(57)【要約】【課題】複数の発光層の効率的な発光を実現する。【解決手段】ＥＬ素子５００は陽極２２０と陰極２４０との間に、複数の発光層を備える発光素子層３００を備える。この発光素子層３００は、正孔輸送性化合物を含有する有機層を２層以上備え、複数の発光層の内の１層以上が正孔輸送性化合物を含有し、上記正孔輸送性化合物を含有する有機層の内、最も陰極２４０の近くに形成される層の正孔輸送性化合物の含有濃度が、陽極２２０の最も近くに形成される層よりも小さい。正孔輸送性化合物を含有する有機層が３層以上存在する場合には、各層における正孔輸送性化合物の含有濃度は、陽極から離れた層ほど濃度を低くする。これにより複数の発光層のそれぞれに対し、正孔及び電子の供給量や供給タイミングの最適化を図ることが容易となり、どの発光層でも均一に発光させることが可能となる。【選択図】図１
2006108190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正孔注入電極と、電子注入電極との間に、複数の発光層を有する発光素子層を備えるエレクトロルミネッセンス素子であって、
前記発光素子層は、正孔輸送性化合物を含有する有機層を２層以上備え、前記複数の発光層の内の１層以上が前記正孔輸送性化合物を含有する前記有機層を構成し、
前記有機層の内、最も前記電子注入電極の近くに形成される層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度は、前記正孔注入電極の最も近くに形成される層よりも小さいことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子において、
前記正孔輸送性化合物を含有する有機層は、３層以上存在し、
前記有機層における前記正孔輸送性化合物の含有濃度は、前記正孔注入電極から離れた層ほど濃度が低いことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のエレクトロルミネッセンス素子であって、
前記正孔輸送性化合物は、アミン誘導体化合物であることを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子において、
該複数の発光層は、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と、該第１発光層と前記電子注入電極との間に配置された第２発光層を備え、
前記第１発光層と前記正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層を備え、
前記正孔輸送層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣhl、前記第１発光層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem1、前記第２発光層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem2としたとき、
Ｃem1−Ｃem2＞Ｃhl−Ｃem1
を満たすことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子において、
該複数の発光層の内、少なくとも、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と、該第１発光層の最も近くに形成される発光層が、それぞれ、同じ正孔輸送性化合物を含有することを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項３いずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子において、
前記複数の発光層の内、最も正孔注入電極の近くに第１発光層を備え、該第１発光層と前記電子注入電極との間には第２発光層を備え、
前記第１発光層と前記正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層を備え、
前記第２発光層と前記電子注入電極との間には、少なくとも電子輸送層を備え、
前記電子輸送層、前記第２発光層及び前記第１発光層における電子輸送性化合物の含有濃度は、前記電子輸送層から離れた層ほど濃度が低いことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子において、
前記複数の発光層の内、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と該正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層と、正孔注入層とを備え、
前記複数の発光層の内、最も電子注入電極の近くに配置される第２発光層と該電子注入電極との間には少なくとも電子輸送層を備え、
前記正孔注入層の膜厚をＬhi、正孔移動度をμhi、前記正孔輸送層の膜厚をＬht、正孔移動度をμht、前記第１発光層の膜厚をＬem1、正孔移動度μhem1、前記第２発光層の膜厚をＬem2、電子移動度をμhem2、前記電子輸送層の膜厚をＬet、電子移動度をμetとすると、
（Ｌhi／μhi）＋（Ｌht／μht）＋（Ｌem1／μhem1）
＝α｛（Ｌem2／μhem2）＋（Ｌet／μet）｝を満たし、
αは、０．５＜α＜２．５を満たすことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエレクトロルミネッセンス（以下ＥＬ）素子の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平面表示装置や光源などの表示素子として、自発光型のＥＬ素子が注目されており、特に採用する有機化合物材料によって多様な発光色で高輝度発光の可能な有機ＥＬ素子については、その研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
有機ＥＬ素子は、正孔注入電極（陽極）と電子注入電極（陰極）との間に発光層を含む発光素子層が設けられており、陽極から注入される正孔と、陰極から注入される電子が発光素子層で再結合し、再結合エネルギーによって励起された発光分子が基底状態に戻る際に起きる発光を利用している。
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２３４６８１号
【特許文献２】特開平１０−１４４４７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、有機ＥＬ素子では、用いる有機発光分子によって様々の色の光を得ることができる。しかし、例えば白色等、現在のところ単一の有機発光材料によって実現されない色も存在している。このような色の光については、複数の色の光を組み合わせて実現する。上記白色については、補色の関係にある黄色の発光層と青色の発光層を１素子内に積層形成し、各層で得られた黄色光と青色光の加色により白色光を実現する提案もある。しかし、複数の発光層のそれぞれを効率的に発光させることが難しく、発光色の基準白色からのずれも小さくない。
【０００６】
また、有機ＥＬ素子は、一般的に、高輝度発光が可能であるが、発光分子などの有機材料の耐久性等に依然として課題が多く、素子としての寿命が不十分である。複数の発光層を積層して加色光を得る場合、例えば、最も発光効率の低い発光層か、注入電流が大きい発光層が、他の発光層より早く劣化すると予想され、素子寿命は、もっとも寿命の短い発光層で決まってしまう。従って、全ての発光色について、それぞれより長寿命で高発光効率の有機発光材料の開発を待つだけでなく、素子構造等の最適化が要求される。
【０００７】
本発明は、複数の発光層を備えるようなエレクトロルミネッセンス素子であっても、高効率に発光層を発光させ、かつ長寿命の素子を実現する技術に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、正孔注入電極と、電子注入電極との間に、複数の発光層を有する発光素子層を備えるエレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光素子層は、正孔輸送性化合物を含有する有機層を２層以上備え、前記複数の発光層の内の１層以上が前記正孔輸送性化合物を含有する前記有機層を構成し、前記有機層の内、最も前記電子注入電極の近くに形成される層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度は、前記正孔注入電極の最も近くに形成される層よりも小さい。
【０００９】
本発明の他の態様では、上記エレクトロルミネッセンス素子において、前記正孔輸送性化合物を含有する有機層は、３層以上存在し、前記有機層における前記正孔輸送性化合物の含有濃度は、前記正孔注入電極から離れた層ほど濃度が低い。
【００１０】
また、前記正孔輸送性化合物は、例えばアミン誘導体化合物である。
【００１１】
本発明の他の態様では、上記エレクトロルミネッセンス素子において、該複数の発光層は、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と、該第１発光層と前記電子注入電極との間に配置された第２発光層を備え、前記第１発光層と前記正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層を備え、前記正孔輸送層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣhl、前記第１発光層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem1、前記第２発光層の前記正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem2としたとき、Ｃem1−Ｃem2＞Ｃhl−Ｃem1を満たす。
【００１２】
本発明の他の態様では、上記エレクトロルミネッセンス素子において、前記複数の発光層の内、少なくとも、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と、該第１発光層の最も近くに形成される発光層が、それぞれ、同じ正孔輸送性化合物を含有する。
【００１３】
このように、複数の有機層がそれぞれ正孔輸送性化合物を含有する場合に、正孔注入電極側に近い有機層ほどその正孔輸送性化合物の含有濃度が高く、遠い有機層で含有濃度を低くすることにより、正孔注入電極と電子注入電極の間に形成される複数の発光層に対してそれぞれ必要かつ十分な量の正孔を輸送させることが容易となる。
【００１４】
本発明の他の態様では、上記エレクトロルミネッセンス素子において、前記複数の発光層の内、最も正孔注入電極の近くに第１発光層を備え、該第１発光層と前記電子注入電極との間には第２発光層を備え、前記第１発光層と前記正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層を備え、前記第２発光層と前記電子注入電極との間には、少なくとも電子輸送層を備え、前記電子輸送層、前記第２発光層及び前記第１発光層における電子輸送性化合物の含有濃度は、前記電子輸送層から離れた層ほど濃度が低い。
【００１５】
以上のような関係を満たすことで、複数の発光層が設けられた素子において、正孔だけでなく、各発光層への電子への注入を均等に行わせることが容易となる。
【００１６】
本発明の他の態様では、上記エレクトロルミネッセンス素子において、前記複数の発光層の内、最も正孔注入電極の近くに配置される第１発光層と該正孔注入電極との間には、少なくとも正孔輸送層と、正孔注入層を備え、前記複数の発光層の内、最も電子注入電極の近くに配置される第２発光層と該電子注入電極との間には少なくとも電子輸送層を備え、前記正孔注入層の膜厚をＬhi、正孔移動度をμhi、前記正孔輸送層の膜厚をＬht、正孔移動度をμht、前記第１発光層の膜厚をＬem1、正孔移動度μhem1、前記第２発光層の膜厚をＬem2、電子移動度をμhem2、前記電子輸送層の膜厚をＬet、電子移動度をμetとすると、
（Ｌhi／μhi）＋（Ｌht／μht）＋（Ｌem1／μhem1）
＝α｛（Ｌem2／μhem2）＋（Ｌet／μet）｝を満たし、
αは、０．５＜α＜２．５を満たす。
【００１７】
αを０．５〜２．５の範囲を満たすように設定することで、第１発光層に対して電子を、第２発光層に対して正孔を、同等のタイミングで到達させることが容易となる。このため、一方の発光層でのみ集中的に電子と正孔が再結合して発光が起き、他方の発光層では発光が起きないというアンバランスが防止される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数の有機層が共通する電荷輸送性化合物を含有する場合に、その電荷輸送性化合物の含有量（濃度）に勾配を持たせ、輸送能力の最も要求される電極の近くの有機層では含有量を高くし、電極から離れるにつれて低くする。少なくとも電極に対する距離が異なる２つの有機層においては、電極に近い方の電荷輸送性化合物の濃度を高くする。これにより、電極の近くに形成されている発光層とこれより遠くに形成されている発光層とが存在する場合であっても、両方の発光層にそれぞれ確実に正孔と電子を輸送してここで再結合させることが容易となる。よって、各発光層における発光バランスを向上させることができ、目的とする色の加色光を実現できると共に、また高効率で長寿命の素子の実現が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態）について図面を参照して説明する。図１は、第１電極と第２電極の間に複数の発光層を備える本実施形態に係るＥＬ素子５００の概略断面構造を示す。
【００２０】
第１及び第２電極は、一方が正孔注入電極（陽極）２２０、他方が電子注入電極（陰極）２４０であり、図１の例では、基板側に陽極２２０が形成され、陰極２４０が、間に有機化合物を含む発光素子層３００を挟んで陽極２２０と対向するように形成されている。
【００２１】
発光素子層３００は、正孔輸送性化合物を含有する複数の有機層を備える。また、この発光素子層３００は、複数の発光層を備え、該複数の発光層のうち、最も陽極２２０の近くに配置される第１発光層３３０と該陽極２２０との間には、少なくとも正孔輸送層３２０を備える。複数の発光層の内、最も陰極２４０の近くに配置される第２発光層３４０と該陰極２４０との間には、少なくとも電子輸送層３５０を備える。発光素子層３００の構成は、採用される有機材料などに応じて様々であるが、図１の例では、陽極２２０側から、正孔注入層３１０、正孔輸送層３２０、第１発光層３３０、第２発光層３４０、電子輸送層３５０が順に積層されている。
【００２２】
また、本実施形態では、加色による白色発光を実現するため、発光層として、オレンジ色発光層と青色発光層とを採用し、それぞれ第１発光層３３０、第２発光層３４０としている。オレンジ色発光層と青色発光層を正孔輸送層側からこの順に積層する構成には限られないが、複数の発光層のうち、正孔輸送機能の高い発光層を陽極２２０側に設けて第１発光層３３０として用い、電子輸送機能の高い発光層を陰極２４０側に設けて第２発光層３４０として採用する。
【００２３】
発光層は２層に限らず、３層以上としてもよく、この場合、複数の発光層のうち、最も陽極２２０に近い（陰極２４０から遠い）第１発光層３３０と、最も陰極２４０に近い（陽極２２０から遠い）第２発光層３４０との層間に、第３，第４，，第ｎ発光層を設ける。なお、第１及び第２発光層の中間に設けられる発光層同士の間、または第１又は第２発光層との層間には、発光以外の別の機能層が形成されていても良い。
【００２４】
正孔輸送層３２０及び電子輸送層３５０は、単層構造には限られず、いずれの層も多層構造を採用することもできる。なお、それぞれは省略することも可能であり、正孔輸送層３２０を省略する場合、第１発光層３３０が正孔輸送層を兼用し、電子輸送層３５０を省略する場合、第２発光層３４０が電子輸送層を兼用する。正孔注入層３１０についても単層構造に限られず、多層構造を採用しても良く、また陽極２２０から正孔輸送層３２０への正孔注入障壁が小さい場合に省略しても良い。
【００２５】
陽極２２０としては、例えば導電性金属酸化物材料が用いられ、具体的にはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などの透明導電性材料を採用することができる。陰極２４０は、仕事関数の大きい金属材料が主体の金属層２４４と、電子輸送層３５０への電子注入障壁を小さくするための電子注入層２４２の積層構造より構成されている。金属層２４４としては、例えばＡｌ、Ａｇ、ＭｇＡｌ合金、ＭｇＡｇ合金、ＬｉＡｌ合金、ＬｉＡｇ合金などを採用することができる。電子注入層２４２は、陰極２４０から電子輸送層３５０への電子注入障壁が小さい場合には省略することもできるが、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）、リチウム（Ｌｉ）などを用いることができる。
【００２６】
正孔注入層３１０は、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン錯体）や、ＣＦx（xは任意の数）等が採用可能である。
【００２７】
正孔輸送層３２０は、正孔輸送性化合物を非常に高い濃度で含有する（例えば、１００質量％）。正孔輸送性化合物としては、例えば、正孔移動度の高いアミン誘導体化合物、より具体的には芳香族アミン誘導体化合物を採用することができる。この芳香族アミン誘導体化合物としては、主としてトリフェニルアミン又はその誘導体の２量体、或いはそれ以上の多量体などである。具体的には、例えば、ＴＰＤ（N,N' -bis (3 - methylphenyl) - N, N' -diphenyl- (1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine）、ＮＰＢ（N,N' -bis (1 -naphthyl) - N, N' -diphenyl- (1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine）、１−ＴＮＡＴＡ（4,4',4'' -tris[1-naphthyl(phenyl)amino] -triphenylamine）等を採用することができる。
【００２８】
電子輸送層３５０は、電子輸送性化合物を非常に高い濃度で含有する（例えば、１００質量％）。電子輸送性化合物としては、例えばキノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ）など、電子移動度の高い有機金属錯体化合物を採用することができる。
【００２９】
複数の発光層のうち最も陽極に近い第１発光層３３０は、図１の例では、単層構造の正孔輸送層３２０の上に連続して形成されており、この第１発光層３３０は正孔輸送性化合物を比較的高い濃度で含有する。具体的には、第１発光層３３０は、正孔輸送性化合物をホスト材料として用い、ドーパント材料としてオレンジ色の発光材料を用い、正孔輸送性ホスト材料に該ドーパント材料が１０質量％程度又はそれ以下の濃度でドープされて形成されている。つまり、第１発光層３３０では、正孔輸送性化合物を１００質量％〜８０質量％程度以上の濃度（例えば９０質量％程度）で正孔輸送性化合物を含有する。正孔輸送性化合物としては、上記正孔輸送層３２０に採用される芳香族アミン誘導体化合物を採用することができる。オレンジ色の発光材料（ドーパント材料）としては特に限定されないが、例えば、
ルブレン:rubrene（5,6,11,12- tetraphenyl naphthacene）、
ＤＢｚＲ（5,12- bis(4- (6- methylbenzohiazol - 2 - yl) phenyl) - 6,11 - diphenylnaphtacene）が採用可能である。なお、ドーパント材料が発光機能だけでなく高い正孔輸送性を備える場合には、第１発光層３３０における正孔輸送性化合物の濃度はほぼ１００質量％と考えることも可能である。
【００３０】
複数の発光層のうち最も陰極２４０に近い第２発光層３４０は、図１の例では、上記第１発光層３３０のすぐ上に形成され、第１発光層３３０と電子輸送層３５０の両方に接している。第２発光層３４０には、少なくとも電子輸送性化合物を高濃度に含み、本実施形態では、上記正孔輸送性化合物と電子輸送性化合物の両方をホスト材料として用い、青色の発光材料をドーパント材料として用いる。このドーパント材料は、ホスト材料に対し、例えば１０％程度又はそれ以下の濃度でドープする。
【００３１】
第２発光層３４０の正孔輸送性のホスト材料としては、上記第１発光層３３０と同じく、芳香族アミン誘導体化合物を採用可能であり、電子輸送性のホスト材料としては、上記電子輸送層３５０に採用される有機金属錯体化合物の他、多環芳香族化合物を採用することができる。金属錯体化合物は、上述の通り例えばアルミキノリノール錯体及びその誘導体を採用することができる。多環芳香族化合物は、例えばアントラセン系化合物が採用可能である。
【００３２】
このアントラセン系化合物の一例としては、ＡＤＮ（9, 10- di(2-naphthyl) anthracene）等が挙げられる。上記多環芳香族化合物は、電子輸送性を持つと共に正孔輸送性を持ち、第１発光層３３０のアシストドーパントなどとしても用いられる。この場合のアシストドーパントは、例えばＤＰＮ（5,12-diphenylnaphtacene）などを採用することができる。電子移動度青色の発光材料（ドーパント材料）としては特に限定されないが、例えばペリレン系化合物、ピレン系化合物が採用可能である。
【００３３】
第２発光層３４０における正孔輸送性化合物の濃度は、０質量％〜５０質量％とすることができる。また電子輸送性化合物の濃度は、１００質量％〜５０質量％とすることができる。なお、例えばＡｌｑ3のように電子輸送機能を有すると共に発光機能を備える化合物を第２発光層３４０に採用する場合には、単独の電子輸送性発光化合物を１００質量％採用しても良い。
【００３４】
以上まとめると、本実施形態では、２層の発光層３３０、３４０を備え、少なくとも、正孔輸送層３２０と第１発光層３３０に正孔輸送性化合物を含有する場合、第１発光層３３０の正孔輸送性化合物の含有濃度は、正孔輸送層３２０における正孔輸送性化合物の含有濃度より低いか等しくする。第１発光層３３０に用いる発光材料が発光機能と正孔輸送機能の両方を備える場合には、第１発光層３３０の正孔輸送性化合物の含有濃度は、ほぼ１００質量％となる。第２発光層３４０にも正孔輸送性化合物を一部用いることもできるが、採用した場合でも第１発光層３３０での含有濃度より低い。つまり、正孔輸送性化合物を含有する複数の有機層の内、陽極２２０から離れた層ほどその含有濃度を低く設定することが好適である。なお、電子輸送性化合物を含有する複数の有機層を備える場合には、陰極２４０に近い有機層ほどその電子輸送性化合物の含有濃度を高く設定することができる。
【００３５】
有機ＥＬ素子５００は以上のような積層構造により構成され、各層は、ガラスやプラスチックフィルムなどの透明絶縁基板１００の上方に陽極２２０から順に積層されている。陽極１２０は例えばスパッタリング法により形成でき、発光素子層３００及び陰極２４０は例えば真空蒸着法により連続的に形成することができる。この有機ＥＬ素子５００を表示装置の各画素の表示素子（発光素子）として用い、かつ各画素にトランジスタを設けて画素毎に表示内容を保持し制御するいわゆるアクティブマトリクス型表示装置に適用する場合、上記基板１００と陽極２２０との層間に、トランジスタ等の各画素回路を構成する層を形成する。
【００３６】
このような構成において、陽極２２０から注入される正孔は、正孔注入層３１０に注入され、高濃度に正孔輸送性化合物を含有する正孔輸送層３２０を通過し、第１発光層３３０に到達する。さらに、ホスト材料として正孔輸送性化合物を高濃度に含有するため、第１発光層も正孔輸送性を備えており、正孔は第１発光層３３０を通過して第２発光層３４０に到達する。
【００３７】
一方、陰極２４０から（金属層２４４から電子注入層３６０を介して）注入される電子は、高濃度に電子輸送性化合物を含有する電子輸送層３５０を通過して、第２発光層３４０に到達する。上述のように第２発光層３４０も電子輸送性化合物を高濃度に含有して電子輸送性を備えるため、電子は第２発光層３４０を通過し、第１発光層３３０に到達する。
【００３８】
従って、第１発光層３３０では、陽極２２０からの正孔と、陰極２４０から第２発光層３４０を介して到達した電子とが再結合し、再結合エネルギによってドーパントである発光分子が励起され、基底状態に戻る際に黄色の発光が得られる。第２発光層３４０では、陽極２２０から第１発光層３３０を介して到達した正孔と、陰極２４０からの電子とが再結合し、ドーパントである発光分子が励起され基底状態に戻る際に青色の発光が得られる。第２発光層３４０で得られた青色の光と第１発光層３３０で得られた黄色の光は、図１の例では、共に、透明な陽極２２０側からガラスなどの透明絶縁材料で形成された基板１００を介して外部に射出される。よって、外部では青色光と黄色光とによる加色により白色光が観察されることとなる。
【００３９】
本実施形態では、上述のように、発光素子層３００として、正孔輸送性化合物を含有する複数の有機層が積層されている場合に、陽極２２０に近い有機層ほどその正孔輸送性化合物の含有濃度を高く設定する。しかし、特に、正孔輸送層３２０の正孔輸送性化合物の含有濃度をＣhl、第１発光層３３０の正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem1、第２発光層３４０の正孔輸送性化合物の含有濃度をＣem2で表した場合、
Ｃem1−Ｃem2＞Ｃhl−Ｃem1
を満たす関係とすることが好ましい。
【００４０】
第１発光層３３０と第２発光層３４０との間の濃度差を大きくし、特にＣem2を低くすることで、第２発光層３４０の正孔輸送性を第１発光層３３０より低くすることができる。第２発光層３４０を通り過ぎて陰極２４０に正孔が到達してしまうと、無効電流となり、発光に寄与しない。また、第２発光層３４０と陰極２４０との層間で電子と再結合したとしても、発光層以外には、発光分子が存在しないことが通常であるので発光に寄与できない。電子輸送層３５０として、電子輸送性であると共に発光機能も備えた材料を用いている場合には、目的としない電子輸送層３５０での発光が起きてしまうことになり、色純度の低下を招く。従って、上記のような濃度勾配とすることが好ましい。
【００４１】
発光層を３層以上とした場合には、上述のように、第１発光層３３０と、第２発光層３４０との層間に、更に発光層を形成する。この場合において、第１発光層３３０では、高い正孔輸送能力が求められ、正孔輸送性化合物の濃度は、例えば１００〜９０質量％程度と高めとすることが好ましい。反対に第２発光層３４０では、高めの電子輸送能力が求められ、電子輸送性化合物は１００〜５０質量％程度と高めの濃度とする。第１発光層３３０と第２発光層３４０との間の発光層であって、第１発光層３３０の最も近くに形成される発光層については、第２発光層３４０側に正孔を伝達させる必要があるため、正孔輸送性化合物を含有する。この中間の発光層における正孔輸送性化合物の含有濃度は、第１発光層３３０より低く、上記第２発光層３４０での含有濃度よりは高く設定する。なお、第１発光層３３０に最も近い発光層（発光層が２層構造の場合は第２発光層３４０）と、該第１発光層３３０とは共に同一の正孔輸送性化合物を用いることができる。同一の材料を用いることで、例えば真空蒸着法などによって発光素子層３００の各層を積層する際、同一の蒸着源を用いて効率的に発光層を形成することが容易となる。
【００４２】
以下に、上述のような濃度関係で形成された本実施形態に係るエレクトロルミネッセンス素子の特性を説明する。まず、陽極２２０から注入され、正孔注入層３１０、正孔輸送層３２０及び第１発光層３３０を通過して、第２発光層３４０に到達するまでの正孔の単位距離当たりの所要時間とＴｈで表す。また、陰極２４０から注入され、電子が電子輸送層３５０及び第２発光層３４０を通過して、第１発光層３３０に到達するまでの単位距離当たりの電子の所要時間をＴｅで示すと、上記のように濃度の最適化された本実施形態に係る有機ＥＬ素子５００では、比（Ｔｈ／Ｔｅ）が、０．５＜（Ｔｈ／Ｔｅ）＜２．５を満たす。より好適には１≦（Ｔｈ／Ｔｅ）＜２、さらに好ましくは１．３＜（Ｔｈ／Ｔｅ）＜１．７を満たす。
【００４３】
正孔及び電子の第１及び第２発光層への所要時間の比がこのような関係を満たすことで、第１発光層３３０に正孔と電子が到達するタイミングと第２発光層３４０に正孔と電子が到達するタイミングとを近づけることができる。
【００４４】
上記ＴｈとＴｅの差が大きすぎ、例えば、ＴｈがＴｅの２．５倍以上となると、陽極に最も近い第１発光層３３０では、電子と正孔とがほぼ同様のタイミングで到達して発光が起きても、陰極２４０に最も近い第２発光層３４０に正孔が到達する際に、電子は既に電子輸送性の第２発光層３４０を通過してしまっており、電子と正孔との再結合確率が低く、発光があまり起きないこととなる。もちろん逆のタイミングであれば、第２発光層でのみ発光が起きて第１発光層では発光しないことになる。このように所要時間の比が最適化されていないと、複数の発光層を設けても、その内の一部の発光層のみが発光し、バランスの良い目的とする加色光（ここでは白色）が得られない。しかし、上記のような所要時間の比の関係を満たし、例えば１．３〜１．７の範囲とすることで、到達タイミングを揃え、複数の発光層それぞれをバランスよく発光させることが可能となる。ここで、所要時間の比Ｔｈ／Ｔｅを１以上とすることが、より好適な理由の一つとして、正孔の第２発光層３４０への到達タイミングの制御だけでなく、発光素子層３００の内、下層の影響で凹凸の多い陽極側の層を可能な限り厚くすることで、発光素子層３００の断線を防止し及び段差の被覆性を向上することが挙げられる。
【００４５】
本実施形態において、上記所要時間Ｔｈ、Ｔｅは、電荷輸送材料の電荷移動度（ｃｍ2／Ｖｓ）と、発光素子層２００の各層の濃度（より好ましくは厚さについても）を考慮することで調整することができる。ここで、発光素子層２００に採用される電荷輸送材料（正孔輸送材料、電子輸送材料）は、一般的に、１０-3〜１０-6の範囲の電荷移動度（正孔移動度、電子移動度）を示すことが知られており、その移動度は、通常、一定の高濃度の時に得られる値である。さらに、濃度が増大すると移動度も増大する。従って、各層に用いる電荷輸送材料の含有濃度を最適化すると共に、各層の厚さを調整することで上記特性を実現することができる。
【００４６】
以下、各層の電荷移動度厚さ及び濃度を説明する。
【００４７】
まず、正孔輸送層３２０の材料及び第１発光層３３０のホスト材料に採用される芳香族アミン誘導体化合物の正孔移動度は、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-4ｃｍ2／Ｖｓである（約１００質量％濃度の時）。
【００４８】
電子輸送層３４０の材料及び第２発光層３４０のホスト材料に用いられる有機金属錯体化合物の電子移動度は、１０-4ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-6ｃｍ2／Ｖｓである（約１００質量％濃度の時）。この第２発光層３４０の電子輸送性のホスト材料として多環芳香族化合物を用いた場合、この化合物は電子正孔の両方についての輸送性を持ち、電子移動度は、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-5ｃｍ2／Ｖｓ、正孔移動度も１０-3ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-5ｃｍ2／Ｖｓである。
【００４９】
上記正孔移動度及び電子移動度は、Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法によって測定して得ることができる。このＴＯＦ法は、具体的には、測定する材料膜（本実施形態では、各層の有機化合物材料膜）を互いに対向する電極間に、約１００質量％の濃度で積層して挟み込み、光励起によって電荷キャリアを材料膜の一方の電極との界面に発生させ、この電荷キャリアが対向する他方の電極に到達する時間を測定することで求められる。
【００５０】
以上に示したように、正孔輸送性を持つとして知られている有機化合物の正孔移動度は、約１００質量％の濃度で成膜した場合、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-5ｃｍ2／Ｖｓの範囲、電子輸送性を持つとして知られている有機化合物の電子移動度は、約１００質量％の濃度で成膜した場合、１０-3ｃｍ2／Ｖｓ〜１０-6ｃｍ2／Ｖｓの範囲である。
【００５１】
次に、各層の厚さを説明すると、正孔注入層３１０は、０．５ｎｍ〜５．０ｎｍ（ＣＦｘの場合）か、１０ｎｍ〜２０ｎｍ（ＣｕＰｃの場合）である。正孔輸送層３２０は、３０ｎｍ〜３００ｎｍ、第１発光層３３０は、１０ｎｍ〜１５０ｎｍ、第２発光層３４０は２０ｎｍ〜５０ｎｍ、電子輸送層３５０は１０〜３０ｎｍの厚さである。
【００５２】
発光素子層３００の電荷移動度と各層の厚さとの関係は、下記式（１）
（Ｌhi／μhi）＋（Ｌht／μht）＋（Ｌem1／μhem1）
＝α｛（Ｌem2／μhem2）＋（Ｌet／μet）｝・・・（１）
で表され、さらに、αは、０．５＜α＜２．５を満たす。なお、上記式（１）において、正孔注入層３１０の膜厚をＬhi、正孔移動度をμhi、正孔輸送層３２０の膜厚をＬht、正孔移動度をμht、第１発光層３３０の膜厚をＬem1、正孔移動度μhem1、第２発光層３４０の膜厚をＬem2、電子移動度をμhem2、電子輸送層３５０の膜厚をＬet、電子移動度をμetとする。αは、より好適には１≦α＜２を満たし、１．３＜α＜１．７の範囲内であることがより好ましいが、０．５より大きく、２．５未満とすることで、第１及び第２発光層３３０、３４０のいずれもバランスよく発光させ、また断線等のない長寿命化の容易な素子構造を得ることができる。
【００５３】
次に、各層の厚さを一定として、電荷輸送性化合物の濃度を変えた６種類の有機ＥＬ素子５００について説明する。実施例１（実１）に対して、比較例１−１（比１−１），比較例１−２（比１−２）に係るＥＬ素子５００は、第１発光層（ＥＭＬ１）での正孔輸送性材料濃度及び電子輸送性材料濃度が異なる。実施例２（＝実１）に対して、比較例２−１（比２−１），比較例２−２（比２−２）に係るＥＬ素子５００は、第２発光層（ＥＭＬ２）での正孔輸送性材料濃度及び電子輸送性材料濃度が異なる。
【００５４】
なお、ＥＬ素子５００も、正孔注入層（ＨＩＬ）３１０にはＣｕＰｃを用い（厚さ１０ｎｍ）、正孔輸送層（ＨＴＬ）３２０は１００ｎｍの厚さとし、芳香族アミン化合物の一種であるＮＰＢを用いた。第１発光層（ＥＭＬ１）３３０は、合計で３０．９ｎｍの厚さとし、ホスト材料としては正孔輸送性のＮＰＢ、ドーパントとしてＤＢｚＲを用い、アシストドーパントとしてＤＰＮ（5,12-diphenylnaphtacene）を用いた（オレンジ発光層）。第２発光層（ＥＭＬ２）３４０は、４１．０ｎｍの厚さとし、ホスト材料として多環芳香族化合物、具体的にはアントラセン系化合物であるＡＤＮ（9,10-di(2-naphthyl)anthracene）を用い、ドーパントとしてペリレン系化合物（ＢＤ：peryrene）を用い、正孔輸送性化合物としてＮＰＢを加えた（青色発光層）。また、電子輸送層（ＥＴＬ）３５０は、１０ｎｍの厚さとし、Ａｌｑ3（ tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)）を用いた。なお、アシストドーパントである上記ＤＰＮは、正孔輸送性と電子輸送性の両極性を備え、このＤＰＮ濃度を第１発光層における電子輸送性化合物濃度として評価している。
【表１】
2006108190.tif 000003
【００５５】
上記表１は、実施例１（実１）、比較例１−１（例１−１）、比較例１−２（比１−２）、実施例２（実２）、比較例２−１（例２−１）、比較例２−２（比２−２）の各ＥＬ素子について、各層の濃度（重量％）と、膜厚換算値（ｎｍ）及び素子の発光効率（ｃｄ／Ａ）を示す。
【００５６】
実施例１のＥＬ素子５００のＨＴＬ／ＥＭＬ１／ＥＭＬ２／ＥＴＬにおける正孔輸送性化合物（ＮＰＢ）の濃度は、１００％／９３．９％／７．３％／０％である。
【００５７】
これに対し、比較例１−１，比較例１−２の素子は、ＴＨＬ及びＥＭＬ２のＮＰＢ濃度は１００％と、７．３％で同じであるが、ＥＭＬ１のＮＰＢ濃度が８７．４％、７７．７％と高くなっている。
【００５８】
また、実施例１のＥＬ素子５００の電子輸送性化合物の濃度は、ＨＴＬ／ＥＭＬ１（ＤＰＮ濃度）／ＥＭＬ２（ＡＤＮ濃度）／ＥＴＬ（Ａｌｑ濃度）の順に０％／３．２％／９０．２％／１００％である。これに対し、比較例１−１，比較例１−２の素子は、ＥＨＬ及びＥＭＬ２の電子輸送性化合物濃度は同じで、その間に設けられているＥＭＬ１の電子輸送性化合物（ＤＰＮ）濃度が９．７％、１９．４％と高くなっている。このような実施例１，比較例１−１，１−２の発光効率は、それぞれ１４，１２，１０と、第１発光層での正孔輸送性化合物濃度が減少するにつれ（電子輸送性化合物濃度が増大するにつれ）効率が低下している。
【００５９】
ここで、上記各例における各ＥＬ素子のα値は、複数の材料を含む第１及び第２発光層について、それぞれ固有の移動度を示す材料を１００％濃度で積層した場合の厚さで換算して求めることができ、実施例１ではα＝１であり、比較例１−２では、２．５である。
【００６０】
厚さによる換算の基準となる数値は、上記表１において濃度と併記したが、実施例１では、正孔輸送層から順に、ＮＰＢ（１００ｎｍ）／ＮＰＢ（２．９ｎｍ）＋ＤＰＮ（１．０ｎｍ）＋ＤＢｚＲ（０．９ｎｍ）／ＡＤＮ（３７．０ｎｍ）＋ＮＰＢ（３．０ｎｍ）＋ＢＤ（１．０ｎｍ）／Ａｌｑ（１０ｎｍ）である。
【００６１】
図３は、この実施例１のＥＬ素子５００の発光スペクトル強度を示しており、第１発光層３３０と第２発光層３４０の両方がバランスよく発光し、目的とする白色光が得られており、発光効率も上記の通り１４ｃｄ／Ａ（電力効率が６．１ｌｍ／Ｗ）と優れている。
【００６２】
図４は、３つの例の中で最も第１発光層中でのＮＰＢ濃度が低い比較例１−２のＥＬ素子５００の発光スペクトル強度を示している。図４から理解できるように、第１発光層３３０は発光しているものの第２発光層３４０の発光輝度が低く、２層の発光バランスが悪く、黄色に近い白色光となった。また、発光効率も１０ｃｄ／Ａと、実施例１よりも低い値であった。
【００６３】
図４からわかるように、比較例１−２の素子では、第２発光層での十分な発光が得られておらず、これのことから第１発光層での正孔輸送材料の濃度が低いと、陽極から第２発光層３４０への正孔の輸送量が不十分になり、複数の発光層をバランスよく発光させることが難しくなると推測できる。
【００６４】
次に、比較例２−１，比較例２−２のＥＬ素子５００は、ＴＨＬ及びＥＭＬ１のＮＰＢ濃度は１００％と、９３．９％で実施例２（実施例１）と同じであるが、ＥＭＬ２のＮＰＢ濃度が実施例１が７．３％であるのに対し、１４．６％、１９．５％と高くなっている。発光効率は、実施例１が上述の通り１４ｃｄ／Ａであるのに対し、比較例２−１，比較例２−２のＥＬ素子５００では、１１ｃｄ／Ａ、７ｃｄ／Ａと、第２発光層（ＥＭＬ２）での電子輸送性化合物であるＡＤＮの濃度が低くなるほど（ＮＰＢ濃度が高くなるほど）低下している。
【００６５】
図５は、比較例２−２に係るＥＬ素子の発光スペクトルを示しており、上記比較例１ー２とは反対に、第２発光層３４０は発光しているものの第１発光層３３０の発光輝度が低く、２層の発光バランスが悪く、青色黄色に近い白色光となっている。この結果から、電子輸送層からの電子を第１発光層に輸送する機能も持つ第２発光層の電子輸送性化合物濃度が低いと、第１発光層への電子の供給が十分行われず、第１発光層での十分な発光が得られないと推測される。
【００６６】
以上の比較から、陽極から第１発光層よりも遠くに位置する第２発光層（ここでは青色発光層）における正孔輸送材料の濃度が高くなるほど発光効率が低下し、また発光バランスも悪くなることが分かる。別の観点から説明すると、陽極により近い位置にある第１発光層での正孔輸送材料の濃度が低くなるほど第２発光層への正孔輸送能力が低下し、効率の低下と発光バランスの悪化が起きる。
【００６７】
また、陰極から第２発光層よりも遠くに位置する第１発光層（ここではオレンジ色発光層）における電子輸送材料の濃度が高くなるほど発光効率が低下し、また発光バランスも悪くなる。別の観点から説明すると、陰極により近い位置にある第２発光層での電子輸送材料の濃度が低くなるほど第１発光層への電子輸送能力が低下し、効率の低下と発光バランスの悪化が起きる。
【００６８】
下記、表２は、第１及び第２発光層の正孔輸送材料の濃度の差と、正孔輸送層と第１発光層の正孔輸送材料の濃度の差の関係を上記実施例１，比較例１−１，１−２、について示している。
【表２】
2006108190.tif 000004
【００６９】
上述のように、正孔輸送材料の濃度は、Ｃem1−Ｃem2＞Ｃhi−Ｃem1を示すことが好ましいが、上記実施例１、比較例１−１及び１−２の結果から、（Ｃem1−Ｃem2）は、（Ｃhi−Ｃem1）よりも十分大きく、６倍以上、より好ましくは１４倍程度（実施例１の素子では、１４．２倍）大きいことがより好適であることが分かる。
【００７０】
なお、本実施形態に係る有機ＥＬ素子５００は、加色により白色光を外部に射出する白色のディスプレイや平面光源として利用されるだけでなく、他の加色により任意の色の光を射出するディスプレイなどに採用できる。
【００７１】
また、図２のように、白色有機ＥＬ素子５００と、基板１００との間、例えば、トランジスタを絶縁する層間絶縁層１６０と、素子形成面を平坦にするための平坦化絶縁層１８０と間に、対応するＲ、Ｇ、Ｂの３色のカラーフィルタＣＦのいずれかを形成し、有機ＥＬ素子５００から射出される白色光成分から、所望のＲ，Ｇ，Ｂ光成分のみを透過させることで、フルカラー表示を実現することができる。なお、一部の画素についてはカラーフィルタを形成せず、Ｒ，Ｇ，Ｂ及びＷ（白色）の４色によりカラー表示を行うこともできる。カラーフィルタはＲ，Ｇ，Ｂの３色に限らず、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンダ）などをさらに設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態に係るＥＬ素子の概略断面構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＥＬ素子を用いたカラー表示装置の一部概略断面構造を示す図である。
【図３】実施例１にかかるＥＬ素子の発光スペクトルを示す図である。
【図４】比較例１−２にかかるＥＬ素子の発光スペクトルを示す図である。
【図５】比較例２−２にかかるＥＬ素子の発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  透明基板（ガラス、プラスチック）、２２０  正孔注入電極（第１電極：陽極）、２４０  電子注入電極（第２電極：陰極）、３００  発光素子層、３１０  正孔注入層、３２０  正孔輸送層、３３０  第１発光層、３４０  第２発光層、３５０  電子輸送層、３６０  電子注入層、５００  有機ＥＬ素子。
【図１】
2006108190.tif 000005
【図２】
2006108190.tif 000006
【図３】
2006108190.tif 000007
【図４】
2006108190.tif 000008
【図５】
2006108190.tif 000009