JP2006269323A - 有機半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 有機薄膜トランジスタと発光素子の機能を兼ね備えた縦型の有機半導体装置であって、そのゲート電極を有機導電膜で形成した場合において、有機薄膜トランジスタとしても、発光素子としても変調特性が得られる有機半導体装置、およびその作製方法を提供する。
【解決手段】 本発明では、上記課題を解決する為に有機薄膜トランジスタのソース電極、ドレイン電極として機能し、かつ発光素子の陽極、陰極として機能する一対の電極間に有機半導体膜を挟み、さらに有機半導体膜の間にゲート電極として機能する薄膜化された有機導電膜を挟み、有機導電膜の一部が補助電極と電気的に接続された縦型の有機半導体装置を形成することにより、有機薄膜トランジスタとしても、発光素子としても変調特性が得られる有機半導体装置を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、縦型の有機半導体装置に関する。特に有機薄膜トランジスタおよび発光素子としての機能を有する複合型の有機半導体装置に関する。
有機薄膜トランジスタは、活性層に有機半導体膜を用いて形成される駆動素子であり、有機半導体材料を用いることにより軽量化が可能であることから、次世代の携帯用の電子機器や大画面のディスプレイ等への実用化が期待されている。
また、有機薄膜トランジスタの中でも縦型構造のものは、活性層の垂直方向に電流を流す構造であることから、膜厚方向への電流を制御することになり、チャネル長を短くすることが容易である。そのため、高抵抗、低移動度の有機半導体膜を用いた場合であっても大きな電流密度と高い動作速度の実現が可能である。
なお、縦型構造の有機薄膜トランジスタとしては、一対の電極で挟まれた有機半導体層の間にメッシュ状のゲート電極を挟んだ構造が知られており、その材料として金属材料の他、導電性高分子材料等が用いられている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、ゲート電極を金属材料で形成する場合には、素子特性を安定化させる為の形状の最適化が困難であったり、導電性高分子材料等の有機導電膜を用いる場合には、十分な変調特性が得られないといった問題を有している。
さらに、有機薄膜トランジスタの有機半導体層が発光を呈する複合型の有機半導体装置の場合にも発光輝度や量子効率に対する変調特性が得られないという問題を有している。
特開2004−128028号公報
本発明では、有機薄膜トランジスタと発光素子の機能を兼ね備えた複合型の縦型有機半導体装置であって、そのゲート電極を有機導電膜で形成した場合において、有機薄膜トランジスタとしても、発光素子としても変調特性が得られる有機半導体装置、およびその作製方法を提供することを目的とする。
本発明では、上記課題を解決する為に有機薄膜トランジスタのソース電極、ドレイン電極として機能し、かつ発光素子の陽極、陰極として機能する一対の電極間に有機半導体膜を挟み、さらに有機半導体膜の間にゲート電極として機能する薄膜化された有機導電膜を挟み、有機導電膜の一部が補助電極と電気的に接続された縦型の有機半導体装置を形成する。なお、縦型の有機半導体装置は、有機薄膜トランジスタとしても、発光素子としても変調特性が得られる有機半導体装置を提供する。なお、発光素子として機能する場合には、有機半導体膜の一部または全部に発光性の材料を用いる必要がある。
なお、本発明の構成は、第1の電極と、前記第1の電極に接して形成された第1の有機半導体膜と、前記第1の有機半導体膜に接して形成された第2の有機半導体膜と、前記第2の有機半導体膜に接して形成された有機導電膜と、前記有機導電膜に接して形成された第2の電極と前記有機導電膜に接して形成された第3の有機半導体膜と、前記第3の有機半導体膜に接して形成された第3の電極とを有し、前記第2の電極は前記第1の電極および前記第3の電極と重ならない位置に形成され、前記第3の電極は、前記第1の電極と重なる位置に形成されることを特徴とする有機半導体装置である。
上記構成において、前記有機導電膜は、10〜30nmの膜厚であることを特徴とする。有機導電膜は、第2の有機半導体層および第3の有機半導体層との界面のバンドベンディングを起こすために形成されるため、それを可能とする膜厚にする必要がある。なお、有機導電膜の膜厚が厚くなると電圧が印加された場合に界面に寄与する電圧が小さくなるため、バンドを曲げる効果が小さくなり、電極として十分な機能が得られない。
また、前記第2の有機半導体膜および前記第3の有機半導体膜には、バイポーラ性の有機化合物を用いることができ、さらにこれらの膜の一方、もしくは両方にドーパントが含まれていることを特徴とする。
また、ドーパントには、1,1,4,4−テトラフェニル−1,3−ブタジエン:[TPB]、ペリレン、クマリン6、ルブレン、4−ジシアノメチレン−2−メチル−6−(p−ジメチルアミノ−スチリル)−4H−ピラン:[DCM1]等を用いることができる。
また、上記構成において、前記有機導電膜の一部は前記第2の有機半導体膜の凹部に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の有機半導体装置は、前記有機導電膜から印加される電圧によって前記第1の電極および前記第3の電極間の電流量が変調可能であることを特徴とする。
さらに本発明の有機半導体装置は、前記有機導電膜から印加される電圧によって前記第2の有機半導体層もしくは前記第3の有機半導体層における発光輝度が変調可能であることを特徴とする。
さらに、本発明の構成は上述した有機半導体装置の作製方法であって、基板上に第1の電極を形成し、前記第1の電極上に第1の溶液を塗布して第1の有機半導体膜を形成し、前記第1の有機半導体膜上に第2の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより、第2の有機半導体膜を形成し、前記第2の有機半導体膜上に前記第2の有機半導体膜の表面状態を変えるために第3の溶液を塗布し、前記第2の有機半導体膜上に第4の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより有機導電膜を形成し、前記有機導電膜上に第5の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより第3の有機半導体膜を形成し、前記第3の有機半導体膜の一部を除去し、露出した前記有機導電膜上の一部であって前記第1の電極と重ならない位置に第2の電極を形成し、前記第2の有機半導体膜上であって前記第1の電極と重なる位置に第3の電極を形成することを特徴とする有機半導体装置の作製方法である。
なお、上記構成において、前記第2の溶液および前記第5の溶液は、同一の有機化合物を含むことを特徴とする。さらに好ましくは、前記第2の溶液および前記第5の溶液には、ポリ(2−(2’−エチル−ヘキソキシ)−5−メトキシ−1,4−フェニレンビニレン):poly[2−methoxy−5−(2’−ethylhexyloxy)−1,4−phenylenevinylene]:[MEH−PPV]を含み、前記第4の溶液には、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン):poly(3,4−ethylenedioxythiophene):[PEDOT]およびポリエチレンスルフォン酸(stylene sulfonate)を含むことを特徴とする。
また、本発明の有機半導体装置の作製において、前記第1の溶液、前記第2の溶液、前記第3の溶液、前記第4の溶液、および前記第5の溶液は、液滴吐出法、インクジェット法、スピンコート法、およびディップ法のいずれか一の方法により塗布されることを特徴とする。
本発明を実施することにより、一対の電極間に有機材料のみが挟まれた構造を有する縦型の有機半導体装置であって、有機薄膜トランジスタと発光素子の機能を併せ持つ複合型の有機半導体装置を作製することができる。なお、本発明の有機半導体装置は、有機薄膜トランジスタとしても発光素子としても十分な変調特性を備えている。
以下に、本発明の一態様について図面等を用いながら詳細に説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
(実施の形態1)
本実施の形態1では、本発明の有機半導体装置のうち、縦型構造の有機薄膜素子の構造について図1を用いて説明する。
なお、ここで説明する縦型構造の有機薄膜素子は、有機薄膜トランジスタとしての機能だけでなく、発光素子としての機能も有している。すなわち、有機薄膜トランジスタにおけるソース電極とドレイン電極間には、発光を呈する有機半導体膜が設けられており、さらに有機半導体膜の間に設けられた有機導電膜は、有機薄膜トランジスタのゲート電極として機能する。
図1に示すように基板101上に第1の電極102が形成されている。なお、第1の電極102は、基板101上の一部に形成されており、本実施の形態1の場合には、縦型構造の有機薄膜素子のドレイン電極として機能すると共に発光素子の陽極としても機能する。
基板101には、ガラス、石英、透明プラスチックなどからなるものを用いることができる。また、第1の電極102には、導電性の材料を用いることができるが発光素子の陽極として機能する場合には、仕事関数の大きい(仕事関数4.0eV以上)金属、合金、およびこれらと導電性の材料とを積層した膜を用いることが好ましい。なお、陽極材料の具体例としては、ITO(indium tin oxide)等を用いることができる。
第1の電極102および基板101上には、第1の有機半導体膜103が形成されており、第1の有機半導体膜103は、第1の電極102からの正孔の注入性を向上させる機能を有している。具体的には、poly(3,4−ethylenedioxythiophene)(:PEDOT)やポリアニリン(:PANI)と、アクセプター材料であるショウノウスルホン酸(CSA)やポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合物等が用いられる。なお、第1の有機半導体膜103の膜厚は、10〜30nmであることが好ましい。
第1の有機半導体膜103上には、第2の有機半導体膜104が形成されている。第2の有機半導体膜104は、縦型構造の有機薄膜素子におけるチャネル領域として機能する。なお、第2の有機半導体膜104は、バイポーラ性の材料、もしくは正孔(ホール)を輸送する機能を有する正孔輸送性の材料を用いて形成する。また、これらの材料が発光性の材料(例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリチオフェン誘導体等)、もしくはドーパント(例えば、TPD(1,1,4,4,−Tetraphenyl−1,3−butadiene)、ペリレン、クマリン6、ルブレン、DCM1等)を含む材料である場合には、第2の有機半導体膜104は、縦型構造の有機薄膜素子における発光領域としても機能する。
第2の有機半導体膜104を形成する材料としては、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリチオフェン誘導体等を用いることができる。なお、第2の有機半導体膜104の膜厚は、50〜80nmであることが好ましい。
第2の有機半導体膜104上には、有機導電膜105が形成される。有機導電膜105は、縦型構造の有機薄膜素子におけるゲート電極として機能する。なお、有機導電膜105の膜厚は1〜30nmと他の膜に比べて膜厚が薄く、また第2の有機半導体膜104の膜表面に凹部が存在することから部分的に不連続な網目状(メッシュ状)の膜である。
有機導電膜105上には、第3の有機半導体膜106が形成される。第3の有機半導体膜106は、縦型構造の有機薄膜素子におけるチャネル領域として機能する。なお、第3の有機半導体膜106は、バイポーラ性の材料、もしくは電子を輸送する機能を有する電子輸送性の材料を用いて形成する。また、これらの材料が発光性の材料、もしくはドーパントを含む材料である場合には、第3の有機半導体膜106は、縦型構造の有機薄膜素子における発光領域としても機能する。
なお、第3の有機半導体膜106を形成する材料および用いるドーパントは第2の有機半導体膜104と同じ材料を用いることができる。また、第3の有機半導体膜106の膜厚は、50〜80nmであることが好ましい。
また、有機導電膜105上の第3の有機半導体膜106が形成されていない部分には、第2の電極107が形成されている。なお、第2の電極107は、第1の電極102とは重ならない位置に形成されており、有機導電膜105の補助電極として機能する。
第2の電極107を形成する材料としては、導電性の材料(例えばAl、PEDOT:PSS等)を用いることができる。なお、第2の電極107の膜厚は、50〜100nmであることが好ましい。
また、第3の有機半導体膜106上の第1の電極102と重なる位置には、第3の電極108が形成されている。第3の電極108は、本実施の形態1において、縦型構造の有機薄膜素子におけるソース電極として機能するとともに発光素子の陰極としても機能する。そのため、第3の電極108の形成には、導電性の材料(Al、Ta等)の他、仕事関数の小さい(仕事関数3.8eV以下)金属、合金、およびこれらと導電性の材料とを積層した膜を用いることが好ましい。
なお、仕事関数の小さい金属、合金の具体例としては、元素周期律の1族または2族に属する元素、すなわちLiやCs等のアルカリ金属、およびMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金(Mg:Ag、Al:Li)等が挙げられる。
本発明の縦型構造の有機薄膜素子は、第2の電極107および有機導電膜105から印加された電圧により、第1の電極102と第3の電極108との間に流れる電流量を変調させることができる。さらに、第2の有機半導体膜104または第3の有機半導体膜106のいずれか一方、または両方に発光性の材料を用いた場合には、第2の電極107および有機導電膜105から印加された電圧により、これらを含む有機半導体膜における発光輝度を変調させることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態2では、本発明の有機半導体装置のうち、縦型の有機薄膜素子の作製方法について、図2、図3を用いて説明する。
まず、基板201上に第1の導電層202を形成する。なお、第1の導電膜は、真空蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。また、膜厚は、100〜200nmの膜厚で形成すると良い(図2(A))。
なお、本実施の形態2では、第1の導電層202は、有機薄膜トランジスタのドレイン電極として機能し、さらに発光素子の陽極として機能することから、材料として導電性の材料の他、仕事関数の大きい(仕事関数4.0eV以上)金属、合金、およびこれらと導電性の材料とを積層したもの(例えば、ITO(indium tin oxide))等を用いることが好ましい。
次に第1の導電層202の一部をエッチングにより除去して、第1の電極203を形成する。ここでのエッチングには、第1の導電層202に用いた材料をエッチングできる材料(例えば、王水等)を用いればよい。
次に、基板201および第1の電極203上に第1の有機半導体膜204を形成する(図2(B))。ここでは、第1の有機半導体膜204の膜厚は、10〜30nmとするのが好ましい。なお、形成方法としては、スピンコート法、インクジェット法、液滴吐出法、ディップ法などの塗布法を用いることができる。また、本実施の形態2において、第1の有機半導体膜204は、正孔注入性を有する材料を含む溶液を用いて形成する。正孔注入性を有する材料としては、例えばPEDOT等を用いることができる。なお、正孔注入性を有する材料を含む溶液を塗布した後、180〜200℃で5〜10分間乾燥させる必要がある。
次に第1の有機半導体膜204上に第2の有機半導体膜205を形成する(図2(C))。ここでは、第2の有機半導体膜205の膜厚は、50〜80nmとするのが好ましい。なお、第2の有機半導体膜205も第1の有機半導体膜204と同様に塗布法を用いて形成する。本実施の形態2において、第2の有機半導体膜205は、バイポーラ性または正孔輸送性を有する材料を含む溶液を塗布することにより形成する。
バイポーラ性もしくは正孔輸送性を有する材料としては、例えばポリ(パラフェニレンビニレン)の誘導体であるpoly(2,5−dialkoxy−1,4−phenylenevinylene)[RO−PPV]、poly[2−methoxy−5−(2’−ethylhexyloxy)−1’4−phenylenevinylene][MEH−PPV]、poly(2−dialkoxyphenyl−1,4−phenylenevinylene)[ROPh−PPV]、poly[2−methoxy−5−(2’−ethylhexyloxy)−1,4−(1−cyanovinylene)phenylenevinylene]:[CN−PPV]、poly(2,5−dihexyloxy−1,4−phenylenevinylene)の他、ポリパラフェニレンの誘導体であるpoly(2,5−dialkoxy−1,4−phenylene:[RO−PPP]、poly[2−methoxy−5−(2’−ethylhexyloxy)−1,4−(1−cyanovinylene)phenylene]:[CN−PPP]、poly(2,5−dihexyloxy−1,4−phenylenevinylene)、ポリチオフェンの誘導体であるpoly(3−alkylthiophene):[PAT]、poly(3−hexylthiophene):[PHT]、poly(thienylenevinylene):[PTV]、poly(3−cyclohexythiophene:[PCHT]、poly(3−cyclohexyl−4−methylthiophene):[PCHMT]、poly(3,4−dicyclohexylthiophene:[PDCHT]、poly[3−(4−octylphenyl)−thiophene]:[POPT]、poly(3−(4−octylphenyl)−2,2−bithiophene):[PTOPT]、poly(3−(2,5−octylbiphenyl)−thiophene):[PDOPT]、ポリフルオレンの誘導体であるpoly(9,9−dialkylfluorene):[PDAF]、poly(9,9−dioctylfluorene):[PDOF]、poly[9,9−di(ethylhexyl)fluorene]:[PF2/6]、poly(9,9−dioctylfluorene−bithiophene):[F8T2]等を用いることができる。
なお、バイポーラ性または正孔輸送性を有する材料を塗布した後、60〜80℃で2.5〜3時間乾燥させる必要がある。
次に第2の有機半導体膜205上に第1の溶液206を塗布する(図2(D))。第1の溶液206を塗布することにより、第2の有機半導体膜205表面状態を変えることができる。従って、第1の溶液206としては、ヘキサンやヘプタンなどを用いる。
次に第2の有機半導体膜205上に有機導電膜207を形成する(図3(A))。ここでは、有機導電膜207の膜厚は、1〜30nmとするのが好ましく、より好ましくは10〜30nmとする。なお、有機導電膜207も第1の有機半導体膜204と同様に塗布法を用いて形成する。本実施の形態2において、有機導電膜207は、導電性高分子材料を含む溶液を塗布することにより形成する。導電性高分子材料としては、例えばPEDOT:PSS等を用いることができる。
なお、導電性高分子材料を含む溶液を塗布した後、60〜80℃で1時間乾燥させればよい。
次に有機導電膜207上に第3の有機半導体膜208を形成する(図3(B))。ここでは、第3の有機半導体膜208の膜厚は、50〜80nmとするのが好ましい。なお、第3の有機半導体膜208も第1の有機半導体膜204と同様に塗布法を用いて形成する。本実施の形態2において、第3の有機半導体膜208は、バイポーラ性または電子輸送性を有する材料を含む溶液を塗布することにより形成する。バイポーラ性または電子輸送性を有する材料としては、第2の有機半導体膜を形成する材料として上述したものと同様の材料を用いることができる。
なお、バイポーラ性または電子輸送性を有する材料を含む溶液を塗布した後、60〜80℃で1時間乾燥させればよい。
次に第3の有機半導体膜208の一部をエッチングにより除去する(図3(C))。なお、ここで除去するのは、第3の有機半導体膜208のうちの第1の電極203と重ならない部分である。エッチングには、第3の有機半導体膜208に用いた材料をエッチングできる材料(例えば、トルエン等)を用いればよい。
次にエッチングにより露出した有機導電膜207上にマスクを用いて第2の電極209を形成する(図3(D))。第2の電極209は、有機導電膜207と電気的に接続され、補助電極として機能する。ここでは、第2の電極209の膜厚は、50〜100nmとするのが好ましい。
なお、第2の電極209の形成には、真空蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。
さらに第3の有機半導体膜208上であって、第1の電極203と重なる位置に第3の電極210を形成する。ここでは、第3の電極210の膜厚は、50〜200nmとするのが好ましい。なお、第3の電極210も第2の電極209と同様に真空蒸着法やスパッタリング法などを用いて形成することができる。
本実施の形態2では、第3の電極210は、有機薄膜トランジスタのソース電極として機能し、さらに発光素子の陰極として機能することから、材料として導電性の材料(例えばAl、Ti、Ta等)の他、仕事関数の小さい(仕事関数3.5eV以下)金属(Ca、Sr、Ba等)、合金、およびこれらと導電性の材料とを積層した膜を用いることが好ましい。また、第2の電極209に用いる材料の具体例としては、Al、Ti、Ta等の導電性材料等が挙げられる。
以上により、縦型の有機薄膜素子を形成することができる。
本実施例では、実施の形態2で説明した作製方法に基づき作製した縦型の有機薄膜素子について示す。
本実施例では、ガラス基板上に導電膜としてITO(indium tin oxide)からなる膜を真空蒸着法により110nmの膜厚で成膜し、導電膜の表面をアセトン、2−プロパノールで十分洗浄した後、導電膜の一部を王水によりエッチングする。これにより、第1の電極が形成される。エッチング後はアセトン、2−プロパノールで再度洗浄し、UVオゾンクリーニングを行う。
なお、本実施例において、第1の電極は、有機薄膜素子を有機薄膜トランジスタとしてみた場合のドレイン電極として機能すると共に、発光素子としてみた場合の陽極としても機能する電極である。
次にガラス基板および第1の電極上にポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(:poly(3,4−ethylenedioxythiophene:PEDOT):ポリエチレンスルフォン酸(PSS)混合溶液と2−プロパノールの混合溶液((PEDOT:PSS):2−プロパノール=1:3)をスピンコート法により塗布し、その後、大気中で200℃、10分間乾燥させる。これにより、正孔注入性を有する第1の有機半導体膜を形成する。なお、本実施例では、第1の有機半導体膜の膜厚は30nmとする。
次にトルエンにポリ[2−メトキシ−5−(2’−エチルヘキシロキシ)−1,4−フェニレンビニレン]:poly[2−methoxy−5−(2’−ethylhexyloxy)−1,4−phenylenevinylene]:[MEH−PPV]を1wt%溶かして作製したMEH−PPV溶液をスピンコート法により塗布し、その後、窒素雰囲気中で60〜70℃、2.5時間乾燥させる。これによりバイポーラ性を有する第2の有機半導体膜を形成する。なお、本実施例では、第2の有機半導体膜の膜厚は50〜80nmとする。
図4(A)、(B)には、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で観察した第2の有機半導体膜の表面写真を示す。また、第2の有機半導体膜表面の平均粗さ(RMS:Root Mean Square)を測定したところ、3.60nmであった。この結果、第2の有機半導体膜の表面に多くの凹凸が存在する様子がわかる。
次に第2の有機半導体膜上にヘキサンをスピンコート法により塗布する。図4(C)(D)にヘキサン塗布後のAFMの表面写真を示す。また、ここでの第2の有機半導体膜表面の平均粗さ(RMS)を測定したところ、2.90nmであった。これにより、第2の有機半導体膜の表面状態がヘキサン塗布により変化した様子を確認することができる。
さらに、PEDOT:PSS混合溶液、ヘキサン、2−プロパノールの混合溶液をスピンコート法により塗布する。なお、ここで用いる混合溶液は、ヘキサンと2−プロパノールの混合液(混合比は、ヘキサン:2−プロパノール=1:10である)とPEDOT:PSS混合溶液との混合比が3:1の溶液である。
塗布後、窒素雰囲気中で70℃、1h乾燥させる。これにより導電性を有し、有機薄膜素子のゲート電極として機能する有機導電膜を形成することができる。なお、本実施例では、有機導電膜の膜厚は20nmとする。図4(E)(F)にAFMの表面写真を示す。表面写真からは、先に形成された第2の有機半導体膜の隙間に入り込むように有機導電膜が形成される様子が確認できる。なお、有機導電膜は、他の膜に比べて薄膜であり、凹部を有する膜表面に形成されるため部分的に不連続な部分を有する状態(メッシュ状)に形成される。なお、第3の有機導電膜表面の平均粗さ(RMS)を測定したところ、1.45nmであった。
次に第2の有機半導体膜の作製に用いたものと同じMEH−PPV溶液をスピンコート法により塗布し、その後、窒素雰囲気中で60〜80℃、1時間乾燥させる。これによりバイポーラ性を有する第3の有機半導体膜を形成することができる。なお、本実施例では、第3の有機半導体膜の膜厚は50〜80nmとする。
次に第3の有機半導体膜の一部(第1の電極と重ならない位置にある部分)をエッチングして除去し、有機導電膜を部分的に露出させる。なお、本実施例では、トルエンを用いて有機導電膜の一部をエッチングすることとする。
露出した有機導電膜上にマスクを用いて真空蒸着法により第2の電極を形成する。なお、本実施例ではAlを用いて膜厚100nmで第2の電極を形成する。これにより、先に形成された有機導電膜と電気的に接続され、その補助電極として機能する第2の電極を形成することができる。
次に第3の有機半導体膜上で、第1の電極と重なる位置にマスクを用いて真空蒸着法により第3の電極を形成する。なお、本実施例の第3の電極は、Ca(30nm)とAl(70nm)を積層して形成する。本実施例において、第3の電極は、有機薄膜素子を有機薄膜トランジスタとしてみた場合のソース電極として機能すると共に、発光素子としてみた場合の陰極としても機能する電極である。
本実施例では、実施例1で示した素子構造を有する縦型の有機薄膜素子の電気特性について測定した結果を示す。なお、素子構造および作製方法に関しては、実施例1と同様であるが、膜厚に関しては測定条件により異なるものを用いる。
図5(A)には、実施例1と同様の素子構造で、第1の電極の膜厚を110nm、第1の有機半導体膜の膜厚を30nm、第2の有機半導体膜の膜厚を45nm、有機導電膜の膜厚を50nm、第3の有機半導体膜の膜厚を50nm、第2の電極の膜厚を100nm、第3の電極の膜厚を100nm(Al:70nm/Ca:30nm)である有機薄膜素子の電圧−電流密度特性についての測定結果を示す。なお、横軸には、第1の電極−第3の電極間(:ソース−ドレイン間)の電圧(Vd)をとり、縦軸には、第1の電極−第3の電極間(:ソース−ドレイン間)の電流密度(Jd)をとる。この場合には、有機導電膜から印加される電圧に伴う変調特性は確認されない。
これに対して、図5(B)に示すように図5(A)の有機薄膜素子のうち有機導電膜の膜厚のみを20nmとした場合における有機薄膜素子は、有機導電膜から印加される電圧に伴う変調特性が確認できる。また、図5(B)には、縦軸に第3の電極−有機導電層間(ソース電極−ゲート電極間)の電流密度(Jd)も示している。このデータからは、第3の電極−有機導電層間に流れる電流は微少であり、第1の電極−第3の電極間(:ソース電極−ドレイン電極間)電流に寄与していないことがわかる。従って、有機導電層(ドレイン電極)には、電界のみが寄与していることがわかる。
なお、有機導電膜は、第2の有機半導体層および第3の有機半導体層との界面のバンドベンディングを起こすために形成されるため、それを可能とする膜厚、上記結果からも分かるように好ましくは1〜30nm、より好ましくは10〜30nmとするのがよい。なお、図5(A)において変調特性が得られなかったのは、有機導電膜の膜厚が厚くなると電圧が印加された場合に界面に寄与する電圧が小さくなるため、バンドを曲げる効果が小さくなり、電極として十分な機能が得られないことによるものである。
さらに、図5(C)に示すように第2の有機半導体膜および第3の有機半導体膜の膜厚を厚くして、第2の有機半導体膜の膜厚を60nm、有機導電膜の膜厚を20nm、第3の有機半導体膜の膜厚を65nmとする場合には、図5(B)の場合よりもより安定した変調特性が確認できる。第2の有機半導体膜および第3の有機半導体膜の膜厚が、45nmを超える場合には整流性を持つ変調特性が確認できる。なお、第2の有機半導体膜および第3の有機半導体膜の膜厚は、同程度であることが好ましい。
第2の有機半導体膜および第3の有機半導体膜の膜厚が80nmを超える場合には、変調特性を確認できなくなる。また、有機導電膜の膜厚も、40nmを超える場合には変調特性を確認することができない。
図6(A)には、実施例1と同様の素子構造で、第1の電極の膜厚を110nm、第1の有機半導体膜の膜厚を30nm、第2の有機半導体膜の膜厚を65nm、有機導電膜の膜厚を20nm、第3の有機半導体膜の膜厚を60nm、第2の電極の膜厚を100nm、第3の電極の膜厚を100nm(Al:70nm/Ca:30nm)である有機薄膜素子のゲート電圧とソース−ドレイン間電流の関係について測定結果を示す。ゲート電圧を変化させることによってドレイン電流が変調可能であることが確認できる。なお、相互コンダクタンスgm=δId/δVgは、1.7×10-5Sである。
また、同様の素子について、ドレイン電圧に対する第3の有機半導体膜から得られる発光の発光輝度についてゲート電圧を変化させて測定した結果を図6(B)に示す。なお、図6(B)において、横軸には、第2の電極および有機導電膜から印加される電圧(Vg)をとり、縦軸には、第3の有機半導体膜から得られる発光の発光輝度をとる。図6(A)の場合と同様にゲート電圧を変化させることにより輝度が変調可能であることが確認できる。
さらに、同様の素子において、ドレイン電流密度(Jd)に対する有機薄膜素子の外部量子効率についてゲート電圧を変化させて測定した結果を図6(C)に示す。この結果から、ゲート電圧を変化させることにより外部量子効率が変調可能であることが確認できる。
以上の結果から、有機導電膜をゲート電極に用いた縦型構造の有機薄膜素子は、ゲート電圧を印加することにより有機薄膜トランジスタの場合におけるソース−ドレイン間電流を変調させることができると共に、発光素子の場合における輝度や量子効率を変調させることから有機薄膜トランジスタおよび発光素子としての機能を兼ね備えた複合型の有機薄膜素子であるといえる。
縦型構造の有機薄膜素子の素子構造について説明する図。 縦型構造の有機薄膜素子の作製方法について説明する図。 縦型構造の有機薄膜素子の作製方法について説明する図。 実施例1の有機薄膜のAFM写真を示す図。 縦型構造の有機薄膜素子の電気特性データを示す図。 縦型構造の有機薄膜素子の電気特性データを示す図。
符号の説明
101 基板
102 第1の電極
103 第1の有機半導体膜
104 第2の有機半導体膜
105 有機導電膜
106 第3の有機半導体膜
107 第2の電極
108 第3の電極
201 基板
202 第1の導電層
203 第1の電極
204 第1の有機半導体膜
205 第2の有機半導体膜
206 第1の溶液
207 有機導電膜
208 第3の有機半導体膜
209 第2の電極
210 第3の電極

Claims (19)

  1. 第1の電極と、
    前記第1の電極に接して形成された第1の有機半導体膜と、
    前記第1の有機半導体膜に接して形成された第2の有機半導体膜と、
    前記第2の有機半導体膜に接して形成された有機導電膜と、
    前記有機導電膜に接して形成された第2の電極と
    前記有機導電膜に接して形成された第3の有機半導体膜と、
    前記第3の有機半導体膜に接して形成された第3の電極とを有することを特徴とする有機半導体装置。
  2. 第1の電極と、
    前記第1の電極に接して形成された第1の有機半導体膜と、
    前記第1の有機半導体膜に接して形成された第2の有機半導体膜と、
    前記第2の有機半導体膜に接して形成された有機導電膜と、
    前記有機導電膜に接して形成された第2の電極と
    前記有機導電膜に接して形成された第3の有機半導体膜と、
    前記第3の有機半導体膜に接して形成された第3の電極とを有し、
    前記第2の電極は前記第1の電極および前記第3の電極と重ならない位置に形成され、前記第3の電極は、前記第1の電極と重なる位置に形成されることを特徴とする有機半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2において、
    前記有機導電膜は、10〜30nmの膜厚であることを特徴とする有機半導体装置。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
    前記第2の有機半導体膜および前記第3の有機半導体膜は、バイポーラ性を有する有機化合物からなることを特徴とする有機半導体装置。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
    前記第2の有機半導体膜および前記第3の有機半導体膜の一方、もしくは両方にドーパントが含まれていることを特徴とする有機半導体装置。
  6. 請求項5において、
    前記ドーパントは、1,1,4,4−テトラフェニル−1,3−ブタジエン、ペリレン、クマリン6、ルブレン、4−ジシアノメチレン−2−メチル−6−(p−ジメチルアミノ−スチリル)−4H−ピランのいずれか一であることを特徴する有機半導体装置。
  7. 請求項1乃至請求項6のいずれか一において、
    前記第2の有機半導体膜表面の凹部に前記有機導電膜の一部が形成されていることを特徴とする有機半導体装置。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれか一において、
    前記第2の有機半導体膜または前記第3の有機半導体膜のいずれか一方が発光を呈することを特徴とする有機半導体装置。
  9. 請求項1乃至請求項8のいずれか一において、
    前記第3の電極は複数の材料からなる積層構造を有することを特徴とする有機半導体装置。
  10. 請求項1乃至請求項9のいずれか一において、
    前記有機導電膜から印加される電圧によって前記第1の電極および前記第3の電極間の電流量が変調可能であることを特徴とする有機半導体装置。
  11. 請求項1乃至請求項10のいずれか一において、
    前記有機導電膜から印加される電圧によって前記第2の有機半導体層もしくは前記第3の有機半導体層における発光輝度が変調可能であることを特徴とする有機半導体装置。
  12. 請求項1乃至請求項11のいずれか一において、
    前記有機導電膜は、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)およびポリエチレンスルフォン酸を含むことを特徴とする有機半導体装置。
  13. 請求項1乃至請求項12のいずれか一において、
    前記第1の有機半導体膜は、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)およびポリエチレンスルフォン酸を含み、
    前記第2の有機半導体膜および前記第3の有機半導体膜は、ポリ[2−メトキシ−5−(2’−エチルヘキシロキシ)−1,4−フェニレンビニレン]を含むことを特徴とする有機半導体装置。
  14. 請求項1乃至請求項13のいずれか一において、
    前記有機導電膜の膜厚は10〜30nmであることを特徴とする有機半導体装置。
  15. 基板上に第1の電極を形成し、
    前記第1の電極上に第1の溶液を塗布して第1の有機半導体膜を形成し、
    前記第1の有機半導体膜上に第2の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより、第2の有機半導体膜を形成し、
    前記第2の有機半導体膜上に前記第2の有機半導体膜の表面状態を変えるために第3の溶液を塗布し、
    前記第2の有機半導体膜上に第4の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより有機導電膜を形成し、
    前記有機導電膜上に第5の溶液を塗布し、窒素雰囲気下で60〜80℃で乾燥させることにより第3の有機半導体膜を形成し、
    前記第3の有機半導体膜の一部を除去し、露出した前記有機導電膜上の一部であって前記第1の電極と重ならない位置に第2の電極を形成し、
    前記第2の有機半導体膜上であって前記第1の電極と重なる位置に第3の電極を形成することを特徴とする有機半導体装置の作製方法。
  16. 請求項15において、
    前記第2の溶液および前記第5の溶液は、同一の有機化合物を含むことを特徴とする有機半導体装置の作製方法。
  17. 請求項15または請求項16において、
    前記第3の溶液にヘキサンまたはヘプタンを用いることを特徴とする有機半導体装置の作製方法。
  18. 請求項15乃至請求項17のいずれか一において、
    前記第2の溶液および前記第5の溶液には、ポリ(2−(2'−エチル−ヘキソキシ)−5−メトキシ−1,4−フェニレンビニレン)を含み、
    前記第4の溶液には、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)およびポリエチレンスルフォン酸を含むことを特徴とする有機半導体装置の作製方法。
  19. 請求項15乃至請求項18のいずれか一において、
    前記第1の溶液、前記第2の溶液、前記第3の溶液、前記第4の溶液、および前記第5の溶液は、液滴吐出法、インクジェット法、スピンコート法、およびディップ法のいずれか一の方法により塗布されることを特徴とする有機半導体装置の作製方法。
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