(57)【要約】【課題】駆動電圧の上昇を抑え得る有機半導体素子を提供する。【解決手段】対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子は、１対の電極の少なくとも一方と有機半導体層との間に接触して挿入されかつ接触する電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を含む。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記１対の電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に接触して挿入されかつ前記接触する電極の仕事関数の値と前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を備えることを特徴とする有機半導体素子。
【請求項２】
前記有機半導体層は、ｐ型半導体であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、金属、金属酸化物又は有機化合物であることを特徴とする請求項１又は２記載の有機半導体素子。
【請求項４】
前記バッファ層は５０００Å以下の膜厚を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の有機半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ層は１０００Å以下の膜厚を有することを特徴とする請求項４記載の有機半導体素子。
【請求項６】
前記バッファ層は島状に離散して形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の有機半導体素子。
【請求項７】
前記１対の電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は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積層され、さらに、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印加せしめるゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の有機半導体素子。
【請求項８】
前記ゲート電極を前記ソース電極及びドレイン電極から電気的に絶縁するゲート絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
【請求項９】
前記ソース電極及びドレイン電極は共に前記有機半導体層の片側面に配置されたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
【請求項１０】
前記ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ前記有機半導体層を挟んで両側に配置されたことを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
【請求項１１】
前記１対の電極はソース電極及びドレイン電極であり、前記有機半導体層は前記ソース電極及びドレイン電極の間に挟持されるように膜厚方向に積層され、かつ、前記有機半導体層に包埋されたゲート電極を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の有機半導体素子。
【請求項１２】
前記有機半導体層に包埋されたゲート電極は、格子状、櫛状又は簾状の形状を備えたことを特徴とする請求項１１記載の有機半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア移動性の有機化合物を利用し、かかる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】
ダイオードや、信号処理に必要なスイッチや増幅機能を行うトランジスタに用いられる半導体には、高いキャリア移動度や、低い暗電流や、低い駆動電圧や、複雑な素子構造など、の性能が要求されるので、シリコンに代表される無機半導体が、半導体素子の主役となっている。
【０００３】
有機半導体では、その電気−光変換特性を利用した有機エレクトロルミネセンス装置が開発されている。さらに、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。例えば、有機半導体薄膜上にソース電極及びドレイン電極を配置し、その間のゲート電極で薄膜の厚さ方向に電圧を印加し、有機半導体薄膜に沿った方向の電流をスイッチングできる。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。
【０００４】
図１及び図２は有機半導体薄膜を用いた有機ＭＯＳ−ＴＦＴの構造のボトムコンタクト型及びトップコンタクト型の例を示す。有機ＭＯＳ−ＴＦＴは、基板１０上にゲート電極１４、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１１及びドレイン電極１５、並びに有機半導体層１３を備えている。ゲート電極１４としてはＮｉ、Ｃｒなどが、ゲート絶縁膜１２にはＳｉＯ２、ＳｉＮなど金属の酸化物や窒化物などの無機物やＰＭＭＡなどの樹脂が、有機半導体層１３にはペンタセンなどが、それぞれ用いられている。また、ソース電極１１及びドレイン電極１５にはＰｄ、Ａｕなどの単層膜が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソース電極から有機半導体層を介してドレイン電極へと電流が流れる際、各々の界面ではソース電極及びドレイン電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの差による障壁が存在し、駆動電圧が高くなってしまっていた。
【０００６】
本発明の解決しようとする課題には、駆動電圧の上昇を抑え得る有機半導体素子を提供することが一例として挙げられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の有機半導体素子の発明は対向する１対の電極の間に成膜されたキャリア移動性の有機半導体層を備えた有機半導体素子であって、前記１対の電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に接触して挿入されかつ前記接触する電極の仕事関数の値と前記有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数又はイオン化ポテンシャルの値を有するバッファ層を備えることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明による有機半導体素子として有機トランジスタの実施例を図面を参照しつつ説明する。
図３は実施形態のボトムコンタクト型有機トランジスタを示す。有機トランジスタは、ガラス、プラスチックなどの絶縁性の基板１０上に形成されたゲート電極１４上に形成されたゲート絶縁膜１２と、この上に形成されたペンタセンなどのキャリア移動性の有機化合物からなる有機半導体層１３と、ソース電極１１及びドレイン電極１５と有機半導体層１３との間に接触して挿入されるように形成されたバッファ層ＢＦから構成されている。バッファ層ＢＦは、接触する電極の仕事関数と有機半導体層の仕事関数（又はイオン化ポテンシャル）との間の値のイオン化ポテンシャルを有する。ゲート電極１４は対向するソース電極１１及びドレイン電極１５の間の有機半導体層１３に電界を印加する。
【０００９】
図４は実施形態のトップコンタクト型有機トランジスタを示す。トップコンタクト型素子は、有機半導体層１３が先に成膜され、その上にバッファ層ＢＦ、ソース電極１１及びドレイン電極１５が順に形成されて、その積層順が逆の順となる以外、図３のボトムコンタクト型と同じ構成を有する。
有機半導体層１３は電界印加によって正孔又は電子の輸送能力を有する有機化合物からなる。有機半導体層１３は、それぞれ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。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。
【００１０】
ソース電極１１及びドレイン電極１５には、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｚｎなどの金属が挙げられる。これらの中では、特に比抵抗が低いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はこれらを含む合金が好適である。
ゲート電極１４は、ゲート絶縁膜１２を介して電界を印加する場合、電極材料として一般に用いられるＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びそれらを含む合金などが用いられる。
【００１１】
有機半導体中のキャリア移動のために、バッファ層ＢＦが有するイオン化ポテンシャルの条件すなわち、接触電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルとの間の仕事関数（又はイオン化ポテンシャル）の値は特に重要である。抵抗なくキャリアが移動するにはエネルギー障壁が小さいほうがよいからである。図５に示すように、金属からなるソース電極１１及びドレイン電極１５の仕事関数Ｗｆ及びバッファ層ＢＦの仕事関数ＷｆＢは真空準位（０ｅＶ）から各フェルミ準位へと測定したエネルギーである。有機半導体層１３のイオン化ポテンシャルＩｐは真空準位から価電子帯ＶＢ上端の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。なお、電子親和力Ｅａは０ｅＶの基準エネルギー準位の真空準位（ＶＡＣＵＵＭ　ＬＥＶＥＬ）から伝導帯ＣＢ下端の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）準位へと測定したエネルギーである。
【００１２】
本実施形態のｐ型有機半導体素子で使用するバッファ層ＢＦの材料としては、Ｗｆ＜ＷｆＢ＜Ｉｐを満たすものが好ましい。かかるバッファ層ＢＦの挿入によって、ソース電極１１からバッファ層ＢＦを介して有機半導体層へと障壁が段階的になり、電流が流れやすくなる。例えば、有機半導体層材料としてペンタセン（イオン化ポテンシャルＩｐ＝５．０６ｅＶ）、ソース電極及びドレイン電極としてＡｕ（仕事関数φ＝４．５８ｅＶ）を用いた場合、バッファ層の仕事関数（又はイオン化ポテンシャル）をこれらの間（４．５８〜５．０６ｅＶ）とすればよい。例えば、４．５ｅＶ以上のインジウムすず酸化物（いわゆるＩＴＯ）、イリジウム亜鉛酸化物（いわゆるＩＺＯ）、酸化錫、酸化亜鉛など、金属の酸化物や窒化物や酸化物、などがバッファ層ＢＦに用いられる。さらに、バッファ層ＢＦに接触電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間のイオン化ポテンシャル値を有する電荷輸送性例えば正孔輸送性を有する有機化合物を用いることができる。また、ソース電極１１及びドレイン電極１５間の絶縁が確保される場合、白金、パラジウム、クロム、セレン、ニッケルなどの金属若しくはこれらの合金、あるいは、ヨウ化銅など接触電極の仕事関数の値と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの値との間の仕事関数値を有する金属若しくは合金もバッファ層ＢＦに用いられる。
【００１３】
バッファ層の膜厚は挿入による効果が発現する範囲であれば、できる限り薄い方が望ましい。一般に、バッファ層挿入の効果は、膜厚が１００Å以下の連続膜とならない不連続な島状構造であっても発現する。図６に示すようにバッファ層ＢＦの膜厚が非常に薄く島状構造となる場合、バッファ層に金属などの導電体を用いることもできる。この場合、バッファ層ＢＦが不連続な島状構造であるため、材料に導電性があっても横方向には電流が流れず、ソース電極及びドレイン電極間はショートしない。
【００１４】
バッファ層の具体的な膜厚は、最も好ましいのは５〜１００Å、好ましくは１００〜１０００Å、少なくとも５０００Å以下にする必要がある。図３のようなボトムコンタクト型の素子では、バッファ層が厚いとチャネル部分に電流が流れにくくなるので、特にバッファ層の膜厚を薄くする方が好ましい。
これらバッファ層、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、装置の簡便性を考慮するとスパッタ法が好ましい。
【００１５】
有機半導体層のペンタセンは、高い正孔移動度を示すキャリア輸送性材料である。このペンタセン有機半導体層を用いて、図３に示すボトムコンタクト型素子を作成すると、正孔輸送性（ｐ型）素子が実現できる。
有機半導体層におけるキャリアが正孔の場合には正孔が移動できる正孔輸送性材料または両性輸送性材料が有機半導体として必要になり、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または両性輸送性材料が必要になる。正孔輸送材料又は両性輸送材料としては、銅フタロシアニン（ｃｏｐｐｅｒ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）などが、電子輸送材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。
【００１６】
上記実施例では、本発明をソース電極及びドレイン電極の両電極に適用したが、ソース電極とドレイン電極の何れか一方の電極のみに適用することもできる。さらに、他の実施形態では図７及び図８に示すトップコンタクト型及びボトムコンタクト型の有機トランジスタのように、ソース電極１１及びドレイン電極１５の直下部分にのみバッファ層ＢＦ１及びＢＦ２を形成しても良い。
【００１７】
また、上記実施例ではＴＦＴ単体の作製における実施例を示したが、本発明によるＴＦＴをＬＣＤ、ＥＬなど表示装置の画素の駆動に用いることもできる。具体的には、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。例として、図９は本発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す。表示装置において、バッファ層ＢＦ上に積層されたソース電極１１がＬＣＤの画素電極２０に接続され、有機半導体層１３が保護膜２１で被覆されている。
【００１８】
さらに、図１０に示すように、他の実施形態の有機トランジスタとして縦型構造のＳＩＴ（静電誘導形トランジスタ）に適用できる。積層膜厚方向の電流をスイッチングできるＳＩＴは、各々が積層されたソース電極１１及びドレイン電極１５接触したバッファ層ＢＦ１及びＢＦ２で有機半導体層１３を挟み、有機半導体層１３の厚さ方向の中間に包埋された多孔性のゲート電極１４を有した３端子構造を有する。そのゲート電極１４に電圧を印加したとき、ゲート電極周りの有機半導体に生じる空乏層によってドレイン及びソース間の電流を制御できる。
【００１９】
またさらに、図１１に示すように、有機トランジスタは、互いに積層されたゲート電極１４、ソース電極１１及びドレイン電極１５から構成されていればよく、図３とは逆の順序すなわち、基板１０上に、ソース電極１１及びドレイン電極１５、バッファ層ＢＦ１及びＢＦ２並びにソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、有機半導体層１３、ゲート絶縁膜１２、並びにゲート電極１４の順で積層して形成してもよい。
【００２０】
同様に、図１２に示すように、有機トランジスタは、有機半導体層１３を挟んで、バッファ層ＢＦ１及びＢＦ２並びにソース電極１１及びドレイン電極１５を形成し、ゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１４を離間させるように形成してもよい。
本実施形態による有機ＭＯＳ−ＴＦＴ素子は、ソース電極及びドレイン電極と有機半導体層の間に、仕事関数（又はイオン化ポテンシャル）が、ソース電極及びドレイン電極の仕事関数と有機半導体層のイオン化ポテンシャルの間であるバッファ層を挿入した構造としたため、電極からバッファ層を介して有機半導体層へと障壁が段階的になり、電流が流れやすくなって、ソース電極及びドレイン電極間の駆動電圧を低くできるので、消費電力が小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機トランジスタを示す断面図。
【図２】有機トランジスタを示す断面図。
【図３】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４】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５】本発明による実施形態の有機半導体素子の一部のエネルギー準位を示す図。
【図６】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７】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８】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９】本発明による他の実施形態の有機トランジスタ発明をＴＦＴ−ＬＣＤ表示装置に適用した場合の表示装置の基板構造を示す部分断面図。
【図１０】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１１】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１２】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。
【符号の説明】
１０　基板
１１　ソース電極
１２　ゲート絶縁膜
１３　有機半導体層
１４　ゲート電極
１５　ドレイン電極
ＢＦ、ＢＦ１、ＢＦ２　バッファ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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