(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電流増倍現象を示す光導電性材料からなる第１有機半導体薄膜と電荷輸送能力をもつ第２有機半導体薄膜がその間にベース電極としての第１電極を介在させているとともに部分的に直接接触するように積層された有機半導体薄膜積層体と、
第1有機半導体薄膜の外側に第1有機半導体薄膜と接して形成された第２電極と、
第２有機半導体薄膜の外側に第２有機半導体薄膜と接して形成された第３電極とを備え、
各電極に与えられるバイアス電圧によって第１電極からキャリアが注入され、第２、第３電極間に増倍された電流が流れることを特徴とする電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項２】
第２有機半導体薄膜も光電流増倍現象を示す光導電性材料からなる請求項１に記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項３】
第１電極は微細なピッチを持つストライプ状電極である請求項１又は２に記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項４】
第１電極の第３電極側底面には高抵抗層が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項５】
第１、第２の有機半導体薄膜は真空蒸着膜である請求項１から４のいずれかに記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項６】
第１、第２の有機半導体薄膜は有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜である請求項１から４のいずれかに記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項７】
第１、第２の有機半導体薄膜は一方が真空蒸着膜、他方が有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜である請求項１から４のいずれかに記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【請求項８】
前記光導電性材料は、ペリレン系顔料、フタロシアニン系顔料、ナフタレン誘導体、キナクリドン系顔料、ペンタセン及びその誘導体、並びにフラーレンのうちのいずれか、又はそれらの混合物である請求項１から７のいずれかに記載の電荷注入制御型有機トランジスターデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機エレクトロニクスデバイスに関し、特に有機材料を用いたトランジスターデバイス（「有機トランジスターデバイス」という）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機トランジスターデバイスとしては、シリコンなどの無機半導体基板をゲート電極に用い、絶縁層を挟んでソース電極とドレイン電極を基板面内に配置し、その間隙部に有機半導体材料を成膜した有機電界効果トランジスター（有機ＦＥＴ）が提案されている(Appl. Phys. Lett. 69 (20), 3066-3068 (1996)参照)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている有機トランジスターデバイスは、平面型（プレーナー型）デバイスであるために電流キャリアが有機半導体材料中を流れる距離が長く（典型的には数十μｍ程度）、結果的に高い電圧で駆動するか、単結晶有機材料などの特殊な製法による高いキャリア移動度を持つ材料を用いる必要がある。
【０００４】
また、それらの有機トランジスターデバイスにおいては、その平面型構造のために、他の機能性デバイス、例えば、受光デバイスや発光デバイスとデバイスレベルで一体化することが困難であるため、別途回路を作成し配線で接続する必要があった。
【０００５】
ここに本発明の目的は、電流キャリアの移動距離がこれまでの有機ＦＥＴデバイスに比べて大幅に短い、薄膜型で積層型の有機トランジスターデバイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電荷注入制御型有機トランジスターデバイスは、有機半導体薄膜での電流増幅効果を得るために、有機／金属界面で観測される光電流増倍現象のメカニズムを用いることを特徴とする。
【０００７】
本発明の有機トランジスターデバイスは、光電流増倍現象を示す光導電性材料からなる第１有機半導体薄膜と電荷輸送能力をもつ第２有機半導体薄膜がその間にベース電極としての第１電極を介在させているとともに部分的に直接接触するように積層された有機半導体薄膜積層体と、第1有機半導体薄膜の外側に第1有機半導体薄膜と接して形成された第２電極と、第２有機半導体薄膜の外側に第２有機半導体薄膜と接して形成された第３電極とを備え、各電極に与えられるバイアス電圧によって第１電極からキャリアが注入され、第２、第３電極間に増倍された電流が流れることを特徴とする電荷注入制御型有機トランジスターデバイスである。
【０００８】
光電流増倍現象は、光電流が増幅されて全体としての光キャリア量子収率が１００％を越える現象であり、結果的に吸収フォトン数以上の電流キャリアが素子を流れる現象である。この現象は、光照射によって生成した電荷が有機半導体膜と金属基板との界面に蓄積して高電界を形成することにより、光生成キャリア数よりもはるかに大量の電荷が金属電極から注入されることにより達成される。
【０００９】
本発明では、光生成キャリアに相当する電荷を、有機半導体薄膜中に挿入した第１電極（ベース電極）から供給することにより、少量の入力電流によって大量の電荷注入を引き起こすことができる。すなわち、わずかな入力電流によって大きな出力電流を得るという、トランジスターの電流増幅効果を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ベース電極となる第１電極は、有機半導体薄膜積層体を挟む２つの電極（第２、第３電極）間の電流を妨害することなく、増幅のもとになるキャリアを供給できることが好ましい。そのようなベース電極の好ましい例として、微少なピッチを持つストライプ状電極である。そのような電極は、形成しようとする電極形状に対応したストライプ状開口をもつマスクを介した真空蒸着法で作成することができる。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態の電荷注入型有機トランジスターデバイスの概略構成図である。
第１有機半導体薄膜５と第２有機半導体薄膜３が間にベース電極となる第１電極のストライプ状金属電極４を介在させた状態で積層して形成されて有機半導体薄膜積層体を構成している。この積層体の外側には、有機半導体薄膜３に接してエミッター電極となる電極２が形成され、有機半導体薄膜５に接してコレクター電極となる金属電極６が形成されている。１はこれらを支持するガラス基板であり、透明電極２と有機半導体薄膜３はガラス基板１上に形成されている。有機半導体薄膜３，５及び電極２，４，６としては、例えば真空蒸着膜を用いることができる。
【００１２】
７はストライプ状のベース電極４を外部に接続するための引出し電極で、ベース電極４を横断する形状に形成されている。引出し電極７としても真空蒸着膜を用いることができる。
符号８で示される３本の線はそれぞれエミッター電極２、ベース電極用引出し電極７及びコレクター電極６へのリード線であり、各電極２，７，６と銀ペーストによって接触されている。
【００１３】
有機半導体薄膜５は、コレクター電極６との界面において光電流増倍現象を示す必要があるため、用いる有機半導体材料としては、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシ３，４：９，１０−ビス（メチルイミド）（図２に記号Ｃ９で示されるもの）などのペリレン系顔料の他に、銅フタロシアニン（図２に記号Ｃ１０で示されるもの）などのフタロシアニン系顔料、ナフタレンテトラカルボン酸無水物（図２に記号Ｃ１１で示されるもの）などのナフタレン誘導体、２，９−ジメチルキナクリドン（図２に記号Ｃ１２で示されるもの）などのキナクリドン系顔料、ペンタセン（図２に記号Ｃ１３で示されるもの）及びその誘導体、フラーレン（図２に記号Ｃ１４で示されるもの）などの光導電性有機半導体分子を挙げることができる。
【００１４】
一方、有機半導体薄膜３は光導電性有機半導体であってもよいが、光電流増倍を示す必要はなく、電荷輸送能力を持っていればよいので、上記光導電性有機半導体の他に、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（４−メチルフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）（図２に記号Ｃ１５で示されるもの）などのトリフェニルジアミン化合物、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ−（ｍ−トルイル）−ｍ−フェニレンジアミン（図２に記号Ｃ１６で示されるもの）などのフェニレンジアミン化合物、３，５−ジメチル−３’５’−ジ三級ブチル−４，４’−ジフェノキノンなどのジフェノキノン化合物（図２に記号Ｃ１７で示されるもの）、２−（４−ビフェニル）−５−（４−三級ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（図２に記号Ｃ１８で示されるもの）などのオキサジアゾール化合物などの電荷輸送材料を用いることができる。
【００１５】
有機半導体薄膜３，５は蒸着膜のほか、有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜とすることもできる。
有機半導体を分散させる樹脂としては、ポリカーボネート（図３に記号Ｃ１９で示されるもの）、ポリビニルブチラール（図３に記号Ｃ２０で示されるもの）、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなどの汎用ポリマー、ポリビニルカルバゾール（図３に記号Ｃ２１で示されるもの）、ポリメチルフェニルシラン（図３に記号Ｃ２２で示されるもの）、ポリジメチルシランなどの導電性ポリマーを挙げることができる。
【００１６】
樹脂分散有機半導体膜は、有機半導体と樹脂を溶媒中で混合した液を電極基板上にスピンコート法やバーコート法（基板上に塗布した分散液を、溝のついた金属棒によって薄く引き延ばす方法）によって塗布して成膜することにより形成することができる。
有機半導体薄膜３，５は一方が真空蒸着膜、他方が樹脂分散有機半導体膜であってもよい。
【００１７】
有機半導体薄膜３と５は、同一の材料であっても異なっていてもかまわないが、増幅機構によって注入された電子が有機半導体薄膜５から３へ移動する際に、界面でのエネルギー障壁によって電流が阻害されないような材料を選択する必要がある。
【００１８】
具体的には、有機半導体薄膜５よりも有機半導体薄膜３に用いる材料の方が、伝導体のエネルギーレベルが下にあることが望ましい。
同一材料を用いる場合にはそのようなエネルギー障壁の問題はない。
【００１９】
異なる材料を用いる場合には、エネルギー障壁の条件を満たすことができれば、光電流増倍を示す必要がなく材料選択の自由度が大きい有機半導体薄膜３には、より電荷輸送能力が高い材料や、成膜性の良い材料を用いることができ、結果的にデバイスの性能を向上させることができる。
【００２０】
有機半導体薄膜３，５の膜厚は、蒸着膜の場合は０.１μｍから３μｍ程度が好ましい。これより厚いと、必要な電圧が上昇しデバイスとしてのエネルギー効率が悪化する。また、これより薄いと、各電極の端子の間で導通や漏れ電流の増大などの問題が生じ、素子の歩留まりが減少する。
【００２１】
有機半導体薄膜３，５として樹脂分散有機半導体膜を用いる場合は、有機半導体の濃度は３０重量％以上が好ましい。その濃度が３０重量％より少なくなると膜の導電性が低下するために、注入された電荷が有機薄膜中を流れにくくなり、電流増幅特性などのトランジスターとしての性能が低下してくる。
【００２２】
樹脂分散有機半導体層の膜厚は０.１〜３μｍ程度が好ましい。膜厚がこの範囲より薄くなると、ベース電極からの入力電流とは無関係なリーク電流が増加して、トランジスターとしての特性が低下してくる。また、上部電極と下部電極が導通する確率が高くなる。逆に膜厚がこの範囲より厚くなると、必要な電圧が上昇しデバイスとしてのエネルギー効率が悪化する。
【００２３】
ストライプ状ベース電極４は、必要なホールを注入しつつ、かつ、コレクター電極６とエミッター電極２の間の電流をなるべく妨げない必要があるため、そのピッチはなるべく小さい方がよい。具体的には、１００μｍ以下のピッチのストライプが好ましい。
【００２４】
図４は、ベース電極４のエミッター電極側（図では下側）に高抵抗層１９を有する電荷注入制御型有機トランジスターデバイスの断面図である。高抵抗層１９に用いる材料としては、増倍を引き起こさない電荷輸送材料（図２に記号Ｃ１５からＣ１８で示されたもの）や、酸化シリコン膜、酸化アルミニウムなどの絶縁性酸化物を用いることができる。
作成した素子のトランジスターとしての性能を評価するための測定系を図５に示す。
【００２５】
エミッター電極２とコレクター電極６間にはコレクター電極６側が負になるように直流電源２２を接続し、その電源２２に直列に電流計２３を接続する。エミッター電極２・コレクター電極６間に印加する電圧をコレクター電圧、その流れる電流をコレクター電流と呼ぶ。また、ベース電極４・コレクター電極６間にはコレクター電極６側が負になるように直流電源２０を接続し、その電源２０に直列に電流計２１を接続する。ベース電極４・コレクター電極６間に印加する電圧をベース電圧、流れる電流をベース電流と呼ぶ。
【００２６】
測定は、一定のコレクター電圧を印加しながらベース電圧を印加したときの、コレクター電流とベース電流の変化量を測定することで行う。このとき印加するコレクター電圧は大きい方が増幅率は大きくなる傾向にあるが、素子が破壊されないよう、１０〜３０Ｖが適当である。ベース電圧は、コレクター電圧より低い必要があり、１〜１０Ｖが適当である。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
第１の実施例として、図１に示された構造の有機トランジスターデバイスを構成した。有機半導体薄膜３及び５には、光電流増倍を示すペリレン顔料（図２に記号Ｃ９で示されるもの）を用い、真空蒸着法によってそれぞれ膜厚５００ｎｍに形成した。ベース電極４にはアルミニウムを用い、真空蒸着によって膜厚２０ｎｍでストライプ状に形成した。このとき用いたストライプ状の蒸着マスクパターンは、開口部と遮光部がそれぞれ幅１００μｍ、長さ３ｍｍのものを用いた。エミッター電極２としては膜厚が５０ｎｍのＩＴＯ（indium tin oxide）透明電極を用いた。コレクター電極６及びベース電極用引出し電極７には銀を用い、真空蒸着によって膜厚２０ｎｍに形成した。
【００２８】
この素子に対して、図５に示す測定系を構成し、入力電流（ベース電流）に対する出力電流（コレクター電流）の変化を測定した結果を図６に示す。コレクター電圧を１５Ｖに固定したまま、ベース電圧を０Ｖから９Ｖまで増加させたところ、ベース電流の増加に対してコレクター電流が急激に増加している。このことから、本デバイスにおいてベース電圧によって、コレクター電流を変調可能であることが分かる。
【００２９】
ここで、トランジスターの性能を表す電流増幅率を評価した結果を図７に示す。電流増幅率は、ベース電流（入力電流）の変化量に対するコレクター電流（出力電流）の変化量の比率として定義される。図７は、図６の測定結果から本デバイスにおける電流増幅率を算出したものであり、高いベース電圧領域では、１を上回っていることがわかった。これは、高いベース電圧領域ではベース電流変化量よりもコレクター出力電流変化量の方が大きいことを意味しており、本デバイスが電流増幅機能、すなわち、トランジスターとして動作していることを示している。
【００３０】
なお、有機半導体薄膜３及び５を、単なる抵抗と考えてキルヒホッフの法則を適用した場合、このような増幅効果は不可能である。
また、有機半導体薄膜５に光電流増倍現象を示さない材料を用いた場合には、このような増幅効果は観測されないことから、この電流増幅効果は、有機半導体薄膜５とコレクター電極６界面における電荷蓄積による電荷注入によるものであると結論できる。
【００３１】
（実施例２）
ベース電極４のエミッター電極側に高抵抗層１９を設けた図４の素子におけるトランジスター特性について述べる。
本発明の電荷注入制御型有機トランジスターデバイスは、ベース電極４から注入されたホールがコレクター電極６界面に蓄積することによって、トンネル電子注入が引き起こされ電流が増幅されることによる。ところが、実際の動作中のデバイスには、トランジスター作用に必要なベース電極４からのホール、コレクター電極６からの電子注入のほかにも、不要な電流成分が存在すると考えられる。特に、エミッター電極２とベース電極４の間に流れる電流はベース電流を増加させ、結果的に電流増幅率の低下をまねく。そこで、ベース電極４のエミッター電極２側に高抵抗層１９を挿入することによって、このような漏れ電流を抑制し、電流増幅率を増大させることが可能となる。
【００３２】
このような目的で、第２の実施例として、図４に示された構造の有機トランジスターデバイスを構成した。
素子構造は、基本的には実施例１に記載したものと同様である。ただし、有機半導体薄膜３を蒸着した後、有機半導体薄膜３に用いたペリレン顔料（図２に記号Ｃ９で示されるもの）に比べて高抵抗物質であるＴＰＤ（図２に記号Ｃ１５で示されるもの）をベース電極４形成用のストライプ状マスクを用いて真空蒸着によって５０ｎｍの厚さに形成し、その上からベース電極４を形成した。これにより、ベース電極４のエミッター電極２側にのみＴＰＤ層１９が存在する構造となっている。
【００３３】
本素子において、図５に示された測定系を用いて電流増幅率を評価した結果を図８に示す。ＴＰＤ層１９の導入によってベース電流が抑制された結果、電流増幅率は大幅に増加し、コレクター電圧が５Ｖと低い場合でも、最大８程度を達成することができた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のデバイスでは、光導電性材料からなる第１有機半導体薄膜と電荷輸送能力をもつ第２有機半導体薄膜の間にベース電極を介在させ、ベース電極から第１有機半導体薄膜中にキャリアを注入して第１有機半導体薄膜に接する電極からのトンネル電子注入を引き起こすことにより、このデバイスに増倍された電流が流れる薄膜型の電荷注入制御型有機トランジスターデバイスを実現することができる。
このような薄膜型の構造を持つ有機トランジスターデバイスを作成することにより、他の有機エレクトロニクスデバイス、例えば、有機ＥＬ（電界発光）デバイスとトランジスターを一体化したスイッチングＥＬデバイスなどを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における電荷注入制御型有機トランジスターデバイスの一形態の構成を示す概略斜視図である。
【図２】本発明において有機半導体薄膜として用いられる有機材料の例を示す化学構造式である。
【図３】本発明で有機半導体薄膜を樹脂分散有機半導体膜とする場合に有機半導体を分散させるのに使用される樹脂のいくつかの例を示す化学式である。
【図４】本発明の他の形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の有機トランジスターデバイスのトランジスター特性を測定する測定系を示す回路図である。
【図６】第１の実施例におけるベース電流の変化に対するコレクター電流の変化を示すグラフである。
【図７】同実施例における電流増幅率のベース電圧依存性の測定結果を示すグラフである。
【図８】第２の実施例における電流増幅率のベース電圧依存性の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１    ガラス基板
２    エミッター電極
３，５    有機半導体薄膜
４    ベース電極
６    コレクター電極
７    ベース電極用引出し電極
８    リード線
１９    高抵抗層
【図１】
0004132761.tif 000002
【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】
0004132761.tif 000007
【図７】
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【図８】
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