CN1708860A - 有机半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种有机半导体装置包括至少两个p型和n型沟道有机半导体元件。各个有机半导体元件包括：一对相对的源极和漏极；具有载流子迁移性的有机半导体层，其被形成得在源极与漏极之间提供沟道；以及栅极，用于通过栅绝缘膜向源极与漏极之间的有机半导体层施加电场。在该有机半导体装置中，p型沟道有机半导体元件的源极和漏极由功函数值比n型沟道有机半导体元件的源极和漏极的材料的功函数值高的材料构成。

Description

有机半导体装置
技术领域
本发明涉及一种有机半导体元件，该有机半导体元件包括有机化合物制成的有机半导体层。
背景技术
在利用具有载流子迁移性(carrier mobility)的有机化合物的有机半导体领域中，对有机半导体薄膜施加电压使得载流子密度增大，这使得电流可以在设置于有机半导体薄膜上的电极对之间流动。因此，已经对有机晶体管进行了研究，这使得可以在诸如发送、处理、接收以及显示信息的技术领域中逐渐使用有机半导体。在这些技术领域中，使用电信号来控制有机半导体内的位于金属与有机半导体之间或者一个有机半导体与另一有机半导体之间的接合界面处的电子载流子和空穴载流子。
例如，存在使用有机半导体薄膜的有机MOS-TFT结构，其中在衬底(substrate)上形成有栅极、栅绝缘膜、源极和漏极、以及有机半导体层。因为要增大有机晶体管的工作频率就必须增强载流子迁移性，所以提出了层化结构，该层化结构包含：使用并五苯等的有机半导体层；以及使用PMMA、环己烯等的栅绝缘层。对于源极和漏极，用于电极的材料是Pd、Au等。
通常，互补型有机半导体装置的p型和n型沟道有机半导体元件的源极和漏极共用相同的材料(例如，参见Bell Lab.Nature Vol.403，521，2000)。
这种传统的有机半导体装置的缺点在于，就功函数(work function)而言，适当的材料未放入p型和n型沟道有机半导体元件的适当位置处，在有机半导体层与各电极之间未获得充分的欧姆接触，使得有机半导体元件的驱动电压增大并存在非线性的电流-电压特性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有优异电特性的有机半导体装置。
根据本发明的有机半导体装置包括：
至少p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件，所述p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件各自包括：
一对源极和漏极，它们彼此相对，
有机半导体层，其淀积在源极与漏极之间，从而可以在源极与漏极之间形成沟道，
栅极，其通过栅绝缘层向设置在源极与漏极之间的有机半导体层施加电压；
其中，p型沟道有机半导体的源极和漏极分别由功函数值比n型沟道有机半导体的源极和漏极的材料的功函数值高的材料制成。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的有机晶体管的剖面图；
图2和3是各自示出根据本发明另一实施例的有机晶体管的剖面图；
图4是示出当将根据本发明另一实施例的有机晶体管装配至TFT有机电致发光显示装置时的显示装置的衬底结构的剖面图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明作为根据本发明的互补型有机半导体装置的示例的有机晶体管的实施例。
图1示出了第一实施例的有机半导体装置，其包括：由诸如塑料、玻璃等绝缘体制成的绝缘衬底10；形成在绝缘衬底10上的p型沟道有机半导体元件PchTFT；形成在绝缘衬底10上的n型沟道有机半导体元件NchTFT；以及将这些元件彼此连接的布线PL。
p型沟道有机半导体元件PchTFT包括：形成在衬底10上的栅极14p；形成在衬底10和栅极14p上以覆盖栅极的栅绝缘层12；在栅极14p的上方以彼此相对的方式形成在栅绝缘层12上的一对源极11p和漏极15p(以下分别称为p侧源极11p和漏极15p)；以及形成在栅绝缘层12上的有机半导体层13p，其淀积在p侧源极11p与漏极15p之间从而可以在其间形成沟道。栅极14p可以通过栅绝缘层12向设置在p侧源极11p和漏极15p之间的有机半导体层13p施加电压。连接到p型沟道有机半导体元件PchTFT的n型沟道有机半导体元件NchTFT包括：形成在衬底10上的栅极14n；形成在衬底10和栅极14n上以覆盖栅极的栅绝缘层12；在栅极14n的上方以彼此相对的方式形成在栅绝缘层12上的一对源极11n和漏极15n(以下分别称为n侧源极11n和漏极15n)；以及形成在栅绝缘层12上的有机半导体层13n，其淀积在n侧源极11n与漏极15n之间从而可以在其间形成沟道。栅极14n可以通过栅绝缘层12向设置在n侧源极11n和漏极15n之间的有机半导体层13n施加电压。各个有机半导体层由具有当对其施加电压时传输空穴(或电子)的能力的有机化合物制成。有机半导体层也可以具有多层结构，所述多层结构包含各自具有载流子传输能力的有机化合物的薄膜。
布线PL由制成n侧漏极15n的相同材料制成并且在同时形成。p侧源极11p和漏极15p由功函数值比n侧源极11n和漏极15n的材料的功函数值高的材料制成。也就是说，对于p侧源极11p和漏极15p，使用高功函数的材料，例如钯(Pd的功函数Φ＝4.8eV)、铂(Pt的功函数Φ＝5.3eV)、金(Au的功函数Φ＝4.6eV)等，以及包含其中至少一种的合金。对于n侧源极11n和漏极15n以及包括布线PL等的布线图案，使用功函数相对较低的材料，例如铬(Cr的功函数Φ＝4.5eV)、铝(Al的功函数Φ＝3.7eV)、钼(Mo的功函数Φ＝4.3eV)、钽(Ta的功函数＝4.1eV)等，以及包括其中至少一种的合金，这些材料用于TFT的布线图案。
优选地，对于p侧源极11p和漏极15p，分别使用各自的功函数值接近p型有机半导体层13p的电离电势(ionization potetial)的材料。此外，优选地，对于n侧源极11n和漏极15n，分别使用各自的功函数值接近n型有机半导体层13n的电子亲合力(electron affinity)的材料。
在图1所示的两个底部接触(bottom-contact)型有机晶体管的实施例中，p型沟道有机半导体元件PchTFT由具有载流子(空穴)迁移性的有机化合物(p型有机半导体)制成，例如并五苯。除载流子迁移率较高的并五苯之外，诸如并三苯或并四苯的稠环化合物也可以用于p型有机半导体。
通过将并五苯用作有机半导体层，可以实现具有空穴传输特性的p型沟道有机半导体元件。然而，当载流子是电子时，必需电子传输材料(n型)，以使得电子可以穿过其中移动。存在喹啉铝络合物(aluminumquinolate complex)(三-8-羟基喹啉铝(tris-8-hydoroxyqunoline aluminum))等作为电子传输材料。通过将电子传输材料用作n型有机半导体层13n，可以实现具有电子传输特性的n型沟道有机半导体元件。对于n侧源极11n和漏极15n，分别使用包括各自的功函数值接近n型有机半导体层13n的电子亲合力的材料中的至少一种的金属、合金等。n侧源极11n和漏极15n中包括的材料的功函数优选地在±1eV范围内，更优选地在±0.5eV范围内，并且该范围的中心对应于要使用的有机半导体的电子亲合力。
根据本发明的有机半导体装置使用的有机半导体层可以是通过诸如真空淀积、旋转涂覆、溅射、或溶胶一凝胶(sol-gel)方法而淀积的。用于源极和漏极的淀积方法可以选自气相淀积、溅射和CVD(化学气相淀积)方法。在这些方法中，从材料的使用效率、电极合金的组成比例的稳定性、以及淀积装置的简便性的角度考虑，溅射是优选的。
第一实施例的有机半导体装置的制造工艺大致如下：
(1)在衬底10上形成第一布线图案，该第一布线图案包括两个元件的栅极14p、14n。
(2)在衬底10和栅极14p、14n上形成公共的栅绝缘层12以覆盖栅极。栅绝缘层12使得p型和n型沟道有机半导体元件PchTFT和NchTFT中的源极和漏极与栅极电绝缘。
(3)在除了栅极14p和14n上方的栅绝缘层12上形成包括n侧源极11n和漏极15n以及布线PL的第二布线图案。n侧源极11n和漏极15n以及布线PL由相同的材料制成。n侧源极11n和漏极15n在栅极14n的上方彼此相对。
(4)在栅绝缘层12上形成包括p侧源极11p和漏极15p的图案，使得它们在栅极14p的上方彼此相对，并在与栅极14p相邻的边缘处连接到布线PL。
(5)在栅绝缘层12上形成淀积在对应的源极与漏极之间的p型有机半导体层13p和n型有机半导体层13n。
注意到，在第一实施例中，在形成第二布线图案(3)之后形成p侧源极和漏极。此外，如图2所示，可以针对这些电极在p型有机半导体层13p中的p侧源极11p和漏极15p之下设置下层部分UL。下层部分UL是在对包括n侧源极11n和漏极15n以及布线PL的第二布线图案进行构图(3)期间以相同材料形成的。之后，在下层部分UL上形成p侧源极11p和漏极15p，从而实现两层源极和漏极。
此外，注意到，在图1和图2所示的实施例中，n侧源极和漏极以及布线图案由相同的材料形成，此外，包括布线PL的布线图案以及p侧源极和漏极也可以由相同的材料同时形成。
此外，如图3所示，源极和漏极的材料可以由各类型的有机半导体元件使用的各材料形成，并且电极材料可以不同于包括布线PL的布线图案的材料。这种结构使得能够将不同于金属的具有高比电阻(specificresistance)的材料(例如导电聚合体材料等)用于源极和漏极。优选地，包括银(Ag)微粒子和粘合剂(例如聚酯、热硬化环氧树脂等)的导电膏可以用于包括布线PL的布线图案的材料。利用导电膏，可以通过印刷方法来涂覆衬底。然后利用具有内空气循环的炉子来加热衬底以使导电膏硬化，从而容易地获得包括布线PL的布线图案。
在本实施例中，对于n型沟道有机半导体元件和p型沟道有机半导体元件，源极和漏极可以分别由功函数适于n侧和p侧源极和漏极的材料形成。因此，在有机半导体层与各电极之间获得了优异的欧姆接触，从而实现了有机半导体元件的驱动电压的下降和线性的电特性。根据本发明的有机半导体装置可以用于显示装置(例如LCD、有机电致发光装置等)中的像素的驱动电路。在公共衬底上形成有至少一个根据本发明的有机晶体管、诸如电容器的必要元件、以及像素电极等的情况下，可以通过使用根据本发明的有机MOS-TFT来实现有源驱动型显示装置。
具体地说，如图4所示，在公共的衬底10上，p型沟道有机半导体元件PchTFT可以连接到有机电致发光元件EL。PchTFT的漏极15p通过例如由导电Ag膏制成的第二布线PL2而连接到有机电致发光元件EL的透明电极130。在有机电致发光元件EL中，衬底10是透明的，透明电极130由铟锡氧化物(ITO)制成。在透明电极130上，依次层叠有空穴注入层、空穴传输层、发光层，以及电子注入层，从而它们构成有机功能层140。此外，在功能层140上以面对透明电极130的方式形成有诸如Al等金属的金属电极150。p型沟道有机半导体元件PchTFT和有机电致发光元件EL涂覆有密封膜160。这里是有机电致发光元件的结构的一个示例，有机电致发光元件不限于该示例。本发明可以适合于任何结构和材料的有机电致发光元件。在公共衬底的上方，第二布线PL2连接到p型或n型沟道有机半导体元件的栅极以及源极和漏极中的一个，并且第二布线PL2还连接到有机电致发光显示装置，所述有机电致发光显示装置包括有机电致发光装置作为像素的发光部分。

Claims (8)

1、一种有机半导体装置，包括：
至少p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件，所述P型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件各自包括：
一对源极和漏极，它们彼此相对，
有机半导体层，其淀积在源极与漏极之间，从而可以在源极与漏极之间形成沟道，
栅极，其通过栅绝缘层向设置在源极与漏极之间的有机半导体层施加电压；
其中，p型沟道有机半导体元件的源极和漏极分别的功函数比n型沟道有机半导体元件的源极和漏极的功函数高。
2、根据权利要求1的有机半导体装置，其中，p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件的有机半导体层分别由p型有机半导体和n型有机半导体制成。
3、根据权利要求2的有机半导体装置，其中，p型沟道有机半导体元件的源极和漏极具有与p型有机半导体层的电离电势相等或接近的功函数。
4、根据权利要求1至3中任一项的有机半导体装置，其中，n型沟道有机半导体元件的源极和漏极具有与n型有机半导体层的电子亲合力相等或接近的功函数。
5、根据权利要求1至4中任一项的有机半导体装置，还包括布线，该布线将p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件的源极和漏极相互电连接，所述布线由用于源极或漏极的材料制成。
6、根据权利要求1至4中任一项的有机半导体装置，还包括布线，该布线将p型沟道有机半导体元件和n型沟道有机半导体元件的源极和漏极相互电连接，所述布线由与用于源极或漏极的材料不同的导电材料制成。
7、根据权利要求6的有机半导体装置，其中，所述与用于源极或漏极的材料不同的导电材料是导电膏。
8、根据权利要求5至7中任一项的有机半导体装置，还包括第二布线，该第二布线在一端电连接到p型沟道有机半导体元件或n型沟道有机半导体元件的栅极、源极以及漏极中的一个，所述第二布线电连接到以有机电致发光装置作为像素的发光部分的有机电致发光显示装置。
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