JP5219493B2 - 発光素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は発光素子に関するものである。

有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴とした有機ＥＬ素子（発光素子）から構成され、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極から電子を、陽極からホール（正孔）を有機層に注入し、有機層中の発光層で励起子を生成させ、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料から成る。

このような有機ＥＬ素子の開発課題の一つとして、発光効率の向上がある。有機ＥＬ素子は、通常、陽極、発光層を含む有機層および陰極が１次元的に積層された構成をとる。このとき、空気の屈折率よりも発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）の方が大きい。このため、発光層の内部から放出された光の大部分は、高屈折率から低屈折率へ変化する積層膜の界面で全反射されて、基板に水平な方向（面内方向）に伝播する導波光となり、素子内部に閉じ込められることになる。発光層の内部で発生した光のうち外部に取り出して利用できる光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。

よって、有機ＥＬ素子の発光効率を改善するためには、この光取り出し効率を向上することが重要である。特許文献１では、全反射を防ぎ素子内部への光閉じ込めを抑制することを目的として、有機層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（回折格子）を配置する方法が提案されている。
特開平１１−２８３７５１号公報

しかしながら、上述した従来の有機ＥＬ素子は、周期構造の配置により反射電極による基板垂直方向の光の干渉強め合いが損なわれてしまうなどの理由から、周期構造の配置によっては、光取り出し効率を反対に低下させてしまうという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、発光素子の光取り出し効率を向上することを目的とする。

上記背景技術の課題を解決するための手段として、本発明に係る発光素子は、第１電極と、光の出射側にある第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間にある発光層と、を有し、前記発光層よりも前記第１電極側に反射面があり、前記発光層から前記第２電極側に発光する光と、前記発光層から前記反射面側へ発光し前記反射面により反射される光とを干渉により強め合わせる発光素子において、前記発光層で発生し前記発光素子の面内方向に導波する光を前記発光素子の外に出射させる周期構造を有し、前記周期構造が、固定端の境界条件を生じる周期構造であり、かつ、前記干渉の節である前記反射面に配置され、前記発光層が前記干渉の腹に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子の光取り出し効率を向上することが可能となる。

以下、本発明の原理を構成例に基づいて説明する。

本発明では、有機ＥＬ素子の光取り出し効率を向上させるために、周期構造が、発光層から第２電極の方向に進む光と発光層から第１電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉の節に形成されている。周期構造は、発光層で発生し発光素子の面内方向に導波する光を発光素子の外に取り出すための構造である。例えば、以下の実施形態で説明するように、光透過部材中に金属膜が周期的に設けられている構造や、金属膜中に周期的に開口が設けられている構造などである。反射面とは、金属などの反射部材と光透過部材との界面に生じる反射面や屈折率の異なる光透過部材を複数層積層した反射面など、発光素子の外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長における反射率が５０％より大きい反射面のことを指すものである。

そして、本発明は、周期構造が、発光層から第２電極の方向に進む光と発光層から第１電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉の節に形成されていることを特徴とする。干渉の節とは、干渉による光の強め合いが極小になる位置のことである。周期構造を干渉の節に設けることにより、発光層から第２電極の方向に進む光と発光層から第１電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉が周期構造から受ける影響が少なくなる。そのため、干渉による光取り出し効率の向上と周期構造による光取り出し効率の向上を両立することができ、光取り出し効率が飛躍的に向上する。

干渉の節に周期構造が構成された有機ＥＬ素子の断面概略図を図１に、俯瞰概略図を図２に示す。なお、図示例では有機ＥＬ素子を示したが、無機ＥＬ素子や発光層にＱＤ（量子ドット）を用いたＱＤ−ＬＥＤ素子などであっても実施できる。

図１に示した有機ＥＬ発光装置を構成する有機ＥＬ素子（発光素子）は、基板１００上に陽極として透明電極１０３が形成されている。透明電極１０３の内部には、周期構造３００が形成されている。本実施の形態では透明電極１０３が光取り出し側の第２電極に対応する。さらに、この陽極の周縁を覆うように絶縁部材から成る素子分離層１１０が形成されている。素子分離層１１０の開口部から露出する陽極の露出部上に、発光層を含む有機層１０１が積層され、陰極である反射電極１０２が形成されている。本実施の形態では、反射電極１０２が第１電極に対応する。つまり、本実施の形態に係る有機ＥＬ発光装置は、基板１００側から光を取り出すボトムエミッション型の発光装置の例である。

周期構造３００は、本構成例では金属により構成され、図２に示すように、ＥＬ発光領域３０２の内側にフォトニック結晶構造（周期構造３００）部分と平坦部分とをいずれも有している。なお、図１の透明電極１０３、有機層１０１、反射電極１０２が積層された部分に対応するのが、図２の発光領域（ＥＬ発光領域）３０２である。

有機層１０１は、図３に示すように、通常、ホール輸送層１０６、発光層１０５（Ｒ発光層１１５、Ｇ発光層１２５、Ｂ発光層１３５）、電子輸送層１０７が積層された構成をとる。発光層１０５は、それぞれの発光色に応じた蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む。また、必要に応じて陽極とホール輸送層１０６との間にホール注入層１０８を、陰極と電子輸送層１０７との間に電子注入層１０９を設けてもよい。

これらの有機ＥＬ素子に電圧を印加することで、陽極から注入された正孔と陰極から注入された電子が、有機層１０１中の発光層で再結合し、励起子を形成することで発光する。

図１に示した構成例では、有機層１０１と反射電極１０２との界面が反射面となる。発光点２０１に対して、透明電極１０３側（第２電極側）が光取り出し側、反射電極側（第１電極側）が反射面側となる。ただし、本発明では反射面は有機層と電極との界面に形成される構成に限られない。反射面側の第１電極の構成は、光透過部材、金属層、或いはその積層であってもよい。第１電極が光透過部材である場合には、光透過性の誘電体を挟んで金属層が配置されている構成となり、反射面は金属層と誘電体との界面に形成される。光透過部材と金属層との積層の場合には、その界面が反射面となる。

反射面が存在すると、発光層から反射面へ入射する光と反射面で反射する光との重ね合わせによる干渉が生じる。発光層はこの干渉の腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）に形成される。発光層を干渉の腹に構成することで、発光層から光取り出し側に発光する光と、発光層から反射面側へ発光し反射面により反射される光とが干渉により強め合うことになる。つまり、干渉の腹とは、干渉による光の強め合いが極大になる位置のことである。

なお、発光層が干渉の腹に形成されるとは、発光層内の発光位置が干渉の腹の近傍に位置することである。発光位置が干渉の腹に位置することが好ましいが、発光層から発光する光のスペクトルピーク波長と外部に取り出そうとする光のスペクトルピーク波長とが異なる場合には、発光位置と干渉の腹とがずれていてもよい。具体的には、発光位置と干渉の腹との膜厚方向の差が、λ／８ｎ以内にあればよい。発光強度は膜厚方向に分布を有するが、本発明における発光位置は膜厚方向で発光強度がピークとなる位置のことと定義する。発光位置を決める支配的な要因は、発光層へのキャリア注入バランス、即ち電子注入特性とホール注入特性のバランス及び発光層に用いられる材料のキャリア移動度であるが、キャリア注入バランスがほぼ均等である場合には、キャリア移動度が支配的な要因となる。

この場合、電子移動度がホール移動度よりも大きい場合には、発光層の陽極側の界面付近が発光位置となり、ホール移動度が電子移動度よりも大きい場合には、発光層の陰極側の界面付近が発光位置となる。

一方、本発明では、周期構造３００は干渉の節（ｎｏｄｅ）に構成される。周期構造が干渉の節に形成されるとは、周期構造の膜厚方向の中心が干渉の節の近傍に位置することである。干渉の節の近傍とは以下に詳細に説明するが、周期構造の膜厚方向の中心と干渉の節との差がλ／８ｎ以内であることである。この範囲にある場合には、周期構造が発光層から光取り出し側に発光する光と、発光層から反射面側へ発光し反射面により反射される光との干渉に与える影響が少なくなるため、周期構造と干渉を両立させ飛躍的に光取り出し効率を高めることができる。

一般に、有機ＥＬ素子では、発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）が、有機ＥＬ素子外部の空気の屈折率１．０よりも大きい。そのため、周期構造３００がない場合、発光点２０１から発光される光の大部分は、全反射により基板水平方向（面内方向）への導波光２０３として、有機ＥＬ素子内部に閉じ込められてしまう。伝播光２０２として、有機ＥＬ素子外部に取り出して利用できる光の割合は、約２０％程度でしかない。

これに対し、図１に示すように周期構造３００が配置された場合は、導波光２０３の一部が周期構造３００によって回折光２０４に変換され、有機ＥＬ素子外部に取り出される。この回折効果のため、発光効率が向上する。

しかしながら、反射面を有する有機ＥＬ素子に周期構造を構成する場合、発光効率は周期構造と反射面間の光路長に依存して変化する。周期構造を反射面による干渉の節（ｎｏｄｅ）に構成すると発光効率が向上する。一方、周期構造を反射面による干渉の腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）に構成すると発光効率は低下してしまう。

この現象を説明するために、反射面による干渉と周期構造の位置関係を示す概念図を図４に示す。図４ａは、比較例として、平坦な反射面による干渉（干渉光）を模式的に示している。干渉の腹に発光層を配置することで、干渉強め合いにより発光が強められる。このような構成に、金属周期構造や低屈折率材料中に形成された高屈折率材料の周期構造のように、固定端の境界条件を生じる周期構造を配置することを考察する。図４ｂ、図４ｃは本発明の構成例として、周期構造を干渉の節に設けた例を示している。図４ｂは反射面に周期構造を設けた例、図４ｃは反射面から離間する位置に周期構造を設けた例である。図４ｂ、図４ｃのように、周期構造を干渉の節に構成すると、基板垂直方向の光の干渉強め合いを概ね保持したまま、基板水平方向の導波光を回折光に変換し、有機ＥＬ素子の外部に取り出すことが可能となる。したがって、光取り出し効率が向上する。これに対し、図４ｄのように、周期構造を干渉の腹に構成すると、干渉強め合いが損なわれて、発光効率が低下してしまう。

具体例として、周期構造と反射面間の光路長に対する発光強度比の関係を数値計算により評価した結果を図５にグラフとして示す。発光強度比は垂直方向の値で、周期構造がない場合を基準としている。電磁波の数値計算には、有機ＥＬ発光装置の断面を考え、ＦＤＴＤ法を用いた。波長範囲λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍで、５ｎｍ刻みで計算を行った。電磁波モードは、ＴＥ、ＴＭモードで計算を行った。

図５で周期構造が干渉の節（ｎｏｄｅ）に位置する場合の光路長の範囲を網掛けで示す。それ以外は、干渉の腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）となる光路長の範囲である。図５より、周期構造を干渉の節に構成すると、周期構造がない有機ＥＬ素子と比較し、発光強度が向上する。一方、周期構造を干渉の腹に構成すると、周期構造がない有機ＥＬ素子と比較し、発光強度が低下してしまう。

したがって、本発明では、発光効率を向上させるために、反射面による干渉の節に周期構造を構成する。よって、発光素子の発光効率を向上することが可能となる。

また、高屈折率材料中に形成された低屈折率材料の周期構造のように、自由端の境界条件を生じる周期構造を配置する場合は、周期構造を干渉の腹に構成することが望ましい。

以下、より詳細な説明を行う。

周期構造が反射面による干渉の節に位置するための条件は、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長をλ、周期構造と反射面間の距離をｄ、周期構造と反射面間の平均屈折率をｎとして数１で与えられる。ここで、反射面の位相シフトφ_ｍ、整数ｍである。また、距離ｄと平均屈折率ｎは、周期構造と反射面間の各層ｉの厚さをｄ_ｉ、屈折率をｎ_ｉとして、それぞれ、ｄ＝Σｄ_ｉ、ｎ＝Σｎ_ｉｄ_ｉ／ｄで表される。

反射面が金属から構成される場合は、φ_ｍ〜−πである。図４ｂのように、周期構造が、反射面に接した干渉の節に構成される場合、ｍ＝−１に対応する。図６に、発光層の基板反対側が光取り出し側となるトップエミッション構成を示す。図６の構成例では、金属からなる反射電極１０２と反射電極上の透明電極１０３の界面が反射面となり、反射面に周期構造３００が構成されており、ｍ＝−１の場合である。また、図４ｃのように、周期構造が反射面から離間した干渉の節に位置する場合は、ｍ≧０に対応する。図１の本構成例は、ｍ≧０の場合である。

さらに、周期構造の高さ方向の凹凸に従って場所ごとに光路長が変化し、反射面による干渉に影響を及ぼす。よって、干渉強め合いをより良く保持するには、周期構造の凹凸いずれの領域においても、数１を満たす必要があり、周期構造の基板面に対して垂直方向の高さをｈとして、数２の条件式で与えられる。したがって、周期構造の高さｈを上限値λ／（４ｎ）より低く抑えることが望ましい。

有機ＥＬ素子では、平均屈折率は、ｎ＝１．５〜２．０程度、可視域での発光波長λは３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであるから、周期構造の高さは、１３０ｎｍより小さいであることが望ましい。また、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子（以下Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子とする。）で周期構造の高さが共通の場合は、波長の最も短いＢ（青）で数３の条件を満たす必要があるため、６０ｎｍより小さいことが望ましい。Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子で周期構造の高さを共通にする場合、周期構造の形成をまとめて行うことができる。さらに、発光層の段切れを防いで電流リークや発光不均一化を防ぐためには発光層の平坦化が求められ、発光層の平坦化のためには、周期構造の高さが３０ｎｍより小さことがより望ましい。特に、有機ＥＬ素子においては、有機層（発光層）の段切れによる電流リークや発光不均一化の問題が顕著であるため、周期構造の高さを低くすることが好ましい。

とはいえ周期構造は、発光層よりも基板側に形成する、つまり発光層と基板との間に形成することが好ましい。発光層の光取り出し側に形成する場合、周期構造による発光層の段切れの問題は解決されるが、発光層（有機層）に影響を与えることなく周期構造を形成することが困難であるためである。

図２に示すように、本構成例では、周期構造３００が存在する部分と存在しない部分から構成される。ここで、周期構造３００の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ_１、ａ_２とする。また、これらの基本格子ベクトルａ_１、ａ_２に対し、数３の関係を満たす基本逆格子ベクトルをｂ_１、ｂ_２とする。図２の例では、周期構造３００が存在する部分と存在しない部分が、より大きな周期で配列された階層構造となっている。ここで、より大きな周期を規定する２つの基本格子ベクトルはＡ_１、Ａ_２である。図２の例では、発光素子の上下左右で同じ視野角特性となるように、周期構造３００が４回対称性を有する構造となっている。本発明の発光素子を表示装置として用いる場合には、表示装置の上下左右の視野角特性を同じにするために、周期構造の基本格子ベクトル方向と表示領域の上下方向、左右方向を合わせることが好ましい。

周期構造による回折の効果を高めるためには、周期構造の周期を設定することがより好ましい。以下周期構造の周期について説明する。

有機層１０１中の発光層からの発光ピーク波長をλとし、波数をｋ＝２π／λとする。また、発光層の屈折率をｎ、光取り出し側媒体（通常は空気）の屈折率をｎ_ｅｘｔとし、条件ｎ＞ｎ_ｅｘｔを満たすとする。

光導波路３０１を伝播する導波光２０３に対する基板１００の水平方向への伝播係数をβとし、導波光２０３に対する有効屈折率ｎ_ｅｆｆ及び有効吸収係数κ_ｅｆｆを、数４により定義する。有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、条件ｎ_ｅｘｔ＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎを満たす。

このとき、回折条件は水平方向の位相整合条件から、２つの整数ｍ_１、ｍ_２を回折次数とし、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎ_ｅｘｔ＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎのもとで、数５で与えられる。

正方格子の場合は、周期をａとして、基本格子ベクトルは数６となり、基本逆格子ベクトルは数７となる。

この時、数５の回折条件は、数８となる。

ここで、どちらか一方の１次元方向に着目し、ｍ_２＝０（もしくは、ｍ_１＝０）および、｜ｍ_１｜＝ｍ＞０（もしくは、｜ｍ_２｜＝ｍ＞０）とする。この時、数８の回折条件は、簡略化され数９となる。さらに、有機ＥＬ素子のように、３ｎ_ｅｘｔ＞ｎ≧ｎ_ｅｆｆの関係を満たす場合、ｍ＝１の１次の回折光のみが生じるための回折条件は、数１０となる。

有機ＥＬ素子の発光パターンや効率、色度などの制御を可能とするには、１次の回折光のみを発生させ、また、導波光のモード数を少なくすることが望ましい。有機ＥＬ素子では、通常、発光層の屈折率はｎ＝１．６〜２．０程度、光取り出し側の屈折率はｎ_ｅｘｔ＝１．０である。よって、数１０から、主に１次の回折光のみを利用する場合は、周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．３３倍以上１．０倍以下が望ましい。可視光の波長域が３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下であることから、周期構造３００の周期ａは、１２５ｎｍ以上７８０ｎｍ以下であることが望ましい。Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子のそれぞれで周期構造の周期が数１０を満たすためには、Ｒ素子の周期を最も長く、Ｂ素子の周期を最も短くすることが好ましい。

なお、これまでは、基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成で説明してきたが、基板側を陰極、光取り出し側を陽極とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を逆順に積層した構成においても本発明を実施することは可能である。したがって、本発明にかかる発光装置は基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成に限定されるものではない。

また、図３のホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、ホール注入層１０８、電子注入層１０９に用いられる有機化合物としては、低分子材料、高分子材料、若しくはその両方により構成され、特に限定されるものではない。さらに、必要に応じて無機化合物やＱＤ（量子ドット）を用いてもよい。

さらに、周期構造３００は、上述したように２次元的なフォトニック結晶構造に限定されず、１次元的な回折格子の組み合わせや３次元的なフォトニック結晶構造でもよい。また、図６では凸型のフォトニック結晶構造を示したが、図７のように凹型のフォトニック結晶構造でもよい。

さらに、図８のように、異なる基本格子ベクトルを持つ複数種類の周期構造３００をいずれも有する構成であってもよい。図８の例は、基本格子ベクトルａ_１、ａ_２の周期構造と基本格子ベクトルａ’_１、ａ’_２の周期構造を組み合わせた場合である。ａ’_１は（ａ_１＋ａ_２）／√２方向のベクトルであり、ａ’_２は（−ａ_１＋ａ_２）／√２方向のベクトルである。つまり、周期構造は、４回対称性を有する周期構造１と、周期構造１を４５°回転した周期構造２を組み合わせた構造になっている。図８のように周期構造を配置することにより、発光素子の上下方向と左右方向の視野角特性だけでなく、発光素子の斜め方向の視野角特性も同じにすることができる。また、同様に、周期構造は、Ｎを自然数として、Ｎ回対称性を有する周期構造１と、周期構造１を１８０°／Ｎ回転した周期構造２を組み合わせた構造とすることができる。

周期構造３００は、完全に周期的である必要はなく、準結晶構造やフラクタル構造、連続的に周期構造が変化する構造、周期構造中に不規則な欠陥が存在する構造、若しくは周期構造とこれらを組み合わせたものでもよい。

さらに、以上の説明では、基板側が光取り出し側となるボトムエミッション構成について説明してきたが、基板の反対側が光取り出し側となるトップエミッション構成においても本発明は実施可能である。図６及び図７では、発光層より基板側に位置する反射面に周期構造を形成する例としている。すなわち、基板１００上に周期構造３００を有する反射電極１０２と反射電極上の透明電極１０３Ｂを形成し、その上に有機層１０１、透明電極１０４を積層したトップエミッション構成を示している。

さらに、図６において、金属からなる反射電極１０２と可視光の波長領域では誘電体とみなせる反射電極上の透明電極１０３Ｂとの界面（金属反射面）を基板水平方向に伝播し、導波光の一種と考えられる表面プラズモンが生じる。よって、反射電極１０２と反射電極上の透明電極１０３Ｂとの界面を光導波路として利用可能である。表面プラズモンの伝播係数β_ｓｐを、数４の伝播係数βとすると、通常の導波光と同様に回折条件は数５で与えられる。表面プラズモンを生じる界面としては、金属と透明電極界面に限られず、金属と有機層界面や金属と誘電体層界面でも可能である。

本発明の発光装置は、表示装置や、照明、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末（ＰＤＡ）の表示部、携帯ゲーム機の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等がある。

以下、本発明の発光素子の製造方法を実施例として説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。

＜参考例１＞
図１に示す構成の有機ＥＬ素子を以下に示す方法で作製する。つまり、本参考例１の発光素子は、第１電極と光取り出し側の第２電極との間に発光層を有し、前記発光層よりも前記第１電極側に反射面が構成されている。

まず、基板１００上に、透明電極１０３として、スパッタリングによりＩＴＯを７０ｎｍの膜厚で形成する。

次に、リフトオフ加工により、Ａｌからなる周期構造３００を形成する。まず、透明電極１０３上に、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図２に示すような正方格子の周期構造パターンを露光し、現像、ポストベークを行いレジストパターンを形成する。本参考例１では、周期構造３００は周期２４０ｎｍ、一辺の長さ１００ｎｍとされる。また、１０周期ごとに周期構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。次に、蒸着によりＡｌを３０ｎｍの膜厚で形成する。露光部分ではＩＴＯ上にＡｌが形成され、露光部分以外ではレジスト上にＡｌが形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｌごと取り除くことにより、Ａｌからなる周期構造３００を形成する。この上に、スパッタリングによりＩＴＯを１５０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。

図２のような正方格子では、発光素子の上下方向と左右方向とで周期構造３００の周期（配列）が等しい。そのため、発光素子を視認した場合、上下方向と左右方向とで同様の光学特性を得ることができ、視認性を高めることができる。また、逆に、上下方向と左右方向の周期が異なる四角格子としてもよい。この場合は、方向によって視認性を調整することが可能となる。さらに、図８のように、異なる正方格子を組み合わせることにより、上下方向、左右方向と斜め方向とで同様の光学特性を得ることができ、視認性を高めることができる。

さらに、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）の素子分離層１１０を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素にＥＬ発光領域となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してから有機層１０１を真空蒸着により形成する。

まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、ホール輸送層として７０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、発光層を形成する。ホストとしてｔｒｉｓ‐（８‐ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍ（以下、Ａｌｑ３と呼ぶ）と、発光性化合物３‐（２’‐Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）‐７‐Ｎ，Ｎ‐ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎ（以下、クマリン６と呼ぶ）とを共蒸着して２５ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、電子輸送層として、１、１０‐Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ（以下、ＢＰｈｅｎと呼ぶ）を真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ_２ＣＯ_３とを共蒸着（重量比９０：１０）し、２５ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は３×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、反射電極１０２として、スパッタリングによりＡｇ合金を２００ｎｍの膜厚で形成する。Ａｇ合金からなる反射電極１０２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射電極である。Ａｇ合金以外に、ＡｌやＡｌ合金などを用いてもよい。

さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。つまり、反射面による干渉の節に金属の周期構造が配置される構成とされている。

＜比較例１＞
まず、基板１００上に、透明電極１０３として、スパッタリングによりＩＴＯを１９０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、陽極を形成する。素子分離層１１０の形成以降は参考例１と同様である。つまり、周期構造を有さない構成とされている。

＜比較例２＞
まず、基板１００上に、透明電極１０３として、スパッタリングによりＩＴＯを１４０ｎｍの膜厚で形成する。次に、Ａｌからなる周期構造３００の形成までは、参考例１と同様である。この上に、スパッタリングによりＩＴＯを３５ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。素子分離層１１０の形成以降は参考例１と同様である。つまり、反射面による干渉の腹領域に金属の周期構造が配置される構成とされている。

表１に、参考例１と比較例１、比較例２における発光強度比（垂直方向）の数値計算による評価値を示す。発光強度比が約１．２倍となり、光取り出し効率が向上することがわかった。

参考例１の光取り出し効率が向上したのは、発光層から透明電極の方向に進む光と発光層から反射電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉が周期構造から受ける影響が少ないためである。そのため、干渉による光取り出し効率の向上と周期構造による光取り出し効率の向上を両立することができ、比較例１に比べて光取り出し効率が向上した。比較例２は発光層から透明電極の方向に進む光と発光層から反射電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉が周期構造から影響を受けたため、比較例１に比べて光取り出し効率が低くなった。なお、表１の実施例１とは参考例１のことである。

＜実施例１＞
図７に示す構成の有機ＥＬ素子を以下に示す方法で作製する。

まず、基板１００上に、反射電極１０２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成する。

この反射電極１０２上に、まず、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図２に示すような正方格子の周期構造パターンを露光し、現像、ポストベークを行いレジストパターンを形成する。

エッチング加工により、反射電極１０２表面に周期構造３００を形成する。本実施例１では、周期構造３００は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ１４０ｎｍ、エッチング深さ４０ｎｍとされる。また、１０周期ごとに周期構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。

次に、ＩＺＯのリフトオフ加工により、周期構造３００の凹状にへこんだエッチング部分を平坦化する。レジストパターンを残した状態で、スパッタリングにより透明導電性材料のＩＺＯを４０ｎｍの膜厚で形成する。エッチング部分ではＡｇ合金上にＩＺＯを、エッチング部分以外ではレジスト上にＩＺＯを形成する。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＩＺＯごと取り除いて平坦化する。この上に、スパッタリングによりＩＺＯを２０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。

さらに、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）の素子分離層１１０を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素にＥＬ発光領域となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してから有機層１０１を真空蒸着により形成する。

まず、化合物［Ｉ］を、ホール輸送層として１５５ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、発光層を形成する。発光層としては、ホストとしてＡｌｑ３と、発光性化合物クマリン６とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、電子輸送層として、ＢＰｈｅｎを真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ_２ＣＯ_３とを共蒸着（重量比９０：１０）し、３０ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は３×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１０４として、スパッタリングによりＡｇ合金を２４ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、誘電体層１０４Ｂとして、スパッタリングによりシリカを２９０ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。

＜比較例３＞
反射電極１０２の形成までは、実施例１と同様である。スパッタリングによりＩＺＯを２０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、陽極を形成する。ホール輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。つまり、周期構造を有さない構成とされている。

表２に、実施例１と比較例３における発光強度比（垂直方向）の数値計算による評価値を示す。発光強度比が約１．８倍となり、発光効率が向上することがわかった。

実施例１の光取り出し効率が向上したのは、発光層から透明電極の方向に進む光と発光層から反射電極の方向に進み反射面で反射する光とによって生じる干渉が周期構造から受ける影響が少ないためである。そのため、干渉による光取り出し効率の向上と周期構造による光取り出し効率の向上を両立することができ、比較例３に比べて光取り出し効率が向上した。

反射面による干渉の節に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 反射面による干渉の節に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。 有機層の断面概略図である。 反射面による干渉と周期構造の位置関係を示す模式図である。 周期構造と反射面間の光路長と発光強度の関係を示す計算結果例である。 反射面に上に凸型の周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 反射面に下に凹型の周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。 反射面による干渉の節に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。

符号の説明

１００ 基板
１０１ 有機層
１０２ 反射電極
１０３ 透明電極
１０３Ｂ 反射電極上の透明電極
１０４ 金属半透明電極
１０４Ｂ 誘電体層
１０５ 発光層
１０６ ホール輸送層
１０７ 電子輸送層
１０８ ホール注入層
１０９ 電子注入層
１１０ 素子分離層
２０１ 発光点
２０２ 伝播光
２０３ 導波光
２０４ 回折光
３００ 周期構造
３０１ 光導波路
３０２ ＥＬ発光領域

Claims (8)

1. 第１電極と、光の出射側にある第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間にある発光層と、を有し、
   前記発光層よりも前記第１電極側に反射面があり、前記発光層から前記第２電極側に発光する光と、前記発光層から前記反射面側へ発光し前記反射面により反射される光とを干渉により強め合わせる発光素子において、
   前記発光層で発生し前記発光素子の面内方向に導波する光を前記発光素子の外に出射させる周期構造を有し、
   前記周期構造が、固定端の境界条件を生じる周期構造であり、かつ、前記干渉の節である前記反射面に配置され、
   前記発光層が前記干渉の腹に配置されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記周期構造の高さｈが、外部に出射する光のスペクトルのピーク波長λ、前記周期構造と前記反射面との間の平均屈折率ｎに対して、
   

   

   
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記周期構造の周期が、１２５ｎｍ以上７８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
4. 前記周期構造が４回対称性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記発光素子が有機ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 赤色を発する発光素子と、緑色を発する発光素子と、青色を発する発光素子と、を有する発光装置であって、
   前記赤色を発する発光素子と前記緑色を発する発光素子と前記青色を発する発光素子が請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光素子であることを特徴とする発光装置。
7. 請求項６に記載の発光装置において、各発光素子の周期構造の高さが共通であり、かつ、６０ｎｍより小さいことを特徴とする発光装置。
8. 請求項６又は７に記載の発光装置において、前記赤色を発する発光素子の周期構造の周期が最も長く、前記青色を発する発光素子の周期構造の周期が最も短いことを特徴とする発光装置。

Images