JP4684594B2 - 有機ｅｌ素子 - Google Patents

Description

本発明は、有機ＥＬ素子に関し、特に有機ＥＬ素子の光効率および安定性を高める陽極に関する。

有機ＥＬ素子(Organic Electroluminescence device)は、電子注入電極と、正孔注入電極との間に形成された有機膜に電荷を注入すると、電子と正孔とが対を成した後、消滅しながら光を発する素子である。
有機ＥＬ素子は、低電圧で駆動が可能であり、電力消耗が少ないことを特徴とする次世代ディスプレイ素子である。

一方、有機ＥＬ素子は、その発光方式により、基板側に光を発する下部発光(bottom-emission)方式と、その基板の反対面に光を発する上部発光(Top-emission)方式とがある。
その中で、上部発光方式の有機ＥＬ素子は、基板上部に正孔が注入されて、発光された光の反射膜の機能を有する陽極と、１層以上の有機物からなる有機層、電子が注入されて発光された光を透過させる陰極とで構成される。

有機ＥＬ素子の構成要素の中で、陽極は高い仕事関数、高反射率、低抵抗、低い表面照度、基板との優れた接合性、容易なエッチング性、および耐環境性などの条件が要求される。
一般的に、ＣＤ、ＤＶＤなどの光学記録媒体に用いられている反射膜や、反射型ＳＴＮ液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置などでよく用いられる光反射性導電膜としてＡｌやＡｌ合金が用いられている。

ここで、ＡｌやＡｌ合金の薄膜は、良好な反射率(８０〜９０％)を有し、電気抵抗が低いという特性がある。また、その表面に緻密なＡｌ₂Ｏ₃膜を形成するため、空気中でも安定的な耐食性を有する。

それゆえ、ＡｌやＡｌ合金を上部発光方式の有機ＥＬ素子の陽極として適用しようとする試みがあった。しかし、その適用の結果、有機ＥＬ素子の仕事関数が低いため、Ｉ−Ｖ特性と光効率とが劣るという問題があった。
そして、現在まで上部発光方式の有機ＥＬ素子において、陽極物質として用いることができると判断される物質としては、仕事関数が高いＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｇなどの単元素および元素のうちいずれか二つ以上の元素が添加された合金がある。

しかし、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの物質は、仕事関数は高いが、反射率が低いという短所を有する。そして、Ａｇ単元素およびその合金は、仕事関数および反射率が高いが、耐環境性および耐食性が劣るという短所がある。

本発明は、上記の問題点を解決する有機ＥＬ素子を提供することを目的としており、さらに、本発明に係る上部発光方式の有機ＥＬ素子は、反射率および仕事関数が高いと同時に、耐環境性および耐食性に優れた陽極を構成することにより、光効率および安定性を高めることにその目的がある。

上記目的を達成するために、本発明は、陽極と陰極との間に有機層を有する上部発光方式の有機ＥＬ素子において、前記有機ＥＬ素子の陽極は、前記有機層から発光した光が反射される反射膜と、前記反射膜の上部に形成され、正孔が注入される正孔注入用薄膜とで構成されることを特徴とする。

前記反射膜は、Ａｌからなることを特徴とする。

前記反射膜は、ＡｌにＮｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ元素を添加した合金のうちいずれか一つからなることを特徴とする。

前記Ａｌに添加される前記元素は、Ａｌに対して５原子パーセント(at.%)以内であることを特徴とする。

前記正孔注入用薄膜は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕのうちいずれか一つ、または少なくとも二つ以上からなる合金で構成されることを特徴とする。

前記正孔注入用薄膜は、１〜１０ｎｍの厚さを有することを特徴とする。

前記反射膜と正孔注入用薄膜は、抵抗加熱法、スパッタリング、Ｅ−ビーム法のうちいずれか一つの方法を用いて蒸着されることを特徴とする。

本発明の有機ＥＬ素子は、陽極２を正孔注入用薄膜と反射膜９との複層で構成することにより、次のような効果が得られる。
第一に、従来有機ＥＬ素子よりも陽極の反射率が１５〜２０％程度向上し、その結果、有機ＥＬ素子の駆動電流を減少させることができる。
第二に、正孔注入用薄膜として耐環境性に優れ、かつ仕事関数が大きい金属を用いることにより、光効率が向上し、長寿命の有機ＥＬ素子を作ることができる。

以下、本発明に係る有機ＥＬ素子の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る上部発光方式の有機ＥＬ素子の構造を示す図である。

図示したように、本発明に係る有機ＥＬ素子において、基板１の上部に形成される陽極２は、反射膜９と正孔注入用薄膜１０とが順番に蒸着された複数の層で構成されている。
陽極２は、正孔を注入し、有機発光層(Organic emitting layer)５から発光された光を反射する役割をする。

その中で、反射膜９が発光した光を反射するためには、その使用される物質が可視光領域の全体で、反射率を有しなければならない。現在まで、可視光領域である４００〜７００ｎｍの波長帯で８０％以上の反射率を示す単原子金属薄膜としては、ＡｌとＡｇが存在するだけである。
Ａｕ薄膜の場合、５００〜５５０ｎｍ程度の領域で反射率が急激に低下して、４７０ｎｍで４０％程度の反射率を示す。

よって、反射膜９として使用可能な金属は、ＡｌとＡｇの二つであり、本発明に係る有機ＥＬ素子は、Ａｌ、またはＡｌにＮｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ元素のうちいずれか一つを５原子パーセント以内に添加した合金を用いる。

そして、正孔注入用薄膜１０としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕのうちいずれか一つ、または二つ以上が含まれた合金を用いる。その理由は、物質等は耐環境性に優れ、かつ仕事関数が大きい金属であるためである。

また、正孔注入用薄膜１０の厚さは、１〜１０ｎｍ程度に形成する。正孔注入用薄膜１０の厚さを１０ｎｍより厚く形成すると、正孔注入用薄膜１０が光を吸収するため、その下に形成された反射膜９の効果が減少して光効率が減少する。
これと反対に、正孔注入用薄膜１０が１ｎｍより薄く形成されると、その下に形成された反射膜９を構成するＡｌ薄膜又はＡｌ合金薄膜の低い仕事関数のため、Ｉ−Ｖ特性が低下する。
ここで、反射膜９と正孔注入用薄膜１０は、抵抗加熱法、スパッタリング、Ｅ−ビーム法などを用いて蒸着することができる。

一方、反射膜９と正孔注入用薄膜１０の複層で構成された陽極２の上部には、有機層８が蒸着されており、有機層８の上部には電子を注入して発光した光を透過させる陰極７が形成されている。
有機層８は、正孔注入層３、正孔輸送層４、有機発光層５、電子輸送層６で構成される。
正孔注入層３は、主に１０〜３０ｎｍ厚さのＣｕＰｃ(Copper Phthalocyanine)で形成する。

次に、正孔注入層３上に正孔輸送層４を形成するが、主にＴＰＤ又はＮＰＤを３０〜６０ｎｍ程度蒸着する。
正孔輸送層４上に有機発光層５を形成する。この時、必要に応じて不純物を添加するが、緑色発光の場合、主に有機発光層５としてＡｌｑ₃(tris(8-hydroxy-quinolate)aluminum)を３０〜６０ｎｍ程度蒸着し、不純物としてはクマリン６(coumarin 6)又はＱｄ(Quinacridone)を多く使用する。
また、有機発光層５上に電子輸送層６を形成する。

このように構成された本発明に係る有機ＥＬ素子は、高反射率および高効率を有するようになる。

さらに向上した反射率及び光効率を有する本発明の実施形態等を添付した図面を通して説明すると次の通りである。
図２は、本発明の第１実施形態として、Ａｌ薄膜上にＣｒ薄膜を形成した時、Ｃｒ薄膜の厚さによる反射率の変化を示した図である。

即ち、陽極２を構成する反射膜９としてＡｌを、正孔注入用薄膜１０としてＣｒを用いた場合である。
Ａｌ薄膜は、２００Ｗ、２mＴorr（ミリトル）の条件下で、99.999％の４"（インチ）ターゲットを用いて１５０nmの厚さで蒸着し、Ｃｒ薄膜は、２００Ｗ、１mＴorrの条件下で99.999％の４インチターゲットを用いて各々２nm、３nm、７nm、11nmの厚さで蒸着した。

図示したように、Ｃｒの厚さが増加することにより、陽極２の全体的な反射率が低下することを確認できる。
また、Ｃｒの厚さが１０ｎｍより大きい場合、かえってＣｒ単層で構成された薄膜より反射率が低くなり、本発明の目的である反射率の改善を達成することができない。
したがって、Ａｌ薄膜上に、Ｃｒの厚さを１０ｎｍより小さく形成して反射率の改善を得ることができる。

この時、Ｃｒの蒸着条件を１０mＴorrに変化させると、既に説明した１mＴorrで蒸着した同じ厚さのＣｒ薄膜と比較して、反射率がもっと大きい。
これは、ＸＲＤ(X-ray diffraction)で分析した結果、１mＴorrの場合には５．７５ｇ／ｃｍ³、１０mＴorrの場合には４．１４ｇ／ｃｍ³であって、１mＴorrのＣｒ薄膜の密度が、１０mＴorrのＣｒ薄膜の密度より高いためである。しかし、１０mＴorrの場合にもＣｒの厚さが増加することにより、陽極２の全体反射率は減少する。

図３は、本発明の第２実施形態であって、反射膜９をＡｌ薄膜の代わりにＡｌ−Ｎｄ合金で形成した時の反射率の変化を示す図である。
すなわち、陽極２向けの反射膜９として、Ａｌ薄膜の代わりに２００Ｗ、１mＴorrの条件下でＡｌ−２原子パーセントＮｄ合金の４インチターゲットを用いて、１５０ｎｍの厚さの薄膜を形成した。
そして、その上部に正孔注入用薄膜１０であるＣｒ薄膜を２００Ｗ、１０mＴorrの条件下で99.999％の４インチターゲットを用いて３ｎｍの厚さで蒸着した。

図示したように、２原子パーセントのＮｄが添加されたＡｌターゲットを用いた場合、Ａｌ単元素薄膜に比べて可視光領域で反射率が２％程度低下する。
しかし、Ａｌ−Ｎｄ薄膜上にＣｒ薄膜が３ｎｍ蒸着されても、Ａｌ−Ｎｄ薄膜の反射率は殆ど変化しないことを確認できる。

このように、Ｎｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ元素を５原子パーセント以内に添加した合金を反射膜９として使用すると、反射率の低下は殆ど生じないながら、電子移動(electro migration)に対する抵抗性が増加する。
また、後続熱処理および工程時、表面照度を維持させることができる。

図４は、本発明との比較のために反射膜９としてＡｇを使用した場合における、反射率の変化を示した図面である。
すなわち、本発明のように、Ａｌ又はＡｌにＮｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ元素を５原子パーセント以内に添加した合金を反射膜９として使用せず、可視光領域で反射率に優れたＡｇを反射膜９として用いたものである。

図示したように、Ａｇを反射膜９として用いた場合にも、Ｃｒ薄膜の厚さが増加することにより、陽極２の反射率が低下することがわかる。
しかし、この場合、青色と緑色の短波長帯で急激な反射率の低下が生じるため、陽極２としての効用が微々たることがわかる。

このように、本発明に係る有機ＥＬ素子の正孔注入用薄膜１０と反射膜９とで区分されて蒸着された陽極２の場合、反射膜９として、Ａｌ、またはＡｌにＮｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ元素を５原子パーセント以内に添加した合金を使用することが好ましい。
また、正孔注入用薄膜１０としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕのような耐環境性に優れ、かつ仕事関数が大きい金属を使用し、その厚さは１〜１０ｎｍ程度で蒸着することが好ましいことがわかる。

以上、説明した内容を通して、当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で色々な変更および修正が可能であることがわかる。
よって、本発明の技術的範囲は実施形態に記載された内容に限定することではなく、特許請求範囲により定められるべきである。

本発明に係る上部発光方式の有機ＥＬ素子の構造を示す図である。 本発明の第１実施形態であって、Ａｌ薄膜上にＣｒ薄膜を形成した時、Ｃｒ薄膜の厚さによる反射率の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態であって、反射膜をＡｌ薄膜の代わりにＡｌ−Ｎｄ合金で形成した時の反射率の変化を示す図である。 本発明との比較のため、反射膜としてＡｇを用いた時における反射率の変化を示す図である。

符号の説明

１：基板
２：陽極
３：正孔注入層
４：正孔輸送層
５：有機発光層
６：電子輸送層
７：陰極
８：有機層
９：反射膜
１０：正孔注入用薄膜

Claims (2)

1. 陽極と陰極との間に有機層を有する上部発光方式の有機ＥＬ素子において、
   前記有機ＥＬ素子の陽極は、
   前記有機層から発光した光が反射される反射膜と、
   前記反射膜の上部に形成され、正孔が注入される正孔注入用薄膜と、で構成され、
   前記反射膜は、ＡｌにＴｉ、Ｂ元素を、前記Ａｌに対して５原子パーセント(at.%)以内で添加した合金のうちいずれか一つからなり、
   前記正孔注入用薄膜は、Ｔｉで構成され、１〜１０ｎｍの厚さを有することを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 前記反射膜と正孔注入用薄膜は、抵抗加熱法、スパッタリング、Ｅ−ビーム法のうちいずれか一つの方法を用いて蒸着されることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。

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