トランジスタ素子及びその製造方法並びに発光素子及びディスプレイ
【課題】エミッタ電極−コレクタ電極間において、低電圧で大電流変調を可能とするトランジスタ素子を提供する。また、そうしたトランジスタ素子の製造方法、また、そのトランジスタ素子有する発光素子及びディスプレイを提供する。
【解決手段】エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）とシート状のベース電極４が設けられているトランジスタ素子により、上記課題を解決する。半導体層５は、エミッタ電極３とベース電極４との間及びコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられて、それぞれ第２半導体層５Ｂ及び第１半導体層５Ａを構成し、さらに、ベース電極の厚さが８０ｎｍ以下であることが好ましい。また、少なくともエミッタ電極とベース電極との間又はコレクタ電極とベース電極との間には、暗電流抑制層が設けられていてもよい。
【解決手段】エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）とシート状のベース電極４が設けられているトランジスタ素子により、上記課題を解決する。半導体層５は、エミッタ電極３とベース電極４との間及びコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられて、それぞれ第２半導体層５Ｂ及び第１半導体層５Ａを構成し、さらに、ベース電極の厚さが８０ｎｍ以下であることが好ましい。また、少なくともエミッタ電極とベース電極との間又はコレクタ電極とベース電極との間には、暗電流抑制層が設けられていてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ素子及びその製造方法並びに発光素子及びディスプレイに関し、更に詳しくは、エミッタ−コレクタ間に低電圧で大電流変調を可能とするトランジスタ素子及びその製造方法、並びにそのトランジスタ素子を有する発光素子及びディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機トランジスタを用いたディスプレイの試作例がいくつか報告されているが、その多くは、有機電界効果型トランジスタ（有機ＦＥＴ）と液晶又は電気泳動セルとを組合せたものであり、有機ＥＬを用いた例はほとんど報告されていない。これは、現状の有機ＦＥＴでは、電流駆動デバイスである有機ＥＬをスイッチングするだけの大電流を流すのが難しいためである。そのため、より低電圧かつ大電流で動作する有機ＦＥＴの開発が望まれている。
【０００３】
現在までに知られている有機材料の移動度を前提にした場合、それを実現するためにはチャネル長を短くすることが必要であるが、ディスプレイの大量生産を視野に入れたパターニング技術では、チャネル長を数μｍ以下にすることは難しい。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。一般にサンドイッチデバイスに用いられる膜厚は数十ｎｍであり、しかも数Åオーダーの高い精度で制御可能であることから、チャネルを膜厚方向にすることによって、１μｍ以下の短いチャネル長を容易に実現できる。このような縦型の有機トランジスタとして、これまでに、ポリマーグリッドトライオード構造、静電誘導型トランジスタ（Static Induction Transistor, SIT）等が提案されている。
【０００４】
最近、単純な半導体／金属／半導体の積層構造を作製するだけで、高性能なトランジスタ特性を発現する有機トランジスタ素子が提案されている（非特許文献１を参照）。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、パイポーラトランジスタに似た電流増幅が観測され、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, MBOT）と呼んでいる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S.Fujimoto, K.Nakayama, and M.Yokoyama, Appl. Phys. Lett., 87, 133503(2005).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記トランジスタ動作は半導体／金属／半導体の積層構造を作製すれば必ず観測されるというものではなかった。
【０００７】
本発明の目的は、エミッタ電極−コレクタ電極間において、低電圧で大電流変調を可能とするトランジスタ素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そうしたトランジスタ素子の製造方法を提供すること、また、当該トランジスタ素子有する発光素子及びディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（第１のトランジスタ素子）
上記課題を解決するための本発明の第１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、半導体層とシート状のベース電極が設けられていることを特徴とする。また、本発明のトランジスタ素子において、前記半導体層が、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間及び前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、エミッタ電極とコレクタ電極との間に半導体層が設けられ、且つその半導体層中にシート状ベース電極が設けられているので、エミッタ電極とコレクタ電極との間にコレクタ電圧を印加し、さらにエミッタ電極とベース電極と間にベース電圧を印加すれば、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電荷（電子又は正孔）が著しく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、ベース電圧の印加によってエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流を増幅させることができる。そして、この発明によれば、シート状のベース電極は、エミッタ電極から供給された電荷をベース電圧で加速して弾道電子又は弾道正孔とし、その弾道電子又は弾道正孔をコレクタ電極側の半導体層内に容易に透過することができる範囲の厚さで全面に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極を容易に透過することができる。一方、本発明者の研究によれば、ベース電極がシート状に設けられていない場合（すなわちベース電極が穴やクラック等の欠陥部を含む場合）、その欠陥部では、エミッタ電極から注入された電荷はあまり加速されないので、その部分の電荷はベース電極を透過し難くなり、その結果、エミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流は全体としてあまり増幅させることができないとともに、各部位での電流量の増加にムラが生じてしまう。したがって、本発明のトランジスタ素子によれば、バイポーラトランジスタと同じような電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１０】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記ベース電極の厚さが、８０ｎｍ以下であることを特徴とする。この発明によれば、ベース電極の厚さが８０ｎｍ以下であるので、ベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる。その結果、シート状のベース電極の全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極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（穴やクラック等の欠陥部なく）設けられていればよいので、その厚さの下限は特に限定されないが、通常、１ｎｍ程度であればよい。
【００１１】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記ベース電極が、凹凸形状を有することを特徴とする。凹凸形状を有するベース電極（又は、表面粗さが粗いベース電極ということもできる。）は所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１２】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、結晶性の半導体層であることを特徴とする。コレクタ電極とベース電極との間に設けられた結晶性の半導体層はその表面が凹凸形状（又は、表面粗さが粗いということもできる。）であるので、その結晶性の半導体層上に設けられたベース電極も凹凸形状で形成される。凹凸形状を有するベース電極は所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１３】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記半導体層の結晶粒径が、前記ベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって、前記ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであることを特徴とする。この発明によれば、上記結晶性の半導体層の結晶粒径がベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって該ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであるので、その上にベース電極を形成すれば、凹凸形状を有するベース電極を容易に形成できる。
【００１４】
さらに、本発明の第１のトランジスタ素子において、（１）前記ベース電極が金属からなり、当該ベース電極の片面又は両面に当該ベース電極の酸化膜が形成されていること、（２）前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第１半導体層と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第２半導体層とが、異なる半導体材料で形成されていること、（３）前記第１半導体層及び前記第２半導体層が正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなること、（４）前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、有機化合物で形成されていること、（５）前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ１と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であること、（６）前記エミッタ電極と当該エミッタ電極に隣接する半導体層との間に、電荷注入層を有すること、又は、（７）前記電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物を含むこと、が好ましい。
【００１５】
（第２のトランジスタ素子）
本発明の第２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、半導体層とシート状のベース電極が設けられたトランジスタ素子であって、少なくとも前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に暗電流抑制層が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この第２のトランジスタ素子は、上記第１のトランジスタ素子のエミッタ電極−コレクタ電極間に例えば５Ｖの電圧Ｖｃを印加したとき、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間に動作に必要な電流成分以外の漏れ電流が流れ、ＯＮ／ＯＦＦ比が低下することがあるという問題を解決したものであり、その目的は、半導体層中に薄いシート状のベース電極を挿入したトランジスタ素子において、動作に必要な漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を提供することにある。
【００１７】
この発明によれば、少なくともエミッタ電極とベース電極との間又はコレクタ電極とベース電極との間に暗電流抑制層が設けられているので、その暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に必要な電流成分以外の漏れ電流（「暗電流」（スイッチＯＦＦ時に流れる電流）という。）が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。なお、暗電流抑制層は、例えばエミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加しない場合の暗電流は効果的に抑制できるが、エミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加した場合のいわゆるＯＮ電流はあまり妨げないように機能する。
【００１８】
本発明の第２のトランジスタ素子において、前記暗電流抑制層が、前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする。また、前記暗電流抑制層と前記ベース電極とが隣接して設けられていることを特徴とする。これらの発明によれば、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、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。
【００１９】
本発明の第２のトランジスタ素子において、（イ）前記暗電流抑制層が、有機系絶縁層又は無機系絶縁層であること、（ロ）前記暗電流抑制層が、有機系半導体層又は無機系半導体層であること、（ハ）前記暗電流抑制層が、酸化ケイ素又は酸化アルミニウムで形成されていること、（ニ）前記暗電流抑制層が、前記ベース電極の化学反応によって形成されていること、（ホ）前記暗電流抑制層の厚さが、２０ｎｍ以下であること、又は、（ヘ）前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、有機化合物で形成されていること、が好ましい。
【００２０】
（トランジスタ素子の製造方法）
本発明のトランジスタ素子の製造方法は、エミッタ電極とコレクタ電極との間に半導体層及びシート状のベース電極が設けられ、少なくとも前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に暗電流抑制層を形成する上記第２のトランジスタ素子の製造方法であって、前記ベース電極を化学反応させることにより、前記暗電流抑制層を形成することを特徴とする。
【００２１】
本発明のトランジスタ素子の製造方法において、前記ベース電極を形成した後に当該ベース電極の一部を酸化させて前記暗電流抑制層を形成すること、又は、前記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前記暗電流抑制層を形成すること、が好ましい。これらの発明によれば、暗電流抑制層を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００２２】
（電子デバイス）
本発明の電子デバイスは、上記本発明の第１のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、又は、上記本発明の第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、であることが好ましい。本発明は、本発明の第１又は第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として、例えば有機ＥＬ素子と組み合わせた電子デバイスとすることができる。
【００２３】
これらの発明によれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００２４】
（発光素子）
本発明の第１の発光素子は、上記本発明の第１のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とし、又、本発明の第２の発光素子は、上記本発明の第２のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とする。
【００２５】
近年、実用的な性能を示す有機発光トランジスタとしては、縦型の有機ＳＩＴを用いたものが知られている（工藤一浩、「有機トランジスタの現状と将来展望」、応用物理、第７２巻、第９号、第１１５１頁〜第１１５６頁、２００３年）が、その性能は未だ十分とはいえず、今後さらなる性能の向上が課題とされている。本発明の発光素子は、ベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも１層以上の発光層を含むので、大電流による面状発光が可能になる。しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【００２６】
本発明の第１及び第２の発光素子において、（ａ）前記有機ＥＬ層が、正孔輸送層、電子輸送層、正孔注入層及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有すること、又は、（ｂ）前記有機ＥＬ層が、励起子ブロック層を有すること、が好ましい。
【００２７】
（ディスプレイ）
本発明のディスプレイは、上記本発明の発光素子が、基板上に形成されていることを特徴とする。この発明によれば、実用的なディスプレイとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１のトランジスタ素子によれば、シート状のベース電極はベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる範囲の厚さで全面に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極を容易に透過することができる。その結果、本発明の第１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増幅作用を安定して得ることができる。
【００２９】
本発明の第２のトランジスタ素子によれば、暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、暗電流が流れるのを効果的に抑制することができるので、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができ、トランジスタとしてのコントラストを向上させることができる。
【００３０】
また、本発明の第２のトランジスタ素子の製造方法によれば、暗電流抑制層を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００３１】
また、本発明の電子デバイスによれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００３２】
また、本発明の発光素子によれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子を構成するベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも１層以上の発光層を含むので、大電流による面状発光が可能になる。しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】コレクタ電圧に対するコレクタ電流の変化を示すグラフである。
【図３】コレクタ電流の変化に対するベース電流の変化の比率（電流増幅率（ｈＦＥ））を示すグラフである。
【図４】ベース電極の厚さ以外は図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いた場合において、変調電流量Ｉｃ（Ａ）及び電流増幅率ｈＦＥ（Ｂ）の、ベース電極の膜厚依存性を示したグラフである。
【図５】ベース電極の厚さを変化させた際における電流透過率αを示したグラフである。
【図６】ベース電極の形成材料を変更した場合の、エミッタ電極からの注入電流（Ａ）と、コレクタ電極への到達電流（Ｂ）とに対するベース電圧依存性を示すグラフである。
【図７】本発明のトランジスタ素子のエネルギーダイアグラムである。
【図８】本発明の第２のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２のトランジスタ素子の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図１０】図８の第２のトランジスタ素子の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。
【図１１】図９の第２のトランジスタ素子の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。
【図１２】暗電流抑制層として酸化ケイ素膜を形成した場合でのＯＮ電流と、ＯＮ／ＯＦＦ比の実験結果を示すグラフである。
【図１３】暗電流抑制層が形成されていない場合のコレクタ電流のグラフを示したものである。
【図１４】暗電流抑制層を自然酸化により形成した後のコレクタ電流のグラフを示したものである。
【図１５】大気環境中に放置した時間と、ＯＮ／ＯＦＦ比の関係である。
【図１６】第１のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含む発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図１７】第２のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含む発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図１８】図１６に示す構成の発光素子の実験例であり、コレクタ電圧Ｖｃとして一定の電圧を印加しながらベース電圧Ｖｂを変化させたときのＥＬ輝度の変化を示すグラフである。
【図１９】本発明のトランジスタ素子を用いた有機ＥＬのスイッチング構造を示す模式的な断面図である。
【図２０】コプラナー型デバイスにトータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、電流経路を示す模式図である。
【図２１】図１９に示すコプラナー型の直列デバイスにおける、輝度変調特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明のトランジスタ素子及びその製造方法並びに発光素子及びディスプレイについて、第１のトランジスタ素子、第２のトランジスタ素子、第２のトランジスタ素子の製造方法、発光素子及びディスプレイの順で説明する。なお、これらの発明は、それぞれの技術的特徴を有すれば、種々の変形が可能であり、以下に具体的に示す実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
（第１のトランジスタ素子）
図１は、本発明の第１のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第１のトランジスタ素子１０は、図１に示すように、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）とシート状のベース電極４が設けられている。この半導体層５は、詳しくは、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａと、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂとを有している。なお、符号１は、基板を表している。こうした形態からなる第１のトランジスタ素子１０は、縦型のトランジスタ素子でありながら、グリッドやストライプ等の微細電極のパターニングが必要ないという利点がある。
【００３６】
この第１のトランジスタ素子の具体例としては、例えば、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、ｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、平均厚さ５００ｎｍ）からなる第１半導体層５Ａと、酸化ケイ素からなる厚さ２．５ｎｍ又は５ｎｍの暗電流抑制層６と、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層した。ＯＮ電流とＯＦＦ電流は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃ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Ｖｂを印加したときと、印加しないときの、コレクタ電流Ｉｃ及びベース電流Ｉｂの変化量を測定して行った。
【００３７】
図２に示すように、ベース電圧Ｖｂが印加されないとき（Ｖb＝０）は、エミッタ電極−コレクタ電極間にほとんど電流が流れないが、ベース電圧Ｖｂの印加によって大幅に電流量が増加し、電流が変調されていることがわかる。そして、図２に示すように、Ｖｃ＝５Ｖ及びＶｂ＝３Ｖのときの電流密度は、３５０ｍＡ／ｃｍ２に達しており、この電流密度は例えば有機ＥＬを数千ｃｄ／ｍ２発光させるのに十分な大きな電流量である。一般的に、ＦＥＴ構造の場合には、ソース・ドレイン電圧、ゲート電圧ともに数十ボルトを要することからも、本発明に係る第１のトランジスタ素子１０が低電圧で大電流変調を実現できていることが容易に理解できる。また、このとき、ベース電極４は半導体層５に対して直接接触しているにもかかわらず、ほとんどベース電極４への電流の流入が起こらない。その結果、図３に示すように、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（ｈＦＥ）は１を超え、最大で１７０に達していた。このように本発明の第１のトランジスタ素子は、見かけ上パイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能することが確認できた。
【００３８】
すなわち、第１のトランジスタ素子１０は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に半導体層５（５Ａ，５Ｂ）が設けられ、且つその半導体層５中にシート状ベース電極４が設けられているので、図２及び図３に示すような本発明の第１のトランジスタ素子１０のトランジスタ性能は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加し、さらにエミッタ電極３とベース電極４と間にベース電圧Ｖｂを印加すれば、そのベース電圧Ｖｂの作用により、エミッタ電極３から注入された電荷（電子又は正孔）が著しく加速されてベース電極４を透過し、コレクタ電極２に到達するという原理に基づくものである。すなわち、ベース電圧Ｖｂの印加によってエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流を増幅させることができる。そして、この第１のトランジスタ素子１０では、シート状のベース電極４はベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる範囲の厚さで全面（図１においては所定の有効幅Ｗのことである。）に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極４を容易に透過することができる。したがって、本発明の第１のトランジスタ素子１０によれば、バイポーラトランジスタと同じような電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００３９】
以下に、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する各層及び各電極について説明する。
【００４０】
（基板）
図１においては、基板上に本発明の第１のトランジスタ素子が形成されているが、その基板１の種類や構造は特に限定されるものではなく、積層する各層の材質等により適宜決めることができ、例えば、Ａｌ等の金属、ガラス、石英又は樹脂等の各種の材料からなるものを用いることができる。後述する本発明に係る発光素子のように、光を基板１側から出射させるボトムエミッション構造の有機発光素子の場合には、透明又は半透明になる材料で基板が形成されることが好ましいが、光をエミッタ電極３側から出射させるトップエミッション構造の有機発光素子を作製した場合には、必ずしも透明又は半透明になる材料を用いる必要はなく、不透明材料で基板を形成してもよい。
【００４１】
特に、有機ＥＬ素子の基板として一般的に用いられているもの、すなわち、有機ＥＬ素子を強度的に支持しているものを好ましく用いることができる。基板の材質は、用途に応じてフレキシブルな材質や硬質な材質等が選択される。具体的に用いることができる材料としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。また、基板１の形状としては、枚葉状でも連続状でもよく、具体的な形状としては、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状等を挙げることができる。
【００４２】
（電極）
本発明の第１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２、エミッタ電極３及びベース電極４があり、図１に示すように、通常、コレクタ電極２は基板１上に設けられ、ベース電極４は半導体層５（第１半導体層５Ａ及び第２半導体層５Ｂ）内に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極３はコレクタ電極２と対向する位置に半導体層５とベース電極４を挟むように設けられる。電極材料としては、金属、導電性酸化物、導電性高分子等の薄膜が用いられる。なお、基板１とコレクタ電極２との間にはバリア層や平滑層等が設けられていてもよい。
【００４３】
例えば本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５が有機化合物からなる電子輸送層である場合、コレクタ電極２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等の透明導電膜、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、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等を挙げることができる。一方、エミッタ電極３の形成材料としては、アルミ、銀等の単体金属、ＭｇＡｇ等のマグネシウム合金、ＡｌＬｉ、ＡｌＣａ、ＡｌＭｇ等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等を挙げることができる。
【００４４】
一方、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５が有機化合物からなる正孔輸送層である場合には、上記のコレクタ電極２の形成材料と上記のエミッタ電極３の形成材料とは逆になる。
【００４５】
また、ベース電極４は半導体層５の構成材料とショットキー接触を形成するので、ベース電極４の形成材料としては、上記コレクタ電極２やエミッタ電極３に用いられる電極と同様の電極を挙げることができる。ベース電極４は、エミッタ電極３から供給された電荷をコレクタ電極２側の第１半導体層５Ａ内に強制的に供給するように作用するので、ベース電極４の形成材料としては、必ずしも第１半導体層５Ａに電荷を注入し易い材料である必要はない。しかし、コレクタ電極２側の第１半導体層５Ａが正孔注入層又は正孔注入材料を有する層である場合には、仕事関数が小さい材料でベース電極４を形成することが好ましく、一方、その第１半導体層５Ａが電子注入層又は電子注入材料を有する層である場合には、仕事関数が大きい材料でベース電極４を形成することが好ましい。こうしたベース電極４の形成材料としては、例えば、アルミ、銀等の単体金属、ＭｇＡｇ等のマグネシウム合金、ＡｌＬｉ、ＡｌＣａ、ＡｌＭｇ等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、ＬｉＦ等のアルカリ金属類の合金のような仕事関数の小さな金属等を好ましく使用することができるが、電荷（正孔、電子）注入層とショットキー接触を形成することが可能であれば、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等の透明導電膜、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、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等も使用することができる。
【００４６】
なお、後述する本発明に係る発光素子のように、光を基板１側から出射させるボトムエミッション構造の有機発光素子の場合には、少なくともコレクタ電極２を透明又は半透明の材料で形成することが好ましく、一方、光をエミッタ電極３側から出射させるトップエミッション構造の有機発光素子を作製する場合には、ベース電極４とエミッタ電極３を透明又は半透明の材料で形成することが好ましい。こうした構成により、光取り出し効率を向上させることができ。透明又は半透明の電極材料としては、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等の透明導電膜が好ましく用いられる。
【００４７】
上記の各電極のうちコレクタ電極２とエミッタ電極３については、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の真空プロセスあるいは塗布により形成され、その膜厚は使用する材料等によっても異なるが、例えば１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であることが好ましい。これらの膜厚は、厚さ方向の試料断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により５箇所の平均値を測定したものである。
【００４８】
図４は、ベース電極４の厚さ以外は上記図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いた場合において、変調電流量Ｉｃ（図４（Ａ））及び電流増幅率ｈＦＥ（図４（Ｂ））の、ベース電極４の膜厚依存性を示したグラフである。また、図５は、ベース電極４の厚さを変化させた際における電流透過率αを示したグラフである。図５に示す電流透過率αは、［Ｉｃ（コレクタ電極に到達した電荷）］／［Ｉｃ＋Ｉｂ（エミッタ電極から注入された電荷）］により表される。
【００４９】
図４に示すように、変調電流量Ｉｃ及び電流増幅率ｈＦＥは、いずれもベース電極４が厚くなるのにともなって急激に減少しており、十分なトランジスタ性能を得るためには、薄いベース電極４が必要不可欠であることが分かる。このとき、コレクタ電極２に到達した電荷に対する、エミッタ電極３から注入された電荷の比率である、電流透過率αを算出すると、図５に示すように、ベース電極４の厚さが４０ｎｍ以下では、９９％程度の非常に高い値を示していることが分かった。これは、エミッタ電極３からの電荷がほとんど全てベース電極４を透過していることを意味しており、その結果、パイポーラトランジスタと同様の電流増幅作用が得られているものと考えられる。
【００５０】
したがって、ベース電極４については、その厚さを４０ｎｍ以下とすることが好ましいが、図４に示すように、８０ｎｍ未満とした場合であっても使用可能である。４０ｎｍ以下の厚さはベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を半導体層内に容易に透過させる厚さであるので、シート状のベース電極４の全面で電荷（電子又は正孔）が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極４を容易に透過することができる。なお、ベース電極４は半導体層５中に切れ目なく（穴やクラック等の欠陥部なく）設けられていればよいので、その厚さの下限は特に限定されないが、通常、１ｎｍ程度であればよい。ベース電極４の厚さは、厚さ方向の試料断面を透過型電子顕微鏡により測定した。
【００５１】
図６は、ベース電極４の形成材料を変更した場合の、エミッタ電極３からの注入電流（図６（Ａ））と、コレクタ電極２への到達電流（図６（Ｂ））とに対するベース電圧依存性を示すグラフである。なお、このグラフは、ベース電極４の厚さを４０ｎｍとした以外は上記図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いて測定したものである。図６に示すように、ベース電圧Ｖｂを変化させた場合であっても、エミッタ電極３からの注入電流とコレクタ電極２への到達電流とはほぼ同じであり、電流透過率α［Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉｂ）］は、ベース電極４の材料をＬｉＦ／Ａｌ、Ａｕ、Ａｇとした各試料において、０．９９の高確率でベース電極４を透過していることがわかった。
【００５２】
また、図６に示すように、ベース電極４の材料をＬｉＦ（厚さ０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ１００ｎｍ）、Ａｕ（厚さ３０ｎｍ）、Ａｇ（厚さ３０ｎｍ）とした各試料を対比すると、電流値の大きさが異なり、ＬｉＦ／Ａｌが最も高く、Ａｇ、Ａｕの順に低くなっていた。この結果から、ベース電極４の材料により電流値の大きさはことなるが、電流透過率αに対する材料依存性は小さいことがわかった。
【００５３】
ベース電極４がシート状に設けられ、且つその厚さが所定の厚さ以下である場合に高い電流透過率αを示すメカニズムは必ずしも明確ではないが、現時点では以下のメカニズムが考えられる。
【００５４】
本発明においては、ベース電極４がシート状に設けられている場合（すなわちベース電極４が穴やクラック等の欠陥部を含まない場合）、エミッタ電極３から注入された電荷がシート状のベース電極４全面で加速され、エミッタ電極３から注入された電荷のほとんど全てが弾道電子又は弾道正孔となってベース電極４を透過すると考えられる。その結果、コレクタ電極に到達した電荷の量がエミッタ電極から注入された電荷の量とほぼ同じになって、全体として著しい電流増幅作用を示すと考えられる。一方、本発明者の研究によれば、ベース電極４がシート状に設けられていない試料（すなわちベース電極４が穴やクラック等の欠陥部を含む試料）を作製した場合においては、結果として、コレクタ電極に到達した電荷の量はエミッタ電極から注入された電荷の量よりも少なく、ＯＮ／ＯＦＦ比も小さくなることを確認している。その原因としては、その欠陥部ではエミッタ電極３から注入された電荷を加速できず、その部分の電荷はベース電極４を透過し難くなり、各部位での電流量の増加にムラが生じてしまうと考えられる。
【００５５】
また、ベース電極４が所定の厚さ以下である場合に高い電流透過率αを示すが、これは、エミッタ電極３から注入された電荷がベース電極４を弾道電子又は弾道正孔として透過することによるものと考えられる。つまり、薄いベース電極４が、パイポーラトランジスタのベース層と同じような働き（すなわち、ベースへのキャリア流入を防ぎつつエミッタ電流の増加だけを引き起こすという作用）を受け持つと考え、図７に示すエネルギーダイアグラムを提案する。図７からもわかるように、エミッタ電極−ベース電極間に印加されたベース電圧Ｖｂによって、エミッタ電極３からＣ６０からなる第２半導体層５Ｂへの電荷注入電流が増大し、その電荷がベース電極４に落ち込むことなく、Ｍｅ−ＰＣＴからなる第１半導体層５Ａの伝導帯に高い確率で到達してコレクタ電極２に収集された結果、大きなコレクタ電流変調が得られたものと考えられる。電荷がベース電極４中を弾道的に透過できる距離（電子又は正孔の平均自由行程）は一般的には数ｎｍから数十ｎｍ程度と言われているが、これは上記４０ｎｍ以下の厚さが好ましいという本発明の実験結果とほぼ一致する。
【００５６】
また、ベース電極４を凹凸形状を有するものとすることができる。この凹凸形状を有するベース電極４は、表面粗さが粗いベース電極ということもできるが、こうしたベース電極４は、所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有する。こうした構成からなるベース電極は、電流増幅作用を安定して得ることができる点で好ましい。なお、凹凸形状からなる表面形状は、接触式表面形状測定装置（メーカー：SLOAN THECHNOLOGY、型番：DEKTAK3）又は、AFM（Seiko Instruments, SPI3800）で評価した。
【００５７】
例えば、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａを、結晶性の有機化合物で真空蒸着した場合には、ベース電極４が形成される側の第１半導体層５Ａの表面は凹凸形状となっている。そのため、その結晶性の第１半導体層５Ａ上に設けられたベース電極４も凹凸形状で形成される。凹凸形状を有するベース電極４は所定の平均厚さのベース電極４を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極４が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００５８】
結晶性の半導体層を構成する材料としては、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子の構成材料である、ｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ）を好ましく挙げることができる。また、他の材料としては、後述の化学式で示すＣ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣを挙げることができる。また、これら以外の有機化合物であってもよい。このｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、厚さ４００ｎｍ）を真空蒸着で形成した際の、ベース電極４側の表面は、Ｘ線回折法で測定した結果、明確な結晶性ピークが得られた。また、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣにおいても、Ｘ線回折法で測定した結果、結晶性ピークが得られた。なお、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子の結晶性の半導体層５Ａの表面粗さはその上に設けられるベース電極４の表面粗さに反映された。したがって、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子のベース電極４が所定の表面粗さ（凹凸形状）を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができることを確認できた。
【００５９】
なお、結晶性の半導体層の結晶粒径は、透過型電子顕微鏡で測定でき、その結晶粒径は、ベース電極４の厚さ以上又は厚さ程度の５０ｎｍ又はそれ以上であった。このように、結晶性の第１半導体層５Ａの結晶粒径をベース電極４の厚さ以上となるようにすれば、その第１半導体層５Ａ上にベース電極４を形成することにより、凹凸形状を有するベース電極を容易に形成できる。結晶性の半導体層の表面粗さＲｚは、AFM（Seiko Instruments, SPI3800）で評価し、Me-PTCでは200nm〜400nm程度であり、NTCDAでは300nm〜500nmであり、C60では50nm〜100nmであった。Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠した。
【００６０】
また、ベース電極４が金属からなり、そのベース電極４の片面又は両面にベース電極５の酸化物薄膜が形成されているように構成することもできる。また、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）上に電極を成膜する場合は、電極成膜時にその半導体層５に加わるダメージを軽減するための保護層（図示しない）を半導体層５上に設けてもよい。保護層としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の半透明膜やＺｎＳ、ＺｎＳｅ等の無機半導体膜等の蒸着膜又はスパッタ膜のように、成膜時にダメージを与え難いものが１〜５００ｎｍ程度の厚さで予め成膜されることが好ましい。
【００６１】
（半導体層）
本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５としては、種々の半導体材料を例示でき、通常は電荷輸送特性の良い電荷輸送材料を例示できる。その形態としては、(i)コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａと、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂとが、異なる半導体材料で形成されていること、(ii)第１半導体層５Ａ及び第２半導体層５Ｂが正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなること、(iii)エミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた半導体層５Ａ，５Ｂのいずれもが、有機化合物で形成されていること、(iv)コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａの厚さＴ１と、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂの厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であること、好ましくは３／１〜７／１の範囲内であること、(v)エミッタ電極３と、エミッタ電極３に隣接する第２半導体層５Ｂとの間に、電荷注入層を有すること、又は、(vi)その電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物で形成されていること、が好ましい。
【００６２】
半導体層５（５Ａ，５Ｂ）の形成材料としては、後述の実験例で用いたＡｌｑ３、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣ、若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣを挙げることができ、また、アントラキノジメタン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ニジトロベンゼン、ニトロアントラキノン、無水マレイン酸若しくはペリレンテトラカルボン酸、又はこれらの誘導体等、電荷輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａにおいては、後述する本発明の発光素子の説明欄で列記した発光層形成材料を用いてもよい。
【００６３】
半導体層５（５Ａ，５Ｂ）の電荷移動度は、なるべく高いことが望ましく、少なくとも、０．００１ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが望ましい。また、コレクタ電極２側の第１半導体層５Ａの厚さは、通常、３００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度を挙げることができるが、好ましくは４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。なお、その厚さが３００ｎｍ未満の場合又は１０００ｎｍを超える場合は、トランジスタ動作を生じないことがある。一方、エミッタ電極３側の第２半導体層５Ｂの厚さは、第２半導体層５Ｂに比べて基本的に薄いことが望ましく、通常、５００ｎｍ程度以下を挙げることができるが、好ましくは５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。なお、その厚さが５０ｎｍ未満の場合は、導通の問題が発生して歩留まりが低下することがある。
【００６４】
コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられる第１半導体層５Ａの形成材料として、下記の各有機化合物を用いて実験を行った。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、下記の５種の化合物（Ａｌｑ３、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣ）から選択した１種からなる第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。第１半導体層５Ａの厚さは、Ａｌｑ３、Ｃ６０においては１００ｎｍとし、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣにおいては１００ｎｍとした。
【００６５】
こうして作製した５種のトランジスタ素子について、コレクタ電圧Ｖｃを５Ｖとし、ベース電圧Ｖｂを０Ｖ〜３Ｖの範囲で変調させた。出力変調特性の測定は、図２及び図３の場合と同様、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、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂを印加した時の、コレクタ電流Ｉｃ及びベース電流Ｉｂの変化量を測定して行った。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（ｈＦＥ）を算出した。表１は、その結果を示している。
【００６６】
【化１】
【００６７】
【化２】
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に示すように、Ｃ６０からなる第２半導体層５Ｂに対して、Ａｌｑ３やＣ６０からなる第１半導体層５Ａを形成した場合には、十分な結果を得ることができなかった。また、ＮＴＣＤＡやＰＴＣＤＡからなる第１半導体層５Ａを形成した場合の電流増幅率（ｈＦＥ）は、電流増幅が認められ、それぞれ１５、４６であった。一方、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａを形成した場合の電流増幅率（ｈＦＥ）は、２００という著しく高い値を示した。このように、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５（５Ａ，５Ｂ）には、電荷輸送材料を用いることができるが、詳細には、材料の組み合わせにより高い電流増幅作用を生じさせることができる。そして、その組み合わせは、現時点では、図７に示すように、半導体材料のＬＵＭＯの位置が関係していると考えられるので、その点を考慮して組み合わせることが望ましい。
【００７０】
表１には、コレクタ電圧Ｖｃを５Ｖとし、ベース電圧ＶｂのＯＮ電圧を３Ｖ、ＯＦＦ電圧を０Ｖとしたときの、ＯＮ／ＯＦＦ比の測定結果も併せて示した。表１に示したように、ＯＮ／ＯＦＦ比は、ＮＴＣＤＡやＰＴＣＤＡからなる第１半導体層５Ａを形成した場合は、大きな値となり、それぞれ４０、２０であった。一方、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａを形成した場合のＯＮ／ＯＦＦ比は、１００という著しく高い値を示した。
【００７１】
このように本発明の第１のトランジスタ素子は、見かけ上パイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能することが確認できた。
【００７２】
（第２のトランジスタ素子）
次に、本発明の第２のトランジスタ素子について説明する。図８は、本発明の第２のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図であり、図９は、本発明の第２のトランジスタ素子の他の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第２のトランジスタ素子２０，３０は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５とシート状のベース電極４が設けられたトランジスタ素子であって、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に、暗電流抑制層６，７が設けられている。図８においては、コレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層６が設けられており、図９においては、コレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層６が設けられ、さらにエミッタ電極３とベース電極４との間にも暗電流抑制層７が設けられている。なお、第２のトランジスタ素子は、上記第１のトランジスタ素子と比較して、暗電流抑制層が設けられている点が異なりその他の点は上記第１のトランジスタ素子と同じであるので、図８及び図９並びに以下の説明においては、同一の符号を用いてその説明を省略する。また、図８及び図９では基板は省略して図示している。
【００７３】
図１０は、図８の第２のトランジスタ素子２０の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものであり、図１１は、図９の第２のトランジスタ素子３０の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。これらの第２のトランジスタ素子２０，３０は、上記第１のトランジスタ素子１０のエミッタ電極−コレクタ電極間に例えば５Ｖのコレクタ電圧Ｖｃを印加したとき、エミッタ電極−ベース電極間に小さいベース電圧Ｖｂを印加した場合又はベース電圧Ｖｂを印加しない場合（Ｖｂ＝０Ｖ）にベース電極−コレクタ電極間に動作に必要な電流成分以外の漏れ電流が流れ、ＯＮ／ＯＦＦ比が低下することがあるという問題を解決したものである、そして、上記のように、半導体層５中に形成された薄いシート状のベース電極４の一方又は両面に暗電流抑制層（６，７）を形成することにより、動作に必要な漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子である。
【００７４】
本発明の第２のトランジスタ素子２０，３０によれば、図１０及び図１１に示すように、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層（６，７）が設けられているので、その暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に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、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。なお、暗電流抑制層６，７は、例えばエミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加しない場合の暗電流は効果的に抑制できるが、エミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加した場合のいわゆるＯＮ電流はあまり妨げないものを用いることが望ましい。
【００７５】
暗電流抑制層６，７は、ベース電圧ＶｂをＯＦＦにした際に、コレクタ電圧Ｖｃによって生じたエミッタ電流がベース電極４を透過しないように作用するので、図８に示すように少なくともコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられる。なお、必要に応じてベース電極４の両面に暗電流抑制層７を設けることができる。また、形成する暗電流抑制層は、ベース電極４に隣接して（すなわち、ベース電極４に接触するように）設けられていることが好ましい。
【００７６】
暗電流抑制層としては、ベース電極４に一様に形成されていることが好ましい。ここで、「一様に」とは、穴や切れ目がなく全面に形成されていることをいう。暗電流抑制層の厚さが薄すぎると、一様な暗電流抑制層を成膜し難いという難点があり、暗電流抑制層の厚さが厚すぎると、ベース電圧ＶｂをＯＮ状態にしたときの電流も顕著に抑制されることがある。
【００７７】
暗電流抑制層の形成材料としては、有機系絶縁層や無機系絶縁層を挙げることができるが、上記厚さで成膜できることと暗電流抑制層としての作用効果を奏することを条件に以下の具体例を挙げることができる。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａ１２Ｏ３等の無機材料や、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリビニルクロライド、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルフェノール、ポリサルホン、ポリカーボネート、ポリイミド等の有機材料等を挙げることができる。なお、これらの形成材料は、単独で用いてもよいし、２種以上の材料を用いてもよい。
【００７８】
また、暗電流抑制層の形成材料として、有機系半導体材料を用いてもよいし、無機系半導体材料を用いてもよい。これらの材料から、上記厚さで成膜できることと暗電流抑制層としての作用効果を奏することを条件に最適なものが選定される。これらの形成材料も上記同様、単独で用いてもよいし、２種以上の材料を用いてもよい。
【００７９】
図１２は、暗電流抑制層として酸化ケイ素膜を形成した場合でのＯＮ電流と、ＯＮ／ＯＦＦ比の実験結果を示すグラフである。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａ（厚さ４００ｎｍ）と、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。なお、比較試料として、酸化ケイ素を設けないトランジスタ素子を作製した。
【００８０】
前記の試料について、ＯＮ電流とＯＦＦ電流を測定した。測定は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃ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Ｖｂを印加したときに測定したコレクタ電流をＯＮ電流とし、印加しないときに測定したコレクタ電流をＯＦＦ電流とした。図１２に示したように、暗電流抑制層である酸化ケイ素の厚さが５ｎｍのときのＯＮ／ＯＦＦ比は、約２５０であった。なお、このときのＯＮ電流は、酸化ケイ素膜を設けないときに比べて低下していたものの、厚さ２．５ｎｍの酸化ケイ素膜を設けた場合と比べてあまり変化がなかった。こうしたことは、ＯＮ電流をあまり低下させずにＯＮ／ＯＦＦを向上させることができるので好ましい。
【００８１】
図１３及び図１４は、暗電流抑制層を自然酸化により形成した場合のコレクタ電流の経時変化を示したものであり、図１３は、暗電流抑制層が形成されていない場合のコレクタ電流のグラフを示したものであり、図１４は、暗電流抑制層を自然酸化により形成した後のコレクタ電流のグラフを示したものである。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、Ｍｅ−ＰＴＣからなる平均厚さ４００ｎｍの第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。
【００８２】
前記の試料について、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃを０Ｖ〜５Ｖまで印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂを３Ｖ印加した場合と４Ｖ印加した場合に測定したコレクタ電流をＯＮ電流とし、印加しないときに測定したコレクタ電流をＯＦＦ電流とした。図１３の結果は、上記トランジスタ素子を形成した直後に測定したものであり、ベース電極４の両面には暗電流抑制層６，７は生じていない場合のものである。一方、図１４の結果は、上記トランジスタ素子を形成し、温度２０〜２５℃、湿度３０〜７０％の室内での大気環境中に３７分間放置した後に測定したものであり、ベース電極４の両面には酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層６，７が生じていた。このときの酸化アルミニウムは、アルミニウムからなるベース電極４の自然酸化膜であり、ＴＥＭによる厚さ測定により確認した。
【００８３】
図１３において、コレクタ電圧Ｖｃが５Ｖで、ベース電圧Ｖｂが０ＶのときのＯＦＦ電流は２．８９ｍＡ／ｃｍ２であったのに対し、図１４において、コレクタ電圧Ｖｃが５Ｖで、ベース電圧Ｖｂが０ＶのときのＯＦＦ電流は０．００２５ｍＡ／ｃｍ２であり、ＯＮ／ＯＦＦ比は、図１３での３６から、図１４での３３０にまで著しく向上した。図１５は、上記のように温度２０〜２５℃、湿度３０〜７０％の室内での大気環境中に放置した時間と、ＯＮ／ＯＦＦ比の関係である。ＯＮ／ＯＦＦ比は、放置時間が２０分までは顕著に向上し、２０分経過後に３００を超える高い値で安定した。なお、酸化アルミニウム膜の厚さは、時間の経過とともに厚くなることが確認され、放置時間２０分のときの酸化アルミニウムの厚さよりも、放置時間３７分のときの酸化アルミニウムの厚さが厚かった。こうした結果は、上記図１２での実験と合わせて考えれば、主にコレクタ電極２側に設けられた酸化アルミニウム膜の作用効果によるものと考えられる。
【００８４】
この第２のトランジスタ素子におけるその他の構成、すなわち、各電極の形成材料や半導体層の形成材料等は、上記第１のトランジスタ素子の欄で説明したものと同じである。
【００８５】
（トランジスタ素子の製造方法）
本発明のトランジスタ素子の製造方法は、上記第２のトランジスタ素子の製造方法に係るものであって、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に半導体層５（５Ａ，５Ｂ）及びシート状のベース電極４が設けられ、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層（６，７）を形成する方法である。そして、その特徴は、ベース電極４を化学反応させることにより、暗電流抑制層を形成する。こうした化学反応としては、図１２〜図１４の実験結果のところで示したように、ベース電極４を形成した後に該ベース電極４の一部（半導体層側に接する側の面）を酸化させて暗電流抑制層（６，７）を形成する方法、又は、ベース電極４を形成した後に該ベース電極４を加熱処理して暗電流抑制層（６，７）を形成する方法、を挙げることができる。こうした方法により、暗電流抑制層（６，７）を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００８６】
なお、暗電流抑制層をコレクタ電極２側にのみ設ける場合には、第１半導体層５Ａ上にベース電極４を形成した後、そのベース電極４上に酸化等の化学反応を防止することを目的の保護層を設ければ、上暗電流抑制層をコレクタ電極２側にのみ、ベース電極４の自然酸化膜もしくは加熱酸化膜を設けることができる。
【００８７】
（電子デバイス）
本発明の電子デバイスは、上記本発明の第１のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、又は、上記本発明の第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、であることが好ましい。本発明は、第１又は第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として、例えば有機ＥＬ素子と組み合わせた電子デバイスとすることができる。第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００８８】
本発明のトランジスタ素子をｎ型トランジスタとして用いる場合において、ベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層を設け、ベース電極４を陰極として用いて電子デバイスを構成すれば、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、有機ＥＬ層を構成する電荷輸送層中に電荷を効果的に注入することができるという優れた効果を奏する。
【００８９】
（発光素子）
次に、発光素子について説明する。図１６は、第１のトランジスタ素子のベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、その有機ＥＬ層４１が少なくとも発光層４２を１層以上含む発光素子４０の一例を示す模式断面図である。この第１の発光素子４０は、図１６に示すように、例えば厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、ＣｕＰｃからなる厚さ２ｎｍの正孔注入層４４と、ＮＰＤからなる厚さ３０ｎｍの正孔輸送層４３と、Ａｌｑ３からなる厚さ３０ｎｍの発光層４２と、ＢＣＰからなる厚さ１０ｎｍの励起子ブロック層４５と、ｎ型有機半導体のペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、厚さ５００ｎｍ）からなる電子輸送性の第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したものである。
【００９０】
また、図１７は、第２のトランジスタ素子のベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、その有機ＥＬ層４１が少なくとも発光層４２を１層以上含む発光素子５０の一例を示す模式断面図である。この第２の発光素子４０は、図１７に示すように、第１半導体層５Ａとベース電極４との間に、酸化ケイ素からなる厚さ５ｎｍの暗電流抑制層６を形成した他は、上記第１の発光素子４０と同じ構成である。
【００９１】
なお、図１６及び図１７に示す本発明の発光素子４０，５０のトランジスタとしての構成は、上記第１及び第２のトランジスタ素子の基本的な構成と同じであるので、既に説明した同じ構成については、同一の符号を用いて詳しい説明を省略する。また、図１６及び図１７に示す発光素子４０，５０を構成する有機ＥＬ層の構成材料の化学式を以下に示す。
【００９２】
【化３】
【００９３】
図１８は、図１６に示す構成の発光素子の実験例であり、コレクタ電圧Ｖｃとして一定の電圧を印加しながらベース電圧Ｖｂを変化させたときのＥＬ輝度の変化を示すグラフである。図１８に示すように、ベース電圧Ｖｂの印加によって有機ＥＬ層にかかる電圧は減少しているにもかかわらず、ＥＬ輝度は増大し、Ｖｃ＝１２Ｖ、Ｖｂ＝２．５Ｖの低電圧で、約１００ｃｄ／ｍ２の輝度の変調を達成した。
【００９４】
このように、本発明の発光素子は、トランジスタ素子の第１半導体層５Ａとコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、全体としてその有機ＥＬ層４１と同様の面状の積層構造となるので、面状の電流を変調できる。こうした構造の発光素子は、駆動素子であるトランジスタ素子と、有機ＥＬ素子を一度に作製できるだけでなく、駆動トランジスタの占有面積が実質ゼロとなることから開口率を大きくできるというメリットがある。近年において、有機ＦＥＴ構造でも発光が観測されるようになったが、まだその性能は低く、実用的な性能を示す有機発光トランジスタとしては、縦型の有機ＳＩＴを用いたものが知られている。本発明の発光素子は、コレクタ電極２側に有機ＥＬ層を積層するだけで電流変調可能な発光素子を実現できた。しかも、本発明の発光素子は、中間電極等の微細パターニングが不必要であり、極めて実用的である。
【００９５】
有機ＥＬ層４１は、上記のように、少なくとも１層以上の発光層４２を有し、さらに、正孔注入層４４、正孔輸送層４３、電子輸送層、及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有することが好ましい。図１６及び図１７の例では、発光層４２のコレクタ電極２側に正孔輸送層４３と正孔注入層４４が設けられている。また、発光層４２のベース電極４側には励起子ブロック層４５が設けられている。この発光素子４０，５０はトランジスタ素子により多くの電荷が加速されて有機ＥＬ層４１の発光層４２に到達するので、ベース電極４からの電荷の注入は容易である。したがって、有機ＥＬ層４１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。
【００９６】
発光層４２の形成材料としては、有機ＥＬ素子の発光層として一般的に用いられている材料であれば特に限定されず、例えば色素系発光材料、金属錯体系発光材料、高分子系発光材料等を挙げることができる。
【００９７】
色素系発光材料としては、例えば、シクロペンタジエン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピラゾロキノリン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール誘導体、チオフェン環化合物、ピリジン環化合物、ペリノン誘導体、ペリレン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、トリフマニルアミン誘導体、オキサジアゾールダイマー、ピラゾリンダイマー等を挙げることができる。
【００９８】
金属錯体系発光材料としては、例えば、アルミキノリノール錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、ベンゾオキサゾール亜鉛錯体、ベンゾチアゾール亜鉛錯体、アゾメチル亜鉛錯体、ポルフィリン亜鉛錯体、ユーロピウム錯体等、中心金属に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｅ等、又はＴｂ、Ｅｕ、Ｄｙ等の希土類金属を有し、配位子にオキサジアゾール、チアジアゾール、フェニルピリジン、フェニルベンゾイミダゾール、キノリン構造等を有する金属錯体等を挙げることができる。
【００９９】
高分子系発光材料としては、例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリビニルカルバゾール、ポリフルオレノン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリキノキサリン誘導体、及びそれらの共重合体等を挙げることができる。
【０１００】
発光層４２中には、発光効率の向上や発光波長を変化させる等の目的でドーピング剤等の添加剤を添加するようにしてもよい。ドーピング剤としては、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ルブレン誘導体、キナクリドン誘導体、スクアリウム誘導体、ポルフィリン誘導体、スチリル色素、テトラセン誘導体、ピラゾリン誘導体、デカシクレン、フェノキサゾン、キノキサリン誘導体、カルバゾール誘導体、フルオレン誘導体等を挙げることができる。
【０１０１】
正孔輸送層４３の形成材料としては、フタロシアニン、ナフタロシアニン、ポリフィリン、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、ヒドラゾン、スチルベン、ペンタセン、ポリチオフェン若しくはブタジエン、又はこれらの誘導体等、正孔輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、正孔輸送層４３の形成材料として市販されている、例えばポリ（３、４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホネート（略称ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、バイエル社製、商品名；Ｂａｙｔｒｏｎ Ｐ ＡＩ４０８３、水溶液として市販。）等も使用することができる。正孔輸送層４３は、こうした化合物を含有した正孔輸送層形成用塗液を用いて形成される。なお、これらの正孔輸送材料は、上記の発光層４２内に混ぜてもよいし、正孔注入層４４内に混ぜてもよい。
【０１０２】
また、図１６及び図１７では、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａが電子輸送性の層であるので、別個に電子輸送層として設けていないが、必要に応じて発光層４２のベース電極４側に設けてもよい。電子輸送層の形成材料としては、アントラキノジメタン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ニジトロベンゼン、ニトロアントラキノン、無水マレイン酸若しくはペリレンテトラカルボン酸、又はこれらの誘導体等、電子輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。電子輸送層は、こうした化合物を含有した電子輸送層形成用塗液を用いて形成される。なお、これらの電子輸送材料は、上記の発光層４２内に混ぜてもよいし、電子注入層内に混ぜてもよい。
【０１０３】
正孔注入層４４の形成材料としては、例えば、発光層４２の発光材料に例示した化合物の他、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウムなどの酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの誘導体等を挙げることができる。
【０１０４】
図１６及び図１７には含まれないが、必要であれば電子注入層を設けてもよい。電子注入層の形成材料としては、発光層の発光材料に例示した化合物の他、アルミニウム、フッ化リチウム、ストロンチウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、酸化アルミニウム、酸化ストロンチウム、カルシウム、ポリメチルメタクリレートポリスチレンスルホン酸ナトリウム、リチウム、セシウム、フッ化セシウム等のようにアルカリ金属類、及びアルカリ金属類のハロゲン化物、アルカリ金属の有機錯体等を挙げることができる。
【０１０５】
なお、上述した発光層や電荷輸送層等の有機層中には、必要に応じてオリゴマー材料又はデンドリマー材料の発光材料若しくは電荷輸送注入材料を含有させてもよい。
【０１０６】
上述した各層は、真空蒸着法によって成膜するか、あるいは、それぞれの形成材料をトルエン、クロロホルム、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等の溶媒に溶解又は分散させて塗布液を調整し、その塗布液を塗布装置等を用いて塗布又は印刷等することで形成される。
【０１０７】
励起子ブロック層４５は、正孔ブロック層、電子ブロック層等として機能する層であり、キャリア（正孔、電子）のつきぬけを防止し、効率よくキャリアの再結合させるためのブロック層である。図１６及び図１７においては、トランジスタ素子がｎ型半導体材料で構成されているので、コレクタ電極２が陽極として作用する。その結果、コレクタ電極２から正孔が注入されるので、発光層４２のベース電極４側の隣接面には正孔ブロック層としての励起子ブロック層４５を形成することが好ましい。図１６及び図１７に示す発光素子では、励起子ブロック層４５の形成材料として、ＢＣＰ（１-ブロモ-３-クロロプロパン) を用いた。
【０１０８】
図１６及び図１７に示すＢＣＰからなる励起子ブロック層４５は、エネルギーダイアグラムにおいて、ＬＵＭＯがＭｅ−ＰＴＣとほぼ同じなのでＭｅ−ＰＴＣからの電子をブロックしないが、ＨＯＭＯがＡｌｑ３よりも高いのでＡｌｑ３からの正孔はブロックする。ＢＣＰの励起状態はＡｌｑ３の励起状態よりもエネルギーが高いので、Ａｌｑ３で発生した励起子はＢＣＰに拡散しない。
【０１０９】
なお、トランジスタ素子がｐ型半導体材料で構成され他場合には、コレクタ電極２が陰極として作用することになり、その結果、コレクタ電極２から電子が注入されるので、発光層４２のベース電極４側の隣接面には電子ブロック層としての励起子ブロック層４５を形成することが好ましい。
【０１１０】
（コプラナー型デバイス）
次に、トランジスタ素子を有機ＥＬの駆動トランジスタとして用いたコプラナー型デバイスについて説明する。有機ＥＬを用いたフレキシブルディスプレイでは、有機トランジスタによるアクティブマトリックス回路を構成する必要がある。単一ピクセルレベルでは、これまでに有機ＦＥＴと有機ＥＬとを組み合わせたものが報告されているが、大きな電流を流すことが難しい有機ＦＥＴでは、数十ボルトの大きな電圧や、大電流をかせぐための広い櫛形電極が必要であったが、上述した本発明のトランジスタ素子は、低電圧で大電流変調が可能であることから、有機ＥＬの駆動用トランジスタとして最適である。
【０１１１】
図１９は、本発明のトランジスタ素子を用いた有機ＥＬのスイッチング構造を示す模式的な断面図である。このコプラナー型デバイスは、同一のＩＴＯ電極ガラス基板上に、第１半導体層５ＡであるＭｅ−ＰＴＣ（厚さ５００ｎｍ）と、ベース電極４であるＡｌ（厚さ２０ｎｍ）と、第２半導体層５ＢであるＣ６０（厚さ１００ｎｍ）と、エミッタ電極３であるＡｇ（３０ｎｍ）とをその順で積層した構造を持つトランジスタ素子と、有機ＥＬデバイスを並置し、トランジスタ素子のコレクタ電極２と重なるように有機ＥＬの陰極であるＬｉＦ（厚さ０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ１００ｎｍ）を蒸着し接続した。有機ＥＬデバイスとしては、同一のＩＴＯ電極ガラス基板上に、ＣｕＰｃからなる厚さ７ｎｍの正孔注入層４４と、ＮＰＤからなる厚さ４０ｎｍの正孔輸送層４３と、Ａｌｑ３からなる厚さ７０ｎｍの発光層４２とをその順で積層した構造とした。
【０１１２】
図２０は、コプラナー型デバイスにトータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、電流経路を示す模式図である。また、図２１は、図１９に示すコプラナー型の直列デバイスにおける、輝度変調特性を示すグラフである。これは、トータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、有機ＥＬ出力光強度の変調を輝度計で測定したものである。
【０１１３】
図２１に示すように、トータル電圧１４Ｖのときには、制御電圧わずか４Ｖで１２００ｃｄ／ｍ２以上の輝度変調を得ることができた。また、トータル電圧ＶＤＤが１２Ｖのときには、ベース電圧Ｖｂが０のＯＦＦ状態における発光が目視では確認できないレベルに抑えられたため、完全なＯＮ／ＯＦＦを実現することができた。これらの電圧は、現在報告きれている有機ＦＥＴと有機ＥＬの組み合わせ素子よりもかなり低く、本発明のトランジスタ素子を用いることにより大幅な低電圧化を実現することができた。
【０１１４】
このように、本発明のトランジスタ素子は、その低電圧・大電流変調の特性から、有機ＥＬの駆動用トランジスタとして高い性能を示すことが分かった。大電流変調が可能であるということは、一つのピクセル内におけるトランジスタの占有面積を小さくできることを意味しており、ディスプレイにおける開口率の向上につながる。そのような観点からも、本発明のトランジスタ素子はフレキシブルディスプレイの駆動用トランジスタとして期待できる。
【０１１５】
以上説明したように、本発明の発光素子は、ベース電極とコレクタ電極との間に設けた有機ＥＬ層による大電流面状発光が可能になり、しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【０１１６】
（ディスプレイ）
本発明のディスプレイは、上記本発明の発光素子を基板上に形成し、輝度の高いディスプレイとすることができる。基板は、上記第１のトランジスタ素子のところで説明した種々のものを用いることができる。また、フレキシブル基板としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等からなるフレキシブル基板を挙げることができる。また、基板の形状としては、枚葉状でも連続状でもよく、具体的な形状としては、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状等を挙げることができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 基板
２ コレクタ電極
３ エミッタ電極
４ ベース電極
５，５Ａ，５Ｂ 半導体層
６，７ 暗電流抑制層
１０，２０ トランジスタ素子
４０，５０ 発光素子
４１ 有機ＥＬ層
４２ 発光層
４３ 正孔輸送層
４４ 正孔注入層
４５ 励起子ブロック層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ素子及びその製造方法並びに発光素子及びディスプレイに関し、更に詳しくは、エミッタ−コレクタ間に低電圧で大電流変調を可能とするトランジスタ素子及びその製造方法、並びにそのトランジスタ素子を有する発光素子及びディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機トランジスタを用いたディスプレイの試作例がいくつか報告されているが、その多くは、有機電界効果型トランジスタ（有機ＦＥＴ）と液晶又は電気泳動セルとを組合せたものであり、有機ＥＬを用いた例はほとんど報告されていない。これは、現状の有機ＦＥＴでは、電流駆動デバイスである有機ＥＬをスイッチングするだけの大電流を流すのが難しいためである。そのため、より低電圧かつ大電流で動作する有機ＦＥＴの開発が望まれている。
【０００３】
現在までに知られている有機材料の移動度を前提にした場合、それを実現するためにはチャネル長を短くすることが必要であるが、ディスプレイの大量生産を視野に入れたパターニング技術では、チャネル長を数μｍ以下にすることは難しい。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。一般にサンドイッチデバイスに用いられる膜厚は数十ｎｍであり、しかも数Åオーダーの高い精度で制御可能であることから、チャネルを膜厚方向にすることによって、１μｍ以下の短いチャネル長を容易に実現できる。このような縦型の有機トランジスタとして、これまでに、ポリマーグリッドトライオード構造、静電誘導型トランジスタ（Static Induction Transistor, SIT）等が提案されている。
【０００４】
最近、単純な半導体／金属／半導体の積層構造を作製するだけで、高性能なトランジスタ特性を発現する有機トランジスタ素子が提案されている（非特許文献１を参照）。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、パイポーラトランジスタに似た電流増幅が観測され、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, MBOT）と呼んでいる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S.Fujimoto, K.Nakayama, and M.Yokoyama, Appl. Phys. Lett., 87, 133503(2005).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記トランジスタ動作は半導体／金属／半導体の積層構造を作製すれば必ず観測されるというものではなかった。
【０００７】
本発明の目的は、エミッタ電極−コレクタ電極間において、低電圧で大電流変調を可能とするトランジスタ素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そうしたトランジスタ素子の製造方法を提供すること、また、当該トランジスタ素子有する発光素子及びディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（第１のトランジスタ素子）
上記課題を解決するための本発明の第１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、半導体層とシート状のベース電極が設けられていることを特徴とする。また、本発明のトランジスタ素子において、前記半導体層が、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間及び前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、エミッタ電極とコレクタ電極との間に半導体層が設けられ、且つその半導体層中にシート状ベース電極が設けられているので、エミッタ電極とコレクタ電極との間にコレクタ電圧を印加し、さらにエミッタ電極とベース電極と間にベース電圧を印加すれば、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電荷（電子又は正孔）が著しく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、ベース電圧の印加によってエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流を増幅させることができる。そして、この発明によれば、シート状のベース電極は、エミッタ電極から供給された電荷をベース電圧で加速して弾道電子又は弾道正孔とし、その弾道電子又は弾道正孔をコレクタ電極側の半導体層内に容易に透過することができる範囲の厚さで全面に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極を容易に透過することができる。一方、本発明者の研究によれば、ベース電極がシート状に設けられていない場合（すなわちベース電極が穴やクラック等の欠陥部を含む場合）、その欠陥部では、エミッタ電極から注入された電荷はあまり加速されないので、その部分の電荷はベース電極を透過し難くなり、その結果、エミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流は全体としてあまり増幅させることができないとともに、各部位での電流量の増加にムラが生じてしまう。したがって、本発明のトランジスタ素子によれば、バイポーラトランジスタと同じような電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１０】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記ベース電極の厚さが、８０ｎｍ以下であることを特徴とする。この発明によれば、ベース電極の厚さが８０ｎｍ以下であるので、ベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる。その結果、シート状のベース電極の全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極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（穴やクラック等の欠陥部なく）設けられていればよいので、その厚さの下限は特に限定されないが、通常、１ｎｍ程度であればよい。
【００１１】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記ベース電極が、凹凸形状を有することを特徴とする。凹凸形状を有するベース電極（又は、表面粗さが粗いベース電極ということもできる。）は所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１２】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、結晶性の半導体層であることを特徴とする。コレクタ電極とベース電極との間に設けられた結晶性の半導体層はその表面が凹凸形状（又は、表面粗さが粗いということもできる。）であるので、その結晶性の半導体層上に設けられたベース電極も凹凸形状で形成される。凹凸形状を有するベース電極は所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００１３】
本発明の第１のトランジスタ素子において、前記半導体層の結晶粒径が、前記ベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって、前記ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであることを特徴とする。この発明によれば、上記結晶性の半導体層の結晶粒径がベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって該ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであるので、その上にベース電極を形成すれば、凹凸形状を有するベース電極を容易に形成できる。
【００１４】
さらに、本発明の第１のトランジスタ素子において、（１）前記ベース電極が金属からなり、当該ベース電極の片面又は両面に当該ベース電極の酸化膜が形成されていること、（２）前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第１半導体層と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第２半導体層とが、異なる半導体材料で形成されていること、（３）前記第１半導体層及び前記第２半導体層が正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなること、（４）前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、有機化合物で形成されていること、（５）前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ１と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であること、（６）前記エミッタ電極と当該エミッタ電極に隣接する半導体層との間に、電荷注入層を有すること、又は、（７）前記電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物を含むこと、が好ましい。
【００１５】
（第２のトランジスタ素子）
本発明の第２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、半導体層とシート状のベース電極が設けられたトランジスタ素子であって、少なくとも前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に暗電流抑制層が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この第２のトランジスタ素子は、上記第１のトランジスタ素子のエミッタ電極−コレクタ電極間に例えば５Ｖの電圧Ｖｃを印加したとき、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間に動作に必要な電流成分以外の漏れ電流が流れ、ＯＮ／ＯＦＦ比が低下することがあるという問題を解決したものであり、その目的は、半導体層中に薄いシート状のベース電極を挿入したトランジスタ素子において、動作に必要な漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を提供することにある。
【００１７】
この発明によれば、少なくともエミッタ電極とベース電極との間又はコレクタ電極とベース電極との間に暗電流抑制層が設けられているので、その暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に必要な電流成分以外の漏れ電流（「暗電流」（スイッチＯＦＦ時に流れる電流）という。）が流れるのを効果的に抑制することができ、その結果、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。なお、暗電流抑制層は、例えばエミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加しない場合の暗電流は効果的に抑制できるが、エミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加した場合のいわゆるＯＮ電流はあまり妨げないように機能する。
【００１８】
本発明の第２のトランジスタ素子において、前記暗電流抑制層が、前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする。また、前記暗電流抑制層と前記ベース電極とが隣接して設けられていることを特徴とする。これらの発明によれば、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、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。
【００１９】
本発明の第２のトランジスタ素子において、（イ）前記暗電流抑制層が、有機系絶縁層又は無機系絶縁層であること、（ロ）前記暗電流抑制層が、有機系半導体層又は無機系半導体層であること、（ハ）前記暗電流抑制層が、酸化ケイ素又は酸化アルミニウムで形成されていること、（ニ）前記暗電流抑制層が、前記ベース電極の化学反応によって形成されていること、（ホ）前記暗電流抑制層の厚さが、２０ｎｍ以下であること、又は、（ヘ）前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層が、有機化合物で形成されていること、が好ましい。
【００２０】
（トランジスタ素子の製造方法）
本発明のトランジスタ素子の製造方法は、エミッタ電極とコレクタ電極との間に半導体層及びシート状のベース電極が設けられ、少なくとも前記エミッタ電極と前記ベース電極との間又は前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に暗電流抑制層を形成する上記第２のトランジスタ素子の製造方法であって、前記ベース電極を化学反応させることにより、前記暗電流抑制層を形成することを特徴とする。
【００２１】
本発明のトランジスタ素子の製造方法において、前記ベース電極を形成した後に当該ベース電極の一部を酸化させて前記暗電流抑制層を形成すること、又は、前記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前記暗電流抑制層を形成すること、が好ましい。これらの発明によれば、暗電流抑制層を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００２２】
（電子デバイス）
本発明の電子デバイスは、上記本発明の第１のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、又は、上記本発明の第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、であることが好ましい。本発明は、本発明の第１又は第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として、例えば有機ＥＬ素子と組み合わせた電子デバイスとすることができる。
【００２３】
これらの発明によれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００２４】
（発光素子）
本発明の第１の発光素子は、上記本発明の第１のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とし、又、本発明の第２の発光素子は、上記本発明の第２のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とする。
【００２５】
近年、実用的な性能を示す有機発光トランジスタとしては、縦型の有機ＳＩＴを用いたものが知られている（工藤一浩、「有機トランジスタの現状と将来展望」、応用物理、第７２巻、第９号、第１１５１頁〜第１１５６頁、２００３年）が、その性能は未だ十分とはいえず、今後さらなる性能の向上が課題とされている。本発明の発光素子は、ベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも１層以上の発光層を含むので、大電流による面状発光が可能になる。しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【００２６】
本発明の第１及び第２の発光素子において、（ａ）前記有機ＥＬ層が、正孔輸送層、電子輸送層、正孔注入層及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有すること、又は、（ｂ）前記有機ＥＬ層が、励起子ブロック層を有すること、が好ましい。
【００２７】
（ディスプレイ）
本発明のディスプレイは、上記本発明の発光素子が、基板上に形成されていることを特徴とする。この発明によれば、実用的なディスプレイとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１のトランジスタ素子によれば、シート状のベース電極はベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる範囲の厚さで全面に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極を容易に透過することができる。その結果、本発明の第１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増幅作用を安定して得ることができる。
【００２９】
本発明の第２のトランジスタ素子によれば、暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、暗電流が流れるのを効果的に抑制することができるので、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができ、トランジスタとしてのコントラストを向上させることができる。
【００３０】
また、本発明の第２のトランジスタ素子の製造方法によれば、暗電流抑制層を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００３１】
また、本発明の電子デバイスによれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００３２】
また、本発明の発光素子によれば、上記第１又は第２のトランジスタ素子を構成するベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも１層以上の発光層を含むので、大電流による面状発光が可能になる。しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】コレクタ電圧に対するコレクタ電流の変化を示すグラフである。
【図３】コレクタ電流の変化に対するベース電流の変化の比率（電流増幅率（ｈＦＥ））を示すグラフである。
【図４】ベース電極の厚さ以外は図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いた場合において、変調電流量Ｉｃ（Ａ）及び電流増幅率ｈＦＥ（Ｂ）の、ベース電極の膜厚依存性を示したグラフである。
【図５】ベース電極の厚さを変化させた際における電流透過率αを示したグラフである。
【図６】ベース電極の形成材料を変更した場合の、エミッタ電極からの注入電流（Ａ）と、コレクタ電極への到達電流（Ｂ）とに対するベース電圧依存性を示すグラフである。
【図７】本発明のトランジスタ素子のエネルギーダイアグラムである。
【図８】本発明の第２のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２のトランジスタ素子の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図１０】図８の第２のトランジスタ素子の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。
【図１１】図９の第２のトランジスタ素子の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。
【図１２】暗電流抑制層として酸化ケイ素膜を形成した場合でのＯＮ電流と、ＯＮ／ＯＦＦ比の実験結果を示すグラフである。
【図１３】暗電流抑制層が形成されていない場合のコレクタ電流のグラフを示したものである。
【図１４】暗電流抑制層を自然酸化により形成した後のコレクタ電流のグラフを示したものである。
【図１５】大気環境中に放置した時間と、ＯＮ／ＯＦＦ比の関係である。
【図１６】第１のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含む発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図１７】第２のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、その有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含む発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図１８】図１６に示す構成の発光素子の実験例であり、コレクタ電圧Ｖｃとして一定の電圧を印加しながらベース電圧Ｖｂを変化させたときのＥＬ輝度の変化を示すグラフである。
【図１９】本発明のトランジスタ素子を用いた有機ＥＬのスイッチング構造を示す模式的な断面図である。
【図２０】コプラナー型デバイスにトータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、電流経路を示す模式図である。
【図２１】図１９に示すコプラナー型の直列デバイスにおける、輝度変調特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明のトランジスタ素子及びその製造方法並びに発光素子及びディスプレイについて、第１のトランジスタ素子、第２のトランジスタ素子、第２のトランジスタ素子の製造方法、発光素子及びディスプレイの順で説明する。なお、これらの発明は、それぞれの技術的特徴を有すれば、種々の変形が可能であり、以下に具体的に示す実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
（第１のトランジスタ素子）
図１は、本発明の第１のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第１のトランジスタ素子１０は、図１に示すように、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）とシート状のベース電極４が設けられている。この半導体層５は、詳しくは、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａと、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂとを有している。なお、符号１は、基板を表している。こうした形態からなる第１のトランジスタ素子１０は、縦型のトランジスタ素子でありながら、グリッドやストライプ等の微細電極のパターニングが必要ないという利点がある。
【００３６】
この第１のトランジスタ素子の具体例としては、例えば、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、ｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、平均厚さ５００ｎｍ）からなる第１半導体層５Ａと、酸化ケイ素からなる厚さ２．５ｎｍ又は５ｎｍの暗電流抑制層６と、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層した。ＯＮ電流とＯＦＦ電流は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃ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Ｖｂを印加したときと、印加しないときの、コレクタ電流Ｉｃ及びベース電流Ｉｂの変化量を測定して行った。
【００３７】
図２に示すように、ベース電圧Ｖｂが印加されないとき（Ｖb＝０）は、エミッタ電極−コレクタ電極間にほとんど電流が流れないが、ベース電圧Ｖｂの印加によって大幅に電流量が増加し、電流が変調されていることがわかる。そして、図２に示すように、Ｖｃ＝５Ｖ及びＶｂ＝３Ｖのときの電流密度は、３５０ｍＡ／ｃｍ２に達しており、この電流密度は例えば有機ＥＬを数千ｃｄ／ｍ２発光させるのに十分な大きな電流量である。一般的に、ＦＥＴ構造の場合には、ソース・ドレイン電圧、ゲート電圧ともに数十ボルトを要することからも、本発明に係る第１のトランジスタ素子１０が低電圧で大電流変調を実現できていることが容易に理解できる。また、このとき、ベース電極４は半導体層５に対して直接接触しているにもかかわらず、ほとんどベース電極４への電流の流入が起こらない。その結果、図３に示すように、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（ｈＦＥ）は１を超え、最大で１７０に達していた。このように本発明の第１のトランジスタ素子は、見かけ上パイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能することが確認できた。
【００３８】
すなわち、第１のトランジスタ素子１０は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に半導体層５（５Ａ，５Ｂ）が設けられ、且つその半導体層５中にシート状ベース電極４が設けられているので、図２及び図３に示すような本発明の第１のトランジスタ素子１０のトランジスタ性能は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加し、さらにエミッタ電極３とベース電極４と間にベース電圧Ｖｂを印加すれば、そのベース電圧Ｖｂの作用により、エミッタ電極３から注入された電荷（電子又は正孔）が著しく加速されてベース電極４を透過し、コレクタ電極２に到達するという原理に基づくものである。すなわち、ベース電圧Ｖｂの印加によってエミッタ電極−コレクタ電極間に流れる電流を増幅させることができる。そして、この第１のトランジスタ素子１０では、シート状のベース電極４はベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を容易に透過することができる範囲の厚さで全面（図１においては所定の有効幅Ｗのことである。）に形成されるので、形成された全面で電荷が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極４を容易に透過することができる。したがって、本発明の第１のトランジスタ素子１０によれば、バイポーラトランジスタと同じような電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００３９】
以下に、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する各層及び各電極について説明する。
【００４０】
（基板）
図１においては、基板上に本発明の第１のトランジスタ素子が形成されているが、その基板１の種類や構造は特に限定されるものではなく、積層する各層の材質等により適宜決めることができ、例えば、Ａｌ等の金属、ガラス、石英又は樹脂等の各種の材料からなるものを用いることができる。後述する本発明に係る発光素子のように、光を基板１側から出射させるボトムエミッション構造の有機発光素子の場合には、透明又は半透明になる材料で基板が形成されることが好ましいが、光をエミッタ電極３側から出射させるトップエミッション構造の有機発光素子を作製した場合には、必ずしも透明又は半透明になる材料を用いる必要はなく、不透明材料で基板を形成してもよい。
【００４１】
特に、有機ＥＬ素子の基板として一般的に用いられているもの、すなわち、有機ＥＬ素子を強度的に支持しているものを好ましく用いることができる。基板の材質は、用途に応じてフレキシブルな材質や硬質な材質等が選択される。具体的に用いることができる材料としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。また、基板１の形状としては、枚葉状でも連続状でもよく、具体的な形状としては、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状等を挙げることができる。
【００４２】
（電極）
本発明の第１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２、エミッタ電極３及びベース電極４があり、図１に示すように、通常、コレクタ電極２は基板１上に設けられ、ベース電極４は半導体層５（第１半導体層５Ａ及び第２半導体層５Ｂ）内に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極３はコレクタ電極２と対向する位置に半導体層５とベース電極４を挟むように設けられる。電極材料としては、金属、導電性酸化物、導電性高分子等の薄膜が用いられる。なお、基板１とコレクタ電極２との間にはバリア層や平滑層等が設けられていてもよい。
【００４３】
例えば本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５が有機化合物からなる電子輸送層である場合、コレクタ電極２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等の透明導電膜、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、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等を挙げることができる。一方、エミッタ電極３の形成材料としては、アルミ、銀等の単体金属、ＭｇＡｇ等のマグネシウム合金、ＡｌＬｉ、ＡｌＣａ、ＡｌＭｇ等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等を挙げることができる。
【００４４】
一方、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５が有機化合物からなる正孔輸送層である場合には、上記のコレクタ電極２の形成材料と上記のエミッタ電極３の形成材料とは逆になる。
【００４５】
また、ベース電極４は半導体層５の構成材料とショットキー接触を形成するので、ベース電極４の形成材料としては、上記コレクタ電極２やエミッタ電極３に用いられる電極と同様の電極を挙げることができる。ベース電極４は、エミッタ電極３から供給された電荷をコレクタ電極２側の第１半導体層５Ａ内に強制的に供給するように作用するので、ベース電極４の形成材料としては、必ずしも第１半導体層５Ａに電荷を注入し易い材料である必要はない。しかし、コレクタ電極２側の第１半導体層５Ａが正孔注入層又は正孔注入材料を有する層である場合には、仕事関数が小さい材料でベース電極４を形成することが好ましく、一方、その第１半導体層５Ａが電子注入層又は電子注入材料を有する層である場合には、仕事関数が大きい材料でベース電極４を形成することが好ましい。こうしたベース電極４の形成材料としては、例えば、アルミ、銀等の単体金属、ＭｇＡｇ等のマグネシウム合金、ＡｌＬｉ、ＡｌＣａ、ＡｌＭｇ等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、ＬｉＦ等のアルカリ金属類の合金のような仕事関数の小さな金属等を好ましく使用することができるが、電荷（正孔、電子）注入層とショットキー接触を形成することが可能であれば、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等の透明導電膜、金、クロムのような仕事関数の大きな金属、ポリアニリン、ポリアセチレン、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等も使用することができる。
【００４６】
なお、後述する本発明に係る発光素子のように、光を基板１側から出射させるボトムエミッション構造の有機発光素子の場合には、少なくともコレクタ電極２を透明又は半透明の材料で形成することが好ましく、一方、光をエミッタ電極３側から出射させるトップエミッション構造の有機発光素子を作製する場合には、ベース電極４とエミッタ電極３を透明又は半透明の材料で形成することが好ましい。こうした構成により、光取り出し効率を向上させることができ。透明又は半透明の電極材料としては、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等の透明導電膜が好ましく用いられる。
【００４７】
上記の各電極のうちコレクタ電極２とエミッタ電極３については、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の真空プロセスあるいは塗布により形成され、その膜厚は使用する材料等によっても異なるが、例えば１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であることが好ましい。これらの膜厚は、厚さ方向の試料断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により５箇所の平均値を測定したものである。
【００４８】
図４は、ベース電極４の厚さ以外は上記図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いた場合において、変調電流量Ｉｃ（図４（Ａ））及び電流増幅率ｈＦＥ（図４（Ｂ））の、ベース電極４の膜厚依存性を示したグラフである。また、図５は、ベース電極４の厚さを変化させた際における電流透過率αを示したグラフである。図５に示す電流透過率αは、［Ｉｃ（コレクタ電極に到達した電荷）］／［Ｉｃ＋Ｉｂ（エミッタ電極から注入された電荷）］により表される。
【００４９】
図４に示すように、変調電流量Ｉｃ及び電流増幅率ｈＦＥは、いずれもベース電極４が厚くなるのにともなって急激に減少しており、十分なトランジスタ性能を得るためには、薄いベース電極４が必要不可欠であることが分かる。このとき、コレクタ電極２に到達した電荷に対する、エミッタ電極３から注入された電荷の比率である、電流透過率αを算出すると、図５に示すように、ベース電極４の厚さが４０ｎｍ以下では、９９％程度の非常に高い値を示していることが分かった。これは、エミッタ電極３からの電荷がほとんど全てベース電極４を透過していることを意味しており、その結果、パイポーラトランジスタと同様の電流増幅作用が得られているものと考えられる。
【００５０】
したがって、ベース電極４については、その厚さを４０ｎｍ以下とすることが好ましいが、図４に示すように、８０ｎｍ未満とした場合であっても使用可能である。４０ｎｍ以下の厚さはベース電圧Ｖｂで加速された弾道電子又は弾道正孔を半導体層内に容易に透過させる厚さであるので、シート状のベース電極４の全面で電荷（電子又は正孔）が著しく加速され、しかも加速された電荷がベース電極４を容易に透過することができる。なお、ベース電極４は半導体層５中に切れ目なく（穴やクラック等の欠陥部なく）設けられていればよいので、その厚さの下限は特に限定されないが、通常、１ｎｍ程度であればよい。ベース電極４の厚さは、厚さ方向の試料断面を透過型電子顕微鏡により測定した。
【００５１】
図６は、ベース電極４の形成材料を変更した場合の、エミッタ電極３からの注入電流（図６（Ａ））と、コレクタ電極２への到達電流（図６（Ｂ））とに対するベース電圧依存性を示すグラフである。なお、このグラフは、ベース電極４の厚さを４０ｎｍとした以外は上記図２及び図３で測定したトランジスタ素子と同じ構成のものを用いて測定したものである。図６に示すように、ベース電圧Ｖｂを変化させた場合であっても、エミッタ電極３からの注入電流とコレクタ電極２への到達電流とはほぼ同じであり、電流透過率α［Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉｂ）］は、ベース電極４の材料をＬｉＦ／Ａｌ、Ａｕ、Ａｇとした各試料において、０．９９の高確率でベース電極４を透過していることがわかった。
【００５２】
また、図６に示すように、ベース電極４の材料をＬｉＦ（厚さ０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ１００ｎｍ）、Ａｕ（厚さ３０ｎｍ）、Ａｇ（厚さ３０ｎｍ）とした各試料を対比すると、電流値の大きさが異なり、ＬｉＦ／Ａｌが最も高く、Ａｇ、Ａｕの順に低くなっていた。この結果から、ベース電極４の材料により電流値の大きさはことなるが、電流透過率αに対する材料依存性は小さいことがわかった。
【００５３】
ベース電極４がシート状に設けられ、且つその厚さが所定の厚さ以下である場合に高い電流透過率αを示すメカニズムは必ずしも明確ではないが、現時点では以下のメカニズムが考えられる。
【００５４】
本発明においては、ベース電極４がシート状に設けられている場合（すなわちベース電極４が穴やクラック等の欠陥部を含まない場合）、エミッタ電極３から注入された電荷がシート状のベース電極４全面で加速され、エミッタ電極３から注入された電荷のほとんど全てが弾道電子又は弾道正孔となってベース電極４を透過すると考えられる。その結果、コレクタ電極に到達した電荷の量がエミッタ電極から注入された電荷の量とほぼ同じになって、全体として著しい電流増幅作用を示すと考えられる。一方、本発明者の研究によれば、ベース電極４がシート状に設けられていない試料（すなわちベース電極４が穴やクラック等の欠陥部を含む試料）を作製した場合においては、結果として、コレクタ電極に到達した電荷の量はエミッタ電極から注入された電荷の量よりも少なく、ＯＮ／ＯＦＦ比も小さくなることを確認している。その原因としては、その欠陥部ではエミッタ電極３から注入された電荷を加速できず、その部分の電荷はベース電極４を透過し難くなり、各部位での電流量の増加にムラが生じてしまうと考えられる。
【００５５】
また、ベース電極４が所定の厚さ以下である場合に高い電流透過率αを示すが、これは、エミッタ電極３から注入された電荷がベース電極４を弾道電子又は弾道正孔として透過することによるものと考えられる。つまり、薄いベース電極４が、パイポーラトランジスタのベース層と同じような働き（すなわち、ベースへのキャリア流入を防ぎつつエミッタ電流の増加だけを引き起こすという作用）を受け持つと考え、図７に示すエネルギーダイアグラムを提案する。図７からもわかるように、エミッタ電極−ベース電極間に印加されたベース電圧Ｖｂによって、エミッタ電極３からＣ６０からなる第２半導体層５Ｂへの電荷注入電流が増大し、その電荷がベース電極４に落ち込むことなく、Ｍｅ−ＰＣＴからなる第１半導体層５Ａの伝導帯に高い確率で到達してコレクタ電極２に収集された結果、大きなコレクタ電流変調が得られたものと考えられる。電荷がベース電極４中を弾道的に透過できる距離（電子又は正孔の平均自由行程）は一般的には数ｎｍから数十ｎｍ程度と言われているが、これは上記４０ｎｍ以下の厚さが好ましいという本発明の実験結果とほぼ一致する。
【００５６】
また、ベース電極４を凹凸形状を有するものとすることができる。この凹凸形状を有するベース電極４は、表面粗さが粗いベース電極ということもできるが、こうしたベース電極４は、所定の平均厚さのベース電極を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有する。こうした構成からなるベース電極は、電流増幅作用を安定して得ることができる点で好ましい。なお、凹凸形状からなる表面形状は、接触式表面形状測定装置（メーカー：SLOAN THECHNOLOGY、型番：DEKTAK3）又は、AFM（Seiko Instruments, SPI3800）で評価した。
【００５７】
例えば、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａを、結晶性の有機化合物で真空蒸着した場合には、ベース電極４が形成される側の第１半導体層５Ａの表面は凹凸形状となっている。そのため、その結晶性の第１半導体層５Ａ上に設けられたベース電極４も凹凸形状で形成される。凹凸形状を有するベース電極４は所定の平均厚さのベース電極４を形成した場合であっても薄いところと厚いところを有するが、本発明によれば、ベース電極４が凹凸形状を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができる。
【００５８】
結晶性の半導体層を構成する材料としては、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子の構成材料である、ｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ）を好ましく挙げることができる。また、他の材料としては、後述の化学式で示すＣ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣを挙げることができる。また、これら以外の有機化合物であってもよい。このｎ型有機半導体であるペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、厚さ４００ｎｍ）を真空蒸着で形成した際の、ベース電極４側の表面は、Ｘ線回折法で測定した結果、明確な結晶性ピークが得られた。また、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣにおいても、Ｘ線回折法で測定した結果、結晶性ピークが得られた。なお、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子の結晶性の半導体層５Ａの表面粗さはその上に設けられるベース電極４の表面粗さに反映された。したがって、上記図２又は図３の結果を示すトランジスタ素子のベース電極４が所定の表面粗さ（凹凸形状）を有する場合に、電流増幅作用を安定して得ることができることを確認できた。
【００５９】
なお、結晶性の半導体層の結晶粒径は、透過型電子顕微鏡で測定でき、その結晶粒径は、ベース電極４の厚さ以上又は厚さ程度の５０ｎｍ又はそれ以上であった。このように、結晶性の第１半導体層５Ａの結晶粒径をベース電極４の厚さ以上となるようにすれば、その第１半導体層５Ａ上にベース電極４を形成することにより、凹凸形状を有するベース電極を容易に形成できる。結晶性の半導体層の表面粗さＲｚは、AFM（Seiko Instruments, SPI3800）で評価し、Me-PTCでは200nm〜400nm程度であり、NTCDAでは300nm〜500nmであり、C60では50nm〜100nmであった。Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠した。
【００６０】
また、ベース電極４が金属からなり、そのベース電極４の片面又は両面にベース電極５の酸化物薄膜が形成されているように構成することもできる。また、半導体層５（５Ａ，５Ｂ）上に電極を成膜する場合は、電極成膜時にその半導体層５に加わるダメージを軽減するための保護層（図示しない）を半導体層５上に設けてもよい。保護層としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の半透明膜やＺｎＳ、ＺｎＳｅ等の無機半導体膜等の蒸着膜又はスパッタ膜のように、成膜時にダメージを与え難いものが１〜５００ｎｍ程度の厚さで予め成膜されることが好ましい。
【００６１】
（半導体層）
本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５としては、種々の半導体材料を例示でき、通常は電荷輸送特性の良い電荷輸送材料を例示できる。その形態としては、(i)コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａと、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂとが、異なる半導体材料で形成されていること、(ii)第１半導体層５Ａ及び第２半導体層５Ｂが正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなること、(iii)エミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた半導体層５Ａ，５Ｂのいずれもが、有機化合物で形成されていること、(iv)コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａの厚さＴ１と、エミッタ電極３とベース電極４との間に設けられた第２半導体層５Ｂの厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であること、好ましくは３／１〜７／１の範囲内であること、(v)エミッタ電極３と、エミッタ電極３に隣接する第２半導体層５Ｂとの間に、電荷注入層を有すること、又は、(vi)その電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物で形成されていること、が好ましい。
【００６２】
半導体層５（５Ａ，５Ｂ）の形成材料としては、後述の実験例で用いたＡｌｑ３、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣ、若しくはＰｈ−Ｅｔ−ＰＴＣを挙げることができ、また、アントラキノジメタン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ニジトロベンゼン、ニトロアントラキノン、無水マレイン酸若しくはペリレンテトラカルボン酸、又はこれらの誘導体等、電荷輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられた第１半導体層５Ａにおいては、後述する本発明の発光素子の説明欄で列記した発光層形成材料を用いてもよい。
【００６３】
半導体層５（５Ａ，５Ｂ）の電荷移動度は、なるべく高いことが望ましく、少なくとも、０．００１ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが望ましい。また、コレクタ電極２側の第１半導体層５Ａの厚さは、通常、３００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度を挙げることができるが、好ましくは４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。なお、その厚さが３００ｎｍ未満の場合又は１０００ｎｍを超える場合は、トランジスタ動作を生じないことがある。一方、エミッタ電極３側の第２半導体層５Ｂの厚さは、第２半導体層５Ｂに比べて基本的に薄いことが望ましく、通常、５００ｎｍ程度以下を挙げることができるが、好ましくは５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。なお、その厚さが５０ｎｍ未満の場合は、導通の問題が発生して歩留まりが低下することがある。
【００６４】
コレクタ電極２とベース電極４との間に設けられる第１半導体層５Ａの形成材料として、下記の各有機化合物を用いて実験を行った。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、下記の５種の化合物（Ａｌｑ３、Ｃ６０、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣ）から選択した１種からなる第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。第１半導体層５Ａの厚さは、Ａｌｑ３、Ｃ６０においては１００ｎｍとし、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＡ、Ｍｅ−ＰＴＣにおいては１００ｎｍとした。
【００６５】
こうして作製した５種のトランジスタ素子について、コレクタ電圧Ｖｃを５Ｖとし、ベース電圧Ｖｂを０Ｖ〜３Ｖの範囲で変調させた。出力変調特性の測定は、図２及び図３の場合と同様、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、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂを印加した時の、コレクタ電流Ｉｃ及びベース電流Ｉｂの変化量を測定して行った。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（ｈＦＥ）を算出した。表１は、その結果を示している。
【００６６】
【化１】
【００６７】
【化２】
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に示すように、Ｃ６０からなる第２半導体層５Ｂに対して、Ａｌｑ３やＣ６０からなる第１半導体層５Ａを形成した場合には、十分な結果を得ることができなかった。また、ＮＴＣＤＡやＰＴＣＤＡからなる第１半導体層５Ａを形成した場合の電流増幅率（ｈＦＥ）は、電流増幅が認められ、それぞれ１５、４６であった。一方、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａを形成した場合の電流増幅率（ｈＦＥ）は、２００という著しく高い値を示した。このように、本発明の第１のトランジスタ素子を構成する半導体層５（５Ａ，５Ｂ）には、電荷輸送材料を用いることができるが、詳細には、材料の組み合わせにより高い電流増幅作用を生じさせることができる。そして、その組み合わせは、現時点では、図７に示すように、半導体材料のＬＵＭＯの位置が関係していると考えられるので、その点を考慮して組み合わせることが望ましい。
【００７０】
表１には、コレクタ電圧Ｖｃを５Ｖとし、ベース電圧ＶｂのＯＮ電圧を３Ｖ、ＯＦＦ電圧を０Ｖとしたときの、ＯＮ／ＯＦＦ比の測定結果も併せて示した。表１に示したように、ＯＮ／ＯＦＦ比は、ＮＴＣＤＡやＰＴＣＤＡからなる第１半導体層５Ａを形成した場合は、大きな値となり、それぞれ４０、２０であった。一方、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａを形成した場合のＯＮ／ＯＦＦ比は、１００という著しく高い値を示した。
【００７１】
このように本発明の第１のトランジスタ素子は、見かけ上パイポーラトランジスタと同様の電流増幅型のトランジスタ素子として有効に機能することが確認できた。
【００７２】
（第２のトランジスタ素子）
次に、本発明の第２のトランジスタ素子について説明する。図８は、本発明の第２のトランジスタ素子の一例を示す模式的な断面図であり、図９は、本発明の第２のトランジスタ素子の他の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第２のトランジスタ素子２０，３０は、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に、半導体層５とシート状のベース電極４が設けられたトランジスタ素子であって、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に、暗電流抑制層６，７が設けられている。図８においては、コレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層６が設けられており、図９においては、コレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層６が設けられ、さらにエミッタ電極３とベース電極４との間にも暗電流抑制層７が設けられている。なお、第２のトランジスタ素子は、上記第１のトランジスタ素子と比較して、暗電流抑制層が設けられている点が異なりその他の点は上記第１のトランジスタ素子と同じであるので、図８及び図９並びに以下の説明においては、同一の符号を用いてその説明を省略する。また、図８及び図９では基板は省略して図示している。
【００７３】
図１０は、図８の第２のトランジスタ素子２０の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものであり、図１１は、図９の第２のトランジスタ素子３０の場合におけるＯＮ電流とＯＦＦ電流の経路を示したものである。これらの第２のトランジスタ素子２０，３０は、上記第１のトランジスタ素子１０のエミッタ電極−コレクタ電極間に例えば５Ｖのコレクタ電圧Ｖｃを印加したとき、エミッタ電極−ベース電極間に小さいベース電圧Ｖｂを印加した場合又はベース電圧Ｖｂを印加しない場合（Ｖｂ＝０Ｖ）にベース電極−コレクタ電極間に動作に必要な電流成分以外の漏れ電流が流れ、ＯＮ／ＯＦＦ比が低下することがあるという問題を解決したものである、そして、上記のように、半導体層５中に形成された薄いシート状のベース電極４の一方又は両面に暗電流抑制層（６，７）を形成することにより、動作に必要な漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子である。
【００７４】
本発明の第２のトランジスタ素子２０，３０によれば、図１０及び図１１に示すように、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層（６，７）が設けられているので、その暗電流抑制層により、エミッタ電極−ベース電極間に小さい電圧Ｖｂを印加した場合又は電圧Ｖｂを印加しない場合に、ベース電極−コレクタ電極間にトランジスタ動作に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、ＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができる。なお、暗電流抑制層６，７は、例えばエミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加しない場合の暗電流は効果的に抑制できるが、エミッタ電極−ベース電極間に電圧Ｖｂを印加した場合のいわゆるＯＮ電流はあまり妨げないものを用いることが望ましい。
【００７５】
暗電流抑制層６，７は、ベース電圧ＶｂをＯＦＦにした際に、コレクタ電圧Ｖｃによって生じたエミッタ電流がベース電極４を透過しないように作用するので、図８に示すように少なくともコレクタ電極２とベース電極４との間に設けられる。なお、必要に応じてベース電極４の両面に暗電流抑制層７を設けることができる。また、形成する暗電流抑制層は、ベース電極４に隣接して（すなわち、ベース電極４に接触するように）設けられていることが好ましい。
【００７６】
暗電流抑制層としては、ベース電極４に一様に形成されていることが好ましい。ここで、「一様に」とは、穴や切れ目がなく全面に形成されていることをいう。暗電流抑制層の厚さが薄すぎると、一様な暗電流抑制層を成膜し難いという難点があり、暗電流抑制層の厚さが厚すぎると、ベース電圧ＶｂをＯＮ状態にしたときの電流も顕著に抑制されることがある。
【００７７】
暗電流抑制層の形成材料としては、有機系絶縁層や無機系絶縁層を挙げることができるが、上記厚さで成膜できることと暗電流抑制層としての作用効果を奏することを条件に以下の具体例を挙げることができる。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａ１２Ｏ３等の無機材料や、ポリクロロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリビニルクロライド、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルフェノール、ポリサルホン、ポリカーボネート、ポリイミド等の有機材料等を挙げることができる。なお、これらの形成材料は、単独で用いてもよいし、２種以上の材料を用いてもよい。
【００７８】
また、暗電流抑制層の形成材料として、有機系半導体材料を用いてもよいし、無機系半導体材料を用いてもよい。これらの材料から、上記厚さで成膜できることと暗電流抑制層としての作用効果を奏することを条件に最適なものが選定される。これらの形成材料も上記同様、単独で用いてもよいし、２種以上の材料を用いてもよい。
【００７９】
図１２は、暗電流抑制層として酸化ケイ素膜を形成した場合でのＯＮ電流と、ＯＮ／ＯＦＦ比の実験結果を示すグラフである。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａ（厚さ４００ｎｍ）と、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。なお、比較試料として、酸化ケイ素を設けないトランジスタ素子を作製した。
【００８０】
前記の試料について、ＯＮ電流とＯＦＦ電流を測定した。測定は、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃ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Ｖｂを印加したときに測定したコレクタ電流をＯＮ電流とし、印加しないときに測定したコレクタ電流をＯＦＦ電流とした。図１２に示したように、暗電流抑制層である酸化ケイ素の厚さが５ｎｍのときのＯＮ／ＯＦＦ比は、約２５０であった。なお、このときのＯＮ電流は、酸化ケイ素膜を設けないときに比べて低下していたものの、厚さ２．５ｎｍの酸化ケイ素膜を設けた場合と比べてあまり変化がなかった。こうしたことは、ＯＮ電流をあまり低下させずにＯＮ／ＯＦＦを向上させることができるので好ましい。
【００８１】
図１３及び図１４は、暗電流抑制層を自然酸化により形成した場合のコレクタ電流の経時変化を示したものであり、図１３は、暗電流抑制層が形成されていない場合のコレクタ電流のグラフを示したものであり、図１４は、暗電流抑制層を自然酸化により形成した後のコレクタ電流のグラフを示したものである。実験は、厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、Ｍｅ−ＰＴＣからなる平均厚さ４００ｎｍの第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる平均厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、平均厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる平均厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したトランジスタ素子を用いた。
【００８２】
前記の試料について、エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電圧Ｖｃを０Ｖ〜５Ｖまで印加し、さらにエミッタ電極−ベース電極間にベース電圧Ｖｂを３Ｖ印加した場合と４Ｖ印加した場合に測定したコレクタ電流をＯＮ電流とし、印加しないときに測定したコレクタ電流をＯＦＦ電流とした。図１３の結果は、上記トランジスタ素子を形成した直後に測定したものであり、ベース電極４の両面には暗電流抑制層６，７は生じていない場合のものである。一方、図１４の結果は、上記トランジスタ素子を形成し、温度２０〜２５℃、湿度３０〜７０％の室内での大気環境中に３７分間放置した後に測定したものであり、ベース電極４の両面には酸化アルミニウムからなる暗電流抑制層６，７が生じていた。このときの酸化アルミニウムは、アルミニウムからなるベース電極４の自然酸化膜であり、ＴＥＭによる厚さ測定により確認した。
【００８３】
図１３において、コレクタ電圧Ｖｃが５Ｖで、ベース電圧Ｖｂが０ＶのときのＯＦＦ電流は２．８９ｍＡ／ｃｍ２であったのに対し、図１４において、コレクタ電圧Ｖｃが５Ｖで、ベース電圧Ｖｂが０ＶのときのＯＦＦ電流は０．００２５ｍＡ／ｃｍ２であり、ＯＮ／ＯＦＦ比は、図１３での３６から、図１４での３３０にまで著しく向上した。図１５は、上記のように温度２０〜２５℃、湿度３０〜７０％の室内での大気環境中に放置した時間と、ＯＮ／ＯＦＦ比の関係である。ＯＮ／ＯＦＦ比は、放置時間が２０分までは顕著に向上し、２０分経過後に３００を超える高い値で安定した。なお、酸化アルミニウム膜の厚さは、時間の経過とともに厚くなることが確認され、放置時間２０分のときの酸化アルミニウムの厚さよりも、放置時間３７分のときの酸化アルミニウムの厚さが厚かった。こうした結果は、上記図１２での実験と合わせて考えれば、主にコレクタ電極２側に設けられた酸化アルミニウム膜の作用効果によるものと考えられる。
【００８４】
この第２のトランジスタ素子におけるその他の構成、すなわち、各電極の形成材料や半導体層の形成材料等は、上記第１のトランジスタ素子の欄で説明したものと同じである。
【００８５】
（トランジスタ素子の製造方法）
本発明のトランジスタ素子の製造方法は、上記第２のトランジスタ素子の製造方法に係るものであって、エミッタ電極３とコレクタ電極２との間に半導体層５（５Ａ，５Ｂ）及びシート状のベース電極４が設けられ、少なくともエミッタ電極３とベース電極４との間又はコレクタ電極２とベース電極４との間に暗電流抑制層（６，７）を形成する方法である。そして、その特徴は、ベース電極４を化学反応させることにより、暗電流抑制層を形成する。こうした化学反応としては、図１２〜図１４の実験結果のところで示したように、ベース電極４を形成した後に該ベース電極４の一部（半導体層側に接する側の面）を酸化させて暗電流抑制層（６，７）を形成する方法、又は、ベース電極４を形成した後に該ベース電極４を加熱処理して暗電流抑制層（６，７）を形成する方法、を挙げることができる。こうした方法により、暗電流抑制層（６，７）を容易に形成することができ、漏れ電流を抑制してＯＮ／ＯＦＦ比を向上させたトランジスタ素子を容易に提供することができる。
【００８６】
なお、暗電流抑制層をコレクタ電極２側にのみ設ける場合には、第１半導体層５Ａ上にベース電極４を形成した後、そのベース電極４上に酸化等の化学反応を防止することを目的の保護層を設ければ、上暗電流抑制層をコレクタ電極２側にのみ、ベース電極４の自然酸化膜もしくは加熱酸化膜を設けることができる。
【００８７】
（電子デバイス）
本発明の電子デバイスは、上記本発明の第１のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、又は、上記本発明の第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として有するもの、であることが好ましい。本発明は、第１又は第２のトランジスタ素子をスイッチング素子として、例えば有機ＥＬ素子と組み合わせた電子デバイスとすることができる。第１又は第２のトランジスタ素子が低電圧で大電流変調が可能であることから、例えば有機ＥＬのスイッチング素子である駆動トランジスタとして好ましく組み合わせてなる電子デバイスを提供できる。
【００８８】
本発明のトランジスタ素子をｎ型トランジスタとして用いる場合において、ベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層を設け、ベース電極４を陰極として用いて電子デバイスを構成すれば、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、有機ＥＬ層を構成する電荷輸送層中に電荷を効果的に注入することができるという優れた効果を奏する。
【００８９】
（発光素子）
次に、発光素子について説明する。図１６は、第１のトランジスタ素子のベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、その有機ＥＬ層４１が少なくとも発光層４２を１層以上含む発光素子４０の一例を示す模式断面図である。この第１の発光素子４０は、図１６に示すように、例えば厚さ１００ｎｍの透明ＩＴＯ電極をコレクタ電極２とし、その上に、ＣｕＰｃからなる厚さ２ｎｍの正孔注入層４４と、ＮＰＤからなる厚さ３０ｎｍの正孔輸送層４３と、Ａｌｑ３からなる厚さ３０ｎｍの発光層４２と、ＢＣＰからなる厚さ１０ｎｍの励起子ブロック層４５と、ｎ型有機半導体のペリレン顔料（Ｍｅ−ＰＴＣ、厚さ５００ｎｍ）からなる電子輸送性の第１半導体層５Ａと、アルミニウムからなる厚さ２０ｎｍのベース電極４と、フラーレン（Ｃ６０、厚さ１００ｎｍ）からなる第２半導体層５Ｂと、銀からなる厚さ３０ｎｍのエミッタ電極３とを、真空蒸着等の成膜手段でその順に積層したものである。
【００９０】
また、図１７は、第２のトランジスタ素子のベース電極４とコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、その有機ＥＬ層４１が少なくとも発光層４２を１層以上含む発光素子５０の一例を示す模式断面図である。この第２の発光素子４０は、図１７に示すように、第１半導体層５Ａとベース電極４との間に、酸化ケイ素からなる厚さ５ｎｍの暗電流抑制層６を形成した他は、上記第１の発光素子４０と同じ構成である。
【００９１】
なお、図１６及び図１７に示す本発明の発光素子４０，５０のトランジスタとしての構成は、上記第１及び第２のトランジスタ素子の基本的な構成と同じであるので、既に説明した同じ構成については、同一の符号を用いて詳しい説明を省略する。また、図１６及び図１７に示す発光素子４０，５０を構成する有機ＥＬ層の構成材料の化学式を以下に示す。
【００９２】
【化３】
【００９３】
図１８は、図１６に示す構成の発光素子の実験例であり、コレクタ電圧Ｖｃとして一定の電圧を印加しながらベース電圧Ｖｂを変化させたときのＥＬ輝度の変化を示すグラフである。図１８に示すように、ベース電圧Ｖｂの印加によって有機ＥＬ層にかかる電圧は減少しているにもかかわらず、ＥＬ輝度は増大し、Ｖｃ＝１２Ｖ、Ｖｂ＝２．５Ｖの低電圧で、約１００ｃｄ／ｍ２の輝度の変調を達成した。
【００９４】
このように、本発明の発光素子は、トランジスタ素子の第１半導体層５Ａとコレクタ電極２との間に有機ＥＬ層４１を有し、全体としてその有機ＥＬ層４１と同様の面状の積層構造となるので、面状の電流を変調できる。こうした構造の発光素子は、駆動素子であるトランジスタ素子と、有機ＥＬ素子を一度に作製できるだけでなく、駆動トランジスタの占有面積が実質ゼロとなることから開口率を大きくできるというメリットがある。近年において、有機ＦＥＴ構造でも発光が観測されるようになったが、まだその性能は低く、実用的な性能を示す有機発光トランジスタとしては、縦型の有機ＳＩＴを用いたものが知られている。本発明の発光素子は、コレクタ電極２側に有機ＥＬ層を積層するだけで電流変調可能な発光素子を実現できた。しかも、本発明の発光素子は、中間電極等の微細パターニングが不必要であり、極めて実用的である。
【００９５】
有機ＥＬ層４１は、上記のように、少なくとも１層以上の発光層４２を有し、さらに、正孔注入層４４、正孔輸送層４３、電子輸送層、及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有することが好ましい。図１６及び図１７の例では、発光層４２のコレクタ電極２側に正孔輸送層４３と正孔注入層４４が設けられている。また、発光層４２のベース電極４側には励起子ブロック層４５が設けられている。この発光素子４０，５０はトランジスタ素子により多くの電荷が加速されて有機ＥＬ層４１の発光層４２に到達するので、ベース電極４からの電荷の注入は容易である。したがって、有機ＥＬ層４１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。
【００９６】
発光層４２の形成材料としては、有機ＥＬ素子の発光層として一般的に用いられている材料であれば特に限定されず、例えば色素系発光材料、金属錯体系発光材料、高分子系発光材料等を挙げることができる。
【００９７】
色素系発光材料としては、例えば、シクロペンタジエン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピラゾロキノリン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール誘導体、チオフェン環化合物、ピリジン環化合物、ペリノン誘導体、ペリレン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、トリフマニルアミン誘導体、オキサジアゾールダイマー、ピラゾリンダイマー等を挙げることができる。
【００９８】
金属錯体系発光材料としては、例えば、アルミキノリノール錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、ベンゾオキサゾール亜鉛錯体、ベンゾチアゾール亜鉛錯体、アゾメチル亜鉛錯体、ポルフィリン亜鉛錯体、ユーロピウム錯体等、中心金属に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｅ等、又はＴｂ、Ｅｕ、Ｄｙ等の希土類金属を有し、配位子にオキサジアゾール、チアジアゾール、フェニルピリジン、フェニルベンゾイミダゾール、キノリン構造等を有する金属錯体等を挙げることができる。
【００９９】
高分子系発光材料としては、例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリビニルカルバゾール、ポリフルオレノン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリキノキサリン誘導体、及びそれらの共重合体等を挙げることができる。
【０１００】
発光層４２中には、発光効率の向上や発光波長を変化させる等の目的でドーピング剤等の添加剤を添加するようにしてもよい。ドーピング剤としては、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ルブレン誘導体、キナクリドン誘導体、スクアリウム誘導体、ポルフィリン誘導体、スチリル色素、テトラセン誘導体、ピラゾリン誘導体、デカシクレン、フェノキサゾン、キノキサリン誘導体、カルバゾール誘導体、フルオレン誘導体等を挙げることができる。
【０１０１】
正孔輸送層４３の形成材料としては、フタロシアニン、ナフタロシアニン、ポリフィリン、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、ヒドラゾン、スチルベン、ペンタセン、ポリチオフェン若しくはブタジエン、又はこれらの誘導体等、正孔輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、正孔輸送層４３の形成材料として市販されている、例えばポリ（３、４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホネート（略称ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、バイエル社製、商品名；Ｂａｙｔｒｏｎ Ｐ ＡＩ４０８３、水溶液として市販。）等も使用することができる。正孔輸送層４３は、こうした化合物を含有した正孔輸送層形成用塗液を用いて形成される。なお、これらの正孔輸送材料は、上記の発光層４２内に混ぜてもよいし、正孔注入層４４内に混ぜてもよい。
【０１０２】
また、図１６及び図１７では、Ｍｅ−ＰＴＣからなる第１半導体層５Ａが電子輸送性の層であるので、別個に電子輸送層として設けていないが、必要に応じて発光層４２のベース電極４側に設けてもよい。電子輸送層の形成材料としては、アントラキノジメタン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ニジトロベンゼン、ニトロアントラキノン、無水マレイン酸若しくはペリレンテトラカルボン酸、又はこれらの誘導体等、電子輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。電子輸送層は、こうした化合物を含有した電子輸送層形成用塗液を用いて形成される。なお、これらの電子輸送材料は、上記の発光層４２内に混ぜてもよいし、電子注入層内に混ぜてもよい。
【０１０３】
正孔注入層４４の形成材料としては、例えば、発光層４２の発光材料に例示した化合物の他、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウムなどの酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの誘導体等を挙げることができる。
【０１０４】
図１６及び図１７には含まれないが、必要であれば電子注入層を設けてもよい。電子注入層の形成材料としては、発光層の発光材料に例示した化合物の他、アルミニウム、フッ化リチウム、ストロンチウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、酸化アルミニウム、酸化ストロンチウム、カルシウム、ポリメチルメタクリレートポリスチレンスルホン酸ナトリウム、リチウム、セシウム、フッ化セシウム等のようにアルカリ金属類、及びアルカリ金属類のハロゲン化物、アルカリ金属の有機錯体等を挙げることができる。
【０１０５】
なお、上述した発光層や電荷輸送層等の有機層中には、必要に応じてオリゴマー材料又はデンドリマー材料の発光材料若しくは電荷輸送注入材料を含有させてもよい。
【０１０６】
上述した各層は、真空蒸着法によって成膜するか、あるいは、それぞれの形成材料をトルエン、クロロホルム、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等の溶媒に溶解又は分散させて塗布液を調整し、その塗布液を塗布装置等を用いて塗布又は印刷等することで形成される。
【０１０７】
励起子ブロック層４５は、正孔ブロック層、電子ブロック層等として機能する層であり、キャリア（正孔、電子）のつきぬけを防止し、効率よくキャリアの再結合させるためのブロック層である。図１６及び図１７においては、トランジスタ素子がｎ型半導体材料で構成されているので、コレクタ電極２が陽極として作用する。その結果、コレクタ電極２から正孔が注入されるので、発光層４２のベース電極４側の隣接面には正孔ブロック層としての励起子ブロック層４５を形成することが好ましい。図１６及び図１７に示す発光素子では、励起子ブロック層４５の形成材料として、ＢＣＰ（１-ブロモ-３-クロロプロパン) を用いた。
【０１０８】
図１６及び図１７に示すＢＣＰからなる励起子ブロック層４５は、エネルギーダイアグラムにおいて、ＬＵＭＯがＭｅ−ＰＴＣとほぼ同じなのでＭｅ−ＰＴＣからの電子をブロックしないが、ＨＯＭＯがＡｌｑ３よりも高いのでＡｌｑ３からの正孔はブロックする。ＢＣＰの励起状態はＡｌｑ３の励起状態よりもエネルギーが高いので、Ａｌｑ３で発生した励起子はＢＣＰに拡散しない。
【０１０９】
なお、トランジスタ素子がｐ型半導体材料で構成され他場合には、コレクタ電極２が陰極として作用することになり、その結果、コレクタ電極２から電子が注入されるので、発光層４２のベース電極４側の隣接面には電子ブロック層としての励起子ブロック層４５を形成することが好ましい。
【０１１０】
（コプラナー型デバイス）
次に、トランジスタ素子を有機ＥＬの駆動トランジスタとして用いたコプラナー型デバイスについて説明する。有機ＥＬを用いたフレキシブルディスプレイでは、有機トランジスタによるアクティブマトリックス回路を構成する必要がある。単一ピクセルレベルでは、これまでに有機ＦＥＴと有機ＥＬとを組み合わせたものが報告されているが、大きな電流を流すことが難しい有機ＦＥＴでは、数十ボルトの大きな電圧や、大電流をかせぐための広い櫛形電極が必要であったが、上述した本発明のトランジスタ素子は、低電圧で大電流変調が可能であることから、有機ＥＬの駆動用トランジスタとして最適である。
【０１１１】
図１９は、本発明のトランジスタ素子を用いた有機ＥＬのスイッチング構造を示す模式的な断面図である。このコプラナー型デバイスは、同一のＩＴＯ電極ガラス基板上に、第１半導体層５ＡであるＭｅ−ＰＴＣ（厚さ５００ｎｍ）と、ベース電極４であるＡｌ（厚さ２０ｎｍ）と、第２半導体層５ＢであるＣ６０（厚さ１００ｎｍ）と、エミッタ電極３であるＡｇ（３０ｎｍ）とをその順で積層した構造を持つトランジスタ素子と、有機ＥＬデバイスを並置し、トランジスタ素子のコレクタ電極２と重なるように有機ＥＬの陰極であるＬｉＦ（厚さ０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ１００ｎｍ）を蒸着し接続した。有機ＥＬデバイスとしては、同一のＩＴＯ電極ガラス基板上に、ＣｕＰｃからなる厚さ７ｎｍの正孔注入層４４と、ＮＰＤからなる厚さ４０ｎｍの正孔輸送層４３と、Ａｌｑ３からなる厚さ７０ｎｍの発光層４２とをその順で積層した構造とした。
【０１１２】
図２０は、コプラナー型デバイスにトータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、電流経路を示す模式図である。また、図２１は、図１９に示すコプラナー型の直列デバイスにおける、輝度変調特性を示すグラフである。これは、トータル電圧ＶＤＤを印加しながらベース電圧Ｖｂを印加したときの、有機ＥＬ出力光強度の変調を輝度計で測定したものである。
【０１１３】
図２１に示すように、トータル電圧１４Ｖのときには、制御電圧わずか４Ｖで１２００ｃｄ／ｍ２以上の輝度変調を得ることができた。また、トータル電圧ＶＤＤが１２Ｖのときには、ベース電圧Ｖｂが０のＯＦＦ状態における発光が目視では確認できないレベルに抑えられたため、完全なＯＮ／ＯＦＦを実現することができた。これらの電圧は、現在報告きれている有機ＦＥＴと有機ＥＬの組み合わせ素子よりもかなり低く、本発明のトランジスタ素子を用いることにより大幅な低電圧化を実現することができた。
【０１１４】
このように、本発明のトランジスタ素子は、その低電圧・大電流変調の特性から、有機ＥＬの駆動用トランジスタとして高い性能を示すことが分かった。大電流変調が可能であるということは、一つのピクセル内におけるトランジスタの占有面積を小さくできることを意味しており、ディスプレイにおける開口率の向上につながる。そのような観点からも、本発明のトランジスタ素子はフレキシブルディスプレイの駆動用トランジスタとして期待できる。
【０１１５】
以上説明したように、本発明の発光素子は、ベース電極とコレクタ電極との間に設けた有機ＥＬ層による大電流面状発光が可能になり、しかも、その場合、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るとともに、低電圧で大電流変調が可能であり、さらにＯＮ／ＯＦＦ比を向上させることができるので、簡単な構造からなる実用的な発光素子を提供できる。
【０１１６】
（ディスプレイ）
本発明のディスプレイは、上記本発明の発光素子を基板上に形成し、輝度の高いディスプレイとすることができる。基板は、上記第１のトランジスタ素子のところで説明した種々のものを用いることができる。また、フレキシブル基板としては、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等からなるフレキシブル基板を挙げることができる。また、基板の形状としては、枚葉状でも連続状でもよく、具体的な形状としては、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状等を挙げることができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１ 基板
２ コレクタ電極
３ エミッタ電極
４ ベース電極
５，５Ａ，５Ｂ 半導体層
６，７ 暗電流抑制層
１０，２０ トランジスタ素子
４０，５０ 発光素子
４１ 有機ＥＬ層
４２ 発光層
４３ 正孔輸送層
４４ 正孔注入層
４５ 励起子ブロック層
【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、結晶性の有機半導体層と厚さ４０ｎｍ以下のベース電極がその順で設けられていることを特徴とするトランジスタ素子。
【請求項２】
前記有機半導体層が、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間及び前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記ベース電極が、凹凸形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記有機半導体層の結晶粒径が、前記ベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって、前記ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
前記ベース電極が金属からなり、当該ベース電極の片面又は両面に当該ベース電極の酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項６】
前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第１半導体層と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第２半導体層とが、異なる半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項７】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層が、正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなることを特徴とする請求項６に記載のトランジスタ素子。
【請求項８】
前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ１と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項９】
前記エミッタ電極と当該エミッタ電極に隣接する半導体層との間に、電荷注入層を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項１０】
前記電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物を含むことを特徴とする請求項９に記載のトランジスタ素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のトランジスタ素子をスイッチング素子として有することを特徴とする電子デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
前記有機ＥＬ層が、正孔輸送層、電子輸送層、正孔注入層及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有することを特徴とする請求項１２に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記有機ＥＬ層が、励起子ブロック層を有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれかに記載の発光素子が、基板上に形成されていることを特徴とするディスプレイ。
【請求項１】
エミッタ電極とコレクタ電極との間に、結晶性の有機半導体層と厚さ４０ｎｍ以下のベース電極がその順で設けられていることを特徴とするトランジスタ素子。
【請求項２】
前記有機半導体層が、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間及び前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記ベース電極が、凹凸形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記有機半導体層の結晶粒径が、前記ベース電極の厚さ以上又は厚さ程度の大きさであって、前記ベース電極に凹凸形状を付与することができる大きさであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
前記ベース電極が金属からなり、当該ベース電極の片面又は両面に当該ベース電極の酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項６】
前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第１半導体層と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた第２半導体層とが、異なる半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項７】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層が、正孔輸送材料又は電子輸送材料で形成されてなることを特徴とする請求項６に記載のトランジスタ素子。
【請求項８】
前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ１と、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に設けられた半導体層の厚さＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が、１／１〜１０／１の範囲内であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項９】
前記エミッタ電極と当該エミッタ電極に隣接する半導体層との間に、電荷注入層を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のトランジスタ素子。
【請求項１０】
前記電荷注入層が、ＬｉＦ、Ｃａ等のアルカリ金属又はその化合物を含むことを特徴とする請求項９に記載のトランジスタ素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のトランジスタ素子をスイッチング素子として有することを特徴とする電子デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のトランジスタ素子のベース電極とコレクタ電極との間に有機ＥＬ層を有し、当該有機ＥＬ層が少なくとも発光層を１層以上含むことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
前記有機ＥＬ層が、正孔輸送層、電子輸送層、正孔注入層及び電子注入層から選ばれる１又は２以上の層を有することを特徴とする請求項１２に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記有機ＥＬ層が、励起子ブロック層を有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれかに記載の発光素子が、基板上に形成されていることを特徴とするディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−１３５８０９（Ｐ２０１０−１３５８０９Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０１（Ｐ２０１０−５０１）
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【分割の表示】特願２００６−７８２３７（Ｐ２００６−７８２３７）の分割
【原出願日】平成１８年３月２２日（２００６．３．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年３月２２日 社団法人応用物理学会発行の「２００６年（平成１８年）春季 第５３回応用物理学関係連合講演会予稿集 第３分冊」に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率有機デバイスの開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【分割の表示】特願２００６−７８２３７（Ｐ２００６−７８２３７）の分割
【原出願日】平成１８年３月２２日（２００６．３．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年３月２２日 社団法人応用物理学会発行の「２００６年（平成１８年）春季 第５３回応用物理学関係連合講演会予稿集 第３分冊」に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率有機デバイスの開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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