JP2003209122A - 有機半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有機半導体層を用いた新規な有機半導体装置
を提供する。 【解決手段】 基板１０の上に配置されたソース／ドレ
イン電極２０と、前記ソース／ドレイン電極２０の上に
少なくとも第１の絶縁層３１を介して配置され、複数の
貫通孔８０を有するゲート電極４０と、前記ソース／ド
レイン電極２０の上に配置され、かつ前記貫通孔８０内
で前記ゲート電極４０に対して第２の絶縁層３２を介し
て配置される有機半導体層５０と、前記有機半導体層５
０の上に前記ゲート電極４０に対して第３の絶縁層３３
を介して配置されたドレイン／ソース電極７０と、を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機半導体層を用
いた新規な有機半導体装置に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】半導体
集積回路は、近年、さらなる高集積化が期待されてい
る。しかしながら、近い将来、従来の素子動作原理によ
る高集積化および高密度化が限界であることも予想さ
れ、質的に新たな技術が望まれている。

【０００３】本発明の目的は、有機半導体層を用いた新
規な有機半導体装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】（１）本発明に係る有機
半導体装置は、基板の上に配置されたソース／ドレイン
電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第
１の絶縁層を介して配置され、複数の貫通孔を有するゲ
ート電極と、前記ソース／ドレイン電極の上に配置さ
れ、かつ前記貫通孔内で前記ゲート電極に対して第２の
絶縁層を介して配置される有機半導体層と、前記有機半
導体層の上に前記ゲート電極に対して第３の絶縁層を介
して配置されたドレイン／ソース電極と、を含む。

【０００５】ここで、本明細書において、「〜の上に配
置された」とは、直接その上に配置された場合に限ら
ず、所定の層を介して間接的に上に配置された場合を含
むものとする。

【０００６】また、「ソース／ドレイン電極」とは、ソ
ース電極またはドレイン電極をいい、「ドレイン／ソー
ス電極」とは、ドレイン電極またはソース電極をいう。
すなわち、ソース／ドレイン電極がソース電極として機
能する場合、ドレイン／ソース電極はドレイン電極とし
て機能し、また、ソース／ドレイン電極がドレイン電極
として機能する場合、ドレイン／ソース電極はソース電
極として機能するという意味である。

【０００７】なお、本明細書において、「ソース電極」
とは、キャリア（電子または正孔）を放出する電極をい
い、「ドレイン電極」とは、キャリア（電子または正
孔）を取り込む電極をいう。

【０００８】本発明の有機半導体装置によれば、前記ソ
ース／ドレイン電極、前記ドレイン／ソース電極、前記
ゲート電極、および前記有機半導体層によって、電界効
果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor、以
下、単に「トランジスタ」という。）が構成され、前記
ソース／ドレイン電極と前記ドレイン／ソース電極との
間に電流が流れる。

【０００９】本発明の有機半導体装置においては、前記
有機半導体層の膜厚によって、上記構成のトランジスタ
のチャネル長が変化する。従って、前記有機半導体層の
膜厚を形成工程において制御することにより、所望のチ
ャネル長を有するトランジスタを形成することができ
る。すなわち、前記有機半導体層の膜厚を薄くすれば、
チャネル長を短くすることができ、低電圧または高速で
駆動可能なトランジスタが形成できる。

【００１０】また、一般的に電界効果型のトランジスタ
では、制御可能な電流量は、ゲート電極とチャネルが形
成される領域（有機半導体層）とが対向する領域の面積
によって決定される。すなわち、本発明の有機半導体装
置では、ゲート電極の膜厚（以下、ゲート長という。）
を厚くするか、ゲート電極と有機半導体層との対向する
部分の長さ（以下、ゲート幅）を広くすることにより、
大きな電流を制御することができるようになる。

【００１１】本発明の有機半導体装置では、ゲート電極
に複数の貫通孔を設けて、各貫通孔内に有機半導体層を
配置することで、各貫通孔の周囲長を前記ゲート幅とし
て、これらの合計を素子全体における有効なゲート幅と
することができる。従って、本発明の有機半導体装置に
よれば、基板面積に対して大きなゲート幅を確保するこ
とができ、大電流を制御可能とすることができる。

【００１２】また、本発明に係る有機半導体装置では、
前記複数の貫通孔を、アレイ状に形成することができ
る。ここで、「アレイ状」とは、例えば、格子状、千鳥
格子状などの規則的な配列および不規則な配列で面的に
配置された状態をいい、本発明に係る有機半導体装置で
は、適宜好適な配列を選択して貫通孔を形成することが
できる。

【００１３】（２）また、本発明に係る有機半導体装置
は、基板の上に配置されたソース／ドレイン電極と、前
記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１の絶縁層
を介して複数配置され、複数の屈曲部を有する平面形状
のゲート電極と、少なくとも前記ソース／ドレイン電極
の上に配置され、かつ前記ゲート電極に対して第２の絶
縁層を介して配置される有機半導体層と、少なくとも前
記有機半導体層の上に前記ゲート電極に対して第３の絶
縁層を介して配置されたドレイン／ソース電極と、を含
む。

【００１４】本発明に係る有機半導体装置は、各ゲート
電極が複数の屈曲部を有する平面形状に形成されるの
で、上記有機半導体装置の場合と同様に、基板面積に対
して大きなゲート幅を確保することができ、大電流を制
御可能とすることができる。

【００１５】また、本発明に係る有機半導体装置は、ゲ
ート電極が複数配置されているため、例えば、各ゲート
電極に異なる電圧を加えてチャネルに電界による変化を
与えることにより、素子を流れる電流を種々の態様で制
御することができる。

【００１６】また、本発明の有機半導体装置は、以下に
示す各種態様を取り得る。

【００１７】（Ａ）前記ゲート電極を、櫛型の平面形状
を有し、該ゲート電極の櫛刃が交互に並ぶように配置す
ることができる。

【００１８】（Ｂ）前記ソース／ドレイン電極および前
記ドレイン／ソース電極を、それぞれ複数設け、かつ対
向するように配置することができる。

【００１９】（Ｃ）前記ソース／ドレイン電極および前
記ドレイン／ソース電極は、それぞれ櫛型の平面形状を
有し、複数の前記ソース／ドレイン電極を、該ソース／
ドレイン電極の櫛刃が交互に並ぶように配置し、複数の
前記ドレイン／ソース電極を、該ドレイン／ソース電極
の櫛刃が交互に並ぶように配置することができる。

【００２０】（３）また、上記各有機半導体装置におい
て、前記有機半導体層と前記ソース／ドレイン電極およ
びドレイン／ソース電極の少なくとも一方の電極との間
にキャリア輸送／注入層を配置することができる。

【００２１】本明細書において、キャリア輸送／注入層
とは、正孔を輸送し、注入するための正孔輸送／注入
層、および電子を輸送し、注入するための電子輸送／注
入層の少なくともいずれか一方をいう。

【００２２】次に、本発明に係る有機半導体装置の各部
に用いることができる材料の一部を例示する。これらの
材料は、公知の材料の一部を示したに過ぎず、例示した
もの以外の材料を選択することができる。

【００２３】（有機半導体層）本発明において、有機半
導体層とは、少なくとも有機半導体材料を含む層をい
う。具体的には、本発明の有機半導体層は、前記有機半
導体材料を含む有機層である。この有機半導体材料は、
公知の化合物から選択される。この有機半導体材料とし
ては、例えば、公知の導電性高分子が挙げられる。前記
導電性高分子としては、例えば、固体物理３６巻３号１
３９−１４６頁（２００１）に開示されているポリアセ
チレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラフェ
ニンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリア
ニリン、ポリアセン等が挙げられる。

【００２４】また、前記有機半導体材料として、前述し
た刊行物に開示されているアンスラセン、テトラセン、
ペンタセンのほか、特開平１０−１５３９６７号公報に
開示された、アロマティックジアミン誘導体（ＴＰ
Ｄ）、オキシジアゾール誘導体（ＰＢＤ）、オキシジア
ゾールダイマー（ＯＸＤ−８）、ジスチルアリーレン誘
導体（ＤＳＡ）、ベリリウム−ベンゾキノリノール錯体
（Ｂｅｂｑ）、トリフェニルアミン誘導体（ＭＴＤＡＴ
Ａ）、ルブレン、キナクリドン、トリアゾール誘導体、
ポリフェニレン、ポリアルキルフルオレン、ポリアルキ
ルチオフェン、アゾメチン亜鉛錯体、ポリフィリン亜鉛
錯体、ベンゾオキサゾール亜鉛錯体、フェナントロリン
ユウロピウム錯体などが例示できる。

【００２５】より具体的には、特開昭６３−７０２５７
号公報、同６３−１７５８６０号公報、特開平２−１３
５３６１号公報、同２−１３５３５９号公報、同３−１
５２１８４号公報、さらに、同８−２４８２７６号公報
および同１０−１５３９６７号公報に記載されているも
のなど、公知のものが有機半導体材料として使用でき
る。これらの化合物は単独で用いてもよく、２種類以上
を混合して用いてもよい。

【００２６】また、本発明の有機半導体層は、前述した
ように、前記有機半導体材料を含む有機層である。具体
的には、本発明の有機半導体層は、前記有機半導体材料
を有機材料に分散または溶解させて形成される。

【００２７】（電極層）ソース電極としては、仕事関数
の小さい（例えば４ｅＶ以下）電子注入性金属、合金電
気伝導性化合物およびこれらの混合物を用いることがで
きる。このような電極物質としては、例えば特開平８−
２４８２７６号公報に開示されたものを用いることがで
きる。

【００２８】ドレイン電極としては、仕事関数の大きい
（例えば４ｅＶ以上）金属、合金、電気伝導性化合物ま
たはこれらの混合物を用いて形成ことができる。例え
ば、ＣｕＩ，ＩＴＯ，ＳｎＯ₂，ＺｎＯなどの導電性透
明材料や、金などの金属を用いることができる。

【００２９】ゲート電極としては、例えばＡｕやＳｉ等
の金属から形成することができる。また、ゲート電極の
表面を酸化してゲート電極の周囲に絶縁層を形成する場
合、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ等を用いることができる。

【００３０】また、本発明の有機半導体装置が後述する
電子輸送／注入層を含む場合、この電子輸送／注入層に
接続されるソース電極としては、以下の関係が成立する
ことが望ましい。

【００３１】［ソース電極を構成する材料の仕事関数＜
電子輸送／注入層を構成する材料の電子親和力］さら
に、本発明の有機半導体装置が後述する正孔輸送／注入
層を含む場合、この正孔輸送／注入層に接続されるドレ
イン電極としては、以下の関係が成立することが望まし
い。

【００３２】［正孔輸送／注入層を構成する材料のイオ
ン化ポテンシャル＜ドレイン電極を構成する材料の仕事
関数］ （正孔輸送／注入層）本発明の有機半導体装置において
は、さらに、正孔輸送／注入層を含むことができる。こ
の正孔輸送／注入層は、正孔を前記有機半導体層へと輸
送し、注入する機能を有する。この正孔輸送／注入層
は、前記ドレイン電極と前記有機半導体層との間に配置
させる。なお、この正孔輸送／注入層を有機層から形成
することができる。

【００３３】正孔輸送／注入層を形成するための材料と
しては、公知の光伝導材料の正孔注入材料として用いら
れているもの、あるいは有機有機半導体装置の正孔輸送
／注入層に使用されている公知のものの中から選択して
用いることができる。正孔輸送／注入層の材料には、正
孔の注入あるいは電子の障壁性のいずれかの機能を有す
るものを用いる。その具体例としては、例えば、特開平
８−２４８２７６号公報に開示されているものを例示す
ることができる。

【００３４】（電子輸送／注入層）本発明の有機半導体
装置においては、さらに、電子輸送／注入層を含むこと
ができる。この電子輸送／注入層は、電子を前記有機半
導体層へと輸送し、注入する機能を有する。この電子輸
送／注入層は、前記ソース電極と前記有機半導体層との
間に配置させる。なお、この電子輸送／注入層を有機層
から形成することができる。

【００３５】有機層を電子輸送／注入層として機能させ
るためには、当該有機層がソース電極より注入された電
子を前記有機半導体層に伝達する機能を有していればよ
く、このような有機層を形成するための材料は、公知の
物質から選択することができる。その具体例としては、
例えば、特開平８−２４８２７６号公報に開示されたも
のを例示することができる。

【００３６】また、本発明の有機半導体装置の各層は、
公知の方法で形成することができる。たとえば、有機半
導体装置の各層は、その材質によって好適な成膜方法が
選択され、具体的には、蒸着法、スピンコート法、ＬＢ
法、インクジェット法などが例示できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。

【００３８】［第１の実施形態］ （デバイスの構造）図１、図２は、本発明の第１の実施
形態に係る有機半導体装置１００の主要な構成の一例を
模式的に示す図である。図１（Ａ）は、有機半導体装置
１００の形成工程の途中の状態を模式的に示す平面図で
あり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるａ−ａ断面図
である。また、図２（Ａ）は、有機半導体装置１００の
主要な層が積層された状態を模式的に示す平面図であ
り、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるａ−ａ断面図で
ある。なお、以下に説明する有機半導体装置１００の各
層の材料や形成方法は、一例を示したにすぎず、公知の
材料、公知の形成方法の中から適宜選択することができ
るものとする。

【００３９】有機半導体装置１００は、図１（Ａ）およ
び図１（Ｂ）に示すように、基板１０の上にソース電極
２０が配置され、このソース電極２０の上にゲート電極
４０が第１の絶縁層３１を介して配置されている。ま
た、有機半導体装置１００は、図１（Ａ）および図１
（Ｂ）に示すように、ゲート電極４０が複数の貫通孔８
０を有し、該貫通孔８０内に有機半導体層５０が配置さ
れている。さらに、有機半導体装置１００は、図２
（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、この有機半導体
層５０の上に有機層６０、ドレイン電極７０が順次積層
されて構成されている。なお、電極２０をドレイン電極
として電極７０をソース電極とすることもできる。ま
た、有機層６０は、電極２０と有機半導体層５０との間
に設けられる。

【００４０】ソース電極２０は、キャリア（電子または
正孔）を放出する電極として形成され、ドレイン電極７
０は、キャリア（電子または正孔）を取り込む電極とし
て形成される。また、ゲート電極４０は、有機半導体層
５０にチャネルを形成するために設けられている。各電
極２０、４０、７０は、例えば、金属などの導電体を材
料として、例えば、マスクスパッタ法などにより形成さ
れる。

【００４１】有機半導体層５０は、ソース電極２０の上
に形成されている。この有機半導体層５０は、ゲート電
極４０に対して第２の絶縁層３２を介して配置されてい
る。有機半導体層５０は、例えば、ペンタセンなどを材
料として、例えば、インクジェット法などにより形成す
ることができる。

【００４２】有機層６０は、必要に応じて設けられ、有
機半導体層５０にキャリア（電子または正孔）を輸送
し、注入するための正孔輸送／注入層または電子輸送／
注入層として補助的に設けられる層である。また、この
有機層６０は、ソース電極２０と有機半導体層５０との
間にも設けることもできる。また、有機層６０は、ソー
ス電極２０側またはドレイン電極７０側のいずれか一方
の側のみに設けてもよいし、双方に設けることもでき
る。有機層６０は、例えば、スピンコート法などにより
形成することができる。

【００４３】ゲート電極４０は、図１（Ａ）に示すよう
に平面視において格子状の複数の貫通孔８０を有する。
この貫通孔８０の平面形状は、四角形等の多角形や円
形、楕円形、その他の好適な形状を採用することができ
る。また、貫通孔８０は、図１（Ａ）に示す格子状に限
らず、千鳥格子状や放射線状等の規則的な配列または不
規則な配列を適宜選択することができる。この貫通孔８
０は、ゲート電極４０およびその下部に配置される第１
の絶縁層３１を例えば、エッチングすることにより形成
することができる。また、貫通孔８０は、ゲート電極４
０および第１の絶縁層３１を例えば、マスク蒸着法など
により予めパターニングすることにより形成してもよ
い。

【００４４】また、ゲート電極４０は、第１の絶縁層３
１、第２の絶縁層３２および第３の絶縁層３３により基
板１０およびその上に積層される各層と電気的に絶縁さ
れている。第１の絶縁層３１は、ソース電極２０の上に
形成され、ゲート電極４０と少なくともソース電極２０
とを絶縁するために設けられる。また、第２の絶縁層３
２は、ゲート電極４０の貫通孔８０内の周囲に形成さ
れ、ゲート電極４０と少なくとも有機半導体層５０とを
絶縁するために設けられる。また、第３の絶縁層３３
は、ゲート電極４０の上に形成され、ゲート電極４０と
少なくともドレイン電極７０とを絶縁するために設けら
れる。ここで、第２および第３の絶縁層３２、３３は、
ゲート電極４０の材料として、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａ
ｌ等を用いることで、ゲート電極４０の表面を酸化する
ことにより形成することもできる。

【００４５】（デバイスの動作および作用効果）本実施
形態に係る有機半導体装置１００は、以下の動作原理に
よってトランジスタとして動作する。有機半導体装置１
００は、ゲート電極４０に印加する電圧に応じて、Ｎ型
トランジスタまたはＰ型トランジスタとして動作する。
なお、電極２０をドレイン電極とし、電極７０をソース
電極とした場合にも同様である。

【００４６】（１）Ｎ型トランジスタとしての動作 まず、ゲート電極４０に所定の正の電圧を印加して、か
つソース電極２０およびドレイン電極７０に、ドレイン
電極７０がソース電極２０より高電位となるように所定
の電圧を印加する。すると、有機半導体層５０内にはチ
ャネルが形成され、トランジスタがＯＮした状態とな
る。そして、このチャネル内を電子が移動することによ
って、ソース電極２０とドレイン電極７０との間に電流
が流れる。

【００４７】一方、ゲート電極４０に電圧を印加しない
で、かつソース電極２０およびドレイン電極７０に、ド
レイン電極７０がソース電極２０より高電位となるよう
に所定の電圧を印加する。すると、有機半導体５０内に
はチャネルが形成されず、トランジスタがＯＦＦした状
態となる。すなわち、有機半導体層５０内は、電子が移
動しにくい状態となり、ソース電極２０とドレイン電極
７０との間にはほとんど電流は流れない。

【００４８】このように、有機半導体装置１００は、ゲ
ート電極４０に正の電圧を印加するとＯＮ状態となり、
電圧を印加しない状態でＯＦＦ状態となる。そして、有
機半導体装置１００は、前記ＯＮ状態において、電子を
キャリアとしてソース電極２０とドレイン電極７０との
間に電流が流れることからＮ型トランジスタとして動作
する。

【００４９】（２）Ｐ型トランジスタとしての動作 まず、ゲート電極４０に所定の負の電圧を印加して、か
つソース電極２０およびドレイン電極７０に、ソース電
極２０がドレイン電極７０より高電位となるように所定
の電圧を印加する。すると、有機半導体層５０内にはチ
ャネルが形成され、トランジスタがＯＮした状態とな
る。そして、このチャネル内を正孔が移動することによ
って、ソース電極２０とドレイン電極７０との間に電流
が流れる。

【００５０】一方、ゲート電極４０に電圧を印加しない
で、かつソース電極２０およびドレイン電極７０に、ソ
ース電極２０がドレイン電極７０より高電位となるよう
に所定の電圧を印加する。すると、有機半導体５０内に
はチャネルが形成されず、トランジスタがＯＦＦした状
態となる。すなわち、有機半導体層５０内は、正孔が移
動しにくい状態となり、ソース電極２０とドレイン電極
７０との間にはほとんど電流は流れない。

【００５１】このように、有機半導体装置１００は、ゲ
ート電極４０に負の電圧を印加するとＯＮ状態となり、
電圧を印加しない状態でＯＦＦ状態となる。そして、有
機半導体装置１００は、前記ＯＮ状態において、正孔を
キャリアとしてソース電極２０とドレイン電極７０との
間に電流が流れることからＰ型トランジスタとして動作
する。

【００５２】（３）作用効果 本実施形態に係る有機半導体装置１００によれば、有機
半導体層５０の膜厚により、上記構成のトランジスタの
チャネルの長さが変化する。従って、有機半導体装置１
００によれば、有機半導体層５０の膜厚を形成工程にお
いて制御することにより、所望のチャネル長を有するト
ランジスタを形成することができる。すなわち、有機半
導体装置１００によれば、有機半導体層５０の膜厚を薄
くすることにより、チャネル長を短くすることができ、
低電圧または高速で駆動可能なトランジスタが形成する
ことができる。

【００５３】また、本実施形態に係る有機半導体装置１
００では、制御可能な電流量は、ゲート電極４０と有機
半導体層５０とが対向する領域の面積（以下、「対向面
積」という。）によって決定される。すなわち、本実施
形態に係る有機半導体装置１００では、ゲート長（例え
ば、図９に示す長さＬ）を長くするか、ゲート幅（例え
ば、図９に示す幅Ｗ）を広くすることにより、対向面積
を広くすることができ、大きな電流を制御することがで
きるようになる。しかし、この対向面積を広くするため
にゲート幅を広くするには基板面積による制限があり、
ゲート長についてはゲート電極４０を厚くすることによ
って上記対向面積を広くすることができるが、有機半導
体装置１００の薄型化などの点で適当ではない。

【００５４】そこで、本実施形態に係る有機半導体装置
１００では、ゲート電極４０に複数の貫通孔８０を設け
て、各貫通孔８０内に有機半導体層５０を配置すること
で、各貫通孔８０の周囲長をゲート幅として、これらの
合計を素子全体における有効なゲート幅とすることがで
きる。従って、有機半導体装置１００によれば、基板１
０の面積に対して大きなゲート幅を確保することがで
き、大電流を制御可能とすることができる。

【００５５】［第２の実施形態］ （デバイスの構造）図３、図４は、本発明の第２の実施
形態に係る有機半導体装置２００の主要な構成の一例を
模式的に示す図である。図３（Ａ）は、有機半導体装置
２００の形成工程の途中の状態を模式的に示す平面図で
あり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるａ−ａ断面図
である。また、図４（Ａ）は、有機半導体装置２００の
主要な層が積層された状態を模式的に示す平面図であ
り、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるａ−ａ断面図で
ある。以下、図１、図２に示す部材と実質的に同じ機能
を有する部材には同一符号を付し、主要な相違点を主に
説明する。なお、有機半導体装置２００の各層について
は、第１の実施形態に係る有機半導体装置１００と同様
の材料、形成方法を適宜選択することができる。

【００５６】本実施形態に係る有機半導体装置２００で
は、図３（Ａ）に示すように、複数のゲート電極４１、
４２が設けられている。ゲート電極４１、４２は、複数
の櫛刃部分９１〜９４において屈曲した櫛型の平面形状
で形成され、各櫛刃部分９１〜９４は、ゲート電極４１
に係る第１の櫛刃部分９１および第２の櫛刃部分９２
と、ゲート電極４２に係る第３の櫛刃部分９３および第
４の櫛刃部分９４とから構成される。そして、有機半導
体装置２００では、各ゲート電極４１、４２は、櫛型の
平面形状を有し、ゲート電極４１に係る第１および第２
の櫛刃部分９１、９２とゲート電極４２に係る第３およ
び第４の櫛刃部分９３、９４とが交互に並ぶように配置
されて構成されている。本実施形態に係る有機半導体装
置２００では、上記構成を採用することにより、図３
（Ｂ）に示すように、結果としてゲート電極４１、４２
の間に溝が形成され、この溝内に有機半導体層５０が配
置される。

【００５７】なお、ゲート電極４１、４２は、本実施形
態のように２つ設けられた場合に限られず、３つ以上設
けることもできる。また、ゲート電極４１、４２の平面
形状は、図３（Ａ）に示した櫛型に限られず、複数の屈
曲した部分を有していればよく、例えば、図８（Ａ）に
示すようなコの字型の形状や、その他渦巻型など種々の
形状を取り得るものとする。また、ゲート電極４１、４
２の屈曲部は直角でなくともよく、所定の角度をもっ
て、または所定の半径をもって屈曲した形状であっても
よい。

【００５８】また、有機半導体装置２００は、図４
（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、基板１０の上に
ソース電極２０が配置され、その上に形成される複数の
ゲート電極４１、４２は、第１〜第３の絶縁層３１〜３
３により各層と絶縁されている。有機半導体層５０は、
ソース電極２０の上で、かつゲート電極４１、４２の間
の溝内にゲート電極４１、４２と第２の絶縁層３２を介
して配置される。そして、有機半導体装置２００は、有
機半導体層５０の上に、有機層６０およびドレイン電極
７０が順次積層されて構成される。なお、電極２０をド
レイン電極とし、電極７０をソース電極として設けるこ
ともできる。また、この有機層６０は、ソース電極２０
と有機半導体層５０との間にも設けることもできる。ま
た、有機層６０は、ソース電極２０側またはドレイン電
極７０側のいずれか一方の側のみに設けてもよいし、双
方に設けることもできる。

【００５９】（デバイスの動作および作用効果）本実施
形態に係る有機半導体装置２００は、第１の実施形態に
係る有機半導体装置１００と同様の動作原理によってト
ランジスタとして動作する。有機半導体装置２００は、
ゲート電極４１、４２に印加する電圧に応じて、Ｎ型ト
ランジスタまたはＰ型トランジスタとして動作する。な
お、電極２０をドレイン電極とし、電極７０をソース電
極とした場合も同様である。

【００６０】すなわち、有機半導体装置２００は、ソー
ス電極２０およびドレイン電極７０に所定の電圧を印加
して、かつゲート電極４１、４２に正の電圧を印加する
とＯＮ状態となり、電圧を印加しない状態でＯＦＦ状態
となる。そして、有機半導体装置２００は、前記ＯＮ状
態において、電子をキャリアとしてソース電極２０とド
レイン電極７０との間に電流が流れることからＮ型トラ
ンジスタとして動作する。

【００６１】また、有機半導体装置２００は、ソース電
極２０およびドレイン電極７０に所定の電圧を印加し
て、かつゲート電極４１、４２に負の電圧を印加すると
ＯＮ状態となり、電圧を印加しない状態でＯＦＦ状態と
なる。そして、有機半導体装置２００は、前記ＯＮ状態
において、正孔をキャリアとしてソース電極２０とドレ
イン電極７０との間に電流が流れることからＰ型トラン
ジスタとして動作する。

【００６２】ここで、本実施形態における有機半導体装
置２００におけるゲート幅は、ゲート電極４１の櫛刃部
分９１、９２と、ゲート電極４２の櫛刃部分９３、９４
とが交互に配置されることにより生ずるゲート電極４
１、４２の間の溝の周囲長となる。

【００６３】従って、有機半導体装置２００によれば、
第１の実施形態に係る有機半導体装置１００の場合と同
様に、基板１０の面積に対して大きなゲート幅を確保す
ることができる。また、かかる有機半導体装置２００に
よれば、大電流を制御可能とすることができる。さら
に、本実施形態に係る有機半導体装置２００によれば、
複数のゲート電極４１、４２が設けられているため、各
電極４１、４２に異なる電圧を印加して有機半導体層５
０内を流れる電流を種々の態様で制御することができ
る。

【００６４】［第３の実施形態］ （デバイスの構造）図５〜図７は、本発明の第３の実施
形態に係る有機半導体装置３００の主要な構成の一例を
模式的に示す図である。図５（Ａ）は、有機半導体装置
３００の形成工程の途中の状態を模式的に示す平面図で
あり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるａ−ａ断面図
である。また、図６（Ａ）は、有機半導体装置３００の
形成工程の途中の状態であり、図５に係る形成工程後に
有機半導体層５０を形成した状態を模式的に示す平面図
であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるａ−ａ断面
図である。さらに、図７（Ａ）は、有機半導体装置３０
０の主要な層が積層された状態を模式的に示す平面図で
あり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるａ−ａ断面図
である。以下、図１、図２に示す部材と実質的に同じ機
能を有する部材には同一符号を付し、主要な相違点を主
に説明する。なお、有機半導体装置２００の各層につい
ては、第１の実施形態に係る有機半導体装置１００と同
様の材料、形成方法を適宜選択することができるものと
する。

【００６５】本実施形態に係る有機半導体装置３００
は、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、第２の
実施形態に係る有機半導体装置２００の場合と同様に、
複数のゲート電極４１、４２が櫛型の平面形状に形成さ
れている。また、有機半導体装置３００は、図６（Ａ）
および図６（Ｂ）に示すように、ゲート電極４１の櫛刃
部分９１、９２とゲート電極４２の櫛刃部分９３、９４
とが交互に配置されることによって、有機半導体層５０
がゲート電極４１、４２の間の溝内に配置されて構成さ
れる。さらに、本実施形態に係る有機半導体装置３００
では、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、複数
のソース電極２１、２２とこれに対応する複数のドレイ
ン電極７１、７２とが相対向するように配置され、ソー
ス電極２１、２２およびドレイン電極７１、７２が、ゲ
ート電極４１、４２と同様の櫛型の平面形状で形成され
て構成されている。なお、有機半導体装置３００では、
電極２１、２２をドレイン電極とし、電極７１、７２を
ソース電極とすることもできる。また、有機半導体装置
３００は、電極２１および電極７２をソース電極とし、
電極２２および電極７１をドレイン電極とすることもで
きる。また、電極２１および電極７２をドレイン電極と
し、電極２２および電極７１をソース電極とすることも
できる。

【００６６】また、有機半導体装置３００は、図７
（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、基板１０の上に
複数のソース電極２０が配置され、その上に形成される
複数のゲート電極４１、４２は、第１〜第３の絶縁層３
１〜３３により各層と絶縁されている。有機半導体層５
０は、基板１０および複数のソース電極２０の上で、か
つゲート電極４１、４２の間の溝内に、ゲート電極４
１、４２に対して第２の絶縁層３２を介して配置され
る。そして、有機半導体装置３００は、有機半導体層５
０の上に、ソース電極２１、２２に相対向するように複
数のドレイン電極７１、７２が順次積層されて構成され
る。このとき、有機層６０は、複数のドレイン電極７
１、７２に対応するように設けられる。また、この有機
層６０は、ソース電極２１、２２と有機半導体層５０と
の間にも設けることもできる。また、有機層６０は、ソ
ース電極２１、２２側またはドレイン電極７１、７２側
のいずれか一方の側のみに設けてもよいし、双方に設け
ることもできる。

【００６７】なお、ソース電極２１、２２、ドレイン電
極７１、７２およびゲート電極４１、４２は、本実施形
態のようにそれぞれ２つ設けられた場合に限られず、そ
れぞれ３つ以上設けることもできる。また、ゲート電極
４１、４２の平面形状は、図５（Ａ）に示した櫛型に限
られず、複数の屈曲した部分を有していればよく、例え
ば、図８（Ｂ）に示すようなコの字型の形状や、その他
渦巻型など種々の形状を取り得る。また、各電極の屈曲
部は直角でなくともよく、所定の角度をもって、または
所定の半径をもって屈曲した形状であってもよい。

【００６８】また、ソース電極２１、２２の間は、層の
平坦化および電極間の短絡防止のために絶縁層を設ける
ことができる。かかる場合、有機半導体層５０は、少な
くともソース電極２１、２２との電気的接続が担保され
るように形成されていればよい。ドレイン電極７２、７
２の間およびこれに対応する有機層６０においても同様
である。

【００６９】（デバイスの動作および作用効果）本実施
形態に係る有機半導体装置３００は、前述した第２の実
施形態に係る有機半導体装置２００と同様の動作原理に
よってトランジスタとして動作する。有機半導体装置３
００は、ゲート電極４１、４２に印加する電圧に応じ
て、Ｎ型トランジスタまたはＰ型トランジスタとして動
作する。なお、電極２１、２２をドレイン電極とし、電
極７１、７２をソース電極とした場合も同様である。

【００７０】すなわち、有機半導体装置３００は、ソー
ス電極２１、２２およびドレイン電極７１、７２に所定
の電圧を印加して、かつゲート電極４１、４２に正の電
圧を印加するとＯＮ状態となり、電圧を印加しない状態
でＯＦＦ状態となる。そして、有機半導体装置３００
は、前記ＯＮ状態において、電子をキャリアとしてソー
ス電極２１、２２とドレイン電極７１、７２との間に電
流が流れることからＮ型トランジスタとして動作する。

【００７１】また、有機半導体装置３００は、ソース電
極２１、２２およびドレイン電極７１、７２に所定の電
圧を印加して、かつゲート電極４１、４２に負の電圧を
印加するとＯＮ状態となり、電圧を印加しない状態でＯ
ＦＦ状態となる。そして、有機半導体装置３００は、前
記ＯＮ状態において、正孔をキャリアとしてソース電極
２１、２２とドレイン電極７１、７２との間に電流が流
れることからＰ型トランジスタとして動作する。

【００７２】従って、有機半導体装置３００によれば、
第２の実施形態に係る有機半導体装置２００の場合と同
様に、基板１０の面積に対して大きなゲート幅を確保す
ることができる。また、かかる有機半導体装置３００に
よれば、大電流を制御可能とすることができる。

【００７３】さらに、本実施形態に係る有機半導体装置
３００によれば、複数のゲート電極４１、４２が設けら
れているため、各電極４１、４２に異なる電圧を印加し
て有機半導体層５０内を流れる電流を種々の態様で制御
することができる。

【００７４】例えば、ゲート電極４１、４２に互いに極
性の異なる電圧を印加する。すなわち、ゲート電極４１
に正の電圧を印加し、かつゲート電極４２に負の電圧を
印した場合に、ソース電極２１およびドレイン電極７２
に所定の同じ電圧を加え、かつソース電極２２およびド
レイン電極７１に所定の同じ電圧を印加する。このと
き、ソース電極２２およびドレイン電極７１に印加する
電圧が、ソース電極２２およびドレイン電極７２に印加
する電圧よりも高電位となるようにする。

【００７５】すると、有機半導体層５０のゲート電極４
１近傍には、電子をキャリアとするチャネルが形成さ
れ、かつ有機半導体層５０のゲート電極４２の近傍に
は、正孔をキャリアとするチャネルが形成される。つま
り、ソース電極２１とドレイン電極７１との間には電子
をキャリアとする電流が流れ、ソース電極２２とドレイ
ン電極７２の間には正孔をキャリアとする電流が流れ
る。

【００７６】このように、本実施形態にかかる有機半導
体装置３００では、ゲート電極４１、４２に極性の異な
る電圧を印加することにより、電極２１、電極７１およ
び電極４１によってＮ型トランジスタを構成し、電極２
２、電極７２および電極４２によってＰ型トランジスタ
を構成して、共通の有機半導体層５０を用いて異なる性
質のトランジスタを実現することができる。

【００７７】なお、電極２１ならびに電極２２をドレイ
ン電極とし、電極７１ならびに電極７２をソース電極と
した場合、電極２１ならびに電極７２をソース電極と
し、電極２２ならびに電極７１をドレイン電極とした場
合、および電極２１ならびに電極７２をドレイン電極と
し、電極２２ならびに電極７１をソース電極とした場合
においても上記所定の電位関係が成り立つようにゲート
電極、ソース電極、ドレイン電極に所定の電圧を印加す
ることによって上記作用効果を奏することができる。

【００７８】以上、本発明の好適な実施の形態について
述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、
本発明の要旨内で各種の態様を取り得るものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る
有機半導体装置の形成工程の途中の状態を模式的に示す
平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるａ−
ａ断面図である。

【図２】図２（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る
有機半導体装置の主要な層が積層された状態を模式的に
示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における
ａ−ａ断面図である。

【図３】図３（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る
有機半導体装置の形成工程の途中の状態を模式的に示す
平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるａ−
ａ断面図である。

【図４】図４（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る
有機半導体装置の主要な層が積層された状態を模式的に
示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）における
ａ−ａ断面図である。

【図５】図５（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る
有機半導体装置の形成工程の途中の状態を模式的に示す
平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるａ−
ａ断面図である。

【図６】図６（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る
有機半導体装置の図５に係る形成工程後に有機半導体層
を形成した状態を模式的に示す平面図であり、図６
（Ｂ）は、図６（Ａ）におけるａ−ａ断面図である。

【図７】図７（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る
有機半導体装置の主要な層が積層された状態を模式的に
示す平面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）における
ａ−ａ断面図である。

【図８】図８（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る
有機半導体装置の変形例を模式的に示す図であり、図８
（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る有機半導体装
置の変形例を模式的に示す図である。

【図９】本発明の各実施形態に係るゲート幅を説明する
ための図である。

【符号の説明】 １０ 基板 ２０、２１、２２ ソース電極（ソース／ドレイン電
極） ３１ 第１の絶縁層 ３２ 第２の絶縁層 ３３ 第３の絶縁層 ４０、４１、４２ ゲート電極 ５０ 有機半導体層 ６０ 有機層（キャリア輸送／注入層） ７０、７１、７２ ドレイン電極（ドレイン／ソース電
極） ８０ 貫通孔 ９１、９２、９３、９４ 櫛刃部分 １００、２００、２１０、３００、３１０ 有機半導体
装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 51/00 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１８Ｂ (72)発明者 原田 篤 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 小口 宣雄 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 金子 丈夫 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 AA10 BB01 BB02 BB09 BB14 BB17 BB36 CC01 CC05 EE03 FF04 GG09 5F110 AA01 AA30 CC09 EE02 EE03 EE04 EE09 EE24 EE33 EE44 FF01 FF22 GG05 GG41 HK01 HK02 HK07 HK21 HK33 5F140 AA01 AA02 AB01 AB04 AC23 AC30 BA18 BB04 BC11 BD12 BE07 BF01 BF05 BF07 BF51 BF52 BF53 BH04 BJ01 BJ05 BJ06 BJ10 BJ25

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に配置されたソース／ドレイン
   電極と、 前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１の絶縁
   層を介して配置され、複数の貫通孔を有するゲート電極
   と、 前記ソース／ドレイン電極の上に配置され、かつ前記貫
   通孔内で前記ゲート電極に対して第２の絶縁層を介して
   配置される有機半導体層と、 前記有機半導体層の上に前記ゲート電極に対して第３の
   絶縁層を介して配置されたドレイン／ソース電極と、 を含む、有機半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記複数の貫通孔は、アレイ状に形成されている、有機
   半導体装置。
3. 【請求項３】 基板の上に配置されたソース／ドレイン
   電極と、 前記ソース／ドレイン電極の上に少なくとも第１の絶縁
   層を介して複数配置され、複数の屈曲部を有する平面形
   状のゲート電極と、 少なくとも前記ソース／ドレイン電極の上に配置され、
   かつ前記ゲート電極に対して第２の絶縁層を介して配置
   される有機半導体層と、 少なくとも前記有機半導体層の上に前記ゲート電極に対
   して第３の絶縁層を介して配置されたドレイン／ソース
   電極と、 を含む、有機半導体装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記ゲート電極は、櫛型の平面形状を有し、該ゲート電
   極の櫛刃が交互に並ぶように配置される、有機半導体装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記ソース／ドレイン電極および前記ドレイン／ソース
   電極は、それぞれ複数設けられ、かつ対向するように配
   置される、有機半導体装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記ソース／ドレイン電極および前記ドレイン／ソース
   電極は、それぞれ櫛型の平面形状を有し、 複数の前記ソース／ドレイン電極は、該ソース／ドレイ
   ン電極の櫛刃が交互に並ぶように配置され、 複数の前記ドレイン／ソース電極は、該ドレイン／ソー
   ス電極の櫛刃が交互に並ぶように配置される、有機半導
   体装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかにおいて、 前記有機半導体層と前記ソース／ドレイン電極およびド
   レイン／ソース電極の少なくとも一方の電極との間にキ
   ャリア輸送／注入層が配置される、有機半導体装置。