JP4255039B2 - 有機el素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を用いた有機EL素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に有機EL素子は、ガラス基板上にITOなどの透明電極を形成し、その上に有機アミン系のホール輸送層、電子導電性を示しかつ強い発光を示す、例えばAlq3 材からなる有機発光層を積層し、さらに、MgAgなどの仕事関数の小さい電極を形成した構造の基本素子としている。
【0003】
これまでに報告されている素子構造としては、ホール注入電極及び電子注入電極の間に1層または複数層の有機化合物層が挟まれた構造となっており、有機化合物層としては、2層構造あるいは3層構造がある。
【0004】
2層構造の例としては、ホール注入電極と電子注入電極の間にホール輸送層と発光層が形成された構造、または、ホール注入電極と電子注入電極の間に発光層と電子輸送層が形成された構造がある。3層構造の例としては、ホール注入電極と電子注入電極の間にホール輸送層と発光層と電子輸送層とが形成された構造がある。また、単一層に全ての役割を持たせた単層構造も高分子や混合系で報告されている。
【0005】
図3および図4に、有機EL素子の代表的な構造を示す。
【0006】
図3では、基板11上に設けられたホール注入電極12と電子注入電極13の間に有機化合物であるホール輸送層14と発光層15が形成されている。この場合、発光層15は、電子輸送層の機能も果たしている。
【0007】
図4では、基板11上に設けられたホール注入電極12と電子注入電極13の間に有機化合物であるホール輸送層14と発光層15と電子輸送層16が形成されている。
【0008】
これら有機EL素子においては、共通して、信頼性が問題となっている。すなわち、有機EL素子は、原理的にホール注入電極と電子注入電極とを有し、これら電極間から効率よくホール・電子を注入輸送するための有機層を必要とする。しかしながら、これらの材料は、製造時にダメージを受けやすく、電極との親和性にも問題がある。また、有機薄膜の劣化や、熱によるダメージ、電気的なダメージも無機半導体のLED(発光ダイオード)、LD(レーザーダイオード)に比べると著しく大きいという問題を有している。
【0009】
また、有機材料は比較的高価なものが多く、低コストの有機EL素子応用製品を提供するために、その一部の構成膜を安価な無機材料で置き換えることのメリットは大きい。
【0010】
また、今まで以上に発光効率を改善し、低駆動電圧で、より消費電流の少ない素子の開発が望まれている。
【0011】
このような問題を解決するために、有機材料と無機半導体材料のそれぞれのメリットを利用する方法が考えられている。すなわち、有機ホール輸送層を無機p型半導体に置き換えた有機/無機半導体接合である。このような検討は、特許第2636341号、特開平2−139893号公報、特開平2−207488号公報、特開平6−119973号公報で検討されているが、電子のブロック性がないために、発光特性や基本素子の信頼性の点で従来の有機EL素子を越える特性を得ることが不可能であった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、有機材料と無機材料の有するメリットを併せ持ち、耐熱性を有し、長寿命で、効率が改善され、動作電圧が低く、低コストな有機EL素子を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
(1) ホール注入電極と、電子注入電極と、これらの電極間に設けられる1種以上の有機層とを有し、
前記ホール注入電極と前記有機層との間に無機絶縁性ホール注入層を有し、
前記無機絶縁性ホール注入層がアモルファスであり、
前記無機絶縁性ホール注入層のESRで測定した平均スピン密度が2×10 12 spins / cm 2 以上7. 3 ×10 14 spins/cm2以下である有機EL素子。
(2) 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物を主成分とする上記(1)の有機EL素子。
(3) 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンの酸化物を主成分とし、この主成分の組成をSiO y と表したとき
1.89≦y≦1.92
である上記(1)または(2)の有機EL素子。
(4) 前記無機絶縁性ホール注入層は、ゲルマニウムの酸化物を主成分とし、この主成分の組成がGeO 1.95 である上記(1)または(2)の有機EL素子。
(5) 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンおよびゲルマニウムの酸化物を主成分とし、この主成分の組成がSi 0.5 Ge 0.5 O 1.89 である上記(1)または(2)の有機EL素子。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の有機EL素子は、ホール注入電極と、電子注入電極と、これらの電極間に設けられる1種以上の有機層とを有し、前記ホール注入電極と前記有機層との間にアモルファスの無機絶縁性ホール注入層を有する。そして、この無機絶縁性ホール注入層のESR(電子スピン共鳴)で測定した平均スピン密度が1×1015spins/cm2以下、好ましくは1×1012〜1×1015spins/cm2である。ESRは常磁性種を測定するもので、ESRで測定したスピン数は不対電子(ダングリングボンド)の数を表す。ただし、本発明では、遷移金属に由来するスピンは除く。本発明では、平均スピン密度は、ESRで測定したスピン数(遷移金属に由来するものは除く)を無機絶縁性ホール注入層の面積で割って求めた単位面積当たりの値をいう。ESRで検出できるスピン密度の下限は、常磁性種によっても異なるが、通常、1×1011spins/cm2程度である。また、本発明では、アモルファスとは、X線回折(XRD)で実質的にピークが存在しないことをいう。
【0015】
本発明では、スピン数は、主に、例えばSi−O結合等の共有結合が切断されている欠陥、つまり、共有結合が切断されて生じた非結合軌道“ダングリングボンド”が反映される。このような欠陥が存在すると、ホール注入性が向上するが、多くなりすぎると電子ブロック性がなくなり、電子バリア効果がなくなってしまうので発光特性が低下し、発光しなくなる。一方、欠陥がないと、電子ブロック性は高くなるが、ホールもブロックされてしまい、ホール注入性がなくなってしまうので電流が流れにくくなり、輝度が得られない。本発明では、欠陥の平均密度、つまり、ESRで測定した平均スピン密度を上記のような範囲に規定することで、ホール注入電極から発光層側の有機層へ効率よくホールを注入することができ、かつ、有機層からホール注入電極への電子の移動を抑制することができ、発光層でのホールと電子との再結合を効率よく行わせることができる。その結果、良好な発光特性、高輝度を得ている。また、ホール注入輸送を目的としているため、逆バイアスをかけると発光しない。特に、時分割駆動方式など、高い発光輝度が要求されるディスプレイに効果的に応用でき、無機材料の有するメリットと、有機材料の有するメリットとを併せもった有機EL素子とすることができる。本発明の有機EL素子は、従来の有機ホール注入層を有する素子と同等以上の輝度が得られ、しかも、耐熱性、耐候性が高いので従来のものよりも寿命が長く、リークやダークスポットの発生も少ない。また、比較的高価な有機物質ではなく、安価で入手しやすい無機材料を用いているので、製造が容易となり、製造コストを低減することができる。
【0016】
まず、ESR(電子スピン共鳴)によるスピン数の測定方法を説明する。ESRの測定は、実際の成膜条件と同条件でSi基板等に無機絶縁性ホール注入層を成膜して行えばよい。
【0017】
ESRの測定は、通常、Xバンド(9.4GHz)で測定する。測定温度は、通常、10K程度とする。室温ではスピン−格子緩和時間が小さすぎ、不確定性原理によって生じる吸収の広がりのために吸収として観測することが困難になってくる。磁場掃引範囲は特に限定されないが、327〜347mT(3270〜3470gauss)程度でよい。2次標準試料には、ジフェニルピクリルヒドラジル(DPPH)等公知のものを用いることができるが、通常、イオン注入したポリエチレンフィルムを用いる。標準試料は、試料と別に同条件で測定してもよいが、ダブルキャビティーを用いたり、試料と同じキャビティー内に入れたりして試料と同時に測定することが好ましい。
【0018】
ESRスペクトルは、電磁波の吸収スペクトルの凹凸を鋭敏に観測するため、通常、一次微分曲線として観測される。その吸収強度がスピン数に比例するので、ESR吸収スペクトルを2回積分して微分曲線を積分曲線に直し、標準試料との面積比から定量する。
【0019】
なお、・Si≡O3のg値は2.0005、H−・Si=O2のg値は2.0011、A値(超微細結合定数)は7.4mT(74gauss)である。
【0020】
前述の通り、ESRで測定したスピン数は不対電子の数を表す。測定される不対電子は、主に、共有結合が切断されて生じたダングリングボンドに由来するが、その他の常磁性種に由来するものもあってよい。ただし、遷移金属に由来するものは除く。また、共有結合が切断されている欠陥の数は、膜組成や膜の状態によって変化する。無機絶縁性ホール注入層の成膜条件、例えば、スパッタガスの組成等によって膜質が変化し、欠陥数も変化することがある。特に、後述するシリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物を成膜するときのスパッタガスのO2の割合によって膜質が変化し、欠陥数が少なくなる傾向がある。
【0021】
無機絶縁性ホール注入層は、アモルファスであればよいが、特にシリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物を主成分として含有するものが好ましい。この場合、主成分の平均組成を(Si1-xGex)Oyと表したとき
0≦x≦1
1.7≦y≦1.99
であることが好ましい。酸素の含有量はラザフォード後方散乱分析法(RBS)により測定すればよい。
【0022】
酸素の含有量を表すyは、上記組成範囲となっていればよく、1.7以上であって1.99以下である。yがこれより大きくても、yがこれより小さくてもホール注入能が低下し、輝度が低下してくる。また、yは好ましくは1.85以上であって1.98以下である。
【0023】
無機絶縁性ホール注入層は、酸化ケイ素でも酸化ゲルマニウムでもよく、それらの混合薄膜でもよい。これらの組成比を表すxは、0≦x≦1である。また、好ましくはxは0.4以下、より好ましくは0.3以下、特に0.2以下であることが好ましい。あるいは、xは好ましくは0.6以上、より好ましくは0.7以上、特に0.8以上であってもよい。
【0024】
また、無機絶縁性ホール注入層が、シリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物を主成分とし、さらに、C、B、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru、Sn、WおよびAuのいずれか1種以上を含有することも好ましい。この場合は、主成分のシリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物の酸素量、C、B、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru、Sn、WおよびAuの添加量は、前述のスピン密度になるように規定すればよい。なお、この場合、主成分のシリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物の酸素量は、前述したC等を添加しない酸化物を用いる場合の範囲に限定されない。また、スピン密度が前記の範囲になるのであれば他の金属等を添加してもよい。
【0025】
ホール注入層には、他に、不純物として、H、Nやスパッタガスに用いるNe、Ar、Kr、Xe等を合計5at%以下含有していてもよい。
【0026】
なお、ホール注入層全体の平均値としてこのような組成であれば、均一でなくてもよく、膜厚方向に濃度勾配を有する構造としてもよい。この場合は、有機層(発光層)界面側が酸素プアであることが好ましい。
【0027】
無機絶縁性ホール注入層の膜厚としては、特に制限はないが、0.3〜10nm、特に0.5〜2nmであることが好ましい。ホール注入層がこれより薄くても厚くても、ホール注入を十分には行えなくなってきて輝度が低下してくる。
【0028】
無機絶縁性ホール注入層の製造方法としては、スパッタ法、EB蒸着法などの各種の物理的または化学的な薄膜形成方法などが考えられるが、スパッタ法が好ましい。
【0029】
無機絶縁性ホール注入層をスパッタ法で形成する場合、スパッタ時のスパッタガスの圧力は、0.5〜5Pa、特に0.1〜1Paの範囲が好ましい。また、成膜中にスパッタガスの圧力を、前記範囲内で変化させることにより、濃度勾配を有する無機絶縁性ホール注入層を容易に得ることができる。スパッタガスは、通常のスパッタ装置に使用される不活性ガスが使用できる。中でも、Ar、Kr、Xeのいずれか、あるいは、これらの少なくとも1種以上のガスを含む混合ガスを用いることが好ましい。スパッタ時の雰囲気としては、上記スパッタガスに加えO2 を1〜99%程度混合して反応性スパッタを行ってもよい。また、炭化物を形成する場合、反応性ガスとしてCH4 、C2 H2 、C2 H4 、CO等が挙げられ、これらの反応性ガスは単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。ターゲットとしては上記酸化物を用い、1元または多元スパッタとすればよい。
【0030】
スパッタ法としては、RF電源を用いた高周波スパッタ法を用いても、DCスパッタ法を用いてもよいが、RFスパッタ法が好ましい。スパッタ装置の電力としては、好ましくはRFスパッタで0.1〜10W/cm2 の範囲が好ましく、成膜レートは0.5〜10nm/min 、特に1〜5nm/min の範囲が好ましい。成膜時の基板温度としては、室温(25℃)〜150℃程度である。
【0031】
本発明の有機EL素子は、例えば図1に示すように、基板1/ホール注入電極2/無機絶縁性ホール注入層4/発光層5/電子注入電極3とが順次積層された構成とするとよい。また、例えば図2に示すように、基板1/電子注入電極3/発光層5/無機絶縁性ホール注入層4/ホール注入電極2と、通常の積層構成とは逆に積層された構成とすることもできる。逆積層とすることにより、基板と反対側からの光取り出しが容易になる。なお、この場合、無機絶縁性ホール注入層を積層する際、有機層等がアッシングされ、ダメージを受ける恐れがあるので、最初に酸素を加えることなく薄く積層し、さらに酸素を加えて厚く積層してもよい。この場合、酸素を加えないときの膜厚は全体の1/5〜1/2程度とする。図1、2において、ホール注入電極2と電子注入電極3の間には、駆動電源Eが接続されている。なお、上記発光層5は、広義の発光層を表し、ホール注入輸送層、狭義の発光層、ホール輸送層等を含む。
【0032】
また、上記発明の素子は、電極層/無機物層(無機ホール注入層)および発光層/電極層/無機物層および発光層/電極層/無機物層および発光層/電極層・・・と多段に重ねてもよい。このような素子構造により、発光色の色調調整や多色化を行うことができる。
【0033】
ホール注入電極材料は、ホール注入層へホールを効率よく注入することのできるものが好ましく、具体的には、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム(IZO)、酸化インジウム(In2O3 )、酸化スズ(SnO2 )および酸化亜鉛(ZnO)のいずれかを主組成としたものが好ましい。これらの酸化物はその化学量論組成から多少偏倚していてもよい。ITOでのIn2 O3 に対するSnO2 の混合比は、1〜20wt%、さらには5〜12wt%が好ましい。また、IZOでのIn2 O3 に対するZnOの混合比は、通常、12〜32wt%程度である。ホール注入電極は、酸化シリコン(SiO2 )を含有していてもよい。酸化シリコン(SiO2 )の含有量は、ITOに対するSiO2 の mol比で0.5〜10%程度が好ましい。
【0034】
光を取り出す側の電極は、発光波長帯域、通常400〜700nm、特に各発光光に対する光透過率が50%以上、より好ましくは60%以上、特に80%以上、さらには90%以上であることが好ましい。透過率が低くなると、発光層からの発光自体が減衰され、発光素子として必要な輝度を得難くなってくる。なお、コントラスト比を向上させたりして視認性を向上させる目的等のため、比較的低い透過率とする場合もある。
【0035】
電極の厚さは、50〜500nm、特に50〜300nmの範囲が好ましい。また、その上限は特に制限はないが、あまり厚いと透過率の低下や剥離などの心配が生じる。厚さが薄すぎると、十分な効果が得られず、製造時の膜強度等の点でも問題がある。
【0036】
電子注入電極材料は、低仕事関数の物質が好ましく、例えば、K、Li、Na、Mg、La、Ce、Ca、Sr、Ba、Al、Ag、In、Sn、Zn、Zr等の金属元素単体、または安定性を向上させるためにそれらを含む2成分、3成分の合金系を用いることが好ましい。合金系としては、例えばAg・Mg(Ag:0.1〜50at%)、Al・Li(Li:0.01〜14at%、特に0.01〜12at%)、In・Mg(Mg:50〜80at%)、Al・Ca(Ca:0.01〜20at%)等が挙げられる。電子注入電極層にはこれらの材料からなる薄膜、それらの2種類以上の多層薄膜が用いられる。
【0037】
電子注入電極薄膜の厚さは、電子注入を十分行える一定以上の厚さとすれば良く、0.1nm以上、好ましくは0.5nm以上、特に好ましくは1nm以上とすればよい。また、その上限値には特に制限はないが、通常膜厚は1〜500nm程度とすればよい。電子注入電極の上には、さらに補助電極(保護電極)を設けてもよい。
【0038】
補助電極の厚さは、電子注入効率を確保し、水分や酸素あるいは有機溶媒の進入を防止するため、一定以上の厚さとすればよく、好ましくは50nm以上、さらには100nm以上、特に100〜500nmの範囲が好ましい。補助電極層が薄すぎると、その効果が得られず、また、補助電極層の段差被覆性が低くなってしまい、端子電極との接続が十分ではなくなる。一方、補助電極層が厚すぎると、補助電極層の応力が大きくなるため、ダークスポットの成長速度が速くなってしまう。
【0039】
補助電極は、組み合わせる電子注入電極の材質により最適な材質を選択して用いればよい。例えば、電子注入効率を確保することを重視するのであればAl等の低抵抗の金属を用いればよく、封止性を重視する場合には、TiN等の金属化合物を用いてもよい。
【0040】
電子注入電極と補助電極とを併せた全体の厚さとしては、特に制限はないが、通常50〜500nm程度とすればよい。
【0041】
発光層は、少なくとも発光機能に関与する1種類、または2種類以上の有機化合物薄膜の積層膜からなる。
【0042】
発光層は、ホール(正孔)および電子の注入機能、それらの輸送機能、ホールと電子の再結合により励起子を生成させる機能を有する。発光層には、比較的電子的にニュートラルな化合物を用いることで、電子とホールを容易かつバランスよく注入・輸送することができる。
【0043】
発光層は、必要により、狭義の発光層の他、さらに有機材料のホール輸送層を設けたり、電子注入輸送層等を有していても良い。
【0044】
必要により設けられるホール輸送層は、無機ホール注入層からのホールの注入を容易にする機能、ホールを安定に輸送する機能および電子を妨げる機能を有するものであり、電子注入輸送層は、電子注入電極からの電子の注入を容易にする機能、電子を安定に輸送する機能およびホールを妨げる機能を有するものである。これらの層は、発光層に注入されるホールや電子を増大・閉じこめさせ、再結合領域を最適化させ、発光効率を改善する。
【0045】
発光層の厚さ、ホール輸送層の厚さおよび電子注入輸送層の厚さは、特に制限されるものではなく、形成方法によっても異なるが、通常5〜500nm程度、特に10〜300nmとすることが好ましい。
【0046】
ホール輸送層の厚さおよび電子注入輸送層の厚さは、再結合・発光領域の設計によるが、発光層の厚さと同程度または1/10〜10倍程度とすればよい。電子の注入層と輸送層とを分ける場合は、注入層は1nm以上、輸送層は1nm以上とするのが好ましい。このときの注入層、輸送層の厚さの上限は、通常、注入層で500nm程度、輸送層で500nm程度である。このような膜厚については、注入輸送層を2層設けるときも同じである。
【0047】
有機EL素子の発光層には、発光機能を有する化合物である蛍光性物質を含有させる。このような蛍光性物質としては、例えば、特開昭63−264692号公報に開示されているような化合物、例えばキナクリドン、ルブレン、スチリル系色素等の化合物から選択される少なくとも1種が挙げられる。また、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム等の8−キノリノールまたはその誘導体を配位子とする金属錯体色素などのキノリン誘導体、テトラフェニルブタジエン、アントラセン、ペリレン、コロネン、12−フタロペリノン誘導体等が挙げられる。さらには、特開平8−12600号公報(特願平6−110569号)に記載のフェニルアントラセン誘導体、特開平8−12969号公報(特願平6−114456号)に記載のテトラアリールエテン誘導体等を用いることができる。
【0048】
また、それ自体で発光が可能なホスト物質と組み合わせて使用することが好ましく、ドーパントとしての使用が好ましい。このような場合の発光層における化合物の含有量は0.01〜10wt% 、さらには0.1〜5wt% であることが好ましい。ホスト物質と組み合わせて使用することによって、ホスト物質の発光波長特性を変化させることができ、長波長に移行した発光が可能になるとともに、素子の発光効率や安定性が向上する。
【0049】
ホスト物質としては、キノリノラト錯体が好ましく、さらには8−キノリノールまたはその誘導体を配位子とするアルミニウム錯体が好ましい。このようなアルミニウム錯体としては、特開昭63−264692号、特開平3−255190号、特開平5−70733号、特開平5−258859号、特開平6−215874号等に開示されているものを挙げることができる。
【0050】
具体的には、まず、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム、ビス(8−キノリノラト)マグネシウム、ビス(ベンゾ{f}−8−キノリノラト)亜鉛、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウムオキシド、トリス(8−キノリノラト)インジウム、トリス(5−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム、8−キノリノラトリチウム、トリス(5−クロロ−8−キノリノラト)ガリウム、ビス(5−クロロ−8−キノリノラト)カルシウム、5,7−ジクロル−8−キノリノラトアルミニウム、トリス(5,7−ジブロモ−8−ヒドロキシキノリノラト)アルミニウム、ポリ[亜鉛(II)−ビス(8−ヒドロキシ−5−キノリニル)メタン]等がある。
【0051】
また、8−キノリノールまたはその誘導体のほかに他の配位子を有するアルミニウム錯体であってもよく、このようなものとしては、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(フェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(オルト−クレゾラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(メタークレゾラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(パラ−クレゾラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(オルト−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(メタ−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(パラ−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,3−ジメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,6−ジメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(3,4−ジメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(3,5−ジメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(3,5−ジ−tert−ブチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,6−ジフェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,4,6−トリフェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,3,6−トリメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2,3,5,6−テトラメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(1−ナフトラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)(2−ナフトラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)(オルト−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)(パラ−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)(メタ−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)(3,5−ジメチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)(3,5−ジ−tert−ブチルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−4−エチル−8−キノリノラト)(パラ−クレゾラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−4−メトキシ−8−キノリノラト)(パラ−フェニルフェノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−5−シアノ−8−キノリノラト)(オルト−クレゾラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−6−トリフルオロメチル−8−キノリノラト)(2−ナフトラト)アルミニウム(III) 等がある。
【0052】
このほか、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(2,4−ジメチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) 、ビス(4−エチル−2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(4−エチル−2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−4−メトキシキノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(2−メチル−4−メトキシキノリノラト)アルミニウム(III) 、ビス(5−シアノ−2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(5−シアノ−2−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) 、ビス(2−メチル−5−トリフルオロメチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) −μ−オキソ−ビス(2−メチル−5−トリフルオロメチル−8−キノリノラト)アルミニウム(III) 等であってもよい。
【0053】
このほかのホスト物質としては、特開平8−12600号公報(特願平6−110569号)に記載のフェニルアントラセン誘導体や特開平8−12969号公報(特願平6−114456号)に記載のテトラアリールエテン誘導体なども好ましい。
【0054】
発光層は電子注入輸送層を兼ねたものであってもよく、このような場合はトリス(8−キノリノラト)アルミニウム等を使用することが好ましい。これらの蛍光性物質を蒸着すればよい。
【0055】
また、発光層は、必要に応じて、少なくとも1種のホール注入輸送性化合物と少なくとも1種の電子注入輸送性化合物との混合層とすることも好ましく、さらにはこの混合層中にドーパントを含有させることが好ましい。このような混合層における化合物の含有量は、0.01〜20wt% 、さらには0.1〜15wt% とすることが好ましい。
【0056】
混合層では、キャリアのホッピング伝導パスができるため、各キャリアは極性的に有利な物質中を移動し、逆の極性のキャリア注入は起こりにくくなるため、有機化合物がダメージを受けにくくなり、素子寿命がのびるという利点がある。また、前述のドーパントをこのような混合層に含有させることにより、混合層自体のもつ発光波長特性を変化させることができ、発光波長を長波長に移行させることができるとともに、発光強度を高め、素子の安定性を向上させることもできる。
【0057】
混合層に用いられるホール注入輸送性化合物および電子注入輸送性化合物は、各々、後述のホール輸送層用の化合物および電子注入輸送層用の化合物の中から選択すればよい。なかでも、ホール輸送層用の化合物としては、強い蛍光を持ったアミン誘導体、例えばホール輸送材料であるトリフェニルジアミン誘導体、さらにはスチリルアミン誘導体、芳香族縮合環を持つアミン誘導体を用いるのが好ましい。
【0058】
電子注入輸送性の化合物としては、キノリン誘導体、さらには8−キノリノールないしその誘導体を配位子とする金属錯体、特にトリス(8−キノリノラト)アルミニウム(Alq3 )を用いることが好ましい。また、上記のフェニルアントラセン誘導体、テトラアリールエテン誘導体を用いるのも好ましい。
【0059】
ホール輸送層用の化合物としては、強い蛍光を持ったアミン誘導体、例えば上記のホール輸送材料であるトリフェニルジアミン誘導体、さらにはスチリルアミン誘導体、芳香族縮合環を持つアミン誘導体を用いるのが好ましい。
【0060】
この場合の混合比は、それぞれのキャリア移動度とキャリア濃度によるが、一般的には、ホール注入輸送性化合物の化合物/電子注入輸送機能を有する化合物の重量比が、1/99〜99/1、さらに好ましくは10/90〜90/10、特に好ましくは20/80〜80/20程度となるようにすることが好ましい。
【0061】
また、混合層の厚さは、分子層一層に相当する厚み以上で、有機化合物層の膜厚未満とすることが好ましい。具体的には1〜85nmとすることが好ましく、さらには5〜60nm、特には5〜50nmとすることが好ましい。
【0062】
また、混合層の形成方法としては、異なる蒸着源より蒸発させる共蒸着が好ましいが、蒸気圧(蒸発温度)が同程度あるいは非常に近い場合には、予め同じ蒸着ボード内で混合させておき、蒸着することもできる。混合層は化合物同士が均一に混合している方が好ましいが、場合によっては、化合物が島状に存在するものであってもよい。発光層は、一般的には、有機蛍光物質を蒸着するか、あるいは、樹脂バインダー中に分散させてコーティングすることにより、発光層を所定の厚さに形成する。
【0063】
また、ホール輸送層には、例えば、特開昭63−295695号公報、特開平2−191694号公報、特開平3−792号公報、特開平5−234681号公報、特開平5−239455号公報、特開平5−299174号公報、特開平7−126225号公報、特開平7−126226号公報、特開平8−100172号公報、EP0650955A1等に記載されている各種有機化合物を用いることができる。例えば、テトラアリールベンジシン化合物(トリアリールジアミンないしトリフェニルジアミン:TPD)、芳香族三級アミン、ヒドラゾン誘導体、カルバゾール誘導体、トリアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、アミノ基を有するオキサジアゾール誘導体、ポリチオフェン等である。これらの化合物は、1種のみを用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用するときは、別層にして積層したり、混合したりすればよい。
【0064】
必要に応じて設けられる電子注入輸送層には、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(Alq3 )等の8−キノリノールまたはその誘導体を配位子とする有機金属錯体などのキノリン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ペリレン誘導体、ピリジン誘導体、ピリミジン誘導体、キノキサリン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、ニトロ置換フルオレン誘導体等を用いることができる。電子注入輸送層は発光層を兼ねたものであってもよく、このような場合はトリス(8−キノリノラト)アルミニウム等を使用することが好ましい。電子注入輸送層の形成は、発光層と同様に、蒸着等によればよい。
【0065】
電子注入輸送層を電子注入層と電子輸送層とに分けて積層する場合には、電子注入輸送層用の化合物の中から好ましい組み合わせを選択して用いることができる。このとき、電子注入電極側から電子親和力の値の大きい化合物の順に積層することが好ましい。このような積層順については、電子注入輸送層を2層以上設けるときも同様である。
【0066】
ホール輸送層、発光層および電子注入輸送層の形成には、均質な薄膜が形成できることから、真空蒸着法を用いることが好ましい。真空蒸着法を用いた場合、アモルファス状態または結晶粒径が0.2μm 以下の均質な薄膜が得られる。結晶粒径が0.2μm を超えていると、不均一な発光となり、素子の駆動電圧を高くしなければならなくなり、ホールの注入効率も著しく低下する。
【0067】
真空蒸着の条件は特に限定されないが、10-4Pa以下の真空度とし、蒸着速度は0.01〜1nm/sec 程度とすることが好ましい。また、真空中で連続して各層を形成することが好ましい。真空中で連続して形成すれば、各層の界面に不純物が吸着することを防げるため、高特性が得られる。また、素子の駆動電圧を低くしたり、ダークスポットの発生・成長を抑制したりすることができる。
【0068】
これら各層の形成に真空蒸着法を用いる場合において、1層に複数の化合物を含有させる場合、化合物を入れた各ボートを個別に温度制御して共蒸着することが好ましい。
【0069】
さらに、素子の有機層や電極の酸化を防ぐために、素子を封止板等により封止することが好ましい。封止板は、湿気の侵入を防ぐために、接着性樹脂層を用いて、基板に接着し、密封する。封止ガスは、Ar、He、N2 等の不活性ガス等が好ましい。また、この封止ガスの水分含有量は、100ppm 以下、より好ましくは10ppm 以下、特に1ppm 以下であることが好ましい。この水分含有量に下限値は特にないが、通常0.1ppm 程度である。
【0070】
封止板の材料としては、好ましくは平板状であって、ガラスや石英、樹脂等の透明ないし半透明材料が挙げられるが、特にガラスが好ましい。このようなガラス材として、コストの面からアルカリガラスが好ましいが、この他、ソーダ石灰ガラス、鉛アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、シリカガラス等のガラス組成のものも好ましい。特に、ソーダガラスで、表面処理の無いガラス材が安価に使用でき、好ましい。封止板としては、ガラス板以外にも、金属板、プラスチック板等を用いることもできる。
【0071】
封止板は、スペーサーを用いて高さを調整し、所望の高さに保持してもよい。スペーサーの材料としては、樹脂ビーズ、シリカビーズ、ガラスビーズ、ガラスファイバー等が挙げられ、特にガラスビーズ等が好ましい。スペーサーは、通常、粒径の揃った粒状物であるが、その形状は特に限定されるものではなく、スペーサーとしての機能に支障のないものであれば種々の形状であってもよい。その大きさとしては、円換算の直径が1〜20μm 、より好ましくは1〜10μm 、特に2〜8μm が好ましい。このような直径のものは、粒長100μm 以下程度であることが好ましく、その下限は特に規制されるものではないが、通常直径と同程度以上である。
【0072】
なお、封止板に凹部を形成した場合には、スペーサーは使用しても、使用しなくてもよい。使用する場合の好ましい大きさとしては、前記範囲でよいが、特に2〜8μm の範囲が好ましい。
【0073】
スペーサーは、予め封止用接着剤中に混入されていても、接着時に混入してもよい。封止用接着剤中におけるスペーサーの含有量は、好ましくは0.01〜30wt%、より好ましくは0.1〜5wt%である。
【0074】
接着剤としては、安定した接着強度が保て、気密性が良好なものであれば特に限定されるものではないが、カチオン硬化タイプの紫外線硬化型エポキシ樹脂接着剤を用いることが好ましい。
【0075】
本発明において、有機EL構造体を形成する基板としては、例えばガラス、石英等の非晶質基板、例えばSi、GaAs、ZnSe、ZnS、GaP、InP等の結晶基板が挙げられ、また、これらの結晶基板に結晶質、非晶質あるいは金属のバッファ層を形成した基板も用いることができる。また、金属基板としては、Mo、Al、Pt、Ir、Au、Pd等を用いることができ、好ましくはガラス基板が用いられる。基板は、通常光取り出し側となるため、上記電極と同様な光透過性を有することが好ましい。
【0076】
さらに、本発明素子を、平面上に多数並べてもよい。平面上に並べられたそれぞれの素子の発光色を変えて、カラーのディスプレーにすることができる。
【0077】
基板に色フィルター膜や蛍光性物質を含む色変換膜、あるいは誘電体反射膜を用いて発光色をコントロールしてもよい。
【0078】
色フィルター膜には、液晶ディスプレイ等で用いられているカラーフィルターを用いれば良いが、有機EL素子の発光する光に合わせてカラーフィルターの特性を調整し、取り出し効率・色純度を最適化すればよい。
【0079】
また、EL素子材料や蛍光変換層が光吸収するような短波長の外光をカットできるカラーフィルターを用いれば、素子の耐光性・表示のコントラストも向上する。
【0080】
また、誘電体多層膜のような光学薄膜を用いてカラーフィルターの代わりにしても良い。
【0081】
蛍光変換フィルター膜は、EL発光の光を吸収し、蛍光変換膜中の蛍光体から光を放出させることで、発光色の色変換を行うものであるが、組成としては、バインダー、蛍光材料、光吸収材料の三つから形成される。
【0082】
蛍光材料は、基本的には蛍光量子収率が高いものを用いれば良く、EL発光波長域に吸収が強いことが望ましい。実際には、レーザー色素などが適しており、ローダミン系化合物・ペリレン系化合物・シアニン系化合物・フタロシアニン系化合物(サブフタロシアニン等も含む)ナフタロイミド系化合物・縮合環炭化水素系化合物・縮合複素環系化合物・スチリル系化合物・クマリン系化合物等を用いればよい。
【0083】
バインダーは、基本的に蛍光を消光しないような材料を選べば良く、フォトリソグラフィー・印刷等で微細なパターニングが出来るようなものが好ましい。また、基板上にホール注入電極と接する状態で形成される場合、ホール注入電極(ITO、IZO)の成膜時にダメージを受けないような材料が好ましい。
【0084】
光吸収材料は、蛍光材料の光吸収が足りない場合に用いるが、必要のない場合は用いなくても良い。また、光吸収材料は、蛍光性材料の蛍光を消光しないような材料を選べば良い。
【0085】
本発明の有機EL素子は、通常、直流駆動型、パルス駆動型のEL素子として用いられるが、交流駆動とすることもできる。印加電圧は、通常、2〜30V 程度とされる。
【0086】
【実施例】
次に、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。
<実施例1>
ガラス基板としてコーニング社製商品名7059基板を中性洗剤を用いてスクラブ洗浄した。
【0087】
この基板上にITO酸化物ターゲットを用いRFマグネトロンスパッタリング法により、基板温度250℃で、膜厚200nmのITOホール注入電極層を形成した。
【0088】
ITO電極層等が形成された基板の表面をUV/O3 洗浄した後、真空蒸着装置の基板ホルダーに固定して、槽内を1×10-4Pa以下まで減圧した。
【0089】
次いで、ターゲットにSiO2 を用い、無機絶縁性ホール注入層を2nmの膜厚に成膜した。このときのスパッタガスはAr100%を用いた、基板温度25℃、成膜レート1nm/min 、動作圧力0.5Pa、投入電力5W/cm2 とした。成膜したホール注入層の組成は、SiO1.89であった。
【0090】
この無機絶縁性ホール注入層表面のスピン数をESRで測定した。ESRの測定には、BRUKER社製ESP350Eを用い、Xバンドで測定した。測定温度は10Kとした。2次標準試料にはイオン注入したポリエチレンフィルムを用いた。測定したスピン数から平均スピン密度を求めたところ、7.3×1014spins/cm2であった。
【0091】
さらに、減圧を保ったまま、N,N,N’,N’−テトラキス(m−ビフェニル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(TPD)と、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(Alq3 )と、ルブレンとを、全体の蒸着速度0.2nm/secとして100nmの厚さに蒸着し、発光層とした。TPD:Alq3 =1:1(重量比)、この混合物に対してルブレンを10体積%ドープした。
【0092】
次いで、減圧を保ったまま、AlLi(Li:7at%)を1nmの厚さに蒸着し、続けてAlを200nmの厚さに蒸着し、電子注入電極および補助電極とし、最後にガラス封止して有機EL素子を得た。
【0093】
得られた有機EL素子に空気中で、電界を印加したところ、ダイオード特性を示し、ITO側をプラス、AlLi側をマイナスにバイアスした場合、電流は、電圧の増加とともに増加し、通常の室内ではっきりとした発光が観察された。また、繰り返し発光動作をさせても、輝度の低下はみられなかった。
【0094】
次に、加速試験として、室温(25℃)下、100mA/cm2 の一定電流密度で発光輝度、寿命特性を調べた。この有機EL素子の初期の輝度は5300cd/m2 であり、200時間駆動した後でも初期輝度の60%以上を保っていた。また、この有機EL素子は、リークの発生も、ダークスポットの発生も見られなかった。
【0095】
<実施例2>
実施例1において、スパッタガスにはArに対しO2 を2%混入して用い、無機絶縁性ホール注入層を成膜した他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製し、評価した。
【0096】
この無機絶縁性ホール注入層の組成はSiO1.91であり、平均スピン密度は2.2×1013spins/cm2であった。
【0097】
この有機EL素子の初期の輝度は実施例1と同等であり、100mA/cm2 の一定電流密度で200時間駆動した後でも初期輝度の60%以上を保っていた。また、この有機EL素子は、リークの発生も、ダークスポットの発生も見られなかった。
【0098】
<実施例3>
実施例1において、スパッタガスにはArに対しO2 を10%混入して用い、無機絶縁性ホール注入層を成膜した他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製し、評価した。
【0099】
この無機絶縁性ホール注入層の組成はSiO1.92であり、平均スピン密度は2×1012spins/cm2であった。
【0100】
この有機EL素子の初期の輝度は実施例1と同等であり、100mA/cm2 の一定電流密度で200時間駆動した後でも初期輝度の60%以上を保っていた。また、この有機EL素子は、リークの発生も、ダークスポットの発生も見られなかった。
【0101】
実施例1〜3で測定したESRシグナルのg値、A値とその帰属とそれぞれのスピン密度を表1に示す。実施例2、3で見られた3310,3430gauss(331,343mT)付近に観測されたシグナルはNO2と思われる、窒素が関与した常磁性中心に起因すると考えられる。このNは成膜時に混入したものと思われる。
【0102】
【表1】
【0103】
<実施例4>
実施例1において、無機絶縁性ホール注入層を成膜する際に、ターゲットの組成をGeO2 とした他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製し、評価した。
【0104】
この無機絶縁性ホール注入層の組成はGeO1.95であり、平均スピン密度は7.3×1014spins/cm2であった。
【0105】
この有機EL素子の初期の輝度は実施例1と同等であり、100mA/cm2 の一定電流密度で200時間駆動した後でも初期輝度の60%以上を保っていた。また、この有機EL素子は、リークの発生も、ダークスポットの発生も見られなかった。
【0106】
<実施例5>
実施例1において、無機絶縁性ホール注入層を成膜する際に、ターゲットの組成をSi0.5Ge0.5O2 とした他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製し、評価した。
【0107】
この無機絶縁性ホール注入層の組成はSi0.5Ge0.5O1.89であり、平均スピン密度は7.3×1014spins/cm2であった。
【0108】
この有機EL素子の初期の輝度は実施例1と同等であり、100mA/cm2 の一定電流密度で200時間駆動した後でも初期輝度の60%以上を保っていた。また、この有機EL素子は、リークの発生も、ダークスポットの発生も見られなかった。
【0109】
<比較例1>
実施例1において、無機絶縁性ホール注入層を成膜する際に、ターゲットの組成をSiO1.8 とし、スパッタガスをAr100%とした他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製し、評価した。
【0110】
この無機絶縁性ホール注入層の組成はSiO1.65であり、平均スピン密度は5×1015spins/cm2であった。
【0111】
この有機EL素子を、100mA/cm2 の一定電流密度で駆動したところ、50時間以内に初期輝度の半分以下に低下してしまった。
【0112】
<比較例2>
実施例1において、無機絶縁性ホール注入層を成膜する際に、ターゲットの組成をSiO2.1 とし、スパッタガスのO2 流量を変えて、その組成をSiO2.1 とした他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製した。この無機絶縁性ホール注入層はESR測定してもシグナルは検出されなかった。
【0113】
この有機EL素子を、100mA/cm2 の一定電流密度で駆動したところ、500cd/m2 の輝度しか得られず、実用性がないことがわかった。
【0114】
<比較例3>
実施例1において、無機絶縁性ホール注入層に代えて、N,N,N’,N’−テトラキス(m−ビフェニル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(TPD)を蒸着速度0.1nm/secで20nmの厚さに蒸着してホール輸送層とした他は実施例1と同様にして有機EL素子を作製した。
【0115】
この有機EL素子を、100mA/cm2 の一定電流密度で駆動したところ、TPDの結晶化現象により、100時間以内に初期輝度の半分以下に低下してしまった。
【0116】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、有機材料と無機材料の有するメリットを併せ持ち、耐熱性を有し、長寿命で、効率が改善され、動作電圧が低く、低コストな有機EL素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の有機EL素子の構成例を示した概略断面図である。
【図2】本発明の有機EL素子の他の構成例を示した概略断面図である。
【図3】ホール輸送層を有する2層構造の有機EL素子の概略断面図である。
【図4】ホール輸送層と電子輸送層とを有する3層構造の有機EL素子の概略断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 ホール注入電極
3 電子注入電極
4 無機絶縁性ホール注入層
5 発光層
11 基板
12 ホール注入電極
13 電子注入電極
14 ホール輸送層
15 発光層
16 電子輸送層
E 駆動電源
Claims (5)
- ホール注入電極と、電子注入電極と、これらの電極間に設けられる1種以上の有機層とを有し、
前記ホール注入電極と前記有機層との間に無機絶縁性ホール注入層を有し、
前記無機絶縁性ホール注入層がアモルファスであり、
前記無機絶縁性ホール注入層のESRで測定した平均スピン密度が2×10 12 spins / cm 2 以上7. 3 ×10 14 spins/cm2以下である有機EL素子。 - 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンおよび/またはゲルマニウムの酸化物を主成分とする請求項1の有機EL素子。
- 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンの酸化物を主成分とし、この主成分の組成をSiO y と表したとき
1.89≦y≦1.92
である請求項1または2の有機EL素子。 - 前記無機絶縁性ホール注入層は、ゲルマニウムの酸化物を主成分とし、この主成分の組成がGeO 1.95 である請求項1または2の有機EL素子。
- 前記無機絶縁性ホール注入層は、シリコンおよびゲルマニウムの酸化物を主成分とし、この主成分の組成がSi 0.5 Ge 0.5 O 1.89 である請求項1または2の有機EL素子。
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