JP4038809B2 - 発光素子及びその用途 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばカラーディスプレイ等の表示素子として用いられる自発光型の発光素子、及びその用途に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特にマルチメディア指向の製品等においては、人間と機械とのインターフェースの重要性が高まってきている。その機械をより快適に効率よく操作するには、機械の側から充分な量の情報を簡潔に瞬時に取り出す必要があり、そのため、ディスプレイを初めとする様々な表示素子の研究が行われている。
【０００３】
こうした表示素子は、機械の小型化に伴い、小型化、薄型化に対する要求が日々強くなっている。以下、主な表示素子の具体例について説明する。
【０００４】
液晶ディスプレイは、代表的な表示素子の一つとして今日、種々の製品のインターフェースに用いられており、ラップトップ型情報処理機器を始め、小型テレビジョン受像機、時計、電子式卓上計算機等々、日常生活製品に多く用いられている。
【０００５】
この液晶ディスプレイは、液晶が低電圧駆動、低消費電力であるという特徴を生かして、小型から大容量表示デバイスに至るまで、専らかなめのインターフェースとして、研究されてきた。
【０００６】
しかし、この液晶ディスプレイは、受光型なのでバックライトが欠かせず、そのバックライトの駆動には液晶のそれより大きな電力を必要とする。したがって、蓄電池等が内蔵されているとはいえ、給電に限界があり、稼動時間が短くなるなど、使用上の制限が出るという問題がある。
【０００７】
さらに、この液晶ディスプレイについては、特有の問題点を指摘することができる。
【０００８】
まず、液晶ディスプレイは、液晶分子の配向状態による表示であるので、その視野角の中においても、角度によってはコントラストが変化してしまい、このために視野角が狭く、大型ディスプレイ等の大型表示には適していないこと、また液晶分子の配向速度が遅いため、動画の表示には適していないこと、が問題である。
【０００９】
一方、駆動方式からみると、液晶ディスプレイのアクティブマトリクス方式は、動画を扱うのに十分な応答速度を示す反面、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）駆動回路を用いるので、画素欠陥により画面サイズを大型化することが困難であり、またコストダウンを図る上からも得策ではない。
【００１０】
また、もう一つの駆動方式である単純マトリクス方式は、上記とは逆にコストは低いし、画面サイズの大型化も比較的容易であるが、動画を扱うのに十分な応答速度が出せない、という問題がある。
【００１１】
このような液晶素子に対して、以下に述べるプラズマ表示素子や無機電界発光素子（無機ＥＬ素子）、有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）などは、自発光型に属する表示素子である。
【００１２】
まず、プラズマ表示素子は低圧ガス中でのプラズマ発光を表示に利用したものであり、大型化、大容量化に適している。しかし、薄型化やコスト面で問題を抱えており、さらに駆動に高電圧の交流バイアスを必要とし、携帯用デバイスには適していない。
【００１３】
また、無機電界発光素子は、緑色発光ディスプレイ等が商品化されたが、プラズマ表示素子と同様、交流バイアス駆動で数百Ｖを必要としたため、ユーザーに受け入れられなかった。
【００１４】
もっとも、その後の技術進歩の結果、今日ではカラーディスプレイ表示に必要なＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の発光に成功しているが、構成に無機材料が欠かせないので、分子設計等による発光波長などの制御は無理であり、フルカラー化には困難が伴うと予想される。
【００１５】
一方、有機電界発光素子は、有機化合物による電界発光を利用するものであり、この現象は既に今から約３０数年前に発見されている。すなわち、１９６０年代前半に、強く蛍光を発生するアントラセン単結晶へキャリアを注入すると、特異な発光現象（ルミネセンスの誘起による）が生じるのが観測された。それ以来、有機電界発光素子は長期間にわたって研究の対象にされてきたが、何分にも低輝度、単色で、しかも単結晶を用いるため、主に有機材料へのキャリア注入の点に技術的重点が置かれ、基礎的研究段階の域を出なかった。
【００１６】
それが、１９８０年代も半ばを過ぎる頃になると、事情が変わってくる。１９８７年にＥａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ社のＴａｎｇらが当時としては画期的な有機薄膜電界発光素子を発表した。これは、アモルファス発光層を有する積層構造体で、低電圧駆動、高輝度発光が可能である。この積層構造体の発明がきっかけとなって有機電界発光素子の研究開発は一段と弾みがつき、ＲＧＢ三原色の発光、安定性、輝度上昇、積層構造、及び製造方法と研究が多方面で盛んに行われるようになり、今日に至っている。
【００１７】
なお、そのほかにも、有機材料の特長である分子設計等を利用して次々とディスプレイ用の新規材料が開発され、直流電圧駆動、薄型、自発光性など、それなりに優れた特徴を有する有機電界発光素子が相次いで出現し、そのカラーディスプレイへの応用研究も盛んに行われつつある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上、代表的な表示素子の長所、短所、あるいは開発の歴史について述べてきたが、本発明は特に、これらの表示素子のうち、有機電界発光素子と無機電界発光素子の改良に係わるものであるため、以下、それらの発光素子が今日抱えている、各方面からとくに改善の要ありと指摘されている問題点について説明する。
【００１９】
コントラスト特性は、ディスプレイの主たる性能の一つであるが、前述した有機電界発光素子や無機電界発光素子などの自発光型表示素子では、メタルバック（金属陰極による外光の反射）等の影響により、充分なコントラストが得られていない。とくに有機電界発光素子のコントラストは、せいぜい２００：１程度であり、これを上回る充分なコントラストを有する表示素子の開発が各方面から要求されている。
【００２０】
また、有機電界発光素子の発光効率も未だ不十分である。その原因の一つとして、電極から有機層へのキャリアの注入効率が小さいこと、陽極−陰極間のエネルギー差が充分でないために有機層間のエネルギー障壁が存在することが挙げられる。
【００２１】
さらに、一般的な有機電界発光素子は、陽極側からＥＬ発光光を取出す素子構造のため、陽極材料がＩＴＯ（インジウムにスズをドープしたインジウム−スズ酸化物）、ＺｎＯ、ＳｎＯ2及びそれらの関連物質にほぼ限定されていて、ホール（正孔）注入材料が、陽極材料とのエネルギーマッチングに大きく制約されていることである。
【００２２】
一方、もう一つの有機ＥＬ素子の素子構造として、陰極側からＥＬ発光光を取り出す素子構造が存在する。
【００２３】
この場合には、陰極は非常に薄い低仕事関数の金属［例えばＭｇ：Ａｇ（３．５ｅＶ）やＡｌ：Ｌｉ（２．９ｅＶ）］からなり、場合によって更にＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2などの透明電極を積層する。また、陽極は一般的に高仕事関数の金属を用いうるが、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2などの透明電極を用いてもよい。これら陽極材料の選択は、陽極薄膜の平滑性、パターニングプロセスとの親和性などに依存する。
【００２４】
更に、基板に積層する順序としては、陽極から有機材料、陰極の順に積層してもよいし、その逆に陰極から有機材料、陽極の順でもよい。
【００２５】
前者の場合には、基板はガラスやポリマーのように可視光に対し透明なものでもよいし、Ｓｉのような不透明のものでもよい。
【００２６】
ＴＦＴ基板は、基板上に多数のトランジスタや金属配線が存在するため、ガラス基板側から光を取り出そうとすると、どうしても開口率が小さくなる。しかし、上記のようにＴＦＴ基板上に陽極から有機材料、陰極の順に積層し、陰極の側からＥＬ発光光を取り出せば、開口率の影響を極小にできる。
【００２７】
ＴＦＴ基板上に陽極を設ける場合、上記した材料選択の問題から、Ｃｒ（仕事関数４．５ｅＶ）など、仕事関数がそれほど高くない金属が陽極として選択される場合が多々ある。
【００２８】
このような場合、陽極と陰極の仕事関数の差は、例えばＣｒ−Ｍｇ：Ａｇで１ｅＶ、Ｃｒ−Ａｌ：Ｌｉで１．６ｅＶとなり、発光すべきＲＧＢのフォトンエネルギーよりも小さく、素子としての効率は非常に低くなる。
【００２９】
そこで本発明の目的は、陽極材料によって発光効率を向上させ、同時に高輝度を維持しながらコントラストを向上させた発光素子（有機電界発光素子、無機電界発光素子など）を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、発光領域を含む層が陽極と陰極との間に設けられ、前記陰極の側から発光光が取出されるようになされ、前記陽極の仕事関数が５．０〜７．０ｅＶであり、かつ、前記陽極の可視光反射率が５０％以下である発光素子であって、前記陽極が、ＬｉＮｉＯ 2 、ＰｔＲｈＯ x 、ＴｉＮｂＯ x 、ＷＲｅＯ x 、ＲｕＯ x 、ＩｒＯ x 、ＰｔＯ x 、ＲｈＯ x 、ＰｄＯ x 、ＲｅＯ x 、ＷＯ x 、ＮｉＮＯ、ＬｉＮｉＮＯ、ＲｕＮＯ、ＩｒＮＯ、ＰｔＮＯ、ＲｈＮＯ、ＲｅＮＯ、ＷＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＮ又はＺｒＮからなる化合物を含むことを特徴とする発光素子に係るものである。ただし、前記発光領域を含む前記層とは、後述するように、しかるべき機能を備えた有機化合物層及び／又は無機化合物層で構成されるものである（以下、同様）。
【００３１】
本発明の発光素子によれば、前記陽極に高仕事関数の材料、即ち仕事関数が５．０ｅＶ〜７．０ｅＶ（好ましくは５．５ｅＶ〜６．０ｅＶ）と特定範囲の材料を用いることによって、前記発光領域を含む材料層に適切な材料を選択すれば、陽極−陰極間のエネルギー差が充分となり、エネルギー障壁の少ない電界発光素子を構成することができる。これによって、発光効率は向上し、陰極の側から、低消費電力、高輝度で光を取出せる発光素子を実現できる。このためには、陽極の仕事関数は５．０ｅＶ以上でなければならず、またその上限は発光領域の材料の選択性等から７．０ｅＶでなければならない。
【００３２】
特に、有機電界発光素子の場合は、陽極の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲内に規定でき、陽極材料としてホール注入層とエネルギーマッチングがとれるもの（即ち、両者間のエネルギーマッチングの最適化をはかること）によって、ホールの注入効率を向上させ、発光効率を高めることができる。しかも、このようにすれば、陽極材料は選択幅が広がり、ホール注入材料に対する制約が解消されるとともに、ホール注入材料についても、陽極材料に対する制約が解消され、両者ともこれまでに比べてより広範囲な材料を用いることが可能である。
【００３４】
また、本発明の発光素子によれば、陽極の可視光反射率が５０％以下であるため、陰極の側から発光光を取出すときの可視の外光による反射の影響（陽極によるメタルバック）を抑制し、高輝度を維持しながらコントラストを確実に向上させることができる。このためには、陽極の可視光反射率は５０％以下でなくてはならない。なお、一般的な金属陽極材料の可視光反射率は７０％程度以上あるが、これでは、陽極での反射が多く、コントラストが大きく低下する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子において、高輝度の維持及びコントラストの向上の効果を発揮させるには、前記陽極の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲に特定すること、更に可視光域（通常、波長が３８０〜７８０ｎｍのもの）全体にわたって、前記陽極の反射率を５０％以下に維持することが重要である。
【００３６】
このためには、前記陽極の構成材料として、周期表のIIIＡ族、IVＡ族、ＶＡ族、、VIＡ族、VIIＡ族、VIII族及びＩＢ族から選ばれた１種又は２種以上の金属、合金、又はその化合物を用いることが好ましい。
【００３７】
上記金属の具体例としては、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷなどがある。
【００３８】
また、上記化合物としては、金属間化合物、酸化物、窒化物又は酸窒化物が好ましい。これらの具体例を挙げると、ＬｉＮｉＯ2、ＰｔＲｈＯx、ＴｉＮｂＯx、ＷＲｅＯx、ＮｉＯ、ＲｕＯx、ＩｒＯx、ＰｔＯx、ＲｈＯx、ＰｄＯx、ＲｅＯx、ＷＯx、ＮｉＮＯ、ＬｉＮｉＮＯ、ＲｕＮＯ、ＩｒＮＯ、ＰｔＮＯ、ＲｈＮＯ、ＲｅＮＯ、ＷＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＮおよびＺｒＮなどがある。
【００３９】
また、前記陽極の物理化学的特性を向上させるために、陽極材にドーパントを添加するとよい。そのドーパントを添加した陽極材の主な例を挙げると、ＲXＮｉＯ（Ｒ＝Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、ＲxＷＯ3（Ｒ＝Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、ＴｉＮｂxＯyなどがある。
【００４０】
ただし、上記陽極材料の組成は、必ずしも化学量論組成である必要はなく、不定比であってもよい。
【００４１】
さらに、陽極材料の結晶相については単相、複数相のどちらでもよい。
【００４２】
もちろん、陽極層のモルフォロジー（Morphology:形態）については、特に限定しない。平滑度が高くて一様な膜、たとえばアモルファス、微結晶、エピタキシャル膜、単結晶膜もしくはこれらに類似したものが望ましい。
【００４３】
また、ホールの注入効率を上げるために、陽極材料はｐ型の電気伝導特性を有していることが好ましい。
【００４４】
前記陽極は単層でも複数層でもよい。とくにＩＴＯ等の透明電極と積層構造にする場合は、組成と層厚とを最適化することによって、前記可視光反射率と、前記仕事関数と、電気抵抗率とを、他の特性を損なうことなく所望にコントロールすることができる。
【００４５】
前記相及び層に関して好ましい陽極の構造例を挙げると、既述した金属又は金属化合物を含む相と、亜鉛、インジウム又はスズを含む相とが単層化又は積層化された構造が好ましい。
【００４６】
或いは、既述した金属又は金属化合物を含む相と、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ等を含む相とが単層化又は積層化された構造が、陽極を不透明化、低抵抗化、平滑面化する上で好ましい。
【００４７】
これらの条件を満足すると、陽極−陰極間の仕事関数の差を大きくすることができ、それら電極間の有機材料等の発光素子構成材料のエネルギーレベルを最適化することによって、発光効率を高めることができる。また、陽極−陰極間の仕事関数を大きくすることによって、有機材料等の発光素子構成材料を拘束する制約を解消でき、より広範囲の材料系を用いることが可能である。
【００４８】
なお、本発明における発光素子の陽極を製造するには、この分野で公知の成膜法、たとえばスパッタッリング、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの手法によればよい。
【００４９】
次に、本発明の発光素子が実際にどのような構造をもつのかを好ましい例について、適宜、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００５０】
まず、本発明の発光素子の好ましい実際的な基本構造は、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板、又はガラス等の透明又は半透明の（或いは不透明の）基板の上に、陽極と、発光領域を含む有機又は無機層と、陰極とが順次積層されているものである。ここで「不透明」とは透過率が数％以下、「半透明」とは透過率が数％〜８０％を意味する（以下、同様）。
【００５１】
更に、前記有機層は目的に応じてその層構成に種々の変形が可能であり、たとえば前記陽極側にホール（正孔）輸送層、前記陰極側に電子輸送層を夫々、設けることができる。
【００５２】
また、前記陽極と前記ホール輸送層との間にホール（正孔）注入層を設けることができる。
【００５３】
また、前記陰極と前記電子輸送層との間に電子注入層を設けることができる。
【００５４】
さらにまた、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に発光層を設けることができる。
【００５５】
図１に、本発明の発光素子の一例１０を示す。これは有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）と呼ばれるものであり、ここでは上述した層構造にさらに若干の工夫がこらされたものを示す。すなわち、図１（Ａ）の発光素子は、ＴＦＴ基板（又はガラス基板）１の上に陽極２、ホール注入層３、ホール輸送層４、発光層５、電子輸送層６、電子注入層７、バッファ層８及び陰極９が真空蒸着等により順に積層されたものである（但し、ホール注入層、電子注入層、バッファ層は必ずしも設けなくてもよく、また電子輸送層又はホール輸送層は発光層を兼ねてもよい）。発光光１１は陰極９の側から取出される。
【００５６】
それに対して、図１（Ｂ）に示す発光素子１２は、図１（Ａ）に示した発光素子と各層が丁度逆に構成されたものである。
【００５７】
また、図２に示す発光素子は、いわゆる無機電界発光素子と呼ばれるものであって、透明基板１の上に陽極２、発光層５、及び陰極９が順次、積層されたものである。
【００５８】
前述したホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、バッファ層及び陰極の材料については、この種の分野で公知の材料が使え、とくに限定はない。
【００５９】
たとえば、ホール輸送層の構成材料には、ベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、トリフェニル（又はアリール）アミン誘導体、及びヒドラゾン誘導体などが用いられる。中でも、図３に示すα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）などは、よく用いられるホール輸送材料である。
【００６０】
また、電子輸送層の構成材料には、ベリレン誘導体、ビススチリル誘導体、ピラジン誘導体などが用いられる。たとえば、図４に示すＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）などは、好ましい電子輸送材料である。
【００６１】
また、ホール注入層の構成材料には、たとえば図５に示すｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4”-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine）などは好ましいホール注入材料である。
【００６２】
また、電子注入層の構成材料には、オキシジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体などが用いられる。
【００６３】
発光層の構成材料としては、前述のＡｌｑ3などが用いられる。この発光層の発光スペクトル制御のためには、他の有機材料との共蒸着を行ってもよく、たとえばペリレン誘導体、クマリン誘導体、ベンジジン誘導体などがある。もちろん、ピラン誘導体等の材料を含む有機膜であってもよい。
【００６４】
陰極材料としては、効率よく電子を他層へ注入するために、材料の真空準位からの仕事関数の小さな金属を用いるのが好ましく、たとえば、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌｉなどを他の金属との合金として、安定性を高めて使用するのがよい。
【００６５】
バッファ層については、効率よく電子を他層へ注入するために、たとえば陰極と電子注入層との間にＬｉ2Ｏ、ＬｉＦ、ＳｒＯ、ＣａＦ2などのアルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属弗化物を介在させるとよい。
【００６６】
なお、本発明の発光素子を駆動するときは、大気中の酸素等による影響を排除し、安定性を高めるために、あらかじめ例えばゲルマニウム酸化物やＳｉＮｘなどで封止を行ったり、あるいは周囲空間を真空に引いた状態にしておくことが望ましい。
【００６７】
本発明の発光素子は、ディスプレイ又は表示装置、コンピュータ、テレビジョン受像機、ビルボード、スタジオ用スクリーン、ファクシミリ、携帯電話、携帯端末、発光性ネームプレート、乗り物、音響機器又は車載用音響機器に用いて好適である。
【００６８】
例えば図６には、ＴＦＴを組み込んだアクティブマトリクス駆動の有機ＥＬ素子からなるディスプレイを示し、上述した各アモルファス有機化合物層３、４、５、６、７からなる有機ＥＬ層（これはＺｎＳ：Ｍｎを用いた無機ＥＬ層に置き換えてもよい。）１３を基板１上に設け、その下部に既述した陽極２を形成し、上部にバッファ層を介して陰極９を形成し、これら両極間の電圧印加によって所定色の発光光１１がフィルタ（図示せず）を通して陰極９側から得られる。
【００６９】
アクティブマトリクス駆動により陽極２へデータ電圧を印加するために、例えば基板１上に形成したゲート電極１４、ゲート絶縁膜１５、及びソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、チャネル領域Ｃｈに区画された半導体薄膜１６で構成されたボトムゲート型のＭＯＳＴＦＴ（Metal Oxide Semiconductor Thin Film Transistor）ＴＦＴ１が基板１上に作り込まれている。なお、図中の１７は層間絶縁膜、１８はソース電極、１９はドレイン電極、２０は層間絶縁膜である。なお、このようなボトムゲート型は公知であるが、これに代えて公知のトップゲート型又はデュアルゲート型のＭＯＳＴＦＴを構成してもよい。
【００７０】
図７は、有機ＥＬ素子１０を有する画素部ＰＸＬの等価回路であり、図６に示した有機ＥＬ素子１０を駆動するトランジスタＴＦＴ１のゲートに対し、Ｘ走査線にゲートが、Ｙデータ線にソースが接続されたＴＦＴトランスファゲートＴＦＴ２のドレインが接続され、このドレインとＺ停止制御線との間に停止制御トランジスタＴＦＴ３が接続されている（なお、Ｃｓはリーク電流による電圧低下を補うための補助容量である）。
【００７１】
ここで、ＴＦＴ基板１は、基板上に多数のトランジスタや金属配線が存在するため、ガラス基板１側から光を取り出そうとすると、どうしても開口率が小さくなる。しかし、上記のようにＴＦＴ基板１上に陽極２から有機材料１３、陰極９の順に積層し、陰極９の側からＥＬ発光光１１を取り出しているので、開口率の影響を極小にして効率良く発光光１１を取出すことができる。
【００７２】
この場合も、上述した理由から、高輝度の維持及びコントラストの向上の効果を発揮させるには、陽極２の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲に特定すること、更に可視光域（通常、波長が３８０〜７８０ｎｍのもの）全体にわたって、陽極２の反射率を５０％以下に維持することが重要である。
【００７３】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。
【００７４】
実施例１
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより、ＬｉＮｉＯ2（膜厚約１００ｎｍ）をＲＦスパッタリングにより積層した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで１８％（図８参照）、仕事関数は５．８０ｅＶであった。
【００７５】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、ホール（正孔）輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、続いて電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＭｇ：Ａｇを約１５ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００７６】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２,０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は３９．６ｍＡ／ｃｍ2、輝度は１２００ｃｄ／ｍ2（図９参照）であった。また、３００ｌX照射時の非発光輝度は２．９２ｃｄ／ｍ2であり、コントラストは４１０：１であった。
【００７７】
比較例１
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）とＷ（膜厚約１００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより積層した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで７０％、仕事関数は５．２ｅＶであった。
【００７８】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、正孔輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（8-hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＭｇ：Ａｇを約１５ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００７９】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２，０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は３９．６ｍＡ／ｃｍ2、輝度は７５０ｃｄ／ｍ2であった。また、３００ｌｘ照射時の非発光輝度は４．２ｃｄ／ｍ2で、コントラストは１８０：１であった。
【００８０】
実施例２
実施例１において、ガラス基板の代りに不透明のシリコン基板を用いること以外は同様にして有機電界発光素子を作製した。この発光素子も、実施例１の素子と同等の最大発光波長、発光色、電流及び輝度特性、コントラストを示した。
【００８１】
実施例３
３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス基板上に、陽極としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより、ＬｉＮｉＯ2（膜厚約１０ｎｍ）をＲＦスパッタリングにより積層した。この陽極の反射率は波長５２０ｎｍで１８％、仕事関数は５．８０ｅＶであった。
【００８２】
この積層体上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした発光素子作製用のセルを作製した。この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる無機ＥＬ及びＭｇ：Ａｇ陰極（膜厚約１５ｎｍ）を蒸着して無機電界発光素子を作製した。
【００８３】
こうして作製された無機電界発光素子を５Ｖ、６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は１５ｃｄ／ｍ2であった。３００ｌX照射時の非発光輝度は２．５５ｃｄ／ｍ2で、コントラストは６：１であった。
【００８４】
比較例２
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより成膜した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで６８％（図８参照）、仕事関数は４．６０ｅＶであった。
【００８５】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、ホール（正孔）輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、続いて電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、バッファ層としてＬｉ2Ｏを０．５ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＡｌを約２００ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００８６】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２，０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は２１．９ｍＡ／ｃｍ2、輝度は５５６ｃｄ／ｍ2（図９参照）であった。また、３００ｌX照射時の非発光輝度は３．９２ｃｄ／ｍ2であり、コントラストは１４０：１であった。
【００８７】
比較例３
３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより積層した。この陽極の反射率は５２０ｎｍで６８％、仕事関数は４．６０ｅＶであった。
【００８８】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした発光素子作製用のセルを作製した。この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる無機ＥＬ及びＭｇ：Ａｇ陰極（膜厚約１５ｎｍ）を蒸着して無機電界発光素子を作製した。
【００８９】
こうして作製された無機電界発光素子を５Ｖ、６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は８ｃｄ／ｍ2であった。３００ｌｘ照射時の非発光輝度は３．９ｃｄ／ｍ2で、コントラストは２：１であった。
【００９０】
以上説明したように、本発明に基づく発光素子（実施例１〜３）によれば、仕事関数が５．０ｅＶ以上、７．０ｅＶ以下（好ましくは５．５ｅＶ以上、６．０ｅＶ以下）であって、可視光反射率が５０％以下である、Ｃｒ／ＬｉＮｉＯ 2 からなる陽極を使用し、発光領域を含む材料層に適切な材料を選択することによって、エネルギー障壁の少ない有機又は無機電界発光素子を構成でき、発光効率を向上させ、コントラスト特性を向上させることができる。
【００９１】
【発明の作用効果】
本発明は、上述したように、仕事関数が５．０ｅＶ以上、７．０ｅＶ以下であり、また可視光反射率が５０％以下である、ＬｉＮｉＯ 2 等の特定材料を含む陽極を使用しているので、発光領域を含む材料層に適切な材料を選択することによって、エネルギー障壁の少ない電界発光素子を構成でき、発光効率を向上させ、コントラスト特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による有機電界発光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による無機電界発光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】有機電界発光素子のホール輸送層に用いられるα−ＮＰＤの構造式を示す図である。
【図４】同、発光素子の電子輸送層に用いられるＡｌｑ3の構造式を示す図である。
【図５】同、ホール注入層に用いられるｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式を示す図である。
【図６】本発明に基づくＴＦＴ駆動の有機ＥＬ素子からなるディスプレイの要部断面図である。
【図７】同、ディスプレイの画素部の等価回路図である。
【図８】発光素子の陽極の光反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図９】発光素子の輝度の電圧依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…基板、２…陽極、３…ホール注入層、４…ホール輸送層、５…発光層、
６…電子輸送層、７…電子注入層、８…バッファ層、９…陰極、
１０…有機ＥＬ素子、１１…発光光、１２…無機ＥＬ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばカラーディスプレイ等の表示素子として用いられる自発光型の発光素子、及びその用途に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特にマルチメディア指向の製品等においては、人間と機械とのインターフェースの重要性が高まってきている。その機械をより快適に効率よく操作するには、機械の側から充分な量の情報を簡潔に瞬時に取り出す必要があり、そのため、ディスプレイを初めとする様々な表示素子の研究が行われている。
【０００３】
こうした表示素子は、機械の小型化に伴い、小型化、薄型化に対する要求が日々強くなっている。以下、主な表示素子の具体例について説明する。
【０００４】
液晶ディスプレイは、代表的な表示素子の一つとして今日、種々の製品のインターフェースに用いられており、ラップトップ型情報処理機器を始め、小型テレビジョン受像機、時計、電子式卓上計算機等々、日常生活製品に多く用いられている。
【０００５】
この液晶ディスプレイは、液晶が低電圧駆動、低消費電力であるという特徴を生かして、小型から大容量表示デバイスに至るまで、専らかなめのインターフェースとして、研究されてきた。
【０００６】
しかし、この液晶ディスプレイは、受光型なのでバックライトが欠かせず、そのバックライトの駆動には液晶のそれより大きな電力を必要とする。したがって、蓄電池等が内蔵されているとはいえ、給電に限界があり、稼動時間が短くなるなど、使用上の制限が出るという問題がある。
【０００７】
さらに、この液晶ディスプレイについては、特有の問題点を指摘することができる。
【０００８】
まず、液晶ディスプレイは、液晶分子の配向状態による表示であるので、その視野角の中においても、角度によってはコントラストが変化してしまい、このために視野角が狭く、大型ディスプレイ等の大型表示には適していないこと、また液晶分子の配向速度が遅いため、動画の表示には適していないこと、が問題である。
【０００９】
一方、駆動方式からみると、液晶ディスプレイのアクティブマトリクス方式は、動画を扱うのに十分な応答速度を示す反面、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）駆動回路を用いるので、画素欠陥により画面サイズを大型化することが困難であり、またコストダウンを図る上からも得策ではない。
【００１０】
また、もう一つの駆動方式である単純マトリクス方式は、上記とは逆にコストは低いし、画面サイズの大型化も比較的容易であるが、動画を扱うのに十分な応答速度が出せない、という問題がある。
【００１１】
このような液晶素子に対して、以下に述べるプラズマ表示素子や無機電界発光素子（無機ＥＬ素子）、有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）などは、自発光型に属する表示素子である。
【００１２】
まず、プラズマ表示素子は低圧ガス中でのプラズマ発光を表示に利用したものであり、大型化、大容量化に適している。しかし、薄型化やコスト面で問題を抱えており、さらに駆動に高電圧の交流バイアスを必要とし、携帯用デバイスには適していない。
【００１３】
また、無機電界発光素子は、緑色発光ディスプレイ等が商品化されたが、プラズマ表示素子と同様、交流バイアス駆動で数百Ｖを必要としたため、ユーザーに受け入れられなかった。
【００１４】
もっとも、その後の技術進歩の結果、今日ではカラーディスプレイ表示に必要なＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の発光に成功しているが、構成に無機材料が欠かせないので、分子設計等による発光波長などの制御は無理であり、フルカラー化には困難が伴うと予想される。
【００１５】
一方、有機電界発光素子は、有機化合物による電界発光を利用するものであり、この現象は既に今から約３０数年前に発見されている。すなわち、１９６０年代前半に、強く蛍光を発生するアントラセン単結晶へキャリアを注入すると、特異な発光現象（ルミネセンスの誘起による）が生じるのが観測された。それ以来、有機電界発光素子は長期間にわたって研究の対象にされてきたが、何分にも低輝度、単色で、しかも単結晶を用いるため、主に有機材料へのキャリア注入の点に技術的重点が置かれ、基礎的研究段階の域を出なかった。
【００１６】
それが、１９８０年代も半ばを過ぎる頃になると、事情が変わってくる。１９８７年にＥａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ社のＴａｎｇらが当時としては画期的な有機薄膜電界発光素子を発表した。これは、アモルファス発光層を有する積層構造体で、低電圧駆動、高輝度発光が可能である。この積層構造体の発明がきっかけとなって有機電界発光素子の研究開発は一段と弾みがつき、ＲＧＢ三原色の発光、安定性、輝度上昇、積層構造、及び製造方法と研究が多方面で盛んに行われるようになり、今日に至っている。
【００１７】
なお、そのほかにも、有機材料の特長である分子設計等を利用して次々とディスプレイ用の新規材料が開発され、直流電圧駆動、薄型、自発光性など、それなりに優れた特徴を有する有機電界発光素子が相次いで出現し、そのカラーディスプレイへの応用研究も盛んに行われつつある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上、代表的な表示素子の長所、短所、あるいは開発の歴史について述べてきたが、本発明は特に、これらの表示素子のうち、有機電界発光素子と無機電界発光素子の改良に係わるものであるため、以下、それらの発光素子が今日抱えている、各方面からとくに改善の要ありと指摘されている問題点について説明する。
【００１９】
コントラスト特性は、ディスプレイの主たる性能の一つであるが、前述した有機電界発光素子や無機電界発光素子などの自発光型表示素子では、メタルバック（金属陰極による外光の反射）等の影響により、充分なコントラストが得られていない。とくに有機電界発光素子のコントラストは、せいぜい２００：１程度であり、これを上回る充分なコントラストを有する表示素子の開発が各方面から要求されている。
【００２０】
また、有機電界発光素子の発光効率も未だ不十分である。その原因の一つとして、電極から有機層へのキャリアの注入効率が小さいこと、陽極−陰極間のエネルギー差が充分でないために有機層間のエネルギー障壁が存在することが挙げられる。
【００２１】
さらに、一般的な有機電界発光素子は、陽極側からＥＬ発光光を取出す素子構造のため、陽極材料がＩＴＯ（インジウムにスズをドープしたインジウム−スズ酸化物）、ＺｎＯ、ＳｎＯ2及びそれらの関連物質にほぼ限定されていて、ホール（正孔）注入材料が、陽極材料とのエネルギーマッチングに大きく制約されていることである。
【００２２】
一方、もう一つの有機ＥＬ素子の素子構造として、陰極側からＥＬ発光光を取り出す素子構造が存在する。
【００２３】
この場合には、陰極は非常に薄い低仕事関数の金属［例えばＭｇ：Ａｇ（３．５ｅＶ）やＡｌ：Ｌｉ（２．９ｅＶ）］からなり、場合によって更にＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2などの透明電極を積層する。また、陽極は一般的に高仕事関数の金属を用いうるが、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2などの透明電極を用いてもよい。これら陽極材料の選択は、陽極薄膜の平滑性、パターニングプロセスとの親和性などに依存する。
【００２４】
更に、基板に積層する順序としては、陽極から有機材料、陰極の順に積層してもよいし、その逆に陰極から有機材料、陽極の順でもよい。
【００２５】
前者の場合には、基板はガラスやポリマーのように可視光に対し透明なものでもよいし、Ｓｉのような不透明のものでもよい。
【００２６】
ＴＦＴ基板は、基板上に多数のトランジスタや金属配線が存在するため、ガラス基板側から光を取り出そうとすると、どうしても開口率が小さくなる。しかし、上記のようにＴＦＴ基板上に陽極から有機材料、陰極の順に積層し、陰極の側からＥＬ発光光を取り出せば、開口率の影響を極小にできる。
【００２７】
ＴＦＴ基板上に陽極を設ける場合、上記した材料選択の問題から、Ｃｒ（仕事関数４．５ｅＶ）など、仕事関数がそれほど高くない金属が陽極として選択される場合が多々ある。
【００２８】
このような場合、陽極と陰極の仕事関数の差は、例えばＣｒ−Ｍｇ：Ａｇで１ｅＶ、Ｃｒ−Ａｌ：Ｌｉで１．６ｅＶとなり、発光すべきＲＧＢのフォトンエネルギーよりも小さく、素子としての効率は非常に低くなる。
【００２９】
そこで本発明の目的は、陽極材料によって発光効率を向上させ、同時に高輝度を維持しながらコントラストを向上させた発光素子（有機電界発光素子、無機電界発光素子など）を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、発光領域を含む層が陽極と陰極との間に設けられ、前記陰極の側から発光光が取出されるようになされ、前記陽極の仕事関数が５．０〜７．０ｅＶであり、かつ、前記陽極の可視光反射率が５０％以下である発光素子であって、前記陽極が、ＬｉＮｉＯ 2 、ＰｔＲｈＯ x 、ＴｉＮｂＯ x 、ＷＲｅＯ x 、ＲｕＯ x 、ＩｒＯ x 、ＰｔＯ x 、ＲｈＯ x 、ＰｄＯ x 、ＲｅＯ x 、ＷＯ x 、ＮｉＮＯ、ＬｉＮｉＮＯ、ＲｕＮＯ、ＩｒＮＯ、ＰｔＮＯ、ＲｈＮＯ、ＲｅＮＯ、ＷＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＮ又はＺｒＮからなる化合物を含むことを特徴とする発光素子に係るものである。ただし、前記発光領域を含む前記層とは、後述するように、しかるべき機能を備えた有機化合物層及び／又は無機化合物層で構成されるものである（以下、同様）。
【００３１】
本発明の発光素子によれば、前記陽極に高仕事関数の材料、即ち仕事関数が５．０ｅＶ〜７．０ｅＶ（好ましくは５．５ｅＶ〜６．０ｅＶ）と特定範囲の材料を用いることによって、前記発光領域を含む材料層に適切な材料を選択すれば、陽極−陰極間のエネルギー差が充分となり、エネルギー障壁の少ない電界発光素子を構成することができる。これによって、発光効率は向上し、陰極の側から、低消費電力、高輝度で光を取出せる発光素子を実現できる。このためには、陽極の仕事関数は５．０ｅＶ以上でなければならず、またその上限は発光領域の材料の選択性等から７．０ｅＶでなければならない。
【００３２】
特に、有機電界発光素子の場合は、陽極の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲内に規定でき、陽極材料としてホール注入層とエネルギーマッチングがとれるもの（即ち、両者間のエネルギーマッチングの最適化をはかること）によって、ホールの注入効率を向上させ、発光効率を高めることができる。しかも、このようにすれば、陽極材料は選択幅が広がり、ホール注入材料に対する制約が解消されるとともに、ホール注入材料についても、陽極材料に対する制約が解消され、両者ともこれまでに比べてより広範囲な材料を用いることが可能である。
【００３４】
また、本発明の発光素子によれば、陽極の可視光反射率が５０％以下であるため、陰極の側から発光光を取出すときの可視の外光による反射の影響（陽極によるメタルバック）を抑制し、高輝度を維持しながらコントラストを確実に向上させることができる。このためには、陽極の可視光反射率は５０％以下でなくてはならない。なお、一般的な金属陽極材料の可視光反射率は７０％程度以上あるが、これでは、陽極での反射が多く、コントラストが大きく低下する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子において、高輝度の維持及びコントラストの向上の効果を発揮させるには、前記陽極の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲に特定すること、更に可視光域（通常、波長が３８０〜７８０ｎｍのもの）全体にわたって、前記陽極の反射率を５０％以下に維持することが重要である。
【００３６】
このためには、前記陽極の構成材料として、周期表のIIIＡ族、IVＡ族、ＶＡ族、、VIＡ族、VIIＡ族、VIII族及びＩＢ族から選ばれた１種又は２種以上の金属、合金、又はその化合物を用いることが好ましい。
【００３７】
上記金属の具体例としては、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷなどがある。
【００３８】
また、上記化合物としては、金属間化合物、酸化物、窒化物又は酸窒化物が好ましい。これらの具体例を挙げると、ＬｉＮｉＯ2、ＰｔＲｈＯx、ＴｉＮｂＯx、ＷＲｅＯx、ＮｉＯ、ＲｕＯx、ＩｒＯx、ＰｔＯx、ＲｈＯx、ＰｄＯx、ＲｅＯx、ＷＯx、ＮｉＮＯ、ＬｉＮｉＮＯ、ＲｕＮＯ、ＩｒＮＯ、ＰｔＮＯ、ＲｈＮＯ、ＲｅＮＯ、ＷＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＮおよびＺｒＮなどがある。
【００３９】
また、前記陽極の物理化学的特性を向上させるために、陽極材にドーパントを添加するとよい。そのドーパントを添加した陽極材の主な例を挙げると、ＲXＮｉＯ（Ｒ＝Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、ＲxＷＯ3（Ｒ＝Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、ＴｉＮｂxＯyなどがある。
【００４０】
ただし、上記陽極材料の組成は、必ずしも化学量論組成である必要はなく、不定比であってもよい。
【００４１】
さらに、陽極材料の結晶相については単相、複数相のどちらでもよい。
【００４２】
もちろん、陽極層のモルフォロジー（Morphology:形態）については、特に限定しない。平滑度が高くて一様な膜、たとえばアモルファス、微結晶、エピタキシャル膜、単結晶膜もしくはこれらに類似したものが望ましい。
【００４３】
また、ホールの注入効率を上げるために、陽極材料はｐ型の電気伝導特性を有していることが好ましい。
【００４４】
前記陽極は単層でも複数層でもよい。とくにＩＴＯ等の透明電極と積層構造にする場合は、組成と層厚とを最適化することによって、前記可視光反射率と、前記仕事関数と、電気抵抗率とを、他の特性を損なうことなく所望にコントロールすることができる。
【００４５】
前記相及び層に関して好ましい陽極の構造例を挙げると、既述した金属又は金属化合物を含む相と、亜鉛、インジウム又はスズを含む相とが単層化又は積層化された構造が好ましい。
【００４６】
或いは、既述した金属又は金属化合物を含む相と、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ等を含む相とが単層化又は積層化された構造が、陽極を不透明化、低抵抗化、平滑面化する上で好ましい。
【００４７】
これらの条件を満足すると、陽極−陰極間の仕事関数の差を大きくすることができ、それら電極間の有機材料等の発光素子構成材料のエネルギーレベルを最適化することによって、発光効率を高めることができる。また、陽極−陰極間の仕事関数を大きくすることによって、有機材料等の発光素子構成材料を拘束する制約を解消でき、より広範囲の材料系を用いることが可能である。
【００４８】
なお、本発明における発光素子の陽極を製造するには、この分野で公知の成膜法、たとえばスパッタッリング、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの手法によればよい。
【００４９】
次に、本発明の発光素子が実際にどのような構造をもつのかを好ましい例について、適宜、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００５０】
まず、本発明の発光素子の好ましい実際的な基本構造は、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板、又はガラス等の透明又は半透明の（或いは不透明の）基板の上に、陽極と、発光領域を含む有機又は無機層と、陰極とが順次積層されているものである。ここで「不透明」とは透過率が数％以下、「半透明」とは透過率が数％〜８０％を意味する（以下、同様）。
【００５１】
更に、前記有機層は目的に応じてその層構成に種々の変形が可能であり、たとえば前記陽極側にホール（正孔）輸送層、前記陰極側に電子輸送層を夫々、設けることができる。
【００５２】
また、前記陽極と前記ホール輸送層との間にホール（正孔）注入層を設けることができる。
【００５３】
また、前記陰極と前記電子輸送層との間に電子注入層を設けることができる。
【００５４】
さらにまた、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に発光層を設けることができる。
【００５５】
図１に、本発明の発光素子の一例１０を示す。これは有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）と呼ばれるものであり、ここでは上述した層構造にさらに若干の工夫がこらされたものを示す。すなわち、図１（Ａ）の発光素子は、ＴＦＴ基板（又はガラス基板）１の上に陽極２、ホール注入層３、ホール輸送層４、発光層５、電子輸送層６、電子注入層７、バッファ層８及び陰極９が真空蒸着等により順に積層されたものである（但し、ホール注入層、電子注入層、バッファ層は必ずしも設けなくてもよく、また電子輸送層又はホール輸送層は発光層を兼ねてもよい）。発光光１１は陰極９の側から取出される。
【００５６】
それに対して、図１（Ｂ）に示す発光素子１２は、図１（Ａ）に示した発光素子と各層が丁度逆に構成されたものである。
【００５７】
また、図２に示す発光素子は、いわゆる無機電界発光素子と呼ばれるものであって、透明基板１の上に陽極２、発光層５、及び陰極９が順次、積層されたものである。
【００５８】
前述したホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、バッファ層及び陰極の材料については、この種の分野で公知の材料が使え、とくに限定はない。
【００５９】
たとえば、ホール輸送層の構成材料には、ベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、トリフェニル（又はアリール）アミン誘導体、及びヒドラゾン誘導体などが用いられる。中でも、図３に示すα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）などは、よく用いられるホール輸送材料である。
【００６０】
また、電子輸送層の構成材料には、ベリレン誘導体、ビススチリル誘導体、ピラジン誘導体などが用いられる。たとえば、図４に示すＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）などは、好ましい電子輸送材料である。
【００６１】
また、ホール注入層の構成材料には、たとえば図５に示すｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4”-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine）などは好ましいホール注入材料である。
【００６２】
また、電子注入層の構成材料には、オキシジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体などが用いられる。
【００６３】
発光層の構成材料としては、前述のＡｌｑ3などが用いられる。この発光層の発光スペクトル制御のためには、他の有機材料との共蒸着を行ってもよく、たとえばペリレン誘導体、クマリン誘導体、ベンジジン誘導体などがある。もちろん、ピラン誘導体等の材料を含む有機膜であってもよい。
【００６４】
陰極材料としては、効率よく電子を他層へ注入するために、材料の真空準位からの仕事関数の小さな金属を用いるのが好ましく、たとえば、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌｉなどを他の金属との合金として、安定性を高めて使用するのがよい。
【００６５】
バッファ層については、効率よく電子を他層へ注入するために、たとえば陰極と電子注入層との間にＬｉ2Ｏ、ＬｉＦ、ＳｒＯ、ＣａＦ2などのアルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属弗化物を介在させるとよい。
【００６６】
なお、本発明の発光素子を駆動するときは、大気中の酸素等による影響を排除し、安定性を高めるために、あらかじめ例えばゲルマニウム酸化物やＳｉＮｘなどで封止を行ったり、あるいは周囲空間を真空に引いた状態にしておくことが望ましい。
【００６７】
本発明の発光素子は、ディスプレイ又は表示装置、コンピュータ、テレビジョン受像機、ビルボード、スタジオ用スクリーン、ファクシミリ、携帯電話、携帯端末、発光性ネームプレート、乗り物、音響機器又は車載用音響機器に用いて好適である。
【００６８】
例えば図６には、ＴＦＴを組み込んだアクティブマトリクス駆動の有機ＥＬ素子からなるディスプレイを示し、上述した各アモルファス有機化合物層３、４、５、６、７からなる有機ＥＬ層（これはＺｎＳ：Ｍｎを用いた無機ＥＬ層に置き換えてもよい。）１３を基板１上に設け、その下部に既述した陽極２を形成し、上部にバッファ層を介して陰極９を形成し、これら両極間の電圧印加によって所定色の発光光１１がフィルタ（図示せず）を通して陰極９側から得られる。
【００６９】
アクティブマトリクス駆動により陽極２へデータ電圧を印加するために、例えば基板１上に形成したゲート電極１４、ゲート絶縁膜１５、及びソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、チャネル領域Ｃｈに区画された半導体薄膜１６で構成されたボトムゲート型のＭＯＳＴＦＴ（Metal Oxide Semiconductor Thin Film Transistor）ＴＦＴ１が基板１上に作り込まれている。なお、図中の１７は層間絶縁膜、１８はソース電極、１９はドレイン電極、２０は層間絶縁膜である。なお、このようなボトムゲート型は公知であるが、これに代えて公知のトップゲート型又はデュアルゲート型のＭＯＳＴＦＴを構成してもよい。
【００７０】
図７は、有機ＥＬ素子１０を有する画素部ＰＸＬの等価回路であり、図６に示した有機ＥＬ素子１０を駆動するトランジスタＴＦＴ１のゲートに対し、Ｘ走査線にゲートが、Ｙデータ線にソースが接続されたＴＦＴトランスファゲートＴＦＴ２のドレインが接続され、このドレインとＺ停止制御線との間に停止制御トランジスタＴＦＴ３が接続されている（なお、Ｃｓはリーク電流による電圧低下を補うための補助容量である）。
【００７１】
ここで、ＴＦＴ基板１は、基板上に多数のトランジスタや金属配線が存在するため、ガラス基板１側から光を取り出そうとすると、どうしても開口率が小さくなる。しかし、上記のようにＴＦＴ基板１上に陽極２から有機材料１３、陰極９の順に積層し、陰極９の側からＥＬ発光光１１を取り出しているので、開口率の影響を極小にして効率良く発光光１１を取出すことができる。
【００７２】
この場合も、上述した理由から、高輝度の維持及びコントラストの向上の効果を発揮させるには、陽極２の仕事関数を５．０ｅＶ〜７．０ｅＶの範囲に特定すること、更に可視光域（通常、波長が３８０〜７８０ｎｍのもの）全体にわたって、陽極２の反射率を５０％以下に維持することが重要である。
【００７３】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。
【００７４】
実施例１
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより、ＬｉＮｉＯ2（膜厚約１００ｎｍ）をＲＦスパッタリングにより積層した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで１８％（図８参照）、仕事関数は５．８０ｅＶであった。
【００７５】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、ホール（正孔）輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、続いて電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＭｇ：Ａｇを約１５ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００７６】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２,０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は３９．６ｍＡ／ｃｍ2、輝度は１２００ｃｄ／ｍ2（図９参照）であった。また、３００ｌX照射時の非発光輝度は２．９２ｃｄ／ｍ2であり、コントラストは４１０：１であった。
【００７７】
比較例１
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）とＷ（膜厚約１００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより積層した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで７０％、仕事関数は５．２ｅＶであった。
【００７８】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、正孔輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（8-hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＭｇ：Ａｇを約１５ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００７９】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２，０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は３９．６ｍＡ／ｃｍ2、輝度は７５０ｃｄ／ｍ2であった。また、３００ｌｘ照射時の非発光輝度は４．２ｃｄ／ｍ2で、コントラストは１８０：１であった。
【００８０】
実施例２
実施例１において、ガラス基板の代りに不透明のシリコン基板を用いること以外は同様にして有機電界発光素子を作製した。この発光素子も、実施例１の素子と同等の最大発光波長、発光色、電流及び輝度特性、コントラストを示した。
【００８１】
実施例３
３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス基板上に、陽極としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより、ＬｉＮｉＯ2（膜厚約１０ｎｍ）をＲＦスパッタリングにより積層した。この陽極の反射率は波長５２０ｎｍで１８％、仕事関数は５．８０ｅＶであった。
【００８２】
この積層体上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした発光素子作製用のセルを作製した。この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる無機ＥＬ及びＭｇ：Ａｇ陰極（膜厚約１５ｎｍ）を蒸着して無機電界発光素子を作製した。
【００８３】
こうして作製された無機電界発光素子を５Ｖ、６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は１５ｃｄ／ｍ2であった。３００ｌX照射時の非発光輝度は２．５５ｃｄ／ｍ2で、コントラストは６：１であった。
【００８４】
比較例２
３０ｍｍ×３０ｍｍの透明ガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより成膜した。この陽極の可視光反射率は５２０ｎｍで６８％（図８参照）、仕事関数は４．６０ｅＶであった。
【００８５】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機電界発光素子作製用のセルを作製した。次に、ホール（正孔）輸送層としてα−ＮＰＤ（α−naphtyl phenyl diamine）を真空蒸着法により真空下で５０ｎｍ蒸着（蒸着速度０．２ｎｍ／ｓ）し、続いて電子輸送性発光層としてＡｌｑ3（８−hydroxy quinoline aluminium）を５０ｎｍ蒸着し、バッファ層としてＬｉ2Ｏを０．５ｎｍ蒸着し、更に陰極としてＡｌを約２００ｎｍ蒸着して、有機電界発光素子を作製した。
【００８６】
こうして作製された有機電界発光素子の特性を、陰極側から発光光を取り出して測定したところ、最大発光波長は５２０ｎｍ、ＣＩＥ色度座標上での座標は（０．３２，０．５５）であり、良好な緑色発光を呈した。また、駆動電圧６Ｖ時の電流密度は２１．９ｍＡ／ｃｍ2、輝度は５５６ｃｄ／ｍ2（図９参照）であった。また、３００ｌX照射時の非発光輝度は３．９２ｃｄ／ｍ2であり、コントラストは１４０：１であった。
【００８７】
比較例３
３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス基板上に、陽極層としてＣｒ（膜厚約２００ｎｍ）をＤＣスパッタリングにより積層した。この陽極の反射率は５２０ｎｍで６８％、仕事関数は４．６０ｅＶであった。
【００８８】
この基板上に、ＳｉＯ2蒸着により２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした発光素子作製用のセルを作製した。この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる無機ＥＬ及びＭｇ：Ａｇ陰極（膜厚約１５ｎｍ）を蒸着して無機電界発光素子を作製した。
【００８９】
こうして作製された無機電界発光素子を５Ｖ、６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は８ｃｄ／ｍ2であった。３００ｌｘ照射時の非発光輝度は３．９ｃｄ／ｍ2で、コントラストは２：１であった。
【００９０】
以上説明したように、本発明に基づく発光素子（実施例１〜３）によれば、仕事関数が５．０ｅＶ以上、７．０ｅＶ以下（好ましくは５．５ｅＶ以上、６．０ｅＶ以下）であって、可視光反射率が５０％以下である、Ｃｒ／ＬｉＮｉＯ 2 からなる陽極を使用し、発光領域を含む材料層に適切な材料を選択することによって、エネルギー障壁の少ない有機又は無機電界発光素子を構成でき、発光効率を向上させ、コントラスト特性を向上させることができる。
【００９１】
【発明の作用効果】
本発明は、上述したように、仕事関数が５．０ｅＶ以上、７．０ｅＶ以下であり、また可視光反射率が５０％以下である、ＬｉＮｉＯ 2 等の特定材料を含む陽極を使用しているので、発光領域を含む材料層に適切な材料を選択することによって、エネルギー障壁の少ない電界発光素子を構成でき、発光効率を向上させ、コントラスト特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による有機電界発光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による無機電界発光素子の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】有機電界発光素子のホール輸送層に用いられるα−ＮＰＤの構造式を示す図である。
【図４】同、発光素子の電子輸送層に用いられるＡｌｑ3の構造式を示す図である。
【図５】同、ホール注入層に用いられるｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式を示す図である。
【図６】本発明に基づくＴＦＴ駆動の有機ＥＬ素子からなるディスプレイの要部断面図である。
【図７】同、ディスプレイの画素部の等価回路図である。
【図８】発光素子の陽極の光反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図９】発光素子の輝度の電圧依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…基板、２…陽極、３…ホール注入層、４…ホール輸送層、５…発光層、
６…電子輸送層、７…電子注入層、８…バッファ層、９…陰極、
１０…有機ＥＬ素子、１１…発光光、１２…無機ＥＬ素子
Claims (10)
- 発光領域を含む層が陽極と陰極との間に設けられ、前記陰極の側から発光光が取出されるようになされ、前記陽極の仕事関数が５．０〜７．０ｅＶであり、かつ、前記陽極の可視光反射率が５０％以下である発光素子であって、前記陽極が、ＬｉＮｉＯ 2 、ＰｔＲｈＯ x 、ＴｉＮｂＯ x 、ＷＲｅＯ x 、ＲｕＯ x 、ＩｒＯ x 、ＰｔＯ x 、ＲｈＯ x 、ＰｄＯ x 、ＲｅＯ x 、ＷＯ x 、ＮｉＮＯ、ＬｉＮｉＮＯ、ＲｕＮＯ、ＩｒＮＯ、ＰｔＮＯ、ＲｈＮＯ、ＲｅＮＯ、ＷＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＮ又はＺｒＮからなる化合物を含むことを特徴とする発光素子。
- 前記陽極が、前記化合物と金属との積層体からなる、請求項１に記載の発光素子。
- 前記金属が、周期表のIIIＡ族、IVＡ族、ＶＡ俗、VIＡ族、VIIＡ族、VIII族及びＩＢ族から選ばれた１種又は２種以上の金属である、請求項２に記載の発光素子。
- 前記可視光が、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長を有する、請求項１に記載の発光素子。
- 薄膜トランジスタ基板の上に、前記陽極、前記発光領域を含む有機又は無機層、及び前記陰極が積層されている、請求項１に記載の発光素子。
- 前記有機層が、前記陽極側にホール輸送層、前記陰極側に電子輸送層を夫々有する、請求項５に記載の発光素子。
- 前記有機層が、前記陽極と前記ホール輸送層との間にホール注入層を有する、請求項６に記載の発光素子。
- 前記有機層が、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に発光層を有する、請求項６に記載の発光素子。
- 前記有機層が、前記陰極と前記電子輸送層との間に電子注入層を有する、請求項６に記載の発光素子。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載された発光素子を用いたディスプレイ又は表示装置、コンピュータ、テレビジョン受像機、ビルボード、スタジオ用スクリーン、ファクシミリ、携帯電話、携帯端末、発光性ネームプレート、乗り物、音響機器又は車載用音響機器。
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