2020 Fiscal Year Research-status Report

酸化物イオン伝導性をもつ蛍光体を用いた新規発光デバイスの開発

Research Project

Project/Area Number	19K05012
Research Institution	Gunma University
Principal Investigator	京免徹群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (10323841)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	エレクトロルミネッセンス / セラミックス / 酸化物 / 薄膜
Outline of Annual Research Achievements	本年度は論文1報が学術誌に掲載された．(In0.975Sn0.025)2O3［以下，ITO］薄膜を陽極，Sn0.95Sb0.05O2［以下，ATO］薄膜を陰極，発光中心であるPrの位置を制御した(Ca0.6Sr0.4)0.998Pr0.002Ti0.9Al0.1O3-d;［以下，CSTO:Pr,Al］薄膜を発光層とした酸化物エレクトロルミネッセンス素子をゾルゲル・焼成法によりサファイヤ基板上に作製し，その電気・発光特性を調査した．その結果から，陽極から注入されたホールはPr3+にトラップされ，そこで陰極から注入された電子と再結合して Pr3+が励起状態になり発光するというメカニズムを提案した．本年度は2件の研究発表を行った．1件目は，ITO薄膜を陽極，ATO薄膜を陰極，(Ca0.6Sr0.4)0.998Pr0.002Ti1-xMgxO3-d;（x=0.05, 0.1）を発光層とした酸化物エレクトロルミネッセンス素子に関する発表である．CSTO:Pr,Alを発光層として用いた素子と同様，電流，電圧，輝度が時間に依存して変化し，酸素欠損が電圧の印加で移動していることが示唆された．しかしながら，その特性はCSTO:Pr,Alを発光層として用いた素子と比べて劣っていた．また，xの違いにより，酸素欠損量dが変化するが，xの違いによる電気・発光特性の顕著な変化は観測されなかった． 2件目は，陽極・陰極ともにITO薄膜とし，CSTO:Pr,Al薄膜を発光層とした酸化物エレクトロルミネッセンス素子に関する発表である．素子の構造や作製方法等を工夫することにより，発光の電流効率が 0.8 cd/A に達するものを作成することに成功した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 昨年度，ITO電極を陽極と陰極の両方に用いることで発光効率が大きく向上することを発見した．一方で，克服すべき課題として，ITOのパターニングが難しいこと，陽極と陰極が電気的にリークする確率が高いことを挙げた．本年度の研究により，前者の課題は次の方法で克服された．まず，ITO前駆体薄膜を400℃で焼成し，その表面に紫外線硬化樹脂を塗り，これに紫外線を照射することで硬化させ，硬化していない樹脂を洗い落とす．次に，これを酢酸水溶液につけることで，紫外線を照射しなかった部分のITOをエッチングして溶解する．最後に，硬化した樹脂を機械的にはがす．一方，後者の課題は，まだ完全には克服できていない．しかし，発光層のCSTO:Pr,Al薄膜の焼成時間や焼成温度を変えることで，その屈折率と膜厚が大きく変化し，緻密化していくことを発見した．さらに研究を進め，最適な条件を決めることで緻密度が高い膜を作製でき，電気的なリークを抑えることができるのではないかと考えている．ただし，運次第ではあるが，リークが小さく，電気・発光特性に大きな影響は及ぼさない素子も作成できる．そこで，本年度はいくつかの素子を作製し，その構造，焼成条件，電気・発光特性の関係を調査してきた．その結果，4 Vで約100 cd/m2の輝度，約1 cd/Aの発光の電流効率を得ることに成功した．本研究の目的は，CSTO:Pr,Alを発光層とする酸化物エレクトロルミネッセンス素子の発光メカニズムの検証と高輝度・高発光効率を得るための素子の作製方法や構造を明らかにすることである．上記の発光特性の数値は実用レベルに近づいており，本年度はおおむね順調に成果が得られているといえる．
Strategy for Future Research Activity	今後も，ITO電極を陽極と陰極の両方に用いた透明型酸化物エレクトロルミネッセンス素子の研究開発を進めていく．特に，陽極と陰極が電気的にリークする確率が高いため，発光層であるCSTO:Pr,Al薄膜の緻密度と焼成条件（焼成温度と焼成時間）との関係を調査する．薄膜の緻密度は透過スペクトル測定から得られる膜厚と屈折率から見積もることができる．また，基板側のITO薄膜の平坦化も電気リークに大きく影響を及ぼすため，研磨機を使った基板側のITO薄膜の研磨方法についても検討する．本研究で提案している発光メカニズムが正しければ，電子とホールを狭い空間に閉じ込めることで発光効率が大幅に向上するはずである．これについても，本年度，上記の素子に電子ブロック層を導入して実験を行った．その結果，電子ブロック層として効果が表れているように思える結果も得られている．しかし，再現性が低く，その効果も小さいため，現在のところ，電子ブロック層の効果の有無を判断できない．その原因として，電子ブロック層が薄いため，電子をブロックできていないためではないかと考えている．このことも，上記の緻密化を進めることで克服できるはずなので，緻密化に成功した後，電子ブロック層の効果についても研究を進める．
Causes of Carryover	新型コロナウィルスの感染拡大により，発表を予定していた学会がオンライン開催となり，旅費の支出が0になったため．また，大学でのオンライン授業の準備等により，思うように研究が進まず，物品費の支出も減ったため．次年度に繰り越した費用は，主にサファイヤ基板の購入に充てる．