(57)【要約】  本発明は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏のそれぞれの側に少なくとも１層のｐ型有機半導体層が設けられており、さらに、これらのｐ型有機半導体層とベース電極との間に電流透過促進層がそれぞれに形成されている積層構造を有することを特徴とするトランジスタ素子を提供する。  上記本発明によれば、特に、単純な製造プロセスによって安定して提供することができ、大量生産をも可能にできる構造のものであって、しかも、エミッタ電極とコレクタ電極との間において、低電圧下で大きな電流変調作用とオン／オフ比に優れたトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の提供が可能にできる。
2013161078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏のそれぞれの側に少なくとも１層のｐ型有機半導体層が設けられており、さらに、これらのｐ型有機半導体層とベース電極との間に電流透過促進層がそれぞれに形成されている積層構造を有することを特徴とするトランジスタ素子。
【請求項２】
前記電流透過促進層が、アルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を含む層である請求項１記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記電流透過促進層が、フッ化リチウムを含む層である請求項１又は２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記電流透過促進層の厚みが、０．１〜１０ｎｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
前記エミッタ電極と該エミッタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層との間に、少なくとも１層の正孔注入層がさらに設けられている請求項１〜４いずれか１項に記載のトランジスタ素子
【請求項６】
前記コレクタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層が、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【請求項７】
前記エミッタ電極と前記ベース電極間に電圧を印加し、さらに前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧を印加することで流れたコレクタ電流ＩC-ONが１０ｍＡ／ｃｍ2以上であり、かつ、エミッタ電極とベース電極間に電圧（ＶB）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（ＶC）を印加することにより流れるコレクタ電流ＩC-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ比（ＩC-ON／ＩC-OFF）が、５０以上となる電流変調性を示し、さらに、変調されたコレクタ電流ＩCの電流増幅率が５０以上である請求項１〜６のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、優れた電流変調性を示すトランジスタ素子、さらに詳しくは、有機ＥＬディスプレイなどの駆動が可能な、低電圧で大電流変調する電流増幅率に優れたトランジスタ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄型テレビやノートパソコンの普及が進んでおり、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパーなど、表示ディスプレイへの要求性能も高まりつつある。さらに、高機能携帯電話やタブレット型端末の普及につれ、表示ディスプレイの微細化、小型化、薄型化が、一層進みつつある。このようなディスプレイの素子の駆動には、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）が使用されている。現在、多くは無機材料であるシリコンを用いたＦＥＴが使用されているが、低コスト化、軽量化、フレキシブル化を目的として、有機トランジスタ素子を用いたディスプレイが報告されており、その実用化が期待されている。【０００３】
しかし、その多くは、有機電界効果型トランジスタ（ＯＦＥＴ）と液晶表示部または電気泳動セルとを組み合わせたものである。ＯＦＥＴは、その構造と移動度の低さにより、大電流を得ることは難しく、大電流を必要とする電流駆動デバイスである有機ＥＬディスプレイの駆動素子に用いた例は、ほとんど報告されていない。そのため、有機ＥＬディスプレイの駆動が可能であり、低電圧において大電流で動作する有機トランジスタ素子の開発が望まれている。【０００４】
現在、ＯＦＥＴを用いて大電流を得るためには、トランジスタ素子のチャネル長を短くすることが必要であるが、チャネル長を数μｍ以下にすることは、大量生産を視野に入れたパターニング技術では難しい。この問題を解決するため、膜厚方向に電流を流すことにより、低電圧かつ大電流で動作可能な「縦型トランジスタ構造」が研究されている。一般に、縦型サンドイッチデバイスに用いられる素子の膜厚は数十ｎｍから数百ｎｍであり、しかもｎｍオーダー以下の膜厚の制御が高い精度で可能なものである。縦型トランジスタは、チャネルを膜厚方向（縦方向）にすることにより、１μｍ以下の短いチャネル長を容易に実現でき、大電流が得られる可能性がある。このような縦型の有機トランジスタ素子としては、これまでに、ポリアニリン膜の自己組織化ネットワーク構造をグリッド電極として用いたポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタや、微細なストライプ状の中間電極で空乏層幅を変調することによりソース・ドレイン間の電流をコントロールする静電誘導型トランジスタ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＳＩＴ）などが知られている。【０００５】
また、有機半導体／金属／有機半導体の積層構造の作製により、高性能なトランジスタ特性を発現する縦型有機トランジスタ素子を提供する技術が提案されている（特許文献１）。この縦型トランジスタ素子では、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層とストライプ状の中間金属電極とが設けられている。この有機トランジスタ素子では、エミッタ電極から注入された電子が中間金属電極を透過することにより、バイポーラトランジスタに似た電流変調が観測され、その中間金属電極がベース電極のように働くことから、メタルベース有機トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−Ｂａｓｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以降「ＭＢＯＴ」と呼ぶ）と呼ばれている。【０００６】
ＭＢＯＴは、エミッタ電極とコレクタ電極に出力電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加しない場合は電流がほとんど流れないが、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加するとエミッタ電極−コレクタ電極間に電流が流れる。このエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流がコレクタ電流であり、ベース電極−コレクタ電極間に流れる電流がベース電流である。ＭＢＯＴは、ベース電圧の印加により増加するベース電流に比べて、コレクタ電流が急激に増加することから、ベース電圧によるコレクタ電流の変調が可能な素子となる。エミッタ電極とコレクタ電極に電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧が印加されていない場合に流れてしまう「漏れ電流」がＯＦＦ電流であり、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加したときに流れる電流がＯＮ電流である。ＭＢＯＴは、ＯＦＦ電流はゼロに近く、大きなＯＮ電流が得られるトランジスタ素子である。【０００７】
また、有機トランジスタ（ＭＢＯＴ）の構造として、透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極として、その上に有機半導体／金属／有機半導体を真空蒸着により積層することにより、簡単に製造できるＭＢＯＴが報告されている（特許文献２）。有機半導体としては、ｎ型有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド（Ｍｅ−ＰＴＣＤＩ）とフラーレン（Ｃ６０）が用いられており、電極材料としては、ベース電極としてＡｌ（アルミニウム）、エミッタ電極としてＡｇ（銀）が用いられている。このＭＢＯＴは、暗電流抑制層の導入、およびベース電極を加熱処理することにより、オン／オフ比（ＯＮ電流とＯＦＦ電流の比率）を向上させた大電流変調が可能なトランジスタ素子となる。このように、ＭＢＯＴは、縦型トランジスタであるにもかかわらず、微細なグリッド電極、ストライプ電極の微細なパターニングを必要としない特徴がある。【０００８】
また、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）として、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、ベース電極とコレクタ電極の間にエネルギー障壁層、電荷透過促進層を有するＭＢＯＴ（特許文献３）や、さらに、長鎖アルキル基を有するペリレンテトラカルボン酸ジイミドからなる有機半導体層をコレクタ電極側に設けてコレクタ層として利用したＭＢＯＴ（特許文献４）が提案されており、加熱処理などすることなく、良好な電流変調特性やオン／オフ比を得ることが報告されている。さらに、エミッタ電極とベース電極との有機半導体層がダイオード構造であるＭＢＯＴが、良好な増幅性を有するトランジスタ素子として報告されている（特許文献５）。【０００９】
また、縦型トランジスタとして、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層、シート状アルミ上に櫛形アルミ層を形成した凹凸であるベース電極を有し、エミッタ電極とベース電極との間にペンタセン層、正孔注入層として、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（ＮＰＢ）、電荷注入促進層としてフッ化リチウム薄膜を形成し、コレクタ層とベース電極間にペンタセンと銅フタロシアニンからなる有機半導体積層層を有する素子が、電流増幅性トランジスタとして報告されている（非特許文献１、２）。【００１０】
また、縦型トランジスタとして、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、エミッタ電極とベース電極間、コレクタ電極とベース電極間の両有機半導体層に、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（以下「ＮＰＢ」と略す）／フラーレン（Ｃ６０）からなるヘテロ接合有機半導体層を利用した透過性金属基板有機トランジスタが、両極性トランジスタとして報告されている（非特許文献３）。【００１１】
また、縦型トランジスタとして、Ｌ字型状のエミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層と櫛形状のベース電極を有し、有機半導体層がＢＴＱＢＴ［ビス（１，２，５−チアジアゾロ）−ｐ−キノビス（１，３−ジチオール）］からなる縦型トランジスタが、正孔輸送材料であるにもかかわらず大きな電流値とＯＮ／ＯＦＦ比を示すことが報告されている（特許文献６）。【００１２】
また、エミッタ電極とコレクタ電極との間に結晶性の高い有機半導体層を用いた有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）についての提案がある（特許文献７）。そして、該文献には、ベース電極と同程度の厚みの結晶サイズである有機半導体層を用いてトランジスタ素子とすることによって、電子輸送材料であるメチルペリレンを用いたＭＢＯＴが、エミッタ−コレクタ間に低電圧で、大きな電流値３００ｍＡ／ｃｍ2と、高いＯＮ／ＯＦＦ比の２００を示すことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１０１１０４号公報
【特許文献２】特開２００７−２５８３０８号公報
【特許文献３】特開２００９−２７２４４２号公報
【特許文献４】特開２０１０−２６３１４４号公報
【特許文献５】国際公開第２０１１／０２７９１５号パンフレット
【特許文献６】特開２０１０−２５１４７２号公報
【特許文献７】特開２０１０−１３５８０９号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｏｕ  ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８９：１８３５０８（２００６）
【非特許文献２】Ｙｉ−Ｙａｎｇ  ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，８９：１８３５１１（２００６）
【非特許文献３】Ｊ．Ｈｕｎｇ  ｅｔ  ａｌ，Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１０，２１０−２１３（２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、ポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタや、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）は、中間電極を形成する難しさから、高性能化・大量生産は困難である。また、特許文献１、２に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、膜厚や構造によって、オフ電流が高くなることがあり、上記トランジスタは、有機半導体／金属／有機半導体の積層構造を作製すれば必ず電流変調作用が観測されるというものではない。したがって、安定した性能を発現し、大きな電流値、高い増幅率、高いオン／オフ比を得るためには、加熱処理によりベース電極表面に酸化層を設け、オフ電流の抑制層とする必要がある。また、特許文献３に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、ベース電極の下に絶縁体性である電荷透過促進層を設けることによって、電極の加熱処理をすることなく、電流を増幅できるが、電子機器を作動させるに十分なほどの大きな電流値、大きな増幅率、大きなオン／オフ比を得ることは困難であり、正孔輸送性材料でのＭＢＯＴとしての安定した動作は困難である。また、特許文献４に記載されているトランジスタ素子は、ｎ型有機半導体層に限られており、材料も限定されている。また、特許文献５に記載の技術も同様であり、より優れた特性を有するｐ型有機半導体層により形成されるＭＢＯＴの開発が望まれている。【００１６】
また、特許文献６に記載されている有機トランジスタ素子では、正孔輸送材料としてＢＴＱＢＴにより有機半導体層を形成することにより電流変調を示すが、使用できる材料が限られており、その材料の合成も多段階であり大量の合成が困難であるとともに、素子の電極形状が櫛形やＬ字型であり複雑であることから、単純な製造プロセスによる安定した素子の大量生産は困難である。【００１７】
また、特許文献７に記載されている有機トランジスタ素子では、結晶性の高い有機半導体層を用いることにより、大電流は成し遂げられるが、p型半導体材料での動作は困難であり、未だ電子デバイスを駆動させることは困難である。【００１８】
また、非特許文献１、２に記載されている有機トランジスタ素子は、ＮＰＢよりなる正孔注入層とフッ化リチウムよりなる電荷注入促進層を形成することにより、電流増幅性トランジスタとベース電極をして動作するが、その電流密度は１２ｍＡ／ｃｍ2程度、電流増幅性は最大で４８程度であり、未だ電子デバイスを駆動させる大電流変調は困難である。また、ベース電極を金属薄膜上に櫛形状の金属層を形成する必要があり、ベース電極とコレクタ電極間に形成する有機半導体層も積層された多層構造に限定されている。【００１９】
非特許文献３に記載のトランジスタは、両極性トランジスタ素子としての電流変調作用を示すことより、相補型論理回路などへの利用の可能性はあるが、電子機器を作動させるに十分なほどの大きな電流値、電流の増強を得ることは難しく、有機ＥＬなどの駆動用素子として利用することは困難である。【００２０】
したがって、本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、特に、単純な製造プロセスによって安定して提供することができ、大量生産をも可能にできる構造のものであって、しかも、エミッタ電極とコレクタ電極との間において、低電圧下で大きな電流変調作用とオン／オフ比に優れたトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の提供を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏のそれぞれの側に少なくとも１層のｐ型有機半導体層が設けられており、さらに、これらのｐ型有機半導体層とベース電極との間に電流透過促進層がそれぞれに形成されている積層構造を有することを特徴とするトランジスタ素子を提供する。【００２２】
本発明の好ましい形態としては、下記の事項が挙げられる。前記電流透過促進層が、アルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を含む層であること；前記電流透過促進層が、フッ化リチウムを含む層であること；前記電流透過促進層の厚みが、０．１〜１０ｎｍであること；前記エミッタ電極と該エミッタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層との間に、少なくとも１層の正孔注入層が設けられていること；前記コレクタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層が、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有すること、；前記エミッタ電極と前記ベース電極間に電圧（ＶB）を印加し、さらに前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（ＶC）を印加することで流れたコレクタ電流ＩC-ONが１０ｍＡ／ｃｍ2以上であり、かつ、と、エミッタ電極とベース電極間に電圧（ＶB）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（ＶC）を印加することにより流れるコレクタ電流ＩC-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ比（ＩC-ON／ＩC-OFF）が、５０以上となる電流変調性を示し、さらに、変調されたコレクタ電流ＩCの電流増幅率が５０となる電流変調性を示すことである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、下記の優れた特性の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）が提供される。本発明のトランジスタ素子は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏のそれぞれの側にｐ型有機半導体層が設けられており、これらのｐ型有機半導体層とベース電極との間に電流透過促進層がそれぞれに形成されている積層構造のものであることを特徴とする。すなわち、本発明のトランジスタ素子では、ベース電極の表裏の側のそれぞれに対して、少なくとも２層のｐ型有機半導体層を上記のように配置し、さらに、ベース電極とコレクタ電極との間およびエミッタ電極とベース電極との間、のそれぞれに電流透過促進層を設けることで、低電圧で大電流を可能とする電流変調作用を安定して得ることを達成する。【００２４】
本発明の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、後述するように高い性能を有するものであり、種々のディスプレイの駆動用素子、有機発光トランジスタ素子として、特に大電流変調により駆動させる有機ＥＬや電子ペーパーを駆動する素子として有用である。これらを駆動するトランジスタ素子は、オン時とオフ時のコントラストが必要となり、より大きなオン／オフ比、暗電流の抑制が要求される。すなわち、オン／オフ比が低く暗電流が大きいと、オフ時においても有機ＥＬが発光するなどの問題を生じる。これに対し、本発明のトランジスタ素子は、オン／オフ比が高く、低電圧領域での大電流変調特性、周波数特性が優れていることにより、駆動用トランジスタ素子として高い性能を示し、十分に適用可能である。【００２５】
また、本発明の有機トランジスタ素子は、低電圧領域での大電流変調が可能であり、１つのピクセル内におけるトランジスタ素子の占有面積を小さくでき、ディスプレイにおける開口率の向上を可能とし、その結果、これを適用することで、高性能、高効率のディスプレイの達成が可能となる。また、蒸着法での作成も可能であり、プラスチックなどのフレキシブル基板上にトランジスタ素子を形成することが可能であり、小型軽量化、軽量化、薄型化されたディスプレイ、デバイスの作成が可能となる。【００２６】
また、本発明の有機トランジスタ素子は、有機半導体層がｐ型動作を示す正孔輸送性材料により形成されるため、ｎ型動作を示す電子輸送性材料の場合は、材料の種類が限られるのに比べて、有機半導体層を形成する材料の種類が豊富であるという利点がある。このため、トランジスタ素子の材料構成に最適なエネルギー準位を有するｐ型有機半導体層を選択することが可能である。また、ポリマー、または、オリゴマーである正孔輸送性材料が利用でき、蒸着法だけでなく印刷法による有機半導体層の形成も可能である。その結果、低温プロセスでの大面積素子の作製、低環境負荷が可能になり、製造にかかる費用の低コスト化が実現できる。さらに、電子輸送性材料により形成されるｎ型有機半導体層は、酸素分子や水分子により電荷（電子）輸送が阻害されるが、正孔輸送性材料により形成されるｐ型有機半導体層は、酸素分子や水分子による電荷（正孔）輸送が阻害されないため、大気中での素子の駆動の可能性もある。【００２７】
本発明の効果をより具体的に述べれば、本発明で提供するトランジスタ素子は、図１に示したように、エミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（ＶC）を印加し、さらにエミッタ電極１２とベース電極１３間に電圧（ＶB）を印加した場合に、エミッタ電極１２とベース電極１３間に流れるベース電流ＩBに比べて変調されたコレクタ電流ＩCが流れる電流変調型トランジスタ素子となる。より具体的には、その変調されたコレクタ電流ＩCが１０ｍＡ／ｃｍ2以上となり、電流増幅率（コレクタ電流ＩC／ベース電流ＩB）は、５０以上も可能となる。本発明者らの検討によれば、さらに電流増幅率は５００以上も可能となる。また、本発明で提供する有機トランジスタ素子は、エミッタ電極１２とベース電極１３間に電圧（ＶB）を印加し、さらにエミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（ＶC）を印加することで流れたコレクタ電流ＩC-ON（以下、ＯＮ電流或いはオン電流と記す）と、上記電圧（ＶB）を印加せずに、エミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（ＶC）を印加することにより流れるコレクタ電流ＩC-OFF（以下、ＯＦＦ電流或いはオフ電流と記す）との比であるＯＮ／ＯＦＦ（ＩC-ON／ＩC-OFF）（以下、ＯＮ／ＯＦＦ比或いはオン／オフ比と記す）は、場合によっては１，０００以上、さらには１０，０００以上にもおよぶ極めて優れた電流変調性を示し、種々の用途への適用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のトランジスタ素子の構成を説明する図。
【図２】本発明の実施例８のトランジスタ素子の構成を説明する図。
【図３】本発明の実施例８と比較例３のトランジスタ素子の出力特性（ＩC−ＶBカーブ）を説明するための図。
【図４】本発明の実施例８と比較例３のトランジスタ素子の入力特性（ＩB−ＶBカーブ）を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態につき、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、実施することができる。
【００３０】
本発明の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏のそれぞれの側に少なくとも１層のｐ型有機半導体層が設けられているが、さらに、該ベース電極と各ｐ型有機半導体層との間のそれぞれに電流透過促進層が形成されてなる積層構造を有することを特徴とする。なお、本発明では、ベース電極の表裏のいずれ側にも電流透過促進層が形成されているが、その配置から、一方をコレクタ層側電流透過促進層と呼び、他方をエミッタ層側電流透過促進層と呼ぶ場合がある。
【００３１】
本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の構造の一例を図１に示したが、図１に示すように、本発明の素子は、有機半導体／電極／有機半導体という積層構造をなすものであり、単純な積層工程による作製が可能な縦型有機トランジスタである。図１に例示したように、その積層構造は、基板１０上に形成されるコレクタ電極１１とエミッタ電極１２との間に、ベース電極１３と、本発明の特徴である、ベース電極の表裏のそれぞれの側に形成された電流透過促進層３１Ａおよび３１Ｂを有しており、さらに、これらの層を介してｐ型有機半導体層がそれぞれに積層されて構成される。より具体的には、本発明のトランジスタ素子は、有機半導体層が、コレクタ電極１１とベース電極１３間に配置された、少なくとも1層のｐ型有機半導体層よりなるコレクタ層２１と、エミッタ電極１２とベース電極１３間に配置された少なくとも1層のｐ型有機半導体層よりなるエミッタ層２２とを有し、さらに、これらのｐ型有機半導体層に挟まれた位置に設けられたベース電極１３と、該ベース電極の表裏それぞれの側に形成された電流透過促進層３１Ａおよび３１Ｂを有することを特徴とする。すなわち、図１に例示したように、本発明のトランジスタ素子は、基本構成として、基板１０上に、コレクタ電極１１、コレクタ層２１、コレクタ層側電流透過促進層３１Ａ、ベース電極１３、エミッタ層側電流透過促進層３１Ｂ、エミッタ層２２、エミッタ電極１２が順に積層された積層構造を有してなる。
【００３２】
上記したように、本発明のトランジスタ素子の特徴の一つは、ベース電極とｐ型有機半導体層との間に形成する電流透過促進層の構造が、コレクタ層側電流透過促進層３１Ａと、エミッタ層側電流透過促進層３１Ｂとを有する積層構造をなすことにある。本発明者らは鋭意検討の結果、上記特有の積層構造とすることで、下記の顕著な効果が得られ、実用化が期待される有用な有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の達成が可能となることを見出し、本発明に至った。すなわち、ベース電極の表裏それぞれの側に電流透過促進層が形成された積層構造としたことにより、電荷（正孔）がベース電極を効率よく透過し、エミッタ層２２からコレクタ層２１へ効率よく注入することが可能となり、さらに、コレクタ層２１からコレクタ電極１１へと移動することができるという効果が得られる。したがって、本発明で規定する上記特定の積層構造を有する電流透過促進層３１Ａおよび３１Ｂは、電流の流れを制御することが可能であり、エミッタ電極１２からコレクタ電極１１へと流れるコレクタ電流を増加させるとともに、リーク電流を抑制し、オフ電流を小さく維持する効果がある。さらに、本発明のトランジスタ素子は、低電圧領域においても大きな出力変調動作と電流変調動作を安定してできるので、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）に有用である。
【００３３】
本発明のトランジスタ素子の性能について、下記に、より具体的に説明する。本発明のトランジスタ素子は、大きな、電流値、電流増幅率を示すが、本発明者らの検討によれば、例えば、ペンタセンにより形成されたｐ型有機半導体層を有するトランジスタ素子において、ベース電極の表裏それぞれの側に電流透過促進層を有するトランジスタ素子との性能を、これらの電流透過層を有さないトランジスタ素子の性能と比較すると、コレクタ電流は約２倍と大きくなり、電流増幅率は２３０倍以上と優れた性能を示すことがわかった。本発明者らの検討によれば、ベース電極とコレクタ層との間に形成されたコレクタ層側電流透過促進層を設けることで、（１）ＯＦＦ電流を減少させる、（２）ベース電流とコレクタ電流の比率が大きくなり増幅率を高くする、といった効果が発揮される。また、ベース電極とエミッタ層の間にエミッタ層側電流透過促進層を設けることで、（１）コレクタ層への電荷移動の高効率化、電荷の注入率の向上によりコレクタ電流を大きくする、（２）電極界面の改善によるＯＦＦ電流の減少をすることができ、この結果、電流増幅率、ＯＮ／ＯＦＦ比をより大きくすることができる。さらに、低電圧領域において、大きな出力変調と大電流変調が、安定して作動できるという効果をもたらす。
【００３４】
上記した特定の積層構造を有する本発明のトランジスタ素子によって上記した顕著な性能が得られた原理について、本発明者らは下記のように考えている。すなわち、そのメカニズムとしては、［１］ベース電極上に形成するエミッタ層側電流透過層によりベース電流値が劇的に減少し、コレクタ電流値が大きく増加し、ＯＦＦ電流は殆ど増えていないこと、［２］ベース電極下に形成するコレクタ層側電流透過層により、コレクタ電流値が大きく増加し、ＯＦＦ電流は殆ど増えていないことから、下記のように推論している。まず、電流透過促進層をベース電極の表裏のそれぞれの側に形成したことにより、電圧により加速された電荷（正孔）がエミッタ層からベース電極を透過しコレクタ層へ流れ込むとき、ベース電極における電流透過率が向上（促進）し、また、エミッタ電極からエミッタ層注入された正孔が留まることなくコレクタ層に効率的に注入することを可能とし、これとともに、コレクタ層内においても電荷（正孔）の流れをベース電極からコレクタ電極側へと制御することが可能となり、これらによって電荷輸送性を大きく向上（促進）させているメカニズムが考えられる。また、ベース電極の表裏のそれぞれの側への電流透過促進層の形成は、エミッタ層側電流透過促進層とコレクタ層側との相乗効果によって、コレクタ層側電流透過層のみ、或いは、エミッタ層側電流透過層のみを形成した時には到底得ることができなかった大きな電流増幅率が得られるという効果をもたらすことがわかった。
【００３５】
また、本発明のトランジスタ素子の別の実施形態による特徴は、上記の構成に加えて、エミッタ電極とｐ型有機半導体層界面に正孔注入層をさらに形成したことにある。このように構成することにより、エミッタ電極からｐ型有機半導体層への注入障壁を低減させ、エミッタ電極からエミッタ層により効率よく電荷（正孔）が注入されるようになる。エミッタ電極とエミッタ層の間に設ける正孔注入層の形成材料としては、例えば、ポルフィルン系、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウムなどの金属酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの誘導体などが挙げられる。
【００３６】
本発明のトランジスタ素子に流れるオン電流は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加し、さらにエミッタ電極とベース電極との間にベース電圧ＶBを印加すると、そのベース電圧の作用により、エミッタ電極から注入された正孔が加速されてベース電極を透過し、コレクタ電極に到達する。すなわち、エミッタ電極とベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときに流れるベース電流ＩBは、ベース電極を透過しない電流と考えられ、ベース電圧の印加によりエミッタ電極−コレクタ電極間に流れるコレクタ電流Ｉｃへと増幅された形となる。したがって、上記した性能を有する本発明のトランジスタ素子は、バイポーラトランジスタと同じような電流変調作用を安定して得ることができ、大きな出力変調と電流増幅が可能となる。
【００３７】
一方、本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のオフ電流は、電流透過促進層が絶縁体薄膜により形成されるため、整流効果を示し、ＯＦＦ時にはベース電極からエミッタ電極へ電流は、ほとんど流れない。このため、電圧ＶBを印加しない場合（ＶB＝０Ｖ）において、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に不必要な漏れ電流（ＯＦＦ時に流れるオフ電流）が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、オン／オフ比を向上させることができる。したがって、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を有機ＥＬの駆動トランジスタ素子として用いた場合、暗電流が大きいとＯＦＦ時に有機ＥＬ素子の発光が起こり、ＯＮ時とＯＦＦ時のコントラストの低下を招くので、本発明のトランジスタ素子のオン／オフ比は５０以上であることが望ましい。より好ましくは、１，０００以上のオン／オフ比が駆動トランジスタ素子に要求されるが、本発明のトランジスタ素子によれば、１０，０００以上とすることも可能であり、容易に達成できる。
【００３８】
さらに、本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の電流値は、低電圧領域においても大きな増幅が得られ、大きな電流を得ることができ、この点からも極めて有用なものになる。一般に、有機ＥＬ素子は低電圧領域で駆動させる素子であり、駆動トランジスタ素子には数ボルトで大きな電流を出力させることが要求される。有機ＥＬ素子は、印加電圧を高くすれば、大きな電流が得られ、高強度の発光を実現できるが、発光素子材料の劣化や分解を起こし、素子の寿命を短くし、長期間の安定した発光はできなくなる。したがって、駆動電圧は、１〜２０Ｖ程度であり、好ましくは５Ｖ以下である。このとき、低電圧領域において、トランジスタ素子により変調される電流密度値は、特に制限されることはないが、１ｍＡ／ｃｍ2〜５００ｍＡ／ｃｍ2が好ましく、さらに好ましくは、１０ｍＡ／ｃｍ2〜２００ｍＡ／ｃｍ2がよい。発光素子として利用する場合、電流密度値は１ｍＡ／ｃｍ2に達しない電柱密度値であると十分に発光させることができず、十分な発光強度が得られない。また、電流密度値が５００ｍＡ／ｃｍ2を超える素子は、十分なオン／オフ比を得ることができず、ＯＦＦ時（電圧０Ｖ）においても、暗電流が生じて発光素子から発光するという問題が生じることがある。
【００３９】
本発明のトランジスタ素子の用途としては、スイッチング素子、電流増幅素子が挙げられ、変調されたコレクタ電流ＩCが１０ｍＡ／ｃｍ2以上であれば、特に有機ＥＬなどの駆動素子や低電流で駆動するスイッチング素子として利用できる。さらに、電流増幅率が５０以上であれば低電流で駆動するアナログ用増幅素子として、ＯＮ／ＯＦＦ比が５０以上であれば入力電流の小さくてすむスイッチング素子として有効である。従って、コレクタ電流ＩC-ONが１０ｍＡ／ｃｍ2以上であり、かつ、エミッタ電極とベース電極間に電圧（ＶB）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（ＶC）を印加することにより流れるコレクタ電流ＩC-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ比（ＩC-ON／ＩC-OFF）が、５０以上となる電流変調性を示し、さらに、変調されたコレクタ電流ＩCの電流増幅率が５０以上であるトランジスタ素子であれば、種々の用途への適用できる優れたトランジスタ素子となる。
【００４０】
本発明のトランジスタ素子のｐ型有機半導体層は、正孔輸送性材料よりなる薄膜構造をなしていることから、広範なｐ型有機半導体材料を適用することができるという、製造上の利点もある。すなわち、本発明においては、コレクタ層を形成する材料は正孔を効率よく輸送できる材料であればよく、ｐ型有機半導体層を形成することが可能な材料であれば問題なく使用できる。すなわち、本発明においては、ｐ型有機半導体層の形成に使用される有機半導体材料は、正孔を輸送する材料（正孔輸送性材料）であればよく、このような材料で形成した、ＨＯＭＯ準位がそれぞれに異なるｐ型有機半導体層を積層したコレクタ層であれば特に制限なく使用することができる。コレクタ層およびエミッタ層を形成する材料、形成方法により、ＯＮ／ＯＦＦ比の優れた素子、電流増幅率の優れた素子とすることができるので、用途に応じて適切な有機半導体材料を選択できる。
【００４１】
本発明のトランジスタ素子を構成する有機半導体膜は、適切なエネルギー準位を有することが望ましい。そのため、本発明の好適な構成としては、ベース電極とコレクタ電極との間に設けられたｐ型有機半導体層（コレクタ層）は、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が４．５〜６．０ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなることが好ましい。また、エミッタ層を形成する有機半導体材料のＨＯＭＯ準位（最高被占分子軌道エネルギー準位）は、特に限定されないが、本発明者らの検討によれば、エミッタ層のＨＯＭＯ準位がコレクタ層のＨＯＭＯ準位よりも同じ、もしくは、大きなＨＯＭＯ準位（エネルギーの低いＨＯＭＯ準位）である４．５〜６．０ｅＶにあるように形成した場合、ＨＯＭＯ準位の差により、エミッタ層から注入された正孔は、コレクタ電極へ、より効率よく移動でき、その結果、より大きな電流を得ることができる。但し、コレクタ層を異なる有機半導体材料による多層構造を形成する場合は、コレクタ電極に隣接して形成される有機半導体層のＨＯＭＯ準位がエミッタ層と同じ準位、もしくは、小さなＨＯＭＯ準位(エネルギーの高いＨＯＭＯ準位)を有している有機半導体材料を選択できる。
【００４２】
本発明のトランジスタ素子を構成するコレクタ層は、エミッタ層から効率よく正孔が注入されるものであるが、該層を形成するｐ型有機半導体材料としては、例えば、ペンタセン、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、ジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）、金属フタロシアニン、無金属フタロシアニン、ポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）が挙げられる。大気中光電子分光装置（ＡＣ−３：理研計器株式会社製、以下も同様の装置で測定）で測定したこれらの材料のＨＯＭＯエネルギーレベルは、それぞれ、ペンタセンでは５．２２ｅＶ、ＤＩＰでは、５．４９ｅＶ、ＤＮＴＴでは、５．４９ｅＶ、銅フタロシアニンでは、５．１５ｅＶ、Ｎｉフタロシアニンでは、５．２３ｅＶ、Ｐ３ＨＴでは、４．８０ｅＶである。このため、これらのいずれの材料を用いた場合も、エミッタ層から効率的に注入された正孔を、後述するコレクタ電極側コレクタ層へ効率よく移動でき、大きな電流を得ることができる。
【００４３】
本発明のトランジスタ素子を構成するエミッタ層は、ｐ型有機半導体により形成される有機半導体薄膜である。エミッタ層を形成する材料は正孔を効率よく輸送できる材料であればよく、ｐ型有機半導体層を形成することが可能な材料であれば問題なく使用できる。ｐ型有機半導体層の形成に使用される有機半導体材料は、正孔輸送型の半導体として機能し、用いる材料としては、正孔を輸送する材料（正孔輸送性材料）であれば特に制限なく使用することができる。
【００４４】
本発明のトランジスタ素子を構成するエミッタ層は、適切なエネルギー準位を有していることが好ましい。エミッタ層は、エミッタ電極から注入された正孔が、ベース電極界面まで移動し、さらに、ベース電極を通り、コレクタ層へ注入されるので、その形成材料としては、ベース電極からの正孔の注入が効率よく行われ、コレクタ層へ正孔を注入し易いＨＯＭＯ準位（最高被占分子軌道エネルギー準位）の材料であることが好ましい。具体的には、ＨＯＭＯ準位が４．５〜６．０ｅＶにある有機半導体材料が好ましく、このような材料からなるエミッタ層とすれば、注入された正孔が、ベース電極を透過してコレクタ層へ効率よく移動でき、より大きな電流を得ることができる。エミッタ層を構成する具体的な形成材料としては、ベース電極からの正孔の注入が効率よく行われ、コレクタ層へ正孔を注入し易い、例えば、ペンタセン、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン、ジナフトチエノチオフェン、ジインデノペリレン、ポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）などの化合物、或いはその誘導体を利用できる。より詳細には後述する。また、後述するように、エミッタ電極と有機半導体増の間に正孔注入層を形成する形態とすることにより、エミッタ電極から有機半導体層への電荷注入をより効率よくすることができる。
【００４５】
ｐ型有機半導体層を形成する特に好ましい方法について、好適な材料であるＰ３ＨＴを例にとって説明する。この際に使用するポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）は、他のｐ型有機半導体ポリマーと混合して使用することができるが、より十分なトランジスタ特性を得るためには、５０質量％より多く含まれていることが好ましい。ｐ型有機半導体層を形成する具体的な方法としては、これらのポリマー材料を、トルエン、クロロホルム、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの溶媒に溶解、または、分散させて塗布液を調製し、その溶液、分散液を塗布装置などにより塗布または印刷などの簡便な方法が挙げられ、これらの方法で容易に形成される。
【００４６】
先述したように、本発明のトランジスタ素子を構成し、本発明を特徴づける電流透過促進層は、電流透過促進層とベース電極とが積層構造となるように形成される。電流透過促進層の形成材料には、ベース電極を透過する電荷（正孔）が増加する電流透過率を向上させる材料であれば問題なく使用できる。具体的な電流透過促進層の形成材料としては、これまでに知られているアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物が好ましく利用できるが、特に好ましい材料としては、フッ化リチウムが挙げられる。これらの材料は、仕事関数が小さいことにより、有機半導体層と電極界面の接触抵抗を低下させる効果がある。また、ベース電極の表裏のそれぞれの側に電流透過促進層を形成することにより、ベース電極を形成する金属のｐ型有機半導体層への拡散を抑制することができるので、本発明のトランジスタ素子は、長期間に渡り素子特性の変化が僅かな安定性に優れた素子となる。これに対し、電流透過促進層を形成しないか、或いはベース電極の表裏の一方側のみに形成した場合は、トランジスタ素子を長期間にわたり駆動させた場合、ベース電極材料がｐ型有機半導体層に拡散し、徐々に素子性能の低下を引き起こす可能性がある。さらに、本発明のトランジスタ素子を、有機半導体材料溶液を用いて印刷法・塗布法などにより、ｐ型有機半導体層を形成した場合は、すでに形成された有機半導体層や電極層の腐食や再溶解を防ぐことにより素子の積層をすることができるので、さらに、安定した性能を有する素子作製が可能になる。
【００４７】
先に述べたように、本発明のトランジスタ素子は、必要に応じて、電極から有機半導体層への正孔注入障壁を低減させ、電極に挟まれたｐ型有機半導体層に流れる電流を増大させる目的でさらに正孔注入層を設けることができる。有機半導体層界面に正孔注入層を形成することにより、エミッタ電極からエミッタ層に効率よく電荷（正孔）が注入されるようになる。この際の正孔注入層の形成材料には、電極から有機半導体層への電荷注入を促進する材料であれば問題なく使用できる。具体的には、先に列挙したような材料を用いればよいが、特に好ましい材料としては、酸化モリブテンより形成される正孔注入層が挙げられる。
【００４８】
さらに、本発明のトランジスタ素子は、従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングを不要なものにできるとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらに、オン／オフ比が高い発光トランジスタ素子を得ることができる。また、本発明のトランジスタ素子は、蒸着法のみで作製することも可能であり、このため、プラスチックなどのフレキシブルな基板上にも素子を形成することが可能であり、小型軽量化された簡単な構造からなる実用的な発光トランジスタ素子を簡便に製造することが可能となる。また、本発明のトランジスタ素子においては、そのコレクタ層が有機ＥＬとなる発光層を含む発光素子部を有するものとでき、さらに、該発光素子部が、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層から選ばれる１または２以上の層からなる発光素子部を有する発光トランジスタ素子となる。
【００４９】
次に、本発明のトランジスタ素子の各構造・材料について説明する。
（基板）
本発明の有機トランジスタ素子は、通常、下記に挙げるような基板上に形成して使用される。この際に用いる基板は、トランジスタ素子の形態を保持できる材料であればよく、例えば、ガラス、アルミナ、石英、炭化珪素などの無機材料、アルミニウム、銅、金などの金属材料、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板を用いた場合は、軽量で、耐衝撃性に優れたフレキシブルなトランジスタ素子を作製することができる。また、有機発光層を形成した発光トランジスタ素子として利用する場合であって、基板側から光を放出させるボトムエミッションの場合は、プラスチックフィルム、ガラスなど、光透過率の高い基板を用いることが望ましい。これら基板は、単独で使用してもよく、或いは併用してもよい。また、基板の大きさや、形態については、トランジスタ素子の形成が可能であれば、例えば、カード状、フィルム状、ディスク状、チップ状など、どのようなものでも問題なく使用できる。
【００５０】
（有機半導体層）
先に述べたように、本発明の有機トランジスタ素子の特徴は、構成するｐ型有機半導体層が、図１に示したように、コレクタ電極とベース電極間に設けたコレクタ層２１と、ベース電極とエミッタ電極間に形成されたエミッタ層２２からなることに加え、ベース電極と、ｐ型有機半導体層であるコレクタ層およびエミッタ層とは、電流透過促進層を介して積層された状態としたことにある（図１、図２参照）。以下、ｐ型有機半導体層について、エミッタ層とコレクタ層とに分けて説明する。
【００５１】
＜エミッタ層＞
本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層２２は、ｐ型有機半導体からなるが、その形成材料としては、正孔を輸送する材料であれば問題なく利用できる。また、必要に応じて、他のｐ型有機半導体層との多層構造としてもよいし、ｎ型有機半導体層とのダイオード構造としてもよいし、正孔注入層との積層構造としてもよい。
【００５２】
本発明を構成するエミッタ層に必須のｐ型有機半導体層は、エミッタ電極から正孔を受け取り、これをベース電極へ、場合によっては、対をなしているｎ型有機半導体層、または、その界面付近まで輸送する機能を有する。ｐ型有機半導体層を形成する材料としては、一般的なｐ型半導体材料であれば、特に限定なく使用でき、例えば、ペンタセン、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類（Ｃｕ−Ｐｃ、ＶＯ−Ｐｃ、Ｎｉ−Ｐｃなど）、ナフタロシアニン、インジコ、チオインジゴ、アントラセン、キナクリドン、オキサジアゾール、トリフェニルアミン、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、ピラゾリン、テトラヒドロイミダゾール、ポリチオフェン、ポルフィリン、ジナフトチオフェン、ジインデノペリレン、ポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）など、またはこれらの誘導体などを用いることができる。また、エミッタ層の形成には、上記に列挙したｐ型有機半導体材料加えて、ｐ型有機半導体材料として機能する正孔輸送性材料を利用することもできる。
【００５３】
本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層を形成するｐ型半導体材料としては、電気的に安定であり、適切なイオン化ポテンシャルと電子親和力を持つこと、さらに、ＨＯＭＯ準位が４．５〜６．０ｅＶにある有機半導体材料が好ましく、さらに、ベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位と同じであるか、より大きい（エネルギーの低いＨＯＭＯ準位）ことはより好ましい。エミッタ層を形成するｐ型半導体層の特に好ましい材料としては、ペンタセン、銅フタロシアニン、ジナフトチエノチオフェン、ジインデノペリレン、ポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）などが挙げられる。また、この場合の誘導体としては、メチル基、エチル基、ブチル基、２−エチルヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、オクタデシル基などのアルキル基、アルキル基中にヘテロ基を有するヘテロアルキル基、アミノ基、アミド基、カルボキシル基などの官能基を有する化合物が挙げられる。本発明者らの検討によれば、ｐ型有機半導体材料がこれら官能基を有することにより、溶媒への溶解性が高まり、この結果、ｐ型有機半導体層を形成する場合に印刷法を適用することが可能となり、平滑な半導体表面を容易に形成することが可能となるばかりでなく、官能基による相互作用により電荷の伝達性が改善される場合もあるので、より好ましい。これらの材料よりなるｐ型有機半導体薄膜（層）は、単独材料を使用して形成することもできるが、２成分以上からなる混合材料によって形成した混合層としてもよい。さらに、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有するものであってもよい。
【００５４】
但し、エミッタ層のｐ型半導体層を形成する材料としては、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、この場合のｐ型半導体層は、単独成分を使用した単層構造だけでなく、２成分以上からなる混合層、２成分以上の有機半導体層よりなる積層構造であってもよい。ｐ型有機半導体層を形成する方法としては、蒸着法、もしくは、これらの化合物を含有した溶液、分散液を用いて各種の印刷法、塗工法により形成することができる。
【００５５】
本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層を形成するｐ型有機半導体層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であることが好ましい。また、エミッタ層２２の厚さは、コレクタ層に比べて基本的に薄いことが好ましく、エミッタ層の厚さは、３００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。エミッタ層の厚さが１０ｎｍ未満の場合は、ダイオード構造が一部で形成されない可能性があり、トランジスタ性能の低下、または、導通の問題が発生して歩留まりが低下することが考えられるので、好ましくない。一方、エミッタ層の厚みが３００ｎｍを超えると、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。
【００５６】
＜コレクタ層＞
本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層は、ベース電極とコレクタ電極間に、電流透過促進層を介して積層構造となるように、ｐ型有機半導体材料から形成される。そして、該コレクタ層を形成する材料としては、有機半導体として通常使用されているｐ型有機半導体材料が挙げられ、いずれも使用できる。ｐ型半導体材料としては、正孔を輸送する材料であれば特に制限なく、一般的に使用されているｐ型の有機半導体材料が使用でき、先に説明したエミッタ層に使用されるｐ型半導体材料をいずれも利用できる。
【００５７】
本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層を形成する材料は、ｐ型半導体材料であれば特に限定なく使用することができる。コレクタ層は、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が４．５〜６．０ｅＶの範囲にある材料よりなるｐ型有機半導体層であることが好ましく、さらに好ましくは、ＨＯＭＯ準位がこの範囲にある材料の中でも特に、ポリ（３−ヘキシル）チオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ペンタセン、ジインデノペリレン、ジナフトチエノチオフェン、および、これらの誘導体からなる層であることが好ましい。また、この場合の誘導体としては、メチル基、エチル基、ブチル基、２−エチルヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、オクタデシル基などのアルキル基、アルキル基中にヘテロ基を有するヘテロアルキル基、アミノ基、アミド基、カルボキシル基などの官能基を有する化合物が挙げられる。本発明者らの検討によれば、ｐ型有機半導体材料がこれら官能基を有することにより、溶媒への溶解性が高まり、この結果、ｐ型有機半導体層を形成する場合に印刷法を適用することが可能となり、官能基による相互作用により電荷の伝達性が改善される場合もあるので、より好ましい。これらの材料よりなるｐ型有機半導体薄層は、単独材料を使用して形成することもできるが、２成分以上からなる混合材料によって形成した混合層としてもよい。さらに、本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層は、少なくとも１層のｐ型有機半導体層を有すればよいが、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有するものであっても、さらに、その他の有機半導体層をさらに積層した積層構造であってもよい。
【００５８】
また、本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層の膜厚は、通常、５０ｎｍ〜５，０００ｎｍを挙げることができるが、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。なお、その厚さが５０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないおそれがあるので好ましくなく、一方、５，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。
但し、コレクタ層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であることが望ましい。電荷移動度が低いと、トランジスタ素子としての性能、例えば、オン電流が小さくなるなどの問題を生じるおそれがあるので好ましくない。
【００５９】
（電極）
本発明のトランジスタ素子に用いられる電極について説明する。本発明のトランジスタ素子を構成する電極としては、コレクタ電極１１、エミッタ電極１２、およびベース電極１３があり、図１に示したように、コレクタ電極１１は基板１０上に設けられ、ベース電極１３は、ｐ型有機半導体層であるエミッタ層２２と、積層構造を有するコレクタ層２１との間に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極１２は、コレクタ電極１１と対向する位置に、上記ｐ型有機半導体層２１、２２とベース電極１３とを挟むように設けられる。
【００６０】
本発明のトランジスタ素子を構成する各電極に使用する材料は、以下のものであることが好ましい。例えば、本発明のトランジスタ素子を構成するコレクタ層２１は、ｐ型有機半導体からなるｐ型半導体層であるので、コレクタ電極１１の形成材料としては、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの透明導電膜、金、銀、銅のような金属、ポリアニリン、ポリピロールン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子などが挙られる。一方、エミッタ電極１２の形成材料としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）などの単体金属、Ｍｇ−Ａｇ、Ｍｇ−Ｉｎなどのマグネシウム合金、Ａｌ−Ｌｉ、Ａｌ−Ｃａ、Ａｌ−Ｍｇなどのアルミニウム合金、Ｌｉ、Ｃａをはじめとするアルカリ金属類、それらアルカリ金属類の合金のような仕事関数の小さな金属などを挙げることができる。
【００６１】
また、本発明においては、ＯＦＦ時の暗電流を抑制し、高いオン／オフ比を達成するベース電極として、アルミニウムにより電極を形成した後、空気中で熱酸化処理することにより、電極表面に酸化膜を形成したベース電極を使用することも好ましい形態であり、ＯＮ電流が大きく、暗電流が抑制された、高いオン／オフ比をなすトランジスタ素子の形成が可能となる。
【００６２】
本発明のトランジスタ素子に用いられるベース電極の形態は、シート状であるためのその形成が容易であり、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセス或いは塗布方法などにより形成される。また、ベース電極がコレクタ層上に電流透過促進層を介して形成されるため、電極の欠陥や欠損がほとんどなく、欠損や欠陥部分で電荷が電圧により加速されずにベース電極の透過が困難となることがほとんどない。形成されるベース電極の厚さは、０．５ｎｍ〜１００ｎｍあることが好ましく、より好ましくは、１ｎｍから３０ｎｍ、さらには、５ｎｍ〜２０ｎｍとすることが好ましい。ベース電極は、ベース電極の厚さが１００ｎｍ以下であれば、ベース電圧ＶBで加速された電子を容易に透過することができる。なお、ベース電極は、半導体層中に切れ目なく（すなわち、穴やクラックなどの欠陥部なく）設けられていれば問題なく使用できるが、０．５ｎｍ未満であると欠陥を生じ、有機トランジスタ素子として動作しないおそれがあるので好ましくない。
【００６３】
本発明のトランジスタ素子に用いられる電極の形成方法としては、上記の各電極のうちコレクタ電極とエミッタ電極については、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセス或いは塗布方法を用いることができる。これらの方法により形成された電極の膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、１０ｎｍ〜１，０００ｎｍ程度であることが好ましい。なお、その厚さが１０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないおそれがあり、１，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるのでいずれも好ましくない。
【００６４】
（電流透過促進層）
本発明のトランジスタ素子は、ベース電極の表裏いずれの面側にも電流透過促進層を形成するが、この場合、ベース電極部が、電流透過促進層と電極の積層構造になるようにする。積層された電流透過促進層が電流透過率を向上する層として機能すればよいので、形成材料としては、電流透過促進材料であれば問題なく使用できる。具体的には、これまでに、電子注入層として知られている材料も、電流透過促進層の材料として利用でき、例えば、アルカリ金属化合物、アルカリ金属化合物を含んでいる材料が好ましく利用できる。好ましくは、イオン化傾向の小さいリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、あるいはアルカリ土類金属としてマグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウムのハロゲン化物などの化合物やこれらの混合物により構成する。特に好ましくは、フッ化リチウム層が挙げられる。なお、電流透過層を形成する化合物は、導電性材料や半導体性材料や絶縁体性材料と混合して使用することができる。電流透過促進層の膜厚は、０．１ｎｍ〜１０ｎｍが好ましい。電流透過促進層は、その厚みが１０ｎｍ以下でも十分に正孔の注入が行われ電流の大きな上昇が得られる。これに対し、電流透過促進層の厚みが１０ｎｍよりも厚い場合は、電流透過促進層が絶縁体として作用するため、ベース電流の抑制だけでなく、コレクタ電流も大きく減少し、トランジスタ素子の性能が低下するので最適な厚さとは言い難い。一方、膜厚が０．１ｎｍ未満では、薄すぎて効果が小さく、暗電流の大きく素子の性能が低下するだけでなく、安定した素子の作製が困難となるので好ましくない。本発明者らの検討によれば、さらに、好ましくは、エミッタ層側電流透過促進層が０．１〜１０ｎｍであり、コレクタ層側電流透過促進層が０．１〜５ｎｍであるように形成することにより、大きなコレクタ電流値を得られるだけでなく、電流増幅率が大きくなり大電流を得られる素子となるので、より好ましい。
【００６５】
（正孔注入層）
また、本発明のトランジスタ素子の別の実施形態では、電極と有機半導体層界面に正孔注入層を形成する。このように構成することにより、電極から有機半導体層への注入障壁を低減させ、エミッタ電極からエミッタ層に効率よく電荷（正孔）が注入されるようになる。エミッタ電極とエミッタ層の間に正孔注入層は、その形成材料として、例えば、ポルフィルン系、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウムなどの金属酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの誘導体などを挙げることができる。
【００６６】
本発明のトランジスタ素子に用いられる正孔注入層の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセス或いは塗布方法が挙げられる。これらの方法により形成された正孔注入層の膜厚は、使用する材料などによっても異なるが、例えば、０．１ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。なお、その厚さが０．１ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として安定動作しないおそれがあり、５０ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるばかりでなく、その材料の絶縁体性により電流を減少させる可能性があるので、いずれも好ましくない。
【００６７】
（暗電流抑制層）
本発明のトランジスタ素子は、さらに、下記のようにして暗電流抑制層を形成したものであってもよい。その方法としては、ベース電極を形成した後に、当該ベース電極を加熱処理して形成することが好ましい。さらに、本発明のトランジスタ素子においては、前記ベース電極を金属からなるものとし、該ベース電極の片面または両面に該ベース電極の酸化膜を形成することで、エミッタ電極−ベース電極間に電圧ＶBを印加しない場合に流れる暗電流を効果的に抑制することができるものになる。
【００６８】
また、ＯＦＦ時の暗電流を抑制し、高いオン／オフ比を達成するベース電極として、アルミニウムにより電極を形成した後、空気中で熱酸化処理により、電極表面にアルミニウム酸化膜よりなる暗電流抑制層を形成したベース電極を使用することも好ましい。また、ベース電極として、フッ化リチウム層／アルミニウム電極層／フッ化リチウム層よりなる層構造の電極を使用することにより、ＯＮ電流が大きく、暗電流が抑制された、高いオン／オフ比をなすトランジスタ素子の形成が可能となる。
【００６９】
これらの形態の本発明のトランジスタ素子によれば、暗電流抑制層がコレクタ電極とベース電極との間に設けられていることにより、暗電流が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、オン／オフ比をより向上させることができる。このように構成した本発明のトランジスタ素子は、見かけ上、バイポーラトランジスタと同様の電流変調型のトランジスタ素子として有効に機能し、高いオン／オフ比、大きなコレクタ電流、電流増幅率を示す優れた有機トランジスタ素子として機能するものになる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。【００７１】
（トランジスタ素子の評価）
まず、実施例および比較例で作製したトランジスタ素子の評価の方法について説明する。本発明では、トランジスタ素子の評価を下記の方法で行った。
作製したトランジスタ素子について、エミッタ接地の条件下で、エミッタ電極−コレクタ電極間に印加電圧（ＶC）を印加し、エミッタ電極−ベース電極間に印加するベース電圧（ＶB）を０Ｖ〜−５Ｖの範囲で変調させた。出力変調特性の測定は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧（ＶC）を印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶB（０〜−３Ｖ）を印加したときの、ベース電流ＩB、および、コレクタ電流ＩCの変化量（オフ電流、オン電流）を測定した。そして、これらの測定値から、ベース電流（入力特性）の変化に対するコレクタ電流（出力特性）の変化の比率、すなわち、電流増幅率（ｈFE）、オン電流とオフ電流の比率であるオン／オフ比（ＩC-ON／ＩC-OFF）を算出した。【００７２】
（実施例１）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み１ｎｍ／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
頭−尾Ｐ３ＨＴ〔ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ−Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）〕をトルエンに溶解し、濃度が２０ｍｇ／ｍＬとなるようにＰ３ＨＴ溶液を調製した。得られたＰ３ＨＴ溶液を、ＩＴＯ透明基板上にスピンコーターにて塗布し、コレクタ層（２５０ｎｍ）を形成した。次に、その上に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが１．０ｎｍの電流透過促進層を形成し、さらにアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中雰囲気下において１５０℃の熱処理を１時間し、アルミ電極の表面に酸化膜層（暗電流抑制層）を形成した。次に、該酸化膜層の上にフッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが３．０ｎｍの電流透過促進層を形成し、次いで、真空蒸着法により銅フタロシアニンよりなるエミッタ層（１００ｎｍ）を形成した。次に、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法による成膜手段で形成し、実施例１のトランジスタ素子を得た。得られた素子は、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示した。【００７３】
上記で得られた実施例１のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−１．００ｍＡ／ｃｍ2、ベース電流ＩBのオン電流密度ＩB-ON＝−０．０４ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のコレクタ電流ＩCのオフ電流密度ＩC-OFF＝−１×１０-6ｍＡ／ｃｍ2、ベース電流ＩBのオフ電流密度ＩB-OFF＝０．０００５ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は８７２１、電流増幅率は２６．７であった。【００７４】
（実施例２）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み０．６ｎｍ／エミッタ層側の厚み１ｎｍ］
頭−尾Ｐ３ＨＴ〔ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ−Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）〕をトルエンに溶解し、濃度が２０ｍｇ／ｍＬとなるようにＰ３ＨＴ溶液を調製した。得られたＰ３ＨＴ溶液を、ＩＴＯ透明基板上にスピンコーターにて塗布し、コレクタ層（２５０ｎｍ）を形成した。次に、その上に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが０．６ｎｍの電流透過促進層を形成し、さらにアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中雰囲気下において１５０℃の熱処理を１時間し、アルミ電極の表面に酸化膜層（暗電流抑制層）を形成した。次に、該暗電流抑制層の上にフッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが１．０ｎｍの電流透過促進層を形成し、次いで、真空蒸着法により銅フタロシアニンよりなるエミッタ層（１００ｎｍ）を形成した。次に、酸化モリブデン層（正孔注入層）を真空蒸着法にて２ｎｍの平均膜圧となるように形成し、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法による成膜手段で形成し、実施例２のトランジスタ素子を得た。得られた素子は、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示した。【００７５】
上記で得られた実施例２のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−４５．３８ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のオフ電流密度ＩC-OFF＝−０．０７７ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は５６０、電流増幅率は５．５であった。【００７６】
（実施例３）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み０．６ｎｍ／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
頭−尾Ｐ３ＨＴ〔ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ−Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）〕をトルエンに溶解し、濃度が２０ｍｇ／ｍＬとなるようにＰ３ＨＴ溶液を調製した。得られたＰ３ＨＴ溶液を、ＩＴＯ透明基板上にスピンコーターにて塗布し、コレクタ層（２５０ｎｍ）を形成した。次に、その上に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが０．６ｎｍの電流透過促進層を形成し、さらにアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中雰囲気下において１５０℃の熱処理を１時間し、アルミ電極の表面に酸化膜層（暗電流抑制層）を形成した。次に、該暗電流抑制層の上にフッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが３．０ｎｍの電流透過促進層を形成し、次いで、真空蒸着法により銅フタロシアニンよりなるエミッタ層（１００ｎｍ）を形成した。次に、酸化モリブデン層（正孔注入層）を真空蒸着法にて２ｎｍの平均膜圧となるように形成し、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法による成膜手段で形成し、実施例３のトランジスタ素子を得た。得られた素子は、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示した。【００７７】
上記で得られた実施例３のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−３０．４５ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のオフ電流密度ＩC-OFF＝−０．０１９ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は１６０２、電流増幅率は５２．５であった。【００７８】
（実施例４）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み０．６ｎｍ／エミッタ層側の厚み１ｎｍ］  
実施例２のエミッタ層を銅フタロシアニンからペンタセン（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）に代えた以外は実施例２と同様にして、実施例４のトランジスタ素子を作製した。実施例１〜３で得たトランジスタ素子の場合と同様に、得られた実施例４のトランジスタ素子の出力特性を表２中に示した。【００７９】
（実施例５）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み０．６ｎｍ／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
実施例３のエミッタ層を銅フタロシアニンからペンタセンに代えた以外は実施例３と同様にして、実施例５のトランジスタ素子を作製した。実施例１〜３で得たトランジスタ素子の場合と同様に、得られた実施例５のトランジスタ素子の出力特性を表２中に示した。【００８０】
（実施例６、７）
実施例２、３の銅フタロシアニンを、それぞれジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）に代えた以外は実施例２、３と同様にして実施例６、７の各トランジスタ素子を作製した。実施例１〜３で得たトランジスタ素子の場合と同様に、得られた実施例６、７のトランジスタ素子の出力特性を表２中に示した。【００８１】
（実施例８）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み３ｎｍ／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にコレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料であるペンタセンからなる平均厚さ４００ｎｍのコレクタ層を真空蒸着法により形成し、コレクタ層を作製した。次に、上記コレクタ層の上にフッ化リチウムからなる厚みが３ｎｍの電流透過促進層を形成し、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる厚みが３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に各層および電極を積層し、実施例８のトランジスタ素子を得た。【００８２】
上記で得られた実施例８のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−２４．９ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のオフ電流密度ＩC-OFF＝−０．３８４ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は６４．１、電流増幅率は５６７であった。【００８３】
（実施例９）
［電流透過促進層：コレクタ層側の厚み３ｎｍ／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極として、該基板上に、コレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる平均厚さ３５０ｎｍのｐ型有機半導体層を形成し、さらに、その上にｐ型有機半導体材料であるジインデノペリレン（ＤＩＰ）からなる平均厚さ５０ｎｍのベース電極側コレクタ層を、それぞれ真空蒸着法により形成し、上記異なる材料の２層が積層した構造のコレクタ層を作製した。次に、上記コレクタ層の上にフッ化リチウムからなる厚みが３ｎｍの電流透過促進層を形成し、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる電流透過促進層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる厚みが３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に各層および電極を積層し、実施例９のトランジスタ素子を得た。【００８４】
上記で得られた実施例９のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−１４１．２ｍＡ／ｃｍ2、ベース電流ＩBのオン電流密度ＩB-ON＝−０．３６ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のコレクタ電流ＩCのオフ電流密度ＩC-OFF＝−０．０３５ｍＡ／ｃｍ2、ベース電流ＩBのオフ電流密度ＩB-OFF＝０．００３ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は４０１３、電流増幅率は３９４．３であり、極めて優れた特性のものであることを確認した【００８５】
（比較例１）
［電流透過促進層：コレクタ層側は無／エミッタ層側は無］
頭−尾Ｐ３ＨＴ〔ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ−Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）〕をトルエンに溶解し、濃度が２０ｍｇ／ｍＬとなるようにＰ３ＨＴ溶液を調製した。得られたＰ３ＨＴ溶液を、ＩＴＯ透明基板上にスピンコーターにて塗布し、コレクタ層（２５０ｎｍ）を形成した。次に、アルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中雰囲気下において１５０℃の熱処理を１時間し、アルミ電極の表面に酸化膜層（暗電流抑制層）を形成した。次いで、真空蒸着法により銅フタロシアニンよりなるエミッタ層（１００ｎｍ）を形成した。次に、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法による成膜手段で形成し、比較例１のトランジスタ素子を得た。【００８６】
得られた素子を実施例１の素子と同様にして評価した。この結果、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示したものの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−０．０３ｍＡ／ｃｍ2、さらに、オン／オフ比は５１．８であり、実施例の素子と比べて明らかに劣っていた。【００８７】
（比較例２）
［電流透過促進層：コレクタ層側は無／エミッタ層側の厚み３ｎｍ］
頭−尾Ｐ３ＨＴ〔ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ−Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）〕をトルエンに溶解し、濃度が２０ｍｇ／ｍＬとなるようにＰ３ＨＴ溶液を調製した。得られたＰ３ＨＴ溶液を、ＩＴＯ透明基板上にスピンコーターにて塗布し、コレクタ層（２５０ｎｍ）を形成した。次に、アルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中雰囲気下において１５０℃の熱処理を１時間し、アルミ電極の表面に酸化膜層（暗電流抑制層）を形成した。次に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる厚みが３ｎｍの電流透過促進層を形成し、次いで、真空蒸着法により銅フタロシアニンよりなるエミッタ層（１００ｎｍ）を形成した。次に、酸化モリブデン層（正孔注入層）を真空蒸着法にて２ｎｍの平均膜圧となるように形成し、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極を真空蒸着法による成膜手段で形成し、比較例２のトランジスタ素子を得た。【００８８】
得られた素子を実施例１の素子と同様にして評価した。この結果、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示したが、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−０．０２ｍＡ／ｃｍ2、さらに、オン／オフ比は２．５、電流増幅率は０．７４であり、実施例の素子と比べて明らかに劣っていた。【００８９】
（比較例３）
［電流透過促進層：コレクタ層側は無／エミッタ層側は無］
実施例８において、フッ化リチウム層をベース電極の表裏に有していない、比較例の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を作成した。実施例８と同様に、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極として、基板上にP型有機半導体材料であるペンタセンからなる平均厚さ４００ｎｍの有機半導体層を形成しコレクタ層を作成し、アルミニウムからなる平均厚さ１５ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃の熱処理により、アルミ電極表面に酸化アルミニウムからなる誘電体層を形成した。さらに、エミッタ層としてペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層し、次に、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段でその順に積層し、比較例３のトランジスタ素子を得た。【００９０】
上記で得られた比較例３のトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。この結果、コレクタ電圧ＶC＝−５Ｖ、ベース電圧ＶB＝−３．０Ｖを印加したときの、コレクタ電流ＩCのオン電流密度ＩC-ON＝−１３．５４ｍＡ／ｃｍ2、ＶB＝０Ｖの時のオフ電流密度ＩC-OFF＝−０．０６７ｍＡ／ｃｍ2であり、さらに、オン／オフ比は２０２、電流増幅率は２．４１あり、実施例８と比べて明らかに劣っていた。【００９１】
（評価結果）
上記で得られた実施例１〜７、比較例１、２の各トランジスタ素子のトランジスタ特性を表１、表２に示した。実施例８、比較例３で得られたトランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。また、実施例８、比較例３の各素子において、コレクタ電圧ＶCを−１０Ｖ印加し、さらにベース電圧ＶBを印加したとき（０〜−３Ｖ）のコレクタ電流の出力特性（ＩC−ＶB特性）、ベース電流の入力特性（ＩB−ＶB特性）変化を、図３、４に示した。【００９２】
2013161078.tif 000003
【００９３】
2013161078.tif 000004
【００９４】
（評価結果）
トランジスタ素子の出力特性の評価は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧ＶCを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧ＶBを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流ＩCおよびベース電流ＩBの変化量を測定して行った。実施例のトランジスタ素子は、いずれもＭＢＯＴとして動作が確認された。表１、２に示したように、本発明のトランジスタ素子は、比較例の素子との比較から、ベース電極の表裏に電流透過促進層を積層構造としたことにより、優れた電流増幅率、コレクタ電流値、オン／オフ比が得られることが確認された。また、実施例１と実施例３との比較からエミッタ電極と有機半導体層の間に正孔注入層を積層とすることで、さらに優れた性能が得られ、実用化が期待されるトランジスタ特性が得られることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の有機トランジスタ素子は、オン電流が大きく、電流増幅率が高く大電流を得ることができ、スイッチング素子、電流増幅素子として利用でき、具体的には、有機ＥＬなどのディスプレイ用駆動素子、有機発光層を組み込んだ有機発光トランジスタ素子として利用することができ、その多様な分野での利用が期待される。
【符号の説明】
【００９６】
１０：基板
１１：コレクタ電極
１２：エミッタ電極
１３：ベース電極
２１：ｐ型有機半導体層（コレクタ層）
２２：ｐ型有機半導体層（エミッタ層）
３１Ａ：電流透過促進層（コレクタ層側電流透過促進層）
３１Ｂ：電流透過促進層（エミッタ層側電流透過促進層）
【図１】
2013161078.tif 000005
【図２】
2013161078.tif 000006
【図３】
2013161078.tif 000007
【図４】
2013161078.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月23日(2015.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極表面の片面または両面に暗電流抑制層が形成されており、
該ベース電極の表裏のそれぞれの側に少なくとも１層のｐ型有機半導体層が設けられており、さらに、これらのｐ型有機半導体層と該ベース電極との間に電流透過促進層がそれぞれに形成されている積層構造を有することを特徴とするトランジスタ素子。
【請求項２】
前記電流透過促進層が、アルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を含む層である請求項１記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記電流透過促進層が、フッ化リチウムを含む層である請求項１又は２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記電流透過促進層の厚みが、０．１〜１０ｎｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
前記エミッタ電極と該エミッタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層との間に、少なくとも１層の正孔注入層がさらに設けられている請求項１〜４いずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【請求項６】
前記コレクタ電極側に設けられているｐ型有機半導体層が、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【請求項７】
前記エミッタ電極と前記ベース電極間に電圧を印加し、さらに前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧を印加することで流れたコレクタ電流ＩC-ONが１０ｍＡ／ｃｍ2以上であり、かつ、エミッタ電極とベース電極間に電圧（ＶB）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（ＶC）を印加することにより流れるコレクタ電流ＩC-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ比（ＩC-ON／ＩC-OFF）が、５０以上となる電流変調性を示し、さらに、変調されたコレクタ電流ＩCの電流増幅率が５０以上である請求項１〜６のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。
【国際調査報告】
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