JP4160992B2 - シミュレーション・システム、コンピュータ装置、シミュレーション方法、およびプログラム - Google Patents
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Description
J. Staudigel et al.,"A quantitative numerical model of multilayer vapor-deposited organic light emitting diodes", J. Appl. Phys., vol.86 p3895 (1999). C. Lee et al., "Numerical Simulation of Electrical and Optical Characteristics of Multilayer Organic Light-emitting Devices", J. Jpn. Appl. Phys., vol.43 p7560(2004). K. B. Kahen, "Rigorous optical modeling of multilayer organic light-emitting diode devices", Apply. Phys. Lett., vol.78 p1649 (2001).
図1は、シミュレーション・システム10の実施形態を示す。図1に示したシミュレーション・システム10は、概ねパーソナル・コンピュータまたはワークステーションなどのコンピュータ装置34として構成されている。図1に示したコンピュータ装置34は、中央処理装置(CPU)12と、CPU12が使用するデータの高速アクセスを可能とするL1およびL2などのレベルを有するキャッシュ・メモリ14と、CPU12の処理を可能とするRAM、DRAMなどの固体メモリ素子から形成されるシステム・メモリ16とを備えている。
Device Electronics)/SCSI(Small Computer System Interface)/ATAPI(AT Attachment
Packet Interface)などの適切なインタフェース52を介してハードディスク装置30に構成されたデータベースなどの記憶領域30bから光学特性データを読込んで実行する。また、コンピュータ装置34は、実行結果を、中間データとして参照されるデータ・セットとして、またデバイス特性計算結果としてハードディスク装置30の適切な記憶領域に格納する。
Method Invocation)またはCORBA(Common Object Request Broker Architecture)などの分散コンピューティング基盤を構成する分散コンピューティング・サーバとして実装することができる。
図3は、本実施形態にしたがってシミュレーション・システム10が実行する処理のフローチャートを示す。図3に示した処理は、ステップS100から開始する。なお、図3に示した処理は、ステップS108〜ステップS110が光学計算モジュール40が実行する処理であり、ステップS108〜ステップS110を除いた処理が、キャリア計算モジュール42、エキシトン拡散計算モジュール44およびデバイス特性計算モジュール46が実行する処理に対応する。また、図3の実施形態では、光学計算モジュール40は、他のモジュールの計算を並列的に実行されるものとして説明する。しかしながら、他の実施形態では、光学計算モジュール40は、他のモジュールが使用する第1〜第4データ・セットを含む中間データをまず計算させる必要があるので、他の機能モジュールよりも先に実行させ、中間データを準備しておくこともできる。
<III−1:キャリア計算モジュール>
以下、本実施形態の各計算モジュールの処理について詳細に説明する。キャリア輸送計算モジュール42は、発光デバイスの構成要素である各層の材料の電子物性値を読出して、与えられた電極間電圧に対する、電子および正孔の濃度分布を求め、それらキャリアの再結合速度UL(r)を計算する。キャリアの再結合速度UL(r)は、通常1/(sec・m3)の単位が使用され、後述するエキシトン拡散計算モジュール44の計算に用いられる。なお、キャリア輸送計算モジュール42の出力項目は、上記のキャリアの再結合速度以外に、ポテンシャル、電界強度、電流、電子およびホールの濃度分布などを含むものとされる。
光学計算モジュール40は、デバイスを構成する各層の屈折率や関与する各エキシトンの放射強度スペクトルなどの光学データを取得し、光取出し効率、光−電気エネルギー変換特性を反映する電力因子、測光量、その他のデータ・セットを計算する。計算されるデータ・セットは、以下に示す四つのグループに分類され、それぞれのデータ・セットを計算するため、ソフトウェアを使用して計算手段が提供されている。
光取出し効率は、1次元多層構造として簡略化して説明すると、下記式(1)で定義される。なお、3次元デバイスへの拡張は、カーテシアン座標(x、y、z)系、極座標系、またはデバイス構成に応じて円柱座標系を使用することで行うことができる。
放射電力因子は、与えられたエキシトンが放射する電力であり、位置だけの関数として次式で定義された全放射電力因子ηte(r)および上半球への放射電力因子ηue(r)として与えられる。これらは、下記式(2)により、第1データ・セットの属する光取出し効率γueおよびγteを波長積分して得られる。これらの放射電力因子は、元の光取出し効率と同じ単位となる。なお、波長積分は、波長領域にわたる積分を行うことを意味し、これまで知られたいかなる手法を使用して行うこともできる。例えば、積分対象となる関数が、波長で差分化された配列データとして与えられる場合には、配列データの総和から求めることができる。
第3データ・セットは、単位時間当たりひとつのエキシトンが放射失活した場合に発生する放射光に対する測定可能量として定義され、本発明において、測光量として参照する。なお、各変数値は、以下の物理量を与え、それぞれ下記式(4)で与えられる。
○I(r):正面方向での光度
○x(r)およびy(r):CIE1931色空間における色度座標値(色空間座標値)
○Φ(r):上半球へ放射される全光束
なお、I(r)およびΦ(r)の単位は、それぞれlm/sr・sec=cd・sec、およびlm・secである。
第4のデータ・セットには、下記式(5)で定義される光取出し効率を含めたエキシトンの放射エネルギー・スペクトルSne(r、λ)が含まれ、Sne(r、λ)は、デバイス特性計算モジュールで正面方向の放射強度スペクトル(エネルギーの次元を有する)を計算するのに用いられる。
エキシトン拡散計算モジュールは、エキシトンの生成および失活を、拡散方程式を使用して計算する。本実施形態では、下記式(6)で拡散方程式を定式化する。
デバイス特性計算モジュール46は、光学計算モジュール40およびエキシトン拡散計算モジュール44が計算したエキシトンの放射失活速度Uc(r)を用いて、光学計算モジュール40で出力された各項目を深さzで積分し、以下のようなデバイスの発光特性および量子効率を含む発光デバイス特性を計算する。また、他の実施形態では、Uc(r)の計算は、エキシトン拡散計算モジュール44で行わず、デバイス特性計算モジュール46で発光特性および量子効率の計算に先立って計算させておくこともできる。
(1)発光特性
発光特性は、発光デバイスの発光特性のうち、下記式(9)により計算する。すなわち、発光特性は、発光デバイスの正面方向の放射光について計算を行う。
以下、本発明によるシミュレーション・システム10を使用した、発光デバイスのシミュレーションを具体的な実施例をもって説明するが、本発明は後述する実施例に限定されるものでもない。
上述したシミュレーション・システム10を、コンピュータ装置上に実現するプログラムを作成し、作成した発光デバイスの実測特性と比較して、シミュレーション・システムの評価を行った。
(1)光学特性
キャリア輸送計算モジュールとエキシトン拡散計算モジュールで計算されたキャリア濃度(正孔:◇、電子:+)およびエキシトン濃度(□)の陽極界面からの深さ(Displacement)についてプロットした結果を図12に示す。図12に示すように、エキシトン濃度は、光学計算モジュール40の出力である全放射電力因子ηte(r)から求めた全失活速度因子ηtc(r)を、式7に従い、実質的なエキシトン寿命因子として計算した。また、図12に示されたエキシトン濃度は、エキシトンの放射失活速度に変換され、それを用いてデバイス特性計算モジュールでの最終的な処理が行われる。図12に示すように正孔輸送層96と発光層94との間の界面で正孔−電子が再結合し、エキシトン濃度が最大となっていることが示されている。
以下、デバイス特性計算モジュール46により計算される発光特性および量子効率について、光学計算モジュール40により計算される全放射電力因子が与える影響を検討した。図16は、デバイス特性計算モジュール46で計算されるデバイスの発光特性および量子効率をテーブルとして示す。デバイスのシミュレーション条件は、図11の構成を使用し、印加電圧を、4Vを設定するものとしてシミュレーションを実行した。この結果、有機ELデバイス90に供給される電流密度を、11.2mA/cm2とした。
Claims (18)
- 有機エレクトロルミネッセンス・デバイスの発光特性および量子効率をシミュレーションするシミュレーション・システムであって、前記システムは、
前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算し、キャリア再結合速度をエキシトン生成速度として記憶装置に格納する輸送計算手段と、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを読み出して、前記デバイスの内部のエキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含むデータ・セットを計算し、さらに色空間を規定する色空間データを読み出して、前記エキシトンの放射光に対する測定可能量の前記位置座標の関数として定義される測光量を含むデータ・セットを計算し、記憶装置に格納する光学計算手段と、
前記エキシトン生成速度および前記全放射電力因子のデータ・セットを読出し、前記全放射電力因子を用いて無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子を算出して、エキシトン濃度の空間プロファイルを計算する拡散計算手段と、
前記測光量のデータ・セットと、前記エキシトン濃度から計算される放射失活速度とを使用して、キャリア再結合により生成するエキシトンの発光による前記デバイスの発光特性および量子効率を計算するデバイス特性計算手段と
を含む、シミュレーション・システム。 - 前記シミュレーション・システムは、前記デバイスの構成を規定する前記光学データ、キャリアの特性を規定する電気データ、および前記エキシトンの特性を規定するエキシトン・データを管理するデータベースを含み、前記輸送計算手段、前記光学計算手段、または前記拡散計算手段は、前記各データベースから前記光学データ、前記電気データ、または前記エキシトン・データをそれぞれ読出して計算を実行する、請求項1に記載のシミュレーション・システム。
- 前記拡散計算手段は、前記エキシトンが無輻射失活する発光量子効率を使用して前記エキシトン濃度を計算する手段を含む、請求項1に記載のシミュレーション・システム。
- 前記エキシトン濃度から、前記エキシトンの放射失活速度を計算する、放射失活速度計算手段を含む、請求項1に記載のシミュレーション・システム。
- 前記拡散計算手段または前記デバイス特性計算手段は、前記放射失活速度計算手段を含む、請求項4に記載のシミュレーション・システム。
- 有機エレクトロルミネッセンス・デバイスの光学特性を計算するコンピュータ装置であって、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを管理するデータベースと、
前記データベースから前記光学データを読出して前記デバイスの発光面に平行な双極子モーメントの割合を計算し、波長および前記デバイスの内部での位置座標の関数として定義され前記発光面に向けて放出される光の光取出し効率を与える第1データ・セットを計算し、光学特性として記憶装置に格納する光取出し効率計算手段と、
前記光取出し効率とエキシトンの放射強度スペクトルとを波長領域にわたり総和して、前記デバイスの内部の前記エキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の前記位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含む第2データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に、前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算して求められたキャリア再結合速度をエキシトン生成速度とし前記全放射電力因子を用いた無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子の計算を含めエキシトン濃度の空間プロファイルを計算する拡散計算手段が使用できるように読出し可能に格納する放射電力因子計算手段と、
前記第1データ・セットのデータおよび色空間データを使用して、前記位置座標の関数として色空間の色空間座標値を含む第3データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に格納する測光量計算手段と、
を含むコンピュータ装置。 - さらに、フレネル係数を使用して多層膜構造での反射データを含む第4データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶手段に格納する多層特性計算手段を含む請求項6に記載のコンピュータ装置。
- さらに、光学特性として、前記第3データ・セットを波長領域にわたり総和して前記第3データ・セットから前記デバイスの位置座標での発光特性を計算する手段を含む、請求項6に記載のコンピュータ装置。
- コンピュータ装置が実行する有機エレクトロルミネッセンス・デバイスの発光特性および量子効率のシミュレーション方法であって、前記方法は、
前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算し、キャリア再結合速度をエキシトン生成速度として記憶装置に格納するステップと、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを読み出して、前記デバイスの内部のエキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含むデータ・セットを計算し、さらに色空間を規定する色空間データを読み出して、前記エキシトンの放射光に対する測定可能量の前記位置座標の関数として定義される測光量を含むデータ・セットを計算し、記憶装置に格納するステップと、
前記エキシトン生成速度および前記全放射電力因子のデータ・セットを読出し、前記全放射電力因子を用いて無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子を算出して、エキシトン濃度の空間プロファイルを計算するステップと、
前記測光量のデータ・セットと、前記エキシトン濃度から計算される放射失活速度とを使用して、キャリア再結合により生成するエキシトンの発光による前記デバイスの発光特性および量子効率を計算するステップと
を前記コンピュータ装置に実行させる、シミュレーション方法。 - 前記エキシトン濃度の空間プロファイルを計算するステップは、
前記記憶装置に格納された前記全放射電力因子を読出して前記エキシトンの生成速度を含む連立微分方程式を数値解析して前記エキシトン濃度の空間プロファイルを計算するステップと、
前記エキシトン濃度を前記デバイス内の位置座標に対応させ、前記エキシトンの放射失活速度を計算するために前記記憶装置に配列データとして格納するステップを含む、請求項9に記載のシミュレーション方法。 - 前記エキシトン濃度の空間プロファイルを計算するステップは、前記エキシトンが無輻射失活する発光量子効率を使用して前記エキシトン濃度を計算するステップを含む、請求項9に記載のシミュレーション方法。
- コンピュータ装置に対し、有機エレクトロルミネッセンス・デバイスの光学特性を計算させるシミュレーション方法であって、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを管理するデータベースから、前記光学データを読出して前記デバイスの発光面に平行な双極子モーメントの割合を計算するステップと、
波長および前記デバイスの内部での位置座標の関数として定義され前記発光面に向けて放出される放射光の割合を計算して光取出し効率を与える第1データ・セットを計算し、光学特性として記憶装置に格納するステップと、
前記光取出し効率とエキシトンの放射強度スペクトルとを波長領域にわたり総和して、前記デバイスの内部の前記エキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の前記位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含む第2データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に、前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算して求められたキャリア再結合速度をエキシトン生成速度とし前記全放射電力因子を用いた無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子の計算を含めエキシトン濃度の空間プロファイルを計算する拡散計算手段が使用できるように読出し可能に格納するステップと、
前記第1データ・セットのデータを前記記憶装置から読出し、色空間を規定する色空間データを使用して、前記位置座標の関数として色空間の色空間座標値を含む第3データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に格納するステップと
を前記コンピュータ装置に実行させる、シミュレーション方法。 - さらに、光学特性として、前記第3データ・セットを波長領域にわたり総和して前記第3データ・セットから前記デバイスの位置座標での発光特性を計算するステップを前記コンピュータ装置に実行させる、請求項12に記載のシミュレーション方法。
- ネットワークを介して有機エレクトロルミネッセンス・デバイスのシミュレーション要求を受領し、シミュレーション結果を前記ネットワークを介して送信する通信手段と、
前記シミュレーション要求に含まれるシミュレーションに使用するためのパラメータ・セットを抽出し、前記デバイスの光学特性を計算するコンピュータ装置とを含むシミュレーション・システムであって、前記コンピュータ装置は、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを管理するデータベースと、
前記データベースから前記光学データを読出して前記発光デバイスの発光面に平行な双極子モーメントの割合を計算し、波長および前記デバイスの内部での位置座標の関数として定義され前記発光面に向けて放出される光の光取出し効率を与える第1データ・セットを計算し、光学特性として記憶装置に格納する光取出し効率計算手段と、
前記光取出し効率とエキシトンの放射強度スペクトルとを波長領域にわたり総和して、前記デバイスの内部の前記エキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の前記位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含む第2データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に、前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算して求められたキャリア再結合速度をエキシトン生成速度とし前記全放射電力因子を用いた無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子の計算を含めエキシトン濃度の空間プロファイルを計算する拡散計算手段が使用できるように読出し可能に格納する放射電力因子計算手段と、
前記第1データ・セットのデータおよび色空間データを使用して、前記位置座標の関数として色空間の色空間座標値を含む第3データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶装置に格納する測光量計算手段と
を含む、シミュレーション・システム。 - さらに、フレネル係数を使用して多層膜構造での反射データを含む第4データ・セットを計算し、光学特性として前記記憶手段に格納する多層特性計算手段を含む請求項14に記載のシミュレーション・システム。
- さらに、光学特性として、前記第3データ・セットを波長領域にわたり総和して前記第3データ・セットから前記デバイスの位置座標での発光特性を計算する手段を含む、請求項14に記載のシミュレーション・システム。
- 請求項9〜13のいずれか1項に記載のシミュレーション方法をコンピュータに対して実行させるコンピュータ実行可能なプログラム。
- 有機エレクトロルミネッセンス・デバイスの発光特性および量子効率をシミュレーションするシミュレーション・システムであって、前記システムは、
前記デバイスの発光層を含む各層の特徴を規定する光学データを管理するデータベースと、
前記デバイスの陽極および陰極から供給され輸送されるキャリアの濃度分布を計算し、キャリア再結合速度をエキシトン生成速度として記憶装置に格納する輸送計算手段と、
前記データベースから前記光学データを読出して前記デバイスの発光面に平行な双極子モーメントの割合を計算し、波長および前記デバイスの内部での位置座標の関数として定義され前記発光面に向けて放出されるエキシトンの放射光の光取出し効率を与える第1データ・セットを計算し、記憶装置に格納する光取出し効率計算手段と、
前記光取出し効率とエキシトンの放射強度スペクトルとを波長領域にわたり総和して、前記デバイスの内部の前記エキシトンが光放射により失活する際に必要とされる電力の前記位置座標の関数として定義される全放射電力因子を含む第2データ・セットを計算し、前記記憶装置に格納する放射電力因子計算手段と、
前記第1データ・セットのデータおよび色空間データを使用して、前記エキシトンの放射光に対する測定可能量の位置座標の関数として定義される測光量を含む第3データ・セットを計算し、前記記憶装置に格納する測光量計算手段と、
前記エキシトン生成速度および前記第2データ・セットを読出し、前記全放射電力因子を用いて無輻射遷移過程による損失を含む前記エキシトンの全失活速度因子を算出して、エキシトン濃度の空間プロファイルを計算する拡散計算手段と、
前記第3のデータ・セットと、前記エキシトン濃度から計算される放射失活速度とを使用して、キャリア再結合により生成するエキシトンの発光による前記デバイスの発光特性および量子効率を計算するデバイス特性計算手段と
を含む、シミュレーション・システム。
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