JP2005286329A - 有機電界効果トランジスタ、それを具備する平板ディスプレイ装置、及び有機電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機電界効果トランジスタ、それを具備する平板ディスプレイ装置及び有機電界効果トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０の上部に配置されるソース電極１２０及びドレイン電極１６０と、ソース電極１２０とドレイン電極１６０との間に配置される有機半導体層１３０と、有機半導体層１３０の領域に配置されるゲート電極１５０と、ゲート電極１５０と有機半導体層１３０との間に配置される電荷キャリア遮断層１４０と、を含み、電荷キャリア遮断層１４０は半導体材料を含むことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
【選択図】図２

Description

本発明は有機電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

有機電子工学において、実施例としての電界効果トランジスタは、例えば有機発光ダイオードのようなディスプレイ要素分野の適用例と共に議論されている。それらは、複雑な半導体製造工程なしに生産されうる単一電子回路の具現へもつながっている。それらのうちでも、有機及び高分子半導体に基づいた方式で製造された回路は、大面積ディスプレイの具現及びトランスポンダー分野にも使われうる。

有機電子工学でのｐ半導体材料及びｎ半導体材料の定義は、シリコンのような無機半導体材料分野での定義とは若干異なる。典型的な半導体についての定義はドーパントの種類に依存するが、有機半導体においては、ｐ伝導性及びｎ伝導性は高い移動度を持つ電荷キャリアの極性に関するものである。より具体的には、ある程度、電子はｎ伝導性半導体において高い移動度を持ち、欠陥電子（正孔）はｐ伝導性半導体において高い移動度を持つ。複数の超過電荷キャリアを持つドーパントは、有機半導体関連分野には適用し難く、有機発光ダイオードの従来技術分野でのみ通常的なものである（非特許文献１参照）。

有機材料に基づいた電界効果トランジスタとして、半導体有機材料はソース電極とドレイン電極との間に配置される。ゲート電極に適切な電圧を印加することによってそれら２つの電極間領域（チャンネル）に電場が生成される。結果的に、電荷キャリア（電子または正孔）が有機材料を構成するチャンネルに導入され、そしてその位置で、ソースとドレイン接触間の伝導性を高める。この場合、チャンネルでの電荷の流れは、ｐ特性を持つトランジスタ構造の場合に正孔を通じて具現され、ｎ特性を持つトランジスタ構造の場合には電子を通じて具現される。したがって、トランジスタはゲート電圧を通じて制御される。

電場、そして結果的にトランジスタ構造の機能性を低下させる、ゲート電極からチャンネルへの反対電荷の移動を避けるために、チャンネルとゲート電極との間に電荷キャリア遮断層（誘電体）を配置させることは公知のものである。

しかし、このような公知の有機トランジスタ構造の短所は、最大獲得可能電流が小さいという点である。しかし、最大獲得可能電流は、アクティブマトリックス有機電界発光ディスプレイのような有機トランジスタの適用分野においてとりわけ重要である。

最大獲得可能電流は、（無機および半導体材料でも構成される）伝導性チャンネルの長さ及び幅と、有機半導体での電荷キャリアの移動性に依存する。典型的な有機半導体材料には、ｐ半導体としてペンタセン、テトラセン、オリゴチオフェン、及びフタロシアニンだけでなく、ｎ半導体としてナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ぺリレンテトラカルボン酸ジイミド、フラーレン、及びフタロシアニン誘導体のような低分子化合物がある。高分子材料には、特にポリアルキルチオフェン、ポリ（ビニレンチエニレン）だけでなくアルキルフルオレン単位とアルキルチオフェンとの共重合体のようなｐ半導体が選択されうる。典型的な電荷キャリア移動度μは１０^−３ｃｍ^３／Ｖｓないし１ｃｍ^３／Ｖｓ範囲にある。

より大きな最大獲得可能電流を得るために、チャンネル長は短い必要がある一方、チャンネル幅及び電荷キャリアの移動性は大きい必要がある。しかし、この場合、このような構造上の寸法（以下、構造寸法と称する）には限界がある。さらに、誘電体の表面容量Ｃ_ｉは、最大獲得可能電流に影響を与えるものとして考えられる。また、半導体においては、低いゲート電圧Ｖ_ＧＳでの電荷キャリアの適切な密度を誘導するために高い容量が要求されうる。

有機電界効果トランジスタの線形作動範囲での獲得可能電流Ｉと最大重要パラメータとの相関関係は次の関係式で説明される。

ここで、Ｖ_ｔｈはトランジスタのしきい電圧であり、Ｖ_ＤＳはドレイン接触とソース接触との間に印加される電圧であり、Ｖ_ＧＳはゲート電圧であり、μは電荷キャリア移動度である。

事前に特定された構造寸法において可能な限り大きい最大獲得可能電流を具現可能にするために、表面容量Ｃ_ｉ及び電荷キャリア移動度μは可能なかぎり大きい数値を取らねばならない。

表面容量Ｃ_ｉを増加させるためには、誘電体の層厚さは減少されなければならない。しかしながら、電荷キャリア遮断層の層厚さの減少は、特に、欠陥密度及びブレークダウン電圧（独：Ｄｕｒｃｈｓｃｈｌａｇｓｐａｎｎｕｎｇ、英：ｄｉｓｒｕｐｔｉｖｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅ）のようなパラメータを通じて制限される。

さらに、有機電界効果トランジスタで切り替え可能な電流を増加させるために比較的大きい誘電定数の誘電体を使用することは非特許文献２で公示された。この場合、例えば、バリウムジルコニウムチタン酸塩（ｂａｒｉｕｍｚｉｒｃｏｎｉｕｍｔｉｔａｎａｔｅ、ＢＺＴ）のような強誘電無機材料から誘電体材料が選択された。従来技術によるこのような材料はスパッタリングを通じて塗布される。このような材料塗布の短所は、上述された層の製造は比較的大きな入力エネルギー及び高いプロセス温度でなされるという点である。

このような方法を、例えば、ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体材料で構成されたチャンネルのような有機半導体層および他の有機機能層に適用するには問題がある。単にこのような構造は有機電界効果トランジスタについてのオプションであり、有機半導体及び他の有機機能層が工程過程の最終段階で堆積される場合にのみ使用される。しかしながら、これはトップゲート構造というオプションが使用できないために短所となる。

図１には、従来技術による有機電界効果トランジスタが図示されている。基板１上にはソース電極２とドレイン電極６とが配置され、それら電極２，６上には有機半導体層３が配置される。有機半導体層３上には電荷キャリア遮断層４が配置され、電荷キャリア遮断層４の上部にはゲート電極５が配置される。

有機半導体層３の材料はｐ伝導性材料である。ゲート電極５での適切な電圧で、正孔（独：Ｄｅｆｅｋｔｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎ）からなる電荷キャリア７が有機半導体層３のチャンネルに移動し、その位置でドレイン電極６とソース電極２との間の導電性を増大させる。したがって、トランジスタはゲート電極５に印加される電圧を通じて制御されうる。

しかしながら、電荷キャリア遮断層４の実行可能な最小層厚さは正孔密度（独：Ｄｅｆｅｋｔｄｉｃｈｔｅ）および電気的ブレークダウン電圧などのパラメータによって制限される。

さらに、大きな誘電定数を持つＢＺＴのような強誘電体無機材料は、エネルギー入力及び／またはプロセス温度がそれぞれあまりにも大きいために、電荷キャリア遮断層４として有機半導体層３上に直接堆積され得ない。

以上のとおり、電荷キャリア遮断層４の最小層厚さを任意に減少させることは不可能であり、さらに、有機材料の有機半導体層３を損傷させずには高誘電定数を持つ電荷キャリア遮断層４の材料を有機半導体層３上に堆積させることができないという短所によって、従来技術による有機電界効果トランジスタの最大獲得可能電流および事前に設定された構造寸法の有機電界効果トランジスタへの適用は非常に限定されている。
Ｚｈｏｕら、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」、２００２年、第８１巻、ｐ．４０７０−４０７２ Ｄｉｍｉｔｒａｋｏｐｏｕｌｏｓら、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」、１９９９年、第２８３巻、ｐ．８２２−８２４

本発明の目的は、事前特定された構造寸法において、大きな最大切り替え可能電流（最大獲得可能電流）を持つ有機電界効果トランジスタ及びそれを具備する平板ディスプレイ装置を提供することである。

さらに、本発明による有機電界効果トランジスタの製造方法を提供する。特に、大きな誘電定数を持つ電荷キャリア遮断層の使用にもかかわらず、比較的大きなエネルギーの入力なしに電荷キャリア遮断層をソース電極とドレイン電極との間に配置される有機材料上に堆積することのできる製造方法を提供する。

上述の本発明の目的を達成するために、基板と、前記基板の上部に配置されるソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体層と、前記有機半導体層の領域に配置されるゲート電極と、前記ゲート電極と有機半導体層との間に配置される電荷キャリア遮断層と、を含み、前記電荷キャリア遮断層は半導体材料を含むことを特徴とする有機電界効果トランジスタ及びそれを具備する平板ディスプレイ装置を提供する。望ましくは、前記電荷キャリア遮断層は半導体材料のみより構成される。ゲート電極と、本発明に関連した半導体電荷キャリア遮断層の適切な選択を通じて、電荷キャリアは電荷キャリア遮断層（誘電体）に集積され、これによって電荷キャリア遮断層の有効層厚さを実質的に低減することができる。さらに小さな有効層厚さで、電荷キャリア遮断層（誘電体）の表面容量を実質的に増大させることができ、これによって有機電界効果トランジスタの最大獲得可能電流が増大されうる。

作動形態は、以下にｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料によるものが例示的に説明される。

望ましい実施の形態において、電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位から真空準位までのエネルギー差である電子親和力は、電界効果トランジスタゲート電極の仕事関数より小さく、ドレイン電極とソース電極との間に配置された電界効果トランジスタの有機半導体層は、（半導体材料で構成されたような）電荷キャリア遮断層より高い伝導帯のエネルギー準位を持つ。さらに、電荷キャリア遮断層の価電子帯のエネルギー準位は有機半導体料層の価電子帯のエネルギー準位より低い必要がある。特に、望ましい実施の形態において、電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位と有機半導体層の伝導帯のエネルギー準位との間のエネルギー差と、電荷キャリア遮断層の価電子帯のエネルギー準位と有機半導体層の価電子帯のエネルギー準位との間のエネルギー差は１．０ｅＶより大きい必要があり、電荷キャリア遮断層の電子親和力とゲート電極の仕事関数との間のエネルギー差は０．２ｅＶより小さい必要がある。

上述されたように、ゲート電極材料、ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体層、および電荷キャリア遮断層の選択を通じて、電荷キャリア遮断層への電子の注入及び／または移動は、電荷キャリア遮断層と有機半導体層との境界表面までなされうる。この場合、電荷キャリア遮断層はｎ伝導材料で構成され、ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体層はｐ伝導材料で構成される。

あるいは、ｐ伝導材料を含む電荷キャリア遮断層と、ｎ伝導材料を含む有機半導体層とで等価な構造が生産されることもできる。この場合、ｎチャンネル型トランジスタであって、ゲート接触の仕事関数は電荷キャリア遮断層の価電子帯のエネルギー準位から真空準位までのエネルギー差と類似または同等である。このような方式で、電荷キャリア遮断層への欠陥電子（正孔）の注入は可能である。電荷キャリア遮断層とｎチャンネル領域との間の電荷キャリアの流れを防止するために、電荷キャリア遮断層の価電子帯のエネルギー準位は有機半導体層の価電子帯のエネルギー準位より少なくとも１ｅＶさらに高い必要がある。

このとき、電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位は少なくとも有機半導体層の伝導帯のエネルギー準位よりも少なくとも１ｅＶ大きい必要がある。

ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機電界効果トランジスタの半導体材料として、ｐチャンネル型トランジスタの場合、ペンタセン、テトラセン、低い出力仕事関数を持つフタロシアニン、オリゴチオフェン、オリゴ−及びポリアリールアミン、ポリアルキルチオフェン、アルキルフルオレン単位とアルキルチオフェンとの共重合体、ポリフルオレン、ポリ（チエニレンビニレン）、ポリ（フェニレンビニレン）、ならびに、フェニレン、ナフタレン−、及びアントラニル単位のホモ重合体（ポリマー）からなる群から選択される少なくとも一つを含む。

電荷キャリア遮断層は、無機材料である酸化チタン、非ドープの酸化スズ、非ドープの酸化亜鉛、二酸化ジルコニウム、酸化タンタル、及び硫化亜鉛、ならびに、有機材料であるペリレンテトラカルボン酸ジイミド及びナフタレンテトラカルボン酸ジイミドの誘導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む。

ｐ伝導電界効果のゲート電極はマグネシウム、銀マグネシウム合金、カルシウム、バリウム、及びランタノイド系金属からなる群から選択される少なくとも一つを含むだけでなく、スカンジウム及びイットリウムを含むことが望ましい。ランタノイド系金属はセリウムまたはイッテルビウムを含むことが望ましい。また、ソース電極またはドレイン電極は金、パラジウム、白金、及び導電性高分子からなる群から選択される少なくとも一つを含むことが望ましい。導電性高分子は、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）および／またはポリスチレンスルホン酸を含むことが望ましい。

特に望ましい実施の形態において、ゲート電極はマグネシウムと銀との１：９質量比で構成される。

ｎチャンネル電界効果トランジスタの場合、有機半導体層として、ぺリレンテトラカルボン酸ジイミド、ナフタリンテトラカルボン酸ジイミド、及びフラーレンの誘導体からなる群から選択される少なくとも一つを使用することが望ましい。電荷キャリア遮断層はオリゴマーアリールアミンの誘導体のうち一つ以上を含むことが望ましい。ゲート接触のための適切な材料は、金、パラジウム、白金、及びニッケルからなる群から選択される少なくとも一つである。

上述された材料を選択して、例えばｐ伝導チャンネル（ドレイン電極とソース電極との間の有機材料）及びｎ型伝導電荷キャリア遮断層を形成し、ネガティブ電荷キャリア（電子）を電荷キャリア遮断層に注入することが可能である。しかしながら、電子はｎ伝導電荷キャリア遮断層とｐ伝導チャンネルとの境界表面まで移動して、それを通じて電荷キャリア遮断層の有効層厚さが顕著に減少することによって、本発明による電界効果トランジスタの最大獲得可能電流はかなり増加されることができる。

本発明による有機電界効果トランジスタは、基板上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、前記ソース電極及びドレイン電極上部にソース領域、ドレイン領域、及びチャンネル領域を具備する有機半導体層を形成する段階と、前記有機半導体層の上部に電荷キャリア遮断層を形成する段階と、前記電荷キャリア遮断層の上部で、少なくとも前記有機半導体層のチャンネル領域の上部にゲート電極を形成する段階と、を具備する製造方法によってなされ、前記電荷キャリア遮断層の形成段階は、熱蒸着または電子ビーム蒸着を通じてなされる。そして、ここで本発明によって、電荷キャリア遮断層は半導体材料により形成される。例えばＢＺＴのような強誘電無機材料と対比して、本発明による電荷キャリア遮断層は（下方に配置された層に対して）高い熱入力なしに形成されうる。このような方式で、電荷キャリア遮断層を電界効果トランジスタの有機半導体層（ソースとドレインとの間）に直接形成することが可能である。望ましくは、電子ビーム蒸着は１０^−２ないし１０^−１Ｐａの酸素分圧でなされる。

本発明の有機電界効果トランジスタによれば、事前特定された構造寸法において、大きな最大獲切り替え可能電流（最大獲得可能電流）を得ることができる。

また、本発明の有機電界効果トランジスタの製造方法によれば、大きな誘電定数を持つ電荷キャリア遮断層の使用にもかかわらず、比較的大きなエネルギーの入力なしに電荷キャリア遮断層をソース電極とドレイン電極との間に配置される有機材料上に形成することができる。

前記本発明の目的及び長所は、添付された図面を参照して望ましい実施の形態を通じてさらに明らかになる。

図２には、本発明による有機電界効果トランジスタが示されている。電荷キャリア遮断層１４０が半導体材料で備えられるという点を除けば、構造配置は従来技術による有機電界効果トランジスタと同様であるため詳細な説明は省略する。このような方式で、電荷キャリア（電子）１７０は電荷キャリア遮断層１４０に、電荷キャリア遮断層１４０と有機半導体層１３０との境界表面まで注入され、これを通じて電荷キャリア遮断層１４０の有効層厚さが実質的に減少し、その結果、本発明による有機電界効果トランジスタの最大獲得可能電流は増大しうる。（半導体）電荷キャリア遮断層１４０に電子を注入させるために、電荷キャリア遮断層１４０への電荷キャリア注入に対する障壁は小さい必要がある。また、他の条件としては、本発明に関連された有機電界効果トランジスタのゲート漏洩電流の比率を低く維持できるように、電荷キャリア遮断層１４０から有機半導体層１３０への方向だけでなく、その逆方向への過剰電荷キャリア１８０に対する障壁も大きくなるように、材料は選択されねばならない。なお、電荷キャリア遮断層１４０は半導体材料のみより構成されることが望ましい。

有機半導体層の材料はｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料及びｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料のうち少なくとも一つであり、前記ｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料は、ペンタセン、テトラセン、フタロシアニン、ポリアルキルチオフェン、アルキルフルオレン単位とアルキルチオフェンの共重合体、ポリフルオレン、ポリ（チエニレンビニレン）、ポリ（フェニレンビニレン）、ならびに、フェニレン、ナフタレン−、及びアントラニル単位のホモ重合体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記ｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料は、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、及びフラーレンの誘導体からなる群から選択される少なくとも一つを含む。

有機半導体層１３０がｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、電荷キャリア遮断層１４０は酸化チタン、非ドープの酸化スズ、非ドープの酸化亜鉛、二酸化ジルコニウム、酸化タンタル、及び硫化亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つを含む。また、ゲート電極１５０は、マグネシウム、銀マグネシウム合金、カルシウム、バリウム、及びランタノイド系金属からなる群から選択される少なくとも一つを含む。さらに、ソース電極１２０及びドレイン電極１６０のうち少なくとも一つは金、パラジウム、白金、及び導電性高分子からなる群から選択される少なくとも一つを含む。

一方、有機半導体層１３０がｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、電荷キャリア遮断層１４０としては、望ましくはオリゴマーアリールアミンの誘導体のうち一つ以上を含む。また、ゲート電極１５０は、金、ニッケル、パラジウム、および白金からなる群から選択される少なくとも一つを含む。さらに、ソース電極１２０及びドレイン電極１６０のうち少なくとも一つはアルミニウム、チタン、マグネシウム、及び銀からなる群から選択される少なくとも一つを含む。

なお、前記ランタノイド系金属は、たとえば、セリウムまたはイッテルビウムであって、前記導電性高分子は、たとえば、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）および／またはポリスチレンスルホン酸である。

上述の要件は、ゲート電極１５０、電荷キャリア遮断層１４０、及び有機層１３０を適切に選択することによって行われうる。

なお、本発明による有機電界効果トランジスタは、必須ではないが、基板１１０を具備する。ソース及びドレイン電極１２０，１６０が基板１１０上に形成され、その上に有機半導体層が形成されることもある。また、本発明による有機電界効果トランジスタは、有機電界発光ディスプレイの基板に形成されるように、他の構造要素の基板上に形成されることも可能である。

図３Ａ及び図３Ｂには、図２に示された有機電界効果トランジスタの概略的なエネルギー配置図が示されている。このようなエネルギー配置図は、エネルギー降下及びオフ回路に適用されるが、この回路では、電荷キャリアの蓄積によるいかなるバンド歪曲も発生しない。エネルギー数値は、ｐ伝導性有機半導体材料の有機半導体層１３０及び無機ｎ伝導性電荷キャリア遮断層１４０の場合についてのものである。

また、材料の適切な選択を通じて、ｎ伝導性有機半導体材料の有機半導体層１３０及びｐ伝導性電荷キャリア遮断層１４０を持つ等価構造を具現することも可能である。

図３Ａ及び図３Ｂの実施の形態として、有機半導体層１３０はポリアルキルチオフェンで構成され、電荷キャリア遮断層１４０は酸化チタンで構成される。ゲート電極１５０は銀とマグネシウムの合金（以下、銀マグネシウム合金と称する）で構成される。なお、前記銀マグネシウム合金のマグネシウムと銀の比率は、たとえば、１：９質量比である。

ゲートレベル１３から電荷キャリア遮断層１４０の伝導帯のエネルギー準位１１に電子が注入されることは、０．１ｅＶの小さな第１のエネルギー障壁１４を通じて行われる。ここで、ゲートレベル１３は、ゲート電極１５０のフェルミ準位である。図３Ａに示されるとおり、電荷キャリア遮断層１４０の伝導帯のエネルギー準位から真空準位までのエネルギー差である電子親和力は、ゲート電極１５０の仕事関数より小さい。また、電荷キャリア遮断層１４０の電子親和力とゲート電極１５０の仕事関数との間のエネルギー差（第１のエネルギー障壁）１４は０．２ｅＶより小さいことが望ましい。

このように注入された電子は、電荷キャリア遮断層１４０と有機半導体層１３０との境界層まで貫通することができるが、第２のエネルギー障壁１５によって、電子は有機半導体層１３０の伝導帯には流れない。図３Ａに示されるように、第２のエネルギーア障壁１５は１．５ｅＶである。有機半導体層１３０は電荷キャリア遮断層１４０の伝導帯のエネルギー準位１１より高い伝導帯のエネルギー準位９を有する。電荷キャリア遮断層１４０の伝導帯のエネルギー準位１１と有機半導体層１３０の伝導帯のエネルギー準位９との間のエネルギー差（第２のエネルギー障壁）１５は、１．０ｅＶより大きいことが望ましい。

同様に、有機半導体層１３０の価電子帯１０から電荷キャリア遮断層１４０の価電子帯１２への正孔（欠陥電子）の流れは、第３のエネルギー障壁１６を通じて防止されうる。図示された場合、このような第３のエネルギー障壁１６は１．８ｅＶである。

酸化チタンが電荷キャリア遮断層１４０として使われる場合、ゲート電極１５０の材料としては、３．８ｅＶないし４．０ｅＶ範囲の仕事関数を持つベース金属が適切である。

ゲート電極１５０についての主要基準は、電荷キャリア遮断層１４０への電荷キャリア注入のためにいかなる障壁もないか、または単に０．１ｅＶより小さな障壁のみ存在するという点にある。電荷キャリア遮断層１４０はその名称通り、電荷キャリアが電荷キャリア遮断層１４０と有機半導体層１３０との境界表面を通過できないという点に意味がある。

基板上にソース電極を堆積させ、ドレイン電極を堆積させ、かつ有機半導体材料を堆積させるだけでなく電荷キャリア遮断層及びゲート電極を堆積させることにより、有機電界効果トランジスタを製造するための本発明による方法は、電荷キャリア遮断層１４０が熱蒸着または電子ビーム蒸着を通じて堆積される。

高誘電定数を持つ材料を使用して大きい最大獲得可能電流を得るための従来技術による無機強誘電体を使用することと異なって、電荷キャリア遮断層１４０についての本発明による（酸化チタンのような）半導体材料は、熱蒸着または電子ビーム蒸着を通じて真空状態で有利に堆積されうる。

このような方式で、有機材料１３０の高いエネルギー入力及び／または熱応力が回避できる。結果的に、そして有機電界効果トランジスタの製造に当って、有機機能層を製造過程の最終段階で堆積させることを回避でき、これを通じてトップゲート構造を具現するのに有利であり得る。

そのために、そしてｐチャンネル型トランジスタについての本発明に関連した方法のために、半導体材料、望ましくは酸化チタンが電荷キャリア遮断層１４０の材料として採択されうる。電子ビーム蒸着は１０^−２ないし１０^−１Ｐａ（１０^−４ないし１０^−３ｍｂａｒ）の酸素分圧で実施されることが望ましい。

一方、本発明のさらに他の実施の形態は、前記有機電界効果トランジスタを具備する有機薄膜トランジスタ層を含む平板ディスプレイ装置を提供できる。

図４には、平板ディスプレイ装置であって本発明の他の実施の形態による有機電界発光ディスプレイ装置の一画素についての概略的な部分断面図が示されている。

例えば、ガラス材基板２１０の一面上に前記有機電界効果トランジスタを含む有機電界効果トランジスタ層Ｒ_Ｔが備えられる。有機電界効果トランジスタ層Ｒ_Ｔを構成するそれぞれの層の材料及び製造方法は、上記の実施の形態に開示された通りである。まず、基板２１０の一面上にソース電極２２０ａ及びドレイン電極２２０ｂが形成される。ソース電極２２０ａ及びドレイン電極２２０ｂの上部には有機半導体層２３０が備えられるが、有機半導体層２３０はソース領域Ａ、ドレイン領域Ｂ、及びチャンネル領域Ｃで構成される。有機半導体層２３０の上部にはゲート電極２５０が備えられるが、ゲート電極２５０は、少なくともチャンネル領域Ｃを超えて横断するように配置され、有機半導体層２３０とゲート電極２５０との間には電荷キャリア遮断層２４０が備えられる。

ゲート電極２５０が形成された後、下部層を平坦化及び／または絶縁させるための絶縁層２６０が備えられる。絶縁層２６０はＳｉＮｘのような無機物を使用することもあり、その上部にＢＣＢ（ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）またはアクリルなどのような有機物層を具備することもあり、単層または二重ないし多重層で形成されうるなど多様な構成が可能である。

このような有機電界効果トランジスタ層Ｒ_Ｔの上部には画素層Ｒ_Ｐが備えられる。画素層Ｒ_Ｐは一つ以上の画素を具備するが、それぞれの画素は第１電極層２７０、第２電極層３００、及びそれら間に介在される有機電界発光部２９０を含む。

絶縁層２６０の一面上には第１電極層２７０が備えられるが、第１電極層２７０は、絶縁層２６０に形成されたビアホール２６１を通じてドレイン電極２２０ｂと電気的に連結される。第１電極層２７０が形成された後、画素を定義するための画素定義層２８０が形成される。このような画素定義層２８０は、スピンコーティングを通じて形成された後に適切なパターン化過程を経て画素開口部２８１を形成する。次いで、少なくとも第１電極層２７０の一面上には有機電界発光部２９０が形成され、その上部には第２電極層３００が形成される。

ここで、第１電極層２７０及び第２電極層３００はＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、Ａｌ、Ｍｇ−Ａｇのうち一つ以上を含むことができるが、ディスプレイ装置の発光類型、すなわち前面発光型であるか背面発光型であるかによって多様な構成が可能である。有機電界発光部２９０は低分子または高分子有機膜で構成できるが、低分子有機膜を使用する場合にホール注入層（ＨＩＬ：Ｈｏｌｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）、ホール輸送層（ＨＴＬ：Ｈｏｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）、有機発光層（ＥＭＬ：Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）、電子輸送層（ＥＴＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）、電子注入層（ＥＩＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）などが単一または複合の構造で積層されて形成でき、使用可能な有機材料も、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ：ｃｏｐｐｅｒｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＢ）、トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）などをはじめとして多様な材料を適用できる。それら低分子有機膜は真空蒸着法で形成される。

有機電界発光部２９０が高分子有機膜の場合にはＨＴＬ及びＥＭＬで備えられた構造を持つことができ、この時、前記ＨＴＬとしてＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｈｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）を使用し、発光層としてＰＰＶ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）系及びポリフルオレン系など高分子有機物質を使用し、これをスクリーン印刷やインクジェット印刷方法などで形成することもあるなど多様な構成が可能である。

上記の実施の形態で有機電界発光ディスプレイ装置について記述されたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明による電荷キャリア遮断層が半導体材料を含む範囲で、無機電界発光ディスプレイ装置及び／または液晶ディスプレイ装置にも適用できるなど多様な構成が可能である。

本発明による有機電界効果トランジスタは、平板ディスプレイ装置以外にも電子ペーパー、スマートカード、ＲＦタグ、ロールアップディスプレイ、ＰＤＡのような多様な電子装置に適用できる。

従来技術による有機電界効果トランジスタの概略的な断面図である。 本発明によるｐチャンネル有機電界効果トランジスタの概略的な断面図である。 本発明の電界効果トランジスタの実施の形態におけるゲート電極、電荷キャリア遮断層、及び有機半導体伝導層（チャンネル）を具備するｐチャンネル型トランジスタの概略的なエネルギー配置図である。 本発明の電界効果トランジスタに実施の形態における電荷キャリア遮断層、及び有機半導体伝導層（チャンネル）を具備するｐチャンネル型トランジスタの概略的なエネルギー配置図である。 本発明の他の実施の形態における有機電界発光ディスプレイ装置の一画素についての概略的な部分断面図である。

符号の説明

９ 有機材料の伝導帯のエネルギー準位、
１０ 有機材料の価電子帯のエネルギー準位、
１１ 電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位、
１２ 電荷キャリア遮断層の価電子帯のエネルギー準位、
１３ ゲートレベル、
１４ ゲート電極と電荷キャリア遮断層との間の電子注入用エネルギー障壁、
１５ 電荷キャリア遮断層と有機半導体材料との間の電子注入用エネルギー障壁、
１６ 有機半導体材料から電荷キャリア遮断層への正孔用エネルギー障壁、
１１０ 基板、
１２０ ソース電極、
１３０ 有機半導体層（チャンネル）、
１４０ 電荷キャリア遮断層、
１５０ ゲート電極、
１６０ ドレイン電極、
１７０，１８０ 電荷キャリア。

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板の上部に配置されるソース電極及びドレイン電極と、
   前記ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体層と、
   前記有機半導体層の領域に配置されるゲート電極と、
   前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置される電荷キャリア遮断層と、を含み、
   前記電荷キャリア遮断層は半導体材料を含むことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
2. 前記電荷キャリア遮断層は半導体材料のみより構成されることを特徴とする請求項１に記載の有機電界効果トランジスタ。
3. 前記電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位から真空準位までのエネルギー差である電子親和力は、前記ゲート電極の仕事関数より小さく、前記有機半導体層は前記電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位より高い伝導帯のエネルギー準位を有することを特徴とする請求項１または２に記載の有機電界効果トランジスタ。
4. 前記電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位と前記有機半導体層の伝導帯のエネルギー準位との間のエネルギー差は１．０ｅＶより大きいことを特徴とする請求項３に記載の有機電界効果トランジスタ。
5. 前記電荷キャリア遮断層の伝導帯のエネルギー準位と前記有機半導体層の伝導帯のエネルギー準位との間のエネルギー差は１．５ｅＶであることを特徴とする請求項４に記載の有機電界効果トランジスタ。
6. 前記電荷キャリア遮断層の電子親和力と前記ゲート電極の仕事関数との間のエネルギー差は０．２ｅＶより小さいことを特徴とする請求項３に記載の有機電界効果トランジスタ。
7. 前記電荷キャリア遮断層の電子親和力と前記ゲート電極の仕事関数との間のエネルギー差は０．１ｅＶであることを特徴とする請求項６に記載の有機電界効果トランジスタ。
8. 前記有機半導体層の材料はｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料及びｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料のうち少なくとも一つであり、
   前記ｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料は、ペンタセン、テトラセン、フタロシアニン、ポリアルキルチオフェン、アルキルフルオレン単位とアルキルチオフェンの共重合体、ポリフルオレン、ポリ（チエニレンビニレン）、ポリ（フェニレンビニレン）、ならびに、フェニレン、ナフタレン−、及びアントラニル単位のホモ重合体からなる群から選択される少なくとも一つを含み、
   前記ｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料は、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、及びフラーレンの誘導体からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の有機電界効果トランジスタ。
9. 前記有機半導体層が前記ｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、
   前記電荷キャリア遮断層は酸化チタン、非ドープの酸化スズ、非ドープの酸化亜鉛、二酸化ジルコニウム、酸化タンタル、及び硫化亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つを含み、
   前記有機半導体層が前記ｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、
   前記電荷キャリア遮断層としては、望ましくはオリゴマーアリールアミンの誘導体のうち一つ以上を含むことを特徴とする請求項８に記載の有機電界効果トランジスタ。
10. 前記有機半導体層が前記ｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、
    前記ゲート電極は、マグネシウム、銀マグネシウム合金、カルシウム、バリウム、及びランタノイド系金属からなる群から選択される少なくとも一つを含み、
    前記有機半導体層が前記ｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなる場合、
    前記ゲート電極は、金、ニッケル、パラジウム、及び白金からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の有機電界効果トランジスタ。
11. 前記ランタノイド系金属はセリウムまたはイッテルビウムであることを特徴とする請求項１０に記載の有機電界効果トランジスタ。
12. 前記銀マグネシウム合金のマグネシウムと銀の比率は１：９質量比であることを特徴とする請求項１０に記載の有機電界効果トランジスタ。
13. 前記有機半導体層は前記ｐチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなり、
    前記ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一つは金、パラジウム、白金、及び導電性高分子からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の有機電界効果トランジスタ。
14. 前記導電性高分子はポリ（エチレンジオキシチオフェン）および／またはポリスチレンスルホン酸であることを特徴とする請求項１３に記載の有機電界効果トランジスタ。
15. 前記有機半導体層は前記ｎチャンネル型トランジスタ用半導体材料よりなり、
    前記ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一つはアルミニウム、チタン、マグネシウム、及び銀からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の有機電界効果トランジスタ。
16. 基板上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、
    前記ソース電極及びドレイン電極上部にソース領域、ドレイン領域、及びチャンネル領域を具備する有機半導体層を形成する段階と、
    前記有機半導体層の上部に電荷キャリア遮断層を形成する段階と、
    前記電荷キャリア遮断層の上部で、少なくとも前記有機半導体層のチャンネル領域上部にゲート電極を形成する段階と、を具備し、
    前記電荷キャリア遮断層の形成段階は、熱蒸着または電子ビーム蒸着を通じてなされることを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法。
17. 前記電荷キャリア遮断層の形成段階で、前記電荷キャリア遮断層の材料として半導体材料が使われることを特徴とする請求項１６に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
18. 前記電子ビーム蒸着は、１０^−２Ｐａないし１０^−１Ｐａの酸素分圧でなされることを特徴とする請求項１６または１７に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
19. 基板と、
    前記基板の一面上に形成される有機電界効果トランジスタ層と、
    前記有機電界効果トランジスタ層の上部に形成され、当該有機電界効果トランジスタ層と電気的に連結されて、一つ以上の画素を具備する画素層と、を含み、
    前記有機電界効果トランジスタ層は、
    前記基板の上部に配置されるソース電極及びドレイン電極と、
    前記ソース電極とドレイン電極との間に配置される有機半導体層と、
    前記有機半導体層の領域に配置されるゲート電極と、
    前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に配置される電荷キャリア遮断層と、を含み、
    前記電荷キャリア遮断層は半導体材料を含むことを特徴とする平板ディスプレイ装置。
20. 前記画素は、第１電極層及び第２電極層と、それら電極層の間に介在される有機電界発光部と、を具備することを特徴とする請求項１９に記載の平板ディスプレイ装置。

Images