JP4355796B2 - 有機半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、有機半導体層に対して、電子注入電極から電子を注入する構成の有機半導体装置およびその製造方法に関する。

有機半導体装置の典型例である有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体層中における電子と正孔との再結合に伴う発光現象を利用した発光素子である。具体的には、有機エレクトロルミネッセンス素子は、有機半導体発光層と、この有機半導体発光層に電子を注入する電子注入電極と、上記有機半導体発光層に正孔を注入する正孔注入電極とを備えている（特許文献１参照）。

発光効率を高めるためには、電子注入効率の高い材料で電子注入電極を構成するとともに、正孔注入効率の高い材料で正孔注入電極を構成する必要があり、そのため、電子注入電極には、仕事関数の低い材料が求められる。
仕事関数の観点からは、Ｍｇ膜が電子注入電極の材料として有力候補であるが、Ｍｇ膜は、酸化しやすく、化学的に不安定である。そのうえ、Ｍｇ膜は、下地膜に対する接着力が不十分であり、成膜が不可能であるか、成膜できたとしても容易に剥離してしまうため、信頼性が低く、実用に耐えない。

そこで、ＭｇＡｇ合金やＭｇＩｎ合金が電子注入電極の材料として用いられてきたが、電子注入効率が不十分であり、また、長時間に渡って連続発光動作を行わせると電子注入電極が剥離するという現象も生じる（特許文献１参照）。しかも、ＭｇＡｇ合金は、アセトンやＩＰＡ（イソプロピルアルコール）のような有機溶剤を用いたリソグラフィプロセスに対する耐久性が不十分であり、櫛形形状のような微細構造の電子注入電極の作製には不向きである。

特許文献１には、発光層上にＭｇ層とＡｕ層との二層構造の電子注入電極を形成することが開示されているが、Ｍｇ層は付着可能な下地層が限られており、下地層の種類によってはこのような構造をとることができない。たとえば、酸化シリコン膜上に電子注入電極を形成したい場合には、Ｍｇ層は酸化シリコン膜には付着しないから、上記のような構造をとることができない。しかも、Ｍｇ層は有機溶剤を用いたリソグラフィプロセスに対する耐久性がないから、微細構造の電子注入電極を作製したい場合にも、上記のような構成の電子注入電極は採用することができない。
特開平５−３１５０７８号公報

この発明の目的は、電子注入効率が高く、かつ、信頼性の高い電子注入電極を有する有機半導体装置およびその製造方法を提供することである。
また、この発明の他の目的は、リソグラフィプロセスによる微細加工が可能な電子注入電極を有する有機半導体装置およびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、有機半導体層と、ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に電子を注入する第１電極としての電子注入電極と、ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に接する第２電極と、上記有機半導体層において上記第１電極と上記第２電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極とを含むことを特徴とする有機半導体装置である。
Ａｕ（金）は半導体装置の電極材料として広く用いられているが、仕事関数が高いために有機半導体装置の電子注入電極の材料としては不適切であると考えられてきた。また、Ａｕは一般に合金を作らないとの既成概念もあり、Ａｕ合金で電子注入電極を形成する試みは例がない。

本件発明者の研究によれば、ＡｕとＭｇ（マグネシウム）との合金を形成することが可能であり、このＭｇＡｕ合金は、仕事関数がＭｇの仕事関数に近く、ＭｇＡｇ合金等の一般的な電子注入電極材料に比較して電子注入効率が高く、また、下地層の種類によらずに、良好な付着性を示すことが確認されている。より具体的には、酸化シリコン膜上に対しても良好な付着性を示し、長時間を経ても剥離したりすることがない。

また、ＭｇＡｕ合金は、特異な化学的安定性を示すことが確認されており、ＭｇＡｇ合金より遙かに化学的に安定であり、有機溶剤に対する耐腐食性も良好である。たとえば、ＭｇＡｕ合金は、アセトンやＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の有機溶剤を用いたリソグラフィプロセスに耐えるため、櫛歯形状等の微細な電極構造を作製することも可能である。さらに、ＭｇＡｕ合金で構成した電子注入電極は、連続駆動に対しても十分な耐久性を示す。

したがって、本発明の構成により、電子注入効率が高く、かつ、信頼性の高い電子注入電極を有する有機半導体装置が実現でき、また、リソグラフィプロセスによって微細加工が施された電子注入電極を有する有機半導体装置を実現できる。
請求項２記載の発明は、上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、８５原子％以下のＡｕを含んでいることを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置である。

すなわち、電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金のＡｕ含有率は、０よりも大きく、８５原子％以下であることが好ましい。このようなＭｇＡｕ合金は、Ｍｇの仕事関数に近似した低い仕事関数を有し、かつ、化学的に安定な性質を示す。
ＭｇＡｕ合金のＡｕ含有率は、０．１原子％以上であればより好ましく、１原子％以上であればさらに好ましい。これにより、電子注入電極の化学的安定性を増すことができるうえ、電子注入電極のシート抵抗を低減することができる。

請求項３記載の発明は、上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、５〜２５原子％のＡｕを含んでいることを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置である。
請求項４記載の発明は、有機半導体層と、ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に電子を注入する電子注入電極とを含み、上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、５〜２５原子％のＡｕを含んでいることを特徴とする有機半導体装置である。
請求項５記載の発明は、上記第２電極は、上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。
請求項６記載の発明は、上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の有機半導体装置である。上記正孔注入電極は、ＭｇＡｕ合金で構成することもできるし、ＭｇＡｕ合金以外の材料で構成することもできる。

請求項７記載の発明は、上記有機半導体層において上記電子注入電極と上記正孔注入電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極をさらに含むことを特徴とする請求項６のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。
この構成によれば、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）型の有機半導体装置を実現でき、有機半導体層中における電子と正孔との再結合を、ゲート電極に与える制御電圧によって制御することができる。したがって、有機半導体層を有機半導体発光層で構成すれば、ゲート電極にハイレベルとローレベルの二値制御電圧を与えることによって発光のオン／オフ制御を行ったり、ゲート電極に連続的または段階的に制御可能な無段階制御電圧または多値制御電圧を与えることによって発光強度の階調制御を行ったりすることができる。

請求項８記載の発明は、上記絶縁膜に接触して、この絶縁膜に平行な方向に間隔を開けて上記電子注入電極および上記正孔注入電極が形成されており、上記絶縁膜上において上記電子注入電極および正孔注入電極の間の領域に上記有機半導体層が形成されていることを特徴とする請求項５または７記載の有機半導体装置である。
この構成によれば、絶縁膜上に電子注入電極および正孔注入電極が形成されているので、有機半導体層を形成する前に、リソグラフィ工程によって電子注入電極および正孔注入電極に対する微細加工を施すことができる。上述のように、ＭｇＡｕ合金膜は、下地膜を選ばずに形成することができ、典型的な絶縁膜である酸化シリコン膜上にも良好な付着性で形成できる。したがって、絶縁膜上に電子注入電極および正孔注入電極を有し、これらを被覆するように有機半導体層を設けるボトムコンタクト型の構造であっても、信頼性の高い装置を実現できる。

しかも、電子注入電極および正孔注入電極の形成後に有機半導体層を形成することができるボトムコンタクト型の構造では、電子注入電極および正孔注入電極の微細加工の際に使用される有機溶剤に対して有機半導体層が曝されることがない。したがって、有機半導体層にダメージを与えることなく、微細構造の電子注入電極および正孔注入電極を形成することができるという利点がある。

むろん、この発明の有機半導体装置は、有機半導体層（たとえば絶縁膜上に積層形成されたもの）の上に電子注入電極および正孔注入電極を形成したトップコンタクト構造をとることもできる。ただし、この場合には、電子注入電極および正孔注入電極のパターニングのためにリソグラフィ工程を適用するのではなく、たとえば、所定のマスクを介して電子注入電極および正孔注入電極の材料を有機半導体層上に選択的に蒸着することによって所望のパターンの電極を有機半導体層上に形成する工程が適用されることが好ましい。

また、有機半導体層に対する熱影響を最小限に抑えるためには、輻射熱の少ないボート（微小なボート）を用いてＭｇおよびＡｕを蒸発させ、有機半導体層の表面にＭｇＡｕ合金の蒸着膜を形成するようにすることが好ましい。
請求項９記載の発明は、上記電子注入電極および上記正孔注入電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有していることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。
上記のとおり、ＭｇＡｕ合金に対しては、リソグラフィプロセスによる微細加工が可能であるため、電極形状を櫛歯形状とすることができる。電子注入電極および正孔注入電極が、間隔（微小な間隔）を保持して、互いに嵌め合わされる櫛歯形状部を有していることにより、電子注入電極と正孔注入電極との対向部の全長を長くとることができるから、正孔と電子の再結合を効果的に生じさせることができる。これにより、低電圧駆動が可能になるとともに、有機半導体層が有機半導体発光層である場合には、高い発光効率を実現できる。また、櫛歯部分を微小幅に形成して、面発光状態として視認されるようにしておけば、実質的な面発光光源を実現できる。 請求項１０記載の発明は、上記有機半導体層は、上記電子注入電極から注入された電子と上記正孔注入電極から注入された正孔との再結合により発光する有機半導体発光層を含むことを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。

この構成により、有機半導体発光層内での正孔および電子の再結合によって、発光を起こさせることができる。
請求項１１記載の発明は、上記第２電極は、上記有機半導体層から電子を取り出す電子取出電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。
請求項１２記載の発明は、上記有機半導体層から電子を取り出す電子取出電極をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の有機半導体装置である。
これらの構成により、電子注入電極から有機半導体層を通って電子取出電極へ電子が移動する形態の半導体装置を実現できる。

請求項１３記載の発明は、上記有機半導体層において上記電子注入電極と上記電子取出電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極をさらに含むことを特徴とする１２記載の有機半導体装置である。
この構成により、ＦＥＴ型の有機半導体装置を実現でき、有機半導体層中における電子の移動を、ゲート電極に与える制御電圧によって制御することができる。これにより、有機半導体装置にスイッチング素子としてオン／オフ動作を行わせたり、増幅動作を行わせたりすることができる。

請求項１４記載の発明は、上記絶縁膜に接触して、この絶縁膜に平行な方向に間隔を開けて上記電子注入電極および上記電子取出電極が形成されており、上記絶縁膜上において上記電子注入電極および電子取出電極の間の領域に上記有機半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１１または１３記載の有機半導体装置である。
この構成によれば、絶縁膜上に電子注入電極および電子取出電極が形成されているので、有機半導体層を形成する前に、リソグラフィ工程によって電子注入電極および電子取出電極に対する微細加工を施すことができ、請求項８の発明と同様な効果が得られる。
請求項１５記載の発明は、上記電子注入電極および上記電子取出電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有していることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の有機半導体装置である。
上記のとおり、ＭｇＡｕ合金に対しては、リソグラフィプロセスによる微細加工が可能であるため、電極形状を櫛歯形状とすることができる。電子注入電極および電子取出電極が、間隔（微小な間隔）を保持して、互いに嵌め合わされる櫛歯形状部を有していることにより、電子注入電極と電子取出電極との対向部の全長を長くとることができるから、有機半導体層内において電子が効率的に移動する。これにより、低電圧駆動が可能になる。

請求項１６記載の発明は、第１電極および第２電極が接する有機半導体層において上記第１電極と上記第２電極との間の領域に対して絶縁膜を介してゲート電極が対向する有機半導体装置の製造方法であって、基板上にＭｇＡｕ合金からなる電極膜を形成する工程と、上記電極膜をリソグラフィ工程によってパターニングすることにより、間隔を開けて上記第１電極および上記第２電極を形成する工程と、上記形成された第１電極および第２電極を覆うように上記有機半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする有機半導体装置の製造方法法である。
請求項１７記載の発明は、基板上に、５〜２５原子％のＡｕを含むＭｇＡｕ合金からなる電極膜を形成する工程と、上記電極膜をリソグラフィ工程によってパターニングすることにより、電極を形成する工程と、上記形成された電極を覆うように有機半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする有機半導体装置の製造方法である。
これらの発明によれば、ＭｇＡｕ合金からなる電極膜に対してリソグラフィ工程を施すことができるので、微細構造の電極（少なくとも電子注入電極。好ましくは、電子注入電極および正孔注入電極の両方）を形成できる。そして、その後に、有機半導体層を形成することで、リソグラフィ工程中に使用される有機溶剤に有機半導体層が曝されることがなく、有機半導体層は所期の性質を有することができる。

しかも、電極は、ＭｇＡｕ合金で構成されているから、リソグラフィ工程に対する良好な耐久性を有しており、基板からの剥離が生じることもない。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体装置は、いわゆる有機エレクトロルミネッセンス素子であり、ガラス基板１上にＩＴＯ（酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）と酸化錫（ＳｎＯ₂）との固溶体）膜からなる正孔注入電極２を形成し、この正孔注入電極２上にα−ＮＰＤ（Bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl]benzidine）層からなる正孔輸送層３を積層し、さらにこの正孔輸送層３上にＡｌｑ３(Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminium)層からなる電子輸送層４を積層して、この電子輸送層４上にＭｇＡｕ合金膜からなる電子注入電極５を積層して構成されている。

上記正孔輸送層３および電子輸送層４が有機半導体層を構成しており、この実施形態では、Ａｌｑ３層からなる電子輸送層４が有機半導体発光層を形成している。たとえば、正孔注入電極２の膜厚は１１０ｎｍであり、正孔輸送層３の膜厚は５０ｎｍであり、電子輸送層４の膜厚は５０ｎｍであり、電子注入電極５の膜厚は１００ｎｍである。
正孔注入電極２と電子注入電極５との間に、正孔注入電極２側が正となる所定の駆動電圧を印加すると、正孔注入電極２から正孔輸送層３へと正孔が注入され、電子注入電極５から電子輸送層４へと電子が注入される。これらの正孔および電子は、正孔輸送層３と電子輸送層４との界面へと輸送され、この界面近傍の電子輸送層４内の発光領域７において再結合して発光を生じる。

図２は、図１に示された構成の改良に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この図２において、図１の各構成部分と対応する各部には、図１の場合と同一の参照を付して示す。
この図２の構成では、正孔注入電極２と正孔輸送層３との間に、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）からなる正孔注入層８が介在されている。この正孔注入層８の働きにより、正孔の注入効率が高まり、発光効率が向上される。たとえば、正孔注入層８の膜厚は１０ｎｍとされ、正孔輸送層３の膜厚は４０ｎｍとされ、その他の各層の膜厚は図１の場合と同様とされる。

図３は、電子注入電極５の形成方法を説明するための図解図である。正孔注入電極２、正孔輸送層３および電子輸送層４（図２の構成の場合にはさらに正孔注入層８）が形成された状態のガラス基板１は、真空チャンバ１０内に下向きに保持される。真空チャンバ１０内には、Ｍｇを蒸発させるためのボート（るつぼ）１１と、Ａｕを蒸発させるためのボート１２とが配置されている。これらのボート１１，１２は、たとえば、抵抗加熱式のものであり、蒸発速度を制御することができるようになっている。また、ボート１１，１２は、いずれも微小なものであって、これらからの輻射熱による有機半導体層（正孔輸送層３および電子輸送層４。図２の構成の場合にはさらに正孔注入層８）への影響が最小限に抑制されるように工夫されている。基板温度は、たとえば室温とされる。また、真空チャンバ１０内の真空度が良いほど、酸素等の影響を少なくして劣化を抑制できると考えられ、一般には、真空チャンバ１０内の真空度は１×１０^-3Ｐａ以下とすることが好ましい。

このような構成によって、ボート１１，１２からＭｇおよびＡｕを蒸発させて、それらの原子をガラス基板１上の電子輸送層４の表面に導くことによって、この電子輸送層４上にＭｇＡｕ合金膜からなる電子注入電極５を形成することができる。基板１の近傍において、ボート１１，１２側に、電子注入電極５に対応した寸法および形状の開口を有するマスク１３を配置しておくことで、所望の形状の電子注入電極５を電子輸送層４上に形成することができる。また、ボート１１，１２からの蒸発速度を調整することによって、電子注入電極５を構成するＭｇＡｕ合金の原子比率を制御することができる。

図４(a)は、図１の構造の有機半導体装置の動作特性を示す図であり、正孔注入電極２と電子注入電極５との間に印加される駆動電圧と、各駆動電圧における電流密度の測定結果との関係が示されている。曲線Ｌ１は、図１の構造の装置の動作特性を示し、曲線Ｌ２は、電子注入電極５としてＭｇＡｇ合金を適用した場合の動作特性を示している。
曲線Ｌ１，Ｌ２の比較から、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成することによって、同じ駆動電圧でも、ＭｇＡｇ合金で電子注入電極を構成する場合よりも電流密度が高くなることが理解される。すなわち、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成することにより、電子注入効率が高まり、その結果として、低電圧駆動が実現されることが理解される。

図４(b)は、図１の構造の有機半導体装置における電流密度に対する量子効率（発光効率）を示す図である。曲線Ｌ１１は、図１の構造の装置の量子効率の測定結果を示し、曲線Ｌ１２は、電子注入電極５としてＭｇＡｇ合金を適用した場合の量子効率の測定結果を示している。曲線Ｌ１１，Ｌ１２の比較から、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成した場合の方が、ＭｇＡｇ合金で電子注入合金を構成する場合よりも量子効率が低くなることが分かるが、これは、電子注入効率が良好なＭｇＡｕ合金を用いることで、正孔注入効率と電子注入効率とのバランスが崩れたことに起因しているものと推察される。他の要因として、Ａｕ蒸着源からの輻射熱により、有機半導体層へＡｕ原子が拡散したことが挙げられる。

図５(a)は、図２の構造の有機半導体装置の動作特性を示す図であり、正孔注入電極２と電子注入電極５との間に印加される駆動電圧と、各駆動電圧における電流密度の測定結果との関係が示されている。曲線Ｌ２１は、図２の構造の装置の動作特性を示し、曲線Ｌ２２は、電子注入電極５としてＭｇＡｇ合金を適用した場合の動作特性を示している。
曲線Ｌ２１，Ｌ２２の比較から、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成することにより、ＭｇＡｇ合金で電子注入電極を構成した場合と同様な動作特性を実現できることが理解される。

図５(b)は、図２の構造の有機半導体装置における電流密度に対する量子効率（発光効率）を示す図である。曲線Ｌ３１は、図２の構造の装置の量子効率の測定結果を示し、曲線Ｌ３２は、電子注入電極５としてＭｇＡｇ合金を適用した場合の量子効率の測定結果を示している。曲線Ｌ３１，Ｌ３２の比較から、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成した場合の方が、ＭｇＡｇ合金で電子注入合金を構成する場合よりも量子効率が高くなっていることが分かる。これは、正孔注入層８を導入することによって、ＭｇＡｕ合金からなる電子注入電極からの電子注入効率と正孔注入効率とが調和したことに起因しているものと推察される。

図４および図５の比較から、望まれる装置の特性（低電圧駆動、高発光効率等）に応じて、有機半導体層の構成を選択すればよく、それにより、ＭｇＡｕ合金で電子注入電極を構成した有機半導体装置のすぐれた特性を引き出せることが分かる。
図６は、厚さ４０ｎｍのＭｇＡｕ合金薄膜におけるＡｕ原子含有率と仕事関数およびシート抵抗との関係の測定結果を示す図である。曲線Ｌ４１は仕事関数の測定値を示し、曲線Ｌ５１はシート抵抗の測定値を示す。また、点Ｐ４２，Ｐ４３はＭｇＡｇ合金薄膜における仕事関数の測定値を示し、曲線Ｌ５２は、ＭｇＡｇ合金薄膜におけるシート抵抗の測定値を示している。

曲線Ｌ４１から、Ａｕ原子含有率が８５原子％以下のときに仕事関数が４．０ｅＶ以下となり、Ａｕ単体の仕事関数よりもＭｇ単体の仕事関数に近い値となり、良好な電子注入効率を期待できることが分かる。また、曲線Ｌ５１から、Ａｕ原子含有率が５〜２５原子％のときに、シート抵抗がＡｕ単体のときとほぼ等しい値となり、低抵抗電極膜を実現できることが分かる。

図７は、この発明の第２の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この有機半導体装置は、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）としての基本構造を有する素子（ユニポーラ型の有機半導体ＦＥＴ）であり、高濃度に不純物を導入したｎ+シリコン基板で構成されたゲート電極２１上に絶縁膜としての酸化シリコン膜２２を形成し、この酸化シリコン膜２２上に電子注入電極としてのソース電極２３（第１電極）および電子取出電極としてのドレイン電極２４（第２電極）を間隔を開けて形成するとともに、これらのソース電極２３およびドレイン電極２４を被覆するとともにそれらの間に入り込むように有機半導体層２５を形成した構成となっている。この構造は、有機半導体層２５に対して基板（ゲート電極２１）側にソース電極２３およびドレイン電極２４が位置しているので、ボトムコンタクト型と呼ばれる。

ソース電極２３およびドレイン電極２４は、いずれも、ＭｇＡｕ合金薄膜（たとえば膜厚４０ｎｍ）からなっており、酸化シリコン膜２２の表面に沿って（すなわち基板としてのゲート電極２１に沿って）微小な間隔（たとえば２５μｍ）を開けて対向するように形成されている。このソース電極２３およびドレイン電極２４の間の領域に有機半導体層２５が存在しており、この領域の有機半導体層２５に、ゲート電極２１が、酸化シリコン膜２２を介在させた状態で対向している。

この構成において、ソース電極２３およびドレイン電極２４の間に、ドレイン電極２４側が正となる電圧を印加すると、ソース電極２３から有機半導体層２５に電子が注入され、ドレイン電極２４から有機半導体層２５内の電子が取り出される。このとき、有機半導体層２５を通ってソース電極２３およびドレイン電極２４間に流れる電子の量は、ゲート電極２１に印加される電圧に依存する。そこで、ゲート電極２１に、段階的または連続的に変化する電圧を印加することで、ソース−ドレイン間の導通状態（オン／オフまたは電流量）を制御することができる。

より具体的には、ゲート電極２１に対して、ソース−ドレイン間を導通させるチャネルが有機半導体層２５内に形成されないように定めたオフ電圧と、有機半導体層２５内で上記のようなチャネルが生じるように定めたオン電圧との二値制御電圧を与えることで、有機半導体装置を、オン／オフ動作するスイッチング素子として作動させることができる。また、ゲート電極２１に対して、無段階に変化する制御電圧または３段階以上の多段階に変動する多値制御電圧を印加することによって、ソース−ドレイン間に流れる電流を多段階に変動させることができ、これにより電流制御動作（増幅動作）を行うことができる。

ソース電極２３およびドレイン電極２４は、図８の平面図に示すように、それぞれ、本体部２３Ａ，２４Ａと、この本体部２３Ａ，２４Ａから互いに平行に突出した複数本（図８の例では１０本）の櫛歯部２３Ｂ，２４Ｂとを有している。そして、櫛歯部２３Ｂ，２４Ｂが互いに微小な間隔を開けて嵌り合うように酸化シリコン膜２２上に配置されている。ソース電極２３の各櫛歯部２３Ｂは、その両側においてドレイン電極２４の櫛歯部２４Ｂに対向することになるから、ソース電極２３とドレイン電極２４との実質的な対向部の全長が長くなっており、これにより、有機半導体層２５への電子の注入、および有機半導体層２５からの電子の取り出しの各効率が高められていて、低電圧での駆動が可能とされている。

図９は、図７の有機半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。先ず、ゲート電極２１（シリコン基板）の上に酸化シリコン膜２２が形成される（図９(a)）。続いて、基板としてのゲート電極２１の酸化シリコン膜２２が形成された面に、レジスト膜３１が、たとえばスピンコート法によって形成される（図９(b)参照）。
続いて、レジスト膜３１の上方に、ソース電極２３およびドレイン電極２４に相当する領域に開口４０ａを有するマスク４０が配置される（図９(c)参照）。そして、マスク４０を介して紫外線（ＵＶ）が照射されて、レジスト膜３１が露光される。

次に、現像液によりレジスト膜３１が現像される。レジスト膜３１において露光された領域は変質しており、現像液に溶解される。その一方で、露光されなかった領域は、その性質を保持するため、現像液による溶解を免れる。これにより、レジスト膜３１において、露光された領域が溶解されて、開口３１ａが形成される（図９(d)参照）。
続いて、たとえば、図３に示す構成の装置を用いた蒸着法によって、Ｍｇ原子およびＡｕ原子がレジスト膜３１および開口３１ａにおいて露出している酸化シリコン膜２２上に供給され、ＭｇＡｕ合金薄膜３２が全面に形成される（図９(e)参照）。

その後、レジスト膜３１を除去することで、開口３１ａ外のＭｇＡｕ合金薄膜３２がリフトオフされ、開口３１ａに対応する部分のＭｇＡｕ合金薄膜３２が、ソース電極２３およびドレイン電極２４として酸化シリコン膜２２上に残される（図９(f)参照）。その後、ソース電極２３およびドレイン電極２４および酸化シリコン膜２２の露出表面の全域を覆うように有機半導体層２５が形成されることにより、図７に示す構成の有機半導体装置が得られる。

リフトオフ工程では、たとえば、シプレー（SHIPLEY）社のマイクロポジット・リムーバ １１６５（MICROPOSIT REMOVER 1165）による処理に引き続き、アセトン溶液中に基板を浸漬し、さらに、この浸漬状態で超音波振動が付与される。その後、ＩＰＡ中に基板を浸漬して超音波振動を付与し、さらにその後、ＩＰＡ煮沸処理が行われる。
このような有機溶剤を用いたリフトオフ工程においても、ＭｇＡｕ合金薄膜に不所望な腐食が生じることはなく、基板（ゲート電極２１）上に良好に付着したソース電極２３およびドレイン電極２４を得ることができる。

本件発明者が、原子比１：１のＭｇＡｕ合金薄膜からなるソース電極２３およびドレイン電極２４を酸化シリコン膜２２上に形成して電子顕微鏡で観察したところ、良好なパターンで酸化シリコン膜２２に付着したソース電極２３およびドレイン電極２４が観察された。その状態は、１週間を経て、有機溶媒（アセトンおよびＩＰＡ）による処理を施した後にも、変化が見られなかった。

図１０は、図７の有機半導体装置の動作特性（ＦＥＴ特性）の測定結果を示す図である。この図１０には、ＭｇＡｕ合金薄膜（ＭｇとＡｕの原子比は１：１、膜厚は４０ｎｍ）で構成したソース電極２３およびドレイン電極２４間の電圧（ドレイン電圧）に対するドレイン電流の変化が示されており、ゲート電圧Ｖｇを０Ｖ，２０Ｖ，４０Ｖ，６０Ｖ，８０Ｖ，１００Ｖとしたときの各測定結果が実線で示されている。比較例として、ソース電極２３およびドレイン電極２４をＭｇＡｇ合金薄膜で構成した場合の同様な測定結果が二点鎖線で示されている。ただし、有機半導体層２５としては、Ｃ₆−ＰＴＣ（下記化学式［化１］参照）を用い、測定は真空中（３．２×１０^-1Ｐａ）で行った。

ＭｇＡｇ合金を用いた場合には、界面での酸化の影響により特性が悪くなるのであるが、このことが図１０に表れていると言える。

図１１は、図７の有機半導体装置における電子移動度の測定結果を示しており、ソース電極２３およびドレイン電極２４を構成するＭｇＡｕ薄膜のＡｕ原子濃度に対する電子移動度の変動が示されている。ただし、ＭｇＡｕ薄膜の膜厚は４０ｎｍとし、有機半導体層２５としてＣ₆−ＰＴＣを用いた。
この図１１から、Ａｕ原子がわずかでも含まれている限り、良好な電子移動度を確保することができることが理解される。

有機半導体層２５を構成する有機半導体材料としては、Ｃ₆−ＰＴＣの他にも、Ｃ₈−ＰＴＣ、Ｃ₁₂−ＰＴＣ、Ｃ₁₃−ＰＴＣ、Ｂｕ−ＰＴＣ、Ｆ₇Ｂｕ−ＰＴＣ^*、Ｐｈ−ＰＴＣ、Ｆ₅Ｐｈ−ＰＴＣ^*、ＰＴＣＤＩ、ＴＣＮＱ、Ｃ₆₀フラーレンなどを用いることができる。これらはいずれもＮ型半導体としての特性を示し、その内部において電子の移動を生じさせることができる有機半導体材料である。

次に、この発明の第３の実施形態について、図７および図８などを参照して説明することとし、上述の第２の実施形態と同様な構成部分については、説明を省略する。
上述の第２の実施形態では、有機半導体層２５内において電子の移動を生じさせる構成としたが、この実施形態では、ＭｇＡｕ合金で構成されたソース電極２３から有機半導体層２５に注入されるとともに、同じくＭｇＡｕ合金で構成されたドレイン電極２４からは、有機半導体層２５に正孔が注入される。これにより、バイポーラ型の有機半導体ＦＥＴが構成されており、有機半導体２５内における正孔と電子との再結合による発光を生じさせることができる有機エレクトロルミネッセンス素子が構成されている。

すなわち、上記第２の実施形態では、ドレイン電極２４が電子取出電極として機能しているのに対して、この実施形態では、ドレイン電極２４は正孔注入電極として機能することになる。
有機半導体層２５を構成する有機半導体材料としては、α−ＮＰＤ、Ａｌｑ３、ＢＳＡ−１ｍ(9,10-Bis(3-cyanostilil)anthracene)、ＭＥＨＰＰＶ(Poly[2-Methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])、ＣＮ−ＰＰＰ(Poly[2-(6-cyano-6-methylheptyloxy)-1,4-phenylene])、Bis(2-(2-hydroxyphenyl)-benz-1,3-thiazolato)zinc complex、Poly[(9,9-dihexylfluoren-2,7-diyl)-co-(anthracen-9,10-diyl)]などのバイポーラ性の有機半導体材料を用いることができ、これにより、有機半導体層２５を有機半導体発光層として機能させることができる。

この構成において、ソース電極２３およびドレイン電極２４の間に、ドレイン電極２４側が正となる電圧を印加すると、ソース電極２３から有機半導体層２５に電子が注入され、ドレイン電極２４から有機半導体層２５に正孔が注入される。このとき、有機半導体層２に注入される電子および正孔の量は、ゲート電極２１に印加される電圧に依存する。そこで、ゲート電極２１に、段階的または連続的に変化する電圧を印加することで、有機半導体層内における電子および正孔の再結合を制御でき、その結果、発光状態を制御できる。

より具体的には、ゲート電極２１に対して、有機半導体層２５内での電子および正孔の再結合が起こらないように定めたオフ電圧と、有機半導体層２５内での電子および正孔の再結合が生じるように定めたオン電圧との二値制御電圧を与えることで、有機半導体装置を点灯状態と消灯状態とに制御できる。また、ゲート電極２１に対して、無段階に変化する制御電圧または３段階以上の多段階に変動する多値制御電圧を印加することによって、発光強度を無段階または多段階に変動させることができ、これにより多階調表示を行うことができる。

個々の櫛歯部２３Ｂ，２４Ｂは微小幅（たとえば５０ｎｍ）に形成されており、ゲート電極２１は櫛歯部２３Ｂ，２４Ｂが重なりあう矩形の領域２８の全体に対向しているので、この矩形領域２８は、発光時には、面発光光源として視認されることになる。
ソース電極２３の櫛歯部２３Ｂは、その両側においてドレイン電極２４の櫛歯部２４Ｂに対向することになるから、ソース電極２３とドレイン電極２４との実質的な対向部の全長が長くなっており、これにより、有機半導体層２５への電子および正孔の注入効率が高められていて、高効率での発光動作が可能となっている。

この実施形態の装置の製造方法は、上述の第２の実施形態の場合と同様である。
以上、この発明の３つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することができる。たとえば、電子注入電極と有機半導体層との間や、正孔注入電極（または電子取出電極）と有機半導体層との間に、エネルギー障壁を緩和するためのバッファ層を介在させてもよい。たとえば、有機半導体層としてＭＥＨＰＰＶを用いる場合に、バッファ層として、たとえば、ＰＥＤＯＴ(poly(ethylenedioxy)thiophene)からなるものを設けることができる。ＰＥＤＯＴからなるバッファ層は、ＭＥＨＰＰＶからなる発光層と、たとえば、ＩＴＯからなる正孔注入電極（または電子取出電極）との間のエネルギー障壁を緩和するように作用するとともに、ＭＥＨＰＰＶからなる発光層と、ＭｇＡｕ合金からなる電子注入電極との間のエネルギー障壁を緩和するように作用する。

また、上記第３の実施形態の場合には、図７に示すように、有機半導体層２５に波長変換層２７を積層することにより、有機半導体層２５で発生した光を波長変換層２７で波長変換して取り出すことができ、所望の色の光を発生させることができる。
また、図７に示された実施形態では、シリコン基板自身がゲート電極２１を構成しているが、基板とは別にゲート電極形成してもよい。すなわち、シリコン基板、シリコン基板上に酸化シリコン層を形成した基板、窒化珪素基板、ガラス基板、サファイア基板などの各種の基板上に、薄膜状のゲート電極を形成してもよい。このようなゲート電極は、高濃度に不純物を添加して低抵抗化したポリシリコン膜、ニッケル薄膜、アルミニウム薄膜などで形成することができる。

さらに、図１２に示すように、ゲート電極は、基板側ではなく、有機半導体層上に形成するようにしてもよい。なお、この図１２において、図７に示された各部に対応する部分には、図７の場合と同一の参照符号を付して示してある。
また、ゲート電極と有機半導体層との間に介在される絶縁膜は、酸化シリコンの他、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、ポリマー（たとえば、ノボラック樹脂、ポリイミド等）などで構成することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の第１の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。 図１に示された構成の改良に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。 電子注入電極の形成方法を説明するための図解図である。 図１の構造の有機半導体装置の特性を示す図である。 図２の構造の有機半導体装置の動作特性を示す図である。 ＭｇＡｕ合金薄膜におけるＡｕ原子含有率と仕事関数およびシート抵抗との関係の測定結果を示す図である。 この発明の第２および第３の実施形態に係る有機半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。 ソース電極およびドレイン電極の形状を示す平面図である。 図７の有機半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。 図７の有機半導体装置の動作特性（ＦＥＴ特性）の測定結果を示す図である。 図７の有機半導体装置における電子移動度の測定結果を示す図である。 ゲート電極の他の配置を示す図解的な断面図である。

符号の説明

１ ガラス基板
２ 正孔注入電極
３ 正孔輸送層
４ 電子輸送層
５ 電子注入電極
７ 発光領域
８ 正孔注入層
１０ 真空チャンバ
１１ ボート
１２ ボート
１３ マスク
２１ ゲート電極（基板）
２２ 酸化シリコン膜
２３ ソース電極
２３Ａ 本体部
２３Ｂ 櫛歯部
２４ ドレイン電極
２４Ａ 本体部
２４Ｂ 櫛歯部
２５ 有機半導体層
２７ 波長変換層
２８ 矩形領域
３１ レジスト膜
３１ａ 開口
３２ ＭｇＡｕ合金薄膜
４０ マスク
４０ａ 開口

Claims (17)

1. 有機半導体層と、
   ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に電子を注入する第１電極としての電子注入電極と、
   ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に接する第２電極と、
   上記有機半導体層において上記第１電極と上記第２電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極と
   を含むことを特徴とする有機半導体装置。
2. 上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、８５原子％以下のＡｕを含んでいることを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置。
3. 上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、５〜２５原子％のＡｕを含んでいることを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置。
4. 有機半導体層と、
   ＭｇＡｕ合金からなり、上記有機半導体層に電子を注入する電子注入電極とを含み、
   上記電子注入電極を構成するＭｇＡｕ合金は、５〜２５原子％のＡｕを含んでいる
   ことを特徴とする有機半導体装置。
5. 上記第２電極は、上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機半導体装置。
6. 上記有機半導体層に正孔を注入する正孔注入電極をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の有機半導体装置。
7. 上記有機半導体層において上記電子注入電極と上記正孔注入電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の有機半導体装置。
8. 上記絶縁膜に接触して、この絶縁膜に平行な方向に間隔を開けて上記電子注入電極および上記正孔注入電極が形成されており、
   上記絶縁膜上において上記電子注入電極および正孔注入電極の間の領域に上記有機半導体層が形成されていることを特徴とする請求項５または７記載の有機半導体装置。
9. 上記電子注入電極および上記正孔注入電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有していることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の有機半導体装置。
10. 上記有機半導体層は、上記電子注入電極から注入された電子と上記正孔注入電極から注入された正孔との再結合により発光する有機半導体発光層を含むことを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の有機半導体装置。
11. 上記第２電極は、上記有機半導体層から電子を取り出す電子取出電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機半導体装置。
12. 上記有機半導体層から電子を取り出す電子取出電極をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の有機半導体装置。
13. 上記有機半導体層において上記電子注入電極と上記電子取出電極との間の領域に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の有機半導体装置。
14. 上記絶縁膜に接触して、この絶縁膜に平行な方向に間隔を開けて上記電子注入電極および上記電子取出電極が形成されており、
    上記絶縁膜上において上記電子注入電極および電子取出電極の間の領域に上記有機半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１１または１３記載の有機半導体装置。
15. 上記電子注入電極および上記電子取出電極は、間隔を開けて、互いに嵌め合わされるように配置された櫛歯形状部をそれぞれ有していることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の有機半導体装置。
16. 第１電極および第２電極が接する有機半導体層において上記第１電極と上記第２電極との間の領域に対して絶縁膜を介してゲート電極が対向する有機半導体装置の製造方法であって、
    基板上にＭｇＡｕ合金からなる電極膜を形成する工程と、
    上記電極膜をリソグラフィ工程によってパターニングすることにより、間隔を開けて上記第１電極および上記第２電極を形成する工程と、
    上記形成された第１電極および第２電極を覆うように上記有機半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする有機半導体装置の製造方法。
17. 基板上に、５〜２５原子％のＡｕを含むＭｇＡｕ合金からなる電極膜を形成する工程と、
    上記電極膜をリソグラフィ工程によってパターニングすることにより、電極を形成する工程と、
    上記形成された電極を覆うように有機半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする有機半導体装置の製造方法。

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