具体实施方式
[本发明的一种方式的概要]
本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的结构为,具备:基板;第1电极,其形成在所述基板上或所述基板内;辅助布线,其与所述第1电极分离而形成在所述基板上或所述基板内;功能层,其形成在所述第1电极的上方,至少包含发光层;空穴注入层,其介于所述功能层与所述第1电极之间,向所述功能层进行空穴注入;以及第2电极,其形成在所述功能层的上方,所述空穴注入层和所述第2电极各自连续地形成在所述第1电极的上方以及所述辅助布线的上方,所述第2电极和所述辅助布线经由所述空穴注入层而电连接,所述空穴注入层构成为包含氧化钨,且在其电子态中,在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。
根据本方式,空穴注入层构成为包含氧化钨。进一步,该空穴注入层在其电子态中,在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。通过该占有能级存在于空穴注入层中,能够将像素部的空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒抑制为较小,并且能够在像素部的像素电极与空穴注入层、布线部的辅助布线与空穴注入层、空穴注入层与共用电极之间几乎没有势垒地进行载流子的授受。其结果,空穴注入效率较高,能够用低电压进行驱动,并且能够实现优异的发光效率。
另外,根据本方式,由于能够在布线部的辅助布线与空穴注入层、空穴注入层与共用电极之间几乎没有势垒地进行载流子的授受,所以即使在辅助布线上形成空穴注入层也没有任何问题,由于不需要空穴注入层的图案化工序,所以不仅能够削减工序,还能够实现稳定的量产工艺。
进而,根据本方式,由于用化学性能稳定的氧化钨构成了空穴注入层,因此,在堤形成工序中,能抑制空穴注入层因碱溶液和/或水、有机溶剂等而变质、分解。因此,在元件完成后,也能够良好地保持空穴注入层的形态、像素部中的从空穴注入层向功能层的空穴注入效率、以及布线部中的空穴注入层与共用电极之间的载流子的授受。由此,能够进行可耐受有机EL显示面板的量产工艺的有机EL元件的制造。
在形成空穴注入层之后层叠有机EL元件的发光层。通常,发光层按发光色(例如R、G、B)而分别涂敷,但为了防止像素间的混色、实现高精细化,在像素间配置有例如隔壁(以下称作“堤”)。在堤形成工序中,一般使用光刻法,例如在空穴注入层表面涂敷由感光性的抗蚀剂材料形成的堤材料,在预烘焙之后,使用图案掩模使其感光,用由碱溶液等构成的显影剂洗出未固化的多余的堤材料,最后用纯水清洗。这样,在堤形成工序中,使用碱溶液、水、有机溶剂等,但在例如空穴注入层由有机类的材料形成的情况下,材料会由于这些液体而发生变质、分解等,空穴注入层会受到损伤,因此产生无法得到所希望的空穴注入效率的问题。对此,在本发明的一种方式涉及的空穴注入层的情况下,由于用氧化钨形成该空穴注入层,所以空穴注入层不容易因所述溶液而变质、分解,因此不容易产生如上所述的问题。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述第2电极是透明电极。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述透明电极是ITO或IZO。
如上所述,在顶部发射型的有机EL元件中,需要对共用电极(第2电极)使用ITO、IZO等透明电极材料,但它们的电阻率比金属材料高。因此,当在布线部大量使用共用电极时,显示面板越是大面积化,发光像素间共用电极的布线长度越会产生差异,电源供给部的端部与显示面板的中央之间越会产生较大的电压降,相应地辉度(brightness)会出现差异,因此中央会变暗。也即是,存在根据显示面板的有机EL元件的配置位置不同而电压不匀、发生显示品质(质量)下降的问题。因此,如上所述,并用低电阻的辅助布线,形成尽量抑制了共用电极的使用的布线部。
在此,本发明的具有预定的物性的氧化钨与这些透明电极材料均为肖特基欧姆连接,因此,即使形成在辅助布线与透明电极材料之间,也不会引起布线部的高电阻化。即,能够在辅助布线与空穴注入层、空穴注入层与由ITO、IZO等形成的共用电极之间几乎没有势垒地进行载流子的授受。其结果,本发明的一种方式的有机EL显示面板能够用低电压进行驱动,并且能够期待发挥优异的发光效率。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述第2电极以将Al(铝)或Ag(银)为主成分。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,还具有在所述第1电极的上方以及所述辅助布线的上方连续地形成的金属层,在所述第1电极的上方,所述金属层介于所述第2电极与所述发光层之间,在所述辅助布线的上方,所述金属层介于所述第2电极与所述空穴注入层之间。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述金属层是在所述第1电极的上方从所述第2电极(共用电极)向所述发光层注入电子的电子注入层。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,作为所述金属层,设置包含Ba(钡)的金属层。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在底部发射型的有机EL元件中,作为所述第2电极(共用电极),使用Ag或Al等高反射率的金属材料。
在此,本发明的具有预定的物性的氧化钨与这些金属均为肖特基欧姆连接,因此,即使形成在辅助布线上,也不会引起布线部的高电阻化。即,能够在辅助布线与空穴注入层、空穴注入层与由Ba、Al、Ag等形成的金属层和/或共用电极之间几乎没有势垒地进行载流子的授受。其结果,本发明的一种方式的有机EL显示面板能够用低电压进行驱动,并且能期待发挥优异的发光效率。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述辅助布线是ITO或IZO。
如上所述,能够在由ITO、IZO形成的辅助布线与空穴注入层之间几乎没有势垒地进行载流子的授受。因此,本方式的有机EL显示面板能够用低电压进行驱动,并且能够期待发挥优异的发光效率。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,与在所述第1电极的上方形成的空穴注入层同一层的空穴注入层形成在所述辅助布线的上方。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,至少形成在所述辅助布线上的空穴注入层的膜厚为4nm以上。
根据本方式,由于在布线部的辅助布线与空穴注入层之间、以及空穴注入层与金属层之间稳定地形成肖特基欧姆连接,能期待稳定的载流子的授受,所以是更加优选的。即,为了形成辅助布线与空穴注入层之间的稳定的肖特基欧姆连接,优选确保2nm以上,为了形成空穴注入层与金属层之间的稳定的肖特基欧姆连接,优选确保2nm以上,因此可以说当共计为4nm以上时,则是更加优选的。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在所述空穴注入层上形成有隔壁,所述隔壁在所述第1电极的上方具有开口部,所述功能层形成在所述隔壁的开口部内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述第1电极以像素为单位配置有多个,所述隔壁的开口部与所述多个第1电极分别对应而形成。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述第1电极以像素为单位配置有多个,所述隔壁的开口部与配置有多个的所述第1电极的每条线对应而形成。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述空穴注入层的膜厚为2nm以上。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在UPS光谱中,所述空穴注入层在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有隆起的形状。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在XPS光谱中,所述空穴注入层在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有隆起的形状。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在UPS光谱的微分光谱中,所述空穴注入层在比价电子带最低的结合能低2.0~3.2eV的整个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,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,所述空穴注入层的所述占有能级存在于比价电子带最低的结合能低2.0~3.2eV的结合能区域内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,通过存在所述占有能级,在所述空穴注入层和所述功能层的层叠界面,所述功能层的最高被占轨道的结合能被定位在所述占有能级的结合能的附近。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在所述空穴注入层和所述功能层的层叠界面,所述占有能级的结合能与所述功能层的最高被占轨道的结合能之差在±0.3eV以内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,通过存在所述占有能级,在所述第1电极和所述空穴注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能被定位在所述第1电极的费米能级的附近。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在所述第1电极与所述空穴注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能与所述第1电极的费米能级之差在±0.3eV以内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,通过存在所述占有能级,在所述辅助布线和所述空穴注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能被定位在所述辅助布线的费米能级的附近。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中在所述辅助布线与所述空穴注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能与所述辅助布线的费米能级之差在±0.3eV以内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,通过存在所述占有能级,在所述空穴注入层和所述第2电极的层叠界面,所述占有能级的结合能被定位在所述第2电极的费米能级的附近。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在所述空穴注入层和所述第2电极的层叠界面,所述占有能级的结合能与所述第2电极的费米能级之差在±0.3eV以内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,通过存在所述占有能级,在所述空穴注入层和所述电子注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能被定位在所述电子注入层的费米能级的附近。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,在所述空穴注入层和所述电子注入层的层叠界面,所述占有能级的结合能和所述电子注入层的费米能级之差在±0.3eV以内。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的特定方式中,具备:基板;第1电极,其形成在所述基板上或所述基板内;布线,其与所述第1电极分离而形成在所述基板上或所述基板内;有机层,其形成在所述第1电极的上方,包含有机材料;氧化钨层,其介于所述有机层与所述第1电极之间,包含氧化钨;以及第2电极,其形成在所述有机层的上方,所述氧化钨层和所述第2电极各自连续地形成在所述第1电极的上方以及所述布线的上方,所述第2电极和所述布线经由所述氧化钨层而电连接,所述氧化钨层在其电子态中,在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。
本发明的一种方式涉及的有机EL显示装置具备上述任意一项所记载的有机EL显示面板。
本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的制造方法包括:第一工序,在基板上或基板内形成第1电极;第二工序,在所述基板上或所述基板内与所述第1电极分离而形成辅助布线;第三工序,在所述第1电极的上方和所述辅助布线的上方形成连续的空穴注入层;第四工序,在所述第1电极的上方形成至少包含发光层的功能层;以及第五工序,在所述功能层的上方和所述辅助布线上的所述空穴注入层的上方形成连续的第2电极,所述第2电极和所述辅助布线经由所述空穴注入层而电连接,所述空穴注入层构成为包含氧化钨,且在其电子态中,在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的制造方法的特定方式中,在所述第三工序与所述第四工序之间还包括在所述空穴注入层上形成具有使所述第1电极上方的所述空穴注入层露出的开口部和使所述辅助布线上方的所述空穴注入层露出的区域的隔壁的工序,在所述第四工序中,所述功能层形成在所述隔壁的所述开口部内。
另外,在本发明的一中方式涉及的有机EL显示面板的制造方法的特定方式中,在所述第三工序中,在所述辅助布线的上方形成与在所述第1电极的上方形成的空穴注入层同一层的空穴注入层。
另外,在本发明的一种方式涉及的有机EL显示面板的制造方法的特定方式中,包括:第一工序,在基板上或基板内形成第1电极;第二工序,在所述基板上或所述基板内与所述第1电极分离而形成布线;第三工序,在所述第1电极的上方以及所述布线的上方形成连续的包含氧化钨的氧化钨层;第四工序,在所述第1电极的上方形成包含有机材料的有机层;以及第五工序,在所述有机层的上方以及所述布线上的所述氧化钨层的上方形成连续的第2电极,所述第2电极和所述布线经由所述氧化钨层而电连接,所述氧化钨层在其电子态中,在比价电子带最低的结合能低1.8~3.6eV的结合能区域内具有占有能级。
在本申请中使用“~”来记载了数值范围的情况下,为其下限值和上限值均包含在该数值范围内。例如,在记载为1.8~3.6eV的情况下,在该数值范围中包含1.8eV和3.6eV。
[完成本发明的经过]
本发明的发明人通过如后所述的实验确认了:当在由金属氧化物形成的空穴注入层的表面存在与氧缺陷类似的构造所形成的费米面附近的占有能级时,则在该空穴注入层与功能层的界面处,该费米面附近的占有能级最低的结合能与功能层的最高被占轨道的结合能之差变小。
进而,着眼于这一点而达成了以下的构思:当在该空穴注入层存在费米面附近的占有能级时,则在该空穴注入层与阳极、阴极、辅助布线等电极的界面处,该费米面附近的占有能级最低的结合能与电极的费米能级之差也变小,能够实现良好的载流子的授受。
并且,得到了如下见解:具有费米面附近的占有能级的由金属氧化物形成的空穴注入层的电阻较低,且在其与由Al等金属材料形成的电极、由ITO、IZO等电阻较高的透明电极材料形成的电极之间能够实现肖特基欧姆连接,由于这些理由,即使该空穴注入层形成在辅助布线上,也不会引起布线部的高电阻化。
接着,本发明的发明人针对用于形成堤形成工序中不容易变质、分解的空穴注入层的材料也进行了研究。
如上所述,作为实现有机EL元件的驱动电压和寿命的改善的空穴注入层用的材料,优选作为无机材料的金属氧化物,但实际上在将氧化钼用于空穴注入层来试制有机EL元件时,得到了由于堤形成工序中使用的碱溶液、水、有机溶剂等而会使空穴注入层变质、分解的可能性的启示。假使发生空穴注入层的变质、分解等问题,则除了会导致在发光部的像素电极上给空穴注入层原本具有的空穴注入能力带来障碍、在布线部的辅助布线上引起布线部的高电阻化等而无法进行正常的有机EL元件的驱动之外,还难以耐受有机EL元件和使用了该有机EL元件的有机EL显示面板的量产工艺。因此,不能说使用存在变质、分解的可能性的氧化钼来形成空穴注入层一定是合适的。
于是,本发明的发明人着眼于发生变质、分解的可能性更低的氧化钨,查明了即使在氧化钨中只要具有预定的物性,则相对于上述溶液等的溶解性或分解性较低且空穴注入能力较高。
[实施方式]
以下,说明本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板和有机EL显示装置,然后叙述各性能确认实验的结果和考察。各附图中的部件比例尺与实际不同。
<有机EL显示面板的结构>
图1是用于说明本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板的图,图1(a)是用于说明有机EL显示面板的主要部分的部分俯视图,图1(b)是沿着图1(a)的A-A’线剖切而得到的主要部分剖视图。
如图1(a)所示,在本实施方式涉及的有机EL显示面板110中,呈矩阵状配置有多个具有发光部95的发光像素95A,以像素为单位配置有多个阳极(像素电极、第1电极)20,辅助布线(也相当于布线)30沿着各发光部95按发光像素列进行配置。
如图1(b)所示,有机EL显示面板110由基板10、形成在基板10上的阳极20以及辅助布线30、形成在阳极20以及辅助布线30上的空穴注入层(也相当于氧化钨层)40、形成在空穴注入层40上且在阳极20的上方具有像素开口部45以及在辅助布线30的上方具有连接开口部35的堤50、形成在堤50的像素开口部45内的缓冲层60、形成在堤50的像素开口部45内的缓冲层60上的发光层(也相当于有机层)70、形成在这些上面的电子注入层(也相当于金属层)80、以及形成在电子注入层80上的阴极90(共用电极、第2电极)等构成。
关于空穴注入层40,与在阳极20的上方形成的空穴注入层相同的空穴注入层形成在辅助布线30的上方。即,空穴注入层40遍及图1(a)所所示的部分俯视图的整个面而形成。另外,电子注入层80和阴极90也遍及图1(a)所示的部分俯视图的整个面而形成。
辅助布线30和阴极90在沿着辅助布线30设置的连接开口部35经由空穴注入层40和电子注入层80而电连接,构成了从阴极90向电源进行连结的布线部。连接开口部35中的阴极90与辅助布线30之间的层构造不限于上述构造。例如,也可以包含空穴注入层40和电子注入层80以外的层,或者也可以没有电子注入层80。只要是不阻止电子从辅助布线30向阴极90的流动的层构造即可,具有这样的多层构造的有机EL显示面板也包含在本发明中,具有与本实施方式涉及的有机EL显示面板110同样的效果。
发光部95包括设置在像素开口部45的空穴注入层40、缓冲层60、发光层70以及电子注入层80,从阴极90侧放出通过注入到发光层70的电子与空穴的复合而产生的光。阳极20与发光部95对应而按像素分离地设置。即,在发光部由R、G、B(红、绿、蓝)等子像素构成的情况下,与各子像素对应的发光部95和阳极20按子像素分离地设置。
(基板)
基板10是成为有机EL元件的基材的部分,例如可由无碱玻璃、钠玻璃、无荧光玻璃、磷酸类玻璃、硼酸类玻璃、石英、丙烯酸类树脂、苯乙烯类树脂、聚碳酸酯类树脂、环氧类树脂、聚乙烯、聚酯、硅类树脂或氧化铝等绝缘性材料中的任一材料形成。
虽未图示,但在基板10的表面形成有用于驱动有机EL元件的TFT(薄膜晶体管)。
(阳极)
阳极20例如通过使由ITO形成的厚度20nm的透明导电膜层叠于由Al形成的厚度400nm的金属膜而形成。阳极20的结构不限于此,例如也可以由单层的ITO、IZO等透明导电膜、Al、Ag等金属膜、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)等合金膜构成。另外,也可以层叠从这些透明导电膜、金属膜以及合金膜中选择出的多个膜而构成。
(辅助布线)
辅助布线30例如通过使由ITO形成的厚度20nm的透明导电膜层叠于由Al形成的厚度400nm的金属膜而构成。辅助布线30的结构不限于此,例如也可以由单层的ITO、IZO等透明导电膜、Al、Ag等金属膜、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)等合金膜构成。另外,也可以层叠从这些透明导电膜、金属膜以及合金膜中选择出的多个膜而构成。
(空穴注入层)
空穴注入层40例如构成为使用了氧化钨(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,作为一个例子是30nm)的层。当膜厚小于2nm时,难以进行均匀的成膜,另外,难以形成像素部的阳极20与空穴注入层40之间的肖特基欧姆连接,因此不优选。由于氧化钨的膜厚为2nm以上时能稳定地形成上述肖特基欧姆连接,所以只要以2nm以上的膜厚形成空穴注入层40,就能够期待从像素部的阳极20向空穴注入层40的稳定的空穴注入效率。
进而,当氧化钨的膜厚为4nm以上时,则在布线部的辅助布线30与空穴注入层40之间、以及空穴注入层40与电子注入层80之间,也稳定地形成肖特基欧姆连接,能够期待稳定的载流子的授受,因此更加优选。
空穴注入层40优选尽量仅由氧化钨构成,但只要是通常水平下能混入的程度,则也可以包含极微量的杂质。
在此,空穴注入层40通过在特定的成膜条件下进行成膜,从而具有与金属氧化物的氧缺陷类似的构造所形成的电子能级。通过存在该电子能级,能够实现从像素部的阳极20向空穴注入层40、从空穴注入层40向缓冲层60的良好的空穴注入、以及布线部的辅助布线30与空穴注入层40、空穴注入层40与电子注入层80之间的良好的载流子授受。
更具体地描述所述的“具有与氧缺陷类似的构造所形成的电子能级”,则是:空穴注入层40在其电子态中,在价电子带的上端、即比价电子带最低的结合能低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40的最高占有能级,其结合能范围最接近空穴注入层40的费米能级(费米面)。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40和功能层(在此为缓冲层60)的层叠界面实现了所谓的界面能级连续,缓冲层60的最高被占轨道的结合能与空穴注入层40的所述费米面附近的占有能级的结合能大致相等。
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40和缓冲层60的界面处,所述费米面附近的占有能级最低的结合能与所述最高被占轨道最低的结合能之差在±0.3eV以内的范围内。
进一步,在此所说的“界面”是指:包括空穴注入层40的表面和距该表面0.3nm以内的距离的缓冲层60的区域。
进而,空穴注入层40的特征在于,在与阳极20、辅助布线30、电子注入层80的界面处形成有所谓的肖特基欧姆连接。
在此所说的“肖特基欧姆连接”是指如下的连接:在从阳极20、辅助布线30、电子注入层80的表面到空穴注入层40侧的距离为2nm的位置中,阳极20、辅助布线30、电子注入层80的费米能级与前述的空穴注入层40的费米面附近的占有能级最低的结合能之差较小而控制在±0.3eV以内。另外,在此所说的“界面”是指:包括阳极20、辅助布线30、电子注入层80的表面和从该表面形成于空穴注入层40侧的肖特基势垒的区域。
所述费米面附近的占有能级优选存在于整个空穴注入层40,但至少存在于与缓冲层60、阳极20、辅助布线30、电子注入层80的界面即可。这样的费米面附近的占有能级不是所有的氧化钨都具有的,而是能够特别地在空穴注入层的内部和/或与缓冲层60的界面处通过后述的预定的成膜条件初次形成的特有的能级。
(堤)
堤50例如由绝缘性的有机材料(例如丙烯酸类树脂、聚酰亚胺类树脂、酚醛清漆型酚树脂等)形成,形成为与多个阳极20分别对应地形成有像素开口部45的井字形构造、或与配置有多个的阳极20的每条线对应地形成有像素开口部45的线条构造。堤50不是本发明所必需的结构,在作为单体使用有机EL元件1等情况下不需要堤50。
(缓冲层)
缓冲层60例如由厚度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70例如由厚度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70不限于由该材料形成的结构,可以构成为包含公知的有机材料。例如,可列举出日本特开平5-163488号公报所记载的类喔星(oxinoid)化合物、苝化合物、香豆素化合物、氮杂香豆素化合物、噁唑化合物、噁二唑化合物、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、吡喃鎓化合物、噻喃鎓化合物、硒吡喃鎓化合物、碲吡喃鎓化合物、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、席夫盐与III族化合物的配合物、8-羟基喹啉(喔星)金属配合物、稀土类配合物等荧光物质。
(功能层)
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复合而发光的发光层、用于调整光学特性或电子阻碍用途的缓冲层等中的任意一个、或者两层以上的这些层的组合或所有的层。本发明以空穴注入层为对象,但有机EL元件中除了空穴注入层以外还存在上述的空穴输送层、发光层等各自发挥所需功能的层。功能层意味着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。
(电子注入层)
电子注入层80例如由厚度5nm的钡层构成,具有从阴极90向发光层70注入电子的功能。电子注入层80连续地形成在阳极20的上方和辅助布线30的上方,在阳极20的上方介于阴极90与发光层70之间,在辅助布线30的上方介于阴极90与空穴注入层40之间。如本实施方式这样,在向上方取出光的方式(顶部发射方式)中,电子注入层80需要具有光透射性,在如上所述由厚度5nm的钡层构成电子注入层的情况下具有光透射性。在向下方取出光的方式(底部发射方式)中,还依赖于元件构造,但电子注入层不一定要求具有光透射性。
(阴极)
阴极90例如层叠由ITO形成的厚度35nm的透明导电膜而构成。阴极90的结构不限于此,也可以层叠IZO等其他透明导电膜和/或由Al、Ag等金属、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)等合金形成的薄膜而构成。另外,也可以层叠从这些透明导电膜、金属膜以及合金膜中选择出的多个膜而构成。
在阳极20和辅助布线30连接有直流电源,从外部对有机EL显示面板110进行供电。
<有机EL显示装置的结构>
根据图2来说明本发明的一实施方式涉及的有机EL显示装置。图2是表示本发明的一实施方式涉及的有机EL显示装置的整体结构的图。
如图2所示,有机EL显示装置100包括本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板110和与其连接的驱动控制单元120,被用于显示器、电视机、移动电话等。驱动控制单元120包括4个驱动电路121~124和控制电路125。在实际的有机EL显示装置100中,驱动控制单元120相对于显示面板110的配置和/或连接关系不限于此。
<有机EL显示面板的制造方法>
以下,参照附图详细说明本实施方式涉及的有机EL显示面板的制造方法。
图3和图4是用于说明本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板的制造方法的剖视图。
首先,如图3(a)所示,准备例如具备由TFT(ThinFilmTransistor:薄膜晶体管)和电容器等构成的驱动电路(未图示)的基板10。然后,使用例如真空蒸镀法和/或溅射法,在基板10上的整个面依次形成由Al形成的金属膜以及由ITO形成的透明导电膜。然后,使用光刻法对金属膜和透明导电膜进行蚀刻,在预定的位置形成阳极20,另外,在与阳极20电绝缘的预定的位置形成辅助布线30。
此时,阳极20与发光部对应而个别地形成,辅助布线30沿着呈二维的矩阵状排列的发光像素的例如行或列而呈一维配置形成。为了消除例如由驱动电路等产生的凹凸,也可以根据需要在基板10设置平坦化层,在其上方形成阳极20和辅助布线30。
接着,如图3(b)所示,通过反应性溅射法将空穴注入层40成膜在阳极20上以及辅助布线30上。具体而言,使靶为金属钨,实施反应性溅射法。向溅射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,通过高电压使氩离子化,使其冲撞靶。此时,通过溅射现象放出的金属钨与氧气反应而成为氧化钨,在基板10的阳极20上以及辅助布线30上以连续的状态成膜空穴注入层40,得到中间产品110A。
上述的成膜条件为:不控制基板温度,使气压(总压)为4.8Pa,使氧气分压与总压之比为50%,使靶每单位面积的投入电力(投入电力密度)为1.4W/cm2。由在该条件下成膜的氧化钨形成的空穴注入层40在其表面具有与氧缺陷类似的构造所形成的电子能级。
接着,从溅射室内取出中间产品110A。
接着,如图3(c)所示,在整个面涂敷负性(negativetype)光致抗蚀剂50A。
接着,如图3(d)所示,在负性光致抗蚀剂50A上定位(对准)并载置在与发光部和连接部相当的位置具有遮光部的光掩模51。然后,使用光刻法,经由该掩模51使光致抗蚀剂50A曝光。
接着,如图3(e)所示,进行显影处理,形成构成像素开口部45和连接开口部35的堤50。
接着,如图4(a)所示,通过基于例如旋涂法或喷墨法的湿法工艺,在像素开口部45滴下含有胺类有机分子材料的组成物墨,使溶剂挥发而将溶剂除去。由此,形成缓冲层60。
接着,如图4(b)所示,在缓冲层60的表面用同样的方法在像素开口部45滴下含有有机发光材料的组成物墨,使溶剂挥发而将溶剂除去。由此,形成发光层70。
缓冲层60、发光层70的形成方法不限于此,也可以通过旋涂法和喷墨法以外的方法、例如照相凹版印刷法、分墨法、喷嘴式涂敷法、凹版印刷、凸版印刷等公知的方法来滴下、涂敷墨。
接着,如图4(c)所示,通过例如真空蒸镀法在发光层70上以及连接开口部35的空穴注入层40上以连续的状态成膜电子注入层80。
进一步,如图4(d)所示,通过同样的方法在电子注入层80上成膜阴极90。
虽然图1中未图示,但以抑制有机EL元件在完成后曝露于空气为目的,可以在阴极90的表面还设置封止层,或者设置在空间上使元件整体与外部隔离的封止罐。封止层可以由例如SiN(氮化硅)、SiON(氮氧化硅)等材料形成,设置成内部封止元件。在使用封止罐的情况下,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显示面板110。
接着,使用图5~图7来例示本实施方式的变形例涉及的有机EL显示面板110C的制造方法。该有机EL显示面板110C的结构与上述110大致相同,但具有以下特征:空穴注入层40C构成为特别具有载流子的传导性优异的纳米晶体构造。
<有机EL显示面板110C的制造方法>
首先,在基板10C上通过例如溅射法形成由银形成的薄膜,通过例如光刻对该薄膜进行图案化,从而呈矩阵状形成阳极20C和辅助布线30C(图5(a))。该薄膜也可以用真空蒸镀法等来形成。
接着,通过例如溅射法形成ITO薄膜,通过例如光刻对该ITO薄膜进行图案化,从而在阳极20C和辅助布线30C上形成ITO层25C。
在此,在有机EL显示面板110C中,使ITO层25C与阳极20C分开,但也可以将ITO层25C视为阳极20C的一部分。
另外,ITO层25C也介于辅助布线30C与空穴注入层40C之间。在有机EL显示面板110C中,使ITO层25C与辅助布线30C分开,但也可以将ITO层25C视为辅助布线30C的一部分。
接着,在后述的预定的成膜条件下形成包含氧化钨的薄膜40X(图5(b))。
接着,在薄膜40X上使用由有机材料形成的堤材料来形成堤材料层50X,除去堤材料层50X的一部分而使薄膜40X的一部分露出(图5(c))。对于堤材料层50X的形成,可以通过例如涂敷等来进行。对于堤材料层50X的除去,可以通过使用预定的显影液(四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液等)进行图案化来进行。
此时,对于构成薄膜40X的氧化钨,虽然化学耐性良好,但是具有稍微溶于TMAH溶液的性质,因此,当通过上述显影液清洗附着于薄膜40X表面的堤残渣时,薄膜40X的露出部分会被侵蚀而形成凹入构造(图6(a))。其结果,形成具备与阳极20C对应的凹部40a以及与辅助布线30C对应的凹部40b的空穴注入层40C。
接着,在堤材料层50X的表面实施通过例如氟等离子体等进行的拨液处理,形成堤50C。然后,在由堤50C规定为与阳极20C对应的区域内,通过例如喷墨法滴下含有有机材料的组成物墨,使该墨干燥,形成缓冲层60C、发光层70C(图6(b))。在由堤50C规定为与辅助布线30C对应的区域内不形成缓冲层60C、发光层70C。也可以通过分墨法、喷嘴式涂敷法、旋涂法、凹版印刷、凸版印刷来滴下墨。
接着,通过例如真空蒸镀法在发光层70C上形成成为电子注入层85C的钡薄膜(图7(a))。
接着,通过例如溅射法遍及整个面而形成成为阴极90C的ITO薄膜(图7(b))。
接着,对阴极90C上形成封止层95C(图7(c))。
以上,完成有机EL显示面板110C。
下面,描述空穴注入层40C(薄膜40X)的成膜条件。空穴注入层40C(薄膜40X)优选通过反应性溅射法来成膜。具体而言,将金属钨作为靶,向溅射室内导入氩气来作为溅射气体,导入氧气来作为反应性气体。在该状态下,通过高电压使氩离子化,使其冲撞靶。此时,通过溅射现象放出的金属钨与氧气反应而成为氧化钨,在ITO层25C上成膜氧化钨层。
对该成膜条件进行详细描述,优选设定为:(1)溅射室内的气体的总压为2.3Pa以上且7.0Pa以下;(2)氧气分压相对于总压的比例为50%以上且70%以下;(3)靶每单位面积的投入电力(投入电力密度)为1.5W/cm2以上且6.0W/cm2以下;(4)将总压除以投入电力密度而得到的值即总压/电力密度大于0.7Pa·cm2/W。通过这样的成膜条件,形成具有纳米晶体构造的由氧化钨形成的空穴注入层40C。
(从阳极和辅助布线形成工序到堤形成工序的另一工序例)
下面,使用图8、图9来说明从阳极和辅助布线形成工序到堤形成工序的过程的另一例。在该过程中,例示了在基板10C的表面形成平坦化膜17C的结构。
首先,在基板10C上使用聚酰亚胺和/或丙烯酸等绝缘性树脂材料来形成平坦化膜17C。在该平坦化膜17C上,基于蒸镀法依次形成Al合金薄膜20X、IZO薄膜25X、薄膜(氧化钨膜)40X这三层(图8(a))。作为Al合金材料,可以利用例如ACL(铝钴镧合金)材料。
接着,在要形成阳极20C、IZO层25D、空穴注入层40D这三层以及辅助布线30C、IZO层25D、空穴注入层40D这三层的区域中,通过光刻法形成抗蚀剂图案R(图8(b))。
然后,对未被抗蚀剂图案R覆盖的薄膜40X的区域进行干式蚀刻(D/E)处理,进行图案化(图8(c))。在该干式蚀刻处理中,由于仅选择性地蚀刻薄膜40X,所以使用氟类气体和N2气体的混合气体和氟类气体和O2气体的混合气体中的任一方。对于具体的干式蚀刻处理的设定条件,作为一个例子,可以确定为以下所述的条件。
[干式蚀刻条件]
处理对象:氧化钨膜
蚀刻气体:氟类气体(SF6、CF4CHF3)
混合气体:O2、N2
混合气体比:CF4:O2=160:40
供给功率:电源(Source)500W、偏置(Bias)400W
压力:10~50mTorr
蚀刻温度:室温
在实施上述干式蚀刻处理后,形成空穴注入层40D。然后,通过用O2气体进行灰化(ashing)处理,预先使接下来的湿式蚀刻(W/E)处理中的抗蚀剂图案R的剥离变得容易。
接着,通过湿式蚀刻处理,对未被抗蚀剂图案R覆盖的IZO薄膜25X、Al合金薄膜20X的区域进行图案化(图8(d))。作为蚀刻剂,使用硝酸、磷酸、醋酸、水的混合液,对IZO薄膜25X、Al合金薄膜20X这两层一并进行湿式蚀刻。
对于具体的湿式蚀刻处理的设定条件,作为一个例子,可以确定为以下所述的条件。
[湿式蚀刻条件]
处理对象:IZO薄膜和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(可在一般的条件下混合)
蚀刻温度:低于室温。
为了良好地进行该湿式蚀刻处理,作为上层的IZO薄膜25X的膜厚,优选为20nm以下。其原因是,当膜厚超过20nm时,侧蚀刻量变多。
另外,当然也可以使用ITO薄膜来形成ITO层,以代替使用IZO薄膜来形成IZO层。
经过以上的过程,形成阳极20C和IZO层25D这两层以及辅助布线30C和IZO层25D这两层。然后,通过实施抗蚀剂剥离工序来除去抗蚀剂图案R,能够得到图案化的阳极20C、IZO层25D、空穴注入层40D的三层构造以及辅助布线30C、IZO层25D、空穴注入层40D的三层构造(图9(a))。在该过程中,与阳极20C和IZO层25D这两层以及辅助布线30C和IZO层25D这两层所对应的位置相匹配地形成空穴注入层40D。
接着,在露出的平坦化膜17C的表面形成堤材料层50X(未图示),并使其图案化,从而形成堤50C(图9(b))。
然后,用上述的方法调整预定的墨,在由堤50C规定的区域依次滴下该墨并使其干燥,从而能够分别形成缓冲层60C、发光层70C(图9(c))。
〈各种实验和考察〉
(关于氧化钨的成膜条件)
本实施方式中,通过在预定的成膜条件下成膜构成空穴注入层的氧化钨,使空穴注入层存在上述的费米面附近的占有能级,降低空穴注入层与缓冲层之间的空穴注入势垒,使得能够对有机EL显示面板110进行低电压驱动。
作为用于得到这样的性能的氧化钨的成膜方法,认为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磁控管溅射装置,靶为金属钨,溅射室内气体由氩气和氧气构成,气压(总压)为大于2.7Pa且7.0Pa以下,氧气分压与总压之比为50%以上且70%以下,靶每单位面积的投入电力(投入电力密度)为1W/cm2以上且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向缓冲层的空穴注入效率的成膜条件依赖性,作为评价器件,使用了图10所示的空穴单载流子元件1B。
在有机EL元件中,形成电流的载流子是空穴和电子这两者,在有机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,所以几乎不流动电子电流,全部电流大致仅由空穴电流构成,即载流子被视为大致仅为空穴。因此,空穴单载流子元件适合评价空穴注入效率。
具体制作的空穴单载流子元件1B为图10所示的结构,在基板9上通过溅射成膜法成膜厚度50nm的由ITO薄膜形成的阳极2,在阳极2上以下述的各成膜条件成膜厚度30nm的由氧化钨形成的空穴注入层4,在空穴注入层4上通过旋涂法分别成膜厚度20nm的由作为胺类有机高分子的TFB形成的缓冲层6A、厚度70nm的由作为有机高分子的F8BT形成的发光层6B,进而,通过蒸镀法成膜厚度100nm的由Au(金)形成的阴极8C,从而制作了该空穴单载流子元件1B。空穴单载流子元件1B是用于研究有机EL显示面板的像素部中从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率的评价器件,因此省略了堤和布线部。
在该空穴单载流子元件1B的制作工序中,对于空穴注入层,使用DC磁控管溅射装置而通过反应性溅射法来成膜了该空穴注入层。溅射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、总压由各气体的流量来调节。成膜条件如以下的表1所示,使总压、氧气分压以及投入电力的各条件变化,由此得到具备在各成膜条件下成膜的空穴注入层的空穴单载流子元件1B(元件编号(No.)1~14)。此后,氧气分压表示为与总压之比(%)。
[表1]
各空穴单载流子元件1B的成膜条件
元件No. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
氧气分压(%) |
70 |
50 |
100 |
50 |
70 |
100 |
70 |
50 |
100 |
50 |
70 |
30 |
30 |
50 |
总压(Pa) |
2.7 |
4.8 |
1.7 |
1.7 |
2.7 |
1.7 |
2.7 |
4.8 |
1.7 |
2.7 |
1.7 |
1.7 |
2.7 |
4.8 |
投入电力(W) |
500 |
500 |
500 |
500 |
250 |
250 |
1000 |
1000 |
1000 |
500 |
500 |
500 |
500 |
250 |
T-S(mm) |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
113 |
成膜速度(nm/s) |
0.164 |
0.14 |
0.111 |
0.181 |
0.057 |
|
0.308 |
0.311 |
0.246 |
0.154 |
0.153 |
0.364 |
0.177 |
0.049 |
膜厚(nm) |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
30 |
表2中示出上述DC磁控管溅射装置的投入电力与投入电力密度的关系。
[表2]
投入电力(W) |
投入电力密度(W/cm2) |
250 |
1.4 |
500 |
2.8 |
1000 |
5.6 |
将制作的各空穴单载流子元件1B连接于直流电源DC,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,“驱动电压”是指电流密度10mA/cm2时的施加电压。
可推测为该驱动电压越小,从空穴注入层向缓冲层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,由于空穴注入层以外的各部位的制作方法相同,所以除了空穴注入层以外的相邻的两个层之间的空穴注入势垒是一定的。另外,如后所述,通过其他实验确认了该实验中使用的阳极2和空穴注入层为肖特基欧姆连接。因此,由空穴注入层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向缓冲层的空穴注入效率以及空穴注入层本身的空穴传导效率。
在此认为:除了从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率以外,空穴注入层的空穴传导效率也影响到本实施方式的各实验中的元件的特性。但是,在该元件的特性中至少强有力地反映出了空穴注入层与缓冲层之间的空穴注入势垒,这从后述的能量图解的评价结果中也得以明确。
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、投入电力的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。
[表3]
各空穴单载流子元件1B的成膜条件与驱动电压(电流密度10mA/cm2时的施加电压值)
*圆圈数字是元件编号,括号外的数值是投入电力,括号内的数值是驱动电压
另外,图12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坐标图。图12(a)中的各点从左向右表示元件No.4、10、2的驱动电压。图12(b)中的各点从左向右表示表示元件No.13、10、1的驱动电压。进一步,图12(c)中的各点从左向右表示元件No.14、2、8的驱动电压。
在该实验中,在总压为2.7Pa且氧气分压为100%的情况下、总压为4.8Pa且氧气分压为30%的情况下、总压为4.8Pa且氧气分压为70%的情况下、总压为4.8Pa且氧气分压为100%的情况下,均由于受气体流量等的溅射装置的限制而没有进行成膜。
首先,对于驱动电压的总压依赖性,如从图12(a)可知,在氧气分压为50%、投入电力为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显的下降。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7.0Pa以下的范围内。
接着,对于驱动电压的氧气分压依赖性,如从图12(b)可知,在总压为2.7Pa、投入电力为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,通过其他实验确认到了驱动电压反而上升。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,对于驱动电压的投入电力依赖性,如从图12(c)可知,在总压为4.8Pa、氧气分压为50%的条件下,能够确认到投入电力超过500W时驱动电压急剧上升。因此,认为投入电力优选抑制在500W以下。当观察表3的元件No.1、3时,能确认如下结果:即使投入电力为500W,若总压为2.7Pa以下,则驱动电压也会上升。
接着,图13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、投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(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13中也将元件No.14记为HOD-A,将元件No.1记为HOD-B,将元件No.7记为HOD-C。
如图13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:HOD-A与HOD-B、HOD-C相比,从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率优异。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的从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率有关的验证,但在本发明的有机EL显示面板的像素部中的有机EL元件中,从空穴注入层向缓冲层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。为了对此进行确认,使用成膜条件A、B、C的空穴注入层来制作了图11所示的各有机EL元件1。
制作的有机EL元件1如图11所示,除了阴极以外,结构与空穴单载流子元件1B相同。具体而言,在基板9上通过溅射成膜法成膜厚度50nm的由ITO薄膜形成的阳极2,在阳极2上以成膜条件A、B、C成膜厚度30nm的由氧化钨形成的空穴注入层4,在空穴注入层4上通过旋涂法分别成膜厚度20nm的由作为胺类有机高分子的TFB形成的缓冲层6A、厚度70nm的由作为有机高分子的F8BT形成的发光层6B,进一步,通过蒸镀法成膜厚度100nm的由Al形成的阴极8B,从而制作了该元件。有机EL元件1是用于研究有机EL显示面板的像素部中的从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率的评价器件,因此省略了堤和布线部。
将制作的成膜条件A、B、C的各有机EL元件1连接于直流电源DC,并施加了电压。图14中示出了此时的电流密度-施加电压曲线。图中,纵轴是电流密度(mA/cm2),横轴是施加电压(V)。
为了以下的说明,在图14中将成膜条件A的有机EL元件1记为BPD-A,将成膜条件B的有机EL元件1记为BPD-B,将成膜条件C的有机EL元件1记为BPD-C。
如图14所示,BPD-A与BPD-B、BPD-C相比,电流密度-施加电压曲线的上升最早,另外,能以用最低的施加电压得到高电流密度。这是与作为各个相同的成膜条件的空穴单载流子元件的HOD-A、HOD-B、HOD-C同样的倾向。
进一步,针对上述的各有机EL元件1,图15中示出了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。图中,纵轴是发光强度(cd/A),横轴是电流密度(mA/cm2)。由此可知,至少在测量出的电流密度的范围内,BPD-A的发光强度最高。
根据以上结果,推测出从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率的成膜条件依赖性在有机EL元件1中也与空穴单载流子元件1B的情况同样地起作用。即,推测出:在该实验的有机EL元件1中,当在使用DC磁控管溅射装置、靶为金属钨、基板温度不进行控制、溅射室内气体由氩气和氧气构成、总压为大于2.7Pa且7.0Pa以下、氧气分压与总压之比为50%以上且70%以下、投入电力密度为1W/cm2以上且2.8W/cm2以下的成膜条件下通过反应性溅射法成膜构成空穴注入层的氧化钨时,从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率好,由此能实现优异的低电压驱动和高发光效率。
在上述中,对于投入电力的条件,基于表2重新用投入电力密度进行了表示。在使用与本实验中使用的DC磁控管溅射装置不同的DC磁控管溅射装置的情况下,通过根据靶的尺寸来调节投入电力以使得投入电力密度成为上述条件,能与本实验同样地得到实现优异的低电压驱动和高发光效率的有机EL元件1的空穴注入层。总压、氧气分压不依赖于装置和/或靶的尺寸。
另外,在通过反应性溅射法成膜空穴注入层时,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,至少在成膜前,基板温度是室温。但是,在成膜期间中,基板温度有可能上升几十度左右。
对于本实施方式的有机EL显示面板110,以成膜条件A制作了空穴注入层,具有上述的费米面附近的占有能级。以下对此进行考察。
(关于空穴注入层的电子态)
在构成本实施方式的有机EL显示面板110的空穴注入层的氧化钨中,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出的成膜条件来形成的。以下进行详细说明。
进行了如下实验:对在前述的成膜条件A、B、C下成膜的氧化钨中的上述费米面附近的占有能级的存在进行确认。
在各成膜条件下制作了光电子分光测量用的样品。作为该样品的结构,如图16所示的1A,在导电性硅基板11上,通过上述的反应性溅射法成膜了厚度10nm的氧化钨层12(相当于空穴注入层)。以下,将成膜条件A的样品1A记为样品A,将成膜条件B的样品1A记为样品B,将成膜条件C的样品1A记为样品C。
样品A、B、C均在溅射装置内成膜氧化钨层12后,被转移到与该溅射装置连结且填充有氮气的手套箱(glovebox)内,保持不曝露于空气中的状态。然后,在该手套箱内封入到转移容器中,安装到光电子分光装置。由此,使氧化钨层12在成膜后不曝露于空气中而实施了紫外光电子分光(UPS)测量。
在此,通常UPS光谱反映了测量对象物的从表面到深度几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的表层的占有能级的状态。
UPS测量条件如下。需说明的是,在样品A、B、C中使用了导电性硅基板11,因此在测量中没有发生充电(chargeup)。
光源:HeI射线
偏压:无
出射角:基板法线方向
测量点间隔:0.05eV
图17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为导电性硅基板11的费米能级,将左方向作为正向。
以下,使用图17来说明氧化钨层12的各占有能级。
一般,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为大致1:3。该组成比通过X射线光电子分光(XPS)来求出。具体而言,使用该光电子分光装置,与上述UPS测量同样地使氧化钨层12不曝露于空气中而进行XPS测量,估计出从氧化钨层12的表面到深度几纳米的钨与氧的组成比。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 |
投入电力(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至少在从表面到深度几纳米以内的范围内,作为基本构造具有以三氧化钨为基本的原子配置、也即是具有6个氧原子相对于1个钨原子以8面体配位方式结合、8面体互相共有顶点的氧原子的构造。因此,图17中的区域(x)是三氧化钨结晶或者其结晶秩序混乱(但结合不断开,保持着上述基本构造)的无定形构造具有的、基于上述基本构造的占有能级,是与所谓的价电子带对应的区域。本发明的发明人进行了氧化钨层12的X射线吸收微细构造(XAFS)测量,确认了在样品A、B、C中都形成有上述基本构造。
因此,图17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,可知氧化钨在该区域中有时也存在与价电子带不同的占有能级。这是由与上述基本构造不同的其他构造产生的能级,是所谓的带隙间能级(in-gapstate或gapstate)。
接着,图18中示出样品A、B、C中的各氧化钨层12的区域(y)的UPS光谱。对于图18所示的光谱的强度,用位于比图17中的点(iii)高3~4eV左右的高结合能侧的峰(ii)的峰顶值进行了标准化。在图18中,还在与图17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),从左向右示出了结合能变低。
如图18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的结合能的位置为止的区域中,能够确认存在峰。在图中用点(iv)示出了该峰的明确的上升位置。在样品B、C中不能确认到这样的峰。
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(不限于具有峰形状)的构造的氧化钨作为空穴注入层来使用,能够在有机EL显示面板110中发挥优异的空穴注入效率。
在此,可知具有该隆起的程度越陡峭、空穴注入效率越高的倾向。因此,如图18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构造且该隆起较陡峭的区域是尤其重要的。
以下,将UPS光谱中的该隆起构造称为“费米面附近的隆起构造”。与该费米面附近的隆起构造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构造更加明确(明显),计算出图18所示的样品A、B、C的UPS光谱中的标准化强度的微分。
具体而言,使用曲线解析软件IGORPro6.0,对图18所示的UPS光谱进行11次二项式平滑(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测量时的本底噪声等的偏差原因平滑化,使微分曲线平滑,使下述的讨论易于理解。
图19中示出了通过该处理得到的微分曲线。图19中的点(iii)、(iv)处于与图18相同的横轴位置。
根据图19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量的结合能到点(iv)的为止的区域(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,微分值往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18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。
而在样品A的氧化钨层12中,从点(iv)附近向高结合能侧表现出了急剧地上升,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。对于这样的样品A,在图18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、另外与指数函数的光谱形状不同的费米面附近的隆起构造。
换言之,这样的样品A的特性是:在比价电子带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构造。
接着,针对成膜后未曝露于空气中而测量了图18的UPS光谱的样品A、B、C的氧化钨层12,在常温下进行了一小时的空气曝露。然后,重新进行UPS测量,对由此导致的光谱的变化进行了确认。图20中示出其上述区域(y)中的UPS光谱。横轴的取法与图18是同样的,图中的点(iii)、(iv)处于与图18相同的横轴位置。
根据图20所示的UPS光谱,在样品B、C的氧化钨层12中,与空气曝露前同样,无法确认到费米面附近的隆起构造。相对于此,在样品A的氧化钨层12中,虽然空气曝露后强度、光谱形状能看出变化,但是依然能够确认到存在费米面附近的隆起构造。由此可知,对于样品A,即使进行一定时间的空气曝露,也能够维持空气曝露前的特性,对周边环境氛围具有一定的稳定性。
以上,对针对样品A、B、C测量出的UPS光谱进行了讨论,但即使是通过XPS或硬性X射线光电子分光测量得到的光谱,也能够同样地确认上述费米面附近的隆起构造。
图21是样品A的氧化钨层12的上述空气曝露后的XPS光谱。为了进行比较,重叠画出样品A的氧化钨层12的UPS光谱(与图17相同)。
对于XPS测量条件,除了光源为AlKα射线以外与前述的UPS测量条件是同样的。但是,测量点的间隔取为0.1eV。在图21中,图中的点(iii)处于与图17相同的横轴位置,横轴与图18同样地用以点(iii)为基准的相对结合能来表示。另外,图21中通过(i)’表示与XPS光谱中的图17的(i)相当的线。
如图21所示,对于样品A的氧化钨层12中的费米面附近的隆起构造,即使在XPS光谱中,也与UPS光谱的情况同样,在比价电子带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构造,能够明确地确认到存在该隆起构造。通过其他实验,即使是硬性X射线光电子分光的光谱,也同样能确认到费米面附近的隆起构造。
在上述测量中,作为光电子分光测量用的样品,使用了与图11所示的有机EL元件1的构造不同的、在导电性硅基板11上形成氧化钨层12而成的样品1A(图16)。这只是用于防止测量中的充电的措施,并不是将本发明的有机EL显示面板110的构造限定为该结构。
根据本发明的发明人进行的其他实验,使用具有图11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形成的阳极和由氧化钨形成的空穴注入层的结构)的样品,在进行了UPS、XPS测量的情况下,成膜条件B、C的氧化钨层的测量中发生了充电。
但是,当并用消除充电的中和枪时,则虽然空穴注入层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:能够确认为费米面附近的隆起构造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为如下所述。
在氧化钨的薄膜、结晶中所能看到的上述费米面附近的占有能级是因与氧缺陷类似的构造而产生的,这一点根据实验和第一原理计算的结果,有过多个报告。
具体而言,推测为是所述费米面附近的占有能级来自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时,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)。
本发明的发明人认为,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而结合能低的、钨原子单体的半占5d轨道或者与其类似的构造相当于费米面附近的占有能级。
图22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层的界面的能量图解。
图22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”)和相当于费米面附近的占有能级的上升位置的费米面附近的占有能级最低的结合能(图中记为“带隙间能级上端”)。在UPS光谱中,价电子带上端相当于图17的点(iii),带隙间能级上端相当于图18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层的膜厚与α-NPD的最高被占轨道的结合能及真空能级的关系。在此,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的最高被占轨道中最低的结合能。
具体而言,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测量和α-NPD的超高真空蒸镀,从而得到图22的能量图解。由于在UPS测量中没有确认到有充电,因此,在图22中对纵轴的结合能进行了以ITO基板的费米能级为原点的绝对值标记。
从图22可知,在α-NPD层的厚度至少为0~0.3nm的范围内、也即是在该氧化钨层与α-NPD层的界面附近,该氧化钨层的带隙间能级(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)。在此所说的“相等”是指实际上包含少许的差,具体而言指±0.3eV以内的范围。
进一步,图22示出了上述界面能级连续不是偶然的而是通过氧化钨和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)表示根据其变化的方向、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由物理吸附等形成的而是由于类似化学结合(化学键)的作用而形成的是妥当的。即,对于上述界面能级连续,应该认为是通过氧化钨和α-NPD的相互作用来实现的。
本发明的发明人作为具体的相互作用而推测出以下的机理。
首先,如上所述,费米面附近的占有能级来自于构成与氧缺陷类似的构造的钨原子的5d轨道。以下,将其称为“隆起构造的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构造的W5d轨道时,为了相互的能量稳定化,电子会从α-NPD分子的最高被占轨道向隆起构造的W5d轨道移动。由此,在界面形成双电层,引起如在图22中能看见的那样的真空能级位移、界面能级连续。
更具体而言,对于α-NPD等胺类有机分子的最高被占轨道,通常其电子密度分布为偏向胺构造的氮原子,且构成为以该氮原子的非共有电子对为主成分,这作为第一原理计算的结果有过多个报告。据此,能推测为特别是在该氧化钨层和胺类有机分子层的界面处,电子会从胺构造的氮原子的非共有电子对向隆起构造的W5d轨道移动。
作为支持上述推测的证据,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22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2、4、5)。
能够根据以上的界面能级连续来说明本发明的有机EL显示面板的空穴注入层具有的对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没有。
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与氧缺陷类似的构造的氧化钨这样的物质是实际存在的。例如,认为虽然是极少量、但在前述的样品B、C等光电子分光光谱中没有费米面附近的隆起构造的氧化钨中也存在与氧缺陷类似的构造是妥当的。
对此,使用图23来说明如前面的实验所示具有与样品A的氧化钨层12相当的空穴注入层的空穴单载流子元件HOD-A及有机EL元件BPD-A呈现优异的低电压驱动的理由。
在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进行相互作用,需要在其界面处使有机分子的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构造的氮原子。图中用“注入位置(y)”来表示)和氧化钨层表面的与氧缺陷类似的构造(图中用“注入位置(x)”来表示)接近(接触)至相互作用的距离。
但是,如图23(b)所示,即使为在前述的样品B、C等的不存在费米面附近的隆起构造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光谱中表现出费米面附近的隆起构造。因此,注入位置(y)与注入位置(x)接触的可能性非常低。由于是在注入位置(x)和注入位置(y)接触的部位注入空穴,所以可知样品B、C的空穴注入效率极差。
相对于此,如图23(a)所示,在前述的样品A等的具有费米面附近的隆起构造的氧化钨层中存在大量的注入位置(x)。因此,可知注入位置(y)和注入位置(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。
为了使至此的一系列的考察更可靠,与图22同样地,进一步对完全不能确认到费米面附近的隆起构造的成膜条件C的氧化钨层也测量了其与α-NPD层的界面处的能量图。
图24中示出其结果。在此,如上所述,在该氧化钨层中,完全不能确认到相当于费米面附近的隆起构造的带隙间能级上端。因此,作为用于空穴注入的能级的另一候选,图24中示出了在UPS光谱中与费米面附近的隆起构造的位置相比在高结合能侧能看见的与该隆起构造不同的构造(图17的(z))的上升位置(标记为“第2带隙间能级上端”(第2in-gapstate上端))、和价电子带上端。
但是,图24的α-NPD的最高被占轨道与图22完全不同,完全不接近第2带隙间能级上端和价电子带上端,也即是完全不会引起界面能级连续。这意味着第2带隙间能级和价电子带都与α-NPD的最高被占轨道几乎不相互作用。并且,即使从第带隙间能级上端向α-NPD的最高被占轨道注入空穴,其注入势垒也为0.75eV,与几乎为0的图22的情况相比极其大。
可认为该注入势垒的差对前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、发光效率影响很大。即,可认为成膜条件A、B、C的各空穴单载流子元件1B、有机EL元件1的特性的差异强有力地启示本发明的有机EL显示面板110具有从空穴注入层向功能层的优异的空穴注入效率。
总之,能够如下所述来说明本发明的有机EL显示面板110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构造。这意味着在该空穴注入层的表面存在不少与氧缺陷类似的构造、以及来自于此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与氧缺陷类似的构造时,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接触的概率高,能有效地产生界面能级连续的作用,能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)
下面,说明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及其稳定性(对阳极的材料、表面状态的依赖性)。
1.关于阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒
首先,图25~28中分别示出直接层叠了阳极和功能层的现有结构的有机EL元件中的阳极与功能层的界面附近的能量图解。在此,使用了α-NPD来作为功能层。另外,图中的纵轴的结合能为以阳极的费米能级为原点的绝对值标记。
如图25、图26可知,在用IZO构成阳极的情况下,在对该阳极的表面仅进行纯水清洗时(图25)、和在纯水清洗以后进一步进行了干式蚀刻处理时(图26),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均大于1eV而相当大,并且其大小由于对IZO表面的处理的不同而存在很大的变动。
另外,如图27、图28可知,在用ITO构成阳极的情况下,对该阳极的表面仅进行IPA(异丙醇)清洗时(图27)、和在IPA清洗以后进一步用氧等离子体进行了处理时(图28)也还是均存在相当高的空穴注入势垒。
如这些图25~图28所示,能确认:在以往的有机EL元件中,根据阳极材料的种类和/或阳极的表面状态,除了阳极与功能层之间空穴注入势垒会显著变动之外,势垒本身也较大,在驱动电压方面有改善的余地。
另一方面,图29~图33中分别示出层叠了阳极和本发明的由氧化钨形成的空穴注入层的情况下的阳极与本发明的空穴注入层的界面附近的能量图解。
图29、图30是用IZO构成阳极的情况。与图25、图26同样地,分别制作对该阳极的表面仅进行了纯水清洗的阳极(图29)、和在纯水清洗后进一步进行了干式蚀刻处理的阳极(图30),在其上层叠了本发明的空穴注入层。
图31、图32是用ITO构成阳极的情况。与图27、图28同样地,分别制作对该阳极的表面仅进行了IPA清洗的阳极(图31)、和在IPA清洗后进一步用氧等离子体进行了处理的阳极(图32),在其上层叠了本发明的空穴注入层。
进一步,图33是用Al构成阳极的情况。在成膜该阳极后不曝露于空气中而层叠了本发明的空穴注入层,以使得其表面不会被自然氧化。
从这些图29~图33所示的结果可知以下情况。
首先,在图29~图33的所有图中,在空穴注入层的膜厚大约小于2nm时,作为费米面附近的占有能级的上升位置的带隙间能级(in-gapstate)上端的结合能比较急剧地变化,但在膜厚为2nm以上时,大致是一定的。并且,该成为一定的结合能的值非常接近阳极的费米能级,差控制在±0.3eV以内。换句话说,这意味着在图29~图33的所有图中,在阳极与本发明的空穴注入层之间实现了肖特基势垒的宽度为2nm左右的良好的肖特基欧姆连接。
进一步,在图29、图30的IZO阳极、图31、图32的ITO阳极中,空穴注入层的膜厚为2nm以上的阳极的费米能级与带隙间能级上端的结合能差不依赖于阳极的表面状态而为大致相同的值(至多相差0.02eV)。
因此,可以得到以下结论。首先,无论阳极的材料是IZO、ITO、Al中的哪一种,只要空穴注入层的膜厚为2nm以上,则阳极与本发明的空穴注入层就是肖特基欧姆连接。进一步,无论是阳极的表面状态至少经过了上述的哪种处理的情况,不仅依然能够良好地保持该连接,而且该连接的程度(上述的结合能差)也不依赖于阳极的表面状态的差异而维持着极其稳定的一定的状况。
从这些结果来看,只要使用本发明的由氧化钨形成的空穴注入层,即使不进行用于使阳极的功函数和/或表面状态为一定的各种操作、也即是不进行严格地选择阳极材料、将即将形成空穴注入层之前的阳极的表面状态高度地维持为一定等的特殊考虑,也能够期待从阳极向空穴注入层的良好的空穴注入效率。
总之,本发明的由氧化钨形成的空穴注入层通过在费米面附近具有占有能级,从而通过该能级的作用,使阳极的功函数和/或表面状态几乎不受影响地与阳极实现肖特基欧姆连接,具体而言,在从阳极的表面到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,能够显著地缓和阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒。
在此,如前所述,由于该占有能级的作用,本发明的空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒也极小。因此,能够几乎不受到势垒地从阳极向空穴注入层注入空穴、从空穴注入层向功能层注入空穴。这样,不仅能缓和空穴注入层与功能层之间的空穴注入势垒,也能缓和阳极与空穴注入层之间的空穴注入势垒,由此能够进一步实现良好的元件的低电压驱动。进而,当实现空穴注入效率的提高时,则能减轻驱动时施加于元件的负荷,因此也能够期待延长元件的驱动寿命。
2.肖特基欧姆连接的稳定性的确认
如上所述,只要本发明的由氧化钨形成的空穴注入层的膜厚为2nm以上,则能够形成空穴注入层与阳极之间稳定的肖特基欧姆连接。根据元件的特性也对此进行了确认。
首先,使用前述的空穴单载流子元件1B来评价本发明的空穴注入层的从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的膜厚依赖性。
在此的空穴单载流子元件1B的空穴注入层在前述的成膜条件A下成膜,膜厚为5~30nm的范围。另外,为了进行比较,也制作了省略了空穴注入层的即直接层叠了阳极和缓冲层的元件(以下称作“膜厚0nm”)。其他各层的结构与在“(关于氧化钨的成膜条件)”中叙述的情况相同。
除了膜厚0nm的元件以外,由于该空穴单载流子元件1B的空穴注入层均在成膜条件A下成膜,所以认为从空穴注入层向缓冲层的空穴注入效率全部都是同等的。进一步,空穴注入层的膜厚以外的结构也相同。因此,该空穴单载流子元件1B的特性应该主要受到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程度的影响。
在此,首先考虑空穴注入层的电阻的影响。空穴注入层的膜厚越大,空穴注入层的电阻越增加。但是,通过其他实验确认到成膜条件A的空穴注入层的电阻率为缓冲层、发光层6B的100分之1以下。因此,由空穴注入层的膜厚的差异引起的电阻的差异对该空穴单载流子元件1B的特性几乎不起作用。
因此,除了膜厚0nm的元件以外,如该空穴单载流子元件1B在阳极与空穴注入层之间能形成一定的肖特基欧姆连接的话,则应成为全部同等的特性。
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1B连接于直流电源,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单位面积的值(电流密度)。以下,“驱动电压”是指电流密度为10mA/cm2时的施加电压。
表5示出各空穴单载流子元件1B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的元件的驱动电压相当高。其原因可认为是由于不具有本发明的空穴注入层,所以在阳极与缓冲层之间产生较大的空穴注入势垒。另一方面,可知在膜厚为5nm、30nm的各元件1B中驱动电压被抑制得较低,其值也不依赖于膜厚而是大致相同的。由此,认为在空穴注入层的膜厚至少是5nm以上时,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,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1中,也评价了本发明的空穴注入层的从阳极向空穴注入层的空穴注入效率的膜厚依赖性。空穴注入层的膜厚为2~30nm的范围。
该有机EL元件1的空穴注入层的膜厚以外的结构也全部相同,因此,当能够在阳极与空穴注入层之间形成一定的肖特基欧姆连接时,则特性应该是全部同等的。
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1连接于直流电源,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1的单位面积的值(电流密度)。以下,“驱动电压”是指电流密度为10mA/cm2时的施加电压。
表6示出各有机EL元件1的驱动电压。
[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 |
驱动电压都较低且良好。当考虑元件的制作上必然产生的各层的膜厚的偏差等时,则这些驱动电压可视为不依赖于膜厚而是充分同等的电压。由此,认为与空穴单载流子元件1B的情况同样,在该有机EL元件1中,也在空穴注入层的膜厚为2nm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。
接着,使用有机EL元件1还评价了本发明的空穴注入层的膜厚与元件的驱动寿命的关系。
该有机EL元件1是与表6中使用的元件相同的结构,空穴注入层的膜厚为2~30nm的范围,另外,为了进行比较,还制作了省略了空穴注入层的膜厚0nm的元件1。
各元件1的空穴注入层的膜厚以外的结构均相同,因此,当能够在阳极与空穴注入层之间形成一定的肖特基欧姆连接时,则能期待同等程度的寿命。
将制作的空穴注入层的膜厚为0nm、2nm、5nm、30nm的各元件1连接于直流电源,用电流密度为10mA/cm2的恒定电流进行驱动,测定了发光辉度的由驱动时间引起的变化。
表7示出在各元件1中辉度下降到驱动开始时的60%为止的辉度下降时间。
[表7]
空穴注入层的膜厚[nm] |
0 |
2 |
5 |
30 |
辉度下降时间(小时) |
100 |
150 |
150 |
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由此,首先可知膜厚0nm的元件1的辉度的下降较快,也即是寿命较短。这可认为是如下情况产生了较大的影响,即:由于不具有本发明的空穴注入层,在阳极与缓冲层之间会产生较大的空穴注入势垒,为了流动恒定电流,需要提高驱动电压,对元件1的负荷会变高。
另一方面,膜厚为2nm、5nm、30nm的各元件1与膜厚0nm的元件1相比,辉度下降较慢,也即是寿命较长。可认为这是由于通过本发明的空穴注入层有效地缓和了空穴注入势垒,驱动电压较低即可,减轻了对元件1的负担。
并且,膜厚为2nm、5nm、30nm的各元件1均呈现了良好且同等程度的辉度下降。因此,只要空穴注入层的膜厚是2nm以上,则在阳极与本发明的空穴注入层之间就能形成大致一定的肖特基欧姆连接,因此,可认为空穴注入层的膜厚为2nm以上的元件1的驱动电压是同等程度的,呈现同等程度的寿命。
通过以上的实验,根据元件特性也确认了:当本发明的由氧化钨形成的空穴注入层的膜厚为2nm以上时,则在其与阳极之间能形成稳定的肖特基欧姆连接。
在表1和图12~图15中使用的元件1中,无论空穴注入层的成膜条件如何,在阳极与空穴注入层之间都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。以下进行详细说明。
与在图22中使用的方法同样,反复进行了向该ITO阳极上的各成膜条件下的空穴注入层的成膜和UPS测量时,在空穴注入层的膜厚约为2nm以内时,无论成膜条件如何都可确认到费米面附近的隆起构造,与阳极形成了肖特基欧姆连接。但是,当膜厚变大时,如图18所示,根据成膜条件的不同而费米面附近的隆起构造的有无就不同。
可认为这是由于在空穴注入层的成膜前,对该ITO阳极的表面进行氩离子溅射处理,进行该ITO阳极的清洗,并且在其表面形成了氧缺陷。
即,通过在该ITO阳极的表面形成氧缺陷,在空穴注入层刚开始成膜后,氧化钨的氧原子容易被夺取到该ITO侧,因此,仅在界面附近,在空穴注入层中与氧缺陷类似的构造变多。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。
在空穴注入层开始成膜后,当膜厚成为数nm以上时,则由于之后以由各成膜条件决定的膜质均匀地成膜,所以空穴注入层的膜厚为30nm的表1以及图12~15的特性依赖于成膜条件。
(关于辅助布线、电子注入层与空穴注入层之间的肖特基欧姆连接的考察)
在上述中,从对有机EL元件的阳极和空穴注入层进行考察的观点出发,讨论了作为载流子而表现为空穴、另外电流仅是从阳极向空穴注入层的方向。但是,阳极等电极与本发明的空穴注入层之间的肖特基欧姆连接并不是将电流的方向仅限定于从电极向空穴注入层的方向。
如前所述,费米面附近的占有能级是由于与氧缺陷类似的构造中的不与氧原子结合的钨原子的5d轨道具有的电子所产生的,这与价电子带的电子、有机分子具有的电子不同,其是能比较自由地移动的载流子。也就是说,费米面附近的占有能级是电子容易出入的n型半导体的施主能级或者金属性的能级。因此,与电极的电子的授受(换言之也可为空穴的授受)在双向都容易,正是由于容易,所以实现了肖特基欧姆连接。实际上,本发明人通过其他实验确认了在ITO、IZO、Al、Ba与本发明的空穴注入层的两层构造中在双向上流动欧姆性(电阻性)的电流。
电极与本发明的空穴注入层之间的如上所述的肖特基欧姆连接当然也形成在辅助布线与空穴注入层之间、以及空穴注入层与电子注入层之间,在这些层之间容易进行载流子的授受。因此,位于辅助布线与电子注入层之间的本发明的空穴注入层不会妨碍从空穴注入层向电子注入层注入电子、不会妨碍从辅助布线向空穴注入层注入电子。在这一点上,本发明的空穴注入层与例如难以从辅助布线注入电子的铜酞菁、PEDOT等空穴注入层存在很大不同。
在此,当与辅助布线和电子注入层直接连接的情况相比时,则通过本发明的空穴注入层介于辅助布线与电子注入层之间,从而连接部的电阻本身变大。但是,本发明的空穴注入层与由有机物形成的一般的功能层相比,电阻率足够低,另外,由于在通常的有机EL元件的结构中膜厚也至多在数十nm以内,所以相对于包含像素部、布线部的有机EL显示面板整体的电阻,本发明的空穴注入层的电阻所起的作用极小。因此,即使本发明的空穴注入层介于连接部中,也不会引起实质上的布线部的高电阻化,在使用了本发明的空穴注入层的有机EL显示面板中,就不需要使得在辅助布线上不形成空穴注入层的工序。
在本实施方式中,在连接部处,在本发明的空穴注入层层叠有电子注入层,但连接部的电子注入层并不是一定需要的,可以省略。在该情况下,由于空穴注入层和共用电极直接进行肖特基欧姆连接,所以依然不会引起布线部的高电阻化。
另外,在形成发光层以后,也可以在发光部和连接部连续地形成主要由有机材料和/或无机材料形成的电子输送层。在该情况下,在连接部处为本发明的空穴注入层和该电子输送层相邻。在此,如前所述,本发明的空穴注入层由于其费米面附近的占有能级而具有作为n型半导体、金属的性质。因此,在与该电子输送层的界面处,不会产生所谓的pn结,能够形成能量势垒小的界面,比较容易进行从本发明的空穴注入层向该电子输送层的电子的注入。本发明的空穴注入层在这一点上也与难以进行与该电子输送层的电子的授受的铜酞菁、PEDOT等空穴注入层存在很大不同。
在实施方式1的有机EL显示面板110中,设置在基板10的上方的阳极(第1电极)20和辅助布线30隔着空穴注入层40并列设置,但由于阳极20与辅助布线30之间有数十μm的间隔,所以不存在经由相同的空穴注入层40而极性不同的阳极20与辅助布线30发生短路的问题。
<其他事项>
以上,具体说明了本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板和有机EL显示装置,上述实施方式是用于容易理解本发明的结构和作用、效果而说明的例子,本发明的内容不限于上述的实施方式。例如,为了容易理解而列举出的各部分的尺寸和材料等不过是典型的一个例子,本发明不限定于这些尺寸和材料等。
本发明的一实施方式涉及的有机EL显示面板既可以是所谓的顶部发射型的结构,也可以是所谓的底部发射型的结构。
在顶部发射型中,除了图1所示的方式以外,还可以采用使像素电极和辅助布线仅为金属膜的结构。在该情况下,发光部的结构例如从基板侧起为像素电极(金属膜)/空穴注入层/缓冲层/发光层/电子注入层/共用电极(透明导电膜),连接部的结构例如从基板侧起为辅助布线(金属膜)/空穴注入层/电子注入层/共用电极(透明导电膜)。
另外,在底部发射型中,例如用透明导电膜构成像素电极和辅助布线,用金属膜构成共用电极,发光部的结构例如从基板侧起为像素电极(透明导电膜)/空穴注入层/缓冲层/发光层/电子注入层/共用电极(金属膜),连接部的结构例如从基板侧起为辅助布线(透明导电膜)/空穴注入层/电子注入层/共用电极(金属膜)。
进一步,本发明也可以为两面发光的方式,该情况下的发光部的结构例如从基板侧起为像素电极(透明导电膜)/空穴注入层/缓冲层/发光层/电子注入层/共用电极(透明导电膜),连接部的结构例如从基板侧起为辅助布线(透明导电膜)/空穴注入层/电子注入层/共用电极(透明导电膜)。此时,作为辅助布线,还可以为部分设置金属膜的结构。
在以上的方式中,共用电极下的电子注入层不限于金属层,也可以是主要由有机材料和/或无机材料形成的电子注入层、电子输送层、或者由这两者构成的。
另外,作为本发明的一种方式,像素电极上和辅助布线上的空穴注入层即使彼此分离,也完全没有问题。
进一步,作为本发明的一种方式,有机EL显示面板的驱动方式不限于有源矩阵方式,也可以是例如无源矩阵方式。
产业上的可利用性
通过本发明的一实施方式涉及的有机EL元件的制造方法制造的有机EL元件能利用于移动电话所使用的显示器、电视机等显示元件、各种光源等。无论在哪种用途中,都能够作为在从低辉度到光源用途等的高辉度的大辉度范围内进行低电压驱动的有机EL元件来进行应用。根据这样的高性能,能够广泛用作家庭用或公共设施、或者业务用的各种显示装置、电视装置、便携式电子设备用显示器、照明光源等。