JP2021163900A - 発光素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が改善された発光素子および表示装置を提供すること。【解決手段】発光素子は、一対の電極と、一対の電極の間に、第１有機層および第１有機層に隣接する第２有機層と、を含み、第１有機層は、第１有機材料を含み、第２有機層は、第２有機材料を含み、第２有機層は、第１領域および第２領域を含み、第１領域は、第１有機層と接し、第１有機材料を含む。第１有機材料は、電子輸送性よりも正孔輸送性が高く、第１有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値は、第２有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明の一実施形態は、発光素子および発光素子を含む表示装置に関する。

表示装置として、有機エレクトロルミネッセンス材料（有機ＥＬ材料）を表示領域の発光素子（有機ＥＬ素子）に用いた有機ＥＬ表示装置（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）が知られている。有機ＥＬ表示装置は、有機ＥＬ材料を発光させることにより表示を実現する、いわゆる自発光型の表示装置である。

有機ＥＬ表示装置は、基板上に形成された複数の画素の各々に、表示素子として電界発光素子（以下、発光素子という）を有している。発光素子は、一対の電極間に、電界発光性を示す有機化合物を含む層（以下、発光層）を有している。一対の電極間に電流を供給することで、これらの電極から発光層へキャリア（正孔および電子）が注入されると正孔と電子は、発光層内で再結合して励起状態となる。励起状態が基底状態に緩和する過程のエネルギーが発光として取り出されることよって表示装置としての機能が発現される。

高輝度の有機ＥＬ表示装置の発光素子として、発光層に隣接して正孔ブロック層または電子ブロック層を設けた素子構造もしくは発光層に隣接した正孔ブロック層および電子ブロック層で挟まれた素子構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１によれば、発光層に隣接する正孔ブロック層または電子ブロック層によって、正孔および電子を発光層中に効果的に閉じ込めることができるため、発光効率の高い発光素子が得られる。

特開２０００−１９６１４０号公報

しかしながら、発光層に隣接して正孔ブロック層または電子ブロック層を設けた場合、発光層と正孔ブロック層との界面または発光層と電子ブロック層との界面にキャリアが蓄積しすぎるため、界面において発光に寄与しない酸化反応または還元反応が起きることがあった。そのため、発光素子の発光効率は向上するもの、酸化反応または還元反応が起きる結果、発光素子の信頼性を十分に確保することが難しかった。

本発明は、上記問題に鑑み、信頼性が改善された発光素子および表示装置を提供することを課題の一つとする。

本発明の一実施形態に係る発光素子は、一対の電極と、一対の電極の間に、第１有機層および第１有機層に隣接する第２有機層と、を含み、第１有機層は、第１有機材料を含み、第２有機層は、第２有機材料を含み、第２有機層は、第１領域および第２領域を含み、第１領域は、第１有機層と接し、第１有機材料を含む。

本発明の一実施形態に係る発光素子の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る表示装置の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る表示装置の表示領域にマトリクス状に配列された複数の画素のレイアウトを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る表示装置の表示領域の断面図である。

以下、本発明の各実施形態において、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その技術的思想の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、図示の形状そのものが本発明の解釈を限定するものではない。また、図面において、明細書中で既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、別図であっても同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。

ある一つの膜を加工して複数の構造体を形成した場合、各々の構造体は異なる機能、役割を有する場合があり、また各々の構造体はそれが形成される下地が異なる場合がある。しかしながら、これら複数の構造体は、同一の工程で同一層として形成された膜に由来するものであり、同一の材料を有する。従って、これら複数の膜は同一層に存在しているものと定義する。

ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接して、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。

「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない領域を意味する。ただしこの他の構造体によって覆われていない部分が、さらに別の構造体によって覆われている場合も含む。

＜第１実施形態＞
本発明の一実施形態に係る発光素子１０の構成について、図１を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子１０の模式的断面図である。具体的には、図１は、表示装置の表示領域に設けられた発光素子１０の一部を拡大した断面図を示す。なお、表示装置の詳細については後述する。

発光素子１０は、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）と、第１有機層１４と、第２有機層１５と、を含む。第１有機層１４および第２有機層１５は、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）の間に設けられている。第２有機層１５は、第１有機層１４に隣接して設けられている。第２有機層１５は、第１領域１５−１および第２領域１５−２を含み、第１領域１５−１は、第１有機層１４に接している。また、発光素子１０は、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）の間に、さらに、第２有機層１５に隣接する第３有機層１６を含む。第２領域１５−２は、第３有機層１６に接している。

例えば、第１電極１１は陽極であり、第１有機層１４は電子ブロック層であり、第２有機層１５は発光層であり、第３有機層１６は正孔ブロック層であり、第２電極１９は陰極である。この場合、図１に示すように、発光素子１０は、第１電極１１（陽極）と、正孔注入層１２と、正孔輸送層１３と、第１有機層１４（電子ブロック層）と、第２有機層１５（発光層）と、第３有機層１６（正孔ブロック層）と、電子輸送層１７と、電子注入層１８と、第２電極１９（陰極）と、を含むことができる。但し、発光素子１０の構成はこれに限られない。正孔注入層１２、正孔輸送層１３、電子輸送層１７、または電子注入層１８は、必要に応じて設けることができる。

また、例えば、第１電極１１は陰極であり、第１有機層１４は正孔ブロック層であり、第２有機層１５は発光層であり、第３有機層１６は電子ブロック層であり、第２電極１９は陽極である。この場合においても、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、または電子注入層１８を必要に応じて設けることができる。

以下では、本実施形態を理解しやすく説明するため、第１電極１１、第１有機層１４、第２有機層１５、第３有機層１６、および第２電極１９が、それぞれ、陽極、電子ブロック層、発光層、正孔ブロック層、および陰極であるとして説明する。また、以下では、第１電極１１と第２有機層１５との間の層を第１機能層２１とし、第２有機層１５と第２電極１９との間の層を第２機能層２２として説明する場合がある。

［電子ブロック層］
第１有機層１４は、電子ブロック層として機能することができる。すなわち、第１有機層１４は、第２電極１９から第２機能層２２に注入された電子が再結合に寄与することなく第２有機層１５を通過して正孔輸送層１３へ注入されることを防ぐことができる。言い換えると、第１有機層１４は、第２有機層１５中に電子を閉じ込めるとともに、第２有機層１５で得られる再結合の励起エネルギーが正孔輸送層１３にエネルギー移動することを防ぐことができる。したがって、第１有機層１４は、電子輸送性よりも正孔輸送性が高いことが好ましい。また、第１有機層１４の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値は、第２有機層１５の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値よりもが小さいことが好ましい。具体的には、第１有機層１４のＬＵＭＯ準位と第２有機層１５のＬＵＭＯ準位との差の絶対値は、０．２ｅＶ以上であり、好ましくは０．３ｅＶ以上であり、さらに好ましくは０．５ｅＶ以上である。

また、第１有機層１４のバンドギャップは、第２有機層１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。

第１有機層１４は、第１有機材料を含む。第１有機材料は、電子輸送性よりも正孔輸送性が高い材料である。第１有機材料は、例えば、共役系の比較的小さいカルバゾール誘導体、アリールアミン誘導体、またはチオフェン誘導体などを用いることができる。

［発光層］
第２有機層１５は、発光層として機能することができる。すなわち、第２有機層１５は、正孔と電子が再結合する層である。第２有機層１５は、ホスト−ゲスト型の構成を有する。すなわち、第２有機層１５は、ホストである第２有機材料に、ゲストである発光材料が含まれている。第２有機材料としては、例えば、スチルベン誘導体またはアントラセン誘導体などの縮合芳香族化合物、カルバゾール誘導体、キノリノール配位子を含む金属錯体、芳香族アミン、もしくはフェナントロリン誘導体などの含窒素ヘテロ芳香族化合物などを用いることができる。発光材料としては、例えば、クマリン誘導体、ピラン誘導体、キノクリドン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、またはアントラセン誘導体などの蛍光材料、もしくはイリジウム系オルトメタル錯体などの燐光材料を用いることができる。第２有機層１５は、第２有機材料のバンドギャップが発光材料のバンドギャップよりも大きくなるように構成される。

本実施形態に係る発光素子１０の第２有機層１５は、さらに、第１有機材料を含む。第２有機層１５に、電子輸送性よりも正孔輸送性が高い第１有機材料を添加することで、第２有機層１５の正孔輸送性を向上させることができる。言い換えると、第１有機材料を用いて、第２有機層１５の正孔輸送性と電子輸送性を調整することができる（キャリアバランスの調整）。

一般的に、第２有機層１５の第２有機材料は、正孔輸送性よりも電子輸送性が高い。そのため、第２有機層１５中のキャリアは正孔よりも電子が優位となり、電子は第１有機層１４と第２有機層１５との界面に蓄積しやすい。この場合、発光領域は界面近傍であるが、界面での電子密度が高くなることで濃度消光が起きやすい。すなわち、発光に寄与しないキャリアが増加する結果、表示素子の電流効率が低下する。

一方、第２有機層１５に第１有機材料が添加されると、第２有機層１５の正孔輸送性が高くなる。第２有機層１５中において電子と再結合する正孔が増加するため、結果として、第１有機層１４と第２有機層１５との界面に到達する電子を減少させることができる。したがって、発光領域が第２有機層１５全体に広がるため、発光素子１０の電流効率が向上する。

また、第２有機層１５は、第１領域１５−１と、第２領域１５−２と、を含む。第１領域１５−１は、第１有機層１４と接する。第２領域１５−２は、第１有機層１４から離れている。

第１領域１５−１と第２領域１５−２とは、第１有機材料の濃度が異なる。第１領域１５−１における第１有機材料の濃度は、第２領域１５−２における第１有機材料の濃度よりも大きいことが好ましい。例えば、第１領域１５−１における第１有機材料の濃度は、２０重量％以下であり、好ましくは１５重量％以下であり、さらに好ましくは１０重量％以下である。また、第２領域１５−２における第１有機材料の濃度は、第１領域１５−１における第１有機材料の濃度よりも小さく、１５重量％以下であり、好ましくは１０重量％以下であり、さらに好ましくは５重量％以下である。第２領域１５−２における第１有機材料の濃度が高いと、第３有機層１６と第２有機層１５との界面に正孔が蓄積してしまう。そのため、第１領域１５−１および第２領域１５−２の各々における第１有機材料の濃度を上記範囲とし、第１領域１５−１および第２領域１５−２の正孔輸送性が調整されることが好ましい。

また、第１領域１５−１と第２領域１５−２とは、膜厚が異なっていてもよい。第１領域１５−１の膜厚は、第２領域１５−２の膜厚よりも小さいことが好ましい。例えば、第１領域１５−１の膜厚は、第２有機層１５の膜厚の０％よりも大きく、かつ、４０％以下であり、好ましくは３０％以下であり、さらに好ましくは２０％である。第１領域１５−１の膜厚を上記範囲にすることでも、第２有機層１５の正孔輸送性を調整することができる。

第２有機層１５を第１領域１５−１と第２領域１５−２とに分けることで、キャリアバランスを調整するだけでなく、発光領域の位置も調整することができる。すなわち、発光領域を、第１有機層１４と第２有機層１５との界面から遠ざけることができる。そのため、界面における化学反応が抑制され、発光素子１０の信頼性が向上する。

［正孔ブロック層］
第３有機層１６は、正孔ブロック層として機能することができる。すなわち、第３有機層１６は、第１電極１１から第１機能層２１に注入された正孔が再結合に寄与することなく第２有機層１５を通過して第３有機層１６へ注入されることを防ぐことができる。言い換えると、第３有機層１６は、第２有機層１５中に正孔を閉じ込めるとともに、第２有機層１５で得られる再結合の励起エネルギーが電子輸送層１７にエネルギー移動することを防ぐことができる。したがって、第３有機層１６は、正孔輸送性よりも電子輸送性が高いことが好ましい。また、第３有機層１６の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位の絶対値は、第２有機層１５の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位の絶対値よりも大きいことが好ましい。具体的には、第３有機層１６のＨＯＭＯ準位と第２有機層１５のＨＯＭＯ準位との差の絶対値は、０．２ｅＶ以上であり、好ましくは０．３ｅＶ以上であり、さらに好ましくは０．５ｅＶ以上である。

また、第３有機層１６のバンドギャップは、第２有機層１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。

第３有機層１６は、第３有機材料を含む。第３有機材料は、例えば、フェナントロリン誘導体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、またはビス（２−メチル−８−キノリノラト）（４−ヒドロキシ−ビフェニリル）アルミニウムなどを用いることができる。

［陽極および陰極］
第１電極１１は、陽極として機能することができる。すなわち、第１電極１１は、第１機能層２１に正孔を注入することができる。そのため、第１電極１１は、仕事関数の大きい材料を用いることが好ましい。

第２電極１９は、陰極として機能することができる。すなわち、第２電極１９は、第２機能層２２に電子を供給することができる。そのため、第２電極１９は、仕事関数の小さい材料を用いることが好ましい。

第１電極１１および第２電極１９の少なくとも一方は、第２有機層１５からの光が透過することができる透明導電材料を用いる。透明導電材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム亜鉛（ＡＺＯ）、酸化ガリウム亜鉛（ＧＺＯ）、または酸化アルミニウム亜鉛（ＡＺＯ）などを用いることができる。また、透明導電材料の抵抗が高い場合、数ｎｍ程度の金属薄膜を透明導電材料で挟み込んだ積層体を第１電極１１または第２電極１９とすることもできる。金属薄膜の材料としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、または亜鉛（Ｚｎ）、もしくはこれらの合金などを用いることができる。

一方、第２有機層１５からの光を反射させる場合、第１電極１１または第２電極は、金属材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、または亜鉛（Ｚｎ）、もしくはこれらの合金などを用いることができる。

［正孔注入層］
正孔注入層１２は、第１電極１１から第１機能層２１へ正孔を注入しやすくする機能を有する。正孔注入層１２は、酸化されやすい化合物（電子供与性化合物）、すなわち、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位の絶対値の小さい化合物を用いることができる。正孔注入層１２の材料として、例えば、ベンジジン誘導体やトリアリールアミンなどの芳香族アミン、カルバゾール誘導体、チオフェン誘導体、または銅フタロシアニンなどのフタロシアニン誘導体などを用いることができる。また、正孔注入層１２の材料として、例えば、ポリチオフェンまたはポリアニリン誘導体などを用いることもできる。さらに、正孔注入層１２の材料として、例えば、芳香族アミン、カルバゾール誘導体、または芳香族炭化水素などの電子供与性化合物と電子受容体との混合物を用いてもよい。電子受容体としては、例えば、酸化バナジウムまたは酸化モリブデンなどの遷移金属酸化物、含窒素ヘテロ芳香族化合物、もしくはシアノ基などの強い電子吸引基を有するヘテロ芳香族化合物などを用いることができる。これらの材料や混合物はイオン化ポテンシャルが小さいため、第１電極１１からの正孔注入障壁が小さい。そのため、正孔注入層１２は、発光素子１０の駆動電圧の低減に寄与する。

［正孔輸送層］
正孔輸送層１３は、第１電極１１から正孔注入層１２に注入された正孔を第２有機層１５へ輸送する機能を有する。正孔輸送層１３は、正孔注入層１２で使用可能な材料と同様または類似する材料を用いることができる。正孔輸送層１３のＨＯＭＯ準位の絶対値は、正孔注入層１２のＨＯＭＯ準位の絶対値よりも小さいことが好ましいが、その差は小さいことが好ましい。すなわち、正孔輸送層１３のＨＯＭＯ準位と正孔注入層１２のＨＯＭＯ準位との差は、０．５ｅＶ以下であり、好ましくは０．３ｅＶ以下であり、さらに好ましくはそれ以下である。上述した材料は電子輸送性よりもホール輸送性が高いため、正孔を効率よく第２有機層１５へ輸送することができ、発光素子１０の低い駆動電圧を実現することができる。

［電子輸送層］
電子輸送層１７は第２電極１９から電子注入層１８に注入された電子を第２有機層１５へ輸送する機能を有する。電子輸送層１７は、正孔輸送性よりも電子輸送性の高い化合物を用いることができる。電子輸送層１７の材料として、例えば、８−キノリノールを基本骨格として有する配位子を含む金属錯体、オキサジアゾール誘導体やトリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体などの窒素含有ヘテロ芳香族化合物、シラシクロペンタジエン誘導体、もしくはアントラセン誘導体、ピレン誘導体、またはペリレン誘導体などの芳香族炭化水素などを用いることができる。金属錯体としては、例えば、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（Ａｌｑ）や（８−キノリノラト）リチウムなどを用いることができる。

［電子注入層］
電子注入層１８は、第２電極１９から第２機能層２２へ電子を注入しやすくする機能を有する。電子注入層１８の材料として、例えば、フッ化カルシウムまたはフッ化リチウムなどの金属フッ化物、リチウム、カルシウム、またはマグネシウムなどの第１族金属または第２族元素を用いることができる。また、電子注入層１８として、電子輸送層１７に使用可能な材料と電子供与体との混合物を用いてもよい。電子供与体としては、例えば、第１族金属または第２族元素、もしくはイッテルビウムなどのランタノイド金属などを用いることができる。

＜具体例＞
陽極、正孔注入層、正孔輸送層、電子ブロック層、発光層、正孔ブロック層、電子輸送層、電子注入層、および陰極の積層構造を有する典型的な表示素子を作製した。素子１は、発光層を単層とし、発光層は、第２有機材料と発光材料のみからなる素子である。素子２は、発光層を単層とし、発光層は、第２有機材料と発光材料に加えて、第２有機材料に対して電子ブロック層の材料である第１有機材料を１０重量％添加した素子である。素子３は、発光層を２つの領域（第１領域および第２領域）とし、電子ブロック層と接する第１領域は、第２有機材料と発光材料に加えて、第２有機材料に対して第１有機材料を１０重量％添加し、電子ブロック層から離れた第２領域は、第２有機材料と発光材料に加えて、第２有機材料に対して第１有機材料を５重量％添加した素子である。

素子１〜素子３において、電流効率および初期輝度から９５％の輝度となる時間（ＬＴ_９５）を評価した。表１に測定結果を示す。なお、表１では、電流効率およびＬＴ_９５を素子１の値で規格化している。

表１からわかるように、素子１〜素子３の電流効率はほぼ同じであるが、素子１、素子２、素子３の順で信頼性が向上した。特に、発光層全体に第２有機材料を添加し、電子ブロック層と接する第１領域の第２有機材料の濃度を高くした素子３において、信頼性の向上が顕著であった。

以上、本実施形態に係る発光素子１０によれば、発光層として機能する第２有機層１５中に、電子ブロック層として機能する第１有機層１４の第１有機材料を添加することにより、第２有機層１５のキャリアバランスを調整することができる。また、第１有機層１４と第２有機層１５との界面における電子の蓄積を抑制し、また、第１有機層１４と第２有機層１５との界面から発光領域を遠ざけることにより、発光素子１０の電流効率および信頼性が向上する。

＜変形例１＞
発光素子１０の別の実施形態に係る発光素子１０ａの構成について、図２を参照して説明する。なお、以下では、発光素子１０と同様の構成については説明を省略し、主に、発光素子１０と異なる構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る発光素子１０ａの模式的断面図である。具体的には、図２は、表示装置の表示領域に設けられた発光素子１０ａの一部を拡大した断面図を示す。なお、表示装置の詳細については後述する。

発光素子１０ａは、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）と、第１有機層１４と、第２有機層１５ａと、を含む。第１有機層１４および第２有機層１５ａは、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）の間に設けられている。第２有機層１５ａは、第１有機層１４に隣接して設けられている。第２有機層１５ａは、第１領域１５ａ−１および第２領域１５ａ−２を含み、第１領域１５ａ−１は、第１有機層に接している。第１有機層１４は第１有機材料を含み、第２有機層１５ａは第２有機材料を含む。

発光素子１０ａでは、第１領域１５ａ−１は第１有機材料を含むが、第２領域１５ａ−２は第１有機材料を含まない。すなわち、発光素子１０ａにおいては、第１領域１５ａ−１の第１有機材料の濃度および膜厚によって、第２有機層１５ａ中のキャリアバランスを調整することができる。そのため、発光素子１０ａにおいても、電流効率および信頼性が向上する。

＜変形例２＞
発光素子１０の別の実施形態に係る発光素子１０ｂの構成について、図３を参照して説明する。なお、以下では、発光素子１０と同様の構成については説明を省略し、主に、発光素子１０と異なる構成について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る発光素子１０ｂの模式的断面図である。具体的には、図３は、表示装置の表示領域に設けられた発光素子１０ｂの一部を拡大した断面図を示す。なお、表示装置の詳細については後述する。

発光素子１０ｂは、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）と、第１有機層１４と、第２有機層１５ｂと、を含む。第１有機層１４および第２有機層１５ｂは、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）の間に設けられている。第２有機層１５ｂは、第１有機層１４に隣接して設けられている。第２有機層１５ｂは、第１領域１５ｂ−１、第２領域１５ｂ−２、および第３領域１５ｂ−３を含み、第１領域１５ｂ−１は、第１有機層に接している。第３領域１５ｂ−３は、第２領域１５ｂ−２よりも第１有機層１４から離れている。第１有機層１４は第１有機材料を含み、第２有機層１５ｂは第２有機材料を含む。

発光素子１０ｂでは、第１領域１５ｂ−１、第２領域１５ｂ−２、および第３領域１５ｂ−３の各々が第１有機材料を含む。第１領域１５ｂ−１における第１有機材料の濃度は、第３領域１５ｂ−３における第１有機材料の濃度よりも大きい。また、第２領域１５ｂ−２における第１有機材料の濃度は、第３領域１５ｂ−３における第１有機材料の濃度よりも大きく、第１領域１５ｂ−１における第１有機材料の濃度よりも小さい。

発光素子１０ｂにおいても、第１領域１５ｂ−１、第２領域１５ｂ−２、および第３領域１５ｂ−３の各々の第１有機材料の濃度および膜厚によって、第２有機層１５ｂ中のキャリアバランスを調整することができる。そのため、発光素子１０ｂにおいても、電流効率および信頼性が向上する。

なお、本実施形態では、第１領域１５ｂ−１、第２領域１５ｂ−２、および第３領域１５ｂ−３のように、第２有機層１５における第１有機材料の濃度が３つに分離された構成について説明したが、第１有機材料の濃度の異なる領域は３つ以上であってもよい。また、第２有機層１５における第１有機材料の濃度が、第１有機層１４から第３有機層１６に向かって小さくなるように連続的に設けられた構成とすることもできる。

＜第２実施形態＞
本発明の一実施形態に係る発光素子２０の構成について、図４を参照して説明する。なお、以下では、発光素子１０と同様の構成については説明を省略し、主に、発光素子１０と異なる構成について説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る発光素子２０の模式的断面図である。具体的には、図４は、表示装置の表示領域に設けられた発光素子２０の一部を拡大した断面図を示す。なお、表示装置の詳細については後述する。

発光素子２０は、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）と、第１ユニット２０−１と、第２ユニット２０−２と、電荷発生層２３と、を含む。第１ユニット２０−１、第２ユニット２０−２、および電荷発生層２３は、一対の電極（第１電極１１および第２電極１９）の間に設けられている。電荷発生層２３は、第１ユニット２０−１と第２ユニット２０−２の間に設けられている。

第１ユニット２０−１は、第１有機層２４および第２有機層２５を含む。第２有機層２５は、第１領域２５−１および第２領域２５−２を含み、第１領域２５−１は、第１有機層２４に接している。また、第２ユニット２０−２は、第１有機層２６および第２有機層２７を含む。第２有機層２７は、第１領域２７−１および第２領域２７−２を含み、第１領域２７−１は、第１有機層２６に接している。第１ユニット２０−１の第１有機層２４は第１有機材料を含み、第２有機層２５は第２有機材料を含む。また、第２ユニットの第１有機層２６は第１有機材料を含み、第２有機層２７は第２有機材料を含む。第１有機材料および第２有機材料は、第１実施形態で説明したとおりであるが、第１ユニット２０−１の第１有機材料と第２ユニット２０−２の第１有機材料とは同じであってもよく、異なっていてもよい。同様に、第１ユニット２０−１の第２有機材料と第２ユニット２０−２の第２有機材料も同じであってもよく、異なっていてもよい。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１ユニット２０−１の第２有機層２５は、第１有機層２４の第１有機材料を含み、第２ユニット２０−２の第２有機層２７は、第１有機層２６の第１有機材料を含む。

以下では、本実施形態を理解しやすく説明するため、第１電極１１、第１有機層、第２有機層１５、第３有機層１６、および第２電極１９が、それぞれ、陽極、電子ブロック層、発光層、正孔ブロック層、および陰極であるとして説明する。

第１ユニット２０−１は、さらに、正孔注入層１２と、正孔輸送層１３と、第３有機層１６（正孔ブロック層）と、電子輸送層１７と、を含む。また、第２ユニット２０−２は、さらに、正孔輸送層１３と、第３有機層１６（正孔ブロック層）と、電子輸送層１７と、電子注入層１８と、を含む。但し、発光素子２０の構成はこれに限られない。第１ユニット２０−１および第２ユニット２０−２に含まれる層は、必要に応じて適宜設けることができ、または省略することができる。

電荷発生層２３は、第１電極１１と第２電極１９との間に電圧を印加した場合に、第１ユニット２０−１に電子を注入し、第２ユニット２０−２に正孔を注入する機能を有する。電荷発生層２３は、正孔輸送層１３で使用可能な材料と同様または類似する材料と電子受容体の混合物、もしくは電子輸送層１７で使用可能な材料と同様または類似する材料と電子供与体の混合物を用いることができる。

以上、本実施形態に係る発光素子２０によれば、第１ユニット２０−１および第２ユニット２０−２から発光が得られるため、電流効率および信頼性の高い発光素子となる。発光層として機能する第２有機層２５および２７のそれぞれに、電子ブロック層として機能する第１有機層２４および２６の第１有機材料を添加することにより、第２有機層２５および２７のキャリアバランスを調整することができる。また、第１有機層２４と第２有機層２５との界面および第１有機層２６と第２有機層２７との界面における電子の蓄積を抑制し、また、第１有機層１４と第２有機層１５との界面および第１有機層２６と第２有機層２７との界面から発光領域を遠ざけることにより、発光素子２０の電流効率および信頼性がさらに向上する。

＜第３実施形態＞
本発明の一実施形態に係る表示装置１００の構成について、図５〜図８を参照して説明する。

図５は、本発明の一実施形態に係る表示装置１００の構成を示す平面図である。表示装置１００は、基板１０１と、周辺領域１０２と、表示領域１０３と、を含む。

表示領域１０３は基板１０１上に設けられている。表示領域１０３は、複数の画素１０９を含む。複数の画素１０９は、マトリクス状に配列されている。複数の画素１０９の配列数は任意である。例えば、行方向にｍ個、列方向にｎ個の画素１０９が配列される（ｍおよびｎは整数）。複数の画素１０９の各々は、図５に図示されていないが、少なくとも選択トランジスタ、駆動トランジスタ、および発光素子を有する画素回路から構成される。

周辺領域１０２は表示領域１０３を囲むように設けられている。なお、周辺領域１０２とは、表示領域１０３から基板１０１の端部までの領域をいう。言い換えれば、周辺領域１０２は、基板１０１上で表示領域１０３が設けられる以外の領域（すなわち、表示領域１０３の外側の領域）をいうものとする。周辺領域１０２は、駆動回路１０４、端子１０７を含む。駆動回路１０４は、表示領域１０３を挟むように設けられている。また、周辺領域１０２には、ドライバＩＣ１０５が設けられていていてもよい。ドライバＩＣ１０５は、端子１０７と接続されている。端子１０７は、フレキシブルプリント回路基板１０８（ＦＰＣ）と接続されている。

駆動回路１０４は、画素１０９と接続される走査線と接続され、走査線駆動回路として機能する。また、ドライバＩＣ１０５は、画素１０９と接続される信号線に接続され、信号線駆動回路が組み込まれている。なお、図５においては、ドライバＩＣ１０５に、信号線駆動回路が組み込まれている構成を示すが、ドライバＩＣ１０５とは別に、基板１０１上に信号線駆動回路が設けられていてもよい。

ドライバＩＣ１０５は、ＩＣチップのような形態で基板１０１上に配置されている。また、ドライバＩＣ１０５は、図示しないが、フレキシブルプリント回路基板１０８上に設けてもよい。

複数の画素１０９の各々には、ドライバＩＣ１０５から信号線を介して、映像信号が与えられる。また、各画素１０９には、ドライバＩＣ１０５から駆動回路１０４と、走査線とを介して各画素１０９を選択する信号が与えられる。これらの信号により、画素１０９が有するトランジスタを駆動させて、映像信号に応じた画面表示を行うことができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る表示装置１００の構成を示す断面図である。具体的には、図６は、図５に示す表示装置１００のＡ１−Ａ２線に沿って切断した断面図である。

図６に示すように、表示領域１０３は、複数の画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂを有している。図６では、複数の画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂのそれぞれが有する発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂを、発光する色によって区別している。例えば、画素１０９Ｒの発光素子１０Ｒは赤色を発光し、画素１０９Ｇの発光素子１０Ｇは緑色を発光し、画素１０９Ｂの発光素子１０Ｂは青色を発光する。

基板１０１上には、下地層１１０を介して、トランジスタ１２０および容量素子１３０が設けられている。

基板１０１として、ガラス基板、石英基板、またはフレキシブル基板（ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、環状オレフィン・コポリマー、シクロオレフィンポリマー、その他の可撓性を有する樹脂基板）を用いることができる。基板１０１が透光性を有する必要がない場合には、金属基板、セラミックス基板、または半導体基板を用いることも可能である。基板１０１として、フレキシブル基板を用いることにより、表示装置１００を折り曲げることができる。

基板１０１上には、下地層１１０が設けられる。下地層１１０は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムなどの無機材料で構成される絶縁層である。下地層１１０は、単層構造であってもよく、例えば、酸化シリコン層と窒化シリコン層とを組み合わせた積層構造であってもよい。本実施形態では、下地層１１０として、窒化シリコン層１１１、酸化シリコン層１１２、および窒化シリコン層１１３の三層構造で設ける場合について示す。この構成は、基板１０１との密着性や、後述するトランジスタ１２０に対するガスバリア性を考慮して適宜決定すれば良い。

トランジスタ１２０は、半導体層１１４、ゲート絶縁膜１１５、ゲート電極１１７、ソース電極１２２、またはドレイン電極１２３を有する。トランジスタ１２０は、Ｎｃｈ型トランジスタであってもよいし、Ｐｃｈ型トランジスタであってもよい。本実施形態では、トランジスタ１２０は、Ｎｃｈ型トランジスタを用いる場合について説明する。

半導体層１１４は、アモルファス、ポリシリコン、または酸化物半導体を用いることができる。本実施形態では、ポリシリコンを用いる場合について説明する。Ｎｃｈ型トランジスタでは、半導体層１１４に、チャネル領域１１４ａと、高濃度不純物領域１１４ｄ、１１４ｅ（ソース領域またはドレイン領域）との間に、低濃度不純物領域１１４ｂ、１１４ｃを設けた構造を有する。

ゲート絶縁膜１１５として、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムなどの無機材料で構成される絶縁層を用いることができる。ゲート電極１１７としては、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、アルミニウムなどの金属材料で構成される導電層を用いることができる。ソース電極１２２またはドレイン電極１２３の各々は、銅、チタン、モリブデン、またはアルミニウムなどの金属材料で構成される導電層を用いることができる。

容量素子１３０は、ゲート絶縁膜１１５を間に挟んで、一対の電極で形成される。容量素子１３０の一方の電極として、半導体層１１４の高濃度不純物領域１１４ｄを用い、他方の電極として、導電層１１８を用いる。導電層１１８は、ゲート電極と同じ膜から形成される。

トランジスタ１２０および容量素子１３０を覆うように、層間絶縁層１１９が設けられている。層間絶縁層１１９は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムなどの無機材料で構成される絶縁層である。また、層間絶縁層１１９上には、ソース電極１２２またはドレイン電極１２３が設けられている。ソース電極１２２またはドレイン電極１２３は、ゲート絶縁膜１１５および層間絶縁層１１９に設けられたコンタクトホールを介して、半導体層１１４（高濃度不純物領域１１４ｄ、１１４ｅ）と接続される。

層間絶縁層１１９上に、平坦化膜１２１が設けられる。平坦化膜１２１は、有機樹脂材料を含む。有機樹脂材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、またはエポキシなどの有機樹脂材料を用いることができる。これらの材料は、溶液塗布法により膜形成が可能であり、平坦化効果が高いという特長がある。平坦化膜１２１は、ソース電極１２２またはドレイン電極１２３の一部を露出させるコンタクトホールを有する。コンタクトホールは、後述する第１電極１１とソース電極１２２またはドレイン電極１２３とを電気的に接続するために設けられる。

平坦化膜１２１に設けられたコンタクトホールには、透明導電層１２５が設けられる。透明導電層１２５は、平坦化膜１２１が有するコンタクトホールに重畳し、コンタクトホールの底面で露出されたソース電極１２２またはドレイン電極１２３と電気的に接続する。透明導電層１２５として、酸化インジウム系透明導電層（例えば、ＩＴＯ）や酸化亜鉛系透明導電層（例えば、ＩＺＯ、ＺｎＯ）を用いることができる。また、平坦化膜１２１上には、透明導電層１２４が設けられる。透明導電層１２５と透明導電層１２４とは、同じ材料により形成される。

また、透明導電層１２５上には、絶縁層２１１が設けられる。絶縁層２１１として、窒化シリコン層などを使用することが好ましい。絶縁層２１１には、ソース電極１２２またはドレイン電極１２３と、透明導電層１２５とが重畳する領域において、コンタクトホールが形成されている。

また、絶縁層２１１上には、第１電極１１が設けられている。第１電極１１は、絶縁層２１１に設けられたコンタクトホールを介して、透明導電層１２５と接続されている。これにより、第１電極１１は、ソース電極またはドレイン電極１２３と電気的に接続される。また、第１電極１１と、絶縁層２１１と、透明導電層１２４とにより、容量素子１３０が構成される。

絶縁層２１１上には、発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂが設けられている。発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂは、それぞれ、第１電極１１、第１機能層２１、第２機能層２２、および第２電極１９を有している。また、発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂは、それぞれ、発光する色に応じて、第２有機層１５Ｒ、１５Ｇ、および１５Ｂを有している。また、発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂをそれぞれ分離するためのバンク２１３が設けられている。発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂの各々の構成は、第１実施形態で説明したとおりである。

発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂ上には、封止膜２２０が設けられている。封止膜２２０は、発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂに水分が侵入することを防止すために設けられる。封止膜２２０として、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムなどの無機材料、もしくはポリイミド、ポリアミド、アクリル、またはエポキシなどの有機樹脂材料を用いることができる。図６では、封止膜２２０として、無機絶縁層２２１、有機絶縁層２２２、および無機絶縁層２２３を用いる構成を示している。

図示しないが、封止膜２２０上には、偏光板が設けられていてもよい。偏光板は、封止膜２２０上に、粘着材を用いて貼りつけられていてもよい。または、封止膜２２０上に粘着材を用いて基板が貼り付けられ、さらに基板上に粘着材を介して偏光板が貼り付けられていてもよい。

次に、本実施形態に係る表示装置１００の画素が有する発光素子の構成について図７および図８を参照して説明する。

図７は、本発明の一実施形態に係る表示装置１００の表示領域１０３にマトリクス状に配列された複数の画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂのレイアウトを示す平面図である。また、図８は、本発明の一実施形態に係る表示装置１００の表示領域の断面図である。具体的には、図８は、図７に示すＢ１−Ｂ２線に沿って切断したときの断面図である。図８に示すように、画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂに設けられる発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂの断面を示している。なお、図８では、発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、および１０Ｂの各々に接続されるトランジスタ１２０の断面については図示を省略しているが、その態様については図６の説明と同様である。

図７に示すように、表示領域１０３においては、複数の画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂがマトリクス状に配置されている。図８では、画素１０９Ｒ、１０９Ｇ、および１０９Ｂを構成する一部の層を示している。また、図８では、第１電極１１と、バンク２１３の開口部２１４と、第２有機層１５Ｒ、１５Ｇ、および１５Ｂを示している。複数の第１電極１１は、マトリクス状に配置されている。また、第２有機層１５Ｒ、１５Ｇ、および１５Ｂは、それぞれ、行方向に隣接する第１電極１１の間では不連続であり、列方向に隣接する第１電極１１の間では連続している。

以上、本実施形態に係る表示装置１００によれば、各画素１０９が発光素子１０を含むため、表示装置１００の電流効率および信頼性が向上する。

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒ、２０：発光素子、 １１：第１電極、 １２：正孔注入層、 １３：正孔輸送層、 １４、２４、２６：第１有機層、 １５、１５ａ、１５ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ、２５、２７：第２有機層、 １５−１、１５ａ−１、１５ｂ−１、２５−１、２７−１：第１領域、 １５−２、１５ａ−２、１５ｂ−２、２５−２、２７−２：第２領域、 １５ｂ−３：第３領域、 １６：第３有機層、 １７：電子輸送層、 １８：電子注入層、 １９：第２電極、 ２０−１：第１ユニット、 ２０−２：第２ユニット、 ２１：第１機能層、 ２２：第２機能層、 ２３：電荷発生層、 １００：表示装置、 １０１：基板、 １０２：周辺領域、 １０３：表示領域、 １０４：駆動回路、 １０７：端子、 １０８：フレキシブルプリント回路基板、 １０９、１０９Ｂ、１０９Ｇ、１０９Ｒ：画素、 １１０：下地層、 １１１、１１３：窒化シリコン層、 １１２：酸化シリコン層、 １１４：半導体層、 １１４ａ：チャネル領域、 １１４ｂ、１１４ｃ：低濃度不純物領域、 １１４ｄ、１１４ｅ：高濃度不純物領域、 １１５：ゲート絶縁膜、 １１７：ゲート電極、 １１８：導電層、 １１９：層間絶縁層、 １２０：トランジスタ、 １２１：平坦化膜、 １２２：ソース電極、 １２３：ドレイン電極、 １２４、１２５：透明導電層、 １３０：容量素子、 ２１１：絶縁層、 ２１３：バンク、 ２１４：開口部、 ２２０：封止膜、 ２２１、２２３：無機絶縁層、 ２２２：有機絶縁層

Claims (15)

1. 一対の電極と、
   前記一対の電極の間に、第１有機層および前記第１有機層に隣接する第２有機層と、を含み、
   前記第１有機層は、第１有機材料を含み、
   前記第２有機層は、第２有機材料を含み、
   前記第２有機層は、第１領域および第２領域を含み、
   前記第１領域は、前記第１有機層と接し、前記第１有機材料を含む発光素子。
2. 前記第１有機材料は、電子輸送性よりも正孔輸送性が高く、
   前記第１有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値は、前記第２有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位の絶対値よりも小さい請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位と前記第２有機層の最低空軌道（ＬＵＭＯ）準位との差の絶対値は、０．２ｅＶ以上である請求項２に記載の発光素子。
4. 前記第２有機材料は、正孔輸送性よりも電子輸送性が高い化合物である請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 前記第１領域の膜厚は、前記第２有機層の膜厚の０％よりも大きく、かつ、４０％以下である請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 前記第１領域における前記第１有機材料の濃度は、前記第２有機材料に対して２０重量％以下である請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の発光素子。
7. 前記第２領域は、前記第１有機材料を含まない請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。
8. 前記第２領域は、前記第１有機材料を含み、
   前記第２領域における前記第１有機材料の濃度は、前記第１領域における前記第１有機材料の濃度よりも小さい請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。
9. 前記第２有機層は、さらに、前記第２領域よりも前記１有機層から離れた第３領域を含み、
   前記第３領域は、前記第１有機材料を含み、
   前記第３領域における前記第１有機材料の濃度は、前記第２領域における前記第１有機材料の濃度よりも小さい請求項８に記載の発光素子。
10. さらに、前記一対の電極の間に、前記第２有機層に隣接する第３有機層を含み、
    前記第３有機層は、正孔輸送性よりも電子輸送性が高い第３有機材料を含み、
    前記第３有機層の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位の絶対値は、前記第２有機層の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位の絶対値よりも大きい請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の発光素子。
11. 前記第３有機層の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位と前記第２有機層の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）準位との差の絶対値は、０．２ｅＶ以上である請求項１０に記載の発光素子。
12. 前記第３有機層は、前記第２領域と接する請求項１０または請求項１１に記載の発光素子。
13. 前記第２有機層は、さらに、前記第２領域よりも前記１有機層から離れ、前記第３有機層と接する第３領域を含み、
    前記第３領域は、前記第１有機材料を含み、
    前記第３領域における前記第１有機材料の濃度は、前記第２領域における前記第１有機材料の濃度よりも小さい請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の発光素子。
14. 前記第２有機層は、発光層である請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の発光素子。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の発光素子を画素に含む表示装置。

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