JP2003178883A

JP2003178883A - 表示素子

Info

Publication number: JP2003178883A
Application number: JP2001379345A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Kijima; 靖典鬼島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】初期劣化およびその後の定常的な劣化の速度
を小さく抑えることが可能で、これにより長時間の安定
して発光する表示素子を提供する。【解決手段】基板１２上に、陽極１３、有機層１４お
よび陰極１５を備えている。有機層１４は、陽極１３側
から順に、正孔注入層１４ａ、正孔輸送層１４ｂおよび
電子輸送性の有機発光層１４ｃを積層してなる。正孔注
入層１４ａおよび正孔輸送層１４ｂのうちの少なくとも
一方は、結晶化温度を持たない有機材料、例えばスター
バストアミン型正孔輸送材料を含有している。これによ
り、初期劣化およびその後の定常的な劣化の速度が小さ
く抑えられ、これにより長時間の安定した発光が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラーディスプレ
イなどに用いられる、有機層を備えた自発光型の表示素
子に係り、特に、基板と反対側の上部電極側から光を取
り出す、上面発光型の表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マルチメディア指向の商品を初め
とし、人間と機械とのインターフェースの重要性が高ま
ってきている。人間がより快適に効率良く機械操作する
ためには、操作される機械からの情報を誤りなく、簡潔
に、そして瞬時に、充分な量を取り出す必要があり、そ
のためにディスプレイを初めとする様々な表示素子につ
いての研究がなされている。

【０００３】また、機械の小型化に伴い、表示素子の小
型化、薄型化に対する要求も日々、高まっているのが現
状である。例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、
ノート型ワードプロセッサなどの、表示素子一体型であ
るラップトップ型情報処理機器の小型化には目を見張る
進歩があり、それに伴い、その表示素子である液晶ディ
スプレイに関しての技術革新も素晴らしいものがある。
液晶ディスプレイは、様々な製品のインターフェースと
して用いられており、ラップトップ型情報処理機器は勿
論のこと、小型テレビジョンや時計、電卓を初めとし、
我々が日常使用する製品に多く用いられている。

【０００４】ところが、液晶ディスプレイは、自発光性
でないためバックライトを必要とし、このバックライト
駆動に液晶を駆動するよりも電力を必要とする。また、
視野角が狭いため、大型ディスプレイ等の大型表示素子
には適していない。さらに、液晶分子の配向状態による
表示方法であるので、視野角の中においても、角度によ
りコントラストが変化してしまう。しかも、液晶は基底
状態における分子のコンフォメーションの変化を利用し
て表示を行っているので、ダイナミックレンジが広くと
れない。これは、液晶ディスプレイが動画表示には向か
ない理由の一つになっている。

【０００５】これに対し、自発光性表示素子として、プ
ラズマ表示素子、無機電界発光素子、有機電界発光素子
等が研究されている。

【０００６】プラズマ表示素子は低圧ガス中でのプラズ
マ発光を表示に用いたもので、大型化、大容量化に適し
ているものの、薄型化、コストの面での問題を抱えてい
る。また、駆動に高電圧の交流バイアスを必要とし、携
帯用デバイスには適していない。

【０００７】無機電界発光素子は、緑色発光ディスプレ
イ等として商品化されたが、プラズマ表示素子と同様
に、交流バイアス駆動であり駆動には数百Ｖ必要である
ため、ユーザに受け入れられなかった。技術的な発展に
より、今日ではカラーディスプレイ表示に必要なＲＧＢ
三原色の発光には成功しているものの、無機電界発光素
子の青色発光材料として高輝度、長寿命で発光可能なも
のがあまり無く、さらには、無機材料のために、分子設
計などによる発光波長等の制御が困難であるという問題
がある。なお、２０００年に、無機電界発光素子を用い
たフルカラーディスプレイが発表されたが、これは色変
換方式を用いたものであり、理想的な独立三原色駆動方
式でのデバイス化は困難である。

【０００８】一方、有機化合物による電界発光現象は、
１９６０年代前半に強く蛍光を発生するアントラセン単
結晶への、キャリア注入による発光現象が発見されて以
来、長い期間、研究されてきたが、低輝度、単色で、し
かも単結晶であったため、有機材料へのキャリア注入と
いう基礎的研究として行われていた。

【０００９】しかし、１９７８年にＥａｓｔｍａｎＫｏ
ｄａｋ社のＴａｎｇらが低電圧駆動、高輝度発光が可能
なアモルファス発光層を有する積層構造の有機電界発光
素子を発表して以来、各方面でＲＧＢ三原色の発光、安
定性、輝度上昇、積層構造、作製法等の研究開発が盛ん
に行なわれている。

【００１０】さらに、有機材料の特徴である分子設計等
により様々な新規材料が発明され、直流低電圧駆動、薄
型、自発光性等の優れた特徴を有する有機電界発光素子
のカラーディスプレイへの応用研究も盛んに行われてい
る。

【００１１】図１１は、このような表示素子（有機電界
発光素子）の一構成例を表すものである。この表示素子
１は、例えばガラス等からなる透明な基板２上に設けら
れており、基板２上に設けられたＩＴＯ（Indium Tin O
xide：透明電極）からなる陽極３、陽極３上に設けられ
た有機層４、および有機層４上に設けられた陰極５によ
り構成されている。有機層４は、陽極３側から、正孔注
入層４ａ、正孔輸送層４ｂおよび電子輸送性の有機発光
層４ｃを順次積層させた構成を有している。この表示素
子１では、陰極５から注入された電子と陽極３から注入
された正孔とが有機発光層４ｃにて再結合し、この再結
合の際に生じる光が透明の陽極３を介して基板２側から
取り出される。

【００１２】有機電界発光素子としては、このような構
成を有するものの他に、基板側から順に、陰極、有機
層、陽極を順次積層した構成のものや、上方に位置する
電極（上部電極）を透明材料で構成することによって、
基板と反対側の上部電極側から光を取り出すようにし
た、いわゆる上面発光型の表示素子もある。特に、基板
上に薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦ
Ｔ）を設けてなるアクティブマトリックス型の表示装置
においては、ＴＦＴが形成された基板上に上面発光型の
表示素子を設けた、所謂ＴＡＣ（Top Emitting Adoptiv
e Current drive ）構造とすることが、発光部の開口率
を向上させる上で有利になる。

【００１３】このようなＴＡＣ構造の表示装置におい
て、上部電極が陰極である場合、この陰極は、例えば酸
化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）や、酸化セシウム（ＣｓＯ）
等の金属酸化物層により構成される。また、これらの金
属酸化物層上に銀マグネシウム（ＭｇＡｇ）よりなる層
を積層させる場合もある。

【００１４】なお、ＴＡＣ構造では、陽極にＩＴＯ等よ
りなる透明電極を用いることにより上下の両サイドから
光を取り出すことも可能であるが、陽極としては、一般
的には不透明電極が用いられ、キャビティ構造を形成し
ている。キャビティ構造における有機層の膜厚は、発光
波長によって規定され、多重干渉の計算から導くことが
できる。ＴＡＣ構造では、このキャビティ構造を積極的
に用いることにより、外部への光取り出し効率の改善や
発光スペクトルの制御を行うことが可能である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな自発光型の表示素子、特には有機層を備えた発光素
子を用いて表示装置を構成する場合、表示素子の長寿命
化および信頼性の確保が最も重要な課題の一つである。

【００１６】一般的に、表示素子の寿命は、輝度の低下
を伴う初期劣化およびその後の定常的な劣化の速度によ
って決定される。つまり、表示素子の長寿命化を達成す
るためには、表示素子の初期劣化およびその後の定常的
な劣化の速度を小さく抑えることが重要になる。

【００１７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、初期劣化およびその後の定常的な劣
化の速度を抑制し、長時間の安定した発光が可能な表示
素子を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の表示素子は、陰
極と陽極との間に少なくとも有機発光層を含む有機層を
備えたものであって、有機層に、結晶化温度を持たない
有機材料を含有する層を備えるようにしたものである。
より具体的には、有機層は、陽極と有機発光層との間に
第１層および第２層を有し、これら第１層および第２層
のうちの少なくとも一方が、結晶化温度を持たない有機
材料を含有する層であるように構成したものである。よ
り具体的には、第１層は正孔注入層、第２層は正孔輸送
層である。

【００１９】結晶化温度を持たない有機材料を含有する
層は、この有機材料を２種類以上を含有する混合層とし
ても良い。特に、陽極を不透明材料により形成する場合
には、結晶化温度を持たない有機材料として、スターバ
ーストアミン型正孔輸送材料を用いることが好ましい。
また、結晶化温度を持たない有機材料を含有する層の膜
厚は、７０ｎｍ以下であることが好ましい。

【００２０】本発明の表示素子では、有機層に、結晶化
温度を持たない有機材料が含有されていることから、初
期劣化およびその後の定常的な劣化の速度が抑制され、
輝度の低下が抑制される。また、駆動時には、発光に伴
ってジュール熱が発生し、結晶化により有機層の膜質が
変化するが、有機層に結晶化温度を持たない有機材料を
用いることにより膜質が安定化する。従って、特に厚い
膜厚構造をとることのできないＴＡＣ構造の有機電界発
光素子において有効である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施の形態に係る表示
素子の断面構成を表すものである。この表示素子１１
は、基板１２上に形成されており、基板１２上に下部電
極として設けられた陽極１３、この陽極１３上に設けら
れた有機層１４、およびこの有機層１４上に上部電極と
して設けられた陰極１５を備えて構成されている。本実
施の形態の表示素子１１は、陽極１３から注入された正
孔と陰極１５から注入された電子とが有機層１４内の有
機発光層１４ｃで結合する際に生じる発光を、基板１２
と反対側の陰極１５側から取り出す上面発光方式の、所
謂ＴＡＣ構造の有機電界発光素子である。

【００２３】基板１２は、例えばガラスのような透明基
板であるが、シリコン基板、さらにはフィルム状のフレ
キシブル基板等であってもよい。また、この表示素子１
１を用いて構成される表示装置の駆動方式がアクティブ
マトリックス方式である場合には、この基板１２として
は、画素毎にＴＦＴを設けてなるＴＦＴ基板が用いられ
る。

【００２４】この基板１２上に設けられる陽極１３に
は、効率良く正孔を注入するために電極材料の真空準位
からの仕事関数が大きいもの、例えばクロム（Ｃｒ）、
モリブテン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃ
ｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、酸化スズ（ＳｎＯ２
）とアンチモン（Ｓｂ）との合金、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）とアルミニウム（Ａｌ）との合金、さらにはこれら
の金属や合金の酸化物等が、単独または混在させた状態
で用いられる。なお、陽極１３としてはＴＡＣ構造でな
く、基板１１側からも発光を取り出す方式の場合にはＩ
ＴＯ等の透明電極でもよい。この陽極１３は例えばスパ
ッタリング法等により作成することができる。

【００２５】陽極１３は、この表示素子１１を用いて構
成される表示装置の駆動方式がアクティブマトリックス
方式である場合には、ＴＦＴが設けられている画素毎に
パターニングされる。そして、この陽極１３の上には、
ここでの図示を省略したが絶縁膜が設けられ、この絶縁
膜の開口部から、各画素毎の陽極１３の表面が露出され
るようになる。

【００２６】有機層１４は、陽極１３側から順に、例え
ば、正孔注入層１４ａ、正孔輸送層１４ｂおよび電子輸
送性の有機発光層１４ｃの３層を積層してなるものであ
る。正孔注入層１４ａおよび正孔輸送層１４ｂはそれぞ
れ有機発光層１４ｃへの正孔注入効率を高めるためのも
のである。ここで、正孔注入層１４ａが本発明の有機層
中の「第１層」、正孔輸送層１４ｂが本発明の有機層中
の「第２層」の一具体例にそれぞれ対応している。

【００２７】本実施の形態では、正孔注入層１４ａおよ
び正孔輸送層１４ｂのうちの少なくとも一方が、結晶化
温度（結晶化点）を持たない有機材料を含有する層とな
っている。これにより、後述の説明および実施例からも
明らかなように、表示素子１１の初期劣化およびその後
の定常的な劣化の速度を小さく抑え、長時間の安定した
発光が可能になる。

【００２８】結晶化温度を持たない有機材料としては、
図２に示したスターバースト骨格を有するスターバース
トアミン型正孔輸送材料が好ましい。スターバースト型
正孔輸送材料の特徴としては、電荷の移動度が高く、膜
厚を比較的厚く積んでも、初期駆動電圧の上昇が押さえ
られるからである。スターバーストアミン型正孔輸送材
料としては、例えば、図３に示した１ｍ−ＴＮＡＴＡ
（４，４’，４”−トリス（１−ナフチル−３−メチル
フェニルアミノ）−トリフェニルアミン）、あるいは図
４に示した２ｍ−ＴＮＡＴＡ（４，４’，４”−トリス
（２−ナフチル−３−メチルフェニルアミノ）−トリフ
ェニルアミン）が挙げられる。これらのうちの一方のみ
でもよく、双方を混合して用いてもよい。

【００２９】なお、正孔注入層１４ａは、例えば、Ｃｕ
Ｐｃ（フタロシアニン銅）により構成される。また、正
孔輸送層１４ｂは、結晶化温度を持たない有機材料を含
有しない場合、例えば、ベンジジン誘導体、スチリルア
ミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘
導体などの正孔輸送材料により構成される。

【００３０】有機発光層１４ｃは電流の注入により光を
発生するものであり、例えば、図６に示したＡｌｑ３
（８−ヒドロキシキノリンアルミニウム）により構成さ
れる。

【００３１】これらの各層は、例えば真空蒸着法や、ス
ピンコート法などの方法によって形成することができ
る。さらに、有機発光層１４ｃの発光スペクトルの制御
を目的として、有機発光層１４ｃを形成する際に微量分
子の共蒸着を行っても良く、例えば、ベリレン誘導体、
クマリン誘導体、ピラン系色素等の有機物質を微量含む
有機薄膜により有機発光層１４ｃを形成するようにして
もよい。

【００３２】なお、有機層１４は、このような層構造に
限定されることはなく、少なくとも有機発光層１４ｃと
共に、陽極１３と有機発光層１４ｃとの間に結晶化温度
を持たない有機材料を含有する有機薄膜層を有する構成
であれば、必要に応じた積層構造を選択することができ
る。例えば、有機発光層１４ｃは、正孔輸送性の有機発
光層１４ｃであっても良く、また有機発光層１４ｃ上に
さらに電子輸送層を設けた構成であっても良い。また、
以上の各有機層１４、例えば正孔注入層１４ａ、正孔輸
送層１４ｂおよび電子輸送性の有機発光層１４ｃは、そ
れぞれが複数層からなる積層構造であっても良い。

【００３３】次に、陰極１５は、例えば、有機層１４側
から順に第１層１５ａ、第２層１５ｂおよび第３層１５
ｃを積層させた３層構造で構成されている。

【００３４】第１層１５ａは、仕事関数が小さく、かつ
光透過性の良好な材料を用いて構成される。このような
材料としては、例えばリチウム（Ｌｉ）の酸化物である
酸化リチウムや、セシウム（Ｃｓ）の酸化物である酸化
セシウム（Ｃｓ２Ｏ）、さらにはこれらの酸化物の混
合物を用いることができる。また、第１層１５ａは、こ
のような材料に限定されることはなく、例えば、カルシ
ウム（Ｃａ），バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金
属、リチウム，セシウム等のアルカリ金属、さらにはイ
ンジウム（Ｉｎ），マグネシウム（Ｍｇ）等の仕事関数
の小さい金属、さらにはこれらの金属の酸化物等を、単
体でまたはこれらの金属および酸化物の混合物や合金と
して安定性を高めて使用しても良い。

【００３５】第２層１５ｂは、例えば、ランタノイド元
素および一次イオン化ポテンシャルの大きいハフニウム
（Ｈｆ）等の材料のうちの少なくとも１種を含有するこ
とが好ましく、特に、ハフニウムを含有すればより好ま
しい。初期劣化による輝度の低下を小さく抑えることが
でき、それにより、表示素子１１の寿命特性、さらには
この表示素子１１を用いて構成された表示装置の寿命特
性を向上させることができるからである。

【００３６】第２層１５ｂに含有されるランタノイド元
素としては、ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プ
ラセオジウム（Ｐｒ），ネオジウム（Ｎｄ），サマリウ
ム（Ｓｍ），ユーロピウム（Ｅｕ），カドリニウム（Ｇ
ｄ），テルビウム（Ｔｂ），ジスプロシウム（Ｄｙ），
ホルミウム（Ｈｏ），エルビウム（Ｅｒ），ツリウム
（Ｔｍ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム
（Ｌｕ）等のうちから少なくとも１つが選択される。こ
れらのランタノイド元素は、原材料として酸化物などの
安定した形態が存在するため、容易に用いることができ
る。

【００３７】これらのランタノイド元素およびハフニウ
ムは、酸化物として主に用いられる。ランタノイド元素
およびハフニウムの酸化物は他の酸化物と比較してシー
ト抵抗が低く、光透過率が高いので、第２層１５ｂの膜
厚のばらつきに対する表示素子１１の輝度のばらつきを
小さく抑えることができるからである。また、成膜時
に、基板１２の温度を制御することなく常温での真空蒸
着やスパッタ成膜が可能であるため、有機層１４に影響
を与えることなく有機層１４の上部に陰極１５を形成す
ることができるからである。

【００３８】このような酸化物としては、例えば、Ｌａ
２Ｏ３，ＣｅＯ２，Ｐｒ２Ｏ３，Ｐｒ６Ｏ１１，
Ｎｄ２Ｏ３，Ｓｍ２Ｏ３，Ｅｕ２Ｏ３，Ｇｄ２
Ｏ３，Ｔｂ２Ｏ３，Ｄｙ２Ｏ３，Ｈｏ２Ｏ３，Ｅ
ｒ２Ｏ３，Ｔｍ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｌｕ２Ｏ
３およびＨｆＯ２のうちの少なくとも１種類が選択さ
れる。なお、第２層１５ｂ内のランタノイド元素は、こ
のような組成の酸化物として含有されていることに限定
されず、他の組成の酸化物や、さらには酸化物と金属
（ランタノイド金属）とが混在した状態で含有されてい
ても良い。

【００３９】また、第２層１５ｂは、ランタノイド元素
またはハフニウムと共に、有機物を含有した混合層であ
っても良い。混合層を形成する有機物は、薄膜形成性が
良いものであれば良く、特に電荷輸送性を有する必要は
無いが、正孔輸送性および電子輸送性のうちの少なくと
も一方を有することが好ましい。このような材料には、
例えばアルミキノリン錯体（Ａｌｑ３）、スチリルアミ
ン誘導体、フタロシアニン誘導体等を用いることができ
るが、これに限定されるものではない。

【００４０】更に、第２層１５ｂを混合層とする場合、
第２層１５ｂは上記有機材料と共に、ランタノイド元素
またはハフニウムの単体および酸化物の両方を含んでい
ても良く、もちろん更に他の金属元素や酸化物を含んで
いても良い。

【００４１】このような第２層１５ｂの主たる機能は、
外的要因の影響を排除することにある。その機能のうち
有効なものの一つとして、第３層１５ｃが外部からの要
因によって、酸化、結晶化する際に、下層の第２層１５
ｂ、あるいはその下部に形成されている有機層１４への
影響を排除することが挙げられる。

【００４２】また、第２層１５ｂの他の機能は、後述す
るように第３層１５ｃに用いる材料にマグネシウムや
銀、その他のアルカリ金属、アルカリ土類金属等の元素
が含有されている場合に、その拡散を防止し、デバイス
の短絡や駆動時における経時変化を防止することであ
る。

【００４３】なお、第２層１５ｂは、第１層１５ａや第
３層１５ｃの種類によっては、省略することも可能であ
る。

【００４４】第３層１５ｃは、例えば、ＭｇＡｇなどの
光透過性を有する層を用いた薄膜により構成されてい
る。

【００４５】この第３層１５ｃは、さらに、アルミキノ
リン錯体、スチリルアミン誘導体、フタロシアニン誘導
体等の有機材料を含有した混合層であっても良い。この
場合には、第３層１５ｃに更にＭｇＡｇのような光透過
性を有する層を別途有していてもよい。なお、ＴＡＣ構
造では、有機層と透明電極層あるいは半透明電極層との
合計膜厚を制御することにより、キャビティ効果を積極
的に利用することができるが、上記有機材料を含有する
混合層は、キャビティ長の調整にも用いることができ
る。この場合には、有機材料を含有する混合層の上部
に、ＭｇＡｇよりなる半透過性電極を積層したり、ま
た、ランタノイド元素の含有量を制御し、反射性を持た
せることにより、この有機材料を含有する混合層で、キ
ャビティ長を制御することも可能である。

【００４６】以上の第１層１５ａ，第２層１５ｂおよび
第３層１５ｃは、真空蒸着法、スパッタリング法、更に
はプラズマＣＶＤ法などの手法によって形成することが
できる。また、この表示素子１１を用いて構成される表
示装置の駆動方式がアクティブマトリックス方式である
場合、陰極１５は、ここでの図示を省略した上述の絶縁
膜と有機層１４とによって、陽極１３と絶縁された状態
で基板１２上にベタ膜状に形成され、各画素に共通電極
として用いられる。

【００４７】なお、陰極１５は上記のような３層構造で
なくても良い。この積層構造は電極各層の機能分離を行
なった際に必要なものであり、第３層１５ｃのみで構成
したり、第１層１５ａを形成した後にＩＴＯなどの透明
電極を形成したりすることも可能であり、作製されるデ
バイスの構造に応じて最適な組み合わせ、積層構造を取
れば良いことは言うまでもない。

【００４８】上述のように、本実施の形態では、陽極１
３上に形成される正孔注入層１４ａまたは正孔輸送層１
４ｂ、あるいはこれら２つの層に、結晶化温度を持たな
い有機材料を含有している。以下、この点についての説
明を行う。

【００４９】本発明は、主にＴＡＣ構造を有する表示素
子（以下、単に「ＴＡＣ素子」という）を作製する際に
有効な技術である。陽極１３がＩＴＯよりなる場合に
は、ＩＴＯのグレイン等の影響により、陽極１３の表面
粗度が大きいので、正孔注入層１４ａあるいは正孔輸送
層１４ｂは一般的に厚膜で構成される。その膜厚は、素
子の全体的な構造で決定されるが、概ね８０ｎｍ以上に
なることが多い。例えば、スターバースト骨格を有する
図７に示した１−ＴＮＡＴＡ（４，４’，４”−トリス
（１−ナフチルフェニルアミノ）−トリフェニルアミ
ン）、図８に示した２−ＴＮＡＴＡ（４，４’，４”−
トリス（２−ナフチルフェニルアミノ）−トリフェニル
アミン）あるいはｍ−ＭＴＤＡＴＡ等を正孔注入層に用
い、かつ、５インチクラスのパッシブマトリックスを組
む場合には、ＩＴＯの成膜をスパッタ法で行わず、表面
粗度をできるだけ小さくした状態においても、１５０ｎ
ｍ程度の膜厚が必要である。整流比を確保し、かつ表面
粗度の影響から発生するショートを軽減するためであ
る。

【００５０】しかしながら、ＴＡＣ素子においては、そ
の特徴であるキャビティ効果を有効に利用しようとした
場合に、最も波長が長い赤色発光素子であっても、一次
の干渉条件下では、１００ｎｍオーダーの正孔注入層を
確保することが、素子構造上困難である。また、２次の
干渉条件下では、有機層の合計膜厚が厚くなり、駆動電
圧が上昇する。これは、次に述べる理由による。

【００５１】有機電界発光素子では、有機薄膜中を流れ
る電流の大きさを決める主要因子は必ずしも薄膜中の平
衡キャリア密度ではない。キャリア移動度さえある程度
大きければ、大量の電流を流すことは可能であり、この
現象は空間電荷制限電流（ＳＣＬＣ：Space Charge Lim
ited Current）機構として知られている。ＳＣＬＣの式
はチャイルド則に従い、数１で記述することができる。

【数１】Ｊ＝９／８・（εε０・μＶ² ）/ Ｌ³ （Ｊ：電流密度、ε：有機材料の誘電率、ε０：真空
の誘電率、μ：有機材料中のキャリア移動度、Ｖ：駆動
電圧、Ｌ：有機層の膜厚）

【００５２】チャイルド則ではキャリア移動度のみが関
与している。例えば、キャリア移動度としてアモルファ
ス有機色素薄膜の典型値であるμ＝１０^-3ｃｍ² Ｖ^-1ｓ
^-1を用い、膜厚Ｌ＝１００ｎｍの超薄膜に１．０Ｖの
電圧を印加した場合には３００ｍＡｃｍ^-2もの大きな電
流が流れることになる。従って、素子の効率を上げるた
めには、有機層の膜厚をできるだけ薄くすることが必要
であることは自明である。このことからも、一次の干渉
条件の膜厚で素子を作製すること。よって、ＴＡＣ素子
においては、陽極上に形成される正孔注入層あるいは、
正孔輸送層の膜厚を、パッシブ型あるいはボトム型の素
子で用いられるような厚膜にすることが困難である。

【００５３】ここで例示した１−ＴＮＡＴＡ，２−ＴＮ
ＡＴＡあるいはｍ−ＭＴＤＡＴＡ等に代表されるスター
バースト骨格を持つ正孔輸送材料は、本発明者の検討に
よれば、厚膜構造においても、他の有機材料と比較して
電流注入に優れた材料であり、パッシブ型あるいはボト
ム型でデバイスを構成する際には優れた材料である。

【００５４】勿論、２−ＴＮＡＴＡ等は、ＴＡＣ素子に
おいても、優れた特徴を示すが、前述のように、駆動時
における初期輝度低下や、電圧上昇等が発現する場合も
あり、この要因の一つが、正孔注入層あるいは正孔輸送
層の駆動時における膜質の経時変化であることが、本発
明者の検討により明らかになった。

【００５５】具体的には、駆動時において有機層を構成
するアモルファス有機薄膜が、発光に伴って発生するジ
ュール熱や、水分等により結晶化することが問題である
ことが明らかになった。

【００５６】なお、本発明者がＴＡＣ素子を作製する際
に用いる陽極の具体的な材料は、ＩＴＯのような透明電
極ではなく、クロムや金等が主成分の不透明な電極であ
り、ＩＴＯよりなる透明電極等と比較しても、表面粗度
は小さく、良好な表面性を持っている。しかしながら、
例えば、ＴＡＣ構造で最も波長の短い青色発光素子を作
製する場合などは、有機薄膜の合計膜厚も薄くなり、シ
ョートが発生する。本発明者が検討した結果、このショ
ートの主要因は、有機薄膜の合計膜厚に問題があり、特
に正孔注入層あるいは正孔輸送層の膜厚が薄いことが原
因であることが明らかになった。また、ＴＡＣ素子にお
いては、キャビティ効果を積極的に利用するために正孔
注入層あるいは正孔輸送層の膜厚がパッシブ型やボトム
型と比較して相対的に薄く、これにより上述した発光に
伴う有機薄膜の結晶状態の経時変化が、パッシブ型やボ
トム型と比較して顕著に素子寿命に反映してしまうこと
も明らかになった。

【００５７】そこで、本実施の形態では、上述したよう
に陽極１３上に順次積層される第１層（正孔注入層１４
ａ）および第２層（正孔輸送層１４ｂ）のうちの少なく
とも一方に、結晶化温度を持たない有機材料を含有させ
たものである。これにより膜質が安定化し、表示素子１
１の初期劣化およびその後の定常的な劣化の速度を小さ
く抑えることができ、長時間にわたって安定して発光さ
せることができる。

【００５８】この効果は、従来のボトム型に代表される
ＩＴＯ等の透明電極からの光取り出しデバイスと比較し
て、キャビティ効果を積極的に利用するＴＡＣ素子にお
いて顕著である。ＴＡＣ素子において、キャビティ効果
は、有機層１４の膜厚すなわち、有機薄膜の膜厚がキャ
ビティ長として制限されるからである。

【００５９】特に、有機層１４が、結晶化温度を持たな
い有機材料として、スターバーストアミン型正孔輸送材
料を含有するようにすれば、後述の実施例からも明らか
なように、より高い効果を得ることができる。

【００６０】また、本実施の形態では、陰極１５の第２
層１５ｂがランタノイド元素およびハフニウムのうちの
少なくとも１種を含有するようにすれば、ランタノイド
元素を含有しない従来の表示素子と比較して、初期劣化
による輝度の低下を小さく抑えることが可能になる。従
って、表示素子１１の寿命特性、さらにはこの表示素子
１１を用いて構成された表示装置の寿命特性が向上す
る。

【００６１】また、ランタノイド元素またはハフニウム
を酸化物として用いれば、ランタノイド元素またはハフ
ニウムの酸化物は光透過率が大きいため、陰極１５の光
透過性を確保することができる。従って、陰極１５側か
らの光の取り出し効率を良好に維持することが可能にな
る。

【００６２】しかも、ランタノイド元素などの酸化物を
原料とした膜は、常温での真空蒸着やスパッタ成膜にお
いて基板１２の温度を制御することなく形成することが
できるので、有機層１４に対する影響を抑制することが
できる。

【００６３】以上のことから、図１を用いて説明した構
成の表示素子１１は、ＴＦＴが形成された基板１２を用
いた上面発光型の表示装置、すなわちＴＡＣ構造の表示
装置用の表示素子として極めて有効に用いることがで
き、その光取り出し効率を確保しつつも寿命特性の向上
を図ることが可能になる。

【００６４】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例１〜７、およ
びこれらの実施例に対する比較例１，２の表示素子の製
造手順を説明し、その後これらの評価結果を説明する。

【００６５】（実施例１〜７）実施例１〜７において
は、上述した実施の形態において、図１に示した構成の
表示素子１１を形成した。先ず、実施例１〜７の表示素
子１１の製造手順を説明する。

【００６６】３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス板からなる基
板１２上に、陽極１３としてクロム（Ｃｒ）よりなる膜
（膜厚約１００ｎｍ）を形成し、さらに二酸化ケイ素
（ＳｉＯ２）を蒸着させることにより、２ｍｍ×２ｍ
ｍの発光領域以外に絶縁膜でマスクした有機電界発光素
子用のセルを作製した。

【００６７】次に、真空蒸着法により、有機層１４の正
孔注入層１４ａとして結晶化温度を持たない１ｍ−ＴＮ
ＡＴＡ，２ｍ−ＴＮＡＴＡあるいはＣｕＰｃよりなる膜
を３０ｎｍの膜厚（蒸着速度０．２〜０．４ｎｍ／ｓｅ
ｃ. ）で形成した。表１に、１ｍ−ＴＮＡＴＡおよび２
ｍ−ＴＮＡＴＡのガラス転移温度（Ｔｇ）および結晶化
温度（Ｔｃ）を示す。

【００６８】

【表１】

【００６９】次いで、第１層にＣｕＰｃを用いた場合に
は、第２層としてスターバースト系材料を真空蒸着し、
この場合には第３層としてα−ＮＰＤよりなる膜を成膜
した。第１層に１ｍ−ＴＮＡＴＡあるいは２ｍ−ＴＮＡ
ＴＡよりなる膜を成膜した場合には、正孔輸送層１４ｂ
としてα−ＮＰＤよりなる膜を３０ｎｍの膜厚（蒸着速
度０．２〜０．４ｎｍ／ｓｅｃ. ）で形成した。また、
第１層として１ｍ−ＴＮＡＴＡおよび２ｍ−ＴＮＡＴＡ
を膜厚比で１：１に共蒸着した注入層も成膜し、この場
合には正孔輸送層１４ｂとしてα−ＮＰＤを第２層に成
膜した。

【００７０】このようにして形成された正孔注入層１４
ａおよび正孔輸送層１４ｂ上に、次に電子輸送性の有機
発光層１４ｃとして、Ａｌｑ３を蒸着し、膜厚５０ｎｍ
の膜を形成した。その際、Ａｌｑ３には図９に示すクマ
リン６を相対膜厚比で１％ドーピングして電子輸送性の
有機発光層１４ｃとした。

【００７１】以上のようにして、正孔注入層１４ａ、正
孔輸送層１４ｂおよび電子輸送性の有機発光層１４ｃを
順次積層してなる有機層１４を形成した後、陰極１５の
第１層１５ａとして、Ｌｉ２Ｏよりなる膜を真空蒸着
法により約０．３ｎｍ（蒸着速度０．０１ｎｍ／ｓｅ
ｃ．）の膜厚で形成した。

【００７２】次に、陰極１５の第２層１５ｂを１．５ｎ
ｍの膜厚で形成した。その際、実施例１〜５ではＬｉ２
Ｏを用い、実施例６ではＥｒ２Ｏ３を用い、実施例
７では一次イオン化ポテンシャルの大きい材料の一例と
してＨｆＯ２を用いた。

【００７３】最後に、真空蒸着法により、第２層１５ｂ
上に陰極１５の第３層１５ｃとして膜厚１０ｎｍのＭｇ
Ａｇ膜を形成した。

【００７４】以上の実施例１〜７の具体的な構造を表２
に示す。

【００７５】

【表２】

【００７６】（比較例１，２）比較例１，２として、正
孔注入層に明確な結晶化温度を持つ１−ＴＮＡＴＡある
いは２−ＴＮＡＴＡを用いて、図１に示した表示素子を
作製した。その際、正孔注入層以外の各層は表２に示し
た材料を用いて形成した。表１に１−ＴＮＡＴＡおよび
２−ＴＮＡＴＡのガラス転移温度（Ｔｇ）および結晶化
温度（Ｔｃ）を示す。

【００７７】（評価結果）以上のようにして作製した実
施例１〜７および比較例１，２の表示素子について、輝
度の経時変化を調べ、本発明の効果を検証した。その結
果を表２および図１０に示す。

【００７８】表２には、実施例１〜７および比較例１，
２について、２００時間後の相対輝度の変化量を示し
た。また、実施例１，２および比較例１については半減
期間を示した。また、図１０には、代表して実施例１，
２および比較例１，２についての輝度の経時変化（０〜
２００時間）を、それぞれの表示素子における初期の輝
度を１とした相対輝度として表した劣化曲線を示した。
なお、初期輝度は１２００ｃｄ／ｍ² とした。

【００７９】表２から明らかなように、１種または２種
の結晶化温度を持たない有機材料を用いた実施例１〜７
によれば、結晶化温度を持つ有機材料を用いた比較例
１，２に比べて、駆動２００時間後の相対輝度について
高い値が得られた。また、半減期間についても、実施例
１，２の方が比較例１よりも長かった。すなわち、ＴＡ
Ｃ構造において正孔注入層１４ａあるいは正孔輸送層１
４ｂに、１種または２種の結晶化温度を持たない有機材
料（スターバーストアミン型正孔輸送材料）を用いれ
ば、劣化が抑制され、長期にわたって安定した発光が得
られることが確認された。

【００８０】また、図１０からも明らかなように、２０
０時間後の相対輝度は、比較例１では８１％、比較例２
では８５％まで劣化したのに対し、実施例１と実施例２
とでは８９％であった。実施例１と実施例２とでは正孔
注入層１４ａを構成する材料の骨格が異なるにも関わら
ず、それらの劣化曲線はほぼ重なっている。この結果よ
り、材料の骨格よりも膜としての性質、すなわち、結晶
化温度を持たないという性質が主要因で寿命が改善され
ることが明らかになった。

【００８１】以上、実施の形態および実施例を挙げて本
発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施
例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例
えば、表示素子１１の構成は一例であり、本発明の表示
素子はこのような構成に限定されるものではない。

【００８２】また、上記実施の形態においては、ＴＦＴ
基板を用いたアクティブマトリックス方式の表示装置に
用いる表示素子として説明したが、パッシブ方式の表示
装置に用いる表示素子としても適用可能であり、効果と
しては小さいが、改善することは可能である。

【００８３】更に、上記実施の形態においては、基板１
２と反対側に設けた陰極１５側から発光光を取り出す上
面発光型の表示層素子について説明したが、基板を透明
材料に構成することによって、発光光を基板側から取り
出す透過型の表示素子にも適用することができる。この
場合、図１を用いて説明した積層構造を、基板側から逆
に積み上げた構成にする。この場合、上部電極となる陽
極を透明材料で構成することで、基板と反対側から発光
光を取り出すことも可能になる。

【００８４】さらに、上記実施形態においては、陰極１
５にのみにランタノイド元素を含有させた構成を説明し
たが、ランタノイド元素は、陰極と共に陽極に、または
陽極のみに含有させても良い。この場合、陽極にランタ
ノイド元素を含有する層を設けたり、単層構造の陽極に
ランタノイド元素を含有させても良い。ランタノイド元
素は、酸化物として含有させても良い。特に、陽極に光
透過性が求められる場合には、光透過性に優れたランタ
ノイド元素の酸化物を用いることが好ましい。また、ラ
ンタノイド元素の酸化物は、有機層との間の仕事関数の
関係から、陽極として有機層と接する状態で設けること
も可能である。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項７のいずれか１項に記載の表示素子によれば、陰極と
陽極との間の有機層に結晶化温度を持たない有機材料を
含有させるようにしたので、初期劣化およびその後の定
常的な劣化の速度を小さく抑えることができ、これによ
り長時間の安定した発光が得られる。

【００８６】また、請求項７記載の表示素子によれば、
結晶化温度を持たない有機材料として、スターバースト
アミン型正孔輸送材料を用いるようにしたので、より高
い効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る表示素子の一構成
例を示す断面図である。

【図２】有機層の一構成材料に含まれるスターバースト
骨格の構造式である。

【図３】有機層の構成材料の一例としての１ｍ−ＴＮＡ
ＴＡの構造式である。

【図４】有機層の構成材料の一例としての２ｍ−ＴＮＡ
ＴＡの構造式である。

【図５】有機層の構成材料の一例としてのα−ＮＰＤの
構造式である。

【図６】有機層の構成材料の一例としてのＡｌｑ３の構
造式である。

【図７】１−ＴＮＡＴＡの構造式である。

【図８】２−ＴＮＡＴＡの構造式である。

【図９】本発明の実施例１，２，５，６，７に係る有機
発光層に添加したクマリン６の構造式である。

【図１０】本発明の実施例１，２に係る相対輝度の経時
変化を比較例１，２と共に示す特性図である。

【図１１】従来の表示素子の一構成例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１１…表示素子、２，１２…基板、３，１３…陽
極、４，１４…有機層、４ａ，１４ａ…正孔注入
層、４ｂ，１４ｂ…正孔輸送層、４ｃ，１４ｃ…有機発
光層、５，１５…陰極、１５ａ…第１層、１５ｂ
…第２層、１５ｃ…第３層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極と陽極との間に、少なくとも有機発
光層を含む有機層を備えた表示素子であって、前記有機層は、結晶化温度を持たない有機材料を含有す
る層を有することを特徴とする表示素子。
【請求項２】前記有機層は、前記陽極と前記有機発光
層との間に第１層および第２層を有し、これら第１層お
よび第２層のうちの少なくとも一方が、前記結晶化温度
を持たない有機材料を含有する層であることを特徴とす
る請求項１記載の表示素子。
【請求項３】前記第１層は正孔注入層、前記第２層は
正孔輸送層であることを特徴とする請求項２記載の表示
素子。
【請求項４】前記陽極が主成分として不透明な金属を
含有することを特徴とする請求項１記載の表示素子。
【請求項５】前記陽極の主成分は、クロム（Ｃｒ），
モリブテン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃ
ｕ），銀（Ａｇ）または金（Ａｕ）からなる群のうちの
少なくとも１種であることを特徴とする請求項４記載の
表示素子。
【請求項６】前記有機層の第１層および第２層の少な
くとも一方は、２種以上の結晶化温度を持たない有機材
料を含有する混合層により形成されていることを特徴と
する請求項２記載の表示素子。
【請求項７】前記結晶化温度を持たない有機材料は、
スターバーストアミン型正孔輸送材料であることを特徴
とする請求項４記載の表示素子。