電晶體元件及其製造方法以及發光元件和顯示器的製作方法

2023-07-14 17:06:46 2

專利名稱：電晶體元件及其製造方法以及發光元件和顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電晶體元件及其製造方法以及發光元件和顯示器，更具體地說，涉及 可以在發射極-集電極之間以低電壓進行大電流調製的電晶體元件及其製造方法，以及具 有該電晶體元件的發光元件和顯示器。
背景技術：
近年來，關於使用有機電晶體的顯示器的嘗試例子已經有多個報導，其大多是將 有機場效應電晶體(有機FET)與液晶或電泳池組合而成，使用有機EL的例子幾乎未見報 道。這是由於，現有的有機FET中，難以使作為電流驅動裝置的有機EL流過開關的大電流。 因此，人們希望開發以更低的電壓且大電流動作的有機FET。以目前已知的有機材料的遷移率為前提時，為實現上述需求而必需縮短溝道長 度，但在考慮了顯示器的量產的圖像技術中，難以將溝道長度製成幾ym以下。為解決該 問題，人們正在研究通過沿膜厚方向流入電流、可以以低電壓且大電流動作的「縱式電晶體 結構」。通常，夾層裝置中使用的膜厚是幾十nm，並且能夠以幾人級的高精度控制，因此， 通過將通道製成膜厚方向，可以容易地實現Iym以下的短的溝道長度。作為上述縱式有 機電晶體，目前有人提出了聚合物柵極三級管結構、靜電感應式電晶體(Static Induction Transistor，SIT)等方案。最近有人提出通過只製造單純的半導體/金屬/半導體疊層結構，可以獲得表 達高性能電晶體特性的有機電晶體元件(參照非專利文獻1)。該有機電晶體元件中，通 過由發射極注入的電子透過中間金屬電極，觀測到與雙極性電晶體類似的電流放大，其 中間金屬電極發揮基極的作用，因此被稱為金屬基極有機電晶體(Metal-Base Organic Transistor, MBOT)。非專利文獻 1 :S. Fujimoto, K. Nakayama,禾口 Μ. Yokoyama, App 1. Phys. Lett.，87， 133503 (2005)。但是，上述電晶體動作並不是只要製成半導體/金屬/半導體的疊層結構 即可一定觀測到。

發明內容
本發明的目的在於提供在發射極-集電極之間可以以低電壓進行大電流調製的 電晶體元件。本發明的另一目的在於提供上述電晶體元件的製造方法，還提供具有該晶體 管元件的發光元件和顯示器。(第1電晶體元件)本發明的第1電晶體元件的特徵在於具備發射極、集電極、設於發射極與集電極 之間的半導體層和片狀基極。
本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述半導體層包含設置於上述集電極和上 述基極之間的第1半導體層、和設置於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層。根據該發明，在發射極和集電極之間設有半導體層，且在該半導體層中設有片狀 基極，因此，如果在發射極和集電極之間施加集電極電壓(二 >々々電圧)、進一步在發射 極和基極之間施加基極電壓( 一7電圧)，則通過該基極電壓的作用，由發射極注入的電 荷(電子或空穴)顯著加速，透過基極，到達集電極。即，通過施加基極電壓，可以使在發射 極-集電極之間流過的電流放大。根據該發明，片狀的基極是將由發射極供給的電荷用基 極電壓加速，形成彈道電子或彈道空穴，並以該彈道電子或彈道空穴可容易地透過集電極 一側的半導體層內的範圍的厚度全面形成，因此，電荷在所形成的整個面上被顯著加速，並 且加速的電荷可容易地透過基極。另一方面，根據本發明人的研究，基極未設置成片狀時 (即，基極包含孔洞、裂隙等缺陷部位時)，該缺陷部中，由發射極注入的電荷並未被怎麼加 速，因此，該部分的電荷難以透過基極，結果，在發射極-集電極之間流過的電流整體並不 能大幅放大，同時，各部位的電流量增加產生不均勻。因此，根據本發明的電晶體元件，可 以穩定地獲得與雙極性電晶體同樣的電流放大作用。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述基極的厚度為SOnm以下。根據該發明，基極的厚度為SOnm以下，因此可以使以基極電壓Vb加速的彈道電子 或彈道空穴容易地透過。結果，電荷在片狀基極的整個面上顯著加速，並且加速的電荷可容 易地透過基極。基極只要是在半導體層中沒有斷開(沒有孔洞或裂隙)地設置即可，因此， 其厚度的下限沒有特別限定，通常為Inm左右即可。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述基極的表面具有凹凸形狀。具有凹凸形狀的基極(或者也可稱為表面粗糙度粗的基極)即使在形成規定的平 均厚度的基極時也具有厚處和薄處，根據本發明，基極具有凹凸形狀時，可以穩定地獲得電 流放大作用。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述集電極和上述基極之間設置的半導體 層是結晶性的半導體層。設於集電極和基極之間的結晶性半導體層的表面是凹凸形狀(也可以稱為表面 粗糙度粗)，因此，設於該結晶性半導體層上的基極也以凹凸形狀形成。具有凹凸形狀的基 極即使在形成規定的平均厚度的基極時也具有薄處和厚處，根據本發明，基極具有凹凸形 狀時，可以穩定地獲得電流放大作用。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述半導體層的結晶粒徑的大小是上述基 極厚度以上或者是基極厚度左右的大小，是可以在上述基極表面賦予凹凸形狀的大小。根據本發明，上述結晶性半導體層的結晶粒徑為基極的厚度以上或者是基極厚度 左右的大小，是可以對該基極賦予凹凸形狀的大小，因此，如果在其上形成基極，則可容易 地形成具有凹凸形狀的基極。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述基極含有金屬，該基極的一個面或者 兩個面上形成有該基極的氧化膜。本發明的第1電晶體元件的特徵在於設於上述集電極和上述基極之間的第1半 導體層、和設於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層用不同的半導體材料形成。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述第1半導體層和上述第2半導體層由空穴傳輸材料或電子傳輸材料形成。本發明的第1電晶體元件的特徵在於設於上述集電極和上述基極之間的第1半 導體層、或設於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層由有機化合物形成。本發明的第1電晶體元件的特徵在於設於上述集電極和上述基極之間的第1 半導體層的厚度Tl、以及設於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層的厚度T2的比 (T1/T2)在 1/1-10/1 的範圍內。本發明的第1電晶體元件的特徵在於在上述發射極和與該發射極相鄰的半導體 層之間具有電荷注入層。本發明的第1電晶體元件的特徵在於上述電荷注入層含有LiF、Ca等鹼金屬或其 化合物。(第2電晶體元件)本發明的第2電晶體元件的特徵在於具備發射極、集電極、設於發射極和集電極 之間的半導體層和片狀的基極，至少上述發射極和上述基極之間、或上述集電極和上述基 極之間設置有暗電流抑制層。該第2電晶體元件解決了在上述第1電晶體元件的發射極-集電極之間例如施加 5V的電壓Vc時，如果在發射極-基極之間施加小的電壓Vb或者不施加電壓Vb，則基極-集 電極之間流過動作所必須的電流成分以外的漏電流，導致0N/0FF比降低的問題，其目的在 於提供在半導體層中插入薄片狀的基極所得的電晶體元件中，可以抑制動作所必須的漏 電流，使0N/0FF比提高的電晶體元件。根據本發明，至少在發射極和基極之間、或者集電極和基極之間設置暗電流抑制 層，因此，通過該暗電流抑制層可以有效地抑制在發射極-基極之間施加小電壓Vb時或不 施加電壓Vb時，在基極-集電極之間電晶體動作必須的電流成分以外的漏電流(稱為「暗 電流」(開關OFF時所流過的電流))的流過，結果，可以使0N/0FF比提高。暗電流抑制層 有如下功能例如可以有效地抑制在發射極-基極之間不施加電壓Vb時的暗電流，但對於 在發射極-基極之間施加Vb時的所謂的ON電流則幾乎不妨礙。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層設於上述集電極和上述 基極之間。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層與上述基極相鄰接地設置。根據這些發明，暗電流抑制層設於集電極和基極之間，由此可以有效地抑制暗電 流流過，結果可以使0N/0FF比提高。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層是有機系絕緣層或無機 系絕緣層。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層是有機系半導體層或無 機系半導體層。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層由氧化矽或氧化鋁形 成。本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層通過上述基極的化學反 應形成。
本發明的第2電晶體元件的特徵在於上述暗電流抑制層的厚度為20nm以下。本發明的第2電晶體元件的特徵在於在上述發射極和上述基極之間、或者上述 集電極和上述基極之間設置的半導體層由有機化合物形成。(電晶體元件的製造方法)本發明的電晶體元件的製造方法是具備發射極、集電極、設於發射極和集電極之 間的半導體層和片狀基極的電晶體元件的製造方法，其特徵在於具備以下步驟設置基極 的步驟；使上述基極發生化學反應，至少在上述發射極和上述基極之間、或上述集電極和上 述基極之間形成暗電流抑制層的步驟。本發明的電晶體元件的製造方法的特徵在於設置了上述基極之後，使該基極的 一部分氧化，形成上述暗電流抑制層。本發明的電晶體元件的製造方法的特徵在於設置上述基極之後，對該基極進行 加熱處理，形成上述暗電流抑制層。根據這些發明，可以容易地形成暗電流抑制層，抑制漏電流，可以容易地提供ON/ OFF比提高的電晶體元件。(電子裝置)本發明的電子裝置的特徵在於在具有電晶體元件作為開關元件的電子裝置中， 電晶體元件具備發射極、集電極、設於發射極和集電極之間的半導體層和片狀基極。本發明的電子裝置的特徵在於在具有電晶體元件作為開關元件的電子裝置中， 電晶體具備發射極、集電極、設於發射極和集電極之間的半導體層和片狀基極，至少在上述 發射極和上述基極之間、或者上述集電極和上述基極之間設置有暗電流抑制層。本發明可以將第1或第2電晶體元件作為開關元件，製成例如與有機EL元件組合 的電子裝置。根據這些發明，上述第1或第2電晶體元件可以以低電壓進行大電流調製，因此， 可以提供作為有機EL的開關元件的驅動電晶體優選組合而成的電子裝置。(發光元件)本發明的第1發光元件的特徵在於具備發射極、集電極、設於發射極和集電極之 間的半導體層以及片狀的基極、設於基極和集電極之間的有機EL層，有機EL層含有至少1 層以上的發光層。本發明的第2發光元件的特徵在於具備發射極、集電極、設於發射極和集電極之 間的半導體層和片狀的基極、至少設於發射極和基極之間或集電極和基極之間的暗電流抑 制層、設於基極和集電極之間的有機EL層，有機EL層含有至少1層以上的發光層。近年來，已知顯示實用性能的有機發光電晶體是使用縱式有機SIT (工藤一浩「有 機電晶體的現狀和未來展望」，應用物理，第72卷，第9號，第1151頁-第1156頁，2003年)， 但其性能尚未另人滿意，今後，其性能的進一步提高成為研究方向。本發明的發光元件在基 極和集電極之間具有有機EL層，該有機EL層含有至少一層以上的發光層，因此，可通過大 電流形成面狀發光。並且，這種情況不需要以往的如SIT結構的基極精細製圖(微細〃夕 一二 >夂)，同時，以低電壓即可以進行大電流調製，並且可以使0N/0FF比提高，因此可以 提供含有簡單結構的實用型發光元件。本發明的第1和第2發光元件中，優選(a)上述有機EL層具有選自空穴傳輸層、電子傳輸層、空穴注入層和電子注入層中的1或2以上的層；或者(b)上述有機EL層具有 激子阻擋層(勵起子^ 口 7夕層)。(顯示器)本發明的顯示器的特徵在於具備基板、基板上的發光元件，發光元件具備發射 極、集電極、設於發射極和集電極之間的半導體層以及片狀基極、設於基極和集電極之間的 有機EL層，有機EL層含有至少1層以上的發光層。根據本發明，可以形成實用的顯示器。根據本發明的第1電晶體元件，片狀的基極是以被基極電壓Vb加速的彈道電子或 彈道空穴可容易地透過的範圍的厚度全面形成，因此，電荷在形成的整個面上顯著加速，並 且加速的電荷容易透過基極。結果，本發明的第1電晶體元件可以穩定地獲得與雙極性晶 體管相同的電流放大作用。根據本發明的第2電晶體元件，通過暗電流抑制層，在發射極-基極之間施加小電 壓Vb時或不施加電壓Vb時，可有效抑制暗電流流過，因此，可以使0N/0FF比提高，可以使 電晶體的對比度提高。根據本發明的第2電晶體元件的製造方法，可以容易地形成暗電流抑制層，可抑 制暗電流，可容易地提供使0N/0FF比提高的電晶體元件。根據本發明的電子裝置，上述第1或第2電晶體元件可以以低電壓進行大電流調 制，因此，可以提供作為有機EL的開關元件的驅動電晶體優選組合而成的電子裝置。根據本發明的發光元件，在構成上述第1或第2電晶體元件的基極和集電極之間 具有有機EL層，該有機EL層含有至少1層以上的發光層，因此可實現大電流的面狀發光。 並且，這種情況不需要象以往的SIT結構的基極的精細製圖，同時可以以低電壓進行大電 流調製，並且可以使0N/0FF比提高，因此，可以提供含有簡單結構的可實用的發光元件。


圖1是表示本發明的第1電晶體元件的一個例子的截面示意圖。圖2是表示集電極電流相對於集電極電壓的變化的圖。圖3是表示基極電流的變化相對於集電極電流的變化的比率(電流放大率(hFE)) 的圖。圖4(A) (B)是除基極的厚度之外、採用與圖2和圖3中測定的電晶體元件相同的 構成時，調製電流量Ic(A)和電流放大率hFE(B)與基極膜厚的相關性的圖。圖5是表示使基極的厚度發生變化時的電流透過率α的圖。圖6㈧⑶是使基極的形成材料改變時的基極電壓與來自發射極的注入電流㈧ 和到達集電極的到達電流(B)的相關性的圖。圖7是本發明的電晶體元件的能量圖。圖8是表示本發明的第2電晶體元件的一個例子的截面示意圖。圖9是表示第2電晶體元件的另一例子的截面示意圖。圖10是表示採用圖8的第2電晶體元件時ON電流和OFF電流的路徑的圖。圖11是表示採用圖9的第2電晶體元件時ON電流和OFF電流的路徑的圖。圖12是形成氧化矽膜作為暗電流抑制層時，ON電流、0N/0FF比的實驗結果圖。
圖13是表示未形成暗電流抑制層時的集電極電流的圖。圖14是表示通過自然氧化形成暗電流抑制層後的集電極電流的圖。圖15是放置在大氣環境中的時間與0N/0FF比的關係。圖16是表示在第1電晶體元件的基極和集電極之間具有有機EL層、該有機EL層 至少含有1層以上發光層的發光元件的一個例子的截面示意圖。圖17是表示在第2電晶體元件的基極和集電極之間具有有機EL層、該有機EL層 至少含有1層以上發光層的發光元件的一個例子的截面示意圖。圖18是圖16所示構成的發光元件的實驗例，表示施加一定的電壓作為集電極電 壓Vc，同時使基極電壓Vb改變時EL亮度的變化圖。圖19是表示使用本發明的電晶體元件的有機EL的開關結構的截面示意圖。圖20是表示在共面型裝置上施加總電壓VDD、同時施加基極電壓Vb時的電流路 徑的示意圖。圖21是表示圖19所示的共面型串聯裝置(直列7〃 ^ ^ )中的亮度調製特性的 圖。
具體實施例方式以下，對於本發明的電晶體元件及其製造方法以及發光元件和顯示器，以第1晶 體管元件、第2電晶體元件、第2電晶體元件的製造方法、發光元件和顯示器的順序進行說 明。這些發明只要具有各自的技術性特徵即可，可以有各種變形，並不限於以下具體給出的 實施方案。(第1電晶體元件)圖1是本發明的第1電晶體元件的一個例子的截面示意圖。本發明的第1電晶體 元件10如圖1所示，具備發射極3、集電極2、配置在發射極3和集電極2之間的半導體層 5(5A、5B)和片狀的基極4。具體來說，該半導體層5具有設於集電極2和基極4之間的第 1半導體層5A、和設於發射極3和基極4之間的第2半導體層5B。符號1表示基板。含有 上述形式的第1電晶體元件10具有以下優點可以是縱式電晶體元件，但不需要柵極、條紋 等的精細電極的製圖。該第1電晶體元件的具體例子例如有以厚度IOOnm的透明ITO電極作為集 電極2，通過真空蒸鍍等成膜方法在其上依次層疊將包含作為η型有機半導體的茈顏料 (Me-PTC，平均厚度500歷)的第1半導體層5A、包含氧化矽的厚度2. 5nm或5nm的暗電流抑 制層6、包含鋁的平均厚度20nm的基極4、包含富勒烯(C60，平均厚度IOOnm)的第2半導體 層5B、包含銀的平均厚度30nm的發射極3得到的電晶體元件。ON電流和OFF電流是測定 在發射極-集電極之間施加5V的集電極電壓Vc、再在發射極-基極之間施加基極電壓Vb 時和不施加時的集電極電流Ic和基極電流Λ的變化量進行。如圖2所示，已知不施加基極電壓Vb時(Vb = 0)，在發射極-集電極之間幾乎沒 有電流流過，但通過施加基極電壓Vb，電流量大幅增加，可知進行了電流調製。如圖2所示， Vc = 5V和Vb = 3V時的電流密度達到350mA/cm2，該電流密度是例如足以使有機EL發數 千cd/m2的光的大電流量。通常，如果採用FET結構，則源·漏電壓、門極壓均需要數十伏， 由此也可以容易地理解本發明的第1電晶體元件10可以以低電壓進行大電流調製。此時，
8基極4雖然與半導體層5直接接觸，但幾乎不發生電流向基極4的流入，結果如圖3所示， 基極電流的變化相對於集電極電流的變化比率、即電流放大率(hFE)超過1，最大達到170。 這樣可以確認，本發明的第1電晶體元件可作為在表觀上與雙極性電晶體同樣的電流放大 型電晶體元件發揮功能。S卩，第1電晶體元件10在發射極3和集電極2之間設置有半導體層5(5A、5B)，且 在該半導體層5中設有片狀基極4，因此，如圖2和圖3所示的本發明的第1電晶體元件10 的電晶體性能是基於以下的原理在發射極3和集電極2之間施加集電極電壓Vc，再在發 射極3和基極4之間施加基極電壓Vb，則通過該基極電壓Vb的作用，由發射極3注入的電 荷(電子或空穴)顯著加速，透過基極4到達集電極2。即，通過施加基極電壓Vb，可以使 在發射極-集電極之間流過的電流放大。該第1電晶體元件10中，片狀基極4是以使被基 極電壓Vb加速的彈道電子或彈道空穴可容易地透過的厚度全面形成(圖1中，是規定的有 效寬度W)，因此，電荷在形成的整個面上顯著加速，並且加速的電荷容易透過基極4。因此， 根據本發明的第1電晶體元件10，可以穩定地獲得與雙極性電晶體同樣的電流放大作用。以下，對構成本發明的第1電晶體元件的各層和各電極進行說明。(基板)圖1中，在基板上形成本發明的第1電晶體元件，該基板1的種類或結構沒有特別 限定，可根據所層疊的各層的材質等適當決定，例如可以使用含有Al等的金屬、玻璃、石英 或樹脂等各種材料的。如後述的本發明的發光元件，為光由基板1 一側射出的底部發光結 構的有機發光元件時，優選以透明或半透明的材料形成基板，在製造光由發射極3—側射 出的頂部發光結構的有機發光元件時，不一定使用透明或半透明的材料，可以以不透明材 料形成基板。可特別優選使用通常作為有機EL元件的基板使用的、即，可強力支撐有機EL元件 的材料。基板的材質可根據用途選擇柔性的材質或硬質材質等。具體可使用的材料例如 有玻璃、石英、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸 甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚酯、聚碳酸酯等。基板1的形狀可以是單片狀(枚葉狀)也可以是 連續狀，其具體形狀例如有卡片狀、薄膜狀、盤狀、片狀(千,7。狀)等。(電極)構成本發明的第1電晶體元件的電極有集電極2、發射極3和基極4，如圖1所 示，通常集電極2設於基板1上，基極4設計成埋入半導體層5 (第1半導體層5A和第2半 導體層5B)內，發射極3設於與集電極2相對的位置上，設計成夾持半導體層5和基極4的 方式。電極材料可使用金屬、導電性氧化物、導電性高分子等的薄膜。基板1和集電極2之 間可以設有阻擋層(〃 U 7層)或平滑層等。例如，構成本發明的第1電晶體元件的半導體層5為包含有機化合物的電子傳輸 層時，集電極2的形成材料例如有ΙΤ0(氧化銦錫)、氧化銦、IZO(氧化銦鋅)、Sn02、Zn0等 透明導電膜，金、鉻等功函數大的金屬、聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物、聚矽烷衍生物 等導電性高分子等。另一方面，發射極3的形成材料有鋁、銀等單體金屬，MgiVg等鎂合金， AlLi, AlCa, AlMg等鋁合金，以Li、Ca為代表的鹼金屬類，這些鹼金屬類的合金等功函數小 的金屬等。另一方面，構成本發明的第1電晶體元件的半導體層5為包含有機化合物的空穴傳輸層時，上述集電極2的形成材料和上述發射極3的形成材料相反。另外，基極4與半導體層5的構成材料形成肖特基接觸，因此，作為基極4的形成 材料，可以列舉與上述集電極2或發射極3所使用的電極同樣的電極。基極4發揮將由發 射極3供給的電荷強制性地供給到集電極2 —側的第1半導體層5A內的作用，因此，基極 4的形成材料不一定需要是容易將電荷注入到第1半導體層5A的材料。但是，如果集電極 2 一側的第1半導體層5A是空穴注入層或具有空穴注入材料的層，則優選以功函數小的材 料形成基極4，而該第1半導體層5A是電子注入層或具有電子注入材料的層時，優選以功 函數大的材料形成基極4。上述基極4的形成材料例如可優選使用鋁、銀等單體金屬，MgAg 等鎂合金，AlLi, AlCa, AlMg等鋁合金，以Li、Ca為代表的鹼金屬類，LiF等鹼金屬類的合 金等功函數小的金屬等，只要可以與電荷(空穴、電子)注入層形成肖特基接觸即可，可以 使用ITO (氧化銦錫)、氧化銦、IZO (氧化銦鋅)、Sn02、Zn0等透明導電膜，金、鉻等功函數大 的金屬，聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物、聚矽烷衍生物等導電性高分子等。如後述的本發明的發光元件，為光由基板1 一側射出的底部發光結構的有機發光 元件時，優選至少將集電極2用透明或半透明的材料形成，另一方面，製造光由發射極3 — 側射出的頂部發光結構的發光元件時，優選以透明或半透明材料形成基極4和發射極3。通 過上述構成，可以提高取光效率。透明或半透明的電極材料優選使用ITO(氧化銦錫)、氧化 銦、IZO (氧化銦鋅)、SnO2, ZnO等透明導電膜。上述各電極中，對於集電極2和發射極3，通過真空蒸鍍、濺射、CVD等真空工藝或 塗布形成，其膜厚根據所使用的材料等而不同，例如優選為IOnm-IOOOnm左右。它們的膜厚 是通過透射式電子顯微鏡(TEM)，對厚度方向的試樣截面測定5個位置的平均值。圖4是除基極的厚度之外、使用與上述圖2和圖3中測定的電晶體元件相同的構 成時，調製電流量Ic(圖4(A))和電流放大率hFE(圖4(B))與基極的膜厚的相關性的圖。 圖5是表示使基極4的厚度變化時的電流透過率α的圖。圖5所示的電流透過率α通過 [Ic(到達集電極的電荷)]/[Ic+Ib(由發射極注入的電荷)]表示。如圖4所示，調製電流量Ic和電流放大率hFE均隨著基極4的增厚而急劇減少， 為了獲得充分的電晶體性能，可知薄的基極4是必須的。此時，計算由發射極3注入的電荷 相對於到達集電極2的電荷的比率一電流透過率α，如圖5所示，可知在基極4的厚度為 40nm以下時，顯示99%左右非常高的值。這意味著來自發射極3的電荷幾乎全部透過了基 極4。結果，可得到與雙極性電晶體同樣的電流放大作用。因此，對於基極4，優選其厚度為40nm以下，如圖4所示，低於SOnm時也可以使用。 40nm以下的厚度是可使被基極電壓Vb加速的彈道電子或彈道空穴容易地透過半導體層內 的厚度，因此，電荷(電子或空穴)在片狀基極4的整個面上顯著加速，並且加速的電荷可 容易地透過基極4。另外，基極4隻要在半導體層5中沒有斷開地(沒有孔洞或裂隙等缺陷 部位)設置即可，因此，其厚度下限沒有特別限定，通常是Inm左右。基極4的厚度通過透 射式電子顯微鏡測定厚度方向的試樣截面得到。圖6是使基極4的形成材料改變時的基極電壓與來自發射極3的注入電流(圖 6(A))和到達集電極2的到達電流(圖6(B))的相關性的圖。該圖是使基極4的厚度為 40nm,除此之外使用與上述圖2和圖3測定的電晶體元件相同的構成進行測定所得。如圖6 所示，即使改變基極電壓Vb時，來自發射極3的注入電流和到達集電極2的到達電流也幾乎相同，在使基極4的材料為LiF/Al、Au、Ag的各試樣中，電流透過率α [Ic/(Ic+Ib)]以 0. 99的高几率透過基極4。如圖6所示，將使基極4的材料為LiF (厚度0. 5nm)/Al (厚度IOOnm)、Au (厚度 30nm)、Ag (厚度30nm)的各試樣進行對比，電流值大小不同，LiF/Al最高，Ag、Au依次降低。 由該結果可知，根據基極4的材料不同，電流值的大小不同，但材料與電流透過率α的相關性小。基極4設置成片狀、且使其厚度為規定厚度以下時，其顯示高的電流透過率α的 機理尚未明確，目前考慮可能是以下機理。本發明中，基極4設成片狀時(即，基極4不含有孔洞或裂隙等缺陷部時)，由發射 極3注入的電荷在片狀基極4整個面上被加速，由發射極3注入的電荷幾乎全部形成彈道 電子或彈道空穴，透過基極4。結果，到達集電極的電荷的量與由發射極注入的電荷的量大 致相同，整體顯示顯著的電流放大作用。另一方面，根據本發明人的研究，在製造基極4未 設置成片狀的試樣(即，基極4是含有孔洞或裂隙等缺陷部的試樣)時，結果，到達集電極 的電荷的量比由發射極注入的電荷的量少，可以確認ON/OFF比減小。其原因是由於，在該 缺陷部，由發射極3注入的電荷無法加速，其部分電荷難以透過基極4，各部位電流量的增 加不均勻。另外，基極4為規定厚度以下時顯示高的電流透過率α，這可以認為是由於由發 射極3注入的電荷以彈道電子或彈道空穴的形式透過基極4。即，薄的基極4具有與雙極性 電晶體的基層同樣的作用(即，防止載流子向基層流入，同時只引起發射極電流的增加的 作用)，人們提出了圖7所示的能量圖。由圖7可知，通過在發射極-基極之間施加的基極 電壓Vb，使由發射極3向包含C60的第2半導體層5B的電荷注入電流增大，該電荷不會落 入基極4中，以高几率到達包含Me-PTC的第1半導體層5A的傳導帶，被集電極2收集，結 果，可以得到大的集電極電流調製。電荷能夠以彈道形式透過基極4中的距離(電子或空 穴的平均自由程)通常認為是幾nm至幾十nm左右，這與上述的優選40nm以下的厚度的本 發明的實驗結果大致一致。可以使基極4的表面具有凹凸形狀。具有該凹凸形狀的基極4也可以稱作表面粗 糙度粗的基極，這樣的基極4即使在形成規定的平均厚度的基極時有薄處也有厚處。含有 上述構成的基極可以穩定地獲得電流放大作用，因此優選。含有凹凸形狀的表面形狀可通 過接觸式表面形狀測定裝置(製造商SL0AN THECHN0L0GY，型號DEKTAK3)或AFM(Seiko Instruments, SPI3800)評價。例如，設於集電極2和基極4之間的第1半導體層5A用結晶性有機化合物真空蒸 鍍時，形成基極4的一側的第1半導體層5A的表面形成凹凸形狀。因此，設於該結晶性的 第1半導體層5A上的基極4也以凹凸形狀形成。具有凹凸形狀的基極4即使形成規定的 平均厚度的基極4，也是有薄處和厚處，根據本發明，基極4具有凹凸形狀時可以穩定地獲 得電流放大作用。構成結晶性半導體層的材料優選顯示上述圖2或圖3的結果的電晶體元件的構成 材料——作為η型有機半導體的茈顏料(Me-PTC)。其它材料有後述化學式所示的C60、 NTCDA、PTCDA或W1-Et-PTC。也可以是它們以外的有機化合物。通過X射線衍射法測定作 為該η型有機半導體的茈顏料(Me-PTC，厚度400nm)用真空蒸鍍形成時基極4 一側的表面，結果可得到明確的結晶性峰。另外，C60、NTCDA、PTCDA或W1-Et-PTC中，通過X射線衍射法 測定的結果也得到了結晶性峰。顯示上述圖2或圖3的結果的電晶體元件的結晶性半導體 層5A的表面粗糙度反映了設於其上的基極4的表面粗糙度。由此可以確認顯示上述圖2 或圖3的結果的電晶體元件的基極4具有規定的表面粗糙度(凹凸形狀)時，可以穩定地 獲得電流放大作用。結晶性的半導體層的結晶粒徑可通過透射式電子顯微鏡測定，其結晶粒徑為基極 4的厚度以上或厚度程度的50nm或其以上。這樣，如果使結晶性第1半導體層5A的結晶粒 徑為基極4的厚度以上，則通過在該第1半導體層5A上形成基極4，可以容易地形成具有凹 凸形狀的基極。結晶性半導體層的表面粗糙度Rz通過AFM(Seiko Instruments, SPI3800) 評價，Me-PTC 時為 200nm-400nm 左右，NTCDA 時為 300nm-500nm，C60 時為 50nm-100nm。Rz 按照JIS B0601測定。也可以為如下結構，即，基極4包含金屬，在該基極4的一個面或兩個面上形成基 極4的氧化物薄膜。另外，在半導體層5(5A、5B)上形成電極膜時，電極成膜時，可以在半 導體層5上設置用於減輕施加於該半導體層5的損傷的保護層(未圖示)。保護層例如有 Au、Ag、Al等半導體膜或SiS、ZnSe等無機半導體膜等的蒸鍍膜或濺射膜，在成膜時優選以 l-500nm左右的厚度預先形成成膜時難以產生損傷的膜。(半導體層)作為構成本發明的第1電晶體元件的半導體層5，可以列舉各種半導體材料，通常 可列舉電荷傳輸特性良好的電荷傳輸材料。其形式優選以下(i)設於集電極2和基極4之 間的第1半導體層5A、設於發射極3和基極4之間的第2半導體層5B以不同的半導體材 料形成；(ii)第1半導體層5A和第2半導體層5B由空穴傳輸材料或電子傳輸材料形成； (iii)發射極3和基極4之間、或集電極2和基極4之間設置的半導體層5A、5B均由有機化 合物形成；(iv)設於集電極2和基極4之間的第1半導體層5A的厚度Tl、設於發射極3和 基極4之間的第2半導體層5B的厚度T2的比(T1/T2)在1/1-10/1的範圍內，優選3/1-7/1 的範圍內；(ν)在發射極3、與發射極3鄰接地的第2半導體層5B之間具有電荷注入層；或 (vi)該電荷注入層由LiF、Ca等鹼金屬或其化合物形成。半導體層5(5A，5B)的形成材料可以是後述實驗例中使用的Alq3、C60、NTCDA、 PTCDA、Me-PTC或Ph-Et-PTC，另外可以使用蒽醌二甲烷(7 >卜，* 7夕乂夕 > )、亞芴基 甲烷、四氰基乙烯、芴酮、二吩醌喝二唑(夕7工乂 # ^ >才#寸夕7、/一> )、蒽酮、噻喃 二氧化物、二吩醌、苯醌、丙二腈、二硝基苯、硝基蒽醌、馬來酸酐或茈四甲酸、或它們的衍生 物等通常作為電荷傳輸材料使用的材料。另外，設於集電極2和基極4之間的第1半導體 層5A可以使用在後述的本發明的發光元件的說明欄中列舉的發光層形成材料。優選半導體層5(5A、5B)的電荷遷移率儘量高，優選至少為0. 001 cm2/Vs以上。另 外，集電極2 —側的第1半導體層5A的厚度通常是300nm-1000nm左右，優選400nm-700nm 左右。其厚度低於300nm時或超過IOOOnm時，有時電晶體不動作。另一方面，優選發射極 3 一側的第2半導體層5B的厚度基本上比第2半導體層5B薄，通常是500nm左右以下，優 選50nm-150nm左右。其厚度低於50nm時，發生導通的問題，成品率降低。設於集電極2和基極4之間的第1半導體層5A的形成材料可使用以下各有機化 合物進行實驗。實驗是使用以下的電晶體元件以厚度IOOnm的透明ITO電極作為集電極2，通過真空蒸鍍等成膜方法在其上依次層疊包含選自下述五種化合物(Alq3、C60、NTCDA、 PTCDA、Me-PTC)的一種的第1半導體層5A、包含鋁的平均厚度20nm的基極4、包含富勒烯 (C60、平均厚度IOOnm)的第2半導體層5B、包含銀的平均厚度30nm的發射極3得到的晶體 管元件。關於第1半導體層5A的厚度，Alq3、C60為100nm、NTCDA、PTCDA、Me_PTC為lOOnm。對於上述製造的五種電晶體元件，使集電極電壓Vc為5A、將基極電壓Vb在0V-3V 的範圍內調製。輸出調製特性的測定與圖2和圖3同樣，在發射極-集電極之間施加集電 極電壓Vc，再在發射極-基極之間施加基極電壓Vb，測定此時的集電極電流Ic和基極電流 Ib的變化量。另外，計算基極電流的變化相對於集電極電流變化的比率，即，計算電流放大 率(hFE)。表1表示該結果。[化1]
權利要求
1.電晶體元件，其特徵在於該電晶體元件具備發射極、集電極，在發射極與集電極之 間依次設有有機半導體層和厚度為40nm以下的基極。
2.權利要求1所述的電晶體元件，其特徵在於上述有機半導體層設置於上述發射極 和上述基極之間以及上述集電極和上述基極之間。
3.權利要求1所述的電晶體元件，其特徵在於上述基極的表面具有凹凸形狀。
4.權利要求1所述的電晶體元件，其特徵在於上述有機半導體層具有結晶性，其結晶 粒徑的大小是上述基極的厚度以上或者是基極厚度程度的大小，是可以在上述基極表面賦 予凹凸形狀的大小。
5.權利要求1所述的電晶體元件，其特徵在於上述基極包含金屬，在該基極的一個面 或者兩個面上形成該基極的氧化膜。
6.權利要求2所述的電晶體元件，其特徵在於設於上述集電極和上述基極之間的第1 半導體層、和設於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層用不同的半導體材料形成。
7.權利要求6所述的電晶體元件，其特徵在於上述第1半導體層和上述第2半導體 層由空穴傳輸材料或電子傳輸材料形成。
8.權利要求2所述的電晶體元件，其特徵在於設於上述集電極和上述基極之間的第 1半導體層的厚度Tl、以及設於上述發射極和上述基極之間的第2半導體層的厚度T2的比 (T1/T2)在 1/1-10/1 的範圍內。
9.權利要求1所述的電晶體元件，其特徵在於在上述發射極和與該發射極鄰接的半 導體層之間具有電荷注入層。
10.權利要求9所述的電晶體元件，其特徵在於上述電荷注入層含有LiF、Ca等鹼金 屬或其化合物。
11.電子裝置，其特徵在於在具有電晶體元件作為開關元件的電子裝置中，電晶體元 件具備發射極、集電極，在發射極與集電極之間依次設有有機半導體層和厚度為40nm以下 的基極。
12.發光元件，其特徵在於該發光元件具備發射極、集電極，在發射極與集電極之間 依次設有有機半導體層和厚度為40nm以下的基極，而且，基極和集電極之間設有有機EL 層，有機EL層含有1層以上的發光層。
13.權利要求12所述的發光元件，其特徵在於上述有機EL層具有選自空穴傳輸層、 電子傳輸層、空穴注入層和電子注入層中的1個或2個以上的層。
14.權利要求12所述的發光元件，其特徵在於上述有機EL層具有激子阻擋層。
15.顯示器，其特徵在於該顯示器具備基板、基板上的發光元件，發光元件具備發射 極、集電極，在發射極與集電極之間依次設有有機半導體層和厚度為40nm以下的基極，而 且，基極和集電極之間設有有機EL層，有機EL層含有1層以上的發光層。
全文摘要
本發明提供在發射極-集電極之間可以以低電壓進行大電流調製的電晶體元件。還提供上述電晶體元件的製造方法、具有該電晶體元件的發光元件和顯示器。電晶體元件具有發射極3和集電極2。發射極3和集電極2之間設有半導體層5(5A、5B)和片狀的基極4。半導體層5設於發射極3和基極4之間、以及集電極2和基極4之間，分別構成第2半導體層5B和第1半導體層5A，進一步優選基極的厚度為80nm以下。至少發射極和基極之間、或者集電極和基極之間設置有暗電流抑制層。
文檔編號H01L51/05GK102130299SQ20101060393
公開日2011年7月20日 申請日期2007年3月22日 優先權日2006年3月22日
發明者中山健一, 橫山正明 申請人:住友化學株式會社, 國立大學法人大阪大學, 大日本印刷株式會社, 株式會社理光