(57)【要約】【課題】光感度を向上した、速い応答時間の薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】光による照射に対して感光性を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）であって、光による照射はトランジスタの特性を高め、かつトランジスタ状態のパラメータを制御する。トランジスタは、絶縁基板と、ソース電極と、ドレイン電極と、トランジスタのチャネルを形成する第１の半導体材料と、ゲート電極と、ゲート電極および半導体層の間の絶縁層を含む。第２の半導体材料が、半導体層ならびにソース電極およびドレイン電極の少なくとも一つの間に電気的に接続されて配置される。第２の半導体材料は光導電性である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、
有機半導体層と、
前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に位置する絶縁層と、
前記有機半導体層に第１電荷を注入する第１電極と、
前記有機半導体層に前記第１電荷とは極性の異なる第２電荷を注入する第２電極と、
前記有機半導体層と前記第１電極との間に位置する光導電性半導体膜と、を備えることを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記有機半導体層と前記第２電極との間に前記光導電性半導体膜が位置する、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜と前記第１電極とが同一の金属元素を含む、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項４】
請求項１または２に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１６族の元素と、を含む、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項５】
請求項１または２に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１１族の元素と、を含む、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項６】
請求項１または２に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１２族の元素と、を含む、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項７】
ゲート電極と、
有機半導体層と、
前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に位置する絶縁層と、
前記有機半導体層に第１電荷を注入する第１電極と、
前記有機半導体層に前記第１電荷とは極性の異なる第２電荷を注入する第２電極と、を備え、前記第１電極および第２電極が光導電性半導体膜である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記有機半導体層が第１導電型であり、前記光導電性半導体膜が第２導電型であり、前記有機半導体層と前記光導電性半導体膜との界面がｐ−ｎ接合となるものである、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記有機半導体層がｐ型であり、前記光導電性半導体膜がｎ型である、ことを特徴とする受光素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜の厚みが１００ｎｍ以下である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記有機半導体層の電界効果移動度が１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記ゲート電極の可視光域での光透過率が５０％以上である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記絶縁層の可視光域での光透過率が８０％以上である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記有機半導体層の光吸収率は可視光波長範囲の少なくとも一部で１０4ｃｍ-1以下である、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記光導電性半導体膜の光吸収率は可視光波長範囲の少なくとも一部で１０4ｃｍ-1を越える、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
更にカラーフィルタを含む、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のフォトトランジスタにおいて、
前記カラーフィルタを、前記ゲート電極および前記絶縁層の少なくとも一つに着色剤を加えることで形成する、ことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のフォトトランジスタを含むことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係る幾つかの態様は、フォトトランジスタおよび、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）は、低価格集積回路および大型フラットパネル表示への適用可能性から非常に注目されている。電界効果移動度に関する最高のデバイス性能は蒸着低分子の膜を組み込んだデバイスに見られるが、高分子半導体の研究は、それら半導体が本質的に常温環境下での印刷技術に対応できることから盛んに行われている。
【０００３】
ＯＴＦＴの可能な応用分野としては、印刷されたポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）系印刷集積回路（非特許文献１）、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）と一体化したペンタセン系ＯＴＦＴ（非特許文献２）、ＯＬＥＤと一体化したポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）系ＯＴＦＴ（非特許文献３）、および、電気泳動表示装置と一体化した、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）系ＯＴＦＴが挙げられる。
【０００４】
有機系デバイスの他の応用分野としては、光検出器がある。このような光検出器は、二つの主なグループに分類することができる。すなわち、２端子のフォトダイオードと３端子のフォトトランジスタである。
【０００５】
ここ１０年の間に、様々な有機材料系のフォトダイオード構造が開示された。それらは、Ｐ型共役高分子およびフラーレン誘導体（非特許文献４）あるいは無機酸化物半導体（非特許文献５）のようなアクセプタ部位から作成された相分離ドナー・アクセプタ混合物を含んでいる。
【０００６】
２端子のフォトダイオードと比較した場合の３端子のフォトトランジスタの顕著な利点は、デバイスに光を当てることで生じる電流信号を内部で増幅できる（すなわち、光子−電流ゲインが１以上を実現できる）ことである。
【０００７】
特許文献１には、２層のｎ型またはｐ型の導電性を示す結晶性平面芳香族有機半導体が交互に積層した有機バイポーラ接合フォトトランジスタ構造が開示されている。それらの有機層は、層厚を厳しく管理しながら（ｎ型のベース層の厚みは１０オングストロームという薄さである）有機分子線蒸着法によって堆積される。このデバイスの光応答は、ベース層あるいはコレクタ層のいずれかにおけるエキシトンの生成に依存する。エキシトンは、界面にドリフトし、分離し、その結果生じた電子と正孔はベースを横切って通過し、それぞれ、エミッタとコレクタに入る。ベースポテンシャル障壁は光励起した電荷の存在によって変化し、その結果、電極からの電荷の注入によってエミッタおよびコレクタ間の空間電荷流の変化をもたらす。
【０００８】
バイポーラ接合フォトトランジスタのベースは、特許文献２に開示されているように、光効率とゲインを増加させるために、薄い多層積層で作成することができる。特に、この特許には、エミッタ領域とコレクタ領域としてｎドープしたシリコンを有し、それらがｐドープしたシリコンゲルマニウムとドープしてないシリコンの層が交互に構成されてなる量子井戸構造を有するベース領域を囲んでいる長波長光トランジスタが開示されている。
【０００９】
共役高分子に基づく薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、累積応答を送ることのできる放射検出器と過渡応答を伴う光照射センサの両方として動作する。
【００１０】
特許文献３には、高分子系ＴＦＴからなる放射センサが開示されている。電離放射線は検出器の電気的特性に累積的変化を引き起こし、その電気的特性は検出器に入射した放射線量の総量を表す。
【００１１】
幾つかの刊行物には高分子系のフォトトランジスタが記載されており、半導体材料中にエキシトンが生成され、トランジスタのチャネルを形成している。Ｈａｍｉｌｔｏｎ等は、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）系ＯＴＦＴの電気的特性への白色光照射の影響を研究した（非特許文献６を参照）。デバイスのオフ状態のドレイン電流は著しく増加し、強蓄積下で僅かな相対効果が見られた。光の照射で、デバイスの閾値電圧は効果的に減少し、明らかなサブ閾値の振れが増加し、高分子チャネル内の電荷キャリアの電界効果移動度は変化しなかった。これらの所見は、続いて自由電荷キャリア内に拡散および分離し、その結果チャネル中のキャリア密度を増やすエキシトンの光生成の観点から説明された。光生成された電子の一部は捕捉され、暗時の動作において観察される大きな負の閾値の原因となる正の帯電状態を中和し、その結果、閾値電圧を減少させる。著者らは、強蓄積下でバイアスされたデバイスで約０．７ｍＡ／Ｗの広帯域応答性、およびオフ状態のデバイスで約１０００のゲート対ソース電圧独立感光性を報告している。
【００１２】
高分子系ＴＦＴへの光照射によるエキシトンの形成およびその結果としてのトランジスタの光感度は、僅かの量の電子アクセプタ部位をｐ型半導体性高分子マトリクスに導入することによって増加することができる。特許文献４は、バックミンスターフラーレンＣ６０あるいはその派生物、ビオロゲン、ジクロロ−ジシアノ−ベンゾキノン、酸化チタンのナノ粒子、硫化カドミウムの粒子の僅かな量の添加を開示しており、その結果、ドレインおよびソース電極間に高い光誘起電流を得るために、光励起時に、高分子マトリクスから電子移動が可能になる。
【００１３】
あるいは、有機フォトトランジスタは非対称スピロ結合化合物で構成することもでき、その化合物内では、セキシフェニル／テルフルオレン派生物（アクセプタ）とビス（ジフェニルアミノ）ビフェニル（ドナー）部位間の分子内電荷移動が、紫外線照射時に電荷キャリア密度の増加を招き、増幅効果をもたらす。このことは、非特許文献７に開示されている。この中でＴ.Ｐ.ＩＳａｒａｇｉ等によって実証されたように、ドレインのオフ電流は光照射時に著しく増加し、一方、蓄積下のドレイン電流は相対的に影響を受けず、電荷キャリア移動度は一定のままである。非特許文献８に記載の結果も同様に、光の照射は、閾値電圧をより正のゲート電圧の方向にシフトさせる。
【００１４】
有機フォトトランジスタの潜在的な応用分野は、画像センサの領域である。特許文献５には、可視光帯域中あるいは近傍の電磁放射を検出することのできる感光性ＴＦＴから構成されるフラットパネル画像センサが開示されている。他の応用としては、特許文献６に開示されているような、受光素子と一体化した発光マトリクスアレイ表示装置があり、この装置は各画素の電気光学的フィードバック制御を簡単な方法で提供する。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５３１５１２９号明細書
【特許文献２】欧州特許第０６３８９４１Ａ号明細書
【特許文献３】ＷＯ特許第９８／０５０７２号公報
【特許文献４】米国特許第６９９２３２２号明細書
【特許文献５】米国特許第６８３１７１０号明細書
【特許文献６】ＷＯ特許第０１／９９１９１号公報
【非特許文献１】Ａ.Ｋｎｏｂｌｏｃｈ、 Ａ.Ｍａｎｕｅｌｌｉ、Ａ.Ｂｅｒｎｄｓ、Ｗ.Ｃｌｅｍｅｎｓ、「Ｆｕｌｌｙ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ｆｒｏｍ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.２００４年刊、第９６巻。
【非特許文献２】Ｔ.Ｎ.Ｊａｃｋｓｏｎ、Ｙ.Ｌｉｎ、Ｄ.Ｊ.Ｇｕｎｄｌａｃｈ、Ｈ.Ｋｌａｕｋ、「Ｏｒｇａｎｉｃ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｆｌａｔ−ｐａｎｅｌ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｂａｃｋｐｌａｎｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ、Ｓｅｌｅｃｔ.  Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、１９９８年刊、第４巻、１００〜１０４頁。
【非特許文献３】Ｈ.Ｓｉｒｒｉｎｇｈａｕｓ、Ｎ.Ｔｅｓｓｌｅｒ、Ｒ.Ｈ.Ｆｒｉｅｎｄ、「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９８８年刊、第２８０巻、１７４１〜１７４３頁。
【非特許文献４】Ｇａｏ、Ｆ.Ｈｉｄｅ、Ｈ.Ｗａｎｇ、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔｉｃ  ｃｅｌｌｓ  ｆｒｏｍ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｏｆ  ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ：Ｐｈｏｔｏｄｕｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ」、Ｓｙｎｔｈ.  Ｍｅｔ.１９９６年刊、第７９巻、１７７〜１８１頁。
【非特許文献５】Ｋ.Ｓ.Ｎａｒａｙａｎ、Ｔ.Ｂ.Ｓｉｎｇｈ、「Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ−ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ．１９９９年刊、第７４巻、３４５６〜３４５８頁。
【非特許文献６】Ｍ.Ｃ.Ｈａｍｉｌｔｏｎ、Ｊ.Ｋａｎｉｃｋｉ、「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ、２００４年刊、第５１巻、８７７〜８８５頁。
【非特許文献７】Ｔ.Ｐ.ＩＳａｒａｇｉ、Ｒ.Ｐｕｄｚｉｃｈ、Ｔ.Ｆｕｈｒｍａｎｎ、Ｊ.Ｓａｌｂｅｃｋ、「Ｏｒｇａｎｉｃ  ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｉｎｔｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｃｈａｒｇｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｉｎ  ａ  ｂｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｓｐｉｒｏ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ」、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.２００４年刊、第８４巻、２３３４〜２３３６頁。
【非特許文献８】Ｍ.Ｃ.Ｈａｍｉｌｔｏｎ、Ｓ.Ｍａｒｔｉｎ、Ｊ.Ｋａｎｉｃｋｉ、「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ、２００４年刊、第５１巻、８７７〜８８５頁。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
例えば、従来の高分子半導体層のバルク内でのエキシトンの形成と分離に依存している高分子系フォトトランジスタには、応答速度が遅いという欠点がある。すなわち、フォトトランジスタに光を照射後、光源のスイッチを切ると、ドレイン電流は数秒から数十秒の時間範囲内で減衰する。
【００１７】
本発明の目的は、光感度を向上した、応答速度の速いのフォトトランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るフォトトランジスタは、ゲート電極と、有機半導体層と、前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に位置する絶縁層と、前記有機半導体層に第１電荷を注入する第１電極と、前記有機半導体層に前記第１電荷とは極性の異なる第２電荷を注入する第２電極と、前記有機半導体層と前記第１電極との間に位置する光導電性半導体膜と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
これにより、高ゲインで、光感度に優れ、速い応答時間を備えるトランジスタを提供することができる。更に、トランジスタの電気的特性は、環境光およびゲート電圧を調整することにより容易に制御することができる。
【００２０】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記有機半導体層と前記第２電極との間に前記光導電性半導体膜が位置する、ことが好ましい。
【００２１】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜と前記第１電極とが同一の金属元素を含む、ことが好ましい。
【００２２】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１６族の元素と、を含む、ことが好ましい。
【００２３】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１１族の元素と、を含む、ことが好ましい。
【００２４】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜が、前記第１電極に含まれる金属元素と、周期律表の第１２族の元素と、を含む、ことが好ましい。
【００２５】
本発明に係るフォトトランジスタは、ゲート電極と、有機半導体層と、前記ゲート電極と前記有機半導体層との間に位置する絶縁層と、前記有機半導体層に第１電荷を注入する第１電極と、前記有機半導体層に前記第１電荷とは極性の異なる第２電荷を注入する第２電極と、を備え、前記第１電極および第２電極が光導電性半導体膜である、ことを特徴とするものであってもよい。
【００２６】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記有機半導体層が第１導電型であり、前記光導電性半導体膜が第２導電型であり、前記有機半導体層と前記光導電性半導体膜との界面がｐ−ｎ接合となるものである、ことが好ましい。
【００２７】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記有機半導体層がｐ型であり、前記光導電性半導体膜がｎ型である、ことが好ましい。
【００２８】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜の厚みが１００ｎｍ以下である、ことが好ましい。
【００２９】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記有機半導体層の電界効果移動度が１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上である、ことが好ましい。
【００３０】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記ゲート電極の可視光域での光透過率が５０％以上である、ことが好ましい。
【００３１】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記絶縁層の可視光域での光透過率が８０％以上である、ことが好ましい。
【００３２】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記有機半導体層の光吸収率は可視光波長範囲の少なくとも一部で１０4ｃｍ-1以下である、ことが好ましい。
【００３３】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記光導電性半導体膜の光吸収率は可視光波長範囲の少なくとも一部で１０4ｃｍ-1を越える、ことが好ましい。
【００３４】
上記のフォトトランジスタにおいて、更にカラーフィルタを含む、ことが好ましい。
【００３５】
上記のフォトトランジスタにおいて、前記カラーフィルタを、前記ゲート電極および前記絶縁層の少なくとも一つに着色剤を加えることで形成する、ことが好ましい。
【００３６】
本発明に係る電子機器は、上記のフォトトランジスタを含むことを特徴とする。
【００３７】
本発明は、光感度が向上し、速い応答時間の薄膜トランジスタの提供を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の一実施形態に係わる有機／無機混合フォトトランジスタ（ＰＨＯＩＴＦＴ）は、基板表面を有する絶縁基板と、半導体有機層と、有機半導体層に電気的接触する薄い光導電性半導体膜で覆われた導電性であるソース電極と、有機半導体層に電気的に接続する薄い光導電性半導体膜で覆われた導電性であるドレイン電極と、絶縁層と、絶縁層と隣接して配置された光学的に透明で導電性のゲート電極とからなる。
【００３９】
ソースコンタクトおよびドレインコンタクト上の薄い光導電性半導体膜の導電型は、有機半導体層の材料の導電型に対して反対である。すなわち、有機半導体層がｐ型の場合には、光導電性半導体膜はｎ型となる。その結果、有機半導体層と光導電性半導体膜の間の界面にｐ−ｎ接合が形成される。
【００４０】
有機半導体層は、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ以上の電界効果移動度を有し、更に、検出対象となる光の波長域において１０4／ｃｍ〜１０5／ｃｍの範囲で中程度から低程度の光学的吸収係数を示すことが好ましい。これらの要求を満たす有機半導体材料として、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ｃｏ−ビチオフェン）が好適である。
【００４１】
加工の面からは有機半導体層には有機半導体材料を使用することが好ましいが、適切な任意の材料を使用することができる。
【００４２】
適切なｐ型半導体材料の例を以下に示す。
【００４３】
（I）高分子
・トリアリールアミン系非結晶質高分子：ポリトリアリールアミン（ＰＴＡＡ）（可視光域で透光性）
・ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−オルト-トリアリールアミン）（ＴＦＢ）
・ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−オルト-バイチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）
・レジオレギュラーポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）（可視光域において高い光吸収性）
・ポリ[５，５'−ビス（３−ドデシル−２−チエニル）−２，２'−ビチオフェン]（ＰＱＴ−１２）
【００４４】
（II）低分子
・ペンタセン
・アルキル側鎖置換クアテルチオペンおよびセキシチオフェン
・ルブレン
【００４５】
適切なｎ型半導体材料の例を以下に示す。
【００４６】
（I）高分子
・ポリ（ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン）（ＢＢＬ）
【００４７】
（II）低分子
・ジペルフルオロヘキシル置換キンク−クアテルチオフェン
・メタノフラーレンフェニルＣ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）
・フルオロアルキル置換ナフタレンテトラカルボキシ酸ジミド
【００４８】
本発明が、これらの例に限定されないことは言うまでもない。
【００４９】
ソースおよびドレイン電極上の光導電性半導体膜は、好ましくは検出対象である光の波長域において１０5／ｃｍ〜１０6／ｃｍの範囲の高い光吸収係数αを示すことにより、光導電性半導体膜内での効率的な光励起を可能にし、その結果、ｐ−ｎ接合での静電ポテンシャル障壁を下げ、ソースおよびドレイン電極間に高い光誘起電流を生じる。例えば、酸化銀（Ａｇ2ＯあるいはＡｇＯ）または硫化銀（I）（Ａｇ2Ｓ）からなる薄い層で覆われた銀電極が挙げられる。電極材料としては、チタン、亜鉛、銅、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、鉛、カドミウムが挙げられ、光導電性半導体材料としては、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、硫化銅（Ｃｕ2ＳおよびＣｕＳ）、ヒ化ニッケル（ＮｉＡｓ）、ヒ化コバルト（ＣｏＡｓ2）、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）、硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）が挙げられる。
【００５０】
なお、ソースおよびドレイン電極は任意の適切な材料で形成して良く、その場合、光導電性半導体膜は、例えば１６族の元素と任意の材料とを接触させ反応させて形成することができる。
【００５１】
有機半導体層がｎ型であれば、光導電性半導体膜はｐ型であることが好ましい。遷移金属の酸化物、硫化物、セレン化物の多くはｎ型半導体である（上記の例を参照）。しかし、全ての化合物がｎ型ではない、すなわち、数多くの遷移金属酸化物およびカルコゲニドはｐ型半導体である。それらは、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ビスマス（ＢｉＯ）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化鉄（ＦｅＯ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ＣｕＩｎＳｅ2等である。従って、ｐ−ｎ接合は、有機半導体層がｐ型かｎ型かに係わらず形成され得ることが明らかであり、有機半導体層を形成するための適切な材料の範囲には制限がない。
【００５２】
上記のように、第１６族元素と電極を構成する金属との元素形態での反応は、対応する光導電性半導体膜を生成するのに使用することができる。あるいは、それら化合物は以下の方法によって得ることができる。
（１）第１６族の元素の水素化合物と金属との反応（例えば、銀とＨ2Ｓとの反応）（２）アニオン含有あるいはアニオン放出カルコゲニド種の存在下での金属の陽極酸化（例えば、金属硫化物あるいはチオ尿素の存在下での銀の陽極酸化によるＡｇ2Ｓの電気化学的形成）。
（３）酸素あるいはカルコゲニド含有プラズマによる金属の表面改良。
（４）金属の上面への金属カルコゲドのスパッタによる堆積あるいは熱蒸着。
【００５３】
ゲート電極は、部分的に透明であることが好ましい。可視光域での光透過率は、５０％を越え、好ましくは７０％を越え、７５％を越えることが最も好ましい。ゲート電極上面は、可能な限り透明であることが好ましい。ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ膜は、２００ｎｍ未満の膜厚に対して可視光域で７５％を越える透過率を示し、本発明に使用するのに適していると考えられる。
【００５４】
絶縁層は、光の照射に対して少なくても部分的には透明であり、界面において半導体層との混合を避けるように選択される。可視光域での光透過率は、８０％を越え、好ましくは９０％を越え、９５％を越えることが最も好ましい。絶縁層は、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）のような高分子材料から構成されても良い。高分子誘電体も、可能な限り透明であることが好ましい。本発明において使用することが好ましいポリビニルフェノール（ＰＶＰ）は、膜厚６００ｎｍで光透過率は９５％を越え、可視光波長域で事実上透明である。
【００５５】
有機半導体層は相対的に透明であり、反対に、光導電性半導体膜は光吸収が高いことが好ましい。このようにして、デバイスの感度を最大化することができる。上記のように、本発明に使用するのに好適な有機半導体材料はポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ｃｏ−ビチオフェン）であり、５２５ｎｍを越える波長域で相対的に透明である（光吸収係数αは１０4ｃｍ-1のオーダーである）。５２５ｎｍ未満では、その吸収係数は一桁増えて約１０5ｃｍ-1のオーダーである。
【００５６】
上記のように、硫化銀（Ａｇ2Ｓ）は本発明の光導電性半導体膜として好適である。可視光域でのその光吸収係数αは１０5ｃｍ-1のオーダーであり、このことは、膜厚３／α＝３００ｎｍがこの波長域の光放射の９５％を吸収するのに十分であると言う意味を含んでいる。更に、硫化銀は黒色なので可視光域波長の全体に渡って吸収することができる。
【００５７】
本発明の一実施形態として、フォトトランジスタは予め選択された波長のみに応答するデバイス（波長感知フォトトランジスタ）を製造するためにカラーフィルタを組み合わせている。
【００５８】
カラーフィルタは誘電体高分子層あるいは透明ゲート電極に染料を添加することによって実現できる。一方で、誘電体およびゲート電極の電気的機能を妨げないために、カラーフィルタは、例えば、ゲート電極の上面に追加層として実現することが好ましい。
【００５９】
吸収係数以外に、異なる層間の光学的密度／屈折率が層厚の関数としてデバイスの性能に影響する。
【００６０】
光導電性半導体材料を使用してトランジスタ内に光導電性半導体膜を形成することは知られている。光導電性半導体材料は以下のものを含んでいても良い。すなわち、
・純粋な有機高分子（Ｍ.Ｃ.Ｈａｍｉｌｔｏｎ、Ｓ.Ｍａｒｔｉｎ、Ｊ.Ｋａｎｉｃｋｉによる「Ｔｈｉｎ-Ｆｉｌｍ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ、２００４年刊、第５１巻、８７７〜８８５頁のＦ８Ｔ２）
・有機高分子および僅かな量の電子アクセプタ部位との混合物（米国特許第６９９２３２２号参照、バックミンスターフラーレンＣ６０あるいはその派生物、ビオロゲン、ジクロロ−ジシアノ−ベンゾキノン、酸化チタンのナノ粒子、硫化カドミウムの粒子の僅かな量の添加を開示している）。
・非対称スピロ結合化合物、その化合物内では、セクシフェニル／テルフルオレン派生物（アクセプタ）とビス（ジフェニルアミノ）ビフェニル（ドナー）部位間の分子間電荷移動が、電荷キャリア密度の増加となる。
【００６１】
これらデバイスのスペクトル光感度範囲は光吸収化合物の光学バンドギャップによって制限される。ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）は、光吸収係数が１０5ｃｍ-1オーダーで、２．４ｅＶを越える光子エネルギー（波長が５２５ｎｍ未満）に対してのみ強い吸収を示すが、小さな光子エネルギー（長い波長）に対してはかなり透明である（光吸収係数が１０4ｃｍ-1に減少）。スピロ結合電荷移動化合物は紫外域で吸収する。
【００６２】
一方、Ａｇ2Ｓは１．０ｅＶの直接光学バンドギャップを有し、可視光域内および域外の赤外域まで非常に効率の良い放射吸収体となる（可視光域での光吸収係数が１０5ｃｍ-1オーダーであり、このことは、膜厚３／α＝３００ｎｍがこの波長域の光放射の９５％を吸収するのに十分であると言う意味を含んでいる。
【００６３】
ここで、本発明は、有機半導体層を形成する有機半導体材料が、光導電性半導体材料であってもよく、その場合、光導電性半導体膜を形成するために使用される光導電性半導体材料は異なるものになる。例えば、上述のように、光導電性半導体材料としてポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ｃｏ−ビチオフェン）を有機半導体材料として有機半導体層に適用した場合がこれに相当する。
【００６４】
本発明に係るフォトトランジスタの一動作態様としては、トランジスタドレイン電流はゲート電極に印加する電圧およびトランジスタに入射する光の強度の両方で制御することができることである。トランジスタ飽和電流ゲインは、光照射のレベルおよびゲート電圧バイアスの適切な組み合わせにより１０００まで可能である。
【００６５】
図１ａは、本発明によって加工されたフォトトランジスタ構造のトップゲート構成を示す模式図である。上記構成は、電気的に導通し、分離したソースおよびドレイン電極２のパターンを有する絶縁基板１を含む。ソースおよびドレイン電極２は、光導電性半導体膜３で覆われている。ソースおよびドレイン電極は、有機半導体層４と重なり、有機半導体層４はソースおよびドレイン電極２間の隙間を埋め、トランジスタチャネルを形成する。有機半導体層４は誘電体層（絶縁層）５で覆われ、その上面にはゲート電極６が堆積される。積層体の上面からの照明を感知することを可能にするために、ゲート電極６および誘電体層５の両方は検出対象となる光の波長域内で光学的に透明である。
【００６６】
図１ｂは、本発明に係るフォトトランジスタ構造のボトムゲート構成を示す模式図である。上記構成は、絶縁基板１およびその上に堆積されたゲート電極６を含む。ゲート電極６および基板周辺領域は誘電体層５で覆われている。電気的に導通し分離しているソースおよびドレイン電極２のパターンは、誘電体層５の上面上で区画され、ソースおよびドレイン電極の各々は下層のゲート電極６の相対する端と重なっている。ソースおよびドレイン電極２は光導電性半導体膜３によって覆われている。誘電体層５の上面上のソースおよびドレイン電極は有機半導体層４と重なり、有機半導体層４はソースおよびドレイン電極２間の隙間を埋め、トランジスタチャネルを形成する。
【００６７】
ボトムゲート構成の場合、有機半導体層４側（積層体の上面側）からの照明の検知を可能にするためであれば、有機半導体層４のみが検出対象となる光の波長域内で光学的に透明であればよい。
【００６８】
図２ａおよび２ｂは、図１ａおよび１ｂに示す構造を有するトランジスタの有機半導体層４ならびにソースおよびドレイン電極２上の光導電性半導体膜３との間の界面に形成されたｐ−ｎ接合におけるバンド配列を示す模式図である。図２ａおよび２ｂにおいて、有機半導体層４がポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）の場合には、有機半導体層４はｐ型の導電性を示すものと仮定する。更に、ソースおよびドレイン電極２を覆う光導電性半導体膜３が硫化銀（Ａｇ2Ｓ）の場合には、光導電性半導体膜３はｎ型の導電性を示すものと仮定する。ドレイン印加電圧がゼロ（ＶDS＝０Ｖ）の場合、ソース電極と有機半導体層間のｐ−ｎ接合におけるポテンシャル障壁高さ（ｑＶ0）は、ドレイン電極と有機半導体層間のｐ−ｎ接合におけるポテンシャル障壁高さと同じである（図２ａ参照）。ドレイン印加電圧が負（ＶDS＜０Ｖ）の場合、ソース電極と有機半導体層間の界面におけるｐ−ｎ接合は逆バイアスであり、一方、ドレイン電極と有機半導体層間のｐ−ｎ接合は順バイアスである。従って、ソース電極と有機半導体層間の界面における逆バイアスされたｐ−ｎ接合は、ソースおよびドレイン電極間の電流の流れを制限するボトルネック（ポテンシャル障壁：ｑ（Ｖ0＋Ｖr））となる（図２ｂ参照）。ソース電極の逆バイアスされたｐ−ｎ接合に光を照射すると、ポテンシャル障壁が下がりソースおよびドレイン電極間の電流が増加する。
【００６９】
ここで、光導電性半導体膜３はソース電極またはドレイン電極の一方の上に配置すれば良い。図２ｂから明らかなように、トランジスタが逆バイアスされた場合には、光導電性半導体膜３がソース電極上のみに配置されると特に強い効果を得ることができる。
【００７０】
図３〜７は図１ａに示す構造を有するフォトトランジスタの特性を示す。このフォトトランジスタは、先ずガラス基板上に３０ｎｍの厚みのクロム接着層を堆積し、続いて接着層上に２００ｎｍ厚みの銀の層を熱蒸着することによりソースおよびドレイン電極を形成した。続いて、銀層をフォトリソグラフィによって加工し、銀からなるソースおよびドレイン電極を形成した。これらソースおよびドレイン電極を硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスで処理することにより、ソースおよびドレイン電極を覆う、硫化銀（Ａｇ2Ｓ）の薄い層からなる光導電性半導体膜を形成した。ソースおよびドレイン電極を覆う光導電性半導体膜を、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）で形成された薄い有機半導体層４で覆い、かつ、ソースおよびドレイン電極間の隙間を有機半導体層４で埋め、トランジスタチャネルを形成した。ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）は、低光吸収特性を有するｐ型の有機半導体材料である。有機半導体層４をＰＶＰからなる誘電体層５によって覆い、その上にゲート電極６を堆積した。ゲート電極は高い光透過性を有するＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで形成した。
【００７１】
図３は、暗時（塗りつぶし記号）および約５０００ルクスの低強度光源による光照射時（白抜き記号）の動作におけるフォトトランジスタの出力特性（すなわち、ドレイン電流（ＩDS）対ドレイン電圧（ＶDS））を示す。出力は、０Ｖ、−１０Ｖ、−２０Ｖ、−３０Ｖ、−４０Ｖのゲート電圧ＶGに対して表示されている。低強度の光照射によって得られるドレイン電流は、暗時の動作によって得られるドレイン電流より実質的に高いことが明らかである。更に、低強度光照射下での動作における出力曲線は、デバイス動作の明確な二つの領域をはっきりと示している。すなわち、線形領域と飽和領域である。ＶDSの増加に伴うＩDSの所期の線形増加の後、小さいゲート電圧（ＶG＝−１０Ｖ、−２０Ｖ、−３０Ｖ）に関しては、電流が急速に飽和に至る。ＶG＝−４０Ｖでは、ＩDSは、初期増加に較べて低い率ではあるが、ほぼ線形に上昇する。
【００７２】
図４は、暗時（白抜きおよび塗りつぶしの四角）、低強度光源による光照射（白抜きおよび塗りつぶしの菱形）、および約５００００ルクスの高強度光源による光照射時（白抜きおよび塗りつぶしの三角）の動作におけるフォトトランジスタの伝達特性（すなわち、ドレイン電流（ＩDS）対ゲート電圧（ＶG））を示す。線形域（白抜き記号）および飽和域（塗りつぶし記号）のデバイス動作の伝達曲線が、其々、−５Ｖおよび−４０Ｖのドレイン電圧（ＶDS）に関して表示されている。
【００７３】
デバイス中のドレイン電流ＩDSは、ゲート電圧（ＶG）の印加およびデバイスへの光照射によって独立して制御できることは明らかである。
【００７４】
暗時のデバイス動作においては、負のＶGを印加すると、有機半導体層中のｐ型伝導に従って、伝導チャネル中での正孔の集積およびドレイン電流ＩDSの増加となる。「オフ」状態の電流レベルは、線形および飽和域の両方で非常に低い。デバイスは、約−４０Ｖのゲート電圧でオンする、すなわち、閾値電圧は強負性である。
【００７５】
ゲート電圧が−３０Ｖ以下に見られる変動は、ノイズに起因する可能性が高い。この点に関して、電流は１０のマイナス１３乗から１４乗アンペアである。
【００７６】
低強度の光照射下での動作の場合、「オフ」状態の電流レベルは線形域での動作で約１０倍、飽和域での動作で約１００倍と大幅に増加する。デバイスは、−１０Ｖを越えるゲート電圧でオンし、このことは、閾値電圧が正のゲート電圧に向かって大きくシフトすることを示している。低いゲート電圧（ＶG＝−１０Ｖ〜−２０Ｖ）に関して、線形および飽和域での動作曲線は重なり、図３に示されるドレイン電流の飽和を反映している。
【００７７】
そして、高強度の光照射の場合、低強度の光照射下の動作と較べ、ドレイン電流のレベルは、更に１０〜１００倍増加する。
【００７８】
ゲート電圧が−２０Ｖ以下に見られる変動は、光源からの電気的外乱によるノイズに起因する可能性が高い。
【００７９】
図５は、暗時（塗りつぶし四角）、低強度の光照射（塗りつぶし菱形）および高強度の光照射時（塗りつぶし三角）において飽和域で動作するデバイスのドレイン電流の平方根（ＩDS-1/2）対ゲート電圧のプロットを示す。これらの曲線は、光の照射に応じて明らかに正のＶGに向かってシフトしており、このことは、閾値電圧が負の値からほぼ０Ｖにシフトすることを示している。
【００８０】
図６は、低強度（菱形）および高強度（三角）の光照射時における、光感度（ＩDS照射時−ＩDS暗時）／ＩDS暗時対ゲート電圧ＶGのプロットを示す。従って、図６に示すデータは図４から導かれる。線形域および飽和域のデバイス動作の光感度曲線が、其々、−５Ｖ（白抜き記号）および−４０Ｖ（塗りつぶし記号）のドレイン電圧（ＶDS）に関して表示されている。ドレイン電流は照射する光の強度の増加と共に増加することが明らかである。更に、最も高い光感度は中間電圧（ＶG＝−２０Ｖ〜−４０Ｖ）で観察される。ＶGが高くなれば、光照射によって増加の程度は下がるが絶対電流レベルは高くなる。すなわち、光感度が減少する。最適条件下では、光感度は約１００００の値に到達する（線形域で動作するフォトトランジスタの高強度の光照射に関して）。
【００８１】
図７ａは、追加光源のスイッチをＯＮにした後の時間を関数としたドレイン電流ＩDSの上昇（すなわち、低強度から高強度への照射光強度の増加）を示す。応答時間は２００ｍｓの範囲である。
【００８２】
図７ｂは、追加光源のスイッチをオフにした後の時間を関数としたドレイン電流ＩDSの減衰（すなわち、高強度から低強度への照射光強度の減少）を示す。電流は約３００ｍｓの間で減衰する。
【００８３】
実際には、低および高強度の光照射はフィラメント電球をオン・オフすることで切り替えた。応答時間は、電球内のフィラメントの加熱と冷却に要する時間、つまりは光の放射および光放出の停止、によって影響を受けたと予想される。従って、図７に示されたよりも相当速い応答時間が期待できる。
【００８４】
本発明に係るフォトトランジスタは従来のフォトトランジスタに較べて応答時間を著しく減少することは明らかである。例えば、米国特許第６９９２３２２号に開示されている応答時間は３０〜６０秒のオーダーである。
【００８５】
図１ａに示す構造の一製造方法について説明したが、様々な代替的な方法が使用できる。
【００８６】
図１ａに示す構造を有するデバイスの好適な製造方法として、ソースおよびドレイン電極を絶縁樹脂基板上に銀インクを用いてインクジェット印刷する。乾燥およびアニール後、Ｈ2Ｓガスに約２分間曝すことによって銀のソース／ドレイン電極表面上に光導電性半導体膜として硫化銀（Ａｇ2Ｓ）の層を形成する。好ましくは、光導電性半導体膜の厚みは３００ｎｍ以下、より好ましくは、１００ｎｍ以下である。続いて、メシチレンへのポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）溶液（１％重量百分率）をソースおよびドレイン電極上にインクジェット印刷することによって、光導電性半導体膜を覆うように有機半導体層を堆積する。ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）のような絶縁性高分子をスピンコート、ドクターブレード、インクジェット印刷、あるいはスクリーン印刷することによって、誘電体層を有機半導体層の上面にコーティングする。最後に、透明導電性高分子ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをインクジェット印刷することで、誘電体層の上面にゲート電極を形成する。
【００８７】
このように、フォトトランジスタは樹脂基板のようなフレキシブル基板を使用して低温で製造することができる。コンタクトをインクジェット印刷することの利点は、シャドーマスクあるいはリソグラフ技術を使用するかどうかに関わらず、熱蒸着した電極に比べて、表面が粗くなる。この表面の粗さによって光導電性半導体膜が電極と大きい接触表面積を得ることができ、光感度がさらに向上する。
【００８８】
必要により、光感度を更に増すために、反射防止コーティングをフォトトランジスタ全面に施しても良い。更に、光感度を制御するために、カラーフィルタを配置しても良い。
【００８９】
ここで、任意の適切な材料がフォトトランジスタの製造に使用できる。特に、様々な材料が基板として使用するのに適切であることは当業者にとって明らかである。それらは、剛体およびフレキシブル、両方の、種々のガラス、樹脂を含む。同様に、任意の適切な材料がソースおよびドレイン電極、光導電性半導体膜、有機半導体層、ゲート電極等に使用できる。
【００９０】
ソースおよびドレイン電極は、トランジスタチャネル内の有機半導体層の導電型と較べて、好ましくは反対の導電型の無機（あるいは有機金属あるいは有機）光導電半導体膜で覆われた導電コアである。この結果、ソースおよびドレイン電極と有機半導体層との間の、光導電性半導体膜と有機半導体層の界面にｐ−ｎ接合が形成される。
【００９１】
銀は、インクジェット堆積技術に用いて、溶液あるいは分散液の状態で容易に堆積できることから、ソースおよびドレイン電極として使用することが好ましい。更に、銀は酸素あるいは硫黄と容易に反応し、光導電性半導体膜を形成する。例えば、基板上に堆積された電極を酸素プラズマ（あるいは大気）に曝すと銀の酸化を生じ、電極上にＡｇ2Ｏの光導電性半導体膜を形成する。同様に、基板上に堆積された電極を硫黄雰囲気に曝すと、電極上にＡｇ2Ｓの光導電性半導体膜を形成する。銅、カドミウム、鉛も他の好適な電極材料である。しかし、電極はこれらに限定されず、他の材料あるいは上記のように無機材料であっても形成することができる。
【００９２】
同様に、光導電性半導体材料は電極の全面に被覆される必要はなく、電極との化学反応によって形成される必要もない。替わりに、光導電性半導体材料を、例えば、（ＮＨ4）2Ｓを用いた湿式加工、インクジェット膜形成方法、乾式膜形成方法を含む他の技術を使用して電極上に堆積しても良い。
【００９３】
有機半導体材料はインクジェット堆積技術に用いて溶液により、容易に堆積できることから、有機半導体層４として使用することが好ましい。好適な有機半導体材料としては、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）、ポリアリールアミン類、ポリチオフェン類（ＰＱＴ）がある。他の有機半導体材料も使用することができる。有機半導体材料としては、光導電性を有するか否かは特に条件ではない。従って、有機半導体層はπ共役系材料で作成することが好ましいが、ｐ型あるいはｎ型、重合、オリゴマー、あるいは低分子、有機あるいは無機ナノ粒子、溶解性、前駆体として溶解性、あるいは気相堆積法を用いたもののいずれでもよい。
【００９４】
一般的には、ｐ型の有機半導体材料を有機半導体層４に、ｎ型の光導電性半導体材料を光導電性半導体膜３に用いるのが好ましいが、これに限られず、導電型は交換しても良い。どちらの型でも、ソースおよびドレイン電極と有機半導体層との間の、光導電性半導体膜と有機半導体層との界面にｐ−ｎ接合を形成することができる。
【００９５】
上記のように、有機半導体層および光導電性半導体膜は反対の導電型であることが好ましい。このことにより、薄い光導電性半導体膜だけで強い光学特性を備えたデバイスを提供できると言う利点がある。光感度は、透明あるいは実質的に透明の有機半導体層や高光吸収の光導電性半導体膜を用いることにより更に向上する。
【００９６】
誘電体層（絶縁層）は、有機高分子（すなわち、ポリビニルフェノールＰＶＰ）、あるいは３次元架橋可能な有機オリゴマー（すなわち、シクロテン）、あるいは有機−無機複合材料（すなわち、有機変性セラミクス類）のような溶液加工可能絶縁材料で優先的に作成される。
【００９７】
ＩＴＯは、その光学的透過性から図１ａの構造中のゲート電極として用いるには適しているであろう。しかし、ＰＥＤＯＴはインクジェト印刷でＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ懸濁液の状態で容易に堆積されるので、好ましい。もちろん、ゲート電極としての使用に適する他の導電性材料でもよい。
【００９８】
前述の具体的な実施形態において、フォトトランジスタはｐ型の有機半導体層およびｎ型の光導電性半導体膜を備える。フォトトランジスタ構造のボトムゲート構成を示す模式図である図１ｂを参照し、ｎ型の有機半導体層およびｐ型の光導電性半導体膜を備える本発明のフォトトランジスタに関わる一実施形態を説明する。
【００９９】
この構造は、絶縁基板１（例えば、ガラス基板あるいはＰＥＴ箔）と、その上に（例えば、シャドーマスクを介して金（Ａｕ）が蒸着され）堆積されたゲート電極６を含む。ゲート電極６および基板の周辺域は誘電体層（絶縁層）５（例えば、スピンコートによって堆積された６００ｎｍのポリビニルフェノール）によって覆われている。電気的に導通し、分離しているソースおよびドレイン電極２のパターンは、誘電体層５の上面上で区画され、ソースおよびドレイン電極の其々は下層のゲート電極６の相対する端と重なっている。これらのソースおよびドレイン電極は、酸をドープしたポリアニリン（例えば、ポリアニリン−カンファースルフォン酸複合体ＰＡＮＩ−ＣＳＡ）で作成しても良い。ＰＡＮＩ−ＣＳＡは、ｐ型導電性高分子である。すなわち、金属のソースおよびドレイン電極２ならびにソースおよびドレイン電極の上面上の光導電性半導体膜３の薄い層の二つの機能を合わせ持っている。（しかし、高いドーピングレベルのため、ＰＡＮＩ−ＣＳＡ内の導電性は、光照射には強く依存しない。）ＰＡＮＩ−ＣＳＡは、有機溶剤（例えば、ｍ−クレゾール、クロロホルム、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等）に溶け易い。従って、ソースおよびドレイン電極をインクジェト印刷によって誘電層上に堆積することができる。
【０１００】
ＰＶＰ誘電体層５の上面上の、ＰＡＮＩ−ＣＳＡからなるソースおよびドレイン電極は、有機半導体層４によって覆われ、有機半導体層４はソースおよびドレイン電極２間の隙間を埋め、トランジスタチャネルを形成する。有機半導体層はｎ型の導電性を示す。ｎ型の有機半導体層に適した有機半導体材料としては、フラーレン（Ｃ６０）の蒸着層（約４０ｎｍ）あるいはＰＣＢＭのスピンコート層（約４０ｎｍ）がある。替わりに、ｎ型有機半導体材料はマグネトロンスパッタにより作成した酸化亜鉛（ＺｎＯ）の層のような無機物であっても良い。
【０１０１】
本発明のフォトトランジスタは、高強度の光照射下であっても低オフ電流で、高い光感度、高いゲイン、速い応答時間のフォトトランジスタを供給する。特に、本発明に係るフォトトランジスタはかなり大きなソース−ドレイン電流の変化で表されるような大きい光感度を示し、光照射の低いレベル（約５０００ルクス）でさえ１００〜１０００倍に増加する。また、フォトトランジスタは、光照射の程度およびゲート電圧の両方の関数として管理できるという柔軟性がある。更に、フォトトランジスタは簡単で安価に製造でき、インクジェットあるいは他の印刷および堆積技術を用いて低温で加工することができる。
【０１０２】
ソースおよびドレイン電極の導電コア材料、ソースおよびドレイン電極を覆う有機半導体層材料、トランジスタチャネルを形成する有機半導体材料の様々な組み合わせが開示されている。ソースおよびドレイン電極を覆う有機半導体層、および他の層を形成する様々な加工が開示されている。本発明は、これらの例に限定されるものではない。特に、インクジェット堆積、蒸着、密着印刷、スクリーン印刷、リソグラフィ、真空蒸着、シャドーマスク法技の技術のいずれか一つあるいは組み合わせて本発明に係るフォトトランジスタの形成に使っても良い。
【０１０３】
本明細書中において、光導電性半導体膜の「膜」という言葉は限定的に解釈されるものではなく、如何なる適切な層も含み、電極を完全に被覆している必要はない。
【０１０４】
上述の説明は、単に例を示したものであり、本発明の範囲内において種々の変更が可能であることは当業者の当然とするところである。
【０１０５】
本発明のフォトトランジスタは、短時間の応答時間が特に重要であるフラットパネル画像センサや指紋センサ用として特に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１ａおよび１ｂは、其々、本発明に係わるフォトトランジスタ構造のトップゲートおよびボトムゲート構成を示す模式図。
【図２】図２ａおよび２ｂは、ＶDS＝０Ｖ（図２ａ）およびＶDS＜０Ｖ（図２ｂ）のソースおよびドレイン電極上の光導電性半導体膜と有機半導体層との間の界面に形成されたｐ−ｎ接合におけるバンド配列を示す模式図。
【図３】暗時および低強度光源による光照射時の動作におけるフォトトランジスタの出力特性（すなわち、ドレイン電流（ＩDS）対ドレイン電圧（ＶDS））を示し、出力は、０Ｖ、−１０Ｖ、−２０Ｖ、−３０Ｖ、−４０Ｖのゲート電圧に対して表示されている。
【図４】暗時、低強度光源、高強度光源による光照射時の動作におけるフォトトランジスタの伝達特性（すなわち、ドレイン電流（ＩDS）対ゲート電圧（ＶG））を示し、伝達曲線は、線形および飽和域のデバイス動作に対して（ドレイン電圧（ＶDS）が、其々、−５Ｖおよび−４０Ｖにおいて）表示されている。
【図５】暗時、低強度、高強度の光照射時での動作の飽和域におけるデバイス動作に関するドレイン電流の平方根（ＩDS-1/2）対ゲート電圧のプロットを示す。
【図６】低強度および高強度其々の光照射時に関する、光感度（ＩDS照射時−ＩDS暗時）／ＩDS暗時対ゲート電圧ＶGのプロットを示し、飽和域と同様に線形域で動作するデバイスの光感度曲線が（ドレイン電圧（ＶDS）が、其々、−５Ｖ（白抜き三角）および−４０Ｖ（塗りつぶし四角）において）表示されている。
【図７】図７ａは、追加光源のスイッチをオンにした後の時間を関数としたドレイン電流ＩDSの上昇を示し（すなわち、低強度から高強度への照射光強度の増加）、図７ｂは、追加光源のスイッチをオフにした後の時間を関数としたドレイン電流ＩDSの減衰を示す（すなわち、高強度から低強度への照射光強度の減少）。
【符号の説明】
【０１０７】
１…絶縁基板、２…ソースおよびドレイン電極、３…光導電性半導体膜、４…有機半導体層、５…誘電体層（絶縁層）、６…ゲート電極。
【図１】
2007300112.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007300112.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007300112.tif 000007
【図６】
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【図７】
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