JPH08273832A

JPH08273832A - 電界発光素子

Info

Publication number: JPH08273832A
Application number: JP7097668A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Shirasaki; 友之白嵜
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】背面電極に断線の発生しにくい構造の電界発
光素子を提供する。【構成】透明基板１１上に、透明電極１２、Ｐ型有機
系薄膜１３、発光材料を含むＮ型有機系薄膜１４が順次
積層され、Ｎ型有機系薄膜１４を発光させるべき部分上
に、Ｎ型有機系薄膜１４の電子親和力との差の小さい仕
事関数を有する材料でなる電子注入電極部１５Ａが形成
され、この電子注入電極部１５Ａを覆うように、Ｎ型有
機系薄膜１４の電子親和力との差の大きい仕事関数を有
する材料でなる配線用電極部１５Ｂが形成された構造と
したことにより、背面電極１５全体をＮ型有機系薄膜１
４に接合させて形成することを可能にした。このような
構造であるため、背面電極１５に断線が発生するのを防
止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電界発光素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界発光素子としては、例えば図
７および図８に示すような有機薄膜材料を用いた電荷注
入型のＥＬ発光素子が知られている。この電界発光素子
は、図８に示すように、ガラスなどでなる透明基板１上
に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）でなるアノード電極と
しての透明電極２が形成され、この透明電極２上に正孔
被注入層（正孔輸送層）としてのＰ型有機薄膜層３と、
発光材料を含む電子被注入層（電子輸送層）としてのＮ
型有機薄膜層４とが順次積層され、さらにＮ型有機薄膜
層４の上に例えばアルミニウムからなるカソード電極と
しての背面電極５が形成されている。なお、背面電極５
は、図７および図８に示すように、Ｎ型有機薄膜４に接
合する電子注入電極部５Ａと、Ｎ型有機薄膜４との間に
絶縁膜６が介在された配線用電極部５Ｂと、からなる。
このような電界発光素子にあっては、背面電極５の配線
用電極部５Ｂの下に絶縁膜６を介在させて背面電極５と
Ｎ型有機薄膜４との接合界面を制限することにより、背
面電極５からＮ型有機薄膜４への電子注入領域を規定し
ている。この電界発光素子においては、透明電極２から
Ｐ型有機薄膜３へ正孔が注入され、背面電極５の電子注
入電極部５ＡからＮ型有機薄膜４へ電子が注入され、Ｐ
型有機薄膜３とＮ型有機薄膜４との界面付近で電子と正
孔とが再結合し、このときのエネルギーにより界面近傍
のＮ型有機薄膜４中の発光材料が励起されて、図９に示
すような発光領域Ｆで発光を起こすようになっている。
なお、この発光領域Ｆは、電子注入電極部５ＡがＮ型有
機薄膜４に当接する領域に相当する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の電界
発光素子においては、図１０に示すように背面電極５を
形成する場合に、Ｎ型有機薄膜４の上に絶縁膜６を積層
し、発光させる領域部分の絶縁膜６をエッチングして接
合用開口部６Ａを形成した後、例えばアルミニウムなど
の電極材料をスパッタ法などにより堆積させている。こ
のような電界発光素子をディスプレイデバイスとして用
いて、集積度の高いディスプレイを作成する場合、電界
発光素子でなる画素部の微細化に伴い、絶縁膜６の接合
用開口部６Ａのアスペクト比が高くなる。このため、ス
パッタ法などにより形成された背面電極５が接合用開口
部６Ａの段差部分で断線を起こし、歩留りが低下すると
いう問題点がある。また、断線を起こさないにしても接
合用開口部６Ａ内に形成された電子注入電極部分５Ａ内
にボイドが形成され、配線として不安定なものとなるな
どの問題が生じる。また、絶縁膜６の形成に伴い素子表
面上に段差が形成されることにより、背面電極５のパタ
ーン形成の際にエッチング残りなどが生じて短絡などが
発生するという問題点があった。

【０００４】この発明は、上記したような問題点に着目
して案出されたものであって、所定の発光領域以外で発
光が生じることがなく、背面電極の断線などの不都合が
生じることのない、信頼性の高い電界発光素子を提供す
ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
相対向するアノード電極とカソード電極との間に、前記
カソード電極と接合するように電子被注入層を備え、前
記カソード電極から注入された電子と前記アノードから
の正孔とが再結合する領域が発光する電界発光素子にお
いて、前記カソード電極が、前記電子被注入層に電子を
注入する電子注入電極部と、前記電子注入電極部に一体
的に設けられた配線用電極部と、からなり、前記電子注
入電極部の仕事関数と前記電子被注入層の電子親和力と
の差が、前記配線用電極部の仕事関数と前記電子被注入
層の電子親和力との差より小さいことを特徴としてい
る。請求項２記載の発明は、前記電子注入電極部がマグ
ネシウムの蒸着またはマグネシウムと銀の共蒸着により
形成されてなり、前記配線電極部がアルミニウムでな
り、前記電子被注入層が有機系薄膜でなることを特徴と
している。請求項３記載の発明は、前記アノード電極と
前記電子被注入層との間に、正孔被注入層が介在されて
いることを特徴としている。請求項４記載の発明は、前
記電子被注入層または前記正孔被注入層に発光材料が含
まれていることを特徴としている。請求項５記載の発明
は、前記電子被注入層と前記正孔被注入層との間に、両
性輸送性を有する再結合層が介在されていることを特徴
としている。請求項６記載の発明は、前記電子被注入層
が、発光材料を含む両性輸送性材料でなり、かつ前記ア
ノード電極と接合していることを特徴としている。

【０００６】

【作用】請求項１記載の発明おいては、電子注入電極部
の仕事関数と電子被注入層の電子親和力との差が、配線
用電極部の仕事関数と電子被注入層の電子親和力との差
より小さく設定されているため、カソード電極における
電子注入電極部のみが電子被注入層に電子を注入するこ
とが可能となる。すなわち、電子被注入層との電子注入
障壁は、電子注入電極部の方が配線用電極部より小さい
ため（仕事関数と電子親和力との差が小さいため）、電
子注入電極部から電子被注入層へ障壁を越えて電子を注
入させ得るバイアス以上で、配線用電極部から電子被注
入層へ障壁を越えて電子の注入が行われない程度のバイ
アスに設定することにより、電子注入電極部のみが電子
被注入層に電子を注入することができる。これにより、
電子が注入された領域が、発光領域となる。また、上記
作用を有するため、カソード電極を構成する部分である
配線用電極部が直接電子被注入層に接合していてもよ
い。このため、カソード電極を形成する際に段差が存在
せず、カソード電極に断線が起きることを防止すること
ができる。

【０００７】請求項２記載の発明においては、例えば有
機アルミニウム薄膜などの有機系薄膜の電子親和力と、
マグネシウム（Ｍｇ）や、マグネシウムと銀（Ａｇ）と
の共蒸着物などの仕事関数との差は、同電子親和力とア
ルミニウム（Ａｌ）の仕事関数との差に比べて小さく、
電子注入電極部では電子注入障壁が小さいといえる。こ
のため、電子注入電極部をマグネシウムや、マグネシウ
ムと銀との共蒸着物で形成し、配線用電極部をアルミニ
ウムで形成することにより、電子注入電極部のみから電
子被注入層へ電子を注入することが可能となる。なお、
例えばマグネシウムの仕事関数は、約３．６６ｅＶであ
り、アルミニウムの仕事関数は、約４．２８ｅＶであ
る。このとき、電子被注入層を構成する有機系薄膜がア
ルミニウム系の薄膜である場合は、その光電子放出のエ
ネルギーしきい値は、ほぼ３．２ｅＶ程度である。

【０００８】請求項３記載の発明においては、アノード
電極と電子被注入層との間に、正孔被注入層が介在され
ているため、アノード電極から正孔被注入層へ正孔が注
入され、この正孔が、電子被注入層へ電子注入電極部か
ら注入された電子と、正孔被注入層と電子被注入層との
界面で再結合する。また、請求項４記載の発明において
は、電子と正孔の再結合の際に生じるエネルギーによ
り、界面近傍の発光材料が励起されて発光を起こす作用
がある。さらに、請求項５記載の発明においては、前記
電子被注入層と前記正孔被注入層との間に、両性輸送性
を有する再結合層が介在されているため、この再結合層
で電子と正孔が再結合する。

【０００９】請求項６記載の発明においては、電子被注
入層が、発光材料を含み、かつアノード電極と接合する
ため、電子被注入層はカソード電極とアノード電極とに
挟まれた構成であり、カソード電極の電子注入電極部か
ら電子が注入されると共に、アノード電極から正孔が注
入されるという両性輸送層としての機能を有する。この
電子被注入層に含まれた発光材料は、正孔と電子との再
結合によるエネルギーで励起されて発光する。

【００１０】

【実施例】以下、この発明に係る電界発光素子の詳細を
図面に示す実施例に基づいて説明する。図１〜図４は、
この発明の電界発光素子の実施例を示している。図１
（Ａ）は本実施例の電界発光素子の平面図、（Ｂ）は図
１（Ａ）のＸ−Ｘ断面図、図２は図１（Ａ）のＹ−Ｙ断
面図である。また、図４はこの電界発光素子を構成する
各層の電子物性を示すダイアグラムである。図中１０
は、電界発光素子であって、その構造は図１（Ｂ）およ
び図２に示すように、ガラスなどでなる透明基板１１上
に、ＩＴＯでなるアノード電極としての透明電極１２が
形成され、この透明電極１２上に正孔被注入層（正孔輸
送層）としてのＰ型有機系薄膜１３、電子被注入層（電
子輸送層）としてのＮ型有機系薄膜１４が順次積層さ
れ、Ｎ型有機系薄膜１４上に、電子注入電極部１５Ａと
配線用電極部１５Ｂとからなる背面電極１５が形成され
ることにより、大略構成されている。特に、本実施例
は、背面電極１５を複数の電子注入電極部１５Ａと、こ
れらの電子注入電極部１５Ａを覆う配線用電極部１５Ｂ
とから構成した。また、電子注入電極部１５Ａの仕事関
数とＮ型有機系薄膜１４の電子親和力との差が、配線用
電極部１５Ｂの仕事関数とＮ型有機系薄膜１４の電子親
和力との差より小さくなるように設定したことを特徴と
している。

【００１１】Ｐ型有機系薄膜１３は、透明電極１２と背
面電極１５との間に電界を与えられた状態において透明
電極１２から正孔が効率よく注入され得るものであり、
かつ注入された正孔を効率よく輸送することができる材
料でなる。本実施例においては、このＰ型有機系薄膜１
３の材料としてポリＮビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ）
を用いている。このＰ型有機系薄膜１３は、スピンコー
ト法、ディップコート法などの塗布方法や、真空蒸着な
どの方法により、透明電極１２上に形成することができ
る。

【００１２】Ｎ型有機系薄膜１４は、透明電極１２と背
面電極１５との間に電界を与えられた状態において背面
電極１５からの電子注入効率がよく、かつ注入された電
子を効率よくＰ型有機系薄膜１３側に輸送することがで
きる材料であることが必要である。本実施例では、Ｎ型
有機系薄膜１４として８−ヒドロキシキノリンのアルミ
ニウム錯体を用いている。そして、このＮ型有機系薄膜
１４の電子親和力（光電子放出のしきい値と等しい）は
３．２ｅＶ程度である。なお、このＮ型有機系薄膜１４
には、例えばクマリンなど発光材料が均一に混ぜられて
いる。このように、Ｎ型有機系薄膜１４に発光材料を含
ませたことにより、電子と正孔とがＰ型有機系薄膜１３
とＮ型有機系薄膜１４との界面で再結合したときのエネ
ルギーで界面近傍の発光材料が励起されて発光を起こす
ようになる。

【００１３】本実施例では、透明基板１１上に、透明電
極１２、Ｐ型有機系薄膜１３、Ｎ型有機系薄膜１４が順
次形成されたものに対し、図１（Ａ）、（Ｂ）および図
２に示すような背面電極１５が形成されている。この背
面電極１５は、複数（５つ）の電子注入電極部１５Ａ
と、これらを一体的に覆うように形成された配線用電極
部１５Ｂとからなる。電子注入電極部１５Ａは、仕事関
数が３．６６ｅＶであるマグネシウム（Ｍｇ）で形成さ
れている。また、配線用電極部１５Ｂは、仕事関数が
４．２８ｅＶであるアルミニウム（Ａｌ）で形成されて
いる。図１に示すように、それぞれの電子注入電極部１
５Ａは、比較的膜厚の薄い円形（円筒形）にパターン形
成されている。配線用電極部１５Ｂは、Ｎ型有機系薄膜
１４上に、これらの電子注入電極部１５Ａを覆うように
Ａｌを堆積させた後、同図に示すようにパターン形成さ
れている。

【００１４】ここで、この電界発光素子１０において、
そのＮ型有機系薄膜１４が部分的に電子被注入層（電子
輸送層）および発光層として機能する原理を、図４の電
子物性を示すダイアグラムを用いて説明する。なお、同
図においては、仕事関数、イオン化ポテンシャルおよび
電子親和力の絶対値、バンドギャップをそれぞれＷｆ、
Ｉｐ、Ｅａ、Ｂｇで表している。また、Ｐ型有機系薄膜
（正孔輸送層）１３をＨＴＬ、Ｎ型有機系薄膜（電子輸
送層）１４をＥＴＬで表している。

【００１５】正孔注入については、透明電極（アノー
ド）１２の仕事関数ＷｆとＰ型有機系薄膜１３のイオン
化ポテンシャルＨＴＬＩｐと差に相当する大きさをもっ
たエネルギー障壁が存在するものの、この障壁も外部電
界に対し十分に小さいことから、正孔注入は容易に行わ
れる。そして、Ｐ型有機系薄膜１３内に注入された正孔
は、外部電界によりＮ型有機系薄膜１４との界面まで移
動する。また、Ｐ型有機系薄膜１３からＮ型有機系薄膜
１４への正孔注入は、より正孔のポテンシャルが小さく
なる方向にあるのでむしろ自発的に進行する。

【００１６】ところで、Ｎ型有機系薄膜１４に接触する
背面電極１５のうちの配線用電極部１５ＢからＮ型有機
系薄膜１４への電子注入は、配線用電極部１５Ｂの仕事
関数Ｗｆ2とＮ型有機系薄膜１４の電子親和力ＥＴＬＥ
ａとの差に相当するエネルギー障壁（４．２８−３．２
＝１．０８ｅＶ）が大きいため、印加するバイアスを大
きくしないかぎり電子注入が起こらない。一方、背面電
極１５のうちの電子注入電極部１５ＡからＮ型有機系薄
膜１４への電子注入は、電子注入電極部１５Ａの仕事関
数Ｗｆ1とＮ型有機系薄膜１４の電子親和力ＥＴＬＥａ
との差に相当するエネルギー障壁（３．６６−３．２＝
０．４６ｅＶ）が小さいため、配線用電極部１５Ｂに比
べて電子注入が起こり易くなっている。このため、背面
電極１５に電子注入電極部１５ＡからＮ型有機系薄膜１
４へエネルギー障壁を越えて電子を注入させ得るバイア
ス以上で、配線用電極部１５ＢからＮ型有機系薄膜１４
へエネルギー障壁を越えて電子の注入が行われない程度
のバイアスに設定することにより、電子注入電極部１５
ＡのみがＮ型有機系薄膜１４に電子を注入することが可
能となる。すなわち、電子が注入される領域は、電子注
入電極部１５Ａに接合する部分のＮ型有機系薄膜１５Ａ
だけであり、この領域のＮ型有機系薄膜１５ＡとＰ型有
機系薄膜１３とが接合する部分だけで電子と正孔の再結
合が起こる。このため、上記した再結合のエネルギーに
より、Ｎ型有機系薄膜１４の電子が注入された領域内の
発光材料のみが選択的に励起されて発光を起こし、発光
領域を規定することができる。図３は、透明基板１１の
下方から見た場合の発光領域Ｆを示しめしている。

【００１７】上記したように本実施例においては、背面
電極１５を電子注入電極部１５Ａと配線用電極部１５Ｂ
とで構成し、Ｎ型有機系薄膜１４の電子親和力と電子注
入電極部１５Ａの仕事関数との差が、Ｎ型有機系薄膜１
４の電子親和力と配線用電極部１５Ｂの仕事関数との差
より小さくなるように設定した構成とした。このため、
電子注入電極部１５Ａの方が、配線用電極部１５Ｂに比
べ、Ｎ型有機系薄膜１４へ電子注入し易くなり、背面電
極１５に電子注入電極部１５ＡからＮ型有機系薄膜１４
へエネルギー障壁を越えて電子を注入させ得るバイアス
以上で、配線用電極部１５ＢからＮ型有機系薄膜１４へ
エネルギー障壁を越えて電子の注入が行われない程度の
バイアスに設定すれば、電子注入電極部１５ＡのみがＮ
型有機系薄膜１４に電子を注入することが可能となっ
た。すなわち、Ｎ型有機系薄膜１４に対して、電子注入
電極部１５Ａと配線用電極部１５Ｂとを共に載せた状態
で形成することが可能となった。このため、従来のよう
に背面電極を形成する前に電子被注入層の上に絶縁膜を
形成し、さらにこの絶縁膜に背面電極と電子被注入層と
が接合するための開口部を形成するなど工程を省略する
ことが可能となった。また、絶縁膜により大きい段差が
形成されることがないため、背面電極の断線が発生する
という問題も回避することができる。また、仕事関数の
低い材料は一般に酸化しやすいという性質を有するが、
電子注入電極部１５Ａを配線用電極部１５Ｂで覆う構造
としたことにより、ＡｌがＭｇを保護して素子の信頼性
を向上させることができる。さらに、複数の電子注入電
極部１５Ａに対しての配線用電極部１５Ｂからの電荷供
給を均一に行える利点がある。このため、本実施例の電
界発光素子をマトリクス表示素子の画素として用いた場
合に、各画素間に供給する電荷を均一にできるため、表
示品質を向上させることができる。

【００１８】以上、実施例について説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、構成の要旨に付随す
る各種の設計変更が可能である。例えば上記実施例で
は、発光材料をＮ型有機系薄膜１４に導入したが、逆に
Ｐ型有機系薄膜１３に導入してもよい。また、上記実施
例では、有機系薄膜を２層構造としたが、発光材料を含
む有機系薄膜を１層だけとする構造のものにも本発明を
適用することが可能である。さらには、Ｐ型有機系薄膜
とＮ型有機系薄膜との間に両性輸送性を有する有機系薄
膜を介在しても勿論よい。上記実施例では、Ｐ型有機系
薄膜１３としてポリＮビニルカルバゾールを適用した
が、この他、例えばポリシラン、シラザン化合物や、各
種の正孔輸送性を有する芳香族アミン系化合物や、ヒド
ラゾン化合物などを適用することが可能である。また、
上記実施例では、Ｎ型有機系薄膜１４として８−ヒドロ
キシキノリンのアルミニウム錯体を適用したが、この
他、例えば上記アルミニウム錯体以外の金属錯体、テト
ラフェニルブタジエンなどの芳香族化合物、シクロペン
タジエン誘導体などの周知の各種有機化合物を適用する
ことが可能である。さらに、上記実施例では、電子注入
電極部１５Ａを５つ設けた場合について説明したが、本
発明は当然ながらこの数に限定されるものではない。そ
して、上記実施例では電子注入電極部１５Ａをマグネシ
ウム（Ｍｇ）で形成したが、マグネシウムと銀（Ａｇ）
とを共蒸着させたものを用いてもよい。

【００１９】また、電子注入電極部１５Ａと配線用電極
部１５Ｂのと材料の組み合わせは、上記実施例のように
マグネシウムとアルミニウムに限定されるものではな
く、接合する電子被注入層とのエネルギー障壁が小さい
材料と、大きい材料との組み合わせるものであればよ
い。例えば、図５に示すように、透明基板１１上に、透
明電極１２を形成し、この透明電極１２上に有機発光薄
膜（８−ヒドロキシキノリン錯体を用いている）１６を
形成し、この有機発光薄膜１６に形成する電極１７の材
料を各種変えた場合の電圧と電流との関係を調べると、
図６に示すような結果が得られる。図６のグラフから判
るように、所定の電圧値での電流値は電極材料により大
きく異なる。このことは、言い換えれば電極材料から有
機発光薄膜１６への電子の注入能力が異なることであ
り、比較して電子注入能力の大きい材料を電子注入電極
部１５Ａとして用い、電子注入能力の小さい材料を配線
用電極部１５Ｂとして用いれば上記実施例と同様に電子
注入電極部１５Ａに対応する部分だけを発光させること
が可能となる。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、素子表面に絶縁膜の形成を省略できるた
め、カソード電極に断線や短絡が発生するのを防止する
効果がある。また、電子注入電極部が複数ある場合に、
各電子注入電極部に供給する電荷が均一になるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の電界発光素子の実施例を示す
平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図。

【図２】図１のＹ−Ｙ断面図。

【図３】本実施例の電界発光素子における発光領域を示
す平面図。

【図４】本実施例の電界発光素子の各部の電子物性を示
すエネルギーダイヤグラム。

【図５】背面電極の電圧と電流との関係を調べるための
電界発光素子の概略構造を示す説明図。

【図６】背面電極の電圧と電流との関係を示すグラフ。

【図７】従来の電界発光素子を示す平面図。

【図８】図７のＺ−Ｚ断面図。

【図９】従来の電界発光素子の発光領域を示す平面図。

【図１０】従来の問題点を示す断面図。

【符号の説明】

１０電界発光素子１２透明電極１３Ｐ型有機系薄膜１４Ｎ型有機系薄膜１５背面電極１５Ａ電子注入電極部１５Ｂ配線用電極部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向するアノード電極とカソード電極
との間に、前記カソード電極と接合するように電子被注
入層を備え、前記カソード電極から電子が注入された電
子と前記アノード電極からの正孔とが再結合する領域が
発光する電界発光素子において、前記カソード電極が、前記電子被注入層に電子を注入す
る電子注入電極部と、前記電子注入電極部と一体的に設
けられた配線用電極部と、からなり、前記電子注入電極
部の仕事関数と前記電子被注入層の電子親和力との差
が、前記配線用電極部の仕事関数と前記電子被注入層の
電子親和力との差より小さいことを特徴とする電界発光
素子。
【請求項２】前記電子注入電極部がマグネシウムの蒸
着またはマグネシウムと銀との共蒸着により形成されて
なり、前記配線電極部がアルミニウムでなり、前記電子
被注入層が有機系薄膜でなることを特徴とする請求項１
記載の電界発光素子。
【請求項３】前記アノード電極と前記電子被注入層と
の間に、正孔被注入層が介在されていることを特徴とす
る請求項１記載の電界発光素子。
【請求項４】前記電子被注入層または前記正孔被注入
層に発光材料が含まれていることを特徴とする請求項３
記載の電界発光素子。
【請求項５】前記電子被注入層と前記正孔被注入層と
の間に、両性輸送性を有する再結合層が介在されている
ことを特徴とする請求項３記載の電界発光素子。
【請求項６】前記電子被注入層は、発光材料を含む両
性輸送性材料でなり、かつ前記アノード電極と接合して
いることを特徴とする請求項１記載の電界発光素子。