[发明专利]有机半导体元件

说明书

本申请是2002年12月5日提交的、申请号为02151825.4、发明名称为“有 机半导体元件”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使用有机半导体的电子器件。更特别涉及光电子器件，例如光 电转换元件和EL元件。

背景技术

比较无机化合物，有机化合物包括更多种材料系统，并且通过适当的分子 设计可以合成具有各种功能的有机材料。而且，有机化合物的特点在于采用有 机化合物形成的薄膜等表现出极大的柔韧性，并且通过聚合作用还可以获得优 越的可加工性能。根据这些优点，近年来，已经注意使用功能有机材料的光学 和电子学。

利用有机化合物的光物理性质的光学技术在当代工业技术中已经扮演一个 重要的角色。例如，感光材料，如光刻胶，已成为半导体精细工艺的光刻技术 中必不可少的材料。此外，由于有机化合物本身具有光吸收的特性和伴随的光 发射特性(荧光或磷光)，因此作为发光材料例如激光颜料等，它们具有相当 大的可适用性。

另一方面，由于有机化合物自身没有载流子，所以它们基本上具有优越的 绝缘性能。因此，在利用有机材料的电特性的电子领域，有机化合物主要的常 规用途是绝缘体，在此有机化合物用作绝缘材料、保护材料以及覆盖材料。

但是，具有使大量的电流在基本上是绝缘体的有机材料内流动的装置，并 且这些装置也开始在电子领域实际应用。这里论述的“装置”可以大致地分为 两类。

第一类装置，由导电聚合物作代表，其中π-共轭系统有机化合物掺有受主 (电子受主)或施主(电子施主)以给-共轭系统有机化合物供给载流子(参 考文献1：Hideki Shirakawa，Edwin J.Louis，Alan G.MacDiarmid，Chwan K. Chiang和Alan J.Heeger“导电有机聚合物的合成：聚乙炔(polyacetyrene) 的卤素衍生物，(CH)x”，Chem.Comm.1977，16，578-580)。通过增加掺杂量， 载流子将增加到某一区域。因此，它的暗电导率也将随之增加，以致将有效地 使电流流动。

由于流动的电流量可以达到普通半导体的水平或更多，因此表现出该性能 一类材料称为有机半导体(或，有时称为有机导体)。

掺杂受主/施主以提高暗电导率从而使电流在有机材料中流动的这种装置 已应用于部分电子领域。其例子包括使用聚苯胺或多并苯(polyacene)的可充 电蓄电池以及使用聚吡咯的电场电容器。

使大量的电流在有机材料中流动的另一类装置使用SCLC(空间电荷限制电 流)。SCLC是通过从外部注入空间电荷并移动它而使之流动的电流，其电流密 度用蔡尔德定律表示，亦即，如下面的公式1所示。在公式中，J表示电流密度、 ε表示相对介电常数、ε_o表示真空介电常数、μ表示载流子迁移率、V表示电压 以及d表示施加电压V的电极之间的距离(下面称为“厚度”)：

公式1

J＝9/8·εε₀μ·V²/d³

注意SCLC由公式1表示，其中假定当SCLC流动时没有任何载流子俘获 (trap)。由载流子俘获限制的电流称为TCLC(俘获电荷限制的电流)，并且 它与电压功率成正比，但是SCLC和TCLC都是受体积限制的电流。因此，在下文 中SCLC和TCLC都用同样的方式处理。

这里，为了比较，公式2表示为根据欧姆定律的欧姆电流流动时的电流密度 的公式。σ表示电导率，E表示电场强度：

公式2

J＝σE＝σ·V/d

在公式2中，由于电导率σ表示为σ＝neμ(n指载流子密度、e指电荷)， 因此载流子密度是包括在决定流动的电流量因素中。因此，在具有一定程度的 载流子迁移率的有机材料中，只要不通过如上所述的掺杂增加材料的载流子密 度，那么欧姆电流就不会在通常几乎没有载流子的材料内流动。

但是，如公式1所示，决定SCLC的因素是介电常数、载流子迁移率、电压以 及厚度。载流子密度是不相干的。换句话说，即使在有机材料绝缘体没有载流 子情况下，通过使厚度d足够小，以及通过选择具有显著的载流子迁移率μ的材 料，也可能从外部注入载流子以使电流流动。