WO2014156714A1

WO2014156714A1 - 面発光素子

Info

Publication number: WO2014156714A1
Application number: PCT/JP2014/056855
Authority: WO
Inventors: 孝二郎関根
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-10-02
Also published as: US20160079566A1; US9806294B2; JPWO2014156714A1

Abstract

　この面発光素子は、光を発生する発光層（３５）と、発光層（３５）の光を取り出す側に設けられ、発光層（３５）から発生した光の通過が可能である第１電極層（３３）と、発光層（３５）の光を取り出さない側に設けられる第２電極層（３７）と、第１電極層（３３）の発光層（３５）が位置する側とは反対側に設けられる光散乱層（３２）と、光散乱層（３２）の発光層（３５）が位置する側とは反対側に設けられる透明基板（３１）とを備え、第１電極層（３３）には、複素誘電率の実部が負の導電材料が用いられる。

Description

面発光素子

　本発明は面発光素子の構造に関する。

　新たな光源として面発光素子が挙げられる。面発光素子においては、光取り出し効率の向上を図るため、面発光素子の構造の最適化が検討されている。

　面発光素子において発生した光の損失要因の一つに、発光層と金属電極とが近接していることが原因のプラズモン損失がある。このプラズモン損失は、発光層と金属電極とを遠ざけることで損失を軽減することができる。有機機能層（たとえば、電子輸送層など）を厚くする構造、発光層と金属電極との間に透明電極を挟む構造を採用することでもプラズモン損失の軽減が可能である。

　プラズモン損失の要因を小さくすると、一方で導波モードによる効率低下の要因が大きくなる。導波モードの課題を解決するため、回折格子および散乱層を設けて、光を取り出すことが行なわれる。

　特開２００４－１４５３０号公報（特許文献１）には、透明電極の光取り出し側に高屈折率の光散乱層を設ける有機ＥＬ素子の構造が開示されている。特開２００４－１２７９４２号公報（特許文献２）には、発光層の上下に透明電極を配置し、光取り出し側の透明電極と基板との間に光散乱層を設ける高光抽出型有機発光ダイオードデバイスの構造が開示されている。

特開２００４－１４５３０号公報特開２００４－１２７９４２号公報

　今後、面発光素子の需要の拡大が期待されることから、面発光素子における光取り出し効率の向上を可能とする新規な面発光素子の開発が重要となる。

　本発明の目的は、さらなる光取り出し効率の向上を可能とする構造を備える面発光素子を提供することにある。

　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した面発光素子においては、光を発生する発光層と、上記発光層の光を取り出す側に設けられ、上記発光層から発生した光の通過が可能である第１電極層と、上記発光層の光を取り出さない側に設けられる第２電極層と、上記第１電極層の上記発光層が位置する側とは反対側に設けられる光散乱層と、上記光散乱層の上記発光層が位置する側とは反対側に設けられる透明基板とを備え、上記第１電極層には、複素誘電率の実部が負の導電材料が用いられる。

関連技術１における面発光素子の構造を示す断面図である。関連技術２における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１における面発光素子の構造を示す断面図である。関連技術１の面発光素子における発光中心点と金属陰極との距離を変化させた場合の電場振幅の変化を示す図である。実施の形態１の面発光素子における発光中心点と金属陰極との距離を変化させた場合の電場振幅の変化を示す図である。発光中心点と金属陰極との距離が５５ｎｍの場合の、関連技術１および実施の形態１の電場振幅の変化を示す図である。発光中心点と金属陰極との距離が７５ｎｍの場合の、関連技術１および実施の形態１の電場振幅の変化を示す図である。発光中心点と金属陰極との距離が９５ｎｍの場合の、関連技術１および実施の形態１の電場振幅の変化を示す図である。発光中心点と金属陰極との距離が１１５ｎｍの場合の、関連技術１および実施の形態１の電場振幅の変化を示す図である。発光中心点と金属陰極との距離が２１５ｎｍの場合の、関連技術１および実施の形態１の電場振幅の変化を示す図である。図１０の発光中心点周りの部分拡大図である。関連技術１および実施の形態１の、発光中心点での相対電場振幅とプラズモンモードとの結合効率を示す図である。実施の形態２における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態３における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態４における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態５における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態６における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態７における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態８における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態９における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１０における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１１における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１２における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１３における面発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態１４における面発光素子の構造を示す断面図である。関連技術１、２および実施の形態１～１４における面発光素子の光取り出し効率を示す図である。

　本発明に基づいた各実施の形態における面発光素子について、以下、図を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

　（関連技術１および２）
　図１および図２を参照して、本発明に基づいた各実施の形態における面発光素子の構造を説明する前に、関連技術１および２における面発光素子１ａおよび２ａについて説明する。

　（関連技術１：面発光素子１ａ）
　まず、図１を参照して、関連技術１における面発光素子１ａについて説明する。図１は、関連技術１における面発光素子１ａの構造を示す断面図である。

　この面発光素子１ａは、平面視においては矩形形状を有し、光を発生する発光層１５と、この発光層１５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層１４、第１電極層（透明陽極）１３と、光散乱層１２、および、透明基板１１が、この順に積層されている。

　発光層１５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層１６および金属陰極層（反射電極）１７が、この順に積層されている。

　透明基板１１は、その主表面上に上述した各種の層が形成される基材となるものであり、可視光領域の光を良好に透過する絶縁性の部材にて構成されている。透明基板１１は、リジッド基板であってもよいし、フレキシブル基板であってもよい。透明基板１１としては、上述した光透過性の観点から、たとえば、ガラス基板、プラスチック板、高分子フィルム、シリコン板またはこれらの積層板等にて構成される。ここでは、厚さ約５ｍｍ程度のガラス基板を用いた。

　光散乱層１２は、可視光領域の光を良好に透過するとともに、その一部を散乱させる機能を有する絶縁性の膜にて構成されている。光散乱層１２は、透明基板１１よりも、高い屈折率を有するよい。具体的には、光散乱層１２としては、たとえばＰＭＭＡ樹脂（屈折率ｎ＝１．５）に粒径５０ｎｍ程度のＴｉＯ２微粒子（屈折率ｎ＝２．２）を混ぜたもの（全体としての実効屈折率ｎは１．８程度）をバインダーとして、これにさらにフィラーとしての粒径５００ｎｍ程度のＰＭＭＡ樹脂微粒子（屈折率ｎ＝１．５）を混ぜたものが利用できる。上述した粒径５００ｎｍ程度のＰＭＭＡ樹脂微粒子に代えて、粒径５００ｎｍ程度の中空シリカ（中空部分の屈折率ｎ＝１．０）をフィラーとして用いてもよい。

　第１電極層（透明陽極）１３は、可視光領域の光を良好に透過しかつ良好な電気導電性を呈する膜にて構成されている。具体的には、第１電極層（透明陽極）１３としては、たとえばＩＴＯ（インジウム酸化物と錫酸化物との混合体）膜、ＩＺＯ（インジウム酸化物と亜鉛酸化膜との混合体）膜、ＺｎＯ膜、ＣｕＩ、ＳｎＯ２膜等の無機導電膜、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸の混合体）膜等の有機導電膜、高分子材料に銀ナノワイヤー、カーボンナノチューブ等を分散させた複合導電膜等にて構成される。第１電極層（透明陽極）１３をＩＴＯ膜（屈折率ｎ＝１．８～２．２程度）にて構成する場合には、その厚みはたとえば１００ｎｍ程度とされる。

　正孔輸送層１４は、正孔を第１電極層（透明陽極）１３から発光層１５に輸送する。正孔輸送層１４における正孔輸送材料としては、たとえば、トリアゾール誘導体、またはオキサジアゾール誘導体等を用いることができる。正孔輸送層１４は、屈折率ｎ＝１．７～１．９程度であるが、ここでは代表値としてｎ＝１．８とした。層の厚さは、約４０ｎｍである。

　発光層１５は、有機電界発光層であり、少なくとも蛍光発光性化合物または燐光発光性化合物からなる発光層を含み、可視光領域の光を良好に透過する膜にて構成されている。発光層１５としては、たとえばＡｌｑ３（トリス（８－キノリノラト）アルミニウム）に代表される有機材料を含む積層膜（各膜の屈折率ｎ＝は、１．７～１．９（代表値としての屈折率ｎ＝は１．８）、厚み３０ｎｍ程度）が好適に利用できる。

　発光層１５の材料としては、面発光素子１ａの外部量子効率の向上、発光寿命の長寿命化等の観点から、有機金属錯体を用いてもよい。ここで、錯体の形成に係る金属元素としては、元素周期表のＶＩＩＩ族、ＩＸ族およびＸ族に属するいずれか１種の金属またはＡｌ、Ｚｎであることが好ましく、特にＩｒまたはＰｔ、Ａｌ、Ｚｎであることが好ましい。

　電子輸送層１６は、金属陰極層１７から注入された電子を発光層１５に輸送する機能を有する。電子輸送層１６における電子輸送材料としては、たとえば、ニトロ置換フルオレン誘導体、またはジフェニルキノン誘導体等を用いることができる。電子輸送層１６は、屈折率ｎ＝１．７～１．９程度であるが、ここでは代表値としてｎ＝１．８とした。その厚みはたとえば４０ｎｍ～２００ｎｍ程度である。

　金属陰極層１７は、たとえば、Ａｌ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｗ、およびＰｔの中から選択される１種以上の金属元素を用いることができる。ここでは、Ａｌを用い、その厚みはたとえば１００ｎｍ程度とした。

　面発光素子は、発光層によって発生した光は、空気に出る空気モード、透明基板と空気の全反射で閉じ込められる基板モード、透明陽極および／または発光層によって閉じ込められる導波モード、導波モードのうち、金属陰極層に特に局在したプラズモンモードの４つのモードが存在する。

　実際に利用できる光は、空気に取り出される光である。基板モードの光は透明基板１１の空気側表面に光取り出しシートを貼り付けることで透明基板１１と金属陰極層１７の間の多重反射により一部空気に取り出される。導波モードおよびプラズモンモードの光は利用できない。

　各モードの典型的な比率は、空気モードが２０％、基板モードが３０％、導波モードが１０％、プラズモンモードが４０％である。光取り出しシートを利用しても導波モードおよびプラズモンモードの光を取り出すことはできない。

　プラズモンモードの原因は、発光層１５中の発光点（発光層１５の厚さ方向の中心位置）が金属陰極層１７に近いためである。発光点と金属陰極層１７の表面との距離を遠ざけることで、プラズモンモードを低減することができる。

　面発光素子では、発光層と金属陰極層との間にある電子輸送層の厚さを十分厚くすることで、発光点と金属陰極層の表面との距離を離すことが可能である。しかし、電子輸送層の厚さを厚くし過ぎると、電子輸送層の電気特性（抵抗、キャリアバランス）が悪化する。

　導波モードおよび基板モードの光を、光の散乱によって取り出す方法として、光取出し側の層に光散乱機能を付与する方法がある。図１に示す面発光素子１ａでは、透明基板１１と透明陽極１３との間に、光散乱層１２を挿入することで、導波モードと基板モードとに取り込まれた光を散乱させて、光の取り出し効率の向上を図っている。

　（関連技術２：面発光素子２ａ）
　図２に、関連技術２における面発光素子２ａを示す。この面発光素子２ａは、上記面発光素子１ａの構成と同様に、光を発生する発光層２５と、この発光層２５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層２５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層２４、第１電極層（透明陽極）２３、光散乱層２２、および透明基板２１が、この順に積層されている。

　発光層２５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層２６、透明陰極層２７、および、光反射金属層２８が、この順に積層されている。透明陰極層２７は、発光点と光反射金属層２８の表面との距離を遠ざけるために設けられている。この透明陰極層２７は、第１電極層（透明陽極）２３と同様に、可視光領域の光を良好に透過しかつ良好な電気導電性を呈する膜にて構成されている。

　透明陰極層２７としては、たとえばＩＴＯ（インジウム酸化物と錫酸化物との混合体）膜、ＩＺＯ（インジウム酸化物と亜鉛酸化膜との混合体）膜、ＺｎＯ膜、ＣｕＩ、ＳｎＯ２膜等の無機導電膜、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸の混合体）膜等の有機導電膜、高分子材料に銀ナノワイヤー、カーボンナノチューブ等を分散させた複合導電膜等にて構成される。

　透明陰極層２７をＩＴＯ膜（屈折率ｎ＝１．８～２．２程度）にて構成する場合には、その厚みはたとえば５０ｎｍ程度とされる。透明陰極層２７も厚くすると、光の材料吸収が無視できないことから、第１電極層（透明陽極）２３との積層構造がよい。

　光反射金属層２８としては、たとえばＡｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎａ、Ｃａまたはこれらのいずれかを含む合金等からなる金属膜（たとえば厚み１００ｎｍ程度）にて構成される。

　光散乱層２２は、光取り出し側の第１電極層（透明陽極）２３に近接させることで、第１電極層（透明陽極）２３と発光層２５等で導波される導波モードの光を透明基板２１へ散乱させ、かつ、基板モードの光を空気へ散乱させる効果がある。

　図１に示す面発光素子１ａおよび図２に示す面発光素子２ａのいずれの構造も、最大の光損失要因であるプラズモンモードへの結合強度は、プラズモンモードの電場分布の発光点位置での電場強度と密接に関係する。

　プラズモンモードは、金属表面に最大強度を持ち、発光層を通じて、透明基板へと指数関数的に減衰する分布を有する。発光点での電場強度を小さくできればプラズモンモードへの結合を減らすことができる。しかし、発光層および透明電極の屈折率ｎは、大きくは変化させることができず、典型的には屈折率ｎ＝１．８～２．２程度を有するため、プラズモンモードを低減するためには発光点から金属をできるだけ遠ざけることが有効となる。

　（実施の形態１：面発光素子３ａ）
　次に、図３を参照して、実施の形態１における面発光素子３ａについて説明する。図３は、実施の形態１における面発光素子３ａの構造を示す断面図である。この面発光素子３ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図１に示す関連技術１における面発光素子１ａと同じであり、光を発生する発光層３５と、この発光層３５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層３５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層３４、第１電極層（透明陽極）３３、光散乱層３２、および透明基板３１が、この順に積層されている。

　発光層３５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層３６および金属陰極層（反射電極）３７が、この順に積層されている。

　関連技術１との相違点としては、第１電極層（透明陽極）３３に薄銀層（Ａｇ、厚さ８ｎｍ）を用いている点にある。薄銀層を用いた場合、電場分布が一見、不連続的な形状を有する。これはＭａｘｗｅｌｌ方程式から決まる境界条件にて、複素誘電率の実部が負を有する薄銀層内では電場分布が指数関数的減少とは逆の依存性を有する。この依存性から、発光点付近の電場強度が小さくなった形状を有する。

　発光点付近での電場強度が小さくなるような要件としては、薄銀層部分の複素誘電率の実部の負の絶対値が大きいとよい。発光点（発光層３５の厚さ方向の中心位置。以下、同様。）から第１電極層（透明陽極）３３の表面までの距離Ｄ２と、発光点から金属陰極層３７の表面までの距離Ｄ１が同じ場合、発光点での電場強度が必ず小さくなる。それはプラズモンモードへの結合効率が小さくなることと同義となり、最大の光取出し効率低下の要因を軽減することが可能となる。

　ただし、プラズモンモードでの損失を軽減した場合でも、発光層などで生じる導波モードが存在する場合は導波モードに変換されるだけとなるため、このままでは空気に取り出すことはできない。

　第１電極層（透明陽極）３３に隣接するように光散乱層３２を形成することで、導波モードを基板モードに変換し、かつ、基板モードを空気モードへ変換することが可能となり、最終的な光取り出し効率を向上させることが可能となる。

　導波モードは、高屈折率の層厚が十分薄い（大よそ波長の１／４以下）と、モード自身が存在できない条件となる。第１電極層（透明陽極）３３にＩＴＯを使わず薄銀層を使用し、有機層の膜厚が薄ければ、導波モードは存在できない。

　高屈折率散乱層による導波モードの基板モードへの変換は、導波モードの伝搬距離（強度が１／ｅになる伝搬距離）が有限であることから、全てを基板モードに変換はできない。その効率は大よそ３０～７０％程度であり、高屈折率層の屈折率が高い（導波モードを構成する発光層、電荷輸送層（電子輸送層３６、正孔輸送層３４）、ＩＴＯに近い）ほど効率が高くなる。

　一方、基板モードを空気モードに変換する効率であるが、高屈折率散乱層の屈折率が高いほど全反射条件で高屈折率散乱層に閉じ込められてしまう割合が増えるため、高屈折率散乱層の屈折率が低いほどよい。

　高屈折率散乱層は導波モードを基板モードに変換し、基板モードを空気モードに変換する機能を有するが、それぞれに有利な屈折率が相反する要件となっており、高屈折率散乱層の屈折率は高すぎないことが望まれる。

　第１電極層（透明陽極）３３は、銀（Ａｇ）または銀（Ａｇ）を主成分とする合金で構成される。銀（Ａｇ）を主成分とする合金は、一例として銀マグネシウム（ＡｇＭｇ）、銀銅（ＡｇＣｕ）、銀パラジウム（ＡｇＰｄ）、銀パラジウム銅（ＡｇＰｄＣｕ）、銀インジウム（ＡｇＩｎ）などが挙げられる。銀または銀を主成分とした合金の層が、必要に応じて複数の層に分けて積層された構成であってもよい。これらの材料は、いずれも、銀と同様に、複素誘電率の実部が負の導電材料である。

　図４は、関連技術１の面発光素子１ａにおいて、発光点と金属陰極層１７の表面までの距離を変えた時の電場振幅を示した図ある。横軸は発光点からの距離を表わし、透明基板１１は右側に存在する。透明基板１１までの距離を長くするにしたがい（５５ｎｍ、７５ｎｍ、９５ｎｍ、１１５ｎｍ、２１５ｎｍ）、発光点での電場振幅は減少する。

　図５は、実施の形態１における面発光素子３ａにおいて、発光点と金属陰極層３７の表面までの距離を変えた時の電場振幅を示した図ある。横軸は発光点からの距離を表わし、透明基板１１は右側に存在する。透明基板１１までの距離を長くするにしたがい（５５ｎｍ、７５ｎｍ、９５ｎｍ、１１５ｎｍ、２１５ｎｍ）、発光点での電場振幅は減少する。

　実施の形態１における面発光素子３ａの場合、関連技術１に比べ、座標５５ｎｍ付近（矢印Ａで示す部分）に存在する薄銀を用いた第１電極層（透明陽極）３３による電場不連続形状により、発光点付近の電場振幅が全ての場合でより減少していることがわかる。

　図６～図１０は、発光点と金属陰極層３７の表面までの距離が５５ｎｍ（図６）、７５ｎｍ（図７）、９５ｎｍ（図８）、１１５ｎｍ（図９）、２１５ｎｍ（図１０）における、関連技術１における面発光素子１ａの場合と、実施の形態１における面発光素子３ａの場合とで、電場振幅を対比したグラフであり、全ての場合において発光点での電場振幅は実施の形態１における面発光素子３ａの方が減少している。

　図１０を拡大した図１１には、実施の形態１における面発光素子３ａを用いた、第１電極層（透明陽極）３３の複素誘電率の実部も載せている。発光点から透明基板３１方向へ６０ｎｍ付近に第１電極層（透明陽極）３３が存在する。薄銀の複素誘電率の実部は大きく負であることから、薄銀内で存在する電場分布は周囲とは逆に透明基板３１方向に強度が増加する。そのため、全体のモード形状が第１電極層（透明陽極）３３付近で発光点の電場分布を下げるように不連続形状となる。

　図１２は発光点での電場振幅と、プラズモンモードとの結合効率を示すグラフである。発光点と金属陰極層３７までの距離を長くすると発光点での電場振幅が減少し、プラズモンモードとの結合効率が減少している強い相関関係が分かる。しかし、全ての領域において関連技術１に比べて実施の形態１における面発光素子３ａにおいて、さらに電波振幅を減少させ、プラズモンモードへの結合効率を低下させることが可能となる。

　ここで、金属薄膜がどの程度の薄さであれば光を透過するかは、屈折率ｎの虚部を用いて表わすことができる。屈折率ｎと消衰係数κとを用いた場合、厚みｄの媒質を通過する際に生じる位相変化φと透過率Ｔとは、下記の式（１）および式（２）により表わされる。

　ここで、λは、真空中における光の波長である。式（１）より、光の強度ｅ２分の１に減衰する距離Ｌｄは、下記の式（３）により表わされる。

　よって、金属薄膜からなる第１電極層（透明陽極）３３が十分な透過率を有するためには、上記の式（２）で示されるＬｄよりも薄いことが望ましい。第１電極層（透明陽極）３３として銀（Ａｇ）膜を用いる場合には、その厚みは８ｎｍ程度とされることが好ましい。

　（実施の形態２：面発光素子４ａ）
　次に、図１３を参照して、実施の形態２における面発光素子４ａについて説明する。図１３は、実施の形態２における面発光素子４ａの構造を示す断面図である。この面発光素子４ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図３に示す実施の形態１における面発光素子３ａと同じであり、光を発生する発光層４５と、この発光層４５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層４５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層４４、第１電極層（透明陽極）４３、光散乱層４２、および透明基板４１が、この順に積層されている。

　発光層４５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層４６および金属陰極層（反射電極）４７が、この順に積層されている。

　実施の形態１との相違点としては、第１電極層（透明陽極）４３と光散乱層４２との間に、下地層４９を設けている点にある。下地層４９としては、電荷輸送層と同じ材料、ポリエチレンナフタレート等の有機材料、または、ＳｉＯＸ等の無機材料を用いることができる。下地層４９は、屈折率ｎ＝１．７～１．９程度であるが、ここでは代表値としてｎ＝１．８とした。その厚みはたとえば３０ｎｍ程度である。

　プラズモンモードの分布を理想的な形状にするためには、薄銀陽極である第１電極層（透明陽極）４３の前後の屈折率でも決まるため、光散乱層４２の屈折率とは独立に光学的な設計が可能となる。さらに、製造上の工程で、第１電極層（透明陽極）４３を凹凸なく形成するために適切な下地層を利用することが望ましく、第１電極層（透明陽極）４３の透明陽極としての特性をさらに向上させることが可能となる。

　（実施の形態３：面発光素子５ａ）
　次に、図１４を参照して、実施の形態３における面発光素子５ａについて説明する。図１４は、実施の形態３における面発光素子５ａの構造を示す断面図である。この面発光素子５ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図２に示す関連技術２における面発光素子２ａと同じであり、光を発生する発光層５５と、この発光層５５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層５５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層５４、第１電極層（透明陽極）５３、光散乱層５２、および透明基板５１が、この順に積層されている。

　発光層５５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層５６、透明陰極層５７、および、光反射金属層５８が、この順に積層されている。

　関連技術２との相違点としては、第１電極層（透明陽極）５３に薄銀層（Ａｇ、厚さ８ｎｍ）を用いている点にある。関連技術２の面発光素子２ａの第１電極層（透明陽極）に薄銀層を用いることで、プラズモン損失を軽減することが可能となる。面発光素子５ａにおいて、電気的特性と光学的特性との得失とのバランスを、よりよいところで実現することが可能となる。

　（実施の形態４：面発光素子６ａ）
　次に、図１５を参照して、実施の形態４における面発光素子６ａについて説明する。図１５は、実施の形態４における面発光素子６ａの構造を示す断面図である。この面発光素子６ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図１４に示す実施の形態３における面発光素子５ａと同じであり、光を発生する発光層６５と、この発光層６５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層６５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層６４、第１電極層（透明陽極）６３、光散乱層６２、および透明基板６１が、この順に積層されている。

　発光層６５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層６６、透明陰極層６７、および、光反射金属層６８が、この順に積層されている。

　実施の形態３との相違点としては、第１電極層（透明陽極）６３と光散乱層６２との間に、下地層６９を設けている点にある。この下地層６９の材料、層厚さは、実施の形態２における下地層４９と同じである。

　これにより、実施の形態３に加え、実施の形態２と同様の作用効果を得ることができる。

　（実施の形態５：面発光素子７ａ）
　次に、図１６を参照して、実施の形態５における面発光素子７ａについて説明する。図１６は、実施の形態５における面発光素子７ａの構造を示す断面図である。この面発光素子７ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図３に示す実施の形態１における面発光素子３ａと同じであり、光を発生する発光層７５と、この発光層７５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層７５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層７４、薄銀層を用いた第１電極層（透明陽極）７３、光散乱層７２、および、透明基板７１が、この順に積層されている。

　実施の形態１との相違点として、発光層７５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）の構造が異なっている。発光層７５の他方側の面には、電子輸送層７６、透明陰極層７７、光学透明層７０、および、光反射金属層７８が、この順に積層されている。

　透明陰極層７７には、上記各実施の形態と同様の薄銀層（Ａｇ、厚さ８ｎｍ）を用いている。

　光学透明層７０には、電荷輸送層と同じ材料、ポリエチレンナフタレート等の有機材料、または、ＳｉＯＸ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の無機材料を用いることができる。

　この構成により、光反射金属層７８と透明陰極層７７との間を光学透明層７０でさらに遠ざけることが可能となり、プラズモン損失をより軽減することができる。光学透明層７０を設けない構成の採用可能である。

　（実施の形態６：面発光素子８ａ）
　次に、図１７を参照して、実施の形態６における面発光素子８ａについて説明する。図１７は、実施の形態６における面発光素子８ａの構造を示す断面図である。この面発光素子８ａは、基本的構成（材料、層厚さ）は、図１６に示す実施の形態５における面発光素子５ａと同じであり、光を発生する発光層８５と、この発光層８５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層８５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層８４、第１電極層（透明陽極）８３、光散乱層８２、および透明基板８１が、この順に積層されている。

　発光層８５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層８６、透明陰極層８７、光学透明層８０、および、光反射金属層８８が、この順に積層されている。

　実施の形態５との相違点としては、第１電極層（透明陽極）８３と光散乱層８２との間に、下地層８９を設けている点にある。この下地層８９の材料、層厚さは、実施の形態２における下地層４９と同じである。

　これにより、実施の形態５に加え、実施の形態２と同様の作用効果を得ることができる。

　（実施の形態７：面発光素子９ａ）
　次に、図１８を参照して、実施の形態７における面発光素子９ａについて説明する。図１８は、実施の形態７における面発光素子９ａの構造を示す断面図である。この面発光素子９ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態１における面発光素子３ａと同じであり、相違点は、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　ＩＴＯは陽極に適した材料であるので、関連技術１に示す面発光素子１ａのような構成が典型的な順積層構成としてよく用いられる。上記各実施の形態では、第１電極層（透明陽極）に薄銀層を用いているが、薄銀層は、陽極としても陰極としても比較的容易に用いることができる。

　その結果、ＩＴＯを用いた関連技術１の構成に比べて、電気的特性を維持しながら上記各実施の形態の構成に対して、電極の正負構成を逆転させた構成を採用することが可能となる。陽極と陰極の役割が代わり、合わせて正孔輸送層と電子輸送層が入れ替わる構成となる。

　したがって、実施の形態７における面発光素子９ａは、光を発生する発光層９５と、この発光層９５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層９５から発生した光の通過が可能である電子輸送層９６、第１電極層（透明陰極）９３、光散乱層９２、および透明基板９１が、この順に積層されている。

　発光層９５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層９４および金属陽極層（反射電極）９７が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態１における面発光素子３ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層９２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態８：面発光素子１０ａ）
　次に、図１９を参照して、実施の形態８における面発光素子１０ａについて説明する。図１９は、実施の形態８における面発光素子１０ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１０ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態２における面発光素子４ａと同じである。相違点は、上記実施の形態７に示す同様の理由から、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　したがって、実施の形態８における面発光素子１０ａは、光を発生する発光層１０５と、この発光層１０５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１０５から発生した光の通過が可能である電子輸送層１０６、第１電極層（透明陰極）１０３、下地層１０９、光散乱層１０２、および透明基板１０１が、この順に積層されている。

　発光層１０５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層１０４および金属陽極層（反射電極）１０７が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態２における面発光素子４ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１０２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態９：面発光素子１１ａ）
　次に、図２０を参照して、実施の形態９における面発光素子１１ａについて説明する。図２０は、実施の形態９における面発光素子１１ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１１ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態３における面発光素子５ａと同じである。相違点は、上記実施の形態７に示す同様の理由から、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　したがって、実施の形態９における面発光素子１１ａは、光を発生する発光層１１５と、この発光層１１５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１１５から発生した光の通過が可能である電子輸送層１１６、第１電極層（透明陰極）１１３、光散乱層１１２、および透明基板１１１が、この順に積層されている。

　発光層１１５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層１１４、透明陽極層１１７、および光反射金属層１１８が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態３における面発光素子５ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１１２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態１０：面発光素子１２ａ）
　次に、図２１を参照して、実施の形態１０における面発光素子１２ａについて説明する。図２１は、実施の形態１０における面発光素子１２ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１２ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態４における面発光素子６ａと同じである。相違点は、上記実施の形態７に示す同様の理由から、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　したがって、実施の形態１０における面発光素子１２ａは、光を発生する発光層１２５と、この発光層１２５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１２５から発生した光の通過が可能である電子輸送層１２６、第１電極層（透明陰極）１２３、下地層１２９、光散乱層１２２、および透明基板１２１が、この順に積層されている。

　発光層１２５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層１２４、透明陽極層１２７、および、光反射金属層１２８が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態４における面発光素子６ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１１２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態１１：面発光素子１３ａ）
　次に、図２２を参照して、実施の形態１１における面発光素子１３ａについて説明する。図２２は、実施の形態１１における面発光素子１３ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１３ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態５における面発光素子７ａと同じである。相違点は、上記実施の形態７に示す同様の理由から、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　したがって、実施の形態１１における面発光素子１３ａは、光を発生する発光層１３５と、この発光層１３５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１３５から発生した光の通過が可能である電子輸送層１３６、第１電極層（透明陰極）１３３、光散乱層１３２、および透明基板１３１が、この順に積層されている。

　発光層１３５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層１３４、透明陽極層１３７、光学透明層１３０、および、光反射金属層１３８が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態５における面発光素子７ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１３２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態１２：面発光素子１４ａ）
　次に、図２３を参照して、実施の形態１２における面発光素子１４ａについて説明する。図２３は、実施の形態１２における面発光素子１４ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１４ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態６における面発光素子８ａと同じである。相違点は、上記実施の形態７に示す同様の理由から、電極の正負構成を逆転させた構成となっている。

　したがって、実施の形態１２における面発光素子１４ａは、光を発生する発光層１４５と、この発光層１４５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１４５から発生した光の通過が可能である電子輸送層１４６、第１電極層（透明陰極）１４３、下地層１４９、光散乱層１４２、および透明基板１４１が、この順に積層されている。

　発光層１４５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、正孔輸送層１４４、透明陽極層１４７、光学透明層１４０、および、光反射金属層１４８が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態６における面発光素子８ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１４２で取り出すことが可能となる。

　（実施の形態１３：面発光素子１５ａ）
　次に、図２４を参照して、実施の形態１３における面発光素子１５ａについて説明する。図２４は、実施の形態１３における面発光素子１５ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１５ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態１における面発光素子３ａと同じである。相違点は、第１電極層（透明陽極）の材料として、銀ではなく銀マグネシウムを用いている点にある。銀マグネシウムも銀と同様に、複素誘電率の実部が負の導電材料であり、同等の特性を有する。

　したがって、実施の形態１３における面発光素子１５ａは、光を発生する発光層１５５と、この発光層１５５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１５５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層１５４、第１電極層（透明陽極）１５３、光散乱層１５２、および透明基板１５１が、この順に積層されている。

　発光層１５５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層１５６および金属陰極層（反射電極）１５７が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態１における面発光素子３ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１５２で取り出すことが可能となる。

　上記実施の形態７～１２で示したように、電極の正負構成を逆転させた構成を採用することも可能である。

　（実施の形態１４：面発光素子１６ａ）
　次に、図２５を参照して、実施の形態１４における面発光素子１６ａについて説明する。図２５は、実施の形態１４における面発光素子１６ａの構造を示す断面図である。この面発光素子１６ａの基本的構成（材料、層厚さ）は、実施の形態１における面発光素子３ａと同じである。相違点は、第１電極層（透明陽極）の材料として、銀ではなく金を用いている点にある。金も銀と同様に、複素誘電率の実部が負の導電材料であり、同等の特性を有する。

　したがって、実施の形態１４における面発光素子１６ａは、光を発生する発光層１６５と、この発光層１６５の一方側の面（光取出し側：図の上側）には、発光層１６５から発生した光の通過が可能である正孔輸送層１６４、第１電極層（透明陰極）１６３、光散乱層１６２、および透明基板１６１が、この順に積層されている。

　発光層１６５の他方側の面（光を取出さない側：図の下側）には、電子輸送層１６６および金属陰極層（反射電極）１６７が、この順に積層されている。

　この構成を採用することによっても、光学的な特性は実施の形態１における面発光素子３ａと同様にプラズモン損失を軽減することが可能であり、さらに、導波モードを光散乱層１６２で取り出すことが可能となる。

　（光取り出し効率）
　図２６に、上記関連技術１、２および実施の形態１～１４における各面発光素子の光取り出し効率を示す。関連技術１、２においては、光取出し効率はいずれも４０％未満であったが。施の形態１～１４における各面発光素子においては、光取出し効率をいずれも４０％以上に向上させることが可能であることが確認できた。

　上記各実施の形態において、発光層の中心位置から第２電極層の発光層側の面までの距離Ｄ１は、いずれも発光層の中心位置から第１電極層の発光層側の面までの距離Ｄ２よりも長く設定されていた。

　発光層の中心位置から第２電極層の発光層側の面までの距離Ｄ１が、１００ｎｍ未満である、実施の形態１，２，７，８，１３，１４の面発光素子においては、光取り出し効率が４９％であり、他の実施の形態の面発光素子の光取り出し効率に比べ優れていた。

　以上、本実施の形態における面発光素子によれば、光を取り出す側の透明電極として薄い金属を用いている。これにより、ＩＴＯなど通常の第１電極層（透明電極）に比べてプラズモン損失を軽減することが可能となる。

　ＩＴＯを用いた面発光素子と本実施の形態における面発光素子とにおいて、同程度の光損失を許容すると、発光層から反射電極までの距離を短くすることができる。その結果、電気的特性を向上させることができる。発光層、透明電極で閉じ込められる導波モードの光は近接された高屈折率散乱層にて基板、空気に光を取り出すことができる。

　以上詳細に説明した各面発光素子においては、光を発生する発光層と、上記発光層の光を取り出す側に設けられ、上記発光層から発生した光の通過が可能である第１電極層と、上記発光層の光を取り出さない側に設けられる第２電極層と、上記第１電極層の上記発光層が位置する側とは反対側に設けられる光散乱層と、上記光散乱層の上記発光層が位置する側とは反対側に設けられる透明基板とを備え、上記第１電極層には、複素誘電率の実部が負の導電材料が用いられる。

　上記複素誘電率の実部が負の導電材料は、金属で形成することができる。上記金属は、銀または銀を主成分とする合金で形成することができる。

　上記光散乱層は、上記透明基板よりも、高い屈折率を有する層で構成することができる。また、上記第２電極層は、上記発光層側に設けられる透明電極層と、上記透明電極層の上記発光層が位置する側とは反対側に設けられる光反射金属層とを含むよう構成することができる。

　また、上記透明電極層と上記光反射金属層との間に、光学透明層をさらに含むよう構成することができる。

　また、上記透明電極層は、上記複素誘電率の実部が負の金属で構成することができる。また、上記第１電極層と上記光散乱層との間に、光を通過させる下地層をさらに含むように構成することができる。

　また、上記発光層の中心位置から上記第２電極層の上記発光層側の面までの距離は、上記発光層の中心位置から上記第１電極層の上記発光層側の面までの距離よりも長くなるよう構成することができる。

　また、上記発光層の中心位置から上記第２電極層の上記発光層側の面までの距離は、１００ｎｍ未満であるよう構成することができる。

　以上の各構成によれば、光取り出し効率の向上を可能とする構造を備える面発光素子を提供することができる。

　以上、本発明の各実施の形態における面発光素子について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

　１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ　面発光素子、１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１、１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１　透明基板、１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２、１１２、１３２、１４２、１５２、１６２　光散乱層、１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３、１１３、１２３、１３３、１４３、１５３、１６３　第１電極層（透明陰極）、１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４、１１４、１２４、１３４、１４４、１５４、１６４　正孔輸送層、１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５、１１５、１２５、１３５、１４５、１５５、１６５　発光層、１６、２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６、９６、１０６、１１６、１２６、１３６、１４６、１５６、１６６　電子輸送層、１７、３７、４７　金属陰極層（反射電極）、２７、５７、６７、７７、８７　透明陰極層、２８、５８、６８、７８、８８　光反射金属層、４９、６９、８９、１０９、１２９、１４９　下地層、７０、８０、１３０、１４０　光学透明層、９７、１０７、１５７、１６７　金属陽極層（反射電極）、１１７、１２７、１３７、１４７　透明陽極層、１１８、１２８、１３８、１４８　光反射金属層。

Claims

　光を発生する発光層と、
　前記発光層の光を取り出す側に設けられ、前記発光層から発生した光の通過が可能である第１電極層と、
　前記発光層の光を取り出さない側に設けられる第２電極層と、
　前記第１電極層の前記発光層が位置する側とは反対側に設けられる光散乱層と、
　前記光散乱層の前記発光層が位置する側とは反対側に設けられる透明基板と、を備え、
　前記第１電極層には、複素誘電率の実部が負の導電材料が用いられる、面発光素子。
　前記複素誘電率の実部が負の導電材料は、金属である、請求項１に記載の面発光素子。
　前記金属は、銀または銀を主成分とする合金である、請求項２に記載の面発光素子。
　前記光散乱層は、前記透明基板よりも、高い屈折率を有する層である、請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光素子。
　前記第２電極層は、
　前記発光層側に設けられる透明電極層と、
　前記透明電極層の前記発光層が位置する側とは反対側に設けられる光反射金属層と、を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光素子。
　前記透明電極層と前記光反射金属層との間に、光学透明層をさらに含む、請求項５に記載の面発光素子。
　前記透明電極層は、前記複素誘電率の実部が負の金属である、請求項５または６に記載の面発光素子。
　前記第１電極層と前記光散乱層との間に、光を通過させる下地層をさらに含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光素子。
　前記発光層の中心位置から前記第２電極層の前記発光層側の面までの距離は、前記発光層の中心位置から前記第１電極層の前記発光層側の面までの距離よりも長い、請求項１から８のいずれか１項に記載の面発光素子。
　前記発光層の中心位置から前記第２電極層の前記発光層側の面までの距離は、１００ｎｍ未満である、請求項９に記載の面発光素子。