い電荷易動度を有する有機半導体材料は見当たらず、今後の高電荷易動度有機材料の出現に期待するところは極めて大きい。
【０００５】
有機半導体材料を用いた有機トランジスタに対しては、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る。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：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）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、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 ）が、提案されている（非特許文献１を参照。）。
【０００６】
縦型ＳＩＴは、通常の電界効果型トランジスタ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のトランジスタであるから、（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。
【０００７】
図９は、ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面説明図である。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＋ ゲート電極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＋ ゲート電極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＋ ゲート電極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必要がある。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＋ ゲート電極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、破壊耐量が大きい（大電流が流せる）こと、▲３▼電圧駆動有機トランジスタであること、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。
【０００８】
有機半導体を用いたＳＩＴとしては、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）層をソース電極とドレイン電極とで挟み、そして、前記ＣｕＰｃ層の内部に真空蒸着により薄く形成したスリット状のアルミニウムで構成されるゲート電極を埋め込んだ縦型ＳＩＴが報告されている（非特許文献２を参照。）。また、ペンタセンを用いたＳＩＴも報告されている（家地ら、電気通信学会誌和文誌Ｃ１２月号（掲載予定））。これらの有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、ＣｕＰｃ又はペンタセン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】
【特許文献１】
特開平１０−２７０７１２号公報
【非特許文献１】
Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ １４１（１９９８）５１−５４
【非特許文献２】
工藤ら、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ａ，Ｎｏ．１０，（１９９８） Ｐ１１６６−１１７１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、第一の電極（ソース電極）と第一の有機半導体層とのショットキー接触が悪く、しかも、第一の電極の平坦性が悪いので、電流密度及び動作速度が低下する、という問題があった。
【００１１】
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、再現性良く大量に生産できるようにした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、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を設けたところ、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ようにした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、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を有する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、前記第一の有機半導体層及び第二の有機半導体層が、▲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▼フタロシアニン系化合物、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化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼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、よりなる有機半導体材料で構成されてい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１〜３のいずれかに記載された発明において、前記電荷注入層が、▲１▼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（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のスターバスト型アミン系低分子化合物、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されてい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又は２に記載された発明において、前記電荷輸送層が、▲１▼Ｎ，Ｎ′ジ（１−ナフチル）Ｎ，Ｎ′ジフェニル［１，１′ビフェニル４，４′ジアミン］（α−ＮＰＤ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のベンジジン型化合物、或いは、▲２▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のアミン系化合物、又は、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されてい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、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（タンタル）、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）、及び、これらの酸化物、並びに、ＩＴＯ、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。
【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、前記第一の電極と前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層との接触が、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、前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層と前記第一の有機半導体層との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【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、前記第一の有機半導体層と、前記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。
【００２１】
請求項９に記載された発明は、請求項１〜８のいずれかに記載された発明において、前記第二の電極と前記第二の有機半導体層との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０に記載された発明は、請求項１〜９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前記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。
【００２３】
請求項１１に記載された発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載された発明において、前記基板が、可視光に対して透明な材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
【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ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間の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、性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図４は、性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図５は、性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）、及び、第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図６は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。図７は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）のショットキー接触特性を示すグラフである。図８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説明図である。
【００２５】
性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における電気的な評価測定をおこなったところ、幾つかのＳＩＴで、第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」という。）は、図３に示すようなものとなった。一方、図３に示したデータが得られた同一素子における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）のＩ−Ｖ特性は、図４に示すようなものとなった。また、性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）のソース−ゲート間及びドレイン−ゲート間のＩ−Ｖ特性を図６に示す。図５と図３、図５と図４を比較すると、両方ともに、ブレークダウン電圧の低下や大きなヒステリシスが観察される。即ち、図３のＩ−Ｖ特性は、ショットキー接触が得られていないばかりでなく、ＩＴＯ電極とアルミニウム電極との間を電荷が抜けているように見うけられる。一方、図４は、ショットキーダイオード特性を示しているものの、弱く、ブレークダウン電圧は、−２Ｖ程度と低い。
【００２６】
本発明者は、このような実験結果に基づいて、「ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ」構造の成膜条件と表面の状態を徹底的に調査したところ、真空成膜条件が同じであっても、表面の状態が異なることを突き止めた。その原因は、特定できなかったが、本発明者は、ＩＴＯ成膜時にＩＴＯ表面がダメージを受けて、平坦性が失われたために、その上に成膜した有機膜も平坦でなくなり、積層すればするほど凹凸が大きくなって、ＩＴＯ電極とアルミニウム電極間にリーク電流が流れるようになったか、或いは、ＩＴＯとペンタセン、又は、アルミニウムとペンタセンの界面物性に起因する何かが関与しているものと考えた。そして、図３のグラフからみると、ＩＴＯとペンタセンの界面、及び、ペンタセンとアルミニウムとの界面の両方が関係しているように判断されたが、図４のグラフをも併せて観察すると、アルミニウムとペンタセンとの界面では、弱いショットキー接触が確認できるので、ＩＴＯとペンタセンとの間の接触に何らかの問題があることがわかった。
【００２７】
そこで、本発明者は、ＩＴＯ電極と有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を配置すれば、かかる問題を解決できるのではないかと考えて、実験的に検証した。一般的に、ＣｕＰｃは、大気中の酸素に触れることによって、ｐ型半導体的性質が顕著になることが知られているので、まず、ＣｕＰｃを電荷注入層に用いて調べた。図６は、本発明を具体化したＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）（実施例１）におけるソース−ゲート間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すものであが、ＣｕＰｃを介さないもの（図３を参照。）に比べて、特性が改善されていることがわかった。このような本発明のＳＩＴにおける電流−電圧特性の改善は、▲１▼ＩＴＯ／ペンタセン界面の平坦性が改善されたこと、▲２▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲３▼ＣｕＰｃ ／ペンタセンのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲４▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／ペンタセンのポテンシャル障壁が低減されたこと、▲４▼ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／ペンタセンの凹凸が改善され、アルミニウムとＩＴＯとの短絡が防止されたこと、等によることがわかった。
【００２８】
即ち、本発明の縦型有機トランジスタは、図１に示される。図１に示すように、本発明の縦型有機トランジスタ１０は、基板１の上に、第一の電極（ソース電極）２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極（ゲート電極）５、第二の有機半導体層５、及び、第三の電極（ドレイン電極）７を順次有し、そして、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有している。
【００２９】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有しているが、その電荷注入層及び／又は電荷輸送層３は、好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚に形成される。電荷注入層（３）及び電荷輸送層（３）を共に有する場合には、前記電荷注入層（３）及び電荷輸送層（３）を順次有していることが好ましい。
【００３０】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、第一の電極（ソース電極）２と第三の電極（ドレイン電極）７との間に第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６を有しており、両電極の間隔が狭いので、従来の横型ＦＥＴにおけるピンチオフ点がソース電極２の側の近くに生じる。そのために、実効チャンネル長が零に近くなって、チャンネルが電流値を規制できない状態になるので、ソース電極２付近の調整作用が支配的になる。図２の一点鎖線で示すように、いま、ソース電極２とドレイン電極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、第二の電極（ゲート電極）５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、そのために、このような状態でゲート電圧ＶＧ を加えていくと、山の部分が高くなり、ドレイン電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。ゲート電極５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、ゲート電極５にバイアスが加われば、ポテンシャルエネルギーがゲート電極５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、トータルとして障壁は低くなって、キャリアはこのゲート電極５の間を通って、ドレイン電極７の側に流れ落ちることになる。ソース電極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、また、ゲート電極５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ゲート電圧ＶＧ だけ高い位置にある。
【００３１】
これらのことから、本発明者は、ソース電極２の近傍を境界面とした接合面を形成してやれば、前述のソース電極２からゲート電極５にいたるポテンシャルが滑らかになるのではないかと考えて、ソース電極２と第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を設けたところ、キャリアがゲート電極５の間を通ってドレイン電極７の側に流れ落ちる効果を確実に得られることを見出した。
【００３２】
ソース電極２と第一の有機半導体層４との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、ソース電極２と第一の有機半導体層４と間の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φｍ＞φｓでかつ差が小さい場合、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χｍ（＝φｍ）＞χｓ でかつ差が小さい場合、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 でかつ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すれば、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。
【００３３】
また、電極材料の仕事関数φｍ＜φｓでかつ差が大きい場合、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、正孔から見れば、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。
【００３４】
このように、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４の間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有していると、第一の電極２と第一の有機半導体層４とのショットキー接触を確実に形成でき、また、第一の電極２の凹凸を平坦化することができるので、電荷が抜けることを防止できると共に、トランジスタ性能が向上し、しかも、安定した性能を再現でき、よって、電流密度及び動作速度を向上させることができる。また、成膜において蒸着、塗布といった簡易な手段を採用することが可能となる。
【００３５】
したがって、本発明によれば、基板１の上に、第一の電極２、第一の有機半導体層４、櫛状又はメッシュ状の第二の電極５、第二の有機半導体層６、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、前記第一の電極２と前記第一の有機半導体層４との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を有しているので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路である第一の電極２と第一の有機半導体層４との間のキャリアの輸送過程を妨げることがなくなり、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、大きな電流密度の向上ができること、▲２▼第一の電極２の作製時にダメージ等により形成された凹凸を平坦化できるので、第一の有機半導体層４と第二の電極５とを積層する際にも、均一な厚さの積層構造が形成でき、端子間の短絡が避けられ、素子の安定制御が可能になること、▲３▼第二の電極５の近傍に形成したショットキー接触による障壁、第三の電極７と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能にすると共に、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ること、▲４▼安定した素子性能の再現が可能になること、並びに、▲４▼歩留まりが良いので製造コストを低減化することができること、といった顕著な効果を奏する。
【００３６】
本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６は、好ましくは、▲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▼フタロシアニン系化合物、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化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼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、よりなる有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した有機半導体材料以外のもので構成されていてもかまわない。
【００３７】
本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６は、前記したような有機半導体材料で構成されているので、蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、印刷、塗布、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形成される。それ故、本発明においては、前記第一の有機半導体層４及び第二の有機半導体層６の成膜において蒸着、塗布といった簡易な手段を採用することが可能となり、製造コストを低減化することができる。
【００３８】
本発明においては、前記電荷注入層（３）は、好ましくは、▲１▼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（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のスターバスト型アミン系低分子化合物、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した以外の電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されていてもかまわない。
【００３９】
本発明においては、前記電荷輸送層（３）は、好ましくは、▲１▼Ｎ，Ｎ′ジ（１−ナフチル）Ｎ，Ｎ′ジフェニル［１，１′ビフェニル４，４′ジアミン］（α−ＮＰＤ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のベンジジン型化合物、或いは、▲２▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のアミン系化合物、又は、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されているが、本発明の目的に反しない限り、ここに記載した以外の電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されていてもかまわない。
【００４０】
本発明においては、前記第一の電極２、第二の電極５、及び、第三の電極７は、例えば、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タンタル）、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）、及び、これらの酸化物、並びに、ＩＴＯ、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。本発明における第二の電極（ゲート電極）５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、本発明における第一の電極（ソース電極）２及び第三の電極（ドレイン電極）７は、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成される。
【００４１】
前記第一の電極２、第二の電極５、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それぞれの電極に形成される。
【００４２】
本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、前記第一の電極２と前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３との接触は、オーミック接触であり、前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３と前記第一の有機半導体層４との接触は、オーミック接触であり、前記第一の有機半導体層４と、前記第二の電極５との接触は、ショットキー接触であり、前記第二の電極５と前記第二の有機半導体層６との接触は、ショットキー接触であり、そして、前記第二の有機半導体層６と前記第三の電極７との接触が、オーミック接触である。
【００４３】
本発明においては、前記基板１は、可視光に対して透明な材料で構成されている。このような材料は、ガラス、プラスチック、石英、よりなる群から選択される。前記プラスチックは、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。この場合には、縦型有機トランジスタの上に、有機ＥＬ素子を積層して配置することができ、発光の出射窓となる。縦型有機トランジスタとしてのみに使用する場合には、本発明における基板は、アンドープ・シリコン、及び、高ドープ・シリコンなど可視光に対して透明でない材料であってもかまわない。
【００４４】
［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）１０は、図８に示されるように、
▲１▼基板１の上面にＩＴＯ等の電極材料を成膜して第一の電極２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記第一の電極２の上面に電荷を注入する性質を有する有機半導体材料及び／又は電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料を成膜して電荷注入層及び／又は電荷輸送層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層３の上面に第一の有機半導体層４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の有機半導体層４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）５を形成する工程（ｄ）、
▲５▼前記第一の有機半導体層４及び前記第二の電極５の上面に第二の有機半導体層６を形成する工程（ｅ）、及び、
▲６▼前記第二の有機半導体層６の上面に電極材料を成膜して第三の電極７を形成する工程（ｆ）、
を順次経て製造される。
【００４５】
【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 厚の第一の電極を形成した［図８（ａ）］。
（ロ）前記第一の電極の上面にｐ型半導体材料であるＣｕＰｃを室温、１〜３×１０−５Ｔｏｒｒの真空条件、常温下において成膜して２０ｎｍ厚の電荷注入層を形成した［図８（ｂ）］。
（ハ）前記電荷注入層の上面にペンタセンを２〜３×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において成膜して６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を形成した［図８（ｃ）］。
（ニ）前記第一の有機半導体層の上面にＡｌを１×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において２点蒸着法により櫛状に成膜して５０ｎｍ厚の櫛状の第２の電極（ゲート電極）を形成した［図８（ｄ）］
（ホ）前記第二の電極及び第一の有機半導体層の上面にペンタセンを２〜３×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において真空蒸着させて１２０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を形成した［図８（ｅ）］。
（ヘ）前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを１×１０−６Ｔｏｒｒの真空条件、抵抗加熱下において成膜して１００ｎｍ厚の第三の電極を形成することにより縦型有機トランジスタ（ＳＩＴ）を得た［図８（ｆ）］。
【００４６】
【実施例】
（実施例２）
前記（イ）工程において、Ｐｔを成膜して第一の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。
【００４７】
（実施例３）
前記（イ）工程において、Ｐｄを成膜して第一の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。
【００４８】
（実施例４）
前記（ロ）工程において、α−ＮＰＤ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。
【００４９】
（実施例５）
前記（ロ）工程において、ＰＥＤＯＴ 溶液を塗布により成膜して電荷注入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。
【００５０】
（実施例６）
前記（ハ）及び（ホ）工程において、弗化銅フタロシアニン（Ｆ−ＣｕＰｃ）を成膜して第一の有機半導体層及び第二の有機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。
【００５１】
（実施例７）
前記（ハ）及び（ホ）工程において、ポリチオフェンを塗布により成膜して第一の有機半導体層及び第二の有機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。
【００５２】
（実施例８）
前記（ニ）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。
【００５３】
前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタ（ＳＩＴ）は、図１に示される構造を有している。そして、図７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタにおける第一の電極と第二の電極（ゲート）との間のＩ−Ｖ特性を示すグラフであるが、このグラフをみると、ゲート電極界面に良好なショットキー接触が得られていることがわかる。また、実施例１で得られた縦型有機トランジスタについて、実験的に動作を確認したところ、縦型有機トランジスタの効果が確認された。即ち、実施例１で得られた縦型有機トランジスタによれば、第一の電極と第一の有機半導体層との間に配置した電荷注入層によるなだらかなポテンシャル障壁とＣｕＰｃ膜の平坦化とによって、▲１▼リーク電流の低減ができ、しかも、▲２▼ショットキー接触が再現性良く得られ、それらのために、応答速度が向上することがわかった。
【００５４】
前記実施例２〜８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、また、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタと同様の効果が得られることがわかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を有しているので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路である第一の電極２と第一の有機半導体層４との間のキャリアの輸送過程を妨げることがなくなり、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、大きな電流密度の向上ができること、▲２▼第一の電極２の作製時にダメージ等により形成された凹凸を平坦化できるので、第一の有機半導体層４と第二の電極５とを積層する際にも、均一な厚さの積層構造が形成でき、端子間の短絡が避けられ、素子の安定制御が可能になること、▲３▼第二の電極５の近傍に形成したショットキー接触による障壁、第三の電極７と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能にすると共に、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ること、▲４▼安定した素子性能の再現が可能になること、並びに、▲４▼歩留まりが良いので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ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間の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】性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】性能が得られなかったＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】性能が得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ ／ Ａｌ）、及び、第三の電極と第二の電極との間（Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）における第一の電極と第二の電極との間（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ ）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例１で得られたＳＩＴ（ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｌ／Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ／Ａｕ）のショットキー接触特性を示すグラフである。
【図８】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説明図である。
【図９】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（ソース電極）
３ 電荷注入層及び／又は電荷輸送層
４ 第一の有機半導体層
５ 第二の電極（ゲート電極）
６ 第二の有機半導体層
７ 第三の電極（ドレイン電極）
Claims (11)
- 基板上に、第一の電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の有機半導体層、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、前記第一の電極と前記第一の有機半導体層との間に電荷注入層及び／又は電荷輸送層を有することを特徴とする縦型有機トランジスタ。
- 前記第一の有機半導体層及び第二の有機半導体層が、▲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▼フタロシアニン系化合物、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化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼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、よりなる有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記電荷注入層が、▲１▼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（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のスターバスト型アミン系低分子化合物、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を注入する性質を有する有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記電荷輸送層が、▲１▼Ｎ，Ｎ′ジ（１−ナフチル）Ｎ，Ｎ′ジフェニル［１，１′ビフェニル４，４′ジアミン］（α−ＮＰＤ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のベンジジン型化合物、或いは、▲２▼トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ ）、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 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも一種のアミン系化合物、又は、それらの誘導体から選択される少なくとも一種の高分子化合物、よりなる電荷を輸送する性質を有する有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦型有機トランジスタ。
- 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（タンタル）、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）、及び、これらの酸化物、並びに、ＩＴＯ、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請求項１〜４のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第一の電極と前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層との接触が、オーミック接触であることを特徴とする請求項１〜５に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記電荷注入層及び／又は電荷輸送層と前記第一の有機半導体層との接触が、オーミック接触であることを特徴とする請求項１〜６に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第一の有機半導体層と、前記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請求項１〜７に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第二の電極と前記第二の有機半導体層との接触が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項１〜８に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第二の有機半導体層と前記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請求項１〜９に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記基板が、可視光に対して透明な材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
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