| 研究課題/領域番号 |
23K03936
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
大音 隆男 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (20749931)
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| 研究分担者 |
千葉 貴之 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 准教授 (20751811)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
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| キーワード | ペロブスカイトナノ結晶 / 窒化物半導体 / マイクロLED / 金属ハライドペロブスカイト / InGaN / マイクロLEDディスプレイ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
InGaN/GaN量子井戸からの青色発光を効率よく厚膜の金属ハライドペロブスカイトナノ結晶に吸収させる波長変換型のLEDデバイスプロセス技術を確立する．また，InGaN系の青色発光に加えて，高効率な赤色・緑色ペロブスカイトナノ結晶をインクジェット技術を用いて微小領域に塗り分けて同一基板上に一体集積化することで，マイクロLEDディスプレイパネルの原理実証をすることを目指して研究を推進する．
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| 研究実績の概要 |
超スマート社会の実現には，超小型で高精細なディスプレイ技術が必要不可欠である．窒化物半導体InGaNは化学的に安定であり，In組成の変化で可視光全域をカバーできるため，次世代のディスプレイを実現するための材料として期待されているが，原理的に赤色の発光効率が低く，新たなブレークスルーが求められている．そこで，InGaN系の赤色領域に関する問題を回避し，InGaN系青色LED上に金属ハライドペロブスカイトナノ結晶を厚く塗布した波長変換型の高効率緑色・赤色LEDを開拓し，マイクロLEDでディスプレイに向けたフルカラーデバイスを達成することを目的として，研究を推進した．
1) 光照射下における赤色ペロブスカイトナノ結晶の劣化抑制
CsPbI3ナノ結晶とその周囲のポリマー樹脂はどちらも熱伝導率が低い材料であるため，温度が上昇した際に放熱することが難しい．そこで，青色LED上CsPbI3ナノ結晶の素子温度を一定に保ち，励起光強度を一定にした条件下でナノ結晶の安定性を評価し，劣化メカニズムを解析した．熱の影響を抑制することで，10倍以上のデバイス半減寿命を達成した．
2) 波長変換型緑色LEDの原理実証とフルカラーデバイス応用
ペロブスカイトナノ結晶（CsPbBr3）を用いた波長変換型緑色LEDの試作を行い，デバイス特性を評価した．InGaN系青色LED上にポリマー分散した緑色発光CsPbI3ナノ結晶膜を接着して，緑色に発光する様子を確認し，波長変換の原理実証に成功した．発光効率・発光特性を詳細に評価して，20%以上の外部量子効率，500時間以上のデバイス半減寿命が得られ，高い発光効率と安定性を備えた緑色LEDを実現した．さらに，光の三原色（RGB）が達成できたため，これらを組み合わせることにより，フルカラーLED（ディスプレイの1ピクセル）の作製にも成功した．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
InGaNもペロブスカイトも可視LEDの材料として魅力的であるが，どちらもそれぞれの材料的な壁に直面しており，超スマート社会に向けた次世代ディスプレイの開発には新たなブレークスルーが必要である．本研究では，これらの問題を解決するために，InGaN系青色LEDとペロブスカイトナノ結晶を組み合わせることで，お互いの欠点を補い合った有機・無機ハイブリッド型のLEDを提案して研究を推進した．CsPbBr3, CsPbI3ナノ結晶を用いた波長変換型緑色・赤色LEDの作製に成功し，電流注入型LEDよりも長いデバイス半減寿命及びディスプレイ規格HDRを超える輝度を達成して，光の三原色（RGB）のすべてのLEDの作製に成功した．この成果により，フルカラーデバイス応用への道が拓け，一体集積化によるマイクロLEDディスプレイに繋がる結果が得られたと考えている．さらに，ペロブスカイトナノ結晶で問題となっているデバイス寿命に関しても熱の影響を取り除くことで大幅に長くできることを示した．
以上の結果から，本研究はおおむね順調に進展していると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
1) 青色LED基板上の緑・赤色ペロブスカイトナノ結晶の集積化
今年度に得られた技術をマイクロLEDディスプレイパネルに応用するために，青色LED基板上に緑・赤色ペロブスカイトナノ結晶を領域を変化させて塗布し，同一基板上にRGBを集積化したLED構造を作製する．窒化物半導体の表面を有機溶剤や不活性かつ透明な高分子層をコートすることで表面改質を実施すると同時に，発光が別のピクセルに漏れ出さないように，光吸収用インクの成膜を検討する．ペロブスカイトナノ結晶の劣化を抑制するため，樹脂等の透明な絶縁性の封止材でコーティングを実施して酸素や水分との反応を抑制し，熱の影響も取り除くようなデバイス構造を提案する．
2) 発光効率・デバイス寿命の向上技術の開拓
本研究で20%以上の外部量子効率，数百時間のデバイス半減寿命を実現したが，これらの値をさらに上げていく必要性がある．光照射下におけるペロブスカイトナノ結晶の劣化メカニズムを明らかにすることが重要である．そこで，膜厚を薄くしながら波長変換する技術を開拓して光取り出し効率を向上させると同時に熱の蓄積を抑制して，高効率かつ安定性の高い波長変換型LEDの開拓に繋げたい．
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