JP2010080979A - 青色リン光に基づく有機発光ダイオード類のための材料及びデバイス - Google Patents

青色リン光に基づく有機発光ダイオード類のための材料及びデバイス Download PDF

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Abstract

【課題】高効率の有機発光素子（ＯＬＥＤ）に関し、特に不活性ホスト物質中にドープしたリン光発光ドーパント材料および電荷輸送ドーパント材料を含んでいる発光層を有するＯＬＥＤを提供する。
【解決手段】ＯＬＥＤは、２種のドーパントでドープされたワイドギャップ不活性ホスト材料を含む。ドーパントのうち一つは、電子または正孔のどちらかを輸送できるリン光発光材料である。他方のドーパントは電荷輸送材料であり、これは、リン光発光ドーパントによっては輸送されない電子および正孔のどちらかを輸送できる。材料は、ホスト材料の最低三重項エネルギーレベルおよび電荷輸送ドーパント材料の最低三重項エネルギーレベルがそれぞれ、リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルより高いエネルギーレベルであるように選択される。この素子は、特に、可視スペクトルの青色領域で効果的に発光することができる。
【選択図】なし

Description

〔本発明の分野〕
本発明は、例えば青色を発光できる高効率の有機発光素子（ＯＬＥＤ）に関し、特に不活性ホスト物質中にドープしたリン光発光ドーパント材料および電荷輸送ドーパント材料を含んでいる発光層を有するＯＬＥＤに関する。
〔本発明の背景〕
電流で励起されると発光する薄膜材料を利用する有機発光素子（ＯＬＥＤ）は平面パネルディスプレイ技術のますます一般的な様式になることが期待されている。これは、ＯＬＥＤは携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、コンピュータディスプレイ、自動車内の情報ディスプレイ、テレビジョンモニター類と共に光源または一般的照明用光源を含んだ幅広い種類の潜在的応用性を有しているからである。それらの鮮明な色彩、広い視野角、フルモーションビデオの適応可能性、広範囲温度、薄型と適合性あるフォームファクター、低電力要求性および低価格での製造工程に関する可能性により、ＯＬＥＤは最近年に４００億ドルまで成長するまでになった電子ディスプレイ市場にて優位を占めるブラウン管（ＣＲＴ）および液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の将来的後継技術として考えられている。それらの高照明効率により、エレクトロホスホレッセンスのＯＬＥＤはある種の型の応用面では白熱灯および多分蛍光灯に取って代わる可能性を有していると見られている。
リン光の上手な利用は、有機エレクトロルミネッセンス素子に関して大きな期待が持たれている。例えば、リン光の利点は一重項または三重項励起状態のいずれとして形成した全ての励起子（ＥＬにおいて正孔と電子の再結合で形成した）がルミネッセンスに関与することである。これは有機分子の最低一重項状態は典型的に最低三重項状態より僅かに高いエネルギーであるからである。これは、典型的リン光発光有機金属化合物につき、当該最低一重項励起状態は最低三重項励起状態に速やかに減衰し、そこから当該リン光が生成することを意味する。対照的に、蛍光素子での励起子の少ない割合（約２５％）だけが一重項励起状態から得られる蛍光性ルミネッセンスを生成することができると信じられている。有機分子の最低三重項励起状態で生じる蛍光性素子中の残りの励起子は、典型的に蛍光を生じるエネルギー的に不利なより高い一重項励起状態に転換することができない。そこで、このエネルギーは素子の加熱に役立つに過ぎない無放射減衰プロセスに消費されることになる。
結局、リン光発光材料が高効率ＯＬＥＤにおける発光材料として使用できるという発見以来、更により効率の良いエレクトロホスホレッセンスの材料およびそのような材料を含有するＯＬＥＤ構造を見出すのに現在大きな関心が向けられている。
リン光発光ドーパントであるｆａｃ体トリス（２−フェニルピリジン）イリジウム（Ｉｒ（ｐｐｙ）３）を用いた高効率有機発光素子類（ＯＬＥＤ）が数種の異なる伝導性ホスト材料を使用して提起された。Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３９５，１５１（１９９８）；Ｄ．Ｆ．Ｏ'Ｂｒｉｅｎら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７４，４４２（１９９９）；Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７５，４（１９９９）；Ｔ．Ｔｓｕｔｓｕｉら，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３８，Ｌ１５０２（１９９９）；Ｃ．Ａｄａｃｈｉら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７７，９０４（２０００）；Ｍ．Ｊ．Ｙａｎｇら，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３９，Ｌ８２８（２０００）；およびＣ．Ｌ．Ｌｅｅら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７７，２２８０（２０００）。緑色発光Ｉｒ（ｐｐｙ）３の金属配位子電荷移動状態の三重項レベルは２．５ｅＶと３．０ｅＶの間であるので、４，４'−Ｎ，Ｎ'−ジカルバゾール−ビフェニル（ＣＢＰ）のような約４００ｎｍのピーク波長を有する深青色蛍光発色団が三重項エネルギー転移および励起子閉じ込め媒質としての候補でありうる。ＣＢＰ中に６％〜１０％のＩｒ（ｐｐｙ）３を用いると効率的Ｉｒ（ｐｐｙ）３リン光を導く。当該ドーパントおよび当該ホストの間のエネルギー共鳴に加えて、当該ホスト層での電荷キャリア注入および輸送の調節が、発光する励起子の効果的生成の達成に必要と考えられている。高エレクトロホスホレッセンス効率が、ＣＢＰ中にドープしたＩｒ（ｐｐｙ）３と共に２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−フェナントロリン（ＢＣＰ）電子輸送および励起子阻止層を用いることで実現された。Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７５，４（１９９９）。その素子では、当該ドープしたＣＢＰ層は正孔を容易に輸送することが見出された。
リン光発光ＯＬＥＤに用いられる最近の材料は、内部量子効率が１００％に近い素子を形成するように使用することができる。しかしながら、これらの従来素子類において正孔輸送、再結合および阻止の層を形成するのに用いられる材料は可視スペクトルの緑部分における発光に相当する三重項エネルギーを有す傾向がある。青色リン光を生じることができるドーパントを現時点の材料および構造を利用したそのような素子に挿入すれば、発光があったとしてもマトリックス材料から非効率的に出るのみで、当該リン光発光ドーパント材料からではない。従って、可視電磁気スペクトルの青色領域に発光できる効率的ＯＬＥＤ構造を発見することは大きな関心事である。
Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３９５，１５１（１９９８） Ｄ．Ｆ．Ｏ'Ｂｒｉｅｎら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７４，４４２（１９９９） Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７５，４（１９９９） Ｔ．Ｔｓｕｔｓｕｉら，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３８，Ｌ１５０２（１９９９） Ｃ．Ａｄａｃｈｉら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７７，９０４（２０００） Ｍ．Ｊ．Ｙａｎｇら，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ２，ｖｏｌ．３９，Ｌ８２８（２０００） Ｃ．Ｌ．Ｌｅｅら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７７，２２８０（２０００）
〔本発明の概要〕
本発明は効率的に発光するＯＬＥＤ素子、特に好ましくは可視スペクトルの青色範囲に発光するＯＬＥＤ素子、及びそのような素子類を形成する方法に関する。本発明に従って作成したＯＬＥＤには、好ましくは現行の緑色から赤色リン光発光ＯＬＥＤと同程度の効率レベルをもつ青色リン光ＯＬＥＤが含まれることが好ましい。
本発明はＯＬＥＤ、およびそれを調製する方法を目的としており、発光層は電荷輸送ドーパント材料およびリン光発光ドーパント材料の両方をドープしたワイドギャップホスト材料を含んでいる。電荷輸送ドーパント材料は正孔または電子を輸送でき、リン光発光ドーパント材料は電荷輸送ドーパント材料で運ばれる電荷と逆の電荷を輸送することができる。各ドーパント材料はかくして逆の極性である電荷を各々輸送する。電荷輸送リン光発光材料は同じようにリン光性放射を発光する機能を果たす。かくして、用語“電荷輸送ドーパント材料”は本明細書では電荷を単に輸送する材料をいうのに当て、一方、リン光発光ドーパント材料は本明細書では相互入れ替え可能で単なる“リン光発光ドーパント材料”、またはその代わりに“電荷輸送リン光発光ドーパント材料”と称してもよい。
例えば、１つの実施態様では電荷輸送ドーパント材料は正孔輸送材料で、リン光発光ドーパント材料は電子輸送材料である。リン光発光ドーパント材料はこれに加え、電圧をＯＬＥＤに横断してかけるとリン光放射を生じる発光材料である。他の実施態様では、電荷輸送ドーパント材料は電子輸送材料で、リン光発光ドーパント材料は発光材料であると共に、正孔輸送材料である。
各実施態様では、ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよび電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルは、それぞれ、リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルより高い。好ましくは、ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルも同じように、電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い。典型的にはリン光放射を生じることができるそれらの材料に関しては、放射はその材料の最低三重項状態エネルギーレベルのみから殆ど独占的に発光する。
本発明は更に発光層、および発光層を調製する方法を目的とし、発光層は、それぞれがホスト材料中に分散した電荷輸送ドーパント材料およびリン光発光ドーパント材料を伴うワイドギャップホスト材料を含んでおり、ここで、ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよびドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルはそれぞれ、リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い。この実施態様では、ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルも同じように電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルより高いことが好ましい。
本発明は、効率の良いＯＬＥＤに用いることができる材料の選択の方法、特に本明細書で説明するような相対的特性の組合せを有する材料群を選択する方法をさらに目的としている。
これまでの一般的説明および以下の詳細な説明の両方とも例示的および注釈的なものであり、請求項に記載した発明のさらなる説明を提供することを意図していることを理解されたい。
添付した図面は、本発明の更なる理解をもたらす含め、本明細書の構成部分に組み込まれ、本発明のいくつかの態様を図示し、発明の詳細な説明とともに本発明を説明するために役立つ。
図１は、本発明によるＯＬＥＤ構造の概略の断面図を示す。 図２は、本発明によるＯＬＥＤ構造の二番目の実施態様の概略の断面図を示し、この場合ホスト材料は電子注入層を形成している。 図３は、本発明によるＯＬＥＤ構造の三番目の実施態様の概略の断面図を示し、阻止層を含む。 図４は、本発明によるＯＬＥＤ構造におけるエネルギーレベルを示す略図である。 図５は、本発明による別のＯＬＥＤ構造におけるエネルギーレベルを示す略図である。
〔本発明の実施態様の詳細な説明〕
本発明の実施態様を、図面を参照して説明する。これらの実施態様は本発明の説明的な例を意図し、本発明を制限するものではないことを理解されたい。
本発明に従って製造したＯＬＥＤには、好ましくは１００％に達する内部量子効率を達成できるリン光発光ドーパントが、素子の発光層に分散されて含まれる。これらの素子中にある発光ドーパントは、典型的には例えばイリジウムまたはプラチナのような三重項励起子の効率的放射緩和を誘起する重遷移金属原子を含有する。イリジウムおよびプラチナは高い量子効率をもたらすが、オスミウムまたは金などの他の重金属も使用できる。これらのリン光発光ドーパントはそれゆえ素子の発光層内部にある実質的に全ての励起子を利用することができ、ルミネッセンスを誘起するのに一重項励起のみを用いる素子に比べて相当高い効率となる。
ＯＬＥＤからのルミネッセント発光は典型的には蛍光またはリン光によってである。本明細書で用いたように、用語“リン光”は有機分子の三重項励起状態からの発光をいい、用語“蛍光”は有機分子の一重項励起状態からの発光をいう。
色素をドープしたＯＬＥＤからのエレクトロルミネッセンスの原因と当初信じられていた機構には、ホストマトリックス中における励起子形成に次いでそのホストからＦｏｅｒｓｔｅｒまたはＤｅｘｔｅｒのエネルギー転移プロセスによるドーパントへのエネルギー転移が含まれていた。このプロセスは未だにリン光に基づくＯＬＥＤにおいて生じると信じられているが、これらのエレクトロルミネッセンス素子の効率を向上するのを助ける際に重要であると考えられる二番目のプロセスが存在する。リン光発光ドーパントのＨＯＭＯエネルギーレベルは、典型的には、それらがそのなかにドープされているマトリックス材料のＨＯＭＯエネルギーレベルよりもエネルギーが高い。このことは、そのドーピングレベルが充分に高い場合には、ドーパントが正孔を捕捉し且つマトリックスを通して正孔を輸送することができることを意味する。最終的結果は、ドーパント自身が正孔−電子再結合の部位として作用することができることである。このことは、励起子がドーパント部位において優先的に形成されることができれば、Ｆｏｅｌｓｔｅｒおよび／またはＤｅｘｔｅｒ型ホスト−ドーパントのエネルギー移動プロセスは、不活性な非電荷輸送ホスト材料においては不必要でありうることを意味している。
このタイプの捕捉／再結合プロセスは、本発明の青色リン光発光ＯＬＥＤの形成に有効に使用でき、なぜなら、そのようなプロセスは、青色リン光発光体よりもエネルギーの高いホストマトリクス中での励起子の形成を必要としないからである（即ち、スペクトルの紫色から紫外領域における非常に高いエネルギーレベルで）。簡単な構造を用いることができ、そこでは素子の発光領域は、正孔を輸送できるリン光発光ドーパントと電子輸送体とでドープされたワイドギャップホストマトリックスである。あるいは、リン光発光体が電子を輸送でき、発光層は正孔輸送体で共ドープされる。本発明はそのような簡単な構造を有するＯＬＥＤを目的としている。
したがって、本発明に特有な特徴の１つは、従来のＯＬＥＤ中の正孔輸送層または電子輸送層のために、唯一の成分でない場合には主要な成分として典型的に用いられる電荷輸送材料が、本発明では不活性マトリックス中の電荷輸送ドーパント材料として使用できることである。本発明の追加の特徴は、その電荷輸送ドーパント材料によって輸送される電荷と反対の電荷を輸送できる発光材料の使用であり、その発光材料は電荷輸送ドーパント材料と共にホストマトリックス中に分散されている。
そのような電荷輸送性発光材料の選択によって、不活性マトリックス中の発光材料上で直接的に電子／正孔再結合が起こることを可能にすると考えられる。更に、本明細書で説明した材料の組合せを選択することによって、エレクトロホスホレッセンス放射を生み出すのに典型的に利用できるものよりもずっと高いエネルギーに発光性三重項状態のエネルギーレベルを有する材料から、エレクトルミネッセンスルミネッセンス放射をより容易に得ることができると考えられる。典型的には、先行技術のＯＬＥＤにおいては、これらの高い三重項状態エネルギーレベルから他のＯＬＥＤ材料に存在するさらに低い三重項状態エネルギーレベルへと起こる傾向があるエネルギー移動が、より高いエネルギー三重項状態から得られる如何なる放射発光も実質的に防止することが予測される。それ故、本発明のエレクトロホスホレッセンス素子は、可視スペクトルのより高いエネルギー領域、特に可視スペクトルの青色領域に好ましく放射を生み出すことができる。
前述の電荷輸送ドーパント材料および前述の電荷輸送リン光発光ドーパント材料と組合せて不活性ホストマトリックスを用いることにより、そのような材料の組合せがＯＬＥＤ材料のかなり広い範囲からの選択を可能にすることがさらに考えられる。このことは、順次、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層、およびその正孔輸送層または電子輸送層のどちらか中に存在するリン光発光ドーパント材料を有しうる典型的ＯＬＥＤとは対照的である。電子輸送層または更に別の電子輸送層を、単に、正孔または励起子阻止層として機能させるために用いることもできる。これらの層の各々において用いる材料は、素子効率を低下させる傾向がある無放射のエネルギー移動経路を制限するように組み合わせて選択しなければならない。
本発明は、放射なしの損失経路を抑えるように整合する必要がある材料を極度に少ない数含有できるＯＬＥＤを目的としている。好ましくは、本発明の好ましい実施態様において使用される必要のある有機ＯＬＥＤ材料は３種類だけで、不活性ホスト材料、電荷輸送ドーパント材料および電荷輸送リン光発光ドーパント材料である。更に、発光層が不活性ホスト材料を含み、その不活性ホスト材料はその材料のＨＯＭＯ及びＬＵＭＯ準位の間に大きなエネルギーギャップを有するので、その不活性マトリクスは正孔輸送又は電子輸送に関与せず、なぜなら、ＯＬＥＤ中で生じる正孔及び電子はそれぞれそのホスト材料のＨＯＭＯ又はＬＵＭＯ準位を通って輸送されるための充分なエネルギーをもたないからである。加えて、これらの不活性ホスト材料はＨＯＭＯおよびＬＵＭＯレベルの間に広いエネルギーギャップを有するので、そのような材料は、リン光発光材料の最低三重項状態レベルより高く、且つ場合によっては電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態レベルよりも高い最低三重項励起状態レベルを有するように容易に選択できる。
このことは、それらの発光三重項状態エネルギーレベルの相対位置に基づいて且つそれに加えて不活性ホストマトリックスを通っての電荷輸送におけるそれらの効率に基づいて電荷輸送ドーパント材料を選択することによって、ホスト材料が正孔または電子輸送に関与できる場合に可能であるよりもさらに広い範囲のＯＬＥＤ材料から当業者は選択をすることできると考えられることを意味する。
同様に、上述の相対的三重項状態エネルギーレベルを有する電荷輸送発光材料を選択することによって、かなり広い範囲の電荷輸送発光材料から当業者が選択できると考えられ、これはその電荷輸送発光材料と適切に適合させなければならない材料がＯＬＥＤ中に遙かにわずかしか存在しないからである。この場合、限られた数のエネルギー緩和経路を通ってしかエネルギー移動がされないことを可能にし、それによって高い電界リン光発光効率を達成する電界輸送発光材料を選択することができる。
本発明の好ましい態様の１つでは、より高いエネルギーである、可視スペクトルの青色領域に発光ピークをもつ放射を生じるように発光材料を選択してもよい。これは約４３０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲、より好ましくは約４５０ｎｍの発光ピークをもつ範囲に相当する。本発明の材料および方法は、その他のより低いエネルギー領域、例えば、可視スペクトルの緑色または赤色領域に放射を生じるように用いてもよく、これはなお本発明の精神および範囲内にあることが理解されるべきである。
本発明の好ましい態様は、電荷輸送ドーパント材料および電荷輸送リン光発光ドーパント材料をドープしたホスト材料のみを含み、１つの界面はアノードと直接接触して反対の界面はカソードに直接接触した単一の発光性有機層、を有するＯＬＥＤを目的としている。しかしながら、本発明には、例えば正孔注入層、電子注入層および正孔阻止層および／または励起子阻止層を含めた追加の層が存在する態様も含まれる。それ故、これらの追加の層を含まないのが好ましいが、これらの追加の層の１つ以上と組合せて、単一の発光性有機層を用いてもよいと考えられる。
本発明にしたがうＯＬＥＤ構造の態様を、図１を参照して説明する。この素子は、例えば基材１０の上にさまざまな層を真空蒸着法または有機気相蒸着法（ＯＶＰＤ）により形成させることによって製造できる。真空蒸着は典型的には約１０‐１１から１０‐５トール(torr)の間の高真空が必要である。ＯＶＰＤはより弱い真空、例えば約１０‐５から５０トールの間が必要である。その他の製造法も素子を形成するのに同様に使用できる。例えば、重合体層はスピンコーティング法で形成できる。
基材１０を最初に形成し、その上に正の電源(positive power supply)に接続されるアノード層６０を形成する。アノード６０に隣接して正孔注入層５０を場合により形成させてもよい。例えば、正孔層５０はアノード６０の上に形成させた被膜であることができる。ワイドギャップホスト材料層４０は、任意選択による正孔注入層５０の上に、従来の製造法を用いて形成させる。したがって、ワイドギャップホスト材料層４０は、電荷輸送ドーパント材料およびリン光発光ドーパント材料を含有するドープ化層を含むＯＬＥＤ発光領域を画定する。電子注入層３０を任意選択で次に形成してもよく、次いで負の電源（negative power supply）に接続される従来のカソード層２０を形成する。アノード層６０及びカソード層２０の一方または両方は、素子が発した電磁気放射を通すことができる。
１つの態様では、ワイドギャップホスト材料層４０（マトリックス材料とも称する）が、その素子に使用される全てのドーパント類のエネルギーレベルより充分高い三重項状態エネルギーレベルを有する。ワイドギャップホスト材料層４０は、不活性であり、即ちこれは好ましくはＯＬＥＤの構造内で電荷を輸送しないことが好ましい。従って、電荷はドーパントのみによって輸送されることが好ましく、ワイドギャップホスト材料層４０によっては輸送されないことが好ましい。
図２に示した異なる態様では、本発明によるＯＬＥＤ構造は、異なる材料（複数）の分離した層ではなくて不活性ホスト材料の一部から形成された電子および正孔の注入領域を含む。領域９０は、ワイドギャップ材料層４０の非ドープ部分によって形成された電子注入接点である。領域９５はワイドギャップ材料層４０の非ドープ部分によって同様に形成された正孔注入接点である。これらの構造は、電荷キャリア類または励起子が素子の活性領域外に漏出すること並びに電極および有機材料層の間の界面にて消光することを防止するために用いられる。図５は、この態様と関連するエネルギーレベルを示す。
任意選択による非ドープ領域９０，９５は正孔および／または励起子の阻止層として機能するのに充分厚く、必要であれば電子の有効な注入を可能にするために十分に薄い層でありえる。
本発明によるＯＬＥＤの別の態様では、発光層および電極類の間に別個の阻止層が使用され、そこでは阻止層は、不活性の非電荷輸送材料ではなく電荷輸送材料を含む。図３に示すように、一番目および二番目の阻止層１００，１１０は、ドープした層および電極類の間に、ワイドギャップホスト材料層４０に隣接して形成される。これらの層を形成する材料は、キャリア再結合および発光を、ワイドギャップホスト材料層４０のドープした層に閉じ込めるように選択する。阻止層１００，１１０は、例えば、図２に示した注入領域９０，９５のような、ワイドギャップホスト材料層４０の非ドープ領域が充分な閉じ込めおよびキャリア注入をもたらさないときに使用される。いくつかの場合では、１つの阻止層のみ、例えば、発光層およびカソード層の間の正孔および／または励起子阻止層、を用いてもよい。
図４は、本発明にしたがい且つ電子注入層７５と正孔注入層５０を含むＯＬＥＤ素子を形成する材料のエネルギーレベルを示す。ワイドギャップホスト材料層４０中に分散しているリン光発光ドーパント材料が電子輸送体である場合、ＴＨＴ＞ＴＥＴおよびＴＷ＞ＴＥＴであり、ここでＴは三重項エネルギーを示し、下付き添字はワイドギャップ材料（Ｗ）、電子輸送体（ＥＴ）および正孔輸送体（ＨＴ）を示す。リン光発光ドーパント材料が正孔輸送体である場合は、ＴＥＴ＞ＴＨＴおよびＴＷ＞ＴＨＴである。
これらの関係から、ホスト材料層４０の三重項状態エネルギーレベルは、発光ドーパントの三重項状態エネルギーレベルより大きいことになるが、非発光ドーパントの三重項エネルギーレベルより大きい必要はない。不活性ホスト材料層４０のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップは、三重項レベルとは対照的に、正孔および電子の輸送体のエネルギーギャップより大きい。好ましくは、不活性ホスト材料のＨＯＭＯレベルは、いかなるドーパント材料並びにその不活性ホスト材料と直接物理的に接触しているいかなる隣接層のＨＯＭＯレベルよりも低い。加えて、不活性ホスト材料のＬＵＭＯレベルは、いかなるドーパント材料並びにその不活性ホスト材料に直接物理的に接触しているいかなる隣接層のＬＵＭＯレベルよりも高い。当業者であれば理解するように、別の材料と比較してより低いＨＯＭＯレベルを有する材料は、その別の材料のイオン化電位（イオン化ポテンシャル，ＩＰ）と比較して、より高いイオン化電位を有する。同じように、また、当業者であれば理解するように、別の材料と比較してより高いＬＵＭＯレベルを有する材料は、その別の材料の電子親和力と比較してより低い電子親和力を有する材料である。
上記の必要条件および好ましさを本発明にしたがって用いる材料に適用する場合、電子および正孔輸送体ドーパント類のレベルに対しての不活性ホスト材料層４０のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯレベルに対する制約条件は、ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギーレベルの間にワイドエネルギーギャップを有する不活性ホスト材料層に典型的には帰結する。ホスト材料層４０が不活性であることを確実にするには、ホスト材料は、少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップ、およびリン光発光ドープ層を形成する両ドーパント材料のエネルギーレベルよりも充分に上の三重項エネルギーレベルを有するように選択してよい。このことは、リン光発光ドープ層が、青色光を発するリン光体を含むときに特に重要である。
この３．５ｅＶエネルギーの必要条件は、有効な不活性ホストとして機能する最大の見込みを有するホスト材料を選択する際に便利に利用できる一方、本明細書で説明したその他の制約事項を満たすことを条件として、わずかに小さいエネルギーギャップをもつホスト材料の使用を可能とし、それでもなお高効率の青色リン光発光をもたらすＯＬＥＤ材料の特定の組合せもありうることが理解されなければならない。それ故、用語“ワイドギャップ”材料とは、少なくとも３．５ｅＶのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップを有する材料を典型的にはいう一方で、本明細書で使用するように、用語“ワイドギャップ”材料とは、ＯＬＥＤにおいてホストマトリックスとして使用した場合に、電荷輸送材料として機能しない充分大きなＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップを有する全ての材料をいうことができる。いわゆる非電荷輸送材料(non-charge carrying material)とは、少なくとも僅かな程度の電荷は輸送することができうるので、非電荷輸送材料は、本明細書では、電荷輸送ドーパントの何れよりも少なくとも１０分の１より少ない電流しか輸送しない材料として特徴づけることができる。
本発明によれば、ワイドギャップホスト材料層４０は、２種の異なる材料、電荷輸送ドーパント材料、および電荷輸送リン光発光ドーパント材料でドープされ、それらはそのホスト材料内に分散されて発光層を形成する。その２種のドーパント材料は、典型的にはそのホストマトリックス全体に均一に分散され、それぞれの濃度は、望ましい結果を生じるように独立に選択される。
電荷輸送ドーパント材料は、例えば、正孔輸送材料であることができ、その場合、リン光発光ドーパント材料はまた電子を輸送できる。別の態様では、その役割は入れ替わり、電荷輸送ドーパント材料は電子を輸送する一方、リン光発光ドーパント材料は正孔を輸送する。
１つの態様では、ワイドギャップホスト材料層４０は、例えば、ジフェニレン類、トリフェニレン類、ナフタレン類、テトラフェニルブタジエン類（それぞれの場合に、置換体又は非置換体であってよい）、並びにその他の有機材料類及び金属有機材料類から形成できる。リン光発光ドーパント材料が正孔輸送体である別の態様の例では、電荷輸送ドーパント材料は、オキシジアゾール類、トライゾール類、シクロオクタテトラエン類、およびその他のワイドギャップ電子輸送体類などの電子輸送材料を含むことができる。電子輸送がリン光発光ドーパント材料によって行われる場合、電荷輸送ドーパント材料は、トリアリールアミン類、金属配位錯体、供与体置換ナフタレン類、および適した高エネルギーＨＯＭＯレベルをもつその他のワイドギャップ材料などの正孔輸送材料を含むことができる。
電荷輸送ドーパント材料は、リン光発光ドーパント材料のものよりも高い三重項エネルギーレベルを有しなければならない。この点が、ワイドギャップホスト材料層４０はリン光発光ドーパント材料のものよりも高い三重項エネルギーレベルを持たねばならないという、上で説明した必要条件に付け加わる。電荷輸送ドーパント材料として使用されるものと同じ材料を、ＯＬＥＤの構造中に含むことができる正孔および／または励起子阻止層としても使用することができる。
一般に、これらの材料は、可視スペクトルのＵＶ〜青色領域に相当し、それによってリン光発光ドーパントのより低い三重項状態レベルから青色の発光を生じるＯＬＥＤをもたらす三重項エネルギーレベルを持たねばならない。
リン光発光ドーパント材料は、望ましい波長範囲に電磁的放射を発するリン光体を提供すること、およびまた、電荷輸送材料を提供することの二重の機能を有する。上で説明したように、電荷輸送ドーパント材料が電子輸送体であれば、リン光発光ドーパント材料は正孔輸送体でなければならず、逆の場合も同様である。
例えば、リン光発光ドーパント材料は重金属原子を含むことができ、以下に示す構造を有することができる。
Figure 2010080979
図の中で、Ｍは重遷移金属を表し、Ｃ――Ｎはシクロ金属化配位子およびＯ――Ｘは配位する配位子を表し、そのＸはＯ，ＮまたはＳであることができ、ｎ＝１または２、そしてｐ＝０または１である。これらの材料は、金属から配位子への電荷移動のエネルギー及び配位子内（３π−π＊）励起状態のエネルギーを調節することができるその能力によって、ドーピングリン光体を形成するために選択できる。一例では、前述の化合物を形成する重金属類は、好ましくはＩｒまたはＰｔ原子である。
〔本発明の実施例〕
ＯＬＥＤを作製するために当技術分野で公知の材料および方法を用い、１つの例示態様においては、本発明によるＯＬＥＤを、不活性ホスト材料としてポリスチレンの薄膜を用いて製造した。ドーパント層は、不活性ホスト材料を１５％の正孔輸送性リン光発光ドーパントおよび４０％の電子輸送性オキシジアゾールでドーピングして形成した。より具体的には、リン光発光ドーパント類は以下の化学構造を有するビス（フェニルピリジン）イリジウムアセチルアセトナート（ＰＰＩｒ）：
Figure 2010080979
 および以下の化学構造を有するビス（２−フェニルベンゾチアゾール）イリジウムアセチルアセトナート（ＢＴＩｒ）：
Figure 2010080979
 であり、オキシジアゾールは以下の化学構造を有する（４−ビフェニル）（４-tert-ブチルフェニル）オキシジアゾール（ＰＤＢ）：
Figure 2010080979
 であった。この素子は、約７と９ボルトの間のターンオン電圧をかけるとドーパントのみから発光した。ポリスチレンは、ドーパントが担持されている不活性マトリックスとして働いた。この素子は可視スペクトルの緑色領域の光を生じるが、これと同じ構成（the same configuration)において異なるリン光体ドーパントを用いて、スペクトルの青色領域の光を生じさせることができる。
本発明によるＯＬＥＤの構築に追加の層が使用できることに注意すべきである。これらの追加の層は当技術分野では公知であり、したがって詳細に議論はしない。
当業者には、本発明の精神または範囲から離れることなく、本発明の構成および方法論において種々の修正および変更ができることが明らかである。それ故、添付した特許請求の範囲およびそれと均等の範囲内にあることを条件として、本発明は本発明の修正及び変更に及ぶことを意図している。

Claims (66)

  1. ワイドギャップホスト材料；前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在する電荷輸送ドーパント材料；および前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在するリン光発光ドーパント材料を含む発光層；を含み、
    前記電荷輸送ドーパント材料が正孔輸送材料を含み、且つ前記リン光発光ドーパント材料が電子輸送材料を含む、有機発光素子の発光層。
  2. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよび前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルがそれぞれ前記リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項１記載の発光層。
  3. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルが、前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項２記載の発光層。
  4. 前記ワイドギャップホスト材料が、少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギーレベル間に有する、請求項３に記載の発光層。
  5. 前記ワイドギャップホスト材料が、少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギーレベル間に有する、請求項１記載の発光層。
  6. 前記発光層が可視スペクトルの青色領域において放射を発する、請求項１記載の発光層。
  7. 前記放射が約４３０から約４７０ｎｍの範囲に発光ピークを有する、請求項６記載の発光層。
  8. 前記発光ピークが約４５０ｎｍである、請求項７記載の発光層。
  9. 前記ワイドギャップホスト材料が、ジフェニレン、置換ジフェニレン、トリフェニレン、置換トリフェニレン、ナフタレン、置換ナフタレン、テトラフェニルブタジエンおよび置換トリフェニルブタジエンからなる群より選択された材料を含む、請求項２記載の発光層。
  10. 前記電荷輸送ドーパント材料が、トリアリールアミン、金属配位錯体および供与体置換ナフタレンからなる群より選択された材料を含む、請求項２記載の発光層。
  11. 前記リン光発光ドーパント材料が、下記一般式：
    Figure 2010080979
     （式中、Ｍは重遷移金属；Ｃ――Ｎはシクロ金属化配位子；Ｏ――Ｘは配位した配位子であって、Ｘは酸素、窒素および硫黄からなる群から選択され；ｎは１または２に等しく、ｐは０または１に等しい。）
    の構造を有する化合物を含む、請求項２記載の発光層。
  12. Ｍが、イリジウム、プラチナ、オスミウム、および金からなる群より選択される、請求項１１記載の発光層。
  13. ワイドギャップホスト材料；
    前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在する電荷輸送ドーパント材料；および
    前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在するリン光発光ドーパント材料を含み、さらに、前記電荷輸送ドーパント材料が電子輸送材料を含み、且つ前記リン光発光ドーパント材料が正孔輸送材料を含む、有機発光素子の発光層。
  14. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよび前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルがそれぞれ、前記リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項１３記載の発光層。
  15. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルが、前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項１４記載の発光層。
  16. 前記ワイドギャップホスト材料が、少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯとＬＵＭＯの間に有する、請求項１５記載の発光層。
  17. 前記ワイドギャップホスト材料が、少なくとも約３．５ｅＶのエネルギー差をＨＯＭＯとＬＵＭＯの間に有する、請求項１３記載の発光層。
  18. 前記発光層が、可視スペクトルの青色領域において放射を発する、請求項１３記載の発光層。
  19. 前記放射が約４３０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲に発光ピークを有する、請求項１８記載の発光層。
  20. 前記発光ピークが約４５０ｎｍである、請求項１９記載の発光層。
  21. 前記ワイドギャップホスト材料が、ジフェニレン、置換ジフェニレン、トリフェニレン、置換トリフェニレン、ナフタレン、置換ナフタレン、テトラフェニルブタジエンおよび置換テトラフェニルブタジエンからなる群より選択された材料を含む、請求項１４記載の発光層。
  22. 前記電荷輸送ドーパント材料が、オキシジアゾール、トリアゾールおよびシクロオクタテトラエンからなる群より選択した材料を含む、請求項１４記載の発光層。
  23. 前記リン光発光ドーパント材料が、下記一般式：
    Figure 2010080979
     （式中、Ｍは重遷移金属；Ｃ――Ｎはシクロ金属化配位子；Ｏ――Ｘは配位した配位子であり、Ｘは酸素、窒素および硫黄からなる群より選択され、ｎは１または２に等しく、且つｐは０または１に等しい。）
    の構造を有する化合物を有する、請求項１４記載の発光層。
  24. Ｍがイリジウム、プラチナ、オスミウムおよび金からなる群より選択される、請求項２３記載の発光層。
  25. 前記ワイドギャップホスト材料がポリスチレンを含み、前記電荷輸送ドーパント材料が下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有する（４-ビフェニル）（４-tert-ブチルフェニル）オキシジアゾール（ＰＤＢ）を含み、且つ前記リン光発光ドーパント材料が下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有するビス（フェニルピリジン）イリジウムアセチルアセトナート（ＰＰＩｒ）、
    および下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有するビス（２−フェニルベンゾチアゾール）イリジウムアセチルアセトナート（ＢＴＩｒ）を含む、請求項１４記載の発光層。
  26. アノード層；
    ワイドギャップホスト材料、電荷輸送ドーパント材料、およびリン光発光ドーパント材料を含み、ここで前記電荷輸送ドーパント材料および前記リン光発光ドーパント材料が前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在する、前記アノード層上の発光層；および
    前記発光層上のカソード層；を含み、
    ここで、前記電荷輸送ドーパント材料が正孔輸送材料を含み、前記リン光発光ドーパント材料が電子輸送材料を含む、有機発光素子。
  27. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよび前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルがそれぞれ、各前記リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項２６記載の素子。
  28. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルが、前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項２７記載の素子。
  29. 前記ワイドギャップホスト材料が、少なくとも３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギーレベル間に有する、請求項２８記載の素子。
  30. 前記ワイドギャップホスト材料が少なくとも３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギーレベル間に有する、請求項２６記載の素子。
  31. 前記発光層が、可視スペクトルの青色領域において放射を発する、請求項２６記載の素子。
  32. 前記放射が約４３０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲に発光ピークを有する、請求項３１記載の素子。
  33. 前記発光ピークが約４５０ｎｍである、請求項３２記載の素子。
  34. 前記ワイドギャップホスト材料が、ジフェニレン、置換ジフェニレン、トリフェニレン、置換トリフェニレン、ナフタレン、置換ナフタレン、テトラフェニルブタジエン、および置換テトラフェニルブタジエンからなる群より選択される材料を含む、請求項２７記載の素子。
  35. 前記電荷輸送ドーパント材料が、トリアリールアミン、金属配位錯体および供与体置換ナフタレンからなる群より選択した材料を含む、請求項２７記載の素子。
  36. 前記リン光発光材料が、下記の一般式：
    Figure 2010080979
     （式中、Ｍは重遷移金属；Ｃ――Ｎはシクロ金属化配位子；Ｏ――Ｘは配位した配位子であり、Ｘは酸素、窒素および硫黄からなる群より選択され；ｎは１または２に等しく、ｐは０または１に等しい。）
    の構造を有する化合物を含む、請求項２７記載の素子。
  37. Ｍが、イリジウム、プラチナ、オスミウム、および金からなる群より選択される、請求項３６記載の素子。
  38. 前記アノード層および前記発光層の間に正孔注入層をさらに含む、請求項２６記載の素子。
  39. 前記発光層および前記カソード層の間に電子注入層をさらに含む、請求項３８記載の素子。
  40. 前記発光層および前記電子注入層の間に正孔阻止層をさらに含む、請求項３９記載の素子。
  41. 前記発光層および前記電子注入層の間に励起子阻止層をさらに含む、請求項３９記載の素子。
  42. 前記発光層および前記正孔注入層の間に電子阻止層をさらに含む、請求項４０記載の素子。
  43. 前記発光層および前記正孔注入層の間に励起子阻止層をさらに含む、請求項４０記載の素子。
  44. 前記発光層および前記カソード層の間に電子注入層をさらに含む、請求項２６記載の素子。
  45. 前記ワイドギャップホスト材料が、前記アノード層と接触しているワイドギャップホスト材料の非ドープ領域を含む電子注入領域と、前記カソード層と接触しているワイドギャップホスト材料の非ドープ領域を含む正孔注入領域とを含む、請求項２６記載の素子。
  46. アノード層；
    ワイドギャップホスト材料、電荷輸送ドーパント材料、およびリン光発光材料を含み、ここで前記電荷輸送ドーパント材料および前記リン光発光ドーパント材料が前記ワイドギャップホスト材料中にドーパントとして存在する、前記アノード層上の発光層；および
    前記発光層上のカソード層；を含み、
    ここで前記電荷輸送ドーパント材料が電子輸送材料を含み、且つ前記リン光発光ドーパント材料が正孔輸送材料を含む、有機発光素子。
  47. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルおよび前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルがそれぞれ前記リン光発光ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項４６記載の素子。
  48. 前記ワイドギャップホスト材料の最低三重項状態エネルギーレベルが、前記電荷輸送ドーパント材料の最低三重項状態エネルギーレベルよりも高い、請求項４７記載の素子。
  49. 前記ワイドギャップホスト材料が少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギーレベルの間に有する、請求項４８記載の素子。
  50. 前記ワイドギャップホスト材料が少なくとも約３．５ｅＶのエネルギーギャップをＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギーレベルの間に有する、請求項４６記載の素子。
  51. 前記発光層が可視スペクトルの青色領域に放射を発する、請求項４６記載の素子。
  52. 前記放射が約４３０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲に発光ピークを有する、請求項５１記載の素子。
  53. 前記発光ピークが約４５０ｎｍである、請求項５２記載の素子。
  54. 前記ワイドギャップホスト材料が、ジフェニレン、置換ジフェニレン、トリフェニレン、置換トリフェニレン、ナフタレン、置換ナフタレン、テトラフェニルブタジエンおよび置換テトラフェニルブタジエンからなる群より選択される材料を含む、請求項４７記載の素子。
  55. 前記電荷輸送ドーパント材料が、オキシジアゾール、トライゾールおよびシクロオクタテトラエンからなる群より選択される材料を含む、請求項４７記載の素子。
  56. 前記リン光発光ドーパント材料が、下記の一般式：
    Figure 2010080979
     （式中、Ｍは重遷移金属；Ｃ――Ｎはシクロ金属化配位子；Ｏ――Ｘは配位した配位子であり、Ｘは酸素、窒素および硫黄からなる群より選択され；ｎは１または２に等しく、ｐは０または１に等しい。）
    の構造を有する化合物を含む、請求項４７記載の素子。
  57. Ｍが、イリジウム、プラチナ、オスミウムおよび金からなる群より選択される、請求項５６記載の素子。
  58. 前記ワイドギャップホスト材料がポリスチレンを含み、前記電荷輸送ドーパント材料が下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有する（４−ビフェニル）（４-tert-ブチルフェニル）オキシジアゾール（ＰＤＢ）を含み、
    そして前記リン光発光ドーパント材料が下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有するビス（フェニルピリジン）イリジウムアセチルアセトナート（ＰＰＩｒ）、
    および下記の化学構造
    Figure 2010080979
     を有するビス（２−フェニルベンゾチアゾール）イリジウムアセチルアセトナート（ＢＴＩｒ）を含む、請求項４７記載の素子。
  59. 前記アノード層および前記発光層の間に正孔注入層をさらに含む、請求項４６記載の素子。
  60. 前記発光層および前記カソード層の間に電子注入層をさらに含む、請求項５９記載の素子。
  61. 前記発光層および前記電子注入層の間に正孔阻止層をさらに含む、請求項６０記載の素子。
  62. 前記発光層および前記電子注入層の間に励起子阻止層をさらに含む、請求項６０記載の素子。
  63. 前記発光層および前記正孔注入層の間に電子阻止層をさらに含む、請求項６１記載の素子。
  64. 前記発光層および前記正孔注入層の間に励起子阻止層をさらに含む、請求項６１記載の素子。
  65. 前記発光層および前記カソード層の間に電子注入層をさらに含む、請求項４６記載の素子。
  66. 前記ワイドギャップホスト材料が、前記アノード層に接触しているワイドギャップホスト材料の非ドープ領域を含んでいる電子注入領域と、前記カソード層に接触しているワイドギャップホスト材料の非ドープ領域を含んでいる正孔注入領域とを含む、請求項４６記載の素子。
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