(57)【要約】【課題】有機半導体膜を用いた半導体装置（有機トランジスタ又は発光トランジスタ）の構成を提供する。また、上記半導体装置の特性の向上を図る。【解決手段】本発明に係る半導体装置は、第１有機半導体膜〔９〕と、第２有機半導体膜〔４〕と、前記第１有機半導体膜の第１面の側に形成された第１制御電極〔１０〕と、前記第２有機半導体膜の第２面の側に形成された第２制御電極〔３〕と、前記第１有機半導体膜の第１面の逆側の第２面と前記第２有機半導体膜の第２面の逆側の第１面とが接した境界に離間して配置された第１電極〔５、６〕および第２電極〔７、８〕と、を有する。これにより、ゲート絶縁膜を省略した簡易な装置構成とすることができる。また、第１制御電極〔１０〕の仕事関数を、第２制御電極〔３〕の仕事関数より大きくする。これによりリーク電流を低減できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１有機半導体膜と、
第２有機半導体膜と、
前記第１有機半導体膜の第１面の側に形成された第１制御電極と、
前記第２有機半導体膜の第２面の側に形成された第２制御電極と、
前記第１有機半導体膜の第１面の逆側の第２面と前記第２有機半導体膜の第２面の逆側の第１面とが接した境界に離間して配置された第１電極および第２電極と、
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第１制御電極の仕事関数は、前記第２制御電極の仕事関数より大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２制御電極の仕事関数と前記第２有機半導体膜のＬＵＭＯのエネルギー差は、前記第１制御電極の仕事関数と前記第２有機半導体膜のＬＵＭＯのエネルギー差より大きく、
前記第１制御電極の仕事関数と前記第１有機半導体膜のＨＯＭＯのエネルギー差は、前記第２制御電極の仕事関数と前記第１有機半導体膜のＨＯＭＯのエネルギー差より大きい、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１制御電極はアルミニウム（Ａｌ）を有し、前記第２制御電極は金（Ａｕ）を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極は、前記第１制御電極側の第１層電極と、前記第２制御電極側の第２層電極とを有し、
前記第２電極は、前記第１制御電極側の第３層電極と、前記第２制御電極側の第４層電極とを有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１層電極の仕事関数は、第２層電極の仕事関数より小さいことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１および第３層電極は、金（Ａｕ）を有し、前記第２および第４層電極は、アルミニウム（Ａｌ）を有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１制御電極に正電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間に電流が流れ、
前記第２制御電極に負電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間に電流が流れることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１制御電極に正電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間が発光し、
前記第２制御電極に負電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間が発光することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
第１駆動時に前記第１制御電極に正の第１電位が印加され、第２駆動時に前記第２制御電極に負の第２電位が印加されることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１駆動時において、前記第２制御電極に前記第１電位と前記第２電位の間の電位を印加すること、
前記第２駆動時において、前記第１制御電極に前記第１電位と前記第２電位の間の電位を印加することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１電位と前記第２電位との間の電位は、接地電位であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一項記載の半導体装置を有することを特徴とする電気光学装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか一項記載の半導体装置を有することを特徴とする半導体集積回路。
【請求項１５】
請求項１３記載の電気光学装置もしくは請求項１４記載の半導体集積回路を有する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】
本発明は、半導体装置、特に、有機半導体膜を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＴＦＴ（thin film transistor、薄膜トランジスタ）用の半導体材料として、有機半導体材料が注目を集めている（例えば、下記非特許文献参照）。有機半導体は、塗布法や真空蒸着法といった簡便な技術を用いることによって容易に薄膜形成が可能であることに加え、アモルファスまたは多結晶シリコンを用いた従来のＴＦＴに比べて、製造プロセス温度を低温化できるという利点がある。プロセス温度の低温化により、耐熱性の低いプラスチック基板上への形成が可能となり、ディスプレイの軽量化や低コスト化、さらにはプラスチック基板のフレキシビリティを活かしたことによる用途の多様化等が期待されている。
【非特許文献１】「有機トランジスタ材料の評価と応用」、シーエムシー出版、第１章  材料
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者は、有機半導体装置の研究・開発に従事しており、特願２００７−０６７５３５等において有用な半導体装置の構造や製造方法を提案している。
【０００４】
しかしながら、更なる、半導体装置の構造の簡素化や特性の向上が望まれる。そこで、本発明者は、更なる研究・開発により、新たな有機トランジスタの構成を検討し、さらに、その有機トランジスタを発光素子として利用すること、また、これらの特性の向上を図ることを検討した。
【０００５】
このように、本発明に係る具体的態様は、有機半導体膜を用いた半導体装置（有機トランジスタ又は発光トランジスタ）の構成を提供することを目的とする。また、本発明に係る具体的態様は、上記半導体装置の特性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、第１有機半導体膜と、第２有機半導体膜と、前記第１有機半導体膜の第１面の側に形成された第１制御電極と、前記第２有機半導体膜の第２面の側に形成された第２制御電極と、前記第１有機半導体膜の第１面の逆側の第２面と前記第２有機半導体膜の第２面の逆側の第１面とが接した境界に離間して配置された第１電極および第２電極と、を有する。
【０００７】
かかる構成によれば、ゲート絶縁膜を省略した簡易な構成で半導体装置を構成することができる。
【０００８】
好ましくは、前記第１制御電極の仕事関数は、前記第２制御電極の仕事関数より大きい。かかる構成によれば、第１制御電極に電位を印加した際の、第１制御電極と第１有機半導体膜間のリーク電流を低減できる。また、第２制御電極に電位を印加した際の、第２制御電極と第２有機半導体膜間のリーク電流を低減できる。
【０００９】
好ましくは、前記第２制御電極の仕事関数と前記第２有機半導体膜のＬＵＭＯのエネルギー差は、前記第１制御電極の仕事関数と前記第２有機半導体膜のＬＵＭＯのエネルギー差より大きく、前記第１制御電極の仕事関数と前記第１有機半導体膜のＨＯＭＯのエネルギー差は、前記第２制御電極の仕事関数と前記第１有機半導体膜のＨＯＭＯのエネルギー差より大きい。かかる構成によれば、第１制御電極と第１有機半導体膜間のエネルギー差が大きくなり、第１制御電極に電位を印加した際の、リーク電流を低減できる。また、第２制御電極と第２有機半導体膜間のエネルギー差が大きくなり、第２制御電極に電位を印加した際の、リーク電流を低減できる。
【００１０】
例えば、前記第１制御電極はアルミニウム（Ａｌ）を有し、前記第２制御電極は金（Ａｕ）を有する。このように、ＡｌやＡｕを電極として用いることができる。Ａｕの仕事関数（−５．１）は、Ａｌ（−４．３）の仕事関数より小さい。言い換えれば、Ａｕの仕事関数（−５．１）の絶対値は、Ａｌ（−４．３）の仕事関数の絶対値より大きい。
【００１１】
例えば、前記第１電極は、前記第１制御電極側の第１層電極と、前記第２制御電極側の第２層電極とを有し、前記第２電極は、前記第１制御電極側の第３層電極と、前記第２制御電極側の第４層電極とを有する。このように、第１、第２電極を積層構造としてもよい。
【００１２】
例えば、前記第１層電極の仕事関数は、第２層電極の仕事関数より小さい。かかる構成とすることで、層電極（ソース側）から各有機半導体膜へのキャリア（電子又はホール）の注入が促進される。
【００１３】
例えば、前記第１および第３層電極は、金（Ａｕ）を有し、前記第２および第４層電極は、アルミニウム（Ａｌ）を有する。このように、ＡｌやＡｕを電極として用いることができる。Ａｕの仕事関数（−５．１）は、Ａｌ（−４．３）の仕事関数より小さい。
【００１４】
例えば、前記第１制御電極に正電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間に電流が流れ、前記第２制御電極に負電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間に電流が流れる。このように本発明の半導体装置をトランジスタとして用いることができる。
【００１５】
例えば、前記第１制御電極に正電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間が発光し、前記第２制御電極に負電位が印加された場合に前記第１電極および第２電極間が発光する。このように本発明の半導体装置を発光素子として用いることもできる。
【００１６】
例えば、第１駆動時に前記第１制御電極に正の第１電位が印加され、第２駆動時に前記第２制御電極に負の第２電位が印加される。かかる構成によれば、前述のように、第１制御電極に正電位を印加した際、第１制御電極と第１有機半導体膜間のリーク電流を低減できる。また、第２制御電極に負電位を印加した際、第２制御電極と第２有機半導体膜間のリーク電流を低減できる。
【００１７】
例えば、前記第１駆動時において、前記第２制御電極に前記第１電位と前記第２電位の間の電位を印加し、前記第２駆動時において、前記第１制御電極に前記第１電位と前記第２電位の間の電位を印加する。例えば、前記第１電位と前記第２電位との間の電位は、接地電位である。かかる構成とすることで、発光強度の向上を図ることができる。
【００１８】
本発明に係る電気光学装置は、上記半導体装置を有する。かかる構成によれば、電気光学装置の構成を簡素化でき、その特性の向上を図ることができる。
【００１９】
本発明に係る半導体集積回路は、上記半導体装置を有する。かかる構成によれば、半導体集積回路の構成を簡素化でき、その特性の向上を図ることができる。
【００２０】
本発明に係る電子機器は、上記電気光学装置もしくは半導体集積回路を有する。かかる構成によれば、電子機器の構成を簡素化でき、その特性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
【００２２】
［有機トランジスタの構造］
図１は、本実施の形態の有機トランジスタの構成を示す断面図である。以下、図１を参照しながら、本実施の形態の有機トランジスタの構造について説明する。なお、詳細な構成については、後述の製造方法等の説明によっても明確となるため適宜参照を要する。
【００２３】
図１の有機トランジスタは、上制御電極１０と、下制御電極３と、これらの間に配置された第１有機半導体膜９と第２有機半導体膜４の積層構造を有する。
【００２４】
具体的には、本実施の形態の有機トランジスタは、基板１上に密着膜２を介して配置された下制御電極３、その上部に配置された第２有機半導体膜４、その上部に配置された第１有機半導体膜９およびその上部に配置された上制御電極１０を有する。さらに、第２有機半導体膜４の上部には、離間して配置されたソース、ドレイン電極が配置される。即ち、第２有機半導体膜４の上に、下ソース電極５および上ソース電極６の積層（層電極）よりなるソース電極と、下ドレイン電極７および上ドレイン電極８の積層よりなるドレイン電極とが一定の距離離間して配置されている。ソース、ドレイン電極は、第２有機半導体膜４と第１有機半導体膜９の境界に配置されれば良く、例えば、その全部又は一部が、第２有機半導体膜４中に埋め込まれる構成でもよい。ここで、ソース電極はキャリア（電子又はホール）の流れ出す電極をいい、ドレイン電極はキャリアが流れ込む電極を言うものとする。
【００２５】
基板１は、例えば、ガラス基板よりなる。この他、シリコン基板などの半導体基板を用いてもよい。また、密着膜２は、例えば、クロム（Ｃｒ）膜よりなる。なお、この密着膜２は、基板１と下制御電極３との密着性が良好な場合には、省略することができる。下制御電極３は、金（Ａｕ）電極である。第２有機半導体膜４としては、例えば、チオフェン/フェニレンコオリゴマーである以下の〔化１〕を用いる。なお、以下、〔化１〕に示す化合物を「ＡＣ５ＣＦ３」と称すことがある。
【００２６】
【化１】
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【００２７】
下ソース電極５および下ドレイン電極７は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）電極である。また、上ソース電極６および上ドレイン電極８は、例えば、Ａｕ電極である。なお、図１では、ソース、ドレイン電極を積層構造としたが、ＡｕもしくはＡｌ電極の単層構造としてもよい。
【００２８】
また、第１有機半導体膜９としては、例えば、チオフェン/フェニレンコオリゴマーである以下の〔化２〕を用いる。なお、以下、〔化２〕に示す化合物を「ＢＰ３Ｔ」と称すことがある。
【００２９】
【化２】
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【００３０】
上制御電極１０は、例えば、Ａｌ電極である。
このように、本実施の形態の有機トランジスタは、上制御電極１０をゲート電極、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）間の第２有機半導体膜４側をチャネルとしたｎ型トランジスタと、下制御電極３をゲート電極、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）間の第１有機半導体膜９側をチャネルとしたｐ型トランジスタとを有する。
【００３１】
従って、追って詳細に説明するように、下制御電極３に負電位を印加させ第１有機半導体膜９側をチャネルとしたｐ型トランジスタを駆動させる際、第２有機半導体膜４にゲート絶縁膜的な機能を持たせることができる（図３（Ａ）等参照）。また、上制御電極１０に正電位を印加させ第２有機半導体膜４側をチャネルとしたｎ型トランジスタを駆動させる際、第１有機半導体膜９にゲート絶縁膜的な機能を持たせることができる（図３（Ｂ）等参照）。なお、第１および第２有機半導体膜（４、９）の界面が主たるチャネルとなる。
【００３２】
よって、ｐ型トランジスタ又はｎ型トランジスタを駆動させる際、積層した第１、第２有機半導体膜のいずれか一方をチャネルと、他方をゲート絶縁膜とすることがでる。即ち、ゲート絶縁膜を省略することができ、構成を簡易化できる。また、積層した第１、第２有機半導体膜のいずれかをゲート絶縁膜とすることで、リーク電流の低減を図ることができる。
【００３３】
［有機トランジスタの製造方法］
図２は、本実施の形態の有機トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。以下、図２を参照しながら、本実施の形態の有機トランジスタの製造方法について説明する。
【００３４】
図２（Ａ）に示すように、基板１として、例えば、ガラス基板を準備し、基板１上に、密着層３として例えばＣｒ膜を堆積し、さらにその上部にＡｕ膜を堆積する。これらの金属積層膜は、例えば、真空蒸着法を用いて連続して成膜する。なお、これらの成膜に際しては、スパッタリング法などの他のＰＶＤ（物理蒸着：Physical Vapor Deposition）法やＣＶＤ（化学気相成長、: Chemical Vapor Deposition）法などを用いてもよい。
【００３５】
次いで、例えば、Ａｕ膜上にフォトレジスト膜を全面に塗布し、露光・現像することにより所望の形状（例えば、紙面に垂直な方向に延在するラインパターン）とする。次いで、フォトレジスト膜をマスクに金属積層膜をドライエッチングし、残存するレジスト膜を除去する。このフォトレジスト膜の形成、露光・現像およびフォトレジスト膜除去の一連の工程をパターニングという。このパターニングにより、Ａｕ膜よりなる下制御電極３が形成される。
【００３６】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、下制御電極３上に、第２有機半導体膜４として例えば、真空蒸着法を用いて上記ＡＣ５ＣＦ３膜を２００ｎｍ程度形成し、パターニングする。真空蒸着法の他、塗布法またはインクジェット法を用いてもよい。例えば、上記ＡＣ５ＣＦ３を溶媒に溶かした溶液を塗布した後、必要に応じて、この塗膜に対して後処理（例えば加熱等）を施すことにより形成する。また、上記溶液をインクジェット法を用いて吐出し、後処理を行う。
【００３７】
次いで、図２（Ｃ）に示すように、第２有機半導体膜４上に、Ａｌ膜を堆積し、さらにその上部にＡｕ膜を堆積する。これらの金属積層膜は、例えば、マスク蒸着法を用いて連続して成膜する。即ち、第２有機半導体膜４上に、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）の形成予定領域に開口部を有するマスクを形成し、Ａｌ膜およびＡｕ膜を順次蒸着する。その結果、上記開口部内に、Ａｌ膜とＡｕ膜の積層膜が堆積する。次いで、マスクをエッチングにより除去する。この際、マスク上に堆積したＡｌ膜とＡｕ膜の積層膜も除去される（リフトオフ）。この結果、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）の形成予定領域にＡｌ膜とＡｕ膜の積層膜が残存する。ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）は、例えば、紙面に垂直な方向に延在し、一定の距離、例えば、２０μｍ程度、離間して配置される一対のラインパターンである。この電極間の有機半導体膜４および９の界面がチャネルとなる。即ち、当該界面に電流が流れる。下層のＡｌ膜が、下ソース電極５および下ドレイン電極７となる。また、上層のＡｕ膜が、上ソース電極６および上ドレイン電極８となる。なお、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）電極を上記パターニングにより形成してもよい。
【００３８】
次いで、図２（Ｄ）に示すように、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）上に、第１有機半導体膜９として例えば、真空蒸着法を用いて上記ＢＰ３Ｔ膜を２００ｎｍ程度形成し、パターニングする。真空蒸着法の他、上記塗布法またはインクジェット法を用いてもよい。
【００３９】
次いで、第１有機半導体膜９上に、例えば、Ａｌ膜を例えば上記マスク蒸着法を用いて所望の領域（例えば、紙面に垂直な方向に延在するラインパターン）に堆積させ、上制御電極１０を形成する。なお、上制御電極１０を上記パターニングにより形成してもよい。
以上の工程により、本実施の形態の有機トランジスタが得られる。
【００４０】
［有機トランジスタの駆動方法および動作原理］
次いで、本実施の形態の有機トランジスタの駆動方法および動作原理を図３〜図５を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態の有機トランジスタの駆動方法および動作原理を示す断面図である。図４（Ａ）は、金とアルミニウムの仕事関数（ｅＶ）を示す表で、図４（Ｂ）は、ＡＣ５ＣＦ３およびＢＴ３ＴのそれぞれのＨＯＭＯ（ｅＶ）およびＬＵＭＯ（ｅＶ）を示す表である。図５は、本実施の形態の有機トランジスタの駆動方法および動作原理を示すエネルギーバンド図である。
【００４１】
仕事関数とは、物質表面において、表面から１個の電子を無限遠まで取り出すのに必要な最小エネルギーのことをいい、真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差である。表面の電子状態がバンドギャップを持つ場合は、バンドギャップ中にあるフェルミ準位と真空準位とのエネルギー差が仕事関数となる。
【００４２】
有機半導体のＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital）とは、電子の入っている一番エネルギーの高い軌道をいい、ＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）とは、電子の入っていない一番エネルギーの低い軌道をいう。
【００４３】
図３（Ａ）に示すように、ｐ型駆動、即ち、下制御電極３をゲート電極、第１有機半導体膜９側をチャネルとしたｐ型トランジスタを駆動する際には、下制御電極３に負電位（マイナス電位）、ソース電極（５、６）に接地電位（０Ｖ、グランド）、ドレイン電極（７、８）に負電位を印加する。この際、上制御電極１０は、オープン（ｏｐｅｎ、フローティング）状態とする。
【００４４】
ここで、下制御電極（Ａｕ）３には負電位が印加されているため、下制御電極（Ａｕ）３から第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４に、電子（ｅ）が入り込もうとする。しかしながら、この場合、下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数［−５．１］と第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４のＬＵＭＯの値［−２．８］の差（Ｅ５＝５．１−２．８）が大きいため電子は注入されない（図５参照）。即ち、この駆動方法では、第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４は、半導体ではなく、絶縁体としての機能を果たす。
【００４５】
また、図３（Ｂ）に示すように、ｎ型駆動、即ち、上制御電極１０をゲート電極、第２有機半導体膜４側をチャネルとしたｎ型トランジスタを駆動する際には、上制御電極１０に正電位（プラス電位）、ソース電極（５、６）に接地電位（０Ｖ、グランド）、ドレイン電極（７、８）に正電位を印加する。この際、下制御電極３は、オープン状態とする。
【００４６】
ここで、上制御電極（Ａｌ）１０には正電位が印加されているため、上制御電極（Ａｌ）１０から第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９に、ホール（ｈ）が入り込もうとする。しかしながら、この場合、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数［−４．３］と第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９のＨＯＭＯの値［−５．８］の差（Ｅ４＝５．８−４．３）が大きいためホールは注入されない（図５参照）。即ち、この駆動方法では、第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９は、半導体ではなく、絶縁体としての機能を果たす。なお、前述したように、チャネルは、第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９と第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４の界面に形成される。
【００４７】
このように、本実施の形態の半導体装置においては、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数［−４．３］を、下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数［−５．１］より大きくしたので、制御電極と当該電極と接している有機半導体膜とのエネルギー差を大きくすることができ、制御電極側からのキャリア（電子又はホール）の注入を低減することができる。即ち、リーク電流を低減することができる。なお、仕事関数は、正（プラス）で表されることがある。よって、ここで言う、「上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数を下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数より大きくする」とは、「上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数の絶対値を下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数の絶対値より小さくする（４．３＜５．１）」とも言える。
【００４８】
言い換えれば、制御電極と接している有機半導体膜に、当該電極に駆動電圧が印加されている間に、絶縁体としての機能を持たせることができる。従って、ゲート絶縁膜を省略することができ、装置構成を簡略化できる。また、その製造を容易とすることができる。
【００４９】
さらに、上ソース電極６に仕事関数の小さいＡｕを用いることで、上ソース電極６からチャネルにホールが注入され易くなる（図３（Ａ）参照）。また、下ソース電極５に仕事関数の大きいＡｌを用いることで、下ソース電極５からチャネルに電子が注入され易くなる（図３（Ｂ）参照）。
【００５０】
次いで、制御電極（３、１０）の仕事関数と有機半導体膜（４、９）のＨＯＭＯ又はＬＵＭＯの値との関係について図４および図５を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００５１】
図５に示すように、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数を下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数より大きくすることで、下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数と、第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４のＬＵＭＯのエネルギー差〔Ｅ５〕を、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数と、第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４のＬＵＭＯのエネルギー差〔Ｅ１〕より大きくできる〔Ｅ５＞Ｅ１〕。即ち、下制御電極をＡｌとした場合と比べ、電子（ｅ）に対するエネルギー障壁を大きくすることができ、電子（ｅ）が注入され難くなる。
【００５２】
また、下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数と、第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９のＨＯＭＯのエネルギー差〔Ｅ４〕を、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数と、第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９のＨＯＭＯのエネルギー差〔Ｅ８〕より大きくできる〔Ｅ４＞Ｅ８〕。即ち、上制御電極をＡｕとした場合と比べ、ホール（ｈ）に対するエネルギー障壁を大きくすることができ、ホール（ｈ）が注入され難くなる。
【００５３】
上記関係（Ｅ５＞Ｅ１、Ｅ４＞Ｅ８…条件１）は、図５に示す条件２（ＥＵ＜ＥＣ４、ＥＬ＞ＥＣ９）とも言える。
【００５４】
即ち、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数〔ＥＵ〕は、第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４のＬＵＭＯとＨＯＭＯの中間エネルギー〔ＥＣ４〕より小さい〔ＥＵ＜ＥＣ４〕。また、下制御電極（Ａｕ）３の仕事関数〔ＥＬ〕は、第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９のＬＵＭＯとＨＯＭＯの中間エネルギー〔ＥＣ９〕よりより大きい〔ＥＬ＞ＥＣ９〕。但し、第１、第２有機半導体膜ＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギー差は、それぞれ上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数〔ＥＵ〕と下制御電極（Ａｌ）３の仕事関数〔ＥＬ〕との差より大きい。
【００５５】
次いで、具体的な検討結果について説明する。上記製造方法で形成された有機トランジスタのｐ型駆動において制御電極０〜−８０Ｖの範囲において駆動させたところトランジスタ特性上問題となるゲートリークはなく、さらに、制御電圧によるドレイン電流の変化を確認できた。
【００５６】
また、上記製造方法で形成された有機トランジスタのｎ型駆動において制御電極０〜＋８０Ｖの範囲において駆動させたところトランジスタ特性上問題となるゲートリークはなく、さらに、制御電圧によるドレイン電流の変化を確認できた。
【００５７】
このように、本実施の形態の有機トランジスタの有効性を実験的に確認することができた。
【００５８】
［有機トランジスタを構成する材料］
本実施の形態の有機トランジスタの構成材料は、上記のものに限られず、種々の組み合わせが可能である。各構成部位の仕事関数やＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの値を考慮して例えば、図５に示す条件に適合するよう有機トランジスタを設計（製造）することで特性の向上を図ることができる。
【００５９】
以下に有機トランジスタを構成する材料を例示する。
【００６０】
仕事関数が比較的小さい制御電極材料としては、上記Ａｌの他、例えば、カルシウム（Ｃａ）などが挙げられる。また、金属単体に限られず、これらの金属を含む導電性材料（例えば、合金など）を用いてもよい。
【００６１】
また、仕事関数が比較的大きい制御電極材料としては、上記Ａｕの他、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）又は銅（Ｃｕ）などが挙げられる。また、金属単体に限られず、これらの金属を含む導電性材料（例えば、合金など）を用いてもよい。
【００６２】
また、有機半導体材料としては、上記ＡＣ５ＣＦ３およびＢＰ３Ｔの他、次のものが挙げられる。例えば、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、フタロシアニン、ペリレン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、ジフェニルメタン、スチルベン、アリールビニル、ピラゾリン、トリフェニルアミン、トリアリールアミン、又はこれらの誘導体のような低分子の有機半導体材料や、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、フルオレン−ビチオフェン共重合体又はこれらの誘導体、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂のような高分子の有機半導体材料などが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、例えば、フタロシアニンのような金属錯体、Ｃ６０、Ｃ８２、ディスプロシウム（Ｄｙ）を内包したＣ８２などのフラーレン類、カーボンナノチューブ類などが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００６３】
また、ソース電極、ドレイン電極としては、上記電極材料の他、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素材料を用いてもよい。但し、前述の通り、上ソース電極６に仕事関数が小さい金属（例えば、Ａｕ）を用いることでチャネルにホールを注入し易くでき、また、下ソース電極５に仕事関数が大きい金属（例えば、Ａｌ）を用いることでチャネルに電子を注入し易くできる。
【００６４】
上記種々の材料について、図５の条件（条件１、条件２）に合うよう制御電極や、ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの値の異なる２つの有機半導体膜を適宜組み合わせることで装置特性の更なる向上を図ることができる。その結果、大きな電界効果を有する装置や動作電圧の低減などが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施の形態の有機トランジスタは図１の構成に限定されるものではない。図６は、本実施の形態の有機トランジスタの他の構成を示す断面図である。例えば、図６に示すように、電極や有機半導体膜の積層順を逆に配置してもよい。この場合、第１有機半導体膜９が下層に、第２有機半導体膜４が上層に配置される。なお、図１と同一機能を有する箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６６】
＜実施の形態２＞
実施の形態１の有機トランジスタは例えばスイッチングトランジスタとして用いることができるが、本実施の形態においては、同様な構成のトランジスタを発光トランジスタとして使用する場合について説明する。
【００６７】
即ち、図１のトランジスタにおいて、ソース電極（５、６）およびドレイン電極（７、８）のそれぞれからホールと電子を注入し、制御電極（３Ａ、１０）によってチャネルにキャリア（ホールと電子）を引き付けた状態を形成すると、チャネルにｐｎ接合が形成される。このｐｎ接合部において電子とホールが再結合することで発光現象が生じる。
【００６８】
［発光トランジスタの構造及び製造方法］
図７は、本実施の形態の発光トランジスタの構成を示す断面図である。以下、図７を参照しながら、本実施の形態の発光トランジスタの構造について説明する。なお、実施の形態１の有機トランジスタと同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００６９】
図７の発光トランジスタは、下制御電極３Ａとして透明電極を用いている点が図１と異なる。なお、密着膜２は省略されている。基板１として透光性のあるガラス基板を用い、第２有機半導体膜４として上記ＡＣ５ＣＦ３を、第１有機半導体膜９として上記ＢＰ３Ｔを用いる。ＡＣ５ＣＦ３およびＢＰ３Ｔは、それぞれ発光性の有機半導体である。
【００７０】
このように、下制御電極３Ａを透明電極とすることで光を図中下方（基板１側）に取り出すことができる。下制御電極３Ａとしては、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ：Indium Tin Oxide）を用いることができる。ＩＴＯは、例えば、ガラス基板１上に、スパッタリング法を用いて成膜し、パターニングにより所望の形状とする。このＩＴＯの仕事関数は、構成元素の組成比によっても異なるが、Ａｕ［−５．１ｅＶ］と同程度であり、Ａｌ［−４．３ｅＶ］より小さい。
【００７１】
［発光トランジスタの駆動方法および動作原理］
次いで、本実施の形態の発光トランジスタの駆動方法および動作原理を図８を参照しながら説明する。図８は、本実施の形態の発光トランジスタの駆動方法および動作原理を示す断面図である。
【００７２】
図８（Ａ）に示すように、ｐ型駆動、下制御電極３Ａをゲート電極、第１有機半導体膜９側をチャネルとしたｐ型トランジスタを駆動する際には、下制御電極３Ａに負電位（マイナス電位）、ソース電極（５、６）に接地電位（０Ｖ、グランド）、ドレイン電極（７、８）に負電位を印加する。この際、上制御電極１０は、オープン（ｏｐｅｎ、フローティング）状態とする。
【００７３】
この場合、実施の形態１において図５を参照しながら説明したように、下制御電極（ＩＴＯ）３Ａには負電位が印加されているため、下制御電極（ＩＴＯ）３Ａから第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４に、電子（ｅ）が入り込もうとする。しかしながら、この場合、下制御電極（ＩＴＯ）３Ａの仕事関数［−５．１］と第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４のＬＵＭＯの値［−２．８］の差（Ｅ５＝５．１−２．８）が大きいため電子は注入されない（図５参照）。即ち、この駆動方法では、第２有機半導体膜（ＡＣ５ＣＦ３）４は、半導体ではなく、絶縁体としての機能を果たす。
【００７４】
一方、上ソース電極６からチャネルにホールが注入され、チャネル中にｐｎ接合が形成され、発光する（図８（Ａ）参照）。さらに、上ソース電極６に仕事関数の小さいＡｕを用いることで、上ソース電極６からチャネルにホールが注入され易くなる。
【００７５】
また、図９（Ｂ）に示すように、ｎ型駆動、上制御電極１０をゲート電極、第２有機半導体膜４側をチャネルとしたｎ型トランジスタを駆動する際には、上制御電極１０に正電位（プラス電位）、ソース電極（５、６）に接地電位（０Ｖ、グランド）、ドレイン電極（７、８）に正電位を印加する。この際、下制御電極３Ａは、オープン状態とする。
【００７６】
この場合、実施の形態１において図５を参照しながら説明したように、上制御電極（Ａｌ）１０には正電位が印加されているため、上制御電極（Ａｌ）１０から第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９に、ホール（ｈ）が入り込もうとする。しかしながら、この場合、上制御電極（Ａｌ）１０の仕事関数［−４．３］と第１有機半導体膜（ＢＰ３Ｔ）９のＨＯＭＯの値［−５．８］の差（Ｅ４＝５．８−４．３）が大きいためホールは注入されない（図５参照）。
【００７７】
一方、下ソース電極５からチャネルに電子が注入され、チャネル中にｐｎ接合が形成され、発光する（図８（Ｂ）参照）。さらに、下ソース電極５に仕事関数の大きいＡｌを用いることで、下ソース電極５からチャネルに電子が注入され易くなる。
【００７８】
このように、本実施の形態においても実施の形態１と同様に、制御電極と接している有機半導体膜に、当該電極に駆動電圧が印加されている間に、絶縁体としての機能を持たせることができ、他の有機半導体膜中にｐｎ接合を生じさせ、発光させることができる。
【００７９】
また、実施の形態１において図５を参照しながら説明した条件を満たすことにより、装置特性をさらに向上させることができる。
【００８０】
次いで、具体的な検討結果について説明する。上記発光トランジスタのトランジスタ特性を評価したところ、実施の形態１のトランジスタと同様であった。また、上記発光トランジスタのｐ型駆動およびｎ型駆動において、ともに制御電圧の絶対値が５０Ｖ以上において発光が確認された。このように本実施の形態の発光トランジスタにおいても、トランジスタ特性上問題となるゲートリークはなく、さらに、発光を確認でき、その有効性を実験的に確認することができた。
【００８１】
図９は、本実施の形態の発光トランジスタの他の駆動方法を示す断面図である。図９（Ａ）に示すようにｐ型駆動において、上制御電極１０に接地電位を印加することにより、図８（Ａ）の場合と比較し、発光強度を向上させることができた。また、図９（Ｂ）に示すようにｎ型駆動において、下制御電極３Ａに接地電位を印加することにより、図８（Ｂ）の場合と比較し、発光強度を向上させることができた。
【００８２】
かかる発光強度の向上は、当該発光トランジスタが、ユニポーラ（単極性）駆動からバイポーラ（両極性）駆動に変化したために生じたと考えられる。
【００８３】
具体的には、例えば、ｐ型駆動（図９（Ａ））においては、前述の通りチャネルにホールが注入される。一方、ドレイン電極（７、８）には、負電位が印加されているため、上制御電極（接地）１０は、相対的に高い電位が印加されていることとなる。その結果、ドレイン電極（７、８）の近傍では、上制御電極１０から電子が注入されるチャネルが形成される。よって、ｐｎ接合部に供給されるキャリア（電子）が多くなり、再結合も多くなる。よって、発光強度が向上したと思われる。
【００８４】
逆に、ｎ型駆動（図９（Ｂ））においては、チャネルに電子が注入される。一方、ドレイン電極（７、８）には、正電位が印加されているため、下制御電極（接地）３Ａは、相対的に低い電位が印加されていることとなる。その結果、ドレイン電極（７、８）の近傍では、下制御電極３Ａからホールが注入されるチャネルが形成される。よって、ｐｎ接合部に供給されるキャリア（ホール）が多くなり、再結合も多くなる。よって、発光強度が向上したと思われる。
【００８５】
このように、駆動電位が印加される制御電極と対向する制御電極に接地電位を印加することで発光強度を向上させることができる。なお、接地電位に限られず、ｎ型駆動の際の駆動電位とｐ型駆動の際の駆動電位との間の電位であれば他の電位を印加してもよい。
【００８６】
［発光トランジスタを構成する材料］
本実施の形態の発光トランジスタの構成材料は、上記のものに限られず、種々の組み合わせが可能である。各構成部位の仕事関数やＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの値を考慮して例えば、図５に示す条件に適合するよう有機トランジスタを設計（製造）することで特性の向上を図ることができる。
【００８７】
例えば、発光性を有する有機半導体として以下のものが挙げられる。例えば、上記ＡＣ５ＣＦ３およびＢＰ３Ｔの他、低分子系では上記ＡＣ５ＣＦ３およびＢＰ３Ｔと同じチオフェン/フェニレンコオリゴマーのグループに分類されるもの、高分子系ではＦ８Ｔ２（フルオレン−チオフェンコポリマー）などのポリチオフェン系の材料などがある。Ｆ８Ｔ２は、ＥＬ材料である。
【００８８】
また、透光性を必要としない側の制御電極材料としては、実施の形態１で説明した材料を用いることができる。また、例えば、上制御電極１０にＩＴＯを用い、装置上部から光を取り出しても良い。この場合、下制御電極３Ａは透光性を必要とせず、ＩＴＯより仕事関数の小さい材料を選べばよい。
【００８９】
また、ソース電極、ドレイン電極としては、実施の形態１で説明した材料を用いることができる。
【００９０】
このように本実施の形態においても、上記種々の材料について、上記図５の条件（条件１又は条件２）に合うよう制御電極や、ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの値の異なる２つの有機半導体膜を適宜組み合わせることで装置特性の更なる向上を図ることができる。その結果、発光強度の向上や動作電圧の低減などが可能となる。
【００９１】
また、本実施の形態の発光トランジスタにおいても電極や有機半導体膜の積層順を逆に配置してもよい。
〔本発明に係るトランジスタの適用〕
上記有機トランジスタは、半導体集積回路の、スイッチングトランジスタやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路などに用いることができる。
【００９２】
さらに、上記半導体集積回路は、各種電子機器に組み込むことができる。この電子機器とは、半導体集積回路を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、その構成に特に限定はない。例えば、電子機器には、半導体集積回路を備えたコンピュータ装置一般、携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、電子手帳、ＩＣカードなどが含まれる。
【００９３】
このように本発明に係るトランジスタを半導体集積回路および電子機器に組み込むことにより、装置構成の簡略化やその特性の向上などの効果を奏する。
【００９４】
また、上記発光トランジスタは、電気光学装置やそれを組み込んだ電子機器に適用することができる。例えば、電気光学装置（例えば、携帯電話やビデオカメラなど）の表示部に、発光素子として組み込むことができる。また、有機レーザ装置に組み込むことができる。
【００９５】
このように本発明に係るトランジスタを電気光学装置および電子機器に組み込むことにより、装置構成の簡略化やその特性の向上などの効果を奏する。
【００９６】
なお、電気光学装置を有する電子機器としては、上記の他、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイなどがある。
【００９７】
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施の形態１の有機トランジスタの構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の有機トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】実施の形態１の有機トランジスタの駆動方法および動作原理を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、金とアルミニウムの仕事関数（ｅＶ）を示す表で、図４（Ｂ）は、ＡＣ５ＣＦ３およびＢＴ３ＴのそれぞれのＨＯＭＯ（ｅＶ）およびＬＵＭＯ（ｅＶ）を示す表である。
【図５】実施の形態１の有機トランジスタの駆動方法および動作原理を示すエネルギーバンド図である。
【図６】実施の形態１の有機トランジスタの他の構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態２の発光トランジスタの構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態２の発光トランジスタの駆動方法および動作原理を示す断面図である。
【図９】実施の形態２の発光トランジスタの他の駆動方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１…基板、２…密着膜、３、３Ａ…下制御電極、４…第２有機半導体膜、５…下ソース電極、６…上ソース電極、７…下ドレイン電極、８…ドレイン電極、９…第１有機半導体膜、１０…上制御電極
【図１】
2009059948.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009059948.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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