JP2011091458A - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易で製造性に優れ、湿式印刷法で有機層を製膜することが可能である有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】基板１１の上に形成された、第１領域と第１領域以外の第２領域とを有する陽極金属層１２と、陽極金属層１２の表面が酸化されることにより第１領域及び第２領域に形成された金属酸化物層１３と、金属酸化物層１３の上であって第１領域に形成された絶縁層１４と、金属酸化物層１３の上であって第２領域に形成された正孔輸送層１５と、正孔輸送層１５の上に形成された有機発光層１６及び陰極層１７とを備え、第２領域における陽極金属層１２の上面は、第１領域における陽極金属層１２の上面よりも下方に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関し、特に、ディスプレイデバイス又は照明に用いられる有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す）は、陽極と陰極で発光層を含む有機層を挟んだ構造を有し、陽極から正孔、陰極から電子を注入し、発光層内でそれらを再結合させて発光を取り出すデバイスである。
有機ＥＬ素子は、構成する有機層を印刷法などの湿式法で簡易に形成することができ、低コスト化やフレキシブル化に適性があり、近年活発に研究開発が進められている。
また、有機ＥＬ素子は、すでに携帯電話のメインディスプレイなどの用途への応用が始まっている。しかしながら、ディスプレイ輝度の半減寿命などの性能や製造方法を反映したコストの面で、競合する液晶ディスプレイに劣っており、改善が必要である。
特に、製造方法の面では、現在商用されている有機ＥＬ素子の有機層は、真空蒸着法により形成されており、有機ＥＬの特徴を十分に活かしきれていない。
これに対し、湿式法で有機層を形成する製造方法は、材料使用効率と製造時間、製造装置のコスト面で優位である。また、ディスプレイへの応用では、大面積の画素を印刷法で塗り分けられるため、真空蒸着のような面内不均一の問題や蒸着層のパターニングに用いるメタルマスクのたわみの問題がない。
一方で、湿式法で多層の有機層を形成する場合は、上層の溶液を滴下した際に、一般に下地層がこれに溶出してしまうため、多層化が困難という問題点を有する。有機ＥＬ素子の性能は、様々な役割をもつ有機層を多層に積層することで向上できるため、この問題点は重要である。このため、湿式法を用いる有機ＥＬ素子の性能は、真空蒸着法を用いるものに比べて著しく低い。湿式法を用いる有機ＥＬ素子の実用化のためには、湿式法に適したデバイス構造とその製造法を開発することが不可欠である。
湿式法を用いる多層型有機ＥＬ素子のデバイス構造及びその製造方法として、例えば特許文献１が開示されている。特許文献１では、基板上の透明電極上に水性の有機物質からなる正孔注入層を形成する。この層は、有機層に溶け出ることはない。その上から架橋剤を含む正孔輸送性の材料を有機溶媒から製膜し、製膜後光処理により架橋し、不溶化する。次に発光層として、発光性の有機材料からなる第３層を有機溶媒から製膜する。最後に、陰極を蒸着により形成して素子を形成する。
特許文献１に記載された上記構造の有機ＥＬ素子は、駆動電圧や発光効率、寿命といった性能に優れるが、正孔注入層として用いられている以下の式
Figure 2011091458
 で示される化合物ＰＥＤＯＴ（Ｐｏｌｙ（３、４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｎｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））とＰＳＳ（Ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ））との混合物に代表される水溶性の電導材料は、一般に酸性溶液であり、インクジェットノズルなどの装置の腐食を引き起こす問題がある。また、これは完全な溶液ではなく、微粒子が分散されたものであるため、インクジェットノズルの目詰まりの問題もある。さらに、電導度が高すぎるために、この膜の一部分でも陰極と接触してしまった場合にはリーク電流の増加を引き起こす。
上述したインクジェットノズルの使用に起因する問題点の対策として、第一層の正孔注入層を省略し直接第二層の正孔輸送層に正孔を注入することが挙げられる。これによれば、上記問題点を解決できるだけでなく、製造装置および製造時間などの製造コストの面からの利点も大きい。しかし、一般に用いられているインジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと記す）などの陽極上に直接第二層の正孔輸送層を形成した場合、正孔注入は十分ではなく、発光効率と寿命が著しく低下してしまう。この問題は、架橋剤の混合が必要であり正孔輸送能力が低下する塗布系の正孔輸送材料に特に顕著である。
これに対し、特許文献２では、上述したインクジェットノズルの使用に起因する問題点及び正孔輸送能力の低下を防止する構造が提案されている。特許文献２では、無機の正孔注入層として、仕事関数が大きくエネルギーレベル的に正孔注入が有利である酸化モリブデンや酸化バナジウムなどの金属酸化物層を形成することが開示されている。これらは、有機溶媒には不溶であるため、上から有機溶媒の湿式塗布をする場合には、溶出の問題はない。
また、有機材料を、湿式法による印刷法で塗り分ける方法が、例えば、特許文献３に開示されている。特許文献３では、撥水性であるバンクと呼ばれる絶縁層が用いられることにより、バンクが形成されていない開口部に有機ＥＬ素子の発光部を規定する効果と、親水性である当該開口部の陽極表面に有機物の溶液を保持する効果がある。
特表２００７−５２７５４２号公報 特開２００７−２８８０７１号公報 特開２００２−２２２６９５号公報
しかしながら、前述した特許文献２及び特許文献３に記載された有機ＥＬ素子の構造及びその製造方法では、以下のような課題がある。
特許文献３に記載された絶縁層の形成とそのパターニング工程の後に、特許文献２に記載された金属酸化物を有する正孔注入層を形成した場合、絶縁層の表面と開口部とを含め、全面に上記金属酸化物が形成されてしまう。これにより、前述した開口部の有する親水性と絶縁層の有する撥水性との差が消失するため、その後に湿式塗布される有機物の溶液が画素外に溢れ出てしまう。
上記プロセスの代わりに、絶縁層の形成前に上記金属酸化物の正孔注入層を形成した場合、当該金属酸化物は水溶性であるために、絶縁層のパターニング工程の際に用いられる水系の現像液あるいは剥離液に溶出して消失してしまい、正孔注入能力の低下に起因して、発光効率及び寿命といった性能が低下する。
上記課題に鑑み、本発明は、発光効率及び寿命といった性能に優れ、かつ、湿式成膜法を有機層の形成として用いた簡易な製造プロセスを有する有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す）は、基板と、前記基板の上に形成された、第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有する陽極金属層と、前記陽極金属層の上であって、前記基板の上に積層された陽極金属層の表面が酸化されることにより、前記第２領域に少なくとも形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上であって、前記第１領域に形成された絶縁層と、前記金属酸化物層の上であって、前記絶縁層の形成されていない前記第２領域に形成され、正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層と、前記正孔輸送層の上に形成され、湿式印刷法により、発光性を有する有機材料を用いて形成されている有機発光層と、前記有機発光層の上に形成され、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層とを備え、前記第２領域における前記陽極金属層の上面は、前記第１領域における前記陽極金属層の上面よりも下方に位置することを特徴とする。
また、本発明の他の一態様に係る有機ＥＬ素子は、基板と、前記基板の上に形成された、第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有する陽極金属層と、前記陽極金属層の上であって、前記基板の上に積層された陽極金属層の表面が酸化されることにより、前記第２領域に少なくとも形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上であって、前記第１領域に形成された絶縁層と、前記金属酸化物層の上であって、前記絶縁層の形成されていない前記第２領域に形成され、湿式印刷法により、正孔輸送性の有機材料を用いて形成されている、前記正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層と、前記正孔輸送層の上に形成された有機発光層と、前記有機発光層の上に形成され、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層とを備え、前記第２領域における前記陽極金属層の上面は、前記第１領域における前記陽極金属層の上面よりも下方に位置することを特徴とする。
本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子によれば、正孔注入特性に優れ、有機層の層数を削減でき、湿式印刷による有機層の形成が可能であるので、消費電力と駆動寿命に優れるとともに、簡略な製造工程を有する有機ＥＬ素子を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における有機ＥＬ素子の構造断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る有機ＥＬ素子の導波ロス低減効果を説明する構造断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における変形例を示す有機ＥＬ素子の構造断面図である。 図４は、本発明に係る実施例１における有機ＥＬ素子の製造方法を説明する工程図である。 図５Ａは、本発明に係る実施例１の製造方法を用いて作製された有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬデバイスの上面図である。 図５Ｂは、本発明に係る実施例１の製造方法を用いて作製された有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬデバイスの構造断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２における有機ＥＬ素子の構造断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る有機ＥＬ素子の製造方法を説明する工程図である。 図８は、本発明の有機ＥＬ素子が用いられるＴＶの外観図である。
本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、基板と、前記基板の上に形成された陽極金属層と、前記陽極金属層の上であって、第１領域に形成された絶縁層と、前記陽極金属層の上であって、前記基板の上に積層された陽極金属層の表面が酸化されることにより、前記第１領域以外の第２領域に少なくとも形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上であって、前記絶縁層の形成されていない第２領域に形成され、正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層と、前記正孔輸送層の上に形成された有機発光層と、前記有機発光層の上に形成され、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層とを備え、前記第２領域における前記陽極金属層の上面は、前記第１領域における前記陽極金属層の上面よりも下方に位置することを特徴とする。
本態様によれば、陽極金属層の酸化により、陽極金属層と有機発光層との間において大きな仕事関数が得られ正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくできるので、正孔注入特性に優れた正孔注入層を金属酸化物層で形成することが可能となる。また、正孔注入層を、有機層で形成する必要がないので、有機層の層数を削減できる。また、上記正孔注入層の上に、湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
さらに、本態様によれば、第２領域における陽極金属層の上面が、第１領域における陽極金属層の上面よりも下方に位置するので、陽極金属層の上に設けられた金属酸化物層に関し、（１）第１領域と第２領域との界面において、第２領域側が第１領域側よりも下方に位置するように段差が生じる形態(金属酸化物層が第１領域及び第２領域に設けられる場合)、または、（２）金属酸化物層の側面部および下面部が陽極金属層により被覆される形態(金属酸化物層が第２領域のみに設けられる場合)のいずれかを取ることになる。これらの形態をとることにより、発光された光が、第１領域に形成される金属酸化物層を光導波路として外部へ漏れてしまうという、いわゆる導波ロスを低減することが可能となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記陽極金属層は、可視光の反射率が６０％以上である陽極金属下層と、前記陽極金属下層の表面上に積層された陽極金属上層とを備えてもよい。
本態様によれば、酸化される陽極金属上層とは独立に、陽極金属下層として反射率が高い金属を用いることができる。よって、各層の材料選択の幅が広がり、トップエミッション型有機ＥＬ素子としての性能の最適化がより容易となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記陽極金属下層は、アルミニウム及び銀のうち少なくとも１つを含む合金であり、前記陽極金属上層は、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属であることが好ましい。
本態様によれば、陽極金属下層として反射率が高い金属を用いることができ、トップエミッション型有機ＥＬ素子としての性能の最適化がより容易となる。また、陽極金属上層として酸化により仕事関数が大きくなる金属元素が選択されるので、正孔注入特性に優れた正孔注入層を、金属酸化物層で形成することが可能となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記第２領域における前記陽極金属上層の膜厚は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
本態様によれば、陽極金属上層による反射率の低下、つまり、トップエミッション型有機ＥＬ素子の発光の減衰を抑えることができ、陽極金属下層の高反射率を最大限に活かすことが可能となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記第２領域には、前記陽極金属上層が形成されていなくてもよい。
本態様によれば、陽極金属上層が完全に金属酸化物層に変換されるので、陽極金属下層での反射率を最大化することが可能となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記金属酸化物層は、さらに、前記第１領域にも形成されていてもよい。
本態様によれば、陽極金属層の形成後、当該陽極金属層の表面は、製造工程中の大気などにより酸化され、金属酸化物層が一様に自然形成される場合がある。上記製造方法を用いることにより、開口部では人為的に酸化処理を行うので、事前に自然形成された金属酸化物層が、絶縁層パターン形成時に使用する水系溶媒によって溶出しても、有機発光層へ十分な正孔を注入できる正孔注入層を確保することが可能となる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記金属酸化物層は、第１領域および第２領域に形成され、前記第２領域における前記金属酸化物層の膜厚は、前記第１領域における前記金属酸化物層の膜厚よりも大きい。
本態様によれば、前記第２領域における前記金属酸化物層の膜厚は、前記第１領域における前記金属酸化物層の膜厚よりも大きいので、第２領域における良好な正孔注入性を満たしながらも、第１領域における絶縁層と金属酸化物層との剥離を防止して両層の密着性を維持できるという効果が得られる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記第２領域における前記金属酸化物層の下面は、前記第１領域における前記金属酸化物層の下面よりも下方に位置するものである。
本態様によれば、前記第２領域における前記金属酸化物層の下面は、前記第１領域における前記金属酸化物層の下面よりも低い位置に位置するので、金属酸化物層の第１、２領域間に段差部が生じており、この段差部により、発光の導波ロスが低減できるという効果が得られる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記金属酸化物層は、前記第１領域に形成されることなく前記第２領域に形成され、前記第２領域に形成された前記金属酸化物層は、その側面部および下面部が前記陽極金属層により被覆されてもよい。
本態様によれば、前記金属酸化物層は、その側面部および下面部が前記陽極金属層により被覆されるので、発光の一部が金属酸化物層を通じて素子の外部に漏出することが防止され、発光の導波ロスが低減できるという効果が得られる。
また、本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、前記陽極金属層は、銀、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属であることが好ましい。
本態様によれば、開口部における陽極金属層の一部が酸化処理されて形成された金属酸化物層は、仕事関数が大きい。よって、上記金属酸化物層は、高い正孔注入能力を有することができ、発光効率及び寿命といった性能に優れた有機ＥＬ素子を実現することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る照明装置は、上述したいずれかの有機エレクトロルミネッセンス素子を備えるものである。
さらに、本発明の一態様に係る画像表示装置は、上述したいずれかの有機エレクトロルミネッセンス素子を備えるものである。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、基板上に陽極金属層を積層する金属層積層ステップと、前記金属層積層ステップの後、前記陽極金属層の上に絶縁層を形成する絶縁層形成ステップと、前記絶縁層形成ステップの後、前記絶縁層をパターニングすることにより、前記絶縁層が一部除去された開口部を形成する開口部形成ステップと、前記開口部形成ステップの後、前記開口部の表面を酸化処理することにより前記開口部表面に金属酸化物層を形成する酸化処理ステップと、前記酸化処理ステップにて酸化処理された前記金属酸化物層の上に、正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層を湿式法により形成する正孔輸送層形成ステップと、前記正孔輸送層の上に、有機発光層を形成する発光層形成ステップと、前記有機発光層の表面上に、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層を形成する陰極層形成ステップとを含むことを特徴とする。
本態様によれば、陽極金属層の酸化により、仕事関数が大きく正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくすることが可能な正孔注入層を形成することが可能となる。また、上記正孔注入層は金属酸化物層であるので、有機層の層数を削減でき、その上層には湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記金属層積層ステップの後、大気にさらすことにより前記陽極金属層の表面に自然酸化による金属酸化膜を形成する自然酸化膜形成ステップを含み、前記絶縁層形成ステップは、前記自然酸化膜形成ステップの後、前記陽極金属層の上に絶縁層を形成するステップであってもよい。
本態様によれば、陽極金属層を形成した後、大気にさらすことにより、陽極金属層の表面に自然酸化による金属酸化膜が形成される。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記開口部形成ステップでは、前記絶縁層形成ステップの後、前記絶縁層をパターニングすることにより、前記絶縁層が一部除去された開口部を形成するとともに、開口部に対応する領域に形成された自然酸化膜を除去するものであってもよい。
本態様によれば、絶縁層形成ステップ後には、第２領域である開口部には、陽極金属層の自然酸化による表面酸化膜が形成されているが、当該表面酸化膜の表面をアルカリ性の溶液などで洗浄することにより、表面酸化物を溶出させ、開口部の表面酸化膜を取り除いてもよい。そして、その後、次工程の人為的な酸化処理プロセスを実施することにより、開口部に自然酸化による表面酸化膜を形成させないようにすることができる。これにより、開口部の金属酸化物層は、第１領域の金属酸化物層とは、連続的に形成されず、第２領域の金属酸化物層は、その側面部および下面部が陽極金属層により被覆される。よって、発光の一部が金属酸化物層を通じて素子の外部に漏出することを完全に防止することが可能となり、発光の導波ロス低減効果が顕著となる。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記酸化処理ステップにより形成される金属酸化物層の厚みは、前記自然酸化膜形成ステップにより形成される金属酸化物層の厚みよりも大きい。
本態様によれば、陽極金属層の表面に形成された金属酸化物層が正孔注入特性に優れた正孔注入層として機能する。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記酸化処理ステップでは、前記開口部形成ステップの後、前記開口部の表面を酸化処理することにより前記開口部表面に、前記自然酸化膜形成ステップにより形成される金属酸化物膜の膜厚よりも大きな膜厚である金属酸化物層を形成するものである。
本態様によれば、第２領域における金属酸化物層の膜厚は、第１領域における金属酸化物層の膜厚よりも大きいので、陽極金属層の上に設けられる金属酸化物層に関し、第１領域と第２領域との界面において、第２の領域側が第１の領域側よりも下方に位置するように段差が生じる形態となる。これにより、発光された光が、第１領域に形成された金属酸化物層を光導波路として外部へ漏れてしまうという、いわゆる導波ロスを低減することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記酸化処理ステップにおける前記酸化処理は、紫外光オゾン処理、酸化性ガス雰囲気でのプラズマ処理、及びオゾンを含む溶液による処理のうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
本態様によれば、第２領域における陽極金属層の上に、所望の膜厚を有する正孔注入層を、簡易的なプロセスにて形成することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子の製造方法は、前記正孔輸送層形成ステップにおける前記湿式法は、ノズルジェットによる印刷法であることが好ましい。
本態様によれば、第２領域における正孔注入層の上に、簡易的なプロセスにて大面積にわたり一様な有機層を形成することが可能となる。
（実施の形態１）
本実施の形態における有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す）は、基板の上に形成された陽極金属層と、当該陽極金属層の上の第１領域に形成された絶縁層と、当該陽極金属層の上であって第１領域及び第２領域に形成された金属酸化物層と、当該金属酸化物層の上であって絶縁層の形成されていない領域に形成された正孔輸送層と、当該正孔輸送層の上に形成された有機発光層と、当該有機発光層の表面上に形成された陰極層とを備え、第２領域における陽極金属層の上面は、第１領域における陽極金属層の上面よりも下方に位置することを特徴とする。これにより、正孔注入特性に優れ、有機層の層数を削減でき、湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
以下、本発明の有機ＥＬ素子に係る実施の形態１について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における有機ＥＬ素子の構造断面図である。同図における有機ＥＬ素子１は、基板１１と、陽極金属層１２と、金属酸化物層１３と、絶縁層１４と正孔輸送層１５と、有機発光層１６と、陰極層１７とを備える。
基板１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス基板、石英基板などが用いられる。また、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルホンなどのプラスチック基板を用いて、有機ＥＬ素子に曲げ性を付与することもできる。本発明の構造は、これまで述べたように、特に、トップエミッション有機ＥＬ素子に対して効果が大きいので、不透明プラスチック基板や金属基板を用いることが可能である。また、基板上に有機ＥＬを駆動するための金属配線やトランジスタ回路が形成されていてもよい。
陽極金属層１２は、基板１１の表面上に積層され、陰極層１７に対して正の電圧を有機ＥＬ素子１に印加する電極である。製造プロセス途中における陽極金属層が、実施例で群述する製造プロセスにより表面酸化されることにより、金属酸化物層１３が形成される。よって、陽極金属層１２は、後工程にて酸化形成される金属酸化物層１３の要求性能が考慮され、金属酸化により仕事関数が大きくなる金属元素が選択される。これは、高い正孔注入特性を有する金属酸化物層は、大きな仕事関数を有することが必要であることに起因する。このような金属元素材料の例としては、特に限定されるものではないが、銀、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうちのいずれかの金属、これらの金属の合金、またはそれらを積層したものを用いることが可能である。
金属酸化物層１３は、正孔を安定的に、又は正孔の生成を補助して、後述する正孔輸送層１５へ正孔を注入する機能を有する。前述したように、金属酸化物層１３は、実施例で群述する製造プロセスにより、陽極金属層の表面が酸化されることにより形成される。また、金属酸化物層１３は、上述した金属元素で構成されるため、大きな仕事関数を有する。
これにより、本発明の有機ＥＬ素子１は、高い正孔注入特性を有するので、高発光効率および長寿命特性を有することが可能となる。
また、金属酸化物層１３と陽極金属層１２との界面については、後述する人為的な酸化処理により、絶縁層１４が形成されていない第２領域である開口部における当該界面の方が、絶縁層１４の下である第１領域の当該界面よりも、基板１１の上面との距離が小さい。
言い換えると、上記第２領域における陽極金属層１２の膜厚は、上記第１領域における陽極金属層１２の膜厚よりも小さい。この構造は、本発明の製造工程を用いた場合に、必然的に形成される構造である。
金属酸化物層１３の膜厚としては、０．１〜２０ｎｍが好ましい。さらに好ましくは１〜１０ｎｍである。金属酸化物層１３が薄すぎると、均一性の問題から正孔注入性が低く、厚すぎると駆動電圧が高くなってしまう。
陽極金属層１２の表面上に金属酸化物層１３を形成する工程としては、特に限定されるものではないが、製造途中における陽極金属層の表面に対する紫外光オゾン処理、酸化性ガス雰囲気のプラズマ処理、あるいはオゾンを含む溶液による処理などを好適に用いることができる。
絶縁層１４は、湿式印刷法を用いて形成される正孔輸送層１５及び有機発光層１６を所定の領域に形成するバンク層としての機能を有する。
絶縁層１４としては、特に限定されるものではないが、抵抗率が１０5Ωｃｍ以上の物質で、撥水性の物質が用いられる。抵抗率が１０5Ωｃｍ以下の抵抗率の材料であると、絶縁層１４が、陽極と陰極との間のリーク電流あるいは隣接画素間のリーク電流の原因となり、消費電力の増加などの様々な問題を生じる。また、絶縁層１４として親水性の物質を用いた場合、金属酸化物層１３の表面は、一般に、親水性であるので、絶縁層１４表面と金属酸化物層１３表面との親撥水性の差異が小さくなる。そうすると、正孔輸送層１５及び有機発光層１６を形成するための有機物質を含んだインクを、開口部に選択的に保持することが困難となってしまう。
絶縁層１４に用いる材料は、無機物質および有機物質のいずれであってもよいが、有機物質の方が、一般的に、撥水性が高いので、より好ましく用いることができる。このような材料の例としては、ポリイミド、ポリアクリルなどが挙げられる。より撥水性とするために、フッ素を導入していても良い。
また、絶縁層１４は２層以上から構成されていてもよく、上述した材料の組み合わせであっても良いし、無機物質を第一層として用いて、有機物質を第二層に用いる組み合わせであっても良い。
有機ＥＬ素子として有効に動作する部位を形成するために、絶縁層１４は所定の形状にパターニングされて、少なくとも一箇所の開口部を有することが必要である。このパターニングの方法としては、特に限定されるものではないが、感光性の材料を用いたフォトリソグラフィ法を適用することが好ましい。
開口部の形状としては、画素ごとに開口部を用いるピクセル状のデザインであっても良いし、ディスプレイパネルの一方向に沿って、複数の画素を含むライン状のデザインであっても良い。
正孔輸送層１５は、金属酸化物層１３から注入された正孔を有機発光層１６内へ輸送する機能を有する。正孔輸送層１５としては、正孔輸送性の有機材料を用いることができる。正孔輸送性の有機材料とは、生じた正孔を分子間の電荷移動反応により伝達する性質を有する有機物質である。これは、ｐ−型の有機半導体と呼ばれることもある。よって、正孔輸送層１５は、電子注入層である金属酸化物層１３と有機発光層１６との間にあって、正孔電荷を輸送する機能を有する。
正孔輸送層１５は、高分子材料でも低分子材料であってもよいが、湿式印刷法で製膜できることが好ましく、上層である有機発光層１６を形成する際に、これに溶出しにくいよう、架橋剤を含むことが好ましい。正孔輸送性の材料の例としてはフルオレン部位とトリアリールアミン部位を含む共重合体や低分子量のトリアリールアミン誘導体を用いることが出来る。架橋剤の例としては、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレートなどを用いることができる。
正孔輸送層１５を形成する湿式印刷法としては、特に限定されるものではないが、インクジェット法に代表されるノズルジェット法や、ディスペンサー層を用いることができる。この場合、インクジェット法は、インク化した有機成膜材料をノズルから金属酸化物層１３へ噴射して、正孔輸送層１５を形成する方法である。
有機発光層１６は、正孔と電子が注入され再結合されることにより励起状態が生成され発光する機能を有する。
有機発光層１６としては、湿式印刷法で製膜できる発光性の有機材料を用いることが必要である。これにより、大画面の基板に対して、簡易で均一な製膜が可能となる。この材料としては、高分子材料でも低分子材料であってもよい。
陰極層１７としては、特に限定されるものではないが、透過率が８０％以上の物質および構造を用いることが好ましい。これにより、発光効率が高いトップエミッション有機ＥＬ素子を得ることができ、消費電力と輝度半減寿命に優れた有機ＥＬ素子を得ることができる。
このような透明陰極としての陰極層１７の構成としては、特に限定されるものではないが、例えば、アルカリ土類金属を含む層と、電子輸送性の有機材料とアルカリ土類金属とを含有する層と、金属酸化物層とを備える構造が用いられる。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、バリウムが好適に用いられる。電子輸送性の有機材料としては、特に限定されるものではないが、電子輸送性の有機半導体材料が用いられる。また、金属酸化物層としては、特に限定されるものではないが、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと記す）あるいはインジウム亜鉛酸化物からなる層が用いられる。
陰極層１７の別の例としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはそれらのハロゲン化物を含む層と銀を含む層とをこの順に積層した構造を用いることができる。銀を含む層は、銀単独であっても良いし、銀合金であってもよい。また、光取り出し効率を向上するために、この層の上から透明度が高い屈折率調整層が設けられてもよい。
上述した本発明の実施の形態１に係る有機ＥＬ素子１において、上記第２領域における金属酸化物層１３の下面は、上記第１領域における金属酸化物層１３の下面よりも下方に位置する。
また、上記第２領域における陽極金属層１２の上面は、上記第１領域における陽極金属層１２の上面よりも下方に位置する。
また、上記第２領域における金属酸化物層１３の膜厚は、上記第１領域における金属酸化物層１３の膜厚よりも大きい。
本態様により、陽極金属層１２の酸化により、陽極金属層１２と有機発光層１６との間において大きな仕事関数が得られ正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくできるので、正孔注入特性に優れた正孔注入層を金属酸化物層で形成することが可能となる。また、正孔注入層を、有機層で形成する必要がないので、有機層の層数を削減できる。また、上記正孔注入層の上に、湿式印刷による有機層の製膜が可能となる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る有機ＥＬ素子の導波ロス低減効果を説明する構造断面図である。
有機発光層１６で発光した光は、球状一様分布、つまり等方的に出射する。その一部の出射光は、正孔輸送層１５を通過し金属酸化物層１３へ到達する。金属酸化物層１３は、その組成および構造から、屈折率が２．０以上であり、他の隣接する層よりも屈折率は高い。よって、金属酸化物層１３へ入射した光は、他層との境界において反射し易い。このとき、金属酸化物層１３へ入射した光は、屈折率の高い金属酸化物層１３を導波路として、第１領域の金属酸化物層１３へと進み易い。しかし、本発明に係る金属酸化物層１３は、第１領域と第２領域との間に段差部が生じているため、金属酸化物層１３と他層との境界において反射した光が、上記段差部により再び第２領域内へ反射されて陰極層１７の上面から出射することとなる。よって、金属酸化物層１３と他層との境界において反射した光が、第１領域の金属酸化物層１３を導波路として外部へ漏出することが抑制される。
以上説明したように、金属酸化物層１３の第１領域と第２領域との間に段差部により、発光の導波ロスが低減できるという効果が得られる。
また、本態様により、第２領域における良好な正孔注入性を満たしながらも、第１領域における絶縁層１４と金属酸化物層１３との剥離を防止して両層の密着性を維持できるという効果が得られる。
一般に、ある表面において、表面エネルギーが大きい方がその表面に積層した層との密着性が高い。これは、表面エネルギーが大きい表面の方が不安定であり、別層と接合することによりエネルギーを低下させようとするためである。
濡れ性試験でこれを評価した場合、表面エネルギーの大きい方が、接触角が小さく、濡れ性が高い。また、一般に金属表面よりも金属酸化物表面の方が、表面エネルギーが大きい。これは、金属原子のみからなる集合体よりも金属原子と酸素原子からなる集合体の方が、電子分極が存在するために表面電荷を生じ、不安定な表面が出現するためである。従って、金属表面よりも金属酸化物表面の方が上層に対する密着性が高い。また、自然酸化膜のような極薄の酸化膜では、金属面が表面になっている比率が高いので、数ナノメートルの厚みに酸化することで、より密着性を改善できる。
図３は、本発明の実施の形態１における変形例を示す有機ＥＬ素子の構造断面図である。同図における有機ＥＬ素子２は、基板１１と、陽極金属下層１２１と、陽極金属上層１２２と、金属酸化物層１３と、絶縁層１４と、正孔輸送層１５と、有機発光層１６と、陰極層１７とを備える。図２に記載された有機ＥＬ素子２は、図１に記載された有機ＥＬ素子１と比較して、陽極金属層１２が２層から構成されている点のみが構成として異なる。以下、有機ＥＬ素子１と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
陽極金属下層１２１は、基板１１の表面上に積層され、陰極層１７に対して正の電圧を有機ＥＬ素子２に印加する電極である。陽極金属下層１２１は、可視光の反射率が６０％以上であることが好ましい。また、陽極金属下層１２１の材料としては、例えば、銀、アルミニウムまたはそれらを含む合金が挙げられる。合金の例としては、銀−パラジウム、銀−パラジウム−銅、アルミニウム−ネオジウムなどが好適に用いられる。
本態様によれば、酸化される陽極金属上層とは独立に、陽極金属下層として反射率が高い金属を用いることができる。よって、各層の材料選択の幅が広がり、トップエミッション型有機ＥＬ素子としての性能の最適化がより容易となる。
陽極金属上層１２２は、陽極金属下層１２１の表面上に積層される。製造プロセス途中における陽極金属上層が、製造プロセスにより表面酸化されることにより、金属酸化物層１３が形成される。よって、陽極金属上層１２２は、後工程にて酸化形成される金属酸化物層１３の要求性能が考慮され、金属酸化により仕事関数が大きくなる金属元素が選択される。これは、高い正孔注入特性を有する金属酸化物層は、大きな仕事関数を有することが必要であることに起因する。このような金属元素材料の例としては、特に限定されるものではないが、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうちのいずれかの金属、これらの金属の合金、またはそれらを積層したものを用いることが可能である。
これにより、正孔注入特性に優れた金属酸化物層１３を形成することが可能となる。
また、陽極金属上層１２２の膜厚としては、２０ｎｍ以下であることが好ましい。なぜならば、これ以上厚いと、有機ＥＬ素子２の反射率は陽極金属上層１２２の反射率を反映し、陽極金属下層１２１の反射率を反映することが困難となるからである。
つまり、陽極金属上層による反射率の低下、つまり、トップエミッション型有機ＥＬ素子の発光の減衰を抑えることができ、陽極金属下層の高反射率を最大限に活かすことが可能となる。
この２層構造及び上記金属元素を用いることにより、酸化される陽極金属上層１２２とは独立に、陽極金属下層１２１として反射率が高い金属を用いることができる。よって、各層の材料選択の幅が広がり、トップエミッション型有機ＥＬ素子としての性能の最適化がより容易となる。
なお、陽極金属下層１２１の構成要素として、可視光の反射率が６０％以上の金属を用いる場合には、陽極金属上層１２２は、製造最終段階において消失してもよい。この場合、陽極金属上層１２２の反射率の影響を最低限に抑えることができる。この場合、金属酸化物層１３は、製造最終段階においては、陽極金属下層１２１と直接接触する構造となる。
また、陽極金属下層１２１及び陽極金属上層１２２は、３層以上から構成されていてもよい。
また、金属酸化物層１３は絶縁層１４の下に形成されていなくてもよい。一般に、後述する製造工程において、基板１１の上に陽極金属層１２または陽極金属上層１２２を積層した後、大気にさらすことにより自然酸化による金属酸化膜が陽極金属層１２または陽極金属上層１２２の表面に形成される。しかし、例えば、上記工程途中の素子を大気にさらすことなく、次工程の絶縁膜積層を実施することにより、自然酸化による金属酸化膜が陽極金属層１２に形成されない場合がある。この場合には、金属酸化物層１３は絶縁層１４の下に形成されない。
上述した実施の形態１の変形例においても、上記第２領域における金属酸化物層１３の下面は、上記第１領域における金属酸化物層１３の下面よりも下方に位置する。
また、上記第２領域における陽極金属上層１２２の上面は、上記第１領域における陽極金属上層１２２の上面よりも下方に位置する。
また、上記第２領域における金属酸化物層１３の膜厚は、上記第１領域における金属酸化物層１３の膜厚よりも大きい。
これにより、陽極金属上層１２２の酸化により、陽極金属上層１２２と有機発光層１６との間において大きな仕事関数が得られ正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくできるので、正孔注入特性に優れた正孔注入層を金属酸化物層で形成することが可能となる。また、正孔注入層を、有機層で形成する必要がないので、有機層の層数を削減できる。また、上記正孔注入層の上に、湿式印刷による有機層の製膜が可能となる。
また本態様により、金属酸化物層１３の第１領域と第２領域との間に段差部により、発光の導波ロスが低減できるという効果が得られる。
また、本態様により、第２領域における良好な正孔注入性を満たしながらも、第１領域における絶縁層１４と金属酸化物層１３との剥離を防止して両層の密着性を維持できるという効果が得られる。
（実施例）
次に、実施例及び比較例を挙げながら本発明を説明する。
（実施例１）
図４は、本発明に係る実施例１における有機ＥＬ素子の製造方法を説明する工程図である。
まず、ガラス基板１１１（松浪ガラス製無ソーダガラスを使用）表面上に、スパッタ法によりモリブデン９７％、クロム３％からなる膜厚１００ｎｍの陽極１２３（以下、Ｍｏ：Ｃｒ（９７：３）と略することがある）を形成した。そして、感光性レジストを用いるフォトリソグラフィおよびエッチングによる陽極１２３のパターニング工程、および感光性レジストの剥離工程を経て、陽極１２３を所定の陽極形状にパターニングした（図４（ａ））。
エッチング液としては、燐酸、硝酸、酢酸の混合溶液を用いた。
この陽極１２３の形成工程の完了後、次の絶縁層形成工程前には、陽極１２３の最表面が自然酸化され、表面酸化膜１３１が形成されている。なお、前述したように、陽極１２３の形成工程の完了後、素子を大気にさらすことなく、次工程の絶縁膜積層を実施することにより、表面酸化膜１３１が形成されない場合がある。この場合には、次工程において、絶縁層１４１は、陽極１２３の上に形成される。
次に、絶縁層１４１として感光性ポリイミドをスピンコート法により形成し、フォトマスクを用いた露光、現像工程を経て所定の形状にパターニングした（図４（ｂ））。
次に、中性洗剤と純水を用いて基板洗浄を行った。この基板洗浄工程において、表面酸化膜１３１は水溶性であるために、表面酸化膜１３１の一部が溶出してしまう可能性がある。表面酸化膜１３１の一部が溶出した状態の上に正孔輸送層を積層すると、正孔注入層としての金属酸化物層が不十分な状態となり、低い正孔注入能力を有する有機ＥＬとなってしまう。本発明では、この正孔注入能力の低下を抑制するため、上記絶縁層形成工程の後に、人為的な酸化処理工程を導入している。
そのための表面処理として、ＵＶ−オゾン処理（照射光：１７０ｎｍ紫外光、照射時間：１２０秒）を行い、正孔注入層として機能する金属酸化物層１３２を形成した（図４（ｃ））。つまり、金属酸化物層１３２は、上記表面処理後の表面酸化膜１３１の形態であり、上記表面処理前の表面酸化膜１３１と上記表面処理により陽極１２３の一部が人為的に酸化された酸化領域とを含む。一方、陽極１２４は、上記表面処理後の陽極１２３の形態であり、陽極１２３から上記酸化領域が除外されたものである。よって、本工程終了段階では、絶縁層１４１が形成されていない第２領域である開口部の金属酸化物層１３２の膜厚は、絶縁層１４１の下である第１領域に形成された、表面酸化膜である金属酸化物層１３２の膜厚よりも大きい。
次に、正孔輸送層１５１として、サメイション製ＨＴ１２のキシレン／メシチレン混合溶媒からインクジェット法により開口部に塗布した。そして、５０℃で１０分間真空乾燥を行い、引き続き、窒素雰囲気中において２１０℃で３０分間加熱することで架橋反応を行った。開口部の位置によって、若干膜厚の不均一性が生じるが、平均膜厚２０ｎｍとなるように形成した（図４（ｄ））。
次に、有機発光層１６１として、サメイション製緑色発光材料Ｌｕｍａｔｉｏｎ Ｇｒｅｅｎ（以下、ＬＧｒと略す）をキシレンとメシチレン混合溶媒からインクジェット法により開口部に塗布した。そして、５０℃で１０分間真空乾燥を行い、引き続き、窒素雰囲気中において１３０℃で３０分間ベークを行った。開口部の位置によって、若干膜厚の不均一性が生じるが、平均膜厚７０ｎｍとなるように形成した（図４（ｅ））。
次に、陰極層１７１として、真空蒸着法により、バリウム５ｎｍ（アルドリッチ製、純度９９％以上）を製膜した。引き続き、バリウム２０％を混合した化合物Ａｌｑ（新日鐵化学製、純度９９％以上）の膜２０ｎｍを共蒸着法により製膜し、最後に住友重機械工業株式会社製のプラズマコーティング装置を用いてＩＴＯ電極を１００ｎｍ形成した（図４（ｆ））。
最後に、作製した有機ＥＬ素子の空気中での評価を可能とするために、水および酸素濃度が５ｐｐｍ以下の窒素ドライボックス中で素子のガラス缶封止を行った。
図５Ａは、本発明に係る実施例１の製造方法を用いて作製された有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬデバイスの上面図である。また、図５Ｂは、本発明に係る実施例１の製造方法を用いて作製された有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬデバイスの構造断面図である。本実施例では、上述した製造工程により図５Ａ及び図５Ｂに記載された有機ＥＬデバイスを作製した。
（実施例２）
本発明に係る実施例２における有機ＥＬ素子の製造方法は、図４に記載された陰極層１７１として、真空蒸着法により、バリウム５ｎｍと銀（アルドリッチ製純度９９．９％）１０ｎｍ、屈折率調整層としてフッ化リチウム８０ｎｍを形成した以外は、実施例１と同様にして形成した。
（実施例３）
本発明に係る実施例３における有機ＥＬ素子の製造方法は、表面処理方法として、酸素プラズマ法（プラズマ時間１２０秒、パワー２０００Ｗ）を用いた以外は、実施例１と同様にして形成した。
（実施例４）
本発明に係る実施例４における有機ＥＬ素子の製造方法は、陽極１２３としてスパッタ法によりモリブデン３％、クロム９７％からなる膜厚１００ｎｍの膜（以下、Ｍｏ：Ｃｒ（３：９７）と略することがある）を用いた以外は、実施例１と同様にして形成した。
（実施例５）
本発明に係る実施例５における有機ＥＬ素子の製造方法は、陽極１２３としてまず、銀／パラジウム／銅合金膜１００ｎｍをスパッタ法により形成し、その後にモリブデン３％、クロム９７％からなる膜厚１０ｎｍを同じくスパッタ法により積層して陽極１２３（以下、ＡＰＣ／Ｍｏ：Ｃｒ（３：９７）と略することがある）とした以外は、実施例１と同様にして形成した。
（比較例１）
比較例１における有機ＥＬ素子の製造方法は、表面洗浄後に正孔注入層として三酸化モリブデン３０ｎｍを蒸着法により形成したこと、および表面酸化処理を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして形成した。
（比較例２）
比較例２における有機ＥＬ素子の製造方法は、陽極１２３としてモリブデン９７％、クロム３％からなる１００ｎｍの膜を形成し、その上から、従来用いられてきたＩＴＯ膜を同じくスパッタ法により４０ｎｍ形成し、陽極１２３の形状パターニングのためのエッチング工程として、塩酸と硝酸の混合溶媒を用いて行った以外は、実施例１と同様にして形成した。
（比較例３）
比較例３における有機ＥＬ素子の製造方法は、正孔輸送層１５１の前に、従来用いられてきた、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ＨＣ Ｓｔａｒｋ社製）をインクジェット法により開口部に塗布した。そして、５０℃で１０分間真空乾燥を行い、引き続き、２００℃で４０分間真空ベークを行った。開口部の位置によって、若干膜厚の不均一性が生じるが、平均膜厚４０ｎｍとなるように形成した以外は、実施例１と同様にして形成した。
（比較例４）
比較例４における有機ＥＬ素子の製造方法は、正孔輸送層１５１であるサメイション製ＨＴ１２の製造工程を省いた以外は、実施例１と同様にして形成した。
（比較例５）
比較例５における有機ＥＬ素子の製造方法は、表面酸化処理であるＵＶ−オゾン処理を省いた以外は、実施例１と同様にして形成した。
（実施例及び比較例の評価）
以上の実施例１〜５及び比較例１〜５において、本発明の効果を示すために以下の評価を行った。
まず、有効に機能する有機ＥＬ素子を作製するためには、開口部へ有機材料を含有したインクを有効に保持できることが重要である。このためには、開口部と絶縁層上の撥水性の差が重要である。これを評価するために、図５Ａの基板上のＡ点とＢ点において、所定の表面処理を行った後に水を滴下して、その接触角を測定した。正孔輸送層１５１や有機発光層１６１を形成するためには、これらが溶解するキシレンなどの有機溶媒を用いる。しかし、キシレンを用いて接触角の測定を行った場合、表面張力が小さいために測定される接触角が小さく、実験誤差が生じやすい。したがって、ここでは表面張力が大きい水を用いて接触角の測定を行い、親撥水性の評価を行った。表１の接触角Ａおよび接触角Ｂの項にこれらの撥水性評価結果をまとめた。
Figure 2011091458
金属酸化物層１３２上のＡ点では、酸化処理を施した実施例１〜５および比較例１〜４では、接触角測定が不可能なほど親水性が高く滴下した水が濡れ広がることから、金属酸化物層１３２表面と溶媒との親和性が高いことが解った。酸化処理を施していない比較例５のＡ点では、濡れ性は若干悪く、１５°程度であった。
絶縁層１４１上のＢ点では、酸化処理を施した実施例１〜５および比較例２〜４では、その接触角は、４０〜５０°程度であった。測定や液滴角度の決定にばらつきが出るので数値に範囲を持たせて示している。酸化処理を施していない比較例５では７５°と高い値を示した。
また、全面に三酸化モリブデン膜を蒸着した比較例１では、絶縁層の上に三酸化モリブデン層が存在するために、接触角は酸化処理を施した金属酸化物層１３２上と同じく５°以下であった。
次に、酸化処理後にキシレン１００ｕｌを開口部に滴下して開口部に溶媒の保持ができるかを実験した。表１のインクのバンク内保持の項にこの結果をまとめた。開口部と絶縁層１４１上に大きな撥水性の差がある実施例１〜５、比較例２〜４に関しては、良好に溶媒を開口部内に保持することが出来た。全面に三酸化モリブデン膜を蒸着した比較例１では、開口部の内側と外側で親撥水性に差がないので、溶媒を開口部に保持することが出来ずに、開口部外に溶媒があふれ出てしまった。また、酸化処理を行わずに洗浄のみを行った比較例５では、溶媒は開口部内に保持できるものの、開口部内の全ての部位が溶媒で満たされずに一部が濡れていなかった。
次に、表面処理後の陽極上の仕事関数の測定を行った。表１の仕事関数の項にこれらの親撥水性評価結果をまとめた。ＭｏＣｒ（９７：３）を酸化処理した表面が開口部の金属酸化物層１３２となっている実施例１〜３、比較例４〜５では５．５ｅＶ、ＭｏＣｒ（３：９７）を酸化処理した表面が開口部の金属酸化物層１３２となっている実施例４および５では、５．６ｅＶの仕事関数を示した。三酸化モリブデンが表面に出ている比較例１は５．６ｅＶであり、これらの表面は、有機層に正孔注入を行うために適切な仕事関数を有していることが解った。
一方、従来のようにＩＴＯ層が表面にある比較例２では、５．２ｅＶと、これらよりも仕事関数が小さく、正孔注入性の低下を伴う。また、表面の酸化処理を施していない、比較例５では、仕事関数は、４．７ｅＶであり、酸化処理により仕事関数を増加させることができることが解る。
次に、陽極１２４側を正、陰極層１７１側を負として１０ｍＡ／ｃｍ2の電流を素子に流したときの駆動電圧と輝度を測定することにより、この時の駆動電圧及び発光効率を求めた。さらに、これらの素子を４０００ｃｄ／ｍ2で発光させ、一定電流で駆動し続けたときの輝度の減衰を測定し、輝度が半減（２０００ｃｄ／ｍ2）したときの時間を素子寿命とした。表１の駆動電圧、発光効率および寿命の項にこれらの結果をまとめた。
本発明に基づく実施例１では、７．２Ｖ程度の良好な駆動電圧と、５．０ｃｄ／Ａの高い発光効率、及び、５６０時間の長い輝度半減寿命が得られた。
陰極層１７１として薄い銀を用いた実施例２、及び、酸化処理として酸素プラズマ処理を用いた実施例３においても、実施例１とほぼ同等の素子性能が得られた。
モリブデンとクロムの比を逆転させた実施例４においては、陽極の反射率が１０％程度改善されるので、陽極反射時の光の損失が抑えられ、発光効率が１０％程度向上した。これにより、４０００ｃｄ／ｃｍ2を得るために必要な電流値が小さくて済むために、寿命も向上した。
本発明のさらに好ましい形態である高反射率の金属（ここではＡＰＣ）を陽極金属下層として用い、その上にＭｏＣｒ（３：９７）を形成した実施例５では、陽極金属下層での光の損失が低減されるので、発光効率は９．３ｃｄ／Ａまで高まり、輝度半減寿命も９１０時間まで伸びた。
一方、従来の構造である、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いた比較例３では、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの高い電導度と、これが絶縁膜上に若干濡れ広がり、陰極と接触してしまうために、大きなリーク電流が生じた。このため、発光効率が低く、素子寿命も短い。
また、比較例１では、親撥水性の差が得られず、溶液を開口部に保持することができなかったので、デバイス化が出来なかった。
また、本発明以外の金属であるインジウム及び錫を陽極に用いた比較例２では、表面酸化処理によって、十分に仕事関数が高い金属酸化物層を得ることができなかった。このため、正孔注入性が十分でなく、素子内の正孔と電子のバランスが崩れ、発光効率は大きく低下し、寿命は極端に短くなった。
また、正孔輸送層がない比較例４では、比較例２と同じく正孔注入性が十分でなく、発光効率が低く、寿命は極端に短くなった。
また、表面酸化処理を行わなかった比較例５では、比較例２及び４と同じく、正孔注入性が十分でなく、発光効率が低く、寿命は極端に短くなった。
以上のように、本発明に係る有機ＥＬ素子は、陽極１２３または表面酸化膜１３１の上に絶縁層１４１および開口部が形成された後、開口部の表面酸化膜１３１が人為的に酸化処理されることにより、正孔注入特性に優れ、有機層の層数を削減でき、湿式印刷による正孔輸送層及び有機発光層の製膜が可能となる。
本発明の実施の形態１に係る有機ＥＬ素子の製造方法によれば、開口部の表面酸化膜１３１の酸化が促進されるので、結果的には、開口部領域の陽極１２４の膜厚は、絶縁層１４１の下の陽極１２４の膜厚より小さくなる。
本態様によれば、陽極１２３の酸化により、仕事関数が大きく正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくすることが可能な正孔注入層を形成することが可能となる。また、上記正孔注入層は金属酸化物層１３２であるので、有機層の層数を削減でき、その上層には湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
また言い換えると、第２領域における金属酸化物層１３２の膜厚は、第１領域における金属酸化物層１３２の膜厚よりも大きいので、陽極１２４の上に設けられる金属酸化物層１３２に関し、第１領域と第２領域との界面において、第２の領域側が第１の領域側よりも下方に位置するように段差が生じる形態となる。これにより、発光された光が、第１領域に形成された金属酸化物層１３２を光導波路として外部へ漏れてしまうという、いわゆる導波ロスを低減することが可能となる。
なお、本発明の構造である、開口部領域の陽極１２４の膜厚が、絶縁層１４１の下の陽極１２４の膜厚より小さいことは、断面ＴＥＭによっても金属層である陽極１２４と酸化物層である金属酸化物層１３２との界面が判断可能であるため、その界面と陽極１２４下面との距離によって判断することができる。
また、上記実施例にみられるような仕事関数の大きい金属酸化物からなる正孔注入層が陽極と正孔輸送層との間に形成されることにより、陽極側は高い正孔注入能力を有することが可能となる。よって、発光効率及び寿命といった性能に優れた有機ＥＬ素子を実現することが可能となる。
さらに、実施例５にみられるように、陽極金属層を上層及び下層の２層に分けて積層することにより、可視光反射率の高い下層及び可視光透明度の高い上層を形成することが可能となる。これにより、トップエミッション型有機ＥＬ素子としての性能の最適化がより容易となる。
また、実施例１〜５において、絶縁層形成工程後には、第２領域である開口部には、陽極１２３の自然酸化による表面酸化膜１３１が形成されているが、このとき、開口部における表面酸化膜１３１の表面をアルカリ性の溶液などで洗浄することにより、表面酸化物を溶出させ、開口部の表面酸化膜１３１を取り除いてもよい。その後、表面酸化膜１３１が除去された開口部の陽極１２３の表面に対し、次工程の人為的な酸化処理プロセスを実施することにより、開口部に自然酸化による表面酸化膜１３１を形成させないようにすることができる。これにより、開口部の金属酸化物層１３２は、絶縁層１４１の下の金属酸化物層１３２とは、連続的に形成されず、開口部の表面酸化膜１３１は、その側面部および下面部が陽極１２４により被覆される。よって、発光の一部が金属酸化物層を通じて素子の外部に漏出することを完全に防止することが可能となり、発光の導波ロス低減効果が顕著となる。また、このとき、次工程の人為的な酸化処理プロセスにより形成される金属酸化物層の厚みは、自然酸化により形成される表面酸化膜１３１の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、金属表面に形成された金属酸化物層が正孔注入特性に優れた正孔注入層として機能する。
（実施の形態２）
本実施の形態における有機ＥＬ素子は、基板の上に形成された陽極金属層と、当該陽極金属層の上の第１領域に形成された絶縁層と、当該陽極金属層の上であって第１領域以外の第２領域に形成された金属酸化物層と、当該金属酸化物層の上であって絶縁層の形成されていない領域に形成された正孔輸送層と、当該正孔輸送層の上に形成された有機発光層と、当該有機発光層の表面上に形成された陰極層とを備え、第２領域における陽極金属層の上面は、第１領域における陽極金属層の上面よりも下方に位置することを特徴とする。これにより、正孔注入特性に優れ、有機層の層数を削減でき、湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
以下、本発明の有機ＥＬ素子に係る実施の形態２について、図面を参照して詳細に説明する。
図６は、本発明の実施の形態２における有機ＥＬ素子の構造断面図である。同図における有機ＥＬ素子４は、基板１１と、陽極金属層１２と、金属酸化物層４３と、絶縁層１４と、正孔輸送層１５と、有機発光層１６と、陰極層１７とを備える。
図６に記載された有機ＥＬ素子４は、図１に記載された有機ＥＬ素子１と比較して、金属酸化物層が絶縁層の下である第１領域に形成されていない点のみが異なる。図１に記載された有機ＥＬ素子１と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
金属酸化物層４３は、正孔を安定的に、又は正孔の生成を補助して、後述する正孔輸送層１５へ正孔を注入する機能を有する。金属酸化物層４３は、後述する製造プロセスにより、陽極金属層の表面が酸化されることにより形成される。また、金属酸化物層４３は、上述した金属元素で構成されるため、大きな仕事関数を有する。
これにより、本発明の有機ＥＬ素子４は、高い正孔注入特性を有するので、高発光効率および長寿命特性を有することが可能となる。
金属酸化物層４３の膜厚としては、０．１〜２０ｎｍが好ましい。さらに好ましくは１〜１０ｎｍである。金属酸化物層４３が薄すぎると、均一性の問題から正孔注入性が低く、厚すぎると駆動電圧が高くなってしまう。
陽極金属層１２の表面上に金属酸化物層４３を形成する工程としては、特に限定されるものではないが、製造途中における陽極金属層の表面に対する紫外光オゾン処理、酸化性ガス雰囲気のプラズマ処理、あるいはオゾンを含む溶液による処理などを好適に用いることができる。
上述した本発明の実施の形態２に係る有機ＥＬ素子４において、上記第２領域における陽極金属層１２の上面は、上記第１領域における陽極金属層１２の上面よりも下方に位置する。
本態様により、陽極金属層１２の酸化により、陽極金属層１２と有機発光層１６との間において大きな仕事関数が得られ正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくできるので、正孔注入特性に優れた正孔注入層を形成することが可能となる。また、正孔注入層を、有機層で形成する必要がないので、有機層の層数を削減できる。また、上記正孔注入層の上に、湿式印刷による有機層の製膜が可能となる。
金属酸化物層４３は、上記第１領域に形成されることなく上記第２領域に形成され、上記第２領域に形成された金属酸化物層４３は、その側面部および下面部が陽極金属層１２により被覆されている。
これにより、金属酸化物層４３は、その側面部および下面部が陽極金属層１２により被覆されるので、発光の一部が金属酸化物層４３を通じて素子の外部に漏出することが防止され、発光の導波ロスが低減できるという効果が得られる。
次に、本発明の実施の形態２に係る有機ＥＬ素子４の製造方法について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る有機ＥＬ素子の製造方法を説明する工程図である。
まず、ガラス基板１１１（松浪ガラス製無ソーダガラスを使用）表面上に、スパッタ法によりモリブデン９７％、クロム３％からなる膜厚１００ｎｍの陽極１２３（以下、Ｍｏ：Ｃｒ（９７：３）と略することがある）を形成する。そして、感光性レジストを用いるフォトリソグラフィおよびエッチングによる陽極１２３のパターニング工程、および感光性レジストの剥離工程を経て、陽極１２３を所定の陽極形状にパターニングする（図７（ａ））。
エッチング液としては、燐酸、硝酸、酢酸の混合溶液を用いる。
この陽極１２３の形成工程の完了後、素子が大気にさらされることにより、陽極１２３の最表面が自然酸化され、表面酸化膜１３１が形成される（図７（ｂ））。
ここで、表面酸化膜１３１が自然形成された後、アルカリ性の溶液などで表面を洗浄することにより、表面酸化物を溶出させ、表面酸化膜１３１を取り除く。これにより、次工程において、絶縁層１４１は、陽極１２３の上に直接形成されることになる。
なお、上記以外にも、陽極１２３の形成工程の完了後、素子を大気にさらすことなく、次工程の絶縁膜積層を実施することにより、表面酸化膜１３１を形成させないようにすることができる。
次に、絶縁層１４１として感光性ポリイミドをスピンコート法により形成し、フォトマスクを用いた露光、現像工程を経て所定の形状にパターニングする（図７（ｃ））。
次に、中性洗剤と純水を用いて基板洗浄を行う。
ここで、本実施の形態では、上述した通り、この段階では表面酸化膜は存在していないため、表面酸化膜が存在する形態における不具合が未然に防止される。すなわち、表面酸化膜１３１が存在する場合、基板洗浄工程において、表面酸化膜は水溶性であるために、表面酸化膜の一部が溶出してしまう可能性がある。表面酸化膜の一部が溶出した状態の上に正孔輸送層を積層すると、正孔注入層としての金属酸化物層が不十分な状態となり、低い正孔注入能力を有する有機ＥＬ素子となってしまう。
これに対し、本実施の形態では、正孔注入能力の低下を抑制するため、表面酸化膜１３１が存在しない状態で絶縁層１４を形成させ、その後、人為的な酸化処理工程を導入している。
上述した人為的な酸化処理のための表面処理として、ＵＶ−オゾン処理（照射光：１７０ｎｍ紫外光、照射時間：１２０秒）を行い、正孔注入層として機能する金属酸化物層４３２を形成する（図７（ｄ））。つまり、金属酸化物層４３２は、上記表面処理により陽極１２３の一部が人為的に酸化された酸化領域である。一方、陽極１２４は、上記表面処理後の陽極１２３の形態であり、陽極１２３から上記酸化領域が除外されたものである。
よって、金属酸化物層４３２は、絶縁層１４に対応する第１領域に形成されることなく、開口部に対応する前記第２領域にのみ形成され、金属酸化物層４３２は、図７（ｄ）に示す通り、その側面部および下面部が陽極１２４により被覆される。本形態により、発光の一部が金属酸化物層を通じて素子の外部に漏出することが防止され、発光の導波ロスが低減できるという付随的な効果も見込まれる。
以降の工程、つまり、正孔輸送層１５１、有機発光層１６１及び陰極層１７１を形成する工程（図７（ｅ）、図７（ｆ）及び図７（ｇ））は、実施の形態１における実施例１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
本態様によれば、陽極１２３の酸化により、仕事関数が大きく正孔注入に対するエネルギー障壁を小さくすることが可能な正孔注入層を形成することが可能となる。また、上記正孔注入層は金属酸化物層４３２であるので、有機層の層数を削減でき、その上層には湿式印刷による有機層製膜が可能となる。
以上、本発明の有機ＥＬ素子及びその製造方法について、実施の形態１及び２に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び実施例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものも、本発明の範囲内に含まれる。
例えば、実施の形態２における陽極金属層１２が、実施の形態１の変形例における陽極金属層のように陽極金属下層１２１及び陽極金属上層１２２で構成されていてもよい。
なお、本発明の実施の形態１及び２において、正孔輸送層１５および有機発光層１６に高分子有機材料が用いられた例を示したが、これらに低分子有機材料が用いられても、本検討と同様な効果が得られる。
なお、本発明の有機ＥＬ素子の有する電極は、基板上の全面あるいは大部分に一様に形成されていてもよい。この場合は、開口部の大きい大面積発光が得られるので照明装置として用いることができる。あるいは、この電極は、特定の図形や文字を表示できるようにパターン化されていても良い。この場合は、特性のパターン状の発光が得られるので広告表示などに用いることができる。あるいは、この電極は、行列状に多数配置されていても良い。この場合は、パッシブ駆動のディスプレイパネルなどの画像表示装置として用いることができる。あるいは、この電極は、トランジスタアレイを並べた基板上で、このトランジスタアレイに対応する形で電気的な接続を得られるように形成されていてもよい。この場合は、図８に記載されたＴＶに代表されるように、アクティブ駆動のディスプレイパネルなどの画像表示装置として用いることができる。
本発明に係る有機ＥＬ素子は、低駆動電圧で高効率、長寿命であることから、ディスプレイデバイスの画素発光源、液晶ディスプレイのバックライト、各種照明用光源、光デバイスの光源等として有用であり、特に、ＴＦＴと組み合わせたアクティブマトリックス有機ＥＬディスプレイパネルへの応用に適性がある。
１、２、３、４ 有機ＥＬ素子
１１ 基板
１２ 陽極金属層
１３、４３、１３２、４３２ 金属酸化物層
１４、１４１ 絶縁層
１５、１５１ 正孔輸送層
１６、１６１ 有機発光層
１７、１７１ 陰極層
１１１ ガラス基板
１２１ 陽極金属下層
１２２ 陽極金属上層
１２３、１２４ 陽極
１３１ 表面酸化膜

Claims (22)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成された、第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有する陽極金属層と、
    前記陽極金属層の上であって、前記基板の上に積層された陽極金属層の表面が酸化されることにより、前記第２領域に少なくとも形成された金属酸化物層と、
    前記金属酸化物層の上であって、前記第１領域に形成された絶縁層と、
    前記金属酸化物層の上であって、前記絶縁層の形成されていない前記第２領域に形成され、正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層と、
    前記正孔輸送層の上に形成され、湿式印刷法により、発光性を有する有機材料を用いて形成されている有機発光層と、
    前記有機発光層の上に形成され、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層とを備え、
    前記第２領域における前記陽極金属層の上面は、前記第１領域における前記陽極金属層の上面よりも下方に位置する
    有機エレクトロルミネッセンス素子。
  2. 前記陽極金属層は、
    可視光の反射率が６０％以上である陽極金属下層と、
    前記陽極金属下層の表面上に積層された陽極金属上層とを備える
    請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  3. 前記陽極金属下層は、アルミニウム及び銀のうち少なくとも１つを含む合金であり、
    前記陽極金属上層は、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属である
    請求項２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  4. 前記第２領域における前記陽極金属上層の膜厚は、２０ｎｍ以下である
    請求項２または３に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  5. 前記第２領域には、前記陽極金属上層が形成されていない
    請求項４記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  6. 前記金属酸化物層は、さらに、前記第１領域にも形成されている
    請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  7. 前記金属酸化物層は、第１領域および第２領域に形成され、
    前記第２領域における前記金属酸化物層の膜厚は、前記第１領域における前記金属酸化物層の膜厚よりも大きい
    請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  8. 前記第２領域における前記金属酸化物層の下面は、前記第１領域における前記金属酸化物層の下面よりも下方に位置する
    請求項1または６に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  9. 前記金属酸化物層は、前記第１領域に形成されることなく前記第２領域に形成され、
    前記第２領域に形成された前記金属酸化物層は、その側面部および下面部が前記陽極金属層により被覆される
    請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  10. 前記陽極金属層は、銀、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属である
    請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  11. 基板と、
    前記基板の上に形成された、第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有する陽極金属層と、
    前記陽極金属層の上であって、前記基板の上に積層された陽極金属層の表面が酸化されることにより、前記第２領域に少なくとも形成された金属酸化物層と、
    前記金属酸化物層の上であって、前記第１領域に形成された絶縁層と、
    前記金属酸化物層の上であって、前記絶縁層の形成されていない前記第２領域に形成され、湿式印刷法により、正孔輸送性の有機材料を用いて形成されている、前記正孔輸送性の有機材料を含む正孔輸送層と、
    前記正孔輸送層の上に形成された有機発光層と、
    前記有機発光層の上に形成され、前記有機発光層へ電子を注入する陰極層とを備え、
    前記第２領域における前記陽極金属層の上面は、前記第１領域における前記陽極金属層の上面よりも下方に位置する
    有機エレクトロルミネッセンス素子。
  12. 前記陽極金属層は、
    可視光の反射率が６０％以上である陽極金属下層と、
    前記陽極金属下層の表面上に積層された陽極金属上層とを備える
    請求項１１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  13. 前記陽極金属下層は、アルミニウム及び銀のうち少なくとも１つを含む合金であり、
    前記陽極金属上層は、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属である
    請求項１２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  14. 前記第２領域における前記陽極金属上層の膜厚は、２０ｎｍ以下である
    請求項１２または１３に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  15. 前記第２領域には、前記陽極金属上層が形成されていない
    請求項1４記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  16. 前記金属酸化物層は、さらに、前記第１領域にも形成されている
    請求項１１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  17. 前記金属酸化物層は、第１領域および第２領域に形成され、
    前記第２領域における前記金属酸化物層の膜厚は、前記第１領域における前記金属酸化物層の膜厚よりも大きい
    請求項１１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  18. 前記第２領域における前記金属酸化物層の下面は、前記第１領域における前記金属酸化物層の下面よりも下方に位置する
    請求項１１または１６に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  19. 前記金属酸化物層は、前記第１領域に形成されることなく前記第２領域に形成され、
    前記第２領域に形成された前記金属酸化物層は、その側面部および下面部が前記陽極金属層により被覆される
    請求項１１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  20. 前記陽極金属層は、銀、モリブデン、クロム、バナジウム、タングステン、ニッケル、イリジウムのうち少なくとも１つを含む金属である
    請求項１１または１２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  21. 請求項１〜２０のうちいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置。
  22. 請求項１〜２０のうちいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備える画像表示装置。
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