JPWO2005091373A1

JPWO2005091373A1 - 有機半導体素子およびそれを用いた有機ｅｌ表示装置

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Publication number: JPWO2005091373A1
Application number: JP2006511221A
Authority: JP
Inventors: 優奥山; 下地　規之; 規之下地
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US20080237580A1; WO2005091373A1; TW200603674A; CN1934714A

Abstract

チャネル長を小さく制御し得ると共に、段差部に伴う接触抵抗の上昇をさせない構造のＦＥＴを有する有機半導体素子、およびその有機ＦＥＴを用いた開口率の大きい有機発光表示装置を提供する。基板（１）上に、ソース・ドレイン電極の一方とする第１導電層（２）が設けられ、その第１導電層（２）の上に有機半導体層（３）およびソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層（４）が設けられている。そして、有機半導体層の側面または第２導電層の一部が除去されて露出する有機半導体層３の表面および第２導電層の側面に絶縁層（５）を介してゲート電極（第３導電層）（６）が設けられることにより形成されるＦＥＴを有している。また、有機ＥＬ表示装置は、有機ＥＬ部上にこの構造のＦＥＴが駆動素子として積層して設けられている。

Description

本発明は、有機半導体を用いた電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴという）などを含む有機半導体素子およびそれを用いた有機ＥＬ表示装置に関する。さらに詳しくは、有機半導体を用いながら、チャネル長を非常に短くすることができると共に、有機ＥＬ部と積層するだけで表示装置を構成することが可能な構造の有機半導体素子およびそれを用いた有機ＥＬ表示装置に関する。

従来の有機半導体層を用いたＦＥＴの構造は、図９Ａ〜９Ｃに示されるような構造が知られている。すなわち、図９Ａに示される構造は、ボトムコンタクト（ＢＣ）型と呼ばれるもので、たとえばシリコン基板からなるゲート電極３１上の絶縁膜３２の上に一対のソース・ドレイン電極３３、３４が設けられ、その表面に有機半導体層３５が設けられることにより、ソース・ドレイン電極３３、３４間の有機半導体層３５をチャネル領域とするものである。この構造は、ソース・ドレイン電極を、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができるため、ある程度の精細なパターンで形成することができるが、ソース・ドレイン電極の段差部分に有機半導体層３５を設けるため、有機半導体層３５のカバレッジが悪く、チャネル領域となる有機半導体層３５と両電極３３、３４の底面コーナ部との間に空隙３６ができやすく、接触抵抗が高くなるという問題がある。

また、図９Ｂに示される構造は、トップコンタクト（ＴＣ）型と呼ばれるもので、ゲート電極３１上の絶縁膜３２上に有機半導体層３５が設けられ、その上にソース・ドレイン電極３３、３４が形成されることにより、ソース・ドレイン電極３３、３４の下でその間にある有機半導体層３５をチャネル領域とするものである。この構造は、有機半導体層３５のカバレッジの問題はないが、有機半導体層３５を形成した後に電極を形成する必要がある。しかし、有機半導体材料は、溶媒やアルカリ水溶液に曝されてしまうフォトリソグラフィ技術ではパターン形成をすることができず、金属板からなるシャドウマスク（メタルマスク）を用いて有機半導体層３５を形成する必要がある。シャドウマスクでは、解像度は２５μｍ程度であり、精細なパターンを形成することができず、チャネル長を短縮することができないという問題がある。

さらに、図９Ｃに示される構造は、トップアンドボトムコンタクト（ＴＢＣ）型と呼ばれるもので、絶縁膜３２上にソース・ドレイン電極の一方３３が部分的に設けられ、その上および露出する絶縁膜３２上に有機半導体層３５が設けられ、さらにその上にソース・ドレイン電極の他方３４が設けられることにより、ソース・ドレイン電極の一方３３の側面と他方３４の段差部分との間の有機半導体層３５をチャネル領域とするものである（たとえば特許文献１参照）。この構造では、チャネル長を有機半導体層３５の厚さで制御することができるため、チャネル長の短縮は容易であるが、最初のＢＣ型と同様に、有機半導体層がソース・ドレイン電極３３の段差部に形成されるため、そのカバレッジが悪く、接触抵抗が上昇するという問題がある。
特開２００３−２５８２６５号公報（たとえば図４）

前述のように、従来の有機半導体を用いたＦＥＴは、有機層に段差部を有するとカバレッジが悪いため接触抵抗が高く、平らな有機半導体層を用いようとすると、精細なソース・ドレイン電極を形成することができないため、チャネル長の短縮を図ることができず、いずれの構造にしても低抵抗のチャネルを形成することができないという問題がある。

また、このような状況に起因して、たとえば有機ＥＬ半導体を用いたアクティブ表示装置においても、その駆動素子として有機半導体素子を用いることができず、駆動素子としてはポリシリコンなどのシリコン系半導体が用いられている。そのため、有機半導体とシリコン系半導体の両方を用いなければならない。さらに、シリコン系半導体を用いて駆動素子を形成する場合、フォトリソグラフィ技術を用いることが不可欠であるが、前述のように有機半導体を成膜した後にフォトリソグラフィ技術を用いることはできないため、有機ＥＬ部上に駆動素子を形成することができない。一方、駆動素子を基板側に形成すると、表面側から光を取り出さなければならないが、そのためには、上部に配置される電極は透光性電極でなければならない。一方で、有機ＥＬ半導体層を積層した後には、高温熱処理をすることができない。しかし、低抵抗の透光性電極は一般的に高温処理が必要とされるため、これを表面側に形成することができない。そのため、後述する図５Ｄに平面説明図が示されるように、発光部Ｌと駆動素子部（ＴｒおよびキャパシタＣＡＰＡ）とを平面的に分離して形成しなければならず、表示部の面積が小さくなって開口率が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、チャネル長を小さく制御し得ると共に、段差部に伴う接触抵抗の上昇を引き起こさせない構造のＦＥＴを有する有機半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、アクティブ型の有機発光表示装置を半導体層としては全て有機半導体層で構成すると共に、発光部と駆動素子やキャパシタ部分とを積層構造とし、開口率の大きい表示部とし得る有機ＥＬ表示装置を提供することにある。

本発明による有機半導体素子は、基板と、該基板上に設けられるソース・ドレイン電極の一方とする第１導電層と、該第１導電層の上に設けられる有機半導体層と、該有機半導体層の上に設けられるソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層と、前記有機半導体層の側面または前記第２導電層の一部が除去されて露出する前記有機半導体層の表面および前記第２導電層の側面に絶縁層を介して設けられるゲート電極とからなるＦＥＴを有している。

前記第１導電層と有機半導体層との間、および／または前記第２導電層と前記有機半導体層との間にエネルギー障壁を低くする有機半導体層が設けられることにより、低い動作電圧で電流を流しやすくできるため好ましい。本発明の構造では、有機半導体層がソース・ドレイン電極によりサンドイッチされる構造で、有機半導体層の両面でソース・ドレイン電極と接触する構造であるためとくにその効果が大きい。

本発明による有機ＥＬ表示装置は、透光性基板と、該透光性基板上に設けられる透光性電極と、該透光性電極上に設けられるＥＬ有機層と、該ＥＬ有機層の上に積層して設けられる駆動素子、スイッチング素子およびキャパシタとからなり、前記駆動素子が第１導電層と有機半導体層と第２導電層との積層構造で、少なくとも前記第２導電層の側面に絶縁層を介してゲート電極が設けられる構造の縦型ＦＥＴで構成されている。ここにＥＬ有機層とは、有機ＥＬ部（発光部を形成するように電極と有機半導体層が積層される部分）を形成するように積層される有機半導体層の部分を意味する。また、駆動素子を構成する第１導電層は、有機ＥＬ部と積層される場合には、有機ＥＬ部の電極と共用することもでき、有機ＥＬ部のＥＬ有機層で代用することもできる。

前記駆動素子が前記ＥＬ有機層の上に設けられ、該駆動素子の上面に形成されるゲート電極用の第３導電層の一部を前記スイッチング素子のソース・ドレイン電極の一方とし、該第３導電層の一部上に有機半導体層およびソース・ドレイン電極の他方とする第４導電層が積層されることにより形成される縦型ＦＥＴにより前記スイッチング素子が形成されてもよい。また、前記駆動素子およびスイッチング素子が、前記ＥＬ有機層の上に平面的に駆動素子領域とスイッチング素子領域とに分けて設けられ、前記スイッチング素子は、スイッチング素子用有機半導体層が前記駆動素子の有機半導体層と連続して、または同時に形成され、該有機半導体層の同じ面に接して、一対のソース・ドレイン電極が離間して設けられる横型ＦＥＴであってもよい。

具体的構造としては、前記ＥＬ有機層の上に前記駆動素子用の第１有機半導体層が設けられ、該第１有機半導体層上に部分的に駆動素子用ソース・ドレイン電極の１つとする第２導電層が設けられ、露出する表面に前記駆動素子用のゲート絶縁膜とする第１絶縁層が設けられ、該第１絶縁層上に前記駆動素子用のゲート電極および前記スイッチング素子用のソース・ドレイン電極の一方とする第３導電層が設けられ、前記スイッチング素子が設けられるスイッチング素子領域における該第３導電層上に前記スイッチング素子用の第２有機半導体層が設けられ、該第２有機半導体層上に部分的に前記スイッチング素子用のソース・ドレイン電極の他方とする第４導電層が設けられ、前記駆動素子が設けられる駆動素子領域における前記第３導電層上、および前記スイッチング素子領域における前記第２有機半導体層の露出部および前記第４導電層の上に、前記キャパシタの誘電体層および前記スイッチング素子用のゲート絶縁膜とする第２絶縁層が設けられ、前記スイッチング素子領域における該第２絶縁層上に前記スイッチング素子用のゲート電極とする第５導電層、および前記駆動素子領域における前記第２絶縁層上に前記キャパシタの電極とする第６導電層がそれぞれ設けられる構造にすることができる。

この構造にすることにより、駆動素子のゲート電極とスイッチング素子のソース・ドレイン電極とを同時に連続して形成することができ順次積層するだけで全ての素子を形成することができ、非常に簡単な製造工程で形成することができると共に、キャパシタの電極と駆動素子のゲート電極とを共用することができる。

さらに他の具体的構造としては、前記スイッチング素子領域における前記ＥＬ有機層の上に第３絶縁層が設けられ、該第３絶縁層上および前記駆動素子領域における前記ＥＬ有機層の上に、前記駆動素子用およびスイッチング素子用の第１有機半導体層が設けられ、前記駆動素子領域における該第１有機半導体層上に部分的に駆動素子用ソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層が設けられると共に、前記スイッチング素子領域における前記第１有機半導体層上に前記スイッチング素子用のソース電極およびドレイン電極とする第７および第８の導電層が分離して設けられ、前記駆動素子領域における前記第１有機半導体層の露出部および前記第２導電層上に前記駆動素子用のゲート絶縁膜とする第１絶縁層が設けられると共に、前記スイッチング素子領域における前記第１有機半導体層の露出部および前記第７および第８の導電層上に前記スイッチング素子用のゲート絶縁膜である第４絶縁層が前記第７または第８の導電層のいずれか一方の一部が露出するように設けられ、前記第１絶縁層上に前記駆動素子用のゲート電極とする第３導電層が前記第７または第８の導電層の露出部と電気的に接続されるように設けられると共に、前記第４絶縁層上に前記スイッチング素子用のゲート電極とする第５導電層が設けられ、前記第３導電層上に前記キャパシタの誘電体層とする第２絶縁層が設けられ、該第２絶縁層上に前記キャパシタの電極とする第６導電層がそれぞれ設けられる構造にすることができる。

この構造にすれば、駆動素子用有機半導体層とスイッチング素子用有機半導体層とを連続的に同時に形成することができるため、キーとなる有機半導体層の形成工程を１回で済ませることができる。この場合、スイッチング素子が横型のＦＥＴになるが、スイッチング素子はチャネル長がそれほど微細でなくてもよいため、シャドウマスクを用いてソース・ドレイン電極を形成することができる。

前記ＥＬ有機層と前記第１有機半導体層との間に有機ＥＬ部の上部電極および前記駆動素子のソース・ドレイン電極の一方とする導電層が、共通の導電層として、または別々の導電層として設けられることにより、低抵抗の第１導電層により電流が拡散し、有機ＥＬ表示部の全体に亘って電流を拡散させることができ、スイッチング素子の下部でも発光し、全体で明るく発光させることができるため好ましい。

本発明の有機半導体素子の構造にすることにより、チャネル領域は、有機半導体層の側面、または第２導電層の側面近傍のゲート電極と第１導電層とが対向する部分の有機半導体層に形成され、チャネル長は有機半導体層の厚さで定まるため、チャネル長をナノメータオーダで、非常に精度よく制御することができる。しかも、有機半導体層はソース・ドレイン電極と共に平坦な積層構造で形成されており、段差によるカバレッジの問題は生じない。その結果、接触抵抗が軽減すると共に、正確な寸法で所望のチャネル長のＦＥＴを形成することができる。そのため、ドレイン電流の増加、動作電圧の低減などトランジスタ特性を大幅に向上させることができる。

さらに、ゲート電極が上面に形成されるため、たとえば表示装置の駆動素子のゲート電極にスイッチング素子のソース・ドレインを接続する場合や、駆動素子のゲートにキャパシタを接続する制御回路を形成する場合でも、順次上面側に積層することにより、簡単に形成することができ、とくに有機発光（ＥＬ）表示装置に適用すれば、有機ＥＬ部（発光部）と共に積層するだけで形成することができる。

その結果、有機半導体を用いながら、非常に短チャネル長のＦＥＴを有する半導体素子が得られ、しかも、有機半導体層の膜厚でチャネル長を制御することができるため、フォトリソグラフィ技術を用いることなく、ナノメートルオーダの非常に厳密なチャネル長のＦＥＴを形成することができ、有機発光（ＥＬ）表示装置の駆動素子として用いることができる。しかも、単純な積層構造のみで形成することができるため、また、チャネル部分も自己整合的に形成されるため、プロセスコストを下げることができ、非常に安価に得ることができる。

また、本発明の有機ＥＬ表示装置の構造にすることにより、駆動素子がフォトリソグラフィ技術を用いなくても、チャネル長が短く、接触抵抗が非常に低いＦＥＴが得られるため、また、有機ＥＬ部上に単純な積層構造だけで駆動素子やキャパシタを形成することができ、駆動素子などを表示部と並列に配置する必要がないため、各画素面積の大部分を有機ＥＬ部で構成することができる。その結果、非常に開口率を向上させることができ、鮮明な表示をすることができる有機ＥＬ表示装置が非常に安価に得られる。さらに、駆動素子が縦型構造で縦方向に電流が流れるため、有機ＥＬ部と連続的に電流が流れる。そのため、無駄な経路がなく、低抵抗で電流を流すことができると共に、有機ＥＬ部の上面電極や駆動素子用下面側のソース・ドレイン電極がなくても、駆動素子から有機ＥＬ部に電流を流すことができる。その結果、高性能なアクティブマトリクス型の有機発光（ＥＬ）表示装置を安価に得ることができ、画像表示装置の新たな発展に大きく寄与する。

本発明による有機半導体素子の一実施形態を示す断面構造の説明図である。図２Ａ〜２Ｄは、図１に示される有機半導体素子の製造工程を断面説明図で示す図である。図３Ａおよび３Ｂは、本発明による有機半導体素子の他の実施形態を示す断面説明図である。本発明による有機半導体素子のさらに他の実施形態を示す断面説明図である。図５Ａ〜５Ｄは、本発明による有機ＥＬ表示装置の一実施形態の概要構成を説明する図である。図１の有機ＥＬ部の構成例を説明する図である。本発明による有機ＥＬ表示装置の具体的構成例を示す断面説明図である。本発明による有機ＥＬ表示装置の具体的構成例を示す断面説明図である。図９Ａ〜９Ｃは、従来の有機半導体素子の断面説明図である。

符号の説明

１基板
２第１導電層
３有機半導体層（第１有機半導体層）
４第２導電層
５絶縁層（第１絶縁層）
６ゲート電極（第３導電層）
７第２有機半導体層
８第４導電層
９第２絶縁層
１０第５導電層
１１第６導電層
１２第３絶縁層
１３第７導電層
１４第８導電層
１５第４絶縁層

つぎに、図面を参照しながら本発明の有機半導体素子およびそれを用いた有機ＥＬ表示装置について説明をする。本発明による有機半導体素子は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、基板１上に、ソース・ドレイン電極の一方とする第１導電層２が設けられ、その第１導電層２の上に有機半導体層３およびソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層４が設けられている。図１に示される例では、有機半導体層３および第２導電層４が第１導電層２よりも小さく形成され、第１導電層２の一部が露出する構造に形成されている。そして、その表面にゲート絶縁膜とする絶縁層５を介してゲート電極（第３導電層）６が設けられることにより形成されるＦＥＴを有している。なお、基板１は他の層に比して非常に厚いが、以下の図も含めて図では厚さの関係については示されていない。

基板１は、ガラス、アルミナ焼結体などの無機材料、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリフェニレンスルフィド膜、ポリパラキシレン膜などの各種絶縁性プラスティックなどの他、これらの無機物と有機物とのハイブリッド材料、第１導電層と兼ねた半導体基板などの導電性基板などでもよく、目的に応じてこの有機半導体素子の各膜を積層し、デバイスを保持するのに充分な強度を備えたものであればよい。後述する有機ＥＬ表示装置として用いる場合には、有機発光部が形成された基板の全体を意味する。有機半導体素子のみを作製する場合には、プラスティック基板を用いると、軽量でフレキシブルな有機ＴＦＴを作製することができる。

ソース・ドレイン電極とする第１導電層２および第２導電層４は、導電性に優れ、かつ、基板や有機半導体層との密着性がよく、接触抵抗の低い金属、または導電性有機（無機）材料、またはこれらの錯体材料が用いられる。具体的には、ｐ形の有機半導体層とオーミック接触を取るためには、仕事関数の大きい金属が好ましく、金、白金などを用いることが好ましい。しかし、これらの材料には限定されない。また、半導体層表面にドーパントが高密度にドープされている場合には、金属・半導体間をキャリアがトンネルすることが可能となり、金属の材質によらなくなるため、後述するゲート電極材料として挙げる金属材料を用いることもできる。これらの導電層２、４は、低抵抗層として利用できる２０〜２００ｎｍ程度、好ましくは５０〜１００ｎｍ程度の厚さに形成される。

有機半導体層３としては、オン・オフ比が高く、キャリア輸送性に優れ、絶縁層や電極材料と密着性のよいものが用いられ、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物などを用いることができる。具体的には、ペンタセン、テトラセン、チオフェンオリゴマ誘導体、フェニレン誘導体、フタロシアニン化合物、ポリアセチレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、シアニン色素などを用いることができるが、これらの材料に限定されるものではない。この有機半導体層３は、所望のチャネル長に応じた５０〜５０００ｎｍ程度、好ましくは１００〜１０００ｎｍ程度の厚さに形成される。

ゲート絶縁膜とする絶縁層５としては、塗布法が可能なポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリビニルクロライド、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、ポリサルフォン、ポリカーボネート、ポリイミドなどの有機材料が好ましい。また、既存のパターンプロセスを用いることができるＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、Ａｌ₂Ｏ₃などの無機材料を用いることもできる。もちろんこれらの材料に限定されるものではないし、これらの材料でも、２種以上併用することもできる。この絶縁層５は、絶縁性に優れ、ゲート電極に印加され得る電圧に耐えられる耐圧を確保するため、１０〜１０００ｎｍ程度、好ましくは５０〜１００ｎｍ程度の厚さに形成される。

ゲート電極（第３導電層）６としては、電極形成プロセスが簡単な塗布法を用いることができるポリアニリン、ポリチオフェンなどの有機材料、あるいは導電性インクが望ましい。また、金、白金、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン、ニッケルなどの金属や、これら金属を用いた合金や、スズ酸化物、酸化インジウム、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）などの無機材料でも、シャドウマスクを用いたスパッタ法や真空蒸着法などにより用いることもできる。また、シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコンを用いることもできる。さらに、これらの材料を２種以上併用しても構わない。

この有機半導体を製造する方法の一例について、図２Ａ〜２Ｄに示される工程図を参照しながら、具体例により説明をする。まず、図２Ａに示されるように、ソース・ドレイン電極の一方とする第１導電層２を真空蒸着法などにより形成する。この第１導電層２は、たとえば導電性有機材料などを塗布法により形成することもできる。つぎに、シャドウマスクを設けて、図２Ｂに示されるように、第１導電層２が一部露出するように、有機半導体層３を形成する。つぎに、同じマスクを用いて、図２Ｃに示されるように、有機半導体層３の上に、ソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層４を形成する。その後、表面全面に絶縁層５を形成する。ついで、その表面にゲート電極６を形成する。その結果、図１に示される断面構造を有するＦＥＴが形成される。なお、以上の方法では、真空蒸着法により各層を形成したが、塗布法により形成することもできる。

本発明の有機半導体素子によれば、ソース・ドレイン電極とする第１および第２導電層２、４の間にサンドイッチされた有機半導体層３の側面に、絶縁層５を介してゲート電極６が位置するように形成されている。そのため、有機半導体層３のゲート電極６と対向する有機半導体層３の側面がチャネル領域となり、ゲート電極６による制御により、チャネルがオンオフし、ＦＥＴ動作をする。

この構造では、有機半導体層３とソース・ドレイン電極となる第１および第２導電層２、４のいずれとの界面も平坦で、密着性が高いため、接触抵抗は非常に低い。なお、絶縁層５およびゲート電極６が有機半導体層３と第１導電層２との段差部に形成されるため、カバレッジが悪く、コーナ部に絶縁層が充分に充填されない可能性はあるが、元々絶縁層５は電流を流すものではないため、接触抵抗は問題にならない。

しかも、チャネル長は、有機半導体層３の厚さで定まるため、成膜厚さを制御することにより、所望のチャネル長に形成することができる。この有機半導体層３の厚さは、ナノメートルオーダで形成することができ、チャネル長もそのオーダで制御することができる。さらに、単純な積層構造で、しかもチャネル部分は自己整合的に作られるため、製造が簡単で、プロセスコストを大幅に下げることができる。その結果、低い動作電圧で、大きなドレイン電流を得ることができ、高特性のＦＥＴが安価に得られる。そのため、電流駆動である有機発光表示装置の駆動素子としても充分に用いることができ、有機ＥＬ部と連続的に積層し有機ＥＬ表示装置を構成することができる。

図１および２Ａ〜２Ｄに示される構造は、有機半導体層３と第２導電層４とが一部欠落するように成膜され、その側面に絶縁層を介してゲート電極が形成されていたが、必ずしもこの構造でなくても、図３Ａ〜３Ｂに示されるような変形例の構造にしても同様に、有機半導体層３の厚さをチャネル長とするＦＥＴ動作をさせることができる。

すなわち、図３Ａに示される構造は、第１導電層２も全面に形成されるのではなく、一部欠落した形状に形成されたもので、この構造にすれば、より一層完全にゲート電極６が有機半導体層３の側面と対向するため、低いゲート電圧でチャネル領域のオンオフを制御することができる。なお、他の部分は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

また、図３Ｂに示される構造は、逆に有機半導体層も全面に設けられ、第２導電層４のみを一部欠落した状態で形成し、その側面および有機半導体層の露出面に絶縁層５を介してゲート電極６が設けられたものである。この構造でも、第２導電層４の側面近傍の有機半導体層３がチャネル領域となり、ゲート電極６によりオンオフ制御をすることができる。この例でも、他の部分は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。この構造にすることにより、駆動素子を何個も並列に形成する場合に第２導電層４のみをパターン形成すればよいため、製造プロセスが簡単になるという利点がある。

図４は、本発明による有機半導体素子の他の実施形態を示す図１と同様の断面説明図で、ドレイン電流の注入、引出しをさらに改善したものである。すなわち、有機半導体層３の第１導電層２および第２導電層４との界面に、ソース・ドレイン層（キャリア注入層）３ａ、３ｂが形成されたものである。このソース・ドレイン層３ａ、３ｂは、ソース・ドレイン電極２、４と有機半導体層３との間のエネルギー障壁を小さくする有機半導体層で、有機半導体層３とソース・ドレイン電極２、４との間のエネルギー障壁が小さくなることにより、キャリアの注入、引出しが容易となり、より低い接触抵抗が得られ、低い駆動電圧で大きなドレイン電流を得やすくなる。

本発明の有機ＦＥＴでは、有機半導体層３の上下両面にソース・ドレイン電極２、４が設けられる構造であるため、チャネル領域の両端側に電流を流しやすくするソース・ドレイン層３ａ、３ｂが設けられることにより、シリコン系の半導体層で、ソース・ドレイン領域を高不純物濃度にして電流を流しやすくするのと同等の効果を得ることができる。すなわち、従来の有機半導体層の一面側にソース・ドレイン電極が設けられる構造では、電流通路が有機半導体層表面側の横方向であるため、チャネル領域を除いてソース・ドレイン層３ａ、３ｂを設けることは困難であるが、本発明では、単純な積層構造であるため、ソース・ドレイン層３ａ、３ｂを設けることが容易である。

ソース・ドレイン層（キャリア注入層）３ａ、３ｂとしては、たとえばＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）、ＰＥＤＯＴ（ポリ-３、４-エチレンジオキシ-チオフェン）などを用いることができる。

図５Ａ〜５Ｃは、前述のＦＥＴを用いた本発明の有機ＥＬ表示装置の概略構成を示す図である。すなわち、本発明による有機ＥＬ表示装置は、透光性基板１ａ上に透光性電極２１が設けられ、その透光性電極２１上に有機ＥＬ部２０が設けられ、その有機ＥＬ部２０上に駆動素子Ｔｒ₁、スイッチング素子Ｔｒ₂およびキャパシタＣが、それぞれ有機ＥＬ部２０上に積層して設けられ、この駆動素子Ｔｒ₁が前述の構造の縦型ＦＥＴで構成されていることに特徴がある。すなわち、この種の表示装置で、繊細な画像を表示するには、図５Ｂに１画素分の等価回路図が示されるように、有機ＥＬ部２０が駆動素子Ｔｒ₁を介して電源ラインＶccとアースとの間に接続され、駆動素子Ｔｒ₁のゲートにスイッチング素子Ｔｒ₂が接続され、ワードラインＷＬとビットラインＢＬとでマトリクスが組まれ、各画素を選択できるアクティブ型に構成されている。

本発明では、駆動素子Ｔｒ₁として、前述の構造の有機ＦＥＴが用いられることにより、フォトリソグラフィ技術を用いなくても、チャネル長の短いＦＥＴを有機半導体で形成することができ、有機ＥＬ部２０上に積層して形成することができるようになった。そのため、図５Ｃに１画素分の平面説明図が示されるように、画素のほぼ全面を発光部Ｌとすることができ、図５Ｄに示される従来のトランジスタＴｒやキャパシタＣＡＰＡの面積を確保する必要がなく、発光部Ｌの面積を従来構造よりも大幅に向上させることができる。

基板１ａとしては、この基板側から光を取り出すため、透光性なガラス基板やプラスティックフィルムが用いられる。また、透光性電極２１は、真空蒸着法やスパッタ法などにより設けられるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、酸化インジウムなどが用いられる。

有機ＥＬ部２０は、たとえば図６に示されるように、たとえばガラス基板Ｓｕｂ１ａ上の透光性電極２１上に、正孔輸送層２３、発光層２４および電子輸送層２５からなるＥＬ有機層２７が設けられ、その上に他方の電極（上面電極）２６が順次積層することにより形成されているが、ＥＬ有機層２７は、この３層構造に制限されるものではなく、少なくとも発光層が形成されていればよく、また、それぞれの層もさらに複層にすることもできる。

正孔輸送層２３は、一般的には発光層２４への正孔注入性の向上と正孔の安定な輸送向上のため、イオン化エネルギーがある程度小さく、発光層２４への電子の閉込め（エネルギー障壁）が可能であることが求められており、アミン系の材料、たとえばトリフェニルジアミン誘導体、スチリルアミン誘導体、芳香族縮合環をもつアミン誘導体などが用いられ、１０〜１００ｎｍ、好ましくは２０〜５０ｎｍ程度の厚さに設けられる。また、図には示されていないが、正孔輸送層２３と陽極電極２１との間に正孔注入層を設け、正孔輸送層２３へのキャリアの注入性をさらに向上させることも行われる。この場合も、陽極電極２１からの正孔の注入性を向上させるため、イオン化エネルギーの整合性のよい材料が用いられ、代表例として、アミン系やフタロシアニン系が用いられる。図６に示される例では、正孔輸送層２３として、ＮＰＢが３５ｎｍの厚さに設けられている。

発光層２４としては、発光波長に応じて選択されるが、Ａｌｑ３を母材として有機物蛍光材料をドーピングすることにより、ドーピング材料固有の発光色を得ることができ、また、発光効率や安定性を向上させることができる。このドーピングは、発光材料に対して数重量（ｗｔ）％程度（０.１〜２０ｗｔ％）で行われる。

蛍光性物質としては、キナクリドン、ルブレン、スチリル系色素などを用いることができる。また、キノリン誘導体、テトラフェニルブタジエン、アントラセン、ペリレン、コロネン、１２−フタロペリノン誘導体、フェニルアントラセン誘導体、テトラアリールエテン誘導体などを用いることができる。また、それ自体で発光が可能なホスト物質と組み合せて使用することが好ましく、ホスト物質としては、キノリノラト錯体が好ましく、８−キノリノールまたはその誘導体を配位子とするアルミニウム錯体が好ましく、その他に、フェニルアントラセン誘導体やテトラアリールエテン誘導体などを用いることができる。

電子輸送層２５は、陰極電極２６からの電子の注入性を向上させる機能および電子を安定に輸送する機能を有するもので、図６に示される例では、Ａｌｑ３（トリス（８−キノリノラト）アルミニウム）が２５ｎｍ程度の厚さに設けられている。この層が余り厚くなると、直列抵抗成分が大きくなるため、余り厚くはしないで、通常は１０〜８０ｎｍ、好ましくは２０〜５０ｎｍ程度の厚さに設けられる。電子輸送層２５としては、上記材料の他に、キノリン誘導体、８−キノリノールないしその誘導体を配位子とする金属錯体、フェニルアントラセン誘導体、テトラアリールエテン誘導体などを用いることができる。この電子輸送層２５と陰極電極２６との間でギャップが大きい場合には、正孔側と同様に、ＬｉＦなどからなる電子注入層２６ａが設けられる。

陰極電極２６としては、電子注入性を向上させるため、仕事関数の小さい金属が主に用いられる。代表例としては、Ｍｇ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒなどが一般には用いられる。また、酸化インジウムのような透光性導電膜を用いることもできる。これらの金属の酸化などを防止して安定化させるため、他の金属との合金化をさせることが多く、図６に示される例も、ＬｉＦ層２６ａを介してＡｌ層が１１０ｎｍ程度成膜されることにより、陰極電極２６が形成されている。

駆動素子Ｔｒ₁は、有機ＥＬ部２０と直列に接続されているため、チャネル長が長くなると抵抗が増大し、有機ＥＬ部２０に供給する電流が減少する。そのため、チャネル長の短いＦＥＴであることが好ましく、前述の図１または図３Ａ〜３Ｂに示される構造の縦型有機ＦＥＴが使用される。このＦＥＴは、縦型であるため、図１または図３Ａ〜３Ｂに示されるソース・ドレイン電極としての第１導電層２および前述の図６に示される有機ＥＬ部２０の電極２６がなくても、有機ＥＬ部２０に直接電流が流れ、発光させることができる。しかし、両者の電極を共用した第１導電層が設けられることにより、駆動素子Ｔｒ₁を通過した電流が第１導電層により全面に拡散されるため、有機ＥＬ部２０の全体に電流を供給することができ、広い面積での発光には好ましい。

一方、スイッチング素子Ｔｒ₂は、それほど電流を必要とはしないため、前述の図１または図３Ａ〜３Ｂに示される構造の有機ＦＥＴを使用してもよいが、この構造でなくて、従来の横型構造のＦＥＴを、シャドウマスクを用いて形成してもよい。キャパシタＣは、駆動素子がオンの状態を一定時間保持するためのもので、データを保持し得る容量に形成される。

つぎに、具体的な構造例でさらに詳細に説明をする。図７は、駆動素子Ｔｒ₁およびスイッチング素子Ｔｒ₂の両方共に前述の縦型構造の有機ＦＥＴを使用した例である。すなわち、たとえばガラスなどの透光性基板１ａ上に、たとえばＩＴＯからなる透光性電極２１が形成され、前述の図６に示される構造の有機ＥＬ部２０が積層されている。そして、その表面に、有機ＥＬ部の上部電極および駆動素子のソース・ドレイン電極の一方と共用する第１導電層２が形成されている。なお、前述のように、この第１導電層２はなくてもよい。その表面の駆動素子領域Ａに有機半導体層３が積層され、さらにその表面に部分的に（図７では２ヵ所）ソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層４が設けられ、その表面全体にゲート絶縁膜とする第１絶縁層５が、さらにその表面にゲート電極とする第３導電層６が、それぞれ設けられることにより、前述の構造の有機ＦＥＴが駆動素子Ｔｒ₁として形成されている。

スイッチング素子領域Ｂでは、第３導電層６をソース・ドレイン電極の一方とし、その表面にスイッチング素子用の第２有機半導体層７が積層され、その表面に部分的にソース・ドレイン電極の他方とする第４導電層８が設けられ、その表面および駆動素子領域Ａの第３導電層６上に、スイッチング素子用ゲート絶縁膜およびキャパシタ用の絶縁膜とする第２絶縁層９が設けられている。そして、スイッチング素子領域Ｂにおける第２絶縁層９上にスイッチング素子用ゲート電極とする第５導電層１０が、また、駆動素子領域Ａにおける第２絶縁層上にキャパシタ電極とする第６導電層１１が同じ材料で同時に形成されている。そして、この表面に保護膜１９（図５Ａ参照）が形成されることにより、図５Ａに概略図で示された構造の有機発光表示装置が得られる。

この構造で、第２導電層４の側端部と第１導電層２とが対向する部分Ｄの第１有機半導体層３に駆動素子Ｔｒ₁のチャネル領域が形成され、チャネルがオンするときは、Ｄの部分で縦方向に電流が流れ、その下の有機ＥＬ部２０に電流を流して、発光する。そのため、第２導電層４の幅はできるだけ小さくして、数多く形成した方がチャネル領域の数を増やすことができ、チャネル幅を大きくして電流を多く流しやすいため好ましい。なお、紙面と垂直方向には、帯状に第２導電層４が連続的に形成されるのが好ましい。

図７に示される例では、第２導電層４が２個形成されているが、たとえば１画素の大きさが３００μｍ×３００μｍの表示装置を構成する場合、１画素をＲ、Ｇ、Ｂの３色で構成すると、１画素のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの大きさは、１００μｍ×３００μｍとなり、もっと数多くの第２導電層４を形成することができる（３００μｍ方向または１００μｍ方向には帯状に連続して形成される）。

なお、図７に示される例では、スイッチング素子Ｔｒ₂の下側には駆動素子Ｔｒ₁が形成されていないが、第３導電層６は駆動素子Ｔｒ₁の最上面であるため、若干高さは高くなるが、駆動素子Ｔｒ₁が形成された上にスイッチング素子Ｔｒ₂を形成することができ、図７に示されるように、駆動素子領域Ａとスイッチング素子領域Ｂとが平面的に分離される必要はない。

また、図７に示される例では、第１有機半導体層３および第１導電層２が駆動素子領域のほぼ全面に設けられる構造（前述の図３Ｂに示される有機半導体素子の構造）であるが、前述の図１または図３Ａに示される有機半導体素子の構造でも縦型ＦＥＴを形成することができ、第１有機半導体層３または第１導電層２も第２導電層４のパターンに合せて形成することができる。

さらに、図７に示される例では、スイッチング素子Ｔｒ₂も縦型構造のＦＥＴであり、駆動素子Ｔｒ₁の例と同様に、第４導電層８の側端部近傍の第２有機半導体層７にチャネル領域が形成されるが、このスイッチング素子Ｔｒ₂は、それほど電流を必要とせず、第４導電層８は１個形成されればよく、その後ろ側（紙面と垂直方向）には駆動素子を形成することができる。このように、駆動素子Ｔｒ₁が画素のほぼ全面に形成されれば、駆動素子Ｔｒ₁から直接有機ＥＬ部２０のほぼ全面に電流を供給することができるため、第１導電層２がなくても動作に支障を来さない。

図８は、スイッチング素子Ｔｒ₂を前述の縦型構造のＦＥＴではなく、従来の横型構造のＦＥＴで構成した例である。スイッチング素子Ｔｒ₂は、電流量をそれほど必要としないため、チャネル長が短くなくてもそれほど問題は生じない。そのため、シャドウマスクを用いた従来構造のＦＥＴでも支障はない。図８に示される例は、第１導電層２までは、図７に示される例と同じで、第１導電層２の形成後に、スイッチング素子領域Ｂに第３絶縁層１２が設けられ、第３絶縁層１２および駆動素子領域Ａの第１導電層２上に、駆動素子およびスイッチング素子用の第１有機半導体層３が積層され、その上に駆動素子領域Ａでは、前述と同様に第２導電層４が、スイッチング素子領域Ｂでは、第２導電層４と同じ材料で、同時にスイッチング素子用ソース・ドレイン電極とする第７および第８の導電層１３、１４が所定間隔だけ離して形成されている。

そして、スイッチング素子用ソース・ドレイン電極の一方である、たとえば第８導電層１４の一部が露出するように、絶縁膜が成膜され、駆動素子用ゲート絶縁膜とする第１絶縁層５およびスイッチング素子用ゲート絶縁膜とする第４絶縁層１５が設けられている。なお、第１絶縁層５と第４絶縁層１５とは連続して形成されていてもよいが、第８導電層１４の一部は露出するように形成される。そして、駆動素子領域Ａの第１絶縁層５上に駆動素子用ゲート電極とする第３導電層６が第８導電層１４とコンタクトするように設けられ、スイッチング素子領域Ｂの第４絶縁層１５上のソース・ドレイン電極１３、１４間にスイッチング素子用ゲート電極とする第５導電層１０が設けられている。駆動素子領域Ａの第３導電層６上にさらに第２絶縁層９を介してキャパシタの電極とする第６導電層１１が設けられることにより、有機発光表示装置が形成されている。なお、図８で、図７と対応する部分には図７と同じ符号を付した。

この構造では、駆動素子側は、図７に示される構造と同じであるが、スイッチング素子側のＦＥＴが横型で形成されているため、両素子の有機半導体層が第１有機半導体層３の１層で同時に形成されていることに特徴がある。ただし、前述の図７に示される構造では、駆動素子のゲート電極とスイッチング素子のソース・ドレイン電極の一方とが同じ第３導電層６で同時に形成されたが、図８に示される構造では、スイッチング素子Ｔｒ₂のソース・ドレイン電極１３、１４の両方が、駆動素子Ｔｒ₁のソース・ドレイン電極の他方４と同時に形成されるため、駆動素子のゲート電極６がスイッチング素子のソース・ドレイン電極の他方１４とコンタクトするように形成されている。この構造によれば、キーとなる両素子の有機半導体層３を同じ層で同時に形成することができること、および製造工程を減らすことができるという利点がある。もちろん、同じ層、同時形成でなくてもよい。

図８に示される例では、駆動素子用有機半導体層およびスイッチング素子用有機半導体層を１層で連続するように形成されていたが、分離するように形成されてよい。しかし、同時に同じ材料で形成することができ、１工程で形成することができる。また、図８に示される構造では、スイッチング素子用ソース・ドレイン電極とする第７および第８導電層１３、１４が第１有機半導体層３の上側に形成されていたが、有機半導体層３の下側に形成することもできるし、また、ソース・ドレイン電極とする第７および第８導電層１３、１４は有機半導体層３の上側で、ゲート電極とする第５導電層１０を有機半導体層３の下側に形成することもできる。

図７および８に示されるように、本発明による有機ＥＬ表示装置によれば、有機ＥＬ部上に駆動素子用ＦＥＴが設けられているため、有機ＥＬ部と駆動素子との接続部における両者の電極を共用したり、両者の電極共に省略することができる。さらに、キャパシタも駆動素子のゲート電極上に形成されているため、両者の電極を共用することができる。また、スイッチング素子も駆動素子のゲート電極上に積層して形成されるか、駆動素子の各層と同時に形成されるため、単純に積層していくだけでアクティブマトリクス型有機発光表示装置が得られる。

しかも、駆動素子、スイッチング素子およびキャパシタの全てが、有機ＥＬ部上に形成されているため、駆動素子などにより表示部の面積が減らされることがなく、非常に開口率を向上させることができる。また、有機ＥＬ部が発光面側のＩＴＯ電極上に先に形成されるため、透光性電極の抵抗を充分に下げることができ、発光効率を向上させることができる。

本発明の有機半導体素子は、携帯ディスプレイや電子値札、電子荷札などの電子タグなどのように低価格で供給される電子機器の集積回路に利用することができ、また、本発明の有機ＥＬ表示装置は、携帯電話機、携帯端末機、薄型テレビなどのディスプレイなどに利用することができる。

Claims

基板と、該基板上に設けられるソース・ドレイン電極の一方とする第１導電層と、該第１導電層の上に設けられる有機半導体層と、該有機半導体層の上に設けられるソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層と、前記有機半導体層の側面または前記第２導電層の一部が除去されて露出する前記有機半導体層の表面および前記第２導電層の側面に絶縁層を介して設けられるゲート電極とからなるＦＥＴを有する有機半導体素子。
前記第１導電層と有機半導体層との間、および／または前記第２導電層と前記有機半導体層との間にエネルギー障壁を低くする有機半導体層が設けられてなる請求項１記載の有機半導体素子。
前記第１導電層が広い範囲に亘って設けられ、該第１導電層上に前記有機半導体層および前記第２導電層がそれぞれの側面が揃って露出するように設けられ、該有機半導体層と第２導電層の側面を覆うように前記絶縁層を介して前記ゲート電極が設けられてなる請求項１記載の有機半導体素子。
前記第１導電層、前記有機半導体層および前記第２導電層がそれぞれの側面が揃って露出するように設けられ、該第１導電層、有機半導体層および第２導電層の側面を覆うように前記絶縁層を介して前記ゲート電極が設けられてなる請求項１記載の有機半導体素子。
前記第１導電層および前記有機半導体層が広い範囲に亘って設けられ、該有機半導体層上に前記第２導電層がその側面を露出するように設けられ、該第２導電層の側面を覆うように前記絶縁層を介して前記ゲート電極が設けられてなる請求項１記載の有機半導体素子。
透光性基板と、該透光性基板上に設けられる透光性電極と、該透光性電極上に設けられるＥＬ有機層と、該ＥＬ有機層の上に積層して設けられる駆動素子、スイッチング素子およびキャパシタとからなり、前記駆動素子が第１導電層と有機半導体層と第２導電層との積層構造で、少なくとも前記第２導電層の側面に絶縁層を介してゲート電極が設けられる構造の縦型ＦＥＴにより形成されてなる有機ＥＬ表示装置。
前記ＥＬ有機層と前記駆動素子との間に、有機ＥＬ部の上部電極および前記駆動素子のソース・ドレイン電極の一方とする導電層が、共通の導電層として、または別々の導電層として設けられてなる請求項６記載の構造のＦＥＴである有機ＥＬ表示装置。
前記駆動素子が前記ＥＬ有機層の上に設けられ、該駆動素子の上面に形成されるゲート電極用の第３導電層の一部を前記スイッチング素子のソース・ドレイン電極の一方とし、該第３導電層の一部上に有機半導体層およびソース・ドレイン電極の他方とする第４導電層が積層されることにより形成される縦型ＦＥＴにより前記スイッチング素子が形成されてなる請求項６記載の有機ＥＬ表示装置。
前記駆動素子およびスイッチング素子が、前記ＥＬ有機層の上に平面的に駆動素子領域とスイッチング素子領域とに分けて設けられ、前記スイッチング素子は、スイッチング素子用有機半導体層が前記駆動素子の有機半導体層と連続して、または同時に形成され、該有機半導体層の同じ面に接して、一対のソース・ドレイン電極が離間して設けられる横型ＦＥＴである請求項６記載の有機ＥＬ表示装置。
前記ＥＬ有機層の上に前記駆動素子用の第１有機半導体層が設けられ、該第１有機半導体層上に部分的に駆動素子用ソース・ドレイン電極の１つとする第２導電層が設けられ、露出する表面に前記駆動素子用のゲート絶縁膜とする第１絶縁層が設けられ、該第１絶縁層上に前記駆動素子用のゲート電極および前記スイッチング素子用のソース・ドレイン電極の一方とする第３導電層が設けられ、前記スイッチング素子が設けられるスイッチング素子領域における該第３導電層上に前記スイッチング素子用の第２有機半導体層が設けられ、該第２有機半導体層上に部分的に前記スイッチング素子用のソース・ドレイン電極の他方とする第４導電層が設けられ、前記駆動素子が設けられる駆動素子領域における前記第３導電層上、および前記スイッチング素子領域における前記第２有機半導体層の露出部および前記第４導電層の上に、前記キャパシタの誘電体層および前記スイッチング素子用のゲート絶縁膜とする第２絶縁層が設けられ、前記スイッチング素子領域における該第２絶縁層上に前記スイッチング素子用のゲート電極とする第５導電層、および前記駆動素子領域における前記第２絶縁層上に前記キャパシタの電極とする第６導電層がそれぞれ設けられてなる請求項８記載の有機ＥＬ表示装置。
前記スイッチング素子領域における前記ＥＬ有機層の上に第３絶縁層が設けられ、該第３絶縁層上および前記駆動素子領域における前記ＥＬ有機層の上に、前記駆動素子用およびスイッチング素子用の第１有機半導体層が設けられ、前記駆動素子領域における該第１有機半導体層上に部分的に駆動素子用ソース・ドレイン電極の他方とする第２導電層が設けられると共に、前記スイッチング素子領域における前記第１有機半導体層上に前記スイッチング素子用のソース電極およびドレイン電極とする第７および第８の導電層が分離して設けられ、前記駆動素子領域における前記第１有機半導体層の露出部および前記第２導電層上に前記駆動素子用のゲート絶縁膜とする第１絶縁層が設けられると共に、前記スイッチング素子領域における前記第１有機半導体層の露出部および前記第７および第８の導電層上に前記スイッチング素子用のゲート絶縁膜である第４絶縁層が前記第７または第８の導電層のいずれか一方の一部が露出するように設けられ、前記第１絶縁層上に前記駆動素子用のゲート電極とする第３導電層が前記第７または第８の導電層の露出部と電気的に接続されるように設けられると共に、前記第４絶縁層上に前記スイッチング素子用のゲート電極とする第５導電層が設けられ、前記第３導電層上に前記キャパシタの誘電体層とする第２絶縁層が設けられ、該第２絶縁層上に前記キャパシタの電極とする第６導電層がそれぞれ設けられてなる請求項９記載の有機ＥＬ表示装置。
前記ＥＬ有機層と前記第１有機半導体層との間に有機ＥＬ部の上部電極および前記駆動素子のソース・ドレイン電極の一方とする導電層が、共通の導電層として、または別々の導電層として設けられてなる請求項１０または１１記載の有機ＥＬ表示装置。