JP2007027326A - 有機電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 電流値が大きく、かつ同一の有機半導体を用いてｐ・ｎチャネル双方の有機電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】 ＯＦＥＴ１は、最下層となるゲート電極２と、ｎ形シリコンからなるｎ−Ｓｉ（シリコン）層３と、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）層４と、電荷発生層としてのＶ_２Ｏ_５（五酸化バナジウム）層５と、有機半導体層としてのＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）層６と、最上層となるソース電極７及びドレイン電極８とを積層して構成されている。Ｖ_２Ｏ_５層５に生じた正孔がＣｕＰｃ層６に注入されることによりその移動度を向上させることができる。また、正のゲート電圧Ｖｇを印加することで動作させることができるため、ｎチャネルのＦＥＴとして動作させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機半導体を用いた有機電界効果トランジスタに関する。

近年、有機電界発光素子（ＯＬＥＤ）が実用段階を迎えている。ＯＬＥＤは、有機物を用いていることから軽量・柔軟であり、折り曲げや着用が可能なディスプレイなども提案されている。このようなデバイスの実現には駆動用のトランジスタが必要であるが、ＯＬＥＤと同様に軽量・柔軟であることが必要である。このため、有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の研究が盛んに進められている（例えば、特許文献１，特許文献２）。

特許文献１では、基板上に形成されたゲート電極の上に、ゲート絶縁層と、ｐ形半導体材料である銅フタロシアニン等からなる第１半導体層とｎ形半導体材料であるフッ化銅フタロシアニンとからなる第２半導体層と、ソース・ドレイン電極が形成された保護層とを積層して構成される有機電界効果トランジスタが開示されている。

また、特許文献２では、基板上に形成されたゲート電極の上に、ゲート絶縁層と、銅フタロシアニンからなる第１半導体層と亜鉛フタロシアニンとからなる第２半導体層と、ソース・ドレイン電極が形成された保護層とを積層して構成される有機電界効果トランジスタが開示されている。
特開２００４−２３５６２４号公報 特開２００４−２６６２６７号公報

最近の報告では、ペンタセンなどを用いることでアモルファスシリコン程度の移動度を持つ素子が報告されてきている。ここで、移動度は素子の動作速度や電流値に関係する値である。これまでのＯＦＥＴにおいて、一般にはキャリヤ濃度や移動度はそれほど高いものは得られておらず、そのため素子動作時のドレイン電流値も大きくない。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、動作時ドレイン電流値の大きい有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。

また、ＯＦＥＴにおいてはｐチャネルおよびｎチャネルＦＥＴを作製するにあたって、それぞれ適宜ｐ形またはｎ形の有機半導体材料を選択する必要があった。そこで本発明は上記問題点に鑑み、ｐ形またはｎ形一方のみの有機半導体により、ｎチャネルまたはｐチャネルＦＥＴとしての動作が可能なＯＦＥＴを提供することを目的とする。

本発明における請求項１では、ゲート電極と、有機半導体からなる有機半導体層と、ゲート電極と有機半導体層とを絶縁する絶縁層と、ドレイン電極及びソース電極から構成される有機電界効果トランジスタにおいて、正孔（ラジカルカチオン）または伝導電子（ラジカルアニオン）を生成する電荷発生層を前記有機半導体層に密接させて設けている。

また本発明における請求項２の有機電界効果トランジスタでは、前記絶縁層と前記有機半導体層との間に前記電荷発生層を備えている。

このようにすると、電荷発生層に生じた電荷が有機半導体層に注入される。すなわち、正のゲート電圧を印加することで正孔、負のゲート電圧を印加することで電子が有機半導体層に注入される。この時有機半導体層がｐ形であっても、正のゲート電圧で正孔を有機半導体層に注入することでＦＥＴ動作させることができるため、外部回路から見た場合あたかもｎチャネルのＦＥＴとして動作させることができる。

本発明における請求項３の有機電界効果トランジスタでは、前記絶縁層と前記電荷発生層との間に前記有機半導体を備えている。

このようにすると、ゲート電圧の印加により電荷発生層に生じた電荷が有機半導体層に注入される。すなわち、有機半導体層のキャリヤ濃度が大きくなり、大きなドレイン電流を得ることができる。

本発明における請求項４の有機電界効果トランジスタでは、前記ドレイン電極及び前記ソース電極と、前記有機半導体層又は前記電荷発生層との間に、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体からなる薄膜を備えている。

このようにすると、ドレイン電極及びソース電極と有機半導体層または電荷発生層との間に挿入した、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体の薄膜は、ソースまたはドレイン電極から有機半導体層または電荷発生層へ電子または正孔を効率よく注入・注出する。また、上述したものと同様に電荷発生層に生じた電子または正孔がゲート電圧により有機半導体層に注入される。これらの手法は有機半導体層のキャリヤ濃度を向上させるための効果的な手段であり、大きなドレイン電流値を得ることができる。

本発明における請求項５の有機電界効果トランジスタでは、抵抗率が１．０×１０^２Ω・ｃｍ以上の絶縁性物質を電荷発生層に用いている。これにより、電荷発生層によって常に導通状態になることはなく、良好なＦＥＴ動作をさせることができる。

本発明における請求項６の有機電界効果トランジスタでは、電荷発生層の膜厚を有機半導体層の膜厚よりも小さくしている。これによって、ＦＥＴ動作させるにあたって大きなゲート電圧を必要としない。

本発明における請求項７の有機電界効果トランジスタでは、２種類以上の物質の混合もしくは積層で形成され、かつ内部で生成された電子または正孔がゲート電圧により前記有機半導体層に注入される電荷発生層を備えている。これによって、１種類の物質よりも効率よく電子または正孔を発生・注入させることができる。

本発明における請求項８または９の有機電界効果トランジスタでは、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体の薄膜が電荷発生層と有機半導体の間に挿入または有機半導体に含有されている。このようにすると、電荷発生層に生じた電子または正孔が有機半導体層に注入されやすくなる。

本発明の請求項１，２によると、同一の有機半導体を用いてｐ・ｎチャネル双方の有機電界効果トランジスタを提供できる。すなわち、ｎ形の有機半導体でｐチャネル動作が可能な有機電界効果トランジスタ、およびｐ形の有機半導体でｎチャネル動作が可能な有機電界効果トランジスタを提供することができる。

また本発明の請求項３，４，７，８によると、ドレイン電流値が大きい有機電界効果トランジスタを提供することができる。

本発明の請求項５，６によると、ＦＥＴ動作に関する性能を向上させることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における有機電界効果トランジスタの好ましい実施例を説明する。

本実施例では電荷発生層にＶ_２Ｏ_５を使用しているが、電圧を印加すると電子または正孔が発生する電荷発生作用を持つ材料、例えば特開２００３−０４５６７６号公報、あるいは特開２００３−２７２８６０号公報に記載されている材料などであれば、電荷発生層として用いることができる。電荷発生層は、具体的には、例えば有機半導体層を酸化し得る物質ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン），４Ｆ−ＴＣＮＱ（テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン），塩化第２鉄などや、絶縁性物質では五酸化バナジウムなどが挙げられる。また、当該材料から選択された２種類以上の物質の混合もしくは積層で形成されていてもよい。また、電荷発生層には、抵抗率が１．０×１０^２Ω・ｃｍ以上の絶縁性物質を用いるのが好ましい。この場合には、電荷発生層によって常に導通状態になることはなく、良好なＦＥＴ動作をさせることができる。

図１は、本実施例におけるＯＦＥＴの構成例を示したものである。このＯＦＥＴ１は、最下層となるゲート電極２と、ｎ形シリコンからなるｎ−Ｓｉ（シリコン）層３と、絶縁層としてのＳｉＯ_２（二酸化シリコン）層４と、電荷発生層としてのＶ_２Ｏ_５（五酸化バナジウム）層５と、有機半導体層としてのＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）層６と、最上層となるソース電極７及びドレイン電極８とを積層して構成されている。具体的な製造方法としては、ゲート電極２が設けられたｎ−Ｓｉ層３となるｎ形Ｓｉウエハの表面を酸化して厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２層４を形成し、このＳｉＯ_２層４の表面に真空蒸着法で、厚さ２０ｎｍのＶ_２Ｏ_５層５と厚さ７０ｎｍのＣｕＰｃ層６とを積層状態に堆積し、そして、端子材料としての金をソース電極７，ドレイン電極８としてＣｕＰｃ層６の上に堆積することによりＯＦＥＴ１となる。Ｖ_２Ｏ_５層５の膜厚は、ＣｕＰｃ層６の膜厚よりも小さくなっており、これによって、ＦＥＴ動作させるにあたって大きなゲート電圧を必要としない。なお、ソース電極７，ドレイン電極８がＣｕＰｃ層６の下に堆積されていても良い。

ゲート電極２に正のゲート電圧Ｖｇを印加すると、ドレイン−ソース間を流れるドレイン電流Ｉｄｓが増大し電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として作用する。このような動作は電荷発生の機能を持つＶ_２Ｏ_５層５から、有機物であるＣｕＰｃ層６に正孔が注入されることに基づくと考えられる。

次に、上記構成を有するＯＦＥＴ１の動作について図３に基づき説明する。

ＯＦＥＴ１が動作しないバイアスの無い状態では、ＣｕＰｃ層６は電気的に中性になっている。ＯＦＥＴ１に正のゲート電圧Ｖｇが印加されると、Ｖ_２Ｏ_５層５からＣｕＰｃ層６へ正孔が注入される。当該正孔によりＣｕＰｃ層６の導電率が向上し、大きなドレイン電流を誘導することができる。一方、Ｖ_２Ｏ_５層５には電子が蓄積されるので、この電子をドレイン電流として流出することもできる。すなわち、ＯＦＥＴ１にＶ_２Ｏ_５層５を設けることによりそのドレイン電流及び増幅度が向上する。なお、Ｖ_２Ｏ_５層５に生じた正孔がＣｕＰｃ層６に注入されやすくするため、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物又は単体からなる薄膜をＶ_２Ｏ_５層５とＣｕＰｃ層６との間に挿入するか、またはＣｕＰｃ層６にこれらを含有させるのが好ましい。

図４（ａ）は、ＯＦＥＴ１からＶ_２Ｏ_５層５を除去したＯＦＥＴにおいて、負のゲート電圧Ｖｇを印加した場合のドレイン−ソース電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの値をグラフにした静特性である。同図から、ドレイン電流Ｉｄｓは、ゲート電圧Ｖｇの増加と共に直線的に増加し、やがて飽和に至るのが分かる。なお、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄｓの値の平方根が図４（ｂ）のグラフに描かれており、その電界効果移動度が曲線の傾きから計算されている。ここでは電界効果移動度μの値が約２．５×１０^−４ｃｍ^２／Ｖｓと見積もられる。

これに対して、様々な正のゲート電圧Ｖｇで操作されたＯＦＥＴ１のドレイン−ソース電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの値をグラフにしたものが図５（ａ）である。Ｖ_２Ｏ_５層５を有するＯＦＥＴ１では、ゲート電圧Ｖｇを正としたにもかかわらず、Ｖ_２Ｏ_５層５がない場合の特性を示す図４（ａ）に比べ、ドレイン電流Ｉｄｓの値が大きく増加している。なお、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄｓの値の平方根が図５（ｂ）のグラフに描かれており、その電界効果移動度が曲線の傾きから計算される。この場合、電界効果移動度μの値が約３．６×１０^−３ｃｍ^２／Ｖｓと見積もられる。

ＣｕＰｃを用いた一般的なＯＦＥＴ（ＯＦＥＴ１においてＶ_２Ｏ_５層５を除去したＯＦＥＴ）では、負のゲート電圧Ｖｇを印加することでＣｕＰｃ層６とＳｉＯ_２層４の界面付近にＣｕＰｃの正孔を集めることでｐチャネルのＦＥＴとして動作させる。本発明のＯＦＥＴ１では、正のゲート電圧Ｖｇを印加することで動作しており、外部からはｎチャネルのＦＥＴとして動作しているように観測される。有機物の多くはｐ形動作するためｎチャネルのＦＥＴの報告は少ないが、回路構成上ｎチャネル動作のＦＥＴは重要である。また、動作時のドレイン電流はＶ_２Ｏ_５層５を挿入することで飛躍的に向上している。

本実施例の変形例として、図２のような構成のＯＦＥＴとすることもできる。本変形例のＯＦＥＴ１では、図１のＯＦＥＴ１におけるＶ_２Ｏ_５層５とＣｕＰｃ層６の位置を入れ替えた構造になっている。すなわち、本変形例のＯＦＥＴ１は、最下層となるゲート電極２と、ｎ−Ｓｉ層３と、ＳｉＯ_２層４と、ＣｕＰｃ層６と、Ｖ_２Ｏ_５層５と、最上層となるソース電極７及びドレイン電極８とを積層して構成されている。

ＯＦＥＴ１に負のゲート電圧Ｖｇが印加されると、Ｖ_２Ｏ_５層５からＣｕＰｃ層６へ正孔が注入される。当該正孔によりＣｕＰｃ層６の導電率が向上し、大きなドレイン電流を誘導することができる。すなわち、ＯＦＥＴ１にＶ_２Ｏ_５層５を設けることによりそのドレイン電流及び増幅度が向上する。

また、ドレイン電極８及びソース電極７とＶ_２Ｏ_５層５との間に、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物又は単体からなる薄膜を挿入すると、ソース電極７又はドレイン電極８からＶ_２Ｏ_５層５へ正孔または電子が効率よく注入される。

この変形例において、ドレイン電極８およびソース電極７はＶ_２Ｏ_５層５とＣｕＰｃ層６の間にあっても良い。

これらの手法は有機半導体層のキャリヤ濃度を向上させるための効果的な手段であり、大きなドレイン電流値を得ることができる。

以上のように本実施例では、ゲート電極２と、有機半導体からなる有機半導体層としてのＣｕＰｃ層６と、ゲート電極２とＣｕＰｃ層６とを絶縁する絶縁層としてのＳｉＯ_２層４と、ドレイン電極８及びソース電極７から構成される有機電界効果トランジスタとしてのＯＦＥＴ１において、正孔または電子を生成する電荷発生層としてのＶ_２Ｏ_５層５をＣｕＰｃ層６に密接させて設けている。

また本実施例のＯＦＥＴ１は、ＳｉＯ_２層４とＣｕＰｃ層６との間にＶ_２Ｏ_５層５を備えている。

このようにすると、Ｖ_２Ｏ_５層５に生じた電荷がＣｕＰｃ層６に注入される。すなわち、正のゲート電圧Ｖｇを印加することで正孔、負のゲート電圧−Ｖｇを印加することで電子がＣｕＰｃ層６に注入される。この時ＣｕＰｃ層６がｐ形であっても、正のゲート電圧Ｖｇで正孔をＣｕＰｃ層６に注入することでＦＥＴ動作させることができるため、外部回路から見た場合あたかもｎチャネルのＦＥＴとして動作させることができる。

さらに本実施例のＯＦＥＴ１は、ゲート電極２とＣｕＰｃ層６とを絶縁するＳｉＯ_２層４を設けると共に、ドレイン電極８及びソース電極７とＣｕＰｃ層６との間にＶ_２Ｏ_５層５を備えている。

また本実施例のＯＦＥＴ１は、ドレイン電極８及びソース電極７とＶ_２Ｏ_５層５との間に、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体からなる薄膜を備えている。

このようにすると、Ｖ_２Ｏ_５層５に生じた正孔がゲート電圧ＶｇによりＣｕＰｃ層６に注入される。また、ドレイン電極８及びソース電極７とＶ_２Ｏ_５層５の間に挿入した、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体の薄膜は、ソースまたはドレイン電極８からＶ_２Ｏ_５層５へ正孔を効率よく注入する。これらの手法はＣｕＰｃ層６のキャリヤ濃度を向上させるための効果的な手段であり、大きなドレイン電流値を得ることができる。

さらに本実施例のＯＦＥＴ１は、抵抗率が１．０×１０^２Ω・ｃｍ以上の絶縁性物質を電荷発生層に用いている。これにより、電荷発生層によって常に導通状態になることはなく、良好なＦＥＴ動作をさせることができる。

また本実施例のＯＦＥＴ１は、Ｖ_２Ｏ_５層５の膜厚をＣｕＰｃ層６の膜厚よりも小さくしている。これによって、ＦＥＴ動作させるにあたって大きなゲート電圧Ｖｇを必要としない。

さらに本実施例のＯＦＥＴ１は、１種類または２種類以上の物質の混合もしくは積層で形成され、かつ内部で生成された正孔または電子がゲート電圧により前記有機半導体層に注入される電荷発生層を備えている。これによって、１種類の物質よりも効率よく正孔または電子を発生・注入させることができる。

また本実施例のＯＦＥＴ１は、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体の薄膜が電荷発生層と有機半導体の間に挿入または有機半導体に含有されている。このようにすると、電荷発生層に生じた正孔または電子が有機半導体層に注入されやすくなる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。ＯＦＥＴ１の構成材料や素子構造は、様々な変形例が考えられる。特に電荷発生層が、同種もしくは異なる種類の有機半導体層で挟持され、それぞれの有機半導体層内に正孔または電子がゲート電圧により注入され得る構造であっても構わない。また複数の電荷発生層および有機半導体層を有する構造であっても構わない。

本発明の第１実施例における有機電界効果トランジスタの構造を示す模式図である。 同上、有機電界効果トランジスタの変形例を示す模式図である。 同上、有機電界効果トランジスタの動作原理を示す説明図である。 同上、有機電界効果トランジスタの静特性を示すグラフである。 従来例における有機電界効果トランジスタの静特性を示すグラフである。

符号の説明

１ ＯＦＥＴ（有機電界効果トランジスタ）
２ ゲート電極
４ ＳｉＯ_２層（絶縁層）
５ Ｖ_２Ｏ_５層（電荷発生層）
６ ＣｕＰｃ層（有機半導体層）
７ ソース電極
８ ドレイン電極

Claims (9)

1. ゲート電極と、有機半導体からなる有機半導体層と、有機半導体層とゲート電極を絶縁する絶縁層と、ドレイン電極及びソース電極から構成される有機電界効果トランジスタにおいて、電子または正孔を生成する電荷発生層を前記有機半導体層に密接させて設けたことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
2. 前記絶縁層と前記有機半導体層との間に前記電荷発生層を備え、前記有機半導体層にドレイン電極及びソース電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
3. 前記絶縁層と前記電荷発生層との間に前記有機半導体を備え、前記電荷発生層にドレイン電極及びソース電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
4. 前記ドレイン電極および前記ソース電極と、前記有機半導体層又は前記電荷発生層との間に、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体からなる薄膜を備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の有機電界効果トランジスタ。
5. 前記電荷発生層は抵抗率が１．０×１０^２Ω・ｃｍ以上の絶縁性物質からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。
6. 前記電荷発生層は、その膜厚が前記有機半導体層の膜厚より小さいものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。
7. 前記電荷発生層は、２種類以上の物質の混合もしくは積層で形成されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。
8. 前記電荷発生層と前記有機半導体層との間に、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体からなる薄膜を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。
9. 前記有機半導体層は、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンおよび希土類金属イオンのうち、少なくとも１種類を含む化合物、または単体を含有するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の有機電界効果トランジスタ。
   

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