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CN102484072A - 电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置 - Google Patents

电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置 Download PDF

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CN102484072A CN2010800390820A CN201080039082A CN102484072A CN 102484072 A CN102484072 A CN 102484072A CN 2010800390820 A CN2010800390820 A CN 2010800390820A CN 201080039082 A CN201080039082 A CN 201080039082A CN 102484072 A CN102484072 A CN 102484072A
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Abstract

本申请提供了电流放大晶体管装置，其在发射极和集电极之间具有两个有机半导体层和片状基极。所述有机半导体层之一设置在发射极和基极之间，并具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体层的二极管结构。本申请还公开了电流放大发光晶体管装置，其包括所述电流放大晶体管装置和在所述电流放大晶体管装置中形成的有机EL装置部分。

Description

电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置
技术领域
本发明涉及电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置，其均具有电流放大能力，更具体地，本发明涉及电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置，其均可在低电压下进行大电流调制且开通/关断比(on/offratio)优异，因此能很好地驱动有机EL显示器等。
背景技术
近年来，纯平电视机和笔记本大小的个人电脑已得到广泛使用，导致对液晶显示器、有机EL显示器、电子纸显示器等的需求增长。为驱动这些显示器的装置，采用场效应晶体管(FET)。近来主要使用利用无机材料硅的FET，但已有报告显示，显示器为了更低的制造成本、更大的屏幕尺寸和增韧而使用有机晶体管装置。
然而，大多数这类显示器依靠有机场效应晶体管(OFET)和液晶或电泳槽的组合。由于其结构和低流动性，OFET几乎不能提供大电流。因此，几乎没有关于在有机EL显示器中使用OFET作为驱动装置的事例的报告，所述驱动装置为需要大电流的电流驱动的装置。因此，强烈希望开发可以在低电压下输出大电流并且可以驱动有机EL显示器的有机晶体管装置。
为了用OFET获得大电流，目前需要缩短其沟道长度。然而，采用为批量生产而开发的图形化技术(patterning technology)，很难将沟道长度缩短至几微米或更小。为解决此问题，正在进行关于“垂直型晶体管结构”的研究，其通过使电流在膜厚度方向流过，可以在低电压范围内获得大电流。在垂直型晶体管中采用的膜厚度范围通常从数十纳米到几百纳米，且可以在几埃的量级上进行高精度控制。沟道在膜的厚度方向(垂直方向)延伸的垂直型晶体管的制造有可能轻松实现沟道长度为1μm或更小，以获得大电流。作为迄今已知的这种垂直型有机晶体管装置，有聚合物-格栅三极管结构的垂直型晶体管，在每个此类三极管结构中，自组织的网络结构以聚苯胺膜的形式作为栅极使用，还有静电感应晶体管(SIT)，在每个SIT中，通过调整微条形中间电极内的耗尽层的宽度控制源漏电流。
近来已经提出垂直型有机晶体管装置，其具有有机半导体/金属/有机半导体堆叠结构，并能显示高性能的晶体管特性(PTL 1)。这种垂直型晶体管装置在发射极和集电极之间配置有机半导体层和条状中间金属电极。一旦由发射极注入的电子通过所述有机晶体管装置内的中间金属电极，观察到类似于可由双极晶体管得到的电流放大，所述中间金属电极起到类似基极(base electrode)的作用。垂直型晶体管装置因此被称为“金属基有机晶体管”(以下可称为“MBOT”)。
在MBOT中，当发射极和集电极之间施加输出电压且发射极与基极之间没有施加电压时，没有大量电流流过，但当发射极与基极之间施加电压时，在发射极和集电极之间有电流流过。在发射极和集电极之间流动的电流是集电极电流，而在发射极与基极之间流动的电流是基极电流。与一旦施加基极电压即增大的基极电流相比，集电极电流迅速增大。因此，MBOT可用作通过基极电压可以调制集电极电流的装置。在发射极和集电极之间施加电压但在发射极与基极之间没有施加电压时可流动的“漏电流”是关断状态电流(off-state current)，而在发射极与基极之间施加电压随即流动的电流是开通状态电流(on-state current)。MBOT是可以基本上不允许关断状态电流并能提供大的开通状态电流的晶体管装置。
作为有机晶体管(MBOT)的结构，已经有报道称，MBOT可通过提供透明ITO电极作为集电极，并在所述透明ITO电极上通过真空沉积而堆叠有机半导体/金属/有机半导体而方便地制造(PTL 2)。采用的所述有机半导体为N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI)和富勒烯(C60)，其为n-型有机半导体材料。另一方面，采用的基极电极材料为铝，采用的发射极电极材料为银。通过引入暗电流抑制层(dark-current suppression layer)和对基极进行热处理，该MBOT作为晶体管装置能够进行开通/关断比(开通状态电流与关断状态电流的比)改善的大电流放大。从以上描述可以看出，MBOT的特点在于其并不需要微网状电极或微条状电极的微图形化，尽管它是垂直型晶体管。
另外报道的有机晶体管装置(MBOT)，据悉其每个均无需应用热处理等就可提供良好的电流放大特性和开通/关断比。这些MBOT每个在发射极和集电极之间具有有机半导体层和片状基极，在基极和集电极之间还具有势垒层(energy barrier Layer)和电荷通过促进层(charge-pass promotinglayer)(PTL 3)；还报道有利用具有长链烷基的苝四羧酸二酰亚胺形成的有机半导体层作为集电极层的MBOT(日本专利申请2009-114619)。
作为垂直型晶体管，已报道的还有作为双极晶体管的具有透光金属基底的有机晶体管。该有机晶体管在发射极和集电极之间具有有机半导体层和片状基极，作为有机半导体层，一层在发射极和基极之间而另一层在集电极和基极之间，分别使用N，N’-二苯基-N，N’-二(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺(NPD)和富勒烯(C60)形成的异质结有机半导体层(NPL 1)。
引用文献
专利文献
PTL 1：JP-A-2003-101104
PTL 2：JP-A-2007-258308
PTL 3：JP-A-2009-272442
非专利文献
NPL 1：J.Huang et al.，Organic Electronics，Volume 10，Pages 210-213(2009)
发明内容
技术问题
但是，因为难以形成中间电极，难以大规模制造性能更高的具有聚合物-格栅三极管结构的垂直型晶体管或静电感应晶体管(SIT)。专利文献1和2中所披露的有机晶体管装置(MBOT)可提供取决于膜的厚度和结构的高关断状态电流，此外，即使形成有机半导体/金属/有机半导体堆叠结构，也未必在上述晶体管中观察到电流放大效应。要表现出稳定的性能并获得大电流值、高电流放大系数和高开通/关断比，必须在基极表面上通过热处理形成氧化物层作为关断状态电流抑制层。
另一方面，在专利文献3和在先申请(日本专利申请2009-114619)中披露的有机晶体管装置(MBOT)可以放大电流而无需对电极进行热处理以形成关断状态电流抑制层。然而，这些装置难以提供足以操作电子设备的大电流值、大电流放大系数和高开通/关断比。
在NPL 1中披露的且提供有透光金属基底的有机晶体管，由于其显示出作为双极晶体管装置的电流调制作用，可以用在互补逻辑电路等中。但是，它难以提供大电流值，换句话说，难以将电流提高到足以操作电子设备的程度，因此，几乎不能作为有机EL显示器等的驱动装置。
已完成本发明来解决上述问题，其目的在于提供金属基有机晶体管装置(MBOT)，其在发射极和集电极间低电压下表现出大的电流放大效应和优异的开通/关断比，其制备方法简单，不需要加热之类的处理步骤。本发明的另一个目的是提供发光晶体管装置，其具有包括发光层的有机EL装置部分，可以提供优异的开通/关断比和高电流密度，并能进行自发射。
技术方案
上述目的可以通过以下描述的本发明来实现。具体而言，在本发明的一个方面，提供电流放大晶体管装置，其配备有发射极、集电极、在所述发射极和所述集电极之间形成的第一有机半导体层和第二有机半导体层、以及在所述第一有机半导体层和所述第二有机半导体层之间形成的片状基极，其中所述第一有机半导体层设置在所述发射极与所述基极之间，并具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体层的二极管结构。由于采用二极管结构，所述电流放大晶体管装置的开通/关断比优异，可进行大电流放大。
优选地，所述第二有机半导体层可包括设置在所述集电极与所述基极之间的n-型有机半导体层；所述第一有机半导体层可具有在所述基极上方形成的p-型有机半导体层以及在所述发射极下方形成的n-型有机半导体层的二极管结构。
所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层与所述n-型有机半导体层可以分别为例如空穴传输材料层和电子传输材料层。所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层可由例如金属酞菁、非金属酞菁或并五苯形成。
例如，所述第二有机半导体层可设置在所述集电极与所述基极之间，并可以包含堆叠的有机半导体层，所述堆叠的有机半导体层可通过将N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI)形成的有机半导体层和富勒烯(C60)形成的另一有机半导体层堆叠到一起获得。
优选地，所述电流放大晶体管装置可进一步包括在所述基极和所述第二有机半导体层之间形成的氟化锂层。
所述电流放大晶体管装置可具有，例如，在不高于5V的低电压下的至少为50的电流放大系数。此外，所述电流放大晶体管装置可具有例如至少为100的开通/关断比。
在本发明的另一个方面，还提供了电流放大发光晶体管装置，其包括上述电流放大晶体管装置和在所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层与所述n-型有机半导体层之间形成的有机EL装置部分，其中所述有机EL装置部分包含有机发光层和选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层的至少一层；或电流放大发光晶体管装置，其包括上述电流放大晶体管装置和在所述第二有机半导体层与所述集电极之间形成的有机EL装置部分，其中所述有机EL装置部分包含有机发光层和选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层的至少一层。
发明的有益效果
由于在有机半导体层之一中包括所述二极管结构，根据本发明的电流放大晶体管装置和电流放大发光晶体管装置可以稳定地提供电流放大效应，使得能够在低电压下进行放大得到大电流。
根据本发明的电流放大晶体管装置(MBOT)可用作各种显示器的驱动装置，尤其是作为由大电流调制所驱动的有机EL显示器和电子纸显示器的驱动装置。驱动这些显示器的晶体管装置需要提供关断状态和开通状态之间的高对比度，从而要求较高的开通/关断比和对暗电流的抑制。低开通/关断比和大的暗电流造成有机EL显示器即使在关断状态也可能会发光的问题。根据本发明的电流放大晶体管装置的开通/关断比高，且在低电压范围内的大电流调制特性和频率特性优异，因此，作为驱动晶体管装置可以具有高性能。
此外，根据本发明的电流放大晶体管装置可以在低电压范围进行大电流调制，可以减少晶体管装置在单个像素中占用的面积，并且可以提供开口率提高的显示器。因此，可以提供高性能高效率的显示器。根据本发明的电流放大晶体管装置可以由气相沉积方法制备。通过在塑料等柔性基底上形成这样的电流放大晶体管装置，可以生产出尺寸小、重量轻的显示器或设备。
根据本发明的电流放大发光晶体管装置，其具有在第一有机半导体层中的p-型有机半导体层和n-型有机半导体层型之间或者在第二有机半导体层和集电极之间形成的有机EL装置部分，可以将有机发光装置及其驱动晶体管装置组合成单个装置的形式制造。由于有机EL装置部分具有有机发光层，从这类晶体管装置电极表面的表面光发射是可行的。此外，不像常规SIT结构，所述基极无需微图形化，在低电压范围内的大电流调制是可行的，且可获得高开通/关断比。因此，作为发光晶体管装置，所述电流放大发光晶体管装置是优异的。由于所述电流放大发光晶体管装置仅由气相沉积方法就可制造，该装置可以在塑料等柔性衬底上形成。因此，可提供所述电流放大发光晶体管装置作为尺寸小、重量轻、结构简单的电流放大发光晶体管装置。所述电流放大晶体管装置和所述电流放大发光晶体管装置在下文中可被简称为“晶体管装置和发光晶体管装置”或“MBOT和发光MBOT”。
附图说明
图1是说明根据本发明的一个实施方案的晶体管装置及其驱动电路的构造的简化的横截面示意图。
图2是说明根据本发明的另一个实施方案的发光晶体管装置A及其驱动电路的构造的简化的横截面示意图。
图3是说明根据本发明的另一个实施方案的发光晶体管装置B及其驱动电路的构造的简化的横截面示意图。
图4是说明所述发光晶体管装置A或B中EL装置部分的构造的简化的横截面示意图。
图5是说明实施例1制备的晶体管装置的构造的简化的横截面示意图。
图6是说明实施例3制备的晶体管装置的构造的简化的横截面示意图。
图7是说明实施例1的晶体管装置和比较例1的晶体管装置的输出特性的图(Ic-Vb曲线)。
图8是说明实施例2的晶体管装置和比较例1的晶体管装置的输出特性的图(Ic-Vb曲线)。
实施方案描述
下面在本发明的某些实施方案的基础上详细描述本发明。然而，应当牢记本发明并不限于下述实施方案。
根据本发明的一个实施方案，首先描述电流放大晶体管装置(MBOT)，其中在发射极和集电极之间设置第一有机半导体层和第二有机半导体层和片状的基极。作为第一有机半导体层，使用具有二极管结构的发射极层。
该实施方案的晶体管装置是垂直型的金属基有机晶体管装置(MBOT)，如图1所示，其具有有机半导体/电极/有机半导体的堆叠结构，并可以通过简单的堆叠方法制备。以向上的顺序排列，其结构包括基底(图1中未显示)、集电极11、有机半导体层形成的集电极层(第二有机半导体层)21、基极13、具有堆叠的二极管结构的发射极层(第一有机半导体层)22(22A、22B)以及发射极12。
为制备该实施方案的晶体管装置，相继在基底上形成集电极11和集电极层21，并堆叠基极13和发射极层22(22A、22B)。进而在所述发射极层22的上方形成发射极12，从而提供该实施方案的晶体管装置。所述发射极层22由有机半导体层22A和有机半导体层22B堆叠在一起形成的二极管结构构造。标记为22A和22B的具体为n-型有机半导体层和p-型有机半导体层的组合。当有机半导体层22A是n-型有机半导体层，形成有机半导体层22B作为p-型有机半导体层。另一方面，当有机半导体层22A是p-型有机半导体层，形成有机半导体层22B作为n-型有机半导体层。至于所述发射极层22的构造，当集电极层21作为n-型有机半导体层形成时，标记22A和22B分别表示n-型有机半导体层和p-型有机半导体层，或者，当集电极层21作为p-型有机半导体层形成时，分别表示p-型有机半导体层和n-型有机半导体层。
作为该实施方案的晶体管装置中的二极管结构，发射极层22具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体层形成的二极管结构。由于这种二极管结构的作用，该实施方案的晶体管装置具有增加基极电流和集电极电流并抑制暗电流的作用，从而维持小的关断状态电流。因此，该实施方案的晶体管装置用作有机晶体管装置(MBOT)，其在低电压范围内可以进行大输出调制和大电流放大。
接下来将对流过该实施方案的晶体管装置的电流进行说明。当在发射极12和集电极11之间施加集电极电压Vc，且在发射极12和基极13之间施加基极电压Vb时，从发射极12注入的电子在基极电压的作用下加速，并且因此通过基极13而到达集电极11。换言之，一旦在发射极12和基极13之间施加基极电压Vb则流动的基极电流Ib，被施加的基极电压放大成在发射极12和集电极11之间流动的集电极电流Ic。因此，该实施方案的晶体管装置可以稳定地实施类似于双极晶体管装置的电流放大作用，并可以进行大输出调制和电流放大。
例如，具有n-型半导体层(富勒烯)和p-型半导体层(铜酞菁)所形成的二极管结构的MBOT可以提供与可通过采用单个n-型有机半导体(富勒烯)获得的Ic相比大约为10倍或更大的大电流作为电流Ic。虽然其原理尚不清楚，但推测可考虑以下机理：(1)电流放大系数显著提高；(2)由于在二极管结构层中引入发光层，作为空穴和电子复合的结果，光发射是可行的；(3)因为关断状态电流不增大，电子从基极周围向集电极流动，产生朝向发射极层的空穴电流，并且基极电流的通过率也有所提高。由于二极管结构的整流作用，关断状态电流被抑制，电子电流与空穴电流在中间夹入所述二极管层的发射极和基极之间流动。结果，认为与单层相比，二极管结构能够时下较大的电流放大。
由于二极管结构的缘故，该实施方案的有机晶体管装置(MBOT)能在发射极与基极之间没有施加电压Vb(Vb＝0V)时有效地抑制漏电流在基极和集电极之间流动，漏电流是晶体管装置操作不需要的，也被称为在开关断开状态下流动的“关断状态电流”或“暗电流”。这样，该实施方案的有机晶体管装置的开通/关断比提高。当有机EL显示器内的驱动晶体管装置采用有机晶体管装置(MBOT)时，大的暗电流会导致即使关掉所述装置，光还从有机EL装置中发出。这些光发射导致接通状态和断开状态之间的对比降低。因此，要求驱动晶体管装置具有高的开通/关断比，优选10或更高的开通/关断比，更优选100或更高的开通/关断比。
该实施方案的晶体管装置(MBOT)在发射极与基极之间具有二极管结构。因此，由于二极管结构的整流作用，在断开状态基本上不允许电流(关断状态电流)从基极流向发射极。在断开状态下流动的暗电流因此被抑制，从而获得高的开通/关断比。
即使在低电压范围，该实施方案的晶体管装置(MBOT)可以显示大的电流放大效应，并能获得大电流。通常，在低电压范围内驱动有机EL装置，因此其驱动晶体管装置需要在几伏下输出大电流。如果要施加的电压被设置为较高，有机EL装置可以获得大电流，并可实现高强度的发射。然而，如此高的电压导致有机EL装置材料的劣化或降解，因此有机EL装置的使用寿命缩短，不能长期进行稳定的光发射。因此，驱动电压范围可以从1V到20V，优选5V或更低。由于在这样低的电压范围内被晶体管装置放大，获得的电流值范围可优选从10mA/cm2到500mA/cm2，更优选从20mA/cm2到200mA/cm2。小于10mA/cm2的电流值不能使有机EL装置发出充足的光，所以不能获得足够的发射强度。另一方面，大于500mA/cm2的电流值不能提供足够的开通/关断比，导致潜在的问题：即使在断开状态下(电压为0V)仍可产生暗电流，且可从有机EL装置发出光。
该实施方案的晶体管装置中的发射极层具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体层堆叠在一起的二极管结构。只要发射极层可以充当二极管，任何材料都可以用于形成具堆叠结构的发射极层。p-型有机半导体材料和n-型有机半导体材料可以组合使用而没有问题。在p-型有机半导体层中的有机半导体材料充当空穴传输半导体。可以没有任何特别限制地使用任何材料，只要其为可传输空穴的材料(空穴传输材料)。另一方面，所述有机半导体材料在n-型有机半导体层中充当电子传输半导体。可以没有任何限制地使用任何材料，只要其为可传输电子的材料(电子传输材料)。
该实施方案的晶体管装置的发射极层的构造取决于介于基极和集电极之间的集电极层是n-型有机半导体层还是p-型有机半导体层。当集电极层由n-型有机半导体材料形成，在基极上形成p-型半导体层，且在发射极下方形成n-型半导体层。另一方面，当集电极层由p-型半导体材料组成，在基极上形成n-型半导体层且在发射极下方形成p-型半导体层。作为特别优选的实施方案，可提到有机晶体管装置(MBOT)，其中，鉴于使用的电极的能级和所述有机半导体层的HOMO和LUMO能级，n-型有机半导体层形成集电极层，在基极上形成p-型有机半导体层，并进一步堆叠n-型有机半导体层以形成发射极。
不像常规SIT结构，根据本发明的电流放大发光晶体管装置不需要基极的微图形化，可以在低电压下进行大电流调制，且开通/关断比高。此外，电流放大发光晶体管装置可仅由气相沉积方法制备，也可以形成于塑料等柔性基底上，并具有尺寸小、重量轻且简单的结构，因此是实用的。
(发光晶体管装置A)
通过在该实施方案的晶体管装置(MBOT)的发射极层中形成发光层，伴随来自基极的空穴电流的空穴和来自发射极的电子复合形成的激子失活的结果是发生光发射。因此，该实施方案的晶体管装置可以用作发光晶体管装置A。可以毫无问题地采用任何发光层，只要它是由有机EL装置中采用的发光材料形成的。所述发光层可形成于p-型半导体层和n-型半导体层之间。当n-型半导体层或p-型半导体层是由发光的有机半导体材料形成时，所述有机半导体层也可以作为发光层，从而不需要形成额外的发光层。为了获得提高的发光率，可形成电子注入层、空穴注入层和激子阻挡层。
(发光晶体管装置B)
当在该实施方案的晶体管装置中，所述集电极层具有作为有机EL装置部分的、包括发光层的发光装置部分时，提供发光晶体管装置B，所述发光装置部分包括选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层的一层或多层。
接着将对该实施方案的晶体管装置中各个元件的结构和材料进行说明。
(基底)
只要可以保留所述晶体管装置的配置，对形成该实施方案的有机晶体管装置的基底的材料没有特别的限制。可用的实例包括无机材料，例如玻璃、氧化铝、二氧化硅和碳化硅，金属材料，如铝、铜和金，以及塑料，例如聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯。塑料基底的使用使制备重量轻、耐冲击性能优良且具柔性的晶体管装置成为可能。如果期望将晶体管装置作为发光晶体管装置，其中形成有有机发光层并且属于光从基底侧发射的底发射类型(bottom emissiontype)，期望使用具有高透光度的基底，如塑料膜或玻璃基底。这些基底可以单独或组合使用。只要形成晶体管装置是可行的，对基底的尺寸和形式没有特别的限制。例如，可毫无问题地使用任何期望形式的基底，如卡、膜、盘或芯片(chip)。
(有机半导体层)
形成该实施方案的有机晶体管装置的有机半导体层的特点如图1中所示，其包括设置在集电极11和基极13之间的集电极层21，以及在基极13和发射极12之间形成的发射极层22，并且发射极层22(22A、22B)具有n-型半导体层和p-型半导体层的堆叠结构形式的二极管结构。
(发射极层)
作为该实施方案的发射极层，设置在发射极和基极之间的有机半导体层22(22A、22B)具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体形成的二极管结构。所述二极管结构的构造可以选择性地取决于分别用于发射极层和集电极层的有机半导体材料。当集电极层由n-型有机半导体层形成时，所述发射极层可理想地通过在基极上堆叠p-型有机半导体层，并进一步在p-型有机半导体层上堆叠n-型有机半导体层而形成。另一方面，当集电极层由p-型有机半导体层形成时，所述发射极层可理想地通过在基极上堆叠n-型有机半导体层，并进一步在n-型有机半导体层上堆叠p-型有机半导体层而形成。
该实施方案中的发射极层中使用的p-型有机半导体层具有这样的功能：其从基极或发射极接收空穴，将空穴传输到其对应的n-型有机半导体层，或者与其对应的n-型有机半导体层的界面附近。任何所需的材料可以用作形成p-型有机半导体层的材料而没有任何特别的限制，只要其是通常的p-型半导体材料。可用的实例包括并五苯、非金属酞菁、金属酞菁(Cu-Pc、VO-Pc、Ni-Pc等)、萘酞菁、靛蓝、硫靛蓝、蒽、喹吖啶酮、噁二唑、三苯胺、三唑、咪唑、咪唑啉酮、吡唑啉、四氢咪唑、聚噻吩、卟啉、萘噻吩及它们的衍生物。除了p-型有机半导体材料，空穴传输材料也可以用作p-型有机半导体材料。
所述空穴传输材料的实例包括聚(N-乙烯基咔唑)、聚硅烷、聚苯胺、聚吡咯、聚(对苯乙炔)、噻吩-芴共聚物、苯撑-乙炔共聚物及它们的衍生物。作为具体的实例，可使用聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸(简称：PEDOT/PSS，商品名：“CLEVIOS P”(H.C.Starck Clevis GmbH产品)。
形成该实施方案中的发射极层的p-型半导体材料可以优选具有电稳定性和足够的电离电势和电子亲和势。特别优选的材料包括作为p-型半导体材料的并五苯和酞菁，如铜酞菁和非金属酞菁，以及作为空穴传输材料的PDOT/PSS。
除上述这些以外的材料也可以用作p-型半导体材料，只要其传输空穴的能力比传输电子的能力高。所述p-型半导体层可以不仅是利用单一p-型半导体材料的单层结构，还可以是由两种或更多种p-型半导体材料形成的混合层结构，或由两层或更多层不同p-型半导体材料的有机半导体层形成的堆叠结构。p-型有机半导体层可由气相沉积方法形成，或通过利用含有上述的p-型半导体材料的溶液或分散体的各种印刷或涂布方法之一形成。
该实施方案中的发射极层中采用的n-型有机半导体层具有这样的功能：它从基极或发射极接收电子，将电子传输到其对应的p-型有机半导体层，或者与其对应的p-型有机半导体层的界面附近。形成n-型有机半导体层的n-型有机半导体材料可优选具有电稳定性和足够的电离电势及电子亲和势。任何所需的材料可以用作形成n-型有机半导体层的材料而没有任何特别的限制，只要它是通常的n-型半导体材料。在发射极层中使用的n-型半导体材料的实例包括Alq3(三(8-羟基喹啉)铝)复合物)、萘四甲酸酐(NTCDA)、二烷基萘四甲酸酐二酰亚胺(NTCDI)、苝、苝四羧酸酐(PTCDA)、二烷基苝四羧酸二酰亚胺(PTCDI)、苝二苯并咪唑(PTCBI)、二烷基蒽醌、亚氟基甲烷(fluorenylidenemethane)、四氰乙烯、芴酮、联苯醌噁二唑、蒽酮、噻喃二氧化物、联苯醌、苯醌、丙二腈、二硝基苯、硝基蒽醌、吡啶、嘧啶、马来酸酐、氟化并五苯、酞菁氟化物、烷基寡噻吩氟化物、富勒烯、碳纳米管、碳纳米角及它们的衍生物。特别优选的材料包括以C60为代表的富勒烯和以二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI)为代表的苝四羧酸衍生物。
对于该实施方案中用于形成发射极层的n-型有机半导体材料，表明其电离电势的参数值通常是重要的。除上述以外的材料也可作为n-型半导体层，只要其传输空穴的能力比传输电子的能力高。所述n-型半导体层可以不仅具有使用单一n-型半导体材料的单层结构，也可具有由两种或更多种的n-型半导体材料形成的混合层结构，或两层或更多层的不同n-型半导体材料的有机半导体层形成的堆叠结构。所述n-型有机半导体层可由气相沉积方法形成，或者通过利用含有上述n-型半导体材料的涂料配制物的涂布方法形成。
虽然可以通过使用单一化学结构的n-型有机半导体材料和单一化学结构的p-型有机半导体材料形成该实施方案的发射极层，n-型有机半导体材料可与化学结构不同的电子传输材料混合，p-型有机半导体材料可与化学结构不同的空穴传输材料混合。这些n-型有机半导体材料和p-型有机半导体材料堆叠形成结合在一起的n-型有机半导体层和p-型有机半导体层，这样形成二极管结构的发射极层。作为特别优选的材料组合，可提及作为n-型有机半导体层的富勒烯(C60)和作为p-型有机半导体层的铜酞菁或并五苯。作为有机半导体层的发射极层22，可理想地通过在基极13上堆叠p-型有机半导体层22A和n-型有机半导体层22B形成，但只要其具有二极管结构，可使用发射极层22而没有任何特别的问题。
该实施方案中构成发射极层的有机半导体层可理想地具有高电荷流动性，优选至少0.0001cm2/V·S。
优选发射极层22A和22B的厚度可原则上小于集电极层的厚度，每层可为300nm或更小，优选从5nm到300nm左右。如果发射极层的厚度小于10nm，可能无法局部形成二极管结构。因此，一些晶体管装置可能涉及性能下降或传导失效的问题，导致制造产量的减少。另一方面，大于300nm的厚度可产生制造成本和原材料成本高的问题。
(集电极层)
该实施方案中的集电极层在基极和集电极之间由有机半导体材料形成。形成集电极层可用的材料可以是n-型有机半导体材料或p-型有机半导体材料，其通常被用作有机半导体材料。只要其可以传输电子，则对n-型有机半导体材料没有特别的限制，因此，可使用通常的n-型有机半导体材料。类似地，对p-型有机半导体材料没有特别的限制，只要可以传输空穴，因此，可用通常的p-型有机半导体材料。例如，可以使用上述用于发射极层中的n-型半导体材料(电子传输材料)或p-型半导体材料(空穴传输材料)。在集电极层，也可以使用形成发光层的一种或多种材料，随后将在根据本发明的发光晶体管装置的描述中对其进行描述。
形成该实施方案的集电极层的材料可采用任何所需的材料而没有任何特别的限制，只要它是n-型有机半导体材料或p-型有机半导体材料。理想地，由含烷基PTCDI或富勒烯(C60)形成集电极层，其为n-型有机半导体材料。集电极层可以使用通常用作电荷传输材料的材料。虽然n-型半导体材料或p-型半导体材料可单独使用，集电极层也可以具有由两种或更多种的n-型半导体材料或p-型半导体材料形成的混合层结构，或由两种或更多种的n-型半导体材料或p-型半导体材料形成的有机半导体层的堆叠结构。
作为特别优选的形式，可提及堆叠的集电极层，其可以通过在集电极层上由Me-PTCDI形成有机半导体层，然后由C60形成另一个有机半导体层而获得。设置在基极下方的C60的有机半导体层可以形成能量势垒，阻断关断状态电流。
当由Me-PTCDI或富勒烯形成的半导体层用作集电极层时，由于含烷基PTCDI或富勒烯是具有高结晶度的有机化合物，所述半导体层21的表面变得粗糙，基极13将在半导体层21的表面上形成。因此，也为设置在高结晶度的有机半导体材料的半导体层上的基极13提供粗糙的表面。即使当基极以预定的平均厚度形成，具有粗糙表面的基极也包括较薄的部分和较厚的部分。当基极13具有这样的粗糙表面时，可以特别稳定地获得电流放大作用。
该实施方案中的集电极层的厚度一般可从50nm到5,000nm，优选从100nm到500nm左右。小于50nm的厚度可能导致晶体管装置的不可操作性，而大于5,000nm的厚度导致高的制造成本和材料成本。理想地，集电极层可具有高电荷移动性，理想地，至少0.0001cm2/V·S。低电荷移动性产生晶体管装置的性能降低，例如降低其开通状态电流之类的问题。
(电极)
现在将对该实施方案的晶体管装置所用的电极进行说明。作为构成该实施方案的晶体管装置的电极，有集电极11、发射极12和基极13。如图1所示，集电极11一般设置在基底上(未显示)，基极13一般设置成嵌入到半导体层21和22之间，发射极12一般设置到集电极11的相对侧，从而半导体层21、22和基极13插入到发射极12和集电极11之间。
下面将对该实施方案的晶体管装置中的电极使用的材料进行说明。当构成该实施方案的晶体管装置的集电极层21为，例如，由有机化合物形成的n-型半导体层，形成集电极11的材料的实例包括：透明导电氧化物，例如ITO(铟锡氧化物)、氧化铟、IZO(氧化铟锌)、SnO2和ZnO，功函数大的金属，例如金和铬，导电高分子材料，例如聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物和聚硅烷衍生物。形成发射极12的示例性材料为功函数小的金属，例如，纯金属(simple metal)，例如铝和银，镁合金例如Mg/Ag，铝合金，如Al/Li、Al/Ca和Al/Mg，以Li为首的碱金属，以Ca为首的碱土金属，以及这些碱金属和碱土金属的合金。另一方面，当构成该实施方案的晶体管装置的集电极层21为有机化合物形成的空穴传输层时，上述形成发射极12的材料相反(reverse)。
由于基极13与构成有机半导体层的材料形成肖特基接触，可用于集电极11和发射极12的材料还可以作为基极的材料被提及。虽然没有明确限制，但优选的基极材料包括功函数小的含金属材料，例如，纯金属，如铝和银，镁合金例如Mg/Ag，铝合金，如Al/Li、Al/Ca和Al/Mg，以Li为首的碱金属，以Ca为首的碱土金属，以及这些碱金属和碱土金属的合金，例如Li/F。透明导电氧化物，例如ITO(铟锡氧化物)、氧化铟、IZO(氧化铟锌)、SnO2和ZnO，功函数大的金属，例如金和铬，和导电高分子材料，如聚苯胺、聚乙炔、聚烷基噻吩衍生物和聚硅烷衍生物也可采用，只要其能够与电荷(空穴或电子)注入层形成肖特基接触。
当通过真空沉积上述高结晶度的有机化合物而形成集电极层21时，如上所述集电极层21的表面是粗糙的，基极13将在集电极层21的表面上形成。设置在结晶的集电极层21上的基极13也具有粗糙的表面。即使当基极13以预定的平均厚度形成时，具有粗糙表面的基极13也包括较薄的部分和较厚的部分。根据本发明，当基极13具有这样的粗糙表面时，可以稳定地获得电流放大作用。
作为在断开状态下抑制暗电流和实现高开通/关断比的基极，优选使用在电极表面形成氧化物膜的基极，其通过由铝或铝/钙合金形成电极并在空气中对电极进行热氧化处理形成。此外，使用由铝层和氟化锂层形成的层状结构作为基极，使得形成能够提供大开通状态电流，抑制暗电流和实现高开通/关断比的晶体管装置成为可能。
当希望使用本发明下面所述的发光晶体管装置作为具有从基底侧输出光的底发射结构的有机发光晶体管装置，至少优选集电极11可由透明或半透明的材料形成。另一方面，当希望制备从发射极12侧输出光的顶发射结构的有机发光晶体管装置，优选基极13和发射极12可由透明或半透明材料形成。作为能够通过这种构造提供提高的光输出率的透明或半透明的电极材料，可使用透明导电氧化物，例如ITO(铟锡氧化物)、氧化铟、IZO(氧化铟锌)、SnO2和ZnO。
该实施方案中的晶体管装置采用的基极13的厚度可优选从0.5nm至100nm。当基极13的厚度为100nm或更小，在基极电压Vb下加速的电子可以轻松通过。可以没有任何问题地使用基极13，只要其设置没有任何中断(没有任何缺陷，如凹陷或破裂)。另一方面，厚度小于0.5nm可能会产生缺陷，以至于由此产生的晶体管装置可能无法作为有机晶体管装置工作。
接下来将对形成该实施方案的晶体管装置的电极的方法进行说明。上述各电极中的集电极11和发射极12可优选通过真空方法例如真空沉积，溅射或CVD或涂布方法形成，其厚度可以是例如从10nm到1,000nm左右，但厚度根据要使用的材料而变化。小于10nm的厚度可能导致晶体管装置的不可操作性，而大于1,000nm的厚度可能会导致高制造成本和原材料成本的问题。另一方面，基极13也可优选通过真空方法例如真空沉积，溅射或CVD或涂布方法形成，如上所述其厚度可以是例如从0.5nm至100nm，但厚度根据要使用的材料而变化。
(暗电流抑制层)
在该实施方案的晶体管装置中，可形成暗电流抑制层来抑制暗电流。暗电流抑制层可优选通过对形成后的基极13进行热处理而形成。此外，暗电流，当未在发射极12和基极13之间施加电压Vb时其流过该实施方案的晶体管装置，可通过由金属形成基极13并且在基极13的一侧或两侧上形成金属的氧化物膜而被有效地抑制。
由于如上所述在集电极11和基极13之间设置暗电流抑制层，可以有效地抑制暗电流的流动。因此，开通/关断比可进一步提高。从上文容易看出，显然该实施方案的晶体管装置像双极晶体管装置一样起到高效电流放大晶体管装置的作用，并作为能够带来高开通/关断比、大集电极电流和电流放大系数的优异的有机晶体管装置。
(发光晶体管装置)
根据本发明的发光晶体管装置包括：发光晶体管装置A，其在所述晶体管装置(MBOT)的发射极层22内具有发光层，和发光晶体管装置B，其在所述晶体管装置(MBOT)的集电极层21内具有发光层。
如图2所示，根据本发明的发光晶体管装置A在根据本发明的晶体管装置(MBOT)内的基极13和发射极12之间具有有机EL装置部分31，所述有机EL装置部分31可包括有机发光层，以及，如果必要或优选，选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层中的一层或多层。
另一方面，如图3所示，根据本发明的发光晶体管装置B在根据本发明的晶体管装置(MBOT)内的基极13和集电极11之间具有有机EL装置部分31，所述有机EL装置部分31可包括有机发光层，以及，如果必要或优选，选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层中的一层或多层。
(发光晶体管装置A)
通过在根据本发明的晶体管装置(MBOT)的发射极层22中形成有机EL装置部分31，伴随来自基极13的空穴电流的空穴和来自发射极的电子复合形成的激子失活的结果导致发射光。因此，该实施方案的晶体管装置可用作发光晶体管装置A。只要发光层由有机EL装置采用的发光材料形成，可以采用该发光层而没有任何问题。发光层可形成于p-型有机半导体层和n-型有机半导体层之间。当n-型有机半导体层或p-型有机半导体层由发光有机半导体材料形成时，有机半导体层也可以作为发光层，从而无需形成额外的发光层。为获得提高的发光率，可形成电子注入层和空穴注入层。
如图2所示，发光晶体管装置A的结构的特点在于，它在基极13和发射极12之间具有有机EL装置部分31，所述有机EL装置部分31可包括有机发光层，以及，如果必要或优选，选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层中的一层或多层。由于有机EL装置部分31包括至少一个发光层，通过大电流的光发射是可行的。基极不像常规SIT结构那样需要微图形化，在低电压下的大电流调制是可行的，此外，可获得改进的开通/关断比。因此，发光晶体管装置A可作为具有简单结构的实用的发光晶体管装置。
(发光晶体管装置B)
如图3所示，根据本发明的发光晶体管装置B在基极13和集电极11之间具有有机EL装置部分31，所述有机EL装置部分31可包括有机发光层，以及选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层中的一个或多个层。因此，有机发光晶体管装置B可以作为发光晶体管装置，其包括有机EL装置部分和其驱动晶体管的结合，不像常规SIT结构那样需要基极的微图形化，可以进行大电流的调制，由于具有高的开通/关断比，发射亮度高，对比度优异且频率特性极佳，并能进行自发射。发光晶体管装置B可仅由气相沉积方法形成，可以在塑料等柔性基底上形成，因此可作为尺寸小、重量轻、结构简单、实用价值高的发光晶体管装置。
如图3所示，根据本发明的发光晶体管装置B的结构在基极13和集电极11之间具有有机EL装置部分31，有机EL装置部分31包括至少一个发光层。因此，发光晶体管装置B可以进行表面光发射。基极不像常规SIT结构那样需要微图形化，在低电压下的大电流调制可行，可提高开通/关断比。因此，发光晶体管装置B可以作为具有简单结构和高实用价值的发光晶体管装置提供。由于在发光晶体管装置B内的发光层的是电子传输材料形成的n-型半导体层，没有特别设置电子传输层。然而，如果需要，电子传输层可设置在基极13相对于有机EL装置部分31的一侧。
(有机EL装置部分)
有机EL装置部分31，其在图4中显示且可用于发光晶体管装置A，从作为正极的电极一侧(从基极侧)以向上的顺序配备有：空穴注入层41、空穴传输层42和发光层43。激子阻挡层44设置在相对发光层43的发射极12的一侧(见图2)。发射极12的下方形成由n-型有机半导体层22A组成的电子传输层(见图2)。由于众多的电荷加速到达该发光晶体管装置A中有机EL装置部分31的发光层43，容易从发射极12注入电荷。因此，有机EL装置31部分具有不一定需要电荷注入层的优点。因此，有益的效果是，有别于传统的有机EL装置部分，不需要使用促进电子注入但容易氧化的碱金属作为负极。可用于发光晶体管装置B中的有机EL装置部分31(见图3)的结构和图4所示的结构上下颠倒，还需要把“空穴”替换为“电子”。具体而言，激子阻挡层、发光层、电子传输层和电子注入层以此顺序从集电极11向基极13堆叠(见图3)。由于众多的电荷加速到达发光晶体管装置B的有机EL装置部分31的发光层，容易从集电极11注入电子。因此，有机EL装置部分31具有不一定需要电荷注入层的优点。
对本发明的有机EL装置部分31的发光层43采用的形成材料没有特别限制，只要其是在有机EL装置中的发光层通常采用的材料。实例包括染料基光发光材料、金属复合物基发光材料和高分子发光材料。
示例性的染料基光发光材料为：环戊二烯衍生物、四苯基丁二烯衍生物、三苯胺衍生物、噁二唑衍生物、吡咯喹啉衍生物、二苯二乙烯基苯衍生物、联苯乙烯衍生物、噻咯衍生物(silol derivative)、噻吩环化合物、吡啶环的化合物、芘酮衍生物、苝衍生物、低聚噻吩衍生物、trifumanylamine衍生物、噁二唑二聚体和吡唑啉二聚体。
示例性的金属复合物基发光材料是这样的金属复合物：每个具有Al、Zn或Be等或稀土金属例如Tb、Eu或Dy作为中心金属，噁二唑、噻二唑、苯基吡啶、苯基苯并咪唑，喹啉等结构作为配体，例如喹啉铝复合物，苯并喹啉铍配合物、苯并噁唑锌络合物、苯并噻唑锌复合物、偶氮甲基锌络合物、卟啉锌配合物和邻菲罗啉铕配合物。
示例性的高分子发光材料是聚对苯亚乙烯衍生物、聚噻吩衍生物、聚对苯撑衍生物、聚硅烷衍生物、聚乙炔衍生物、聚乙烯咔唑衍生物、聚芴酮衍生物、聚芴衍生物、聚喹喔啉衍生物及它们的共聚物。
在发光层43中，可加入掺杂剂之类的添加剂以例如提高发光率或改变发光波长。掺杂剂的实例包括苝衍生物、香豆素衍生物、红荧烯衍生物、喹吖啶酮衍生物、方酸衍生物、卟啉衍生物、苯乙烯染料、并四苯衍生物、吡唑啉衍生物、十环烯衍生物、吩噁嗪酮衍生物、喹喔啉衍生物、咔唑衍生物和芴衍生物。
除了上面举例作为发光层43的发光材料的化合物，在本发明中有机EL装置部分31的空穴注入层41的形成材料的实例还包括：苯胺衍生物，星爆型胺衍生物，酞菁衍生物，氧化物例如氧化钒、氧化钼、氧化钌和氧化铝，无定形碳，和聚苯胺、聚噻吩等的衍生物。
在本发明的有机EL装置部分31中采用的空穴传输层42的形成材料可以使用例如可用于有机半导体层的上述p-型半导体材料。可用的实例包括通常作为空穴传输材料的材料，如酞菁、萘酞菁、重楼皂苷(polyphyrin)、噁二唑、三苯胺、三唑、咪唑、咪唑啉酮、吡唑啉、四氢咪唑、腙、均二苯乙烯、并五苯、聚噻吩和丁二烯，及它们的衍生物。作为空穴传输层42的形成材料，也可以使用市售的空穴传输材料，例如聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸(简称PEDOT/PSS，商品名：“CLEVIOS P”(H.C.StarckClevis GmbH的产品)。空穴传输层42可以由气相沉积方法形成，或通过采用形成空穴传输层的其中含有这类化合物的涂料配制物形成。需要指出，这种空穴传输材料可混合在透光层43或空穴注入层41中。
作为在本发明中的空穴传输材料，可以使用上述材料。在有机层例如上述的发光层43和电荷传输层中，根据需要可加入发光的低聚物或树枝状高分子材料，或者传输或注入电荷的低聚物或树枝状高分子材料。空穴传输层42的电荷移动性优选为10-6cm2/V·S或更高。上述材料以外的任何理想的材料也可采用，只要其对空穴的传输能力比对电子的传输能力高。空穴传输层42不仅可以是含有具有高空穴传输能力材料之一的单层，也可以是两层或更多层分别含有不同的这类材料的堆叠层。
在本发明中，有机EL装置部分31根据需要可包括电子注入层。电子注入层的形成材料的实例，除了上述示例性作为发光层43的发光材料的化合物，还包括碱金属和碱土金属，例如锂、钠、钾、铷、铯、铍、镁、钙、锶、钡等，以及此类碱金属和碱土金属的卤化物和氧化物。
在本发明中的有机EL装置部分31的激子阻断层44充当空穴阻挡层、电子阻挡层等，防止载流子(电子和空穴)的渗透，允许载流子的有效复合。当浴铜灵(BCP)被用作激子阻挡层44的形成材料时，激子阻挡层44不阻止来自Me-PTC的电子，却阻止来自Alq3的空穴，因为BCP的LUMO能级大致等于Me-PTC的LUMO能级，并且其HOMO能级比Alq3的HOMO能级高。由于激发态的BCP的能量高于Alq3的能量，Alq3内产生的激子不扩散入BCP。
上述构成本发明的有机EL装置部分31的各层，可通过真空沉积方法成型为膜，或可在部分溶剂如甲苯、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃或二噁烷中单独溶解或分散其形成材料以制备涂料配制物，并用涂布机或印刷机涂布或印刷这些涂料配制物。
实施例
以下将对本发明的实施例进行详细说明。通过下面的方法对实施例和比较例中制备的晶体管装置进行评价。
(晶体管装置的评价)
对每个制备的晶体管装置，在发射极和集电极之间施加集电极电压Vc，对施加于发射极和基极之间的基极电压(Vb)在0V到3V的范围内进行调制。在发射极和基极之间施加基极电压Vb(0-3V)而保持发射极和集电极之间施加的集电极电压Vc恒定的同时，对作为晶体管装置的输出调制特性的基极电流Ib和集电极电流Ic(开通状态电流、关断状态电流)的变化进行测量。此外，还计算集电极电流的变化与相应的基极电流变化的比例，即电流放大系数(hFE)，和开通状态电流与相应的关断状态电流的比例，即开通/关断比。
[实施例1]
通过二极管结构制备晶体管装置
(C60/铜酞菁)
如图5所示，提供镀ITO的透明基底作为集电极11。N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI，有机半导体材料)有机半导体层(平均厚度为250nm)在集电极11上形成后，形成另一富勒烯(C60)有机半导体层(平均厚度为50nm)以提供集电极层21。氟化锂电极层(平均厚度为3nm)作为电子注入层形成后，堆叠铝基极层(平均厚度为15nm)以形成基极13。在基极13上，铜酞菁p-型有机半导体层(平均厚度为30nm)和富勒烯(C60)n-型有机半导体层(平均厚度为50nm)通过真空沉积方法以此顺序堆叠，由此提供二极管结构的发射极层22。然后通过真空沉积方法堆叠银发射极12(平均厚度为30nm)，以获得实施例1的金属基有机晶体管装置(MBOT)。
作为实施例1中获得的晶体管装置的输出调制特性，在发射极和基极之间施加基极电压Vb(0-2V)以及不施加基极电压Vb而保持发射极和集电极之间施加不变的3V的集电极电压Vc的同时，对集电极电流Ic和基极电流Ib的变化进行测量。施加基极电压Vb时集电极电流Ic的变化(Ic-Vb特性)在图7中显示。施加集电极电压Vc(Vc为3V)和基极电压Vb(Vb为1.1V)时的开通状态电流和集电极电流Ic的电流放大系数、当Vb为0V时的关断状态电流以及开通/关断比被列于表1中。
[实施例2]
通过二极管结构制备晶体管装置
(C60/并五苯)
与实施例1类似，提供镀ITO的透明基底作为集电极11。在集电极11上形成N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI，有机半导体材料)有机半导体层(平均厚度为250nm)后，形成另一个富勒烯(C60)有机半导体层(平均厚度为50nm)以提供集电极层21。在集电极层21上形成氟化锂电极层(平均厚度为3nm)作为电子注入层后，堆叠铝基极层(平均厚度为15nm)以形成基极13。在基极13上，并五苯p-型有机半导体层(平均厚度为30nm)和富勒烯(C60)n-型有机半导体层(平均厚度为50nm)由真空沉积方法以此顺序堆叠，由此提供二极管结构的发射极层22。通过真空沉积方法进一步堆叠银发射极12(平均厚度为30nm)，以获得实施例2的金属基有机晶体管装置(MBOT)。
作为实施例2中获得的晶体管装置的输出调制特性，在发射极和基极之间施加基极电压Vb(0-2V)以及不施加基极电压Vb而在发射极和集电极之间施加保持恒定的3V的集电极电压Vc的同时，对集电极电流Ic和基极电流Ib的变化进行测量。施加基极电压时集电极电流的变化(Ic-Vb特性)在图8中显示。施加集电极电压Vc(Vc为3V)和基极电压Vb(Vb为1.7V)时的开通状态电流和集电极电流Ic的电流放大系数、当Vb为0V时的关断状态电流以及开通/关断比被列于表2中。
[实施例3]
通过二极管装置制备发光晶体管装置(B4PYMPM/并五苯)
如图6所示，提供镀ITO的透明基底作为集电极11。在集电极11上形成N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI，有机半导体材料)有机半导体层(平均厚度为250nm)后，形成另一个富勒烯(C60)有机半导体层(平均厚度为50nm)以提供堆叠结构的集电极层21。在集电极层21上形成氟化锂电极层(平均厚度为3nm)作为电子注入层后，堆叠铝电极层(平均厚度为15nm)以形成基极13。在基极13上，并五苯p-型有机半导体层(平均厚度为30nm)22B、作为空穴传输材料的α-NPD[二(N-(1-萘基)-N-苯基)联苯胺]空穴传输层(平均厚度为10nm)、Alq3[(三(8-羟基喹啉)铝)复合物]有机发光层43(平均厚度为20nm)、作为电子传输材料的嘧啶衍生物B4PYMPM(下面所示的式1)电子传输层22A(平均厚度10nm)和作为电子注入层的氟化锂(平均膜厚为0.5nm)，通过真空沉积方法连续堆叠，由此形成其中嵌入有机发光层43的二极管结构的发射极层22。在发射极层22上，又通过真空沉积方法堆叠铝发射极12(平均厚度为100nm)，获得实施例3的发光金属基有机晶体管装置(MBOT)。
式(1)
Figure BDA0000140131880000241
对制得的发光晶体管装置施加集电极电压(Vc：12V)，以确认是否会发生光发射。没有施加基极电压(Vb：0V)时，证实没有光发射，但施加基极电压(Vb：10V)时，证实从发射极层发出光。
[比较例1]
由C60制备晶体管装置
提供镀ITO的透明基底作为集电极，如实施例1那样形成集电极层。如实施例1那样在集电极层上形成氟化锂电极层(平均厚度为3nm)作为电子注入层后，堆叠铝基极层(平均厚度为15nm)，形成基极。在该基极上，通过真空沉积方法堆叠富勒烯(C60)n-型有机半导体层(平均厚度为80nm)，由此形成n-型有机半导体材料的非二极管结构。进一步通过真空沉积方法堆叠银发射极12(平均厚度为30nm)以获得比较例1的晶体管装置。
(评价结果)
作为获得的晶体管装置的输出调制特性，在发射极和基极之间施加基极电压Vb(0-2V)以及不施加基极电压Vb而保持发射极和集电极之间施加不变的3V的集电极电压Vc的同时，对集电极电流Ic和基极电流Ib的变化进行测量。证实所述晶体管装置如MBOT一样工作。评价结果呈现于表1和表2中，并显示在图7和图8中。
表1：MBOT的特性(Vb为0到1.1V，Vc为3V)
  实施例1   比较例1
  发射极层   C60/Cu-Pc   C60
  开通状态电流(mA/cm2)   36.4   2.2
  关断状态电流(mA/cm2)   1.8   0.3
  放大系数(hFE)   98.4   10.3
  开通/关断比   20.3   6.5
表2：MBOT的特性(Vb为0到1.7V，Vc为3V)
  实施例2   比较例1
  发射极层   C60/并五苯   C60
  开通状态电流(mA/cm2)   42.5   7.1
  关断状态电流(mA/cm2)   0.4   0.3
  放大系数(hFE)   160.4   22.2
  开通/关断比   116.8   20.8
实施例1的有机晶体管装置被证实可充当电流放大晶体管装置。在低电压下其显示出98.4的大扩大系数。此外，其开通状态电流为36.4mA/cm2(Vb：1.1V)和145mA/cm2(Vb：2.0V)。因此，它作为晶体管装置进行非常大的电流调制。此外，它的开通/关断比(Vb：1.1V)为20.3。
实施例2的有机晶体管装置也被证实充当电流放大晶体管装置。在低电压下其表现出160.4的放大系数。此外，其开通状态电流为42.5mA/cm2(Vb：1.7V)和62mA/cm2(Vb：2.0V)。因此，它作为晶体管装置进行非常大的电流调制。此外，它的开通/关断比(Vb：1.7V)为116.8。
另一方面，比较例1的晶体管装置被证实作为晶体管装置(作为MBOT)进行操作和运行，具有电流放大能力并降低暗电流。然而，当施加集电极电压(Vc：3V)时，开通状态电流值为2.2mA/cm2(Vb：1.1V)和7.1mA/cm2(Vb：1.7V)，因而只有小的电流。
提供实施例1和实施例2的晶体管装置，作为其开通状态电流，电流大约为比较例1中相应晶体管装置可获得的开通状态电流的17倍和6倍，此外，其关断状态电流被抑制。因此，实施例1和实施例2的晶体管装置显示了优异的晶体管特性。此外，还证实实施例3的发光晶体管装置显示出高开通/关断比。
如上所述，根据本发明的晶体管装置已被证实在低电压下进行大电流调制，提供高开通/关断比，而且显然与双极晶体管相似起到有效的电流放大晶体管装置的作用。此外，已发现在发射极层中引进发光层提供发光晶体管装置，其可进行自发射的同时还具有根据本发明的晶体管装置的有益效果。
工业适用性
根据本发明的晶体管装置提供了小的关断状态电流和高开通/关断比，因此可以作为例如有机EL显示器的显示器驱动装置。当加入有机发光层时，根据本发明的晶体管装置可以用作有机发光晶体管装置。
标记符号说明
11集电极
12发射极
13基极
21有机半导体层(集电极层)
22有机半导体层(发射极层)
22A n-型有机半导体层或p-型有机半导体层
22B p-型有机半导体层或n-型有机半导体层
31有机EL装置部分
41空穴注入层
42空穴传输层
43发光层
44激子阻挡层

Claims (11)

1.电流放大晶体管装置，其具有发射极、集电极、在所述发射极和所述集电极之间形成的第一有机半导体层和第二有机半导体层、以及在所述第一有机半导体层和所述第二有机半导体层之间形成的片状基极，其中所述第一有机半导体层设置在所述发射极与所述基极之间，并具有p-型有机半导体层和n-型有机半导体层的二极管结构。
2.根据权利要求1所述的电流放大晶体管装置，其中所述第二有机半导体层包括设置在所述集电极与所述基极之间的n-型有机半导体层；所述第一有机半导体层具有在所述基极上方形成的p-型有机半导体层以及在所述发射极下方形成的n-型有机半导体层的二极管结构。
3.根据权利要求2所述的电流放大晶体管装置，其中所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层和n-型有机半导体层分别为空穴传输材料层和电子传输材料层。
4.根据权利要求2所述的电流放大晶体管装置，其中所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层由金属酞菁或非金属酞菁形成。
5.根据权利要求2所述的电流放大晶体管装置，其中所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层由并五苯形成。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电流放大晶体管装置，其中所述第二有机半导体层设置在所述集电极与所述基极之间，并包括堆叠的有机半导体层，所述堆叠的有机半导体层可通过将由N，N’-二甲基苝四羧酸二酰亚胺(Me-PTCDI)形成的有机半导体层，和由富勒烯(C60)形成的另一有机半导体层堆叠到一起获得。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电流放大晶体管装置，其还包括在所述基极和所述第二有机半导体层之间形成的氟化锂层。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电流放大晶体管装置，其在不高于5V的低电压下的电流放大系数至少为50。
9.根据权利要求1-8任一项所述的电流放大晶体管装置，其开通/关断比至少为100。
10.电流放大发光晶体管装置，其包括根据权利要求1-9任一项所述的电流放大晶体管装置和在所述第一有机半导体层中的所述p-型有机半导体层与所述n-型有机半导体层之间形成的有机EL装置部分，其中所述有机EL装置部分包括有机发光层和选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层的至少一层。
11.电流放大发光晶体管装置，其包括根据权利要求1-9任一项所述的电流放大晶体管装置和在所述第二有机半导体层与所述集电极之间形成的有机EL装置部分，其中所述有机EL装置部分包括有机发光层和选自空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层的至少一层。
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