JP5678236B2

JP5678236B2 - 電界発光有機トランジスタ

Info

Publication number: JP5678236B2
Application number: JP2014522203A
Authority: JP
Inventors: ミケレ・ムッチーニ; ラファエッラ・カペッリ; ステファノ・トッファニン
Original assignee: エ・ティ・チ・エッセ・エッレ・エッレ
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN103718327B; CN103718327A; EP2574219B1; KR101570407B1; JP2014525149A; WO2013018002A1; US20130320311A1; KR20140065403A; US8729540B2; EP2574219A1; ITMI20111446A1

Description

本発明は、電界発光有機トランジスタに関する。

有機エレクトロニクスの分野では、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）が、広く研究され、多くの構造的実施形態が、それらに基づくデバイスを得るために開発されてきた。

特開２００３−１００４５７は、電荷の注入および輸送を改善するために、デバイスの基板に対して（すなわち、多層半導体構造物に対して）追加の制御電極が垂直に位置決めされてもよい、ダイオードとして使用するのに適したいくつかの半導体構造物を開示する。一見して、特開２００３−１００４５７の多重電極構造物は、製造する観点からそれらの複雑さによって制限されることが、明らかである。

ＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＡｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆＡｃａｄｅｍｉａＳｉｎｉｃａ、ｖｏｌ．９６、（２００７）、１３〜１６頁で発表された、Ｈｕａｎｇ他による「ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｎｇｌｅｌａｙｅｒＯＬＥＤｄｅｖｉｃｅ」と題する科学出版物は、三層半導体構造物を単一バイポーラ層と置き換える可能性を開示するが、有機層の厚さを横切る垂直電荷輸送に起因する特開２００３−１００４５７の構造物の性能限界をどのように克服するかについては言及していない。

米国特許出願公開第２００９／０２１２２８１号から、電子およびホールの輸送のための両極性有機半導体層、ホールを半導体層に注入するための電極、第１の電極からある距離に位置する、電子を半導体層に注入するための電極、ならびに絶縁層を用いて有機半導体層から分離される２つの制御電極を含む有機半導体トランジスタが、周知である。前記制御電極のうち、片方は、電子の注入のための電極の近くの有機半導体層の領域に対向し、もう一方は、ホールの注入のための電極の近くの有機半導体層の領域に対向する。

米国特許出願公開第２００９／０２１２２８１号で開示されるデバイスでは、電荷蓄積、電荷輸送および電荷放射再結合は、両極性有機半導体の単一界面に対応して生じ、特にそれらは、有機半導体層と誘電体層との間の界面で生じる。周知のデバイスのこの固有の特徴は、光を形成する半導体層の厚さが数分子層に制限される原因になり、それによってデバイスが生成する光の強度を制限する。

その上、周知のデバイスの固有の特性は、エキシトンのかなりの消失現象を引き起こし、その現象は、トランジスタチャンネルでの前記エキシトンと自由電荷との間の相互作用に起因し、結果としてデバイスの輝度および効率の制限が生じる。

出願ＷＯ２０１０／０４９８７１から、２つの誘電体層と、２つの制御電極またはゲートと、ソース電極またはソース、ドレイン電極またはドレイン、ならびに前記ソースおよびドレインと接触する有機半導体から成る組立て体とを含む電界効果トランジスタが、周知である。そのような組立て体は、前記２つの誘電体層の間に配置され、その誘電体層のそれぞれは、前記組立て体と制御電極との間に配置される。そのようなトランジスタを含む発光トランジスタが、開示され、前記有機半導体は、両極性特性を持つ電界発光有機半導体層である。

出願ＷＯ２０１０／０４９８７１による発光トランジスタでは、電荷輸送は、有機半導体層と第１の誘電体層との間および有機半導体層と第２の誘電体層との間の両方の界面で行われる。実際には、２つの界面に対応する半導体層の分子秩序は、非常に異なるので、これらの２つの界面は、非常に異なる電荷輸送特性を有する。

半導体層の上に１つおよび下に１つの、２つだけの制御電極の存在は、光放射の高い輝度および効率を得るために必須の要因である、このデバイスでの電荷平衡の制御の可能性を制限する。

特開２００３−１００４５７米国特許出願公開第２００９／０２１２２８１号ＷＯ２０１０／０４９８７１

Ｈｕａｎｇ他、「ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｎｇｌｅｌａｙｅｒＯＬＥＤｄｅｖｉｃｅ」、ＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＡｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆＡｃａｄｅｍｉａＳｉｎｉｃａ、ｖｏｌ．９６、（２００７）、１３〜１６頁

従って、本発明の目的は、従来技術の欠点に関して改善される電界発光有機トランジスタを提供することである。

前記目的は、その主要特徴が第１の請求項で明記され、一方他の特徴が残りの請求項で明記される、電界発光有機トランジスタで達成される。

本発明による電界発光有機トランジスタの第１の利点は、その電界発光有機トランジスタが、有機半導体層の厚さ全体にわたる電荷の放射再結合およびエキシトンの生成とともに、有機半導体層の平面に関して横電場の生成を可能するということにある。その結果、エキシトンの消失現象の減衰が、達成され、単一半導体層を有するすべてのデバイスに存在する前記現象は、自由電荷との相互作用に起因し、有機半導体と誘電体層との間の界面に蓄積される電荷と同じ界面の近くに生成されるエキシトンとの間の空間的重なりに由来する。

本発明による電界発光有機トランジスタのさらなる利点は、その電界発光有機トランジスタが、有機半導体層での電流密度、電荷の蓄積を最大化することを可能にし、その結果光強度を最大化することを可能にするということにある。

最後に、本発明による有機トランジスタは、デバイスでの電荷平衡の最適化を可能にする。実際、デバイスのそれぞれの側に２つの制御電極が存在するおかげで、有機トランジスタは、有機半導体層の両方の界面での電荷輸送を効率的に利用し、制御電極の電位の適切な調節によって有機半導体層での電荷の移動度の差を平衡させることを可能にする。

本発明によるデバイスのさらなる利点および特徴は、添付の図面を参照してその実施形態の次の詳細なかつ限定されない説明から当業者には明らかとなる。

本発明による電界発光有機トランジスタの概略断面図を示す図である。

図面の特徴は、一定の縮尺ではなくて、それらの寸法は、図面の明瞭さを高めるために拡大または縮小される。

図１を参照すると、本発明による電界発光有機トランジスタ１は、第１の種類の電荷、例えば電子、および第２の種類の電荷、例えばホールの輸送および放射再結合に適している、少なくとも１つの有機両極性半導体層１０を含むことが、示される。

前記有機両極性半導体層１０と接触して、第１の種類の前記電荷、例えば電子の注入に適したソース電極１１、および第２の種類の前記電荷、例えばホールの注入に適したドレイン電極１２が、配置される。

前記有機両極性半導体層１０ならびに前記層１０と接触する前記ソース電極１１およびドレイン電極１２によって形成される群は、誘電材料の２つの層１３と１４との間に配置される。

本発明による電界発光有機トランジスタ１はまた、第１の制御電極１５および第２の制御電極１６も含み、その結果誘電材料の前記第１の層１３は、有機半導体の前記層１０と前記第１および第２の制御電極１５および１６との間に配置される。

本発明による電界発光有機トランジスタ１はさらに、第３の制御電極１７および第４の制御電極１８を含み、その結果誘電材料の前記第２の層１４は、有機半導体の前記層１０と前記第３および第４の制御電極１７および１８との間に配置される。

ソース電極１１およびドレイン電極１２はそれぞれ、有機両極性半導体層１０と誘電体層１３および１４との間の界面に対応して電界効果電荷輸送の利用を可能にするために、有機両極性半導体層１０に対して平行である平面を画定して（すなわち、最終デバイスの多層構造の積層方向に対して垂直である平面を画定して）位置決めされる。

本発明の実施形態によると、前記ソース電極１１および前記ドレイン電極１２は、有機半導体層１０の同じ側にあり、言い換えればそれらは両方とも、誘電材料の前記第１の層１３または誘電材料の前記第２の層１４と接触する。

これらのソースおよびドレイン電極１１および１２は、半導体材料の前記層１０の実質的に平坦な表面の上に配置されてもよい。別法として、これらのソースおよびドレイン電極１１および１２はそれぞれ、半導体材料の前記層１０の適切な凹部に配置されてもよい。

本発明の他の実施形態では、そのような電極は、有機半導体材料１０内に埋め込まれてもよく、または半導体材料のこの層１０と同じ厚さを有し、前記層の側部に「キャップ形成」していてもよい。

好ましくは、本発明による電界発光有機トランジスタでは、前記ソース電極１１および前記ドレイン電極１２は、半導体材料の前記層１０と同一平面にあり、または前記電極１１および１２は両方とも、半導体材料の前記層１０がその上にある平面に平行な平面の上にある。

前記有機半導体層１０は、電界発光有機デバイスで電荷の両極性輸送に適しているとして周知の任意の適切な材料でできていてもよい。例えば、本発明によって述べられる構造物内での使用に適しているのは、オリゴアセン、オリゴチオフェン、オリゴフルオレン、オリゴチオフェンのピリミジン誘導体、オリゴチオフェンのカルボニル誘導体、アルキル鎖および完全フッ素化鎖でαおよびω非対称置換されたテトラチオフェン、チアゾールコアを持つオリゴチオフェン、ポリフルオレンの共重合体、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）の誘導体、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）の誘導体、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ベンゾチアジアゾール）の誘導体である。好ましくは前記材料の中でも、半導体層を形成する材料は、オリゴチオフェンのカルボニル誘導体、フルオレンの誘導体およびポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）の誘導体の中で選択されてもよい。

本発明によって述べられる解決策での半導体層の厚さは、１０ｎｍから１５０ｎｍの間でなければならない。その特に好ましい実施形態では、前記厚さは、４０ｎｍから１００ｎｍの間である。

インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、クロム、鉄およびポリ（スチレンスルホン酸）と組み合わされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）が、前記ソース電極１１のための材料として使用されてもよい。好ましくは、その選択は、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、または金の中でなされてもよい。

前記ドレイン電極１２のための材料としては、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、クロム、鉄およびポリ（スチレンスルホン酸）と組み合わされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）がある。特に好ましい実施形態では、金またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）が、この目的のために使用されてもよい。

第１の誘電体層１３および第２の誘電体層１４の材料は、電界発光有機トランジスタのための従来の誘電材料の中から選択されてもよい。特に、二酸化シリコン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、酸化亜鉛、アルミナ、二酸化ジルコニウム、二酸化ハフニウム、例えば商品Ｃｙｔｏｐ（商標）などのフッ素重合体、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）およびポリスチレン（ＰＳ）が、使用されてもよい。好ましくは、前記層１３は、二酸化ジルコニウムおよびポリメチルメタクリレートの２つの層を含み、前記層１４は、ポリメチルメタクリレートまたはＣｙｔｏｐ（商標）から成る。一般に、前記誘電体層の厚さは、選択される特定材料に依存し、純粋に例として、前記層１３については、それが二酸化ジルコニウムおよびポリメチルメタクリレートでできている場合、二酸化ジルコニウムの層は、１００から２５０ｎｍの間の厚さを有し、一方ポリメチルメタクリレートの層は、５０から２００ｎｍの間の厚さを有し、前記層１４については、ポリメチルメタクリレートまたはＣｙｔｏｐ（商標）の層は、３５０から５００ｎｍの間の厚さを有する。

第１の制御電極１５および第２の制御電極１６の材料は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀、アルミニウムから選択されてもよい。特に、インジウムスズ酸化物および／または金が、好ましくは使用されてもよい。

第３の制御電極１７および第４の制御電極１８の材料は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀、アルミニウムから選択されてもよい。特に、インジウムスズ酸化物および／または金が、好ましくは使用されてもよい。

可能性のある変更および／または追加が、次の特許請求の範囲内にとどまりながら、上で開示され、例示された実施形態に対して当業者によってなされてもよい。

１電界発光有機トランジスタ
１０有機両極性半導体層
１１ソース電極
１２ドレイン電極
１３誘電材料の第１の層
１４誘電材料の第２の層
１５第１の制御電極
１６第２の制御電極
１７第３の制御電極
１８第４の制御電極

Claims

第１の種類および第２の種類の電荷の輸送および放射再結合に適した両極性有機半導体の少なくとも１つの層と、
第１の種類の前記電荷の注入に適したソース電極と、
第２の種類の前記電荷の注入に適したドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極が、両極性有機半導体の前記少なくとも１つの層と接触し、
第１の制御電極および第２の制御電極と、
両極性有機半導体の前記少なくとも１つの層と前記第１の制御電極および前記第２の制御電極との間に位置決めされる誘電材料の第１の層と、
第３の制御電極および第４の制御電極と、
両極性有機半導体の前記少なくとも１つの層と前記第３の制御電極および前記第４の制御電極との間に位置決めされる誘電材料の第２の層と、を含み、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、両極性有機半導体の前記少なくとも１つの層がその上にある平面に実質的に平行である平面の上にある、電界発光有機トランジスタ。
前記ソース電極および前記ドレイン電極が両方とも、誘電材料の前記第１の層または誘電材料の前記第２の層と接触している、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。
両極性有機半導体の前記少なくとも１つの層の厚さが、１０ｎｍから１５０ｎｍの間である、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。
前記両極性有機半導体が、オリゴアセン、オリゴチオフェン、オリゴフルオレン、オリゴチオフェンのピリミジン誘導体、オリゴチオフェンのカルボニル誘導体、アルキル鎖および完全フッ素化鎖でｃｃおよびｃｏ位置を非対称置換されたテトラチオフェン、チアゾールコアを持つオリゴチオフェン、ポリフルオレン共重合体、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）誘導体ならびにポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ベンゾチアジアゾール）誘導体から成る群から選択される、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。
前記両極性有機半導体が、オリゴチオフェンのカルボニル誘導体、フルオレン誘導体およびポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）誘導体から成る群から選択される、請求項４に記載の電界発光有機トランジスタ。
前記ドレイン電極および前記ソース電極が、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、クロム、鉄およびポリ（スチレンスルホン酸）と組み合わされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）から成る群から選択される材料で形成される、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。
前記制御電極が、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、銅、銀およびアルミニウムから成る群から選択される少なくとも１つの材料で形成される、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。
誘電材料の前記第１の層および誘電材料の前記第２の層が、二酸化シリコン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、酸化亜鉛、アルミナ、二酸化ジルコニウム、二酸化ハフニウム、フッ素重合体、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）およびポリスチレン（ＰＳ）から成る群から選択される材料で形成される、請求項１に記載の電界発光有機トランジスタ。