WO2024084616A1 - 発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法 - Google Patents

発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法 Download PDF

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WO2024084616A1
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light
layer
matrix material
emitting
inorganic matrix
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貴洋 土江
吉裕 上田
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シャープディスプレイテクノロジー株式会社
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00

Definitions

  • This disclosure relates to a light-emitting device, a display device, and a method for manufacturing a light-emitting device.
  • Patent Document 1 discloses a light-emitting element in which the light-emitting layer contains multiple quantum dots with shell thicknesses that differ from one another, thereby improving the confinement of carriers to the quantum dots.
  • organic ligands exist between the quantum dots, making it difficult to reduce the reactive current flowing between the quantum dots and increase the light-emitting power efficiency.
  • organic ligands have the problem of reduced reliability due to degradation.
  • a light-emitting element includes an anode and a cathode, a light-emitting layer disposed between the anode and the cathode and including a plurality of quantum dots and an inorganic matrix material filling the spaces between the plurality of quantum dots, and a functional layer disposed between the anode and the cathode so as to be adjacent to the light-emitting layer and having the same constituent elements as the inorganic matrix material but a different composition ratio.
  • the light-emitting power efficiency of the light-emitting element is improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a light-emitting element according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 1.
  • 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 4 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 3.
  • 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 6 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 5 .
  • 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a light-emitting element according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element
  • FIG. 8 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 7.
  • 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 10 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 12 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 10 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a light-emitting element according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a display device according to an embodiment of the present invention. 1 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a display device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a light-emitting element according to an embodiment.
  • the light-emitting element 7 according to this embodiment includes an anode EA and a cathode EC, an emitting layer 5 arranged between the anode EA and the cathode EC, and including a plurality of quantum dots QDs and an inorganic matrix material MX filling the spaces between the plurality of quantum dots QDs, and a functional layer 6F arranged between the anode EA and the cathode EC so as to be adjacent to the emitting layer 5, and having the same constituent elements as the inorganic matrix material MX but a different composition ratio.
  • the functional layer 6F and the inorganic matrix material MX may be chalcogenide metals of the same crystal type.
  • the functional layer 6F may be an electron transport layer (ETL) arranged between the cathode EC and the emitting layer 5.
  • ETL electron transport layer
  • HTL hole transport layer
  • the inorganic matrix material MX and the functional layer 6F, which have the same constituent elements, are homogeneously joined, so the potential barrier between the functional layer 6F and the inorganic matrix material MX is small. This makes it easier to inject charges (e.g., electrons) from the functional layer 6F to the light-emitting layer 5, improving the light-emitting power efficiency (power consumption-brightness characteristics of the light-emitting element).
  • charges e.g., electrons
  • the inorganic matrix MX terminates surface defects on the quantum dots QDs and reduces non-radiative recombination in the quantum dots QDs, improving the external luminous efficiency (EQE).
  • the inorganic matrix MX is more durable than typical organic ligands, improving the reliability of the light-emitting element 7.
  • an inorganic matrix MX e.g., zinc sulfide, zinc selenide
  • Each of the multiple quantum dots QD may have a core 8 and a shell 9 whose constituent elements are the same as those of the inorganic matrix material MX.
  • the composition ratio of the inorganic matrix material MX and the shell 9 may be the same or different. In this way, the light emission characteristics (voltage-brightness characteristics) can be reduced in voltage while maintaining the confinement effect of the shell 9.
  • the functional layer 6F and the inorganic matrix material MX may each contain a metal element and a nonmetal element, the metal element being zinc and the nonmetal element being sulfur or selenium.
  • the functional layer 6F may contain hydroxyl groups and may contain metal-hydroxyl group bonds (details will be described later).
  • FIG. 2 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 1.
  • closeness to the vacuum level VE (0 eV) is expressed as “shallow”, and farthest from the vacuum level VE (0 eV) is expressed as “deep”.
  • CBM is the lower end of the conduction band
  • VBM is the upper end of the valence band
  • the band gap is the difference between CBM and VBM
  • FE is the Fermi level.
  • the inorganic matrix material MX may have a larger band gap than the multiple quantum dots QD.
  • the band gap of the quantum dots QD may be the core band gap or the shell band gap.
  • the functional layer 6F When the functional layer 6F is an electron transport layer (ETL) disposed between the light-emitting layer 5 and the cathode EC, the functional layer 6F may have a shallower CBM than the multiple quantum dots QDs and a deeper CBM than the inorganic matrix material MX.
  • the CBM of the quantum dots QDs may be the CBM of the core. In this way, the amount of electron injection can be adjusted by adjusting the CBM of the functional layer 6F, and since the CBM is shallower than the quantum dots QDs, the electron injection barrier from the functional layer 6F (electron transport layer) to the light-emitting layer 5 is reduced, and the light-emitting power efficiency is improved.
  • ETL electron transport layer
  • the CBM of the functional layer 6F is adjusted to be deeper than the CBM of the inorganic matrix MX, electron injection into the inorganic matrix MX is suppressed.
  • the light-emitting region is closer to the functional layer 6F, and non-light-emitting recombination at the interface between the hole transport layer 4 and the light-emitting layer 5 can be suppressed.
  • the functional layer 6F may have a deeper CBM than the shell 9 of the quantum dots QDs.
  • the Fermi level of the functional layer 6F By controlling the Fermi level of the functional layer 6F, a stepped potential can be formed, and the voltage for carrier injection (electron injection) can be reduced.
  • the Fermi level can be controlled, for example, by controlling the zinc element ratio in zinc sulfide and zinc selenide. When the zinc element is in excess, it becomes n-type conductivity with sulfur defects and selenium defects as donors. Therefore, the functional layer 6F (ETL) may have a higher zinc composition ratio than the inorganic matrix material MX.
  • the functional layer 6F may be zinc sulfide represented by Zn x S (x>1), the inorganic matrix material MX may be zinc sulfide represented by Zn y S (0 ⁇ y ⁇ x), the functional layer 6F (ETL) may be zinc selenide represented by Zn x Se (x>1), and the inorganic matrix material MX may be zinc selenide represented by Zn y Se (0 ⁇ y ⁇ x).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting device shown in FIG. 3.
  • the light-emitting layer 5 includes quantum dots QD having a portion exposed from the inorganic matrix material MX, and this exposed portion contacts the functional layer 6F.
  • the functional layer 6F has a deeper CBM than the inorganic matrix material MX and has high carrier transportability, so that the light-emitting characteristics (voltage-luminance characteristics) can be made at a lower voltage.
  • the configuration of FIG. 3 can be formed, for example, by forming a light-emitting layer 5 containing an inorganic matrix material MX, and then etching the vicinity of the upper surface of the inorganic matrix material MX to expose a part of the quantum dots QD near the upper surface from the inorganic matrix material MX.
  • the etching of the inorganic matrix material MX and the growth of the functional layer 6F can be performed in the same simple aqueous solution process.
  • the OH group (hydroxyl group) bonds with the metal element thereby terminating the dangling bond of the metal element, thereby suppressing the non-radiative transition of carriers in the functional layer 6F.
  • the mobility which is one of the carrier transport property indexes, is very high, and a functional layer 6F with a mobility greater than 1.0 [cm 2 /Vs] can be obtained, making it possible to transport carriers at a smaller voltage.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting device according to the embodiment.
  • FIG. 6 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting device shown in FIG. 5.
  • the functional layer 6F is a first electron transport layer
  • a second electron transport layer 6S is disposed between the first electron transport layer 6F and the cathode EC.
  • the second electron transport layer 6S may have the same constituent elements as the first electron transport layer 6F but a different composition ratio.
  • the second electron transport layer 6S has a deeper CBM than the first electron transport layer 6F.
  • the Fermi levels of the first and second electron transport layers 6F and 6S are controlled to form a stepped potential, thereby lowering the voltage for carrier injection (electron injection).
  • the first electron transport layer 6F may be zinc sulfide represented by Zn x S (x>1)
  • the second electron transport layer 6S may be zinc sulfide represented by Zn z S (z>x)
  • the first electron transport layer 6F may be zinc selenide represented by Zn x Se (x>1)
  • the second electron transport layer 6S may be zinc selenide represented by Zn z Se (z>x).
  • Fig. 7 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting element according to the embodiment.
  • Fig. 8 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in Fig. 7.
  • the functional layer 6F is a first electron transport layer
  • the second electron transport layer 6T is disposed between the first electron transport layer 6F and the cathode EC.
  • the electron mobility of the first electron transport layer 6F is S1
  • the thickness is Da
  • the electron mobility of the second electron transport layer 6T is S2
  • the thickness is Db
  • S1/Da 3 ⁇ S2/Db 3 may be satisfied.
  • the amount of carrier injection is calculated by solving the Poisson equation considering the dielectric constant, mobility, carrier density, and film thickness of the ETL material, but when the layer thickness is 100 nm or less and the mobility is 1.0 [cm 2 /Vs] or less, the space charge limited current (SCLC) is dominant over the ohmic current, and the amount of carrier injection is described based on Child's law with the dielectric constant, mobility, film thickness, and voltage as parameters.
  • SCLC space charge limited current
  • the dielectric constants of the first and second electron transport layers 6F and 6T are the same and the amount of electron injection at the same voltage is compared, if the electron mobility of the first electron transport layer 6F is S1, the thickness is Da, the electron mobility of the second electron transport layer 6T is S2, and the thickness is Db, and S1/Da 3 ⁇ S2/Db 3 , a bottleneck of electron injection can be intentionally created, and the carrier balance and therefore the external luminous efficiency (EQE) can be improved.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing another configuration of a light-emitting element according to an embodiment.
  • FIG. 10 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 9.
  • a functional layer 4F hole transport layer: HTL
  • the functional layer 4F may have a deeper VBM than the multiple quantum dots QD.
  • the functional layer 4F may have a shallower VBM than the inorganic matrix material MX.
  • the functional layer 4F may have a smaller composition ratio of zinc than the inorganic matrix material MX.
  • the functional layer 4F may be zinc sulfide represented by Zn x S (x ⁇ 1), and the inorganic matrix material MX may be zinc sulfide represented by Zn y S (0 ⁇ x ⁇ y), or the functional layer 4F (HTL) may be zinc selenide represented by Zn x Se (x ⁇ 1), and the inorganic matrix material MX may be zinc selenide represented by Zn y Se (0 ⁇ x ⁇ y).
  • the inorganic matrix material MX and the functional layer 4F which have the same constituent elements, are homojunctionally joined, so the potential barrier between the functional layer 4F and the inorganic matrix material MX is small.
  • This facilitates hole injection from the functional layer 4F to the light-emitting layer 5, improving the light-emitting power efficiency (power consumption-brightness characteristics of the light-emitting element).
  • the functional layer 4F is configured with a deeper VBM than the multiple quantum dots QDs, which reduces the hole injection barrier from the functional layer 4F (hole transport layer) to the light-emitting layer 5, improving the light-emitting power efficiency.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting element according to the embodiment.
  • FIG. 12 is an example of a schematic band diagram of the light-emitting element shown in FIG. 11.
  • the functional layer 4F may be the first hole transport layer, and the second hole transport layer 4S may be disposed between the first hole transport layer 4F and the anode EA.
  • the hole mobility of the first hole transport layer 4F may be S3, the thickness may be Dc, the hole mobility of the second hole transport layer 4S may be S4, the thickness may be Dd, and S3/Dc 3 ⁇ S4/Dd 3 may be satisfied.
  • EQE external luminous efficiency
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing another configuration of the light-emitting element according to the embodiment.
  • a functional layer 4F (HTL) having the same constituent elements as the inorganic matrix material MX but a different composition ratio may be disposed between the anode EA and the light-emitting layer 5
  • a functional layer 6F (ETL) having the same constituent elements as the inorganic matrix material MX but a different composition ratio may be disposed between the cathode EC and the light-emitting layer 5.
  • the inorganic matrix material MX and the functional layers 4F and 6F may be zinc chalcogenides (zinc sulfide, zinc selenide, etc.), and the functional layer 6F (ETL) may have a higher zinc composition ratio than the inorganic matrix material MX, and the functional layer 4F (HTL) may have a lower zinc composition ratio than the inorganic matrix material MX. In this way, the injection barrier due to the step-like potential can be reduced for both electrons and holes.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a method for manufacturing a light-emitting element according to an embodiment.
  • the method for manufacturing a light-emitting element according to an embodiment includes a step S10 for forming a lower electrode (e.g., an anode EA), a step S20 for forming a light-emitting layer 5 including a plurality of quantum dots QD and an inorganic matrix material MX filling the spaces between the plurality of quantum dots QD, a step S30 for forming a functional layer 6F on the light-emitting layer 5, the functional layer 6F having the same constituent elements as the inorganic matrix material MX but a different composition ratio, and a step S40 for forming an upper electrode (e.g., a cathode EC).
  • a lower electrode e.g., an anode EA
  • Figure 15 is a schematic cross-sectional view showing a method for forming a functional layer using the CBD method.
  • a laminate ST formed by stacking a substrate 13, an anode EA, a hole transport layer 4, and an emitting layer 5 can be immersed in an alkaline aqueous solution 10 containing a metal source and a chalcogen source at a predetermined temperature for a predetermined time while the bottom surface BF and side surface SF of the laminate ST are covered with a mask MK, thereby growing a functional layer 6F on the laminate ST (so as to be in contact with the emitting layer 5).
  • zinc sulfate ( ZnSO4 ) as a zinc source is mixed at a concentration of 0.16 mol/L
  • ammonia as an alkali source is mixed at a concentration of 7.5 mol/L
  • thiourea as a sulfur source is mixed at a concentration of 0.6 mol/L to obtain an alkaline aqueous solution 10 having a pH of 11.
  • the temperature of the alkaline aqueous solution 10 is adjusted to 80°C, and the laminate ST is immersed in the alkaline aqueous solution 10 for 15 minutes to produce a zinc sulfide thin film (containing oxygen atoms and hydroxyl groups) having a thickness of 100 nm.
  • the quantum dot QD used in this embodiment may be a dot having a maximum width of 100 nm or less, and may be spherical or non-spherical in shape.
  • the shape of the quantum dot QD is not limited to a spherical three-dimensional shape (circular cross-sectional shape) as long as it satisfies the maximum width.
  • the maximum width may be 1.0 nm or more.
  • the shape may be, for example, a polygonal cross-sectional shape, a rod-like three-dimensional shape, a branch-like three-dimensional shape, a three-dimensional shape with unevenness on the surface, or a combination thereof.
  • the quantum dot QD may be composed of a semiconductor material, and may be an inorganic semiconductor nanocrystal.
  • the semiconductor material may have a certain band gap and may be a material that generates electroluminescence.
  • the wavelength range of the electroluminescence may be any of the red range, the green range, and the blue range.
  • the quantum dot QD may include at least one of crystals of II-VI group semiconductors such as MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, crystals of III-V group semiconductors such as GaAs, GaP, InN, InAs, InP, InSb, chalcogenide compound crystals, perovskite compound crystals, and crystals of IV group semiconductors such as Si and Ge.
  • II-VI group semiconductors such as MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, C
  • II-VI group compounds refer to compounds containing II group elements and VI group elements
  • III-V group compounds refer to compounds containing III group elements and V group elements.
  • Group II elements may include Group 2 and Group 12 elements
  • Group III elements may include Group 3 and Group 13 elements
  • Group V elements may include Group 5 and Group 15 elements
  • Group VI elements may include Group 6 and Group 16 elements.
  • Chalcogenides are compounds that contain elements from group VI A(16), such as CdS or CdSe. Chalcogenides may also include mixed crystals of these.
  • the perovskite compound has a composition represented by the general formula CsPbX 3 , for example.
  • the constituent element X includes at least one element selected from the group consisting of Cl, Br, and I, for example.
  • the numbering of element groups using Roman numerals is based on the old IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) system or the old CAS (Chemical Abstracts Service) system, and the numbering of element groups using Arabic numerals is based on the current IUPAC system.
  • FIG. 16A and 16B are schematic cross-sectional views showing an example of the formation of an inorganic matrix material.
  • the inorganic matrix material MX fills the region (space) JS between two adjacent quantum dots QD, and the inorganic matrix material MX is filled in the region JS.
  • the region JS may be a region surrounded by two straight lines (common circumscribing lines) that are in contact with the periphery of two adjacent quantum dots QD and two adjacent quantum dots Q in the cross section of the light-emitting layer 5. Note that, as shown in FIG. 16B, even if two adjacent quantum dots are close to each other, the region JS exists, and the inorganic matrix material MX fills the region JS.
  • the inorganic matrix material is filled between at least two quantum dots QD as the inorganic matrix material that fills the space between a plurality of quantum dots.
  • the inorganic matrix material MX fills the space between two adjacent quantum dots QD
  • the inorganic matrix material MX fills the space between a plurality of quantum dots QD.
  • two adjacent quantum dots QD may be retained by the presence of inorganic matrix material MX in region JS, or, for example, two quantum dots QD may be retained by at least a portion of region JS being filled with inorganic matrix MX.
  • the inorganic matrix material MX is mainly composed of an inorganic material (inorganic substance).
  • the inorganic matrix material MX may be a component of the light-emitting layer containing a plurality of quantum dots QDs.
  • the inorganic matrix material MX may be a member that contains and holds other substances, which is composed of an inorganic substance (e.g., an inorganic semiconductor), and may be referred to as a base material, a base material, or a filler.
  • the inorganic matrix material MX may be solid at room temperature.
  • the inorganic matrix material MX may contain a plurality of quantum dots QDs.
  • the inorganic matrix material MX may fill the regions (spaces) other than the plurality of quantum dots QDs in the light-emitting layer (quantum dot layer), or may fill the spaces between the plurality of quantum dots QDs.
  • the inorganic matrix material MX may fill the regions (spaces) other than the plurality of quantum dots QDs in the light-emitting layer.
  • the inorganic matrix material MX may be partially or completely filled between the plurality of quantum dots QDs.
  • the plurality of quantum dots QDs may be embedded at intervals in the inorganic matrix material MX.
  • the inorganic matrix material MX may refer to the portion of the light-emitting layer other than the multiple quantum dots QD.
  • the inorganic matrix material MX may completely or incompletely fill the regions (spaces) other than the quantum dot group in the light-emitting layer.
  • three or more quantum dots QD are collectively referred to as a quantum dot group.
  • the structure of the inorganic matrix material MX, etc. only needs to be found to have a desired configuration in a width of about 100 nm in the cross-sectional observation of the light-emitting layer 5, unless otherwise specified or contradictory, and it is not necessary to observe the desired configuration in the entire light-emitting layer 5.
  • the inorganic matrix material MX in the quantum dot layer may be formed as a continuous film having an area of 1000 nm2 or more along a plane direction perpendicular to the layer thickness direction.
  • the continuous film means a film that is not divided by a material other than the material constituting the continuous film in one plane.
  • the continuous film may be an integral film that is connected without interruption by the chemical bonds of the inorganic matrix material MX.
  • the outer periphery of the light-emitting layer may be made of inorganic matrix material MX, and the quantum dots QD may be configured to be positioned away from the outer edge.
  • the outer edge of the light-emitting layer does not have to be made of inorganic matrix material MX only, and a portion of the quantum dots QD may be exposed from the inorganic matrix material MX.
  • the inorganic matrix material MX may be the same material as the shell contained in each of the multiple quantum dots QD. When the shell of the quantum dot QD and the inorganic matrix material MX cannot be distinguished, the shell may be considered as part of the inorganic matrix material MX.
  • the inorganic matrix material MX may contain a substance other than the inorganic compound (zinc sulfide, zinc selenide, etc.) that is the main component as an additive, impurity, or residue. When an emission layer containing the inorganic matrix material MX is analyzed, it may contain 5 atomic % or less of carbon atoms.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a display device according to this embodiment.
  • the display device 20 includes a display unit DA including a plurality of subpixels SP, a first driver X1 and a second driver X2 that drive the plurality of subpixels SP, and a display controller DC that controls the first driver X1 and the second driver X2.
  • the subpixel SP includes a light-emitting element 7 and a pixel circuit PC that is connected to the light-emitting element ED.
  • the pixel circuit PC may be connected to a scanning signal line GL, a data signal line DL, and a light-emitting control line EL.
  • the scanning signal line GL and the light-emitting control line EL may be connected to the first driver X1, and the data signal line DL may be connected to the second driver X2.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a display device according to this embodiment.
  • the display device 20 may include a substrate 13, a light-emitting element layer 14, and a sealing layer 15.
  • the substrate 13 may be a pixel circuit substrate including a support substrate 11 and a pixel circuit layer 12.
  • a glass substrate, a resin substrate, or the like may be used for the support substrate 11.
  • the support substrate 11 may be flexible.
  • the pixel circuit layer 12 includes, for example, a plurality of pixel circuits PC arranged in a matrix.
  • the pixel circuit PC may include a pixel capacitance to which a gradation signal is written, a transistor that controls the current value of the light-emitting element 7 according to the gradation signal, a transistor connected to a scanning signal line GL and a data signal line DL, and a transistor connected to a light-emitting control line EL.
  • the light emitting element layer 14 may include, in order from the substrate 13 side, an anode EA, an edge cover film 2 covering the edge of the anode EA, a hole transport layer 4, a light emitting layer 5, a functional layer 6F, and a cathode EC.
  • the functional layer 6F may be an electron transport layer.
  • the light emitting element layer 14 may include a light emitting element 7R(7) including a light emitting layer 5R(5) that emits red light, a light emitting element 7G(7) including a light emitting layer 5G(5) that emits green light, and a light emitting element 7B(7) including a light emitting layer 5B(5) that emits blue light.
  • the cathode EC may be located on the light extraction side.
  • the sealing layer 15 includes an inorganic insulating film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film, and prevents foreign matter (water, oxygen, etc.) from entering the light emitting element layer 14.

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Abstract

本開示に係る発光素子（７）は、アノード（ＥＡ）およびカソード（ＥＣ）の間に配され、複数の量子ドット（ＱＤ）および複数の量子ドット（ＱＤ）間を充たす無機マトリクス材（ＭＸ）を含む発光層（５）と、アノード（ＥＡ）およびカソード（ＥＣ）の間に発光層（５）と隣接するように配され、無機マトリクス材（ＭＸ）と構成元素が同一で組成比が異なる機能層（６Ｆ）とを備える。

Description

発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法
　本開示は、発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法に関する。
　量子ドットを発光材料として含む発光層を備えた発光素子においては、キャリアが量子ドットに注入されず発光層を通過することにより無効電流が生じる場合がある。当該無効電流の発生は、発光素子の発光電力効率の低下に加え、量子ドットや電荷輸送層の劣化を生じさせ発光素子の信頼性の低下を招来する問題が有る。特許文献１は、発光層が互いにシェルの膜厚の異なる複数の量子ドットを含むことにより、量子ドットへのキャリアの閉じ込めを改善した発光素子を開示する。
国際公開番号ＷＯ２０１５／０５６７５０
　特許文献１に開示された発光素子では、量子ドット間に有機配位子が存在するため、量子ドットの間を流れる無効電流を低減させて発光電力効率を高めることは困難である。また、有機配位子は劣化による信頼性の低下が問題となる。
　本開示の一態様に係る発光素子は、アノードおよびカソードと、前記アノードおよび前記カソードの間に配され、複数の量子ドット、および前記複数の量子ドット間を充たす無機マトリクス材を含む発光層と、前記アノードおよび前記カソードの間に前記発光層と隣接するように配され、前記無機マトリクス材と構成元素が同一で組成比が異なる機能層とを備える。
　本開示の一態様によれば、発光素子の発光電力効率が向上する。
実施形態に係る発光素子の構成を示す断面図である。 図１に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 図３に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 図５に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 図７に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 図９に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 図１１に示す発光素子の概略バンド図の一例である。 実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 ＣＢＤ法を用いた機能層の形成方法を示す断面模式図である。 無機マトリクス材の形成例を示す断面模式図である。 無機マトリクス材の形成例を示す断面模式図である。 本実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す断面図である。
　〔実施形態１〕
　（発光素子の構成）
　図１は、実施形態に係る発光素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る発光素子７は、アノードＥＡおよびカソードＥＣと、アノードＥＡおよびカソードＥＣの間に配され、複数の量子ドットＱＤおよび複数の量子ドットＱＤ間を充たす無機マトリクス材ＭＸを含む発光層５と、アノードＥＡおよびカソードＥＣの間に発光層５と隣接するように配され、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一で組成比が異なる機能層６Ｆとを備える。機能層６Ｆおよび無機マトリクス材ＭＸが同一結晶型のカルコゲン化金属であってよい。機能層６Ｆは、カソードＥＣおよび発光層５の間に配された電子輸送層（ＥＴＬ）であってよい。アノードＥＡおよび発光層５の間に正孔輸送層（ＨＴＬ）４が配されてよい。
　発光素子７では、構成元素が同一である無機マトリクス材ＭＸおよび機能層６Ｆがホモ接合されるため、機能層６Ｆおよび無機マトリクス材ＭＸ間のポテンシャルバリアが小さくなる。よって、機能層６Ｆから発光層５への電荷注入（例えば、電子注入）が容易になり、発光電力効率（発光素子の消費電力－輝度特性）が向上する。
　無機マトリクスＭＸは、量子ドットＱＤの表面欠陥を終端し、量子ドットＱＤでの非発光再結合を低減させるため、外部発光効率（ＥＱＥ）が向上する。無機マトリクスＭＸは、一般的な有機リガンドと比較して耐久性に優れるため、発光素子７の信頼性が高まる。
　このように、無機マトリクスＭＸと同一化合物（構成元素が同じ）でありながら、組成が異なる機能層６Ｆを発光層５上に隣接形成することで、低温形成可能かつ低欠陥密度の無機マトリクスＭＸ（例えば、硫化亜鉛、セレン化亜鉛）を用いつつ、キャリア注入のための電圧を下げることができる。
　複数の量子ドットＱＤそれぞれがコア８を有し、かつ、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一であるシェル９を有してよい。無機マトリクス材ＭＸおよびシェル９の組成比は同じであってもよいし、異なっていてもよい。こうすれば、シェル９による閉じ込め効果を維持しつつ、発光特性（電圧－輝度特性）を低電圧化することができる。
　機能層６Ｆおよび無機マトリクス材ＭＸそれぞれが、金属元素および非金属元素を含んでよく、金属元素が亜鉛であり、非金属元素が硫黄またはセレンであってよい。機能層６Ｆは水酸基を含んでよく、機能層６Ｆに金属－水酸基結合が含まれてよい（詳細は後述）。
　図２は、図１に示す発光素子の概略バンド図の一例である。以下では、真空準位ＶＥ（０ｅＶ）に近いことを「浅い」、真空準位ＶＥ（０ｅＶ）から遠いことを「深い」と表現する。ＣＢＭは伝導帯下端準位、ＶＢＭは価電子帯上端準位、バンドギャップはＣＢＭおよびＶＢＭの差、ＦＥはフェルミ準位である。図２に示すように、無機マトリクス材ＭＸは、複数の量子ドットＱＤよりもバンドギャップが大きくてよい。量子ドットＱＤのバンドギャップはコアのバンドギャップであってよく、シェルのバンドギャップであってもよい。
　機能層６Ｆが発光層５およびカソードＥＣの間に配された電子輸送層（ＥＴＬ）である場合、機能層６Ｆは、複数の量子ドットＱＤよりもＣＢＭが浅くてよく、無機マトリクス材ＭＸよりもＣＢＭが深くてよい。量子ドットＱＤのＣＢＭはコアのＣＢＭであってよい。こうすれば、機能層６ＦのＣＢＭを調整することで電子注入量の調整が可能であり、量子ドットＱＤよりもＣＢＭが浅いので、機能層６Ｆ（電子輸送層）から発光層５への電子注入障壁が小さくなり、発光電力効率が高まる。また、機能層６ＦのＣＢＭを無機マトリクスＭＸのＣＢＭよりも深く調整しているので、無機マトリクスＭＸへの電子注入が抑制される。これにより、発光領域が機能層６Ｆ寄りになり、正孔輸送層４および発光層５界面での非発光再結合を抑制することができる。図１および図２の場合、機能層６Ｆ（ＥＴＬ）は、量子ドットＱＤのシェル９よりもＣＢＭが深くてよい。
　機能層６Ｆのフェルミ準位を制御することにより階段状ポテンシャルを形成でき、キャリア注入（電子注入）のための電圧を下げることができる。フェルミ準位の制御は、例えば、硫化亜鉛、セレン化亜鉛における亜鉛元素比の制御によって可能であり、亜鉛元素が過剰である場合は硫黄欠陥、セレン欠陥をドナーとするｎ型伝導性となる。よって、機能層６Ｆ（ＥＴＬ）は、無機マトリクス材ＭＸよりも亜鉛の組成比が大きくてよい。機能層６Ｆ（ＥＴＬ）がＺｎｘＳ（ｘ＞１）で表される硫化亜鉛、無機マトリクス材ＭＸがＺｎｙＳ（０＜ｙ＜ｘ）で表される硫化亜鉛であってよく、機能層６Ｆ（ＥＴＬ）がＺｎｘＳｅ（ｘ＞１）で表されるセレン化亜鉛、無機マトリクス材ＭＸがＺｎｙＳｅ（０＜ｙ＜ｘ）で表されるセレン化亜鉛であってもよい。
　図３は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図４は、図３に示す発光素子の概略バンド図の一例である。図３に示すように、複数の量子ドットＱＤの少なくとも１つが機能層６Ｆと接触してもよい。すなわち、発光層５には、無機マトリクス材ＭＸから露出する部分を有する量子ドットＱＤが含まれ、この露出する部分が機能層６Ｆに接する。機能層６Ｆは、無機マトリクス材ＭＸよりもＣＢＭが深く、キャリア輸送性が高いため、発光特性（電圧－輝度特性）をより低電圧化することができる。さらに、露出した量子ドットＱＤとの間に無機マトリクスＭＸが介在しないので、電子注入障壁が下がり、発光特性（電圧－輝度特性）をより低電圧化することができる。図３の構成は、例えば、無機マトリクス材ＭＸを含む発光層５を形成した後に無機マトリクス材ＭＸの上面近傍をエッチングし、上面近傍の量子ドットＱＤの一部を無機マトリクス材ＭＸから露出させることで形成可能である。一例として、アルカリ水溶液で無機層（機能層６Ｆ）を成長させるＣＢＤ（Chemical bath deposition）法を用いれば、無機マトリクス材ＭＸのエッチングと機能層６Ｆの成長を、簡便な水溶液系の同一プロセスで行うことができる。ＣＢＤ法で形成された機能層６ＦではＯＨ基（水酸基）が金属元素と結合することにより、金属元素の未結合手(ダングリングボンド)を終端することで、機能層６Ｆでのキャリアの非発光遷移を抑制することができる。さらに、キャリア輸送特性指標の１つである移動度が非常に高く、１．０〔ｃｍ２／Ｖｓ〕よりも大きい移動度の機能層６Ｆが得られることから、より小さな電圧でのキャリア輸送が可能となる。
　図５は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図６は、図５に示す発光素子の概略バンド図の一例である。図５および図６に示すように、機能層６Ｆが第１電子輸送層であり、第１電子輸送層６ＦおよびカソードＥＣの間に第２電子輸送層６Ｓが配され、第２電子輸送層６Ｓは、第１電子輸送層６Ｆと構成元素が同一で組成比が異なってもよい。第２電子輸送層６Ｓは、第１電子輸送層６ＦよりもＣＢＭが深い。第１電子輸送層６Ｆおよび第２電子輸送層６ＳのＣＢＭを、階段状のポテンシャルを形成するように構成することにより、電子輸送層６Ｆ単層の場合よりも量子ドットＱＤへのキャリア注入電圧を下げることができる。
　図５および図６では、第１および第２電子輸送層６Ｆ・６Ｓのフェルミ準位を制御することにより階段状ポテンシャルを形成し、キャリア注入（電子注入）のための電圧を下げることができる。例えば、第１電子輸送層６ＦがＺｎｘＳ（ｘ＞１）で表される硫化亜鉛、第２電子輸送層６ＳがＺｎｚＳ（ｚ＞ｘ）で表される硫化亜鉛であってよく、第１電子輸送層６ＦがＺｎｘＳｅ（ｘ＞１）で表されるセレン化亜鉛、第２電子輸送層６ＳがＺｎｚＳｅ（ｚ＞ｘ）で表されるセレン化亜鉛であってよい。
　図７は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図８は、図７に示す発光素子の概略バンド図の一例である。図７および図８に示すように、機能層６Ｆが第１電子輸送層であり、第１電子輸送層６ＦおよびカソードＥＣの間に第２電子輸送層６Ｔが配され、第１電子輸送層６Ｆの電子移動度をＳ１、厚さをＤａとし、第２電子輸送層６Ｔの電子移動度をＳ２、厚さをＤｂとして、Ｓ１／Ｄａ３≧Ｓ２／Ｄｂ３であってよい。
　発光素子７の外部発光効率（ＥＱＥ）を高めるには電子および正孔がＱＤへ注入されるキャリア注入効率を高める必要がある。さらに過剰となるキャリアが発生するとそれは発光再結合に寄与しないので、電子および正孔の注入量の比であるキャリアバランスを調整することが有効である。そこで、図７のように、第１電子輸送層６Ｆと、これよりも移動度の低い第２電子輸送層６Ｔとを積層することにより電子注入量のボトルネックを意図的に作り出し、キャリアバランスを一般的にキャリア注入量の低い正孔側に合わせることができる。
　キャリア注入量はＥＴＬ材料の誘電率、移動度、キャリア密度、膜厚を考慮したポアソン方程式を解くことにより算出されるが、層厚が１００ｎｍ以下、移動度が１．０〔ｃｍ２／Ｖｓ〕以下においてはオーミック電流よりも空間電荷制限電流（ＳＣＬＣ）が支配的であり、キャリア注入量はチャイルド則に基づき誘電率、移動度、膜厚、電圧をパラメータとして記述される。ここで、第１および第２電子輸送層６Ｆ・６Ｔの誘電率を同一として、同一電圧における電子注入量を比較すると、第１電子輸送層６Ｆの電子移動度をＳ１、厚さをＤａとし、第２電子輸送層６Ｔの電子移動度をＳ２、厚さをＤｂとして、Ｓ１／Ｄａ３≧Ｓ２／Ｄｂ３である場合に、電子注入のボトルネックを意図的に作り出すことができ、キャリアバランスひいては外部発光効率（ＥＱＥ）を改善することができる。
　図９は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図１０は、図９に示す発光素子の概略バンド図の一例である。図９および図１０に示すように、発光層５およびアノードＥＡの間に、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一で組成比が異なる機能層４Ｆ（正孔輸送層：ＨＴＬ）が配されてよい。機能層４Ｆは、複数の量子ドットＱＤよりもＶＢＭが深くてよい。機能層４Ｆは、無機マトリクス材ＭＸよりもＶＢＭが浅くてよい。
　硫化亜鉛、セレン化亜鉛は、原子組成比として亜鉛が不足すると亜鉛欠陥をアクセプタとするｐ型伝導性を示す。よって、機能層４Ｆ（ＨＴＬ）は、無機マトリクス材ＭＸよりも亜鉛の組成比が小さくてよい。機能層４Ｆ（ＨＴＬ）がＺｎｘＳ（ｘ＜１）で表される硫化亜鉛、無機マトリクス材ＭＸがＺｎｙＳ（０＜ｘ＜ｙ）で表される硫化亜鉛であってよく、機能層４Ｆ（ＨＴＬ）がＺｎｘＳｅ（ｘ＜１）で表されるセレン化亜鉛、無機マトリクス材ＭＸがＺｎｙＳｅ（０＜ｘ＜ｙ）で表されるセレン化亜鉛であってもよい。
　発光素子７では、構成元素が同一である無機マトリクス材ＭＸおよび機能層４Ｆ（ＨＴＬ）がホモ接合されるため、機能層４Ｆおよび無機マトリクス材ＭＸ間のポテンシャルバリアが小さくなる。よって、機能層４Ｆから発光層５への正孔注入が容易になり、発光電力効率（発光素子の消費電力－輝度特性）が向上する。また、機能層４Ｆは、複数の量子ドットＱＤよりもＶＢＭが深く構成されることで、機能層４Ｆ（正孔輸送層）から発光層５への正孔注入障壁が小さくなり、発光電力効率が高まる。
　図１１は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図１２は、図１１に示す発光素子の概略バンド図の一例である。図１１および図１２に示すように、機能層４Ｆが第１正孔輸送層であり、第１正孔輸送層４ＦおよびアノードＥＡの間に第２正孔輸送層４Ｓが配されていてよい。第１正孔輸送層４Ｆの正孔移動度をＳ３、厚さをＤｃとし、第２正孔輸送層４Ｓの正孔移動度をＳ４、厚さをＤｄとして、Ｓ３／Ｄｃ３≧Ｓ４／Ｄｄ３であってよい。こうすれば、正孔注入のボトルネックを意図的に作り出すことができ、キャリアバランスひいては外部発光効率（ＥＱＥ）を改善することができる。
　図１３は、実施形態に係る発光素子の別構成を示す断面図である。図１３に示すように、アノードＥＡおよび発光層５の間に、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一で組成比が異なる機能層４Ｆ（ＨＴＬ）を配し、カソードＥＣおよび発光層５の間に、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一で組成比が異なる機能層６Ｆ（ＥＴＬ）を配してもよい。無機マトリクス材ＭＸおよび機能層４Ｆ・６Ｆがカルコゲン化亜鉛（硫化亜鉛、セレン化亜鉛等）であって、機能層６Ｆ（ＥＴＬ）は、無機マトリクス材ＭＸよりも亜鉛の組成比が大きく、機能層４Ｆ（ＨＴＬ）は、無機マトリクス材ＭＸよりも亜鉛の組成比が小さくてよい。こうすれば、電子および正孔それぞれについて、階段状ポテンシャルによる注入障壁の低減が可能になる。
　図１４は、実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフローチャートである。図１および図１４に示すように、実施形態に係る発光素子の製造方法は、下部電極（例えば、アノードＥＡ）を形成する工程Ｓ１０と、複数の量子ドットＱＤおよび複数の量子ドットＱＤ間を充たす無機マトリクス材ＭＸを含む発光層５を形成する工程Ｓ２０と、発光層５上に、無機マトリクス材ＭＸと構成元素が同一で組成比が異なる機能層６Ｆを形成する工程Ｓ３０と、上部電極（例えば、カソードＥＣ）を形成する工程Ｓ４０とを含む。
　図１５は、ＣＢＤ法を用いた機能層の形成方法を示す断面模式図である。例えば、基板１３、アノードＥＡ、正孔輸送層４および発光層５が積層されてなる積層体ＳＴを、積層体ＳＴの下面ＢＦおよび側面ＳＦをマスクＭＫで被覆した状態で、所定温度の金属源およびカルコゲン源を含むアルカリ水溶液１０に所定時間、浸漬することで、積層体ＳＴ上に（発光層５と接触するように）機能層６Ｆを成長させることができる。
　例えば、亜鉛源としての硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ４）を０．１６ｍｏｌ／Ｌ、アルカリ源としてのアンモニアを７．５ｍｏｌ／Ｌ、硫黄源としてのチオ尿素を０．６ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように混合することで、ｐＨ１１のアルカリ水溶液１０を得る。アルカリ水溶液１０を８０℃に調温し、積層体ＳＴを１５分間浸漬することで、膜厚１００ｎｍの硫化亜鉛薄膜（酸素原子、水酸基含む）が生成される。
　本実施形態で用いる量子ドットＱＤは、１００〔ｎｍ〕以下の最大幅を有するドットであってよく、形状は球体であってもよいし、非球体であってもよい。量子ドットＱＤの形状は、前記最大幅を満たせばよく、球状の立体形状（円状の断面形状）に限定されない。最大幅は１．０〔ｎｍ〕以上であってよい。形状は、例えば、多角形状の断面形状、棒状の立体形状、枝状の立体形状、表面に凹凸を有す立体形状でもよく、または、それらの組合せでもよい。量子ドットＱＤは、半導体材料で構成されてよく、無機半導体ナノ結晶であってよい。半導体材料は、一定のバンドギャップを有していてよく、エレクトロルミネセンスが生じる材料であってよい。エレクトロルミネセンスの波長域が、赤色域、緑色域および青色域のいずれかであってよい。
　量子ドットＱＤが、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ等のＩＩ－ＶＩ族半導体の結晶、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ等のＩＩＩ－Ｖ族半導体の結晶、カルコゲナイド化合物結晶、ペロブスカイト化合物結晶および、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体の結晶の少なくとも１つを含んでよい。なお、ＩＩ－ＶＩ族化合物とはＩＩ族元素とＶＩ族元素を含む化合物を意味し、ＩＩＩ－Ｖ族化合物はＩＩＩ族元素とＶ族元素を含む化合物を意味する。また、ＩＩ族元素とは２族元素および１２族元素を含み、ＩＩＩ族元素とは３族元素および１３族元素を含み、Ｖ族元素は５族元素および１５族元素を含み、ＶＩ族元素は６族元素および１６族元素を含み得る。
　カルコゲナイドは、ＶＩ　Ａ（１６）族元素を含む化合物であり、例えば、ＣｄＳ又はＣｄＳｅを含む。カルコゲナイドが、これらの混晶を含んでもよい。
　ペロブスカイト化合物は、例えば、一般式ＣｓＰｂＸ３で表される組成を有する。構成元素Ｘは、例えば、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩからなる群より選択される少なくとも１種を含む。
　ここで、ローマ数字を用いた元素の族の番号表記は旧ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry、国際純正・応用化学連合）方式または旧ＣＡＳ（Chemical Abstracts Service）方式に基づく表記で、アラビア数字を用いた元素の族の番号表記は現ＩＵＰＡＣ方式に基づく表記である。
　図１６Ａおよび図１６Ｂは、無機マトリクス材の形成例を示す断面模式図である。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、無機マトリクス材ＭＸは、隣り合う２つの量子ドットＱＤの間の領域（空間）ＪＳを充たしており、無機マトリクス材ＭＸは領域ＪＳに充填されている。領域ＪＳは、発光層５の断面において、隣り合う２つの量子ドットＱＤの外周に接する２直線（共通外接線）と、隣り合う２つの量子ドットＱとに囲まれる領域であってよい。なお、図１６Ｂに示すように、隣り合う２つの量子ドットが近づいていても領域ＪＳは存在し、無機マトリクス材ＭＸは領域ＪＳを充たしている。複数の量子ドット間を充たす無機マトリクス材とは、少なくとも２つの量子ドットＱＤの間に無機マトリクス材が充填されていることが分かれば足る。すなわち、隣り合う２つの量子ドットＱＤ間の領域（空間）ＪＳを無機マトリクス材ＭＸが充たしていることが分かれば複数の量子ドットＱＤ間を無機マトリクス材ＭＸが充たしているといえる。
なお、「充填」または「充たされる」とは別の例として「保持」の場合もあり、領域ＪＳに無機マトリクス材ＭＸが存在することにより隣り合う２つの量子ドットＱＤが保持されていてもよく、例えば領域ＪＳの少なくとも一部が無機マトリクスＭＸで充填されていることで２つの量子ドットＱＤが保持されていてもよい。
　無機マトリクス材ＭＸは、無機材料（無機物質）を主成分とする。無機マトリクス材ＭＸは、複数の量子ドットＱＤを含む発光層の構成要素であってよい。無機マトリクス材ＭＸは、無機物質（例えば、無機半導体）で構成された、他の物を含み保持する部材であってよく、基材、母材、あるいは充填材と言い換えることができる。無機マトリクス材ＭＸは、常温で固体であってもよい。無機マトリクス材ＭＸは、複数の量子ドットＱＤを内包してもよい。無機マトリクス材ＭＸは、発光層（量子ドット層）において、複数の量子ドットＱＤ以外の領域（空間）を充たしてもよく、複数の量子ドットＱＤの間を充たしてもよい。無機マトリクス材ＭＸは、発光層において、複数の量子ドットＱＤ以外の領域（空間）を埋めていてもよい。無機マトリクス材ＭＸは、複数の量子ドットＱＤの間に部分的または完全に充填されてよい。複数の量子ドットＱＤは、無機マトリクス材ＭＸに、間隔をおいて埋設されてよい。無機マトリクス材ＭＸは、発光層において、複数の量子ドットＱＤを除く部分のことを示していてもよい。
　無機マトリクス材ＭＸは、発光層において、量子ドット群以外の領域（空間）を、完全又は不完全に充たしてよい。ここでは、３個以上の量子ドットＱＤをまとめて量子ドット群と称している。本開示において無機マトリクス材ＭＸなどの構造は、特に言及されていない限りまたは矛盾しない限り、発光層５の断面観察において、１００ｎｍ程度の幅で所望の構成であることが分かればよく、発光層５全てにおいて所望の構成が観察される必要はない。量子ドット層における無機マトリクス材ＭＸは、層厚方向と直交する面方向に沿う１０００ｎｍ２以上の面積を有する連続膜として形成されていてもよい。連続膜とは、１つの平面において、連続膜を構成する材料以外の材料で分断されない膜を意味する。連続膜は、無機マトリクス材ＭＸの化学結合によって途切れることなく連結した一体の膜状のものであってよい。
　発光層の外周が無機マトリクス材ＭＸで構成され、量子ドットＱＤが外縁から離れて位置するように構成されていてもよい。発光層の外縁は無機マトリクス材ＭＸのみで形成される必要はなく、量子ドットＱＤの一部が無機マトリクス材ＭＸから露出していてもよい。
　無機マトリクス材ＭＸは、複数の量子ドットＱＤそれぞれに含まれるシェルと同じ材料であってもよい。量子ドットＱＤのシェルと無機マトリクス材ＭＸが区別できない場合、シェルを無機マトリクス材ＭＸの一部と見做してもよい。無機マトリクス材ＭＸが、主成分である無機化合物（硫化亜鉛、セレン化亜鉛等）とは異なる物質を、添加剤、不純物あるいは残留物として含んでいてよい。無機マトリクス材ＭＸを含む発光層を分析した場合に、含有する炭素原子が５原子％以下であってよい。
　図１７は、本実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す模式図である。図１７に示すように、表示装置２０は、複数のサブ画素ＳＰを含む表示部ＤＡと、複数のサブ画素ＳＰを駆動する、第１ドライバＸ１および第２ドライバＸ２と、第１ドライバＸ１および第２ドライバＸ２を制御する表示制御部ＤＣとを備える。サブ画素ＳＰは、発光素子７と、発光素子ＥＤに接続する画素回路ＰＣとを含む。画素回路ＰＣが、走査信号線ＧＬ、データ信号線ＤＬおよび発光制御線ＥＬに接続されてもよい。走査信号線ＧＬおよび発光制御線ＥＬが第１ドライバＸ１に接続され、データ信号線ＤＬが第２ドライバＸ２に接続されてもよい。
　図１８は、本実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す断面図である。表示装置２０は、基板１３と、発光素子層１４と、封止層１５とを含んでよい。基板１３は、支持基板１１および画素回路層１２を含む画素回路基板であってよい。支持基板１１にはガラス基板、樹脂基板等を用いることができる。支持基板１１が可撓性であってもよい。画素回路層１２は、例えばマトリクス配置された複数の画素回路ＰＣを含む。画素回路ＰＣは、階調信号が書き込まれる画素容量と、階調信号に応じて発光素子７の電流値を制御するトランジスタと、走査信号線ＧＬおよびデータ信号線ＤＬに接続するトランジスタと、発光制御線ＥＬに接続するトランジスタとを含んでよい。
　図１８に示すように、発光素子層１４は、基板１３側から順に、アノードＥＡ、アノードＥＡのエッジを覆うエッジカバー膜２、正孔輸送層４、発光層５、機能層６Ｆ、およびカソードＥＣを含んでよい。機能層６Ｆは電子輸送層であってよい。発光素子層１４は、赤色光を発する発光層５Ｒ（５）を含む発光素子７Ｒ（７）と、緑色光を発する発光層５Ｇ（５）を含む発光素子７Ｇ（７）と、青色光を発する発光層５Ｂ（５）を含む発光素子７Ｂ（７）とを備えてもよい。カソードＥＣは、光取り出し側に位置してよい。封止層１５は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等の無機絶縁膜を含み、異物（水、酸素等）が発光素子層１４に侵入することを防ぐ。
　上述の各実施形態は、例示および説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではない。これら例示および説明に基づけば、多くの変形形態が可能になることが、当業者には明らかである。
　４　正孔輸送層
　４Ｆ　機能層（正孔輸送層）
　５　発光層
　６　電子輸送層
　６Ｆ　機能層（電子輸送層）
　７　発光素子
　８　コア
　９　シェル
　ＥＡ　アノード
　ＥＣ　カソード
　ＱＤ　量子ドット
　ＭＸ　無機マトリクス材

 

Claims (25)

  1. 　アノードおよびカソードと、
    　前記アノードおよび前記カソードの間に配され、複数の量子ドット、および前記複数の量子ドット間を充たす無機マトリクス材を含む発光層と、
    　前記アノードおよび前記カソードの間に前記発光層と隣接するように配され、前記無機マトリクス材と構成元素が同一で組成比が異なる機能層とを備える、発光素子。
  2. 　前記複数の量子ドットそれぞれが、（ｉ）コアと、（ｉｉ）前記無機マトリクス材と構成元素が同一であって組成比が異なるまたは組成比も同一であるシェルとを有する、請求項１に記載の発光素子。
  3. 　前記複数の量子ドットの少なくとも１つが前記機能層と接触する、請求項１または２に記載の発光素子。
  4. 　前記機能層および前記無機マトリクス材それぞれが、金属元素および非金属元素を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子。
  5. 　前記金属元素は亜鉛であり、前記非金属元素は、硫黄またはセレンである、請求項４に記載の発光素子。
  6. 　前記機能層は水酸基を含む、請求項５に記載の発光素子。
  7. 　前記無機マトリクス材は、前記複数の量子ドットよりもバンドギャップが大きい、請求項２に記載の発光素子。
  8. 　前記機能層は、前記発光層および前記カソードの間に配されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の発光素子。
  9. 　前記機能層は、前記複数の量子ドットよりもＣＢＭが浅い、請求項８に記載の発光素子。
  10. 　前記機能層は、前記無機マトリクス材よりもＣＢＭが深い、請求項８または９に記載の発光素子。
  11. 　前記機能層および前記無機マトリクス材それぞれが、亜鉛と、硫黄またはセレンとを含み、
    　前記機能層は、前記無機マトリクス材よりも亜鉛の組成比が大きい、請求項８～１０のいずれか１項に記載の発光素子。
  12. 　前記無機マトリクス材の材料および前記シェルの材料が同一である、請求項２に記載の発光素子。
  13. 　前記機能層が第１電子輸送層であり、
    　前記第１電子輸送層および前記カソードの間に第２電子輸送層が配され、
    　前記第２電子輸送層は、前記第１電子輸送層と構成元素が同一で組成比が異なる請求項８～１２のいずれか１項に記載の発光素子。
  14. 　前記第２電子輸送層は、前記第１電子輸送層よりもＣＢＭが深い、請求項１３に記載の発光素子。
  15. 　前記機能層が第１電子輸送層であり、
    　前記第１電子輸送層および前記カソードの間に第２電子輸送層が配され、
    　前記第１電子輸送層の電子移動度をＳ１、厚さをＤａとし、
    　前記第２電子輸送層の電子移動度をＳ２、厚さをＤｂとして、
    　Ｓ１／Ｄａ３≧Ｓ２／Ｄｂ３である、請求項８～１２のいずれか１項に記載の発光素子。
  16. 　前記機能層は、前記発光層および前記アノードの間に配されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の発光素子。
  17. 　前記機能層は、前記複数の量子ドットよりもＶＢＭが深い、請求項１６に記載の発光素子。
  18. 　前記機能層は、前記無機マトリクス材よりもＶＢＭが浅い、請求項１６または１７に記載の発光素子。
  19. 　前記機能層および前記無機マトリクス材は、亜鉛と、硫黄またはセレンとを含み、
    　前記機能層は、前記無機マトリクス材よりも亜鉛の組成比が小さい、請求項１６～１８のいずれか１項に記載の発光素子。
  20. 　前記機能層が第１正孔輸送層であり、
    　前記第１正孔輸送層および前記アノードの間に第２正孔輸送層が配されている、請求項１６～１９のいずれか１項に記載の発光素子。
  21. 　前記第１正孔輸送層の正孔移動度をＳ３、厚さをＤｃとし、
    　前記第２正孔輸送層の正孔移動度をＳ４、厚さをＤｄとして、
    　Ｓ３／Ｄｃ３≧Ｓ４／Ｄｄ３である、請求項２０に記載の発光素子。
  22. 　請求項１～２１のいずれか１項に記載の発光素子を備える表示装置。
  23. 　前記カソードが光取り出し側に位置する、請求項２２に記載の表示装置。
  24. 　下部電極を形成する工程と、
    　複数の量子ドットおよび前記複数の量子ドット間を充たす無機マトリクス材を含む発光層を形成する工程と、
    　前記発光層上に、前記無機マトリクス材と構成元素が同一で組成比が異なる機能層を形成する工程と、
    　上部電極を形成する工程とを含む、発光素子の製造方法。
  25. 　前記機能層を、ＣＢＤ（Chemical bath deposition）法を用いて形成する、請求項２４に記載の発光素子の製造方法。
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