WO2005079119A1 - 発光型トランジスタ - Google Patents

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WO2005079119A1
WO2005079119A1 PCT/JP2005/002162 JP2005002162W WO2005079119A1 WO 2005079119 A1 WO2005079119 A1 WO 2005079119A1 JP 2005002162 W JP2005002162 W JP 2005002162W WO 2005079119 A1 WO2005079119 A1 WO 2005079119A1
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drain electrode
light
insulating film
electrode
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Hirokazu Tada
Tomo Sakanoue
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Japan Science And Technology Agency
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting transistor having both functions of a field effect transistor and a light emitting element, and a laser light source using the same.
  • an organic light emitting diode (OLED) using an organic substance for a light emitting layer has been put to practical use.
  • OLED organic light emitting diode
  • it can be manufactured by a simple method such as an ink-jet method, and it is possible to obtain a large-area and flexible display having higher luminance and lower power consumption than a liquid crystal display.
  • One of the switching elements for controlling such a display OLED is an organic field effect transistor (OFET) using an organic material for a channel layer.
  • OFET organic field effect transistor
  • manufacturing a display that combines OLED and OFET complicates the manufacturing process.
  • Emitting Field Effect Transistor (LEFET) is being studied.
  • the LEFET emits light by itself, and ON / OFF of the light emission can be controlled by ON / OFF of the gate voltage.
  • ON / OFF of the light emission can be controlled by ON / OFF of the gate voltage.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 both disclose examples of LEFETs. The configuration of the LEFET described in these documents will be described with reference to FIG. An insulating film 12 is laminated on the gate electrode 11, and a first source / drain electrode 14 and a second source / drain electrode 15 are arranged on the insulating film 12. First source / drain electrode 14 and second source For the drain electrode 15, gold is used in both Non-Patent Documents 1 and 2. Further, in the LEFET of Non-Patent Document 2, between the first source 'drain electrode 14 and the second source' drain electrode 15 and the insulating film 12, there is also a chromium force for bonding these electrodes to the insulating film 12.
  • Adhesive layers 131 and 132 are interposed.
  • a light-emitting layer 16 made of an organic material is disposed so as to be in contact with the first source / drain electrode 14 and the second source / drain electrode 15.
  • the luminescent layer 16 is composed of a lead iodide-based layered perovskite compound (CHCH NH) Pbl in the LEFET of Non-Patent Document 1, and tetracene in the LEFET of Non-Patent Document 2.
  • Non-Patent Document 1 Masayuki Yahiro and 2 others, "Emission and Electrical Characteristics of Organic FETs Using Layered Besquite Self-Assembling Film", IEICE Technical Report, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 2002 Year, OME2002-54, pp. 37-41
  • Non-Patent Document 2 A. Hepp and 5 others, "Light-Emitting Field-Effect Transistor Using Tetracene Thin Film", Physical Review Letters, (USA), American Physical Society, October 10, 2003, Vol. 91 No. 15, pp. 157406-1—157406-4 (A. Hepp et al., "Light-Emitting Field-Effect Transistor Based on a Tetracene Thin Film, Physical Review Letters, American Physical Society, vol. 91, pp. 157406-1-157406-4 (2003))
  • a source-drain voltage V having a positive value on the second source / drain electrode 15 side is applied between the first source / drain electrode 14 and the second source / drain electrode 15.
  • holes are injected into the light emitting layer 16 by the second source 'drain electrode 15. These holes are attracted toward the insulating film 12 by the gate voltage V and move toward the first source / drain electrode 14.
  • the second source 'drain electrode 15 has a role of a source electrode
  • the first source' drain electrode 14 has a role of a drain electrode.
  • electrons are injected into the light emitting layer 16 from the first source 'drain electrode 14. Since the number of electrons injected here is smaller than the number of holes injected from the second source 'drain electrode 15, the voltage V is increased as described above to secure the amount. .
  • the holes and electrons injected in this way are converted to the first source ' Recombination occurs in the light emitting layer 16 near the rain electrode 14, whereby the light emitting element emits light.
  • the ON / OFF of the gate voltage V increases / decreases the hole concentration near the insulating film 12.
  • ON / OFF of recombination of holes and electrons that is, ON / OFF of light emission, is controlled.
  • Electrons are injected into the photoconductor layer 16 and are attracted to the insulating film 12 by the gate voltage V.
  • the first source 'drain electrode 14 functions as a source electrode
  • the second source' drain electrode 15 functions as a drain electrode.
  • a small number of holes are injected into the light emitting layer 16 from the second source 'drain electrode 15. These holes and electrons are recombined in the luminous layer 16 near the second source'drain electrode 15, whereby the luminous body emits light.
  • a gate voltage V is preferably applied.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a light-emitting transistor that can obtain sufficient light emission intensity, has higher power consumption, and has higher light emission efficiency.
  • a laser light source using the light emitting transistor is provided.
  • the light-emitting transistor according to the present invention made to solve the above-mentioned problems includes: a) a gate electrode having an insulating film formed on a surface thereof;
  • a first source'drain electrode comprising an electron injection material having a work function of 4.26 eV or less, which is disposed on the insulating film;
  • a second source / drain electrode also made of a hole injecting material and having a work function greater than 4.26 eV and having a work function of greater than 4.26 eV; and A light-emitting layer made of an organic semiconductor, provided on the insulating film between a source-drain electrode and the second source-drain electrode;
  • the first embodiment of the laser light source according to the present invention includes:
  • a first source'drain electrode comprising an electron injection material having a work function of 4.26 eV or less, which is disposed on the insulating film;
  • a second source / drain electrode also made of a hole injecting material and having a work function greater than 4.26 eV and having a work function of greater than 4.26 eV; and A light-emitting layer made of an organic semiconductor, provided on the insulating film between a source-drain electrode and the second source-drain electrode;
  • the laser light source according to the second aspect of the present invention includes:
  • a laser light source includes:
  • a first source'drain electrode comprising an electron injection material having a work function of 4.26 eV or less, which is disposed on the insulating film;
  • a second source / drain electrode also made of a hole injecting material and having a work function greater than 4.26 eV and having a work function of greater than 4.26 eV; and A light-emitting layer made of an organic semiconductor, provided on the insulating film between a source-drain electrode and the second source-drain electrode;
  • a dielectric multilayer film that interferes with light of a predetermined wavelength in the light emitting wavelength band of the light emitting layer
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a conventional light-emitting transistor.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of a light emitting transistor of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a method for manufacturing the light-emitting transistor of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the light emitting transistor of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a third embodiment of the light emitting transistor of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view showing a light emitting transistor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing an emission spectrum (the same applies to the first example) of the light emitting transistor of the comparative example.
  • FIG. 8 (a) Gate voltage V and photocurrent in the light emitting transistors of the first embodiment and the comparative example
  • FIG. 9 is a top view and a sectional view showing a first embodiment of the laser light source of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view and a sectional view showing a second embodiment of the laser light source of the present invention.
  • FIG. 11 is a sectional view showing a third embodiment of the laser light source of the present invention.
  • the conventional LEFET has a problem that a sufficient number of carriers cannot be supplied to the light-emitting layer due to the drain electrode force.
  • the work function is defined by the difference between the Fermi level and the vacuum level of the metal.Emission of electrons from the metal to the outside is easier with a small work function value! / The larger the value of the function, the easier it becomes.
  • the second source 'drain electrode becomes the source electrode and the source electrode is also injected with holes into the light emitting layer.
  • the inventor of the present application proposes to use an electrode having aluminum (work function is 4.06 to 4.26 eV) on at least part of the surface instead of the conventional gold (work function is 5.31 eV to 5.46 eV) electrode. Experiments have shown that luminous intensity and luminous efficiency can be increased.
  • an anolymium or a material having a work function smaller than that, that is, a material having a work function force of .26 eV or less is used for the drain electrode.
  • Such materials include, besides aluminum, magnesium, calcium, magnesium "! Good alloys, and the like.
  • the drain electrode is not limited to the one composed of only the electron injection material, but may be composed of a combination of the electron injection material and another material.
  • a material in which an electron injection material and another material are stacked, a material in which the surface of another material is coated with an electron injection material, or the like can be used.
  • a plurality of types of electron injection materials may be used in combination.
  • the source electrode is made of a material having a large work function in order to efficiently inject holes into the light emitting layer. Therefore, a material having a work function larger than that of aluminum, that is, larger than 4.26 eV, is used for this material (hole injection material).
  • the gold electrode used in the conventional LEFET can be suitably used as the source electrode of the LEFET of the present invention. Further, for example, platinum, indium tin oxide (ITO), chromium, nickel and the like can also be suitably used as the hole injection material. Also, as in the case of the drain electrode, a force source electrode may be formed by combining a hole injection material and another material!
  • the first source ′ drain electrode serves as a source electrode, and electrons are injected into the light emitting layer of the source electrode.
  • the supply amount of holes from the drain electrode to the light-emitting layer can be increased.
  • the luminous intensity and luminous efficiency can be increased.
  • a hole injection material having a work function larger than 4.26 eV may be used for the material of the drain electrode, and an electron injection material having a work function of 4.26 eV or less may be used for the source electrode.
  • the difference between the! / Of the source electrode and the drain electrode is either the work function.
  • the electron injection material force is less than 4.26 eV, and the other is a hole injection material with a work function force greater than .26 eV. That is, both cases have a common configuration.
  • the electrode made of the electron injection material is referred to as a first source-drain electrode, and the electrode formed of the hole injection material is referred to as a second source-drain electrode.
  • the first source / drain electrode and the second source / drain electrode may each be formed by laminating the electron injection material and the hole injection material in the same order. Thereby, both electrodes can be manufactured at the same time, so that the manufacturing process can be simplified.
  • the electron injection material mainly contributes to the electron injection in the first source 'drain electrode
  • the hole injection material mainly contributes to the hole injection in the second source' drain electrode.
  • the order of lamination does not matter, but when the electrode is adhered on the insulating film, it is preferable that the material having the better adhesiveness with the insulating film be on the lower side.
  • the electron injecting material has better adhesiveness to the insulating film than the hole injecting material
  • the second source'drain electrode has the adhesive base layer made of the electron injecting material
  • both the first source 'drain electrode and the second source' drain electrode are bonded to the insulating film by the electron injecting material, and thus have good adhesiveness.
  • the adhesive base layer of the second source 'drain electrode and the first source' drain electrode can be formed at the same time, the manufacturing process can be simplified.
  • the first source 'drain electrode covers the adhesive base layer, which also has the hole injecting material force, with the electron injecting material. It may be composed of:
  • the same gate electrode and insulating film as those of the conventional LEFET can be used.
  • n-type silicon which has an increased doping amount of impurities and lower electric resistance than a normal silicon semiconductor, is used as a gate electrode, and an oxidized film formed by oxidizing the surface thereof is used as an insulating film. be able to.
  • the same organic semiconductor as that of the conventional LEFET, OFET or OLED can be used as the organic semiconductor of the light emitting layer. For example, to obtain orange emission, the chemical formula (1)
  • the operation of the LEFET of the present invention is basically the same as the operation of the conventional LEFET.
  • a negative gate voltage is applied from the gate electrode to the source electrode, and a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode.
  • Holes are injected from the source / drain electrode) into the light emitting layer, and electrons are injected from the drain electrode (first source / drain electrode) into the light emitting layer.
  • the holes in the luminescent layer are attracted to the gate electrode by the gate voltage, move to the drain electrode by the source-drain voltage, and recombine with electrons near the drain electrode. This causes the luminous body to emit light.
  • Turning on / off the gate voltage changes the hole concentration near the insulating film, thereby controlling ON / OFF of light emission.
  • the source electrode When electrons are injected into the luminescent layer also with the source electrode force, the source electrode (first source / drain electrode) is applied by applying a voltage between the source electrode and the drain electrode while applying a positive gate voltage to the gate electrode force. )), Electrons are injected into the light emitting layer, and holes are injected into the light emitting layer from the drain electrode (second source ′ drain electrode). As described above, the luminous body emits light by recombination of these holes and electrons. The ON / OFF control of light emission is the same as above. [0028]
  • the drain electrode of the present invention can easily inject carriers having a polarity opposite to that of the carriers injected into the light emitting layer from the source electrode, as compared with the conventional LEFET.
  • the emission intensity can be increased as compared with the conventional case.
  • the source-drain voltage can be made lower than in the conventional case. If the source-drain voltage is properly set, these two effects can be obtained simultaneously. Further, since the source electrode force is also injected into the light emitting layer and the number of carriers that do not contribute to light emission is reduced, the light emitting efficiency can be increased.
  • the first source 'drain electrode and the second source' drain electrode do not need to be in contact with the insulating film. For example, even if a light emitting layer exists between these electrodes and the insulating film. I do not care. However, as described above, the first source / drain electrode and the second source / drain electrode are in contact with the insulating film in order to easily attract carriers toward the gate electrode! /, It is desirable
  • the luminous body layer may be formed of two or more kinds of materials.
  • a region of the light-emitting layer which is in contact with the first source 'drain electrode may be formed of an electron transport material
  • a region of the light-emitting layer which is in contact with the second source' drain electrode may be formed of a hole transport material.
  • the transport efficiency of electrons injected from the first source 'drain electrode into the light emitting layer and holes transported from the second source drain electrode into the light emitting layer are both improved.
  • the LEFET having this configuration can emit light of different wavelengths by switching the polarity of the gate electrode.
  • carriers can be efficiently supplied to the light-emitting layer by the above configuration, and the carrier density in the vicinity of the insulating film can be increased by applying a gate voltage. Under such a high carrier density, more carriers in the excited state than in the ground state can realize a population inversion state. Laser emission can be realized by further causing the light emitted in the inverted population state to resonate or interfere. Laser emission can be turned on / off by turning on / off the gate voltage.
  • DFB distributed feedback
  • the interference is caused by providing a separate diffraction grating between the first source 'drain electrode and the second source' drain electrode, thereby causing laser emission.
  • This diffraction grating can be provided, for example, by forming lattice-like irregularities on the surface of the insulating film. A diffraction grating separate from the insulating film is placed on the insulating film.
  • a diffraction grating is formed by comb-shaped electrodes used in many FETs. If the comb teeth of the first source / drain electrode and the comb teeth of the second source / drain electrode are engaged with each other and these teeth are equally spaced, a diffraction grating is formed from them. This makes it possible to form a laser light source without providing a separate diffraction grating member.
  • a dielectric multilayer film is provided on the optical path until the light emitted from the light emitting layer is emitted to the outside.
  • the dielectric multilayer film can enhance the light of the wavelength determined by the material and the thickness of the layer constituting the dielectric multilayer film by interference.
  • n-type silicon substrate is used.
  • An insulating film 22 of 2 is formed.
  • a source electrode (second source and drain electrode) 24 made of gold is disposed on the insulating film 22 with an adhesive layer 23 made of chromium interposed therebetween.
  • a drain electrode (first source / drain electrode) 25 that also has an aluminum force is arranged at a distance from the source electrode 24 by a predetermined channel length. This drain electrode 25 is formed directly on the insulating film 22 because aluminum has adhesion to SiO.
  • a light-emitting layer 26 made of an organic material is arranged on the insulating film 22 so as to cover the source electrode 24 and the drain electrode 25.
  • the organic substance used in this example is MEH-PPV.
  • the low-resistance n-type silicon substrate 21 is heated in an oxygen atmosphere to form an SiO oxide film 22 on the surface (a).
  • the surface of the resist 271 is covered with a mask 281 corresponding to the shape of the source electrode, and the pattern of the source electrode is transferred to the resist (b).
  • the adhesive layer 23 and the source electrode 24 are formed by vapor deposition of chromium and gold in this order (c).
  • a new resist 272 is applied on the insulating film and the source electrode, and the pattern of the drain electrode is transferred by covering the resist surface with the drain electrode mask 282 (d).
  • a pattern of the drain electrode can be formed at a predetermined position.
  • aluminum is vapor-deposited to form a drain electrode 25.
  • a light-emitting layer 26 is formed by a casting method, and the LEFET of the first embodiment is completed (£).
  • a second embodiment of the LEFET of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gate electrode 21 and the insulating film 22 of this embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • a pair of aluminum thin films 311 and 312 are provided on the insulating film 22 with a predetermined channel length therebetween, and gold thin films 321 and 322 are provided on the aluminum thin films 311 and 312, respectively.
  • the combination of the aluminum thin film piece and the gold thin film piece becomes the source electrode 34 and the drain electrode 35.
  • both electrodes are used in this embodiment.
  • the luminous body layer 26 is the same as that of the first embodiment.
  • the LEFET of the second embodiment is manufactured basically by the same photolithography method as that of the first embodiment.
  • the source electrode and the drain electrode since the source electrode and the drain electrode have the same configuration, the source electrode and the drain electrode must be formed simultaneously by one-time resist formation, pattern transfer, and vapor deposition (performed in the order of aluminum and gold). Can be. Therefore, the manufacturing process is shorter than that of the first embodiment, and there is no displacement between the source electrode and the drain electrode.
  • the source electrode 24 and the drain electrode 25 have the same structure and their functions are different. That is, since the work function of aluminum is smaller than the work function of gold, in the source electrode 24, the gold thin film piece 321 mainly contributes to hole injection, and in the drain electrode 25, the aluminum thin film piece 312 is mainly formed. It is thought to contribute to electron injection. Except for the function of this electrode, the operation of the LEFET of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the gate electrode 21 and the insulating film 22 of this embodiment are the same as those of the first and second embodiments.
  • the source electrode 44 is obtained by forming a coating layer 42 made of a gold alloy on the surface of an aluminum thin film piece 41.
  • the drain electrode 45 also has an aluminum force. Both the source electrode 44 and the drain electrode 45 have good adhesiveness because aluminum contacts the insulating film 22. At the time of manufacturing, the aluminum thin film piece 41 and the drain electrode 45 are simultaneously manufactured.
  • the luminous layer 26 is the same as that of the first and second embodiments.
  • the operation of the LEFET of the third embodiment is basically the same as that of the first and second embodiments.
  • Gold of the coating layer 42 of the source electrode 44 contributes to injection of holes into the light emitting layer 26, and aluminum of the drain electrode 45 contributes to injection of electrons.
  • a fourth embodiment of the LEFET of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the light emitting layer 26 in the region near the second source 'drain electrode 24 is close to the first source / drain electrode 25 and the light emitting layer 26 in the region is Each was formed by the transport material 26b.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • a source drain voltage V that makes the second source 'drain electrode 25 side positive is applied while applying a negative voltage to the gate electrode, holes emit light from the second source' drain electrode 24. Note on body layer 26
  • the holes and the electrons injected from the first source / drain electrode 25 into the light emitting layer 26 are re-entered in the light emitting layer 26 near the first source / drain electrode 25, that is, in the electron transport material 26b. They combine and emit light (Fig. 6 (a)).
  • a positive voltage is applied to the gate electrode, electrons are injected from the first source 'drain electrode 25 into the luminous layer 26 and move toward the second source / drain electrode 24 while being attracted to the gate electrode. Then, the electrons are recombined with holes in the hole transport layer 26a to emit light (FIG. 6 (b)).
  • the LEFET of the fourth embodiment light is emitted in different light emitting materials (the hole transport layer 26a and the electron transport material 26b) depending on the polarity of the gate electrode.
  • the wavelength of light emission can be controlled by the polarity of the gate electrode.
  • FIG. 7 shows the measurement results of the emission spectrum of the LEFET of Example 1.
  • the LEFET powers of the second and third examples also have similar emission spectra except for the intensity.
  • the emission spectrum has a peak near the wavelength of 590 nm.
  • the emitted light is input to a silicon photodiode and its output current is measured.
  • the gate voltage V is approximately 40 V, which is clearly different from that of the comparative example.
  • ON / OFF of the light emission of the LEFET can be controlled by ON / OFF of the voltage V.
  • FIG. 8 (b) shows the relationship between the source-drain current I and the photocurrent in the measurement of (a).
  • the power of the LEFET of the first to third embodiments is lower than that of the comparative LEFET.
  • the adhesive layer of the drain electrode was in contact with the light emitting layer, and the work function of chromium used for the adhesive layer was 4.5 eV, which was larger than that of gold. Because of its small size (slightly larger than the work function of aluminum), it is considered that the chromium layer contributes to the electron injection. However, as shown in the experimental results of the comparative example, sufficient light emission intensity cannot be obtained even if a chromium layer is included on the drain electrode side. This suggests that chromium has an excessively high work function as an electron injection material.
  • FIG. 9A is a top view of the laser light source of the present embodiment (however, a light-emitting layer 56 described later is not shown), and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along AA ′ in FIG. is there.
  • An adhesive layer 53, a source electrode 54, a drain electrode 55, and a light-emitting layer 56 are formed on the gate electrode 51 having the insulating film 52 formed on the surface, similarly to the LEFET of the first embodiment.
  • Each of these layers may be the same as the LEFET according to the present invention, such as the LEFET of the second and third embodiments.
  • Each of the source electrode 54 and the drain electrode 55 was formed in a rod shape substantially parallel to each other and extending in the in-plane direction of the insulating film 52. Together with each of these layers, the source electrode 54 and the drain electrode 55 A diffraction grating 57 is provided between them.
  • the diffraction grating 57 is provided with a large number of rod-shaped members at equal intervals substantially in parallel to each other in a direction in a plane of the insulating film 52 and perpendicular to the source electrode 54 and the drain electrode 55.
  • a second embodiment of the laser light source according to the present invention will be described with reference to a top view (a) of FIG. 10 and a cross-sectional view (b) of FIG.
  • the gate electrode 61, the insulating film 62, and the light emitting layer 66 are formed in the same manner as in the first embodiment.
  • the source electrode 64 and the drain electrode 65 both have a comb shape, and are disposed on the insulating film 62 such that the teeth of each comb are interposed between the teeth and the combs are engaged with each other.
  • the teeth 641 and 651 of the source electrode 64 and the drain electrode 65 are set at equal intervals. In this configuration, the teeth 641 and 651 are diffraction gratings.
  • the adhesive layer 63 is provided between the source electrode 64 and the insulating film 62, the structure of the source electrode 64 and the drain electrode 65 is the same as that of the second and third embodiments described above. LEFET's!
  • a third embodiment of the laser light source according to the present invention will be described with reference to FIG.
  • An adhesive layer 73, a source electrode 74, a drain electrode 75, and a light emitting layer 76 are formed on a gate electrode 71 having an insulating film 72 formed on the surface thereof, similarly to the LEFET of the first embodiment.
  • a dielectric multilayer film 77 is provided on the light emitting layer 76, and in FIG. 11B, below the gate electrode 71.
  • a film that interferes with light having a wavelength corresponding to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 76 is used as the dielectric multilayer film 77.
  • the dielectric multilayer film 77 When the dielectric multilayer film 77 is provided on the gate electrode 71 side as viewed from the light emitting layer 76 as shown in FIG. 11B, the light emitted from the light emitting layer 76 is formed on the gate electrode 71 and the insulating film 72. Use a transparent material.
  • a reflecting portion 78 for reflecting light emission is provided on the opposite side of the gate electrode 71 as viewed from the light emitting layer 76.
  • a normal mirror or a dielectric multilayer film that reflects and reflects light having the above-mentioned emission wavelength can be used. Note that the source electrode 74 and the drain electrode 75 are provided in the second and third embodiments.
  • the one used for the LEFET, the one used for the laser light source of the second embodiment, and the like can be used as they are.
  • the operation of the laser light source according to the first to third embodiments will be described.
  • the case of the first embodiment will be described, but the same applies to the case of the second and third embodiments.
  • the voltage applied to the gate electrode increases the carrier density in the region near the insulating film 52 in the luminous layer 56, whereby the population inversion state is formed. In this state, the emitted light interferes with the diffraction grating 57 (the teeth 641 and 651 in the second embodiment, and the dielectric multilayer film 77 in the third embodiment), thereby further increasing the light intensity.
  • Laser emission can be obtained.

Abstract

　本発明は、スイッチング機能を有する発光素子である発光型トランジスタ(LEFET)であって、十分な発光強度を得ることができ、より発光効率が高いものを提供するために成された。ドレイン電極２５の材料にアルミニウムを、ソース電極２４の材料に金を用いる。ソース電極２４−ドレイン電極２５間に電圧を印加することにより、ソース電極２４から正孔が、ドレイン電極２５から電子が、それぞれ発光体層２６に注入される。正孔と電子が再結合して、発光体層２６が発光する。発光のON/OFFはゲート電圧のON/OFFにより制御される。従来はドレイン電極にも金を用いていたのに対して、本発明では金よりも仕事関数の小さいアルミニウムを用いることにより、より低い電圧でより多くの電子を発光体層２６に注入することができる。そのため、発光強度及び発光効率が向上する。

Description

明 細 書
発光型トランジスタ
技術分野
[0001] 本発明は、電界効果トランジスタと発光素子の機能を併せ持つ発光型トランジスタ 及びそれを用 、たレーザ光源に関する。
背景技術
[0002] ディスプレイ等に用いられる発光素子として、有機物を発光体層に用いた有機発光 ダイオード（Organic Light Emitting Diode: OLED)が実用化されている。 OLEDを用 いることにより、インクジェット法等の簡単な方法で製造することができ、大面積且つフ レキシブルであり、液晶ディスプレイよりも高輝度且つ省電力のディスプレイを得るこ とがでさる。
[0003] また、このようなディスプレイ OLEDを制御するスイッチング素子の 1つに、有機物を チャネル層に用いた有機電界効果トランジスタ (Organic Field Effect Transistor: OFET)がある。しかし、 OLEDと OFETを組み合わせたディスプレイを製造しょうとする と、製造プロセスが複雑になる。
[0004] そこで、 OLEDと OFETの機能を兼ね備えた素子である発光型トランジスタ (Light
Emitting Field Effect Transistor: LEFET)が検討されている。 LEFETは、それ自体が 発光し、その発光の ON/OFFがゲート電圧の ON/OFFにより制御できるものである。 このような素子をディスプレイに用いることにより、 1個の素子で発光とその制御を共 に行うことができるため、上記のように OLEDと OFETという 2つの素子を組み合わせて 用いる必要がなくなる。従って、ディスプレイの構造や製造プロセスを簡素化すること ができ、製造コストを削減することができる。また、素子をより高密度に配置することが でき、それにより画像の解像度を高くすることができる。
[0005] 非特許文献 1及び 2には共に、 LEFETの一例について記載されている。これらの文 献に示された LEFETの構成について、その断面図である図 1を用いて説明する。ゲ ート電極 11上に絶縁膜 12が積層され、絶縁膜 12上に第 1ソース'ドレイン電極 14及 び第 2ソース ·ドレイン電極 15が配置される。第 1ソース ·ドレイン電極 14及び第 2ソー ス 'ドレイン電極 15には、非特許文献 1及び 2のいずれにおいても金を用いている。ま た、非特許文献 2の LEFETでは、第 1ソース'ドレイン電極 14及び第 2ソース'ドレイン 電極 15と絶縁膜 12の間に、これらの電極を絶縁膜 12に接着するための、クロム力も 成る接着層 131及び 132が介挿される。絶縁膜 12の上に、第 1ソース'ドレイン電極 1 4及び第 2ソース ·ドレイン電極 15に接するように、有機物から成る発光体層 16が配 置される。発光体層 16は、非特許文献 1の LEFETではヨウ化鉛系層状ぺロブスカイト 化合物である (C H C H NH ) Pblから成り、非特許文献 2の LEFETではテトラセンか
6 5 2 4 3 2 4
ら成る。
[0006] 非特許文献 1：八尋正幸、他 2名 , 「層状べ口ブスカイト自己組織ィ匕膜を用いた有機 FETの発光及び電気特性」，信学技報，社団法人電子情報通信学会， 2002年， OME2002- 54号， 37— 41ページ
非特許文献 2 :A. Hepp、他 5名， 「テトラセン薄膜を用いた発光電界効果トランジスタ」 ,フィジカル.レビュ一.レターズ，（米国)，アメリカ物理学会， 2003年 10月 10日，第 91 卷，第 15号， 157406- 1— 157406- 4頁（A. Hepp et al.， "Light- Emitting Field- Effect Transistor Based on a Tetracene Thin Film , Physical Review Letters, American Physical Society, vol. 91, pp. 157406-1 - 157406-4 (2003))
[0007] この LEFETの動作を説明する。
まず、図 1(a)に示すようにゲート電極 11に負のゲート電圧 Vを印加した場合につい
G
て述べる。第 1ソース ·ドレイン電極 14—第 2ソース ·ドレイン電極 15間に、第 2ソース · ドレイン電極 15側が正となるソース—ドレイン電圧 V を印加する。ここで、ソース—ドレ
SD
イン電圧 V は、通常の FETよりも高い数十 V
SD —百数十 Vとする。電圧 V の印加により
SD
、第 2ソース'ドレイン電極 15力も発光体層 16に正孔が注入される。この正孔はゲ一 ト電圧 Vにより絶縁膜 12側に引きつけられつつ、第 1ソース'ドレイン電極 14に向か
G
う。即ち、この例では第 2ソース'ドレイン電極 15がソース電極の役割を、第 1ソース' ドレイン電極 14がドレイン電極の役割を有する。一方、第 1ソース'ドレイン電極 14か らは、発光体層 16に電子が注入される。ここで注入される電子の数は、第 2ソース'ド レイン電極 15から注入される正孔の数よりも少ないことから、その量を確保するため に上記のように電圧 V を高くしている。こうして注入された正孔と電子は第 1ソース'ド レイン電極 14の近傍の発光体層 16内で再結合し、これにより発光体が発光する。ゲ ート電圧 Vの ON/OFFにより、絶縁膜 12の近傍の正孔濃度が大きく/小さくなるため
G
、それにより正孔と電子の再結合の ON/OFF、即ち発光の ON/OFFが制御される。
[0008] 次に、図 1(b)に示すようにゲート電極 11に正のゲート電圧 Vを印加した場合につ
G
いて述べる。前述の場合と同様に第 2ソース'ドレイン電極 15側が正となる数十 V— 百数十 Vのソース ドレイン電圧 V を印加すると、第 1ソース'ドレイン電極 14から発
SD
光体層 16に電子が注入され、この電子はゲート電圧 Vにより絶縁膜 12側に引きつ
G
けられつつ、第 2ソース'ドレイン電極 15に向かう。即ち、この例では第 1ソース'ドレイ ン電極 14がソース電極の役割を、第 2ソース'ドレイン電極 15がドレイン電極の役割 を果たす。一方、第 2ソース'ドレイン電極 15からは、発光体層 16に少数の正孔が注 入される。これらの正孔と電子は第 2ソース'ドレイン電極 15の近傍の発光体層 16内 で再結合し、これにより発光体が発光する。
[0009] 発光体層 16に正孔の輸送能力が高 、材料を用いる場合には図 1(a)のように負の ゲート電圧 Vを、電子の輸送能力が高い材料を用いる場合には図 1(b)のように正の
G
ゲート電圧 Vを、それぞれ印加するとよい。
G
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 上記のように、 LEFETではソース電極から注入されるキャリアとは逆特性のキャリア をドレイン電極から発光体層に注入するために、通常の FETよりも高!ヽソース ドレイ ン間電圧を印加している。それでもなお、従来の LEFETでは、ソース電極からのキヤ リアの注入量に比べてドレイン電極からのキャリアの注入量が不十分であることから、 発光強度が不十分である。また、このような高電圧が印加されるうえ、ドレイン電極か らのキャリアと再結合しな ヅース電極からのキャリアによる無駄な電流が大き 、ため 、消費電力が大きぐ発光効率も低い。
[0011] 本発明が解決しょうとする課題は、十分な発光強度を得ることができ、より消費電力 力 、さく発光効率が高い発光型トランジスタを提供することである。併せて、この発光 型トランジスタを用いたレーザ光源を提供する。
課題を解決するための手段 [0012] 上記課題を解決するために成された本発明に係る発光型トランジスタは、 a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
を有することを特徴とする。
[0013] 本発明に係るレーザ光源の第 1の態様のものは、
a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
e)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間に設けられた、 前記発光体層にお!、て発光する光を回折する回折格子と、
を備えることを特徴とする。
[0014] 本発明に係るレーザ光源の第 2の態様のものは、
a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 櫛形の第 1ソース ·ドレイン電極と、
c)仕事関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料力も成る櫛形の電極であって、前記 絶縁膜上に、該電極の櫛の歯と前記ドレイン電極の櫛の歯をかみ合わせてこれらの 歯により回折格子を形成するように配置された第 2ソース ·ドレイン電極と、
d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
を備えることを特徴とする。
[0015] 本発明に係るレーザ光源の第 3の態様のものは、
a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
e)前記発光体層から外部への光路上に設けられた、前記発光体層の発光波長帯 中の所定の波長の光が干渉する誘電体多層膜と、
を備えることを特徴とする。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]従来の発光型トランジスタの一例を示す断面図。
[図 2]本発明の発光型トランジスタの第 1実施例を示す断面図。
[図 3]第 1実施例の発光型トランジスタの製造方法を示す図。
[図 4]本発明の発光型トランジスタの第 2実施例を示す断面図。
[図 5]本発明の発光型トランジスタの第 3実施例を示す断面図。
[図 6]本発明の発光型トランジスタの第 4実施例を示す断面図。
[図 7]比較例の発光型トランジスタにおける発光スペクトル (第 1実施例も同様)を示す グラフ。
[図 8]第 1実施例及び比較例の発光型トランジスタにおける (a)ゲート電圧 Vと光電流
G
及び (b)ソース ドレイン間電流 I と光電流の関係を示すグラフ。
SD
[図 9]本発明のレーザ光源の第 1実施例を示す上面図及び断面図。
[図 10]本発明のレーザ光源の第 2実施例を示す上面図及び断面図。
[図 11]本発明のレーザ光源の第 3実施例を示す断面図。
符号の説明 [0017] 11、 21、 51、 61、 71· ··ゲート電極
12、 22、 52、 62、 72· ··絶縁膜
131、 132、 23、 53、 63、 73· ··接着層
14…第 1ソース'ドレイン電極
15 · · ·第 2ソース ·ドレイン電極
16、 26、 56、 66、 76· ··発光体層
24、 34、 44、 54、 64、 74· ··ソース電極
25、 35、 45、 55、 65、 75· ··ドレイン電極
26a…正孔輸送材料
26b…電子輸送材料
271、 272· ··レジス卜
281、 282· ··マスク
311、 312、 41· ··アルミニウム薄膜片
321、 322· ··金薄膜片
42…被覆層
641、 642· ··櫛形電極の歯
77· ··誘電体多層膜
発明の実施の形態及び効果
[0018] 上記のように、従来の LEFETにはドレイン電極力 発光体層へ十分な数のキャリア を供給できないという問題点があることから、本願発明者は第 1ソース'ドレイン電極 及び第 2ソース'ドレイン電極の材料の仕事関数に着目した。仕事関数は金属のフエ ルミ準位と真空準位との差により定義され、金属から外部への電子の放出は仕事関 数の値が小さ!/、ほど容易になり、正孔の放出は仕事関数の値が大き 、ほど容易にな る。
[0019] まず、第 2ソース'ドレイン電極力ソース電極となり、ソース電極力も発光体層に正孔 が注入される場合にっ 、て説明する。
この場合には、前述の通りドレイン電極 (第 1ソース ·ドレイン電極)から発光体層に 電子が注入される。このドレイン電極の材料に仕事関数の小さい金属が用いられるこ とにより、ドレイン電極力も発光体層への電子の供給量を増カロさせることができ、それ により発光強度及び発光効率を高めることができる。そして、本願発明者は、従来の 金 (仕事関数は 5.31eV— 5.46eV)電極の代わりに、少なくとも表面の一部にアルミ- ゥム (仕事関数は 4.06— 4.26eV)を有する電極を用いれば発光強度及び発光効率を 高めることができることを、実験により明らかにした。従って、本発明では、ァノレミ-ゥ ム又はそれよりも仕事関数が小さ 、材料、即ち仕事関数力 .26eV以下である材料を ドレイン電極に用いる。そのような材料には、アルミニウムの他にマグネシウム、カル シゥム、マグネシウム"!良合金等がある。
[0020] ドレイン電極は電子注入材料が発光体層に接してさえいれば、そこ力も発光体層 への電子の供給量を増加させることができる。従って、ドレイン電極は電子注入材料 のみカゝら成るものには限られず、電子注入材料と他の材料を組み合わせたものから 構成してもよい。例えば、電子注入材料と他の材料が積層したものや、他の材料の表 面に電子注入材料を被覆したもの等を用いることができる。また、複数種類の電子注 入材料を組み合わせて用いてもょ 、。
[0021] 一方、ソース電極は、正孔を発光体層に効率よく注入するために、仕事関数の大き い材料で構成する。そのため、この材料 (正孔注入材料）には仕事関数がアルミ-ゥ ムよりも大きい、即ち 4.26eVよりも大きいものを用いる。従来の LEFETで用いられてい る金電極は本発明の LEFETのソース電極に好適に用いることができる。また、例えば 白金、インジウム錫酸ィ匕物 (ITO)、クロム、ニッケル等も正孔注入材料に好適に用いる ことができる。また、ドレイン電極の場合と同様に、正孔注入材料と他の材料を組み合 わせたもの力 ソース電極を構成してもよ!/、。
[0022] 次に、第 1ソース'ドレイン電極がソース電極となり、ソース電極力 発光体層に電子 が注入される場合について説明する。この場合には、ドレイン電極 (第 2ソース'ドレイ ン電極)の材料に仕事関数の大きい金属を用いることにより、ドレイン電極から発光体 層への正孔の供給量を増加させることができ、それにより発光強度及び発光効率を 高めることができる。この場合には、ドレイン電極の材料には仕事関数が 4.26eVよりも 大き 、正孔注入材料を、ソース電極には仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材 料を、それぞれ用いればよい。 [0023] 前述の通り、ソース電極カゝら発光体層に正孔が注入される場合、電子が注入される 場合の 、ずれも、ソース電極とドレイン電極の!/、ずれか一方は仕事関数が 4.26eV以 下である電子注入材料力 成り、他方は仕事関数力 .26eVよりも大きい正孔注入材 料から成る。即ち、いずれの場合も共通の構成を有する。本願では上記電子注入材 料カゝら成る電極を第 1ソース'ドレイン電極、上記正孔注入材料から成る電極を第 2ソ ース ·ドレイン電極と呼ぶ。
[0024] 第 1ソース ·ドレイン電極及び第 2ソース ·ドレイン電極を、各々、前記電子注入材料 と前記正孔注入材料を同じ順序で積層した構成とすることができる。これにより、両電 極を同時に作製できるため、製造工程を簡素化することができる。この場合、第 1ソー ス 'ドレイン電極では主に電子注入材料が電子の注入に寄与し、第 2ソース'ドレイン 電極では主に正孔注入材料が正孔の注入に寄与する。また、積層の順序は問わな いが、電極を絶縁膜上に接着する場合には、該絶縁膜との接着性がよい方の材料を 下側とすることが望ましい。
[0025] また、正孔注入材料よりも電子注入材料の方が絶縁膜との接着性がよ!、場合には 、第 2ソース'ドレイン電極が前記電子注入材料カゝら成る接着基層を前記正孔注入材 料で覆って成るものであってもよい。この場合、第 1ソース'ドレイン電極、第 2ソース' ドレイン電極共に、電子注入材料により絶縁膜に接着されるため、接着性がよい。ま た、第 2ソース'ドレイン電極の接着基層と第 1ソース'ドレイン電極を同時に作成でき るため、製造工程を簡素化することができる。同様に、電子注入材料よりも正孔注入 材料の方が絶縁膜との接着性がよい場合には、第 1ソース'ドレイン電極が前記正孔 注入材料力も成る接着基層を前記電子注入材料で覆って成るものであってもよい。
[0026] ゲート電極及び絶縁膜には、従来の LEFETと同様のものを用いることができる。例 えば、通常のシリコン半導体よりも不純物のドープ量を増やして電気抵抗を低くした n 型シリコンをゲート電極として用い、その表面を酸ィ匕処理して形成した酸ィ匕膜を絶縁 膜として用いることができる。また、発光体層の有機半導体にも、従来の LEFET、 OFET或いは OLEDと同様のものを用いることができる。例えば、橙色の発光を得る場 合には、化学式 (1)
[化 1]
Figure imgf000011_0001
で表される poly(2— methoxy, 5— (2'— ethyHiexoxy)— 1, 4-phenylenevinylene) (略称： MEH-PPV)を好適に用いることができる。また、非特許文献 1及び 2に記載の (C H C
6 5 2
H NH ) Pblゃテトラセン等も用いることができる。
4 3 2 4
本発明の LEFETの動作は、基本的には従来の LEFETの動作と同様である。ソース 電極カゝら発光体層に正孔が注入される場合には、ゲート電極カゝら負のゲート電圧を 印加しつつソース電極 ドレイン電極間に電圧を印加することにより、ソース電極 (第 2ソース ·ドレイン電極)から発光体層に正孔が注入されると共に、ドレイン電極 (第 1ソ ース ·ドレイン電極)から発光体層に電子が注入される。発光体層中の正孔はゲート 電圧によりゲート電極側に引きつけられつつ、ソース ドレイン間電圧によりドレイン電 極側に移動し、ドレイン電極近傍で電子と再結合する。これにより発光体が発光する 。ゲート電圧を ON/OFFすることにより、絶縁膜近傍の正孔濃度が変化し、それにより 発光の ON/OFFが制御される。
ソース電極力も発光体層に電子が注入される場合には、ゲート電極力も正のゲート 電圧を印加しつつソース電極 ドレイン電極間に電圧を印加することにより、ソース電 極 (第 1ソース ·ドレイン電極)から発光体層に電子が注入されると共に、ドレイン電極 (第 2ソース'ドレイン電極)から発光体層に正孔が注入される。上記と同様にこれら正 孔と電子が再結合することにより発光体が発光する。発光の ON/OFF制御も上記と 同様である。 [0028] 本発明のドレイン電極は、ソース電極カゝら発光層に注入されるキャリアとは逆極性 のキャリアを、従来の LEFETよりも容易に注入することができるため、従来と同程度の ソース-ドレイン間電圧を印加すれば、従来よりも発光強度を大きくすることができる。 従来と同程度の発光強度を得る場合には、従来よりもソース ドレイン間電圧を低く することができる。また、ソース ドレイン間電圧を適切に設定すれば、これら 2つの効 果を同時に得ることができる。更に、ソース電極力も発光層に注入され発光に寄与し ないキャリアの数が減少するため、発光効率を高くすることができる。
[0029] なお、第 1ソース'ドレイン電極及び第 2ソース'ドレイン電極は絶縁膜に接している 必要はなく、例えばこれらの電極と絶縁膜の間にも発光体層が存在して ヽても構わ ない。しかし、上記のようにキャリアをゲート電極側に引きつけ易くするために、第 1ソ ース ·ドレイン電極及び第 2ソース ·ドレイン電極は絶縁膜に接して！/、ることが望ま ヽ
[0030] 発光体層は 2種類以上の材料カゝら形成することもできる。例えば、発光体層のうち 第 1ソース'ドレイン電極に接する領域を電子輸送材料から、第 2ソース'ドレイン電極 に接する領域を正孔輸送材料カゝら形成してもよい。この場合、第 1ソース'ドレイン電 極から発光体層に注入される電子及び第 2ソース .ドレイン電極から発光体層に注入 される正孔の輸送効率が共に向上する。また、この構成によれば、ゲート電極に負の 電圧を印加すると、正孔が第 2ソース'ドレイン電極カゝら発光体層に注入され、ゲート 電極に引きつけられつつ第 1ソース'ドレイン電極に向けて移動し、第 1ソース'ドレイ ン電極の近傍、即ち正孔輸送材料中で、第 1ソース'ドレイン電極カゝら供給される電 子と再結合して発光する。第 1ソース'ドレイン電極力 供給される電子は負のゲート 電圧によりゲート電極力 遠ざ力るため、第 1ソース'ドレイン電極近傍以外では再結 合は生じない。それに対して、ゲート電極に正の電圧を印加すると、電子が第 1ソー ス 'ドレイン電極から発光体層に注入され、ゲート電極側に引きつけられつつ第 2ソー ス 'ドレイン電極に向けて移動し、第 2ソース'ドレイン電極の近傍、即ち正孔輸送材 料中で発光する。従って、正孔輸送材料と電子輸送材料の発光波長が異なれば、こ の構成の LEFETは、ゲート電極の正負を切り替えることにより、異なる波長の光を発 光することができる。 [0031] 次に、本発明のレーザ光源について説明する。
ここまでに述べた本発明の LEFETでは、上記構成により発光体層にキャリアを効率 よく供給し、更にゲート電圧を印加することにより、絶縁膜近傍におけるキャリア密度 を高くすることができる。このような高キャリア密度下では、基底状態にあるキャリアより も励起状態にあるキャリアの方が多 、反転分布の状態を実現することができる。この 反転分布状態において発光した光を更に共振又は干渉させることにより、レーザ発 光を実現することができる。また、ゲート電圧の ON/OFFによりレーザ発光を ON/OFF することができる。分布帰還 (DFB:distributed feedback)型のレーザ光源として、回折 格子を用いたものが知られている。本発明においては、この DFBを LEFETに適用し た。
[0032] 第 1態様のレーザ光源では、第 1ソース'ドレイン電極と第 2ソース'ドレイン電極の 間にそれらとは別体の回折格子を設けることにより、上記干渉を生じさせ、それにより レーザ発光を得る。この回折格子は、例えば絶縁膜の表面に格子状の凹凸を形成 すること〖こより設けることができる。また、絶縁膜とは別体の回折格子を絶縁膜上に載 置してちょい。
[0033] 第 2態様のレーザ光源では、多くの FETで用いられる櫛形電極により回折格子を形 成する。第 1ソース ·ドレイン電極の櫛の歯と第 2ソース ·ドレイン電極の櫛の歯をかみ 合わせるように配置し、これらの歯を等間隔にすれば、それらから回折格子が形成さ れる。これにより、別途回折格子の部材を設けることなぐレーザ光源を形成すること ができる。
[0034] 第 3態様のレーザ光源では、発光体層において発光した光が外部に出射されるま での間の光路上に誘電体多層膜を設ける。誘電体多層膜はそれを構成する材料や 層の厚さにより定まる波長の光を干渉により強めることができる。この誘電体多層膜の 干渉波長と発光体層の発光波長を一致させることにより、発光体層において発光し た光が誘電体多層膜において干渉により強められ、それによりレーザ発振を得ること ができる。
実施例
[0035] 本発明に係る発光型トランジスタの第 1の実施例を、図 2を用いて説明する。ゲート 電極 21には低抵抗 n型シリコン基板を用いる。この基板の一方の表面に SiO酸ィ匕膜
2 から成る絶縁膜 22を形成する。絶縁膜 22の上に、従来の LEFETと同様に、クロム力 ら成る接着層 23を挟んで、金力ゝら成るソース電極 (第 2ソース'ドレイン電極） 24を配 置する。そして、絶縁膜 22上に、ソース電極 24から所定のチャネル長だけ離間して、 アルミニウム力も成るドレイン電極（第 1ソース.ドレイン電極） 25を配置する。アルミ- ゥムは SiOとの接着性力 いため、このドレイン電極 25は絶縁膜 22上に直接形成す
2
ることができる。絶縁膜 22の上に、ソース電極 24及びドレイン電極 25を覆うように、有 機物から成る発光体層 26を配置する。本実施例で用いた有機物は、上記 MEH-PPV である。
[0036] 図 3を用いて、第 1実施例の LEFETの製造方法を説明する。低抵抗 n型シリコン基 板 21を酸素雰囲気中で加熱し、表面に SiO酸化膜 22を形成する (a)。次に、 SiO酸
2 2 化膜 22上に、スピンコーティングによりレジスト 271を塗布した後、ソース電極の形状 に応じたマスク 281によりレジスト 271の表面を覆って、ソース電極のパターンをレジ ストに転写する (b)。そして、クロム、金の順に蒸着することにより、接着層 23及びソー ス電極 24を形成する (c)。レジスト 271を除去した後、絶縁膜及びソース電極上に新し いレジスト 272を塗布し、ドレイン電極用のマスク 282によりレジスト表面を覆ってドレ イン電極のパターンを転写する (d)。この時、マスクに位置合わせのためのガイドを設 けておくことにより、所定の位置にドレイン電極のパターンを形成することができる。次 に、アルミニウムを蒸着してドレイン電極 25を形成する ( 。レジストを除去後、キャスト 法により発光体層 26を形成し、第 1実施例の LEFETが完成する (£)。
[0037] 第 1実施例の LEFETの動作を説明する。ゲート電極 21に負のゲート電圧 Vを印カロ
G
しつつ、ソース電極 24とドレイン電極 25の間にソース ドレイン間電圧 V を印加する
SD
。これにより、ソース電極 24から正孔力 ドレイン電極 25から電子力 それぞれ発光 体層 26に注入される。発光体層 26に注入された正孔と電子はこの層内で再結合し 、これにより発光体が発光する。ゲート電圧 Vの ON/OFFにより発光の ON/OFFが制
G
御されるという点では、従来の LEFETと同様である。しかし、本実施例ではドレイン電 極 25の材料に、金よりも仕事関数の小さいアルミニウムを用いるため、ドレイン電極 2 5からの電子の注入量が従来の LEFETよりも多くなり、発光強度が増大する。また、ソ ース電極から注入された正孔が電子と再結合する確率が高くなるため、発光効率も 向上する。
[0038] 本発明の LEFETの第 2の実施例を、図 4を用いて説明する。本実施例のゲート電極 21、絶縁膜 22は第 1実施例のものと同様である。絶縁膜 22の上に、所定のチャネル 長だけ離間して一対のアルミニウム薄膜片 311及び 312を設け、アルミニウム薄膜片 311及び 312の上にそれぞれ金薄膜片 321及び 322を設ける。これらアルミニウム 薄膜片と金薄膜片を合わせたものがソース電極 34及びドレイン電極 35となる。上記 のようにアルミニウムと絶縁膜 (SiO )との接着性がよいため、本実施例では両方の電
2
極共に、別途接着層を設ける必要がない。発光体層 26は第 1実施例のものと同様で ある。
[0039] 第 2実施例の LEFETは、基本的には第 1実施例のものと同様のフォトリソグラフィー 法により製造される。但し、本実施例ではソース電極とドレイン電極が同じ構成である ため、 1回のレジスト形成、パターン転写及び蒸着 (アルミニウム、金の順に行う）によ り、ソース電極とドレイン電極を同時に形成することができる。そのため、第 1実施例よ りも製造工程が短縮されるうえ、ソース電極とドレイン電極との位置ずれが生じることも ない。
[0040] 第 2実施例では、ソース電極 24及びドレイン電極 25は同じ構造を有する力 その 機能はそれぞれ異なる。即ち、アルミニウムの仕事関数が金の仕事関数よりも小さい ことから、ソース電極 24においては金薄膜片 321が主に正孔の注入に寄与し、ドレイ ン電極 25においてはアルミニウム薄膜片 312が主に電子の注入に寄与すると考えら れる。この電極の機能を除き、第 2実施例の LEFETの動作は第 1実施例のものと同様 である。
[0041] 本発明の LEFETの第 3の実施例を、図 5を用いて説明する。本実施例のゲート電極 21、絶縁膜 22は第 1及び第 2実施例のものと同様である。ソース電極 44は、アルミ- ゥム薄膜片 41の表面に金力ゝら成る被覆層 42を形成したものである。ドレイン電極 45 はアルミニウム力も成る。ソース電極 44、ドレイン電極 45は共にアルミニウムが絶縁 膜 22に接するため、接着性がよい。なお、製造時には、アルミニウム薄膜片 41とドレ イン電極 45を同時に作製する。発光体層 26は第 1及び第 2実施例のものと同様であ る。
[0042] 第 3実施例の LEFETの動作は、基本的には第 1及び第 2実施例のものと同様である 。発光体層 26への正孔の注入にはソース電極 44の被覆層 42の金が寄与し、電子 の注入にはドレイン電極 45のアルミニウムが寄与する。
[0043] 本発明の LEFETの第 4の実施例を、図 6を用いて説明する。本実施例では、第 2ソ ース 'ドレイン電極 24に近い領域の発光体層 26は正孔輸送材料 26aにより、第 1ソ ース ·ドレイン電極 25に近 、領域の発光体層 26は電子輸送材料 26bにより、それぞ れ形成した。それ以外の構成は図 2のものと同様である。本実施例の LEFETは、ゲー ト電極に負の電圧を印加しつつ第 2ソース'ドレイン電極 25側が正となるソース ドレ イン電圧 V を印加すると、正孔が第 2ソース'ドレイン電極 24から発光体層 26に注
SD
入され、ゲート電極に引きつけられつつ第 1ソース'ドレイン電極 25に向けて移動す る。この正孔と、第 1ソース'ドレイン電極 25から発光体層 26に注入される電子が第 1 ソース ·ドレイン電極 25近傍の発光体層 26、即ち電子輸送材料 26b内にお!/、て再結 合し、発光する（図 6(a))。一方、ゲート電極に正の電圧を印加した場合には、電子が 第 1ソース'ドレイン電極 25から発光体層 26に注入され、ゲート電極に引きつけられ つつ第 2ソース ·ドレイン電極 24に向けて移動し、正孔輸送層 26a内にお!、て正孔と 再結合し、発光する（図 6(b))。このように、第 4実施例の LEFETにおいては、ゲート電 極の極性により、異なる発光材料 (正孔輸送層 26aと電子輸送材料 26b)内で発光す る。これにより、発光の波長もゲート電極の極性により制御することができる。
[0044] 次に、本発明の LEFETの特性について、図 7及び図 8を用いて説明する。ここでは 、第 1一第 3実施例の LEFET、及び図 1に示した従来の LEFET (比較例）に対して行 つた特性測定の結果を示す。なお、比較例の接着層 131及び 132にはクロムを用い ている。この比較例は、第 2実施例のアルミニウムをクロムに置き換えたものである。
[0045] 第 1一第 3実施例、比較例のいずれの LEFETにおいても橙色の発光が観測された 。図 7に、第 1実施例の LEFETにおける発光スペクトルの測定結果を示す。第 2及び 第 3実施例の LEFET力もも、強度を除いて同様の発光スペクトルが得られている。発 光スペクトルは波長 590nm付近にピークを持つ。
[0046] 但し、 LEFETの発光強度は各実施例及び比較例の間で大きく異なる。図 8(a)に、 各 LEFETにつ!/、て、接地されたソース電極に対して- 100Vの電圧をドレイン電極に与 えた時のゲート電圧 Vと光電流の関係を測定した結果を示す。光電流は、 LEFETが
G
発した光をシリコンフォトダイオードに入力してその出力電流を測定したものであり、
LEFETの発光強度を表すものである。この図に示したゲート電圧 Vの領域では、比
G
較例の LEFETからはほとんど発光が観測されな力つた。それに対して第 1及び第 3実 施例の LEFETでは、比較例のものとは明らかに異なり、ゲート電圧 Vがおおむね 40V
G
以上の領域において発光が観測され、 LEFETが発光していることが確認された。また 、第 2実施例の LEFETでもゲート電圧 V力 0V以上の領域において発光が観測され
G
ている。
[0047] また、第 1一第 3実施例のいずれも、 V力^の時には光電流が 0であるため、ゲート
G
電圧 Vの ON/OFFにより LEFETの発光の ON/OFFを制御できることがわかる。
G
[0048] 図 8(b)に、（a)の測定におけるソース ドレイン間電流 I と光電流の関係を示す。比
SD
較例の LEFETよりも第 1一第 3実施例の LEFETの方力 より小さな電流 I によってより
SD
大きい発光強度を得ることができると共に、消費電力を抑制することができる。
[0049] なお、比較例では、ドレイン電極の接着層は発光体層に接しており、接着層に用い られて 、るクロムの仕事関数の大きさは 4.5eVであって金の仕事関数よりも小さ 、（伹 し、アルミニウムの仕事関数よりは大きい）ため、電子の注入にクロムの層が寄与して いると考えられる。しかし、比較例の実験結果に示すように、ドレイン電極側にクロム の層を含んでいても十分な発光強度を得ることはできない。このことから、電子注入 材料としては、クロムの仕事関数は大き過ぎるものと考えられる。
[0050] 次に、本発明のレーザ光源の第 1の実施例を、図 9を用いて説明する。図 9の (a)は 本実施例のレーザ光源の上面図（但し、後述の発光体層 56は図示していない）、（b) は (a)中の A-A'間の断面図である。表面に絶縁膜 52を形成したゲート電極 51上に、 上記第 1実施例の LEFETと同様に接着層 53、ソース電極 54、ドレイン電極 55及び 発光体層 56を形成する。なお、これらの各層は上記第 2実施例や第 3実施例の LEFETのもの等、上記本願発明に係る LEFETと同様のものを用いてもよい。また、ソ ース電極 54及びドレイン電極 55はいずれも、互いに略平行で且つ絶縁膜 52の面内 方向に伸びる棒状に形成した。これらの各層と共に、ソース電極 54とドレイン電極 55 の間に回折格子 57を設ける。回折格子 57は、絶縁膜 52の面内方向であってソース 電極 54及びドレイン電極 55に垂直な方向に、棒状の部材を多数、互いに略平行に 等間隔で設けたものである。
[0051] 本発明のレーザ光源の第 2の実施例を、図 10の上面図 (a)及び B-B'間の断面図 (b) を用いて説明する。本実施例では、ゲート電極 61、絶縁膜 62、発光体層 66は第 1実 施例と同様に形成される。ソース電極 64及びドレイン電極 65は、共に櫛形の形状を 有し、それぞれの櫛の歯が互いに歯の間に入って櫛同士が咬み合うように絶縁膜 62 上に配置される。このとき、ソース電極 64及びドレイン電極 65のそれぞれの歯 641と 651が等間隔になるようにする。この構成においては、歯 641及び 651が回折格子と なる。なお、本実施例ではソース電極 64と絶縁膜 62の間に接着層 63を設けている 力 櫛形電極であれば、ソース電極 64及びドレイン電極 65の構成は上記第 2実施例 や第 3実施例の LEFETのもの等であってもよ!/、。
[0052] 本発明のレーザ光源の第 3の実施例を、図 11を用いて説明する。表面に絶縁膜 7 2を形成したゲート電極 71上に、上記第 1実施例の LEFETと同様に接着層 73、ソー ス電極 74、ドレイン電極 75及び発光体層 76を形成する。図 11(a)では発光体層 76 の上に、図 11(b)ではゲート電極 71の下に、それぞれ誘電体多層膜 77を設ける。誘 電体多層膜 77には、発光体層 76において発光する光の波長に対応して、その波長 の光が干渉するものを用いる。図 11(b)のように発光体層 76から見てゲート電極 71側 に誘電体多層膜 77を設ける場合には、ゲート電極 71及び絶縁膜 72に、発光体層 7 6で発光する光に対して透明な材料を用いる。また、この場合には、発光体層 76から 見てゲート電極 71の反対側に発光を反射する反射部 78を設ける。反射部 78には通 常の鏡や、上記発光波長の光が干渉し、反射する誘電体多層膜を用いることができ る。なお、ソース電極 74及びドレイン電極 75には、第 2実施例や第 3実施例の
LEFETで用いたものや、第 2実施例のレーザ光源で用いたもの等をそのまま用いるこ とがでさる。
[0053] 第 1一第 3実施例のレーザ光源の動作を説明する。ここでは第 1実施例の場合につ いて説明するが、第 2及び第 3実施例の場合も同様である。ゲート電極 51に電圧を 印加しつつソース電極 54—ドレイン電極 55間に電圧を印加すると、上記 LEFETと同 様の原理により、発光体層 56内で発光が得られる。本発明の構成では、ゲート電極 への電圧印加により発光体層 56内の絶縁膜 52寄りの領域のキャリア密度が大きぐ それにより上記反転分布の状態が形成される。その状態下で、発光した光が回折格 子 57 (第 2実施例では歯 641及び 651、第 3実施例では誘電体多層膜 77)により干 渉して更に光の強度が高められることにより、レーザ発光を得ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
を有することを特徴とする発光型トランジスタ。
[2] 前記第 1ソース'ドレイン電極及び第 2ソース'ドレイン電極が、各々、前記電子注入 材料と前記正孔注入材料を同じ順序で積層したものであることを特徴とする請求項 1 に記載の発光型トランジスタ。
[3] 前記第 2ソース'ドレイン電極が、前記電子注入材料から成る接着基層を前記正孔 注入材料で覆って成ることを特徴とする請求項 1に記載の発光型トランジスタ。
[4] 前記第 1ソース'ドレイン電極が、前記正孔注入材料から成る接着基層を前記電子 注入材料で覆って成ることを特徴とする請求項 1に記載の発光型トランジスタ。
[5] 前記電子注入材料がアルミニウム、マグネシウム、カルシウム、若しくはマグネシゥ ム"！良合金のいずれか又はそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項 1一 4 の!、ずれかに記載の発光型トランジスタ。
[6] 前記正孔注入材料が金、白金、インジウム錫酸ィ匕物、クロム若しくはニッケルのい ずれか又はそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項 1一 5のいずれかに記 載の発光型トランジスタ。
[7] 前記発光体層が、第 1ソース'ドレイン電極に接する領域と第 2ソース'ドレイン電極 に接する領域にそれぞれ異なる材料から成る発光体を形成したものであり、第 1ソー ス ·ドレイン電極側が電子輸送材料、第 2ソース ·ドレイン電極側が正孔輸送材料から 成ることを特徴とする請求項 1一 6のいずれかに記載の発光型トランジスタ。
[8] 前記絶縁膜の厚さが前記発光体層の発光波長の干渉条件を満たす厚さであること を特徴とする請求項 1一 7のいずれかに記載の発光型トランジスタ。
[9] a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
e)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間に設けられた、 前記発光体層にお!、て発光する光を回折する回折格子と、
を備えることを特徴とするレーザ光源。
[10] 前記回折格子が第 1ソース'ドレイン電極と第 2ソース'ドレイン電極間の前記ゲート 電極上に形成されたものであることを特徴とする請求項 9に記載のレーザ光源。
[11] a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 櫛形の第 1ソース ·ドレイン電極と、
c)仕事関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料力も成る櫛形の電極であって、前記 絶縁膜上に、該電極の櫛の歯と前記ドレイン電極の櫛の歯をかみ合わせてこれらの 歯により回折格子を形成するように配置された第 2ソース ·ドレイン電極と、
d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、
を備えることを特徴とするレーザ光源。
[12] a)表面に絶縁膜が形成されたゲート電極と、
b)前記絶縁膜上に配置され、仕事関数が 4.26eV以下である電子注入材料力 成る 第 1ソース'ドレイン電極と、
c)同じく前記絶縁膜上に前記第 1ソース'ドレイン電極力 離間して配置され、仕事 関数が 4.26eVよりも大き 、正孔注入材料から成る第 2ソース ·ドレイン電極と、 d)前記第 1ソース ·ドレイン電極と前記第 2ソース ·ドレイン電極の間の前記絶縁膜上 に設けられた、有機半導体から成る発光体層と、 e)前記発光体層から外部への光路上に設けられた、前記発光体層の発光波長帯 中の所定の波長の光が干渉する誘電体多層膜と、
を備えることを特徴とするレーザ光源。
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