特集部品・材料・物性有機薄膜トランジスタによるアクティブマトリクス駆動有機 EL パネル Active Matrix Organic Light Emitting Diode Panel using Organic Thin Film Transistors 中馬隆，大田悟，原田千寛 Takashi Chuman, Satoru Ohta, Chihiro Harada 吉澤淳志，宮口敏，佐藤英夫 Atsushi Yoshizawa, Satoshi Miyaguchi, Hideo Satoh 田辺貴久，土田正美 Takahisa Tanabe, 要旨 Masami Tsuchida 有機半導体としてペンタセンを用いた有機 T F T を開発し，同一基板上に有機 T F T 素子と有機 E L 素子を配した有機 E L パネルのアクティブマトリクス駆動に成功した。画素数は 8 × 8 であり，各画素は選択トランジスタと駆動トランジスタとで駆動されている。このパネルにおいて，アナログ駆動方式による 1 6 階調表示を確認した。 Summary By using organic thin-film transistors with pentacene as the active organic layer, an active matrix organic light emitting diode panel has been developed. The number of pixels in the panel is 8 x 8, and each pixel is driven by switching and driving transistors. W e confirmed the display of 16 gray scales by means of an analog driving method. キーワード : 有機 T F T ，ペンタセン，有機 E L ，五酸化タンタル，アクティブマトリクス駆動 1. まえがき E L 素子の報告 ( 1 ) 以来，有機 E L の研究が加速さ次世代のフラットパネルディスプレイとしれ，1 9 9 7 年の秋にはパイオニアから世界初のて注目を集めている有機 E L ディスプレイ緑単色ドットパッシブマトリクス駆動ディスプ (Organic electroluminescent display)は，レイが市場に導入された。その後，主にカース発光層厚がサブミクロンオーダーである薄型テレオのメインパネルや携帯電話のサブディス面発光，D C 低電圧駆動自発光ディスプレイでプレイを主力商品として，パッシブマトリクスあり，視野角が広い，コントラストが高い，応駆動タイプの有機 E L ディスプレイが各社から答速度が速いなど， L C D ( L i q u i d 製品化されている。 Crystal D i s p l a y ) にはない特長を有している。これを第一世代とすれば，2 0 0 3 年に S K ディ 1 9 8 7 年の K o d a k による高輝度，高効率有機 PIONEER R&D Vol.15 No.2 スプレイが製品化した低温ポリシリコン T F T - 62 - (LTPS Thin Film Transistor)によるアクティと言われていたが，I D T e c h ( 4 ) やカシオ計算機 ( 5 ) ブマトリクス駆動デジタルカメラ用ディスプレが a - S i T F T を用いた有機 E L ディスプレイを開イや，パイオニアが製品化した赤色燐光素子を発し，移動度 1 c m 2 / V s 程度でも十分に有機 E L 素用いた携帯電話用サブディスプレイなど第二世子の駆動が可能なことが証明された。また，有代のキーワードはアクティブマトリクス駆動と機 E L 素子も燐光発光材料の出現により，今まで燐光素子といえる。より低電流で高輝度発光が可能となった ( 6 ) , ( 7 ) 。そして第三世代はフレキシブルディスプレイこれらの開発の進展に伴って，シリコン半導体となる可能性が高い。有機 E L においてディスの代わりに炭素骨格を基本とした有機化合物をプレイをフレキシブル化するための課題は，水半導体層として用いた有機 T F T でも，アクティ分などのアウトガス，熱，紫外線対策，そしてブマトリクス駆動有機 E L ディスプレイが実現で何よりも曲げても素子が壊れないことである。きる可能性が高くなった。これまで，プラスチック基板による有機 E L デシリコン系 T F T は工程が複雑で，2 0 0 ℃以上バイス作製に関して数件の報告 ( 2 ) , ( 3 ) があるが，の高温プロセスを行う必要があるのに比べ，有それらはいずれも単なるテストピースか，T F T 機 T F T は蒸着や印刷などの手法を用いて，低温を用いないパッシブマトリクス駆動方式であっプロセスで大面積に作製可能であり，コストもた。そのため，プラスチィック基板上に容易に低く抑えることができるため，第三世代のフレ作製でき，曲げても壊れることがない T F T が熱キシブル有機 E L ディスプレイの駆動に最適な望されている。 T F T といえる。 2 . 有機 E L ディスプレイの駆動方式 3 . 有機 T F T の構造有機 E L ディスプレイの駆動方式としては，図 1 に各種有機 T F T 構造を示す。( a ) はトップパッシブマトリクス駆動とアクティブマトリクコンタクト型の有機 F E T ( F i e l d Effect ス駆動に大別される。パッシブマトリクス駆動 T r a n s i s t o r ) であり，有機半導体膜を平面上にとは，走査電極とデータ電極の交差する画素に成膜できるため均質で特性の良好な膜が得られ対応し，線順次に走査電極を選択しながら，ラやすい。ただし，上部のソース電極とドレインインごとに有機 E L 素子を駆動する方式である。電極成膜にはフォトリソグラフィ技術が使用で対してアクティブマトリクス駆動とは，画素ごきないため，成膜エリアに開口部を設けたシャとに能動回路を有し，それにより電流供給を行ドウマスクによるパターニングとなっており，う駆動方式である。電流を多く流すために必要なソース / ドレインアクティブマトリクス駆動では画素ごとに電電極間の微細化が困難である。( b ) はボトムコン流を制御できるため，映像の 1 フレーム間を連タクト型有機 T F T であり，ソース / ドレイン電続的に発光させることができる。このため，有極のパターニングにフォトリソグラフィ技術に機 E L ディスプレイの低消費電力化および有機代表される微細加工技術を用いることができる E L 素子の長駆動寿命化というメリットがある。ため，有機 T F T 素子の微細化が可能であり，高しかし，液晶と違って電流注入型素子なので 1 精細ディスプレイ用途に適しているが，逆に半画素にスイッチングトランジスタとドライビン導体材料の均質化の点ではやや劣る。その他にグトランジスタの最低 2 個のトランジスタが必も( c ) トップ＆ボトムコンタクト構造 F E T ( 8 ) や要となる。 (d)縦型静電誘導トランジスタ(SIT) ( 9 ) などの新以前は移動度の低いアモルファスシリコン規構造も提案されている。 TFT(a-Si TFT)では有機 EL 素子を駆動できない - 63 - 我々は，量産性などを考慮し，ボトムコンタ PIONEER R&D Vol.15 No.2 アクティブレイヤーアクティブレイヤードレインソースドレインソースゲートゲート基板基板ゲート絶縁膜ゲート絶縁膜 (a) トップコンタクト型 (b) ボトムコンタクト型 Top-Contact Bottom-Contact アクティブレイヤーソースアクティブレイヤードレインドレインソースゲート基板基板ゲートゲート絶縁膜 (d) 縦型静電誘導トランジスタ (c) トップ＆ボトムコンタクト型 Static Induction Transistor Top & Bottom-Contact 図 1 有機ＴＦＴ各種構造 Fig.1 Structures of Organic-TFT クト型有機 T F T によるアクティブマトリクス駆てボトムコンタクト構造有機 T F T を開発した。動有機 E L パネルを試作し，有機 T F T の可能性さらにその有機 T F T と有機 E L 素子とを同一基を検証した ( 1 0 ) 。板上に組み込むプロセスを開発し，アクティブマトリクス駆動で有機 E L 素子を発光させた。 4. ペンタセンを用いたボトムコンタ以下にそのデバイス構造と作製手順を示す。クト型有機 T F T 4.1 画素構造 TFT 図 3 に画素部の回路構成および構造写真を示と同等もしくはそれ以上である有機半導体としす。スイッチングトランジスタ( S w - T F T ) とドて知られている。図 2 に示すのはペンタセンのライビングトランジスタ( D r - T F T ) の 2 つの有機分子構造である。我々はこのペンタセンを用い T F T を並列に配置し，その横に有機 E L 素子を設ペンタセンは，その半導体特性が a - S i けた。また，メモリコンデンサとして容量 6 0 p F のものを設置した。ドットサイズは 1 m m × 1 m m であり，有機 EL 画素の開口率は 27% である。有機 T F T のチャネル長は 1 0 μ m ，チャネル幅はス図 2 Fig.2 ペンタセン分子構造 Structures of Pentacene PIONEER R&D Vol.15 No.2 イッチングトランジスタ( S w - T F T ) が 4 0 0 μ m ，ドライビングトランジスタ( D r - T F T ) が 6 8 0 μ m - 64 - である。 4.2 て発光材料に使用した。画素作製法次に作製方法を図 5 に示す。基板は厚さ 0.7mm 図 4 に画素の断面構造を示す。有機 T F T はボの無アルカリガラスを使用した。洗浄したガラトムコンタクト構造であり，有機半導体としてス基板上にタンタル( T a ) をマグネトロンスパッペンタセンを使用している。また，ゲート絶縁タで成膜し，ゲート電極，キャパシタンスライ膜として五酸化タンタル( T a 2 O 5 ) を使用していン( V c a p ) ，スキャンライン( V s c a n ) となるようる。T a 2 O 5 は比誘電率が 2 3 以上と非常に高いたなパターンをリアクティブイオンエッチングめ，スレッショルド電圧( V t h ) の減少と相互コ ( R I E ) で形成する。この T a パターンの一部に陽ンダクタンスの増加が期待できる。有機 E L 素極酸化を行うことによって T a 2 O 5 膜を形成する。子は低分子系材料を使用しており，緑の燐光材この T a 2 O 5 膜がゲート絶縁膜であり，同時にス料であるイリジウム金属錯体をドーパントとしトレージキャパシタの誘電体層となる。陽極酸 Vscan Dr-TFT Vss Vcap OLED Storage Capacitor Vdata Dr-TFT Sw-TFT Sw-TFT OLED Storage Capacitor パネル仕様 Vk ・パネル画素数：8 × 8 ・画素ピッチ：1 m m □ ・開口率：2 7 % ・W/L： Sw-TFT:400 μ m/10 μ m Dr-TFT:680 μ m/10 μ m (b) 顕微鏡写真 (a) ピクセル回路図図 3 画素の回路構成と構造写真 Fig.3 Circuitry & Structure of a pixel Al ソース電極 (Cr/Au) 10 μ m ペンタセンドレイン電極 (Cr/Au) Li2O 陰極電子注入層 Alq 3 電子輸送層 BAlq ホールブロッキング層 CBP:Ir(ppy) 3 a-NPD CuPc IZO 発光層ホール輸送層ホール注入層透明陽極ガラス基板ゲート絶縁膜 (Ta 2 O 5) 図 4 Fig.4 ゲート電極 (Ta) 緑色発光画素の断面構造 Cross section of the Organic-TFT & the OLED - 65 - PIONEER R&D Vol.15 No.2 化では，化成液として 1 . 5 w t % のアジピン酸ア画素として完結する。ンモニウム水溶液を使用した。陽極酸化後の 4.3 Ta および Ta 2 O 5 の膜厚はそれぞれ 100nm，150nm 画素中の有機 T F T の特性を評価することは困である。有機 T F T の特性難であるため，評価用の有機 T F T 素子を同一基その後，有機 E L 素子の陽極として透明導電成板上に設け，それを評価した。今回作製した有膜であるインジウム亜鉛酸化物(IZO)をマグネト機 T F T の代表的な半導体特性を図 6 および図 7 ロンスパッタ法で形成，パターニングする。に示す。図 6 が H M D S 処理有の半導体特性のグ次にソース / ドレイン電極，データラインラフで，図 7 が H M D S 処理無しの半導体特性の (Vdata)，電源ライン(power supply)となる金グラフである。左側のグラフは横軸にゲート電属膜として，クロム(Cr) を接着層とした金(Au) 圧( V g ) ，縦軸にドレイン電流( I d ) をとった，をマグネトロンスパッタ法で形成し，リフトオ I d - V g のグラフであり，ドレイン - ソース間電フ法を用いてパターニングを行う。圧( V d s ) は - 1 5 V である。右側のグラフは横軸にペンタセンの成膜を行う前に，基板前処理と Vds，縦軸に Id をとった，各 Vg に対する Id-Vds して T a 2 O 5 膜上に疎水基を設けるため，ヘキサのグラフである。今回の有機 T F T は P 型の半導メチルジシラザン( H M D S ) 処理を行う。その後，体特性を示した。H M D S 処理無しに比べ，H M D S ペンタセンを真空蒸着法で 5 0 n m の厚さで成膜処理有の方のドレイン電流がより多く流れ，スする。この時，メタルマスクを用いて S w - T F T レッショルド電圧が低電圧側にシフトしている上と D r - T F T 上に分けて成膜する。ことが分かる。最後に有機 E L 素子を真空蒸着にて成膜し，また，飽和領域におけるドレイン電流 I d は Ta 1 ガラス基板 Ta 2o 5 Ta 2 ガラス基板 Ta 2 o 5 3 IZO Ta ガラス基板 Cr/Au Ta 2o 5 4 Ta IZO ガラス基板 5 ペンタセン Cr/Au Ta 2 o 5 IZO Ta ガラス基板ペンタセン Cr/Au Ta 2o 5 6 Ta 有機ＥＬ素子 IZO ガラス基板図 5 アクティブマトリクス有機ＥＬパネルの作製工程 Fig.5 Process of the active matrix OLED Panel PIONEER R&D Vol.15 No.2 - 66 - 以下の式より導かれることが知られている。スレッショルド電圧を表す。これから算出した 2 Id=(1/2)(W/L)μ･C(V G − V T ) H M D S 処理有無の素子特性の比較データを表 1 ここで，W はチャネル幅，L はチャネル長，μ に示す。 4.4 の静電容量，V G はゲート・ソース間電圧，V T は図 8 に，試作した有機 T F T アクティブマトリ 0.012 -1e-5 0.01 -1e-6 0.008 -1e-7 0.006 -1e-8 0.004 -1e-9 0.002 -1e-10 10 0 -6e-6 -4e-6 Vgs=-5V 0 2e-6 0 -4 -12 -16 (b) Id vs. Vds H M D S 処理無しの T F T 特性 Characteristic of Organic-TFT without HMDS -1e-3 0.014 -1e-4 0.012 -1e-5 0.010 -1e-6 0.008 -1e-7 0.006 -1e-8 0.004 -1e-9 0.002 0 -10 -4e-5 Drain current (A) Fig.6 | Drain current |1/2 ( A 1/2 ) 図 6 0 -20 Vgs=-15V -3e-5 Vgs=-10V -2e-5 -1e-5 Vgs=-5V 0 Vgs=0V 1e-5 Gate-source voltage (V) ( Drain-source voltage :-15V ) 0 図 7 Fig.7 -4 -8 -12 -16 Drain-source voltage (V) (a) Id vs. Vgs 表１ -8 Drain-source voltage (V) (a) Id vs. Vgs 10 Vgs=-10V -2e-6 Gate-source voltage (V) ( Drain-source voltage :-15V ) -1e-10 Vgs=-15V -8e-6 0 -20 -10 8×8ドットアクティブマトリクスパネル -1e-5 Drain current (A) 0.014 -1e-4 | Drain current |1/2 ( A 1/2 ) -1e-3 Drain current (A) Drain current (A) は移動度，C はゲート絶縁膜の単位面積あたり (b) Id vs. Vds H M D S 処理有りの T F T 特性 Characteristic of Organic-TFT with HMDS H M D S 処理有無の素子特性比較 Table1 The typical characteristic of the Organic-TFTs 㪟㪤㪛㪪ಣℂ᦭䉍㪟㪤㪛㪪ಣℂή䈚 ⒖േᐲ㩿㪺㫄㪆㪭㫊㪀㪇㪅㪉㪇㪅㪇㪋䉴䊧䉾䉲䊢䊦䊄㔚࿶㩿㪭㪀㪄㪊㪄㪍㪌㫆㫅㪆㫆㪽㪽㩷Ყ 㪈㪇㪈㪇㪋㪉 - 67 - PIONEER R&D Vol.15 No.2 クス駆動 8 × 8 素子有機 E L パネルの全体写真駆動条件は，フレーム周波数 60Hz，Duty 比 1/60 を，また図 9 に実際の発光状態の写真を示す。で，階調表示方式はアナログ表示である。この条件下におけるパネル輝度は 4 0 0 c d / m 2 であり，1 6 階調のアナログ表示が確認できた。また，各画素均一な輝度で発光しており，有機 TFT の特性のばらつきが小さいことが確認できた。次に，こちらこれらの条件で駆動させた素子の発光強度を図 1 0 に示す。上のラインがスキャンパルスを，下のラインが発光強度を表す。本駆動条件における選択期間は 0.28msec であり，発光，非発光を繰り返している。この選択期間において発光強度が維持されていることから，この駆動条図 8 8 ×素子有機 E L パネルの全体写真件でのアクティブマトリクス駆動を確認できた。 Fig.8 Picture of 8x8 OLEDs Panel (a)全点灯 (b)部分点灯 (c)16 階調 Whole lighting Partial lighting [P] 16 gray scales 図9 8 × 8 素子有機 E L パネルの発光パターン Fig.9 Image of active matrix driven 8x8 OLEDs 図 10 Fig.10 PIONEER R&D Vol.15 No.2 駆動素子の発光強度 Stability of emission intensity - 68 - Satoh,T.Tanabe,Y.Okuda,M.Tsuchida, 5 ．まとめ SID 04 DIGEST 5.1,45 2004) 以上述べたように，第三世代の有機 E L ディスプレイとして，有機 T F T によるアクティブマト筆者紹介リクス駆動有機 E L ディスプレイの可能性を示した。今回紹介した有機 E L パネルは画素数，画素中馬隆 ( ちゅうまんたかし ) 技術開発本部総合研究所表示デバイスサイズや作製工程もまだ実用化レベルのものと研究部。主な経歴：有機系色素を用いた追記はほど遠く，課題も多い。しかし有機 T F T の研型光ディスク，電子放出素子の研究開発，有究は現在，材料メーカーを含めて各社が注目し機 E L を用いた 3 D ディスプレイの研究を経て，現在，有機半導体の研究に従事。ているテーマでもあり，今後急速に開発が進展していくと考えられる。数年後には，薄型軽量大田悟 ( おおたさとる ) 技術開発本部総合研究所表示デバイスでフレキシブルなアクティブマトリクス駆動有研究部。主な略歴：入社以来，有機半導体の機 E L ディスプレイを実用化できるよう有機 T F T 研究に従事。原田のさらなる性能改善を図って行きたい。千寛 ( はらだちひろ ) 技術開発本部総合研究所表示デバイス研究部。主な略歴：入社以来，有機半導体の参考文献研究に従事。 (1)C.W.Tang,S.A.VanSlyke:Appl.Phys. 吉澤技術開発本部総合研究所表示デバイス Lett.,51,913,(1987) (2)J.K.Mahon,J.J.Brown,P.E.Burrows, 研究部。主な略歴：コンパクトディスク，有 G. 機系色素を用いた追記型光ディスク，電子 L.Graff,M.E.Gross,M.Sullivan,Proceedings of Display Works 放出素子の研究開発，有機 E L を用いた 3 D 2000,(2000) (3)A.Sugimoto,A.Yoshida,T.Miyadera, ディスプレイの研究を経て，現在，高性能有 S. 機デバイスおよび有機半導体の研究に従事。 Miyaguchi,Proceedings of The 10th International Workshop on Inorganic and Organic 淳志 ( よしざわあつし ) 宮口敏 ( みやぐちさとし ) 技術開発本部総合研究所表示デバイス Electroluminescence(EL'00), 研究部。主な略歴：磁気ヘッドの開発，光集 365-366,(2000) 積回路の研究開発を経て，現在，有機 E L ディ (4)T.Tsujimura et al.,SID 03 DIGEST 4.1, スプレイの研究開発に従事。 6(2003) (5)T.Shirasaki,R.Hattori,T.Ozaki,K. 佐藤英夫 ( さとうひでお ) Sato,M.Kumagai,M.Takei,Y.Tanaka,S. 技術開発本部総合研究所表示デバイス Shimoda,T.Tano,Proceedings 研究部。主な経歴：生産技術センターにて， of 10th International Display Workshops, AMD4/ ロボット，画像認識などの自動化機器の開 OEL5-5,1665,(2003) 発，電子放出素子の研究開発，有機 E L を用いた 3 D ディスプレイの研究を経て，現在，有 (6)M.A.Baldo,S.Lamansky,P.E.Burrows, M. 機半導体の研究に従事。 E.Thompson,S.R.Forrest,Appl.Phys. 田辺 Lett.75,4(1999) 貴久 ( たなべたかひさ) (7)T.Tsutsui,M.J.Yang,M.Yahiro,K. 技術開発本部総合研究所表示デバイス Nakamura,T.watanabe,T.Tsuji,Y. Fukuda, 研究部。主な略歴：磁気記録技術および光 T.Wakimoto, ディスク記録技術の研究開発を経て，現在 S.Miyaguchi,Jpn.J.Appl. 有機半導体の研究に従事。 Phys.Vol.38,1502,(1999) (8)T. Kamata et al., Proceedings of 土田 SPIE., 5217, 133, (2003) 正美 ( つちだまさみ) 所属：技術開発本部総合研究所表示デ (9)K.Kudo,D.X.Wang,M.Iizuka,S. バイス研究部。主な略歴：ホーム用 A V 機器 Kuniyoshi,K.Tanaka,Thin の開発･設計を経て，1 9 9 4 年より有機 E L ディ Solid Films, 331,51(1998) スプレイの研究開発に従事。 (10)T.Chuman,S.Ohta,S.Miyaguchi,H. - 69 - PIONEER R&D Vol.15 No.2