JP2009044117A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の機能層に悪影響を及ぼさずに、光取り出し効率を向上させることができる発光装置を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の上に形成されている発光素子とを有し、前記発光素子は、前記基板の上に形成されている第１電極と、前記第１電極の周縁を覆っている絶縁部材と、前記第１電極の露出部の上に形成されており、少なくとも発光層を有する機能層と、前記機能層及び前記絶縁部材の上に形成されている第２電極とを有する発光装置において、前記絶縁部材の前記基板と反対側の面には周期構造が形成されており、前記周期構造の底部と前記第１電極、若しくは前記周期構造の底部と基板との間に光導波路が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は発光装置に関するものである。

発光装置の一種である有機ＥＬ発光装置を成す有機ＥＬ素子は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む薄膜を陽極と陰極とで挟持した構造をとる。各電極から電子及びホール（正孔）を注入することで、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物の励起子を生成させ、この励起子が基底状態にもどる際に放射される光を利用する素子である。１９８７年のコダック社による研究（非特許文献１）では、機能分離型２層構成の素子が提案されており、１０Ｖ程度の印加電圧において１０００ｃｄ／ｍ²程度の発光が報告されている。陽極にＩＴＯ、陰極にＡｇ：Ｍｇ合金を用い、電子輸送材料及び発光材料としてアルミニウムキノリノール錯体を、ホール輸送材料にトリフェニルアミン誘導体を用いている。

このような有機ＥＬ素子は薄型で自発光を特徴としており、次世代のフルカラー型フラットパネルディスプレイとして、薄型軽量、高コントラスト、低消費電力、高精細の有機ＥＬ発光装置の実用化が期待されている。

有機ＥＬ発光装置の開発課題の一つとして、消費電力の低減がある。有機ＥＬ素子は、通常、発光層を含む機能層が１次元的に積層された構成をとる。このとき、空気よりも機能層の屈折率（〜１．７程度）が大きい。このため、機能層の内部から放射された光の大部分は、高屈折率から低屈折率へ変化する積層膜の界面で全反射されて、基板に水平な方向に伝播する導波光となり、素子内部に閉じ込められることになる。発光層の内部で発生した光のうち外部に取り出して利用できる光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。

よって、有機ＥＬ発光装置の消費電力を低減するためには、この光取り出し効率を向上させ、有機ＥＬ素子の発光効率を改善することが重要である。特許文献１や特許文献２では、全反射を防ぎ素子内部への光閉じ込めを抑制することを目的として、機能層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（サブ波長周期構造や回折格子など）を配置することが提案されている。

これらとは別の方法として、特許文献３などでは、導波光として素子内部に閉じ込められ素子側面から漏れ出す光を、光取り出し方向へ反射させるために、素子側面に傾斜した金属反射面を配置し、光取り出し効率を向上させることが提案されている。

米国特許５，７７９，９２４号 特開２００４−３４９１１１号公報 特開平１１−２１４１６３号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，９１３（１９８７）

上記特許文献１、２の技術は、機能層の上部に周期構造を配置する場合、機能層を形成後に周期構造を加工する必要があるため、周期構造の作製プロセスによって機能層を損傷してしまうという課題がある。

また、機能層の下部に周期構造を配置する場合、機能層と電極などとの界面が平坦でないことから、真空蒸着による形成時の膜の不均一性や密着性の低下などが起こり、素子特性や素子耐久が低下してしまうという課題がある。

上記特許文献３などの技術は、金属電極の傾斜により、電極間の距離が素子中央部と周辺部で変化するため、局所的な発光による素子耐久の低下や電極間の短絡による非点灯素子が増加してしまうという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、発光素子の機能層に影響を及ぼさずに、光取り出し効率を向上させることができる発光装置を提供することを目的とする。

上記背景技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る発光装置は、
基板と、前記基板の上に形成されている発光素子とを有し、
前記発光素子は、前記基板の上に形成されている第１電極と、前記第１電極の周縁を覆っている絶縁部材と、前記第１電極の露出部の上に形成されており、少なくとも発光層を有する機能層と、前記機能層及び前記絶縁部材の上に形成されている第２電極とを有する発光装置において、
前記絶縁部材の前記基板と反対側の面には周期構造が形成されており、前記周期構造の底部と前記第１電極、若しくは前記周期構造の底部と基板との間に光導波路が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子の機能層に影響を及ぼさずに、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の原理を１つの構成例に基づいて説明する。

図１に周期構造を持った有機ＥＬ発光装置の概略断面図を示す。なお、図示例では有機ＥＬ発光装置を示したが、無機ＥＬ発光装置やＱＤ−ＬＥＤ発光装置であっても実施できる。

図１に示した有機ＥＬ発光装置を成す有機ＥＬ素子（発光素子）は、基板１００上に陽極である反射電極（第１電極）１０２が形成されている。反射電極１０２の周縁を覆うように絶縁部材から成る素子分離層１０４が形成されている。この素子分離層１０４の開口部から露出する反射電極１０２の露出部上に、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む機能層（有機層）１０１、陰極である透明電極（第２電極）１０３が形成されている。

有機層１０１は、図３に示すように、通常、ホール輸送層１０６、発光層１０５（Ｒ発光層１１５、Ｇ発光層１２５、Ｂ発光層１３５）、電子輸送層１０７が積層された構成をとる。また、必要に応じて反射電極１０２とホール輸送層１０６との間にホール注入層１０８を、透明電極１０３と電子輸送層１０７との間に電子注入層１０９を挟持しても良い。

発光層１０５は、それぞれの発光色に応じた蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む。これらの有機ＥＬ素子に電圧を印加することで、反射電極１０２から注入された正孔と透明電極１０３から注入された電子とが、有機層１０１において再結合し発光する。ちなみに、本実施形態の有機ＥＬ素子は、発光点２０１に対して透明電極１０３側が、光取り出し面となる。

つまり、上記有機ＥＬ発光装置は、通例の有機ＥＬ発光装置と略同様の構成とされている。しかし、通例の有機ＥＬ発光装置は、図４に示すように、可視光域において、光取り出し側である空気の屈折率１．０と比較して、発光層を含む有機層１０１の屈折率が約１．６〜２．０程度と大きい。そのため、有機層１０１側から空気界面に、臨界角以上の角度で入射した光は全反射されてしまう。発光点２０１から放射される光のうち、約８０％が全反射のため導波光２０３として素子内部に閉じ込められる。伝播光２０２として素子外部へ取り出される光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。

そこで、本発明の有機ＥＬ発光装置は、素子分離層１０４の前記基板１００と反対側の面に周期構造３００が形成されている。本実施形態の周期構造３００は、図２や図１６、図１７に示すように、ＥＬ発光領域３０２の周辺に２次元的なフォトニック結晶構造をとる。なお、図１の反射電極１０２、有機層１０１、透明電極１０３が積層された部分に対応するのが、図２や図１７のＥＬ発光領域３０２である。

さらに周期構造３００の底部と反射電極１０２との間に光導波路３０１が形成されている。つまり、反射電極１０２は光導波路３０１を形成するために、ＥＬ発光領域３０２だけでなく、周期構造３００が形成されている領域まで広がって形成されている。この光導波路３０１はプレーナー型とされており、周期構造３００のエッチングの深さを調整することで形成される。

上記構成の有機ＥＬ発光装置は、有機層１０１に閉じ込められた導波光２０３が、基板１０１に対して水平方向に伝わり、光導波路３０１を進行していく。導波光２０３が光導波路３０１を進行するに伴い、周期構造３００によって光の回折を生じ、伝播方向が光取り出し面方向に曲げられる。その結果、導波光２０３から回折光２０４に変換されるため、光取り出し効率が改善され、発光効率が向上する。

しかも、図１において有機層１０１の上部や下部に、周期構造を形成する必要がない。そのため、有機層１０１の形成後の周期構造３００の作製プロセスによる前記有機層１０１の損傷や、周期構造３００上への有機層１０１の形成による膜の不均一性や密着性の低下などによる素子特性や素子耐久の低下を回避することが可能である。

さらに、図２に示すように、発光に寄与する領域が、ＥＬ発光領域３０２からその周囲の回折光領域３０３まで拡大する。以下で詳述するが、回折光領域３０３はＥＬ発光領域３０２よりも約１０μｍ程度の幅で周辺部に広がる。そのため、高精細化によりＥＬ発光領域３０２が小さくなるほど、外周近傍での回折光２０４の影響が大きくなり、より発光効率が向上される。したがって、高精細化に伴い開口率が低下しても、駆動電流密度の上昇を抑制することが可能で、有機ＥＬ素子の耐久性を維持することが可能である。

以下で、周期構造３００について考察を行う。図２に示すように、周期構造３００の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ₁、ａ₂とする。また、これらの基本格子ベクトルａ₁、ａ₂に対し、数１の関係を満たす基本逆格子ベクトルをｂ₁、ｂ₂とする。有機ＥＬ素子の有機層１０１からの発光ピーク波長（すなわち、前記周期構造３００を介して外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長）をλとし、波数をｋ＝２π／λとする。また、素子分離層１０４の屈折率をｎ、光取り出し側媒体（通常は空気）の屈折率をｎ_exとし、条件ｎ＞ｎ_exを満たすとする。

光導波路３０１を伝播する導波光２０３に対する基板１００の水平方向への伝播係数をβとし、導波光２０３に対する有効屈折率ｎ_eff及び有効吸収係数κ_effを、数２により定義する。有効屈折率ｎ_effは、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎを満たす。

このとき、回折条件は水平方向の位相整合条件から、２つの整数ｍ₁、ｍ₂を回折次数とし、基板法線方向に対する回折角度をθ（ｍ₁、ｍ₂）として、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎのもとで、数３で与えられる。

数３から、各（ｍ₁、ｍ₂）次回折が生じるための条件は、数４を満たす範囲内である。さらに、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎを用いると、各（ｍ₁、ｍ₂）次回折が生じるための条件は、概ね数５となる。

周期構造３００が図１６や図１７のような正方格子の場合を考える。図１６は凹部分が正方形の場合であり、図１７は凸部分が正方形の場合の例である。正方格子の周期をａとすると、基本格子ベクトルａ₁、ａ₂は数６となり、基本逆格子ベクトルｂ₁、ｂ₂は数７となる。

この時、数３の回折条件は、数８となる。また、数４で表される各（ｍ_1、ｍ₂）次回折が生じるための条件は、数９となる。さらに、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎを用いると、各（ｍ_1、ｍ₂）次回折が生じるための条件は、概ね数１０となる。

ここで、どちらか一方の１次元方向に着目し、ｍ₂＝０（若しくは、ｍ₁＝０）とすれば、ｍ₁＝｜ｍ₁｜＝ｍ＞０（若しくは、ｍ₂＝｜ｍ₂｜＝ｍ＞０）とする。この時、数８の回折条件は、簡略化され数１１となる。また、各ｍ次回折が生じるための周期ａは、数１２を満たす範囲内である。さらに、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎを用いると、各ｍ次回折が生じるための周期ａの条件は、概ね数１３となる。

同様に、数１３から、ｍ次回折のみが生じるための周期ａは、数１４を満たす範囲内である。さらに、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎを用いると、ｍ次回折のみが生じるための周期ａの条件は、概ね数１５となる。

有機ＥＬ素子では、通常、素子分離層１０４の屈折率はｎ＝１．５〜２．５程度、光取り出し側の屈折率ｎ_exはｎ_ex＝１．０〜１．５程度である。よって、数１３から回折光２０４が生じるため、周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．２５倍より大きいことが望ましい。さらに、主に１次から３次程度の低次回折光を利用する場合には、数１５から周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．２５倍より大きく２．０倍より小さいことが望ましい。可視光の波長域が３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであることから、周期構造３００の周期ａは、１２０ｎｍから１２００ｎｍであることが望ましい。

周期構造３００は、上述したように２次元的なフォトニック結晶構造に限定されず、図５のように１次元的な回折格子の組み合わせでも良い。また、図６のように一つの副画素に、ＥＬ発光領域３０２が複数存在しても良い。さらに、周期構造３００は、周期的である必要はなく、準結晶構造や連続的に周期構造が変化する構造、部分的に不規則な散乱構造を有する構造、若しくは周期構造とこれらを組み合わせたものでも良い。

図３のホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、ホール注入層１０８、電子注入層１０９に用いられる有機化合物としては、低分子材料、高分子材料若しくはその両方により構成され、特に限定されるものではない。さらに、必要に応じて無機化合物を用いても良い。

なお、これまでは、基板側が陽極となる構成で説明してきたが、基板側が陰極となる積層構成においても本発明を実施することは可能であり、特に限定されるものではない。

さらに、透明基板上に透明電極を形成し、その上に有機層、反射電極を積層したボトムエミッション構成においても本発明を実施可能である。

また、複数の有機ＥＬ素子が積層されたマルチフォトン構成や多段階積層構成に対しても本発明は実施可能である。

以下、数値計算による評価例及び比較例を示す。電磁波の数値計算には、有機ＥＬ発光装置の断面を考え、２次元ＦＤＴＤ法を用いた。

＜比較例１＞
図７に、素子分離層１０４が周期構造を持たず、光導波路３０１のみを有する場合の構造を示す。

有機ＥＬ素子の発光部分は、基板上に反射電極１０２（膜厚６０ｎｍ、屈折率（実部）は０．１５及び屈折率（虚部）は３．５８）が形成されている。そして、反射電極１０２上に透明電極１１０（膜厚２０ｎｍ、屈折率２．０）、有機層１０１（膜厚７０ｎｍ、屈折率１．７）が形成されている。さらに、有機層１０１上に透明電極１０３（膜厚６０ｎｍ、屈折率２．０）が形成された積層構造とした。波長λ＝４６０ｎｍ前後の光に対し、基板１００の垂直方向で干渉強め合いが生じ、微小共振器構造となるように光路長を設定した。つまり、有機ＥＬ素子の積層方向に微小共振器構造を有する構造とした。有機ＥＬ素子の側面に配置される素子分離層１０４は屈折率２．０とした。

また、素子分離層１０４の境界までの距離が１．０μｍである有機層１０１内の発光点２０１に発光源が存在するとし、発光波長λ＝４６０ｎｍの単色で定常的な同心円状の発光が生ずるとした。電磁波モードはＴＥモードで計算を行った。

さらに、測定域Ａ（４０１）、測定域Ｂ（４０２）、測定域Ｃ（４０３）、測定域Ｄ（４０４）を設け、それぞれの測定域を透過するエネルギー量を計算した。

以上は、各評価例及び比較例１に共通の設定である。

比較例１では、素子分離層１０４の膜厚を１５０ｎｍとした。図８に、素子分離層１０４が光導波路３０１のみを有する場合の数値計算結果を示す。発光点２０１から放出された光のうち、有機ＥＬ素子の外部へ取り出される光は、一部の伝播光２０２のみであり、残りの大部分が基板の水平方向へ導波光２０３として閉じ込められてしまうことが理解される。

ここで、導波光２０３の有効屈折率ｎ_eff及び有効吸収係数κ_effを求めた。導波光２０３の伝播係数βの実部は、図８より約０．０２２５［１／ｎｍ］であった。これから、有効屈折率をｎ_eff＝約１．６５と求めた。

次に、有効吸収係数κ_effを求めた。図８のＸ軸座標で、導波光２０３の位置Ｘ１でのエネルギーをＩ（Ｘ₁）、位置Ｘ２でのエネルギーをＩ（Ｘ₂）とすると、有効吸収係数κ_effとの間に数１６の関係式が成り立つ。

測定域Ｃ（４０３）での透過エネルギー量がＩ（５μｍ）＝０．０１２４［ａ．ｕ］、測定域Ｄ（４０４）での透過エネルギー量がＩ（３μｍ）＝０．０１４４［ａ．ｕ］であったので、数１６から有効吸収係数をκ_eff＝約０．００２８と求めた。

有効吸収係数κ_eff＝約０．００２８より、導波光２０３のエネルギーが半減するのに要する半減距離Ｘ_halfは９．１μｍと求まり、およそ１０μｍであった。

＜評価例１＞
次に、本発明の発光装置の構成例として、図９に示すように素子分離層１０４の光導波路３０１上に周期構造３００を形成した場合の数値計算結果を示す。図９は、周期構造の高さｈが２３０ｎｍ、周期ａが２３０ｎｍの場合である。この場合の数値計算結果を図１０に示す。

位相整合条件である数１１に、導波光２０３の有効屈折率ｎ_eff＝１．６５を適応すると、１次回折光のみが発生し回折角度は−２０．５度であることがわかった。なお、回折角度は光の導波方向に対して９０°より小さい角度方向を正とし、導波方向に対して９０°より大きい角度方向を負とする。この位相整合条件から計算された回折角度は、図９の計算結果に示された回折光波面２０５から求められる回折光２０４の回折角度と良く整合している。

周期構造３００の周期ａを、１１５ｎｍから９２０ｎｍまで１１５ｎｍ間隔で変化させ、伝播光２０２と回折光２０４とを合わせた取り出し光に対応する測定域Ａ及び測定域Ｂを透過するエネルギーを求めた。表１に、周期構造３００を有さない比較例１の値を基準にした時の相対値を示す。

周期ａが１１５ｎｍの場合は、回折が生じる条件である数１３を満たしておらず、回折光２０４が発生しない。そのため、光取り出し効率は比較例１とほぼ同じ値である。

一方、周期ａが２３０ｎｍから９２０ｎｍの場合は、回折効果により光取り出し効率が改善していることがわかった。特に、周期ａが４６０ｎｍから８０５ｎｍの場合に、取り出し効率の改善効果が大きい。

光取り出し効率が最大となるのは、周期ａが６９０ｎｍの時であった。周期ａが６９０ｎｍの時の数値計算結果を図１１に示す。周期ａが６９０ｎｍの場合には、１次から３次の回折光が発生するが、このうち、基板垂直方向に近い１８．５度方向に２次回折光が、さらに−２０．５度方向に３次回折光が同時に発生するためであると考えられる。

＜評価例２＞
回折による導波光２０３から回折光２０４への変換効率は、周期構造３００の高さｈを変化させることで調整することが可能である。そこで、本発明の発光装置の構成例として、周期構造３００の周期ａが一定（２３０ｎｍ）の場合に、高さｈを１１５ｎｍから４６０ｎｍまで変化させ、測定域Ａ及び測定域Ｂを透過するエネルギーを求めた。表２に、周期構造３００を有さない比較例１の値を基準にしたときの相対値を示す。高さｈが１１５ｎｍと４６０ｎｍの場合に、回折光２０４が強くなり光取り出し効率が向上することがわかった。

＜評価例３＞
また、導波光２０３から回折光２０４への変換効率を制御するには、光導波路３０１の高さｄを調整し、導波光２０３の有効屈折率ｎ_effを変化させることが大変有効である。そこで、本発明の発光装置の構成例として、周期構造の周期ａを一定（２３０ｎｍ）として、光導波路３０１の高さｄを１５０ｎｍから７０ｎｍに変化させた場合の測定域Ａ及び測定域Ｂを透過するエネルギーを求めた。図１２に数値計算結果を示す。

光導波路の高さが連続的に変化する構造、即ちチャープ構造３０４によって、光導波路３０１の高さｄを連続的に低くした構造としている。表３に、光導波路３０１の高さｄを１５０ｎｍ一定の場合、１５０ｎｍから７０ｎｍに変化させた場合、１５０ｎｍから３０ｎｍに変化させた場合に、測定域Ａ及び測定域Ｂを透過するエネルギーを示す。周期構造３００を有さない比較例１の値を基準としている。

表３に示した結果より、チャープ構造３０４を導入し、光導波路３０１の高さｄを低下させることにより、回折光強度が大幅に増加し、光取り出し効率が向上していることがわかった。これは、有効屈折率ｎ_effが下限値ｎ_exに近づいたことにより、エバネッセント波による光導波路からの染み出しが大きくなり、周期構造の影響を受けやすくなったため、若しくは導波モードが消失したためと考えられる。

比較例１の計算例より、導波光２０３の半減距離Ｘ_halfは約１０μｍであった。したがって、導波光２０３の基板水平方向の伝達距離を半減距離程度と考えると、約１０μｍとなる。図１に示すように、素子分離層１０４に周期構造３００を設置した場合に、素子分離層上に配置された周期構造の回折効果により取り出せる光は、素子分離層と有機層との境界から約１０μｍ以内がほとんどである。よって、図２において、回折光領域３０３の拡大範囲も境界から約１０μｍ程度である。

図２のＥＬ発光領域３０２の面積が非常に大きい場合には、周辺部の取り出し効率向上の寄与は相対的に小さい。逆に、１５０ｐｐｉから３００ｐｐｉ程度の高精細化に伴い、副画素サイズが百数十μｍから数十μｍ四方に微細化されると、周辺部の取り出し効率向上の寄与が大きくなり、発光効率を向上させることが可能となる。また、図６のように１つの副画素に、ＥＬ発光領域３０２を複数存在させることで、周辺部の寄与を増加させ、発光効率を向上させることもできる。

一般に、表示装置では、視認性を良くするために高コントラストが要求される。特に、小型ディスプレイなどのような屋外での利用が多い表示装置では、コントラストを保つために外光反射防止機能が大変重要である。有機ＥＬ表示装置に対する有効な反射防止方法としては、円偏光板の設置や共振器干渉打ち消し効果とカラーフィルターを組み合わせた方法がある。しかしながら、いずれも平面構造を有する有機ＥＬ表示装置に対し有効な方法であるため、光取り出し効率を向上させるために周期構造や回折格子を配置すると、反射防止性能が低下してしまう。そのため、反射防止機能を維持する構造を有することが望ましい。

以下、図１８、図１９、図２０により、本発明の表示装置に対して、外光反射防止機能を保有させる構造例について説明を行う。

図１８に示すように、本発明において、表示装置の周期構造上方部分にブラックマトリックス５０１を配置し、さらに、その上部に円偏光板５０２を配置する。表示装置が複数の発光素子を有している場合には、発光素子の周囲に形成された周期構造は隣り合う発光素子の間に形成されることになる。そして、ブラックマトリックスも隣り合う発光素子の間に形成される。

発光点２０１からの伝播光２０２は、ブラックマトリックス５０１の開口部から表示装置外部に放射される。また、外部に取り出したい波長において、回折光２０４は、ブラックマトリックス５０１の開口部から外部に放射されるように、光導波路中の導波光２０３に対して負の回折角度であることが望ましい。ここで、負の回折角度とは、導波光２０３の導波方向に対して、９０°より大きい角度を有することである。さらに、周期構造を介して外部に取り出される光が、光導波路の導波方向に対して９０°より大きい角度方向で最大強度若しくは最大輝度となることが望ましい。

回折光が負の回折角度となる条件は、数３の回折条件より、以下のようになる。つまり、周期構造を介して外部に取り出したい光のスペクトルのピーク波長をλ、２つの整数ｍ₁、ｍ₂を回折次数、基板法線方向に対する回折角度をθ（ｍ₁、ｍ₂）として、条件ｎ_ex＜ｎ_eff＜ｎのもとで、概ね数１７で与えられる。

また、正方格子の場合に回折光が負の回折角度となる条件は、正方格子の周期をａとして、数８の回折条件から、概ね数１８で与えられる。

図１９に、本発明の表示装置に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２１０のうち、ＥＬ発光領域への入射光は、円偏光板により反射光が防止される。また、周期構造の上方部への入射光は、ブラックマトリックスによって反射が防止される。

次に、図２０に、本発明の表示装置に、外光が斜め方向から入射する場合の概略図を示す。

斜め入射光２２２は、円偏光板を透過し円偏光となり、その後、周期構造に反射して斜め反射光２２３となる。斜め反射光２２３は、周期構造によって円偏光状態から楕円偏光となるが、ブラックマトリックスによって吸収されるため、反射が防止される。

以上から、周期構造を配置して光取り出し効率を向上させると同時に、外光入射に対する反射光を低減することが可能である。

同様に、図２１、図２２、図２３に、本発明の表示装置に対して、外光反射防止機能を保有させる他の構成例を示す。

図２１において、表示装置を構成するＥＬ発光素子は、発光色がＲ（赤）の赤色発光素子（以下Ｒ素子とする）であり、赤色を強める共振器素子（Ｒ共振器素子）とする。表示装置の周期構造の上方部分にブラックマトリックス５０１を配置し、さらに、ブラックマトリックスの開口部に赤色光を透過するカラーフィルター（Ｒカラーフィルター）５１３を配置する。光の取り出しに関しては、図１８の場合と同様である。

図２２に、本発明の表示装置に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２１０のうち、ＥＬ発光領域への入射光は、Ｒカラーフィルター５１３により、赤色の透過光（Ｒ透過光）２１３と成る。共振器では、共振器中の干渉強め合い条件と反射光への干渉打ち消し条件が、概ね一致する。そのため、赤色（Ｒ発光色）を強めるＲ共振器素子では、Ｒ透過光２１３に対して、Ｒ共振器素子の各界面からの赤色の反射光（Ｒ反射光）２１４Ａや２１４Ｂなどが干渉打ち消しを起こし、反射を抑えることができる。また、周期構造の上方部への入射光は、ブラックマトリックスによって反射が防止される。

図２３に示す外光が斜め方向から入射する場合は、図２０の場合と同様である。Ｒ（赤）について説明を行ったが、Ｇ（緑）やＢ（青）の場合も同様である。

なお、これまでは、基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成で説明してきたが、基板側を陰極、光取り出し側を陽極とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を逆順に積層した構成においても本発明を実施することは可能である。したがって、本発明にかかる表示装置は基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成に限定されるものではない。

さらに、図２４に示すように、透明基板上に透明電極を形成し、その上に有機層、反射性電極を積層したボトムエミッション構成においても本発明を実施可能である。この場合、光導波路３０１は反射性電極部分を除く周期構造の底部と基板（透明電極１０３と基板１００の界面）との間である。

また、光取り出し側の電極を透明電極とする構成で説明してきたが、図１５に示すように、光取り出し側の電極を金属半透明電極１９３とする構成においても本発明を実施可能である。この場合、光導波路は金属半透明電極１９３部分を除く周期構造３００の底部と反射性電極１０２との間である。

さらに、この構成では、金属半透明電極１９３と素子分離層１０４（若しくはＲＧＢ共通有機層）との界面を基板水平方向に伝播する導波光の一種と考えることができる表面プラズモンが生じる。よって、金属半透明電極１９３と素子分離層１０４（若しくはＲＧＢ共通有機層）との界面を光導波路として利用可能である。表面プラズモンの伝播係数β_SPを、数２の伝播係数βとすると、通常の導波光と同様に回折条件は数３で与えられる。

以上、本発明の発光装置の実施の形態について説明したが、本発明の発光装置は、表示装置や、照明、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯ゲーム機の表示部、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末（ＰＤＡ）の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等がある。

以下、本発明の発光装置の製造方法を実施例として説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１３に示す構成のフルカラー有機ＥＬ発光装置を以下に示す方法で作製する。つまり、本実施例の発光装置は、複数の画素を有し、各画素が赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、つまり赤、緑、青の３色の副画素からなる有機ＥＬ発光装置であって、表示装置として好ましく適用することができる例である。以下、赤色発光素子をＲ素子、緑色発光素子をＧ素子、青色発光素子をＢ素子とする。

まず、支持体としてのガラス基板１００上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化膜を形成して基板とする。この上に反射性金属としてのＡｇ合金（ＡｇＰｄＣｕ）をスパッタリング法にて約１００ｎｍの膜厚で形成してパターニングし、透明導電膜としてのＩＺＯをスパッタリング法にて２０ｎｍの膜厚で形成してパターニングし、反射電極１０２とする。Ａｇ合金からなる反射電極１０２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射電極である。

さらに、ＳｉＮｘＯｙ（酸化窒化珪素）の素子分離層１０４を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素に図２に示すようなＥＬ発光領域３０２と三角格子の周期構造３１０（３２０、３３０）とのエッチングを行い、フォトニック結晶付き陽極基板を作製する。

ここで、ＥＬ発光領域３０２は５０μｍ四方とする。本実施例では、Ｒ素子の周期構造（Ｒ周期構造）３１０は周期９３０ｎｍ、エッチング直径６２０ｎｍ、エッチング深さ１８０ｎｍとされる。Ｇ素子の周期構造（Ｇ周期構造）３２０は周期７９５ｎｍ、エッチング直径５３０ｎｍ、エッチング深さ２１０ｎｍとされる。Ｂ素子の周期構造（Ｂ周期構造）３３０は周期６９０ｎｍ、エッチング直径４６０ｎｍ、エッチング深さ２３０ｎｍとされる。つまり、周期構造の周期は、Ｒ素子が最も長く、Ｂ素子が最も短い。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してからＲ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの有機層１１１、１２１、１３１を真空蒸着により形成する。

まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒ素子のホール輸送層として５０ｎｍの膜厚、Ｇ素子のホール輸送層として３０ｎｍの膜厚、Ｂ素子のホール輸送層として２０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^-4Ｐａ、蒸着レートは０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、発光層として、シャドーマスクを用いて、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの発光層を形成する。Ｒ素子の発光層としては、ホストとして４，４’−Ｂｉｓ（Ｎ‐ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ（以下、ＣＢＰと呼ぶ）と、燐光発光性化合物Ｂｉｓ［２−（２’−ｂｅｎｚｏｔｈｉｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ−Ｎ，Ｃ３］（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）とを共蒸着して６０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｇ素子の発光層としては、ホストとしてｔｒｉｓ−（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍ（以下、Ａｌｑ３と呼ぶ）と、発光性化合物として３−（２’−Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）−７−Ｎ，Ｎ−ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎ（以下、クマリン６と呼ぶ）とを共蒸着して４０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｂ素子の発光層としては、ホストとして下記に示す化合物［ＩＩ］と発光性化合物［ＩＩＩ］とを共蒸着して２０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、共通の電子輸送層として、１、１０−Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ（以下、ＢＰｈｅｎと呼ぶ）を真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で一括して形成する。蒸着時の真空度は１×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、共通の電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ₂ＣＯ₃とを共蒸着（重量比９０：１０）し、２０ｎｍの膜厚で一括して形成する。蒸着時の真空度は３×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

この電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、透明電極１０３として、ＩＴＯを６０ｎｍの膜厚で形成する。

その結果、素子分離層１０４には、周期構造３１０（３２０、３３０）の底部と反射電極１０２との間に光導波路３１１（３２１、３３１）が形成される。ここで、素子分離層１０４に形成された周期構造３１０上には、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子の間を跨いで共通して形成される共通層が積層されることになる。図１や図１３では、透明電極のみ示すが、実施例１では、電子輸送層、電子注入層、透明電極が順次積層される。ここで、透明電極１０３の屈折率や有機層１１１（１２１、１３１）の屈折率は素子分離層１０４の屈折率と概ね等しいことが好ましい。素子分離層１０４に積層された透明電極１０３を前記素子分離層１０４と同一の部材とみなし、周期構造３１０（３２０、３３０）及び光導波路３１１（３２１、３３１）を形成することができるからである。

さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。

＜実施例２＞
図１４に実施例２の有機ＥＬ発光装置の構成図を示す。ホール輸送層の形成前までは、実施例１と同様である。化合物［Ｉ］を各副画素に、Ｒ素子のホール輸送層として７０ｎｍの膜厚、Ｇ素子のホール輸送層として４０ｎｍの膜厚、Ｂ素子のホール輸送層として２０ｎｍの膜厚で形成する。次に、共通の３色積層型白色（Ｗ）発光層として、ＣＢＰとＢｉｓ［（４，６−ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ−Ｎ，Ｃ２］（ｐｉｃｏｌｉｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、ＦＩｒｐｉｃと呼ぶ）とを共蒸着により２５ｎｍの膜厚で形成する。そして、ＣＢＰとＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成する。さらに、ＣＢＰとＢｉｓ（２−ｐｈｅｎｙｌｂｅｎｚｏｔｈｉｏｚｏｌａｔｏ−Ｎ−Ｃ２）Ｉｒｉｄｉｕｍ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）（以下、Ｂｔ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成し積層構造とする。電子輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。

つまり、本実施例の有機ＥＬ発光装置は各副画素にＷ有機層１７１が形成されており、白色の有機ＥＬ素子を有する構成とされている。

＜実施例３＞
図１５に実施例３の有機ＥＬ発光装置の構成図を示す。電子注入層の形成までは、実施例１と同様である。この電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１９３として、Ａｇ合金を２０ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。

つまり、本実施例の有機ＥＬ発光装置は各副画素にＲ素子の有機層１１１、Ｇ素子の有機層１２１、Ｂ素子の有機層１３１が形成されており、金属半透明電極を有する構成とされている。

＜実施例４＞
本実施例は、図１３に示す構成のフルカラー有機ＥＬ発光装置において、素子分離層１０４に形成される周期構造が、図１６に示す正方格子である場合である。反射電極の形成までは、実施例１と同様である。

さらに、ＳｉＮｘＯｙ（酸化窒化珪素）の素子分離層１０４を１７５ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素に図１６に示すようなＥＬ発光領域３０２と正方格子の周期構造３１０（３２０、３３０）とのエッチングを行い、フォトニック結晶付き陽極基板を作製する。

ここで、ＥＬ発光領域３０２は５０μｍ四方とする。正方格子では、各副画素の上下方向と左右方向とで周期構造３１０（３２０、３３０）の周期（配列）が等しい。そのため、発光装置を視認した場合、上下方向と左右方向とで同様の光学特性を得ることができ、視認性を高めることができる。また、逆に、上下方向と左右方向の周期が異なる四角格子としても良い。この場合は、方向によって視認性を調整することが可能となる。

本実施例では、Ｒ周期構造３１０は周期３１０ｎｍ、エッチング形状が一辺２２０ｎｍ正方形、エッチング深さ４０ｎｍとされる。Ｇ周期構造３２０は周期２７０ｎｍ、エッチング形状が一辺１９０ｎｍ正方形、エッチング深さ９０ｎｍとされる。Ｂ周期構造３３０は周期２３０ｎｍ、エッチング形状が一辺１５０ｎｍ正方形、エッチング深さ１１５ｎｍとされる。つまり、周期構造の周期は、Ｒ素子が最も長く、Ｂ素子が最も短い。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してからＲ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの有機層１１１、１２１、１３１を真空蒸着により形成する。

まず、化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒ素子のホール輸送層として２５ｎｍの膜厚、Ｇ素子のホール輸送層として２５ｎｍの膜厚、Ｂ素子のホール輸送層として２０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^-4Ｐａ、蒸着レートは０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、発光層として、シャドーマスクを用いて、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの発光層を形成する。Ｒ素子の発光層としては、ホストとしてＣＢＰと、燐光発光性化合物Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）とを共蒸着して５０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｇ素子の発光層としては、ホストとしてＡｌｑ３と、発光性化合物クマリン６とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｂ素子の発光層としては、ホストとして化合物［ＩＩ］と発光性化合物［ＩＩＩ］とを共蒸着して２０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、共通の電子輸送層として、ＢＰｈｅｎを真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で一括して形成する。蒸着時の真空度は１×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、ＢＰｈｅｎとＣｓ₂ＣＯ₃との共蒸着膜（重量比９０：１０）を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒ素子の電子注入層として６０ｎｍの膜厚、Ｇ素子の電子注入層として３０ｎｍの膜厚、Ｂ素子の電子注入層として２０ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は３×１０^-4Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。透明電極１０３の形成以降は、実施例１と同様である。

周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 有機層の断面概略図である。 周期構造を有さない有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 周期構造を有さない有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の構造例である。 周期構造を有さない有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の結果例である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の構造例である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の結果例である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の結果例である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置に関する数値計算の結果例である。 周期構造を有するＲＧＢ発光層塗り分け構成の有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 周期構造を有するＷ発光層共通構成の有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 周期構造を有する金属半透過電極を用いたＲＧＢ発光層塗り分け構成の有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（発光時）である。 周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（垂直入射時）である。 周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（斜め入射時）である。 周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（発光時）である。 周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（垂直入射時）である。 周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ発光装置の模式図（斜め入射時）である。 周期構造を有するボトムエミッション型有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。

符号の説明

１００ 基板
１０１ 有機層
１０２ 反射電極
１０３ 透明電極
１０４ 素子分離層
１０５ 発光層
１０６ ホール輸送層
１０７ 電子輸送層
１０８ ホール注入層
１０９ 電子注入層
１１０ 反射電極上の透明電極
１１１ Ｒ有機層
１１５ Ｒ発光層
１２１ Ｇ有機層
１２５ Ｇ発光層
１３１ Ｂ有機層
１３５ Ｂ発光層
１７１ Ｗ有機層
１９３ 金属半透明電極
２０１ 発光点
２０２ 伝播光
２０３ 導波光
２０４ 回折光
２０５ 回折光波面
２１０ 入射光（垂直近傍）
２１１ 透過光（左円偏光）
２１２ 反射光（右円偏光）
２１３ Ｒ透過光
２１４Ａ Ｒ反射光Ａ
２１４Ｂ Ｒ反射光Ｂ
２２２ 斜め入射光
２２３ 斜め反射光
３００ 周期構造
３０１ 光導波路
３０２ ＥＬ発光領域
３０３ 回折光領域
３０４ チャープ構造
３１０ Ｒ周期構造
３１１ Ｒ光導波路
３２０ Ｇ周期構造
３２１ Ｇ光導波路
３３０ Ｂ周期構造
３３１ Ｂ光導波路
４０１ 測定域Ａ
４０２ 測定域Ｂ
４０３ 測定域Ｃ
４０４ 測定域Ｄ
５０１ ブラックマトリックス
５０２ 円偏光板
５１３ Ｒカラーフィルター

Claims (12)

1. 基板と、前記基板の上に形成されている発光素子とを有し、
   前記発光素子は、前記基板の上に形成されている第１電極と、前記第１電極の周縁を覆っている絶縁部材と、前記第１電極の露出部の上に形成されており、少なくとも発光層を有する機能層と、前記機能層及び前記絶縁部材の上に形成されている第２電極とを有する発光装置において、
   前記絶縁部材の前記基板と反対側の面には周期構造が形成されており、前記周期構造の底部と前記第１電極、若しくは前記周期構造の底部と基板との間に光導波路が形成されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記周期構造の周期ａは、前記発光層の屈折率ｎ、光取り出し側媒体の屈折率ｎ_ex、前記周期構造を介して外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λに対して、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記周期構造の周期は、前記周期構造を介して外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長の０．２５倍より大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 赤色発光の前記発光素子と、緑色発光の前記発光素子と、青色発光の前記発光素子と、を有し、
   前記周期構造の周期は、前記赤色発光の発光素子が最も長く、前記青色発光の発光素子が最も短いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記発光素子は発光領域の上下方向と左右方向とに配列されており、前記発光素子の上下方向と左右方向とで、周期構造の周期が等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記周期構造の光取り出し側にブラックマトリックスを有しており、前記周期構造を介して外部に取り出される光が、前記光導波路の導波方向に対して９０°より大きい角度方向で最大強度若しくは最大輝度となることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 前記発光素子の積層方向に微小共振器構造を有することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 前記発光素子の光取り出し側に前記発光素子の発光を透過するカラーフィルターを有することを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
9. 前記発光素子の光取り出し側に円偏光板を有することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
10. 前記周期構造は前記光導波路の高さが連続的に変化する構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の発光装置。
11. 前記絶縁部材の屈折率と前記第２電極の屈折率とは等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の発光装置。
12. 前記発光素子は有機ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の発光装置。

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