JP2000133464A

JP2000133464A - 有機電界発光素子

Info

Publication number: JP2000133464A
Application number: JP10304906A
Authority: JP
Inventors: Motofumi Suzuki; 基史鈴木; Takahiro Ozawa; 隆弘小澤; Hisayoshi Fujikawa; 久喜藤川; Atsushi Miura; 篤志三浦; Yasunori Taga; 康訓多賀
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】有機ＥＬ素子の発光特性が高く、かつ耐久性
の良い実用性に優れた素子の提供。【解決手段】陽極３０および陰極２２と、これらに挟
まれた１層または複数層の有機層２４を有する有機ＥＬ
素子において、陽極３０として、例えばＩＴＯ，Ａｕ
等、仕事関数の大きい透明電極又は金属電極を用い、陰
極２２として、バンドギャップが大きく可視光領域で透
明で、仕事関数の小さいｎ型の半導体材料を用いる。陰
極２２として用いられる半導体材料が、バンドギャップ
が３．０ｅＶ以上であれば、可視光領域でほぼ透明であ
り、透明電極として用いることが可能となる。また、隣
接する有機層２４の電子親和力と同程度の電子親和力と
することで、該陰極２２の有機層２４との界面における
エネルギのスパイクを小さくできる。隣接する有機層２
４の仕事関数よりも半導体材料の仕事関数が小さけれ
ば、有機層２４と陰極２２との間にエネルギ障壁が形成
されてしまうことが防止できる。このようなｎ型半導体
材料は、例えばＧａＮ系化合物半導体が好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、有機化合物を利
用した有機電界発光素子（以下有機ＥＬ素子という）に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進歩に伴い、従来の
ＣＲＴよりも低消費電力でかつ薄型のディスプレイへの
ニーズが高まっている。この様なディスプレイとしては
液晶ディスプレイやプラズマディスプレイがあり、すで
に実用化されている。しかし、時代のニーズはさらに高
度化し、さらに低消費電力化、鮮明なフルカラー化が望
まれている。

【０００３】最近、それらのニーズを背景に、有機化合
物を利用した有機ＥＬ素子への期待が高まっている。こ
れまでに報告されている素子の構造としては、陽極およ
び陰極の間に１層または複数層の有機化合物層が挟まれ
た構造となっており、有機化合物層としては２層構造あ
るいは３層構造がある。

【０００４】２層構造の例としては、陽極と陰極との間
に正孔輸送層と発光層が形成された構造（特開昭５９−
１９４３９３号公報、Appl.Phys.Lett.51,913(1987)）
又は陽極と陰極との間に発光層と電子輸送層とが形成さ
れた構造（USP No.5,085947、特開平２−２５０９５２
号公報、Appl.Phys.Lett.55.P1489(1989)）がある。ま
た、３層構造の例としては、陽極と陰極との間に正孔輸
送層と発光層と電子輸送層とが形成された構造（Appl.P
hys.Lett.57,531(1990)）がある。また、単一層に全て
の役割を持たせた単層構造（Nature,347,539(1990)、Ap
pl.Phys.Lett.61,761(1992)）も高分子や混合系で報告
されている。

【０００５】図８は、一般的に知られた有機ＥＬ素子の
構成を示している。図示するように、この素子は、ガラ
スなどの透明基板１０上に設けられた陽極１２と陰極１
８との間に、有機化合物層である発光層１６と正孔輸送
層１４とが形成された２層構造を備えている。この場合
の発光層１６は、電子輸送層の機能も果している。

【０００６】これら有機ＥＬ素子における発光メカニズ
ムは、陽極１２から注入された正孔と陰極１８から注入
された電子とが、正孔輸送層１４あるいは電子輸送層を
介して発光層１６に到達し、そこで再結合することによ
って発光層１６を構成する有機化合物の励起状態を作り
出し、その励起状態が基底状態に戻るときに有機化合物
の蛍光と同じ波長の光を放出するというものである。

【０００７】発光層用材料として用いられる有機化合物
は強い蛍光性を示す材料である。上記正孔輸送層１４、
発光層１６、電子輸送層に使用可能な材料としては、こ
れまで様々な有機化合物が報告されている。

【０００８】たとえば、正孔輸送層の材料としては、芳
香族３級アミンが報告されている。発光層１６の材料と
しては、以下の化学式で表されるアルミニウムトリスオ
キシン（特開昭５９−１９４３９３号公報、特開昭６３
−２９５６９５号公報）や、スチリルアミン誘導体、ス
チリルベンゼン誘導体（特開平２−２０９９８８号公
報）が報告されている。また、電子輸送層の材料として
は、オキサジアゾール誘導体等（Appl.Phys.Lett.63,20
32(1993)）が報告されている。

【０００９】更に、これら低分子量の化合物ばかりでは
なく、高分子量の化合物でも多くの報告例があり、特に
ポリ（Ｐ−フェニレンビニレン）系誘導体（Nature,34
7,539(1990)）は、単層構造の素子でも良好な特性が得
られている。

【００１０】一方、これら有機物に効率良く電子、正孔
を注入するための電極としては、陰極１８には仕事関数
の小さいＭｇ，Ｃａ等の金属、あるいはそれらを主成分
とする合金が用いられ、陽極１２には透明電極として一
般的なＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が用いられている。

【００１１】そして、これらの材料を使用した有機ＥＬ
素子は、その発光色や明るさから見て、発光素子として
の性能は十分に実用レベルにある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの有機
ＥＬ素子は未だ実用に至っていない。その最大の原因は
素子の耐久性が乏しいことにある。

【００１３】これまで、様々な素子構造および有機化合
物を採用することにより、初期的には数１０００ｃｄ／
ｍ²の高輝度が直流電圧１０Ｖ程度で構成されている
が、連続駆動あるいは長期保存によって輝度の低下と駆
動電圧の上昇といった特性の劣化が起り、これが有機Ｅ
Ｌ素子の実用化を妨げている。

【００１４】素子の寿命を決定する重要な要因の一つ
に、電極界面における電子、正孔の注入効率の問題があ
げられる。電極界面において、電子、正孔の注入効率が
悪いと、素子を駆動する電力が上昇し、ひいては素子の
劣化を引き起す。さらに、消費電力の観点からも、電極
界面における電子、正孔の注入効率の向上が望まれる。

【００１５】図９に有機ＥＬ素子を構成する典型的な材
料のエネルギー準位を示した。これらの材料を積層した
場合、図１０に示すような電子状態をとると考えられ
る。この場合、陰極Ｍｇと発光層（アルミキノリノール
錯体Ａｌｑ₃）の界面で、電子に対するエネルギーの障
壁が存在する。同様に、陽極と正孔輸送層の界面にも正
孔に対するエネルギー障壁が存在する。このような障壁
の存在は、電子や正孔の注入効率を低下させるため好ま
しくない。

【００１６】一般的に、前記の有機材料に効率良く電
子、正孔を注入するために、界面でのエネルギー障壁を
無くす必要があり、そのためには陰極に仕事関数の小さ
な材料を用い、陽極には仕事関数の大きな材料を用いる
とよいとされている。

【００１７】ここで、有機ＥＬ素子では、陰極、陽極の
少なくともどちらか一方を透明電極にする必要がある
が、従来用いられている透明電極ＩＴＯの仕事関数は大
きく、陽極に使うことが好ましい。必然的に陰極には仕
事関数の小さな金属を用いる必要がある。仕事関数の小
さな金属にはＬｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ等のアルカリ金
属、アルカリ土類金属があるが、これらは非常に活性な
金属であるため、素子の耐久性を低下させる原因になっ
ている。また、陰極材料として考えた場合に、その仕事
関数も必ずしも十分小さいとはいえない。一方、陽極材
料に用いるＩＴＯの仕事関数も、正孔輸送材料との界面
で障壁を作らない程十分に大きいとはいえない。したが
って、素子の効率、耐久性の向上のためには新たな電極
材料の開発が重要である。

【００１８】陰極材料（電子注入層）として、ダイアモ
ンドを用いることがUSP NO.5349209に開示されている。
しかし、ダイアモンドは良好なｎ型半導体にすることが
困難であり、陰極材料などに用いるには、電気抵抗が大
きすぎるという問題がある。また、ダイアモンドの電子
親和力が非常に小さいために、有機層との界面に大きな
エネルギースパイクが生じ、電子を効率よく注入するこ
とができない。

【００１９】また、特開平１−３１２８７４号公報、特
開平２−１９６４７５号公報に、少なくとも一方が透
明、又は透光性の電極層間に、無機半導体層のキャリア
注入層を挿入した例が開示されている。しかし、これら
の例では、用いる半導体の透光性が十分高くないため、
発光が半導体層で吸収されてしまい、効率を低下させ
る。さらに、有機層と半導体層界面における電子状態が
考慮されておらず、界面でのキャリアに対するエネルギ
ー障壁や、ノッチの存在によって、キャリアの注入効率
が必ずしも向上しないという問題がある。

【００２０】また、これら有機ＥＬ素子を用いた画像の
表示を考えた場合、高度に進歩した液晶表示素子に対抗
できるだけの性能を持たせるためには、薄膜トランジス
タ（ＴＦＴ）を用いた能動的な駆動法と多色化が必須で
ある。しかし、発光層等に用いられる有機物が、水分、
プラズマ、熱等に弱いため、従来の半導体微細加工技術
の応用にはかなりの制限が課せられることも問題になっ
ている。

【００２１】本発明は、これらの有機ＥＬ素子における
問題を解決し、また、この有機ＥＬ素子を用いた表示装
置などの製造を実現可能とする技術を提供することを目
的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明は、以下のような特徴を有する。

【００２３】まず、この発明は、陽極および陰極と、こ
れらに挟まれた１層または複数層の有機化合物層より構
成される有機電界発光素子であり、陽極として、仕事関
数の大きい金属又は透明電極が用いられている。一方、
陰極としては、バンドギャップが大きく可視光領域で透
明で、仕事関数の小さいｎ型の半導体材料を用いること
を特徴とする。

【００２４】可視光領域で透明なｎ型半導体は、透明電
極として用いることができ、更に従来陰極として用いら
れていたアルカリ金属やアルカリ土類金属等に比べて化
学的に安定であるため、電極の腐食や、酸化等による素
子の特性劣化を抑制でき、素子寿命を向上させることが
可能となる。

【００２５】また、陰極に上記のような半導体を用いた
場合、陽極を必ずしも透明とする必要がなくなるため、
より仕事関数の大きな金属を用いることができる。従来
の素子で陽極に用いられているＩＴＯよりも仕事関数の
大きな金属は、例えばＮｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等
であり、化学的に安定な物質が多く、材料選択の幅が広
がる。したがって、陰極にアルカリ土類金属、陽極にＩ
ＴＯを用いた従来の素子に比べ、本発明の有機電界発光
素子では、陽極、陰極のいずれの電極も化学的に安定で
あるため、耐久性の極めて高い素子を提供することがで
きる。

【００２６】更に、本発明の有機電界発光素子におい
て、上記陰極として用いる半導体材料にはｎ型にドープ
されていることにより仕事関数が十分小さくなってい
る。したがって、従来の素子に比べ、陰極の仕事関数を
小さく、陽極の仕事関数を大きくでき、電極と有機層の
界面での電子や正孔に対するエネルギー障壁をなくすこ
とができ、電子と正孔を非常に効率よく有機層に注入す
ることができる。よって、素子の特性としては、低電圧
で輝度の高い、高効率の特性を得ることが可能となる。

【００２７】また、本発明の他の特徴は、上記半導体材
料が、バンドギャップが３．０ｅＶ以上で、電子親和力
が隣接する有機層の電子親和力と同程度の値であり、か
つ、ドーピングによってｎ型にした際に、仕事関数が、
隣接する有機層の仕事関数よりも小さいことである。

【００２８】このように、陰極として用いられる半導体
材料のバンドギャップが３．０ｅＶ以上であれば、可視
光領域でほぼ透明であり、透明電極として用いることが
可能となる。また、隣接する有機層の電子親和力と同程
度の電子親和力であれば、該陰極の有機層との界面にお
けるエネルギのスパイクを小さくできる。更に、隣接す
る有機層の仕事関数よりも半導体材料の仕事関数が小さ
ければ、有機層と陰極との間にエネルギ障壁が形成され
てしまうことが防止できる。したがって、このような半
導体材料を陰極として用いることで、電子、正孔を効率
的に有機層に注入可能であるため低電圧で発光輝度が高
く、また、耐久性が高く、実用性に優れた素子を得るこ
とが可能となる。

【００２９】この様な半導体材料としては、例えば、Ｇ
ａＮ系、ＡｌＮ系、ＺｎＯ系、ＺｎＳ系等の化合物半導
体等が適用可能であるが、特に、ＧａＮ系化合物半導体
は、比較的容易にｎ型を作製でき、一般的に用いられる
有機物の電子親和力と同程度の電子親和力を有し、かつ
化学的に安定であり、微細加工技術が確立されているた
め有機ＥＬの陰極として好適である。

【００３０】本発明の他の特徴は、上述の有機電界発光
素子において、前記陰極を構成する前記半導体材料の一
部を能動層として用いた薄膜トランジスタを有し、該薄
膜トランジスタによって素子での発光を制御することで
ある。

【００３１】有機層に流れ込む電流をこの薄膜トランジ
スタによって制御できるため、基板上に複数の有機電界
発光素子を形成し、各素子を選択的に発光させることが
容易で表示品質の高い表示装置とすることができる。ま
た、この薄膜トランジスタの能動層を上述のような半導
体材料からなる素子陰極と兼用させることができるた
め、各素子に薄膜トランジスタを作り込むことによる製
造工程の増加を最小限に抑えることができる。また、有
機層の陽極あるいは陰極と、薄膜トランジスタとを異な
る材料で形成すると、素子電極材料と薄膜トランジスタ
との接続部における接触抵抗が加わることとなり、その
分有機電界発光素子に流す電流が少なくなってしまう。
しかし、本発明のように薄膜トランジスタの能動層と有
機電界発光素子の陰極とを兼用させれば、非常に効率の
良い素子を作製することが可能となる。

【００３２】本発明の更に別の特徴は、上述の有機電界
発光素子が、素子外へ射出される発光光を所望の色とす
るための色変換層を備え、該色変換層が、前記半導体材
料を用いて形成された前記陰極の少なくとも一部、又は
該陰極とは別に形成された前記半導体材料によって構成
され、該半導体材料には変換色に応じて組成が調整され
又は変換色に応じて所定濃度の不純物が添加されている
ことである。

【００３３】従来のように色変換層として、蛍光色素あ
るいは蛍光顔料と樹脂などからなるバインダー等を用い
ると、蛍光量子効率の経時変化が大きく、長時間使用す
ると蛍光強度が低下し発光色も変わってしまうという問
題や、有機電界発光素子の他層を形成する過程で色変換
層が変質して蛍光効率が低下しやすいという問題点があ
った。しかし、陰極を構成する半導体材料と概ね等しい
或いは同一材料で色変換層を形成するため、このような
半導体材料からなる色変換層が長時間安定した光変換特
性を発揮する。例えば、有機電界発光素子の半導体材料
がＧａＮ系半導体である場合に、色変換層として、例え
ばＩｎＧａＮ系半導体が適用可能である。このような材
料は、発光効率が高く長時間使用しても特性の低下はほ
とんどない。また組成を制御することで様々な発光色が
実現できるほか、微細加工が容易で高精細な多色発光素
子の作製が可能となるとともに、安定な材料であるため
後工程における特性低下もない。また陰極材料の一部と
しても利用することが可能であるから、色変換層を有機
層、例えば発光層（電子輸送層）の直下に形成すること
ができ、発光層での発光を効率よく変換できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の好
適な実施の形態（以下実施形態という）について説明す
る。

【００３５】［実施形態１］図１は、本実施形態１に係
る有機ＥＬ素子の構成を示している。有機ＥＬ素子で
は、陰極２２と陽極３０の間に挟まれている有機層２４
に対し、電子・正孔を効率よく注入するために、仕事関
数の小さい陰極２２と仕事関数の大きな陽極３０を用い
る必要がある。従来は、上述のように陰極は金属、陽極
は透明電極とする固定観点があったが、本実施形態１で
は、陰極２２として、バンドギャップが大きく可視光領
域で透明であるｎ型半導体材料を用い、一方陽極３０と
しては、仕事関数の大きい金属材料を用いている。

【００３６】本実施形態１のような陰極２２に使用でき
る半導体としては、ＧａＮ系化合物半導体、ＡｌＮ系化
合物半導体、ＺｎＯ系化合物半導体、ＺｎＳ系化合物半
導体等がある。これらの半導体材料はバンドギャップが
大きく、電子親和力が小さく、Ｓｉ等をドープしてｎ型
にした場合に、アルカリ金属やアルカリ土類金属に比べ
てその仕事関数が同等かもしくはそれよりも小さくな
る。また、電気抵抗を十分小さくすることも可能であ
る。さらにバンドギャップが３ｅＶ以上であれば、可視
光領域ではほぼ透明であるため、透明電極として用いる
ことができる。また、このような半導体は、アルカリ金
属やアルカリ土類金属に比べて化学的に安定であるた
め、電極の腐食、酸化による素子の劣化を抑制すること
ができる。

【００３７】ここで、陰極２２に隣接する有機層２４
（本実施形態１では有機発光層２６）との界面における
エネルギースパイクを小さくするためには、陰極２２で
ある半導体と、有機層２４の電子親和力の差が小さいこ
とが望ましい。この様な条件を考慮すると、陰極２２と
して窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体（Ｉｎ_xＧ
ａ_yＡｌ_1-x-yＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ
≦１）が好適である。このＧａＮ系化合物半導体は、比
較的容易にｎ型を作製することができ、一般的に発光層
等に用いられる有機物の電子親和力と同程度の電子親和
力を有し、かつ化学的に安定であるためである。更に、
このＧａＮ系化合物半導体は、微細加工技術が確立され
ており、この点からも、有機ＥＬ素子の陰極２２として
最も好ましい。

【００３８】陰極２２に上記のような半導体を用いた場
合、陽極３０には仕事関数の大きな金属を用いることが
できる。従来の素子で陽極に用いられているＩＴＯより
も仕事関数が大きい金属は、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｐｔ，
Ａｕ等があり、化学的に安定な物質が多い。したがっ
て、陰極にアルカリ土類金属、陽極にＩＴＯを用いた従
来の素子に比べ、本実施形態１で示す素子は、陰極、陽
極のいずれの電極も化学的に安定であり、耐久性を非常
に高くすることが可能である。但し、陽極３０としてＩ
ＴＯを用いても良く、この場合には、完全に透明な有機
ＥＬ素子を構成することができ、陽極側からも光を取り
出すことができる。

【００３９】また、本実施形態１に係る有機ＥＬ素子
は、耐久性だけでなく、発光効率そのものも向上する。
例えば、陰極２２にＧａＮ系半導体を用い、陽極３０に
Ａｕ、発光層２６としてアルミキノリノール錯体Ａｌｑ
₃、正孔輸送層２８としてトリフェニルアミン四量体Ｔ
ＰＴＥを用いた場合において、図２は各層が孤立してい
る場合のエネルギー準位を示している。素子を構成する
ためにこれらの層を積層した場合のエネルギー準位を図
３に示す。

【００４０】まず図２に示すように、ＧａＮの電子親和
力は２．７ｅＶであり、ｎ型にした場合、仕事関数はこ
の値とほぼ同程度まで小さくなる。一方、陽極３０のＡ
ｕの仕事関数は５．１ｅＶである。従来の素子に用いら
れる電極に比べて陰極２２の仕事関数が小さく、陽極３
０の仕事関数が大きいため、図９と図３との比較から理
解できるように、電極と有機層の界面での電子や正孔に
対するエネルギー障壁は存在しない。このため、電子と
正孔を非常に効率よく有機層に注入することができる。
したがって、陽極３０と陰極２２間に低電圧を印加する
ことで、輝度の高い、高効率の発光特性の有機ＥＬ素子
を実現することが可能となる。

【００４１】

【実施例１】以下に、図１に示す本実施形態１に係る有
機ＥＬ素子の製造条件等の一実施例を示す。

【００４２】（１）ＧａＮ成膜ＧａＮは、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ：Me
tal Organic Vapor Phase Epitaxy」と記す）による気
相成長により製造した。用いられたガスは、アンモニア
（ＮＨ₃）、ギャリアガス（Ｈ₂）、トリメチルガリウム
（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）（以下「ＴＭＧ」と記す）、トリメ
チルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）（以下「ＴＭＡ」
と記す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）
（以下「ＴＭＩ」と記す）、シラン（ＳｉＨ₄）、ジエ
チル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂）（以下、「ＤＥＺ」と記
す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅
Ｈ₅）₂）（以下「ＣＰ２Ｍｇ」と記す）、アルシン（Ａ
ｓＨ₃）及びジメチル亜鉛（以下「ＤＭＺ」と記す）で
ある。

【００４３】まず、有機洗浄及び熱処理により基板２０
である単結晶サファイア基板のａ面を洗浄し、このａ面
を主面としてサファイア基板２０をＭＯＶＰＥ装置の反
応室に載置されたサセプタに装着した。次に、常圧でＨ
₂を流速２リットル／分で約３０分間反応室に流しなが
ら温度１１００℃でサファイア基板２０をベーキングし
た。次に、温度を１１５０℃に保持し、Ｈ₂を２０リッ
トル／分、ＮＨ₃を１０リットル／分、ＴＭＧを１．７
×１０^-4モル／分、Ｈ₂ガスにより０．８６ｐｐｍに希
釈されたシランを２０×１０^{- 8}モル／分で導入し、膜
厚約２．０μｍ、シリコン（Ｓｉ）ドープのｎ型ＧａＮ
から成る有機ＥＬ用の陰極２２を作製した。

【００４４】（２）有機ＥＬ層、電極層の成膜上記の方法で作製した陰極（ＧａＮ）２２の上に、有機
発光層２６を形成した。具体的には、真空蒸着法により
真空度約２×１０^-7Ｔｏｒｒ、蒸着速度約３０Å／分の
条件でアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ₃）を約６００
Å形成し、これを有機発光層２６とした。その上に、発
光層２６と同条件でトリフェニルアミン四量体（ＴＰＴ
Ｅ）を約６００Å形成し、これを有機正孔輸送層２８と
した。

【００４５】陽極３０は、真空度１×１０^-6Ｔｏｒｒ、
蒸着速度約１５０Å／分でＡｕを約１０００Å成膜する
ことにより形成した。

【００４６】以上のようにして得られる有機ＥＬ素子の
１個当たりの大きさは３ｍｍ×３ｍｍであり、２５ｍｍ
×３５ｍｍの基板２０上に６個作製した。

【００４７】比較例１として、ガラス基板上に高周波マ
グネトロンスパッタ法でＩＴＯを１５００Å成膜して陽
極３０とし、その上に、上記と同様の方法で、正孔輸送
層、発光層、を６００Åづつ蒸着した後、ＭｇＡｇ電極
を真空蒸着し、比較用の有機ＥＬ素子を作製した。

【００４８】比較例２として、ガラス基板上に高周波マ
グネトロンスパッタ法でＩＴＯを１５００Å成膜して陽
極３０とし、その上に、上記と同様の方法で、正孔輸送
層、発光層を、６００Åづつ蒸着した後、ＬｉＦを５Å
蒸着し、その上にＡｌ電極を１５００Å真空蒸着し、比
較用の有機ＥＬ素子を作製した。

【００４９】（３）特性評価以上のように作製した有機ＥＬ素子（実施例１、比較例
１、比較例２）の各陽極側に正、陰極側に負の直流電圧
を印加し、基板側からの発光を観察した。なお、本実施
形態１に係る有機ＥＬ素子では、積層構造が従来の素子
と逆である。つまり、実施例１では金属電極が陽極３０
であり観察する基板側というのは陰極側となるのに対
し、比較例１，２の有機ＥＬ素子では金属電極が陰極２
２であって観察する基板側とは、陽極側を意味する。

【００５０】図４は、実施例１に係る有機ＥＬ素子と、
比較例１及び２の有機ＥＬ素子の発光特性を示してい
る。横軸は電極間に印加する電圧であり、縦軸は光電子
増倍管で測定した発光強度である。比較例１のＭｇＡｇ
−ＩＴＯ系の素子では、発光開始電圧が約２．０Ｖ、比
較例２のＬｉＦ／Ａｌ−ＩＴＯ系の素子では、発光開始
電圧が約１．７Ｖである。これらに対し、本発明に係る
実施例１のＧａＮ−Ａｕ系の電極を用いた素子では、発
光開始電圧が約１．２Ｖまで大幅に低下し、発光効率が
大幅に改善されていることが分かる。

【００５１】［実施形態２］本実施形態２に係る有機Ｅ
Ｌ素子は、上記実施形態１のように陰極としてｎ型半導
体材料（例えばＧａＮ系）を用いた有機ＥＬ素子が、各
素子での発光を制御するスイッチング素子として薄膜ト
ランジスタ（ＴＦＴ）を内蔵している。

【００５２】図５は、このような本実施形態２に係る有
機ＥＬ素子の構成を示している。

【００５３】有機ＥＬ素子の陰極３２として用いるｎ型
半導体材料、例えばＧａＮ系半導体材料は、必ずしも単
結晶である必要はなく、多結晶でも十分な特性が得られ
る。このため、ＧａＮをトランジスタ能動層として用い
てＴＦＴを構成することができ、この様なＴＦＴを内蔵
することで有機ＥＬ素子の選択的な駆動が可能になる。

【００５４】本実施形態２において、ガラスやサファイ
ア等の透明基板２０上に形成される有機ＥＬ部は、上述
の実施形態１と同様に、陰極３２としてＧａＮ等の半導
体材料が用いられ、この陰極３２と、仕事関数の大きな
陽極３０との間に多層構造（単層でも可）の有機層２４
が形成されている。

【００５５】素子のＴＦＴ部は、能動層（ＴＦＴ能動層
兼用陰極：半導体層）と、この能動層（陰極３２）上に
形成されたゲート電極３６、及び能動層（陰極３２）と
透明基板２０との間に形成された配線層３４を備える。
ここで、配線層３４に用いられる金属材料は、Ａｌ等、
能動層であるｎ型ＧａＮ（陰極３２）とのオーミック性
のよい材料が好ましい。配線層と３４一部重なるように
成膜したＧａＮ層（陰極３２）の上には、仕事関数の大
きなＡｕ，Ｎｉ等の薄膜が形成され、これがＴＦＴ部の
ショットキーゲート電極３６をなす。有機層２４に流れ
込む電流は、このショットキーゲート電極３６に印加さ
れる電圧によって制御される。また適当な絶縁層３８に
よって、配線層、ゲート電極等と直接接触しないように
有機層２４が形成されており、その上に陽極３０が形成
されている。

【００５６】有機ＥＬ素子において、これまでにも、Ｔ
ＦＴによるアクティブマトリックス駆動を行うディスプ
レイが提案されている（特開平１０−１８９２５２号公
報、特開平１０−１６１５６３号公報）。これらの技術
は単純駆動に比べて高精細ディスプレイが可能となり、
また駆動電圧が低減できるなどの優れた特徴があった
が、下記のような問題があった。

【００５７】即ち、これらの従来技術においては、ＴＦ
Ｔの能動層として、アモルファス状あるいは多結晶状の
シリコンが用いられており、発光層への電流注入を制御
するゲート部分はゲート電極−ゲート酸化膜−シリコン
の３層構造のいわゆるＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconduc
tor）構造をとっている。(i)このような多層構造では製
造プロセスが複雑で効率的な素子作製が困難であるとと
もに、ゲート酸化膜の厚さにより特性が大きく異なる性
質があり、ディスプレイとした場合に、各画素の発光状
態を均一に制御することが難しい。(ii)また有機ＥＬ素
子をより明るく発光させるためにはより多くの電流を流
す必要があるが、アモルファスあるいは多結晶シリコン
の電子移動はせいぜい数１０ｃｍ²／Ｖ／ｓ程度と小さ
い。このため電気抵抗が大きく、また有機ＥＬ層の陽極
あるいは陰極と、ＴＦＴとが異なる材料で形成されてい
ることにより、電極材料とＴＦＴの接続部における接触
抵抗が加わって、有機ＥＬ素子に流す電流値を高くでき
なかった。(iii)さらにシリコンはバンドギャップが
１．２ｅＶと小さいため、温度によるＴＦＴの特性変化
が大きいという問題もあった。

【００５８】これに対し、本実施形態２のように有機Ｅ
Ｌ素子の陰極（ＧａＮ）をＴＦＴの能動層に兼用したＴ
ＦＴ内蔵型の有機ＥＬ素子は、ＴＦＴのゲート部分がゲ
ート電極−ＧａＮ層の２層のみからなるいわゆるＭＥＳ
（MEtal-Semiconductor）構造であり、簡便な製造プロ
セスで作製できる。また、均一な素子形成が可能で、デ
ィスプレイの全面にわたって均一な発光が可能となる。
またＧａＮの電子移動度は、単結晶で８００ｃｍ²／Ｖ
／ｓ以上、アモルファスあるいは多結晶状であっても２
００ｃｍ²／Ｖ／ｓ以上と多結晶のシリコンよりも大き
く、また陰極３２と、ＴＦＴの能動層とを同じＧａＮを
用いて形成したことで、両者の接触抵抗は無い。したが
って、電気抵抗が従来より大幅に小さくなり、同じサイ
ズの有機ＥＬ素子で、より大きな電流を流すことがで
き、有機ＥＬ素子の高輝度化が図られる。また、ＧａＮ
系化合物半導体は、バンドギャップが３．４ｅＶと大き
く温度による特性の変化が小さいという特徴もある。

【００５９】また、この様なＧａＮ−ＴＦＴを用いた有
機ＥＬ素子は、従来のようなシリコンＴＦＴを用いた場
合に比較して、輝度が２０％程度向上し、また各画素の
輝度等のばらつきも従来の３％程度から１％以内に低減
されている。

【００６０】

【実施例２】以下に、図５に示す本実施形態２に係るＴ
ＦＴ内蔵型有機ＥＬ素子の製造条件等の一実施例を示
す。

【００６１】ガラス基板２０上に真空蒸着法によってＡ
ｌを膜厚１μｍ蒸着し、フォトリソグラフィーによるパ
ターニングと湿式エッチングとを行って、配線層３４を
形成した。

【００６２】次に、基板温度を５００℃に保持し、Ｈ₂
を２０リットル／分、ＮＨ₃を１０リットル／分、ＴＭ
Ｇを１．７×１０^-4モル／分、Ｈ₂ガスにより０．８６
ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０^-8モル／分で導
入し、膜厚約２．０μｍ、シリコン（Ｓｉ）ドープの多
結晶ｎ型ＧａＮを形成し、これにより有機ＥＬ部の陰極
３２を作製した。この陰極３２をリアクティブイオンエ
ッチングによって所望のパターンとした後、該陰極３２
の上に、スパッタリングによって、Ａｕ／Ｎｉの二層膜
を形成し、所定の形状にパターニングすることでゲート
電極３６を作製した。

【００６３】更に、これら配線層３４、陰極（ＧａＮ）
３２及びゲート電極３６を覆うように、スパッタリング
によって膜厚１μｍのＳｉＯ₂からなる絶縁層３８を形
成した。その後、リアクティブイオンエッチングによっ
て、発光領域を形成する部分を開口した。

【００６４】次に、真空蒸着法により蒸着速度約３０Å
／分の条件で、Ａｌｑ₃を約６００Å形成しこれにより
有機発光層を得た。この有機発光層の上には、発光層と
同条件でＴＰＴＥを約６００Å形成し、有機正孔輸送層
を得た。最後に、陽極３０として、蒸着速度約１５０Å
／分でＡｕを約１０００Å形成した。

【００６５】以上のようにして得られた有機ＥＬ素子の
配線層３４に負、陽極３０に正の直流定電圧を印加し、
さらにＴＦＴのゲート電極３６に負の制御用電圧を印加
したところ、有機ＥＬ部での発光強度を制御できること
が確認された。

【００６６】［実施形態３］本実施形態３に係る有機Ｅ
Ｌ素子は、発光層からの光を異なる波長に変換して多色
発光を可能としたカラーディスプレイなどに用いるた
め、色変換層を備える。そして、上述の実施形態１及び
２において有機ＥＬ素子の陰極として用いているＧａＮ
系化合物半導体材料をこの色変換層の材料としても用い
ている。

【００６７】ＧａＮ系化合物半導体は、バンドギャップ
が３．４ｅＶあり、青色のフォトルミネッセンスを示す
材料であるが、この波長を、ＧａＮにＩｎを添加するこ
とによって長波長側にシフトさせることができる。例え
ば、Ｉｎ_0.43Ｇａ_0.57Ｎに不純物としてＺｎ，Ｓｉをド
ープした物は、緑色のフォトルミネッセンスを示す。ま
た、Ｉｎ_0.87Ｇａ_0.13Ｎに不純物としてＺｎ，Ｓｉをド
ープした物は、赤色のフォトルミネッセンスを示す。

【００６８】図６は、本実施形態３に係る有機ＥＬ素子
の概略構成の一例を示している。なお、図６の有機ＥＬ
素子は、色変換層を除けば、図５に示すＴＦＴ内蔵型有
機ＥＬ素子（実施形態２）の構成と同様であり、対応す
るものには同一符号を付して説明を省略する。

【００６９】ガラス基板２０上には、色変換層４０とし
て、３つの組成の異なるＩｎＧａＮ層が形成されてお
り、それぞれ青、緑、赤色の色変換層（４０Ｂ、４０
Ｇ、４０Ｒ）として用いる。上述のようにＧａＮ半導体
は、青色のフォトルミネッセンスを示すため、青色の色
変換層は特に必要としないが、ここでは、色変換層とし
てＩｎＧａＮを採用し、青色の色変換層４０Ｂとして、
例えば、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎの組成とした場合を例に説
明する。緑色の色変換層４０Ｇは、例えばＩｎ_0.43Ｇａ
_0.57Ｎの組成であり、また赤色の色変換層４０Ｒは、例
えばＩｎ_0.87Ｇａ_0. ₁₃Ｎの組成を有する。なお、本実施
形態において、ＧａＮおよびＩｎＧａＮは、実際には
「Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ」（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるものである。

【００７０】これらの色変換層４０の上には、ＴＦＴの
能動層及び有機ＥＬの陰極を兼用するｎ型ＧａＮ層３２
が形成されており、その上には、有機層２４が形成され
ている。本実施形態３のように色変換を行う場合、有機
層２４としては、短波長の光が得られる材料を用いる必
要がある。したがって、有機発光層には、青色又はそれ
よりも短い波長の蛍光を示す材料を用いる。また、有機
層２４上の所定の領域には、仕事関数の大きな材料を用
いた陽極３０が形成されている。なお、図６では、各画
素毎に隔離された陽極３０を形成した例を示している
が、ＴＦＴを用いて各有機ＥＬ素子を駆動する場合に
は、有機ＥＬ層への注入電流はＴＦＴのゲート電圧で制
御されるため、陽極３０は必ずしも分離されている必要
はない。

【００７１】以上のような構成において、有機ＥＬ素子
の配線層３４に負、陽極３０に正の直流定電圧を印加
し、さらにＴＦＴのゲート電極３６に負の制御用電圧を
印加すると、有機層で発光した光が対応する色変換層４
０（４０Ｂ、４０Ｇ、４０Ｒ）で青色、緑色、赤色にそ
れぞれ変換されて外部へ射出される。表示するイメージ
に応じて選択するＴＦＴを制御すれば、対応する素子が
発光し所望のイメージが表示可能なフルカラーのディス
プレイを実現できる。

【００７２】なお、図６及び以上の説明では、各色ごと
に色変換層４０を形成した後、その上に陰極３２を形成
しているが、各色変換層４０と陰極３２とを一体化した
構成でもよい。この場合、ＩｎＧａＮに不純物をドープ
してｎ型とし、また変換すべき色に応じてＩｎＧａＮの
組成を調整して成膜して色変換層兼用の陰極を形成す
る。そして、各色に対応した素子については、例えば図
５に示すような素子構成とすればよい。

【００７３】有機ＥＬ素子において発光層からの光の一
部を異なる波長の光に変換することで多色発光を可能に
したディスプレイが従来より提案されている（特開平１
０−１７７８９５号公報、特開平９−２０８９４４号公
報）。これらの技術は複数の発光層を用いることなく低
コストで多色発光が可能になるなどの優れた特徴があっ
たが、次のような問題があった。(i)従来技術では色変
換層は蛍光色素あるいは蛍光顔料と樹脂などからなるバ
インダーで形成されている。この色変換層では蛍光量子
効率の経時変化が大きく、長時間使用すると蛍光強度が
低下し発光色も変わってしまう。(ii)通常は色変換層を
形成して、その後にＩＴＯ膜や有機ＥＬ層を形成する
が、その過程で色変換層が変質して蛍光効率が低下しや
すい。

【００７４】しかし、本実施形態３の有機ＥＬ素子で
は、図６のような有機ＥＬ素子の色変換層として、例え
ばＩｎＧａＮを用いている。ＩｎＧａＮは発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）の発光層としても用いられている半導体
で、発光効率が高く長時間使用しても特性の低下はほと
んどない。また組成を制御することで様々な発光色が実
現できるほか、微細加工が容易で高精細な多色発光素子
の作製が可能となるとともに、安定な材料であるため後
工程における特性低下も全くない。また、陰極材料と共
通しているため実質的に陰極の一部として利用すること
ができ、これにより色変換層を発光層（電子輸送層）の
直下に形成することができ、発光層での発光を効率よく
変換できる。従来は基板上に色変換層−保護層−陽極
（ＩＴＯ膜）−正孔輸送層−発光層（電子輸送層）と順
に形成され、色変換層と発光層との間にいくつもの層が
入る構造をとっているため、発光層での発光が分散し効
率よく色変換をすることができなかった。これに対し、
本実施形態３では、以上のようにＩｎＧａＮ色変換層を
用いており、従来と比較して色変換効率が２０％向上
し、高効率・低コストの多色発光素子を提供することが
可能となる。

【００７５】

【実施例３】以下に、図６に示すような本実施形態３に
係る有機ＥＬ素子の製造条件等の一実施例を図７を参照
して説明する。

【００７６】まず、ガラス基板２０上の上全面にスパッ
タ法により膜厚１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂）から
なる絶縁層５０、膜厚０．１μｍのチタン（Ｔｉ）から
なる第１犠牲層５２を順次形成した。その後、これらの
上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラ
フィにより色変換層に対応する部分のフォトレジストを
除去した（図７（ａ）参照）。

【００７７】次に、図７（ｂ）のように、残ったフォト
レジストをマスクとして下層の第１犠牲層５２、絶縁層
５０をエッチングし、その後、フォトレジストを除去し
た。

【００７８】続いて、ＭＯＣＶＤ法により、温度を３０
０℃に保持しながら、Ｎ₂またはＨ₂を２０リットル／
分、ＮＨ₃を１０リットル／分、ＴＭＧを１．５３×１
０^- ⁴モル／分、ＴＭＩを０．０２×１０^-4モル／分、
ＤＥＺを４．０×１０^-7モル／分、モノシランを５．０
×１０^-9モル／分で、２０分供給して、膜厚約１μｍの
Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎから成るＺｎとＳｉを添加したＩｎ
ＧａＮ５４を形成した。

【００７９】その後、エッチングにより第１犠牲層５２
を除去すると、第１犠牲層５２の上に形成されたＩｎＧ
ａＮ５４が同時に除去されて青色発光の領域、即ち青色
の色変換層４０Ｂが形成得られた（図７（ｄ）参照）。

【００８０】図７（ｄ）に示すように、試料の上全面に
スパッタ法により、膜厚０．１μｍのチタン（Ｔｉ）か
らなる第２犠牲層５６を形成してパターニングを行っ
た。そして、図７（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法に
より、温度を３００℃に保持しながら、Ｎ₂またはＨ₂
を２０リットル／分、ＮＨ₃を１０リットル／分、ＴＭ
Ｇを０．７５×１０^-4モル／分、ＴＭＩを０．６×１０
^-4モル／分、ＤＥＺを４．０×１０^-7モル／分、モノシ
ランを５．０×１０^{- 9}モル／分で、２０分供給して、
膜厚約１μｍのＩｎ_0.43Ｇａ_0.57Ｎから成るＺｎとＳｉ
を添加したＩｎＧａＮ５８を形成した。エッチングによ
り第２犠牲層５６を除去すると、第２犠牲層５６の上に
形成されたＩｎＧａＮ５８が同時に除去されて緑色発光
の領域、つまり緑色の色変換層４０Ｇが形成された。

【００８１】次に、ＴＭＧを０．１５×１０^-4モル／
分、ＴＭＩを１．０×１０^-4モル／分で他は同じ条件と
して同様なプロセスで膜厚約１μｍのＩｎ_0.87Ｇａ_0.13
Ｎから成るＺｎとＳｉを添加した色変換層を形成するこ
とで、赤色発光の領域、つまり赤色の色変換層４０Ｒが
形成された。

【００８２】また、真空蒸着法によってＡｌを膜厚１μ
ｍ蒸着し、フォトリソグラフィーによるパターニングと
湿式エッチングによって、色変換層４０の上部の端面
に、配線層３４を形成した。

【００８３】その後、各色変換層４０の上に、有機ＥＬ
の陰極兼ＴＦＴの半導体層となるｎ型ＧａＮ３２を形成
し、スパッタリングによって成膜したＳｉＯ₂からなる
絶縁層３８を形成し、ＴＦＴ部分を絶縁した。

【００８４】更にこれらの上に、有機層２４として青色
発光層となる亜鉛キレート錯体ＥＭ１を真空蒸着によっ
て試料の前面に成膜し、さらに、正孔輸送層ＴＰＴＥ
も、試料前面に蒸着した。その後、陽極としてＡｕを、
機械的なマスクを通して発光部の上部に成膜し、マルチ
カラーの有機ＥＬ素子を作製した。

【００８５】この素子に、直流電流を流して発光特性を
測定したところ、各色変換層を通して得られる光のスペ
クトルのピーク波長は、それぞれ４６０ｎｍ、５３０ｎ
ｍ、６６０ｎｍで、光の三原色である青色、緑色、赤色
の発光色を示すとともに、発光スペクトルの半値幅が小
さく色純度が優れた素子が得られた。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、有機ＥＬ素子の陰極として、バンドギャップが大き
く可視光領域で透明で、仕事関数の小さいｎ型の半導体
材料を用いる。したがって、電子、正孔を効率的に有機
層に注入可能であるため低電圧で発光輝度の高い素子が
得られ、また、電極材料として化学的に安定な材料を用
いることができるため素子の耐久性が高まり実用性に優
れた素子を得ることができる。

【００８７】また、薄膜トランジスタを素子内に内蔵す
る場合に、該トランジスタの能動層として有機ＥＬ素子
の陰極を利用すれば、各有機ＥＬ素子の発光制御を正確
にかつ効率よく行うことができる。

【００８８】更に色変換層の材料として、有機ＥＬ素子
の陰極（薄膜トランジスタの能動層兼用の場合も含む）
を構成する半導体材料と共通化することで、化学的に安
定な色変換層を得られるとともに、有機層のすぐ近くに
この色変換層を形成することも可能であり有機層で発光
した光を効率的に色変換することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る有機ＥＬ素子の構
成を示す図である。

【図２】実施形態１の有機ＥＬ素子に用いられる各材
料の個別のエネルギー準位を示す図である。

【図３】図２の各材料を積層した場合のエネルギー準
位を示す図である。

【図４】実施例１と比較例１及び２の有機ＥＬ素子の
発光特性を示す図である。

【図５】本発明の実施形態２に係る有機ＥＬ素子の構
成を示す図である。

【図６】本発明の実施形態３に係る有機ＥＬ素子の構
成を示す図である。

【図７】実施形態３に係る有機ＥＬ素子の製造工程の
一例を説明する図である。

【図８】従来の有機ＥＬ素子の構成を示す図である。

【図９】従来の有機ＥＬ素子に用いられる各材料の個
別のエネルギー準位を示す図である。

【図１０】図９の各材料を積層した場合のエネルギー
準位を示す図である。

【符号の説明】

２０透明基板、２２陰極、２４有機層、２６有
機発光層、２８有機正孔輸送層、３０陽極、３２
陰極（ＴＦＴ能動層兼用陰極）、３４配線層、３６
ゲート電極（ショットキーゲート電極）、３８，５０
絶縁層、４０，４０Ｂ，４０Ｇ，４０Ｒ色変換層、５
２第１犠牲層、５４，５８ＩｎＧａＮ層、５６第
２犠牲層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤川久喜愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者三浦篤志愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者多賀康訓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 3K007 AB03 AB04 AB06 AB12 CB00 DA01 DB03 DC00 EB00 EC00 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極および陰極と、これらに挟まれた１
層または複数層の有機化合物層より構成される有機電界
発光素子であり、前記陽極として、仕事関数の大きい金属又は透明電極が
用いられ、前記陰極として、バンドギャップが大きく可視光領域で
透明で、仕事関数の小さいｎ型の半導体材料が用いられ
ていることを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】請求項１に記載の有機電界発光素子にお
いて、前記半導体材料は、バンドギャップが３．０ｅＶ以上で、電子親和力が隣接する有機層の電子親和力と同程度の値
であり、かつ、ドーピングによってｎ型にした際に、仕事関数
が、隣接する有機層の仕事関数よりも小さいことを特徴
とする有機電界発光素子。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の有機電界
発光素子において、更に、前記陰極を構成する前記半導体材料の一部を能動
層として用いた薄膜トランジスタを有し、該薄膜トラン
ジスタによって素子での発光を制御することを特徴とす
る有機電界発光素子。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか一つに記
載の有機電界発光素子において、更に、素子外へ射出される発光光を所望の色とするため
の色変換層を備え、該色変換層は、前記半導体材料を用いて形成された前記陰極の少なくと
も一部、又は前記陰極とは別に形成された前記半導体材
料によって構成され、該半導体材料には変換色に応じて
組成が調整され又は変換色に応じて所定濃度の不純物が
添加されていることを特徴とする有機電界発光素子。