專利名稱：有機半導體發(fā)光裝置以及使用了該發(fā)光裝置的顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具備有機半導體發(fā)光層的有機半導體發(fā)光裝置以及使用了該發(fā)光裝置的顯示裝置。
背景技術：
作為有機半導體裝置的典型例的有機場致發(fā)光元件，是利用了有機半導體層中的電子和空穴的再結合所伴隨的發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)光元件。具體而言，有機場致發(fā)光元件具備有機半導體發(fā)光元件、向該有機半導體發(fā)光層注入電子的電子注入電極、和向所述有機半導體發(fā)光層注入空穴的空穴注入電極(專利文獻1)。
這樣的有機場致發(fā)光元件中的發(fā)光的接通/斷開，通過施加到空穴注入電極與電子注入電極之間的電壓的接通/斷開而進行。而且，發(fā)光強度的調制通過對施加到空穴注入電極與電子注入電極之間的電壓進行可變控制而實現(xiàn)。
專利文獻1特開平5-315078號公報但是，若考慮對多個發(fā)光像素進行二維排列(矩陣排列)來制作二維顯示器件的情況，則在如上所述的現(xiàn)有有機場致發(fā)光元件中驅動困難，優(yōu)選采用場效應型晶體管的方式。
可是，在采用了有機半導體的場效應型晶體管中，還未發(fā)現(xiàn)發(fā)光成功的實例的報告，場效應型晶體管方式的有機半導體發(fā)光裝置尚未實現(xiàn)。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有場效應型晶體管的形式的有機半導體發(fā)光裝置、以及利用了該發(fā)光裝置的顯示裝置。
本發(fā)明的一個方案所涉及的有機半導體發(fā)光裝置包括有機半導體發(fā)光層，其可輸送空穴和電子，通過空穴和電子的再結合而產生發(fā)光；空穴注入電極，其向該有機半導體發(fā)光層注入空穴；電子注入電極，其配置為相對于該空穴注入電極保持規(guī)定間隔，向所述有機半導體發(fā)光層注入電子；和柵電極，其與所述空穴注入電極和所述電子注入電極之間的所述有機半導體發(fā)光層對置，控制所述有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布。
根據(jù)該結構，通過使用可輸送空穴和電子的雙極性有機半導體發(fā)光層，從而在該有機半導體發(fā)光層內，發(fā)生從空穴注入電極注入的空穴與從電子注入電極注入的電子的再結合，由此可產生發(fā)光。并且，按照與空穴注入電極和電子注入電極之間的有機半導體發(fā)光層對置的方式配置柵電極，由此，該有機半導體發(fā)光裝置具有作為場效應型晶體管的基本形式。因此，通過對柵電極賦予控制電壓，控制有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布，從而可進行發(fā)光的接通/斷開、或調制發(fā)光強度。
所述有機半導體發(fā)光層可包括作為空穴輸送材料的P型有機半導體材料、和作為電子輸送材料的N型有機半導體材料。在該結構中，由于有機半導體發(fā)光層包括P型有機半導體材料和N型有機半導體材料，因此可良好地輸送空穴和電子雙方。由此，可有效地引起有機半導體發(fā)光層內的空穴和電子的再結合。
而且，所述有機半導體發(fā)光層也可由P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的混合物構成。根據(jù)該結構，由P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的混合物形成有機半導體發(fā)光層，因此可有效地產生該有機半導體發(fā)光層內的空穴和電子的再結合。在該情況下，通過適當設定P型有機半導體材料與N型有機半導體材料的混合比，可調整分別從空穴注入電極和電子注入電極注入的空穴以及電子的注入量的平衡。由此，能更有效地發(fā)光。
所述有機半導體發(fā)光層可通過P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的共同蒸鍍而制作。
并且，優(yōu)選所述有機半導體發(fā)光層還包括形成發(fā)光中心的發(fā)光材料。由此，能更有效地發(fā)光。發(fā)光材料在該情況下為有機物，是指不具有電子、空穴輸送功能的材料。
在該情況下，優(yōu)選所述有機半導體發(fā)光層通過P型有機半導體材料、N型有機半導體材料以及發(fā)光材料的共同蒸鍍而制作。
優(yōu)選所述發(fā)光材料是HOMO(highest occupied molecular orbital)能級與LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)能級之差比所述P型有機半導體材料和N型有機半導體材料中的至少任意一方小的材料。
所述有機半導體發(fā)光層可具有層疊構造，所述層疊構造層疊了由P型有機半導體材料構成的P型有機半導體層、和由N型有機半導體材料構成的N型有機半導體層。在該結構中，由層疊了P型有機半導體層和N型有機半導體層的層疊構造來構成可輸送空穴和電子雙方的有機半導體發(fā)光層。根據(jù)該構造，也可在層疊構造的有機半導體發(fā)光層內產生空穴與電子的再結合，從而可實現(xiàn)具有作為場效應型晶體管的基本形式的有機半導體發(fā)光裝置。
優(yōu)選所述P型有機半導體材料包括噻吩和亞苯基的共聚低聚物。噻吩和亞苯基的共聚低聚物是指噻吩環(huán)與苯環(huán)一維連接的π電子共軛系材料。作為該(噻吩/亞苯基)共聚低聚物的例子，可舉出TPTPT(2，5-bis(4-(2′thiophene-yl)phenyl)thiophene)。
而且，優(yōu)選所述N型有機半導體材料包括萘酸酐。作為萘酸酐化合物的例子，可枚舉NTCDA(萘四羧酸二酐)。
作為所述P型有機半導體材料，除(噻吩/亞苯基)共聚低聚物以外，還可應用并苯衍生物、芘衍生物、二萘嵌苯衍生物、和芴衍生物，此外，還可使用在這些構造中包含茋的材料。當然優(yōu)選發(fā)光量子產額高的材料。
并且，作為所述N型有機半導體材料，除萘酸酐以外，還可使用二萘嵌苯衍生物、富勒烯(フラレ一ン)衍生物等。此外，使上述P型材料氟化后的材料也是有用的。
本發(fā)明的另一方案所涉及的有機半導體發(fā)光裝置包括有機半導體發(fā)光層，其可注入空穴和電子中的至少任意一方，通過空穴和電子的再結合而產生發(fā)光；空穴注入電極，其向該有機半導體發(fā)光層注入空穴；電子注入電極，其配置為相對于該空穴注入電極保持1.0μm以下的間隔，向所述有機半導體發(fā)光層注入電子；和柵電極，其與所述空穴注入電極和所述電子注入電極之間的所述有機半導體發(fā)光層對置，控制所述有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布。
根據(jù)該結構，可實現(xiàn)將能夠輸送空穴或電子任意一方的有機半導體發(fā)光層用作活性層的、具有作為場效應型晶體管形式的有機半導體發(fā)光裝置。在本發(fā)明中，使空穴注入電極與電子注入電極之間的間隔為1.0μm以下的間隔。即，溝道長被確定在1.0μm的微小距離。
根據(jù)這樣的結構，若對柵電極賦予適當?shù)碾妷海瑒t在有機半導體發(fā)光層的柵電極側表面感應的載流子的夾斷點會位于非?？拷昭ㄗ⑷腚姌O和電子注入電極中任意一方的位置。并且，在該夾斷點與電極之間形成強電場，超過電極與有機半導體發(fā)光層之間的電位勢壘，載流子會產生移動。
由此，在夾斷點附近發(fā)生空穴和電子的再結合，可觀測到由此引起的發(fā)光。這樣，即使是只能輸送空穴或電子任意一方的有機半導體發(fā)光層，也可通過設定微小的溝道長來實現(xiàn)有效的發(fā)光。
所述有機半導體發(fā)光層還可包括形成發(fā)光中心的發(fā)光材料。根據(jù)該結構，通過在有機半導體發(fā)光層內形成發(fā)光中心，可實現(xiàn)更有效的發(fā)光。
所述有機半導體發(fā)光層可包括噻吩和亞苯基的共聚低聚物。
所述空穴注入電極和所述電子注入電極可分別具有按照保持間隔并相互嚙合的方式而配置的梳齒形狀部，根據(jù)該結構，由于空穴注入電極與電子注入電極具有保持間隔(微小間隔)并相互嚙合的梳齒形狀部，因此可加長空穴注入電極與電子注入電極的對置部的全長。換言之，可加寬溝道寬度。由此，由于可有效地產生空穴與電子的再結合，因此可實現(xiàn)低電壓驅動，而且可實現(xiàn)高的發(fā)光效率。并且，若預先使梳齒部分形成為較寬的寬度，從而以面發(fā)光狀態(tài)對其進行視覺辨認，則可實現(xiàn)實質上的面發(fā)光光源。
通過將如上所述的有機半導體裝置在基板上進行一維或二維排列，可構成一維或二維的顯示裝置(由有機半導體發(fā)光裝置構成各圖像)。
本發(fā)明上述的或其他目的、特征及效果，通過參照附圖可更加明確在下面進行描述的實施方式的說明。


圖1是用于說明本發(fā)明第一實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的構造的圖解剖視圖；
圖2是用于說明源電極和漏電極的結構的圖解俯視圖；圖3(A)～圖3(D)是表示有機半導體發(fā)光裝置(含有TPTPT60摩爾％)的特性的圖；圖4(A)～圖4(D)是表示有機半導體發(fā)光裝置(含有TPTPT50摩爾％)的特性的圖；圖5(A)～圖5(D)是表示有機半導體發(fā)光裝置(含有TPTPT40摩爾％)的特性的圖；圖6(A)～圖6(D)是表示有機半導體發(fā)光裝置(含有TPTPT33摩爾％)的特性的圖；圖7(A)～圖7(D)是表示在P型驅動時針對漏極電流的量子效率的測定結果的圖，圖7(A)表示TPTPT的含有量為60摩爾％時的特性，圖7(B)表示TPTPT的含有量為50摩爾％時的特性，圖7(C)表示TPTPT的含有量為40摩爾％時的特性，圖7(D)表示TPTPT的含有量為33摩爾％時的特性；圖8(A)～圖8(D)是表示在N型驅動時針對漏極電流的量子效率的測定結果的圖，圖8(A)表示TPTPT的含有量為60摩爾％時的特性，圖8(B)表示TPTPT的含有量為50摩爾％時的特性，圖8(C)表示TPTPT的含有量為40摩爾％時的特性，圖8(D)表示TPTPT的含有量為33摩爾％時的特性；圖9是表示量子效率相對于TPTPT含有量的變動的圖；圖10是用于說明本發(fā)明第二實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖；圖11是用于說明本發(fā)明第三實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖；圖12(A)是表示圖11的有機半導體發(fā)光裝置(溝道長L＝0.8μm)中的漏極電流相對于漏極電壓的變動的特性圖，圖12(B)表示溝道長L＝9.8μm的有機半導體發(fā)光裝置的同樣的特性；圖13(A)表示溝道長L＝0.8μm時的亮度相對于漏極電壓的特性，圖13(B)表示溝道長L＝9.8μm時的亮度相對于漏極電壓的特性；圖14(A)是表示溝道長L＝0.8μm時的量子效率相對于漏極電壓的特性圖，圖14(B)是表示溝道長L＝9.8μm時的同樣的特性圖；圖15(A)～圖15(C)是用于說明有機半導體發(fā)光層中的發(fā)光的機理的圖解圖；圖16是用于說明有機半導體發(fā)光層中的發(fā)光的其它機理的圖解圖；圖17是用于說明本發(fā)明第四實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖；圖18是在基板上二維排列有機半導體發(fā)光裝置而構成的顯示裝置的電路圖。
具體實施例方式
圖1是用于說明本發(fā)明第一實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的構造的圖解剖視圖。該有機半導體發(fā)光裝置是具有作為FET(場效應型晶體管)的基本構造的元件。該有機半導體裝置具備由高濃度地導入了雜質的N+硅基板構成的柵電極1；層疊在該柵電極1上作為絕緣膜的氧化硅膜2(例如膜厚300nm)；在該氧化硅膜2上保持間隔而形成的一對電極3、4；和覆蓋這一對電極3、4并進入到它們之間而形成的有機半導體發(fā)光層5。柵電極1也可由在硅基板表層部形成的雜質擴散層所構成的導電層來構成。
按照與有機半導體發(fā)光層5對置的方式，配置有用于提高光取出效率的由塑料透鏡等構成的透鏡6，并且，按照覆蓋該透鏡6的方式配置有用于提高視覺辨認性的偏振板7。
有機半導體發(fā)光層5由通過下述化學式(1)表示的P型有機半導體材料，即TPTPT、和通過下述化學式(2)表示的N型有機半導體材料，即NTCDA的混合物構成。TPTPT是載流子移動度為5.1×10-3cm2/V·s、HOMO能級為5.0eV、LUMO能級為1.3eV的空穴輸送性材料。而且，NTCDA是載流子移動度為3.4×10-4cm2/V·s、HOMO能級小于6.8eV、LUMO能級約為3.6eV的電子輸送性材料。

[化學式2] 具體而言，有機半導體發(fā)光層5通過將TPTPT和NTCDA共同蒸鍍而形成，其膜厚例如為70nm。對有機半導體發(fā)光層5，還優(yōu)選摻雜HOMO-LUMO能級差比TPTPT或NTCDA小的發(fā)光材料(形成發(fā)光中心的材料)。該情況下，可共同蒸鍍TPTPT、NTCDA以及發(fā)光材料來形成有機半導體發(fā)光層5。作為發(fā)光材料，優(yōu)選Rubrene、DCM、芴化合物、含茋的化合物、并苯(アセン)衍生物等發(fā)光量子產額在90％以上的材料。而且，作為磷光材料的PtOEP等鉑配位化合物或銥配位化合物等金屬配位化合物也是有用的。
一對電極3、4例如通過在氧化硅膜2側配置薄的鉻層(例如膜厚1nm)作為密接層，并在該鉻層上層疊金層(例如膜厚30nm)而構成。這一對電極3、4按照沿著氧化硅膜2的表面(即沿著作為基板的柵電極1的表面)保持微小間隔(例如1μm)而對置的方式形成。在這一對電極3、4之間的區(qū)域存在有機半導體發(fā)光層5，柵電極1在隔著氧化硅膜2的狀態(tài)下與該區(qū)域的有機半導體發(fā)光層5對置。
由于有機半導體發(fā)光層5由P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的混合物構成，因此，若向一對電極3、4之間施加電壓，則在其內部空穴和電子雙方會移動。并且，通過這些空穴和電子在有機半導體發(fā)光層5內再結合，從而產生發(fā)光。此時，通過有機半導體發(fā)光層5在電極3、4之間移動的載流子(空穴和電子)的量依賴于施加到柵電極1的電壓。因此，通過對柵電極1施加階梯式變化或連續(xù)變化的電壓，可控制一對電極3、4(源、漏電極)之間的導通狀態(tài)(接通/斷開或電流量)。
由于有機半導體發(fā)光層5是可輸送空穴和電子雙方的雙極性有機半導體層，因此該有機半導體裝置可進行P型驅動和N型驅動中的任意一種方式的驅動。
例如，在進行P型驅動時，將一方電極3作為源電極，將另一方電極4作為漏電極，以源電極3為基準，對漏電極4施加負的電壓。在該狀態(tài)下，對柵電極1以源電極3為基準施加負的控制電壓。由此，有機半導體發(fā)光層5內的空穴被吸引到柵電極1側，變?yōu)檠趸枘?的表面附近的空穴密度高的狀態(tài)。若預先適當確定源電極3和漏電極4之間的電壓，則根據(jù)賦予給柵電極1的控制電壓的大小，可達到從源電極3向有機半導體發(fā)光層注入空穴、從漏電極4向有機半導體發(fā)光層5注入電子的狀態(tài)。即，源電極3作為空穴注入電極而發(fā)揮功能，漏電極4作為電子注入電極發(fā)揮功能。由此，在有機半導體發(fā)光層5中，空穴和電子發(fā)生再結合，將觀測到伴隨于此的發(fā)光。該發(fā)光狀態(tài)可通過改變賦予給柵電極1的控制電壓來接通/斷開或調制發(fā)光強度。
另一方面，在進行N型驅動時，將一方電極3作為源電極，將另一方電極4作為漏電極，以源電極3為基準對該漏電極4施加正的電壓。而且，對柵電極1以源電極3為基準施加正的控制電壓。由此，在有機半導體發(fā)光層5內，在其與氧化硅膜2的界面附近電子被感應。從而，能使源電極3和漏電極4之間導通。因此，若預先對源電極3和漏電極4之間施加適當?shù)碾妷?，則從源電極3向有機半導體發(fā)光層注入電子，并且從漏電極4向有機半導體發(fā)光層5注入空穴。即，源電極3作為電子注入電極發(fā)揮功能，漏電極4作為空穴注入電極發(fā)揮功能。而且，被注入的空穴和電子在有機半導體發(fā)光層5內再結合。由此產生發(fā)光。該發(fā)光狀態(tài)可通過改變賦予給柵電極1的控制電壓來接通/斷開或調制發(fā)光強度。
如圖2的俯視圖所示，源電極3和漏電極4分別具有主體部3A和4A、以及從該主體部3A和4A相互平行地突出的多根(在圖2的例子中各10根。共計20根)梳齒部3B、4B。并且，梳齒部3B、4B相互保持微小的間隔(例如1μm)以嚙合的方式配置在氧化硅膜2上。由于源電極3的各梳齒部3B在其兩側與漏電極4的梳齒部4B對置，因此源電極3和漏電極4的實際對置部的全長變長，由此，向有機半導體發(fā)光層5注入電子和注入空穴的各效率提高，能夠以低電壓驅動。源電極3和漏電極4的對置部的全長成為溝道寬度，優(yōu)選例如在4mm左右。
各梳齒部3B、4B形成為微小寬度(例如在1μm以下)，柵電極1對置于梳齒部3B、4B重合的整個矩形區(qū)域8，因此，在發(fā)光時該矩形區(qū)域8被視為面發(fā)光光源。
圖3(A)～3(D)、圖4(A)～4(D)、圖5(A)～5(D)以及圖6(A)～6(D)是表示所述有機半導體發(fā)光裝置的特性的圖。圖3(A)～3(D)是使TPTPT與NTCDA的混合比為3比2(即，TPTPT的含有量為60摩爾％)時的特性圖，圖4(A)～4(D)是表示使該混合比為1比1(即，TPTPT的含有量為50摩爾％)時的特性圖，圖5(A)～5(D)是表示使該混合比為2比3(即，TPTPT的含有量為40摩爾％)時的特性圖，圖6(A)～6(D)是表示使該混合比為1比2(即，TPTPT的含有量為33摩爾％)時的特性圖。各圖的(A)表示進行P型驅動時相對于漏極電壓(Drain Voltage施加到漏電極4的電壓)的漏極電流(Drain Current在電極3、4之間流動的電流)。而且，各圖的(B)表示進行N型驅動時漏極電流相對于漏極電壓的變化。并且，各圖的(C)表示進行P型驅動時亮度(Luminance)相對于漏極電壓的變化。此外，各圖的(D)表示進行N型驅動時亮度相對于漏極電壓的變化。在各特性圖中，針對P型驅動的情況表示了使柵電壓Vg(施加到柵電極1的電壓)為0V、-20V、-40V、-60V、-80V、-100V時的特性，針對N型驅動表示了使柵電壓Vg為0V、20V、40V、60V、80V、100V時的特性。
例如，當關注圖3(A)中柵電壓Vg＝-100V的情況時，漏極電流相對于漏極電壓的特性曲線具有隨著漏極電壓的增加(絕對值增加)而漏極電流單調增加(絕對值單調增加)的線性區(qū)域RA；與該線性區(qū)域RA相接的、漏極電流飽和的飽和區(qū)域RB；和與該飽和區(qū)域RB相接、隨著漏極電壓的增加而漏極電流增加并發(fā)散的發(fā)散區(qū)域RC。
在線性區(qū)域RA、飽和區(qū)域RB和發(fā)散區(qū)域RC中，發(fā)生從源電極3向有機半導體發(fā)光層5的空穴的注入。在飽和區(qū)域RB和發(fā)散區(qū)域RC中，發(fā)生從漏電極4向有機半導體發(fā)光層5的有助于發(fā)光的電子的注入，在該區(qū)域，發(fā)生有機半導體發(fā)光層5內的空穴和電子的再結合、以及伴隨于此的發(fā)光。
當關注圖4(B)中柵電壓Vg＝20V的情況時，漏極電流相對于漏極電壓的特性曲線具有漏極電流飽和的飽和區(qū)域RB；與該飽和區(qū)域RB相接、隨著漏極電壓的增加而漏極電流增加并發(fā)散的發(fā)散區(qū)域RC。該情況下，由于是N型驅動，因此在飽和區(qū)域RB和發(fā)散區(qū)域RC中，發(fā)生從源電極3向有機半導體發(fā)光層5的電子的注入。當?shù)竭_發(fā)散區(qū)域RC時，從漏電極4向有機半導體發(fā)光層5注入有助于發(fā)光的空穴，它們在有機半導體發(fā)光層5內再結合，并產生伴隨于此的發(fā)光。
這樣，能夠產生來自作為場效應晶體管的活性層而發(fā)揮功能的有機半導體發(fā)光層5的發(fā)光。
圖7(A)～圖7(D)是表示在P型驅動時針對漏極電流的量子效率(Quantum efficiency)的測定結果的圖，圖7(A)表示TPTPT的含有量為60摩爾％時的特性，圖7(B)表示TPTPT的含有量為50摩爾％時的特性，圖7(C)表示TPTPT的含有量為40摩爾％時的特性，圖7(D)表示TPTPT的含有量為33摩爾％時的特性。
在量子效率的變化相對于漏極電流的變化大時，通過漏極電流的控制而進行光量的控制變得復雜。相對于此，若量子效率的變動相對于漏極電流的變動少，則伴隨漏極電流的增加能使發(fā)光光量增加，因此發(fā)光光量的控制變得簡單。從該觀點來看，可以說量子效率相對于漏極電流的變動少的特性是優(yōu)選的特性。從圖7(A)～圖7(D)可知，通過使TPTPT的含有量在50摩爾％以下(更優(yōu)選在40摩爾％以下，進一步優(yōu)選在33摩爾％以下)，可獲得優(yōu)選的量子效率相對于漏極電流的特性。
圖8(A)～圖8(D)表示在N型驅動時的同樣的特性，圖8(A)表示TPTPT的含有量為60摩爾％時的特性，圖8(B)表示TPTPT的含有量為50摩爾％時的特性，圖8(C)表示TPTPT的含有量為40摩爾％時的特性，圖8(D)表示TPTPT的含有量為33摩爾％時的特性。
當進行與圖7(A)～圖7(D)的情況同樣的考察時可知，在N型驅動的情況下，當TPTPT的含有量在50摩爾％以上(更優(yōu)選在60摩爾％以上)時，可獲得良好的量子效率相對于漏極電流的特性。
圖9是表示量子效率相對于TPTPT含有量的變動的圖。從該圖可知，在P型驅動的情況下，通過增加TPTPT的含有量，可提高量子效率。相對于此，在N型驅動的情況下，量子效率在TPTPT的含有量為70摩爾％左右時達到飽和。另外，在圖9中，針對P型驅動的情況表示了使漏極電壓Vd為-100V、使柵電壓Vg＝-100V時的測定結果，針對N型驅動表示了使漏極電壓Vd＝100V、使柵電壓Vg＝0V時的特性。
圖10是用于說明本發(fā)明第二實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖。在該圖10中，對相當于上述圖1所示的各部的部分標注與圖1中相同的參照標記。
在該實施方式中，有機半導體發(fā)光層5由層疊構造膜構成，該層疊構造膜層疊有由TPTPT構成的P型有機半導體層5P、和由NTCDA構成的N型有機半導體層5N。在圖10中，P型有機半導體層5P層疊在N型有機半導體層5N上，但這兩層有機半導體層5P、5N的配置也可與圖10的配置相反。源電極3和漏電極4保持規(guī)定的微小距離(例如25nm)間隔而配置在有機半導體發(fā)光層5上。
在該實施方式中，通過層疊以單層表現(xiàn)晶體管特性的P型有機半導體材料所構成的P型有機半導體層5P、和以單層表現(xiàn)晶體管特性的N型材料所構成的N型有機半導體層5N，由此作為整體構成了可雙極性驅動的有機半導體發(fā)光層5。進行P型驅動時成為電子注入電極的漏電極4未與N型有機半導體層5N接觸，但即使在該狀態(tài)下，漏電極4也能穿過P型有機半導體層5P，與N型有機半導體層5N之間進行載流子(電子)的授受。而且，進行N型驅動時成為電子注入電極的源電極3未與N型有機半導體層5N接觸，但該源電極3能夠穿過P型有機半導體層5P，與N型有機半導體層5N之間進行載流子(電子)的授受。
為了進行載流子的授受，優(yōu)選P型有機半導體層5P的厚度在200nm以下。本實施方式的P型有機半導體層5P的厚度為100nm。
根據(jù)這樣的結構，與所述第一實施方式的情況相同，通過進行P型驅動或N型驅動，在有機半導體層5內使空穴和電子再結合，可發(fā)生伴隨于此的發(fā)光。
圖11是用于說明本發(fā)明第三實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖。在該圖11中，對與上述圖1所示的各部對應的部分標注與圖1中相同的參照標記。而且，在該實施方式的說明中再次參照上述的圖2。
在該實施方式中，對作為場效應型晶體管的活性層而發(fā)揮功能的有機半導體發(fā)光層50應用了作為P型半導體材料的TPTPT，在該有機半導體發(fā)光層50中實質上未混入N型有機半導體材料。即，該實施方式的有機半導體發(fā)光層50由P型有機半導體材料的單層構成。
在該實施方式中，源電極3與漏電極4之間的距離即溝道長L在1μm以下，更具體為0.8μm。源電極3的梳齒部3B與漏電極4的梳齒部4B的對置部的全長，即溝道寬度例如為1mm。
圖12(A)是表示圖11的有機半導體發(fā)光裝置(溝道長L＝0.8μm)中的漏極電流(Drain current)相對于漏極電壓(Drain voltage)的變動的特性圖，表示了使柵電壓Vg為0V、-20V、-40V、-60V、-80V、-100V時的各特性。而且，圖12(B)表示了溝道長L＝9.8μm的有機半導體發(fā)光裝置的同樣特性。當使溝道長L為9.8μm時，如參照標記S1所示，在P型驅動的情況下表現(xiàn)典型的飽和特性。即，有機半導體層中僅流動空穴電流，不發(fā)生向該有機半導體層的電子的注入。
相對于此，當使溝道長L＝0.8μm時如參照標記S2所示，表現(xiàn)出發(fā)散區(qū)域。這表示對有機半導體發(fā)光層50發(fā)生了來自漏電極4的電子的注入。即，在使溝道長L為1μm以下(具體為0.8μm)的本實施方式的結構中，對于本來只能輸送空穴的P型有機半導體材料的單層所構成的有機半導體發(fā)光層50，同時發(fā)生從源電極3注入空穴和從漏電極4注入電子，從而將發(fā)生伴隨它們的再結合的發(fā)光。
圖13(A)表示了溝道長L＝0.8μm時的亮度(Luminance)相對于漏極電壓的特性，圖13(B)表示了溝道長L＝9.8μm時的亮度相對于漏極電壓的特性。根據(jù)這些比較可理解為，通過使溝道長L＝0.8μm的本實施方式的結構，可獲得溝道長為9.8μm時的約5倍的亮度。
圖14(A)是表示設溝道長L＝0.8μm的本實施方式的有機半導體發(fā)光裝置中的量子效率(Quantum efficiency)相對于漏極電壓的特性圖，圖14(B)表示了溝道長L＝9.8μm時的同樣特性。根據(jù)這些比較可知，通過使溝道長L＝0.8μm的本實施方式的結構，可獲得溝道長L＝9.8μm時的約10倍的量子效率。
圖15(A)～圖15(C)是用于說明由P型有機半導體材料構成的有機半導體發(fā)光層50中的發(fā)光的機理的圖解圖。圖15(A)對應于使溝道長L為1μm以下的情況，圖15(B)對應于使溝道長L為10μm左右的情況。圖15(C)是與圖15(A)對應的帶結構(band structure)圖。
當對柵電極1施加了負的電壓Vg時，有機半導體發(fā)光層50中在氧化硅膜2的界面附近形成空穴的溝道51，其夾斷(pinch off)點52到達漏電極4的附近。
但是，如圖15(B)所示，當溝道長L長時，在夾斷點52與漏電極4之間形成的電場強度不是足夠高，漏電極4內的電子不能容易地穿過該漏電極4與有機半導體發(fā)光層50之間的電位勢壘。
相對于此，如圖15(A)的情況所示，當溝道長L非常短時，在夾斷點52與漏電極4之間形成高電場，能帶較大程度地彎曲。由此，漏電極4內的電子穿過該漏電極4與有機半導體發(fā)光層50之間的電位勢壘，注入到有機半導體層5內，與空穴再結合。
而且，根據(jù)圖15(A)與圖15(B)的比較可理解，通過縮短溝道長L，在從夾斷點到漏電極之間產生高電場，由此，來自漏電極4的電子的注入效率提高，并且空穴與電子的再結合效率也提高。從而發(fā)光效率提高。
從漏電極4向有機半導體發(fā)光層5的電子注入的機理不過是推斷，除了穿過如上所述的電位勢壘的FN(Fowler-Nordheim)隧道效應之外，還要考慮因夾斷點52與漏電極4之間產生的高電場所引起的P型有機半導體材料(TPTPT)的激發(fā)。
即，如圖16所示，P型有機半導體材料中的HOMO能級的電子通過高電場而激發(fā)到LUMO能級，其在有機半導體發(fā)光層5內與空穴再結合。并且，對于因激發(fā)到LUMO能級而變?yōu)榭瘴坏腍OMO能級，從漏電極4注入電子進行補充。
優(yōu)選對由P型半導體材料構成的有機半導體發(fā)光層50摻雜發(fā)光材料。由此可進一步提高發(fā)光效率。
所摻雜的發(fā)光材料優(yōu)選是HOMO能級與LUMO能級的能級差比作為P型有機半導體材料的TPTPT小的有機半導體材料。作為這樣的發(fā)光材料，優(yōu)選Rubrene、DCM、芴化合物、含茋的化合物、并苯衍生物等發(fā)光量子產額在90％以上的材料。而且，作為磷光材料的PtOEP等鉑配位化合物或銥配位化合物等金屬配位化合物也是有用的。并且，通過選擇化合物的取代基，擴展共軛系，可調整HOMO能級和LUMO能級。
發(fā)光材料向有機半導體發(fā)光層50的摻雜，例如可通過共同蒸鍍TPTPT和發(fā)光材料來形成有機半導體發(fā)光層50而進行。
而且，為了提高空穴和電子向有機半導體發(fā)光層50的注入效率，可由MgAu合金層與Au層的層疊構造膜構成源電極3和漏電極4。并且，也可分別由MgAu合金構成源電極3和漏電極4的整體。
圖17是用于說明本發(fā)明第四實施方式的有機半導體發(fā)光裝置的結構的圖解剖視圖。在該圖17中，對與上述圖1所示的各部對應的部分標注與圖1中相同的參照標記。
該實施方式的有機半導體發(fā)光裝置結構如下在作為透明基板的玻璃基板11上形成由透明導電膜構成的柵電極1，在該柵電極1上隔著氧化硅膜2配置有源電極3和漏電極4。并且，按照覆蓋源電極3和漏電極4、且在源電極3與漏電極4之間的區(qū)域隔著氧化硅膜2與柵電極1對置的方式，配置了有機半導體發(fā)光層5。也可取代該有機半導體發(fā)光層5，而配置上述圖11所示的由P型有機半導體材料的單層構成的有機半導體發(fā)光層50，但在該情況下，優(yōu)選使源電極3與漏電極4之間的間隔，即溝道長L在1.0μm以下。
在有機半導體發(fā)光層5的表面配置了用于防止該有機半導體發(fā)光層5吸濕的干燥劑層12，此外，在該干燥劑層12上配置了玻璃基板13作為用于保持干燥劑層12的保持基板。在玻璃基板11、13之間配置有粘接層15，用于使二者相互固定，并密封配置了有機半導體發(fā)光層5和干燥劑層12的空間，從而形成密閉空間14。而且，在玻璃基板11中與有機半導體發(fā)光層5相反一側的表面，即光取出側表面11A，配置有用于改善視覺辨認性的偏振板16。
構成柵電極1的透明導電膜，例如由ITO(氧化銦錫)、IZO(氧化銦鋅)或ZnO(氧化鋅)等透明的導電材料構成。而且，上述粘接層15例如由環(huán)氧樹脂構成。此外，干燥劑層12例如由氧化鋇等構成。
在該結構中，光被取出到作為透明基板的玻璃基板11側，成為隔著偏振板16觀察該光。由于有機半導體發(fā)光層5被密封在配置有干燥劑層12的密閉空間14內，因此可抑制或防止伴隨吸濕的變質，從而可實現(xiàn)有機半導體發(fā)光裝置的長壽命化。
另外，在該圖17的結構中，可在玻璃基板11與偏振板16之間配置用于提高光取出效率的透鏡(與圖1的透鏡6相同的透鏡)。
圖18是在基板20上二維排列具有圖1、圖10、圖11或圖17所示的結構的有機半導體發(fā)光裝置10而構成的顯示裝置60的電路圖。即，該顯示裝置60在矩陣排列的像素P11、P12、……、P21、P22、……內分別配置如上所述的有機半導體發(fā)光裝置10，通過使這些像素的有機半導體發(fā)光裝置10選擇性發(fā)光、且控制各像素的有機半導體發(fā)光裝置10的發(fā)光強度(亮度)，從而可進行二維顯示。在采用圖1、圖10或圖11的結構的情況下，基板20例如可以是與柵電極1一體化的硅基板。即，柵電極1由導電層構成即可，該導電層由圖案形成于硅基板表面的雜質擴散層構成。而且，在應用圖17的結構的情況下，使用玻璃基板11作為基板20即可。
當對各有機半導體發(fā)光裝置10進行P型驅動時，對其漏電極4(D)賦予偏置電壓Vd(＜0)，使其源電極3(S)為接地電位(＝0)。對柵電極1(G)并聯(lián)連接用于選擇各像素的選擇晶體管Ts、和數(shù)據(jù)保持用的電容器C。
沿著行方向排列的像素P11、P12、……；P21、P22、……的選擇晶體管Ts的柵極分別與各行的公共掃描線LS1、LS2、……連接。而且，沿著列方向排列的像素P11、P21、……；P12、P22、……的選擇晶體管Ts，分別在與有機半導體發(fā)光裝置10的相反側和各列的公共數(shù)據(jù)線LD1、LD2、……連接。
從通過控制器63控制的掃描線驅動電路61向掃描線LS1、LS2、……賦予掃描驅動信號，該掃描驅動信號用于循環(huán)地依次選擇各行的像素P11、P12、……；P2I、P22、……(行內的多個像素的一并選擇)。即，掃描線驅動電路61將各行依次作為選擇行，并產生掃描驅動信號，該掃描驅動信號用于使選擇行的多個像素的選擇晶體管Ts一并導通，使非選擇行的多個像素的選擇晶體管Ts一并遮斷。
另一方面，對數(shù)據(jù)線LD1、LD2、……輸入來自數(shù)據(jù)線驅動電路62的信號。從控制器63對該數(shù)據(jù)線驅動電路62輸入與圖像數(shù)據(jù)對應的控制信號。在通過掃描線驅動電路61一并選擇各行的多個像素的時刻，數(shù)據(jù)線驅動電路62向數(shù)據(jù)線LD1、LD2、……并行提供與對應選擇行的各像素的各像素的發(fā)光灰度相對應的發(fā)光控制信號。
由此，在選擇行的各像素中，由于經由選擇晶體管Ts向柵電極1(G)賦予發(fā)光控制信號，因此對應像素的有機半導體發(fā)光裝置10以發(fā)光控制信號所對應的灰度發(fā)光(或熄滅)。由于發(fā)光控制信號被保持在電容器C中，因此即使由掃描線驅動電路61選擇的選擇行移動為其它行之后，柵電極G的電位也被保持，從而保持有機半導體發(fā)光裝置10的發(fā)光狀態(tài)。這樣，可進行二維顯示。
以上，對本發(fā)明的四個實施方式進行了說明，但本發(fā)明也可通過其它方式實施。例如，可取代所述第一和第二實施方式等中采用的NTCDA，而采用C6-NTC(下述化學式(3))、或CH2C6F13-NTC(下述化學式(4))等作為N型有機半導體材料。這些材料的受體(acceptor)性比NTCDA弱，可期待提高量子產額。
[化學式4] 而且，作為源電極3和漏電極4的材料，除金以外，還可應用鎂、鉑、鋁、ITO、IZO等。此外，作為柵絕緣膜，除氧化硅膜以外，還可應用氮化硅膜或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)膜、氧化鋁膜、氧化鉭膜等。
有機半導體發(fā)光層的膜厚并未特別限定，但優(yōu)選根據(jù)干涉效應按照使光取出效率最大的方式確定。具體而言，在設有機半導體發(fā)光層的折射率為n、發(fā)光波長為λ時，膜厚t＝(2k+1)·(λ/4n)(其中，k＝0，1，2，3，……)即可。
此外，在所述的圖18中，表示了可進行二維顯示的顯示裝置，但也可將像素一維排列來構成一維的顯示裝置。
對本發(fā)明的實施方式詳細地進行了說明，但這些只是為了便于理解本發(fā)明的技術內容而采用的具體例，本發(fā)明并非限定于這些具體例進行解釋，本發(fā)明的精神和范圍僅由所附的權利要求限定。
該申請對應于2004年8月30日向日本專利局提出的特愿2004-250600號，此申請的所有公開內容通過在此引用而添加到本說明書中。
權利要求
1.一種有機半導體發(fā)光裝置，包括有機半導體發(fā)光層，其可輸送空穴和電子，通過空穴和電子的再結合而產生發(fā)光；空穴注入電極，其向該有機半導體發(fā)光層注入空穴；電子注入電極，其配置為相對于該空穴注入電極保持規(guī)定間隔，向所述有機半導體發(fā)光層注入電子；和柵電極，其與所述空穴注入電極和所述電子注入電極之間的所述有機半導體發(fā)光層對置，控制所述有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層包括作為空穴輸送材料的P型有機半導體材料、和作為電子輸送材料的N型有機半導體材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層由P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的混合物構成。
4.根據(jù)權利要求3所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層通過P型有機半導體材料以及N型有機半導體材料的共同蒸鍍而制作。
5.根據(jù)權利要求3所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層還包括形成發(fā)光中心的發(fā)光材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層通過P型有機半導體材料、N型有機半導體材料以及發(fā)光材料的共同蒸鍍而制作。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述發(fā)光材料是HOMO能級與LUMO能級之差比所述P型半導體材料和N型有機半導體材料中至少任意一方小的材料。
8.根據(jù)權利要求2所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層具有層疊構造，所述層疊構造層疊了由P型有機半導體材料構成的P型有機半導體層、和由N型有機半導體材料構成的N型有機半導體層。
9.根據(jù)權利要求2～8中任意一項所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述P型有機半導體材料包括噻吩和亞苯基的共聚低聚物。
10.根據(jù)權利要求2～9中任意一項所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述N型有機半導體材料包括萘酸酐。
11.一種有機半導體發(fā)光裝置，包括有機半導體發(fā)光層，其可注入空穴和電子中至少任意一方，通過空穴和電子的再結合而產生發(fā)光；空穴注入電極，其向該有機半導體發(fā)光層注入空穴；電子注入電極，其配置為相對于該空穴注入電極保持1.0μm以下的間隔，向所述有機半導體發(fā)光層注入電子；和柵電極，其與所述空穴注入電極和所述電子注入電極之間的所述有機半導體發(fā)光層對置，控制所述有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布。
12.根據(jù)權利要求11所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層還包括形成發(fā)光中心的發(fā)光材料。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述有機半導體發(fā)光層包括噻吩和亞苯基的共聚低聚物。
14.根據(jù)權利要求1～13中任意一項所述的有機半導體發(fā)光裝置，其特征在于，所述空穴注入電極和所述電子注入電極分別具有按照保持間隔并相互嚙合的方式而配置的梳齒形狀部。
15.一種顯示裝置，其將權利要求1～14中任意一項所述的有機半導體發(fā)光裝置在基板上排列多個而構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有場效應型晶體管的形式的有機半導體發(fā)光裝置、以及利用了該發(fā)光裝置的顯示裝置。該有機半導體裝置包括有機半導體發(fā)光層，其可輸送空穴和電子，通過空穴和電子的再結合而產生發(fā)光；空穴注入電極，其向該有機半導體發(fā)光層注入空穴；電子注入電極，其向有機半導體發(fā)光層注入電子；和柵電極，其與這些電極之間的有機半導體發(fā)光層對置。通過對柵電極賦予控制電壓，控制有機半導體發(fā)光層內的載流子的分布，可進行發(fā)光的接通/斷開、或調制發(fā)光強度。
文檔編號H01L51/50GK101069298SQ200580028790
公開日2007年11月7日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2004年8月30日
發(fā)明者小山田崇人, 內生藏廣幸, 安達千波矢 申請人:國立大學法人京都大學, 日本先鋒公司, 株式會社日立制作所, 羅姆股份有限公司