(57)【要約】【課題】装着する部位の形状にかかわらず、所望の部位に取り付けて磁界を測定することができ、また量産性にも優れる有機半導体を用いたホール素子を提供する。【解決手段】有機半導体層４の一方向にドレン電流ＩＤを供給するため有機半導体層４の両端部にそれぞれ配設した一対の電極であるドレン電極５及びソース電極６と、有機半導体層４の表面にゲート絶縁層を介して配設されたゲート電極と、有機半導体層４を磁界Ｂ中に置いた場合に、磁界Ｂ及びドレン電流ＩＤに対して直角方向に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すため、ドレン電極５及びソース電極６に対して直角方向で有機半導体層４の他の両端部にそれぞれ配設した一対のホール電極１，２とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方向に電流を供給するため前記有機半導体層の両端部にそれぞれ配設した一対の電極と、
前記有機半導体層を磁界中に置いた場合に、前記磁界及び前記電流に対して直角方向に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すため、前記一対の電極に対して直角方向で前記有機半導体層の他の両端部にそれぞれ配設した一対のホール電極とを有することを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項２】
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方向に電流を供給するため前記有機半導体層の両端部にそれぞれ配設した一対の電極であるドレン電極及びソース電極と、
前記有機半導体層の表面にゲート絶縁層を介して配設されたゲート電極と、
前記有機半導体層を磁界中に置いた場合に、前記磁界及び前記電流に対して直角方向に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すため、前記ドレン電極及びソース電極に対して直角方向で前記有機半導体層の他の両端部にそれぞれ配設した一対のホール電極とを有することを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項３】
請求項２に記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記ゲート絶縁層はゲル状電解質からなることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記ゲル状電解質は、ゲル状ポリマー電解質であることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層は、有機半導体化合物の単結晶で形成されていることを特徴とするホール素子。
【請求項６】
請求項２乃至請求項４の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層はルブレン単結晶で形成され、
前記ゲル状電解質は、ポリエチレングリコールと、ＬｉＣｌＯ4と、アセトニトリルと、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項７】
請求項２乃至請求項４の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層はペンタセン単結晶で形成され、
前記ゲル状電解質は、ポリフッ化ビリニデンと、ＬｉＡｓＦ6と、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層は、レーザエッチングにより不要部分を除去することで所定の形状に成形したものであることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機半導体を用いたホール素子に関し、特に平坦ではない曲面形状等の物体に取り付けて所定の磁界強度を検出する場合に用いて有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子は半導体のホール効果を利用したものであって、磁気を電気に直接変換することができる磁気センサとして汎用されている。
【０００３】
ここで従来技術にかかるホール素子は全て無機半導体を材料とするものである。したがって、平坦ではない曲面形状等の物体に取り付けて所定の磁界強度を検出する場合には、特殊な治具を用意し、この治具を介して取り付ける等の工夫が必要になる。いずれにしても、使い勝手という点で適用に難がある場合がある。
【０００４】
一方、次世代のエレクトロニクス素子として有機電界効果トランジスタへの期待が高まっている。そして、かかる有機電界効果トランジスタを含む有機半導体を材料としてホール素子を形成することができれば、それ自体が可撓性を有するので、これを取り付ける部位の形状が取り付けの際の制限要素となることはない。ただ、前述の有機電界効果トランジスタにおけるさらに優れた電界応答を実現する設計指針を得るため、有機結晶表面に電界効果により注入される電荷の本質的な伝導機構を明らかにすることが望まれてはいるものの、そもそも電界注入されたキャリアが自由電子ガスのように空間的に広がっているのか、局在しているのかという基本的な問題が明らかにされていなかった。
【０００５】
そこで、本願発明の発明者は薄片状ルブレン単結晶をＳｉＯ２／ｄｏｐｅｄＳｉ基板上に張り合わせる方法で単結晶電界効果トランジスタを形成し、レーザエッチングの手法を用いて６端子形状に正確に成形し、室温において±１０Ｔの磁場中で横電圧を測定するという実験を行った。
【０００６】
この結果、横電圧が磁場とともに変化するシグナルを得、有機電界効果トランジスタで初めてのホール効果を検出した。この実験結果は、ホール電圧の逆数が電界注入したホール密度とほぼ対応するため、有機単結晶表面において、ホールの空間分布には２次元ホールガスのような広がりがあることが証明された（非特許文献１参照）。
【０００７】
いずれにしても、上記実験結果は有機半導体を用いてホール素子を形成し得ることを示している。
【０００８】
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．４６、２００５、ｐｐ．Ｌ１３９３−Ｌ１３９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、装着する部位の形状にかかわらず、所望の部位に取り付けて磁界を測定することができ、また量産性にも優れる有機半導体を用いたホール素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方向に電流を供給するため前記有機半導体層の両端部にそれぞれ配設した一対の電極と、
前記有機半導体層を磁界中に置いた場合に、前記磁界及び前記電流に対して直角方向に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すため、前記一対の電極に対して直角方向で前記有機半導体層の他の両端部にそれぞれ配設した一対のホール電極とを有することを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００１１】
本態様によれば、可撓性を有するホール素子とすることができる結果、装着する部位の形状にかかわらず、所望の部位に取り付けて磁界を測定することができる。また、室温環境で製作することができるので、製作のための設備も簡単なもので良い。ちなみに、無機半導体を材料とする場合には、例えばＳｉを溶かす場合等に９００℃程度の高温の環境を用意しなければ等、製造設備が大掛かりなものとならざるを得ない。
【００１２】
本発明の第２の態様は、
有機半導体層と、
前記有機半導体層の一方向に電流を供給するため前記有機半導体層の両端部にそれぞれ配設した一対の電極であるドレン電極及びソース電極と、
前記有機半導体層の表面にゲート絶縁層を介して配設されたゲート電極と、
前記有機半導体層を磁界中に置いた場合に、前記磁界及び前記電流に対して直角方向に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すため、前記ドレン電極及びソース電極に対して直角方向で前記有機半導体層の他の両端部にそれぞれ配設した一対のホール電極とを有することを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００１３】
本態様によれば、有機トランジスタで、第１の態様と同様の作用・効果を得る。
【００１４】
本発明の第３の態様は、
上記第２の態様に記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記ゲート絶縁層はゲル状電解質からなることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００１５】
本態様によれば、ゲート絶縁層が従来の固体材料で形成されたものに比べ、キャリア移動度及び応答性が高く、且つ駆動電圧が低いものとすることができる。ちなみに、固体絶縁層のものよりも１／１００程度のゲート電圧でホール素子として機能させることができるものと期待される。
【００１６】
すなわち、ゲート絶縁層が固体材料の場合には、有機半導体材料と、その表面に設けられる絶縁材料との間の界面状態が悪いために、無機半導体素子と比較して半導体素子としての性能が低いという問題とともに、有機半導体素子は、無機半導体素子と比較して応答性が低いという問題点や、駆動電圧が高いという問題点もあったが、本態様によれば、これらの問題点を一気に解決し得る。
【００１７】
本発明の第４の態様は、
上記第２又は第３の態様に記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記ゲル状電解質は、ゲル状ポリマー電解質であることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００１８】
本態様によれば、より構造安定性の高い素子を提供できる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、
上記第１乃至第４の態様の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層は、有機半導体化合物の単結晶で形成されていることを特徴とするホール素子である。
【００２０】
本態様によれば、よりキャリア移動度が高い素子を提供できる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、
上記第２乃至第４の態様の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層はルブレン単結晶で形成され、
前記ゲル状電解質は、ポリエチレングリコールと、ＬｉＣｌＯ4と、アセトニトリルと、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００２２】
本態様によれば、キャリア移動度及び応答性がより高く、かつ駆動電圧がより低い素子を提供することができる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、
上記第２乃至第４の態様の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層はペンタセン単結晶で形成され、
前記ゲル状電解質は、ポリフッ化ビリニデンと、ＬｉＡｓＦ6と、メチルピロリドンとを含むことを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００２４】
本態様によれば、キャリア移動度及び応答性がより高く、かつ駆動電圧がより低い素子を提供することができる。
【００２５】
本発明の第８の態様は、
上記第１乃至第７の態様の何れか一つに記載する有機半導体を用いたホール素子において、
前記有機半導体層は、レーザエッチングにより不要部分を除去することで所定の形状に成形したものであることを特徴とする有機半導体を用いたホール素子である。
【００２６】
本態様によれば、有機半導体層の形状を精確に加工することができ、所望の特性のホール素子を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２７】
上述の如く本発明は有機半導体を用いたホール素子であるので、可撓性を有している。この結果、装着する部位の形状にかかわらず、所望の部位に取り付けて磁界を測定することができる。また、室温環境で作製することができるので、量産性にも優れ、無機半導体を材料とするホール素子に較べ飛躍的なコストの低減を図り得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２９】
図１に示すように、本形態に係るホール素子は、従来の有機トランジスタに一対のホール電極１，２を追加したものである。ここで有機トランジスタは、基板３上に形成した有機半導体層４と、有機半導体層４の一方向（Ｙ方向）にドレン電流ＩＤを供給するためその両端部にそれぞれ配設した一対の電極であるドレン電極５及びソース電極６と、有機半導体層４の表面にゲート絶縁層７を介して配設されたゲート電極８とを有している。
【００３０】
前記ホール電極１，２は有機半導体層４を図中Ｚ方向の磁界Ｂ中に置いた場合に、前記磁界Ｂ及び前記電流に対して直角方向（Ｘ方向）に発生するホール電界に基づくホール電圧ＶＨを取り出すため、ドレン電極５及びソース電極６に対して直角方向で有機半導体層４の他の両端部にそれぞれ配設してある。
【００３１】
ここで、有機半導体層４は、レーザエッチングによりドレン電極５及びソース電極６間のチャンネル領域に対して直角なホール電界領域を有する十字形状に成形する。また、この場合の有機半導体化合物としては、単結晶乃至多結晶の如何にかかわらず、半導体的な電気的性質を示す有機化合物であれば特に限定することなく用いることができる。すなわち、この場合の有機半導体化合物としては、例えば、（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどのオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレン、ペンタセンが好ましい。
【００３２】
ドレン電極５とソース電極６との間及びゲート電極８とドレン電極５との間には所定のドレン電圧ＶＤ及びゲート電圧ＶＧがそれぞれ印加されている。
【００３３】
上述の如き本形態に係るホール素子を磁界Ｂ中に置いた場合、ドレン電流ＩＤに作用するローレンツ力により磁界Ｂの強度に比例したホール電界を発生する。この電界に基づくホール電圧ＶＨを検出することにより磁界Ｂの強度を検出することができる。
【００３４】
ここで、本形態に係るホール素子は可撓性を有する結果、装着する部位の形状にかかわらず、所望の部位に取り付けて磁界Ｂを測定することができる。また、室温環境で製作することができるので、製作のための設備も簡単なもので良い。
【００３５】
本実施の形態の如く、ゲート絶縁層７を従来の有機トランジスタと同様の固体絶縁材料で形成した場合には、有機半導体層４を形成する有機半導体材料と、その有機半導体材料の表面に設けられるゲート絶縁層７の固体絶縁材料との間の界面状態が悪いために、無機トランジスタと比較して半導体素子としての性能が低いという問題がある。すなわち、従来の有機トランジスタでは、有機半導体材料の表面に凹凸が存在するので、有機半導体材料と絶縁材料との密着性が悪くなるためにキャリア移動度が低くなり、結果として半導体素子としての性能が低くなるという問題があった。また、有機半導体素子は、無機半導体素子と比較して応答性が低いという問題点や、駆動電圧が高いという問題点も有していた。
【００３６】
かかる問題は、本願発明者の出願（特願２００６−０３２１８６号）で開示したゲート絶縁層７をゲル状電解質で形成することにより解決し得る。そこで、図１及び図２に示すホール素子のゲート絶縁層７をゲル状電解質で形成したものをより好適な他の実施形態として挙げることができる。
【００３７】
かかる他の実施の形態のホール素子では、ゲル状電解質で形成したゲート絶縁層７を介してゲート電極８と有機半導体層４とが接続されているので、従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機半導体素子と比較してキャリア移動度及び応答性を高くすることができる。すなわち、このように構成されたホール素子は、ゲート電極８及びドレン電極５を介してゲル状電解質であるゲート絶縁層７にゲート電圧ＶＧが印加されると、ゲル状電解質は陽イオンと陰イオンとに解離し、ゲル状電解質中の陰イオンがゲル状電解質のゲート絶縁層７と有機半導体層４との界面付近に蓄積することになる。したがって、ゲル状電解質であるゲート絶縁層７と有機半導体層４とを電極として、いわゆる電気二重層が形成されることになる。この結果、有機半導体層４が分極し、基板３と接する有機半導体層４の表面近傍に電子が蓄積する。そして、基板３と接する有機半導体層４の表面近傍に蓄積した電子によって、ドレン電極５及びソース電極６間でドレン電流ＩＤが流れる。
【００３８】
ここで、有機トランジスタは、上述したように、ゲル状電解質中のイオンが移動することにより電界効果を奏するので、従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機トランジスタと比較して、応答性が高いという効果を奏する。また、有機半導体層４の表面に凹凸があったとしても、その凹凸に応じてゲル状電解質の表面形状が変化することにより、有機半導体層４とゲル状電解質との密着性が向上するので、有機半導体層４とゲル状電解質との界面状態が良好に保たれる。したがって、ゲート電極８及びドレン電極５間にゲート電圧ＶＧを印加した際に、ゲル状電解質は有機半導体層４とゲル状電解質との界面付近に多くの陰イオンを蓄積することができるとともに、有機半導体層４は基板３と接する有機半導体層４の表面近傍に多くの電子を蓄積することでき、結果として当該ホール素子のキャリア移動度を高くすることができるという効果を奏する。
【００３９】
さらに、本形態に係るホール素子では、ゲート絶縁層７としてゲル状電解質を用いて構成されているので、上述したようにゲル状電解質中の陰イオンがゲル状電解質と有機半導体層４との界面付近に蓄積して電気二重層が形成される。すると、ゲート電極８及びドレン電極５間に印加されるゲート電圧ＶＧは、有機半導体層４と接するゲル状電解質の界面近傍の１ｎｍ以下の厚さに実効的に集中することになり、当該ホール素子は、通常１００ｎｍ以上の厚みを持つ従来の固体ゲート絶縁層を用いて構成された有機半導体素子と比較して、１００分の１程度のより低い駆動電圧で駆動させることができる。
【００４０】
本形態における有機半導体層４は、有機半導体化合物の単結晶で構成しても多結晶で構成してもよいが、表面が平滑な単結晶の方がゲル状電解質との密着性が高くなるのでより好ましい。したがって、本形態における有機半導体層４を構成する有機半導体化合物としては、ルブレン単結晶及びペンタセン単結晶が最適である。
【００４１】
また、ゲル状電解質としては、有機半導体層４を構成する有機半導体化合物と反応しないゲル状の電解質であれば特に限定されないが、ゲル状ポリマー電解質が好ましい。ゲル状電解質としてゲル状ポリマー電解質を用いると、有機半導体素子の構造安定性を向上させることができる。ゲル状ポリマー電解質としては、例えばポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ4とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ6とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ6とメチルピロリドンの混合物やポリメチルメタクリレートとＬｉＢＦ6とメチルピロリドンの混合物などが挙げられる。そして、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物がルブレンである場合には、ポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ4とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ6とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ6とメチルピロリドンの混合物などが好ましく、特にポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ4とメチルピロリドンの混合物が好ましい。また、有機半導体層５０を構成する有機半導体化合物がペンタセンである場合には、ポリエチレングリコールとＬｉＣｌＯ4とメチルピロリドンの混合物やポリアクリルニトリルとＬｉＰＦ6とメチルピロリドンの混合物やポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ6とメチルピロリドンの混合物などが挙げられ、特にポリフッ化ビリニデンとＬｉＡｓＦ6とメチルピロリドンの混合物が好ましい。
【００４２】
なお、上記実施の形態では有機トランジスタを利用してホール素子を形成したが、原理的には、有機半導体層の一方向に電流を供給するように構成するとともに、前記有機半導体層を磁界中に置いた場合に発生するホール電界に基づくホール電圧を取り出すように構成してあれば、所望の有機半導体ホール素子を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は有機半導体を製造・販売する産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る有機半導体を用いたホール素子を概念的に示す説明図である。
【図２】図１のI-I線矢視状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，２      ホール電極
４          有機半導体層
５          ドレン電極
６          ソース電極
７          ゲート絶縁層
８          ゲート電極
【図１】
2007281143.tif 000003
【図２】
2007281143.tif 000004