专利名称：晶体管元件及其制造方法以及发光元件和显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体管元件及其制造方法以及发光元件和显示器，更具体地说，涉及 可以在发射极-集电极之间以低电压进行大电流调制的晶体管元件及其制造方法，以及具 有该晶体管元件的发光元件和显示器。
背景技术：
近年来，关于使用有机晶体管的显示器的尝试例子已经有多个报道，其大多是将 有机场效应晶体管(有机FET)与液晶或电泳池组合而成，使用有机EL的例子几乎未见报 道。这是由于，现有的有机FET中，难以使作为电流驱动装置的有机EL流过开关的大电流。 因此，人们希望开发以更低的电压且大电流动作的有机FET。以目前已知的有机材料的迁移率为前提时，为实现上述需求而必需缩短沟道长 度，但在考虑了显示器的量产的图像技术中，难以将沟道长度制成几ym以下。为解决该 问题，人们正在研究通过沿膜厚方向流入电流、可以以低电压且大电流动作的“纵式晶体管 结构”。通常，夹层装置中使用的膜厚是几十nm，并且能够以几人级的高精度控制，因此， 通过将通道制成膜厚方向，可以容易地实现Iym以下的短的沟道长度。作为上述纵式有 机晶体管，目前有人提出了聚合物栅极三级管结构、静电感应式晶体管(Static Induction Transistor，SIT)等方案。最近有人提出通过只制造单纯的半导体/金属/半导体叠层结构，可以获得表 达高性能晶体管特性的有机晶体管元件(参照非专利文献1)。该有机晶体管元件中，通 过由发射极注入的电子透过中间金属电极，观测到与双极性晶体管类似的电流放大，其 中间金属电极发挥基极的作用，因此被称为金属基极有机晶体管(Metal-Base Organic Transistor, MBOT)。非专利文献 1 :S. Fujimoto, K. Nakayama,禾口 Μ. Yokoyama, App 1. Phys. Lett.，87， 133503 (2005)。但是，上述晶体管动作并不是只要制成半导体/金属/半导体的叠层结构 即可一定观测到。
发明内容
本发明的目的在于提供在发射极-集电极之间可以以低电压进行大电流调制的 晶体管元件。本发明的另一目的在于提供上述晶体管元件的制造方法，还提供具有该晶体 管元件的发光元件和显示器。(第1晶体管元件)本发明的第1晶体管元件的特征在于具备发射极、集电极、设于发射极与集电极 之间的半导体层和片状基极。
本发明的第1晶体管元件的特征在于上述半导体层包含设置于上述集电极和上 述基极之间的第1半导体层、和设置于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层。根据该发明，在发射极和集电极之间设有半导体层，且在该半导体层中设有片状 基极，因此，如果在发射极和集电极之间施加集电极电压(二 >々々電圧)、进一步在发射 极和基极之间施加基极电压( 一7電圧)，则通过该基极电压的作用，由发射极注入的电 荷(电子或空穴)显著加速，透过基极，到达集电极。即，通过施加基极电压，可以使在发射 极-集电极之间流过的电流放大。根据该发明，片状的基极是将由发射极供给的电荷用基 极电压加速，形成弹道电子或弹道空穴，并以该弹道电子或弹道空穴可容易地透过集电极 一侧的半导体层内的范围的厚度全面形成，因此，电荷在所形成的整个面上被显著加速，并 且加速的电荷可容易地透过基极。另一方面，根据本发明人的研究，基极未设置成片状时 (即，基极包含孔洞、裂隙等缺陷部位时)，该缺陷部中，由发射极注入的电荷并未被怎么加 速，因此，该部分的电荷难以透过基极，结果，在发射极-集电极之间流过的电流整体并不 能大幅放大，同时，各部位的电流量增加产生不均勻。因此，根据本发明的晶体管元件，可 以稳定地获得与双极性晶体管同样的电流放大作用。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述基极的厚度为SOnm以下。根据该发明，基极的厚度为SOnm以下，因此可以使以基极电压Vb加速的弹道电子 或弹道空穴容易地透过。结果，电荷在片状基极的整个面上显著加速，并且加速的电荷可容 易地透过基极。基极只要是在半导体层中没有断开(没有孔洞或裂隙)地设置即可，因此， 其厚度的下限没有特别限定，通常为Inm左右即可。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述基极的表面具有凹凸形状。具有凹凸形状的基极(或者也可称为表面粗糙度粗的基极)即使在形成规定的平 均厚度的基极时也具有厚处和薄处，根据本发明，基极具有凹凸形状时，可以稳定地获得电 流放大作用。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述集电极和上述基极之间设置的半导体 层是结晶性的半导体层。设于集电极和基极之间的结晶性半导体层的表面是凹凸形状(也可以称为表面 粗糙度粗)，因此，设于该结晶性半导体层上的基极也以凹凸形状形成。具有凹凸形状的基 极即使在形成规定的平均厚度的基极时也具有薄处和厚处，根据本发明，基极具有凹凸形 状时，可以稳定地获得电流放大作用。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述半导体层的结晶粒径的大小是上述基 极厚度以上或者是基极厚度左右的大小，是可以在上述基极表面赋予凹凸形状的大小。根据本发明，上述结晶性半导体层的结晶粒径为基极的厚度以上或者是基极厚度 左右的大小，是可以对该基极赋予凹凸形状的大小，因此，如果在其上形成基极，则可容易 地形成具有凹凸形状的基极。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述基极含有金属，该基极的一个面或者 两个面上形成有该基极的氧化膜。本发明的第1晶体管元件的特征在于设于上述集电极和上述基极之间的第1半 导体层、和设于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层用不同的半导体材料形成。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述第1半导体层和上述第2半导体层由空穴传输材料或电子传输材料形成。本发明的第1晶体管元件的特征在于设于上述集电极和上述基极之间的第1半 导体层、或设于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层由有机化合物形成。本发明的第1晶体管元件的特征在于设于上述集电极和上述基极之间的第1 半导体层的厚度Tl、以及设于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层的厚度T2的比 (T1/T2)在 1/1-10/1 的范围内。本发明的第1晶体管元件的特征在于在上述发射极和与该发射极相邻的半导体 层之间具有电荷注入层。本发明的第1晶体管元件的特征在于上述电荷注入层含有LiF、Ca等碱金属或其 化合物。(第2晶体管元件)本发明的第2晶体管元件的特征在于具备发射极、集电极、设于发射极和集电极 之间的半导体层和片状的基极，至少上述发射极和上述基极之间、或上述集电极和上述基 极之间设置有暗电流抑制层。该第2晶体管元件解决了在上述第1晶体管元件的发射极-集电极之间例如施加 5V的电压Vc时，如果在发射极-基极之间施加小的电压Vb或者不施加电压Vb，则基极-集 电极之间流过动作所必须的电流成分以外的漏电流，导致0N/0FF比降低的问题，其目的在 于提供在半导体层中插入薄片状的基极所得的晶体管元件中，可以抑制动作所必须的漏 电流，使0N/0FF比提高的晶体管元件。根据本发明，至少在发射极和基极之间、或者集电极和基极之间设置暗电流抑制 层，因此，通过该暗电流抑制层可以有效地抑制在发射极-基极之间施加小电压Vb时或不 施加电压Vb时，在基极-集电极之间晶体管动作必须的电流成分以外的漏电流(称为“暗 电流”(开关OFF时所流过的电流))的流过，结果，可以使0N/0FF比提高。暗电流抑制层 有如下功能例如可以有效地抑制在发射极-基极之间不施加电压Vb时的暗电流，但对于 在发射极-基极之间施加Vb时的所谓的ON电流则几乎不妨碍。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层设于上述集电极和上述 基极之间。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层与上述基极相邻接地设置。根据这些发明，暗电流抑制层设于集电极和基极之间，由此可以有效地抑制暗电 流流过，结果可以使0N/0FF比提高。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层是有机系绝缘层或无机 系绝缘层。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层是有机系半导体层或无 机系半导体层。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层由氧化硅或氧化铝形 成。本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层通过上述基极的化学反 应形成。
本发明的第2晶体管元件的特征在于上述暗电流抑制层的厚度为20nm以下。本发明的第2晶体管元件的特征在于在上述发射极和上述基极之间、或者上述 集电极和上述基极之间设置的半导体层由有机化合物形成。(晶体管元件的制造方法)本发明的晶体管元件的制造方法是具备发射极、集电极、设于发射极和集电极之 间的半导体层和片状基极的晶体管元件的制造方法，其特征在于具备以下步骤设置基极 的步骤；使上述基极发生化学反应，至少在上述发射极和上述基极之间、或上述集电极和上 述基极之间形成暗电流抑制层的步骤。本发明的晶体管元件的制造方法的特征在于设置了上述基极之后，使该基极的 一部分氧化，形成上述暗电流抑制层。本发明的晶体管元件的制造方法的特征在于设置上述基极之后，对该基极进行 加热处理，形成上述暗电流抑制层。根据这些发明，可以容易地形成暗电流抑制层，抑制漏电流，可以容易地提供ON/ OFF比提高的晶体管元件。(电子装置)本发明的电子装置的特征在于在具有晶体管元件作为开关元件的电子装置中， 晶体管元件具备发射极、集电极、设于发射极和集电极之间的半导体层和片状基极。本发明的电子装置的特征在于在具有晶体管元件作为开关元件的电子装置中， 晶体管具备发射极、集电极、设于发射极和集电极之间的半导体层和片状基极，至少在上述 发射极和上述基极之间、或者上述集电极和上述基极之间设置有暗电流抑制层。本发明可以将第1或第2晶体管元件作为开关元件，制成例如与有机EL元件组合 的电子装置。根据这些发明，上述第1或第2晶体管元件可以以低电压进行大电流调制，因此， 可以提供作为有机EL的开关元件的驱动晶体管优选组合而成的电子装置。(发光元件)本发明的第1发光元件的特征在于具备发射极、集电极、设于发射极和集电极之 间的半导体层以及片状的基极、设于基极和集电极之间的有机EL层，有机EL层含有至少1 层以上的发光层。本发明的第2发光元件的特征在于具备发射极、集电极、设于发射极和集电极之 间的半导体层和片状的基极、至少设于发射极和基极之间或集电极和基极之间的暗电流抑 制层、设于基极和集电极之间的有机EL层，有机EL层含有至少1层以上的发光层。近年来，已知显示实用性能的有机发光晶体管是使用纵式有机SIT (工藤一浩“有 机晶体管的现状和未来展望”，应用物理，第72卷，第9号，第1151页-第1156页，2003年)， 但其性能尚未另人满意，今后，其性能的进一步提高成为研究方向。本发明的发光元件在基 极和集电极之间具有有机EL层，该有机EL层含有至少一层以上的发光层，因此，可通过大 电流形成面状发光。并且，这种情况不需要以往的如SIT结构的基极精细制图(微細〃夕 一二 >夂)，同时，以低电压即可以进行大电流调制，并且可以使0N/0FF比提高，因此可以 提供含有简单结构的实用型发光元件。本发明的第1和第2发光元件中，优选(a)上述有机EL层具有选自空穴传输层、电子传输层、空穴注入层和电子注入层中的1或2以上的层；或者(b)上述有机EL层具有 激子阻挡层(励起子^ 口 7夕層)。(显示器)本发明的显示器的特征在于具备基板、基板上的发光元件，发光元件具备发射 极、集电极、设于发射极和集电极之间的半导体层以及片状基极、设于基极和集电极之间的 有机EL层，有机EL层含有至少1层以上的发光层。根据本发明，可以形成实用的显示器。根据本发明的第1晶体管元件，片状的基极是以被基极电压Vb加速的弹道电子或 弹道空穴可容易地透过的范围的厚度全面形成，因此，电荷在形成的整个面上显著加速，并 且加速的电荷容易透过基极。结果，本发明的第1晶体管元件可以稳定地获得与双极性晶 体管相同的电流放大作用。根据本发明的第2晶体管元件，通过暗电流抑制层，在发射极-基极之间施加小电 压Vb时或不施加电压Vb时，可有效抑制暗电流流过，因此，可以使0N/0FF比提高，可以使 晶体管的对比度提高。根据本发明的第2晶体管元件的制造方法，可以容易地形成暗电流抑制层，可抑 制暗电流，可容易地提供使0N/0FF比提高的晶体管元件。根据本发明的电子装置，上述第1或第2晶体管元件可以以低电压进行大电流调 制，因此，可以提供作为有机EL的开关元件的驱动晶体管优选组合而成的电子装置。根据本发明的发光元件，在构成上述第1或第2晶体管元件的基极和集电极之间 具有有机EL层，该有机EL层含有至少1层以上的发光层，因此可实现大电流的面状发光。 并且，这种情况不需要象以往的SIT结构的基极的精细制图，同时可以以低电压进行大电 流调制，并且可以使0N/0FF比提高，因此，可以提供含有简单结构的可实用的发光元件。
图1是表示本发明的第1晶体管元件的一个例子的截面示意图。图2是表示集电极电流相对于集电极电压的变化的图。图3是表示基极电流的变化相对于集电极电流的变化的比率(电流放大率(hFE)) 的图。图4(A) (B)是除基极的厚度之外、采用与图2和图3中测定的晶体管元件相同的 构成时，调制电流量Ic(A)和电流放大率hFE(B)与基极膜厚的相关性的图。图5是表示使基极的厚度发生变化时的电流透过率α的图。图6㈧⑶是使基极的形成材料改变时的基极电压与来自发射极的注入电流㈧ 和到达集电极的到达电流(B)的相关性的图。图7是本发明的晶体管元件的能量图。图8是表示本发明的第2晶体管元件的一个例子的截面示意图。图9是表示第2晶体管元件的另一例子的截面示意图。图10是表示采用图8的第2晶体管元件时ON电流和OFF电流的路径的图。图11是表示采用图9的第2晶体管元件时ON电流和OFF电流的路径的图。图12是形成氧化硅膜作为暗电流抑制层时，ON电流、0N/0FF比的实验结果图。
图13是表示未形成暗电流抑制层时的集电极电流的图。图14是表示通过自然氧化形成暗电流抑制层后的集电极电流的图。图15是放置在大气环境中的时间与0N/0FF比的关系。图16是表示在第1晶体管元件的基极和集电极之间具有有机EL层、该有机EL层 至少含有1层以上发光层的发光元件的一个例子的截面示意图。图17是表示在第2晶体管元件的基极和集电极之间具有有机EL层、该有机EL层 至少含有1层以上发光层的发光元件的一个例子的截面示意图。图18是图16所示构成的发光元件的实验例，表示施加一定的电压作为集电极电 压Vc，同时使基极电压Vb改变时EL亮度的变化图。图19是表示使用本发明的晶体管元件的有机EL的开关结构的截面示意图。图20是表示在共面型装置上施加总电压VDD、同时施加基极电压Vb时的电流路 径的示意图。图21是表示图19所示的共面型串联装置(直列7〃 ^ ^ )中的亮度调制特性的 图。
具体实施例方式以下，对于本发明的晶体管元件及其制造方法以及发光元件和显示器，以第1晶 体管元件、第2晶体管元件、第2晶体管元件的制造方法、发光元件和显示器的顺序进行说 明。这些发明只要具有各自的技术性特征即可，可以有各种变形，并不限于以下具体给出的 实施方案。(第1晶体管元件)图1是本发明的第1晶体管元件的一个例子的截面示意图。本发明的第1晶体管 元件10如图1所示，具备发射极3、集电极2、配置在发射极3和集电极2之间的半导体层 5(5A、5B)和片状的基极4。具体来说，该半导体层5具有设于集电极2和基极4之间的第 1半导体层5A、和设于发射极3和基极4之间的第2半导体层5B。符号1表示基板。含有 上述形式的第1晶体管元件10具有以下优点可以是纵式晶体管元件，但不需要栅极、条纹 等的精细电极的制图。该第1晶体管元件的具体例子例如有以厚度IOOnm的透明ITO电极作为集 电极2，通过真空蒸镀等成膜方法在其上依次层叠将包含作为η型有机半导体的茈颜料 (Me-PTC，平均厚度500歷)的第1半导体层5A、包含氧化硅的厚度2. 5nm或5nm的暗电流抑 制层6、包含铝的平均厚度20nm的基极4、包含富勒烯(C60，平均厚度IOOnm)的第2半导体 层5B、包含银的平均厚度30nm的发射极3得到的晶体管元件。ON电流和OFF电流是测定 在发射极-集电极之间施加5V的集电极电压Vc、再在发射极-基极之间施加基极电压Vb 时和不施加时的集电极电流Ic和基极电流Λ的变化量进行。如图2所示，已知不施加基极电压Vb时(Vb = 0)，在发射极-集电极之间几乎没 有电流流过，但通过施加基极电压Vb，电流量大幅增加，可知进行了电流调制。如图2所示， Vc = 5V和Vb = 3V时的电流密度达到350mA/cm2，该电流密度是例如足以使有机EL发数 千cd/m2的光的大电流量。通常，如果采用FET结构，则源·漏电压、门极压均需要数十伏， 由此也可以容易地理解本发明的第1晶体管元件10可以以低电压进行大电流调制。此时，
8基极4虽然与半导体层5直接接触，但几乎不发生电流向基极4的流入，结果如图3所示， 基极电流的变化相对于集电极电流的变化比率、即电流放大率(hFE)超过1，最大达到170。 这样可以确认，本发明的第1晶体管元件可作为在表观上与双极性晶体管同样的电流放大 型晶体管元件发挥功能。S卩，第1晶体管元件10在发射极3和集电极2之间设置有半导体层5(5A、5B)，且 在该半导体层5中设有片状基极4，因此，如图2和图3所示的本发明的第1晶体管元件10 的晶体管性能是基于以下的原理在发射极3和集电极2之间施加集电极电压Vc，再在发 射极3和基极4之间施加基极电压Vb，则通过该基极电压Vb的作用，由发射极3注入的电 荷(电子或空穴)显著加速，透过基极4到达集电极2。即，通过施加基极电压Vb，可以使 在发射极-集电极之间流过的电流放大。该第1晶体管元件10中，片状基极4是以使被基 极电压Vb加速的弹道电子或弹道空穴可容易地透过的厚度全面形成(图1中，是规定的有 效宽度W)，因此，电荷在形成的整个面上显著加速，并且加速的电荷容易透过基极4。因此， 根据本发明的第1晶体管元件10，可以稳定地获得与双极性晶体管同样的电流放大作用。以下，对构成本发明的第1晶体管元件的各层和各电极进行说明。(基板)图1中，在基板上形成本发明的第1晶体管元件，该基板1的种类或结构没有特别 限定，可根据所层叠的各层的材质等适当决定，例如可以使用含有Al等的金属、玻璃、石英 或树脂等各种材料的。如后述的本发明的发光元件，为光由基板1 一侧射出的底部发光结 构的有机发光元件时，优选以透明或半透明的材料形成基板，在制造光由发射极3—侧射 出的顶部发光结构的有机发光元件时，不一定使用透明或半透明的材料，可以以不透明材 料形成基板。可特别优选使用通常作为有机EL元件的基板使用的、即，可强力支撑有机EL元件 的材料。基板的材质可根据用途选择柔性的材质或硬质材质等。具体可使用的材料例如 有玻璃、石英、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸 甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚酯、聚碳酸酯等。基板1的形状可以是单片状(枚葉状)也可以是 连续状，其具体形状例如有卡片状、薄膜状、盘状、片状(千,7。状)等。(电极)构成本发明的第1晶体管元件的电极有集电极2、发射极3和基极4，如图1所 示，通常集电极2设于基板1上，基极4设计成埋入半导体层5 (第1半导体层5A和第2半 导体层5B)内，发射极3设于与集电极2相对的位置上，设计成夹持半导体层5和基极4的 方式。电极材料可使用金属、导电性氧化物、导电性高分子等的薄膜。基板1和集电极2之 间可以设有阻挡层(〃 U 7層)或平滑层等。例如，构成本发明的第1晶体管元件的半导体层5为包含有机化合物的电子传输 层时，集电极2的形成材料例如有ΙΤ0(氧化铟锡)、氧化铟、IZO(氧化铟锌)、Sn02、Zn0等 透明导电膜，金、铬等功函数大的金属、聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物、聚硅烷衍生物 等导电性高分子等。另一方面，发射极3的形成材料有铝、银等单体金属，MgiVg等镁合金， AlLi, AlCa, AlMg等铝合金，以Li、Ca为代表的碱金属类，这些碱金属类的合金等功函数小 的金属等。另一方面，构成本发明的第1晶体管元件的半导体层5为包含有机化合物的空穴传输层时，上述集电极2的形成材料和上述发射极3的形成材料相反。另外，基极4与半导体层5的构成材料形成肖特基接触，因此，作为基极4的形成 材料，可以列举与上述集电极2或发射极3所使用的电极同样的电极。基极4发挥将由发 射极3供给的电荷强制性地供给到集电极2 —侧的第1半导体层5A内的作用，因此，基极 4的形成材料不一定需要是容易将电荷注入到第1半导体层5A的材料。但是，如果集电极 2 一侧的第1半导体层5A是空穴注入层或具有空穴注入材料的层，则优选以功函数小的材 料形成基极4，而该第1半导体层5A是电子注入层或具有电子注入材料的层时，优选以功 函数大的材料形成基极4。上述基极4的形成材料例如可优选使用铝、银等单体金属，MgAg 等镁合金，AlLi, AlCa, AlMg等铝合金，以Li、Ca为代表的碱金属类，LiF等碱金属类的合 金等功函数小的金属等，只要可以与电荷(空穴、电子)注入层形成肖特基接触即可，可以 使用ITO (氧化铟锡)、氧化铟、IZO (氧化铟锌)、Sn02、Zn0等透明导电膜，金、铬等功函数大 的金属，聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物、聚硅烷衍生物等导电性高分子等。如后述的本发明的发光元件，为光由基板1 一侧射出的底部发光结构的有机发光 元件时，优选至少将集电极2用透明或半透明的材料形成，另一方面，制造光由发射极3 — 侧射出的顶部发光结构的发光元件时，优选以透明或半透明材料形成基极4和发射极3。通 过上述构成，可以提高取光效率。透明或半透明的电极材料优选使用ITO(氧化铟锡)、氧化 铟、IZO (氧化铟锌)、SnO2, ZnO等透明导电膜。上述各电极中，对于集电极2和发射极3，通过真空蒸镀、溅射、CVD等真空工艺或 涂布形成，其膜厚根据所使用的材料等而不同，例如优选为IOnm-IOOOnm左右。它们的膜厚 是通过透射式电子显微镜(TEM)，对厚度方向的试样截面测定5个位置的平均值。图4是除基极的厚度之外、使用与上述图2和图3中测定的晶体管元件相同的构 成时，调制电流量Ic(图4(A))和电流放大率hFE(图4(B))与基极的膜厚的相关性的图。 图5是表示使基极4的厚度变化时的电流透过率α的图。图5所示的电流透过率α通过 [Ic(到达集电极的电荷)]/[Ic+Ib(由发射极注入的电荷)]表示。如图4所示，调制电流量Ic和电流放大率hFE均随着基极4的增厚而急剧减少， 为了获得充分的晶体管性能，可知薄的基极4是必须的。此时，计算由发射极3注入的电荷 相对于到达集电极2的电荷的比率一电流透过率α，如图5所示，可知在基极4的厚度为 40nm以下时，显示99%左右非常高的值。这意味着来自发射极3的电荷几乎全部透过了基 极4。结果，可得到与双极性晶体管同样的电流放大作用。因此，对于基极4，优选其厚度为40nm以下，如图4所示，低于SOnm时也可以使用。 40nm以下的厚度是可使被基极电压Vb加速的弹道电子或弹道空穴容易地透过半导体层内 的厚度，因此，电荷(电子或空穴)在片状基极4的整个面上显著加速，并且加速的电荷可 容易地透过基极4。另外，基极4只要在半导体层5中没有断开地(没有孔洞或裂隙等缺陷 部位)设置即可，因此，其厚度下限没有特别限定，通常是Inm左右。基极4的厚度通过透 射式电子显微镜测定厚度方向的试样截面得到。图6是使基极4的形成材料改变时的基极电压与来自发射极3的注入电流(图 6(A))和到达集电极2的到达电流(图6(B))的相关性的图。该图是使基极4的厚度为 40nm,除此之外使用与上述图2和图3测定的晶体管元件相同的构成进行测定所得。如图6 所示，即使改变基极电压Vb时，来自发射极3的注入电流和到达集电极2的到达电流也几乎相同，在使基极4的材料为LiF/Al、Au、Ag的各试样中，电流透过率α [Ic/(Ic+Ib)]以 0. 99的高几率透过基极4。如图6所示，将使基极4的材料为LiF (厚度0. 5nm)/Al (厚度IOOnm)、Au (厚度 30nm)、Ag (厚度30nm)的各试样进行对比，电流值大小不同，LiF/Al最高，Ag、Au依次降低。 由该结果可知，根据基极4的材料不同，电流值的大小不同，但材料与电流透过率α的相关性小。基极4设置成片状、且使其厚度为规定厚度以下时，其显示高的电流透过率α的 机理尚未明确，目前考虑可能是以下机理。本发明中，基极4设成片状时(即，基极4不含有孔洞或裂隙等缺陷部时)，由发射 极3注入的电荷在片状基极4整个面上被加速，由发射极3注入的电荷几乎全部形成弹道 电子或弹道空穴，透过基极4。结果，到达集电极的电荷的量与由发射极注入的电荷的量大 致相同，整体显示显著的电流放大作用。另一方面，根据本发明人的研究，在制造基极4未 设置成片状的试样(即，基极4是含有孔洞或裂隙等缺陷部的试样)时，结果，到达集电极 的电荷的量比由发射极注入的电荷的量少，可以确认ON/OFF比减小。其原因是由于，在该 缺陷部，由发射极3注入的电荷无法加速，其部分电荷难以透过基极4，各部位电流量的增 加不均勻。另外，基极4为规定厚度以下时显示高的电流透过率α，这可以认为是由于由发 射极3注入的电荷以弹道电子或弹道空穴的形式透过基极4。即，薄的基极4具有与双极性 晶体管的基层同样的作用(即，防止载流子向基层流入，同时只引起发射极电流的增加的 作用)，人们提出了图7所示的能量图。由图7可知，通过在发射极-基极之间施加的基极 电压Vb，使由发射极3向包含C60的第2半导体层5B的电荷注入电流增大，该电荷不会落 入基极4中，以高几率到达包含Me-PTC的第1半导体层5A的传导带，被集电极2收集，结 果，可以得到大的集电极电流调制。电荷能够以弹道形式透过基极4中的距离(电子或空 穴的平均自由程)通常认为是几nm至几十nm左右，这与上述的优选40nm以下的厚度的本 发明的实验结果大致一致。可以使基极4的表面具有凹凸形状。具有该凹凸形状的基极4也可以称作表面粗 糙度粗的基极，这样的基极4即使在形成规定的平均厚度的基极时有薄处也有厚处。含有 上述构成的基极可以稳定地获得电流放大作用，因此优选。含有凹凸形状的表面形状可通 过接触式表面形状测定装置(制造商SL0AN THECHN0L0GY，型号DEKTAK3)或AFM(Seiko Instruments, SPI3800)评价。例如，设于集电极2和基极4之间的第1半导体层5A用结晶性有机化合物真空蒸 镀时，形成基极4的一侧的第1半导体层5A的表面形成凹凸形状。因此，设于该结晶性的 第1半导体层5A上的基极4也以凹凸形状形成。具有凹凸形状的基极4即使形成规定的 平均厚度的基极4，也是有薄处和厚处，根据本发明，基极4具有凹凸形状时可以稳定地获 得电流放大作用。构成结晶性半导体层的材料优选显示上述图2或图3的结果的晶体管元件的构成 材料——作为η型有机半导体的茈颜料(Me-PTC)。其它材料有后述化学式所示的C60、 NTCDA、PTCDA或W1-Et-PTC。也可以是它们以外的有机化合物。通过X射线衍射法测定作 为该η型有机半导体的茈颜料(Me-PTC，厚度400nm)用真空蒸镀形成时基极4 一侧的表面，结果可得到明确的结晶性峰。另外，C60、NTCDA、PTCDA或W1-Et-PTC中，通过X射线衍射法 测定的结果也得到了结晶性峰。显示上述图2或图3的结果的晶体管元件的结晶性半导体 层5A的表面粗糙度反映了设于其上的基极4的表面粗糙度。由此可以确认显示上述图2 或图3的结果的晶体管元件的基极4具有规定的表面粗糙度(凹凸形状)时，可以稳定地 获得电流放大作用。结晶性的半导体层的结晶粒径可通过透射式电子显微镜测定，其结晶粒径为基极 4的厚度以上或厚度程度的50nm或其以上。这样，如果使结晶性第1半导体层5A的结晶粒 径为基极4的厚度以上，则通过在该第1半导体层5A上形成基极4，可以容易地形成具有凹 凸形状的基极。结晶性半导体层的表面粗糙度Rz通过AFM(Seiko Instruments, SPI3800) 评价，Me-PTC 时为 200nm-400nm 左右，NTCDA 时为 300nm-500nm，C60 时为 50nm-100nm。Rz 按照JIS B0601测定。也可以为如下结构，即，基极4包含金属，在该基极4的一个面或两个面上形成基 极4的氧化物薄膜。另外，在半导体层5(5A、5B)上形成电极膜时，电极成膜时，可以在半 导体层5上设置用于减轻施加于该半导体层5的损伤的保护层(未图示)。保护层例如有 Au、Ag、Al等半导体膜或SiS、ZnSe等无机半导体膜等的蒸镀膜或溅射膜，在成膜时优选以 l-500nm左右的厚度预先形成成膜时难以产生损伤的膜。(半导体层)作为构成本发明的第1晶体管元件的半导体层5，可以列举各种半导体材料，通常 可列举电荷传输特性良好的电荷传输材料。其形式优选以下(i)设于集电极2和基极4之 间的第1半导体层5A、设于发射极3和基极4之间的第2半导体层5B以不同的半导体材 料形成；(ii)第1半导体层5A和第2半导体层5B由空穴传输材料或电子传输材料形成； (iii)发射极3和基极4之间、或集电极2和基极4之间设置的半导体层5A、5B均由有机化 合物形成；(iv)设于集电极2和基极4之间的第1半导体层5A的厚度Tl、设于发射极3和 基极4之间的第2半导体层5B的厚度T2的比(T1/T2)在1/1-10/1的范围内，优选3/1-7/1 的范围内；(ν)在发射极3、与发射极3邻接地的第2半导体层5B之间具有电荷注入层；或 (vi)该电荷注入层由LiF、Ca等碱金属或其化合物形成。半导体层5(5A，5B)的形成材料可以是后述实验例中使用的Alq3、C60、NTCDA、 PTCDA、Me-PTC或Ph-Et-PTC，另外可以使用蒽醌二甲烷(7 >卜，* 7夕乂夕 > )、亚芴基 甲烷、四氰基乙烯、芴酮、二吩醌喝二唑(夕7工乂 # ^ >才#寸夕7、/一> )、蒽酮、噻喃 二氧化物、二吩醌、苯醌、丙二腈、二硝基苯、硝基蒽醌、马来酸酐或茈四甲酸、或它们的衍生 物等通常作为电荷传输材料使用的材料。另外，设于集电极2和基极4之间的第1半导体 层5A可以使用在后述的本发明的发光元件的说明栏中列举的发光层形成材料。优选半导体层5(5A、5B)的电荷迁移率尽量高，优选至少为0. 001 cm2/Vs以上。另 外，集电极2 —侧的第1半导体层5A的厚度通常是300nm-1000nm左右，优选400nm-700nm 左右。其厚度低于300nm时或超过IOOOnm时，有时晶体管不动作。另一方面，优选发射极 3 一侧的第2半导体层5B的厚度基本上比第2半导体层5B薄，通常是500nm左右以下，优 选50nm-150nm左右。其厚度低于50nm时，发生导通的问题，成品率降低。设于集电极2和基极4之间的第1半导体层5A的形成材料可使用以下各有机化 合物进行实验。实验是使用以下的晶体管元件以厚度IOOnm的透明ITO电极作为集电极2，通过真空蒸镀等成膜方法在其上依次层叠包含选自下述五种化合物(Alq3、C60、NTCDA、 PTCDA、Me-PTC)的一种的第1半导体层5A、包含铝的平均厚度20nm的基极4、包含富勒烯 (C60、平均厚度IOOnm)的第2半导体层5B、包含银的平均厚度30nm的发射极3得到的晶体 管元件。关于第1半导体层5A的厚度，Alq3、C60为100nm、NTCDA、PTCDA、Me_PTC为lOOnm。对于上述制造的五种晶体管元件，使集电极电压Vc为5A、将基极电压Vb在0V-3V 的范围内调制。输出调制特性的测定与图2和图3同样，在发射极-集电极之间施加集电 极电压Vc，再在发射极-基极之间施加基极电压Vb，测定此时的集电极电流Ic和基极电流 Ib的变化量。另外，计算基极电流的变化相对于集电极电流变化的比率，即，计算电流放大 率(hFE)。表1表示该结果。[化1]
权利要求
1.晶体管元件，其特征在于该晶体管元件具备发射极、集电极，在发射极与集电极之 间依次设有有机半导体层和厚度为40nm以下的基极。
2.权利要求1所述的晶体管元件，其特征在于上述有机半导体层设置于上述发射极 和上述基极之间以及上述集电极和上述基极之间。
3.权利要求1所述的晶体管元件，其特征在于上述基极的表面具有凹凸形状。
4.权利要求1所述的晶体管元件，其特征在于上述有机半导体层具有结晶性，其结晶 粒径的大小是上述基极的厚度以上或者是基极厚度程度的大小，是可以在上述基极表面赋 予凹凸形状的大小。
5.权利要求1所述的晶体管元件，其特征在于上述基极包含金属，在该基极的一个面 或者两个面上形成该基极的氧化膜。
6.权利要求2所述的晶体管元件，其特征在于设于上述集电极和上述基极之间的第1 半导体层、和设于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层用不同的半导体材料形成。
7.权利要求6所述的晶体管元件，其特征在于上述第1半导体层和上述第2半导体 层由空穴传输材料或电子传输材料形成。
8.权利要求2所述的晶体管元件，其特征在于设于上述集电极和上述基极之间的第 1半导体层的厚度Tl、以及设于上述发射极和上述基极之间的第2半导体层的厚度T2的比 (T1/T2)在 1/1-10/1 的范围内。
9.权利要求1所述的晶体管元件，其特征在于在上述发射极和与该发射极邻接的半 导体层之间具有电荷注入层。
10.权利要求9所述的晶体管元件，其特征在于上述电荷注入层含有LiF、Ca等碱金 属或其化合物。
11.电子装置，其特征在于在具有晶体管元件作为开关元件的电子装置中，晶体管元 件具备发射极、集电极，在发射极与集电极之间依次设有有机半导体层和厚度为40nm以下 的基极。
12.发光元件，其特征在于该发光元件具备发射极、集电极，在发射极与集电极之间 依次设有有机半导体层和厚度为40nm以下的基极，而且，基极和集电极之间设有有机EL 层，有机EL层含有1层以上的发光层。
13.权利要求12所述的发光元件，其特征在于上述有机EL层具有选自空穴传输层、 电子传输层、空穴注入层和电子注入层中的1个或2个以上的层。
14.权利要求12所述的发光元件，其特征在于上述有机EL层具有激子阻挡层。
15.显示器，其特征在于该显示器具备基板、基板上的发光元件，发光元件具备发射 极、集电极，在发射极与集电极之间依次设有有机半导体层和厚度为40nm以下的基极，而 且，基极和集电极之间设有有机EL层，有机EL层含有1层以上的发光层。
全文摘要
本发明提供在发射极-集电极之间可以以低电压进行大电流调制的晶体管元件。还提供上述晶体管元件的制造方法、具有该晶体管元件的发光元件和显示器。晶体管元件具有发射极3和集电极2。发射极3和集电极2之间设有半导体层5(5A、5B)和片状的基极4。半导体层5设于发射极3和基极4之间、以及集电极2和基极4之间，分别构成第2半导体层5B和第1半导体层5A，进一步优选基极的厚度为80nm以下。至少发射极和基极之间、或者集电极和基极之间设置有暗电流抑制层。
文档编号H01L51/05GK102130299SQ20101060393
公开日2011年7月20日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月22日
发明者中山健一, 横山正明 申请人:住友化学株式会社, 国立大学法人大阪大学, 大日本印刷株式会社, 株式会社理光