JP2000243567A

JP2000243567A - 有機電界発光素子

Info

Publication number: JP2000243567A
Application number: JP11038747A
Authority: JP
Inventors: Hisayoshi Fujikawa; 久喜藤川; Hideki Hosokawa; 秀記細川; Tomohiko Mori; 朋彦森; Masahiko Ishii; 昌彦石井; Seiji Tokito; 静士時任; Yasunori Taga; 康訓多賀
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】陰極から有機層に効率的に電子を注入可能で
かつ再現性よく作製可能な有機ＥＬ素子を実現する。【解決手段】基板１０上に陽極１２、有機層として正
孔輸送層１４および発光層１６、陰極２０がこの順に形
成され、発光層１６の陰極２０との界面には電子注入材
料１８が金属陰極材料中に島状に点在した混合領域２２
が形成され、島状の電子注入材料１８によって有機層の
界面を部分的に覆う。電子注入材料１８は、アルカリ金
属の化合物またはアルカリ土類金属の化合物を含み、陽
極１２の形成された基板１０上に真空蒸着により正孔輸
送層１４および発光層１６を形成した後、アルカリ金属
またはアルカリ土類金属の化合物材料と、金属陰極材料
とを同時に真空蒸着することにより発光層１６上に形成
する。陰極全体に電子注入材料１８が分散する構成も適
用可能である。

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、陽極、有機発光
層および陰極を備える有機電界発光素子（以下有機ＥＬ
素子という）に関し、特にこの有機ＥＬ素子の有機発光
層と陰極との界面における構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に陽極、有機化合物の発光層、陰
極がこの順に形成され、有機発光層に陽極から正孔、陰
極から電子を注入し、有機層中でこの正孔と電子が再結
合することで発光を起こす有機ＥＬ素子が知られてお
り、次世代の平面表示装置や平面光源などとして注目さ
れている。

【０００３】また、例えば特開平９−１７５７４号など
には、有機発光層への正孔注入効率を高めるために陽極
と有機発光層との間に正孔輸送層を設け、また有機発光
層への電子注入効率を高めるために陰極と有機発光層と
の間に電子注入層を設けることが開示されている。

【０００４】図１７は、従来知られた有機電界発光素子
の構成を示している。基板４０上には、ＩＴＯ（Indium
Tin Oxide）等からなる透明な陽極３０、有機化合物か
らなる正孔輸送層３２、有機化合物からなる発光層３
４、電子注入層３６、金属陰極３８がこの順に形成され
ている。電子注入層３６としては、アルカリ金属やアル
カリ土類金属などの化合物、例えばフッ化リチウム（Ｌ
ｉＦ）、フッ化バリウム（ＢａＦ₂）、フッ化マグネシ
ウム（ＭｇＦ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの
誘電体を用い、電子輸送性有機化合物層と陰極３８との
間にこれを極めて薄く（０．５〜１．０ｎｍ）形成し、
陰極３８からの電子注入障壁を低下させ低電圧駆動を実
現している。

【０００５】このような素子では、誘電体（電子注入層
３６）が陰極３８と有機化合物層の間に存在することに
より、誘電体に接する有機化合物のエネルギー準位（バ
ンド構造）が変化し、陰極３８からの電子注入が容易に
なると解釈されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１７のよう
に電子注入層３６と陰極３８から構成される二層型陰極
構造においては、電子注入層３６の最適膜厚が０．５ｎ
ｍと極めて薄く、このような薄い電子注入層を有機化合
物上へ均一な膜厚で形成することが難しい。電子注入層
を真空蒸着する際に、基板温度、真空度や堆積速度を厳
密に制御しないと均一な層状にならないためである。従
って、このような電子注入層３６を用いた素子は、素子
作製の再現性に乏しいといった問題がある。

【０００７】また、図１８のような素子構造も知られて
いる。この有機ＥＬ素子では、有機化合物層に金属酸化
物や金属塩をドーピングしてドーピング層を形成し、金
属イオンの電子を発光層３４に供与することで、有機化
合物層のＬＵＭＯレベルを低下させ、陰極金属からの電
子注入効率を改善させている。

【０００８】しかし、有機化合物中にドーピングされた
金属酸化物や金属塩は、有機ＥＬ素子中に発生する非常
に強い電界と電流で、正孔輸送層と発光層の界面までマ
イグレーションしてしまう。その結果、非発光中心にな
ったり、正孔輸送層と発光層の接合を破壊し、素子の劣
化を早める原因となるという問題がある。

【０００９】本発明は、有機化合物からなる発光層への
電子注入効率を高めると共に、容易かつ再現性良く製造
可能な有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、基板上に陽極、発光層を含む有機層、およ
び陰極がこの順に積層されて構成される有機電界発光素
子であって、前記有機層と前記陰極との界面をアルカリ
金属化合物またはアルカリ土類金属化合物によって部分
的に覆うことを特徴とする。

【００１１】さらに本発明の別の観点における特徴は、
基板上に陽極、発光層を含む有機層、および陰極がこの
順に積層されて構成される有機電界発光素子であって、
前記有機層と前記陰極との界面が極性の強い電子注入材
料によって部分的に覆われていることである。

【００１２】以上のように、本発明では電子注入材料
（例えば、アルカリ金属の化合物またはアルカリ土類金
属の化合物）が、陰極と有機材料層との界面を部分的に
覆う。このような構成とすることで、金属陰極と有機層
の障壁高さが最も低下し、金属陰極から有機層への電子
注入効率が改善される。これは、アルカリ金属化合物や
アルカリ土類金属化合物など、極性の強い電子注入材料
を島状に偏在させて有機層表面を覆うことで、金属陰極
材料と有機層とが直接接している界面にこの島状の電子
注入材料の極性が影響を及ぼし、金属陰極材料側と有機
層側とに電荷が誘起され、金属陰極から有機層への電子
の注入が行われやすくなるためである。

【００１３】有機層の表面を部分的に覆うように偏在し
たアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物
は、例えば、有機層上に金属陰極材料と、アルカリ金属
またはアルカリ土類金属の化合物とを同時に蒸着するこ
とで、有機層上に島状に形成できる。このように蒸着形
成されるアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化
合物は、金属陰極材料中に点在するよう分散し有機層の
表面を部分的に覆う。このような島状構造であれば、有
機層上に薄い均一な層を形成する場合と異なり、再現性
良く有機層表面に形成できる。また、有機層中へ金属化
合物をドーピングする場合と異なり、同時蒸着した金属
陰極の柱状構造中にアルカリ金属化合物が析出した状態
となり、高電界や電流印加時にも安定に存在することが
できる。

【００１４】本発明の他の特徴は、基板上に陽極、発光
層を含む有機層、および陰極がこの順に積層されて構成
される有機電界発光素子であって、前記有機層と前記陰
極との界面がアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金
属化合物によって部分的に覆われていると共に、前記陰
極が金属陰極材料中にアルカリ金属化合物またはアルカ
リ土類金属化合物が島状に分散して構成されていること
である。

【００１５】また、上記アルカリ金属化合物としては、
アルカリ金属を含んでいればどのような化合物、複合化
合物でもよい。例えば、アルカリ金属であるＬｉ、Ｋ、
Ｃａ、Ｃｓ、Ｒｂのフッ化物、酸化物、塩化物、硫化物
のどれでもよい。

【００１６】更に、上記アルカリ土類金属化合物として
は、アルカリ土類金属を含んでおればいずれの化合物、
複合化合物でもよい。例えば、アルカリ土類金属である
Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのフッ化物、酸化物、塩化物、
硫化物のどれでもよい。

【００１７】陰極の主原料となる金属陰極材料として
は、例えば、ＡｌやＡｇなどが利用できる他、Ａｕ、Ｃ
ｕ、Ｃｒなどの金属が利用可能で、さらには、ＩＴＯや
ＺｎＯ等の透明電極を用いてもよい。また、陰極の膜厚
は、５０ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲であればよい。

【００１８】次に、陰極と有機層の界面を部分的に覆う
島状のアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合
物は、有機層に対する被覆率が１００％未満となるよう
に形成されればよく、例えば０．０１％以上９９％以下
程度であればよい。

【００１９】また陰極と有機層との界面又は陰極中又は
その両方において、金属陰極材料中のアルカリ金属化合
物またはアルカリ土類金属化合物の混合量は、例えば
０．０１％以上で、金属陰極としての抵抗率が適正上限
を超えないように約５０％以下とすることができる。

【００２０】

【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。

【００２１】［実施形態１］図１は、本発明の実施形態
１に係る有機ＥＬ素子の概略図を示している。本実施形
態１において、有機ＥＬ素子は、基板１０上に陽極１
２、有機層として正孔輸送層１４および発光層１６、陰
極２０がこの順に形成されている。発光層１６の陰極２
０との界面には、電子注入材料１８が金属陰極材料中に
島状に偏析した混合領域２２が形成され、電子注入材料
１８によって有機層の界面が部分的に覆われている。ま
た、この島状の電子注入材料１８は、アルカリ金属の化
合物またはアルカリ土類金属の化合物を含んでいる。

【００２２】電子注入材料１８が島状に点在する混合領
域２２は、陽極１２の形成された基板１０上に真空蒸着
にて有機化合物材料を用いて正孔輸送層１４および発光
層１６を形成した後、続けてアルカリ金属化合物材料ま
たはアルカリ土類金属化合物材料と、金属陰極材料とを
同時に真空蒸着することで形成できる。蒸着によって形
成した混合領域２２では、金属陰極材料が柱状構造とな
りその粒界に電子注入材料１８が偏析する構造となる。
このような混合領域２２を形成した後、アルカリ金属化
合物材料またはアルカリ土類金属化合物材料の蒸着を止
め、金属陰極材料のみを用いて蒸着を行うことで、図１
のように混合領域２２上に、陰極２０が形成される。

【００２３】図２は、従来のように有機層上に電子注入
層を形成した場合のモデルと、本実施形態１のように発
光層と陰極との界面に電子注入材料が島状に点在してい
る場合におけるモデルを示している。電子注入材料とし
てアルカリ金属化合物、例えば酸化リチウム（Ｌｉ
₂Ｏ）を用いた場合において、図２（ａ）のように従来
の有機層上に層状にＬｉ₂Ｏを堆積すると、極性の強い
Ｌｉ₂Ｏ分子がその極性を互いにキャンセルするように
配列し、Ｌｉ₂Ｏ層全体としての極性はなくなる。

【００２４】これに対して、図２（ｂ）のように有機層
上に極性の強いＬｉ₂Ｏを島状に点在させた場合、島の
内部領域では、周りが他のＬｉ₂Ｏ分子が取り囲まれ、
互いの極性がキャンセルされるが、島の境界では、金属
陰極材料（例えばＡｌ）と、有機層と、電子注入材料で
あるＬｉ₂Ｏとが互いに接した３重点が形成される。こ
の３重点領域では、島内部領域に比べてＬｉ₂Ｏ分子同
士が接する部分が少なく、極性が強いまま維持される。
そして、この極性の効果がクーロン力のために金属陰極
材料Ａｌと有機層とが接している部分まで効果を及ぼ
す。金属陰極材料Ａｌと、有機層とが直接接している
と、電子注入の妨げとなるバンドギャップの広い誘電体
（Ｌｉ₂Ｏ）がないため、金属陰極材料Ａｌと有機層と
の間に電荷が誘起されやすく、界面での電気的な障壁高
さが低くなり、有機層に電子が注入されやすくなる。

【００２５】電子注入材料としてアルカリ土類金属化合
物を用いた場合にも、上記図２（ａ）、（ｂ）と同様の
結果になる。つまり、アルカリ土類金属化合物（例えば
ＢａＦ₂）を層状に堆積した場合には、極性の強いＢａ
Ｆ₂分子が極性をキャンセルするように配列し、ＢａＦ
₂層全体としての極性はなくなる。これに対して、有機
層上にＢａＦ₂を島状に点在させることにより、島の境
界部分において金属陰極材料Ａｌと有機層とＢａＦ₂が
接する３重点が形成され、ＢａＦ₂の極性が強いまま維
持される。そして、極性の効果が、クーロン力のため金
属陰極材料Ａｌと有機層が直接接している部分まで効果
を及ぼし、結果としてより効果的にＡｌと有機層に電荷
が誘起され、界面での電気的な障壁高さが低くなり、電
子が注入されやすくなる。

【００２６】以上のように、有機層と陰極との界面に、
極性の強い電子注入材料（アルカリ金属化合物またはア
ルカリ土類金属化合物）を点在させることで、電子注入
材料の有する極性により、陰極側がマイナス、有機層側
がプラスに帯電する。更にこの帯電の効果によって、界
面の真空順位のシフトが起こり、障壁高さが低下して、
効果的に電子が有機層に注入され、低い電圧で駆動が可
能な有機ＥＬ素子が得られる。さらに、素子で発熱する
ジュール熱が少なくなり、素子の長寿命化が図られる。

【００２７】本実施形態１において、陰極２０の材料と
しては、例えば、一般的なＡｌやＡｇなどが利用できる
他、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒなどの金属が利用可能であり、そ
の他ＩＴＯやＺｎＯ等の透明電極を用いてもよい。ま
た、混合領域２２を含む陰極２０の厚さは、５０ｎｍ〜
１００００ｎｍ程度の範囲であればよい。

【００２８】混合領域２２において島状に分散される電
子注入材料として、アルカリ金属化合物を採用する場
合、アルカリ金属元素を含んでおればどのような化合
物、複合化合物でもよい。例えば、アルカリ金属である
Ｌｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ、Ｒｂのフッ化物、酸化物、塩化
物、硫化物のどれでも採用可能である。また、同じ電子
注入材料としてアルカリ土類金属化合物を採用する場
合、アルカリ土類金属を含んでおればどのような化合
物、複合化合物でもよく、例えば、アルカリ土類金属で
あるＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのフッ化物、酸化物、塩化
物、硫化物のどれでも採用可能である。

【００２９】陰極２０と有機発光層１６との界面で点在
する電子注入材料は、有機発光層１６の表面に対する被
覆率が１００％未満となるように有機発光層１６上に形
成されることで効果を有する。例えば発光層１６に対す
る被覆率は０．０１％以上９９％程度以下とすることが
好適である。また、混合領域２２中において、金属陰極
材料に対するアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金
属化合物の混合量は、０．０１％以上で、金属陰極の抵
抗率が適正上限を超えないために約５０％以下の範囲と
すればよい。なお、電子注入材料１８の被覆率及び金属
陰極材料に対する混合量は、真空蒸着時に金属陰極材料
及び電子注入材料の各堆積速度を調整することにより、
任意の値とすることができる。

【００３０】（実施例１−１）上記実施形態１の実施例
１−１について説明する。基板１０としては、ガラス基
板、陽極１２としてはＩＴＯを採用し、有機ＥＬ素子の
作製にあたっては、陽極１２であるＩＴＯが予めパター
ンニングされているガラス基板を用いた。このガラス基
板を有機アルカリ洗浄剤セミコクリーン５６（フルウチ
化学社製）、純水、アセトン、エタノールの順で超音波
洗浄した。洗浄後、ＩＴＯ表面の有機汚染物質を除去す
るために、ＵＶオゾン処理を行い、すばやく蒸着装置に
セットした。

【００３１】次に、蒸着装置内に、真空中にて有機層用
のマスクを装着し、カーボンるつぼ加熱により、有機正
孔輸送層１４として化学式（１）に示すようなＴＰＴＥ
（トリフェニルアミン４量体）、有機発光層１６として
化学式（２）に示すようなＡｌｑ（キノリノールアミン
のＡｌ錯体）をこの順に成膜した。成膜レートは、２〜
６ｎｍ／ｍｉｎに設定した。

【００３２】

【化１】

【化２】その後、真空中でマスクを陰極電極用に換え、陰極電極
材料としてＡｌをＰＢＮルツボから０．１ｎｍ／ｍｉｎ
の堆積速度で、電子注入材料としてＬｉ₂ＯをＴａボー
トから３ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で堆積することで、有
機発光層１６上に金属陰極材料中にアルカリ金属化合物
が分散した混合領域２２を０．５ｎｍの厚さに形成し
た。次に、Ｌｉ₂Ｏの蒸着を止め、Ａｌを混合領域２２
の上に１０ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で１６０ｎｍ蒸着し
た。

【００３３】各層の蒸着に際し、真空度は、５×１０^-7
Ｔｏｒｒ以下に設定した。なお、素子の発光面積は９ｍ
ｍ²とした。

【００３４】以上のようにして得られた素子を構造分析
した結果、有機層のＬｉ₂Ｏによる被覆率は、５０％で
あった。

【００３５】また、比較例１−１として、Ｌｉ₂Ｏを図
１７に示すような層状に０．５ｎｍの厚さに成膜し、そ
の上に陰極としてＡｌを１６０ｎｍ成膜した素子も作製
した。

【００３６】上述の方法で作製した実施例１−１および
比較例１−１にかかる有機ＥＬ素子について、十分に窒
素置換したチャンバー内で、注入電流密度と発光輝度、
印加電圧と発光輝度の関係を測定し、発光効率について
も算出した。また、初期輝度が２４００ｃｄ／ｍ²にな
るように素子に電流を注入し、輝度の駆動電圧依存性も
測定した。

【００３７】評価結果は、図３、図４および図５に示す
とおりである。まず、図３に示す有機ＥＬ素子の電流密
度（縦軸）−印加電圧（横軸）特性に関しては、比較例
１−１の有機ＥＬ素子に対し、実施例１−１の有機ＥＬ
素子では、電流が立ち上がる電圧が３Ｖ程度低い。ま
た、図４に示す視感発光効率（縦軸）−電流密度（横
軸）特性に関しては、比較例１−１に対し実施例１−１
の有機ＥＬ素子の低電流密度領域における視感発光効率
は１．５倍程度も高く、高電流密度領域でも実施例１−
１の有機ＥＬ素子の方が視感発光効率が高い。また、図
５に示す有機ＥＬ素子の発光輝度（縦軸）−駆動時間
（横軸）特性に関しては、初期輝度を２４００ｃｄ／ｍ
²としたときの輝度の半減寿命が、比較例１−１の素子
が７時間であるのに対し、実施例１−１の素子では１８
時間と２倍以上に向上していることが分かる。

【００３８】（実施例１−２）本実施例１−２の有機Ｅ
Ｌ素子は、図１に示す素子の混合領域２２の電子注入材
料としてアルカリ土類金属の化合物（ＢａＦ₂）を用い
ている。

【００３９】また、基板１０としては、ガラス基板、陽
極１２としてはＩＴＯを採用し、有機ＥＬ素子の作製に
あたっては、陽極１２であるＩＴＯが予めパターンニン
グされているガラス基板を用いた。このガラス基板を有
機アルカリ洗浄剤セミコクリーン５６（フルウチ化学社
製）、純水、アセトン、エタノールの順で超音波洗浄す
る。洗浄後、ＩＴＯ表面の有機汚染物質を除去するため
に、ＵＶオゾン処理を行い、すばやく蒸着装置にセット
した。

【００４０】次に、蒸着装置内に、真空中にて有機層用
のマスクを装着し、カーボンるつぼ加熱により、有機正
孔輸送層１４として上記化学式（１）のＴＰＴＥ（トリ
フェニルアミン４量体）、有機発光層１６として上記化
学式（２）に示すＡｌｑ（キノリノールアミンのＡｌ錯
体）をこの順に成膜した。成膜レートは、２〜６ｎｍ／
ｍｉｎに設定した。

【００４１】次に、真空中にてマスクを陰極電極用に換
え、金属陰極材料としてＡｌをＰＢＮルツボから０．１
ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度、電子注入材料としてＢａＦ₂
をＴａボートから３ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で堆積し、
有機発光層１６上に、金属陰極材料中にアルカリ土類金
属化合物が分散した混合領域２２を０．５ｎｍの厚さに
形成した。

【００４２】混合領域２２形成後、ＢａＦ₂の蒸着を止
め、Ａｌを混合領域２２の上に１０ｎｍ／ｍｉｎの堆積
速度で１６０ｎｍ蒸着した。

【００４３】各層の蒸着に際し、真空度は、５×１０^-7
Ｔｏｒｒ以下に設定した。なお、素子の発光面積は９ｍ
ｍ²とした。

【００４４】以上のような条件で作製した素子を構造分
析した結果、有機層のＢａＦ₂による被覆率は、５０％
であった。

【００４５】比較例１−２として、ＢａＦ₂を図１７の
ような層状に０．５ｎｍの厚さに成膜し、その上に陰極
としてＡＬを１６０ｎｍ成膜した素子も作製した。

【００４６】上述の方法で作製した実施例１−２および
比較例１−２にかかる有機ＥＬ素子について、十分に窒
素置換したチャンバー内で、注入電流密度と発光輝度、
印加電圧と発光輝度の関係を測定し、発光効率について
も算出した。また、初期輝度が２４００ｃｄ／ｍ²にな
るように素子に電流を注入し、輝度の駆動電圧依存性も
測定した。

【００４７】これらの素子の評価結果は、図６、図７お
よび図８に示すようになった。まず、図６に示す有機Ｅ
Ｌ素子の電流密度（縦軸）−印加電圧（横軸）特性に関
しては、比較例１−２の有機ＥＬ素子に対し、実施例１
−２の有機ＥＬ素子（島状のＢａＦ₂）が、上述の実施
形態１−１と同様、電流が立ち上がる電圧が３Ｖ程度低
くなった。また、図７に示す視感発光効率（縦軸）−電
流密度（横軸）特性に関しては、比較例１−２に対し実
施例１−２の有機ＥＬ素子の方が高い視感発光効率が得
られた。また、図８に示す有機ＥＬ素子の発光輝度（縦
軸）−駆動時間（横軸）特性に関しては、初期輝度を２
４００ｃｄ／ｍ²としたときの輝度の半減寿命が、比較
例１−２の素子で１０時間であるのに対し、実施例１−
２の素子では３０時間と３倍以上に向上していることが
分かる。

【００４８】［実施形態２］図９は本実施形態２に係る
有機ＥＬ素子の構成を示している。本実施形態２では、
基板１０上に陽極１２、有機層として正孔輸送層１４お
よび発光層１６がこの順に形成されている。

【００４９】さらに、発光層１６上には、金属陰極材料
中に電子注入材料１８が島状に分散した混合陰極２４が
形成され、発光層１６の混合陰極２４との界面は、上述
の実施形態１と同様、島状に点在した電子注入材料１８
によって部分的に覆われている。電子注入材料１８は、
アルカリ金属の化合物またはアルカリ土類金属の化合物
を含んでいる。

【００５０】このような混合陰極２４は、有機層（発光
層１６）を形成した後、アルカリ金属化合物材料または
アルカリ土類金属化合物材料と金属陰極材料の両方を蒸
発材料として用い真空蒸着によって形成することができ
る。

【００５１】電子注入材料１８としてアルカリ金属化合
物を採用する場合、アルカリ金属元素を含んでおればど
のような化合物、複合化合物でもよい。例えば、アルカ
リ金属であるＬｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ、Ｒｂのフッ化物、
酸化物、塩化物、硫化物のどれでも採用可能である。ま
た、電子注入材料１８としてアルカリ土類金属化合物を
採用する場合、アルカリ土類金属を含んでおればどのよ
うな化合物、複合化合物でもよく、例えば、アルカリ土
類金属であるＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのフッ化物、酸化
物、塩化物、硫化物のどれでも採用可能である。

【００５２】発光層１６の表面を点在する電子注入材料
１８が部分的に覆う必要があるが、該発光層１６の電子
注入材料１８による被覆率は１００％未満となるように
形成すればよい。例えば発光層１６に対する被覆率は、
０．０１％以上９９％程度以下が採用可能である。

【００５３】また、混合陰極２４において、金属陰極材
料（例えばＡｌ）に対するアルカリ金属化合物またはア
ルカリ土類金属化合物の混合量は、０．０１％以上で、
金属陰極の抵抗率が適正上限を超えない５０％以下程度
であればよい。

【００５４】混合陰極２４の金属陰極材料としては、例
えば、一般的なＡｌやＡｇなどが利用できる他、Ａｕ、
Ｃｕ、Ｃｒなどの金属が利用可能であり、その他ＩＴＯ
やＺｎＯ等の透明電極を用いてもよい。また、混合陰極
２４の厚さは、例えば５０ｎｍ〜１００００ｎｍ程度の
範囲であればよい。

【００５５】実施形態２において、発光層１６の混合陰
極２４との界面に、図９のようにアルカリ金属化合物や
アルカリ土類金属化合物が点在していることにより、陰
極から発光層１６への電子注入の電気的障壁が下がる原
理は、上述の実施形態１と同じであり、これにより素子
の駆動電圧が、有機層（発光層１６）の界面に形成され
た電子注入材料１８の極性の効果によって低下する。ま
た、本実施形態２のように金属陰極材料中に電子注入材
料が分散する構成は、従来の有機ＥＬ素子のように電子
注入材料を層状に形成する場合に比べ、作製方法が簡易
で、かつ高い再現性で作製することができる。

【００５６】本実施形態２では、発光層１６との界面だ
けでなく、混合陰極２４中に電子注入材料のアルカリ金
属化合物またはアルカリ土類金属化合物が分散した構造
をとる。混合陰極２４は、図１０に示すように、蒸着し
た場合によく観察される金属陰極材料の柱状構造の粒界
に、電子注入材料分子が偏析した構造を有している。例
えば電子注入材料としてＬｉＦや、ＳｒＦ₂等を採用
し、金属陰極材料としてＡｌを採用した場合、柱状構造
をとるＡｌの粒界を経て陰極２４の層内に水や酸素が侵
入するが、粒界に位置するＬｉＦやＳｒＦ₂等がこの水
や酸素を遮断する。従って、このような混合陰極２４を
採用することにより、侵入した水や酸素が、有機ＥＬ素
子の電気的な特性に最も影響を及ぼす陰極２４と有機層
１６の界面にまで到達することが防止される。

【００５７】さらに、はじめからＡｌ等の陰極材料中に
ＬｉＦやＳｒＦ₂等の電子注入材料が存在しているた
め、有機層１６との界面に島状に形成された電子注入材
料が、高電界や大電流下でマイグレーションすることも
ない。

【００５８】本実施形態２の素子は、以上のような作用
によって実施形態１の有機ＥＬ素子に比較してさらに一
層と素子が安定化し、素子寿命が長くなる。

【００５９】（実施例２−１）次に、上記実施形態２の
実施例２−１について説明する。基板１０としては、ガ
ラス基板、陽極１２としてはＩＴＯを採用し、この有機
ＥＬ素子の作製にあたっては、陽極１２であるＩＴＯが
予めパターンニングされているガラス基板を用いた。こ
のガラス基板を有機アルカリ洗浄剤セミコクリーン５６
（フルウチ化学社製）、純水、アセトン、エタノールの
順で超音波洗浄後、ＩＴＯ表面の有機汚染物質を除去す
るために、ＵＶオゾン処理を行い、すばやく蒸着装置に
セットした。

【００６０】次に、真空中で有機層用のマスクを装着
後、カーボンるつぼ加熱により、有機層として、上記化
学式（１）に示すようなＴＰＴＥなどからなる正孔輸送
層１４、上記化学式（２）に示すようなＡｌｑなどから
なる発光層１６をこの順で堆積した。成膜レートは、２
〜６ｎｍ／ｍｉｎで行った。ここまでは、実施例１−１
と同様の手順である。

【００６１】次に、真空中でマスクを陰極電極用に換
え、ＬｉＦをＴａボートから０．３ｎｍ／ｍｉｎの堆積
速度で、ＡｌをＰＢＮルツボから１０ｎｍ／ｍｉｎの堆
積速度で、１６０ｎｍの厚さに形成し混合陰極２４を得
た。

【００６２】各層の形成にあたり、真空度は、５×１０
^-7Ｔｏｒｒ以下で行った。なお、素子の発光面積は９ｍ
ｍ² とした。

【００６３】また、得られた素子の構造分析を行った結
果、発光層１６のＬｉＦによる被覆率は、１０％であっ
た。

【００６４】さらに比較例２−１として、ＬｉＦを図１
７に示すような層状に０．５ｎｍの厚さに形成し、さら
にその上に、Ａｌを１６０ｎｍ成膜した素子も作製し
た。

【００６５】上述の方法で作製した実施例２−１および
比較例２−１に係る有機ＥＬ素子について、十分に窒素
置換したチャンバー内で、注入電流密度と発光輝度、印
加電圧と発光輝度の関係を測定し、発光効率についても
算出した。また、初期輝度が２４００ｃｄ／ｍ²になる
ように素子に電流を注入し、輝度の駆動電圧依存性も測
定した。

【００６６】評価結果を図１１〜図１３に示す。図１１
に示す有機ＥＬ素子の電流密度（縦軸）−印加電圧（横
軸）の特性に関しては、比較例２−１の有機ＥＬ素子に
対し、実施例２−１の有機ＥＬ素子では、電流が立ち上
がる電圧が３Ｖ程度低くなっている。また、図１２に示
す視感発光効率（縦軸）−電流密度（横軸）特性に関し
ては、測定した全電流密度範囲において、比較例２−１
の素子よりも実施例２−１の素子の視感発光効率が高い
値を示している。図１３に示す有機ＥＬ素子の発光輝度
（縦軸）−駆動時間（横軸）の特性に関しては、初期輝
度を２４００ｃｄ／ｍ²としたときの輝度の半減寿命
が、比較例２−１の素子が４時間であるのに対して、実
施例２−１の素子では３０時間であり、７〜８倍以上に
向上する。

【００６７】（実施例２−２）実施例２−２の有機ＥＬ
素子では、図９に示す素子の電子注入材料としてアルカ
リ土類金属の化合物（ＳｒＦ₂）を用いた。

【００６８】基板１０としては、ガラス基板、陽極１２
としてはＩＴＯを採用し、有機ＥＬ素子の作製にあたっ
ては、陽極１２であるＩＴＯが予めパターンニングされ
ているガラス基板を用いた。そして、この基板を有機ア
ルカリ洗浄剤セミコクリーン５６（フルウチ化学社
製）、純水、アセトン、エタノールの順で超音波洗浄
後、ＩＴＯ表面の有機汚染物質を除去するために、ＵＶ
オゾン処理を行い、すばやく蒸着装置にセットした。

【００６９】次に、真空中で有機層用のマスクを装着
後、カーボンるつぼ加熱により、有機層として、化学式
（１）のＴＰＴＥなどからなる正孔輸送層１４、化学式
（２）のＡｌｑなどからなる発光層１６をこの順で成膜
した。成膜レートは、２〜６ｎｍ／ｍｉｎで行った。こ
こまでは、上記実施例２−１と同じである。

【００７０】その後、真空中でマスクを陰極電極用に換
え、ＳｒＦ₂をＷフィラメントから０．３ｎｍ／ｍｉ
ｎ、ＡｌをＰＢＮルツボから１０ｎｍ／ｍｉｎの堆積速
度で、１６０ｎｍ形成した。

【００７１】各層の形成条件として、真空度は他の実施
例と同様に５×１０^-7Ｔｏｒｒ以下で行った。なお、素
子の発光面積は９ｍｍ² とした。

【００７２】得られた有機ＥＬ素子を構造分析した結
果、有機発光層１６のＳｒＦ₂による被覆率は、１０％
であった。

【００７３】また、比較例２−２として、ＳｒＦ₂を図
１７のような層状に０．５ｎｍの厚さに成膜し、さら
に、Ａｌを１６０ｎｍ成膜した有機ＥＬ素子も作製し
た。

【００７４】上述の方法で作製した実施例２−２および
比較例２−２にかかる有機ＥＬ素子について、十分に窒
素置換したチャンバー内で、注入電流密度と発光輝度、
印加電圧と発光輝度の関係を測定し、発光効率について
も算出した。また、初期輝度が２４００ｃｄ／ｍ²にな
るように素子に電流を注入し、輝度の駆動電圧依存性も
測定した。

【００７５】評価結果を図１４〜図１６に示す。図１４
に示す有機ＥＬ素子の電流密度（縦軸）−印加電圧（横
軸）の特性に関しては、比較例２−２の素子に比べ、実
施例２−２の素子では、電流の立ち上がる電圧が３Ｖ程
度低くなっている。また、図１５に示す視感発光効率
（縦軸）−電流密度（横軸）の特性に関しては、実施例
２−１の有機ＥＬ素子の視感発光効率が比較例２−１の
有機ＥＬ素子の効率よりも約２倍向上している。さら
に、図１６に示す有機ＥＬ素子の発光輝度（縦軸）−駆
動時間（横軸）との関係では、初期輝度を２４００ｃｄ
／ｍ²としたときの輝度の半減寿命が、比較例２−２の
素子が１時間であるのに対して、実施例２−２の素子で
は３０時間と大幅に向上した。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、アルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物など
の極性の強い電子注入材料が、有機層の陰極との界面を
部分的に覆う構成とする。この構成は、再現性良く界面
に形成可能であると共に、陰極から有機層に効率的に電
子を注入できるようになる。従って、より低電圧で有機
ＥＬ素子を駆動することが可能となり、また安定性が高
く、寿命の長い有機ＥＬ素子を実現することができる。

【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】本発明の有機ＥＬ素子および従来の有機ＥＬ
素子の電子注入原理を示す概念図である。

【図３】実施例１−１および比較例１−１に係る有機
ＥＬ素子の電流密度と印加電圧の特性を示す図である。

【図４】実施例１−１および比較例１−１に係る有機
ＥＬ素子の視感発光効率と電流密度の特性を示す図であ
る。

【図５】実施例１−１および比較例１−１に係る有機
ＥＬ素子の発光輝度の駆動時間依存性を示す図である。

【図６】実施例１−２および比較例１−２に係る有機
ＥＬ素子の電流密度と印加電圧の特性を示す図である。

【図７】実施例１−２および比較例１−２に係る有機
ＥＬ素子の視感発光効率と電流密度の特性を示す図であ
る。

【図８】実施例１−２および比較例１−２に係る有機
ＥＬ素子の発光輝度の駆動時間依存性を示す図である。

【図９】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１０】本発明の実施形態２に係る有機ＥＬ素子の
陰極の構造を示す概念図である。

【図１１】実施例２−１および比較例２−１に係る有
機ＥＬ素子の電流密度と印加電圧の特性を示す図であ
る。

【図１２】実施例２−１および比較例２−１に係る有
機ＥＬ素子の視感発光効率と電流密度の特性を示す図で
ある。

【図１３】実施例２−１および比較例２−１に係る有
機ＥＬ素子の発光輝度の駆動時間依存性を示す図であ
る。

【図１４】実施例２−２および比較例２−２に係る有
機ＥＬ素子の電流密度と印加電圧の特性を示す図であ
る。

【図１５】実施例２−２および比較例２−２に係る有
機ＥＬ素子の視感発光効率と電流密度の特性を示す図で
ある。

【図１６】実施例２−２および比較例２−２に係る有
機ＥＬ素子の発光輝度の駆動時間依存性を示す図であ
る。

【図１７】従来の有機ＥＬ素子の構成を示す図であ
る。

【図１８】図１７とは別の従来の有機ＥＬ素子の構成
を示す図である。

【符号の説明】

１０ガラス基板、１２陽極、１４正孔輸送層、１
６発光層、１８電子注入材料、２０陰極、２２
混合領域、２４混合陰極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森朋彦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)発明者石井昌彦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)発明者時任静士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 AB02 AB03 AB06 AB11 AB18 CA01 CB01 DA01 DB03 EA02 EB00 EC00 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に陽極、発光層を含む有機層、お
よび陰極がこの順に積層されて構成される有機電界発光
素子であって、前記有機層と前記陰極との界面が、アルカリ金属化合物
またはアルカリ土類金属化合物に部分的に覆われている
ことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】基板上に陽極、発光層を含む有機層、お
よび陰極がこの順に積層されて構成される有機電界発光
素子であって、前記有機層と前記陰極との界面がアルカリ金属化合物ま
たはアルカリ土類金属化合物によって部分的に覆われる
と共に、前記陰極は金属陰極材料中にアルカリ金属化合物または
アルカリ土類金属化合物が島状に分散して構成されてい
ることを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項３】基板上に陽極、発光層を含む有機層、お
よび陰極がこの順に積層されて構成される有機電界発光
素子であって、前記有機層と前記陰極との界面が極性の強い電子注入材
料によって部分的に覆われていることを特徴とする有機
電界発光素子。