JP2013258223A - Phototransistor - Google Patents

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Hajime Nakanoya
一 中野谷
Satoshi Yamamoto
諭 山本
Toshiya Kosaka
俊也 匂坂
Masataka Mori
匡貴 毛利
Daisuke Goto
大輔 後藤
Masahito Shinoda
雅人 篠田
Takuji Kato
拓司 加藤
Satoshi Miyagawa
聡志 宮川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photo detector, specifically a phototransistor, having excellent electrical characteristics and atmospheric stability and capable of obtaining a high on/off ratio with a low application voltage, and a method for manufacturing the phototransistor.SOLUTION: A phototransistor includes a first electrode 5, a second electrode 6, an organic semiconductor layer 1, an insulation film layer 4, and a gate electrode 3. The insulation film layer 4 is located between the gate electrode 3 and the organic semiconductor layer 1. The organic semiconductor layer 1 is in contact with the first electrode 5 and the second electrode 6, and has a transition metal oxide layer 7 at a part of a light receiving surface. A contact interface between the organic semiconductor layer 1 and the transition metal oxide layer 7 is not continuous over the first electrode 5 and the second electrode 6.

Description

本発明は、フォトトランジスタ、該フォトトランジスタを用いたフォトトランジスタアレイ及び撮像装置に関する。   The present invention relates to a phototransistor, a phototransistor array using the phototransistor, and an imaging apparatus.

有機半導体材料は、その多彩な光学特性と電気特性のためオプトエレクトロニクス材料として近年大きな注目を集め、活発な研究開発が行われている。特に、有機半導体を用いた発光デバイスである有機EL素子は、有機物に電界を印加することによって注入された正孔と電子が、有機分子上で再結合して励起子を生成し、その輻射失活によって発光するという非常に興味深い現象を利用したデバイスであり、表示デバイスとして実用化の段階にまで達した。   In recent years, organic semiconductor materials have attracted a great deal of attention as optoelectronic materials due to their various optical and electrical properties, and are actively researched and developed. In particular, an organic EL element, which is a light-emitting device using an organic semiconductor, generates excitons by recombination of holes and electrons injected by applying an electric field to an organic substance on an organic molecule. It is a device that uses a very interesting phenomenon of light emission due to live, and has reached the stage of practical application as a display device.

また、有機半導体を活性層とする有機トランジスタについての研究開発も活発に行われている。有機トランジスタは、有機半導体層中に流れる電流量を、ソース・ドレイン・ゲート電極に印加する電圧によってスイッチングする素子である。 In addition, research and development on organic transistors using an organic semiconductor as an active layer has been actively conducted. An organic transistor is an element that switches the amount of current flowing in an organic semiconductor layer by a voltage applied to a source / drain / gate electrode.

有機半導体材料や有機絶縁膜材料からなる有機薄膜トランジスタは、印刷法、塗布法等の生産性に優れたウェットプロセスにて作製できるため、真空プロセスを用いた従来のシリコントランジスタに比べ、製造コストの低減や大面積な電子デバイスへの展開が期待できる。さらに、製造プロセス温度を低温化できることから、耐熱性の低いプラスチック基板を用いた軽量で壊れにくいフレキシブルな電子デバイスを作製することができる。 Organic thin-film transistors made of organic semiconductor materials and organic insulating film materials can be manufactured by a wet process with excellent productivity, such as printing and coating methods, reducing manufacturing costs compared to conventional silicon transistors using vacuum processes And can be expected to expand to large-area electronic devices. Furthermore, since the manufacturing process temperature can be lowered, a flexible electronic device that is lightweight and hard to break using a plastic substrate with low heat resistance can be manufactured.

さらに、有機半導体を活性層とする有機薄膜太陽電池や有機フォトダイオードに関する研究も盛んに行われている。有機薄膜太陽電池は、有機EL素子とは異なり、光を有機半導体薄膜に照射することで励起された励起子を、内部電界により解離させ電荷として回路に取り出す受光素子である。 In addition, research on organic thin-film solar cells and organic photodiodes using an organic semiconductor as an active layer has been actively conducted. Unlike an organic EL element, an organic thin film solar cell is a light receiving element in which excitons excited by irradiating light on an organic semiconductor thin film are dissociated by an internal electric field and taken out as a charge into a circuit.

有機薄膜太陽電池では、p型、n型の低分子有機半導体材料や導電性ポリマーの積層構造または混合膜を用いることで、p型半導体/n型半導体の接合界面において、光照射にともない生成された励起子を電荷分離することでキャリアを外部回路に取り出している。 In an organic thin film solar cell, a p-type or n-type low-molecular organic semiconductor material or a conductive polymer laminated structure or a mixed film is used to generate light at the p-type semiconductor / n-type semiconductor junction interface upon light irradiation. Carriers are taken out to an external circuit by charge separation of the excitons.

一方、フォトトランジスタは、半導体層への光照射に応じて、電極間の電流変化を検出する素子であり、光検出装置として用いられる。ここで、有機薄膜トランジスタにおける半導体材料を、有機薄膜太陽電池や有機フォトダイオードで使用されるような半導体材料に置き換えることにより、光照射による電流値の変調が可能な有機フォトトランジスタを作製することが可能となる。 On the other hand, a phototransistor is an element that detects a change in current between electrodes in response to light irradiation on a semiconductor layer, and is used as a light detection device. Here, it is possible to produce an organic phototransistor capable of modulating the current value by light irradiation by replacing the semiconductor material in the organic thin film transistor with a semiconductor material used in an organic thin film solar cell or an organic photodiode. It becomes.

従来の有機フォトダイオードでは、暗電流の抑制が困難であるが、フォトトランジスタ構造では、印加するゲート電圧により暗電流値を抑制することが可能となるため、高いon/off比(明電流/暗電流)が得られる。
また、従来のフォトダイオードでは、p型半導体とn型半導体の接合界面が必要であるのに対し、有機フォトトランジスタでは、p型またはn型のいずれかの単一材料においても高い光電流が得られる。
In the conventional organic photodiode, it is difficult to suppress the dark current. However, in the phototransistor structure, since the dark current value can be suppressed by the applied gate voltage, a high on / off ratio (bright current / dark Current).
In addition, a conventional photodiode requires a junction interface between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, whereas an organic phototransistor provides a high photocurrent even with a single material of either p-type or n-type. It is done.

しかしながら、従来のシリコン系半導体または有機半導体を用いたフォトトランジスタにおいては、暗電流値の抑制が未だ十分ではなく、on/off比は10〜10程度に留まっている。そのため、高い受光感度を有する超高感度な光センサを実現するためには、さらなるon/off比の向上が必要不可欠である。 However, in a conventional phototransistor using a silicon-based semiconductor or an organic semiconductor, the dark current value is not yet sufficiently suppressed, and the on / off ratio remains at about 10 3 to 10 4 . Therefore, further improvement of the on / off ratio is indispensable for realizing an ultra-sensitive optical sensor having high light receiving sensitivity.

特許文献1(特開2009−176985号公報)では、有機半導体材料として、真空蒸着法を用いて成膜されたテトラセン誘導体薄膜を用いることで、on/off比(明電流/暗電流)=約10を示す有機フォトトランジスタを得られることが開示されている。 In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-176985), an on / off ratio (bright current / dark current) = about by using a tetracene derivative thin film formed by vacuum deposition as an organic semiconductor material. it is disclosed that the resulting organic phototransistors showing a 10 6.

しかしながら、特許文献1で開示されたフォトトランジスタでは、on/off比(明電流/暗電流)=約10を得るためには−60Vと高いソース・ドレイン電圧が必要であり実用的な動作電圧ではない。
また、開示されているテトラセン誘導体薄膜は、真空蒸着法を用いて成膜されており、塗布法や印刷法などの簡便なプロセスで薄膜を形成できるという有機半導体材料への期待に応えるものではない。
However, in the phototransistor disclosed in Patent Document 1, in order to obtain an on / off ratio (bright current / dark current) = about 10 6 , a high source / drain voltage of −60 V is necessary, and a practical operating voltage is required. is not.
Further, the disclosed tetracene derivative thin film is formed using a vacuum deposition method, and does not meet the expectation for an organic semiconductor material that a thin film can be formed by a simple process such as a coating method or a printing method. .

また、塗布法や印刷法などの簡便なプロセスで薄膜を形成することが可能な高分子有機半導体材料を用いたフォトトランジスタが多数報告されている。 In addition, many phototransistors using a polymer organic semiconductor material that can form a thin film by a simple process such as a coating method or a printing method have been reported.

例えば非特許文献1では、高分子有機半導体材料を用いたフォトトランジスタの製造方法が開示されているが、高分子有機半導体材料の電界効果移動度は低分子有機半導体材料の比較し、一般に低いため、高いon/off比(明電流/暗電流)を得ることは非常に困難である。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a phototransistor using a high molecular organic semiconductor material, but the field effect mobility of a high molecular organic semiconductor material is generally lower than that of a low molecular organic semiconductor material. It is very difficult to obtain a high on / off ratio (bright current / dark current).

また、高効率な光検出装置を提供するためには、偽信号やクロストークの原因となる暗電流をいかに低減するかが大きな課題となっている。
例えば、特許文献2(特開2007−88033号公報)では、電極層と半導体層との間に電子受容性有機材料または電子供与性有機材料を有するブロッキング層を設けることが開示され、また、特許文献3(特開2010−80845号公報)では、電極層と半導体層との間に遷移金属酸化物からなる薄膜層を設けることが開示されている。これらは、電極層と半導体層との間にポテンシャル障壁を設け、電荷注入効率を抑制し暗電流を抑制することを志向するものである。
In addition, in order to provide a highly efficient photodetection device, how to reduce the dark current that causes false signals and crosstalk is a major issue.
For example, Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-88033) discloses that a blocking layer having an electron-accepting organic material or an electron-donating organic material is provided between an electrode layer and a semiconductor layer. Document 3 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-80845) discloses that a thin film layer made of a transition metal oxide is provided between an electrode layer and a semiconductor layer. These are intended to provide a potential barrier between the electrode layer and the semiconductor layer to suppress charge injection efficiency and suppress dark current.

しかしながら、電極層と半導体層との間にポテンシャル障壁が存在すると、トランジスタ駆動におけるドレイン電流値の低下を引き起こしてしまい、結果として、明電流値も低下してしまうため、このような手法では、高いon/off比(明電流/暗電流)を有する有機フォトトランジスタを提供することは困難である。 However, if there is a potential barrier between the electrode layer and the semiconductor layer, it causes a decrease in the drain current value in driving the transistor, resulting in a decrease in the bright current value. It is difficult to provide an organic phototransistor having an on / off ratio (bright current / dark current).

また、特許文献3には、前記遷移金属酸化物からなる薄膜層により、素子の駆動電圧を低下させる旨が開示されている。
しかしながら、前記遷移金属酸化物からなる薄膜層を膜厚2nm以下で形成する必要があり、このような極薄膜を成膜するためには、高度な成膜装置が必要であり、製造コストの増加を招いてしまい、これらの手法は、簡便かつ低製造コストなプロセスで素子を作製できるという有機半導体素子への期待に応えるものではない。
Patent Document 3 discloses that the driving voltage of the element is lowered by the thin film layer made of the transition metal oxide.
However, it is necessary to form a thin film layer made of the transition metal oxide with a film thickness of 2 nm or less. In order to form such an ultrathin film, an advanced film forming apparatus is required, which increases the manufacturing cost. Therefore, these methods do not meet the expectation for an organic semiconductor device that the device can be manufactured by a simple and low-cost process.

また、特許文献4(特開2005−268550号公報)には、p型有機半導体層とn型有機半導体層を積層させた構造を有するフォトトランジスタの製造方法が開示されている。
p型有機半導体層とn型有機半導体層を積層させた構造では、p/n積層界面において効率的な電荷分離が生じ、大きな明電流を得ることができる。
Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-268550) discloses a method for manufacturing a phototransistor having a structure in which a p-type organic semiconductor layer and an n-type organic semiconductor layer are stacked.
In a structure in which a p-type organic semiconductor layer and an n-type organic semiconductor layer are stacked, efficient charge separation occurs at the p / n stacked interface, and a large bright current can be obtained.

しかしながら、p型有機半導体層とn型有機半導体層を用いているため、トランジスタ駆動をした場合、両極性駆動を示す結果、暗電流値が増加してしまい、高いon/off比(明電流/暗電流)を有する有機フォトトランジスタを提供することはできない。
また、n型有機半導体は、一般に酸素や水などの影響を受け易く、劣化し易いため、大気安定なフォトトランジスタを提供することは困難である。
However, since the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer are used, when the transistor is driven, as a result of showing bipolar driving, the dark current value increases, and a high on / off ratio (bright current / An organic phototransistor having a dark current) cannot be provided.
In addition, an n-type organic semiconductor is generally easily affected by oxygen, water, and the like, and is easily deteriorated. Therefore, it is difficult to provide an air-stable phototransistor.

高い明電流値を得るためには、有機半導体層に対してキャリアドーピングを行い、電界効果移動度を増加させることが考えられる。 In order to obtain a high bright current value, it is considered that carrier doping is performed on the organic semiconductor layer to increase the field effect mobility.

特許文献5(特開2007−19291号公報)、非特許文献2には、強いアクセプター材料であるtetrafluoro−tetracyanoquinodimethane (F4−TCNQ)を、p型有機半導体層上に成膜することにより、両層の界面に導電性の高い界面電荷移動層を生じさせることが開示されている。 In Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-19291) and Non-Patent Document 2, both layers are formed by depositing tetrafluor-tetracyanoquinodimethane (F4-TCNQ), which is a strong acceptor material, on a p-type organic semiconductor layer. It is disclosed that an interfacial charge transfer layer having a high conductivity is formed at the interface of the above.

薄膜層界面での電荷移動現象に基づくキャリアドーピングは、簡便かつ効果的な手法であるが、非特許文献2で用いられるF4−TCNQに代表される有機アクセプター材料は大気不安的であり、酸素や水などの影響を受け、急激に劣化するため、大気安定なフォトトランジスタを提供することは非常に困難である。
Although carrier doping based on the charge transfer phenomenon at the interface of the thin film layer is a simple and effective technique, the organic acceptor material represented by F4-TCNQ used in Non-Patent Document 2 is uneasy, and oxygen and It is very difficult to provide an atmospherically stable phototransistor because it deteriorates rapidly under the influence of water or the like.

本発明は上記従来技術の現状を鑑みてなされたものであり、優れた電気特性、大気安定性を有し、かつ低い印加電圧で高いon/off比を得ることが可能な光検出装置、特にフォトトランジスタおよび、その製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the current state of the prior art, and has a superior electrical property and atmospheric stability, and can obtain a high on / off ratio with a low applied voltage, in particular, It is an object of the present invention to provide a phototransistor and a manufacturing method thereof.

本発明者らは上記目的を達成するため鋭意検討した結果、フォトトランジスタの有機半導体層が第1電極及び第2電極に接し、かつ、受光面の一部に遷移金属酸化物層を有し、前記有機半導体層と前記遷移金属酸化物層との接触界面が前記第1電極と前記第2電極とに亘って連続していないことで、前記接触界面において導電率が電荷移動現象に基づき増加し、かつ、トランジスタチャネル中で高導電率化するのが一部のみであることで、暗電流値を抑制でき、高いon/off比を得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have the organic semiconductor layer of the phototransistor in contact with the first electrode and the second electrode, and a transition metal oxide layer on a part of the light receiving surface, Since the contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer is not continuous across the first electrode and the second electrode, the conductivity at the contact interface increases based on a charge transfer phenomenon. And it has been found that the dark current value can be suppressed and a high on / off ratio can be obtained because only a part of the transistor channel has high conductivity, and the present invention has been completed.

すなわち、上記課題は、本発明の、下記(1)〜(4)によって解決される。
(1)「第1電極、第2電極、有機半導体層、絶縁膜層、及びゲート電極を有するフォトトランジスタであって、前記絶縁膜層はゲート電極と有機半導体層との間に位置し、前記有機半導体層は前記第1電極及び前記第2電極に接し、かつ、受光面の一部に遷移金属酸化物層を有するものであり、前記有機半導体層と前記遷移金属酸化物層との接触界面が前記第1電極と前記第2電極とに亘って連続していないことを特徴とするフォトトランジスタ」、
(2)「前記遷移金属酸化物層は、タングステン、モリブデン、及び、バナジウムから選択される金属の酸化物を含むことを特徴とする、前記第(1)項に記載のフォトトランジスタ」、
(3)「前記第(1)項または第(2)項に記載のフォトトランジスタが複数配置されたフォトトランジスタアレイ」、
(4)「前記第(3)項に記載のフォトトランジスタアレイを有する撮像装置。
That is, the said subject is solved by following (1)-(4) of this invention.
(1) “a phototransistor having a first electrode, a second electrode, an organic semiconductor layer, an insulating film layer, and a gate electrode, wherein the insulating film layer is located between the gate electrode and the organic semiconductor layer, The organic semiconductor layer is in contact with the first electrode and the second electrode, and has a transition metal oxide layer on a part of the light receiving surface, and a contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer Is not continuous across the first electrode and the second electrode ",
(2) “The phototransistor according to (1) above, wherein the transition metal oxide layer includes an oxide of a metal selected from tungsten, molybdenum, and vanadium”.
(3) "Phototransistor array in which a plurality of phototransistors according to (1) or (2) are arranged",
(4) “An imaging device having the phototransistor array according to the item (3)”.

以下の詳細かつ具体的な説明から理解されるように、本発明によれば、優れた電気特性、大気安定性を有し、かつ低い印加電圧で高いon/off比を得ることが可能なフォトトランジスタが提供される。
As will be understood from the following detailed and specific description, according to the present invention, a photo that has excellent electrical characteristics and atmospheric stability, and can obtain a high on / off ratio at a low applied voltage. A transistor is provided.

本発明の有機フォトトランジスタの概略図である。It is the schematic of the organic phototransistor of this invention. 本発明の有機フォトトランジスタの上面概略図である。It is the upper surface schematic of the organic phototransistor of this invention. 実施例1にて作製した有機フォトトランジスタの観察写真である。2 is an observation photograph of an organic phototransistor produced in Example 1. 実施例1にて計測した有機フォトトランジスタの暗状態または明状態における伝達特性である。It is the transfer characteristic in the dark state or light state of the organic phototransistor measured in Example 1. FIG. 実施例1、比較例1において用いた有機半導体層の吸収スペクトルと、用いた光源の発光スペクトルである。It is the absorption spectrum of the organic-semiconductor layer used in Example 1 and the comparative example 1, and the emission spectrum of the used light source. 比較例1にて計測した有機フォトトランジスタの暗状態または明状態における伝達特性である。It is a transfer characteristic in the dark state or the bright state of the organic phototransistor measured in Comparative Example 1. 実施例1、比較例1にて計測した有機フォトトランジスタの明状態における伝達特性の比較である。It is the comparison of the transfer characteristic in the bright state of the organic phototransistor measured in Example 1 and the comparative example 1. FIG. 実施例3にて計測した有機フォトトランジスタの異なる入射光強度に対する伝達特性である。It is a transfer characteristic with respect to different incident light intensity | strength of the organic phototransistor measured in Example 3. FIG.

以下、本発明について実施の形態を示して、説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施することができる。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist thereof.

本発明により得られるフォトトランジスタは、ウェットプロセスにて作製可能であり、良好な電気特性、及び大気安定性を有し、かつ低い印加電圧で高いon/off比を得ることが可能である。   The phototransistor obtained by the present invention can be manufactured by a wet process, has good electrical characteristics and atmospheric stability, and can obtain a high on / off ratio with a low applied voltage.

上記のように、高いon/off比(明電流/暗電流)を有するフォトトランジスタを得るためには、暗電流を抑制するとともに、高い明電流を得る必要がある。
通常、明電流値はトランジスタのチャネルとして用いる有機半導体層の電界効果移動度により律速されてしまう。フォトトランジスタでは、有機半導体が照射された光を吸収し励起子が生成され、その励起子が印可された電界により分離することで明電流が得られる。
As described above, in order to obtain a phototransistor having a high on / off ratio (bright current / dark current), it is necessary to suppress the dark current and obtain a high bright current.
Usually, the bright current value is limited by the field effect mobility of the organic semiconductor layer used as the channel of the transistor. In a phototransistor, excitons are generated by absorbing light irradiated by an organic semiconductor, and a bright current is obtained by separating the excitons by an applied electric field.

ここで、有機半導体層がトランジスタにおけるチャネル層と、フォトトランジスタにおける受光層を兼ねる場合は、有機半導体層に対する要求性能が多く、全ての特性を満足する有機半導体層の選定は非常に困難である。
また、先述したように、p型有機半導体層とn型有機半導体層を積層化することにより、キャリア伝導層と受光層を分離することが可能となる。
Here, when the organic semiconductor layer serves as the channel layer in the transistor and the light receiving layer in the phototransistor, there are many required performances for the organic semiconductor layer, and it is very difficult to select an organic semiconductor layer that satisfies all the characteristics.
Further, as described above, by laminating the p-type organic semiconductor layer and the n-type organic semiconductor layer, the carrier conductive layer and the light receiving layer can be separated.

しかしながら、この構造の場合には暗電流値が著しく増加してしまう。そこで、有機半導体層の一部を高導電率化することで、受光層である有機半導体層のキャリア移動度を増加させる方法が有効であると考えられる。
受光層である有機半導体層の一部を高導電率化し高移動度化することにより、高い波長選択性と光電流発生特性といった受光材料の観点から最適な有機半導体材料を選定することが可能となる。
However, in this structure, the dark current value increases remarkably. Therefore, it is considered effective to increase the carrier mobility of the organic semiconductor layer that is the light receiving layer by increasing the conductivity of a part of the organic semiconductor layer.
By optimizing part of the organic semiconductor layer that is the light receiving layer and increasing the mobility, it is possible to select the most suitable organic semiconductor material from the viewpoint of the light receiving material such as high wavelength selectivity and photocurrent generation characteristics. Become.

そこで、上述した特性を満たすフォトトランジスタ構造を鋭意検討した結果、有機半導体層が前記第1電極及び前記第2電極に接し、かつ、受光面の一部に遷移金属酸化物層を有するものであり、前記有機半導体層と前記遷移金属酸化物層との接触界面が前記第1電極と前記第2電極とに亘って連続していないトランジスタ構造が適当であることが分かった。 Therefore, as a result of intensive studies on a phototransistor structure that satisfies the above-described characteristics, the organic semiconductor layer is in contact with the first electrode and the second electrode, and has a transition metal oxide layer on a part of the light receiving surface. It has been found that a transistor structure in which the contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer is not continuous across the first electrode and the second electrode is suitable.

本発明によれば、有機半導体層の一部と接している遷移金属薄膜層の界面においてのみ、有機半導体層における導電率が電荷移動現象に基づき増加する。
フォトトランジスタでは、受光面において吸収された光により有機半導体中に励起子が生成される。生成された励起子は、印可されている電界により電荷分離し、フリーキャリアとしてトランジスタチャネル中を電界に沿って移動する。そのため、上記高導電率界面においては、高導電率化していない層と比較して電荷移動が速やかに行われる。ゆえに、遷移金属酸化物層を有していないフォトトランジスタと比較して、高い明電流値を得ることが可能となる。
According to the present invention, the electrical conductivity in the organic semiconductor layer increases based on the charge transfer phenomenon only at the interface of the transition metal thin film layer that is in contact with a part of the organic semiconductor layer.
In the phototransistor, excitons are generated in the organic semiconductor by the light absorbed on the light receiving surface. The generated excitons are charge-separated by the applied electric field and move along the electric field in the transistor channel as free carriers. For this reason, at the high conductivity interface, charge transfer is performed more quickly than a layer that has not been increased in conductivity. Therefore, a high bright current value can be obtained as compared with a phototransistor that does not have a transition metal oxide layer.

さらに、本発明によれば、高導電率化しているのは、トランジスタチャネル中の一部のみであるため、暗電流値を抑制することも可能となる。その結果、高いon/off比(明電流/暗電流)を得ることが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, since only a part of the transistor channel has a high conductivity, the dark current value can be suppressed. As a result, a high on / off ratio (bright current / dark current) can be obtained.

また、本発明によれば、遷移金属酸化物層と接している有機半導体層界面においてフリーキャリアが生成されるために、遷移金属酸化物層は電極層と有機半導体層の界面に挿入する必要はなく、電極層上から成膜されてもよい。 According to the present invention, since free carriers are generated at the interface of the organic semiconductor layer in contact with the transition metal oxide layer, the transition metal oxide layer needs to be inserted at the interface between the electrode layer and the organic semiconductor layer. Alternatively, the film may be formed on the electrode layer.

図1に本発明によるフォトトランジスタの側面図を示す。
本発明の有機薄膜トランジスタには、基板(2)上で、絶縁層(4)により空間的に分離された第三の電極(3)と第一の電極(5)および第二の電極(6)が設けられており、第三の電極(3)への電圧印加により、有機半導体層(1)を流れる電流を制御することができる。
FIG. 1 shows a side view of a phototransistor according to the present invention.
The organic thin film transistor of the present invention includes a third electrode (3), a first electrode (5) and a second electrode (6) spatially separated by an insulating layer (4) on a substrate (2). The current flowing through the organic semiconductor layer (1) can be controlled by applying a voltage to the third electrode (3).

ここで、第三の電極をゲート電極と呼ぶ。図1(A)はボトムコンタクトボトムゲート型のもの、(B)はボトムコンタクトトップゲート型のもの、(C)はトップコンタクトボトムゲート型のもの、(D)はトップコンタクトトップゲート型のもので、いずれも電界効果型トランジスタ(FET)である。 Here, the third electrode is referred to as a gate electrode. 1A is a bottom contact bottom gate type, FIG. 1B is a bottom contact top gate type, FIG. 1C is a top contact bottom gate type, and FIG. 1D is a top contact top gate type. These are both field effect transistors (FETs).

また、基板上に有機半導体層と有機半導体層と接する遷移酸化物からなる層(7)が順次形成される。有機半導体層と遷移酸化物層はそれぞれどちらが先に形成されてもいいが、ここでは先に有機半導体層を形成した例で説明をおこなう。 Further, an organic semiconductor layer and a layer (7) made of a transition oxide in contact with the organic semiconductor layer are sequentially formed on the substrate. Either the organic semiconductor layer or the transition oxide layer may be formed first. Here, an example in which the organic semiconductor layer is formed first will be described.

本発明に用いられる基板としては、特に限定されるものではないが、例えば、金属基板、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板等が挙げられる。一連の製造工程において寸法変化が少ない基板は製造工程を容易にすることができる。
また、導電性基板を用いることにより、ゲート電極と兼ねること、さらには、ゲート電極と導電性基板とを積層した構造にすることもできる。特に、プラスチック基板を用いると、完成するデバイスに可撓性、軽量化、安価、耐衝撃性などの特性を与えることができる。
Although it does not specifically limit as a board | substrate used for this invention, For example, a metal substrate, a glass substrate, a plastic substrate, a silicon substrate etc. are mentioned. A substrate with little dimensional change in a series of manufacturing processes can facilitate the manufacturing process.
In addition, by using a conductive substrate, the gate electrode can be used, and a structure in which the gate electrode and the conductive substrate are stacked can be used. In particular, when a plastic substrate is used, characteristics such as flexibility, weight reduction, low cost, and impact resistance can be given to a completed device.

プラスチック基板としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネイト、セルローストリアセテート、セルロースセテートポロピオネート等からなる基板が挙げられる。 As a plastic substrate, for example, a substrate made of polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polyetherimide, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyimide, polycarbonate, cellulose triacetate, cellulose acetate propionate, etc. Is mentioned.

本発明に用いられる絶縁膜層の材料としては、種々の絶縁膜材料を用いることができる。
例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等の無機系絶縁膜材料が挙げられる。
また、有機絶縁膜としてポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエステル、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、無置換またはハロゲン原子置換ポリパラキシリレン、ポリアクリロニトリル、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、シルセスキオキサン、ポリビニルブチラール等が挙げられる。
Various insulating film materials can be used as the material of the insulating film layer used in the present invention.
Examples thereof include inorganic insulating film materials such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, and tantalum oxide.
In addition, as an organic insulating film, polyimide, polyamideimide, polyvinyl alcohol, polyvinylphenol, polyester, polyethylene, polyphenylene sulfide, unsubstituted or halogen atom-substituted polyparaxylylene, polyacrylonitrile, cyanoethyl pullulan, polymethyl methacrylate, silsesquioxane, Examples include polyvinyl butyral.

なお、絶縁性を向上させるために、有機材料に無機材料を添加してもよい。絶縁膜の作製方法は、その種類に応じて適宜選択できる。例えば、CVD法、プラズマCVD法、プラズマ重合法、蒸着法、スプレーコート法、スピンコート法、ディップコート法、ブレードコート法、バーコート法、印刷法、ディスペンサ法、インクジェット法などを用いることができる。塗布後には、絶縁性を獲得するために、アニール工程を含んでもよい。 In order to improve insulation, an inorganic material may be added to the organic material. The method for manufacturing the insulating film can be selected as appropriate depending on the type. For example, CVD method, plasma CVD method, plasma polymerization method, vapor deposition method, spray coating method, spin coating method, dip coating method, blade coating method, bar coating method, printing method, dispenser method, ink jet method and the like can be used. . After the application, an annealing step may be included in order to obtain insulation.

本発明に用いられる第一電極、第二電極、および、ゲート電極は、導電性材料であれば、特に限定されないが、Au、Ag、Cu、Pt、Pd、Ni、Ir、Rh、Co、Fe、Mn、Cr、Zn、Mo、W、Ru、In、Sn等が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、Au、Ag、Cu、Niは、電気抵抗、熱伝導率及び腐食の面で、好ましい。 The first electrode, the second electrode, and the gate electrode used in the present invention are not particularly limited as long as they are conductive materials, but Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Ir, Rh, Co, Fe , Mn, Cr, Zn, Mo, W, Ru, In, Sn and the like may be used, and two or more of them may be used in combination. Of these, Au, Ag, Cu, and Ni are preferable in terms of electrical resistance, thermal conductivity, and corrosion.

また、第一電極と第二電極に用いられる電極材料は、同種であっても良いし、異種材料を用いてもよい。また、このような電極を形成する際には、導電性高分子の分散液等を用いることができる。 The electrode materials used for the first electrode and the second electrode may be the same type or different types of materials. Further, when forming such an electrode, a conductive polymer dispersion or the like can be used.

導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアセチレン、あるいはこれらポリマーにドーピングを施したもの等が挙げられる。
中でも、電気伝導度、安定性、耐熱性等の面で、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)の錯体(PEDOT/PSS)が好ましい。
Examples of the conductive polymer include polythiophene, polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, polyacetylene, or those obtained by doping these polymers.
Among these, in terms of electrical conductivity, stability, heat resistance, and the like, a complex of polyethylene dioxythiophene (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS) (PEDOT / PSS) is preferable.

導電性高分子は、金属と比較して、電気特性や安定性で劣るが、重合度、構造により電極の電気特性を改善できること、焼結を必要としないため、低温で電極を形成できること等の点で優れるが、後工程での積層プロセスに対して耐熱性が要求される。 Conductive polymers are inferior in electrical properties and stability compared to metals, but can improve the electrical properties of the electrode depending on the degree of polymerization and structure, and can be formed at low temperatures because sintering is not required. Although excellent in terms, heat resistance is required for the lamination process in the subsequent step.

また、第一電極と第二電極は、有機半導体層との接触面において、電気抵抗の少ない材料で形成することが望ましい。 Moreover, it is desirable that the first electrode and the second electrode be formed of a material having a low electrical resistance at the contact surface with the organic semiconductor layer.

電極の形成方法としては、導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒子分散液を直接インクジェットによりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフィーやレーザーアブレーション等により形成してもよい。
さらに、導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペースト等を凸版、凹版、平版、スクリーン印刷等の印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
また、上記材料を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフィー法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅等の金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法などを用いて形成してもよい。
As a method for forming the electrode, a conductive polymer solution or dispersion, or a conductive fine particle dispersion may be directly patterned by inkjet, or may be formed from the coating film by lithography, laser ablation, or the like.
Furthermore, a method of patterning an ink containing a conductive polymer or conductive fine particles, a conductive paste, or the like by a printing method such as relief printing, intaglio printing, planographic printing, or screen printing can also be used.
In addition, a method of forming an electrode using a known photolithography method or a lift-off method using a conductive thin film formed from a material such as vapor deposition or sputtering using the above materials as a raw material, thermal transfer onto a metal foil such as aluminum or copper, You may form using the method etc. which etch using the resist by an inkjet etc. FIG.

有機半導体層に用いられる材料としてはp型半導体特性およびn型有機半導体特性を有するものであれば特に限定されないが、多環縮合環を有する材料等を好ましく使用することができ、これらは、複素環を含んでもよい。 The material used for the organic semiconductor layer is not particularly limited as long as it has p-type semiconductor characteristics and n-type organic semiconductor characteristics. However, materials having a polycyclic fused ring can be preferably used. It may contain a ring.

有機半導体層に用いられる材料としては、例えば、下記の構造等を部分構造として有するものが挙げられる。 Examples of the material used for the organic semiconductor layer include those having the following structure as a partial structure.

Figure 2013258223
Figure 2013258223

さらに必要に応じてアルキル基、アルコキシ基、チオアルキル基、トリアルキルシリル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アリル基、アルアリル基、アリルアルキル基、アリロキシ基、パーフロロアルキル基、パーフロロアルケニル基、アルキルカルボニル基、アルキルカルボキシル基などの溶解性基を有してもよい。 Furthermore, if necessary, an alkyl group, an alkoxy group, a thioalkyl group, a trialkylsilyl group, a cycloalkyl group, a cycloalkenyl group, an allyl group, an allyl group, an allylalkyl group, an allyloxy group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkenyl group, You may have soluble groups, such as an alkylcarbonyl group and an alkyl carboxyl group.

溶解性基の具体例としては、例えば、下記の構造を有する官能基が挙げられる。ここで、a,b,cはそれぞれ独立に1から30の整数である。溶解性の効果と汎用性の面から1から22の整数の範囲がより好ましい。 Specific examples of the soluble group include functional groups having the following structure. Here, a, b, and c are each independently an integer of 1 to 30. An integer range of 1 to 22 is more preferable from the viewpoint of solubility effect and versatility.

Figure 2013258223
Figure 2013258223

さらに本発明に好ましく用いられる有機半導体材料として具体的な構造を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Furthermore, although the specific structure as an organic-semiconductor material preferably used for this invention is shown below, this invention is not limited to these.

Figure 2013258223
Figure 2013258223

また、本発明に特に好ましい有機半導体材料としては、フラーレン、フラーレン誘導体、フッ素化銅フタロシアニン、銅フタロシアニン、亜鉛フタロシアニン 、テトラセン、ペンタセン、ポリアルキルチオフェン及び下記構造式(1)に示すジチエノベンゾジチオフェン誘導体である。 Further, organic semiconductor materials particularly preferable for the present invention include fullerene, fullerene derivatives, fluorinated copper phthalocyanine, copper phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tetracene, pentacene, polyalkylthiophene, and dithienobenzodithiophene represented by the following structural formula (1). Is a derivative.

Figure 2013258223
Figure 2013258223

前記構造式(1)に示すジチエノベンゾジチオフェン誘導体は、特願2011−029071号明細書に記載の前駆体型有機半導体材料により成膜可能である。 The dithienobenzodithiophene derivative represented by the structural formula (1) can be formed using a precursor organic semiconductor material described in Japanese Patent Application No. 2011-029071.

有機半導体層の塗布方法としては、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、マイクロコンタクトプリンティングなどの印刷法、慣用のコーティング方法、スピンコーティング法、キャスト法、スプレー塗布法、ドクターブレード法、ダイコーティング法、ディッピング法、インクジェット法、滴下法等が挙げられるが、塗布量を制御して所望の膜厚の成膜ができるという点で、スピンコーティング法、ディッピング法、スプレー塗布法、インクジェット法が好ましい。 Organic semiconductor layer coating methods include screen printing, offset printing, gravure printing, flexographic printing, microcontact printing, and other printing methods, conventional coating methods, spin coating methods, casting methods, spray coating methods, doctor blade methods, die printing methods. Examples of the coating method, dipping method, ink jet method, and dropping method include spin coating method, dipping method, spray coating method, and ink jet method in that the coating amount can be controlled to form a desired film thickness. preferable.

有機半導体層の膜厚としては、特に制限はないが、均一な薄膜(即ち、有機半導体層のキャリア輸送特性に悪影響を及ぼすギャップやホールがない)が形成されるような厚みに選択される。有機半導体薄膜の厚みは、一般に100μm以下、特に5〜1000nmが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular as a film thickness of an organic-semiconductor layer, The thickness is selected so that a uniform thin film (namely, the gap and hole which have a bad influence on the carrier transport characteristic of an organic-semiconductor layer) may be formed. The thickness of the organic semiconductor thin film is generally 100 μm or less, particularly preferably 5 to 1000 nm.

また上記したように、有機半導体層に用いられる化合物としてはp型半導体特性および/またはn型有機半導体特性を有する有機化合物であれば特に限定されるものではない。
そのため、異種の有機半導体層を積層または混合させてもよく、第一の有機半導体とは異なる吸収波長を第二、第三の有機半導体を有することで、RGB各光の検出が可能になる。
As described above, the compound used for the organic semiconductor layer is not particularly limited as long as it is an organic compound having p-type semiconductor characteristics and / or n-type organic semiconductor characteristics.
Therefore, different types of organic semiconductor layers may be stacked or mixed, and RGB light can be detected by having the second and third organic semiconductors having absorption wavelengths different from those of the first organic semiconductor.

本発明における遷移金属酸化物層は、遷移金属の酸化物を含むものである。
前記遷移金属としては、前記有機半導体材料の最高占有軌道準位よりも、遷移金属酸化物の伝導準位が低いことが好ましく、例えば、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウムなどの遷移金属が挙げられ、中でもモリブデン、タングステン、バナジウムからなる遷移金属の酸化物が好ましい。
The transition metal oxide layer in the present invention contains a transition metal oxide.
As the transition metal, the transition metal oxide preferably has a conduction level lower than the highest occupied orbital level of the organic semiconductor material. For example, molybdenum, tungsten, vanadium, titanium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium Transition metals such as molybdenum, tungsten, and vanadium are preferable.

遷移金属酸化物層の形成方法としては、上記材料を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した薄膜を、シャドーマスクを通して有機半導体層の一部と接触するように形成する方法や、公知のフォトリソグラフィー法やリフトオフ法を用いてパターニング形成する方法などを用いて形成してもよい。
また、有機半導体材料と共蒸着することにより形成された混合膜を用いてもよい。
As a method of forming the transition metal oxide layer, a method of forming a thin film formed by using a method such as vapor deposition or sputtering using the above-mentioned material as a raw material so as to be in contact with a part of the organic semiconductor layer through a shadow mask, Alternatively, a patterning method using the photolithography method or the lift-off method may be used.
Alternatively, a mixed film formed by co-evaporation with an organic semiconductor material may be used.

本発明における遷移金属酸化物層は、有機半導体層の受光面の一部に成膜され、有機半導体層と前記遷移金属酸化物層との接触界面が前記第1電極と前記第2電極の間に亘って連続していないように形成される。
また、本発明における遷移金属薄膜層は、トランジスタチャネル部分の一部に成膜すればよく、図1に示すように、有機半導体層と金属電極層の界面の一部に挿入されていても、挿入されていなくともよい。
The transition metal oxide layer in the present invention is formed on a part of the light-receiving surface of the organic semiconductor layer, and a contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer is between the first electrode and the second electrode. It is formed so as not to be continuous.
In addition, the transition metal thin film layer in the present invention may be formed on a part of the transistor channel portion, and as shown in FIG. 1, even if it is inserted in a part of the interface between the organic semiconductor layer and the metal electrode layer, It does not have to be inserted.

以上の操作によって得られる遷移金属酸化物層の膜厚は1nm以上10μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは2nm以上1μm以下である。 The film thickness of the transition metal oxide layer obtained by the above operation is preferably 1 nm or more and 10 μm or less, more preferably 2 nm or more and 1 μm or less.

図2は、有機半導体層を成膜した後に遷移金属酸化物層を成膜した場合の、本発明におけるフォトトランジスタの上面図を示す。
遷移金属酸化物層(7)は図2(A)のように第一電極(5)側のみに成膜されていてもよいし、図2(B)のように第二電極(6)側のみに成膜されていてもよく、また、図2(C)のように第一電極(5)と第二電極(6)の両側に成膜されていてもよく、さらに、図2(D)、(E)、(F)のように、トランジスタチャネル中の一部のみに成膜されていてもよい。
FIG. 2 is a top view of the phototransistor according to the present invention in the case where the transition metal oxide layer is formed after the organic semiconductor layer is formed.
The transition metal oxide layer (7) may be formed only on the first electrode (5) side as shown in FIG. 2 (A), or on the second electrode (6) side as shown in FIG. 2 (B). The film may be formed only on both sides of the first electrode (5) and the second electrode (6) as shown in FIG. 2 (C). ), (E), and (F), the film may be formed only on a part of the transistor channel.

また、本発明の薄膜トランジスタは、大気中でも安定に駆動するものであるが、機械的破壊からの保護、水分やガスからの保護、またはデバイスの集積の都合上の保護等のため必要に応じて保護層を設けることもできる。 In addition, the thin film transistor of the present invention is stably driven in the atmosphere, but is protected as necessary for protection from mechanical destruction, protection from moisture and gas, or protection for the convenience of device integration. Layers can also be provided.

(トランジスタアレイ)
本発明のフォトトランジスタは、必要に応じて基板上に複数配置し、各電極からの引き出し電極を設けることにより、同一基板上にフォトトランジスタアレイを作製することができる。
(Transistor array)
A plurality of the phototransistors of the present invention are arranged on a substrate as necessary, and a phototransistor array can be manufactured on the same substrate by providing a lead electrode from each electrode.

(光センサ・撮像素子)
また、本発明のフォトトランジスタは、入射する光の強度により出力する光電流値が異なることから、単一素子または上記フォトトランジスタアレイを用いることで、光強度検出用の光センサとして用いることができる。またさらに本発明のフォトトランジスタでは、用いる有機半導体材料の吸収波長に対応した光に対してのみ光電流を示すことから、上記光センサを撮像素子として利用することができる。
(Optical sensor / image sensor)
The phototransistor of the present invention can be used as an optical sensor for detecting light intensity by using a single element or the phototransistor array because the output photocurrent value varies depending on the intensity of incident light. . Furthermore, in the phototransistor of the present invention, since the photocurrent is shown only for light corresponding to the absorption wavelength of the organic semiconductor material to be used, the photosensor can be used as an imaging device.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to the following Example.

[実施例1]
シリコンウェハーを酸素プラズマにて洗浄後、ポリイミド樹脂のN−メチル−2−ピロリドン溶液をスピンコートすることで、厚さ約40nmのポリイミド膜を製膜した。
その後、下記構造式(2)の有機半導体材料のクロロホルム溶液(1wt%)をスピンコートすることで、厚さ約100nmの有機半導体前駆体膜を得た。こうして得られた有機半導体前駆体膜を230℃に設定したホットプレート上に2時間静置し、有機半導体前駆体膜から下記構造式(1)で示される有機半導体材料への変換を行った。
[Example 1]
After cleaning the silicon wafer with oxygen plasma, a polyimide film having a thickness of about 40 nm was formed by spin coating an N-methyl-2-pyrrolidone solution of polyimide resin.
Thereafter, an organic semiconductor precursor film having a thickness of about 100 nm was obtained by spin coating a chloroform solution (1 wt%) of an organic semiconductor material of the following structural formula (2). The organic semiconductor precursor film thus obtained was allowed to stand on a hot plate set at 230 ° C. for 2 hours to convert the organic semiconductor precursor film into an organic semiconductor material represented by the following structural formula (1).

Figure 2013258223
Figure 2013258223

Figure 2013258223
Figure 2013258223

変換処理後、シャドウマスクを用いて銀を真空蒸着(背圧 〜10−4Pa, 蒸着レート1〜2 Å/s、膜厚:50nm)することによりソース、ドレイン電極を形成した(チャネル長150μm, チャネル幅 2mm)。
その後、有機半導体層と遷移金属酸化物層との接触界面がソース電極とドレイン電極との間に亘って連続しないように、シャドーマスクを用いて三酸化モリブデンを真空蒸着(背圧 〜10−4Pa, 蒸着レート1〜2 Å/s、膜厚:2nm)により、トランジスタチャネルの一部に成膜した。
After the conversion treatment, the source and drain electrodes were formed by channel-depositing silver using a shadow mask (back pressure: 10 −4 Pa, deposition rate: 1 −2 Å / s, film thickness: 50 nm) (channel length: 150 μm) , Channel width 2 mm).
Thereafter, molybdenum trioxide is vacuum-deposited (back pressure to 10 −4) using a shadow mask so that the contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer does not continue between the source electrode and the drain electrode. (Pa, deposition rate of 1-2 2 / s, film thickness: 2 nm).

こうして得られた素子の電気特性をAgilent社製 半導体パラメーターアナライザーB1500を用いて評価した結果、p型のトランジスタ素子としての特性を示した。飽和領域における伝達特性から、電界効果移動度を求めた。電界効果移動度の算出には、以下の式を用いた。 As a result of evaluating the electrical characteristics of the thus obtained device using a semiconductor parameter analyzer B1500 manufactured by Agilent, the properties as a p-type transistor device were shown. The field effect mobility was obtained from the transfer characteristics in the saturation region. The following formula was used for calculation of field effect mobility.

Figure 2013258223

(ただし、Cinはゲート絶縁膜の単位面積あたりのキャパシタンス、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、Vgはゲート電圧、Idsはソースドレイン電流、μは移動度、Vthはチャネルが形成し始めるゲートの閾値電圧である。)
Figure 2013258223

(Where Cin is the capacitance per unit area of the gate insulating film, W is the channel width, L is the channel length, Vg is the gate voltage, Ids is the source / drain current, μ is the mobility, and Vth is the gate that the channel begins to form. (It is the threshold voltage.)

飽和領域における電界効果移動度(μhole)はμhole=0.51cm/Vs、ドレイン電流値のon/off比は4.5×10、閾値電圧(Vth)はVth=6Vであった。 Field-effect mobility in the saturation region (μhole) is μ hole = 0.51cm 2 / Vs, on / off ratio is 4.5 × 10 7 of the drain current, the threshold voltage (V th) is V th = 6V met It was.

作製した素子のフォトトランジスタ性能評価は以下のように行った。
光源を設置した暗室内に作製した素子を設置し、可視光照射下での電気特性を電気特性をAgilent社製 半導体パラメーターアナライザーB1500を用いて評価した。光源として白色LEDを用いた。
Phototransistor performance evaluation of the fabricated element was performed as follows.
The element produced in the dark room where the light source was installed was installed, and the electrical characteristics under visible light irradiation were evaluated using a semiconductor parameter analyzer B1500 manufactured by Agilent. A white LED was used as the light source.

図5は実験に用いた白色LEDの発光スペクトルと有機半導体層の吸収スペクトルである。また用いた光源の照射強度は1900lxである。白色LED照射条件下では、暗所状態ではオフ状態となる低ゲート電圧印可状態においても、著しいドレイン電流値の増加が観測された。白色LED照射前後のon/off比(明電流/暗電流)は7×10であった。
また、大気暴露による、特性の劣化は見られなかった。またさらに、図5に示すように青色カットフィルターを用いて白色LEDの発光スペクトルを変化させ、上記と同様の測定を行った結果、光照射に伴うドレイン電流値の増加は観測されなかった。この結果は、本発明により作製した素子は波長選択性を有していることを示す。
また、ソース・ドレイン電圧−10Vの条件においても、on/off比(明電流/暗電流)=2×10を示した。
FIG. 5 shows the emission spectrum of the white LED used in the experiment and the absorption spectrum of the organic semiconductor layer. The irradiation intensity of the used light source is 1900 lx. Under the white LED irradiation conditions, a significant increase in drain current value was observed even in a low gate voltage application state in which the dark state was turned off. The on / off ratio (bright current / dark current) before and after the white LED irradiation was 7 × 10 5 .
In addition, no deterioration in properties due to atmospheric exposure was observed. Furthermore, as shown in FIG. 5, the emission spectrum of the white LED was changed using a blue cut filter, and the same measurement as described above was performed. As a result, no increase in drain current value due to light irradiation was observed. This result shows that the device fabricated according to the present invention has wavelength selectivity.
Further, the on / off ratio (bright current / dark current) = 2 × 10 5 was also obtained under the condition of the source / drain voltage −10V.

[比較例1]
シリコンウェハーを酸素プラズマにて洗浄後、ポリイミド樹脂のN−メチル−2−ピロリドン溶液をスピンコートすることで、厚さ約40nmのポリイミド膜を製膜した。
その後、構造式(2)の有機半導体材料のクロロホルム溶液(1wt%)をスピンコートすることで、厚さ約100nmの有機半導体前駆体膜を得た。こうして得られた有機半導体前駆体膜を230℃に設定したホットプレート上に2時間静置し、有機半導体前駆体膜から構造式(1)で示される有機半導体材料への変換を行った。
変換処理後、シャドウマスクを用いて銀を真空蒸着(背圧 〜10−4Pa, 蒸着レート1〜2 Å/s、膜厚:50nm)することによりソース、ドレイン電極を形成した(チャネル長150μm, チャネル幅 2mm)。
[Comparative Example 1]
After cleaning the silicon wafer with oxygen plasma, a polyimide film having a thickness of about 40 nm was formed by spin coating an N-methyl-2-pyrrolidone solution of polyimide resin.
Thereafter, an organic semiconductor precursor film having a thickness of about 100 nm was obtained by spin coating a chloroform solution (1 wt%) of the organic semiconductor material of the structural formula (2). The organic semiconductor precursor film thus obtained was allowed to stand on a hot plate set at 230 ° C. for 2 hours to convert the organic semiconductor precursor film into an organic semiconductor material represented by the structural formula (1).
After the conversion treatment, the source and drain electrodes were formed by vacuum deposition of silver using a shadow mask (back pressure: 10-4 Pa, deposition rate: 1-2 Å / s, film thickness: 50 nm) (channel length: 150 μm, Channel width 2 mm).

こうして得られた素子の電気特性をAgilent社製 半導体パラメーターアナライザーB1500を用いて評価した結果、p型のトランジスタ素子としての特性を示した。 As a result of evaluating the electrical characteristics of the thus obtained device using a semiconductor parameter analyzer B1500 manufactured by Agilent, the properties as a p-type transistor device were shown.

飽和領域における伝達特性から、電界効果移動度を求めた。
飽和領域における電界効果移動度(μhole)はμhole=0.45cm/Vs、ドレイン電流値のon/off比は4.5×10、閾値電圧(Vth)はVth=6Vであった。
白色LED照射前後のon/off比(明電流/暗電流)は1×10であった。図7は実施例1と比較例1での素子における可視光照射下での光電流を比較した図である。遷移金属酸化物層である酸化モリブデン層を成膜することにより、酸化モリブデン層のない素子と比較して光電流値の向上が観測された。
The field effect mobility was obtained from the transfer characteristics in the saturation region.
The field effect mobility (μ hole ) in the saturation region is μ hole = 0.45 cm 2 / Vs, the drain current value on / off ratio is 4.5 × 10 7 , and the threshold voltage (V th ) is V th = 6V. there were.
The on / off ratio (bright current / dark current) before and after the white LED irradiation was 1 × 10 5 . FIG. 7 is a diagram comparing the photocurrents in the elements of Example 1 and Comparative Example 1 under visible light irradiation. By forming a molybdenum oxide layer, which is a transition metal oxide layer, an improvement in photocurrent value was observed as compared with an element without a molybdenum oxide layer.

[実施例2]
実施例1と同様の手法で、有機薄膜トランジスタを複数配置したトランジスタアレイを作製した。同様にして作製した5素子のトランジスタ特性を評価したところ、平均移動度0.47cm/Vsとなり、ぱらつきが少なく、良好なトランジスタ特性が得られた。また、いずれのトランジスタにおいても、白色LED照射条件下では、暗所状態ではオフ状態となる低ゲート電圧印可状態において、著しいドレイン電流値の増加が観測された。白色LED照射前後のon/off比(明電流/暗電流)は平均5×10であった。また、大気暴露による、特性の劣化は見られなかった。
[Example 2]
A transistor array in which a plurality of organic thin film transistors are arranged was manufactured in the same manner as in Example 1. When the transistor characteristics of the five elements manufactured in the same manner were evaluated, the average mobility was 0.47 cm 2 / Vs, and there was little fluctuation and good transistor characteristics were obtained. In any of the transistors, a significant increase in the drain current value was observed in the low gate voltage application state in which the transistor was turned off in the dark state under the white LED irradiation condition. The on / off ratio (bright current / dark current) before and after the white LED irradiation averaged 5 × 10 5 . In addition, no deterioration in properties due to atmospheric exposure was observed.

[実施例3]
実施例2と同様の手法で、有機薄膜トランジスタを複数配置したトランジスタアレイを作製した。同様にして作製した5素子のトランジスタ特性を評価したところ、平均移動度0.47cm/Vsとなり、ぱらつきが少なく、良好なトランジスタ特性が得られた。
また、いずれのトランジスタにおいても、白色LED照射条件下では、暗所状態ではオフ状態となる低ゲート電圧印可状態において、著しいドレイン電流値の増加が観測された。白色LED照射前後のon/off比(明電流/暗電流)は平均5×10であった。 また、大気暴露による、特性の劣化は見られなかった。
次に、光強度に対する応答性を評価するため、白色光源からの入射光強度を変化させ、実施例1と同様の手法でフォトトランジスタ性能評価を行った。結果、入射強度に対応した光電流値が観測され、入射光強度検出用光センサとして、本素子が機能することが明らかとなった。
[Example 3]
A transistor array in which a plurality of organic thin film transistors are arranged was manufactured in the same manner as in Example 2. When the transistor characteristics of the five elements manufactured in the same manner were evaluated, the average mobility was 0.47 cm 2 / Vs, and there was little fluctuation and good transistor characteristics were obtained.
In any of the transistors, a significant increase in the drain current value was observed in the low gate voltage application state in which the transistor was turned off in the dark state under the white LED irradiation condition. The on / off ratio (bright current / dark current) before and after the white LED irradiation averaged 5 × 10 5 . In addition, no deterioration in properties due to atmospheric exposure was observed.
Next, in order to evaluate the responsiveness to the light intensity, the incident light intensity from the white light source was changed, and the phototransistor performance evaluation was performed in the same manner as in Example 1. As a result, a photocurrent value corresponding to the incident intensity was observed, and it became clear that this element functions as an incident light intensity detecting optical sensor.

[比較例2]
三酸化モリブデンの代わりに電子受容性化合物であるF4-TCNQ(シグマアルドリッチ社製を2回昇華精製)をもちいてトランジスタチャネルの一部に成膜したこと以外を除いて実施例1と同様の手法でトランジスタを作製した。
このときの、飽和領域における電界効果移動度(μhole)はμhole=0.48cm/Vs、ドレイン電流値のon/off比は4.1×10、閾値電圧(Vth)はVth=8Vであった。そのあと、大気暴露(24時間室温放置)し、再度測定したところ、飽和領域における電界効果移動度(μhole)はμhole=0.1cm/Vs、ドレイン電流値のon/off比は2.0×10、閾値電圧(Vth)はVth=15Vであり、明らかな特性の劣化が見られた。
[Comparative Example 2]
The same method as in Example 1 except that F4-TCNQ (Sigma Aldrich, manufactured by sublimation purification twice), which is an electron-accepting compound, was used instead of molybdenum trioxide, and a film was formed on a part of the transistor channel. Thus, a transistor was manufactured.
At this time, the field-effect mobility (μ hole ) in the saturation region is μ hole = 0.48 cm 2 / Vs, the drain current on / off ratio is 4.1 × 10 7 , and the threshold voltage (V th ) is V th = 8V. After that, when exposed to air (24 hours at room temperature) and measured again, the field-effect mobility (μ hole ) in the saturation region is μ hole = 0.1 cm 2 / Vs, and the on / off ratio of the drain current value is 2. 0.0 × 10 4 , the threshold voltage (V th ) was V th = 15 V, and a clear deterioration in characteristics was observed.

1 有機半導体層
2 基板
3 第3の電極
4 絶縁層
5 第1の電極
6 第2の電極
7 遷移金属酸化物層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Organic-semiconductor layer 2 Board | substrate 3 3rd electrode 4 Insulating layer 5 1st electrode 6 2nd electrode 7 Transition metal oxide layer

特開2009−176985号公報JP 2009-176985 A 特開2007−88033号公報JP 2007-88033 A 特開2010−80845号公報JP 2010-80845 A 特開2005−268550号公報JP 2005-268550 A 特開2007−19291号公報JP 2007-19291 A

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Claims (4)

第1電極、第2電極、有機半導体層、絶縁膜層、及びゲート電極を有するフォトトランジスタであって、前記絶縁膜層はゲート電極と有機半導体層との間に位置し、前記有機半導体層は前記第1電極及び前記第2電極に接し、かつ、受光面の一部に遷移金属酸化物層を有するものであり、前記有機半導体層と前記遷移金属酸化物層との接触界面が前記第1電極と前記第2電極とに亘って連続していないことを特徴とするフォトトランジスタ。 A phototransistor having a first electrode, a second electrode, an organic semiconductor layer, an insulating film layer, and a gate electrode, wherein the insulating film layer is located between the gate electrode and the organic semiconductor layer, and the organic semiconductor layer is The first electrode and the second electrode are in contact with each other, and a transition metal oxide layer is provided on a part of a light receiving surface, and a contact interface between the organic semiconductor layer and the transition metal oxide layer is the first electrode. A phototransistor which is not continuous across an electrode and the second electrode. 前記遷移金属酸化物層は、タングステン、モリブデン、及び、バナジウムから選択される金属の酸化物を含むことを特徴とする、請求項1に記載のフォトトランジスタ。 The phototransistor of claim 1, wherein the transition metal oxide layer includes an oxide of a metal selected from tungsten, molybdenum, and vanadium. 前記請求項1または2に記載のフォトトランジスタが複数配置されたフォトトランジスタアレイ。 A phototransistor array in which a plurality of the phototransistors according to claim 1 or 2 are arranged. 前記請求項3に記載のフォトトランジスタアレイを有する撮像装置。 An imaging apparatus comprising the phototransistor array according to claim 3.
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