(57)【要約】【課題】  極性の異なる二種類のキャリアが存在する領域を半導体層内に作出することにより半導体への良好な電荷注入方法およびそれに基づく光電子デバイスを得ることを目的とする。【解決手段】  第１の導体１１上に積層した絶縁層３１の上にさらに積層された半導体層５１に対して第２の導体２１が接触する構造において、極性の互いに異なるキャリアを一定時間をおいて注入するように構成して、半導体層５１に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体と、この導体上に積層した絶縁体層と、この絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に対して接触する１つまたはそれ以上の他の導体とから成る構造の半導体への電荷注入方法において、上記半導体層に対して極性の互いに異なるキャリアを一定時間をおいて注入することを特徴とする半導体への電荷注入方法。
【請求項２】
第１の導体と、この第１の導体上に積層した絶縁体層と、この絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に接触する２つまたはそれ以上の第２の導体とから成る構造の半導体への電荷注入方法において、
上記第２の導体のうちの少なくとも１つからキャリアを注入する工程と、
注入された第２の導体とは異なる少なくとも１つの第２の導体から極性の反対のキャリアを、一定時間をおいて注入する工程とを備えた半導体への電荷注入方法。
【請求項３】
第２の導体のうち少なくとも１つから電子を注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間にホール障壁層を介在させることを特徴とする請求項２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項４】
第２の導体のうち少なくとも１つからホールを注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間に電子障壁層を介在させることを特徴とする請求項２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項５】
第２の導体が並置されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項６】
並置された第２の導体において、電子注入導体とホール注入導体とが互いに隣接し合うことを特徴とする請求項２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項７】
キャリアの注入をパルス状の電場印加によって行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項８】
半導体が有機または高分子材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体への電荷注入方法。
【請求項９】
導体と、この導体上に積層される絶縁体層と、この絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に対して接触する１つまたはそれ以上の他の導体とを備えた光電子デバイスにおいて、上記半導体層に対して極性の互いに異なるキャリアを一定時間において注入することによって半導体を発光させる構造を備えたことを特徴とする光電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子工業の分野で利用し得る、半導体への電荷注入方法およびそれに基づく光電子デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、いろいろな方式の半導体への電荷注入方法およびそれに基づく光電子デバイスが提案されている。これらの方法およびデバイスにおいて半導体は単結晶、多結晶あるいは薄膜の状態において用いられることが多い。
【０００３】
以下の特許文献１には、絶縁性支持基板上にゲート電極が設けられ、この上に絶縁体層と有機半導体層が設けられ、更にその上にソース電極とドレイン電極が設けられた電界効果トランジスタが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２８４６９号公報（段落番号［０００８］、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これまでに提案された半導体への電荷注入方法および光電子デバイスにおいては、不適切な電荷注入方法のために半導体材料の良好な特性を引き出すには至っていない。
例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）構造のソース・ドレイン両極に直流電圧を印加するために両極間のいずれかの場所でピンチオフ（キャリアの存在しない領域ができる現象）が起こる。これは、半導体層に単一の極性のキャリアを注入・輸送する場合には問題を起こさないが、極性の異なる２種類のキャリア（即ち、電子とホール）を注入しようとする時、大きな障害となる。特に、これらのキャリアを衝突させて発光させる場合は、上記のように２種類のキャリアが共に存在する領域がないために発光は起こらないか、あるいは、起こったとしても極めて微弱であるなどの課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体への良好な電荷注入方法およびそれに基づく光電子デバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、導体上に積層される絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に対して接触する１つまたはそれ以上の他の導体とを備えた構造において、極性の互いに異なるキャリアを一定時間をおいて注入することを特徴とするものである。
【０００８】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、第１の導体Ａ上に積層した絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に接触する２つまたはそれ以上の第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎ（ｎは正の整数）が接触する構造において、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうちの少なくとも１つからキャリアを注入する工程と、次いで第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち、先に述べた第２の導体とは異なる少なくとも１つの第２の導体から極性の反対のキャリアを、一定時間をおいて注入する工程とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち少なくとも１つから電子を注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間にホール障壁層を介在させることを特徴とするものであり、このホール障壁層は、例えば、以下の構造式（１）で表される６Ｔ６Ｆのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００１０】
【化１】
2005328002.tif 000003
【００１１】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち少なくとも１つからホールを注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間に電子障壁層を介在させることを特徴とするものであり、この電子障壁層は、例えば、以下の構造式（２）で表される銅フタロシアニンのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００１２】
【化２】
2005328002.tif 000004
【００１３】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎが並置されたことを特徴とするものである。
【００１４】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、並置された第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎにおいて、電子注入導体とホール注入導体とが互いに隣接し合うことを特徴とするものである。
【００１５】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、キャリアの注入をパルス状の電場印加によって行うことを特徴とするものである。
【００１６】
この発明に係る半導体への電荷注入方法は、半導体が有機または高分子材料からなることを特徴とするものであり、この半導体は、例えば、以下の構造式（３）で表されるＰ６Ｔのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００１７】
【化３】
2005328002.tif 000005
【００１８】
この発明に係る光電子デバイスは、導体上に積層される絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に対して接触する１つまたはそれ以上の他の導体とを備えた構造において、半導体層に対して極性の互いに異なるキャリアを一定時間において注入することによって半導体を発光させる構造を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、導体上に積層した絶縁体層の上にさらに積層された半導体層に対して１つまたはそれ以上の導体が接触する構造において、半導体層に極性の互いに異なるキャリアを一定時間をおいて注入するように構成したので、二種類のキャリアの良好な注入を達成し、半導体層に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるという作用を有し、半導体の中の広い領域においてそれら両キャリアが必ず存在するようにでき、したがって効率の高い発光が実現できるという効果を奏する。
【００２０】
この発明によれば、第１の導体Ａ上に積層した絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に接触する２つまたはそれ以上の第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎ（ｎは正の整数）が接触する構造において、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうちの少なくとも１つからキャリアを注入する工程と、次いで第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち、先に述べた第２の導体とは異なる少なくとも１つの第２の導体から極性の反対のキャリアを、一定時間をおいて注入する工程とを備えるように構成したので、複数の第２の導体から二種類のキャリアの良好な注入を達成し、半導体層に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるという作用を有し、半導体の中の広い領域においてそれら両キャリアが必ず存在するようにでき、したがって効率の高い発光が実現できるという効果を奏する。
【００２１】
この発明によれば、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち少なくとも１つから電子を注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間にホール障壁層を介在させるように構成したので、複数の第２の導体から半導体層に電子を効率よく注入し、かつ、電子が注入される時点で半導体層に既に注入されているかまたはその後に注入されることになるホールが半導体層外に漏出することを防止できるという作用を有する。これによって、半導体中に電子とホールの両者を効率よく保持し、例えば、高効率の発光が実現できるという効果を奏する。このホール障壁層には、例えば、６Ｔ６Ｆのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００２２】
この発明によれば、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎのうち少なくとも１つからホールを注入する場合は、その電子注入導体と半導体層との間に電子障壁層を介在させるように構成したので、複数の導体から半導体層にホールを効率よく注入し、かつ、ホールが注入される時点で半導体層に既に注入されているかまたはその後に注入されることになる電子が半導体層外に漏出することを防止できるという作用を有する。これによって、半導体中に電子とホールの両者を効率よく保持し、高効率の発光が実現できるという効果を奏する。この電子障壁層には、例えば、銅フタロシアニンのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００２３】
この発明によれば、第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎが並置されるように構成したので、極性の異なるキャリアを半導体中に並置的に注入できるという作用を有し、アレイ状の発光が実現できるという効果を奏する。
【００２４】
この発明によれば、並置された第２の導体Ｂ１、Ｂ２、．．．、Ｂｎにおいて、電子注入導体とホール注入導体とが互いに隣接し合うように構成したので、それぞれの導体の中間地点付近で極性の異なるキャリアの再結合が促されてアレイ状の発光が実現できるという効果を奏する。
【００２５】
この発明によれば、キャリアの注入をパルス状の電場印加によって行うように構成したので、極性の異なるキャリアを高密度に注入し、かつ、それらを効率よく再結合させるという作用を有し、高効率の発光が実現できるという効果を奏する。
【００２６】
この発明によれば、半導体が有機または高分子材料から成るように構成するように構成したので、極性の異なるキャリアを特に高密度に注入できる作用を有し、高効率の発光が実現できるという効果を奏する。半導体は、例えば、Ｐ６Ｔのような材料を用いると優れた結果が得られる。
【００２７】
この発明によれば、導体上に積層される絶縁体層の上にさらに積層された半導体層と、この半導体層に対して接触する１つまたはそれ以上の他の導体とを備えた構造において、半導体層に対して極性の互いに異なるキャリアを一定時間において注入することによって半導体を発光させる構造を備えるように構成したので、二種類のキャリアの良好な注入を達成し、半導体層に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるという作用を有し、半導体の中の広い領域においてそれら両キャリアが必ず存在するようにでき、したがって効率の高い発光が実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電荷注入を行うためのデバイスを示す概要図であり、図において、１１は第１の導体、２１は第２の導体、３１は第１の導体１１上に積層される酸化膜などの絶縁体層、４１はｐ形の半導体基板、５１は半導体層であり、例えば、ペンタセン等の有機または高分子材料から成るもので、特に、以下の構造式（４）で表されるＰ６Ｔのような材料を用いると優れた結果が得られる。なお、第１および第２の導体１１、２１には、アルミニウム等の各種金属が適用できる。
【００２９】
【化４】
2005328002.tif 000006
【００３０】
次に動作について説明する。
第１の導体１１を基準として、第２の導体２１の電位を時間的に適宜変化させることによって、極性の互いに異なるキャリア（即ち、電子とホール）を注入していく。例えば、第１の導体１１を基準に、第２の導体２１に対して正電位の矩形波を印加することでホールを注入し、一定時間後に、第２の導体２１に対して負電位の矩形波（パルス状の電場）を印加することで電子を注入し、先に注入されたホールが後に注入された電子とが結合して効率よく発光する。この過程を繰り返してパルス状の発光が得られる。
【００３１】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、第１の導体１１上に積層した絶縁層３１の上にさらに積層された半導体層５１に対して第２の導体２１が接触する構造において、極性の互いに異なるキャリアを一定時間をおいて注入するように構成したので、半導体層５１に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるという効果を奏する。
【００３２】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による電荷注入を行うためのデバイスを示す概要図であり、図において、２１−１，２１−２は第２の導体、点ＸおよびＹは、これらの導体の最近接点を表す。なお、上記と同一符号は同一または相当部分の構成要素を示すものであり、その説明は省略する。
【００３３】
次に動作について説明する。
図２に示すデバイスは、キャリア注入極となる導体が第２の導体２１−１，２１−２と２つの場合である。このとき、やはり、第１の導体１１の基準とした第２の導体２１−１，２１−２の電位を時間的に適宜変化させることによって、極性の互いに異なるキャリアを注入することができる。例えば、第１の導体１１を基準に、第２の導体２１−１に正電位の矩形波（パルス状の電場）を印加する時、第２の導体２１−１からホールの注入が起こる。一定時間後に、第２の導体２１−２に負電位の矩形波を印加すると、第２の導体２１−２から電子が注入される。先に注入されたホールは第２の導体２１−２の方に移動するので、後から注入された電子と再結合して効率よく発光する。この過程を繰り返してパルス状の発光が得られる。
【００３４】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、第１の導体１１上に積層した絶縁層３１の上にさらに積層された半導体層５１に対して第２の導体２１−１，２１−２が接触する構造において、一方の第２の導体２１−１からキャリア（例えば、ホール）を注入し、次いで他方の第２の導体２１−２から極性の反対のキャリア（例えば、電子）を、一定時間をおいて注入するように構成したので、半導体層５１に極性の異なるキャリアを効率よく注入できるという効果を奏する。
【００３５】
ここで、図３は図２の点Ｘ−Ｙ間でのキャリア密度の場所的変化の一例を示したグラフで、（ａ）は本発明の場合、（ｂ）は比較例である。図３（ａ）では、時刻Ｔ１での電子の密度と、一定時間後の時刻Ｔ２でのホールの密度とを表してある。時刻Ｔ２ではＸ−Ｙ間の電位が時刻Ｔ１の時から変化しているので、これに伴って電子密度の場所的変化の様子もやはり変化する。ところが、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２の間を十分に短く取ると電子密度の場所的変化の様子は時刻Ｔ１のものとそう大きくは変化しない。よって、Ｘ−Ｙ間の任意の点において極性の異なるキャリアが双方とも必ず有限の密度で存在する。これに対して、図３（ｂ）の場合は、極性の異なるキャリアが双方とも有限の密度で存在する領域はない。
【００３６】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による電荷注入を行うためのデバイスを示す概要図であり、図において、６１は電子障壁層、７１はホール障壁層であり、導体２１−１と導体２１−２にそれぞれ、電子障壁層６１およびホール障壁層７１を設けた様子を示す。これれらの障壁層は、一旦半導体層５１に注入されたキャリアが半導体層５１外に漏出することを防止する役割を果たす。ホール障壁層７１は、構造式（５）で表される６Ｔ６Ｆ、また、電子障壁層６１には構造式（６）で表される銅フタロシアニンのような材料をそれぞれ適用すると優れた結果が得られる。
【００３７】
【化５】
2005328002.tif 000007
【化６】
2005328002.tif 000008
【００３８】
次に動作について説明する。
図４に示すデバイスも図２に示したものと同様に、キャリア注入極となる導体が第２の導体２１−１，２１−２と２つの場合である。第１の導体１１の基準とした第２の導体２１−１，２１−２の電位を時間的に適宜変化させることによって、極性の互いに異なるキャリアを注入することができ、第１の導体１１を基準に、第２の導体２１−１に正電位の矩形波を印加する時、第２の導体２１−１からホール注入が発生し、一定時間後に、第２の導体２１−２に負電位の矩形波を印加すると、第２の導体２１−２から電子が注入される。先に注入されたホールは第２の導体２１−２の方に移動するので、後から注入された電子と再結合して効率よく発光する。この過程の繰り返しによりパルス状の発光が得られるのは上記実施の形態２の場合と同様である。この実施の形態３のように、電子障壁層６１とホール障壁層７１が存在する場合は、一旦半導体層５１に注入されたキャリアはこれら障壁層６１，７１のおかげで、半導体層５１内に保持され発光効率の向上に寄与する。
【００３９】
以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態２の構成に加えて、電子注入導体である第２の導体２１−１，２１−２と半導体層５１との間に、それぞれ電子障壁層６１とホール障壁層７１が介在するように構成したので、第２の導体２１−１，２１−２から半導体層５１に、例えば、電子が注入される時点で半導体層５１に既に注入されているか、または、その後に注入されることになるホールが半導体層５１外に漏出することを防止するもので、ホールが注入される場合も同様に電子の半導体層５１外漏出を防止でき、したがって半導体中に電子とホールの両者を効率よく保持することができ、例えば、高効率の発光が実現できるという効果を奏する。
【００４０】
ここで、図５は、図４に示されるデバイスの第２の導体２１−１および２１−２にパルス状の矩形波を印加した様子を示すもので、電位は第１の導体１１を基準に取ってある。第２の導体２１−１に正電位の矩形波を印加する時、第２の導体２１−１からホールの注入が起こる。一定時間の後に第２の導体２１−２に負電位の矩形波を印加すると、第２の導体２１−２から電子が注入される。先に注入されたホールは第２の導体２１−２の方に移動するので、後から注入された電子と再結合して効率よく発光する。この過程を繰り返すことによりパルス状の発光が得られる。また、電子障壁層６１やホール障壁層７１が第２の導体２１−１，２１−２と半導体層５１間に存在する場合は、一旦注入されたキャリアは半導体層５１内に保持されるので発光効率の向上に寄与する。
【００４１】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４による電荷注入を行うためのデバイスを示す概要図であり、複数の第２の導体が半導体層に対して並列して配備された様子を示す図である。図において、２１−１，２１−２，．．．，２１−ｎ（ｎは正の整数）は第２の導体であり、ｎが奇数の第２の導体（例えば、２１−１，２１−３）と半導体層５１との間には電子障壁層６１が形成されて電子注入導体を成し、ｎが偶数の第２の導体（例えば、２１−２，２１−４）と半導体層５１との間にはホール障壁層７１が形成されてホール注入導体を成す。
【００４２】
次に動作について説明する。
このように、電子注入導体とホール注入導体とが互いに隣接し合う場合は、それぞれの導体の中間地点付近で極性の異なるキャリアの再結合が促されてアレイ状の発光が実現できる。ここでは、第２の導体２１−１，２１−３，．．．からは電子、第２の導体２１−２，２１−４，．．．からはホールが注入される様子を示す。
【００４３】
以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、第２の導体２１−１，２１−２，．．．，２１−ｎが半導体層５１に対して並列して配備され、電子注入導体とホール注入導体とが互いに隣接しあう場合は、それぞれの導体の中間地点付近で極性の異なるキャリアの再結合が促されてアレイ状の発光が実現できる効果を奏する。
【００４４】
上記実施の形態１〜４のように、半導体層５１がＰ６Ｔやペンタセン等の有機または高分子材料からなる場合は、これらを中性（真性半導体）の状態で用いることが多いので、半導体層５１はキャリアを保持するコンデンサ（キャパシタ）の役割をも担う。よって、互いに極性の異なるキャリアの注入時刻を調整してコンデンサの時定数と合わせることで特に効率の高い発光を実現することが可能である。また、ｐ形の半導体基板４１を用いず、絶縁体層３１のみで構成することも可能である。
以上に述べたキャリア注入法を用い、またこれらの方法を組み合わせることによって高効率の発光デバイスすなわち光電子デバイスが作製できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、ゲート上に積層した絶縁体層上に積層した半導体層を備えその上にソース・ドレイン両極を備えた電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）構造において、半導体層に極性の異なる２種類のキャリアを注入する時、一定時間をおいての注入を行うことにより、高効率の発光が実現できるので、光電子デバイスに有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１による電荷注入を行うためのデバイスの概要図である。
【図２】この発明の実施の形態２による電荷注入を行うためのデバイスの概要図である。
【図３】図２の点Ｘ−Ｙ間のキャリア密度の場所的変化の一例を示すグラフであり、（ａ）は本発明の場合、（ｂ）は比較例の場合である。
【図４】この発明の実施の形態３による電荷注入を行うためのデバイスの概要図である。
【図５】図４に示されるデバイスの第１の導体および第２の導体にパルス状の矩形波を印加した様子を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態４による電荷注入を行うためのデバイスの概要図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  第１の導体、２１，２１−１，２１−２，．．．，２１−ｎ  第２の導体、３１  絶縁体、４１  半導体基板、５１  半導体層、６１  電子障壁層、７１  ホール障壁層。
【図１】
2005328002.tif 000009
【図２】
2005328002.tif 000010
【図３】
2005328002.tif 000011
【図４】
2005328002.tif 000012
【図５】
2005328002.tif 000013
【図６】
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