JP4967143B2 - 有機半導体発光装置およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

有機半導体発光装置およびそれを用いた表示装置 Download PDF

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Description

この発明は、有機半導体発光層を有する有機半導体発光装置およびそれを用いた表示装置に関する。
有機半導体トランジスタと有機半導体発光素子とを組み合わせた装置は、下記特許文献１に見られる。この装置は、Ｐ３ＨＴからなる半導体層と、この半導体層の一方表面に間隔を開けて設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層の他方表面に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、ドレイン電極上に積層されたＭＥＨ−ＰＰＶからなる発光層と、この発光層上に積層された陰極とを備えている。ドレイン電極は、発光素子の陽極を兼ねている。
この構成により、ソース電極から半導体層を通ってドレイン電極へと電流が流れ、さらに、この電流が発光層へと供給されることで、発光層からの発光が観測される。
特表２００２−５１２４５１号公報（００２９段落、図２）
前記の先行技術の構成では、ドレイン電極の上下には、それぞれ発光層と金属、および金属と半導体層の界面が形成されることになる。発光層へのキャリヤの注入を効率よく行って発光効率を高めるためには、これらの界面におけるダメージを極力抑制するとともに、接触抵抗を可能な限り低減することが重要である。
ところが、トランジスタ側の半導体層上にドレイン電極を形成するためにスパッタ法や真空蒸着法などを適用すると、半導体層にダメージを与えてしまう。また、金属層上に発光層の有機物層を積層すると、密着性が不十分となり、その界面での電気抵抗が大きくなり、金属層と有機層との良好な電気的接続を達成することが困難である。
さらに、ドレイン電極は、トランジスタ側の半導体層からキャリヤを受け取って、キャリヤを発光層に注入する役割を担うから、半導体層からのキャリヤの注入効率が高く、かつ、発光層へのキャリヤの注入効率が高くなるように、その材料を選択しなければならない。したがって、ドレイン電極材料には、その仕事関数が、トランジスタ側の半導体層および発光層の両方に整合するものを選択しなければならず、その選択の幅は著しく制限されることになる。
この発明の目的は、トランジスタの有機半導体活性層から有機半導体発光部へのキャリヤの注入効率を高めることができる有機半導体発光装置およびそれを用いた表示装置を提供することである。
この発明の有機半導体発光装置は、所定のチャネル長を隔てて設定したソース領域およびドレイン領域を有するトランジスタ活性層としての有機半導体活性層と、この有機半導体活性層上において前記ソース領域に接合されたソース電極と、前記有機半導体活性層上において前記ドレイン領域に直接接合されて、当該有機半導体活性層との間に有機物同士の接合面を形成している有機半導体発光部と、この有機半導体発光部に接合されたドレイン電極と、前記有機半導体活性層において少なくとも前記ソース領域およびドレイン領域の間の領域に絶縁膜を挟んで対向して配置され、前記ソース領域およびドレイン領域の間のキャリヤの移動を制御するゲート電極とを含み、前記有機半導体発光部は、前記ドレイン電極から電子および正孔のうちの一方の供給を受け、前記有機半導体活性層から電子および正孔のうちの他方の供給を受けることにより、電子および正孔の再結合によって発光を生じる有機半導体発光層を含むものである。
この発明によれば、トランジスタ活性層としての有機半導体活性層に有機半導体発光部が直接接合されていて、これらの界面は有機物同士の接合面となっており、金属−有機半導体の界面は存在しない。そのため、有機半導体活性層および有機半導体発光部の界面は、ダメージの少ない良好な界面となっており、かつ、有機物同士の接合であるため密着性も良好である。これにより、有機半導体活性層から有機半導体発光部へのキャリヤの注入効率を高めることができ、高効率での発光動作が可能になる。むろん、有機半導体活性層および有機半導体発光部の両方を考慮した電極材料の選択は無用である。

前記有機半導体発光層は、正孔輸送性の有機半導体材料（Ｐ型有機半導体材料）からなる正孔輸送層、電子輸送性の有機半導体材料（Ｎ型有機半導体材料）からなる電子輸送層、およびこれらの間に挟持された発光層（有機半導体材料からなるもの）を含む構成であってもよい。この場合、有機半導体活性層として、Ｐ型有機半導体材料を用いる場合には、正孔輸送層がドレイン領域において有機半導体活性層に接合されることになり、有機半導体活性層として、Ｎ型有機半導体材料を用いる場合には、電子輸送層がドレイン領域において有機半導体活性層に接合されることになる。
また、有機半導体発光層は、発光層を兼ねる正孔輸送層と、電子輸送層とを含む積層構造を有していてもよく、正孔輸送層と、発光層を兼ねる電子輸送層とを含む積層構造を有していてもよい。
前記有機半導体活性層は、Ｐ型有機半導体材料からなっていてもよく、また、Ｎ型有機半導体材料からなっていてもよい。さらには、有機半導体活性層は、正孔および電子の両方の輸送が可能なバイポーラ性の有機半導体材料からなっていてもよい。
Ｐ型有機半導体材料としては、Pentacene、Tetracene、金属フタロシアニン（Copper phthalocyanineなど）、Oligothiophen （α-Sexithiophene、α,ω-Dihexyl-sexithiophene）、ポリチオフェン（Poly(3-hexylthiophene)、 Poly(3-butylthiophene)）、ポリフルオレン、Anthracene、Oligophenylene、Oligophenylenevinylene、Dihexyl-Anthradithiophene、Bis(dithienothiophene)、Poly(phenylenevinylene)、Poly(thienylenevinylene)、Polyacetylene、α,ω-Dihexyl-quinquethiophene、TPD、α-NPD、m-MTDATA、TPAC、TCTA、Poly(vinylcarbazole)などを例示することができる。
また、Ｎ型有機半導体材料としては、ペリレン骨格ジイミド（Ｃ6−ＰＴＣ、Ｃ8−ＰＴＣ、Ｃ12−ＰＴＣ、Ｃ13−ＰＴＣ、Ｂｕ−ＰＴＣ、Ｆ7Ｂｕ−ＰＴＣ*、Ｐｈ−ＰＴＣ、Ｆ5Ｐｈ−ＰＴＣ*、ＰＴＣＢＩ（3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-diimide）、ＰＴＣＤＩ（3,4,7,8-naphthalene-tetracarboxylic-diimide））、ナフタレン骨格ジイミド（ＰＴＣＤＩ（3,4,7,8-naphthalene-tetracarboxylic-diimide）、Ｃ6−ＮＴＣ、Ｃ8−ＮＴＣ、Ｃ12−ＮＴＣおよびそれらのフッ素化アルキル置換体）、フッ素化フタロシアニン、フッ素化ペンタセン、フッ素化オリゴチオフェン、ＴＣＮＱ、Ｃ60フラーレンなどを例示することができる。
さらに、バイポーラ性の有機半導体材料としては、α−ＮＰＤ、Ａｌｑ3（Tris(8-hydroxyquinolinato)alminum(III)）、ＣＢＰ（4,4'-Bis(carbazol-9-y1)biphenyl）、ＢＳＡ−１ｍ(9,10-Bis(3-cyanostilil)anthracene)、ＭＥＨＰＰＶ(Poly[2-Methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])、ＣＮ−ＰＰＰ(Poly[2-(6-cyano-6-methylheptyloxy)-1,4-phenylene])、Bis(2-(2-hydroxyphenyl)-benz-1,3-thiazolato)zinc complex、Poly[(9,9-dihexylfluoren-2,7-diyl)-co-(anthracen-9,10-diyl)]などを例示できる。
また、有機半導体発光部の発光層を構成する有機半導体材料としては、Ａｌｑ3など蛍光を示す金属錯体系材料、またはこれらの金属錯体系材料にＤＣＭ２、Rubrene、Coumarin、Peryleneなどの他の蛍光色素をドープしたもの、あるいは、4,4'-Bis(carbazol-9-y1)biphenyl（ＣＢＰ）にfac-tris(2-phenypyridine)iridium（Ir(ppy)3）などのりん光発光色素をドープしたものなどを例示することができる。
また、正孔輸送材料としては、α−ＮＰＤ、ＴＰＤをはじめとするジアミン系材料、ｍ−ＴＤＡＴＡなどを挙げることができる。
前記ゲート電極は、前記有機半導体活性層に対して、前記ソース電極および有機半導体発光部とは反対側に配置されているとともに、前記ソース領域およびドレイン領域に対向する領域にまで延在していてもよい。
この構成によれば、ゲート電極は、ソース−ドレイン間のキャリヤの移動を制御することができるとともに、ソース電極から有機半導体活性層へのキャリヤの注入のための電界をソース電極との間に形成することができ、かつ、ドレイン領域から有機半導体発光部へのキャリヤの注入およびドレイン電極から有機半導体発光部へのキャリヤの注入のための電界をドレイン電極との間に形成することができる。これにより、有機半導体発光部へのキャリヤの注入効率をさらに向上して、高効率な発光に寄与することができる。
また、前記ゲート電極は、前記ソース領域に対向配置された第１ゲート電極と、この第１ゲート電極に対して電気的に独立であって、前記ドレイン領域に対向配置された第２ゲート電極とを含むものであってもよい。
この構成によれば、ゲート電極が、ソース領域側の第１ゲート電極と、ドレイン領域側の第２ゲート電極とに分割されており、これらに対して独立に制御電圧を印加することができる。したがって、ソース電極から有機半導体活性層へのキャリヤの注入と、ドレイン領域およびドレイン電極から有機半導体発光部へのキャリヤの注入とを独立に制御することができる。これにより、キャリヤの注入バランスを適切に定めることができるので、より高効率での発光が可能になる。
なお、前記第１および第２ゲート電極間の間隙は、前記チャネル長よりも短く定められていることが好ましい。
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方は、前記ソース領域およびドレイン領域のうちの他方の両側に設定された一対の領域を含むものであってもよい。
有機半導体活性層のドレイン領域から有機半導体発光部へのキャリヤの注入分布は、ソース領域側に偏在する。そこで、上記の構成をとれば、より広い発光面積を確保できる。
前記ソース領域およびドレイン領域のうちの一方は、前記ドレイン領域およびソース領域のうちの他方を少なくとも３方から取り囲むように設定されていることが好ましい。この構成により、さらに広い発光面積を確保できる。むろん、ソース領域およびドレイン領域の一方を、その他方が４方から取り囲む構成とすることもできる。さらに、ソースおよびドレイン領域の一方のほぼ全周を、それらの他方が取り囲む構成としてもよい。
前記有機半導体発光装置は、前記ドレイン領域と前記絶縁膜との間に配置され、キャリヤを拡散するためのキャリヤ拡散膜をさらに含むものであってもよい。この構成によれば、キャリヤ拡散膜によってドレイン領域の広い範囲にキャリヤを拡散させることができるので、ドレイン領域内の広い範囲で有機半導体発光部へのキャリヤの注入が生じる。これにより、広い発光面積を実現できる。
前記ゲート電極およびドレイン電極のうちの少なくともいずれか一方は、透明電極層を含んでいてもよい。この場合に、その透明電極層に近接して、前記透明電極層内を導波する光をこの透明電極層の法線方向に向けて回折させる回折部材を設けることが好ましい。この構成によれば、屈折率の高い透明電極層に集中する光を、この透明電極層の法線方向に向けて取り出すことができるので、光取り出し効率を高めることができ、より輝度の高い発光装置を実現できる。
この発明の表示装置は、前述のような有機半導体発光装置を基板上に複数個配列して構成することができる。有機半導体発光装置を一次元的または二次元的に基板上に配列することによって、一次元または二次元の表示装置（個々の画像を有機半導体発光装置で構成したもの）を構成することができる。
本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
図１(a)および図１(b)は、この発明の一実施形態に係る有機半導体発光装置の構成および動作を説明するための図である。 図１の有機半導体発光装置のより具体的な構成例を説明するための図解的な断面図である。 基板とは反対側に光を取り出す場合の構成例を示す図解的な断面図である。 図４(a)および図４(b)は、前記有機半導体発光装置のさらに他の具体的な構成例を示す図である。 図４の構成例の変形例を示す平面図である。 さらに別の変形例を説明するための図解的な平面図である。 さらに別の変形例を説明するための図解的な平面図である。 さらに別の変形例を説明するための図解的な平面図である。 図２に示された有機半導体発光装置の変形例を示す図解的な断面図である。 図３の構成の有機半導体発光装置に対して、図９の場合と同様な変形を施した例を示す図である。 図２の構成のさらに他の変形例を示す図解的な断面図である。 さらに別の変形例に係る構成を示す図解的な断面図である。 図１〜図１２のいずれかに示された構成の有機半導体発光装置を基板上に二次元配列して構成される表示装置の電気回路図である。 キャパシタの配置に関する構成を説明するための図解的な断面図であり、図２に対応した構成を示す。 キャパシタの配置に関する構成を説明するための図解的な断面図であり、図３に対応した構成を示す。 図１６(a)および図１６(b)は、この発明の第２の実施形態に係る有機半導体発光装置の構成を説明するための図である。 図１６の装置の第１ゲート、第２ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極にそれぞれ与えられる電位の例を示す図である。 図１６に示された有機半導体発光装置を基板上に二次元配列して構成される表示装置の電気回路図である。
発明の実施の形態
図１(a)は、この発明の一実施形態に係る有機半導体発光装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体発光装置５０は、有機半導体活性層１をトランジスタ活性層とした電界効果型トランジスタとしての基本形態を有している。より具体的には、この有機半導体発光装置５０は、基板２と、この基板２上に形成されたゲート電極３と、このゲート電極３上に積層されたゲート絶縁膜４と、このゲート絶縁膜４上に積層された上記の有機半導体活性層１とを備えている。この有機半導体活性層１上には、所定のチャネル長Ｌを隔てて、ソース領域５およびドレイン領域６が設定されている。ソース領域５には、ソース電極７が積層形成されており、ドレイン領域６には、有機半導体材料からなる有機半導体発光部８が積層されている。この有機半導体発光部８上に、ドレイン電極９が積層形成されている。すなわち、この有機半導体発光装置５０は、電界効果型トランジスタ（ＴＦＴ：薄膜電界効果型トランジスタ）としての基本形態を有するとともに、有機半導体活性層１とドレイン電極９との間に有機半導体発光部８を介挿した構成となっている。
ゲート電極３は、ソース領域５およびドレイン領域６の間のチャネル領域１０に対してゲート絶縁膜４を介して対向しているとともに、ソース領域５およびドレイン領域６の直下の領域にまで延びて形成されている。すなわち、ゲート電極３は、ソース領域５に対してゲート絶縁膜４を介して対向しているとともに、ドレイン領域６に対してゲート絶縁膜４を介して対向している。これによって、ゲート電極３とソース電極７との間に生じる電界により、ソース電極７から有機半導体活性層１に対してキャリヤ（正孔および電子のうちの一方）を効率的に注入することができる。また、ゲート電極３とドレイン電極９との間に生じる電界によって、有機半導体活性層１から有機半導体発光部８へと一方の極性のキャリヤ（正孔および電子のうちの一方）を効率的に注入でき、かつ、ドレイン電極９から有機半導体発光部８へと他の極性のキャリヤ（正孔および電子のうちの他方）を効率的に注入することができる。これにより、有機半導体発光部８において、正孔および電子の再結合を効率的に生じさせることができ、高い効率での発光を実現することができる。
たとえば、有機半導体活性層１を、正孔輸送性のＰ型有機半導体材料によって構成する場合について考察する。この場合、ゲート電極３、ソース電極７およびドレイン電極９には、図１(b)に示すような電位がそれぞれ与えられる。すなわち、ゲート電極３には、ソース電極７を基準として電圧Ｖg（＜０）が与えられ、ドレイン電極９には、ソース電極７を基準として電圧Ｖd（＜０）が印加される。これにより、ゲート電極３とソース電極７との間には、ソース電極７からゲート電極３へと向かう電界Ｆ１が形成され、ゲート電極３とドレイン電極９との間には、ゲート電極３からドレイン電極９へと向かう電界Ｆ２が形成される。したがって、電界Ｆ１により、ソース電極７から有機半導体活性層１へと正孔が注入される。また、電界Ｆ２により、ゲート電極３から有機半導体発光部８に正孔が注入されるとともに、ドレイン電極９から有機半導体発光部８に電子が注入されることになる。
ソース電極７から有機半導体活性層１に注入された正孔は、この有機半導体活性層１を通ってソース領域５からドレイン領域６へと輸送されて、このドレイン領域６から有機半導体発光部８に注入されることになる。ソース領域５からドレイン領域６への正孔の輸送量は、ゲート電極３に与えられる電圧Ｖgによって制御することができる。これにより、ソース領域５とドレイン領域６との間を導通／遮断して発光のオン／オフ制御を行うことができるほか、ゲート電極３に与える電圧Ｖgを段階的にまたは連続的に変化させることにより、ソース領域５からドレイン領域６へと輸送される正孔の量を段階的または連続的に変化させて、発光光量を段階的または連続的に変動させることができる。すなわち、発光光量の変調が可能である。
図２は、図１(a)の有機半導体発光装置５０のより具体的な構成例を説明するための図解的な断面図である。この図２に示す有機半導体発光装置５０は、基板２側に光１１を取り出すための構成を有している。具体的に説明すると、基板２は、ガラス基板等の透明基板で構成されており、ゲート電極３は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）などの透明な導電材料からなる透明電極膜で構成されており、ゲート絶縁膜４は、酸化シリコン膜等の透明な絶縁膜で構成されている。有機半導体活性層１は、たとえば、Ｐ型有機半導体材料であるペンタセン（pentacene）で構成されている。そして、ソース電極７は、有機半導体活性層１に対して正孔を注入し易い金属材料（たとえば金）で構成されている。
有機半導体発光部８は、有機半導体活性層１に接して配置された正孔輸送層８１と、この正孔輸送層８１上に積層された発光層を兼ねる電子輸送層８２とを備えた有機半導体積層膜で構成されている。正孔輸送層８１は、正孔輸送性の材料、すなわち、正孔の注入が可能であって、正孔をその内部で輸送することができる前述のようなＰ型有機半導体材料で構成されている。また、電子輸送層８２は、電子の注入が可能であって、その内部で電子を輸送することができる前述のようなＮ型有機半導体材料で構成されている。
電子輸送層８２上には、金属電極であるドレイン電極９が積層して形成されている。このドレイン電極９は、電子輸送層８２に対して電子を注入し易い金属材料からなっていて、たとえば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ａｌ／Ｌｉ、Ｃａなどを具体例として例示することができる。
このような構成の有機半導体発光装置では、電子輸送層８２と正孔輸送層８１との界面付近の領域において発光が生じ、発生した光１１は、透明基板２側へと取り出されることになる。
図３は、基板２とは反対側に光１１を取り出す場合の構成例を示す図解的な断面図である。この図３において、上述の図２に示された各部に対応する部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示す。この図３の構成では、ゲート電極３は金属材料（たとえばＡｌ）で構成されており、基板２は、たとえばシリコンで構成されている。ゲート絶縁膜４は、透明である必要はないが、たとえば、酸化シリコンで構成されている。基板２をシリコン等の半導体材料で構成する場合には、ゲート電極３は、基板２の表層部に形成された不純物拡散層からなる導電層で形成することもできる。
有機半導体活性層１は、図２の構成の場合と同じく、たとえば、Ｐ型有機半導体材料であるペンタセンで構成されており、そのソース領域５に接合して形成されるソース電極７は、たとえば金などの金属電極からなる。有機半導体発光部８の構成は図２の場合と同様である。電子輸送層８２上に積層されるドレイン電極９は、この実施形態では、透明電極膜で構成されている。この透明電極膜は、ＩＴＯ、ＩＺＯまたはＺｎＯなどで構成することができる。
この構成によって、電子輸送層８２内において正孔輸送層８１との界面付近の領域で生じる正孔および電子の再結合に伴う発光は、透明電極膜からなるドレイン電極９側において観測されることになる。
図４(a)および図４(b)は、前記有機半導体発光装置５０のさらに他の具体的な構成例を示す図であり、図４(a)はその図解的な断面図であり、図４(b)はその図解的な平面図である。この構成例では、有機半導体活性層１（図４(b)においてソース電極７またはドレイン電極９によって隠されていない領域に斜線を付して示す。）のソース領域５は、有機半導体発光部８およびドレイン電極９の積層構造が形成されたドレイン領域６の所定方向に関する両側に設定された一対の領域５Ａ，５Ｂを有している。そして、これらの領域５Ａ，５Ｂ上に共通に接合されるように、金属電極からなるソース電極７が、平面視においてほぼＵ字形状をなすように形成されている。この実施形態では、有機半導体活性層１は、ソース領域５の一方の領域５Ａからドレイン領域６を通って他方の領域５Ｂに至る帯状パターンに形成されている。すなわち、ソース電極７は、領域５Ａ，５Ｂにおいては有機半導体活性層１に接しているが、それ以外の領域ではゲート絶縁膜４に接している。
前述の図２または図３の構成例では、ドレイン領域６に対して一方側から正孔が輸送されてくるため、発光部位が、ソース領域５側に片寄り、結果として、大きな発光面積を確保し難いという問題がある。図４(a)および図４(b)に示された構成例では、ドレイン領域６の両側にソース領域５Ａ，５Ｂが振り分けられているため、ドレイン領域６に対して正反対の２方向から正孔が輸送されることになる。これにより、有機半導体発光部８の広い範囲で発光を生じさせることができ、発光面積を増加させることができる。
なお、図４(b)において、図中下側の領域でゲート電極３を露出させているのは、このゲート電極３を外部接続するためのコンタクトをとるためであり、むろん、別の構成によって外部接続のためのコンタクトをとることも可能である。
図５は、図４(a)および図４(b)の構成例の変形例を示す平面図である。この図５に示された構成では、平面視において、矩形のドレイン領域６をコ字形に取り囲むようにソース領域５が設定され、このソース領域５上に同じくコ字形のソース電極７が積層して形成されている。この構成では、ソース領域５は、ドレイン領域６を３方（有機半導体活性層１に平行な平面内において９０度の角度間隔で定めた３つの方向）から取り囲むことになるため、有機半導体発光部８における発光面積をより増加させることができる。
図６は、さらに別の構成例を説明するための図解的な平面図である。この構成では、ソース領域５およびドレイン領域６は、互いに嵌まり合う櫛歯形状にそれぞれ形成されている。それに応じて、ソース電極７は櫛歯形状のソース領域５と同じパターンの櫛歯形状に形成されているとともに、有機半導体発光部８およびドレイン電極９の積層構造は、櫛歯形状のドレイン領域６と同一パターンの櫛歯形状部を有している。
この構成によれば、ソース領域５およびドレイン領域６の対向部の全長（チャネル幅）を長くとることができるとともに、発光面積をより増加させることができる。
図７は、さらに別の変形例を説明するための図解的な平面図である。この構成例では、ドレイン領域６は矩形（ほぼ正方形）に形成されているとともに、有機半導体発光部８およびドレイン電極９も同じく矩形に形成されている。この矩形のドレイン電極９の一角部からリード部９Ａが引き出されている。そして、ソース領域５は、リード部９Ａを回避しつつ、ドレイン領域６の周囲全体を４方（有機半導体活性層１に平行な平面内において９０度の角度間隔で定めた４つの方向）からほぼ取り囲むように設定されていて、この矩形の環状領域からなるソース領域５上にソース電極７が形成されている。この構成によれば、ドレイン領域６に対して周囲のほぼ全方向から正孔を供給することができるので、発光面積をより増大することができる。
図８には、さらに別の変形例が示されている。この構成では、ドレイン領域６が円形に設定されていて、この円形のドレイン領域６上に、同じく円形の有機半導体発光部８およびドレイン電極９が積層されている。そして、円形のドレイン電極９からは、一方向にリード部９Ａが引き出されている。一方、ソース領域５は、円形のドレイン領域６を、リード部９Ａを回避しつつ、ほぼ全方位にわたって取り囲む環状に形成されている。この環状のソース領域５上に同じパターンのソース電極７が積層して形成されている。この構成によっても、ドレイン領域６のほぼ全周に正孔を供給することができるので、広い発光面積を得ることができる。
なお、図４〜図８の構成において、ソース領域５およびドレイン領域６を反転して配置することも可能である。すなわち、図４(a)および図４(b)の構成において、ソース領域５の両側にドレイン領域６を分散配置してもよく、図５の構成において、ソース領域５を三方から取り囲むようにドレイン領域６をコ字形状に設定してもよい。さらに、図７および図８の構成において、ソース領域５を中央に配置し、これをほぼ全周囲にわたって包囲するようにドレイン領域６を配置することとしてもよい。
図９は、図２に示された有機半導体発光装置５０の変形例を示す図解的な断面図である。この構成では、透明電極膜からなるゲート電極３と透明基板２との界面付近において、透明基板２側に回折部材としての回折格子１５が設けられている。この回折格子１５は、透明電極膜からなるゲート電極３内を基板２の端面１６に向かって伝播する光１１を、透明基板２の表面２Ａ側へ（すなわち、ゲート電極３の法線方向に向けて）回折させる働きを有する。
ＩＴＯなどからなる透明電極膜は、一般に屈折率ｎが２程度であり、酸化シリコン膜などからなるゲート絶縁膜４（たとえば、屈折率ｎ＝１．５）、ガラス基板などからなる透明基板２（たとえば、屈折率ｎ＝１．５）、有機半導体活性層１（たとえば、屈折率ｎ＝１．７〜１．８）、正孔輸送層８１（たとえば、屈折率ｎ＝１．７）および電子輸送層８２（たとえば、屈折率ｎ＝１．７）のいずれよりも屈折率が高い。そのため、有機半導体発光部８で生じた光は、透明電極膜からなるゲート電極３内に閉じ込められる傾向にある。
そこで、透明電極膜からなるゲート電極３に対して光取り出し方向である透明基板２側に回折格子１５を配置することで、ゲート電極３内を導波する光１１を、透明基板２の表面２Ａ側へ効率的に取り出すことができる。こうして、光取り出し率の向上された有機半導体発光装置を実現することができる。
回折格子の周期Λは、有機半導体発光部８で生じる光の波長λに対してΛ＝ｋλ（ｋ＝１，２，３，…）なる関係を満たすように設定されることが好ましい。これにより、より効率的な光の取り出しが可能になる。
図１０は、図３の構成の有機半導体発光装置５０に対して、図９の場合と同様な変形を施した例を示す。この構成例では、透明電極膜からなるドレイン電極９の表面に、回折格子１７が形成されている。図３の構成の場合には、透明電極膜からなるドレイン電極９に光が閉じ込められる傾向となるのであるが、回折格子１７によって、ドレイン電極９内を導波する光１１を、このドレイン電極９の法線方向に向けて外部に取り出すことができる。これにより、光取り出し効率を向上することができる。
なお、回折格子１５，１７の代わりに、マイクロドットを分散配置して、ゲート電極３またはドレイン電極９内を導波する光１１をそれらの放線方向に向けて回折させて取り出す回折部材を構成することもできる。たとえば、図９の構成の場合に、ガラス基板２の表面に、マイクロドットを印刷し、その後にガラス基板２の表面をガラスでコーティングすることによって、前記のような回折部材が埋め込まれたガラス基板２を得ることができる。ガラス基板２内に回折格子１５を形成する場合には、たとえば、ガラス基板２の表面に回折格子の縞状パターンを印刷等により形成し、その上からガラスコーティングを施せばよい。
図１０の構成の場合に、ドレイン電極９の表面に回折格子１７や上記のようなマイクロドットの拡散パターンによる回折パターンを形成するには、回折格子の縞状パターンや拡散ドットパターンをドレイン電極９の表面に印刷すればよい。
図１１は、図２の構成のさらに他の変形例を示す図解的な断面図である。この構成では、ソース電極７はゲート絶縁膜４上に接して形成されており、このソース電極７を覆うように有機半導体活性層１が形成されている。すなわち、ソース電極７に関しては、いわゆるボトムコンタクト型の構成となっている。この構成によっても、図２の構成の場合と同様な動作が可能である。
むろん、図３ないし図１０に示されたいずれの構成においても、同様な変形が可能である。
図１２は、さらに別の変形例に係る構成を示す図解的な断面図である。この構成では、ゲート絶縁膜４に接して、ソース領域５に金属電極からなるソース電極７が積層形成されているとともに、ドレイン領域６では、ゲート絶縁膜４に接して、キャリヤ拡散膜としての電流拡散膜４０が積層して形成されている。有機半導体活性層１は、ソース電極７と電流拡散膜４０との間のチャネル領域１０においてゲート絶縁膜４に接しているとともに、ソース電極７の上面を覆い、かつ、電流拡散膜４０の上面を覆っている。そして、有機半導体活性層１において電流拡散膜４０の上方の領域にドレイン領域６が位置し、このドレイン領域６上に、有機半導体発光部８およびドレイン電極９が積層して形成されている。
この構成によれば、ソース電極７から有機半導体活性層１を通ってドレイン領域６へと導かれた正孔は、電流拡散膜４０により拡散されてから、有機半導体発光部８へと注入されていく。これにより、有機半導体発光部内では、広い面積において正孔および電子の再結合を生じさせることができるから、発光面積を増大することができる。
以上のように、この実施形態の構成によれば、ドレイン領域６においては、有機半導体活性層１の表面に有機半導体層である正孔輸送層８１が積層されている。したがって、ドレイン領域６において、有機半導体活性層１の表面に金属膜を形成する必要がないから、たとえばスパッタ法等で形成される金属膜の形成時に生じるようなダメージがドレイン領域６の有機半導体活性層１に与えられることがない。また、有機半導体活性層１と同じく有機半導体材料からなる正孔輸送層８１は、良好な密着性で有機半導体活性層１上に積層することができる。したがって、有機半導体活性層１と有機半導体発光部８との間の接触抵抗は低く、有機半導体活性層１から有機半導体発光部８へのキャリヤの注入は効率的に行われることになる。有機半導体発光層１と有機半導体発光部８との間に適切なバッファ層を挿入することにより、さらに注入の効率を向上できる。
ソース領域５では、金属材料からなるソース電極７が有機半導体活性層１に接することになるが、ソース領域５とソース電極７との間の界面状態は、ドレイン領域６側に配置される有機半導体発光部８の発光に対して大きな影響を与えない。したがって、このソース電極７は、有機半導体活性層１上にたとえばスパッタ法で問題なく積層形成することができる。
ドレイン電極９は、有機半導体発光部８上に積層されるのであるが、たとえば、有機半導体発光部８とドレイン電極９との間および有機半導体活性層１と有機半導体発光部８との間の少なくとも一方に適切なバッファ層を介在させることによって、ドレイン電極９から有機半導体発光部８へのキャリヤ注入効率を向上できる。この場合、バッファ層は、ドレイン電極９と有機半導体発光部８との間のエネルギー障壁を緩和することにより、キャリヤ注入効率を高めるものである。具体的には、バッファ層は、正孔注入であればCopper phthalocyanine（CuPc）、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、Polyanilineなど、電子注入であればTris(8-hydroxyquinoline)alminum(III)（Ａｌｑ3）や4,7-Diphenil-1,10-phenanthroline(Bathophenanthroline)などの電子輸送性有機半導体にリチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属をドープした層、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を始めとするアルカリ金属・アルカリ土類金属フッ化物、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などで構成することができる。
図１３は、図１〜図１２のいずれかに示された構成の有機半導体発光装置５０を基板２上に二次元配列して構成される表示装置６０の電気回路図である。すなわち、この表示装置６０は、上述のような有機半導体発光装置５０をマトリクス配列された画素Ｐ１１，Ｐ１２，・・・・，Ｐ２１，Ｐ２２，・・・・・・内にそれぞれ配置し、これらの画素の有機半導体発光装置５０を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体発光装置５０の発光強度（輝度）を制御することによって、二次元表示を可能としたものである。
各有機半導体発光装置５０は、有機半導体発光部８と一体的に形成されたＰチャネル型電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）であり、そのドレイン電極９（Ｄ）にはバイアス電圧Ｖｄ（＜０）が与えられており、そのソース電極７（Ｓ）は接地電位（＝０）とされている。ゲート電極３（Ｇ）には、各画素を選択するための選択トランジスタＴｓと、データ保持用のキャパシタＣとが並列に接続されている。
行方向に整列した画素Ｐ１１，Ｐ１２，・・・・・・；Ｐ２１，Ｐ２２，・・・・・・の選択トランジスタＴｓのゲートは、行ごとに共通の走査線ＬＳ１，ＬＳ２，・・・・・・にそれぞれ接続されている。また、列方向に整列した画素Ｐ１１，Ｐ２１，・・・・・・；Ｐ１２，Ｐ２２，・・・・・・の選択トランジスタＴｓにおいて有機半導体発光装置５０とは反対側には、列ごとに共通のデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・がそれぞれ接続されている。
走査線ＬＳ１，ＬＳ２，・・・・・・には、コントローラ５３によって制御される走査線駆動回路５１から、各行の画素Ｐ１１，Ｐ１２，・・・・・・；Ｐ２１，Ｐ２２，・・・・・・を循環的に順次選択（行内の複数画素の一括選択）するための走査駆動信号が与えられる。すなわち、走査線駆動回路５１は、各行を順次選択行として、選択行の複数の画素の選択トランジスタＴｓを一括して導通させ、非選択行の複数の画素の選択トランジスタＴｓを一括して遮断させるための走査駆動信号を発生する。
一方、データ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・には、データ線駆動回路５２からの信号が入力されるようになっている。このデータ線駆動回路５２には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ５３から入力されるようになっている。データ線駆動回路５２は、各行の複数の画素が走査線駆動回路５１によって一括選択されるタイミングで、当該選択行の各画素の発光階調に対応した発光制御信号をデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・に並列に供給する。
これにより、選択行の各画素においては、選択トランジスタＴｓを介してゲート電極３（Ｇ）に発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機半導体発光装置５０は、発光制御信号に応じた階調で発光（または消灯）することになる。発光制御信号は、キャパシタＣにおいて保持されるから、走査線駆動回路５１による選択行が他の行に移った後にも、ゲート電極Ｇの電位が保持され、有機半導体発光装置５０の発光状態が保持される。このようにして、二次元表示が可能になる。
図１４および図１５は、前述のキャパシタＣの配置に関する構成を説明するための図解的な断面図であり、図１４は、図２の構成に対応しており、図１５は、図３の構成に対応している。図１４の構成の場合には、透明基板２と、透明電極膜からなるゲート電極３との間に、たとえばＩＴＯからなる透明導電膜２１と、たとえば酸化シリコンからなる透明絶縁膜２２とが介挿されている。透明導電膜２１は透明基板２側に配置され、透明絶縁膜２２はゲート電極３側に配置されている。これにより、透明導電膜２１とゲート電極３との間に透明絶縁膜２２を介挿したキャパシタＣが形成されることになる。
図１５の構成の場合には、基板２とゲート電極３との間に、たとえば金属製の導電膜３１と、たとえば酸化シリコンからなる絶縁膜３２とが介挿される。導電膜３１は、基板２側に配置され、絶縁膜３２はゲート電極３側に配置されている。これにより、導電膜３１とゲート電極３との間に絶縁膜３２を介挿したキャパシタＣが形成されることになる。たとえば、基板２がシリコン等の半導体基板である場合には、導電膜３１は、基板２の表面に形成された不純物拡散層からなる導電層によって形成されてもよい。
図１６(a)および図１６(b)は、この発明の第２の実施形態に係る有機半導体発光装置５０Ａの構成を説明するための図であり、図１６(a)は、その図解的な断面図であり、図１６(b)は、その平面図である。この図１６において、上述の図２に示された各部と同等の構成部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、ゲート電極３が、ソース領域５側に配置された第１ゲート電極Ｇ１と、ドレイン領域６側に配置された第２ゲート電極Ｇ２とに分割されている。第１ゲート電極Ｇ１は、ソース領域５のほぼ全域に対してゲート絶縁膜４を介して対向しているとともに、チャネル領域１０側へとはみ出している。同様に、第２ゲート電極Ｇ２は、ドレイン領域６の全域に対してゲート絶縁膜４を介して対向しているとともに、チャネル領域１０側にはみ出している。第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２との間の間隙Δは、ソース領域５とドレイン領域６との間の間隙であるチャネル長Ｌよりも短く設定されている。
図１７は、第１ゲート電極Ｇ１、第２ゲート電極Ｇ２、ソース電極７およびドレイン電極９にそれぞれ与えられる電位の一例を示す図である。第１ゲート電極Ｇ１および第２ゲート電極Ｇ２は、互いに電気的に絶縁されていて、これらに対しては、独立して電圧Ｖｇ１，Ｖｇ２を印加することができる。それにより、ソース電極７から有機半導体活性層１への正孔の注入量と、ドレイン領域６から有機半導体発光部８への電子の注入量とを個別に制御することができる。これによって、注入されるキャリヤのバランスをとることができ、有機半導体発光部８における発光効率を一層向上することができる。
図１８は、図１６に示された有機半導体発光装置５０Ａを基板２上に二次元配列して構成される表示装置６０Ａの電気回路図である。この図１８において、前述の図１３に示された各部に対応する構成部分には、図１３の場合と同一の参照符号を付して示す。
有機半導体発光部８が配置された側の電極であるドレイン電極９（Ｄ）にはバイアス電圧Ｖｄ（＜０）が与えられており、ソース電極７（Ｓ）は接地電位（＝０）とされている。また、第１ゲート電極Ｇ１には、一定の制御電圧Ｖgn（＜０）が印加されている。一方、第２ゲート電極Ｇ２には、各画素を選択するための選択トランジスタＴｓと、データ保持用のキャパシタＣとが並列に接続されている。その他の構成は、図１３の場合と同様である。
この構成により、選択行の各画素においては、選択トランジスタＴｓを介して第２ゲート電極Ｇ２に発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機半導体発光装置５０Ａは、発光制御信号に応じた階調で発光（または消灯）することになる。
なお、第２ゲート電極Ｇ２の電位を固定するとともに、第１ゲート電極Ｇ１にデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・からの発光制御信号を与えるようにしても同様な動作が可能である。また、第１および第２ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に与える制御電圧を画像データに応じて個別に制御するようにすれば、さらに多くの階調の表示が可能になる。
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、有機半導体活性層１として、Ｐ型有機半導体材料を用いてＰチャネル型電界効果型トランジスタとしての基本構成を有する有機半導体発光装置について説明したが、むろん、有機半導体活性層１は、電子輸送性のＮ型有機半導体材料で構成することもできる。この場合には、Ｎチャンネル型電界効果トランジスタとしての基本構成を有する有機半導体発光装置が構成される。すなわち、ソース電極７から有機半導体活性層１に対して電子が注入され、その一方で、ドレイン電極９からは有機半導体発光部８に正孔が注入されることになる。したがって、この場合、有機半導体発光部８を正孔輸送層８１および電子輸送層８２で構成するとすれば、正孔輸送層８１がドレイン電極９側に配置され、電子輸送層８２が有機半導体活性層１側に配置されることになる。
さらに、有機半導体活性層１としては、電子および正孔の両方を輸送することができるいわゆるバイポーラ性の有機半導体材料を用いることも可能である。適用可能なバイポーラ性の有機半導体材料の例は、既述のとおりである。
さらに、上記の図１３および図１８では、２次元表示の可能な表示装置を示したが、画素を１次元配列して１次元の表示装置を構成することもできる。
本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
この出願は、２００４年８月３０日に日本国特許庁に提出された特願２００４−２５０６０１号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。

Claims (8)

  1. 所定のチャネル長を隔てて設定したソース領域およびドレイン領域を有するトランジスタ活性層としての有機半導体活性層と、
    この有機半導体活性層上において前記ソース領域に接合されたソース電極と、
    前記有機半導体活性層上において前記ドレイン領域に直接接合されて、当該有機半導体活性層との間に有機物同士の接合面を形成している有機半導体発光部と、
    この有機半導体発光部に接合されたドレイン電極と、
    前記有機半導体活性層において少なくとも前記ソース領域およびドレイン領域の間の領域に絶縁膜を挟んで対向して配置され、前記ソース領域およびドレイン領域の間のキャリヤの移動を制御するゲート電極とを含み、
    前記有機半導体発光部は、前記ドレイン電極から電子および正孔のうちの一方の供給を受け、前記有機半導体活性層から電子および正孔のうちの他方の供給を受けることにより、電子および正孔の再結合によって発光を生じる有機半導体発光層を含むものである、有機半導体発光装置。
  2. 前記ゲート電極は、前記有機半導体活性層に対して、前記ソース電極および有機半導体発光部とは反対側に配置されているとともに、前記ソース領域およびドレイン領域に対向する領域にまで延在している、請求項１記載の有機半導体発光装置。
  3. 前記ゲート電極は、前記ソース領域に対向配置された第１ゲート電極と、この第１ゲート電極に対して電気的に独立であって、前記ドレイン領域に対向配置された第２ゲート電極とを含む、請求項１または２記載の有機半導体発光装置。
  4. 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方は、前記ソース領域およびドレイン領域のうちの他方の両側に設定された一対の領域を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載に有機半導体発光装置。
  5. 前記ソース領域およびドレイン領域のうちの一方は、前記ドレイン領域およびソース領域のうちの他方を少なくとも３方から取り囲むように設定されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  6. 前記ドレイン領域と前記絶縁膜との間に配置され、キャリヤを拡散するためのキャリヤ拡散膜をさらに含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  7. 前記ゲート電極およびドレイン電極のうちの少なくともいずれか一方が透明電極層を含み、
    この透明電極層に近接して、前記透明電極層内を導波する光をこの透明電極層の法線方向に向けて回折させる回折部材をさらに含む、請求項１ないし６のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の有機半導体発光装置を基板上に複数個配列して構成された表示装置。
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