JP4942934B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ - Google Patents

有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ Download PDF

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Description

本発明は有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに係り、特に陽極と陰極の間に複数の発光層やキャリア輸送層を形成した有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに関する。

有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機エレクトロルミネッセンス素子を「有機EL素子」と称する。)は、小型化が容易であって、消費電力が小さく、面発光が可能であり、液晶素子と比較して印加電圧を大幅に低減できるためフラットディスプレイ等の各種表示装置での利用が注目されており、次世代の発光素子として研究開発が行われている。

図1は、従来の有機EL素子の断面図を示したものである。図1に示すように、従来の有機EL素子10は、透明なガラス基板11上に、透明なITO(Indium Tin Oxide)等からなる陽極12と、正孔輸送層13と、発光層14と、電子輸送層15と、陰極16が順次積層された構成となっている。正孔輸送層13は、発光層14に正孔を効率良く輸送し、正孔密度を増加させ、一方電子輸送層15は、発光層14に電子を効率良く輸送し、空間電子密度を増加させ、発光効率を高めている。また、発光層と発光層の間に電子をせき止めるための層を設けて、発光層での発光効率の向上を図る技術が提案されている。

図2は、図1に示す有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。有機EL素子10に電圧が印加されると、正孔22は陽極12から発光層へ向かって移動し、電子21は陰極16から発光層へ向かって移動する。電子21と正孔22が発光層14に到達すると、電子21と正孔22が再結合して放出されたエネルギーによって、発光層14に含まれる有機蛍光体が励起され発光する。

ところで、図2に示すように、電子21及び正孔22の中には、発光層14で再結合することなく、陽極12へ運ばれる電子21や、陰極16に運ばれる正孔22が存在し、発光に寄与せずに消費されてしまうので、単位消費電流当たりの輝度、すなわち発光効率が低下してしまうという問題がある。

また、発光層で再結合しなかった電子や正孔が正孔輸送層13や電子輸送層15で再結合して、所望の色と異なる色を発光してしまうという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、発光に寄与しない電子及び正孔を低減し、発光層での電子と正孔の再結合を効率良く行い、発光効率に優れた有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを提供することを概括的課題とする。

本発明のより具体的な課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陽極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層の電子親和力EaEMLと前記キャリア輸送層の電子親和力EaOL1との関係が、EaEML>EaOL1である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

ここで、電子親和力は、発光層やキャリア輸送層の伝導レベル(伝導帯の下端のエネルギー)と真空準位のエネルギー差であり、正の値で示される。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力EaEMLより小さな電子親和力EaOL1を有するキャリア輸送層が形成されている。したがって、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積され、空間電子密度が増加する。その結果、正孔と再結合する電子が増加して、発光層での発光効率を向上させることができる。

本発明の他の課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陰極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層のイオン化ポテンシャルIpEMLと前記キャリア輸送層のイオン化ポテンシャルIpOL2との関係が、IpEML<IpOL2である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

ここで、イオン化ポテンシャルは、発光層やキャリア輸送層の価電子レベルと真空準位のエネルギーの差であり、正の値で示される。

本発明によれば、発光層の陰極側に、発光層のイオン化ポテンシャルIpEMLより大きなイオン化ポテンシャルIpOL2を有するキャリア輸送層が形成されている。したがって、正孔が発光層から陰極側のキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に正孔が蓄積されて正孔密度が増加する。その結果、電子と再結合する正孔が増加し、発光層での発光効率を向上させることができる。

本発明のその他の課題は、前記発光層のエネルギーギャップEgEMLと前記キャリア輸送層EgOL2との関係が、EgEML<EgOL2である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

発光層の陰極側に、発光層のエネルギーギャップEgEMLより大きなエネルギーギャップEgOL2を有するキャリア輸送層が形成されているので、発光層との界面付近のキャリア輸送層での正孔と電子の再結合が抑制され、発光層の発光効率を向上させることができる。

本発明のその他の課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陽極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを有する有機エレクトロルミネッセンス素子を備えた有機エレクトロルミネッセンスディスプレイであって、前記発光層の電子親和力EaEMLと前記キャリア輸送層の電子親和力EaOL1との関係が、EaEML>EaOL1であることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを提供することにある。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力EaEMLより小さな電子親和力EaOL1を有するキャリア輸送層が形成されているため、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積されて、空間電子密度が増加し、正孔と再結合する電子が増加して、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光効率を向上させることができ、上記有機エレクトロルミネッセンス素子を有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに形成することで、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイの視認性の向上及び低消費電力化が可能である。

従来の有機EL素子の断面図を示した図である。 従来の有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 本発明の第1の実施の形態の有機EL素子の断面図ある。 第1の実施の形態の有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 光吸収スペクトルの波長依存性を示した図である。 紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係を示した図である。 第1実施例に用いた層の電子親和力Ea、イオン化ポテンシャルIp及びエネルギーギャップEgを示した図である。 第2及び第3実施例の有機EL素子の膜構成を示した図である。 電流密度が50mA/cmにおける有機EL素子の発光輝度を示した図である。 本発明の第2の実施の形態の有機EL素子の断面図である。 第2の実施の形態の有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 第4実施例に用いた層の電子親和力Ea、イオン化ポテンシャルIp及びエネルギーギャップEgの関係を示した図である。 本発明の第3の実施の形態の有機エレクトロルミネッセンスディスプレイの概要構成を示した斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

(第1の実施の形態)
図3は、第1の実施の形態の有機EL素子の断面図である。図3に示すように、有機EL素子30は、ガラス基板33上に、陽極34と、正孔注入層35と、第1のキャリア輸送層36Aと、第1の発光層37Aと、第2のキャリア輸送層36Bと、第2の発光層37Bと、電子輸送層38と、陰極39とが順次形成された構成となっている。第1,第2のキャリア輸送層36A,36Bは、第1,第2の発光層37A,37Bよりもそれぞれ電子親和力Eaが小さく、かつ、エネルギーギャップEgが大きい。

有機EL素子30は、10nm〜1000nm程度の膜厚を有している。1000nmよりも厚いと、発光層37A,37Bで発せられた光が遮蔽されてしまい10nmより薄いと発光層37A,37B自体の厚さが過度に薄くなり、発光輝度が不足してしまう。

陽極34と陰極39は、有機EL素子30の所望の位置に電圧を印加するための電極であり、陽極34は、例えば、ITOやIZO(Indium Zinc Oxide)などを用いることができ、陰極39は、例えば、Al/LiF電極やAg/Mg電極などを用いることができる。

正孔注入層35には、例えば、下記式(1)に示した2―TNATA(バンドー化学社製)や下記式(2)に示したm−MTDATA(バンドー化学社製)などを用いることができる。


第1,第2のキャリア輸送層36A,36Bは、電子、正孔の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、下記式(3)に示されるα−NPD(東洋インキ社製)やEL−022(保土谷化学工業社製)などを用いることができる。第1,第2のキャリア輸送層36A,36Bの膜厚は、1nm〜100nmの範囲に設定され、有機EL素子を構成する層の数と有機EL素子全体の厚さに応じて適宜選択される。


第1,第2の発光層37A,37Bは、所望の発光色を発光するための材料、例えば有機蛍光体が含まれており、例えば、TYG−201(東洋インキ社製)や下記式(4)に示したAlq(tris(8−hydroxyquinolio)aluminium)(東洋インキ社製)などを用いることができる。第1,第2の発光層37A,37Bの膜厚は、1nm〜100nmの範囲に設定され、前記キャリア輸送層と同様に適宜厚さが選択される。


電子輸送層38は、電子の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、TYE−704(東洋インキ社製)や上記式(4)に示したAlq(東洋インキ社製)などを用いることができる。

上記有機EL素子30の各層は、例えば、真空蒸着法により圧力を1.33×10−4Pa、ガラス基板33の温度を室温にして形成される。

図4は、第1の実施の形態の有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。図4中のEa、Eg、Ipは、それぞれ有機EL素子の各層の電子親和力Ea、エネルギーギャップEg、イオン化ポテンシャルIpを示しており、電子親和力Eaは伝導レベル49(伝導帯の下端のエネルギー)と真空準位のエネルギーとの差であり、エネルギーギャップEgは伝導レベル49と価電子レベル50(価電子帯の上端のエネルギー)のエネルギーとの差であり、イオン化ポテンシャルIpは価電子レベル50と真空準位とのエネルギーの差である。

図4に示すように、第1の発光層37Aの陽極34側に第1のキャリア輸送層36Aが形成され、第2の発光層37Bの陽極34側に第2のキャリア輸送層36Bを形成されており、第1の発光層37A、第2の発光層37B、第1のキャリア輸送層36A、第2のキャリア輸送層36Bの電子親和力をそれぞれ、Ea37A、Ea37B、Ea36A、Ea36Bとし、第1の発光層37A、第2の発光層37B、第1のキャリア輸送層36A、第2のキャリア輸送層36Bのエネルギーギャップをそれぞれ、Eg37A、Eg37B、Eg36A、Eg36Bとすると、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層36Aとの関係は、Ea37A>Ea36A,Eg37A<Eg36A、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層36Bとの関係は、Ea37B>Ea36B,Eg37B<Eg36Bに設定されている。したがって、図4に示した有機EL素子は、第1のキャリア輸送層36A/第1の発光層37Aと、第2のキャリア輸送層36B/第2の発光層37Bとを有しており、キャリア輸送層/発光層からなる積層構造が2層形成されている。

電子の流れについて説明する。電子は、陰極39から陽極34に向かって電子輸送層38を通り第2の発光層37Bに達する。ここで、電子は正孔と再結合するが、再結合しなかった電子は、第2の発光層37Bから陽極34側の第2のキャリア輸送層36Bに流れようとする。しかし、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層36Bとの界面には、エネルギー障壁BE−Bが形成されている。エネルギー障壁BE−Bの高さEBE−Bは、第2のキャリア輸送層36Bの電子親和力Ea36Bと第2の発光層37Bの電子親和力Ea37Bとの差、すなわちEBE−B=Ea37B―Ea36Bである。Ea37B>Ea36Bに設定されているのでEBE−B>0である。したがって、電子は第2の発光層37Bに蓄積され、空間電子密度が増加するため第2の発光層37Bでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁BE−Bは、0.1eVより大きい方が好ましい。

また、第2の発光層37Bの空間電子密度が増加すると、第2のキャリア輸送層36Bの第2の発光層37Bとの界面においても、空間電子密度の増加により電子と正孔が再結合する確率が高まる。しかし、第2のキャリア輸送層36BのエネルギーギャップEg36Bは、第2の発光層37BのエネルギーギャップEg37Bよりも大きいので、第2のキャリア輸送層36Bでの再結合が抑制される。

次に、第2の発光層37Bで再結合せずに、陽極34側に流れる電子は上述した第2の発光層37Bでの電子の蓄積と同様に、第1の発光層においても蓄積される。すなわち、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層36Aとの界面にはエネルギー障壁BE−Aが形成されている。エネルギー障壁BE−Aの高さEBE−Aは、第1のキャリア輸送層36Aの電子親和力Ea36Aと第1の発光層37Aの電子親和力Ea37Aとの差、すなわちEBE−A=Ea37A―Ea36Aである。Ea37A>Ea36Aに設定されているのでEBE−A>0である。したがって、電子は第1の発光層37Aに蓄積され、空間電子密度が増加するため第1の発光層37Aでの発光効率を向上することができる。なお、エネルギー障壁BE−Aは、0.1eVより大きい方が好ましい。

また、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層36AのエネルギーギャップEg37A,Eg36Aも同様の関係を有するので、第1のキャリア輸送層36Aでの再結合が抑制される。

本実施の形態によれば、上述した有機EL素子は、キャリア輸送層/発光層からなる積層構造を2層形成しているため、キャリア輸送層と発光層の界面に2つのエネルギー障壁BE−B,BE−Aが形成され、エネルギー障壁BE−Bにより電子は第2の発光層37Bに蓄積され、正孔と再結合して第2の発光層37Bでの発光効率が向上すると共に、第2の発光層37Bで正孔と再結合せずに陽極34側に流れた電子は、エネルギー障壁BE−Aにより第1の発光層37Aに蓄積され、正孔と再結合するので第1の発光層37Aの発光効率も向上し、有機EL素子全体の発光効率を向上することができる。なお、キャリア輸送層/発光層からなる積層構造をさらに形成して、エネルギー障壁の数を増加させることにより、有機EL素子全体の発光効率を向上することができる。
[第1実施例]
第1実施例の有機EL素子30を以下のように形成した。ガラス基板33上に、真空蒸着法により、陽極34にITO電極と、正孔注入層35に2−TNATA層を膜厚50nmと、第1のキャリア輸送層36Aにα−NPD層を膜厚10nmと、第1の発光層37Aにノンドープ型の緑色発光するTYG−201層を膜厚20nmと、第2のキャリア輸送層36Bにα−NPD層を膜厚20nmと、第2の発光層37Bにノンドープ型の緑色発光するTYG−201層を膜厚20nmと、電子輸送層38にTYE−704層を膜厚30nmと、陰極39にフッ化リチウム膜が膜厚0.5nmとAl膜が膜厚100nmからなるAl/LiF積層膜を順次形成した。

ここで、本発明を実施する上で重要なエネルギーギャップEgとイオン化ポテンシャルIpの測定方法について説明する。

エネルギーギャップEgは、上記有機EL素子30の形成方法と同様な方法を用いて有機EL素子30の各層を単独に形成した薄膜を、光吸収スペクトルが測定できる分光光度計装置、例えば、日立社製スペクトロフォトメーターU−4100を用いて大気中で紫外からの可視領域の光を薄膜に対して照射して測定した。

図5は、光吸収スペクトルの波長依存性を示した図である。図5中の曲線Jは、測定結果である光吸収スペクトルを示している。なお、範囲Tは、光吸収スペクトルの強度が立ち上がり部のうち、曲線Jが直線になっている部分を示している。範囲Uは、光吸収スペクトルの未吸収波長領域において、曲線Jが直線になっている部分を示している。直線Kは、範囲Tに示した曲線Jと重なるように引いた直線である。直線Lは、範囲Uに示した曲線Jと重なるように引いた直線である。エネルギーギャップEgは、直線Kと直線Lとの交点Mから求められる。

イオン化ポテンシャルIpは、エネルギーギャップEgの測定に用いた薄膜と同様に形成された薄膜を用いて、大気雰囲気型紫外線光電子分析装置、例えば、理研計器製AC−1を用いて大気中で紫外線を薄膜に対して照射して、放出される光電子の数を測定して、紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係から求められる。理研計器製AC−1の測定条件は、紫外線のエネルギー範囲が3.8〜6.2eV、紫外線の強度が20nWである。薄膜の膜厚は、50nmを用いた。

図6は、紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係を示した図である。放出される光電子の数は紫外線のエネルギーの大きさに依存し、図6中に示した範囲Nにおいては、紫外線のエネルギーが小さいため光電子は放出されないが、範囲Oにおいては、紫外線のエネルギーが十分に大きいため、光電子は真空準位よりも高いエネルギーの準位へ励起され、光電子が放出される。図6中に示した直線Pは、紫外線のエネルギーが4.2eV〜5.3eVの間について最小2乗法により引かれた近似直線を示している。直線Qは、紫外線のエネルギーが5.6eV〜5.9eVの間について最小2乗法により引かれた近似直線を示している。

直線Pと直線Qの交点Rは、光電子放出のしきい値エネルギーを示しており、この光電子放出のしきい値エネルギーがイオン化ポテンシャルIpである。電子親和力Eaは、イオン化ポテンシャルIpとエネルギーギャップEgとの差(Ea=Ip―Eg)により求められる。

図7は、第1実施例に用いた層の電子親和力Ea、イオン化ポテンシャルIp及びエネルギーギャップEgを示した図である。図7に示すように、第1及び第2のキャリア輸送層36A,36Bに用いたα−NPD層の電子親和力Eaは2.42eVであり、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層の電子親和力Eaは3.20eVである。α−NPD層とTYG−201層の電子親和力Eaの差により、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層36Aの界面と、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層36Bの界面に、それぞれ0.78eVの大きさのエネルギー障壁が形成された。

エネルギー障壁により第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層に電子が蓄積されて空間電子密度が増加し、正孔と再結合する電子が増加して、第1及び第2の発光層37A,37Bの発光効率を向上させることができる。また、第1及び第2のキャリア輸送層36A,36Bに用いたα―NPD層のエネルギーギャップEg3.04eVは、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層のエネルギーギャップEg2.40eVよりも大きいため、第1及び第2の発光層37A,37Bでの電子と正孔の再結合する確率が増加し、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層の発光効率を向上させることができる。

さらに、第1のキャリア輸送層36Aが形成されていない場合でも、正孔注入層35に用いた2−TNATA層の電子親和力Ea2.19eVは、第1の発光層37Aに用いたTYG−201層の電子親和力Ea3.20eVよりも小さいため、2−TNATA層とTYG−201層の間にエネルギー障壁が形成されるので、発光効率を向上させることができる。
[第2及び第3実施例]
図8は、第2及び第3実施例の有機EL素子の層構成を示した図である。

第2及び第3の実施例は、第1実施例において、第2の発光層37Bと陰極39との間に、さらにキャリア輸送層と発光層を積層したものである。第2実施例では第1実施例よりもさらに1組のキャリア輸送層と発光層を形成し、第3実施例では第2実施例よりもさらに2組のキャリア輸送層と発光層を形成した。なお、有機EL素子の全体の厚さにより各層の膜厚が決定されている。

第2及び第3実施例によれば、キャリア輸送層と発光層がさらに積層されているので、より多くの電子が正孔との再結合に寄与し、有機EL素子全体の発光効率を高めることができる。
[発光輝度の評価]
次に、第1,第2及び第3の実施例の有機EL素子の発光輝度の評価を行なった。本発明によらない比較例として、発光層が1層のみの有機EL素子を評価した。比較例の有機EL素子は、ガラス基板上に、真空蒸着法を用いて、陽極にITO電極と、正孔注入層に2−TNATA層を膜厚50nmと、正孔輸送層にα−NPD層を膜厚50nmと、発光層にノンドープ型の緑色発光するTYG−201層を膜厚20nmと、電子輸送層にTYE−704層を膜厚30nmと、Al/LiF電極とが順次形成された構成とした。真空蒸着装置内の圧力とガラス基板33の温度は、圧力が1.33×10−4Pa、ガラス基板の温度は室温とした。

次に、第1〜第3実施例及び比較例の有機EL素子について、電流密度が50mA/cmにおける発光効率を調べた。

図9は、電流密度が50mA/cmにおける有機EL素子の発光輝度を示した図である。図9に示すように、第1実施例の有機EL素子が3800cd/m、第2実施例の有機EL素子が3900cd/m、第3実施例の有機EL素子が4010cd/mであり、比較例の有機EL素子の発光輝度が3100cd/mと比較して高い結果となった。

第1〜第3実施例によれば、発光層とその陽極側に形成されたキャリア輸送層との積層の組が多いほど発光輝度が高く、すなわち発光効率が高いことが分かった。

(第2の実施の形態)
図10は、第2の実施の形態の有機EL素子の断面図である。図10に示すように、有機EL素子40は、ガラス基板33上に、陽極34と、正孔注入層35と、正孔輸送層41と、第1の発光層37Aと、第1のキャリア輸送層42Aと、第2の発光層37Bと、第2のキャリア輸送層42Bと、フッ化リチウム膜が膜厚0.5nm及びAl膜が膜厚100nmからなる陰極39とを順次形成された構成となっている。第1,第2のキャリア輸送層42A,42Bは、第1,第2の発光層37A,37Bよりもイオン化ポテンシャルIpが大きく、かつ、エネルギーギャップEgが大きい。

第1,第2のキャリア輸送層42A,42Bは、電子、正孔の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、TYE−704(東洋インキ社製)やAlq(東洋インキ社製)などを用いることができる。第1,第2のキャリア輸送層42A,42Bの膜厚は、1nm〜100nmの範囲に設定され、有機EL素子を構成する層の数と有機EL素子全体の厚さに応じて適宜選択される。

第1,第2の発光層37A,37Bは、所望の発光色を発光するための材料、例えば有機蛍光体が含まれており、例えば、TYG−201(東洋インキ社製)を用いることができる。第1,第2の発光層37A,37Bの膜厚は、1nm〜100nmの範囲に設定され、前記キャリア輸送層と同様に適宜厚さが選択される。

上記有機EL素子40の各層は、例えば、真空蒸着法により圧力を1.33×10−4Pa、ガラス基板33温度を室温にして形成される。

図11は、第2の実施の形態の有機EL素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。図11に示すように、第1発光層37Aの陰極39側に,第1のキャリア輸送層42Aが形成され、第2発光層37Bの陰極39側に,第2のキャリア輸送層42Bが形成されている。第1の発光層37A、第2の発光層37B、第1のキャリア輸送層42A、第2のキャリア輸送層42Bのイオン化ポテンシャルをそれぞれ、Ip37A、Ip37B、Ip42A、Ip42Bとし、第1の発光層37A、第2の発光層37B、第1のキャリア輸送層42A、第2のキャリア輸送層42Bのエネルギーギャップをそれぞれ、Eg37A、Eg37B、Eg42A、Eg42Bとすると、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層42Aとの関係は、Ip37A<Ip42A,Eg37A<Eg42A、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層42Bとの関係は、Ip37B<Ip42B,Eg37B<Eg42Bに設定されている。したがって、図11に示した有機EL素子は、第1の発光層37A/第1のキャリア輸送層42Aと、第2の発光層37B/第2のキャリア輸送層42Bとを有しており、発光層/キャリア輸送層からなる積層構造が2層形成されている。

正孔の流れについて説明する。正孔は、陽極34から陰極39に向かって正孔注入層35と正孔輸送層41を通り第1の発光層37Aに達する。ここで、正孔は電子と再結合するが、再結合しなかった正孔は、第1の発光層37Aから陰極39側の第1のキャリア輸送層42Aに流れようとする。しかし、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層42Aとの界面には、エネルギー障壁BH−Aが形成されている。エネルギー障壁BH−Aの高さEBH−Aは、第1のキャリア輸送層42Aのイオン化ポテンシャルIp42Aと第1の発光層37Aのイオン化ポテンシャルIp37Aとの差、すなわちEBH−A=Ip42A―Ip37Aである。Ip42A>Ip37Aに設定されているのでEBH−A>0である。したがって、正孔は第1の発光層37Aに蓄積され、正孔密度が増加するため第1の発光層37Aでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁BH−Aは、0.1eVより大きい方が好ましい。

また、第1の発光層37Aの正孔密度が増加すると、第1のキャリア輸送層42Aの第1の発光層37Aとの界面においても、空間正孔密度の増加により正孔と電子が再結合する確率が高まる。しかし、第1のキャリア輸送層42AのエネルギーギャップEg42Aは、第1の発光層37AのエネルギーギャップEg37Aよりも大きいので、第1のキャリア輸送層42Aでの再結合が抑制される。

次に、第1の発光層37Aで再結合せずに、陰極39側に流れる正孔は上述した第1の発光層37Aでの正孔の蓄積と同様に、第2の発光層37Bにおいても蓄積される。すなわち、第2の発光層37Bと第1のキャリア輸送層42Bとの界面にはエネルギー障壁BH−Bが形成されている。エネルギー障壁BH−Bの高さEBH−Bは、第2のキャリア輸送層42Bのイオン化ポテンシャルIp42Bと第2の発光層37Bのイオン化ポテンシャルIp37Bとの差、すなわちEBH−B=Ip42B―Ip37Bである。Ip42B>Ip37Bに設定されているのでEBH−B>0である。したがって、正孔は第2の発光層37Bに蓄積され、正孔密度が増加するため第2の発光層37Bでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁BH−Bは、0.1eVより大きい方が好ましい。

また、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層42BのエネルギーギャップEg37B,Eg42Bも同様の関係を有するので、第2のキャリア輸送層42Bでの再結合が抑制される。

本実施の形態によれば、上述した有機EL素子は、キャリア輸送層発光層からなる積層構造を2層形成しているため、キャリア輸送層/発光層の界面に2つのエネルギー障壁BH−B,BH−Aが形成され、エネルギー障壁BH−Aにより正孔は第1の発光層37Aに蓄積され、電子と再結合して第1の発光層37Aでの発光効率が向上すると共に、第1の発光層37Aで電子と再結合せずに陰極39側に流れた正孔は、エネルギー障壁BH−Bにより第2の発光層37Bに蓄積され、電子と再結合するので第2の発光層37Bの発光効率も向上し、有機EL素子全体の発光効率を向上することができる。なお、キャリア輸送層/発光層からなる積層構造をさらに形成して、エネルギー障壁の数を増加させることにより、さらに有機EL素子全体の発光効率を向上することができる。

[第4実施例]
第4実施例の有機EL素子を以下のようにして作成した。ガラス基板33上に、真空蒸着法を用いて陽極34にITO電極と、正孔注入層35に2−TNATA層を膜厚50nmと、正孔輸送層41にα−NPD層を膜厚10nmと、第1の発光層37Aに第1のノンドープ型の緑色発光するTYG−201層を膜厚20nmと、第1のキャリア輸送層42AにTYE−704層を膜厚30nmと、第2の発光層37Bに第2のノンドープ型の緑色発光するTYG−201層を膜厚20nmと、第2のキャリア輸送層42BにTYE−704層を膜厚30nmと、陰極39にフッ化リチウム膜が膜厚0.5nmとAl膜が膜厚100nmからなるAl/LiF積層膜を順次形成した。

図12は、第4実施例に用いた層の電子親和力Ea、イオン化ポテンシャルIp及びエネルギーギャップEgの関係を示した図である。なお、イオン化ポテンシャルIp及びエネルギーギャップEgの測定は実施例1に示した方法を用いて求めた。また、α−NPDは図7に示したEa、Eg、Ipを有する。

図12に示すように、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層のイオン化ポテンシャルIpは5.60eVであり、第1及び第2のキャリア輸送層に用いたTYE−704層のイオン化ポテンシャルIpは5.73eVである。TYE−704層とTYG−201層のイオン化ポテンシャルIpの差により、第1の発光層37Aと第1のキャリア輸送層42Aの界面と、第2の発光層37Bと第2のキャリア輸送層42Bの界面に、それぞれ0.13eVの大きさのエネルギー障壁が形成された。

エネルギー障壁により第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層に正孔が蓄積されて正孔密度が増加し、電子と再結合する正孔が増加して、第1及び第2の発光層37A,37Bの発光効率を向上させることができる。さらに、第1及び第2のキャリア輸送層42A,42Bに用いたTYE−704層のエネルギーギャップEg2.76eVは、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層のエネルギーギャップEg2.40eVよりも大きいため、第1及び第2の発光層37A,37Bでの正孔と電子の再結合する確率が増加し、第1及び第2の発光層37A,37Bに用いたTYG−201層の発光効率を向上させることができる。

(第3の実施の形態)
図13は、本発明の第3の実施の形態の有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ(有機ELディスプレイ)の概要構成を示した斜視図である。

図13に示すように、有機ELディスプレイ60は、ガラス基板33上に陰極39であるAl/LiF電極と、陽極34であるITO電極とが直交するように形成され、その間に第1又は第2の実施の形態の有機EL素子を構成する積層体51が形成された構成となっている。有機ELディスプレイ60の発光は、発光させたい発光層の領域のITO電極とAl/LiF電極をそれぞれ指定して電圧を印加して行なう。有機ELディスプレイ60を上記構成としたことで、発光効率を向上することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の記載範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、第1の実施の形態と第2の実施の形態を組み合わせることもできる。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力EaEMLより小さな電子親和力EaOL1を有するキャリア輸送層を形成することにより、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積され、空間電子密度が増加するので、正孔と再結合する電子が増加して、発光層での発光効率を向上させることが可能となった。

Claims (3)

  1. 互いに対向する陽極と陰極との間に複数の発光層と複数のキャリア輸送層とを有し、各発光層と、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層とが交互に積層した構造を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
    各発光層は、発光材料として有機蛍光体を含み、
    各発光層のイオン化ポテンシャルIpEMLと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層のイオン化ポテンシャルIpOL2との関係が、IpEML<IpOL2であり、かつ、
    各発光層の電子親和力EaEMLと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層の電子親和力EaOL2との関係が、EaEML<EaOL2であり、かつ、
    各発光層のエネルギーギャップEgEMLと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層のエネルギーギャップEgOL2との関係が、EgEML<EgOL2であることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
  2. 前記キャリア輸送層の材料は、Alqを用いることを特徴とする請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ。
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