JP4972727B2 - 有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置、ならびに有機半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置ならびに有機半導体発光素子の製造方法に関する。
トランジスタ構造を有する有機半導体発光素子の先行技術は、下記非特許文献１に開示されている。この先行技術の有機半導体発光素子は、ゲートとしてのＮ型シリコン基板と、その上に形成された酸化シリコン層と、この酸化シリコン層上に間隔を開けて形成された一対の電極（ソースおよびドレイン）と、この一対の電極に接触するように酸化シリコン層を覆うＭＥＨ−ＰＰＶ（Poly[2-Methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]）層とを有している。一対の電極のうちの一方はＡｕ／Ｃｒ積層膜からなり、その他方はＡｕ／Ａｌ積層膜とされている。この構成により、ゲートに負のバイアスを与え、前記一対の電極間に電圧をかけることによって、ＭＥＨ−ＰＰＶ層内においてキャリヤの再結合が生じ、発光が観測されたと報告されている。
坂上知、他２名、"Visible light emission from polymer-based field effect transistors"、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 84, NUMBER 16、American Institute of Physics、２００４年４月１９日
坂上知、他２名、"Visible light emission from polymer-based field effect transistors"、APPLIED PHYSICS LETTERS、VOLUME 84, NUMBER 16、American Institute of Physics、２００４年４月１９日
前記先行技術では、ソースおよびドレインとなる一対の電極の材料として特定のものを適用することによって、ＭＥＨ−ＰＰＶ層へのキャリヤの注入バランスの改善を図り、これにより、発光効率の向上が図られている。
しかし、この先行技術の構成では、正孔および電子の両方を輸送する能力のあるアンビポーラ特性（ambipolar：同時両極性）の有機半導体材料の使用が前提である。そして、このようなアンビポーラ特性の有機半導体材料に対して正孔および電子のそれぞれの注入効率の高い電極材料を見つけだす必要がある。そのうえ、キャリヤの注入バランスのよい電極材料の組み合わせを見つけ出さなければならない。
しかし、この先行技術の構成では、正孔および電子の両方を輸送する能力のあるアンビポーラ特性（ambipolar：同時両極性）の有機半導体材料の使用が前提である。そして、このようなアンビポーラ特性の有機半導体材料に対して正孔および電子のそれぞれの注入効率の高い電極材料を見つけだす必要がある。そのうえ、キャリヤの注入バランスのよい電極材料の組み合わせを見つけ出さなければならない。
したがって、結果として、正孔および電子の注入バランスをとるのは極めて困難であると言わざるをえない。すなわち、いずれかのキャリヤの大部分が発光に寄与しないまま消費されてしまうという問題を解決することができず、発光効率の向上には自ずと限界がある。
そこで、この発明の目的は、発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置を提供することである。
そこで、この発明の目的は、発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子およびそれを用いた表示装置を提供することである。
また、この発明の他の目的は、発光効率を効果的に向上することができる有機半導体発光素子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本発明の有機半導体発光素子は、間隔を開けて配置された電子注入電極および正孔注入電極と、前記電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域の中間部にＰＮ接合域を有し、少なくともいずれか一方は前記電極間領域の中間部に先端縁を有して当該先端縁でキャリヤを堰き止める構造となっているＰ型有機材料層（たとえば、層厚は数十ｎｍ〜数百ｎｍ）およびＮ型有機材料層（たとえば、層厚は数十ｎｍ〜数百ｎｍ）を含む有機半導体層と、少なくとも前記電極間領域において前記有機半導体層に絶縁膜を介して対向するように配置されたゲート電極とを含む。「中間部」とは、具体的には、たとえば、電子注入電極と正孔注入電極との間の中点位置を中心とし、電極間領域の１／２の幅の範囲内のいずれかの位置を指す。
この構成によれば、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を介して、電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域（チャネル）の中間部付近へと正孔および電子がそれぞれ輸送される。Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層は、少なくともいずれか一方（好ましくは両方）が電極間領域の中間部に先端縁を有して当該先端縁でキャリヤを堰き止める構造となっているため、この電極間領域の中間部付近のＰＮ接合域においてキャリヤの再結合が効率的に生じ、高効率な発光が可能となる。
とくに、この発明では、チャネルへの（たとえば、チャネルの中間部付近への）正孔および電子のそれぞれの輸送をＰ型有機材料層およびＮ型有機材料層によって効率的に行うことができ、かつ、それらの材料の組み合わせを適切に選択することによって、両キャリヤの注入バランスも容易に適正化できる。これにより、優れた効率での発光が可能となる。
前記Ｐ型有機材料層とは、Ｎ型有機材料層よりも正孔輸送能力が高い有機半導体材料からなる層をいう。また、Ｎ型有機材料層とは、Ｐ型有機材料層よりも電子輸送能力が高い有機半導体材料からなる層をいう。いずれも、前記キャリヤが堰き止められる前記中間部付近までキャリヤを輸送する能力のあるものであり、Ｐ型有機材料層は正孔輸送層として機能し、Ｎ型有機材料層は、電子輸送層として機能することになる。
Ｐ型有機材料層を構成するＰ型有機材料としては、次のものを例示できる。
Pentacene、Tetracene、Anthracene 等のアセン系材料。
Copper Phthalocyanine等のフタロシアニン系材料。
α-sexithiophene、α，ω-Dihexyl-sexithiophene、dihexyl-anthradithiophene、Bis(dithienothiophene)、α，ω-Dihexyl-quinquethiophene等のオリゴチオフェン材料。
Pentacene、Tetracene、Anthracene 等のアセン系材料。
Copper Phthalocyanine等のフタロシアニン系材料。
α-sexithiophene、α，ω-Dihexyl-sexithiophene、dihexyl-anthradithiophene、Bis(dithienothiophene)、α，ω-Dihexyl-quinquethiophene等のオリゴチオフェン材料。
poly(3-hexylthiophene)、poly(3-butylthiophene)等のポリチオフェン材料。
その他、oligophenylene、oligophenylenevinylene、TPD、α-NPD、m-MTDATA、TPAC、TCTA 等の低分子材料や、poly(phenylenevinylene)、poly(thienylenevinylene)、polyacetylene、poly(vinylcarbazole)等の高分子材料。
また、Ｎ型有機材料層を構成するＮ型有機材料としては、次のものを例示できる。
その他、oligophenylene、oligophenylenevinylene、TPD、α-NPD、m-MTDATA、TPAC、TCTA 等の低分子材料や、poly(phenylenevinylene)、poly(thienylenevinylene)、polyacetylene、poly(vinylcarbazole)等の高分子材料。
また、Ｎ型有機材料層を構成するＮ型有機材料としては、次のものを例示できる。
NTCDI、C6-NTC、C8-NTC、F15-octyl-NTC、F3-MeBn-NTC等のNTCDI系材料。
PTCDI、C6-PTC、C8-PTC、C12-PTC、C13-PTC、Bu-PTC、F7Bu-PTC、Ph-PTC、F5Ph-PTC等のPTCDI系材料。
その他、TCNQ、C60フラーレン、F16-CuPc、F14-Pentacene等。
この発明の一実施形態に係る有機半導体発光素子は、前記ＰＮ接合域（とくにいずれかのキャリヤが堰き止められる領域に接する領域）において前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層の間に介在された有機発光材料層（たとえば、層厚は数ｎｍ〜数十ｎｍ）をさらに含む。
PTCDI、C6-PTC、C8-PTC、C12-PTC、C13-PTC、Bu-PTC、F7Bu-PTC、Ph-PTC、F5Ph-PTC等のPTCDI系材料。
その他、TCNQ、C60フラーレン、F16-CuPc、F14-Pentacene等。
この発明の一実施形態に係る有機半導体発光素子は、前記ＰＮ接合域（とくにいずれかのキャリヤが堰き止められる領域に接する領域）において前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層の間に介在された有機発光材料層（たとえば、層厚は数ｎｍ〜数十ｎｍ）をさらに含む。
この構成によれば、バランス良く注入された正孔および電子が有機発光材料層で高効率に発光に寄与するので、より効率の高い高輝度な発光が可能となる。
なお、有機発光材料層とは、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層よりも発光量子効率の高い有機半導体材料からなる層をいう。より具体的には、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層よりも、HOMO-LUMOギャップが狭く、電荷を閉じ込めることができる電気的特性を有する材料からなる層をいう。
なお、有機発光材料層とは、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層よりも発光量子効率の高い有機半導体材料からなる層をいう。より具体的には、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層よりも、HOMO-LUMOギャップが狭く、電荷を閉じ込めることができる電気的特性を有する材料からなる層をいう。
有機発光材料層は、たとえば、Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III) (Alq3)など蛍光を示す金属錯体系材料膜、このような金属錯体系材料にDCM2、Rubrene、Coumaline、Peryleneなどの他の蛍光色素をドープした膜、および4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)にfac-tris(2-phenypyridine) iridium (Ir(ppy)3)などのりん光発光色素をドープした膜のうち、少なくとも一つを含む単層または複合層（複数層の積層膜）とすることが好ましい。
さらに、有機発光材料層は、Ｐ型有機材料層との間に介在された正孔輸送材料層を有していてもよく、また、正孔輸送材料と発光性材料とを混合成膜した構造としたりしてもよい。このような構造とすれば、発光領域に供給されるキャリヤの量を調整したり、発光領域を電荷がリッチなＰ型材料およびＮ型材料から離して電荷による発光減衰を防止したりすることができる。正孔輸送材料としては、a-NPD、TPDを始めとするジアミン系材料を挙げることができる。
同様の目的で、有機発光材料層は、Ｎ型有機材料層（m-TDATAなど）との間に介在された電子輸送層を有していてもよく、また、電子輸送材料と発光性材料とを混合成膜した構造としたりしてもよい。電子輸送材料としては、PBDを初めとするオキサジアゾール系材料や、TAZを初めとするトリアゾール系材料、4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline (Bathophenanthroline)などを挙げることができる。
さらに、Ｐ型有機材料層から有機発光材料層への正孔の注入を容易にするために、両者の間に、正孔注入層として、Copper Phthalocyanine、m-MTDATAなどの層（たとえば、層厚は１ｎｍ以下）を介装してもよい。さらに、Ｎ型有機材料層から有機発光材料層への電子の注入を容易にするために、両者間に、電子注入層を介装する構造としてもよい。電子注入層としては、Alq3やBathophenanthrolineなどの電子輸送性有機半導体にリチウム(Li)、セシウム(Cs)などのアルカリ金属をドープした層、フッ化リチウム(LiF)を始めとするアルカリ金属・アルカリ土類金属フッ化物、酸化ゲルマニウム(GeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)などの層を例示できる。
前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層は、前記ＰＮ接合域において直接接合していてもよい。
また、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層は、それらの先端縁がいずれも前記電極間領域の中間部に位置し、積層箇所を実質的に有しないように形成されていてもよい。
また、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層は、それらの先端縁がいずれも前記電極間領域の中間部に位置し、積層箇所を実質的に有しないように形成されていてもよい。
さらに、前記電極間領域の中間部に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側のうちの少なくとも一方側の領域において、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層が積層された構造としてもよい。
さらには、前記有機発光材料層が前記電極間領域の中間部に配置されており、この有機発光材料層に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側の両方の領域に、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を積層した積層構造膜が形成された構造としてもよい。
さらには、前記有機発光材料層が前記電極間領域の中間部に配置されており、この有機発光材料層に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側の両方の領域に、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を積層した積層構造膜が形成された構造としてもよい。
この発明の表示装置は、前述のような構成の有機半導体発光素子を基板上に複数個配列（たとえば、一次元または二次元に配列）した表示装置である。この構成により、発光効率の良い表示装置（個々の画素を有機半導体発光素子で構成したもの）を実現できる。そして、個々の画素の発光効率が高いため、低電力駆動の表示装置、または高輝度な表示装置を実現できる。
また、この発明の有機半導体発光素子の製造方法は、絶縁膜を介してゲート電極が対向する所定の電極間領域を形成するように、電子注入電極および正孔注入電極を間隔を開けて形成する工程と、前記電子注入電極および正孔注入電極間の前記電極間領域の中間部を含む領域に有機半導体層を形成する工程とを含む。そして、前記有機半導体層を形成する工程は、前記電極間領域の中間部にＰＮ接合域を形成し、少なくともいずれか一方が前記電極間領域の中間部に先端縁を有して当該先端縁でキャリヤを堰き止める構造となるように、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を形成する工程を含む。
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実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を図解的に示す断面図である。この有機半導体発光素子は、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である。この有機半導体発光素子は、シリコン基板の表層部に高濃度にＮ型不純物を導入して形成された不純物拡散層からなるゲート電極１と、このゲート電極１上に積層された絶縁膜としての酸化シリコン膜２と、この酸化シリコン膜２上に所定の間隔（たとえば、１０μｍ）を開けて形成された一対の電極３，４と、この一対の電極３，４に接するように配置された有機半導体部５とを備えている。
図１は、この発明の第１実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を図解的に示す断面図である。この有機半導体発光素子は、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である。この有機半導体発光素子は、シリコン基板の表層部に高濃度にＮ型不純物を導入して形成された不純物拡散層からなるゲート電極１と、このゲート電極１上に積層された絶縁膜としての酸化シリコン膜２と、この酸化シリコン膜２上に所定の間隔（たとえば、１０μｍ）を開けて形成された一対の電極３，４と、この一対の電極３，４に接するように配置された有機半導体部５とを備えている。
一対の電極３，４の一方は有機半導体部５に電子を注入する電子注入電極３であり、他方は有機半導体部５に正孔を注入する正孔注入電極４である。
有機半導体部５は、電子注入電極３から注入される電子と正孔注入電極４から注入される正孔とを再結合させて発光を生じさせる。より詳細には、有機半導体部５は、電子注入電極３に接して形成されたＮ型有機半導体材料層６（Ｎ型有機材料層）と、正孔注入電極４に接して形成されたＰ型有機半導体材料層７（Ｐ型有機材料層）と、これらの間に介在された有機発光材料層８とを有している。Ｐ型有機半導体材料層７は、正孔注入電極４の上面および電子注入電極３に対向する側面を覆い、さらに電極３，４間の酸化シリコン膜２上を電子注入電極３に向かって延びて形成されていて、その先端部は、電極３，４の間の電極間領域１０（チャネル）の中間部１１に至っている。有機発光材料層８は、Ｐ型有機半導体材料層７を覆い、さらに、電極間領域１０の中間部１１よりも電子注入電極３側の領域において、酸化シリコン膜２に接し、その先端は電子注入電極３に至っている。そして、Ｎ型有機半導体材料層６は、電子注入電極３の上面および正孔注入電極４に対向する側面を覆い、さらに、有機発光材料層８を覆うように正孔注入電極４に向かって延びている。したがって、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７は、電極間領域１０において、中間部１１から正孔注入電極４に至る領域にＰＮ接合域１２を有している。なお、図１では、電子注入電極３と正孔注入電極４との間の中点位置を中間部１１として図示しているが、一般に、「中間部１１」とは、電子注入電極３と正孔注入電極４との間の中点位置を中心とし、電極間領域１０の１／２の幅の範囲内のいずれかの位置を指すものとする。以下、他の実施形態においても同様である。
有機半導体部５は、電子注入電極３から注入される電子と正孔注入電極４から注入される正孔とを再結合させて発光を生じさせる。より詳細には、有機半導体部５は、電子注入電極３に接して形成されたＮ型有機半導体材料層６（Ｎ型有機材料層）と、正孔注入電極４に接して形成されたＰ型有機半導体材料層７（Ｐ型有機材料層）と、これらの間に介在された有機発光材料層８とを有している。Ｐ型有機半導体材料層７は、正孔注入電極４の上面および電子注入電極３に対向する側面を覆い、さらに電極３，４間の酸化シリコン膜２上を電子注入電極３に向かって延びて形成されていて、その先端部は、電極３，４の間の電極間領域１０（チャネル）の中間部１１に至っている。有機発光材料層８は、Ｐ型有機半導体材料層７を覆い、さらに、電極間領域１０の中間部１１よりも電子注入電極３側の領域において、酸化シリコン膜２に接し、その先端は電子注入電極３に至っている。そして、Ｎ型有機半導体材料層６は、電子注入電極３の上面および正孔注入電極４に対向する側面を覆い、さらに、有機発光材料層８を覆うように正孔注入電極４に向かって延びている。したがって、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７は、電極間領域１０において、中間部１１から正孔注入電極４に至る領域にＰＮ接合域１２を有している。なお、図１では、電子注入電極３と正孔注入電極４との間の中点位置を中間部１１として図示しているが、一般に、「中間部１１」とは、電子注入電極３と正孔注入電極４との間の中点位置を中心とし、電極間領域１０の１／２の幅の範囲内のいずれかの位置を指すものとする。以下、他の実施形態においても同様である。
Ｎ型有機半導体材料層６は、少なくとも中間部１１付近まで電子を輸送することができる電子輸送層として機能する。Ｐ型有機半導体材料層７は、少なくとも中間部１１付近まで正孔を輸送することができる正孔輸送層として機能する。有機発光材料層８は、Ｎ型有機半導体材料層６から電子の供給を受け、Ｐ型有機半導体材料層７から正孔の供給を受けて、これらを再結合させて発光を生じさせる。有機発光材料層８は、キャリヤ輸送能力を有している必要はないが、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７よりも発光量子効率の高い有機半導体材料からなるものであることが好ましい。
ゲート電極１は、少なくとも電極間領域１０において、酸化シリコン膜２を介して有機半導体部５に対向するように一体的に形成されている。発光動作時には、たとえば、ゲート電極１に対してゲート制御回路１５から負のゲート制御電圧Ｖｇが印加され、電極３，４間には、バイアス印加回路１６から、正孔注入電極４側が正となるバイアス電圧Ｖｄが印加される。これにより、電子注入電極３からＮ型有機半導体材料層６に電子が注入され、正孔注入電極４からＰ型有機半導体材料層７に正孔が注入される。Ｎ型有機半導体材料層６内では正孔注入電極４側に向かって電子が輸送され、Ｐ型有機半導体材料層７内では電子注入電極３に向かって正孔が輸送される。
このとき、Ｐ型有機半導体材料層７は、電極間領域１０の中間部１１までしか形成されていないため、その電子注入電極３側の先端縁７ａにおいて、正孔が堰き止められて蓄積される。そのため、中間部１１付近において、有機半導体発光層７内での正孔および電子の再結合が集中的に生じ、効率的な発光が生じる。すなわち、ＰＮ接合域１２のうち、中間部１１の近傍の部分が、発光に実質的に寄与する。
このように、この実施形態によれば、Ｎ型有機半導体材料層６によって電極間領域１０（チャネル）の中間部１１まで電子を輸送し、Ｐ型有機半導体材料層７によって電極間領域１０の中間部１１まで正孔を輸送して、これらを中間部１１付近の有機発光材料層８内で再結合させる構成としている。したがって、電子および正孔をいずれも効率的に輸送することができ、かつ、それらを高効率で再結合させることができる。しかも、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７の材料を適切に選択することによって、容易に、キャリヤの注入バランスを適正化することができる。そのうえ、必要に応じて、電子注入電極３の材料としてＮ型有機半導体材料層６に対する電子注入効率の高いものを選択し、正孔注入電極４の材料としてＰ型有機半導体材料層７に対する正孔注入効率の高いものを選択するができ、このような材料の選択に困難を伴うこともない。そのため、全体として、極めて効率の高い発光を実現することができる。
電子注入電極３および正孔注入電極４は、たとえば、いずれもＡｕ電極で構成することができる。また、Ｎ型有機半導体材料層６は、たとえばＣ6−ＮＴＣ層（たとえば、層厚５０ｎｍで構成することができる他、前述のＮ型有機材料のなかから任意に選択したものを構成材料として用いることができる。さらに、Ｐ型有機半導体材料層７は、たとえば、ペンタセン層（たとえば、層厚５０ｎｍ）で構成することができる他、前述のＰ型有機材料のなかから任意に選択したものを構成材料として用いることができる。そして、有機発光材料層８は、たとえば、ＴＰＤ膜（たとえば、膜厚１５ｎｍ）およびＡｌｑ3膜（Ｎ型有機半導体材料層６側に配置される電子注入材料層。たとえば膜厚１５ｎｍ）を積層した積層構造膜で構成することができるほか、前述のような構成の有機発光材料層を任意に選択して適用することができる。
図２は、図１の有機半導体発光素子の動作特性例を示すグラフである。横軸に電極間バイアス電圧Ｖｄ（ボルト）がとられ、縦軸には発光強度（任意単位）がとられていて、種々のゲート電圧Ｖｇ（ボルト）に関して特性を測定した結果が示されている。この図２から、ゲート電圧Ｖｇに応じて発光強度の変調が可能であり、適切に電圧値を選択すれば、発光のオン／オフの制御が可能であることがわかる。
図３Ａ〜３Ｆは、前記有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。まず、図３Ａに示すように、表面に高濃度にＮ型不純物を導入して不純物拡散層からなるゲート電極１が形成されたシリコン基板上に、酸化シリコン膜２が形成され、この酸化シリコン膜２上に所定パターンの電子注入電極３および正孔注入電極４が間隔を開けて形成される。そして、この状態で、電子注入電極３から正孔注入電極４に至る領域にフォトレジスト２０が塗布される。この状態の基板の上方にフォトマスク２１が配置され、フォトレジスト２０が選択的に露光される。すなわち、フォトマスク２１には、Ｐ型有機半導体材料層７に対応する形状の開口２１ａが形成されていて、この開口２１ａに対応する領域のフォトレジスト２０が選択的に紫外線露光される。フォトレジスト２０は、紫外線露光を受けることにより、アルカリ現像液に対して可溶な性質に化学変化するものである。
次に、図３Ｂに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト２０を現像することにより、正孔注入電極４が露出させられる。この後、さらに、次に形成されるＰ型有機半導体材料層７と酸化シリコン膜２との密着力を強化するために、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン（シランカップリング剤）：密着性向上塗布剤）処理が行われ、さらに、Ｐ型有機半導体材料層７と正孔注入電極４（たとえばＡｕからなるもの）との密着力を強化するために、チオール（Thiol）化合物を用いた表面処理が行われる。
その後、図３Ｃに示すように、全面が紫外線露光される。
次いで、図３Ｄに示すように、全面にＰ型有機半導体材料層７が蒸着され、さらに、図３Ｅに示すように、アルカリ現像液を用いて、フォトレジスト２０が溶解させられる。これにより、Ｐ型有機半導体材料層７の不要部分がリフトオフされる。フォトレジスト２０は、図３Ｃの工程において予め紫外線に露光されているため、アルカリ現像液に容易に溶解する。また、Ｐ型有機半導体材料層７の形成前にＨＭＤＳ処理およびチオール化合物による表面処理を行っているため、リフトオフ時にもＰ型有機半導体材料層７と酸化シリコン膜２および正孔注入電極４との結合が強固に保持される。こうして、正孔注入電極４から電極間領域１０の中間部１１に至る領域にＰ型有機半導体材料層７を形成することができる。
次いで、図３Ｄに示すように、全面にＰ型有機半導体材料層７が蒸着され、さらに、図３Ｅに示すように、アルカリ現像液を用いて、フォトレジスト２０が溶解させられる。これにより、Ｐ型有機半導体材料層７の不要部分がリフトオフされる。フォトレジスト２０は、図３Ｃの工程において予め紫外線に露光されているため、アルカリ現像液に容易に溶解する。また、Ｐ型有機半導体材料層７の形成前にＨＭＤＳ処理およびチオール化合物による表面処理を行っているため、リフトオフ時にもＰ型有機半導体材料層７と酸化シリコン膜２および正孔注入電極４との結合が強固に保持される。こうして、正孔注入電極４から電極間領域１０の中間部１１に至る領域にＰ型有機半導体材料層７を形成することができる。
その後は、図３Ｆに示すように、全面に有機発光材料層８およびＮ型有機半導体材料層６が順に蒸着されて、有機半導体発光素子が完成する。
図３Ｆの構成では、有機発光材料層８が電子注入電極３とＮ型有機半導体材料層６との間に介在しているが、電子は、有機発光材料層８を通り抜けて、電子注入電極３からＮ型有機半導体材料層６へと注入されるので、動作上の問題はない。むろん、図１に示すように、有機発光材料層８を電子注入電極３の上面には形成しないようにしてもよい。
図３Ｆの構成では、有機発光材料層８が電子注入電極３とＮ型有機半導体材料層６との間に介在しているが、電子は、有機発光材料層８を通り抜けて、電子注入電極３からＮ型有機半導体材料層６へと注入されるので、動作上の問題はない。むろん、図１に示すように、有機発光材料層８を電子注入電極３の上面には形成しないようにしてもよい。
図４は、この発明の第２の実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を説明するための図解的な断面図である。この図４において前述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、有機発光材料層が設けられておらず、Ｐ型有機半導体材料層７とＮ型有機半導体材料層６とが、電極間領域１０の中間部１１で直接接合して、ＰＮ接合域１２を形成している。また、Ｎ型有機半導体材料層６は、前記中間部１１にその先端縁が位置していて、正孔注入電極４にまでは及んでいない。すなわち、この実施形態では、Ｎ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７とは、上下に積層された積層箇所を実質的に有していない。
この実施形態では、有機発光材料層が設けられておらず、Ｐ型有機半導体材料層７とＮ型有機半導体材料層６とが、電極間領域１０の中間部１１で直接接合して、ＰＮ接合域１２を形成している。また、Ｎ型有機半導体材料層６は、前記中間部１１にその先端縁が位置していて、正孔注入電極４にまでは及んでいない。すなわち、この実施形態では、Ｎ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７とは、上下に積層された積層箇所を実質的に有していない。
この構成により、正孔注入電極４によってＰ型有機半導体材料層７に注入された正孔は、中間部１１付近の先端縁に蓄積され、電子注入電極３によってＮ型有機半導体材料層６に注入された電子は中間部１１付近の先端縁に蓄積される。これにより、ＰＮ接合域１２における正孔および電子の再結合により、高効率な発光が可能になる。
図５Ａ〜５Ｈは、図４の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図５Ａ〜５Ｄの工程は、図３Ａ〜３Ｅの工程と同様である。その後、図５Ｅに示すように、全面にフォトレジスト２３が塗布され、フォトマスク２４をマスクとして紫外線露光が行われる。フォトマスク２４には、Ｎ型有機半導体材料層６に対応する領域に開口２４ａが形成されており、この開口２４ａに対応する領域が紫外線露光を受けることになる。フォトレジスト２３は、紫外線露光を受けることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。
図５Ａ〜５Ｈは、図４の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図５Ａ〜５Ｄの工程は、図３Ａ〜３Ｅの工程と同様である。その後、図５Ｅに示すように、全面にフォトレジスト２３が塗布され、フォトマスク２４をマスクとして紫外線露光が行われる。フォトマスク２４には、Ｎ型有機半導体材料層６に対応する領域に開口２４ａが形成されており、この開口２４ａに対応する領域が紫外線露光を受けることになる。フォトレジスト２３は、紫外線露光を受けることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。
次に、図５Ｆに示すように、フォトレジスト２３がアルカリ現像液によって現像される。これにより、電子注入電極３から中間部１１に至る領域のフォトレジスト２３が剥離され、電子注入電極３および酸化シリコン膜２の電子注入電極３側の領域が露出する。
この現像の後には、全面が紫外線露光される。
次いで、図５Ｇに示すように、全面にＮ型有機半導体材料層６が蒸着させられ、その後、図５Ｈに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト２３が溶解させられる。これにより、Ｎ型有機半導体材料層６の不要部分がリフトオフされ、図４の構成の有機半導体発光素子が得られる。
この現像の後には、全面が紫外線露光される。
次いで、図５Ｇに示すように、全面にＮ型有機半導体材料層６が蒸着させられ、その後、図５Ｈに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト２３が溶解させられる。これにより、Ｎ型有機半導体材料層６の不要部分がリフトオフされ、図４の構成の有機半導体発光素子が得られる。
図６は、この発明の第３実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。この図６において、前述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。
この有機半導体発光素子は、前述の第２実施形態の構成と類似しており、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７は、電極間領域１０の中間部１１付近にそれぞれ先端縁を有している。そして、中間部１１には、電極間領域１０を二分するように、Ｎ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７との間のＰＮ接合域１２に、酸化シリコン膜２に接して、有機発光材料層８が介在されている。
この有機半導体発光素子は、前述の第２実施形態の構成と類似しており、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７は、電極間領域１０の中間部１１付近にそれぞれ先端縁を有している。そして、中間部１１には、電極間領域１０を二分するように、Ｎ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７との間のＰＮ接合域１２に、酸化シリコン膜２に接して、有機発光材料層８が介在されている。
この構成により、Ｎ型有機半導体材料層６およびＰ型有機半導体材料層７の先端縁付近に蓄積された電子および正孔が有機発光材料層８で結合し、中間部１１付近で高効率な発光が生じる。しかも、この実施形態では、有機発光材料層８の上方を他の有機材料層で覆う構造ではないので、優れた光取り出し効率を実現できる。
図７Ａ〜７Ｊは、図６の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図７Ａ〜７Ｄの工程は、図３Ａ〜３Ｅの工程と同様である。
図７Ａ〜７Ｊは、図６の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。図７Ａ〜７Ｄの工程は、図３Ａ〜３Ｅの工程と同様である。
これに引き続いて、図７Ｅに示すように、全面にフォトレジスト２７が塗布され、フォトマスク２８をマスクとして紫外線露光が行われる。フォトマスク２８には、Ｎ型有機半導体材料層６に対応する領域に開口２８ａが形成されており、この開口２８ａに対応する領域が紫外線露光を受けることになる。フォトレジスト２７は、紫外線露光を受けることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。
次に、図７Ｆに示すように、フォトレジスト２７がアルカリ現像液によって現像される。現像後のフォトレジスト２７は、中間部１１付近に酸化シリコン膜２に接している部分２７ａを有している。
この現像後には、全面が紫外線露光される。
次いで、図７Ｇに示すように、全面にＮ型有機半導体材料層６が蒸着させられ、その後、図７Ｈに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト２７が溶解させられる。これにより、Ｎ型有機半導体材料層６の不要部分がリフトオフされる。このＮ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７との間には、有機発光材料層８に対応したギャップ２９（前記フォトレジスト２７の部分２７ａに対応）が形成されている。
この現像後には、全面が紫外線露光される。
次いで、図７Ｇに示すように、全面にＮ型有機半導体材料層６が蒸着させられ、その後、図７Ｈに示すように、アルカリ現像液を用いてフォトレジスト２７が溶解させられる。これにより、Ｎ型有機半導体材料層６の不要部分がリフトオフされる。このＮ型有機半導体材料層６とＰ型有機半導体材料層７との間には、有機発光材料層８に対応したギャップ２９（前記フォトレジスト２７の部分２７ａに対応）が形成されている。
次に、図７Ｊに示すように、全面に有機発光材料層８を蒸着すると、ギャップ９内に有機発光材料層８が入り込み、図６の有機半導体発光素子と同等の構成が得られる。
図８は、この発明の第４実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。この図８において、前述の図６に示された各部に対応する部分には、図６の場合と同一の参照符号を付して示す。
図８は、この発明の第４実施形態に係る有機半導体発光素子の構成を示す図解的な断面図である。この図８において、前述の図６に示された各部に対応する部分には、図６の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、電極間領域１０を二分するように、その中間部１１に、酸化シリコン膜２に接する有機発光材料層８が配置されている。そして、この有機発光材料層８の両側に、Ｐ型有機半導体材料層７およびＮ型有機半導体材料層６の積層構造膜が形成されている。したがって、正孔注入電極４および電子注入電極３のいずれにもＰ型有機半導体材料層７が接している。また、有機発光材料層８の近傍の領域が、正孔注入電極４側のＰ型有機半導体材料層７と電子注入電極３側のＮ型有機半導体材料層６との間のＰＮ接合域１２となる。
有機発光材料層８は、キャリヤ移動度は低いが、発光量子効率の高い材料である。そのため、正孔注入電極４から、これに接するＰ型有機半導体材料層７に注入された正孔は、有機発光材料層８で堰き止められ、その先端縁に蓄積される。一方、Ｎ型有機半導体材料層６には、電子注入電極３側のＰ型有機半導体材料層７を通り抜けて電子が注入される。この電子は、正孔注入電極４側へと向かうが、有機発光材料層８で堰き止められ、その先端縁に蓄積される。こうして、有機発光材料層８を挟んで、正孔注入電極４側には正孔が豊富に蓄えられ、電子注入電極３側には電子が豊富に蓄えられる。これらが、発光量子効率の高い有機発光材料層８で再結合することにより、高効率な発光が可能となる。
図９Ａ〜９Ｅは、図８の有機半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。まず、図９Ａに示すように、表面に高濃度にＮ型不純物を導入して不純物拡散層からなるゲート電極１が形成されたシリコン基板上に、酸化シリコン膜２が形成され、この酸化シリコン膜２上に所定パターンの電子注入電極３および正孔注入電極４が間隔を開けて形成される。そして、この状態で、電子注入電極３から正孔注入電極４に至る領域にフォトレジスト３３が塗布される。この状態の基板の上方にフォトマスク３４が配置され、フォトレジスト３３が選択的に露光される。すなわち、フォトマスク３４には、Ｐ型有機半導体材料層７に対応する形状の開口３４ａおよびＮ型有機半導体材料層６に対応する開口３４ｂが形成されていて、これらの開口３４ａ，３４ｂに対応する領域のフォトレジスト３３が選択的に紫外線露光される。フォトレジスト３３は、紫外線で露光されることによって、アルカリ現像液に可溶な性質に化学変化するものである。
次に、図９Ｂに示すように、アルカリ現像液でフォトレジスト３３を現像することにより、正孔注入電極４および電子注入電極３が露出させられる。このとき、電極間領域１０の中間部１１にフォトレジスト３３が残り、その両側では、電子注入電極３および正孔注入電極４との間の領域において、酸化シリコン膜２が露出する。この後、さらに、次に形成されるＰ型有機半導体材料層７と酸化シリコン膜２との密着力を強化するために、ＨＭＤＳ処理が行われ、さらに、Ｐ型有機半導体材料層７と正孔注入電極４および電子注入電極３（たとえば、いずれもＡｕからなるもの）との密着力を強化するために、チオール化合物を用いた表面処理が行われる。その後には、全面が紫外線露光される。
次いで、図９Ｃに示すように、全面にＰ型有機半導体材料層７およびＮ型有機半導体材料層６が順に積層形成され、さらに、図９Ｄに示すように、アルカリ現像液を用いて、フォトレジスト３３が溶解させられる。これにより、Ｐ型有機半導体材料層７およびＮ型有機半導体材料層６の不要部分がリフトオフされる。こうして、電極間領域１０の中間部１１にギャップ３５を有する積層構造膜（有機半導体材料層６，７を積層した膜）が得られる。
この後は、図９Ｅに示すように、全面に有機発光材料層８を蒸着すると、ギャップ３５内に有機発光材料層８が入り込み、図８の有機半導体発光素子と同等の構成が得られる。
図１０は、図１、図４、図６または図８に示された構成の有機半導体発光素子４０を基板４１上に二次元配列して構成される表示装置６０の電気回路図である。すなわち、この表示装置６０は、前述のような有機半導体発光素子４０をマトリクス配列された画素Ｐ１１，Ｐ１２，……，Ｐ２１，Ｐ２２，……内にそれぞれ配置し、これらの画素の有機半導体発光素子４０を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体発光素子４０の発光強度（輝度）を制御することによって、二次元表示を可能としたものである。
図１０は、図１、図４、図６または図８に示された構成の有機半導体発光素子４０を基板４１上に二次元配列して構成される表示装置６０の電気回路図である。すなわち、この表示装置６０は、前述のような有機半導体発光素子４０をマトリクス配列された画素Ｐ１１，Ｐ１２，……，Ｐ２１，Ｐ２２，……内にそれぞれ配置し、これらの画素の有機半導体発光素子４０を選択的に発光させ、また、各画素の有機半導体発光素子４０の発光強度（輝度）を制御することによって、二次元表示を可能としたものである。
各有機半導体発光素子４０は、ゲート電極１をゲートＧとした電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）であり、そのドレインＤとなる電子注入電極３にはバイアス電圧Ｖｄが与えられており、そのソースＳとなる正孔注入電極４は接地電位とされている。一方、ゲートＧには、各画素を選択するための選択トランジスタＴｓと、データ保持用のキャパシタＣとが並列に接続されている。
行方向に整列した画素Ｐ１１，Ｐ１２，……；Ｐ２１，Ｐ２２，……の選択トランジスタＴｓのゲートは、行ごとに共通の走査線ＬＳ１，ＬＳ２，……にそれぞれ接続されている。また、列方向に整列した画素Ｐ１１，Ｐ２１，……；Ｐ１２，Ｐ２２，……の選択トランジスタＴｓにおいて有機半導体発光素子４０とは反対側には、列ごとに共通のデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，……がそれぞれ接続されている。
走査線ＬＳ１，ＬＳ２，……には、コントローラ５３によって制御される走査線駆動回路５１から、各行の画素Ｐ１１，Ｐ１２，……；Ｐ２１，Ｐ２２，……を循環的に順次選択（行内の複数画素の一括選択）するための走査駆動信号が与えられる。すなわち、走査線駆動回路５１は、各行を順次選択行として、選択行の複数の画素の選択トランジスタＴｓを一括して導通させ、非選択行の複数の画素の選択トランジスタＴｓを一括して遮断させるための走査駆動信号を発生する。
一方、データ線ＬＤ１，ＬＤ２，……には、データ線駆動回路５２からの信号が入力されるようになっている。このデータ線駆動回路５２には、画像データに対応した制御信号が、コントローラ５３から入力されるようになっている。データ線駆動回路５２は、各行の複数の画素が走査線駆動回路５１によって一括選択されるタイミングで、当該選択行の各画素の発光階調に対応した発光制御信号をデータ線ＬＤ１，ＬＤ２，……に並列に供給する。
これにより、選択行の各画素においては、選択トランジスタＴｓを介してゲートＧに発光制御信号が与えられるから、当該画素の有機半導体発光素子４０は、発光制御信号に応じた階調で発光（または消灯）することになる。発光制御信号は、キャパシタＣにおいて保持されるから、走査線駆動回路５１による選択行が他の行に移った後にも、ゲートＧの電位が保持され、有機半導体発光素子４０の発光状態が保持される。このようにして、二次元表示が可能になる。
以上、この発明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も可能である。たとえば、図１０には２次元表示の可能な表示装置６０を示したが、画素を一次元配列して一次元の表示装置を構成することもできる。また、図１、図４、図６および図８の例では、電子注入電極３と正孔注入電極４との間のほぼ中点位置において少なくとも一方のキャリヤが堰き止められる構造について説明したが、中点位置でなくとも、電極間領域１０の中間部で一方のキャリヤが堰き止められる構造であればよい。
たとえば、少なくとも一方のキャリヤが堰き止められるＰＮ接合域を、電子注入電極３および正孔注入電極４の間の中点位置からずらすことによって、Ｐ型有機材料とＮ型有機材料との電気特性の差（移動度、電気伝導度）を相殺して、キャリヤバランスをとる構造とすることも考えられる。
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。
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。
１ ゲート電極
２ 酸化シリコン膜
３ 電子注入電極
４ 正孔注入電極
５ 有機半導体部
６ Ｎ型有機半導体材料層
７ Ｐ型有機半導体材料層
８ 有機発光材料層
１０ 電極間領域
１１ 中間部
１２ ＰＮ接合域
１５ ゲート制御回路
１６ バイアス印加回路
４０ 有機半導体発光素子
４１ 基板
５１ 走査線駆動回路
５２ データ線駆動回路
５３ コントローラ
６０ 表示装置
２ 酸化シリコン膜
３ 電子注入電極
４ 正孔注入電極
５ 有機半導体部
６ Ｎ型有機半導体材料層
７ Ｐ型有機半導体材料層
８ 有機発光材料層
１０ 電極間領域
１１ 中間部
１２ ＰＮ接合域
１５ ゲート制御回路
１６ バイアス印加回路
４０ 有機半導体発光素子
４１ 基板
５１ 走査線駆動回路
５２ データ線駆動回路
５３ コントローラ
６０ 表示装置
Claims (14)
- 間隔を開けて配置された電子注入電極および正孔注入電極と、
前記電子注入電極および正孔注入電極間の電極間領域の中間部にＰＮ接合域を有し、少なくともいずれか一方は前記電極間領域の中間部に先端縁を有して当該先端縁でキャリヤを堰き止める構造となっているＰ型有機材料層およびＮ型有機材料層を含む有機半導体層と、
少なくとも前記電極間領域において前記有機半導体層に絶縁膜を介して対向するように配置されたゲート電極とを含むことを特徴とする有機半導体発光素子。 - 前記ＰＮ接合域において前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層の間に介在された有機発光材料層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の有機半導体発光素子。
- 前記ＰＮ接合域において前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層が直接接合していることを特徴とする請求項１記載の有機半導体発光素子。
- 前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層は、それらの先端縁がいずれも前記電極間領域の中間部に位置し、積層箇所を実質的に有しないように形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 前記電極間領域の中間部に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側のうちの少なくとも一方側の領域において、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層が積層されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 前記有機発光材料層が前記電極間領域の中間部に配置されており、
この有機発光材料層に対して前記電子注入電極側および正孔注入電極側の両方の領域に、前記Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を積層した積層構造膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の有機半導体発光素子。 - 前記有機発光材料層は、前記Ｐ型有機材料層との間に介在された正孔輸送材料層を含むことを特徴とする請求項２または６記載の有機半導体発光素子。
- 前記有機発光材料層は、正孔輸送材料と発光性材料との混合層を含むことを特徴とする請求項２または６記載の有機半導体発光素子。
- 前記有機発光材料層は、前記Ｎ型有機材料層との間に介在された電子輸送層を含むことを特徴とする請求項２および６〜８のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 前記有機発光材料層は、電子輸送材料と発光性材料との混合層を含むことを特徴とする請求項２および６〜８のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 前記Ｐ型有機材料層と前記有機発光材料層との間に介装された正孔注入層をさらに含むことを特徴とする請求項２および６〜１０のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 前記Ｎ型有機材料層と前記有機発光材料層との間に介装された電子注入層をさらに含むことを特徴とする請求項２および６〜１１のうちのいずれかに記載の有機半導体発光素子。
- 請求項１〜１２のいずれかに記載の有機半導体発光素子を基板上に複数個配列した表示装置。
- 絶縁膜を介してゲート電極が対向する所定の電極間領域を形成するように、電子注入電極および正孔注入電極を間隔を開けて形成する工程と、
前記電子注入電極および正孔注入電極間の前記電極間領域の中間部を含む領域に有機半導体層を形成する工程とを含み、
前記有機半導体層を形成する工程は、前記電極間領域の中間部にＰＮ接合域を形成し、少なくともいずれか一方が前記電極間領域の中間部に先端縁を有して当該先端縁でキャリヤを堰き止める構造となるように、Ｐ型有機材料層およびＮ型有機材料層を形成する工程を含むことを特徴とする有機半導体発光素子の製造方法。
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