KR101394868B1 - 전류 증폭형 트랜지스터 소자 및 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자 - Google Patents
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Abstract
전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에, 2층의 유기 반도체층과 시트 형상의 베이스 전극이 구비된다. 한쪽의 유기 반도체층은, 에미터 전극과 베이스 전극과의 사이에 설치되고, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층의 다이오드 구조를 가진다. 상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자와 그 중에 형성된 유기 EL 소자부를 포함한 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자도 개시되어 있다.
Description
본 발명은, 전류 증폭성을 가지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자 및 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자에 관한 것으로, 더 상세하게는, 저전압에서 대전류 변조를 실시 가능하고, 온/오프비가 우수하고, 따라서 유기 EL디스플레이 등의 구동이 우수한 전류 증폭형 트랜지스터 소자, 및 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자에 관한 것이다.
최근, 평면TV나 노트북의 보급이 진행되고 있어, 액정 디스플레이, 유기 EL디스플레이, 전자 페이퍼 등, 표시 디스플레이에의 요구도 높아지고 있다. 이러한 디스플레이의 소자의 구동에는, 전계 효과 트랜지스터(FET)가 사용되고 있다. 현재, 무기재료인 실리콘을 이용한 FET가 주로 사용되고 있지만, 저비용화, 대면적화, 플렉시블화를 위해서 유기 트랜지스터 소자를 이용한 디스플레이가 보고되고 있다.
그러나, 유기 전계 효과형 트랜지스터(OFET)와 액정 또는 전기영동 셀을 조합한 디스플레이가 대부분이다. OFET는, 그 구조와 이동도가 낮음에 의해, 대전류를 얻는 것은 어렵고, 대전류를 필요로 하는 전류 구동 디바이스인 유기 EL디스플레이의 구동 소자에 OFET를 이용한 예는, 거의 보고되어 있지 않다. 그 때문에, 저전압에 있어서 대전류로 출력하여, 유기 EL디스플레이의 구동이 가능한 유기 트랜지스터 소자의 개발이 요구되고 있다.
현재, OFET를 이용하여 대전류를 얻기 위해서는, OFET의 채널길이를 짧게 하는 것이 필요하지만, 채널길이를 수㎛ 이하로 하는 것은, 대량생산을 시야에 넣은 패터닝 기술에서는 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해, 막두께 방향으로 전류를 흐르게 하는 것에 의해 저전압 영역에 있어서 대전류를 얻을 수 있는 '종형 트랜지스터 구조'가 연구되고 있다. 일반적으로 종형 트랜지스터에 이용되는 막두께는 수십㎚에서 수백㎚이고, 게다가 수Å오더의 높은 정밀도로 막두께의 제어가 가능하다. 종형 트랜지스터는, 채널을 막두께 방향(세로 방향)으로 하는 것에 의해, 1㎛ 이하의 짧은 채널길이를 용이하게 실현할 수 있어, 대전류를 얻을 수 있는 가능성이 있다. 지금까지, 이러한 종형의 유기 트랜지스터 소자로서 폴리아닐린막의 자기(自己) 조직화 네트워크 구조를 그리드(grid) 전극으로서 이용한 폴리머 그리드 트라이오드(polymer-grid triode) 구조 종형 트랜지스터, 또한, 미세한 스트라이프 형상의 중간 전극으로 공핍층(depletion layer) 폭을 변조하는 것에 의해 소스·드레인간의 전류를 컨트롤하는 정전 유도형 트랜지스터(Static Induction Transistor, SIT) 등이 알려져 있다.
최근, 유기 반도체/금속/유기 반도체의 적층 구조를 가지는, 고성능인 트랜지스터 특성을 발현하는 종형 유기 트랜지스터 소자가 제안되고 있다(특허문헌 1). 이 종형 트랜지스터 소자는, 에미터(emitter) 전극과 콜렉터 전극과의 사이에, 유기 반도체층과 스트라이프 형상의 중간 금속 전극이 설치되어 있다. 이 유기 트랜지스터 소자에서는, 에미터 전극으로부터 주입된 전자가 중간 금속 전극을 투과하는 것에 의해, 바이폴러 트랜지스터를 닮은 전류 증폭이 관측되어, 그 중간금속 전극이 베이스 전극과 같이 움직인다. 따라서 이 유기 트랜지스터 소자에서는, 메탈 베이스 유기 트랜지스터(Metal-Base Organic Transistor, 이후 MBOT라고 칭하는 경우가 있다)라고 칭하고 있다.
MBOT는, 에미터 전극과 콜렉터 전극 사이에 출력전압을 인가하고, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 전압을 인가하지 않는 경우는 전류가 거의 흐르지 않지만, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 전압을 인가하면 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 전류가 흐른다. 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 흐르는 전류가 콜렉터 전류, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 흐르는 전류가 베이스 전류이다. MBOT는, 베이스 전압의 인가에 의해 증가하는 베이스 전류에 비해, 콜렉터 전류가 급격하게 증가하기 때문에, 베이스 전압에 의한 콜렉터 전류의 변조가 가능한 소자가 된다. 에미터 전극과 콜렉터 전극에 전압을 인가하여, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 전압이 인가되어 있지 않은 경우에 흘러 버리는 '누설 전류'가 OFF 전류이며, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 전압을 인가했을 때에 흐르는 전류가 ON 전류이다. MBOT는, OFF 전류는 제로에 가까워, 큰 ON 전류를 얻을 수 있는 트랜지스터 소자이다.
또한, 유기 트랜지스터(MBOT)의 구조로서, 투명 ITO 전극을 콜렉터 전극으로 하고, 그 위에 유기 반도체/금속/유기 반도체를 진공 증착에 의해 적층하는 것에 의해, 간단하게 작성할 수 있는 MBOT가 보고되고 있다(특허문헌 2). 유기 반도체로서는, n형 유기 반도체 재료인 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)와 풀러렌(C60), 전극 재료로서는, 베이스 전극으로서 Al, 에미터 전극으로서 Ag가 이용된다. 이 MBOT는, 암전류 억제층의 도입, 베이스 전극을 가열 처리하는 것에 의해 온/오프비(ON 전류와 OFF 전류의 비율)를 향상시킨 대전류 증폭이 가능한 트랜지스터 소자가 된다. 이와 같이, MBOT는, 종형 트랜지스터임에도 불구하고, 미세한 그리드 전극 형상 또는 스트라이프 전극 형상의 미세한 패터닝을 필요로 하지 않는 특징이 있다.
또한, 유기 트랜지스터 소자(MBOT)로서, 가열 처리 등을 하지 않고, 양호한 전류 증폭 특성이나 온/오프비를 얻는 것이 보고되고 있다. 그들은 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에 유기 반도체층과 시트 형상의 베이스 전극을 가지고, 베이스 전극과 콜렉터 전극의 사이에 에너지 장벽층, 전하투과 촉진층을 가지는 MBOT(특허문헌 3); 또한, 장쇄 알킬기를 가지는 페릴렌테트라카복실산디이미드로 이루어지는 유기 반도체층을 콜렉터층으로서 이용한 MBOT(일본특허출원 2009-114619)이다.
또한, 종형 트랜지스터로서, 광투과성 금속 기판을 구비한 유기 트랜지스터가, 양극성(bipolar) 트랜지스터로서 보고되고 있다. 이 유기 트랜지스터는 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에 유기 반도체층과 시트 형상의 베이스 전극을 가지고, 에미터 전극과 베이스 전극간, 콜렉터 전극과 베이스 전극간의 양 유기 반도체층에, N,N'-디페닐-N,N'-디(1-나프틸)-1,1'-비페닐-4,4'-디아민(NPD) 및 풀러렌(C60)으로 각각 이루어지는 헤테로접합 유기 반도체층을, 이용한다(비특허문헌 1).
J.후앙 등(J.Huang et al.), 유기 전자학(Organic Electronics), Volume 10, Page 210-213 (2009)
그러나, 폴리머 그리드 트라이오드 구조 종형 트랜지스터 또는 정전 유도형 트랜지스터(SIT)는, 중간 전극을 형성하는 어려움으로부터 대량생산이 곤란하다. 특허문헌 1, 2에 기재되어 있는 유기 트랜지스터 소자(MBOT)는, 막두께나 구조에 따라서, 오프 전류가 높아지는 경우가 있고, 그리고 더욱이, 상기 트랜지스터는 유기 반도체/금속/유기 반도체의 적층 구조를 제작하면 반드시 전류 증폭 작용이 관측된다고 하는 것은 아니다. 안정된 성능을 발현하여, 큰 전류치, 높은 증폭율, 높은 온/오프비를 얻기 위해서는, 가열 처리에 의해 베이스 전극 표면에 산화층을 형성하여, 오프 전류의 억제층으로 할 필요가 있다.
또한, 상기 특허문헌 3 및 선행 출원(일본 특허출원 2009-114619)에 기재되어 있는 유기 트랜지스터 소자(MBOT)는, 오프 전류의 억제층을 형성하기 위해서 전극의 가열 처리를 하는 일 없이, 전류를 증폭할 수 있지만, 전자기기를 작동시키기에 충분한 큰 전류치, 큰 전류 증폭율, 큰 온/오프비를 얻는 것은 곤란하다.
비특허문헌 1에 개시되고 광투과성 금속 기판을 구비한 유기 트랜지스터에서는, 양극성 트랜지스터 소자로서의 전류 변조 작용을 나타내기도 하고, 상보형 (complementary) 논리 회로 등에의 이용의 가능성은 있다. 그러나 큰 전류치를 얻는 것, 환언하면, 전자기기를 작동시키기에 충분한 전류의 증강을 도모하는 것은 어렵고, 유기 EL디스플레이 등의 구동용 소자로서 이용하는 것은 곤란하다.
따라서, 본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에서, 저전압하에서 큰 전류 증폭 작용을 나타내고, 온/오프비가 우수한 메탈 베이스 유기 트랜지스터 소자(Metal-Base Organic Transistor: MBOT)를, 가열 등의 처리 공정이 필요 없는, 단순한 제조 프로세스에 의해 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 발광층을 포함한 유기 EL 소자부를 가지고, 온/오프비가 우수하고 전류 밀도가 높고, 자(自)발광하는 것이 가능한 발광 트랜지스터 소자를 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 이하에 기재하는 본 발명에 의해서 달성된다. 즉, 본 발명은, 그 한 형태에 있어서, 에미터 전극, 콜렉터 전극, 상기 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에 형성된 제 1 및 제 2 유기 반도체층, 및 상기 제 1 유기 반도체층과 제 2 유기 반도체층과의 사이에 형성된 시트 형상의 베이스 전극이 설치되어 있는 전류 증폭형 트랜지스터 소자에 있어서, 상기 제 1 유기 반도체층이 상기 에미터 전극과 상기 베이스 전극과의 사이에 설치되고, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층과의 다이오드 구조를 가지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자를 제공한다. 상기 다이오드 구조의 채용에 의해, 상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자는 온/오프비가 우수하고 대전류 증폭이 가능하다.
상기 제 2 유기 반도체층이 상기 콜렉터 전극과 상기 베이스 전극과의 사이에 설치된 n형 유기 반도체층으로 이루어지고, 상기 제 1 유기 반도체층이, 상기 베이스 전극상에 형성된 p형 유기 반도체층과 상기 에미터 전극하에 형성된 n형 반도체층으로 이루어지는 다이오드 구조를 가지는 것이 바람직하다.
상기 제 1 유기 반도체층중의 상기 p형 유기 반도체 및 상기 n형 유기 반도체는, 예를 들면, 각각, 정공 수송 재료층 및 전자 수송 재료층인 것이 가능하다. 상기 제 1 유기 반도체층중의 상기 p형 유기 반도체층은, 예를 들면, 금속 프탈로시아닌 또는 무금속 프탈로시아닌 또는 펜타센으로 이루어지는 것이 가능하다.
예를 들면, 상기 제 2 유기 반도체층은 상기 콜렉터 전극과 상기 베이스 전극과의 사이에 설치되어, N,N'-디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 이루어지는 유기 반도체층과 풀러렌(C60)으로 이루어지는 다른 유기 반도체층을 적층한 적층 유기 반도체층으로 이루어지는 것이 가능하다.
상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 상기 베이스 전극과 상기 제 2 유기 반도체층과의 사이에 형성된 불화 리튬층을 더 가지는 것이 바람직하다.
상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 예를 들면, 5V 이하의 저전압에 있어서의 전류 증폭율이 50 이상인 것이 가능하다. 또한, 상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 예를 들면, 온/오프비가 100 이상인 것이 가능하다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자와, 상기 제 1 유기 반도체층에 있어서의 상기 p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층과의 사이에 형성된 유기 EL 소자부로 이루어지고, 상기 유기 EL 소자부가 유기 EL 발광층, 정공 주입층 및 정공 수송층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자; 또는 상기 전류 증폭형 트랜지스터 소자와, 상기 제 2 유기 반도체층과 상기 콜렉터 전극과의 사이에 형성된 유기 EL 소자부로 이루어지고, 상기 유기 EL 소자부가 유기 EL 발광층, 정공 주입층 및 정공 수송층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자가 제공된다.
본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자 및 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자에 의하면, 상기 한쪽의 유기 반도체층이, 다이오드 구조를 가지는 것에 의해, 저전압에서 대전류에의 변조를 가능하게 하는 전류 증폭 작용을 안정하게 얻을 수 있다.
본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자(MBOT)는, 여러 가지의 디스플레이의 구동용 소자로서, 특히 대전류 변조에 의해 구동시키는 유기 EL디스플레이, 전자 페이퍼용의 구동 소자로서 유용하다. 이것들을 구동하는 트랜지스터 소자는, ON시와 OFF시의 높은 콘트라스트가 제공될 필요가 있어서, 보다 큰 온/오프비, 암전류의 억제가 요구된다. 온/오프비가 낮고 암전류가 크면, 오프시에 있어서도 유기 EL디스플레이가 발광하는 등의 문제를 일으킨다. 본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 온/오프비가 높고, 저전압 영역에서의 대전류 변조 특성, 주파수 특성이 우수한 것에 의해, 구동용 트랜지스터 소자로서 높은 성능을 가진다.
또한, 본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자는, 저전압 영역에서의 대전류 변조가 가능하고, 1개의 픽셀내에 있어서의 트랜지스터 소자의 점유 면적을 작게 할 수 있어, 디스플레이에 있어서의 개구 비율의 향상을 가능하게 하여, 그 결과, 고성능, 고효율의 디스플레이가 된다. 또한, 본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자는 증착법에서의 작성도 가능하고, 플라스틱 등의 플렉시블 기판상에 전류 증폭형 트랜지스터 소자를 형성하는 것에 의해, 소형 경량화된 디스플레이 또는 기기의 작성이 가능하게 된다.
제 1 유기 반도체층에 있어서의 p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층과의 사이 또는 제 2 유기 반도체층과 콜렉터층과의 사이에 형성된 유기 EL 소자부를 가지는 본 발명의 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자는, 유기 발광소자와 그 구동용 트랜지스터 소자를 1개의 소자에 통합한 형태가 된다. 상기 유기 EL 소자부가 상기 유기 발광층을 가지므로, 트랜지스터 소자 전극면으로부터의 면형상 발광이 가능하게 된다. 게다가, 종래의 SIT 구조와 같은 베이스 전극의 미세 패터닝이 불필요한 동시에, 저전압 영역에서의 대전류 변조가 가능하고, 게다가 온/오프비가 높기 때문에, 우수한 발광 트랜지스터 소자가 된다. 또한, 증착법만으로 작성도 가능하고, 플라스틱 등의 플렉시블한 기판상에도 소자를 형성하는 것이 가능하여, 소형 경량화된 간단한 구조로 이루어지는 플렉시블한 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자로서 제공할 수 있다. 한편, 이하, 본 발명의 전류 증폭형 트랜지스터 소자 및 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자를 단순히 '트랜지스터 소자 및 발광 트랜지스터 소자', 'MBOT 및 발광 MBOT' 등으로 칭하는 경우가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 트랜지스터 소자와 그 구동 회로를 설명하는 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 발광 트랜지스터 소자 A와 그 구동 회로의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 발광 트랜지스터 소자 B와 그 구동 회로의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 발광 트랜지스터 소자 A 또는 B의 발광소자부의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 5는 실시예 1에서 제작한 트랜지스터 소자와 그 구동 회로의 구조를 설명하는 개략 단면도.
도 6은 실시예 3에서 제작한 트랜지스터 소자와 그 구동 회로의 구조를 설명하는 개략 단면도.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 트랜지스터 소자의 출력 특성(Ic-Vb커브)을 설명하는 도면.
도 8은 실시예 2 및 비교예 1의 트랜지스터 소자의 출력 특성(Ic-Vb커브)을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 발광 트랜지스터 소자 A와 그 구동 회로의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 발광 트랜지스터 소자 B와 그 구동 회로의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 발광 트랜지스터 소자 A 또는 B의 발광소자부의 구성을 설명하는 개략 단면도.
도 5는 실시예 1에서 제작한 트랜지스터 소자와 그 구동 회로의 구조를 설명하는 개략 단면도.
도 6은 실시예 3에서 제작한 트랜지스터 소자와 그 구동 회로의 구조를 설명하는 개략 단면도.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 트랜지스터 소자의 출력 특성(Ic-Vb커브)을 설명하는 도면.
도 8은 실시예 2 및 비교예 1의 트랜지스터 소자의 출력 특성(Ic-Vb커브)을 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명은 이하의 실시형태에 제한되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명의 일실시형태에 의한, 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에, 제 1 및 제 2 유기 반도체층과 시트 형상의 베이스 전극을 설치하는 유기 트랜지스터 소자(MBOT)에 대해 설명한다. 상기 제 1 유기 반도체층으로서 다이오드 구조를 가지는 에미터층이 이용된다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 유기 반도체/전극/유기 반도체라고 하는 적층 구조를 가지고, 단순한 적층 공정에 의한 제작이 가능한 종형 메탈 베이스 유기 트랜지스터 소자(MBOT)이다. 그 구조는, 아래에서 위로 향하는 순서로, 기판(도 1에는 도시하지 않음)에, 콜렉터 전극(11), 유기 반도체층으로 이루어지는 콜렉터층(제 2 유기 반도체층)(21), 베이스 전극(13), 적층에 의한 다이오드 구조를 이루는 에미터층(제 1 유기 반도체층){22(22A,22B)}, 에미터 전극(12)을 포함하고 있다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자를 제조하기 위해서는, 기판상에 콜렉터 전극(11), 콜렉터층(21)의 순서로 형성하고, 베이스 전극(13), 에미터층{22 (22A,22B)}을 적층한다. 또한, 에미터층(22)의 상부에 에미터 전극(12)을 형성하고, 본 실시형태의 트랜지스터 소자가 된다. 여기서, 에미터층(22)은, 유기 반도체층(22A)과 유기 반도체층(22B)의 적층에 의한 다이오드 구조를 형성한다. 22A와 22B는, 구체적으로는 n형 유기 반도체층과 p형 유기 반도체층의 조합을 나타낸다. 22A가 n형 유기 반도체층의 경우에는 22B를 p형 유기 반도체층으로 하고, 22A가 p형 유기 반도체층의 경우는 22B를 n형 유기 반도체층으로 하는 다이오드 구조를 형성한다. 에미터층(22)의 구성은, 콜렉터층(21)을 n형 유기 반도체층으로 한 경우는, 22A를 n형 유기 반도체층, 22B를 p형 유기 반도체층으로 하고, 콜렉터층(21)을 p형 유기 반도체층으로 한 경우는, 22A를 p형 유기 반도체층, 22B를 n형 유기 반도체층으로 한다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자의 다이오드 구조로서는, 에미터층(22)이, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층으로 이루어지는 다이오드 구조를 가지고, 그 다이오드 구조의 효과에 의해, 본 실시형태의 트랜지스터 소자는 베이스 전류와 콜렉터 전류를 증가시키는 동시에, 암전류를 억제하고, 오프 전류를 작게 유지하는 효과가 있다. 따라서, 저전압 영역에 있어서 큰 출력 변조와 대전류 증폭을 할 수 있는 유기 트랜지스터 소자(MBOT)로서 유용하다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자를 흐르는 전류에 관해서 다음에 설명한다. 에미터 전극(12)과 콜렉터 전극(11)과의 사이에 콜렉터 전압 Vc를 인가하고, 에미터 전극(12)과 베이스 전극(13)과의 사이에 베이스 전압 Vb를 더 인가하면, 그 베이스 전압의 작용에 의해, 에미터 전극(12)으로부터 주입된 전자가 가속되어 베이스 전극(13)을 투과하여, 콜렉터 전극(11)에 도달한다. 즉, 에미터 전극(12)과 베이스 전극(13)사이에 베이스 전압 Vb를 인가했을 때에 흐르는 베이스 전류 Ib는, 베이스 전압의 인가에 의해 에미터 전극(13)-콜렉터 전극(11) 사이에 흐르는 콜렉터 전류 Ic에 증폭된다. 따라서, 본 실시형태의 트랜지스터 소자는, 바이폴러 트랜지스터 소자와 같은 전류 증폭 작용을 안정되게 얻을 수 있어, 큰 출력 변조와 전류 증폭이 가능하다.
예를 들면, n형 반도체층(풀러렌)과 p형 반도체층(구리 프탈로시아닌)으로 이루어지는 다이오드 구조를 형성한 MBOT의 전류 Ic는, 단일의 n형 유기 반도체(풀러렌)를 사용한 전류 Ic와 비교하여, 약 10배 이상의 대전류를 얻을 수 있다. 그 원리는 분명하지 않지만, [1] 전류 증폭율이 크게 향상하는 것, [2] 다이오드 구조층에 발광층을 도입하는 것에 의해, 정공과 전자의 재결합에 의한 발광이 가능한 것, [3] OFF 전류는 증가하지 않기 때문에, 베이스 전극 부근으로부터 콜렉터층측으로 전자가 흐르고 있는 동시에, 에미터층측으로의 홀 전류가 발생하여, 베이스 전극에 있어서의 전류 투과율도 향상하고 있는 메커니즘이 생각할 수 있다. 또한, 다이오드 구조의 정류 효과에 의해 OFF시의 전류가 억제되는 동시에, 다이오드층을 사이에 끼운 에미터 전극-베이스 전극 사이에, 전자에 의한 전류와 홀 전류가 흐른다. 그 결과, 상기 다이오드 구조는, 단일층에 비해, 보다 큰 전류 증폭을 가능하다고 생각된다.
또한, 본 실시형태의 유기 트랜지스터 소자(MBOT)는, 그 다이오드 구조에 따라서 에미터 전극-베이스 전극 사이에 전압 Vb를 인가하지 않는 경우(Vb=0V)에 있어서, 베이스 전극-콜렉터 전극 사이에 트랜지스터 동작에 불필요한 누설 전류(스위치 오프시에 흐르는 오프 전류, 암전류라고도 한다)가 흐르는 것을 효과적으로 억제할 수 있어, 그 결과, 본 실시형태의 유기 트랜지스터 소자는 향상시킨 온/오프비를 구비하고 있다. 따라서, 유기 트랜지스터 소자(MBOT)를 유기 EL디스플레이의 구동 트랜지스터 소자로서 이용한 경우, 암전류가 크면 OFF시에 유기 EL소자의 발광이 일어나, ON시와 OFF시의 콘트라스트의 저하를 초래하므로, 높은 온/오프비, 바람직하게는 10 이상의 온/오프비, 보다 바람직하게는 100 이상의 온/오프비가 구동 트랜지스터 소자에 요구된다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자(MBOT)는, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 다이오드 구조를 가지고 있고, 상기 다이오드 구조에 의한 정류 효과에 의해, OFF시에는 베이스 전극으로부터 에미터 전극에 전류(오프 전류)는, 거의 흐르지 않는다. 따라서, OFF시에 흐르는 암전류가 억제되는 것에 의해, 높은 온/오프비를 얻을 수 있다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자(MBOT)는, 저전압 영역에 있어서도 큰 전류 증폭 작용을 나타내어, 큰 전류를 얻을 수 있다. 일반적으로, 유기 EL소자는 저전압 영역에서 구동시키므로, 그 구동 트랜지스터 소자에는 수볼트로 큰 전류를 출력시키는 것이 요구된다. 유기 EL소자는, 인가 전압을 높게 하면, 큰 전류를 얻을 수 있어, 고강도의 발광을 실현할 수 있지만, 유기 EL소자 재료의 열화나 분해를 일으켜, 유기 EL소자의 수명을 짧게 하여, 장기간의 안정된 발광은 할 수 없게 된다. 따라서, 구동 전압은 1에서 20V이며, 바람직하게는 5V 이하이다. 이 저전압 영역에 있어서, 트랜지스터 소자에 의한 증폭에 의해서 얻을 수 있는 전류치는 10㎃/㎠로부터 500㎃/㎠가 바람직하고, 더 바람직하게는, 20㎃/㎠로부터 200㎃/㎠가 좋다. 전류치는, 10㎃/㎠ 미만이면 유기 EL소자를 충분히 발광시키지 못하여, 충분한 발광 강도를 얻을 수 없다. 또한, 전류치가 500㎃/㎠를 넘으면, 충분한 온/오프비를 얻지 못하고, OFF시(전압 0V)에도, 암전류가 생겨 유기 EL소자로부터 발광한다고 하는 문제가 생기는 경우가 있다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자에 있어서의 에미터층은, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층의 적층 밤다이오드 구조를 가진다. 에미터층을 형성하는 재료는, 적층된 구조의 에미터층이 다이오드로서 기능할 수 있으면 좋고, p형 유기 반도체 재료와 n형 유기 반도체 재료의 조합이면 문제없이 사용할 수 있다. p형 유기 반도체층에 사용되는 유기 반도체 재료는, 정공 수송형의 반도체로서 기능하고, 이용하는 재료로서는, 정공을 수송하는 재료(정공 수송성 재료)이면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 또한, n형 유기 반도체층에 사용되는 유기 반도체 재료는, 전자 수송형의 반도체로서 기능하여, 이것에 이용되는 재료로서는, 전자를 수송하는 재료(전자 수송성 재료)이면 특별한 제한없이 사용할 수 있다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자의 에미터층의 구성은, 베이스 전극과 콜렉터 전극에 끼워진 콜렉터층이, n형 유기 반도체층, 또는, p형 유기 반도체층 중의 어느 쪽인가에 의해 결정할 수 있다. 콜렉터층이 n형 유기 반도체 재료에 의해 형성한 경우는, 베이스 전극상에 p형 반도체층을 형성하고, 에미터 전극하에 n형 반도체층이 형성된다. 한편, 콜렉터층을 p형 반도체 재료에 의해 형성한 경우는, 베이스 전극상에 n형 반도체층을 형성하고, 에미터 전극하에 p형 반도체층을 형성한다. 특히 바람직한 형태로서는, 사용되는 전극의 에너지 레벨과 유기 반도체층의 HOMO, LUMO의 에너지 레벨로부터, 콜렉터층을 n형 유기 반도체 재료에 의해 형성하고, 베이스 전극상에 p형 유기 반도체층, 또한, n형 유기 반도체층을 적층하여, 에미터 전극을 형성한 유기 트랜지스터 소자(MBOT)를 들 수 있다.
본 발명의 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자는, 종래의 SIT 구조와 같은 베이스 전극의 미세 패터닝이 불필요한 동시에, 저전압에서 대전류 변조가 가능하고, 게다가 온/오프비가 높다. 또한, 전류형 발광 트랜지스터 소자는 증착법만으로 작성도 가능하고, 플라스틱 등의 플렉시블한 기판상에도 형성하는 것이 가능하고, 소형 경량화된 간단한 구조를 가지므로, 실용적이다.
(발광 트랜지스터 소자 A)
본 실시형태의 트랜지스터 소자(MBOT)의 에미터층에 발광층을 형성하는 것에 의해, 베이스 전극으로부터의 홀 전류에 관련되어 있는 정공과, 에미터 전극으로부터의 전자와의 재결합에 의해 생성된 여기자가 실활하는 것에 의한 발광이 일어나, 발광 트랜지스터 소자 A로서 사용할 수 있다. 발광층은, 유기 EL소자 등에 사용되는 발광재료로 형성되고 있으면 문제없이 사용할 수 있고, p형 반도체층과 n형 반도체 층간에 형성할 수 있다. 또한, n형 유기 반도체층, 또는, p형 유기 반도체층을 발광성 유기 반도체 재료로 형성하는 경우는, 상기 유기 반도체층은 발광층을 겸할 수 있어, 새롭게 발광층을 형성하지 않아도 좋다. 또한, 발광 효율을 높이는 경우에는, 전자 주입층, 정공 주입층, 여기자 블록층을 형성해도 좋다.
(발광 트랜지스터 소자 B)
또한, 본 실시형태의 트랜지스터 소자에 있어서, 콜렉터층이 발광층을 포함한 발광소자부를 가지고, 유기 EL 소자부로서 상기 발광소자부가 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층, 전자 주입층으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 층으로 이루어지는 경우, 발광 트랜지스터 소자 B가 된다.
다음에, 본 실시형태의 트랜지스터 소자의 각 구성요소의 구조·재료에 대해 설명한다.
(기판)
본 실시형태의 유기 트랜지스터 소자를 형성하는 기판의 재료는, 트랜지스터 소자의 형태를 유지할 수 있는 재료이면 좋고, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 유리, 알루미나, 석영, 탄화규소 등의 무기재료, 알루미늄, 구리, 금 등의 금속재료, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 플라스틱을 이용할 수 있다. 플라스틱 기판을 이용한 경우는, 경량이고 내충격성이 우수한 플렉시블한 트랜지스터 소자를 제작할 수 있다. 또한, 이 트랜지스터 소자를 유기 발광층을 형성한 발광 트랜지스터 소자로서 이용하는 경우는, 기판측으로부터 빛을 방출시키는 보텀 에미션형의 경우는 플라스틱 필름, 유리 기판 등, 광투과율이 높은 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 이들 기판은, 단독으로 사용해도 좋고, 혹은 병용해도 좋다. 또한, 기판의 크기, 형태에 대해서는 트랜지스터 소자의 형성이 가능하면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 카드 형상, 필름 형상, 디스크 형상, 칩 형상 등 어떠한 원하는 형태의 것으로도 문제없이 사용할 수 있다.
(유기 반도체층)
본 실시형태의 유기 트랜지스터 소자를 형성하는 유기 반도체층은, 도 1에 도시하는 바와 같이 콜렉터 전극(11)과 베이스 전극(13) 사이에 설치한 콜렉터층(21)과, 베이스 전극(13)과 에미터 전극(12) 사이에 형성된 에미터층(22)으로 이루어지고, 에미터층{22(22A,22B)}은 n형 반도체층과 p형 반도체층으로 이루어지는 적층 구조를 이루는 다이오드 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
(에미터층)
본 실시형태에 있어서의 에미터층으로서, 에미터 전극과 베이스 전극 사이에 설치한 유기 반도체층{22(22A,22B)}이 p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층으로 이루어지는 다이오드 구조를 가진다. 다이오드 구조의 구성은, 에미터층 및 콜렉터층에 각각 사용되는 유기 반도체 재료에 의해 선택적으로 정해진다. 콜렉터층을 n형 유기 반도체 재료에 의해 형성한 경우에는, 베이스 전극상에 p형 유기 반도체층, n형 유기 반도체층을 적층하고 에미터층을 형성하는 것이 더 바람직하다. 한편, 콜렉터층을 p형 유기 반도체 재료에 의해 형성한 경우에는, 베이스 전극상에 n형 유기 반도체층, p형 유기 반도체층을 적층하고 에미터층을 형성하는 것이 더 바람직하다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층에 사용하는 p형 유기 반도체층은, 베이스 전극 또는 에미터 전극으로부터 정공을 받아, 쌍을 이루고 있는 n형 유기 반도체층, 또는, 그것과의 계면 부근까지 정공을 수송하는 기능을 가진다. p형 유기 반도체층을 형성하는 재료로서는, 일반적인 p형 반도체 재료이면, 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있고, 예를 들면, 펜타센, 무금속 프탈로시아닌, 금속 프탈로시아닌류(Cu-Pc, VO-Pc, Ni-Pc 등), 나프탈로시아닌, 인디고, 티오인디고, 안트라센, 퀴나크리돈, 옥사디아졸, 트리페닐아민, 트리아졸, 이미다졸, 이미다졸론, 피라졸린, 테트라히드로이미다졸, 폴리티오펜, 폴피린, 나프토티오펜 등, 또는 이들의 유도체 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기 p형 유기 반도체 재료에 더하여, p형 유기 반도체 재료로서 정공 수송성 재료를 이용할 수 있다.
정공 수송성 재료로서, 예를 들면, 폴리(N-비닐카바졸), 폴리실란, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리(p-페닐렌비닐렌), 티오펜-플루오렌의 코폴리머, 페닐렌-비닐렌의 코폴리머, 및 그 유도체 등을 들 수 있다. 구체적인 예로서, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술포네이트(약칭 PEDOT/PSS, 상품명; 'CLEVIOSP' H.C. Starck Cleis GmbH제 등)를 사용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층을 형성하는 p형 반도체 재료는, 전기적으로 안정하여, 적절한 이온화 포텐셜과 전자 친화력을 가지는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 재료로서는, p형 반도체 재료로서 펜타센, 구리 프탈로시아닌, 무금속 프탈로시아닌 등의 프탈로시아닌류를 들 수 있고, 정공 수송 재료로서 PDOT/PSS를 들 수 있다.
다만, p형 반도체 재료로서는, 전자보다 정공의 수송성이 높은 물질이면, 이들 이외의 것을 이용해도 좋다. 한편, p형 반도체층은, p형 반도체 재료를 단독으로 사용하는 단층 구조뿐만이 아니라, 2종류 이상의 p형 반도체 재료로 이루어지는 혼합층 구조, 다른 p형 반도체 재료의 2 이상의 유기 반도체층으로 이루어지는 적층 구조이더라도 좋다. p형 유기 반도체층은, 증착법, 혹은, 상기 p형 반도체 재료를 함유한 용액, 분산액을 이용하여 각종의 인쇄법, 또는 도공법 중 하나의 방법에 의해 형성할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층에 사용하는 n형 유기 반도체층은, 베이스 전극 또는 에미터 전극으로부터 전자를 받고, 쌍을 이루고 있는 p형 유기 반도체층, 또는, 그것과의 계면 부근까지 수송하는 기능을 가진다. 상기 n형 유기 반도체층을 형성하는 n형 반도체 재료는 전기적으로 안정하고, 적절한 이온화 포텐셜과 전자 친화력을 가지는 것이 바람직하다. n형 유기 반도체층을 형성하는 재료로서는, 일반적인 n형 반도체 재료이면, 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있고, 예를 들면, 에미터층에 사용되는 n형 반도체 재료로서는, Alq3((트리스(8-히드록시퀴놀리놀)알루미늄)착체), 나프탈렌테트라카복실산 무수물(NTCDA), 디알킬 나프탈렌테트라카복실산 무수물 디이미드(NTCDI), 페릴렌, 페릴렌테트라카복실산 무수물 (PTCDA), 디알킬페릴렌테트라카복실산디이미드(PTCDI), 페릴렌비스벤조이미다졸 (PTCBI), 디알킬안트라퀴논, 플루올레닐리덴메탄, 테트라시아노에틸렌, 플루올레논, 디페노퀴논옥사디아졸, 안트론, 티오피란디옥시드, 디페노퀴논, 벤조퀴논, 말로노니트릴, 디니트로벤젠, 니트로안트라퀴논, 피리딘, 피리미딘, 무수말레인산, 펜타센의 불소화물, 프탈로시아닌의 불소화물, 올리고 티오펜의 불화 알킬 화물, 풀러렌류 및 카본 나노튜브, 카본 나노호른, 및 이들 유도체를 들 수 있다. 특히 바람직한 재료로서는, C60으로 대표되는 풀러렌류, 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 대표되는 페릴렌테트라카복실산 유도체를 들 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층을 형성하는 n형 유기 반도체 재료에 있어서, 일반적으로 그 재료의 이온화 포텐셜을 나타내는 파라미터치가 중요하다. 다만, n형 반도체층으로서는, 전자보다 정공의 수송성이 높은 물질이면, 상기 이외의 것을 이용해도 좋다. 한편, n형 반도체층은, n형 반도체 재료를 단독으로 사용하는 단층 구조뿐만이 아니라, 2종류 이상의 n형 반도체 재료로 이루어지는 혼합층 구조, 다른 n형 반도체 재료의 2 이상의 유기 반도체층으로 이루어지는 적층 구조이더라도 좋다. n형 유기 반도체층은, 증착법, 혹은, 상기 n형 반도체 재료를 함유한 도공액을 이용하여 형성된다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층은, 각각 단일의 화학 구조의 n형 유기 반도체 재료 및 p형 유기 반도체 재료를 이용하여 형성할 수 있지만, 이들의 n형 유기 반도체 재료 및 p형 유기 반도체 재료에 다른 화학 구조의 전자 수송성 재료, 혹은 정공 수송성 재료를 각각 혼합해도 좋다. 이들의 n형 유기 반도체 재료 및 p형 유기 반도체 재료를 적층하여 n형 유기 반도체층, p형 유기 반도체층을 형성하고 접합시키는 것에 의해서 다이오드 구조로서 에미터층을 형성할 수 있다. 특히 바람직한 재료의 조합으로서는, n형 유기 반도체층으로서 풀러렌(C60), p형 유기 반도체층으로서 구리 프탈로시아닌, 또는, 펜타센을 들 수 있다. 유기 반도체층인 에미터층(22)은, 베이스 전극(13)상에 p형 유기 반도체층(22A), n형 유기 반도체층 (22B)의 적층에 의해 구성되는 것이 바람직하지만, 다이오드 구조를 이루고 있으면 특별히 문제없이 사용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 에미터층을 형성하는 유기 반도체층의 전하 이동도는, 높은 것이 바람직하고, 적어도, 0.0001㎠/V·s 이상인 것이 바람직하다.
또한, 에미터층(22A 및 22B)의 두께는, 콜렉터층에 비해 기본적으로 얇은 것이 바람직하고, 22A 및 22B의 각각의 두께가, 300㎚ 이하, 바람직하게는 5㎚∼300㎚ 정도이다. 에미터층의 두께가 10㎚ 미만의 경우는, 다이오드 구조가 일부에서 형성되지 않을 가능성이 있어, 일부의 트랜지스터 소자는 성능 저하, 또는, 도통 불량의 문제가 발생하고 생산수율이 저하하는 경우가 있고, 300㎚를 넘으면 제조비용, 재료비용이 높아진다고 하는 문제를 일으킨다.
(콜렉터층)
본 실시형태에 있어서의 콜렉터층은, 베이스 전극과 콜렉터 전극 사이에 유기 반도체 재료로 형성되어, 상기 콜렉터층을 형성하기 위해서 사용 가능한 재료로서는, 유기 반도체로서 통상 사용되는 n형 유기 반도체 재료, 또는, p형 유기 반도체 재료를 들 수 있다. n형 유기 반도체 재료로서는, 전자를 수송하는 재료이면, 특별한 제한없이 일반적인 n형의 유기 반도체 재료를 사용할 수 있다. 마찬가지로 p형 유기 반도체 재료로서는 정공을 수송하는 재료이면 특별한 제한없이, 일반적인 p형의 유기 반도체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 에미터층에 사용되는 n형 반도체 재료(전자 수송성 재료), p형 반도체 재료(정공 수송성 재료)를 이용할 수 있다. 또한, 콜렉터층에 있어서는, 후술하는 본 발명의 발광 트랜지스터 소자의 설명란에서 열기한 발광층 형성 재료 중 1종 또는 그 이상을 이용해도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 콜렉터층을 형성하는 재료로서는, n형 유기 반도체 재료 또는 P형 유기 반도체 재료이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있지만, n형 유기 반도체 재료인 알킬기를 가지는 PTCDI 또는 풀러렌(C60)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 콜렉터층은, 전하 수송 재료로서 통상 사용되는 재료를 이용할 수 있고, n형 반도체 재료 또는 p형 반도체 재료를 단독으로 사용할 수도 있지만, 콜렉터층은 2종류 이상의 n형 반도체 재료 또는 p형 반도체 재료로 이루어지는 혼합층 구조, 2종류 이상의 n형 반도체 재료 또는 p형 반도체 재료의 유기 반도체층으로 이루어지는 적층 구조이더라도 좋다.
특히 바람직한 형태로서는, 콜렉터 전극상에, Me-PTCDI로 이루어지는 유기 반도체층을 형성하고, 또한 C60로 이루어지는 다른 유기 반도체층을 형성하여 얻을 수 있는 적층형의 콜렉터층을 들 수 있다. 베이스 전극하에 있는 C60의 유기 반도체층이 에너지 장벽이 생겨, OFF 전류를 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 콜렉터층으로서 Me-PTCDI 또는 풀러렌에 의해 형성한 반도체층을 이용한 경우에는, 알킬기를 가지는 PTCDI, 풀러렌이 결정성이 높은 유기 화합물이기 때문에, 그 위에 베이스 전극(13)이 형성되는 반도체층(21)의 표면은 요철 형상이 된다. 그 때문에, 그 결정성이 높은 유기 반도체 재료로 이루어지는 반도체층상에 설치된 베이스 전극(13)도 요철 표면을 구비하고 있다. 요철 표면을 가지는 베이스 전극은, 소정의 평균 두께로 형성한 경우이더라도, 얇은 부분과 두꺼운 부분을 가진다. 베이스 전극(13)이 그러한 요철 표면을 가지는 경우에, 특히 전류 증폭 작용을 안정되게 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 콜렉터층의 막두께는, 통상, 50㎚∼5,000㎚를 들 수 있지만, 바람직하게는 100㎚∼500㎚ 정도이다. 한편, 그 두께가 50㎚ 미만의 경우, 트랜지스터 소자로서 동작하지 않는 경우가 있고, 5,000㎚를 넘는 경우는, 제조비용, 재료비용이 높아진다고 하는 문제를 일으킨다. 다만, 콜렉터층의 전하 이동도는, 높은 것이 바람직하고, 적어도, 0.0001㎠/V·s 이상인 것이 바람직하다. 전하 이동도가 낮으면 트랜지스터 소자로서의 성능이 저하하는, 예를 들면, 온 전류가 작아지는 등의 문제를 일으킨다.
(전극)
본 실시형태의 트랜지스터 소자에 이용되는 전극에 대해 설명한다. 본 실시형태의 트랜지스터 소자를 구성하는 전극으로서는, 콜렉터 전극(11), 에미터 전극(12), 및 베이스 전극(13)이 있고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 통상, 콜렉터 전극(11)은 기판(도시하고 있지 않다)상에 설치되고, 베이스 전극(13)은 반도체층(21,22)의 사이에 메워 넣어지도록 설치되고, 에미터 전극(12)은 콜렉터 전극(11)에 대해서 반대측에서 반도체층(21,22)과 베이스 전극(13)을 에미터 전극(12)과 콜렉터 전극(11)과의 사이에 끼우도록 설치된다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자의 전극에 사용하는 재료에 대해 다음에 설명한다. 예를 들면 본 실시형태의 트랜지스터 소자를 구성하는 콜렉터층(21)이, 유기 화합물로 이루어지는 n형 반도체층인 경우, 콜렉터 전극(11)의 형성 재료로서는, 예를 들면, ITO(인듐 주석 옥사이드), 산화 인듐, IZO(인듐 아연 옥사이드), SnO2, ZnO 등의 투명 도전성 산화물, 금, 크롬과 같은 일함수가 큰 금속, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리알킬티오펜 유도체, 폴리실란 유도체와 같은 도전성 고분자재료 등을 들 수 있다. 한편, 에미터 전극(12)의 형성 재료로서는, 예를 들면, 알루미늄, 은 등의 단체 금속, Mg/Ag 등의 마그네슘 합금, Al/Li, Al/Ca, Al/Mg 등의 알루미늄 합금, Li를 비롯한 알칼리 금속류, Ca를 비롯한 알칼리토류 금속, 그들 알칼리 금속류 및 알칼리토류 금속류의 합금과 같은 일함수가 작은 금속 등을 들 수 있다. 한편, 본 실시형태의 트랜지스터 소자를 구성하는 콜렉터층(21)이 유기 화합물로 이루어지는 정공 수송층인 경우에는, 상기의 콜렉터 전극(11)의 형성 재료와 상기의 에미터 전극(12)의 형성 재료와는 거꾸로 된다.
또한, 베이스 전극(13)은, 유기 반도체층을 구성하는 재료와 쇼트 키 접촉을 형성하므로, 베이스 전극 재료로서는, 콜렉터 전극(11) 및 에미터 전극(12)에 이용되는 재료를 들 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직한 베이스 전극 재료로서는, 알루미늄, 은 등의 단체 금속, Mg/Ag 등의 마그네슘 합금, Al/Li, Al/Ca, Al/Mg 등의 알루미늄 합금, Li를 비롯한 알칼리 금속류, Ca를 비롯한 알칼리토류 금속, Li/F 등의 알칼리 금속류 및 알칼리토류 금속류의 화합물과 같은 일함수가 작은 금속 포함 재료 등을 들 수 있다. 전하(정공 또는 전자) 주입층과 쇼트 키 접촉을 형성하는 것이 가능하면, ITO(인듐 주석 옥사이드), 산화 인듐, IZO (인듐 아연 옥사이드), SnO2, ZnO 등의 투명 도전성 산화물, 금, 크롬과 같은 일함수가 큰 금속, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리알킬티오펜 유도체, 폴리실란 유도체와 같은 도전성 고분자 등도 사용할 수 있다.
또한, 먼저 서술한 바와 같이, 콜렉터층(21)을 상기한 결정성이 높은 유기 화합물을 진공 증착하여 형성한 경우에는, 그 위에 베이스 전극(13)이 형성되는 콜렉터층(21) 표면은 요철 형상이 되어 있다. 그 때문에, 그 결정성의 콜렉터층(21)상에 설치된 베이스 전극(13)도 요철 형상을 구비하고 있다. 요철 표면을 가지는 베이스 전극(13)은, 소정의 평균 두께로 형성한 경우이더라도 얇은 부분과 두꺼운 부분을 가지지만, 본 발명에 의하면, 베이스 전극(13)이 그러한 요철 표면을 가지는 경우에, 전류 증폭 작용을 안정되게 얻을 수 있다.
또한, OFF시의 암전류를 억제하여, 높은 온/오프비를 달성하는 베이스 전극으로서 알루미늄, 알루미늄/칼슘 합금에 의해 전극을 형성한 후, 공기중에서 열산화 처리에 의해, 전극 표면에 산화막을 형성한 베이스 전극을 사용하는 것은 바람직하다. 또한, 베이스 전극으로서 알루미늄 층/불화 리튬층으로 이루어지는 층 구조의 전극을 사용하는 것에 의해, ON 전류가 크고, 암전류가 억제된, 높은 온/오프비를 이루는 트랜지스터 소자의 형성이 가능하게 된다.
한편, 후술하는 본 실시형태의 발광 트랜지스터 소자를, 빛을 기판측으로부터 출사시키는 보텀 에미션 구조의 유기 발광 트랜지스터 소자로서 사용하고 싶은 경우에는, 적어도 콜렉터 전극(11)을 투명 또는 반투명의 재료로 형성하는 것이 바람직하고, 한편, 빛을 에미터 전극(12)측으로부터 출사시키는 톱 에미션 구조의 유기 발광 트랜지스터 소자를 제작하고 싶은 경우에는, 베이스 전극(13)과 에미터 전극(12)을 투명 또는 반투명의 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 빛 추출 효율을 향상할 수 있는 투명 또는 반투명의 전극 재료로서는, ITO(인듐 주석 옥사이드), 산화 인듐, IZO(인듐 아연 옥사이드), SnO2, ZnO 등의 투명 도전성 산화물이 이용된다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자에 이용되는 베이스 전극(13)의 두께는, 0.5㎚∼100㎚인 것이 바람직하다. 베이스 전극(13)의 두께가 100㎚ 이하이면, 베이스 전압 Vb로 가속된 전자를 용이하게 투과할 수 있다. 한편, 베이스 전극(13)은 반도체층내에 접힌 자국(구멍이나 크랙 등의 결함부분 없이) 설치되어 있으면 문제없이 사용할 수 있지만, 0.5㎚ 미만이면 결함이 생겨, 유기 트랜지스터 소자로서 동작하지 않는 경우가 있다.
본 실시형태의 트랜지스터 소자중의 전극의 형성 방법에 대해 다음에 설명한다. 상기의 각 전극 중 콜렉터 전극(11)과 에미터 전극(12)에 대해서는, 진공 증착, 스퍼터링, CVD 등의 진공 프로세스 혹은 도포 프로세스에 의해 형성되고, 그 막두께는 사용하는 재료 등에 따라서 다르지만, 예를 들면, 10㎚∼1,000㎚ 정도인 것이 바람직하다. 한편, 그 두께가 10㎚ 미만의 경우, 트랜지스터 소자로서 동작하지 않는 경우가 있고, 1,000㎚를 넘는 경우는, 제조비용, 재료비용이 높아진다고 하는 문제를 발생한다. 한편, 베이스 전극(13)도, 진공 증착, 스퍼터링, CVD 등의 진공 프로세스 혹은 도포 프로세스에 의해 형성되고, 그 막두께는 사용하는 재료 등에 따라서 다르지만, 예를 들면, 상기와 같이 0.5㎚∼100㎚인 것이 바람직하다.
(암전류 억제층)
본 실시형태의 트랜지스터 소자에 있어서는, 암전류를 억제하는 목적으로, 암전류 억제층을 형성할 수 있다. 암전류 억제층은, 베이스 전극(13)을 형성한 후에, 상기 베이스 전극(13)을 가열처리하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태의 트랜지스터 소자에 있어서, 상기 베이스 전극(13)을 금속으로부터 형성하고, 상기 베이스 전극(13)의 한쪽 면 또는 양면에 상기 금속의 산화막을 형성하는 것에 의해, 에미터 전극(12)-베이스 전극(13) 사이에 전압 Vb를 인가하지 않는 경우에 흐르는 암전류를 효과적으로 억제할 수 있다.
상기한 것처럼, 암전류 억제층이 콜렉터 전극(11)과 베이스 전극(13)과의 사이에 설치되어 있는 것에 의해, 암전류가 흐르는 것을 효과적으로 억제할 수 있어 그 결과, 온/오프비를 보다 향상시킬 수 있다. 이와 같이 본 실시형태의 트랜지스터 소자는, 외관상 바이폴러 트랜지스터와 같은 전류 증폭형의 트랜지스터 소자로서 유효하게 기능하고, 높은 온/오프비, 큰 콜렉터 전류, 전류 증폭율을 나타내는 우수한 유기 트랜지스터 소자로서 기능한다.
(발광 트랜지스터 소자)
본 발명의 발광 트랜지스터 소자는, 트랜지스터 소자(MBOT)의 에미터층(22)에 발광층을 가지는 발광 트랜지스터 소자 A, 콜렉터층(21)에 발광층을 가지는 발광 트랜지스터 소자 B가 있다.
본 발명의 발광 트랜지스터 소자 A는, 도 2에 도시하는 바와 같이 본 발명의 트랜지스터 소자(MBOT)의 베이스 전극(13)과 에미터 전극(12)과의 사이에 유기 EL 소자부(31)를 가지고, 상기 유기 EL 소자부(31)가 유기 발광층과 필요에 따라서 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1 또는 2층 이상으로 이루어져 있다.
또한, 본 발명의 발광 트랜지스터 소자 B는, 도 3에 도시하는 바와 같이 본 발명의 트랜지스터 소자(MBOT)의 베이스 전극(13)과 콜렉터 전극(11)과의 사이에 유기 EL 소자부(31)를 가지고, 상기 유기 EL 소자부(31)가 유기 발광층과, 필요에 따라서 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1 또는 2층 이상으로 이루어져 있다.
(발광 트랜지스터 소자 A)
본 발명의 트랜지스터 소자(MBOT)의 에미터층(22)에 유기 EL 소자부(31)를 형성하는 것에 의해, 베이스 전극(13)으로부터의 홀 전류에 관련되어 있는 정공과, 에미터 전극으로부터의 전자와의 재결합에 의해 생성된 여기자가 실활함으로써 발광한다. 따라서, 본 실시형태의 트랜지스터 소자는, 발광 트랜지스터 소자 A로서 사용할 수 있다. 발광층은, 유기 EL소자 등에 사용되는 발광재료이면 문제없이 사용할 수 있고, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층의 사이에 형성된다. 또한, n형 유기 반도체층, 또는, p형 유기 반도체층을 발광성 유기 반도체 재료로 형성하는 경우는, 상기 유기 반도체층은 발광층을 겸할 수 있어, 새롭게 발광층을 형성하지 않아도 되다. 또한, 발광 효율을 높이는 경우에는, 전자 주입층, 정공 주입층을 형성해도 좋다.
발광 트랜지스터 소자 A의 구조는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 베이스 전극 (13)과 에미터 전극(12)과의 사이에 유기 EL 소자부(31)를 가지고, 상기 유기 EL 소자부(31)가 유기 발광층을 포함하고, 필요에 따라서 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로부터 선택된 1 또는 2층 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 그 유기 EL 소자부(31)가 적어도 1층 이상의 발광층을 포함하므로 대전류에 의한 발광이 가능하게 된다. 종래의 SIT 구조와 같은 베이스 전극의 미세 패터닝이 불필요한 동시에, 저전압에서 대전류 변조가 가능하고, 게다가 온/오프비를 향상시킬 수 있으므로, 발광 트랜지스터 소자 A는 간단한 구조를 가지는 실용적인 발광 트랜지스터 소자로서 제공할 수 있다.
(발광 트랜지스터 소자 B)
본 발명의 발광 유기 트랜지스터 소자 B는, 도 3에 도시하는 바와 같이 베이스 전극(13)과 콜렉터 전극(11)과의 사이에 유기 EL 소자부(31)를 가지고, 상기 유기 EL 소자부가 유기 발광층을 포함하고, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로부터 선택된 1 또는 2층 이상을 포함한 발광층을 포함한 유기 발광 트랜지스터 소자가 된다. 발광 유기 트랜지스터 소자 B는, 유기 EL 소자부와 구동 트랜지스터를 1조로 하는 동시에, 또한 종래의 SIT 구조와 같은 베이스 전극의 미세 패터닝이 불필요하고, 대전류 변조가 가능하고, 게다가 온/오프비가 높은 것에 의해, 발광 휘도가 높고, 콘트라스트가 우수하고 주파수 특성이 우수한 자(自)발광이 가능한 발광 트랜지스터 소자로서 제공할 수 있다. 또한, 발광 유기 트랜지스터 소자 B는, 증착법만으로 작성도 가능하고, 플라스틱 등의 플렉시블한 기판상에도 소자를 형성하는 것이 가능하고, 소형 경량화된 간단한 구조로 이루어지는 실용성이 높은 발광 트랜지스터 소자로서 제공할 수 있다.
본 발명의 발광 트랜지스터 B의 구조는, 도 3에 도시하는 바와 같이 베이스 전극(13)과 콜렉터 전극(11)과의 사이에 유기 EL 소자부(31)를 가지고, 상기 유기 EL 소자부(31)가 적어도 발광층을 1층 이상 포함하므로, 대전류에 의한 면형상 발광이 가능하게 된다. 종래의 SIT 구조와 같은 베이스 전극의 미세 패터닝이 불필요한 동시에, 저전압에서 대전류 변조가 가능하고, 게다가 온/오프비를 향상시킬 수 있으므로, 간단한 구조로 이루어지는 실용적인 발광 트랜지스터 소자로서 제공할 수 있다. 본 발광 트랜지스터 소자 B는, 에미터층이 전자 수송성 재료로 이루어지는 n형 반도체층이므로, 전자 수송층을 특별히 설치하지 않지만, 필요에 따라서 유기 EL 소자부(31)의 베이스 전극(13)측에 설치해도 좋다.
(유기 EL 소자부)
발광 트랜지스터 소자 A에 이용하는 도 4에 도시한 유기 EL 소자부(31)는, 양극이 되는 전극측(베이스 전극측)으로부터 순서대로 정공 주입층(41), 정공 수송층(42), 발광층(43)이 설치되어 있다. 발광층(43)의 에미터 전극(12)(도 2 참조)측에는 여기자 블록층(44)이 설치되고, 에미터 전극(12)의 아래에 n형 유기 반도체층(22A)(도 2 참조)로 이루어지는 전자 수송층이 형성되어 있다. 이 발광 트랜지스터 소자 A는, 많은 전하가 가속되어 유기 EL 소자부(31)의 발광층(43)에 도달하므로, 에미터 전극(12)으로부터의 전하의 주입은 용이하다. 따라서, 유기 EL 소자부(31)는 반드시 전하 주입층을 가지지 않아도 좋다고 하는 이점이 있다. 그 때문에, 종래와 같이 전자를 주입하기 쉽지만 산화하기 쉬운 알칼리 금속을 음극으로서 이용하지 않아도 좋다고 하는 효과가 있다. 발광 트랜지스터 소자 B에 이용하는 유기 EL 소자부(31)(도 3 참조)의 구성은, 도 4에 도시되어 있는 구성과는 상하가 거꾸로 되어, '정공'을 '전자'에 옮겨놓을 필요가 있다. 즉, 콜렉터 전극(11)으로부터 베이스 전극(13) 측으로 향하고(도 3 참조), 여기자 블록층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층의 순서에 적층되고 있다. 이 발광 트랜지스터 소자 B는, 많은 전하가 가속되어 유기 EL 소자부(31)의 발광층에 도달하므로, 콜렉터 전극(11)으로부터의 전하 주입은 용이하다. 따라서, 유기 EL소자부(31)는 반드시 전하 주입층을 가지지 않아도 좋은 이점이 있다.
본 발명에 있어서의 유기 EL 소자부(31)에 사용되는 발광층(43)의 형성 재료는, 유기 EL소자의 발광층으로서 일반적으로 이용되고 있는 재료이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 색소계 발광재료, 금속착체계 발광재료, 고분자계 발광재료 등을 들 수 있다.
색소계 발광재료로서는, 예를 들면, 시클로펜타디엔 유도체, 테트라페닐부타디엔 유도체, 트리페닐아민 유도체, 옥사디아졸 유도체, 피라졸로퀴놀린 유도체, 디스티릴벤젠 유도체, 디스티릴아릴렌 유도체, 시롤 유도체, 티오펜 환화합물, 피리딘 환화합물, 페리논 유도체, 페릴렌 유도체, 올리고티오펜 유도체, 트리푸마닐아민 유도체, 옥사디아졸 다이머, 피라졸린 다이머 등을 들 수 있다.
금속착체계 발광재료로서는, 예를 들면, 알루미퀴놀리놀 착체, 벤조퀴놀리놀베릴륨 착체, 벤조옥사졸 아연 착체, 벤조티아졸 아연 착체, 아조메틸 아연 착체, 폴피린 아연 착체, 페난트롤린, 유로퓸 착체 등, 중심 금속에, Al, Zn, Be 등, 또는 Tb, Eu, Dy 등의 희토류 금속을 가지고, 배위자(配位子)에 옥사디아졸, 티아디아졸, 페닐피리딘, 페닐벤조이미다졸, 퀴놀린 구조 등을 가지는 금속착체 등을 들 수 있다.
고분자계 발광재료로서는, 예를 들면, 폴리파라페닐렌비닐렌 유도체, 폴리티오펜 유도체, 폴리파라페닐렌 유도체, 폴리실란 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리플루올레논 유도체, 폴리플루오렌 유도체, 폴리퀴녹살린 유도체, 및 그들의 공중합체 등을 들 수 있다.
발광층(43)중에는, 발광 효율의 향상이나 발광 파장을 변화시키는 등의 목적으로 도핑제 등의 첨가제를 첨가해도 좋다. 도핑제로서는, 예를 들면, 페릴렌 유도체, 쿠마린 유도체, 루브렌 유도체, 퀴나크리돈 유도체, 스쿠알륨 유도체, 폴피린 유도체, 스티릴 색소, 테트라센 유도체, 피라졸린 유도체, 데카시클렌 유도체, 페녹사존 유도체, 퀴녹살린 유도체, 카바졸 유도체, 플루오렌 유도체 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 유기 EL 소자부(31)에 사용되는 정공 주입층(41)의 형성 재료로서, 예를 들면, 발광층(43)의 발광재료에 예시한 화합물 외, 페닐 아민계 유도체, 스타버스트형 아민계 유도체, 프탈로시아닌계 유도체, 산화바나듐, 산화몰리브덴, 산화루테늄, 산화알루미늄 등의 산화물, 아몰퍼스카본, 폴리아닐린, 폴리티오펜 등의 유도체 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 유기 EL 소자부(31)에 사용되는 정공 수송층(42)의 형성 재료로서, 예를 들면, 상기 유기 반도체층에 사용할 수 있는 p형 반도체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 프탈로시아닌, 나프탈로시아닌, 폴리피린, 옥사디아졸, 트리페닐아민, 트리아졸, 이미다졸, 이미다졸론, 피라졸린, 테트라히드로이미다졸, 히드라존, 스틸벤, 펜타센, 폴리티오펜 및 부타디엔, 및 이들 유도체 등, 정공 수송 재료로서 통상 사용되는 것을 이용할 수 있다. 또한, 정공 수송층(42)의 형성 재료로서 시판되고 있는 정공 수송성 재료, 예를 들면 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술포네이트(약칭 PEDOT/PSS, 상품명; 'CLEVIOS P' H.C. Starck Clevis GmbH제 등) 등도 사용할 수 있다. 정공 수송층(42)은, 증착법, 또는, 이러한 화합물을 함유한 정공 수송층 형성용 도액을 이용하여 형성된다. 한편, 이러한 정공 수송 재료는, 상기의 발광층(43)내에 혼합해도 좋고, 정공 주입층(41)내에 혼합해도 좋다.
본 발명에 있어서의 정공 수송층 재료로서, 상기한 재료를 이용할 수 있다. 한편, 상술한 발광층(43)이나 전하 수송층등의 유기층내에는, 필요에 따라서 발광재료 또는 전하 수송 혹은 주입 올리고머 혹은 덴드리머 재료를 함유시켜도 좋다. 정공 수송층(42)의 전하 이동도로서 10-6㎠/Vs 이상의 정공 이동도를 가지는 것이 바람직하다. 다만, 전자보다 정공의 수송성이 높은 물질이면, 이들 이외의 것을 이용해도 좋다. 한편, 정공 수송층(42)은 정공 수송성이 높은 물질을 1종류 포함한 단층의 것뿐만 아니라, 다른 종류의 상기 물질을 각각 포함하는 층이 2층 이상 적층한 것으로서도 좋다.
본 발명에 있어서의 유기 EL 소자부(31)는 필요하면 전자 주입층을 포함하는 것이 가능하다. 전자 주입층의 형성 재료로서는, 예를 들면, 발광층(43)의 발광재료에 예시한 화합물 외, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등의 알칼리 금속류 및 알칼리토류 금속류, 및, 이들의 할로겐화물 및 산화물 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 유기 EL 소자부(31)의 여기자 블록층(44)은, 정공 블록층, 전자 블록층 등으로서 기능하고, 캐리어(정공, 전자)의 침투를 방지하여, 효율적으로 캐리어를 재결합시킨다. 바소큐프로인(BCP)을 여기자 블록층(44)의 형성 재료로서 이용한 경우, 에너지 다이어그램에 있어서, BCP의 LUMO 에너지 레벨이 Me-PTC와 거의 같으므로 여기자 블록층(44)은 Me-PTC로부터의 전자를 블록하지 않지만, BCP의 HOMO 에너지 레벨이 Alq3보다 높기 때문에 Alq3로부터의 정공은 블록한다. BCP의 여기 상태는 Alq3의 여기 상태보다 에너지가 높기 때문에, Alq3에서 발생한 여기자는 BCP로 확산되지 않는다.
상술한, 본 발명의 유기 EL 소자부(31)를 구성하는 각 층은, 진공 증착법에 따라서 성막하거나, 혹은, 각각의 형성 재료를 톨루엔, 클로로포름, 디클로로메탄, 테트라히드로푸란, 디옥산 등의 용매에 용해, 또는, 분산시켜 도포액을 조제하고, 그러한 도포액을 도포 또는 인쇄장치 등에 의해 도포 또는 인쇄함으로써 형성된다.
[
실시예
]
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 한편, 실시예 및 비교예에서 제작한 트랜지스터 소자는, 다음의 방법에 의해 평가하였다.
(트랜지스터 소자의 평가)
제작한 트랜지스터 소자에 대해서, 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 콜렉터 전압(Vc)을 인가하고, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 인가하는 베이스 전압(Vb)을 0V∼3V의 범위에서 변조시켰다. 이 트랜지스터 소자의 출력 변조 특성으로서, 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 콜렉터 전압(Vc)을 일정하게 유지하면서, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 베이스 전압 Vb(0∼3V)를 인가했을 때의, 베이스 전류 Ib, 및, 콜렉터 전류 Ic의 변화량(오프 전류, 온 전류)을 측정하였다. 또한, 베이스 전류의 변화에 대한 콜렉터 전류의 대응하는 변화의 비율, 즉, 전류 증폭율(hFE), 및 온 전류와 대응하는 오프 전류의 비율, 즉, 온/오프비를 산출하였다.
[실시예 1]
다이오드 구조(C60/구리 프탈로시아닌)에 의한 트랜지스터 소자의 제작
도 5에 도시하는 바와 같이, ITO 투명 기판을 콜렉터 전극(11)으로서 준비하였다. 상기 콜렉터 전극(11)상에 유기 반도체 재료인 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 250㎚)을 형성한 후, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 50㎚)을 형성하여 콜렉터층(21)을 작성하였다. 다음에, 전자 주입층으로서 불화 리튬으로 이루어지는 평균 두께 3㎚의 전극층을 형성한 후, 알루미늄으로 이루어지는 평균 두께 15㎚의 베이스 전극층을 적층하고, 베이스 전극(13)을 형성하였다. 베이스 전극(13)상에, 구리 프탈로시아닌으로 이루어지는 p형 유기 반도체층(평균 막두께 30㎚)과, 또한, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 n형 유기 반도체층(평균 막두께: 50㎚)을 진공 증착법으로 그 순서로 적층하여, 다이오드 구조의 에미터층(22)을 작성하였다. 다음에, 은으로 이루어지는 평균 두께 30㎚의 에미터 전극(12)을, 진공 증착법으로 적층하여, 실시예 1의 메탈 베이스 유기 트랜지스터 소자(MBOT)를 얻었다.
실시예 1에서 얻어진 트랜지스터 소자의 출력 변조 특성으로서, 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 콜렉터 전압 Vc를 3V로 일정하게 유지하면서, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 베이스 전압 Vb(0∼2V)를 인가했을 때와 인가하지 않을 때의, 콜렉터 전류 Ic 및 베이스 전류 Ib의 변화량을 측정하였다. 베이스 전압을 인가했을 때의 콜렉터 전류의 변화(Ic-Vb특성)를 도 7에 나타낸다. 또한, 콜렉터 전압 (Vc:3V), 베이스 전압(Vb:1.1V)를 인가했을 때의, 콜렉터 전류 Ic의 온 전류 및 전류 증폭율, Vb=0V일 때의 오프 전류, 또한, 온/오프비를 표 1에 나타낸다.
[실시예 2]
다이오드 구조(C60/펜타센)에 의한 트랜지스터 소자의 제작
실시예 1과 같이, ITO 투명 기판을 콜렉터 전극(11)을 준비하였다. 상기 콜렉터 전극(11)상에 유기 반도체 재료인 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 250㎚)을 형성한 후, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 50㎚)을 형성하여 콜렉터층(21)을 작성하였다. 이것에, 전자 주입층으로서 불화 리튬으로 이루어지는 전극층(평균 두께 3㎚)을 형성한 후, 알루미늄으로 이루어지는 베이스 전극층(평균 두께 15㎚)을 적층하여, 베이스 전극(13)을 형성하였다. 베이스 전극(13)상에, 펜타센으로 이루어지는 p형 유기 반도체층(평균 막두께 30㎚)과, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 n형 유기 반도체층(평균 막두께: 50㎚)을 진공 증착법으로 그 순서로 적층하여, 다이오드 구조의 에미터층(22)을 작성하였다. 또한, 은으로 이루어지는 에미터 전극(12)(평균 두께 30㎚)을, 진공 증착법으로 적층하여, 실시예 2의 메탈 베이스 유기 트랜지스터 소자(MBOT)를 얻었다.
실시예 2에서 얻어진 트랜지스터 소자의 출력 변조 특성으로서, 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 콜렉터 전압 Vc를 3V로 일정하게 유지하면서, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 베이스 전압 Vb(0∼2V)를 인가했을 때와 인가하지 않을 때의, 콜렉터 전류 Ic 및 베이스 전류 Ib의 변화량을 측정하였다. 베이스 전압을 인가했을 때의 콜렉터 전류의 변화(Ic-Vb특성)를 도 8에 나타낸다. 또한, 콜렉터 전압 (Vc:3V), 베이스 전압(Vb:1.7V)를 인가했을 때의, 콜렉터 전류 Ic의 온 전류 및 전류 증폭율, Vb=0V일 때의 오프 전류, 또한, 온/오프비를 표 2에 나타낸다.
[실시예 3]
다이오드 구조(B4PYMPM/펜타센)에 의한 발광 트랜지스터 소자의 제작
도 6에 도시하는 바와 같이, ITO 투명 기판을 콜렉터 전극(11)을 준비하였다. 상기 콜렉터 전극(11)상에 유기 반도체 재료인 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 250㎚)을 형성한 후, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 유기 반도체층(평균 두께 50㎚)을 형성하고, 적층 구조인 콜렉터층(21)을 작성하였다. 이것에, 전자 주입층으로서 불화 리튬으로 이루어지는 전극층(평균 두께 3㎚)을 형성한 후, 알루미늄으로 이루어지는 전극층(평균 두께 15㎚)을 적층하여, 베이스 전극(13)을 형성하였다. 베이스 전극(13)상에, 펜타센으로 이루어지는 p형 유기 반도체층(평균 막두께 30㎚)(22B)을 형성하고, 정공 수송 재료로서 α-NPD(비스[N-(1-나프틸)-N-페닐]벤지딘)로 이루어지는 정공 수송층(평균 막두께: 10㎚), Alq3((트리스(8-히드록시퀴놀리놀)알루미늄)착체)로 이루어지는 유기 발광층(43)(평균 막두께: 20㎚), 전자 수송 재료인 피리미딘 유도체 B4PYMPM(하기 식(1))으로 이루어지는 전자 수송층(22A)(평균 막두께: 10㎚), 전자 주입층으로서 불화 리튬(평균 막두께: 0.5㎚)을 차례차례 진공 증착법에 의해 적층하여, 유기 발광층(43)을 끼워 넣는 다이오드 구조인 에미터층(22)를 형성하였다. 또한, 에미터층(22)상에, 알루미늄으로 이루어지는 에미터 전극(12)(평균 두께 100㎚)을, 진공 증착법으로 적층하여, 실시예 3의 발광 메탈 베이스 유기 트랜지스터 소자를 얻었다.
얻어진 발광 트랜지스터 소자에, 콜렉터 전압(Vc:12V)을 인가하고, 발광을 확인한 바, 베이스 전압을 인가하지 않는 경우(Vb:0V), 발광이 확인되지 않지만, 베이스 전압을 인가(Vb:10V)하면, 에미터층으로부터의 발광이 확인되었다.
[비교예 1]
C60에 의한 트랜지스터 소자의 제작
ITO 투명 기판을 콜렉터 전극으로 하고, 실시예 1과 같이 하여 콜렉터층을 형성하였다. 이것에, 실시예 1과 같이, 전자 주입층으로서 불화 리튬으로 이루어지는 3㎚의 전극층을 형성한 후, 알루미늄으로 이루어지는 베이스 전극층(평균 두께 15㎚)을 적층하고, 베이스 전극을 형성하였다. 베이스 전극상에, 풀러렌(C60)으로 이루어지는 n형 유기 반도체층(80㎚)을 진공 증착법으로 적층하고, n형 유기 반도체 재료로 이루어지는 비다이오드 구조를 에미터층으로서 작성하였다. 또한, 은으로 이루어지는 에미터 전극(평균 두께 30㎚)을 진공 증착법으로 적층하여, 비교예 1의 트랜지스터 소자를 얻었다.
(평가 결과)
얻어진 트랜지스터 소자의 출력 변조 특성으로서, 에미터 전극-콜렉터 전극 사이에 콜렉터 전압 Vc를 3V로 일정하게 유지하면서, 에미터 전극-베이스 전극 사이에 베이스 전압 Vb(0∼2V)를 인가했을 때와 인가하지 않을 때의, 콜렉터 전류 Ic 및 베이스 전류 Ib의 변화량을 측정하였다. 본 트랜지스터 소자는, MBOT로서 동작이 확인되었다. 그 평가 결과를 표 1, 표 2, 도 7, 도 8에 나타낸다.
실시예 1의 유기 트랜지스터 소자는, 전류 증폭형 트랜지스터 소자로서의 기능이 확인되었다. 저전압하에 있어서 98.4라고 하는 큰 증폭율을 나타내는 동시에, 그 온 전류는 36.4㎃/㎠(Vb:1.1V), 145㎃/㎠(Vb:2.0V)로, 트랜지스터 소자로서 매우 큰 전류가 변조되었다. 또한, 온/오프비(Vb:1.1V)는, 20.3이었다.
실시예 2의 유기 트랜지스터 소자도, 전류 증폭형 트랜지스터 소자로서의 기능이 확인되었다. 저전압하에 있어서 160.4라고 하는 큰 증폭율을 나타내는 동시에, 그 온 전류는 42.5㎃/㎠(Vb:1.7V), 62㎃/㎠(Vb:2.0V)로, 트랜지스터 소자로서 매우 큰 전류가 변조되었다. 또한, 온/오프비(Vb:1.7 V)는, 116.8이었다.
한편, 비교예 1의 트랜지스터 소자는, MBOT로서 동작하여, 전류 증폭성을 가지고, 암전류가 억제된 트랜지스터 소자로서 기능하는 것이 확인되었다. 그러나, 콜렉터 전압(Vc:3V)을 인가했을 때의, 온 전류치는 2.2㎃/㎠(Vb:1.1V), 7.1㎃/㎠(Vb:1.7V)로 작은 전류 밖에 얻을 수 없었다.
실시예 1 및 2의 트랜지스터 소자는, 그 온 전류로서 비교예 1의 트랜지스터 소자로부터 얻을 수 있는 대응하는 온 전류의 17배 및 6배의 큰 전류를 이득, 또한, 오프 전류도 억제되었다. 따라서, 실시예 1 및 2의 트랜지스터 소자는 우수한 트랜지스터 특성을 나타냈다. 또한, 실시예 3의 발광 트랜지스터 소자는 높은 온/오프비를 나타내는 것이 확인되었다.
이와 같이 본 발명의 트랜지스터 소자는, 저전압하에 있어서, 대전류 변조를 할 수 있어, 온/오프비도 높고, 외관상 바이폴러 트랜지스터와 같은 전류 증폭형의 트랜지스터 소자로서 유효하게 기능하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 에미터층에 발광층을 도입하는 것에 의해, 본 발명의 트랜지스터 소자의 효과를 구비한, 자발광하는 발광 트랜지스터 소자를 얻을 수 있는 일도 확인할 수 있었다.
본 발명의 트랜지스터 소자는, 오프 전류가 작고, 온/오프비가 높아지기 때문에, 유기 EL디스플레이 등의 디스플레이용 구동 소자, 유기 발광층을 조립해 넣은 경우, 유기 발광 트랜지스터 소자로서 이용할 수 있다.
11 : 콜렉터 전극
12 : 에미터 전극
13 : 베이스 전극
21 : 유기 반도체층(콜렉터층)
22: 유기 반도체층(에미터층)
22A : n형 유기 반도체층, 또는, p형 유기 반도체층
22B : p형 유기 반도체층, 또는, n형 유기 반도체층
31 : 유기 EL 소자부
41 : 정공 주입층
42 : 정공 수송층
43 : 발광층
44 : 여기자 블록층
12 : 에미터 전극
13 : 베이스 전극
21 : 유기 반도체층(콜렉터층)
22: 유기 반도체층(에미터층)
22A : n형 유기 반도체층, 또는, p형 유기 반도체층
22B : p형 유기 반도체층, 또는, n형 유기 반도체층
31 : 유기 EL 소자부
41 : 정공 주입층
42 : 정공 수송층
43 : 발광층
44 : 여기자 블록층
Claims (12)
- 에미터 전극, 콜렉터 전극, 상기 에미터 전극과 콜렉터 전극과의 사이에 형성된 제 1 및 제 2 유기 반도체층, 및 상기 제 1 유기 반도체층과 제 2 유기 반도체층과의 사이에 형성된 시트 형상의 베이스 전극이 설치되어 있는 전류 증폭형 트랜지스터 소자에 있어서,
상기 제 1 유기 반도체층이 상기 에미터 전극과 상기 베이스 전극과의 사이에 설치되고, p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층과의 다이오드 구조를 가지고,
상기 제 2 유기 반도체층이 상기 콜렉터 전극과 상기 베이스 전극 사이에 설치되고, p형 유기 반도체층 또는 n형 유기 반도체층으로 형성되어 있는 전류 증폭형 트랜지스터 소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유기 반도체층이 n형 유기 반도체층으로 이루어지고, 상기 제 1 유기 반도체층이, 상기 베이스 전극상에 형성된 p형 유기 반도체층과 상기 에미터 전극하에 형성된 n형 반도체층으로 이루어지는 다이오드 구조를 가지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유기 반도체층이 p형 유기 반도체층으로 이루어지고, 상기 제 1 유기 반도체층이, 상기 베이스 전극상에 형성된 n형 유기 반도체층과 상기 에미터 전극하에 형성된 p형 반도체층으로 이루어지는 다이오드 구조를 가지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 유기 반도체층 및 상기 n형 유기 반도체층이, 각각, 정공 수송 재료층 및 전자 수송 재료층인 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 유기 반도체층이 금속 프탈로시아닌 또는 무금속 프탈로시아닌으로 이루어지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 p형 유기 반도체층이 펜타센으로 이루어지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 n형 유기 반도체층이, 디메틸페릴렌테트라카복실산디이미드(Me-PTCDI)로 이루어지는 유기 반도체층과 풀러렌(C60)으로부터 형성되는 유기 반도체층을 적층한 적층 유기 반도체층으로 이루어지는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 전극과 상기 제 2 유기 반도체층과의 사이에 형성된 불화 리튬층을 더 포함하는 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 5V 이하의 저전압에 있어서의 전류 증폭율이 50 이상인 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 온/오프비가 100 이상인 전류 증폭형 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 전류 증폭형 트랜지스터 소자와, 상기 제 1 유기 반도체층에 있어서의 상기 p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층과의 사이에 형성된 유기 EL 소자부로 이루어지고, 상기 유기 EL 소자부가 유기 EL 발광층과 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 전류 증폭형 트랜지스터 소자와, 상기 제 2 유기 반도체층과 상기 콜렉터 전극과의 사이에 형성된 유기 EL 소자부로 이루어지고, 상기 유기 EL 소자부가 유기 발광층과, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1층으로 이루어지는 전류 증폭형 발광 트랜지스터 소자.
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