(57)【要約】【課題】電気特性の優れた有機半導体装置を提供する。【解決手段】各々が、対向する１対のソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように成膜されたキャリア移動性の有機半導体層と、ソース電極及びドレイン電極の間の有機半導体層に電界をゲート絶縁膜を介して印加せしめるゲート電極と、を備えた少なくとも２つのｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子からなる有機半導体装置において、ｐ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極は、ｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極の仕事関数の値よりも高い値の仕事関数を有する材料からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、対向する１対のソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように成膜された有機半導体層と、前記ソース電極及びドレイン電極の間の前記有機半導体層に電界をゲート絶縁膜を介して印加せしめるゲート電極と、を備えた少なくともｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子からなる有機半導体装置であって、前記ｐ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極は、前記ｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極の仕事関数の値よりも高い値の仕事関数を有する材料からなることを特徴とする有機半導体装置。
【請求項２】
前記ｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子の有機半導体層はそれぞれｐ型及びｎ型有機半導体であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置。
【請求項３】
前記ｐ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極は前記ｐ型有機半導体層のイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有することを特徴とする請求項２記載の有機半導体装置。
【請求項４】
前記ｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極は前記ｎ型有機半導体層の電子親和力近傍の仕事関数を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機半導体装置。
【請求項５】
前記ｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極を互いに接続する配線を備え、前記配線は前記ソース電極又は前記ドレイン電極の材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機半導体装置。
【請求項６】
前記ｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極を互いに接続する配線を備え、前記配線は前記ソース電極又は前記ドレイン電極の材料以外の導電材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機半導体装置。
【請求項７】
前記ソース電極又は前記ドレイン電極の材料以外の導電材料は導電性ペーストであることを特徴とする請求項６記載の有機半導体装置。
【請求項８】
前記ｐ型又はｎ型チャネル有機半導体素子のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極のいずれかに接続する第２配線を備え、前記第２配線は有機エレクトロルミネセンス装置を画素の発光部とする有機エレクトロルミネセンス表示装置に接続されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の有機半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャリア移動性を有する有機化合物を利用した有機半導体では、有機半導体薄膜に電界を加えるとキャリア密度が増加するので、有機半導体薄膜上に１対の電極を設けその間に電流を流すことが可能になる。よって、有機トランジスタの研究もなされ、電気信号を利用して、接合界面（金属−有機半導体、有機半導体−有機半導体）にて、有機半導体中のキャリア（電子及び正孔）を制御する情報の伝達、処理及び記録表示などの技術に有機半導体が利用されつつある。
【０００３】
例えば、有機半導体薄膜を用いた有機ＭＯＳ−ＴＦＴの構造には、基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極及びドレイン電極、並びに有機半導体層を備えている。有機トランジスタの動作周波数を高めるためにはキャリア移動度の向上が必要であるので、有機半導体層にペンタセンなどをゲート絶縁膜にＰＭＭＡ、シクロヘキセンをなど用いた積層構造が提案されている。電極材料としてソース及びドレインともにＰｄ、Ａｕなどが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の相補形有機半導体装置におけるｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子それぞれのソース電極及びドレイン電極共通に、同じ材料の金属を使用していた（例えば、非特許文献１参照）。
かかる有機半導体装置では、ｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子それぞれに最適な仕事関数を有する電極材料を使い分けていないため、有機半導体層と電極間で良好なオーミックコンタクトが得られず、動作電圧の上昇や非線形な電流−電圧特性の発生をもたらす欠点が一例として挙げられる。
【０００５】
本発明の解決しようとする課題には、電気特性の優れた有機半導体装置を提供することが一例として挙げられる。
【０００６】
【非特許文献１】Ｂｅｌｌ  Ｌａｂ．  Ｎａｔｕｒｅ  Ｖｏｌ．４０３，  ５２１，  ２０００。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体装置の発明は、各々が、対向する１対のソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように成膜された有機半導体層と、前記ソース電極及びドレイン電極の間の前記有機半導体層に電界をゲート絶縁膜を介して印加せしめるゲート電極と、を備えた少なくとも２つのｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子からなる有機半導体装置であって、前記ｐ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極は、前記ｎ型チャネル有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極の仕事関数の値よりも高い値の仕事関数を有する材料からなることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態の有機半導体装置の一例として相補形有機トランジスタの実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、第１の実施形態、プラスチック、ガラスなどの絶縁性の基板１０上に形成されたｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴとｎ型チャネル有機半導体素子ＮｃｈＴＦＴとこれらを互いに接続する配線ＰＬとからなる有機半導体装置を示す。
【０００９】
ｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴは、対向する１対のソース電極１１ｐ及びドレイン電極１５ｐ（以下単に、ｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐという）と、ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように成膜されたキャリア移動性の有機半導体層１３ｐと、ソース電極及びドレイン電極の間の有機半導体層部分に電界をゲート絶縁膜１２を介して印加せしめるゲート電極１４ｐと、を備えている。ｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴに接続されたｎ型チャネル有機半導体素子ＮｃｈＴＦＴは、対向する１対のソース電極１１ｎ及びドレイン電極１５ｎ（以下単に、ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎという）と、ソース電極及びドレイン電極の間にチャネルを形成できるように成膜されたキャリア移動性の有機半導体層１３ｎと、ソース電極及びドレイン電極の間の有機半導体層部分にゲート絶縁膜１２を介して電界を印加せしめるゲート電極１４ｎと、を備えている。有機半導体層は電界印加によって正孔（又は電子）の輸送能力を発揮する有機化合物からなる。各有機半導体層は、キャリア輸送能力を有する有機化合物の薄膜からなる多層構造とすることもできる。
【００１０】
配線ＰＬはｎ側ドレイン電極１５ｎと同一材料で同時に成膜されている。ｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐは、ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎの仕事関数の値よりも高い値の仕事関数を有する材料からなる。すなわち、ｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐに高仕事関数の材料、例えばパラジウム（仕事関数φＰｄ＝４．８ｅＶ）、白金（仕事関数φＰｔ＝５．３ｅＶ）、金（仕事関数φＡｕ＝４．６ｅＶ）など及びそれらを含む合金を使用する。ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎと配線ＰＬを含むその他の配線パターンには、比較的仕事関数が低く、ＴＦＴの配線パターン用の材料として一般的に用いられるクロム（仕事関数φＣｒ＝４．５ｅＶ）、アルミニウム（仕事関数φＡｌ＝３．７ｅＶ）、モリブデン（仕事関数φＭｏ＝４．３ｅＶ）、タンタル（仕事関数φＴａ＝４．１ｅＶ）あるいはその合金などを使用する。
【００１１】
ｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐはｐ型有機半導体層１３ｐのイオン化ポテンシャル近傍の仕事関数を有する材料が好ましい。また、ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎはｎ型有機半導体層１３ｎの電子親和力近傍の仕事関数を有する材料が好ましい。
図１の実施形態の両者のボトムコンタクト型有機トランジスタのうちｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴは、例えばペンタセンなどのキャリア（正孔）移動性を有する有機化合物（ｐ型有機半導体）からなる。ｐ型有機半導体として、キャリア移動度が大きいペンタセンの他に、アントラセン、テトラセンなどの縮合環類も用いられる。
【００１２】
ペンタセンを有機半導体層に用いて正孔輸送性（ｐ型）素子が実現できるが、キャリアが電子の場合には電子が移動できる電子輸送材料（ｎ型）が必要になる。電子輸送材料としてはアルミニウムキノリノール錯体（ｔｒｉｓ−８−ｈｙｄｏｒｏｘｙｑｕｎｏｌｉｎｅ  ａｌｕｍｉｎｕｍ）などがある。電子輸送材からなるｎ型有機半導体層１３ｎを用いた場合、電子輸送性（ｎ型）素子が実現できる。ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎにはその仕事関数がｎ型有機半導体層１３ｎの電子親和力に近い材料を少なくとも１以上含む金属、合金などの材料を用いる。ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎに含まれる材料の仕事関数は、使用する有機半導体の電子親和力を中心とした±１ｅＶ以内であることが好ましく、さらに好ましくは±０．５ｅＶ以内である。
【００１３】
本発明の有機半導体素子で用いられる有機半導体層は、例えば、真空蒸着、スピンコート、スパッタリング、または、ゾル−ゲルなどの方法により成膜できる。ソース電極及びドレイン電極の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など、任意の方法を用い得る。材料の使用効率、電極合金の組成比の安定性、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
【００１４】
第１の実施形態の有機半導体装置は、概略次のプロセスで形成される。
１．基板１０上に両素子のゲート電極１４ｐ，１４ｎを含む第１の配線パターンを形成する。
２．ｐ型及びｎ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴ，ＮｃｈＴＦＴにおけるソース電極及びドレイン電極からゲート電極を電気的に絶縁する共通のゲート絶縁膜１２を形成する。
【００１５】
３．ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎ並びに配線ＰＬを含む第２の配線パターンを形成する。
４．ｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐを形成する。
５．ｐ型及びｎ型有機半導体層１３ｐ，１３ｎをそれぞれ形成する。
第１の実施形態では、第２の配線パターンの形成後にｐ側ソース及びドレイン電極を成膜形成したが、図２に示すようにｐ型有機半導体層１３ｐにおけるｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐの下層部分ＵＬを、ｎ側ソース及びドレイン電極１１ｎ，１５ｎ並びに配線ＰＬを含む第２の配線パターンの形成時に、同一材料で同時に形成し、その後、下層部分ＵＬ上にｐ側ソース及びドレイン電極１１ｐ，１５ｐを形成するようにして、上記２つの層を連続して成膜後パターニングしてもよい。
【００１６】
また、図１及び図２の実施形態ではｎ側ソース及びドレイン電極と配線パターンとを同じ材料としたが、配線ＰＬを含む配線パターンをｐ側ソース及びドレイン電極と同じ材料としてそれらと同時に形成してもよい。
さらに、図３に示すように、タイプ毎に有機半導体素子のソース電極及びドレイン電極材料を、配線ＰＬを含む配線パターン用の材料とは異なる材料にしてもよい。この構造にすると、金属以外の高比抵抗の材料、例えば導電性高分子材料などをソース電極及びドレイン電極に使用することが可能となる。配線ＰＬを含む配線パターン用の材料としては、ポリエステル、熱硬化エポキシ樹脂などのバインダと銀（Ａｇ）微粒子などからなる導電性ペーストが好ましく用いられる。導電性ペーストで印刷法により配線パターンを基板に付着させ、熱風循環式乾燥炉で硬化させることにより、配線ＰＬを含む配線パターンが容易に形成できる。
【００１７】
本実施形態においては、ｎ型チャネル有機半導体素子及びｐ型チャネル有機半導体素子において、それぞれｎ側及びｐ側ソース及びドレイン電極に最適な仕事関数の材料を使用するため、有機半導体層と電極との間で良好なオーミックコンタクトが形成され、有機半導体素子の動作電圧の低減及び線形な特性が実現できる。本実施形態による有機半導体装置をＬＣＤ、有機エレクトロルミネセンス装置などの表示装置の画素の駆動に用いることもできる。少なくとも本発明による有機トランジスタを１つ以上、コンデンサなど必要な素子、画素電極などを共通の基板上に作製すれば、本発明による有機ＭＯＳ−ＴＦＴを用いたアクティブ駆動型の表示装置を実現できる。
【００１８】
具体的には、図４に示すように、共通の基板１０上にてｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴと有機エレクトロルミネセンス素子ＥＬとを接続できる。ＰｃｈＴＦＴのドレイン電極１５ｐが有機エレクトロルミネセンス素子ＥＬの透明電極１３０に例えばＡｇ導電性ペーストの第２配線ＰＬ２で接続される。有機エレクトロルミネセンス素子ＥＬにおいては、例えば、透明な基板１０上にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などからなる透明電極１３０が成膜される。その上に、例えば、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層などが順次、成膜され、これらが有機機能層１４０を構成する。さらに、機機能層１４０上にＡｌなどの金属電極１５０が透明電極１３０の電極パターンと対向するように成膜される。ｐ型チャネル有機半導体素子ＰｃｈＴＦＴと有機エレクトロルミネセンス素子ＥＬは、封止膜１６０で覆われている。ここでは有機エレクトロルミネセンス素子の構造の一例を示しているのみで、有機エレクトロルミネセンス素子はこの例に限定されること無く、いかなる構造、材料の有機エレクトロルミネセンス素子も用いられ得る。このように、共通基板上に、ｐ型又はｎ型チャネル有機半導体素子のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極のいずれかに接続する第２配線ＰＬ２を設け、第２配線は有機エレクトロルミネセンス装置を画素の発光部とする有機エレクトロルミネセンス表示装置に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図２】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図３】本発明による他の実施形態の有機トランジスタを示す断面図。
【図４】本発明による他の実施形態の有機トランジスタに接続されている有機エレクトロルミネセンス表示装置を示す断面図。
【符号の説明】
１０  基板
１１ｐ，１１ｎ  ソース電極
１２  ゲート絶縁膜
１３ｐ，１３ｎ  有機半導体層
１４ｐ，１４ｎ  ゲート電極
１５ｐ，１５ｎ  ドレイン電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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