JPH10106752A - 有機薄膜電界発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の技術が、ＣＶＤ法（もしくはスパッタ
法）とフォトリソグラフィー法と言う高額設備を必要と
し、かつ高価なプロセス（ステップ数も多い）を使用す
るハイコストなものであるか、製造プロセスの安定性に
乏しく、発光素子特性が不安定なものであった。これら
の点を実用的に解決することである。 【解決手段】金属電極（カソード）を複数の材料で形成
する。それは、複数の材料を断面方向へ単純に重ねるだ
けのものではなく、有機薄膜に接触する金属電極（カソ
ード）が平面上、場所により、仕事関数に大小を持つよ
うに配置形成されている、すなわち、平面上、発光素子
の内部の有機薄膜に接触する局部的金属電極は仕事関数
の小さな材料で形成され、それを取り囲む外周部の金属
電極および発光素子以外の配線部などは仕事関数の大き
な材料で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界発光素子およ
び製造方法に関し、特にディスプレイパネルに用いるの
に好適な有機薄膜電界発光素子および製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】有機薄膜電界発光素子は、一対の電極か
ら注入された電子と正孔の再結合によって励起子が生
じ、この励起子が放射失活する過程で光を放ち、この光
が透明電極及びガラス基板を介して外部に放出される素
子である。かかる電界発光素子では、クロストークを減
少させる観点からキャリアの注入が電界発光素子内部に
コントロールされていることが要求される。従来、キャ
リアの注入を電界発光素子内部にコントロールする技術
としては、特開平４−５１４９４および特開平３−２３
３８９１に記載されているものがある。特開平４−５１
４９４の電界発光素子は、図８（ａ），（ｂ）に示した
ように、ガラス基板１に形成された透明電極２の表面を
キャリア注入部分を除いて絶縁膜１２で被覆し、不要な
キャリア注入を防止したものである。すなわち、透明電
極２を形成後、ケミカル・ベーパー・デポジション（Ｃ
ＶＤ）法、もしくはスパッタリング法などにより、例え
ばＳｉＯ₂ 膜などの絶縁膜１２を全面に被覆し、フォト
リソグラフィープロセスにより、発光素子のキャリア注
入該当部分を局部的にエッチング除去して穴を形成して
から、有機薄膜３（正孔輸送層および発光層）と金属電
極５を形成している。

【０００３】また、特開平３−２３３８９１の電界発光
素子は、図９（ａ），（ｂ）に示したように、発光層３
ｂを島状にして他の素子から分離されるように形成され
ている。その製造方法は、透明電極２に正孔輸送層３ａ
を蒸着法などによって形成した後、例えばシャドーマス
ク法により、局部的に発光層３ｂを堆積し形成する。そ
の後、シャドーマスク法により、別のパターンマスクを
使用して金属電極５を形成する。

【０００４】また、金属電極を複数の材料で形成する従
来の技術は、特開平４−１９９９３および特開平４−３
６３８９６に記載されている。どちらも金属電極を複数
の材料で形成することに関しては同一であり、図１０に
示したように、正孔輸送層３ａと発光層３ｂで構成され
る有機薄膜の表面と金属電極５との間に有機薄膜との密
着性の良い材料・プロセスを使用した下地金属電極１３
を設けたものである。下地金属電極１３を設ける理由
は、金属電極５と有機薄膜との密着性とキャリア注入特
性の改善であるので、金属電極５の下側全面に形成され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題の一つは、特開平４−５１４９４の電界発光素
子が、電界発光素子内部にキャリアを注入するという目
的は達成するものの、ＣＶＤ法（もしくはスパッタ法）
とフォトリソグラフィー法と言う高額設備を必要とす
る、かつ高価なプロセス（ステップ数も多い）を使用す
るために、コスト面でハイコストになる点である。

【０００６】本発明が解決しようとする課題の今一つ
は、特開平３−２３３８９１の電界発光素子が、発光層
の加工が難しくて製造プロセスの安定性に乏しいこと、
さらに発光の主舞台となる発光層を制御性の悪い状態で
加工するために素子特性も不安定である点である。

【０００７】また、特開平−１９９９３および特開平４
−３６３８９６では、二層の金属電極を用いているが、
上下の金属電極が同じ大きさであるために、金属電極の
端部から注入される電子が広がって隣接する発光素子に
影響を与えクロストークの問題を生じることである。

【０００８】本発明の目的は、上記の諸課題を解決し、
製造プロセスと素子特性が安定で、ローコストでクロス
トークを改善した電界発光素子を実現することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記の諸課
題を解決するために、金属電極（カソード）を複数の材
料で形成する。有機薄膜に接触する金属電極（カソー
ド）が平面上、場所により、仕事関数に大小を持つよう
に配置形成されている。すなわち、平面上、発光素子の
内部の有機薄膜に接触する下側の金属電極は仕事関数の
小さな材料で形成され、それを取り囲む外周部の金属電
極および発光素子以外の配線部などは仕事関数の大きな
材料で形成する。なお、下側の金属電極は、複数種類の
電極を配置して形成してもよい。

【００１０】発光素子に駆動電圧が印加されたとき、金
属電極（カソード）では、仕事関数の小さい材料の部分
でキャリア（電子）が注入される。それは、平面上で言
えば発光素子の内部でキャリアが注入され、それを取り
囲む外周部からの注入は抑止される。発光素子として見
た場合、発光素子内部での注入は有効であり、外周部か
ら隣接の発光素子方向への注入は無効であり、クロスト
ーク特性を悪化させる。このことから明かなように、キ
ャリア注入を発光素子の内部にコントロールすること
は、効率を改善し、隣接の発光素子へのクロストークを
抑止し、表示の鮮明度を改善する。

【００１１】また、本発明によれば、透明基板主表面に
透明電極を形成した後、有機薄膜を形成し、続いて二層
の金属電極をシャドーマスク法によって形成する有機薄
膜電界発光素子の製造方法において、上側金属電極用と
下側金属電極用の二枚のパターンマスクを使用し、予め
二枚のパターンマスクを重ねてセットしておき、最初に
下側の金属電極を形成した後、真空を破ることなく、下
側金属電極用マスクを取り除き、引き続いて残りのパタ
ーンマスクを用いて上側金属電極を形成する有機薄膜電
界発光素子の製造方法が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１の実施の形態
について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ），
（ｂ）を参照すると、ガラス基板１の主表面に透明金属
による透明電極２を形成し、その上に正孔輸送層、発光
層、および電子輸送層から構成される有機薄膜３を形成
し、さらにその上に、平面上、発光素子と同等以下のサ
イズの局部的金属電極４を仕事関数の小さな金属材料で
形成し、その上に局部的電極４よりもサイズが大きく、
外周部がはみ出す金属電極５を、局部的金属電極４より
も仕事関数の大きな金属材料で形成する。すなわち、平
面上、図１に示したように、局部的金属電極４は金属電
極５で完全に被覆される。

【００１３】次に、本発明の実施例について図１を参照
して説明する。厚さ１〜３ｍｍのガラス基板１の主表面
に例えばＩＴＯなどの透明金属を使用する膜厚０．０５
〜０．２００μｍの透明電極２を、ストライプ状にパタ
ーン加工し、例えばＸ軸方向に０．１〜１．５ｍｍピッ
チに形成する。このパターン加工は代表的には、先ずガ
ラス基板１にＩＴＯをスパッタ法で全面形成し、フォト
リソグラフィーとケミカルエッチングで透明電極２を形
成する。その上に、代表的には蒸着法で、膜厚０．０５
〜０．２５０μｍの有機薄膜３を形成する。次に、０．
０３ｍｍ□〜０．１８０ｍｍ□の穴を有するパターンマ
スクを使用し、シャドウマスク法で、代表的にはリチウ
ムあるいはリチウムを添加したアルミニウムなどのよう
に仕事関数の小さい材料を使用して、局部的金属電極４
を形成する。

【００１４】さらに、その上に、同様にシャドウマスク
法による蒸着で、透明電極２に直交するように、例えば
Ｙ軸方向に０．１〜１．５ｍｍピッチのストライプ状の
厚さ０．１〜１．０μｍの金属電極５を形成する。この
ときに使用する金属は、例えばアルミニウムなどのよう
に、局部的金属電極４よりも仕事関数がより大きい材料
が使用される。局部的金属電極４と金属電極５の平面上
の位置関係は、図１に示すように、金属電極５の方が大
きなサイズであり、局部的金属電極４とその外周部を被
覆する。被覆する外周部の幅は、代表的には、０．１〜
０．５ｍｍ程度である。この幅は発光素子の特性上特別
に制約のあるものではなく、局部的金属電極４と金属電
極５との重ね合わせ精度をベースに、マージンを与えて
大体上記の範囲内の幅に決める。

【００１５】図１に示した発光素子を一つの画素とし
て、図２に示したように、Ｘ軸方向のストライプ状の透
明電極２とＹ軸方向のストライプ状の金属電極５の交点
にＭ行×Ｎ列個の発光素子が形成される。透明電極２も
しくは金属電極５、あるいはその両方を同時にスキャン
駆動し、所定の図柄をこれらの発光素子で表示させる表
示パネルが得られる。

【００１６】このように本実施の形態では、仕事関数の
小さな局部的金属電極４を仕事関数の大きい金属電極５
で被覆するように二層構造の電極を設けている。このた
め発光が発光素子の中央部で行なわれ、発光素子間のク
ロストークが改善される。この理由を図３と図４を用い
て説明する。図３は、有機薄膜電界発光素子のエネルギ
ーダイヤグラムを図示的に示したものである。図３から
明らかなように仕事関数の小さな材料を使用すること
で、金属電極（カソード）からキャリア（電子）がより
容易に注入される、すなわち、バリアの高さが低くな
る。従来の発光素子においては、電極のエッヂで電界集
中が発生し、通常の状況としては、図４中、金属電極５
ｂ側でしめしたように、発光素子の中央部よりも外周部
において先ずキャリアの注入が行われ、周囲に拡散す
る。そのために、外周部から注入されたキャリアはしば
しば隣接の発光素子に紛れ込むことがである。それはす
なわちクロストークを発生することである。この実施の
形態にすれば、キャリア注入のバリアの高さが、図４
中、金属電極５ａ側に示したように、局部的金属電極４
の方が仕事関数の小さいためバリアが低く、キャリア注
入は先ず局部的金属電極４から行われる。図４から明ら
かなように、本実施の形態の場合、キャリアの注入が発
光素子の中央部で行われ、クロストークが改善される。

【００１７】図５は本発明の有機薄膜電界発光素子を製
造する方法を示した説明図である。ガラス基板１に透明
電極２を形成し、さらに有機薄膜３を形成した後、それ
を真空蒸着装置の基板ホルダー（図中記載なし）にセッ
トする。その上に、シャドウマスク法の上部マスク６お
よび下部マスク７をマスクホルダー（図中記載なし）に
セットする。ここで、上部マスク６は局部的金属電極４
を形成するためのパターンマスクである。また、下部マ
スク７は金属電極５を形成するためのパターンマスクで
ある。上部マスク６と下部マスク７をマスクホルダーに
セットする際、真空蒸着室内で真空を破ることなく、上
部マスク６のみを取り外せるようにセットされている。
蒸着ヒータ８ａには、局部的金属電極４用の蒸着ソース
９ａが置かれ、また、蒸着ヒータ８ｂには、金属電極５
用の蒸着ソース９ｂが置かれている。蒸着ソース９ａお
よび９ｂはそれぞれ蒸着蒸気流１０によりパターンマス
クを経由して有機薄膜３の表面に局部的金属電極４およ
び金属電極５を形成する。

【００１８】次に、本発明の第２の実施の形態について
図６を参照して説明する。第１の実施の形態では、局部
的金属電極４は一種類であったが、第２の実施の形態に
おいては、局部的金属電極４の他に追加金属電極１１を
設ける。それは、例えば、局部的金属電極４をリチウム
で形成し、追加金属電極１１をマグネシウムで形成す
る、あるいはアルミニウムへのリチウム添加の濃度を変
化させることで、局部的金属電極４と追加金属電極１１
の仕事関数を相違させている。そして、両者とも金属電
極５よりは、仕事関数が小さな材料が選択されている。
追加金属電極１０の形成は、第１の実施の形態において
上述した局部的金属電極４の形成の後、同様な方法を繰
り返すことで実施される。仕事関数が複数設けられてい
ることにより、一つの駆動電圧で一つの画素に複数の注
入領域が形成される、すなわち、一つの画素に複数の輝
度を得ることができるようになり、階調を滑らかなもの
にする。

【００１９】図７は本発明の第３の実施の形態を示す断
面図で、第２の実施の形態と異なるところは、第２の実
施の形態では局部的金属電極４と追加金属電極１１は一
部が重なり合うように設けていたのを、この実施の形態
では局部的金属電極４と追加金属電極１１を並列に設け
た点である。それ以外は第２の実施の形態と同じであ
る。

【００２０】

【発明の効果】本発明による第１の効果は、発光が発光
素子の中央部で行われるようになり、発光素子間の分離
特性（クロストーク）が改善されて高品質な図柄の表示
が出来ることである。

【００２１】第２の効果は、発光効率が改善されること
である。その理由は、第１の効果に関連するが、電極か
らのキャリアの注入が発光素子内部の、すなわち発光に
寄与する領域に集中して行われるために、無駄な方向へ
のキャリア注入がなくなるからである。

【００２２】第３の効果は、製造コストが安価である。
その理由は、本発明は、通常のシヤドーマスク法の蒸着
にマスクを１枚追加することで実施できるからである。
それは、蒸着工程の作業シーケンスを変更するのみで可
能で、フォトリソグラフィーなどの高額な設備および高
価な工程を実施に際して必要としない。

【００２３】第４の効果は、発光輝度の階調がより細や
かなものが得られることである。その理由は、ひとつの
駆動電圧で二つの階調が表現でき、その分、より細やか
な階調を表現することができるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態を
示す平面図とＡ−Ａ′線断面図である。

【図２】図１で示した本発明の有機薄膜電界発光素子を
画素としてＮ行×Ｍ列に構成したディスプレイパネルの
一部を示した平面図である。

【図３】本発明の作用と効果を説明するためのエネルギ
ーダイヤグラムである。

【図４】本発明により、クロストークが改善される理由
を説明する断面図である。

【図５】本発明の有機薄膜電界発光素子を製造するとき
の局部的金属電極および金属電極をシャドウマスク方法
で製造する方法を示す説明図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図８】（ａ），（ｂ）はキャリア注入を発光素子内部
にコントロールする従来の技術を示す平面図および断面
図である。

【図９】（ａ），（ｂ）は従来の他の技術を示す平面図
および断面図である。

【図１０】金属電極を二種類の材料で形成する従来の技
術を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ 透明電極 ３ 有機薄膜 ４ 局部的金属電極 ５ 金属電極 ６ 上部マスク ７ 下部マスク ８ 蒸着ヒータ ９ 蒸着ソース １０ 蒸着蒸気流 １１ 追加金属電極 １２ 絶縁膜 １３ 下地金属電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機薄膜の一方に透明電極を形成し、他
   方に二層の金属電極を形成してあり、両電極からそれぞ
   れキャリアを注入して発光させる電界発光素子におい
   て、前記二層の金属電極の下側に設けられる電極は、仕
   事関数が上側の金属電極よりも小さい材料で形成され、
   かつ上側の電極で覆われるように形成されていることを
   特徴とする有機薄膜電界発光素子。
2. 【請求項２】 透明基板主表面に透明電極を形成した
   後、有機薄膜を形成し、続いて二層の金属電極のシャド
   ーマスク法によって形成する有機薄膜電界発光素子の製
   造方法において、上側金属電極用と下側金属電極用の二
   枚のパターンマスクを使用し、予め二枚のパターンマス
   クを重ねてセットしておき、最初に下側の金属電極を形
   成した後、真空を破ることなく、下側金属電極用マスク
   を取り除き、引き続いて残りのパターンマスクを用いて
   上側金属電極を形成することを特徴とする有機薄膜電界
   発光素子の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の有機薄膜電界発光素子に
   おいて、下側の金属電極を、二種類もしくはそれ以上の
   種類の仕事関数の電極を配置して形成したことを特徴と
   する有機薄膜電界発光素子。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項３に記載の有機薄
   膜発光素子を使用した表示パネル。