具体实施方式
作为本发明的一种技术方案的有机EL元件,是介于阳极与包含有机材料而成的功能层之间与所述阳极接触地设有用于向上述功能层注入空穴的空穴注入层的有机EL元件,其结构为:上述空穴注入层包含氧化钨而构成,并且,在其电子态中,在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级,并且,上述空穴注入层的膜厚为2nm以上,通过上述空穴注入层具有上述占有能级以及上述膜厚,在上述空穴注入层与上述阳极的界面,上述占有能级的结合能被定位于上述阳极的费米能级的附近。
这样,通过空穴注入层具有上述占有能级以及上述膜厚,至少将阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒抑制得小。因此,在驱动时可发挥从阳极向空穴注入层的高的空穴注入效率,能实现良好的低电压驱动,能够期待优异的发光效率。另外,通过该空穴注入层具有上述占有能级以及上述膜厚,能够不那么地依赖于阳极的表面状态而维持从阳极向空穴注入层的稳定的空穴注入效率。
在此,作为本发明的另一技术方案,可以为下述结构:在上述空穴注入层与上述阳极的界面,上述占有能级的结合能与上述阳极的费米能级之差为±0.3eV以内。
由此,能够使上述阳极与上述空穴注入层良好地肖特基欧姆连接,谋求从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的提高。
另外,可以为下述结构:上述空穴注入层,在表示结合能与光电子强度或其标准化强度的关系的UPS光谱中,在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有隆起的形状。
另外,作为本发明的另一技术方案,可以为下述结构:上述空穴注入层,在表示结合能与光电子强度或其标准化强度的关系的XPS光谱中,在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有隆起的形状。
另外,作为本发明的另一技术方案,可以为下述结构:上述空穴注入层,在表示结合能与光电子强度或其标准化强度的关系的UPS光谱的微分光谱中,遍及比价电子带中最低的结合能低2.0~3.2eV的结合能区域,具有表现为与指数函数不同的函数的形状。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述空穴注入层与上述功能层接触,通过上述空穴注入层具有上述占有能级,在上述空穴注入层与上述功能层的界面,上述占有能级的结合能被定位于上述功能层的最高被占轨道的结合能的附近。
由此,除了抑制阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒以外,空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒也能有效地抑制得较小,从而更加适合于空穴注入效率的提高。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:在上述空穴注入层与上述功能层的界面,上述占有能级的结合能与上述功能层的最高被占轨道的结合能之差为±0.3eV以内。
由此,能够进一步提高从上述空穴注入层向上述功能层的空穴注入效率。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述空穴注入层是金属氧化物膜,构成上述金属氧化物的金属原子,以该金属原子能取得的最大价数的状态以及比该最大价数低的价数的状态包含于上述金属氧化物膜中,并且,上述金属氧化物膜包含粒径为纳米级的大小的上述金属氧化物的结晶。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述金属氧化物为氧化钨,上述最大价数的状态的上述金属原子为6价的钨原子,比上述最大价数低的价数的上述金属原子为5价的钨原子。
在本发明的一种技术方案涉及的有机EL元件中,由氧化钨构成空穴注入层,并且,使构成该氧化钨的钨原子的一部分为比钨的最大价数6价低的价数,由此能够使空穴注入层的膜中具有空穴的传导部位。在此基础上通过在该空穴注入层的膜中含有粒径为纳米级的大小的氧化钨结晶,可在空穴注入层内形成数量多的较多地具有空穴的传导部位的结晶的表面和/或晶界。由此,能够在空穴注入层的膜厚方向使空穴的传导路径遍布,因此能够以低的驱动电压实现高效率的空穴传导。在此,所谓「纳米级的大小」,是指3~10nm左右的大小,设为比空穴注入层的膜厚小。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述5价的钨原子的数量除以上述6价的钨原子的数量所得的值即W5+/W6+为3.2%以上。由此,能得到更良好的空穴传导效率。
另外,作为本发明的另一技术方案,即使设为上述W5+/W6+为3.2%以上7.4%以下的结构,也能够得到更良好的空穴传导效率。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:在由上述氧化钨构成的空穴注入层的硬X射线光电子分光光谱中,在比与6价的钨原子的4f7/2能级对应的第1成分低的结合能区域存在第2成分。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述第2成分存在于比上述第1成分的峰顶的结合能低0.3~1.8eV的结合能区域。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述第2成分的面积强度相对于上述第1成分的面积强度为3.2~7.4%。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:通过比上述最大价数低的钨原子的存在,在由上述氧化钨构成的空穴注入层的电子态中,在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:由上述氧化钨构成的空穴注入层包含多个粒径为5~10纳米的大小的上述氧化钨的结晶。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:在由上述氧化钨构成的空穴注入层的通过透射型电子显微镜观察所得到的晶格像中,显现以的间隔规则地排列的线状结构。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:在上述晶格像的二维傅里叶变换像中,显现以该二维傅里叶变换像的中心点为中心的同心圆状的明亮部。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:在表示距上述中心点的距离与将上述距离下的上述二维傅里叶变换像的辉度标准化后的数值即标准化辉度的关系的曲线中,上述标准化辉度的峰在中心点以外显现1个以上。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:将上述曲线中的与在距上述中心点最近处显现的上述标准化辉度的峰顶的位置对应的上述距离、和与上述标准化辉度的峰的上升位置对应的上述距离之差作为峰宽度,将与上述峰顶的位置对应的上述距离作为100时,上述峰宽度小于22。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述功能层包含胺类材料。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述功能层是输送空穴的空穴输送层、通过所注入的空穴与电子再结合而发光的发光层、和用于光学特性调整或电子阻碍用途的缓冲层中的至少任一方。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为下述结构:上述空穴注入层中的上述占有能级存在于比价电子带中最低的结合能低2.0~3.2eV的结合能区域内。
另外,作为本发明的另一技术方案,为一种有机EL元件,其具有:
阳极;
与上述阳极接触地设置,在其电子态中,在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级,并且,其膜厚为2nm以上的氧化钨层;
针对上述氧化钨层,在与阳极不同的一侧设置,包含有机材料而成的层;和
针对上述包含有机材料而成的层,在与阳极不同的一侧设置的阴极。
另外,作为本发明的另一技术方案,也可以为一种显示装置,其具备上述的本发明的各技术方案的有机EL元件。
或者,作为本发明的另一技术方案,也可以为一种发光装置,其具备上述的本发明的各技术方案的有机EL元件。
另外,作为本发明的另一技术方案,为一种有机EL元件的制造方法,其具有:准备阳极的第1工序;第2工序,该工序是对上述阳极成膜氧化钨层的工序,在将由氩气和氧气构成的气体用作为溅射装置的室内气体、上述气体的总压为大于2.7Pa且在7.0Pa以下、氧气分压相对于总压的比为50%以上70%以下、而且靶每单位面积的接入(投入)电力密度(功率密度)为1W/cm2以上2.8W/cm2以下的成膜条件下成膜上述氧化钨层;对上述成膜的氧化钨层形成包含有机材料的功能层的第3工序;和在上述功能层的上方形成阴极的第4工序,上述第2工序形成氧化钨层使得其膜厚达到2nm以上。
另外,作为本发明的另一技术方案,上述第2工序也可以将上述氧化钨层成膜为在UPS光谱的比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有隆起的形状。
另外,作为本发明的另一技术方案,上述第2工序也可以将上述氧化钨层成膜为遍及UPS光谱的微分光谱的比价电子带中最低的结合能低2.0~3.2eV的结合能区域,具有表现为与指数函数不同的函数的形状。
另外,作为本发明的另一技术方案,上述第2工序也可以在上述总压除以上述接入电力密度所得的值即总压/接入电力密度大于0.7Pa·cm2/W的设定条件下进行。
另外,作为本发明的另一技术方案,上述第2工序也可以在上述总压/接入电力密度小于3.2Pa·cm2/W的设定条件下进行。
以下说明本发明的各实施方式的有机EL元件,并叙述本发明的各性能确认实验的结果和考察。
再者,各附图中的部件比例尺与实际不同。
<实施方式1>
(有机EL元件的结构)
图1是表示本实施方式1的有机EL元件1的结构的示意剖视图。
有机EL元件1为通过湿法工艺进行涂敷来形成功能层的涂敷型,具有下述结构:空穴注入层4和各种功能层(在此为缓冲层6A和发光层6B)在相互层叠的状态下介于由阳极2和阴极8构成的电极对之间,所述各种功能层是包含具有规定功能的有机材料而成的。
具体地讲,如图1所示,有机EL元件1是对于基板10的一侧主面按下述顺序层叠阳极2、空穴注入层4、缓冲层6A、发光层6B、阴极8(钡层8A和铝层8B)而构成的。在阳极2和阴极8上连接有电源DC,被从外部向有机EL元件1供电。
(基板)
基板10是成为有机EL元件1的基材的部分,例如,可以采用无碱玻璃、钠玻璃、无荧光玻璃、磷酸系玻璃、硼酸系玻璃、石英、丙烯酸系树脂、苯乙烯系树脂、聚碳酸酯系树脂、环氧系树脂、聚乙烯、聚酯、硅系树脂、或氧化铝等的绝缘性材料的任一种形成。
虽未图示,但在基板10的表面形成有用于驱动有机EL元件1的TFT(薄膜晶体管)。
(阳极)
阳极2采用厚度50nm的ITO形成的透明导电膜构成。阳极2的构成不限于此,也可以是例如IZO等的透明导电膜、铝等的金属膜、APC(银、钯、铜的合金)、ARA(银、铷、金的合金)、MoCr(钼与铬的合金)、NiCr(镍与铬的合金)等的合金膜,另外,也可以将这些膜进行多个层叠而构成。
(空穴注入层)
空穴注入层4,作为使用了氧化钨(在组成式WOx中,x是大致在2<x<3的范围内的实数)的、至少膜厚为2nm以上(在此,作为一例为30nm)的层而构成。膜厚低于2nm时,难以进行均匀的成膜,另外,难以形成以下所示的阳极2与空穴注入层4之间的肖特基欧姆连接,因此不优选。上述肖特基欧姆连接,在氧化钨的膜厚为2nm以上时稳定地形成,因此如果以该值以上的膜厚形成空穴注入层4,则能够期待从阳极2向空穴注入层4的稳定的空穴注入效率。
空穴注入层4优选尽量仅由氧化钨构成,但只要是在通常水平可混入的程度,则也可以包含极微量的杂质。
在此,该空穴注入层4在特定的成膜条件下成膜。由此,在其电子态中,在价电子带的上端、即比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内存在占有能级。该占有能级是空穴注入层4的最高占有能级,其结合能范围最接近于空穴注入层4的费米能级(费米面:FermiSurface)。因此,以下将该占有能级称为“费米面附近的占有能级”。
由于存在该费米面附近的占有能级,在空穴注入层4和功能层(在此为缓冲层6A)的层叠界面实现了所谓的界面能级连续,缓冲层6A的最高被占轨道的结合能变得与空穴注入层4的上述费米面附近的占有能级的结合能大致相等。
再者,在此所说的“大致相等”和“实现了界面能级连续”是指,在空穴注入层4和缓冲层6A的界面处,上述费米面附近的占有能级最低的结合能与上述最高被占轨道最低的结合能之差在±0.3eV以内的范围。
进一步,在此所说的“界面”是指,包括空穴注入层4的表面和距该表面0.3nm以内的距离的缓冲层6A的区域。
另外,上述费米面附近的占有能级优选存在于整个空穴注入层4,但至少存在于与缓冲层6A的界面即可。再者,这样的费米面附近的占有能级,不是所有的氧化钨具有的,是特别在空穴注入层的内部或与缓冲层6A的界面处采用后述的规定的成膜条件能够初次形成的特有的能级。
进而,空穴注入层4,作为其特征,在与阳极2的界面处形成了所谓的肖特基欧姆连接。
再者,在此所说的「肖特基欧姆连接」,是指:阳极2的费米能级、与上述的空穴注入层4的费米面附近的占有能级最低的结合能之差,在从阳极2的表面向空穴注入层4侧的距离为2nm的位置较小地限于±0.3eV以内的连接。另外,在此所说的「界面」,是指包含阳极2的表面、和从该表面向空穴注入层4侧形成的肖特基势垒层的区域。
(堤)
在空穴注入层4的表面形成由绝缘性的有机材料(例如丙烯酸系树脂、聚酰亚胺系树脂、酚醛清漆型酚树脂等)形成的堤5,使得形成具有一定的梯形剖面的线条(stripe)结构或井字形结构。
再者,堤5不是本发明中必须的结构,在以单体使用有机EL元件1的情况等时不需要堤5。
(功能层)
在被各个堤5区划的空穴注入层3的表面,形成有包括缓冲层6A和与RGB中任意一种颜色对应的发光层6B的功能层。在将有机EL元件1应用于有机EL面板的情况下,在基板10上将与RGB的各色对应的一连串的3个元件1作为1个单位(像素:pixel),并列设置多个单位的元件。
[缓冲层]
缓冲层6A由厚度20nm的作为胺类有机高分子的TFB(poly(9,9-di-n-octylfluorene-alt-(1,4-phenylene-((4-sec-butylphenyl)imino)-1,4-phenylene))构成。
[发光层]
发光层6B由厚度70nm的作为有机高分子的F8BT(poly(9,9-di-n-octylfluorene-alt-benzothiadiazole))构成。但是,发光层6B不限于由该材料构成的结构,可以包含公知的有机材料而构成。例如,可列举出日本特开平5-163488号公报中所记载的类喔星(oxinoid)化合物、苝化合物、香豆素化合物、氮杂香豆素化合物、唑化合物、二唑化合物、紫环酮(perinone)化合物、吡咯并吡咯化合物、萘化合物、蒽化合物、芴化合物、荧蒽化合物、并四苯化合物、芘化合物、晕苯化合物、喹诺酮化合物及氮杂喹诺酮化合物、吡唑啉衍生物及吡唑啉酮衍生物、若丹明化合物、(chrysene)化合物、菲化合物、环戊二烯化合物、茋化合物、二苯基苯醌化合物、苯乙烯基化合物、丁二烯化合物、双氰亚甲基吡喃化合物、双氰亚甲基噻喃化合物、荧光素化合物、吡喃化合物、噻喃化合物、硒吡喃化合物、碲吡喃化合物、芳香族坎利酮化合物、低聚亚苯基化合物、噻吨化合物、蒽化合物、花青苷化合物、吖啶化合物、8-羟基喹啉化合物的金属配合物、2-联吡啶化合物的金属配合物、席夫碱与III族化合物的配合物、8-羟基喹啉(喔星)金属配合物、稀土类配合物等的荧光物质等。
再者,本发明中的功能层,是指输送空穴的空穴输送层、通过所注入的空穴和电子进行复合而发光的发光层、用于光学特性调整或电子阻碍用途的缓冲层等中的任意一种、或者这些层中2层以上的组合或所有的层。本发明以空穴注入层为对象,但有机EL元件除空穴注入层以外还存在上述的空穴输送层、发光层等的各自发挥所需功能的层。所谓功能层是指作为本发明的对象的空穴注入层以外的有机EL元件所需的层。
(阴极)
阴极8是将厚度5nm的钡层8A和厚度100nm的铝层8B层叠而构成。
再者,也有时在发光层6B与阴极8之间设置电子输送层。另外,也可以将钡层8A看作电子输送层(或者电子注入层)。
(有机EL元件的作用和效果)
在具有以上的结构的有机EL元件1中,通过在空穴注入层4中存在
上述费米面附近的占有能级,在该费米面附近的占有能级与缓冲层6A的最高被占轨道之间实现所谓的界面能级连续,空穴注入层4与缓冲层6A之间的空穴注入势垒变为极小。
进而,在有机EL元件1中,在阳极2与空穴注入层4之间形成良好的肖特基欧姆连接,即使在阳极2与空穴注入层4之间,空穴注入势垒也被抑制得较小。
由此,在有机EL元件1中,若在驱动时对有机EL元件1施加电压,则能以低电压比较顺利地从阳极2的费米能级向空穴注入层4的费米面附近的占有能级,以及,从费米面附近的占有能级向缓冲层6A的最高被占轨道注入空穴,能发挥高空穴注入效率。而且,在发光层6B中,通过空穴与电子再结合,会发挥出良好的发光特性。具体地讲,阳极2的费米能级与空穴注入层4的费米面附近的占有能级最低的结合能之差、以及空穴注入层4的上述占有能级最低的结合能与缓冲层6A的最高被占轨道最低的结合能之差,均被抑制在±0.3eV以内,空穴注入效率得到极大提高。
再者,如后述的实验那样,在阳极2与空穴注入层4之间形成的肖特基欧姆连接,不受阳极2的表面状态的程度(包括功函数等特性)较大的影响,具有高的稳定性。因此,在制造有机EL元件1时,不需要严格地控制阳极2的表面状态,能够以较低成本高成品率地制造高空穴注入效率的元件1、或形成多个该元件而成的大型有机EL面板。
再者,在此所说的「阳极的表面状态」,是指有机EL元件或有机EL面板的标准的制造工序中的、即将形成空穴注入层前的阳极的表面状态。
在此,对于将氧化钨用作空穴注入层的结构本身,过去已经有过报告(参照非专利文献2)。但是,该报告中得到的最佳的空穴注入层的膜厚为0.5nm左右,元件特性的膜厚依赖性也大,没有揭示对量产大型有机EL面板程度的实用性。进一步,也未揭示在空穴注入层积极地形成费米面附近的占有能级。本发明与现有技术的最大不同点在于,在由化学性较稳定且也耐受大型有机EL面板的量产工艺的氧化钨形成的空穴注入层中,存在规定的费米面附近的占有能级,由此得到优异的空穴注入效率,实现了有机EL元件的低电压驱动。
接着,例示有机EL元件1整体的制造方法。
(有机EL元件的制造方法)
首先,将基板10载置于溅射成膜装置的溅射室内。然后,向室内导入规定的溅射气体,基于反应性溅射法使由厚度50nm的ITO形成的阳极2成膜。
接着,成膜空穴注入层4,适合用反应性溅射法来成膜。特别是在对需要大面积成膜的大型有机EL面板应用本发明的情况下,用蒸镀法等成膜有可能会导致膜厚等产生不匀。如果用反应性溅射法成膜,则容易避免产生这种成膜不匀。
具体地讲,将靶交换为金属钨,实施反应性溅射法。向室内导入氩气作为溅射气体,导入氧气作为反应性气体。在该状态下,通过高电压将氩离子化,使其冲撞靶。此时,通过溅射现象放出的金属钨与氧气发生反应而变成氧化钨,成膜在基板10的阳极2上。
再者,该成膜条件如后所述,气压(总压)为大于2.7Pa且在7.0Pa以下,且氧气分压相对于总压的比为50%以上70%以下,进一步,靶每单位面积的接入电力(接入电力密度)优选设定为1W/cm2以上2.8W/cm2以下。经过该工序,至少在其表层,形成在比价电子带中最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级的空穴注入层4。
接着,作为堤材料,准备例如感光性的抗蚀剂材料,优选含有氟系材料的光致抗蚀剂材料。在空穴注入层4上均匀地涂敷该堤材料,预烘焙后,重叠放置具有规定形状的开口部(要形成的堤的图案)的掩模。然后,从掩模上使其感光之后,用显影液洗出未固化的多余的堤材料。最后用纯水洗净,从而完成堤5。
在此,本实施方式1中,空穴注入层4由对碱溶液或水、有机溶剂等具有耐受性的氧化钨构成。因此,在堤形成工序中,即使已经形成的空穴注入层4与该溶液、纯水等接触,也能够抑制由溶解、变质、分解等造成的损伤。这样,通过维持空穴注入层4的形态,也能够在有机EL元件1完成之后经由该空穴注入层4向缓冲层6A高效地进行空穴注入,能够良好地实现低电压驱动。
接着,在相邻的堤5之间露出的空穴注入层4的表面,通过例如喷墨法或照相凹版印刷法的湿法工艺,滴下含有胺类有机分子材料的组成物墨水,使溶剂挥发而将溶剂除去。由此形成缓冲层6A。
接着,在缓冲层6A的表面用同样的方法滴下含有有机发光材料的组成物墨水,使溶剂挥发而将溶剂除去。由此形成发光层6B。
再者,缓冲层6A、发光层6B的形成方法不限于此,也可以通过喷墨法、照相凹版印刷法以外的方法、例如分墨法、喷涂法、旋涂法、凹版印刷、凸版印刷等公知方法来滴下、涂敷墨水。
接着,在发光层6B的表面用真空蒸镀法成膜钡层8A、铝层8B。由此,形成阴极8。
再者,虽然图1中未图示,但以抑制有机EL元件1曝露于空气为目的,可以在阴极8的表面还设置封止层,或者设置在空间上使元件1整体与外部隔离的封止罐。封止层可由例如SiN(氮化硅)、SiON(氮氧化硅)等材料形成,设置成内部密封元件1。在使用封止罐时,封止罐可以由例如与基板10同样的材料形成,在密闭空间内设置吸附水分等的吸气剂(getter)。
经过以上的工序,从而完成有机EL元件1。
〈各种实验和考察〉
(关于氧化钨的成膜条件)
本实施方式1中,通过在规定的成膜条件下成膜构成空穴注入层4的氧化钨,使空穴注入层4中存在上述的费米面附近的占有能级,减少空穴注入层4与缓冲层6A之间的空穴注入势垒,使得能够对有机EL元件1进行低电压驱动。
作为用于得到这种性能的氧化钨的成膜方法,考虑优选设定成如下的成膜条件而通过反应性溅射法来成膜,即:使用DC磁控溅射装置,靶为金属钨,对基板温度不进行控制,室内气体由氩气和氧气构成,气压(总压)为大于2.7Pa且在7.0Pa以下,并且,氧气分压相对于总压的比为50%以上70%以下,进一步,靶每单位面积的接入电力(接入电力密度)为1W/cm2以上2.8W/cm2以下。
上述成膜条件的有效性通过以下各实验得到了确认。
首先,为了切实地评价从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率的成膜条件依赖性,作为评价器件,制作了空穴单载流子元件。
在有机EL元件中,形成电流的载流子是空穴和电子这两者,因此,有机EL元件的电特性上,除空穴电流以外,还反映着电子电流。但是,在空穴单载流子元件中,由于来自阴极的电子的注入受阻,所以电子电流几乎不流动,所有电流大致仅由空穴电流构成,即载流子可视为大致仅为空穴,适合评价空穴注入效率。
具体制作成的空穴单载流子元件,是将图1的有机EL元件1中的阴极8如图2所示的阴极8C那样置换成金的元件。即,如图2所示,在基板10上形成由厚度50nm的ITO薄膜形成的阳极2,进一步在阳极2上依次层叠由厚度30nm的氧化钨形成的空穴注入层4、由厚度20nm的作为胺类有机高分子的TFB形成的缓冲层6A、由厚度70nm的作为有机高分子的F8BT形成的发光层6B、由厚度100nm的金形成的阴极8C。再者,由于构成评价器件,所以省略了堤5。
在该制作工序中,空穴注入层4使用DC磁控溅射装置而通过反应性溅射法来成膜。室内气体由氩气和氧气中的至少一种构成,靶使用了金属钨。对基板温度不进行控制,氩气分压、氧气分压、总压用各气体的流量来调节。成膜条件如以下的表1所示,使总压、氧气分压以及接入电力的各条件发生变化,由此得到具备在各成膜条件下成膜的空穴注入层4的空穴单载流子元件1B(元件No.1~14)。再者,此后,氧气分压表示为相对于总压的比(%)。
表2中示出上述DC磁控溅射装置的接入电力与接入电力密度的关系。
表2
接入电力(W) |
接入电力密度(W/cm2) |
250 |
1.4 |
500 |
2.8 |
1000 |
5.6 |
将制作成的各空穴单载流子元件1B与直流电源DC连接,并施加了电压。使此时的施加电压变化,将与电压值相应地流动的电流值换算成元件的每单位面积的值(电流密度)。以下,设“驱动电压”为电流密度10mA/cm2时的施加电压。
可以推测为该驱动电压越小,则从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率越高。原因认为在于,在各空穴单载流子元件1B中,由于空穴注入层4以外的各部位的制作方法相同,所以空穴注入层4除外的相邻的两个层之间的空穴注入势垒为一定。另外,如后述那样,通过其他实验确认了该实验中使用的阴极2和空穴注入层4为肖特基欧姆连接。因此,由空穴注入层4的成膜条件引起的驱动电压的差异强有力地反映了从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率、以及空穴注入层4本身的空穴传导效率。
在此,可以认为,除了从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率以外,空穴注入层4的空穴传导效率也影响到本实施方式1的各实验中的元件的特性。然而,在该元件的特性中,至少空穴注入层4与缓冲层6A之间的空穴注入势垒得到强有力反映,这从后述的能量图的评价结果也能够得到明确。
再者,在本实施方式1中,主要考察从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率,对于空穴注入层4的空穴传导效率,在实施方式2中进行考察。
表3是通过该实验得到的各空穴单载流子元件1B的相对于总压、氧气分压、接入电力各成膜条件的驱动电压的值。表3中,各空穴单载流子元件1B的元件编号(No.)用圆圈数字来表示。
另外,图3的(a)~(c)是汇总各空穴单载流子元件1B的驱动电压的成膜条件依赖性的曲线图。图3的(a)中的各点从左向右表示元件No.4、10、2的驱动电压。图3的(b)中的各点从左向右表示表示元件No.13、10、1的驱动电压。再有,图3的(c)中的各点从左向右表示元件No.14、2、8的驱动电压。
再者,在该实验中,当总压为2.7Pa且氧气分压为100%时、总压为4.8Pa且氧气分压为30%时、总压为4.8Pa且氧气分压为70%时、总压为4.8Pa且氧气分压为100%时,均由于受气体流量等的溅射装置的限制而不能进行成膜。
首先,驱动电压的总压依赖性如从图3(a)可知,在氧气分压50%、接入电力500W的条件下,至少在总压为大于2.7Pa且4.8Pa以下的范围内,能够确认到驱动电压的明确的下降。通过其他实验可知,该倾向至少持续到总压为7.0Pa以下的范围。因此,可以说总压优选设定在大于2.7Pa且为7.0Pa以下的范围内。
接着,驱动电压的氧气分压依赖性如从图3(b)可知,在总压为2.7Pa、接入电力为500W的条件下,至少在氧气分压为50%以上且70%以下的范围内,能够确认到氧气分压的上升和驱动电压的下降。但是,当氧气分压上升至上述范围以上时,通过其他实验能确认到驱动电压反而上升。因此,可以说氧气分压优选为50%以上且将上限抑制在70%左右。
接着,驱动电压的接入电力依赖性如从图3(c)可知,在总压为4.8Pa、氧气分压为50%的条件下,能够确认到接入电力超过500W时驱动电压急剧上升。因此,认为接入电力优选抑制在500W以下。当观察表3的元件No.1、3时,能确认下述结果:即使接入电力为500W,若总压为2.7Pa以下,则驱动电压也会上升。
接着,图4示出了各空穴单载流子元件1B中作为代表的元件No.14、1、7的电流密度-施加电压曲线。图中纵轴为电流密度(mA/cm2),横轴为施加电压(V)。元件No.14满足上述的总压、氧气分压、接入电力的全部的优选条件。而元件No.1、7不满足上述优选条件的一部分。
在此,为了以下的说明,对于空穴注入层4(和后述的氧化钨层12)的成膜条件,将元件No.14的成膜条件称作成膜条件A,将元件No.1的成膜条件称作成膜条件B,将元件No.7的成膜条件称作成膜条件C。另外,仿照于此,在图4和表3中也将元件No.14记述为HOD-A,将元件No.1记述为HOD-B,将元件No.7记述为HOD-C。
如图4所示,HOD-A与HOD-B、HOD-C相比,电流密度-施加电压曲线的上升最早,另外,能以最低的施加电压得到高电流密度。由此推测出,HOD-A与HOD-B、HOD-C相比,从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率优异。再者,HOD-A是各空穴单载流子元件1B中驱动电压最低的元件。
以上是与空穴单载流子元件1B中的从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率有关的验证,而空穴单载流子元件1B的构成除阴极以外与图1的有机EL元件1同样。因此,在有机EL元件1中,从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率的成膜条件依赖性本质上也与空穴单载流子元件1B相同。为了确认该情况,制作了使用成膜条件A、B、C的空穴注入层4的各有机EL元件1。
具体制作成的各有机EL元件的结构1如图1所示,在基板10上形成由厚度50nm的ITO薄膜形成的阳极2,进一步在阳极2上依次层叠有由厚度30nm的氧化钨形成的空穴注入层4、由厚度20nm的作为胺类有机高分子的TFB形成的缓冲层6A、由厚度70nm的作为有机高分子的F8BT形成的发光层6B、由厚度5nm的钡和厚度100nm的铝形成的阴极8。再者,由于是评价器件结构,所以省略了堤5。
将制作成的成膜条件A、B、C下的各有机EL元件1与直流电源DC连接,并施加了电压。此时的电流密度-施加电压曲线示于图5。图中,纵轴为电流密度(mA/cm2)、横轴为施加电压(V)。
再者,为了以下的说明,在图5中,成膜条件A的有机EL元件1记为BPD-A,成膜条件B的有机EL元件1记为BPD-B,成膜条件C的有机EL元件1记为BPD-C。
如图5所示,BPD-A与BPD-B、BPD-C比较,电流密度-施加电压曲线的上升最早,另外,以最低的施加电压得到了高电流密度。这是与分别相同的成膜条件的空穴单载流子元件HOD-A、HOD-B、HOD-C同样的倾向。
进而,对于上述的各有机EL元件1,表示与电流密度的变化相应的发光强度的关系的、发光强度-电流密度曲线示于图6。图中,纵轴为发光强度(cd/A)、横轴为电流密度(mA/cm2)。由此可知,至少在测定出的电流密度的范围内,BPD-A的发光强度最高。
从以上的结果推测出,从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率的成膜条件依赖性,在有机EL元件1中,与空穴单载流子元件1B的情况同样地起作用。即,在该实验的有机EL元件1中,当将构成空穴注入层4的氧化钨,在使用DC磁控溅射装置,靶设为金属钨,对基板温度不进行控制,室内气体由氩气和氧气构成,总压为大于2.7Pa且在7.0Pa以下,并且氧气分压相对于总压的比为50%以上70%以下,而且接入电力密度为1W/cm2以上2.8W/cm2以下的成膜条件下,通过反应性溅射法成膜时,从空穴注入层4向缓冲层6A的空穴注入效率良好,由此推测可实现优异的低电压驱动和高的发光效率。
再者,在上述中,接入电力的条件,以表2为基础重新用接入电力密度表示。在使用与本实验中所使用的DC磁控溅射装置不同的DC磁控溅射装置的情况下,通过符合靶的尺寸地调节接入电力使得接入电力密度达到上述条件,可与本实验同样地得到实现优异的低电压驱动和高的发光效率的有机EL元件1的空穴注入层4。再者,关于总压、氧分压,不依赖于装置和靶的尺寸。
另外,在空穴注入层4的采用反应性溅射法的成膜时,在配置于室温环境下的溅射装置中,没有特意地设定基板温度。因此,至少成膜前基板温度为室温。但是,在成膜中基板温度有上升数十℃左右的可能性。
再者,以成膜条件A制作了空穴注入层4的有机EL元件1,是本实施方式1的有机EL元件1,具有上述的费米面附近的占有能级。在下面对其进行考察。
(关于空穴注入层的电子态)
构成本实施方式1的有机EL元件1的空穴注入层4的氧化钨存在上述费米面附近的占有能级。该费米面附近的占有能级,是通过调整前面的实验中所示的成膜条件而形成的。以下叙述详细情况。
进行了确认在上述的成膜条件A、B、C下成膜了的氧化钨中的、上述费米面附近的占有能级的存在的实验。
在各成膜条件下,制作了光电子分光测定用的样品。作为该样品的构成,如图7所示的1A那样,采用上述的反应性溅射法在导电性硅基板11上成膜了厚度10nm的氧化钨层12(相当于空穴注入层4)。以下,将成膜条件A的样品1A记为样品A、成膜条件B的样品1A记为样品B、成膜条件C的样品1A记为样品C。
样品A、B、C,都是在溅射装置内形成氧化钨层12后,移送到与该溅射装置连接、并填充有氮气的手套箱(glovebox)内,保持了没有暴露在空气中的状态。然后,在该手套箱内,封入到过渡舱(transfervessel)中,装载于光电子分光装置。由此,在成膜氧化钨层12后没有暴露在空气中而实施了紫外光电子分光(UPS)测定。
在此,通常,UPS光谱反映了测量对象物的从表面到深度数纳米的价电子带等的占有能级的状态。因此,在本实验中,使用UPS来观察氧化钨层12的表层中的占有能级的状态。
UPS测量条件如下。再者,在样品A、B、C中使用了导电性硅基板11,因此在测定中没有发生充电(chargeup)。
光源:HeI射线
偏压:无
出射角:基板法线方向
测定点间隔:0.05eV
图8中示出样品A的氧化钨层12的UPS光谱。横轴的结合能的原点设为导电性硅基板11的费米能级,将左方向设为正向。
以下,用图8对氧化钨层12的各占有能级进行说明。
一般地,在氧化钨所呈现的UPS光谱中,最大且陡峭的上升是唯一确定的。将通过该上升的拐点的切线设为线(i),将其与横轴的交点设为点(iii)。由此,氧化钨的UPS光谱被分为从点(iii)到位于高结合能侧的区域(x)和位于低结合能侧的区域(y)。
在此,根据以下的表4中示出的氧化钨层12的组成比,样品A、B、C中,钨原子与氧原子的数量的比率均大致为1:3。再者,该组成比通过X射线光电子分光(XPS)求出。具体地讲,使用该光电子分光装置,与上述UPS测定同样地,使氧化钨层12不暴露于空气中而进行XPS测定,估计出从氧化钨层12的表面到深度数nm的钨与氧的组成比。再者,表4中还一并记载了氧化钨层12的成膜条件。
表4
样品 |
样品A |
样品B |
样品C |
成膜条件 |
成膜条件A |
成膜条件B |
成膜条件C |
总压(Pa) |
4.8 |
2.7 |
2.7 |
氧气分压(%) |
50 |
70 |
70 |
接入电力(W) |
250 |
500 |
1000 |
组成比(氧÷钨) |
3.0 |
2.9 |
2.8 |
根据该组成比,可认为在样品A、B、C中均是,氧化钨层12在至少从表面到深度几纳米以内的范围内具有以三氧化钨为基础的原子配置,也就是说,作为基本结构具有6个氧原子相对于1个钨原子以八面体配位结合、八面体互相共有顶点的氧原子的结构。因此,图8中的区域(x)是三氧化钨结晶或者其结晶秩序混乱(但是结合不断开,保持着上述基本结构)的非晶结构具有的、基于上述基本结构的占有能级,是与所谓的价电子带对应的区域。再者,本申请发明人进行了氧化钨层12的X射线吸收微细结构(XAFS)测定,对在样品A、B、C中都形成有上述基本结构进行了确认。
因此,图8中的区域(y)对应于价电子带与导带之间的带隙,但如本UPS光谱所示,可知在氧化钨的该区域中有时也存在与价电子带不同的占有能级。这是基于与上述基本结构不同的其他结构的能级,是所谓的带隙间能级(in-gapstate或gapstate)。
接着,图9中示出样品A、B、C中的各氧化钨层12的区域(y)的UPS光谱。图9所示的光谱的强度,用位于比图8中的点(iii)高3~4eV左右的高结合能侧的峰(ii)的峰值进行了标准化。在图9中,还在与图8的点(iii)相同的横轴位置上示出了点(iii)。横轴表示为以点(iii)为基准的相对值(相对结合能),显示为从左向右结合能变低。
如图9所示,在样品A的氧化钨层12中,在从比点(iii)低大约3.6eV的结合能的位置到比点(iii)低大约1.8eV的结合能的位置的区域中,能够确认存在峰。在图中用点(iv)表示该峰的明确的上升位置。这样的峰在样品B、C中得不到确认。
本发明通过将这样在UPS光谱中比点(iii)低1.8~3.6eV左右的结合能的区域内具有隆起(未必具有峰形状)的结构的氧化钨作为空穴注入层来使用,能够在有机EL元件中发挥优异的空穴注入效率。
在此,可知具有下述倾向:该隆起的程度越陡峭,空穴注入效率越高。因此,如图9所示,可以说比点(iii)低2.0~3.2eV左右的结合能的区域作为比较容易确认该隆起结构且该隆起较陡峭的区域是特别重要的。
再者,以下,将UPS光谱中的该隆起结构称为“费米面附近的隆起结构”。与该费米面附近的隆起结构对应的占有能级是上述的“费米面附近的占有能级”。
接着,为了使上述费米面附近的隆起结构更加明确,计算出图9所示的样品A、B、C的UPS光谱中的标准化强度的微分。
具体地讲,使用曲线解析软件IGORPro6.0,对图9所示的UPS光谱进行11次的二项式平滑化(平滑系数设为1),然后进行了基于中心差分法的微分处理。这是为了使UPS测定时的本底噪声等的偏差因素平滑化,使微分曲线平滑,使下述的讨论易于理解。
图10中示出了通过该处理得到的微分曲线。图10中的点(iii)、(iv)处于与图9相同的横轴位置。
根据图10所示的微分曲线,在样品B、C的氧化钨层12中,在从能用光电子分光装置测定的结合能到点(iv)的区域(v)中,微分值只是在0附近上下波动,进一步在从点(iv)到高结合能侧大约1.2eV的区域(vi)中,微分值趋向高结合能侧,只是大致随着增加率的增大而逐渐增大。并且,该区域(v)、(vi)中的样品B、C的各微分曲线的形状与作为该各微分曲线的原始曲线的图9所示的样品B、C的UPS光谱大致相似。因此,可以说样品B、C的区域(v)、(vi)中的UPS光谱和其微分曲线的形状是指数函数的形状。
另一方面,在样品A的氧化钨层12中,从点(iv)附近向点(iii)表现了陡峭的上升,区域(v)、(vi)中的微分曲线的形状与指数函数的曲线的形状明显不同。对于这种样品A,在图9的微分前的光谱中,也能够确认到具有从点(iv)附近开始隆起、并且与指数函数的光谱形状不同的费米面附近的隆起结构。
换句话说,这种样品A的特性是,在比价电子带中最低的结合能低大约1.8~3.6eV的范围内存在费米面附近的占有能级,特别是在比价电子带最低的结合能大约低2.0~3.2eV的范围内能够在UPS光谱中明确确认到与该范围对应的费米面附近的隆起结构。
接着,针对成膜后未暴露于空气中而测定了图9的UPS光谱的样品A、B、C的氧化钨层12,在常温下进行了1小时的空气暴露。然后,再进行UPS测定,对由此导致的光谱的变化进行了确认。图11中示出其上述区域(y)中的UPS光谱。横轴的取法与图9是同样的,图中的点(iii)、(iv)处于与图9相同的横轴位置。
根据图11所示的UPS光谱,在样品B、C的氧化钨层12中,与空气暴露前同样地,不能确认费米面附近的隆起结构。相对于此,在样品A的氧化钨层12中,虽然空气暴露后强度和/或光谱形状能看出变化,但是能够确认到依然存在费米面附近的隆起结构。由此可知,对于样品A,即使进行一定时间的空气暴露,也能够维持空气暴露前的特性,相对于周边气氛具有一定的稳定性。
以上,对针对样品A、B、C测定出的UPS光谱进行了讨论,但上述费米面附近的隆起结构即使用XPS或硬性X射线光电子分光测定也能够同样地确认。
图12是样品A的氧化钨层12的上述空气暴露后的XPS光谱。再者,为了比较,将样品A的氧化钨层12的UPS光谱(与图8相同)重叠画在图12中。
XPS测定条件除光源为AlKα射线以外与前述的UPS测定条件同样。在图12中,图中的点(iii)处于与图8相同的横轴位置,横轴与图9同样地用以点(iii)为基准的相对结合能来表示。另外,在图12中用(i)’表示与XPS光谱中的图8的(i)相当的线。
如图12所示,样品A的氧化钨层12中的费米面附近的隆起结构即使在XPS光谱中,也与UPS光谱的情况同样地,在比价电子带中最低的结合能低大约1.8~3.6eV的范围内,作为相当的大小的隆起结构,能够明确地确认到其存在。再者,通过其他实验,即使是硬性X射线光电子分光的光谱,也同样地能确认到费米面附近的隆起结构。
再者,在上述测定中,作为光电子分光测定用的样品,使用了与图1所示的有机EL元件1的结构不同的、在导电性硅基板11上形成氧化钨层12而成的样品1A(图7)。这只是用于防止测定中的充电的措施,并不是将本发明的有机EL元件的结构限定为该结构。
根据本申请发明人进行的其他实验,使用具有图1所示的有机EL元件1的结构(在基板10的一面依次层叠有由ITO构成的阳极2和由氧化钨构成的空穴注入层4的结构)的样品,在进行UPS、XPS测定时,在成膜条件B、C的氧化钨层的测定中发生了充电。
但是,当并用消除充电的中和枪,则虽然空穴注入层4的各占有能级表示的结合能的绝对值(例如将光电子分光装置本身的费米能级作为原点时的结合能的值)与样品1A的氧化钨层12有所不同,但是至少在从带隙到价电子带最低的结合能的范围内,能够得到与样品1A同样的形状的光谱。
(关于从空穴注入层向功能层的空穴注入效率的考察)
在由氧化钨形成的空穴注入层中,根据UPS光谱等能够认为:能够确认作为费米面附近的隆起结构的费米面附近的占有能级对从空穴注入层向功能层的空穴注入效率起作用的原理如下所述。
在氧化钨的薄膜、结晶所能看到的上述费米面附近的占有能级是因类似于氧缺陷的结构所致,这一点根据实验和第一原理计算的结果,有过多个报告。
具体地讲,推测为:上述费米面附近的占有能级是基于因缺乏氧原子而形成的相邻的钨原子的5d轨道彼此的结合轨道、和/或不终止于氧原子而存在于膜表面和/或膜内的钨原子单体的5d轨道而产生的。当这些5d轨道是半占或者非占状态,则能推测为在与有机分子接触时,为了相互的能量稳定化,能从有机分子的最高被占轨道抽出电子。
实际上,有如下报告:在氧化钨和具有催化作用和/或电致变色、光致变色等多个共同的物性的氧化钼中,在其薄膜上层叠由有机低分子的α-NPD形成的层时,电子从α-NPD分子向氧化钼薄膜移动(参照非专利文献3)。
再者,本申请发明人认为,在氧化钨中,与相邻的钨原子的5d轨道彼此的结合轨道相比结合能低的、钨原子单体的半占5d轨道或者与其类似的结构相当于费米面附近的占有能级。
图13是具有本发明的费米面附近的占有能级的氧化钨层与α-NPD层的界面的能量图。
图13中,首先示出了该氧化钨层(相当于空穴注入层)中的价电子带最低的结合能(图中记为“价电子带上端”)和与费米面附近的占有能级的上升位置相当的费米面附近的占有能级最低的结合能(图中记为“in-gapstate上端”)。在UPS光谱中,价电子带上端相当于图8的点(iii),in-gapstate上端相当于图9的点(iv)。
并且,还示出了在该氧化钨层上层叠了α-NPD(相当于功能层)时的α-NPD层的厚度、与α-NPD的最高被占轨道的结合能以及与真空能级的关系。在此,所谓α-NPD的最高被占轨道的结合能是指UPS光谱中的该最高被占轨道的峰的上升位置的结合能。换言之,是α-NPD的最高被占轨道最低的结合能。
具体地讲,针对在ITO基板上成膜的该氧化钨层,一边在光电子分光装置和与该装置连结的超高真空蒸镀装置之间使基板往返,一边反复进行UPS测定和α-NPD的超高真空蒸镀,从而得到图13的能量图。由于在UPS测定中没有确认到有充电,因此在图13中将纵轴的结合能标记为以ITO基板的费米能级为原点的绝对值。
从图13可知,在α-NPD层的厚度为至少0~0.3nm的范围内,也就是说在该氧化钨层与α-NPD层的界面附近,该氧化钨层的in-gapstate上端和α-NPD的最高被占轨道的结合能大致相等,可以说成为互相的能级连续的状态(前述的界面能级连续的状态)。再者,在此所说的“相等”是指实际上包含少许的差,具体地讲指±0.3eV以内的范围。
进一步,图13示出了上述界面能级连续不是偶然所致,而是通过氧化钨和α-NPD的相互作用而实现的。
例如,界面中的真空能级的变化(真空能级位移)示出根据其变化的方向在界面形成有以氧化钨层侧为负、以α-NPD层侧为正的双电层。另外,由于其真空能级位移的大小非常大、为接近2eV,所以认为该双电层不是通过物理吸附等而是通过类似化学结合的作用而形成的是妥当的。即,应该认为上述界面能级连续是通过氧化钨和α-NPD的相互作用来实现的。
本申请发明人作为具体的相互作用推测出以下的机理。
首先,费米面附近的占有能级如上所述来自构成类似于氧缺陷的结构的钨原子的5d轨道。以下将其称为“隆起结构的W5d轨道”。
在该氧化钨层的表面,当α-NPD分子的最高被占轨道靠近隆起结构的W5d轨道时,为了相互的能量稳定化,电子从α-NPD分子的最高被占轨道向隆起结构的W5d轨道移动。由此,在界面形成双电层,引起如图13中所看到的真空能级位移、界面能级连续。
进一步,具体地讲,α-NPD等的胺类有机分子的最高被占轨道,一般其电子密度偏向胺结构的氮原子而分布、且以该氮原子的非共有电子对作为主成分而构成,这作为第一原理计算的结果有过多个报告。据此,能推测为在该氧化钨层和胺类有机分子层的界面处,电子从胺结构的氮原子的非共有电子对向隆起结构的W5d轨道移动。
作为支持上述推测的报告,有如下报告:如前所述在具有与氧化钨共同的物性的氧化钼的蒸镀膜与α-NPD、F8BT的各界面处,存在与图13所示的氧化钨层和α-NPD层的界面能级连续同样的界面能级连续(参照非专利文献4、5、6)。
能够根据以上的界面能级连续来说明本发明的有机EL元件的空穴注入层具有的相对于功能层的优异的空穴注入效率。即,在由具有费米面附近的占有能级的氧化钨形成的空穴注入层和相邻的功能层之间发生界面能级连续,费米面附近的占有能级的上升位置的结合能和功能层的最高被占轨道的上升位置的结合能大致相等。在其连续的能级之间引起空穴注入。因此,本发明的空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒几乎等于零。
但是,难以认为完全没有作为形成费米面附近的占有能级的主要原因的类似于氧缺陷的结构的氧化钨这样的物质是实际存在的。例如,认为在前述的样品B、C等的、光电子分光光谱中没有费米面附近的隆起结构的氧化钨中的类似于氧缺陷的结构虽然是极少量然而却存在是妥当的。
对此,使用图14来说明如前面的实验所示,具有相当于样品A的氧化钨层12的空穴注入层4的空穴单载流子元件HOD-A及有机EL元件BPD-A显示优异的低电压驱动的理由。
在对氧化钨层层叠功能层时,要使构成功能层的有机分子的最高被占轨道和氧化钨层的费米面附近的占有能级相互作用,需要在其界面处有机分子中最高被占轨道的电子密度高的部位(例如胺类有机分子中的胺结构的氮原子。图中用“注入位置(y)”表示)和氧化钨层表面的类似于氧缺陷的结构(图中用“注入位置(x)”表示)接近(接触)至相互作用的距离。
但是,如图14(b)所示,即使设为在前述的样品B、C等的、不存在费米面附近的隆起结构的氧化钨层中存在注入位置(x),其数量密度也小得达不到在UPS光谱中呈现费米面附近的隆起结构的程度。因此,注入位置(x)与注入位置(y)接触的可能性非常低。由于在注入位置(x)和注入位置(y)接触的地方注入空穴,所以可知样品B、C的空穴注入效率极差。
相对于此,如图14(a)所示,在前述的样品A等的具有费米面附近的隆起结构的氧化钨层中富裕地存在注入位置(y)。因此可知注入位置(y)与注入位置(x)接触的可能性高,从空穴注入层向功能层的空穴注入效率高。
为了使到此为止的一系列的考察更切实,进而对于完全不能确认费米面附近的隆起结构的、成膜条件C的氧化钨层,也与图13同样地测定了与α-NPD层的界面处的能量图。
图15示出其结果。在此,如上所述,在该氧化钨层中,与费米面附近的隆起结构相当的in-gapstate上端完全未能确认到。因此,作为用于空穴注入的能级的其他的候补,在UPS光谱中在比费米面附近的隆起结构的位置高的结合能侧所看到的、与该隆起结构不同的结构(图8的(z))的上升位置(记为「第二in-gapstate上端」)、和价电子带上端示于图15中。
但是,图15的α-NPD的最高被占轨道完全不同于图13,无论是在第二in-gapstate上端还是在价电子带上端都完全不接近,也就是说,完全没有产生界面能级连续。这意味着:第二in-gapstate、价电子带都几乎不与α-NPD的最高被占轨道相互作用。并且,即便从第二in-gapstate上端向α-NPD的最高被占轨道注入空穴,其注入势垒为0.75eV,与大致为0的图13的情况相比也极大。
可以认为该注入势垒的差对上述的各成膜条件的空穴单载流子元件1B、有机EL元件1的驱动电压和/或发光效率影响较大。即,认为成膜条件A、B、C的各空穴单载流子元件1B、有机EL元件1的特性的差异强力地启示本发明的有机EL元件具有从空穴注入层向功能层的优异的空穴注入效率。
对以上所述进行总结,如下所述来说明本发明的有机EL元件具有优异的空穴注入效率。
首先,由氧化钨形成的空穴注入层在其光电子分光光谱中具有费米面附近的隆起结构。这意味着在该空穴注入层的表面存在了不少的类似于氧缺陷的结构、以及来源自它的费米面附近的占有能级。
并且,费米面附近的占有能级本身通过从构成相邻的功能层的有机分子夺取电子,具有与有机分子的最高被占轨道实现界面能级连续的作用。
因此,当在空穴注入层的表面,存在不少的类似于氧缺陷的结构时,则费米面附近的占有能级和有机分子的最高被占轨道的电子密度高的部位相接触的概率就高,能高效地产生界面能级连续作用,于是就呈现从空穴注入层向功能层的优异的空穴注入效率。
(关于从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的考察)
接着,对在阳极与本发明的由氧化钨形成的空穴注入层之间形成的肖特基欧姆连接的稳定性(对阳极的材料和/或表面状态的依赖性)进行说明。
[关于阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒]
首先,图16~19中分别示出将阳极和功能层直接层叠的以往结构的有机EL元件中的、阳极与功能层的界面附近的能量图。再者,在此,作为功能层使用了α-NPD。另外,图中的纵轴的结合能表示为以阳极的费米能级为原点的绝对值。
如图16、17所示可知,在由IZO构成阳极的情况下,对该阳极的表面,只进行了纯水洗涤时(图16)、以及在纯水洗涤后还进行了干法蚀刻处理时(图17),阳极的费米能级与功能层的最高被占轨道之间的空穴注入势垒,都为大于1eV这样的相当的大小,而且其大小根据对IZO表面的处理的不同而较大地变动。
另外,如图18、19所示可知,在由ITO构成阳极的情况下,对该阳极的表面,只进行了IPA(异丙醇)洗涤时(图18)、以及在IPA洗涤后还采用氧等离子体进行了处理时(图19),都仍然存在相当高度的空穴注入势垒。
如这些图16~19所示能够确认:在以往的有机EL元件中,根据阳极材料的种类、阳极的表面状态,阳极与功能层之间的空穴注入势垒变动很大,此外势垒本身也较大,在驱动电压方面仍有改善的余地。
另一方面,图20~24中分别示出将阳极和本发明的由氧化钨构成的空穴注入层层叠了的情况的、阳极与本发明的空穴注入层的界面附近的能量图。
图20、21是由IZO构成阳极的情况。与图16、17同样地,分别制作对该阳极的表面,只进行了纯水洗涤的阳极(图20)、以及在纯水洗涤后还进行了干法蚀刻处理的阳极(图21),并在其上层叠了本发明的空穴注入层。
图22、23是由ITO构成阳极的情况。与图18、19同样地,分别制作对该阳极的表面,只进行了IPA洗涤的阳极(图22)、以及在IPA洗涤后还采用氧等离子体进行了处理的阳极(图23),并在其上层叠了本发明的空穴注入层。
此外,图24是由铝构成阳极的情况。在成膜该阳极之后,使其不暴露于空气中以避免其表面被自然氧化,并层叠了本发明的空穴注入层。
由这些图20~24所示的结果可知下面情况。
首先,在所有的图20~24中,空穴注入层的膜厚小于约2nm时,作为费米面附近的占有能级的上升位置的in-gapstate上端的结合能比较陡峭地变化,但在膜厚2nm以上时,为大致一定。而且,该变为一定的结合能的值,非常接近于阳极的费米能级,其差控制在±0.3eV以内。换言之,这意味着:在所有的图20~24中,在阳极与本发明的空穴注入层之间实现了肖特基势垒层的宽度为2nm左右的良好的肖特基欧姆连接。
而且,在图20、21的IZO阳极、以及图22、23的ITO阳极中,空穴注入层的膜厚为2nm以上时的阳极的费米能级与in-gapstate上端的结合能差,不依赖于阳极的表面状态,变为大致相同的值(至多0.02eV的偏移)。
因此,可得到以下结论。首先,在阳极的材料为IZO、ITO、铝的任一种时,阳极和本发明的空穴注入层,只要空穴注入层的膜厚为2nm以上,就进行肖特基欧姆连接。而且,在阳极的表面状态经过了至少上述任一种处理的情况下,不仅该连接依然良好地保持,而且其连接的程度(上述的结合能差)也不依赖于阳极的表面状态的不同,维持了极稳定的恒定的状况。
根据这些结果,只要使用本发明的由氧化钨构成的空穴注入层,则即使不进行用于使阳极的功函数、表面状态为一定的各种作业、也就是不进行严格地选择阳极材料、或将即将形成空穴注入层前的阳极的表面状态高度地维持为一定等等的特别的考虑,也可期待实现从阳极向空穴注入层的良好的空穴注入效率。
对以上所述进行总结,本发明中的由氧化钨构成的空穴注入层,在费米面附近具有占有能级,由此通过该能级的作用,几乎不受阳极的功函数和表面状态的影响而与阳极实现肖特基欧姆连接,具体地讲,在从阳极的表面向空穴注入层侧的距离为2nm的位置,阳极的费米能级与该占有能级的结合能差控制在±0.3eV以内。其结果,能够相当程度地缓和阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒。
在此,本发明的空穴注入层,如上述那样通过该占有能级的作用,功能层之间的空穴注入势垒也极小。因此,能够几乎不受阻碍地从阳极向空穴注入层、以及从空穴注入层向功能层注入空穴。通过这样地不仅能缓和空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒,还能缓和阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒,能够实现更良好的元件的低电压驱动。而且,当实现空穴注入效率的提高时,在驱动时施加于元件的负荷得到减轻,因此也能期待延长元件的驱动寿命。
[肖特基欧姆连接的稳定性的确认]
如上所述,本发明的由氧化钨构成的空穴注入层,只要其膜厚为2nm以上,则在其与阳极之间能够形成稳定的肖特基欧姆连接。根据元件的特性也已确认了该情况。
首先,使用空穴单载流子元件,评价了本发明的空穴注入层中的、从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的膜厚依赖性。
该空穴单载流子元件,除了空穴注入层4A的膜厚以外,采用与图2的空穴单载流子元件1B相同的结构以及制造方法。具体地讲,该空穴注入层,以上述的成膜条件A成膜,膜厚设为5~30nm的范围。另外,为了比较,也制作了省略了空穴注入层的、即将阳极和缓冲层直接层叠了的元件(以下称为「膜厚0nm」)。其他的各层的膜厚如下:ITO阳极为50nm,由TFB构成的缓冲层为20nm,由F8BT构成的发光层为80nm,由金构成的阴极为100nm。
该空穴单载流子元件,除了膜厚0nm的元件以外,空穴注入层都以成膜条件A成膜,因此可以认为从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率全部相等。而且,空穴注入层的膜厚以外的构成也相同。因此,对于该空穴单载流子元件的特性,应当是空穴注入层的膜厚、以及阳极与空穴注入层之间的肖特基欧姆连接的形成的程度产生主要影响。
在此,首先,可考虑空穴注入层的电阻的影响。空穴注入层的膜厚越大,空穴注入层的电阻就越增加。但是,通过其他实验已确认到成膜条件A的空穴注入层的电阻率为缓冲层或发光层的100之1以下。因此,由空穴注入层的膜厚不同所致的电阻不同,与该空穴单载流子元件的特性几乎不相干。
因此,该空穴单载流子元件,除了膜厚0nm的元件以外,只要在阳极与空穴注入层之间能够形成一定的肖特基欧姆连接,则特性应当是全部同等的。
将制作的空穴注入层的膜厚为0nm、5nm、30nm的各空穴单载流子元件与直流电源连接,并施加了电压。使此时的施加电压变化,将相应于电压值而流动的电流值换算成元件的每单位面积的值(电流密度)。以下,所谓「驱动电压」,规定为电流密度10mA/cm2时的施加电压。
表5示出各空穴单载流子元件的驱动电压。
表5
空穴注入层的膜厚[nm] |
驱动电压[V] |
0 |
30.0 |
5 |
20.1 |
30 |
20.2 |
膜厚0nm的元件的驱动电压变得相当地高。认为其原因是,由于不具有本发明的空穴注入层,因此在阳极与功能层之间产生了较大的空穴注入势垒。另一方面可知,膜厚5nm、30nm的各元件,其驱动电压被抑制得低,其值也不依赖于膜厚而大致相同。由此认为:当空穴注入层的膜厚为至少5nm以上时,在阳极与本发明的空穴注入层之间形成了大致一定的肖特基欧姆连接,实现了从阳极向空穴注入层的良好的空穴注入效率。
接着,在有机EL元件中,也评价了本发明的空穴注入层中的、从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的膜厚依赖性。
该有机EL元件,是在上述的空穴单载流子元件的结构中,将由金构成的阴极变更成通过钡层(膜厚5nm)、铝层(膜厚100nm)的层叠而形成的阴极的元件。空穴注入层的膜厚设为2~30nm的范围。
该有机EL元件,除了空穴注入层的膜厚以外的构成也全部相同,因此如果在阳极与空穴注入层之间能够形成一定的肖特基欧姆连接,则特性应当是全部同等的。
将制作的空穴注入层的膜厚为2nm、5nm、15nm、20nm、30nm的各有机EL元件与直流电源连接,并施加了电压。使此时的施加电压变化,将相应于电压值而流动的电流值换算成元件的每单位面积的值(电流密度)。以下,所谓「驱动电压」规定为电流密度10mA/cm2时的施加电压。
各有机EL元件的驱动电压示于表6中。
表6
空穴注入层的膜厚[nm] |
驱动电压[V] |
2 |
8.6 |
5 |
8.4 |
15 |
8.7 |
20 |
8.7 |
30 |
8.4 |
驱动电压均低,为良好。考虑到元件制作上必然产生的各层的膜厚的偏差等,可以视为它们的驱动电压不依赖于膜厚而充分同等。由此认为,与空穴单载流子元件的情况同样地,在该有机EL元件中,空穴注入层的膜厚为2nm以上时,也在阳极与本发明的空穴注入层之间形成了大致一定的肖特基欧姆连接。
接着,使用有机EL元件,对本发明的空穴注入层的膜厚与元件的驱动寿命的关系也进行了评价。
该有机EL元件,为与表6中所用的元件相同的构成,空穴注入层的膜厚设为2~30nm的范围,另外,为了比较,还制作了省略了空穴注入层4A的膜厚0nm的元件。
各元件除了空穴注入层的膜厚以外的构成都相同,因此,如果在阳极与空穴注入层之间能够形成一定的肖特基欧姆连接,则可期待实现相同程度的寿命。
将制作的空穴注入层的膜厚为0nm、2nm、5nm、30nm的各元件与直流电源连接,并以电流密度10mA/cm2的恒定电流驱动,测定了发光辉度根据驱动时间而产生的变化。
在各元件中,直到辉度降低到驱动开始时的60%为止的辉度降低时间示于表7中。
表7
空穴注入层的膜厚[nm] |
0 |
2 |
5 |
30 |
辉度降低时间(小时) |
100 |
150 |
150 |
170 |
由此可知,首先,膜厚0nm的元件的辉度降低快,也就是说寿命短。认为这是以下因素较大地影响所致:由于不具有本发明的空穴注入层,因此在阳极与功能层之间产生较大的空穴注入势垒,为了流通恒定电流而需要提高驱动电压,对元件的负荷变高。
另一方面,膜厚2nm、5nm、30nm的各元件,与膜厚0nm的元件相比,辉度降低慢,也就是说寿命长。认为其原因是:空穴注入势垒被本发明的空穴注入层有效缓和,驱动电压可较低,减轻了对元件的负担。
并且,膜厚2nm、5nm、30nm的各元件,都显示了良好且相同程度的辉度降低。因此,如果空穴注入层的膜厚仍为2nm以上,则能在阳极与本发明的空穴注入层之间形成大致一定的肖特基欧姆连接,因此认为,空穴注入层的膜厚为2nm以上的元件的驱动电压变为相同程度,显示相同程度的寿命。
通过以上的实验,根据元件特性也确认了:本发明的由氧化钨构成的空穴注入层如果其膜厚为2nm以上,则在其与阳极之间能够形成稳定的肖特基欧姆连接。
再者,表1以及图3~6中所使用的元件中,与空穴注入层的成膜条件无关而在阳极与空穴注入层之间实现了本发明的肖特基欧姆连接。这是通过ITO阳极的表面处理而形成的。以下叙述详细情况。
与图13中所使用的方法同样地,反复进行在该ITO阳极上的各成膜条件的空穴注入层的成膜和UPS测定的结果,当空穴注入层的膜厚大约为2nm以内时,与成膜条件无关地确认到费米面附近的隆起结构,与阳极形成了肖特基欧姆连接。但是,当膜厚变大时,如图9所示,费米面附近的隆起结构的有无根据成膜条件而不同。
认为这是以下原因所致:在空穴注入层成膜前,对该ITO阳极的表面进行了氩离子溅射处理,在洗涤该ITO阳极的同时,在其表面形成了氧缺陷。
即,由于在该ITO阳极的表面形成氧缺陷,在空穴注入层的成膜刚开始后,氧化钨的氧原子容易被该ITO侧夺取,因此只有界面附近的空穴注入层中类似于氧缺陷的结构变多。因此,在阳极与空穴注入层之间形成了本发明的肖特基欧姆连接。
空穴注入层成膜开始后,当膜厚达到数nm以上时,以后以由各成膜条件决定的膜质一样地成膜,因此空穴注入层的膜厚为30nm的表1以及图3~6的元件的特性依赖于成膜条件。
<实施方式2>
〈有机EL元件1C的整体结构〉
图25(a)是表示本实施方式涉及的有机EL元件1C的结构的示意剖视图。图25(b)是空穴注入层4A附近的局部放大图。
有机EL元件1C,例如为通过湿法工艺进行涂敷来形成功能层的涂敷型,具有下述结构:空穴注入层4和各种功能层在相互层叠的状态下介于由阳极2和阴极8D构成的电极对之间,所述各种功能层是包含具有规定功能的有机材料而成的。
具体地讲,有机EL元件1C是对于基板10的一侧主面按下述顺序层叠阳极2、ITO层3、空穴注入层4A、缓冲层6A、发光层6B、电子注入层7、阴极8D、封止层9而构成的。以下以与有机EL元件1的不同点为中心进行说明。
(ITO层3)
ITO(氧化铟锡)层3介于阳极2与空穴注入层4A之间,具有使各层间的接合性良好的功能。在有机EL元件1C中,虽然ITO层3与阳极2分开,但也可以将ITO层3看作阳极2的一部分。
(空穴注入层4A)
空穴注入层4A,与实施方式1的空穴注入层4同样地,由以规定的成膜条件成膜的、至少2nm以上的膜厚(在此,作为一例为30nm)的氧化钨层构成,ITO层3和空穴注入层4A形成肖特基欧姆连接,ITO层3的费米能级、与从ITO层3的表面向空穴注入层4A侧的距离为2nm的位置的费米面附近的占有能级最低的结合能之差控制在±0.3eV以内。由此,在有机EL元件1C中,与以往结构相比,ITO层3与空穴注入层4A间的空穴注入势垒得的缓和,能够实现良好的低电压驱动。
构成空穴注入层4A的氧化钨,在其组成式WOx中,x是大致在2<x<3的范围内的实数。空穴注入层4A优选尽量由高纯度的氧化钨构成,但也可以包含在通常水平可混入的程度的微量的杂质。
再者,有关空穴注入层4A的规定的成膜条件的详细情况,在(有机EL元件1C的制造方法)项以及(关于空穴注入层4A的成膜条件)项中详细地说明。
在此,在实施方式2中,通过构成空穴注入层4A的氧化钨层以上述规定的成膜条件成膜,从而如图25(b)所示那样包含多数的氧化钨结晶13。各个结晶13的粒径为纳米级。例如,与空穴注入层4A的厚度为30nm左右相对,结晶13的粒径为3~10nm左右。以下将粒径为纳米级的大小的结晶13称为「纳米晶体13」,将由纳米晶体13构成的层的结构称为「纳米晶体结构」。再者,空穴注入层4A中,除了纳米晶体结构以外也可以包含非晶结构。
在具有上述那样的纳米晶体结构的空穴注入层4A中,构成氧化钨的钨原子分布成自身具有能取得的最大价数的状态和比该最大价数低的价数的状态。一般地,氧化钨层中有时存在类似于氧缺陷的结构。类似于氧缺陷的结构中不包含的钨原子的价数是6价,另一方面,类似于氧缺陷的结构中包含的钨原子的价数是低于6价的状态。另外,一般地,类似于氧缺陷的结构较多地存在于结晶的表面。
因此,在有机EL元件1C中,除了缓和上述的ITO层3与空穴注入层4A之间的空穴注入势垒之外,通过使空穴注入层4A中分布5价的钨原子、使其形成类似于氧缺陷的结构,可望空穴传导效率进一步提高。即,通过使由氧化钨构成的空穴注入层4A具有纳米晶体结构,从ITO层3注入到空穴注入层4A的空穴,沿存在于纳米晶体13的晶界的氧缺陷传导,因此能增加空穴传导的路径,带来空穴传导效率的提高。由此,在有机EL元件1C中,可高效地实现驱动电压的降低。
另外,空穴注入层4A由化学耐性高的、即难以引起不需要的化学反应的氧化钨构成。因此,即使是空穴注入层4A与在形成该层后所进行的工序等中所使用的溶液等接触的情况,也能够抑制由于溶解、变质、分解等所导致的空穴注入层4A的损伤。这样,通过空穴注入层4A由化学耐性高的材料构成,能够防止空穴注入层4A的空穴传导效率降低。
本实施方式中的由氧化钨构成的空穴注入层4A,包括以下两种情况,即:仅由纳米晶体结构构成的情况、和由纳米晶体结构和非晶结构两者构成的情况。另外,优选纳米晶体结构存在于整个空穴注入层4A中,但如果在从ITO层3与空穴注入层4A相接触的界面到空穴注入层4A与缓冲层6A相接触的界面之间,即使是一个位置由晶界连接,则能够从空穴注入层4A的下端向上端高效地传导空穴。
再者,将包含氧化钨结晶的层作为空穴注入层使用的例子本身,在过去也曾报告过。例如非专利文献2有下述教示:通过将氧化钨层在450℃的热处理(annealing)来结晶化,空穴传导效率提高。但是,在非专利文献2中,关于大面积的氧化钨层的成膜条件、在基板上成膜为空穴注入层的氧化钨对基板上的其他层造成的影响等没有记载,也没有显示大型有机EL面板的实用量产性。而且,也没有显示出:在空穴注入层中主动形成具有类似于氧缺陷的结构的氧化钨纳米晶体。本发明的一种技术方案涉及的空穴注入层,由难以产生化学反应、且稳定、能耐受大型有机EL面板的量产工艺的氧化钨层构成。而且,通过使氧化钨层主动地存在类似于氧缺陷的结构,实现了优异的空穴传导效率,在这点上大大不同于现有技术。(电子注入层7·阴极8D·封止层9)
电子注入层7具有从阴极8D向发光层6B注入电子的功能,例如,优选采用膜厚5nm左右的钡、厚度1nm左右的氟化锂、氟化钠、或者将它们组合而成的层形成。
阴极8D,例如由膜厚100nm左右的ITO层构成。在阳极2以及阴极8D上连接有直流电源DC,从而从外部向有机EL元件1C供电。
封止层9,具有抑制有机EL元件1C暴露于水分或空气中的功能,例如由SiN(氮化硅)、SiON(氮氧化硅)等材料形成。在为顶面发光(TopEmission)型的有机EL元件的情况下,优选由透光性的材料形成。
〈有机EL元件1C的制造方法〉
接着,采用图27~29来例示有机EL元件1C整体的制造方法。
首先,采用例如溅射法在基板10上形成由银构成的薄膜,将该薄膜通过例如光刻来图案化,由此以矩阵状形成阳极2(图27(a))。再者,该薄膜也可以采用真空蒸镀法等形成。
接着,采用例如溅射法形成ITO薄膜,将该ITO薄膜通过例如光刻来图案化,由此形成ITO层3。接着,在后述的规定的成膜条件下形成包含氧化钨的薄膜4X(图27(b))。
接着,在薄膜4X上,使用由有机材料构成的堤材料形成堤材料层5X,将堤材料层5X的一部分除去,使薄膜4X的一部分露出(图27(c))。堤材料层5X的形成可通过例如涂敷等来进行。堤材料层5X的除去,可通过使用规定的显影液(四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液等)的图案形成来进行。
此时,构成薄膜4X的氧化钨,虽然化学耐性良好,但是由于具有稍溶于TMAH溶液的性质,因此当采用上述显影液洗涤附着于薄膜4X表面的堤残渣时,薄膜4X的露出部分被浸蚀,形成凹入结构(图28(a))。其结果,形成具备凹部4a的空穴注入层4A。
接着,对堤材料层5X的表面,采用例如氟等离子体等实施拨液处理,形成堤5。接着,在用堤5规定的区域内,采用例如喷墨法滴下包含有机材料的组合物墨,使该墨干燥,形成缓冲层6A、发光层6B(图28(b))。再者,也可以通过分配器(dispenser)分散法、喷嘴涂敷法、旋涂法、凹版印刷、凸版印刷等来滴下墨。
接着,采用例如真空蒸镀法形成成为电子注入层7的钡薄膜(图29(a))。
接着,采用例如溅射法形成成为阴极8D的ITO薄膜(图29(b))。
接着,在阴极8D上形成封止层9(图29(c))。
通过以上操作完成了有机EL元件1C。
接着,对空穴注入层4A(薄膜4X)的成膜条件进行叙述。空穴注入层4A(薄膜4X)优选采用反应性溅射法成膜。具体地讲,以金属钨为靶,将氩气作为溅射气体,将氧气作为反应性气体,向室内导入。在该状态下通过高电压将氩进行离子化,使其冲撞靶。此时,利用溅射现象放出的金属钨与氧气反应变为氧化钨,从而在ITO层3上形成氧化钨层。
再者,在以下项中对该成膜条件的详细情况进行叙述,简单地叙述一下的话,优选设定为:(1)室内的气体的总压为2.3Pa以上7.0Pa以下,并且,(2)氧气分压相对于总压的比例为50%以上70%以下,并且,(3)靶的每单位面积的接入电力(接入电力密度)为1.5W/cm2以上6.0W/cm2以下,并且,(4)总压除以接入电力密度所得的值即总压/电力密度大于0.7Pa·cm2/W。通过这样的成膜条件,能形成由具有纳米晶体结构的氧化钨构成的空穴注入层4A。
(从阳极形成工序到堤形成工序的其他工序例)
接着,采用图30、31说明从阳极形成工序到堤形成工序的其他工艺例。再者,在该工艺中,例示了在基板10的表面形成平坦化膜17的结构。
首先,使用聚酰亚胺、丙烯酸类等的绝缘性树脂材料在基板10上形成平坦化膜17。在该平坦化膜17上,基于蒸镀法依次形成铝合金薄膜2X、IZO薄膜3X、薄膜(氧化钨膜)4X这3层(图30(a))。作为铝合金材料,可以使用例如ACL(铝钴镧合金)材料。
接着,在没有形成阳极2、IZO层3A、空穴注入层4B的区域,利用光刻法形成抗蚀剂图案R(图30(b))。
接着,将未被抗蚀剂图案R覆盖的薄膜4X的区域进行干法蚀刻(D/E)处理从而图案化(图30(c))。在该干法蚀刻处理中,为了只将薄膜4X选择性蚀刻,使用F系气体与N2气的混合气体、或F系气体与O2气的混合气体中的任一种。具体的干法蚀刻处理的设定条件,作为一例可按以下那样确定。
[干法蚀刻条件]
处理对象:氧化钨膜
蚀刻气体;氟系气体(SF6、CF4CHF3)
混合气体:O2、N2
混合气体比:CF4:O2=160:40
供给电力:电源(Source)500W、偏置(Bias)400W
压力:10~50mTorr
蚀刻温度:室温
实施上述干法蚀刻处理后,形成了空穴注入层4B。其后通过使用O2气进行灰化(ashing)处理,使接下来的湿法蚀刻(W/E)处理中的抗蚀剂图案R的剥离变得容易。
接着,通过湿法蚀刻处理,将未被抗蚀剂图案R覆盖的IZO薄膜3X、Al合金薄膜2X的区域图案化(图30(d))。作为蚀刻剂,使用硝酸、磷酸、醋酸、水的混合液,将IZO薄膜3X、Al合金薄膜2X这2层一并地湿法蚀刻。
具体的湿法蚀刻处理的设定条件,作为一例可按如下的条件定。
[湿法蚀刻条件]
处理对象:IZO薄膜以及Al合金薄膜
蚀刻剂:磷酸、硝酸、醋酸的混合水溶液
溶剂的混合比率:任意(可以通常的条件混合)
蚀刻温度:低于室温。
再者,为了良好地进行该湿法蚀刻处理,作为上层的IZO薄膜的膜厚,优选为20nm以下。原因是膜厚大于20nm时,侧面蚀刻量变多。
另外,当然也可以采用ITO薄膜形成ITO层,来代替采用IZO薄膜形成IZO层。
经过以上工艺,形成了阳极2和IZO层3A。其后,实施抗蚀剂剥离工序,除去抗蚀剂图案R,由此能得到被图案化了的阳极2、IZO层3A、空穴注入层4B这3层结构(图31(a))。在该工艺中,空穴注入层4B与对应于阳极2、IZO层3A的位置相匹配地形成。
接着,在露出的平坦化膜17的表面形成堤材料层5X(未图示),将其图案化,由此形成了堤5(图31(b))。
再者,其后,采用上述的方法,调整规定的墨并将其依次滴下到由堤5规定的区域并进行干燥,由此能够分别形成缓冲层6A、发光层6B(图31(c))。
〈关于空穴注入层4A、4B的成膜条件的各种实验和考察〉
(关于空穴注入层4A、4B的成膜条件)
在实施方式2中,通过将构成空穴注入层4A、4B的氧化钨以规定的成膜条件成膜,使空穴注入层4A、4B中特意地存在纳米晶体结构,由此使空穴传导效率提高,能够低电压驱动有机EL元件1C。对该规定的成膜条件进行详细说明。
成膜时使用DC磁控溅射装置,靶设为金属钨。对基板温度不进行控制。认为溅射气体由氩气构成,反应性气体由氧气构成,将各气体设为同等的流量,采用反应性溅射法成膜较合适。再者,空穴注入层4A、4B的成膜方法不限于此,也可以采用溅射法以外的方法、例如蒸镀法、CVD法等公知方法来成膜。
为了形成由具有纳米晶体结构的氧化钨构成的空穴注入层4A、4B,认为需要:向基板飞来的原子或原子团簇(cluster),以不破坏基板上先形成的规则结构的程度的低动能到达基板,并能一边在基板上运动一边相互具有规则性地结合,为此,优选以尽可能低的成膜速率成膜。
在此,根据后述的实验结果,作为在反应性溅射法中能够实现上述的低成膜速率的成膜条件,可考虑上述的(1)~(4)。本申请发明人通过以该成膜条件(1)~(4)形成空穴注入层,得到由具有纳米晶体结构的氧化钨构成的空穴注入层,并已确认出有机EL元件的驱动电压降低效果。
再者,关于上述(1),在后述的实验中,总压的上限值为4.7Pa,但已另行确认到:至少直到7.0Pa都显示同样的倾向。
另外,关于上述(2),在后述的实验中,氧气分压相对于总压的比例被设定为50%,但至少在50%以上70%以下时确认到驱动电压的降低。
进而,关于上述(4),进行补充说明。在氩气和氧气的流量同等的情况下,认为膜质由接入电力密度和总压决定。(3)的接入电力密度,使被溅射而从靶放出的钨原子和/或钨原子团簇的数量和动能变化。也就是说,通过使接入电力密度较低,从靶放出的钨的数量减少,动能也降低,能够使向基板飞来的钨较少且为低动能,能期待实现在低成膜速率下的膜形成。另外,(1)的总压使从靶放出的钨原子和/或钨原子团簇的平均自由行程变化。也就是说,当总压高时,钨原子和/或钨原子团簇在到达基板之前反复与室内气体冲撞的概率上升,钨原子和/或钨原子团簇的飞来方向分散,并且动能也因冲撞而丧失,由此能使到达基板的钨较少且为低动能,能期待实现在低成膜速率下的膜形成。
但是,要分别单独控制接入电力密度和总压而使成膜速率变化认为是有限的。因此,采用总压除以接入电力密度所得的值作为重新确定成膜速率的参数,确定了成膜条件(4)。
具体地讲,用于形成实施方式2的纳米晶体结构的上述参数(总压/电力密度)的条件,在后述的实验的范围内为0.78Pa·cm2/W以上,认为大于0.7Pa·cm2/W是有必要的,更切实地讲,认为优选为0.8Pa·cm2/W以上。另一方面,关于上述参数的上限值,在后述的实验的范围内为3.13Pa·cm2/W以下,认为比3.2Pa·cm2/W小即可,更切实地讲,认为优选为3.1Pa·cm2/W以下。但是,根据关于上述的成膜速率和纳米晶体结构的考察,成膜速率越低越好,因此,认为不一定受上限值制约。根据以上所述确定了成膜条件(4)。
再者,上述参数的值越大,成膜速率越低,上述参数的值越小,成膜速率越高,这点已通过别的实验得到确认。
接着,进行用于确认上述成膜条件的有效性的各种实验。
首先,为了进行空穴注入层4A、4B的空穴传导效率的成膜条件依赖性的评价,作为评价器件制作了图26所示的空穴单载流子元件1D。如在实施方式1中所述,在空穴单载流子元件中流动的载流子能只看作空穴,因此空穴单载流子元件适合于空穴传导效率的评价。
如图26所示,空穴单载流子元件1D是将图25的有机EL元件1C变更为评价器件的构成的元件,是将ITO阴极8D置换成由金构成的阴极8E,省略阳极2,以ITO层3为阳极,而且省略了电子注入层7、堤5的元件。具体地讲,基于上述的制造方法制作,各层的膜厚如下:空穴注入层4A设为30nm,由TFB构成的缓冲层6A设为20nm,由F8BT构成的发光层6B设为70nm,由金构成的阴极8E设为100nm。
在空穴单载流子元件1D的制作工序中,空穴注入层4A,是使用DC磁控溅射装置,采用反应性溅射法成膜的。室内气体由氩气和氧气的至少任一种构成,靶使用金属钨。对基板温度不进行控制,总压通过各气体的流量来调节。室内的氩气以及氧气的分压分别为50%。
制作了采用表8所示的α~ε这5种成膜条件的空穴注入层4A构成的各空穴单载流子元件1D。以下,将以成膜条件α成膜的空穴单载流子元件1D称为HOD-α,以成膜条件β成膜的空穴单载流子元件1D称为HOD-β,以成膜条件γ成膜的空穴单载流子元件1D称为HOD-γ,以成膜条件δ成膜的空穴单载流子元件1D称为HOD-δ,以成膜条件ε成膜的空穴单载流子元件1D称为HOD-ε。
表8
将制作的各空穴单载流子元件1D与直流电源DC连接,并施加了电压。使此时的施加电压变化,将相应于电压值而流动的电流值换算成元件的每单位面积的值(电流密度)。
各空穴单载流子元件1D的施加电压与电流密度的关系示于图32中。图中纵轴为电流密度(mA/cm2)、横轴为施加电压(V)。
另外,各空穴单载流子元件1D的驱动电压示于表9中。再者,这里的「驱动电压」规定为电流密度0.3mA/cm2时的施加电压。
可以说该驱动电压越小,则空穴注入层4A的空穴传导效率越高。原因是,在各空穴单载流子元件1D中,空穴注入层4A以外的构成相同,因此认为除了空穴注入层4A以外的、相邻的2个层之间的空穴注入势垒、除了空穴注入层4A以外的各层的空穴传导效率为一定。另外,根据后述的原因认为,相比于从空穴注入层4A向缓冲层6A的空穴注入效率,空穴注入层4A的传导效率对元件特性影响更强烈。而且,在该实验中使用的ITO层3和空穴注入层4A,与在实施方式1中叙述的同样地形成了本发明的肖特基欧姆连接,这点已由别的实验确认。因此可以说,各空穴单载流子元件1D中的、由空穴注入层4A的成膜条件所致的驱动电压的不同,强有力地反映了空穴注入层4A的空穴传导效率的不同。
表9
样品名 |
驱动电压(V) |
HOD-α |
6.25 |
HOD-β |
7.50 |
HOD-γ |
8.50 |
HOD-δ |
8.50 |
HOD-ε |
9.49 |
如表9以及图32所示,HOD-ε与其他的元件相比,电流密度-施加电压曲线的上升最慢,驱动电压最高。因此认为,HOD-α、β、γ、δ,与在降低总压并且使接入电力密度最大的成膜条件下制作的HOD-ε比较,空穴传导效率优异。
以上叙述了关于空穴单载流子元件1D中的空穴注入层4A的空穴传导效率的验证,但空穴单载流子元件1D,关于与元件特性相关的本质部分,除了阴极8E以外,为与有机EL元件1C相同的构成。因此,在有机EL元件1C中,空穴注入层4A的空穴传导效率的成膜条件依赖性本质上与空穴单载流子元件1D相同。
为了确认该情况,制成使用了在α~ε的各成膜条件下成膜的空穴注入层4A的有机EL元件1C。以下,将在成膜条件α下成膜的有机EL元件1C称为BPD-α,在成膜条件β下成膜的有机EL元件1C称为BPD-β,在成膜条件γ下成膜的有机EL元件1C称为BPD-γ,在成膜条件δ下成膜的有机EL元件1C称为BPD-δ,在成膜条件ε下成膜的有机EL元件1C称为BPD-ε。
各有机EL元件1C,是将图25的有机EL元件1C变更为评价器件的构成的元件,是将阴极8D从ITO置换成铝,并且省略阳极2,以ITO层3为阳极,而且省略了堤5的元件。具体地讲,基于上述的制造方法制作,各层的膜厚如下:空穴注入层4A设为30nm,由TFB构成的缓冲层6A设为20nm,由F8BT构成的发光层6B设为70nm,由钡层构成的电子注入层7设为5nm,由铝层构成的阴极8设为100nm。
将制作的成膜条件α~ε的各有机EL元件1C与直流电源DC连接,并施加了电压。使此时的施加电压变化,将相应于电压值而流动的电流值换算成元件的每单位面积的值(电流密度)。
各有机EL元件1C的施加电压与电流密度的关系示于图33。图中纵轴为电流密度(mA/cm2),横轴为施加电压(V)。
另外,各有机EL元件1C的驱动电压示于表10中。再者,这里的「驱动电压」规定为电流密度8mA/cm2时的施加电压。
表10
样品名 |
驱动电压(V) |
BPD-α |
9.25 |
BPD-β |
11.25 |
BPD-γ |
11.50 |
BPD-δ |
12.25 |
BPD-ε |
14.00 |
如表10以及图33所示,BPD-ε与其他的元件相比,电流密度-施加电压曲线的上升最慢,驱动电压最高。这显示出与分别相同的成膜条件的空穴单载流子元件HOD-α~ε同样的倾向。
根据以上的结果,空穴注入层4A的空穴传导效率的成膜条件依赖性,在有机EL元件1C中也与空穴单载流子元件1D的情况同样地起作用得到确认了。即认为,在有机EL元件1C中,也通过在达到成膜条件α、β、γ、δ的范围的成膜条件下进行成膜,空穴注入层4A的空穴传导效率提高,由此实现了低电压驱动。
再者,在上述中,接入电力的条件如表8所示那样用接入电力密度表示。在使用与本实验中所用的DC磁控溅射装置不同的DC磁控溅射装置的情况下,通过调节接入电力使得接入电力密度达到上述条件,能与本实验同样地得到优异的空穴传导效率的由氧化钨层构成的空穴注入层4A。再者,关于总压、氧分压,不依赖于装置。
另外,空穴注入层4A通过反应性溅射法成膜时,在配置于室温环境下的溅射装置中,没有有意地设定基板温度。因此,至少成膜前的基板温度为室温。但是,在成膜中基板温度有上升数十℃左右的可能性。
再者,本申请发明人通过别的实验确认到:在过于提高氧分压的情况下,驱动电压反倒上升。因此,氧分压优选为50%~70%。
从以上实验结果来看,在低电压驱动,优选具备在成膜条件α、β、γ、δ下制作的空穴注入层的有机EL元件,更优选是在成膜条件α、β下制作的有机EL元件。以下将具备在成膜条件α、β、γ、δ下制作的空穴注入层的有机EL元件作为本申请的对象。
(关于空穴注入层4A的钨的化学状态)
在构成实施方式2的有机EL元件1C的空穴注入层4A、4B的氧化钨层中存在5价的钨原子。该5价的钨原子是通过先前的实验中所示的成膜条件的调整而形成的。以下叙述详细情况。
为了确认在上述的成膜条件α~ε下成膜的氧化钨的化学状态,进行了硬X射线光电子分光测定(以下简单地称为「HXPS测定」)实验。在此,一般地从硬X射线光电子分光光谱(以下简单地称为「HXPS光谱」)可得到遍及到测定对象物的膜的深度数十nm的信息,换言之,可得到膜的尺寸(bulk)的信息,测定深度通过表面的法线与检测光电子的方向形成的角度确定。在本实验中,为了观察氧化钨层的整个厚度方向的价数的状态,调整上述角度,确定为40°。
HXPS测定条件如下。再者,在测定中没有发生充电。
(HXPS测定条件)
使用SPring-8的束线BL46XU。
光源:同步加速器放射光(能量8keV)
偏压:无
出射角:与基板法线方向形成的角为40°
测定点间隔:0.05eV
在表8所示的α~ε的各成膜条件下制作了HXPS测定用的样品。在成膜于玻璃上的ITO基板上,采用上述的反应性溅射法成膜厚度30nm的氧化钨层(看作空穴注入层4A),由此制成为HXPS测定用的样品。以下将在成膜条件α、β、γ、δ、ε下制作的HXPS测定用样品分别称为样品α、样品β、样品γ、样品δ、样品ε。
对样品α~ε的各空穴注入层4A进行了HXPS测定。其结果的光谱示于图34。横轴为结合能,将ITO基板的费米能级作为原点,将左向作为正向。纵轴为光电子强度。
在图34所示的结合能区域观测到3个峰,各峰归属为:从图左向右分别是与钨的5p3/2能级(W5p3/2)、4f5/2能级(W4f5/2)、4f7/2能级(W4f7/2)对应的峰。
接着,对于各样品的光谱的归属于W5p3/2、W4f5/2、W4f7/2的各峰,使用光电子分光解析用软件「XPSPEAK4.1」进行峰拟合解析。首先,根据相对于硬X射线能量的光离子化截面积,将与W4f7/2、W4f5/2、W5p3/2对应的各成分的面积强度比固定为W4f7/2:W4f5/2:W5p3/2=4:3:10.5。接着,如表11所示,使W4f7/2的归属于6价的成分(W6+4f7/2)的峰顶的位置对着结合能35.7eV。接着,将W5p3/2、W4f5/2、W4f7/2各自的归属于表面光电子的成分、归属于6价的成分、归属于5价的成分的峰顶的位置和半值宽度的初始值设定在表11所示的范围内。另外,用于各成分的拟合(fitting)的Gaussian-Lorentzian混合函数中的Lorentzian函数的比率的初始值也设定在表11所示的范围内。而且,在保持了上述的强度比的基础上任意地设定了各成分的面积强度的初始值。然后,一边保持上述的强度比一边使各成分的面积强度变动,另外,使各成分的峰位置、半值宽度、Lorentzian函数的比率在表11的范围内变动,进行最大100次的最佳化计算,由此得到最终的峰拟合解析结果。
最终的峰拟合解析结果示于图35。图35(a)是样品α的解析结果,图35(b)是样品ε的解析结果。
在两图中,虚线(样品α、样品ε)是实测光谱(相当于图34的光谱)、双点划线(表面)是归属于表面光电子的成分(Wsur5p3/2、Wsur4f5/2、Wsur4f7/2),点线(W6+)是归属于6价的成分(W6+5p3/2、W6+4f5/2、W6+4f7/2),单点划线(W5+)是归属于5价的成分(W5+5p3/2、W5+4f5/2、W5+4f7/2)。实线(fit)是将用双点划线、点线和单点划线表示的各成分总计的光谱。
图35的虚线和实线的光谱非常好地一致,即可知,可以从归属于W5p3/2、W4f5/2、W4f7/2的各能级的峰,均能用归属于来自空穴注入层4A的表面的光电子的成分(表面)、归属于空穴注入层4A的层内所含的6价的成分(W6+)以及归属于5价的成分(W5+)的合计得到良好地说明。
另外,可确认,在图35(a)的样品α中,相对于归属于6价的各成分(W6+),低0.3~1.8eV的结合能区域存在对应的归属于5价的成分(W5+)。另一方面,在图35(b)的样品ε中,不能确认那样的归属于5价的成分。为了便于理解,在图35(a)以及(b)的各自的右侧,示出了用圆圈包围的部分的放大图。据此,在样品α中,能够确认清楚地存在W5+的单点划线的峰(图中用(c)表示),但在样品ε中得不到确认。而且,着眼于放大图的细部,在样品α中,在峰拟合结果的各成分的总计即实线(fit)、与仅仅6价的成分的点线(W6+)之间较大地具有「偏移」,而在样品ε中,没有像样品α那样的「偏移」。即推测为,样品α中的该「偏移」启示存在5价的钨原子。
接着,算出样品α~ε中的、5价的钨原子数相对于6价的钨原子的比率即W5+/W6+。该比率,通过在各样品的峰拟合解析结果中,归属于5价的成分的面积强度除以对应的归属于6价的成分的面积强度来算出。
再者,归属于5价的成分与对应的归属于6价的成分的面积强度比,在W5p3/2、W4f5/2、W4f7/2的任一个中都成为测定原理上相同的值。实际已确认在本研究中也是相同的值。因此,在以后的考察中,仅使用W4f7/2。
表12表示出样品α~ε的W4f7/2中的W5+/W6+。
表12
样品名 |
W5+/W6+ |
样品α |
7.4% |
样品β |
6.1% |
样品γ |
3.2% |
样品δ |
3.2% |
样品ε |
1.8% |
根据表12所示的W5+/W6+值,空穴注入层4A中的5价的钨原子的比例最高的是样品α,接着有下述倾向:按样品β、样品γ、样品δ的顺序,其比例变小,样品ε最小。另外,比较表10和表12的结果可知有下述倾向:空穴注入层4A中的5价的钨原子的比例越高,有机EL元件的驱动电压越低。
再者,通过采用上述的HXPS测定,求出钨与氧的组成比,样品α~ε中,空穴注入层4A中的钨原子与氧原子的数量的比率,作为整个层的平均值都大致为1:3得到了确认。根据该比率认为,样品α~ε的任一个中,空穴注入层4A都大致遍及整体地在基本结构中具有以三氧化钨为基本的原子配置。再者,本申请发明人进行空穴注入层4A的X射线吸收微细结构(XAFS)测定,确认到在样品α~ε的任一个中都形成有上述基本结构。(关于空穴注入层4A的电子态)