JP4085438B2

JP4085438B2 - Organic thin film transistor, liquid crystal device and organic light emitting device

Info

Publication number: JP4085438B2
Application number: JP27440196A
Authority: JP
Inventors: 昭雄滝本; 一徳小森; 久則杉浦; 和廣西山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2016-10-17
Also published as: JPH10125924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大型ディスプレイ素子を駆動する有機薄膜トランジスタと、この有機薄膜トランジスタを用いた大型の液晶素子と、有機薄膜トランジスタを用いた大型の有機発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直視型の大画面ディスプレイには、液晶素子、プラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）の開発が盛んである。例えば液晶素子では１０インチクラス以上のa-SiＴＦＴ直視パネルが主流となっている。またＰＤＰは４０インチクラスを目指して開発が進んでいる。他の大型表示素子の方法としてプラズマアドレス型の液晶素子も、このＰＤＰと同レベルの大きさのディスプレイ素子の実現を目指している。この方式は大画面の液晶素子を駆動するトランジスタの代わりにプラズマを利用するものである。これらの素子は、大画面化に伴って様々な課題に直面する。液晶素子では、駆動素子にプラズマＣＶＤ法によるa-Siを用いており、大型化対応の製造装置の開発が必要となり、製造コストの大幅な増加がある。
【０００３】
これに対して有機物で薄膜トランジスタを形成することが可能になれば、塗布法あるいは低温の蒸着法などで大型化が容易になるという考えがある。研究段階ではあるが有機薄膜トランジスタの開発が盛んになってきた。例えば、A.Dodabalapur等は、有機の活性半導体層として蒸着法によって成膜するチオフェンオリゴマ膜（重合度６）を用いて電界効果移動度0.01〜0.03cm²V^-1s^-1、トランジスタの電流オン／オフ比は６〜７桁を得ている（「サイエンス」（SCIENCE、VOL.268,p.270〜271））。但し、電流値は他のトランジスタに比べて小さい。また、スイッチングに必要なゲート電圧とドレイン電圧が数十Ｖと高いのが欠点である。この性能は現行のa-Siの電界効果移動度０.１〜０.５ｃｍ²V^-1ｓ^-1、及び電流のオン／オフ比の〜７桁に近い。
【０００４】
更に低温p-Siの電界効果移動度５０ｃｍ²V^-1ｓ^-1、及び電流のオン／オフ比は〜７桁であり、高温p-Siの電界効果移動度１００ｃｍ²V^-1s^-1、及びオン／オフ比は〜７桁である。最も性能の良い単結晶Siになると、その電界効果移動度１５００ｃｍ²V^-1s^-1、及び電流のオン／オフ比は９桁以上である。しかし、いずれのトランジスタも大型化対応が非常に困難である。前出の有機薄膜トランジスタは、この大型ディスプレイ素子でも直視型の液晶素子の駆動素子として有力視されている。
【０００５】
バックライトが必要な液晶素子に対して発光型の大画面ディスプレイデバイスへの要望がある。前出のＰＤＰが代表例であるが、有機薄膜の発光素子の開発も近年盛んである。モノマ分子の蒸着法による素子と、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）を初めとする高分子材料を塗布形成する素子が有望である。これらの有機発光材料を用いてカラー表示素子を作製する場合、液晶素子の開発の歴史をから推測されるように近い将来、トランジスタによるアクティブ型駆動が主流になるであろう。単純なマトリックス電極配線によると、大画面で発生する輝度傾斜を防ぐためである。現状ではアクティブ駆動が困難で、パシブ駆動の延長となってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
有機薄膜トランジスタの性能の第１の課題は、電界効果移動度が0.01〜0.03cm²V^-1s^-1とa-Siの電界効果移動度0.1〜0.5cm²V^-1s^-1に対して１桁以上小さいことである。第２の課題は駆動電圧がゲート電圧、ドレイン電圧共に数十Ｖと高いことである。但し、プラズマアドレス型液晶素子の場合、データ電圧１００Ｖ（ゲート電圧に相当）、放電電圧350V(ドレイン電圧に相当)であり、必ずしも欠点とはならない。液晶素子の駆動は通常５Ｖ以下でなされるが、液晶モードによっては１５Ｖ以上の高駆動電圧が必要になることもある。本発明は有機薄膜トランジスタにおいて電界効果移動度を向上させることと、駆動電圧を低減させることである。
【０００７】
液晶素子の大型化に伴って視野角の広い特性が望まれる。視野角の広い液晶表示モ−ドである垂直配向の負の誘電異方性を持つ液晶の場合、駆動電圧が高く、通常のa-Siトランジスタでは駆動が困難である。また大型化に伴って、動作時に液晶配向を保持するために各画素に導入される補助容量を形成することが困難になる。本発明は液晶素子において、視野角特性の良い大型ディスプレイを得ることである。
【０００８】
有機発光素子を形成する場合、発光層は正孔輸送層と連続で透明電極上に数百オングスオロ−ムと極薄く成膜される。これに画素毎に駆動用のトランジスタを設ける場合、通常トランジスタを基板面に設けておいてから、発光層を設ける。このため開口率が低い。本発明は大型発光素子において、開口率が大きく明るいディスプレイを得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
電界効果移動度の課題を解決するために、基板上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の３端子及び活性半導体層からなる薄膜トランジスタにおいて、活性半導体層が繰り返し単位を持つ有機物であり、その繰り返し単位が５以上のオリゴマ分子を備えたものである。
【００１０】
駆動電圧の課題を解決するために、基板上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の３端子及び活性半導体層からなる薄膜トランジスタにおいて、活性半導体層が有機物からなり、ソース電極及びドレイン電極と前記活性半導体層の間に有機物からなる電子輸送層あるいは正孔輸送層を備えたものである。
【００１１】
動作特性の課題を解決するために、基板上にマトリクス状に配置された有機薄膜トランジスタと、そのソース電極に接続する画素電極と、そのドレイン電極に接続するデータバスと、そのゲート電極に接続し、前記データバスに垂直に配置されるスキャンバスを有し、この基板と一定間隔をもって設けられた透明電極を被覆された透明基板が液晶層を介し、この透明電極と、前記画素電極あるいは前記ソース電極との間に有機絶縁性薄膜からなる静電容量を構成する蓄積容量電極を備えたものである。
【００１２】
視野角特性の課題を解決するために、基板上にマトリクス状に配置された有機薄膜トランジスタと、そのソース電極に接続する画素電極と、そのドレイン電極に接続するデータバスと、そのゲート電極に接続し、前記データバスに垂直に配置されるスキャンバスを有し、この基板と一定間隔をもって設けられた透明電極を被覆された透明基板が液晶層を介し、液晶が負の誘電異方性を有し、垂直配向することを備えたものである。
【００１３】
開口率の課題を解決するために、透明な共通電極が被覆された透明基板上に有機薄膜からなる電界発光層、及び正孔輸送層が積層され、その上にマトリックス状に分離された画素電極があり、各画素電極上には、ソース電極を介して有機薄膜トランジスタが配置されることを備えた発光素子とするものである。
【００１４】
【発明の実態の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタの断面を示す。図１において、１は、ガラスを代表とする電気絶縁性基板であり、２はゲート電極、３は電気絶縁層であり、例えば塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンがある。４は活性半導体層であり、有機薄膜である。この有機薄膜として（化５）のベンゼン環とイオウ原子が直鎖状につながるフェニレンスルフィドのオリゴマ分子を蒸着法によって形成した。
【００１６】
【化５】

【００１７】
他の例としてはチオフェンのオリゴマ分子がある。５及び６はそれぞれドレイン電極とソース電極である。ゲート電極は金をドレイン電極とソース電極はアルミニウムを用いた。チャネル長は１２μｍとした。オリゴマ層を形成するオリゴマの長さと蒸着条件によってオリゴマ層の微結晶粒の大きさが制御される。最大〜0.1cm²V^-1s^-1の電界効果移動度を得た。またオン／オフ電流比はおよそ７桁と良好な結果である。チオフェンオリゴマの場合、グレインサイズが０．１μｍと小さいため、チャネル長に比べて小さく膜中を結晶粒界をホッピング伝導することになる。
【００１８】
一方、フェニレンスルフィドのオリゴマ膜はグレインサイズが数μｍ程度にまでなり、結晶中の分子鎖間伝導が電荷輸送のメカニズムの主となる。従って、粒界でのホッピングがないため移動度が著しく増加する。また蒸着条件によって分子の配向が制御され、基板面に対して分子の長軸(ｃ軸)が垂直になるようにできる。具体的には、蒸着速度を小さく基板温度を高くすることである。この分子配向の時、膜中の電荷はｃ軸に直交する方向により良く輸送される。
【００１９】
これは隣接分子間で相対するベンゼン環との間の軌道重なりが最も大きいためである。この時、フェニレンスルフィドの分子間距離はおよそ５オングストロームである。トランジスタの構成から、ドレイン電極とソース電極との間に印加される電圧によって、オリゴマ分子にとってｃ軸に直交する方向に電荷移動が起こることになる。また、荷輸送が容易になることから、トランジスタのスイッチングに必要なゲート電圧も低下する。ゲート電圧に対するドレイン電流の特性向上は、上記の微結晶粒の増大と配向性の向上とにある。
【００２０】
またゲート絶縁膜と活性半導体層である有機薄膜層の間のトラップによる局斉準位を減少させることも重要である。ゲート絶縁膜として大画面に対応可能で、緻密な膜で且つ表面が安定な上記シロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンを用いた。他の例として活性半導体層に（化６）のフェニレンスルフィドオリゴマ分子を含んだポリイミド高分子を形成した。
【００２１】
【化６】

【００２２】
形成方法は（化７）のジアミンのオリゴマ分子と（化８）ベンゾフェノンテトラカルボン酸の２種類の材料を２源蒸着による蒸着重合法によった。
【００２３】
【化７】

【００２４】
【化８】

【００２５】
形成された有機薄膜層は、基板面に対して垂直に分子鎖が並び、微結晶粒も数μｍ程度となった。分子間距離は前記（化５）に比べて若干小さくなり、より高い移動度に寄与している。これは、結晶内の電荷輸送が隣接する分子間の伝導となるので、分子間距離が短くなるに従って分子軌道重なりが大きくなって、移動度が増加するためである。その結果、（化６）の高分子を活性半導体層とすることで、最大〜0.3cm²V^-1s^-1の電界効果移動度と電流のオン／オフ比７桁を得た。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタの断面を示す。図１と異なるのは活性半導体層４の有機薄膜とドレイン電極６およびソース電極５の間に電荷輸送層７があることである。電荷輸送層７の導入によって電荷注入の障壁が少なくなることでドレイン電圧の低下とオン電流の増加が得られる。用いた電荷輸送材料は正孔輸送層としては（化９）トリフェニルジアミン、電子輸送層としては（化１０）オキサジアゾールである。
【００２７】
【化９】

【００２８】
【化１０】

【００２９】
中でも（化９）トリフェニルジアミンを用いるとドレイン電圧１０Ｖで従来のドレイン電圧１００Ｖと同じオン電流が得られた。
【００３０】
（実施の形態３）
図３は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタと有機絶縁性薄膜からなる静電容量を構成する蓄積容量電極を持つ液晶素子の断面図である。ガラス基板１上にトランジスタを構成するゲート電極２、ゲート絶縁膜３、実施の形態１で示した有機薄膜の半導体層４と実施の形態２で示した電荷輸送層７、ドレイン電極５、ソース電極６、透明な画素電極８が形成される。更に蓄積容量を形成するための蓄積容量電極９と11、有機絶縁性薄膜10を設ける。液晶を配向させるための配向膜12を全面に設ける。対向基板１は透明電極13が全面に形成される。液晶層14は両基板の配向膜12によって配向される。この構造においてゲート絶縁膜３と有機絶縁性薄膜１０を塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンとすることで、大画面の基板に対応できる。具体的なプロセスを説明する。
【００３１】
（１）対角２５インチ（縦横比４：３）のガラス基板１上に画素電極８としてインジウム・チタン・酸化物（ＩＴＯ）をスパッタ法によって形成し、正方配列で画素電極８をパターン形成する。画素ピッチは横方向に２００μｍとして画素数は８００×３＝２４００個、縦方向には６２０μｍとして画素数は６００個並べ、全画素数を１４４万画素形成した。これはカラーＳＶＧＡクラスの表示画素である。更にゲート電極２と蓄積容量電極９としてクロム電極をスパッタ法で成膜しパターン形成する。
【００３２】
（２）全面にポリオルガノシロキサンを塗布、乾燥した後、４００度で加熱硬化させる。その後フォトリソグラフ工程によってゲート絶縁膜３と有機絶縁性薄膜10を設ける。
【００３３】
（３）真空蒸着法(基板温度１５０度)によって（化５）のフェニレンスルフィド（重合度５）のオリゴマ膜を１０００オングストローム形成する。続けて（化９）に示すトリフェニルジアミンで電荷輸送層６を同じく真空蒸着で形成する。
【００３４】
（４）ドレイン電極５、ソース電極６及び蓄積容量電極１１をアルミニウムで同時に成膜、パターン形成する。
【００３５】
（５）全面をポリミドの配向膜で覆う。
（６）液晶素子の対向基板となるＩＴＯ１３付きガラス基板１上に配向膜１２を塗布し、トランジスタの構成された基板とをそれぞれラビング処理する。この１組の基板をビーズを介して接着し、真空注入装置によって液晶１４を注入し、封じすることで素子が完成する。
【００３６】
液晶表示モードは用いる液晶材料と配向膜材料で決まる。１例としてツイストネマチックモードと他の例として垂直配向モードの素子を、それぞれ作製した。前者のツイストネマチックモードには正の誘電異方性を持つネマチック液晶とプレチルト角〜２度のポリイミド配向膜を使った。後者の垂直配向モードには負の誘電異方性を持つネマチック液晶とプレチルト角８７度のポリイミド配向膜を使った。各々の素子でのドレイン駆動電圧は、前者が５Ｖで後者が７Ｖである。視野角依存性を評価したところコントラスト１００を維持する角度が前者が上下２０度に対して、後者が上下６０度と後者の方が優れている。対角２５インチの大型液晶パネルのＳＶＧＡフルカラー表示を実現した。
【００３７】
（実施の形態４）
図４に透明な共通電極13が被覆された透明基板１上に有機薄膜からなる電界発光層15、及び正孔輸送層16が積層され、その上にマトリックス状に分離された画素電極17があり、各画素電極17上には、ソース電極６を介して有機薄膜トランジスタが配置される有機発光素子の断面図を示した。発光面の開口率は、発光面をトランジスタの大きさに依存せずに配置することができるために高い。また層間絶縁層18は平坦化層としての働きもあり、図５に示すフルカラー素子を構成する場合、各画素上の有機薄膜トランジスタは平坦な層の上に構成することができる。具体的な製造方法を説明する。
【００３８】
（１）対角２５インチ（縦横比４：３）のガラス基板１上に全面をスパッタ法により透明電極１３としてＩＴＯを１０００オングストローム成膜する。この基板を真空蒸着装置に設置し、有機発光層１５と電荷輸送層１６を連続成膜する。それぞれ代表例として（化１１）アルミニウムキノリンを１００オングストローム及び（化９）トリフェニルジアミンを１０００オングストロームとした。
【００３９】
【化１１】

【００４０】
（２）画素電極１７を電子ビーム蒸着法あるいはスパッタ法によってアルミニウム１０００オングストローム成膜する。マトリックス状に分離するためには、成膜時にマスクするか、全面に成膜後フォトリソグラフィによって分離するかはいずれの方法でもよい。画素ピッチは横方向に２００μｍとして画素数は８００×３＝２４００個、縦方向には６２０μｍとして画素数６００個並べ、全画素数を１４４万画素形成した。これはカラーＳＶＧＡの表示画素である。画素の開口率は８０％以上である。
【００４１】
（３）層間絶縁層18としてアクリル系のレジストを用いて約２μｍ成膜する。フォトリソグラフィによって各画素電極とのコンタクトホールを形成する。層間絶縁膜１８上にフォトリソグラフィによってゲート電極２を形成し、更に良質なゲート絶縁膜３としてＣＶＤ法によるシリコン酸化膜と、他に塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンの２方法で形成した。
【００４２】
（４）活性半導体層４として真空蒸着法（基板温度１５０度）によって、（化５）のフェニレンスルフィド（重合度５）のオリゴマ膜を１０００オングストローム形成する。続けて（化９）に示す電荷輸送層７を、同じく真空蒸着で形成する。この形成方法は実施の形態３と同様である。
【００４３】
（５）ドレイン電極５、ソース電極６をアルミニウムで同時に成膜、パターン形成する。最後に全面をパシベーション膜１９で覆う。
【００４４】
このようにして製造した有機トランジスタ駆動によるアクティブ型の有機発光素子は、ドレイン駆動電圧１０Ｖ、ゲート電圧１０Ｖで発光輝度１万cd/ｍ²と明るい。また、動画表示も可能である。さらに、図５に示すカラー表示対応の素子を作製するため、有機発光層を赤色発光層２０（材料は（化１２）のペリレンー４）、緑色発光層２１（材料は（化１１）のアルミニウムキノリン）、青色発光層２２（材料は（化１３）のテトラフェニルブタジエン）をストライプ状に並べて形成する。
【００４５】
【化１２】

【００４６】
【化１３】

【００４７】
電荷輸送層１６は共通とできる。その他は単色素子の工程と同じである。このカラー素子をドレイン駆動電圧１０Ｖ、ゲート電圧１０Ｖで動画表示したところ、発光輝度5000cd／ｍ²と明るく応答速度も１msec以下と良好な特性を得た。
【００４８】
実施の形態３と同じ２５インチの大画面素子を発光素子で実現できた。
なお、以上の実施の形態１から４の説明は有機トランジスタの構成を逆スタガ型の例を説明したが、プレーナ型についても同様に実施可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高移動度を持つ有機トランジスタをスイッチング素子として組み込むことで大面積の液晶表示素子あるいは有機発光素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による有機薄膜トランジスタを示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２による電荷輸送層を持つ有機薄膜トランジスタを示す断面図
【図３】本発明の実施の形態３による有機薄膜トランジスタを持つ液晶素子の断面図
【図４】本発明の実施の形態４による有機薄膜トランジスタを持つ単色有機発光素子の断面図
【図５】本実施の形態による有機薄膜トランジスタを持つフルカラー有機発光素子の断面図
【符号の説明】
１透明絶縁性基板
２ゲート電極
３ゲート絶縁膜
４有機薄膜（活性半導体層）
５ドレイン電極
６ソース電極
７電荷輸送層
８画素電極
９蓄積容量電極
１０有機絶縁性薄膜
１１蓄積容量電極
１２配向膜
１３透明電極
１４液晶層
１５電界発光層
１６正孔輸送層
１７画素電極
１８層間絶縁膜
１９パシベーション膜
２０赤色発光層
２１緑色発光層
２２青色発光層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic thin film transistor for driving a large display element, a large liquid crystal element using the organic thin film transistor, and a large organic light emitting element using the organic thin film transistor.
[0002]
[Prior art]
Development of liquid crystal elements and plasma display panels (PDPs) has been extensive for direct-view large-screen displays. For example, a 10-inch class or larger a-Si TFT direct-view panel is the mainstream for liquid crystal elements. The PDP is being developed for the 40-inch class. As a method for another large display element, a plasma addressed liquid crystal element is also aimed at realizing a display element having the same size as this PDP. This method uses plasma instead of a transistor for driving a large-screen liquid crystal element. These elements face various problems as the screen becomes larger. In the liquid crystal element, a-Si by plasma CVD is used as a driving element, and it is necessary to develop a manufacturing apparatus corresponding to an increase in size, resulting in a significant increase in manufacturing cost.
[0003]
On the other hand, if it becomes possible to form a thin film transistor with an organic material, there is an idea that the size can be easily increased by a coating method or a low temperature vapor deposition method. Although it is in the research stage, the development of organic thin-film transistors has become active. For example, A.Dodabalapur et al. Uses a thiophene oligomer film (polymerization degree 6) formed by vapor deposition as an organic active semiconductor layer, field effect mobility 0.01 to 0.03 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , transistor current The on / off ratio has obtained 6 to 7 digits ("Science" (SCIENCE, VOL.268, p.270-271)). However, the current value is small compared to other transistors. Another disadvantage is that the gate voltage and drain voltage required for switching are as high as several tens of volts. This performance is close to the current a-Si field effect mobility of 0.1 to 0.5 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ and the current on / off ratio of ˜7 orders of magnitude.
[0004]
Furthermore, the field effect mobility of low-temperature p-Si is 50 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , and the current on / off ratio is ˜7 digits, and the field effect mobility of high-temperature p-Si is 100 cm ² V ⁻¹ s ^−1. , And the on / off ratio is ~ 7 digits. When it becomes single crystal Si with the best performance, its field effect mobility is 1500 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , and the current on / off ratio is 9 digits or more. However, it is very difficult to increase the size of any transistor. The aforementioned organic thin film transistor is regarded as a promising driving element for a direct-view liquid crystal element even in this large display element.
[0005]
There is a need for a light-emitting large-screen display device for liquid crystal elements that require a backlight. The above-mentioned PDP is a typical example, but development of organic thin-film light-emitting elements has also been active recently. An element based on a vapor deposition method of monomer molecules and an element formed by applying a polymer material such as polyphenylene vinylene (PPV) are promising. When manufacturing a color display element using these organic light emitting materials, active driving by a transistor will become the mainstream in the near future as estimated from the history of development of liquid crystal elements. This is because a simple matrix electrode wiring prevents a luminance gradient generated on a large screen. At present, active driving is difficult, and it is an extension of passive driving.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A first problem of the performance of the organic thin film transistor, to the electric field effect mobility 0.1~0.5cm ² V ^{^-1} s ^-1 of field-effect mobility 0.01~0.03cm ² V ^{^-1} s ^-1 and a-Si That is one digit or more smaller. The second problem is that the drive voltage is as high as several tens of volts for both the gate voltage and the drain voltage. However, in the case of a plasma addressed liquid crystal element, the data voltage is 100 V (corresponding to the gate voltage) and the discharge voltage is 350 V (corresponding to the drain voltage), which is not necessarily a drawback. The liquid crystal element is normally driven at 5 V or less, but depending on the liquid crystal mode, a high drive voltage of 15 V or more may be required. The present invention is to improve the field effect mobility and reduce the driving voltage in the organic thin film transistor.
[0007]
With the increase in size of liquid crystal elements, wide viewing angle characteristics are desired. In the case of a liquid crystal display mode having a wide viewing angle, a liquid crystal having a vertically aligned negative dielectric anisotropy, the driving voltage is high and it is difficult to drive with a normal a-Si transistor. Further, as the size increases, it becomes difficult to form auxiliary capacitors introduced into each pixel in order to maintain the liquid crystal alignment during operation. The present invention is to obtain a large display with good viewing angle characteristics in a liquid crystal element.
[0008]
In the case of forming an organic light emitting device, the light emitting layer is formed as thin as several hundred angstroms on the transparent electrode continuously with the hole transport layer. In the case where a driving transistor is provided for each pixel, a light emitting layer is usually provided after the transistor is provided on the substrate surface. For this reason, the aperture ratio is low. The present invention is to obtain a bright display having a large aperture ratio in a large light emitting device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the problem of field effect mobility, in a thin film transistor including a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode on a substrate and an active semiconductor layer, the active semiconductor layer is an organic substance having a repeating unit. Are provided with 5 or more oligomer molecules.
[0010]
In order to solve the problem of driving voltage, in a thin film transistor comprising a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode on a substrate and an active semiconductor layer, the active semiconductor layer is made of an organic material, and the source and drain electrodes and the active semiconductor An electron transport layer or a hole transport layer made of an organic substance is provided between the layers.
[0011]
In order to solve the problem of operating characteristics, organic thin film transistors arranged in a matrix on a substrate, a pixel electrode connected to the source electrode, a data bus connected to the drain electrode, and connected to the gate electrode, A transparent substrate having a scan bus arranged perpendicularly to the data bus and covered with a transparent electrode provided at a certain interval from the substrate is disposed through a liquid crystal layer, and the transparent electrode and the pixel electrode or the source electrode And a storage capacitor electrode constituting an electrostatic capacitance made of an organic insulating thin film.
[0012]
In order to solve the problem of viewing angle characteristics, organic thin film transistors arranged in a matrix on a substrate, a pixel electrode connected to the source electrode, a data bus connected to the drain electrode, and a gate electrode connected to the gate electrode And a scan bus arranged perpendicular to the data bus, a transparent substrate covered with a transparent electrode provided at a fixed interval from the substrate, and a liquid crystal having negative dielectric anisotropy through a liquid crystal layer , With vertical alignment.
[0013]
In order to solve the problem of the aperture ratio, an electroluminescent layer made of an organic thin film and a hole transport layer are laminated on a transparent substrate coated with a transparent common electrode, and the pixel electrode is separated in a matrix form thereon And a light emitting element including an organic thin film transistor disposed on each pixel electrode via a source electrode.
[0014]
[Form of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0015]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross section of an organic thin film transistor having an inverted stagger structure. In FIG. 1, 1 is an electrically insulating substrate typified by glass, 2 is a gate electrode, 3 is an electrically insulating layer, for example, a polyorganosiloxane having a siloxane bond that can be applied and formed in the main chain. Reference numeral 4 denotes an active semiconductor layer, which is an organic thin film. As this organic thin film, an oligomer molecule of phenylene sulfide in which a benzene ring and a sulfur atom in (Chemical Formula 5) are linearly formed was formed by vapor deposition.
[0016]
[Chemical formula 5]

[0017]
Another example is an oligomer molecule of thiophene.

Reference numerals

5 and 6 denote a drain electrode and a source electrode, respectively. The gate electrode was gold and the drain and source electrodes were aluminum. The channel length was 12 μm. The size of the fine crystal grains of the oligomer layer is controlled by the length of the oligomer forming the oligomer layer and the deposition conditions. A field effect mobility of up to 0.1 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ was obtained. The on / off current ratio is a good result of about 7 digits. In the case of a thiophene oligomer, the grain size is as small as 0.1 μm, so that it is smaller than the channel length and conducts hopping conduction through the crystal grain boundary in the film.
[0018]
On the other hand, the oligomer film of phenylene sulfide has a grain size of about several μm, and conduction between molecular chains in the crystal is the main mechanism of charge transport. Therefore, the mobility is remarkably increased because there is no hopping at the grain boundary. In addition, the molecular orientation is controlled by the deposition conditions, and the long axis (c-axis) of the molecules can be perpendicular to the substrate surface. Specifically, the deposition rate is decreased and the substrate temperature is increased. In this molecular orientation, the charge in the film is better transported in the direction perpendicular to the c-axis.
[0019]
This is because the orbital overlap between benzene rings facing each other between adjacent molecules is the largest. At this time, the intermolecular distance of phenylene sulfide is about 5 angstroms. Due to the voltage applied between the drain electrode and the source electrode, charge transfer occurs in the direction perpendicular to the c-axis for the oligomer molecules due to the transistor configuration. In addition, since the cargo transportation is facilitated, the gate voltage necessary for switching the transistor is also reduced. The improvement in characteristics of the drain current with respect to the gate voltage is in the increase of the fine crystal grains and the improvement of the orientation.
[0020]
It is also important to reduce the local level due to traps between the gate insulating film and the organic thin film layer which is the active semiconductor layer. As the gate insulating film, a polyorganosiloxane having a siloxane bond in the main chain, which is compatible with a large screen, is a dense film, and has a stable surface. As another example, a polyimide polymer containing the phenylene sulfide oligomer molecule of (Chemical Formula 6) was formed in the active semiconductor layer.
[0021]
[Chemical 6]

[0022]
The formation method was based on a vapor deposition polymerization method in which two kinds of materials of (chemical formula 7) oligomer molecules of diamine and (chemical formula 8) benzophenone tetracarboxylic acid were used.
[0023]
[Chemical 7]

[0024]
[Chemical 8]

[0025]
In the formed organic thin film layer, molecular chains were aligned perpendicular to the substrate surface, and the fine crystal grains were about several μm. The intermolecular distance is slightly smaller than in the above (Chemical Formula 5), which contributes to higher mobility. This is because charge transport in the crystal becomes conduction between adjacent molecules, so that the molecular orbital overlap increases and the mobility increases as the intermolecular distance decreases. As a result, by using the polymer of (Chemical Formula 6) as the active semiconductor layer, a field effect mobility of up to 0.3 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ and a current on / off ratio of 7 digits were obtained.
[0026]
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a cross section of an organic thin film transistor having an inverted stagger structure. The difference from FIG. 1 is that there is a charge transport layer 7 between the organic thin film of the active semiconductor layer 4 and the drain electrode 6 and the source electrode 5. The introduction of the charge transport layer 7 reduces the barrier for charge injection, so that the drain voltage is lowered and the on-current is increased. The charge transporting material used was (Chemical 9) triphenyldiamine as the hole transporting layer, and (Chemical 10) oxadiazole as the electron transporting layer.
[0027]
[Chemical 9]

[0028]
[Chemical Formula 10]

[0029]
Among them, when (Chemical Formula 9) triphenyldiamine was used, the same on-current as the conventional drain voltage of 100 V was obtained at a drain voltage of 10 V.
[0030]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a cross-sectional view of a liquid crystal element having a storage capacitor electrode that constitutes a capacitance composed of an organic thin film transistor having an inverted stagger structure and an organic insulating thin film. A gate electrode 2, a gate insulating film 3, and a semiconductor layer 4 of the organic thin film shown in the first embodiment, a charge transport layer 7, a drain electrode 5, and a source electrode shown in the second embodiment are formed on a glass substrate 1. 6. A transparent pixel electrode 8 is formed. Further,

storage capacitor electrodes

9 and 11 and an organic insulating thin film 10 for forming a storage capacitor are provided. An alignment film 12 for aligning the liquid crystal is provided on the entire surface. The counter substrate 1 has a transparent electrode 13 formed on the entire surface. The liquid crystal layer 14 is aligned by the alignment film 12 of both substrates. In this structure, a polyorganosiloxane having a siloxane bond in the main chain capable of coating and forming the gate insulating film 3 and the organic insulating thin film 10 can be used for a large screen substrate. A specific process will be described.
[0031]
(1) Indium / titanium / oxide (ITO) is formed as a pixel electrode 8 on a glass substrate 1 having a diagonal size of 25 inches (aspect ratio 4: 3) by sputtering, and the pixel electrode 8 is patterned in a square arrangement. . The pixel pitch is 200 μm in the horizontal direction, the number of pixels is 800 × 3 = 2400, the vertical direction is 620 μm, and the number of pixels is 600. The total number of pixels is 1.44 million. This is a color SVGA class display pixel. Further, a chromium electrode is formed by sputtering as the gate electrode 2 and the storage capacitor electrode 9 to form a pattern.
[0032]
(2) A polyorganosiloxane is applied to the entire surface, dried, and then cured by heating at 400 degrees. Thereafter, the gate insulating film 3 and the organic insulating thin film 10 are provided by a photolithography process.
[0033]
(3) An oligomer film of phenylene sulfide (polymerization degree 5) of (Chemical Formula 5) is formed in a thickness of 1000 Å by a vacuum deposition method (substrate temperature 150 ° C.). Subsequently, the charge transport layer 6 is similarly formed by vacuum deposition using triphenyldiamine shown in (Chemical Formula 9).
[0034]
(4) The drain electrode 5, the source electrode 6, and the storage capacitor electrode 11 are simultaneously formed and patterned with aluminum.
[0035]
(5) Cover the entire surface with an alignment film of polyimide.
(6) The alignment film 12 is applied on the glass substrate 1 with ITO 13 serving as the counter substrate of the liquid crystal element, and the substrate on which the transistor is configured is rubbed. The device is completed by bonding the set of substrates through beads, injecting liquid crystal 14 with a vacuum injection device, and sealing.
[0036]
The liquid crystal display mode is determined by the liquid crystal material and the alignment film material used. As an example, a twisted nematic mode element and a vertical alignment mode element as another example were manufactured. In the former twisted nematic mode, a nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy and a polyimide alignment film having a pretilt angle of ˜2 degrees were used. In the latter vertical alignment mode, a nematic liquid crystal having negative dielectric anisotropy and a polyimide alignment film having a pretilt angle of 87 degrees were used. The drain drive voltage in each element is 5V for the former and 7V for the latter. When viewing angle dependency was evaluated, the angle at which the contrast 100 is maintained is superior to the former, which is 20 degrees up and down, while the latter is superior to 60 degrees up and down. Realized SVGA full-color display on a large 25 inch diagonal LCD panel.
[0037]
(Embodiment 4)
In FIG. 4, an electroluminescent layer 15 made of an organic thin film and a hole transport layer 16 are laminated on a transparent substrate 1 coated with a transparent common electrode 13, and a pixel electrode 17 separated into a matrix is formed thereon. A cross-sectional view of an organic light emitting device in which an organic thin film transistor is disposed on each pixel electrode 17 via a source electrode 6 is shown. The aperture ratio of the light emitting surface is high because the light emitting surface can be disposed without depending on the size of the transistor. The interlayer insulating layer 18 also functions as a planarizing layer. When the full-color element shown in FIG. 5 is formed, the organic thin film transistor on each pixel can be formed on the flat layer. A specific manufacturing method will be described.
[0038]
(1) An ITO film having a thickness of 1000 angstroms is formed as a transparent electrode 13 on the entire surface of a glass substrate 1 having a diagonal size of 25 inches (aspect ratio 4: 3) by sputtering. This substrate is placed in a vacuum deposition apparatus, and the organic light emitting layer 15 and the charge transport layer 16 are continuously formed. As representative examples, (Chemical Formula 11) aluminum quinoline was 100 angstroms and (Chemical Formula 9) triphenyldiamine was 1000 angstroms.
[0039]
Embedded image

[0040]
(2) The pixel electrode 17 is formed into an aluminum film having a thickness of 1000 angstroms by electron beam evaporation or sputtering. In order to separate in a matrix form, either masking at the time of film formation or separation by photolithography after film formation on the entire surface may be used. The pixel pitch was 200 μm in the horizontal direction, the number of pixels was 800 × 3 = 2400, and the vertical number was 620 μm. The number of pixels was 600, and the total number of pixels was 1.44 million. This is a color SVGA display pixel. The aperture ratio of the pixel is 80% or more.
[0041]
(3) The interlayer insulating layer 18 is formed to a thickness of about 2 μm using an acrylic resist. A contact hole with each pixel electrode is formed by photolithography. A gate electrode 2 is formed on the interlayer insulating film 18 by photolithography, and a silicon oxide film by a CVD method is used as a high-quality gate insulating film 3 and a polyorganosiloxane 2 having a siloxane bond in the main chain that can be formed by coating. Formed by the method.
[0042]
(4) An oligomer film of phenylene sulfide (polymerization degree 5) of (Chemical Formula 5) is formed in a thickness of 1000 Å as the active semiconductor layer 4 by a vacuum deposition method (substrate temperature 150 ° C.). Subsequently, the charge transport layer 7 shown in (Chemical Formula 9) is also formed by vacuum deposition. This forming method is the same as that of the third embodiment.
[0043]
(5) The drain electrode 5 and the source electrode 6 are simultaneously formed and patterned with aluminum. Finally, the entire surface is covered with a passivation film 19.
[0044]
The active type organic light emitting device driven by the organic transistor manufactured as described above has a bright luminance of 10,000 cd / m ^{2 at} a drain driving voltage of 10 V and a gate voltage of 10 V. In addition, moving images can be displayed. Furthermore, in order to produce the element corresponding to the color display shown in FIG. 5, the organic light emitting layer is a red light emitting layer 20 (material is perylene 4 of (Chemical Formula 12)), and the green light emitting layer 21 (material is aluminum quinoline of Chemical Formula 11). ), The blue light emitting layer 22 (the material is tetraphenylbutadiene of (Chemical Formula 13)) arranged in a stripe shape.
[0045]
Embedded image

[0046]
Embedded image

[0047]
The charge transport layer 16 can be common. Others are the same as the process of a monochromatic element. When this color element was displayed as a moving image with a drain drive voltage of 10 V and a gate voltage of 10 V, a light emission luminance of 5000 cd / m ² and a bright response speed of 1 msec or less were obtained.
[0048]
The same 25-inch large screen element as that in Embodiment 3 was realized with a light emitting element.
In the above description of the first to fourth embodiments, an example of an inverted stagger type organic transistor structure has been described. However, the present invention can be similarly applied to a planar type.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a large-area liquid crystal display element or organic light-emitting element can be realized by incorporating an organic transistor having high mobility as a switching element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an organic thin film transistor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an organic thin film transistor having a charge transport layer according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a liquid crystal device having an organic thin-film transistor according to Embodiment 3. FIG. 4 is a cross-sectional view of a monochromatic organic light-emitting device having an organic thin-film transistor according to Embodiment 4 of the present invention. Cross-sectional view of light-emitting element
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent insulating substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 Organic thin film (active semiconductor layer)
5 Drain electrode 6 Source electrode 7 Charge transport layer 8 Pixel electrode 9 Storage capacitor electrode 10 Organic insulating thin film 11 Storage capacitor electrode 12 Alignment film 13 Transparent electrode 14 Liquid crystal layer 15 Electroluminescent layer 16 Hole transport layer 17 Pixel electrode 18 Interlayer insulation Film 19 Passivation film 20 Red light emitting layer 21 Green light emitting layer 22 Blue light emitting layer

Claims

In a thin film transistor consisting of a gate electrode, a source electrode made of aluminum, a drain electrode made of aluminum, and an active semiconductor layer on a substrate, the active semiconductor layer is an organic substance having a repeating unit, and the repeating unit is in oligomer molecules phenylene sulfide to be manifested, or a polyimide polymer containing oligomer molecules phenylene sulfide to be manifested in the recurring units (of 2), between the source electrode and the front Symbol active semiconductor layer and have a hole-transporting layer represented by each (of 4) between the active semiconductor layer and the drain electrode, wherein the drain hole transport layer between the active semiconductor layer and the source electrode the organic thin film tiger, characterized in that the said hole transport layer between the and the electrode active semiconductor layer not in contact with each other Register.