JP4972730B2 - 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備えた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。
有機半導体装置の典型例である有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体層中における電子および正孔の再結合に伴う発光現象を利用した発光素子である。具体的には、有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体発光素子と、この有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極と、前記有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極とを備えている（特許文献１）。
このような有機エレクトロルミネッセンス素子における発光のオン／オフは、正孔注入電極および電子注入電極間に印加する電圧のオン／オフによって行われる。また、発光強度の変調は、正孔注入電極および電子注入電極間に印加する電圧を可変制御することによって行われることになる。
特開平５−３１５０７８号公報
しかし、複数の発光画素を二次元配列（マトリクス配列）して二次元表示デバイスを作製する場合を考えると、前述のような従来の有機エレクトロルミネッセンス素子では、駆動が困難であり、電界効果型トランジスタの形態をとることが好ましい。
ところが、有機半導体を用いた電界効果型トランジスタでは、発光に成功した例の報告は未だなされておらず、電界効果型トランジスタの形態の有機半導体発光装置は実現に至っていない。
そこで、この発明の目的は、電界効果型トランジスタの形態を有する有機半導体発光装置およびこれを用いた表示装置を提供することである。
この発明の一つの局面に係る有機半導体発光装置は、基板の表面に沿って形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板の表面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、前記基板の表面に沿って形成され、正孔および電子を輸送可能であり、正孔および電子の再結合により発光を生じる有機半導体発光層と、この有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極と、この正孔注入電極に対して、前記基板の表面に沿って所定の間隔を開けて配置され、前記有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極とを含み、前記ゲート電極が、前記正孔注入電極と前記電子注入電極との間の前記有機半導体発光層に対向し、前記有機半導体発光層内のキャリヤの分布を制御するものである。
この構成によれば、正孔および電子を輸送可能なバイポーラ性の有機半導体発光層を用いることによって、この有機半導体発光層内で、正孔注入電極から注入された正孔と電子注入電極から注入された電子との再結合を生じさせ、これにより発光を生じさせることができる。そして、正孔注入電極と電子注入電極との間の有機半導体発光層に対向するようにゲート電極が配置されており、これによって、この有機半導体発光装置は、電界効果型トランジスタとしての基本形態を有することになる。したがって、ゲート電極に制御電圧を与えて、有機半導体発光層内のキャリヤの分布を制御することにより、発光のオン／オフを行ったり、発光強度を変調したりすることができる。
前記有機半導体発光層は、正孔輸送材料であるＰ型有機半導体材料と、電子輸送材料であるＮ型有機半導体材料とを含むものであってもよい。この構成では、有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料を含むので、正孔および電子の両方を良好に輸送することができる。これにより、有機半導体発光層内における正孔および電子の再結合を効率的に起こさせることができる。
また、前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の混合物からなるものであってもよい。この構成によれば、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の混合物によって有機半導体発光層が形成されているから、この有機半導体発光層内における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る。この場合に、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の混合比を適切に定めることによって、正孔注入電極および電子注入電極からそれぞれ注入される正孔および電子の注入量のバランスを調整することができる。これによって、より効率的な発光が可能になる。
前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の共蒸着によって作製されたものであってもよい。
また、前記有機半導体発光層は、さらに、発光中心を形成する発光材料を含むことが好ましい。これにより、より効率的な発光が可能になる。発光材料とは、この場合、有機物であるが、電子・正孔輸送機能のないものをいう。
この場合に、前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料、Ｎ型有機半導体材料および発光材料の共蒸着によって作製されたものであることが好ましい。
前記発光材料は、前記Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の少なくともいずれか一方よりもＨＯＭＯ（highest occupied molecular orbital）エネルギーレベルとＬＵＭＯ（lowest unoccupied molecular orbital）エネルギーレベルとの差が小さい材料であることが好ましい。
前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型有機半導体材料からなるＮ型有機半導体層とを積層した積層構造を有していてもよい。この構成では、Ｐ型有機半導体層とＮ型有機半導体層とを積層した積層構造によって正孔および電子の両方を輸送可能な有機半導体発光層が構成されている。この構造によっても、積層構造の有機半導体発光層内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、電界効果型トランジスタとしての基本形態を有する有機半導体発光装置を実現できる。
前記Ｐ型有機半導体層およびＮ型有機半導体層のいずれか一方に、前記正孔注入電極および電子注入電極の両方が接していてもよい。
前記Ｐ型有機半導体材料は、チオフェンおよびフェニレンのコオリゴマーを含むものであることが好ましい。チオフェンおよびフェニレンのコオリゴマーとは、チオフェン環およびベンゼン環が一次元的につながったπ電子共役系材料である。この（チオフェン/フェニレン）コオリゴマーの例としては、ＴＰＴＰＴ（2,5-bis(4-(2'thiophene-yl)phenyl)thiophene）を挙げることができる。
また、前記Ｎ型有機半導体材料は、ナフタレン酸無水物を含むものであることが好ましい。ナフタレン酸無水化合物の例として、ＮＴＣＤＡ（ナフタレンテトラカルボン酸二無水物）を挙げることができる。
前記Ｐ型有機半導体材料としては、（チオフェン/フェニレン）コオリゴマーの他にも、アセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体およびフルオレン誘導体が適用可能であり、さらにこれらの構造にスチルベンを含む材料も用いることができる。むろん、発光量子収率が高いものが好ましい。
また、前記Ｎ型有機半導体材料としては、ナフタレン酸無水物以外にも、ペリレン誘導体、フラレーン誘導体などを用いることができる。さらには、上記Ｐ型材料をフッ素化させた材料も有用である。
この発明の別の局面に係る有機半導体発光装置は、基板の表面に沿って形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板の表面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、前記基板の表面に沿って形成され、正孔および電子の少なくともいずれか一方の注入が可能であり、正孔および電子の再結合により発光を生じる有機半導体発光層と、この有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極と、この正孔注入電極に対して、前記基板の表面に沿って１．０μｍ以下の間隔を開けて配置され、前記有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極とを含み、前記ゲート電極が、前記正孔注入電極と前記電子注入電極との間の前記有機半導体発光層に対向し、前記有機半導体発光層内のキャリヤの分布を制御するものである。
この構成によれば、正孔または電子のいずれかの輸送が可能な有機半導体発光層を活性層として用いた電界効果型トランジスタとしての形態を有する有機半導体発光装置を実現できる。この発明では、正孔注入電極と電子注入電極との間の間隔が、１．０μｍ以下の微小な間隔とされている。すなわち、チャネル長が１．０μｍの微小距離に定められている。
このような構成によって、ゲート電極に適切な電圧を与えると、有機半導体発光層のゲート電極側表面に誘起されるキャリヤのピンチオフ点が、正孔注入電極および電子注入電極のいずれかのごく近傍に位置することになる。そして、このピンチオフ点と電極との間に強電界が形成され、電極と有機半導体発光層との間の電位障壁を超えてキャリヤが移動することになる。
これによって、ピンチオフ点の近傍において正孔および電子の再結合が生じ、これによる発光が観測されることになる。このようにして、正孔または電子のいずれかの輸送のみが可能な有機半導体発光層であっても、微小なチャネル長を設定することにより、効率的な発光が可能になる。
前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料またはＮ型有機半導体材料の単層からなっていてもよい。
前記有機半導体発光層は、さらに、発光中心を形成する発光材料を含むものであってもよい。この構成によれば、有機半導体発光層内に発光中心を形成することによって、より効率的な発光が可能になる。
前記有機半導体発光層は、チオフェンおよびフェニレンのコオリゴマーを含むものであってもよい。
前記正孔注入電極および前記電子注入電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有していてもよい。この構成によれば、正孔注入電極および電子注入電極が、間隔（微小な間隔）を保持して、互いに嵌め合わされる櫛歯形状部を有しているから、正孔注入電極と電子注入電極との対向部の全長を長くとることができる。換言すれば、チャネル幅を広くとることができる。これによって、正孔と電子の再結合を効果的に生じさせることができるから、低電圧駆動が可能になるとともに、高い発光効率を実現することができる。また、櫛歯部分を広幅に形成して、面発光状態として視認されるようにしておけば、実質的な面発光光源を実現できる。
上記のような有機半導体装置を基板上に１次元または２次元に配列することにより、１次元または２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。
この発明の第１の実施形態に係る有機半導体発光装置の構造を説明するための図解的な断面図である。 ソース電極およびドレイン電極の構成を説明するための図解的な平面図である。 図３（Ａ）−３（Ｄ）は、有機半導体発光装置（ＴＰＴＰＴ６０モル％含有）の特性を示す図である。 図４（Ａ）−４（Ｄ）有機半導体発光装置（ＴＰＴＰＴ５０モル％含有）の特性を示す図である。 図５（Ａ）−５（Ｄ）有機半導体発光装置（ＴＰＴＰＴ４０モル％含有）の特性を示す図である。 図６（Ａ）−６（Ｄ）有機半導体発光装置（ＴＰＴＰＴ３３モル％含有）の特性を示す図である。 図７（Ａ）−７（Ｄ）Ｐ型駆動の場合におけるドレイン電流に対する量子効率の測定結果を示す図である。図７（Ａ）はＴＰＴＰＴの含有量が６０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｂ）はＴＰＴＰＴの含有量が５０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｃ）はＴＰＴＰＴの含有量が４０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｄ）はＴＰＴＰＴの含有量が３３モル％である場合の特性を示す。 図８（Ａ）−８（Ｄ）Ｎ型駆動の場合におけるドレイン電流に対する量子効率の測定結果を示す図である。図８（Ａ）はＴＰＴＰＴの含有量が６０モル％である場合の特性を示し、図８（Ｂ）はＴＰＴＰＴの含有量が５０モル％である場合の特性を示し、図８（Ｃ）はＴＰＴＰＴの含有量が４０モル％である場合の特性を示し、図８（Ｄ）はＴＰＴＰＴの含有量が３３モル％である場合の特性を示す。 ＴＰＴＰＴの含有量に対する量子効率の変動を示す図である。 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解的な断面図である。 この発明の第３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解的な断面図である。 図１２（Ａ）は図１１の有機半導体発光装置（チャネル長Ｌ＝０．８μｍ）におけるドレイン電圧に対するドレイン電流の変動を示す特性図であり、図１２（Ｂ）は、チャネル長Ｌ＝９．８μｍとした有機半導体発光装置の同様な特性を示す。 図１３（Ａ）はチャネル長Ｌ＝０．８μｍとした場合におけるドレイン電圧に対する輝度の特性を示し、図１３（Ｂ）はチャネル長Ｌ＝９．８μｍとした場合におけるドレイン電圧に対する輝度の特性を示している。 図１４（Ａ）はチャネル長Ｌ＝０．８μｍとした場合のドレイン電圧に対する量子効率の特性図であり、図１４（Ｂ）はチャネル長Ｌ＝９．８μｍとした場合における同様な特性を示す。 図１５（Ａ）−１５（Ｃ）は、有機半導体発光層における発光のメカニズムを説明するための図解図である。 有機半導体発光層における発光の他のメカニズムを説明するための図解図である。 この発明の第４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解的な断面図である。 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は、この発明の第１の実施形態に係る有機半導体発光装置の構造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は、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）としての基本構造を有する素子である。この有機半導体装置は、高濃度に不純物を導入したＮ+シリコン基板で構成されたゲート電極１と、このゲート電極１を覆うように当該ゲート電極１を構成する基板の表面に沿って形成され当該ゲート電極１上に積層されたゲート絶縁膜としての酸化シリコン膜２（たとえば膜厚３００ｎｍ）と、この酸化シリコン膜２上に前記基板の表面に沿って間隔を開けて形成された一対の電極３，４と、この一対の電極３，４を被覆するとともにそれらの間に入り込み、前記基板の表面に沿って形成された有機半導体発光層５とを備えている。ゲート電極１は、シリコン基板の表層部に形成された不純物拡散層からなる導電層で構成されていてもよい。すなわち、ゲート電極１は、基板の表面に沿って形成されていればよい。
有機半導体発光層５に対向するように、光取り出し効率を高めるためのプラスチックレンズ等からなるレンズ６が配置されており、さらにこのレンズ６を覆うように視認性を高めるための偏光板７が配置されている。
有機半導体発光層５は、下記化学式（１）で示すＰ型有機半導体材料であるＴＰＴＰＴと、下記化学式（２）で示すＮ型有機半導体材料であるＮＴＣＤＡの混合物からなっている。ＴＰＴＰＴは、キャリヤ移動度が５．１×１０-3ｃｍ2／Ｖ・ｓ、ＨＯＭＯエネルギーレベルが５．０ｅＶ、ＬＵＭＯエネルギーレベルが１．３ｅＶの正孔輸送性材料である。また、ＮＴＣＤＡは、キャリヤ移動度が３．４×１０-4ｃｍ2／Ｖ・ｓ、ＨＯＭＯエネルギーレベルが６．８ｅＶ未満、ＬＵＭＯエネルギーレベルが約３．６ｅＶの電子輸送性材料である。
Figure 0004972730
Figure 0004972730
具体的には、有機半導体発光層５は、ＴＰＴＰＴおよびＮＴＣＤＡを共蒸着することによって形成されており、その膜厚は、たとえば７０ｎｍとされている。有機半導体発光層５には、さらに、ＴＰＴＰＴまたはＮＴＣＤＡよりもＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーレベル差の小さな発光材料（発光中心を形成するもの）がドーピングされていることが好ましい。この場合、ＴＰＴＰＴ、ＮＴＣＤＡおよび発光材料を共蒸着して有機半導体発光層５を形成することができる。発光材料としては、Ｒｕｂｒｅｎｅ、ＤＣＭ、フルオレン化合物、スチルベンを含む化合物、アセン誘導体など、発光量子収率が９０％以上ある材料が好ましい。また、リン光材料であるＰｔＯＥＰなどの白金錯体やイリジウム錯体などの金属錯体も有用である。
一対の電極３，４は、たとえば、酸化シリコン膜２側に密着層として薄いクローム層（たとえば膜厚１ｎｍ）を配置し、このクローム層上に金層（たとえば膜厚３０ｎｍ）を積層して構成されている。これらの一対の電極３，４は、酸化シリコン膜２の表面に沿って（すなわち基板としてのゲート電極１の表面に沿って）微小な間隔（たとえば１μｍ）をあけて対向するように形成されている。この一対の電極３，４の間の領域に有機半導体発光層５が存在しており、この領域の有機半導体発光層５に、ゲート電極１が、酸化シリコン膜２を介在させた状態で対向している。
有機半導体発光層５は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の混合物からなっているので、一対の電極３，４の間に電圧を印加すれば、その内部を正孔および電子の両方が移動することになる。そして、有機半導体発光層５内でそれらの正孔および電子が再結合することにより、発光が生じる。このとき、有機半導体発光層５を通って電極間３，４を移動するキャリヤ（正孔および電子）の量は、ゲート電極１に印加される電圧に依存する。そこで、ゲート電極１に、段階的または連続的に変化する電圧を印加することで、一対の電極３，４（ソース，ドレイン電極）間の導通状態（オン／オフまたは電流量）を制御することができる。
有機半導体発光層５は、正孔および電子の両方を輸送することができるバイポーラ性の有機半導体層であるため、この有機半導体装置は、Ｐ型駆動およびＮ型駆動のいずれの形態の駆動をも行うことができる。
たとえば、Ｐ型駆動を行うときには、一方の電極３をソース電極とし、他方の電極４をドレイン電極として、ソース電極３を基準としてドレイン電極４に負の電圧が与えられる。この状態で、ゲート電極１には、ソース電極３を基準として負の制御電圧が印加される。これによって、有機半導体発光層５内の正孔がゲート電極１側に引き寄せられ、酸化シリコン膜２の表面付近における正孔の密度が高い状態となる。ソース電極３およびドレイン電極４の間の電圧を適切に定めておくと、ゲート電極１に与える制御電圧の大小によって、ソース電極３から有機半導体発光層に正孔が注入され、ドレイン電極４から有機半導体発光層５に電子が注入される状態を達成できる。すなわち、ソース電極３は正孔注入電極として機能し、ドレイン電極４は電子注入電極として機能する。これにより、有機半導体発光層５内において、正孔および電子の再結合が生じ、これに伴う発光が観測されることになる。この発光状態は、ゲート電極１に与えられる制御電圧を変化させることにより、オン／オフしたり発光強度を変調したりすることができる。
一方、Ｎ型駆動を行うときには、一方の電極３をソース電極とし、他方の電極４をドレイン電極として、このドレイン電極４にソース電極３を基準として正の電圧が印加される。また、ゲート電極１には、ソース電極３を基準として正の制御電圧が印加される。これにより、有機半導体発光層５内において酸化シリコン膜２との界面付近には、電子が誘起されることになる。これにより、ソース電極３およびドレイン電極４の間を導通させることができる。そこで、ソース電極３とドレイン電極４との間に適切な電圧を印加しておけば、ソース電極３から有機半導体発光層へと電子が注入されるとともに、ドレイン電極４から有機半導体発光層５に正孔が注入される。すなわち、ソース電極３は電子注入電極として機能し、ドレイン電極４は正孔注入電極として機能する。そして、注入された電子および正孔が、有機半導体発光層５内で再結合することになる。これによって、発光が生じる。この発光状態は、ゲート電極１に与えられる制御電圧を変化させることにより、オン／オフしたり発光強度を変調したりすることができる。
ソース電極３およびドレイン電極４は、図２の平面図に示すように、それぞれ、本体部３Ａ，４Ａと、この本体部３Ａ，４Ａから互いに平行に突出した複数本（図２の例では各１０本。合計で２０本）の櫛歯部３Ｂ，４Ｂとを有している。そして、櫛歯部３Ｂ，４Ｂが互いに微小な間隔（たとえば１μｍ）をあけて嵌まり合うように酸化シリコン膜２上に配置されている。ソース電極３の各櫛歯部３Ｂは、その両側においてドレイン電極４の櫛歯部４Ｂに対向することになるから、ソース電極３およびドレイン電極４の実質的な対向部の全長が長くなっており、これにより、有機半導体発光層５への電子の注入および正孔の注入の各効率が高められていて、低電圧での駆動が可能とされている。ソース電極３およびドレイン電極４の対向部の全長は、チャネル幅となり、たとえば、４ｍｍ程度とされることが好ましい。
個々の櫛歯部３Ｂ，４Ｂが微小幅（たとえば１μｍ以下）に形成されており、ゲート電極１は櫛歯部３Ｂ，４Ｂが重なり合う矩形の領域８の全体に対向しているので、この矩形領域８は、発光時には、面発光光源として視認されることになる。
図３（Ａ）−３（Ｄ）、図４（Ａ）−４（Ｄ）、図５（Ａ）−５（Ｄ）および図６（Ａ）−６（Ｄ）は、前述の有機半導体発光装置の特性を示す図である。図３（Ａ）−３（Ｄ）は、ＴＰＴＰＴと、ＮＴＣＤＡとの混合比を３対２（すなわちＴＰＴＰＴの含有量が６０モル％）とした場合の特性であり、図４（Ａ）−４（Ｄ）は、同混合比を１対１（すなわちＴＰＴＰＴの含有量５０モル％）とした場合の特性を示し、図５（Ａ）−５（Ｄ）は、同混合比を２対３（すなわちＴＰＴＰＴの含有量４０モル％）とした場合の特性を示し、図６（Ａ）−６（Ｄ）は、同混合比を１対２（すなわちＴＰＴＰＴの含有量３３モル％）とした場合の特性を示している。各図の（Ａ）は、Ｐ型駆動を行った場合におけるドレイン電圧（Drain Voltage：ドレイン電極４に印加される電圧）に対するドレイン電流（Drain Current：電極３，４の間に流れる電流）を示す。また、各図の（Ｂ）は、Ｎ型駆動を行った場合におけるドレイン電圧に対するドレイン電流の変化を示す。また、各図の（Ｃ）は、Ｐ型駆動を行った場合におけるドレイン電圧に対する輝度（Luminance）の変化を示す。さらに、各図の（Ｄ）は、Ｎ型駆動を行った場合におけるドレイン電圧に対する輝度の変化を示している。各特性図には、ゲート電圧Ｖg（ゲート電極１に印加される電圧）を、Ｐ型駆動に対しては、０Ｖ，−２０Ｖ，−４０Ｖ，−６０Ｖ，−８０Ｖ，−１００Ｖとした場合の特性が示されており、Ｎ型駆動に対しては、ゲート電圧Ｖgを０Ｖ，２０Ｖ，４０Ｖ，６０Ｖ，８０Ｖ，１００Ｖとした場合の特性がそれぞれ示されている。
たとえば、図３（Ａ）においてゲート電圧Ｖg＝−１００Ｖの場合に注目すると、ドレイン電圧対ドレイン電流特性曲線は、ドレイン電圧の増加（絶対値の増加）に従ってドレイン電流が単調に増加（絶対値の単調増加）していく線形領域ＲＡと、この線形領域ＲＡに引き続き、ドレイン電流が飽和する飽和領域ＲＢと、この飽和領域ＲＢに引き続き、ドレイン電圧の増加に従ってドレイン電流が増加して発散していく発散領域ＲＣとを有している。
線形領域ＲＡ、飽和領域ＲＢおよび発散領域ＲＣにおいては、ソース電極３から有機半導体発光層５への正孔の注入が生じている。飽和領域ＲＢおよび発散領域ＲＣにおいて、ドレイン電極４から有機半導体発光層５への、発光に寄与する電子の注入が生じ、この領域において、有機半導体発光層５内での正孔および電子の再結合、ならびにこれに伴う発光が生じる。
図４（Ｂ）においてゲート電圧Ｖg＝２０Ｖの場合に注目すると、ドレイン電圧対ドレイン電流の特性曲線は、ドレイン電流が飽和する飽和領域ＲＢと、この飽和領域ＲＢに引き続いて、ドレイン電圧の増加に従ってドレイン電流が増加して発散していく発散領域ＲＣとを有している。この場合、Ｎ型駆動であるので、飽和領域ＲＢおよび発散領域ＲＣにおいては、ソース電極３から有機半導体発光層５への電子の注入が生じている。発散領域ＲＣに至ると、ドレイン電極４から有機半導体発光層５に、発光に寄与する正孔が注入され、これらが、有機半導体発光層５内で再結合し、これに伴う発光が生じることになる。
このようにして、電界効果型トランジスタの活性層として機能する有機半導体発光層５からの発光を生じさせることができる。
図７（Ａ）−７（Ｄ）は、Ｐ型駆動の場合におけるドレイン電流に対する量子効率（Quantum efficiency）の測定結果を示す図である。図７（Ａ）は、ＴＰＴＰＴの含有量が６０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｂ）はＴＰＴＰＴの含有量が５０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｃ）はＴＰＴＰＴの含有量が４０モル％である場合の特性を示し、図７（Ｄ）はＴＰＴＰＴの含有量が３３モル％である場合の特性を示す。
ドレイン電流の変化に対する量子効率の変化が大きい場合、ドレイン電流の制御による光量の制御は複雑になる。これに対して、ドレイン電流の変動に対する量子効率の変動が少なければ、ドレイン電流の増加に伴って発光光量を増加させることができるので、発光光量の制御が簡単になる。このような観点から、ドレイン電流に対する量子効率の変動が少ない特性が好ましい特性であるといえる。図７（Ａ）−７（Ｄ）からは、ＴＰＴＰＴの含有量を５０モル％以下（より好ましくは４０モル％以下、さらに好ましくは３３モル％以下）とすることによって、好ましいドレイン電流対量子効率特性が得られることがわかる。
図８（Ａ）−８（Ｄ）は、Ｎ型駆動の場合における同様な特性を示しており、図８（Ａ）はＴＰＴＰＴの含有量が６０モル％の場合の特性を示し、図８（Ｂ）はＴＰＴＰＴの含有量が５０モル％の場合の特性を示し、図８（Ｃ）はＴＰＴＰＴの含有量が４０モル％の場合の特性を示し、図８（Ｄ）はＴＰＴＰＴの含有量が３３モル％の場合の特性を示している。
図７（Ａ）−７（Ｄ）の場合と同様な考察を行うと、Ｎ型駆動の場合には、ＴＰＴＰＴの含有量が５０モル％以上（より好ましくは６０モル％以上）の場合に、良好なドレイン電流対量子効率特性が得られることがわかる。
図９は、ＴＰＴＰＴの含有量に対する量子効率の変動を示す図である。Ｐ型駆動の場合にはＴＰＴＰＴの含有量を多くすることによって、量子効率が向上されることがわかる。これに対して、Ｎ型駆動の場合にはＴＰＴＰＴの含有量７０モル％程度で量子効率は飽和してしまう。なお、図９には、Ｐ型駆動に関しては、ドレイン電圧Ｖdを−１００Ｖとし、ゲート電圧Ｖg＝−１００Ｖとした場合の測定結果が示されており、Ｎ型駆動に関しては、ドレイン電圧Ｖd＝１００Ｖとし、ゲート電圧Ｖg＝０Ｖとした場合の特性が示されている。
図１０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解的な断面図である。この図１０において、上述の図１に示された各部に相当する部分には、図１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、有機半導体発光層５は、ＴＰＴＰＴで構成されたＰ型有機半導体層５Ｐと、ＮＴＣＤＡで構成されたＮ型有機半導体層５Ｎとを積層した積層構造膜によって構成されている。図１０では、Ｐ型有機半導体層５ＰがＮ型有機半導体層５Ｎ上に積層されているが、この２層の有機半導体層５Ｐ，５Ｎの配置は図１０の配置と逆であってもよい。有機半導体発光層５上には、ソース電極３およびドレイン電極４が、所定の微小距離（たとえば２５ｎｍ）だけ間隔をあけて配置されている。図１０の配置では、上に配置されたＰ型有機半導体層５Ｐに、ソース電極３およびドレイン電極４の両方が接している。
この実施形態では、単層でトランジスタ特性を示すＰ型有機半導体材料からなるＰ型有機半導体層５Ｐと、単層でトランジスタ特性を示すＮ型材料からなるＮ型有機半導体層５Ｎとを積層することによって、全体としてバイポーラ駆動が可能な有機半導体発光層５が構成されている。Ｐ型駆動を行う場合の電子注入電極となるドレイン電極４はＮ型有機半導体層５Ｎに接していないが、このような状態であっても、ドレイン電極４は、Ｐ型有機半導体層５Ｐを突き抜けて、Ｎ型有機半導体層５Ｎとの間でキャリヤ（電子）の授受を行うことができる。また、Ｎ型駆動を行う場合における電子注入電極となるソース電極３は、Ｎ型有機半導体層５Ｎに接していないが、このソース電極３は、Ｐ型有機半導体層５Ｐを突き抜けて、Ｎ型有機半導体層５Ｎとの間でキャリヤ（電子）の授受を行うことができる。
キャリヤの授受を行うため、Ｐ型有機半導体層５Ｐの厚みは２００ｎｍ以下であることが好ましい。本実施形態のＰ型有機半導体層５Ｐの厚みは１００ｎｍである。
このような構成によって、前述の第１の実施形態の場合と同じく、Ｐ型駆動またはＮ型駆動を行うことにより、有機半導体発光層５内において正孔および電子の再結合を生じさせ、これに伴う発光を起こさせることができる。
図１１は、この発明の第３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解的な断面図である。この図１１において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。また、この実施形態の説明において、上述の図２を再び参照する。
この実施形態では、電界効果型トランジスタの活性層として機能する有機半導体発光層５０には、Ｐ型有機半導体材料であるＴＰＴＰＴが適用されており、この有機半導体発光層５０に、Ｎ型有機半導体材料は実質的に混入されていない。すなわち、この実施形態の有機半導体発光層５０は、Ｐ型有機半導体材料の単層からなっている。
この実施形態において、ソース電極３とドレイン電極４との間の距離であるチャネル長Ｌは、１μｍ以下、より具体的には０．８μｍとされている。ソース電極３の櫛歯部３Ｂとドレイン電極４の櫛歯部４Ｂとの対向部の全長であるチャネル幅は、たとえば、１ｍｍとされている。
図１２（Ａ）は、図１１の有機半導体発光装置（チャネル長Ｌ＝０．８μｍ）におけるドレイン電圧（Drain voltage）に対するドレイン電流（Drain current）の変動を示す特性図であり、ゲート電圧Ｖgを０Ｖ，−２０Ｖ，−４０Ｖ，−６０Ｖ，−８０Ｖ，−１００Ｖとした場合の各特性が示されている。また、図１２（Ｂ）は、チャネル長Ｌ＝９．８μｍとした有機半導体発光装置の同様な特性を示している。チャネル長Ｌを９．８μｍとした場合には、参照符号Ｓ１で示すように、Ｐ型駆動において典型的な飽和特性が現れる。すなわち、有機半導体層には正孔電流が流れるだけであって、この有機半導体層への電子の注入は生じない。
それに対して、チャネル長Ｌ＝０．８μｍとした場合には、参照符号Ｓ２に示すように、発散領域が現れる。これは、有機半導体発光層５０に対して、ドレイン電極４からの電子の注入が生じていることを表わす。すなわち、チャネル長Ｌを１μｍ以下（具体的には０．８μｍ）とした本実施形態の構成の場合には、本来的には正孔の輸送のみが可能なＰ型有機半導体材料の単層からなる有機半導体発光層５０に対して、ソース電極３からの正孔の注入とともにドレイン電極４からの電子の注入が同時に生じ、それらの再結合に伴う発光が生じることになる。
図１３（Ａ）は、チャネル長Ｌ＝０．８μｍとした場合におけるドレイン電圧に対する輝度（Luminance）の特性を示し、図１３（Ｂ）は、チャネル長Ｌ＝９．８μｍとした場合におけるドレイン電圧に対する輝度の特性を示している。これらの比較から、チャネル長Ｌ＝０．８μｍとした本実施形態の構成により、チャネル長が９．８μｍの場合の約５倍の輝度が得られることが理解される。
図１４（Ａ）は、チャネル長Ｌ＝０．８μｍとした本実施形態の有機半導体発光装置におけるドレイン電圧に対する量子効率（Quantum efficiency）の特性図であり、図１４（Ｂ）は、チャネル長Ｌ＝９．８μｍとした場合における同様な特性を示している。これらの比較から、チャネル長Ｌ＝０．８μｍとした本実施形態の構成により、チャネル長Ｌ＝９．８μｍとした場合の約１０倍の量子効率が達成されることがわかる。
図１５（Ａ）−１５（Ｃ）は、Ｐ型有機半導体材料からなる有機半導体発光層５０における発光のメカニズムを説明するための図解図であり、図１５（Ａ）は、チャネル長Ｌを１μｍ以下とした場合に対応し、図１５（Ｂ）はチャネル長Ｌを１０μｍ程度とした場合に対応している。図１５（Ｃ）は、図１５（Ａ）に対応したバンド構造図である。
ゲート電極１に対して、負の電圧Ｖgを印加したときに、有機半導体発光層５０において酸化シリコン膜２の界面の近傍に正孔のチャネル５１が形成され、そのピンチオフ点５２が、ドレイン電極４の近傍に至る。
しかし、図１５（Ｂ）のように、チャネル長Ｌが長いときには、ピンチオフ点５２とドレイン電極４との間に形成される電界強度が十分に高くなく、ドレイン電極４内の電子は、このドレイン電極４と有機半導体発光層５０との間の電位障壁を容易には突き抜けない。
これに対して、図１５（Ａ）の場合のように、チャネル長Ｌが十分に短い場合には、ピンチオフ点５２とドレイン電極４との間に高電界が形成され、エネルギーバンドが大きく曲げられる。これにより、ドレイン電極４内の電子は、このドレイン電極４と有機半導体発光層５０との間の電位障壁を突き抜けて有機半導体層５内に注入され、正孔と再結合する。
しかも、図１５（Ａ）および（Ｂ）の比較から理解されるように、チャネル長Ｌを短くすることにより、ピンチオフ点からドレイン電極までの間に高電界が生じ、これによって、ドレイン電極４からの電子の注入効率が高まるとともに、正孔および電子の再結合効率も高まる。これによって、発光効率が向上される。
ドレイン電極４から有機半導体発光層５への電子注入のメカニズムは推定にすぎないが、上記のような電位障壁を突き抜けるＦＮ（ファウラーノルドハイム）トンネル効果の他に、ピンチオフ点５２とドレイン電極４との間に生じる高電界に起因するＰ型有機半導体材料（ＴＰＴＰＴ）の励起が考えられる。
すなわち、図１６に示すように、Ｐ型有機半導体材料中のＨＯＭＯエネルギーレベルの電子が高電界によってＬＵＭＯエネルギーレベルへと励起されて、これが有機半導体発光層５内で正孔と再結合する。それととともに、ＬＵＭＯエネルギーレベルへの励起によって空席となったＨＯＭＯエネルギーレベルに、ドレイン電極４から電子が注入されて補われる。
Ｐ型半導体材料からなる有機半導体発光層５０には、発光材料がドーピングされていることが好ましい。これにより、発光効率をより向上することができる。
ドーピングされる発光材料は、Ｐ型有機半導体材料としてのＴＰＴＰＴよりも、ＨＯＭＯエネルギーレベルとＬＵＭＯエネルギーレベルとのエネルギー差が小さな有機半導体材料であることが好ましい。このような発光材料としては、Ｒｕｂｒｅｎｅ、ＤＣＭ、フルオレン化合物、スチルベンを含む化合物、アセン誘導体など、発光量子収率が９０％以上ある材料が好ましい。また、リン光材料であるＰｔＯＥＰなどの白金錯体やイリジウム錯体などの金属錯体も有用である。また、化合物の置換基を選択し、共役系を広げることによって、ＨＯＭＯエネルギーレベルおよびＬＵＭＯエネルギーレベルを調整できる。
発光材料の有機半導体発光層５０へのドーピングは、たとえば、ＴＰＴＰＴと発光材料とを共蒸着することによって有機半導体発光層５０を形成することにより行われてもよい。
また、有機半導体発光層５０への正孔および電子の注入効率を高めるために、ソース電極３およびドレイン電極４を、ＭｇＡｕ合金層とＡｕ層との積層構造膜で構成してもよい。また、ソース電極３およびドレイン電極４の全体をそれぞれＭｇＡｕ合金で構成してもよい。
図１７は、この発明の第４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解的な断面図である。この図１７において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態の有機半導体発光装置は、透明基板としてのガラス基板１１上に、透明導電膜からなるゲート電極１を形成し、このゲート電極１上に酸化シリコン膜２を介してソース電極３およびドレイン電極４を配置した構成となっている。また、ソース電極３およびドレイン電極４を被覆するとともに、ソース電極３およびドレイン電極４の間の領域において酸化シリコン膜２を介してゲート電極１に対向するように、有機半導体発光層５が配置されている。この有機半導体発光層５の代わりに、上述の図１１に示されたＰ型有機半導体材料の単層からなる有機半導体発光層５０が配置されてもよいが、この場合には、ソース電極３およびドレイン電極４の間の間隔であるチャネル長Ｌを１．０μｍ以下とすることが好ましい。
有機半導体発光層５の表面には、この有機半導体発光層５の吸湿を防止するための乾燥剤層１２が配置されており、さらに、この乾燥剤層１２上には乾燥剤層１２を保持するための保持基板としてのガラス基板１３が配置されている。ガラス基板１１，１３の間には、これらを互いに固定し、有機半導体発光層５および乾燥剤層１２が配置された空間を封止して密閉空間１４を形成するための接着層１５が配置されている。また、ガラス基板１１において有機半導体発光層５とは反対側の表面である光取り出し側表面１１Ａには、視認性を改善するための偏光板１６が配置されている。
ゲート電極１を構成する透明導電膜は、たとえば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っている。また、上記接着層１５は、たとえばエポキシ樹脂からなっている。さらに、乾燥剤層１２は、たとえば酸化バリウム等で構成されている。
この構成では、透明基板であるガラス基板１１側に光が取り出され、この光が偏光板１６を介して観察されることになる。有機半導体発光層５は、乾燥剤層１２が配置された密閉空間１４内に封止されているので、吸湿に伴う変質を抑制または防止することができ、有機半導体発光装置の長寿命化を図ることができる。
なお、この図１７の構成において、ガラス基板１１と偏光板１６との間に、光取り出し効率を高めるためのレンズ（図１のレンズ６と同様のもの）が配置されていてもよい。
図１８は、図１、図１０、図１１または図１７に示された構成を有する有機半導体発光装置１０を基板２０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、前述のような有機半導体発光装置１０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１０を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体発光装置１０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。基板２０は、図１、図１０または図１１の構成の場合には、たとえば、ゲート電極１と一体化したシリコン基板であってもよい。すなわち、ゲート電極１は、シリコン基板の表面にパターン形成した不純物拡散層からなる導電層により構成しておけばよい。また、図１７の構成が適用される場合には、基板２０として、ガラス基板１１を用いればよい。
各有機半導体発光装置１０をＰ型駆動する場合には、そのドレイン電極４（Ｄ）にはバイアス電圧Ｖｄ（＜０）が与えられ、そのソース電極３（Ｓ）は接地電位（＝０）とされる。ゲート電極１（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１０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６３によって制御される走査線駆動回路６１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６１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６２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６２には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ６３から入力されるようになっている。データ線駆動回路６２は、各行の複数の画素が走査線駆動回路６１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１（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１０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６１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１０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。
以上、この発明の４つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、前記第１および第２の実施形態などで用いられているＮＴＣＤＡに代えて、Ｃ6−ＮＴＣ（下記化学式（３））や、ＣＨ2Ｃ6Ｆ13−ＮＴＣ（下記化学式（４））などをＮ型有機半導体材料として用いてもよい。これらの材料は、ＮＴＣＤＡよりもアクセプター性が弱く、量子収率の向上を見込むことができる。
Figure 0004972730
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また、ソース電極３およびドレイン電極４の材料としては、金の他にも、マグネシウム、白金、アルミニウム、ＩＴＯ、ＩＺＯなどを適用することができる。さらに、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜の他にも、窒化シリコン膜やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）膜、アルミナ膜、酸化タンタル膜などが適用されてもよい。
有機半導体発光層の膜厚は、とくに限定されないが、干渉効果によって光取り出し効率を最大にできるように定められることが好ましい。具体的には、有機半導体発光層の屈折率をｎ、発光波長をλとしたときに、膜厚ｔ＝（２ｋ＋１）・（λ／４ｎ）（ただし、ｋ＝０，１，２，３，……）とすればよい。
さらに、前記の図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２００４−２５０６００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 (17)

  1. 基板の表面に沿って形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆うように前記基板の表面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
    前記基板の表面に沿って形成され、正孔および電子を輸送可能であり、正孔および電子の再結合により発光を生じる有機半導体発光層と、
    この有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極と、
    この正孔注入電極に対して、前記基板の表面に沿って所定の間隔を開けて配置され、前記有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極とを含み、
    前記ゲート電極が、前記正孔注入電極と前記電子注入電極との間の前記有機半導体発光層に対向し、前記有機半導体発光層内のキャリヤの分布を制御するものである、有機半導体発光装置。
  2. 前記有機半導体発光層は、正孔輸送材料であるＰ型有機半導体材料と、電子輸送材料であるＮ型有機半導体材料とを含むものである、請求項１記載の有機半導体発光装置。
  3. 前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の混合物からなる、請求項２記載の有機半導体発光装置。
  4. 前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料の共蒸着によって作製されたものである、請求項３記載の有機半導体発光装置。
  5. 前記有機半導体発光層は、さらに、発光中心を形成する発光材料を含む、請求項３記載の有機半導体発光装置。
  6. 前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料、Ｎ型有機半導体材料および発光材料の共蒸着によって作製されたものである、請求項５記載の有機半導体発光装置。
  7. 前記発光材料は、前記Ｐ型半導体材料およびＮ型有機半導体材料の少なくともいずれか一方よりもＨＯＭＯエネルギーレベルとＬＵＭＯエネルギーレベルとの差が小さい材料である、請求項５または６記載の有機半導体発光装置。
  8. 前記有機半導体発光層は、Ｐ型有機半導体材料からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型有機半導体材料からなるＮ型有機半導体層とを積層した積層構造を有している、請求項２記載の有機半導体発光装置。
  9. 前記Ｐ型有機半導体層およびＮ型有機半導体層のいずれか一方に、前記正孔注入電極および電子注入電極の両方が接している、請求項８記載の有機半導体発光装置。
  10. 前記Ｐ型有機半導体材料は、チオフェンおよびフェニレンのコオリゴマーを含む、請求項２ないし９のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  11. 前記Ｎ型有機半導体材料は、ナフタレン酸無水物を含む、請求項２ないし１０のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  12. 基板の表面に沿って形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆うように前記基板の表面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
    前記基板の表面に沿って形成され、正孔および電子の少なくともいずれか一方の注入が可能であり、正孔および電子の再結合により発光を生じる有機半導体発光層と、
    この有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極と、
    この正孔注入電極に対して、前記基板の表面に沿って１．０μｍ以下の間隔を開けて配置され、前記有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極とを含み、
    前記ゲート電極が、前記正孔注入電極と前記電子注入電極との間の前記有機半導体発光層に対向し、前記有機半導体発光層内のキャリヤの分布を制御するものである、有機半導体発光装置。
  13. 前記有機半導体発光層が、Ｐ型有機半導体材料またはＮ型有機半導体材料の単層からなる、請求項１２記載の有機半導体発光装置。
  14. 前記有機半導体発光層は、さらに、発光中心を形成する発光材料を含む、請求項１２または１３記載の有機半導体発光装置。
  15. 前記有機半導体発光層は、チオフェンおよびフェニレンのコオリゴマーを含む、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の有機半導体発光装置。
  16. 前記正孔注入電極および前記電子注入電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有している、請求項１ないし１５のいずれかに記載の有機半導体発光装置。
  17. 請求項１ないし１６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る表示装置。
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