JP5465825B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法及び表示装置 - Google Patents

半導体装置、半導体装置の製造方法及び表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、有機物を用いた発光を生じる半導体装置、半導体装置の製造方法、及び、半導体装置を用いた表示装置に関する。
近年、半導体に用いる材料として、有機物を用いた有機半導体が注目を集めている。
一般に、有機半導体に用いられる有機物は、スピンコート法や真空蒸着法といった簡便な成膜法によって容易に薄膜が形成でき、さらに、アモルファスまたは多結晶のシリコンを用いた従来の半導体装置に比べ、製造プロセス温度を低温化できるという利点がある。プロセス温度の低温化は、耐熱性の低いプラスチック基板上への形成が可能となり、ディスプレイの軽量化や低コスト化、さらにはプラスチック基板のフレキシビリティを生かしたことによる用途の多様化など、多くの効果が期待できる。
従来、有機半導体としての有機物を用いた半導体装置としては、例えば、特許文献１に記載されている技術が知られている。
この特許文献１記載の半導体装置は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）として用いられる技術であり、有機半導体層からなる発光部と、この発光部に電子を注入する電子注入電極と、有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極とを備えている。
そして、発光部において、電子注入電極からの電子及び正孔注入電極からの正孔の再結合により発光を生じさせている。
また、特許文献２には、ｎ型の特性を備えた有機半導体層とｐ型の特性を備えた有機半導体層を組み合わせてなり、かつ、両極性の特性を有する発光部を備えた半導体装置を、表示装置・映像装置に用いる半導体装置の技術が記載されている。
特許文献３には、カーボンナノチューブ又は窒化ホウ素ナノチューブからなる両極性の特性を備えた発光部を備えた半導体装置の技術が記載されている。
このような半導体装置は、液晶素子と異なる自発光素子であり視野角依存性が無いなどの長所を持つ。
また、半導体装置は、発光部の発光輝度の制御のために、トランジスタなどにより、発光部を流れる直流電流が制御される。
また、特許文献２及び３には、半導体装置において、トランジスタは発光部とは別に設けると、製造工程が複雑になったり、開口率が低くなったりすることから、発光部自体にトランジスタ機能を持たせたいわゆる、有機発光トランジスタの技術の記載がある。
特開平５−３１５０７８号公報 特開２００５−２０９４５５号公報 特表２００６−５０１６５４号公報
ところで、このような半導体装置の発光部の発光機能効率を高めたり、良好なトランジスタ機能を得たりするためには、発光部に注入されるキャリア（正孔及び電子）のバランスを適切に定める必要がある。
しかしながら、このような半導体装置においては、発光部に有機物のみを用いているので、注入される双方のキャリアのバランスが適切に定めにくくなり、歩留まりが悪くなる。そのため、製造効率に劣るという問題があった。
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、有機半導体として有機物を用いて製造コストの低減に寄与できるようにするとともに、かつ、注入されるキャリアのバランスを適切に定めやすくして製造効率を向上させた半導体装置、半導体装置の製造方法、及び、半導体装置を用いた表示装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、有機半導体層及び酸化物半導体層を備え、発光する構成としている。
また、前記発光が、正孔及び電子の再結合により生じることが好ましい。
また、前記半導体装置が、ｎ型及びｐ型の両極性を示す、トランジスタであることが好ましい。
このような半導体装置によれば、発光部は、有機物からなる有機半導体層と、酸化物からなる酸化物半導体層とを組み合わせてなるので、発光部全部が有機物からなるものに比較して、注入される双方のキャリア（正孔及び電子）のバランスが適切に定めやすくなり、歩留まりが良好になる。これにより、製造効率を向上させることができる。
また、発光部は、注入されるキャリアのバランスを良好にすることができる。そのため、発光効率の高効率化が容易になる。さらに、トランジスタ機能も容易に向上させることができる。
また、前記酸化物半導体層は、ｎ型非縮退酸化物からなり、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であることが好ましい。
また、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａの少なくともいずれかを含む非晶質酸化物で形成されることが好ましい。
また、前記酸化物半導体層は、ＩｎとＧａとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＳｎとＺｎとＧａとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＳｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＧａとを含む非晶質酸化物、及び、ＺｎとＳｎとを含む非晶質酸化物のうち、いずれかで形成されることが好ましい。
また、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａのいずれかを含む多結晶酸化物で形成されることが好ましい。
また、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ及び正二価元素を含む多結晶酸化物で形成されことが好ましい。
また、前記酸化物半導体層を、複数種類の層状酸化物を積み重ねた積層構造とし、該積層構造のうち、最も前記有機半導体層側の層状酸化物の材料に、該層状酸化物の仕事関数が、その他の層状酸化物の仕事関数より大きくなるものを用いることが好ましい。
上記のように半導体装置を構成すると、酸化物半導体層に注入されるキャリア濃度及びキャリア移動度の調整を容易に行うことができ、歩留まりが良好になる。そのため、製造効率を向上させることができる。また、発光効率及びトランジスタ機能の向上も期待できる。
また、前記有機半導体層は、ｐ型の特性を有した有機物、両極性型の特性を有した有機物、又は、ｎ型の特性を有した有機物、若しくは、それらの積層物、又は、混合物で形成されることが好ましい。
上記のような半導体装置とすると、有機半導体層に注入されるキャリア濃度及びキャリア移動度を調整しやすくなる。そのため、歩留まりが良好になり、製造効率を向上させることができる。また、発光効率及びトランジスタ機能の向上も期待できる。
また、前記有機半導体層は、正孔及び電子の再結合による発光を生じる有機物からなることが好ましい。
これにより、有機半導体層で発光を生じさせることができる。
また、前記有機半導体層及び酸化物半導体層は、互いに接触することが好ましい。
また、前記有機半導体層及び酸化物半導体層が、発光部を形成することが好ましい。
また、前記発光部に絶縁体層を介して第一の電極を設け、前記発光部に接し前記第一の電極と離間した第二の電極を設け、前記発光部に接し前記第一及び第二の電極とは離間した第三の電極を設ける構成が好ましい。
この半導体装置は、第一の電極をゲート電極として、第二及び第三の電極のいずれか電圧の低い方を電子注入電極として、いずれか電圧の高い方を正孔注入電極として用いる。電子注入電極及び正孔注入電極に電圧を印加すると、発光部に電子と、正孔が注入される。そして、注入された電子と正孔が発光部内で再結合する。
そして、発光部１内で、電子と正孔とが再結合し、再結合によるエネルギーが発生する。再結合があった周囲の有機物分子又は酸化物分子は、基底状態から励起させられ、再び基底状態に戻るときに、差分のエネルギーを光として放出する。
そして、ゲート電極の電圧の制御などにより、第二の電極及び第三の電極間に流れる電流を制御する。このようにすると、発光部に注入されるキャリア（正孔及び電子）の量が増減する。これにより、発光部の発光輝度の制御を行うことができる。
また、前記有機半導体層及び酸化物半導体層を薄膜に形成することが好ましい。
また、ｎ型駆動時の電界効果移動度μ（ｎ）とｐ型駆動時の電界効果移動度μ（ｐ）の比μ（ｎ）／μ（ｐ）が、１０−５≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０５の範囲にあることが好ましい。
上記した構成の半導体装置によれば、発光効率及びトランジスタ機能に優れる半導体装置を製造できる。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、上記半導体装置の製造方法であって、酸化物半導体層を形成し、該酸化物半導体層を酸素及び／又はオゾンの存在下に置き、その後、有機半導体層を形成している。
このような構成からなる製造方法によれば、酸化物半導体層を形成した後に大気などの酸素存在下に置いたりオゾン処理などの表面洗浄・改質を行うことができる。
酸化物半導体は、酸素存在下に置かれると、酸素やオゾンが作用し、表面の−ＯＨなど極性を持つ官能基が増え、電子・正孔の注入性が変化する効果を期待できる。
これにより、製造工程の自由度が大きく実用化も容易になる。
上記目的を達成するため、本発明の表示装置は、上記半導体装置を用いている。
これにより、発光機能及びトランジスタ機能を有した半導体装置を用いているので、構造が簡単になる。そのため、表示装置の製造工程も簡単になり、製造効率を向上させることができる。
本発明によれば、また、有機半導体層及び酸化物半導体層からなる発光部を備えたので、有機物からなる有機半導体層のみを備えるものに比較して、キャリアのバランスを安定させることが容易になる。これにより、製造効率を向上させることができる。
以下図面に基づいて、本発明の半導体装置、半導体装置の製造方法、及び、半導体装置を用いた表示装置の実施の形態について説明する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
図１に示すように、半導体装置は、有機半導体層１０及び酸化物半導体層１１が形成する発光部１を備えており、この発光部１内において、正孔及び電子が再結合することによって発光する。
具体的には、発光部１内であれば、有機半導体層１０、酸化物半導体層１１、若しくは両方、又は、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面で発光させてもよいが、有機半導体層１０あるいは有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面近傍で発光させることが好ましい。
本実施形態の半導体装置は、有機物半導体層１０及び酸化物半導体層１１が形成する発光部１と、発光部１に絶縁体層３を介して設けられた第一の電極２と、発光部１に接し第一の電極２と離間した第二の電極４と、発光部に接し第一及び第二の電極２，４と離間した第三の電極５とを備えている。
この半導体装置は、発光素子として用いられるもので、基板６上に、各層が薄膜の状態で積層されている。
詳しくは、半導体装置は、第一の電極２として用いられる基板６と、基板６上に成膜された絶縁体層３と、絶縁体層３上に成膜された発光部１と、絶縁体層３と発光部１の間に離間して設けられた第二及び第三の電極４，５とを備えている。
本発明を構成する発光部１は、ｎ型及びｐ型の両極性の特性とトランジスタ機能とを備えている。
発光部１は、有機物からなる有機半導体層１０と、酸化物からなる酸化物半導体層１１とを備え、有機半導体層１０及び酸化物半導体層１１が第二の電極４側から第三の電極５側に至るように形成されている。また、有機半導体層１０及び酸化物半導体層１１は、互いに接触している。
ここで、発光部１は、有機半導体層１０の全体がｐ型の特性を備え、酸化物半導体層１１の全体がｎ型の特性を備える組み合わせ、有機半導体層１０の全体がｎ型の特性を備え、酸化物半導体層１１の全体がｐ型の特性を備える組み合わせ、及び、有機半導体層１０の全体が両極性型の特性を備え、酸化物半導体層１１の全体がｐ型又はｎ型の特性を備える組み合わせのうち、いずれかの組み合わせで構成することが好ましい。これらの組み合わせのうち、有機半導体層１０の全体が、ｐ型の特性を備え、酸化物半導体層１１の全体が、ｎ型の特性を備える組み合わせとした発光部１とすることが、ｎ型の酸化物半導体のバンドギャップがｐ型の有機半導体のバンドギャップに対して大きいという理由により、好ましい。
有機半導体層１０は、正孔及び電子の再結合による発光を生じる有機物からなる。
また、有機半導体層１０は、ｐ型の特性を備えた有機物、両極性型の特性を備えた有機物又はｎ型の特性を備えた有機物、若しくは、それらのうちいずれか二種以上からなる積層体又は混合体で形成されている。
具体的には、有機半導体層１０は、正孔及び電子の再結合による発光を生じる有機物からなり、ペンタセンやオリゴチオフェン等の有機低分子、ポリチオフェン等の有機高分子、フタロシアニン等の金属錯体、Ｃ６０、Ｃ８２、金属内包フラーレン（例えばディスプロシウム（Ｄｙ）を内包したフラーレン（Ｄｙ＠Ｃ８２））等のフラーレン類、及びカーボンナノチューブ類の群から選択される少なくとも一種から形成されている。
上記有機半導体層１０のうち、ｐ型の特性を備えた有機物又は両極性型の特性を備えた有機物、若しくは、それらの積層体又は混合物で構成されている有機半導体層１０が好ましい。
特に、有機半導体層１０のうち、ｐ型の特性を備えた有機物若しくはｐ型の特性を備えた有機物の積層物又は混合物で構成されている有機半導体層１０が、ｐ型の特性を備えた有機物が大気に触れても特性の低下が少ないという理由により、より好ましい。
また、有機半導体層１０を構成するｐ型の特性を備えた有機物としては、１，４−ｂｉｓ（４−ｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｙｌ）ｂｅｎｚｅｎｅ（４ＭＳＢ）や、１，４−ｂｉｓ（２−ｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｙｌ）ｂｅｎｚｅｎｅ（２ＭＳＢ）（ともにＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ． ４５， Ｎｏ． １１， ２００６， ｐｐ． Ｌ３１３-Ｌ３１５参照）、Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ、Ｔｅｔｒａｃｅｎｅ、Ａｎｔｈｒａｃｅｎｅ、Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ、α−Ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、α，ω−Ｄｉｈｅｘｙｌ−ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、Ｏｌｉｇｏｐｈｅｎｙｌｅｎｅ、Ｏｌｉｇｏｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｉｌｅｎｅ、Ｄｉｈｅｘｙｌ−Ａｎｔｈｒａｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、Ｂｉｓ（ｄｉｔｈｉｅｎｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）， Ｐｏｌｙ（３−ｂｕｔｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、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、有機半導体層１０を構成するｎ型の特性を備えた有機物としては、Ｃ６−ＰＴＣ、Ｃ８−ＰＴＣ、Ｃ１２−ＰＴＣ、Ｃ１３−ＰＴＣ、Ｂｕ−ＰＴＣ、Ｆ７Ｂｕ−ＰＴＣ＊、Ｐｈ−ＰＴＣ、Ｆ５Ｐｈ−ＰＴＣ＊、ＰＴＣＢＩ、ＰＴＣＤＩ、Ｍｅ−ＰＴＣ、ＴＣＮＱ、Ｃ６０フラーレンなどを例示することができる。
また、有機半導体層１０を構成する両極性型の特性を備えた有機物としては、例えば、各々純度の高いＰｅｎｔａｃｅｎｅ、ルブレン、銅フタロシアニン、テトラセンなどを例示することができる。
また、有機半導体層に用いる有機物は蛍光量子収率が１％以上のものが好ましく、より好ましくは５％以上、さらに好ましくは１０％以上、特に好ましくは２０％以上である。
本実施形態において、有機半導体層１０を形成する成膜方法としては、スプレー法、ディップ法、ＣＶＤ法などの化学的成膜方法のほか、真空蒸着法などの物理的成膜方法も利用することができる。キャリア密度の制御性や、膜質の向上を考慮すると、物理的成膜方法の方が好ましい。
本実施形態においては、酸化物半導体層１１として、ｎ型の特性を備えた非縮退酸化物を用いている。この酸化物半導体層１１は、透明酸化物半導体層となっている。
また、酸化物半導体層１１は、その電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であることが好ましく、１０１７／ｃｍ３未満であることがより好ましく、５×１０１６／ｃｍ３未満であることがさらに好ましく、１０１６／ｃｍ３未満であることが特に好ましい。
また、下限に制限はないが、通常１０１０／ｃｍ３以上で、１０１２／ｃｍ３以上が好ましい。電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３以上であると有機半導体との導電性のバランスが得られにくくなり両極性を示さないおそれがある。
この酸化物半導体層１１は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａの少なくともいずれかを含む非晶質酸化物で構成されることが好ましい。また、酸化物半導体層１１は、ＩｎとＧａとＺｎとＳｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＧａとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＳｎとＺｎとＧａとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＳｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＧａとを含む非晶質酸化物、及び、ＺｎとＳｎとを含む非晶質酸化物のうち、いずれかで形成されることがさらに好ましい。Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｇａは、比較的大きなｓ軌道を持ち非晶質化しても良好なｎ型半導体の特性を示し、電子輸送特性が良好で移動度などの半導体特性が高くなることを期待できる。
あるいは、酸化物半導体層１１は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａのいずれかを含む多結晶酸化物で形成されることが好ましく、Ｉｎ及び正二価元素を含む多結晶酸化物で形成されることがさらに好ましい。Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａのいずれかを含む多結晶酸化物は作製時の酸素分圧や作製後の酸化処理でキャリア密度を制御することができる。Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｇａは比較的大きなｓ軌道を持ち良好なｎ型半導体の特性を示し、電子輸送特性が良好で移動度などの半導体特性が高いことが期待できる。特に、Ｉｎは大きなｓ軌道を持ちさらに多結晶化しても粒界の散乱による電子輸送特性の低下が少ないことが期待できる。また、４５０℃以上の高温で処理しなくとも正二価元素の濃度を変えることで比較的容易にキャリア濃度を所望の濃度に制御できる。
なお、この酸化物半導体層１１は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａの少なくともいずれかを含む非晶質酸化物よりもＩｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａのいずれかを含む多結晶酸化物で形成されることがより好ましい。これは、電子キャリア密度の制御（低減）と高い電子移動度が両立しやすく信頼性も高いからである。
正二価元素としては、例えば、Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｙｂなどが挙げられる。これらのなかでも、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃａが好ましい。これらのなかでも、効率的にキャリア濃度を制御できることから、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃａがより好ましく、添加によるキャリア制御の効果からはＣｕ，Ｎｉが特に好ましく、透過率やバンドギャップの広さからはＺｎ，Ｍｇが特に好ましい。これらの正二価元素は、本実施形態の効果を失わせない範囲内で複数組合せて使用してもよい。なお、ここでいう正二価元素とは、イオン状態での価数としてそれぞれ正二価を取りうる元素のことである。
さらに、酸化物半導体層１１には、酸化インジウム、正二価元素の酸化物以外の元素や化合物が含まれていてもよい。ただし、通常は酸化インジウムと正二価元素の酸化物とを合わせて５０質量％以上含ませるものとし、その含有量が５０質量％より小さいと、移動度が低下するなど効果が十分に現れないおそれがある。効果が十分に現れるようにするには、酸化インジウムと正二価元素の酸化物と合わせて６５質量％以上含むことが好ましく、より好ましくは８０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上であり、９５質量％以上含むことが特に好ましい。また、キャリア制御の効果が十分に現れるようにするには、Ｓｎなどの正四価元素の含有量が３質量％以下であることが好ましく、２質量％以下であることがより好ましく、１質量％以下であることが特に好ましい。正四価元素を含むとキャリア密度を低濃度に制御できないおそれがある。
また、酸化物半導体層１１中に含有されるインジウム［Ｉｎ］と正二価元素［Ｘ］の原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］は、０．０００１〜０．５とすることができる。
原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．０００１より小さく、正二価元素の含有率が少ないと、本実施形態の効果が現れずキャリア数が制御できないおそれがある。
一方、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］が０．５より大きくなり、正二価元素の含有率が過剰になると、界面あるいは表面が変質しやすく不安定になるおそれや、結晶化温度が高く結晶化が困難になったり，キャリア濃度が高くなったり、ホール移動度が低下したりするおそれがある。また、トランジスタを駆動させた際に閾値電圧が変動したり、駆動が不安定となったりするおそれがある。上記のような不具合をより有効に回避するためには、原子比［Ｘ／（Ｘ＋Ｉｎ）］は０．０００２〜０．１５であるのが好ましく、より好ましくは０．０００５〜０．１、さらに好ましくは０．００１〜０．０９であり、０．００５〜０．０８が特に好ましい。０．０１〜０．０７が最も好ましい。
なお、本発明において、Ｘ線回折スペクトルにおいて、ハローパターンが観測され、特定の回折線を示さない酸化物を非晶質酸化物といい、特定の回折線を示すものを多結晶酸化物という。
本発明に係る酸化物の電子キャリア濃度は、室温で測定する場合の値である。室温とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃から４０℃程度の範囲から適宜選択されるある温度である。なお、本発明に係る酸化物の電子キャリア濃度は、０℃から４０℃の範囲全てにおいて、１０１８／ｃｍ３未満を充足する必要はない。例えば、２５℃において、キャリア電子密度１０１８／ｃｍ３未満が実現されていればよい。また、電子キャリア濃度を更に下げ、１０１７／ｃｍ３以下、より好ましくは１０１６／ｃｍ３以下にすると両極性を示す半導体装置が歩留まり良く得られる。
また、酸化物半導体層１１は、ランタノイド類を含む酸化物であることが好ましい。酸化物半導体層にランタノイド類を含ませると、酸化物半導体層１１の仕事関数を大きくすることができる。
さらに、酸化物半導体層１１は、その仕事関数が４．８（ｅＶ）以上であることが好ましく、５．２（ｅＶ）以上であることがより好ましく、５．６（ｅＶ）以上であることが特に好ましい。
また、酸化物半導体層１１は、そのバンドギャップが２．５（ｅＶ）以上であることが好ましく、２．８（ｅＶ）以上であることがより好ましく、３．１（ｅＶ）以上であることが特に好ましい。バンドギャップが２．５（ｅＶ）より小さいと可視光の吸収が多くなり透明性が低下したり、色が付いたり、光により劣化しやすくなるおそれがある。
さらに、酸化物半導体層１１の屈折率は２．３以下が好ましく、２．１以下がより好ましく、２．０以下が特に好ましい。屈折率が２．３より大きいと有機半導体層１０と積層した際など反射率が高くなるなどのおそれがある。
また、図１（ｂ）に示すように、酸化物半導体層１１は、複数種類の層状酸化物１１０を積み重ねた積層構造に形成してもよい。層状酸化物の各層の組成などを調整することでトランジスタ特性や発光特性を調整することができる。特に有機半導体層１０に接する酸化物半導体層の仕事関数を調整することで電子あるいは正孔の注入特性を調整してｐ型、ｎ型特性のバランスを調整し最適化を行うことができる。層状酸化物１１０の積層構造のうち、有機半導体層１０側の層状酸化物１１０の材料に、層状酸化物１１０の仕事関数が、その他の層状酸化物１１０の仕事関数より大きくなるものを用いることが好ましい。
本実施形態において、酸化物半導体層１１を形成する成膜方法としては、スプレー法、ディップ法、ＣＶＤ法などの化学的成膜方法のほか、物理的成膜方法も利用することができる。キャリア密度の制御性や、膜質の向上を考慮すると、物理的成膜方法の方が好ましい。
物理的成膜方法としては、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、パルスレーザーディポジション法などを挙げることができるが、工業的には量産性が高いスパッタ法が好ましい。
スパッタ法としては、例えば、ＤＣスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＡＣスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法などが挙げられる。これらのなかでも、工業的に量産性が高く、また、ＲＦスパッタ法よりもキャリア濃度を制御しやすいＤＣスパッタ法や、ＡＣスパッタ法が好ましい。また、成膜による界面の劣化を抑えて、漏れ電流を抑制したり、ｏｎ−ｏｆｆ比などの酸化物半導体層１１の特性を向上させたりするには、膜質の制御がしやすいＥＣＲスパッタ法や、対向ターゲットスパッタ法が好ましい。
また、スパッタ時の基板・ターゲット間距離（Ｓ−Ｔ距離）は、通常１５０ｍｍ以下、好ましくは１１０ｍｍ、特に好ましくは８０ｍｍ以下である。Ｓ−Ｔ距離が短いとスパッタ時に基板がプラズマに曝されることにより、膜質の向上が期待できる。また、１５０ｍｍより長いと、成膜速度が遅くなり工業化に適さなくなるおそれがある。
スパッタ法を用いる場合、酸素を含有する焼結ターゲットを用いても、金属、あるいは合金ターゲットを用いて酸素などのガスを導入しながら、反応性スパッタを行なってもよい。
再現性、大面積での均一性、及びＴＦＴにした際の特性から酸素を含有する焼結ターゲットを用いることが好ましい。
焼結ターゲットを製造するにあたり、焼結は還元雰囲気で行うことが好ましい。さらに、焼結ターゲットのバルク抵抗は０．００１〜１０００ｍΩｃｍであることが好ましく、０．０１〜１００ｍΩｃｍであることがより好ましい。焼結ターゲットの焼結密度は、通常７０％、好ましくは８５％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは９９％以上である。
スパッタ法を用いる場合、到達圧力は、通常５×１０−２Ｐａ以下とする。到達圧力が、５×１０−２Ｐａより大きいと、雰囲気ガス中のＨ２Ｏなどから多量の水素原子が供給されて移動度が低下するおそれがある。これは、水素原子が結合することで酸化インジウムの結晶構造に変化が生じたためと考えられる。
このような不具合をより有効に回避するためには、到達圧力は、好ましくは５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは５×１０−４Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−４Ｐａ以下であり、５×１０−５Ｐａ以下であるのが特に好ましい。
また、雰囲気ガス中の酸素分圧は、通常４０×１０−３Ｐａ以下とする。雰囲気ガス中の酸素分圧が４０×１０−３Ｐａより大きいと、移動度が低下したり、キャリア濃度が不安定となったりするおそれがある。これは成膜時に雰囲気ガス中の酸素が多すぎると、結晶格子間に取り込まれる酸素が多くなり散乱の原因となったり、容易に膜中から離脱し不安定化したりするためと推定される。
このような不具合をより有効に回避するためには、雰囲気ガス中の酸素分圧は、好ましくは１５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは７×１０−３Ｐａ以下であり、１×１０−３Ｐａ以下であるのが特に好ましい。
また、雰囲気ガス中の水Ｈ２Ｏ、又は水素Ｈ２の濃度は、通常１．２体積パーセント以下とする。１．２体積パーセントより大きいとホール移動度が低下するおそれがある。このような不具合をより有効に回避するためには、雰囲気ガス中の水Ｈ２Ｏ、又は水素Ｈ２の濃度は、好ましくは１．０体積パーセント以下、より好ましくは０．１体積パーセント以下であり、０．０１体積パーセント以下であるのが特に好ましい。
また、このような成膜工程において、酸化物半導体層１１が多結晶からなる場合には、多結晶膜を成膜する方法、又は成膜してから後処理で結晶化させるかあるいは結晶性を向上させる方法のいずれによってもよい。
多結晶膜を成膜する方法では、通常、基板温度２５０〜５５０℃で物理成膜する。基板温度は、好ましくは３００〜５００℃、より好ましくは３２０〜４００℃である。２５０℃以下では、結晶性が低くキャリア密度が高くなるおそれがある。５５０℃以上では、コストが高くなり、また、基板が変形するおそれがある。
成膜してから後処理で結晶化させるかあるいは結晶性を向上させる方法では、通常は、基板温度２５０℃以下で物理成膜する。基板温度が２５０℃より高いと後処理の効果が十分に発揮されず、低キャリア濃度、高移動度に制御することが困難となるおそれがある。このような不具合をより有効に回避するためには、基板温度は、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１５０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下であり、特に好ましくは５０℃以下である。
結晶質を含む膜を成膜する方法は、プロセスが単純で工業的に好ましいが、高い半導体特性を得るには、成膜してから後処理で結晶化させる方法の方が、結晶性がよく、膜応力も少なく、キャリアを制御しやすいため好ましい。また、後処理で結晶化する前に結晶を含んでいても良いが、いったん非晶質膜を成膜してから、後処理により結晶化させる方が、結晶性の制御が行いやすく、良質な半導体膜が得られるため好ましい。
なお、大面積をスパッタ法で成膜する場合、膜質の均一性を持たせるため、基板を固定したフォルダーは回転させる、マグネットを動かしエロージョン範囲を広げるなどの方法をとることが好ましい。
このような成膜工程を終えた後に、酸化処理工程あるいは結晶化処理を施すことで、透明酸化物半導体層１１中のキャリア濃度を制御することもできる。
なお、成膜時に酸素などのガス成分の濃度を制御して、キャリア濃度を制御する方法もあるが、このような方法では、ホール移動度が低下するおそれがある。これは、キャリア制御のために導入したガス成分が、膜中に取り込まれ散乱因子となっているものと推定される。
また、酸化物半導体層１１は、多結晶膜を用いる場合は非晶質膜として成膜した後に、酸化処理時に結晶化させるのが好ましく、これにより、ホール移動度を高く維持したまま、低いキャリア濃度が実現できる。
また、酸化処理工程あるいは結晶化処理としては、酸素存在下又は酸素の非存在下で、通常８０〜６５０℃、０．５〜１２０００分の条件で熱処理する。酸化処理工程あるいは結晶化処理は、酸素の存在下で行うと、酸素欠損の減少が同時に起こることが期待でき好ましい。
熱処理の温度が８０℃より低いと処理効果が発現しなかったり、時間がかかりすぎたりするおそれがあり、６５０℃より高いとエネルギーコストが高くなったり、タクトタイムが長くなったり、トランジスタとしたときの閾値電圧が大きくなったり、基板が変形したりするおそれがある。このような不具合をより有効に回避するために、処理温度は、好ましくは１２０〜５００℃、より好ましくは１５０〜４５０℃、さらに好ましくは１８０〜３５０℃であり、２００〜３００℃が特に好ましい。２２０〜２９０℃が最も好ましい。
また、熱処理の時間が０．５分より短いと内部まで伝熱する時間が不足し処理が不十分となるおそれがあり、１２０００分より長いと処理装置が大きくなり工業的に使用できなかったり、処理中に基板が破損・変形したりするおそれがある。このような不具合をより有効に回避するために、処理時間は、好ましくは１〜６００分、より好ましくは５〜３６０分、さらに好ましくは１５〜２４０分であり、３０〜１２０分が特に好ましい。
また、酸化処理工程あるいは結晶化処理としては、酸素存在下又は酸素の非存在下、ランプアニール装置（ＬＡ；Ｌａｍｐ Ａｎｎｅａｌｅｒ）、急速熱アニール装置（ＲＴＡ；Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｅｒ）、又はレーザーアニール装置により熱処理することができ、酸化処理工程あるいは結晶化処理として、大気プラズマ処理、酸素プラズマ処理、オゾン処理や紫外線などの照射処理を適用することもできる。また、基板を加熱しながら紫外線を当てオゾン処理するなど、これらの方法を組合せて用いても良い。
熱処理をする場合は、熱処理時の膜面の温度が、成膜時の基板温度より１００〜２７０℃高い方が好ましい。この温度差が１００℃より小さいと熱処理効果が無く、２７０℃より高いと基板が変形したり、半導体薄膜界面が変質し半導体特性が低下したりするおそれがある。このような不具合をより有効に回避するには、成膜時の基板温度より熱処理時の膜面の温度が１３０〜２４０℃高いものがより好ましく、１６０〜２１０℃高いものが特に好ましい。
基板６は、無機物材料又は有機物材料で形成されている。
具体的には、無機物材料で形成された基板６としては、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）等が不純物として添加されたｐ型の単結晶シリコン基板，ｎ型の単結晶シリコン基板，ガラス基板，又は，石英基板などが例示される。
また、有機物材料の基板６としては、ポリメチルメタクリレート，ポリエーテルスルフォン及びポリカーボネート等のプラスチィック基板などが例示される。
本実施形態では、基板６は、これを第一の電極２としても用いるので、例えば、シリコン基板６で構成されている。
絶縁体層３には、例えば、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２，Ｋ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｒｂ２Ｏ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３，ＰｂＴｉ３，ＢａＴａ２Ｏ６，ＳｒＴｉＯ３，ＡｌＮなどを用いることができる。これらのなかでも、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３を用いるのが好ましく、より好ましくはＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ｙ２Ｏ３，Ｈｆ２Ｏ３，ＣａＨｆＯ３であり、特に好ましくはＹ２Ｏ３である。これらの酸素数又は窒素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい（例えば、ＳｉＯ２でもＳｉＯｘでもよい）。
このようなゲート絶縁膜３は、異なる２層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。また、ゲート絶縁膜３は、結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。
また、絶縁体層３には、パリレン、ポリスチレンなどの有機絶縁体を用いることもできる。
第二及び第三の電極４，５は、その材質については、特に限定されることなく、各種の金属や金属酸化物、及び炭素や有機導電材料等を用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｍｇ−Ａｇ合金、Ｌｉ−Ａｌ合金、カルシウム（Ｃａ）、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム−亜鉛酸化物、亜鉛−錫酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、チタン−ニオブ酸化物などが好適とされる。
次に、本発明の半導体装置の製造方法を説明する。
本実施形態では、基板６にＳｉ基板を用い、絶縁体層３は、Ｓｉ基板６を熱酸化して得られたＳｉＯ２熱酸化膜とする。また、酸化物半導体層１１の材料として、ｎ型の特性を備えた酸化物を用い、有機半導体層１０の材料として、ｐ型の特性を備えた有機物を用いる。
まず、基板６に、絶縁体層３を成膜し、この絶縁体層３上に、真空蒸着法で第二及び第三の電極４、５を形成する。次に、酸化物半導体層１１をスパッタリング装置などを用いて成膜し、その後、酸素及び／又はオゾンの存在下に置く。その後、有機物を、真空蒸着法で酸化物半導体層１１の上側に成膜する。
このような構成からなる製造方法によれば、酸化物半導体層１１を形成した後に大気などの酸素存在下に置いたりオゾン処理などの表面洗浄・改質を行うことができる。
通常、ｎ型の特性の有機半導体層を用いる場合に、酸素及び／又はオゾンの存在下に置かれると、特性が劣化してしまうので、真空などの無酸素の状態で製造しなければならない。これに対し、本発明のように、ｎ型の特性の酸化物半導体層１１は、酸素存在下に置かれると、逆に、酸素やオゾンが作用し、表面の−ＯＨなど極性を持つ官能基が増え、電子・正孔の注入性が変化する効果を期待できるからと思われる。
すなわち、有機半導体層１０に、ｐ型の特性を備えた有機物を用い、酸化物半導体層１１にｎ型の特性を備えた酸化物を用いたので、製造中に、ｎ型の特性を備えた酸化物半導体層１１が大気に触れても特性の低下が少ない。これにより、製造工程の自由度が大きく実用化も容易になる。
この半導体装置を用いるときには、第一の電極２は、ゲート電極として、第二の電極４及び第三の電極５のうち、いずれか電圧が高い方は正孔注入電極として、いずれか電圧が低い方は電子注入電極として用いる。
そして、第一〜第三の電極２，４，５のそれぞれに印加する電圧を調整し、正孔注入電極からの正孔は、主に有機半導体層１０に注入する。また、電子注入電極からの電子は、主に酸化物半導体層１１に注入する。
このようにすると、半導体装置では、発光部１内で、電子と正孔とが再結合し、再結合によるエネルギーが発生する。再結合があった周囲の有機物分子又は酸化物分子は、基底状態から励起させられ、再び基底状態に戻るときに、差分のエネルギーを光として放出する（エレクトロルミネッセンス（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ））。
また、このとき、有機半導体層１０あるいは有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面近傍で、正孔及び電子が再結合すると、有機物分子が励起し、上記のように有機物分子から発光する。これにより、発光効率を良好にできる。
なお、有機半導体層１０あるいは有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面近傍以外で、正孔及び電子の再結合を行なってもよいが、例えば、酸化物半導体層１１は、発光以外でエネルギーを失いやすく、発光量子効率が低くなる。また、バンドギャップが大きく、所望の波長の発光を得にくいので、発光視感効率も低くなる。
また、例えば、第一の電極２及び第二の電極４に印加する電圧を固定して、第三の電極５に印加する電圧を変化させたり、第二の電極４及び第三の電極５に印加する電圧を固定して、第一の電極２に印加する電圧を変化させたりするなどし、第二の電極４及び第三の電極５間に流れる電流を制御する。
このようにすると、発光部１に注入されるキャリア（正孔及び電子）の量が増減する。
これにより、各電極２，４，５の電圧を調整することで、発光部１に注入されるキャリア（正孔及び電子）の量を調整でき、発光輝度を制御できる。
また、半導体装置は、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１とを備えているので、両極性型の特性が安定する。また、発光部１は、有機半導体層１０及び酸化物半導体層１１とからなり、有機物と酸化物とが組み合わされて形成されるので、注入される双方のキャリアのバランスを適切に定めやすくなり、歩留まりが良好になる。そのため、製造効率を向上できる。
また、半導体装置は、発光部１に、ｐ型又は両極性型の特性を備えた有機物とｎ型の特性を備えた酸化物とを用いているので、電子のキャリアの移動度が安定したものとなる。そのため、発光部１の発光効率が向上するだけでなく、トランジスタとしても機能する。特に、大気中でのトランジスタ機能が良好になるので、実用化も容易になる。
本実施形態において、半導体である発光部１の電界効果移動度は、通常１０−４ｃｍ２／Ｖｓ以上とする。電界効果移動度が１０−４ｃｍ２／Ｖｓより小さいと、スイッチング速度が遅くなったり、両極性を示さないおそれがある。このような不具合をより有効に回避するために、電界効果移動度は、好ましくは１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、より好ましくは１０−２ｃｍ２／Ｖｓ以上、さらに好ましくは１０−１ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、特に好ましくは１ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
また、ｎ型駆動時の電界効果移動度μ（ｎ）とｐ型駆動時の電界効果移動度μ（ｐ）の比μ（ｎ）／μ（ｐ）は、通常１０−５≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０５の範囲、好ましくは１０−３≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０４の範囲、より好ましくは１０−２≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０３の範囲、特に好ましくは１０−１≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０２の範囲である。μ（ｎ）／μ（ｐ）が上記の範囲外だとｎ型とｐ型のバランスが悪く両極性の発現が不明瞭となるおそれがある。
また、チャネル幅Ｗとチャネル長Ｌの比Ｗ／Ｌは、通常０．１〜１００、好ましくは１〜２０、特に好ましくは２〜８である。Ｗ／Ｌが１００を越えると漏れ電流が増えたり、ｏｎ−ｏｆｆ比が低下したりするおそれがある。０．１より小さいと電界効果移動度が低下したり、ピンチオフが不明瞭になったりするおそれがある。
さらに、チャネル長Ｌは通常０．１〜１０００μｍ、好ましくは１〜１００μｍ、さらに好ましくは２〜１０μｍである。０．１μｍ以下は工業的に製造が難しくかつショートチャネル効果が起こったり漏れ電流が大きくなるおそれがある。また、１０００μｍ以上では素子が大きくなりすぎて好ましくない。
また、駆動時の各電極間にかかる電圧は、通常１００Ｖ以下、好ましくは５０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下、さらに好ましくは１０Ｖ以下である。１００Ｖより大きいと、消費電力が大きくなり実用性が低下するおそれがある。
また、ここで両極性を示すとは、ゲート電圧を上げるとドレイン電流が増加する領域とゲート電圧を下げるとドレイン電流が増加する領域があるようなドレイン電圧が存在する場合をいう。
［第二実施形態］
図２は、本発明の第二実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記実施形態と略同様であるが、基板６と第一の電極２とが別体に形成されている点が異なる。
すなわち、本実施形態の半導体装置は、基板６上の中央に、基板６とは別体の第一の電極２が設けられている。この第一の電極２は、上記第一実施形態の第二及び第三の電極４、５で用いた材料で形成されている。また、絶縁体層３は、基板６及び第一の電極２上に設けられている。
その他の構成は上記のものと同様である。
本実施形態の半導体装置は、上記第一実施形態と同様に、発光素子として用いられる。作用及び効果は、上記とほぼ同様である。
このような構成からなる半導体装置によれば、第一の電極２と第二及び第三の電極４、５との重なりが少ないので、漏れ電流を少なくすることができる。
［第三実施形態］
図３は、本発明の第三実施形態の半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記実施形態とは異なり、第二及び第三の電極４、５が、絶縁体層３と酸化物半導体層１１の間になく、有機半導体層１０の上側に設けられた構成となっている。
このような構成からなる半導体装置によれば、第一の電極２と第二及び第三の電極４、５との間の電界が酸化物半導体層１１及び有機半導体層１０に効果的に印加されるので、トランジスタの移動度を高く調整しやすくできる。
［第四実施形態］
図４は、本発明の第四実施形態の半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記実施形態とは異なり、第二及び第三の電極４、５が、絶縁体層３と酸化物半導体層１１の間になく、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の間に設けられた構成となっている。
第一の電極２と第二及び第三の電極４、５との間の電界が、酸化物半導体層１１に効果的に印加されるので、トランジスタの移動度を高く調整しやすい。また、酸化物半導体層１１を後から構成するため、第二及び第三の電極４、５の成膜時に有機半導体層１０にダメージを与える心配がない。
［第五実施形態］
図５は、本発明の第五実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記実施形態と異なり、第三の電極５が、絶縁体層３と酸化物半導体層１１の間になく、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の間に設けられた構成となっている。
第二及の電極４と第三の電極５の間に有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面があるため電子と正孔が効率よく再結合でき発光効率を高くすることができる。また、酸化物半導体層１１を後から構成するため、第二及び第三の電極４、５の成膜時に有機半導体層１０にダメージを与える心配がない。
［第六実施形態］
図６は、本発明の第六実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記第一の実施形態と異なり、第三の電極５が、絶縁体層３と酸化物半導体層１１の間になく、有機半導体層１０の上側に設けられた構成となっている。
第二及の電極４と第三の電極５の間に有機半導体層１０と酸化物半導体層１１があるため電子と正孔が、特に効率よく再結合でき発光効率を高くすることができる。
［第七実施形態］
図７は、本発明の第七実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記第一の実施形態と異なり、第二の電極４のみが酸化物半導体層１１に覆われるとともに、有機半導体層１０は、酸化物半導体層１１及び第三の電極５を覆う構成となっている。
第二及の電極４と第三の電極５の間に有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の界面があるため電子と正孔が効率よく再結合でき発光効率を高くすることができる。
［第八実施形態］
図８は、本発明の第八実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示している。
本実施形態の半導体装置は、上記第一の実施形態と異なり、第二の電極４と第三の電極５との間において、有機半導体層１０の一部が絶縁体層３側に延設されている。そして、この延設部分が、酸化物半導体層１１を、第二の電極４側と、第三の電極５側とに隔てる構成となっている。
第二及の電極４と第三の電極５の間に有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の二つの界面があるため電子と正孔が効率よく再結合でき発光効率を高くすることができる。
第三〜第八実施形態の半導体装置の構成によれば、発光部１の有機半導体層１０及び酸化物半導体層１１に対する、第二及び第三の電極４，５の位置を上記のように配置してもよいので、半導体装置を用いた回路の設計の自由度を増すことができる。
また、上記各実施形態に係る半導体装置において、例えば、図９に示すように、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の間に、有機発光層１５を設けて、この層１５で発光させるなど、有機ＥＬで用いられている多層化技術を利用してもよい。このようにすると、発光効率が向上できたり、発光波長の調整ができるので好ましい。
また、上記実施形態に係る半導体装置において、有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の間に保護層を設けたり、酸化物半導体１１の表面を表面処理したりするなどすると、
有機半導体層１０と酸化物半導体層１１の間のエネルギー移動を制限することによって消光を防止することができ、好ましい。
また、上記実施形態に係る半導体装置において、その他有機ＥＬで用いられている各種の技術を自由に応用できる。そのような技術は、例えば、「有機ＥＬディスプレイ」（オーム社、平成１６年８月２０日発行）などに記載されている。
［表示装置］
また、第一〜第八実施形態の半導体装置は、例えば、図１０に示す表示装置に用いられる。
本実施形態の表示装置は、複数の第二実施形態の半導体装置が、基板の平面方向に行列状に列設されてなる。
また、有機物半導体層１０、酸化物半導体層１１及び基板６は、全面に亘って一体に成膜されている。
また、図１０（ｂ）に示すように、行方向に並ぶ半導体装置の第一の電極２は、導電体２ａで互いに接続されている。また、行方向に並ぶ半導体装置の第二及び第三の電極４，５も、第一の電極２と同様に、導電体４ａ，５ａにより互いに接続されている。
そして、例えば、第一の電極２及び第二の電極４に印加する電圧を固定して、第三の電極５に印加する電圧を変化させたり、第二の電極４及び第三の電極５に印加する電圧を固定して、第一の電極２（ゲート電圧）に印加する電圧を変化させたりするなどし、発光部に発光（Ｌ）を生じさせる。
このような、発光機能及びトランジスタ機能を有した半導体装置を用いているので、表示装置の構造が簡単になる。これにより、表示装置の製造工程も簡単になり、製造効率を向上させることができる。
上記の実施形態以外にも、機能一体型発光トランジスタ・ＰＮ接合機能分離発光トランジスタ・静電誘導発光トランジスタ・メタルベース有機トランジスタ・ＲＧＢ独立方式・カラーフィルター（ＣＦ）方式等の各種の発光方式・カラー化方法・パネル構造・製造プロセスなどのｎ型有機半導体をｎ型酸化物半導体に変えることで自由に応用することができる。これらの各種の発光方式・カラー化方法・パネル構造・製造プロセスなどは、例えば「絵で見る有機発光トランジスタ製造プロセス０６年版」（Ｅ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．）に記載されている。
［実施例１］（トップコンタクト）
図３に示すように、本実施例に係る半導体装置は、以下のようにして製造された。
まず、基板６として導電性のＳｉ基板を用い、これを熱酸化して形成された絶縁体層３を設けた。次に、スパッタリング装置を用い、酸化物半導体層１１を成膜した。成膜条件は、ターゲットに、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ（元素比が、Ｉｎ＝９３ａｔ％，Ｚｎ＝７ａｔ％となる酸化物、ＩＺＯ（登録商標））を用い、到達真空度：８．２×１０−４Ｐａ，スパッタ真空度：１．９×１０−１Ｐａ，スパッタガス：Ａｒ ３２ｓｃｃｍ，スパッタ出力：５０Ｗとし、基板加熱は行わなかった。スパッタ製膜後に大気下で３００℃１時間熱処理した。
大気暴露しＵＶオゾン処理を１５分行った後、テトラセン（ｔｅｔｒａｃｅｎｅ）を、真空蒸着法で酸化物半導体層１１の上側に成膜した。
そして、真空蒸着法で、メタルマスクを用いＡｕを成膜し、第二及び第三の二つの電極４，５を形成した。
このようにして作製された半導体装置は、Ｓｉ／ＳｉＯ２膜：３００ｎｍ（基板（第一の電極）及び絶縁層），Ａｕ膜：５０ｎｍ（第二及び第三の電極），Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ膜（多結晶）：５ｎｍ（酸化物半導体層１１），テトラセン（ｔｅｔｒａｃｅｎｅ）膜：５０ｎｍ（有機半導体層１０），チャンネル長Ｌ（第二の電極４及び第三の電極５間の距離）：２００μｍとなった。なお、チャンネル幅Ｗは、２ｍｍである。
本実施例の半導体装置は、図１１に示すように配線され、第一の電極２をゲート電極、第二の電極４をソース電極（正孔注入電極）として、第三の電極５をドレイン電極（電子注入電極）とした。
図１２〜図１６に、この半導体装置のトランジスタ特性と発光特性を示す。
この半導体装置によれば、ゲート電圧あるいはドレイン電圧で発光輝度を制御できる（図１１及び図１２）。また、この半導体装置は、両極性を示すことがわかる（図１３）。
また、本実施例の半導体装置のＥＬ（エレクトロルミネッセンス）スペクトルとテトラセン（ｔｅｔｒａｃｅｎｅ）のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルがよく一致していることから（図１５）、本装置はＩｎ２Ｏ３−ＺｎＯ膜からテトラセン（ｔｅｔｒａｃｅｎｅ）膜への電子注入が起こり、テトラセン（ｔｅｔｒａｃｅｎｅ）膜中にて再結合が生じて発光しているものと考えられる。
また、ゲート電圧の増加にともない、ＥＬ外部量子効率の増加が観測された（図１６（ａ））。これは、ゲート電圧が低いときには、有機半導体層１０中に注入される正孔の量が小さいが（図１６（ｂ））、ゲート電圧を高めていくと、有機半導体層１０中に注入される正孔の量が大きくなるからであると考えられる（図１６（ｃ））。
すなわち、この半導体装置によれば、ゲート電圧あるいはドレイン電圧を変化させることで、発光部１に注入されるキャリアの量を増減でき、発光輝度を制御できる。
［実施例２］（ボトムコンタクト）
図１に示すように、本実施例に係る半導体装置は、以下のようにして製造された。
まず、基板６として導電性のＳｉ基板を用い、これを熱酸化して形成された絶縁体層３を設けた。次に、絶縁体層３上に、ポジ型のフォトレジストをスピンコートして塗布し、フォトレジストを、所定温度でプリベークして固化し、基板６中央を露光した。その後、リンス液で基板６中央以外の部分のフォトレジストを除去し、ポストベークして不要なリンス液を気化させた。そして、この基板６に、真空蒸着法で、Ｃｒ及びＡｕを成膜し、溶剤でリフトオフして基板６中央以外の部分に、第二及び第三の二つの電極４，５を形成した。
次に、この第二及び第三の電極４，５が形成された基板６に、酸化物半導体層１１をスパッタリング装置を用いて成膜した。成膜条件は、ターゲットに、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ（元素比が、Ｉｎ＝９３ａｔ％，Ｚｎ＝７ａｔ％となる酸化物）を用い、到達真空度：８．２×１０−４Ｐａ，スパッタ真空度：１．９×１０−１Ｐａ，スパッタガス：Ａｒ １０ｓｃｃｍ Ｏ２ １ｓｃｃｍ，スパッタ出力：５０Ｗとし、基板加熱は行わなかった。スパッタ製膜後に大気下で３００℃１時間熱処理した。大気暴露しＵＶオゾン処理を１５分行った後、１，４−ｂｉｓ（４−ｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｙｌ）ｂｅｎｚｅｎｅ （４ＭＳＢ）を、真空蒸着法で酸化物半導体層１１の上側に成膜した。
なお、４ＭＳＢの蛍光量子収率は約４０％である。
このようにして作製された半導体装置は、Ｓｉ／ＳｉＯ２膜：３００ｎｍ（基板（第一の電極）及び絶縁層），Ｃｒ膜：１ｎｍ，Ａｕ膜：３９ｎｍ（第二及び第三の電極），Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ膜（多結晶）：１．５ｎｍ（酸化物半導体層１１），４ＭＳＢ膜：５０ｎｍ（有機半導体層１０），チャンネル長Ｌ（第二の電極４及び第三の電極５間の距離）：２５μｍとなった。なお、チャンネル幅Ｗは、４ｍｍである。
本実施例の半導体装置も上記実施例と同様に、第一の電極をゲート電極とし、第二の電極をソース電極とし、第三の電極をドレイン電極とした。
この半導体装置のトランジスタ特性と発光特性を図１６及び図１７に示す。この半導体装置によれば、ゲート電圧あるいはドレイン電圧で発光輝度を制御できる（図１６（ｂ））。この半導体装置は、両極性を示すことがわかる（図１８）。
［比較例］
酸化物半導体層を設けなかった他は実施例１，２と同様に半導体装置を作製した。この半導体装置はトランジスタ特性を示したが、両極性および発光特性は示さなかった。
以上、本発明の半導体装置、半導体装置の製造方法及び表示装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、表示装置は、第二実施形態の半導体装置を列設した構成としたがこれに限定されるものでなく、上記の他の実施形態の半導体装置であってもよく、適宜設計変更してよい。
本発明の第一実施形態にかかる半導体装置を示す図であって、（ａ）半導体装置の概略断面図，（ｂ）半導体装置の要部拡大断面図をそれぞれ示している。 本発明の第二実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第三実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第四実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第五実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第六実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第七実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第八実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 本発明の第七実施形態にかかる半導体装置の変形例を示す概略断面図を示している。 本発明の一実施形態にかかる表示装置を示す図であって、（ａ）は、表示装置の断面図、（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ方向から見た第一〜第三の電極の配線図をそれぞれ示している。 本発明の実施例１にかかる半導体装置を示す図であって、（ａ）は、半導体装置内のキャリアの状態を示す概念を示す図、（ｂ）は、ソース電極の電圧とドレイン電極の電圧の関係を説明する図をそれぞれ示している。 本発明の実施例１にかかる半導体装置のドレイン電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる半導体装置のゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる半導体装置のドレイン電圧−輝度特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる半導体装置の波長−発光輝度特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる半導体装置のＥＬ外部量子効率を説明する図であって、（ａ）は、ドレイン電流及びゲート電圧−ＥＬ外部量子効率特性を示すグラフであり、（ｂ）は、低いゲート電圧におけるキャリアの状態を示す概念図であり、（ｃ）は、高いゲート電圧におけるキャリアの状態を示す概念図である。 本発明の実施例２にかかる半導体装置のドレイン電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。 本発明の実施例２にかかる半導体装置のドレイン電圧−輝度特性を示すグラフである。
符号の説明
１ 発光部
２ 第一の電極
２ａ 導電体
３ 絶縁体層
４ 導電体
３ａ 第二の電極の配線
５ 導電体
４ａ 第三の電極の配線
６ 基板
１０ 有機半導体層
１１ 酸化物半導体層
１１０ 層状酸化物
１５ 有機発光層

Claims (16)

  1. 正孔及び電子の再結合による発光を生じる有機物からなる有機半導体層、及び、この有機半導体層と接触する酸化物半導体層によって形成された発光部と、
    前記発光部に絶縁体層を介して設けられた第一の電極と、
    前記発光部に接し前記第一の電極と離間した状態で設けられた第二の電極と、
    前記発光部に接し前記第一及び第二の電極とは離間した状態で設けられた第三の電極とを備え、
    正孔及び電子の再結合により発光する、ｎ型及びｐ型の両極性を示す、トランジスタである半導体装置であって、
    前記酸化物半導体層は、ｎ型非縮退酸化物からなり、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であり、
    前記有機半導体層は、ｐ型の特性を有した有機物で形成され、
    前記酸化物半導体層を、複数種類の層状酸化物を積み重ねた積層構造とし、該積層構造のうち、最も前記有機半導体層側の層状酸化物の材料に、該層状酸化物の仕事関数が、その他の層状酸化物の仕事関数より大きくなるものを用いたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａの少なくともいずれかを含む非晶質酸化物で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記酸化物半導体層は、ＩｎとＧａとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＳｎとＺｎとＧａとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＺｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＳｎとを含む非晶質酸化物、ＩｎとＧａとを含む非晶質酸化物、及び、ＺｎとＳｎとを含む非晶質酸化物のうち、いずれかで形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａのいずれかを含む多結晶酸化物で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記酸化物半導体層は、Ｉｎ及び正二価元素を含む多結晶酸化物で形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. ｎ型駆動時の電界効果移動度μ（ｎ）とｐ型駆動時の電界効果移動度μ（ｐ）の比μ（ｎ）／μ（ｐ）が、１０−５≦μ（ｎ）／μ（ｐ）≦１０５の範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記第二の電極及び第三の電極が積層され、前記絶縁体層、第二の電極及び第三の電極上に前記酸化物半導体層が積層され、前記酸化物半導体層上に前記有機半導体層が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記酸化物半導体層が積層され、前記酸化物半導体層上に前記有機半導体層が積層され、前記有機半導体層上に前記第二の電極及び第三の電極が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記酸化物半導体層が積層され、前記酸化物半導体層上に前記第二の電極及び第三の電極が積層され、前記酸化物半導体層、第二の電極及び第三の電極上に前記有機半導体層が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記第二の電極が積層され、前記絶縁体層及び第二の電極上に前記酸化物半導体層が積層され、前記酸化物半導体層上に前記第三の電極が積層され、前記酸化物半導体層及び第三の電極上に前記有機半導体層が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記第二の電極が積層され、前記絶縁体層上に前記有機半導体層が積層され、前記有機半導体層上に前記第三の電極が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記第二の電極及び第三の電極が積層され、前記絶縁体層及び第二の電極上に前記酸化物半導体層が積層され、前記絶縁体層、第三の電極及び酸化物半導体層上に前記有機半導体層が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記第一の電極上に前記絶縁体層が積層され、前記絶縁体層上に前記第二の電極及び第三の電極が積層され、前記絶縁体層、第二の電極及び第二の電極上に前記酸化物半導体層が積層され、前記絶縁体層及び酸化物半導体層上に前記有機半導体層が積層されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記酸化物半導体層が、有機発光層を介して前記有機半導体層と接触することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    酸化物半導体層を形成し、該酸化物半導体層を酸素及び／又はオゾン存在下に置き、その後、有機半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 前記請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体装置を用いたことを特徴とする表示装置。
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