(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート電極、アルミニウムからなるソース電極、アルミニウムからなるドレイン電極の３端子及び活性半導体層からなる薄膜トランジスタにおいて、前記活性半導体層が繰り返し単位を持つ有機物であり、その繰り返し単位が（化１）で現されるフェニレンスルフィドのオリゴマ分子、または、その繰り返し単位が（化２）で現されるフェニレンスルフィドのオリゴマ分子を含んだポリイミド高分子であり、前記ソース電極と前記活性半導体層との間及び前記ドレイン電極と前記活性半導体層との間にそれぞれ（化４）で表される正孔輸送層を有し、前記ソース電極と前記活性半導体層との間の前記正孔輸送層と前記ドレイン電極と前記活性半導体層との間の前記正孔輸送層とは互いに接触していないことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
【化１】
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【化２】
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【化４】
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【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大型ディスプレイ素子を駆動する有機薄膜トランジスタと、この有機薄膜トランジスタを用いた大型の液晶素子と、有機薄膜トランジスタを用いた大型の有機発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直視型の大画面ディスプレイには、液晶素子、プラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）の開発が盛んである。例えば液晶素子では１０インチクラス以上のa-SiＴＦＴ直視パネルが主流となっている。またＰＤＰは４０インチクラスを目指して開発が進んでいる。他の大型表示素子の方法としてプラズマアドレス型の液晶素子も、このＰＤＰと同レベルの大きさのディスプレイ素子の実現を目指している。この方式は大画面の液晶素子を駆動するトランジスタの代わりにプラズマを利用するものである。これらの素子は、大画面化に伴って様々な課題に直面する。液晶素子では、駆動素子にプラズマＣＶＤ法によるa-Siを用いており、大型化対応の製造装置の開発が必要となり、製造コストの大幅な増加がある。
【０００３】
これに対して有機物で薄膜トランジスタを形成することが可能になれば、塗布法あるいは低温の蒸着法などで大型化が容易になるという考えがある。研究段階ではあるが有機薄膜トランジスタの開発が盛んになってきた。例えば、A.Dodabalapur等は、有機の活性半導体層として蒸着法によって成膜するチオフェンオリゴマ膜（重合度６）を用いて電界効果移動度0.01〜0.03cm2V-1s-1、トランジスタの電流オン／オフ比は６〜７桁を得ている（「サイエンス」（SCIENCE、VOL.268,p.270〜271））。但し、電流値は他のトランジスタに比べて小さい。また、スイッチングに必要なゲート電圧とドレイン電圧が数十Ｖと高いのが欠点である。この性能は現行のa-Siの電界効果移動度０.１〜０.５ｃｍ2V-1ｓ-1、及び電流のオン／オフ比の〜７桁に近い。
【０００４】
更に低温p-Siの電界効果移動度５０ｃｍ2V-1ｓ-1、及び電流のオン／オフ比は〜７桁であり、高温p-Siの電界効果移動度１００ｃｍ2V-1s-1、及びオン／オフ比は〜７桁である。最も性能の良い単結晶Siになると、その電界効果移動度１５００ｃｍ2V-1s-1、及び電流のオン／オフ比は９桁以上である。しかし、いずれのトランジスタも大型化対応が非常に困難である。前出の有機薄膜トランジスタは、この大型ディスプレイ素子でも直視型の液晶素子の駆動素子として有力視されている。
【０００５】
バックライトが必要な液晶素子に対して発光型の大画面ディスプレイデバイスへの要望がある。前出のＰＤＰが代表例であるが、有機薄膜の発光素子の開発も近年盛んである。モノマ分子の蒸着法による素子と、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）を初めとする高分子材料を塗布形成する素子が有望である。これらの有機発光材料を用いてカラー表示素子を作製する場合、液晶素子の開発の歴史をから推測されるように近い将来、トランジスタによるアクティブ型駆動が主流になるであろう。単純なマトリックス電極配線によると、大画面で発生する輝度傾斜を防ぐためである。現状ではアクティブ駆動が困難で、パシブ駆動の延長となってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
有機薄膜トランジスタの性能の第１の課題は、電界効果移動度が0.01〜0.03cm2V-1s-1とa-Siの電界効果移動度0.1〜0.5cm2V-1s-1に対して１桁以上小さいことである。第２の課題は駆動電圧がゲート電圧、ドレイン電圧共に数十Ｖと高いことである。但し、プラズマアドレス型液晶素子の場合、データ電圧１００Ｖ（ゲート電圧に相当）、放電電圧350V(ドレイン電圧に相当)であり、必ずしも欠点とはならない。液晶素子の駆動は通常５Ｖ以下でなされるが、液晶モードによっては１５Ｖ以上の高駆動電圧が必要になることもある。本発明は有機薄膜トランジスタにおいて電界効果移動度を向上させることと、駆動電圧を低減させることである。
【０００７】
液晶素子の大型化に伴って視野角の広い特性が望まれる。視野角の広い液晶表示モ−ドである垂直配向の負の誘電異方性を持つ液晶の場合、駆動電圧が高く、通常のa-Siトランジスタでは駆動が困難である。また大型化に伴って、動作時に液晶配向を保持するために各画素に導入される補助容量を形成することが困難になる。本発明は液晶素子において、視野角特性の良い大型ディスプレイを得ることである。
【０００８】
有機発光素子を形成する場合、発光層は正孔輸送層と連続で透明電極上に数百オングスオロ−ムと極薄く成膜される。これに画素毎に駆動用のトランジスタを設ける場合、通常トランジスタを基板面に設けておいてから、発光層を設ける。このため開口率が低い。本発明は大型発光素子において、開口率が大きく明るいディスプレイを得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
電界効果移動度の課題を解決するために、基板上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の３端子及び活性半導体層からなる薄膜トランジスタにおいて、活性半導体層が繰り返し単位を持つ有機物であり、その繰り返し単位が５以上のオリゴマ分子を備えたものである。
【００１０】
駆動電圧の課題を解決するために、基板上にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の３端子及び活性半導体層からなる薄膜トランジスタにおいて、活性半導体層が有機物からなり、ソース電極及びドレイン電極と前記活性半導体層の間に有機物からなる電子輸送層あるいは正孔輸送層を備えたものである。
【００１１】
動作特性の課題を解決するために、基板上にマトリクス状に配置された有機薄膜トランジスタと、そのソース電極に接続する画素電極と、そのドレイン電極に接続するデータバスと、そのゲート電極に接続し、前記データバスに垂直に配置されるスキャンバスを有し、この基板と一定間隔をもって設けられた透明電極を被覆された透明基板が液晶層を介し、この透明電極と、前記画素電極あるいは前記ソース電極との間に有機絶縁性薄膜からなる静電容量を構成する蓄積容量電極を備えたものである。
【００１２】
視野角特性の課題を解決するために、基板上にマトリクス状に配置された有機薄膜トランジスタと、そのソース電極に接続する画素電極と、そのドレイン電極に接続するデータバスと、そのゲート電極に接続し、前記データバスに垂直に配置されるスキャンバスを有し、この基板と一定間隔をもって設けられた透明電極を被覆された透明基板が液晶層を介し、液晶が負の誘電異方性を有し、垂直配向することを備えたものである。
【００１３】
開口率の課題を解決するために、透明な共通電極が被覆された透明基板上に有機薄膜からなる電界発光層、及び正孔輸送層が積層され、その上にマトリックス状に分離された画素電極があり、各画素電極上には、ソース電極を介して有機薄膜トランジスタが配置されることを備えた発光素子とするものである。
【００１４】
【発明の実態の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタの断面を示す。図１において、１は、ガラスを代表とする電気絶縁性基板であり、２はゲート電極、３は電気絶縁層であり、例えば塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンがある。４は活性半導体層であり、有機薄膜である。この有機薄膜として（化５）のベンゼン環とイオウ原子が直鎖状につながるフェニレンスルフィドのオリゴマ分子を蒸着法によって形成した。
【００１６】
【化５】
0004085438.tif 000002
【００１７】
他の例としてはチオフェンのオリゴマ分子がある。５及び６はそれぞれドレイン電極とソース電極である。ゲート電極は金をドレイン電極とソース電極はアルミニウムを用いた。チャネル長は１２μｍとした。オリゴマ層を形成するオリゴマの長さと蒸着条件によってオリゴマ層の微結晶粒の大きさが制御される。最大〜0.1cm2V-1s-1の電界効果移動度を得た。またオン／オフ電流比はおよそ７桁と良好な結果である。チオフェンオリゴマの場合、グレインサイズが０．１μｍと小さいため、チャネル長に比べて小さく膜中を結晶粒界をホッピング伝導することになる。
【００１８】
一方、フェニレンスルフィドのオリゴマ膜はグレインサイズが数μｍ程度にまでなり、結晶中の分子鎖間伝導が電荷輸送のメカニズムの主となる。従って、粒界でのホッピングがないため移動度が著しく増加する。また蒸着条件によって分子の配向が制御され、基板面に対して分子の長軸(ｃ軸)が垂直になるようにできる。具体的には、蒸着速度を小さく基板温度を高くすることである。この分子配向の時、膜中の電荷はｃ軸に直交する方向により良く輸送される。
【００１９】
これは隣接分子間で相対するベンゼン環との間の軌道重なりが最も大きいためである。この時、フェニレンスルフィドの分子間距離はおよそ５オングストロームである。トランジスタの構成から、ドレイン電極とソース電極との間に印加される電圧によって、オリゴマ分子にとってｃ軸に直交する方向に電荷移動が起こることになる。また、荷輸送が容易になることから、トランジスタのスイッチングに必要なゲート電圧も低下する。ゲート電圧に対するドレイン電流の特性向上は、上記の微結晶粒の増大と配向性の向上とにある。
【００２０】
またゲート絶縁膜と活性半導体層である有機薄膜層の間のトラップによる局斉準位を減少させることも重要である。ゲート絶縁膜として大画面に対応可能で、緻密な膜で且つ表面が安定な上記シロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンを用いた。他の例として活性半導体層に（化６）のフェニレンスルフィドオリゴマ分子を含んだポリイミド高分子を形成した。
【００２１】
【化６】
0004085438.tif 000003
【００２２】
形成方法は（化７）のジアミンのオリゴマ分子と（化８）ベンゾフェノンテトラカルボン酸の２種類の材料を２源蒸着による蒸着重合法によった。
【００２３】
【化７】
0004085438.tif 000004
【００２４】
【化８】
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【００２５】
形成された有機薄膜層は、基板面に対して垂直に分子鎖が並び、微結晶粒も数μｍ程度となった。分子間距離は前記（化５）に比べて若干小さくなり、より高い移動度に寄与している。これは、結晶内の電荷輸送が隣接する分子間の伝導となるので、分子間距離が短くなるに従って分子軌道重なりが大きくなって、移動度が増加するためである。その結果、（化６）の高分子を活性半導体層とすることで、最大〜0.3cm2V-1s-1の電界効果移動度と電流のオン／オフ比７桁を得た。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタの断面を示す。図１と異なるのは活性半導体層４の有機薄膜とドレイン電極６およびソース電極５の間に電荷輸送層７があることである。電荷輸送層７の導入によって電荷注入の障壁が少なくなることでドレイン電圧の低下とオン電流の増加が得られる。用いた電荷輸送材料は正孔輸送層としては（化９）トリフェニルジアミン、電子輸送層としては（化１０）オキサジアゾールである。
【００２７】
【化９】
0004085438.tif 000006
【００２８】
【化１０】
0004085438.tif 000007
【００２９】
中でも（化９）トリフェニルジアミンを用いるとドレイン電圧１０Ｖで従来のドレイン電圧１００Ｖと同じオン電流が得られた。
【００３０】
（実施の形態３）
図３は逆スタガー構造の有機薄膜トランジスタと有機絶縁性薄膜からなる静電容量を構成する蓄積容量電極を持つ液晶素子の断面図である。ガラス基板１上にトランジスタを構成するゲート電極２、ゲート絶縁膜３、実施の形態１で示した有機薄膜の半導体層４と実施の形態２で示した電荷輸送層７、ドレイン電極５、ソース電極６、透明な画素電極８が形成される。更に蓄積容量を形成するための蓄積容量電極９と11、有機絶縁性薄膜10を設ける。液晶を配向させるための配向膜12を全面に設ける。対向基板１は透明電極13が全面に形成される。液晶層14は両基板の配向膜12によって配向される。この構造においてゲート絶縁膜３と有機絶縁性薄膜１０を塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンとすることで、大画面の基板に対応できる。具体的なプロセスを説明する。
【００３１】
（１）対角２５インチ（縦横比４：３）のガラス基板１上に画素電極８としてインジウム・チタン・酸化物（ＩＴＯ）をスパッタ法によって形成し、正方配列で画素電極８をパターン形成する。画素ピッチは横方向に２００μｍとして画素数は８００×３＝２４００個、縦方向には６２０μｍとして画素数は６００個並べ、全画素数を１４４万画素形成した。これはカラーＳＶＧＡクラスの表示画素である。更にゲート電極２と蓄積容量電極９としてクロム電極をスパッタ法で成膜しパターン形成する。
【００３２】
（２）全面にポリオルガノシロキサンを塗布、乾燥した後、４００度で加熱硬化させる。その後フォトリソグラフ工程によってゲート絶縁膜３と有機絶縁性薄膜10を設ける。
【００３３】
（３）真空蒸着法(基板温度１５０度)によって（化５）のフェニレンスルフィド（重合度５）のオリゴマ膜を１０００オングストローム形成する。続けて（化９）に示すトリフェニルジアミンで電荷輸送層６を同じく真空蒸着で形成する。
【００３４】
（４）ドレイン電極５、ソース電極６及び蓄積容量電極１１をアルミニウムで同時に成膜、パターン形成する。
【００３５】
（５）全面をポリミドの配向膜で覆う。
（６）液晶素子の対向基板となるＩＴＯ１３付きガラス基板１上に配向膜１２を塗布し、トランジスタの構成された基板とをそれぞれラビング処理する。この１組の基板をビーズを介して接着し、真空注入装置によって液晶１４を注入し、封じすることで素子が完成する。
【００３６】
液晶表示モードは用いる液晶材料と配向膜材料で決まる。１例としてツイストネマチックモードと他の例として垂直配向モードの素子を、それぞれ作製した。前者のツイストネマチックモードには正の誘電異方性を持つネマチック液晶とプレチルト角〜２度のポリイミド配向膜を使った。後者の垂直配向モードには負の誘電異方性を持つネマチック液晶とプレチルト角８７度のポリイミド配向膜を使った。各々の素子でのドレイン駆動電圧は、前者が５Ｖで後者が７Ｖである。視野角依存性を評価したところコントラスト１００を維持する角度が前者が上下２０度に対して、後者が上下６０度と後者の方が優れている。対角２５インチの大型液晶パネルのＳＶＧＡフルカラー表示を実現した。
【００３７】
（実施の形態４）
図４に透明な共通電極13が被覆された透明基板１上に有機薄膜からなる電界発光層15、及び正孔輸送層16が積層され、その上にマトリックス状に分離された画素電極17があり、各画素電極17上には、ソース電極６を介して有機薄膜トランジスタが配置される有機発光素子の断面図を示した。発光面の開口率は、発光面をトランジスタの大きさに依存せずに配置することができるために高い。また層間絶縁層18は平坦化層としての働きもあり、図５に示すフルカラー素子を構成する場合、各画素上の有機薄膜トランジスタは平坦な層の上に構成することができる。具体的な製造方法を説明する。
【００３８】
（１）対角２５インチ（縦横比４：３）のガラス基板１上に全面をスパッタ法により透明電極１３としてＩＴＯを１０００オングストローム成膜する。この基板を真空蒸着装置に設置し、有機発光層１５と電荷輸送層１６を連続成膜する。それぞれ代表例として（化１１）アルミニウムキノリンを１００オングストローム及び（化９）トリフェニルジアミンを１０００オングストロームとした。
【００３９】
【化１１】
0004085438.tif 000008
【００４０】
（２）画素電極１７を電子ビーム蒸着法あるいはスパッタ法によってアルミニウム１０００オングストローム成膜する。マトリックス状に分離するためには、成膜時にマスクするか、全面に成膜後フォトリソグラフィによって分離するかはいずれの方法でもよい。画素ピッチは横方向に２００μｍとして画素数は８００×３＝２４００個、縦方向には６２０μｍとして画素数６００個並べ、全画素数を１４４万画素形成した。これはカラーＳＶＧＡの表示画素である。画素の開口率は８０％以上である。
【００４１】
（３）層間絶縁層18としてアクリル系のレジストを用いて約２μｍ成膜する。フォトリソグラフィによって各画素電極とのコンタクトホールを形成する。層間絶縁膜１８上にフォトリソグラフィによってゲート電極２を形成し、更に良質なゲート絶縁膜３としてＣＶＤ法によるシリコン酸化膜と、他に塗布形成可能なシロキサン結合を主鎖に持つポリオルガノシロキサンの２方法で形成した。
【００４２】
（４）活性半導体層４として真空蒸着法（基板温度１５０度）によって、（化５）のフェニレンスルフィド（重合度５）のオリゴマ膜を１０００オングストローム形成する。続けて（化９）に示す電荷輸送層７を、同じく真空蒸着で形成する。この形成方法は実施の形態３と同様である。
【００４３】
（５）ドレイン電極５、ソース電極６をアルミニウムで同時に成膜、パターン形成する。最後に全面をパシベーション膜１９で覆う。
【００４４】
このようにして製造した有機トランジスタ駆動によるアクティブ型の有機発光素子は、ドレイン駆動電圧１０Ｖ、ゲート電圧１０Ｖで発光輝度１万cd/ｍ2と明るい。また、動画表示も可能である。さらに、図５に示すカラー表示対応の素子を作製するため、有機発光層を赤色発光層２０（材料は（化１２）のペリレンー４）、緑色発光層２１（材料は（化１１）のアルミニウムキノリン）、青色発光層２２（材料は（化１３）のテトラフェニルブタジエン）をストライプ状に並べて形成する。
【００４５】
【化１２】
0004085438.tif 000009
【００４６】
【化１３】
0004085438.tif 000010
【００４７】
電荷輸送層１６は共通とできる。その他は単色素子の工程と同じである。このカラー素子をドレイン駆動電圧１０Ｖ、ゲート電圧１０Ｖで動画表示したところ、発光輝度5000cd／ｍ2と明るく応答速度も１msec以下と良好な特性を得た。
【００４８】
実施の形態３と同じ２５インチの大画面素子を発光素子で実現できた。
なお、以上の実施の形態１から４の説明は有機トランジスタの構成を逆スタガ型の例を説明したが、プレーナ型についても同様に実施可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高移動度を持つ有機トランジスタをスイッチング素子として組み込むことで大面積の液晶表示素子あるいは有機発光素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による有機薄膜トランジスタを示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２による電荷輸送層を持つ有機薄膜トランジスタを示す断面図
【図３】本発明の実施の形態３による有機薄膜トランジスタを持つ液晶素子の断面図
【図４】本発明の実施の形態４による有機薄膜トランジスタを持つ単色有機発光素子の断面図
【図５】本実施の形態による有機薄膜トランジスタを持つフルカラー有機発光素子の断面図
【符号の説明】
１  透明絶縁性基板
２  ゲート電極
３  ゲート絶縁膜
４  有機薄膜（活性半導体層）
５  ドレイン電極
６  ソース電極
７  電荷輸送層
８  画素電極
９  蓄積容量電極
１０  有機絶縁性薄膜
１１  蓄積容量電極
１２  配向膜
１３  透明電極
１４  液晶層
１５  電界発光層
１６  正孔輸送層
１７  画素電極
１８  層間絶縁膜
１９  パシベーション膜
２０  赤色発光層
２１  緑色発光層
２２  青色発光層
【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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