JP2002008868A

JP2002008868A - 面発光装置

Info

Publication number: JP2002008868A
Application number: JP2000182135A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Koyama; 智子小山; Takeo Kaneko; 丈夫金子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-01-11
Also published as: US6587620B2; US20020018620A1

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の方向における光の強度を大きくし、光
を効率よく利用することができる面発光装置を提供す
る。【解決手段】面発光装置１０００は、基板１０と、基
板１０上に形成された発光素子部１００とを含み、かつ
基板１０と交差する方向に光を出射する。発光素子部１
００は、発光層４０と、発光層４０に電界を印加するた
めの陽極３０および陰極５０と、回折格子１２とを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＬ（エレクトロ
ルミネッセンス）を用いた面発光装置に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】ＥＬ
（エレクトロルミネッセンス）を用いたＥＬ発光素子に
おいては、発光が等方的に行われて指向性が悪いため、
特定の方向についてみると、光の強度が弱く、出射光を
高い効率で利用することができないという難点を有す
る。

【０００３】本発明の目的は、特定の方向における光の
強度を大きくし、光を効率よく利用することができる面
発光装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の面発光装置は、
基板と、前記基板上に形成された発光素子部とを含み、
かつ前記基板と交差する方向に光を出射する面発光装置
であって、前記発光素子部は、エレクトロルミネッセン
スによって発光可能な発光層と、前記発光層に電界を印
加するための一対の電極層と、２次以上のオーダの回折
格子と、を含む。

【０００５】本発明の面発光装置によれば、一対の電極
層、すなわち陰極と陽極とからそれぞれ電子とホールと
が発光層内に注入され、この電子とホールとが発光層で
再結合して、分子が励起状態から基底状態に戻るときに
光が発生する。本発明の面発光装置によれば、２次以上
のオーダの回折格子を含むため、発光層にて発生した光
は前記回折格子によって前記基板と交差する方向にも出
射するように制御される。

【０００６】ここで、２次以上のオーダの回折格子と
は、たとえば回折格子の周期方向のピッチが（ａ＋１）
λ／２ｎ（ａは１以上の整数、ｎは平均屈折率）である
回折格子をいう。特に、２次オーダ（ａ＝１）の回折格
子の場合、基板１０ののびる方向（図１のＸ方向）のみ
ならず、基板１０の膜厚方向（図１のＹ方向）に光を出
射する面発光装置を得ることができる。

【０００７】また、回折格子とは、光の回折を利用して
所定のスペクトルを得るために一般的に用いられる光学
素子をいう。

【０００８】この場合、前述した本発明の面発光装置に
おいては、前記回折格子がフォトニックバンドギャップ
またはそれに近似するフォトニックバンドを構成するこ
とができる。ここで、フォトニックバンドギャップに近
似するフォトニックバンドとは、完全なフォトニックバ
ンドギャップが形成されない場合に形成されるバンドを
いう。たとえば、回折格子が第１の媒質層および第２の
媒質層が交互に配列されて形成されている場合に、第１
の媒質層と第２の媒質層との間の屈折率差が小さい場合
には、フォトニックバンドギャップが完全に形成されな
い場合が生じる。

【０００９】この構成によれば、一対の電極層、すなわ
ち陰極と陽極とからそれぞれ電子とホールとが発光層内
に注入され、この電子とホールとが発光層で再結合し
て、分子が励起状態から基底状態に戻るときに光が発生
する。すなわち、発光層内で、この電子とホールとが再
結合されることにより励起子が生成され、この励起子が
失活する際に蛍光や燐光などの光が発生する。これによ
り、発光スペクトル幅の非常に狭い光を高効率で得るこ
とができる。

【００１０】また、上述した回折格子を含む面発光装置
としては、以下に示す第１および第２の面発光装置が例
示できる。

【００１１】（第１の面発光装置）第１の面発光装置
は、前述した本発明の面発光装置において、前記発光層
の発光スペクトルのエネルギー準位が、前記回折格子に
よって形成されるバンドに含まれるバンドエッジのエネ
ルギー準位を含むように前記回折格子が構成される。

【００１２】第１の面発光装置によれば、前記回折格子
によって、光に対してのバンドが形成される。このバン
ドは、あるバンドエッジのエネルギーにおいて、状態密
度が高い状態が得られる。ここで、前記発光層において
発光する光のスペクトルのエネルギー準位が、このバン
ドエッジのエネルギー準位を含むように前記回折格子が
構成されることにより、発光層での発光がこのバンドエ
ッジのエネルギー準位で起こりやすくなる。このため、
このバンドエッジのエネルギー準位に対応する波長を有
し、かつスペクトル幅が狭い光を発光することができ、
高収率の素子が得られる。

【００１３】（第２の面発光装置）第２の面発光装置に
おいては、前記回折格子の一部に形成され、欠陥に起因
するエネルギー準位が所定の発光スペクトル内に存在す
るように設定された欠陥部を含む。この構成によれば、
前記発光層で発生した光のうち、その欠陥に起因するエ
ネルギー準位に相当する波長帯域の光のみが回折格子内
を伝搬できる。したがって、前記欠陥に起因するエネル
ギー準位の幅を規定することにより、所定の方向におい
て自然放出が制約された発光スペクトル幅が非常に狭く
かつ指向性がある光を高収率で得ることができる。

【００１４】この場合、前記発光層は、前記回折格子の
少なくとも一部として機能することができる。また、こ
の場合、前記発光層は、前記欠陥部の少なくとも一部と
して機能することができる。

【００１５】前述した第１および第２の面発光装置にお
いては、たとえば、以下の態様をとることができる。

【００１６】（１）前記回折格子が、分布帰還型の回折
格子、あるいは分布ブラッグ反射型であることが望まし
く、さらに、利得結合型構造あるいは屈折率結合型構造
を有することが望ましい。

【００１７】（２）前記回折格子が、絶縁性の第１の媒
質層と第２の媒質層とが周期的に配列されることが望ま
しく、少なくとも一方向に周期的な屈折率分布を有する
ことが望ましい。たとえば、一方向、所定の二方向（第
１および第２の方向）、あるいは所定の三方向（第１、
第２および第３の方向）に周期性をもたせることができ
る。

【００１８】また、この場合、前記第１の媒質層は、柱
状であり、かつ格子状に配列され、前記第２の媒質層
は、該第１の媒質層の間に配置されていることが望まし
い。さらにこの場合、前記回折格子は、その周期方向の
ピッチが（ａ＋１）λ／２ｎ（ａは１以上の整数、ｎは
平均屈折率）であることが望ましい。

【００１９】（３）さらに、ホール輸送層および電子輸
送層の少なくとも一方が設けられていることが望まし
い。

【００２０】この場合、前記回折格子は、ホール輸送層
または電子輸送層がひとつの媒質を構成することができ
る。

【００２１】（４）前記発光層は、前記回折格子の少な
くとも一部として機能することができる。

【００２２】（５）前記電極層の少なくとも一方の層上
に、該光の伝播を規制する層を設けることができる。

【００２３】この場合、前記光の伝播を規制する層は、
クラッド層または誘電体多層膜であることが望ましい。

【００２４】（６）前記発光層を、前記回折格子と異な
る領域に形成することができる。

【００２５】（７）前記発光層は、発光材料として有機
発光材料を含むことが望ましい。有機発光材料を用いる
ことにより、例えば半導体材料や無機材料を用いた場合
に比べて材料の選択の幅が広がり、種々の波長の光を発
光することが可能となる。

【００２６】前述した本発明の面発光装置は、ディスプ
レイに用いることができる。

【００２７】次に、本発明にかかる面発光装置の各部分
に用いることができる材料の一部を例示する。これらの
材料は、公知の材料の一部を示したにすぎず、例示した
もの以外の材料を選択できることはもちろんである。

【００２８】（発光層）発光層の材料は、所定の波長の
光を得るために公知の化合物から選択される。発光層の
材料としては、有機化合物および無機化合物のいずれで
もよいが、種類の豊富さや成膜性の点から有機発光材料
であることが望ましい。

【００２９】このような有機発光材料としては、例え
ば、特開平１０−１５３９６７号公報に開示された、ア
ロマティックジアミン誘導体（ＴＰＤ）、オキシジアゾ
ール誘導体（ＰＢＤ）、オキシジアゾールダイマー（Ｏ
ＸＤ−８）、ジスチルアリーレン誘導体（ＤＳＡ）、ベ
リリウム−ベンゾキノリノール錯体（Ｂｅｂｑ）、トリ
フェニルアミン誘導体（ＭＴＤＡＴＡ）、ルブレン、キ
ナクリドン、トリアゾール誘導体、ポリフェニレン、ポ
リアルキルフルオレン、ポリアルキルチオフェン、アゾ
メチン亜鉛錯体、ポリフィリン亜鉛錯体、ベンゾオキサ
ゾール亜鉛錯体、フェナントロリンユウロピウム錯体な
どが使用できる。

【００３０】また、発光層の材料としては、特開昭６３
−７０２５７号公報、同６３−１７５８６０号公報、特
開平２−１３５３６１号公報、同２−１３５３５９号公
報、同３−１５２１８４号公報、さらに、同８−２４８
２７６号公報および同１０−１５３９６７号公報に記載
されているものなど、公知のものが使用できる。これら
の化合物は単独で用いてもよく、２種類以上を混合して
用いてもよい。

【００３１】無機化合物としては、ＺｎＳ：Ｍｎ（赤色
領域）、ＺｎＳ：ＴｂＯＦ（緑色領域）、ＳｒＳ：Ｃ
ｕ、ＳｒＳ：Ａｇ、ＳｒＳ：Ｃｅ（青色領域）などが例
示できる。

【００３２】（ホール輸送層）発光素子部において有機
化合物からなる発光層を用いる場合、必要に応じて電極
層（陽極）と発光層との間にホール輸送層を設けること
ができる。ホール輸送層の材料としては、公知の光伝導
材料のホール注入材料として用いられているもの、ある
いは有機面発光装置のホール注入層に使用されている公
知のものの中から選択して用いることができる。ホール
輸送層の材料は、ホールの注入あるいは電子の障壁性の
いずれかの機能を有するものであり、有機物あるいは無
機物のいずれでもよい。その具体例としては、例えば、
特開平８−２４８２７６号公報に開示されているものを
例示することができる。

【００３３】（電子輸送層）発光素子部において有機化
合物からなる発光層を用いる場合、必要に応じて電極層
（陰極）と発光層との間に電子輸送層を設けることがで
きる。電子輸送層の材料としては、陰極より注入された
電子を発光層に伝達する機能を有していればよく、その
材料は公知の物質から選択することができる。その具体
例としては、例えば、特開平８−２４８２７６号公報に
開示されたものを例示することができる。

【００３４】（電極層）陰極としては、仕事関数の小さ
い（例えば４ｅＶ以下）電子注入性金属、合金電気伝導
性化合物およびこれらの混合物を用いることができる。
このような電極物質としては、例えば特開平８−２４８
２７６号公報に開示されたものを用いることができる。

【００３５】陽極としては、仕事関数の大きい（例えば
４ｅＶ以上）金属、合金、電気伝導性化合物またはこれ
らの混合物を用いることができる。陽極として光学的に
透明な材料を用いる場合には、ＣｕＩ，ＩＴＯ，ＳｎＯ
₂，ＺｎＯなどの導電性透明材料を用いることができ、
透明性を必要としない場合には金などの金属を用いるこ
とができる。

【００３６】本発明において、回折格子の形成方法は特
に限定されるものではなく、公知の方法を用いることが
できる。その代表例を以下に例示する。

【００３７】リソブラフィーによる方法ポジまたはネガレジストを紫外線やＸ線などで露光およ
び現像して、レジスト層をパターニングすることによ
り、回折格子を作成する。ポリメチルメタクリレートあ
るいはノボラック系樹脂などのレジストを用いたパター
ニングの技術としては、例えば特開平６−２２４１１５
号公報、同７−２０６３７号公報などがある。

【００３８】また、ポリイミドをフォトリソブラフィー
によりパターニングする技術としては、例えば特開平７
−１８１６８９号公報および同１−２２１７４１号公報
などがある。さらに、レーザアブレーションを利用し
て、ガラス基板上にポリメチルメタクリレートあるいは
酸化チタンの回折格子を形成する技術として、例えば特
開平１０−５９７４３号公報がある。

【００３９】光照射による屈折率分布の形成による方
法光導波路の光導波部に屈折率変化を生じさせる波長の光
を照射して、光導波部に屈折率の異なる部分を周期的に
形成することにより回折格子を形成する。このような方
法としては、特に、ポリマーあるいはポリマー前駆体の
層を形成し、光照射などにより部分的に重合を行い、屈
折率の異なる領域を周期的に形成させて回折格子とする
ことが好ましい。この種の技術として、例えば、特開平
９−３１１２３８号公報、同９−１７８９０１号公報、
同８−１５５０６号公報、同５−２９７２０２号公報、
同５−３２５２３号公報、同５−３９４８０号公報、同
９−２１１７２８号公報、同１０−２６７０２号公報、
同１０−８３００号公報、および同２−５１１０１号公
報などがある。

【００４０】スタンピングによる方法熱可塑性樹脂を用いたホットスタンピング（特開平６−
２０１９０７号公報）、紫外線硬化型樹脂を用いたスタ
ンピング（特願平１０−２７９４３９号）、電子線硬化
型樹脂を用いたスタンピング（特開平７−２３５０７５
号公報）などのスタンピングによって回折格子を形成す
る。

【００４１】エッチングによる方法リソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、薄膜を
選択的に除去してパターニングし、回折格子を形成す
る。

【００４２】以上、回折格子の形成方法について述べた
が、要するに、回折格子は互いに異なる屈折率を有する
少なくとも２領域から構成されていればよく、例えば、
屈折率の異なる２種の材料により２領域を形成する方
法、一種の材料を部分的に変性させるなどして、屈折率
の異なる２領域を形成する方法、などにより形成するこ
とができる。

【００４３】また、面発光装置の各層は、公知の方法で
形成することができる。たとえば、面発光装置の各層
は、その材質によって好適な成膜方法が選択され、具体
的には、蒸着法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェ
ット法などを例示できる。

【００４４】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］（デバイスの構造）図１は、本実施の形態にかかる面発
光装置１０００を模式的に示す断面図であり、図２は、
図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３〜図
７はそれぞれ、図１に示す面発光装置の一変形例を示す
断面図である。

【００４５】面発光装置１０００は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１００とを含む。発光素
子部１００は、陽極３０、発光層４０、陰極５０および
回折格子１２を含む。発光層４０は、エレクトロルミネ
ッセンスによって発光可能な材料から形成される。陽極
３０および陰極５０は、発光層４０に電界を印加するた
めに設けられる。

【００４６】陽極３０は透明な導電材料で構成される。
このような透明電極の材料としては、ＩＴＯなど前述し
た材料を用いることができる。

【００４７】回折格子１２は、一方向に周期的な屈折率
分布を有する。ここで、回折格子とは、光の回折を利用
して所定のスペクトルを得るために一般的に用いられる
光学素子をいい、２つの媒質層が交互に配列して構成さ
れているものをいう。回折格子１２では、図２に示すよ
うに、屈折率の異なる第１の媒質層１２ａと第２の媒質
層１２ｂとが交互にＸ方向に配列している。第２の媒質
層１２ｂは、発光層４０に連続している。すなわち、発
光層４０は回折格子１２の一部（第２の媒質層１２ｂ）
として機能する。

【００４８】回折格子１２は、その周期方向のピッチ
が、（ａ＋１）λ／２ｎ（ａは１以上の整
数、ｎは平均屈折率）となるように形成されている。この場合、回折格子１２
は（ａ＋１）次オーダとなる。図１および図２において
は、回折格子１２の周期方向のピッチがλ／ｎ（上記式
においてａ＝１）であるため、回折格子１２が２次のオ
ーダとなる。図２において、回折格子１２の周期方向の
ピッチとは、１組の隣接する第１の媒質層１２ａおよび
第２の媒質層１２ｂの幅の合計をいう。

【００４９】回折格子１２が２次以上のオーダの場合、
基板１０がのびる方向だけでなく、基板１０と交差する
方向へも光が出射する。特に、図２に示すように、回折
格子１２が２次のオーダである場合、基板１０がのびる
方向（図１に示すＸ方向）、ならびに基板１０の膜厚方
向（図１に示すＹ方向）へも光が出射する。前述した式
に基づいて、回折格子１２の周期方向のピッチを所定の
値にすることにより、回折格子１２のオーダを設定する
ことができる。

【００５０】回折格子１２を構成する第１の媒質層１２
ａの材質は特に限定されず、面発光装置に用いる一般的
な材料の選択範囲のものから第１の媒質層１２ａを形成
する。たとえば、第１の媒質層１２ａは空気などの気体
の層であってもよい。このように、気体の層で光学部材
を形成する場合には、面発光装置に用いる一般的な材料
の選択範囲で、光学部材を構成する二媒質の屈折率差を
大きくすることができ、所望の光の波長に対して効率の
よい回折格子を得ることができる。この変形例は、他の
実施の形態についても同様に適用できる。

【００５１】本実施の形態にかかる面発光装置１０００
に用いられる回折格子１２は、フォトニックバンドギャ
ップに近似するフォトニックバンドを構成する。さら
に、発光層４０の発光スペクトルのエネルギー準位が、
回折格子１２によって形成されるバンドに含まれるバン
ドエッジのエネルギー準位を含むように回折格子１２が
構成される。すなわち、回折格子１２によって、光に対
してのバンドが形成される。このバンドは、あるバンド
エッジのエネルギーにおいて、状態密度が高い状態が得
られる。また、発光層４０において、発光する光のスペ
クトルが、このバンドエッジのエネルギー準位を含むよ
うに回折格子１２が構成されている。したがって、発光
層４０での発光がこのバンドエッジのエネルギー準位で
起こりやすくなる。これにより、このバンドエッジのエ
ネルギー準位に対応する波長を有し、スペクトル幅が狭
い光を発光し、かつ高収率の素子を得ることができる。

【００５２】また、回折格子１２は、分布帰還型の回折
格子を用いている。波長選択性および指向性に優れ、発
光スペクトル幅の狭い光を得ることができる。さらに、
回折格子１２は、屈折率結合型構造または利得結合型構
造を有することが望ましい。図１においては、回折格子
１２が利得結合型構造である場合を示す。

【００５３】陰極５０は、発光層４０の表面を覆うよう
に形成される。このように、陰極５０を発光層４０上に
形成することにより、電流を発光層４０に集中して供給
することができ、電流の損失を小さくできる。

【００５４】なお、回折格子１２ののびる方向（図１に
おけるＸ方向）および回折格子１２と交差する方向（図
１におけるＹ方向）以外の方向には漏れモードの光の伝
搬が許容される。たとえば、回折格子１２ののびる方向
（図１におけるＸ方向）への光の伝搬を抑制するため
に、必要に応じて、たとえば、図示しない反射層を設け
ることもできる。このことは、以下に述べる変形例およ
び他の実施の形態でも同様である。

【００５５】面発光装置１０００の回折格子１２の製造
方法および各層を構成する材料などについては、前述し
た方法あるいは材料などを適宜用いることができる。こ
れらの製造方法および材料については、以下に述べる変
形例および他の実施の形態でも同様である。

【００５６】（デバイスの動作）次に、この面発光装置
１０００の動作および作用について説明する。

【００５７】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から電子が、陽極３０から
ホールが、それぞれ発光層４０内に注入される。発光層
４０内では、この電子とホールとが再結合されることに
より励起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光
や燐光などの光が発生する。発光層４０において発生し
た光は、回折格子１２によって分布帰還型の伝搬が行な
われ、基板１０がのびる方向（Ｘ方向）、ならびに発光
層４０から基板１０表面とほぼ垂直な方向（Ｙ方向）へ
と出射する。

【００５８】（作用および効果）本発明によれば、２次
以上のオーダの回折格子を含むことにより、発光層にて
発生した光が、基板１０がのびる方向だけでなく、回折
格子１２によって基板１０と交差する方向にも出射する
ように制御される。

【００５９】特に、本実施の形態にかかる面発光装置１
０００のように、回折格子１２が２次のオーダである場
合には、回折格子１２ののびる方向（図１においてＸ方
向）のみならず、基板１０上に層が積層される方向（図
１においてＹ方向）とに同程度に光が伝播する。これに
より、いわゆる面発光を達成することができる。

【００６０】（変形例）図１および図２に示す面発光装
置１０００において、回折格子１２や発光層４０の形成
位置を変えたり、あるいはさらに他の層を設けることに
より、図３〜図７に例示する構造を含む面発光装置を採
用することもできる。これらの図において、面発光装置
１０００の構成要素と同様な部材には同一符号を付し、
詳細な説明は省略する。なお、これらの変形例は、他の
実施の形態についても同様に適用できる。

【００６１】図３〜図７はそれぞれ、本実施の形態にか
かる面発光装置の一変形例（面発光装置１００１〜１０
０５）を模式的に示す断面図である。

【００６２】（ａ）図３に示す面発光装置１００１は、
発光素子部１０１にホール輸送層７０を含む点で、その
ようなホール輸送層が設けられていない面発光装置１０
００と異なる。

【００６３】面発光装置１００１は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０１とを含む。発光素
子部１０１は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、および陰極５０がこの順序で基板１０上に積層され
ることにより形成される。また、回折格子１２はホール
輸送層７０上に形成されている。

【００６４】次に、この面発光装置１００１の動作につ
いて説明する。

【００６５】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から発光層４０内に電子が
注入され、さらに、陽極３０からホール輸送層７０を介
して発光層４０内にホールが注入される。発光層４０内
では、この電子とホールとが再結合されることにより励
起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光や燐光
などの光が発生する。これ以降の動作は、第１の実施の
形態にかかる面発光装置１０００とほぼ同様であるた
め、説明は省略する。

【００６６】面発光装置１００１は、図１に示す面発光
装置１０００と同様の作用および効果を有するのに加
え、ホール輸送層７０が設けられているため、ホールの
輸送能の向上を図ることができる。

【００６７】（ｂ）図４に示す面発光装置１００２は、
発光素子部１０２にホール輸送層７０を含む点、および
回折格子１１２を構成する第２の媒質層１１２ｂがホー
ル輸送層７０に連続している点で、図１に示す面発光装
置１０００と異なる。

【００６８】面発光装置１００２は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０２とを含む。発光素
子部１０２は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、および陰極５０がこの順序で基板１０上に積層され
ることにより形成される。

【００６９】また、回折格子１１２ｂは陽極３０上に形
成されている。回折格子１１２を構成する第２の媒質層
１１２ｂはホール輸送層７０に連続して形成されてい
る。すなわち、ホール輸送層７０が、回折格子１１２の
一部（第２の媒質層１１２ｂ）として機能する。

【００７０】次に、この面発光装置１００２の動作につ
いて説明する。

【００７１】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から発光層４０内に電子が
注入され、さらに、陽極３０からホール輸送層７０を介
して発光層４０内にホールが注入される。発光層４０内
では、この電子とホールとが再結合されることにより励
起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光や燐光
などの光が発生する。これ以降の動作は、第１の実施の
形態にかかる面発光装置１０００とほぼ同様である。

【００７２】面発光装置１００２は、図３に示す面発光
装置１００１とほぼ同様の作用および効果を有する。

【００７３】なお、図４においては、ホール輸送層７０
内に回折格子１１２を設けた例を示したが、陽極３０が
金属以外の材料で形成される場合、たとえばＩＴＯで形
成する場合には、ホール輸送層７０および陽極３０から
回折格子を形成してもよい。

【００７４】（ｃ）図５に示す面発光装置１００３は、
ホール輸送層７０および電子輸送層８０を発光素子部１
０３に含む点、および回折格子２１２を構成する第２の
媒質層２１２ｂが電子輸送層８０に連続している点で、
図１に示す面発光装置１０００と異なる。

【００７５】面発光装置１００３は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０３とを含む。発光素
子部１０３は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、電子輸送層８０、および陰極５０がこの順序で積層
されることにより形成される。また、回折格子２１２は
発光層４０上に形成され、かつ回折格子２１２を構成す
る第２の媒質層２１２ｂは電子輸送層８０に連続して形
成されている。すなわち、電子輸送層８０が、回折格子
２１２の一部（第２の媒質層２１２ｂ）として機能す
る。

【００７６】次に、この面発光装置１００３の動作につ
いて説明する。

【００７７】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から電子輸送層８０を介し
て発光層４０内に電子が注入され、さらに、陽極３０か
らホール輸送層７０を介して発光層４０内にホールが注
入される。発光層４０内では、この電子とホールとが再
結合されることにより励起子が生成され、この励起子が
失活する際に蛍光や燐光などの光が発生する。これ以降
の動作は、第１の実施の形態にかかる面発光装置１００
０とほぼ同様である。

【００７８】面発光装置１００３は、図１に示す面発光
装置１０００と同様の作用および効果を有するうえに、
ホール輸送層７０および電子輸送層８０が設けられてい
るため、ホールおよび電子の輸送能の向上を図ることが
できる。

【００７９】なお、図５においては、電子輸送層８０内
に回折格子２１２を設けた例を示したが、陰極５０を金
属以外の材料、たとえばダイヤモンド等で形成する場合
には、電子輸送層８０および陰極５０により回折格子を
形成することができる。また、電子輸送層８０を形成し
ない場合には、陰極５０と発光層４０とによって回折格
子を形成することもできる。

【００８０】（ｄ）図６に示す面発光装置１００４は、
発光素子部１０４にホール輸送層１７０を含む点で、図
１に示す面発光装置１０００と異なる。また、ホール輸
送層１７０を発光素子部１０４に含む点、および回折格
子３１２を構成する第２の媒質層３１２ｂが発光層１４
０に連続している点で、図３に示す面発光装置１００１
と同様の構成を有する。一方、回折格子３１２を構成す
る第１の媒質層３１２ａがホール輸送層１７０に連続し
ている点で、図３に示す面発光装置１００１と異なる。

【００８１】面発光装置１００４は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０４とを含む。発光素
子部１０４は、陽極３０、ホール輸送層１７０、発光層
１４０、および陰極５０がこの順序で積層されることに
より形成される。また、回折格子３１２は、発光層１４
０とホール輸送層１７０との境界領域に形成されてい
る。すなわち、回折格子３１２は、ホール輸送層１７０
の上面に設けられた溝１３に発光層１４０を形成するた
めの材料を埋め込むことによって形成される。したがっ
て、回折格子３１２を構成する第１の媒質層３１２ａは
ホール輸送層１７０に連続する。したがって、ホール輸
送層１７０が、回折格子３１２の一部（第１の媒質層３
１２ａ）として機能する。また、回折格子３１２を構成
する第２の媒質層３１２ｂは発光層１４０に連続する。
したがって、発光層１４０が回折格子３１２の一部（第
２の媒質層３１２ｂ）として機能する。

【００８２】この面発光装置１００４の動作、作用、お
よび効果は、図３に示す面発光装置１００１と同様であ
るので、説明は省略する。

【００８３】（ｅ）図７に示す面発光装置１００５は、
回折格子４１２が屈折率分布型構造を有する点で、前述
した面発光装置１０００〜１００４とは異なる。また、
面発光装置１００５は、発光素子部１０５にホール輸送
層７０を含む点で、図３に示す面発光装置１００１と同
様の構成を有する。一方、回折格子４１２が基板１０上
に形成されている点で、図３に示す面発光装置１００１
と異なる。

【００８４】面発光装置１００５は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０５とを含む。発光素
子部１０５は、絶縁層６０、陽極３０、ホール輸送層７
０、発光層４０、および陰極５０がこの順序で積層され
ることにより形成される。

【００８５】また、回折格子４１２は、第１の媒質層４
１２ａおよび第２の媒質層４１２ｂから構成され、かつ
屈折率結合型構造を有する。第１の媒質層４１２ａは、
図１に示す回折格子１２を構成する第１の媒質層１２ａ
と同様の材料にて形成される。第２の媒質層４１２ｂは
絶縁層６０に連続する。すなわち、絶縁層６０が、回折
格子４１２の一部（第２の媒質層４１２ｂ）として機能
する。

【００８６】この面発光装置１００５の動作、作用、お
よび効果は、図３に示す面発光装置１００１とほぼ同様
である。

【００８７】［第２の実施の形態］（デバイスの構造）図８は、本実施の形態にかかる面発
光装置２０００を模式的に示す断面図であり、図９
（ａ）は、図８におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図であ
り、図９（ｂ），図９（ｃ）はそれぞれ、図９（ａ）に
示す回折格子２２の一変形例を示す図である。

【００８８】面発光装置２０００は、回折格子２２が第
１、第２、および第３の方向に周期的な屈折率分布を有
する点で、一方向に周期的な屈折率分布を有する回折格
子１２を含む面発光装置１０００（第１の実施形態）と
異なる。そのほかの構成要素は第１の実施の形態にかか
る面発光装置１０００とほぼ同様であるため、当該構成
要素については説明を省略する。

【００８９】回折格子２２は、前述したように、第１、
第２、および第３の方向に周期的な屈折率分布を有す
る。すなわち、回折格子２２では、図９（ａ）に示すよ
うに、屈折率の異なる第１の媒質層２２ａが三角格子状
に配列している。第１の媒質層２２ａは柱状であり、第
２の媒質層２２ｂは、第１の媒質層２２ｂの間に配置さ
れている。また、第２の媒質層２２ｂは、第１の実施の
形態にかかる第２の媒質層２２ｂと同様に、発光層４０
に連続している。

【００９０】また、本実施の形態にかかる面発光装置２
０００においては、回折格子２２の周期方向のピッチが
λ／ｎ（ｎは平均屈折率）である。なお、図９（ａ）の
に示すように、回折格子２２がａ，ｂ，およびｃ方向
に周期的な屈折率分布を有する場合、そのピッチは、１
つ挟んで隣接する第１の媒質層２２ａの中心間の距離を
λ／ｎとする。また、なお、図９（ａ）のに示すよう
に、回折格子２２がａ''，ｂ''，およびｃ''方向に周期
的な屈折率分布を有する場合、そのピッチは、隣接する
第１の媒質層２２ａの中心間の距離をλ／ｎとする。

【００９１】回折格子２２は、第１の実施の形態にかか
る回折格子１２と同様に、２次オーダの回折格子であ
る。

【００９２】なお、回折格子２２の一変形例を図９
（ｂ）および図９（ｃ）に示す。図９（ｂ）は、図９
（ａ）に示す第１の媒質層２２ａを正方格子状に配置し
た例である。この場合、第１および第２の方向（ａ’お
よびｂ’方向）に周期的な屈折率分布を有する。図９
（ａ）の、および図９（ｂ）において、回折格子２２
の周期方向のピッチとは、隣接する第１の媒質層２２ａ
の中心間の距離をいう。

【００９３】また、図９（ｃ）は、図９（ａ）における
第１の媒質層２２ａを蜂の巣状に配置した例である。

【００９４】図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すいずれ
の場合においても、２次オーダの回折格子である。ま
た、図９（ｂ）では、隣接する第１の媒質層２２ａの中
心間の距離がλ／ｎである。図９（ｃ）においては、１
つ挟んで隣接する第１の媒質層２２ａの中心間の距離が
λ／ｎである。

【００９５】（デバイスの動作）この面発光装置２００
０の動作は、図１に示す面発光装置１０００と同様であ
るので、説明は省略する。

【００９６】（作用および効果）面発光装置２０００
は、第１の実施の形態にかかる面発光装置１０００と同
様の作用および効果を有するのに加えて、面発光装置２
０００は、回折格子２２が第１、第２および第３の方向
に周期的な屈折率分布を有することから、当該３方向へ
の光の伝搬が規制される。したがって、一方向にのみ光
の伝搬を規制する第１の実施の形態にかかる面発光装置
１０００よりも光の伝搬がさらに規制されるので、発光
スペクトル幅の非常に狭い光を高効率で得ることができ
る。

【００９７】図９（ｂ）および図９（ｃ）に示す回折格
子を含む場合においても、上述したものとほぼ同様の作
用および効果を有する。

【００９８】［第３の実施の形態］（デバイスの構造）
図１０は、本実施の形態にかかる面発光装置３０００を
模式的に示す断面図である。

【００９９】面発光装置３０００は、第１および第２の
誘電体多層膜９０ａ，９０ｂを発光素子部３００に含
む。図１０に示すように、基板１０上に、第１の誘電体
多層膜９０ａ、陽極３０、回折格子１２、発光層４０、
陰極５０、および第２の誘電体多層膜９０ｂが、この順
序で配置されている。すなわち、基板１０と陽極３０と
の間、ならびに陰極５０において発光層４０が形成され
ている面と反対側の面にはそれぞれ、第１および第２誘
電体多層膜９０ａ，９０ｂが形成されている。なお、図
１０では、第１および第２の誘電体多層膜９０ａ，９０
ｂを強調して示している。第１および第２の誘電体多層
膜９０ａ，９０ｂ以外の構成要素は第１の実施の形態に
かかる面発光装置１０００とほぼ同様であるため、当該
構成要素については説明を省略する。

【０１００】（デバイスの動作）この面発光装置３００
０の動作は、図１に示す面発光装置１０００とほぼ同様
である。すなわち、陽極３０と陰極５０とに所定の電圧
が印加されることにより、陰極５０から電子が、陽極３
０からホールが、それぞれ発光層４０内に注入される。
発光層４０内では、この電子とホールとが再結合される
ことにより励起子が生成され、この励起子が失活する際
に蛍光や燐光などの光が発生する。この発生した光が、
基板１０がのびる方向（図１０のＸ方向）のみならず、
発光層４０から基板１０の膜厚方向（図１０のＹ方向）
へと出射する。

【０１０１】（作用および効果）第１および第２の誘電
体多層膜９０ａ，９０ｂによって、図１０のＹ方向への
光伝播が制御される。すなわち、第１および第２の誘電
体多層膜９０ａ，９０ｂによって、基板１０の膜厚方向
の光を制御することができる。本実施の形態では、回折
格子１２に加えて、第１，第２の誘電体多層膜９０ａ，
９０ｂによって光の伝播が制御され、自然放出が制約さ
れるため、基板１０の膜厚方向においても発光スペクト
ル幅の非常に狭い光を高効率で得ることができる。

【０１０２】本実施の形態では、陽極３０および陰極５
０の外側に第１および第２の誘電体多層膜９０ａ，９０
ｂが形成された例を示したが、これらの誘電体多層膜９
０ａ，９０ｂに限定されるわけではなく、反射率の大き
な層であればよい。

【０１０３】また、本発明の面発光装置をたとえばディ
スプレイに用いる場合には、光の利用効率を向上させる
ため、基板１０側へと光を出射させる必要がある。この
場合、本実施の形態にかかる面発光装置３０００では、
陰極５０上に誘電体多層膜９０ｂが形成されているの
で、陰極５０側へ出射する光を誘電体多層膜９０ｂで反
射させることができる。このため、陰極５０側から出射
する光を低減し、基板１０側から優先的に光を出射させ
ることができるため、光の利用効率を高めることができ
る。

【０１０４】この場合、陰極５０側で反射する光と、基
板１０側に直接出射する光の位相を合わせることが望ま
しい。

【０１０５】また、面発光装置３０００において、金属
材料からなる陰極５０のかわりに、ＣｕＰｃ層(Copper
phthalocyanine)を用いることもできる。この場合に
は、ＣｕＰｃ層と誘電体多層膜９０ｂとの間に、ＩＴＯ
からなる層を設ける。

【０１０６】なお、回折格子１２は、第１の実施の形態
の面発光装置１０００に形成された回折格子１２と同様
のものであるが、第２の実施の形態の面発光装置２００
０に形成された回折格子２２（図９（ａ）〜図９（ｃ）
参照）と同様のものを用いることもできる。

【０１０７】［第４の実施の形態］（デバイスの構造）
図１１は、本実施の形態にかかる面発光装置４０００を
模式的に示す断面図であり、図１２は、図１１における
Ｃ−Ｃ線に沿った断面図である。面発光装置４０００
は、分布ブラッグ反射型の回折格子を有する点で、上述
の面発光装置と異なる。

【０１０８】面発光装置４０００は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部４００とを含む。発光素
子部４００は、陽極３０、発光層４０および陰極５０
が、この順序によって積層されることにより形成され
る。

【０１０９】回折格子３２は、陰極３０と発光層４０と
の境界領域に形成され、かつ分布ブラッグ型の回折格子
を構成する。このように分布ブラッグ型の回折格子３２
を形成することによっても、光を共振させ、波長選択性
および指向性に優れた光を得ることができる。

【０１１０】（デバイスの動作、作用および効果）この
面発光装置４０００の動作、作用および効果は、図１に
示す面発光装置１０００とほぼ同様である。

【０１１１】［第５の実施の形態］（デバイスの構造）図１３は、本実施の形態にかかる面
発光装置５０００を模式的に示す断面図であり、図１４
は、図１３におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。面
発光装置５０００は、回折格子４２が欠陥部１４を含む
点で、上述の第１〜第４の実施の形態にかかる面発光装
置と異なる。

【０１１２】面発光装置５０００は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部５００とを含む。発光素
子部５００は、陽極３０、発光層４０、陰極５０および
回折格子４２を含む。なお、これらの構成要素のうち、
符号が同じものは、第１の実施の形態にかかる面発光装
置１０００の構成要素と同じであるため、説明は省略す
る。

【０１１３】本実施の形態にかかる面発光装置５０００
は、欠陥部１４がその一部に形成された回折格子４２を
含む。

【０１１４】回折格子４２は、一方向に周期的な屈折率
分布を有する点で、第１の実施の形態にかかる面発光装
置１０００の回折格子１２と同様である。すなわち、屈
折率の異なる第１の媒質層４２ａと第２の媒質層４２ｂ
とが交互に配列して回折格子４２を構成する。

【０１１５】また、回折格子４２は、第１の実施の形態
にかかる面発光装置１０００の回折格子１２と同様に、
その周期方向のピッチがλ／ｎ（前述した式においてａ
＝１）であることから、回折格子４２は２次のオーダと
なる。

【０１１６】回折格子４２は、第１の実施の形態にかか
る面発光装置１０００の回折格子１２と同様に、屈折率
の異なる第１の媒質層４２ａと第２の媒質層４２ｂと
が、交互に配列しており、かつ、発光層４０が、回折格
子４２の一部（第２の媒質層４２ｂ）として機能する。

【０１１７】また、回折格子４２は欠陥部１４を含む。
この欠陥部１４の両側に第１の媒質層４２ａが形成され
ている。回折格子４２は、その形状（寸法）や媒質の組
合せに基づいて、所定の波長帯域に対してフォトニック
バンドギャップを形成しうる。

【０１１８】欠陥部１４は、その欠陥に起因するエネル
ギー準位が、発光層４０の電流励起による発光スペクト
ル内に存在するように形成される。

【０１１９】本実施の形態においては、この欠陥部１４
が、回折格子４２を構成する第１の媒質層４２ａと同じ
材料で形成された例を示したが、第１の媒質層４２ａ
は、第２の媒質４２ｂとの周期的な分布によってフォト
ニックバンドギャップを形成しうる物質であればよく、
その材質は特に限定されない。たとえば、第２の媒質層
として空気などの気体であってもよい。このように、気
体の層でいわゆるエアギャップ構造の回折格子を形成す
る場合には、面発光装置に用いる一般的な材料の選択範
囲で、回折格子を構成する２媒質の屈折率差を大きくす
ることができる。

【０１２０】また、欠陥部１４が、第２の媒質層４２ｂ
によって形成されたものであってもよい。たとえば、図
１３に示す面発光装置５０００において、欠陥部１４を
設けるかわりに欠陥部１４が形成されている領域に発光
層４０を埋め込んで欠陥を形成することもできる。この
場合、発光層４０が、欠陥部の一部として機能する。

【０１２１】本実施の形態の面発光装置５０００は、回
折格子４２によって光を制御するので、回折格子１２の
のびる方向（図１におけるＸ方向）および基板１０の膜
厚方向（図１におけるＹ方向）の両方向における光伝搬
が制御される。

【０１２２】なお、本実施の形態の面発光装置５０００
のみならず、第１の実施の形態の一変形例にかかる面発
光装置（図３〜図７参照）、第２〜第４の実施の形態に
かかる面発光装置（図８〜図１２参照）において、欠陥
部をその一部に含む回折格子を形成することにより面発
光装置を形成することもできる。

【０１２３】たとえば、図４に示す面発光装置４０００
に、回折格子中に欠陥部を設けることができる。この場
合、ホール輸送層７０が回折格子の一部として機能して
いるため、発光層４０は回折格子とは異なる領域に形成
される。

【０１２４】（デバイスの動作、作用および効果）次
に、この面発光装置５０００の動作、作用および効果に
ついて説明する。

【０１２５】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から電子が、陽極３０から
ホールが、それぞれ発光層４０内に注入される。発光層
４０内では、この電子とホールとが再結合されることに
より励起子が生成される。そして、回折格子４２のフォ
トニックバンドギャップに相当する波長帯域の光は、回
折格子４２内を伝搬できないので、励起子は、欠陥に起
因するエネルギー準位で基底状態に戻り、このエネルギ
ー準位に相当する波長帯域の光のみが発生する。したが
って、前記欠陥に起因するエネルギー準位によって規定
された、発光スペクトル幅の非常に狭い光を高効率で得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる面発光装置
を模式的に示す断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図３】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図４】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図５】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図６】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図７】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる面発光装置
を模式的に示す断面図である。

【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかる面発光装
置を模式的に示す断面図である。

【図１１】本発明の第４の実施の形態にかかる面発光装
置を模式的に示す断面図である。

【図１２】図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図１３】本発明の第５の実施の形態にかかる面発光装
置を模式的に示す断面図である。

【図１４】図１１のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１０基板１２，２２，３２，４２，１１２，２１２，３１２回
折格子１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ，１１２ａ，２１２
ａ，３１２ａ，４１２ａ第１の媒質層１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，１１２ｂ，２１２
ｂ，３１２ｂ，４１２ｂ第２の媒質層１３溝１４欠陥部３０陽極４０，１４０発光層５０陰極６０絶縁物７０，１７０ホール輸送層８０電子輸送層９０ａ第１の誘電体多層膜９０ｂ第２の誘電体多層膜１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，２
００，３００，４００，５００発光素子部１０００，１００１，１００２，１００３，１００４，
１００５，２０００，３０００，４０００，５０００
ＥＬ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に形成された発光素
子部とを含み、かつ前記基板と交差する方向に光を出射
する面発光装置であって、前記発光素子部は、エレクトロルミネッセンスによって発光可能な発光層
と、前記発光層に電界を印加するための一対の電極層と、２次以上のオーダの回折格子と、を含む、面発光装置。
【請求項２】請求項１において、前記回折格子は、フォトニックバンドギャップまたはそ
れに近似するフォトニックバンドを構成しうる、面発光
装置。
【請求項３】請求項２において、前記発光層の発光スペクトルのエネルギー準位が、前記
回折格子によって形成されるバンドに含まれるバンドエ
ッジのエネルギー準位を含むように前記回折格子が構成
される、面発光装置。
【請求項４】請求項２において、前記回折格子の一部に形成され、欠陥に起因するエネル
ギー準位が所定の発光スペクトル内に存在するように設
定された欠陥部を含む、面発光装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記回折格子は、分布帰還型の回折格子である、面発光
装置。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記回折格子は、分布ブラッグ反射型の回折格子であ
る、面発光装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかにおいて、前記回折格子は、利得結合型構造を有する、面発光装
置。
【請求項８】請求項１〜６のいずれかにおいて、前記回折格子は、屈折率結合型構造を有する、面発光装
置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかにおいて、前記発光層は、発光材料として有機発光材料を含む、面
発光装置。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれかにおいて、前記発光層は、前記回折格子の少なくとも一部として機
能する、面発光装置。
【請求項１１】請求項４〜１０のいずれかにおいて、前記発光層は、前記欠陥部の少なくとも一部として機能
する、面発光装置。
【請求項１２】請求項１〜９のいずれかにおいて、前記発光層は、前記回折格子と異なる領域に形成され
る、面発光装置。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかにおいて、さらに、ホール輸送層および電子輸送層の少なくとも一
方を有する、面発光装置。
【請求項１４】請求項１３において、前記回折格子は、ホール輸送層または電子輸送層がひと
つの媒質を構成する、面発光装置。
【請求項１５】請求項１〜１４のいずれかにおいて、前記回折格子は、絶縁性の第１の媒質層と第２の媒質層
とが周期的に配列された、面発光装置。
【請求項１６】請求項１５において、前記第１の媒質層は、柱状であり、かつ格子状に配列さ
れ、前記第２の媒質層は、該第１の媒質層の間に配置され
た、面発光装置。
【請求項１７】請求項１６において、前記回折格子は、その周期方向のピッチが（ａ＋１）λ
／２ｎ（ａは１以上の整数、ｎは平均屈折率）である、
面発光装置。
【請求項１８】請求項１５〜１７のいずれかにおい
て、前記回折格子は、少なくとも一方向に周期的な屈折率分
布を有する、面発光装置。
【請求項１９】請求項１５〜１８のいずれかにおい
て、前記回折格子は、第１および第２の方向に周期的な屈折
率分布を有する、面発光装置。
【請求項２０】請求項１５〜１８のいずれかにおい
て、前記回折格子は、第１、第２および第３の方向に周期的
な屈折率分布を有する、面発光装置。
【請求項２１】請求項１〜２０のいずれかにおいて、前記電極層の少なくとも一方の層上に、該光の伝播を規
制する層が設けられた、面発光装置。
【請求項２２】請求項２１において、前記光の伝播を規制する層は、クラッド層または誘電体
多層膜である、面発光装置。
【請求項２３】請求項１〜２２のいずれかの面発光装
置であって、ディスプレイに用いられる、面発光装置。