JP2006191044A - 垂直型有機薄膜トランジスタ、垂直型有機発光トランジスタおよびディスプレイ素子 - Google Patents

垂直型有機薄膜トランジスタ、垂直型有機発光トランジスタおよびディスプレイ素子 Download PDF

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Abstract

【課題】有機薄膜トランジスタの電流−電圧特性において、ゲート電圧の増加に伴ってソース−ドレイン電流値が増加する増加型を示す垂直型有機薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】垂直型有機薄膜トランジスタ１では、活性層３０，５０は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、ソース電極２０は、ドレイン電極６０を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直型有機薄膜トランジスタ、これを用いる垂直型有機発光トランジスタおよびこれらを用いて製造されるディスプレイ素子に関する。
一般に、薄膜トランジスタは、大面積の基板上に形成できるという利点があって、現在まで液晶ディスプレイ、レーザープリンタヘッドなどの周辺素子、スキャナーなどのイメージセンサおよびスマートカードとして開発されて実用化されている。また、最近では、有機ＥＬディスプレイ(Organic Electroluminescence Display)のフルカラー駆動のためにも使用されている。また、薄膜トランジスタは、薄膜状に製造されるため軽く、携帯が簡便な製品の製造に使用されている。特に、能動型ディスプレイに使用されるそれぞれのピクセルには、薄膜トランジスタが備えられている。しかも、薄膜トランジスタは、ピクセルの発光に伴う消費電流が少なくて済み、非常に速く点灯／消灯することができ、また、電流に応じてピクセルの明るさを調節することができる。そのため、高品質の画素を要求するディスプレイにおいて非常に重要な役割をする。ディスプレイに適用される薄膜トランジスタは、他の適用分野に比べて速い応答速度が要求されるが、このような特性を実現するためには高い移動度値および高いオン／オフ電流比（以下、単にオン／オフ比という）を持たなければならない。
トランジスタは、動作構造の差によって、バイポーラトランジスタとユニポーラトランジスタとに分類することができる。バイポーラトランジスタは、トランジスタを構成する半導体において正孔と電子モードの影響により電流が流れるので、両極性トランジスタとも呼ばれる。これに対し、ユニポーラトランジスタは、電子または正孔のいずれか一方の影響により電流が流れるので、単極性トランジスタとも呼ばれる。
現在、電子機器などに最も多く適用されている電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor：ＦＥＴ)は、ユニポーラトランジスタの一種であって、接合型ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ(Metal−Oxide Semiconductor ＦＥＴ)およびＧａＡｓ型ＦＥＴの３つの種類に分けられる。これらの中でも、ディスプレイなどの高付加価値電子製品に適用されるＭＯＳＦＥＴは、集積化が可能であり、スイッチング特性に優れるが、駆動素子と発光素子とをそれぞれ製造しなければならない製造工程上の煩わしさがある。
最近、機能性電子素子や光素子などの広範囲な分野において、新しい電気電子材料として繊維状またはフィルム状に成形容易であり、柔軟であり、伝導性と低い生産費を理由として、高分子材料に対する研究が活発に行われている。このような伝導性高分子を用いた素子の中でも、特に有機物を半導体活性層として使用する有機薄膜トランジスタに関する研究は、１９８０年以後から始まり、近年では全世界で多くの研究が進行中である。その理由は、有機薄膜トランジスタは、プリント技術などの簡単な技術によって製造が可能であって製造コストが低い上、フレキシブル基板との互換性が良好であるという利点があるためである。
有機半導体薄膜トランジスタは、従来のアモルファス（非晶質）シリコンやポリシリコンを含む薄膜トランジスタとは対照的に、活性材料としてポリマ(polymer)またはオリゴマ(oligomer)を使用する。有機薄膜トランジスタの効率は少数キャリアの電流密度によって調節されるが、これは、トランジスタのエネルギー障壁および移動度を向上させることがトランジスタの駆動電圧だけでなくトランジスタの性能までも調節することができることを意味する。ところが、従来の有機薄膜トランジスタは、一般に、無機物を使用したトランジスタの構造および製造工程をそのまま用いて製造されている。そのため、有機物を用いた場合の利点である超薄膜化、微細パターン化、工程容易性などを充分に実現していないのが実情である。
従来のＭＯＳＦＥＴのようなトランジスタは、ソース電極とトレイン電極とが水平に位置すると共に、ゲート電極がソース電極とトレイン電極との間の上方又は下方に位置した構造を有した水平型トランジスタである。このような水平型トランジスタは、垂直型トランジスタに比べて高い駆動電圧と低い効率を示し、且つ、有機ＥＬ素子をアクティブマトリックス方法で製造するには不適であるという欠点を有している。
最近開発された垂直型有機薄膜トランジスタは、ソース電極とドレイン電極との間に有機半導体化合物を垂直型で薄膜状に製造し、この有機半導体層との間に絶縁膜がないゲート電極層を形成させたもので、従来の水平型トランジスタに比べて数十倍以上向上した電流−電圧特性を示す。これは、低電圧で高い効率を得ることができることを意味する。また、駆動電圧が低いため、少ない容量のバッテリで長時間使用することができる。したがって、この垂直型有機薄膜トランジスタは、携帯用ディスプレイの製造に大きく寄与することができるものと期待を集めている。また、垂直型有機薄膜トランジスタでは、チャンネル長がソース電極からドレイン電極までの距離なので、チャンネル長が短くて高速スイッチングに向いている。したがって、垂直型トランジスタは、従来の半導体技術の小型化と高性能化に新しい機会を開く助けになるものと期待されている。ところが、一般に、垂直型有機薄膜トランジスタの電流−電圧特性は、ゲート電圧が増加するにつれてソース−ドレインの電流値が減少するという減少型を示す。そのため、この垂直型有機薄膜トランジスタを用いて製造された発光トランジスタは、発光効率が低下してしまうという問題点があった。
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、有機薄膜トランジスタの電流−電圧特性において、ゲート電圧の増加に伴ってソース−ドレイン電流値が増加する増加型を示す垂直型有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
また、本発明は、発光効率に優れた垂直型有機発光トランジスタを提供することを他の目的とする。
前記した目的を達成するために、本発明の垂直型有機薄膜トランジスタは、垂直型有機薄膜トランジスタにおいて、活性層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、ソース電極は、ドレイン電極を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成されることを特徴とする。
また、本発明の垂直型有機発光トランジスタは、基板、ソース電極、第１ｐ型有機半導体層、ゲート電極、第２ｐ型有機半導体層、発光有機物層およびドレイン電極が順次積層された垂直型有機発光トランジスタであって、前記第１ｐ型有機半導体層および第２ｐ型有機半導体層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、前記ソース電極は、ドレイン電極を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成されることを特徴とする。
本発明に係る垂直型有機薄膜トランジスタは、チャンネル長が短くて速い動作速度を有し、スピンコーティングなどの簡単な方法によって低価のコストで製造可能であり、電流−電圧特性はゲート電圧の増加に伴ってソース−ドレイン電流値が増加する増加型特性を示し、優れたスイッチング特性を示す。よって、本発明に係る垂直型有機薄膜トランジスタは、フラットパネルディスプレイの駆動素子への応用に非常に適し、スイッチング特性に優れ、低い周波数領域でトランジスタの活用が可能であって小型電子デバイスへの活用が可能である上、ｅ−ペーパー、ｅ−ブック、スマートカードなど様々な形の未来の電子素子として活用できる。また、このような特性のため、本発明の垂直型有機薄膜トランジスタの上に発光有機物層を導入してより簡単な方法によって、発光効率に優れた垂直型（一体型）有機発光トランジスタを製造することができる。
以下に、本発明の垂直型有機薄膜トランジスタおよび垂直型有機発光トランジスタについて添付図面を参照しながらより詳細に説明する。
［垂直型有機薄膜トランジスタ］
本発明の実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタは、トランジスタを構成する活性層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、ソース電極は、ドレイン電極を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成される。
図１は本発明の一実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタの概略断面図であり、図２は本発明の一実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタの平面図である。図１および図２に示すように、本実施形態の垂直型有機薄膜トランジスタ１は、基板１０、ソース電極２０、第１ｐ型有機半導体層（活性層）３０、ゲート電極４０、第２ｐ型有機半導体層（活性層）５０、ドレイン電極６０が順次積層された構造を有する。ここで、第１ｐ型有機半導体層３０および第２ｐ型有機半導体層５０は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、陽極としてのソース電極２０と、陰極としてのドレイン電極６０とは、相異なる仕事関数値を有する金属からなる。なお、図１は、図２に示したＸ−Ｘ線断面図である。
ここで、第１ｐ型有機半導体層３０および第２ｐ型有機半導体層５０を形成するｐ型活性有機半導体化合物が、式（１）で示される金属フタロシアニン系化合物であることが好ましい。
Figure 2006191044
式中、ＭはＣｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、ＦｅおよびＣｏよりなる群から選ばれた金属原子である。
本実施形態では、第１ｐ型有機半導体層３０および第２ｐ型有機半導体層５０の材料は、前記した式（１）で示される化合物のうち、銅フタロシアニン化合物またはニッケルフタロシアニン化合物である。
また、ソース電極２０、ゲート電極４０およびドレイン電極６０は、金、銀、クロム、タンタル、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、パラジウム、白金、錫、これら金属の酸化物、ＩＴＯ(indium tin oxide)および伝導性高分子よりなる群から選ばれた材料で構成される。このうち、伝導性高分子は、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、およびポリチアジル等を含むが、必ずしもこれらに制限されるものではない。
本実施形態において、陽極（ソース電極２０とゲート電極４０）および陰極（ドレイン電極６０）は、仕事関数値の互いに異なる金属からなる。特に、ソース電極がＩＴＯを用いて形成されると共に、ドレイン電極がアルミニウムを用いて形成されることが好ましい。
基板１０は、ガラス、シリコン、水晶、ポリエチレンナフタレート(Polyethylenenaphthalate：ＰＥＮ)、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylenetereohthalate：ＰＥＴ)、ポリカーボネート(Polycarbonate)、ポリビニルアルコール(Polyvinylalcohol)、ポリアクリレート(Polyacrylate)、ポリイミド(Polyimide)、ポリノルボルネン(Polynorbornene)、およびポリエーテルスルホン(Polyethersulfone：ＰＥＳ)などで形成できるが、これらに限定されない。
本実施形態において、増加型有機薄膜トランジスタを製造するためには、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物が必須である。例えば、金属フタロシアニン系有機物質は、一般的な活性有機半導体物質に比べて高い誘電率（ε＝３．６）を持っており、かつｐ型有機物質の中で、５．２ｅＶのＨＯＭＯ(Highest Occupied Molecular Orbit)準位を持っているので、ＩＴＯ（エネルギー準位＝４．８ｅＶ）のソース電極２０での正孔の注入が非常に容易である。また、金属フタロシアニン系有機物質の正孔移動度は、１×１０-5ｃｍ2／Ｖ-1ｓ-1であって、大部分のｐ型活性有機半導体物質の移動度に比べて低い値を有する。
一般に、垂直型有機薄膜トランジスタにおいてゲート電極に電圧を加えると、ゲート電極と接触している活性有機半導体物質の表面にポテンシャル障壁が形成され、結果的に正孔または電子の移動が妨げられる。したがって、ソース−ドレイン間の電流−電圧特性は、ゲート電圧の増加に伴って電流値が減少する減少型を示す。
これとは対照的に、本実施形態に係る誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物を使用した垂直型有機薄膜トランジスタ１は、ソース−ドレイン間の電流値がゲート電圧の増加に伴って増加する。本実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタ１が増加型電流−電圧特性を示す物理的メカニズムは、未だ明確に解明されていないが、次のような物理的要因から起因するものと推定される。
まず、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物は、非常に大きい誘電率値を持つため、ゲート電極４０に（＋）電場を加えると、ゲート電極４０と、第１ｐ型有機半導体層３０との界面に活性半導体物質の少数キャリアである（−）電荷が帯電し、このキャリアがソース電極２０の一部の（＋）電場によってソース電極２０へ移動してトラップされる。このようにトラップされたキャリアによってＩＴＯのソース電極２０において金属フタロシアニン系化合物への正孔注入が多くなって、電流特性が増加型を示すことになる。
また、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物の移動度は、低い値を持つため、ゲート電極４０に電圧を加えていない状態では、ソース−ドレイン電流値が低い値を持つ。一方、ゲート電極４０に（＋）電場を加えると、ゲート電極４０の一部から新しい正孔の注入が起こるが、相対的に低い電流特性を示すこのシステムにおいて、新しいキャリア注入は電流特性を増加させる重要な物理的要因になれると思われる。
この他にも、ソース電極２０とドレイン電極６０とのポテンシャル差など複雑な物理的現象によって、垂直型有機薄膜トランジスタ１は増加型電流−電圧特性を示すものと思われる。すなわち、増加型の垂直型有機薄膜トランジスタを製造するために使用される有機半導体化合物の誘電率値、移動度、ＨＯＭＯ準位などの物理的要因が重要な役割をする。よって、本実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタ１では、活性層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体材料で構成されている。
この垂直型有機薄膜トランジスタ１は、図１に示すように、ソース電極２０（例えば、ＩＴＯソース電極）に（＋）電位、ゲート電極４０に（＋）電位、ドレイン電極６０（例えば、Ａｌのドレイン電極）に（−）電位をそれぞれ印加することにより駆動される。ＩＴＯは、仕事関数Φが４．８ｅＶであり、アルミニウムの仕事関数よりも高い。正孔は仕事関数の高い方から低い方へ移動し易い。そのため、ＩＴＯをソース電極２０として使用すると、ソース電極２０から第１ｐ型有機半導体層３０への正孔の注入を容易にすることができる。また、Ａｌは、仕事関数Φが４．２ｅＶであり、ＩＴＯの仕事関数よりも低い。電子は仕事関数の低い方から高い方へ移動し易い。そのため、ドレイン電極６０として使用すると、ドレイン電極６０から第２ｐ型有機半導体層５０への電子の注入を容易にすることができる。
次に、本実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタ１の製造方法を説明する。以下、ソース電極２０としてＩＴＯを使用し、ゲート電極４０とドレイン電極６０としてアルミニウム（Ａｌ）を使用する例を挙げて説明する。まず、基板１０上に化学的方法によってソース電極２０をパターン化し、得られたＩＴＯ電極パターン上に誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物を蒸着して第１ｐ型有機半導体層３０を形成する。
続いて、第１ｐ型有機半導体層３０上に、図３に示したような、電極の微細パターンを形成するための金属マスク４１を用いてグリッド（グリッド型のゲート電極４０）を一定の厚さに形成する。その次に、ゲート電極４０上に第１ｐ型有機半導体層３０の形成方法と同一の方法で第２ｐ型有機半導体層５０を形成した後に、その上にドレイン電極６０を形成する。本実施形態において、ｐ型有機半導体層３０（または５０）の厚さは、８００〜１，２００Åであることが好ましい。
本実施形態において、電極２０（または４０または６０）およびｐ型有機半導体層３０（または５０）は、ディップコーティング、スピンコーティング、プリンティング、スプレーコーティング、ロールコーティングなどの溶液工程、真空蒸着(vacuum evaporation)工程、ＣＶＤ(chemical vapor deposition)工程、プリンティング工程、分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy)工程などの任意の方法によって形成できる。
［垂直型有機発光トランジスタ］
本発明の実施形態に係る垂直型有機発光トランジスタは、前記した垂直型有機薄膜トランジスタ１に対して、発光特性を有する発光有機物層を第２ｐ型有機半導体層５０の上に形成したものである。前記した垂直型有機薄膜トランジスタ１は、前記したように、増加型電流−電圧特性を示し且つ優れたスイッチング特性を示す。そのため、このような構造の垂直型有機薄膜トランジスタ１上に発光有機物層を導入してより簡単な方法で垂直型有機発光トランジスタを製造することができる。特に、垂直型有機薄膜トランジスタ１は、電流−電圧特性が増加型なので、本実施形態に係る垂直型有機発光トランジスタの発光効率も向上する。
図４は本発明の一実施形態に係る垂直型有機発光トランジスタの概略断面図である。図４に示すように、本実施形態の垂直型有機発光トランジスタ２は、前記した垂直型有機薄膜トランジスタ１の第２ｐ型有機半導体層５０とドレイン電極６０との間に発光有機物層７０を含むものであり、基板１０、ソース電極２０、第１ｐ型有機半導体層３０、ゲート電極４０、第２ｐ型有機半導体層５０、発光有機物層７０およびドレイン電極６０が順次積層された構造を有する。また、第１ｐ型有機半導体層３０および第２ｐ型有機半導体層５０は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、ソース電極２０とドレイン電極６０とは、仕事関数値の互いに異なる金属からなる。
発光有機物層７０は、スピロ−ＴＡＤ（spiro-ＴＡＤ）、スピロ−ＮＰＢ（spiro-ＮＰＢ）、ｍＭＴＤＡＴＡ、スピロ−ＤＰＶＢｉ（spiro-ＤＰＶＢｉ）、ＤＰＶＢｉ、Ａｌｑ、Ａｌｑ3(Aluminum tris(8-hydroxyquinoline)、Ａｌｍｇ3およびこれらの誘導体よりなる群から選ばれる。本実施形態において、発光有機物層７０の厚さは、６００〜１，０００Åであることが好ましい。
本実施形態の垂直型有機発光トランジスタ２および前記した垂直型有機薄膜トランジスタ１を用いてディスプレイ素子が製造される。このディスプレイ素子は、例えば、液晶素子、電気移動素子、有機ＥＬ発光素子などである。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前記した各実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
以下、本発明の効果を確認した複数の実施例について説明する。各実施例は、本発明の効果を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。
＜実施例１：銅フタロシアニン（ＣｕＰｕ）を用いた垂直型有機薄膜トランジスタの製造＞
ＩＴＯのコートされたガラス基板上に耐化学テープを用いて所望の模様のパターンを形成した。パターニングされたＩＴＯ基板を塩酸水溶液に浸漬させ、マグネシウムパウダーで無駄なＩＴＯ部分を除去して目的のパターン化部分のみを残し、アセトン溶媒で洗浄した後乾燥させることにより、ソース電極２０のＩＴＯパターンを形成した。次いで、パターニングされたＩＴＯ電極（ソース電極２０）上に銅フタロシアニンを真空蒸着器を用いて約１０-5ｔｏｒｒの下で１，０００Åの厚さに蒸着して第１ｐ型有機半導体層３０を形成した。次に、第１ｐ型有機半導体層３０上に約１００μｍの線幅を有する、図３に示したような、金属マスク４１を用いてグリッド型のゲート電極４０を１００Åの厚さに蒸着した。その後、ゲート電極４０上に第１ｐ型有機半導体層３０の形成方法と同一の方法で銅フタロシアニンを用いて厚さ１，０００Åの第２ｐ型有機半導体層５０を形成した後、最後にその上にドレイン電極６０としてアルミニウム電極を１，０００Åの厚さに真空蒸着して本実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタ１を製造した。得られた垂直型有機薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図５ａおよび図５ｂにそれぞれ示した。
図５ａは、ゲート電圧Ｖｇを種々の値（Ｖｇ＝０，６，１０，１２，１４，１６，２０Ｖ）に変化させた場合について、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。また、図５ｂは、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓを１０Ｖとした場合について、ゲート電圧Ｖｇとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。
＜実施例２：ニッケルフタロシアニン（ＮｉＰｃ）を用いた垂直型有機薄膜トランジスタの製造＞
ＩＴＯを化学的にパターニングした後、その上部に、厚さ１，０００Åのニッケルフタロシアニン、厚さ１００Åのアルミニウム電極、厚さ１，０００Åのニッケルフタロシアニン、および、厚さ１，０００Åのアルミニウム電極の順に真空（１×１０-6Ｔｏｒｒ）状態で垂直型に蒸着して、本実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタ１を製造した。得られた垂直型有機薄膜トランジスタの電流−電圧特性を評価し、その結果を図６ａおよび図６ｂにそれぞれ示した。なお、図６ａおよび図６ｂは、図５ａおよび図５ｂと同様にして作成されたものである。
＜実施例３〜７＞
ゲート電極４０の構造（以下、ゲート構造という）を表１に記載のとおりにした以外は、実施例１と同様にして、垂直型有機薄膜トランジスタ（実施例３〜７）を製造した。製造された垂直型有機薄膜トランジスタ（実施例３〜７）の電流−電圧特性を評価して表１に示した。なお、表１に示したジッパータイプとは、グリッド（格子）の各列が１段上または下にシフトした形状となるように、ゲート電極が間隔を空けて配列したものである。つまり、ゲート電極が市松模様状に間隔を空けて配列したものである。
Figure 2006191044
＜実施例８〜１１＞
ゲート構造をパターン化せず、ｐ型有機半導体層３０（または５０）の厚さを表２に記載のとおりにした以外は、実施例１と同様にして、垂直型有機薄膜トランジスタ（実施例８〜１１）を製造した。製造された垂直型有機薄膜トランジスタ（実施例８〜１１）の電流−電圧特性を評価して表２に示した。この際、チャンネル面積を９ｍｍ2とし、ゲート電圧（Ｖｇ）を０〜８Ｖで変化させた。
Figure 2006191044
表１および表２の結果より確認されるように、垂直型有機薄膜トランジスタのｐ型有機半導体層３０（または５０）の厚さが１０００Åであり、ゲート構造がグリッド型（線幅が１００μｍ）のとき、つまり、実施例７の場合に、最適の電流−電圧特性を示し、オン／オフ比も最も高い値を示した。
＜比較例１：ペンタセン（Pentacene）を用いた垂直型有機薄膜トランジスタの製造＞
ＩＴＯを化学的にパターニングした後、その上部に、厚さ１，０００Åのペンタセン、厚さ１００Åのアルミニウム電極、厚さ１，０００Åのペンタセン、および、厚さ１，０００Åのアルミニウム電極の順に真空（１×１０-6Ｔｏｒｒ）状態で垂直型に蒸着して垂直型有機薄膜トランジスタ（比較例１）を製造した。得られた垂直型有機薄膜トランジスタ（比較例１）の電流−電圧特性を評価してその結果を図７ａおよび図７ｂにそれぞれ示した。
図７ａは、ゲート電圧Ｖｇを種々の値（Ｖｇ＝０，４，６，８，１０，１４，２０Ｖ）に変化させた場合について、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。また、図７ｂは、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓを１０Ｖとした場合について、ゲート電圧Ｖｇとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。
図７ａおよび図７ｂの結果より確認されるように、ペンタセンのように誘電率が３未満の他の種類のｐ型活性有機物質を用いて製造された垂直型有機薄膜トランジスタ（比較例１）の場合には、電流−電圧特性が減少型(depletion type)を示す。
＜比較例２：Ａｌ金属電極のみを用いた銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）物質の垂直型有機薄膜トランジスタの製造＞
マスクを用いてアルミニウムを１０００Åの厚さに蒸着した後、その上部に、厚さ１，０００Åの銅フタロシアニン、厚さ１００Åのアルミニウム電極、厚さ１，０００Åの銅フタロシアニン、および、厚さ１，０００Åのアルミニウム電極の順に真空（１×１０-6Ｔｏｒｒ）状態で垂直型に蒸着して垂直型有機薄膜トランジスタ（比較例２）を製造した。得られた垂直型有機薄膜トランジスタ（比較例２）の電流−電圧特性を評価してその結果を図８ａおよび図８ｂにそれぞれ示した。
図８ａは、ゲート電圧Ｖｇを種々の値（Ｖｇ＝０，１，２，３，５，８，２０Ｖ）に変化させた場合について、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。また、図８ｂは、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓを１０Ｖとした場合について、ゲート電圧Ｖｇとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。
図８ａおよび図８ｂの結果より確認されるように、陰極（ドレイン電極）と陽極（ソース電極とゲート電極）を仕事関数の同じ金属（アルミニウム）で製造する場合、増加型電流−電圧特性が得られなかった。
＜実施例１２：垂直型有機発光トランジスタの製造＞
ＩＴＯを化学的にパターニングした後、その上部に、厚さ１，０００Åの銅フタロシアニン、厚さ１００Åの銅アルミニウム電極、厚さ１，０００Åの銅フタロシアニン、厚さ８００ÅのＡｌｑ3（発光有機物層）、および、厚さ１，０００Åのアルミニウム電極の順に真空（１×１０-6Ｔｏｒｒ）状態で垂直型に蒸着して垂直型有機発光トランジスタ２（実施例１２）を製造した。得られた垂直型有機発光トランジスタ（実施例１２）の電流−電圧特性を評価してその結果を図９ａおよび図９ｂにそれぞれ示した。
図９ａは、ゲート電圧Ｖｇを種々の値（Ｖｇ＝０，６，１２，１４，１６，１８，２０Ｖ）に変化させた場合について、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとソース−ドレイン電流との関係を調べた結果のグラフ（電流−電圧特性）を示している。また、図９ｂは、ゲート電圧Ｖｇを図９の（ａ）に示した条件で変化させた場合について、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓと発光効率との関係を調べた結果のグラフ（効率−電圧特性）を示している。
図９ａおよび図９ｂの結果より確認されるように、垂直型有機発光トランジスタ（実施例１２）によって発光素子のオン−オフ駆動が可能であることが分かる。特に、垂直型有機発光トランジスタ（実施例１２）は、増加型電流−電圧特性によって、ゲート電圧Ｖｇが「２０Ｖ」の場合に、非常に高い発光効率（０．９１％）を示すことを確認できる。
本発明の実施形態に係る垂直型有機薄膜トランジスタの一例を示す概略断面図である。 図１に示した垂直型有機薄膜トランジスタの平面図である。 図１に示した垂直型有機薄膜トランジスタのゲート電極の微細パターン形成のための金属マスクの構成図である。 本発明の実施形態に係る垂直型有機発光トランジスタの一例を示す概略断面図である。 実施例１の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ドレイン−ソース電圧）。 実施例１の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ゲート電圧）。 実施例２の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ドレイン−ソース電圧）。 実施例２の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ゲート電圧）。 比較例１の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ドレイン−ソース電圧）。 比較例１の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ゲート電圧）。 比較例２有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ドレイン−ソース電圧）。 比較例２の有機垂直型薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである（ゲート電圧）。 実施例１２の垂直型有機発光トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。 実施例１２の垂直型有機発光トランジスタの発光特性を示すグラフである。
符号の説明
１ 垂直型有機薄膜トランジスタ
２ 垂直型有機発光トランジスタ
１０ 基板
２０ ソース電極
３０ 第１ｐ型有機半導体層（活性層）
４０ ゲート電極
４１ 金属マスク
５０ 第２ｐ型有機半導体層（活性層）
６０ ドレイン電極
７０ 発光有機物層

Claims (20)

  1. 垂直型有機薄膜トランジスタにおいて、
    活性層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、
    ソース電極は、ドレイン電極を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成される、
    ことを特徴とする垂直型有機薄膜トランジスタ。
  2. 基板、ソース電極、前記ｐ型活性有機半導体化合物からなる第１ｐ型有機半導体層、ゲート電極、前記ｐ型活性有機半導体化合物からなる第２ｐ型有機半導体層およびドレイン電極が順次積層された構造を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  3. 前記第１ｐ型有機半導体層および第２ｐ型有機半導体層を形成するｐ型活性有機半導体化合物が、式（１）で示される金属フタロシアニン系化合物であることを特徴とする請求項２に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
    Figure 2006191044
     （式中、ＭはＣｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、ＦｅおよびＣｏよりなる群から選ばれた金属原子である）
  4. 前記活性層の厚さが８００〜１，２００Åである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  5. 前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、金、銀、クロム、タンタル、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、パラジウム、白金、錫、これら金属の酸化物、ＩＴＯ(indium tin oxide)および伝導性高分子よりなる群から選ばれた材料で構成される、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  6. 前記伝導性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、およびポリチアジルよりなる群から選ばれるものである、
    ことを特徴とする請求項５に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  7. 前記ソース電極がＩＴＯ電極であり、前記ドレイン電極がアルミニウム電極である、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  8. 前記ゲート電極がグリッド型であることを特徴とする請求項２に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  9. 前記基板は、ガラス、シリコン、水晶、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリノルボルネンおよびポリエーテルスルホンよりなる群から選ばれた材料で構成される、
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の垂直型有機薄膜トランジスタ。
  10. 基板、ソース電極、第１ｐ型有機半導体層、ゲート電極、第２ｐ型有機半導体層、発光有機物層およびドレイン電極が順次積層された垂直型有機発光トランジスタであって、
    前記第１ｐ型有機半導体層および第２ｐ型有機半導体層は、誘電率が３．５以上であるｐ型活性有機半導体化合物からなり、
    前記ソース電極は、ドレイン電極を形成する金属の仕事関数値と異なる仕事関数値を有する金属から形成される、
    ことを特徴とする垂直型有機発光トランジスタ。
  11. 前記ｐ型活性有機半導体化合物が、式（１）で示される金属フタロシアニン系化合物であることを特徴とする請求項１０に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
    Figure 2006191044
     （式中、ＭはＣｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、およびＣｏよりなる群から選ばれた金属原子である）
  12. 前記第１ｐ型有機半導体層および第２ｐ型有機半導体層の厚さが１，０００Åであることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  13. 前記発光有機物層が、スピロ−ＴＡＤ、スピロ−ＮＰＢ、ｍＭＴＤＡＴＡ、スピロ−ＤＰＶＢｉ、ＤＰＶＢｉ、Ａｌｑ、Ａｌｑ3(aluminum tris(8-hydroxyquinoline))、Ａｌｍｇ3およびこれらの誘導体よりなる群から選ばれた物質を含む、
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  14. 前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、金、銀、クロム、タンタル、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、パラジウム、白金、錫、これら金属の酸化物、ＩＴＯ(indium tin oxide)および伝導性高分子よりなる群から選ばれた材料で構成される、
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  15. 前記伝導性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、およびポリチアジルよりなる群から選ばれるものである、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  16. 前記ソース電極がＩＴＯ電極であり、前記ドレイン電極がアルミニウム電極である、
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  17. 前記ゲート電極がグリッド型であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１６のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  18. 前記基板は、ガラス、シリコン、水晶、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリノルボルネンおよびポリエーテルスルホンよりなる群から選ばれた材料で構成される、
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１７のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタ。
  19. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の垂直型有機薄膜トランジスタを用いて製作されるディスプレイ素子。
  20. 請求項１０乃至請求項１８のいずれか一項に記載の垂直型有機発光トランジスタを用いて製作されるディスプレイ素子。
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