JP4234952B2 - Vertical organic transistor - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自発光型有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイの駆動素子として有用な縦型有機トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイは、無機材料を用いた発光素子に比べて、１）軽量化が可能であること、２）大面積化が容易であること、３）低コストであること、及び、４）種々の発光が得られること、といった利点を有していることが明らかになってきたので、かかる有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイを商品として実用化すべく、その研究開発が盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイは、高輝度であって、薄型であり、しかも、極めて早い応答速度を有しているので、現在、主流となっている液晶ディスプレイに代わる次世代ディスプレイデバイスとして有望視されている。有機ＥＬディスプレイにおいて、有機半導体による有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor ）を駆動素子として利用した場合には、現状の有機ＴＦＴは、その電気抵抗が高く、しかも、その電荷移動度が低いので、有機ＴＦＴの素子構造そのものを改善しない限り、有機ＴＦＴを用いた有機ＥＬディスプレイの駆動に十分な動作は期待できない。
【０００３】
有機トランジスタの研究は、１９８０年代初頭から盛んに行われ、低分子化合物で構成される有機半導体膜及び高分子化合物で構成される有機半導体膜の基礎的な特性が調べられたが、これらの有機半導体材料は、無機半導体材料に比べて、低電荷移動度及び高電気抵抗を有する材料であるので、実用的な観点においては、あまり注目されなかった。しかしながら、最近になって、有機半導体材料は、軽量であって、しかも、柔軟であるので、かかる有機半導体を用いた携帯用電子機器、次世代の大面積ディスプレイ素子等の実用化に向けた研究が活発に行われ始めている。例えば、高濃度にドープしたシリコン基板上にペンタセンを成膜して０．５２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの電荷移動度を実現したＴＦＴが提案されている（特開平１０−２７０７１２号公報）。
【０００４】
有機半導体材料には、１）ペンタセン、金属フタロシアニン等の低分子化合物、２）Ｃ3 〜Ｃ8 のｎ−チオフェン等の短鎖オリゴマー、並びに、３）ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン等の長鎖ポリマーがある。前記長鎖ポリマーは、π共役系導電性高分子として知られており、隣接する多重結合した原子間の原子軌道の重なり合いによって、分子、オリゴマー及びポリマーに沿った電荷の移動が可能になる。隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動が可能になる。低分子化合物又は短鎖オリゴマーの有機薄膜は、有機材料として最も高い電荷移動度を示すことが知られているが、このような高電荷移動度を示す低分子化合物又は短鎖オリゴマーは、真空蒸着によって、規則的に配列された薄膜として付着される。この薄膜内の規則配列によれば、原子軌道が重なり合い、そのために、隣接する分子間の電荷の移動をもたらすと考えられている。前記長鎖ポリマーは、可溶性が大きいので、スピン・コーティング、ディッピング・コーティング等の手段を用いて成膜することができ、そのために、低コストで成膜が可能となる。しかしながら、長鎖ポリマーを成膜すると、高分子配列が不規則となるので、その電荷移動度が低くなるという問題がある。このように、いまのところ、決定的に高い電荷移動度を有する有機半導体材料はみあたらないので、今後の高電荷移動度有機材料の出現に期待するところは極めて大きい。
【０００５】
このような技術的状況において、前述の有機ＥＬ素子の駆動部分に単純に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）構造のＴＦＴを導入しても、その電荷移動度がまだ低く、動作速度、電力の観点で十分な特性を得ることは非常に難しいという問題があった。低い電荷移動度でも比較的大きな電流が得られるスイッチング素子として縦型有機静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ：Static Induction Transistor）が提案されている（Thin Solid Films 331(1998)51-54 ）。縦型ＳＩＴは、通常のＴＦＴが活性層の水平方向に電流を流す横形であるのに対して、活性層の垂直方向に電流を流す縦形のトランジスタであるので、膜厚方向への電流を制御することになり、そのために、チャネル長を短くすることが容易となる。よって、縦型ＳＩＴは、高抵抗、低移動度である有機半導体材料を用いた膜であっても、高速、大電力動作が期待できる。また、ＥＬ素子は、膜厚方向に電流を流して動作させる素子であるので、ＳＩＴをＥＬ素子に用いることは、有利である。
【０００６】
図１２は、ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。ＳＩＴは、一般的に、ｎ+ ソース電極１０１とｎ+ ドレイン電極１０２に挟まれた半導体層１０４にｐ+ ゲート電極が挿入された構造をしている。ｐ+ ゲート電極１０３に電圧を印加したとき、両側にあるｐ+ ゲート電極１０３から半導体層１０４中に伸びてきた空乏層（図中点線で示した部分）１０５がちょうど接触するときの電圧に対して、ゲート電圧が小さい場合に、ＳＩＴはオン状態になる。オフ状態にするには、ｐ+ ゲート電極とｎ+ ソース電極１０１との間に負の電圧を印加して、電位レベルを持ち上げてやる必要がある。つまり、ｎ+ ソース電極１０１とｎ+ ドレイン電極１０２との間に流れる電流ＩＤＳは、ｐ+ ゲート電極に印加された電圧とドレイン電圧ＶＤによって生じる電位障壁の高さによって決まる。このような動作をするＳＩＴは、ノーマリーオン特性のＳＩＴと呼ばれている。ノーマリーオン特性のＳＩＴは、１）ゲートからのキャリアの注入がないので動作速度が速いこと、２）電流集中がないので、破壊耐量が大きい（大電流が流せる）こと、３）電圧駆動デバイスであること、及び、４）不飽和電流電圧特性を示すこと、等の特徴を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
有機半導体を用いたＳＩＴとしては、銅フタロシアニン（以下、「ＣｕＰｃ」という。）層をソース電極及びドレイン電極でそれぞれ挟み、そして、前記ＣｕＰｃ層の内部に真空蒸着により形成したスリット状のアルミニウムをゲート電極として埋め込んだ縦型ＴＦＴが報告されている（工藤ら、T.IEE Japan,Vol.118-A,No.10,(1998) P1166-1171 ）。この有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、ＣｕＰｃによる有機分子蒸着膜とストライプ状のアルミニウムゲート電極との界面近傍でショットキー障壁が形成されている。このストライプ状のゲート電極は、アルミニウム蒸着源を２箇所に配置して行う２点蒸着法、即ち、２箇所に配置したアルミニウム蒸着源と、蒸着マスクと、基板と、の距離を調整することによって、スリット間隔の均一なストライプ状のゲート電極を形成している。このストライプ状のゲート電極がＳＩＴのゲート電極として働くには、ゲート電極のスリット巾をショットキー障壁の空乏層巾（数１００Å程度以下）相当にする必要があるが、通常の蒸着方法でこれを実現できない。そこで、このＳＩＴにおいては、２点蒸着法によるアルミニウムのにじみ効果を利用して、アルミニウムがにじんでできたアルミニウム半透膜とアルミニウムが存在しない空乏層巾に相当するスリット巾とを実現している。
【０００８】
このように、従来においては、２点蒸着法を用いてゲート電極を形成することにより、ＳＩＴを実現しているわけであるが、この２点蒸着法においては、蒸着源とメタルマスクと基板との位置関係を三角比を利用して幾何学的に設定しているので、最適設定が難しく、そのために、大量生産に不向きであるという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。
即ち、本発明は、高い動作速度と大電力化とを可能にすると共に、再現性良く大量に生産でき、しかも、有機トランジスタの全体の構造を小型化することができるようにした縦型有機トランジスタを低コストで提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を垂直方向に順次有する縦型有機トランジスタにおいて、
（イ）前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層が、互いに異なった有機半導体材料で構成され、そして、
（ロ）前記第一の有機半導体材料と前記第二の有機半導体層との組み合わせが、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）との組み合わせ、から選ばれている
ものとしたところ、高い動作速度と大電力化とを可能にすると共に、再現性良く大量に生産でき、しかも、有機トランジスタの全体の構造を小型化することができるようにした縦型有機トランジスタを低コストで提供できることを見いだして本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を垂直方向に順次有する縦型有機トランジスタにおいて、
（イ）前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層が、互いに異なった有機半導体材料で構成され、そして、
（ロ）前記第一の有機半導体材料と前記第二の有機半導体層との組み合わせが、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）との組み合わせ、から選ばれている
ことを特徴とする縦型有機トランジスタである。
【００１２】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、同一の導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｐ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載された発明は、請求項３に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載された発明は、請求項３に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項９に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、異なる導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項１０に記載された発明は、請求項９に記載された発明において、前記第一の有機半導体層が、ｐ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層が、ｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１１に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１２に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３に記載された発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載された発明において、前記ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極が、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ＩＴＯなどこれら金属の酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル及び導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１４に記載された発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載された発明において、前記ソース電極の外側の面又は前記ドレイン電極の外側の面に基板を有することを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１５に記載された発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載された発明において、前記ゲート電極が、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１６に記載された発明は、請求項１〜１５のいずれかに記載された発明において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。図２は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間のキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。図３は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。図４は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図５は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図６は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。図８は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図９は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図１０は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。図１１は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位を示す説明図である。
【００２８】
図１において、１０は、本発明の縦型有機トランジスタである。本発明の縦型有機トランジスタ１０は、ソース電極２、第一の有機半導体層３、櫛状又はメッシュ状（例えば、碁盤目状）のゲート電極４、第二の有機半導体層５、及び、ドレイン電極６を垂直方向に順次有している。また、本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、（イ）前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５が、互いに異なった有機半導体材料で構成され、そして、（ロ）前記第一の有機半導体材料３と前記第二の有機半導体層５との組み合わせが、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）との組み合わせ、から選ばれている。
【００２９】
このように、前記（イ）の構成を有していると、１）縦型有機トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚に対応して薄くすることによって動作抵抗を低くすることができ、そのために、高い動作速度を可能にすることができ、２）ゲート電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の有機半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減可能にすることができ、そして、３）従来のように「２点蒸着法」等の製造方法の工夫によらずに、再現性良く大量に生産できるようにしたＳＩＴを低コストで提供することができ、且つ、前記（ロ）の構成を有していると、４）有機トランジスタの全体の構造を小型化することができると共に、その有機半導体材料による成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することを可能にすることができ、それらのために、縦型有機トランジスタの製造コストをいっそう低減化することができる。また、ショットキーゲート電極が２種の有機半導体層界面近傍に配置されていると、５）トランジスタのオン／オフ比が大きくなり、そのために、２種の有機半導体材料種を適切に選定することにより、ノーマリーオフ特性のＳＩＴが実現でき、さらには、有機半導体層の表面に形成した電極全体を有効利用することができ、よって、大電力化を可能にすることができる。図１において、１は、基板である。図１においては、基板１は、ソース電極２の外側の面に設けられているが、ドレイン電極６の外側の面に設けられていてもかまわない。
【００３０】
前記「電位障壁」は、有機半導体材料のポテンシャルエネルギーの差によって生じる電位障壁である。このような「電位障壁」は、例えば、第一の有機半導体層３／第二の有機半導体層５を、それぞれ、同一の導電型の有機半導体材料、即ち、ｐ型の半導体材料／ｐ型の半導体材料、又は、ｎ型の半導体材料／ｎ型の半導体材料で構成することによって形成することができるし、また、異なる導電型の有機半導体材料、即ち、ｐ型の半導体材料／ｎ型の半導体材料、ｐ型の半導体材料／Ｉ型の半導体材料、又は、ｎ型の半導体材料／Ｉ型の半導体材料で構成することによっても形成することができる。
【００３１】
本発明における前記第一の有機半導体材料３と前記第二の有機半導体層５との組み合わせは、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）との組み合わせ、から選ばれている。
【００３２】
本発明の縦型有機トランジスタ１０は、ソース電極２とドレイン電極６との間に有機半導体層、即ち、第一の有機半導体層３及び第二の有機半導体層５を有しているところ、両電極の間隔が狭いので、従来のＦＥＴにおけるピンチオフ点がソース電極２の側の近くに生じる。したがって、本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、実効チャネル長が零に近くなって、チャネルが電流値を規制できない状態になるので、ソース電極２付近の調整作用が支配的になる。
【００３３】
図２の一点鎖線で示すように、いま、ソース電極２とドレイン電極６との間にバイアスをかけると、キャリアのポテンシャルエネルギーは、線形の傾斜ができる。しかし、ゲート電極４のポテンシャル位置は変らないので、図２のようなポテンシャル分布が得られ、そのために、ゲート電圧ＶG を加えていくと、山の部分が高くなり、また、ドレイン電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。ゲート電極４には、空乏層が広がるように、即ち、エネルギー障壁が高くなるように、バイアスをかけるために、図１のａ−ａ線上は、キャリアに対して、大きなエネルギー障壁を作る。一方、ｂ−ｂ線上は、ゲート電極４にバイアスが加わると、キャリアのポテンシャルエネルギーは、ゲート電極に引き上げられて幾分高くなるものの、ａ−ａ線上に比べれば小さくなっているので、トータルとしては、エネルギー障壁は低くなり、そのために、キャリアは、このゲート電極間を通って、ドレイン電極６の側に流れ落ちることになる。ソース電極２におけるキャリアのポテンシャルを基準にとれば、ピンチオフ点は、半導体層界面との間で形成される拡散電位φＤだけ高い位置にあり、さらにゲート電極のポテンシャルエネルギー位置は、実効的ゲート位置よりも、ゲート電圧ＶG だけ高い位置にある。これらのことから、ゲート電極４の近傍を境界面とした接合面を形成してやれば、前述のトータルとしてのエネルギー障壁が高くなる。したがって、本発明においては、前記１）〜３）の効果が得られることとなる。
【００３４】
前記有機半導体材料は、蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、印刷、塗布・ベーキング、エレクトロポリマラインゼーション、分子ビーム付着、溶液からのセルフ・アセンブリ、及び、これらの組合せよりなる群から選択された手段によって有機半導体層に形成される。それ故、本発明は、その有機半導体層の成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することが可能となり、そのために、有機トランジスタの製造コストを低減化することができる。
【００３５】
本発明における縦型有機トランジスタにおいては、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とは、同一の導電型の有機半導体材料、即ち、共にｐ型有機半導体材料で構成されているか、又は、共にｎ型有機半導体材料で構成されている。そして、前記ソース電極２及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ドレイン電極６及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でオーミック接触している。また、前記ゲート電極４及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ゲート電極４及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でショットキー接触している。
【００３６】
このように、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、共にｐ型有機半導体材料で構成されていると、２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、１）ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、２）電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、３）オン電流とオフ電流比が大きくとれ、４）ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、５）大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００３７】
また、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、共にｎ型有機半導体材料で構成されていると、２種のｎ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が電子によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、正孔輸送によるＳＩＴよりも動作速度が速くなって、大電流を流すことができ、そのために、さらに高い周波数応答性と大電力化が可能となる。
【００３８】
本発明における縦型有機トランジスタにおいては、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とは、異なる導電型の有機半導体材料、即ち、（ａ）前記第一の有機半導体層３が、ｐ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層５が、ｎ型有機半導体材料で構成されているか、或いは、（ｂ）前記第一の有機半導体層３が、ｎ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層５が、ｐ型有機半導体材料で構成されている。そして、前記ソース電極２及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ドレイン電極６及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でオーミック接触している。また、前記ゲート電極４及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ゲート電極４及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でショットキー接触している。
【００３９】
このように、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、それぞれ、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料、或いは、ｎ型有機半導体材料とｐ型有機半導体材料で構成されていると、これらの有機半導体層３，５の界面のＰＮ障壁及びゲート電極４近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、１）ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、２）電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、３）オン電流とオフ電流比が大きくとれ、４）ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、５）大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００４０】
本発明の縦型有機トランジスタ１０が、ソース電極２、第一の有機半導体層３、櫛状又はメッシュ状（例えば、碁盤目状）のゲート電極４、第二の有機半導体層５、及び、ドレイン電極６を順次有し、そして、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５を互いに異なった有機半導体材料で構成したものであることは、前述のとおりであるが、このような縦型有機トランジスタにおいて、例えば、有機半導体層３，５をそれぞれｐ型の半導体材料で構成した場合には、ゲート電極４によるバイアス制御により（正孔に対するポテンシャルエネルギー障壁の高さ制御により）、ソース電極からドレイン電極に電流が流れる。
【００４１】
このような縦型有機トランジスタにおいては、電極−有機半導体層間のキャリア注入障壁を下げれば、印加電圧を低くすることにつながり、逆に電極−有機半導体層間のキャリア注入障壁を上げれば、印加電圧を高くすることにつながる。金属又は金属的性質を示す有機材料には、必ずしも整流特性を示さないものがあり、金属−ｐ型有機半導体では、電極材料の仕事関数がφｍ＞φｓであって、且つ、それらの差が小さい場合には、オーミック接触に近いものになる。電子に対しては電極の電子親和力がχｍ（＝φｍ）＞χｓであって、且つ、それらの差が小さい場合には、オーミック接触に近いものになる。有機半導体材料においては、正孔に対しては、電極の仕事関数と有機半導体材料のHOMO（Highest Occupied Molecular Orbital ）準位よりも大きなφm であって、且つ、それらの差が小さい材料を選定し、電子に対しては、電極の電子親和力と有機半導体材料のLUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital ）準位よりも大きなχm（＝φm）を満足する金属または金属的な性質の材料を選定してやれば、比較的容易にオーミック接触を得ることができ、駆動電圧を低くすることができる。
【００４２】
また、電極材料の仕事関数がφｍ＜φｓであって、且つ、それらの差が大きい場合には、ショットキー接触になる。有機半導体材料内のエネルギー準位は、正孔から見れば、表面よりもφｓ−φｍだけ低くなってエネルギー障壁ができ、金属側のエネルギー障壁は、φｓｂ＝（χｓ＋（ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ差））−χｍ、となり、拡散電位は、φｓ−φｍとなる。
【００４３】
ＣｕＰｃは、Ｐ型の半導体的な性質を示すことが知られているが、そのＨＯＭＯ準位は、５．２ｅＶであり、そして、そのＬＵＭＯ準位は、３．２ｅＶである。同様に、α−ＮＰＤは、Ｐ型の半導体的な性質を示すことが知られているが、そのＨＯＭＯ準位は、５．７ｅVであり、そして、そのＬＵＭＯ準位は、２．６ｅVである。そこで、これらの２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層を積層した場合、界面に形成される正孔に対する障壁は、ＨＯＭＯ準位差０．５ｅＶに対応する。したがって、これらの２種のＰ型有機半導体材料による有機半導体層の接合界面に形成される障壁を活用すると共に、ショットキーゲート障壁を有効に活用すれば、新規なＳＩＴ動作機構を有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４４】
また、「α−ＮＰＤがＰ型の半導体的な性質を示すものであって、そのＨＯＭＯ準位が５．７ｅＶであり、そして、そのＬＵＭＯ準位が２．６ｅＶであること」は、前述のとおりであるところ、Ａｌｑ3 は、ｎ型の半導体的な性質を示し、そのＨＯＭＯ準位が５．８ｅＶであり、そして、ＬＵＭＯ準位が３．１ｅＶであるので、これらの２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層とｎ型有機半導体材料による有機半導体層とを積層した場合、図１１に示すように、Ａｌｑ3 とα−ＮＰＤのエネルギー準位（ＨＯＭＯ準位）より正孔注入に効果的であることがわかる。なお、図１１において、黒い丸は、電子を意味し、そして、白い丸は正孔を意味している。一方、ＬＵＭＯ準位を見ても、電子の注入に効果的であることが予想されるので、Ａｌｑ3 による有機半導体層とα−ＮＰＤによる有機半導体層との接合界面に形成される障壁を活用すると共に、ショットキーゲート障壁を有効に活用すれば、新規なＳＩＴ動作機構を有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４５】
本発明におけるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は、好ましくは、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ＩＴＯなどの金属酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル及び導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されるので、接触抵抗を低減して電気特性を改善することができる。そして、これらの電極材料は、蒸着、スパッタリング、化学蒸着、電着、無電解メッキ、スピンコーティング、印刷、及び、塗布よりなる群から選択されたプロセスでゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に形成される。
【００４６】
本発明の縦型有機トランジスタは、ソース電極の外側の面又はドレイン電極の外側の面に基板を有することができる。本発明における基板は、例えば、ガラス、プラスチック、石英、アンドープ・シリコン、及び、高ドープ・シリコンよりなる群から選択される。また、本発明における基板は、プラスチック基板であってもかまわない。かかるプラスチック基板は、ポリカーボネート、マイラー、及び、ポリイミドを含む群から選択される。
【００４７】
本発明におけるゲート電極は、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成される。また、本発明におけるソース電極及びドレイン電極は、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成される。
【００４８】
［本発明の縦型有機トランジスタの製造例］
本発明の縦型有機トランジスタ（図１）は、図３に示されるように、
１）透明基板１の上面にＩＴＯ等の透明電極材料を成膜してソース電極２を形成する工程（ａ）、
２）前記ソース電極２の上面に有機半導体材料を成膜して第一の有機半導体層３を形成する工程（ｂ）、
３）前記第一の有機半導体層３の上面に電極材料を櫛状又はメッシュ状に成膜してゲート電極４を形成する工程（ｃ）、
４）前記第一の有機半導体層３の上端及び前記ゲート電極４の上面に前記２）の工程で形成した有機半導体材料とは異なる種類の有機半導体材料を成膜して第二の有機半導体層５を形成する工程（ｄ）、及び、
５）前記第二の有機半導体層５の上面に電極材料を成膜してドレイン電極６を形成する工程（ｅ）、
を順次経て製造される。
【００４９】
【実施例】
（実施例１）
（イ）透明な０．７ｍｍ
厚のガラス基板（コーニング社製無アルカリガラス１７３７Ｆ）の上面にＩｎ酸化物とＳｎ酸化物とからなるＩＴＯ透明電極をスパッタリングにより成膜して１１０ｎｍ厚のソース電極を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記ソースＩＴＯ電極付きのガラス基板上にｐ型有機半導体材料であるＣｕＰｃを４００℃、３×１０-6Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の有機半導体層の上面に、ストライプ／スリット状に形成したＮｉメタルマスクを用いて、Ａｌを1×１０-6Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、４０ｎｍ厚のゲート電極を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記ゲート電極及び第一の有機半導体層の上面にｐ型有機半導体材料であるα−ＮＰＤを２００℃、５×１０-6Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）そして、前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを1×１０-6Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚のドレイン電極を成膜した［図３（ｅ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図４に示される。
そして、この縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図５）、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、その縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図６）、同様に、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、ゲート電極をフローティングにして測定したソース／ドレイン間のＩ−Ｖ特性から、ソース電極と第一の有機半導体層及びドレイン電極と第二の有機半導体層の各界面でオーミック接触していることを確認した。また、その縦型有機トランジスタの静特性を測定して（図７）、トランジスタ動作が確認できた。図示しないが、遮断周波数については、まだまだ、改善の余地があるものの、３０〜５０数ＫＨｚであることを確認した。
【００５０】
（実施例２）
第一の半導体層をｎ型有機半導体材料であるＡｌｑ3
で成膜し、そして、第二の半導体層をｎ型有機半導体材料であるＴＣＮＱで成膜した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタとした。
【００５１】
（実施例３）
（イ）透明な０．７ｍｍ
厚のガラス基板（コーニング社製無アルカリガラス１７３７Ｆ）の上面にＩｎ酸化物とＳｎ酸化物とからなるＩＴＯ透明電極をスパッタリングにより成膜して１１０ｎｍ
厚のソース電極を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記ソースＩＴＯ電極付きのガラス基板上にｐ型有機半導体材料であるα−ＮＰＤを２００℃、５×１０-6Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の有機半導体層の上面に、ストライプ／スリット状に形成したＮｉメタルマスクを用いて、Ａｌを1×１０-6Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、１００ｎｍ 厚のゲート電極を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記ゲート電極及び第一の有機半導体層の上面にｎ型有機半導体材料であるＡｌｑ3 を２２０℃、１．６×１０-6Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）そして、前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを１×１０-6Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚のドレイン電極を成膜した［図３（ｅ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図８に示される。
そして、この縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図９）、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、その縦型有機トランジスタの静特性を測定して（図１０）、トランジスタ動作が確認できた。図示しないが、遮断周波数については、まだまだ、改善の余地があるものの、３０〜５０ＫＨｚであることを確認した。そして、その縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位は、図１１に示される。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１に記載された本発明によれば、ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を垂直方向に順次有する縦型有機トランジスタにおいて、（イ）前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層が、互いに異なった有機半導体材料で構成され、そして、（ロ）前記第一の有機半導体材料と前記第二の有機半導体層との組み合わせが、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ）との組み合わせ、から選ばれているので、前記（イ）の構成により、１）縦型有機トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚に対応して薄くすることによって動作抵抗を低くすることができ、そのために、高い動作速度を可能にすることができ、２）ゲート電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の有機半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減可能にすることができ、そして、３）従来のように「２点蒸着法」等の製造方法の工夫によらずに、再現性良く大量に生産できるようにしたＳＩＴを低コストで提供することができ、且つ、前記（ロ）の構成により、４）有機トランジスタの全体の構造を小型化することができると共に、その有機半導体材料による成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することを可能にすることができ、それらのために、縦型有機トランジスタの製造コストをいっそう低減化することができる。また、請求項１に記載された本発明によれば、ショットキーゲート電極が２種の有機半導体層界面近傍に配置されているので、５）トランジスタのオン／オフ比が大きくなり、そのために、２種の有機半導体材料種を適切に選定することにより、ノーマリーオフ特性のＳＩＴが実現でき、さらには、有機半導体層の表面に形成した電極全体を有効利用することができ、よって、大電力化を可能にすることができる。
【００５３】
請求項２〜５に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが同一の導電型の有機半導体材料（共にｐ型有機半導体材料）で構成されているので、２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなり、そのために、１）ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、２）電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、３）オン電流とオフ電流比が大きくとれ、４）ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、５）大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００５４】
請求項６〜８に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが共にｎ型有機半導体材料で構成されているので、２種のｎ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が電子によるＳＩＴ動作機構に関係することとなり、そのために、正孔輸送によるＳＩＴよりも動作速度が速くなって、大電流を流すことができ、よって、さらに高い周波数応答性と大電力化が可能となる。
【００５５】
請求項９〜１２に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが、それぞれ、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料で構成されていると、これらの有機半導体層３，５の界面のＰＮ障壁及びゲート電極４近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、１）ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、２）電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、３）オン電流とオフ電流比が大きくとれ、４）ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、５）大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００５６】
請求項１３〜１６に記載された本発明によれば、接触抵抗を低減して電気特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。
【図２】 本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間のキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。
【図３】 本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。
【図４】 実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図５】 実施例１で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図６】 実施例１で得られた縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図７】 実施例１で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。
【図８】 実施例３で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図９】 実施例３で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１０】 実施例３で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。
【図１１】 実施例３で得られた縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位を示す説明図である。
【図１２】 ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ソース電極
３ 第一の有機半導体層
４ ゲート電極
５ 第二の有機半導体層
６ ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical organic transistor useful as a driving element for a self-luminous organic electroluminescence (EL) display.
[0002]
[Prior art]
In recent years, full-color displays using organic EL elements are 1) lighter, 2) easier to increase in area, and 3) less expensive than light-emitting elements using inorganic materials. And 4) it has become clear that it has various advantages such as being able to obtain various light emission. Therefore, in order to put a full color display using such an organic EL element into practical use as a product, research and development have been conducted. It has come to be actively performed. In addition, an organic EL display using an organic EL element has high brightness, is thin, and has an extremely fast response speed. Therefore, it is a next-generation display that replaces the currently mainstream liquid crystal display. Promising as a device. In an organic EL display, when an organic thin film transistor (TFT) made of an organic semiconductor is used as a driving element, the current organic TFT has a high electrical resistance and a low charge mobility. Unless the TFT element structure itself is improved, an operation sufficient for driving an organic EL display using an organic TFT cannot be expected.
[0003]
Research on organic transistors has been actively conducted since the early 1980s, and basic characteristics of organic semiconductor films composed of low molecular compounds and organic semiconductor films were investigated. Since the semiconductor material is a material having a low charge mobility and a high electric resistance as compared with the inorganic semiconductor material, it has not received much attention from a practical viewpoint. However, recently, organic semiconductor materials are lightweight and flexible, so research toward the practical application of portable electronic devices using such organic semiconductors, next-generation large-area display elements, etc. Has begun to be active. For example, a TFT has been proposed in which pentacene is formed on a highly doped silicon substrate to realize a charge mobility of 0.52
[0004]
Organic semiconductor materials include 1) low molecular weight compounds such as pentacene and metal phthalocyanine, 2) CThree ~ C8 Short chain oligomers such as n-thiophene, and 3) long chain polymers such as polythiophene and polyphenylene vinylene. The long-chain polymer is known as a π-conjugated conductive polymer, and the overlapping of atomic orbitals between adjacent multiple bonded atoms enables charge transfer along molecules, oligomers and polymers. Depending on the overlap of molecular orbitals between adjacent molecules, charge transfer between molecules becomes possible. An organic thin film of a low molecular compound or short chain oligomer is known to exhibit the highest charge mobility as an organic material, but such a low molecular compound or short chain oligomer exhibiting high charge mobility is vacuum-deposited. Is attached as a regularly arranged thin film. This ordered arrangement in the thin film is believed to cause atomic orbitals to overlap, thus resulting in charge transfer between adjacent molecules. Since the long-chain polymer is highly soluble, it can be formed using means such as spin coating, dipping coating, and the like, so that it can be formed at low cost. However, when a long-chain polymer is formed, there is a problem that the charge mobility is lowered because the polymer arrangement becomes irregular. Thus, since no organic semiconductor material having a decisively high charge mobility has been found so far, there is a great expectation for the appearance of a high charge mobility organic material in the future.
[0005]
In such a technical situation, even if a TFT having a field effect transistor (FET) structure is simply introduced in the driving portion of the organic EL element, the charge mobility is still low, the operation speed, There is a problem that it is very difficult to obtain sufficient characteristics from the viewpoint of electric power. A vertical organic induction transistor (SIT) has been proposed as a switching element that can obtain a relatively large current even with low charge mobility (Thin Solid Films 331 (1998) 51-54). The vertical type SIT is a vertical transistor in which current flows in the horizontal direction of the active layer, whereas a normal TFT is a vertical transistor in which current flows in the vertical direction of the active layer, so the current in the film thickness direction is controlled. Therefore, it becomes easy to shorten the channel length. Therefore, the vertical SIT can be expected to operate at high speed and with high power even if it is a film using an organic semiconductor material having high resistance and low mobility. Further, since the EL element is an element that is operated by passing a current in the film thickness direction, it is advantageous to use SIT for the EL element.
[0006]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the operating mechanism of the SIT. SIT is generally n+ Source electrode 101 and n+ The
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As SIT using an organic semiconductor, a copper phthalocyanine (hereinafter referred to as “CuPc”) layer is sandwiched between a source electrode and a drain electrode, and slit-like aluminum formed by vacuum deposition inside the CuPc layer is gated. A vertical TFT embedded as an electrode has been reported (Kudo et al., T. IEE Japan, Vol. 118-A, No. 10, (1998) P1166-1171). In SIT using this organic semiconductor, a Schottky barrier is formed in the vicinity of the interface between an organic molecular vapor deposition film made of CuPc and a striped aluminum gate electrode. The stripe-shaped gate electrode is formed by adjusting the distance between the aluminum vapor deposition source, the vapor deposition mask, and the substrate, which are formed by arranging the aluminum vapor deposition source at two locations, that is, at two locations. A stripe-shaped gate electrode having a uniform slit interval is formed. In order for this striped gate electrode to function as the gate electrode of SIT, it is necessary to make the slit width of the gate electrode equivalent to the depletion layer width of the Schottky barrier (about several hundreds of inches or less). Cannot be realized. Therefore, in this SIT, an aluminum semi-permeable film made of aluminum bleed and a slit width corresponding to a depletion layer width in which no aluminum is present are realized by utilizing the bleed effect of aluminum by the two-point evaporation method. .
[0008]
As described above, conventionally, SIT is realized by forming a gate electrode using a two-point vapor deposition method. However, in this two-point vapor deposition method, a vapor deposition source, a metal mask, a substrate, Since the positional relationship is geometrically set using the trigonometric ratio, it is difficult to set the optimum, and therefore, it is not suitable for mass production.
[0009]
The present invention aims to solve this problem.
That is, the present invention makes it possible to produce a large amount of products with high reproducibility while enabling high operating speed and high power consumption, and to reduce the overall structure of the organic transistor. Is intended to be provided at low cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The inventor has a source electrode, a first organic semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, a second organic semiconductor layer, and a drain electrode.VerticallyIn the vertical organic transistor that has sequentially,
(A) The first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are different from each other so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer. Composed of organic semiconductor material, and
(B)The combination of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor layer is, respectively, (1) a combination of a copper phthalocyanine compound (CuPc) and a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD), and (2) aluminum. Triquinolinol complex (Alq Three ) And tetracyanoquinodimethane (TCNQ), and (3) a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD) and an aluminum triquinolinol complex (Alq Three ) In combination with
As a result, a vertical organic transistor that enables high operating speed and high power, can be produced in large quantities with high reproducibility, and can reduce the overall structure of the organic transistor. The present invention has been completed by finding that it can be provided at low cost.
[0011]
That is, in order to achieve the above object, the invention described in
(A) The first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are different from each other so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer. Composed of organic semiconductor material, and
(B)The combination of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor layer is, respectively, (1) a combination of a copper phthalocyanine compound (CuPc) and a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD), and (2) aluminum. Triquinolinol complex (Alq Three ) And tetracyanoquinodimethane (TCNQ), and (3) a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD) and an aluminum triquinolinol complex (Alq Three ) In combination with
This is a vertical organic transistor.
[0012]
The invention described in
[0013]
The invention described in
[0014]
The invention described in
[0015]
The invention described in
[0016]
The invention described in claim 6 is the invention described in
[0017]
The invention described in claim 7 is the invention described in claim 6, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are their interfaces. It is characterized by being in ohmic contact.
[0018]
The invention described in claim 8 is the invention described in claim 6, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are their interfaces. It is characterized in that it is in Schottky contact.
[0019]
The invention described in claim 9 is the invention described in
[0020]
The invention described in
[0021]
The invention described in claim 11 is the invention described in
[0022]
The invention described in claim 12 is the invention described in
[0023]
Claim13The invention described in claim 112In the invention described in any of the above, the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are made of chromium (Cr), Ta (thallium), titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo). , Tungsten (W), nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), tin (Sn), ITO, etc., oxides of these metals, conductive polyaniline, conductive It is composed of at least one material selected from the group consisting of polypyrrole, conductive polythiazyl and conductive polymer.
[0024]
Claim14The invention described in claim 113In any of the inventions described above, a substrate is provided on the outer surface of the source electrode or the outer surface of the drain electrode.
[0025]
Claim15The invention described in claim 114In the invention described in any one of the above, the gate electrode is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm.
[0026]
Claim16The invention described in claim 115In the invention described in any one of the above, the source electrode and the drain electrode are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the height of the potential energy of carriers between the source electrode (S) and the drain electrode (D) in the vertical organic transistor according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention. 4 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of a vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. FIG. 5 is a graph obtained by measuring IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 6 is a graph obtained by measuring IV characteristics between the drain electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 7 is an experimental result showing the static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 8 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 9 is a graph obtained by measuring IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 10 is an experimental result showing the static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the energy ranking of each layer of the vertical organic transistor obtained in Example 3.
[0028]
In FIG. 1,
[0029]
Thus, with the configuration of (a), 1) the operating resistance can be lowered by reducing the channel length, which is the current path of the vertical organic transistor, corresponding to the film thickness, Therefore, a high operating speed can be achieved, and 2) a barrier due to a difference in HOMO level between the Schottky contact formed in the vicinity of the gate electrode and two kinds of organic semiconductor materials, or a barrier due to a difference in LUMO level. Can effectively reduce the leakage current between the source and drain, and 3) with good reproducibility, without using a conventional two-point evaporation method or the like. SIT that can be produced in large quantities can be provided at low cost, and if it has the configuration (b), 4) the overall structure of the organic transistor can be reduced in size, and Its organic half Deposition in the film deposition by the body material, it is possible to be able to adopt a simple means such as coating, for them, it is possible to further reduce the manufacturing cost of the vertical organic transistors. In addition, when the Schottky gate electrode is disposed in the vicinity of the interface between the two organic semiconductor layers, 5) the on / off ratio of the transistor is increased, and accordingly, the two organic semiconductor material types should be appropriately selected. Therefore, SIT with normally-off characteristics can be realized, and furthermore, the entire electrode formed on the surface of the organic semiconductor layer can be used effectively, and thus high power can be achieved. In FIG. 1, 1 is a substrate. In FIG. 1, the
[0030]
The “potential barrier” is a potential barrier generated by a difference in potential energy of organic semiconductor materials. Such a “potential barrier” is, for example, that the first
[0031]
In the present inventionThe combination of the first
[0032]
The vertical
[0033]
As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2, when a bias is applied between the
[0034]
The organic semiconductor material is formed by means selected from the group consisting of vapor deposition, chemical vapor deposition, spin coating, printing, coating and baking, electropolymerization, molecular beam deposition, self assembly from solution, and combinations thereof. It is formed in the organic semiconductor layer. Therefore, according to the present invention, it is possible to employ simple means such as vapor deposition and coating in the formation of the organic semiconductor layer, and therefore the manufacturing cost of the organic transistor can be reduced.
[0035]
In the vertical organic transistor according to the present invention, the first
[0036]
Thus, when both said 1st organic-
[0037]
Further, when both the first
[0038]
In the vertical organic transistor according to the present invention, the first
[0039]
In this way, the first
[0040]
The vertical
[0041]
In such a vertical organic transistor, if the carrier injection barrier between the electrode and the organic semiconductor layer is lowered, the applied voltage is lowered. Conversely, if the carrier injection barrier between the electrode and the organic semiconductor layer is raised, the applied voltage is reduced. It leads to increase. Some organic materials exhibiting metal or metallic properties do not necessarily exhibit rectifying characteristics. In a metal-p type organic semiconductor, the work function of the electrode material is φm> φs, and the difference between them is small. In some cases, it is close to ohmic contact. When the electron affinity of the electrode is χm (= φm)> χs and the difference between them is small, it becomes close to ohmic contact. For organic semiconductor materials, for holes, select a material that has a φm larger than the work function of the electrode and the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) level of the organic semiconductor material and has a small difference between them. For electrons, a metal or a material with a metallic property that satisfies the electron affinity of the electrode and χm (= φm) greater than the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level of the organic semiconductor material can be compared. Therefore, ohmic contact can be easily obtained, and the drive voltage can be lowered.
[0042]
Further, when the work function of the electrode material is φm <φs and the difference between them is large, Schottky contact occurs. When viewed from the hole, the energy level in the organic semiconductor material is φs−φm lower than the surface to form an energy barrier, and the energy barrier on the metal side is φsb = (χs + (HOMO-LUMO difference)) − χm, and the diffusion potential is φs−φm.
[0043]
CuPc is known to exhibit P-type semiconducting properties, but its HOMO level is 5.2 eV, and its LUMO level is 3.2 eV. Similarly, α-NPD is known to exhibit P-type semiconducting properties, but its HOMO level is 5.7 eV, and its LUMO level is 2.6 eV. . Therefore, when organic semiconductor layers made of these two types of p-type organic semiconductor materials are stacked, the barrier against holes formed at the interface corresponds to a HOMO level difference of 0.5 eV. Therefore, if the barrier formed at the junction interface of the organic semiconductor layer by these two types of P-type organic semiconductor materials is utilized and the Schottky gate barrier is effectively utilized, a vertical organic compound having a novel SIT operation mechanism is obtained. A transistor can be realized.
[0044]
In addition, “α-NPD exhibits P-type semiconductor properties, its HOMO level is 5.7 eV, and its LUMO level is 2.6 eV”. AlqThree Shows an n-type semiconducting property, its HOMO level is 5.8 eV, and its LUMO level is 3.1 eV. Therefore, an organic semiconductor layer made of these two types of p-type organic semiconductor materials 11 and an organic semiconductor layer made of an n-type organic semiconductor material, as shown in FIG.Three And α-NPD energy levels (HOMO levels) are more effective for hole injection. In FIG. 11, a black circle means an electron, and a white circle means a hole. On the other hand, the LUMO level is expected to be effective for electron injection.Three A vertical organic transistor with a novel SIT operation mechanism can be realized by utilizing the barrier formed at the junction interface between the organic semiconductor layer formed by HF and the organic semiconductor layer formed by α-NPD and effectively using the Schottky gate barrier. it can.
[0045]
The gate electrode, source electrode and drain electrode in the present invention are preferably chromium (Cr), Ta (thallium), titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W). , Nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), tin (Sn), metal oxides such as ITO, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl and Since it is made of at least one material selected from the group consisting of conductive polymers, it is possible to reduce contact resistance and improve electrical characteristics. These electrode materials are formed on the gate electrode, source electrode, and drain electrode by a process selected from the group consisting of vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition, electrodeposition, electroless plating, spin coating, printing, and coating. The
[0046]
The vertical organic transistor of the present invention can have a substrate on the outer surface of the source electrode or the outer surface of the drain electrode. The substrate in the present invention is selected from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and highly doped silicon, for example. The substrate in the present invention may be a plastic substrate. Such plastic substrates are selected from the group comprising polycarbonate, mylar, and polyimide.
[0047]
The gate electrode in the present invention is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm. Further, the source electrode and the drain electrode in the present invention are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm.
[0048]
[Production Example of Vertical Organic Transistor of the Present Invention]
As shown in FIG. 3, the vertical organic transistor of the present invention (FIG. 1)
1) A step of forming a
2) forming a first
3) a step (c) of forming a
4) A second organic semiconductor layer is formed by depositing an organic semiconductor material of a type different from the organic semiconductor material formed in the step 2) on the upper end of the first
5) forming a drain electrode 6 by forming an electrode material on the upper surface of the second organic semiconductor layer 5 (e),
Are manufactured sequentially.
[0049]
【Example】
Example 1
(I) Transparent 0.7mm
An ITO transparent electrode made of In oxide and Sn oxide was formed by sputtering on the upper surface of a thick glass substrate (Corning non-alkali glass 1737F) to form a 110 nm thick source electrode [FIG. 3 (a). ].
(B) On the glass substrate with the source ITO electrode, CuPc, which is a p-type organic semiconductor material, is 400 ° C., 3 × 10-6A first organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum deposition in Torr [FIG. 3 (b)].
(C) On the upper surface of the first organic semiconductor layer, using a Ni metal mask formed in a stripe / slit shape, Al is 1 × 10-6A gate electrode with a thickness of 40 nm was formed by vacuum deposition under Torr and resistance heating [FIG. 3 (c)].
(D) α-NPD, which is a p-type organic semiconductor material, at 200 ° C., 5 × 10 5 on the upper surfaces of the gate electrode and the first organic semiconductor layer.-6A second organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum deposition in Torr [FIG. 3 (d)].
(E) Then, Au is added to the top surface of the second organic semiconductor layer by 1 × 10-6Torr was vacuum-deposited under resistance heating to form a 100 nm thick drain electrode [FIG. 3 (e)].
The vertical organic transistor thus obtained is shown in FIG.
And the IV characteristic between the source electrode / gate electrode of this vertical organic transistor was measured (FIG. 5), and it was confirmed that the Schottky contact was formed in the gate electrode interface. Moreover, the IV characteristic between the drain electrode / gate electrode of the vertical organic transistor was measured (FIG. 6), and it was confirmed that the Schottky contact was similarly formed in the gate electrode interface. In addition, from the IV characteristics between the source / drain measured with the gate electrode floating, ohmic contact is made at each interface between the source electrode and the first organic semiconductor layer and between the drain electrode and the second organic semiconductor layer. It was confirmed. The static characteristics of the vertical organic transistor were measured (FIG. 7), and the transistor operation was confirmed. Although not shown, the cut-off frequency was confirmed to be 30 to several tens KHz, although there is still room for improvement.
[0050]
(Example 2)
The first semiconductor layer is made of n-type organic semiconductor material Alq3
A vertical organic transistor was obtained in the same manner as in Example 1, except that the second semiconductor layer was formed using TCNQ, which is an n-type organic semiconductor material.
[0051]
(Example 3)
(I) Transparent 0.7mm
An ITO transparent electrode made of In oxide and Sn oxide was formed on the upper surface of a thick glass substrate (non-alkali glass 1737F manufactured by Corning) by sputtering to form 110 nm.
A thick source electrode was formed [FIG. 3 (a)].
(B) On the glass substrate with the source ITO electrode, α-NPD which is a p-type organic semiconductor material is 200 ° C., 5 × 10-6A first organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum deposition in Torr [FIG. 3 (b)].
(C) On the upper surface of the first organic semiconductor layer, using a Ni metal mask formed in a stripe / slit shape, Al is 1 × 10-6A gate electrode with a thickness of 100 nm was formed by vacuum deposition under Torr and resistance heating [FIG. 3 (c)].
(D) Alq which is an n-type organic semiconductor material on the upper surface of the gate electrode and the first organic semiconductor layerThree 220 ° C., 1.6 × 10-6A second organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum deposition in Torr [FIG. 3 (d)].
(E) Then, Au is added to the upper surface of the second organic semiconductor layer by 1 × 10-6Torr was vacuum-deposited under resistance heating to form a 100 nm thick drain electrode [FIG. 3 (e)].
The vertical organic transistor thus obtained is shown in FIG.
And the IV characteristic between the source electrode / gate electrode of this vertical organic transistor was measured (FIG. 9), and it was confirmed that the Schottky contact was formed in the gate electrode interface. The static characteristics of the vertical organic transistor were measured (FIG. 10), and the transistor operation was confirmed. Although not shown, the cut-off frequency was confirmed to be 30 to 50 KHz, although there is still room for improvement. And the energy ranking of each layer of the vertical organic transistor is shown in FIG.
[0052]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the source electrode, the first organic semiconductor layer, the comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, the second organic semiconductor layer, and the drain electrode are provided.VerticallyIn the vertical organic transistor, the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are formed so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer. The organic semiconductor layer is composed of different organic semiconductor materials and (b)The combination of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor layer is, respectively, (1) a combination of a copper phthalocyanine compound (CuPc) and a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD), and (2) aluminum. Triquinolinol complex (Alq Three ) And tetracyanoquinodimethane (TCNQ), and (3) a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD) and an aluminum triquinolinol complex (Alq Three ) In combination withTherefore, according to the configuration (a), the operating resistance can be lowered by reducing the channel length, which is the current path of the vertical organic transistor, corresponding to the film thickness. 2) Schottky contact formed in the vicinity of the gate electrode and a barrier due to the difference between the HOMO levels of the two types of organic semiconductor materials, or a barrier due to the difference between the LUMO levels, and effectively using the source -Leakage current between drains can be reduced, and 3) High-reproducibility and mass production can be achieved without using conventional methods such as “two-point evaporation”. SIT can be provided at low cost, and 4) the overall structure of the organic transistor can be reduced in size by the configuration (b), and the film formation using the organic semiconductor material can be achieved. Te deposition, it is possible to be able to adopt a simple means such as coating, for them, it is possible to further reduce the manufacturing cost of the vertical organic transistors. Further, according to the present invention described in
[0053]
According to the present invention described in
[0054]
According to this invention described in Claims 6-8, since both the 1st organic-semiconductor layer and the 2nd organic-semiconductor layer are comprised with the n-type organic-semiconductor material, 2 types of n-type organic-semiconductors Both the barrier at the interface of the organic semiconductor layer due to the material and the Schottky barrier near the gate electrode are related to the SIT operating mechanism by electrons, which makes the operating speed faster than SIT by hole transport, Therefore, higher frequency response and higher power can be achieved.
[0055]
Claim9-12According to the present invention described in (1), the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer, respectively,When composed of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material,Since both the PN barrier at the interface of these
[0056]
Claim13-16According to the present invention described in 1), the contact resistance can be reduced and the electrical characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the height of carrier potential energy between a source electrode (S) and a drain electrode (D) in a vertical organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention.
4 is a schematic cross-sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG.
5 is a graph obtained by measuring IV characteristics between a source electrode and a gate electrode of a vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG.
6 is a graph obtained by measuring IV characteristics between the drain electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG.
7 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG.
8 is a schematic cross-sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG.
9 is a graph obtained by measuring IV characteristics between a source electrode and a gate electrode of a vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG.
10 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG.
11 is an explanatory diagram showing the energy ranking of each layer of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating the operation mechanism of SIT.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Source electrode
3 First organic semiconductor layer
4 Gate electrode
5 Second organic semiconductor layer
6 Drain electrode
Claims (16)
（イ）前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層が、互いに異なった有機半導体材料で構成され、そして、
（ロ）前記第一の有機半導体材料と前記第二の有機半導体層との組み合わせが、それぞれ、（１）銅フタロシアニン化合物（ＣｕＰｃ：ｐ型半導体材料）と低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ：ｐ型半導体材料）との組み合わせ、（２）アルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ：ｎ型半導体材料）とテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ：ｎ型半導体材料）との組み合わせ、及び、（３）低分子量アリールアミン誘導体（α−ＮＰＤ：ｐ型半導体材料）とアルミニウムトリキノリノール錯体（Ａｌｑ 3 ：ｎ型半導体材料）との組み合わせ、から選ばれている
ことを特徴とする縦型有機トランジスタ。In a vertical organic transistor having a source electrode, a first organic semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, a second organic semiconductor layer, and a drain electrode sequentially in the vertical direction ,
(A) The first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are different from each other so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer. Composed of organic semiconductor material, and
(B) The combination of the first organic semiconductor material and the second organic semiconductor layer is, respectively, (1) a copper phthalocyanine compound (CuPc: p-type semiconductor material) and a low molecular weight arylamine derivative (α-NPD: (2) Aluminum triquinolinol complex (Alq 3) : N-type semiconductor material) and tetracyanoquinodimethane (TCNQ: n-type semiconductor material), and (3) low molecular weight arylamine derivative (α-NPD: p-type semiconductor material) and aluminum triquinolinol complex ( Alq 3 : An n-type semiconductor material), and a vertical organic transistor characterized by the above.
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