特許 5923338 トランジスタ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5923338

(24)【登録日】2016年4月22日

(45)【発行日】2016年5月24日

(54)【発明の名称】トランジスタ素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/331 20060101AFI20160510BHJP

   H01L 29/737 20060101ALI20160510BHJP

   H01L 51/05 20060101ALI20160510BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20160510BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20160510BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20160510BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/72 H

   H01L29/28 100A

   H01L21/28 301B

   H01L29/50 B

   H01L29/44 L

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2012-40697(P2012-40697)

(22)【出願日】2012年2月27日

(65)【公開番号】特開2013-175687(P2013-175687A)

(43)【公開日】2013年9月5日

【審査請求日】2014年4月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】509131786

【氏名又は名称】中山 健一

(73)【特許権者】

【識別番号】000002820

【氏名又は名称】大日精化工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098707

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 利英子

(74)【代理人】

【識別番号】100135987

【弁理士】

【氏名又は名称】菅野 重慶

(74)【代理人】

【識別番号】100161377

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 薫

(74)【代理人】

【識別番号】100169812

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 寛志

(72)【発明者】

【氏名】中山 健一

(72)【発明者】

【氏名】秋庭 涼太郎

(72)【発明者】

【氏名】小熊 尚実

(72)【発明者】

【氏名】平田 直毅

【審査官】 大橋 達也

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０２７９１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１５８７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５１４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１０６５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３１

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／４１

Ｈ０１Ｌ ２９／４１７

Ｈ０１Ｌ ２９／７３７

Ｈ０１Ｌ ５１／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏それぞれの側にｐ型有機半導体層が設けられている積層構造をなすトランジスタ素子において、
エミッタ電極とベース電極との間に少なくとも１層のｐ型有機半導体を含む有機半導体層が設けられ、かつ、ベース電極とコレクタ電極との間に、同一又は異なるｐ型半導体材料で形成された、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）がそれぞれに異なる２層のｐ型有機半導体層が順に積層した積層構造（但し、ベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ素子部が設けられている場合における、正孔注入層と正孔輸送層とが順に積層した積層構造を除く。）を有するコレクタ層が設けられており、かつ、コレクタ電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位よりもベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位が大きいことを特徴とするトランジスタ素子。

【請求項2】

前記異なる２層のｐ型有機半導体層が順に積層した積層構造が、コレクタ電極側コレクタ層とベース電極側コレクタ層の２つの有機半導体層からなり、コレクタ電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）４．５から５．５ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、ベース電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）５．０〜６．０ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、かつ、コレクタ電極側コレクタ層よりもベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が大きい請求項１に記載のトランジスタ素子。

【請求項3】

前記コレクタ層の異なる２層のｐ型有機半導体層が順に積層した積層構造を形成している各ｐ型有機半導体層の表面の粗さが、平均２乗粗さ（ＲＭＳ）で５ｎｍ以下である請求項１又は２に記載のトランジスタ素子。

【請求項4】

前記コレクタ層の異なる２層のｐ型有機半導体層が順に積層した積層構造を形成している複数のｐ型有機半導体層のうちのベース電極側に配置されている有機半導体層が、ジインデノペリレン、ジナフトチエノチオフェン、フタロシアニンおよび、これらの誘導体を含んでなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。

【請求項5】

前記コレクタ層の異なる２層のｐ型有機半導体層が順に積層した積層構造を形成しているｐ型有機半導体層のうちのコレクタ電極側に配置されている有機半導体層が、フタロシアニン、ジインデノペリレンおよび、これらの誘導体を含んでなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。

【請求項6】

前記エミッタ電極とベース電極との間に配置されているｐ型有機半導体層が、ペンタセン、フタロシアニンおよび、これらの誘導体を含んでなる請求項１〜５のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。

【請求項7】

前記シート状ベース電極の表裏の一方の面或いは両方の面に積層された状態で、電流透過促進層がさらに設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。

【請求項8】

前記電流透過促進層が、フッ化リチウムで形成されている請求項７に記載のトランジスタ素子。

【請求項9】

前記電流透過促進層の膜厚が、０．１ｎｍから１００ｎｍの厚みである請求項７又は８に記載のトランジスタ素子。

【請求項10】

前記エミッタ電極と前記ベース電極間に電圧（Ｖ_B）を印加し、さらに前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（Ｖ_C）を印加することで流れたコレクタ電流Ｉ_C-ONと、エミッタ電極とベース電極間に電圧（Ｖ_B）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（Ｖ_C）を印加することにより流れるコレクタ電流Ｉ_C-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ（Ｉ_C-ON／Ｉ_C-OFF）が、１，０００以上となる電流変調性を示す請求項１〜９のいずれか１項に記載のトランジスタ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に、優れた電流変調性を示すトランジスタ素子、さらに詳しくは、有機ＥＬディスプレイなどの駆動に優れた、低電圧で大電流変調するオン／オフ比に優れたトランジスタ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、薄型テレビやノートパソコンの普及が進んでおり、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパーなど、表示ディスプレイへの要求性能も高まりつつある。さらに、高機能携帯電話やタブレット型端末の普及につれ、表示ディスプレイの微細化、小型化、薄型化が、一層進みつつある。このようなディスプレイの素子の駆動には、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）が使用されている。現在、多くは無機材料であるシリコンを用いたＦＥＴが使用されているが、低コスト化、大面積化、フレキシブル化を目的として、有機トランジスタ素子を用いたディスプレイが報告されており、その実用化が期待されている。

【0003】

しかし、その多くは、有機電界効果型トランジスタ（ＯＦＥＴ）と液晶表示部または電気泳動セルとを組み合わせたものである。ＯＦＥＴは、その構造と移動度の低さにより、大電流を得ることは難しく、大電流を必要とする電流駆動デバイスである有機ＥＬディスプレイの駆動素子に用いた例は、ほとんど報告されていない。そのため、有機ＥＬディスプレイの駆動が可能であり、低電圧において大電流で動作する有機トランジスタ素子の開発が望まれている。

【0004】

現在、ＯＦＥＴを用いて大電流を得るためには、トランジスタ素子のチャネル長を短くすることが必要であるが、チャネル長を数μｍ以下にすることは、大量生産を視野に入れたパターニング技術では難しい。この問題を解決するため、膜厚方向に電流を流すことにより、低電圧かつ大電流で動作可能な「縦型トランジスタ構造」が研究されている。一般に、縦型サンドイッチデバイスに用いられる素子の膜厚は数十ｎｍから数百ｎｍであり、しかもｎｍオーダー以下の膜厚の制御が高い精度で可能である。縦型トランジスタは、チャネルを膜厚方向（縦方向）にすることにより、１μｍ以下の短いチャネル長を容易に実現でき、大電流が得られる可能性がある。これまでに、このような縦型の有機トランジスタ素子としては、ポリアニリン膜の自己組織化ネットワーク構造をグリット電極として用いたポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタや、また、微細なストライプ状の中間電極で空乏層幅を変調することによりソース・ドレイン間の電流をコントロールする静電誘導型トランジスタ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＳＩＴ）などが知られている。

【0005】

また、有機半導体／金属／有機半導体の積層構造の作製により、高性能なトランジスタ特性を発現する縦型有機トランジスタ素子が提案されている（特許文献１）。この縦型トランジスタ素子は、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層とストライプ状の中間金属電極とが設けられている。この有機トランジスタ素子では、エミッタ電極から注入された電子が中間金属電極を透過することにより、バイポーラトランジスタに似た電流変調が観測され、その中間金属電極がベース電極のように働くことから、メタルベース有機トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−Ｂａｓｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以降ＭＢＯＴと呼ぶ）と呼ばれている。

【0006】

ＭＢＯＴは、エミッタ電極とコレクタ電極に出力電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加しない場合は電流がほとんど流れないが、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加するとエミッタ電極−コレクタ電極間に電流が流れる。このエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流がコレクタ電流であり、ベース電極−コレクタ電極間に流れる電流がベース電流である。ＭＢＯＴは、ベース電圧の印加により増加するベース電流に比べて、コレクタ電流が急激に増加することから、ベース電圧によるコレクタ電流の変調が可能な素子となる。エミッタ電極とコレクタ電極に電圧を印加し、エミッタ電極とベース電極間に電圧が印加されていない場合に流れてしまう「漏れ電流」がＯＦＦ電流であり、エミッタ電極とベース電極間に電圧を印加したときに流れる電流がＯＮ電流である。ＭＢＯＴは、ＯＦＦ電流はゼロに近く、大きなＯＮ電流が得られるトランジスタ素子である。

【0007】

また、有機トランジスタ（ＭＢＯＴ）の構造として、透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極として、その上に有機半導体／金属／有機半導体を真空蒸着により積層することにより、簡単に作成できるＭＢＯＴが報告されている（特許文献２）。有機半導体としては、ｎ型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）とフラーレン（Ｃ６０）が用いられており、電極材料としては、ベース電極としてＡｌ、エミッタ電極としてＡｇが用いられている。このＭＢＯＴは、暗電流抑制層の導入、およびベース電極を加熱処理することにより、オン／オフ比（ＯＮ電流とＯＦＦ電流の比率）を向上させた大電流変調が可能なトランジスタ素子となる。このように、ＭＢＯＴは、縦型トランジスタであるにもかかわらず、微細なグリッド電極、ストライプ電極の微細なパターニングを必要としない特徴がある。

【0008】

また、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）として、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、ベース電極とコレクタ電極の間にエネルギー障壁層、電荷透過促進層を有するＭＢＯＴ（特許文献３）や、さらに、長鎖アルキル基を有するペリレンテトラカルボン酸ジイミドからなる有機半導体層をコレクタ電極側に設けてコレクタ層として利用したＭＢＯＴ（特許文献４）が提案されており、加熱処理などすることなく、良好な電流変調特性やオン／オフ比を得ることが報告されている。さらに、エミッタ電極とベース電極との有機半導体層がダイオード構造であるＭＢＯＴが、良好な増幅性を有するトランジスタ素子として報告されている（特許文献５）。

【0009】

また、縦型トランジスタとして、エミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層とシート状のベース電極を有し、エミッタ電極とベース電極間、コレクタ電極とベース電極間の両有機半導体層に、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（ＮＰＢ）／フラーレン（Ｃ６０）からなるヘテロ接合有機半導体層を利用した透過性金属基板有機トランジスタが、両極性トランジスタとして報告されている（非特許文献１）。

【0010】

また、縦型トランジスタとして、Ｌ字型状のエミッタ電極とコレクタ電極との間に有機半導体層と櫛形状のベース電極を有し、有機半導体層がＢＴＱＢＴ［ビス（１，２，５−チアジアゾロ）−ｐ−キノビス（１，３−ジチオール）］からなる縦型トランジスタが、正孔輸送材料であるにもかかわらず大きな電流値とＯＮ／ＯＦＦ比を示すことが報告されている（特許文献６）。

【0011】

また、エミッタ電極とコレクタ電極との間に結晶性の高い有機半導体層を用いた有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）についての提案があり（特許文献７）、該文献には、ベース電極と同程度の厚みの結晶サイズである有機半導体層を用いてトランジスタ素子とすることによって、電子輸送材料であるメチルペリレンを用いたＭＢＯＴが、エミッタ−コレクタ間に低電圧で、大きな電流値３００ｍＡ／ｃｍ²と、高いＯＮ／ＯＦＦ比の２００を示すことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２００３−１０１１０４号公報

【特許文献2】特開２００７−２５８３０８号公報

【特許文献3】特開２００９−２７２４４２号公報

【特許文献4】特開２０１０−２６３１４４号公報

【特許文献5】国際公開第２０１１／０２７９１５号パンフレット

【特許文献6】特開２０１０−２５１４７２号公報

【特許文献7】特開２０１０−１３５８０９号公報

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】Ｊ．Ｈｕｎｇ ｅｔ ａｌ，Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１０，２１０（２００９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

しかしながら、ポリマーグリッドトライオード構造縦型トランジスタや、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）は、中間電極を形成する難しさから、高性能化・大量生産は困難である。また、特許文献１、２に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、膜厚や構造によって、オフ電流が高くなることがあり、上記トランジスタは、有機半導体／金属／有機半導体の積層構造を作製すれば必ず電流変調作用が観測されるというものではない。したがって、安定した性能を発現し、大きな電流値、高い増幅率、高いオン／オフ比を得るためには、加熱処理によりベース電極表面に酸化層を設け、オフ電流の抑制層とする必要がある。また、上記特許文献３に記載されている有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、ベース電極の下に絶縁体性である電流透過促進層を設けることによって、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ほどの大きな電流値、大きな増幅率、大きなオン／オフ比を得ることは困難であり、正孔輸送性材料でのＭＢＯＴとしての安定した動作は困難である。

【0015】

また、特許文献６に記載されている有機トランジスタ素子では、正孔輸送材料としてＢＴＱＢＴにより有機半導体層を形成することにより電流変調を示すが、使用できる材料が限られており、その材料の合成も多段階であり大量の合成が困難であるとともに、素子の電極形状が櫛形やＬ字型であり複雑であることから、単純な製造プロセスによる安定した素子の大量生産は困難である。

【0016】

また、特許文献７に記載されている有機トランジスタ素子では、結晶性の高い有機半導体層を用いることにより、大電流は成し遂げられるが、ＯＮ／ＯＦＦ比は、暗電流抑制層を用いた場合でＯＮ／ＯＦＦ比が２５０程度であり、未だ電子デバイスを駆動させることは困難である。また、正孔輸送材料の記載はあるが具体的な例としての記載はない。

【0017】

非特許文献１では、両極性トランジスタ素子としての電流変調作用は示すことより、相補型論理回路などへの利用の可能性はあるが、電子機器を作動させるに十分なほどの大きな電流値、電流の増強を得ることは難しく、有機ＥＬなどの駆動用素子として利用することは困難である。

【0018】

したがって、本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、特に、単純な製造プロセスによって安定して提供することができ、大量生産をも可能にできる構造のものであって、エミッタ電極とコレクタ電極との間において、低電圧下で大きな電流変調作用とオン／オフ比に優れたトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の提供を可能にすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏それぞれの側にｐ型有機半導体層が設けられている積層構造をなすトランジスタ素子において、エミッタ電極とベース電極との間に少なくとも１層のｐ型有機半導体を含む有機半導体層が設けられ、かつ、ベース電極とコレクタ電極との間に、同一又は異なるｐ型半導体材料で形成された、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）がそれぞれに異なるｐ型有機半導体層からなる少なくとも２層の積層構造を有するコレクタ層が設けられていることを特徴とするトランジスタ素子を提供する。

【0020】

本発明の好ましい形態としては、下記の事項が挙げられる。前記コレクタ層が、コレクタ電極側コレクタ層とベース電極側コレクタ層の２つの有機半導体層からなり、コレクタ電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）４．５から５．５ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、ベース電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）５．０〜６．０ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、かつ、コレクタ電極側コレクタ層よりもベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が大きいこと。ｐ型有機半導体層の表面の粗さが、平均２乗粗さ（ＲＭＳ）で５ｎｍ以下であること。コレクタ層を形成している複数のｐ型有機半導体層のうちのベース電極側に配置されている有機半導体層が、ジインデノペリレン、ジナフトチエノチオフェン、ニッケルフタロシアニンおよび、これらの誘導体を含んでなること。コレクタ層を形成しているｐ型有機半導体層のうちのコレクタ電極側に配置されている有機半導体層が、フタロシアニン、ジインデノペリレンおよび、これらの誘導体を含んでなること。エミッタ電極とベース電極との間に配置されているｐ型有機半導体層が、ペンタセン、フタロシアニンおよび、これらの誘導体を含んでなること。シート状ベース電極の表裏の一方の面或いは両方の面に積層された状態で、電流透過促進層がさらに設けられていること。電流透過促進層が、フッ化リチウムで形成されていること。電流透過促進層の膜圧が、０．１ｎｍから１００ｎｍの厚みであること。前記エミッタ電極と前記ベース電極間に電圧（Ｖ_B）を印加し、さらに前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（Ｖ_C）を印加することで流れたコレクタ電流Ｉ_C-ONと、エミッタ電極とベース電極間に電圧（Ｖ_B）を印加せずに、前記エミッタ電極と前記コレクタ電極間に電圧（Ｖ_C）を印加することにより流れるコレクタ電流Ｉ_C-OFFとの比であるＯＮ／ＯＦＦ（Ｉ_C-ON／Ｉ_C-OFF）が、１，０００以上となる電流変調性を示すことである。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、下記の優れた特性の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）が提供される。本発明のトランジスタ素子は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にシート状のベース電極が配置され、かつ、該ベース電極の表裏それぞれの側にｐ型有機半導体層が設けられている積層構造のものであることを一つの特徴とし、エミッタ電極とベース電極との間に少なくとも１層のｐ型有機半導体を含む有機半導体層を設け、かつ、ベース電極とコレクタ電極との間に、ＨＯＭＯ準位及び／又は半導体材料がそれぞれに異なるｐ型有機半導体層からなる少なくとも２層の層構造を有するコレクタ層を設けてなることを、さらなる特徴とする。本発明のトランジスタ素子は、ベース電極に対して複数のｐ型有機半導体層を上記のように配置し、さらに、ベース電極とコレクタ電極との間に、上記特有の関係を有する２層以上のｐ型有機半導体層を設けることで、低電圧で大電流を可能とする電流変調作用を安定して得ることができる。

【0022】

本発明の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、後述する高い性能を有するものであり、種々のディスプレイの駆動用素子、有機発光トランジスタ素子として、特に大電流変調により駆動させる有機ＥＬ、電子ペーパーを駆動する素子として有用である。これらを駆動するトランジスタ素子は、オン時とオフ時のコントラストが必要となり、より大きなオン／オフ比、暗電流の抑制が要求される。オン／オフ比が低く暗電流が大きいと、オフ時においても有機ＥＬが発光するなどの問題を生じる。これに対し、本発明のトランジスタ素子は、オン／オフ比が高く、低電圧領域での大電流変調特性、周波数特性が優れていることにより、駆動用トランジスタ素子として高い性能を示し、十分に適用可能である。

【0023】

また、本発明の有機トランジスタ素子は、低電圧領域での大電流変調が可能であり、１つのピクセル内におけるトランジスタ素子の占有面積を小さくでき、ディスプレイにおける開口率の向上を可能とし、その結果、これを適用することで、高性能、高効率のディスプレイの達成が可能となる。また、蒸着法での作成も可能であり、プラスチックなどのフレキシブル基板上にトランジスタ素子を形成することが可能であり、小型軽量化、軽量化、薄型化されたディスプレイ、デバイスの作成が可能となる。

【0024】

本発明の効果をより具体的に述べれば、本発明で提供するトランジスタ素子は、図１に示したように、エミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（Ｖ_C）を印加し、さらにエミッタ電極１２とベース電極１３間に電圧（Ｖ_B）を印加した場合に、エミッタ電極１２とベース電極１３間に流れるベース電流Ｉ_Bに比べて変調されたコレクタ電流Ｉ_Cが流れる電流変調型トランジスタ素子となる。より具体的には、その変調されたコレクタ電流Ｉ_Cの電流増幅率（コレクタ電流Ｉ_C／ベース電流Ｉ_B）は、１，０００以上、さらには１０，０００以上にもおよぶものとなる。また、本発明で提供する有機トランジスタ素子は、エミッタ電極１２とベース電極１３間に電圧（Ｖ_B）を印加し、さらにエミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（Ｖ_C）を印加することで流れたコレクタ電流Ｉ_C-ON（以下、ＯＮ電流或いはオン電流と記す）と、上記電圧（Ｖ_B）を印加せずに、エミッタ電極１２とコレクタ電極１１間に電圧（Ｖ_C）を印加することにより流れるコレクタ電流Ｉ_C-OFF（以下、ＯＦＦ電流或いはオフ電流と記す）との比であるＯＮ／ＯＦＦ（Ｉ_C-ON／Ｉ_C-OFF）（以下、ＯＮ／ＯＦＦ比或いはオン／オフ比と記す）は、１，０００以上、さらには１０，０００以上にもおよぶ極めて優れた電流変調性を示し、種々の用途への適用が期待される。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明のトランジスタ素子の構成を説明する図。

【図2】本発明の実施例のトランジスタ素子の構成を説明する図。

【図3】比較例のトランジスタ素子の構成を説明する図。

【図4】本発明のトランジスタ素子の出力特性（Ｉ_C−Ｖ_Bカーブ）を説明する図。

【図5】本発明のトランジスタ素子の出力特性（Ｉ_B−Ｖ_Bカーブ）を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施の形態につき、詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、実施することができる。

【0027】

先ず、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、有機半導体層とシート状のベース電極を有し、かつ、ベース電極を挟んで表裏それぞれの側にｐ型有機半導体層が配置されてなる本発明の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）について説明する。本発明の有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）は、エミッタ電極とベース電極との間に少なくとも１層のｐ型有機半導体を含む有機半導体層が設けられており、かつ、ベース電極とコレクタ電極との間に、ＨＯＭＯ準位及び／又は半導体材料がそれぞれに異なるｐ型有機半導体層からなる少なくとも２層の積層構造を有するコレクタ層が設けられていることを特徴とする。なお、本発明では、エミッタ電極とコレクタ電極との間に、ベース電極を挟んでそれぞれ配置された有機半導体層を、コレクタ電極側のものをコレクタ層と呼び、エミッタ電極側のものをエミッタ層と呼ぶが、該コレクタ層が、少なくとも異なる２層以上のｐ型有機半導体層からなる。本発明では、例えば、コレクタ層が２種類の異なる化学構造物からなる２層で形成されている場合、その配置から、一方をコレクタ電極側コレクタ層と呼び、他方をベース電極側コレクタ層と呼ぶ。

【0028】

本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の構造の一例を図１に示したが、図１に示すように、本発明の素子は、有機半導体／電極／有機半導体という積層構造をなす、単純な積層工程による作製が可能な縦型有機トランジスタである。図１に示したように、その構造は、基板１０上に形成されるコレクタ電極１１とエミッタ電極１２との間に、ベース電極１３と、下記の特有の構成の有機半導体層が挟まれてなる。該有機半導体層の構成は、コレクタ電極１１とベース電極１３間に配置された、ｐ型有機半導体よりなるコレクタ層２２（ベース電極側コレクタ層２２Ａおよびコレクタ電極側コレクタ層２２Ｂ）と、エミッタ電極１２とベース電極１３間に配置されたｐ型有機半導体を含むエミッタ層２１と、および、これらの有機半導体層に挟まれた状態のベース電極１３からなる。すなわち、図１に例示した本発明のトランジスタ素子は、基板１０上に、コレクタ電極１１、エミッタ電極側コレクタ層２２Ｂ、ベース電極側コレクタ層２２Ａ、ベース電極１３、エミッタ層２１、エミッタ電極１２が順に積層した積層構造を有してなる。

【0029】

本発明のトランジスタ素子の特徴の一つは、異なるｐ型有機半導体からなるコレクタ層２２の構造が、コレクタ電極側に形成したコレクタ層２２Ｂと、ベース電極部側に形成したコレクタ層２２Ａとを有する積層構造をなすことにある。本発明者らは、鋭意検討の結果、上記特有の構造とすることで、下記の顕著な効果が得られ、実用化が期待される有用な有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の達成が可能となることを見出した。すなわち、コレクタ層２２における、例えば、ＨＯＭＯ準位がそれぞれに異なる２種のｐ型有機半導体材料で形成したｐ型有機半導体層を積層構造としたことによる効果により、電荷（正孔）をエミッタ層２１からコレクタ層２２Ａへ効率よく注入することが可能となり、さらに、コレクタ層２２Ａからコレクタ層２２Ｂへと送られた電荷は、コレクタ電極１１へと移動することができる。したがって、上記の積層構造を有するコレクタ層２２は、電流の流れを制御することが可能であり、エミッタ電極１２からコレクタ電極１１へと流れるコレクタ電流を増加させるとともに、リーク電流を抑制しオフ電流を小さく維持する効果があり、さらに、低電圧領域においも大きな出力変調動作と電流変調動作を安定してできるので、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）に有用である。

【0030】

さらに、本発明者らは、下記の点について新たな知見を得、このことが有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の実用化において有効であることを見出した。本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の特徴であるコレクタ層の上に形成されるベース電極は、コレクタ層の表面粗さによりベース電極の粗さが決まる。従来の有機トランジスタ（ＭＢＯＴ）ではベース電極に凹凸を形成することが一般的であり、コレクタ層を平滑な面とすることは、これまで行われていなかった。これに対し、本発明者らは、コレクタ層を平滑にすることによってベース電極の膜厚の均一化ができるが、このことが、電荷（正孔）をエミッタ層２１からコレクタ層２２Ａへ効率よく注入することを可能とし、エミッタ電極からコレクタ電極へと流れるコレクタ電流を増加させるとともに、リーク電流を抑制しオフ電流を小さく維持する効果があり、さらには、低電圧領域においても大きな出力変調動作と電流変調動作を安定してでき、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）に有用であることを見出した。

【0031】

下記に、本発明のトランジスタ素子の性能について、より具体的に説明する。本発明のトランジスタ素子は、大きな、電流値、電流増幅率、ＯＮ時とＯＦＦ時の電流の比率であるＯＮ／ＯＦＦ比を示すが、例えば、銅フタロシアニンとジインデノペリレンからなる積層構造により形成されたコレクタ層を有する本発明のトランジスタ素子との性能を、ジインデノペリレンにより形成された単層構造のコレクタ層を有するトランジスタ素子の性能と比較すると、コレクタ電流は約１，６００倍と大きくなり、電流増幅率は１，２００倍以上、さらに、ＯＮ／ＯＦＦ比は約１４０倍となり、優れた性能を示すことを確認した。本発明のトランジスタ素子によって上記した顕著な性能が得られた原理について、本発明者らは、下記のように考えている。すなわち、そのメカニズムとしては、［１］ベース電流値が殆ど変化していないにも拘らずコレクタ電流値が大きく増加していること、［２］ＯＦＦ電流は殆ど増えていないこと、［３］コレクタ層を構成する２２Ａと２２Ｂの膜厚の比率を変えると電流値が変化することから、電圧により加速された電荷（正孔）がエミッタ層からベース電極を透過しコレクタ層へ流れ込むとき、ベース電極における電流透過率が向上し、また、エミッタ電極からエミッタ層注入された正孔が留まることなくコレクタ層に効率的に注入することを可能とするとともに、コレクタ層内においても電荷（正孔）の流れをベース電極からコレクタ電極側へと制御することが可能となり、これらによって電荷輸送性を大きく向上させているメカニズムが考えられる。

【0032】

また、下記に述べるように、本発明のトランジスタ素子の性能は、表面平滑性が高い有機半導体層をコレクタ層とすることにより、大きなＯＮ電流を得られ、より優れたものとなる。より具体的には、本発明のトランジスタ素子では、コレクタ層の表面の粗さが、平均２乗粗さ（ＲＭＳ）で５ｎｍ以下であるような平滑なものにすることで、より顕著な性能向上効果が得られることを確認した。例えば、銅フタロシアニンとジインデノペリレン（ＲＭＳ＝１．６８ｎｍ）からなる積層構造により形成されたコレクタ層を有する本発明のトランジスタ素子と、銅フタロシアニンとジナフトチエノオチオフェン（ＲＭＳ＝１３．６ｎｍ）からなる積層構造により形成されたコレクタ層を有する本発明のトランジスタ素子との性能を比較すると、銅フタロシアニンとジインデノペリレンからなる素子が、コレクタ電流は約４．５倍と大きくなり、電流増幅率は６．４倍以上、さらに、ＯＮ／ＯＦＦ比は約３．３倍となり、さらに優れた性能を示した。上記した顕著な性能が得られた原理について、本発明者らは下記のように考えている。すなわち、そのメカニズムとしては、両者を比較すると、［１］ベース電流値が殆ど変化していないにも拘らずコレクタ電流値が大きく増加していること、［２］ＯＦＦ電流は殆ど増えていないこと、［３］ジインデノペリレン（ＨＯＭＯ＝５．４７ｅＶ：測定値）とジナフトチエノチオフェン（ＨＯＭＯ＝５．４９ｅＶ：測定値）のＨＯＭＯがほとんど同じであることから、ベース電圧により加速された電荷（正孔）がエミッタ層からベース電極を透過しコレクタ層へ流れ込むとき、ベース電極の平滑性が高いために局所電圧がかからず、電流透過率が向上したと考えられる。

【0033】

ここで、本発明のトランジスタ素子に流れる電流は、エミッタ電極とコレクタ電極との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加し、さらにエミッタ電極とベース電極との間にベース電圧Ｖ_Bを印加すると、そのベース電圧の作用により、エミッタ電極から注入された正孔が加速されてベース電極を透過し、コレクタ電極に到達する。すなわち、エミッタ電極とベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときに流れるベース電流Ｉ_Bは、ベース電極を透過しない電流と考えられ、ベース電圧の印加によりエミッタ電極−コレクタ電極間に流れるコレクタ電流Ｉｃへと増幅されたかたちとなる。したがって、上記した性能を有する本発明のトランジスタ素子は、バイポーラトランジスタと同じような電流変調作用を安定して得ることができ、大きな出力変調と電流増幅が可能となる。

【0034】

また、本発明のトランジスタ素子に流れるオン電流は、コレクタ層の層構造による整流作用とすると、そのベース電圧の作用により、エミッタ電極から注入された正孔が加速されてベース電極を透過し、コレクタ電極に到達する。すなわち、エミッタ電極とベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときに流れるベース電流Ｉ_Bは、ベース電極を透過しない電流と考えられ、ベース電圧の印加によりエミッタ電極−コレクタ電極間に流れるコレクタ電流Ｉ_Cへと増幅されたかたちとなる。したがって、上記した性能を有する本発明のトランジスタ素子は、バイポーラトランジスタと同じような電流変調作用を安定して得ることができ、大きな出力変調と電流増幅が可能となる。

【0035】

一方、本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）のオフ電流は、コレクタ層を形成している有機半導体材料のＨＯＭＯ準位の勾配により、整流効果を示し、ＯＦＦ時にはベース電極からエミッタ電極へ電流は、ほとんど流れない。電圧Ｖ_Bを印加しない場合（Ｖ_B＝０Ｖ）において、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に不必要な漏れ電流（ＯＦＦ時に流れるオフ電流）が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、オン／オフ比を向上させることができる。したがって、有機トランジスタ素子（ＭＢＯＴ）を有機ＥＬの駆動トランジスタ素子として用いた場合、暗電流が大きいとＯＦＦ時に有機ＥＬ素子の発光が起こり、ＯＮ時とＯＦＦ時のコントラストの低下を招くので、オン／オフ比は５００以上であることが望ましく、好ましくは、１，０００以上、さらに好ましくは、１０，０００以上のオン／オフ比が駆動トランジスタ素子に要求されるが、本発明のトランジスタ素子によれば、１０，０００以上とすることも可能であり容易に達成できる。

【0036】

さらに、本発明のトランジスタ素子（ＭＢＯＴ）の電流値は、低電圧領域においも大きな増幅が得られ、大きな電流を得ることができ、この点からも極めて有用なものになる。一般に、有機ＥＬ素子は低電圧領域での駆動させる素子であり、駆動トランジスタ素子には数ボルトで大きな電流を出力させることが要求される。有機ＥＬ素子は、印加電圧を高くすれば、大きな電流が得られ、高強度の発光を実現できるが、発光素子材料の劣化や分解を起こし、素子の寿命を短くし、長期間の安定した発光はできなくなる。したがって、駆動電圧は、１から２０Ｖ程度であり、好ましくは５Ｖ以下である。このとき、低電圧領域において、トランジスタ素子により変調される電流密度値は、特に制限されることはないが、１ｍＡ／ｃｍ²から５００ｍＡ／ｃｍ²が好ましく、さらに好ましくは、１ｍＡ／ｃｍ²から２００ｍＡ／ｃｍ²がよい。発光素子として利用する場合、電流密度値は１ｍＡ／ｃｍ²以下であると十分に発光させることができず、十分な発光強度が得られない。また、電流密度値が５００ｍＡ／ｃｍ²を超える素子は、十分なオン／オフ比を得ることができず、ＯＦＦ時（電圧０Ｖ）においても、暗電流が生じて発光素子から発光するという問題が生じることがある。

【0037】

本発明のトランジスタ素子のコレクタ層は、少なくとも２層のｐ型有機半導体よりなる積層構造をなしていることから、広範なｐ型有機半導体材料を適用することができるという、製造条の利点もある。すなわち、本発明においては、コレクタ層を形成する材料は正孔を効率よく輸送できる材料であればよく、ｐ型有機半導体層を形成することが可能な材料であれば問題なく使用できる。すなわち、本発明においては、ｐ型有機半導体層の形成に使用される有機半導体材料は、正孔を輸送する材料（正孔輸送性材料）であればよく、このような材料で形成した、ＨＯＭＯ準位がそれぞれに異なるｐ型有機半導体層を積層したコレクタ層であれば特に制限なく使用することができる。

【0038】

本発明のトランジスタ素子を構成する有機半導体膜は、適切なエネルギー準位を有することが望ましい。そのため、本発明の好適な構成としては、ベース電極とコレクタ電極との間に設けられたｐ型有機半導体層（コレクタ層）において、コレクタ電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）４．５から５．５ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、ベース電極側コレクタ層が、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）５．０〜６．０ｅＶにあるｐ型有機半導体層からなり、コレクタ電極側コレクタ層よりもベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が大きくなるようにすることが挙げられる。また、エミッタ層を形成する有機半導体材料のＨＯＭＯ準位（最高被占分子軌道エネルギー準位）は、特に限定されないが、本発明者らの検討によれば、エミッタ層のＨＯＭＯ準位が４．５から５．５ｅＶにあるように形成し、かつ、ベース電極側のコレクタ層を、ＨＯＭＯ準位（最高被占分子軌道エネルギー準位）が５．３〜６．０ｅＶである有機半導体材料により形成した場合、ＨＯＭＯ準位の差により、エミッタ層から注入された正孔は、コレクタ電極へ、より効率よく移動でき、その結果、より大きな電流を得ることができる。

【0039】

本発明のトランジスタ素子を構成するベース電極側コレクタ層は、エミッタ層から効率よく正孔が注入されるものであるが、該層を形成するｐ型有機半導体材料としては、例えば、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、ジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）、金属フタロシアニン、無金属フタロシアニンが挙げられる。これらの中でも特に好ましいものとしては、コレクタ層表面に平滑なベース電極を形成できるインデノペリレンが挙げられる。これらの材料の大気中光電子分光装置（ＡＣ−３：理研計器株式会社製、以下も同様の装置で測定）で測定したＨＯＭＯエネルギーレベル、ＡＦＭにより測定した表面平均２乗粗さ（ＲＭＳ）は、それぞれ、ＤＮＴＴでは、５．４９ｅＶ、１３．６ｎｍ、ＤＩＰでは、５．４９ｅＶ、１．６８ｎｍ、Ｎｉフタロシアニンでは、５．２３ｅＶ、８．３６ｎｍである。このため、これらのいずれの材料を用いた場合も、エミッタ層から効率的に注入された正孔を、後述するコレクタ電極側コレクタ層へ効率よく移動でき、大きな電流を得ることができる。本発明者らの検討によれば、これらの中でも特に、ＤＩＰをコレクタ層表面に用いた場合に、より大きな電流値が得られる。

【0040】

本発明のトランジスタ素子を構成するコレクタ電極側に形成されるコレクタ層は、上記で説明したベース電極側に形成されるコレクタ層とＨＯＭＯ準位において異なるものであり、該ベース電極側コレクタ層から効率よく正孔が注入されるものである。該コレクタ電極側コレクタ層を形成するｐ型有機半導体材料としては、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニンが挙げられる。例えば、銅フタロシアニンの大気中光電子分光装置で測定したＨＯＭＯエネルギーレベルは、５．１５ｅＶにあり、ベース電極側に形成されたコレクタ層から、コレクタ電極へと電荷を送る電荷の流れを制御することが可能となる。

【0041】

本発明のトランジスタ素子を構成するエミッタ層は、ｐ型有機半導体により形成される有機半導体薄膜である。エミッタ層を形成する材料は正孔を効率よく輸送できる材料であればよく、ｐ型有機半導体層を形成することが可能な材料であれば問題なく使用できる。ｐ型有機半導体層の形成に使用される有機半導体材料は、正孔輸送型の半導体として機能し、用いる材料としては、正孔を輸送する材料（正孔輸送性材料）であれば特に制限なく使用することができる。

【0042】

本発明のトランジスタ素子を構成するエミッタ層は、適切なエネルギー準位を有していることが好ましい。エミッタ層は、エミッタ電極から注入された正孔は、ベース電極界面まで移動し、ベース電極を通り、コレクタ層へ注入されるので、その形成材料としては、ベース電極からの正孔の注入が効率よく行われ、コレクタ層へ正孔を注入し易いＨＯＭＯ準位（最高被占分子軌道エネルギー準位）であることが好ましい。具体的には、ＨＯＭＯ準位が４．５から５．５ｅＶにある有機半導体材料が好ましく、このような材料からなるエミッタ層とすれば、注入された正孔が、コレクタ電極へ効率よく移動でき、より大きな電流を得ることができる。エミッタ層は、エミッタ電極から注入された正孔は、ベース電極界面まで移動し、ベース電極を通り、コレクタ層へ注入されるので、具体的な形成材料としては、ベース電極からの正孔の注入が効率よく行われ、コレクト層へ正孔を注入し易い、例えば、ペンタセン、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン、ジナフトチエノチオフェン、ジインデノペリレンから選ばれる化合物、および、その誘導体を利用できる。

【0043】

本発明のトランジスタ素子を構成するベース電極側コレクタ層の形成材料としては、エミッタ層から効率よく注入するものであればよく、先に述べたように、特に好適なものとしては、例えば、ジインデノペリレン（ＤＩＰ）、ジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）が挙げられる。本発明者らの検討によれば、これらの材料は、そのＨＯＭＯ準位の測定値が、エミッタ層から注入される正孔が、コレクタ電極側コレクタ層へと効率よく移動するのに適切なエネルギー準位を有している。ここで、上記材料の大気中光電子分光装置で測定したＨＯＭＯエネルギーレベルは、それぞれ５．４７ｅＶ（ＤＩＰ）、５．４９ｅＶ（ＤＮＴＴ）である。本発明のトランジスタ素子のより好適な構成としては、上記したような材料でベース電極側の有機半導体層（コレクタ層）を形成し、エミッタ電極とベース電極との間のエミッタ層を、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）である４．５から５．５ｅＶである好適な有機半導体材料で形成し、さらに、ベース電極と、コレクタ電極側の有機半導体層（コレクタ層）を、そのＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が５．３〜６．０ｅＶの範囲にある材料により形成したものが挙げられる。上記した構成とした場合、各形成材料のＨＯＭＯ準位の差により、エミッタ層から注入された正孔は、コレクタ電極へ効率よく移動でき、より大きな電流を得ることができる。

【0044】

（電流透過促進層）
本発明のトランジスタ素子は、シート状のベース電極の表裏の一方の面或いは両方の面に、積層させた状態で電流透過促進層をさらに形成することも好ましい態様である。より具体的には、該電流透過促進層は、ベース電極とコレクタ層の間（コレクタ層側）、ベース電極とエミッタ層との間（エミッタ層側）のいずれか一方又は両方の位置に、必要に応じて形成され、かつ、これらの電流透過促進層は、ベース電極に積層された構造であることが好ましい。本発明者らの検討によれば、ベース電極とコレクタ層の間に形成されたコレクタ層側電流透過促進層は、（１）ＯＦＦ電流を減少させる、（２）ベース電流とコレクタ電流の比率が大きくなり増幅率を高くする、といった効果を発揮する。また、ベース電極とエミッタ層の間に形成されたエミッタ層側電流透過促進層は、（１）コレクタ層への電荷移動の高効率化、電荷の注入率の向上によりコレクタ電流を大きくする、（２）電極界面の改善によるＯＦＦ電流の減少をすることができ、この結果、電流増幅率、ＯＮ／ＯＦＦ比をより大きくする。さらに、低電圧領域において、大きな出力変調と大電流変調が、安定して作動できるという効果をもたらす。

【0045】

先述したように、本発明のトランジスタ素子を構成することができる電流透過促進層は、電流透過促進層とベース電極とが積層構造となるように形成される。電流透過促進層の形成材料には、ベース電極を透過する電流が増加する電流透過率を向上させる材料であれば問題なく使用できる。具体的には、電流透過促進層の形成材料としては、これまでに、電子注入層として知られている材料を利用することができ、例えば、アルカリ金属化合物が好ましく利用でき、特に好ましい材料としては、フッ化リチウムが挙げられる。

【0046】

本発明者らの検討によれば、本発明のトランジスタ素子において、必要に応じて電流透過促進層を形成することによってもたらされる機能は、下記に述べるようである。例えば、アルミニウム電極をベース電極とし、これを電流透過促進材料であるフッ化リチウムから形成した層で挟み込んでベース電極部とした場合、ベース電極の表裏それぞれの側に、コレクタ層とエミッタ層をペンタセンで形成したＭＢＯＴの電流増幅率は、ベース電極の一方の側にのみフッ化リチウム層を形成したＭＢＯＴの７７倍以上となり、さらに、その電流Ｉ_Cは、フッ化リチウム層を有さない場合の約２倍となり、大電流を得られることを確認した。上記した効果が得られる原理としては、［１］電流増幅率が大きく向上すること、［２］ＯＦＦ電流は増えていないこと、［３］電流透過促進層の膜厚を厚くすると電流値が減少してくることから、電流透過促進層の存在は、ベース電極を形成している材料の半導体層への拡散を抑制しているとともに、電圧により加速された正孔がエミッタ層からコレクタ層へ流れるときに、ベース電極部における電流透過率も向上させているメカニズムが考えられる。

【0047】

さらに、本発明のトランジスタ素子は、従来のＳＩＴ構造のようなベース電極の微細パターニングを不要なものにできるとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらに、オン／オフ比が高い発光トランジスタ素子を得ることができる。また、本発明のトランジスタ素子は、蒸着法のみで作製することも可能であり、このため、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的な発光トランジスタ素子を簡便に製造することが可能となる。また、本発明のトランジスタ素子においては、そのコレクタ層が有機ＥＬとなる発光層を含む発光素子部を有するものとでき、さらに、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以上の層からなる発光素子部を有する発光トランジスタ素子となる。

【0048】

次に、本発明のトランジスタ素子の各構造・材料について説明する。
（基板）
本発明の有機トランジスタ素子は、通常、下記に挙げるような基板上に形成して使用される。この際に用いる基板は、トランジスタ素子の形態を保持できる材料であればよく、例えば、ガラス、アルミナ、石英、炭化珪素などの無機材料、アルミニウム、銅、金などの金属材料、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、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基板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、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であって、基板側から光を放出させるボトムエミッションの場合は、プラスチックフィルム、ガラスなど、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、或いは併用してもよい。また、基板の大きさや、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、例えば、カード状、フィルム状、ディスク状、チップ状など、どのようなものでも問題なく使用できる。

【0049】

（有機半導体層）
先に述べたように、本発明の有機トランジスタ素子の特徴は、構成するｐ型有機半導体層が、図１に示したように、コレクタ電極とベース電極間に設けたコレクタ層２２と、ベース電極とエミッタ電極間に形成されたエミッタ層２１からなり、さらに、これらのうちのコレクタ層２２が、それぞれに異なるｐ型有機半導体層からなる２層以上の積層構造をもつことにある。また、ベース電極と、ｐ型有機半導体層であるコレクタ層およびエミッタ層とは、直接或いは電流透過促進層を介して積層された状態にある（図１、図２参照）。以下、ｐ型有機半導体層について、コレクタ層とエミッタ層とに分けて説明する。

【0050】

＜エミッタ層＞
本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層２１は、ｐ型有機半導体からなるが、その形成材料としては、正孔を輸送する材料であれば問題なく利用できる。また、必要に応じて、他のｐ型有機半導体層との多層構造としてもよいし、ｎ型有機半導体層とのダイオード構造としてもよいし、ホール注入層との積層構造としてもよい。

【0051】

本発明を構成するエミッタ層に必須のｐ型有機半導体層は、エミッタ電極から正孔を受け取り、これをベース電極へ、場合によっては、対をなしているｎ型有機半導体層、または、その界面付近まで輸送する機能を有する。ｐ型有機半導体層を形成する材料としては、一般的なｐ型半導体材料であれば、特に限定なく使用でき、例えば、ペンタセン、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類（Ｃｕ−Ｐｃ、ＶＯ−Ｐｃ、Ｎｉ−Ｐｃなど）、ナフタロシアニン、インジコ、チオインジゴ、アントラセン、キナクリドン、オキサジアゾール、トリフェニルアミン、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、ピラゾリン、テトラヒドロイミダゾール、ポリチオフェン、ポルフィリン、ジナフトチオフェンなど、またはこれらの誘導体などを用いることができる。また、エミッタ層の形成には、上記に列挙したｐ型有機半導体材料加えて、ｐ型有機半導体材料として機能する正孔輸送性材料を利用することもできる。

【0052】

本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層を形成するｐ型半導体材料としては、電気的に安定であり、適切なイオン化ポテンシャルと電子親和力を持つこと、さらに、ＨＯＭＯ準位が４．５から５．５ｅＶにある有機半導体材料が好ましく、さらには４．５から５．３ｅＶが好ましく、さらに、ベース電極側コレクタ層のＨＯＭＯ準位よりも小さいことはより好ましい。エミッタ層を形成するｐ型半導体層の特に好ましい材料としては、ペンタセンや、銅フタロシアニン、無金属フタロシアニンなどのフタロシアニン類が挙げられる。

【0053】

但し、エミッタ層のｐ型半導体層を形成する材料としては、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、この場合のｐ型半導体層は、単独成分を使用した単層構造だけでなく、２成分以上からなる混合層、２成分以上の有機半導体層よりなる積層構造であってもよい。ｐ型有機半導体層を形成する方法としては、蒸着法、もしくは、これらの化合物を含有した溶液、分散液を用いて各種の印刷法、塗工法により形成することができる。

【0054】

本発明の有機トランジスタ素子を構成するエミッタ層を形成するｐ型有機半導体層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上であることが好ましい。また、エミッタ層２１の厚さは、コレクタ層に比べて基本的に薄いことが好ましく、エミッタ層の厚さは、３００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。エミッタ層の厚さが１０ｎｍ未満の場合は、ダイオード構造が一部で形成されない可能性があり、トランジスタ性能の低下、または、導通の問題が発生して歩留まりが低下することが考えられるので、好ましくない。一方、エミッタ層の厚みが３００ｎｍを超えると、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。

【0055】

＜コレクタ層＞
本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層は、ベース電極とコレクタ電極間に、２層以上のｐ型有機半導体層からなる積層構造となるように、ｐ型有機半導体材料から形成される。そして、該コレクタ層を形成する材料としては、有機半導体として通常使用されているｐ型有機半導体材料が挙げられ、いずれも使用できる。ｐ型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、一般的に使用されているｐ型の有機半導体材料が使用でき、先に説明したエミッタ層に使用されるｐ型半導体材料をいずれも利用できる。

【0056】

本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層を形成する材料は、ｐ型半導体材料であれば特に限定なく使用することができるが、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造は、下記のようであることが好ましい。すなわち、ベース電極側に形成されるベース電極側コレクタ層は、ＨＯＭＯ準位（最高被占軌道エネルギー準位）が５．０〜６．０ｅＶの範囲にある材料よりなるｐ型有機半導体層であることが好ましく、さらに好ましくは、ＨＯＭＯ準位がこの範囲にある材料の中でも特に、ジインデノペリレン（ＨＯＭＯ：５．４７ｅＶ）、ジナフトチエノチオフェン（ＨＯＭＯ：５．４９ｅＶ）および、これらの誘導体からなる層であることが好ましい。また、この場合の誘導体としては、メチル基、エチル基、ブチル基、２−エチルヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、オクタデシル基などのアルキル基、アルキル基中にヘテロ基を有するヘテロアルキル基、アミノ基、アミド基、カルボキシル基などの官能基を有する化合物が挙げられる。本発明者らの検討によれば、ｐ型有機半導体材料がこれら官能基を有することにより、溶媒への溶解性が高まり、この結果、ｐ型有機半導体層を形成する場合に印刷法を適用することが可能となり、平滑な半導体表面を容易に形成することが可能となるばかりでなく、官能基による相互作用により電荷の伝達性が改善される場合もあるので、より好ましい。これらの材料よりなるｐ型有機半導体薄膜（層）は、単独材料を使用して形成することもできるが、２成分以上からなる混合材料によって形成した混合層としてもよい。さらに、本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層は、２層以上の異なるｐ型有機半導体層からなる積層構造を有するものであればよく、その他の有機半導体層をさらに積層した積層構造であってもよい。

【0057】

また、本発明の有機トランジスタ素子を構成するコレクタ層の膜厚は、通常、５０ｎｍ〜５，０００ｎｍを挙げることができるが、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。なお、その厚さが５０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないおそれがあるので好ましくなく、一方、５，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。
但し、コレクタ層の電荷移動度は、高いことが望ましく、少なくとも、０．０００１ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上であることが望ましい。電荷移動度が低いと、トランジスタ素子としての性能、例えば、オン電流が小さくなるなどの問題を生じるおそれがあるので好ましくない。

【0058】

（電極）
本発明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。本発明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、コレクタ電極１１は基板１０上に設けられ、ベース電極１３は、ｐ型有機半導体層であるエミッタ層２１と、積層構造を有するコレクタ層２２と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と対向する位置に、上記ｐ型有機半導体層２１、２２とベース電極１３とを挟むように設けられる。

【0059】

本発明のトランジスタ素子を構成する各電極に使用する材料は、以下のものであることが好ましい。例えば、本発明のトランジスタ素子を構成するコレクタ層２２は、ｐ型有機半導体からなるｐ型半導体層であるので、コレクタ電極１１の形成材料としては、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの透明導電膜、金、銀、銅のような金属、ポリアニリン、ポリピロールン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子などが挙られる。一方、エミッタ電極１２の形成材料としては、アルミニウム、銀などの単体金属、Ｍｇ−Ａｇ、Ｍｇ−Ｉｎなどのマグネシウム合金、Ａｌ−Ｌｉ、Ａｌ−Ｃａ、Ａｌ−Ｍｇなどのアルミニウム合金、Ｌｉ、Ｃａをはじめとするアルカリ金属類、それらアルカリ金属類の合金のような仕事関数の小さな金属などを挙げることができる。

【0060】

また、本発明においては、ＯＦＦ時の暗電流を抑制し、高いオン／オフ比を達成するベース電極として、アルミニウムにより電極を形成した後、空気中で熱酸化処理することにより、電極表面に酸化膜を形成したベース電極を使用することも好ましい形態である。また、ベース電極として、アルミニウム層／フッ化リチウム層よりなる層構造の電極を使用することにより、ＯＮ電流が大きく、暗電流が抑制された、高いオン／オフ比をなすトランジスタ素子の形成が可能となる。

【0061】

本発明のトランジスタ素子に用いられるベース電極の厚さは、０．５ｎｍ〜１００ｎｍあることが好ましく、さらに好ましくは、１ｎｍから３０ｎｍ、さらに、さらに好ましくは、５ｎｍ〜２０ｎｍが好ましい。ベース電極は、ベース電極の厚さが１００ｎｍ以下であれば、ベース電圧Ｖｂで加速された電子を容易に透過することができる。なお、ベース電極は、半導体層中に切れ目なく（すなわち、穴やクラックなどの欠陥部なく）設けられていれば問題なく使用できるが、０．５ｎｍ未満であると欠陥を生じ、有機トランジスタ素子として動作しないおそれがあるので好ましくない。

【0062】

本発明のトランジスタ素子に用いられる電極の形成方法としては、上記の各電極のうちコレクタ電極とエミッタ電極については、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの真空プロセス或いは塗布方法が挙げられる。これらの方法により形成された電極の膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、１０ｎｍ〜１，０００ｎｍ程度であることが好ましい。なお、その厚さが１０ｎｍ未満の場合、トランジスタ素子として動作しないおそれがあり、１，０００ｎｍを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるのでいずれも好ましくない。

【0063】

（暗電流抑制層）
本発明のトランジスタ素子は、下記のようにして暗電流抑制層を形成したものであってもよい。その方法としては、ベース電極を形成した後に、当該ベース電極を加熱処理して形成することが好ましい。さらに、本発明のトランジスタ素子においては、前記ベース電極を金属からなるものとし、該ベース電極の片面または両面に該ベース電極の酸化膜を形成することで、エミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖ_B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ものになる。

【0064】

また、ＯＦＦ時の暗電流を抑制し、高いオン／オフ比を達成するベース電極として、アルミニウムにより電極を形成した後、空気中で熱酸化処理により、電極表面にアルミニウム酸化膜よりなる暗電流抑制層を形成したベース電極を使用することも好ましい。また、ベース電極として、アルミニウム層／フッ化リチウム層よりなる層構造の電極を使用することにより、ＯＮ電流が大きく、暗電流が抑制された、高いオン／オフ比をなすトランジスタ素子の形成が可能となる。

【0065】

これらの形態の本発明によれば、暗電流抑制層がコレクタ電極とベース電極との間に設けられていることにより、暗電流が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、オン／オフ比を向上させることができる。このように構成した本発明のトランジスタ素子は、見かけ上、バイポーラトランジスタと同様の電流変調型のトランジスタ素子として有効に機能し、高いオン／オフ比、大きなコレクタ電流、電流増幅率を示す優れた有機トランジスタ素子として機能するものになる。

【実施例】

【0066】

以下、本発明の実施例および比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。なお、有機半導体材料のＨＯＭＯ準位は、先述した大気中光電子分光装置で測定し、各ｐ型有機半導体層の表面の粗さについては、平均２乗粗さＲＭＳを原子間力顕微鏡にて測定し、結晶粒子径についてはＸ線回折による半値幅から計算し、原子間力顕微鏡で確認をした。

【0067】

実施例および比較例で作製したトランジスタ素子の評価は、下記の方法で行ったが、まず、その方法について説明する。
（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−コレクタ電極間に印加電圧（Ｖ_C）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（Ｖ_B）を０Ｖ〜−３、−５、−１０Ｖの範囲で変調させた。出力変調特性の測定は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧（Ｖ_C）を印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_B（０〜−３Ｖ）を印加したときの、ベース電流Ｉ_B、および、コレクタ電流Ｉ_Cの変化量（オフ電流、オン電流）を測定した。また、コレクタ電流の変化に対するベース電流の変化の比率、すなわち、電流増幅率（ｈ_FE）、オン電流とオフ電流の比率であるオン／オフ比（Ｉ_C-ON／Ｉ_C-OFF）を算出した。

【0068】

（実施例１）
［コレクタ層：ＣｕＰｃ／ＤＩＰ、エミッタ層：ペンタセン］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にコレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる平均厚さ２４０ｎｍのｐ型有機半導体層を形成し、さらに、その上にＤＩＰからなる平均厚さ１６０ｎｍのベース電極側コレクタ層を、それぞれ真空蒸着法により形成し、上記異なる２層が積層した構造のコレクタ層を作製した。得られたコレクタ層表面は、粗さがＲＭＳ＝１．６８ｎｍであり、平均の結晶粒子径が２６ｎｍであった。次に、上記コレクタ層の上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に各層および電極を積層し、実施例１のトランジスタ素子を得た。

【0069】

上記のようにして得られた実施例１のトランジスタ素子のトランジスタ特性を、表１に示した。実施例１のトランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと、印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。ベース電圧を印加したときのコレクタ電流の変化（Ｉ_C−Ｖ_B特性）、ベース電流の変化を図４、５に示した。また、コレクタ電圧Ｖ_C＝−５Ｖ、ベース電圧Ｖ_B＝−３Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉ_Cのオン電流、電流増幅率、Ｖ_B＝０Ｖの時のオフ電流、さらに、オン／オフ比を表１に示した。

【0070】

（実施例２）
［コレクタ層：ＣｕＰｃ／ＤＮＴＴ、エミッタ層：ペンタセン］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にコレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる平均厚さ３００ｎｍのｐ型有機半導体層を形成し、さらに、その上にＤＮＴＴからなる平均厚さ１００ｎｍのベース電極側コレクタ層を、それぞれ真空蒸着法により形成し、上記異なる２層が積層した構造のコレクタ層を作製した。得られたコレクタ層表面は、粗さがＲＭＳ＝１３．６ｎｍであり、平均の結晶粒子径が１０７ｎｍであった。次に、上記コレクタ層の上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に各層および電極を積層し、実施例２のトランジスタ素子を得た。

【0071】

上記のようにして得られた実施例２のトランジスタ素子は、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示した。得られたトランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−１０Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと、印加しないとき（０〜−４Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。その結果、コレクタ電圧Ｖ_C＝−５Ｖ、ベース電圧Ｖ_B＝−３Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉ_Cのオン電流密度Ｉ_C-ON＝６１．７ｍＡ／ｃｍ²、電流増幅率ｈ_FE＝７１５．３、Ｖ_B＝０Ｖの時のオフ電流密度Ｉ_C-OFF＝５．９×１０^-2ｍＡ／ｃｍ²であり、さらに、オン／オフ比は１．１×１０³であった。

【0072】

（実施例３〜８）
［コレクタ層：ＣｕＰｃ／ＤＩＰ、エミッタ層：ペンタセン］
実施例１のトランジスタ素子において、２層構造からなるコレクタ層の厚みの総計は４００ｎｍで同様とし、銅フタロシアニンとジインデノペリレンの各材料から形成したｐ型有機半導体層の厚さを、表２に記載した厚さにそれぞれ変えてコレクタ層を形成した以外は実施例１と同様にして、実施例３〜８のトランジスタ素子を作製した。

【0073】

具体的には、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にコレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる、平均厚さが、それぞれ、３９０、３５０、３２０、３００、２８０、２００ｎｍのｐ型有機半導体層を真空蒸着法により形成した。さらに、その上に積層させたベース電極側コレクタ層としては、ＤＩＰからなる平均厚さが、それぞれ、１０、５０、８０、１００、１２０、２００ｎｍのｐ型有機半導体層を真空蒸着法により作製した。次に、上記でそれぞれ得たコレクタ層の上に、フッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、次に、アルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上に、フッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に積層し、実施例３〜８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構造を図２に示し、特性を表２にまとめて示した。

【0074】

（実施例９）
［コレクタ層：ＣｕＰｃ／ＮｉＰｃ、エミッタ層：ペンタセン］
実施例２のトランジスタ素子において、ベース電極側コレクタ層を、ジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）からニッケルフタロシアニン（ＮｉＰｃ）に変えて、それ以外は実施例２と同様にして実施例９のトランジスタ素子を得た。具体的には、ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上に、コレクタ電極側コレクタ層として、ｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる平均厚さ３００ｎｍの有機半導体層を形成し、さらに、その上にＮｉＰｃからなる平均厚さ１００ｎｍのベース電極側コレクタ層を真空蒸着法により形成した。得られたコレクタ層表面は、粗さがＲＭＳ＝８．３６ｎｍであり、平均の結晶粒子径４１ｎｍであった。次に、上記コレクタ層の上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、アルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、１時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に積層し、実施例９のトランジスタ素子を得た。

【0075】

得られたトランジスタ素子は、ＭＢＯＴの特徴である電流変調を示した。得られたトランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと、印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。その結果、コレクタ電圧Ｖ_C＝−５Ｖ、ベース電圧Ｖ_B＝−３Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉ_Cのオン電流密度Ｉ_C-ON＝１６．９ｍＡ／ｃｍ²、電流増幅率ｈ_FE＝２５、Ｖ_B＝０Ｖの時のオフ電流密度Ｉ_C-OFF＝０．１２ｍＡ／ｃｍ²であり、さらに、オン／オフ比は１３６であった。

【0076】

（比較例１）
［コレクタ層：ＣｕＰｃ、エミッタ層：ペンタセン］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にｐ型有機半導体材料である銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）からなる平均厚さ４００ｎｍのｐ型有機半導体層をコレクタ層として真空蒸着法により作成した。次に、その上に、フッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、1時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、その上に金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に積層し、比較例１のトランジスタ素子を得た。素子の構造を図３に示す。

【0077】

得られた比較例１の素子のトランジスタ特性を表１に示した。比較例１で得られたトランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−１０Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。ベース電圧を印加したときのコレクタ電流の変化（Ｉ_C−Ｖ_B特性）、ベース電流の変化を図４、５に示した。また、コレクタ電圧Ｖ_C＝−５Ｖ、ベース電圧Ｖ_B＝−３Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉ_Cのオン電流、電流増幅率、Ｖ_B＝０Ｖの時のオフ電流、さらに、オン／オフ比を表１に示した。

【0078】

（比較例２）
［コレクタ層：ＤＩＰ、エミッタ層：ペンタセン］
ＩＴＯ透明基板をコレクタ電極とし、該基板上にｐ型有機半導体材料であるジインデノペリレン（ＤＩＰ）からなる平均厚さ４００ｎｍの有機半導体層をコレクタ層として真空蒸着法により作成した。次に、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成し、次に、その上にアルミニウムからなる平均厚さ１０ｎｍのベース電極層を真空蒸着法により形成した。その後、大気中で１５０℃、1時間の熱処理により、アルミ電極表面に、酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層を形成した。さらに、その上にフッ化リチウムからなる３ｎｍの電流透過促進層を形成した後、エミッタ層として、ペンタセンからなるｐ型有機半導体層（平均膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着法により積層した。次に、金からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極１２を真空蒸着法による成膜手段で形成し、上記した順に積層し、比較例２のトランジスタ素子を得た。

【0079】

得られたトランジスタ素子のトランジスタ特性を表１に示した。比較例２で得られたトランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−１０Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。ベース電圧を印加したときのコレクタ電流の変化（Ｉ_C−Ｖ_B特性）、ベース電流の変化を図４、５に示す。また、コレクタ電圧Ｖ_C＝−５Ｖ、ベース電圧Ｖ_B＝−３Ｖを印加したときの、コレクタ電流Ｉ_Cのオン電流、電流増幅率、Ｖ_B＝０Ｖの時のオフ電流、さらに、オン／オフ比を表１に示した。

【0080】

【0081】

【0082】

（評価結果）
トランジスタ素子の出力特性は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖ_Cを−５Ｖ印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖ_Bを印加したときと印加しないとき（０〜−３Ｖ）の、コレクタ電流Ｉ_Cおよびベース電流Ｉ_Bの変化量を測定して行った。実施例のトランジスタ素子は、いずれもＭＢＯＴとして動作が確認された。
本発明のトランジスタ素子は、比較例の素子との比較から、コレクタ層を２層以上の積層構造としたことにより、優れたコレクタ電流値、オン／オフ比が得られることが確認された。また、ベース電極に積層されるコレクタ層のｐ型有機半導体層を平滑な表面とすることで、さらに優れた性能が得られ、実用化が期待されるトランジスタ特性が得られることを確認した。

【産業上の利用可能性】

【0083】

本発明の有機トランジスタ素子は、オフ電流が小さく、オン／オフ比が高くなるため、有機ＥＬなどのディスプレイ用駆動素子、有機発光層を組み込んだ有機発光トランジスタ素子として利用することができ、その多様な分野での利用が期待される。

【符号の説明】

【0084】

１０：基板
１１：コレクタ電極
１２：エミッタ電極
１３：ベース電極
２１：有機半導体層（エミッタ層）
２２：有機半導体層（コレクタ層）
２２Ａ：有機半導体層（ベース電極側コレクタ層）
２２Ｂ：有機半導体層（コレクタ電極側コレクタ層）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】