JP5048145B2 - 有機発光素子及び有機発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機発光素子及び有機発光素子の製造方法に関し、さらに詳細には、酸化物半導体を含む画素部の積層構造を持つ有機発光素子及び有機発光素子の製造方法に関する。

有機発光素子は、電圧を印加することで自発光する物質を用いた素子であって、液晶素子に比べて高輝度、広視野角、高速応答という特性を示し、バックライトが不要であるため素子自体を薄くすることができるという長所を有する。

有機発光素子の発光層を含む有機層の積層構造は、発光効率を向上させるための重要な構造である。有機発光素子の積層構造は、ｐ型とｎ型との有機半導体層を積層させて発光層に電子と正孔との均衡的な電荷をもたらす。

積層型素子は、正極から正孔を注入し、注入された正孔を発光層に輸送する正孔輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ：ＨＴＬ）、負極から電子を注入し、注入された電子を発光層に輸送する電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ：ＥＴＬ）、及び正孔と電子とを再結合させて発光を表す発光層（ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ：ＥＭＬ）に大別される。正孔輸送層に加えて、正極から正孔を注入する正孔注入層（ｈｏｌｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ：ＨＩＬ）を更に含んでもよく、電子輸送層に加えて、負極から電子を注入する電子注入層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ：ＥＩＬ）を更に含んでもよい。このような有機層の積層構造は、発光効率を高めて駆動電圧を低める役割を行う。

米国特許出願公開第２００２／０１８７３６６号明細書

しかしながら、有機発光素子の大面積化と共に高い輝度が要求されるため、消費電力が大きくなり、これに伴い有機半導体物質の寿命が短くなるという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電流効率が向上して寿命が長くなり、また発光特性が向上した有機発光素子及び有機発光素子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、正極層と、前記正極層上に位置し、酸化物半導体からなる正孔充電層と、前記正孔充電層上に位置する一つ以上の有機層と、前記有機層上に位置する負極層と、を含む有機発光素子が提供される。

前記正孔充電層は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体、又は、インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体であることが好ましい。

前記酸化物半導体のバンドギャップエネルギーは３〜３．５ｅＶであり、前記酸化物半導体の価電子帯エネルギーは、前記正極層の仕事関数と、前記酸化物半導体層と接する前記有機層のＨＯＭＯエネルギーとの間に存在することが好ましい。

前記インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体は、前記ガリウムの含有量が３０〜５０原子％であり、前記インジウムの含有量が３０〜５０原子％であり、前記亜鉛の含有量が１０〜３５原子％であってもよい。また、前記インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体は、前記ガリウムの含有量が２０〜４０原子％であり、前記インジウムの含有量が２０〜４０原子％であり、前記亜鉛の含有量が２０〜４０原子％であってもよい。

前記インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体は、前記インジウムの含有量が３５〜５５原子％であり、前記亜鉛の含有量が３５〜５５原子％であり、前記ハフニウムの含有量が５〜１５原子％であってもよい。

前記酸化物半導体のエネルギー状態は、バンドテールを有し、深いエネルギー準位にエネルギー状態が存在してもよい。

前記有機層は、発光層を含むことが好ましい。また、前記酸化物半導体層と前記発光層とが、発光領域を共有してもよい。

前記有機発光素子は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ領域で発光することが好ましい。

前記有機層は、前記酸化物半導体層と前記発光層との間に、正孔注入層及び正孔輸送層のうちの少なくとも何れか一つを更に含んでもよい。

前記発光層と前記負極層との間に、電子輸送層及び電子注入層のうち少なくとも何れか一つを更に含んでもよい。

前記正極層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）を含むことが好ましい。

前記有機発光素子は、青色光、赤色光又は緑色光を発光することが好ましい。

基板と、前記基板上に位置するゲート電極、前記ゲート電極及び前記基板上に位置するゲート絶縁層、前記ゲート絶縁層上に位置し、前記ゲート電極と対向する活性層、前記活性層と電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極を含む薄膜トランジスタと、絶縁層と、を更に備え、前記正極層は、前記絶縁層を貫通して前記ソース電極又は前記ドレイン電極と接触するようにしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、正極層を形成する段階と、前記正極層上に酸化物半導体からなる正孔充電層を形成する段階と、前記正孔充電層上に少なくとも一つ以上の有機層を形成する段階と、前記有機層上に負極層を形成する段階と、を含む有機発光素子の製造方法が提供される。

前記正孔充電層は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体、又は、インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体であることが好ましい。

前記酸化物半導体のバンドギャップエネルギーは、３〜３．５ｅＶであり、前記酸化物半導体の価電子帯エネルギーは、前記正極層の仕事関数と前記酸化物半導体層と接する前記有機層のＨＯＭＯエネルギーとの間に存在することが好ましい。

前記インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体は、前記ガリウムの含有量が３０〜５０原子％であり、前記インジウムの含有量が３０〜５０原子％であり、前記亜鉛の含有量が１０〜３５原子％であってもよい。また、前記インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物半導体は、前記ガリウムの含有量が２０〜４０原子％であり、前記インジウムの含有量が２０〜４０原子％であり、前記亜鉛の含有量が２０〜４０原子％であってもよい。

前記インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体は、前記インジウムの含有量が３５〜５５原子％であり、前記亜鉛の含有量が３５〜５５原子％であり、前記ハフニウムの含有量が５〜１５原子％であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、正極層上の酸化物半導体層が、発光層への正孔注入に必要な正孔を充電してから供給することによって、有機発光素子の発光効率を向上させることができる。

また、青色光に対する発光効率を向上させることができる一方、酸化物半導体層が発光層と直接接して発光領域を共有しつつ発光層と異なるスペクトルを作ることによって、白色光を形成することもできる。

本発明の一実施形態に係る有機発光素子の積層構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る有機発光素子の積層構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る有機発光素子を示す断面図である。 実施例１及び比較例１の有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。 実施例２及び比較例２の有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。 実施例３及び比較例３の有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。 実施例３及び比較例３の有機発光素子の経時的な輝度を測定して比較したグラフ図である。 実施例１及び比較例１の有機発光素子に電圧パルスを印加した後に示される経時的な発光強度を測定して比較したグラフ図である。 本発明の実施例１及び実施例４の有機発光素子の発光スペクトルを示したグラフ図である。 酸化物半導体層の形成時の熱処理温度及び酸素分圧による光電流の変化を示したグラフ図である。 薄膜トランジスタの活性層に本実施の形態の酸化物半導体層を使用したときの電流―電圧特性を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る有機発光素子の積層構造を示す断面図である。
図１を参照すれば、本実施形態に係る有機発光素子は、正極層（ａｎｏｄｅ）１１上に酸化物半導体層１２が形成されており、酸化物半導体層１２上に正孔注入層（ｈｏｌｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ：ＨＩＬ）１３、正孔輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌａｙｅｒ：ＨＴＬ）１４、発光層（ｅｍｉｓｉｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ：ＥＭＬ）１５、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌａｙｅｒ：ＥＴＬ）１６及び電子注入層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ：ＥＩＬ）１７が順次形成されている。そして、電子注入層（ＥＩＬ）１７上に、負極層（ｃａｔｈｏｄｅ）１８が形成されている。

正極層１１は、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、これらの複合体の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）または金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などで形成することができる。

酸化物半導体層１２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含む酸化物、または、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びハフニウム（Ｈｆ）を含む酸化物等を用いて形成することができる。

前記酸化物半導体層１２の価電子帯のエネルギー準位は、正極層１１の仕事関数のエネルギー準位と、隣接有機層である正孔注入層（ＨＩＬ）１３のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）のエネルギー準位との間に位置することができる。

一方、酸化物半導体層１２は、ｎ型半導体であるため電子が多く、非晶質構造であるので、バンドテール（ｂａｎｄ ｔａｉｌ）及び深い状態（ｄｅｅｐ ｓｔａｔｅ）に位置するエネルギーレベルを持つ。酸化物半導体層１２のバンドテール及び深いエネルギー状態は、正極層１１から酸化物半導体層１２を経る正孔のフロー（すなわち、正孔の移動）に影響を与える。

図１の積層構造で酸化物半導体層１２は、正孔注入層１３とエネルギー障壁を形成しつつ、電子によって正孔を捕捉することで正孔を酸化物半導体層１２内に充電する正孔充電層としての役割を有している。酸化物半導体層１２が正孔を充電してから短時間に発光層で供給することによって、素子は発光効率を高めることができる。

酸化物半導体層１２がインジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含む酸化物である場合、この酸化物半導体層は、インジウムが３０〜５０原子％、ガリウムが３０〜５０原子％、亜鉛が１０〜３５原子％の組成比を有することができる。

インジウムの含有量が前記範囲より少なければ不導体になり、前記範囲より多ければ伝導性が高くなって導体特性を表すこととなる。ガリウムの含有量が前記範囲より少なければ導体になり、前記範囲より多ければ不導体になる可能性がある。亜鉛の含有量が前記範囲より少なければ導体になり、前記範囲より多ければ不導体になる可能性がある。

かかる酸化物半導体層１２は、約１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成することが可能である。

正孔注入層１３は、酸化物半導体層１２から正孔を引き込む役割を果たすものであり、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ（４、４’、４”−トリス（３−メチルフェニルフェニルアミノ）トリフェニルアミン）、ＴＤＡＴＡ、２Ｔ−ＮＡＴＡ、Ｐａｎｉ／ＤＢＳＡ（ポリアニリン／ドデシルベンゼンスルホン酸）、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホネート）、Ｐａｎｉ／ＣＳＡ（ポリアニリン／カンファースルホン酸）またはＰＡＮＩ／ＰＳＳ（ポリアニリン／ポリ（４−スチレンスルホネート））などを使用可能であるが、これらに限定されるものではない。

かかる正孔注入層の厚さは、約１００Å〜１０００Å（約１０ｎｍ〜１００ｎｍ）とすることが可能である。

・・・（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）

・・・（ＴＤＡＴＡ）

・・・（２Ｔ−ＮＡＴＡ）

・・・（Ｐａｎｉ／ＤＢＳＡ）

・・・（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）

正孔輸送層１４は、ＴＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−［１，１−ビフェニル］−４，４’−ジアミン）、ＮＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ＤＩ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン）、ＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（１−ナフチル）−（１、１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン）などを使用できる。前記正孔輸送層１４の厚さは、約５０Å〜約１０００Å（約５ｎｍ〜１００ｎｍ）とすることが可能である。

・・・（ＴＰＤ）

・・・（α−ＮＰＤ）

発光層１５は、一つの発光物質を含むか、またはホスト化合物とドーパント化合物との組み合わせを含むことができる。公知のホスト化合物の例としては、Ａｌｑ_３、ＣＢＰ（４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾル−ビフェニル）、ＰＶＫ（ポリ（ｎ−ビニルカルバゾール））、ＡＤＮ（９，１０−ジ（ナフタレン−２−イル）アントラセン）、ＴＣＴＡ、ＴＰＢＩ（１，３，５−トリス（Ｎ−フェニルベンズイミダゾール−２−イル）ベンゼン）、ＴＢＡＤＮ（３−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（ナフト−２−イル）アントラセン）、Ｅ３、ＤＳＡ（ジスチリルアリレン）などを使用できるが、これらに限定されるものではない。

・・・（Ａｌｑ_３）

・・・（ＣＢＰ）

・・・（ＰＶＫ）

・・・（ＡＤＮ）

・・・（ＴＰＢＩ）

・・・（ＴＢＡＤＮ）

・・・（Ｅ３）

一方、公知の赤色ドーパント化合物として、ＰｔＯＥＰ、Ｉｒ（ｐｉｑ）_３、Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）などを利用できるが、これらに限定されるものではない。なお、以下の化学構造式は、左から順に、ＰｔＯＥＰ、Ｉｒ（ｐｉｑ）_３、Ｂｔｐ_２Ｉｒ（ａｃａｃ）を表している。

また、公知の緑色ドーパント化合物として、Ｉｒ（ｐｐｙ）_３、Ｉｒ（ｐｐｙ）_２（ａｃａｃ）、Ｉｒ（ｍｐｙｐ）_３などを利用できるが、これらに限定されるものではない。なお、以下の化学構造式は、左から順に、Ｉｒ（ｐｐｙ）_３、Ｉｒ（ｐｐｙ）_２（ａｃａｃ）、Ｉｒ（ｍｐｙｐ）_３を表している。

一方、公知の青色ドーパント化合物として、Ｆ_２Ｉｒｐｉｃ、（Ｆ_２ｐｐｙ）_２Ｉｒ（ｔｍｄ）、Ｉｒ（ｄｆｐｐｚ）_３、ｔｅｒ−フルオレン、ＤＰＡＶＢｉ（４，４’−ビス（４−ジフェニルアミノスチリル）ビフェニル）、ＴＢＰｅ（２，５，８，１１−テトラ−ｔ−ブチルフェリレン）などを利用できるが、これらに限定されるものではない。

ここで、化学構造式は、左から順に、Ｆ_２Ｉｒｐｉｃ、（Ｆ_２ｐｐｙ_２）Ｉｒ（ｔｍｄ）、Ｉｒ（ｄｆｐｐｚ）_３を表している。

・・・（ＤＰＡＶＢｉ）

・・・（ＴＢＰｅ）

前記発光層がホスト化合物及びドーパント化合物を含む場合、ドーパント化合物の含有量は、通例的にホスト化合物約１００質量部を基準として、約０．０１〜約１５質量部の範囲で選択することが可能であるが、これらに限定されるものではない。発光層１３の厚さは、約１００Å〜約１０００Å（約１０ｎｍ〜１００ｎｍ）とすることができる。

電子輸送層１６は、公知の電子輸送材料を使用して形成することができる。かかる電子輸送材料として、例えば、Ｂｐｈｅｎ（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン、ＢＡｌｑ、Ａｌｑ_３（トリス（８−キノリノレート）アルミニウム）、Ｂｅｂｑ_２（ベリリウムビス（ベゾキノリン−１０−オラート）、ＴＰＢＩなどの材料を使用できるが、これらに限定されるものではない。電子輸送層１６の厚さは、約１００Å〜約１０００Å（約１０ｎｍ〜１００ｎｍ）とすることができる。

・・・（Ｂｐｈｅｎ）

・・・（Ａｌｑ_３）

・・・（ＢＡｌｑ）

電子注入層１７は、任意の電子注入物質を含むことができる。例えば、前記電子注入層１７は、ＬｉＦ、ＮａＣｌ、ＣｓＦ、Ｌｉ_２Ｏ及びＢａＦ_２からなる群から選択された一つ以上を含むことができるが、これらに限定されるものではない。電子注入層１７の厚さは、約１Å〜約１００Å（約０．１ｎｍ〜１０ｎｍ）とすることが可能である。

図２は、本発明の他の実施形態に係る有機発光素子の積層構造を示す断面図である。
図２の有機発光素子の積層構造は、酸化物半導体層の真上に発光層が形成されている点で、図１の有機発光素子の積層構造と異なる。

図２を参照すれば、かかる有機発光素子では、正極層１１上に酸化物半導体層１２が形成されており、酸化物半導体層１２上に発光層１５、電子輸送層１６及び電子注入層１７が順次に形成されている。そして、電子注入層１７上に負極層１８が形成されている。

一般的に、有機発光素子の発光層の発光領域は、主に正極層に近い方向に位置する。本実施形態で、正極層１１と発光層１５との間の酸化物半導体層１２は、正孔充電層の役割を担う一方、発光層１５と発光領域を共有して、発光層１５のみによる発光と異なる発光スペクトルを作る。酸化物半導体層１２と発光層１５との発光領域を共有する発光は、酸化物半導体層１２のエネルギーバンド構造の影響を受けて、可視光領域の広い範囲の波長で起き、したがって、白色光を形成することが可能となる。

図２の実施形態の積層構造の材料は、図１の実施形態と関連して説明した積層構造の材料と同様である。

酸化物半導体層の電荷濃度をはじめとするエネルギー状態の特性は、酸化物半導体層をスパッタリングして蒸着する際に、酸素分圧と熱処理温度とを変化させて調節でき、また、プラズマ処理、紫外線−オゾン処理によっても調節できる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る有機発光素子を示す断面図である。
図３を参照すれば、基板１０１上にゲート電極１１０及びゲート電極１１０上のゲート絶縁膜１１２が形成されている。基板１０１は、例えば、ガラス、石英、プラスチック材質であり、シリコン、セラミックまたは金属などの他の材質も使用可能である。基板の平滑性及び不純元素の浸透を遮断するために、または、移動性イオンを含むか、導電性の基板を使用する場合に、絶縁のためにバッファ層（図示せず）が使われるか、または、省略されうる。バッファ層（図示せず）は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコン酸化窒化物で形成可能である。ゲート電極１１０は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金から形成可能である。ゲート絶縁膜１１２は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの絶縁膜から形成可能である。

ゲート絶縁膜１１２上に、ゲート電極１１０と対向するように活性層１２０が形成されている。活性層１２０は、多結晶シリコン、非晶質シリコン、酸化物半導体または有機半導体物質から形成可能である。

ソース電極／ドレイン電極１３１、１３２は、第１層間絶縁層１２２を貫通して活性層１２０と接触している。本発明の実施形態による積層構造１４０は、第２層間絶縁層１３４を貫通してドレイン電極１３１に接触している。ソース電極／ドレイン電極１３１、１３２は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金を含む多様な材料から形成可能である。第１層間絶縁層１２２及び第２層間絶縁層１３４は、例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などの絶縁膜から形成可能である。

画素部の積層構造１４０は、図１と関連して説明したように、正極層／酸化物半導体層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層から形成されうる。または、画素部の積層構造１４０は、図２と関連して説明したように、正極層／酸化物半導体層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層から形成されうる。

また、画素定義膜１４２は、有機膜または無機膜を用いて形成することが可能である。

本発明に係る有機発光素子の画素部積層構造は、赤色、緑色及び青色の発光のための画素部にいずれも適用可能である。また、本発明に係る有機発光素子は、白色発光素子としても使用可能である。

本発明に係る有機発光素子は、正孔充電層に充電されていた正孔が発光層に速く注入され、発光効率が高い。また、正孔充電層が発光層と接する場合、発光層と発光領域を共有して広い波長帯の発光が生じ、白色光として使用できる可能性がある。

本発明に係る有機発光素子の特性を測定して従来の有機発光素子の特性と比較するために、本発明の実施形態に係る有機発光素子と、比較例として従来の有機発光素子とを製作した。なお、以下の実施例及び比較例では、正極層にＩＴＯ（層厚：４５０Å）、正孔注入層にｍ−ＭＴＤＡＴＡ（層厚：６００Å）、正孔輸送層にＮＰＤ（層厚：４００Å）、発光層ホストにＡＮＤ（発光層の層厚：２００Å）、青色ドーパントにＤＰＡＶＢｉ、緑色ドーパントにＩｒ（ｐｐｙ）３、赤色ドーパントにＰｔＯＥＰ、電子輸送層にＡｌｑ３（層厚：３００Å）、電子注入層にＬｉＦ（層厚：１０Å）、負極層にＡｌ（層厚：１５００Å）を使用した。

＜実施例１＞
図１の積層構造を使用して、青色発光用有機発光素子を製作した。正極層としてＩＴＯ層を使用し、酸化物半導体層としてインジウム：ガリウム：亜鉛＝２：２：１の組成比を持つＧＩＺＯ酸化物半導体層（層厚：５００Å）を使用した。この時、酸化物半導体のバンドギャップエネルギーは３．０〜３．４ｅＶであり、酸化物半導体の価電子帯エネルギーは−２．０（ｅＶ）であり、正孔注入層のＨＯＭＯエネルギーは−５．２ｅＶ〜−５．５ｅＶである。したがって、酸化物半導体の価電子帯エネルギーは、正極層の仕事関数と正孔注入層または発光層のＨＯＭＯエネルギーとの間に存在する。また、実施例１〜４では、酸化物半導体に正孔が注入されるので、正孔注入層または発光層のＨＯＭＯエネルギーが酸化物半導体の価電子帯エネルギーにほぼ一致する。酸化物半導体は主に電子を移動させるので、酸化物半導体に正孔が注入された際に、酸化物半導体の価電子帯に存在した電子が正孔注入層または発光層のＨＯＭＯに落ちるか、またはＬＵＭＯに一旦移動した後、ＨＯＭＯに落ちうる。

＜実施例２＞
図１の積層構造を使用して、赤色発光用有機発光素子を製作した。正極層としてＩＴＯ層を使用し、酸化物半導体層としてインジウム：ガリウム：亜鉛＝２：２：１の組成比を持つＧＩＺＯ酸化物半導体層（層厚：５００Å）を使用した。

＜実施例３＞
図１の積層構造を使用して、緑色発光用有機発光素子を製作した。正極層としてＩＴＯ層を使用し、酸化物半導体層としてインジウム：ガリウム：亜鉛＝２：２：１の組成比を持つＧＩＺＯ酸化物半導体層（層厚：５００Å）を使用した。

＜実施例４＞
図２の積層構造を使用して、青色発光用有機発光素子を製作した。正極層としてＩＴＯ層を使用し、酸化物半導体層としてインジウム：ガリウム：亜鉛＝２：２：１の組成比を持つＧＩＺＯ酸化物半導体層（層厚：５００Å）を使用した。

＜実施例５＞
薄膜トランジスタの活性層（層厚：５００Å）に、実施例１のＧＩＺＯ酸化物半導体層、または、ハフニウム：インジウム：亜鉛＝１：４．５：４．５の組成比を持つ酸化物半導体層を使用したときの電流―電圧特性を図１１に示す。なお、絶縁層には酸化ケイ素（層厚：２０００Å）、各電極にはモリブデン及びアルミニウム（層厚：５０００Å）（例えば、ソース及びドレインがモリブデンで構成され、ゲートがアルミニウムで構成される）を使用した。この図によれば、実施例１のガリウムをハフニウムに変更した場合にも、同様の電流−電圧特性を示すので、後述する有機ＥＬとしての特性も近似する。

＜比較例１＞
ＩＴＯ正極層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層の積層構造を使用して、青色発光用有機発光素子を製作した。

＜比較例２＞
ＩＴＯ正極層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層の積層構造を使用して、赤色発光用有機発光素子を製作した。

＜比較例３＞
ＩＴＯ正極層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層の積層構造を使用して、緑色発光用有機発光素子を製作した。

＜電流効率＞
電流効率（ηｃ［Ｃｄ／Ａ］）は、電流密度（Ｊ［Ａ／ｍ^２］）当たりの正面輝度（Ｌ［ｃｄ／ｍ^２］）のサイズを表したものであって、素子の印加電圧に関係しないため、発光材料自体の発光性能を評価する際に使用される。

図４は、実施例１及び比較例１の青色発光用有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。図４で、▲及び■は、それぞれ実施例１の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。一方、図４で、△及び□は、それぞれ比較例１の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。すなわち、■の有機発光素子は、ＩＴＯ正極層／ＧＩＺＯ酸化物半導体層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層の積層構造を持ち、□の有機発光素子は、ＩＴＯ正極層／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層／負極層の積層構造を持つ。ＧＩＺＯ酸化物半導体層は、インジウム：ガリウム：亜鉛＝２：２：１の組成比を持つ酸化物半導体層を使用した。

図４のグラフ図で、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した実施例１の場合の電流効率が、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用していない比較例１の場合より３倍ほど大きい。これにより、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した有機発光素子の電流効率が大きく向上したことが分かる。また、電流効率の向上と共に素子寿命の向上も期待される。

図５は、実施例２及び比較例２の赤色発光用有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。図５で、▲及び■は、それぞれ実施例２の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。一方、図５で、△及び□は、それぞれ比較例１の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。青色発光の有機発光素子の場合と同様に、赤色発光の場合にも、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した有機発光素子の電流効率が大きく向上したことが分かる。

図６は、実施例３及び比較例３の緑色発光用有機発光素子の電流効率を測定して比較したグラフ図である。図６で、▲及び■は、それぞれ実施例３の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。一方、図６で、△及び□は、それぞれ比較例３の有機発光素子の電流密度及び電流効率を表示したものである。青色発光の有機発光素子の場合と同様に、緑色発光の場合にも、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した有機発光素子の電流効率が大きく向上したことが分かる。

＜寿命＞
図７は、実施例３及び比較例３の緑色発光用有機発光素子の経時的な輝度を測定して比較したグラフ図である。図７で、●は、実施例３の有機発光素子の輝度であり、○は、比較例３の有機発光素子の輝度である。図７のグラフで、比較例３のＩＴＯ正極層のみを使用した場合には輝度が一定に減少するが、実施例３のＩＴＯ正極層上にＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した場合には、輝度の起伏はあるが、減少傾向が明らかではない。また、時間が経過しても、ＩＴＯ正極層上にＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した実施例３の場合が、ＴＯ正極層のみを使用した比較例３の場合より輝度がずっと高いので、ＧＩＺＯ酸化物半導体層を使用した有機発光素子の寿命が向上したことが分かる。

＜ＴＥＬ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定＞
一般的に電圧パルスが印加されれば、約〜１μｓ後から発光し始まる。これは、有機半導体層の抵抗が高いため、正孔と電子とが発光層まで入るのに時間がかかるためである。発光開始時間は、各有機半導体層の移動度及び隣接した有機層とのエネルギーレベル差により影響される。一般的に発光層に入った電荷は、低い移動度のために空間電荷制限電流（ｓｐａｃｅ−ｃｈａｒｇｅ−ｌｉｍｉｔｅｄ−ｃｕｒｒｅｎｔ：ＳＣＬＣ）を形成するようになって、電荷が押されて入るので、経時的な発光曲線が「Ｓ」字型の形態をなす。すなわち、パルスが維持される間に経時的に発光層内の電荷注入が飽和されて一定の強度を維持するようになる。この飽和発光の強度は、ＤＣモードで電圧によって発生する発光強度と同じ値になる。

図８は、実施例１及び比較例１の青色発光用有機発光素子に電圧パルスを印加した後に示される、経時的な発光強度を測定して比較したグラフ図である。図８で太線は、実施例１の発光強度であり、細線は、比較例１の発光強度である。

図８のグラフ図で、実施例１及び比較例１の青色発光用有機発光素子の電極両端に、正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の電圧パルスを一定の周期（１０Ｈｚ）で印加しつつ発生する反復的な発光強度をオシロスコープで測定した。図８のグラフに図示されていないが、電圧パルス幅が２０μｓに印加されている。

図８で、比較例１のＴＥＬは一般的なＳ字パターンを表している。しかし、実施例１の場合には、発光開始時間が比較例１の場合より速く、発光強度も比較例１に比べて９倍ほど増大している。発光層に多くの電荷が速く入る場合に、このような発光パターンが発生しうる。しかし、ＧＩＺＯ酸化物半導体層は電子が多くのｎ型半導体を形成しており、電気的相互作用により正極層からの正孔注入を遅くする。しかし、図８の実施例１の発光パターンは、発光層への初期発光時間が速く、これは遅い正孔注入から予想し難い。

初期の速い発光時間は、ＧＩＺＯ酸化物半導体層内に捕えられていた、すなわち、ＧＩＺＯ酸化物半導体層内に充電されていた正孔が、素子に電圧がかかれば発光層に速く注入されうるためであると解釈できる。また、ＧＩＺＯ酸化物半導体層から発光層に注入された正孔は、正孔より速く発光層に入った電子と結合して大きい初期発光強度を作ることと理解できる。したがって、ＧＩＺＯ酸化物半導体層は、電荷充電層（ｈｏｌｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｌａｙｅｒ：ＨＣＬ）の役割を果たすと理解できる。

図９は、本発明の実施例１及び実施例４の青色発光用有機発光素子の発光スペクトルを示したグラフ図である。図９で、太線は、実施例１の有機発光素子の発光スペクトルであり、細線は、実施例４の有機発光素子の発光スペクトルである。図９のグラフで、ＧＩＺＯ酸化物半導体層上に正孔注入層と正孔輸送層とを形成した実施例１の場合より、ＧＩＺＯ酸化物半導体層上に直ちに発光層を形成した実施例４の場合に、青色波長から７００ｎｍに至る長い波長帯まで発光の強度が大きく維持されるということが分かる。これにより、実施例４の有機発光素子は白色光を形成するのに使用可能であると判断される。

実施例４の有機発光素子が長い波長帯にわかる発光スペクトルを表すことは、ＧＩＺＯ酸化物半導体層が正孔充電層の役割を行う一方、発光層と発光領域とを共有し、前記発光領域の発光は、ＧＩＺＯ酸化物半導体層のエネルギーバンド構造の影響を受けるためであると考えることができる。

図１０は、酸化物半導体層の形成時に、熱処理温度及び酸素流量による酸化物半導体層の光電流の変化を示したグラフ図である。酸化物半導体層に紫外線（３６５ｎｍ、４ｍＷ）を照射して相異なる２つの地点における光電流を測定した。図１０のグラフ図は、酸素の流量が最も低い１０ｓｃｃｍである時に光電流が最も高く、以後には酸素の流量が増大しても光電流が大きく変わらないことを示す。しかし、熱処理温度が２５０℃である場合には、酸素の流量が低いほど光電流が増大することを示す。また、図１０のグラフ図は、熱処理温度によって光電流が変わることを示す。

光電流は、伝導特性と関連する。材料の伝導度が大きくなれば、光電流値も大きくなる。図１０のグラフ図から、酸化物半導体層の形成時に熱処理及び酸素流量を調節することによって伝導特性を調節できるということが分かる。一方、酸化物半導体層のプラズマ処理と紫外線−オゾン処理とを通じても、伝導特性を調節できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、有機発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。

１１ 正極層
１２ 酸化物半導体層
１３ 正孔注入層
１４ 正孔輸送層
１５ 発光層
１６ 電子注入層
１７ 電子輸送層
１８ 負極層
１０１ 基板
１１０ ゲート電極
１１２ ゲート絶縁膜
１２０ 活性層
１２２ 第１層間絶縁層
１３１、１３２ ソース／ドレイン電極
１３４ 第２層間絶縁層
１４０ 画素部積層構造
１４２ 画素定義膜

Claims (13)

1. 正極層と、
   前記正極層上に位置し、酸化物半導体からなる正孔充電層と、
   前記正孔充電層上に位置する一つ以上の有機層と、
   前記有機層上に位置する負極層と、
   を含み、
   前記正孔充電層は、インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体であり、
   前記インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体は、前記インジウムの含有量が３５〜５５原子％であり、前記亜鉛の含有量が３５〜５５原子％であり、前記ハフニウムの含有量が５〜１５原子％であることを特徴とする、有機発光素子。
2. 前記酸化物半導体のバンドギャップエネルギーは３〜３．５ｅＶであり、
   前記酸化物半導体の価電子帯エネルギーは、前記正極層の仕事関数と、前記酸化物半導体と接する前記有機層のＨＯＭＯエネルギーとの間に存在する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
3. 前記有機層は、前記正孔充電層上に位置する正孔注入層を有し、
   前記酸化物半導体のエネルギー状態は、バンドテールを有し、前記酸化物半導体は、前記正孔注入層に対するエネルギー障壁を形成することを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
4. 前記有機層は、発光層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
5. 前記正孔充電層と前記発光層とが、発光領域を共有することを特徴とする、請求項４に記載の有機発光素子。
6. 前記有機発光素子は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ領域で発光することを特徴とする、請求項５に記載の有機発光素子。
7. 前記有機層は、前記正孔充電層と前記発光層との間に、正孔注入層及び正孔輸送層のうちの少なくとも何れか一つを更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の有機発光素子。
8. 前記発光層と前記負極層との間に、電子輸送層及び電子注入層のうち少なくとも何れか一つを更に含むことを特徴とする、請求項４又は５に記載の有機発光素子。
9. 前記正極層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
10. 前記有機発光素子は、青色光、赤色光又は緑色光を発光することを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
11. 基板と、
    前記基板上に位置するゲート電極、前記ゲート電極及び前記基板上に位置するゲート絶縁層、前記ゲート絶縁層上に位置し、前記ゲート電極と対向する活性層、前記活性層と電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極を含む薄膜トランジスタと、
    絶縁層と、
    を更に備え、
    前記正極層は、前記絶縁層を貫通して前記ソース電極又は前記ドレイン電極と接触することを特徴とする、請求項１に記載の有機発光素子。
12. 正極層を形成する段階と、
    前記正極層上に酸化物半導体からなる正孔充電層を形成する段階と、
    前記正孔充電層上に少なくとも一つ以上の有機層を形成する段階と、
    前記有機層上に負極層を形成する段階と、
    を含み、
    前記正孔充電層は、インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体であり、
    前記インジウム、亜鉛及びハフニウムを含む酸化物半導体は、前記インジウムの含有量が３５〜５５原子％であり、前記亜鉛の含有量が３５〜５５原子％であり、前記ハフニウムの含有量が５〜１５原子％であることを特徴とする、有機発光素子の製造方法。
13. 前記酸化物半導体のバンドギャップエネルギーは、３〜３．５ｅＶであり、
    前記酸化物半導体の価電子帯エネルギーは、前記正極層の仕事関数と前記酸化物半導体と接する前記有機層のＨＯＭＯエネルギーとの間に存在する
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の有機発光素子の製造方法。