JPH04297076A - 有機ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機色素を含む有機膜
を用いた発光素子（ＥＬ素子）に係り、特に複数の有機
膜の組合わせにより高輝度の発光を可能とした、有機Ｅ
Ｌ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、表示素子や照明素子等として用い
られる有機ＥＬ素子の研究開発が盛んに行われている。 例えば、九州大学の斎藤省吾は、金属電極／芳香族色素
／ポリチオフェン／透明電極を用いた有機膜２層構造の
ＥＬ素子を報告している（Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．２５，Ｌ７７３，１９８６）。ここでは、有機膜の膜
厚が１μｍ　以上あり、印加電圧も１００Ｖと大きい。 また、コダック社のＣ．Ｗ．Ｔａｎｇ等は、Ｍｇ　・Ａ
ｇ　／Ａｌｑ３　／ジアミン／ＩＴＯという有機膜２層
構造のＥＬ素子を報告している（Ａｐｐｌ．　　Ｐｈｙ
ｓ．　　Ｌｅｔｔ．，５１，ｐ９１３，１９８７）。こ
の報告によれば、有機膜の膜厚を１００ｎｍ以下にする
ことによって、印加電圧１０Ｖ以下で駆動して実用上十
分な輝度を示すＥＬ素子が得られている。これらのＥＬ
素子は、電子注入性的な色素と正孔注入性的な色素とを
組合わせて有機２層構造とすることを基本とし、有機膜
をできるだけ薄くすること、電子注入側の金属電極とし
て仕事関数の小さい材料を選ぶこと、真空蒸着法或いは
昇華法によって有機膜を形成する際に電気的欠陥が発生
しないような有機材料を選択すること、等を主要な特徴
としている。九州大学の斎藤省吾は更に、電子注入層／
発光層／正孔注入層という有機３層構造素子を提案して
いる。この構造では、発光層に高いフォトルミネセンス
を示す色素を選ぶことによって高輝度発光が得られるこ
とを示した（Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２７，Ｌ
２６９，１９８８）。

【０００３】その他これまでに、各種の有機膜の組合わ
せによる発光素子構造、単層の有機膜であっても、発光
剤と正孔注入剤を混合することによってある程度の発光
が認められること、発光体であるＡｌｑ３　の特性劣化
に関する研究等が次々に報告されており、また同様の特
許出願が多くなされている。

【０００４】有機ＥＬ素子は、発光輝度についてはほぼ
実用段階まできている。しかし発光効率や素子寿命，素
子作成プロセス等はまだまだ技術的に未解決の問題が多
い。発光効率は現状では良くて１％，通常０．１％程度
である。発光効率が低いことは発光に寄与しない電流が
電極間に流れることを意味する。この電流はジュール熱
を発生するから素子寿命を低下させる大きな原因となる
。したがって有機ＥＬ素子を実用化するためには、発光
効率を少なくとも数％から１０％程度まで高めることが
望まれる。

【０００５】有機ＥＬ素子における各有機膜は通常それ
ぞれ単一の色素からなる。これらの色素は、可視域から
紫外域に吸収端をもつから、そのバンドギャップは１．
５ｅＶ以上あり、室温において各有機膜内部にはキャリ
アはほとんどない。したがって有機膜には金属電極から
キャリアが供給される。また有機色素中を移動するキャ
リアの易動度は一般に小さい。これらの理由から、有機
色素膜の電気抵抗は非常に高い。例えば、Ｔａｎｇ　等
の素子では、１０Ｖの印加電圧で１０〜１００ｍＡ／ｃ
ｍ２　の電流が流れている。このとき有機膜の抵抗は１
０２　〜１０３　Ω／ｃｍ２　となる。有機膜の膜厚は
０．２μｍ　であるから、有機膜の抵抗率は５×１０６
　〜１０７　Ω・ｃｍと非常に高いものとなる。この有
機膜の高抵抗特性は、素子の電圧降下とジュール熱発生
の原因となり、さらにこれが発光効率の低下や寿命の低
下をもたらす。

【０００６】有機ＥＬ素子の発光効率を高めるためには
、素子構造の最適化と、用いる材料の電気的性質の最適
化が必要である。これまでのところ、有機材料の性質に
関しては、電子（正孔）輸送性，電子（正孔）注入性，
電子供与性，電子受容性，発光性といった定性的な定義
しかなされておらず、これでは素子条件が十分規定され
ているとはいえない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにこれまで
提案されている有機ＥＬ素子は、素子構造や用いる材料
の電気的特性が最適化がなされておらず、十分高効率の
発光が得られないという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、複数の有機膜の積層構造
と金属電極の組合わせに関して、電気的特性の最適化に
より、高効率の発光を可能とした有機ＥＬ素子を提供す
ることにある。 ［発明の構成］

【０００９】

【課題を解決するための手段】有機膜は一種の半導体と
みなせるので、有機膜を積層した素子においては各層の
接合面における電気的特性が素子特性を支配する。すな
わち金属電極の仕事関数と、各有機膜の伝導帯レベル，
フェルミレベルおよび価電子帯レベルを考えたときに、
各接合面でそれぞれのエネルギーレベルがどの様な関係
にあるかが重要になる。本発明はこの様な観点から、半
導体モデルを用いて高効率のＥＬ素子構造を提案する。 すなわち本発明に係るＥＬ素子は、第１および第２の電
極間に発光層を含む複数の有機膜の積層体を挟んだ構造
を基本とする。

【００１０】本発明の第１のＥＬ素子は、この様な基本
構造において、第１の電極に接する第１の有機膜と、第
２の電極に接する第２の有機膜の間に、バンドギャップ
が第１および第２の有機膜のそれより小さく設定された
第３の有機膜が挟まれた有機膜三層構造とする。第１の
有機膜および第２の有機膜には、不純物がドープされる
。すなわち第１の有機膜にはドナー性の不純物がドープ
され、第２の有機膜にはアクセプタ性の不純物がドープ
される。不純物濃度は、１０１４〜１０２０／ｃｍ３、
好ましくは、１０１７〜１０１９／ｃｍ３　とする。不
純物濃度がこれより高いと、有機膜において新たな光学
吸収が現れて透光性が損なわれ、不純物濃度がこれより
低いと有機膜の電気抵抗が非常に高くなるからである。 発光層となる第３の有機膜には不純物はドープしない。

【００１１】第１のＥＬ素子の上述した条件をより具体
的に説明すれば、次の通りである。第１，第２の電極の
仕事関数をそれぞれＥＭ１，ＥＭ２とし、第１の電極側
にある第１の有機膜の伝導帯下端の真空準位からのエネ
ルギー差（以下これを単に伝導帯レベルと呼ぶ）、フェ
ルミレベルの真空準位からのエネルギー差（以下これを
単にフェルミレベルと呼ぶ）、および価電子帯上端の真
空準位からのエネルギー差（以下これを単に価電子帯レ
ベルと呼ぶ）をそれぞれＥＣ１，Ｅ１　およびＥＶ１と
し、第２の電極側にある第２の有機膜の伝導帯レベル，
フェルミレベルおよび価電子帯レベルをそれぞれＥＣ２
，Ｅ２　およびＥＶ２としたとき、 ＥＭ１−ＥＣ１≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（１）
ＥＶ２−ＥＭ２≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（２）
ＥＣ１＞ＥＣ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（３）ＥＶ１＞Ｅｖ２　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　…（４）を満たし、かつ ＥＣ３＞ＥＣ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（５）ＥＶ１＞ＥＶ３　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　…（６）を満たすように、材
料が選択される。さらに好ましくは、ＥＭ１＜Ｅ１　，
Ｅ２　＜ＥＭ２とする。また第１の有機膜にドープする
ドナー性不純物は、そのイオン化エネルギーをＩＰ　と
して、 ＩＰ　−ＥＣ１≦１［ｅＶ］　　　　　　　　　　…（
７）を満たすようにする。より好ましくは、ＩＰ　−Ｅ
Ｃ１≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（８）とする。こ
の不純物ドープにより、第１の有機膜のフェルミレベル
Ｅ１　は伝導帯レベルＥＣ１に近付くが、（１）　〜（
６）　式の関係はなお満たされている。第２の有機膜に
ドープするアクセプタ性不純物は、その電子親和力をＥ
Ａ　として、 ＥＶ２−ＥＡ　≦１［ｅＶ］　　　　　　　　　　…（
９）を満たすようにする。より好ましくは、ＥＶ２−Ｅ
Ａ　≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（１０）とする。 この不純物ドープにより、第２の有機膜のフェルミレベ
ルＥ２　は価電子帯レベルＥＶ２に近付くが、（１）　
〜（６）　式の関係はなお満たされている。

【００１２】本発明の第２，第３のＥＬ素子は、上述し
た基本構造において、電子および正孔に対して障壁接合
を構成する第１の有機膜と第２の有機膜の二層積層構造
と、この積層構造を挟んで第１の有機膜側に設けられた
電子注入用の第１の電極および第２の有機膜側に設けら
れた正孔注入用の第２の電極を有する。この様な構成と
して、第１の有機膜を発光層とする場合には、第２の有
機膜にアクセプタ性の不純物がドープされ（第２のＥＬ
素子）、第２の有機膜を発光層とする場合には第１の有
機膜にドナー性の不純物がドープされる（第３のＥＬ素
子）。そして第１，第２の電極間に第２の電極側が正と
なるバイアスを与えたとき、第１の電極から第１の有機
膜に注入された電子および第２の電極から第２の有機膜
に注入された正孔は、障壁接合の界面に蓄積される。こ
れらの蓄積された電子，正孔は、バイアス電圧が所定値
を越えると、それぞれ第２の有機膜，第１の有機膜にト
ンネル注入され、発光再結合する。第２，第３のＥＬ素
子の条件をより具体的に説明すれば、次の通りである。 まず、第１のＥＬ素子の場合と同様に、ＥＭ１−ＥＣ１
≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（１１）ＥＶ２−ＥＭ
２≦０．５［ｅＶ］　　　　　　…（１２）ＥＣ１＞Ｅ
Ｃ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
（１３）ＥＶ１＞ＥＶ２　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　…（１４）を満たし、さらに好ましく
は ＥＭ１＜Ｅ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（１５）Ｅ２　＜ＥＭ２　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　…（１６）を満たす材料が
選ばれる。そして、第２の有機膜が発光層である場合、 ＥＣ１−ＥＣ２＜ＥＶ１−ＥＶ２　　　　　　　　　　
…（１７）を満たし、第１の有機膜が発光層である場合
、ＥＣ１−ＥＣ２＞ＥＶ１−ＥＶ２　　　　　　　　　
　…（１８）

【００１３】を満たす材料が選ばれる。第
２の有機膜にアクセプタ性の不純物をドープする場合、
或いは第１の有機膜にドナー性の不純物をドープする場
合は、上の式（７）〜（１０）を満たすようにする。

【００１４】なお本発明において、有機膜にドープする
ドナー性不純物としては、アルカリ金属、アルカリ土類
金属、希土類元素、Ａｌ　、Ａｇ　、Ｃｕ　、Ｉｎ　等
の無機材料、ＮＨ３　，アニリン類、フェニレンジアミ
ン類、ベンジヂン類、トリフェニルアミン類、ＴＴＦ類
等の有機材料がある。またアクセプタ性不純物としては
、Ａｕ　、Ｐｔ　、Ｗ、Ｉｒ　、ＰＯＣｌ３　、Ａｓ　
Ｆ６　、Ｃｌ　、Ｂｒ　、Ｉ等の無機材料、ＴＣＮＱ、
ＴＣＮＱＦ４　、クルラニル、ブロマニル、ＤＤＱ、Ｔ
ＮＦ、ＤＮＦ、ＴＣＮＥ、ＨＣＮＢ等の有機材料がある
。

【００１５】本発明の第４，第５のＥＬ素子は、相対向
する電子注入用の第１の電極と正孔注入用の第２の電極
の間に、第１の電極に接して第１の電極から電子が注入
されやすい第１の有機膜、第２の電極に接して第２の電
極から正孔が注入されやすい第２の有機膜が設けられ、
さらにこれら第１，第２の有機膜の間に、零バイアス状
態で電荷移動錯体からなる電気二重層が形成されるよう
な単分子層から１０分子層の薄い有機膜（０．５〜５ｎ
ｍ程度）が少なくとも一層挟まれる。この薄い有機膜を
０．５〜５ｎｍとするのは、０．５ｎｍ未満の有機膜の
成膜法がない一方で、５ｎｍを越えるとこの様な有機膜
を介してキャリアをトンネル注入することが困難になる
からである。第１，第２の有機膜は、前述の第１，第２
，第３のＥＬ素子と同様に、直接接合したときに電子お
よび正孔に対して障壁接合が形成されるような材料が選
ばれる。第２の電極に第１の電極に対して正の電圧が印
加されると、電子および正孔がそれぞれ、電気二重層を
通して第１および第２の有機膜にトンネル注入されて、
第１および第２の有機膜内で発光再結合する。

【００１６】第４，第５のＥＬ素子の条件をより具体的
に説明すれば、第２，第３のＥＬ素子の場合と同様に、
上記式（１１）〜（１４）の条件を満たし、さらに好ま
しくは式（１５），（１６）を満たす材料が選ばれる。 また第１の有機膜と第２の有機膜に挟まれる有機膜は、
その伝導帯レベル，価電子帯レベルをそれぞれ、ＥＣ３
，ＥＶ３としたとき、 ＥＣ１＜ＥＣ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（１９）を満たす有機膜、または ＥＶ４＜ＥＶ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（２０）

【００１７】を満たす有機膜の少な
くとも一方である。 そして式（１９）を満たす有機膜を挟んだときはこれと
第２の有機膜との間で、式（２０）を満たす有機膜を挟
んだときはこれと第１の有機膜との間で、また式（１９
）を満たす有機膜と式（２０）を満たす有機膜の両方を
挟んだときはこれら二層の有機膜の間で、それぞれ電荷
移動錯体からなる電気二重層を形成する。

【００１８】

【作用】三層の有機膜構造を持つ本発明の第１のＥＬ素
子では、発光層としてのバンドギャップの狭い第３の有
機膜が第１，第２の有機膜に挟まれている。したがって
、第１，第２の電極間に所定のバイアスを印加したとき
、第１，第２の有機膜から第３の有機膜に注入されるキ
ャリアは、第３の有機膜内に閉じ込められる。このキャ
リア閉じ込めによって、発光層内で効率の良い発光再結
合が生じる。また、第１，第２の有機膜はそれぞれ、不
純物ドープによって比較的低抵抗のｎ型，ｐ型半導体と
なり、したがって低い駆動電圧で効率の良い発光が可能
である。

【００１９】具体的に第１のＥＬ素子において上述した
条件式を満たす材料を選択すれば、第１の電極と第１の
有機膜の間は第１の電極から第１の有機膜に電子が注入
され易い接合となり（条件式（１）　）、第２の電極と
第２の有機膜の間は第２の電極から第２の有機膜に正孔
が注入され易い接合となる（条件式（２）　）。したが
って第１，第２の電極間に第２の電極側が正となるバイ
アス電圧を印加すると、第１の電極から第１の有機膜に
電子が注入され、第２の電極から第２の有機膜に正孔が
注入される。そして条件式（３）　によって第２の有機
膜は第１の有機膜からの電子に対して障壁となり、条件
式（４）　によって第１の有機膜は第２の有機膜からの
正孔に対して障壁となり、条件式（５）　（６）　によ
って第３の有機膜に電子，正孔が閉じ込められる。これ
により、高効率の発光が可能となる。

【００２０】本発明の第２，第３，第４，第５のＥＬ素
子では、上述した条件式を満す材料を選択することによ
って、第１の電極と第１の有機膜の間は第１の電極から
第１の有機膜に電子が注入され易い接合となり（条件式
（１１））、第２の電極と第２の有機膜の間は第２の電
極から第２の有機膜に正孔が注入される易い接合となる
（条件式（１２））。第１の有機膜と第２の有機膜の接
合界面には、第１の有機膜から第２の有機膜に流れよう
とする電子に対する障壁が形成され（条件式（１３））
、第２の有機膜から第１の有機膜に流れようとする正孔
に対して障壁が形成される（条件式（１４））　。

【００２１】したがってこのＥＬ素子の第１，第２の電
極間に第２の電極側が正となるバイアス電圧を印加する
と、第１の電極から第１の有機膜に電子が注入され、第
２の電極から第２の有機膜に正孔が注入され、これらの
注入された電子および正孔は、第１，第２の有機膜の接
合界面、または第１，第２の有機膜に挟まれた有機膜中
に蓄積されて電気二重層を形成する。バイアス電圧があ
るしきい値を越えると、第１の有機膜から第２の有機膜
に電子がトンネル注入され、第２の有機膜が発光層であ
る場合にはこの第２の有機膜内で電子と正孔が再結合し
て発光する。またバイアス電圧が他のしきい値を越える
と、第２の有機膜から第１の有機膜に正孔がトンネル注
入され、第１の有機膜が発光層である場合には、第１の
有機膜内で電子と正孔が再結合して発光する。

【００２２】さらに本発明の第２，第３のＥＬ素子では
、電極に接する第１，第２の有機膜の少なくとも一方に
は不純物がドープされて、ｎ型またはｐ型半導体の性質
が付与される。これにより、キャリア注入層として働く
有機膜の抵抗が減少し、素子に電圧を印加したときの電
圧降下が小さくなる。したがって駆動電圧を下げて高い
発光効率を得ることができる。またキャリア注入層とし
て働く有機膜の抵抗の減少は、素子動作時に発生するジ
ュール熱を低下させ、素子の寿命を長いものとする。

【００２３】また本発明の第４，第５のＥＬ素子では、
零バイアス状態において電荷移動錯体からなる電気二重
層が形成されることに基づいて、素子内に電界が生じる
。これにより、電子または正孔を電気二重層を通してト
ンネル注入するに必要なバイアス電圧のしきい値が下げ
られ、低い動作電圧で発光させることができる。したが
って発光効率が改善され、また寿命も長いものとなる。

【００２４】

【実施例】図１は、第１の実施例の有機ＥＬ素子の断面
構造を示す。このＥＬ素子は、ガラス基板１上に、後述
するように、真空蒸着法，真空昇華法等によって順次膜
形成して得られる。上部の第１の電極（Ｍ１　）６と下
部の第２の電極（Ｍ２　）２の間に、三層の有機膜が挟
まれている。すなわち第１の電極６に接して第１の有機
膜（Ｏ１　）５が設けられ，第２の電極２に接して第２
の有機膜（Ｏ２　）３が設けられ、これら第１，第２の
有機膜５，３の間に発光層となる第３の有機膜（Ｏ３）
４が挟まれている。第２の電極２はこの実施例ではガラ
ス基板１に形成されたＩＴＯ等の透明電極である。この
ＥＬ素子の光は基板１側から取出される。

【００２５】図２は、このＥＬ素子を構成する各層がそ
れぞれ独立した状態でのバンド図を示す。第１の有機膜
（Ｏ１　）５の伝導帯レベルをＥＣ１，フェルミレベル
をＥ１　，価電子帯レベルをＥＶ１とし、第２の有機膜
（Ｏ２　）３の伝導帯レベルをＥＣ２，フェルミレベル
をＥ２　，価電子帯レベルをＥＶ３とし、第３の有機膜
（Ｏ３　）６の伝導帯レベルをＥＣ３，フェルミレベル
をＥ３　，価電子帯レベルをＥＶ３としたとき、図示の
ように、ＥＣ３＞ＥＣ１＞ＥＣ２ ＥＶ１＞ＥＶ２＞ＥＶ３

【００２６】なる材料が選ばれている。第１の有機膜（
Ｏ１　）５は、ドナー性不純物がドープされて、熱励起
によって多数の電子が内部に発生したｎ型半導体となっ
ている。第２の有機膜（Ｏ２　）３はアクセプタ性不純
物がドープされて、熱励起によって多数の正孔が内部に
発生したｐ型半導体となっている。これら第１の有機膜
５および第２の有機膜３の不純物濃度は、１０１８〜１
０１９／ｃｍ３　である。また第１の電極（Ｍ１　）６
は、仕事関数ＥＭ１が、 ＥＭ１−ＥＣ１≦０．５［ｅＶ］ を満たす。つまり第１の電極６は、第１の有機膜５に対
して電子を注入しやすい関係に選ばれている。第２の電
極（Ｍ２　）２は、仕事関数ＥＭ２が、ＥＶ２−ＥＭ２
≦０．５［ｅＶ］ を満たす。つまり第２の電極２は、第２の有機膜３に対
して正孔を注入しやすい関係に選ばれている。

【００２７】図３（ａ）　（ｂ）　を用いてこの実施例
のＥＬ素子の動作を説明する。図３（ａ）　は、この実
施例のＥＬ素子の熱平衡状態でのバンド図である。熱平
衡状態では素子の系のフェルミレベルが一致する。した
がって図２に示す電極の仕事関数および各有機膜のエネ
ルギーレベルの大小関係から、図３（ａ）　に示すよう
に、第１の電極６と第１の有機膜５の間は、第１の電極
６から第１の有機膜５に電子が注入されやすい接合が形
成される。第２の電極２と第２の有機膜３の間は、第２
の電極２から第２の有機膜３に正孔が注入されやすい接
合が形成される。 そして第１の有機膜５と第２の有機膜３の間には、これ
らよりバンドギャップの小さい第３の有機膜４が挟まれ
た構成となる。この状態では、第１の有機膜５および第
２の有機膜３は空乏化している。

【００２８】図３（ｂ）　は、この実施例のＥＬ素子に
おいて、第２の電極２に、第１の電極６に対して正のあ
るバイアス電圧Ｖを印加したときの素子のバンド図であ
る。 第１の有機膜５から第３の有機膜４に電子が注入され、
第２の有機膜３から第３の有機膜４には正孔が注入され
る。これらの注入された電子および正孔は、電子，正孔
に対して共に電位の井戸となっている第３の有機膜４に
閉込められる。この第３の有機膜４内に閉込められた電
子および正孔が互いに再結合する事によって、発光する
。第１および第２の有機膜５，３は第３の有機膜４に比
べてバンドギャップが大きいから、第３の有機膜４で発
した光は第１，第２の有機膜５，３で再吸収されること
なく、外部に取り出される。

【００２９】もし、第１の有機膜５に上述のような不純
物がドープされていないとすると、第１の電極６から第
１の有機膜５に電子を注入するために、ＥＭ１−ＥＣ１
に相当する電圧を必要とする。さらに、第１の有機膜５
に注入された電子をその有機膜５内を移動させるにも、
ある電圧を必要とする。同様に第２の有機膜３に上述の
ような不純物がドープされていないとすると、第２の電
極２から第２の有機膜３に正孔を注入するためには、Ｅ
Ｖ２−ＥＭ２に相当する電圧を必要とする。さらに、第
２の有機膜３に注入された正孔を移動させるためにもあ
る電圧を必要とする。この実施例では、第１の有機膜５
，第２の有機膜３はそれぞれ、抵抗の低いｎ型半導体，
ｐ型半導体になっているから、それ程高い駆動電圧を用
いることなく、高輝度の発光が得られる。

【００３０】この実施例のＥＬ素子におけるような各接
合面でのエネルギーレベルの大小関係を満足した材料を
選択するに当たっては、そのエネルギーレベルの大小関
係を測定する方法が必要である。これは、次に説明する
ような本発明者等が発見した方法を用いればよい。

【００３１】図２１に示すように、金属電極４１／シリ
コン４２／シリコン酸化膜４３／有機膜４４／金属電極
４５からなる素子を形成する。この素子に図２２に示す
ような三角波電圧を印加し、その時の素子の変位電流を
測定する。いま素子の容量をＣとすれば、変位電流は、
Ｉ＝Ｃ・ｄＶ／ｄｔ

【００３２】で表される。図２１の素子において有機膜
４４がない場合を考えると、素子は通常知られたＭＯＳ
素子である。このＭＯＳ素子の容量はシリコン酸化膜４
３の誘電率と膜厚によって決まる。これに対して有機膜
４４がある場合には、有機膜４４のフェルミレベルと金
属電極４５の仕事関数の大小関係によって次のような変
位電流が観測される。 （ａ）金属電極４５の仕事関数と有機膜４４のフェルミ
レベルが略等しい場合

【００３３】この場合、金属電極４５と有機膜４４の接
合は電子，正孔いずれに対しても高い障壁を持つ接合と
なる。したがって有機膜４４は絶縁体とみなせるため、
素子容量はシリコン酸化膜と有機膜の直列容量となり、
通常のＭＯＳ素子のそれより小さい一定値を示す。した
がって、図２２のような三角波電圧を素子に印加したと
きに得られる変位電流−電圧特性は、図２３に示すよう
に電圧によらず一定の変位電流値を示す。 （ｂ）金属電極４５の仕事関数が有機膜４４のフェルミ
レベルより小さい場合

【００３４】この場合、金属電極４５と有機膜４４の接
合は、金属電極４５から有機膜４４に対して電子が注入
されやすい接合を形成する。したがって図２２の三角波
電圧を素子に印加したとき、金属電極４５側が負になる
と金属電極４５から有機膜４４に電子が注入され、この
注入された電子は有機膜４４と酸化膜４３の界面に蓄積
される。この状態では素子容量は酸化膜４３で決まる値
となる。したがって、図２４に示すように、変位電流は
通常のＭＯＳ素子のレベルまで増加する。印加電圧が金
属電極４５側が正になる極性では、有機膜４４内の電子
は金属電極４５に流れ去り、変位電流は有機膜４４が絶
縁体であるとした場合の小さい値まで減少する。 （ｃ）金属電極４５の仕事関数が有機膜４４のフェルミ
レベルより大きい場合

【００３５】この場合、金属電極４５と有機膜４４の接
合は、金属電極４５から有機膜４４に対して正孔が注入
されやすい接合を形成する。したがって図２２の三角波
電圧を素子に印加したとき、金属電極４５側が正になる
と金属電極４５から有機膜４４に正孔が注入され、この
注入された正孔は有機膜４４と酸化膜４３の界面に蓄積
される。この状態では素子容量は酸化膜４３で決まる値
となり、図２５に示すように変位電流は通常のＭＯＳ素
子のレベルまで増加する。印加電圧が金属電極４５側が
負になる極性では、有機膜４４内の正孔は金属電極４５
に流れ去り、変位電流は有機膜４４が絶縁体であるとし
た場合の小さい値まで減少する。この様に図２１の素子
での変位電流測定を行い、それが図２３〜図２５のいず
れになるかによって、金属電極４５と有機膜４４の間の
接合状態が分かる。

【００３６】以上は、金属電極と有機膜の間の関係であ
るが、次に図２１の素子構造における有機膜４４の部分
を第１，第２の有機膜の積層構造として同様の変位電流
測定を行う。これにより、二つの有機膜の伝導帯レベル
，フェルミレベル，価電子帯レベルの関係が明らかにな
る。

【００３７】例えば、図２１の素子構造に於いて、有機
膜４４が二層構造であり、金属電極４５に接する部分が
第１の有機膜４４１　、その下が第２の有機膜４４２　
であるとする。そして金属電極４５から第１の有機膜４
４１　に電子が注入されるとする。このことは有機膜が
単層の素子構造ですでに調べられている。もし、変位電
流が金属電極４５側が負の状態で通常のＭＯＳ素子レベ
ルまで流れているとすれば、第１の有機膜４４１　に注
入された電子はさらに第２の有機膜４４２　まで注入さ
れている事になる。これにより、第２の有機膜４４２　
はその伝導帯レベルが第１の有機膜４４１　のそれより
低いことが分かる。この様なＭＯＳ素子レベルの変位電
流が観測されないならば、第２の有機膜４４２　は伝導
帯レベルが第１の有機膜４４１　のそれより高いことが
分かる。価電子帯レベルについても、正孔注入を利用し
た同様の変位電流測定によって大小関係が分かる。図１
の素子構造を用いた有機ＥＬ素子のより具体的な実施例
を次に説明する。図１の素子において、 第１の電極６：エルビウム膜 第１の有機膜５：

【００３８】

【化１】 第２の有機膜３：

【００３９】

【化２】 第３の有機膜４：

【００４０】

【化３】 第２の電極２：ＩＴＯ膜

【００４１】を用いた。第１の有機膜５には不純物とし
て金属カリウムを、第２の有機膜３には不純物としてク
ロラニルを、それぞれ１０１７〜１０１９／ｃｍ３　の
濃度でドープした。

【００４２】この材料系が図２の条件を満すことは、先
に説明した変位電流測定法によって確認されている。素
子作成プロセスは次の通りである。ＩＴＯ膜が形成され
たガラス基板上にまず、真空昇華法（真空度〜１０−６
Ｔｏｒｒ）により第２の有機膜３を２０〜１００ｎｍ形
成し、続いて同様の真空昇華法によって第３の有機膜４
，第１の有機膜５を順次２０〜１００ｎｍずつ形成し、
最後に真空蒸着法によってエルビウム膜を２０〜１００
ｎｍ形成する。なお第２の有機膜３への不純物ドープは
、有機材料と同時にクロラニル不純物を昇華することよ
り行った。 また第１の有機膜５への不純物ドープは、次のような方
法によった。あらかじめ有機材料とヨウ化カリウムを所
定量アセトニトリル溶液に溶かす。そしてこの溶液のア
セトニトリルを蒸発させて、カリウムがドープされた有
機結晶残渣を得る。この有機結晶残渣を用いて昇華法で
膜形成する。

【００４３】得られた素子にＩＴＯ電極が正になるバイ
アスを印加すると、５Ｖで約１２ｍＡの電流が流れ、輝
度が約１０００Ｃｄ／ｍ２　の発光が見られた。発光効
率は約１０％であった。図１の素子構造を基本として、
異なる材料系を用いた二つの実施例を次に説明する。

【００４４】図４はその一つのＥＬ素子の各層の接合前
のバンド図を図２に対応させて示したものである。図２
と比較して明らかなようにこの実施例では、第２の有機
膜３と第３の有機膜４の間で、 ＥＶ２〜ＥＶ３ なる条件を満し、第１の有機膜５と第３の有機膜４の間
で、 ＥＣ１＞ＥＣ３ なる条件を満たす。その他の条件は先の実施例と同様で
ある。

【００４５】図５（ａ）　（ｂ）　はこの実施例の有機
ＥＬ素子の動作説明図である。図５（ａ）　は熱平衡状
態のバンド図である。図示のようにこの実施例では、第
１の有機膜５と第３の有機膜４の間で、第３の有機膜４
から第１の有機膜５への電子の流れに対して、 ΔＥＣ　＝ＥＣ１−ＥＣ３ なる障壁が形成される。この電子に対する障壁は、第３
の有機膜４から第１の有機膜５への正孔の流れに対する
に対する障壁 ΔＥＶ　＝ＥＶ１−ＥＶ３ に比べると小さい。

【００４６】この実施例のＥＬ素子に順バイアスを印加
した状態が図５（ｂ）である。第１の有機膜５の電子は
、第３の有機膜４との間の障壁接合部に蓄積され、第２
の有機膜３の正孔は第３の有機膜４まで流れて、第１の
有機膜５との間の障壁接合部に蓄積される。こうして第
１の有機膜５と第３の有機膜４の間の接合部に蓄積され
たキャリアは、電気二重層を形成する。この電気二重層
の厚みは有機色素の分子間距離（〜１ｎｍ）であるから
、結果としてここには、１０７　Ｖ／ｃｍ程度以上の大
きい電界が形成される。この強電界によって、第１の有
機膜５内の電子は第３の有機膜４にトンネル注入され、
第３の有機膜４内で発光再結合する。図６は別の素子の
接合前の各層のバンド図である。この実施例の場合には
、図に示すように、第２の有機膜３と第３の有機膜４の
間で、ＥＣ１〜ＥＣ３ 　　ＥＶ２＜ＥＶ３ なる条件に設定されている。その他の条件は、図２と同
様である。

【００４７】図７（ａ）　（ｂ）　はこの実施例の有機
ＥＬ素子の動作説明図である。図７（ａ）　は熱平衡状
態でのバンド図である。図示のようにこの実施例では、
第２の有機膜３と第３の有機膜４の間で、第３の有機膜
４から第２の有機膜３への正孔の流れに対して障壁 ΔＥＶ　＝ＥＶ３−ＥＶ２ が形成される。この正孔に対する障壁は、第３の有機膜
４から第２の有機膜３への電子の流れに対する障壁ΔＥ
Ｃ　＝ＥＣ３−ＥＣ２

【００４８】に比べると小さい。この実施例のＥＬ素子
に順バイアスを印加した状態が、図７（ｂ）　である。 第１の有機膜５から第３の有機膜４に注入された電子は
第２の有機膜３との間の障壁接合部に蓄積される。第２
の有機膜３の正孔は、第３の有機膜４との間の障壁接合
部に蓄積される。こうして第２の有機膜３と第３の有機
膜４の間の接合部に蓄積されたキャリアは、電気二重層
を形成する。そしてバイアス電圧がある値を越えると、
第２の有機膜３内の正孔は第３の有機膜４にトンネル注
入され、第３の有機膜４内で発光再結合する。これらの
実施例によっても、第３の有機膜には多数のキャリアが
閉じ込められる結果、効率の高い発光が得られる。以上
は、有機膜三層構造のＥＬ素子であった。次に有機膜二
層構造のＥＬ素子の具体的な実施例を説明する。

【００４９】図８は、有機膜二層構造の実施例のＥＬ素
子断面構造を示す。この素子は、上から見て、第１の電
極（Ｍ１　）１５、第１の有機膜（Ｏ１　）１４、第２
の有機膜（Ｏ２　）１３および第２の電極（Ｍ２　）１
２により構成されている。第２の電極２は、この実施例
でもガラス基板１１に形成されたＩＴＯ等の透明電極で
あって、光は基板１１側から取出される。透明電極とし
て化合物半導体を用いてもよい。この素子の製造プロセ
スは、先の実施例と同様である。

【００５０】図９は、この実施例のＥＬ素子を構成する
各層がそれぞれ独立した状態でのバンド図を示す。ここ
では、第１の有機膜１４が不純物がドープされない発光
層であって、第２の有機膜１３にアクセプタ性不純物が
ドープされた場合を示している。第１の有機膜１４の伝
導帯レベルをＥＣ１，フェルミレベルをＥ１　，価電子
帯レベルをＥＶ１、第２の有機膜３の伝導帯レベルをＥ
Ｃ２，フェルミレベルをＥ２　，価電子帯レベルをＥＶ
２としたとき、図示のように、ＥＶ１＞ＥＶ２，ＥＣ１
＞ＥＣ２なる材料が選ばれている。発光層である第１の
有機膜１４は、フェルミレベルＥ１　が禁制帯幅のほぼ
中央にある。第２の有機膜１３には、電子親和力ＥＡ　
が ＥＶ２−ＥＡ　≦１［ｅＶ］

【００５１】であるようなアクセプタ性不純物が、濃度
１０１８／ｃｍ３　となるようにドープされている。こ
れにより、第２の有機膜１３のフェルミレベルＥ２　は
価電子帯レベルＥＶ２の近くまでに接近する。つまり、
第２の有機膜１３は、室温である程度の量、正孔が励起
された状態となる。第１の電極１５は、仕事関数ＥＭ１
が、ＥＭ１−ＥＣ１≦０．５［ｅＶ］なる条件を満足し
ており、第１の有機膜１４に対して電子を注入しやすい
関係に選ばれている。第２の電極１２は、仕事関数ＥＭ
２が、ＥＶ２−ＥＭ２≦０．５［ｅＶ］なる条件を満足
しており、第２の有機膜１３に対して正孔を注入しやす
い関係に選ばれている。

【００５２】図１０は、これらの各層が接合されたＥＬ
素子の熱平衡状態でのバンド図である。熱平衡状態では
系のフェルミレベルが一致する。したがって図９に示す
電極の仕事関数および有機膜の各エネルギーレベルの大
小関係から、図１０に示すように、第１の電極１５と第
１の有機膜１４の間は第１の電極１５から電子が注入し
やすい接合が形成される。第２の電極１２と第２の有機
膜１３の間は第２の電極１２から正孔が注入しやすい接
合が形成される。第１の有機膜１４と第２の有機膜１３
の間には、伝導帯にΔＥＣ　＝ＥＣ１−ＥＣ２なる障壁
が形成され、価電子帯にはΔＥＶ　＝ＥＶ１−ＥＶ２な
る障壁が形成される。これらの伝導帯と価電子帯の障壁
には、ΔＥＶ　＜ΔＥＣ なる関係がある。

【００５３】この実施例の発光素子の動作原理を、図１
１（ａ）　（ｂ）　を用いて説明する。図１１（ａ）　
は、第１の電極１５に対して第２の電極１２に正のバイ
アス電圧Ｖ１　を印加したときの素子のバンド図である
。この場合印加電圧の大部分は、絶縁性の第１の有機膜
１４にかかる。 したがって第１の電極１５からは第１の有機膜１４に電
子が注入される。第２の有機膜１３のキャリアである正
孔は、第１，第２の有機膜１３，１４の障壁接合界面に
集まる。これにより、第１の有機膜１４と第２の有機膜
１３の界面に電気二重層が形成される。図１１（ｂ）　
に示すようにバイアス電圧があるしきい値を越えてＶ２
　になると、電気二重層を形成する電子、正孔のうち、
正孔が先に第２の有機膜１３から第１の有機膜１４にト
ンネル注入される。正孔に対する障壁が電子に対する障
壁より高さが低いからである。第２の有機膜１３から第
１の有機膜１４に注入された正孔は、第１の有機膜１４
内で多数キャリアである電子と再結合し、これにより第
１の波長λ１　の発光が得られる。

【００５４】図１２は、図８の構造において、第１の有
機膜１４にはドナー性不純物をドープし、第２の有機膜
１３は不純物をドープしない発光層とした実施例のＥＬ
素子について、各層の接合前のバンド図を図９に対応さ
せて示している。ここで、各有機膜材料は、ＥＣ１−Ｅ
Ｃ２＜ＥＶ１−ＥＶ２ なる関係を満たすように選ばれている。第１の有機膜１
４には、イオン化エネルギーＩＰ　が ＩＰ　−ＥＣ１≦１［ｅＶ］

【００５５】であるようなドナー性不純物が、濃度１０
１８／ｃｍ３　となるようにドープされている。これに
より第１の有機膜１４は、フェルミレベルＥ１　が伝導
帯レベルＥＣ１に近くなっている。また上の実施例と同
様に、第１の電極１５は第１の有機膜１４に対して電子
を注入しやすく、第２の電極１２は第２の有機膜１３に
正孔を注入しやすい関係に選ばれている。

【００５６】図１３（ａ）　（ｂ）　を用いてこの実施
例のＥＬ素子の発光動作を説明する。第２の電極１２が
第１の電極１５に対して正となるバイアス電圧Ｖ１　を
与えると、この実施例の場合は第２の有機膜１３が絶縁
性であるため、図１３（ａ）　に示すように、そのほと
んどは第２の有機膜１３にかかる。第２の電極１２から
第２の有機膜１３に注入された正孔は、第１の有機膜１
４との障壁界面部まで運ばれる。これにより、第１の有
機膜１４と第２の有機膜１３の間に電気二重層が形成さ
れる。第１の有機膜１４の電子はやはり第２の有機膜１
３との障壁界面に集められる。印加電圧があるしきい値
を越えて、Ｖ２　になると、図１３（ｂ）　に示すよう
に、第１の有機膜１４の電子が障壁をトンネリングして
第２の有機膜１３に注入される。そして、第２の有機膜
１３内で発光再結合して、第２の有機膜１３で決まる波
長λ２　の発光が生じる。以上に説明した有機膜二層構
造のＥＬ素子のより具体的な実施例を次に説明する。図
８の素子において、第１の電極１５：エルビウム膜 第１の有機膜１４：

【００５７】

【化４】 第２の有機膜１３：

【００５８】

【化５】 第２の電極１２：ＩＴＯ膜を用いた。

【００５９】この材料系が図９の条件を満し、かつＥＶ
１−ＥＶ２＜ＥＣ１−ＥＣ２なる条件を満すことは、先
に説明した変位電流測定法によって確認されている。素
子作成プロセスは次の通りである。ＩＴＯ膜が形成され
たガラス基板上に、まず、真空昇華法（真空度〜１０−
６Ｔｏｒｒ）によって有機膜材料と不純物としてのＤＤ
Ｑを同時に昇華して、第２の有機膜を１００ｎｍ形成し
た。第２の有機膜の不純物濃度は分析の結果、約１０１
８／ｃｍ３　であった。 この上に同様に真空昇華法によって第１の有機膜を１０
０ｎｍ形成し、最後に真空蒸着法によってエルビウム膜
を１００ｎｍ形成する。

【００６０】得られた素子にＩＴＯ電極が正になるバイ
アスを印加すると、３Ｖで５ｍＡの電流が流れ、輝度５
００Ｃｄ／ｍ２　の橙色発光が見られた。これは、第１
の有機膜での発光である。次に図８の素子において、第
１の電極１５：エルビウム膜 第１の有機膜：ビス（ジシアノー９ーフルオレノニル）
エタン 第２の有機膜：ビピレニル 第２の電極：ＩＴＯ膜 を用いた素子を作った。第１の有機膜には不純物として
、金属ナトリウムをドープした。得られた素子が図１２
の条件を満たすことは、変位電流測定法により確認され
た。素子形成プロセスは、上述の実施例と同様である。

【００６１】この素子にバイアスを印加したところ、５
Ｖで約５ｍＡの電流が流れ、輝度１０００Ｃｄ　／ｍ２
　の青色発光が認められた。これは、第２の有機膜での
発光である。次に、電荷移動錯体とトンネル注入を利用
して低電圧動作を可能とした有機ＥＬ素子の実施例を説
明する。

【００６２】図１４は、その様な実施例の有機ＥＬ素子
である。この素子は、上から見て、第１の電極（Ｍ１　
）２７、第１の有機膜（Ｏ１　）２６、第３の有機膜（
Ｏ３　）２５、第４の有機膜（Ｏ４　）２４、第２の有
機膜（Ｏ２　）２３、および第２の電極（Ｍ２　）２２
により構成されている。第２の電極２２は、この実施例
でもガラス基板２１に形成されたＩＴＯ等の透明電極で
あって、光は基板２１側から取出される。透明電極とし
て化合物半導体を用いてもよい。この素子の製造プロセ
スは、先の実施例と同様である。

【００６３】ここで第１，第２の有機膜２６，２３の少
なくとも一方が発光層である。第３の有機膜２５と第４
の有機膜２４は単分子層から１０分子層程度の薄いもの
とする。第３の有機膜２５を構成する分子と第４の有機
膜２４を構成する分子は、電子が移動した所謂電荷移動
錯体を構成する関係にある。この電荷移動錯体を構成す
るための電荷移動度は、第３の有機膜２５の電子親和力
と第４の有機膜のイオン化ポテンシャルの差が小さい程
大きくなるが、一般に１分子当り０．１〜０．９の範囲
にある。このとき電荷密度は、１０１３〜１０１４／ｃ
ｍ２　になる。これは、電子と正孔が界面を通してトン
ネル注入するに十分な電界強度が界面に発生しているこ
とを意味する。このため、零バイアス状態で第３の有機
膜２５と第４の有機膜２４の間に電気二重層が形成され
る。

【００６４】図１５は、この実施例のＥＬ素子を構成す
る各層がそれぞれ独立した状態でのバンド図を示す。第
１，第２の電極２７，２２の仕事関数をそれぞれＥＭ１
，ＥＭ２とし、第１の有機膜２６の価電子帯レベル，フ
ェルミレベル，伝導帯レベルをそれぞれＥＶ１，Ｅ１　
，ＥＣ１とし、第２の有機膜２３の価電子帯レベル，フ
ェルミレベル，伝導帯レベルをそれぞれＥＶ２，Ｅ２　
，ＥＣ２として、ＥＣ１＞ＥＣ２ 　　ＥＶ１＞ＥＶ２ なる材料が選ばれている。

【００６５】また第１の電極２７は、仕事関数ＥＭ１が
ＥＭ１−ＥＣ１≦０．５［ｅＶ］なる条件を満足してお
り、第１の有機膜２６に対して電子を注入しやすい関係
に選ばれている。第２の電極２２は、仕事関数ＥＭ２が
ＥＶ２−ＥＭ２≦０．５［ｅＶ］なる条件を満足してお
り、第２の有機膜２３に対して正孔を注入しやすい関係
に選ばれている。

【００６６】第３の有機膜２５の価電子帯レベル，フェ
ルミレベル，伝導帯レベルをそれぞれＥＶ３，Ｅ３　，
ＥＣ３とし、第４の有機膜２４の価電子帯レベル，フェ
ルミレベル，伝導帯レベルをそれぞれＥＶ４，Ｅ４　，
ＥＣ４として、 ＥＣ１＜ＥＣ３ 　　ＥＶ４＜ＥＶ２ なる材料が選ばれている。

【００６７】図１６を用いてこのＥＬ素子の動作を説明
する。図１６（ａ）　は、このＥＬ素子の零バイアス時
のバンド図である。第４の有機膜２４から第３の有機膜
２５に電子が移動して、電荷移動錯体が形成される。第
２の電極２２に第１の電極２７に対して正の電圧を印加
すると、図１６（ｂ）　に示すように、第１の電極２７
から第１の有機膜２６に電子が注入され、この注入され
た電子が第３，第４の有機膜２５，２４が形成する電気
二重層をトンネリングして第２の有機膜２３に注入され
、第２の有機膜２３内で正孔と再結合して発光する。或
いは第２の電極２からは第２の有機膜２３に正孔が注入
され、この正孔が第３，第４の有機膜２５，２４が形成
する電気二重層をトンネリングして第１の有機膜２６に
注入され、発光再結合する。

【００６８】この実施例によると、零バイアスでの電荷
移動錯体の形成とバイアス印加によるキャリアのトンネ
ル注入を利用することによって，比較的低い駆動電圧で
の発光動作が可能である。

【００６９】図１７はさらに別の実施例のＥＬ素子であ
る。この素子は、上から見て、第１の電極（Ｍ１　）３
６、第１の有機膜（Ｏ１　）３５、第３の有機膜（Ｏ３
　）３４、第２の有機膜（Ｏ２　）３３、および第２の
電極（Ｍ２　）３２により構成されている。第２の電極
３２は、この実施例でもガラス基板３１に形成されたＩ
ＴＯ等の透明電極である。図１６と異なり、発光層とな
る第１，第２の有機膜に挟まれる有機膜が一層になって
いる。この実施例では、第２の有機膜３３を構成する分
子が第３の有機膜２４を構成する分子と電荷移動錯体を
構成するために、第４の有機膜が省略されている。

【００７０】図１８はこの実施例のＥＬ素子の接合前の
バンド図である。第１，第２の有機膜３５，３３の関係
と、これらと第１，第２の電極３６，３２の関係は、先
の実施例と同様である。

【００７１】第１の有機膜３５と第３の有機膜３４の間
で、ＥＣ１＜ＥＣ３なる関係にあることも、先の実施例
と同様である。そして第３の有機膜３４と第２の有機膜
３３の間で、ＥＶ２−ＥＣ３が小さい値に選ばれている
。

【００７２】図１９（ａ）　は、この実施例の素子の零
バイアス時の接合状態を示すバンド図である。第３の有
機膜３４と第２の有機膜３３の界面に電気二重層が形成
される。これに、第２の電極３２側が正となるバイアス
を印加すると、図１９（ｂ）　に示すように、第１の電
極３６から第１の有機膜３５に電子が注入され、この注
入された電子が第３の有機膜３４と第２の有機膜３３が
作る電気二重層を通して第２の有機膜３３にトンネル注
入され、第２の有機膜３３内にある正孔と再結合して発
光する。 或いは第２の電極３２からは第２の有機膜３３に正孔が
注入され、この正孔が第２の有機膜３３と第３の有機膜
３４が作る電気二重層を通して第１の有機膜３５にトン
ネル注入され、ここで発光再結合する。したがってこの
実施例のＥＬ素子も、先の実施例のＥＬ素子と同様の原
理で低電圧動作ができる。

【００７３】なお図１７の素子構造で、第１の有機膜３
５と第３の有機膜３４の間に電気二重層が形成される材
料関係を選んでもよい。その場合の接合前の各部のバン
ド図を示すと、図１８に対して図２０のようになる。第
１，第２の有機膜３５，３３と、これらに対する第１，
第２の電極３６，３２の関係は同じであるが、第３の有
機膜３４は、第２の有機膜３３との間で、ＥＶ３＜ＥＶ
２を満たすように材料が選ばれている。このとき、第１
の有機膜３５と第３の有機膜３４の間では、ＥＶ３−Ｅ
Ｃ１が比較的小さい値になっている。

【００７４】この様な材料関係に設定すれば、零バイア
ス状態で第１の有機膜３５と第３の有機膜３４の間に電
気二重層が形成され、バイアスを印加するとこの電気二
重層を通してトンネル注入，発光再結合が生じる。次に
、図１４および図１７のＥＬ素子のより具体的な実施例
を説明する。図１４の素子において、第１の電極２７：
サマリウム膜 第１の有機膜２６：テトラシアノビアントラキノジメタ
ン

【００７５】

【化６】 第３の有機膜２５：テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮ
Ｑ）

【００７６】

【化７】 第４の有機膜２４：テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）

【
００７７】

【化８】 第２の有機膜２３：ビピレニル

【００７８】

【化９】 第１の電極２２：ＩＴＯ膜を用いた。

【００７９】この材料系が図１５の条件を満すことは、
先に説明した変位電流測定法によって確認されている。 第３の有機膜と第４の有機膜の間が電荷移動状態になっ
ていることは、赤外分光スペクトル解析を行い、第３の
有機膜の構成分子であるＴＣＮＱのＣ＝Ｎ基の振動吸収
の位置（２２２０ｃｍ−１）が、高周波側に僅かに（１
５ｃｍ−１程度）シフトしていることにより、確認され
た。このときの電荷移動度は１分子当り０．３である。

【００８０】素子作成プロセスは次の通りである。スパ
ッタ法によりＩＴＯ膜（シート抵抗１０Ω／ｃｍ２　）
が形成されたガラス基板上に、まず真空昇華法（真空度
〜１０−６Ｔｏｒｒ）によって第２の有機膜を１００ｎ
ｍ形成し、この上に同様に真空昇華法により第４の有機
膜を２ｎｍ、第３の有機膜を２ｎｍ、さらに第１の有機
膜を１００ｎｍ形成する。最後に真空蒸着法によってサ
マリウム膜を１００ｎｍ形成する。得られた素子にＩＴ
Ｏ電極が正になるバイアスを印加すると、３Ｖで１０ｍ
Ａ／ｃｍ２　の電流が流れ、輝度１０００Ｃｄ／ｃｍ２
　の発光が得られた。

【００８１】ちなみに、第３の有機膜と第４の有機膜が
ない他、実施例と同様の条件で形成したＥＬ素子は、同
程度の輝度を得るために１０Ｖのバイアス電圧を必要と
した。　　次に図１７の素子において、第１の電極３６
：サマリウム膜 第１の有機膜３５：テトラシアノビアントラキノジメタ
ン 第３の有機膜３４：テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮ
Ｑ） 第２の有機膜３３：テトラキス（ジフェニルアニリノ）
エチレン

【００８２】

【化１０】 第１の電極３２：ＩＴＯ膜を用いた。

【００８３】この材料系が図１８の条件を満すことは、
先に説明した変位電流測定法によって確認されている。 第３の有機膜と第２の有機膜の間が電荷移動状態になっ
ていることは、赤外分光スペクトル解析を行い、第３の
有機膜の構成分子であるＴＣＮＱのＣ＝Ｎ基の振動吸収
の位置（２２２０ｃｍ−１）が、高周波側に僅かに（１
０ｃｍ−１程度）シフトしていることにより、確認され
た。このときの電荷移動度は１分子当り０．２である。 素子作成プロセスは上の実施例と同様であり、第３の有
機膜は２ｎｍとした。得られた素子にＩＴＯ電極が正に
なるバイアスを印加すると、５Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２　
の電流が流れ、輝度１０００Ｃｄ／ｃｍ２　の発光が得
られた。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、有
機膜二層構造ないし有機膜四層構造の組み合わせにおい
て、キャリア閉込めが行われ、或いは電気二重層が形成
されるように電気的性質を選ぶことにより、低い駆動電
圧で高い発光効率が得られるＥＬ素子を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の有機ＥＬ素子を示す断
面図。

【図２】同実施例のＥＬ素子の各層の接合前の電気的特
性を示すバンド図。

【図３】同実施例のＥＬ素子の熱平衡状態およびバイア
ス状態のバンド図。

【図４】本発明の第２の実施例による有機ＥＬ素子の各
層の接合前の電気的特性を示すバンド図。

【図５】同実施例のＥＬ素の熱平衡状態およびバイアス
状態のバンド図。

【図６】本発明の第３の実施例による有機ＥＬ発光素子
の各層の接合前の電気的特性を示すバンド図。

【図７】同実施例のＥＬ素子の熱平衡状態およびバイア
ス状態のバンド図。

【図８】本発明の第４の実施例による有機ＥＬ素子を示
す断面図。

【図９】同実施例のＥＬ素子の各層の接合前の電気的特
性を示すバンド図。

【図１０】同実施例のＥＬ素子の熱平衡状態のバンド図
。

【図１１】同実施例のＥＬ素子の小さいバイアス状態お
よび大きいバイアス状態のバンド図。

【図１２】本発明の第５の実施例による有機ＥＬ素子の
各層の接合前の電気的特性を示すバンド図。

【図１３】同実施例のＥＬ素子の小さいバイアス状態お
よび大きいバイアス状態のバンド図。

【図１４】本発明の第５の実施例による有機ＥＬ素子を
示す断面図。

【図１５】同実施例のＥＬ素子の各層の接合前の電気的
特性を示すバンド図。

【図１６】同実施例のＥＬ素子の動作を説明するための
バンド図。

【図１７】本発明の第６の実施例による有機ＥＬ素子を
示す断面図。

【図１８】同実施例のＥＬ素子の各層の接合前の電気的
特性を示すバンド図。

【図１９】同実施例のＥＬ素子の動作を説明するための
バンド図。

【図２０】図１７に示す素子構造の別のＥＬ素子の各層
の接合前の電気的特性を示すバンド図。

【図２１】本発明において用いる材料特性を知るための
変位電流測定法を説明するための図。

【図２２】その方法における印加電圧波形を示す図。

【図２３】有機膜がない場合の変位電流−電圧特性を示
す図。

【図２４】本発明のＥＬ素子の変位電流−電圧特性の一
例を示す図。

【図２５】他の変位電流−電圧特性を示す図。

【符号の説明】

１，１１，２１，３１…ガラス基板、 ２，１２，２２，３２…第２の電極、 ６，１５，２７，３６…第１の電極、 ３…第２の有機膜、 ４…第３の有機膜、 ５…第１の有機膜、 １３…第２の有機膜、 １４…第１の有機膜、 ２３…第１の有機膜、 ２４…第４の有機膜、 ２５…第３の有機膜、 ２６…第１の有機膜、 ３３…第２の有機膜、 ３４…第３の有機膜、 ３５…第１の有機膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対向する第１の電極および第２の電極と
   、前記第１の電極に接して設けられた、ドナー性不純物
   がドープされた第１の有機膜と、前記第２の電極に接し
   て設けられた、アクセプタ性不純物がドープされた第２
   の有機膜と、前記第１，第２の有機膜に挟まれて発光層
   となる，第１，第２の有機膜よりバンドギャップが狭く
   ，不純物がドープされていない第３の有機膜と、を備え
   たことを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 【請求項２】発光層としての第１の有機膜と、この第１
   の有機膜との間で障壁接合を形成するアクセプタ不純物
   がドープされた第２の有機膜との積層体と、前記積層体
   の第１の有機膜側に形成された電子注入用の第１の電極
   と、前記積層体の第２の有機膜側に形成された正孔注入
   用の第２の電極と、を備えたことを特徴とする有機ＥＬ
   素子。
3. 【請求項３】ドナー性不純物がドープされた第１の有機
   膜と、この第１の有機膜との間で障壁接合を形成する，
   発光層としての第２の有機膜との積層体と、前記積層体
   の第１の有機膜側に形成された電子注入用の第１の電極
   と、前記積層体の第２の有機膜側に形成された正孔注入
   用の第２の電極と、を備えたことを特徴とする有機ＥＬ
   素子。
4. 【請求項４】相対向する第１および第２の電極と、前記
   第１の電極に接して設けられた第１の有機膜と、前記第
   ２の電極に接して設けられた第２の有機膜と、前記第１
   の有機膜と第２の有機膜の間に、第１の有機膜に接して
   設けられて伝導帯下端の真空準位からのエネルギー差が
   第１の有機膜より大きい第３の有機膜、および第２の有
   機膜に接して設けられて価電子帯上端の真空準位からの
   エネルギー差が第２の有機膜より小さい第４の有機膜の
   積層構造とを備え、零バイアス状態で前記第３，第４の
   有機膜の間で電荷移動錯体からなる電気二重層が形成さ
   れ、前記第２の電極に前記第１の電極に対して正の電圧
   を印加したときに前記第１の電極から前記第１の有機膜
   に電子が、前記第２の電極から前記第２の有機膜に正孔
   がそれぞれ注入され、これら電子・正孔のうち電子が前
   記第３および第４の有機膜を介して前記第２の有機膜に
   トンネル注入されて前記第２の有機膜内で発光再結合す
   るか、または正孔が前記第４および第３の有機膜を介し
   て前記第１の有機膜にトンネル注入されて前記第１の有
   機膜内で発光再結合する、ことを特徴とする有機ＥＬ素
   子。
5. 【請求項５】相対向する第１および第２の電極と、前記
   第１の電極に接して設けられた第１の有機膜と、前記第
   ２の電極に接して設けられた第２の有機膜と、前記第１
   の有機膜と第２の有機膜の間に設けられ、伝導帯下端の
   真空準位からのエネルギー差が前記第１の有機膜より大
   きく、零バイアス状態で前記第２の有機膜との間で電荷
   移動錯体からなる電気二重層を形成するか、または価電
   子帯上端の真空準位からのエネルギー差が前記第２の有
   機膜より小さく、零バイアス状態で前記第１の有機膜と
   の間で電荷移動錯体からなる電気二重層を形成する第３
   の有機膜とを備え、前記第２の電極に前記第１の電極に
   対して正の電圧を印加したときに、前記第１の電極から
   第１の有機膜に電子が、前記第２の電極から第２の有機
   膜に正孔がそれぞれ注入され、これらの電子・正孔のう
   ち電子が前記第３の有機膜を介して前記第２の有機膜に
   トンネル注入されて前記第２の有機膜内で発光再結合す
   るか、または正孔が前記第３の有機膜を介して前記第１
   の有機膜にトンネル注入されて前記第１の有機膜内で発
   光再結合する、ことを特徴とする有機ＥＬ素子。