WO2007010925A1

WO2007010925A1 - 有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置、ならびに有機半導体発光素子の製造方法

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Publication number: WO2007010925A1
Application number: PCT/JP2006/314238
Authority: WO
Inventors: Naotoshi Suganuma; Noriyuki Shimoji
Original assignee: Kyoto University; Pioneer Corporation; Mitsubishi Chemical Corporation; Rohm Co., Ltd.
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2007-01-25
Also published as: JP4972727B2; TW200715625A; JP2007027578A

Abstract

　発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子を提供する。この有機半導体発光素子は、間隔を開けて配置された電子注入電極３および正孔注入電極４と、これらの電極の間の電極間領域１０に設けられた有機半導体部５と、酸化シリコン膜２と、これを挟んで電極間領域１０に対向するゲート電極１とを備えている。有機半導体部５は、電極間領域１０のほぼ中間部１１にＰＮ接合域１２を有するＰ型有機半導体材料層７およびＮ型有機半導体材料層６と、ＰＮ接合域１２に配置された有機発光材料層８とを備えている。

Description

明細書

有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置、ならびに有機半導体発光素子の製造方法

技術分野

[0001] この発明は、有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置ならびに有機半導体発光素子の製造方法に関する。

背景技術

[0002] トランジスタ構造を有する有機半導体発光素子の先行技術は、下記非特許文献 1 に開示されている。この先行技術の有機半導体発光素子は、ゲートとしての N型シリコン基板と、その上に形成された酸化シリコン層と、この酸ィ匕シリコン層上に間隔を開けて形成された一対の電極 (ソースおよびドレイン）と、この一対の電極に接触するように酸化シリコン層を覆う MEH— PPV (Poly[2-Methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-l,4-p henylenevinylene])層とを有して!/、る。一対の電極のうちの一方は AuZCr積層膜からなり、その他方は AuZAl積層膜とされている。この構成により、ゲートに負のバイァスを与え、前記一対の電極間に電圧をかけることによって、 MEH— PPV層内においてキヤリャの再結合が生じ、発光が観測されたと報告されて、る。

非特許文献 1：坂上知、他 2名、 "Visible light emission from polymer-based field effec t transistors "ゝ APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 84, NUMBER 16、 America n Institute of Physics, 2004年 4月 19日

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 前記先行技術では、ソースおよびドレインとなる一対の電極の材料として特定のものを適用することによって、 MEH— PPV層へのキヤリャの注入バランスの改善を図り、これにより、発光効率の向上が図られている。

しかし、この先行技術の構成では、正孔および電子の両方を輸送する能力のあるァンビポーラ特性 (ambipolar :同時両極性)の有機半導体材料の使用が前提である。そして、このようなアンビポーラ特性の有機半導体材料に対して正孔および電子のそれぞれの注入効率の高い電極材料を見つけだす必要がある。そのうえ、キヤリャの注入バランスのよ、電極材料の組み合わせを見つけ出さなければならな、。

[0004] したがって、結果として、正孔および電子の注入バランスをとるのは極めて困難であると言わざるをえない。すなわち、いずれかのキヤリャの大部分が発光に寄与しないまま消費されてしまうという問題を解決することができず、発光効率の向上には自ずと限界がある。

そこで、この発明の目的は、発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置を提供することである。

[0005] また、この発明の他の目的は、発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0006] 上記の目的を達成するための本発明の有機半導体発光素子は、間隔を開けて配置された電子注入電極および正孔注入電極と、前記電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域に PN接合域を有し、少なくともヽずれか一方は前記電極間領域 (電極間領域の、ずれかの位置)でキヤリャを堰き止める構造となって、る P型有機材料層（たとえば、層厚は数十 nm〜数百 nm)および N型有機材料層（たとえば、層厚は数十 _nm〜数百 _nm)を含む有機半導体層と、少なくとも前記電極間領域にお Vヽて前記有機半導体層に絶縁膜を介して対向するように配置されたゲート電極とを含む。より具体的には、前記 P型有機材料層および N型有機材料層は、前記電極間領域の中間部に PN接合域を有し、少なくとも、ずれか一方は前記中間部付近でキャリャを堰き止める構造となっていることが好ましい。「中間部」とは、具体的には、たとえば、電子注入電極と正孔注入電極との間の中点位置を中心とし、電極間領域の 1Z2の幅の範囲内のいずれかの位置を指す。

[0007] この構成によれば、 P型有機材料層および N型有機材料層を介して、電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域 (チャネル)のたとえば中間部付近へと正孔および電子がそれぞれ輸送される。 P型有機材料層および N型有機材料層は、少なくとも、ずれか一方 (好ましくは両方）が電極間領域の!/、ずれかの位置 (たとえば前記中間部付近)でキヤリャを堰き止める構造となっているため、この電極間領域 (たとえば前記中間部付近)の PN接合域においてキヤリャの再結合が効率的に生じ、高効率な発光が可能となる。

[0008] とくに、この発明では、チャネルへの（たとえば、チャネルの中間部付近への）正孔および電子のそれぞれの輸送を P型有機材料層および N型有機材料層によって効率的に行うことができ、かつ、それらの材料の組み合わせを適切に選択することによつて、両キヤリャの注入バランスも容易に適正化できる。これにより、優れた効率での発光が可能となる。

[0009] 前記 P型有機材料層とは、 N型有機材料層よりも正孔輸送能力が高い有機半導体材料カゝらなる層をいう。また、 N型有機材料層とは、 P型有機材料層よりも電子輸送能力が高い有機半導体材料力もなる層をいう。いずれも、前記キヤリャが堰き止められる位置 (たとえば前記中間部)付近までキヤリャを輸送する能力のあるものであり、 P 型有機材料層は正孔輸送層として機能し、 N型有機材料層は、電子輸送層として機會すること〖こなる。

[0010] P型有機材料層を構成する P型有機材料としては、次のものを例示できる。

Pentacene^ Tetraceneゝ Anthracene等の—,セン糸料。

Copper Phthalocyanine等のフタロシア-ン系材料。

α - sexitmophene、 a , ω - Dihexyl- sexithiophene、 dihexyl- anthradithiophene、 Bis( ditnienothiophene) ^ , ω - Dihexyト quinquethiophene等のオリゴチォフェン材料 _Q [0011] poly(3- hexylthiophene)、 poly(3- butylthiophene)等のポリチォフェン材料。

その他、 oligophenylene、 oligophenylenevinylene、 TPD、 - NPD、 m- MTDATA、 TP AC、 TCTA等の低分子材料や、 poly(phenylenevinylene)、 poly(thienylenevinylene)、 polyacetylene、 poly(vinylcarbazole)等の尚分ナ材料。

また、 N型有機材料層を構成する N型有機材料としては、次のものを例示できる。

[0012] NTCDI、 C— NTC、 C— NTC、 F — octyト NTC、 F— MeBn— NTC等の NTCDI系材料。

6 8 15 3

PTCDI、 C -PTC, C -PTC, C -PTC, C -PTC, Bu— PTC、 F Bu— PTC、 Ph— PTC、 F

6 8 12 13 7

Ph- PTC等の PTCDI系材料。

5

その他、 TCNQ、C フラーレン、 F - CuPc、F - Pentacene等。

60 16 14

この発明の一実施形態に係る有機半導体発光素子は、前記 PN接合域 (とくにいずれかのキヤリャが堰き止められる領域に接する領域）において前記 P型有機材料層および N型有機材料層の間に介在された有機発光材料層（たとえば、層厚は数 nm

〜数十 nm)をさらに含む。

[0013] この構成によれば、バランス良く注入された正孔および電子が有機発光材料層で高効率に発光に寄与するので、より効率の高い高輝度な発光が可能となる。

なお、有機発光材料層とは、 P型有機材料層および N型有機材料層よりも発光量子効率の高い有機半導体材料力もなる層をいう。より具体的には、 P型有機材料層および N型有機材料層よりも、 HOMO— LUMOギャップが狭く、電荷を閉じ込めることができる電気的特性を有する材料力もなる層を！、う。

[0014] 有機発光材料層は、たとえば、 Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III) (Alq )など

3 蛍光を示す金属錯体系材料膜、このような金属錯体系材料に DCM2、 Rubrene、 Cou maline、 Peryleneなどの他の蛍光色素をドープした膜、および 4,4'-Bis(carbazo卜 9-yl) biphenyl (CBP)に fac- tris(2- phenvpyridine) iridium (Ir(ppy) )などのりん光発光色素を

3

ドープした膜のうち、少なくとも一つを含む単層または複合層 (複数層の積層膜)とすることが好ましい。

[0015] さらに、有機発光材料層は、 P型有機材料層との間に介在された正孔輸送材料層を有していてもよぐまた、正孔輸送材料と発光性材料とを混合成膜した構造としたりしてもよい。このような構造とすれば、発光領域に供給されるキヤリャの量を調整したり、発光領域を電荷がリッチな P型材料および N型材料から離して電荷による発光減衰を防止したりすることができる。正孔輸送材料としては、 a-NPD、 TPDを始めとするジァミン系材料を挙げることができる。

[0016] 同様の目的で、有機発光材料層は、 N型有機材料層 (m-TDATAなど)との間に介在された電子輸送層を有していてもよぐまた、電子輸送材料と発光性材料とを混合成膜した構造としたりしてもよい。電子輸送材料としては、 PBDを初めとするォキサジァゾール系材料や、 TAZを初めとするトリァゾール系材料、 4,7-Dipheny卜 1,10-phena nthroline (Bathophenanthroline)などを挙げることができる。

[0017] さらに、 P型有機材料層から有機発光材料層への正孔の注入を容易にするために、両者の間に、正孔注入層として、 Copper Phthalocvanine、 m- MTDATAなどの層（たとえば、層厚は lnm以下)を介装してもよい。さら〖こ、 N型有機材料層から有機発光材料層への電子の注入を容易にするために、両者間に、電子注入層を介装する構造としてもよい。電子注入層としては、 Alqや Bathophenanthrolineなどの電子輸送性

3

有機半導体にリチウム (Li)、セシウム (Cs)などのアルカリ金属をドープした層、フッ化リチウム (LiF)を始めとするアルカリ金属 ·アルカリ土類金属フッ化物、酸ィ匕ゲルマニウム (GeO ),酸ィ匕アルミニウム (A1 0 )などの層を例示できる。

2 2 3

[0018] 前記 P型有機材料層および N型有機材料層は、前記 PN接合域において直接接合していてもよい。

また、前記 P型有機材料層および N型有機材料層は、それらの先端縁がいずれも前記電極間領域の所定位置 (たとえば前記中間部付近)に位置し、積層箇所を実質的に有しな、ように形成されて、てもよ、。

[0019] さらに、前記電極間領域の所定位置 (たとえば前記中間部）に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側のうちの少なくとも一方側の領域にお！、て、前記 P型有機材料層および N型有機材料層が積層された構造としてもよい。

さらには、前記有機発光材料層が前記電極間領域の所定位置 (たとえば前記中間部）に配置されており、この有機発光材料層に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側の両方の領域に、前記 P型有機材料層および N型有機材料層を積層した積層構造膜が形成された構造としてもょヽ。

[0020] この発明の表示装置は、前述のような構成の有機半導体発光素子を基板上に複数個配列（たとえば、一次元または二次元に配列）した表示装置である。この構成により、発光効率の良!ヽ表示装置 (個々の画素を有機半導体発光素子で構成したもの）を実現できる。そして、個々の画素の発光効率が高いため、低電力駆動の表示装置、または高輝度な表示装置を実現できる。

[0021] また、この発明の有機半導体発光素子の製造方法は、絶縁膜を介してゲート電極が対向する所定の電極間領域を形成するように、電子注入電極および正孔注入電極を間隔を開けて形成する工程と、前記電子注入電極および正孔注入電極間の前記電極間領域を含む領域に有機半導体層を形成する工程とを含む。そして、前記有機半導体層を形成する工程は、前記電極間領域 (たとえば電極間領域のほぼ中間部）に PN接合域を形成し、少なくともいずれか一方が前記電極間領域 (たとえば前記中間部付近)でキヤリャを堰き止める構造となるように、 P型有機材料層および N型有機材料層を形成する工程を含む。

[0022] 本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]この発明の第 1実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を図解的に示す断面図である。

[図 2]図 1の有機半導体発光素子の動作特性例を示すグラフである。

[図 3]図 3A〜3Fは、前記有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。

[図 4]この発明の第 2の実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を説明するための図解的な断面図である。

[図 5]図 5A〜5Hは、図 4の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。

[図 6]この発明の第 3実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。

[図 7]図 7A〜は、図 6の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。

[図 8]この発明の第 4実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。

[図 9]図 9A〜9Eは、図 8の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。

[図 10]図 1、図 4、図 6または図 8に示された構成の有機半導体発光素子を基板上に二次元配列して構成される表示装置の電気回路図である。

符号の説明

[0024] 1 ゲート電極

2 酸化シリコン膜 3 電子注入電極

4 正孔注入電極

5 有機半導体部

6 N型有機半導体材料層

7 P型有機半導体材料層

8 有機発光材料層

10 電極間領域

11 中間部

12 PN接合域

15 ゲート制御回路

16 バイアス印加回路

40 有機半導体発光素子

41 基板

51 走査線駆動回路

52 データ線駆動回路

53 コントローラ

60 表示装置

発明を実施するための最良の形態

[0025] 図 1は、この発明の第 1実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を図解的に示す断面図である。この有機半導体発光素子は、 FET (電界効果型トランジスタ）としての基本構造を有する素子である。この有機半導体発光素子は、シリコン基板の表層部に高濃度に N型不純物を導入して形成された不純物拡散層からなるゲート電極 1 と、このゲート電極 1上に積層された絶縁膜としての酸ィ匕シリコン膜 2と、この酸ィ匕シリコン膜 2上に所定の間隔 (たとえば、 10 m)を開けて形成された一対の電極 3, 4と、この一対の電極 3, 4に接するように配置された有機半導体部 5とを備えている。

[0026] 一対の電極 3, 4の一方は有機半導体部 5に電子を注入する電子注入電極 3であり、他方は有機半導体部 5に正孔を注入する正孔注入電極 4である。

有機半導体部 5は、電子注入電極 3から注入される電子と正孔注入電極 4カゝら注入される正孔とを再結合させて発光を生じさせる。より詳細には、有機半導体部 5は、電子注入電極 3に接して形成された N型有機半導体材料層 6 (N型有機材料層）と、正孔注入電極 4に接して形成された P型有機半導体材料層 7 (P型有機材料層）と、これらの間に介在された有機発光材料層 8とを有している。 P型有機半導体材料層 7は、正孔注入電極 4の上面および電子注入電極 3に対向する側面を覆い、さらに電極 3 , 4間の酸ィ匕シリコン膜 2上を電子注入電極 3に向力つて延びて形成されていて、その先端部は、電極 3, 4の間の電極間領域 10 (チャネル）の中間部 11に至っている。有機発光材料層 8は、 P型有機半導体材料層 7を覆い、さらに、電極間領域 10の中間部 11よりも電子注入電極 3側の領域において、酸ィ匕シリコン膜 2に接し、その先端は電子注入電極 3に至っている。そして、 N型有機半導体材料層 6は、電子注入電極 3の上面および正孔注入電極 4に対向する側面を覆い、さらに、有機発光材料層 8 を覆うように正孔注入電極 4に向カゝつて延びている。したがって、 N型有機半導体材料層 6および P型有機半導体材料層 7は、電極間領域 10において、中間部 11から正孔注入電極 4に至る領域に PN接合域 12を有している。なお、図 1では、電子注入電極 3と正孔注入電極 4との間の中点位置を中間部 11として図示して!/、るが、一般に、「中間部 11」とは、電子注入電極 3と正孔注入電極 4との間の中点位置を中心とし、電極間領域 10の 1Z2の幅の範囲内のいずれかの位置を指すものとする。以下、他の実施形態においても同様である。

[0027] N型有機半導体材料層 6は、少なくとも中間部 11付近まで電子を輸送することができる電子輸送層として機能する。 P型有機半導体材料層 7は、少なくとも中間部 11付近まで正孔を輸送することができる正孔輸送層として機能する。有機発光材料層 8は、 N型有機半導体材料層 6から電子の供給を受け、 P型有機半導体材料層 7から正孔の供給を受けて、これらを再結合させて発光を生じさせる。有機発光材料層 8は、キヤリャ輸送能力を有して、る必要はな、が、 N型有機半導体材料層 6および P型有機半導体材料層 7よりも発光量子効率の高い有機半導体材料力なるものであることが好ましい。

[0028] ゲート電極 1は、少なくとも電極間領域 10において、酸ィ匕シリコン膜 2を介して有機半導体部 5に対向するように一体的に形成されている。発光動作時には、たとえば、ゲート電極 1に対してゲート制御回路 15から負のゲート制御電圧 Vgが印加され、電極 3, 4間には、バイアス印加回路 16から、正孔注入電極 4側が正となるバイアス電圧 Vdが印加される。これにより、電子注入電極 3から N型有機半導体材料層 6に電子が注入され、正孔注入電極 4カゝら P型有機半導体材料層 7に正孔が注入される。 N 型有機半導体材料層 6内では正孔注入電極 4側に向かって電子が輸送され、 P型有機半導体材料層 7内では電子注入電極 3に向カゝつて正孔が輸送される。

[0029] このとき、 P型有機半導体材料層 7は、電極間領域 10の中間部 11までしか形成されていないため、その電子注入電極 3側の先端縁 7aにおいて、正孔が堰き止められて蓄積される。そのため、中間部 11付近において、有機半導体発光層 7内での正孔および電子の再結合が集中的に生じ、効率的な発光が生じる。すなわち、 PN接合域 12のうち、中間部 11の近傍の部分が、発光に実質的に寄与する。

[0030] このように、この実施形態によれば、 N型有機半導体材料層 6によって電極間領域 10 (チャネル)の中間部 11まで電子を輸送し、 P型有機半導体材料層 7によって電極間領域 10の中間部 11まで正孔を輸送して、これらを中間部 11付近の有機発光材料層 8内で再結合させる構成としている。したがって、電子および正孔をいずれも効率的に輸送することができ、かつ、それらを高効率で再結合させることができる。しかも、 N型有機半導体材料層 6および P型有機半導体材料層 7の材料を適切に選択することによって、容易に、キヤリャの注入バランスを適正化することができる。そのうえ、必要に応じて、電子注入電極 3の材料として N型有機半導体材料層 6に対する電子注入効率の高いものを選択し、正孔注入電極 4の材料として P型有機半導体材料層 7 に対する正孔注入効率の高、ものを選択するができ、このような材料の選択に困難を伴うこともない。そのため、全体として、極めて効率の高い発光を実現することができる。

[0031] 電子注入電極 3および正孔注入電極 4は、たとえば、いずれも Au電極で構成することができる。また、 N型有機半導体材料層 6は、たとえば C— NTC層（たとえば、層

6

厚 50nmで構成することができる他、前述の N型有機材料のなかから任意に選択したものを構成材料として用いることができる。さらに、 P型有機半導体材料層 7は、たとえば、ペンタセン層（たとえば、層厚 50nm)で構成することができる他、前述の P型有機材料のなかから任意に選択したものを構成材料として用いることができる。そして、有機発光材料層 8は、たとえば、 TPD膜 (たとえば、膜厚 15nm)および Alq膜 (N型

3 有機半導体材料層 6側に配置される電子注入材料層。たとえば膜厚 15nm)を積層した積層構造膜で構成することができるほか、前述のような構成の有機発光材料層を任意に選択して適用することができる。

[0032] 図 2は、図 1の有機半導体発光素子の動作特性例を示すグラフである。横軸に電極間バイアス電圧 Vd (ボルト）がとられ、縦軸には発光強度 (任意単位）がとられて!/ヽて、種々のゲート電圧 Vg (ボルト）に関して特性を測定した結果が示されている。この図 2から、ゲート電圧 Vgに応じて発光強度の変調が可能であり、適切に電圧値を選択すれば、発光のオン Zオフの制御が可能であることがわかる。

[0033] 図 3A〜3Fは、前記有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。まず、図 3Aに示すように、表面に高濃度に N型不純物を導入して不純物拡散層からなるゲート電極 1が形成されたシリコン基板上に、酸ィ匕シリコン膜 2が形成され、この酸ィ匕シリコン膜 2上に所定パターンの電子注入電極 3および正孔注入電極 4が間隔を開けて形成される。そして、この状態で、電子注入電極 3から正孔注入電極 4に至る領域にフォトレジスト 20が塗布される。この状態の基板の上方にフォトマスク 21が配置され、フォトレジスト 20が選択的に露光される。すなわち、フォトマスク 2 1には、 P型有機半導体材料層 7に対応する形状の開口 21aが形成されていて、この開口 21aに対応する領域のフォトレジスト 20が選択的に紫外線露光される。フオトレジスト 20は、紫外線露光を受けることにより、アルカリ現像液に対して可溶な性質に化学変化するものである。

[0034] 次に、図 3Bに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト 20を現像することにより、正孔注入電極 4が露出させられる。この後、さらに、次に形成される P型有機半導体材料層 7と酸ィ匕シリコン膜 2との密着力を強化するために、 HMDS (へキサメチルジシラザン (シランカップリング剤）：密着性向上塗布剤）処理が行われ、さらに、 P型有機半導体材料層 7と正孔注入電極 4 (たとえば Auカゝらなるもの）との密着力を強化するために、チオール (Thiol)化合物を用いた表面処理が行われる。

[0035] その後、図 3Cに示すように、全面が紫外線露光される。次いで、図 3Dに示すように、全面に P型有機半導体材料層 7が蒸着され、さらに、図 3Eに示すように、アルカリ現像液を用いて、フォトレジスト 20が溶解させられる。これにより、 P型有機半導体材料層 7の不要部分がリフトオフされる。フォトレジスト 20は、図 3Cの工程において予め紫外線に露光されているため、アルカリ現像液に容易に溶解する。また、 P型有機半導体材料層 7の形成前に HMDS処理およびチオール化合物による表面処理を行ってヽるため、リフトオフ時にも P型有機半導体材料層 7と酸ィ匕シリコン膜 2および正孔注入電極 4との結合が強固に保持される。こうして、正孔注入電極 4から電極間領域 10の中間部 11に至る領域に P型有機半導体材料層 7を形成することができる。

[0036] その後は、図 3Fに示すように、全面に有機発光材料層 8および N型有機半導体材料層 6が順に蒸着されて、有機半導体発光素子が完成する。

図 3Fの構成では、有機発光材料層 8が電子注入電極 3と N型有機半導体材料層 6 との間に介在しているが、電子は、有機発光材料層 8を通り抜けて、電子注入電極 3 から N型有機半導体材料層 6へと注入されるので、動作上の問題はない。むろん、図 1に示すように、有機発光材料層 8を電子注入電極 3の上面には形成しなヽようにしてもよい。

[0037] 図 4は、この発明の第 2の実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を説明するための図解的な断面図である。この図 4にお、て前述の図 1に示された各部に対応する部分には、図 1の場合と同一の参照符号を付して示す。

この実施形態では、有機発光材料層が設けられておらず、 P型有機半導体材料層 7と N型有機半導体材料層 6とが、電極間領域 10の中間部 11で直接接合して、 PN 接合域 12を形成している。また、 N型有機半導体材料層 6は、前記中間部 11にその先端縁が位置していて、正孔注入電極 4にまでは及んでいない。すなわち、この実施形態では、 N型有機半導体材料層 6と P型有機半導体材料層 7とは、上下に積層された積層箇所を実質的に有して!/、な!、。

[0038] この構成により、正孔注入電極 4によって P型有機半導体材料層 7に注入された正孔は、中間部 11付近の先端縁に蓄積され、電子注入電極 3によって N型有機半導体材料層 6に注入された電子は中間部 11付近の先端縁に蓄積される。これにより、 PN接合域 12における正孔および電子の再結合により、高効率な発光が可能になる図 5A〜5Hは、図 4の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図 5A〜5Dの工程は、図 3A〜3Eの工程と同様である。その後、図 5 Eに示すように、全面にフォトレジスト 23が塗布され、フォトマスク 24をマスクとして紫外線露光が行われる。フォトマスク 24には、 N型有機半導体材料層 6に対応する領域に開口 24aが形成されており、この開口 24aに対応する領域が紫外線露光を受けること〖こなる。フォトレジスト 23は、紫外線露光を受けることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。

[0039] 次に、図 5Fに示すように、フォトレジスト 23がアルカリ現像液によって現像される。これにより、電子注入電極 3から中間部 11に至る領域のフォトレジスト 23が剥離され、電子注入電極 3および酸化シリコン膜 2の電子注入電極 3側の領域が露出する。この現像の後には、全面が紫外線露光される。

次いで、図 5Gに示すように、全面に N型有機半導体材料層 6が蒸着させられ、その後、図 5Hに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト 23が溶解させられる。これにより、 N型有機半導体材料層 6の不要部分がリフトオフされ、図 4の構成の有機半導体発光素子が得られる。

[0040] 図 6は、この発明の第 3実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。この図 6において、前述の図 1に示された各部に対応する部分には、図 1の場合と同一の参照符号を付して示す。

この有機半導体発光素子は、前述の第 2実施形態の構成と類似しており、 N型有機半導体材料層 6および P型有機半導体材料層 7は、電極間領域 10の中間部 11付近にそれぞれ先端縁を有している。そして、中間部 11には、電極間領域 10を二分するように、 N型有機半導体材料層 6と P型有機半導体材料層 7との間の PN接合域 12 に、酸ィ匕シリコン膜 2に接して、有機発光材料層 8が介在されている。

[0041] この構成により、 N型有機半導体材料層 6および P型有機半導体材料層 7の先端縁付近に蓄積された電子および正孔が有機発光材料層 8で結合し、中間部 11付近で高効率な発光が生じる。し力も、この実施形態では、有機発光材料層 8の上方を他の有機材料層で覆う構造ではな、ので、優れた光取り出し効率を実現できる。

図 7A〜は、図 6の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図 7A〜7Dの工程は、図 3A〜3Eの工程と同様である。

[0042] これに引き続いて、図 7Eに示すように、全面にフォトレジスト 27が塗布され、フォトマスク 28をマスクとして紫外線露光が行われる。フォトマスク 28には、 N型有機半導体材料層 6に対応する領域に開口 28aが形成されており、この開口 28aに対応する領域が紫外線露光を受けることになる。フォトレジスト 27は、紫外線露光を受けることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。

[0043] 次に、図 7Fに示すように、フォトレジスト 27がアルカリ現像液によって現像される。

現像後のフォトレジスト 27は、中間部 11付近に酸ィ匕シリコン膜 2に接している部分 27 aを有している。

この現像後には、全面が紫外線露光される。

次いで、図 7Gに示すように、全面に N型有機半導体材料層 6が蒸着させられ、その後、図 7Hに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト 27が溶解させられる。これにより、 N型有機半導体材料層 6の不要部分がリフトオフされる。この N型有機半導体材料層 6と P型有機半導体材料層 7との間には、有機発光材料層 8に対応したギャップ 29 (前記フォトレジスト 27の部分 27aに対応）が形成されている。

[0044] 次に、図 7Jに示すように、全面に有機発光材料層 8を蒸着すると、ギャップ 9内に有機発光材料層 8が入り込み、図 6の有機半導体発光素子と同等の構成が得られる。図 8は、この発明の第 4実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。この図 8において、前述の図 6に示された各部に対応する部分には、図 6の場合と同一の参照符号を付して示す。

[0045] この実施形態では、電極間領域 10を二分するように、その中間部 11に、酸化シリコン膜 2に接する有機発光材料層 8が配置されている。そして、この有機発光材料層 8 の両側に、 P型有機半導体材料層 7および N型有機半導体材料層 6の積層構造膜が形成されている。したがって、正孔注入電極 4および電子注入電極 3のいずれにも P型有機半導体材料層 7が接している。また、有機発光材料層 8の近傍の領域が、正孔注入電極 4側の P型有機半導体材料層 7と電子注入電極 3側の N型有機半導体材料層 6との間の PN接合域 12となる。

[0046] 有機発光材料層 8は、キヤリャ移動度は低!ヽが、発光量子効率の高！ヽ材料である。

そのため、正孔注入電極 4から、これに接する P型有機半導体材料層 7に注入された正孔は、有機発光材料層 8で堰き止められ、その先端縁に蓄積される。一方、 N型有機半導体材料層 6には、電子注入電極 3側の P型有機半導体材料層 7を通り抜けて電子が注入される。この電子は、正孔注入電極 4側へと向かうが、有機発光材料層 8 で堰き止められ、その先端縁に蓄積される。こうして、有機発光材料層 8を挟んで、正孔注入電極 4側には正孔が豊富に蓄えられ、電子注入電極 3側には電子が豊富に蓄えられる。これらが、発光量子効率の高い有機発光材料層 8で再結合することにより、高効率な発光が可能となる。

[0047] 図 9A〜9Eは、図 8の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。まず、図 9Aに示すように、表面に高濃度に N型不純物を導入して不純物拡散層からなるゲート電極 1が形成されたシリコン基板上に、酸ィ匕シリコン膜 2が形成され、この酸ィ匕シリコン膜 2上に所定パターンの電子注入電極 3および正孔注入電極 4が間隔を開けて形成される。そして、この状態で、電子注入電極 3から正孔注入電極 4に至る領域にフォトレジスト 33が塗布される。この状態の基板の上方にフォトマスク 34が配置され、フォトレジスト 33が選択的に露光される。すなわち、フォトマスク 34には、 P型有機半導体材料層 7に対応する形状の開口 34aおよび N型有機半導体材料層 6に対応する開口 34bが形成されていて、これらの開口 34a, 34bに対応する領域のフォトレジスト 33が選択的に紫外線露光される。フォトレジスト 33は、紫外線で露光されることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである

[0048] 次に、図 9Bに示すように、アルカリ現像液でフォトレジスト 33を現像することにより、正孔注入電極 4および電子注入電極 3が露出させられる。このとき、電極間領域 10 の中間部 11にフォトレジスト 33が残り、その両側では、電子注入電極 3および正孔注入電極 4との間の領域において、酸ィ匕シリコン膜 2が露出する。この後、さらに、次に形成される P型有機半導体材料層 7と酸化シリコン膜 2との密着力を強化するために、 HMDS処理が行われ、さらに、 P型有機半導体材料層 7と正孔注入電極 4および電子注入電極 3 (たとえば、いずれも Au力なるもの）との密着力を強化するために、チオールィ匕合物を用いた表面処理が行われる。その後には、全面が紫外線露光される。

[0049] 次いで、図 9Cに示すように、全面に P型有機半導体材料層 7および N型有機半導体材料層 6が順に積層形成され、さら〖こ、図 9Dに示すように、アルカリ現像液を用いて、フォトレジスト 33が溶解させられる。これにより、 P型有機半導体材料層 7および N 型有機半導体材料層 6の不要部分がリフトオフされる。こうして、電極間領域 10の中間部 11にギャップ 35を有する積層構造膜 (有機半導体材料層 6, 7を積層した膜)が得られる。

[0050] この後は、図 9Eに示すように、全面に有機発光材料層 8を蒸着すると、ギャップ 35 内に有機発光材料層 8が入り込み、図 8の有機半導体発光素子と同等の構成が得られる。

図 10は、図 1、図 4、図 6または図 8に示された構成の有機半導体発光素子 40を基板 41上に二次元配列して構成される表示装置 60の電気回路図である。すなわち、この表示装置 60は、前述のような有機半導体発光素子 40をマトリクス配列された画素 Pl l, P12, · · · · , P21, P22, 内にそれぞれ配置し、これらの画素の有機半導体発光素子 40を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体発光素子 40 の発光強度 (輝度）を制御することによって、二次元表示を可能としたものである。

[0051] 各有機半導体発光素子 40は、ゲート電極 1をゲート Gとした電界効果型トランジスタ（FET)であり、そのドレイン Dとなる電子注入電極 3にはバイアス電圧 Vdが与えられており、そのソース Sとなる正孔注入電極 4は接地電位とされている。一方、ゲート Gには、各画素を選択するための選択トランジスタ Tsと、データ保持用のキャパシタ C とが並列に接続されている。

[0052] 行方向に整列した画素 Pl l, P12, ； P21, P22, の選択トランジスタ

Tsのゲートは、行ごとに共通の走査線 LSI, LS2, にそれぞれ接続されている。また、列方向に整列した画素 Pl l, P21, ； P12, P22, の選択トランジスタ Tsにお、て有機半導体発光素子 40とは反対側には、列ごとに共通のデータ線 LD1, LD2, がそれぞれ接続されている。 [0053] 走査線 LSI, LS2, には、コントローラ 53によって制御される走査線駆動回路 51から、各行の画素 Pl l, P12, ； P21, P22, を循環的に順次選択 (行内の複数画素の一括選択)するための走査駆動信号が与えられる。すなわち、走査線駆動回路 51は、各行を順次選択行として、選択行の複数の画素の選択トランジスタ Tsを一括して導通させ、非選択行の複数の画素の選択トランジスタ Tsを一括して遮断させるための走査駆動信号を発生する。

[0054] 一方、データ線 LD1, LD2, には、データ線駆動回路 52からの信号が入力されるようになつている。このデータ線駆動回路 52には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ 53から入力されるようになっている。データ線駆動回路 52は、各行の複数の画素が走査線駆動回路 51によって一括選択されるタイミングで、当該選択行の各画素の発光階調に対応した発光制御信号をデータ線 LD1, LD2, · · · · · ·に並列に供給する。

[0055] これにより、選択行の各画素においては、選択トランジスタ Tsを介してゲート Gに発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機半導体発光素子 40は、発光制御信号に応じた階調で発光 (または消灯)することになる。発光制御信号は、キャパシタ C において保持されるから、走査線駆動回路 51による選択行が他の行に移った後にも、ゲート Gの電位が保持され、有機半導体発光素子 40の発光状態が保持される。このようにして、二次元表示が可能になる。

[0056] 以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することも可能である。たとえば、図 10には 2次元表示の可能な表示装置 60を示したが、画素を一次元配列して一次元の表示装置を構成することもできる。また、前述の実施形態では、電極間領域 10の中間部 11 (図 1、図 4、図 6および図 8の例では、電子注入電極 3と正孔注入電極 4との間のほぼ中点位置）において少なくとも一方のキヤリャが堰き止められる構造について説明した力中間部 11でなくとも、電極間領域 10の、ずれかの位置で一方のキヤリャが堰き止められる構造であればょ、。

[0057] たとえば、少なくとも一方のキヤリャが堰き止められる PN接合域を、電子注入電極 3 および正孔注入電極 4の間の中点位置力ずらすことによって、 P型有機材料と N型有機材料との電気特性の差 (移動度、電気伝導度)を相殺して、キヤリャバランスをとる構造とすることち考免られる。

本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなぐ本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によつてのみ限定される。

この出願は、 2005年 7月 20日に日本国特許庁に提出された特願 2005— 21038 8号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。

Claims

請求の範囲

[1] 間隔を開けて配置された電子注入電極および正孔注入電極と、

前記電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域に PN接合域を有し、少なくともいずれか一方は前記電極間領域でキヤリャを堰き止める構造となっている P 型有機材料層および N型有機材料層を含む有機半導体層と、

少なくとも前記電極間領域において前記有機半導体層に絶縁膜を介して対向するように配置されたゲート電極とを含むことを特徴とする有機半導体発光素子。

[2] 前記 P型有機材料層および N型有機材料層は、前記電極間領域の中間部に PN 接合域を有し、少なくともいずれか一方は前記中間部付近でキヤリャを堰き止める構造となっていることを特徴とする請求項 1記載の有機半導体発光素子。

[3] 前記 PN接合域において前記 P型有機材料層および N型有機材料層の間に介在された有機発光材料層をさらに含むことを特徴とする請求項 1または 2記載の有機半導体発光素子。

[4] 前記 PN接合域において前記 P型有機材料層および N型有機材料層が直接接合していることを特徴とする請求項 1または 2記載の有機半導体発光素子。

[5] 前記 P型有機材料層および N型有機材料層は、それらの先端縁がいずれも前記電極間領域の所定位置に位置し、積層箇所を実質的に有しないように形成されていることを特徴とする請求項 1な、し 4の、ずれかに記載の有機半導体発光素子。

[6] 前記電極間領域の所定位置に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側のうちの少なくとも一方側の領域にぉ、て、前記 P型有機材料層および N型有機材料層が積層されて、ることを特徴とする請求項 1な、し 4の、ずれかに記載の有機半導体発光素子。

[7] 前記有機発光材料層が前記電極間領域の所定位置に配置されており、

この有機発光材料層に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側の両方の領域に、前記 P型有機材料層および N型有機材料層を積層した積層構造膜が形成されていることを特徴とする請求項 3記載の有機半導体発光素子。

[8] 前記有機発光材料層は、前記 P型有機材料層との間に介在された正孔輸送材料層を含むことを特徴とする請求項 3または 7記載の有機半導体発光素子。

[9] 前記有機発光材料層は、正孔輸送材料と発光性材料との混合層を含むことを特徴とする請求項 3または 7記載の有機半導体発光素子。

[10] 前記有機発光材料層は、前記 N型有機材料層との間に介在された電子輸送層を含むことを特徴とする請求項 3および 7〜9のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。

[11] 前記有機発光材料層は、電子輸送材料と発光性材料との混合層を含むことを特徴とする請求項 3および 7〜9のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。

[12] 前記 P型有機材料層と前記有機発光材料層との間に介装された正孔注入層をさらに含むことを特徴とする請求項 3および 7〜11のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。

[13] 前記 N型有機材料層と前記有機発光材料層との間に介装された電子注入層をさらに含むことを特徴とする請求項 3および 7〜12のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。

[14] 請求項 1〜13のいずれかに記載の有機半導体発光素子を基板上に複数個配列した表示装置。

[15] 絶縁膜を介してゲート電極が対向する所定の電極間領域を形成するように、電子注入電極および正孔注入電極を間隔を開けて形成する工程と、

前記電子注入電極および正孔注入電極間の前記電極間領域を含む領域に有機半導体層を形成する工程とを含み、

前記有機半導体層を形成する工程は、前記電極間領域に PN接合域を形成し、少なくともいずれか一方が前記電極間領域でキヤリャを堰き止める構造となるように、 P 型有機材料層および N型有機材料層を形成する工程を含むことを特徴とする有機半導体発光素子の製造方法。