JP2014164999A

JP2014164999A - 発光素子

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Publication number: JP2014164999A
Application number: JP2013034687A
Authority: JP
Inventors: Saburo Aso; 三郎麻生
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】発光素子の光取り出し効率を向上する。
【解決手段】発光素子は、透光性基板１１０と、発光層を含む有機機能層１４０と、金属層１２０と、を備える。有機機能層１４０は、透光性基板１１０を基準として光取り出し側（図４における上側）とは反対側に配置されている。金属層１２０は、有機機能層１４０を基準として光取り出し側（図４における上側）に配置されている。金属層１２０は、島状の複数の金属塊を含む。金属層１２０のフラクタル次元が２．１０以上２．４５以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子に関する。

発光素子の１つに有機発光層を有する発光素子がある。この発光素子においては、有機発光層で発生した光のうち外部に放射される光の割合（光取り出し効率）を向上することが望まれている。

発光素子の光取り出し効率向上に関して、各種の先行技術がある。

特許文献１には、発光層を挟む一対の電極層と、一方の電極層と発光層との間に設けられた光散乱層とを備え、光散乱層には金属微粒子が分散された構造のＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子が記載されている。金属微粒子は、粒子径が１ｎｍから３００ｎｍである。同文献には、金属微粒子によりプラズモンを誘起して光取り出し効率を向上できる旨の記載がある。

特許文献２には、一対の電極間に発光領域を備え、発光領域からの発光光によるプラズモン共鳴を表面に生じさせる金属薄膜が発光領域の近傍に配置されたＥＬ素子が記載されている。金属薄膜は、粒径５ｎｍ以上の金属微粒子が膜状に分散されてなるアイランド構造膜である。

特許文献３には、陽極と、発光機能を有する第１の有機層と、中間電極と、発光機能を有する第２の有機層と、陰極と、が積層され、中間電極は金属膜を含み、金属膜は、粒子が柱状に成長する金属を含む不連続膜である有機ＥＬ素子が記載されている。

非特許文献１に記載されているように、金属微粒子による大気中の光電界増強はＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄ）シミュレーションにより一般に知られている。図１はこの光電界増強作用を示す図であり、電場増強率の入射光波長依存性についてのシミュレーション結果を示している。図１において、横軸は金属微粒子（Ａｇの微粒子）に照射される光の波長（単位：ｎｍ）、縦軸は電場の増強率（任意単位）である。なお、図１は、非特許文献１に記載された図に若干の修正を加えたものである。図１に示すように、金属微粒子の径に対応する波長の光について、電場増強率がピークを呈する。特許文献１〜３の技術は、この光電界増強の作用をプラズモン共鳴として利用する技術であると考えられる。

一方、非特許文献２に記載されているように、微小な金属塊（金属粒子）に光が入射すると、その金属塊の周囲には伝搬光と物質場（プラズモン、エキシトン、フォノンなどの素励起）の相互作用により強い局在電場すなわち近接場光が誘起される。そして、適度な大きさと間隔のパターンで金属塊が配置されている場合には入射光に比較して増強された伝搬光が発生する。

図２はこの光増強メカニズムである近接場光相互作用を示す概念図であり、非特許文献３に記載された図に若干の修正を加えたものである。金属粒子が単体で存在する場合、その金属粒子に対する入射光により金属粒子の周囲に発生する近接場光は、金属粒子の遠方には放射されずに金属粒子の周囲に留まる。これに対し、図２に示すように、複数の金属粒子１が互いに近接して配置されている場合、近接場光２は、これら金属粒子１の相互作用により増強されて、伝搬光３となって放射される。

図３はフラクタル次元の推定法の概念図であり、非特許文献４に記載された図に若干の修正を加えたものである。

特開２００７−１６５２８４号公報特開２０１０−２３８４０６号公報特開２０１２−１６９２６６号公報

原口、他１９名、「プラズモン基礎理解の徹底と応用展開」、情報機構、２０１１年４月２５日、ｐ．１３３大津、小林、「近接場光の基礎」、オーム社、２００３年、ｐ．１９大津、「ナノ・フォトニクス」、米田出版、１９９９年、ｐ．１６３中川、「カオス・フラクタル感性情報工学」、日刊工業新聞社、２０１０年、ｐ．６７

本発明者の検討によれば、上記特許文献１〜３の構造では、白色光に対しては非共鳴損失が大きく発生するため、必ずしも発光素子の光取り出し効率を十分に向上することができない。

本発明が解決しようとする課題としては、より効果的に発光素子の白色光について光取り出し効率を向上することが一例として挙げられる。

請求項１に記載の発明は、透光性基板と、
発光層を含み、前記透光性基板を基準として光取り出し側とは反対側に配置された有機機能層と、
前記有機機能層を基準として前記光取り出し側に配置された金属層と、
を備え、
前記金属層は、島状の複数の金属塊を含み、
前記金属層のフラクタル次元が２．１０以上２．４５以下である発光素子である。

金属微粒子による大気中の光電界増強作用を示す図である。近接場光相互作用を示す概念図である。フラクタル次元の推定法を示す概念図である。実施形態に係る発光素子の断面図である。実施例１に係る発光素子の断面図である。実施例１に係る発光素子の金属層の表面の起伏の状態を示す図である。実施例１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との発光強度の対比を示す図である。金属層のフラクタル次元の値と発光の増強度との関係を示す図である。有機機能層の層構造の第１例を示す断面図である。有機機能層の層構造の第２例を示す断面図である。図１１（ａ）は実施例２に係る発光素子の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。実施例３に係る発光素子の断面図である。

以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図４は実施形態に係る発光素子の断面図である。この発光素子は、有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子を含んで構成される。この発光素子は、例えばディスプレイ、照明装置、又は光通信装置の光源として用いることができる。

本願発明者は、フラクタル次元の値が適度な値のフラクタル構造の金属層１２０を発光層から見て光取り出し側に配置することにより、近接場光増強作用によって発光素子の光取り出し効率を向上できることを見出した。

本実施形態に係る発光素子は、透光性基板１１０と、発光層を含む有機機能層１４０と、金属層１２０と、を備える。有機機能層１４０は、透光性基板１１０を基準として光取り出し側（図４における上側）とは反対側に配置されている。金属層１２０は、有機機能層１４０を基準として光取り出し側（図４における上側）に配置されている。金属層１２０は、島状の複数の金属塊を含む。金属層１２０のフラクタル次元は２．１０以上２．４５以下である。

以下においては、説明を簡単にするため、発光素子の各構成要素の位置関係（上下関係等）が各図に示す関係であるものとして説明を行う。ただし、この説明における位置関係は、発光素子の使用時の位置関係とは無関係である。

透光性基板１１０は、ガラスや樹脂などの透光性を有する材料からなる板状部材である。なお、透光性基板１１０は、透光性のフィルムであっても良い。例えば、透光性基板１１０の上面、すなわち透光性基板１１０における有機機能層１４０側とは反対側の面は、光取り出し面となっている。本実施形態の場合、透光性基板１１０の光取り出し面に金属層１２０が形成されている。すなわち、金属塊１２１は、透光性基板１１０における光取り出し側の面に設けられている。

この透光性基板１１０の上面において、金属層１２０から露出している部位と、金属層１２０とが、光放出空間を充たす空気（屈折率１）と接している。なお、透光性基板１１０の上面及び金属層１２０を覆う光取り出しフィルムが設けられ、この光取り出しフィルムの上面が光取り出し面を構成していても良い。

金属層１２０は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ等の、可視光領域で大きな近接場光相互作用を示す金属材料により構成されている。この金属層１２０は、島状の複数の金属塊１２１を含んでいる。金属塊１２１は、透光性基板１１０上に島状に堆積した金属薄膜（島状の結晶粒）からなる。

金属層１２０は、例えば、フラクタル構造をなしており、そのフラクタル次元の値は２．１０以上２．４５以下である。或いは、金属層１２０は、フラクタル構造であるとは言えないとしても、そのフラクタル次元の値が２．１０以上２．４５以下である。

金属層１２０の複数の島状の金属塊１２１の平均径は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。また、隣り合う金属塊１２１どうしの平均間隔（隣り合う金属塊１２１どうしの隙間の長さの平均）は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
金属塊１２１の配置密度（金属塊１２１の平均径と平均間隔）をこのように設定することにより、可視光領域の光電界と金属塊１２１の素励起（プラズモン、エキシトン、フォノンなど）とのコヒーレントな結合の局在電界が期待できるとともに、発光素子の内部から発光素子外部への光の透過性（金属塊１２１どうしの間隔を介した光の透過性）と、後述する近接場光増強作用とをバランス良く得ることができる。

また、金属塊１２１の高さ（透光性基板１１０に対して直交する方向における寸法）は５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。なお、必ずしもすべての金属塊１２１の高さが５ｎｍ以上２５ｎｍ以下でなくても良い。例えば、金属塊１２１の全数のうち、過半数の高さが５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であれば良い。金属塊１２１の全数のうち、６０％以上の金属塊１２１の高さが５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることが好ましく、７０％以上の金属塊１２１の高さが５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることがより好ましく、８０％以上の金属塊１２１の高さが５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることが更に好ましい。

発光素子は、更に、第１電極１３０と第２電極１５０とを備えている。有機機能層１４０は、第１電極１３０と第２電極１５０との間に配置されている。第１電極１３０は、有機機能層１４０と透光性基板１１０との間に配置されている。

第１電極１３０は、例えばＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）やＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）などの金属酸化物導電体からなる透明電極である。ただし、第１電極１３０は、光が透過する程度に薄い金属薄膜であっても良い。

第２電極１５０は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどの金属層からなる反射電極である。第２電極１５０は、有機機能層１４０から第２電極１５０側に向かう光を、透光性基板１１０側に向けて反射する。ただし、第２電極１５０をＩＴＯやＩＺＯなどの金属酸化物導電体からなる透明電極とし、第２電極１５０よりも下層に光反射層（図示略）を設けても良い。

第１電極１３０と第２電極１５０とのうちの何れか一方が陽極で、何れか他方が陰極である。陰極を構成する材料と陽極を構成する材料とは、仕事関数が互いに異なっている。

例えば、透光性基板１１０の一方の面（図４における下面）と第１電極１３０の一方の面（図１における上面）とが相互に接している。また、第１電極１３０の他方の面（図１における下面）と有機機能層１４０の一方の面（図１における上面）とが相互に接している。また、有機機能層１４０の他方の面（図１における下面）と第２電極１５０の一方の面（図１における上面）とが相互に接している。ただし、透光性基板１１０と第１電極１３０との間には他の層が存在していても良い。同様に、第１電極１３０と有機機能層１４０との間には他の層が存在していても良い。同様に、有機機能層１４０と第２電極１５０との間には他の層が存在していても良い。

上述のように、金属層１２０のフラクタル次元は、２．１０以上２．４５以下である。金属層１２０のフラクタル次元をこの範囲に設定することにより、詳細は実施例にて図８を用いて後述するように、発光素子の光取り出し効率を向上することができる。

フラクタル次元の値Ｄ（以下、フラクタル次元Ｄと表記）は、金属層１２０の形状を画像処理により判定することによって、次のように定義することができる。以下、図３を参照して、フラクタル次元の定義を説明する。

フラクタル次元Ｄを算出は、金属層１２０の一部の領域を評価対象として行う。すなわち図３に示すように、平面視において、一辺の長さがＸで、この長さＸの辺に対して直交する辺の長さがＹの矩形状の平面領域（以下、Ｘ・Ｙ領域という）を評価対象とする。

ここで、Ｘ・Ｙ領域内の一部の平面領域を単位平面領域と称する。この単位平面領域は、平面視において、一辺の長さがｈ（ｈ＜Ｘ、ｈ＜Ｙ）の正方形状の領域（ｈ×ｈ）である。
Ｘ・Ｙ領域内の金属層１２０における単位平面領域ごとの起伏の標準偏差をσｉとする。
σｉを測定するためには、ＡＦＭ（原子間力走査顕微鏡）のタッピングモードで、一辺の長さが数１０ミクロン程度のＸ・Ｙ領域内の金属層１２０の表面粗さとして、Ｘ・Ｙ領域の表面の高さ（Ｚ）分布像を測定（取得）する。次に、この測定により得られた画像の全体を単位平面領域で分割し、それぞれの単位平面領域ごとのＺの標準偏差σｉを求める。

また、一辺の長さがｈの立方体状の立体領域を単位立体領域と称する。
そして、金属層１２０におけるＸ・Ｙ領域内の部分をすべて覆うのに要する単位立体領域の個数をＮ（ｈ）とおき、単位平面領域（ｈ×ｈ）を覆う単位立体領域の個数ｎ（ｈ）を、σｉ／ｈで近似する。

また、下記数式（１）を立てる。

Ｎ（ｈ）＝（Ｘ・Ｙ／ｈ^２）・ｎ（ｈ）＝Σσｉ／ｈ・・・・・・（１）

Ｎ（ｈ）、すなわちΣσｉ／ｈは、金属層１２０におけるＸ・Ｙ領域内の部分をすべて覆うのに要する単位立体領域の個数の総和（上記Ｘ・Ｙ領域画像内の単位平面領域のσｉ／ｈの総和）である。

この画像処理および演算を、ｈをパラメータにしてｊ回（例えばｈ１＜ｈ２＜・＜ｈｊとして各々について）実行する。上記画像処理および演算の実行回数が５の場合、ｊは、１以上５以下の整数である。

フラクタル次元Ｄの値は、ｈをパラメータとして、下記数式（２）で表される。

Ｄ＝ｌｏｇ_２Ｎ（ｈ）／ｌｏｇ_２（ｈ）・・・・・・（２）

すなわち、フラクタル次元Ｄは、縦軸がｌｏｇ（Ｎ（ｈ））で、横軸がｌｏｇ（ｈ）の両対数グラフに（ｈｊ，Ｎ（ｈｊ））をプロットした最小２乗法の直線の傾き（絶対値）として求められる。

このように、金属層１２０におけるＸ・Ｙ領域内の部分をすべて覆うのに要する単位立体領域の個数を算出すると、Ｎ（ｈ）〜ｈ^−Ｄのフラクタル関係が成立する。

なお、本明細書におけるフラクタル次元は、ハウスドルフ次元であり、狭義にはコルモゴロフの容量次元である。

次に、動作を説明する。

第１電極１３０と第２電極１５０との間に電圧が印加されることにより、有機機能層１４０の発光層が発光する。透光性基板１１０、第１電極１３０及び有機機能層１４０は、いずれも、有機機能層１４０の発光層が発光した光の少なくとも一部を透過する。発光層が発光した光の一部は、透光性基板１１０の光取り出し面から、発光素子の外部（つまり上記光放出空間）に放射される（取り出される）。

ここで、透光性基板１１０と光放出空間との界面における臨界角未満の光は、光取り出し面から取り出される。

また、透光性基板１１０と光放出空間との界面における臨界角以上の光についても、金属層１２０の金属塊１２１に照射されることにより近接場光が発生し、互いに隣接する金属塊１２１の周囲に発生する近接場光どうしの相互作用により増強された伝搬光が発生し、この伝搬光が発光素子の外部に放射される（図２参照）。つまり、金属層１２０が存在しない場合には透光性基板１１０と光放出空間との界面にて全反射してしまうことにより発光素子の外部に取り出されない光を利用した近接場相互作用によって、発光素子の光取り出し効率を向上することができる。

ここでいう近接場相互作用とは、非特許文献２等に記載されたドレストフォトン（電子の集団運動だけでなく格子振動や励起子（電子−ホール対）を含む物質の励起状態（素励起）と光が相互作用し総合された物質に局在した励起電場）を利用した光増強作用である。このドレストフォトンを発現し、近接場光を伝搬光としてとりだすことにより、光増強が起こる。上記のような構成の島状の金属塊１２１を、有機機能層１４０を基準として光取り出し側に配置することにより、このような光増強を実現することができる。

ここで、金属塊１２１の形状、寸法、配置間隔等のパラメータにより、金属塊１２１の周囲に発生する近接場光から伝搬光への変換効率が影響を受ける。詳細は実施例において図８を用いて後述するように、金属層１２０のフラクタル次元を２．１０以上２．４５以下とすることにより、この変換効率を高めることができる。すなわち、上記の光増強作用を高めることができる。
また、金属塊１２１の平均径を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とし、隣り合う金属塊１２１どうしの平均間隔を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、更に、上記の光増強作用を高めることができる。
また、金属塊１２１の高さを５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることにより、更に、上記の光増強作用を高めることができる。

次に、本実施形態に係る発光素子を製造する方法の一例を説明する。

先ず、透光性基板１１０の上面に、金属層１２０を成膜する。上述した構造の島状の金属塊１２１が形成されるように、金属層１２０の成膜を行う。

次に、透光性基板１１０の下面に、スパッタ法などによりＩＴＯやＩＺＯなどの金属酸化物導電体からなる透光性の導電膜を成膜し、エッチングによりこれをパターニングして第１電極１３０を形成する。

次に、第１電極１３０の下面に有機材料を成膜することにより有機機能層１４０を形成する。

次に、有機機能層１４０の下面に、マスクを用いた蒸着法などによりＡｇ、Ａｕ、Ａｌ等の金属材料を所望のパターンに堆積させて、第２電極１５０を形成する。

なお、必要に応じてバスライン１７０や隔壁部１８０（図１１（ｂ）参照）をそれぞれ適切なタイミングで形成しても良い。また、第２電極１５０の下面には必要に応じて封止層を形成しても良い。

以上、本実施形態によれば、発光素子は、透光性基板１１０と、発光層を含み透光性基板１１０を基準として光取り出し側とは反対側に配置された有機機能層１４０と、有機機能層１４０を基準として光取り出し側に配置された金属層１２０と、を備える。そして、金属層１２０は、島状の複数の金属塊１２１を含み、金属層１２０のフラクタル次元が２．１０以上２．４５以下である。
これにより、近接場光増強作用によって発光素子の光取り出し効率を向上することができる。
なお、この構造においては、発光層から金属層１２０までの距離に依存せず、光取り出し効率を向上することができる。

また、金属塊１２１の平均径を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とし、隣り合う金属塊１２１どうしの平均間隔を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、可視光領域の光電界と金属塊１２１の素励起（プラズモン、エキシトン、フォノンなど）とのコヒーレントな結合の局在電界が期待できるとともに、発光素子の内部から発光素子外部への光の透過性と近接場光増強作用とをバランス良く得ることができる。

また、金属塊１２１の高さを５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることにより、可視光領域で近接場光を効率よく発生させることができる。

また、金属層１２０は、透光性基板１１０における光取り出し側の面に設けられているので、発光素子における透光性基板１１０と発光層との間の部分の構成をシンプルにすることができる。

（実施例１）
図５は本実施例に係る発光素子の断面図である。本実施例に係る発光素子は、以下に説明する点で、上記の実施形態に係る発光素子と相違し、その他の点では、上記の実施形態に係る発光素子と同様に構成されている。

本実施例の場合、透光性基板１１０上には、透光性の第１絶縁膜１６１が形成され、この第１絶縁膜１６１上に金属層１２０が形成されている。更に、この金属層１２０を覆う透光性の第２絶縁膜１６２が形成されている。
第１絶縁膜１６１および第２絶縁膜１６２の材料は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｃなどである。

また、透光性基板１１０と第１電極１３０との間には、バリア膜１１５が形成されている。バリア膜１１５は、例えば、ＳｉＯ_２薄膜、又はグラフェンなどである。

金属層１２０の成膜は、例えば、以下のようにして行う。
透光性基板１１０上に第１絶縁膜１６１を成膜した後、透光性基板１１０を室温以下の温度に保持し、第１絶縁膜１６１上に、０．５Å／秒以下の低い成膜レートで金属層１２０を成膜し、その後、アニール処理を行う。
より具体的には、金属層１２０の材料がＡｇの場合、ガラス基板である透光性基板１１０上に第１絶縁膜１６１を成膜した後、透光性基板１１０を２５℃に保持し、第１絶縁膜１６１上に、０．５Å／秒以下の成膜レートで１０ｎｍの膜厚のＡｇ膜を成膜する。その後、Ｎ_２雰囲気中又は高真空中（例えば１×１０^−７Ｔｏｒｒ以上１×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の圧力下）で透光性基板１１０を３００℃以上４００℃以下に保持した状態で、３０分以下のアニール処理を行う。これにより、上記のような島状の金属薄膜である金属塊１２１を形成することができる。
その後、金属層１２０を覆う第２絶縁膜１６２を形成する。

図６は金属層１２０の表面の起伏の状態を示す図である。
図６は、原子間力走査顕微鏡のタッピングモードにより得られた、金属層１２０の表面の高さ分布像である。この画像は、０．１Å／秒の成膜レートで１０ｎｍの膜厚のＡｇ膜を成膜し、上記の条件のアニール処理を行った後の金属層１２０の画像である。ここで、原子間力走査顕微鏡のプローブとして、先端径が２０ｎｍ程度のものを用いた。このため、金属塊１２１どうしの間隔が２０ｎｍ〜３０ｎｍの場合、図６に示すように、金属層１２０が連続した薄膜であるものとして計測される。図６において、金属塊１２１は、金属層１２０における個々の隆起部に対応している。この金属層１２０について、上記の実施形態で説明した手法でフラクタル次元Ｄを求めたところ、Ｄ＝２．３１３であった。

図７は本実施例に係る発光素子と比較例に係る発光素子との発光強度の対比を示す図である。図７の横軸は発光素子から取り出された光の波長、縦軸は発光素子から取り出された光の強度（発光強度）である。図７に発光強度のデータが示される、本実施例に係る発光素子の金属層１２０のフラクタル次元Ｄは、２．３１３である。また、有機機能層１４０の発光層の材料としては、Ａｌｑ３を用いた。

比較例に係る発光素子（図示略）は、金属層１２０を有していない点で、本実施例に係る発光素子と相違し、その他の点では、本実施例に係る発光素子と同様に構成されている。

図７に示すように、本実施例に係る発光素子によれば、比較例に係る発光素子と比べて、様々な波長の光について、発光強度が向上している。すなわち、本実施例に係る発光素子によれば、比較例に係る発光素子と比べて、様々な波長（特に４５０ｎｍ以上８５０の範囲）の光について、光取り出し効率が向上している。

図８は金属層１２０のフラクタル次元の値と発光の増強度との関係を示す図である。図８の横軸はフラクタル次元Ｄの値（任意単位）、縦軸は発光増強度（任意単位）である。金属層１２０の材料をＡｇとし、金属塊１２１の平均径を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とし、隣り合う金属塊１２１どうしの平均間隔を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とし、金属塊１２１の高さを５ｎｍ以上２５ｎｍ以下として、金属層１２０のフラクタル次元Ｄの値が２．００から２．６０の範囲内の任意の点で、それぞれ発光増強度を計測した。発光増強度は、上記比較例に係る発光素子からの発光強度を１とした相対値で表される。

図８に示すように、フラクタル次元Ｄの値が２．１０以上２．４５以下のときに、およそ１．５倍以上の発光増強度を実現できる。

なお、図８の結果から、フラクタル次元Ｄの値は小さすぎたり大きすぎたりする場合（例えば、２．０５や２．５の場合）は、上記比較例よりも光取り出し効率が低下する。このことは、単に、金属塊１２１の平均径、隣り合う金属塊１２１どうしの平均間隔、および金属塊１２１の高さを適切に設定するだけでは、必ずしも光取り出し効率を向上できないことを示唆している。

次に、有機機能層１４０の層構造の例について説明する。

図９は有機機能層１４０の層構造の第１例を示す断面図である。この有機機能層１４０は、正孔注入層１４１、正孔輸送層１４２、発光層１４３、電子輸送層１４４、及び電子注入層１４５をこの順に積層した構造を有している。すなわち有機機能層１４０は、有機エレクトロルミネッセンス発光層である。なお、正孔注入層１４１及び正孔輸送層１４２の代わりに、これら２つの層の機能を有する一つの層を設けてもよい。同様に、電子輸送層１４４及び電子注入層１４５の代わりに、これら２つの層の機能を有する一つの層を設けてもよい。

この例において、発光層１４３は、例えば赤色の光を発光する層、青色の光を発光する層又は緑色の光を発光する層である。この場合、平面視において、赤色の光を発光する発光層１４３を有する領域、緑色の光を発光する発光層１４３を有する領域、及び青色の光を発光する発光層１４３を有する領域が繰り返し設けられていても良い。この場合、各領域を同時に発光させると、発光素子は白色等の単一の発光色で発光する。

なお、発光層１４３は、複数の色を発光するための材料を混ぜることにより、白色等の単一の発光色で発光するように構成されていても良い。

図１０は有機機能層１４０の層構造の第２例を示す断面図である。この有機機能層１４０の発光層１４３は、発光層１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃをこの順に積層した構成を有している。発光層１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃは、互いに異なる色の光（例えば赤、緑、及び青）を発光する。そして発光層１４３ａ、１４３ｂ、１４３ｃが同時に発光することにより、発光素子は白色等の単一の発光色で発光する。

本実施例によっても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。

（実施例２）
図１１（ａ）は本実施例に係る発光素子の構成を示す平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。なお、図１１（ｂ）及び図１１（ａ）においては、図４とは上下が反転している。

第１電極１３０は、陽極を構成する。複数の第１電極１３０が、それぞれ帯状にＹ方向に延在している。隣り合う第１電極１３０同士は、Ｙ方向に対して直交するＸ方向において一定間隔ずつ離間している。第１電極１３０の各々は、例えばＩＴＯやＩＺＯ等の金属酸化物導電体等からなる。第１電極１３０の各々の表面には、第１電極１３０に電源電圧を供給するためのバスライン（バス電極）１７０が形成されている。金属層１２０及び第１電極１３０上には絶縁膜が形成されている。この絶縁膜には、それぞれＹ方向に延在するストライプ状の開口部が複数形成されている。これにより、絶縁膜からなる複数の隔壁部１８０が形成されている。また、この絶縁膜に形成された開口部の各々は、第１電極１３０に達しており、開口部の底部において各第１電極１３０の表面が露出している。絶縁膜の各開口部内において、第１電極１３０上には、有機機能層１４０が形成されている。有機機能層１４０は、正孔注入層１４１、正孔輸送層１４２、発光層１４３（発光層１４３Ｒ、１４３Ｇ、１４３Ｂ）、電子輸送層１４４がこの順序で積層されることにより構成されている。正孔注入層１４１及び正孔輸送層１４２の材料としては、芳香族アミン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ベンジルフェニル誘導体、フルオレン基で３級アミンを連結した化合物、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体、シラナミン誘導体、ホスファミン誘導体、キナクリドン誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ポリキノリン誘導体、ポリキノキサリン誘導体、カーボン等が挙げられる。発光層１４３Ｒ、１４３Ｇ、１４３Ｂは、それぞれ、赤色発光、緑色発光、青色発光を行う蛍光性有機金属化合物等からなる。発光層１４３Ｒ、１４３Ｇ、１４３Ｂは、隔壁部１８０によって互いに隔てられた状態で並んで配置されている。すなわち、有機機能層１４０は、隔壁部１８０によって複数の領域に仕切られている。発光層１４３Ｒ、１４３Ｇ、１４３Ｂおよび隔壁部１８０の表面を覆うように電子輸送層１４４が形成されている。電子輸送層１４４の表面を覆うように第２電極１５０が形成されている。第２電極１５０は、陰極を構成する。第２電極１５０は、帯状に形成されている。第２電極１５０は、仕事関数が低く且つ高反射率を有するＡｇ、Ａｌなどの金属または合金等からなる。

このように、赤、緑、青の光をそれぞれ発する発光層１４３Ｒ、１４３Ｇ、１４３Ｂは、ストライプ状に繰り返し配置されており、光取り出し面となる透光性基板１１０の表面からは、赤、緑、青の光が任意の割合で混色されて単一の発光色（例えば白色）として認識される光が放出される。

（実施例３）
図１２は本実施例に係る発光素子の断面図である。本実施例に係る発光素子は、以下に説明する点で、上記の実施例１に係る発光素子と相違し、その他の点では、上記の実施例１に係る発光素子と同様に構成されている。

上記の実施例１では、金属層１２０が透光性基板１１０における光取り出し側の面に設けられているのに対し、本実施例では、金属層１２０が透光性基板１１０における光取り出し側とは反対側の面に設けられている。

ここで、第１電極（透光性電極）１３０は、透光性基板１１０と有機機能層１４０との間に配置されている。本実施例に係る発光素子は、第１電極１３０と透光性基板１１０との間に配置された透光性絶縁層１９０を更に備えている。そして、金属層１２０は、透光性絶縁層１９０に埋設されている。

透光性絶縁層１９０は、例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮｘ、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｒＯｘなどの高屈折率の酸化物材料からなる透明絶縁膜である。これら酸化物材料は、ｘが２以下の正の数となる非化学量論組成を有する。

本実施例の場合、透光性基板１１０の下面に、上記の実施例１と同様の方法で金属層１２０が成膜されている。更に、この金属層１２０を覆うように、透光性基板１１０の下面に透光性絶縁層１９０が形成されている。透光性絶縁層１９０の下面は平坦に形成される。更に、透光性絶縁層１９０の下面に第１電極１３０が形成されている。

本実施例によっても、上記の実施形態と同様の効果が得られる他、以下の効果が得られる。

金属層１２０が透光性基板１１０における光取り出し側とは反対側の面に設けられているので、透光性基板１１０の上面を平坦に維持することもできる。また、透光性基板１１０の表面に保護膜（上記の実施例１における第２絶縁膜１６２）を形成しなくても良い。

また、発光素子は、透光性基板１１０と有機機能層１４０との間に配置された第１電極（透光性電極）１３０と、第１電極１３０と透光性基板１１０との間に配置された透光性絶縁層１９０とを備え、金属層１２０は透光性絶縁層１９０に埋設されている。これにより、金属層１２０の表面の凹凸が第１電極１３０に及ばないようにすることができ、第１電極１３０の所望の特性を確保することができる。

以上、図面を参照して実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１１０透光性基板
１２０金属層
１２１金属塊
１３０第１電極（透光性電極）
１４０有機機能層
１５０第２電極
１９０透光性絶縁層

Claims

透光性基板と、
発光層を含み、前記透光性基板を基準として光取り出し側とは反対側に配置された有機機能層と、
前記有機機能層を基準として前記光取り出し側に配置された金属層と、
を備え、
前記金属層は、島状の複数の金属塊を含み、
前記金属層のフラクタル次元が２．１０以上２．４５以下である発光素子。
前記金属塊の平均径は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
隣り合う前記金属塊どうしの平均間隔は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１に記載の発光素子。
前記金属塊の高さは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の発光素子。
前記金属層は、前記透光性基板における前記光取り出し側の面に設けられている請求項１〜３の何れか一項に記載の発光素子。
前記金属層は、前記透光性基板における前記光取り出し側とは反対側の面に設けられている請求項１〜３の何れか一項に記載の発光素子。
前記透光性基板と前記有機機能層との間に配置された透光性電極と、
前記透光性電極と前記透光性基板との間に配置された透光性絶縁層と、
を更に備え、
前記金属層は、前記透光性絶縁層に埋設されている請求項５に記載の発光素子。