JP6142323B2 - 有機ｅｌ素子、およびそれを備える有機ｅｌパネル、有機ｅｌ発光装置、有機ｅｌ表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機電界発光素子（以下「有機ＥＬ素子」と称する）の構造に関し、特に、ホール注入層においてホール注入効率を向上させる技術、および当該有機ＥＬ素子を備える有機ＥＬパネル、有機ＥＬ発光装置、有機ＥＬ表示装置に関する。

近年、有機半導体を用いた各種機能素子の研究開発が進められており、代表的な機能素子として有機ＥＬ素子が挙げられる。有機ＥＬ素子は、電流駆動型の発光素子であり、陽極および陰極からなる電極対の間に、有機材料からなる発光層を含む機能層を設けた構成を有する。そして、有機ＥＬ素子は、電極対間に電圧を印加し、陽極から機能層に注入されるホールと陰極から機能層に注入される電子とを再結合させ、これにより発生する電界発光現象によって発光する。このように、有機ＥＬ素子は、自己発光を行うため視認性が高くかつ完全固体素子であるため耐衝撃性に優れることから、各種有機ＥＬ表示パネルおよび有機ＥＬ表示装置における発光素子や光源としての利用が注目されている。

有機ＥＬ素子の発光効率を向上させるためには、電極対から機能層へキャリア（ホールおよび電子）を効率よく注入することが重要である。一般に、キャリアを効率よく注入するためには、各電極と機能層との間にキャリア注入の際のエネルギー障壁を低くするための注入層を設けることが有効である。そこで、機能層と陰極との間に設けられる電子注入層には、例えば、金属錯体やオキサジアゾールなどからなる有機物層、バリウムなどの金属、フッ化ナトリウムなどのイオン結合からなる結晶層が用いられている。また、機能層と陽極との間に設けられるホール注入層には、例えば、銅フタロシアニンやＰＥＤＯＴ（導電性高分子）などからなる有機物層、酸化タングステン（ＷＯ_x）や酸化ニッケル（ＮｉＯ_x）などからなる金属酸化物層が用いられている。（特許文献１、非特許文献１）。中でも、ホール注入層としてＮｉＯ_xなどの遷移金属原子を含む金属酸化物層を用いた有機ＥＬ素子では、ホール注入効率の向上および素子の寿命の改善が報告されている（特許文献２、非特許文献２）。

特開２０１１−０４４４４５号公報 特開平９−２６００６３号公報

Ｊｅｎｓ Ｍｅｙｅｒ ｅｔ ａｌ．、 Ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０、３８３９−３８４３（２００８） Ｉ−Ｍｉｎ Ｃｈａｎ ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ ｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ ８１、１８９９（２００２）

上記従来の有機ＥＬ素子に対し、有機ＥＬ素子をさらに高輝度で発光させるために、ホール注入効率をさらに向上させたいという要請がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであって、ホール注入効率をさらに向上させた有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、陽極および陰極と、前記陽極と前記陰極との間に設けられ、有機材料を含む有機機能層と、前記陽極と前記有機機能層との間に設けられ、第１の価数および第２の価数を取り得る遷移金属の酸化物を含む金属酸化物層と、を備え、前記遷移金属が前記第１の価数のときの当該遷移金属の酸化物の導電性は、前記遷移金属が前記第２の価数のときの当該遷移金属の酸化物の導電性よりも大きく、前記金属酸化物層中において、前記第２の価数の遷移金属の原子数に対する、前記第１の価数の遷移金属の原子数の比は６０％以上である、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子では、ホール注入効率をさらに向上できる。

実施の形態に係る有機ＥＬ素子１の構成を示す模式的な断面図である。 ホールオンリー素子の構成を示す模式的な断面図である。 ホールオンリー素子の印加電圧と電流密度の関係曲線を示すデバイス特性図である。 陽極とホール注入層との界面のショットキー障壁を説明するための図である。 ＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定によるＯ１ｓに帰属されるスペクトルとピークフィッティングによる解析結果を示す図である。 ＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定によるＯ１ｓに帰属されるスペクトルを示す図である。 ＮｉＯ_x膜表面の価電子帯近傍のＸＰＳスペクトルを示す図である。 ＮｉＯ_x膜表面の価電子帯近傍のＸＰＳスペクトルを示す図である。 ホールオンリー素子の駆動電圧とＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺との関係を示す図である。 図１に示した有機ＥＬパネルを備えた有機ＥＬ表示装置の外観図である。

［本発明の一態様を得るに至った経緯］
以下、本発明の態様を具体的に説明するに先立ち、本発明の態様を得るに至った経緯について説明する。

近年、有機ＥＬ素子を備えた各種表示装置や光源が広く利用され、有機ＥＬ素子をさらに高輝度で発光させたいという要請がさらに高まっている。これに対して、発明者らは、陰極および陽極からなる電極対から有機機能層に注入されるキャリアを増大させることで、この要請に応えようとした。また、発明者らは、電極対から有機機能層に注入されるキャリアの増大方法のうち、金属からなる陽極からホール注入層を介して有機機能層へと注入されるホールの注入効率の向上について検討した。

一般に、陽極からホール注入層を介して有機機能層にホールが注入される際、陽極のフェルミ準位から、ホール注入層における価電子帯のうち最も浅いエネルギー準位（以下、「価電子帯上端」と呼ぶ）を経て、隣接する有機機能層へと注入される。なお、ホール注入層の価電子帯は、例えば、遷移金属原子Ｍの主に３ｄ軌道成分と酸素原子の２ｐ軌道成分とからなる。ここで、金属からなる陽極と金属酸化物からなるホール注入層とを接合させると、当該接合界面において、比較的大きなショットキー障壁が形成される。

ところで、有機ＥＬ素子のホール注入効率を向上させるためには陽極から有機機能層へ多くのホールを注入する必要があり、そのためには、多くのホールがショットキー障壁を越える必要がある。ホールが陽極から当該ショットキー障壁を越えてホール注入層に注入されるためには、有機ＥＬ素子に電圧を印加する必要がある。そして、当該印加電圧は、ショットキー障壁の大きさによって決まる。

発明者らは、価数の違う遷移金属の酸化物を含むホール注入層を用いれば、価数の違いによって遷移金属の酸化物の導電性が変化し、陽極とホール注入層との界面におけるショットキー障壁の大きさが変化することを見出した。これにより、ホール注入層を構成する遷移金属の酸化物の導電性が大きくなるように、ホール注入層に含まれる遷移金属の各価数の原子数の比を調整すれば、ホール注入効率をさらに向上できることが明らかになった。本発明の態様はこのような経緯により得られたものである。

以下、本発明の実施の形態の有機ＥＬ素子を説明し、続いて本発明の各性能確認実験の
結果と考察を述べる。なお、各図面における部材縮尺は、実際のものとは異なる。

［実施の一態様の概要］
本発明の一態様である有機ＥＬ素子は、陽極および陰極と、前記陽極と前記陰極との間に設けられ、有機材料を含む有機機能層と、前記陽極と前記有機機能層との間に設けられ、第１の価数および第２の価数を取り得る遷移金属の酸化物を含む金属酸化物層と、を備え、前記遷移金属が前記第１の価数のときの当該遷移金属の酸化物の導電性は、前記遷移金属が前記第２の価数のときの当該遷移金属の酸化物の導電性よりも大きく、前記金属酸化物層中において、前記第２の価数の遷移金属の原子数に対する、前記第１の価数の遷移金属の原子数の比は６０％以上である、ことを特徴とする。

これにより、有機ＥＬ素子のホール注入効率を、さらに向上できる。

［実施の形態］
＜実施の形態１＞
１．構成
（有機ＥＬ素子）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。ここで、本発明における有機機能層は、陽極から金属酸化物層を介して注入されたホールと陰極から注入された電子とが再結合することにより発光する発光層、金属酸化物層と発光層との間に設けられ金属酸化物層から注入されたホールを発光層へと輸送するホール輸送層、陽極と発光層との間に設けられ陰極から注入された電子が陽極へと入り込むことを抑制するバッファ層等のいずれか、もしくはこれらの層のうち２層以上を組み合わせた層、またはこれらの層の全てを含む層を指す。本実施の形態では、有機機能層として、バッファ層および発光層を含む例を説明する。

有機ＥＬ素子は、例えば、有機機能層をウェットプロセスにより塗布して製造する塗布型である。また、有機ＥＬ素子は、陽極および陰極と、陽極と陰極との間に設けられた有機材料を含む有機機能層と、陽極と有機機能層との間に設けられたホール注入層とを備えた構成を有する。陽極および陰極には直流電源が接続され、外部より有機ＥＬ素子に給電されるようになっている。

図１は、本実施の形態に係る有機ＥＬ素子１の構成を示す模式的な断面図である。

具体的には図１に示すように、有機ＥＬ素子１は、基板１０の片側主面上に、陽極２、ホール注入層３、バッファ層４、発光層５、陰極６を同順に積層して構成される。上述のように、陽極２および陰極６には直流電源１１が接続されている。以下、各層について詳しく説明する。
（基板１０）
基板１０は、有機ＥＬ素子１の基材となる部分である。基板１０の表面には、図示していないが、有機ＥＬ素子１を駆動するためのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が形成されている。また、基板１０は、無アルカリガラスからなる。基板１０の材料はこれに限らず、例えば、ソーダガラス、無蛍光ガラス、燐酸系ガラス、硼酸系ガラス、石英、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエチレン、ポリエステル、シリコン系樹脂、またはアルミナ等の絶縁性材料のいずれかを用いることができる。
（陽極２）
陽極２は、基板１におけるＴＦＴの上方に形成されている。陽極２は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）からなる。また、陽極２の厚みは、５０ｎｍである。
（ホール注入層３）
ホール注入層３は、陽極２バッファ層４との間に設けられ、第１の価数として＋３および第２の価数として＋２とを取り得る遷移金属Ｎｉの酸化物ＮｉＯ_xを含む。Ｎｉの価数が＋３のとき（以下、当該ＮｉをＮｉ³⁺と称する）のＮｉＯ_xの導電性は、Ｎｉの価数が＋２のとき（以下、当該ＮｉをＮｉ²⁺と称する）のＮｉＯ_xの導電性よりも大きい。また、ホール注入層３においてＮｉ²⁺の原子数に対する、Ｎｉ³⁺の原子数の比は６０％以上である。

ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xの組成式において、ｘは概ね０．５＜ｘ＜２の範囲における実数である。ホール注入層３はできるだけＮｉＯ_xのみで構成されることが望ましいが、通常レベルで混入し得る程度に、微量の不純物が含まれていてもよい。ホール注入層３の厚みは、１０ｎｍである。なお、ホール注入層３は、上記構成とするために、所定の成膜条件で形成されている。この所定の成膜条件についての詳細は「ホール注入層３の成膜条件」の項で詳細に説明する。
（バッファ層４）
バッファ層４は、アミン系化合物であるＴＦＢ（ｐｏｌｙ（９、９−ｄｉ−ｎ−ｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ−ａｌｔ−（１、４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−（（４−ｓｅｃ−ｂｕｔｙｌｐｈｅｎｙｌ）ｉｍｉｎｏ）−１、４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ））からなる。バッファ層４をアミン系化合物で構成することにより、ホール注入層３から伝導されてきたホールを、バッファ層４より上層に形成される機能層に効率的に注入できる。これは、アミン系化合物では、窒素原子の非共有電子対を中心にＨＯＭＯの電子密度が分布しているためである。これにより、当該ＨＯＭＯの電子密度が分布している部分が、バッファ層４におけるホールの注入サイトとなる。従って、バッファ層４をアミン系化合物で構成することにより、バッファ層４側にホールの注入サイトを形成することができる。これにより、ホール注入層３から伝導されてきたホールを機能層に効率良く注入することが可能となる。バッファ層４の厚みは、例えば、２０ｎｍである。
（発光層５）
発光層５は、有機高分子であるＦ８ＢＴ（ｐｏｌｙ（９、９−ｄｉ−ｎ−ｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ−ａｌｔ−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ））からなる。しかしながら、発光層５の材料はＦ８ＢＴに限らず、公知の有機材料を用いてもよい。発光層５の材料は、例えば、特開平５−１６３４８８号公報に記載のオキシノイド化合物、ペリレン化合物、クマリン化合物、アザクマリン化合物、オキサゾール化合物、オキサジアゾール化合物、ペリノン化合物、ピロロピロール化合物、ナフタレン化合物、アントラセン化合物、フルオレン化合物、フルオランテン化合物、テトラセン化合物、ピレン化合物、コロネン化合物、キノロン化合物およびアザキノロン化合物、ピラゾリン誘導体およびピラゾロン誘導体、ローダミン化合物、クリセン化合物、フェナントレン化合物、シクロペンタジエン化合物、スチルベン化合物、ジフェニルキノン化合物、スチリル化合物、ブタジエン化合物、ジシアノメチレンピラン化合物、ジシアノメチレンチオピラン化合物、フルオレセイン化合物、ピリリウム化合物、チアピリリウム化合物、セレナピリリウム化合物、テルロピリリウム化合物、芳香族アルダジエン化合物、オリゴフェニレン化合物、チオキサンテン化合物、シアニン化合物、アクリジン化合物、８−ヒドロキシキノリン化合物の金属錯体、２−ビピリジン化合物の金属錯体、シッフ塩とＩＩＩ族金属との錯体、オキシン金属錯体、希土類錯体等の蛍光物質等を用いることができる。発光層５の厚みは、例えば、７０ｎｍである。
（陰極６）
陰極６は、例えば、厚さ５ｎｍのフッ化ナトリウム層６ａと、厚さ１００ｎｍのアルミニウム層６ｂとからなる。しかしながら、これに限らず、陰極６は一層の金属膜からなってもよい。
（隔壁層１２）
隔壁層１２は、感光性レジスト材料、例えば、アクリル系樹脂からなる。しかしながら、これに限らず、隔壁層１２の材料としては、ポリイミド系樹脂、ノボラック型フェノール樹脂などの絶縁性を有する有機材料を用いることができる。
２．有機ＥＬ素子１の製造方法の概略
次に、有機ＥＬ素子１の全体的な製造方法を例示する。

まず、基板１０をスパッタ成膜装置のチャンバー内に載置する。そして、チャンバー内に所定のスパッタガスを用い、ＩＴＯ膜をターゲットとした反応性スパッタリングにより、基板１０上にＩＴＯからなる陽極２を成膜する。

次に、陽極２上にホール注入層３を成膜する。成膜方法としては、高純度な組成での成膜が容易である方法、例えば、スパッタリング法で成膜することが好ましい。

スパッタリング法を採る場合では、アルゴンガスをスパッタガスとして用い、酸素ガスを反応性ガスとして用い、ＮｉＯ焼結体または金属Ｎｉをターゲットとした反応性スパッタリングを行う。具体的には、アルゴンガスおよび酸素ガスを導入したチャンバー内において、高電圧を印加することによりアルゴンをイオン化させ、当該アルゴンイオンをターゲットに衝突させる。アルゴンイオンのターゲットへの衝突により、ターゲットから放出されたＮｉまたはＮｉＯ_x粒子は酸素ガスと反応して膜質が調製されたＮｉＯ_xとなる。これにより、陽極２上にＮｉＯ_xからなるホール注入層３が成膜される。

次に、ホール注入層３の表面に、例えば、スピンコート法やインクジェット法によるウェットプロセスによりアミン系化合物と溶媒とを含むインクを滴下し、溶媒を揮発させて除去する。これにより、ホール注入層３上にバッファ層４が形成される。

さらに、バッファ層４の表面に、同様の方法で、有機発光材料と溶媒とを含むインクを滴下し、溶媒を揮発させて除去する。これにより、バッファ層４上に発光層５が形成される。

なお、バッファ層４および発光層５の形成方法はスピンコート法やインクジェット法に限らない。例えば、グラビア印刷法、ディスペンサー法、ノズルコート法、凹版印刷、凸版印刷等の公知の方法によりインクを滴下および塗布してもよい。

最後に、発光層５の表面に真空蒸着法でフッ化ナトリウム層６ａ、アルミニウム層６ｂを成膜する。これにより、発光層５上に陰極６が形成される。

なお、図１には図示しないが、有機ＥＬ素子１の完成後に、電極対や各種有機機能層が大気曝露されるのを抑制するため、陰極６の表面にさらに封止層を設けることができる。具体的には、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）等からなる封止層を、有機ＥＬ素子１を内部封止するように設ければよい。また、封止層の代わりに、有機ＥＬ素子１全体を空間的に外部から隔離する封止缶を設けてもよい。具体的には、例えば、基板１０と同様の材料からなる封止缶を設け、密閉空間内部に水分などを吸着するゲッター剤を設ければよい。

以上の工程を経ることで、有機ＥＬ素子１が完成する。
３．ホール注入層３の成膜条件
（概要）
まず、ホール注入層３の成膜条件の概要について述べる。本実施の形態では、ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xを所定の成膜条件で成膜する。これにより、ホール注入層３中において、Ｎｉ²⁺の原子数に対するＮｉ³⁺の原子数の比は６０％以上となる。

具体的なホール注入層３の成膜方法としては、ターゲットをＮｉＯとし、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）マグネトロンスパッタ装置を用いたスパッタリング法を採ればよい。また、当該スパッタリングの際、基板の温度は制御せず、チャンバー内ガスはアルゴンガスまたはアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスで構成するものとする。

この成膜方法によると、チャンバー内の全圧は２．０Ｐａより大きい範囲で大きいほど、投入電力密度は４．９３Ｗ／ｃｍ²より小さい範囲で小さいほど、完成した有機ＥＬ素子を駆動させると、ホール注入効率が向上することがわかった。これについて、以下で詳細に説明する。
（ホールオンリー素子を用いた実験）
上記成膜条件の有効性を確認するために、陽極２からホール注入層３へのホール注入効率の成膜条件依存性の評価を行った。評価デバイスとして、図２に示すようなホールオンリー素子（Ｈｏｌｅ Ｏｎｌｙ Ｄｅｖｉｃｅ：ＨＯＤ）１Ｂを作製した。

図２に示すように、ホールオンリー素子１Ｂは、図１の有機ＥＬ素子１における陰極６を、金からなる陰極９に置換えたものである。具体的には、基板１０上に、厚さ５０ｎｍのＩＴＯ薄膜からなる陽極２、厚さ１０ｎｍのＮｉＯ_xからなるホール注入層３、厚さ２０ｎｍのＴＦＢからなるバッファ層４、厚さ７０ｎｍのＦ８ＢＴからなる発光層５、厚さ１００ｎｍの金からなる陰極９を順次積層した構成とした。また、ホールオンリー素子１Ｂの製造工程において、ホール注入層３は、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いたスパッタリング法、または高真空槽チャンバーで電子ビーム蒸着法を用いて成膜した。

ここで、実際に動作する有機ＥＬ素子１では、電流を形成するキャリアはホールおよび電子の両方である。そのため、有機ＥＬ素子１の電気的特性には、ホール電流以外にも電子電流が反映されている。しかしながら、ホールオンリー素子１Ｂでは、陰極が金からなり、陰極からの電子の注入が阻害されるため、電流を形成するキャリアはほぼホールのみとなる。従って、ホールオンリー素子１Ｂを用いれば、キャリアはホールのみと見なすことができるため、ホール注入効率の評価を行うことができる。
（ホール注入層の成膜条件）
表１はホール注入層３の成膜条件を示す表である。成膜条件Ａ、Ｂ、Ｃにおける成膜手法はスパッタリング法であり、成膜条件Ｄにおける成膜手法は電子ビーム蒸着法である。

成膜条件Ａ、Ｂ、Ｃにおけるスパッタリング法では、チャンバー内ガスをアルゴンガスおよび酸素ガスの少なくともいずれかから構成し、ターゲットとしてＮｉＯ焼結体を用いた。基板温度は制御せず、全圧は各ガスの流量で調節するものとした。一方、成膜条件Ｄにおける電子ビーム蒸着法では、蒸着源にＮｉＯの焼結体タブレットを用い、真空度５×１０^-5Ｐａ程度の高真空中で蒸着レート約０．１Å／秒で成膜した。

以下、表１に示すうち、成膜条件Ａでホール注入層を成膜したホールオンリー素子１ＢをＨＯＤ−Ａ、成膜条件Ｂでホール注入層を成膜したホールオンリー素子１ＢをＨＯＤ−Ｂ、成膜条件Ｃでホール注入層を成膜したホールオンリー素子１ＢをＨＯＤ−Ｃ、成膜条件Ｄでホール注入層を成膜したホールオンリー素子１ＢをＨＯＤ−Ｄと称する。
（ホールオンリー素子のホール注入効率の評価の概要）
ホールオンリー素子のホール注入効率を評価するため以下の実験を行った。当該実験は、各成膜条件Ａ〜Ｄで作製した各ホールオンリー素子を直流電源１１に接続して行った。このとき、ホールオンリー素子に印加する電圧を変化させ、測定した電流値を素子の単位面積当たりの値である電流密度に換算し、印加電圧と電流密度との関係曲線を作成した。

ところで、有機ＥＬ素子への駆動電圧は、ホール注入層におけるホール注入効率に依存すると考えられる。これは、各ホールオンリー素子の製造方法が、ホール注入層３の成膜条件のみで異なり、その他の各層の製造方法は同一であるためである。そのため、ホール注入層３を除く、隣接する２つの層の界面におけるホール注入についてのエネルギー障壁は一定と考えられる。

また、当該実験で用いたホールオンリー素子を含むいずれの成膜条件におけるホールオンリー素子でも、ホール注入層３とバッファ層４との界面においてエネルギー準位が接続し、当該界面においてエネルギー障壁を殆ど形成しないことが、本実験とは異なる実験で確認されている。当該界面におけるエネルギー準位の接続は、ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xの価電子帯上端が、部分占有状態にあるＮｉ３ｄ成分を多く含むことにより生じる。このように、当該界面では、エネルギー準位が接続しているため、ホール注入効率が非常に高いものと考えられる。したがって、ホール注入層３の成膜条件によるホール注入効率の違いは、陽極２からホール注入層３へのホール注入効率を強く反映したものであると言える。

図３は、各ホールオンリー素子の印加電圧と電流密度との関係曲線を示すデバイス特性図である。図３において、縦軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）、横軸は印加電圧（Ｖ）である。また、図３において、成膜条件Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａの順に、同じ電圧を印加した時の電流密度が大きくなるという傾向がみられる。

表２は、当該実験によって得られたＨＯＤ−Ａ〜ＨＯＤ−Ｄの各サンプルの駆動電圧の値を示したものである。ここでは、有機ＥＬ素子１の駆動電圧を「実用的な具体値である電流密度１０ｍＡ／ｃｍ²を実現するための有機ＥＬ素子への印加電圧」とする。

表２に示すように、ＨＯＤ−Ａ、ＨＯＤ−Ｂ、ＨＯＤ−Ｃ、ＨＯＤ―Ｄにおける駆動電圧は、それぞれ、１６．９Ｖ、１７．７Ｖ、２０．４Ｖ、２３．４Ｖとなる。すなわち、成膜条件Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａの順に、駆動電圧を低下できるという傾向がみられる。駆動電圧が低下できるのは、ホールオンリー素子のホール注入効率が向上することで、小さな駆動電圧でも所望の電流密度を実現できたためである。このように、ＨＯＤ−Ａ、ＨＯＤ−Ｂでは、ＨＯＤ−Ｃ、ＨＯＤ―Ｄよりも、ホール注入効率が向上している。
４．ホール注入層の価電子帯上端の深さの検討
（成膜条件の変化に伴うホール注入効率向上のメカニズム）
ホールオンリー素子１Ｂにおいて、ホール注入効率に上述のような影響を与えているのは、ホール注入層の成膜条件の変化であると考えられる。この成膜条件の変化に伴うホール注入効率向上のメカニズムについて、以下で詳しく考察する。

図４は、陽極２とホール注入層３との界面のショットキー障壁を説明するための図である。図４の左側の図および右側の図は、それぞれ陽極２とホール注入層３との接合前および接合後を示す。また、ＩＴＯのフェルミ準位をＥｘ、ホール注入層の伝導帯下端、フェルミ準位、価電子帯上端をそれぞれＣｂ、Ｅｆ、Ｖｂとする。

ホールオンリー素子１Ｂにおいて、ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xは、ＩＴＯからなる陽極２と接合している。この接合に伴い、ＩＴＯとＮｉＯ_xとの界面において電荷が授受され、図４に示すように、当該界面においてショットキー障壁Ｅｓが発生する。ここで、ホールがＩＴＯのフェルミ準位Ｅｘからショットキー障壁Ｅｓを越えてＮｉＯ_xの価電子帯上端Ｖｂに移動するためには、上述のように、有機ＥＬ素子１に電圧を印加することが必要である。

ここで、ＮｉＯ_xの価電子帯上端Ｖｂが浅いほど、ショットキー障壁Ｅｓは小さくなる。また、ショットキー障壁Ｅｓが小さいほど、同じ電圧を有機ＥＬ素子に印加した場合であっても、多くのホールがショットキー障壁Ｅｓを越えることができるようになる。すなわち、ＮｉＯ_xの価電子帯上端Ｖｂが浅いほど、ショットキー障壁Ｅｓが小さくなるため、ホール注入効率をさらに向上できる。

ところで、ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xに含まれるＮｉは、大部分がＮｉ²⁺とＮｉ³⁺とで構成されている。そして、ホール注入層３中において、原子数比Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺は成膜条件によって異なると考えられる。ここで、Ｎｉ³⁺原子は周囲のＮｉ²⁺原子に対して電荷が＋１大きい。そのため、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を増大させると、実効的にホール注入層３にドープされたホールを増大させることができる。そのため、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を増大させると、ＮｉＯ_xの価電子帯の上端Ｖｂは浅い方向へシフトする。
（ＮｉＯ_xのＸＰＳ測定）
上述したＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺の増大が価電子帯上端を浅い方向へシフトさせる効果を確認するために、成膜条件Ａ〜Ｄで作成したＮｉＯ_x膜についてＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定実験を行った。

（ＸＰＳ測定条件）
使用機器 ：Ｘ線光電子分光装置 ＰＨＩ５０００ ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ（アルバック・ファイ社製）
光源 ：Ａｌ Ｋα線
光電子出射角 ：基板法線方向
測定点間隔：０．１ｅＶ
（具体的な測定方法）
まず、表１に示した成膜条件Ａ〜ＤでＸＰＳ測定用のサンプルを作製した。具体的には、ガラス板上に成膜されたＩＴＯ導電性基板の上に、厚さ１０ｎｍのホール注入層３を、成膜条件Ａ〜Ｄで成膜することにより、ＸＰＳ測定用のサンプルとした。（以降、成膜条件Ａ〜Ｄで作製したＸＰＳ測定用サンプルを、それぞれサンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣ、サンプルＤと称する。）続いて、サンプルＡ〜Ｄの各ホール注入層３の表面に対してＸＰＳ測定を行った。
（Ｏ１ｓスペクトルのピーク帰属）
まず、ホール注入層３中におけるＮｉの原子数比Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を検討した。原子数比Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺の検討は、Ｏ１ｓスペクトルを解析して得られたピークを、Ｎｉ²⁺原子に配位したＯ原子のＯ１ｓ準位、Ｎｉ³⁺原子に配位したＯ原子のＯ１ｓ準位に分けることで行った。以下、これについて詳細に説明する。

図５は、ＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定によるＯ１ｓに帰属されるスペクトルとピークフィッティングによる解析結果を示す図である。

図５（ａ）は、サンプルＡにおけるＯ原子のＯ１ｓ準位のスペクトルを示す。

図５において、横軸は結合エネルギーを示しており、Ｘ線を基準としたときの各準位に存在する光電子のエネルギーに相当し、左方向を正の向きとした。すなわち、横軸に示される結合エネルギーは、用いたＸ線であるＡｌ Ｋα線のエネルギー（１４８６．６ｅＶ）をゼロとしたときの、各準位に存在する光電子のエネルギーである。また、図５において、縦軸は光電子強度を示しており、観測された光電子の個数の相対値に相当する。

図５（ａ）に示すように、第１のピークは結合エネルギー５２９ｅＶ付近に観測され、第２のピークは第１のピークよりも比較的高い結合エネルギー側に観測される。第１および第２のピークは、図の右から左に向かって、それぞれＮｉ²⁺原子に配位したＯ原子のＯ１ｓ準位、Ｎｉ³⁺原子に配位したＯ原子のＯ１ｓ準位を由来とするピークであると帰属した。
（Ｏ１ｓスペクトルのピークフィッティング解析）
ここで、Ｏ１ｓのスペクトルを構成するこれらのピークの面積比は、測定範囲内のＮｉ原子におけるＮｉ³⁺、Ｎｉ²⁺の存在比率（原子数比Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺）を反映している。そのため、これらのピークの面積比を定量して原子数比Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を検討するために、まず、Ｎｉ²⁺と帰属されたピークに対し、ピークフィッティング解析を以下のようにして行った。具体的には、光電子分光解析用ソフト「ＰＨＩ Ｍｕｌｔｉｐａｋ」を用いて、ピークフィッティング解析を行った。

まず、Ｏ１ｓスペクトルの結合エネルギーが５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲で、Ｓｈｉｒｌｅｙ法によりバックグラウンドを引いた。そして、結合エネルギーが５２８ｅＶから５３０ｅＶまでの間で最大となる光電子強度の値を１、結合エネルギーが５２５ｅＶのときの光電子強度の値を０として、縦軸の光電子強度を規格化した。なお、以下、図５、図６における光電子強度とは、特に断りの無い限り、この規格化された値を指す。

次に、Ｎｉ²⁺原子に配位したＯ原子に帰属される成分（以下、Ｎｉ²⁺成分）のフィッティング関数のピークトップの結合エネルギーを、Ｏ１ｓのスペクトルの５２８ｅＶから５３０ｅＶまでの間で光電子強度の値が最大になる結合エネルギーとし、ピークトップの強度を１とした。また、Ｎｉ²⁺成分のピークトップよりも低結合エネルギー側で規格化光電子強度が０．５となる結合エネルギーと、Ｎｉ²⁺成分のピークトップの結合エネルギーとの差を、Ｎｉ²⁺成分のフィッティング関数の半値半幅とした。フィッティング関数はＧａｕｓｓｉａｎ関数とＬｏｒｅｎｔｚｉａｎ関数の混合関数を用い、関数全体に占めるＧａｕｓｓｉａｎ関数の混合比は８５％で固定とし、図５（ｂ）に示すようなＮｉ²⁺成分のフィッティング関数を得た。

さらに、結合エネルギー５２５ｅＶから５３５ｅＶまでの光電子強度の総面積から、前記Ｎｉ²⁺成分のフィッティングに用いた関数の面積を差し引いた面積を、図５（ｃ）に示すようにＮｉ³⁺成分の面積とした。

上述したＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定およびＯ１ｓのスペクトルのピークフィッティング解析を、サンプルＡと同様に、サンプルＢ、Ｃ、Ｄでも行った。

図６は、ＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定によるＯ１ｓに帰属されるスペクトルを示す図である。これにより得られたサンプルＡ〜ＤのＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺の値を表３に示す。

表３に示すように、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺はサンプルＡで最も大きく、続いてサンプルＢ、サンプルＣの順に減少し、サンプルＤで最も小さい。そのため、成膜条件Ａ〜Ｃにおいて、全圧は大きいほど、さらに、チャンバー内の全圧は２．０Ｐａより大きい範囲で大きいほど、投入電力密度は４．９３Ｗ／ｃｍ²より小さい範囲で小さいほど、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺は増大する傾向があるといえる。
（ＮｉＯ_xの価電子帯上端のスペクトルの解析）
次に、ホール注入層を構成するＮｉＯ_xの価電子帯上端の深さを検討するため、ＮｉＯ_xの価電子帯上端のスペクトルを解析した。

図７は、サンプルＡにおけるＮｉＯ_xの価電子帯近傍のＸＰＳスペクトルを示す図である。図７より、ＮｉＯ_xの価電子帯上端の結合エネルギーを読み取り、ＮｉＯ_xの価電子帯上端の深さを読み取ることができる。以下、これについて詳しく説明する。

一般に、ＮｉＯ_xが示すＸＰＳスペクトルにおいて、最も大きく急峻な立ち上がりは一意に定まる。この立ち上がりの変曲点を通る接線を（ａ）、低結合エネルギー側でその立ち上がりが開始するより低結合エネルギー側のバックグラウンド線の補助直線を（ｂ）とした。このとき、接線（ａ）と補助直線（ｂ）との交点を（ｃ）とすると、交点（ｃ）を価電子帯上端の結合エネルギーとして読み取ることができる。

図８は、サンプルＡ〜ＤにおけるＮｉＯ_x膜表面の価電子帯近傍のＸＰＳスペクトルを示す図である。上述の方法により、図８のスペクトルを基に、サンプルＡ〜Ｄの価電子帯上端の結合エネルギーを読み取った。なお、図８において、横軸に示される結合エネルギーは、各サンプルにおけるＮｉＯ_xのフェルミ準位を基準（ゼロ）としたときの、各準位に存在する光電子のエネルギーである。

表４は、図８から読み取った、サンプルＡ〜ＤにおけるＮｉＯ_x膜の価電子帯上端の結合エネルギーの値である。

価電子帯上端の結合エネルギーは、サンプルＡで最も小さく、続いてサンプルＢ、サンプルＣの順に増大し、サンプルＤで最も大きい。

これらの結果より、ＮｉＯ_xのＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を増大させると、ＮｉＯ_xの価電子帯上端の結合エネルギーが減少することが分かった。ここで、ＮｉＯ_xの価電子帯上端の結合エネルギーが減少することは、ＮｉＯ_xの価電子帯上端が浅くなるということである。そのため、ＮｉＯ_xのＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺を増大させることで、ＮｉＯ_xの価電子帯上端が浅くなり、陽極とホール注入層との界面に形成されたショットキー障壁を小さくできると考えられる。その結果、ホールオンリー素子１Ｂにおけるホール注入効率をさらに向上できると考えられる。
６．効果
以上、ホールオンリー素子１Ｂにおけるホール注入層３のホール注入効率に関する評価について述べたが、ホールオンリー素子１Ｂは、陰極９以外は図１に示した実際に動作する有機ＥＬ素子１と同一の構成である。したがって、有機ＥＬ素子１においても、陽極２からホール注入層３へのホール注入効率の成膜条件依存性は、ホールオンリー素子１Ｂと同じと考えられる。よって、有機ＥＬ素子１では、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺が増大することにより、価電子上端の結合エネルギーが小さくなり、ホール注入効率をさらに向上することができると考えられる。以下、本発明の効果を奏すことができる範囲について述べる。

図９は、ホールオンリー素子１Ｂの駆動電圧とＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺との関係を示す図である。図９において、横軸がホールオンリー素子１Ｂの駆動電圧であり、縦軸がＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺の割合である。

図９に示すように、Ｎｉ³⁺／Ｎｉ²⁺が大きいほど、ホールオンリー素子１Ｂの駆動電圧が小さくなる。有機ＥＬ素子１の駆動電圧は、当該素子が備えられるデバイスの構成にもよるが、概ね２０Ｖ程度である。従って、有機ＥＬ素子の駆動電圧を２０Ｖ以下とすれば、従来よりも駆動電圧を低下できると考えられる。そのためには、ホール注入層３におけるＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺が６０％以上であれば、図９に示すように駆動電圧を低下できるため、ホール注入効率を向上できる。また、ホール注入層３におけるＮｉ³⁺／Ｎｉ²⁺が７９．１％以上であれば、駆動電圧を１７．７Ｖ以下とさらに低下できる。その結果、ホール注入効率をさらに向上できるため望ましい。

さらに、上述した実験により、成膜条件Ａ、Ｂの範囲となる成膜条件下で成膜を行うことにより、駆動電圧を低下できることを確認できた。このように、有機ＥＬ素子１では、陽極２とホール注入層３との間のショットキー障壁を小さくでき、有機ＥＬ素子１の駆動電圧を低下できる。その結果、駆動時に有機ＥＬ素子１にかかる負荷が軽減されるため、有機ＥＬ素子１の駆動の寿命を延ばすことも期待できる。
［変形例］
本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、素子を単一で用いる構成に限定されない。複数の有機ＥＬ素子を画素として基板上に集積することにより、有機ＥＬ発光装置を構成することもできる。このような有機ＥＬ発光装置は、各々の素子における各層の膜厚を適切に設定することにより実施可能であり、例えば、照明装置等として利用することが可能である。
１．有機ＥＬ素子の製造方法
各画素に対応する発光層をインクジェット法等の塗布工程により形成する場合には、ホール注入層の上に各画素を区画するバンクを設けることが望ましい。バンクを設けることにより、塗布工程において各色に対応する発光層材料からなるインク同士が互いに混ざり合うことを防止することができる。バンク形成工程としては、例えば、ホール注入層表面に、感光性のレジスト材料からなるバンク材料を塗布し、プリベークした後、パターンマスクを用いて感光させ、未硬化の余分なバンク材料を現像液で洗い出し、最後に純水で洗浄する方法がある。本発明は、このようなバンク形成工程を経た金属酸化物からなるホール注入層にも適用可能である。
２．有機ＥＬ素子の層構成
本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、いわゆるボトムエミッション型の構成でもよく、いわゆるトップエミッション型の構成でもよい。
３．ホール注入層の成膜条件
上記実施の形態では、表１に示すように、成膜条件Ａ、成膜条件Ｂ、成膜条件Ｃの投入電力の条件は、投入電力密度で表した。しかしながら、本実験で用いたＲＦマグネトロンスパッタ装置とは異なるＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いる場合は、ターゲット裏面のマグネットのサイズに合わせて、投入電力密度が上記条件になるように投入電力を調節してもよい。これにより、本実験と同様に、ホール注入効率の優れたＮｉＯ_xからなるホール注入層３を得ることができる。なお、全圧、酸素分圧については、装置やターゲットサイズ及び、ターゲットマグネットサイズに依存しない。

また、ホール注入層のスパッタリング法による成膜時は、室温環境下に配置されるスパッタ装置において、基板温度を意図的には設定していない。したがって、少なくとも成膜前の基板温度は室温である。ただし、成膜中に基板温度は数１０℃程度上昇する可能性がある。

なお、ホール注入層３の形成方法はスパッタリング法や蒸着法に限らず、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の方法により成膜することもできる。
４．ホール注入層の材料
上記実施の形態等では、ホール注入層をＮｉＯ_xで構成した。しかしながら、これに限らず、ホール注入層をＮｉ以外の遷移金属原子Ｍの酸化物で構成してもよい。Ｎｉ以外の遷移金属原子Ｍとしては、第１の価数と第２の価数とを取るＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕなどが考えられる。

例えば、遷移金属原子ＭがＮｉ、Ｃｏであれば、Ｍ³⁺／Ｍ²⁺を増大させることで、遷移金属Ｍを含む酸化物膜ＭＯ_xの価電子帯上端の結合エネルギーを小さくできると考えられる。また、遷移金属原子ＭがＣｒであれば、Ｃｒ⁴⁺／Ｃｒ³⁺を増大させることで、遷移金属Ｍを含む酸化物膜ＭＯ_xの価電子帯上端の結合エネルギーを小さくできると考えられる。
５．有機ＥＬ素子の適用例
本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、図１０に示すような有機ＥＬパネル１００に適用することができる。また、本発明の一態様に係る有機ＥＬ素子は、有機ＥＬ発光装置、および有機ＥＬ表示装置にも適用することができる。有機ＥＬパネル、有機ＥＬ発光装置、および有機ＥＬ表示装置に適用するに適用することで、これら装置の駆動電圧を低く保ちつつ、発光特性に優れた装置を実現できる。

有機ＥＬパネルについては、有機ＥＬ素子を１つ配置してもよいし、同じ色に発光する赤色、緑色、青色の各画素に対応する有機ＥＬ素子を複数個配置してもよいし、同じ色の有機ＥＬ素子を複数個配置してもよい。有機ＥＬ発光装置は、例えば、照明装置等に利用することができる。有機ＥＬ表示装置は、例えば、有機ＥＬディスプレイ等に利用することができる。

本発明の有機ＥＬ素子は、例えば、家庭用もしくは公共施設、あるいは業務用の各種表示装置、テレビジョン装置、携帯型電子機器用ディスプレイ等に用いられる有機ＥＬ装置に好適に利用可能である。

１ 有機ＥＬ素子
１Ａ ホールオンリー素子
２ 陽極
３ ホール注入層
４ バッファ層（機能層）
５ 発光層（機能層）
６ 陰極
６ａ フッ化ナトリウム層
６ｂ アルミニウム層
９ 陰極（金層）
１０ 基板
１１ 直流電源
１２ 隔壁層

Claims (7)

1. 陽極および陰極と、
   前記陽極と前記陰極との間に設けられ、有機材料を含む有機機能層と、
   前記陽極と前記有機機能層との間に設けられ、価数３＋および価数２＋を取り得るＮｉの酸化物を含む金属酸化物層と、を備え、
   前記金属酸化物層中において、価数が２＋の前記Ｎｉの原子数に対する、価数が３＋の前記Ｎｉの原子数の比は６０％以上である、
   有機ＥＬ素子。
2. 前記金属酸化物層において、価数が２＋の前記Ｎｉの原子数に対する、価数が３＋の前記Ｎｉの原子数の比は７９．１％以上である、
   請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
3. 前記有機機能層は、アミン系化合物からなる、
   請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
4. 前記有機機能層は、前記陽極から前記金属酸化物層を介して注入されたホールと前記陰極から注入された電子とが再結合することにより発光する発光層、前記金属酸化物層から注入されたホールを前記陰極側へと輸送するホール輸送層、前記陰極から注入された電子が前記陽極へと入り込むことを抑制するバッファ層のいずれかである、
   請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
5. 請求項１に記載の有機ＥＬ素子を複数備える有機ＥＬパネル。
6. 請求項１に記載の有機ＥＬ素子を備える有機ＥＬ発光装置。
7. 請求項１に記載の有機ＥＬ素子を複数備える有機ＥＬ表示装置。

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