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
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