(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定距離だけ離れて対向配置された第１及び第２の基板と、
前記第１の基板上に形成された、ゲート絶縁膜によって覆われたゲート電極と、
前記第１の基板上で前記ゲート電極と平面視上位置合わせして前記ゲート絶縁膜上に形成され、ＩＴＯ又はアルミニウム又はモリブデンにより形成されたソース電極と、
前記第２の基板上に形成された、前記ゲート電極および前記ソース電極と平面視上位置合わせして、前記ソース電極との間に所定幅のスリットを形成し、アルミニウム又はモリブデンにより形成されたドレイン電極と、
前記ソース電極を覆う第１の配向膜と、前記ドレイン電極を覆う第２の配向膜と、
前記第１及び第２の基板間に挟持された有機半導体材料層と、
を有し、前記ゲート電極が、平面視上少なくとも前記スリットと対応する領域に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に所定の電圧を印加した状態で、該ゲート電極に印加する電圧を制御することにより、前記ドレイン電極と前記有機半導体材料層の境界のうち、前記ソース電極と前記ドレイン電極が最も近接する領域付近における発光の輝度を制御することができる発光型有機ＴＦＴ素子。
【請求項２】
前記配向膜は、前記スリットの向きと平行な方向にラビングされていることを特徴とする請求項１に記載の発光型有機ＴＦＴ素子。
【請求項３】
前記有機半導体材料が、ターチオフェン誘導体の材料である請求項１または２に記載の発光型有機ＴＦＴ素子。
【請求項４】
前記有機半導体材料が、電子とホールのいずれも運ぶことができる材料である請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光型有機ＴＦＴ素子。
【請求項５】
前記有機半導体材料が、液晶相である請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光型有機ＴＦＴ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機ＴＦＴ素子、特に横電界型の発光型有機ＴＦＴ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無機発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通常半導体結晶を用いて形成される。半導体基板上に単結晶を成長する必要があり、大面積の発光表示装置を形成することには不適である。
【０００３】
有機ＬＥＤは、発光層以外に電荷輸送層を設ける場合が多い。輸送可能なキャリアが正孔のみである有機材料を用いる場合は、電子輸送層を積層する必要がある。一般的には発光層を挟んで両側に電荷輸送層、電極層を積層する場合が多い。発光は、一方の電極を介して外部に取り出される。ここで,電極層を透過する際に発光の一部は吸収される。発光層の有機材料の移動度は低いため、積層構造を横型に形成することは困難である。
【０００４】
液晶を用いた表示素子として液晶表示素子（ＬＣＤ）が知られている。液晶分子が電界によって配向を変更できる性質を利用し、入射光の透過率を制御することができる。
【０００５】
図９（Ａ）は、透過型液晶ディスプレイの構造を説明する斜視図である。
【０００６】
バックライト型液晶ディスプレイでは、液晶セルＬＣとは別にバックライト９が光源として設けられている。バックライト９は蛍光灯等により構成され、反射板１０に向けて発光Ｌ２を照射する。反射板１０では発光Ｌ２が液晶ＬＣの方向に向けて反射される。液晶ＬＣセルで発光Ｌ２の透過率が制御されて、透過光Ｌ３がバックライト型液晶ディスプレイの前面から出射される。
【０００７】
図９（Ｂ）は、反射型液晶ディスプレイの構造を説明する斜視図である。
【０００８】
反射型液晶ディスプレイでは、電灯や自然光等の外光Ｌ４が液晶ＬＣの前面から入射する。液晶セルＬＣを透過し、反射面で反射した反射光Ｌ５が透過率を制御されて反射型液晶ディスプレイの前面から出射される。
【０００９】
このように、従来のバックライト型液晶ディスプレイ（図９（Ａ））及び反射型液晶ディスプレイ（図９（Ｂ））では液晶セルＬＣとは別に光源を確保する必要があった。
【００１０】
又、基板上に横方向に対向して配置された電極間の横電界を用いて有機材料を発光させる有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子が本願出願人により提案されている（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特願２００１−２６８８９６号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、新規な構成の横電界型有機発光素子を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、３電極を有する横電界型有機発光素子を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）型横電界型有機発光素子を提供することである。ここで、ＴＦＴの能動層は、液相(液晶相を含む)又はポリマーで構成され得る。
【００１５】
本発明の１観点によれば、
所定距離だけ離れて対向配置された第１及び第２の基板と、
前記第１の基板上に形成された、ゲート絶縁膜によって覆われたゲート電極と、
前記第１の基板上で前記ゲート電極と平面視上位置合わせして前記ゲート絶縁膜上に形成され、ＩＴＯ又はアルミニウム又はモリブデンにより形成されたソース電極と、
前記第２の基板上に形成された、前記ゲート電極および前記ソース電極と平面視上位置合わせして、前記ソース電極との間に所定幅のスリットを形成し、アルミニウム又はモリブデンにより形成されたドレイン電極と、
前記ソース電極を覆う第１の配向膜と、前記ドレイン電極を覆う第２の配向膜と、
前記第１及び第２の基板間に挟持された有機半導体材料層と、
を有し、前記ゲート電極が、平面視上少なくとも前記スリットと対応する領域に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に所定の電圧を印加した状態で、該ゲート電極に印加する電圧を制御することにより、前記ドレイン電極と前記有機半導体材料層の境界のうち、前記ソース電極と前記ドレイン電極が最も近接する領域付近における発光の輝度を制御することができる発光型有機ＴＦＴ素子
が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例における有機ＴＦＴ素子Ｅ１の構造を示す断面図である。透明なガラスで形成された下側基板１ａの上には、モリブデン（Ｍｏ）で形成された幅がｘ１のゲート電極２が形成されている。ゲート電極２の電極幅ｘ１は２０μｍとして作製した。下側基板１ａ及びゲート電極２を覆って、アクリル系高分子膜からなるゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート絶縁膜３は、第１の基板１ａ及びゲート電極２上にスピンコートにより塗布された後、２３０℃で１時間加熱して作製される。
【００１７】
ゲート絶縁膜３の一部領域上には、透明電極であるＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）で形成されたソース電極４ａが形成されている。ゲート絶縁膜３及びソース電極４ａを覆って、ＲＮ−１１９９（日産化学製）で形成された配向膜５ａが厚さ１０ｎｍ程度形成されている。配向膜も絶縁材料であり、絶縁層中に、ゲート電極、ソース電極が埋め込まれた構造の基板が得られる。
【００１８】
透明なガラスで形成された上側基板１ｂの一部領域上には、半透過アルミニウム膜からなるドレイン電極４ｂが形成されている。ソース電極４ａとドレイン電極４ｂは、平面視上所定のスリット幅ｘ２だけ離れて配置されている。スリット幅ｘ２は２μｍとして作製した。上側基板１ｂ及びドレイン電極４ｂを覆ってＲＮ−１１９９で形成された配向膜５ｂが厚さ１０ｎｍ程度形成されている。絶縁層中にドレイン電極が埋め込まれた構造の基板が得られる。但し、厚さ約５０ｎｍ以下の配向膜５ａ、５ｂは、完全な絶縁性は示さず、少なくともある程度のキャリア通過を許すと考えられる。配向膜５ａ及び５ｂは、図１（Ａ）の紙面とは垂直な、スリットの長さ方向に沿ってラビング処理が施されている。
【００１９】
下側基板１ａと上側基板１ｂは、ギャップコントロール材を数％含むシール材を周辺部に配置して、所定距離ｘ３だけ離れて対向配置される。２μｍのギャップコントロール剤を用い、有機半導体材料層６の厚さを２μｍに制御した。
【００２０】
下側基板１ａと上側基板１ｂの間に、液晶性を有する有機半導体材料ヘキサドデシルターチオフェン（以下、本願明細書で６−ＴＴＰ−１２と称する）が注入される。
【００２１】
図１（Ｂ）は、６−ＴＴＰ−１２の化学構造式を示す。  ６−ＴＴＰ−１２は、ｙ１、ｙ２、ｙ３の３つの部分から構成されている。ｙ１は炭素数が６のヘキシル基により構成される。ｙ２はチオフェンが３つ結合した構造をしており、ターチオフェン構造と呼ばれる。ｙ３は炭素数が１２のドデシル基により構成される。
【００２２】
ターチオフェン構造ｙ２を有し、側鎖ｙ１と側鎖ｙ３の構造を異にする様々な物質がある。本願明細書中においてターチオフェン構造ｙ２を有する物質のことをターチオフェン誘導体と称する。側鎖を変更することにより、種々の性質を修飾可能である。
【００２３】
図２（Ａ）は、上述の有機ＴＦＴ素子Ｅ１（図１（Ａ））のサンプルのゲート電圧（横軸）とソース・ドレイン電流（縦軸）の関係を示すグラフである。
【００２４】
黒丸のプロットを結んだ曲線Ａは、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂの間に２０Ｖの電圧を印加した場合のゲート電圧とソース・ドレイン電流の関係を示したグラフである。ゲート電圧の増加に従ってソース・ドレイン電流は増加した。ゲート電圧を０〜２５０Ｖの範囲で変化させても発光は確認されなかった。
【００２５】
白丸のプロットを結んだ曲線Ｂは、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂとの間に１００Ｖの電圧を印加した場合のゲート電圧とソース・ドレイン電流の関係を示したグラフである。ソース・ドレイン間電圧の増加によりソース・ドレイン電流は増大している。ゲート電圧の増加に従ってソース・ドレイン電流は増加し、飽和の傾向を示す。
【００２６】
ソース、ドレイン、ゲートを有し、ソース・ドレイン間電圧、ソース・ゲート間電圧によりソース・ドレイン電流が制御されるトランジスタが得られたことが判る。電極、絶縁層は薄膜であり、有機半導体材料層も薄膜状であるので、このトランジスタを薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と呼ぶ。
【００２７】
曲線Ｂの場合には、ゲート電圧を印加しない状態では発光が確認されなかったが、ゲート電圧を１０Ｖ以上（ソース・ドレイン電流が７００ｎＡ以上に相当する）印加すると発光が確認された。発光性ＴＦＴが得られたことが判る。なお、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂの間に１５０Ｖの電圧を印加したところ、ゲート電圧を印加しなくても発光が確認された。
【００２８】
図２（Ｂ）は、ゲート電圧（横軸）と発光強度（縦軸）の関係を示すグラフである。白丸のプロットを結んだ曲線Ｃは、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂ間に１００Ｖの電圧を印加した時のゲート電圧と発光強度の関係を示す。ゲート電圧を１０Ｖ以上にした場合に発光が確認された。ゲート電圧１０〜２５０Ｖの範囲で、発光強度は約３０〜８０ａ．ｕ．の範囲で変化している。
【００２９】
図３は、有機ＴＦＴ素子が発光した状態を示す斜視図である。なお、図において配向膜５ａ及び５ｂについては図示を省略してある。
【００３０】
ドレイン電極４ｂがソース電極４ａと最も近接する領域であるドレイン電極４ｂの点ａ１と点ａ４を結ぶ直線付近で発光Ｌ１が確認された。出射光Ｌ１は、ドレイン電極４ｂの側面（点ａ１〜ａ４により囲まれる面）付近の有機半導体材料層６を通過した後、上側基板１ｂを透過して有機ＴＦＴ素子Ｅ１の上方から出射する。
【００３１】
図４（Ａ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１を上方から見た平面図である。ソース電極４ａとドレイン電極４ｂの間にはｘ２の幅を有するスリットＳが形成されている。配向膜は、スリットＳと平行な方向Ｒ１にラビングされている。スリットＳの領域には液晶相である６−ＴＴＰ−１２の有機半導体材料層６が存在する。
【００３２】
図４（Ｂ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１が発光している状態を、上側基板１ｂ側から偏光顕微鏡により観測した写真である。図４（Ｂ）の写真は図４（Ａ）の平面図に対応する。ソース電極４ａに１００Ｖ、ドレイン電極４ｂに０Ｖ、ゲート電極２に１０Ｖの電圧をそれぞれ印加した。
【００３３】
発光Ｌ１は、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂが最も近接するドレイン電極４ｂと有機半導体材料層６の境界付近における発光であり、比較的明るいドット状の緑色発光であった。発光Ｌ１は非常に細かなドット状の発光であったため、発光輝度の絶対値を測定することはできなかったが、目視で、はっきりと発光を確認することができた。なお、細かなドット状の発光Ｌ１は、目視ではライン状に発光しているように視認された。
【００３４】
また、スリットＳと直交する方向Ｒ２にラビングを行った場合も実験した。発光は確認されたが、発光輝度はスリットと平行方向にラビングを行った場合の１／５程度であった。
【００３５】
発光Ｌ１は半透過アルミニウム膜からなるドレイン電極４ｂ中をほとんど透過する必要がないので、電極を透過することによる発光輝度の低下を抑制することができる。ドレイン電極４ｂの電極材料として半透過アルミニウム膜などの透明電極に代え、不透明電極を用いることもできる。電極材料の選択自由度が大きく向上する。
【００３６】
ソース電極４ａとドレイン電極４ｂの間に電圧を印加することによりソース電極４ａから供給される正孔が、有機半導体材料層６中をドレイン電極４ｂの点ａ１と点ａ４を結ぶ直線付近の領域まで輸送され、ドレイン電極４ｂから供給される電子と再結合することにより発光Ｌ１が生ずると考えられる。
【００３７】
ソース電極４ａとしてＩＴＯ、ドレイン電極４ｂとしてアルミニウム膜を用いた場合を説明したが、これ以外にも電極の材料として酸化インジウム・モリブデン（ＩＭＯ）、酸化インジウム・タングステン（ＩＷＯ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、白金（Ｐｔ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、カルシウム（Ｃａ）等を用いることが考えられる。
【００３８】
ソース電極４ａとドレイン電極４ｂの電極材料として、同じ材料を用いることも、異なる材料を用いることも可能であろう。数種類の電極材料を用いて、実験を行った。
【００３９】
【表１】
0004423444.tif 000002
【００４０】
表１は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１（図１（Ａ））においてソース電極４ａとドレイン電極４ｂの電極材料をそれぞれ変化させた場合における発光の有無を示す。
【００４１】
（ソース電極４ａ，ドレイン電極４ｂ）＝（ＩＴＯ，Ａｌ）の組み合わせの他、（ソース電極４ａ，ドレイン電極４ｂ）＝（ＩＴＯ，Ｍｏ）、（Ｍｏ，Ｍｏ）、(Ａｌ，Ａｌ)の組み合わせについても発光が確認された。
【００４２】
（ソース電極４ａ，ドレイン電極４ｂ）＝（ＩＴＯ，ＩＴＯ）、（Ａｌ，ＩＴＯ）、（Ｍｏ，ＩＴＯ）の組み合わせを電極材料として用いた場合には発光しないことが確認された。これらの電極材料の組み合わせ以外については未だ確認していないが、電極材料の仕事関数を考慮して適宜組み合わせることにより発光させることができると考えられる。
【００４３】
ドレイン電極４ｂにＩＴＯを用いた場合には発光しないことがわかる。ソース電極４ａにＡｌ、Ｍｏ、ＩＴＯのいずれを用いても、発光する組合わせがある。ドレイン電極の材料が発光機構に影響すると考えられる。
【００４４】
６−ＴＴＰ−１２の分子は、液晶相であるため印加する電圧により配向方向を制御することができる。配向制御により輝度を向上できる可能性もある。ソース電極４ａ及びドレイン電極４ｂとは別に、６−ＴＴＰ−１２の分子配向方向を制御するための電極を設けることも可能であろう。
【００４５】
以上、説明した有機ＴＦＴ素子Ｅ１では、絶縁破壊や長時間の電圧印加による発光輝度の低下は見られなかった。発光Ｌ１は偏光状態ではなかった。ドレイン電極４ｂ付近の６−ＴＴＰ−１２の分子配向性を向上させることにより偏光状態で発光させることも期待される。
【００４６】
ソース電極４ａやドレイン電極４ｂ上に電荷注入層や電荷輸送層を形成しない場合について説明したが、形成してもかまわない。電界重合法等を用いれば、ソース電極４ａやドレイン電極４ｂ上にのみ容易に電荷注入層や電荷輸送層を形成することができる。
【００４７】
図５（Ａ）は、第１の実施例における有機ＴＦＴ素子Ｅ１（図１（Ａ））を組み立てる方法を示す断面図である。有機半導体材料層６を注入していないセルをあらかじめ作製しておく。下側基板１ａと上側基板１ｂ間の周辺部は、ギャップコントロール材が数％添加されたシール材により封止されている。シール材の一部に、６−ＴＴＰ−１２を注入するための注入口Ｉと排気口ＥＸが開口されている。
【００４８】
容器７には６−ＰＴＴ−１２が満たされており、セルの開口部Ｉをその中に浸ける。基板間の空隙に毛細管現象によって６−ＰＴＴ−１２が注入される。注入の際、有機ＴＦＴ素子Ｅ１の両側にヒータ８等の加熱装置を設置してを加熱することにより、６−ＴＴＰ−１２のを等方性の状態にしてからセルに注入した。
【００４９】
注入後、ヒータ８の電源を切る等して６−ＰＴＴ−１２を徐々に冷却することにより、等方性の状態にあった６−ＴＴＰ−１２を液晶状態へと変化させた。最後に、注入口Ｉ、排気口ＥＸを封止して有機ＴＦＴ素子Ｅ１を得た。
【００５０】
ここでは毛細管現象を用いて６−ＴＴＰ−１２をセル内に注入したが、その他にも真空注入法や減圧加圧注入法を用いてセル内に注入することができる。
【００５１】
図５（Ｂ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１を組み立てる別の方法を示す断面図である。下側の基板（下側基板１ａ、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、ソース電極４ａ、配向膜５ａ）と、上側の基板（上側基板１ｂ、ドレイン電極４ｂ、配向膜５ｂ）をあらかじめ作製しておく。下側の基板上の周辺部は有機半導体材料層６がセルから流出しないようにギャップコントロール剤を数パーセント添加したシール材によって囲われている。下側の基板の配向膜５ａ上に６−ＴＴＰ−１２を流動状態で滴下した後、上側の基板の配向膜５ｂが形成されている面を有機半導体材料層６に重ね合わせることにより有機ＴＦＴ素子Ｅ１を作製することができる。
【００５２】
これとは逆に、上側の基板の配向膜５ｂが形成されている面を上に向け、その面の上に６−ＰＴＴ−１２を流動状態で配置した後、下側の基板の配向膜５ａが形成されている面を有機半導体材料層６に重ね合わせることにより有機ＴＦＴ素子Ｅ１を作製することもできる。
【００７４】
上述した実施例では、ゲート絶縁膜３としてアクリル系高分子膜を用いたが、その他に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）や窒化ケイ素（ＳｉＮx）を用いることもできるであろう。また、ゲート絶縁膜３をアクリル系高分子膜、ＳｉＯ2、ＳｉＮx等の積層構造により形成することもできるであろう。
【００７５】
また、実施例では有機半導体層６に６−ＴＴＰ−１２を用いる場合について説明したが、２−フェニルナフタレン系の液晶性材料を有機半導体材料層６として用いた場合についても発光が確認された。有機半導体材料として、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリチオフェン（ＰＡＴ）、ポリフルオレン（ＰＦ）等の高分子型有機ＬＥＤ用材料を用いることもできる。
【００７６】
実施例で説明した有機ＴＦＴ素子は、従来の有機ＬＥＤ素子や液晶表示素子と比べて構造を簡単にすることができ、低コストで発光性素子を作製することができる。
【００７７】
また、従来のアクティブマトリックス型の液晶表示素子では、ＴＦＴを作製する際にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）やポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用いることが多いが、アモルファスシリコン層やポリシリコン層を作製する過程はだいたい３００℃以上の高温で基板を処理する。熱に弱い基板を用いることはできなかった。実施例の有機ＴＦＴ素子では、ＴＦＴにアモルファスシリコンやポリシリコンを用いず、低温で有機ＴＦＴ素子を作製することができる。熱に弱いフィルム基板やプラスチック基板などの基板も使用することができる。超薄型でフレキシブルなフィルムＴＶ（動画対応）を作製することができる。
【００７８】
実施例で説明した有機ＴＦＴ素子は、ゲート電極に印加する電圧を制御することによって発光輝度を制御することができる。表示素子自体が発光するアクティブマトリックス型ディスプレイに応用できる。
【００７９】
また、上述の実施例による有機ＴＦＴ素子の作製の容易性から、大面積のディスプレイを容易に作製することができる。
【００８０】
上述した有機ＴＦＴ素子は、例えば、ディスプレイ製品全般、照明製品、各種光源、光通信素子や光センサ素子等の各種光学素子、光集積回路、光ニューラルコンピュータなどに利用することが可能である。
【００８１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、横電界型の発光型有機ＴＦＴ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例における有機ＴＦＴ素子Ｅ１の構造を説明する断面図であり、図１（Ｂ）は、６−ＴＴＰ−１２の化学構造式を示した図である。
【図２】図２（Ａ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１のゲート電圧とソース・ドレイン電流の関係を、図２（Ｂ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１のゲート電圧と発光強度の関係を示すグラフである。
【図３】有機ＴＦＴ素子Ｅ１の発光時の状態を示す斜視図である。
【図４】図４（Ａ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１を上方から見た平面図であり、図４（Ｂ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１が発光している状態を、有機ＴＦＴ素子Ｅ１の上側基板側から偏光顕微鏡により観察した写真である。
【図５】図５（Ａ）は、有機ＴＦＴ素子Ｅ１を組み立てる方法を示す断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）とは別の有機ＴＦＴ素子Ｅ１を組み立てる方法を示す断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、バックライトを用いる透過型液晶ディスプレイの構造を示す斜視図であり、図６（Ｂ）は、反射型液晶ディスプレイの構造を示す斜視図である。
【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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