JP4869665B2

JP4869665B2 - 発光素子、発光装置、及び照明装置

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Publication number: JP4869665B2
Application number: JP2005258380A
Authority: JP
Inventors: 亮二野村; 薫加藤; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: JP2007073315A

Description

本発明は、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子及びそれを備えた発光装置に関する。

近年、発光性の有機化合物を用いた発光素子の研究開発が盛んに行われている。これら発光素子の基本的な構成は、一対の電極間に発光性の有機化合物を含む層を挟んだものである。この素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子及び正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子及び正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。

なお、有機化合物が形成する励起状態の種類としては、一重項励起状態と三重項励起状態が可能であり、一重項励起状態からの発光が蛍光、三重項励起状態からの発光が燐光と呼ばれている。

このような発光素子は通常１μｍ以下、例えば０．１μｍ程度の有機薄膜で形成されるため、薄型軽量に作製できることが大きな利点である。また、キャリアが注入されてから発光に至るまでの時間は１μ秒程度あるいはそれ以下であるため、非常に応答速度が速いことも特長の一つである。これらの特性は、フラットパネルディスプレイ素子として好適であると考えられている。

また、これらの発光素子は膜状に形成されるため、大面積の素子を形成することにより、面状の発光を容易に得ることができる。このことは、白熱電球やＬＥＤに代表される点光源、あるいは蛍光灯に代表される線光源では得難い特色であるため、照明等に応用できる面光源としての利用価値も高い。

このように、発光性の有機化合物を用いた電流励起型の発光素子は、表示装置や照明等への応用が期待されているが、有機化合物を用いた有機薄膜を積層する構造であるため、耐久性や耐熱性、発光効率に問題がある。

一方、有機薄膜ではなく、シロキサン結合により構成された骨格中に化合物を分散した層を適用した発光素子も報告されている（特許文献１参照）。特許文献１においては、素子の耐久性が向上すると報告されている。しかし、特許文献１に記載された発光素子では、充分な発光効率が得られない。
特開２０００−３０６６６９号公報

上記問題に鑑み、本発明は、発光効率が高い発光素子、及びそれを用いた発光装置を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、多重量子井戸構造を有する発光領域を有する発光素子を作製することにより、本課題が解決できることを見いだした。

よって、本発明の発光素子は、一対の電極の間に発光領域を有し、発光領域は、発光性を有する有機基を含有する物質の層と、無機化合物の層が交互に積層している構造を有することを特徴とする。

上記構成において、無機化合物の伝導帯下端のエネルギー準位よりも発光性を有する有機基を含有する物質の伝導帯下端のエネルギー準位が低く、且つ、無機化合物の価電子帯上端のエネルギー準位よりも発光性を有する有機基を含有する物質の価電子帯上端のエネルギー準位が高いことを特徴とする。

また、上記構成において、発光性を有する有機基を含有する物質は、Ｓｉ−Ｏ結合又はＧｅ−Ｏ結合を有していることを特徴とする。

また、上記構成において、発光領域は、ゾル−ゲル法により作製されることを特徴とする。

また、上記構成において、無機化合物の層の厚さが２〜５ｎｍであることを特徴とする。

また、上記構成において、発光性を有する有機基を含有する物質の層の厚さが２〜１０ｎｍであることを特徴とする。

また、本発明は、上述した発光素子を有する発光装置も範疇に含めるものである。本明細書中における発光装置とは、発光素子と、発光素子の発光を制御する制御手段とを有するものである。具体的には、画像表示装置、もしくは光源（照明装置を含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（ＴａｐｅＣａｒｒｉｅｒＰａｃｋａｇｅ）が取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、またはＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールもすべて発光装置に含むものとする。

本発明の発光素子は、発光領域が多重量子井戸構造を有するため、発光効率が高い。

また、本発明の発光装置は、発光効率の高い発光素子を有しているため、高輝度な発光を示す。

以下、本発明の実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の発光素子、特に発光領域について説明する。

発光素子の発光効率を向上させるためには、発光領域に注入される電子及び正孔の注入バランスが重要である。発光効率を向上させるためには、電子または正孔の一方が過多になるのではなく、ほぼ同量の電子と正孔が注入されることが好ましい。また、発光領域に注入された電子と正孔は効率良く再結合することが望まれる。また、発光領域で再結合せずに陽極まで到達する電子、発光領域で再結合せずに陰極まで到達するホールの量を減らすことも重要である。

そのためには、発光領域に多数の再結合領域が存在する多重量子井戸構造を形成することが好ましい。

本発明の発光素子の発光領域は、多重量子井戸構造を有する。具体的には、無機化合物と有機無機ハイブリッド材料とを組み合わせて構成される。

ここで、無機化合物と、有機無機ハイブリッド材料との組み合わせとしては、無機化合物の伝導帯下端のエネルギー準位よりも有機無機ハイブリッド材料の伝導帯下端のエネルギー準位が低く、且つ、無機化合物の価電子帯上端のエネルギー準位よりも有機無機ハイブリッド材料の価電子帯上端のエネルギー準位が高いことが必要である。この条件を満たすことにより、多重量子井戸構造を形成することができる。

本発明の発光素子の発光領域は、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）のような無機化合物と、有機無機ハイブリッド材料とを交互に積層した構造である。

なお、有機無機ハイブリッド材料とは、無機化合物と有機化合物が結合してなる材料のことを言い、本発明においては、主にシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ結合）によって形成される骨格中の全てあるいは一部のケイ素原子に有機基が結合している材料のことを有機無機ハイブリッド材料と言う。

本発明の発光素子のエネルギー準位についてより詳しく説明する。本発明の発光素子のエネルギー準位を示す概略図を図３に示す。図３において、第１の電極１０２から注入された正孔は、正孔注入性の高い物質を含む第１の層１０３、正孔輸送性の高い物質を含む第２の層１０４を経て、発光領域である第３の層１０５へ輸送される。第２の電極１０７から注入された電子は電子輸送性の高い物質を含む第４の層１０６を経て、発光領域である第３の層１０５へ輸送される。第３の層１０５において正孔と電子とが再結合し、発光する。第３の層１０５は、有機無機ハイブリッド材料と無機化合物とを含み、多重量子井戸構造を有している。

図３は、無機化合物と有機無機ハイブリッド材料とが交互に積層した構成を示している。図３において、無機化合物の層１０８は障壁として機能し、有機無機ハイブリッド材料の層１０９は井戸として機能する。このとき、無機化合物の伝導帯下端のエネルギー準位よりも有機無機ハイブリッド材料の伝導帯下端のエネルギー準位が低く、且つ、無機化合物の価電子帯上端のエネルギー準位よりも有機無機ハイブリッド材料の価電子帯上端のエネルギー準位が高いことが必要である。発光領域である第３の層１０５に注入された正孔は、有機無機ハイブリッド材料の層（井戸）に入り、電子と再結合する。最初の井戸を通り抜けた正孔は第２の井戸に入り、電子と再結合する。井戸が多数形成されていることにより、正孔は井戸にトラップされ、電子との再結合確率が向上する。電子についても同様であり、有機無機ハイブリッド材料の層（井戸）に入り、正孔と再結合する。最初の井戸を通り抜けた電子は第２の井戸に入り、正孔と再結合する。井戸が多数形成されていることにより、正孔は井戸にトラップされ、電子との再結合確率が向上する。よって、正孔と電子の再結合確率が向上することにより、発光効率が向上する。

なお、交互に積層された無機化合物の層の厚さは２〜５ｎｍであることが好ましい。また、有機無機ハイブリッド材料の層の厚さは２〜１０ｎｍが好ましい。

また、発光領域全体の厚さは１５〜３５ｎｍが好ましいため、無機化合物と有機無機ハイブリッド材料の積層回数もその範囲で適宜設定すればよく、本実施の形態に示したものに限られることはない。

（実施の形態２）
本実施の形態では、発光領域をゾル−ゲル法により形成する方法について説明する。

まず、テトラエトキシシランを中性、酸性、もしくはアルカリ性とした溶媒（例えば低級アルコール等）に溶解し、溶液Ａを作製する。酸性、もしくはアルカリ性とすることによって、テトラエトキシシランの縮重合が促進され、速やかにゾルが形成される。液性を酸性とした場合は縮重合後の状態が繊維状となり、アルカリ性とした場合は塊状となるため、溶液Ａの液性は酸性であることが望ましい。溶液ＡのｐＨはｐＨ１からｐＨ３程度となるようにするとさらに好ましい。また、テトラエトキシシランの代わりにテトラメトキシシランを用いても良いし、テトラエトキシシランとテトラメトキシシランを同時に用いても良い。あるいは、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシランと共に、モノアルキルトリアルコキシシラン、ジアルキルジアルコキシシラン（例えば、メチルトリメトキシシラン、ポリジメチルシロキサン等）を同時に用いても良い。このように、ケイ素上にアルキル基を導入することによって、膜の脆性を低減させ、膜質を向上させることができる。

溶液Ａはさらに加熱攪拌や熟成のどちらか、又は両方をおこなうことによってさらに縮重合反応を進行させても良い。加熱攪拌は数十度で数時間、熟成の場合は室温中で十数時間から一日程度行えばよい。

無機化合物の層を形成したい表面に、作製したゾルを塗布し、焼成（１００℃〜３００℃で数時間）することによって、無機化合物の層を作製することができる。焼成は大気中でも窒素などの不活性雰囲気中でも真空中でもよい。

上記塗布は湿式塗布法、例えばディップコート法、スピンコート法、インクジェット法などの液滴塗布法を用いることができる。

以上の工程により、発光領域の無機化合物の層が形成できる。

次に、有機無機ハイブリッド材料の層をゾル−ゲル法で形成する方法について説明する。

まず、テトラエトキシシラン及び／又はメチルトリエトキシシランと、発光性有機置換基を有するトリアルコキシシランを酸性もしくはアルカリ性とした溶媒（例えば低級アルコール等）に溶解し、溶液Ｂを作製する。酸性もしくはアルカリ性とすることによってテトラエトキシシラン及び／又はメチルトリエトキシシラン、発光性有機置換基を有するトリアルコキシシランが縮重合しゾルが形成される。液性を酸性とした場合は縮重合後の状態が繊維状となり、アルカリ性とした場合は塊状となるため、溶液Ｂの液性は酸性であることが望ましい。溶液ＢのｐＨはｐＨ１からｐＨ３程度となるようにするとさらに好ましい。また、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシランと共に、モノアルキルトリアルコキシシラン、ジアルキルジアルコキシシラン（例えば、メチルトリメトキシシラン、ポリジメチルシロキサン等）を同時に用いても良い。このように、ケイ素上にアルキル基を導入することによって、膜の脆性を低減させ、膜質を向上させることができる。

溶液Ｂはさらに加熱撹拌や熟成のどちらか、又は両方をおこなうことによってさらに縮重合反応を進行させても良い。加熱撹拌は数十度で数時間、熟成の場合は室温中で十数時間から１日程度行えばよい。

溶液Ｂはテトラエトキシシラン及び／又はメチルトリエトキシシランを用いず、発光性有機置換基を有するトリアルコキシシランのみで作製しても構わないが、好ましくはテトラエトキシシラン及び／又はメチルトリエトキシシランと発光性有機置換基を有するトリアルコキシシランとの比がモル比で１０：１から１：１０の間であることが望ましい。さらに好ましくはテトラエトキシシラン及び／又はメチルトリエトキシシランと発光性有機置換基を有するトリアルコキシシランとの比がモル比で５：１から１：５であることが望ましい。

有機無機ハイブリッド材料の層を形成したい表面に、作製したゾルを塗布し、焼成（１００℃〜３００℃で数時間）することによって、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ結合）により構成された骨格中のシリコンに有機基が共有結合した有機無機ハイブリッド材料を作製することができる。焼成は大気中でも窒素などの不活性雰囲気中でも真空中でもよい。

以上の工程により、発光領域の有機無機ハイブリッド材料の層が形成できる。

上記の方法を用いて、無機化合物の層と有機無機ハイブリッド材料の層の作製を交互に行うことにより、多重量子井戸構造が得られる。

このように、量子井戸構造を有する発光領域を無機化合物と、無機化合物に発光性を付与することが可能な有機基を結合させた有機無機ハイブリッド材料とで構成することで、発光領域をすべて有機物で作製した場合と比べて耐久性に優れ、電気的にも安定な発光素子が得られる。また、障壁となる無機化合物（酸化ケイ素又は酸化ゲルマニウム）及び井戸となる有機無機ハイブリッド材料はどちらもゾル−ゲル法で作製することができるため、層の密着性が良く、信頼性が向上する。

（実施の形態３）
本実施の形態では、発光領域に用いる材料について説明する。

無機化合物としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）又は酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）を用いることができる。酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）又は酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）は、バンドギャップが非常に大きく、多重量子井戸構造の障壁として用いることができる。

有機無機ハイブリッド材料としては、本発明においては主にシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ結合）によって形成される骨格中の全てあるいは一部のケイ素原子に有機基が結合している材料のことを言うが、Ｇｅ−Ｏ結合によって形成される骨格中の全てあるいは一部のゲルマニウム原子に有機基が結合している材料を用いることもできる。これらは無機化合物（ＳｉＯ₂及びＧｅＯ₂）に比べ、バンドギャップが小さい。同時に、これらの伝導帯下端のエネルギー準位は無機化合物（ＳｉＯ₂及びＧｅＯ₂）の伝導帯下端のエネルギー準位よりも低く、且つ、これらの価電子帯上端のエネルギー準位は無機化合物（ＳｉＯ₂及びＧｅＯ₂）の価電子帯上端のエネルギー準位よりも高いため、有機無機ハイブリッド材料は多重量子井戸構造の井戸として用いることができる。

発光領域の有機無機ハイブリッド材料の層の構成としては大きく分けて２種類挙げられる。一つは有機無機ハイブリッド材料を単層で用いるものである。もう一つは有機無機ハイブリッド材料よりもバンドギャップの小さい発光物質（以下、ドーパント）を有機無機ハイブリッド材料の層に少量添加するものである。

有機無機ハイブリッド材料としては、下記構造式（１）〜（２７）などを用いることができる。下記構造式（１）〜（２７）において、Ｒはメチル基（ＣＨ₃）あるいはエチル基（Ｃ₂Ｈ₅）である。

有機無機ハイブリッド材料は、無機化合物に発光性を付与することが可能な有機基が一種結合していても良いし、二種以上の有機基が結合していても良い。二種以上の有機基が結合している場合、バンドギャップの大きい有機基からバンドギャップの小さい有機基へエネルギー移動が起こるため、バンドギャップの小さい有機基のみが発光する。無機化合物に発光性を付与することが可能な有機基が二種以上結合している有機無機ハイブリッド材料は、実施の形態２で示した作製方法で作製することができる。

ドーパントとしては、キナクリドン、ジアルキルキナクリドン、ルブレン、ペリレン、５，１２−ジフェニルテトラセン、ＤＣＭなどの他、トリス（２−フェニルピリジン）イリジウムや２，３，７，８，１２，１３，１７，１８−オクタエチル−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィリン−白金錯体等の三重項発光可能な有機金属化合物などが挙げられる。これらのドーパントは、有機無機ハイブリッド材料を製膜する際に単に混合すればよい。あるいは、これらのドーパントにトリアルコキシシリル基（例えば、化合物（２３）〜（２７））を導入して、有機無機ハイブリッド材料の製膜時に混合することでハイブリッド材料と共有結合を形成しても良い。

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の発光素子について説明する。

本発明の発光素子は、一対の電極間に複数の層を有する。当該複数の層とは、電極から離れたところに発光領域が形成されるように、つまり電極から離れた部位でキャリア（担体）の再結合が行われるように、キャリア注入性の高い物質やキャリア輸送性の高い物質からなる層を組み合わせて積層されたものである。また、本発明の発光素子は、発光領域に多重量子井戸構造を有している。

本発明の発光素子の一態様について図１（Ａ）を用いて以下に説明する。

本形態において、発光素子は、第１の電極１０２と、第１の電極１０２の上に順に積層した第１の層１０３、第２の層１０４、第３の層１０５、第４の層１０６と、さらにその上に設けられた第２の電極１０７とから構成されている。なお、本形態では第１の電極１０２は陽極として機能し、第２の電極１０７は陰極として機能するものとして以下説明をする。

基板１０１上は発光素子の支持体として用いられる。基板１０１としては、例えばガラス、またはプラスチックなどを用いることができる。なお、発光素子を作製工程において支持体として機能するものであれば、これら以外のものでもよい。

第１の電極１０２としては、仕事関数の大きい（具体的には４．０ｅＶ以上）金属、合金、導電性化合物、及びこれらの混合物などを用いることが好ましい。具体的には、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ケイ素を含有したインジウム錫酸化物、酸化インジウムに２〜２０ｗｔ％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合したターゲットを用いてスパッタリングで形成したインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ：ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）、酸化タングステンを０．５〜５ｗｔ％、酸化亜鉛を０．１〜１ｗｔ％含有したターゲットを用いてスパッタリングで形成したインジウム錫酸化物（ＩＷＺＯ）等が挙げられる。これらの導電性金属酸化物膜は、通常スパッタにより成膜されるが、ゾル−ゲル法などを応用して作製しても構わない。その他、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、または金属材料の窒化物（例えば、窒化チタン：ＴｉＮ）等が挙げられる。

第１の層１０３は、正孔注入性の高い物質を含む層である。モリブデン酸化物（ＭｏＯｘ）やバナジウム酸化物（ＶＯｘ）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ）、タングステン酸化物（ＷＯｘ）、マンガン酸化物（ＭｎＯｘ）等を用いることができる。この他、フタロシアニン（略称：Ｈ₂Ｐｃ）や銅フタロシアニン（ＣｕＰＣ）等のフタロシアニン系の化合物、或いはポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等の高分子等によっても第１の層１０３を形成することができる。

また、第１の層１０３に、有機化合物と無機化合物とを複合してなる複合材料を用いてもよい。特に、有機化合物と、有機化合物に対して電子受容性を示す無機化合物とを含む複合材料は、有機化合物と無機化合物との間で電子の授受が行われ、キャリア密度が増大するため、正孔注入性、正孔輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、正孔の輸送に優れた材料であることが好ましい。具体的には、アリールアミンまたはアリールカルバゾールであることが好ましい。無機化合物としては、有機化合物に対し電子受容性を示す物質であればよく、具体的には、遷移金属の酸化物であることが好ましい。例えば、チタン酸化物（ＴｉＯｘ）、バナジウム酸化物（ＶＯｘ）、モリブデン酸化物（ＭｏＯｘ）、タングステン酸化物（ＷＯｘ）、レニウム酸化物（ＲｅＯｘ）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ）、クロム酸化物（ＣｒＯｘ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯｘ）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯｘ）、タンタル酸化物（ＴａＯｘ）、銀酸化物（ＡｇＯｘ）、マンガン酸化物（ＭｎＯｘ）等の金属酸化物を用いることができる。第１の層１０３に有機化合物と無機化合物とを複合してなる複合材料を用いた場合、第１の電極１０２とオーム接触をすることが可能となるため、仕事関数に関わらず第１の電極を形成する材料を選ぶことができる。

第２の層１０４を形成する物質としては、正孔輸送性の高い物質、具体的には、アリールアミン（すなわち、ベンゼン環−窒素の結合を有するもの）であることが好ましい。広く用いられている材料として、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル，その誘導体である４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（以下、ＮＰＢと記す）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニル−アミノ）トリフェニルアミン、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミンなどのスターバースト型芳香族アミン化合物が挙げられる。ここに述べた物質は、主に１０^-6ｃｍ²／Ｖｓ以上の正孔移動度を有する物質である。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、第２の層１０４は、単層のものだけでなく、上記物質の混合層、あるいは二層以上積層したものであってもよい。

第３の層１０５は、実施の形態１に示した多重量子井戸構造を有する発光領域である。具体的には、無機化合物と有機無機ハイブリッド材料とを交互に積層して構成される。

第４の層１０６を形成する物質としては、電子輸送性の高い物質、例えばトリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ₃）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ₃）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］−キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ₂）、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（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＯＸ）₂）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）₂）などの典型金属錯体が挙げられる。あるいは９，１０−ジフェニルアントラセンや４，４’−ビス（２，２−ジフェニルエテニル）ビフェニルなどの炭化水素系化合物なども好適である。あるいは、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾールなどのトリアゾール誘導体、バソフェナントロリンやバソキュプロインなどのフェナントロリン誘導体を用いても良い。ここに述べた物質は、主に１０^-6ｃｍ²／Ｖｓ以上の電子移動度を有する物質である。なお、正孔よりも電子の輸送性の高い物質であれば、上記以外の物質を第４の層１０６として用いても構わない。また、第４の層１０６は、単層のものだけでなく、混合層でもよく、また上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。

第２の電極１０７を形成する物質としては、仕事関数の小さい（仕事関数３．８ｅＶ以下）金属、合金、電気伝導性化合物、及びこれらの混合物などを用いることができる。このような陰極材料の具体例としては、元素周期表の１族または２族に属する元素、すなわちリチウム（Ｌｉ）やセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、及びマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等のアルカリ土類金属、及びこれらを含む合金（ＭｇＡｇ、ＡｌＬｉ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類金属及びこれらを含む合金等が挙げられる。しかしながら、第２の電極１０７と発光層との間に、電子注入を促す機能を有する層を、当該第２の電極と積層して設けることにより、仕事関数の大小に関わらず、Ａｌ、Ａｇ、ＩＴＯ、ケイ素を含むＩＴＯ等様々な導電性材料を第２の電極１０７として用いることができる。

なお、電子注入を促す機能を有する層としては、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化セシウム（ＣｓＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）等のようなアルカリ金属又はアルカリ土類金属の化合物を用いることができる。また、この他、電子輸送性を有する物質からなる層中にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有させたもの、例えばＡｌｑ₃中にマグネシウム（Ｍｇ）やリチウム（Ｌｉ）を含有させたもの等を用いることができる。

また、第１の層１０３、第２の層１０４、第４の層１０６の形成方法は、湿式法、乾式法を問わず、どのような手法を用いても良い。また各電極または各層ごとに異なる成膜方法を用いて形成しても構わない。なお、第３の層１０５は、実施の形態２に示した方法で形成することが好ましい。

以上のような構成を有する本発明の発光素子は、第１の電極１０２と第２の電極１０７との間に生じた電位差により電流が流れ、第３の層１０５において正孔と電子とが再結合し、発光するものである。つまり第３の層１０５に発光領域が形成されるような構成となっている。

発光は、第１の電極１０２または第２の電極１０７のいずれか一方または両方を通って外部に取り出される。従って、第１の電極１０２または第２の電極１０７のいずれか一方または両方は、透光性を有する物質で成る。第１の電極１０２のみが透光性を有する物質からなるものである場合、図１（Ａ）に示すように、発光は第１の電極１０２を通って基板側から取り出される。また、第２の電極１０７のみが透光性を有する物質からなるものである場合、図１（Ｂ）に示すように、発光は第２の電極１０７を通って基板と逆側から取り出される。第１の電極１０２及び第２の電極１０７がいずれも透光性を有する物質からなるものである場合、図１（Ｃ）に示すように、発光は第１の電極１０２及び第２の電極１０７を通って、基板側及び基板と逆側の両方から取り出される。

なお第１の電極１０２と第２の電極１０７との間に設けられる層の構成は、上記のものには限定されない。発光領域と金属とが近接することによって生じる消光が抑制されるように、第１の電極１０２及び第２の電極１０７から離れた部位に正孔と電子とが再結合する発光領域を設けた構成であり、且つ、発光領域が多重量子井戸構造を有するものであれば、上記以外のものでもよい。

つまり、層の積層構造については特に限定されず、電子輸送性の高い物質または正孔輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、正孔注入性の高い物質、バイポーラ性（電子及び正孔の輸送性の高い物質）の物質等から成る層を、本発明の複合材料を含む層と自由に組み合わせて構成すればよい。

図２に示す発光素子は、陰極として機能する第１の電極３０２の上に電子輸送性の高い物質からなる第１の層３０３、発光層である第２の層３０４、正孔輸送性の高い物質からなる第３の層３０５、正孔注入性の高い物質からなる第４の層３０６、陽極として機能する第２の電極３０７とが順に積層された構成となっている。なお、３０１は基板である。

本実施の形態においては、ガラス、プラスチックなどからなる基板上に発光素子を作製している。一基板上にこのような発光素子を複数作製することで、パッシブ型の発光装置を作製することができる。また、ガラス、プラスチックなどからなる基板以外に、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ基板上に発光素子を作製してもよい。これにより、ＴＦＴによって発光素子の駆動を制御するアクティブマトリクス型の発光装置を作製できる。なお、ＴＦＴの構造は、特に限定されない。スタガ型のＴＦＴでもよいし逆スタガ型のＴＦＴでもよい。また、ＴＦＴアレイ基板に形成される駆動用回路についても、Ｎ型及びＰ型のＴＦＴからなるものでもよいし、若しくはＮ型またはＰ型のいずれか一方からのみなるものであってもよい。

（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の発光素子を有する発光装置について説明する。

本実施の形態では、画素部に本発明の発光素子を有する発光装置について図４を用いて説明する。なお、図４（Ａ）は、発光装置を示す上面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）をＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’で切断した断面図である。点線で示された６０１は駆動回路部（ソース側駆動回路）、６０２は画素部、６０３は駆動回路部（ゲート側駆動回路）である。また、６０４は封止基板、６０５はシール材であり、シール材６０５で囲まれた内側は、空間６０７になっている。

なお、引き回し配線６０８はソース側駆動回路６０１及びゲート側駆動回路６０３に入力される信号を伝送するための配線であり、外部入力端子となるＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）６０９からビデオ信号、クロック信号、スタート信号、リセット信号等を受け取る。なお、ここではＦＰＣしか図示されていないが、このＦＰＣにはプリント配線基盤（ＰＷＢ）が取り付けられていても良い。本明細書における発光装置には、発光装置本体だけでなく、それにＦＰＣもしくはＰＷＢが取り付けられた状態をも含むものとする。

次に、断面構造について図４（Ｂ）を用いて説明する。素子基板６１０上には駆動回路部及び画素部が形成されているが、ここでは、駆動回路部であるソース側駆動回路６０１と、画素部６０２中の一つの画素が示されている。

なお、ソース側駆動回路６０１はｎチャネル型ＴＦＴ６２３とｐチャネル型ＴＦＴ６２４とを組み合わせたＣＭＯＳ回路が形成される。また、駆動回路を形成するＴＦＴは、公知のＣＭＯＳ回路、ＰＭＯＳ回路もしくはＮＭＯＳ回路で形成しても良い。また、本実施例では、基板上に駆動回路を形成したドライバ一体型を示すが、必ずしもその必要はなく、駆動回路を基板上ではなく外部に形成することもできる。

また、画素部６０２はスイッチング用ＴＦＴ６１１と、電流制御用ＴＦＴ６１２とそのドレインに電気的に接続された第１の電極６１３とを含む複数の画素により形成される。なお、第１の電極６１３の端部を覆って絶縁物６１４が形成されている。ここでは、ポジ型の感光性アクリル樹脂膜を用いることにより形成する。

また、絶縁物６１４の上端部または下端部に曲率を有する曲面が形成されるようにする。例えば、絶縁物６１４の材料としてポジ型の感光性アクリルを用いた場合、絶縁物６１４の上端部のみに曲率半径（０．２μｍ〜３μｍ）を有する曲面を持たせることが好ましい。また、絶縁物６１４として、光の照射によってエッチャントに不溶解性となるネガ型、或いは光の照射によってエッチャントに溶解性となるポジ型のいずれも使用することができる。

第１の電極６１３上には、発光物質を含む層６１６、及び第２の電極６１７がそれぞれ形成されている。ここで、陽極として機能する第１の電極６１３に用いる材料としては、仕事関数の大きい材料を用いることが望ましい。例えば、ＩＴＯ膜、またはケイ素を含有したインジウム錫酸化物膜、２〜２０ｗｔ％の酸化亜鉛を含む酸化インジウム膜、窒化チタン膜、クロム膜、タングステン膜、亜鉛膜、白金膜などの単層膜の他、窒化チタンとアルミニウムを主成分とする膜との積層、窒化チタン膜とアルミニウムを主成分とする膜と窒化チタン膜との３層構造等を用いることができる。なお、積層構造とすると、配線としての抵抗も低く、良好なオーミックコンタクトがとれ、さらに陽極として機能させることができる。

発光物質を含む層６１６は、実施の形態１及び実施の形態３で示した無機化合物と有機無機ハイブリッド材料とを含む発光領域を有している。また、発光領域は、実施の形態２で示した方法により形成することが好ましい。

さらに、発光物質を含む層６１６上に形成され、陰極として機能する第２の電極６１７に用いる材料としては、仕事関数の小さい材料（アルミニウム、マグネシウム、リチウム、カルシウム、またはこれらの合金及び化合物ＭｇＡｇ、ＭｇＩｎ、ＡｌＬｉ、フッ化カルシウム、または窒化カルシウム）を用いることが好ましい。なお、発光物質を含む層６１６で生じた光が第２の電極６１７を透過させる場合には、第２の電極６１７として、膜厚を薄くした金属薄膜と、透明導電膜（ＩＴＯ、２〜２０ｗｔ％の酸化亜鉛を含む酸化インジウム、ケイ素を含有したインジウム錫酸化物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等）との積層を用いるのが良い。

さらにシール材６０５で封止基板６０４を素子基板６１０と貼り合わせることにより、素子基板６１０、封止基板６０４、及びシール材６０５で囲まれた空間６０７に発光素子６１８が備えられた構造になっている。なお、空間６０７には、充填材が充填されており、不活性気体（窒素やアルゴン等）が充填される場合の他、シール材６０５で充填される場合もある。

なお、シール材６０５にはエポキシ系樹脂を用いるのが好ましい。また、これらの材料はできるだけ水分や酸素を透過しない材料であることが望ましい。また、封止基板６０４に用いる材料としてガラス基板や石英基板の他、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）、ＰＶＦ（ポリビニルフロライド）、マイラー、ポリエステルまたはアクリル等からなるプラスチック基板を用いることができる。

以上のようにして、本発明の発光素子を有する発光装置を得ることができる。

本発明の発光装置は、実施の形態１及び実施の形態３で示した多重量子井戸構造の発光領域を有し、発光効率の高い発光素子を有する。よって、本発明を用いることにより、高輝度で信頼性の高い発光装置を提供することができる。

以上のように、本実施の形態では、トランジスタによって発光素子の駆動を制御するアクティブ型の発光装置について説明したが、この他、トランジスタ等の駆動用の素子を特に設けずに発光素子を駆動させるパッシブ型の発光装置であってもよい。図５には本発明を適用して作製したパッシブ型の発光装置の斜視図を示す。図５において、基板９５１上には、電極９５２と電極９５６との間には発光物質を含む層９５５が設けられている。電極９５２の端部は絶縁層９５３で覆われている。そして、絶縁層９５３上には隔壁層９５４が設けられている。隔壁層９５４の側壁は、基板面に近くなるに伴って、一方の側壁と他方の側壁との間隔が狭くなっていくような傾斜を有する。つまり、隔壁層９５４の短辺方向の断面は、台形状であり、底辺（絶縁層９５３の面方向と同様の方向を向き、絶縁層９５３と接する辺）の方が上辺（絶縁層９５３の面方向と同様の方向を向き、絶縁層９５３と接しない辺）よりも短い。このように、隔壁層９５４を設けることで、静電気等に起因した発光素子の不良を防ぐことが出来る。また、パッシブ型の発光装置においても、発光効率が高い本発明の発光素子を含むことによって、高輝度で信頼性の高い発光装置を得ることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態４に示す発光装置をその一部に含む本発明の電子機器について説明する。本発明の電子機器は、実施の形態１及び実施の形態３に示した発光領域を有し、輝度の高い表示部を有する。

本発明の発光装置を表示装置として用いて作製された電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポ等）、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ（ＤＶＤ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうる表示装置を備えた装置）などが挙げられる。これらの電子機器の具体例を図７に示す。

図６（Ａ）は本発明に係るテレビ装置であり、筐体９１０１、支持台９１０２、表示部９１０３、スピーカー部９１０４、ビデオ入力端子９１０５等を含む。このテレビ装置において、表示部９１０３は、実施の形態１及び実施の形態３で説明したものと同様の発光素子をマトリクス状に配列して構成されている。当該発光素子は、発光効率が高いという特徴を有している。その発光素子で構成される表示部９１０３も同様の特徴を有するため、高輝度な発光を示すテレビ装置となる。また、発光領域をゾル−ゲル法で作製できるため、層の密着性が良く、信頼性の高いテレビ装置が得られる。また、発光領域を有機物で作製した場合と比べて、耐久性に優れたテレビ装置が得られる。

図６（Ｂ）は本発明に係るコンピュータであり、本体９２０１、筐体９２０２、表示部９２０３、キーボード９２０４、外部接続ポート９２０５、ポインティングマウス９２０６等を含む。このコンピュータにおいて、表示部９２０３は、実施の形態１及び実施の形態３で説明したものと同様の発光素子をマトリクス状に配列して構成されている。当該発光素子は、発光効率が高いという特徴を有している。その発光素子で構成される表示部９２０３も同様の特徴を有するため、高輝度な発光を示すディスプレイを有するコンピュータとなる。また、発光領域をゾル−ゲル法で作製できるため、層の密着性が良く、信頼性の高いディスプレイを有するコンピュータが得られる。また、発光領域を有機物で作製した場合と比べて、耐久性に優れたディスプレイを有するコンピュータが得られる。

図６（Ｃ）は本発明に係るゴーグル型ディスプレイであり、本体９３０１、表示部９３０２、アーム部９３０３を含む。このゴーグル型ディスプレイにおいて、表示部９３０２は、実施の形態１及び実施の形態３で説明したものと同様の発光素子をマトリクス状に配列して構成されている。当該発光素子は、発光効率が高いという特徴を有している。その発光素子で構成される表示部９３０２も同様の特徴を有するため、高輝度な発光を示すゴーグル型ディスプレイとなる。また、発光領域をゾル−ゲル法で作製できるため、層の密着性が良く、信頼性の高いゴーグル型ディスプレイが得られる。また、発光領域を有機物で作製した場合と比べて、耐久性に優れたゴーグル型ディスプレイが得られる。

図６（Ｄ）は本発明に係る携帯電話であり、本体９４０１、筐体９４０２、表示部９４０３、音声入力部９４０４、音声出力部９４０５、操作キー９４０６、外部接続ポート９４０７、アンテナ９４０８等を含む。この携帯電話において、表示部９４０３は、実施の形態１及び実施の形態３で説明したものと同様の発光素子をマトリクス状に配列して構成されている。当該発光素子は、発光効率が高いという特徴を有するため、高輝度な発光を示すディスプレイを有する携帯電話となる。また、発光領域をゾル−ゲル法で作製できるため、層の密着性が良く、信頼性の高いディスプレイを有する携帯電話が得られる。また、発光領域を有機物で作製した場合と比べて、耐久性に優れたディスプレイを有する携帯電話が得られる。

図６（Ｅ）は本発明の係るカメラであり、本体９５０１、表示部９５０２、筐体９５０３、外部接続ポート９５０４、リモコン受信部９５０５、受像部９５０６、バッテリー９５０７、音声入力部９５０８、操作キー９５０９、接眼部９５１０等を含む。このカメラにおいて、表示部９５０２は、実施の形態１及び実施の形態４で説明したものと同様の発光素子をマトリクス状に配列して構成されている。当該発光素子は、発光効率が高いという特徴を有している。その発光素子で構成される表示部９５０２も同様の特徴を有するため、高輝度な発光を示すカメラとなる。また、発光領域をゾル−ゲル法で作製できるため、層の密着性が良く、信頼性の高いカメラが得られる。また、発光領域を有機物で作製した場合と比べて、耐久性に優れたカメラが得られる。

以上の様に、本発明の発光装置の適用範囲は極めて広く、この発光装置をあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。本発明の発光装置を用いることにより、高輝度な表示部を有する電子機器を提供することが可能となる。

また、本発明の発光装置は、発光効率の高い発光素子を有しており、照明装置として用いることもできる。本発明の発光素子を照明装置として用いる一態様を図７〜図８を用いて説明する。

図７は、本発明の発光装置をバックライトとして用いた液晶表示装置の一例である。図８に示した液晶表示装置は、筐体９０１、液晶層９０２、バックライト９０３、筐体９０４を有し、液晶層９０２は、ドライバＩＣ９０５と接続されている。また、バックライト９０３は、本発明の発光装置が用いられおり、端子９０６により、電流が供給されている。

本発明の発光装置を液晶表示装置のバックライトとして用いることにより、高輝度なバックライトが得られる。また、本発明の発光装置は、面発光の照明装置であり大面積化も可能であるため、バックライトの大面積化が可能であり、液晶表示装置の大面積化も可能になる。

図８（Ａ）は、本発明の発光装置を室内の照明２００１として用いたものである。本発明の発光装置は発光効率が高いため、高輝度な照明装置を得ることができる。面発光の照明装置であり、大面積化も可能であるため、例えば、天井全面に本発明の照明装置を用いることもできる。また、天井に限らず、壁、床や柱等にも本発明の発光装置を用いることができる。さらに、可撓性を有する基板を用いて本発明の発光装置を作製することにより、薄型で可撓性を有する照明装置を得ることができる。そのため、曲面に設置することも可能である。また、室内に限らず、室外で使用することも可能であり、外灯として、建物の壁等に設置することもできる。

図８（Ｂ）は、本発明の発光装置を、トンネル内の照明２００２として用いたものである。本発明の発光装置は発光効率が高いため、高輝度な照明装置を得ることができる。また、可撓性を有する基板を用いて本発明の発光装置を作製することにより、薄型で可撓性を有する照明装置を得ることもできる。そのため、トンネル内の壁の曲面に沿って設置することが可能である。

図８（Ｃ）は、本発明の発光装置をインテリア用の照明２００３として用いた一例である。本発明の発光装置は発光効率が高いため、高輝度な照明装置を得ることができる。また、可撓性を有する基板を用いて本発明の発光装置を作製することにより、薄型で可撓性を有する照明装置を得ることができる。また、本発明の発光装置は、面発光であるため、図８（Ｃ）のように、自由な形状に加工することが可能である。

また、本発明の発光装置は、写真を撮影する際の照明として用いることもできる。写真を撮影する場合は、大面積で高輝度の光で被写体を照らすことにより、自然光で被写体を照らした場合と同様な写真を撮ることができる。

本発明の発光素子を説明する図。本発明の発光素子を説明する図。本発明の発光素子を説明する図。本発明の発光装置を説明する図。本発明の発光装置を説明する図。本発明の発光装置を用いた電子機器を説明する図。本発明の発光装置を用いた電子機器を説明する図。本発明の発光装置を用いた電子機器を説明する図。

符号の説明

１０１基板
１０２第１の電極
１０３第１の層
１０４第２の層
１０５第３の層
１０６第４の層
１０７第２の電極
３０１基板
３０２第１の電極
３０３第１の層
３０４第２の層
３０５第３の層
３０６第４の層
３０７第２の電極
６０１ソース側駆動回路
６０２画素部
６０３ゲート側駆動回路
６０４封止基板
６０５シール材
６０７空間
６０８引き回し配線
６０９ＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）
６１０素子基板
６１１スイッチング用ＴＦＴ
６１２電流制御用ＴＦＴ
６１３第１の電極
６１４絶縁物
６１６発光物質を含む層
６１７第２の電極
６１８発光素子
６２３ｎチャネル型ＴＦＴ
６２４ｐチャネル型ＴＦＴ
９０１筐体
９０２液晶層
９０３バックライト
９０４筐体
９０５ドライバＩＣ
９０６端子
９５１基板
９５２電極
９５３絶縁層
９５４隔壁層
９５５発光物質を含む層
９５６電極
２００１照明
２００２照明
２００３照明
９１０１筐体
９１０２支持台
９１０３表示部
９１０４スピーカー部
９１０５ビデオ入力端子
９２０１本体
９２０２筐体
９２０３表示部
９２０４キーボード
９２０５外部接続ポート
９２０６ポインティングマウス
９３０１本体
９３０２表示部
９３０３アーム部
９４０１本体
９４０２筐体
９４０３表示部
９４０４音声入力部
９４０５音声出力部
９４０６操作キー
９４０７外部接続ポート
９４０８アンテナ
９５０１本体
９５０２表示部
９５０３筐体
９５０４外部接続ポート
９５０５リモコン受信部
９５０６受像部
９５０７バッテリー
９５０８音声入力部
９５０９操作キー
９５１０接眼部

Claims

一対の電極の間に発光領域を有し、
前記発光領域は、発光性を有する有機基及びＧｅ−Ｏ結合を含有する物質の層と、ＧｅＯ_２からなる無機化合物の層が交互に積層している構造を有することで、多重量子井戸構造を形成していることを特徴とする発光素子。
一対の電極の間に発光領域を有し、
前記発光領域は、発光性を有する有機基及びＧｅ−Ｏ結合を含有する物質の層と、ＧｅＯ_２からなる無機化合物の層が交互に積層している構造を有することで、多重量子井戸構造を形成し、
前記無機化合物の伝導帯下端のエネルギー準位よりも前記発光性を有する有機基及びＧｅ−Ｏ結合を含有する物質の伝導帯下端のエネルギー準位が低く、且つ、前記無機化合物の価電子帯上端のエネルギー準位よりも前記発光性を有する有機基及びＧｅ−Ｏ結合を含有する物質の価電子帯上端のエネルギー準位が高いことを特徴とする発光素子。
請求項１または２において、
前記発光領域は、ゾル−ゲル法により作製されることを特徴とする発光素子。
請求項１乃至３のいずれか一項において、
前記無機化合物の層の厚さが２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記発光性を有する有機基及びＧｅ−Ｏ結合を含有する物質の層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子を有する発光装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子を有する面発光の照明装置。