東工大、低電圧高輝度のペロブスカイトLED開発：緑色発光、5Vで50万cd/m2

a-ZSOがペロブスカイト層内に励起子を閉じ込め

　東京工業大学元素戦略研究センターの沈基亨大学院生と金正煥助教、細野秀雄栄誉教授らは2019年7月、ペロブスカイト型ハロゲン化物を用い、低電圧駆動で極めて輝度の高いペロブスカイトLED（PeLED）を開発したと発表した。

　ペロブスカイト型ハロゲン化物（CsPbX₃、ここではX＝Cl、Br、I）は、色純度の高さや、溶液プロセスで製造できるなどの特長があり、新たなEL用発光材料として注目されている。ただ、これまでは高い効率で発光させることが難しかったという。

　そこで研究グループは、CsPbX₃を発光層とし、これに適した電子輸送層（ETL）を用いることで、励起子の生成濃度を増大し、閉じ込め効果による特性の向上に取り組んだ。実験ではまず、電子親和力が異なる透明酸化物半導体の「アモルファスZn-Si-O（a-ZSO）」をガラス基板上に成膜。その上に設けたCsPbX₃薄膜の発光特性を調べた。a-ZSOはZnとSiの割合によって電子親和力を連続的に変化させることができるという。

（a）ZnとSiの割合が異なるa-ZSOの電子親和力、（b）さまざまなa-ZSOやCsPbX₃薄膜のPL寿命と発光写真、（c）Cs₃Cu₂I₅膜を形成した各基板の発光写真 出典：東京工業大学

　実験結果から、隣接した層とペロブスカイト層とのエネルギーの違いにより、消光現象や励起子の閉じ込め効果を得られることが分かった。特に、a-ZSOはZnの比率が80％あるいはそれ以下になるとペロブスカイト層の励起子閉じ込め効果が明確になることも分かった。そこで、80ZSOをETLに用いたPeLEDを作製した。発光層にはCsPbBr₃（緑色発光）膜を形成している。

　試作した緑色PeLEDは、電圧2.9V、輝度1万cd/m²で、電力効率は33lm/Wである。電圧5Vでは50万cd/m²と極めて高い輝度を確認した。赤色発光素子では2万cd/m²となった。a-ZSOの成膜条件や組成を変えると導電性を調整できる。これにより、電力効率は7.5lm/Wから22lm/Wまで大きく上昇することを確認した。

（a）PLとELのスペクトル比較、（b）80ZSO ETLを用いたPeLED素子の電圧‐ELと電圧‐電流特性を示すグラフ、（c）電流効率と電力効率を示すグラフ、（d）ZSO ETLの電導性によるPeLEDのEL特性比較、（e）ZSO ETL上に「Tokyo Tech」模様のZnO膜を部分的に形成したPeLEDの素子構造、（f）その発光写真 （クリックで拡大） 出典：東京工業大学

　ZSO ETL上にZnO（酸化亜鉛）膜を部分的に形成した電子注入層を使ったPeLEDも試作した。これを評価したところ、ZSOと隣接した面のみが発光し、エネルギーアライメントが極めて重要であることを実証した。赤色や青色のPeLEDも試作し、これらのEL特性を確認した。これらの結果から試作したPeLEDは、sRGBよりも極めて広い領域の色再現性を実現できることが分かった。

（a）発光材料の構造的次元性に伴う励起子の閉じ込め効果と電荷輸送特性、（b）隣接層を利用した3次元性ペロブスカイトの量子閉じ込め効果、（c）3次元性ペロブスカイトと低次元性ペロブスカイトのPL特性および、EL特性の比較、（d）ZSO ETLを用いたPeLEDの最高輝度、ELスペクトル、発光写真およびCIE1931色空間座標 （クリックで拡大） 出典：東京工業大学