JP2012519369A - 電流増幅型トランジスタ素子及び電流増幅型発光トランジスタ素子 - Google Patents

電流増幅型トランジスタ素子及び電流増幅型発光トランジスタ素子 Download PDF

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Abstract

電流増幅型トランジスタ素子には、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層が２層とシート状のベース電極とが設けられている。一方の有機半導体層は、エミッタ電極とベース電極との間に設けられた、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層とのダイオード構造を有する。前記電流増幅型トランジスタ素子と、その中に形成された有機ＥＬ発光素子部とを含む電流増幅型発光トランジスタ素子も開示されている。

Description

本発明は、電流増幅性を有する電流増幅型トランジスタ素子および電流増幅型発光トランジスタ素子に関し、さらに詳しくは、低電圧で大電流変調を実施可能で、オン／オフ比に優れ、従って有機ＥＬディスプレイなどの駆動に優れた電流増幅型トランジスタ素子、および電流増幅型発光トランジスタ素子に関する。
近年、薄型テレビやノートパソコンの普及が進んでおり、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパーなど、表示ディスプレイへの要求も高まりつつある。このようなディスプレイの素子の駆動には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が使用されている。現在、無機材料であるシリコンを用いたＦＥＴが主に使用されているが、低コスト化、大面積化、フレキシブル化のために有機トランジスタ素子を用いたディスプレイが報告されている。
しかし、有機電界効果型トランジスタ（ＯＦＥＴ）と液晶または電気泳動セルとを組み合わせたディスプレイがほとんどである。ＯＦＥＴは、その構造と移動度の低さにより、大電流を得ることは難しく、大電流を必要とする電流駆動デバイスである有機ＥＬディスプレイの駆動素子にＯＦＥＴを用いた例は、ほとんど報告されていない。そのため、低電圧において大電流で出力し、有機ＥＬディスプレイの駆動が可能である有機トランジスタ素子の開発が望まれている。
現在、ＯＦＥＴを用いて大電流を得るためには、ＯＦＥＴのチャネル長を短くすることが必要であるが、チャネル長を数μｍ以下にすることは、大量生産を視野に入れたパターニング技術では難しい。この問題を解決するため、膜厚方向に電流を流すことにより低電圧領域において大電流を得ることができる「縦型トランジスタ構造」が研究されている。一般に縦型トランジスタに用いられる膜厚は数十ｎｍから数百ｎｍであり、しかも数Åオーダーの高い精度で膜厚の制御が可能である。縦型トランジスタは、チャネルを膜厚方向（縦方向）にすることにより、１μｍ以下の短いチャネル長を容易に実現でき、大電流を得られる可能性がある。これまでに、このような縦型の有機トランジスタ素子としてポリアニリン膜の自己組織化ネットワーク構造をグリット電極として用いたポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタ、また、微細なストライプ状の中間電極で空乏層幅を変調することによりソース・ドレイン間の電流をコントロールする静電誘導型トランジスタ（Static Induction Transistor, SIT）などが知られている。
最近、有機半導体／金属／有機半導体の積層構造を有する、高性能なトランジスタ特性を発現する縦型有機トランジスタ素子が提案されている（特許文献１）。この縦型トランジスタ素子は、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層とストライプ状の中間金属電極とが設けられている。この有機トランジスタ素子では、エミッタ電極から注入された電子が中間金属電極を透過することにより、バイポーラトランジスタに似た電流増幅が観測され、その中間金属電極がベース電極のように働くことから、メタルベース有機トランジスタ（Metal-Base Organic Transistor、以降ＭＢＯＴと呼ぶことがある）と呼んでいる。
ＭＢＯＴは、エミッタ電極とコレクタ電極間に出力電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加しない場合は電流がほとんど流れないが、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加するとエミッタ電極−コレクタ電極間に電流が流れる。エミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流がコレクタ電流、エミッタ電極−ベース電極間に流れる電流がベース電流である。ＭＢＯＴは、ベース電圧の印加により増加するベース電流に比べて、コレクタ電流が急激に増加することから、ベース電圧によるコレクタ電流の変調が可能な素子となる。エミッタ電極とコレクタ電極に電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧が印加されていない場合に流れてしまう「漏れ電流」がＯＦＦ電流であり、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加したときに流れる電流がＯＮ電流である。ＭＢＯＴは、ＯＦＦ電流はゼロに近く、大きなＯＮ電流が得られるトランジスタ素子である。
また、有機トランジスタ（ＭＢＯＴ）の構造として、透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極として、その上に有機半導体／金属／有機半導体を真空蒸着により積層することにより、簡単に作成できるＭＢＯＴが報告されている（特許文献２）。有機半導体としては、ｎ型有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）とフラーレン（Ｃ６０）、電極材料としては、ベース電極としてＡｌ、エミッタ電極としてＡｇが用いられる。このＭＢＯＴは、暗電流抑制層の導入、ベース電極を加熱処理することによりオン／オフ比（ＯＮ電流とＯＦＦ電流の比率）を向上させた大電流増幅が可能なトランジスタ素子となる。このように、ＭＢＯＴは、縦型トランジスタであるにもかかわらず、微細なグリッド電極状またはストライプ電極状の微細なパターニングを必要としない特徴がある。
また、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）として、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、ベース電極とコレクタ電極の間にエネルギー障壁層、電荷透過促進層を有するＭＢＯＴ（特許文献３）、さらに、長鎖アルキル基を有するペリレンテトラカルボン酸ジイミドからなる有機半導体層をコレクタ層として利用したＭＢＯＴ（特願２００９−１１４６１９）が、加熱処理などすることなく、良好な電流増幅特性やオン／オフ比を得ることが報告されている。
また、縦型トランジスタとして、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、エミッタ電極とベース電極間、コレクタ電極とベース電極間の両有機半導体層に、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（ＮＰＤ）／フラーレン（Ｃ６０）からなるヘテロ接合有機半導体層を利用した光透過性金属基板有機トランジスタが、両極性トランジスタとして報告されている（非特許文献１）。
特開２００３−１０１１０４号公報 特開２００７−２５８３０８号公報 特開２００９−２７２４４２号公報
J.Huang et al,Organic Electronics,Volume 10, Page 210-213 （2009）
しかしながら、ポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタ、静電誘導型トランジスタ（Static Induction Transistor, ＳＩＴ）は、中間電極を形成する難しさから高性能化・大量生産は困難である。特許文献１、２に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、膜厚や構造によって、オフ電流が高くなることがあり、上記トランジスタは有機半導体／金属／有機半導体の積層構造を作製すれば必ず電流増幅作用が観測されるというものではない。安定した性能を発現し、大きな電流値、高い増幅率、高いオン／オフ比を得るためには、加熱処理によりベース電極表面に酸化層を設け、オフ電流の抑制層とする必要がある。
また、上記特許文献３及び先行出願（特願２００９−１１４６１９）に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、オフ電流の抑制層を形成するために電極の加熱処理をすることなく、電流を増幅できるが、電子機器を作動させるに十分な大きな電流値、大きな電流増幅率、大きなオン／オフ比を得ることは困難である。
非特許文献１に開示の光透過性金属基板有機トランジスタでは、両極性トランジスタ素子としての電流変調作用を示すことより、相補型論理回路などへの利用の可能性はあるが、電子機器を作動させるに十分な大きな電流値を得る、換言すれば、電流の増強を図ることは難しく、有機ＥＬディスプレイなどの駆動用素子として利用することは困難である。
したがって、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的はエミッタ電極とコレクタ電極との間において、低電圧下において大きな電流増幅作用を示し、オン／オフ比に優れたメタルベース有機トランジスタ素子（Metal-Base Organic Transistor：ＭＢＯＴ）を、加熱などの処理工程が必要ない、単純な製造プロセスにより提供することにある。また、本発明の別の目的は、発光層を含む有機ＥＬ発光素子部を有し、オン／オフ比に優れ、電流密度が高く、自発光することが可能な発光トランジスタ素子を提供することにある。
上記目的は以下に記載する本発明によって達成される。すなわち、本発明は、その一態様において、エミッタ電極と、コレクタ電極と、該エミッタ電極とコレクタ電極との間に形成された第１および第２の有機半導体層と、該第１の有機半導体層と第２の有機半導体層との間に形成されたシート状のベース電極とが設けられている電流増幅型トランジスタ素子において、前記第１の有機半導体層が前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層とのダイオード構造を有することを特徴とする電流増幅型トランジスタ素子を提供する。前記ダイオード構造の採用により、該電流増幅型トランジスタ素子はオン／オフ比に優れ、大電流増幅が可能である。
前記第２の有機半導体層が前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられたｎ型有機半導体層からなり、前記第１の有機半導体層が、前記ベース電極上に形成されたｐ型有機半導体料層と、前記エミッタ電極下に形成されたｎ型半導体層とからなるダイオード構造を有することが好ましい。
前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体および前記ｎ型有機半導体は、例えば、それぞれ、正孔輸送材料層および電子輸送材料層であることが可能である。前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体層は、例えば、金属フタロシアニンまたは無金属フタロシアニンよりなることが可能である。前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体層は、例えば、ペンタセンよりなることが可能である。
例えば、前記第２の有機半導体層は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、Ｎ，Ｎ’−ジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）からなる有機半導体層とフラーレン（Ｃ６０）からなる有機半導体層とを積層した積層有機半導体層からなることが可能である。
前記電流増幅型トランジスタ素子は、前記ベース電極と前記第２の有機半導体層との間に形成されたフッ化リチウム層をさらに有することが好ましい。
前記電流増幅型トランジスタ素子は、例えば、５Ｖ以下の低電圧における電流増幅率が５０以上であることが可能である。また、前記電流増幅型トランジスタ素子は、例えば、オン／オフ比が１００以上であることが可能である。
本発明の別の態様において、前記電流増幅型トランジスタ素子と、前記第１の有機半導体層における前記ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層との間に形成された有機ＥＬ発光素子部とからなり、該有機ＥＬ発光素子部が有機ＥＬ発光層、正孔注入層および正孔輸送層からなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子、ならびに、前記電流増幅型トランジスタ素子と、前記第２の有機半導体層と前記コレクタ電極との間に形成された有機ＥＬ発光素子部とからなり、該有機ＥＬ発光素子部が有機ＥＬ発光層、正孔注入層および正孔輸送層からなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子が提供される。
本発明の電流増幅型トランジスタ素子および電流増幅型発光トランジスタ素子によれば、上記一方の有機半導体層が、ダイオード構造を有することにより、低電圧で大電流への変調を可能とする電流増幅作用を安定して得ることができる。
本発明の電流増幅型トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、種々のディスプレイの駆動用素子として、特に大電流変調により駆動させる有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパー用の駆動素子として有用である。これらを駆動するトランジスタ素子は、オン時とオフ時のコントラストが高い必要となり、より大きなオン／オフ比、暗電流の抑制が要求される。オン／オフ比が低く暗電流が大きいと、オフ時においても有機ＥＬディスプレイが発光するなどの問題を生じる。本発明の電流増幅型トランジスタ素子は、オン／オフ比が高く、低電圧領域での大電流変調特性、周波数特性が優れていることにより、駆動用トランジスタ素子として高い性能を有する。
また、本発明の電流増幅型トランジスタ素子は、低電圧領域での大電流変調が可能であり、１つのピクセル内におけるトランジスタ素子の占有面積を小さくでき、ディスプレイにおける開口率の向上を可能とし、その結果、高性能、高効率のディスプレイとなる。また、本発明の電流増幅型トランジスタ素子は蒸着法での作成も可能であり、プラスチックなどのフレキシブル基板上に電流増幅型トランジスタ素子を形成することにより、小型軽量化されたディスプレイまたは機器の作成が可能となる。
第１の有機半導体層におけるｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層との間または第２の有機半導体層とコレクタ層との間に形成された有機ＥＬ発光素子部を有する本発明の電流増幅型発光トランジスタ素子は、有機発光素子とその駆動用トランジスタ素子を１つの素子に統合した形態となる。
該有機ＥＬ発光素子部が前記有機発光層を有するので、トランジスタ素子電極面からの面状発光が可能になる。しかも、従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であるとともに、低電圧領域での大電流変調が可能であり、さらにオン／オフ比が高いので、優れた発光トランジスタ素子となる。また、蒸着法のみで作成も可能で、プラスチックなどのフレキシブルな基板上にも素子を形成することが可能であり、小型軽量化された簡単な構造からなるフレキシブルな電流増幅型発光トランジスタ素子として提供できる。なお、以下、本発明の電流増幅型トランジスタ素子および電流増幅型発光トランジスタ素子を単に「トランジスタ素子および発光トランジスタ素子」、「ＭＢＯＴおよび発光ＭＢＯＴ」などと称する場合がある。
本発明の一実施形態によるトランジスタ素子とその駆動回路を説明する概略断面図。 本発明の別の実施形態による発光トランジスタ素子Ａとその駆動回路の構成を説明する概略断面図。 本発明のさらに別の実施形態による発光トランジスタ素子Ｂとその駆動回路の構成を説明する概略断面図 本発明の発光トランジスタ素子ＡまたはＢの発光素子部の構成を説明する概略断面図。 実施例１で作製したトランジスタ素子とその駆動回路の構造を説明する概略断面図。 実施例３で作製したトランジスタ素子とその駆動回路の構造を説明する概略断面図。 実施例１及び比較例１のトランジスタ素子の出力特性（Ｉｃ−Ｖｂカーブ）を説明する図。 実施例２及び比較例１のトランジスタ素子の出力特性（Ｉｃ−Ｖｂカーブ）を説明する図。
以下、本発明の実施の形態につき、詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではない。
先ず、本発明の一実施態様による、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、第１および第２の有機半導体層とシート状のベース電極を設ける有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）について説明する。このトランジスタ素子は、該第１の有機半導体層としてダイオード構造を有するエミッタ層を用いた電流増幅型トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）である。
本実施形態のトランジスタ素子は、図１に示すように、有機半導体／電極／有機半導体という積層構造を有し、単純な積層工程による作製が可能な縦型メタルベース有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）である。その構造は、下から上に向かう順序で、基板（図１には示していない）に、コレクタ電極１１、有機半導体層よりなるコレクタ層（第２の有機半導体層）２１、ベース電極１３、積層によるダイオード構造をなすエミッタ層（第１の有機半導体層）２２（２２Ａ、２２Ｂ）、エミッタ電極１２を含んでいる。
本実施形態のトランジスタ素子を製造するためには、基板上にコレクタ電極１１、コレクタ層２１の順に形成し、さらにベース電極１３、エミッタ層２２（２２Ａ、２２Ｂ）を積層する。さらに、エミッタ層２２の上部にエミッタ電極１２を形成し、本実施態様のトランジスタ素子となる。ここで、エミッタ層２２は、有機半導体層２２Ａと有機半導体層２２Ｂの積層によるダイオード構造を形成し、２２Ａと２２Ｂは、具体的にはｎ型有機半導体層とｐ型有機半導体層の組合せを示し、２２Ａがｎ型有機半導体層の場合には２２Ｂをｐ型有機半導体層とし、２２Ａがｐ型有機半導体層の場合は２２Ｂをｎ型有機半導体層とするダイオード構造を形成する。エミッタ層２２の構成は、コレクタ層２１をｎ型有機半導体層とした場合は、２２Ａをｎ型有機半導体層、２２Ｂをｐ型有機半導体層とし、コレクタ層２１をｐ型有機半導体層とした場合は、２２Ａをｐ型有機半導体層、２２Ｂをｎ型有機半導体層とする。
本実施形態のトランジスタ素子のダイオード構造としては、エミッタ層２２が、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層からなるダイオード構造を有し、そのダイオード構造の効果により、本実施形態のトランジスタ素子はベース電流とコレクタ電流を増加させるとともに、暗電流を抑制し、オフ電流を小さく維持する効果がある。従って、低電圧領域において大きな出力変調と大電流増幅ができる有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）として有用である。
本実施形態のトランジスタ素子を流れる電流に関して次に説明する。エミッタ電極１２とコレクタ電極１１との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加し、さらにエミッタ電極１２とベース電極１３との間にベース電圧Ｖｂを印加すると、そのベース電圧の作用により、エミッタ電極１２から注入された電子が加速されてベース電極１３を透過し、コレクタ電極１１に到達する。すなわち、エミッタ電極１２とベース電極１３間にベース電圧Ｖｂを印加したときに流れるベース電流Ｉｂは、ベース電圧の印加によりエミッタ電極１３−コレクタ電極１１間に流れるコレクタ電流Ｉｃに増幅される。したがって、本実施形態のトランジスタ素子は、バイポーラトランジスタ素子と同じような電流増幅作用を安定して得ることができ、大きな出力変調と電流増幅が可能である。
例えば、ｎ型半導体層（フラーレン）とｐ型半導体層（銅フタロシアニン）からなるダイオード構造を形成したＭＢＯＴの電流Ｉｃは、単一のｎ型有機半導体（フラーレン）を使用した電流Ｉｃと比較して、約１０倍以上の大電流を得ることができる。その原理は明らかではないが、［１］電流増幅率が大きく向上すること、［２］ダイオード構造層に発光層を導入することにより、正孔と電子の再結合による発光が可能なこと、［３］ＯＦＦ電流は増えていないことから、ベース電極付近からコレクタ層側に電子が流れているとともに、エミッタ層側へのホール電流が発生し、ベース電極における電流透過率も向上しているメカニズムが考えられる。また、ダイオード構造の整流効果によりＯＦＦ時の電流が抑制されるとともに、ダイオード層を挟んだエミッタ電極−ベース電極間に、電子による電流とホール電流が流れる。その結果、前記ダイオード構造は、単一層に比べ、より大きな電流増幅が可能と考えられる。
また、本実施形態の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、そのダイオード構造によりエミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加しない場合（Ｖｂ＝０Ｖ）において、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に不必要な漏れ電流（スイッチオフ時に流れるオフ電流、暗電流ともいう）が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、本実施形態の有機トランジスタ素子は向上させたオン／オフ比を備えている。したがって、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を有機ＥＬディスプレイの駆動トランジスタ素子として用いた場合、暗電流が大きいとＯＦＦ時に有機ＥＬ素子の発光が起こり、ＯＮ時とＯＦＦ時のコントラストの低下を招くので、高いオン／オフ比、好ましくは１０以上のオン／オフ比、より好ましくは１００以上のオン／オフ比が駆動トランジスタ素子に要求される。
本実施形態のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、エミッタ電極とベース電極間にダイオード構造を有しており、該ダイオード構造による整流効果により、ＯＦＦ時にはベース電極からエミッタ電極へ電流（オフ電流）は、ほとんど流れない。したがって、ＯＦＦ時に流れる暗電流が抑制されることにより、高いオン／オフ比が得られる。
本実施形態のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、低電圧領域においても大きな電流増幅作用を示し、大きな電流を得ることができる。一般に、有機ＥＬ素子は低電圧領域において駆動させるので、その駆動トランジスタ素子には数ボルトで大きな電流を出力させることが要求される。有機ＥＬ素子は、印加電圧を高くすれば、大きな電流が得られ、高強度の発光を実現できるが、有機ＥＬ素子材料の劣化や分解を起こし、有機ＥＬ素子の寿命を短くし、長期間の安定した発光はできなくなる。したがって、駆動電圧は１から２０Ｖであり、好ましくは５Ｖ以下である。この低電圧領域において、トランジスタ素子による増幅によって得られる電流値は１０ｍＡ／ｃｍ2から５００ｍＡ／ｃｍ2が好ましく、さらに好ましくは、２０ｍＡ／ｃｍ2から２００ｍＡ／ｃｍ2がよい。電流値は、１０ｍＡ／ｃｍ2未満であると有機ＥＬ素子を十分に発光させることができず、十分な発光強度が得られない。また、電流値が５００ｍＡ／ｃｍ2を超えると、十分なオン／オフ比を得ることができず、ＯＦＦ時（電圧０Ｖ）においても、暗電流が生じて有機ＥＬ素子から発光するという問題が生じることがある。
本実施態様のトランジスタ素子におけるエミッタ層は、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層の積層よるダイオード構造を有する。エミッタ層を形成する材料は、積層された構造のエミッタ層がダイオードとして機能しうればよく、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料の組み合わせであれば問題なく使用できる。ｐ型有機半導体層に使用される有機半導体材料は、正孔輸送型の半導体として機能し、用いる材料としては、正孔を輸送する材料（正孔輸送性材料）であれば特に制限なく使用することができる。また、ｎ型有機半導体層に使用される有機半導体材料は、電子輸送型の半導体として機能し、これに用いられる材料としては、電子を輸送する材料（電子輸送性材料）であれば特に制限なく使用することができる。
本実施形態のトランジスタ素子のエミッタ層の構成は、ベース電極とコレクタ電極に挟まれたコレクタ層が、ｎ型有機半導体層、または、ｐ型有機半導体層のどちらであるかにより決められる。コレクタ層がｎ型有機半導体材料により形成した場合は、ベース電極上にｐ型半導体層を形成し、エミッタ電極下にｎ型半導体層が形成される。一方、コレクタ層をｐ型半導体材料により形成した場合は、ベース電極上にｎ型半導体層を形成し、エミッタ電極下にｐ型半導体層を形成する。特に好ましい形態としては、使用される電極のエネルギーレベルと有機半導体層のＨＯＭＯ、ＬＵＭＯのエネルギーレベルから、コレクタ層をｎ型有機半導体材料により形成し、ベース電極上にｐ型有機半導体層、さらに、ｎ型有機半導体層を積層し、エミッタ電極を形成した有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）が挙げられる。
本発明の電流増幅型発光トランジスタ素子は、従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であるとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにオン／オフ比が高い。また、電流型発光トランジスタ素子は蒸着法のみで作成も可能で、プラスチックなどのフレキシブルな基板上にも形成することが可能であり、小型軽量化された簡単な構造を有するので、実用的である。
（発光トランジスタ素子Ａ）
本実施形態のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のエミッタ層に発光層を形成することにより、ベース電極からのホール電流に関連している正孔と、エミッタ電極からの電子との再結合により生成された励起子が失活することによる発光が起き、発光トランジスタ素子Ａとして使用することができる。発光層は、有機ＥＬ素子などに使用される発光材料で形成されていれば問題なく使用することができ、ｐ型半導体層とｎ型半導体層間に形成することができる。また、ｎ型有機半導体層、または、ｐ型有機半導体層を発光性有機半導体材料で形成する場合は、該有機半導体層は発光層を兼ねることができ、新たに発光層を形成しなくてもよい。また、発光効率を高める場合には、電子注入層、正孔注入層、励起子ブロック層を形成してもよい。
（発光トランジスタ素子Ｂ）
また、本実施形態のトランジスタ素子において、コレクタ層が発光層を含む発光素子部を有し、有機ＥＬ発光素子部として、該発光素子部が正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層から選ばれる１または２以上の層からなる場合、発光トランジスタ素子Ｂとなる。
次に、本実施形態のトランジスタ素子の各構成要素の構造・材料について説明する。
（基板）
本実施形態の有機トランジスタ素子を形成する基板の材料は、トランジスタ素子の形態を保持できる材料であれば良く、特に限定されない。例えば、ガラス、アルミナ、石英、炭化珪素などの無機材料、アルミ、銅、金などの金属材料、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのプラスチックを用いることができる。プラスチック基板を用いた場合は、軽量で耐衝撃性に優れたフレキシブルなトランジスタ素子を作製することができる。また、このトランジスタ素子を有機発光層を形成した発光トランジスタ素子として利用する場合は、基板側から光を放出させるボトムエミッション型の場合はプラスチックフィルム、ガラス基板など、光透過率の高い基板を用いることが望ましい。これら基板は、単独で使用してもよく、あるいは併用してもよい。また、基板の大きさ、形態についてはトランジスタ素子の形成が可能であれば特に限定されず、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状などどのような望む形態のものでも問題なく使用できる。
（有機半導体層）
本実施形態の有機トランジスタ素子を形成する有機半導体層は、図１に示すようにコレクタ電極１１とベース電極１３間に設けたコレクタ層２１と、ベース電極１３とエミッタ電極１２間に形成されたエミッタ層２２からなり、エミッタ層２２（２２Ａ、２２Ｂ）はｎ型半導体層とｐ型半導体層よりなる積層構造をなすダイオード構造を有することを特徴とする。
（エミッタ層）
本実施態様におけるエミッタ層として、エミッタ電極とベース電極間に設けた有機半導体層２２（２２Ａ、２２Ｂ）がｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層からなるダイオード構造を有する。ダイオード構造の構成は、エミッタ層およびコレクタ層にそれぞれ使用される有機半導体材料により選択的に定められる。コレクタ層をｎ型有機半導体材料により形成した場合には、ベース電極上にｐ型有機半導体層、さらにｎ型有機半導体層を積層してエミッタ層を形成することが望ましい。一方、コレクタ層をｐ型有機半導体材料により形成した場合には、ベース電極上にｎ型有機半導体層、さらにｐ型有機半導体層を積層してエミッタ層を形成することが望ましい。
本実施形態におけるエミッタ層に使用するｐ型有機半導体層は、ベース電極またはエミッタ電極から正孔を受け取り、対をなしているｎ型有機半導体層、または、それとの界面付近まで正孔を輸送する機能を有する。ｐ型有機半導体層を形成する材料としては、一般的なｐ型半導体材料であれば、特に限定なく使用でき、例えば、ペンタセン、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類（Ｃｕ−Ｐｃ、ＶＯ−Ｐｃ、Ｎｉ−Ｐｃなど）、ナフタロシアニン、インジコ、チオインジゴ、アントラセン、キナクリドン、オキサジアゾール、トリフェニルアミン、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、ピラゾリン、テトラヒドロイミダゾール、ポリチオフェン、ポルフィリン、ナフトチオフェンなど、またはこれらの誘導体などを用いることができる。また、上記ｐ型有機半導体材料加えて、ｐ型有機半導体材料として正孔輸送性材料を利用できる。
正孔輸送性材料として、例えば、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）、ポリシラン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、チオフェン−フルオレンのコポリマー、フェニレン−ビニレンのコポリマー、およびその誘導体などが挙げられる。具体例として、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（略称ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、商品名；「ＣＬＥＶＩＯＳ Ｐ」Ｈ．Ｃ． Ｓｔａｒｃｋ Ｃｌｅｖｉｓ ＧｍｂＨ製など）を使用することができる。
本実施形態におけるエミッタ層を形成するｐ型半導体材料は、電気的に安定であり、適切なイオン化ポテンシャルと電子親和力を持つことが好ましい。特に好ましい材料としては、ｐ型半導体材料としてペンタセン、銅フタロシアニン、無金属フタロシアニンなどのフタロシアニン類が挙げられ、正孔輸送材料としてＰＤＯＴ／ＰＳＳが挙げられる。
但し、ｐ型半導体材料としては、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、ｐ型半導体層は、ｐ型半導体材料を単独で使用する単層構造だけでなく、２種類以上のｐ型半導体材料からなる混合層構造、異なったｐ型半導体材料の２以上の有機半導体層よりなる積層構造であってもよい。ｐ型有機半導体層は、蒸着法、もしくは、前記ｐ型半導体材料を含有した溶液、分散液を用いて各種の印刷法、または塗工法のうちの１つの方法により形成することができる。
本実施態様におけるエミッタ層に使用するｎ型有機半導体層は、ベース電極またはエミッタ電極から電子を受け取り、対をなしているｐ型有機半導体層、または、それとの界面付近まで輸送する機能を有する。前記ｎ型有機半導体層を形成するｎ型半導体材料は電気的に安定であり、適切なイオン化ポテンシャルと電子親和力を持つことが望ましい。ｎ型有機半導体層を形成する材料としては、一般的なｎ型半導体材料であれば、特に限定なく使用でき、例えば、エミッタ層に使用されるｎ型半導体材料としては、Ａｌｑ３（（トリス（８−ヒドロキシキノリノール）アルミニウム）錯体）、ナフタレンテトラカルボン酸無水物（ＮＴＣＤＡ）、ジアルキルナフタレンテトラカルボン酸無水物ジイミド（ＮＴＣＤＩ）、ペリレン、ペリレンテトラカルボン酸無水物（ＰＴＣＤＡ）、ジアルキルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（ＰＴＣＤＩ）、ペリレンビスベンゾイミダゾール（ＰＴＣＢＩ）、ジアルキルアントラキノン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ジニトロベンゼン、ニトロアントラキノン、ピリジン、ピリミジン、無水マレイン酸、ペンタセンのフッ素化物、フタロシアニンのフッ素化物、オリゴチオフェンのフッ化アルキル化物、フラーレン類およびカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、およびこれらの誘導体が挙げられる。特に好ましい材料としては、Ｃ６０で代表されるフラーレン類、ジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）で代表されるペリレンテトラカルボン酸誘導体が挙げられる。
本実施形態におけるエミッタ層を形成するｎ型有機半導体材料にとって、一般的にその材料のイオン化ポテンシャルを示すパラメーター値が重要である。ただし、ｎ型半導体層としては、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、上記以外のものを用いてもよい。なお、ｎ型半導体層は、ｎ型半導体材料を単独で使用する単層構造だけでなく、２種類以上のｎ型半導体材料からなる混合層構造、異なったｎ型半導体材料の２以上の有機半導体層よりなる積層構造であってもよい。ｎ型有機半導体層は、蒸着法、もしくは、前記ｎ型半導体材料を含有した塗工液を用いて形成される。
本実施形態におけるエミッタ層は、それぞれ単一の化学構造のｎ型有機半導体材料およびｐ型有機半導体材料を用いて形成することができるが、これらのｎ型有機半導体材料およびｐ型有機半導体材料に異なる化学構造の電子輸送性材料、もしくは正孔輸送性材料をそれぞれ混合してもよい。これらのｎ型有機半導体材料およびｐ型有機半導体材料を積層してｎ型有機半導体層、ｐ型有機半導体層を形成し接合させることによってダイオード構造として、エミッタ層を形成することができる。特に好ましい材料の組み合わせとしては、ｎ型有機半導体層としてフラーレン（Ｃ６０）、ｐ型有機半導体層として銅フタロシアニン、または、ペンタセンが挙げられる。有機半導体層であるエミッタ層２２は、ベース電極１３上にｐ型有機半導体層２２Ａ、ｎ型有機半導体層２２Ｂの積層により構成されることが望ましいが、ダイオード構造をなしていれば特に問題なく使用できる。
本実施形態におけるエミッタ層を形成する有機半導体層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であることが好ましい。
また、エミッタ層２２Ａ及び２２Ｂの厚さは、コレクタ層に比べて基本的に薄いことが好ましく、２２Ａ及び２２Ｂのそれぞれの厚さが、３００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。エミッタ層の厚さが１０ｎｍ未満の場合は、ダイオード構造が一部で形成されない可能性があり、一部のトランジスタ素子は性能低下、または、導通不良の問題が発生して歩留まりが低下することがあり、３００ｎｍを超えると製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じる。
（コレクタ層）
本実施形態におけるコレクタ層は、ベース電極とコレクタ電極間に有機半導体材料から形成され、該コレクタ層を形成するために使用可能な材料としては、有機半導体として通常使用されるｎ型有機半導体材料、または、ｐ型有機半導体材料が挙げられる。ｎ型有機半導体材料としては、電子を輸送する材料であれば、特に制限なく一般的なｎ型の有機半導体材料が使用できる。同様にｐ型有機半導体材料としては正孔を輸送する材料であれば特に制限なく、一般的なｐ型の有機半導体材料が使用できる。例えば、上記エミッタ層に使用されるｎ型半導体材料（電子輸送性材料）、ｐ型半導体材料（正孔輸送性材料）を用いることができる。また、コレクタ層においては、後述する本発明の発光トランジスタ素子の説明欄で列記した発光層形成材料のうちの１種またはそれ以上を用いてもよい。
本実施形態におけるコレクタ層を形成する材料としては、ｎ型有機半導体材料またはＰ型有機半導体材料であれば特に限定なく使用することができるが、ｎ型有機半導体材料であるアルキル基を有するＰＴＣＤＩまたはフラーレン（Ｃ６０）により形成されことが望ましい。また、コレクタ層は、電荷輸送材料として通常使用される材料を用いることができ、ｎ型半導体材料またはｐ型半導体材料を単独で使用することもできるが、コレクタ層は２種類以上のｎ型半導体材料またはｐ型半導体材料からなる混合層構造、２種類以上のｎ型半導体材料またはｐ型半導体材料の有機半導体層よりなる積層構造であってもよい。
特に好ましい形態としては、コレクタ電極上に、Ｍｅ−ＰＴＣＤＩからなる有機半導体層を形成し、さらにＣ６０からなる別の有機半導体層を形成して得られる積層型のコレクタ層が挙げられる。ベース電極下にあるＣ６０の有機半導体層がエネルギー障壁が生じ、ＯＦＦ電流を抑制することが可能となる。
また、コレクタ層としてＭｅ−ＰＴＣＤＩまたはフラーレンにより形成した半導体層を用いた場合には、アルキル基を有するＰＴＣＤＩ、フラーレンが結晶性の高い有機化合物であるため、その上にベース電極１３が形成される半導体層２１の表面は凹凸形状となる。そのため、その結晶性の高い有機半導体材料からなる半導体層上に設けられたベース電極１３も凹凸表面を備えている。凹凸表面を有するベース電極は、所定の平均厚さで形成した場合であっても、薄いところと厚いところを有する。ベース電極１３がそのような凹凸表面を有する場合に、特に電流増幅作用を安定して得ることができる。
また、本実施形態におけるコレクタ層の膜厚は、通常、５０ｎｍ〜５，０００ｎｍを挙げることができるが、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。なお、その厚さが５０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないことがあり、５，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じる。ただし、コレクタ層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であることが望ましい。電荷移動度が低いと、トランジスタ素子としての性能が低下する、例えば、オン電流が小さくなるなどの問題を生じる。
（電極）
本実施形態のトランジスタ素子に用いられる電極について説明する。本実施形態のトランジスタ素子を構成する電極としては、コレクタ電極１１、エミッタ電極１２、およびベース電極１３があり、図１に示すように、通常、コレクタ電極１１は基板（図示していない）上に設けられ、ベース電極１３は半導体層２１、２２の間に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極１２はコレクタ電極１１に対して反対側で半導体層２１、２２とベース電極１３とをエミッタ電極１２とコレクタ電極１１との間に挟むように設けられる。
本実施形態のトランジスタ素子の電極に使用する材料について次に説明する。例えば本実施形態のトランジスタ素子を構成するコレクタ層２１が、有機化合物からなるｎ型半導体層である場合、コレクタ電極１１の形成材料としては、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子材料などを挙げることができる。一方、エミッタ電極１２の形成材料としては、例えば、アルミ、銀などの単体金属、Ｍｇ／Ａｇなどのマグネシウム合金、Ａｌ／Ｌｉ、Ａｌ／Ｃａ、Ａｌ／Ｍｇなどのアルミニウム合金、Ｌｉをはじめとするアルカリ金属類、Ｃａをはじめとするアルカリ土類金属、それらアルカリ金属類およびアルカリ土類金属類の合金のような仕事関数の小さな金属などを挙げることができる。一方、本実施形態のトランジスタ素子を構成するコレクタ層２１が有機化合物からなる正孔輸送層である場合には、上記のコレクタ電極１１の形成材料と上記のエミッタ電極１２の形成材料とは逆になる。
また、ベース電極１３は、有機半導体層を構成する材料とショットキー接触を形成するので、ベース電極材料としては、コレクタ電極１１およびエミッタ電極１２に用いられる材料を挙げることができる。特に限定されるものではないが、好ましいベース電極材料としては、アルミニウム、銀などの単体金属、Ｍｇ／Ａｇなどのマグネシウム合金、Ａｌ／Ｌｉ、Ａｌ／Ｃａ、Ａｌ／Ｍｇなどのアルミニウム合金、Ｌｉをはじめとするアルカリ金属類、Ｃａをはじめとするアルカリ土類金属、Ｌｉ／Ｆなどのアルカリ金属類およびアルカリ土類金属類の化合物のような仕事関数の小さな含金属材料などを挙げることができる。電荷（正孔または電子）注入層とショットキー接触を形成することが可能であれば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子なども使用することができる。
また、先述したように、コレクタ層２１を上記した結晶性の高い有機化合物を真空蒸着して形成した場合には、その上にベース電極１３が形成されるコレクタ層２１表面は凹凸形状となっている。そのため、その結晶性のコレクタ層２１上に設けられたベース電極１３も凹凸形状を備えている。凹凸表面を有するベース電極１３は、所定の平均厚さで形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極１３がそのような凹凸表面を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
また、ＯＦＦ時の暗電流を抑制し、高いオン／オフ比を達成するベース電極として、アルミニウム、アルミニウム／カルシウム合金により電極を形成した後、空気中で熱酸化処理により、電極表面に酸化膜を形成したベース電極を使用することは好ましい。また、ベース電極としてアルミニウム層／フッ化リチウム層よりなる層構造の電極を使用することにより、ＯＮ電流が大きく、暗電流が抑制された、高いオン／オフ比をなすトランジスタ素子の形成が可能となる。
なお、後述する本実施形態の発光トランジスタ素子を、光を基板側から出射させるボトムエミッション構造の有機発光トランジスタ素子として使用したい場合には、少なくともコレクタ電極１１を透明または半透明の材料で形成することが好ましく、一方、光をエミッタ電極１２側から出射させるトップエミッション構造の有機発光トランジスタ素子を作製したい場合には、ベース電極１３とエミッタ電極１２を透明または半透明の材料で形成することが好ましい。こうした構成により、光取り出し効率を向上することができる透明または半透明の電極材料としては、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物が用いられる。
本実施形態のトランジスタ素子に用いられるベース電極１３の厚さは、０．５ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。ベース電極１３の厚さが１００ｎｍ以下であれば、ベース電圧Ｖｂで加速された電子を容易に透過することができる。なお、ベース電極１３は半導体層中に切れ目なく（穴やクラックなどの欠陥部なく）設けられていれば問題なく使用できるが、０．５ｎｍ未満であると欠陥を生じ、有機トランジスタ素子として動作しないことがある。
本実施形態のトランジスタ素子中の電極の形成方法について次に説明する。上記の各電極のうちコレクタ電極１１とエミッタ電極１２については、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセスあるいは塗布プロセスにより形成され、その膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、１０ｎｍ〜１，０００ｎｍ程度であることが好ましい。なお、その厚さが１０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないことがあり、１，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じる。一方、ベース電極１３も、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセスあるいは塗布プロセスにより形成され、その膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、上記の通り０．５ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
（暗電流抑制層）
本実施形態のトランジスタ素子においては、暗電流を抑制する目的で、暗電流抑制層を形成することができる。暗電流抑制層は、ベース電極１３を形成した後に、当該ベース電極１３を加熱処理して形成することが好ましい。さらに、本実施形態のトランジスタ素子において、前記ベース電極１３を金属から形成し、該ベース電極１３の片面または両面に該金属の酸化膜を形成することにより、エミッタ電極１２−ベース電極１３間に電圧Ｖｂを印加しない場合に流れる暗電流を効果的に抑制することができる。
上記したように、暗電流抑制層がコレクタ電極１１とベース電極１３との間に設けられていることにより、暗電流が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、オン／オフ比をより向上させることができる。このように本実施形態のトランジスタ素子は、見かけ上バイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能し、高いオン／オフ比、大きなコレクタ電流、電流増幅率を示す優れた有機トランジスタ素子として機能する。
（発光トランジスタ素子）
本発明の発光トランジスタ素子は、トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のエミッタ層２２に発光層を有する発光トランジスタ素子Ａ、コレクタ層２１に発光層を有する発光トランジスタ素子Ｂがある。
本発明の発光トランジスタ素子Ａは、図２に示すように本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のベース電極１３とエミッタ電極１２との間に有機ＥＬ発光素子部３１を有し、該有機ＥＬ発光素子部３１が有機発光層と、必要に応じて正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選ばれた１または２層以上とからなっている。
また、本発明の発光トランジスタ素子Ｂは、図３に示すように本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のベース電極１３とコレクタ電極１１との間に有機ＥＬ発光素子部３１を有し、該有機ＥＬ発光素子部３１が有機発光層と、必要に応じて正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選ばれた１または２層以上とからなっている。
（発光トランジスタ素子Ａ）
本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のエミッタ層２２に有機ＥＬ発光素子部３１を形成することにより、ベース電極１３からのホール電流に関連している正孔と、エミッタ電極からの電子との再結合により生成された励起子が失活することで発光する。従って、本実施形態のトランジスタ素子は、発光トランジスタ素子Ａとして使用することができる。発光層は、有機ＥＬ素子などに使用される発光材料であれば問題なく使用することができ、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層の間に形成される。また、ｎ型有機半導体層、または、ｐ型有機半導体層を発光性有機半導体材料で形成する場合は、該有機半導体層は発光層を兼ねることができ、新たに発光層を形成しなくてもよい。また、発光効率を高める場合には、電子注入層、正孔注入層を形成してもよい。
発光トランジスタ素子Ａの構造は、図２に示すように、ベース電極１３とエミッタ電極１２との間に有機ＥＬ発光素子部３１を有し、該有機ＥＬ発光素子部３１が有機発光層を含み、必要に応じて正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層から選ばれた１または２層以上を含むことを特徴とし、その有機ＥＬ発光素子部３１が少なくとも１層以上の発光層を含むので大電流による発光が可能になる。従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であるとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにオン／オフ比を向上させることができるので、発光トランジスタ素子Ａは簡単な構造を有する実用的な発光トランジスタ素子として提供できる。
（発光トランジスタ素子Ｂ）
本発明の発光有機トランジスタ素子Ｂは、図３に示すようにベース電極１３とコレクタ電極１１との間に有機ＥＬ発光素子部３１を有し、該有機ＥＬ発光素子部が有機発光層を含み、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層から選ばれた１または２層以上を含む発光層を含む有機発光トランジスタ素子となる。発光有機トランジスタ素子Ｂは、有機ＥＬ発光素子部と駆動トランジスタを一組にすることとともに、さらに従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であり、大電流変調が可能であり、さらにオン／オフ比が高いことにより、発光輝度が高く、コントラストに優れ、周波数特性の優れた自発光が可能な発光トランジスタ素子として提供できる。また、発光有機トランジスタ素子Ｂは、蒸着法のみで作成も可能で、プラスチックなどのフレキシブルな基板上にも素子を形成することが可能であり、小型軽量化された簡単な構造からなる実用性の高い発光トランジスタ素子として提供できる。
本発明の発光トランジスタＢの構造は、図３に示すようにベース電極１３とコレクタ電極１１との間に有機ＥＬ発光素子部３１を有し、当該有機ＥＬ発光素子部３１が少なくとも発光層を１層以上含むので、大電流による面状発光が可能になる。従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であるとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにオン／オフ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光トランジスタ素子として提供できる。本発光トランジスタ素子Ｂは、エミッタ層が電子輸送性材料からなるｎ型半導体層であるので、電子輸送層を特別に設けていないが、必要に応じて有機ＥＬ発光素子部３１のベース電極１３側に設けてもよい。
（有機ＥＬ発光素子部）
発光トランジスタ素子Ａに用いる図４に示した有機ＥＬ発光素子部３１は、正極となる電極側（ベース電極側）から順に正孔注入層４１、正孔輸送層４２、発光層４３が設けられている。発光層４３のエミッタ電極１２（図２参照）側には励起子ブロック層４４が設けられ、エミッタ電極１２の下にｎ型有機半導体層２２Ａ（図２参照）からなる電子輸送層が形成されている。この発光トランジスタ素子Ａは、多くの電荷が加速されて有機ＥＬ発光素子部３１の発光層４３に到達するので、エミッタ電極１２からの電荷の注入は容易である。したがって、有機ＥＬ発光素子部３１は必ずしも電荷注入層を有していなくてもよいという利点がある。そのため、従来のように電子を注入し易いが酸化し易いアルカリ金属を陰極として用いなくてもよいという効果がある。
発光トランジスタ素子Ｂに用いる有機ＥＬ発光素子部３１（図３参照）の構成は、図４に示されている構成とは上下が逆になり、さらに「正孔」を「電子」に置き換える必要がある。すなわち、コレクタ電極１１からベース電極１３側に向かって（図３参照）、「励起子ブロック層」、「発光層」、「電子輸送層」、「電子注入層」の順に積層されている。この発光トランジスタ素子Ｂは、多くの電荷が加速されて有機ＥＬ発光素子部３１の発光層に到達するので、コレクタ電極１１からの電荷注入は容易である。従って、有機ＥＬ素子部３１は必ずしも電荷注入層を有しなくてもよい利点がある。
本発明における有機ＥＬ発光素子部３１に使用される発光層４３の形成材料は、有機ＥＬ素子の発光層として一般的に用いられている材料であれば特に限定されず、例えば色素系発光材料、金属錯体系発光材料、高分子系発光材料などを挙げることができる。
色素系発光材料としては、例えば、シクロペンタジエン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピラゾロキノリン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール誘導体、チオフェン環化合物、ピリジン環化合物、ペリノン誘導体、ペリレン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、トリフマニルアミン誘導体、オキサジアゾールダイマー、ピラゾリンダイマーなどを挙げることができる。
金属錯体系発光材料としては、例えば、アルミキノリノール錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、ベンゾオキサゾール亜鉛錯体、ベンゾチアゾール亜鉛錯体、アゾメチル亜鉛錯体、ポルフィリン亜鉛錯体、フェナントロリン、ユーロピウム錯体など、中心金属に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｅなど、またはＴｂ、Ｅｕ、Ｄｙなどの希土類金属を有し、配位子にオキサジアゾール、チアジアゾール、フェニルピリジン、フェニルベンゾイミダゾール、キノリン構造などを有する金属錯体などを挙げることができる。
高分子系発光材料としては、例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリフルオレノン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリキノキサリン誘導体、およびそれらの共重合体などを挙げることができる。
発光層４３中には、発光効率の向上や発光波長を変化させるなどの目的でドーピング剤などの添加剤を添加してもよい。ドーピング剤としては、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ルブレン誘導体、キナクリドン誘導体、スクアリリウム誘導体、ポルフィリン誘導体、スチリル色素、テトラセン誘導体、ピラゾリン誘導体、デカシクレン誘導体、フェノキサゾン誘導体、キノキサリン誘導体、カルバゾール誘導体、フルオレン誘導体などを挙げることができる。
本発明における有機ＥＬ発光素子部３１に使用される正孔注入層４１の形成材料として、例えば、発光層４３の発光材料に例示した化合物の他、フェニルアミン系誘導体、スターバースト型アミン系誘導体、フタロシアニン系誘導体、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウムなどの酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの誘導体などを挙げることができる。
本発明における有機ＥＬ発光素子部３１に使用される正孔輸送層４２の形成材料として、例えば、前記有機半導体層に使用できるｐ型半導体材料が使用できる。例えば、フタロシアニン、ナフタロシアニン、ポリフィリン、オキサジアゾール、トリフェニルアミン、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、ピラゾリン、テトラヒドロイミダゾール、ヒドラゾン、スチルベン、ペンタセン、ポリチオフェンおよびブタジエン、ならびにこれらの誘導体など、正孔輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、正孔輸送層４２の形成材料として市販されている正孔輸送性材料、例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（略称ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、商品名；「ＣＬＥＶＩＯＳ Ｐ」Ｈ．Ｃ． Ｓｔａｒｃｋ Ｃｌｅｖｉｓ ＧｍｂＨ製など）なども使用することができる。正孔輸送層４２は、蒸着法、または、こうした化合物を含有した正孔輸送層形成用塗液を用いて形成される。なお、これらの正孔輸送材料は、上記の発光層４３内に混ぜてもよいし、正孔注入層４１内に混ぜてもよい。
本発明における正孔輸送層材料として、前記した材料を用いることができる。なお、上述した発光層４３や電荷輸送層などの有機層中には、必要に応じて発光材料または電荷輸送もしくは注入オリゴマーもしくはデンドリマー材料を含有させてもよい。正孔輸送層４２の電荷移動度として、１０-6ｃｍ2／Ｖｓ以上の正孔移動度を有することが好ましい。ただし、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、正孔輸送層４２は正孔輸送性の高い物質を一種類含む単層のものだけでなく、異なった種類の上記物質をそれぞれ含む層が二層以上積層したものとしてもよい。
本発明における有機ＥＬ発光素子部３１は必要であれば電子注入層を含むことが可能である。電子注入層の形成材料としては、例えば、発光層４３の発光材料に例示した化合物の他、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ金属類およびアルカリ土類金属類、並びに、これらのハロゲン化物および酸化物などを挙げることができる。
本発明における有機ＥＬ発光素子部３１の励起子ブロック層４４は、正孔ブロック層、電子ブロック層などとして機能し、キャリア（正孔、電子）のつきぬけを防止し、効率よくキャリアを再結合させる。バソキュプロイン（ＢＣＰ）を励起子ブロック層４４の形成材料として用いた場合、エネルギーダイアグラムにおいて、ＢＣＰのＬＵＭＯエネルギーレベルがＭｅ−ＰＴＣとほぼ同じなので励起子ブロック層４４はＭｅ−ＰＴＣからの電子をブロックしないが、ＢＣＰのＨＯＭＯエネルギーレベルがＡｌｑ３よりも高いのでＡｌｑ３からの正孔はブロックする。ＢＣＰの励起状態はＡｌｑ３の励起状態よりもエネルギーが高いので、Ａｌｑ３で発生した励起子はＢＣＰに拡散しない。
前述した、本発明の有機ＥＬ発光素子部３１を構成する各層は、真空蒸着法によって成膜するか、あるいは、それぞれの形成材料をトルエン、クロロホルム、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの溶媒に溶解、または、分散させて塗布液を調製し、それらの塗布液を塗布または印刷装置などにより塗布または印刷などすることで形成される。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、実施例および比較例で作製したトランジスタ素子は、次の方法により評価した。
（トランジスタ素子の評価）
作製したトランジスタ素子について、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧（Ｖｃ）を印加し、エミッタ電極−ベース電極間に印加するベース電圧（Ｖｂ）を０Ｖ〜３Ｖの範囲で変調させた。このトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧（Ｖｃ）を一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂ（０〜３Ｖ）を印加したときの、ベース電流Ｉｂ、および、コレクタ電流Ｉｃの変化量（オフ電流、オン電流）を測定した。また、ベース電流の変化に対するコレクタ電流の対応する変化の比率、すなわち、電流増幅率（ｈFE）、およびオン電流と対応するオフ電流の比率、すなわち、オン／オフ比を算出した。
実施例１［ダイオード構造（Ｃ６０／銅フタロシアニン）によるトランジスタ素子の作製］
図５に示すように、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極１１として用意した。該コレクタ電極１１上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）からなる平均厚さ２５０ｎｍの有機半導体層を形成した後、フラーレン（Ｃ６０）からなる平均厚さ５０ｎｍの有機半導体層を形成してコレクタ層２１を作成した。次に、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ３ｎｍの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ１５ｎｍのベース電極層を積層して、ベース電極１３を形成した。ベース電極１３上に、銅フタロシアニンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚３０ｎｍ）と、さらに、フラーレン（Ｃ６０）からなるｎ型有機半導体層（平均膜厚：５０ｎｍ）とを真空蒸着法でその順で積層し、ダイオード構造のエミッタ層２２を作成した。次に、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を、真空蒸着法で積層し、実施例１のメタルベース有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を得た。
実施例１で得られたトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃを３Ｖで一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂ（０〜２Ｖ）を印加したときと印加しないときの、コレクタ電流Ｉｃおよびベース電流Ｉｂの変化量を測定した。ベース電圧を印加したときのコレクタ電流の変化（Ｉｃ−Ｖｂ特性）を図７に示す。また、コレクタ電圧Ｖｃ＝３Ｖ、ベース電圧Ｖｂ＝１．１Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉｃのオン電流および電流増幅率、Ｖｂ＝０Ｖの時のオフ電流、さらに、オン／オフ比を表１に示す。
実施例２［ダイオード構造（Ｃ６０／ペンタセン）によるトランジスタ素子の作製］
実施例１と同様に、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極１１を用意した。該コレクタ電極１１上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）からなる平均厚さ２５０ｎｍの有機半導体層を形成した後、フラーレン（Ｃ６０）からなる平均厚さ５０ｎｍの有機半導体層を形成してコレクタ層２１を作成した。これに、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ３ｎｍの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ１５ｎｍのベース電極層を積層して、ベース電極１３を形成した。ベース電極１３上に、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚３０ｎｍ）と、フラーレン（Ｃ６０）からなるｎ型有機半導体層（平均膜厚：５０ｎｍ）とを真空蒸着法でその順に積層し、ダイオード構造のエミッタ層２２を作成した。さらに、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を、真空蒸着法で積層し、実施例２のメタルベース有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を得た。
実施例２で得られたトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃを３Ｖで一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂ（０〜２Ｖ）を印加したときと印加しないときの、コレクタ電流Ｉｃおよびベース電流Ｉｂの変化量を測定した。ベース電圧を印加したときのコレクタ電流の変化（Ｉｃ−Ｖｂ特性）を図８に示す。また、コレクタ電圧Ｖｃ＝３Ｖ、ベース電圧Ｖｂ＝１．７Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉｃのオン電流および電流増幅率、Ｖｂ＝０Ｖの時のオフ電流、さらに、オン／オフ比を表２に示す。
実施例３［ダイオード構造（Ｂ４ＰＹＭＰＭ／ペンタセン）による発光トランジスタ素子の作製］
図６に示すように、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極１１を用意した。該コレクタ電極１１上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）からなる平均厚さ２５０ｎｍの有機半導体層を形成した後、フラーレン（Ｃ６０）からなる平均厚さ５０ｎｍの有機半導体層を形成し、積層構造であるコレクタ層２１を作成した。これに、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ３ｎｍの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ１５ｎｍの電極層を積層して、ベース電極１３を形成した。ベース電極１３上に、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚３０ｎｍ）２２Ｂを形成し、正孔輸送材料としてα−ＮＰＤ（Ｂｉｓ［Ｎ−（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ−ｐｈｅｎｙ］ｂｅｎｚｉｄｉｎｅ）からなる正孔輸送層（平均膜厚：１０ｎｍ）、Ａｌｑ３（（トリス（８−ヒドロキシキノリノール）アルミニウム）錯体）からなる有機発光層４３（平均膜厚：２０ｎｍ）、電子輸送材料であるピリミジン誘導体Ｂ４ＰＹＭＰＭ（下記式（１））からなる電子輸送層２２Ａ（平均膜厚：１０ｎｍ）、電子注入層としてフッ化リチウム（平均膜厚：０．５ｎｍ）とを順次真空蒸着法により積層し、有機発光層４３を挟み込むダイオード構造であるエミッタ層２２を形成した。さらに、エミッタ層２２上に、アルミニウムからなる平均厚さ１００ｎｍのエミッタ電極１２を、真空蒸着法で積層し、実施例３の発光メタルベース有機トランジスタ素子を得た。
Figure 2012519369
得られた発光トランジスタ素子に、コレクタ電圧（Ｖｃ＝１２Ｖ）を印加し、発光を確認したところ、ベース電圧を印加しない場合（Ｖｂ＝０Ｖ）、発光が確認されないが、ベース電圧を印加（Ｖｂ＝１０Ｖ）すると、エミッタ層からの発光が確認された。
比較例１［Ｃ６０によるトランジスタ素子の作製］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、実施例１と同様にしてコレクタ層を形成した。これに、実施例１と同様に、電子注入層としてフッ化リチウムからなる３ｎｍの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ１５ｎｍのベース電極層を積層して、ベース電極を形成した。ベース電極上に、フラーレン（Ｃ６０）からなるｎ型有機半導体層（８０ｎｍ）を真空蒸着法で積層し、ｎ型有機半導体材料からなる非ダイオード構造をエミッタ層として作成した。さらに、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法で積層し、比較例１のトランジスタ素子を得た。
（評価結果）
得られたトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃを３Ｖで一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂ（０〜２Ｖ）を印加したときと印加しないときの、コレクタ電流Ｉｃおよびベース電流Ｉｂの変化量を測定した。本トランジスタ素子は、ＭＢＯＴとして動作が確認された。その評価結果を表１、表２、図７、図８に示す。
Figure 2012519369
Figure 2012519369
実施例１の有機トランジスタ素子は、電流増幅型トランジスタ素子としての機能が確認された。低電圧下において９８．４という大きな増幅率を示すとともに、そのオン電流は３６．４ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝１．１Ｖ）、１４５ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝２．０Ｖ）と、トランジスタ素子として非常に大きな電流が変調された。また、オン／オフ比（Ｖｂ＝１．１Ｖ）は、２０．３であった。
実施例２の有機トランジスタ素子も、電流増幅型トランジスタ素子としての機能が確認された。低電圧下において１６０．４という大きな増幅率を示すとともに、そのオン電流は４２．５ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝１．７Ｖ）、６２ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝２．０Ｖ）と、トランジスタ素子として非常に大きな電流が変調された。また、オン／オフ比（Ｖｂ＝１．７Ｖ）は、１１６．８であった。
一方、比較例１のトランジスタ素子は、ＭＢＯＴとして動作し、電流増幅性を有し、暗電流が抑制されたトランジスタ素子として機能することが確認された。しかし、コレクタ電圧（Ｖｃ＝３Ｖ）を印加したときの、オン電流値は２．２ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝１．１Ｖ）、７．１ｍＡ／ｃｍ2（Ｖｂ＝１．７Ｖ）と小さい電流しか得ることができなかった。
実施例１および２のトランジスタ素子は、そのオン電流として比較例１のトランジスタ素子から得られる対応するオン電流の１７倍および６倍の大きな電流を得、また、オフ電流も抑制された。従って、実施例１および２のトランジスタ素子は優れたトランジスタ特性を示した。また、実施例３の発光トランジスタ素子は高いオン／オフ比を示すことが確認された。
このように本発明のトランジスタ素子は、低電圧下において、大電流変調ができ、オン／オフ比も高く、見かけ上バイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能することが確認できた。また、エミッタ層に発光層を導入することにより、本発明のトランジスタ素子の効果を備えた、自発光する発光トランジスタ素子を得られることも確認できた。
本発明のトランジスタ素子は、オフ電流が小さく、オン／オフ比が高くなるため、有機ＥＬディスプレイなどのディスプレイ用駆動素子、有機発光層を組み込んだ場合、有機発光トランジスタ素子として利用することができる。
１１：コレクタ電極
１２：エミッタ電極
１３：ベース電極
２１：有機半導体層（コレクタ層）
２２：有機半導体層（エミッタ層）
２２Ａ：ｎ型有機半導体層、または、ｐ型有機半導体層
２２Ｂ：ｐ型有機半導体層、または、ｎ型有機半導体層
３１：有機ＥＬ発光素子部
４１：正孔注入層
４２：正孔輸送層
４３：発光層
４４：励起子ブロック層

Claims (11)

  1. エミッタ電極と、コレクタ電極と、該エミッタ電極とコレクタ電極との間に形成された第１および第２の有機半導体層と、該第１の有機半導体層と第２の有機半導体層との間に形成されたシート状のベース電極とが設けられている電流増幅型トランジスタ素子において、前記第１の有機半導体層が前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層とのダイオード構造を有することを特徴とする電流増幅型トランジスタ素子。
  2. 前記第２の有機半導体層が前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられたｎ型有機半導体層からなり、前記第１の有機半導体層が、前記ベース電極上に形成されたｐ型有機半導体料層と、前記エミッタ電極下に形成されたｎ型半導体層とからなるダイオード構造を有する請求項１に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  3. 前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体および前記ｎ型有機半導体が、それぞれ、正孔輸送材料層および電子輸送材料層である請求項２に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  4. 前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体層が金属フタロシアニンまたは無金属フタロシアニンよりなる請求項２に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  5. 前記第１の有機半導体層中の前記ｐ型有機半導体層がペンタセンよりなる請求項２に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  6. 前記第２の有機半導体層が前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、ジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）からなる有機半導体層とフラーレン（Ｃ６０）からなる有機半導体層とを積層した積層有機半導体層からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  7. 前記ベース電極と前記第２の有機半導体層との間に形成されたフッ化リチウム層をさらに有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  8. ５Ｖ以下の低電圧における電流増幅率が５０以上である請求項１〜７のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  9. オン／オフ比が１００以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子と、前記第１の有機半導体層における前記ｐ型有機半導体層とｎ型有機半導体層との間に形成された有機ＥＬ発光素子部とからなり、該有機ＥＬ発光素子部が有機ＥＬ発光層と、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選択された少なくとも１層とからなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子。
  11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電流増幅型トランジスタ素子と、前記第２の有機半導体層と前記コレクタ電極との間に形成された有機ＥＬ発光素子部とからなり、該有機ＥＬ発光素子部が有機ＥＬ発光層と、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選択された少なくとも１層とからなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子。
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