JP5145483B2 - 有機発光素子、有機発光素子の製造方法、表示装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置や照明装置に用いられる有機発光素子に関する。

有機化合物を発光体として用いる有機発光素子では、面光源の特性から近年照明用途としての応用が期待されており、更なる高効率化を目的として発光した光を外部へ取り出す、光取り出し技術の開発が盛んにおこなわれている。
透明基板上に形成された光透過性電極に多数の細孔を形成し、電極上および細孔内に発光層を形成した構造の有機発光素子が、発光層から有機発光素子の外への光取り出し効率を向上させる技術として提案されている。

特許文献１には、電極と誘電体層の積層構造体中に、これらを貫通するキャビティを形成し、キャビティ内に発光層を形成した有機発光素子が開示されている。
また特許文献２には、電極表面に凹凸を有し、この電極上および凹凸内に発光層が形成された有機発光素子が開示されている。

特表２０１０−５０９７２９号公報 特開２００４−３１１４１９号公報

しかしながら、キャビティ内に発光層を形成した有機発光素子では、キャビティ内部で発光した光が、誘電体層に入射せず透明電極に入射する場合がある。このとき通常は透明電極と発光層の屈折率は近いため、光の進路変更が効果的に起こらず、有機発光素子の外部へ取り出される光の効率は十分でなかった。また電極表面に凹凸を形成する有機発光素子は、凹凸が形成された電極層の光取り出し面と反対側の面から様々な角度で入射する光を光取り出し面側から取り出す効率を上げることはできるが、凹部の内部で発光し、凹部内の電極側面へ入射する光を有機発光素子の外部へ取り出す効率は十分でなかった。

上記の課題を解決するため、本発明は、貫通部内部の発光層で発光して透明電極層へ入射する光の進路に、透明電極層よりも低屈折率の誘電体層を配置した有機発光素子の構造によって、従来有機発光素子の外部へ取り出すことができなかった光も効率的に取り出すことができることを見いだし、本発明を完成した。

本発明の有機発光素子は、基板上に形成される透明な第１電極層と、第１電極層を貫通して形成される第１貫通部と、第１電極層の上面および第１貫通部の内面を覆って形成される誘電体層と、第１電極層および誘電体層を貫通して形成される第２貫通部と、少なくとも第２貫通部の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層と、有機化合物層上に形成される第２電極層と、を含み、誘電体層の屈折率が、第１電極層の屈折率よりも小さい。

ここで、誘電体層は、上面が平面状に形成されることが好ましく、誘電体層の屈折率が、有機化合物層の屈折率よりも小さいことが好ましい。
また第１貫通部および第２貫通部が、第１電極層の面内において、最大幅が１０μｍ以下の円形形状または多角形形状を有するとともに、第１電極層の任意の面内において、いずれも１ｍｍ^２中に１０^３〜１０^８個形成されていることが好ましい。

また本発明の有機発光素子の製造方法は、基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、第１電極層を貫通する第１貫通部を形成する第１貫通部形成工程と、第１電極層の上面および第１貫通部の内面を誘電体で覆う誘電体層形成工程と、第１電極層および誘電体層を貫通する第２貫通部を形成する第２貫通部形成工程と、少なくとも第２貫通部の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層を形成する有機化合物層形成工程と、有機化合物層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程と、を含む。

また本発明の表示装置は、上記の有機発光素子を備える。

また本発明の照明装置は、上記の有機発光素子を備える。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、発光効率の高い有機発光素子を提供できる。

本実施の形態が適用される有機発光素子の例を説明した部分断面図である。 有機発光素子の部分断面図であり、本実施の形態の有機化合物層から基板の下側へ取り出される光の経路を示した図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態が適用される有機発光素子の製造方法について説明した図である。 本実施の形態における有機発光素子を用いた表示装置の一例を説明した図である。 本実施の形態における有機発光素子を備える照明装置の一例を説明した図である。

（有機発光素子）
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される有機発光素子を説明した部分断面図である。
図１に例示した有機発光素子１０は、基板１１と、透明な第１電極層として、基板１１側を下側とした場合に基板１１上に形成され正孔を注入するための陽極層１２と、進入した光の進路を変えるとともに、陽極層１２と陰極層１５の間の少なくとも一部を絶縁する機能を有する誘電体層１３と、第２電極層として、電子を注入するための陰極層１５が積層された構造を有する。なお、本実施の形態の有機発光素子としては、上記図１の構成に限らず、例えば、透明な第１電極層が陰極層、第２電極層が陽極層であってもよいが、以下、本実施の形態の有機発光素子を図１の構成を例に説明をする。
そして有機発光素子１０には、陽極層１２を貫通して形成される複数の第１貫通部１６が設けられている。また有機発光素子１０には、上記複数の第１貫通部１６に加えて、陽極層１２および誘電体層１３の両方を貫通する複数の第２貫通部１７が設けられている。そして陽極層１２の上面および第１貫通部１６内部には誘電体層１３が形成されている。さらに第２貫通部１７の内部には、少なくとも第２貫通部１７の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層１４が形成されている。
本実施の形態では、有機化合物層１４は、１層からなるため、有機化合物層１４が即ち発光層となっている。そして有機化合物層１４が発光を行なうことにより有機発光素子１０の発光面を形成する。

基板１１は、陽極層１２、誘電体層１３、有機化合物層１４および陰極層１５を形成する支持体となるものである。基板１１には、有機発光素子１０に要求される機械的強度を満たす材料が用いられる。

基板１１に用いられる材料としては、有機発光素子１０の基板１１側から光を取り出したい場合は、発光層から出る光に対して透明であることが必要である。具体的には、サファイアガラス、ソーダライムガラス、石英ガラスなどのガラス類；アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂などの透明樹脂；シリコーン樹脂；窒化アルミ、アルミナなどの透明金属酸化物などが挙げられる。なお基板１１として、上記透明樹脂からなる樹脂フィルム等を使用する場合は、水、酸素などのガスに対するガス透過性が低いことが好ましい。ガス透過性が高い樹脂フィルム等を使用する場合は、光の透過性を大きく損なわない範囲でガスの透過を抑制するバリア性薄膜を形成することが好ましい。

有機発光素子１０の基板１１側から光を取り出す必要がない場合は、基板１１の材料としては、可視光に対して透明であるものに限られず、不透明なものも使用できる。このような材料として具体的には、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、もしくはニオブ（Ｎｂ）の単体、またはこれらの合金、あるいはステンレスなども使用することができる。また、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの酸化物、ｎ−Ｓｉなどの半導体などからなる材料も使用することができる。不透明な基板１１の材料としては、発光層で発光した光をより多く有機発光素子１０の外部へ取り出すために、光反射性の高い金属材料が好ましい。
基板１１の厚さは、要求される機械的強度にもよるが、好ましくは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは０．２５ｍｍ〜２ｍｍである。

陽極層１２は、陰極層１５との間で電圧を印加することで、陽極層１２より有機化合物層１４に正孔を注入する。陽極層１２に使用される材料としては、電気伝導性を有するものであることが必要である。具体的には仕事関数の高いものであり、仕事関数は、４．５ｅＶ以上であることが好ましい。加えて、アルカリ性水溶液に対し、電気抵抗が顕著に変化しないことが好ましい。

陽極層１２を形成する材料は、第２貫通部１７内で接する有機化合物層１４から入射した光を第１貫通部１６内の誘電体層１３へ誘導するために、この光に対して透過性を有することが必要である。このような条件を満たす材料としては金属酸化物が好ましく、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）、酸化スズなどが挙げられる。陽極層１２の厚さは、例えば、２ｎｍ〜２μｍで形成することができる。ただし導電性が高いという観点では、５０ｎｍ以上が好ましく、第１貫通部１６および第２貫通部１７を膜厚方向に均一な形状および大きさで容易に形成できる観点からは５００ｎｍ以下であることが好ましい。なお仕事関数は、例えば、紫外線光電子分光分析法により測定することができる。

誘電体層１３は、有機化合物層１４から入射した光を、有機化合物層１４および陽極層１２との界面で屈折させることで有機発光素子１０の外部へ光を取り出しやすくするためのものである。

本実施の形態では、誘電体層１３は絶縁性である。これにより、誘電体層１３は、陽極層１２と陰極層１５とを所定の間隔にて分離し絶縁すると共に、陽極層１２および陰極層１５の間に電圧を印加することで有機化合物層１４に含まれる発光材料を発光させることができる。このため誘電体層１３を形成する材料は高抵抗率材料であることが必要で、電気抵抗率としては、１０^８Ωｃｍ以上、好ましくは１０^１２Ωｃｍ以上有することが要求される。具体的な材料としては、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の金属窒化物；酸化ケイ素（二酸化ケイ素）、酸化アルミニウム等の金属酸化物、フッ化ナトリウム、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウムなどの金属フッ化物が挙げられるが、他にポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、パリレン等の高分子化合物、ポリフェニルシルセスキオキサン（Poly(phenylsilsesquioxane)）等のスピンオングラス（ＳＯＧ）も使用可能である。
誘電体層１３の屈折率が陽極層１２および有機化合物層１４の屈折率より小さい場合には光の取り出し効率が特に向上する。このため、誘電体層１３を形成する材料としては、単層または複数層から構成される陽極層１２および単層または複数層から構成される有機化合物層１４のそれぞれ各層を形成するいずれの材料の屈折率より小さい屈折率を有するものを選択することが好ましい。
その結果、誘電体層１３の屈折率が、陽極層１２の屈折率および有機化合物層１４の屈折率のいずれよりも小さいように形成することができる。より詳細には、誘電体層１３の屈折率は陽極層１２および有機化合物層１４の屈折率よりも０．１以上小さいことが好ましく、０．２以上小さいことがより好ましい。

ここで、短絡・電流リークを生じにくい有機発光素子１０を再現よく製造するためには、誘電体層１３の厚さは厚いほど好ましいが、一方で有機発光素子１０全体の厚さを抑えるために誘電体層１３の厚さは、１μｍを越えないことが好ましい。また、陽極層１２と陰極層１５との間隔が狭い方が、発光のために必要な電圧が低くて済むので、この観点からも誘電体層１３は薄い方がより好ましい。但し、薄すぎると有機発光素子１０を駆動するための電圧に対し、絶縁耐力が十分でなくなるおそれがある。ここで絶縁耐力は、電極間に誘電体層１３を貫通部が形成されない層状に形成した場合、有機発光素子１０の駆動時の電圧よりも２Ｖ高い電圧を印加した時のこの誘電体層中を流れる電流の電流密度が、０．１ｍＡ／ｃｍ^２以下であることが好ましく、０．０１ｍＡ／ｃｍ^２以下であることがより好ましい。これを満たす誘電体層１３の厚さは、上限としては、７５０ｎｍ以下であることが好ましく、４００ｎｍ以下であることが更に好ましく、２００ｎｍ以下であることがまた更に好ましい。また下限としては１５ｎｍ以上であることが好ましく、３０ｎｍ以上であることが更に好ましく、５０ｎｍ以上であることがまた更に好ましい。ここで誘電体層１３の厚さは陽極層１２の上面から誘電体層１３の上面までの面間距離である。

誘電体層１３は、上面が平面状に形成されることが好ましい。つまり平坦な面状であることが好ましい。例えば誘電体層１３の上面に凹凸が形成されており、その上に有機化合物層１４を形成する場合、凹み部分に有機化合物層１４を構成する有機化合物の厚膜が形成されやすい。そのためこの部分で光が吸収されたり、光取り出し面方向の光が屈折されて光取り出し面に水平な方向へ進路が変更され、光が有機発光素子１０の内部に閉じ込められる結果、光取り出し効率が低下する。

有機化合物層１４は、発光層を含む１層または積層された複数層の有機化合物層からなり、少なくとも複数の第２貫通部１７の内表面を覆って形成される。発光層は、陽極層１２と陰極層１５の間に電圧を印加することで発光する発光材料を含む。このような発光材料としては、低分子化合物及び高分子化合物のいずれも使用することができる。本実施の形態では、発光材料として、発光性有機材料であるリン光性有機化合物および金属錯体を使用することが好ましい。金属錯体の中にはリン光性を示すものもあり、かかる金属錯体も好ましく用いられる。本実施の形態においては、特にシクロメタル化錯体を用いることが発光効率向上の観点から非常に望ましい。シクロメタル化錯体としては、例えば、２−フェニルピリジン誘導体、７，８−ベンゾキノリン誘導体、２−（２−チエニル）ピリジン誘導体、２−（１−ナフチル）ピリジン誘導体、２−フェニルキノリン誘導体等の配位子を有するＩｒ、ＰｄおよびＰｔ等の錯体が挙げられるが、イリジウム（Ｉｒ）錯体が特に好ましい。シクロメタル化錯体は、シクロメタル化錯体を形成するのに必要な配位子以外に、他の配位子を有していてもよい。なお、シクロメタル化錯体には、三重項励起子から発光する化合物も含まれ、発光効率向上の観点から好ましい。
また、発光性高分子化合物としては、ＭＥＨ−ＰＰＶ（Ｐｏｌｙ［２−ｍｅｔｈｏｘｙ−５−（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌｏｘｙ）−１，４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ］）などのポリ−ｐ−フェニレンビニレン（ＰＰＶ）誘導体；ポリフルオレン誘導体、ポリチオフェン誘導体等のπ共役系の高分子化合物；低分子色素とテトラフェニルジアミンやトリフェニルアミンを主鎖や側鎖に導入したポリマー；等が挙げられる。発光性高分子化合物と発光性低分子化合物とを併用することもできる。
発光層は発光材料とともにホスト材料を含み、ホスト材料中に発光材料が分散されていることもある。このようなホスト材料は電荷輸送性を有していることが好ましく、正孔輸送性化合物や電子輸送性化合物であることが好ましい。

有機化合物層１４は、陽極層１２から正孔を受け取り、発光層へ輸送するための正孔輸送層を含んでいてもよい。正孔輸送層は、陽極層１２と発光層の間に配される。
このような正孔輸送層を形成する正孔輸送材料としては、公知の材料を使用することができ、例えば、ＴＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ジメチル−Ｎ，Ｎ’−（３−メチルフェニル）−１，１’−ビフェニル−４，４’ジアミン）；α−ＮＰＤ（４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル）；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）等の低分子トリフェニルアミン誘導体；ポリビニルカルバゾール；上記トリフェニルアミン誘導体に重合性置換基を導入して重合した高分子化合物などが挙げられる。上記正孔輸送材料は、１種単独でも、２種以上を混合して用いてもよく、異なる正孔輸送材料を積層して用いてもよい。正孔輸送層の厚さは、正孔輸送層の導電性などに依存するため、一概に限定できないが、好ましくは１ｎｍ〜５μｍ、より好ましくは５ｎｍ〜１μｍ、特に好ましくは１０ｎｍ〜５００ｎｍである。

また、上記正孔輸送層と陽極層１２の間に、正孔注入障壁を緩和するために正孔注入層が設けられていてもよい。上記正孔注入層を形成する材料としては、銅フタロシアニン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）の混合物（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、フルオロカーボン、二酸化ケイ素などの公知の材料が用いられるほか、上記正孔輸送層に用いられる正孔輸送材料と２，３，５，６−テトラフルオロテトラシアノ−１，４−ベンゾキノンジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）などの電子受容体との混合物を用いることもできる。

上記有機化合物層１４は、陰極層１５から電子を受け取り、発光層へ輸送するための電子輸送層を、発光層と陰極層１５の間に含んでいてもよい。このような電子輸送層に用いることができる材料としては、キノリン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ペリレン誘導体、ピリジン誘導体、ピリミジン誘導体、キノキサリン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、ニトロ置換フルオレン誘導体などが挙げられる。更に具体的には、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾールなどである。

また、上記電子輸送層と発光層の間に、正孔が発光層を通過することを抑え、発光層内で正孔と電子とを効率よく再結合させる目的で、正孔ブロック層が設けられていてもよい。この正孔ブロック層も有機化合物層１４に含まれる層の１つとして捉えることができる。上記正孔ブロック層を形成するために、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体などの公知の材料が用いられる。

陰極層１５は、陽極層１２との間で電圧を印加し、有機化合物層１４に電子を注入する。陰極層１５は、誘電体層１３上および有機化合物層１４上を覆って形成され、発光面の全面にわたって連続的に形成されている。
陰極層１５に使用される材料としては、陽極層１２と同様に電気伝導性を有するものであれば、特に限定されるものではないが、仕事関数が低く、かつ化学的に安定なものが好ましい。具体的には、Ａｌ、ＭｇＡｇ合金、ＡｌＬｉやＡｌＣａなどのＡｌとアルカリ金属の合金等の材料を例示することができる。陰極層１５の厚さは１０ｎｍ〜１μｍが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍがより好ましい。有機化合物層１４から発した光を基板１１側から取り出す場合には、陰極層１５は不透明材料により形成されていてもよいが、陰極層１５側から光を取り出したい場合は、陰極層１５は、ＩＴＯ等の透明材料により形成する必要がある。

また、陰極層１５から有機化合物層１４への電子の注入障壁を下げて電子の注入効率を上げる目的で、図示しない陰極バッファ層を、陰極層１５に隣接して有機化合物層１４側に設けてもよい。陰極バッファ層は、陰極層１５より仕事関数の低い金属材料などが好適に用いられる。例えば、アルカリ金属（Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、アルカリ土類金属（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ）、希土類金属（Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｙｂ）、あるいはこれら金属のフッ化物、塩化物、酸化物から選ばれる単体あるいは２つ以上の混合物を使用することができる。陰極バッファ層の厚さは０.１ｎｍ〜５０ｎｍが好ましく、０.１ｎｍ〜２０ｎｍがより好ましく、０.５ｎｍ〜１０ｎｍがより一層好ましい。

陽極層１２に形成された複数の第１貫通部１６は、後述するように第１貫通部１６内に形成された誘電体層１３によって、有機化合物層１４から入射した光の進路を変え、有機発光素子１０の外部へ出る光を増加させる機能を有する。

第１貫通部１６の形状は、特に限定されることはないが、形状制御が行いやすいという観点から例えば円柱形状または四角柱などの多角柱形状とすることが好ましい。これらの形状では、陽極層１２の上面内における形状が、陽極層１２の厚み方向で変化してもよく、あるいは形状の大きさが変化してもよい。即ち、例えば円錐形状、角錐形状、円錐台形状、角錐台形状などであってもよい。第１貫通部１６の形状を適宜選択することにより、有機化合物層１４で発光した光を外部へ取り出す際の配光分布などを制御することができる。

図１の部分断面図において、第１貫通部１６の側面は基板１１面に対して垂直に形成されており、この場合の第１貫通部１６の側面の傾斜角は、９０度である。ただし傾斜角は、これに限られるものではなく、陽極層１２に使用する材料やエッチング方法等を選択することによって適宜変化させ、有機化合物層１４で発光した光を外部へ取り出す効率を高くすることができる。本実施の形態では、陽極層１２を形成する材料の種類にもよるが、有機化合物層１４で発光した光を外部へ取り出す効率が高い観点で、傾斜角が６０度〜９０度であることが好ましく、７０度〜９０度であることがより好ましく、７５度〜８５度であることがさらに好ましい。

高い光取り出し効率を得られるようにするため、陽極層１２上における第１貫通部１６の大きさ（陽極層１２面上における形状の最大幅）は１０μｍ以下であることが好ましい。また、製造が容易な観点からこの大きさは、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることがより好ましい。陽極層１２上面における第１貫通部１６の配置は、正方格子状や六方格子状など規則的な配置であってもよく、不規則な配置であってもよい。この配置については、有機化合物層１４で発光する光の波長や、有機発光素子１０から出射する光の配光分布、スペクトル制御などの観点から適宜選択される。
第１貫通部１６は、陽極層１２上の任意の面内において、１ｍｍ四方あたりに１０^３〜１０^８個形成されていることが好ましい。この範囲であれば陽極層１２内を光取り出し面に対して平行な方向に伝播する光を効率よく有機発光素子１０の外部へ取り出すことができる。

複数の第２貫通部１７は陽極層１２および誘電体層１３の両方を貫通して形成される。第２貫通部１７は内部に有機化合物層１４を形成し、陽極層１２および陰極層１５との間に電圧を印加することによって発光させるための発光場所となるものである。第２貫通部１７は陽極層１２と誘電体層１３を貫通して形成されていればよく、その形状は円柱形状、多角柱形状、円錐形状、多角錐形状、円錐台形状、角錐台形状などであってよい。また、第２貫通部１７の断面における傾斜角は上記の第１貫通部１６と同様であるが、陽極層１２の部分と誘電体層１３の部分とで傾斜角が異なっていてもよい。

高い光取り出し効率を得られるようにするため、誘電体層１３上における第２貫通部１７の大きさ（誘電体層１３面上における形状の最大幅、すなわち当該形状を内包する最小円の直径）は１０μｍ以下であることが好ましく、また、製造が容易であるという観点では０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上がより好ましい。誘電体層１３上面における第２貫通部１７の配置は、正方格子状や六方格子状など規則的な配置であってもよく、不規則な配置であってもよい。この配置については、有機化合物層１４で発光する光の波長や、有機発光素子１０から出射する光の配光分布やスペクトル制御などの観点から適宜選択される。また第１貫通部１６による光の取り出し効率向上効果を最大化するために、第２貫通部１７は第１貫通部１６に隣接して設けられていることが好ましい。
第２貫通部１７は、誘電体層１３上の任意の面内において、１ｍｍ四方に１０^３〜１０^８個形成されていることが好ましい。

図２は有機発光素子１０の部分断面図であり、本実施の形態の有機化合物層１４から基板１１の下側へ取り出される光の経路を示した図である。ここで、基板１１の屈折率を約１．４、陽極層１２の屈折率を約１．７、誘電体層１３の屈折率を約１．４、有機化合物層１４の屈折率を約１．７とした。
図２において第２貫通部１７内に示した領域Ｅは有機化合物層１４における発光領域を示している。
Ａの経路では、発光領域Ｅから基板１１面に対して水平に近い方向で誘電体層１３へ入射した光が、有機化合物層１４と誘電体層１３の界面および、誘電体層１３と陽極層１２の界面で屈折し、基板１１面に対して垂直に近い方向へ曲げられる。このように誘電体層１３を通過することによって光は基板１１の光取り出し面側である空気との界面で全反射せずに、有機発光素子１０の外部へ取り出すことができる。
Ｂの経路では、発光領域Ｅから基板１１面に対して水平に近い方向で陽極層１２へ入射した光が、第１貫通部１６内に形成された誘電体層１３と陽極層１２との界面で屈折し、より基板１１の法線方向に近い角度に進路が変わる。その結果、第１貫通部１６を設けない場合に比較して、基板１１に達した光は、基板１１と空気の界面で全反射を生じにくくなり、有機発光素子１０の外部へ取り出すことができる。このように、従来の有機発光素子では取り出し効率が十分でなかった光も、第１貫通部１６内部に形成された誘電体層１３によって外部へ効率よく取り出すことができる。即ち、本実施の形態の有機発光素子１０では、第１貫通部１６を設けることにより、光の取り出し効率を向上させることができる。

なお、以上詳述した有機発光素子１０では、基板１１側を下側とした場合、陽極層１２を下側に形成し、誘電体層１３を挟み対向する形で陰極層１５を上側に形成する場合を例示して説明を行ったが、これに限られるものではなく、陽極層１２と陰極層１５を入れ替えた構造でもよい。即ち、基板１１側を下側とした場合、陰極層１５を下側に形成し、誘電体層１３を挟み対向する形で陽極層１２を上側に形成する形態でもよい。

（有機発光素子の製造方法）
次に、本実施の形態が適用される有機発光素子の製造方法について、図１で説明を行った有機発光素子１０の場合を例に取り説明を行う。
図３（ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態が適用される有機発光素子１０の製造方法について説明した図である。
まず基板１１上に、第１電極層である陽極層１２を形成する（図３（ａ）：第１電極層形成工程）。本実施の形態では、基板１１として、ガラス基板を使用した。また陽極層１２を形成する材料としてＩＴＯを使用した。
陽極層１２を基板１１上に形成するには、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などのドライ法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、インクジェット法、印刷法、スプレー法、ディスペンサー法などのウェット法を用いることができる。
なお基板１１に陽極層１２としてＩＴＯが既に形成されているいわゆる電極付き基板を用いることで、陽極層１２を形成する工程を省略することができる。

次に、図３（ａ）の工程で形成した陽極層１２を貫通する第１貫通部１６を形成する（図３（ｂ）：第１貫通部形成工程）。
陽極層１２に第１貫通部１６を形成する方法としては、例えば、リソグラフィを用いた方法が使用できる。これを行うには、まず陽極層１２の上にレジスト液を塗布し、スピンコート等により余分なレジスト液を除去して、レジスト層を形成し、次に第１貫通部１６を形成するための所定のパターンが描画されたマスクをかぶせ、紫外線（ＵＶ：Ultra Violet）、電子線（ＥＢ：Electron Beam）等により露光を行うと、レジスト層に第１貫通部１６に対応した所定のパターンが露光される。そして現像液を用いてレジスト層の露光部分を除去すると、露光されたパターンの部分のレジスト層が除去される。これにより露光されたパターンの部分に対応して、陽極層１２の表面が露出する。
次に、残存したレジスト層をマスクとして、露出した陽極層１２の部分をエッチング除去する。エッチングとしては、ドライエッチングとウェットエッチングの何れをも使用することができる。またこの際に等方性エッチングと異方性エッチングを組合せることで、第１貫通部１６の形状の制御を行うことができる。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）や誘導結合プラズマエッチングが利用でき、またウェットエッチングとしては、希塩酸や希硫酸への浸漬を行う方法などが利用できる。最後に残存したレジスト層をレジスト除去液等により除去することで、陽極層１２に第１貫通部１６が形成される。

また第１貫通部１６の形成は、ナノインプリント法によって行うこともできる。具体的にはレジスト層を形成した後に、パターンを形成するための所定の凸パターンが描画されたマスクを、レジスト層表面に、圧力をかけて押し当てる。そしてこの状態で、熱および／または光をレジスト層に照射することにより、レジスト層を硬化させる。次にマスクを除去することにより、レジスト層表面に凸パターンに対応する第１貫通部１６のパターンが形成される。続いて、前述したエッチングを行うことにより、第１貫通部１６を形成することができる。

次に陽極層１２の上面および陽極層１２の内面を誘電体で覆う（図３（ｃ）：誘電体層形成工程）。本実施の形態では、誘電体層１３を形成する誘電体として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を使用した。誘電体層１３は、陽極層１２の形成に使用した方法と同様の方法により形成することができる。

次に陽極層１２および誘電体層１３を貫通する第２貫通部１７を形成する（図３（ｄ）：第２貫通部形成工程）。
第２貫通部１７の形成方法は、上述した第１貫通部１６の形成に用いる方法と同様な方法を用いられる。この方法においてエッチングを行う際、基板１１の表面部分もエッチングして、基板１１に穿孔部が形成されてもよい。
また本実施の形態では、最後に残存したレジスト層を除去せずに、次に述べる有機化合物層形成行程に移行することが好ましい。

次に少なくとも第２貫通部１７の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層１４を形成する（図３（ｅ）：有機化合物層形成工程）。
有機化合物層１４を形成するには、陽極層１２や誘電体層１３を形成したのと同様の手法を使用することができる。ただし有機化合物層１４に含まれる各層の成膜には、抵抗加熱蒸着法または塗布法がより好ましく、高分子有機化合物を含む層の成膜を行なうには特に塗布法が好ましい。塗布法により成膜を行なう場合は、成膜を行ないたい層を構成する材料を、有機溶媒や水等の所定の溶媒に分散させた塗布溶液を塗布する。塗布を行う際にはスピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング法、インクジェット法、スリットコーティング法、ディスペンサー法、印刷等の種々の方法を使用することができる。塗布を行った後は、加熱あるいは真空引きを行うことで塗布溶液を乾燥させることで成膜を行ないたい層が形成される。
そしてこの際に前述の第２貫通部形成工程において残存したレジスト層を残して有機化合物層１４を形成した場合、有機化合物層１４を成膜する際に第２貫通部１７の内部およびこのレジスト層の上面に、まず有機化合物層１４が形成されることになる。そして、次にレジスト層を除去すると、レジスト層の上面の有機化合物層１４は共に除去されるが、第２貫通部１７の内部の有機化合物層１４は、残存する。即ちこの手法により第２貫通部１７内部に選択的に有機化合物層１４を形成することができる。

次に有機化合物層１４上に第２電極層である陰極層１５を形成する（図３（ｆ）：第２電極層形成工程）。
陰極層１５を形成するには、陽極層１２や誘電体層１３を形成したのと同様の手法を使用することができる。

以上の工程により、有機発光素子１０を製造することができる。
なお有機発光素子１０を長期安定的に用い、有機発光素子１０を外部から保護するための保護層や保護カバー（図示せず）を装着することが好ましい。保護層としては、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素等のシリコン化合物などを用いることができる。そして、これらの積層体も用いることができる。また、保護カバーとしては、ガラス板、表面に低透水率処理を施したプラスチック板、金属などを用いることができる。この保護カバーは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂で素子基板と貼り合わせて密閉する方法を採ることが好ましい。またこの際に、スペーサを用いることで所定の空間を維持することができ、有機発光素子１０が傷つくのを防止できるため好ましい。そして、この空間に窒素、アルゴン、ヘリウムのような不活性なガスを封入すれば、上側の陰極層１５の酸化を防止しやすくなる。特にヘリウムを用いた場合、熱伝導が高いため、電圧印加時に有機発光素子１０より発生する熱を効果的に保護カバーに伝えることができるため、好ましい。更に酸化バリウム等の乾燥剤をこの空間内に設置することにより上記一連の製造工程で吸着した水分が有機発光素子１０にダメージを与えるのを抑制しやすくなる。

本実施の形態の有機発光素子は、例えば、マトリックス方式またはセグメント方式による画素として表示装置に好適に用いられる。また、画素を形成せずに、面発光光源としても好適に用いられる。具体的には、コンピュータ、テレビ、携帯端末、携帯電話、カーナビゲーション、標識、看板、ビデオカメラのビューファインダー等における表示装置、バックライト、電子写真、照明、レジスト露光、読み取り装置、インテリア照明、光通信システム等における面発光光源に好適に用いられる。

（表示装置）
次に、以上詳述した有機発光素子を備える表示装置について説明を行う。
図４は、本実施の形態における有機発光素子１０を用いた表示装置の一例を説明した図である。
図４に示した表示装置２００は、いわゆるパッシブマトリクス型の表示装置であり、表示装置基板２０２、陽極配線２０４、陽極補助配線２０６、陰極配線２０８、絶縁膜２１０、陰極隔壁２１２、有機発光素子１０、封止プレート２１６、シール材２１８とを備えている。

表示装置基板２０２としては、例えば、矩形状のガラス基板等の透明基板を用いることができる。表示装置基板２０２の厚みは、特に限定されないが、例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍのものを用いることができる。

表示装置基板２０２上には、複数の陽極配線２０４が形成されている。陽極配線２０４は、一定の間隔を隔てて平行に配置される。陽極配線２０４は、透明導電膜により構成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。また陽極配線２０４の厚さは例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍとすることができる。そして、それぞれの陽極配線２０４の端部の上には、陽極補助配線２０６が形成される。陽極補助配線２０６は陽極配線２０４と電気的に接続されている。このように構成することにより、陽極補助配線２０６は、表示装置基板２０２の端部側において外部配線と接続するための端子として機能し、外部に設けられた図示しない駆動回路から陽極補助配線２０６を介して陽極配線２０４に電流を供給することができる。陽極補助配線２０６は、例えば、厚さ５００ｎｍ〜６００ｎｍの金属膜によって構成される。

また、有機発光素子１０上には、複数の陰極配線２０８が設けられている。複数の陰極配線２０８は、それぞれが平行となるよう、かつ、陽極配線２０４と直交するように配設されている。陰極配線２０８には、Ａｌ又はＡｌ合金を使用することができる。陰極配線２０８の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。また、陰極配線２０８の端部には、陽極配線２０４に対する陽極補助配線２０６と同様に、図示しない陰極補助配線が設けられ、陰極配線２０８と電気的に接続されている。よって、陰極配線２０８と陰極補助配線との間に電流を流すことができる。

表示装置基板２０２上には、陽極配線２０４を覆うように絶縁膜２１０が形成される。絶縁膜２１０には、陽極配線２０４の一部を露出するように矩形状の開口部２２０が設けられている。複数の開口部２２０は、陽極配線２０４の上にマトリクス状に配置されている。この開口部２２０において、後述するように陽極配線２０４と陰極配線２０８の間に有機発光素子１０が設けられる。すなわち、それぞれの開口部２２０が画素となる。従って、開口部２２０に対応して表示領域が形成される。ここで、絶縁膜２１０の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜３００ｎｍとすることができ、開口部２２０の大きさは、例えば、３００μｍ×３００μｍとすることができる。

陽極配線２０４上の開口部２２０の位置に対応した箇所に、有機発光素子１０が形成されている。有機発光素子１０は、開口部２２０において陽極配線２０４と陰極配線２０８とに挟持されている。すなわち、有機発光素子１０の陽極層１２が陽極配線２０４と接触し、陰極層１５が陰極配線２０８と接触する。有機発光素子１０の厚さは、例えば、１５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。

絶縁膜２１０の上には、複数の陰極隔壁２１２が陽極配線２０４と垂直な方向に沿って形成されている。陰極隔壁２１２は、陰極配線２０８の配線同士が導通しないように、複数の陰極配線２０８を空間的に分離するための役割を担っている。従って、隣接する陰極隔壁２１２の間にそれぞれ陰極配線２０８が配置される。陰極隔壁２１２の大きさとしては、例えば、高さが２μｍ〜３μｍ、幅が１０μｍのものを用いることができる。

表示装置基板２０２は、封止プレート２１６とシール材２１８を介して貼り合わせられている。これにより、有機発光素子１０が設けられた空間を封止することができ、有機発光素子１０が空気中の水分により劣化するのを防ぐことができる。封止プレート２１６としては、例えば、厚さが０．７ｍｍ〜１．１ｍｍのガラス基板を使用することができる。

このような構造の表示装置２００において、図示しない駆動装置により、陽極補助配線２０６、図示しない陰極補助配線を介して、有機発光素子１０に電流を供給し、発光層を発光させ、光を出射させることができる。そして、上述の画素に対応した有機発光素子１０の発光、非発光を制御装置により制御することにより、表示装置２００に画像を表示させることができる。

（照明装置）
次に、本実施の形態の有機発光素子を用いた照明装置について説明を行う。
図５は、本実施の形態における有機発光素子１０を備える照明装置の一例を説明した図である。
図５に示した照明装置３００は、上述した有機発光素子１０と、有機発光素子１０の基板１１（図１参照）に隣接して設置され陽極層１２（図１参照）に接続される端子３０２と、基板１１に隣接して設置され有機発光素子１０の陰極層１５（図１参照）に接続される端子３０３と、端子３０２と端子３０３とに接続し有機発光素子１０を駆動するための点灯回路３０１とから構成される。

点灯回路３０１は、図示しない直流電源と図示しない制御回路を内部に有し、端子３０２と端子３０３を通して、有機発光素子１０の陽極層１２と陰極層１５との間に電流を供給する。そして、有機発光素子１０を駆動し、発光層を発光させて、第１貫通部１６や第２貫通部１７（図１参照）から基板１１を通し、光を出射させ、照明光として利用する。発光層は白色光を出射する発光材料より構成されていてもよく、また緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）を出射する発光材料を使用した有機発光素子１０をそれぞれ複数個設け、その合成光が白色となるようにしてもよい。なお、本実施の形態の照明装置３００では、第１貫通部１６や第２貫通部１７の径と間隔を小さくして発光させた場合、人間の目には面発光しているように見える。

［発光材料溶液の調製］
ＷＯ２０１０−１６５１２号公報に記載された方法に従って下記の燐光発光性高分子化合物（Ａ）を合成した。高分子化合物（Ａ）の重量平均分子量は５２，０００、各繰り返し単位のモル比はｋ：ｍ：ｎ＝６：４２：５２であった。

この燐光発光性高分子化合物（Ａ）３重量部を９７重量部のトルエンに溶解させ、発光材料溶液（以下、「溶液Ａ」ともいう。）を調製した。

［有機発光素子の作製］（実施例１）
有機発光素子として、図１に示した有機発光素子１０を、以下の方法により作製した。
まず基板１１として石英ガラスからなるガラス基板（２５ｍｍ角、厚さ１ｍｍ）上に、スパッタ装置（キヤノンアネルバ株式会社製Ｅ−４０１ｓ）を用いて、陽極層１２としてＩＴＯの薄膜（屈折率１．８）を１５０ｎｍ形成した。

次に、フォトレジスト（ＡＺエレクトロニックマテリアルズ株式会社製ＡＺ１５００）層をスピンコート法により約１μｍ成膜した。次に、石英（板厚３ｍｍ）を基材とし、円を六方格子状に配置したパターンに対応するマスクＡを作製し、ステッパー露光装置（株式会社ニコン製、型式ＮＳＲ−１５０５ｉ６）を用いて、１／５縮尺で露光を行った。次に、ＴＭＡＨ（Tetramethylammonium hydroxide： （ＣＨ_３）_４ＮＯＨ）１．２％液により現像し、レジスト層をパターン化した。そして、この後に、１３０℃で１０分間熱を加えた（ポストベイク処理）。

次に反応性イオンエッチング装置（サムコ株式会社製ＲＩＥ−２００ｉＰ）を使用し、反応ガスとしてＣｌ_２とＳｉＣｌ_４の混合ガスを用いて、圧力１Ｐａ、出力Ｂｉａｓ／ＩＣＰ＝２００／１００（Ｗ）の条件で５分間反応させ、ドライエッチング処理を行った。そしてレジスト除去液によりレジスト残渣を除去することによって、陽極層１２に複数の第１貫通部１６を形成した。この第１貫通部１６は直径１μｍの円柱状であり、陽極層１２の全面に六方格子状に配列され、第１貫通部１６の円の中心間距離（ピッチ）が２μｍとなるよう形成した。

次に陽極層１２の上面および第１貫通部１６内部にＳＯＧ液（東京応化工業株式会社製、ＯＣＤ Ｔ−７）をスピンコート法により塗布した後、加熱処理（空気中、８０℃で３分間、その後１５０℃で３分間、その後２００℃で３分間）を行うことで、誘電体層１３としてＳＯＧ膜（屈折率１．４）を形成した。このＳＯＧ膜の上面は平坦面であり、陽極層１２の上面からの厚さが５０ｎｍであった。

次に上記の第１貫通部１６の形成と同様な方法で、誘電体層１３上にフォトレジスト層を成膜し、第２貫通部１７を形成するための円を六方格子状に配置したパターンに対応するマスクＢを用いてレジスト層をパターン化した。続いて反応性イオンエッチング装置（サムコ株式会社製ＲＩＥ−２００ｉＰ）を用いて、反応性ガスとしてＣＨＦ_３を使用し、圧力０．３Ｐａ、出力Ｂｉａｓ／ＩＣＰ＝５０／１００（Ｗ）の条件で、５分間反応させ、ドライエッチング処理を行うことによって、誘電体層１３および陽極層１２を貫通する第２貫通部１７を形成した。この第２貫通部１７は直径１μｍの円柱状であり、第１貫通部１６の直上に、円の中心が第１貫通部１６の円の中心と重なるように、誘電体層１３の全面に円の中心間距離（ピッチ）が４μｍの六方格子状に配列されるように形成された。

次に、溶液Ａをスピンコート法（回転速度：３０００ｒｐｍ）により塗布し、窒素雰囲気下、１４０℃で１時間放置し乾燥した。この乾燥した層の上にトルエンを載せて５秒間静置し、フォトレジスト層の上部を露出させた後、基板１１を３０００ｒｐｍの速度で回転し、窒素雰囲気下、１４０℃で１時間放置し乾燥した。そしてレジスト残渣を除去することで、第２貫通部１７内部に発光層１層からなる有機化合物層１４（屈折率１．６）を形成した。

さらに有機化合物層１４上に、陰極バッファ層としてフッ化ナトリウム（４ｎｍ）を成膜し、さらに陰極層１５としてアルミニウム（１３０ｎｍ）を順に蒸着法により成膜することで有機発光素子１０を作製した。

（比較例１）
まず実施例１と同様にしてガラス基板上に陽極層としてＩＴＯ膜を形成した。次に陽極層の上面にＳＯＧ液（東京応化工業株式会社製、ＯＣＤ Ｔ−７）をスピンコート法により塗布した後、加熱処理（空気中、８０℃で３分間、その後１５０℃で３分間、その後２００℃で３分間）を行うことで、誘電体層として５０ｎｍの厚さのＳＯＧ膜を形成した。

次に、マスクＢを用い、実施例１と同様にして、上記誘電体層上にフォトレジストパターンを形成した。続いて反応性イオンエッチング装置（サムコ株式会社製ＲＩＥ−２００ｉＰ）を用いて、反応性ガスとしてＣＨＦ_３を使用し、圧力０．３Ｐａ、出力Ｂｉａｓ／ＩＣＰ＝５０／１００（Ｗ）の条件で、５分間反応させ、ドライエッチング処理を行った。その後、反応ガスをＣｌ_２とＳｉＣｌ_４の混合ガスに替え、圧力１Ｐａ、出力Ｂｉａｓ／ＩＣＰ＝２００／１００（Ｗ）の条件で５分間反応させ、ドライエッチング処理を行うことによって、陽極層および誘電体層を同時に貫通する複数の貫通孔（実施例１の第２貫通部１７に対応）を形成した。この貫通孔は直径１μｍの円柱状であり、陽極層および誘電体層の全面に六方格子状に配列され、貫通孔の円の中心間距離（ピッチ）が４μｍとなるよう形成した。
次に実施例１と同様にして溶液Ａの塗布、レジスト残渣の除去を行って上記貫通孔内に有機化合物層を形成した後、陰極バッファ層および陰極層を成膜して有機発光素子を作製した。
以上の工程により実施例１で作製した有機発光素子１０に対し、第１貫通部１６を設けない有機発光素子を作製した。

（比較例２）
フォトレジスト層のパターニングに用いるマスクＢの替わりにマスクＡを用いた以外は、比較例１と同様にして有機発光素子を作製した。これにより比較例１で作製した有機発光素子に対し、貫通孔のピッチが２μｍとなる有機発光素子を作製した。

［評価方法］
実施例１、および比較例１、２で作製した有機発光素子に、定電圧電源電流計（ケイスレーインスツルメンツ株式会社製ＳＭ２４００）を用いて段階的に電圧を印加し、有機発光素子の発光強度を輝度計（株式会社トプコン製ＢＭ−９）で計測した。そして、電流密度に対する発光強度の比から発光効率を決定した。

［評価結果］
結果を以下の表１に示す。発光効率については、示した数値が大きいほど発光効率が良好であることを意味する。

陽極層１２内に、誘電体層１３が充填された第１貫通部１６が形成された実施例１の有機発光素子１０の発光効率は、このような第１貫通部が形成されていない比較例１〜２の有機発光素子と比べて発光効率が高く、光取出し効率の高い構造であることがわかる。

１０…有機発光素子、１１…基板、１２…陽極層、１３…誘電体層、１４…有機化合物層、１５…陰極層、１６…第１貫通部、１７…第２貫通部、２００…表示装置、３００…照明装置

Claims (7)

1. 基板上に形成される透明な第１電極層と、
   前記第１電極層を貫通して形成される第１貫通部と、
   前記第１電極層の上面および前記第１貫通部の内面を覆って形成される誘電体層と、
   前記第１電極層および前記誘電体層を貫通して形成される第２貫通部と、
   少なくとも前記第２貫通部の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層と、
   前記有機化合物層上に形成される第２電極層と、
   を含み、
   前記誘電体層の屈折率が、前記第１電極層の屈折率よりも小さい有機発光素子。
2. 前記誘電体層は、上面が平面状に形成される請求項１に記載の有機発光素子。
3. 前記誘電体層の屈折率が、前記有機化合物層の屈折率よりも小さい請求項１または２に記載の有機発光素子。
4. 前記第１貫通部および前記第２貫通部が、前記第１電極層の面内において、最大幅が１０μｍ以下の円形形状または多角形形状を有するとともに、
   前記第１電極層の任意の面内において、いずれも１ｍｍ^２中に１０^３〜１０^８個形成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の有機発光素子。
5. 基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、
   前記第１電極層を貫通する第１貫通部を形成する第１貫通部形成工程と、
   前記第１電極層の上面および前記第１貫通部の内面を誘電体で覆う誘電体層形成工程と、
   前記第１電極層および前記誘電体層を貫通する第２貫通部を形成する第２貫通部形成工程と、
   少なくとも前記第２貫通部の内面を覆って形成される発光層を含む有機化合物層を形成する有機化合物層形成工程と、
   前記有機化合物層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程と、
   を含む有機発光素子の製造方法。
6. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の有機発光素子を備える表示装置。
7. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の有機発光素子を備える照明装置。

Images