JP2008135406A - 有機発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負電荷キャリアを効率的に放出することが可能であり、且つ操作電圧が低い有機発光デバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】有機発光デバイスのカソードは、導電性材料の第一層５と、最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する導電性材料の第二層４とからなる。この第二層４の厚さは最高で５ｎｍであり、第一層よりも実質的に薄く形成される。
【選択図】図１

Description

本発明の技術分野は、効率的な電子放出電極を有する有機発光デバイス及びその製造方法に関するものである。

先行するケンブリッジ・ディスプレイ・テクノロジー・リミテッド社(Cambridge Display Technology Limited)が特許権の譲受人となっている米国特許第５，２４７，１９０号、又はVan Slyke et al.の米国特許第４，５３９，５０７号に開示されるような有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）は、その内容を参考のため、例としてここに引用するが、種々のディスプレイ用途での使用において大きな潜在的可能性を有している。原則的に、ＯＬＥＤは、正電荷キャリアを放出するアノード（陽極）と、負電荷キャリアを放出するカソード（陰極）と、これら両電極間に挟まれた少なくとも１つの有機エレクトロルミネセンス層とで構成される。ＯＬＥＤ技術の重要な利点の１つは、正電荷及び負電荷キャリアの放出につき効率の優れた適するエレクトロルミネセンス有機層及び電極が使用されることとなるが、デバイスを低電圧駆動で動作することが可能な点である。必ずしも必要ではないが、典型的には、アノードは、インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）、すなわち、市販で容易に入手可能な、ガラスもしくはプラスチック基板上に既に付着(deposit)された半透明な導電性酸化物の薄膜である。一般に、有機層は、たとえば、蒸着(evaporation)もしくはスピンコーティング、ブレード被覆、浸漬被覆又はメニスカス（meniscus）被覆によりＩＴＯ被覆基板上に付着される。カソード層を上部有機層に付着させる最終工程は、適したカソード金属の熱蒸着もしくはスパッタリングにより通常行われる。Ａｌ、Ｃａ又はＭｇ：ＡｇもしくはＭｇ：Ｉｎの合金、又はＡｌ合金の層がしばしばカソード材料として使用される。カソード材料としてはＡｌ、Ｃａ又はＭｇ：ＡｇもしくはＭｇ：Ｉｎの合金又はＡｌ合金の層がしばしば使用される。ＯＬＥＤにおいて優れた性能を得るには、個々の全ての層（すなわち、アノード層、カソード層及び有機層）並びに各層間の界面を最適化することが極めて重要である。

カソードの電子放出特性は、効率的なデバイス操作の達成に特に重要であることが極めてしばしば見出される。一般的な有機エレクトロルミネセンス材料の電子構造に基づき、効率的な電子放出及び低い操作電圧を達成するためには、低い仕事関数を有するカソード材料を用いることが極めてしはしば必要となる。ＯＬＥＤ用のカソードは、典型的には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂもしくはＣｓのようなアルカリ金属、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒもしくはＢａのようなアルカリ土類金属、又は、Ｓｍ、Ｅｕ、ＴｂもしくはＹｂのようなランタニドである。これらの材料は、酸素及び水分と極めて容易に反応し、取り扱いに際し、さらに／又はＯＬＥＤに対する付着の際及び付着後に特に注意を必要とする。しばしば、低い仕事関数を有するこれらの材料は、合金の形態でカソード層としてＯＬＥＤ上に付着され、これによって他の合金成分がカソード層を安定化させる。この種の典型的な合金には、例として、Ｍｇ：Ａｌ、Ｍｇ：ＩｎもしくはＭｇ：Ａｇ又はＡｌ：Ｌｉがある。幾種かのこれら低い仕事関数を有する元素（たとえばＣａ、Ｋ、ＬｉもしくはＳｍ）を純粋な形態又は合金の形態でＯＬＥＤカソード層として使用する場合、これらの元素は有機層中へ拡散することにより有機層をドープし、電気ショートを発生させ、或いは光ルミネセンスを停止させ、結果として、一般に、デバイス性能を劣化させる。

以上のことから、本発明の目的は、低い仕事関数を有する元素をカソードとして組込むことにより、負電荷キャリアの効率的放出及び低い操作電圧を達成し、さらに、上記に概略説明された諸問題の少なくとも幾つかを最小化させる有機発光デバイスのための構造体及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の側面によると、デバイスのアノードとカソードとの間に配置された少なくとも１つの発光性有機材料層を備え、カソードは、高い導電率を有する不透明金属層である導電性材料の第一層と、少なくとも１つの有機材料層と導電性材料の第一層との間に配置された低い仕事関数を有する導電性材料の第二層とからなり、導電性材料の第二層は、導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイスが提供される。

従って、カソードは、最高で３．７ｅＶ、好ましくは３．２ｅＶ未満の仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物の薄い層で構成される。カソード層は最高で５ｎｍ、好ましくは０．５〜２ｎｍの厚さを有する。低い仕事関数を有する薄いカソード層は、好ましくは、１００〜５００ｎｍを典型的な厚さとする他の導電層にキャップされ、低い仕事関数を有する下側の薄い層に対し高い導電率保護を付与すると共に環境的な安定性をも付与する。本発明の第１の側面によると、この二層電極構造は、前記カソード層とアノード層（このアノード層は正電荷キャリアを放出する）との間に少なくとも１つのエレクトロルミネセンス有機層を有するＯＬＥＤのために効率的な電子放出をするカソード層を形成する。

この構造体は、過度のドーピングを防止し、デバイス構造体のショート及び少なくとも１つの有機材料層におけるエレクトロルミネセンスの停止という危険性を最小化させる。

さらに本発明の第１の側面は、有機発光デバイスの製造方法をも提供し、この方法は、デバイスのカソードを基板上に形成する各工程からなり、この各工程は、高い導電率を有する導電性材料の第一層を基板上に形成させる工程と、低い仕事関数を有する導電性材料の第二層を導電性材料の第一層の上に形成させる工程とからなり、導電性材料の第一層は、不透明な金属層であり、導電性材料の第二層は、導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、且つ最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなり、さらに、少なくとも１つの発光性有機材料層をカソード上に形成させると共にデバイスのアノードを少なくとも１つの有機材料層の上に形成させることを特徴とする。

本発明の第１の側面は、さらに有機発光デバイスの製造方法をも提供し、この方法は、デバイスのアノードを基板上に形成させ、少なくとも１つの発光性材料層をアノード上に形成させ、さらにデバイスのカソードを少なくとも１つの有機材料層の上に形成させる各工程からなり、この工程は低い仕事関数を有する導電性材料の第二層を少なくとも１つの有機材料層の上に形成させる工程と、高い導電率を有する導電性材料の第一層を導電性材料の第二層の上に形成させる工程とからなり、導電性材料の第一層は、不透明の金属層であり、導電性材料の第二層は、導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、且つ、最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする。

従って、効率的な電子放出電極を有するＯＬＥＤの製造方法も提供され、少なくとも１つのエレクトロルミネセンス有機層（好ましくはポリマーもしくは分子状）は、好ましくは、アノードでプレコートされた支持基板に付着される。実施の形態の一つにおいて、有機層は、真空蒸着により導電性の低い仕事関数を有する材料の薄い層で被覆される。この層は、最高で５ｎｍ、好ましくは０．５〜２ｎｍの厚さ、一層好ましくは約０．５ｎｍの厚さである。この薄い層は、必要条件ではないが典型的には、アルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニド又は前記アルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニドの元素の一種もしくはそれ以上を組込んだ合金もしくは金属間化合物である。次いで、低い仕事関数を有する薄い層は、好ましくは、高い導電率を有し、下側の低い仕事関数を有する薄い層の保護と環境的な安定性とを付与し、好ましくは真空蒸着もしくはスパッタ付着される、典型的には、厚さ１００〜５００ｎｍの厚い導電性層により被覆される。

本発明の第２の側面によると、デバイスのアノードとカソードとの間に配置された少なくとも１つの発光性有機材料層からなる有機発光デバイスが提供され、ここにおいてカソードは、高い導電率を有するＤＣマグネトロンスパッター金属層である導電性材料の第一層と、少なくとも１つの有機材料層と導電性材料の第一層との間に配置された低い仕事関数を有する導電性材料の第二層とで構成され、導電性材料の第二層は、導電性材料の第一層よりも実質的に薄い。

この構造体は、本発明の第１の側面に関し上述したものと同様な利点を有する。

本発明によれば、低い仕事関数を有する元素をカソードとして組込むことにより、負電荷キャリアの効率的放出及び低い操作電圧を達成し、さらに、上記に概略説明された諸問題の少なくとも幾つかを最小化させる有機発光デバイスが得られる。

以下、添付図面を参照して特定の実施の形態に関し本発明をさらに説明する。

第１図は、本発明に係わるＯＬＥＤの構造体を示す。

図示した本発明の実施例によれば、ＯＬＥＤは先ず最初に透明な支持基板に付着された半透明のアノードを形成させることにより形成される。基板は、例えば、ガラス又はポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルイミドのようなプラスチックの薄いシートである。第１図に示すように、ガラス基板１は、典型的には、≦３０オーム／スクエア（square）のシート抵抗を有する、典型的には、厚さ約１５０ｎｍの半透明の導電性インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）の層２で被覆される。第１図に示した半透明のアノードは、インジウム−錫−酸化物のような導電性酸化物の薄い層であるが、代替的には、ドープされた酸化錫もしくは酸化亜鉛とすることもできる。

アノード／基板の頂部に付着された有機層は、必ずしも必要ではないが好ましくは、ケンブリッジ・ディスプレイ・テクノロジー・リミテッド社が特許権の譲受人となっている先行する米国特許第５，２４７，１９０号に開示されたようなエレクトロルミネセンス共役ポリマーの１つ以上の層である。この種の有機層は、典型的には厚さ１００ｎｍ程度の厚さに形成される。代替的には、有機層は、米国特許第４，５３９，５０７号に記載されたような低分子量化合物とすることもでき、或いは共役ポリマーの層と低分子量化合物の層との組み合せとすることもできる。第１図において、ＩＴＯ層は、たとえば米国特許第５，２４７，１９０号に開示されたようなエレクトロルミネセンスポリマーであるポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）の厚さ約１００ｎｍの層３で被覆される。

カソードは、アルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニド又は前記アルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニド元素の一種以上を組込んだ合金もしくは金属間化合物の薄い層とすることができる。カソード層は、最高で５ｎｍ、好ましくは、厚さ０．５〜２ｎｍであり、使用可能な材料は、例として、Ｌｉ、Ｋ、Ｓｍ、Ｃａ又はＡｌ：Ｌｉ合金がある。第１図の実施の形態において、ＰＰＶ層３は、好ましくは、市販のＡｌ：Ｌｉ合金からＬｉの真空昇華により付着された厚さ０．５ｎｍのＬｉの層４で被覆される。

カソードの薄い層は、好ましくは、ＤＣマグネトロンスパッタリング又はＲＦスパッタリングによりスパッター付着することができる。カソードの薄い層はさらに、好ましくは、抵抗蒸着又は電子線熱蒸着により付着させることもできる。

カソードの薄い層は、導電性材料であり、最高で３．７ｅＶ、好ましくは、最高で３．２ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金又は金属間化合物のいずれかで構成される。

さらに、薄い層は、たとえば、典型的には、１００〜５００ｎｍ、好ましくは、約１００ｎｍの厚さを有するアルミニウムもしくはアルミニウム合金の導電性層で被覆される。第１図において、薄い層４は真空を解除することなく、好ましくは、厚さ１５０ｎｍの真空蒸着により付着されたアルミニウムの層５で被覆される。

厚い導電性層は、好ましくはＤＣマグネトロンスパッタリング又はＲＦスパッタリングによりスパッターすることができる。この厚い層は抵抗蒸着又は電子線熱蒸着により蒸着させることもできる。

好ましくは、厚い導電性層と薄い層との厚さの比は２０：１である。

層の厚さは、標準的な石英結晶の厚さモニターとシャッターとを組合わせて調節される。

代替的な配置において、第１図を参照して説明される二層のカソードは、基板上に形成され、少なくとも１つの発光性有機材料層は、カソード上に形成され、アノードは、少なくとも１つの発光性有機材料層の上に形成される。

Ｌｉの薄い層は、優れた電子放出、低い付勢電圧及び作動電圧を可能にし、ドーピング及びＰＰＶにおけるエレクトロルミネセンスの停止を伴う層４からＰＰＶ層３中へのＬｉの拡散は妨げられないが、層４の材料の限られた厚さ、すなわち、量は、過度のドーピング及びエレクトロルミネセンスの停止を防止する。

以上により、効率的な低い仕事関数を有する電子放出性カソードを有し、低い仕事関数を有するカソードにより有機層の過度のドーピングの危険性を最小化させることによりデバイス構造のショート及びエレクトロルミネセンスの停止の危険性を最小化させるＯＬＥＤのためのデバイス構造体及びその製造方法について説明した。

本発明に係わるＯＬＥＤの構造体を示す。

符号の説明

１…ガラス基板 ２…ＩＴＯ層
３…有機層（ＰＰＶ層） ４…Ｌｉ層
５…アルミニウム層

Claims (14)

1. デバイスのアノードとカソードとの間に配置された少なくとも１つの発光性有機材料層を備え、
   前記カソードは、高い導電率を有する不透明金属層である導電性材料の第一層と、少なくとも１つの有機材料層と前記導電性材料の第一層との間に配置された低い仕事関数を有する導電性材料の第二層とからなり、
   前記導電性材料の第二層は、前記導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、かつ最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイス。
2. 請求項１記載の有機発光デバイスにおいて、前記導電性材料の第二層が０．５〜２ｎｍの範囲、好ましくは、約０．５ｎｍの厚さを有することを特徴とする有機発光デバイス。
3. 請求項１または２記載の有機発光デバイスにおいて、前記導電性材料の第二層が最高で３．２ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機発光デバイスにおいて、前記導電性材料の第二層がアルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニドの一種またはその合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイス。
5. 請求項４記載の有機発光デバイスにおいて、前記導電性材料の第二層がＣａ、Ｋ、Ｌｉ、ＳｍもしくはＡｌ−Ｌｉ合金の一種からなることを特徴とする有機発光デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機発光デバイスにおいて、前記導電性材料の第一層と前記導電性材料の第二層との厚さの比が少なくとも２０：１であることを特徴とする有機発光デバイス。
7. デバイスのカソードを基板上に形成させる工程と、
   少なくとも１つの発光性有機材料層を前記カソード上に形成させる工程と、
   前記デバイスのアノードを少なくとも１つの有機材料層の上に形成させる工程とからなり、
   前記デバイスのカソードを基板上に形成させる工程は、高い導電率を有する導電性材料の第一層を基板上に形成させることと、低い仕事関数を有する導電性材料の第二層を前記導電性材料の第一層の上に形成させることからなり、
   前記導電性材料の第一層は、不透明な金属層であり、
   前記導電性材料の第二層は、導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、かつ、最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
8. デバイスのアノードを基板上に形成させる工程と、
   少なくとも１つの発光性材料層を前記アノード上に形成させる工程と、
   前記デバイスのカソードを少なくとも１つの有機材料層の上に形成させる工程とからなり、
   前記工程は、低い仕事関数を有する導電性材料の第二層を少なくとも１つの有機材料層の上に形成させることと、高い導電率を有する導電性材料の第一層を前記導電性材料の第二層の上に形成させることからなり、
   前記導電性材料の第一層は、不透明な金属層であり、
   前記導電性材料の第二層は、前記導電性材料の第一層よりも実質的に薄い最高で５ｎｍの厚さを有し、かつ、最高で３．７ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
9. 請求項７または８記載の有機発光デバイスの製造方法において、前記導電性材料の第二層が０．５〜２ｎｍの範囲、好ましくは、約０．５ｎｍの厚さを有することを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の有機発光デバイスの製造方法において、前記導電性材料の第二層が最高で３．２ｅＶの仕事関数を有する元素金属、合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の有機発光デバイスの製造方法において、前記導電性材料の第二層がアルカリ金属、アルカリ土類金属もしくはランタニドの一種またはその合金もしくは金属間化合物からなることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
12. 請求項１１記載の有機発光デバイスの製造方法において、前記導電性材料の第二層がＣａ、Ｋ、Ｌｉ、ＳｍもしくはＡｌ−Ｌｉ合金の一種からなることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
13. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の有機発光デバイスの製造方法において、前記導電性材料の第一層と導電性材料の第二層との厚さの比が少なくとも２０：１であることを特徴とする有機発光デバイスの製造方法。
14. デバイスのアノードとカソードとの間に配置された少なくとも１つの発光性有機材料層を備え、
    前記カソードは、高い導電率を有するＤＣマグネトロンによりスパッターされた金属層である導電性材料の第一層と、少なくとも１つの有機材料層と導電性材料の第一層との間に配置された低い仕事関数を有する導電性材料の第二層とからなり、
    前記導電性材料の第二層は、前記導電性材料の第一層よりも実質的に薄いことを特徴とする有機発光デバイス。

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