JP5499045B2 - 電流増幅型トランジスタ素子及び電流増幅型発光トランジスタ素子 - Google Patents
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Description
また、上記特許文献3及び先行出願(特願2009−114619)に記載されている有機トランジスタ素子(MBOT)は、オフ電流の抑制層を形成するために電極の加熱処理をすることなく、電流を増幅できるが、電子機器を作動させるに十分な大きな電流値、大きな電流増幅率、大きなオン/オフ比を得ることは困難である。
本実施形態のトランジスタ素子を製造するためには、基板上にコレクタ電極11、コレクタ層21の順に形成し、さらにベース電極13、エミッタ層22(22A、22B)を積層する。さらに、エミッタ層22の上部にエミッタ電極12を形成し、本実施態様のトランジスタ素子となる。ここで、エミッタ層22は、有機半導体層22Aと有機半導体層22Bの積層によるダイオード構造を形成し、22Aと22Bは、具体的にはn型有機半導体層とp型有機半導体層の組合せを示し、22Aがn型有機半導体層の場合には22Bをp型有機半導体層とし、22Aがp型有機半導体層の場合は22Bをn型有機半導体層とするダイオード構造を形成する。エミッタ層22の構成は、コレクタ層21をn型有機半導体層とした場合は、22Aをn型有機半導体層、22Bをp型有機半導体層とし、コレクタ層21をp型有機半導体層とした場合は、22Aをp型有機半導体層、22Bをn型有機半導体層とする。
本実施形態のトランジスタ素子(MBOT)のエミッタ層に発光層を形成することにより、ベース電極からのホール電流に関連している正孔と、エミッタ電極からの電子との再結合により生成された励起子が失活することによる発光が起き、発光トランジスタ素子Aとして使用することができる。発光層は、有機EL素子などに使用される発光材料で形成されていれば問題なく使用することができ、p型半導体層とn型半導体層間に形成することができる。また、n型有機半導体層、または、p型有機半導体層を発光性有機半導体材料で形成する場合は、該有機半導体層は発光層を兼ねることができ、新たに発光層を形成しなくてもよい。また、発光効率を高める場合には、電子注入層、正孔注入層、励起子ブロック層を形成してもよい。
また、本実施形態のトランジスタ素子において、コレクタ層が発光層を含む発光素子部を有し、有機EL発光素子部として、該発光素子部が正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層から選ばれる1または2以上の層からなる場合、発光トランジスタ素子Bとなる。
本実施形態の有機トランジスタ素子を形成する基板の材料は、トランジスタ素子の形態を保持できる材料であれば良く、特に限定されない。例えば、ガラス、アルミナ、石英、炭化珪素などの無機材料、アルミ、銅、金などの金属材料、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのプラスチックを用いることができる。プラスチック基板を用いた場合は、軽量で耐衝撃性に優れたフレキシブルなトランジスタ素子を作製することができる。また、このトランジスタ素子を有機発光層を形成した発光トランジスタ素子として利用する場合は、基板側から光を放出させるボトムエミッション型の場合はプラスチックフィルム、ガラス基板など、光透過率の高い基板を用いることが望ましい。これら基板は、単独で使用してもよく、あるいは併用してもよい。また、基板の大きさ、形態についてはトランジスタ素子の形成が可能であれば特に限定されず、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状などどのような望む形態のものでも問題なく使用できる。
本実施形態の有機トランジスタ素子を形成する有機半導体層は、図1に示すようにコレクタ電極11とベース電極13間に設けたコレクタ層21と、ベース電極13とエミッタ電極12間に形成されたエミッタ層22からなり、エミッタ層22(22A、22B)はn型半導体層とp型半導体層よりなる積層構造をなすダイオード構造を有することを特徴とする。
本実施態様におけるエミッタ層として、エミッタ電極とベース電極間に設けた有機半導体層22(22A、22B)がp型有機半導体層とn型有機半導体層からなるダイオード構造を有する。ダイオード構造の構成は、エミッタ層およびコレクタ層にそれぞれ使用される有機半導体材料により選択的に定められる。コレクタ層をn型有機半導体材料により形成した場合には、ベース電極上にp型有機半導体層、さらにn型有機半導体層を積層してエミッタ層を形成することが望ましい。一方、コレクタ層をp型有機半導体材料により形成した場合には、ベース電極上にn型有機半導体層、さらにp型有機半導体層を積層してエミッタ層を形成することが望ましい。
本実施形態におけるコレクタ層は、ベース電極とコレクタ電極間に有機半導体材料から形成され、該コレクタ層を形成するために使用可能な材料としては、有機半導体として通常使用されるn型有機半導体材料、または、p型有機半導体材料が挙げられる。n型有機半導体材料としては、電子を輸送する材料であれば、特に制限なく一般的なn型の有機半導体材料が使用できる。同様にp型有機半導体材料としては正孔を輸送する材料であれば特に制限なく、一般的なp型の有機半導体材料が使用できる。例えば、上記エミッタ層に使用されるn型半導体材料(電子輸送性材料)、p型半導体材料(正孔輸送性材料)を用いることができる。また、コレクタ層においては、後述する本発明の発光トランジスタ素子の説明欄で列記した発光層形成材料のうちの1種またはそれ以上を用いてもよい。
本実施形態のトランジスタ素子に用いられる電極について説明する。本実施形態のトランジスタ素子を構成する電極としては、コレクタ電極11、エミッタ電極12、およびベース電極13があり、図1に示すように、通常、コレクタ電極11は基板(図示していない)上に設けられ、ベース電極13は半導体層21、22の間に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極12はコレクタ電極11に対して反対側で半導体層21、22とベース電極13とをエミッタ電極12とコレクタ電極11との間に挟むように設けられる。
本実施形態のトランジスタ素子においては、暗電流を抑制する目的で、暗電流抑制層を形成することができる。暗電流抑制層は、ベース電極13を形成した後に、当該ベース電極13を加熱処理して形成することが好ましい。さらに、本実施形態のトランジスタ素子において、前記ベース電極13を金属から形成し、該ベース電極13の片面または両面に該金属の酸化膜を形成することにより、エミッタ電極12−ベース電極13間に電圧Vbを印加しない場合に流れる暗電流を効果的に抑制することができる。
本発明の発光トランジスタ素子は、トランジスタ素子(MBOT)のエミッタ層22に発光層を有する発光トランジスタ素子A、コレクタ層21に発光層を有する発光トランジスタ素子Bがある。
本発明のトランジスタ素子(MBOT)のエミッタ層22に有機EL発光素子部31を形成することにより、ベース電極13からのホール電流に関連している正孔と、エミッタ電極からの電子との再結合により生成された励起子が失活することで発光する。従って、本実施形態のトランジスタ素子は、発光トランジスタ素子Aとして使用することができる。発光層は、有機EL素子などに使用される発光材料であれば問題なく使用することができ、p型有機半導体層とn型有機半導体層の間に形成される。また、n型有機半導体層、または、p型有機半導体層を発光性有機半導体材料で形成する場合は、該有機半導体層は発光層を兼ねることができ、新たに発光層を形成しなくてもよい。また、発光効率を高める場合には、電子注入層、正孔注入層を形成してもよい。
本発明の発光有機トランジスタ素子Bは、図3に示すようにベース電極13とコレクタ電極11との間に有機EL発光素子部31を有し、該有機EL発光素子部が有機発光層を含み、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層から選ばれた1または2層以上を含む発光層を含む有機発光トランジスタ素子となる。発光有機トランジスタ素子Bは、有機EL発光素子部と駆動トランジスタを一組にすることとともに、さらに従来のSIT構造のようなベース電極の微細パターニングが不必要であり、大電流変調が可能であり、さらにオン/オフ比が高いことにより、発光輝度が高く、コントラストに優れ、周波数特性の優れた自発光が可能な発光トランジスタ素子として提供できる。また、発光有機トランジスタ素子Bは、蒸着法のみで作成も可能で、プラスチックなどのフレキシブルな基板上にも素子を形成することが可能であり、小型軽量化された簡単な構造からなる実用性の高い発光トランジスタ素子として提供できる。
発光トランジスタ素子Aに用いる図4に示した有機EL発光素子部31は、正極となる電極側(ベース電極側)から順に正孔注入層41、正孔輸送層42、発光層43が設けられている。発光層43のエミッタ電極12(図2参照)側には励起子ブロック層44が設けられ、エミッタ電極12の下にn型有機半導体層22A(図2参照)からなる電子輸送層が形成されている。この発光トランジスタ素子Aは、多くの電荷が加速されて有機EL発光素子部31の発光層43に到達するので、エミッタ電極12からの電荷の注入は容易である。したがって、有機EL発光素子部31は必ずしも電荷注入層を有していなくてもよいという利点がある。そのため、従来のように電子を注入し易いが酸化し易いアルカリ金属を陰極として用いなくてもよいという効果がある。
発光トランジスタ素子Bに用いる有機EL発光素子部31(図3参照)の構成は、図4に示されている構成とは上下が逆になり、さらに「正孔」を「電子」に置き換える必要がある。すなわち、コレクタ電極11からベース電極13側に向かって(図3参照)、「励起子ブロック層」、「発光層」、「電子輸送層」、「電子注入層」の順に積層されている。この発光トランジスタ素子Bは、多くの電荷が加速されて有機EL発光素子部31の発光層に到達するので、コレクタ電極11からの電荷注入は容易である。従って、有機EL素子部31は必ずしも電荷注入層を有しなくてもよい利点がある。
(トランジスタ素子の評価)
作製したトランジスタ素子について、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧(Vc)を印加し、エミッタ電極−ベース電極間に印加するベース電圧(Vb)を0V〜3Vの範囲で変調させた。このトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧(Vc)を一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Vb(0〜3V)を印加したときの、ベース電流Ib、および、コレクタ電流Icの変化量(オフ電流、オン電流)を測定した。また、ベース電流の変化に対するコレクタ電流の対応する変化の比率、すなわち、電流増幅率(hFE)、およびオン電流と対応するオフ電流の比率、すなわち、オン/オフ比を算出した。
図5に示すように、ITO透明基板をコレクタ電極11として用意した。該コレクタ電極11上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)からなる平均厚さ250nmの有機半導体層を形成した後、フラーレン(C60)からなる平均厚さ50nmの有機半導体層を形成してコレクタ層21を作成した。次に、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ3nmの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ15nmのベース電極層を積層して、ベース電極13を形成した。ベース電極13上に、銅フタロシアニンからなるp型有機半導体層(平均膜厚30nm)と、さらに、フラーレン(C60)からなるn型有機半導体層(平均膜厚:50nm)とを真空蒸着法でその順で積層し、ダイオード構造のエミッタ層22を作成した。次に、銀からなる平均厚さ30nmのエミッタ電極12を、真空蒸着法で積層し、実施例1のメタルベース有機トランジスタ素子(MBOT)を得た。
実施例1と同様に、ITO透明基板をコレクタ電極11を用意した。該コレクタ電極11上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)からなる平均厚さ250nmの有機半導体層を形成した後、フラーレン(C60)からなる平均厚さ50nmの有機半導体層を形成してコレクタ層21を作成した。これに、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ3nmの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ15nmのベース電極層を積層して、ベース電極13を形成した。ベース電極13上に、ペンタセンからなるp型有機半導体層(平均膜厚30nm)と、フラーレン(C60)からなるn型有機半導体層(平均膜厚:50nm)とを真空蒸着法でその順に積層し、ダイオード構造のエミッタ層22を作成した。さらに、銀からなる平均厚さ30nmのエミッタ電極12を、真空蒸着法で積層し、実施例2のメタルベース有機トランジスタ素子(MBOT)を得た。
図6に示すように、ITO透明基板をコレクタ電極11を用意した。該コレクタ電極11上に有機半導体材料であるジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)からなる平均厚さ250nmの有機半導体層を形成した後、フラーレン(C60)からなる平均厚さ50nmの有機半導体層を形成し、積層構造であるコレクタ層21を作成した。これに、電子注入層としてフッ化リチウムからなる平均厚さ3nmの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ15nmの電極層を積層して、ベース電極13を形成した。ベース電極13上に、ペンタセンからなるp型有機半導体層(平均膜厚30nm)22Bを形成し、正孔輸送材料としてα−NPD(Bis[N−(1−naphthyl)−N−pheny]benzidine)からなる正孔輸送層(平均膜厚:10nm)、Alq3((トリス(8−ヒドロキシキノリノール)アルミニウム)錯体)からなる有機発光層43(平均膜厚:20nm)、電子輸送材料であるピリミジン誘導体B4PYMPM(下記式(1))からなる電子輸送層22A(平均膜厚:10nm)、電子注入層としてフッ化リチウム(平均膜厚:0.5nm)とを順次真空蒸着法により積層し、有機発光層43を挟み込むダイオード構造であるエミッタ層22を形成した。さらに、エミッタ層22上に、アルミニウムからなる平均厚さ100nmのエミッタ電極12を、真空蒸着法で積層し、実施例3の発光メタルベース有機トランジスタ素子を得た。
ITO透明基板をコレクタ電極とし、実施例1と同様にしてコレクタ層を形成した。これに、実施例1と同様に、電子注入層としてフッ化リチウムからなる3nmの電極層を形成した後、アルミニウムからなる平均厚さ15nmのベース電極層を積層して、ベース電極を形成した。ベース電極上に、フラーレン(C60)からなるn型有機半導体層(80nm)を真空蒸着法で積層し、n型有機半導体材料からなる非ダイオード構造をエミッタ層として作成した。さらに、銀からなる平均厚さ30nmのエミッタ電極を真空蒸着法で積層し、比較例1のトランジスタ素子を得た。
得られたトランジスタ素子の出力変調特性として、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Vcを3Vで一定に維持しながら、エミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Vb(0〜2V)を印加したときと印加しないときの、コレクタ電流Icおよびベース電流Ibの変化量を測定した。本トランジスタ素子は、MBOTとして動作が確認された。その評価結果を表1、表2、図7、図8に示す。
実施例2の有機トランジスタ素子も、電流増幅型トランジスタ素子としての機能が確認された。低電圧下において160.4という大きな増幅率を示すとともに、そのオン電流は42.5mA/cm2(Vb=1.7V)、62mA/cm2(Vb=2.0V)と、トランジスタ素子として非常に大きな電流が変調された。また、オン/オフ比(Vb=1.7V)は、116.8であった。
一方、比較例1のトランジスタ素子は、MBOTとして動作し、電流増幅性を有し、暗電流が抑制されたトランジスタ素子として機能することが確認された。しかし、コレクタ電圧(Vc=3V)を印加したときの、オン電流値は2.2mA/cm2(Vb=1.1V)、7.1mA/cm2(Vb=1.7V)と小さい電流しか得ることができなかった。
実施例1および2のトランジスタ素子は、そのオン電流として比較例1のトランジスタ素子から得られる対応するオン電流の17倍および6倍の大きな電流を得、また、オフ電流も抑制された。従って、実施例1および2のトランジスタ素子は優れたトランジスタ特性を示した。また、実施例3の発光トランジスタ素子は高いオン/オフ比を示すことが確認された。
12:エミッタ電極
13:ベース電極
21:有機半導体層(コレクタ層)
22:有機半導体層(エミッタ層)
22A:n型有機半導体層、または、p型有機半導体層
22B:p型有機半導体層、または、n型有機半導体層
31:有機EL発光素子部
41:正孔注入層
42:正孔輸送層
43:発光層
44:励起子ブロック層
Claims (12)
- エミッタ電極と、コレクタ電極と、該エミッタ電極とコレクタ電極との間に形成された第1および第2の有機半導体層と、該第1の有機半導体層と第2の有機半導体層との間に形成されたシート状のベース電極とが設けられている電流増幅型トランジスタ素子において、
前記第1の有機半導体層が、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、かつ、p型有機半導体層とn型有機半導体層とのダイオード構造を有し、
前記第2の有機半導体層が、前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられ、かつ、p型有機半導体層またはn型有機半導体層のいずれかで形成されていることを特徴とする電流増幅型トランジスタ素子。 - 前記第2の有機半導体層がn型有機半導体層からなり、前記第1の有機半導体層が、前記ベース電極上に形成されたp型有機半導体層と、前記エミッタ電極下に形成されたn型有機半導体層とからなるダイオード構造を有する請求項1に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記第2の有機半導体層がp型有機半導体層からなり、前記第1の有機半導体層が、前記ベース電極上に形成されたn型有機半導体層と、前記エミッタ電極下に形成されたp型有機半導体層とからなるダイオード構造を有する請求項1に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記p型有機半導体層および前記n型有機半導体層に用いられる有機半導体材料が、それぞれ、正孔輸送材料および電子輸送材料である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記p型有機半導体層が金属フタロシアニンまたは無金属フタロシアニンよりなる請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記p型有機半導体層がペンタセンよりなる請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記n型有機半導体層が、N,N’−ジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)からなる有機半導体層とフラーレン(C60)からなる有機半導体層とを積層した積層有機半導体層からなる請求項1〜6のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 前記ベース電極と前記第2の有機半導体層との間に形成されたフッ化リチウム層をさらに有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 5V以下の低電圧における電流増幅率が50以上である請求項1〜8のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- オン/オフ比が100以上である請求項1〜9のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子と、前記第1の有機半導体層における前記p型有機半導体層とn型有機半導体層との間に形成された有機EL発光素子部とからなり、該有機EL発光素子部が有機EL発光層と、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選択された少なくとも1層とからなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電流増幅型トランジスタ素子と、前記第2の有機半導体層と前記コレクタ電極との間に形成された有機EL発光素子部とからなり、該有機EL発光素子部が有機EL発光層と、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層よりなる群から選択された少なくとも1層とからなることを特徴とする電流増幅型発光トランジスタ素子。
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