(57)【要約】【課題】青色発光を示し、発光効率とキャリヤ移動度の双方の特性が良好な有機発光トランジスタ材料およびこれを用いた有機発光トランジスタ素子を提供する。【解決手段】下記の式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物からなる有機発光トランジスタ材料およびこれを用いた有機発光トランジスタ素子。2008050529.tif 000013（式（１）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。Ｚは、Ｃ−Ｈまたは窒素原子Ｎを示す。ｎは２または３を示す。また、式（２）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。ｎは、２または３を示す。）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物からなる有機発光トランジスタ材料。
【化１】
2008050529.tif 000012
（式（１）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。Ｚは、Ｃ−Ｈまたは窒素原子Ｎを示す。ｎは、２または３を示す。また、式（２）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。ｎは、２または３を示す。）
【請求項２】
上記式（１）のＲ1およびＲ2がともに水素原子であり、ＺがＣ−Ｈであり、かつｎが２または３である請求項１に記載の有機発光トランジスタ材料。
【請求項３】
上記式（２）のＲ1およびＲ2がともにメチル基であり、ｎが２または３である請求項１に記載の有機発光トランジスタ材料。
【請求項４】
上記式（１）のＲ1およびＲ2がともに水素原子であり、Ｚが窒素原子Ｎであり、かつｎが３である請求項１に記載の有機発光トランジスタ材料。
【請求項５】
互いに離れた第１の電極および第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極に接し、請求項１〜４のいずれかに記載の有機発光トランジスタ材料を含む有機半導体層と、
前記第１の電極および前記第２の電極に対向する第３の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極と、前記第３の電極との間に設けられた絶縁層と、を含むことを特徴とする有機発光トランジスタ素子。
【請求項６】
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記絶縁層に接していることを特徴とする請求項５に記載の有機発光トランジスタ素子。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記有機半導体層の面上であって、前記絶縁層と接する面とは反対側の面上に設けられることを特徴とする請求項５に記載の有機発光トランジスタ素子。
【請求項８】
前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯形状部を有し、かつ前記第１の電極の櫛歯形状部を構成する櫛歯と、前記第２の電極の櫛歯形状部を構成する櫛歯とを、所定間隔をあけて交互に配置したことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の有機発光トランジスタ素子。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機発光トランジスタ材料およびこれを用いた有機発光トランジスタ素子に関する。また、本発明は、当該有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子という）は、自発光、薄型軽量である等のメリットを有していることから、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）等の表示装置用として近年活発に研究開発が行なわれている。代表的な有機ＥＬ素子の駆動方式として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス（ＡＭ）方式がある。しかし、ＡＭ方式は、高精細化、低消費電力化が可能であるといったメリットを有する一方、作製プロセスが煩雑であり、作製コストが高い等の問題を有する。
【０００３】
このような背景の下、有機ＥＬ素子と有機トランジスタを一体化する、すなわち有機トランジスタに発光機能を持たせる試みがなされている。このような有機トランジスタに発光機能を持たせた有機発光トランジスタ素子は、トランジスタ部と発光部とを別々に有する従来のデバイスに比べ、部品点数を大幅に少なくすることができるため、作製プロセスの簡略化、作製コストの低減、デバイスのコンパクト化等を図ることができる画期的な複合素子として期待されている。
【０００４】
たとえば、特許文献１には、横型ＭＯＳ構造の有機ＴＦＴの有機半導体層に発光層の機能を付与した有機薄膜発光トランジスタが開示されている。しかしながら、当該有機薄膜発光トランジスタに用いられている有機半導体材料には、有機トランジスタ用材料として従来公知の材料が採用されており、有機ＥＬ素子としての機能を十分に発揮するとは考えにくい。また、当該特許文献１に記載の有機薄膜発光トランジスタ（実施の形態２）は、通常有機トランジスタが有する構造と比較し、かなり複雑な構造を有している。
【０００５】
ここで、有機ＥＬ素子用または有機トランジスタ用に開発された有機半導体材料をそのまま有機発光トランジスタ材料として用いることは通常できない。これは、有機発光トランジスタ材料には発光特性とキャリヤ移動特性の両面において、良好な特性を有することが要求されるが、たとえば近年使用されている有機ＥＬ材料のほとんどは、電界効果移動度が非常に低いためである。
【０００６】
そのため、有機発光トランジスタ用材料として高発光かつ高キャリヤ移動度を示す有機半導体材料の開発が待たれるが、概して、発光効率が上昇するとキャリヤ移動度は低くなる傾向にあるため、発光効率、キャリヤ移動度の双方を十分に満足する有機発光トランジスタ用材料の開発は非常に困難であるのが現状である。
【０００７】
ところで、高機能を有する有機ＥＬ材料の探索が、現在もなお活発に行なわれており、３原色の１つである青色発光材料についても例外ではない。たとえば、非特許文献１、非特許文献２には、青色またはＵＶ発光材料として有用なオリゴ（９，９−ジアリルフルオレン）誘導体が開示されている。
【０００８】
このような青色発光する有機半導体材料の必要性は、有機発光トランジスタ素子についてもいえるが、上述のように、青色発光材料に限らず発光効率、キャリヤ移動度の双方を十分に満足する有機発光トランジスタ用材料の開発は非常に困難であり、青色発光を示し、かつ発光効率、キャリヤ移動度の双方を十分に満足する有機発光トランジスタ用材料はないのが現状である。
【特許文献１】特開２００３−２８２２５６
【非特許文献１】Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２００４，１６，６１．
【非特許文献２】Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２００５，１７，９９２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、青色発光を示し、発光効率とキャリヤ移動度の双方の特性が良好な有機発光トランジスタ材料およびこれを用いた有機発光トランジスタ素子を提供することである。また、本発明の別の目的は、当該有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは鋭意検討した結果、特定のオリゴ（９，９−ジアリルフルオレン）誘導体が、良好な発光特性を有するのみならず、高キャリヤ移動度を有し、これを有機発光トランジスタの活性層の材料として用いると、従来と比較して非常に高い発光効率とキャリヤ移動度を有する有機発光トランジスタが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。
【００１１】
本発明は、下記の式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物からなる有機発光トランジスタ材料である。
【００１２】
【化１】
2008050529.tif 000002
【００１３】
（式（１）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。Ｚは、Ｃ−Ｈまたは窒素原子Ｎを示す。ｎは２または３を示す。また、式（２）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。ｎは、２または３を示す。）
ここで、上記式（１）において、Ｒ1およびＲ2がともに水素原子であり、ＺがＣ−Ｈであり、かつｎが２または３であることが好ましい。
【００１４】
また、上記式（２）において、Ｒ1およびＲ2がともにメチル基であり、ｎが２または３であることが好ましい。
【００１５】
上記式（１）において、Ｒ1およびＲ2がともに水素原子であり、Ｚが窒素原子Ｎであり、かつｎが３であることが好ましい。
【００１６】
さらに本発明は、上記いずかの有機発光トランジスタ材料を用いた有機発光トランジスタ素子を提供する。本発明の有機発光トランジスタ素子は、互いに離れた第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極に接し、請求項１〜４のいずれかに記載の有機発光トランジスタ材料を含む有機半導体層と、前記第１の電極および前記第２の電極に対向する第３の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極と、前記第３の電極との間に設けられた絶縁層と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記絶縁層に接していてもよい。また、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記有機半導体層の面上であって、前記絶縁層と接する面とは反対側の面上に設けられてもよい。
【００１８】
また、本発明の有機発光トランジスタ素子においては、前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯形状部を有し、かつ前記第１の電極の櫛歯形状部を構成する櫛歯と、前記第２の電極の櫛歯形状部を構成する櫛歯とを、所定間隔をあけて交互に配置した構成としてもよい。また本発明は、上記有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の有機発光トランジスタ材料は、高発光効率、高キャリヤ移動度を有するため、有機発光トランジスタ素子の活性層材料として好適に用いることができる。
【００２０】
本発明の有機発光トランジスタ素子は、発光効率が高く、良好な青色発光を示すとともに、有機トランジスタとしての機能も高い。また、本発明の有機発光トランジスタ素子は、比較的シンプルな構造を有しており、作製が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜有機発光トランジスタ材料＞
本発明の有機発光トランジスタ材料は、下記の式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物からなることを特徴とする。
【００２２】
【化２】
2008050529.tif 000003
【００２３】
（式（１）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。Ｚは、Ｃ−Ｈまたは窒素原子Ｎを示す。ｎは２または３を示す。また、式（２）中、Ｒ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または置換基を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。ｎは、２または３を示す。）
上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物は、従来公知の方法により合成することができる。たとえば、前記非特許文献１（第６４頁右欄「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ」）および非特許文献２（第９９３頁左欄第１７行〜同頁右欄第３行、Ｓｃｈｅｍｅ  １、および第９９５頁右欄「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ」）に記載の方法に従って、またはこれらの方法と同様の方法で合成することができる。
【００２４】
これらの化合物は、高いキャリヤ移動度を有しているとともに、高い発光効率を有していることから、有機発光トランジスタ材料として好適に用いることができる。
【００２５】
上記式（１）、式（２）中のＲ1およびＲ2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ水素原子または直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を示す。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基などを挙げることができ、これらは置換基を有していてもよい。
【００２６】
上記式（１）中のＺは、Ｃ−Ｈまたは窒素原子Ｎである。また、上記式（１）、式（２）中のｎは２または３を示す。すなわち、本発明の有機発光トランジスタを構成する化合物は、９，９−ジアリルフルオレン誘導体の２量体または３量体である。
【００２７】
上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物の中でも、上記式（１）のＲ1およびＲ2がともに水素原子であり、ＺがＣ−Ｈであり、かつｎが２である下記の式（３）で表される化合物（以下、化合物Ｂ２と称する）、上記式（１）のＲ1およびＲ2がともに水素原子であり、ＺがＣ−Ｈであり、かつｎが３である下記の式（４）で表される化合物（以下、化合物Ｂ３と称する）、上記式（２）のＲ1およびＲ2がともにメチル基であり、ｎが２である下記の式（５）で表される化合物（以下、化合物Ｔ２と称する）、上記式（２）のＲ1およびＲ2がともにメチル基であり、ｎが３である下記の式（６）で表される化合物（以下、化合物Ｔ３と称する）、および、上記式（１）のＲ1およびＲ2がともに水素原子であり、Ｚが窒素原子Ｎであり、かつｎが３である下記の式（７）で表される化合物（以下、化合物Ｂ３Ｎと称する）が、発光効率およびキャリヤ移動度の面から好ましい。ここで、下記の式（５）および（６）において、Ｍｅはメチル基を表す。
【００２８】
【化３】
2008050529.tif 000004
【００２９】
図１は、本発明の有機発光トランジスタ材料である化合物Ｂ２、Ｂ３、Ｔ２、Ｔ３およびＢ３Ｎからなる薄膜（膜厚１００ｎｍ）のＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）スペクトルである。図１（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、化合物Ｂ２、Ｂ３、Ｔ２、Ｔ３、Ｂ３ＮについてのＰＬスペクトルである。なお、当該ＰＬスペクトルは、Ｊａｓｃｏ社製ＦＰ−６３００  蛍光分光計を用いて測定した。
【００３０】
また表１に、化合物Ｂ２、Ｂ３、Ｔ２、Ｔ３およびＢ３Ｎからなる各薄膜（膜厚１００ｎｍ）の蛍光ピーク波長λflu、ＰＬ発光効率および各化合物のガラス転移温度を示す。なお、ＰＬ発光効率は、各有機発光トランジスタ材料を窒素雰囲気下において石英基板上に１００ｎｍ蒸着し単層膜を形成した後、積分球（ＩＳ−０６０、Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ  Ｃｏ．）を用いて、励起光として波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ（ＩＫ５６５１Ｒ−Ｇ、Ｋｉｍｍｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．）を照射し、サンプルからの発光をＭｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（ＰＭＡ−１１、Ｈａｍａｍａｔｓｕ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．）で測定することにより算出した。
【００３１】
【表１】
2008050529.tif 000005
【００３２】
図１および表１が示すように、これらの化合物は、近紫外〜深青領域（すなわち、３９５〜４３１ｎｍ）に蛍光ピーク波長を有しており、青色発光材料として非常に好ましい化合物であることがわかる。また、ＰＬ発光効率は、４７〜７２％と非常に高い。なお、発光効率とは、光子や電子を入れることによって生じる光の割合をいい、ＰＬ発光効率（または、ＰＬ量子効率）とは、注入された光エネルギーに対する、放出された光エネルギーの割合をいうが、素子としての発光効率を評価する場合には、注入された電子の個数に対する、放出された光子の個数の割合であるＥＬ発光効率（または、ＥＬ量子効率）をも考慮するべきである。
【００３３】
注入され、励起された電子は、正孔と再結合することにより光を発するが、この再結合は必ずしも１００％の確率で生じない。このため、発光材料の発光特性を比較する際には、ＥＬ発光効率を対比することにより、注入された光エネルギーに対する光エネルギー放出量の割合と、再結合の割合との相乗効果を比較することができる。ところで、ＰＬ発光効率を対比することにより、注入された光エネルギーに対する光エネルギー放出量の割合を比較することができるので、ＰＬ発光効率およびＥＬ発光効率の両方を組み合わせて対比することにより、電子と正孔との再結合の割合を比較することも可能である。
【００３４】
また、化合物Ｂ２、Ｂ３、Ｔ２、Ｔ３およびＢ３Ｎのガラス転移温度は、１５０℃以上と高い。このことは、これらの化合物が剛直な分子構造を有し、熱的に非常に安定であり、熱を用いた蒸着による薄膜の形成が十分に可能であることを示している。
【００３５】
＜有機発光トランジスタ素子＞
次に、上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物を有機発光トランジスタ材料として含む有機発光トランジスタ素子について説明する。図２は、本発明の有機発光トランジスタ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。このように、本発明の有機発光トランジスタ素子は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の基本構造を好ましく採用することができる。
【００３６】
本発明の有機発光トランジスタ素子は、たとえば図２に示される構造のように比較的単純な構造を有している。すなわち基本的には、有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の基本構造を有し、その有機半導体層に本発明の有機発光トランジスタ材料を採用した構成となっている。したがって、ＡＭ駆動式の有機ＥＬ素子などと比較してより容易に作製することが可能であり、これは作製コストの低減をもたらす。
【００３７】
図２に示される有機発光トランジスタ素子は、互いに離れた第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）と、前記第１の電極２０１および前記第２の電極２０２に接し、本発明の有機発光トランジスタ材料を含む有機半導体層２０３と、前記第１の電極２０１および前記第２の電極２０２に対向する第３の電極２０４（ゲート電極）と、前記第１の電極２０１および前記第２の電極２０２と前記第３の電極２０４との間に設けられた絶縁層２０５と、を含むことを特徴とする。
【００３８】
より具体的には、第３の電極２０４（ゲート電極）上に絶縁層２０５が設けられ、その上に第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）が間隔をあけて設けられる。すなわち、第１の電極２０１および第２の電極２０２は、絶縁層２０５に接している。そして、この第１の電極２０１および第２の電極２０２を覆い、かつ両電極の間に入り込むように有機半導体層２０３が設けられる。
【００３９】
有機半導体層２０３は、本発明の有機発光トランジスタ材料である上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物の１種または２種以上を含む。当該有機半導体層２０３の膜厚は特に限定されないが、たとえば７０ｎｍ程度以上である。上述したように、上記式（３）〜（７）で表される化合物Ｂ２、Ｂ３、Ｔ２、Ｔ３およびＢ３Ｎは、近紫外〜深青領域（すなわち、３９５〜４３１ｎｍ）に蛍光ピーク波長を有しているため、これらの化合物を有機半導体層２０３に用いることにより、青色発光を示す有機発光トランジスタ素子を得ることができる。また、本発明の有機発光トランジスタ材料である上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物の１種または２種以上とともに、微量のドーパントを添加することにより、異なる色を発現させることも可能である。
【００４０】
第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）は、正孔および電子を上記有機半導体層２０３に注入するための電極であり、たとえばＡｕ、マグネシウム−金合金（ＭｇＡｕ）等で形成される。Ａｕ、ＭｇＡｕ層は、たとえばＣｒ層等とともに、多層構造を形成していてもよい。両電極間は互いに離れて形成され、その間隔は特に制限されるものではないが、たとえば０．４〜５０μｍ程度である。５０μｍを超えると十分な半導体性を発揮しにくくなる。第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）の間隔は、より好ましくは１５μｍ以下である。
【００４１】
ここで、第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）の構成の具体例を、図３を参照して説明する。図３は、第１の電極（ソース電極）および第２の電極（ドレイン電極）の構成の一例を示す平面図である。図３に示されるように、第１の電極３０１（ソース電極）および第２の電極３０２（ドレイン電極）は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯形状部３０３、３０４を有するように形成され、第１の電極３０１の櫛歯形状部３０３を構成する櫛歯と、第２の電極３０２の櫛歯形状部３０４を構成する櫛歯とを、所定間隔をあけて交互に配置する構成とすることができる。このときの第１の電極３０１（ソース電極）および第２の電極３０２（ドレイン電極）の間隔、すなわち櫛歯形状部３０３および櫛歯形状部３０４の間隔は、上述したように、たとえば０．４〜５０μｍ程度であり、より好ましくは１５μｍ以下である。このような構成とすることにより、有機発光トランジスタ素子としての機能をより効率的に発揮させることができる。
【００４２】
絶縁層２０５には、従来公知の材料を用いることができ、典型的には酸化シリコン（ＳｉＯ2）である。また、第３の電極２０４（ゲート電極）にも従来公知の材料を用いることができ、典型的には、たとえば高ドープＮ＋シリコン基板で構成される。ここで、図２には示されていないが、第３の電極２０４（ゲート電極）は、基板上に設けられてもよい。基板としては従来公知のものを採用することができ、たとえばガラス製基板、シリコン基板の他、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド等の有機材料基板などを挙げることができる。
【００４３】
次に、図２に示される有機発光トランジスタ素子の製造方法の一例について説明する。第３の電極２０４（ゲート電極）上に順次絶縁層２０５、第１の電極２０１および第２の電極２０２を形成するまでは、電界効果トランジスタ素子を製造する際に通常用いられる方法、たとえばフォトリソグラフィおよびリフトオフ技術を用いた方法を採用することができる。次に、第１の電極２０１および第２の電極２０２を覆い、かつ両電極間に入り込むようにして有機半導体層２０３を形成するが、ここでも従来公知の方法を用いることが可能である。具体的には、好ましくは有機溶剤等で洗浄した後、上記式（１）または式（２）で表されるジアリルフルオレン化合物の１種または２種以上を高真空下、熱をかけながら真空蒸着することにより、有機半導体層２０３を形成することができる。真空蒸着を行なう際の基板温度は、好ましくは有機半導体材料のガラス転移温度以下である。高真空とは、たとえば１×１０-3Ｐａ以下であるが、これに限定されるものではない。
【００４４】
以上、本発明の有機発光トランジスタ素子の好ましい一例として、図２に示される構造を説明したが、本発明の有機発光トランジスタ素子の構造は、これに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が加えられてもよい。たとえば、図４に示されるような構造としてもよい。図４は、本発明の有機発光トランジスタ素子の別の好ましい一例を示す概略断面図である。図４に示される構造においては、第１の電極４０１および第２の電極４０２は、有機半導体層４０３の面上であって、絶縁層４０５と接する面とは反対側の面上に設けられている。すなわち、図４に示される構造を有する有機発光トランジスタ素子は、有機半導体層４０３を、真空蒸着等により絶縁層４０５上に形成した後、当該有機半導体層４０３上に、第１の電極４０１および第２の電極４０２が形成される。
【００４５】
次に、図２を参照しながら、本発明の有機発光トランジスタ素子の発光機構について説明する。図２に示される有機発光トランジスタ素子は、第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）に電圧を印加することにより、その内部で正孔および電子の両方を移動させ、有機半導体層２０３内で、両者を再結合させることにより発光を生じさせることができる。このとき、有機半導体層２０３を通って両電極間を移動する正孔および電子の量は、第３の電極２０４（ゲート電極）に印加される電圧に依存する。このため、第３の電極２０４にかける電圧およびその変化を制御することにより、上記第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）の間の導通状態を制御することが可能となる。なお、本発明の有機発光トランジスタ素子は、Ｐ型駆動を行なうので、第１の電極２０１に対し第２の電極２０２に負の電圧が加えられ、また、第２の電極２０２に対して第３の電極２０４（ゲート電極）に負の電圧が加えられる。
【００４６】
具体的には、第３の電極２０４（ゲート電極）に第１の電極２０１（ソース電極）に対して負の電圧を印加することにより、有機半導体層２０３内の正孔が第３の電極２０４側に引き寄せられ、絶縁層２０５の表面付近は正孔の密度が高い状態となる。第１の電極２０１および第２の電極２０２の間の電圧を適切にすると、第３の電極２０４に与える制御電圧の大小によって、第１の電極２０１から有機半導体層２０３に正孔が注入され、第２の電極２０２から有機半導体層２０３に電子が注入される状態となる。すなわち、第１の電極２０１は正孔注入電極として機能し、第２の電極２０２は電子注入電極として機能する。これにより、有機半導体層２０３内において、正孔および電子の再結合が生じ、これに伴う発光が生じることになる。この発光状態は、第３の電極２０４に与えられる制御電圧を変化させることによりオン／オフさせたり、発光強度を変えたりすることができる。
【００４７】
上記の正孔および電子の再結合により発光が生じるメカニズムは、図５を参照して、次のように説明することができる。第３の電極５０４（ゲート電極）に第１の電極５０１（ソース電極）に対して負の電圧を印加することにより、図５（ａ）に示すように、有機半導体層５０３において、絶縁層５０５の界面近くに正孔のチャネル５１１が形成され、そのピンチオフ点５１２が第２の電極５０２（ドレイン電極）近傍に至る。そして、ピンチオフ点５１２と第２の電極５０２との間に高電界が形成され、図５（ｂ）に示すように、エネルギーバンドが大きく曲げられる。これにより、第２の電極５０２と有機半導体層５０３との間の電位障壁を突き抜けるＦＮ（ファウラーノルドハイム）トンネル効果が生じ、第２の電極５０２内の電子が、有機半導体層５０３内に注入され、正孔と再結合される。
【００４８】
また、正孔および電子の再結合は、上記のＦＮトンネル効果による説明以外に、次の理論による説明も可能である。すなわち、図５（ｃ）に示すように、有機半導体層５０３内の有機蛍光体のＨＯＭＯエネルギーレベルにある電子が高電界によってＬＵＭＯエネルギーレベルに励起され、この励起された電子が有機半導体層５０３内の正孔と再結合する。それとともに、ＬＵＭＯエネルギーレベルへの励起によって空席となったＨＯＭＯエネルギーレベルに第２の電極５０２から電子が注入されて補われる。
【００４９】
＜表示装置＞
本発明の有機発光トランジスタ素子は、表示装置に好適に用いることができる。このような本発明の表示装置は、発光部とこれを駆動する駆動部とが一体化された有機発光トランジスタ素子を用いているため、従来と比較してコンパクト化が可能であるとともに、構造が比較的簡単であるため、作製プロセスも簡略化されている。
【００５０】
図６は、本発明の有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置の一例を示す電気回路図である。図６に示される表示装置６０２は、基板６０１上に複数個の本発明の有機発光トランジスタ素子を二次元配列させることによって構成することができる。すなわち、この表示装置６０２は、本発明の有機発光トランジスタ素子を、マトリクス配列された画素Ｐ１１、Ｐ１２、・・・、Ｐ２１、Ｐ２２、・・・内にそれぞれ配置し、これらの画素の有機発光トランジスタ素子を選択的に発光させ、また、各画素の発光トランジスタ素子の発光強度（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。基板６０１は、たとえばゲート電極Ｇを一体化したシリコン基板であってもよい。すなわち、ゲート電極Ｇは、シリコン基板の表面にパターン形成した不純物拡散層からなる導電層により構成してもよい。あるいは、基板６０１として、たとえばガラス基板を用い、この上にゲート電極Ｇを形成してもよい。
【００５１】
各有機発光トランジスタ素子は、Ｐ型駆動するので、そのドレイン電極Ｄにはバイアス電圧Ｖｄ（＜０）が与えられ、そのソース電極Ｓは接地電位（＝０）とされる。ゲート電極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る。
【００５２】
行方向に整列した画素Ｐ１１、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ＬＳ１、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Ｐ１１、Ｐ２１、・・・；Ｐ１２、Ｐ２２、・・・の選択トランジスタＴｓにおいて有機発光トランジスタ素子と反対側には、列ごとに共通のデータ線ＬＤ１、ＬＤ２、・・・がそれぞれ接続される。
【００５３】
走査線ＬＳ１、ＬＳ２、・・・には、コントローラ６０５によって制御される走査線駆動回路６０３から、各行の画素Ｐ１１、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６０３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、これにより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させることができる。
【００５４】
一方、データ線ＬＤ１、ＬＤ２、・・・には、データ線駆動回路６０４からの信号が入力される。このデータ線駆動回路６０４には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ６０５から入力される。データ線駆動回路６０４は、各行の複数の画素が走査線駆動回路６０３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を介してゲート電極Ｇに発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機発光トランジスタ素子は、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６０３による選択行が他の行に移った後にも、ゲート電極Ｇの電位が保持され、有機発光トランジスタ素子の発光状態が保持される。このようにして、二次元表示が可能となる。
【００５６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５７】
（有機発光トランジスタ素子の作製）
＜実施例１＞
図２に示される構造を有する有機発光トランジスタ素子を、次の方法により作製した。まず、ゲート電極２０４としての高ドープＮ＋シリコン基板（０．５ｍｍ厚）上に、３００ｎｍの膜厚の酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を熱蒸着し、絶縁層２０５を形成した。ついで、当該絶縁層上に、Ｃｒ（厚さ１ｎｍ）／Ａｕ（厚さ４０ｎｍ）からなる第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）を、図３に示すような、それぞれの櫛歯形状部が交互に配されるように形成した。両電極の形成には、従来公知のフォトリソグラフィおよびリフトオフ技術を用いた。第１の電極２０１（ソース電極）−第２の電極２０２（ドレイン電極）間の距離ＬSDは、１０μｍとした。また、チャネルの長さ、すなわち各電極の櫛歯形状部が交差している部分の長さは２ｍｍとした。ついで、基材をアセトンおよびイソプロパノールで洗浄した後、上記化合物Ｂ３を用い、１×１０-3Ｐａ未満の高真空下で、第１の電極２０１（ソース電極）および第２の電極２０２（ドレイン電極）を覆うように蒸着することにより、有機半導体層２０３（厚さ８０ｎｍ）を形成し、有機発光トランジスタ素子を得た。
【００５８】
＜実施例２〜６＞
第１の電極２０１（ソース電極）−第２の電極２０２（ドレイン電極）間の距離ＬSDを３、１、０．８、０．６および０．４μｍ（それぞれ実施例２、３、４、５、６とする）としたこと以外は、実施例１と同様にして有機発光トランジスタ素子を作製した。
【００５９】
＜実施例７〜１０＞
有機半導体層２０３に用いる有機発光トランジスタ材料が、上記化合物Ｂ２、Ｔ２、Ｔ３、Ｂ３Ｎ（それぞれ実施例７、８、９、１０とする）であること以外は、実施例１と同様にして有機発光トランジスタ素子を作製した。いずれにおいても第１の電極２０１（ソース電極）−第２の電極２０２（ドレイン電極）間の距離ＬSDは、１０μｍとした。
【００６０】
＜比較例１＞
有機半導体層２０３に用いる有機発光トランジスタ材料が、下記の式（８）で示される比較化合物１を用いたこと以外は、実施例１と同様にして有機発光トランジスタ素子を作製した。第１の電極２０１（ソース電極）−第２の電極２０２（ドレイン電極）間の距離ＬSDは、１０μｍとした。
【００６１】
【化４】
2008050529.tif 000006
【００６２】
（有機発光トランジスタ素子の評価）
（１）Ｉd−Ｖd特性
Ｐ型駆動した場合における実施例１〜６で得られた有機発光トランジスタ素子のＩd（ドレイン電流）−Ｖd（ドレイン電圧）特性を図７に示す。図７（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施例１〜６の有機発光トランジスタ素子のＩd（ドレイン電流）−Ｖd（ドレイン電圧）特性である。図７（ａ）〜（ｆ）の各グラフにおける６つの曲線は、上から順に、ゲート電圧Ｖdを−１００、−８０、−６０、−４０、−２０、０Ｖとしたときのデータを示す（ゲート電圧Ｖdが−４０〜０Ｖの場合においては曲線は一部重複している場合がある）。図７に示されるように、特に実施例１〜５の有機発光トランジスタ素子においては、あるドレイン電圧Ｖdにおける、ゲート電圧Ｖgの変化によるドレイン電流Ｉdの差が十分に大きく、スイッチング素子としての機能を十分に有していることがわかる。なお、Ｉd−Ｖd特性は、半導体パラメータアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ  ４１４５）を用いて測定した。
【００６３】
（２）キャリヤ移動度μおよびＨＯＭＯ／ＬＵＭＯエネルギーレベル
実施例１および実施例７〜１０の有機発光トランジスタ素子についてのキャリヤ移動度およびＨＯＭＯ／ＬＵＭＯエネルギーレベルを表２に示す。表２に示すキャリヤ移動度は、ホールの移動度である。本発明の有機発光トランジスタ素子は、比較例１の有機発光トランジスタ素子と同等またはそれ以上のキャリヤ移動度を有していることがわかる。なお、ＨＯＭＯ／ＬＵＭＯエネルギーレベルは、紫外光電子分光器（ＡＣ−１、Ｒｉｋｅｎ  Ｋｅｉｋｉ  Ｃｏ．）を用いて測定した。また、キャリヤ移動度は、以下のようにして算出した。
【００６４】
ドレイン電圧Ｖdがピンチオフ電圧より小さいとき、トランジスタ素子のドレイン電圧Ｖdとドレイン電流Ｉdの関係は、下記の式［１］で表される（線形領域）。
【００６５】
【数１】
2008050529.tif 000007
【００６６】
また、Ｖdが大きくなると、チャネルのピンチ・オフによりＩdは飽和して一定の値となり（飽和領域）、このときＩdは下記の式［２］で表される。
【００６７】
【数２】
2008050529.tif 000008
【００６８】
ここで、上記式［１］および［２］の各符号は、下記の通りである。
ＬSD  ：チャネル長（ｃｍ）
Ｗ  ：チャネル幅（ｃｍ）
Ｃi  ：ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量（Ｆ／ｃｍ2）
μ  ：半導体のキャリヤ移動度（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）
Ｉd  ：ドレイン電流（Ａ）
Ｖd  ：ドレイン電圧（Ｖ）
Ｖg  ：ゲート電圧（Ｖ）
ＶＴ  ：ゲート閾値電圧（Ｖ）  （飽和領域におけるドレイン電圧Ｖdが一定の下でドレイン電流Ｉdの１／２乗をゲート電圧Ｖgに対してプロットし、漸近線が横軸と交わる点を示す。）
この飽和領域におけるＩdの１／２乗とＶgの関係からキャリヤ移動度μを算出することができる。本実施例においては、真空度約１×１０-3Ｐａ、室温の条件下、半導体パラメータアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ  ４１４５）を用いて、ドレイン電圧Ｖdを１０Ｖから−１００Ｖまで、−１Ｖのステップで、ゲート電圧Ｖgを０Ｖから−１００Ｖまで、−２０Ｖのステップでスキャンし、上記式［２］を用いてキャリヤ移動度μを算出した。
【００６９】
（３）ＥＬ発光効率ηext
実施例１〜６の有機発光トランジスタ素子についてのＥＬ発光効率ηextを表２に示す。本発明の有機発光トランジスタ素子は、高いＥＬ発光効率を有し、特に実施例２、３（ＬSD＝３、１μｍ）では０．６％という非常に高いＥＬ発光効率を示すことがわかる。
【００７０】
なお、ＥＬ発光効率ηextは、ドレイン電圧Ｖdを１０Ｖから−１００Ｖまで、−１Ｖのステップで、ゲート電圧Ｖgを０Ｖから−１００Ｖまで、−２０Ｖのステップでスキャンし、素子から発せられる発光をフォトンカウンタ（Ｎｅｗｐｏｒｔ社製、４１５５Ｃ  半導体パラメータアナライザ）を用いて測定し、得られた光子数（ＣＰＳ）を下記の式［３］を用いて光束（ｌｍ）に変換後、下記の式［４］を用いてＥＬ発光効率ηextを算出した。
【００７１】
【数３】
2008050529.tif 000009
【００７２】
【数４】
2008050529.tif 000010
【００７３】
ここで、上記式［３］および［４］の各符号は下記の通りである。
ＮPC  ：フォトンカウンタによって観測した光子数（ＣＰＳ）
ＸPC  ：光子数を光束（ｌｍ）に変換した値
ｒ  ：フォトンカウンタ計測部の開口部分における円錐または円の半径（ｃｍ）
ｈ  ：フォトンカウンタとサンプルとの距離（ｃｍ）
ｂａｓｅ  ：発光していないときの光子数（ダークカレント）
【００７４】
【表２】
2008050529.tif 000011
【００７５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の有機発光トランジスタ材料である化合物からなる薄膜（膜厚１００ｎｍ）のＰＬスペクトルであり、（ａ）は化合物Ｂ２、（ｂ）は化合物Ｂ３、（ｃ）は化合物Ｔ２、（ｄ）は化合物Ｔ３、（ｅ）は化合物Ｂ３ＮについてのＰＬスペクトルである。
【図２】本発明の有機発光トランジスタ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図３】第１の電極および第２の電極の構成の一例を示す平面図である。
【図４】本発明の有機発光トランジスタ素子の別の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の有機発光トランジスタ素子の発光のメカニズムを示す模式図である。
【図６】本発明の有機発光トランジスタ素子を用いた表示装置の一例を示す電気回路図である。
【図７】実施例１〜６で得られた有機発光トランジスタ素子のＩd−Ｖd特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
２０１，３０１，４０１，５０１  第１の電極、２０２，３０２，４０２，５０２  第２の電極、２０３，４０３，５０３  有機半導体層、２０４，４０４，５０４  第３の電極、２０５，４０５，５０５  絶縁層、３０３，３０４  櫛歯形状部、６０１  基板、６０２  表示装置、６０３  走査線駆動回路、６０４  データ線駆動回路、６０５  コントローラ。
【図１】
2008050529.tif 000014
【図２】
2008050529.tif 000015
【図３】
2008050529.tif 000016
【図４】
2008050529.tif 000017
【図５】
2008050529.tif 000018
【図６】
2008050529.tif 000019
【図７】
2008050529.tif 000020