JP4331921B2

JP4331921B2 - Organic semiconductor device

Info

Publication number: JP4331921B2
Application number: JP2002205635A
Authority: JP
Inventors: 淳志吉澤
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2004047882A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機半導体層に電圧を加えると有機半導体層に電荷密度が増加するので、有機半導体層上に１対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。例えば、縦型構造のＳＩＴ（静電誘導形トランジスタ）構造の有機トランジスタなどの有機半導体素子においては、有機半導体層を挟むソース電極及びドレイン電極の間のゲート電極で有機半導体層の厚さ方向に電圧を印加し、有機半導体層の厚さ方向の電流をスイッチングできる。
【０００３】
ＳＩＴは、図１に示すように、有機半導体層１３を１対のソース電極１１及びドレイン電極１５で挟み、有機半導体層の厚さ方向の途中にゲート電極１４を形成した３端子構造を有する。そのゲート電極に電圧を印加し、有機半導体層にできる空乏層ＤｐＬによってソース電極及びドレイン電極間の電流を制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＩＴ構造の有機トランジスタでは、例えば、正電荷を印加したゲート電極１４の複数の短冊形枝部の周りに生じる有機半導体層の複数の空乏層ＤｐＬによって、ソース電極及びドレイン電極間の膜厚方向のキャリア移動を阻止する。
しかしながら、空乏層ＤｐＬ各々の拡がりが不十分であると、図２に示すゲート電極１４の短冊形枝部の間隔Ｗを空乏層ＤｐＬで埋めることができず、漏れ電流が増加する。すなわち、キャリア移動を阻止し漏れ電流減少のためにゲート電極の短冊形枝部の間隔を狭めるには、微細構造のマスクを用いたゲート電極の形成が必要となる。
【０００５】
一般に、ＳＩＴ構造の有機トランジスタにおける有機半導体層の膜厚は数百ｎｍであり、ソース電極及びドレイン電極の間に形成されるべきゲート電極も５０〜１００ｎｍといった厚さとなる。そうすると有機半導体層、ゲート電極、有機半導体層と順次成膜した際、有機トランジスタは、ゲート電極の複数の短冊形枝部が、そのまま、その後工程で積層される有機半導体層やドレイン電極に転写され、表面に凹凸が残ってしまい、漏れ電流の増加に影響する。
【０００６】
本発明の解決しようとする課題には、電極間の漏れ電流の発生を抑制した有機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体素子は、ソース電極及びドレイン電極間に挟持されたｐ型有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記ｐ型有機半導体層の中間に介在されたｎ型有機半導体層と、前記ｎ型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の有機半導体素子は、ソース電極及びドレイン電極間に挟持されたｎ型有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記ｎ型有機半導体層の中間に介在されたｐ型有機半導体層と、前記ｐ型有機半導体層に包埋されたゲート電極と、を備えたことを特徴とする有機半導体素子。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による有機半導体素子の実施形態例として有機トランジスタを図面を参照しつつ説明する。
図３は、実施形態のＳＩＴ構造の有機トランジスタの断面を示す。有機トランジスタにおいて、基板１０上のソース電極上に、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１、第１ｎ型有機半導体層１３ｎ１、ゲート電極１４、第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２、第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２及びドレイン電極１５が順に積層されている。これら有機半導体層はキャリア移動性を有しており、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１及び第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２はｐ型有機半導体材料（正孔輸送性）からなり、第１ｎ型有機半導体層１３ｎ１及び第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２はｎ型材料（電子輸送性）からなる。かかる素子はｐｎｐの接合を備え、それぞれがソース電極１１、ゲート電極１４及びドレイン電極１５に接続されている。よって、実施形態の有機トランジスタは、全体として、ソース電極１１及びドレイン電極１５間に挟持されたｐ型有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、このｐ型有機半導体層（第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１及び第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２）の間に介在されたｎ型有機半導体層（第１ｎ型有機半導体層１３ｎ１及び第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２）によって、キャリアの移動が制御される。かかるｎ型有機半導体層へ制御用の電圧を一様に印加するため、ゲート電極１４がｎ型有機半導体層に包埋されている。
【００１０】
図４に示すように、ゲート電極１４はソース電極１１及びドレイン電極１５のどちら側から見ても、これら電極を覆うように、形成されている。
この実施形態の有機トランジスタは、例えば、次のように製造される。
まず、図５に示すように、基板１０上にソース電極１１を形成する。例えばスパッタ法によりインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）又はクロム（Ｃｒ）からなるソース電極１１を膜厚５０ｎｍで成膜する。なお、ソース電極に限らず各電極形成には蒸着、スパッタ、ＣＶＤなどの方法を用いることができる。
【００１１】
次に、図６に示すように、ソース電極１１上に、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１として、４，４’ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］−ビフェニル（いわゆる、α−ＮＰＤ）を膜厚２５ｎｍで抵抗加熱蒸着により成膜する。
次に、図７に示すように、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１上に、第１ｎ型有機半導体層１３ｎ１として、銅フタロシアニン（いわゆる、ＣｕＰｃ）などのポルフィリン化合物又はトリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム錯体（いわゆる、Ａｌｑ３）などのキノリン誘導体を膜厚２５ｎｍで抵抗加熱蒸着により成膜する。
【００１２】
次に、図８に示すように、Ａｌをゲート電極１４として膜厚５０ｎｍで抵抗加熱蒸着法により平板状に形成する。なお、ゲート電極１４全体を例えばＬｉＯ₂などの電子注入層の数ｎｍ膜厚で被覆するようにも構成できる。
次に、図９に示すように、ゲート電極１４上に、第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２として、第１ｎ型有機半導体層と同じＣｕＰｃ又はＡｌｑ３を膜厚２５ｎｍで抵抗加熱蒸着により成膜する。
【００１３】
次に、図１０に示すように、第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２上に、第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２として第１ｐ型有機半導体層と同じα−ＮＰＤを膜厚２５ｎｍで成膜する。
最後に、図１１に示すように、第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２上に、ドレイン電極１５としてＡｌを膜厚２００ｎｍで抵抗加熱蒸着法で成膜して有機トランジスタが作製できる。
【００１４】
得られた有機トランジスタの動作は、図１２に示すように、例えばドレイン電極１５接地して、ソース電極１１の電位を＋１０Vとした状態で、ゲート電極１４の電位を＋２０Vとすると障壁が高くなりオフ状態となる。一方、図１３に示すように、同じくドレイン電極１５接地でソース電極１１の電位を＋１０Vとした状態で、ゲート電極１４を開放すると有機半導体層同士の接合だけとなるのでオン状態となり、電流が流れる。
【００１５】
なお、上記実施形態では、ｐｎｐ接合の例を示したが、ｎｐｎ接合でも構成できる。この場合の素子は、図１４に示すように、基板１０上のソース電極上に、第１ｎ型有機半導体層１３ｎ１、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１、ゲート電極１４、第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２、第２ｎ型有機半導体層１３ｎ２及びドレイン電極１５が順に積層される。よって、有機トランジスタは、ソース電極１１及びドレイン電極１５間に挟持された第１及び第２ｎ型有機半導体層１３ｎ１及び１３ｎ２のｎ型有機半導体層に挟持された第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１及び第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２のｐ型有機半導体層を備え、かつ、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１及び第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２に包埋されたゲート電極１４を有するように、構成することもできる。
【００１６】
また、上記実施形態では、ゲート電極１４は平板状に成膜しているが、この他に、図１５に示すように、ゲート電極１４は複数の短冊形枝部とした櫛状又は簾状で形成され得る。この場合、ゲート電極は接触する有機半導体層にほぼ一様に電圧を印加できる形状であればよい。
さらに、図１６に示すように、上記ＳＩＴ構造の有機トランジスタの構造において、第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１及び第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２を正孔輸送層としてソース電極１１及び第１ｐ型有機半導体層１３ｐ１間に電子輸送性の有機発光層１６を設けることによって、有機トランジスタ一体型有機エレクトロルミネッセンス素子を構成できる。これにより、電流の注入によって発光するエレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬともいう）を呈する有機化合物材料の少なくとも１つの薄膜からなる有機発光層を含む有機材料層を各々がアクティブ素子を備えた複数の有機ＥＬ素子を、マトリクスなどの所定パターンにて表示パネル基板上に形成できる。
【００１７】
有機ＥＬ素子は、光を取り出す側を透明材料で構成して基板上の１対の電極層間に、有機材料層を順次積層されて構成される。例えば、トップエミッション構成の場合には、図１６に示すものとは、逆に、ドレイン電極１５と第２ｐ型有機半導体層１３ｐ２との間に有機発光層１６を設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機トランジスタを示す断面図。
【図２】図１の線ＡＡにおける断面図。
【図３】本発明による実施形態の有機トランジスタの断面図。
【図４】図３の線ＡＡにおける断面図。
【図５】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図６】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図７】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図８】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図９】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図１０】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図１１】本発明による実施形態の有機トランジスタの製造工程の一部を示す断面図。
【図１２】本発明による実施形態の有機トランジスタの動作説明図。
【図１３】本発明による実施形態の有機トランジスタの動作説明図。
【図１４】本発明による他の実施形態の有機トランジスタの断面図。
【図１５】本発明による他の実施形態の有機トランジスタの断面図。
【図１６】本発明による他の実施形態の有機トランジスタ一体型有機エレクトロルミネッセンス素子を示す断面図。
【符号の説明】
１０基板
１１ソース電極
１３第１有機半導体層
１４ゲート電極
１５ドレイン電極
１６有機発光層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic semiconductor element including an organic semiconductor layer made of an organic compound having carrier mobility.
[0002]
[Prior art]
When a voltage is applied to the organic semiconductor layer, the charge density increases in the organic semiconductor layer, so that a pair of electrodes can be provided on the organic semiconductor layer, and a current can flow between them. For example, in an organic semiconductor element such as an organic transistor having an SIT (electrostatic induction transistor) structure having a vertical structure, the gate electrode between the source electrode and the drain electrode sandwiching the organic semiconductor layer is arranged in the thickness direction of the organic semiconductor layer. A voltage can be applied to switch the current in the thickness direction of the organic semiconductor layer.
[0003]
As shown in FIG. 1, the SIT has a three-terminal structure in which an organic semiconductor layer 13 is sandwiched between a pair of a source electrode 11 and a drain electrode 15 and a gate electrode 14 is formed in the middle of the thickness direction of the organic semiconductor layer. A voltage is applied to the gate electrode, and the current between the source electrode and the drain electrode can be controlled by a depletion layer DpL formed as an organic semiconductor layer.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the organic transistor having the SIT structure, for example, a plurality of depletion layers DpL of the organic semiconductor layer generated around the plurality of strip-shaped branches of the gate electrode 14 to which a positive charge is applied, in the film thickness direction between the source electrode and the drain electrode. Prevent carrier movement.
However, if the expansion of each depletion layer DpL is insufficient, the interval W between the strip-shaped branches of the gate electrode 14 shown in FIG. 2 cannot be filled with the depletion layer DpL, and the leakage current increases. In other words, in order to prevent carrier movement and reduce the gap between the strip-shaped branch portions of the gate electrode in order to reduce the leakage current, it is necessary to form the gate electrode using a fine structure mask.
[0005]
In general, the thickness of the organic semiconductor layer in the organic transistor having the SIT structure is several hundred nm, and the gate electrode to be formed between the source electrode and the drain electrode has a thickness of 50 to 100 nm. Then, when the organic semiconductor layer, the gate electrode, and the organic semiconductor layer are sequentially formed, the organic transistor is transferred as it is to the organic semiconductor layer and the drain electrode that are stacked in the subsequent process. Unevenness remains on the surface, which affects the increase in leakage current.
[0006]
An example of the problem to be solved by the present invention is to provide an organic semiconductor element that suppresses the occurrence of leakage current between electrodes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The organic semiconductor device according to claim 1 is an organic semiconductor device including a p-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, and an n-type organic material interposed between the p-type organic semiconductor layers. The semiconductor device includes a semiconductor layer and a gate electrode embedded in the n-type organic semiconductor layer.
[0008]
5. The organic semiconductor device according to claim 4, wherein the organic semiconductor device includes an n-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, and the p-type organic material is interposed between the n-type organic semiconductor layers. An organic semiconductor device comprising: a semiconductor layer; and a gate electrode embedded in the p-type organic semiconductor layer.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An organic transistor will be described with reference to the drawings as an embodiment of an organic semiconductor device according to the present invention.
FIG. 3 shows a cross section of the organic transistor having the SIT structure of the embodiment. In the organic transistor, a first p-type organic semiconductor layer 13p1, a first n-type organic semiconductor layer 13n1, a gate electrode 14, a second n-type organic semiconductor layer 13n2, a second p-type organic semiconductor layer 13p2, and a drain are formed on the source electrode on the substrate 10. The electrodes 15 are laminated in order. These organic semiconductor layers have carrier mobility, and the first p-type organic semiconductor layer 13p1 and the second p-type organic semiconductor layer 13p2 are made of a p-type organic semiconductor material (hole transportability), and the first n-type organic semiconductor layer 13n1 and the second n-type organic semiconductor layer 13n2 are made of an n-type material (electron transport property). Such an element has a pnp junction, and each is connected to a source electrode 11, a gate electrode 14, and a drain electrode 15. Therefore, the organic transistor of the embodiment as a whole is an organic semiconductor element including a p-type organic semiconductor layer sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 15, and this p-type organic semiconductor layer (first p-type organic semiconductor). Carrier movement is controlled by the n-type organic semiconductor layers (the first n-type organic semiconductor layer 13n1 and the second n-type organic semiconductor layer 13n2) interposed between the semiconductor layer 13p1 and the second p-type organic semiconductor layer 13p2). In order to uniformly apply a control voltage to the n-type organic semiconductor layer, the gate electrode 14 is embedded in the n-type organic semiconductor layer.
[0010]
As shown in FIG. 4, the gate electrode 14 is formed so as to cover the source electrode 11 and the drain electrode 15 when viewed from either side.
The organic transistor of this embodiment is manufactured as follows, for example.
First, as shown in FIG. 5, the source electrode 11 is formed on the substrate 10. For example, the source electrode 11 made of indium tin oxide (ITO) or chromium (Cr) is formed with a film thickness of 50 nm by sputtering. In addition to the source electrode, each electrode can be formed by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like.
[0011]
Next, as shown in FIG. 6, as the first p-type organic semiconductor layer 13 p 1, 4,4′bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] -biphenyl (so-called α) is formed on the source electrode 11. -NPD) is deposited by resistance heating vapor deposition with a film thickness of 25 nm.
Next, as shown in FIG. 7, a porphyrin compound such as copper phthalocyanine (so-called CuPc) or a tris (8-hydroxyquinoline) aluminum complex is formed on the first p-type organic semiconductor layer 13p1 as the first n-type organic semiconductor layer 13n1. A quinoline derivative such as (so-called Alq3) is formed by resistance heating vapor deposition with a film thickness of 25 nm.
[0012]
Next, as shown in FIG. 8, Al is used as the gate electrode 14 to form a flat plate with a thickness of 50 nm by resistance heating vapor deposition. Note that the entire gate electrode 14 may be covered with a thickness of several nm of an electron injection layer such as LiO ₂ .
Next, as shown in FIG. 9, on the gate electrode 14, as the second n-type organic semiconductor layer 13n2, CuPc or Alq3, which is the same as the first n-type organic semiconductor layer, is formed by resistance heating vapor deposition with a film thickness of 25 nm.
[0013]
Next, as shown in FIG. 10, on the second n-type organic semiconductor layer 13n2, the same α-NPD as the first p-type organic semiconductor layer is formed as a second p-type organic semiconductor layer 13p2 with a film thickness of 25 nm.
Finally, as shown in FIG. 11, an organic transistor can be manufactured by depositing Al as a drain electrode 15 with a thickness of 200 nm on the second p-type organic semiconductor layer 13p2 by a resistance heating vapor deposition method.
[0014]
As shown in FIG. 12, for example, when the drain electrode 15 is grounded and the potential of the source electrode 11 is set to + 10V and the potential of the gate electrode 14 is set to + 20V, the operation of the obtained organic transistor is increased. It becomes a state. On the other hand, as shown in FIG. 13, when the gate electrode 14 is opened with the drain electrode 15 grounded and the potential of the source electrode 11 set to + 10V, only the organic semiconductor layers are joined to each other, so that the ON state is established and current flows. .
[0015]
In the above embodiment, an example of a pnp junction is shown, but an npn junction can also be configured. As shown in FIG. 14, the element in this case includes a first n-type organic semiconductor layer 13n1, a first p-type organic semiconductor layer 13p1, a gate electrode 14, a second p-type organic semiconductor layer 13p2, The second n-type organic semiconductor layer 13n2 and the drain electrode 15 are sequentially stacked. Accordingly, the organic transistor includes the first p-type organic semiconductor layer 13p1 and the second p-type sandwiched between the n-type organic semiconductor layers of the first and second n-type organic semiconductor layers 13n1 and 13n2 sandwiched between the source electrode 11 and the drain electrode 15. The p-type organic semiconductor layer 13p2 may include a gate electrode 14 embedded in the first p-type organic semiconductor layer 13p1 and the second p-type organic semiconductor layer 13p2.
[0016]
In the above embodiment, the gate electrode 14 is formed in a flat plate shape. In addition, as shown in FIG. 15, the gate electrode 14 has a plurality of strip-shaped branch portions in a comb shape or a bowl shape. Can be formed. In this case, the gate electrode may have any shape that can apply a voltage to the organic semiconductor layer that is in contact with the gate electrode substantially uniformly.
Further, as shown in FIG. 16, in the structure of the organic transistor having the SIT structure, the source electrode 11 and the first p-type organic semiconductor layer using the first p-type organic semiconductor layer 13p1 and the second p-type organic semiconductor layer 13p2 as a hole transport layer. By providing the organic light-emitting layer 16 having an electron transport property between 13p1, an organic transistor integrated organic electroluminescence element can be configured. Thus, a plurality of organic EL layers each including an active element including an organic light emitting layer made of at least one thin film of an organic compound material that exhibits electroluminescence (hereinafter also referred to as EL) that emits light by current injection. The elements can be formed on the display panel substrate in a predetermined pattern such as a matrix.
[0017]
An organic EL element is configured by sequentially forming an organic material layer between a pair of electrode layers on a substrate by forming a light extraction side with a transparent material. For example, in the case of the top emission configuration, the organic light emitting layer 16 can be provided between the drain electrode 15 and the second p-type organic semiconductor layer 13p2 in the opposite manner to that shown in FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an organic transistor.
2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a manufacturing process of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the organic transistor of the embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the organic transistor of the embodiment according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of a manufacturing process of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the organic transistor of the embodiment according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the organic transistor of the embodiment according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the organic transistor of the embodiment according to the present invention.
FIG. 12 is an operation explanatory view of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an operation explanatory diagram of an organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view of an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an organic electroluminescence element integrated with an organic transistor according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 substrate 11 source electrode 13 first organic semiconductor layer 14 gate electrode 15 drain electrode 16 organic light emitting layer

Claims

An organic semiconductor element comprising a p-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, wherein the n-type organic semiconductor layer is interposed between the p-type organic semiconductor layers and the n-type organic semiconductor layer An organic semiconductor device comprising: a gate electrode embedded in the substrate.

The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a flat plate shape.

The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a comb shape or a bowl shape.

An organic semiconductor device comprising an n-type organic semiconductor layer sandwiched between a source electrode and a drain electrode, wherein the p-type organic semiconductor layer is interposed between the n-type organic semiconductor layer and the p-type organic semiconductor layer An organic semiconductor device comprising: a gate electrode embedded in the substrate.

The organic semiconductor device according to claim 4, wherein the gate electrode has a flat plate shape.

The organic semiconductor device according to claim 4, wherein the gate electrode has a comb shape or a bowl shape.