JP2011524463A - 光透過性デバイス用導電性構造 - Google Patents

Abstract

光透過性デバイス用導電性構造、および光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法が提供される。この構造は、第１のプロセス条件を用いて形成される第１の透明導電性材料層と、直接第１の層上に形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層であって、第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層とを備え、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、第１の層が、光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、広義には、光透過性デバイス用導電性構造、および光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法に関する。

上面発光型有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などのデバイスでは、極薄金属膜が透明カソードとして典型的に使用される。しかし、極薄金属カソード、例えばＭｇ：Ａｇ、ＬｉＦ／Ａｌ、ＬｉＦ／Ａｌ／Ａｇ、Ｃａ／Ａｇなどは典型的に、水分および酸素に対して低い耐性を呈し、その結果、デバイス寿命が短くなる。さらに、極薄金属カソードは典型的に、カソード／空気界面での屈折率の不整合のため、電極／空気界面で比較的多くの内面反射を引き起こす。さらに、極薄金属カソードは典型的に、可視光波長領域内で高吸収性を有し、それが低透過率の原因となることがある。

したがって、技術が進歩して、金属カソードを覆う透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなるカバー層を形成し、したがって金属／ＴＣＯベースのカソードを生み出すまでになっている。

ＴＣＯからなる薄膜には、例えば良好な導電性および可視スペクトル領域内での高光透過性というその特性のため、多くの用途がある。ＴＣＯ薄膜を形成するために、ドープ酸化物材料、例えばＺｎＯ、ＳｎＯ_２、およびＩｎ_２Ｏ_３が典型的に、別々の層の形で個別に使用され、またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの混合物として使用される。多くのＴＣＯ薄膜のうち、ＩＴＯ、アルミニウムドープＺｎＯ（ＡＺＯ）、およびフッ素ドープＳｎＯ_２（ＦＴＯ）が、より一般に使用されるＴＣＯ材料である。ＴＣＯは典型的に、静電防止被覆、ヒートミラー、太陽セル、フラットパネルディスプレイ、センサ、および有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などのデバイス応用に不可欠な部分として使用される。

ＴＣＯ層は典型的に、上面発光型有機／ポリマー発光ダイオード（ＯＬＥＤ／ＰＬＥＤ）内のカソードで、またはタンデム構造有機光起電力セル内の電荷再結合ゾーンとして使用される。ＴＣＯ層は、有機材料および他の材料との界面を形成するために使用することができ、また電気接点として働くこともできる。したがって、有機エレクトロニクスでは、有機層上に高性能ＴＣＯベースの透明電極を、下にある機能材料に損傷を与えずに堆積させることが望ましい。例えば透明性および導電性という典型的なＴＣＯの特性に加えて、低プロセス温度を用いて、また、高速作製、高い電極導電性、および低コストなどの拡大されたプロセス柔軟性を用いて作製される電極があることが望ましい。

しかし、典型的な金属／ＴＣＯベースのカソードは、いくつかの問題に直面する。高導電性の透明なＴＣＯ膜をガラス基板上に作製する場合、２００℃を上回るプロセス温度が典型的に必要である。１００℃未満のプロセス温度で形成されたＴＣＯ膜は典型的に、２００℃を上回る基板温度で作製されたＴＣＯ膜よりも比較的高い抵抗率および低い光透過性を有することが認識されている。典型的には、ＴＣＯベースの透明電極は、高いプロセス温度と適合し得ない活性材料／活性層上に堆積される。例えば、ＤＣ／ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成されるＩＴＯ膜は典型的に、膜作製中に高温で基板を加熱する、または２００℃を上回る温度での追加のポストアニール処理を追加する必要がある。１つの問題は、高いプロセス温度が、有機エレクトロニクスへの応用に適していないことである。例えば、タンデム有機光起電力（ＰＶ）セルおよび上面発光型ＯＬＥＤは典型的に、高温プラズマプロセスとの適合性がない。

さらに、高いプロセス温度による損傷に加えて、ＴＣＯの堆積に関連する他の問題がある。例えば、ＴＣＯの１種であるＩＴＯは典型的に、アノード／カソード材料として使用される。ＩＴＯカソード接点が、タンデム光起電力セル内の有機電子受容体上、または上面発光型ＯＬＥＤ内の電場発光物質上に堆積される場合、典型的なスパッタリングプロセスにより形成されるＩＴＯ電極は、次のことに直面する可能性がある。ＩＴＯ堆積によって引き起こされる、下にあるポリマー／有機機能層への損傷により、デバイス性能が典型的に悪化する。さらに、電子インジェクタおよび導電性金属層を有する半透明カソードの場合、電流拡がりおよび光出力結合効率を向上させるために、屈折率整合層が典型的に必要になる。

さらに、有機エレクトロニクス用の透明カソードは典型的に、下にある機能材料にほとんど損傷を与えずに、比較的大きな堆積速度で、低いプロセス温度にて作製されることが望ましい。透明電極は、高光透過性、高導電性、平滑な表面形態、および高安定性という特性を有することが望ましい。さらに、低コスト量産用のスケーラブルなプロセスがあることが望ましい。

したがって、上述の問題のうち、典型的な金属／ＴＣＯベースのカソードの場合、ＴＣＯ堆積が、下にある機能層に対する損傷を引き起こすことが認識されている。さらに、典型的な金属／ＴＣＯベースのカソードには、低堆積速度という欠点がある。Ｇ．Ｇｕ等、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（１９）、１９９６、（２６０６−２６０８）、ＲＦ−ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ＩＴＯ Ｃａｔｈｏｄｅ、Ａｒ／Ｏ２では、カソードの成長速度が１．０ｎｍ／分未満であることが分かっている。さらに、金属／ＩＴＯベースのカソードは、比較的高いシート抵抗Ｒｓを呈することも分かった。したがって、典型的な金属／ＴＣＯベースのカソードの場合、乏しいＴＣＯ導電性を補償するために、より厚い金属層が使用される。このことが、光透過性のさらなる減少、および起こり得るコスト増加の原因となる可能性がある。

典型的な金属／ＴＣＯベースのカソードを用いることから生じる問題に対処すべく、有機バッファ層／ＴＣＯカソードが提案されている。典型的には、有機バッファ層／ＴＣＯカソードでは、金属中間層が使用されない。これについては、米国特許第６５６９６９７号、ＵＳ６４２００３１Ｂ１、Ｇ．Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ等、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６（１５）、２０００、（２１２８−２１３０）、Ｈａｉｙｉｎｇ Ｃｈｅｎ等、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２４（５）、２００３、（３１５−３１７）、およびＨｏ Ｗｏｎ Ｃｈｏｉ等、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２００５、８６（０１２１０４）の中で研究された。しかし、有機バッファ層／ＴＣＯカソードの作製は、次のものを含むいくつかの問題を引き起こす可能性がある。有機バッファ層が必要なため、作製プロセスがより複雑になる可能性がある。さらに、電気的性質、光学的性質、および仕事関数の整合などの要因のため、有機バッファ層を形成するための材料の選択肢が限定される。さらに、有機バッファ層／ＴＣＯカソードは典型的に、接触抵抗の増加を引き起こし、それにより、有機／カソード界面でのキャリア収集／注入特性の欠陥を生じさせることも分かっている。

したがって、上記に鑑みて、上記の問題のうち少なくとも１つへの対処を図る、光透過性デバイス用導電性構造、および光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法が必要とされている。

本発明の第１の態様によれば、光透過性デバイス用導電性構造であって、第１のプロセス条件を用いて形成される第１の透明導電性材料層と、直接第１の層上に形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層であって、第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層とを備え、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、第１の層が、光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する構造が提供される。

第１のプロセス条件は、第１の堆積電力および第１の堆積温度を有してよく、第２のプロセス条件は、第２の堆積電力および第２の堆積温度を有してよく、第１の堆積電力、第１の堆積温度、および第２の堆積温度をそれぞれ、温度および堆積電力により引き起こされる、光透過性デバイスに対する悪影響が低減するように選択することができ、第２の堆積電力を、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の所望の膜品質をもたらすように選択することができる。

この構造は、１つまたは複数の金属層をさらに備えることができ、第１の層が金属層の上に形成される。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された第１の層が共に、デバイスの光出力を向上させるための屈折率整合構造として機能することができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された第１の層が共に、デバイスの電流拡がりを向上させるように機能することができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、物理堆積技法、化学堆積技法、または両方を用いて形成することができる。

第１の層は、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成することができる。

第１の堆積電力は、約１０Ｗの電力とすることができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成することができる。

第２の堆積電力は、約１００Ｗの電力とすることができる。

第１の層の堆積中の基板温度は、約６０℃以下とすることができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の堆積中の基板温度は、約６０℃以下とすることができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層はそれぞれ、ＳｎＯ_２、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、および他の透明導電性材料からなる群から選択される、１種または複数種の材料を含むことができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、同じ透明導電性材料を含むことができる。

本発明の第２の態様によれば、光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法であって、第１の透明導電性材料層を、第１のプロセス条件を用いて形成すること、直接第１の層上に、少なくとも１つの他の透明導電性材料層を、第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成することを含み、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、第１の層が、光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する方法が提供される。

第１のプロセス条件は、第１の堆積電力および第１の堆積温度を有してよく、第２のプロセス条件は、第２の堆積電力および第２の堆積温度を有してよく、この方法はさらに、第１の堆積電力、第１の堆積温度、および第２の堆積温度をそれぞれ、温度および堆積電力により引き起こされる、光透過性デバイスに対する悪影響が低減するように選択すること、ならびに第２の堆積電力を、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の所望の膜品質をもたらすように選択することを含むことができる。

この方法は、１つまたは複数の金属層を設けること、および第１の層を金属層の上に形成することをさらに含むことができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された第１の層が共に、デバイスの光出力を向上させるための屈折率整合構造として機能することができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された第１の層が共に、デバイスの電流拡がりを向上させるように機能することができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、物理堆積技法、化学堆積技法、または両方を用いて形成することができる。

第１の層は、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成することができる。

第１の堆積電力は、約１０Ｗの電力とすることができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成することができる。

第２の堆積電力は、約１００Ｗの電力とすることができる。

第１の層の堆積中の基板温度は、約６０℃以下とすることができる。

前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の堆積中の基板温度は、約６０℃以下とすることができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層はそれぞれ、ＳｎＯ_２、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、および他の透明導電性材料からなる群から選択される、１種または複数種の材料を含むことができる。

第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層は、同じ透明導電性材料を含むことができる。

本発明の諸実施形態は、一例としてのみの以下の記載と、それに併せて図面から、当業者により良く理解され、容易に明らかとなるであろう。

一実施形態例における光透過性デバイスを示す概略図である。 該実施形態例のＩＴＯベースの電極を組み込んだ有機光起電力デバイスを示す概略図である。 図２のデバイスの積分光透過率（％）対ＩＴＯカソード厚さ（ｎｍ）、および図２のデバイスの光吸収層の積分光吸収率（％）対ＩＴＯカソード厚さ（ｎｍ）のグラフである。 ＤＣおよびＲＦマグネトロンスパッタリングを用いて堆積された膜についての、ＩＴＯ成長速度（ｎｍ／分）対スパッタ電力（Ｗ）、およびシート抵抗（オーム／スクエア）対スパッタ電力（Ｗ）のグラフである。 さまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ膜についての、シート抵抗（オーム／スクエア）対バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのグラフである。 バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのさまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ電極についての、シート抵抗（オーム／スクエア）対時間（日）のグラフである。 バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのさまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ電極について測定した、透過率（％）対波長（ｎｍ）のグラフである。 別の実施形態例における上面発光型有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を示す概略図である。 １組の上面発光型ＯＬＥＤについて測定した、電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 該１組の上面発光型ＯＬＥＤについて測定した、輝度Ｌ（ｃｄ／ｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 輝度Ｌ（ｃｄ／ｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 発光効率（ｃｄ／Ａ）対電流密度（ｍＡ／ｃｍ^２）のグラフである。 正規化輝度対動作時間（時間）のグラフである。 別の実施形態例の有機光起電力（ＯＰＶ）デバイスの概略図である。 入射光子／電流効率（ＩＰＣＥ）対波長（ｎｍ）のグラフである。 図１５のデバイスおよび対照デバイスについて、約１００ｍＷ／ｃｍ^２の擬似エアマス（ＡＭ１．５）照度下で測定した、光電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 別の実施形態例におけるタンデム太陽セルを示す概略図である。 タンデム太陽セルについてのＩＰＣＥ（％）対波長（ｎｍ）のグラフである。 タンデム太陽セルについての光電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。 一実施形態例における光透過性デバイス用電極構造を形成する方法を示す概略フローチャートである。

本明細書で説明する諸実施形態例は、１種または複数種の透明導電性材料を含む透明導電性傾斜構造を形成することができる。用途には、電極または電荷再結合中間層がある。

図１は、一実施形態例における光透過性デバイス１０２を示す概略図である。デバイス１０２は、基板１０４と、基板１０４の上に形成された、機能層１０８、１１０からなる積層体１０６と、積層体１０６の上に形成された正孔／電子−インジェクタ／コレクタ１１２などの金属層と、正孔／電子−インジェクタ／コレクタ１１２の上に形成された、２層または多層ＴＣＯベースの透明電極１１４などの透明傾斜構造とを備える。電極１１４の上に封止層１１５が形成される。

説明の中では、例示を目的として、電極１１４は２つのＴＣＯ層を備えている。電極１１４は、例えば単接合およびタンデム構造有機光起電力セル、上面発光型および反転型ＯＬＥＤ、ならびに透明な電極接点、カバー層（複数可）、または中間層（複数可）を利用する他の有機／無機機能構成要素で使用するのに適した光透過性構造である。電極１１４は、導電性ＴＣＯバッファ層１１６および導電性ＴＣＯキャッピング層１１８を備える。この実施形態例では、使用されるＴＣＯ材料はＩＴＯである。基板１０４は、剛性でも可撓性でもよく、かつ／または不透明でも透明でもよい。機能層１０８、１１０はそれぞれ、有機または無機材料を含むことができる。正孔／電子−インジェクタ／コレクタ１１２は、有機もしくは無機材料、または両方の組合せを含むことができる。封止層１１５は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２など、適切な材料を含む。

傾斜ＩＴＯ構造などの透明傾斜導電性材料層は、空気中で安定しており、それ自体が一時的な封止層の働きをすることができることが理解されよう。その導電性のため、別の封止層（１１５を参照されたい）が、好ましくは、透明傾斜導電性材料層（１１４を参照されたい）の上に形成される。説明上、封止層の形成は以下の実施形態例から省略する。

ＴＣＯは、高い仕事関数を有することが認識されている。したがって、一方では、電極１１４をアノードとして使用すべき場合、電極１１４の透明傾斜構造自体がアノードとして機能することが可能である。他方では、透明カソードを上面発光型ＯＬＥＤ、半透明ＰＶセル、タンデム太陽セルなどのデバイス応用に使用すべき場合、低仕事関数中間層が望ましい。低仕事関数中間層は、低仕事関数金属、有機および無機化合物などを含むことができる。そのような場合、透明傾斜構造は、例えば、カソードシステムの電気的性質および光学的性質を向上させるための、低仕事関数中間層を覆う高品質ＴＣＯ膜として使用される。

この実施形態例では、透明傾斜構造が、「傾斜」の異なる材料から構成される。例えば、異なる「傾斜」は、異なる堆積条件を用いて形成することができる。

この実施形態例では、バッファ層１１６が、低電力、例えば約１０Ｗでの直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される。低電力は、スパッタリング放射により引き起こされる、下にある層、例えば１０６に対する起こり得る損傷を防ぐことができる。形成されるバッファ層１１６は高光透過性を有するが、バッファ層１１６は多孔性であることに留意されたい。多孔性は、導電性の安定性を制限する。

キャッピング層１１８は、直接バッファ層１１６の上に、高電力、例えば約１００Ｗでの高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される。形成されるキャッピング層１１８は、比較的高い密度を有し、比較的高い光透過性および空気中での安定した膜導電性をもつ。傾斜構造を有する電極１１４は、比較的高い導電性を有する光透過性２層ＩＴＯ電極として形成される。２層構造は、透明導電性材料傾斜構造の一例であることに再度留意されたい。換言すれば、傾斜構造は、１種の透明導電性材料または異なる透明導電性材料の組合せを用いて形成された３層以上を備えることができる。

この実施形態例では、ＩＴＯの堆積に、Ｉｎ_２Ｏ_３とＳｎＯ_２が９：１の重量比にある酸化ターゲットが使用される。堆積プロセスは、酸素、アルゴン、および水素からなるガス混合物中に０．１％未満の酸素分圧を与えることを含む。バッファ層１１６の場合のＩＴＯ堆積速度は、約２．０ｎｍ／分であり、キャッピング層１１８の場合のＩＴＯ堆積速度は、約４．２ｎｍ／分である。膜堆積中に誘発される基板温度は、約６０℃である。傾斜ＩＴＯ電極は、他の物理および化学堆積方法を用いて形成することもできることに留意されたい。

ＩＴＯは、イオン結合半導体酸化物であることが認識されている。共有結合材料に比べて、酸素空孔が比較的容易に形成される。ＤＣ／ＲＦマグネトロンスパッタにより作製されるＩＴＯ膜は、大部分が非化学量論的である。酸素空孔の数は、スパッタ電力、基板温度、スパッタガス圧力、ターゲット中のＳｎ／Ｉｎ組成、および混合物中のガスなどの堆積条件により影響を受ける。スズドーパントおよびイオン化した酸素空孔ドナーによりもたらされる自由電子が、伝導電荷キャリアを構成する。

さらに、スパッタリングガス混合物中の水素の存在が、膜内の酸素損失を補償する。スパッタリングガス混合物中に水素が添加されると、マグネトロンスパッタリング中の成長流（ｇｒｏｗ ｆｌｕｘ）が、大量の高エネルギー水素種を含み、それが、堆積中の膜内の弱く結合した酸素を取り除くことを可能にする。したがって、スパッタリングガス混合物中に水素を添加することにより、酸化物に対する還元効果が現れて、膜内の酸素空孔の数が増加し、したがって電荷キャリアの数が増加する。導電性は電荷キャリアの濃度と移動度の積に比例するため、したがって、この実施形態例では、ＩＴＯ膜内のキャリア濃度の増加が、膜の導電性を向上させる助けとなっている。

上面発光型ＯＬＥＤおよび有機ＰＶセルの場合、上部半透明カソード構造が極めて重要である。この実施形態例を用いて、極薄金属／ＴＣＯを備える複合半透明カソードを形成することができる。適切なＴＣＯカバー層、例えばＩＴＯカバー層を有する複合半透明カソードを形成することが可能である。良好な品質の傾斜ＴＣＯ層（例えば層１１４を参照されたい）は、上面発光型または反転型ＯＬＥＤにおいて光出力を向上させる（例えば透過率Ｔ（λ）を向上させる）屈折率整合層として働き、また可視光波長全体にわたる比較的より良好な光透過性（例えば高いＴ（λ）を有する）、および高導電性のため、電流拡がりを向上させる。この実施形態例における傾斜ＴＣＯベースの透明電極１１４は、低温で堆積され、高導電性であり、膜導電性の良好な安定性を有し、高堆積速度を有し、下にある有機／無機層、例えば１１２との良好な接触を形成することができる。ガス混合物中に水素がある状態で室温にて堆積されたＩＴＯにおいて、可能な最も低い抵抗率が達成されることが分かっている。

この実施形態例では、高性能傾斜ＩＴＯ構造、この場合には２層ＩＴＯカソードを、「低電力」ＩＴＯ堆積プロセスと「低温」ＩＴＯ堆積プロセスの組合せを用いて形成することができる。バッファ層１１６が、高密度、高導電性、および高安定性を有するＩＴＯベースのカソード１１４を、下にある材料にほとんど損傷を与えずに作製することを可能にしている。１０ＷのＤＣスパッタしたバッファＩＴＯ層１１６と、１００ＷのＲＦスパッタしたキャッピングＩＴＯ層１１８の組合せ（すなわち２層ＩＴＯ電極１１４）はまた、比較的大きな堆積速度を有し、それに限定されないが、有機エレクトロニクスへの応用に適している。したがって、この実施形態例は、ＴＣＯベースの半透明カソードを、有機および／または無機機能層の表面上に比較的低い温度で作製するための効果的な解決策となり得る。

図２は、この実施形態例のＩＴＯベースの電極２０４を組み込んだ有機光起電力デバイス２０２を示す概略図である。デバイス２０２は、次の構造、ガラス／ＩＴＯ／ポリ（スチレンスルホン酸）をドープしたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）：１−（３−メトキシカルボニル）−プロピル−１−フェニル−（６，６）Ｃ６０（ＰＣＢＭ）（７５ｎｍ）／Ｃａ（１０ｎｍ）／Ａｇ（１０ｎｍ）／ＩＴＯ（６０ｎｍ）を有する。換言すれば、ＩＴＯベースの電極２０４は、約６０ｎｍ厚の厚さを有する。表１は、各スパッタリングプロセスの成長速度を表にまとめたものを示す。

図３は、デバイス２０２の積分光透過率（％）対ＩＴＯカソード厚さ（ｎｍ）、およびデバイス２０２のＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ層２０６の積分光吸収率（％）対ＩＴＯカソード厚さ（ｎｍ）のグラフを示す。最大透過率が数字３０２で示されており、最大積分光吸収率が数字３０４で示されている。したがって、カソード厚さの関心領域が、数字３０６で示されている。

図４は、ＤＣおよびＲＦマグネトロンスパッタリングを用いて堆積された膜についての、ＩＴＯ成長速度（ｎｍ／分）対スパッタリング電力（Ｗ）、およびシート抵抗（オーム／スクエア）対スパッタリング電力（Ｗ）のグラフを示す。ＤＣ／ＲＦスパッタリングしたＩＴＯ膜の成長速度が、スパッタリング電力と共に増加し、膜抵抗率が電力と共に減少することを観測することができる。

この実施形態例では、ＩＴＯベースの電極２０４の透過率Ｔ（λ）が、約８５％を上回り得ることが分かっている。図３は、波長依存の膜透過率を示す。（約１２０ｎｍ厚さでの）シート抵抗Ｒｓは、約２５Ω／スクエアとなり得る。さらに、ＩＴＯベースの電極２０４（図２）は、平滑な表面（すなわち、約１．０ｎｍ未満のｒｍｓ測定値）を有する。ＩＴＯベースの電極２０４（図２）はまた、それほど応力がなく、その非晶質性のため大きなエッチング速度を有する。

ガラス基板内の導波モードによる約８０％の光損失がある底面発光型ＯＬＥＤとは異なり、上面発光型ＯＬＥＤ内の導波モードは抑制されており、その結果光出力が増加し、したがって、上面発光型ＯＬＥＤアーキテクチャが、ＯＬＥＤベースのディスプレイおよび照明への応用に適していることが理解されよう。高品質上部透明電極は、上面発光型ＯＬＥＤにとって有利である。光学的な観点から、ＯＬＥＤまたは上面発光型ＯＬＥＤは、薄膜システムと見なすことができる。この実施形態例を用いて、ＩＴＯ層厚さ、および複合上部カソード構造（例えば、図１の傾斜電極１１４および金属層１１２を参照されたい）を、利用できる発光材料（ｅｍｉｓｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）およびデバイスアーキテクチャに応じて最適化することができる。

別の実施形態例では、ＩＴＯ膜の安定性が調査される。６０ｎｍ厚さの傾斜ＩＴＯ構造、この例では２層ＩＴＯベースの上部カソードが、上面発光型ＯＬＥＤおよび半透明ポリマーＰＶセル上に室温にて堆積される。２層ＩＴＯベースのカソードは、下にある有機層にほとんど損傷を与えることなく、比較的大きな膜堆積速度、比較的高い導電性、および比較的高い光透過性という特性を有する。

図５は、さまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ膜についての、シート抵抗（オーム／スクエア）対バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのグラフである。値ｘは、０から６０ｎｍまで変化する。傾斜電極構成において、バッファＩＴＯとは、約１０ＷでのＤＣマグネトロンスパッタリングを用いて堆積された中間層ＩＴＯバッファ層を意味し、キャッピングＩＴＯとは、約１００ＷでのＲＦマグネトロンスパッタリングを用いて作製されたＩＴＯキャッピング層を意味する。

バッファＩＴＯ_Ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−Ｘ膜を備える６０ｎｍ厚さの傾斜電極のシート抵抗が、バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０の場合の約６７オーム／スクエアから、バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０の場合の約１２６オーム／スクエアまで変わったことが分かる。バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０の組合せは、膜導電性の点から好都合のように思われるが、バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０を上面発光型ＯＬＥＤおよび有機ＰＶセルの上部カソードとして直接使用すると、典型的にデバイス性能の悪化を招く。これは、キャッピング層のＩＴＯ堆積中に高スパッタリング電力（例えば約１００Ｗ）を使用したことによる、下にある有機材料の起こり得る損傷に関連付けられる。バッファＩＴＯ層厚の厚さを（例えば、バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０の場合の６０ｎｍに）増加させることも、好都合ではないことにも留意されたい。これは、約１０Ｗおよび低温、この場合には室温でのＤＣマグネトロンスパッタによって作製される（バッファ層の）ＩＴＯ膜が、安定した膜導電性を有していないためである。これについては、図６を参照して論じる。

図６は、バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのさまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ電極についての、シート抵抗（オーム／スクエア）対時間（日）のグラフである。バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０、バッファＩＴＯ_１５／キャッピングＩＴＯ_４５、バッファＩＴＯ_３０／キャッピングＩＴＯ_３０、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５、バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０というさまざまな層組合せを有する６０ｎｍ厚さの２層ＩＴＯ膜の、空気中で１８日間にわたって測定したシート抵抗が示されている。結果は、バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０膜（数字６０２を参照されたい）の導電性が、空気中で安定していないことを明らかに示している。したがって、低電力でのＤＣマグネトロンスパッタリングによって堆積される単一層ＩＴＯは、関連する堆積プロセスが下にある有機材料に可能な最小の損傷を与えるものの、有機エレクトロニクスへのカソードとしての応用に適していないと結論付けられる。図６から分かるように、バッファＩＴＯ_１５／キャッピングＩＴＯ_４５、バッファＩＴＯ_３０／キャッピングＩＴＯ_３０、およびバッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５の２層ＩＴＯ電極は、大きな膜成長速度および空気中での高い膜安定性というその特性のため、有機エレクトロニクスへの応用に使用することができる。

図７は、バッファＩＴＯ_ｘ／キャッピングＩＴＯ_６０−ｘ厚さのさまざまな層組合せを有する傾斜ＩＴＯ電極について測定した、透過率（％）対波長（ｎｍ）のグラフである。ガラス基板上に堆積された、バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０、バッファＩＴＯ_１５／キャッピングＩＴＯ_４５、バッファＩＴＯ_３０／キャッピングＩＴＯ_３０、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５、およびバッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０という６０ｎｍ厚さの２層ＩＴＯ膜の、波長依存透過率Ｔ（λ）が示されている。短波長領域内（すなわち、このサンプルの場合には約４００ｎｍ未満）の僅かなずれは別として、２層ＩＴＯ膜について測定されたＴ（λ）は、可視光波長範囲全体にわたってほぼ同一の光透過率を有する。換言すれば、図７にプロットした結果は、この実施形態例の２層ＩＴＯベースの透明電極が、類似の光学的性質を有していることを示す。したがって、そのことが、ＩＴＯベースのカソードを有機エレクトロニクスへの応用に合わせて最適化する際の自由度をもたらし得る。

この実施形態例の２層ＩＴＯカソードは、上面発光型ＯＬＥＤおよび半透明有機光起電力セルに応用することができる。高性能２層ＩＴＯ電極は、電極の横方向の導電性を向上させることができる。２層ＩＴＯ電極は、上面発光型ＯＬＥＤにおける光出力、およびＰＶシステム内のサブユニット有機ＰＶセル、例えば半透明有機ＰＶセルの総透過性を向上させるための、屈折率整合層として機能することもできる。

図８は、別の実施形態例における上面発光型ＯＬＥＤ８０２を示す概略図である。ＯＬＥＤ８０２は、トリス−（８−ヒドリキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ_３）ベースの上面発光型ＯＬＥＤである。ＯＬＥＤ８０２は、ガラス／ＩＴＯ／Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（ＮＰＢ）／クマリン５４５：Ａｌｑ_３／Ａｌｑ_３／ＬｉＦ／Ａｌ／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５からなる構造を有し、ただしＮＰＢは正孔輸送層であり、クマリン５４５：Ａｌｑ_３／Ａｌｑ_３はそれぞれ、発光層および電子輸送層として働き、ＬｉＦ／Ａｌ／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５は、上部カソードである。

この実施形態例では、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１〜５ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５からなる薄膜積層体が、上面発光型ＯＬＥＤ８０２内の上部カソード８０４として使用される。８０６の極薄ＬｉＦ／Ａｌ層は、８０８の有機／カソード界面で電子注入コンタクトとして働く。２層ＩＴＯカソード８０４は、Ｉｎ_２Ｏ_３とＳｎＯ_２が９：１の重量比にある６″の酸化ＩＴＯターゲットを用いたＤＣ／ＲＦスパッタを使用して堆積される。スパッタリングチャンバ内のベース圧力は、約２×１０^−４Ｐａ未満に維持される。スパッタリングガスの全圧は、約３×１０^−１Ｐａで一定に維持された。堆積プロセスは室温で実施され、すなわち、基板は膜堆積中または膜堆積後に加熱されない。バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５ ＩＴＯ電極の組合せは、約９０Ω／スクエア（図５を比較されたい）のシート抵抗を有する。

バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０の厚さを有するＩＴＯカソードが、有機エレクトロニクスに適していないことを確認するために、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０層構造を備えるサンプルを調査した。得られた結果（図示せず）は、上部カソードとしてのＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０構造を有するＯＬＥＤが、短絡することを示していた。これは、バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０電極を約１００ＷでのＲＦマグネトロンスパッタリングによって作製することにより、下にある有機材料に対して損傷が生じるためである。したがって、結果は、ほとんど損傷のないバッファＩＴＯ層が好ましいことを示している。

次に、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５からなるカソード構造を有するＯＬＥＤとバッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０からなるカソード構造を有するＯＬＥＤを比較する。

図９は、１組の上面発光型ＯＬＥＤについて測定した、電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。この実施形態例では、これらのＯＬＥＤは、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５カソード、およびＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０カソードを備える。

図１０は、この実施形態例においてＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５カソード、およびＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（１．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０カソードを伴って形成された該１組の上面発光型ＯＬＥＤについて測定した、輝度Ｌ（ｃｄ／ｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。

図９および１０によると、２タイプの上部カソード構造を有する上面発光型ＯＬＥＤは、類似のＪ−ＶおよびＬ−Ｖ特性を有する。しかし、図５および６を参照すると、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造を備える傾斜電極の方が、バッファＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０構造を備える傾斜電極よりも、デバイス応用向けの上部透明電極として一層優れた選択肢である。というのも、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造の導電性は、ＩＴＯ_６０／キャッピングＩＴＯ_０ ＩＴＯ構造のそうした特性に比べて高く、また安定しているためである。

バッファ層なしのＩＴＯ電極に対するこれらの実施形態例の２層電極の性能を調査する上で、一般に、金属（例えばアルミニウム）中間層の厚さを増加させると、後続のスパッタリングにより引き起こされる、有機層に対する損傷を抑制できることに留意されたい。しかし、厚い金属中間層は典型的に、内面反射の増加のため、上部電極側からの光出力の減少を引き起こすことが理解されよう。

別の実施形態例では、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０構造が、アルミニウム層の厚さが５．０ｎｍを上回る場合に、上面発光型ＯＬＥＤ内の上部カソードとして機能できることが分かる。この実施形態例では、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０カソード構造を備える上面発光型ＯＬＥＤと、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５カソード構造を備える上面発光型ＯＬＥＤを比較する。

図１１は、電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。図１２は、輝度Ｌ（ｃｄ／ｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。図１１および１２から、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０構造を伴って形成された上面発光型ＯＬＥＤと、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造を伴って形成された上面発光型ＯＬＥＤは、類似または同等のＪ−ＶおよびＬ−Ｊ特性を有することが観測される。

図１３は、発光効率（ｃｄ／Ａ）対電流密度（ｍＡ／ｃｍ^２）のグラフである。図１４は、正規化輝度対動作時間（時間）のグラフである。

ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０構造を備えるＯＬＥＤは、ＬｉＦ（０．３ｎｍ）／Ａｌ（５．０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造を伴って作製された、構造的に同一の上面発光型ＯＬＥＤ（数字１３０４および１４０４を参照されたい）に比べて、低い発光効率（数字１３０２を参照されたい）を有し、また経時的輝度がそれほど安定していない（数字１４０２を参照されたい）ことが観測される。この性能の差は、バッファＩＴＯ_０／キャッピングＩＴＯ_６０を約１００ＷでのＲＦマグネトロンスパッタリングによって作製することにより引き起こされる、下にある有機材料に対する部分的な損傷に帰することができる。

したがって、これらの実施形態例では、例えばバッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造を備える傾斜ＩＴＯカソードが、上面発光型ＯＬＥＤへの応用に適していることが実証されている。

ＯＬＥＤに関する上記の実施形態例を説明した後は、光起電力（ＰＶ）セルについて以下の説明の中で論じる。

薄膜有機ＰＶセルは、低コスト発電を行うことができる。ＰＶデバイス内で活性構成要素として機能する有機半導体には、広い表面積、コスト効果、化学的堅固性、および機械的可撓性の点からを含めて利点がある。太陽スペクトルの限られた吸収性、および比較的低い開放電圧が、現在の有機ＰＶセルの効率を制限し得る２つの要因であることに留意されたい。したがって、光起電力応用に適した低バンドギャップ有機半導体材料を探ることに加えて、有機ＰＶセルの性能を向上させる１つの方法が、タンデム構造を使用することであることが認識されている。タンデムＰＶセルは、半透明カソードを用いてサブセルを積層することにより形成することができる。有機ＰＶセル内に高性能半透明カソードがあることも望ましい。

図１５は、別の実施形態例の有機光起電力（ＰＶ）デバイス１５０２の概略図である。デバイス１５０２は、セミポリマーＰＶセルであり、次の構造、ガラス／ＩＴＯ／ポリ（スチレンスルホン酸）をドープしたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）（４０ｎｍ）／ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）：１−（３−メトキシカルボニル）−プロピル−１−フェニル−（６，６）Ｃ６０（ＰＣＢＭ）（７５ｎｍ）／Ｃａ（１０ｎｍ）／Ａｇ（１０ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５を有する。したがって、デバイス１５０２は、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造１５０４を上部透明電極の一部として備える。

２層ＩＴＯ構造１５０４がデバイス１５０２の性能に及ぼす影響を調査するために、ガラス／ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ（４０ｎｍ）／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ（７５ｎｍ）／Ｃａ（１０ｎｍ）／Ａｇ（１００ｎｍ）というデバイス構成を有する対照デバイス（図示せず）が作製される。この対照デバイスは、バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５構造１５０４の代わりに、厚さ約１００ｎｍのＡｇを含む電極を有することに留意されたい。

図１６は、入射光子／電流効率（ＩＰＣＥ）対波長（ｎｍ）のグラフである。プロット１６０２はデバイス１５０２の性能を示し、プロット１６０４は対照デバイスの性能を示す。

図１７は、デバイス１５０２および対照デバイスについて、約１００ｍＷ／ｃｍ^２の擬似エアマス（ＡＭ１．５）照度下で測定した、光電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。プロット１７０２は、デバイス１５０２の「暗」条件でのＪ−Ｖ特性を示し、プロット１７０４は、デバイス１５０２のＡＭ１．５条件でのＪ−Ｖ特性を示す。プロット１７０６は、対照デバイスの「暗」条件でのＪ−Ｖ特性を示し、プロット１７０８は、対照デバイスのＡＭ１．５条件でのＪ−Ｖ特性を示す。

以下の表２は、対照デバイスおよびＰＶデバイス１５０２の性能を表にまとめたものである。

ＦＦは曲線因子であり、ＰＣＥは電力変換効率である。

表から分かるように、ＰＶデバイス１５０２は、約４８％の外部量子効率および約１．２３％の変換効率を示している。表２に示すように、半透明ＰＶセルまたはデバイス１５０２は、同等のＦＦを生じるが、対照デバイスについて測定された約８．２２ｍＡ／ｃｍ^２の短絡電流密度（Ｊｓｃ）に比べて相対的に低い約５．８ｍＡ／ｃｍ^２の短絡電流密度（Ｊｓｃ）を生じる。入射光の４０％超（図３を比較されたい）が上部傾斜ＴＣＯ電極または構造１５０４の中を透過するため、半透明ポリマーＰＶセルまたはデバイス１５０２において光電流密度がわずかに減少すると予想される。

ＰＶセルに関する上記の実施形態例を説明した後は、タンデム有機太陽セルについて以下の説明の中で論じる。

タンデム有機太陽セルでは、１つ１つの太陽セルを非常に薄くすることができる（約２０〜４０ｎｍ）。これには、電荷輸送に対する、次のことを含む利点がある。タンデムＰＶセルの開放電圧を増加させることができる。太陽スペクトルの異なる部分に応答する２つ以上の異なる太陽セルを積層することにより、タンデム有機ＰＶセルが太陽スペクトルを十分に利用できる。

別の実施形態例では、バッファＩＴＯ／キャッピングＩＴＯタイプの傾斜構造などの高性能傾斜透明導電性材料構造が、薄膜タンデム太陽セル内の電荷再結合中間層として使用される。

これらの実施形態例の透明導電性材料傾斜構造の用途には、タンデム太陽セル、または光透過性かつ導電性の層を利用する他の任意の有機／無機機能デバイス内の、アノード、カソード、および／または電荷再結合ゾーンがある。

図１８は、この実施形態例におけるタンデム太陽セルを示す概略図である。タンデム太陽セル１８０２は、次の構造、ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ（７５ｎｍ）／Ｃａ（５ｎｍ）／Ａｇ（５ｎｍ）／バッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ（２００ｎｍ）／Ｃａ（２０ｎｍ）／Ａｇ（２００ｎｍ）を有する。したがって、タンデム太陽セル１８０２は、バッファＩＴＯ／キャッピングＩＴＯからなる電荷再結合用の傾斜ＩＴＯ中間層１８０４を備える。

図１９は、タンデム太陽セル１８０２についてのＩＰＣＥ（％）対波長（ｎｍ）のグラフである。図２０は、タンデム太陽セル１８０２についての光電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）対電圧Ｖ（Ｖ）のグラフである。

以下の表３は、タンデム太陽セル１８０２の性能を表にまとめたものである。

したがって、タンデムポリマーＰＶセル１８０２の主要な結果は、単接合半透明ＰＶセル（例えば図１５のデバイス１５０２を参照されたい）について測定された約０．５Ｖの開放電圧に比べて、向上した約０．８Ｖの開放（Ｖｏｃ）電圧を示している。

図２１は、一実施形態例における光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法を示す概略フローチャート２１００である。ステップ２１０２において、第１の透明導電性材料層が、第１のプロセス条件を用いて形成される。ステップ２１０４において、直接第１の層上に、少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成される。ステップ２１０６において、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、第１の層が、光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する。

上記の実施形態例では、剛性または可撓性の不透明または透明基板ベースと、前記基板の上に形成された無機および／または有機機能層からなる積層体と、無機および／または有機機能層からなる積層体の上に形成された有機または無機の正孔／電子−インジェクタ／コレクタと、有機または無機の正孔／電子−インジェクタ／コレクタの上に形成された２層または多層ＴＣＯベースの透明電極と、封止層とを備える、有機および／または無機デバイスを形成することができる。

透明基板は、ガラス、またはＯＬＥＤ／ポリマーＯＬＥＤ（ＰＬＥＤ）への応用に適した浸透バリア層付きの透明なプラスチック箔とすることができる。不透明（ｏｐａｑｕｅ）基板は、ベア基板でも、有機および無機機能材料の表面でもよい、不透明（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）な無機および有機基板とすることができる。２層または多層ＴＣＯ材料は、溶液法および真空法によって室内プロセス温度以上にて形成することができる。

傾斜ＴＣＯベースの透明電極は、用途に応じて、導電性および光結合層を形成することができる。ＴＣＯベースの電極は、下にある機能層に対する起こり得る損傷を防ぐためのバッファ層を備えることができる。透明電極材料は、溶液または真空膜作製法により形成される酸素欠乏ＴＣＯから選択される。この材料は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛アルミニウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物、スズ酸化物、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、ならびに有機および／または無機デバイス内で透明または半透明電極として使用するのに適した他の材料からなる群から選択することができる。これらの材料は個々に、または異なる材料の組合せで使用することができる。

ＴＣＯ層の厚さは調整することができる。電子インジェクタは、低仕事関数金属または金属合金から形成することができる。低仕事関数金属および金属合金は、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｍｇからなる群から選択される。電子インジェクタは、ＬｉＦ／ＡｌまたはＣｓＦ／ＡｌまたはＭｇ／ＡｇまたはＣａ／Ａｇの薄い２層から形成することができる。

上述の実施形態例は、反転型ＯＬＥＤ、上面発光型ＯＬＥＤ、半透明ポリマー光起電力（ＰＶ）セル、タンデム構造ＰＶセル、および透明導電性層（複数可）を利用する、無機／有機ダイオード、トランジスタ、またはデバイスの積層体を備えた機能構成要素用のバッファＩＴＯ_４５／キャッピングＩＴＯ_１５ ２層ＩＴＯ構造を形成することができる。本発明者らは、光活性層内での集光性、ならびにタンデム構造薄膜光起電力デバイス内でのサブユニット太陽セルの透過性を向上させるために、ＴＣＯベースの半透明カソードをさらに最適化できることを認識している。

それらの実施形態例の傾斜ＴＣＯ電極は、発光型および非発光型フラットパネルディスプレイ、有機光電装置、無機光電装置、およびハイブリッド光電装置、センサ、ヒートミラー、静電遮蔽、透明ダイオード、透明トランジスタ、透明回路、ならびに他の光電子応用における透明接点または透明導電性電極として使用することができる。傾斜ＴＣＯ電極は、メモリデバイス、ＴＣＯベースのｐ−ｎ接合部、電気接点、透明回路、ＯＬＥＤ／ポリマーＬＥＤ（ＰＬＥＤ）ディスプレイ、自動車の指示計器／ディスプレイ、屋外用計器ディスプレイ、看板または広告表示板、屋外用ＰＣモニタおよびＴＶモニタでも使用することができ、またフレキシブルＯＬＥＤ（ＦＯＬＥＤ）、有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）などを含む有機エレクトロニクスでも使用することができる。

上記の実施形態例は、下にある有機材料に実質的に損傷を与えずに、低い処理温度にて、平滑な表面、高導電性、高光透過性を有する高品質ＴＣＯベースの電極を形成することができる。透過性および導電性に加えて、それらの実施形態例は、新規の堆積設備の追加を必要としない、またプレまたはポストアニールを必要としないなどの、他の利点をもたらすことができる。それらの実施形態例はまた、大面積の剛性および可撓性基板向けに使用するのに適切となり得る。

それらの実施形態例により、増加したＶ_ｏｃ、より良好な電荷輸送特性を得るためのより薄い活性層、および太陽スペクトル内での幅広いスペクトル応答を有する、タンデムＯＰＶセルが得られるようになる。それらの実施形態例により、例えば屈折率整合および電流拡がりによる高い導電性および光透過性を有し、電気的短絡を低減させるための平滑な表面を有し、下にある層に損傷を与えずに大きな堆積速度を有し、空気中で安定しており、スケーラブルで低コストのプロセスにおいて生産することのできる、ＴＯＬＥＤまたは半透明ＯＰＶセルが得られるようにもなる。

上記の実施形態例では、傾斜ＩＴＯ膜が、高導電性および可視光波長領域全体にわたる高光透過性というその好ましい特性のため使用される。ＩＴＯを堆積させるための技法として、マグネトロンスパッタリングが説明されている。というのも、この技法には、均一なＩＴＯ膜を再現可能に作製するという利点があるためである。ＤＣ／ＲＦマグネトロンスパッタリングの反応性形態と非反応性形態をどちらも、膜作製に使用することができる。マグネトロンスパッタリングはまた、高品質ＩＴＯ膜の作製が可能であると思われる。さらに、ＩＴＯ膜を、それらに限定されないが、熱蒸着堆積、電子ビーム蒸着、噴霧熱分解、化学気相成長、浸漬コーティング技法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法、非平衡マグネトロンスパッタリング、ならびにさまざまな物理堆積方法および化学堆積方法を含む、他の技法によって作製することもできることが理解されよう。これらの堆積方法は、上記の実施形態例において説明したマグネトロンスパッタリング技法と同様に、第１の透明導電性材料層を用いて、光透過性デバイスに対する、堆積により引き起こされる悪影響が低減するように、また光透過性デバイスにとって所望の膜品質を、光透過性デバイス用導電性構造の少なくとも１つの他の透明導電性材料層内にもたらすことができるように、制御／選択することのできるプロセス条件を有することが理解されよう。こうしたプロセス条件は、それらに限定されないが、温度および堆積電力を含む。

説明した実施形態例には、単一堆積プロセスまたは異なる作製技術の組合せを用いるなどの作製上の柔軟性があってよい。

さらに、説明した実施形態例は、ＩＴＯの使用に限定されるのではなく、ＳｎＯ_２、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、および有機エレクトロニクスに適した他の透明導電性材料を含めて、他の酸化物材料を含むことができることが理解されよう。それらの実施形態例は、導電性ポリマー／有機物、透明導電性窒化物、および他の透明導電性材料の使用を含むこともできる。これらの材料は個々に、または異なる材料の組合せで使用することができる。

広範に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の実施形態において示した本発明に多数の変更および／または修正を加えることができることが、当業者には理解されよう。したがって、本実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、制限するものではないと見なされる。

Claims (28)

1. 光透過性デバイス用導電性構造であって、
   第１のプロセス条件を用いて形成される第１の透明導電性材料層と、
   直接前記第１の層上に形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層であって、前記第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成される少なくとも１つの他の透明導電性材料層とを備え、
   前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、前記第１の層が、前記光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する、構造。
2. 前記第１のプロセス条件が、第１の堆積電力および第１の堆積温度を有し、
   前記第２のプロセス条件が、第２の堆積電力および第２の堆積温度を有し、
   前記第１の堆積電力、前記第１の堆積温度、および前記第２の堆積温度がそれぞれ、温度および堆積電力により引き起こされる、前記光透過性デバイスに対する悪影響が低減するように選択され、
   前記第２の堆積電力が、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の所望の膜品質をもたらすように選択される、請求項１に記載の構造。
3. １つまたは複数の金属層をさらに備え、前記第１の層が前記金属層の上に形成される、請求項１または２に記載の構造。
4. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された前記第１の層が共に、前記デバイスの光出力を向上させるための屈折率整合構造として機能する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造。
5. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された前記第１の層が共に、前記デバイスの電流拡がりを向上させるように機能する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造。
6. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、物理堆積技法、化学堆積技法、または両方を用いて形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造。
7. 前記第１の層が、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される、請求項６に記載の構造。
8. 前記第１の堆積電力が約１０Ｗの電力である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造。
9. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の構造。
10. 前記第２の堆積電力が約１００Ｗの電力である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の構造。
11. 前記第１の層の堆積中の基板温度が、約６０℃以下である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の構造。
12. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の堆積中の前記基板温度が、約６０℃以下である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の構造。
13. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層がそれぞれ、ＳｎＯ_２、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、および他の透明導電性材料からなる群から選択される、１種または複数種の材料を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の構造。
14. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、同じ透明導電性材料を含む、請求項１３に記載の構造。
15. 光透過性デバイス用導電性構造を形成する方法であって、
    第１の透明導電性材料層を、第１のプロセス条件を用いて形成すること、
    直接前記第１の層上に、少なくとも１つの他の透明導電性材料層を、前記第１のプロセス条件とは異なる第２のプロセス条件を用いて形成すること、を含み、
    前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の形成中に、前記第１の層が、前記光透過性デバイスに対する悪影響を低減させるためのバッファ層として機能する、方法。
16. 前記第１のプロセス条件が、第１の堆積電力および第１の堆積温度を有し、
    前記第２のプロセス条件が、第２の堆積電力および第２の堆積温度を有し、
    前記方法がさらに、
    前記第１の堆積電力、前記第１の堆積温度、および前記第２の堆積温度をそれぞれ、温度および堆積電力により引き起こされる、前記光透過性デバイスに対する悪影響が低減するように選択すること、ならびに
    前記第２の堆積電力を、前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の所望の膜品質をもたらすように選択することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. １つまたは複数の金属層を設けること、および前記第１の層を前記金属層の上に形成することをさらに含む、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された前記第１の層が共に、前記デバイスの光出力を向上させるための屈折率整合構造として機能する、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層と、それが上に形成された前記第１の層が共に、前記デバイスの電流拡がりを向上させるように機能する、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、物理堆積技法、化学堆積技法、または両方を用いて形成される、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記第１の層が、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１の堆積電力が約１０Ｗの電力である、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングを用いて形成される、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記第２の堆積電力が約１００Ｗの電力である、請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記第１の層の堆積中の基板温度が、約６０℃以下である、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層の堆積中の基板温度が、約６０℃以下である、請求項１５〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層がそれぞれ、ＳｎＯ_２、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、および他の透明導電性材料からなる群から選択される、１種または複数種の材料を含む、請求項１５〜２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記第１の層、および前記少なくとも１つの他の透明導電性材料層が、同じ透明導電性材料を含む、請求項２７に記載の方法。

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