(57)【要約】  【課題】有機半導体層内における正孔および電子の再結合または光電変換を効率的に生じさせることができる有機半導体装置を提供する。また、特性の変更が可能であり、融通性の高い有機半導体装置を提供する。  【解決手段】有機半導体層１の一方側に正孔注入電極８および電子注入電極９が間隔をあけて配置されている。有機半導体層１の反対側に、ゲート絶縁膜７を挟んで、正孔注入電極８および電子注入電極９にそれぞれ対向するように、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６が配置されている。ゲート制御回路１２によって正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６に個別に制御電圧Ｖgp，Ｖgnを印加することにより、注入されるキャリヤのバランスを適切に定めることができ、高効率の発光動作が可能になる。【選択図】        図１
2005209455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子および正孔が移動可能なバイポーラ性の有機半導体層と、
この有機半導体層との間で正孔を授受する正孔授受電極と、
この正孔授受電極との間に所定の間隔を開けて設けられ、上記有機半導体層との間で電子を授受する電子授受電極と、
絶縁層を挟んで上記有機半導体層の上記正孔授受電極寄りの領域に対向し、上記有機半導体層内における正孔の分布を制御する正孔側ゲート電極と、
絶縁層を挟んで上記有機半導体層の上記電子授受電極寄りの領域に対向し、上記有機半導体層内における電子の分布を制御する電子側ゲート電極とを含むことを特徴とする有機半導体装置。
【請求項２】
上記有機半導体層は、バイポーラ性有機半導体材料からなってい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】
上記有機半導体層は、Ｎ型有機半導体層とＰ型有機半導体層とを積層した積層構造膜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４】
上記有機半導体層は、上記正孔授受電極と上記電子授受電極との間の位置に接合部を有するＮ型有機半導体層およびＰ型有機半導体層を含む接合膜構造を有してい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５】
上記有機半導体層は、Ｎ型有機半導体材料およびＰ型有機半導体材料の混合物からなってい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６】
上記正孔授受電極は、上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極であり、
上記電子授受電極は、上記有機半導体層に電子を注入する電子注入電極であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の有機半導体装置。
【請求項７】
上記有機半導体層は、層内における正孔および電子の再結合による発光を生じる有機半導体発光層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】
上記正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極に対して独立に制御電圧を与える制御回路をさらに含むことを特徴とする請求項６または７記載の有機半導体装置。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の有機半導体装置を基板に上に複数個配列して構成される表示装置。
【請求項１０】
上記有機半導体層は、外部からの光照射を受けて電子および正孔の対を生じさせる有機半導体感光層であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の有機半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の有機半導体装置を基板上に複数個配列して構成される撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機半導体層と、この有機半導体層との間で正孔および電子をそれぞれ授受する一対の電極とを備えた有機半導体装置、ならびにそれを用いた表示装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体装置の典型例である有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体層中における電子および正孔の再結合に伴う発光現象を利用した発光素子である。具体的には、有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体発光層と、この有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極と、上記有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極とを備えている（特許文献１参照）。
【０００３】
発光効率を高めるためには、有機半導体層に注入されるキャリヤ（正孔および電子）のバランスを適切に定める必要がある。そのため、有機半導体層、正孔注入電極および電子注入電極の各材料の組み合わせを適切に選択し、かつ、正孔注入電極および電子注入電極の配置を適切に定めなければならないが、実際には、適切な材料等の選択は困難である。
また、有機半導体層を、外部からの光の照射によって正孔および電子の対を生成する光電変換機能を有する感光層として用いて、光センサを構成することが考えられる。この場合にも、所望の感度を得るためには、有機半導体層および一対の電極の各材料の組み合わせを適切に選択する必要があり、かつ、それらの配置を適切に定めなければならないと考えられるが、所望の特性を得るための設計が困難である。
【０００４】
さらに、発光動作を行う装置の場合も、光検出を行う装置の場合も、発光特性や受光特性を変動させることができず、用途ごとに装置の設計を行わなければならない。
【特許文献１】特開平５−３１５０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の目的は、有機半導体層内における正孔および電子の再結合または光電変換を効率的に生じさせることができる有機半導体装置を提供することである。
また、この発明の他の目的は、特性の変更が可能であり、融通性の高い有機半導体装置を提供することである。
さらに、この発明の目的は、上記のような有機半導体装置を用いた表示装置を提供することである。
【０００６】
この発明のさらに他の目的は、上記のような有機半導体装置を用いた撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するためのこの発明の有機半導体装置は、電子および正孔が移動可能なバイポーラ性の有機半導体層と、この有機半導体層との間で正孔を授受する正孔授受電極と、この正孔授受電極との間に所定の間隔を開けて設けられ、上記有機半導体層との間で電子を授受する電子授受電極と、絶縁層を挟んで上記有機半導体層の上記正孔授受電極寄りの領域に対向し、上記有機半導体層内における正孔の分布を制御する正孔側ゲート電極と、絶縁層を挟んで上記有機半導体層の上記電子授受電極寄りの領域に対向し、上記有機半導体層内における電子の分布を制御する電子側ゲート電極とを含むことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
より具体的には、上記正孔授受電極は、上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極であり、上記電子授受電極は、上記有機半導体層に電子を注入する電子注入電極であってもよい（請求項６）。
この構成によれば、正孔側ゲート電極に制御電圧を印加することによって、正孔注入電極から有機半導体層への正孔の注入を制御することができる。同様に、電子側ゲート電極に制御電圧を印加することによって、電子注入電極から有機半導体層への電子の注入を制御することができる。したがって、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極の電位を個別に制御することによって、有機半導体層に注入されるキャリヤのバランスを容易に調整することができるから、有機半導体層内におけるキャリヤの再結合を効率的に生じさせることができる。
【０００９】
また、有機半導体層内において正孔側ゲート電極に対向する領域におけるチャネルの形成、および有機半導体層内において電子側ゲート電極に対向する領域におけるチャネルの形成を個別に制御できる。したがって、たとえば、正孔注入電極に接続されて正孔を供給するチャネルと、電子注入電極に接続されて電子を供給するチャネルとを、正孔注入電極と電子注入電極との中間地点においてそれぞれピンチオフさせることができる。これにより、正孔注入電極と電子注入電極との中間地点における正孔および電子の濃度が著しく高くなるから、より効率的に正孔および電子の再結合を生じさせることができる。
【００１０】
また、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極への印加電圧を個別に制御することにより、特性の変更が容易であり、融通性の高い有機半導体装置を実現できる。
上記有機半導体層は、層内における正孔および電子の再結合による発光を生じる有機半導体発光層であってもよい（請求項７）。
この構成では、有機半導体層が発光層であり、この有機半導体層内におけるキャリヤの再結合を高効率で生じさせることができるため、高効率での発光動作が可能になる。また、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極への印加電圧の個別制御によって、容易に特性を変更できるので、融通性の高い発光装置を実現できる。
【００１１】
たとえば、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極のうちの一方に一定の制御電圧を印加するとともに、それらのうちの他方に与える制御電圧を変動させれば、発光のオン／オフ制御や、発光強度の変調による多階調発光が可能となる。むろん、両方のゲート電極に与える制御電圧をそれぞれ２段階以上に変動させれば、さらに多くの階調の発光を実現できる。
【００１２】
上記有機半導体装置は、上記正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極に対して独立に制御電圧を与える制御回路をさらに含むことが好ましい（請求項８）。
この構成により、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極に対して独立して制御電圧を与えることができ、有機半導体層内におけるキャリヤのバランスを適正化したり、正孔注入電極側のチャネルおよび電子注入電極側のチャネルの形状を個別に制御したりすることができる。
【００１３】
上記のような有機半導体装置を基板上に一次元または二次元に配列することにより、一次元または二次元の表示装置（個々の画素を有機半導体装置で構成したもの）を構成することができ（請求項９）、個々の画素の発光効率が高いため、低電力駆動の表示装置、または高輝度表示装置を実現できる。
上記有機半導体層は、外部からの光照射を受けて電子および正孔の対を生じさせる有機半導体感光層であってもよい。（請求項１０）。
【００１４】
この構成では、有機半導体層に光が照射されると、正孔および電子の対が生成される。すなわち、有機半導体層において光電変換が行われる。正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極に適切な制御電圧を与えておくと、正孔および電子を効率的に正孔授受電極および電子授受電極へとそれぞれ導くことができるので、高効率での光電変換が可能になる。
しかも、正孔側ゲート電極および電子側ゲート電極に与えられる制御電圧を調整することにより、光電変換効率を制御できるから、感度を調整することが可能になる。これにより、融通性の高い光検出装置を実現することができる。
【００１５】
このような光検出装置を基板上に一次元または二次元に配列して検出画素として用いることによって、撮像装置を構成することができる（請求項１１）
上記有機半導体層は、バイポーラ性有機半導体材料からなるものであってもよい（請求項２）。上記バイポーラ性有機半導体材料とは、正孔および電子のいずれもが移動可能な材料であり、α−ＮＰＤ、Ａｌｑ３、ＢＳＡ−１ｍ(9,10-Bis(3-cyanostilil)anthracene)、ＭＥＨＰＰＶ(Poly[2-Methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])、ＣＮ−ＰＰＰ(Poly[2-(6-cyano-6-methylheptyloxy)-1,4-phenylene])、Bis(2-(2-hydroxyphenyl)-benz-1,3-thiazolato)zinc complex、Poly[(9,9-dihexylfluoren-2,7-diyl)-co-(anthracen-9,10-diyl)]などを例示できる。このようなバイポーラ性有機半導体材料からなる有機半導体層内では、正孔および電子がいずれも良好な移動度を示すので、正孔および電子の再結合または正孔および電子の対の生成を効率的に起こさせることができる。
【００１６】
また、上記有機半導体層は、Ｎ型有機半導体層とＰ型有機半導体層とを積層した積層構造膜であってもよい（請求項３）。Ｎ型有機半導体層は、Ｎ型有機半導体材料からなる層であり、Ｐ型有機半導体層は、Ｐ型有機半導体材料からなる層である。Ｎ型有機半導体層とＰ型有機半導体層との界面には、ＰＮ接合が形成されることになるから、この界面において正孔および電子の再結合を生じさせたり、正孔および電子の対を生成させたりすることができる。
【００１７】
さらに、上記有機半導体層は、上記有機半導体層は、上記正孔授受電極と上記電子授受電極との間の位置に接合部を有するＮ型有機半導体層およびＰ型有機半導体層を含む接合膜構造を有するものであってもよい（請求項４）。この構成の場合には、正孔授受電極および電子授受電極の間にＰＮ接合を形成することができるので、このＰＮ接合部において、正孔および電子の再結合または正孔および電子の対の生成を効率的に生じさせることができる。
【００１８】
さらに、上記有機半導体層は、Ｎ型有機半導体材料およびＰ型有機半導体材料の混合物からなるものであってもよい（請求項５）。この構成では、Ｎ型有機半導体材料とＰ型有機半導体材料とが混合されることによって、バイポーラ性の有機半導体層が構成されているから、この有機半導体層内においては、正孔および電子が良好な移動度を示すから、正孔および電子の再結合または正孔および電子の対の生成を効率的に生じさせることができる。
【００１９】
上記Ｎ型有機半導体材料としては、Ｃ6−ＰＴＣ、Ｃ8−ＰＴＣ、Ｃ12−ＰＴＣ、Ｃ13−ＰＴＣ、Ｂｕ−ＰＴＣ、Ｆ7Ｂｕ−ＰＴＣ*、Ｐｈ−ＰＴＣ、Ｆ5Ｐｈ−ＰＴＣ*、ＰＴＣＢＩ、ＰＴＣＤＩ、ＴＣＮＱ、Ｃ60フラーレンなどを例示することができる。
また、上記Ｐ型有機半導体材料としては、Pentacene、Tetracene、Anthracene、Phthalocyanine、α-Sexithiophene、α,ω-Dihexyl-sexithiophene、Oligophenylene、Oligophenylenevinilene、Dihexyl-Anthradithiophene、Bis(dithienothiophene)、Poly(3-hexylthiophene), Poly(3-butylthiophene)、Poly(phenylenevinilene)、Poly(thienylenevinilene)、Polyacetylene、α,ω-Dihexyl-quinquethiophene、TPD、α-NPD、m-MTDATA、TPAC、TCTA、Poly(vinylcarbazole)などを例示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体装置１０は、有機半導体層１（有機半導体発光層）内において正孔および電子の再結合を生じさせることによって発光を生じさせる発光素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）である。この有機半導体装置１０は、基板２上に間隔を開けて生成された正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６と、これらを覆うように形成されたゲート絶縁膜７（絶縁層）と、このゲート絶縁膜７上に積層して形成された上記の有機半導体層１と、この有機半導体層１上に間隔を開けて形成された正孔注入電極８（正孔授受電極）および電子注入電極９（電子授受電極）とを備えている。すなわち、有機半導体層１の一方側に正孔注入電極８および電子注入電極９が間隔をあけて配置され、有機半導体層１の反対側に、ゲート絶縁膜７を挟んで、正孔注入電極８および電子注入電極９にそれぞれ対向するように、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６が配置されている。有機半導体層１は、正孔および電子の移動度がいずれも高いバイポーラ性の有機半導体材料で構成されている。
【００２１】
正孔側ゲート電極５は、正孔注入電極８寄りの領域に形成されており、電子側ゲート電極６は、電子注入電極９寄りの領域に形成されている。より具体的には、正孔側ゲート電極５は、正孔注入電極８および電子注入電極９の間の中間位置よりも正孔注入電極８寄りの領域において、正孔注入電極８に対向する領域から電子注入電極９側に向かって延びて形成されている。同様に、電子側ゲート電極６は、正孔注入電極８および電子注入電極９の間の中間位置よりも電子注入電極９寄りの領域において、電子注入電極９に対向する領域から正孔注入電極８側に向かって延びて形成されている。
【００２２】
正孔側ゲート電極５は、ゲート絶縁膜７を介して、有機半導体層１内の当該正孔側ゲート電極５が対向する領域に対して、電界を印加することができ、この領域におけるキャリヤの分布を制御することができる。同様に、電子側ゲート電極６は、ゲート絶縁膜７を介して、有機半導体層１の当該電子側ゲート電極６が対向する領域に対して、電界を印加することができ、この領域におけるキャリヤの分布を制御することができる。
【００２３】
正孔注入電極８と電子注入電極９との間には、正孔注入電極８側を正極とし、電子注入電極９側を負極とするバイアス電圧Ｖｄが、バイアス電圧印加回路１１から与えられる。
また、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６には、ゲート制御回路１２から、個別に制御電圧が印加されるようになっている。より具体的には、ゲート制御回路１２は、正孔側ゲート電極５に対し、正孔注入電極８によりも電圧Ｖgpだけ低い制御電圧を印加し、電子側ゲート電極６に対し、電子注入電極９よりも電圧Ｖgnだけ高い制御電圧を印加する。すなわち、正孔注入電極８の電位をＶｓ＝０とすると、電子注入電極９の電位は−Ｖｄ、正孔側ゲート電極５の電位は−Ｖgp、電子側ゲート電極の電位はＶgn−Ｖｄとなる。これにより、正孔注入電極８から有機半導体層１に正孔が注入され、電子注入電極９から有機半導体層１に電子が注入される。
【００２４】
正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６にそれぞれ印加される制御電圧Ｖgp，Ｖgnを適切に定めると、正孔注入電極８から電子注入電極９に向かって延びる正孔側チャネル１５と、電子注入電極９から正孔注入電極８に向かって延びる電子側チャネル１６とを、いずれも、正孔注入電極８と電子注入電極９との中間位置付近でピンチオフさせることができる。このピンチオフ位置の近傍の領域では、正孔側チャネル１５内の正孔密度および電子側チャネル１６内の電子密度がいずれも高くなっているため、ピンチオフ位置において正孔および電子が高効率で再結合することになる。これにより、高輝度の発光が実現される。
【００２５】
また、たとえば、正孔側ゲート電極５（一方のゲート電極）に与える制御電圧Ｖgpを一定値（たとえば、正孔注入電極８および電子注入電極９の間の中間位置で正孔側チャネルがピンチオフする値）に固定しておく一方で、電子側ゲート電極６（他方のゲート電極）に与える制御電圧Ｖgnを変動させると、正孔および電子の再結合の効率を変動させることができる。これにより、発光輝度を段階的または無段階に変化させることができるので、オン／オフ表示（２階調表示）や、３階調以上の多階調の表示が可能になる。むろん、電子側ゲート電極６に与える制御電圧を一定値に固定しておき、正孔側ゲート電極５に与える制御電圧を変動させても同様な発光動作が可能である。さらに、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６の両方の制御電圧をそれぞれ段階的または無段階に変動させれば、さらに階調数の多い多階調表示が可能になる。
【００２６】
正孔注入電極８および電子注入電極９には、それぞれ、正孔および電子を有機半導体層１に注入しやすい材料が適用される。たとえば、Ｍｇ−Ａｇ合金、Ｌｉ−Ａｌ合金、Ｃａ、Ｐｔ、Ａｕ、ＩＴＯ（酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）と酸化錫（ＳｎＯ2）との固溶体）などから選択した適切なものを用いることができる。
正孔側ゲート電極５と電子側ゲート電極６との間の間隔ｄは、ゲート絶縁膜７の厚さｔと同程度か、その数倍程度とすることが好ましい（添付図面では、図示の便宜上、厚さｔを間隔ｄよりも大きく表してある）。ゲート絶縁膜７の厚さｔは、発光動作のしきい電圧に応じて数十ｎｍ〜数百ｎｍの範囲で適切に定めればよい。
【００２７】
正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６の材料としては、ポリシリコン（不純物を高濃度に添加して低抵抗化したもの）、Ｎｉ、Ａｌ、ＩＴＯなどを適用することができる。
また、有機半導体層１を構成するバイポーラ性有機半導体材料としては、「課題を解決するための手段」の項において例示したものを適用することができる。このようなバイポーラ性有機半導体材料を用いる代わりに、Ｎ型有機半導体材料およびＰ型有機半導体材料の混合物によって有機半導体層１を構成してもよい。この場合に、Ｎ型有機半導体材料およびＰ型有機半導体材料としては、上記の「課題を解決するための手段」の項で例示したものをそれぞれ適用することができる。
【００２８】
さらに、基板２としては、シリコン基板、シリコン基板上に酸化シリコン層が形成されたもの、窒化珪素基板、ガラス基板、サファイア基板などを適用することができる。
また、ゲート絶縁膜７には、酸化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、ポリマー（たとえば、ノボラック樹脂、ポリイミド等）などを適用することができる。
図２Ａおよび図２Ｂは、この発明の他の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。これらの図２Ａおよび図２Ｂにおいて、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１と同一の参照符号を付して示す。この有機半導体装置１０Ａでは、有機半導体層１Ａが、Ｐ型有機半導体層２１とＮ型有機半導体層２２とを積層した積層構造膜で構成されている。
【００２９】
図２Ａの構成では、ゲート絶縁膜７および電子注入電極９を覆うように（電子注入電極９に接するように）Ｎ型有機半導体層２２が形成されている。このＮ型有機半導体層２２を覆うようにＰ型有機半導体層２１が形成されている。そして、このＰ型有機半導体層２１上に（Ｐ型有機半導体層２１に接するように）正孔注入電極８が配置されている。
図２Ｂの構成では、ゲート絶縁膜７上にＮ型有機半導体層２２およびＰ型有機半導体層２１が順に積層されており、上層のＰ型有機半導体層２１上に正孔注入電極８および電子注入電極９の両方が配置されている。すなわち、正孔注入電極８はＰ型有機半導体層２１に接しているが、電子注入電極９はＮ型有機半導体層２２には接していない。このような状態でも、電子注入電極９は、Ｎ型有機半導体層２２との間で、Ｐ型有機半導体層２１を突き抜けて、キャリヤ（電子）の授受を行うことができる。
【００３０】
図２Ｂの構成において、Ｐ型有機半導体層２１とＮ型有機半導体層２２との配置を交換してもよく、この場合には、電子注入電極９はＮ型有機半導体層２２に接するが、正孔注入電極８はＰ型有機半導体層２１に接しない状態となる。この構成の場合、正孔注入電極８は、Ｐ型有機半導体層２１との間で、Ｎ型有機半導体層２２を突き抜けて、キャリヤ（正孔）の授受を行うことになる。
【００３１】
Ｐ型有機半導体層２１は、正孔の移動度が高く電子の移動度が低いＰ型有機半導体材料からなっており、Ｎ型有機半導体層２２は、正孔の移動度が低く電子の移動度が高いＮ型有機半導体材料からなっている。したがって、Ｐ型有機半導体層２１およびＮ型有機半導体層２２の積層構造膜からなる有機半導体層１Ａは、全体として、バイポーラ性の薄膜を形成している。
【００３２】
正孔注入電極８から供給される正孔は、Ｐ型有機半導体層２１を通って電子注入電極９側へと向かい、電子注入電極９から供給される電子は、Ｎ型有機半導体層２２を通って正孔注入電極８側へと向かう。そして、正孔注入電極８と電子注入電極９との間の領域において、Ｐ型有機半導体層２１とＮ型有機半導体層２２との界面のＰＮ接合部で、正孔および電子の再結合が生じ、これにより発光が生じる。
【００３３】
正孔側チャネル１５はＰ型有機半導体層２１内に形成され、電子側チャネル１６はＮ型有機半導体層２２内に形成されるが、上述の図１の実施形態の場合と同じく、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６に印加される制御電圧をそれぞれ適切に定めることによって、チャネル１５および１６を、いずれも、正孔注入電極８および電子注入電極９の中間位置でピンチオフさせることができる。このような状況のときに、高効率での再結合が生じ、高輝度での発光が可能になる。
【００３４】
また、図１の実施形態の場合と同様、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６のうちの一方の制御電圧を固定し、他方の制御電圧を可変させたり、それらの両方の制御電圧を可変させたりして、多階調の発光動作を行わせてもよい。
Ｐ型有機半導体材料およびＮ型有機半導体材料としては、それぞれ、上記「課題を解決するための手段」の項で例示したものを適用することができる。
【００３５】
一般に、単層でトランジスタ特性を示すＰ型材料層およびＮ型材料層を積層することにより、バイポーラ駆動を実現できる。ただし、上層（図２Ａおよび図２Ｂの符号２１で示す層）の移動度は、下層（図２Ａおよび図２Ｂの符号２２で示す層）の表面の粗さの影響を受けるので、下層に用いる材料は、表面が平滑な薄膜、あるいは非晶質性の高い薄膜を形成し、なおかつ高い移動度を示すものが好ましい。たとえば、poly(3-hexylthiophene)など高分子系ＴＦＴ材料は、下層に用いる材料として有用なものの一つであると考えられる。逆に、上層に用いる材料としては、多少膜の形状が乱れても高い移動度を示し、下層の表面の粗さの影響を受けにくい材料が好ましい。一例として、ＰＴＣＢＩ，ＰＴＣＤＩなどのperylene骨格Ｎ型材料は、粗さの大きい膜の上に積層しても、高い移動度を示す。
【００３６】
図３は、この発明のさらに他の実施形態に係る有機半導体装置の構成を示す図解的な断面図である。この図３において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１と同一の参照符号を付して示す。この実施形態の有機半導体装置１Ｂでは、有機半導体層１Ｂは、正孔注入電極８と電子注入電極９との間の位置（好ましくはほぼ中間位置）に接合部３０を有するＰ型有機半導体層３１およびＮ型有機半導体層３２とで構成された接合膜構造を有している。
【００３７】
Ｐ型有機半導体層３１は、ゲート絶縁膜７上において、正孔側ゲート電極５に対向する領域を覆い、正孔注入電極８および電子注入電極９の中間位置付近に至るように形成されている。このＰ型有機半導体層３１上に（Ｐ型有機半導体層３１に接するように）、正孔注入電極８が形成されている。
Ｎ型有機半導体層３２は、ゲート絶縁膜７上において、電子側ゲート電極６に対向する領域を覆い、正孔注入電極８および電子注入電極９の中間域付近に達して、Ｐ型有機半導体層３１との間に上記の接合部３０を形成するように形成されている。ただし、この実施形態では、Ｎ型有機半導体層３２は、接合部３０を超えて、さらに、Ｐ型有機半導体層３１の一部を覆う領域にまで延びて形成されている。これは、接合部３０を確実に形成するために、Ｎ型有機半導体層３２を広めの領域にまで形成した結果である。このＮ型有機半導体層３２上に（Ｎ型有機半導体層３２に接するように）、電子注入電極９が形成されている。
【００３８】
この実施形態においても、上述の図２Ａおよび図２Ｂの実施形態の場合と同様な動作が可能であり、接合部３０において、効率的に、正孔および電子の再結合を生じさせることができる。
Ｐ型有機半導体層３１を構成するＰ型有機半導体材料、およびＮ型有機半導体層３２を構成するＮ型有機半導体材料としては、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態の場合と同じく、「課題を解決するための手段」の項で例示したものを適用できる。
【００３９】
図４は、図１、図２Ａ、図２Ｂまたは図３に示された有機半導体装置１０，１０Ａまたは１０Ｂ（図４では代表して符号「１０」で表してある。）を基板２上に二次元配列して構成される表示装置６０の電気回路図である。すなわち、この表示装置６０は、上述のような有機半導体装置１０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半導体装置１０を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体装置１０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。
【００４０】
各有機半導体装置１０は、正孔側ゲート電極５および電子側ゲート電極６を一対のゲートＧ１，Ｇ２とした電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）であり、そのドレインとなる正孔注入電極８にはバイアス電圧Ｖｄが与えられており、そのソースとなる電子注入電極９は接地電位とされている。また、ゲートＧ２には、一定の制御電圧Ｖgnが印加されている。この制御電圧Ｖgnは、たとえば、正孔注入電極８と電子注入電極９との間の中間位置で電子側チャネル１６をピンチオフさせることができるような値とされている。一方、ゲートＧ１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ている。
【００４１】
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において有機半導体装置１０とは反対側には、列ごとに共通のデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・がそれぞれ接続されている。
【００４２】
走査線ＬＳ１，ＬＳ２，・・・・・・には、コントローラ５３によって制御される走査線駆動回路５１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５１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、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する。
【００４３】
一方、データ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・には、データ線駆動回路５２からの信号が入力されるようになっている。このデータ線駆動回路５２には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ５３から入力されるようになっている。データ線駆動回路５２は、各行の複数の画素が走査線駆動回路５１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。
【００４４】
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Ｇ１に発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機半導体装置１０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５１による選択行が他の行に移った後にも、ゲートＧ１の電位が保持され、有機半導体装置１０の発光状態が保持される。このようにして、二次元表示が可能になる。
【００４５】
なお、ゲートＧ１の電位を固定するとともに、ゲートＧ２にデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，・・・・・・からの発光制御信号を与えるようにしても同様な動作が可能である。また、ゲートＧ１，Ｇ２に与える制御電圧を画像データに応じて個別に制御するようにすれば、さらに多くの階調の表示が可能になる。
図５は、この発明の有機半導体装置を用いて構成した光センサ７０の実施形態を示す図解的な断面図である。この図５において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、正孔側ゲート電極５に対向して正側電極（Ｐ側電極）８Ａが有機半導体層１上に設けられ、電子側ゲート電極６に対向して負側電極（Ｎ側電極）９Ａが有機半導体層１上に設けられている。有機半導体層１は、この実施形態では、外部からの光照射を受けて電子および正孔の対を生成する有機半導体感光層として用いられる。
【００４６】
ゲート制御回路１２は、正孔側ゲート電極５に対しては、正孔を正側電極８Ａへと誘導するための制御電圧を印加し、電子側ゲート電極６に対しては、電子を負側電極９Ａへと誘導するための制御電圧を印加する。これにより、有機半導体層１に光が照射されて電子および正孔の対が生成されると、正孔は正側電極８Ａへと向かい、電子は負側電極９Ａへと向かうことになるから、結果として、正側電極８Ａと負側電極９Ａとの間に起電力が生じることになる。そこで、正側電極８Ａと負側電極９Ａとの間に生じた電圧を増幅回路７１によって増幅して取り出すことにより、有機半導体層１に入射した光量を検出できる。
【００４７】
有機半導体層１に代えて、図２Ａ、図２Ｂまたは図３に示された構成の有機半導体層１Ａまたは１Ｂを用いても、同様な光センサ７０を構成することができる。
このような光センサ７０を複数個用い、図６に示すように、基板２上に検出画素としての複数の光センサ７０をマトリクス配列することによって、２次元画像を検出するための撮像装置８０を構成することができる。
【００４８】
以上、この発明のいくつかの実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、上述の図４には２次元表示の可能な表示装置６０を示したが、画素を一次元配列して一次元の表示装置を構成することもできる。同様に、上述の図６には、光センサ７０を用いた検出画素を二次元配列した撮像装置８０を示したが、検出画素を一次元配列して一次元撮像装置を構成することもできる。
【００４９】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の一実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図２Ａ】この発明の他の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図２Ｂ】この発明の他の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態に係る有機半導体装置の構成を示す図解的な断面図である。
【図４】図１、図２Ａ、図２Ｂまたは図３に示された有機半導体装置を基板上に二次元配列して構成される表示装置の電気回路図である。
【図５】この発明の有機半導体装置を用いて構成した光センサの実施形態を示す図解的な断面図である。
【図６】図５の光センサを基板上にマトリクス配列して構成された撮像装置の構成を示す図解図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      有機半導体層
１Ａ    有機半導体層
１Ｂ    有機半導体層
２      基板
５      正孔側ゲート電極
６      電子側ゲート電極
７      ゲート絶縁膜
８      正孔注入電極
９      電子注入電極
８Ａ    正側（Ｐ側）電極
９Ａ    負側（Ｎ側）電極
１０，１０Ａ，１０Ｂ      有機半導体装置
１１      バイアス電圧印加回路
１２      ゲート制御回路
１５      正孔側チャネル
１６      電子側チャネル
２１      Ｐ型有機半導体層
２２      Ｎ型型有機半導体層
３０      接合部
３１      Ｐ型有機半導体層
３２      Ｎ型有機半導体層
５１      走査線駆動回路
５２      データ線駆動回路
５３      コントローラ
６０      表示装置
７０      光センサ
７１      増幅回路
８０      撮像装置
Ｃ        キャパシタ
Ｇ１      ゲート
Ｇ２      ゲート
ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３    データ線
ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＤ３    走査線
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２    画素
Ｔｓ      選択トランジスタ
Ｖｄ      バイアス電圧
Ｖgn      制御電圧
Ｖgp      制御電圧
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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