JP2004006476A

JP2004006476A - Vertical type organic transistor

Info

Publication number: JP2004006476A
Application number: JP2002159138A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Iechi; 家地　洋之; Kazuhiro Kudo; 工藤　一浩
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP4234952B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical type organic transistor at a low cost wherein high operational speed and high power are realized and mass production is enabled with superior reproducibility. <P>SOLUTION: In the vertical type organic transistor wherein a source electrode 2, a first organic semiconductor layer 3, a gate electrode 4 of a comb type or a mesh type, a second organic semiconductor layer 5, and a drain electrode 6 are formed in order, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are constituted by using different organic semiconductor material, so as to form a potential barrier on an interface of the first layer 3 and the second layer 5. The potential barrier is generated by potential energy difference of the organic semiconductor material. For example, the potential barrier can be formed by constituting the first layer 3 and the second layer 5 of the same conductivity type organic semiconductor material, or can be formed by constituting the layers 3, 5 of different conductivity type organic semiconductor material. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自発光型有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイの駆動素子として有用な縦型有機トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイは、無機材料を用いた発光素子に比べて、▲１▼軽量化が可能であること、▲２▼大面積化が容易であること、▲３▼低コストであること、及び、▲４▼種々の発光が得られること、といった利点を有していることが明らかになってきたので、かかる有機ＥＬ素子を利用したフルカラーディスプレイを商品として実用化すべく、その研究開発が盛んに行われるようになってきた。また、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイは、高輝度であって、薄型であり、しかも、極めて早い応答速度を有しているので、現在、主流となっている液晶ディスプレイに代わる次世代ディスプレイデバイスとして有望視されている。有機ＥＬディスプレイにおいて、有機半導体による有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を駆動素子として利用した場合には、現状の有機ＴＦＴは、その電気抵抗が高く、しかも、その電荷移動度が低いので、有機ＴＦＴの素子構造そのものを改善しない限り、有機ＴＦＴを用いた有機ＥＬディスプレイの駆動に十分な動作は期待できない。
【０００３】
有機トランジスタの研究は、１９８０年代初頭から盛んに行われ、低分子化合物で構成される有機半導体膜及び高分子化合物で構成される有機半導体膜の基礎的な特性が調べられたが、これらの有機半導体材料は、無機半導体材料に比べて、低電荷移動度及び高電気抵抗を有する材料であるので、実用的な観点においては、あまり注目されなかった。しかしながら、最近になって、有機半導体材料は、軽量であって、しかも、柔軟であるので、かかる有機半導体を用いた携帯用電子機器、次世代の大面積ディスプレイ素子等の実用化に向けた研究が活発に行われ始めている。例えば、高濃度にドープしたシリコン基板上にペンタセンを成膜して０．５２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの電荷移動度を実現したＴＦＴが提案されている（特開平１０−２７０７１２号公報）。
【０００４】
有機半導体材料には、▲１▼ペンタセン、金属フタロシアニン等の低分子化合物、▲２▼Ｃ_３〜Ｃ_８のｎ−チオフェン等の短鎖オリゴマー、並びに、▲３▼ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン等の長鎖ポリマーがある。前記長鎖ポリマーは、π共役系導電性高分子として知られており、隣接する多重結合した原子間の原子軌道の重なり合いによって、分子、オリゴマー及びポリマーに沿った電荷の移動が可能になる。隣接する分子間の分子軌道の重なり合いによっては、分子間の電荷移動が可能になる。低分子化合物又は短鎖オリゴマーの有機薄膜は、有機材料として最も高い電荷移動度を示すことが知られているが、このような高電荷移動度を示す低分子化合物又は短鎖オリゴマーは、真空蒸着によって、規則的に配列された薄膜として付着される。この薄膜内の規則配列によれば、原子軌道が重なり合い、そのために、隣接する分子間の電荷の移動をもたらすと考えられている。前記長鎖ポリマーは、可溶性が大きいので、スピン・コーティング、ディッピング・コーティング等の手段を用いて成膜することができ、そのために、低コストで成膜が可能となる。しかしながら、長鎖ポリマーを成膜すると、高分子配列が不規則となるので、その電荷移動度が低くなるという問題がある。このように、いまのところ、決定的に高い電荷移動度を有する有機半導体材料はみあたらないので、今後の高電荷移動度有機材料の出現に期待するところは極めて大きい。
【０００５】
このような技術的状況において、前述の有機ＥＬ素子の駆動部分に単純に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造のＴＦＴを導入しても、その電荷移動度がまだ低く、動作速度、電力の観点で十分な特性を得ることは非常に難しいという問題があった。低い電荷移動度でも比較的大きな電流が得られるスイッチング素子として縦型有機静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ：Ｓｔａｔｉｃ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が提案されている（Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ　３３１（１９９８）５１−５４）。縦型ＳＩＴは、通常のＴＦＴが活性層の水平方向に電流を流す横形であるのに対して、活性層の垂直方向に電流を流す縦形のトランジスタであるので、膜厚方向への電流を制御することになり、そのために、チャネル長を短くすることが容易となる。よって、縦型ＳＩＴは、高抵抗、低移動度である有機半導体材料を用いた膜であっても、高速、大電力動作が期待できる。また、ＥＬ素子は、膜厚方向に電流を流して動作させる素子であるので、ＳＩＴをＥＬ素子に用いることは、有利である。
【０００６】
図１２は、ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。ＳＩＴは、一般的に、ｎ＋ソース電極１０１とｎ＋ドレイン電極１０２に挟まれた半導体層１０４にｐ＋ゲート電極が挿入された構造をしている。ｐ＋ゲート電極１０３に電圧を印加したとき、両側にあるｐ＋ゲート電極１０３から半導体層１０４中に伸びてきた空乏層（図中点線で示した部分）１０５がちょうど接触するときの電圧に対して、ゲート電圧が小さい場合に、ＳＩＴはオン状態になる。オフ状態にするには、ｐ＋ゲート電極とｎ＋ソース電極１０１との間に負の電圧を印加して、電位レベルを持ち上げてやる必要がある。つまり、ｎ＋ソース電極１０１とｎ＋ドレイン電極１０２との間に流れる電流ＩＤＳは、ｐ＋ゲート電極に印加された電圧とドレイン電圧ＶＤによって生じる電位障壁の高さによって決まる。このような動作をするＳＩＴは、ノーマリーオン特性のＳＩＴと呼ばれている。ノーマリーオン特性のＳＩＴは、▲１▼ゲートからのキャリアの注入がないので動作速度が速いこと、▲２▼電流集中がないので、破壊耐量が大きい（大電流が流せる）こと、▲３▼電圧駆動デバイスであること、及び、▲４▼不飽和電流電圧特性を示すこと、等の特徴を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
有機半導体を用いたＳＩＴとしては、銅フタロシアニン（以下、「ＣｕＰｃ」という。）層をソース電極及びドレイン電極でそれぞれ挟み、そして、前記ＣｕＰｃ層の内部に真空蒸着により形成したスリット状のアルミニウムをゲート電極として埋め込んだ縦型ＴＦＴが報告されている（工藤ら、Ｔ．ＩＥＥ　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ａ，Ｎｏ．１０，（１９９８）　Ｐ１１６６−１１７１）。この有機半導体を用いたＳＩＴにおいては、ＣｕＰｃによる有機分子蒸着膜とストライプ状のアルミニウムゲート電極との界面近傍でショットキー障壁が形成されている。このストライプ状のゲート電極は、アルミニウム蒸着源を２箇所に配置して行う２点蒸着法、即ち、２箇所に配置したアルミニウム蒸着源と、蒸着マスクと、基板と、の距離を調整することによって、スリット間隔の均一なストライプ状のゲート電極を形成している。このストライプ状のゲート電極がＳＩＴのゲート電極として働くには、ゲート電極のスリット巾をショットキー障壁の空乏層巾（数１００Å程度以下）相当にする必要があるが、通常の蒸着方法でこれを実現できない。そこで、このＳＩＴにおいては、２点蒸着法によるアルミニウムのにじみ効果を利用して、アルミニウムがにじんでできたアルミニウム半透膜とアルミニウムが存在しない空乏層巾に相当するスリット巾とを実現している。
【０００８】
このように、従来においては、２点蒸着法を用いてゲート電極を形成することにより、ＳＩＴを実現しているわけであるが、この２点蒸着法においては、蒸着源とメタルマスクと基板との位置関係を三角比を利用して幾何学的に設定しているので、最適設定が難しく、そのために、大量生産に不向きであるという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。
即ち、本発明は、高い動作速度と大電力化とを可能にすると共に、再現性良く大量に生産できるようにした縦型有機トランジスタを低コストで提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層を互いに異なった有機半導体材料で構成したところ、高い動作速度と大電力化とを可能にすると共に、再現性良く大量に生産できるようにした縦型有機トランジスタを低コストで提供できることを見いだして本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層を互いに異なった有機半導体材料で構成したことを特徴とする縦型有機トランジスタである。
【００１２】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記有機半導体材料が、▲１▼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、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、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、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物、で構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、同一の導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載された発明は、請求項３に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｐ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載された発明は、請求項４に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載された発明は、請求項３に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に記載された発明は、請求項７に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項９に記載された発明は、請求項７に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項１０に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、異なる導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１１に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記第一の有機半導体層が、ｐ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層が、ｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１２に記載された発明は、請求項１１に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３に記載された発明は、請求項１１に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１４に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記第一の有機半導体層が、ｎ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層が、ｐ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１５に記載された発明は、請求項１４に記載された発明において、前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１６に記載された発明は、請求項１４に記載された発明において、前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１７に記載された発明は、請求項１〜１６のいずれかに記載された発明において、前記ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極が、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ＩＴＯなどこれら金属の酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル及び導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１８に記載された発明は、請求項１〜１７のいずれかに記載された発明において、前記ソース電極の外側の面又は前記ドレイン電極の外側の面に基板を有することを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１９に記載された発明は、請求項１〜１８のいずれかに記載された発明において、前記ゲート電極が、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００３０】
請求項２０に記載された発明は、請求項１〜１９のいずれかに記載された発明において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成されることを特徴とするものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。図２は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間のキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。図３は、本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。図４は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図５は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図６は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図７は、実施例１で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。図８は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。図９は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。図１０は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。図１１は、実施例３で得られた縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位を示す説明図である。
【００３２】
本発明は、図１に示すように、ソース電極２、第一の有機半導体層３、櫛状又はメッシュ状（例えば、碁盤目状）のゲート電極４、第二の有機半導体層５、及び、ドレイン電極６を順次有する縦型有機トランジスタ１０において、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５を互いに異なった有機半導体材料で構成したことを特徴としている。図１において、１は、基板である。図１においては、基板１は、ソース電極２の外側の面に設けられているが、ドレイン電極６の外側の面に設けられてあってもかまわない。
【００３３】
前記「電位障壁」は、有機半導体材料のポテンシャルエネルギーの差によって生じる電位障壁である。このような「電位障壁」は、例えば、第一の有機半導体層３／第二の有機半導体層５を、それぞれ、同一の導電型の有機半導体材料、即ち、ｐ型の半導体材料／ｐ型の半導体材料、又は、ｎ型の半導体材料／ｎ型の半導体材料で構成することによって形成することができるし、また、異なる導電型の有機半導体材料、即ち、ｐ型の半導体材料／ｎ型の半導体材料、ｐ型の半導体材料／Ｉ型の半導体材料、又は、ｎ型の半導体材料／Ｉ型の半導体材料で構成することによっても形成することができる。このような有機半導体材料の組合せは、好ましくは、ＣｕＰｃ／低分子量アリールアミン誘導体（以下、「α−ＮＰＤ」という。）、アルミニウムトリキノリノール錯体（以下、「Ａｌｑ_３」という。）／テトラシアノキノジメタン（以下、「ＴＣＮＱ」という。）、α−ＮＰＤ／Ａｌｑ_３、ＣｕＰｃ／ペンタセン、ペンタセン／α−ＮＰＤ等による低分子系材料の組合せであるか、或いは、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、アリルアミン、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、ポリチオフェン、スピロ誘導体等のｎ型有機半導体材料、及び、ピリジン、ペリレン誘導体、フタロシアニン等のｎ型有機半導体材料による高分子系材料の組合せであるが、本発明の目的に反しない限り、これら以外の有機半導体の組合せであってもかまわない。
【００３４】
本発明によれば、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５を互いに異なった有機半導体材料で構成したので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚に対応して薄くすることによって動作抵抗を低くすることができ、そのために、高い動作速度を可能にすることができ、▲２▼ゲート電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の有機半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減可能にすることができ、そして、▲３▼従来のように「２点蒸着法」等の製造方法の工夫によらずに、再現性良く大量に生産できるようにしたＳＩＴを低コストで提供できる。また、本発明によれば、▲４▼ショットキーゲート電極を２種の有機半導体層界面近傍に配置したので、トランジスタのオン／オフ比が大きくなり、そのために、２種の有機半導体材料を適切に選定することにより、ノーマリーオフ特性のＳＩＴが実現でき、さらには、▲５▼有機半導体層の表面に形成した電極全体を有効利用することができるので、大電力化を可能にすることができる。
【００３５】
本発明の縦型有機トランジスタ１０は、ソース電極２とドレイン電極６との間に有機半導体層、即ち、第一の有機半導体層３及び第二の有機半導体層５を有しているところ、両電極の間隔が狭いので、従来のＦＥＴにおけるピンチオフ点がソース電極２の側の近くに生じる。したがって、本発明の縦型有機トランジスタ１０においては、実効チャネル長が零に近くなって、チャネルが電流値を規制できない状態になるので、ソース電極２付近の調整作用が支配的になる。
【００３６】
図２の一点鎖線で示すように、いま、ソース電極２とドレイン電極６との間にバイアスをかけると、キャリアのポテンシャルエネルギーは、線形の傾斜ができる。しかし、ゲート電極４のポテンシャル位置は変らないので、図２のようなポテンシャル分布が得られ、そのために、ゲート電圧Ｖ_Ｇを加えていくと、山の部分が高くなり、また、ドレイン電圧を加えていくと山のすその部分が低くなっていく。ゲート電極４には、空乏層が広がるように、即ち、エネルギー障壁が高くなるように、バイアスをかけるために、図１のａ−ａ線上は、キャリアに対して、大きなエネルギー障壁を作る。一方、ｂ−ｂ線上は、ゲート電極４にバイアスが加わると、キャリアのポテンシャルエネルギーは、ゲート電極に引き上げられて幾分高くなるものの、ａ−ａ線上に比べれば小さくなっているので、トータルとしては、エネルギー障壁は低くなり、そのために、キャリアは、このゲート電極間を通って、ドレイン電極６の側に流れ落ちることになる。ソース電極２におけるキャリアのポテンシャルを基準にとれば、ピンチオフ点は、半導体層界面との間で形成される拡散電位φＤだけ高い位置にあり、さらにゲート電極のポテンシャルエネルギー位置は、実効的ゲート位置よりも、ゲート電圧Ｖ_Ｇだけ高い位置にある。これらのことから、ゲート電極４の近傍を境界面とした接合面を形成してやれば、前述のトータルとしてのエネルギー障壁が高くなる。したがって、本発明においては、前記▲１▼〜▲３▼の効果が得られることとなる。
【００３７】
本発明における有機半導体材料は、好ましくは、▲１▼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、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、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、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物、で構成されるが、フルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、アントラキノン系、インデノン系、ポリチオフェン系、及び、ポリフェニレンビニレン系化合物も使用可能である。本発明においては、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、例えば、これらの有機半導体材料から選択して、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５を互いに異なった有機半導体材料で構成することとなる。
【００３８】
このように、本発明は、縦型有機トランジスタの有機半導体層が前記したような有機半導体材料で構成されているので、有機トランジスタの全体の構造を小型化することができ、製造コストも低減化することができる。
【００３９】
また、前記有機半導体材料は、蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、印刷、塗布・ベーキング、エレクトロポリマラインゼーション、分子ビーム付着、溶液からのセルフ・アセンブリ、及び、これらの組合せよりなる群から選択され手段によって有機半導体層に形成される。それ故、本発明は、その有機半導体層の成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することが可能となり、そのために、有機トランジスタの製造コストを低減化することができる。
【００４０】
本発明における縦型有機トランジスタにおいては、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とは、同一の導電型の有機半導体材料、即ち、共にｐ型有機半導体材料で構成されているか、又は、共にｎ型有機半導体材料で構成されている。そして、前記ソース電極２及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ドレイン電極６及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でオーミック接触している。また、前記ゲート電極４及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ゲート電極４及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でショットキー接触している。
【００４１】
このように、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、共にｐ型有機半導体材料で構成されていると、２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、▲１▼ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、▲２▼電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、▲３▼オン電流とオフ電流比が大きくとれ、▲４▼ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲５▼大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００４２】
また、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、共にｎ型有機半導体材料で構成されていると、２種のｎ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が電子によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、正孔輸送によるＳＩＴよりも動作速度が速くなって、大電流を流すことができ、そのために、さらに高い周波数応答性と大電力化が可能となる。
【００４３】
本発明における縦型有機トランジスタにおいては、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とは、異なる導電型の有機半導体材料、即ち、（ａ）前記第一の有機半導体層３が、ｐ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層５が、ｎ型有機半導体材料で構成されているか、或いは、（ｂ）前記第一の有機半導体層３が、ｎ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層５が、ｐ型有機半導体材料で構成されている。そして、前記ソース電極２及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ドレイン電極６及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でオーミック接触している。また、前記ゲート電極４及び前記第一の有機半導体層３、並びに、前記ゲート電極４及び前記第二の有機半導体層５は、それらの界面でショットキー接触している。
【００４４】
このように、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５とが、それぞれ、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料、或いは、ｎ型有機半導体材料とｐ型有機半導体材料で構成されていると、これらの有機半導体層３，５の界面のＰＮ障壁及びゲート電極４近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、▲１▼ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、▲２▼電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、▲３▼オン電流とオフ電流比が大きくとれ、▲４▼ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲５▼大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００４５】
本発明の縦型有機トランジスタ１０が、ソース電極２、第一の有機半導体層３、櫛状又はメッシュ状（例えば、碁盤目状）のゲート電極４、第二の有機半導体層５、及び、ドレイン電極６を順次有し、そして、前記第一の有機半導体層３と前記第二の有機半導体層５との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層３及び前記第二の有機半導体層５を互いに異なった有機半導体材料で構成したものであることは、前述のとおりであるが、このような縦型有機トランジスタにおいて、例えば、有機半導体層３，５をそれぞれｐ型の半導体材料で構成した場合には、ゲート電極４によるバイアス制御により（正孔に対するポテンシャルエネルギー障壁の高さ制御により）、ソース電極からドレイン電極に電流が流れる。
【００４６】
このような縦型有機トランジスタにおいては、電極−有機半導体層間のキャリア注入障壁を下げれば、印加電圧を低くすることにつながり、逆に電極−有機半導体層間のキャリア注入障壁を上げれば、印加電圧を高くすることにつながる。金属又は金属的性質を示す有機材料には、必ずしも整流特性を示さないものがあり、金属−ｐ型有機半導体では、電極材料の仕事関数がφｍ＞φｓであって、且つ、それらの差が小さい場合には、オーミック接触に近いものになる。電子に対しては電極の電子親和力がχｍ（＝φｍ）＞χｓであって、且つ、それらの差が小さい場合には、オーミック接触に近いものになる。有機半導体材料においては、正孔に対しては、電極の仕事関数と有機半導体材料のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ　Ｏｃｃｕｐｉｅｄ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｏｒｂｉｔａｌ）準位よりも大きなφｍであって、且つ、それらの差が小さい材料を選定し、電子に対しては、電極の電子親和力と有機半導体材料のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ　Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｏｒｂｉｔａｌ）準位よりも大きなχｍ（＝φｍ）を満足する金属または金属的な性質の材料を選定してやれば、比較的容易にオーミック接触を得ることができ、駆動電圧を低くすることができる。
【００４７】
また、電極材料の仕事関数がφｍ＜φｓであって、且つ、それらの差が大きい場合には、ショットキー接触になる。有機半導体材料内のエネルギー準位は、正孔から見れば、表面よりもφｓ−φｍだけ低くなってエネルギー障壁ができ、金属側のエネルギー障壁は、φｓｂ＝（χｓ＋（ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ差））−χｍ、となり、拡散電位は、φｓ−φｍとなる。
【００４８】
ＣｕＰｃは、Ｐ型の半導体的な性質を示すことが知られているが、そのＨＯＭＯ準位は、５．２ｅＶであり、そして、そのＬＵＭＯ準位は、３．２ｅＶである。同様に、α−ＮＰＤは、Ｐ型の半導体的な性質を示すことが知られているが、そのＨＯＭＯ準位は、５．７ｅＶであり、そして、そのＬＵＭＯ準位は、２．６ｅＶである。そこで、これらの２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層を積層した場合、界面に形成される正孔に対する障壁は、ＨＯＭＯ準位差０．５ｅＶに対応する。したがって、これらの２種のＰ型有機半導体材料による有機半導体層の接合界面に形成される障壁を活用すると共に、ショットキーゲート障壁を有効に活用すれば、新規なＳＩＴ動作機構を有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００４９】
また、「α−ＮＰＤがＰ型の半導体的な性質を示すものであって、そのＨＯＭＯ準位が５．７ｅＶであり、そして、そのＬＵＭＯ準位が２．６ｅＶであること」は、前述のとおりであるところ、Ａｌｑ_３は、ｎ型の半導体的な性質を示し、そのＨＯＭＯ準位が５．８ｅＶであり、そして、ＬＵＭＯ準位が３．１ｅＶであるので、これらの２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層とｎ型有機半導体材料による有機半導体層とを積層した場合、図１１に示すように、Ａｌｑ_３とα−ＮＰＤのエネルギー準位（ＨＯＭＯ準位）より正孔注入に効果的であることがわかる。なお、図１１において、黒い丸は、電子を意味し、そして、白い丸は正孔を意味している。一方、ＬＵＭＯ準位を見ても、電子の注入に効果的であることが予想されるので、Ａｌｑ_３による有機半導体層とα−ＮＰＤによる有機半導体層との接合界面に形成される障壁を活用すると共に、ショットキーゲート障壁を有効に活用すれば、新規なＳＩＴ動作機構を有する縦型有機トランジスタが実現できる。
【００５０】
本発明におけるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は、好ましくは、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ＩＴＯなどの金属酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル及び導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されるので、接触抵抗を低減して電気特性を改善することができる。そして、これらの電極材料は、蒸着、スパッタリング、化学蒸着、電着、無電解メッキ、スピンコーティング、印刷、及び、塗布よりなる群から選択されたプロセスでゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に形成される。
【００５１】
本発明の縦型有機トランジスタは、ソース電極の外側の面又はドレイン電極の外側の面に基板を有することができる。本発明における基板は、例えば、ガラス、プラスチック、石英、アンドープ・シリコン、及び、高ドープ・シリコンよりなる群から選択される。また、本発明における基板は、プラスチック基板であってもかまわない。かかるプラスチック基板は、ポリカーボネート、マイラー、及び、ポリイミドを含む群から選択される。
【００５２】
本発明におけるゲート電極は、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成される。また、本発明におけるソース電極及びドレイン電極は、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成される。
【００５３】
［本発明の縦型有機トランジスタの製造例］
本発明の縦型有機トランジスタ（図１）は、図３に示されるように、
▲１▼透明基板１の上面にＩＴＯ等の透明電極材料を成膜してソース電極２を形成する工程（ａ）、
▲２▼前記ソース電極２の上面に有機半導体材料を成膜して第一の有機半導体層３を形成する工程（ｂ）、
▲３▼前記第一の有機半導体層３の上面に電極材料を櫛状又はメッシュ状に成膜してゲート電極４を形成する工程（ｃ）、
▲４▼前記第一の有機半導体層３の上端及び前記ゲート電極４の上面に前記▲２▼の工程で形成した有機半導体材料とは異なる種類の有機半導体材料を成膜して第二の有機半導体層５を形成する工程（ｄ）、及び、
▲５▼前記第二の有機半導体層５の上面に電極材料を成膜してドレイン電極６を形成する工程（ｅ）、
を順次経て製造される。
【００５４】
【実施例】
（実施例１）
（イ）透明な０．７ｍｍ厚のガラス基板（コーニング社製無アルカリガラス１７３７Ｆ）の上面にＩｎ酸化物とＳｎ酸化物とからなるＩＴＯ透明電極をスパッタリングにより成膜して１１０ｎｍ厚のソース電極を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記ソースＩＴＯ電極付きのガラス基板上にｐ型有機半導体材料であるＣｕＰｃを４００℃、３×１０^−６　Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の有機半導体層の上面に、ストライプ／スリット状に形成したＮｉメタルマスクを用いて、Ａｌを１×１０^−６　Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、４０ｎｍ厚のゲート電極を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記ゲート電極及び第一の有機半導体層の上面にｐ型有機半導体材料であるα−ＮＰＤを２００℃、５×１０^−６　Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）そして、前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを１×１０^−６　Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚のドレイン電極を成膜した［図３（ｅ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図４に示される。
そして、この縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図５）、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、その縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図６）、同様に、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、ゲート電極をフローティングにして測定したソース／ドレイン間のＩ−Ｖ特性から、ソース電極と第一の有機半導体層及びドレイン電極と第二の有機半導体層の各界面でオーミック接触していることを確認した。また、その縦型有機トランジスタの静特性を測定して（図７）、トランジスタ動作が確認できた。図示しないが、遮断周波数については、まだまだ、改善の余地があるものの、３０〜５０数ＫＨｚであることを確認した。
【００５５】
（実施例２）
第一の半導体層をｎ型有機半導体材料であるＡｌｑ_３で成膜し、そして、第二の半導体層をｎ型有機半導体材料であるＴＣＮＱで成膜した以外は、実施例１と同様にして縦型有機トランジスタとした。
【００５６】
（実施例３）
（イ）透明な０．７ｍｍ厚のガラス基板（コーニング社製無アルカリガラス１７３７Ｆ）の上面にＩｎ酸化物とＳｎ酸化物とからなるＩＴＯ透明電極をスパッタリングにより成膜して１１０ｎｍ厚のソース電極を形成した［図３（ａ）］。
（ロ）前記ソースＩＴＯ電極付きのガラス基板上にｐ型有機半導体材料であるα−ＮＰＤを２００℃、５×１０^−６　Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第一の有機半導体層を成膜した［図３（ｂ）］。
（ハ）前記第一の有機半導体層の上面に、ストライプ／スリット状に形成したＮｉメタルマスクを用いて、Ａｌを１×１０^−６　Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させることにより、１００ｎｍ厚のゲート電極を成膜した［図３（ｃ）］。
（ニ）前記ゲート電極及び第一の有機半導体層の上面にｎ型有機半導体材料であるＡｌｑ_３を２２０℃、１．６×１０^−６　Ｔｏｒｒにおいて真空蒸着させて６０ｎｍ厚の第二の有機半導体層を成膜した［図３（ｄ）］。
（ホ）そして、前記第二の有機半導体層の上面にＡｕを１×１０^−６　Ｔｏｒｒ、抵抗加熱下において真空蒸着させて１００ｎｍ厚のドレイン電極を成膜した［図３（ｅ）］。
このようにして得られた縦型有機トランジスタは、図８に示される。
そして、この縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定して（図９）、ゲート電極界面にショットキー接触が形成されていることを確認した。また、その縦型有機トランジスタの静特性を測定して（図１０）、トランジスタ動作が確認できた。図示しないが、遮断周波数については、まだまだ、改善の余地があるものの、３０〜５０ＫＨｚであることを確認した。そして、その縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位は、図１１に示される。
【００５７】
【発明の効果】
（１）請求項１に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、第一の有機半導体層及び第二の有機半導体層を互いに異なった有機半導体材料で構成したので、▲１▼縦型有機トランジスタの電流経路であるチャネル長を膜厚に対応して薄くすることによって動作抵抗を低くすることができ、そのために、高い動作速度を可能にすることができ、▲２▼ゲート電極近傍に形成したショットキー接触と２種類の有機半導体材料のＨＯＭＯ準位の差による障壁、又は、ＬＵＭＯ準位の差による障壁を有効利用して、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減可能にすることができ、そして、▲３▼従来のように「２点蒸着法」等の製造方法の工夫によらずに、再現性良く大量に生産できるようにしたＳＩＴを低コストで提供できる。また、請求項１に記載された本発明によれば、▲４▼ショットキーゲート電極を２種の有機半導体層界面近傍に配置したので、トランジスタのオン／オフ比が大きくなり、そのために、２種の有機半導体材料種を適切に選定することにより、ノーマリーオフ特性のＳＩＴが実現でき、さらには、▲５▼有機半導体層の表面に形成した電極全体を有効利用することができるので、大電力化を可能にすることができる。
【００５８】
（２）請求項２に記載された本発明によれば、有機半導体層が、例示した有機半導体材料で構成されているので、有機トランジスタの全体の構造を小型化することができ、また、その有機半導体材料による成膜において蒸着、塗布等の簡易な手段を採用することが可能となるので、縦型有機トランジスタの製造コストを低減化することができる。
【００５９】
（３）請求項３〜６に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが共にｐ型有機半導体材料で構成されているので、２種のｐ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなり、そのために、▲１▼ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、▲２▼電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、▲３▼オン電流とオフ電流比が大きくとれ、▲４▼ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲５▼大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００６０】
（４）請求項７〜９に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが共にｎ型有機半導体材料で構成されているので、２種のｎ型有機半導体材料による有機半導体層界面の障壁とゲート電極近傍のショットキー障壁の両方が電子によるＳＩＴ動作機構に関係することとなり、そのために、正孔輸送によるＳＩＴよりも動作速度が速くなって、大電流を流すことができ、よって、さらに高い周波数応答性と大電力化が可能となる。
【００６１】
（５）請求項１０〜１３及び１４〜１６に記載された本発明によれば、第一の有機半導体層と第二の有機半導体層とが、それぞれ、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料、或いは、ｎ型有機半導体材料とｐ型有機半導体材料で構成されていると、これらの有機半導体層３，５の界面のＰＮ障壁及びゲート電極４近傍のショットキー障壁の両方が正孔によるＳＩＴ動作機構に関係することとなるので、▲１▼ゲート電極４からのキャリアの注入がなくなって動作速度が速くなり、▲２▼電流の集中がなくなって破壊耐量が大きくなり（大電流が流せる）、▲３▼オン電流とオフ電流比が大きくとれ、▲４▼ノーマリーオフタイプ縦型有機トランジスタが実現でき、そして、▲５▼大量生産に向いた素子となってコスト低減に役立つ。
【００６２】
（６）請求項１７〜２０に記載された本発明によれば、接触抵抗を低減して電気特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタにおけるソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間のキャリアのポテンシャルエネルギーの高さを示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態を示す縦型有機トランジスタの製造工程図である。
【図４】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図５】実施例１で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図６】実施例１で得られた縦型有機トランジスタのドレイン電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図７】実施例１で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。
【図８】実施例３で得られた縦型有機トランジスタの概略断面説明図である。
【図９】実施例３で得られた縦型有機トランジスタのソース電極／ゲート電極間のＩ−Ｖ特性を測定したグラフである。
【図１０】実施例３で得られた縦型有機トランジスタの静特性を示す実験結果である。
【図１１】実施例３で得られた縦型有機トランジスタの各層のエネルギー順位を示す説明図である。
【図１２】ＳＩＴの動作機構を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　ソース電極
３　第一の有機半導体層
４　ゲート電極
５　第二の有機半導体層
６　ドレイン電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical organic transistor useful as a driving element for a self-luminous organic electroluminescence (EL) display.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a full-color display using an organic EL element has: (1) lighter weight, (2) easier area enlargement, and (3) lower than a light-emitting element using an inorganic material. It has become clear that it has the advantages of cost and (4) that various types of light can be obtained. In order to commercialize a full-color display using such an organic EL element as a product, The research and development has been actively carried out. In addition, since the organic EL display using the organic EL element has high brightness, is thin, and has an extremely fast response speed, a next-generation display replacing the currently mainstream liquid crystal display. Promising as a device. In an organic EL display, when an organic thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor) made of an organic semiconductor is used as a driving element, the current organic TFT has a high electric resistance and a low charge mobility. Unless the TFT element structure itself is improved, a sufficient operation for driving an organic EL display using an organic TFT cannot be expected.
[0003]
Research on organic transistors has been actively conducted since the early 1980s, and the basic characteristics of organic semiconductor films composed of low molecular weight compounds and organic semiconductor films composed of high molecular weight compounds have been investigated. Since a semiconductor material is a material having lower charge mobility and higher electric resistance than an inorganic semiconductor material, it has not received much attention from a practical viewpoint. However, recently, since organic semiconductor materials are lightweight and flexible, research on the practical use of portable electronic devices and next-generation large-area display devices using such organic semiconductors has been carried out. Is starting to take place actively. For example, there has been proposed a TFT in which pentacene is formed on a highly doped silicon substrate to realize a charge mobility of 0.52 cm 2 / V · sec (JP-A-10-270712).
[0004]
Organic semiconductor materials include (1) low molecular weight compounds such as pentacene and metal phthalocyanine; (2) C ₃ ~ C ₈ And short-chain oligomers such as n-thiophene, and (3) long-chain polymers such as polythiophene and polyphenylenevinylene. The long-chain polymer is known as a π-conjugated conductive polymer, and the overlap of atomic orbitals between adjacent multiple-bonded atoms enables charge transfer along molecules, oligomers, and polymers. The overlap of molecular orbitals between adjacent molecules allows charge transfer between the molecules. It is known that an organic thin film of a low-molecular compound or a short-chain oligomer exhibits the highest charge mobility as an organic material. Is deposited as a regularly arranged thin film. It is believed that the ordered arrangement in the thin film causes the atomic orbitals to overlap, thereby causing charge transfer between adjacent molecules. Since the long-chain polymer has high solubility, it can be formed by means of spin coating, dipping coating, or the like, so that the film can be formed at low cost. However, when a long-chain polymer is formed into a film, the arrangement of the macromolecules becomes irregular, so that there is a problem that the charge mobility becomes low. As described above, since no organic semiconductor material having a decisively high charge mobility is found at present, there is a great expectation for the future appearance of a high charge mobility organic material.
[0005]
In such a technical situation, even if a TFT having a field-effect transistor (FET) structure is simply introduced into the driving portion of the organic EL element, the charge mobility is still low, and the operation speed and There is a problem that it is very difficult to obtain sufficient characteristics in terms of power. A vertical organic static induction transistor (SIT) has been proposed as a switching element capable of obtaining a relatively large current even with a low charge mobility (Thin Solid Films 331 (1998) 51-54). The vertical type SIT is a vertical type transistor in which a current flows in the vertical direction of the active layer, whereas a normal TFT is a horizontal type in which a current flows in the horizontal direction of the active layer. Therefore, the current in the film thickness direction is controlled. Therefore, it is easy to shorten the channel length. Therefore, even if the vertical SIT is a film using an organic semiconductor material having high resistance and low mobility, high speed and high power operation can be expected. In addition, since the EL element is an element which operates by passing a current in the film thickness direction, it is advantageous to use SIT for the EL element.
[0006]
FIG. 12 is a schematic sectional view for explaining the operation mechanism of the SIT. The SIT generally has a structure in which ap + gate electrode is inserted into a semiconductor layer 104 sandwiched between an n + source electrode 101 and an n + drain electrode 102. When a voltage is applied to the p + gate electrode 103, the voltage at the time when the depletion layer (portion indicated by a dotted line) 105 extending from the p + gate electrode 103 on both sides into the semiconductor layer 104 is in contact with the p + gate electrode 103 When the gate voltage is small, the SIT turns on. In order to turn it off, a negative voltage needs to be applied between the p + gate electrode and the n + source electrode 101 to raise the potential level. That is, the current IDS flowing between the n + source electrode 101 and the n + drain electrode 102 is determined by the voltage applied to the p + gate electrode and the height of the potential barrier generated by the drain voltage VD. The SIT that performs such an operation is called a normally-on characteristic SIT. SITs with normally-on characteristics include: (1) a high operating speed because there is no carrier injection from the gate; (2) a high breakdown strength (a large current can flow) because there is no current concentration; and (3). It has features such as being a voltage drive device and exhibiting (4) unsaturated current-voltage characteristics.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As an SIT using an organic semiconductor, a copper phthalocyanine (hereinafter, referred to as “CuPc”) layer is sandwiched between a source electrode and a drain electrode, and a slit-shaped aluminum formed by vacuum deposition inside the CuPc layer is used as a gate. A vertical TFT embedded as an electrode has been reported (Kudo et al., T. IEEE Japan, Vol. 118-A, No. 10, (1998) P1166-1117). In the SIT using the organic semiconductor, a Schottky barrier is formed near the interface between the organic molecule vapor-deposited film of CuPc and the aluminum gate electrode in a stripe shape. This striped gate electrode is formed by a two-point evaporation method in which an aluminum evaporation source is arranged at two places, that is, by adjusting the distance between the aluminum evaporation source arranged at two places, the evaporation mask, and the substrate. , A gate electrode in the form of a stripe having a uniform slit interval is formed. In order for this striped gate electrode to function as the gate electrode of the SIT, the slit width of the gate electrode must be equivalent to the width of the depletion layer of the Schottky barrier (about several hundred degrees or less). I can't. Therefore, in this SIT, a semi-permeable aluminum film formed by bleeding aluminum and a slit width corresponding to the width of a depletion layer where aluminum does not exist are realized by utilizing the bleeding effect of aluminum by the two-point vapor deposition method. .
[0008]
As described above, conventionally, the SIT is realized by forming the gate electrode using the two-point evaporation method. However, in the two-point evaporation method, the evaporation source, the metal mask, the substrate, Since the positional relationship is geometrically set using the triangular ratio, it is difficult to set the position optimally, and there is a problem that it is not suitable for mass production.
[0009]
The present invention aims to solve such a problem.
That is, an object of the present invention is to provide a low-cost vertical organic transistor that enables high operation speed and high power and that can be mass-produced with good reproducibility.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has proposed a vertical organic transistor having a source electrode, a first organic semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, a second organic semiconductor layer, and a drain electrode in sequence, wherein the first organic semiconductor When the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are formed of different organic semiconductor materials so as to form a potential barrier at an interface between the layer and the second organic semiconductor layer, high operation is achieved. The present invention has been completed by finding that it is possible to provide a low-cost vertical organic transistor that enables high-speed and large-power operation and that can be mass-produced with high reproducibility.
[0011]
That is, in order to achieve the above object, the invention described in claim 1 provides a source electrode, a first organic semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, a second organic semiconductor layer, and a drain electrode. In the vertical organic transistor sequentially having, the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer A vertical organic transistor, wherein the layers are made of different organic semiconductor materials.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the organic semiconductor material is at least one selected from (1) naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, and derivatives thereof. Acene molecular materials, (2) at least one pigment selected from phthalocyanine-based compounds, azo-based compounds, perylene-based compounds, and derivatives thereof; (3) hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, diphenylmethane compounds, At least one low molecular weight compound selected from stilbene compounds, arylvinyl compounds, pyrazoline compounds, triphenylamine compounds, triarylamine compounds, and derivatives thereof, or (4) poly-N-vinylcarbazole, halogen Poly-N-vinylcarbazole Polyvinyl pyrene, polyvinyl anthracene, pyrene formaldehyde resin, ethylcarbazole formaldehyde resin, and, is characterized in that the modified compounds thereof, at least one polymeric compound selected, and in being configured.
[0013]
The invention described in claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are formed of the same conductive type organic semiconductor material. It is characterized by having been done.
[0014]
In the invention described in claim 4, in the invention described in claim 3, both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of a p-type organic semiconductor material. It is characterized by the following.
[0015]
The invention described in claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are interfaces between the source electrode and the first organic semiconductor layer. In ohmic contact.
[0016]
The invention described in claim 6 is the invention according to claim 4, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are interfaces between the gate electrode and the first organic semiconductor layer. And a Schottky contact.
[0017]
In the invention described in claim 7, in the invention described in claim 3, both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of an n-type organic semiconductor material. It is characterized by the following.
[0018]
The invention described in claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are interfaces between the source electrode and the first organic semiconductor layer. In ohmic contact.
[0019]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention described in the seventh aspect, the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer form an interface between them. And a Schottky contact.
[0020]
According to a tenth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of organic semiconductor materials of different conductivity types. It is characterized by having.
[0021]
In the invention described in claim 11, in the invention described in claim 10, the first organic semiconductor layer is made of a p-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer is made of n-type. Characterized by being constituted by a type organic semiconductor material.
[0022]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention according to the eleventh aspect, the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer form an interface between them. In ohmic contact.
[0023]
A thirteenth aspect of the present invention is the invention according to the eleventh aspect, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer have an interface therebetween. And a Schottky contact.
[0024]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the first aspect, the first organic semiconductor layer is made of an n-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer is made of a p-type organic semiconductor material. Characterized by being constituted by a type organic semiconductor material.
[0025]
The invention according to claim 15 is the invention according to claim 14, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are an interface between them. In ohmic contact.
[0026]
The invention described in claim 16 is the invention described in claim 14, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are an interface between them. And a Schottky contact.
[0027]
According to a seventeenth aspect, in the first aspect, the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are made of chromium (Cr), Ta (thallium), titanium (Ti). , Copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), tin (Sn) , ITO, or the like, and a metal oxide such as conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl, and conductive polymer.
[0028]
The invention according to claim 18 is the invention according to any one of claims 1 to 17, wherein a substrate is provided on a surface outside the source electrode or a surface outside the drain electrode. It is.
[0029]
In the invention described in claim 19, in the invention described in any one of claims 1 to 18, the gate electrode is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm. It is characterized by the following.
[0030]
According to a twentieth aspect, in the first aspect, the source electrode and the drain electrode are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm. Is what you do.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a sectional view of a vertical organic transistor showing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the height of potential energy of carriers between the source electrode (S) and the drain electrode (D) in the vertical organic transistor according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional explanatory view of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 5 is a graph showing the measured IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 6 is a graph showing the measured IV characteristics between the drain electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 7 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 1. FIG. 8 is a schematic sectional explanatory view of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 9 is a graph showing the measured IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 10 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the energy order of each layer of the vertical organic transistor obtained in Example 3.
[0032]
In the present invention, as shown in FIG. 1, a source electrode 2, a first organic semiconductor layer 3, a comb-shaped or mesh-shaped (for example, grid-shaped) gate electrode 4, a second organic semiconductor layer 5, and In the vertical organic transistor 10 having the drain electrode 6 sequentially, the first organic semiconductor layer 3 is formed so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5. And the second organic semiconductor layer 5 is made of different organic semiconductor materials. In FIG. 1, 1 is a substrate. In FIG. 1, the substrate 1 is provided on the outer surface of the source electrode 2, but may be provided on the outer surface of the drain electrode 6.
[0033]
The “potential barrier” is a potential barrier caused by a difference in potential energy of the organic semiconductor material. Such a “potential barrier” is, for example, that the first organic semiconductor layer 3 / the second organic semiconductor layer 5 are respectively formed of an organic semiconductor material of the same conductivity type, that is, a p-type semiconductor material / p-type semiconductor material. It can be formed by being composed of a semiconductor material or an n-type semiconductor material / an n-type semiconductor material, and can be formed of a different conductivity type organic semiconductor material, ie, a p-type semiconductor material / n-type semiconductor. It can also be formed by using a material, a p-type semiconductor material / I-type semiconductor material, or an n-type semiconductor material / I-type semiconductor material. Such a combination of organic semiconductor materials is preferably a CuPc / low molecular weight arylamine derivative (hereinafter referred to as “α-NPD”), an aluminum triquinolinol complex (hereinafter “Alq”). ₃ " ) / Tetracyanoquinodimethane (hereinafter referred to as “TCNQ”), α-NPD / Alq ₃ Or a combination of low molecular weight materials such as CuPc / pentacene, pentacene / α-NPD, or an n-type organic semiconductor such as polyphenylenevinylene (PPV), allylamine, polythienylenevinylene (PTV), polythiophene, or spiro derivative Materials and combinations of high molecular materials with n-type organic semiconductor materials such as pyridine, perylene derivative, phthalocyanine, etc., but may be combinations of organic semiconductors other than these as long as the object of the present invention is not violated. .
[0034]
According to the present invention, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor are formed so as to form a potential barrier at an interface between the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5. Since the layers 5 are made of different organic semiconductor materials, (1) the operating resistance can be reduced by reducing the channel length, which is the current path of the vertical organic transistor, in accordance with the film thickness. And (2) a barrier formed by the difference between the HOMO level of the Schottky contact formed near the gate electrode and the HOMO level of the two types of organic semiconductor materials or a barrier formed by the difference of the LUMO level. It is possible to reduce the leakage current between the source and the drain by effectively utilizing the method, and (3) to improve the reproducibility without devising a conventional manufacturing method such as a "two-point evaporation method". Mass production The SIT was to be provided at low cost. Further, according to the present invention, (4) the Schottky gate electrode is disposed near the interface between the two types of organic semiconductor layers, so that the on / off ratio of the transistor is increased. In this case, normally-off SIT can be realized, and (5) the entire electrode formed on the surface of the organic semiconductor layer can be effectively used, so that high power can be achieved. it can.
[0035]
The vertical organic transistor 10 of the present invention has an organic semiconductor layer between the source electrode 2 and the drain electrode 6, that is, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5. Because of the small electrode spacing, a pinch-off point in a conventional FET occurs near the source electrode 2 side. Therefore, in the vertical organic transistor 10 of the present invention, the effective channel length is close to zero, and the channel cannot regulate the current value, so that the adjusting action near the source electrode 2 becomes dominant.
[0036]
As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2, when a bias is applied between the source electrode 2 and the drain electrode 6, the potential energy of the carrier has a linear slope. However, since the potential position of the gate electrode 4 does not change, a potential distribution as shown in FIG. 2 is obtained. _G As the drain voltage is added, the height of the hill increases, and as the drain voltage is applied, the bottom of the hill decreases. In order to apply a bias to the gate electrode 4 so that the depletion layer is widened, that is, the energy barrier is increased, a large energy barrier is formed for carriers on the line aa in FIG. On the other hand, when a bias is applied to the gate electrode 4 on the line bb, the potential energy of the carriers is slightly increased by being pulled up by the gate electrode, but is smaller than that on the line aa. In this case, the energy barrier becomes low, so that carriers flow between the gate electrodes and flow down to the drain electrode 6 side. Based on the potential of carriers in the source electrode 2, the pinch-off point is located at a position higher by the diffusion potential φD formed between the source electrode 2 and the semiconductor layer interface, and the potential energy position of the gate electrode is higher than the effective gate position. Also the gate voltage V _G Only in the high position. From these facts, if a bonding surface is formed with the vicinity of the gate electrode 4 as a boundary surface, the above-mentioned total energy barrier is increased. Therefore, in the present invention, the effects (1) to (3) can be obtained.
[0037]
The organic semiconductor material in the present invention is preferably (1) at least one acene molecular material selected from naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, and derivatives thereof, (2) phthalocyanine-based compound, and azo-based material. A compound, a perylene-based compound, and at least one pigment selected from their derivatives, (3) a hydrazone compound, a triphenylmethane compound, a diphenylmethane compound, a stilbene compound, an arylvinyl compound, a pyrazoline compound, a triphenylamine compound, At least one low molecular weight compound selected from triarylamine compounds and derivatives thereof, or (4) poly-N-vinylcarbazole, halogenated poly-N-vinylcarbazole, polyvinylpyrene, polyvinylanthracene , A pyrene formaldehyde resin, an ethyl carbazole formaldehyde resin, and at least one polymer compound selected from a modified form thereof, and a fluorenone-based compound, a diphenoquinone-based compound, a benzoquinone-based compound, an anthraquinone-based compound, an indenone-based compound, and polythiophene. A system and a polyphenylenevinylene-based compound can also be used. In the present invention, for example, the first organic semiconductor layer 3 is selected from these organic semiconductor materials so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5. The organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are made of different organic semiconductor materials.
[0038]
As described above, according to the present invention, since the organic semiconductor layer of the vertical organic transistor is made of the organic semiconductor material as described above, the entire structure of the organic transistor can be reduced in size and the manufacturing cost can be reduced. can do.
[0039]
The organic semiconductor material is selected from the group consisting of vapor deposition, chemical vapor deposition, spin coating, printing, coating and baking, electropolymerization, molecular beam deposition, self-assembly from solution, and combinations thereof. Is formed on the organic semiconductor layer. Therefore, according to the present invention, it is possible to employ simple means such as vapor deposition and coating in the formation of the organic semiconductor layer, and therefore, it is possible to reduce the manufacturing cost of the organic transistor.
[0040]
In the vertical organic transistor according to the present invention, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are made of the same conductive organic semiconductor material, that is, both are made of a p-type organic semiconductor material. Or both are made of an n-type organic semiconductor material. The source electrode 2 and the first organic semiconductor layer 3, and the drain electrode 6 and the second organic semiconductor layer 5 are in ohmic contact with each other at their interface. Further, the gate electrode 4 and the first organic semiconductor layer 3 and the gate electrode 4 and the second organic semiconductor layer 5 are in Schottky contact at their interface.
[0041]
As described above, when both the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are made of a p-type organic semiconductor material, the interface between the two types of p-type organic semiconductor materials is used. Since both the barrier and the Schottky barrier near the gate electrode are related to the SIT operation mechanism by holes, (1) carrier injection from the gate electrode 4 is eliminated and the operation speed is increased, and (2) The concentration of current is eliminated and the breakdown strength is increased (a large current can flow). (3) The on-current to off-current ratio can be increased, (4) a normally-off type vertical organic transistor can be realized, and (5) ▼ It is an element suitable for mass production and helps to reduce costs.
[0042]
Further, when the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are both made of an n-type organic semiconductor material, a barrier at the interface of the organic semiconductor layer by two kinds of n-type organic semiconductor materials. And the Schottky barrier near the gate electrode are both involved in the SIT operation mechanism by electrons, so that the operation speed is faster than that of SIT by hole transport, and a large current can flow. High frequency response and high power can be achieved.
[0043]
In the vertical organic transistor according to the present invention, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are organic semiconductor materials of different conductivity types, that is, (a) the first organic semiconductor layer. 3 is made of a p-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer 5 is made of an n-type organic semiconductor material, or (b) the first organic semiconductor layer 3 is made of The second organic semiconductor layer 5 is made of an n-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer 5 is made of a p-type organic semiconductor material. The source electrode 2 and the first organic semiconductor layer 3, and the drain electrode 6 and the second organic semiconductor layer 5 are in ohmic contact with each other at their interface. Further, the gate electrode 4 and the first organic semiconductor layer 3 and the gate electrode 4 and the second organic semiconductor layer 5 are in Schottky contact at their interface.
[0044]
As described above, the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5 are respectively composed of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, or an n-type organic semiconductor material and a p-type organic semiconductor material. If it is made of a material, both the PN barrier at the interface between the organic semiconductor layers 3 and 5 and the Schottky barrier near the gate electrode 4 are related to the SIT operation mechanism by holes. There is no carrier injection from the gate electrode 4 and the operating speed is increased. (2) The concentration of current is eliminated and the breakdown strength is increased (a large current can flow). (3) The ratio between the on-current and the off-current can be increased. (4) A normally-off type vertical organic transistor can be realized, and (5) an element suitable for mass production, which contributes to cost reduction.
[0045]
The vertical organic transistor 10 of the present invention includes a source electrode 2, a first organic semiconductor layer 3, a comb-shaped or mesh-shaped (for example, grid-shaped) gate electrode 4, a second organic semiconductor layer 5, and a drain. The first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 3 so as to form a potential barrier at an interface between the first organic semiconductor layer 3 and the second organic semiconductor layer 5; As described above, the organic semiconductor layer 5 is formed of different organic semiconductor materials from each other. In such a vertical organic transistor, for example, the organic semiconductor layers 3 and 5 are each formed of a p-type organic semiconductor layer. In the case of using a semiconductor material, current flows from the source electrode to the drain electrode by bias control by the gate electrode 4 (by control of the height of the potential energy barrier for holes).
[0046]
In such a vertical organic transistor, lowering the carrier injection barrier between the electrode and the organic semiconductor layer leads to lower applied voltage. Conversely, increasing the carrier injection barrier between the electrode and the organic semiconductor layer increases the applied voltage. Leads to higher. Some metals or organic materials exhibiting metallic properties do not necessarily exhibit rectifying characteristics. In a metal-p-type organic semiconductor, the work function of the electrode material is φm> φs, and the difference between them is small. In that case, it is close to ohmic contact. When the electron affinity of the electrode with respect to the electrons is χm (= φm)> それら s and the difference between them is small, the electrode becomes close to ohmic contact. In the case of an organic semiconductor material, for a hole, a material having a diameter φm larger than the work function of an electrode and a HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) level of the organic semiconductor material and having a small difference therebetween is selected. For electrons, a metal or a material having a metallic property that satisfies Δm (= φm) larger than the electron affinity of the electrode and the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level of the organic semiconductor material is compared. Ohmic contact can be obtained easily and the driving voltage can be reduced.
[0047]
If the work function of the electrode material is φm <φs and the difference between them is large, Schottky contact occurs. When viewed from the holes, the energy level in the organic semiconductor material is lower than the surface by φs−φm to form an energy barrier, and the energy barrier on the metal side is φsb = (χs + (HOMO−LUMO difference)) − χm, and the diffusion potential becomes φs−φm.
[0048]
CuPc is known to exhibit P-type semiconductive properties, but its HOMO level is 5.2 eV and its LUMO level is 3.2 eV. Similarly, α-NPD is known to exhibit P-type semiconducting properties, but its HOMO level is 5.7 eV, and its LUMO level is 2.6 eV. . Therefore, when organic semiconductor layers made of these two types of p-type organic semiconductor materials are stacked, a barrier against holes formed at the interface corresponds to a HOMO level difference of 0.5 eV. Therefore, by utilizing the barrier formed at the junction interface of the organic semiconductor layer with these two types of P-type organic semiconductor materials and effectively utilizing the Schottky gate barrier, a vertical organic semiconductor having a novel SIT operation mechanism can be obtained. A transistor can be realized.
[0049]
Also, "α-NPD exhibits a P-type semiconductor property, its HOMO level is 5.7 eV, and its LUMO level is 2.6 eV" Alq ₃ Has an n-type semiconductor property, and its HOMO level is 5.8 eV and its LUMO level is 3.1 eV. And an organic semiconductor layer made of an n-type organic semiconductor material, as shown in FIG. ₃ It can be understood that the energy level (HOMO level) of α-NPD is effective for hole injection. In FIG. 11, black circles represent electrons, and white circles represent holes. On the other hand, the LUMO level is expected to be effective in injecting electrons. ₃ Utilizing the barrier formed at the junction interface between the organic semiconductor layer by α-NPD and the organic semiconductor layer by α-NPD and effectively utilizing the Schottky gate barrier, a vertical organic transistor having a novel SIT operation mechanism is realized it can.
[0050]
The gate electrode, the source electrode, and the drain electrode in the present invention are preferably chromium (Cr), Ta (thallium), titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), and tungsten (W). , Nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), tin (Sn), metal oxides such as ITO, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl and Since it is composed of at least one material selected from the group consisting of conductive polymers, it is possible to reduce contact resistance and improve electrical characteristics. These electrode materials are formed on the gate electrode, source electrode and drain electrode by a process selected from the group consisting of vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition, electrodeposition, electroless plating, spin coating, printing, and coating. You.
[0051]
The vertical organic transistor of the present invention can have a substrate on the outer surface of the source electrode or the outer surface of the drain electrode. The substrate in the present invention is selected, for example, from the group consisting of glass, plastic, quartz, undoped silicon, and highly doped silicon. Further, the substrate in the present invention may be a plastic substrate. Such a plastic substrate is selected from the group comprising polycarbonate, mylar, and polyimide.
[0052]
The gate electrode in the present invention is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm. Further, the source electrode and the drain electrode in the present invention are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm.
[0053]
[Example of manufacturing vertical organic transistor of the present invention]
As shown in FIG. 3, the vertical organic transistor of the present invention (FIG. 1)
(1) Step of forming a source electrode 2 by forming a transparent electrode material such as ITO on the upper surface of the transparent substrate 1 (a),
(2) a step (b) of forming an organic semiconductor material on the upper surface of the source electrode 2 to form a first organic semiconductor layer 3;
{Circle around (3)} a step (c) of forming a gate electrode 4 by depositing an electrode material on the upper surface of the first organic semiconductor layer 3 in a comb or mesh shape;
{Circle around (4)} A second organic semiconductor material is formed on the upper end of the first organic semiconductor layer 3 and the upper surface of the gate electrode 4 by depositing an organic semiconductor material of a type different from the organic semiconductor material formed in the step [2]. (D) forming a semiconductor layer 5, and
(5) Step (e) of forming an electrode material on the upper surface of the second organic semiconductor layer 5 to form a drain electrode 6;
Are sequentially manufactured.
[0054]
【Example】
(Example 1)
(A) An ITO transparent electrode made of In oxide and Sn oxide is formed on the upper surface of a transparent 0.7 mm thick glass substrate (Corning-free alkali glass 1737F) by sputtering to form a 110 nm thick source electrode. It was formed [FIG. 3 (a)].
(B) CuPc, which is a p-type organic semiconductor material, is placed on the glass substrate with the source ITO electrode at 400 ° C., 3 × 10 ^-6 A first organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum evaporation in Torr [FIG. 3 (b)].
(Iii) Al is applied to the upper surface of the first organic semiconductor layer by using a Ni metal mask formed in a stripe / slit shape to form 1 × 10 5 Al. ^-6 A gate electrode having a thickness of 40 nm was formed by vacuum evaporation under Torr and resistance heating [FIG. 3 (c)].
(D) α-NPD which is a p-type organic semiconductor material at 200 ° C., 5 × 10 5 on the upper surfaces of the gate electrode and the first organic semiconductor layer. ^-6 A second organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum evaporation in Torr [FIG. 3 (d)].
(E) Then, Au is applied on the upper surface of the second organic semiconductor layer in an amount of 1 × 10 ^-6 A 100 nm-thick drain electrode was formed by vacuum evaporation under Torr and resistance heating [FIG. 3 (e)].
The vertical organic transistor thus obtained is shown in FIG.
Then, IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of this vertical organic transistor were measured (FIG. 5), and it was confirmed that a Schottky contact was formed at the gate electrode interface. In addition, the IV characteristics between the drain electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor were measured (FIG. 6), and it was similarly confirmed that a Schottky contact was formed at the gate electrode interface. In addition, from the IV characteristics between the source and the drain measured with the gate electrode floating, there is ohmic contact at each interface between the source electrode and the first organic semiconductor layer and between the drain electrode and the second organic semiconductor layer. It was confirmed. The static characteristics of the vertical organic transistor were measured (FIG. 7), and the transistor operation was confirmed. Although not shown, the cutoff frequency was confirmed to be 30 to several tens KHz, although there is still room for improvement.
[0055]
(Example 2)
The first semiconductor layer is formed of Alq which is an n-type organic semiconductor material. ₃ And a vertical organic transistor was formed in the same manner as in Example 1 except that the second semiconductor layer was formed using TCNQ, which is an n-type organic semiconductor material.
[0056]
(Example 3)
(A) An ITO transparent electrode made of In oxide and Sn oxide is formed on the upper surface of a transparent 0.7 mm thick glass substrate (Corning-free alkali glass 1737F) by sputtering to form a 110 nm thick source electrode. It was formed [FIG. 3 (a)].
(B) α-NPD which is a p-type organic semiconductor material at 200 ° C. and 5 × 10 ^-6 A first organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum evaporation in Torr [FIG. 3 (b)].
(Iii) Al is applied to the upper surface of the first organic semiconductor layer by using a Ni metal mask formed in a stripe / slit shape to form 1 × 10 5 Al. ^-6 A gate electrode having a thickness of 100 nm was formed by vacuum deposition under Torr and resistance heating [FIG. 3 (c)].
(D) Alq, which is an n-type organic semiconductor material, is formed on the upper surfaces of the gate electrode and the first organic semiconductor layer. ₃ At 220 ° C., 1.6 × 10 ^-6 A second organic semiconductor layer having a thickness of 60 nm was formed by vacuum evaporation in Torr [FIG. 3 (d)].
(E) Then, Au is applied on the upper surface of the second organic semiconductor layer in an amount of 1 × 10 ^-6 A 100 nm-thick drain electrode was formed by vacuum evaporation under Torr and resistance heating [FIG. 3 (e)].
The vertical organic transistor thus obtained is shown in FIG.
Then, IV characteristics between the source electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor were measured (FIG. 9), and it was confirmed that a Schottky contact was formed at the gate electrode interface. The static characteristics of the vertical organic transistor were measured (FIG. 10), and the operation of the transistor was confirmed. Although not shown, the cutoff frequency was confirmed to be 30 to 50 KHz, although there is still room for improvement. The energy order of each layer of the vertical organic transistor is shown in FIG.
[0057]
【The invention's effect】
(1) According to the first aspect of the present invention, the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are formed so as to form a potential barrier at the interface between the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer. Since the organic semiconductor layers of (1) and (2) are made of different organic semiconductor materials, the operating resistance can be reduced by reducing the channel length, which is the current path of the vertical organic transistor, in accordance with the film thickness. Therefore, a high operation speed can be achieved, and (2) a barrier formed by the difference between the HOMO level of the two kinds of organic semiconductor materials and the Schottky contact formed near the gate electrode or a difference caused by the difference of the LUMO level By effectively utilizing the barrier, it is possible to reduce the leak current between the source and the drain, and (3) the reproduction can be performed without using a conventional method such as "two-point vapor deposition". With mass production The SIT you so that can be provided at low cost. According to the present invention, since the Schottky gate electrode is disposed near the interface between the two types of organic semiconductor layers, the on / off ratio of the transistor is increased. By appropriately selecting the kind of organic semiconductor material, SIT with normally-off characteristics can be realized, and (5) the entire electrode formed on the surface of the organic semiconductor layer can be effectively used. Powering can be enabled.
[0058]
(2) According to the second aspect of the present invention, since the organic semiconductor layer is made of the exemplified organic semiconductor material, the overall structure of the organic transistor can be reduced in size. Since simple means such as vapor deposition and coating can be employed in film formation using an organic semiconductor material, the manufacturing cost of a vertical organic transistor can be reduced.
[0059]
(3) According to the present invention described in claims 3 to 6, since both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of a p-type organic semiconductor material, two kinds of p-type organic semiconductor materials are used. Both the barrier at the organic semiconductor layer interface and the Schottky barrier in the vicinity of the gate electrode by the organic semiconductor material are related to the SIT operation mechanism by holes, so that (1) carrier injection from the gate electrode 4 is eliminated. Operating speed is faster, (2) there is no current concentration and the breakdown strength is increased (large current can flow), (3) a large on-current / off-current ratio can be obtained, and (4) a normally-off type vertical type. An organic transistor can be realized, and (5) an element suitable for mass production is useful for cost reduction.
[0060]
(4) According to the present invention described in claims 7 to 9, since both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of an n-type organic semiconductor material, two kinds of n-type organic semiconductor materials are used. Both the barrier at the organic semiconductor layer interface and the Schottky barrier near the gate electrode by the organic semiconductor material are related to the SIT operation mechanism by electrons, so that the operation speed becomes faster than that of SIT by hole transport, A large current can be passed, and thus higher frequency response and higher power can be achieved.
[0061]
(5) According to the present invention described in claims 10 to 13 and 14 to 16, the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are respectively composed of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor. When a material or an n-type organic semiconductor material and a p-type organic semiconductor material are used, both the PN barrier at the interface between these organic semiconductor layers 3 and 5 and the Schottky barrier near the gate electrode 4 are formed by holes. Since this is related to the SIT operation mechanism, (1) the carrier injection from the gate electrode 4 is eliminated and the operation speed is increased, and (2) the concentration of current is eliminated and the breakdown strength is increased (a large current can flow. ), (3) a large on-current / off-current ratio can be obtained, (4) a normally-off type vertical organic transistor can be realized, and (5) a device suitable for mass production, which contributes to cost reduction.
[0062]
(6) According to the present invention described in claims 17 to 20, the contact resistance can be reduced and the electrical characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical organic transistor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the height of potential energy of carriers between a source electrode (S) and a drain electrode (D) in a vertical organic transistor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a vertical organic transistor showing one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional explanatory view of a vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 5 is a graph showing IV characteristics between a source electrode and a gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 6 is a graph showing IV characteristics between the drain electrode and the gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 7 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 1.
FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating a vertical organic transistor obtained in Example 3.
FIG. 9 is a graph showing IV characteristics between a source electrode and a gate electrode of the vertical organic transistor obtained in Example 3.
10 is an experimental result showing static characteristics of the vertical organic transistor obtained in Example 3. FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the energy order of each layer of the vertical organic transistor obtained in Example 3.
FIG. 12 is a schematic sectional view illustrating an operation mechanism of the SIT.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2 Source electrode
3 First organic semiconductor layer
4 Gate electrode
5 Second organic semiconductor layer
6 Drain electrode

Claims

ソース電極、第一の有機半導体層、櫛状又はメッシュ状のゲート電極、第二の有機半導体層、及び、ドレイン電極を順次有する縦型有機トランジスタにおいて、前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層との界面に電位障壁を形成するように、前記第一の有機半導体層及び前記第二の有機半導体層を互いに異なった有機半導体材料で構成したことを特徴とする縦型有機トランジスタ。In a vertical organic transistor sequentially including a source electrode, a first organic semiconductor layer, a comb-shaped or mesh-shaped gate electrode, a second organic semiconductor layer, and a drain electrode, the first organic semiconductor layer and the second A vertical organic transistor, wherein the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of different organic semiconductor materials so as to form a potential barrier at an interface with the organic semiconductor layer. .

前記有機半導体材料が、▲１▼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、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種のアセン分子材料、▲２▼フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物、ペリレン系化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の顔料、▲３▼ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、トリアリールアミン化合物、及び、それらの誘導体から選択される少なくとも１種の低分子化合物、或いは、▲４▼ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、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、及び、それらの変性体から選択される少なくとも１種の高分子化合物、で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型有機トランジスタ。The organic semiconductor material is (1) at least one acene molecular material selected from naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, and derivatives thereof; (2) phthalocyanine-based compound, azo-based compound, perylene-based compound And at least one pigment selected from their derivatives, (3) hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, diphenylmethane compounds, stilbene compounds, arylvinyl compounds, pyrazoline compounds, triphenylamine compounds, triarylamine compounds, And at least one low molecular weight compound selected from their derivatives, or (4) poly-N-vinylcarbazole, halogenated poly-N-vinylcarbazole, polyvinylpyrene, polyvinylanthracene, pyreneformaldehyde De resin, ethylcarbazole formaldehyde resin, and, vertical organic transistor according to claim 1, characterized in that the modified compounds thereof, at least one polymeric compound selected, and in being configured.

前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、同一の導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦型有機トランジスタ。3. The vertical organic transistor according to claim 1, wherein the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of the same conductive type organic semiconductor material. 4.

前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｐ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic transistor according to claim 3, wherein both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of a p-type organic semiconductor material.

前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とする請求項４に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic semiconductor device according to claim 4, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are in ohmic contact at their interface. Transistor.

前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とする請求項４に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical type according to claim 4, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are in Schottky contact at their interface. Organic transistors.

前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、共にｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic transistor according to claim 3, wherein both the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of an n-type organic semiconductor material.

前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とする請求項７に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic semiconductor device according to claim 7, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are in ohmic contact at their interface. Transistor.

前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とする請求項７に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical type according to claim 7, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are in Schottky contact at their interface. Organic transistors.

前記第一の有機半導体層と前記第二の有機半導体層とが、異なる導電型の有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦型有機トランジスタ。3. The vertical organic transistor according to claim 1, wherein the first organic semiconductor layer and the second organic semiconductor layer are made of organic semiconductor materials of different conductivity types. 4.

前記第一の有機半導体層が、ｐ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層が、ｎ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の縦型有機トランジスタ。The method according to claim 10, wherein the first organic semiconductor layer is made of a p-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer is made of an n-type organic semiconductor material. Vertical organic transistor.

前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とする請求項１１に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic semiconductor device according to claim 11, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are in ohmic contact at their interface. Transistor.

前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とする請求項１１に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical type according to claim 11, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are in Schottky contact at their interface. Organic transistors.

前記第一の有機半導体層が、ｎ型有機半導体材料で構成され、そして、前記第二の有機半導体層が、ｐ型有機半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の縦型有機トランジスタ。The method according to claim 10, wherein the first organic semiconductor layer is made of an n-type organic semiconductor material, and the second organic semiconductor layer is made of a p-type organic semiconductor material. Vertical organic transistor.

前記ソース電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ドレイン電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でオーミック接触していることを特徴とする請求項１４に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic semiconductor device according to claim 14, wherein the source electrode and the first organic semiconductor layer, and the drain electrode and the second organic semiconductor layer are in ohmic contact at their interface. Transistor.

前記ゲート電極及び前記第一の有機半導体層、並びに、前記ゲート電極及び前記第二の有機半導体層が、それらの界面でショットキー接触していることを特徴とする請求項１４に記載の縦型有機トランジスタ。The vertical type according to claim 14, wherein the gate electrode and the first organic semiconductor layer, and the gate electrode and the second organic semiconductor layer are in Schottky contact at their interface. Organic transistors.

前記ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極が、クロム（Ｃｒ）、Ｔａ（タリウム）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ＩＴＯなどこれら金属の酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル及び導電性ポリマよりなる群から選択される少なくとも１種の材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。The gate electrode, source electrode and drain electrode are made of chromium (Cr), Ta (thallium), titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni). Gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), tin (Sn), oxides of these metals such as ITO, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl and conductive polymer. The vertical organic transistor according to claim 1, wherein the vertical organic transistor is made of at least one material selected from the group consisting of:

前記ソース電極の外側の面又は前記ドレイン電極の外側の面に基板を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。The vertical organic transistor according to claim 1, further comprising a substrate on a surface outside the source electrode or a surface outside the drain electrode.

前記ゲート電極が、１００ｎｍ以下、好ましくは、４０〜６０ｎｍの膜厚のＡｌ薄膜で形成されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。19. The vertical organic transistor according to claim 1, wherein said gate electrode is formed of an Al thin film having a thickness of 100 nm or less, preferably 40 to 60 nm.

前記ソース電極及び前記ドレイン電極が、１００〜５００ｎｍの膜厚の薄膜で形成されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の縦型有機トランジスタ。20. The vertical organic transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are formed of a thin film having a thickness of 100 to 500 nm.