JP5117388B2

JP5117388B2 - 有機電子素子

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Publication number: JP5117388B2
Application number: JP2008538815A
Authority: JP
Inventors: カン、ミン‐ソ; ソン、セ‐ホワン; チェ、ヒョン
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: US8253126B2; CN101297018A; KR20070047017A; TW200729569A; WO2007066898A1; CN101297018B; TWI328296B; EP1943322A4; JP2009514243A; US20070102698A1; KR100721656B1; US20100117063A9; EP1943322A1

Description

本発明は正孔注入または正孔抽出用電極にｎ−型有機物層を有する電子素子に関するものである。より詳しくは、本発明は正孔注入または正孔抽出のためのエネルギー障壁を低くすることができる電子素子に関するものである。

本出願は２００５年１１月１日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２００５−０１０３６６４号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。

太陽電池、有機発光素子、または有機トランジスタのような電子素子は、通常２つの電極とこれらの電極の間に介在された有機物層とを含む。例えば、太陽電池は、太陽エネルギーによって有機物層にて発生したエキシトン（励起子；ｅｘｃｉｔｏｎ）から分離された電子と正孔を用いて電気を発生させる。有機発光素子は、２つの電極から有機物層に電子および正孔を注入して電流を可視光に変換させる。有機トランジスタは、ゲートに印加された電圧によって有機物層に形成された正孔または電子をソース電極とドレイン電極との間で輸送させる。また、電子素子は、性能を向上させるために電子／正孔注入層、電子／正孔抽出層、または電子／正孔輸送層をさらに含むことができる。

しかし、金属、金属酸化物または導電性ポリマーを有する電極と有機物層との間の界面は不安定であり、外部から加えられる熱、内部発生熱、または電子素子に加えられる電界は電子素子の性能に悪影響を及ぼし得る。また、電子／正孔注入層、電子／正孔抽出層または電子／正孔輸送層と有機物層との間の伝導エネルギー準位（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌ）の差のために素子動作のための駆動電圧が大きくなり得る。よって、電極に又は電極から電子／正孔を注入／抽出するエネルギー障壁を最小化するだけでなく、電子／正孔注入層、電子／正孔抽出層、または電子／正孔輸送層と有機物層との間、もしくは有機物層と電極との間の界面を安定化させることが重要である。

電子素子は、電極とこの電極の間に位置する有機物層の間のエネルギー準位差を調節できるように開発されてきた。有機発光素子の場合、アノード電極は、正孔を円滑に注入するために、正孔注入層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位と類似するフェルミエネルギー準位（Ｆｅｒｍｉｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌ）を有するように調節されるか、またはアノード電極のフェルミエネルギー準位と類似するＨＯＭＯエネルギー準位を有する物質を正孔注入層用の物質として選択する。しかし、正孔注入層は、アノード電極のフェルミエネルギー準位だけでなく正孔輸送層または発光層のＨＯＭＯエネルギー準位を考慮して選択されるべきであるため、正孔注入層用の物質を選択するのに制限がある。

したがって、有機発光素子を製造するにおいて、一般にアノード電極のフェルミエネルギーを調節する方法が採択されるが、アノード電極用物質は制限される。また、有機トランジスタもソース／ドレイン電極として金または他の貴金属を用いるが、金のような貴金属は高価であるだけでなく、加工性も他の金属に比べて落ちるため、素子製造工程が複雑になり、商業的に利用し難いとの問題点がある。

よって、本発明は上記問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は、第１電極、第２電極、およびこれらの電極の間に配置された有機物層を含む電子素子であって、第１電極と第２電極を同一物質で形成できる電子素子、例えば、有機発光素子、有機太陽電池および有機トランジスタと、前記有機発光素子を反復単位とするスタック型有機発光素子を提供することをその目的とする。

また、本発明は、前記第１電極がｎ−型有機物層および導電層を含む場合、第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２ｅＶ〜４ｅＶで大きい場合にも、電極と有機物層の界面において正孔注入および／または正孔抽出に対する電気的障壁が低くて、正孔注入および／または正孔抽出能力などが向上することにより、素子性能に優れ、様々な物質で電極を形成できるため、素子製造工程が簡素化できる有機発光素子、有機太陽電池および有機トランジスタのような電子素子を提供することを他の目的とする。

本発明に係る電子素子は、導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含む第１電極；第２電極；および前記第１電極のｎ−型有機物層と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層を含み、前記層らのエネルギー準位が下記式（１）および（２）を満足することを特徴とする。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（１）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（２）
前記式（１）および（２）において、Ｅ_Ｆ１は前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは前記第１電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位である。

また、本発明は、導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含むアノード；カソード；および前記アノードのｎ−型有機物層と前記カソードとの間に位置し、前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層を含み、前記層らのエネルギー準位が下記式（３）および（４）を満足することを特徴とする有機発光素子を提供する。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（３）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（４）
前記式（３）および（４）において、Ｅ_Ｆ１は前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。

また、本発明は、導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含むアノード；カソード；および前記アノードのｎ−型有機物層と前記カソードとの間に位置し、前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層からなる電子供与層を含み、前記層らのエネルギー準位が下記式（５）および（６）を満足することを特徴とする有機太陽電池を提供する。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（５）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（６）
前記式（５）および（６）において、Ｅ_Ｆ１は前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。

また、本発明は、ソース電極；ドレイン電極；ゲート電極；および前記ゲート電極上に位置する絶縁層；および前記絶縁層上に位置するｐ−型有機物層を含み、前記ソース電極およびドレイン電極のうちの少なくとも１つは前記ｐ−型有機物層とＮＰ接合をなすｎ−型有機物層および導電層を含み、前記層らのエネルギー準位が下記式（７）および（８）を満足することを特徴とする有機トランジスタを提供する。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（７）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（８）
前記式（７）および８において、Ｅ_Ｆ１は前記ソース電極またはドレイン電極の導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは前記ソース電極またはドレイン電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは前記ソース電極またはドレイン電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。

上記のように、本発明に係る有機発光素子、スタック型有機発光素子、有機トランジスタおよび有機太陽電池のような電子素子は、第１電極の導電層と第２電極を同一物質で形成することができる。これにより、高輝度の積層構造の有機発光素子を得ることができ、単位電子素子を積層したスタック型電子素子などの様々な素子を具現することができる。また、正孔注入および正孔抽出層を必要とする有機発光素子および有機トランジスタおよび有機太陽電池のような電子素子において、様々な電極材料を用いることができ、製造工程上の単純性を確保できる長所がある。

また、本発明に係る有機電子素子は、正孔注入または正孔抽出に対する電気的障壁を低くし、ｎ−型有機物層とｐ−型有機物層との間にＮＰ接合をなすために、素子効率が高く且つ電極物質として様々な物質を用いることができるので素子製造工程を簡素化できる効果がある。

以下では、本発明を実施するために発明者によって案出された条件を説明することにより、本発明の好ましい具現例だけを図示し説明する。しかし、本発明は本発明の範囲を脱しない範囲内で多様に変化させることができる。よって、添付図面および以下の詳細な説明は、その性質上、例示的であって、本発明の範囲を制限するためのものでない。

本発明に係る電子素子は、導電層および導電層上に配置されたｎ−型半導体特性を有する有機物層（以下、「ｎ−型有機物層」という）を含む第１電極、第２電極、前記第１電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型半導体特性を有する有機物層（以下、「ｐ−型有機物層」という）を含むことを特徴とする。前記ｐ−型有機物層と第２電極との間には、電子／正孔注入層、電子／正孔抽出層、電子／正孔輸送層、発光層から選択された１つ以上の層を含むことができる。

前記第１電極の導電層は金属、金属酸化物、または導電性ポリマーからなり得る。前記導電性ポリマーは電気伝導性ポリマーを含むことができる。前記第１電極の導電層上に形成されるｎ−型有機物層は、前記導電層のフェルミエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位に対して所定のＬＵＭＯエネルギー準位を有する。前記第１電極のｎ−型有機物層は、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差、および前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差が減少するように選択される。よって、正孔が前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位を介して前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位に容易に注入され、また、正孔が前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位を介して前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位から容易に抽出される。但し、本発明では、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が一定以上出るようにすることにより、低い仕事関数を有する材料を用いて第１電極の導電層を形成することもできる。つまり、本発明では電極材料としてより様々な材料を用いることができる。具体的に説明すれば次の通りである。

本発明者らは、導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含む第１電極、第２電極、および前記第１電極のｎ−型有機物層と前記第２電極との間に位置し、前記ｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層を含み、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位との差が２ｅＶ以下であり、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位との差が１ｅＶ以下である電子素子を国際出願ＰＣＴ／ＫＲ２００５／００１３８１号として出願したことがある。前記出願発明に係る電子素子は、第１電極と有機物層の界面において正孔注入および／または正孔抽出に対するエネルギー障壁が低くて、正孔注入および／または正孔抽出能力などが向上することにより、素子性能に優れ、様々な物質で電極を形成することができるために素子の製造工程が簡素化できる長所がある。

しかし、上記の電子素子において、第１電極の導電層と第２電極として同一物質を用いる場合には単位電子素子を積層したスタック型電子素子などの様々な素子を具現することができ、製造工程上の単純性を確保できるにもかかわらず、第２電極の場合第１電極とは逆に電子がよく注入され得るように低い仕事関数を有する材料を用いることが有利であって、第２電極の材料としてＬｉＦ−Ａｌ、Ｌｉ−Ａｌ、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ｃａ−ＩＺＯなどを用いている。よって、前述した前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２ｅＶ以下の条件を有する第１電極の場合、第２電極として用いる物質中、Ｃａ、Ｃａ−ＡｇまたはＣａ−ＩＺＯを第１電極の導電層として適用するには限界がある問題点がある。

本発明によれば、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差は２ｅＶ超過４ｅＶ以下である。また、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差は１ｅＶ以下であり、好ましくは約０．５ｅＶ以下である。このエネルギー差は、物質選択の観点からは約０．０１〜１ｅＶであることが好ましい。

前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が４ｅＶより大きければ、正孔注入または正孔抽出のエネルギー障壁に対する表面双極子（ｓｕｒｆａｃｅｄｉｐｏｌｅ）またはギャップステート（ｇａｐｓｔａｔｅ）の効果が減少する。前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２ｅＶ以下であれば、第１電極の導電層物質の選択に制限がある。また、前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差が約１ｅＶより大きければ、前記ｐ−型有機物層と前記第１電極のｎ−型有機物層との間のＮＰ接合が容易になされなくて、正孔注入または正孔抽出のための駆動電圧が上昇する。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、各々本発明の例示的な一具現例に係る電子素子において、正孔注入または正孔抽出用第１電極内にｎ−型有機物層を適用する前と後の前記第１電極のエネルギー準位を示すものである。図１（ａ）において、前記第１電極の導電層はｎ−型有機物層のフェルミエネルギー準位（Ｅ_Ｆ２）よりは低いフェルミエネルギー準位（Ｅ_Ｆ１）を有する。真空準位（ＶＬ）は導電層およびｎ−型有機物層において電子が自由に移動できるエネルギー準位を示す。

電子素子が第１電極の一部分としてｎ−型有機物層を用いる場合、導電層はｎ−型有機物層と接触するようになる。図１（ｂ）において、電子は導電層からｎ−型有機物層に移動するため、前記２層のフェルミエネルギー準位（Ｅ_Ｆ１，Ｅ_Ｆ２）は等しくなる。その結果、表面双極子が導電層とｎ−型有機物層との間の界面に形成され、真空準位、フェルミエネルギー準位、ＨＯＭＯエネルギー準位、およびＬＵＭＯエネルギー準位は図１（ｂ）に示されているように変わる。

よって、第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位と第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位との差が大きくても、正孔注入または正孔抽出のためのエネルギー障壁は前記導電層とｎ−型有機物層を接触させることによって減少させることができる。また、前記導電層のフェルミエネルギー準位が前記ｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位より低い場合、電子は導電層からｎ−型有機物層に移動し、前記導電層とｎ−型有機物層との間の界面にギャップステートを形成する。よって、電子輸送のためのエネルギー障壁は最小化する。

前記第１電極の導電層上に形成されるｎ−型有機物層は下記化学式１の化合物を含むことができる。

前記化学式１において、Ｒ^１〜Ｒ^６は各々水素、ハロゲン原子、ニトリル（−ＣＮ）、ニトロ（−ＮＯ_２）、スルホニル（−ＳＯ_２Ｒ）、スルホキシド（−ＳＯＲ）、スルホンアミド（−ＳＯ_２ＮＲ）、スルホネート（−ＳＯ_３Ｒ）、トリフルオロメチル（−ＣＦ_３）、エステル（−ＣＯＯＲ）、アミド（−ＣＯＮＨＲまたは−ＣＯＮＲＲ’）、置換または非置換された直鎖または分枝鎖のＣ_１−Ｃ_１２アルコキシ、置換または非置換された直鎖または分枝鎖Ｃ_１−Ｃ_１２のアルキル、置換または非置換された芳香族または非芳香族の複素環、置換または非置換されたアリール、置換または非置換されたモノ−またはジ−アリールアミン、および置換または非置換されたアラルキルアミンからなる群から選択され、前記ＲおよびＲ’は各々置換または非置換されたＣ_１−Ｃ_６０のアルキル、置換または非置換されたアリール、および置換または非置換された５−７員複素環からなる群から選択される。

前記化学式１の化合物は下記化学式１−１〜１−６の化合物で例示することができる。

前記化学式１の他の例や合成方法および様々な特徴は、米国特許出願第２００２−０１５８２４２号、米国特許第６，４３６，５５９号、および米国特許第４，７８０，５３６号に記載されており、これらの文献の内容は全て本明細書に含まれる。

また、前記ｎ−型有機物層は、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、およびシアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）のうちから選択される１以上の化合物を含むことができる。

本発明に係る電子素子は正孔を注入または抽出する第１電極のｎ−型有機物層に接触するｐ−型有機物層を含む。よって、前記第１電極のｎ−型有機物層とｐ−型有機物層との間にＮＰ接合が形成される。図２は前記第１電極のｎ−型有機物層とｐ−型有機物層との間に形成されたＮＰ接合を示すものである。

ＮＰ接合が形成された場合、第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯ準位とｐ−型有機物層のＨＯＭＯ準位との間のエネルギー準位差は減少する。よって、外部電圧や光源によって正孔または電子が容易に形成される。ｐ−型有機物層内において正孔または第１電極のｎ−型有機物層内において電子はＮＰ接合によって容易に形成される。前記ＮＰ接合で正孔と電子が同時に発生するため、電子は第１電極のｎ−型有機物層を通して第１電極の導電層に輸送され、正孔はｐ−型有機物層に輸送される。

本発明の例示的な一具現例の電子素子はこれに限定されるものではないが、有機発光素子、有機太陽電池、および有機トランジスタを含む。

有機発光素子
有機発光素子は、導電層およびこの導電層上に位置するｎ−型有機物層を含むアノード電極、カソード電極、および前記ｎ−型有機物層とカソードとの間に位置し、前記ｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層を含む。前記アノードのｎ−型有機物層とカソードとの間には、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、および電子注入層から選択される１つ以上の層を含むことができる。

図３〜図５は本発明の例示的な具現例に係る有機発光素子を示すものである。図３〜図５を参照すれば、本発明に係る有機発光素子の第１具現例〜第３具現例は下記の順で形成することができる。
第１具現例
−基板３１
−アノード３２：導電層３２ａ／ｎ−型有機物層３２ｂ
−ｐ−型正孔注入層３３
−正孔輸送層３４
−発光層３５
−電子輸送層３６
−カソード３７
第２具現例
−基板３１
−アノード３２：導電層３２ａ／ｎ−型有機物層３２ｂ
−ｐ−型正孔輸送層３４
−発光層３５
−電子輸送層３６
−カソード３７
第３具現例
−基板３１
−アノード３２：導電層３２ａ／ｎ−型有機物層３２ｂ
−ｐ−型発光層３５
−電子輸送層３６
−カソード３７

前記第１具現例〜第３具現例において、正孔輸送層３４、発光層３５、および電子輸送層３６は同一の有機物質で、または他の有機物質で形成することができる。前記第２具現例の場合にはｎ−型有機物層３２ｂが正孔注入層の役割を同時にする。前記第３具現例の場合にはｎ−型有機物層３２ｂが正孔注入層と正孔輸送層の役割をする。

前記第１具現例〜第３具現例において、ｎ−型有機物層３２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位と導電層３２ａのフェルミエネルギー準位とのエネルギー差は２ｅＶ超過４ｅＶ以下である。第１具現例、第２具現例、および第３具現例において、ｎ−型有機物層３２ｂとＮＰ接合をなすｐ−型有機物層は、各々ｐ−型正孔注入層３３、ｐ−型正孔輸送層３４、およびｐ−型発光層３５になり、前記ＮＰ接合をなすｎ−型有機物層３２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位とｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差は約１ｅＶ以下であり、好ましくは約０．５ｅＶ以下である。

ｎ−型有機物層３２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位と導電層３２ａのフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が４ｅＶより大きければ、ｐ−型有機物層への正孔注入のためのエネルギー障壁に対する表面双極子またはギャップステートの効果が減少する。前記ｎ−型有機物層３２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差が約１ｅＶより大きければ、ｐ−型有機物層またはｎ−型有機物層３２ｂにおいて各々正孔または電子が容易に発生しない。正孔注入のための駆動電圧が上昇する。

図６は従来の有機発光素子の理想的なエネルギー準位を示すものである。このエネルギー準位において、アノードおよびカソードから各々正孔および電子を注入するためのエネルギー損失が最小化される。図７は本発明の例示的な一具現例に係る有機発光素子のエネルギー準位を示すものである。

図７を参照すれば、本発明の例示的な具現例に係る有機発光素子は導電層およびｎ−型有機物層（図３参照）を有するアノード、ｐ−型正孔注入層（ＨＩＬ）、正孔輸送層（ＨＴＬ）、発光層（ＥＭＬ）、電子輸送層（ＥＴＬ）、およびカソードを含む。前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差は２ｅＶ超過４ｅＶ以下であり、また、前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位とｐ−型正孔注入層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差は約１ｅＶ以下である。正孔／電子注入または抽出のためのエネルギー障壁が前記アノードのｎ−型有機物層によって低くなったため、前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位および前記ｐ−型正孔注入層のＨＯＭＯエネルギー準位を用いて、正孔はアノードから発光層に容易に輸送される。

前記アノードのｎ−型有機物層がアノードからｐ−型正孔注入層、ｐ−型正孔輸送層またはｐ−型発光層への正孔注入のためのエネルギー障壁を低くするため、前記アノードの導電層は様々な導電性物質で形成することができる。例えば、前記導電層はカソードと同じく低い仕事関数を有する物質であるＣａ、Ｃａ−Ａｇ、Ｃａ−ＩＺＯ、Ｍｇ−Ａｇなどで形成することができる。アノードがカソードと同一物質で形成された場合には、導電性物質が低い仕事関数を有するスタック型有機発光素子を製造することができる。

このようにカソードおよびアノードを同一材料で形成することができるため、図１０に示すように、アノード７１とカソード７５との間に介在された有機物層７３を含む単位有機発光素子が２つ以上直列に連結された構造と、それと等価構造を有する図１１に示された構造を有するスタック型有機発光素子を得ることができる。ここで、アノード７１は導電層とｎ−型有機物層とを含む。

図１１を参照すれば、本発明に係るスタック型有機発光素子は単位有機発光素子のカソードが隣接する単位有機発光素子のアノードとして積層されたものである。具体的には、アノード８１とカソード８７との間に、有機物層８３と、単位有機発光素子のカソードおよび隣接する単位有機発光素子のアノードとして作用する中間導電層８５とを含む反復単位が複数積層された構造を有する。ここで、前記中間導電層８５は導電層とｎ−型有機物層とを含む。前記導電層は仕事関数がカソード８７物質のそれと類似する値を有しつつ、可視光線透過率が５０％以上である透明な物質からなることが好ましい。不透明金属が導電層として用いられる場合に、導電層の厚さは透明になり得るほど薄く形成されなければならない。不透明金属の具体的な例としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇなどを挙げることができる。低い仕事関数を有するＣａを中間導電層８５の導電層として形成することができる。特に、Ｃａ−ＩＺＯを採用する場合には可視光線透過度を改善することができる。スタック型有機発光素子の場合、同一の駆動電圧下で積層された有機発光素子単位の数に比例して輝度が増加するため、有機発光素子をスタック型にすると高輝度有機発光素子を得ることができる。

本発明に係る有機発光素子は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）や電子ビーム蒸発（ｅ−ｂｅａｍｅＶａｐｏｒａｔｉｏｎ）のようなＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を用いて、基板上に金属または伝導性を有する金属酸化物またはこれらの合金を蒸着させてアノードを形成し、その上に正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層を含む有機物層を形成した後、その上にカソードとして使用できる物質を蒸着して製造することができる。このような方法の他にも、基板上にカソード物質から有機物層、アノード物質を順に蒸着させて有機発光素子を作ることもできる（国際特許出願公開第２００３／０１２８９０号参照）。

前記有機物層は正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および電子輸送層などを含む多層構造であり得るが、これに限定されず、単層構造であり得る。また、前記有機物層は様々な高分子素材を用いて蒸着法ではない溶媒処理（ｓｏｌｖｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ）、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、ドクターブレード、スクリーン印刷、インクジェット印刷、または熱転写法などの方法によってさらに少ない数の層に製造することができる。

以下、本発明の例示的な一具現例に係る有機発光素子を構成する各層について具体的に説明する。以下で説明する各層の物質は単一物質または２以上の物質の混合物であり得る。

アノード（Ａｎｏｄｅ）
アノードは、正孔注入層、正孔輸送層、または発光層のようなｐ−型有機物層内に正孔を注入する。前記アノードは導電層とｎ−型有機物層とを含む。前記導電層は金属、金属酸化物、または導電性ポリマーを含む。前記導電性ポリマーは電気伝導性ポリマーを含むことができる。

前記ｎ−型有機物層はｐ−型有機物層に正孔注入のためのエネルギー障壁を低くするため、前記導電層は様々な導電性物質で形成することができる。例えば、前記導電層は約２．５〜５．５ｅＶのフェルミエネルギー準位を有する。導電性物質の例としては、炭素、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、その他の金属およびこれらの合金；亜鉛酸化物、インジウム酸化物、スズ酸化物、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、およびその他のそれと類似する金属酸化物；Ｃａ−ＡｇおよびＣａ−ＩＺＯのような金属−金属酸化物積層体などがある。アノードを下部電極として含む正構造の有機発光素子が前面発光型（ｔｏｐｅｍｉｓｓｉｏｎ）である場合には、前記導電層として透明物質だけでなく、光反射率に優れた不透明物質も用いることができる。アノードを下部電極として含む正構造の有機発光素子が背面発光型（ｂｏｔｔｏｍｅｍｉｓｓｉｏｎ）である場合には、前記導電層としては透明物質でなければならず、不透明物質を用いる場合には透明になり得るほど薄膜に形成しなければならない。アノードを上部電極として含む逆構造の有機発光素子においては上記内容が逆に適用される。

ｎ−型有機物層は前記導電層とｐ−型有機物層との間に位置し、低電界で正孔をｐ−型有機物層に注入する。ｎ−型有機物層は、前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２ｅＶ超過４ｅＶ以下であり、前記ｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差が約１ｅＶ以下になるように選択される。例えば、前記ｎ−型有機物層は約４〜７ｅＶのＬＵＭＯエネルギー準位および約１０^−８ｃｍ^２／Ｖｓ〜１ｃｍ^２／Ｖｓ、好ましくは約１０^−６ｃｍ^２／Ｖｓ〜１０^−２ｃｍ^２／Ｖｓの電子移動度を有する。電子移動度が約１０^−８ｃｍ^２／Ｖｓ未満であればｎ−型有機物層からｐ−型有機物層に正孔を注入することが容易ではない。前記ｎ−型有機物層は真空蒸着できる物質または溶解法（ｓｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ）で薄膜成形できる物質で形成することもできる。前記ｎ−型有機物の具体的な例はこれに限定されるものではないが、前述した物質を含む。

正孔注入層（ＨＩＬ）または正孔輸送層（ＨＴＬ）
正孔注入層または正孔輸送層はアノードとカソードとの間に位置し、ｐ−型有機物層であって、アノードの導電層上に形成されたｎ−型有機物層とＮＰ接合をなす。ＮＰ接合で形成された正孔は前記ｐ−型正孔注入層またはｐ−型正孔輸送層を介して発光層に輸送される。

前記ＮＰ接合をするｐ−型正孔注入層またはｐ−型正孔輸送層のＨＯＭＯエネルギー準位は、前記ｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位に対して約１ｅＶ以下のエネルギー差、好ましくは約０．５ｅＶ以下のエネルギー差を有する。前記ｐ−型正孔注入層またはｐ−型正孔輸送層は、アリールアミン系化合物、導電性ポリマー、または共役部分と非共役部分が共にあるブロック共重合体などを含むが、これに限定されるものではない。

発光層（ＥＭＬ）
発光層では正孔伝達と電子伝達が同時に発生するため、発光層はｎ−型特性とｐ−型特性を共に有することができる。便宜上、電子輸送が正孔輸送に比べて速い場合にはｎ−型発光層、正孔輸送が電子輸送に比べて速い場合にはｐ−型発光層と定義することができる。

ｎ−型発光層では電子輸送が正孔輸送より速いために正孔輸送層と発光層の界面付近で発光がなされるため、正孔輸送層のＬＵＭＯ準位が発光層のＬＵＭＯ準位より高ければより良い発光効率を表すことができる。ｎ−型発光層はこれに限定されるものではないが、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ_３）；８−ヒドロキシキノリンベリリウム（ＢＡｌｑ）；ベンズオキサゾール系化合物、ベンズチアゾール系化合物またはベンズイミダゾール系化合物；ポリフルオレン系化合物；シラシクロペンタジエン（ｓｉｌｏｌｅ）系化合物などを含む。

ｐ−型発光層では正孔輸送が電子輸送より速いために電子輸送層と発光層の界面付近で発光がなされるため、電子輸送層のＨＯＭＯ準位が発光層のＨＯＭＯ準位より低ければより良い発光効率を表すことができる。ｐ−型発光層を用いる場合には、正孔輸送層のＬＵＭＯ準位変化による発光効率の増大効果がｎ−型発光層を用いる場合に比べて小さいため、ｐ−型発光層を用いる場合には、正孔注入層と正孔輸送層を用いずにｎ−型有機物層とｐ−型発光層との間のＮＰ接合構造を有する有機発光素子を製造することができる。ｐ−型発光層はこれに限定されるものではないが、カルバゾール系化合物；アントラセン系化合物；ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）系ポリマー；またはスピロ（ｓｐｉｒｏ）化合物などを含む。

電子輸送層（ＥＴＬ）
電子輸送層物質としては、カソードから電子が効果的に注入され、発光層によく輸送できるように、電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ）の大きい物質が好ましい。前記電子輸送層はこれに限定されるものではないが、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ_３）；Ａｌｑ_３構造を含む有機化合物；ヒドロキシフラボン−金属錯化合物またはシラシクロペンタジエン（ｓｉｌｏｌｅ）系化合物などを含む。

カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）
カソード物質としては、通常、電子輸送層のようなｎ−型有機物層のＬＵＭＯ準位で電子注入が容易になされるように仕事関数の小さい物質が好ましい。前記カソードはこれに限定されるものではないが、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、アルミニウム、銀、スズおよび鉛のような金属またはこれらの合金；ＬｉＦ／ＡｌまたはＬｉＯ_２／Ａｌのような多層構造物質などを含む。前記カソードはアノードの導電層と同一物質で形成することができる。カソードまたはアノードの導電層は透明物質を含むことができる。

有機太陽電池
有機太陽電池は、アノード、カソード、および前記アノードと前記カソードとの間に介在された有機薄膜を含む。前記有機薄膜は有機太陽電池の効率と安全性を高めるために複数の層を含む。図８を参照すれば、本発明に係る有機太陽電池の例示的な一具現例は次の順で形成することができる。
−基板４１
−アノード４２：導電層４２ａ／ｎ−型有機物層４２ｂ
−電子供与層（ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｏｎｏｒｌａｙｅｒ；４３）
−電子受容層（ｅｌｅｃｔｒｏｎａｃｃｅｐｔｏｒ；４４）
−カソード４５

有機太陽電池が外部光源から光子を受けると、電子供与層４３と電子受容層４４との間に電子と正孔が発生し、発生した正孔は電子供与層４３を介してアノード４２に輸送される。前記電子供与層４３は前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物として形成され、前記ｐ−型有機物層は２種以上の物質の組み合わせによって形成され得る。本発明の他の例示的な具現例に係る有機太陽電池は付加的な有機薄膜をさらに含むか、製造ステップを簡単にするために特定有機薄膜を省略することができる。前記有機太陽電池は色々な機能を同時に有する有機物を用いて有機物層の数を減少させることができる。

従来の有機太陽電池は電子供与層のような有機薄膜のＨＯＭＯエネルギー準位に沿って正孔をアノードに輸送するため、アノードのフェルミエネルギー準位と電子供与層のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー準位差が小さいほど正孔抽出がさらに多く発生する。しかし、本発明の例示的な一具現例に係る有機太陽電池はアノードのｎ−型有機物層４２ｂと電子供与層４３との間にＮＰ接合がなされることによって正孔が効率的に抽出され、抽出された正孔はｎ−型有機物層４２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位を介して導電層４２ａに注入される。

前記アノードのｎ−型有機物層４２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位と前記アノードの導電層４２ａのフェルミ準位とのエネルギー差は２ｅＶ超過４ｅＶ以下であり、ｎ−型有機物層４２ｂのＬＵＭＯエネルギー準位と電子供与層４３のようなｐ−型有機物層のＨＯＭＯ準位との差は約１ｅＶ以下である。導電層４２ａは様々なフェルミエネルギー準位を有する物質で形成することができ、カソード４５とアノード４２は同一物質で形成することができる。

前記有機太陽電池のアノードの導電層４２ａおよびカソード４５は前記有機発光素子のアノードの導電層およびカソード物質として例示された物質を用いて形成することができる。また、前記有機太陽電池のｎ−型有機物層は前記有機発光素子におけるｎ−型有機物層物質として例示された物質を用いて形成することができる。前記有機太陽電池において、電子受容層４４は前記有機発光素子における電子輸送層物質またはｎ−型発光層物質として例示された物質またはフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）系化合物として開示されたもので形成することができる。前記有機太陽電池において、電子供与層４３は前記有機発光素子におけるｐ−型正孔輸送層物質またはｐ−型発光層物質として例示された物質またはチオフェン系ポリマーで形成することができる。

有機トランジスタ
図９は本発明の例示的な一具現例に係る有機トランジスタを示すものである。

図９を参照すれば、有機トランジスタは、基板６１、ソース電極６５、ドレイン電極６６、ゲート電極６２、基板６１とゲート電極６２の上に位置する絶縁層６３、絶縁層６３の上に位置し正孔を形成するｐ−型有機物層６４を含み、前記ソース電極６５および／またはドレイン電極６６は前記ｐ−型有機物層６４とＮＰ接合をなすｎ−型有機物層６７および導電層（６５ａ，６６ａ）を含む。前記ソース電極６５またはドレイン電極６６のｎ−型有機物層６７のＬＵＭＯエネルギー準位と導電層（６５ａ，６６ａ）のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差は２ｅＶ超過４ｅＶ以下である。前記ソース電極６５またはドレイン電極６６のｎ−型有機物層６７のＬＵＭＯエネルギー準位とｐ−型有機物層６４のＨＯＭＯエネルギー準位とのエネルギー差は約１ｅＶ以下である。

前記ソース電極６５またはドレイン電極６６のｎ−型有機物層６７は、ＬＵＭＯ準位を介して正孔をソース電極６５の導電層（６５ａ，６６ａ）から抽出し、これをドレイン電極６６に注入することができる。前記ソース電極６５またはドレイン電極６６のｎ−型有機物層６７とｐ−型有機物層６４との間にＮＰ接合がなされるため、正孔がソース電極６５とドレイン電極６６との間で円滑に輸送され得る。本発明において、ｎ−型有機物層６７はソース電極６５またはドレイン電極６６の一部分を形成するため、様々なフェルミエネルギー準位を有する物質を用いてソース電極６５とドレイン電極６６の導電層（６５ａ，６６ａ）を形成することができる。

本発明の例示的な一具現例の有機トランジスタにおいて、ソース電極６５またはドレイン電極６６のｎ−型有機物層６７は前記有機発光素子のｎ−型有機物層用物質として例示された物質を用いて形成することができる。ゲート電極６２としては前記有機発光素子のアノードまたはカソード物質として例示された物質で形成することができる。

ソース電極６５またはドレイン電極６６の導電層（６５ａ，６６ａ）は、前記有機発光素子のアノード物質として例示された物質で形成することができる。ｐ−型有機物層６４はこれに限定されるものではないが、ペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）系化合物、アントラジチオフェン（ａｎｔｒａｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）系化合物、ベンゾジチオフェン（ｂｅｎｚｏｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）系化合物、チオフェン系オリゴマー類（ｔｈｉｏｐｈｅｎｅｏｌｉｇｏｍｅｒｓ）、ポリチオフェン類（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅｓ）、混合されたサブユニットチオフェンオリゴマー類（ｍｉｘｅｄ−ｓｕｂｕｎｉｔｔｈｉｏｐｈｅｎｅｏｌｉｇｏｍｅｒｓ）、オキシ−官能化されたチオフェンオリゴマー類（ｏｘｙ−ｆｕｎｃｉｏｎａｌｉｚｅｄｔｈｉｏｐｈｅｎｅｏｌｉｇｏｍｅｒｓ）などで形成することができる。絶縁層６３は酸化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｏｘｉｄｅ）、窒化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）；ポリイミド、ポリ（２−ビニルピリジン）、ポリ（４−ビニルフェノール）、またはポリ（メチルメタクリレート）のようなポリマーで形成することができる。

以下、実施例によって本発明の様々な態様および特徴をより詳細に説明する。しかし、下記実施例は本発明の様々な態様および特徴を例示するだけのものに過ぎず、本発明の範囲が下記実施例によって限定されるものではない。

ＵＰＳおよびＵＶ−ＶＩＳ吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）方法によるヘキサニトリルヘキサアザトリフェニレン（化学式１−１、ＨＡＴ、韓国公開特許第２００３−６７７７３号参照）のＨＯＭＯとＬＵＭＯ準位はＰＣＴ／ＫＲ２００５／００１３８１号に記載された方法によって測定し、測定されたＨＡＴのＨＯＭＯ準位は９．７８ｅＶであり、ＨＡＴのＬＵＭＯは約６．５４ｅＶであった。この値はＨＡＴ物質のエキシトン結合エネルギー（ｅｘｃｉｔｏｎｂｉｎｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙ）によって変化し得る。すなわち、６．５４ｅＶは前記物質のフェルミ準位（６．０２ｅＶ）より大きい値であり、ＬＵＭＯ準位がフェルミ準位よりさらに小さい値を有するようにするためにはエキシトン結合エネルギーが０．５２ｅＶ以上でなければならないことが分かる。有機物のエキシトン結合エネルギーは通常０．５ｅＶ〜１ｅＶの値を有するため、前記ＨＡＴのＬＵＭＯ準位は５．５４〜６．０２ｅＶの値を有するものとして予測された。

ガラス基板（Ｃｏｒｎｉｎｇ７０５９ｇｌａｓｓ）は、洗剤（製造社：ＦｉｓｃｈｅｒＣｏ．，製品番号：１５−３３５−５５）が溶解された蒸留水に入れて超音波で３０分間洗浄した後、蒸留水に入れて５分間超音波洗浄を２回繰り返し行い、イソプロピルアルコール、アセトン、およびメタノール溶剤で順に各１回ずつ超音波洗浄を行って乾燥させた後に用いた。

[実施例１]
ＩＺＯ−Ｃａ導電層およびＨＡＴｎ−型有機物層を備えたアノードを含む有機発光素子
洗浄されたガラス基板上にインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）を１０００Å厚さでスパッタリング蒸着機を用いて真空蒸着し、その上に１００Å厚さでＣａを真空熱蒸着し、仕事関数が２．６ｅＶである透明ＩＺＯ−Ｃａ導電層を形成した。前記形成された導電層上に約５００Å厚さのＨＡＴを熱真空蒸着し、ＩＺＯ−Ｃａ導電層およびＨＡＴｎ−型有機物層を有する透明アノードを形成した。その次、約４００Å厚さで４，４’−ビス[Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ]ビフェニル（ＮＰＢ）を真空蒸着してｐ−型正孔輸送層を形成した。前記ｐ−型正孔輸送層上にＨＯＭＯ準位が約５．７ｅＶであるＡｌｑ_３を約３００Å厚さで真空蒸着して発光層を形成させ、前記発光層上に下記化合物（ＨＯＭＯ準位＝約５．７ｅＶ）を２００Å厚さで真空蒸着して電子輸送層を形成させた。

前記電子輸送層上に１２Å厚さのフッ化リチウム（ＬｉＦ）薄膜と２５００Å厚さのアルミニウムを真空蒸着してカソードを形成することによって有機発光素子を完成した。前記過程において、有機物の蒸着速度は約０．４〜０．７Å／ｓｅｃを維持し、ＬｉＦは約０．３Å／ｓｅｃ、カルシウムおよびアルミニウムは約２Å／ｓｅｃの蒸着速度を維持した。蒸着時、蒸着チャンバー内の真空度は約２ｘ１０^−７〜５ｘ１０^−８ｔｏｒｒを維持した。

[実施例２]
Ａｇ−Ｃａ導電層およびＨＡＴｎ−型有機物層を備えたアノードを含む有機発光素子
洗浄されたガラス基板上にＩＺＯ−Ｃａ透明導電層の代わりにＡｇを２００Å厚さで真空熱蒸着し、その上に２００Å厚さでＣａを真空熱蒸着し、仕事関数が２．６ｅＶである半透明Ａｇ−Ｃａ導電層を形成したことを除いては、実施例１と同一の方法で有機発光素子を製作した。

前記実施例１および実施例２の電流密度および電圧による輝度を表す表１の結果から、ｎ−型有機物層（ＨＡＴ）のＬＵＭＯエネルギー準位（約５．５４〜約６．０２ｅＶ）と導電層のフェルミエネルギー準位（２．６ｅＶ）とのエネルギー差が２．９〜３．４程度であるにもかかわらず、正孔輸送層へ正孔が円滑に注入されることが分かり、これは、ｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２ｅＶ超過４ｅＶ以下の範囲において、有機発光素子の電流−電圧特性は導電層のフェルミエネルギー準位値に独立的であることを意味する。

一方、実施例２に係る有機発光素子の輝度が実施例１に係る有機発光素子の輝度に比べて相対的に低いのは、Ａｇ（２００Å）−Ｃａ（２００Å）導電層がＩＺＯ（１０００Å）−Ｃａ（１００Å）導電層に比べて可視光線透過度が顕著に落ちることに起因するものであり、実施例２の有機発光素子の輝度は前記可視光透過度を考慮する時に実施例１の導電層を有する素子のそれと同等であると判断される。

上記の結果は、カソード電極として用いられる低いフェルミエネルギーを有するカルシウムなどを導電層として含み、前記導電層のフェルミエネルギー準位とのエネルギー差が２〜４ｅＶの範囲であるＬＵＭＯエネルギー準位を有するｎ−型有機物層を含み、前記ｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層を含み、前記ｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位と前記ｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位との差が１ｅＶ以下である条件を満足する電極を有機発光素子のアノードとして採用することができるということを示す。これはアノードの導電層とカソードを同一物質で形成できることを意味し、これを用いて図１１に示されたスタック型有機発光素子を具現することができることを意味する。

本発明の例示的な一具現例に係る電子素子において、正孔注入または正孔抽出用第１電極内にｎ−型有機物層を適用する前の前記第１電極のエネルギー準位を示すものである。本発明の例示的な一具現例に係る電子素子において、正孔注入または正孔抽出用第１電極内にｎ−型有機物層を適用した後の前記第１電極のエネルギー準位を示すものである。本発明の例示的な一具現例に係る電子素子において、正孔注入または正孔抽出用第１電極のｎ−型有機物層とｐ−型有機物層との間に形成されたＮＰ接合を示すものである。本発明の例示的な具現例に係る有機発光素子を示す模式的な断面図である。本発明の例示的な具現例に係る有機発光素子を示す模式的な断面図である。本発明の例示的な具現例に係る有機発光素子を示す模式的な断面図である。従来の有機発光素子の理想的なエネルギー準位を示すものである。本発明の例示的な一具現例に係る有機発光素子のエネルギー準位を示すものである。本発明の例示的な一具現例に係る有機太陽電池を示す模式的な断面図である。本発明の例示的な一具現例に係る有機トランジスタを示す模式的な断面図である。本発明の例示的な一具現例に係るスタック型有機発光素子を示す模式的な断面図である。本発明の例示的な一具現例に係るスタック型有機発光素子を示す模式的な断面図である。

符号の説明

３１、４１、６１：基板３２、４２：アノード
３７、４５：カソード３３：正孔注入層
３４：正孔輸送層３５：発光層
３６：電子輸送層４３：電子供与層
４４：電子受容層６２：ゲート電極
６３：絶縁層６４：ｐ−型有機物層
６５：ソース電極６６：ドレイン電極
３２ａ、４２ａ、６５ａ，６６ａ：導電層
３２ｂ、４２ｂ、６７：ｎ−型有機物層

Claims

導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含む第１電極と、
第２電極と、および
前記第１電極のｎ−型有機物層と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層とを備えてなり、
前記第１電極の導電層が、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ｃａ−ＩＺＯ、およびＭｇ−Ａｇからなる群から選択される材料からなるものであり、
前記層のエネルギー準位が下記式（１）および（２）を満足することを特徴とする、電子素子。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（１）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（２）
[前記式（１）および（２）において、
Ｅ_Ｆ１は前記第１電極の導電層のフェルミエネルギー準位であり、
Ｅ_ｎＬは前記第１電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、
Ｅ_ｐＨは前記第１電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。]
前記ｐ−型有機物層と第２電極との間に備えられた少なくとも１層の有機物層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
前記第１電極のｎ−型有機物層は下記の化学式１の化合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。

[上記化学式１において、
Ｒ^１〜Ｒ^６は各々水素、ハロゲン原子、ニトリル（−ＣＮ）、ニトロ（−ＮＯ_２）、スルホニル（−ＳＯ_２Ｒ）、スルホキシド（−ＳＯＲ）、スルホンアミド（−ＳＯ_２ＮＲ）、スルホネート（−ＳＯ_３Ｒ）、トリフルオロメチル（−ＣＦ_３）、エステル（−ＣＯＯＲ）、アミド（−ＣＯＮＨＲまたは−ＣＯＮＲＲ’）、置換または非置換された直鎖または分枝鎖のＣ_１−Ｃ_１２アルコキシ、置換または非置換された直鎖または分枝鎖Ｃ_１−Ｃ_１２のアルキル、置換または非置換された芳香族または非芳香族の複素環、置換または非置換されたアリール、置換または非置換されたモノ−またはジ−アリールアミン、および置換または非置換されたアラルキルアミンからなる群から選択されてなり、
前記ＲおよびＲ’は各々置換または非置換されたＣ_１−Ｃ_６０のアルキル、置換または非置換されたアリール、および置換または非置換された５−７員複素環からなる群から選択されてなるものである。]
化学式１の化合物が、下記化学式１−１〜１−６の化合物から選択されてなることを特徴とする、請求項３に記載の電子素子。
前記第１電極のｎ−型有機物層が、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、またはシアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
前記第１電極の導電層が、金属、金属酸化物、および導電性ポリマーからなる群から選択される物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
前記第１電極の導電層と前記第２電極は同一物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
前記第１電極の導電層と前記第２電極は、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ｃａ−ＩＺＯ、およびＭｇ−Ａｇからなる群から選択される材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
前記電子素子が、
導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含むアノードと、
カソードと、および
前記アノードのｎ−型有機物層と前記カソードとの間に位置し、前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層とを備えてなり、
前記層のエネルギー準位が下記式（３）および（４）を満足する有機発光素子であることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（３）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（４）
[上記前記式（３）および（４）において、
Ｅ_Ｆ１は前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位であり、
Ｅ_ｎＬは前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、
Ｅ_ｐＨは前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。]
前記ｐ−型有機物層とカソードとの間に備えられた正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、および電子注入層から選択された少なくとも１つの層を備えてなることを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。
前記アノードの導電層と前記カソードは同一物質からなることを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。
前記アノードの導電層と前記カソードが、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ａｇ−ＩＺＯ、およびＭａ−Ａｇからなる群から選択される材料からなることを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。
前記アノードのｎ−型有機物層が、４〜７ｅＶのＬＵＭＯエネルギー準位および１０^−８ｃｍ^２／Ｖｓ〜１ｃｍ^２／Ｖｓの電子移動度を有することを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。
前記アノードのｎ−型有機物層が下記化学式１の化合物を含むことを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。

[前記化学式１において、
Ｒ^１〜Ｒ^６は各々水素、ハロゲン原子、ニトリル（−ＣＮ）、ニトロ（−ＮＯ_２）、スルホニル（−ＳＯ_２Ｒ）、スルホキシド（−ＳＯＲ）、スルホンアミド（−ＳＯ_２ＮＲ）、スルホネート（−ＳＯ_３Ｒ）、トリフルオロメチル（−ＣＦ_３）、エステル（−ＣＯＯＲ）、アミド（−ＣＯＮＨＲまたは−ＣＯＮＲＲ’）、置換または非置換された直鎖または分枝鎖のＣ_１−Ｃ_１２アルコキシ、置換または非置換された直鎖または分枝鎖Ｃ_１−Ｃ_１２のアルキル、置換または非置換された芳香族または非芳香族の複素環、置換または非置換されたアリール、置換または非置換されたモノ−またはジ−アリールアミン、および置換または非置換されたアラルキルアミンからなる群から選択されてなり、
前記ＲおよびＲ’は各々置換または非置換されたＣ_１−Ｃ_６０のアルキル、置換または非置換されたアリール、および置換または非置換された５−７員複素環からなる群から選択されてなる。]
前記化学式１の化合物は下記化学式１−１〜１−６の化合物から選択されることを特徴とする、請求項１４に記載の電子素子。
前記アノードのｎ−型有機物層が、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、またはシアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）を含むことを特徴とする、請求項９に記載の電子素子。
前記電子素子が、
導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機物層を含むアノードと、
カソードと、および
前記アノードのｎ−型有機物層と前記カソードとの間に位置し、前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層からなる電子供与層とを備えてなり、
前記層のエネルギー準位が下記式（５）および（６）を満足することを特徴とする有機太陽電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（５）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（６）
[前記式（５）および（６）において、
Ｅ_Ｆ１は前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位であり、
Ｅ_ｎＬは前記アノードのｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、
Ｅ_ｐＨは前記アノードのｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。]
前記カソードと前記電子供与層との間に電子受容層をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の電子素子。
前記アノードの導電層と前記カソードは同一物質からなることを特徴とする、請求項１７に記載の電子素子。
前記アノードのｎ−型有機物層が、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、シアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、またはヘキサニトリルヘキサアザトリフェニレン（ＨＡＴ）を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の電子素子。
ソース電極と
ドレイン電極と、
ゲート電極と、および
前記ゲート電極上に位置する絶縁層と、および
前記絶縁層上に位置するｐ−型有機物層を備えてなり、
前記ソース電極および前記ドレイン電極のうちの少なくとも１つは前記ｐ−型有機物層とＮＰ接合をなすｎ−型有機物層および導電層を備えてなり、
前記層のエネルギー準位が下記式（７）および（８）を満足する有機トランジスタであることを特徴とする、請求項１に記載の電子素子。
２ｅＶ＜Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ１≦４ｅＶ（７）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ（８）
[前記式（７）および（８）において、
Ｅ_Ｆ１は前記ソース電極またはドレイン電極の導電層のフェルミエネルギー準位であり、
Ｅ_ｎＬは前記ソース電極またはドレイン電極のｎ−型有機物層のＬＵＭＯエネルギー準位であり、
Ｅ_ｐＨは前記ソース電極またはドレイン電極のｎ−型有機物層とＮＰ接合をなすｐ−型有機物層のＨＯＭＯエネルギー準位である。]
前記ｎ−型有機物層が、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、シアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、またはヘキサニトリルヘキサアザトリフェニレン（ＨＡＴ）を含むことを特徴とする、請求項２１に記載の電子素子。
請求項９に記載の電子素子を少なくとも２つ含み、１つの電子素子のアノードが隣接する電子素子のカソードと直列に連結されることを特徴とする、スタック型有機発光素子。
前記電子素子のアノードの導電層とカソードが同一物質からなることを特徴とする、請求項２３に記載のスタック型有機発光素子。
直列に連結された単位電子素子の界面に存在するアノードとカソードにおいて、アノードと導電層とカソードが単一導電層を形成することを特徴とする、請求項２４に記載のスタック型有機発光素子。