JPH11162646A - 有機エレクトロルミネッセント素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期間にわたり均一な発光が維持でき、かつ
発光効率のよい有機ＥＬ素子を提供する。 【解決手段】 発光層を含む一層以上の有機層４および
５よりなる有機ＥＬ素子において、正孔注入電極２およ
び電子注入電極７と有機層の間にそれぞれ、例えばＭｇ
Ｆ₂からなる誘電体薄膜層３および６を設置することに
より、熱による有機層の変質に伴うダークスポットの発
生や成長を抑制すると共に、両電極間のショートを抑制
する。 【効果】 連続発光させた場合にも輝度が低下するとい
うことが少なく、長期にわたって安定した発光が行なえ
る有機ＥＬ素子となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正孔注入電極と電
子注入電極との間に少なくとも発光層を含む有機層を挟
持してなる有機エレクトロルミネッセント素子に関し、
発光効率がよく、かつ長期間安定な発光が得られる有機
エレクトロルミネッセント素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報機器の多様化などにともなっ
て、小型で消費電カや占有体積の少ない平面表示素子へ
の要求が高まっているが、軽量・小型でかつ、バックラ
イトを必要としない発光素子であるエレクトロルミネッ
セント素子（以下、ＥＬ素子と略す）がこのような平面
表示素子の一つとして注目されている。ＥＬ素子には、
有機ＥＬ素子と無機ＥＬ素子がある。このうちの有機Ｅ
Ｌ素子の特徴は、無機ＥＬ素子と違って、５〜２０Ｖ程
度の低い電圧で駆動でき、かつ、発光材料である螢光物
質を選択することによって目的とする色彩の発光素子を
得ることができることである。また、ＲＧＢ三原色の発
光領域を秩序正しく配置することによりフルカラー表示
装置への利用が可能であると考えられている。このよう
な期待のもとに有機ＥＬ素子の実用化を目指した研究が
盛んに行なわれている。

【０００３】上記の有機ＥＬ素子の素子構造としては、
正孔注入電極と電子注入電極との間に、正孔輸送層、発
光層および電子輸送層を積層したＴＬ構造と称される三
層構造のものや、正孔注入電極と電子注入電極との間
に、正孔輸送層と電子輸送性に富む発光層とが積層され
たＤＬ−Ｅ構造と称される二層構造のものや、正孔注入
電極と電子注入電極との間に正孔輸送性に富む発光層と
電子輸送層とが積層されたＤＬ−Ｈ構造と称される二層
構造のものが知られている。ここで、正孔輸送層や電子
輸送層は２層以上積層しても差し支えない。

【０００４】このような有機ＥＬ素子は、上記のように
低電圧で駆動でき、しかも多色化が容易であるという利
点を有しているが、長期間連続発光させると輝度が低下
するという、いわゆる素子寿命が短いという問題があ
る。この問題を解決するために、材料面から、および素
子構造面からのアプローチなど様々な角度からの検討が
なされている。しかしまだ実用化には十分であるとは言
い難い。

【０００５】この素子寿命が短い原因の一つとして、発
光時に発生するジュール熱がある。このジュール熱によ
り電極材料の有機層へのマイグレーションや、発光層な
どの有機層の結晶化などが起こり、いわゆるダークスポ
ットといわれる発光しない場所が生じ、発光領域全体の
発光輝度が低下する。このようなダークスポットの発生
や成長を抑制するためには、 発光層内で正孔と電子の再結合確率の向上や再結合に
より生じたエネルギーを効率よく光に変換すること、す
なわち有機ＥＬ素子の高効率化が要求される。 有機層の耐熱性を向上し、熱による薄膜の構造変化を
抑制する。 発生する熱を効率よく拡散することにより、素子の温
度上昇を抑制する。 有機層の膜質が変化しても、ショートしないようにす
る。 ことなどが考えられる。

【０００６】素子構造の改善により高効率化できる新し
い方法がアプライド・フィジックス・レター 70巻 152-
154頁 (1997年)に提案されている。その方法とは電子注
入電極と有機層との間にＬｉＦやＭｇＯの薄膜を設置す
ることにより、高効率化をはかるものである。この方法
は素子の高効率化の他に、電子注入電極に高活性な仕事
関数が４ｅＶ以下の金属が使われ、慣用的にはＭｇとＡ
ｇの共蒸着膜が使用されおり、素子外部から侵入する酸
素や水のために変質しやすいという欠点がある。また、
この方法では安定性の高い仕事関数の大きい金属である
Ａｌを使用しても、ＭｇとＡｇを共蒸着して作成した素
子よりも効率がよい。しかし、上記誘電体薄膜は、有機
層の上に積層されたものであり、有機層の熱による膜構
造変化の影響をもろに受け、電子注入電極も容易に変形
してしまい、正孔注入電極と電子注入電極とのショート
を抑制することはできないという問題点を有している。

【０００７】この電極間のショートを防ぐ方法が、特開
平８−２８８０６９号公報に開示されている。その方法
は正孔注入電極と有機層の間に誘電体薄膜を設置する方
法である。これは熱により有機層が変質して、電子注入
電極が変形しても正孔注入電極とショートしないように
誘電体薄膜を設置したもので、発光寿命には顕著な効果
が認められる。しかし、実施例に示されている５ｎｍの
ＳｉＯ薄膜を設置すると、一定電流を流したときの発光
輝度が誘電体薄膜を設置しない素子の発光輝度より著し
く低下しており、実施例に記載はないが動作電圧はかな
り上昇していることが想定され、実用的ではないという
問題点を有していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、有機ＥＬ素
子における上記のような間題を解決することを課題とす
るものであり、正孔注入電極と電子注入電極からなる一
対の電極間に少なくとも発光層を含む一層以上の有機層
からなる有機エレクトロルミネッセント素子において、
長時間連続発光させた場合にもその輝度低下が少なく、
かつ高効率の発光が得られる有機ＥＬ素子を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、上記
のような課題を解決するため、正孔注入電極と電子注入
電極との間に少なくとも発光層を含む有機層が形成され
てなる有機エレクトロルミネッセント素子において、正
孔注入電極と有機層との間、および電子注入電極と有機
層の間に、それぞれ誘電体薄膜層を設けるようにしたの
である。すなわち、正孔注入電極上に誘電体薄膜層を蒸
着法やスパッタ法により積層したのち、有機層を積層す
る。次いで、誘電体薄膜層を積層し、電子注入電極を積
層する。驚くべき事には、このような誘電体薄膜を設置
したにもかかわらす、素子の動作電圧は低く、また発光
効率も予想外によい。

【００１０】本発明の有機ＥＬ素子における有機層の構
造は、少なくとも発光層を含む有機層が一層以上で形成
されていればよく、前記のＴＬ構造、ＤＬ−Ｅ構造、Ｄ
Ｌ―Ｈ構造の何れの構造のものであっても良い。本発明
の有機ＥＬ素子における有機層とは、正孔輸送、発光、
電子輸送などの目的を持って積層された有機化合物から
なる層の全体を指すものである。

【００１１】本発明の有機ＥＬ素子に用いられる正孔注
入電極としては、仕事関数の大きい（４ｅＶ以上）金
属、合金、電気伝導性化合物およびこれらの混合物を使
用することができる。たとえば、Ａｕなどの金属、Ｃｕ
Ｉ、インジウムチンオキサイド（以後、ＩＴＯと略記す
る）、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの透明又は半透明な材料を
蒸着やスパッタリングなどの方法により、薄膜を透明な
基板上に形成することができる。一方、通常電子注入電
極には仕事関数の小さい（４ｅＶ以下）金属、合金、電
気伝導性化合物およびこれらの混合物が用いられる。し
かし、本発明の有機ＥＬ素子に用いられる電子注入電極
には、仕事関数に関係なく導電性材料であれば、いかな
るものでも使用できる。

【００１２】本発明の有機ＥＬ素子に用いられる誘電体
薄膜層を構成する材料としては、導電体以外ならば、特
に制限なく使用できる。例えば、アルキル金属酸化物、
アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属ハロゲン化物、
アルカリ土類金属ハロゲン化物などである。アルキル金
属酸化物としてはＬｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏなどが挙げ
られる。アルカリ土類金属酸化物としては、ＢｅＯ、Ｍ
ｇＯ、ＣａＯなどが挙げられる。アルカリ金属ハロゲン
化物としては、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＦ、
ＮａＦ、ＫＦなどが挙げられる。アルカリ土類金属ハロ
ゲン化物としては、ＢｅＣｌ₂、ＭｇＣｌ₂、ＣａＣ
ｌ₂、ＢｅＦ₂、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂などが挙げられる。こ
のうち、誘電体薄膜層を構成する材料として好ましいの
は、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦなどのアルキル金属フっ化
物、もしくはＢｅＦ₂、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂などのアルカ
リ土類金属フッ化物である。

【００１３】本発明の有機ＥＬ素子に用いられる誘電体
薄膜層を、正孔注入電極と発光層との間に設けるにあた
っては、有機ＥＬ素子の駆動電圧の上昇を抑えるため
に、この誘電体薄膜層の膜厚を薄く、しかも均一に形成
することが好ましい。電子注入電極側と正孔注入電極側
の誘電体薄膜層の厚さは同じであっても、異なっていて
も差し支えない。しかしながら、正孔注入電極側の誘電
体薄膜層はショート防止が目的であるため厚い方が好ま
しいが、５０ｎｍ以上の膜厚では絶縁層となって有機Ｅ
Ｌ素子が発光しなくなるか、動作電圧が著しく上昇し実
用的でない。誘電体薄膜層の厚さは好ましくは２０ｎｍ
以下であり、さらに好ましくは５ｎｍ以下である。さら
に、この正孔注入電極側の誘電体薄膜層の厚さは、用い
られる材料の分子の大きさ以上であるのが好ましい。

【００１４】上記の無機材料からなる誘電体薄膜層を設
ける場合には、たとえば抵抗加熱蒸着法やエレクトロン
ビーム蒸着法やスパッタ法などの通常行われている方法
を用いることができる。スパッタ法などの高エネルギー
法で誘電体薄膜層を有機層の上に形成するときには、下
地となる有機層が熱により劣化するため、そのようなこ
とが起こらないように十分な管理下のもとで行なわなけ
ればならないので、抵抗蒸着法で誘電体薄膜を形成する
のが好ましい。また、電子注入電極側の誘電体薄膜層の
厚さの動作電圧の上昇が及ぼす影響は、上記正孔注入電
極側の誘電体薄膜層の厚さ依存性に比較して激しいため
に、電子注入電極側の誘電体薄膜層は薄い方がよく、好
ましくは１０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２ｎｍ
以下である。さらに、電子注入電極側の誘電体薄膜層の
厚さは、用いられる材料の分子の大きさ以上であるのが
好ましい。

【００１５】

【作用】本発明の有機ＥＬ素子においては、有機層上に
誘電体薄膜層を設け、更にその上に電極を設けたため、
有機ＥＬ素子の動作電圧を低下することができるととも
に、従来必要とされていた低仕事関数の金属に限定され
ることなく、アルミニウムなどの仕事関数が４ｅＶ以上
の電極も使用できる。また誘電体薄膜層を有機層の両側
に設置することにより、両電極のショートやリーク電流
の発生を抑制することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る有機ＥＬ素子を
添付図面に基づいて具体的に説明すると共に、比較例を
挙げ、この実施例の有機ＥＬ素子の有用性を明らかにす
る。

【００１７】［実施例１］この実施例の有機ＥＬ素子
は、図１に示すように、ガラス基板１上に、膜厚が２０
００ｎｍの透明なＩＴＯで構成された正孔注入電極２
と、ＬｉＦで構成された膜厚が１ｎｍの誘電体薄膜層３
と、膜厚が５０ｎｍのN,N'-ジフェニル-N,N'-ビス(3-メ
チルフェニル)-1,1'-ビフェニル-4,4'-ジアミン（以
下、ＴＰＤと略す）で構成される正孔輸送層４と、トリ
ス(8-キノリノール)アルミニウム（以下、Ａｌｑと略
す）で構成された膜厚が５０ｎｍの発光層兼電子輸送層
５と、ＬｉＦで構成された膜厚が０．５ｎｍの誘電体薄
膜層６とアルミニウムで構成された電子注入電極７とが
順々に積層された構造である。また、この実施例の有機
ＥＬ素子においては、上記の正孔注入電極２と電子注入
電極７とにそれぞれリード線８を接続させて電圧を印加
できるようにしている。

【００１８】次に、この実施例の有機ＥＬ素子を製造す
る方法を具体的に説明する。まず、ガラス基板１上に所
望のパターン付けを行った正孔注入電極２が形成された
透明電極基板を中性洗剤によリ洗浄した後、これを純水
中で１０分間、イソプロパノール中で１０分間それぞれ
超音波洗浄を行なったのち、イソプロパノールで蒸気乾
燥した。そして、上記の透明電極基板を蒸着装置の基板
ホルダー固定し、別個の石英製るつぼにＴＰＤとＡｌｑ
を入れ、モリブデンボートにＬｉＦを入れて真空槽内を
１×１０^-4Ｐａまで減圧した。モリブデンボートを加熱
し、正孔注入電極２上にＬｉＦからなる誘電体薄膜層３
を形成した。蒸着速度は０．００５ｎｍ／秒であった。
その後、順次石英るつぼを加熱して、ＴＰＤ次いでＡｌ
ｑを、それぞれ５０ｎｍの厚さに積層し、正孔輸送層４
および電子輸送層５を形成した。蒸着速度は０．２〜
０．４ｎｍ／秒であった。ついで、ＬｉＦを上記と同じ
速度で０．５ｎｍ積層し、誘電体薄膜６を形成した。つ
いで、蒸着槽内を常圧に戻し、蒸着用マスクを基板ホル
ダーに固定し、タングステンボートにＡｌを入れて、真
空槽内を２×１０^-4Ｐａまで減圧してから、１〜２ｎｍ
／秒の速度で２００ｎｍ蒸着して、電子注入電極７とし
た。

【００１９】実施例２〜５においては、上記実施例１の
有機ＥＬ素子における誘電体薄膜層３および６の材質お
よび膜厚を変更した。 ［実施例２］誘電体薄膜層３および６を厚さ１ｎｍのＬ
ｉＦとした以外は、実施例１と同様な方法により有機Ｅ
Ｌ素子を作製した。 ［実施例３］誘電体薄膜層３および６をＭｇＦ₂とした
以外は、実施例１と同様な方法により有機ＥＬ素子を作
製した。

【００２０】［実施例４］誘電体薄膜層３をＭｇＦ₂、
誘電体薄膜層６をＬｉＦとした以外は、実施例１と同様
な方法により有機ＥＬ素子を作製した。 ［実施例５］誘電体薄膜層３をＬｉＦ、誘電体薄膜層６
をＭｇＦ₂とした以外は、実施例１と同様な方法により
有機ＥＬ素子を作製した。

【００２１】［実施例６］実施例３と同様に誘電体層３
および６をＭｇＦ₂とし、電子注入電極にはＭｇ・Ａｇ
共蒸着膜を用いた以外は実施例３と同様な方法により有
機ＥＬ素子を作製した。Ｍｇ・Ａｇ共蒸着膜は次に示す
方法で形成した。グラファイト製のるつぼから、マグネ
シウムを１．２〜２．４ｎｍ／秒の蒸着速度で、同時に
もう一方のるつぼから銀を０．１〜０．２ｎｍ／秒の蒸
着速度で蒸着した。

【００２２】［比較例１］図２に示すように、実施例１
の有機ＥＬ素子における誘電体薄膜層３および６を設け
ないで、それ以外は実施例１の場合と同様にして、ガラ
ス基板１上に正孔注入電極２と、正孔輸送層４と、電子
輸送層５と、電子注入電極６とを順々に積層した。

【００２３】［比較例２］誘電体層３を膜厚０．２ｎｍ
のＳｉＯとして、誘電体層６を設けない以外は、実施例
６と同様な方法により有機ＥＬ素子を作製した。 ［比較例３］誘電体層３を膜厚２ｎｍのＳｉＯとして、
誘電体層６を設けない以外は、実施例６と同様な方法に
より有機ＥＬ素子を作製した。

【００２４】上記実施例１〜６及ぴ比較例１〜３の各有
機ＥＬ素子に、ＩＴＯ電極を正孔注入電極に、電子注入
電極を電子注入電極として、１００ｃｄ／ｍ²の輝度が
得られる電圧とそのときの発光効率を測定した。つい
で、それぞれ乾燥空気中で１０ｍＡ／ｃｍ²の一定電流
によリ連続発光させ、各有機ＥＬ素子の発光開始時から
輝度の半減するまでの時間を測定した。これらの結果を
下記の第１表に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】上記の結果から明らかなように、上記実施
例１〜５に示すように正孔注入電極２と正孔輸送層４お
よび発光層兼電子輸送層５と電子注入輸送層７との間に
アルカリ金属フッ化物およびアルカリ土類金属フッ化物
からなる誘電体薄膜層３および６を設けた有機ＥＬ素子
は、誘電体薄膜層３および６を設けていない比較例１の
有機ＥＬ素子に比べて、１００ｃｄ／ｍ²の発光輝度が
得られる電圧は低く、またそのときの発光効率も予想以
上によいことがわかる。また、実施例６に示すように、
有機ＥＬ素子の特性におよぼす電子注入電極の材質の影
響は小さい。ＳｉＯを誘電体層３に用いると、動作電圧
の上昇が激しく実用的でない。上記の各実施例において
は、ＤＬ−Ｅ構造の有機ＥＬ素子の例を示しただけであ
るが、ＤＬ−Ｈ構造やＴＬ構造で構成される有機ＥＬ素
子においても同様の結果が得られる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明における
有機ＥＬ素子においては、誘電体薄膜層を両電極と発光
層などからなる有機層との間にそれぞれ設けたため、こ
の誘電体薄膜層によって低電圧で発光し、発光効率もよ
く、しかもリーク電流の発生が抑制され、連続発光させ
た場合にも輝度が低下するということが少なく、長期に
わたって安定した発光が行なえるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１〜６における有機ＥＬ素子
の状態を示した概略図である。

【図２】比較例１における有機ＥＬ素子の状態を示した
概略図である。

【符号の説明】

１ガラス基板 ２正孔注入電極 ３誘電体薄膜層 ４正孔輸送層 ５発光層兼電子輸送層 ６誘電体薄膜層 ７電子注入電極 ８リード線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正孔注入電極と電子注入電極からなる
   一対の電極間に、発光層を含む一層以上の有機層を備え
   る有機エレクトロルミネッセント素子において、該両電
   極と該有機層との間に、それぞれ誘電体薄膜層を設ける
   ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセント素子。
2. 【請求項２】 誘電体薄膜層を構成する材料が、アル
   カリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金
   属ハロゲン化物もしくはアルカリ土類金属ハロゲン化物
   である請求項１記載の有機エレクトロルミネッセント素
   子。
3. 【請求項３】 誘電体薄膜層を構成する材料が、アル
   キル金属フっ化物もしくはアルカリ土類金属フッ化物で
   ある請求項１記載の有機エレクトロルミネッセント素
   子。