JP2010262851A

JP2010262851A - 発光素子及びそれを利用した発光装置

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Publication number: JP2010262851A
Application number: JP2009113549A
Authority: JP
Inventors: Koichi Fukuda; 浩一福田; Ryota Watanabe; 亮太渡辺
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】凹凸からなる周期構造上に積層する層を平坦化せずに、発光面積を減少させることなく、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１００側から順に、第１の電極層１０２と、発光層１０５を有する有機化合物層と、第２の電極層１０３とを有している発光素子であって、前記有機化合物層より基板１００側には凹凸からなる周期構造３００が配置され、前記有機化合物層及び第２の電極層１０３の各々の基板１００と反対側の面が、周期構造３００の凹凸を反映した凹凸を有し、周期構造３００の凹部と凸部の段差が、前記有機化合物層の膜厚及び第２の電極層１０３の膜厚よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子及びそれを利用した発光装置に関する。

有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴とした有機ＥＬ素子（発光素子）から構成され、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極層から電子を、陽極層からホール（正孔）を有機層に注入し、有機層中の発光層で励起子を生成させ、これらの励起子が基底状態に戻る際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料から成る。

このような有機ＥＬ素子の開発においては、発光効率を向上させることが課題の一つである。有機ＥＬ素子は、通常、陽極層、発光層を含む有機層、及び陰極層が１次元的に積層された構成をとる。このとき、空気の屈折率１．０よりも発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）の方が大きい。このため、発光層の内部から放出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、有機ＥＬ素子の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、伝播光として有機ＥＬ素子の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素子の発光効率を改善するためには、光取り出し効率を向上させることが重要である。特許文献１では、発光層の内部で発生した光の大部分が積層膜の界面で全反射するのを防ぎ、有機ＥＬ素子の内部に光が閉じ込められることを抑制するために、有機層の上部または下部に回折格子を配置する方法が提案されている。

特開平１１−２８３７５１号公報

特許文献１の有機ＥＬ素子では、回折格子上に積層する層を平坦化している。しかしながら、平坦化すると、手間がかかるという課題がある。

そこで、本発明は、凹凸からなる周期構造上に積層する層を平坦化せずに、発光面積を減少させることなく、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子及びそれを利用した発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基板側から順に、第１の電極層と、発光層を有する有機化合物層と、第２の電極層とを有している発光素子であって、前記有機化合物層より前記基板側には凹凸からなる周期構造が配置され、前記有機化合物層及び前記第２の電極層の各々の基板と反対側の面が、前記周期構造の凹凸を反映した凹凸を有し、前記周期構造の凹部と凸部の段差が、前記有機化合物層の膜厚及び前記第２の電極層の膜厚よりも小さいことを特徴とする発光素子を提供するものである。

本発明によれば、凹凸からなる周期構造上に積層する層を平坦化せずに、発光面積を減少させることなく、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

本発明の有機ＥＬ素子の一例を示した図である。周期構造の段差が、第２の電極層の膜厚よりも小さい場合の有機ＥＬ素子の断面概略図である。周期構造の段差が、第２の電極層の膜厚よりも大きい場合の有機ＥＬ素子の断面概略図である。周期構造の段差が、発光層の層厚よりも大きい場合の有機ＥＬ素子の断面概略図である。

まず、本発明の特徴について説明する。

本発明は、基板側から順に、第１の電極層と、発光層を有する有機化合物層と、第２の電極層とを有している発光素子についての発明である。なお、第１の電極層及び第２の電極層は、一方が陽極層のとき、他方は陰極層とする。

有機化合物層より基板側には凹凸からなる周期構造が配置されている。本発明において、周期構造とは凹凸を有し、発光層で発生して、面内方向、例えば基板と他の層との接触面に対して水平方向等、に導波する光を、凹凸部分により回折することができ、発光素子の外に回折された光を取り出すことが可能な構造を表す。例えば、以下の実施形態で説明するように、光透過部材中に金属膜が周期的に設けられている構造や、金属膜中に周期的に開口が設けられている構造等が好適に用いられる。

また、有機化合物層及び第２の電極層の各々の基板と反対側の面は、周期構造の凹凸を反映した凹凸を有している。この凹凸は、例えば、周期構造の凹凸の上に、均一な厚さの有機化合物層を形成した後、有機化合物層を平坦化することなく、均一な厚さの第２の電極層を形成することにより作製する。このとき、第２の電極層も平坦化しない。つまり、有機化合物層及び第２の電極層を平坦化しないことにより、有機化合物層及び第２の電極層の各々の基板と反対側の面が凹凸を有することになる。有機化合物層及び第２の電極層の各々の基板と反対側の面の上記状態が周期構造の凹凸を反映した状態である。

さらに、周期構造の凹部と凸部の段差は、有機化合物層の膜厚及び第２の電極層の膜厚よりも小さくなっている。

本発明について、以下では、有機ＥＬ素子を例に挙げて説明するが、本発明の発光素子は、これに限定されるものではなく、無機ＥＬ素子や発光層にＱＤ（量子ドット）を用いたＱＤ−ＬＥＤ素子等の発光素子であれば、実施可能である。

以下に、本発明の有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ素子を利用した表示装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の電極層１０２の表面に凹凸からなる周期構造を有する有機ＥＬ素子の一例を断面概略図で示した図である。

図１（ａ）に示す有機ＥＬ素子には、基板１００上に、陽極層として第１の電極層１０２が形成されている。第１の電極層１０２は、反射電極層１０２Ａと反射電極層１０２Ａ上の透明電極層１０２Ｂから構成され、光取り出し側とは反対側の反射電極層である。第１の電極層１０２の一表面上には、光取り出し効率を向上させるために、金属層と透明電極層等から構成される周期構造３００が形成されている。本実施形態では、第１の電極層１０２の一表面上に凹凸からなる周期構造を形成しているが、凹凸からなる周期構造は、有機化合物層より基板側にあれば、第１の電極層１０２上に形成しなくても良い。

第１の電極層１０２上には、第１の電極層１０２の周縁を覆うように、絶縁部材等からなる隔壁１１０が形成されており、隔壁１１０に覆われていない第１の電極層１０２上には、発光層を含む有機化合物層１０１が形成されている。有機化合物層１０１上には、陰極層として第２の電極層１０３が形成されている。第２の電極層１０３は、金属半透明電極層１０３Ａと金属半透明電極層１０３Ａ上の透明電極層１０３Ｂから構成され、光取り出し側となる。つまり、図１（ａ）に示す有機ＥＬ素子は、基板１００側とは反対側から光を取り出すトップエミッション型の有機ＥＬ素子の一例である。

図１（ｂ）は、第１の電極層１０２の表面に凹凸からなる周期構造を有する有機ＥＬ素子の一例を俯瞰概略図で示した図である。

図１（ｂ）に示す領域は、図１（ａ）の基板１００上に、第１の電極層１０２、有機化合物層１０１、第２の電極層１０３が積層された部分に対応しており、第１の電極層１０２の表面に形成された周期構造３００は上に凸な構造である。また、図１（ｂ）では、周期構造３００の凹凸の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ₁、ａ₂としている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１の電極層１０２の表面に凹凸からなる周期構造３００が形成されているため、図１（ａ）において、導波光２０３の一部が周期構造３００によって回折光２０４に変換され、有機ＥＬ素子の外部に取り出される。この回折効果のため、光取り出し効率が向上する。

図２は、第１の電極層１０２の表面に形成された周期構造３００の凹部と凸部の段差が、第２の電極層１０３の膜厚よりも小さい場合の有機ＥＬ素子の一例を断面概略図で示した図である。

図２に示す有機ＥＬ素子の有機化合物層は、ホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７が積層された構成をとっており、有機化合物層は、この構成にするのが好適である。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等を含む。また、必要に応じて第１の電極層１０２とホール輸送層１０６との間にホール注入層を設けても良いし、第２の電極層１０３と電子輸送層１０７との間に電子注入層を設けても良い。このとき、有機ＥＬ素子に電圧を印加することにより、陽極層から注入された正孔と陰極層から注入された電子が、有機化合物層中の発光層１０５で再結合し、励起子を形成することで発光する。

図２に示すように、第１の電極層１０２の表面に形成された周期構造３００と第２の電極層１０３との間には、平坦化層を含まない。そのため、周期構造３００の凹凸形状は、テーパー角などが緩くなるなど形状が多少変化するものの、概ね、ホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、第２の電極層１０３の各層においても保持される。具体的には、第１の電極層１０２及び第２の電極層１０３に電圧を印加することによって発光層１０５が発光する発光領域（隔壁で区画される領域）において、例えば、有機化合物層と第２の電極層１０３との接触面の平均表面粗さが２ｎｍ以上となる。

ここで、本発明では、周期構造３００の凹部と凸部の段差ｈ（以下、段差ｈという。）と、第２の電極層１０３の膜厚（以下、膜厚ｄという。）との関係が重要となる。また、段差ｈと有機化合物層の膜厚との関係も重要となる。

図３に示すように、段差ｈが膜厚ｄよりも大きい場合には、第１の電極層１０２に形成された周期構造３００の隣接する凹部及び凸部において、前記凹部上に形成された第２の電極層１０３と前記凸部上に形成された第２の電極層１０３が互いに非接触となる。よって、周期構造３００の凸部に対応する部分が導通しなくなり、その結果、発光面積の縮小に伴い電流密度が大きくなるため、有機ＥＬ素子の寿命が低下してしまう。

したがって、本発明では、図２に示すように、段差ｈが膜厚ｄよりも小さくなるように構成する。これにより、第１の電極層１０２に形成された周期構造３００の隣接する凹部及び凸部において、前記凹部上に形成された第２の電極層１０３と前記凸部上に形成された第２の電極層１０３が互いに非接触となるのを防ぐことができる。よって、光取り出し効率を向上させることが可能となる。このとき、段差ｈは有機化合物層の膜厚よりも小さくないと、第１の電極層１０２と第２の電極層１０３がショートする恐れがある。

また、図２に示すように、段差ｈは発光層１０５の膜厚よりも小さいことが好ましい。段差ｈが発光層１０５の膜厚以上の場合には、図４の矢印のように、ホール輸送層１０６から電子輸送層１０７に直接流れる電流パスができてしまうので、発光に寄与する電流量が減少し、効率が低下してしまうからである。

さらに、段差ｈは第１の電荷輸送層及び第２の電荷輸送層（ホール輸送層１０６及び電子輸送層１０７）の膜厚よりも小さいことが好ましい。

以上から、図１（ａ）及び図１（ｂ）、図２に示した例のように、本実施形態によれば、発光面積を減少させることなく、光取り出し効率を向上させることできる。その結果、発光効率を向上させることができる。

次に、有機ＥＬ素子に用いられる各部材の材料について説明する。

基板材料としては、ガラス、Ｓｉウエハ、アルミナ等のセラミック、透明樹脂、ステンレスに絶縁膜を付けたもの等が用いられる。ボトムエミッション構成では、光透過性の良い部材を使用するのが好適である。基板上には、素子駆動用の配線（電源線、信号線、選択線、グランド線）、トランジスタ部（駆動素子部、選択素子部）、駆動素子部のトランジスタのゲート電圧を保持するための保持容量部、上記電子デバイスを各々導通させるための配線等を有する。前記配線等、トランジスタ部、及び保持容量部は、ホトリソ工程により形成・配置されている。

陽極層の材料としては、特に限定されないが、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化インジウム、酸化亜鉛系等の酸化物透明電極材料等が用いられる。また、陽極層は正孔をホール輸送層に注入する役割を担うものであり、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有するとより効果的である。

陰極層の材料としては、特に限定されないが、インジウム、アルミニウム、マグネシウム等が用いられる。これらに限らず、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金、並びにこれらの混合物等を用いても良い。また、陰極層は電子輸送帯又は発光層に電子を注入するため、仕事関数の小さい材料が好ましい。

ここで、これらの電極層は、陽極層、陰極層のうち何れかの電極層が可視光の領域において透明で、もう一方の電極層が高反射率を有するものとする。また、これらの電極層の厚さは電極として本来の機能を果たす厚さであれば、特に限定されないが、好ましくは０．０２μｍ〜２μｍの範囲である。

本発明における有機ＥＬ素子の構造は、第１の電極層と第２の電極層の間に前述の有機化合物層を挟持した構造である。例えば、次のような構成等がある。（１）陽極層、発光層、陰極層。（２）陽極層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、陰極層。（３）陽極層、ホール輸送層、発光層、陰極層。（４）陽極層、発光層、電子輸送層、陰極層。（５）陽極層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極層。前記（１）〜前記（５）等の構成において、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、ホール注入層、電子注入層に用いられる有機化合物は、特に限定されるものではないが、例えば、低分子材料、高分子材料もしくはその両方により構成される。さらに、必要に応じて無機化合物やＱＤ（量子ドット）を用いても良い。

以下に、上記化合物の例を挙げる。

ホール輸送性材料としては、陽極層からの正孔の注入を容易にし、また注入された正孔を発光層に輸送するに優れた移動度を有することが好ましい。ホール注入輸送性能を有する低分子および高分子系材料としては、トリアリールアミン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、オキサゾール誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、およびポリ（ビニルカルバゾール）、ポリ（シリレン）、ポリ（チオフェン）、その他導電性高分子等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

発光材料としては、発光効率の高い蛍光材料や燐光材料等が用いられる。本発明に用いられる発光材料としては、特に限定されないが、通常発光材料として使用されている化合物であれば何を使用してもよい。例えば、トリス（８−キノリノール）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）やビスジフェニルビニルビフェニル（ＢＤＰＶＢｉ）、１，３−ビス（ｐ−ｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾールイル）フェニル（ＯＸＤ−７）、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（ＢＰＰＣ）、１，４ビス（ｐ−トリル−ｐ−メチルスチリルフェニルアミノ）ナフタレン等である。

電子輸送性材料としては、注入された電子を発光層に輸送する機能を有するものから任意に選ぶことができ、ホール輸送材料のキャリア移動度とのバランス等を考慮し選択される。電子注入輸送性能を有する材料としては、オキサジアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、ピラジン誘導体、トリアゾール誘導体、トリアジン誘導体、ペリレン誘導体、キノリン誘導体、キノキサリン誘導体、フルオレノン誘導体、アントロン誘導体、フェナントロリン誘導体、有機金属錯体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

ホール注入材料としては、ＭｏＯ₃，ＷＯ₃，Ｖ₂Ｏ₅等の遷移金属酸化物や、銅フタロシアニン（Ｃｕｐｃ）等が挙げられる。

電子注入材料としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属、もしくはその化合物等が挙げられ、前述した電子輸送性材料に、０．１％以上数十％以下含有させることにより、電子注入性を付与することが出来る。電子注入層は、必要不可欠な層ではないが、この後に、透明陰極層を形成する際の成膜時に受けるダメージを考慮すると、良好な電子注入性を確保するために１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度挿入した方が好ましい。

陽極層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、ホール注入層、電子注入層、陰極層の成膜が終わった後に、酸素や水分等との接触を防止する目的で保護層が設けられる。保護層としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の金属窒化物膜や、酸化タンタル等の金属酸化物膜、ダイヤモンド薄膜、フッ素樹脂、ポリパラキシレン、ポリエチレン、シリコン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子膜、光硬化性樹脂等が好適に用いられる。トップエミッション構成の場合には、光取り出し側の透明陰極層上に保護層が形成されるので、透湿度／透明度の仕様を満たす必要がある。

また、ガラス、気体不透過性フィルム、金属などをカバーし、適当な封止樹脂により素子自体をパッケージングすることもできる。また、防湿性を高める為に、保護層内に吸湿材を含有させても良い。

上記では、図１（ａ）に示すように、周期構造を凸型の２次元的なフォトニック結晶構造とした。しかしながら、凹凸を有し、発光層で発生して、上述の面内方向に導波する光を、凹凸部分により回折することができ、発光素子の外に回折された光を取り出すことが可能であれば、凸型の２次元的なフォトニック結晶構造の周期構造に限定されない。例えば、凹型の２次元的なフォトニック結晶構造、１次元的な回折格子の組み合わせ、３次元的なフォトニック結晶構造であっても良い。また、異なる基本格子ベクトルを持つ複数の種類の周期構造をいずれも有する構成であっても良い。さらに、周期構造は、完全に周期的である必要はなく、準結晶構造やフラクタル構造、連続的に周期構造が変化する構造、周期構造中に不規則な欠陥が存在する構造、若しくは周期構造とこれらを組み合わせたものであっても良い。

また、上記では、基板側を陽極層、光取り出し側を陰極層とする構成で説明してきたが、基板側を陰極層、光取り出し側を陽極層とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を上述の積層順序とは逆の順序で積層する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、本発明の有機ＥＬ素子は基板側を陽極層、光取り出し側を陰極層とする構成に限定されるものではない。

さらに、上記では、基板とは反対側が光取り出し側となるトップエミッション構成について説明してきたが、基板側が光取り出し側となるボトムエミッション構成においても本発明を実施することは可能である。なお、ボトムエミッション構成の場合には、有機化合物層より基板側にある凹凸からなる周期構造が光を透過もしくは半透過させる必要があり、光を透過もしくは半透過させる周期構造が好適に用いられる。

（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態は、第１の実施形態を発光装置に用いた例である。

本発明の発光装置は、発光素子からなる画素を複数有する発光装置であって、各画素の各々の発光を制御する駆動回路を備えており、少なくとも一つの画素が、本発明の発光素子により構成されている。なお、本発明において、画素とは、独立して発光の制御が可能である最小の単位を示す。

また、本発明の発光装置は、表示装置として用いることができる。この場合には、複数の画素ユニットがマトリックス状に配列され、各画素ユニットは、発光色の異なる複数の画素、例えば、赤色発光画素、緑色発光画素及び青色発光画素で構成されるようにするのが良い。なお、画素ユニットとは、発光色の異なる複数の画素で構成され、各画素の混色によって所望の色の発光を可能とする最小の単位を示す。

なお、本実施形態においては、全ての画素が本発明の有機ＥＬ素子であっても良いし、一部の画素のみが本発明の有機ＥＬ素子であっても良い。即ち、本発明の有機ＥＬ素子と従来の有機ＥＬ素子を両方有する構成であっても良い。この場合には、両者の割合を調整することで、表示装置の発光特性を調整することができる。また、このように両方有する場合には、本発明の有機ＥＬ素子と従来の有機ＥＬ素子を規則的に配列しても良いが、本発明の有機ＥＬ素子が不規則に点在するように配置していても良い。

本発明の発光装置は、照明やプリンタヘッド、露光装置や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。また、本発明の発光装置を表示装置として使用する場合には、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等が挙げられる。その他、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挙げられる。

１００基板、１０１有機化合物層、１０２第１の電極層、１０３第２の電極層、１０５発光層、３００周期構造

Claims

基板側から順に、第１の電極層と、発光層を有する有機化合物層と、第２の電極層とを有している発光素子であって、
前記有機化合物層より前記基板側には凹凸からなる周期構造が配置され、
前記有機化合物層及び前記第２の電極層の各々の基板と反対側の面が、前記周期構造の凹凸を反映した凹凸を有し、
前記周期構造の凹部と凸部の段差が、前記有機化合物層の膜厚及び前記第２の電極層の膜厚よりも小さいことを特徴とする発光素子。
前記周期構造の前記凹部と前記凸部の段差は、前記発光層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記有機化合物層は、前記発光層と前記第１の電極層の間に第１の電荷輸送層を有し、前記発光層と前記第２の電極層の間に第２の電荷輸送層とを有し、
前記周期構造の前記凹部と前記凸部の段差が、前記第１の電荷輸送層の膜厚及び前記第２の電荷輸送層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
発光素子を有する複数の画素と、前記画素の各々の発光を制御する駆動回路とを有する発光装置であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一つの画素は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光素子を有することを特徴とする発光装置。