JP2005026210A - 有機ｅｌ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電子輸送層から発光層への電子の注入効率を向上させ、さらに前記発光層中における電子の閉じ込め効率を向上させた、効率の高い有機ＥＬ素子、およびかかる有機ＥＬ素子を使った表示装置を提供する。
【解決手段】 有機ＥＬ素子は、正孔輸送層と、前記正孔輸送層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成された電子輸送層よりなり、前記正孔輸送層は第１の電子親和力を有し、前記電子輸送層は、第2の、より大きな電子親和力を有し、前記発光層は、前記第１の電子親和力と第２の電子親和力との間の電子親和力を有し、前記発光層と前記正孔輸送層との間において、０．１５ｅＶ以上の電子親和力差が存在し、前記電子輸送層と前記発光層との間において、０．１５ｅＶ以下の電子親和力差が存在する。
【選択図】 図４
【解決手段】 有機ＥＬ素子は、正孔輸送層と、前記正孔輸送層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成された電子輸送層よりなり、前記正孔輸送層は第１の電子親和力を有し、前記電子輸送層は、第2の、より大きな電子親和力を有し、前記発光層は、前記第１の電子親和力と第２の電子親和力との間の電子親和力を有し、前記発光層と前記正孔輸送層との間において、０．１５ｅＶ以上の電子親和力差が存在し、前記電子輸送層と前記発光層との間において、０．１５ｅＶ以下の電子親和力差が存在する。
【選択図】 図４
Description
本発明は一般に表示装置に係り、特に有機ＥＬ素子、およびこれを用いた有機ＥＬ表示装置に関する。
有機ＥＬ素子は自発光、高速応答などの特徴を有し、平面表示装置などへの応用が期待されている。
正孔輸送性有機膜と電子輸送性有機膜を積層した積層型素子の報告（C. W. Tang and S. A. VanSlyke, Applied Physics Letters vol.51, 913 (1987) ）以来、有機EL素子は、１０V以下の低電圧で発光する大面積発光素子として関心を集めている。この従来の有機ＥＬ素子は、緑色発光を示す。
図１は典型的な積層型有機ＥＬ素子１０の構成を示す。
図１を参照するに、有機ＥＬ素子１０は、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3・ＳｎＯ2）など透明電極１１Ａを担持したガラスなどの透明基板１１上に形成され、前記正孔輸送性有機膜よりなる正孔輸送層１２と、発光層１３と、前記電子輸送性有機膜よりなる電子輸送層１４とを積層した構成を有し、前記電子輸送層１４上にはＡｌなどの電極１５が形成される。
そこで図１に示すように直流駆動電源１６を設け、前記直流駆動電源１６から前記電子輸送層１４にコンタクトする電極１５に負電圧を、また前記正孔輸送層１２にコンタクトする電極１１Ａに正電圧を印加することにより、前記発光層１３には前記正孔輸送層１２を介して正孔が、また前記電子輸送層１４を介して電子が注入され、前記発光層１３中における電子および正孔の再結合により、所望の発光が、前記発光層１３中において、前記発光層１３のエネルギギャップに対応した波長で生じる。
このうち前記発光層１３は、上述のTang and VanSlykeによる２層型素子の場合のように、正孔輸送層または電子輸送層がその機能を兼ねる構成も可能である。また、高発光効率の有機EL素子を得るために、発光層の構成として、1種類の材料で形成される単独膜に加えて、主成分であるホスト材料中に蛍光発光性の高い色素分子を少量ドープする色素ドープ膜が提案されている（C. W. Tang, S. A. VanSlyke, and C. H. Chen, Applied Physics Letters vol.65, 3610 (1989)）。
このような有機ＥＬ素子において、高効率な素子を得るためには、発光層１３中に電子と正孔が閉じ込められて再結合が促進されるように、正孔輸送層１２と電子輸送層１４の特性を最適に制御することが重要である。
図２は、図１の有機ＥＬ素子１０のエネルギ構造を示す図である。
図２を参照するに、電極層１１Ａから前記正孔輸送層１２に注入された正孔は、前記層１２を通って前記発光層１３に輸送され、蓄積される。同様に電極層１５から電子輸送層１４に注入された電子は、前記層１４を通って前記発光層１３に輸送され、蓄積される。
このように、図１の有機ＥＬ素子１０では前記発光層１３において電子および正孔が蓄積され、これらが再結合することにより、前記発光層１３中におけるエネルギギャップＥｇに対応した波長において、発光が生じる。
特開２００１−３５７９１５号公報
米国特許６３９２２５０号公報
特開平６−３１４５９４号公報
特開２００３−６８４６８号公報
C. W. Tang and S. A. VanSlyke, Applied Physics Letters vol.51, 913 (1987)
C. W. Tang, S. A. VanSlyke, and C. H. Chen, Applied Physics Letters vol.65, 3610 (1989)
従来、波長の長い赤色あるいは緑色の発光を行う有機ＥＬ素子においては、前記発光層１３におけるエネルギギャップＥｇの値が比較的小さく、このため隣接する正孔輸送層１２との間に比較的大きな電子親和力差ΔＥaが、また隣接する電子輸送層１４との間に比較的大きなイオン化ポテンシャル差ΔＩpが確保される。換言すると、正孔輸送層１２から発光層１３に注入された正孔は、前記電子輸送層１４が形成する高いポテンシャル障壁に遭遇し、電子輸送層１４を超えて電極１５へと逃げ出すことができない。同様に、電子輸送層１４から発光層１３に注入された電子は、正孔輸送層１２が形成する高いポテンシャル障壁に遭遇し、正孔輸送層１２を超えて電極１１Ａへと逃げ出すことができない。このため、赤色あるいは緑色に発光する有機ＥＬ素子では、従来比較的高い発光効率が実現されている。
これに対し、波長が５００ｎｍあるいはそれ以下の青色で発光する有機ＥＬ素子では、発光層１３のエネルギギャップＥｇが増大するため、図３に示すように特に電子親和力側のポテンシャル障壁高さΔＥａが非常に小さくなり、発光層１３に注入された電子は正孔輸送層１２へと容易に逃げてしまう。また電子輸送層１４と発光層１３との間のポテンシャル障壁高さΔEｂは非常に大きくなり、前記電子輸送層１４から発光層１３への電子の注入が困難になる。その結果、前記発光層１３における発光効率は低下し、有機ＥＬ素子から得られる光出力が著しく低下してしまう。
そこで、本発明は上記の問題点を解決した、新規で有用な有機ＥＬ素子を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、電子輸送層から発光層への電子の注入効率を向上させ、さらに前記発光層中における電子の閉じ込め効率を向上させた、効率の高い有機ＥＬ素子、およびかかる有機ＥＬ素子を使った表示装置を提供することにある。
本発明は上記の課題を、正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含む、有機薄膜層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶあり、かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eVであることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子により、解決する。
本発明はまた、上記の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記負極と前記電子輸送層との間に、前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLよりも小さい仕事関数を有する金属元素を含む電子注入層を設ける。
本発明によれば、前記電子輸送層と前記発光層との間の電子親和力差が０．１５ｅＶ以下であるため、前記電子輸送層から前記発光層に電子を注入する際のポテンシャル障壁高さが低減され、前記発光層に効率的に電子を注入できる。また前記発光層と前記正孔輸送層との間の電子親和力差が０．１５ｅＶ以上あるため、前記電子輸送層から前記発光層に注入された電子は、前記正孔輸送層が形成する大きなポテンシャル障壁により、前記発光層中に閉じ込められる。その結果、前記発光層中における電子と正孔の再結合確率が増大し、有機ＥＬ素子の発光効率が向上する。
その際、前記前記負極と前記電子輸送層との間に、前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLよりも小さい仕事関数を有する金属元素を含む電子注入層を設けることにより、前記負極から電子輸送層への電子注入効率が向上し、有機ＥＬ素子の駆動電圧が低下すると同時に輝度が向上する。
かかる本発明による有機ＥＬ素子の発光効率の向上は、特に短波長の発光を生じる青色発光素子において顕著であり、本発明によれば、発光効率の高い青色有機ＥＬ素子を得ることができる。また本発明によれば、基板上に、このようにして形成された青色有機ＥＬ発光素子を、赤色および緑色有機ＥＬ発光素子と共に配列することにより、フルカラー表示装置を構成することが可能になる。
［原理］
図４は、本発明の原理を示す図である。ただし図４中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図４は、本発明の原理を示す図である。ただし図４中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図４を参照するに、本実施例においては正孔輸送層１２および電子輸送層１４の材料を、発光層１３に対して最適化することにより、前記発光層１３と正孔輸送層１２との間に形成されるポテンシャル障壁ΔＥａ（＝EaEML−EaHTL；EaEMLは発光層１３の電子親和力、EaHTLは正孔輸送層１２の電子親和力）を０．１５ｅＶ以上に、また前記電子輸送層１４と発光層１３との間に形成されるポテンシャル障壁ΔＥｂ（＝EaETL−ＥaEML；EaETLは電子輸送層１４の電子親和力）を０．１５ｅＶ以下に設定する。図４では電子輸送層１４の電子親和力EaETLの方が発光層１３の電子親和力ＥaEMLよりも大きく描かれているが、前記ΔEb≦０．１５ｅＶの関係は、前記発光層１３の電子親和力が電子輸送層１４の電子親和力よりも大きい場合にも成立する。
その結果、前記電子輸送層１４から発光層１３へと電子を注入する際に電子が感じるポテンシャル障壁ΔＥｂの高さが低減し、あるいは消滅し、前記電子輸送層１４から発光層１３への電子の注入が効率的に生じる。また前記発光層１３中に注入された電子は、前記正孔輸送層１２との間のポテンシャル障壁ΔＥａに阻まれてＩＴＯ電極１１Ａへと逃げ出すことができず、このため前記発光層１３中において効率的な電子の蓄積が生じる。
その結果、前記発光層１３中においては、蓄積した電子および正孔の再結合により、波長が短い青色であっても効率的な発光が生じる。またその際に、正孔輸送層および電子輸送層として、前記発光層よりも大きなエネルギギャップＥｇを有する材料を使うことにより、正孔輸送層あるいは電子輸送層中における好ましくない発光が抑制され、得られるＥＬ発光の色純度が向上する。
［第１実施例］
図５は、本発明の第１実施例による有機ＥＬ素子２０の構成を示す。
［第１実施例］
図５は、本発明の第１実施例による有機ＥＬ素子２０の構成を示す。
図５を参照するに、ガラス基板２１上にはＩＴＯ電極２１Ａが形成されており、前記ＩＴＯ電極２１Ａ上には、化学式
で表される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）よりなる正孔注入層２２が、約４０ｎｍの厚さに形成され、さらに前記正孔注入層２２上には、保土ヶ谷化学工業株式会社より、商品名ＥＬ−０２４として供給されているアミン系材料よりなる正孔輸送層２３が、１０ｎｍの厚さに形成される。
さらに前記正孔輸送層２２Ａ上には、化学式
さらに前記発光層２４上には、化学式
図５の有機ＥＬ素子２０は、例えば前記ＩＴＯ電極層２１Ａを形成されたガラス基板２１に対して水、アセトン、イソプロピルアルコールを使った超音波洗浄を施し、さらにＵＶオゾン処理した後、真空蒸着装置中、１×１０-6Ｔｏｒｒの圧力下、室温において各層の真空蒸着を行うことにより、形成される。
図６は、図５の有機ＥＬ素子２０のエネルギ構造を示す。
図６を参照するに、前記正孔注入層２２，正孔輸送層２３，発光層２４，電子輸送層２５は、それぞれ２．１９ｅＶ，２．２９ｅＶ，２．４７ｅＶ，２．５８ｅＶの電子親和力Ｅａを有し、また５．１９ｅＶ，５．４３ｅＶ，５．９０ｅＶ，６．２０ｅＶのイオン化ポテンシャルＥｐを有するが、前記電子親和力Ｅａの値は、各々の層を構成する材料について、イオン化ポテンシャルＩｐを標準的な大気雰囲気型紫外線光電子分析装置（理研計器株式会社製のＡＣ−２型装置）により求め、さらに各々の材料について、長波長側光吸収端の測定よりギャップエネルギＥｇを求め、関係
Ｅａ＝Ｉｐ−Ｅｇ
を使って求めている。
Ｅａ＝Ｉｐ−Ｅｇ
を使って求めている。
図６の例では、前記正孔輸送層２３，発光層２４，電子輸送層２５は、それぞれ３．１４ｅＶ，２．９２ｅＶ，３．６２ｅＶのギャップエネルギＥｇを有する。
図６中、前記発光層２４中には先にも説明したように、実際に発光を生じるＴＰＰＹが含まれており、ＴＰＰＹの電子親和力Ｅａは２．８１ｅＶ，イオン化ポテンシャルＩｐは５．７３ｅＶである。
図７は、このようにして作製された有機ＥＬ素子２０について、１０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で駆動した場合に得られたＥＬスペクトルを示す。
この有機ＥＬ素子２０は４．０Ｖ以上の駆動電圧で青色発光を示し、図７よりわかるように１０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度における発光輝度は１６０ｃｄ／ｍ2であった。また、得られたＥＬ発光のＣＩＥ色座標はｘ＝０．１６４，ｙ＝０．０８３であり、高色純度の青色発光が得られていることが確認された。なお、この青色発光は、前記発光層２４中に含まれているＴＰＰＹ本来の発光スペクトルに対応している。
本実施例においては、図６よりわかるように、発光層２４と正孔輸送層２３との間の電子親和力差ΔＥａが、青色発光を実現するために発光層２４が３．４３ｅＶと大きなギャップエネルギを有しているにもかかわらず０．１８ｅＶと大きな値を有し、このため前記発光層２４中に注入された電子は、層２４から逃げ出すことがなく、効果的に蓄積される。また前記電子輸送層２５と発光層２４との間の電子親和力差ΔＥｂは０．１１ｅＶ程度であり、このため図５の有機ＥＬ素子では、電子輸送層２５から発光層２４への効率的な電子注入が実現される。図７の有機ＥＬスペクトルは、このような本実施例による有機ＥＬ素子２０における発光層２４への効果的な電子注入および発光層２４における効果的な電子閉じ込めの効果を反映しているものと考えられる。
なお、図６のエネルギ図において、前記正孔輸送層２３を省略し、正孔注入層２３を発光層２４まで延長し、これを正孔輸送層として使うことにより、発光層２４と正孔輸送層２２との間にさらに大きな電子親和力段差ΔＥａを形成することも考えられるが、この場合には、前記発光層２４が有機ＥＬ素子の青色発光に対応して大きなエネルギギャップ、従って大きなイオン化ポテンシャルを有しているため、正孔輸送層２２と発光層２４との間に大きなイオン化ポテンシャル段差が生じる。このため、正孔輸送層２２から発光層２４への正孔の注入が実質的に不可能になってしまう。
本実施例による有機ＥＬ素子２０では、前記正孔注入層２２と発光層２４との間に正孔輸送層２３を設けることにより、前記発光層２４を前記正孔注入層２２上に直接に設けた場合に生じるイオン化ポテンシャルの段差が緩和され、その結果、前記発光層２４への正孔の注入も促進される。
［比較例１］
次に本実施例の有機ＥＬ素子２０に対する比較例として、図８に示すエネルギ構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。ただしこの比較例による有機ＥＬ素子は、図５に示したものと同一の層構造を有している。
［比較例１］
次に本実施例の有機ＥＬ素子２０に対する比較例として、図８に示すエネルギ構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。ただしこの比較例による有機ＥＬ素子は、図５に示したものと同一の層構造を有している。
この比較例１では、前記正孔輸送層２３として、前記ＥＬ０２４の代わりに化学式
図８を参照するに、本実施例においては前記発光層２４と正孔輸送層２３との間の電子親和力差ΔＥａがわずかに０．０５ｅＶであり、発光層２４に注入された電子は容易に正孔輸送層２３へと逃げてしまう。また電子輸送層２５と発光層２４との間の電子親和力差ΔＥｂは０．６Ｖに達し、電子輸送層２５から発光層２３への電子の注入が非常に困難になる。
これに伴い、上記比較例１による有機ＥＬ素子は、発光層２３にＴＰＰＹを使うことにより４．０Ｖ以上の駆動電圧で駆動した場合には青色発光するものの、図５の素子２０と同様に１０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で駆動した場合、図９のスペクトルに示すように発光輝度は１３０ｃｄ／ｍ2程度にしかならず、発光ピーク強度は図７の場合の１／３程度まで劣化してしまう。しかも、図９よりわかるように、ＥＬスペクトルの長波長側にテールが現れている。ただし、図９の発光スペクトルは、先に図７で説明したスペクトルと発光強度のスケールを一致させてある。これは、電子輸送層２５に使われたＡｌｑ3のエネルギギャップＥｇが小さいため、電子輸送層２５に蓄積した電子が層２５において５５０ｎｍ付近の長波長において発光を生じているためと考えられる。このように、比較例１の有機ＥＬ素子は、所望の波長以外の波長でも発光が生じるため色純度が劣り、これに対応して、ＣＩＥ色座標もｘ＝０．１８３，ｙ＝０．１５０程度の値に劣化することが確認された。
［比較例２］
次に本実施例の有機ＥＬ素子２０に対する別の比較例として、図１０に示すエネルギ構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。ただしこの比較例による有機ＥＬ素子も、図５に示したものと同一の層構造を有している。
［比較例２］
次に本実施例の有機ＥＬ素子２０に対する別の比較例として、図１０に示すエネルギ構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。ただしこの比較例による有機ＥＬ素子も、図５に示したものと同一の層構造を有している。
この比較例２では、前記正孔輸送層２３として、前記ＥＬ０２４の代わりにＮＰＤを使い、一方電子輸送層２５としては、図５の素子２０と同様にＢＣＰを使った。
図１０を参照するに、この比較例２の有機ＥＬ素子では、電子輸送層２５と発光層２４との間の電子親和力差ΔＥｂが０．１１ｅＶまで減少し、電子輸送層２５から発光層２４への電子の注入効率は改善される。一方、発光層２４と正孔輸送層２３との間の電子親和力差ΔＥａは比較例１の場合と同じであり、従って、発光層２４に注入された電子は容易に正孔輸送層２３へと脱出している。
図１１は、この比較例２の有機ＥＬ素子を１０ｍＡ／ｃｍ2の駆動電流密度で駆動した場合に得られるＥＬスペクトルを示す。
この比較例２の有機ＥＬ素子も４．０Ｖ以上の駆動電圧で駆動した場合には青色発光を示し、図１１のスペクトルよりわかるように前記電子親和力差ΔＥｂが０．１１ｅＶまで減少したことにより、電子輸送層２５中における長波長での発光は消滅し、これに伴ってＥＬスペクトルの形状はよりシャープになり、また色純度も、ＣＩＥ色座標でｘ＝０．１６１、ｙ＝０．０８６と、前記実施例１と同程度まで向上しているのがわかる。
一方、先に説明した前記発光層２４における電子の閉じ込め効率が低い事情を反映して、発光強度およびＥＬピーク強度は低く、例えば電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2の場合の発光輝度は１３４ｃｄ／ｍ2程度にしかならない。またスペクトルピーク強度も、前記比較例１の場合に比べると２倍程度まで改善されているものの、先の実施例１の場合に比べると２／３程度に留まっている。
以下の表１に、本実施例、比較例１および比較例２の構成および発光特性をンまとめて示す。
また 、本実施例では、正孔輸送層２３のエネルギギャップＥｇ（２３）および電子輸送層２５のエネルギギャップＥｇ（２５）は、いずれも発光層２４のエネルギギャップＥｇ（２４）よりも大きく、このため層２３あるいは２５におけるキャリア再結合による発光が生じないことがわかる。
［第２実施例］
図１２は、本発明の第２実施例による平面表示装置４０の構成を示す。
［第２実施例］
図１２は、本発明の第２実施例による平面表示装置４０の構成を示す。
図１２を参照するに、平面表示装置４０は、ガラス基板４１と、前記ガラス基板４１上に行列状に配列された、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および（Ｂ）の有機ＥＬ素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂを含み、前記有機ＥＬ素子４２Ｂとしては、先に図５，６で説明したものが使われる。
一方、有機ＥＬ素子４２Ｒは図５の素子と同様な層構造を有するが、前記正孔輸送層２３としてα−ＮＰＤを、発光層２４として、化学式
また前記ガラス基板４１上には走査電極４１Ｓとデータ電極４１Ｄとが延在し、前記走査電極４１Ｓとデータ電極４１Ｄの交差点には薄膜トランジスタＴＲ，ＴＧ，ＴＢが、前記有機ＥＬ素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂにそれぞれ対応して形成されている。
前記薄膜トランジスタＴＲ，ＴＧ，ＴＢの各々は、前記走査電極４１Ｓ上の走査信号により選択され、データ電極上の駆動信号に従って対応する有機ＥＬ素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂを駆動する。
このように、図１２の平面表示装置４０は、赤色有機ＥＬ素子４２Ｒおよび緑色有機ＥＬ素子４２Ｇの他に、高効率で駆動される青色有機ＥＬ素子４２Ｂを含んでおり、その結果、高い効率で、フルカラー表示を行うことが可能である。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
また本発明は必ずしも青色有機ＥＬ素子に限定されるものではなく、緑色あるいは赤色の有機ＥＬ素子であっても、発光層とこれに隣接する層との間のエネルギ関係が本発明の範囲内であれば、同様な効果が得られる。
さらに本発明は、発光層が電子輸送層および正孔輸送層に直接に狭持される場合に限定されるものではなく、例えば図４の構成において電子輸送層１４と発光層１３との間に電子注入層を設ける場合、あるいは正孔輸送層１２と発光層１３との間に正孔注入層を設ける場合などをも含むものである。
［第３実施例］
ところで、図６のエネルギ構造を有する本発明の有機ＥＬ素子では、前記電子輸送層２５から発光層２４への電子注入効率が、前記電子輸送層２５としてＢＣＰを使うことにより大きく改善され、発光効率が向上するが、かかるＢＣＰ電子輸送層２５の使用に伴い、前記負極２６と電子輸送層２５との間には電子準位（ＬＵＭＯ：lowest unoccupied molecular orbital）に大きな段差が生じ、これにより負極２６から電子輸送層２５への電子の注入効率が低下することがある。このような電子の注入効率の低下は、駆動電圧の増大として現れる。
［第３実施例］
ところで、図６のエネルギ構造を有する本発明の有機ＥＬ素子では、前記電子輸送層２５から発光層２４への電子注入効率が、前記電子輸送層２５としてＢＣＰを使うことにより大きく改善され、発光効率が向上するが、かかるＢＣＰ電子輸送層２５の使用に伴い、前記負極２６と電子輸送層２５との間には電子準位（ＬＵＭＯ：lowest unoccupied molecular orbital）に大きな段差が生じ、これにより負極２６から電子輸送層２５への電子の注入効率が低下することがある。このような電子の注入効率の低下は、駆動電圧の増大として現れる。
これに対し、図１３は、上記の課題を解決した、本発明の第３実施例による有機ＥＬ素子のエネルギ構造を示す。
図１３を参照するに、本実施例では前記電子輸送層２５とＡｌ電極２６との間に電子注入層２５Ａを設け、電子注入障壁ΔＥｃを減少させる。
電子注入層２５Ａ自体は公知であり、従来は前記電子輸送層２５として使われるＡｌｑ3層と組み合わせて、ＬｉＦ層がかかる電子注入層２５Ａとして使われていた。その際、Ｌｉ自体は化学的に不安定な元素であるが、フッ化物とすることで電子注入層２５Ａを安定に形成でき、さらにＬｉＦ電子注入層２５ＡをＡｌ電極２６と組み合わせることで、膜中のＦを、有機ＥＬ素子の積層構造を形成後、前記Ａｌ電極２６に吸収させることができ、前記電子注入層２５Ａを金属Ｌｉよりなる層に変化させることができる好ましい特徴が得られる。なお、この場合には前記Ａｌ電極２６と電子注入層２５Ａとの界面にＡｌＦ中間層が形成されるため、かかる電子注入層２５Ａは非常に薄く、典型的には０．５〜１ｎｍ程度の膜厚に形成される。
しかし、このような従来の電子注入層２５ＡではＬｉの仕事関数が２．９ｅＶであり、電子輸送層２５として電子親和力が３．０７ｅＶのＡｌｑ3を使っている限りは電子注入障壁ΔＥｃを実質的にゼロ（ΔＥｃ＝−０．１７ｅＶ）にすることができるが、本実施例のように電子輸送層２５から発光層２４への電子注入効率を向上させるため、電子輸送層２５として電子親和力が２．５８ｅＶのＢＣＰを使った場合、電子注入障壁ΔＥｃは＋０．３２ｅＶまで増大してしまい、電子注入層２５Ａから電子輸送層２５への、従って前記Ａｌ電極２６から電子輸送層２５への電子の注入効率が低下してしまう問題が生じる。
そこで、本実施例では前記電子注入層２５Ａとして、仕事関数の小さいセシウム（Ｃｓ）を、フッ化物の形で使用する。その際、電子注入層２５Ａの膜厚は、従来と同様に０．５〜１ｎｍ程度に設定する。Ｃｓは仕事関数が２．１４ｅＶであり、これはＢＣＰ電子輸送層２５の電子親和力よりも小さく、従って図１３における電子注入障壁ΔＥｃは−０．４４ｅＶとなり、電子注入の障壁は実質的に消滅する。なお、本実施例においても、前記電子注入層２５Ａはフッ化物層の形で形成されているため、電子注入層中のＦ（フッ素）は前記Ａｌ電極２６に吸収され、フッ化物のみならず、金属状態のＣｓも前記ＢＣＰ電子輸送層２５に接触する好ましい特徴が得られる。なお、前記電子注入層２５Ａとしては、セシウム（Ｃｓ）以外にも、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等のＢＣＰ電子輸送層２５の電子親和力よりも小さい仕事関数を持つ金属およびそれらの金属フッ化物を使用してもよい。
以下の表２は、図６の実施例において前記ＢＣＰ電子輸送層２５とＡｌ電極２６との間に膜厚が１ｎｍのＣｓＦ電子注入層を挿入した本実施例（実施例３）による有機ＥＬ素子の電気特性および発光特性を、図６の実施例において前記ＢＣＰ電子輸送層２５とＡｌ電極２６との間に膜厚が０．５nmのＬｉＦ電子注入層を挿入した場合（実施例１）、および図８の比較例において前記電子輸送層２５として従来のＡｌｑ3を使い、Ａｌ電極２６との間に膜厚が０．５ｎｍのＬｉＦ電極層を挿入した場合（比較例）と比較して示す。
図１４は、本実施例による有機ＥＬ素子の発光スペクトルを示す。
図１４を参照するに、発光スペクトルは図７のものと同様であり、本実施例の有機ＥＬ素子は青色で発光していることがわかる。これはまた前記表２の色度の値からも確認される。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１） 正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含む、有機薄膜層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記２） 前記負極と電子輸送層との間には電子注入層が設けられ、前記電子注入層は、前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLよりも小さい仕事関数を有する金属元素を含むことを特徴とする付記１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記３） 前記電子注入層は、前記金属元素を含む金属、合金あるいは化合物よりなることを特徴とする付記２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記４） 前記電子注入層は、前記金属元素のフッ化物よりなることを特徴とする付記２または３記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記５） 前記金属元素はセシウムであることを特徴とする付記２〜４のうち、いずれか一項記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記６） 前記電子注入層はフッ化セシウムよりなり、前記負極はアルミニウムよりなることを特徴とする付記２〜５のうち、いずれか一項記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
（付記７） 前記有機ＥＬ素子は、青色発光素子である付記１〜６のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記８） 前記発光層は、青色発光する有機分子が添加されている付記１〜７のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記９） 前記発光層は、４，４’−ビス（９−カルバゾリル）−ビフェニルよりなり、１，３，６，８−テトラフェニルピレンを含む付記８記載の有機ＥＬ素子。
（付記１０） 前記電子輸送層は、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリンよりなる付記１〜９のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１１） 前記正孔輸送層は、アミン系有機材料よりなる付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１２） 前記発光層と前記正孔輸送層との間には、０．１８ｅＶ以上の電子親和力差が存在する付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１３） 前記発光層と前記正孔輸送層との間には、０．１１ｅＶ以下の電子親和力差が存在する付記１〜１２のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１４） 前記正孔輸送層は第１のイオン化ポテンシャルを有し、前記電子輸送層は第２の、より大きなイオン化ポテンシャルを有し、前記発光層は、前記第１のイオン化ポテンシャルと前記第２のイオン化ポテンシャルとの間のイオン化ポテンシャルを有する付記１〜１３のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１５） 前記発光層は、前記正孔輸送層および電子輸送層のいずれよりも小さなギャップエネルギを有する付記１〜１３のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
（付記１６） 基板と、
前記基板上に形成された、赤色有機ＥＬ素子と緑色有機ＥＬ素子と青色有機ＥＬ素子とを含む有機ＥＬ素子アレイを備えたフルカラー平面表示装置において、
前記青色有機ＥＬ素子は、正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含み、
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とするフルカラー平面表示装置。
前記基板上に形成された、赤色有機ＥＬ素子と緑色有機ＥＬ素子と青色有機ＥＬ素子とを含む有機ＥＬ素子アレイを備えたフルカラー平面表示装置において、
前記青色有機ＥＬ素子は、正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含み、
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とするフルカラー平面表示装置。
（付記１７） 少なくとも前記青色有機ＥＬ素子は、前記電子輸送層と前記負極との間に電子注入層を有し、前記電子注入層は前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLよりも小さい仕事関数を有する金属元素を含むことを特徴とする付記１６記載のフルカラー平面表示装置。
（付記１８） 前記電子注入層は、前記金属元素を含む金属、合金あるいは化合物よりなることを特徴とする付記１７記載のフルカラー平面表示装置。
（付記１９） 前記電子注入層は、前記金属元素のフッ化物よりなることを特徴とする付記１７または１８記載のフルカラー平面表示装置。
（付記２０） 前記金属元素はセシウムであることを特徴とする付記１７〜２０のうち、いずれか一項記載のフルカラー平面表示装置。
（付記２１） 前記電子注入層はフッ化セシウムよりなり、前記負極はアルミニウムよりなることを特徴とする付記１７〜２０のうち、いずれか一項記載のフルカラー平面表示装置。
１０，２０ 有機ＥＬ素子
１１，２１，４１ 基板
１１Ａ，２１Ａ 透明電極
１２，２３ 正孔輸送層
１３，２４ 発光層
１４，２５ 電子輸送層
１５，２６ 電極
１６ 直流駆動電源
２２ 正孔注入層
２５Ａ 電子注入層
４０ 平面表示装置
４１Ｄ データ電極
４１Ｓ 走査電極
４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ 有機ＥＬ素子
ＴＲ，ＴＧ，ＴＢ 薄膜トランジスタ
１１，２１，４１ 基板
１１Ａ，２１Ａ 透明電極
１２，２３ 正孔輸送層
１３，２４ 発光層
１４，２５ 電子輸送層
１５，２６ 電極
１６ 直流駆動電源
２２ 正孔注入層
２５Ａ 電子注入層
４０ 平面表示装置
４１Ｄ データ電極
４１Ｓ 走査電極
４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ 有機ＥＬ素子
ＴＲ，ＴＧ，ＴＢ 薄膜トランジスタ
Claims (9)
- 正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含む、有機薄膜層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。 - 前記負極と電子輸送層との間には電子注入層が設けられ、前記電子注入層は、前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLよりも小さい仕事関数を有する金属元素を含むことを特徴とする付記１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 前記金属元素はセシウムであることを特徴とする請求項２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 前記発光層は、青色発光する有機分子が添加されている請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
- 前記発光層は、４，４’−ビス（９−カルバゾリル）−ビフェニルよりなり、１，３，６，８−テトラフェニルピレンを含む請求項４記載の有機ＥＬ素子。
- 前記電子輸送層は、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリンよりなる請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
- 前記正孔輸送層は第１のイオン化ポテンシャルを有し、前記電子輸送層は第２の、より大きなイオン化ポテンシャルを有し、前記発光層は、前記第１のイオン化ポテンシャルと前記第２のイオン化ポテンシャルとの間のイオン化ポテンシャルを有する請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
- 前記発光層は、前記正孔輸送層および電子輸送層のいずれよりも小さなギャップエネルギを有する請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の有機ＥＬ素子。
- 基板と、
前記基板上に形成された、赤色有機ＥＬ素子と緑色有機ＥＬ素子と青色有機ＥＬ素子とを含む有機ＥＬ素子アレイを備えたフルカラー平面表示装置において、
前記青色有機ＥＬ素子は、正極と負極間に、少なくとも発光層と、前記発光層の正極側に隣接する正孔輸送層と、前記発光層の負極側に隣接する電子輸送層とを含み、
前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記正孔輸送層の電子親和力ＥaHTLとの関係が、
ＥaEML−ＥaHTL≧０．１５ｅＶ
であり、
かつ、前記発光層の電子親和力ＥaEMLと前記電子輸送層の電子親和力ＥaETLとの関係が、
ＥaETL−ＥaEML≦０．１５eV
であることを特徴とするフルカラー平面表示装置。
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