JPWO2009099205A1 - 発光デバイスの駆動方法及び駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
10 有機発光層
12 ソース電極
13 ドレイン電極
14 絶縁体層
15 ゲート電極
20、25 駆動回路
21、22、26 直流電源
23 交流電源
27 直流電圧が重畳された交流電圧を出力する交流電源
40 有機材料
42、43 櫛形電極
図1に、本発明に係る有機電界効果トランジスタの駆動方法を実現する駆動回路の構成の一例を示す。
以下、図2及び図3を参照し、本実施形態による有機電界効果トランジスタの駆動原理を説明する。なお、以下では、有機発光層10が、キャリアとして電子もホールも全く同様に流すことができる有機半導体である両極性有機半導体で構成される場合を例として用いて説明する。
状態(b): ゲート電圧VGがドレイン電圧VDを下回る。有機発光層10内の電子の注入、蓄積が減少し、代わりにドレイン電極13側からホールが注入され、蓄積され始める(図3(b)参照)。ソース電極12とドレイン電極13間の電界により、ソース電極12に向けてホールが流れる。電子とホールは界面で再結合し発光する(以下の発光場所も同様)。
状態(c): ゲート電圧VGが零(ソース電圧VSとドレイン電圧VDの中間値)となる。これにより、電子およびホールの密度が均衡する(図3(c)参照)。このとき、発光は有機発光層10の中心付近で観測され得る。
状態(d): ゲート電圧VGが負になる。これにより、ドレイン電極13側でのホールの蓄積量が増え、ソース電極12側での電子の蓄積量が減る(図3(d)参照)。
状態(e): ゲート電圧VGがソース電圧VSを下回り、負で最小となる。これにより有機発光層10内において、ホールがドレイン電極13側から注入され、蓄積される。ソース電極12とドレイン電極13間の電界により、ソース電極12に向けてホールが流れる。
状態(f): ゲート電圧VGがソース電圧VSを上回る。これにより、有機発光層10内のホールの蓄積が減り、代わりに電子がソース電極12側から注入され、蓄積され始める。ソース電極12とドレイン電極13間の電界により、ドレイン電極13に向けて電子が流れる。
図4に、有機電界効果トランジスタの駆動回路の別の構成を示す。図4において、有機電界効果トランジスタ1を駆動する駆動回路25は、ソース電極12−ドレイン電極13間に電圧VDを印加する直流電源26と、ゲート電極15に電圧VGを印加する電源27とを備える。電源27は、交流電圧に所定の直流電圧を加算した電圧を供給する。
実際の有機電界効果トランジスタに対して上記駆動方法を用いて発光実験を行った。以下、その実験結果を示す。
実験に用いた有機電界効果トランジスタは次のようにして作製した。絶縁体層に該当する酸化膜がその上部に形成されたシリコン基板(図示せず)の上に、図8に示すように櫛型電極42、43を形成したデバイス基板を作製し、その上に有機発光層となる有機材料40を約250nm蒸着して有機電界効果トランジスタを作製した。酸化膜の下部のシリコン基板も電極として使用する。有機材料は以下の化学式で示されるBP1Tを用いた。
図9は、上記のように作製したチャネル長0.4μmの有機電界効果トランジスタに対して、ソース電極に−40Vの直流電圧を、ドレイン電極に40Vの直流電圧を印加し、ゲート電極に振幅75.5V、周波数20kHzの交流電圧を印加した場合と、ゲート電圧を印加しなかった場合(すなわち、ゲート電極を開放した場合)とにおける発光スペクトルの変化を示した図である。ゲート電極に交流電圧が印加されている場合の方が、スペクトル強度がはるかに高く、本実施形態の駆動方法が有機電界効果トランジスタの発光に寄与していることがわかる。
さらに、ゲート電極の交流電圧の周波数を変化させて発光スペクトルを測定した。図11Aにチャネル長0.4μmの有機電界効果トランジスタ、図11Bにチャネル長10μmの有機電界効果トランジスタの測定結果をそれぞれ示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電極の電圧の周波数を2Hz、20Hz、200Hz、2kHz、20kHzと変化させて発光スペクトルを測定した。ソース電極に−30Vの直流電圧を、ドレイン電極に30Vの直流電圧を、ゲート電極に振幅40Vの交流電圧を印加した。図11A及び図11Bから、周波数が大きくなるにしたがい発光スペクトルの強度が増大していることが確認できた。このことからも、本実施形態によるゲート電極への交流電圧の印加が、発光トランジスタの発光強度の増大に効果的に寄与していることが理解できる。また発光輝度を周波数で制御することができる。なお、200Hz以上で駆動した場合に、有機電界効果トランジスタからの発光が時間的に連続した光として視認できた。
ゲート電極の交流電圧の振幅を変化させて発光スペクトルを測定した。図12にチャネル長10μmの有機電界効果トランジスタの測定結果を示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電極の電圧の周波数を20kHzで固定し、振幅を、0V、10V、20V、30V、40Vと変化させて発光スペクトルを測定した。ソース電極に−30Vの直流電圧を、ドレイン電極に30Vの直流電圧を印加した。図12から、ゲート電極の交流振幅が大きい場合の方がより大きな発光スペクトルが得られていることが確認でき、ゲート電極の交流電圧振幅を変えることで輝度の調整ができた。
ソースおよびドレイン電極の電圧を変化させて発光スペクトルを測定した。図13にチャネル長10μmの有機電界効果トランジスタの測定結果を示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電極の電圧の振幅を40V、周波数を20kHzで固定し、ドレイン電極とソース電極の電圧を、0V、10Vと−10V、20Vと−20V、30Vと−30Vとそれぞれ変化させて発光スペクトルを測定した。図13から、ドレインおよびソース電極の電圧の絶対値が大きい場合の方がより大きな発光スペクトルが得られていることが確認できた。
さらに、有機電界効果トランジスタの櫛形電極の櫛間の距離に対する発光スペクトルの依存性を測定した。図14に、有機電界効果トランジスタの櫛間の距離(チャネル長)dを0.4μmと10μmにした場合の発光スペクトルの強度を測定した結果を示す。櫛間(チャネル長)dが大きくなると発光強度が弱くなっていることから、櫛間の狭い素子のほうが発光に有利であることが理解できる。
図15にチャネル長10μmの有機電界効果トランジスタのゲート電極に交流電圧を印加して発光している様子の写真を示す。図15(a)は、電圧印加前の有機電界効果トランジスタを明るいところで撮影したもの、図15(b)は、周りを暗くして発光している有機電界効果トランジスタを撮影したものである。
その他に有機発光層となる有機材料40に化1に示されるBP1Tの結晶を用いた有機電界効果トランジスタを作製した。使用した基板は図8に示した櫛型電極42、43を形成したデバイス基板である。電極付近の断面構造は、シリコン基板、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜、シリコン酸化膜上に配置されたチタン層、チタン層上に配置された白金層となる。チタン層と白金層およびシリコン基板が電極を構成する。櫛型電極の櫛間(チャネル長)dは10μm、櫛長(チャネル幅)Lは8cmである。櫛型電極42、43の一方が有機電界効果トランジスタのソース電極となり、他方がドレイン電極となる。シリコン基板はゲート電極となる。
図16は、上記のように作製した有機電界効果トランジスタのソース電極に−50Vの直流電圧を、ドレイン電極に50Vの直流電圧を印加し、ゲート電極に振幅60V、周波数20kHzの交流電圧を印加した場合と、ゲート電圧を印加しなかった場合(すなわち、ゲート電極を開放した場合)とにおける発光スペクトルの変化を示した図である。ゲート電極に交流電圧が印加されている場合の方が、スペクトル強度がはるかに高く、本実施形態の駆動方法が有機電界効果トランジスタの発光に寄与していることがわかる。
さらに、ゲート電極の交流電圧の周波数を変化させて発光スペクトルを測定した。図18に測定結果を示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電極の電圧振幅を60Vに固定し、周波数を2Hz、20Hz、200Hz、2kHz、20kHzと変化させて発光スペクトルを測定した。ソース電極には−50Vの直流電圧を、ドレイン電極に50Vの直流電圧を印加した。図18から、周波数が大きくなるにしたがい発光スペクトルの強度が増大していることが確認できた。このことからも、本実施形態によるゲート電極への交流電圧の印加が、発光トランジスタの発光強度の増大に効果的に寄与していることが理解できる。また発光輝度を周波数で制御することができる。
ゲート電極の交流電圧の振幅を変化させて発光スペクトルを測定した。図19に測定結果を示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電極の電圧の周波数を20kHzで固定し、振幅を、0V、20V、40V、60Vと変化させて発光スペクトルを測定した。ソース電極には−50Vの直流電圧を、ドレイン電極に50Vの直流電圧を印加した。図19から、ゲート電極の交流振幅が大きい場合の方がより大きな発光スペクトルが得られていることが確認でき、ゲート電極の交流電圧振幅を変えることで輝度の調整ができた。
ソースおよびドレイン電圧を変化させて発光スペクトルを測定した。図20に測定結果を示す。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電圧の振幅を60V、周波数を20kHzで固定し、ドレイン電極とソース電極に印加する電圧を、0V、10Vと−10V、30Vと−30V、50Vと−50Vとそれぞれ変化させて発光スペクトルを測定した。図20から、ドレインおよびソース電極の電圧の絶対値が大きい場合の方がより大きな発光スペクトルが得られていることが確認できた。
その他に有機発光層1に、化2に示されるAC5−CF3の結晶を用いた有機電界効果トランジスタを作製した。使用した基板は、絶縁体層に該当する酸化膜がその上部に形成されたシリコン基板で、その上に上記AC5−CF3の結晶を乗せ、結晶の上から金層を蒸着により作製した有機電界効果トランジスタである。金層がソースおよびドレイン電極となる。シリコン基板はゲート電極となる。
(4.1)ソース電極とドレイン電極に非対称な電圧を印加した場合の発光スペクトル
図8に示すような櫛型電極を形成したデバイス基板の上の有機発光層1に、化4に示されるAC5の蒸着膜を用いた有機電界効果トランジスタを作製した。櫛型電極の櫛間(チャネル長)dは0.4μm、櫛長(チャネル幅)Lは8cmである。図24は、ソース電極とドレイン電極に非対称な電圧を印加した場合の発光スペクトルを示した図である。最も非対称性が大きい例として、ソース電圧Vsを0V、ドレイン電圧VDを140Vとして発光強度を測定した。また、最も非対称性が小さい例として、ソース電圧Vsを−70V、ドレイン電圧VDを70Vとして発光強度を測定した。ゲート電圧VGとしてゲート電極に振幅80V、周波数2kHzの正弦波交流電圧を印加した。
有機発光層1に化1に示されるBP1Tの結晶を用いた有機電界効果トランジスタを作製した。使用した基板は図8に示した櫛型電極42、43を形成したデバイス基板である。電極付近の断面構造は、シリコン基板、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜、シリコン酸化膜上に配置されたクロム層、クロム層上に配置された金層となる。クロム層と金層およびシリコン基板が電極を構成する。櫛型電極の櫛間(チャネル長)櫛型電極42、43の一方が有機電界効果トランジスタのソース電極となり、他方がドレイン電極となる。シリコン基板はゲート電極となる。図25は、ゲート電圧VGとして印加する交流電圧が矩形波電圧の場合と正弦波電圧の場合における有機電界効果トランジスタの発光スペクトルを示した図である。具体的には、前述の有機電界効果トランジスタに対して、ゲート電圧の振幅を40V、周波数を20kHzで固定し、ドレイン電極に印加する直流電圧を30V、ソース電極に印加する直流電圧を−30Vにして発光スペクトルを測定した。
有機発光層1に化1に示されるBP1Tの結晶を用いた有機電界効果トランジスタを作製した。使用した基板は、絶縁体層に該当する酸化膜がその上部に形成されたシリコン基板で、その上に上記BP1Tの結晶を乗せ、結晶の上から金層およびマグネシウム銀層を蒸着により作製した有機電界効果トランジスタである。金層がドレイン電極およびマグネシウム銀層がソース電極となる。シリコン基板はゲート電極となる。このようにして作製された有機電界効果トランジスタの有機発光層1の有機材料は結晶であるとともに、その両端面が共振器構造を形成している。図26に、この試料に対する測定結果を示す。
以上のように、本実施形態では、有機電界効果トランジスタを駆動する際に、ソース電極12及びドレイン電極13に直流電圧を印加しつつゲート電極15に交流電圧を印加する。これにより、ソース電極12及びドレイン電極13のそれぞれから有機発光層10内に電子及びホールが効率よく注入されるため、これらのキャリアの再結合がより発生しやすくなり、高い発光強度を得ることができる。
Claims (16)
- 半導体材料からなる発光層と、前記発光層に電気的に接続された第1及び第2の電極と、前記発光層に絶縁体層を介して接続された第3の電極とを備えた発光デバイスの駆動方法であって、
前記第1の電極と第2の電極間に対して直流電圧を印加するとともに、前記第3の電極に対して交流電圧を印加する、
ことを特徴とする発光デバイスの駆動方法。 - 前記交流電圧の振幅値が前記直流電圧値の1/2よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記第1の電極に対して第1の直流電圧を印加し、前記第2の電極に対して、前記第1の直流電圧と極性が異なる第2の直流電圧を印加し、前記第3の電極に対して交流電圧を印加する、ことを特徴とする請求項1記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記第1の電極の電位を基準電位として、前記第2の電極に対して第1の直流電圧を印加するとともに、前記第3の電極に対して、第2の直流電圧に交流電圧を重畳した電圧を印加する、ことを特徴とする請求項1記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記半導体材料は有機材料である、ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記有機材料は電子とホールの双方をキャリアとする両極性材料である、ことを特徴とする請求項5に記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記第3の電極に対して印加する交流電圧は矩形波電圧である、ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の発光デバイスの駆動方法。
- 前記有機材料は結晶であるとともに、その両端面が共振器構造を形成している、ことを特徴とする請求項5に記載の発光デバイスの駆動方法。
- 半導体材料からなる発光層と、前記発光層に電気的に接続された第1及び第2の電極と、前記発光層に絶縁体層を介して接続された第3の電極とを備えた発光デバイスの駆動装置であって、
前記第1の電極と第2の電極間に対して直流電圧を供給する第1の電源と、
前記第3の電極に対して交流電圧を供給する第2の電源とを備えた
ことを特徴とする発光デバイスの駆動装置。 - 前記交流電圧の振幅値が前記直流電圧値の1/2よりも大きいことを特徴とする請求項9記載の発光デバイスの駆動装置。
- 前記第1の電源は、前記第1の電極に対して第1の直流電圧を印加する直流電源と、前記第2の電極に対して前記第1の直流電圧と極性が異なる第2の直流電圧を印加する直流電源とを含む、ことを特徴とする請求項9記載の発光デバイスの駆動装置。
- 前記第1の電源は、前記第1の電極の電位を基準電位として、前記第2の電極に対して第1の直流電圧を印加し、
前記第2の電源は、前記第1の電極の電位を基準電位として、前記第3の電極に対して第2の直流電圧に交流電圧を重畳した電圧を印加する、ことを特徴とする請求項9記載の発光デバイスの駆動装置。 - 前記半導体材料は有機材料である、ことを特徴とする請求項9ないし12のいずれか1つに記載の発光デバイスの駆動装置。
- 前記有機材料は電子とホールの双方をキャリアとする両極性材料である、ことを特徴とする請求項13に記載の発光デバイスの駆動装置。
- 前記第3の電極に対して印加する交流電圧は矩形波電圧である、ことを特徴とする請求項9ないし12のいずれか1つに記載の発光デバイスの駆動装置。
- 前記有機材料は結晶であるとともに、その両端面が共振器構造を形成している、ことを特徴とする請求項13に記載の発光デバイスの駆動装置。
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