JP2001503908A - ポリマー発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の構成層を含む発光用デバイス、デバイスにおいて用いられる半導体ポリマーとそれを調製する新規な方法、半導体として用いられる電荷のキャリアクエンチまたはトラップ部分を実質的に含まない構成層、その製造方法、およびその動作方法。複数の構成層のうち、第１の外側層（４）は、電子注入用に適合され、対向する第２の外側層（２）は、「正孔注入」用に適合され、その間に配置された１以上の中間層（３、７）は、電荷半伝導用に適合される。中間層は、電子の輸送および／または正孔の阻止用に適合される少なくとも１つの半導体ポリマー（７）と、正孔の輸送および／または電子の阻止用に適合される少なくとも１つの半導体ポリマー（３）とを含む。電子の輸送および／または正孔の阻止用に適合される少なくとも１つの半導体ポリマー（７）は、部分的または実質的に共役した窒素および／または硫黄含有ポリマーから選択されたポリマーを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 ポリマー発光ダイオード 本発明は、新規なポリマー発光ダイオード、その構成要素およびその使用、な らびにポリマー発光ダイオードの製造プロセスおよび発光方法に関する。より詳 細には、向上するように発光効率調節された新規なポリマー発光ダイオード、新 規な半導体ポリマー構成要素、および表示装置等における使用、ならびに、ポリ マー発光ダイオードの製造プロセスおよび発光方法に関する。 照射された表示装置がこの数年に亘って存在し、幅広い範囲のアプリケーショ ンに有利である。にもかかわらず、改良された照明技術の発達により欠点が継続 して処理されている。例えば陰極線管は、現在では、電力消費量が高く、大型で 、重量の重いことが許容される場合に有効である用途で動作する。要望の低いア プリケーションにおいて、発光手段よりも反射手段によって動作する液晶表示装 置が使用される。このような表示装置技術は、視野角が制限される、およびコン トラストに乏しい等の問題点がある。 発光のために従来の無機半導体材料を使用する半導体発光ダイオードが公知で ある。これらの半導体発光ダイオードは、視野角が広く、優れたコントラストを 提供するが、色の範囲が制限される。通常、無機半導体は製造が複雑になる結晶 性材料であり、この材料から製造され得るデバイスの面積は制限される。 発光ダイオード（ＬＥＤ）は、２つの電極層、ならびにそれぞれ正孔注入層お よび電子注入層を含む。典型的には高ドープ半導体、金属シート層またはイオン シート層を含み、光子放出が起こる両電極の間の領域に正孔および電子を導く機 能を果たす無機半導体層をそれらの間に有する。 しかし、ＬＥＤは、利用可能な無機半導体材料の範囲、およびＬＥＤが放出す る光の波長範囲に制限される。なお、範囲は一般に赤外域である。 例えば、Holmes A．B.らのSynthetic Metals 55-57（1993）4031-4040"Photo luminescence and electroluminescence in conjugated polymeric systems"に 開示されるように、共役半導体ポリマーの使用によりＬＥＤを修正する努力がな されてきた。しかし、無機ＬＥＤで達成される外部量子効率と等しくすることは 未だ可能ではない。共通の構成が単層のポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ） を半導体ポリマーとして用いる。なお、ポリパラフェニレンビニレンは、アルミ ニウム電子注入コンタクト層について0.001％のオーダー且つカルシウム電子注 入コンタクト層について0.01％のオーダーのデバイスを介して流れる電子あたり の、デバイスの外部で検知される光の形態で放出された光子の数として規定され た外部量子効率を与えることが分かっている。 図１および図２に示すように、有機共役ポリマー材料における発光は、フォト ルミネセンスまたはエレクトロルミネセンスのプロセスによって発生し得る。 ポリマーの光励起によって電荷伝導の必要なくフォトルミネセンスが起こるこ とが明らかである。例えば、吸収された波長よりも長い波長（ストークスシフト と呼ばれることもある）での発光で、ＰＰＶについてフォトルミネセンスが観察 されている。一重項エキシトンの幅射減衰によるルミネセンス効率は、多様な競 合非輻射減衰プロセス(competing non-radiative decay process)によって低減 され得る。 エレクトロルミネセンスは電気的に誘導された発光である。フォトミネセンス とは対照的に、エレクトロルミネセンスは励起ならびに負および正のポーラロン 形成を引き起こすそれぞれの電子および正孔注入により発生する。ルミネセント 材料内における負および正のポーラロンの同時発生は、発光を伴う一重項エキシ トン形成を引き起こす。低減されたルミネセンス効率は、「トラップ」または「 クエンチ」へのポーラロンの移動(migration)によって、フォトルミネセンスに ついて述べたのと同じように発生し得、それによりエネルギーは非輻射的に失わ れるか、または電極の近傍で発生し得る。 半導体的な振る舞いを改良する半導体ポリマーのドーピングは、相分離および ドーパント等を活性化(energize)する必要が生じるために、完全に成功とはいえ ない。 ポリマーＬＥＤの低い効率にも関わらず、それらは、頑強および／または柔軟 な薄膜を大面積に亘って高い高品質で堆積させる加工性および性能に関して、非 常に高い潜在的な利点を有する。例えば、僅かではあるがその例を挙げると、柔 軟で非常に広い面積のＬＥＤ、固有の輻射減衰特性、スペクトルの全範囲をカバ ーする発光範囲、および所望の特性を実現するポリマー材料の化学調製(chemica l tailoring)が可能になる。 従って、ＬＥＤ、ならびに、ポリマー半導体で得ることのできる利点および多 性能を有するが、改良された輝度および現在入手可能なものよりも大きな、例え ば、それぞれ1000Ｃｄ／ｍ²および0.5％以上のオーダーの外部量子効率を有する 改良されたポリマー半導体が必要であり、それにより商業的要件を充たすことが できる。 本発明者らは、優れた様態でこれらの要件を充たす半導体ポリマーＬＥＤを提 供することが可能であることを予期せず発見した。特に、本発明者らは、このよ うなＬＥＤの提供に際して、ＬＥＤに含まれる所定の半導体材料の構成がＬＥＤ の全体の外部量子効率を決定し得ることを発見した。更に、本発明者らは、所定 の材料の半導体能力が、合成技術を慎重に選択することにより改良され得ること を発見した。 本発明の第一の実施形態によれば、その最も広範な局面において、複数の構成 層(component layer)を有する発光用に構成されたデバイスであって、複数の構 成層のうち第１の外側層は電子注入用に適合され、第２の対向外側層は「正孔」 注入用に適合され、その間に並べられた１つ以上の中間層が電荷の半伝導用に適 合され、中間層（単数または複数）は、電子輸送および／または正孔阻止用に適 合された少なくとも１つの半導体ポリマーと、正孔輸送および／または電子阻止 用に適合された少なくとも１つの半導体ポリマーとを有し、電子輸送および／ま たは正孔阻止用に適合された少なくとも１つの半導体ポリマーは、部分的または 実質的に共役された窒素および／または硫黄含有ポリマーから選択されるポリマ ーを包含する、デバイスが提供される。好ましくは、電子輸送および／または正 孔阻止用に適合された少なくとも１つの半導体ポリマーは、少なくとも１つの窒 素および／または硫黄が共役された複素環系内に有されるヘテロ原子である、共 役された多環式化合物から選択される。この手段により、本発明は、電子および 正孔のバランスのとれた注入ならびにバランスのとれた輸送に似た機構を提供す る。本デバイスは好ましくは、魅力的な外部量子効率（上記に定義）および、Ｃ ｄ／ｍ²として測定される魅力的な輝度によって特徴付けられる。本デバイスは 好ましくは、１つ以上の半導体ポリマーからなる中間層（単数または複数）を有 し、そのタイプ、純度、濃度および層厚は、効率的な電子および正孔の相対的な 輸送用に適合される。本デバイスは好ましくは、ポーラロンの形成、移動、一致 、および減衰によってデバイスに注入された４００個の電子当たりにつき少なく とも１つの輻射発光による光子がデバイスから発せられるようなエレクトロルミ ネセンス用に適合された化学的および物理的性質を有する、半導体ポリマーを有 する。本発明において、電子および「正孔」の移動および一致を操作し得ること により、増大した輝度および／または外部量子効率を提供するように、その一致 の境界領域が発光領域において第１および第２の外側層に対して位置され得るこ とが、特に利点である。この理論に限定されることなく、境界領域の位置決めは 、中間層（単数または複数）内における電子および正孔の輸送のそれぞれの度合 いの関数であることが、理解される。 本発明のデバイスは好ましくは、少なくとも０．１％、より好ましくは少なく とも０．２％、最も好ましくは少なくとも２．０％の外部量子効率によって特徴 付けられる。好ましくは、本発明のデバイスは少なくとも１００Ｃｄ／ｍ²、よ り好ましくは少なくとも５００Ｃｄ／ｍ²、最も好ましくは少なくとも２０００ Ｃｄ／ｍ²の輝度によって特徴付けられる。 本明細書において、構成層とは、ある材料の実質的に均一な個別の層であって 、その層の機能に適した特性を有する層を指す。従って、個々の層は、構成材料 の性質によって区別されることが明らかであり、構成材料は、物理的または化学 的混合物として存在する複数の化学的実体を有し得る。 構成層は、当該技術において公知の適切な手段、例えばボンディング、コンタ クト硬化などを、共押し出し、スピンコーティングまたはディップコーティング 、電気堆積または真空堆積プロセスなどとともに用いることにより、その間に実 質的に連続的な界面を有するように設けられることが理解される。 本明細書において、半導体層（単数または複数）とは、構成層として存在する 、電子および「正孔」のそれぞれの輸送材料の構成層を差す。これらの材料は、 負および正電荷の輸送にそれぞれ適したものであり、ｎ型およびｐ型材料として も 公知である。本明細書において、電子および正孔とは、当該分野において公知の ように負電荷のキャリアおよび正電荷のキャリアをそれぞれ指し、また負および 正のポーラロンとしても公知である。 本明細書において、接合(junction)とは、上記に定義された負電荷のキャリア および正電荷のキャリアの一致の境界領域を指す。 接合は好ましくは、本発明のデバイスを通じて、その構成層と実質的に同一平 面上にある実質的に連続的な平面上領域を有する。好ましくは接合は均一な厚さ を有する。接合は構成層間の界面と一致してもよく、あるいは、１つまたは隣接 する２つの構成層内に有されてもよい。好ましくは接合は、異なる電荷半伝導性 質を有する２つの半導体層、すなわち一方が電子輸送性であり他方が正孔輸送性 であるような２つの半導体層の間の界面と一致しあるいはこれを橋渡しする。特 に、特定の層中または２つの層間の界面上にある、発光領域を表す接合の位置は 、発光色を制御する手段を提供することが利点であり、例えば２つの層のうち一 方または両方の特徴的な発光色を２色発光の形で提供する。好ましくは、輸送さ れる電荷の一致の正確な接合を得、各伝導性層はその層厚全体にわたって均一で 効率的な輸送を提供する。これにより、既存の発光性(luminescent)ポリマーか ら作製された、または同様に、新規な効率を改善した発光性ポリマーから作製さ れた、デバイスの効率および輝度を改善するための新規な手段が提供される。従 って、本発明によれば、接合位置が影響されることにより結果としての特性が変 化する上記に定義したデバイスおよび、接合位置に影響を与えるための手段が提 供される。 好ましくは、少なくとも１つの電荷半伝導性層、あるいはその構成要素は、ル ミネセンスによる発光が可能である。好ましくは、発光層（単数または複数）ま たはその構成要素は、電荷のキャリアの一致接合と実質的に一致する。より好ま しくは、電荷半伝導性層（の各々）は、実質的に発光性である。 接合位置は、任意の適切な手段によって影響され得る。好ましくは、接合位置 は利用される半導体ポリマーの性質および利用される半導体層のそれぞれの厚さ の関数である。これらのパラメータを適切に選択することによって、半導体層を 介した正電荷および負電荷のキャリア（ポーラロン）のそれぞれの輸送は、上記 に定義されたような外部効率を達成するために上記に定義されたように接合にお いて十分な電荷が一致するような方法で制御され得ることが理解される。 厚さの比率は当業者によって、例えば、それぞれの半導体が放射性または非放 射性であるか、および放射の度合、すなわち、その量子効率を計算することによ って選択され得る。好ましくは、厚さの比率は０．１〜１０の領域内、さらに好 ましくは０．１５〜９の領域内、最も好ましくは０．３〜５の領域内であり、各 々の場合において最も薄い層は、最小効率の電荷のキャリアトランスポータであ る。 厚さの比率は、構成半導体層の厚さの異なる比率に対するエレクトロルミネッ センスの輝度および効率を監視する手段による実験によって適切に決定され得る 。例えば、１つの半導体層のみが発光する検査下の１つの半導体層を第２の制御 半導体層と組み合わせて有するデバイスによって達成される輝度（の度合）を決 定することによって、検査下のポリマーの化学的および物理的な変化が形成され 得る。 半導体層の厚さの合計は、１０から２００ｎｍ、好ましくは、３０から１５０ ｎｍの範囲から適切に選択される。厚さが薄すぎると、ポリマー厚の誤りの範囲 に入る危険性があり、それにより短絡が「ボールド(bald)」領域または実質的に ポリマーを全く有さない「ピンホール」において生じ得る。厚さが過剰であると 、結果として生じる電力効率とともに高い動作電圧が必要となる。よって、合計 層の厚さは剛性、コスト、および品質の要件にしたがって選択され得る。 上記に定義されたデバイスは、１つ以上の電子輸送層と１つ以上の正孔輸送層 を含み得、好ましくは、１つの電子輸送および正孔輸送層を含む。 電子注入のために適合された上記に定義された構成層は、例えば、当該技術で 公知のような任意の適切な電子注入材料からなり、任意に適切な剤との添加物と してカルシウム、マグネシウム、金、アルミニウムなどの任意に適当な金属、合 金および半導体を好ましくは含む。 本発明が電子注入層としてアルミニウムの選択を可能にし、驚くほど効率的な デバイスを提供することは特別な利点である。 正孔注入のために適合された上記に定義された構成層は、例えば、当該技術で 公知のような任意の適切な正孔注入材料からなり、任意に適切な剤との添加物と して、インジウム錫酸化物（ITO）、酸化錫または他の透明導体、ＰＥＤＯＴ、 ポリアニリンまたは類似ポリマー、金などの任意に適切な金属、合金、または半 導体を好ましくは含む。 電子輸送のために適合された上記に定義された構成層は、例えば、当該技術で 公知のような任意のｎ型伝導材料からなるが、上記に定義されたような任意で部 分的または実質的に共役された少なくとも１つの窒素および／または硫黄含有ポ リマーを含み、ポリピリジン(Ppy)、ポリアルキルピリジン、ポリピリミジン、 ポリアルキルピリミジン、ポリチアゾール、ポリアルキルチアゾール、フッ化誘 導体、類似体、およびその機能的等価物などの誘導体を好ましくは含む。これら の材料は、純粋な形態、ドープされた、またはドープされない形態、プロトン付 加されたまたはプロトン付加されない形態、適切な剤で酸化または還元された形 態で存在し得、例えば、特性向上のために移植または混合することによってドー ピングされ得る。 正孔輸送のために適合された上記に定義された構成層は、例えば、当該技術で 公知のような任意のｐ型伝導材料からなるが、任意の適切に共役された有機分子 、色素または色素をドーピングされたポリマー系を含み、ポリパラフェニレンビ ニレン（PPV）、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ） −ｐ−フェニレンビニレン）(MEH-PPV)、シアノＰＰＶ、ポリ（ｐ−フェニレン ）、ポリ（アルキルチオフェン）、誘導体、モノマー、オリゴマー、類似体、そ の機能的等価物等を好ましくは含む。これらの材料は、純粋な形態、ドープされ た、またはドープされない形態、プロトン付加されたまたはプロトン付加されな い形態、適切な剤で酸化または還元された形態で存在し得、例えば、特性向上の ために移植または混合することによってドーピングされ得る。 好ましくは、半導体ポリマーは、それらの伝達効率を低減し得る電子および／ または「正孔」クエンチまたはトラップ種によって実質的に汚染されない。例え ば、電子輸送および／または正孔阻止半導体ポリマー、好ましくはポリピリジン は、高い純度、好ましくは実質的に陽イオンのない形態で利用されるのが最も有 利である。ここで、利用される重合化試薬から誘導される陽イオン、またはその ような試薬の調製物は、ポリマー構造からの合成残留物として実質的に不在であ る。さらに好ましくは、半導体ポリマーはゼロ価(zero-valent)のキレート金属 試薬および陽イオンの塩の存在下における前駆体モノマーおよび／またはオリゴ マーの反応によって調製される。ここで、ゼロ価のキレート金属は、陽イオンに 対する化学量論的に過剰に存在する。 上記に有利に定義される構成材料は、デバイスが適合される目的に適した寿命 を特徴とする。例えば、アルミニウムは、特に有益な寿命を特徴とする。ポリマ ーは、光酸化に対して有利に抵抗力がある。 高い効率および／または輝度に関する本発明の利点は、比較的高い仕事関数、 すなわち良好な安定性の電極を使用することによって向上され得る。 上記に定義されたデバイスは、任意の更なる支持層、密閉層、または保護層な どを含み得る。上記に定義されたデバイスは、石英またはガラス、もしくは、デ バイスが構築されるまたは構築されたデバイスが移動され、高分子基板などの適 切な合成等価物といった透明で剛性のある、または柔軟性のある支持層を好まし くは含み、それによりその整合性および均一性が保存される。第１の支持層はデ バイスの構築中に用いられ得、その上に外部層のいずれかが所望のように堆積さ れ得、その後、中間層および対向層が付与され、使用中に用いられ得る第２の支 持層がいずれかの外部層に所望のように付与される。 本発明の更なる局面によれば、上記に定義されたデバイスにおける半導体ポリ マーの新規の使用が提供される。本発明の特別な利点において、上記に定義され た任意に部分的または実質的に共役された、窒素および／または硫黄含有ポリマ ーは、ＬＥＤの電子輸送層または上記に定義されたデバイスとして用いられた場 合、良好な電子輸送特性、ｎ型伝導、および向上された外部量子効率を与えるこ とによって特徴付けられることが見出された。更に、その効率は、その合成品質 を向上する事によって向上され得ることが見出された。上記に定義されたデバイ スにおいてｎ型伝導層として用いられる半導体ポリマーは、好ましくはポリピリ ジンを含み、更に好ましくは、電荷のキャリアに対するクエンチまたはトラップ が実質的にないポリピリジンを含む。 本発明の更なる局面において、例えば、ポリピリジンなど、上記に定義された 窒素および／または硫黄含有ポリマー、および例えばZnCl₂からのZnなどの陽イ オンの塩が実質的にない例えばゼロ価ニッケル重合化試薬などの実質的に純粋な 重合化試薬を使用して重合化することによって得られるポリマーを調製するプロ セスが提供される。このプロセスによって得られるポリピリジンは、良好な純度 製品ポリマーを提供することが見出される。 更なる局面において、好ましくは電荷のキャリアクエンチまたはトラップ部分 が実質的にない上記に定義された窒素および／または硫黄含有高分子材料を含む 、上記に定義されたデバイスにおいて任意でｎ型半導体として用いられる電子輸 送および／または正孔阻止ポリマーが提供される。更に好ましくは、電子輸送高 分子材料は、負電荷をトラップするまたは輝度をクエンチすることができる材料 が実質的にない。 本発明のこの局面の特定の利点は、高い効率の電子または正孔輸送高分子材料 は所望の純度または厚さで用いられ、半導体デバイスにおける電子および正孔輸 送の相対的な変化を可能にし得る。 本発明の更なる局面において、上記に定義されたデバイスを任意の所望な表面 領域および持ち運びまたは固定目的の発光表示装置（ＬＥＤ）として使用するこ とが提供される。表示装置は、その大きさおよび性質に依存して単一の連続的デ バイスまたはデバイスの寄せ集めを含み得る。いかなる応用に対しても高品質を 特徴とする本発明のデバイスが、本発明の特別な利点である。 デバイスは、エレクトロルミネッセントテレビまたはコンピュータスクリーン 、時計などの液晶表示装置のバックライト、空港などの公共情報ボードなどの超 大面積表示装置、計算機、洗濯機などを含む家庭用電気用品のため等の小型表示 装置、可撓性表示装置、例えば、航空機パイロット、道路使用者トレーニング等 、トレーニング、娯楽目的等のためのヘッドアップ（head-up）(バーチャルリア リティ)表示装置等の表示目的；平行低強度（低輝度）壁または複数の独立ライ トの代わりの天井照明等を好ましくは用いて大領域の照明、車のブレーキランプ 等のバッテリ源から電力を送られる照明、任意で点滅したりまたはそれ以外で動 作状態であり得る危険信号および／または道路標識、信号等の定常使用の照明、 可視または近赤外線のセキュリティ照明、パルスモードカメラフラッシュ応用な ど 向上した効率の応用；固体共役ポリマーレーザ、波長の変更を可能にするマイク ロ共振器ＬＥＤ等の先進技術への応用；および安全性またはファッションの目的 での衣服への応用、などに用いられる。 本発明の更なる局面において、例えば、トランジスタ、太陽電池、フォトダイ オード、ダイオード、三極管等の半導体電気デバイスで用いられるｎ型半導体と して上記に定義された窒素および／または硫黄含有ポリマーの使用が提供される 。 本発明の更なる局面において、上記に定義された半導体または半導体デバイス の構成として効率的な電子輸送および／または正孔阻止ポリマーの使用が提供さ れる。本発明が、本発明に規定された負電荷をトラップするまたは輝度をクエン チする事が可能な材料が実質的にないポリマーを提供する事によってこれまで知 られていなかった有利な特性である効率的な電子輸送ポリマーの新しい範囲を提 供する事が特別な利点である。 本発明の更なる局面において、上記に定義されたデバイスを製造する方法が提 供される。デバイスは、当該技術で公知の任意の技術によって適切に製造され得 る。上記に定義されたデバイスは、好ましくは、所望の寸法の第１の支持層およ び、上記に定義されたように後に続く構成層でそれをコーティングすることによ って製造される。好ましくは、金属構成層が電解または反応性手段、または蒸発 によって堆積される。上記に定義された半導体ポリマーは、好ましくはポリマー またはその前駆体のスピンコーティングまたはディップコーティングによって上 記に定義された層でコーティングされて、任意に硬化させるか、または、ポリマ ー膜を提供するための電気化学堆積または蒸着などの等価な高精度技術によって コーティングされる。 好ましくは、以上に規定されるようなデバイスは、公知の様式でデバイスを実 装しおよび動作させる手段と結合されるように構成または適合される。本発明の デバイスが、広い範囲の角度から見られ得、実装を簡単化し、そして可視性を大 きく向上させることは、特別な利点である。デバイスが、パルス動作のための迅 速な応答を提供するために使用され得ることは、さらなる利点である。デバイス は、ＡＣまたはＤＣ動作において使用され得、電力消費供給および輝度の以上に 述べられた利点を有する。 本発明のさらなる局面において、以上に規定されるような発光ダイオードの動 作のための方法が提供される。適切には、以上に規定されるような発光ダイオー ドは、電圧を印加することによって電流をデバイスに流す公知の様式で動作され る。有利には、以上に規定されるようなデバイスは、高い外部量子効率によって 便利におよび確実に動作され得る。 本発明は、ここで以下の図および実施例を参照し、限定しない様式で例示され る。 図３は、当該技術分野で公知であるようなＬＥＤデバイスの構成を例示する。 図４は、本発明によるデバイスを備えるＬＥＤを例示する。 図５は、図２のデバイスを備える表示装置スクリーンを例示する。 図６は、図４のデバイスの電流電圧−光出力特性を例示する。 図７および図８は、図４のデバイスおよび図３のデバイスの光出力−電流特性 を例示する。 図９は、本発明の二層デバイスの効率−厚さ比率特性を例示する。 代表的な電極／ポリマー／電極デバイスの構成が図３に例示される。ガラス基 板（１）上に堆積される、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）（４．６ｅＶ）などの 高仕事関数電極は、アノード（２）として機能し、そして厚さ７−１０ｎｍで半 透明である。ＰＰＶなどのポリマーの前駆体は、薄膜として電極上に堆積され、 そして共役材料に変換され、これによって半導体ポリマー層（３）を提供する。 カルシウムまたはアルミニウムなどの低仕事関数金属は、真空金属蒸着によって ポリマー表面（３）上へ蒸着され、そしてカソード（４）として機能する。アノ ード（２）およびカソード（４）を適切な電力供給（示されない）へ連結させる 電気的コンタクト（５および６）が提供される。電荷注入を達成するためには、 １００ｎｍのオーダーの薄膜を使用すれば、デバイスの順方向バイアス電圧が数 ボルト程度の低さであり得るが、（１０⁶Ｖ／ｃｍのオーダーの）高電界強度が 要求される。 図４において本発明の電極／ポリマー／電極デバイスの構成が示される。デバ イスは、図３に示されたものと同じ構成部品を備え、必要に応じて複数の半導体 ポリマー層を備える。例示の目的のために、図４は、図３を参照して説明された ようなＰＰＶなどの層（３）、およびさらに先に調製されたＰＰＶ層（３）上の 薄膜として、ポリマーとしてのポリピリジン（Ｐｐｙ）の溶液から直接堆積され たＰｐｙなどの半導体ポリマー層（７）を示す。層（３）および（７）のそれぞ れの厚さは、以上で規定されたようなものである。第１の例示的な目的のために 、層（３）は、１２０ｎｍのオーダーであり、そして層（７）は、４０ｎｍまで のオーダーであり、これによって３の厚さ比率を有する。第２の例示的な目的の ために、層（３）は、９０ｎｍのオーダーであり、そして層（７）は、５０ｎｍ のオーダーであり、これによって１．８の厚さ比率を有する。図４のデバイスは 、電荷注入を達成するために１０⁶Ｖ／ｃｍのオーダーの電界強度で動作される 。デバイスの順方向バイアス電圧は、層の厚さに依存して２−２０Ｖのオーダー である。 図５において、図４のデバイスを備える野外表示装置スクリーンが例示され、 ここで図４のデバイスは、層がスクリーン（８）の断面領域全体で連続であるか 、または連続な層のサブ単位（点線で示される）を繰り返すものである。表示装 置の正面パネルは、図４について上記に定義されたようなガラス基板層（１）、 または変形および破損に耐えるように適合された機械的特性を有しならびに所望 の発光特性に適切な屈折率を有する適切な透明材料を備える。 ０．２％以上の外部量子効率を提供する１．８の厚さ比率、および連続波動作 において１１００Ｃｄ／ｍ²のオーダーの輝度またはパルス動作においてはより 明るい輝度を有する図４のデバイスは、描画される画像またはメッセージの可視 発光色、詳細、および鮮明度に依存して、遠距離から見られ得る。これは、０． ０１％以下のオーダーの外部量子効率および数十Ｃｄ／ｍ²のオーダーの輝度を 有する、図３のデバイスで構築されたスクリーン上に描画される同様の画像また はメッセージについての低い範囲と比較する。実施例１−本発明のデバイスの調製 ８０ｎｍ＋／−１５ｎｍの厚さでＩＴＯをコーティングされた、１ｍｍのオー ダーの厚さのガラスまたは石英基板表面（市販される、Ｂａｌｚｅｒｓ １スク エア当たり３０オーム）を、以上で規定されたデバイスの構成層のための支持と して使用した。テトラヒドロチオフェニウム（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｔｈｉｏｐ ｈｅｎｉｕｍ）（ＴＨＴ）脱離基をメタノール中の溶液として備えるＰＰＶ前駆 体ポリマーを、ガラス／ＩＴＯ基板上へ１００ｎｍの厚さにスピンコーティング し、そして動的真空下で１０時間２５０℃で加熱することによってＰＰＶへ変換 した。Ｐｐｙ粉末を９７％ギ酸に溶解することによって調製された、溶液中にポ リマーを備えるＰｐｙ層を熱変換を必要としないおよび１００ｎｍ＋／−５ｎｍ までの厚さの均質な薄膜を形成するためにＰＰＶ層へ直接にスピンコーティング した。アルミニウムからなるカソードを５×１０^-6ｍｂａｒの圧力下において０ ．１−０．５ｎｍｓ^-1の速度で蒸着によってＰｐｙ層上ヘコーティングした。 デバイスの調製において使用されるＰｐｙ粉末を、制御された様式で、従来の 技術であるがニッケル触媒の使用で改変された技術によって調製した。この新規 な改変されたプロセスによって得られる生成物ポリマーは、亜鉛などの触媒調製 において用いられる塩成分の陽イオン（以上に規定されたように不利な様式でト ラップまたはクエンチとして働き得る）によって実質的に汚染されない。 ポリマーの純度は、適切に選択され得、例えば、フォトルミネッセンス量子収 率が材料の純度の１つの尺度を与える。実施例２−本発明のデバイスのエレクトロルミネッセンス 実施例１にしたがって調製されたデバイスを、ＩＴＯアノードおよびＡｌカソ ードに設置された電気的コンタクトによって適切な電力供給に接続した。デバイ スを、１２Ｖのオン電圧で動作させ、電流−電圧および電流−強度の測定を行っ た。図６および７に示される得られたデータから、外部量子効率が決定された。 結果を表１に示す。実施例３−本発明のデバイスの調製 本発明のデバイスを実施例１の方法を使用し、しかし適切な前駆体から調製さ れた、発光層としてＭＥＨ−ＰＰＶを用いて調製した。実施例４−本発明のデバイスのエレクトロルミネッセンス 実施例３にしたがって調製されたデバイスを、実施例２において説明されたよ うに接続しそして動作させた。結果を表１に示す。実施例５−本発明によらないデバイスのエレクトロルミネッセンス 比較のデバイスを公知の技術を使用して調製した。上記に定義されたように、 比較のデバイスは、図１のデバイス、および非効率な層厚比率を有する図２のデ バイスを備える。実施例２のプロセスを用い、そして同じ測定を実施例２につい て説明されたように行い、そして外部量子効率のデータを決定した。 結果を表１および図７に示す。 層厚の精度は、用いられる材料、調製の技術、ならびに入手可能なスキルおよ び装置の関数であり、しかし以上に規定されたように溶液から直接に得られるス ピンコーティングされたポリマーの層厚は一般に、＋／−５ｎｍの精度で調製さ れることが評価される。以上で規定されたようなデバイスにわたる厚さの偏差は 、デバイスにおける電界の不均質性に寄与し得、これによって効率、一様性、お よび寿命における低減がいくらか観察され得る。 表１から以下が明らかである： （ｉ）最適な厚さ比率のＰＰＹおよびＰＰＶを有する二層デバイス（一番上の行 ）は、ポリピリジン層を有さない同様のデバイス（第４行）よりも６０倍効率的 である。 （ｉｉ）二層デバイスは、カルシウムコンタクトを有する単一層デバイス（第５ 行）よりさらにもっと効率的である。 （ｉｉｉ）二層ＭＥＨ−ＰＰＶデバイス（第６行）は、ポリピリジン層を有さな い同様のデバイス（第７行）より４倍効率的である。結果は、発光層としてのＰ ＰＶおよびＭＥＨ−ＰＰＶの両方で効率の実質的な向上を示し、ＰＰＶおよびＭ ＥＨ−ＰＰＶは、また広範囲の既存の（または、未来の）ルミネッセント材料に 適用されることが予期され得る。この理論に限定されずに、効率の増加の度合は 、例えばＭＥＨ−ＰＰＶにおける電子注入に対するバリアに比例すると考えられ る。 表１を参照すると、正および負電荷伝導性ポリマーを備える所与のデバイスに 対しそれぞれの層厚の適切な選択は、デバイスの効率に対し劇的な効果を有する ことが明らかである。さらに、本質的に非伝導性であると過去に考えられたポリ マーが、その合成（特に、Ｐｐｙの合成を参照）の注意深い制御によって、賞賛 に値する様式で伝導性にされ得ることが考えられる。 図７および図８において、本発明によるデバイスおよび本発明によらないデバ イスの図面の傾斜は、外部量子効率に比例している。図７および図８において、 本発明により且つ図４に示すデバイスの外部量子効率が、本発明によらず且つ図 ３に示すデバイスに比較して大幅に高いという点で、差異は非常に明瞭である。 図７の上部は、二層および単層ダイオードの強度−電流密度特性を示す。実線 は、厚みが１４０ｎｍでありＰＰＶ：ＰＰＹの厚みの比率が１．８である二層Ｐ ＰＶ／ＰＰＹダイオードの振る舞いを示す。破線は、カルシウム電極を有する厚 み１２０ｎｍのＰＰＶデバイスに関する結果を示す。点線は、アルミニウムコン タクトを有する厚み１４０ｎｍのＰＰＶデバイスに関する結果を示す。各ダイオ ードの外部量子効率は、各曲線の傾斜に比例する。二層ダイオードは、０．２５ ％の効率を有し、これは、ＰＰＶ／Ｃａダイオードの場合の０．０１％という効 率およびＰＰＶ／Ａｌダイオードの場合の０．００４％という効率よりもはるか に高い。 図７の下部は、二層ダイオードの電流密度−電界特性（線）および強度−電界 特性（シンボル）を示す。電流密度は、典型的なダイオードの電界依存性を示す 。 図８は、二層および単層のＭＥＨ−ＰＰＶ／ＰＰＹおよびＭＥＨ−ＰＰＶダイ オードの強度−電流密度特性を示す。二層ダイオードは、０．０４％の効率を有 し、これは、０．００９％という単層ダイオードの効率よりもはるかに高い。 図９は、二層ダイオードの効率−厚み比率特性を示す。図は、厚みの比率が最 適である場合に最大効率が達成されることを示し、厚みの比率が最適である場合 は、ルミネセンスにより発光することができる層内において、接合において一致 すると考えられる、バランスのとれた電子および正孔の輸送と一致する。 本発明の更なる利点は、以上より明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 レボート，エイマード イギリス国 ディーエイチ１ ３エルイー ダーハム，サウス ロード（番地な し），ユニバーシティ オブ ダーハム内 (72)発明者 デイリー，スチュアート イギリス国 ディーエイチ１ ３エルイー ダーハム，サウス ロード（番地な し），ユニバーシティ オブ ダーハム内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の構成層を含む、効率的な発光用デバイスであって、該複数の構成層の うち、第１の外側層が電子注入に用いられ、対向する第２の外側層が「正孔」注 入に用いられ、その間に配置された１以上の中間層が電荷の半伝導に用いられる デバイスであって、該中間層が、電子の輸送および／または正孔の阻止に用いら れる少なくとも１つの半導体ポリマーと、正孔の輸送および／または電子の阻止 に用いられる少なくとも１つの半導体ポリマーとを含み、該電子の輸送および／ または正孔の阻止に用いられる少なくとも１つの半導体ポリマーが、部分的また は実質的に共役した窒素および／または硫黄含有ポリマーから選択されるポリマ ーを含み、半導体ポリマー層の厚みの割合が０．１〜１０の範囲内であり、最も 薄い層が最も効率の低い電荷半導体を表す、デバイス。 ２．前記電子および／または前記「正孔」の移動および一致が、層厚を制御する ことにより操作されるように適合され、それにより、向上した輝度および／また は外部量子効率を提供するような様式で、発光領域において前記第１および前記 第２の外側層に対して位置づけられた、負および正電荷のキャリアが一致する境 界領域（以下接合と呼ぶ）を生成する、請求項１に記載のデバイス。 ３．前記電子の輸送および／または正孔の阻止用に適合された少なくとも１つの 半導体ポリマーが、共役した多環式から選択され、該共役した多環式においては 、少なくとも１つの窒素および／または硫黄が共役複素環式系内に含まれるヘテ ロ原子である、請求項１および２のいずれかに記載のデバイス。 ４．前記接合が、異なる電荷半伝導性質を有する２つの半導体層間の界面と一致 するか又は該界面を架橋する、請求項１から３のいずかに記載のデバイス。 ５．少なくとも１つの電荷半伝導層またはその構成が、更にエレクトロルミネセ ンスによる発光をすることができる、請求項１から４のいずれかに記載のデバイ ス。 ６．前記更にエレクトロルミネセンスによる発光をすることができる少なくとも １つの電荷半伝導層またはその構成が、前記電荷のキャリアが一致する前記接合 と実質的に一致する、請求項５に記載のデバイス。 ７．前記半導体層の厚みの割合が、０．１５〜９の範囲内であり、より好適には ０．３〜５の範囲内であり、最も薄い層が最も効率の低い電荷半導体を表す、請 求項１から６のいずれかに記載のデバイス。 ８．前記電子注入用に適合された構成層が、金属、合金または半導体を含み、好 適にはカルシウム、マグネシウム、金、またはより好適にはアルミニウムを含み 、これらは必要に応じて適切な剤との混合物として含まれる、請求項１から８の いずれかに記載のデバイス。 ９．前記正孔注入用に適合された構成層が、好適には、透明伝導体としてのイン ジウム錫酸化物（ＩＴＯ）または酸化錫、ＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどのポリ マー、金などの金属、合金または半導体、およびそれらと適切な剤との混合物か ら選択される正孔注入材料を含む、請求項１から８のいずれかに記載のデバイス 。 １０．前記電子の輸送および／または正孔の阻止用に適合された構成層が、ポリ ピリジン（Ｐｐｙ）、ポリアルキルピリジン、ポリピリミジン、ポリアルキルピ リミジン、ポリチアゾール、ポリアルキルチアゾール、それらのフッ化誘導体な どの誘導体、類似体、機能的等価物からなる群より選択される、上記請求項１ま たは２において規定された、ｎ型伝導性窒素および／または硫黄含有ポリマーを 含む、請求項１から９のいずれかに記載のデバイス。 １１．前記電子の輸送および／または正孔の阻止用半導体ポリマーが、電子クエ ンチまたはトラップ種により実質的に汚染されておらず、前記正孔の移動および ／または電子の阻止用半導体ポリマーが、正孔クエンチまたはトラップ種により 実質的に汚染されていない、請求項１から１０のいずれかに記載のデバイス。 １２．前記電子の輸送および／または正孔の阻止用半導体ポリマーが高純度を有 し、好適には実質的に陽イオンのない形態であって、用いられる重合剤またはそ のような試薬の調製物から誘導される陽イオンがポリマー構造からの合成残渣と して実質的に存在しない、請求項１１に記載のデバイス。 １３．前記正孔の輸送および／または電子の阻止用ポリマーが、任意のｐ型伝導 材料を含み、該任意のｐ型伝導材料が、共役有機分子、色素、または色素ドープ ポリマー系であり、好適には、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリ（ ２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレンビニレ ン）（ＭＥＭ−ＰＰＶ）、シアノＰＰＶ、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリ（アル キルチオフェン）、それらの誘導体、モノマー、オリゴマー、類似体、および機 能的構成物である、請求項１から１２のいずれかに記載のデバイス。 １４．支持層、密閉層または保護層をさらに含む、請求項１から１３のいずれか の記載のデバイス。 １５．持ち運び用または固定用の任意の所望の表面を有する発光表示装置（ＬＥ Ｄ）において用いられる、請求項１から１４のいずれかに記載のデバイス。 １６．キレート金属試薬としてのゼロ価ニッケルと陽イオン塩としての亜鉛との 存在下において前駆体モノマーおよび／またはオリゴマーを反応させることによ る、窒素または硫黄を含有する部分的または実質的に共役したポリマーの調製方 法であって、該ゼロ価キレート金属が、該陽イオンに対して化学量論的に過剰に 存在する、調製方法。 １７．請求項１から１５のいずれかを参照して上述したデバイスの電子輸送層ま たは正孔阻止層として用いられる、請求項１６に記載の方法によって得られる、 好適には共役した多環式から選択されるポリマーであって、該共役した多環式に おいては、窒素および／または硫黄が、より好適には前記電荷のキャリアのクエ ンチまたはトラップを実質的に含まないポリピリジンを含む共役された複素環式 系内に含まれるヘテロ原子である、ポリマー。 １８．半導体電子デバイス、例えば、トランジスタ、太陽電池、フォトダイオー ド、三極管などにおいて、ｎ型半導体として用いられる、請求項１６に記載の方 法により得られるポリマー。 １９．所望の寸法を有する第１の支持層を供給することと、これを上述した連続 する構成層でコーティングすることとを含む、請求項１から１５のいずれかに記 載のデバイスの製造方法。 ２０．電圧を印加することと、デバイスに電流を流すこととを含む、請求項１か ら１５のいずれかに記載のデバイスを含む発光ダイオードの動作方法。