JP3539596B2

JP3539596B2 - 光学的素子

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Publication number: JP3539596B2
Application number: JP28684895A
Authority: JP
Inventors: 伸利浅井; 靖典鬼島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: JPH09102395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的素子に関し、例えば自発光の平面型ディスプレイであって、特に、有機薄膜を電界発光層に用いる有機電界発光ディスプレイに好適な光学的素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子と称することがある。）は、１μｍ以下の膜厚であり、電流を注入することにより電気エネルギーを光エネルギーに変換して面状に発光するなど、自発光型の表示デバイスとして理想的な特長を有しており、近年活発な研究開発が進められている。
【０００３】
このような素子を複数集合させ、それぞれを画素とするマトリクスディスプレイとしては、平行な電極を直交させて形成するパッシブマトリクス型や、各画素にトランジスタＴＦＴ（Thin Film Transistor）などのアクティブ素子を組み込むアクティブマトリクス型がある。
【０００４】
図24は、従来の発光素子としての有機ＥＬ素子10の一例を示す。この有機ＥＬ素子10は、透明基板（例えばガラス基板）６上に、ＩＴＯ（Indium tin oxide）透明電極５、ホール輸送層４、発光層３、電子輸送層２、陰極（例えばアルミニウム電極）１を例えば真空蒸着法で順次製膜したものである。
【０００５】
そして、陽極である透明電極５と陰極１との間に直流電圧７を選択的に印加することによって、透明電極５から注入されたホールがホール輸送層４を経て、また陰極１から注入された電子が電子輸送層２を経て、それぞれ発光層３に到達して電子−ホールの再結合が生じ、ここから所定波長の発光８が生じ、透明基板６の側から観察できる。
【０００６】
発光層３には、例えば亜鉛錯体を含有させることもできるが、実質的に亜鉛錯体のみからなる層（但し、複数種の亜鉛錯体の併用が可能）であってよいし、或いは亜鉛錯体に螢光物質を添加した層であってもよい。また、亜鉛錯体と他の発光物質であるアントラセン、ナフタリン、フェナントレン、ピレン、クリセン、ペリレン、ブタジエン、クマリン、アクリジン、スチルベン等を併用してよい。こうした亜鉛錯体又は螢光物質等との混合物は、電子輸送層２に含有させることができる。
【０００７】
図25は、別の従来例を示すものであり、この例においては、発光層３を省略し、電子輸送層２に上記の亜鉛錯体又は螢光物質との混合物を含有させ、電子輸送層２とホール輸送層４との界面から所定波長の発光18が生じるように構成した有機ＥＬ素子20を示すものである。
【０００８】
図26は、上記の有機ＥＬ素子の具体例を示す。即ち、各有機層（ホール輸送層４、発光層３又は電子輸送層２）の積層体を陰極１と陽極５との間に配するが、これらの電極をマトリクス状に交差させてストライプ状に設け、輝度信号回路30、シフトレジスタ内蔵の制御回路31によって時系列に信号電圧を印加し、交差位置にて発光させるように構成している。従って、このような構成により、ディスプレイとして勿論、画像再生装置としても使用可能となる。なお、上記のストライプパターンを赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色毎に配し、フルカラー又はマルチカラー用として構成することができる。
【０００９】
上記のように有機ＥＬ素子が、陽極である透明電極５から注入されたホールと陰極から注入された電子の再結合により発光する現象は、陽極から陰極へ順方向に電流が流れる際に発光する一種の発光ダイオードとみなすことができる。そして、逆方向へは電流が流れにくい、いわゆるダイオード特性（基本的には逆方向へは電流を流さない性質がある。）を有している。
【００１０】
逆方向に電流（リーク電流）が流れても有機ＥＬ素子は発光することはないが、このような電流は発光に寄与しないため無駄なエネルギー消費であるばかりでなく、不要な素子の発熱やクロストークの原因にもなるため、逆方向の電流を極力小さくすることが必要である。
【００１１】
上記したように、特に、陰極と陽極との電極が同一基板上にマトリクス状に交差させてストライプ状に形成され、時系列的な信号電圧の印加により陰極と陽極との交差する位置で発光するパッシブマトリクス型の有機ＥＬ素子において、このようなダイオード特性は極めて重要である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであって、逆方向等に漏れる無駄な電流がなく、整流性の高い光学的素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を解決するため鋭意検討を重ねた結果、上記のような有機ＥＬ素子の逆方向の電流電圧特性に着目し、画素数の多いパッシブマトリクス型ディスプレイにも充分応用できる程に整流比を高めるためには、素子の構成材料を再検討し、特に陰極の金属材料を再吟味することにより、目的が達成できるとの結論を得、本発明に到達したものである。
【００１５】
即ち、本発明は、発光層を間にして複数の陰極と複数の陽極とが交差して画素を形成し、これらの交差部における両電極間の電位差によって所定の発光色が得られるように構成された光学的素子において、
前記交差部における両電極間の順方向抵抗と逆方向抵抗との比（逆方向抵抗／順方向抵抗）が前記交差部の総数以上であり、
前記発光色の種類によって異なる前記抵抗比に応じて、各発光色毎に最大画素数が設定されている
ことを特徴とする光学的素子に係るものである。
【００１６】
ここで、上記の「電位差によって」とは、パッシブマトリクス型（単純マトリクス型）のように、個々の交差部での両電極間の電位差で直接発光するもの以外に、ＴＦＴ等の別の駆動源を付加してもよいことを意味している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に基づく光学的素子において、陽極がインジウム−錫酸化物を主体とする材料によって形成されていることが望ましい。
【００１８】
そして、陰極と陽極との交差部が画素として構成され、ストライプ状の複数の陰極とストライプ状の複数の陽極との間に発光層を含む有機層が設けられていることが望ましい。このようにすることにより、この素子は、所定の発光色を呈する発光素子として単純マトリクス型に構成された有機電界発光ディスプレイに好適である。
【００１９】
従って、本発明の素子は、交差部が画素として構成されていることが望ましい。
【００２０】
この場合、陰極がアルミニウムを主体とする材料によって形成され、陽極がインジウム−錫酸化物を主体とする材料によって形成されていることが望ましい。
【００２１】
また、陽極材料の仕事関数より 0.5eV小さい仕事関数よりも大きい仕事関数を有する材料が陰極にほとんど含まれていないことが望ましい。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例について詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明を有機ＥＬ素子に適用した実施例を示す要部の拡大断面図である。そして、本実施例も、前述した従来例と同様に、ガラス等の透明基板６上に、ＩＴＯ透明電極５（以下、ライン電極と称することがある。）、ホール輸送層４、電子輸送層２（この例では発光層を兼ねている。）、電極層１（以下、コラム電極と称することがある。）が、この順に積層されている。
【００２６】
そして、上記有機ＥＬ素子が単純マトリクスの場合、図２の概略平面図に示すように、同一基板上にライン電極５とコラム電極１との各交差部に有機ＥＬ素子の１画素ＰＸが形成されており、回路的には図３に示すように、これらの各交差部に一つのダイオードＤが接続されているのと等価となる。
【００２７】
図２のように、素子単位で形成されるコラム電極１とライン電極５との交差部の数は、少なくとも72個存在し、1000×1000個とすることができる。従って、１つの画素ＰＸを発光させるために電圧を印加して電流を流そうとすると、他の画素にも電圧がかかってしまう。
【００２８】
このように多数の交差部が形成された素子において、選択した画素へ流した電流の一般的な流れの状態を示したものが図３である。即ち、図３（ａ）において、順方向だけを１回通る本来のパスＡは実線で示すパス、逆方向を通る副次的なパスＢは破線で示すパス、また、同図（ｂ）において、逆方向を通る他の副次的なパスＣは破線で示すパスである。
【００２９】
そして、このような副次的なパスとしては、ｎ₁………ｎ_nのライン電極５とｍ₁………ｍ_nのコラム電極１とで形成された多数の交点を通る多数のパスが存在している。上記の一般的なパスを等価回路として表したのが図４である。
【００３０】
ライン電極５の切り替えがフロート型と仮定すると、等価回路は図４において、発光させようとする画素ＰＸに直接電圧がかかり、電流が流れるべき本来のパスＡ（実線）と、順方向−逆方向−順方向と流れる副次的なパスＢ（破線）と、順方向−逆方向−順方向と流れる他の副次的なパスＣ（破線）との例えば三つのルートを通ることになる。しかし、実際には、このようなルートと同様、マトリクス上に多数の複雑に接続された他の副次的なパスにも電圧がかかる。
【００３１】
一つのパネル上に（ｍ＋１）×（ｎ＋１）の画素ＰＸがあり、各画素ＰＸは全て同じ電流電圧特性を有するものとしてこの状態を簡単に解析すれば、図３及び図４に示すように、本来のパスＡでの順方向の抵抗をＲ、副次的なパスＢ及びＣでの順方向の抵抗をＲ’、同じくＢ及びＣでの逆方向の抵抗をＲ”とすれば、一般的にＲ＜Ｒ’＜Ｒ”である。
【００３２】
このような回路に電圧Ｖをかけた場合に、本来のパスＡに流れる電流をＪ、副次的なパスＢにおいて逆方向に画素ＰＸを流れる電流をｉとし、このような副次的なパスを流れる電流は本来は意図せぬ漏れ電流（リーク電流）であり、その総和をＩとすれば、これらの関係は次式で表され、図４のように解析できる。
Ｖ＝ＪＲ＝ｉ｛Ｒ'(ｍ＋ｎ）＋Ｒ”｝
【００３３】
即ち、本来のパスＡにおける電圧、電流、抵抗の関係はＶ＝ＪＲであり、また、副次的なパスＢにおける順方向の抵抗Ｒ'(ｍ＋ｎ）と逆方向の抵抗Ｒ”が存在しているため、副次的なパスでの関係は、Ｖ＝ｉ｛Ｒ'(ｍ＋ｎ）＋Ｒ”｝である。従って、漏れ電流の総和Ｉは次式（１）のように表される。
Ｉ＝ｍｎｉ＝ＪｍｎＲ／｛Ｒ'(ｍ＋ｎ）＋Ｒ”｝
Ｉ／Ｊ＝ｍｎＲ／｛Ｒ'(ｍ＋ｎ）＋Ｒ”｝・・・・・（式１）
【００３４】
しかし、一般に、Ｒ’は電圧により大きく変動し、Ｒ”よりはかなり小さいのでここでは無視するとして、次式（２）が成り立つ。
Ｉ／Ｊ＜ｍｎＲ／Ｒ”・・・・・（式２）
【００３５】
本実施例において、無駄な漏れ電流を十分に少なくするために、漏れ電流Ｉを本来の順方向のパスＡの電流Ｊと同等以下にしようと思えば、Ｉ／Ｊ＜ｍｎＲ／Ｒ”≦１とする必要がある。即ち、Ｒ／Ｒ”≦１／ｍｎであるから、Ｒ”／Ｒ≧ｍｎ（画素数の等倍）にしなければならない。コラム電極ｍ（１）、ライン電極ｎ（５）がそれぞれ1000程度のディスプレイを考えれば、Ｒ”＝〜10⁶Ｒであることが要求される。この抵抗比：Ｒ”／Ｒは更に10ｍｎ〜100 ｍｎ、又はそれ以上であるのが望ましい。
【００３６】
ここで注目すべきことは、本実施例では、図１に示した電極１、即ちコラム電極として整流特性の良好な（順方向抵抗が小さく、逆方向抵抗の大きい）アルミニウムを使用していることである。これにより、コラム電極１及びライン電極５の両電極間の順方向の本来的なパスの整流性が高められ、本来的なパス以外への漏れ電流が著しく少なくなる。従って、逆方向への電流は流れにくい（或いはほとんど流れない）ダイオード特性が得られ、上記した抵抗比：Ｒ”／Ｒ≧ｍｎが実現可能となる。
【００３７】
このように、上記両電極間の個々の交差位置におけるＲ”／Ｒは、理論的に上記の式を満たすことが必要であり、この条件を満たすものはアルミニウム電極である。そして、これは後述する実験の結果により明確に証明される。
【００３８】
本実施例では、上記した効果を示すために、次のように、２種類の発光素子をテストサンプルとして作製し、それぞれの電流電圧特性を測定した。図５はその要部の斜視図であり、図６はその要部の拡大断面図である。
【００３９】
図５の（ａ）は比較例、図５（ｂ）は本実施例のテストピースの一部をそれぞれ示すものであって、30mm²のガラス基板16の一面に、ＩＴＯ透明電極15を蒸着した上にＳｉＯ₂絶縁膜14を蒸着して２×２mm²の開口を（ａ）及び（ｂ）共にそれぞれ所要ピッチで縦横で計８×２＝16個開け、更にマスク開口上に有機積層体を形成したものである。この積層体は蒸着で形成可能であり、抵抗加熱方式の蒸着機（昭和真空社製）を使用し、真空度は約２×10^-6Torrで行った。
【００４０】
各テストピースとも、上記マスク開口の上に、後述するトリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン）13を蒸着レート約0.1nm/s で50nmの厚さに蒸着し、その上に、後述するＡｌｑ₃ トリス−（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム12を蒸着レート約0.1nm/s で50nmの厚さに蒸着した。
【００４１】
そして、この上に、図５（ａ）では、陰極の電極材としてマグネシウム−銀（重量比１：１）の合金を蒸着し、図５（ｂ）では、陰極としてアルミニウムを蒸着した。いずれも蒸着レート１〜３nm/sで形成したものである。そして、測定結果は次の通りである。
【００４２】
図７及び図８は、縦軸に電流、横軸に電圧をとり、整流性を表したものであり、図７は陰極にマグネシウム−銀を用い、図８は陰極にアルミニウムを用いてそれぞれの電極11Ａ、11Ｂを形成したものである。
【００４３】
まず、マグネシウム−銀を用いた素子は、図７のように、閾値電圧が順方向では10Ｖ、逆方向では８Ｖであり、逆方向電圧の方が小さく、整流性が得られなかった。これはこの電極の逆方向抵抗が小さく、整流性が優れていないことを表している。従って、逆方向電圧側では８Ｖ位から急に電流が流れ出し、反対に順方向においては10Ｖ位から急に電流が流れ出す。
【００４４】
これに対し、アルミニウム電極の場合には、図８に示すように、逆方向の20Ｖから順方向の12Ｖ位までの間では電流が流れず、安定しており、12Ｖ付近で閾値電圧を示す。逆方向電圧では、電流が流れないため、図７のマグネシウム−銀電極の場合に比べて、アルミニウム電極の方が顕著な整流性を有していることが分かる。
【００４５】
図９は、陰極にアルミニウムを用い、発光色が緑色の素子の場合の抵抗変化を表したものであり、縦軸に抵抗、横軸に電圧をとって示したものである。そして、この図から、＋25Ｖと−20Ｖの範囲で 10⁴〜10⁵程度の整流性（逆方向での抵抗／順方向での抵抗）が得られることが分かる。図９において抵抗の測定値は、−20Ｖ〜＋25Ｖの範囲の各電圧で、ほぼ10⁸Ω・cm²〜50Ω・cm²である。
【００４６】
つまり、＋20Ｖでの抵抗Ｒは約50Ω・cm²であり、−20Ｖでの抵抗Ｒ”は10⁶Ω・cm²であるので、10⁶/５×10≒２×10⁴であり、このことから、上記した範囲(10⁴〜10⁵程度）の整流性が確認できる。
【００４７】
同じく、図10は陰極にアルミニウムを用い、発光色が赤色の素子の場合の抵抗比を表したものである。この場合も、上記した図９とほぼ類似した抵抗変化の傾向が見られる。即ち、＋20Ｖでの抵抗Ｒは約50Ωであり、−20Ｖでの抵抗Ｒ”は約10⁷Ωであるので、10⁷/５×10≒２×10⁵となり、これから、 10⁵〜10⁶程度の整流性が得られていると判断される。
【００４８】
図９又は図10の抵抗比から、クロストークなく動作するパッシブマトリクスディスプレイの最大の画素数（ｍ×ｎ）は２×10⁴又は２×10⁵となり、ｍ又はｎとしては 140又は 450となる。これらを目安にして、画素数又は陽極及び陰極の電極数を決めることができる。そして、単純マトリクス型ディスプレイにこれを適用した場合、ライン電極の高速切り換えでもクロストークを生じることなく、画像を表示できる。
【００４９】
また、順方向電流の整流性を確保するためには、陽極と陰極とに使用される電極の金属の仕事関数が重要である。陰極の仕事関数は陽極の仕事関数よりもかなり小さくなければならない。また、陰極が合金の場合、仕事関数の比較的大きな金属が含まれていてはいけない。具体的には、（陽極材料の仕事関数−0.5eV ）より大きい仕事関数を有する材料が陰極の材料に含まれていないことである。
【００５０】
本実施例における有機ＥＬ素子の陽極材料はＩＴＯであり、陰極の材料はアルミニウムであり、この両者の仕事関数の差は次の通りである。

つまり、アルミニウムの最大 4.3eVとＩＴＯの最小 4.5eVとの差は 0.2eVであり、アルミニウムの最小 4.0eVとＩＴＯの最大 4.7eVとの差は 0.7eVであるから、これらの差の中間値(0.5eV付近）を基準にし、この値以下が整流性を保持するための必要条件となる。
【００５１】
但し、上記の仕事関数の値は表面状態によって大きく変わり、報告されている値もばらついているため、厳密な数値として規定することは難しい。
【００５２】
従って、この条件、即ち（ＩＴＯの仕事関数−0.5eV)より大きくない或いはそれ以下の仕事関数を示すものであれば、陰極用として、アルミニウムは勿論、アルミニウムに代わるものとして例えば、アルミニウムと少量（望ましくは 0.1〜10重量％）のアルカリ金属又はアルカリ土類金属との合金又は混合物であれば適用可能である。
【００５３】
具体的には、アルミニウム−リチウム、アルミニウム−ルビジウム、アルミニウム−バリウム、アルミニウム−セリウム、アルミニウム−マグネシウム、アルミニウム−カルシウム、アルミニウム−ストロンチウム、アルミニウム−リチウム−マグネシウム等、或いはこれら元素を複数種含むアルミニウム合金がある。
【００５４】
本実施例においては、上記したように、漏れ電流を減らすために整流性に主眼をおき、その顕著な効果が得られた。但し、上述した素子において、素子が電源から離れて位置する程、配線抵抗によるその画素への供給電圧の低下に伴って輝度の低下が生じ易い。しかし、これは、後述する駆動回路によって改善される。即ち、電圧の低下に伴う輝度の低下が起きないように全素子に亘って制御されるので、後述の駆動回路が併用されていることによって本実施例の素子の優位性が更に顕著になる。
【００５５】
図11は、上記のように構成された有機ＥＬ素子20の概略平面図である。この場合、発光層は独立の層として形成されている。透明基板６の上面にはＩＴＯ透明電極５が同一パターンでストライプ状に形成され、これらの透明電極５の上にはこれらの電極とマトリクス状に直交してＳｉＯ₂絶縁膜９が同一パターンでストライプ状に形成されている。そして、絶縁膜９−９間には、ホール輸送層４、発光層３、電子輸送層２、アルミニウム電極１がこの順でほぼ同じパターンに積層され、この積層体が絶縁膜９と同一方向にて同一パターンでストライプ状に形成されている。
【００５６】
図12は、図11のＡ−Ａ線断面におけるａ部の拡大断面図である。また、図13は、同じく図11のＢ−Ｂ線断面におけるａ部の拡大断面図である。そして、その両図における上下の電極１と５との交差部が個々の画素ＰＸであり、陽極側の透明電極５から陰極側の電極１の方向へ選択的に電流が流れる発光ダイオードが接続されているのと等価となっている。
【００５７】
次に、図11〜図13に示した本実施例による有機ＥＬ素子を図14〜図21に示す製造工程について更に詳細に説明する。
【００５８】
初めに、図14に示すように、ガラス基板６の全面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）をスパッタ法により成膜した後、図15（図14のXV−XV線断面図）のように、エッチングにより、透明電極５を幅ｗ₁＝２mm、ピッチｗ₂＝2.54mmで８本を単位としてストライプパターンに形成する。これら８本の透明電極５はそれぞれ、１本の両端の抵抗を約 300Ωとする。
【００５９】
次に、図16のように、後述する有機積層体を絶縁するためのＳｉＯ₂絶縁膜９を全面蒸着後のエッチングでストライプ状に形成する。その幅ｗ₃は１mm、ピッチｗ₄は2.54mm、膜厚ｔは 100nmとする。
【００６０】
ＳｉＯ₂絶縁膜９を形成した透明基板６は、有機溶剤、紫外線（ＵＶ）オゾン処理により表面を十分に清浄した後、上記真空蒸着装置32により赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を発光するストライプを隣接して形成するため、有機層及び金属電極を各色毎に別の蒸着マスクを用いて次の手順で行った。
【００６１】
この蒸着は、図17に示すような真空蒸着装置32を使用する。この装置の内部には、アーム34の下に固定された一対の支持手段34が設けられ、この双方の固定手段34、34の間には、透明基板６を下向きにし、後述するマスク37、38又は39をセットできるステージ機構（図示省略）が設けられている。そして、透明基板及びマスクの下方には、所定個数の各種蒸着源35を配置する。蒸着源35は、電源36による抵抗加熱方式又は必要に応じて電子線加熱（ＥＢ）方式で加熱される。
【００６２】
まず、真空蒸着装置32の中に透明電極基板６と赤（Ｒ）色用のマスク37をセットする。図18は、その透明基板６とマスク37の位置関係を示した一部分の拡大断面図である。図示のように、蒸着は絶縁膜９−９間の領域にマスク37のスリット状の開口部37ａを位置合わせ（マスク掛け）する。マスク37の開口部37ａは、絶縁膜９−９間の領域に対して３本おきの間隔で形成されている。従って、このマスク掛けにより、赤（Ｒ）の発光体領域以外は遮蔽される。
【００６３】
このように、赤（Ｒ）色用のマスク37を掛けてから、真空蒸着装置を２×10^-6Torrの真空度に保ち、下記の構造式のトリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン）を蒸着レート 0.3nm/sで50nmの厚さに蒸着し、ホール輸送層４Ｒを形成する。
【００６４】
続いて、同じマスク37をそのまま用いて、下記構造式のＡｌｑ₃（トリス−（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム）とレーザー色素ＤＣＭ（４−ジシアノメチレン−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−２−メチル−４Ｈ−ピラン）をそれぞれ 0.3nm/s及び0.03nm/sの蒸着レートで20nmの厚さに蒸着し、発光層３Ｒをホール輸送層４Ｒ上にほぼ同じパターンに積層する。
【００６５】
続いて、同じマスク37をそのまま用いて、下記構造式のＡｌｑ₃（トリス−（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム）を蒸着レート 0.3nm/sで40nmの厚さに蒸着し、電子輸送層２Ｒを発光層３Ｒ上にほぼ同じパターンに積層し、最後にアルミニウムを蒸着レート２nm/sで 300nmの厚さに共蒸着し、電子輸送層２Ｒ上にほぼ同じパターンに電極１を積層する。
【００６６】
【化１】

【００６７】
【化２】

【００６８】
【化３】

【００６９】
次に、図19のように、緑（Ｇ）色用のマスク38に掛け替える。このマスク38は、図示のように、上記の赤（Ｒ）色用のマスク37による積層領域に隣接する絶縁膜９−９間の領域にスリット状の開口部38ａが一致するように、位置合わせされる。マスク38は上記した赤（Ｒ）色用のマスク37と同じパターンに形成され、緑（Ｇ）以外の発光領域を遮蔽する。
【００７０】
このようにして緑（Ｇ）色用のマスク38掛けをしてから、真空蒸着装置を３×10^-6Torrの真空度に保ち、まず、上記したトリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤを蒸着レート 0.3nm/sで50nmの厚さに蒸着し、ホール輸送層４Ｇを形成する。
【００７１】
続いて、同じマスク38をそのまま用いて、上記したＡｌｑ₃を蒸着レート 0.3nm/sで50nmの厚さに蒸着し、ホール輸送層４Ｇ上にほぼ同じパターンに発光層３Ｇを積層する。この発光層は電子輸送層２Ｇを兼用するものである。
【００７２】
更に、この上にアルミニウムを蒸着レート２nm/sで 300nmの厚さに蒸着し、発光層３Ｇ（及び電子輸送層２Ｇ）とほぼ同じパターンに電極１を積層する。
【００７３】
次に、図20のように、青（Ｂ）色用のマスク39に掛け替える。このマスク39は、図示のように、上記の緑（Ｇ）色用のマスク38による積層領域に隣接する絶縁層９−９間の領域にスリット状の開口部39ａが一致するように、位置合わせされる。マスク39は赤（Ｒ）色用及び緑（Ｇ）色用のマスクと同じパターンに形成され、青（Ｂ）以外の発光領域を遮蔽する。
【００７４】
このように青（Ｂ）色用のマスク39を掛けてから、真空蒸着装置を３×10^-6Torrの真空度に保ちながら、まず上記したトリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤを蒸着レート 0.3mm/sで50nmの厚さに蒸着し、ホール輸送層４Ｂを形成する。
【００７５】
続いて、同じマスク39をそのまま用いて、下記構造式のＺｎ（ｏｘｚ）₂（２−（ｏ−ヒドロキシフェニル）−ベンズオキサゾールの亜鉛錯体）を蒸着レート0.3nm/sで50nmの厚さに蒸着し、ホール輸送層４Ｂ上にほぼ同じパターンに発光層３Ｂを積層する。この発光層は電子輸送層２Ｂを兼用するものである。
【００７６】
最後に、アルミニウムを蒸着レート２nm/sで 300nmの厚さに蒸着し、発光層３Ｂ（及び電子輸送層２Ｂ）上にほぼ同じパターンに電極１を積層する。
【００７７】
【化４】

【００７８】
図21は、上記した製造工程において、蒸着により有機層から電極（陰極）までを各色毎に所定の色用の同じマスクを使用して積層して得られる有機ＥＬ素子を示す。そして、図22は、陽極の透明電極５と陰極の金属電極１とを駆動・制御回路に配線した状態であるが、その動作については後述する。
【００７９】
以上の製造プロセスにおいて、マスクの掛け替えは、真空状態下で真空中のまま、或いは真空を破って蒸着膜が大気に曝される状態下で行ったが、初期の発光性能に大きな差は見られなかった。
【００８０】
他方、上記の製造工程と同様の工程で、陰極にマグネシウム−銀陰極を用いた有機ＥＬ素子を作製した。但し、この陰極は共蒸着で行い、その厚みは、赤色用として 200nm、緑色用として 200nm、青色用として 300nmとした。
【００８１】
上記のように作製した２種類（陰極がアルミニウム又はマグネシウム−銀）の有機ＥＬ素子をいわゆるダイナミックドライブ方式（この回路の詳細は後述する。）で点灯させた。まず、マグネシウム−銀を陰極に用いたものについて、15〜25ボルトの電圧を60μｓ〜数秒間隔で逐次的にライン電極に加えてパルス点灯を試みた。その結果、切り替え時間が 0.1ｓ以上では、若干の発光が認められたものの、切り替え時間が60μｓの場合は、ほとんど発光が認められなかった。これは、逆方向に流れる副次的なパスで大きな電流が流れたため、本来のパスに充分な電流が流れず、点灯が弱くなったと考えられる。
【００８２】
一方、アルミニウムを陰極に用いたものについても、上記したマグネシウム−銀を陰極に用いたものと同じ駆動回路を用いて同じ条件で点灯させたところ、全ての素子が明るく発光し、ラインの切り替え時間を60μｓにしてもほとんど減光することなく点灯した。また、キャラクターもこの切り替え速度で表示することができ、各々の画素がほぼクロストークすることなく、入力信号に対応した点灯が実現できていることが確認された。
【００８３】
上記したことから明らかなように、本発明に基づく有機ＥＬ素子は、基板上に複数の画素を設けた単純マトリクス型のディスプレイにおいて、ライン電極の逐次切り替え方式で切り替え時間が60μｓという、ＮＴＳＣ信号にまで対応できる高速切り替えでも、クロストークを生じることなく画像を表示することができる。
【００８４】
次に、上記した本実施例による有機ＥＬ素子25をいわゆるダイナミックドライブ方式で、電流制御回路部を有する図22に示す駆動回路により点灯させた。
【００８５】
この駆動回路は、オペアンプＯＰＡを用いて、コラムを流れる素子電流（画素ＰＸを流れる電流）Ｊを外部からの輝度信号によって制御できるように構成したものである。
【００８６】
即ち、ストライプ状のコラム電極（上記した電極１）とストライプ状のライン電極（上記した透明電極５）とが上下でマトリクス状に交差して、この交差位置にそれぞれのピクセル（画素）ＰＸがパッシブマトリクス型構造に形成されている。各ピクセルＰＸは、順方向に接続された発光ダイオードＤとして等価的にみなせる。そして、一方のコラム電極１はそれぞれの電流制御回路部40に接続されると共に、他方のライン電極５はそれぞれ駆動電源Ｖ_Cに接続され、制御信号ＣＳによって駆動されるようになっている。この駆動回路とその動作を更に詳細に説明する。
【００８７】
電流制御回路部40は、多数のピクセルＰＸのそれぞれに流れる電流Ｊを電圧Ｖ_mとしてモニターできる基準抵抗Ｒ_refと；この基準抵抗Ｒ_refとピクセルＰＸとの間に接続された電流制御素子としてのＦＥＴ(Field Effect Transistor）と；前記のモニターされた電圧Ｖ_mと電流制御回路部40に対し外部のＰＲＯＭ(Programmable Read Only Memory）から供給される輝度信号電圧Ｖ_Sとを比較してＦＥＴに対する制御電圧Ｖ_CSを出力する演算増幅素子（オペアンプ）ＯＰＡと；を有している。
【００８８】
ＰＲＯＭには、有機ＥＬ素子25で表示したい映像情報が予めプログラムされてメモリされている。これは、パーソナルコンピュータＰＣで操作されるマイクロプロセッシングユニットＭＰＵからの指示によりＰＲＯＭに入力され、上記映像情報がサンプリングされて所定の輝度信号電圧Ｖ_SがＰＲＯＭから出力される。この輝度信号電圧は抵抗器ｒで所望の電圧値に調整され、この調整された電圧Ｖ_SAがオペアンプＯＰＡの＋端子に入力される。
【００８９】
一方、ピクセルＰＸを点灯させるために、電源Ｖ_CとピクセルＰＸとの間に駆動トランジスタ（ここではＮＰＮバイポーラトランジスタ）Ｔｒが接続され、このトランジスタのベースにスイッチング用の制御電圧ＣＳが選択的に印加され、各ライン電極５が逐次切り替えられる。従って、制御電圧ＣＳによってトランジスタＴｒがオンしたタイミングで、そのライン電極５に電源電圧Ｖ_Cが印加され、これによってコラム電極１との間に電流Ｊが流れ、ピクセルＰＸが点灯することになる。
【００９０】
こうした点灯動作は、ライン電極５に電源電圧Ｖ_Cが印加されると同時に、上記した輝度信号電圧によるＦＥＴのオン状態が続く間（即ち、電流Ｊが流れる期間中）は継続され、こうした動作が各ライン毎に輝度信号に対応して行われるため、目的とするディスプレイ画像がＥＬ素子25から得られる。
【００９１】
この場合、ピクセルＰＸを通して流れる電流Ｊは、そこに要求される発光輝度に相当して流れるようにしているが、これは上記の電流制御回路部40によって実現可能である。これを以下に説明する。
【００９２】
オペアンプＯＰＡの＋端子には、上記した輝度信号電圧Ｖ_SAが入力されると共に、その−端子には、基準抵抗Ｒ_refを電流Ｊが流れることにより、基準抵抗Ｒ_refの両端に生じる電位差（上記のモニターされた検出電圧Ｖ_m）が入力される。
【００９３】
そして、Ｖ_SA＞Ｖ_mの条件下では、オペアンプＯＰＡの出力Ｖ_CSが上昇し、ＦＥＴのゲート電位Ｖ_Gが上昇し、Ｖ_m−Ｖ_Gが小さくなってＦＥＴのソース−ドレイン抵抗を下げて電流Ｊを増加させる。このようにＪが増加してＪ・Ｒ_ref＝Ｖ_mがＶ_SAに達すると、それ以上はＶ_CSが上昇しなくなり、ＦＥＴの抵抗値が安定し、Ｊは一定値Ｖ_m／Ｒ_refに安定する。
【００９４】
従って、ＰＲＯＭからの輝度信号電圧が印加されている間は、その輝度信号電圧Ｖ_SAと検出電圧Ｖ_mとが一致するまで、可変抵抗としてのＦＥＴを介して電流Ｊが流れ、ピクセルＰＸには目的とする電流量となるまで電流が流れるから、所望の発光輝度が常に得られることになる。
【００９５】
電源Ｖ_C側のライン電極５の切り替え動作を説明すると、クロックジェネレータからなる発振器ＣＬＫからの発振パルスがカウンタＣＴ₁に入力され、同じビット数のカウンタＣＴ₂との組み合わせによって所定のカウント数毎にスイッチング用ラインセレクタＬＳが作動され、所定の選択ラインにＴＴＬレベルの電圧が出力される。この出力は、インバータＩＮＶによって反転され、この反転出力が制御信号ＣＳとしてトランジスタＴｒのベースに印加されるが、この印加によってオンしたトランジスタＴｒを介して電源電圧Ｖ_Cが上述したようにライン電極５に供給される。なお、上記のＰＲＯＭは、カウンタＣＴ₁によってクロック制御される。
【００９６】
上記したように、図22の駆動回路によって、画素ＰＸを流れる電流量を制御するため、各画素の輝度を正確にコントロールし、常に鮮明な発光（画像表示）を実現することができる。
【００９７】
なお、図22の駆動回路は一例であって、例えば、電流制御回路部40に電圧ホールド回路を設けたり、構成素子を適宜変更する等、電流制御を一層正確に行うように構成することができる。また、輝度信号電圧を外部から供給するための回路も種々変更してよく、ラインセンサＬＳと連動してＰＲＯＭを作動させてもよい。また、ＰＲＯＭでは映像信号がサンプルホールドされるか、或いはサンプリング後にＡ／Ｄ変換されてよい。更に、これらの変更を含む図22の駆動回路を設けずに、従来から行われている印加電圧の制御による輝度制御を行うこともできる。
【００９８】
本実施例によれば、陰極側の電極材料として特にアルミニウムを使用していることにより、電流の順方向特性が向上する反面、逆方向への電流が流れにくくなり、閾値電圧間の電圧領域が広がり、安定した電圧維持が可能となって素子の性能がよくなる。
【００９９】
更に、全素子に亘って各素子ごとの所要の電流制御機能を有する図22の駆動回路が併用されていることにより、全素子への所要の電流が供給され、各素子を所望の輝度で表示できる。
【０１００】
図23は、本発明を液晶素子に適用した例を示す要部の拡大断面図である。この液晶素子（ＬＣＤ）21は、高反射率のバックライトとしての上述した有機ＥＬ素子20と組み合わせて利用される。
【０１０１】
この例で用いるＬＣＤ21は、ガラスなどの透明な基板22ａの内面上に、ＩＴＯ（indium tin oxide：インジウムに錫をドープした導電性酸化物）などの透明電極層25、及び液晶配向膜として高コントラスト良好なドメインを実現する例えばＳｉＯ₂斜方蒸着層24ａを順次積層した積層体１Ａと；これと同様に、基板22ｂの内面上に、ＩＴＯなどの透明電極層23、例えばＳｉＯ₂斜方蒸着層24ｂを順次積層した積層体１Ｂと；を液晶配向膜である例えばＳｉＯ₂斜方蒸着層24ａ、24ｂが互いに対向するように配し、所定のセルギャップｄを実現するための粒状のスペーサ26を挟むことにより液晶セル21を構成し、そのセルギャップに強誘電性液晶27を注入し、周囲を接着剤で封じた構造を有している。
【０１０２】
このＬＣＤ21は、電圧がかかっているときに透過率は 100％であり、電圧がかかっていないときには透過率が０％とする。従って、明るい所では外光Ｌを有機ＥＬ素子20のアルミニウム電極１による反射板として、暗い所では有機ＥＬ素子20の発光を通過させてバックライトとして使用できる。勿論、ＬＣＤ21による表示も行え、上記の有機ＥＬ素子20の動作と組み合わせた種々の表示が可能である。
【０１０３】
従って、この実施例によれば、反射板を形成する電極の材料として反射性に優れたアルミニウムを使用しているので、反射による画素の輝度が一段と向上する。
【０１０４】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【０１０５】
例えば、陰極としてアルミニウムに代えてアルミニウム合金を用いる場合は、上記以外の種々の組成を選択してよい。また、上述の抵抗比（Ｒ”／Ｒ）がｍｎ以上であるという条件を満たすときは、陰極材料はアルミニウム又はアルミニウム合金でなくてもよい。同様に、陽極材料もＩＴＯ以外であってもよい。
【０１０６】
また、電極、ホール輸送層、発光層、電子輸送層のそれぞれの厚さは、素子の動作電圧を考慮して決められるものであり、上述の実施例に限定されるものではない。これら各層の組成や配置、画素のパターン及びレイアウト等は様々に変化させることができる。
【０１０７】
また、素子の各層の作製法も通常の真空蒸着法、ラングミュアブロジェット（ＬＢ）蒸着法をはじめ、ディップコーティング法、スピンコーティング法、真空気体蒸着法、有機分子線エピタキシ法（ＯＭＢＥ）が採用可能である。なお、ホール輸送層又は電子輸送層には螢光物質を含有させておいてもよい。
【０１０８】
また、本発明の光学的素子は、ディスプレイ以外にも、例えば、文字板などの光源として利用することも可能であり、この場合はマトリクス状にする必要はなく、また発光領域も分割してもよい。また、撮像素子として応用してもよい。
【０１０９】
また、この光学的素子は、上述のＥＬ素子以外の自発光型の素子に適用してよく、更に光起電装置（バッテリ用）、光通信機器などにも応用することができる。
【０１１０】
【発明の作用効果】
本発明は、上述したように、交差部における両電極間の順方向抵抗と逆方向抵抗との比（逆方向抵抗／順方向抵抗）が前記交差部の総数以上であり、かつ、前記発光色の種類によって異なる前記抵抗比に応じて、各発光色毎に最大画素数が設定されているので、いずれの発光色の場合でも、交差部における順方向への整流性が向上し、順方向に対する逆方向の抵抗比が増すため、逆方向への電流が流れにくくなると共に、漏れ電流が減少して性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による有機ＥＬ素子の要部の拡大断面図である。
【図２】同有機ＥＬ素子の概略平面図である。
【図３】同素子の陽極と陰極との交差部の一部を示し、（ａ）は交差部におけるパスの例、（ｂ）は同他のパスを示す図である。
【図４】図２におけるパスを回路的に示した図である。
【図５】同有機ＥＬ素子のテストピースの一部を示し、（ａ）はマグネシウム−銀を陰極に用いたもの、（ｂ）は同じくアルミニウムを用いたものの斜視図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】マグネシウム−銀で陰極を形成した有機ＥＬ素子の閾値電圧を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例による有機ＥＬ素子の閾値電圧を示すグラフである。
【図９】同有機ＥＬ素子の一部の画素（緑色）の抵抗電圧比を示すグラフである。
【図10】同他の画素（赤色）の抵抗電圧比を示すグラフである。
【図11】同有機ＥＬ素子の概略平面図である。
【図12】図11のＡ−Ａ線断面におけるａ部の拡大図である。
【図13】図11のＢ−Ｂ線断面におけるａ部の拡大図である。
【図14】同製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図15】図14のXV−XV線断面図である。
【図16】同他の製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図17】同製造工程に使用可能な真空蒸着装置の概略図である。
【図18】同他の製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図19】同他の製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図20】同他の製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図21】同更に他の製造工程を示す要部の拡大断面図である。
【図22】同有機ＥＬ素子の駆動回路の等価回路図である。
【図23】本発明の他の実施例による光学的素子の要部の拡大断面図である。
【図24】従来例による有機ＥＬ素子の概略断面図である。
【図25】同他の有機ＥＬ素子の概略断面図である。
【図26】同有機ＥＬ素子の具体例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１、11Ａ、11Ｂ・・・電極（陰極）
２、12・・・電子輸送層
３、13・・・発光層、ＴＰＤ
４・・・ホール輸送層
５、15・・・透明基板（陽極）
６、16・・・透明基板
19・・・ＳｉＯ₂絶縁層
20・・・有機ＥＬ素子
29、37、38、39・・・マスク
32・・・真空蒸着装置
33・・・アーム
34・・・支持手段
35・・・蒸着源
36・・・電源
41・・・電流制御回路
１Ａ、１Ｂ・・・積層体
Ａ・・・本来のパス
Ｂ・・・副次的なパス
Ｃ・・・他の副次的なパス
ＰＸ・・・画素
Ｊ・・・電流
Ｒ、Ｒ’、Ｒ”・・・抵抗
Ｉ、ｉ・・・漏れ電流

Claims

発光層を間にして複数の陰極と複数の陽極とが交差して画素を形成し、これらの交差部における両電極間の電位差によって所定の発光色が得られるように構成された光学的素子において、
前記交差部における両電極間の順方向抵抗と逆方向抵抗との比（逆方向抵抗／順方向抵抗）が前記交差部の総数以上であり、
前記発光色の種類によって異なる前記抵抗比に応じて、各発光色毎に最大画素数が設定されている
ことを特徴とする光学的素子。
陰極がアルミニウムを主体とする材料によって形成されている、請求項１に記載した光学的素子。
陽極がインジウム−錫酸化物を主体とする材料によって形成されている、請求項１に記載した光学的素子。
ストライプ状の複数の陰極とストライプ状の複数の陽極との間に発光層を含む有機層が設けられている、請求項１に記載した光学的素子。
単純マトリクス型に構成された、請求項１に記載した光学的素子。
有機電界発光ディスプレイである、請求項１に記載した光学的素子。