JP2004335557A - 縦型有機トランジスタ - Google Patents

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Hiroyuki Iechi
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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

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▼C 〜C 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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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