JP4283515B2 - 縦型有機トランジスタ - 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素子を用い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、▲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、注目されるようになってきた。このようなフルカラーディスプレイにおいて用いられる有機半導体は、商品としての実用化の時代を迎えようとしており、その実用化研究がますます盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いたフルカラーディスプレイは、▲１▼高輝度であって、▲２▼薄型であり、しかも、▲３▼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。
【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、低分子有機半導体膜及び高分子有機半導体膜の基礎的な特性が調べられたが、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。高移動度有機半導体材料としては、▲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、及び、▲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り、また、隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動も可能になる。低分子化合物又は短鎖オリゴマーの有機薄膜は、有機材料としては最も高い移動度を示すことが知られているが、このような高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基板等に付着される。この薄膜内の規則配列により、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、可溶性が大きく、スピン・コーティングやディッピング・コーティングやキャストなど低コストのプロセス技術で成膜が可能であるので、工業的にやや有利であるが、配列が不規則なので電荷移動度はより低いという問題があった。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見当たらず、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。
【０００４】
一般的に、有機半導体材料を用いたデバイスに対しては、材料によらずに、電流密度や動作速度を高める構造的な工夫とアプローチ方法が有効であが、例えば、前述の有機ＥＬ素子に、隣接して駆動用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を横にした構造の横型ＴＦＴを単純に導入しても、その電荷移動度が低く、動作速度及び電力の観点から、十分な特性を得ることが非常に難しいという問題があった。そこで、本発明者は、低い電荷移動度でも、大きな電流と比較的高い動作速度が得られるスイッチング素子として、縦型ＦＥＴ構造を採用することによって、トランジスタ特性を向上した縦型有機静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ：Static Induction Transistor ）を提案した（非特許文献１を参照。）。
【０００５】
縦型ＳＩＴは、通常の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）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であるので、（イ）トランジスタの電流経路であるチャネル長を有機膜厚以下にすることができ、そのために、リソグラフィ技術によらずチャネル長を短くすることができ、（ロ）表面に形成した電極全体を有効利用でき、そして、（ハ）チャネル界面のラフネスの影響を少なくできる。それ故、縦型ＳＩＴは、高抵抗、低移動度である有機半導体材料を半導体層の構成材料に用いたものであっても、大きな電流密度と高い動作速度の実現が期待できる。また、縦型ＳＩＴと有機ＥＬ素子と組み合わせた複合型有機発光素子は、プロセスが簡単である上に、ＦＥＴ部がディスプレイの占有面積を妨げずに有効に使われるので、有利である。
【０００６】
図１１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１０３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がお互いに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１０３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。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１０３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、大電流が流せること、▲３▼小駆動電力で電圧制御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。有機半導体を用いたＳＩＴとしては、CuPcをソース電極、ドレイン電極で挟み、ゲート電極にアルミニウムを有機材料のCuPc内部に薄く真空蒸着により形成したスリット状のアルミニウムを埋め込んだ縦型ＴＦＴが報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００７】
また、複合型有機発光トランジスタとしては、CuPc上に、正孔輸送材料としてα-NPD、発光材料としてAlq3を使用し、ゲート電極を前述のα-NPD層中に配置した素子の性能が報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００８】
これら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。
【０００９】
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、安定したＳＩＴ素子性能を得るのが難しく、しかも、大量生産に不向きであるという問題があった。
【００１０】
【非特許文献１】
Thin Solid Films 331(1998)51-54
【非特許文献２】
工藤ら、T.IEE Japan,Vol.118-A,No.10,(1998) P1166-1171
【非特許文献３】
池上ら、電子情報通信学会、OME2000-20、P47-51
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
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、電流密度及び動作速度を向上させると共に、安定性能を再現できる構造の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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したところ、従来のＳＩＴが有機半導体層中に形成したストライプ状のスリットゲート電極のショットキー障壁によるポテンシャルの上げ下げにより動作させていたのに対して、導電性を有する金属酸化物で構成される第一の半導体層と第二の半導体層との間に形成される接合障壁をも用いることにより、電流密度及び動作速度を向上させると共に、再現性良く大量に生産できる構造の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。
【００１３】
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、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、
前記第一の半導体層が、ｎ型半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）で構成され、そして、
前記第二の半導体層が、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Alq 3 ）、ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（DPVBi ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Alq ）及び、ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（PPV ）から選ばれる材料で構成されている
ことを特徴とする縦型有機トランジスタである。
【００１４】
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、基板、第一の電極及び第一の半導体層が可視光に対して透明であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、第一の半導体層と第一の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第三の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触、及び、第二の半導体層と第二の電極との接触の内どちらか一方が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項８に記載された発明は、請求項１〜７のいずれかに記載された発明において、前記第二の半導体層と第三の電極との間に電荷輸送層を有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項９に記載された発明は、請求項８に記載された発明において、前記電荷輸送層が、１）トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、２）ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、ポリアニリン（PANI）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１０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、前記第一の電極、第二の電極及び第三の電極が、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）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、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。
【００２８】
請求項１１に記載された発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載された発明において、前記第二の電極が、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。
【００２９】
請求項１２に記載された発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載された発明において、前記第三の電極及び前記第一の電極が、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。
【００３０】
【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１２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６は、実施例６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７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図８は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図９は、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図１０は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【００３１】
本発明は、基板１上に、少なくとも、第一の電極２、第一の半導体層３、櫛状又はメッシュ状の第二の電極４、第二の半導体層５、及び、第三の電極７を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層３を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層５を有機半導体材料で構成したことを特徴としている。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、それぞれ、ドレイン電極、ゲート電極、及び、ソース電極である。
【００３２】
本発明は、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７との間に第一の半導体層３と第二の半導体層５を有しているので、両電極の間隔が狭くなり、そのために、従来のＦＥＴにおけるピンチオフ点が第一の電極２側の近くに生じる。したがって、実効チャネル長は、零に近くなるので、チャネルが電流値を規制できない状態になり、そのために、第一の電極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、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７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（第二の電極）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、第二の電極に電圧（ゲート電圧）ＶG を加えていくと、山の部分が高くなり、また、第一の電極に対する電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。
【００３４】
第二の電極には、空乏層が広がるように（障壁が高くなるように）バイアスをかけるので、図１のａ−ａ線上はキャリアに対して、大きな障壁を作る。一方、ｂ−ｂ線上は、第二の電極４にバイアスが加わると、ポテンシャルエネルギーは、第二の電極４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、エネルギー障壁が低くなり、そのために、キャリアは、この第二の電極４の間を通って、第一の電極２の側に流れ落ちることになる。ドレイン電極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、第二の電極４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第二の電極４による電圧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障壁が高くなる。また、一方、酸化物半導体材料と有機半導体材料の界面のへテロ接合による障壁の高さも利用できる。
【００３５】
本発明は、このように、第一の半導体層（例えば、無機半導体材料で構成される半導体層）３と第二の半導体層（例えば、有機半導体材料で構成される半導体層）５とを複合させた構造を有する縦型有機トランジスタとしたので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層３と第二の半導体層４との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料の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、第三の電極７と第二の電極４、及び、第二の電極４と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極４の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【００３６】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３は、好ましくは、可視光に対して透明である。このように、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３が可視光に対して透明であると、本発明の縦型有機トランジスタは、有機ＥＬ表示素子となる。
【００３７】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第一の電極２との接触は、好ましくは、オーミック接触であり、第一の半導体層３と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第三の電極７との接触は、好ましくは、オーミック接触である。そして、本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第二の電極４との接触、及び、第二の半導体層５と第二の電極４との接触の内どちらか一方は、好ましくは、ショットキー接触である。
【００３８】
第一の電極２と第一の半導体層３と間のキャリア注入障壁、又は、第三の電極７と第二の半導体層５と間のキャリア注入障壁を下げれば、印加電圧を低下することにつながり、逆に、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、かつ、その差が小さい場合、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、かつ、その差が小さい場合、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、かつ、そ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）を満足する金属又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、駆動電圧を低くできる。
【００３９】
また、電極材料の仕事関数がφｍ＜φｓであって、かつ、その差が大きい場合、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、正孔からみれば、表面よりもφs−φmだけ低くなって障壁ができ、金属側の障壁は、φsb＝（χs＋（HOMO−LUMO 差））−χm 、即ち、拡散電位は、φs−φmとなる。
【００４０】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、導電性を有する金属酸化物である。このような導電性を有する金属酸化物は、例えば、▲１▼酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化銀、酸化インジウム、酸化タリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、クロム酸ランタン、酸化タングステン、酸化ユーロピウム、酸化アルミニウム、及び、クロム酸鉛から選択される、少なくとも１種の化学量論比からずれることによって、酸素空孔又は格子間金属を生じて高い導電率を示す金属酸化物、▲２▼酸化レニウム、酸化チタン、チタン酸ランタン、ニッケル酸ランタン、酸化銅ランタン、酸化ルテニウム銅、イリジウム酸ストロンチウム、クロム酸ストロンチウム、チタン酸リチウム、酸化イリジウム、酸化モリブデンから選択される、少なくとも１種の化学量論比のときに、最も導電率の高い金属酸化物、▲３▼酸化バナジウム、酸化クロム、鉄酸化カルシウム、鉄酸化ストロンチウム、コバルト酸ストロンチウム、バナジウム酸ストロンチウム、ルテニウム酸ストロンチウム、コバルト酸ランタン、及び、酸化ニッケルから選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物、或いは、▲４▼酸化タングステン、酸化モリブデン、及び、酸化レニウムのペロブスカイト構造のＡ位置の原子の無いところに、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は、希土類金属が入ったタングステンブロンズ（ＭxＷ０3）、ＭxＭ０3、及び、ＭxＲｅ０3から選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物ブロンズである。
【００４１】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、半導体的性質を有する金属酸化物である。このような半導体的性質を有する金属酸化物は、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択されるｎ型半導体、（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択されるｐ型半導体、或いは、（ｃ）請求項９に記載された▲１▼〜▲４▼、前記（ａ）〜（ｂ）に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成したｎ型半導体又はｐ型半導体で構成されている。
【００４２】
前記金属酸化物、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）は、アンドープ、又は、III 族元素であるＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジューム）、Ｂ(ボロン)等をそれぞれドープした場合には、ｎ型で半導体的な性質を示し、キャリア濃度を制御可能であることが知られている。また、ＺｎＯにＮ（窒素）をドープしたものはｐ型半導体的性質を示すことが最近になって、報告されている。ＺｎＯのエネルギーバンドギャップは、室温で３．３〜３．６ｅＶ程度であり、可視域で透明である。一方、有機材料でＰ型の半導体的な性質を示すAlq3は、HOMO準位が、５．７ｅＶ、LUMO準位は、３．０ｅＶである。したがって、これらの半導体材料に電極材料の仕事関数を考慮して積層した場合、界面に形成される正孔と電子に対する障壁は、酸化物材料については、Mott-Schottky モデルに従って、▲１▼界面で両者の真空準位が揃い、▲２▼両固体間でフェルミ準位が一致するように電荷のやり取りが生じ、界面近傍でバンドの曲がりが生じる。有機半導体材料については、HOMO準位差とLUMO準位差に対応する。したがって、Mott-Schottky モデルとHOMO準位差およびLUMO準位差に代表されるような準位の界面接続モデルで議論される現象を同一のデバイス構造内に導入して、ショットキーゲート障壁とオーミック接合を有効に活用すれば、新規な動作メカニズムを有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４３】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第二の有機半導体層５を構成する有機半導体材料は、例えば、▲１▼ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼銅フタロシアニン系化合物（CuPc）、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン誘導体（TPD ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、２，２′，７，７′−テトラキス（２，２−ジフェニルビニル）スピロ−９，９′−ビフルオレン（Spiro-DPVBi ）、４，４′，ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（DPVBi ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Alq ）、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Alq3）、トリス（４−メチル−８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム錯化合物（Almq3 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（PPV ）、ビフェニル基を有するポリマー（Biphenyl-Monomers ）、ジアルコキシ基を有するポリマー（Dialkoxy-Monomers ）、アルコキシ−フェニル−PPV 、フェニル−PPV 、フェニル−ジアルコキシ−PPV コポリマー、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（MEH-PPV ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、PANI：ポリアニリン（PANI）、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４４】
前記縦型有機トランジスタにおける第二の半導体層５は、好ましくは、有機発光材料で構成されるが、このような有機発光材料は、好ましくは、前記Spiro-TAD 、Spiro-NPB 、mMTDATA 、Spiro-DPVBi 、DPVBi 、Alq 、Alq3、Almq3 及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、PPV 、アルコキシ−モノマー、アルコキシ−フェニル−PPV 、フェニル−PPV 、フェニル−ジアルコキシ−PPV コポリマー、MEH-PPV 及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４５】
本発明の縦型有機トランジスタは、好ましくは、第二の半導体層５と第三の電極７との間に電荷輸送層６を有している。このような電荷輸送層６は、好ましくは、▲１▼トリフェニルアミン誘導体（TPD ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲２▼ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、ポリアニリン（PANI）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されている。
【００４６】
このように、本発明の縦型有機トランジスタの有機半導体層は、第二の半導体層５及び電荷輸送層６が前記したような有機半導体材料で構成されていると、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、製造コストも低減化することができる。
【００４７】
また、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。
【００４８】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、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）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、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。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７がこのような電極材料で構成されていると、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。
【００４９】
本発明の縦型有機トランジスタにおける基板は、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。
【００５０】
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。
【００５１】
［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▼基板１の上面に電極材料を成膜して第一の電極（ドレイン電極）２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記第一の電極２の上面に無機半導体材料を成膜して第一の半導体層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記第一の半導体層３の上面に電極材料を櫛状又はメッシュ状に成膜して第二の電極（ゲート電極）４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の半導体層３の上端及び前記第二の電極４の上面に有機半導体材料を成膜して第二の半導体層５を形成する工程（ｄ）、
▲５▼前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料を成膜して電荷輸送層６を形成する工程（ｅ）、及び、
▲６▼前記電荷輸送層６の上面に電極材料を成膜して第三の電極（ソース電極）７を形成する工程（ｆ）、
を順次経て製造される。
【００５２】
【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厚の第１の電極（ドレイン電極）を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０-3Torrの真空条件下においてスパッタリングして６０ｎｍ厚の第一の半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の半導体層の上面にレジスト（東京応化社製、ＯＦＲＲ800 ）でストライブ状のパターニングをした後、Ａｕを１×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、ストライプ／スリット状に形成した５０ｎｍ厚の第２の電極（ゲート電極）を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記第２の電極及び第一の半導体層の上面に有機半導体発光材料であるAlq3を２〜３×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、１００ｎｍ厚の第二の半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料であるα-NPDを１．６×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、８０ｎｍ厚の電荷輸送層を成膜した［図３（ｅ）］。
（ヘ）前記電荷輸送層の上面にＡｕを1×10-6 Torr、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚の第三の電極（ソース電極）を成膜した［図３（ｆ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図４に示される構造を有している。なお、図４において、矢印は、エンルギー線の放射する方向を示している（以下、図５，６においても同様のものを示している）。
【００５３】
（実施例２）
前記（イ）工程において、前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０-3Torrの真空条件下でスパッタリングして６０ｎｍ厚の膜厚に成膜することにより第１の電極（ドレイン電極）及び第一の半導体層を共有する層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図６に示される構造を有している。
【００５４】
（実施例３）
前記（ハ）工程において、Ｐｔを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５５】
（実施例４）
前記（ハ）工程において、Ｐｄを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５６】
（実施例５）
前記（ニ）工程において、Spiro-NPB を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５７】
（実施例６）
前記（ニ）工程において、DPVBi を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５８】
（実施例７）
前記（ニ）工程において、Alq を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５９】
（実施例８）
前記（ニ）工程において、Alq3を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６０】
（実施例９）
前記（ニ）工程において、PPV 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６１】
（実施例１０）
前記（ニ）工程において、アルコキシフェニルPPV 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６２】
（実施例１１）
前記（ホ）工程において、Spiro-TADを成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６３】
（実施例１２）
前記（ホ）工程において、α−NPD 層（８０ｎｍ）を成膜し、続いて、CuPc層（３０ｎｍ）を成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図５に示される構造を有している。
【００６４】
（実施例１３）
前記（ホ）工程において、PEDOT 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６５】
（実施例１４）
前記（ホ）工程において、PPS 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６６】
前記、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図７に示される測定結果が得られた。そして、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／Ａｌｑ3 層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層の構造で測定したところ、図８に示される測定結果が得られた。また、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性をＩＴＯ層／ＺｎＯ層／Ａｌの構造で測定したところ、図９に示される測定結果が得られた。また、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／α−ＮＰＤ層／Ａｌｑ3 層／Ａｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図１０に示される測定結果が得られた。
【００６７】
以上、図７〜９に示されるグラフからみると、図７，８に示されるグラフは、それらのカーブが、いずれも、図１０のグラフよりも１．０Ｖあたりから急激に立ち上がっているので、前記縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極（ゲート電極）との間にショットキー接合が確認できた。このように、前記縦型有機トランジスタは、第二の電極によるショットキー接合の空乏層により、ゲート間のポテンシャルを変化させ、それにより第一の電極側から第三の電極側へのキャリアの注入量を制御可能であることが明らかになった。また、前記有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間にショットキーダイオード接合が確認できた。その際、図７では、立ち上がり電圧は、１．０Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．５Ｖ程度であった。さらに、図８では、立ち上がり電圧は、１．２Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．０Ｖ程度であった。そして、図１０より、前記縦型有機トランジスタのダイオード特性を確認した。その際、図１０では、立ち上がり電圧は、４０Ｖ程度であった。
したがって、本発明の縦型有機トランジスタによれば、第１の半導体層と第２の半導体層のｐｎ接合による障壁と、第２の半導体層近傍のショットキー障壁とを利用しているので、▲１▼リーク電流の低減によってオン電流とフ電流との比が向上し、しかも、▲２▼第２電極（ゲート電極）からのキャリアの注入が低減され、それらのために、応答速度が向上することがわかった。
【００６８】
実施例２〜１４で得られた縦型有機トランジスタについても、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタと同様にＩ−Ｖ特性を測定したところ、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタとほぼ同様の測定結果が得られた。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層と第二の半導体層との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料の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、第二の電極と第一の電極、及び、第二の電極と第三の電極の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【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１２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６】実施例６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７】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図８】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図９】第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１０】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１１】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 第一の電極（ドレイン電極）
３ 第一の半導体層
４ 第二の電極（ゲート電極）
５ 第二の半導体層
６ 電荷輸送層
７ 第三の電極（ソース電極）
【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素子を用い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、▲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、注目されるようになってきた。このようなフルカラーディスプレイにおいて用いられる有機半導体は、商品としての実用化の時代を迎えようとしており、その実用化研究がますます盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いたフルカラーディスプレイは、▲１▼高輝度であって、▲２▼薄型であり、しかも、▲３▼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。
【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、低分子有機半導体膜及び高分子有機半導体膜の基礎的な特性が調べられたが、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。高移動度有機半導体材料としては、▲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、及び、▲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り、また、隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動も可能になる。低分子化合物又は短鎖オリゴマーの有機薄膜は、有機材料としては最も高い移動度を示すことが知られているが、このような高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基板等に付着される。この薄膜内の規則配列により、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、可溶性が大きく、スピン・コーティングやディッピング・コーティングやキャストなど低コストのプロセス技術で成膜が可能であるので、工業的にやや有利であるが、配列が不規則なので電荷移動度はより低いという問題があった。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見当たらず、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。
【０００４】
一般的に、有機半導体材料を用いたデバイスに対しては、材料によらずに、電流密度や動作速度を高める構造的な工夫とアプローチ方法が有効であが、例えば、前述の有機ＥＬ素子に、隣接して駆動用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を横にした構造の横型ＴＦＴを単純に導入しても、その電荷移動度が低く、動作速度及び電力の観点から、十分な特性を得ることが非常に難しいという問題があった。そこで、本発明者は、低い電荷移動度でも、大きな電流と比較的高い動作速度が得られるスイッチング素子として、縦型ＦＥＴ構造を採用することによって、トランジスタ特性を向上した縦型有機静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ：Static Induction Transistor ）を提案した（非特許文献１を参照。）。
【０００５】
縦型ＳＩＴは、通常の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）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であるので、（イ）トランジスタの電流経路であるチャネル長を有機膜厚以下にすることができ、そのために、リソグラフィ技術によらずチャネル長を短くすることができ、（ロ）表面に形成した電極全体を有効利用でき、そして、（ハ）チャネル界面のラフネスの影響を少なくできる。それ故、縦型ＳＩＴは、高抵抗、低移動度である有機半導体材料を半導体層の構成材料に用いたものであっても、大きな電流密度と高い動作速度の実現が期待できる。また、縦型ＳＩＴと有機ＥＬ素子と組み合わせた複合型有機発光素子は、プロセスが簡単である上に、ＦＥＴ部がディスプレイの占有面積を妨げずに有効に使われるので、有利である。
【０００６】
図１１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１０３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がお互いに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１０３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。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１０３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、大電流が流せること、▲３▼小駆動電力で電圧制御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。有機半導体を用いたＳＩＴとしては、CuPcをソース電極、ドレイン電極で挟み、ゲート電極にアルミニウムを有機材料のCuPc内部に薄く真空蒸着により形成したスリット状のアルミニウムを埋め込んだ縦型ＴＦＴが報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００７】
また、複合型有機発光トランジスタとしては、CuPc上に、正孔輸送材料としてα-NPD、発光材料としてAlq3を使用し、ゲート電極を前述のα-NPD層中に配置した素子の性能が報告されている（非特許文献２を参照。）。
【０００８】
これら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。
【０００９】
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、安定したＳＩＴ素子性能を得るのが難しく、しかも、大量生産に不向きであるという問題があった。
【００１０】
【非特許文献１】
Thin Solid Films 331(1998)51-54
【非特許文献２】
工藤ら、T.IEE Japan,Vol.118-A,No.10,(1998) P1166-1171
【非特許文献３】
池上ら、電子情報通信学会、OME2000-20、P47-51
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
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、電流密度及び動作速度を向上させると共に、安定性能を再現できる構造の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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したところ、従来のＳＩＴが有機半導体層中に形成したストライプ状のスリットゲート電極のショットキー障壁によるポテンシャルの上げ下げにより動作させていたのに対して、導電性を有する金属酸化物で構成される第一の半導体層と第二の半導体層との間に形成される接合障壁をも用いることにより、電流密度及び動作速度を向上させると共に、再現性良く大量に生産できる構造の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。
【００１３】
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、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、
前記第一の半導体層が、ｎ型半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）で構成され、そして、
前記第二の半導体層が、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Alq 3 ）、ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（DPVBi ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Alq ）及び、ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（PPV ）から選ばれる材料で構成されている
ことを特徴とする縦型有機トランジスタである。
【００１４】
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、基板、第一の電極及び第一の半導体層が可視光に対して透明であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、第一の半導体層と第一の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載された発明において、第二の半導体層と第三の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のいずれかに記載された発明において、第一の半導体層と第二の電極との接触、及び、第二の半導体層と第二の電極との接触の内どちらか一方が、ショットキー接触であることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項８に記載された発明は、請求項１〜７のいずれかに記載された発明において、前記第二の半導体層と第三の電極との間に電荷輸送層を有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項９に記載された発明は、請求項８に記載された発明において、前記電荷輸送層が、１）トリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、２）ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、ポリアニリン（PANI）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１０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、前記第一の電極、第二の電極及び第三の電極が、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）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、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。
【００２８】
請求項１１に記載された発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載された発明において、前記第二の電極が、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。
【００２９】
請求項１２に記載された発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載された発明において、前記第三の電極及び前記第一の電極が、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。
【００３０】
【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１２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６は、実施例６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７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図８は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図９は、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図１０は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【００３１】
本発明は、基板１上に、少なくとも、第一の電極２、第一の半導体層３、櫛状又はメッシュ状の第二の電極４、第二の半導体層５、及び、第三の電極７を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層３を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層５を有機半導体材料で構成したことを特徴としている。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、それぞれ、ドレイン電極、ゲート電極、及び、ソース電極である。
【００３２】
本発明は、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７との間に第一の半導体層３と第二の半導体層５を有しているので、両電極の間隔が狭くなり、そのために、従来のＦＥＴにおけるピンチオフ点が第一の電極２側の近くに生じる。したがって、実効チャネル長は、零に近くなるので、チャネルが電流値を規制できない状態になり、そのために、第一の電極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、第一の電極（ドレイン電極）２と第三の電極（ソース電極）７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（第二の電極）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、第二の電極に電圧（ゲート電圧）ＶG を加えていくと、山の部分が高くなり、また、第一の電極に対する電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。
【００３４】
第二の電極には、空乏層が広がるように（障壁が高くなるように）バイアスをかけるので、図１のａ−ａ線上はキャリアに対して、大きな障壁を作る。一方、ｂ−ｂ線上は、第二の電極４にバイアスが加わると、ポテンシャルエネルギーは、第二の電極４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、エネルギー障壁が低くなり、そのために、キャリアは、この第二の電極４の間を通って、第一の電極２の側に流れ落ちることになる。ドレイン電極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、第二の電極４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第二の電極４による電圧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障壁が高くなる。また、一方、酸化物半導体材料と有機半導体材料の界面のへテロ接合による障壁の高さも利用できる。
【００３５】
本発明は、このように、第一の半導体層（例えば、無機半導体材料で構成される半導体層）３と第二の半導体層（例えば、有機半導体材料で構成される半導体層）５とを複合させた構造を有する縦型有機トランジスタとしたので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層３と第二の半導体層４との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料の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、第三の電極７と第二の電極４、及び、第二の電極４と第一の電極２の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極４の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【００３６】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３は、好ましくは、可視光に対して透明である。このように、基板１、第一の電極２及び第一の半導体層３が可視光に対して透明であると、本発明の縦型有機トランジスタは、有機ＥＬ表示素子となる。
【００３７】
本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第一の電極２との接触は、好ましくは、オーミック接触であり、第一の半導体層３と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第二の電極４との接触は、好ましくは、ショットキー接触であり、第二の半導体層５と第三の電極７との接触は、好ましくは、オーミック接触である。そして、本発明の縦型有機トランジスタにおいては、第一の半導体層３と第二の電極４との接触、及び、第二の半導体層５と第二の電極４との接触の内どちらか一方は、好ましくは、ショットキー接触である。
【００３８】
第一の電極２と第一の半導体層３と間のキャリア注入障壁、又は、第三の電極７と第二の半導体層５と間のキャリア注入障壁を下げれば、印加電圧を低下することにつながり、逆に、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、かつ、その差が小さい場合、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、かつ、その差が小さい場合、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、かつ、そ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）を満足する金属又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、駆動電圧を低くできる。
【００３９】
また、電極材料の仕事関数がφｍ＜φｓであって、かつ、その差が大きい場合、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、正孔からみれば、表面よりもφs−φmだけ低くなって障壁ができ、金属側の障壁は、φsb＝（χs＋（HOMO−LUMO 差））−χm 、即ち、拡散電位は、φs−φmとなる。
【００４０】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、導電性を有する金属酸化物である。このような導電性を有する金属酸化物は、例えば、▲１▼酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化銅、酸化銀、酸化インジウム、酸化タリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、クロム酸ランタン、酸化タングステン、酸化ユーロピウム、酸化アルミニウム、及び、クロム酸鉛から選択される、少なくとも１種の化学量論比からずれることによって、酸素空孔又は格子間金属を生じて高い導電率を示す金属酸化物、▲２▼酸化レニウム、酸化チタン、チタン酸ランタン、ニッケル酸ランタン、酸化銅ランタン、酸化ルテニウム銅、イリジウム酸ストロンチウム、クロム酸ストロンチウム、チタン酸リチウム、酸化イリジウム、酸化モリブデンから選択される、少なくとも１種の化学量論比のときに、最も導電率の高い金属酸化物、▲３▼酸化バナジウム、酸化クロム、鉄酸化カルシウム、鉄酸化ストロンチウム、コバルト酸ストロンチウム、バナジウム酸ストロンチウム、ルテニウム酸ストロンチウム、コバルト酸ランタン、及び、酸化ニッケルから選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物、或いは、▲４▼酸化タングステン、酸化モリブデン、及び、酸化レニウムのペロブスカイト構造のＡ位置の原子の無いところに、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は、希土類金属が入ったタングステンブロンズ（ＭxＷ０3）、ＭxＭ０3、及び、ＭxＲｅ０3から選択される少なくとも１種の導電性の金属酸化物ブロンズである。
【００４１】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の半導体層３を構成する無機半導体材料は、好ましくは、半導体的性質を有する金属酸化物である。このような半導体的性質を有する金属酸化物は、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択されるｎ型半導体、（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択されるｐ型半導体、或いは、（ｃ）請求項９に記載された▲１▼〜▲４▼、前記（ａ）〜（ｂ）に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成したｎ型半導体又はｐ型半導体で構成されている。
【００４２】
前記金属酸化物、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）は、アンドープ、又は、III 族元素であるＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジューム）、Ｂ(ボロン)等をそれぞれドープした場合には、ｎ型で半導体的な性質を示し、キャリア濃度を制御可能であることが知られている。また、ＺｎＯにＮ（窒素）をドープしたものはｐ型半導体的性質を示すことが最近になって、報告されている。ＺｎＯのエネルギーバンドギャップは、室温で３．３〜３．６ｅＶ程度であり、可視域で透明である。一方、有機材料でＰ型の半導体的な性質を示すAlq3は、HOMO準位が、５．７ｅＶ、LUMO準位は、３．０ｅＶである。したがって、これらの半導体材料に電極材料の仕事関数を考慮して積層した場合、界面に形成される正孔と電子に対する障壁は、酸化物材料については、Mott-Schottky モデルに従って、▲１▼界面で両者の真空準位が揃い、▲２▼両固体間でフェルミ準位が一致するように電荷のやり取りが生じ、界面近傍でバンドの曲がりが生じる。有機半導体材料については、HOMO準位差とLUMO準位差に対応する。したがって、Mott-Schottky モデルとHOMO準位差およびLUMO準位差に代表されるような準位の界面接続モデルで議論される現象を同一のデバイス構造内に導入して、ショットキーゲート障壁とオーミック接合を有効に活用すれば、新規な動作メカニズムを有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４３】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第二の有機半導体層５を構成する有機半導体材料は、例えば、▲１▼ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼銅フタロシアニン系化合物（CuPc）、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン誘導体（TPD ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、２，２′，７，７′−テトラキス（２，２−ジフェニルビニル）スピロ−９，９′−ビフルオレン（Spiro-DPVBi ）、４，４′，ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（DPVBi ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Alq ）、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Alq3）、トリス（４−メチル−８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム錯化合物（Almq3 ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（PPV ）、ビフェニル基を有するポリマー（Biphenyl-Monomers ）、ジアルコキシ基を有するポリマー（Dialkoxy-Monomers ）、アルコキシ−フェニル−PPV 、フェニル−PPV 、フェニル−ジアルコキシ−PPV コポリマー、ポリ（２−メトキシ−５−（２′−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（MEH-PPV ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、PANI：ポリアニリン（PANI）、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４４】
前記縦型有機トランジスタにおける第二の半導体層５は、好ましくは、有機発光材料で構成されるが、このような有機発光材料は、好ましくは、前記Spiro-TAD 、Spiro-NPB 、mMTDATA 、Spiro-DPVBi 、DPVBi 、Alq 、Alq3、Almq3 及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、PPV 、アルコキシ−モノマー、アルコキシ−フェニル−PPV 、フェニル−PPV 、フェニル−ジアルコキシ−PPV コポリマー、MEH-PPV 及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物である。
【００４５】
本発明の縦型有機トランジスタは、好ましくは、第二の半導体層５と第三の電極７との間に電荷輸送層６を有している。このような電荷輸送層６は、好ましくは、▲１▼トリフェニルアミン誘導体（TPD ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲２▼ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、ポリアニリン（PANI）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されている。
【００４６】
このように、本発明の縦型有機トランジスタの有機半導体層は、第二の半導体層５及び電荷輸送層６が前記したような有機半導体材料で構成されていると、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、製造コストも低減化することができる。
【００４７】
また、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。
【００４８】
本発明の縦型有機トランジスタにおける第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７は、例えば、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）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、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。第一の電極２、第二の電極４及び第三の電極７がこのような電極材料で構成されていると、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。
【００４９】
本発明の縦型有機トランジスタにおける基板は、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。
【００５０】
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。
【００５１】
［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▼基板１の上面に電極材料を成膜して第一の電極（ドレイン電極）２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記第一の電極２の上面に無機半導体材料を成膜して第一の半導体層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記第一の半導体層３の上面に電極材料を櫛状又はメッシュ状に成膜して第二の電極（ゲート電極）４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の半導体層３の上端及び前記第二の電極４の上面に有機半導体材料を成膜して第二の半導体層５を形成する工程（ｄ）、
▲５▼前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料を成膜して電荷輸送層６を形成する工程（ｅ）、及び、
▲６▼前記電荷輸送層６の上面に電極材料を成膜して第三の電極（ソース電極）７を形成する工程（ｆ）、
を順次経て製造される。
【００５２】
【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厚の第１の電極（ドレイン電極）を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０-3Torrの真空条件下においてスパッタリングして６０ｎｍ厚の第一の半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の半導体層の上面にレジスト（東京応化社製、ＯＦＲＲ800 ）でストライブ状のパターニングをした後、Ａｕを１×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、ストライプ／スリット状に形成した５０ｎｍ厚の第２の電極（ゲート電極）を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記第２の電極及び第一の半導体層の上面に有機半導体発光材料であるAlq3を２〜３×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、１００ｎｍ厚の第二の半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）前記第二の半導体層の上面に電荷輸送材料であるα-NPDを１．６×１０-6Torrの真空、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、８０ｎｍ厚の電荷輸送層を成膜した［図３（ｅ）］。
（ヘ）前記電荷輸送層の上面にＡｕを1×10-6 Torr、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚の第三の電極（ソース電極）を成膜した［図３（ｆ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図４に示される構造を有している。なお、図４において、矢印は、エンルギー線の放射する方向を示している（以下、図５，６においても同様のものを示している）。
【００５３】
（実施例２）
前記（イ）工程において、前記第一の電極の上面にｎ型半導体材料であるＺｎＯを室温、１〜３×１０-3Torrの真空条件下でスパッタリングして６０ｎｍ厚の膜厚に成膜することにより第１の電極（ドレイン電極）及び第一の半導体層を共有する層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図６に示される構造を有している。
【００５４】
（実施例３）
前記（ハ）工程において、Ｐｔを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５５】
（実施例４）
前記（ハ）工程において、Ｐｄを成膜して第２の電極（ゲート電極）を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５６】
（実施例５）
前記（ニ）工程において、Spiro-NPB を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５７】
（実施例６）
前記（ニ）工程において、DPVBi を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５８】
（実施例７）
前記（ニ）工程において、Alq を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００５９】
（実施例８）
前記（ニ）工程において、Alq3を成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６０】
（実施例９）
前記（ニ）工程において、PPV 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６１】
（実施例１０）
前記（ニ）工程において、アルコキシフェニルPPV 溶液を塗布により成膜して第２半導体層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６２】
（実施例１１）
前記（ホ）工程において、Spiro-TADを成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６３】
（実施例１２）
前記（ホ）工程において、α−NPD 層（８０ｎｍ）を成膜し、続いて、CuPc層（３０ｎｍ）を成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図５に示される構造を有している。
【００６４】
（実施例１３）
前記（ホ）工程において、PEDOT 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６５】
（実施例１４）
前記（ホ）工程において、PPS 溶液を塗布により成膜して電荷輸送層を形成した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタを形成した。
【００６６】
前記、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図７に示される測定結果が得られた。そして、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／Ａｌｑ3 層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層の構造で測定したところ、図８に示される測定結果が得られた。また、第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性をＩＴＯ層／ＺｎＯ層／Ａｌの構造で測定したところ、図９に示される測定結果が得られた。また、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性をＡｕ層／α−ＮＰＤ層／Ａｌｑ3 層／Ａｕ層／ＺｎＯ層／ＩＴＯ層／ガラス基板の構造で測定したところ、図１０に示される測定結果が得られた。
【００６７】
以上、図７〜９に示されるグラフからみると、図７，８に示されるグラフは、それらのカーブが、いずれも、図１０のグラフよりも１．０Ｖあたりから急激に立ち上がっているので、前記縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極（ゲート電極）との間にショットキー接合が確認できた。このように、前記縦型有機トランジスタは、第二の電極によるショットキー接合の空乏層により、ゲート間のポテンシャルを変化させ、それにより第一の電極側から第三の電極側へのキャリアの注入量を制御可能であることが明らかになった。また、前記有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間にショットキーダイオード接合が確認できた。その際、図７では、立ち上がり電圧は、１．０Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．５Ｖ程度であった。さらに、図８では、立ち上がり電圧は、１．２Ｖ程度であり、ブレークダウン電圧は、−３．０Ｖ程度であった。そして、図１０より、前記縦型有機トランジスタのダイオード特性を確認した。その際、図１０では、立ち上がり電圧は、４０Ｖ程度であった。
したがって、本発明の縦型有機トランジスタによれば、第１の半導体層と第２の半導体層のｐｎ接合による障壁と、第２の半導体層近傍のショットキー障壁とを利用しているので、▲１▼リーク電流の低減によってオン電流とフ電流との比が向上し、しかも、▲２▼第２電極（ゲート電極）からのキャリアの注入が低減され、それらのために、応答速度が向上することがわかった。
【００６８】
実施例２〜１４で得られた縦型有機トランジスタについても、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタと同様にＩ−Ｖ特性を測定したところ、前記実施例１で得られた縦型有機トランジスタとほぼ同様の測定結果が得られた。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の半導体層を無機半導体材料で構成し、そして、前記第二の半導体層を有機半導体材料で構成したので、▲１▼トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚（第一の半導体層と第二の半導体層との和）に対応して薄くすることにより、動作抵抗を低くして動作速度を向上させることができると共に、電流密度の向上ができ、しかも、無機半導体材料を用いたことによりさらに動作速度を向上させることができ、▲２▼第二の電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の半導体材料の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、第二の電極と第一の電極、及び、第二の電極と第三の電極の間のリーク電流を低減可能すると共に、オン／オフ比を向上させることにより、応答速度を向上させることができ、▲３▼櫛状又はメッシュ状の第二の電極の形成に、従来の２点蒸着法を使うことなく、フォトリソ工程、リフトオフ工程、及び、メタルエッチング工程が利用でき、そのために、スリット巾を１μｍ以下に高精細に加工でき、よって、大量生産に適した再現性の良い素子性能を有する縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲４▼歩留まりが良く、そのために、製造コストを低減化することができる。
【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１２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６】実施例６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７】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第二の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図８】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第二の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図９】第一の電極と第一の半導体層と第二の電極の間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１０】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの第一の電極と第三の電極との間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１１】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 第一の電極（ドレイン電極）
３ 第一の半導体層
４ 第二の電極（ゲート電極）
５ 第二の半導体層
６ 電荷輸送層
７ 第三の電極（ソース電極）
Claims (12)
- 基板上に、少なくとも、第一の電極、第一の半導体層、櫛状又はメッシュ状の第二の電極、第二の半導体層、及び、第三の電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、
前記第一の半導体層が、ｎ型半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）で構成され、そして、
前記第二の半導体層が、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Alq 3 ）、ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（DPVBi ）、アルミニウム−トリソキシキノリン（Alq ）及び、ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（PPV ）から選ばれる材料で構成されている
ことを特徴とする縦型有機トランジスタ。 - 基板、第一の電極及び第一の半導体層が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１に記載の縦型有機トランジスタ。
- 第一の半導体層と第一の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦型有機トランジスタ。
- 第一の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 第二の半導体層と第二の電極との接触が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 第二の半導体層と第三の電極との接触が、オーミック接触であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 第一の半導体層と第二の電極との接触、及び、第二の半導体層と第二の電極との接触の内どちらか一方が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第二の半導体層と第三の電極との間に電荷輸送層を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記電荷輸送層が、1)トリフェニルアミン誘導体（TPD ）、トリアリールアミン化合物、低分子量アリールアミン誘導体（α-NPD）、２，２′，７，７′−ジフェニルアミノ−スピロ−９，９′ビフルオレン（Spiro-TAD ）、Ｎ，Ｎ−７−ジ−１−ナフチル−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル−４，４′−ジアミノ−ビフェニル（Spiro-NPB ）、４，４′，４″−トリス［３−メチルフェニル−（フェニル）−アミノ］−トリフェニル−アミン（mMTDATA ）、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、2)ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT ）、ポリスチレンスルフォン酸（PSS ）、ポリアニリン（PANI）、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第一の電極、第二の電極及び第三の電極が、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）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ＩＴＯ等の導電性の酸化物、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請求項１〜９のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第二の電極が、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
- 前記第三の電極及び前記第一の電極が、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。
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