JP2006236916A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明保護層を有しても光取り出しが良好な発光素子を提供する。
【解決手段】 反射金属層と透明保護層の外面との距離を４μｍ以下とし且つ反射金属層と透明保護層の外面との光学距離を該発光層の発光ピーク波長の１／４の奇数倍にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光素子に関する。より具体的には有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。

近年、液晶ディスプレイに代わる表示装置として、有機発光素子を用いた有機発光ディスプレイが注目されている。有機発光ディスプレイは、自発光・広視野角・低消費電力という特性を有し、応答速度が速いため高速の動画表示にも対応できる。

一方、有機発光素子は寿命が問題とされることが多く、劣化原因として水分の影響が知られている。そのため、高耐久の発光素子を得るためには吸湿剤の配置や防湿性をもつ保護膜の形成を行なう等の対策が必要になる。保護膜を持つ有機発光素子の場合、保護膜がない場合と比較して光学特性が異なるため、光の取り出し効率を高めるためには、保護膜を含めた素子全体で設計をする必要がある。

特許文献１には光取り出し側に透明基板が配置されているタイプの発光デバイスが記載されている。高屈折性透明電極と有機多層部との合計光学膜厚が、屈折率１．６〜１．８の有機多層部より発生するエレクトロルミネッセンスの中心波長λ（ここで、λは４４０〜４９０ｎｍ，５００〜５５０ｎｍ及び６００〜６５０ｎｍより選択される。）における強度を増強するように設定されていることと、合計光学膜厚が〔（ｎｄ）１＋（ｎｄ）２〕で表され、かつ式４π／λ〔（ｎｄ）１＋（ｎｄ）２〕＝２ｍπ又は（２ｍ−１）π〔ただし、（ｎｄ）１は有機多層部の光学膜厚、（ｎｄ）２は高屈折性透明電極の光学膜厚、ｍは１〜１０の整数、ｎは屈折率、ｄは膜厚である。〕の関係を満たすように設定されることが記載されている。
特開平０７−２４０２７７号公報

上記特許文献では、透明な基板側から光を取り出すような発光素子の場合に合計光学膜厚を設定することが記載されているが、基板側とは反対側の電極から光を取り出すような構成の場合については記載されていない。また、基板側と反対側の電極から光を取り出すような構成では、水分等の影響による劣化を低減するために、光取り出し側電極の上に保護層を設ける場合がある。その際、特許文献１のように透明電極と有機多層部との間を合計光学膜厚としてデバイスの光学設計を図っても高効率化の効果は得られない。

よって本発明は透明保護層を持つような、発光デバイスにおいても高効率化が可能な発光デバイスを提供することを目的とする。

よって本発明は、
反射金属層からなる第１電極あるいは反射金属層と透明電極層からなる第１電極と、前記第１電極に対向して配置される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置される発光層と、を少なくとも有する発光素子において、
前記第２電極の光取り出し側に前記第２電極に接して配置される透明保護層を更に有し、
前記反射金属層と前記透明保護層の外面との距離は４μｍ以下であり、
且つ前記反射金属層と前記透明保護層の前記外面との光学距離が前記発光層の発光ピーク波長の１／４の奇数倍であることを特徴とする発光素子を提供する。

本発明により保護層と反射金属層との光学距離を最適化することにより保護層を配置しても高い輝度を得る発光素子を提供することが出来る。

本実施の形態に係る発光素子は、
反射金属層からなる第１電極あるいは反射金属層と透明電極層からなる第１電極と、第１電極に対向して配置される第２電極と、
第１電極と前記第２電極との間に配置される発光層と、を少なくとも有する発光素子において、
第２電極の光取り出し側に第２電極に接して配置される透明保護層を更に有し、
反射金属層と透明保護層の外面との距離は４μｍ以下であり、
且つ反射金属層と透明保護層の外面との光学距離が発光層の発光ピーク波長の１／４の奇数倍であることを特徴とする発光素子である。

以後、本発明の実施形態について説明するが、あくまで実施形態の一例であり、本発明はこの形態に限定されるものではない。

図１に示す有機発光素子では基板１１上に反射金属層である第一電極１２上に有機層１３、透明な第二電極１４、透明保護層１５からなっている。

第一電極１２は光を反射する電極になるため、反射率が高くかつ仕事関数の大きい金属が望ましい。例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）の単体または合金であることが好ましい。第一電極１２の反射率は、５０％以上であることがより好ましい。

有機層は発光層を含む一層以上からなる構成であり、例えば正孔輸送層１３１、発光層１３２、電子輸送層１３３と積層された構成をとることができる。この場合、正孔輸送層と電子注入層はそれぞれ発光層へのキャリアの注入効率を高める役割を果たしている。正孔輸送層は例えばαＮＰＤのようなホール輸送性の高い材料で構成されている。発光層は所望の発光色を持つ材料によって構成されている。電子輸送層は例えばＡｌｑやＢｐｈｅｎなどの電子輸送性の高い材料で構成されている。

第二電極１４は導電性が高く、透明な材料を用いることが望ましい。例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯなどを用いることができる。

第一電極１２と透明保護層１５の外面との距離が素子の外部への光取り出しに影響する。第１電極で反射した光と透明保護層外面（外側の界面）で反射して素子内部に戻ってくる光が強めあうようにに１２と１５間の光学距離（膜の屈折率×膜厚）を積層膜厚でコントロールする。基本的には、１２−１５間の光学距離を発光層の発光ピーク波長の１／４の奇数倍近傍にすることで、発光を強めあい光取出しを増加させることができる。１／４の奇数倍近傍とは数式であらわすと、光学膜厚Ｌは
Ｌ＝（ｎ±０．１）λ （ｎは奇数）
ということである。
ただし、この効果は１２−１５間の距離が大きくなるにしたがって小さくなり、４μｍ以上になるとほとんど効果が得られなくなる。

よって、前記奇数倍は１２−１５間の距離４μｍ以下に対応するような、任意の奇数倍を用いることが好ましい。

透明保護層は光透過性が高く、水分や酸素の透過性の低い膜が好ましい。例えば、窒化シリコンからなる薄膜を透明保護膜を用いることができる。

また、透明保護層がある程度の厚さ（例えば２００ｎｍ以上）になる場合は、電極／透明保護層との反射部分も最適化することが好ましい。具体的には、透明保護層の光学膜厚を発光ピーク波長の１／４の偶数倍とすることによって、より高い取り出しを実現できる。
１／４の偶数倍近傍とは数式であらわすと、光学膜厚Ｌは
Ｌ＝（ｎ±０．１）λ （ｎは偶数）
ということである。
ただし、この効果は膜厚が厚くなるにしたがって小さくなり、透明保護層の膜厚３μｍを超えるとほとんど効果が得られなくなる。

よって、前記偶数倍は透明保護層の膜厚２００ｎｍ以上３μｍ以下に対応するような、任意の偶数倍を用いることが好ましい。

発光層の発光ピーク波長は発光素子の構成に変わってしまうため、発光層のみをガラス基板上に１００ｎｍ厚さに成膜し、ブラックライト（３６５ｎｍピーク）を照射して光励起し、発光スペクトルを観測した。その発光スペクトルから発光層の発光ピーク波長を求めた。

このように発光層の発光ピーク波長とは、発光素子に用いられる発光材料が単独で発光する場合の（より具体的には光励起により発光する場合の）発光スペクトルにおける発光ピーク波長のことである。発光素子が有する発光層として発光材料をゲストとして別の有機化合物をホストとするいわゆるホストゲストタイプの発光層があり、その場合発光材料が発する発光の発光ピークがホストの存在によりわずかに変化することがある。しかしながらその変化量は極わずかであるので発光層のピーク波長を特定する際には発光材料が単独で発光する場合の発光スペクトルにおける発光ピーク波長を特定すればよい。

第二電極の透過率は、観察角度を変えたときの素子の発光スペクトル極大値に影響してくる。第二電極の透過率が低くなると（第二電極での反射が大きくなると）、正面視から観察角度を変えたときの素子の発光スペクトルの極大値波長の変動や発光強度変化が大きくなる。第二電極の透過率は８０％以上であることが好ましい。透過率が８０％以上であれば色度・発光強度の変化は小さく、ＣＲＴ等と比較しても遜色のない視野角が得られる。

第一電極は図２のように反射金属層２２と透明電極２３から構成されていてもかまわない。例えば、反射金属層としてＡｇやＡｌなどの反射率の高い金属の上に、ホール注入性が高い透明電極材料であるＩＺＯ，ＩＴＯ等を組み合わせて用いる構成があげられる。このような構成の場合は、反射層２２上面（透明電極２３との界面）と透明保護層外面２６との光学距離を発光ピーク波長の１／４の奇数倍にすることによって、発光の取り出しを強めることができる。

図３は発光色の異なる図１のような発光素子を複数配列した多色有機発光素子アレイの一例である。有機層は正孔輸送層３３１、発光層３３２、電子輸送層３３３，第二電極３４、透明保護層３５からなる。発光層は所望の色を用いることができる。図３では例として発光層３３２Ｒ，３３２Ｇ，３３２Ｂはそれぞれ赤・緑・青の発光色を得られるような発光層を用いている。

本実施形態の発光素子アレイはフルカラーディスプレイパネルに好ましく用いることができる。

（実施例１）
図１に示されるような、基板・反射電極・正孔輸送層・発光層・電子輸送層・透明電極・透明保護層からなる素子を作製した。

ガラス基板上に１００ｎｍのＣｒ膜を形成し、フォトリソグラフィーでパターンニングして、反射電極（第１電極）を形成し、クロム電極基板を作製した。

そのクロム基板電極上に以下の有機層を真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着により所定の膜厚に連続成膜した。ホール輸送材料はαＮＰＤを４５ｎｍ，発光層はホスト材料であるＣＢＰ中に赤発光するＩｒ４ｍｏｐｉｑを１０％共蒸着して成膜した。また電子輸送層は電子輸送材料に電子注入材であるＣｓ２ＣＯ３を１％共蒸着して５０ｎｍ成膜した。その後透明電極（第二電極）をスパッタにより５０ｎｍ形成し、さらにＰＥ−ＣＶＤによって、窒化シリコンからなる透明保護膜を３０ｎｍ形成して、素子Ａを得た。ＣＢＰ中にＩｒ４ｍｏｐｉｑを１０体積％の濃度で分散した蒸着膜は、ブラックライトによる光励起によって、６１０ｎｍの発光ピーク波長を有する。

反射電極から透明保護層の外部までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致した。

（比較例１）
第二電極の厚さが８０ｎｍ以外は実施例１と同様に素子を作製して、素子Ｂを得た。反射電極から第二電極の外面までの光学距離は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致したが、までの反射電極から透明保護層までの距離は奇数倍と一致していなかった。

素子Ａと素子Ｂを比較したところ、１０ｍＡ／ｃｍ２通電したときの輝度は素子Ａを１とすると素子Ｂは０．７程度であった。この結果から、透明保護層を含めて素子を設計した本発明のほうが高い効率を得ることができる。

（実施例２）
図２に示されるような、基板・反射層・透明電極・正孔輸送層・発光層・電子輸送層・透明電極・透明保護層からなる素子を作製した。ガラス基板上に１００ｎｍのＡｇ膜，６０ｎｍＩＴＯの膜を形成し、フォトリソグラフィーでパターンニングして、第１電極を形成し、ＩＴＯ電極基板を作製した。

そのＩＴＯ基板電極上に以下の有機層を真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着により連続成膜。発光層はホスト材料中に赤発光するＩｒ４ｍｏｐｉｑを１０体積％共蒸着して製膜した。また電子輸送層は電子輸送材料に電子注入材であるＣｓ２ＣＯ３を１体積％共蒸着して製膜した。その後透明電極（第二電極）をスパッタにより８０ｎｍ形成し、さらにＰＥ−ＣＶＤによって、窒化シリコンからなる透明保護膜を１６０ｎｍ形成して、素子Ｃを得た。反射電極から透明保護層の外部までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致し、かつ第二電極の外側から透明保護層の外側までの光学膜厚も発光ピーク波長の１／４の偶数倍にほぼ一致している。

（実施例３）
第二電極の厚さが１３０ｎｍ，透明保護層の厚さが１１０ｎｍである以外は実施例２と同様に祖素子を作製し、素子Ｄを得た。反射電極から透明保護層の外部までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致しているが、第二電極の外側から透明保護層の外側までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の偶数倍に一致していない。

（比較例２）
第二電極の厚さが２４０ｎｍ，透明保護層の厚さが１１０ｎｍである以外は実施例３と同様に素子を作製し、素子Ｅを得た。反射電極から第二電極の外側までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致しているが、反射電極から透明保護層の外側までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍に一致していない。

素子ＣとＤ、Ｅと比較すると、１０ｍＡ／ｃｍ２通電したときの輝度は素子Ｃを１とすると素子Ｄは０．９、Ｅは０．５程度であった。この結果から、透明保護層を含めて素子を設計した本発明の素子Ｃ，Ｄのほうが素子Ｅよりも高い効率を得ることができることがわかる。また、反射電極から透明保護層の外部までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致し、かつ第二電極の外側から透明保護層の外側までの光学膜厚が発光ピーク波長の１／４の偶数倍に一致することで、さらに高い効率を得ることができる。

（実施例４）
図３に示されるような、基板・反射電極・正孔輸送層・発光層・電子輸送層・透明電極・透明保護層からなる構成で発光層が異なる多色有機発光素子アレイを作製した。ガラス基板上に１００ｎｍのＣｒ膜を成し、フォトリソグラフィーでパターンニングして、第１電極がＣｒである基板を作製した。

そのＣｒ基板電極上に以下の有機層を真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着により連続成膜した。正孔輸送層・電子輸送層は各色同一膜厚で一括して蒸着を行った。発光層部分はメタルマスクを用いて塗り分けを行い、赤・緑・青の発光を持つような発光層を用いた。また電子輸送層は電子輸送材料に電子注入材であるＣｓ２ＣＯ３を１体積％共蒸着して製膜した。その後透明電極（第二電極）をスパッタにより５０ｎｍ形成して、その後窒化シリコンからなる透明保護膜をＰＥ−ＣＶＤにて形成して発光アレイＡを得た。各色の発光層の発光ピーク波長は、赤素子が６１０ｎｍ、緑素子が５１０ｎｍ，青素子が４７０ｎｍであり、どの色の素子も反射電極から透明保護層までの距離はピーク発光波長の１／４の奇数倍である。

（比較例３）
透明電極の膜厚が８０ｎｍ，透明電極の厚さが３０ｎｍである以外は、実施例４と同様な発光アレイＢを作製した。いずれの色の素子も画反射電極から第二電極の外側までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍とほぼ一致しているが、反射電極から透明保護層の外側までの光学膜厚は発光ピーク波長の１／４の奇数倍に一致していない。

発光アレイＡと発光アレイＢの各色素子部分にそれぞれ１０ｍＡ／ｃｍ２の電流を流して、輝度を各色ごとに比較した。アレイＡの赤素子部分の輝度を１とすると、アレイＢの赤素子分の輝度は０．７だった。同様にアレイＡの緑素子部分の輝度を１とすると、アレイＢの緑素子分の輝度は０．８、アレイＡの青素子部分の輝度を１とすると、アレイＢの青素子分の輝度は０．９だった。いずれのアレイＡのいずれの色の素子も、アレイＢと比較して高い輝度がえられた。

なお、上記の実施例・比較例で用いた材料および素子構成は、図５および表１で示した。

使用した有機材料薄膜の屈折率はいずれもおおよそ１．８であり、ＩＴＯおよび窒化シリコンの屈折率はおおよそ２である。

また各実施例及び比較例における各層の材料と膜厚を以下の表１乃至３に記す。表の％はいずれも体積％である。

本実施形態では有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）を例にあげて説明したが、干渉を利用して光を強めあう素子であれば有機ＥＬ素子に限らない。例えば無機エレクトロルミネッセンス素子に本発明を適用しても良い。

以上に示したように、本発明によると、透明保護層を含めた素子膜厚を設計することにより、効率の高い素子を提供する。

本実施の形態および実施例に係る発光素子の断面模式図である。 本実施例に係る別の発光素子の断面模式図である。 本実施例に係る別の発光素子の断面模式図である。 本実施の形態および実施例で用いた化合物の構造式である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 第一電極（反射電極）
１３ 有機層
１３１ 正孔輸送層
１３２ 電子輸送層
１３３ 電子輸送層
１４ 第２電極
１５ 透明保護層
２１ 基板
２２ 反射金属層
２３ 透明電極
２４ 有機層
２４１ 正孔輸送層
２４２ 発光層
２４３ 電子輸送層
２５ 第二電極
２６ 透明保護層
３１ 基板
３２ 第１電極（反射電極）
３３１ 正孔輸送層
３３２Ｒ 赤発光層
３３２Ｇ 緑発光層
３４３２Ｂ 青発光層
３３３ 電子輸送層
３４ 第二電極
３５ 透明保護層

Claims (5)

1. 反射金属層からなる第１電極あるいは反射金属層と透明電極層からなる第１電極と、前記第１電極に対向して配置される第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置される発光層と、を少なくとも有する発光素子において、
   前記第２電極の光取り出し側に前記第２電極に接して配置される透明保護層を更に有し、
   前記反射金属層と前記透明保護層の外面との距離は４μｍ以下であり、
   且つ前記反射金属層と前記透明保護層の前記外面との光学距離が前記発光層の発光ピーク波長の１／４の奇数倍であることを特徴とする発光素子。
2. 前記第２電極の外面と前記透明保護層の前記外面との光学距離が前記発光層の発光ピーク波長の１／４の偶数倍であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記透明保護層の膜厚が２００ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至２の何れか一項に記載の発光素子。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光素子を複数有することを特徴とする発光素子アレイ。
5. 請求項４に記載の発光素子を表示部として有することを特徴とするディスプレイ。

Images