JP6168410B2 - 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、２）。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３、非特許文献１）。

特開２００５−２０３３３９号公報 特開２０１１−０４４４４５号公報 特開平９−２６００６３号公報

Ｓｕｎｇｈｏ Ｗｏｏ ｅｔ ａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １５ （２００９） ７１６−７１８

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Ｍの酸化物を含む金属酸化物層と、を備え、前記金属酸化物層において、価電子帯上端とフェルミ準位とのエネルギー差が０．８ｅＶ以内であり、前記金属酸化物層のイオン化ポテンシャルから前記有機機能層のイオン化ポテンシャルを引いた値が０ｅＶ以上であり、前記遷移金属Ｍが前記第１の価数のときの当該遷移金属Ｍの酸化物の導電性は、前記遷移金属Ｍが前記第２の価数のときの当該遷移金属Ｍの酸化物の導電性よりも大きく、前記金属酸化物層の少なくとも一部において、前記遷移金属Ｍと、前記遷移金属Ｍとは異なる金属Ａと、酸素Ｏと、を含む結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが含まれ、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cに含まれる前記遷移金属Ｍは、前記第１の価数を取り、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cに含まれる前記金属Ａは、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが全体として電気的に中性となるような第３の価数を取る、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。 ホール注入層とバッファ層との界面を説明するための図であり、左側の図が異種金属をホール注入層に添加した場合を示し、右側の図が異種金属をホール注入層に添加しない場合を示す。 ＮｉＯ_x膜表面のＸＰＳ測定による価電子帯近傍のスペクトルを示す図である。 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金属酸化物からなる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、ホールは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、有機機能層のＨＯＭＯへと注入される。なお、ホール注入層の価電子帯は、例えば、遷移金属の主に３ｄ軌道成分と酸素原子の２ｐ軌道成分とからなる。

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、陽極とホール注入層との間のホール注入効率を向上させ、且つ、ホール注入層と有機機能層との間のホール注入効率を向上させる必要がある。

陽極からホール注入層へホールを効率よく注入するには、陽極とホール注入層との界面に存在するエネルギーが小さいことが重要である。従来、陽極から当該エネルギー障壁を越えてホール注入層に多くのホールを注入するためには、有機ＥＬ素子に一定以上の電圧を印加する必要があった。発明者らの検討により、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金属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エネルギー障壁の大きさを調整しうることを見出された。

一方、ホール注入層から有機機能層へホールを注入するには、理論上は、ホール注入層のイオン化ポテンシャルから有機機能層のイオン化ポテンシャルを引いた値が０ｅＶ以上であればよい。しかしながら、発明者らの検討により、ホール注入層と有機機能層との界面では、当該界面近傍において有機機能層側が正、ホール注入層側が負に恒常的に帯電する現象を発見し、界面近傍におけるホール注入層中において、ホール注入層を構成する金属が当該電子により還元されてしまうことに気付いた。そして、ホール注入層中において金属が還元されると、ホール注入層のイオン化ポテンシャルから有機機能層のイオン化ポテンシャルを引いた値が０ｅＶ以上であっても、金属酸化物の導電性が小さくなり、ホール注入効率が低下してしまうことに気付いた。

そして、さらなる検討の結果、発明者らは、ホール注入層を構成する金属酸化物の導電性が大きくでき、且つ、ホール注入層を構成する金属が還元されることを抑制できるホール注入層を見出した。具体的には、ホール注入層に含まれる遷移金属の酸化物の結晶構造が安定化する目的で、ホール注入層を形成する際、当該遷移金属と異なる原子を添加した。これにより、有機ＥＬ素子において、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。
［実施の態様］
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Ｍの酸化物を含む金属酸化物層と、を備え、前記金属酸化物層において、価電子帯上端とフェルミ準位とのエネルギー差が０．８ｅＶ以内であり、前記金属酸化物層のイオン化ポテンシャルから前記有機機能層のイオン化ポテンシャルを引いた値が０ｅＶ以上であり、前記遷移金属Ｍが前記第１の価数のときの当該遷移金属Ｍの酸化物の導電性は、前記遷移金属Ｍが前記第２の価数のときの当該遷移金属Ｍの酸化物の導電性よりも大きく、前記金属酸化物層の少なくとも一部において、前記遷移金属Ｍと、前記遷移金属Ｍとは異なる金属Ａと、酸素Ｏと、を含む結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが含まれ、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cに含まれる前記遷移金属Ｍは、前記第１の価数を取り、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cに含まれる前記金属Ａは、前記結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが全体として電気的に中性となるような第３の価数を取る、ことを特徴とする。

これにより、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］
＜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、本実施の形態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とバッファ層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を取り得る遷移金属Ｎｉの酸化物ＮｉＯ_xを含む。また、ホール注入層３のイオン化ポテンシャルからバッファ層４のイオン化ポテンシャルを引いた値は、０ｅＶ以上である。さらに、ホール注入層３の少なくとも一部において、Ｎｉと、Ｎｉと異なる金属である異種金属ＬａまたはＢｉと、酸素Ｏとを含む結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cを有している。ここで、ＬａまたはＢｉは、結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが全体として電気的に中性となるような第３の価数として＋３を取る。なお、ホール注入層３は、実効的にホールがドープされたＰ型となっており、このことは、ホール注入層３の価電子帯上端の結合エネルギーが０．８ｅＶ以内に収まっていることによりわかる。ホール注入層３の価電子帯上端の結合エネルギーの具体的な測定値については後述する。

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、大面積に均一な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ターゲット上にＬａやＢｉのような異種金属を主成分とする化合物焼結体や金属片などを適量配置するか、ＬａやＢｉのような異種原子からなるターゲット上にＮｉＯ焼結体を適量配置して、スパッタリングを行う。具体的には、アルゴンガス及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や異種金属の粒子は酸素ガスと反応し、陽極２上に異種金属を適量含むＮｉＯ_x膜が成膜される。これにより、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中の少なくとも一部にペロブスカイト型構造が形成され、Ｎｉ³⁺が安定的に含まれることとなる。

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Ｌａ₂Ｏ₃焼結体またはＢｉ₂Ｏ₃焼結体を上部に配置した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。
（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、ホール注入層３からバッファ層４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（Ｈｏｌｅ Ｏｎｌｙ Ｄｅｖｉｃｅ：ＨＯＤ）素子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の主に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の作製工程において、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法により成膜した。

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のホール注入層３には、異種金属を添加していない。一方、成膜条件Ｂ、Ｃのホール注入層３には、異種金属としてＬａまたはＢｉをそれぞれ添加した。また、成膜条件ＡにおいてはＮｉＯターゲットとし、成膜条件Ｂ、Ｃにおいて、ターゲットはＢｉ₂Ｏ₃焼結体またはＬａ₂Ｏ₃焼結体を上部に配置したＮｉＯターゲットとした。成膜条件Ａ〜Ｃのいずれでも、基板温度は制御せず、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の混合ガスで構成するものとした。全圧は各ガスの流量で調節するものとした。成膜条件Ａ〜Ｃのいずれでも、投入電力密度は２．４７Ｗ／ｃｍ²とした。

以下、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〜Ｃ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。

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Ｃ、Ｂ、Ａの順に、同じ電圧を印加した時の電流密度が小さ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−Ｃ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における駆動電圧は、それぞれ、１７．７Ｖ、１４．３Ｖ、１１．１Ｖとなる。すなわち、成膜条件Ａ、Ｂ、Ｃ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−Ｂ、ＨＯＤ−Ｃでは、ＨＯＤ−Ａよりも、ホール注入効率が向上している。
４．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
（概要）
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３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。なお、以下の考察により、ホールオンリー素子１Ｂのホール注入効率をさらに向上させるには、成膜直後のホール注入層３中にＮｉ³⁺を十分に確保し、且つ、バッファ層４の成膜後に、バッファ層４との界面において、ホール注入層３中に耐還元性の強い安定なＮｉ³⁺が存在する必要があるという結論が得られた。
（考察）
まず、陽極２からホール注入層３へホールを注入するためには、ホール注入層３中にＮｉ³⁺が十分に確保すべき理由を述べる。ホール注入層３中にＮｉ³⁺が確保されると、実効的にホール注入層３にホールがドープされることとなり、ホール注入層３の価電子帯上端が浅くなる。これにより、陽極２とホール注入層３との間に発生するエネルギー障壁が小さくなり、ホール注入効率を向上できる。このように、陽極２とホール注入層３とのホール注入効率を向上させるには、ホール注入層３中にはＮｉ³⁺が確保されている必要がある。

次に、バッファ層４との界面において、ホール注入層４中にＮｉ³⁺が存在する必要がある理由を述べる。図４は、ホール注入層３とバッファ層４との界面におけるエネルギー準位を説明するための図である。図４において、左側の図および右側の図は、それぞれ異種金属をホール注入層３に添加した場合と添加しない場合とにおけるホール注入層３とバッファ層４との接合から一定時間経過した後を示す。図４には、ホール注入層の価電子帯上端Ｖｂ、フェルミ準位Ｅ_F、および伝導帯下端（伝導帯のうち最も深いエネルギー準位）Ｃｂ、バッファ層４のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯと、真空準位ＶＬとを併せて示す。

ところで、図４の右側に示すように、ホール注入層３のイオン化ポテンシャルＩＰ₁をバッファ層４のイオン化ポテンシャルＩＰ₂以上としている。そして、ＩＰ₁がＩＰ₂以上であるとき、ＮｉＯ_xからなるホール注入層３と有機材料からなるバッファ層４とを接触させると、ホール注入層３の価電子帯上端Ｖｂとバッファ層４のＨＯＭＯとが接続されることが明らかになった。当該ホール注入層３の価電子帯上端Ｖｂとバッファ層４のＨＯＭＯとが接続すると、ホール注入層３およびバッファ層４の真空準位ＶＬがシフトする。具体的には、当該界面近傍においてバッファ層４側が正、ホール注入層３側が負に恒常的に帯電するよう、真空準位ＶＬがシフトし、界面電気二重層が発生する。

ここで、ホール注入層３を構成するＮｉＯ_xの結晶構造は、主に岩塩型構造である。そして、岩塩型構造の結晶中にＮｉ³⁺を多く存在させるためには、結晶中にＮｉ原子が欠けている部分が存在する必要がある。そして、結晶中にこのような格子欠陥を形成した岩塩型構造は、不安定で耐還元性が弱い傾向がある。そのため、成膜初期において、Ｎｉ³⁺をある程度含むよう、格子欠陥を形成した岩塩型構造ホール注入層３を形成したとしても、ホール注入層３上にバッファ層４を形成することで発生する界面電気二重層により、界面近傍における多くのＮｉ³⁺がＮｉ²⁺に還元されてしまう。ここで、Ｎｉ²⁺の酸化物はＮｉ³⁺の酸化物に比べて、価電子帯上端のエネルギー準位が深い。その結果、界面近傍においてホール注入層３の価電子帯上端Ｖｂが深くなり、当該界面近傍でのホール移動度が著しく低下し、絶縁化してしまう。これは、ホール注入層３におけるホール移動度が、フェルミ準位Ｅ_Fと価電子帯上端Ｖｂとの差が大きいほど低下するためである。

これに対して、ホール注入層３とバッファ層４との界面での耐還元性の強い安定なＮｉ³⁺を存在させることが考えられる。そのためには、ホール注入層３を形成する際に、ＮｉおよびＯとともに岩塩型構造よりも安定な結晶構造を形成する異種金属を添加すればよい。

具体的には、ＬａやＢｉのような異種金属ＡをＮｉＯ_xに添加すれば、ホール注入層３の結晶構造は、少なくとも一部において、ペロブスカイト型構造のＡＮｉＯ_xとなる。Ｂｉ、Ｌａは、３価が安定な原子である。ところで、ペロブスカイト型構造のＡＮｉＯ_xには、Ａ：Ｎｉ：Ｏが１：１：３の比率で含まれる。一般に、結晶は全体として電気的に中性である。そして、ペロブスカイト型構造ＡＮｉＯ_xを全体として電気的に中性とするために、Ｎｉは第１の価数である３価を取る。このように、ペロブスカイト型構造ＡＮｉＯ_x中では、Ｎｉ³⁺を安定化させることができると考えられる。

さらに、ペロブスカイト型構造は、安定で耐還元耐性が強い傾向がある。そのため、上述した界面電気二重層の影響があっても、Ｎｉ³⁺がＮｉ²⁺に還元されることを抑制できる。その結果、界面近傍においてホール注入層３のフェルミ準位Ｅ_Fと価電子帯上端Ｖｂとの差が小さいままとなり、ホール移動度の低下を抑制できる。

以上にように、ＬａやＢｉのような異種金属ＡをＮｉＯ_xに添加してホール注入層３を形成することで、Ｎｉ³⁺を安定化させることができる。これにより、ホールオンリー素子１Ｂのホール注入効率をさらに向上できる。
５．ホール注入層の価電子帯上端の深さの検討
（ホール注入層のＸＰＳ測定）
上述した異種金属の添加が、ホール注入層３におけるＮｉ³⁺を安定化させる効果を確認するために、実験を行った。ここで、Ｎｉ³⁺が十分に確保されているとき、ホール注入層３の価電子帯上端は浅くなる。なぜなら、ホール注入層３中にＮｉ³⁺が多くなると、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になるためである。そのため、ホール注入層中にＮｉ³⁺が多くなると、ホール注入層３の価電子帯の上端は浅い方向へシフトする。具体的には、成膜条件Ａ〜Ｃで作成したホール注入層３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〜Ｃ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〜Ｃ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〜Ｃ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と称する。）続いて、サンプルＡ〜Ｃの各ホール注入層３の表面に対してＸＰＳ測定を行った。
（ホール注入層中の金属酸化物の組成比）
ホール注入層３中の金属酸化物の組成比を検討した。

具体的には、バックグラウンドを差し引いたＮｉ２ｐ、Ｏ１ｓ、Ｌａ３ｄ、Ｂｉ４ｆスペクトルの各ピーク面積比をＸＰＳ装置に固有の感度係数で補正し、元素濃度を算出した。具体的には、当該ＸＰＳ装置の感度係数を読み込んだ光電子分光解析用ソフト「ＰＨＩ Ｍｕｌｔｉｐａｋ」を用いて、バックグラウンドの差し引き、元素濃度の算出を行った。

表３は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）で評価した成膜条件Ａ〜Ｃのホール注入層の組成比を示す表である。

表３に示すように、Ｌａ₂Ｏ₃焼結体をＮｉＯターゲット上に配置して成膜する成膜条件Ｂにおけるホール注入層では、組成比でＬａが５．１％含まれていた。一方、Ｂｉ₂Ｏ₃焼結体をＮｉＯターゲット上に配置して成膜する成膜条件Ｃにおけるホール注入層では、組成比でＢｉが１０．２％含まれていた。このように、上記成膜条件Ｂ、Ｃを用いれば、Ｌａ、Ｂｉが添加された膜を得ることができた。
（ホール注入層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ホール注入層３の価電子帯上端のエネルギー準位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５は、サンプルＡにおけるホール注入層３の価電子帯近傍のＸＰＳスペクトルを示す図である。図５より、ホール注入層３の価電子帯上端の結合エネルギーを読み取り、ホール注入層３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。

図５において、横軸は、サンプルＡにおけるＮｉＯ_xのフェルミ準位を基準とした結合エネルギーを示しており、左方向を正の向きとした。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し、サンプルＡの図示した結合エネルギー範囲における最小の光電子強度を０、最大の光電子強度を１として縦軸を規格化した。

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。

表４は、同様の方法により読み取られたサンプルＡ〜Ｃにおけるホール注入層３の価電子帯上端の結合エネルギーの値である。

成膜条件Ｂ、Ｃで形成したホール注入層３における価電子帯上端の結合エネルギーは、成膜条件Ａで形成したホール注入層３における価電子帯上端の結合エネルギーよりも小さい。上述のように、成膜条件Ａでは異種金属が添加されず、成膜条件Ｂ、Ｃでは異種金属が添加されている。

これらの結果より、ホール注入層３にＮｉの異種金属を添加すると、ホール注入層３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、ホール注入層３の価電子帯上端の結合エネルギーが減少することは、ホール注入層３の価電子帯上端が浅くなるということである。そのため、ホール注入層３にＮｉの異種金属を添加すると、ホール注入層３の価電子帯上端が浅くなり、ホール注入層３とバッファ層４との界面に形成された界面電気二重層の影響によるＮｉ³⁺の還元を抑制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。
５．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、ホール注入層３を形成する際、ホール注入層３を構成するＮｉの異種金属Ａを添加して所定の成膜条件で成膜することで、ホール注入層３とバッファ層４との界面近傍において、導電的なＮｉ³⁺を安定な状態で多量に存在させることができ、価電子帯上端の結合エネルギーは０．８ｅＶ以内に安定化され、かつ、ホール注入層３のイオン化ポテンシャルをバッファ層４のイオン化ポテンシャル以上にできる。これにより、有機ＥＬ素子１の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。
［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、主にＮｉＯ_xからなるホール注入効率の優れたホール注入層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
上記実施の形態では、異種金属として３価が安定なＢｉ、Ｌａを用い、ペロブスカイト型構造を形成することで、Ｎｉ³⁺を安定化した。しかしながら、異種金属および安定な結晶構造はこれに限らない。

ホール注入層を第１および第２の価数を取る遷移金属Ｍの酸化物を含むとともに、第１の価数以上である第３の価数を取る異種金属Ａを含むことで、ホール注入層の少なくとも１部において安定な結晶構造Ａ_aＭ_bＯ_cが形成される。ここで、第１の価数の遷移金属Ｍの酸化物の導電性は、第２の価数の遷移金属Ｍの酸化物の導電性よりも大きいものとする。これにより、第１の価数の遷移金属Ｍを、当該界面近傍に多量に保持することができる。その結果、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ができる。

例えば、添加する異種金属として１価が安定なＬｉやＮａを用いて、Ｎｉ³⁺を安定化してもよい。例えば、結晶構造ＬｉＮｉＯ_xは、層状岩塩型構造である。層状岩塩型構造ＬｉＮｉＯ_xには、Ｌｉ：Ｎｉ：Ｏが１：１：２の比率で含まれる。そのため、層状岩塩型構造ＬｉＮｉＯ_xを全体として電気的に中性とするために、Ｎｉは第１の価数である３価を取る。また、添加する異種金属は、実施の形態等のように一種類でもよいし、二種類以上の組み合わせでもよい。

上記実施の形態等では、ホール注入層を主にＮｉＯ_xで構成した。しかしながら、これに限らず、ホール注入層を主にＮｉ以外の遷移金属Ｍの酸化物で構成してもよい。Ｎｉ以外の遷移金属原子としては、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ＭとしてＣｕを用いた場合、導電性に優れる第１の価数１価であり、導電性が比較的小さい第２の価数が２価となる。そして、第１の価数を取るＣｕ¹⁺を安定化させるためには、第３の価数を取る異種金属として３価が安定なＡｌを添加すればよい。例えば、結晶構造ＡｌＣｕＯ_xは、デラフォサイト型構造である。デラフォサイト型構造ＡｌＣｕＯ_xには、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏが１：１：２の比率で含まれる。そのため、デラフォサイト型構造ＡｌＣｕＯ_xを全体として電気的に中性とするために、Ｃｕは第１の価数である１価を取る。
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６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
１Ｂ 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、
   前記金属酸化物層において、価電子帯上端とフェルミ準位とのエネルギー差が０．８ｅＶ以内であり、
   前記金属酸化物層のイオン化ポテンシャルから前記有機機能層のイオン化ポテンシャルを引いた値が０ｅＶ以上であり、
   前記金属酸化物層の少なくとも一部において、前記Ｎｉと、前記Ｎｉとは異なる金属Ａと、酸素Ｏと、を含む結晶構造ＡＮｉＯ₃が含まれ、
   前記結晶構造ＡＮｉＯ₃に含まれる前記金属Ａは、価数３＋を取るＢｉであり、
   前記結晶構造ＡＮｉＯ₃に含まれる前記Ｎｉは、前記結晶構造ＡＮｉＯ₃が全体として電気的に中性となるような価数３＋を取る、
   有機ＥＬ素子。
2. 前記結晶構造ＡＮｉＯ₃は、ペロブスカイト型構造である、
   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、および当該有機ＥＬ素子を駆動させる回路を備える有機ＥＬ発光装置。
7. 請求項１に記載の有機ＥＬ素子を複数、および当該有機ＥＬ素子を駆動させる回路を備える有機ＥＬ表示装置。

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