2013 Fiscal Year Annual Research Report
縦型有機発光トランジスタの開発と動作メカニズム解明
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25288113
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
中山 健一 山形大学, 理工学研究科, 准教授 (20324808)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 有機エレクトロニクス / 有機トランジスタ / 縦型トランジスタ / 有機EL / 発光トランジスタ |
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| Research Abstract |
１年目である本年度は、縦型メタルベース有機トランジスタ（MBOT）を用いた発光トランジスタにおける従来の問題点（低い電流発光効率）を解決する新たなプラットフォームとして、p型のMBOTを用いた発光トランジスタの作製に挑戦した。
p型MBOTを用いた場合ホールを上部エミッタから注入するため、必然的に下部のITOコレクタ電極から電子を注入することが必要となる。これは通常の有機ELとは逆の構造となることから、まずはinverted OLED技術の確立を行った。その結果、ITO(collector) /Al/Liq/Alq3/NPD/CuPc/ LiF/Al(base)/LiF /Pentacene/MoO3/Al(emitter) という素子構造において、p型動作による電流変調とそれに伴う輝度変調を観測し、p型発光MBOTの動作に成功した。ベース電圧3V、コレクタ電圧20Vにおいて、出力電流177mA/cm2、電流増幅率92.4倍、輝度1010cd/m2を達成し、これまでのn型発光MBOTにおいて最大の課題であった電流発光効率は0.57 cd/Aまで改善された。
また、発光トランジスタのデバイス設計を行っていく上で最大の課題となる、「ベース電極におけるキャリア透過メカニズム（＝電流増幅メカニズム）」について、SEM、TEM、AFM、EDX等を用いてベース電極構造の観点から徹底的な検証を行った。その結果、n型とp型では透過メカニズムが異なり、p型においてはLiF絶縁層に蓄積したキャリアが強い電界によりベース電極を透過していることが示された。
より基礎的な検討としては、MBOTの基本性能を向上させるために重要な「縦方向移動度の向上」を目的として、CuPcのface-on配向膜の検討を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１年目である本年度、中心的課題となる電流発光効率の向上を実現するための基盤素子構造として、p型MBOTにおける発光トランジスタの実現に成功にした。p型有機半導体材料はn型に比べて性能が高く、また種類が豊富であることから、適切な材料選択による高性能化への道が拓かれたと考えている。
また、MBOTの設計を困難にしている電流透過メカニズムに関してベース電極構造に関する知見を得られたことから、発光トランジスタにおいて電流増幅を犠牲にしないデバイス設計につながるものと期待される。
本年度は、蛍光有機ELを用いた素子において安定した電流発光効率を達成したが、燐光有機ELを用いた発光トランジスタについては、検討は行ったものの現在のところ十分な性能が得られていない。今後は、燐光材料を用いた発光トランジスタを安定に動作させる手法について検討を行う必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
p型MBOT構造を用いることにより電流発光効率についてかなり改善が見られたものの、依然として単独有機ELに比べると１／３程度と低い。電流発光効率が低い原因としては、①MBOTコレクタ層による光吸収、②MBOTコレクタ層による励起子消光、③エネルギーレベル不整合によるチャージバランスの悪化、④MBOTにおいて電流増幅を実現する上で必須の大気下加熱プロセスによる有機EL層へのダメージ、などが考えられる。n型MBOTを用いた発光トランジスタでは、①、②、③が大きな問題となり解決が困難であったが、p型MBOTでは②と③については用いている材料の性質上問題にはならないため、①と④が重要であると考えている。実際、inverted OLEDにおいては、大気下加熱の影響が通常素子よりも大きいことも確認しており、今後、大気下加熱プロセスをなくして電流増幅を実現する手法を模索する。これが実現できれば、燐光ELを用いた素子の大幅な性能向上も同時に実現できると考えている。
また、駆動電圧低減の観点からは、縦方向移動度の高い材料を用いることが重要であり、引き続きface-on配向しやすい材料の探索、表面処理による配向制御を検討していく。具体的には、縮環平面構造でありながら可視域の吸収をあまり持たない材料を中心に検討を行っていく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
購入した大型装置が、業者との交渉により予定より安く購入できたこと、また、研究成果の発表を行う予定であった学会が、次年度に持ち越したため。
次年度以降に、主に消耗品などの物品費や旅費として使用予定である。
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