JP2000133064A - 表面改質ito膜、その表面処理方法およびそれを用いた電荷注入型発光素子 - Google Patents
表面改質ito膜、その表面処理方法およびそれを用いた電荷注入型発光素子Info
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Abstract
の表面領域の汚染を除去するITO膜の表面処理方法、
および表面改質を行ったITO膜を有機発光素子の陽極
として用いることで極めて輝度の高い電荷注入型発光素
子を得ることができる。 【解決手段】 20〜100eVのエネルギー範囲にあ
る不活性ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面
改質を行うITO膜の表面処理方法、およびその表面改
質を行った表面改質ITO膜を電極として用いた電荷注
入型発光素子。
Description
正イオンを用いて低抵抗率を有するITO膜とするIT
O膜の表面改質方法に関するものである。
を有し、電界を印加した際、電極から注入された電荷が
再結合することにより、直接光エネルギーに変換できる
電荷注入型発光素子に関するものであり、詳しくは不活
性ガスによる正イオンを照射して表面改質を行ったIT
O膜を電極として用いた電荷注入型発光素子に関する。
るITO膜(透明導電性膜)は、その普及に伴って高性
能化の要求が高まっており、特にITO膜の低抵抗率
化、さらには電極としての電荷の注入性の高効率化が強
く望まれている。
真空蒸着あるいはスタッパリング等のドライプロセスに
よる成膜方法が一般的に行われている。しかしながら、
真空蒸着あるいはスパッタリングにより得られたITO
膜は、ITOの結晶性が成膜時の基板温度及び成膜速度
に依存するため、物理的な表面形状(面粗さ)や結晶面
に係るITO膜の電気的特性を大きく改善することは困
難であり、有機発光素子等の電極としての機能(電荷注
入性)を向上させることは不可能であった。
年にポープ(Pope)らによってアントラセン単結晶
で観測され(J.Chem.Phys.38(196
3)2042)、それに続き1965年にヘルフリッヒ
(Helfinch)とシュナイダー(Schneid
er)は注入効率の良い溶液電極系を用いる事により比
較的強い注入型EL(エレクトロルミネッセンス)の観
測に成功している(Phys.Rev.Lett.14
(1965)229)。
号、米国特許3,173,050号、米国特許3,71
0,167号、J.Chem.Phys.44(196
6)2902、J.Chem.Phys.50(196
9)14364、J.Chem.Phys.58(19
73)1542、あるいはChem.Phys.Let
t.36(1975)345等に報告されている様に、
共役の有機ホスト物質と縮合ベンゼン環を持つ共役の有
機活性化剤とで有機発光性物質を形成する研究が行われ
た。ナフタレン、アンスラセン、フェナンスレン、テト
ラセン、ピレン、ベンゾピレン、クリセン、ピセン、カ
ルバゾール、フルオレン、ビフェニル、ターフェニル、
トリフェニレンオキサイド、ジハロビフェニル、トラン
ス−スチルベン及び1,4−ジフェニルブタジエン等が
有機ホスト物質の例として示され、アンスラセン、テト
ラセン、及びペンタセン等が活性化剤の例として挙げら
れた。しかしこれらの有機発光性物質はいずれもlμm
以上をこえる厚さを持つ単一層として存在し、発光には
高電界が必要であった。この為、真空蒸着法による薄膜
素子の研究が進められた(例えばThin Solid
Films 94(1982)171、Polyme
r 24(1983)748、Jpn.J.Appl.
Phys.25(1986)L773)。しかし薄膜化
は駆動電圧の低減には有効ではあったが、実用レベルの
高輝度の素子を得るには至らなかった。
l.Phys.Lett.51(1987)913ある
いは米国特許4,356,429号)、陽極と陰極との
間に2つの極めて薄い層(電荷輸送層と発光層)を真空
蒸着で積層したEL素子を考案し、低い駆動電圧で高輝
度を実現した。この種の積層型有機ELデバイスはその
後も活発に研究され、例えば特開昭59−194393
号公報、米国特許4,539,507号、特開昭59−
194393号公報、米国特許4,720,432号、
特開昭63−264692号公報、Appl.Phy
s.Lett.55(1989)1467、特開平3−
163188等に記載されている。
s.27(1988)L269.L713には、キャリ
ア輸送と発光の機能を分離した3層構造のEL素子が報
告されており、発光色を決める発光層の色素の選定に際
してもキヤリヤ輸送性能の制約が緩和され選択の自由度
がかなり増し、更には中央の発光層にホールと電子(あ
るいは励起子)を有効に閉じ込めて発光の向上をはかる
可能性も示唆される。
空蒸着法が用いられているが、キャスティング法によっ
てもかなりの明るさの素子が得られる事が報告されてい
る(例えば、第50回応物学会学術講演会講演予稿集l
006(1989)及び第50回応物学会学術講演会講
演予稿集1041(1990))。
ルカルバゾール、電子輸送化合物としてオキサジアゾー
ル誘導体及び発光体としてクマリン6を混合した溶液か
ら浸漬塗布法で形成した混合1層型EL素子でもかなり
高い発光効率が得られる事が報告されている(例えば、
第38回応物関係連合講演会講演予稿集1086(19
91))。上述の様に有機ELデバイスにおける最近の
進歩は著しく広汎な用途の可能性を示峻している。
く、未だその材料研究やデバイス化への研究は十分なさ
れていない。現状では更なる高輝度の光出力や長時間の
使用による経時変化や酸素を含む雰囲気気体や湿気など
による劣化等の耐久性の面に未だ問題があった。
来技術の問題点を解決するために成されたものであり、
スパッタリング法などにより得られたITO膜の表面領
域における物理的及び電気的性質を改質し、面抵抗の増
加を引き起こすことなくITO膜の表面領域の汚染を除
去することができる表面処理方法を提供することにあ
る。
荷注入型発光素子の電極として用いることで、従来にな
い高輝度の光出力を有する電荷注入型発光素子を提供す
ることにある。
明は、20〜100eVのエネルギー範囲にある不活性
ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面改質を施
したことを特徴とする表面改質ITO膜である。
のエネルギー範囲にある不活性ガスによる正イオンをI
TO膜に照射して表面改質を行うことを特徴とするIT
O膜の表面処理方法である。
質を行う場合、少なくとも10mW/cm2以上1W/
cm2以下のパワーをITO膜表面に与えるのが好まし
い。前記正イオンにより、ITO膜の深さ方向5nm以
内の表面領域を改質するのが好ましい。
明は、20〜100eVのエネルギー範囲にある不活性
ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面改質を行
った表面改質ITO膜を電極として用いることを特徴と
する電荷注入型発光素子である。
質を行う場合、少なくとも10mW/cm2以上1W/
cm2以下のパワーをITO膜表面に与えるのが好まし
い。前記表面改質ITO膜が、正イオンによりITO膜
の深さ方向5nm以内の表面領域を改質したITO膜で
あるのが好ましい。
TO膜の表面処理を施したものであり、その表面処理方
法として、20〜100eVのエネルギー範囲にある不
活性ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面改質
を行うことを特徴とする。
TO膜は、面抵抗と光透過性を両立するために総膜厚は
100〜200nmと薄く、かつ成膜時の結晶化の影響
で表面には数nm〜数十nmの凹凸が存在する。また、
ITO膜を成膜後、大気中に放置することや有機溶媒に
よる洗浄によりITO膜の表面領域は油など炭化水素系
の付着物により汚染されている。
ための表面改質を行う場合、正イオンの照射エネルギー
が極端に大きすぎると、ITO膜は削れてしまい面抵抗
の増加や表面の凹凸の増大を引き起こてしまう。
正イオンのエネルギーが20〜100eV、好ましくは
30〜60eVである粒子を、少なくとも10mW/c
m2以上1W/cm2以下のパワーでITO膜の深さ方向
5nm以内の表面領域に照射することで、ITO膜の面
抵抗の増加を引き起こすことなく、表面領域の汚れを除
去し、加えて有機発光素子の電極としての機能(電荷注
入性)を向上させることが可能となった。
の形態について説明する。図1は、本発明に係るITO
膜の表面処理方法を行うための一例を示す表面処理装置
である。
英管4のまわりを高周波コイル3で取り巻いた放電管2
と、表面処理を行うITO膜を有する基板(ITO基
板)を保持する基板ホルダー6によって構成されてい
る。なお、上記ホルダー6は電流計7と直流電源8に、
上記高周波コイル3は高周波電源5とコンデンサ9に接
続されている。
トローラ(不図示)を介して不活性ガス供給装置(不図
示)に接続されたノズルが配置されている。さらに、上
記チャンバー1は、図示しない真空排気装置に接続さ
れ、所定の真空度に維持されるようになっている。上記
構成からなる表面処理装置でITO膜を有するガラス基
板を基板ホルダー6に取り付け、チャンバー1内を約1
0−5〜10−6Torrに真空排気する。
ーラを介して不活性ガスであるアルゴンガスを10cc
mの流量で流し、3×10−3Torrの圧力に調整
し、13.56MHzの高周波電源5を動作させると、
管内に無電極放電によるプラズマが発生する。このよう
な状態で、基板ホルダー6に直流電源8を用いて、任意
の負の電圧を印加すると、プラズマ中の正イオン(アル
ゴンイオン)が引き出され、基板ホルダー6に取り付け
られたITO基板の表面にアルゴンイオンが照射され、
ITO膜の表面改質が行われる。
Vまでの電圧を30秒間印加してITO膜の表面処理を
行い、その後、面抵抗(ρ)、面粗さ(Rz)、C(炭
素)の含有量を求めた。その結果を図2に示す。
コーインストゥルメンツ社製、SPI−3800)によ
り求め、Cの含有量はオージェ電子分光分析法(日本電
子製、JAMP−10S)で分析した。
への印加電圧(Arイオンの運動エネルギーと同義)
が、−20〜−100Vの範囲(パワーは40mW/c
m2〜0.9W/cm2)では面抵抗の増加もなく面方向
5nm以内で表面改質が行われ、汚染物質であるC(炭
素)が効率よく除去されている。しかしながら、基板ホ
ルダーへの印加電圧が−20V未満ではCの除去がほと
んどなされていない。
Arイオンのエネルギーとが同義であることの意味は、
印加電圧により加速されたArイオンの有する運動エネ
ルギーが、印加電圧とほぼ等しいと云う理由によるもの
である。具体的には、アルゴンイオンの20eVのエネ
ルギーは基板ホルダーへの印加電圧20Vに該当し、1
00eVのエネルギーは基板ホルダーへの印加電圧10
0Vに該当する。
0Vより大きいと、処理される深さが増大し、スパッタ
リングによる膜厚低下に伴う面抵抗の増加といった弊害
を引き起こした。
ギーが20〜100eVの範囲、好ましくは30〜80
eV、さらに好ましくは20〜60eVの範囲にあるイ
オンをITO膜に照射すれば、面抵抗の増加もなくCの
除去が行われ、ITO膜の極く最表面のみの改質が可能
となることがわかる。
を引き出すためのプラズマ生成方法は図1に示した高周
波放電装置にかぎらず、圧力勾配型プラズマガンを使用
したプラズマ生成方法等いずれのものでもかまわない。
生させるプラズマ密度は109〜1013m−3、好ま
しくは1010〜1012m−3の範囲であることがI
TO膜にダメージを与えない正イオン密度の照射が可能
となり望ましい。
光素子の具体例として、有機発光素子を更に詳細に説明
する。図3は本発明の有機発光素子の一例を示す断面図
である。図3は基板10上に陽極11、発光層12及び
陰極13を順次設けた構成のものである。ここで使用す
る有機発光素子はそれ自体でホール輸送能、エレクトロ
ン輸送能及び発光性の性能を単一で有している場合や、
それぞれの特性を有する化合物を混ぜて使う場合に有用
である。
す断面図である。図4は基板10上に陽極11、ホール
輸送層14、電子輸送層15及び陰極13を順次設けた
構成のものである。この場合は発光物質はホール輸送性
かあるいは電子輸送性のいずれかあるいは両方の機能を
有している材料をそれぞれの層に用い、発光性の無い単
なるホール輸送物質あるいは電子輸送物質と組み合わせ
て用いる場合に有用である。また、この場合、発光層1
2はホール輸送層14および電子輸送層15からなる。
す断面図である。図5は基板10上に陽極11、ホール
輸送層14、発光層12、電子輸送層15及び陰極13
を順次設けた構成のものである。
す断面図である。図6は基板10上に陽極11、発光層
12、電子輸送層15及び陰極13を順次設けた構成の
ものである。
は、キヤリヤ輸送と発光の機能を分離したものであり、
ホール輸送性、電子輸送性、発光性の各特性を有した化
合物と適時組み合わせて用いられ極めて材料の選択の自
由度が増すとともに、発光波長を異にする種々の化合物
が使用出来る為、発光色相の多様化が可能となる。また
更に中央の発光層にホールと電子(あるいは励起子)を
有効に閉じ込めて発光効率の向上を図る事も可能にな
る。
機発光素子に比べ、極めてホール注入性及びエレクトロ
ン注入性に優れており、必要に応じて図3乃至図6のい
ずれの形態でも使用する事が可能である。
子であり、電極からのキャリア(ホール又はエレクトロ
ン)の注入量に強く依存する。そして電極(陽極や陰
極)からのキャリア注入は、長時間にわたる使用におい
ても常に一定であることが望ましい。
るITO電極は、その製膜方法やその後の放置状態及び
洗浄方法に起因する物理的な表面形状や表面領域の汚染
等、電極としての電気的物理的なマッチングの不完全さ
も相まって、素子を流れる電流(電極からのキャリア注
入による)が減少し、著しい光出力の低下をもたらして
いた。
った表面改質ITO膜を陽極として用いた有機発光素子
は、電極とそれに接している有機化合物からなる層の電
子的なマッチングが最適な状態にあるため、陽極からの
キャリア注入量が増大し、発光輝度が飛躍的に向上し
た。
構成成分として、電子写真感光体分野等で研究されてい
るホール輸送性化合物やこれ迄知られているホール輸送
性発光体化合物(例えば表1〜4に示される化合物等)
あるいは電子輸送性化合物やこれ迄知られている電子輸
送性発光体化合物(例えば表5〜6に挙げられる化合
物)を必要に応じて2種類以上使用する事も出来る。
一般には真空蒸着あるいは適当な結着性樹脂と組み合わ
せて薄膜を形成する。上記結着剤としては広範囲な結着
性樹脂より選択でき、例えばポリビニルカルバゾール樹
脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリア
リレート樹脂、ブチラール樹脂、ポリスチレン樹脂、ポ
リビニルアセタール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ア
クリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキ
シ樹脂、シリコン樹脂、ポリスルホン樹脂、尿素樹脂等
が挙げられるが、これらに限定されるものではない。こ
れらは単独または共重合体ポリマーとして1種または2
種以上混合して用いても良い。
銀、鉛、錫、マグネシウム、アルミニウム、カルシウ
ム、マンガン、インジウム、クロムあるいはこれらの合
金が用いられる。
螢光灯あるいは発光ダイオードなどと異なり、大面積、
高分解能、薄型、軽量、高速動作、完全な固体デバイス
であり、高度な要求を満たす可能性のあるELパネルに
使用することができる。
る。
のITO膜を製膜したITO基板を図1に示す表面処理
装置の基板ホルダーに保持した。次に、表面処理装置の
チャンバー内を1×10−6Torrまで真空排気した
のち、マスフローコントローラを介してアルゴンガスを
10ccmの流量で流し、放電管内の圧力が3×10
−3Torrになるように調整した。
動作させ、放電管内にアルゴンプラズマを発生させた
後、基板ホルダーに−20V(20eVのエネルギーに
該当する)の電圧を30秒間印加してITO膜の表面処
理を行った。
で示される化合物からなるホール輸送層(膜厚30n
m)、そしてAlq3 からなる発光層(膜厚50n
m)、さらにAlからなる陰極(膜厚120nm)を各
次順次真空蒸着により形成し、実施例1の素子を作成し
た。
の表7に示す電圧とした以外は実施例1と同様の方法で
作成した素子を、各々比較例1、実施例2〜9、比較例
2の素子とした。
同様の方法で作成した素子を比較例3の素子とする。
極間に10Vの電圧を印加して発光輝度を測定した結果
を図7に示す。結果をみて明らかなように、アルゴンイ
オンのエネルギーが20〜100eVの範囲で表面処理
を施した表面改質ITOを電極として用いた発光素子の
発光輝度は大きく改善されていることがわかる。
方法をITO膜に行うと、面抵抗の増加を引き起こすこ
となく、ITO膜の表面領域の汚染を除去することがで
きる。また、このようにして表面改質を行った表面改質
ITO膜を有機発光素子の陽極として用いることで、極
めて輝度の高い発光を得ることができた。
めの一例を示す表面処理装置である。
ルギー)に対するITO膜の面粗さと面抵抗とC含有量
の変化を示す図である。
る。
ある。
ある。
ある。
改質ITO膜を電極として用いた有機発光素子の発光輝
度の変化を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 20〜100eVのエネルギー範囲にあ
る不活性ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面
改質を施したことを特徴とする表面改質ITO膜。 - 【請求項2】 20〜100eVのエネルギー範囲にあ
る不活性ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面
改質を行うことを特徴とするITO膜の表面処理方法。 - 【請求項3】 前記正イオンを照射してITO膜の表面
改質を行う場合、少なくとも10mW/cm2以上1W
/cm2以下のパワーをITO膜表面に与える請求項2
記載のITO膜の表面処理方法。 - 【請求項4】 前記正イオンにより、ITO膜の深さ方
向5nm以内の表面領域を改質する請求項2または3記
載のITO膜の表面処理方法。 - 【請求項5】 20〜100eVのエネルギー範囲にあ
る不活性ガスによる正イオンをITO膜に照射して表面
改質を行った表面改質ITO膜を電極として用いること
を特徴とする電荷注入型発光素子。 - 【請求項6】 前記正イオンを照射してITO膜の表面
改質を行う場合、少なくとも10mW/cm2以上1W
/cm2以下のパワーをITO膜表面に与える請求項5
記載の電荷注入型発光素子。 - 【請求項7】 前記表面改質ITO膜が、正イオンによ
りITO膜の深さ方向5nm以内の表面領域を改質した
ITO膜である請求項5または6記載の電荷注入型発光
素子。
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