WO2014069557A1

WO2014069557A1 - 有機ｅｌ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置

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Publication number: WO2014069557A1
Application number: PCT/JP2013/079506
Authority: WO
Inventors: 祐介山▲崎▼; 祥貴下平
Original assignee: 昭和電工株式会社
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-05-08

Abstract

この有機ＥＬ素子は、基板上に、第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極とを順に具備し、第１電極側から外部に光を取り出すように構成された有機ＥＬ素子であって、さらに、第２電極の、前記有機層の反対側に、低屈折率層と金属層とを順に具備し、第２電極は、透明導電材料からなり、低屈折率層の屈折率は、有機層の屈折率よりも低く、前記第１電極は、複数の第１電極孔部を備え、有機層は、第１電極孔部の内側面を被覆する第１電極孔部内側面被覆部と、第１電極及び第１電極孔部内側面被覆部と第２電極との間に配置する層状部とを有するものであることを特徴とする。

Description

有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置

　本発明は、有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置に関するものである。
　本願は、２０１２年１０月３１日に、日本に出願された特願２０１２－２４１３３６号と、２０１３年５月１５日に、日本に出願された特願２０１３－１０３４５５号とに基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　有機ＥＬ素子は、広視野角、高速応答、鮮明な自発光表示等の特徴を有し、また、薄型軽量で低消費電力であること等の理由から、次世代の照明装置や画像表示装置等の柱として期待されている。
　有機ＥＬ素子は、有機発光層で発生した光が取り出される向きに応じて、支持基板側から光が取り出されるボトムエミッション型と、支持基板の反対側から光が取り出されるトップエミッション型とに分けられる。

　例えば、ボトムエミッション型を例とすると、有機ＥＬ素子において、発光層で発光した光のうち、透明基板に垂直に入射した光は透明基板を透過して素子の外部に取り出される。発光層で発光した光のうち、透明基板（例えば、ガラス（代表的な屈折率：１．５２））と空気（屈折率：１．０）との界面に臨界角以下の小さい入射角（入射光線と入射する界面の法線がなす角度）で入射した光は、その界面で屈折して素子の外部に取り出される。本明細書では、これらの光を外部モード（External Mode）光という。
　これに対して、発光層で発光した光のうち、透明基板と空気との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光はその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を基板モード（Substrate Mode）光といい、これによる損失を基板損失という。
　また、発光層で発光した光のうち、透明導電性酸化物からなる透明電極（例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ（代表的な屈折率：１．８２））と透明基板（例えば、ガラス（代表的な屈折率：１．５２））との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光もその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を導波モード（Waveguide Mode）光といい、これによる損失を導波損失という。
　また、発光層で発光した光のうち、金属電極に入射して金属電極の自由電子と結合し、表面プラズモンポラリトン（SPP；Surface Plasmon Polariton）として金属電極の表面に捕捉された光も素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光をSPPモード光といい、これによる損失をプラズモン損失という。

　有機EL素子の光取り出し効率（発光層で発光した光に対して素子の外部に取り出される光の割合）は一般に２０％程度に留まっている（例えば、特許文献１）。すなわち、発光層で発光した光のうち、約８０％が損失となっており、これらの損失を低減して光の取り出し効率を向上させることが大きな課題となっている。
　ここで、基板モード光の取り出しについては透明基板上に光拡散シートなどを設けることで対処できる（例えば、特許文献２）。しかし、導波モード光及びSPPモード光の低減や取り出し、特にSPPモード光の低減や取り出しについては研究が緒に就いたばかりといえる。

　導波モード光は、光が高屈折率材料から低屈折率材料に入射する際に全反射が起きることにより生じるので、導波モード光を低減するには全反射を起きにくくする、あるいは、全反射を生じる光の割合を低減することによって導波モード光を低減する方策が知られている。
　特許文献３には、有機発光層の近傍に有機発光層や透明電極よりも屈折率の高い高屈折率層を挿入する構成が開示されている。また、特許文献２には、有機発光層及び透明電極に有機発光層及び透明電極よりも低屈折率の微粒子を分散させることで、等価的に有機発光層及び透明電極の屈折率を下げる構成が開示されている。

また、特許文献４及び特許文献５には、基板上に順に形成された透明電極層及び誘電体層にキャビティを有する構成が開示されている。
このキャビティの側面（基板に対して垂直に延びる界面）に入射する光は、この界面において基板側に屈折する。基板側に屈折した光は、透明電極と基板の界面、及び基板と空気の界面で全反射を生じる光の割合を低減することができる。

　一方、金属電極の表面に捕捉されたSPPモード光を取り出す方法として、金属電極の表面に周期的な凹凸構造を形成する構成が知られている（特許文献６～９）。

特開２００８－２１０７１７号公報特開２０１１－２４３６２５号公報特開２０１１－２３３２８８号公報特表２００３－５２２３７１号公報特開２０１１－８２１９２号公報特開２００６－３１３６６７号公報特開２００９－１５８４７８号公報特表２００５－５３５１２１号公報特開２００４－３１３５０号公報

Ａ．Ｏｔｔｏ，Ｚ．Ｐｈｙｓｉｋ　２１６，３９８（１９６８）

　しかしながら、SPPモード光を伝播光として取り出しても、その光が導波モード光となって素子の外部に取り出すことができなければ、光取り出し効率を向上させることができない。

　本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、SPPモード光及び導波モード光を効果的に取り出して光取り出し効率が向上した有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供することを目的とする。

　本発明者らは、まず、SPPモード光を伝播光として取り出し、その次に、その伝播光を導波モード光とせずに素子の外部に取り出すという２ステップの光取り出し機構を想定して多数の構造の中から、光取り出し効率を向上させる有効な構造を鋭意検討した。
　光取り出し効率を直接計測することは困難であるため、主にシミュレーションに基づいて検討を行った。

　２ステップの光取り出し機構は、SPPモード光を生成し、生成されたSPPモード光を伝播光として取り出すOtto型配置（非特許文献１）の第２電極側構造と、その伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第１電極側構造とからなる。

　本発明者らは、シミュレーションにより、Otto型配置の第２電極側構造と、透明基板に対して垂直な界面を備えた第１電極側構造とを組み合わせることにより、かかる第２電極側構造及び第１電極側構造の単独の光取り出し効率の向上効果からは予測できないほどの顕著な効果を奏することを見い出し、本発明を完成させた。

　上記課題を解決するため、概要を説明した本発明は以下の構成を採用する。
（１）　第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、さらに、前記第２電極の、前記有機層の反対側の面に、厚さ２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の低屈折率層と金属層とを順に具備し、前記第２電極は、透光性導電材料からなり、前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、前記第１電極は、複数の第１電極孔部を備え、前記有機層は、前記第１電極孔部の内側面を被覆する第１電極孔部内側面被覆部と、前記第１電極又は前記第１電極孔部内側面被覆部と前記第２電極との間に配置する層状部とを有するものである、ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（２）　第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、さらに、前記第２電極の、前記有機層の反対側の面に、厚さ２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の低屈折率層と、金属層とを順に具備し、前記第２電極は、透光性導電材料からなり、前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、前記第１電極は、複数の互いに連結された第１電極凸部を備え、前記有機層は、前記第１電極凸部の外側面を被覆する第１電極凸部側面被覆部と、前記第１電極又は前記第１電極凸部側面被覆部と前記第２電極との間に配置する層状部とを有するものである、ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（３）　前記低屈折率層の屈折率はさらに、前記第２電極の屈折率よりも低いことを特徴とする上記（１）又は（２）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（４）　前記第２電極の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低いことを特徴とする上記（３）に記載の有機ＥＬ素子。
（５）　前記低屈折率層は、前記第２電極及び前記有機層のうちの少なくとも一方よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなることを特徴とする上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（６）　前記第１電極孔部、または前記第１電極凸部が基板面内の少なくとも一方向に配列される周期が５００～２０００ｎｍであることを特徴とする（１）～（５）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（７）　前記金属層（誘電率の実部ε_１）、前記低屈折率層（誘電率ε_ｌｏｗ）、及び、前記第１電極孔部、または前記第１電極凸部の少なくとも一方向の周期（ｐ）が、ある整数Ｎ（１≦N≦３）に対して以下の式を満たすように選択されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子；

ここで、λは前記発光層のフォトルミネッセンス・スペクトルの最大ピーク波長である。
（８）　前記周期が、５００ｎｍ～８０００ｎｍであることを特徴とする（７）に記載の有機ＥＬ素子。
（９）　上記（１）～（８）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
（１０）　上記（１）～（８）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする照明装置。

　本発明によれば、SPPモード光及び導波モード光を効果的に取り出して光取り出し効率が向上した有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る有機ＥＬ素子の一例を説明するための断面模式図であり、（ａ）は陽極の屈折率が有機層の屈折率より高い有機ＥＬ素子であり、（ｂ）は陽極の屈折率が有機層の屈折率より低い有機ＥＬ素子である。本発明の第２実施形態に係る有機ＥＬ素子の一例を説明するための断面模式図である。本発明の有機ＥＬ素子の一例を説明するための斜視図であり、（ａ）は第１実施形態の斜視図、（ｂ）は第２実施形態の斜視図である。なお、発明の特徴を分かりやすくするため、Otto型配置構造の部分を離して図示した。 Otto型配置を有する第２電極側構造を備えた有機EL素子の断面模式図である。透過型回折格子を備えた第１電極側構造を備えた有機ＥＬ素子の第１電極側構造を含む一部の断面模式図である。本発明の第１実施形態に係る有機ＥＬ素子における（ａ）回折の効果を説明するための断面模式図、（ｂ）フォトニック結晶の効果を説明するための断面模式図である。本発明の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置の一例を説明するための断面模式図である。本発明の有機ＥＬ素子を備えた照明装置の一例を説明するための断面模式図である。本発明の実施形態に係るボトムエミッション型の有機ＥＬ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の実施形態に係るトップエミッション型の有機ＥＬ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の実施形態の有機ＥＬ素子の光取り出し効率について、周期（ピッチ）依存性をランダムなダイポールを用いて調べた、コンピュータシミュレーションの結果を示す図である。図１１のシミュレーションを行った構造を説明するための断面模式図である。ＦＤＴＤ法シュミュレーションで得られた、水平方向のダイポールからの放射光の電場の強度分布を示した図であり、（a）はOtto型配置の第２電極構造を有し、伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第１電極側構造を有さない構造の場合、（ｂ）はOtto型配置の第２電極構造を有し、第１電極間周期（ピッチ）が５００nmの場合、（ｃ）はOtto型配置の第２電極構造を有し、第１電極間周期（ピッチ）が９００nmの場合である。ＦＤＴＤ法シュミュレーションで得られた、垂直方向のダイポールからの放射光の磁場の強度分布を示した図であり、（a）はOtto型配置の第２電極構造を有し、伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第１電極側構造を有さない構造の場合、（ｂ）はOtto型配置の第２電極構造を有し、第１電極間周期（ピッチ）が５００nmの場合、（ｃ）はOtto型配置の第２電極構造を有し、第１電極間周期（ピッチ）が９００nmの場合である。ＦＤＴＤ法シュミュレーションで得られた、水平方向のダイポールからの放射光の電場の強度分布の第１電極孔部間周期（ピッチ）依存性を示した図であり、周期（ピッチ）が（ａ）は２００ｎｍ、（ｂ）は３００ｎｍ、（ｃ）は５００ｎｍ、（ｄ）は９００ｎｍ、（ｅ）は２０００ｎｍ、（ｆ）は４０００ｎｍである。ＦＤＴＤ法シュミュレーションで得られた、垂直方向のダイポールからの放射光の磁場の強度分布の第１電極孔部間周期（ピッチ）依存性を示した図であり、周期（ピッチ）が（ａ）は２００ｎｍ、（ｂ）は３００ｎｍ、（ｃ）は５００ｎｍ、（ｄ）は９００ｎｍ、（ｅ）は２０００ｎｍ、（ｆ）は４０００ｎｍである。

　以下、本発明を適用した有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
　本発明の有機ＥＬ素子は、いわゆるボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも、いずれを適用してもよい。
　本発明において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極であるが、以下では、第１電極を陽極、第２電極を陰極とする構成を例に挙げて説明する。
　また、本発明の有機ＥＬ素子は本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層を備えてもよい。

（有機ＥＬ素子）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る有機ＥＬ素子の一例を説明するための断面模式図である。
　図１（ａ）、（ｂ）に示す有機ＥＬ素子１０は、陽極（第１電極）２と、発光層を含む有機層３と、陰極（第２電極）４とを順に具備する有機ＥＬ素子１０である。ここで、陰極４の、有機層３の反対側に、低屈折率層５と金属層６とを順に具備する。また、陰極４は、透明導電材料からなり、低屈折率層５の屈折率は、有機層３の屈折率よりも低い。ここで、陽極２は透明導電材料からなる。図１（ａ）は陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より高い有機ＥＬ素子を示す。図１（ｂ）は陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より低い有機ＥＬ素子を示す。陽極２は、複数の陽極孔部２Ａ（図９（ｅ）参照）を備える。
陽極孔部２Ａは、陽極を完全に貫通する孔でもよいし、完全に貫通しない非貫通の孔でもよい。
　有機層３は、陽極孔部２Ａの内側面２ａを被覆する陽極孔部内側面被覆部３ａと、陽極２又は陽極孔部内側面被覆部３ａと陰極４との間に配置する層状部３ｂとを有する。
　図１において、基板1が陽極２側に配置されている場合がボトムエミッション構造である。基板１が金属層６側に配置されている場合が、トップエミッション構造である。以下、基板１が陽極２側に存在する、ボトムエミッション構造を例に説明する。
　なお、有機層３より低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層５には、空気層を含んでもよい。
　また、陽極孔部内側面被覆部３ａは、有機層３を構成する層のうちの一部によって構成されていてもよい。
　上記のように陰極４側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層３の屈折率とは、発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
　隣接する陽極孔部２Ａが配置される周期（ピッチ）が発光光の実効波長以上の場合には、陽極孔部２Ａの形状はその内側面で光を基板側へ屈折させる効果を奏するものであれば特に限定はされない。図１（ａ）のように陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より高い場合は、導波モード光を基板面に対してより垂直に屈折させる観点からは、基板１側に向かって先細りになるテーパ形状が好ましい。一方、図１（ｂ）のように陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より低い場合は、陽極孔部２Ａの形状は陰極４側に向かって先細りになるテーパ形状が好ましい。また、SPPモード光から有機層３に斜めに放射された光を、屈折させることなくまっすぐ基板まで取り出す観点からは、陽極２と有機層３の屈折率の大小関係に関わらず、陽極孔部２Aの形状は、基板１側に向かって先細りになるテーパ形状が好ましい。図１（ａ）、（ｂ）で示した例では、陽極孔部２Ａの内側面は基板面に対して垂直に配置する構成であるが、かかる構成である必要はない。
　上記テーパ形状について、より具体的には、陽極孔部２Ａの内側面２ａが基板面となす角度のうち、鋭角である方の角度は４５°以上が好ましく、６０°以上がより好ましく、７５°以上がより一層好ましい。陽極孔部の内側面２ａをこのような角度とすることにより、SPPモード光から再放射された伝播光と発光位置から陽極側へ向かう導波モード光が陽極孔部２Ａの内側面２ａに高屈折率側から入射して基板側に屈折し、基板の外表面から外部へ取り出される。
　一方で、隣接する陽極孔部２Ａが配置される周期（ピッチ）が発光光の実効波長と同等以下の場合には、陽極孔部２Ａの形状は回折の効果やフォトニック結晶による効果を奏するものであれば特に限定はされない。発光した光をより基板側に取り出す観点からは、内側面被覆部３ａの屈折率と陽極２の屈折率の大小関係によらず、陽極孔部２Ａの内側面２ａは基板面に対して垂直に近いことが好ましい。
　これは陽極孔部２Ａの内側面２ａが基板面に対して垂直であることによって、フォトニックバンドギャップが最も大きくなるためである。フォトニックバンドギャップが大きくなると、基板に平行な方向に光がより存在することができなくなるため、より効率的に有機層３で発光した光を基板の外表面から外部へ取り出すことができる。
　以上、ボトムエミッション構造を例に説明したが、これらのことはトップエミッション構造についても同様である。

　図２は、本発明の第２の実施形態に係る有機ＥＬ素子の一例を説明するための断面模式図である。第１実施形態では、平面視で陽極の層内に島状の有機層（内側面被覆部３ａ）が散在する構成であるのに対して、第２実施形態では、平面視で有機層の層内に島状の陽極（陽極凸部１２Ａ）が互いに連結されて散在する構成である。
　図２に示す有機ＥＬ素子２０は、陽極（第１電極）１２と、発光層を含む有機層１３と、陰極（第２電極）１４とを順に具備する有機ＥＬ素子２０である。ここで、陰極１４の有機層１３の反対側に、低屈折率層１５と金属層１６とを順に具備する。また、陰極１４は透明導電材料からなり、低屈折率層１５の屈折率は有機層１３の屈折率よりも低い。ここで、陽極１２は透明導電材料からなり、陽極１２の屈折率は有機層１３の屈折率より高くてもあるいは低くてもよい。陽極１２は、層状部１２Ｂと、層状部１２Ｂ上に接して形成され、平面視で島状に配列した複数の陽極凸部１２Ａを備える。有機層１３は、陽極凸部１２Ａの外側面１２ａを被覆する陽極凸部側面被覆部１３ａと、陽極１２又は陽極凸部側面被覆部１３ａと陰極１４との間に配置する層状部１３ｂとを有する。
　なお、有機層１３より低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層１５には、空気層を含んでもよい。
　図２において、基板1１が陽極１２側に配置されている場合がボトムエミッション構造であり、基板１１が金属層１６側に配置されている場合が、トップエミッション構造である。以下、基板１１が陽極１２側に存在する、ボトムエミッション構造を例に説明する。
　また、陽極凸部側面被覆部１３ａは、有機層１３を構成する層のうちの一部によって構成されていてもよい。
　上記のように陰極１４側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層１３の屈折率とは、発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
　隣接する陽極凸部１２Ａが配置される周期（ピッチ）が発光光の実効波長以上の場合には、陽極凸部１２Ａの形状はその外側面で光を基板側へ屈折させる効果を奏するものであれば特に限定はされない。陽極１２の屈折率が有機層１３の屈折率より高い場合は、導波モード光をより垂直に屈折させる観点からは、陰極１４側に向かって先細りになるテーパ形状が好ましい。一方、陽極１２の屈折率が有機層１３の屈折率より低い場合は、基板１１側に向かって先細りになるテーパ形状が好ましい。図２で示した例では、陽極凸部１２Ａの外側面は基板面に対して垂直に配置する構成であるが、かかる構成である必要はない。
　上記テーパ形状について、より具体的には、陽極凸部１２Ａの外側面１２ａが基板面に対する角度のうち、鋭角である方の角度は４５°以上が好ましく、６０°以上がより好ましく、７５°以上がより一層好ましい。陽極凸部の外側面２ａをこのような角度とすることにより、発光位置から陽極側へ向かう導波モード光とSPPモード光から再放射された伝播光が陽極凸部１２Ａの外側面１２ａに高屈折率側から入射して基板側に屈折し、基板の外表面から外部へ取り出される。
　一方で、隣接する陽極凸部１２Ａが配置される周期（ピッチ）が発光光の実効波長と同等以下の場合には、陽極凸部１２Ａの形状は回折の効果やフォトニック結晶による効果を奏するものであれば特に限定はされない。発光した光をより基板側に取り出す観点からは、陽極凸部側面被覆部１３ａの屈折率と陽極１２の屈折率の大小関係によらず、陽極凸部１２Ａの外側面１２ａは基板面に対して垂直に近いことが好ましい。
　これは陽極凸部１２Ａの外側面１２ａが基板面に対して垂直であることによって、フォトニックバンドギャップが最も大きくなるため、基板に平行な方向に光がより存在することができなくなり、より効率的に有機層１３で発光した光を基板の外表面から外部へ取り出すことができるためである。

　本発明の有機ＥＬ素子に共通する陰極側の構成である、金属層／低屈折率層／陰極／有機層の積層構造において、低屈折率層の屈折率が有機層の屈折率よりも低い構成としては、低屈折率層、陰極、有機層の屈折率をそれぞれｎ_Ｌ、ｎ_Ｃ、ｎ_Ｏとすると、ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｏ＜ｎ_Ｃの場合（以下「Ｂパターン」という）、ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｏの場合（以下「Ｃパターン」という）と、ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｏの場合（以下「Ｄパターン」という）の３通りがある。ところで、Otto型配置では、金属層／低屈折率層／高屈折率層の順で層を配置する必要がある。ここで、Ｂパターンの場合は、金属層／低屈折率層／陰極の構成がOtto型配置になっている。また、Ｃパターンの場合は、金属層／低屈折率層／陰極の構成がOtto型配置である他、金属層／低屈折率層＋陰極／有機層の構成もOtto型配置になっている。さらに、Ｄパターンの場合は、金属層／低屈折率層＋陰極／有機層の構成がOtto型配置になっている。

　Ｂ～Ｄパターンで最も好ましいのは、Ｃパターンである。この場合は、まず、金属層／低屈折率層／陰極（透明導電層）の構成がOtto型配置になっていると共に、金属層／低屈折率層＋陰極（透明導電層）／有機層の構成でもOtto型配置になっているため、金属層からSPPモード光の再放射が最も生じやすい。さらに、低屈折率層、陰極（透明導電層）、有機層の順に屈折率が高くなるため各界面で全反射が生じず、再放射されたSPPモード光がそのまま基板側へ取り出される。この具体的な構成例としては、有機層（代表的な屈折率：１．７～１．８）に対し、陰極（透明導電層）の材料として例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ポリ（スチレンスルホン酸）、代表的な屈折率：１．５）を選び、低屈折率層の材料として空気（屈折率：１）やＳＯＧ（スピンオングラス、代表的な屈折率：１．２～２．０）の中から陰極材料より低屈折率のものを選ぶ場合が挙げられる。
　次に好ましいのは、Ｂパターンである。この場合は、金属層／低屈折率層／陰極（透明導電層）の構成がOtto型配置になっているため、金属層からSPPモード光の再放射が生じる。但し、有機層の屈折率が低屈折率層と陰極（透明導電層）の中間の値なので再放射されたSPPモード光のうちの一部の光は陰極（透明導電層）／有機層の界面で全反射して、残りの光が有機層に透過する。この具体的な構成例としては、有機層（代表的な屈折率：１．７～１．８）に対し、陰極の材料としてａ－ＩＴＯ（アモルファスＩＴＯ、代表的な屈折率：２．１）を選び、低屈折率層の材料としてＳＯＧの中から有機層の材料より低屈折率のものを選ぶ場合が挙げられる。
　次に好ましいのは、Ｄパターンである。この場合は、金属層／低屈折率層／陰極（透明導電層）の構成はOtto型配置になっていない。一方で、金属層／低屈折率層＋陰極（透明導電層）／有機層の構成でだけOtto型配置になっているため、金属層からSPPモード光の再放射が生じるが、Ｂパターンの場合よりもさらにSPPモード光の再放射が少なくなる。この具体的な構成例としては、有機層（代表的な屈折率：１．７～１．８）に対し、陰極の材料としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを選び、低屈折率層の材料として、ＳＯＧの中からその屈折率が陰極と有機層の中間の値となるようなものを選ぶ場合が挙げられる。

　ｎ_Ｏ＜ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｌの場合（以下「Ｅパターン」という）、ｎ_Ｃ＜ｎ_Ｏ＜ｎ_Ｌの場合（以下「Ｆパターン」ということがある）ではOtto型配置にはならない。また、ｎ_Ｏ＜ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｃの場合（以下「Ａパターン」という）では、金属層／低屈折率層／陰極がOtto型配置になっている。そのため、金属層からSPPモード光の再放射は生じるが、有機層の屈折率が低屈折率層よりも低いため、陰極（透明導電層）／有機層の界面で再放射されたSPPモード光のほとんどが全反射してしまい、陽極側の伝播光として取り出した光を取り出すことが困難である。

　本発明の有機ＥＬ素子は、上記のようにトップエミッション型、ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子のいずれにも適用できる。
　ボトムエミッション型に適用するためには、基板は透光性の基板であり、通常、可視光に対して透明であることが必要である。ここで、「可視光に対し透明である」とは、発光層から発する波長の可視光を透過することができればよいという意味であり、可視光領域全域にわたり透明である必要はない。４００～７００ｎｍの可視光における透過率が５０％以上で、平滑な基板が好ましい。
　基板としては、具体的には、ガラス板、ポリマー板等が挙げられる。ガラス板の材料としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマー板の材料としては、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチンレンナフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。
　　なお、発光光が可視光でない場合は、基板は少なくとも発光波長領域に対して透明であることが必要である。透過率としては、発光が最大強度となる波長に対し、５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることが更に好ましい。
　トップエミッション型に適用するためには、上記記載と同様なものの他に、不透明な基板も使用できる。具体的には、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）の単体、またはこれらを含んだ合金、あるいはステンレスなどからなる材料からなる基板、その他のトップエミッション型の有機ＥＬ素子で通常用いられる基板を用いることができる。

　基板の厚さは、要求される機械的強度にもより、限定はされないが、好ましくは、０．０１ｍｍ～１０ｍｍ、より好ましくは０．０５ｍｍ～２ｍｍである。

　また、第１実施形態に係る有機ＥＬ素子における上記屈折効果を生ずる界面は、陽極孔部２Ａの内側面２ａ（陽極２と有機層３の陽極孔部内側面被覆部３ａとの界面）が担うことになる。後で詳述するOtto型配置の陰極側構造のSPP光の再放射効果と、陽極孔部２Ａの内側面２ａにおける屈折効果との相乗効果を奏することになる。
　同様に、第２実施形態に係る有機ＥＬ素子における上記屈折効果を生ずる界面は、陽極凸部１２Ａの外側面１２ａ（陽極１２と有機層１３の陽極凸部側面被覆部１３ａとの界面）が担うことになり、後で詳述するOtto型配置の陰極側構造のSPP光の再放射効果と、陽極凸部１２Ａの外側面１２ａにおける屈折効果との相乗効果を奏することになる。
　つまり、屈折の効果は陽極と有機層の陽極側面被覆部の界面によって生じる。図３は第１実施形態と第２実施形態の模式的な斜視図であるが、図３で示すように、第１実施形態の陽極孔部を有する場合と、第２実施形態の陽極凸部を有する場合とで、陽極孔部と陽極凸部のサイズが同じで、且つこれらが配置される周期（ピッチ）が等しい場合には、界面の存在割合は変わらないため、同様の屈折の効果を有する。　
そのため以下の説明では、陽極孔部を有する図１（ａ）、（ｂ）を例に説明をする。

　陽極２は陰極４との間で電圧を印加し、陽極２より有機層３に正孔を注入するための電極であり、仕事関数の大きい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましい。有機層３のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ　Ｏｃｃｕｐｉｅｄ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｏｒｂｉｔａｌ）準位との差が過大にならないように仕事関数が４ｅＶ以上６ｅＶ以下のものを用いるのが好ましい。陽極２の材料としては透光性でかつ導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化亜鉛錫合金（ＩＺＯ）、酸化錫、酸化亜鉛などの透明無機酸化物（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリアニリンなどの導電性高分子および任意のアクセプタなどでドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料、薄膜金属、薄膜状に形成した金属ナノワイヤ、これらを含む複合材料を挙げることができる。ここにおいて、陽極２は、基板１上に例えば、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などによって形成することができる。
　陽極２の厚さは限定はされないが、例えば１０～２０００ｎｍであり、好ましくは５０～１０００ｎｍである。１０ｎｍより薄いと陽極孔部２Ａの体積を大きくしにくく、陽極２のシート抵抗が増大し、また、２０００ｎｍより厚いと有機層３の平坦度を保てなくなると共に、陽極２の透過率が低下するからである。
陽極孔部２Ａを周期的に配置する構成とする場合、陽極孔部２Ａが配置される周期（ピッチ）は、式（１２）を満たすように選択する。すなわち、Otto型配置の陰極構造によって有機層３中に所定の角度で取り出されたSPPモード光は、陽極孔部２Ａ及び有機層３によって形成された回折格子によって回折されるが、その回折光が基板／空気界面で全反射されないように、式（１２）を満たす周期（ピッチ）を選択する。

　陰極４は、発光層に電子を注入するための電極であり、仕事関数の小さい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましい。有機層３のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ　Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｏｒｂｉｔａｌ）準位との差が過大にならないように仕事関数が１．９ｅＶ以上５ｅＶ以下のものを用いるのが好ましい。
　陰極４の材料としては、Otto型配置の陰極側構造を形成するために、透光性の導電材料（非金属材料）とする必要がある。そのため、上記の陽極材料として挙げたもののうち非金属材料を用いることができる。
　陰極４の厚さは限定はされないが、例えば３０ｎｍ～１μｍであり、好ましくは５０～５００ｎｍである。厚さが３０ｎｍより薄いとシート抵抗が増加して、駆動電圧が上昇する。１μｍより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積する。

　有機層３は、陽極孔部２Ａの内側面被覆部３ａ及び陽極２と陰極４との間に配置する層状部３ｂを有する。

　発光層の材料としては、有機ＥＬ素子用の材料として知られる任意の材料を用いることができる。
　また、有機層３は、発光層（有機発光層）の他、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層等を備えてもよい。
　正孔注入層は発光層への正孔注入を助ける層であり、正孔輸送層は発光領域まで正孔を輸送する層であって、正孔移動度が大きく、イオン化エネルギーが通常５．５ｅＶ以下と小さい。このような正孔注入層及び正孔輸送層としてはより低い電界強度で正孔を発光層に注入・輸送する材料が好ましいが、これを形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
　電子注入層は発光層への電子の注入を助ける層であり、電子輸送層は発光領域まで電子を輸送する層であって、電子移動度が大きい材料を用いる。このような電子注入層及び電子輸送層としてはより低い電界強度で電子を発光層に注入・輸送する材料が好ましい。これを形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。

　有機層３は、蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって成膜してもよいし、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など、湿式プロセスによって成膜してもよい。
　有機層３の層状部３ｂの厚さは、特に限定されない。例えば５０～２０００ｎｍであり、好ましくは１００～１０００ｎｍである。５０ｎｍより薄いと突き抜け電流による内部ＱＥの低下や、金属層６による損失性表面波モードカップリング（lossy surface wave mode coupling）など、SPPカップリング以外の消光が起こり、また、２０００ｎｍより厚いと駆動電圧が上昇する。

　低屈折率層５は、陰極４の、有機層３とは反対側に備えられており、陰極４を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有する透明材料からなることが好ましい。
　発光層で発光した光が陰極側に伝播し、陰極４と低屈折率層５との界面に達したとき、臨界角以上の角度で入射したときに全反射が起きる。

　このような低屈折率層５の材料としては、陰極４を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有する材料であれば特に制限はない。例えば、この屈折率条件を満たすスピンオングラス（ＳＯＧ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２（代表的な屈折率：１．３８））等の金属フッ化物、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ（代表的な屈折率：１．３５））等の有機フッ素化合物、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２（代表的な屈折率：１．４５））、各種の低融点ガラス、多孔性物質が挙げられる。また、低屈折率層５は空気層を含む層からなり、陰極４を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有するものでもよい。

　金属層６は、陰極４の、有機層３とは反対側に低屈折率層５を介して備えられている。
　金属層６の材料としては発光層における発光光によりプラズモン共鳴が生じるものであればよいのでほとんどの金属の単体または合金を用いることができる。複素誘電率の実部が負で、絶対値が大きな値を持つような材料が好ましい。かかる材料としては例えば、金、銀、銅、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム等の単体や、金と銀との合金、銀と銅との合金、真鍮等の合金が挙げられる。また、金属層６は、２層以上の積層構造であってもよい。
　金属層６の厚さは限定はされない。例えば２０～２０００ｎｍであり、好ましくは５０～５００ｎｍである。２０ｎｍより薄いと反射率が低くなり正面輝度が低下し、また、５００ｎｍより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積するからである。

　本発明の有機ＥＬ素子の、Otto型配置による第２電極側構造の作用効果について以下に説明する。以下は、計算式に基づく原理的な内容であるため、第１電極側構造と第２電極側構造として記載する（本発明において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極である）。
　平坦な金属表面に生成される表面プラズモンポラリトン（SPP）の角振動数をω_ｓｐ、波数の基板面内方向成分の実部をｋ_ｓｐとすると、この分散関係は、金属の誘電率の実部ε_１と、金属表面に接触する誘電体の誘電率ε_２によって決まり、近似的に次式（２）によって与えられる（ｃは真空中の光の速さ）。

　これに対して、通常の伝播光の分散関係（角振動数ω、波数ベクトルｋ）は、次式（３）によって与えられる。

　表面プラズモンポラリトン（SPP）の分散曲線は通常の伝播光の分散直線と交差しない。そのため、通常の伝播光では平坦な金属表面にSPPを励起することはできない。平坦な金属表面に存在するSPPから直接伝播光を取り出すことはできない。

　これに対して、全反射減衰法により発生させたエバネッセント波の分散直線は、次式（４）によって与えられる。ここで、Otto型配置（高屈折率誘電体層（誘電率ε_３）、低屈折率誘電体層（誘電率ε_２）、金属層（誘電率ε_１））を用いた場合、θは高屈折率誘電体層から低屈折率誘電体層への入射光の入射角、である。

　従って、入射角θを変えることにより、SPPの分散曲線と全反射によるエバネッセント波（以降、単に「エバネッセント波」と言う場合も、全て全反射によって生じたものを指すものとする）の分散直線に交点（ω＝ω_ｓｐ、ｋ＝ｋ_ｓｐ）を持たせることが可能となる。すなわち、エバネッセント波を用いれば、平坦な金属表面にSPPを励起することができ、また、平坦な金属表面に存在するSPPからエバネッセント波を介して伝播光として取り出すことが可能となる。ここで、「入射角θ」は金属側からみると、SPPの放射角度ということになる。
　言い換えると、Otto型配置（高屈折率誘電体層／低屈折率誘電体層（誘電率ε_２）／金属層（誘電率ε_１）の積層構造）を用いると、SPPの分散曲線とエバネッセント波の分散直線とが交差するようになる。これは、所定の角度で放射されるSPPだけが、SPPとエバネッセント波とが共鳴することによりエネルギーをやり取りできる状態となることを意味する。そして、SPPを、エバネッセント波を介して所定の角度で放射される伝播光として取り出すことが可能となる。

　従って、有機ＥＬ素子において、例えば、有機層に隣接して高屈折率層／低屈折率層／金属層を設けると、有機発光層で発光した光のうち、所定の入射角（SPPの分散曲線とエバネッセント波の分散直線とが交点を有する角度）で高屈折率層から高屈折率層／低屈折率誘電体層界面へ入射した光はエバネッセント波を生じる。そのエバネッセント波が金属表面にSPPモード光を励起する。また、金属表面に励起されたSPPモード光はOtto型配置構造において生成されるエバネッセント波を介して所定の角度で放射される伝播光として取り出すことが可能となる。すなわち、有機ＥＬ素子において、Otto型配置構造を導入することにより、SPPモード光を所定の角度で放射される伝播光として取り出すことが可能となる。ただし、エバネッセント波を介したＳＰＰモード光の励起・取り出しは上記低屈折率層がおよそ２０～３００ｎｍの十分薄膜である場合に生じる。これは、低屈折率層が厚すぎると、有機層からのエバネッセント波の滲み出しが金属層まで到達せず、エバネッセント波とＳＰＰモード光同士がエネルギーをやりとりできないためである。低屈折率層が薄すぎると、金属層と高屈折率層が接近してSPPモードの波数が（２）式より大きくなり、分散曲線が伝播光の分散曲線（３）と交わらなくなるためである。
こうしてSPPから取り出される光は上記の通り、SPPの分散曲線とエバネッセント波の分散直線との交点に対応する所定の角度を有して放射されるものである。

　次に、第１電極側構造について以下に説明する。
　第１電極側構造としては、導波モード光が透明基板側に屈折して界面への入射角（入射光線と入射する界面の法線がなす角度）が小さくなるように、透明基板面に対して垂直に近い屈折率の界面を導入した。
　より具体的には、第１電極に孔部を設け、その孔部内側面を有機層で被覆する構造とすることにより、透明基板面に対して、垂直に近い屈折率の界面として、第１電極と有機層との界面を導入する。
また、第１電極に凸部を設け、その凸部外側面を有機層で被覆する構造とすることにより、透明基板面に対して、垂直に近い屈折率の界面として、第１電極と有機層との界面を導入してもよい。

　第１電極側構造は、基板面内方向に周期性を有する屈折率変調構造であっても、周期性を有さない非周期的な屈折率変調構造であってもよい。
　第１電極側構造が周期性を有する屈折率変調構造である場合、本発明では屈折率の異なる有機層と第１電極が２次元的に周期的に並ぶことになるため、屈折の効果に加えて、透過型回折格子（以下、単に「回折格子」という）による回折効果（基板面に対して光が所定の角度に指向する効果）や、フォトニック結晶による効果（特定の方向・周波数の光の伝播を禁制する効果）によって、導波モード光を基板側に取り出すことが可能となる。
　第１電極側構造の屈折率変調構造の周期（以降、単に「周期」ということがある）が実効波長（波長／屈折率）より大きい場合は、屈折が支配的なメカニズムとなって、光が取り出されると考えられる。一方、第１電極の屈折率変調構造の周期が実効波長と同等以下である場合は、回折格子の効果やフォトニック結晶の効果が支配的なメカニズムとなって、光が取り出されていると考えられる。

　第１電極側構造が屈折率の周期性を有し、透過型回折格子として機能する場合について、光取り出し効率が向上する原理を、図４及び図５を用いてより具体的に説明する。
　図４は、Otto型配置を有する第２電極側構造を備えた有機EL素子の断面模式図である。
図４を用いて、この第２電極側構造によりSPPモード光を導波モード光として取り出す原理についてまず説明する。図４では第１電極側構造については省略している。
　ここで、ｎ_ｌｏｗは低屈折率層の屈折率、ｎ_ｓｕｂは基板の屈折率、ｎ_ＯＬＥＤは第１電極、有機層及び第２電極の平均の屈折率、ε₁は金属層の誘電率の実部、ｋ_ｓｐはSPPモード光の波数ベクトルの基板面内方向成分、ｋ_０は真空中の光の波数(2π/λ)（λは発光層から放射される光の波長）、θは高屈折率層中を伝播する光の伝播角とする。
　SPPモード光の波数ｋ_ｓｐは式（２）から、近似的に以下の式（５）によって与えられる。

　ただし、ε_low＝n_low ²である。SPPモード光とそれが再放射され、伝播光として取り出されるためには、SPPモード光とその取り出される光とで波数ベクトルの面内成分が一致する、すなわち、以下の式（６）が成立する必要がある。

式（５）及び式（６）から、SPPモード光は以下の式（７）を満たす角度で伝播光として取り出される。

　次に、回折格子によって、そのSPPモード光から取り出された光を外部に取り出す原理について説明する。
　図５は、透過型回折格子を備えた第１電極側構造を備えた有機ＥＬ素子の第１電極側構造を含む一部の断面模式図である。
所定の角度θで取り出された光が周期（ピッチ）ｐを有する回折格子によって回折されるとする。基板面に対して所定の角度θ_ｓｕｂで基板側に回折する条件は、回折格子に入射する入射光の面内波数と回折光の面内波数との差が２π／ｐの整数倍であることであり、以下の式（８）で表される。ここで、Ｎ＝０、±１、・・・である。
図５において、「OLED積層部」とは、第1電極及び有機層を含む導波モード光が伝播する層を示すものであり、具体的な層構成は本発明の具体的な構成に依存する。また、「回折格子」を備える位置も本発明の具体的な構成に依存する。また、「回折格子」を備える位置は本発明の具体的な構成に依存する。

　式（７）及び式（８）から、式（９）が得られる。

　基板と空気の界面で全反射が起きない条件は、式（１０）を満たすことである。

　従って、回折格子の格子間隔が以下の式（１１）を満たすような回折格子を設けることにより、基板と空気の界面で全反射を生じさせない。その結果、光取り出し効率は向上する。

さらに、基板と空気の界面でのフレネル反射を抑えるためには、式(１１)はおおよそ次の式（１２）を満たしていることが望ましい。また、実際の有機EL素子の発光波長はスペクトル分布をもつため、式（１２）のλとしては発光層の発光スペクトルのピーク波長を採用する。ピーク波長としては、フォトルミネセンススペクトルのピーク波長を用いることができる。

　以上の理論的な解析は１次元的な解析であり、１次元回折格子構造（基板面内の所定の一方向に規則的な間隔で屈折率変調構造が配列する回折格子構造）については、この解析に基づく回折効果が得られる。１次元回折格子構造では、その一方向に直交する方向については屈折率変調構造を有さないため、その直交方向の光（光の成分）に対しては回折効果を生じない。これに対して、２次元回折格子構造ではその直交方向に対しても屈折率変調構造を有し、その方向についても回折効果が追加されることになる。よって、２次元回折格子構造では１次元回折格子構造よりも回折効果が大きい。
　従って、所定の断面において、式（１２）の条件を満たす構成を備えた有機ＥＬ素子では、その構成が１次元回折格子構造でも２次元回折格子構造でも、光取り出し効率の向上が得られるのである。

　次に、フォトニック結晶の効果による光の取り出し効率の向上について説明する。
　フォトニック結晶は、屈折率が周期的に異なる構造体のことであるが、周期（ピッチ）が発光波長と同等以下となる場合、第１電極側構造は、２次元のフォトニック結晶と見なすことができる。２次元のフォトニック結晶では、２次元面内方向に対して、フォトニックバンドギャップが形成されるため、フォトニックバンドギャップ内の波長の光は２次元面内方向に存在することができない。一方で、面内に対して垂直な方向に対しては、フォトニックバンドギャップが形成されないために、光を放射することができる。このメカニズムにより、面内方向に進行できない光が垂直方向に再分配されるため、光を効率的に透明基板側に取り出すことが可能となる。

　第１電極側構造が、基板面内方向に周期性を有さない非周期的な構造の場合は、この第１電極構造に入射した光がランダムな位置・位相で回折され、強めあう放射角度が特定の角度に偏らない。従って、第１電極側にこのような構造を持つことによって、比較的均一な（拡散性の高い）配向特性を得ることができる。
　つまり、第１電極側構造が周期的な構造の場合は、回折格子による出射光の強めあいの効果により、ある特定の放射角の光強度が強くなる配向特性を得ることができるのに対し、第１電極側構造が非周期的な構造の場合は、比較的均一な配向特性を得ることができる。
　そのため、第１電極側構造は、必要とされる配光特性に応じて周期性を有する構造にするか、非周期的な構造にするかを選択することができる。

　次に、本発明の第１実施形態の有機ＥＬ素子１０の屈折による作用効果を、図１（ａ）、（ｂ）を用いて模式的に説明する。本発明において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極であるが、以下では、第１電極を陽極、第２電極を陰極とする構成を例に挙げて説明する。
　ここで、図１（ａ）、（ｂ）に矢印で示した光の伝播の仕方は、屈折による作用効果の原理をわかりやすく説明するために模式的に示したものである。

　本発明の第１実施形態の有機ＥＬ素子１０で、陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より高い場合の作用効果を図１（ａ）で説明する。図１（ａ）において、有機層３に含まれる発光層のＡi点で発光した光のうち、陰極４側に進んだ光が陰極４と低屈折率層５との界面で臨界角以上の大きい入射角で入射して（矢印Ａ１）全反射した場合（矢印Ａ１ｒ）、低屈折率層５中にエバネッセント波（矢印Ａ２）が発生する。発生したエバネッセント波は、金属層６と低屈折率層５との界面まで滲み出し、SPPモード光（矢印Ａ３）が励起される。
　励起されたSPPモード光は、エバネッセント波（矢印Ａ４）との共鳴を介して、所定の角度で陰極４に再放射され（矢印Ａ５）、伝播光として有機層３に取り出されうる。
　図１（ａ）において、発光点（あるいは発光箇所）Ａｉは平面視して陽極孔部２Ａと重なる位置の発光点を示すものである（以下、この点での発光を「ｉｎ発光」ということがある。）。発光点Ａｏは平面視して陽極２と重なる位置の発光点を示すもの（以下、この点での発光を「ｏｕｔ発光」ということがある。）である。また、発光点Ａｅは「ｉｎ発光」と「ｏｕｔ発光」との境界位置での発光を示すもの（以下、この点での発光を「ｉｎ－ｏｕｔ端発光」ということがある。）である。「ｏｕｔ発光」及び「ｉｎ－ｏｕｔ端発光」については、陰極４と低屈折率層５との界面での全反射を示す矢印は省略している。
　また、この作用効果の説明では「ｉｎ発光」の場合についてのみ詳細に説明しているが、「ｏｕｔ発光」及び「ｉｎ－ｏｕｔ端発光」についても、SPP（矢印ＡＰ３）励起後の光の伝播は「ｉｎ発光」の場合と同様である。
　なお、電流は陰極と陽極との間に流れるが、発光点Ａｏは発光点Ａｉよりも電流密度が高いルートに位置するため、「ｏｕｔ発光」の方が「ｉｎ発光」より発光量が多い。

　また、陰極側構造(陰極４、低屈折率層５、金属層６)から有機層３のＢ点にまで取り出された光は、Ｂ１のように伝播して基板１まで取り出される。
　すなわち、Ｂ点から有機層３を通って進む光Ｂ１は、陽極２の上面から陽極２に入射した後、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）で基板１側へ屈折して有機層３内を進み、有機層３と基板１との界面で屈折した後、基板１内を通って外部に取り出されうる。
　ここで、光Ｂ１が陽極２から有機層３へ進む際、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）における屈折により、基板１への入射角が小さい角度（基板１の法線により近い方向）に変わる。陽極２と基板（例えば、ガラス）１の界面、及び、基板１と外部（空気）との界面では臨界角以上の角度で入射すると全反射となるが、この陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）での屈折により基板１への入射角が小さい角度に変わるので、その全反射を避けられる光が増えて光取り出し効率が向上する。すなわち、陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）を備える構成を有することにより、光取り出し効率が向上する。

　図１（ａ）に示す構成においては、陰極４と陽極２との間の最短距離近傍が最も電流密度が高く、発光量が多くなる。有機層１３に含まれる発光層のＣｏ点での発光は「ｏｕｔ発光」のうち、この発光量が多い点での発光を模式的に示すものである。
　有機層３に含まれる発光層のＣｏ点で発光した光のうち、光Ｃ１は基板に対して垂直方向に基板側に進む光であり、基板１との界面で屈折することなく基板１内を進み、外部に取り出される。
　また、光Ｃ２は、陽極２の上面から陽極２に入射した後、陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）で屈折し、有機層３を透過し、有機層３と基板１との界面で屈折した後、基板１内を通って外部に取り出されうる。
　ここで、光Ｃ２が陽極２から有機層３へ進む際、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）での屈折により、基板１への入射角が小さい角度（基板１の法線により近い方向）に変わる。陽極２と基板（例えば、ガラス）１の界面、及び、基板１と外部（空気）との界面では臨界角以上の角度で入射すると全反射となる。しかし、この陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と基板１との界面）を導入することで、内側面２ａでの屈折により基板１への入射角が小さい角度に変わる。すなわち、基板と空気との界面での全反射を避けられる光が増えて光取り出し効率が向上する。光Ｃ３についても光Ｃ２と同様の効果が得られる。

　次に、本発明の第１実施形態の有機ＥＬ素子１０で、陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より低い場合の作用効果を図１（ｂ）で説明する。図１（ｂ）において、有機層３に含まれる発光層のＡi点で発光した光のうち、陰極４側に進んだ光の伝播については、有機層３のＢ点に取り出されるまでは、陽極２の屈折率が有機層３の屈折率より高い場合（図１（ａ）の場合）と同じであるため、説明は省略する。

　Ｂ点から有機層３を通って進む光Ｂ１は、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）で基板１側へ屈折して陽極２内を進み、有機層３と基板１との界面で屈折した後、基板１内を通って外部に取り出されうる。
　ここで、光Ｂ１が有機層３から陽極２へ進む際、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）における屈折により、基板１への入射角が小さい角度（基板１の法線により近い方向）に変わる。陽極２と基板（例えば、ガラス）１の界面、及び、基板１と外部（空気）との界面では臨界角以上の角度で入射すると全反射となるが、この陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）での屈折により基板１への入射角が小さい角度に変わるので、その全反射を避けられる光が増えて光取り出し効率が向上する。すなわち、陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）を備える構成を有することにより、光取り出し効率が向上する。

　この構成においては、陰極４と陽極２との間の最短距離近傍が最も電流密度が高く、発光量が多くなる。有機層１３に含まれる発光層のＣｏ点での発光は「ｏｕｔ発光」のうち、この発光量が多い点での発光を模式的に示すものである。
　有機層３に含まれる発光層のＣｏ点で発光した光のうち、光Ｃ１は基板に対して垂直方向に基板側に進む光であり、基板１との界面で屈折することなく基板１内を進み、外部に取り出される。
　また、光Ｃ２は、陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と有機層３との界面）で屈折し、有機層３と基板１との界面で屈折した後、基板１内を通って外部に取り出されうる。
　ここで、光Ｃ２が有機層３から陽極２へ進む際、有機層３と陽極２との界面（陽極孔部２Ａの内側面２ａ）での屈折により、基板１への入射角が小さい角度（基板１の法線により近い方向）に変わる。陽極２と基板（例えば、ガラス）１の界面、及び、基板１と外部（空気）との界面では臨界角以上の角度で入射すると全反射となる。しかし、この陽極孔部２Ａの内側面２ａ（基板１に対して垂直に延びる、陽極２と基板１との界面）を導入することで、この内側面２ａでの屈折により基板１への入射角が小さい角度に変わる。すなわち、基板と空気との界面での全反射を避けられる光が増えて光取り出し効率が向上する。光Ｃ３についても光Ｃ２同様の効果が得られる。

　次に、本発明の第１実施形態の有機ＥＬ素子１０において、陽極孔部が周期的に配置することによって、陽極２と陽極孔部内側面２ａを被覆する有機層３ａとが回折格子をなす場合について、その回折格子による作用効果を、図６（ａ）を用いて模式的に説明する。図６（ａ）に矢印で示した光の伝播の仕方は、回折格子による作用効果の原理をわかりやすく説明するために模式的に示したものである。

　有機層３に含まれる発光層のＢｉ点で発光した光のうち、陰極４側に進んだ光が陰極４と低屈折率層５との界面で臨界角以上の大きな入射角で入射して（矢印Ｂ１）全反射した場合（矢印Ｂ１ｒ）、低屈折率層５中にエバネッセント波（矢印Ｂ２）が発生する。発生したエバネッセント波は、金属層６と低屈折率層５との界面まで滲み出し、表面プラズモンポラリトンＳＰＰ（矢印Ｂ３）が励起される。
　励起されたＳＰＰは、エバネッセント波（矢印Ｂ４）との共鳴を介して、上述したように所定の角度で陰極４に放射され（矢印Ｂ５）、伝播光として有機層３に取り出されうる。
　Ｂｏ点及びＢｅ点で発光した光についても同様である。

　陰極側構造（陰極４、低屈折率層５、金属層６）からＢ点にまで取り出された光は有機層を伝播し、回折格子に入射する。入射した光は回折格子によって、ある所定の方向（Ｎ次の強めあい条件を満たす方向）に回折光が放射される。
　回折光は、通常の屈折光と比べて、回折点毎の回折光が互いに干渉しながら放出されているため、ある所定の角度に非常に強く光が取り出される。
　ここで、矢印ＢＤ１や矢印ＢＤ２のように、基板（例えば、ガラス）と外部（例えば空気）との界面に、臨界角以下で入射した光は、そのまま外部に取り出される。この矢印ＢＤ１や矢印ＢＤ２は上記のように干渉により、他の伝播方向に比べ強めあっているため、ある特定の角度に強度が強い光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率が向上する。
　一方で、矢印ＢＤ３のように、基板と外部との界面に、臨界角以上の入射角度で入射する光は、全反射（矢印ＢＤ３ｒ）して基板モード光となり、基板外部に取り出すことができない。また、図示していないが、有機層または陽極と基板の界面に、臨界角以上の入射角度で入射する光は全反射してしまい導波モード光となり、同様に基板外部に取り出すことができない。
　このように全反射する光を減らし、効率的に光を取り出すためには、式（１２）を満たすように、金属層及び低屈折率層の材料、並びに、回折格子の周期を選択することが好ましい。特に次数Ｎが小さいほど回折光の強度が高いので、できるだけ小さいＮに対し、式（１２）を満たすように回折格子の周期等を選択することが好ましい。言い換えると、式（１２）をみたせば、回折格子により、発生したSPP光を効率よく基板１から外部に光を取り出すことができ、光の取り出し効率を向上することができる。

　更に、本発明の第１実施形態の有機ＥＬ素子１０において、陽極孔部が発光波長と同程度以下の周期で周期的に配置することによって、陽極２と陽極孔部内側面２ａを被覆する有機層３ａとがフォトニック結晶をなす場合について、そのフォトニック結晶による作用効果を、図６（ｂ）を用いて模式的に説明する。図６（ｂ）に矢印で示した光の伝播の仕方は、フォトニック結晶による作用効果の原理をわかりやすく説明するために模式的に示したものである。

　有機層３に含まれる発光層のＣｉ点で発光した光のうち、陰極４側に進んだ光が陰極４と低屈折率層５との界面で臨界角以上の大きな入射角で入射して（矢印Ｃ１）全反射した場合（矢印Ｃ１ｒ）、低屈折率層５中にエバネッセント波（矢印Ｃ２）が発生する。発生したエバネッセント波は、金属層６と低屈折率層５との界面まで滲み出し、表面プラズモンポラリトンＳＰＰ（矢印Ｃ３）が励起される。
　励起されたＳＰＰは、エバネッセント波（矢印Ｃ４）との共鳴を介して、上述したように所定の角度で陰極４に放射され（矢印Ｃ５）、導波モード光として有機層３に取り出されうる。
　Ｃｏ点及びＣｅ点で発光した光についても同様である。

　陰極側構造（陰極４、低屈折率層５、金属層６）からＣ点にまで取り出された光は有機層を伝搬し、フォトニック結晶構造に入射する。２次元方向に光の波長と同等以下の構造体が存在する場合、その２次元方向にはフォトニックバンドギャップが形成され、バンドギャップ周波数域内の光は２次元方向へ伝播できなくなる（２次元方向における光閉じ込め効果）。本発明の第１実施形態において、周期構造は陽極２と陽極孔部内側面を２ａを被覆する有機層３ａによって形成されているため、光の伝搬が制限されるのは基板と平行な矢印ＣＤ２方向である。　　
　一方で、基板に垂直な方向は、フォトニック結晶構造が形成されていないので、光の伝搬は制限されない。このメカニズムにより、有機層中の伝播光は光が基板に垂直に近い方向に、進むことになる。　
　矢印ＣＤ１方向は基板に垂直に近いため、基板と空気の界面でも全反射することなく、効率よく光を取り出すことができる。

　本発明の第２実施形態の有機ＥＬ素子２０は、第１実施形態の有機ＥＬ素子１０と比較して、陽極と有機層の平面視での海島関係が逆になっている。しかし、光取出しに寄与する高屈折率材料と低屈折率材料の界面は同様に存在しているため、第２実施形態の有機ＥＬ素子２０においても基本的には第１実施形態の有機ＥＬ素子１０と同じ光学的な作用効果を有する。そこで、第２実施形態の作用効果の詳細な説明は省略する。
　第１実施形態の陽極孔部を有する場合と、第２実施形態の陽極凸部を有する場合とで、周期（ピッチ）とサイズが等しければ、屈折の効果もほぼ等しくなると考えられる。また回折格子やフォトニック結晶の効果も同様である。

（画像表示装置）
　次に、上記の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置について説明を行う。上記の有機ＥＬ素子１０、２０を備えた画像表示装置についてそれぞれ同様なので、各有機ＥＬ素子１０、２０をまとめて有機ＥＬ素子１０として説明する。図７は、上記の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置の一例を説明した図である。また、有機ＥＬ素子はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下はボトムエミッション構造の例で説明を行う。
　図７に示した画像表示装置１００は、いわゆるパッシブマトリクス型の画像表示装置であり、有機ＥＬ素子１０の他に、陽極配線１０４、陽極補助配線１０６、陰極配線１０８、絶縁膜１１０、陰極隔壁１１２、封止プレート１１６、シール材１１８とを備えている。

　本実施の形態において、有機ＥＬ素子１０の基板１上には、複数の陽極配線１０４が形成されている。陽極配線１０４は、一定の間隔を隔てて平行に配置される。陽極配線１０４は、透明導電膜により構成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。また陽極配線１０４の厚さは例えば、１００ｎｍ～１５０ｎｍとすることができる。そして、それぞれの陽極配線１０４の端部の上には、陽極補助配線１０６が形成される。陽極補助配線１０６は陽極配線１０４と電気的に接続されている。このように構成することにより、陽極補助配線１０６は、基板１の端部側において外部配線と接続するための端子として機能し、外部に設けられた図示しない駆動回路から陽極補助配線１０６を介して陽極配線１０４に電流を供給することができる。陽極補助配線１０６は、例えば、厚さ５００ｎｍ～６００ｎｍの金属膜によって構成される。

　また、有機ＥＬ素子１０上には、複数の陰極配線１０８が設けられている。複数の陰極配線１０８は、それぞれが平行となるよう、かつ、陽極配線１０４と直交するように配設されている。陰極配線１０８には、Ａｌ又はＡｌ合金を使用することができる。陰極配線１０８の厚さは、例えば、１００ｎｍ～１５０ｎｍである。また、陰極配線１０８の端部には、陽極配線１０４に対する陽極補助配線１０６と同様に、図示しない陰極補助配線が設けられ、陰極配線１０８と電気的に接続されている。よって、外部駆動回路から陰極補助配線を介して陰極配線１０８に電流を供給することができる。

　更に基板１上には、陽極配線１０４を覆うように絶縁膜１１０が形成される。絶縁膜１１０には、陽極配線１０４の一部を露出するように矩形状の開口部１２０が設けられている。複数の開口部１２０は、陽極配線１０４の上にマトリクス状に配置されている。この開口部１２０において、陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に有機ＥＬ素子１０が設けられる。すなわち、それぞれの開口部１２０が画素となる。従って、開口部１２０に対応して表示領域が形成される。ここで、絶縁膜１１０の膜厚は、例えば、２００ｎｍ～１００００ｎｍとすることができ、開口部１２０の大きさは、例えば、１００μｍ×１００μｍとすることができる。

　有機ＥＬ素子１０は、開口部１２０において陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に位置している。そしてこの場合、有機ＥＬ素子１０の陽極２が陽極配線１０４と接触し、陰極４が陰極配線１０８と接触する。有機ＥＬ素子１０の厚さは、例えば、１５０ｎｍ～２００ｎｍとすることができる。

　絶縁膜１１０の上には、複数の陰極隔壁１１２が陽極配線１０４と平面視で直交する方向に沿って形成されている。陰極隔壁１１２は、陰極配線１０８の配線同士が導通しないように、複数の陰極配線１０８を空間的に分離するための役割を担っている。従って、隣接する陰極隔壁１１２の間にそれぞれ陰極配線１０８が配置される。陰極隔壁１１２の大きさとしては、例えば、高さが２μｍ～３μｍ、幅が１０μｍのものを用いることができる。　　

　また、基板１は、封止プレート１１６とシール材１１８を介して貼り合わせられている。これにより、有機ＥＬ素子１０が設けられた空間を封止することができ、有機ＥＬ素子１０が大気中の水分により劣化するのを防ぐことができる。封止プレート１１６としては、例えば、厚さが０．７ｍｍ～１．１ｍｍのガラス基板を使用することができる。封止プレート１１６は、素子がボトムエミッション型のように光を基板１側から取り出す場合は、透明でなくてもよい。一方、素子がトップエミッション型のように光を封止プレート１１６側から取り出す場合は封止プレート１１６は発光波長域の少なくとも一部の波長に対して透明である必要がある。

　このような構造の画像表示装置１００において、図示しない駆動装置により、陽極補助配線１０６、図示しない陰極補助配線を介して、有機ＥＬ素子１０に電流を供給し、発光層を発光させることができる。そして基板１から基板１を通し、光を出射させることができる。そして、上述の画素に対応した有機ＥＬ素子１０の発光、非発光を制御装置により制御することにより、画像表示装置１００に画像を表示させることができる。

（照明装置）
　次に、上記の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置について説明を行う。上記の有機ＥＬ素子１０、２０を備えた画像表示装置についてそれぞれ同様なので、各有機ＥＬ素子１０、２０をまとめて有機ＥＬ素子１０として説明する。また、有機ＥＬ素子はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下はボトムエミッション構造の例で説明を行う。
　図８は、上記の有機ＥＬ素子１０を備える照明装置の一例を説明した図である。
　　図８に示した照明装置２００は、上述した有機ＥＬ素子１０と、有機ＥＬ素子１０の基板１（図１参照）に隣接して設置され、陽極２（図１参照）に接続される端子２０２と、陰極４（図１参照）に接続される端子２０３と、端子２０２と端子２０３とに接続し、有機ＥＬ素子１０を駆動するための点灯回路２０１とから構成される。

　点灯回路２０１は、図示しない直流電源と図示しない制御回路を内部に有し、端子２０２と端子２０３を通して、有機ＥＬ素子１０の陽極２と陰極４との間に電流を供給する。そして、有機ＥＬ素子１０を駆動し、発光層を発光させて、基板１から光を出射させ、照明光として利用する。発光層は白色光を出射する発光材料より構成されていてもよく、また緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）を出射する発光材料を使用した有機ＥＬ素子１０をそれぞれ複数個設け、その合成光が白色となるようにしてもよい。

（有機ＥＬ素子の製造方法）
　本発明のボトムエミッション型の有機ＥＬ素子の製造方法を、図９を参照して説明する。第１実施形態の有機ＥＬ素子１０と第２実施形態の有機ＥＬ素子２０は、陽極２と有機層３の海島関係が互いに逆であることのみしか相違点がないため、ここでは第１実施形態の有機ＥＬ素子１０の製造方法を中心に説明する。
　まず、図９（ａ）に示すように、基板１上に、陽極２を形成する。この陽極２の形成には限定はされない。例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などの乾式プロセス法のほか、塗布法などの湿式プロセスも用いることができる。

　陽極２を形成した後に、陽極２の表面処理を行うことで、オーバーコートされる層の性能（陽極２との密着性、表面平滑性、ホール注入障壁の低減化など）を改善することができる。表面処理を行うには高周波プラズマ処理を始めとしてスパッタリング処理、コロナ処理、ＵＶオゾン照射処理、紫外線照射処理、または酸素プラズマ処理などがある。　　

　更に、陽極２の表面処理の表面処理を行う代わりに、もしくは表面処理に追加して、図示しない陽極バッファ層を形成することで表面処理と同様の効果が期待できる。そして、陽極バッファ層をウェットプロセスにて作製する場合には、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等の塗布法、浸漬法、電気化学的方法などを用いて成膜することができる。

　また、陽極バッファ層をドライプロセスにて作製する場合は、特開２００６－３０３１２号公報に例示のプラズマ処理などを用いて成膜することができる。この他にも金属単体あるいは金属酸化物、金属窒化物等を成膜する方法が挙げられ、具体的な成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学反応法、コーティング法、真空蒸着法などを用いることができる。　　

　次に、陽極孔部２Ａを形成するには例えば、フォトリソグラフィを用いた方法が使用できる。これを行うには、図９（ｂ）に示すように、まず陽極２の上にポジ型レジスト液を塗布し、スピンコート等により余分なレジスト液を除去して、レジスト層９を形成する。　

　そして、陽極孔部２Ａを形成するための所定のパターンが描画されたマスク（図示せず）をかぶせ、紫外線（ＵＶ）、電子線（ＥＢ）等により露光を行うと、図９（ｃ）に示すように、レジスト層９に陽極孔部２Ａに対応した所定のパターンが露光される。そして現像液を用いて露光されたパターンの部分のレジスト層９ａを除去する。これにより露光されたパターンの部分に対応して、陽極２の表面が露出する（図９（ｄ））。

　図９（ｅ）に示すように、残存したレジスト層９をマスクとして、露出した陽極２の部分をエッチング除去して陽極孔部２Ａを形成する。エッチングとしては、ドライエッチングとウェットエッチングの何れをも使用することができる。またこの際に等方性エッチングと異方性エッチングを組合せることで、陽極孔部２Ａの形状の制御を行うことができる。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）や誘導結合プラズマエッチングが利用でき、またウェットエッチングとしては、希塩酸や希硫酸、塩化鉄水溶液への浸漬を行う方法などが利用できる。このエッチングにより上記パターンに対応して、基板１の表面が露出する。
　次に、レジスト層９を除去した後、図９（ｆ）に示すように、有機層３を陽極孔部２Ａに充填して陽極孔部内側面被覆部３ａを形成する。ここで、陽極孔部２Ａの内側面２ａは有機層３で被覆されればよいため、陽極孔部２Ａ内が有機層３で完全に充填されなくても、一部だけ充填されて陽極孔部２Ａの内側面２ａが被覆される構成でもよい。この陽極孔部内側面被覆部３ａの形成も陽極２の形成と同様に限定はされないが、従来公知の方法を用いることができ、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。
　なお、陽極孔部内側面被覆部３ａは陽極孔部２Ａの内側面２ａを被覆していれば、陽極孔部２Ａを完全に埋めるか、一部を埋めるかによって形成条件を調整する。
　上記のように有機層３の陽極孔部内側面被覆部３ａを形成すると共に、さらに、図９（ｇ）に示すように、有機層３の層状部３ｂも形成して、有機層３の形成を行う。　
　また、陽極孔部２Ａはレーザー光照射による直接加工でも形成することができる。この場合、レーザービームで直接被加工物に穴開け加工を行うか、又はレーザー光の干渉パターンを被加工物に照射して凹凸加工を行う。従って、フォトレジストによるマスク形成を行わないため、加工工程数が減少する。加工に用いるレーザーとしては、パルス炭酸ガスレーザー、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーとその高調波、チタンサファイアレーザー、エキシマレーザーなどが挙げられる。尚、レーザー照射による陽極２の損傷を防ぐために表面保護膜を使用してもよい。
　尚、陽極凸部１２Ａを形成する場合は、上記孔部２Ａを形成する工程と同じで構わないが、陽極をエッチングする際に、複数の陽極凸部１２Ａが互いに孤立しないように、陽極のエッチングを基板が露出するまでは行わず、途中で止める必要がある。これは、陽極凸部間の導通をとるためである。

　次に、図９（ｈ）に示すように、有機層３上に陰極４を形成する。陰極４の形成も陽極２の形成と同様の方法を用いることができ、限定はされない。例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。

　次に、図９（ｉ）に示すように、陰極４上に低屈折率層５を形成する。低屈折率層５の形成は限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
　低屈折率層５を、空気層を含んでなる低屈折率層とする場合は、例えば、ＳＯＧ層を形成した後に、ＳＯＧ層のうち、フォトリソグラフィを用いて所定箇所だけＳＯＧ材料を残すようにＳＯＧ層をエッチング除去して、ＳＯＧ層を除去した部分が空気層となるようにして、低屈折率層を形成する。

　次に、図９（ｊ）に示すように、低屈折率層５上に金属層６を形成する。金属層６の形成には特に限定はされないが、例えば、蒸着法、スパッタリングを用いることができる。

　以上の工程により、有機ＥＬ素子１０を製造することができる。また、これら一連の工程後、有機ＥＬ素子１０を長期安定的に用い、有機ＥＬ素子１０を外部から保護するための保護層や保護カバー（図示せず）を装着することが好ましい。保護層としては、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素等のシリコン化合物、または犠牲層（その後の工程で除去する保護層）として亜鉛等のイオン化傾向の大きな金属などを用いることができる。そして、これらの積層体も用いることができる。また、保護カバーとしては、ガラス板、表面に低透水率処理を施したプラスチック板、金属などを用いることができる。この保護カバーは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂、フリットガラスで基板１と貼り合わせて密閉する方法を採ることが好ましい。またこの際に、スペーサを用いることで所定の空間を維持することができ、有機ＥＬ素子１０が傷つくのを防止できるため好ましい。そして、この空間に窒素、アルゴン、ヘリウムのような不活性なガスを封入すれば、上側の金属層６の酸化を防止しやすくなる。特にヘリウムを用いた場合、熱伝導が高いため、電圧印加時に有機ＥＬ素子１０より発生する熱を効果的に保護カバーに伝えることができるため、好ましい。更に酸化バリウム等の乾燥剤をこの空間内に設置することにより上記一連の製造工程で吸着した水分が有機ＥＬ素子１０にダメージを与えるのを抑制しやすくなる。

　次に、トップエミッション型の有機ＥＬ素子の製造方法を、図１０を参照して説明する。
　まず、図１０（ａ）に示すように、基板２１上に、金属層２６を形成する。金属層２６の形成は特に限定はされない。例えば、蒸着法、スパッタリングを用いることができる。

　次に、図１０（ｂ）に示すように、金属層２６上に低屈折率層２５を形成する。低屈折率層２５の形成は限定はされない。例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
　低屈折率層２５を、空気層を含んでなる低屈折率層とする場合は、例えば、ＳＯＧ層を形成した後に、ＳＯＧ層のうち、フォトリソグラフィを用いて所定箇所だけＳＯＧ材料を残すようにＳＯＧ層をエッチング除去して、ＳＯＧ層を除去した部分が空気層となるようにして、低屈折率層を形成する。

　次に、図１０（ｃ）に示すように、低屈折率層２５上に陰極２４を形成する。陰極２４の形成は、限定はされない。例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。

　次に、図１０（ｄ）に示すように、陰極２４上に有機層の層状部２３ｂを形成する。有機層の層状部２３ｂの形成は、従来公知の方法を用いることができ、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。

　次に、図１０（ｅ）に示すように、有機層の層状部２３ｂの上に陽極２２を形成する。陽極２２の形成は、陰極２４と同様に、限定はされない。例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。

　次に、（ｆ）に示すように陽極２２の上に所定のパターンを有したレジストパターン２７を形成し、このレジストパターンをマスクとして（ｇ）に示すように陽極をエッチングして、開口部２２Ａを形成後、レジスト２７を除去する。エッチング方法としては実施形態１の陽極１のエッチングで用いたものと同様のものを利用することができる。
　次に（ｈ）に示すように開口部２２Ａを充填するように陽極孔部内側面被覆部２３ａを形成する。内側面被覆部２３ａの形成は、従来公知の方法を用いることができる。例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。
　尚、実施形態２の場合（陽極２２が平面視で海島構造の島部を構成する場合）は、更に陽極２２と有機層２３の海島構造の上全面に陽極層を形成する。

　本発明の有機ＥＬ素子の実施例について以下に説明する。

図１１は、本発明の有機ＥＬ素子の効果について、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ(Finite Difference Time Domain ) Method）を用いて、光取り出し効率の、隣接する陽極部分（陽極孔部又は陽極凸部に対応）が配置される周期（ピッチ）への依存性をコンピュータシミュレーションした結果を示す。ＦＤＴＤ法は、電磁界の時間変化を記述するＭａｘｗｅｌｌの方程式を空間的・時間的に差分化し、空間の各点における電磁界の時間変化を追跡するものである。より具体的には、発光層における発光を微小ダイポールからの放射と捉えて、その放射(電磁界)の時間変化を追跡するものである。シミュレーション結果は、基板まで光取り出しを行った結果を示すものである。横軸のλは真空中の波長、縦軸のηは光取り出し効率（ダイポールからの全放射強度に対する基板取り出し光強度の割合）である。以下の図においても同じである。
　計算は、現実に近い発光現象をシミュレートするために、発光源であるダイポールをランダム（ダイポールのモーメントがｘ、ｙ、ｚ方向にランダム）として、ＦＤＴＤ法を用いて、光取り出し効率をシミュレーションした結果を示す。ここで、Ｘ及びＹ方向は、基板面に平行な方向であり、Ｚ方向は基板面に垂直な方向である。

　図１２は、シミュレーションで用いた、ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子のモデル構造を示す断面図である。
　計算に用いた屈折率の値は以下の通りである。基板１はガラスからなるとして、屈折率としては１．５２を用いた。陽極２はＩＴＯからなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで１．８２+０．００９ｉを用い、その他の波長はローレンツモデルで外挿した。また、有機層３の屈折率としては１．７２を用いた。また、陰極４はａ－ＩＴＯ（アモルファスＩＴＯ）からなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで１．８２＋０．００９ｉを用い、その他の波長はローレンツモデルで外挿した。低屈折率層５はスピンオングラス（ＳＯＧ）を含むものからなるとして、屈折率としては１．２５を用いた。また、金属層６はアルミニウム（Ａｌ）からなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで０．６４９+４．３２ｉを用い、その他の波長はドルーデモデルで外挿した。
　また、陽極２、及び、有機層３の層状部３ｂ、陰極４、低屈折率層５、金属層６の層厚はそれぞれ、１５０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとした。
　また、隣接する陽極部分が配置される周期（ピッチＰ、中心間の距離）が２００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、９００ｎｍ、２０００ｎｍ、４０００ｎｍ、８０００ｎｍのそれぞれ場合を計算した。また、各周期（ピッチ）の場合の陽極孔部３aの径Ｄはそれぞれ周期（ピッチ）の１/２である１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍ、４５０ｎｍ、１０００ｎｍ、２０００ｎｍ、４０００ｎｍとした。陽極開口部２Ａは、紙面奥行き方向には並進構造としている。すなわち、平面視で、陽極開口部２Ａは面内を無限に伸びるライン状の開口部形状をしている。これは、あとで磁場強度分布形状も計算する際に、開口部２Ａの周期（ピッチ）に対応した光放射パターンをより鮮明にみるためである。
　さらに、比較のために、Otto型配置の陰極側構造を有するが、有機層中まで取り出された伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第１電極側構造は有さない構造（以下、Otto型配置のみの構造ということがある）と、Otto型配置の陰極側構造、及び伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第１電極側構造の両方を有さない構造（以下、標準構造ということがある）の場合も計算した。　　　　
　標準構造は基板のガラス上に、陽極層、有機層、陰極金属層の順に形成された構造を意味する。シミュレーションにおいては、標準構造は基板がガラスからなり、陽極がＩＴＯからなり、有機層を挟んで、陰極はＡｌからなるものを用いた。それぞれ、屈折率としては、１．５２、１．８２+０．００９ｉ、１．７２、０．６４９+４．３２ｉを用い、陽極、有機層、陰極の層厚はそれぞれ、１５０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍとした。

　図１１から、６８０ｎｍ以下の波長において、Otto型配置のみの構造や標準構造と比較して、本発明の有機ＥＬ素子は計算を行った全ての陽極部分が配置される周期（ピッチ）で、全体として光取り出し効率が向上していることが確認できる。
　特に、周期（ピッチ）が５００ｎｍ～２０００ｎｍにおいて、６８０ｎｍ以下の波長で光取り出し効率が上がっていることが確認できる。さらに、周期（ピッチ）が９００～２０００ｎｍの範囲では、顕著に光取り出し効率が上がっていることが確認できる。
　この結果はOtto型配置の陰極側構造と、陽極側構造とのそれぞれの構造に基づいては予測ができるものではなく、本発明のシミュレーションによって初めて明らかになったものである。

　図１３（ａ）はOtto型配置のみの構造の場合の、水平方向のダイポールからの放射光の電場の強度分布をＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。放射光の波長は４８０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。電場強度分布を横切る白線は隣り合う積層の境界線である。分布図は上から順に基板、陽極、有機層、陰極、低屈折率層、金属層、空気層中の電場強度分布に対応している。また光源は図の右端に置かれており、右半分の電場強度分布は省略している。図１３（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、本発明の実施形態の有機ＥＬ素子における陽極部分の周期（ピッチ）が５００ｎｍ、９００ｎｍの場合の水平方向のダイポールからの放射光の電場の強度分布をＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。陽極層中を上下方向に走る白線は陽極孔部内側面を表している。放射光の波長は４８０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。

　シミュレーション結果から、図１３（a）のOtto型配置のみの構造の場合と比較して、本発明の有機ＥＬ素子を用いた図１３（ｂ）、図１３（ｃ）それぞれは、ダイポール光源から有機層中を左方向に伝播した後、斜め上方向に光が放射されており、回折格子の効果により特定の方向への光放射が強められていることが確認できる。　
　また、陽極部分の周期（ピッチ）に関しては、図１３（ｂ）の周期（ピッチ）９００ｎｍのものが強く放射されていることが確認できる。
　これは、当業者であっても予測することが困難であり、シミュレーションを行って初めて知ることができたものである。

　図１４（ａ）はOtto型配置のみの構造の場合の、垂直（ｚ）方向のダイポールからの放射光の磁場の強度分布をＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。放射光の波長は４８０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。
　図１４（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ,実施形態の有機ＥＬ素子における陽極部分の周期（ピッチ）が５００ｎｍ、９００ｎｍの場合の水平方向のダイポールからの放射光の磁場の強度分布をＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。放射光の波長は４８０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。

　シミュレーション結果から、図１４（ａ）のＯｔｔｏ型配置のみの構造の場合、金属層表面に捕縛されて横方向に伝播するＳＰＰモード光はほとんど存在しない。すなわち、ＳＰＰモード光が伝播光として有機層中に取り出されていることが分かる。ただし、有機層中に取り出された光は基板には取り出されず、有機層中を左方向に伝播していることがわかる。
　図１４（ａ）のOtto型配置のみの構造の場合と比較して、本発明の有機ＥＬ素子を用いた図１４（ｂ）、図１４（ｃ）それぞれは、有機層から基板へ斜め方向に光が放射されており、回折格子によって、特定の方向への光放射が強められていることが確認できる。
　これは、当業者であっても予測することが困難であり、シミュレーションを行って初めて知ることができたものである。

　図１５は、実施形態の有機ＥＬ素子の陽極部分の周期（ピッチ）が（ａ）２００ｎｍ、（ｂ）３００ｎｍ、（ｃ）５００ｎｍ、（ｄ）９００ｎｍ、（ｅ）２０００ｎｍ、（ｆ）４０００ｎｍそれぞれの場合の、水平方向のダイポールからの放射光の電場の強度分布を、ＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。放射光の波長は５５０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。
　図１６、実施形態の有機ＥＬ素子の陽極部分の周期（ピッチ）が（ａ）２００ｎｍ、（ｂ）３００ｎｍ、（ｃ）５００ｎｍ、（ｄ）９００ｎｍ、（ｅ）２０００ｎｍ、（ｆ）４０００ｎｍそれぞれの場合の、垂直方向のダイポールからの放射光の磁場の強度分布を、ＦＤＴＤ法のシミュレーションで得た結果を示すものである。放射光の波長は５５０ｎｍを用いた。強度分布は基板が上側、金属層が下側で示している。

　シミュレーション結果から、陽極部分の周期（ピッチ）が検討のすべての場合において、電磁場共に、斜め方向に放射されていることが確認できる。

　１　基板
　２　陽極
　２ａ　内側面
　２Ａ　陽極孔部
　３　有機層
３ａ　陽極孔部内側面被覆部
　３ｂ　層状部
　４　陰極
　５　低屈折率層
　６　金属層
　１１　基板
　１２　陽極
　１２ａ　外側面
　１２Ａ　陽極凸部
　１３　有機層
１３ａ　陽極凸部側面被覆部
　１３ｂ　層状部
　１４　陰極
　１５　低屈折率層
　１６　金属層
　１０　有機ＥＬ素子
　２０　有機ＥＬ素子
　１００　画像表示装置
　２００　照明装置

Claims

　第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、
　さらに、前記第２電極の、前記有機層の反対側の面に、厚さ２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の低屈折率層と、金属層とを順に具備し、
　前記第２電極は、透光性導電材料からなり、
　前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、
　前記第１電極は、複数の第１電極孔部を備え、
　前記有機層は、前記第１電極孔部の内側面を被覆する第１電極孔部内側面被覆部と、前記第１電極又は前記第１電極孔部内側面被覆部と前記第２電極との間に配置する層状部とを有するものである、ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
　第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、
さらに、前記第２電極の、前記有機層の反対側の面に、厚さ２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の低屈折率層と、金属層とを順に具備し、
　前記第２電極は、透光性導電材料からなり、
　前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、
　前記第１電極は、複数の互いに連結された第１電極凸部を備え、
　前記有機層は、前記第１電極凸部の外側面を被覆する第１電極凸部側面被覆部と、前記第１電極又は前記第１電極凸部側面被覆部と前記第２電極との間に配置する層状部とを有するものである、ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
　前記低屈折率層の屈折率はさらに、前記第２電極の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
　前記第２電極の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項３に記載の有機ＥＬ素子。
　前記低屈折率層は、前記第２電極及び前記有機層のうちの少なくとも一方よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
　前記第１電極孔部、または前記第１電極凸部が基板面内の少なくとも一方向に配列される周期が５００～２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
　前記金属層（誘電率の実部ε_１）、前記低屈折率層（誘電率ε_ｌｏｗ）、及び、前記第１電極孔部又は前記第１電極凸部の少なくとも一方向の周期（ｐ）が、ある整数Ｎ（１≦N≦３）に対して以下の式を満たすように選択されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子；

　ここで、λは前記発光層のフォトルミネッセンス・スペクトルの最大ピーク波長である。
　前記周期が、５００ｎｍ～２０００ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の有機ＥＬ素子。
　請求項１～８のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
　請求項１～８のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする照明装置。