(57)【要約】【課題】表面プラズモンの影響を低減することで発光効率の高い有機ＥＬ素子を提供する。【解決手段】発光装置は、透明電極１３と、反射電極１１と、透明電極１３および反射電極１１に挟まれており、発光層を有する有機層１２とを含む発光素子１９と、低屈折率層１６と高屈折率層１７とを含み、高屈折率層１７が透明電極１３と接するように発光素子１９に設けられた透明積層体１８と、低屈折率層１６と高屈折率層１７との界面に設けられた第１の凹凸構造５０と、反射電極１１と有機層１２との界面に設けられた第２の凹凸構造２０とを備え、第１の凹凸構造５０の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、第２の凹凸構造２０の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。【選択図】図１１
2015144110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極と、反射電極と、前記透明電極および前記反射電極に挟まれており、発光層を有する有機層とを含む発光素子と、
低屈折率層と高屈折率層とを含み、前記高屈折率層が前記透明電極と接するように前記発光素子に設けられた透明積層体と、
前記低屈折率層と前記高屈折率層との界面に設けられた第１の凹凸構造と、
前記反射電極と前記有機層との界面に設けられた第２の凹凸構造と
を備え、
前記第１の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、
前記第２の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、発光装置。
【請求項２】
前記第１の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元に周期的に配列された形状を有し、前記第１の凹凸構造の平均周期は、８００ｎｍ以上６μｍ以下である請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１の凹凸構造が、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的にランダムに配列された凹凸形状を有する請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記第１の凹凸構造において、前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内接する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記凹凸形状のパターンの周期成分のうち、２ｗよりも大きな成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第１の凹凸構造の前記ｗは４００ｎｍ以上３μｍ以下である、請求項３に記載の発光装置。
【請求項６】
前記第２の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元に周期的に配列された形状を有する
請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
前記第２の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的にランダムに配列された凹凸形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
前記第２の凹凸構造における前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内設する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記第２の凹凸構造におけるパターンの周期成分のうち、２ｗよりも大きい成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている、請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記第２の凹凸構造の前記ｗは、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である、請求項７または８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記第２の凹凸構造は、予め定められた個数以上の凹部または凸部が、配列方向に連続しないように構成されている、請求項７から９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１１】
前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造のパターンが等しい、請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１２】
前記有機層の複素誘電率をεorg、前記反射電極の複素誘電率をεmetal、平均発光周波数をω、真空中の光速をｃとするとき、前記第２の凹凸構造の平均周期は、
【数１】
2015144110.tif 000011
よりも小さい、請求項１から１１のいずれかに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、「有機ＥＬ素子」と称する。）などの発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子は、発光デバイスとして各種装置への適用が検討および実用化されている。例えば、フラットパネルディスプレイ、液晶表示装置用バックライト、照明用光源に用いられている。
【０００３】
図１は、従来の一般的な有機ＥＬ素子の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、一般的な有機ＥＬ素子１００では、反射電極１１１、有機層１１２、透明電極１１３、および透明基板１１４がこの順に積層されている。有機層１１２は、例えば不図示の電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、およびホール注入層が積層されることによって構成される。陰極側に電子注入層および電子輸送層を配置し、陽極側にホール注入層およびホール輸送層を配置し、電子輸送層とホール輸送層との間に発光層を配置する構成が一般的である。以下では、反射電極１１１を陰極とし、透明電極１１３を陽極とする場合について考える。電子輸送層およびホール輸送層がそれぞれ陰極および陽極に接するように配置されていると想定する。なお、透明電極１１３を陽極とし、反射電極１１１を陰極とする場合にも同様にして考えることができる。
【０００４】
有機ＥＬ素子の効率を支配する要因は、主に、電気−光変換効率、駆動電圧、光取り出し効率の３つである。電気−光変換効率については、最近のいわゆる燐光材料の登場により、外部量子効率が２０％を超えるものが報告されている。この値は、内部量子効率に換算するとほぼ１００％に相当すると考えられる。すなわち、電気−光変換効率がほぼ限界値に到達した例が実験的に確認されたといえる。
【０００５】
駆動電圧については、エネルギーギャップに相当する電圧の１０〜２０％増し程度の電圧で比較的高い輝度の発光を行う素子が得られるようになってきている。言い換えると、駆動電圧の低減による有機ＥＬ素子の効率向上の余地はさほど大きくない。したがって、電気−光変換効率および駆動電圧の２つの要因の改善による有機ＥＬ素子の効率の向上はあまり期待できない。
【０００６】
一方、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は、発光パターンや内部の層構造によって多少差異があるが、一般に２０〜３０％程度であり、改善の余地が大きい。光取り出し効率がこのように低くなる理由として、光が発生する部分およびその周辺部を構成する材料が、高屈折率性および光吸光性などの特性を有することが挙げられる。このため、屈折率の異なる界面での全反射や材料による光の吸収が生じ、発光が観測される外界へ有効に光を伝播させることが難しい。
【０００７】
有機ＥＬ素子では、光の干渉効果を利用して正面方向（図１の上方向）の光を強めるために、発光位置と反射電極との距離を短く（例えば、３０〜８０ｎｍ）設定する場合が多い。しかしながら、発光位置と反射電極との距離が短いと、表面プラズモンの影響が生じる。ここで、「表面プラズモン」とは、金属の表面に存在する電子が集団振動する振動モードである。金属中の自由電子と光とが相互作用を起こす現象を「表面プラズモン共鳴」という。有機ＥＬ素子では、反射電極の主な材料としてアルミニウム（Ａｌ）又は銀（Ａｇ）などの金属が用いられる場合が多い。発光位置と反射電極との距離が短いときには、発光位置で発生した光の一部は表面プラズモンに結合した後、反射電極に吸収される。
【０００８】
特許文献１、２によれば、これらの結果、有機ＥＬ素子では、活用できない光が全発光量の７０〜８０％を占めると説明されている。このため、光取り出し効率の向上による有機ＥＬ素子の効率向上への期待は非常に大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７６６７３８７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００８７０１９号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１０／０１０６３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の有機ＥＬ素子では、発光層で生じた光をより高い効率で外部へ取り出すことが求められていた。本開示は、発生した光を高効率で取り出すことができる発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の一態様に係る発光装置は、透明電極と、反射電極と、前記透明電極および前記反射電極に挟まれており、発光層を有する有機層とを含む発光素子と、低屈折率層と高屈折率層とを含み、前記高屈折率層が前記透明電極と接するように前記発光素子に設けられた透明積層体と、前記低屈折率層と前記高屈折率層との界面に設けられた第１の凹凸構造と、前記反射電極と前記有機層との界面に設けられた第２の凹凸構造とを備え、前記第１の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、前記第２の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００１２】
本開示の他の態様に係る発光装置は、透明電極と、反射電極と、前記透明電極および前記反射電極の間に挟まれ、発光層を有する有機層とを備える。前記反射電極と前記有機層との界面には、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造が形成されている。
【発明の効果】
【００１３】
本願に開示された発光装置によれば、発生した光を高い効率で外部へ取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の一般的な有機ＥＬ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す構造において、反射電極１１１と有機層１１２との界面から発光点までの距離と、発光点におけるエネルギーが表面プラズモンに結合せず発光する割合との関係を計算した結果を示す図である。
【図３】反射電極と有機層との界面に周期的な凹凸構造を有する有機ＥＬ素子の断面図である。
【図４】表面プラズモンの電場の分布を示す図である。
【図５】図３の有機ＥＬ素子において、ＡｌおよびＡｇからなる反射電極に設ける凹凸の周期と発光量の割合との関係を示す図である。
【図６】図３の有機ＥＬ素子において、Ａｇからなる反射電極に設ける凹凸の高さと発光量の割合との関係を示す図である。
【図７】図３の有機ＥＬ素子において、反射電極で反射する光の経路を示す図である。
【図８】図３の有機ＥＬ素子において、凹凸の周期と光取り出し効率との関係を示す。
【図９】図３の有機ＥＬ素子において、凹凸の高さと光取り出し効率との関係を示す。
【図１０】特許文献１に示される有機ＥＬ素子の断面構造を示す図である。
【図１１】第１の実施形態にかかる発光装置の断面を示す図である。
【図１２】参考例の発光装置の断面を示す図である。
【図１３】他の参考例の発光装置の断面を示す図である。
【図１４】実施例の発光装置第の第１の凹凸構造の周期と基板に取り出される光量との関係を示す図である。
【図１５】実施例の発光装置第の第１の凹凸構造の周期と基板に取り出される光量との関係を示す図である。
【図１６】実施例の発光装置第の第１の凹凸構造の高さと取り出し効率との関係を示す図である。
【図１７】実施例の発光装置第の第２の凹凸構造の周期と取り出し効率との関係を示す図である。
【図１８】（ａ）から（ｄ）は、第１の実施形態にかかる発光装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１９】（ａ）から（ｅ）は、第１の実施形態にかかる発光装置の他の製造方法を示す工程断面図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態にかかる発光装置の他の製造方法を示す工程断面図である。
【図２１】第２の実施形態にかかる発光装置の断面を示す図である。
【図２２】ランダムな凹凸パターンの一例を示す平面図である。
【図２３Ａ】低周波成分が抑制された凹凸パターンの一例を示す平面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａに示す凹凸構造における２種類の単位構造体を示す図である。
【図２４Ａ】低周波成分が抑制された凹凸構造の他の例を示す平面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａに示す凹凸構造における２種類の単位構造体を示す図である。
【図２５】凹凸パターンをフーリエ変換することによってランダムパターンが有する周期成分の分析を行った結果を示す図である。
【図２６】構造のパターンから平均周期を求める方法を説明するための図である。
【図２７Ａ】正六角形を基本形状とするランダム構造の一例を示す図である。
【図２７Ｂ】ランダム性を調整して大きな構造の発生を抑制したランダムパターンの一例を示す図である。
【図２８】図２３Ａに示す構造における第１の単位構造体１５１および第２の単位構造体１５２の出現確率をそれぞれ７５％および２５％に変更した凹凸構造の例を示す平面図である。
【図２９】図２８の凹凸パターンをフーリエ変換し、空間周波数成分の振幅を示した図である。
【図３０】（ａ）〜（ｅ）は、周期性成分の割合の異なる５通りの凹凸パターンの構造と、パターンをフーリエ変換した結果を示す図である。
【図３１】第３の実施形態にかかる実施形態における発光装置２００の構成を模式的に示す断面図である。
【図３２Ａ】第３の実施形態において凹凸構造を他の層にも形成した有機ＥＬ素子の一例を示す図である。
【図３２Ｂ】第３の実施形態において凹凸構造を他の層にも形成した有機ＥＬ素子の他の例を示す図である。
【図３３】（ａ）〜（ｃ）は、凹凸構造１３０を含む発光装置の製造方法の一例を示す図である。
【図３４】（ａ）〜（ｃ）は、凹凸構造１３０を含む発光装置の製造方法の他の例を示す図である。
【図３５】第３の実施形態の有機ＥＬ素子３００の構造を示す断面図である。
【図３６】第３の実施形態における電極パターン４２の構成を示す平面図である。
【図３７】第３の実施形態における正方格子状の電極パターン４２の寸法を説明するための図である。
【図３８】第３の実施形態における実施例１および比較例２における視野角依存性を示す図である。
【図３９】第３の実施形態における実施例１および比較例２のそれぞれにおける比較例１と比較したときのスペクトルの増強率を測定した結果を示す図である。
【図４０】図２２および図２４Ａの各パターンについて、構造のサイズｗに対する発光量の割合を計算した結果を示す図である。
【図４１】図２４Ａに示す低周波除去構造における凹凸の高さに対する発光量割合の依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本願発明者は、有機ＥＬ素子の発光層において発生した光を高い効率で外部へ取り出すこと、つまり光取り出し効率を高める構造について詳細に検討した。特許文献１、２は、発光層と電極との界面における、表面プラズモンによる光のロスを低減しつつ、全反射ロスを低減する方法として、電極と接する発光層の界面に周期的な突起部を設けることを開示している。特許文献１、２によれば表面プラズモンを光に変換し、発光層側に光を取り出すことで発光効率を改善できると記載している。
【００１６】
特許文献３は、反射電極を有する有機ＥＬ素子において反射電極と有機層との界面における反射効率を高めるため、透明基板上に硬化性透明樹脂で周期的な凹凸形状を作製し、その上に有機層および反射電極を形成することによって、有機層と反射電極との界面に凹凸を形成することを開示している。
【００１７】
しかし、本願発明者が特許文献１、２に開示された構造および製造方法を検討したところ、特許文献１、２に開示された構造では、突起により発光層の厚さが局所的に大きい部分が生じる。このため、発光層の厚さが大きい箇所においてキャリア輸送（あるいは注入）性能が悪くなり、電気的特性が悪くなる可能性がある。
【００１８】
また特許文献３の構造によれば、有機層全体に凹凸形状が反映されるため、凹凸の高さがたとえば、１００ｎｍを超える場合、数十ｎｍオーダーの積層からなる有機層が分断されるなどによって、電流が有機層全体に流れなくなる、あるいは電極間が導通することにより、有機ＥＬ素子として機能しない可能性がある。
【００１９】
本願発明者はこのような課題に鑑み、表面プラズモンによる光のロスを低減する構造および全反射によるロスを低減する構造を詳細に検討した。
【００２０】
＜プラズモンを抑制する構造＞
本願発明者らは、まず、有機ＥＬ素子の発光層からの発光がプラズモンに結合する効果を検討した。有機層の屈折率を１．８、反射電極の材料をＡｇまたはＡｌ、発光波長５００ｎｍとして、転送行列法による計算を行った。転送行列法の代わりに、例えば、ＣＹＢＥＲＮＥＴ社のｓｅｔｆｏｓ等のソフトウェアを用いても同様の計算が可能である。図１に示す構成において、反射電極１１１と有機層１１２との界面から発光点までの距離と、表面プラズモンに結合せず透明基板１１４側に取り出される光の量（発光量）の割合との関係を計算した。
【００２１】
図２は、この計算結果を示している。図２において、縦軸は、発光し伝播光となった光の割合を示している。１から減少した分が表面プラズモン効果によるロスを表している。図２から、発光点が反射電極１１１に近いほど発光量の割合が低下することがわかる。これは、反射電極に近いほど、発生した光が金属表面の表面プラズモンに結合しやすくなるからである。
【００２２】
上述したように、表面プラズモンは、金属の表面に存在する電子が集団振動する際の振動モードであるため、電子が集団的に振動しにくくなるような構造を金属表面に設ければ、プラズモン効果が抑制され、光との相互作用も抑制できると考えられる。例えば、図３に示すように、有機ＥＬ素子において、反射電極１１１と有機層１１２との界面１１１ａに周期的な凹凸構造１２０を設ければ、表面プラズモンが抑制され、発光量の割合も増大すると考えられる。凹凸構造について重要なパラメータとして、その周期ｐと高さｈ（凹部の底面と凸部の上面との高低差）が挙げられる。そこで、本願発明者らは、反射電極１１１に設けられる凹凸構造の周期および凹凸の高さについて詳細に検討した。
【００２３】
図４は、表面プラズモンの電場の強度分布を模式的に示す図である。有機層１１２と反射電極１１１との界面１１１ａ近傍に発生するプラズモンの電場は、反射電極１１１の内部に向かう方向、有機層１１２の内部に向かう方向、および界面１１１ａに平行な方向に広がりをもって分布する。図４（ａ）は、有機層１１２の内部に向かう方向（有機層方向）および反射電極１１１の内部に向かう方向（電極方向）の電場強度の分布を示している。この図では横軸が電場強度を表している。図４（ｂ）は、界面１１１ａに平行な方向（界面方向）の電場強度の分布を示しており、縦軸が電場強度を表している。ここで、界面方向、有機層方向、および電極方向について、電場強度が１／ｅ（ｅは自然対数の底）となる距離（「減衰距離」という）を、それぞれγmetal、γorgおよびγsurとする。Journal of Plasma Fusion Research Vol.84. N0.1 (2008) pp.10-18によれば、これらの減衰距離は、以下の式（１）〜（３）によって表される。
【数１】
2015144110.tif 000003
【数２】
2015144110.tif 000004
【数３】
2015144110.tif 000005
ここで、εmetalおよびεorgは、それぞれ、反射電極１１１および有機層１１２における複素誘電率であり、ｃは真空中の光速であり、ω（＝２πｃ／λ）は角周波数であり、λは波長であり、Ｉｍは、虚部を取り出す関数である。
【００２４】
一般に、ある媒質の屈折率をｎ、消衰係数をｋ、複素誘電率の実部をε1、虚部をε2とするとき、その媒質の複素屈折率はｎ~＝ｎ＋ｉｋ、複素誘電率はεr＝ε1＋ｉε2と表される（ｉは虚数単位）。複素屈折率と複素誘電率との間には、ｎ~2＝εrの関係があるため、ε1＝ｎ2−ｋ2、ε2＝２ｋｎが成立する。したがって、上記の式（１）〜（３）における複素誘電率εmetalおよびεorgは、反射電極１１１および有機層１１２のそれぞれの屈折率および消衰係数によって決定される。
【００２５】
反射電極１１１の材料および発光波長を様々に変えて減衰距離γsur、γorg、γmetalを計算した結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2015144110.tif 000006
【００２７】
表１からわかるように、界面方向におけるプラズモンの減衰距離γsurは、いずれの金属材料についても長い。特に、発光デバイスの電極としてよく用いられるＡｇやＡｌでは、減衰距離が数μｍにもなる。このような表面プラズモンの発生を抑制するためには、この減衰距離よりも小さい周期で凹凸を設ければよい。即ち、周期の好ましい上限は３μｍ程度である。なお、発光層から生じる光が単色光ではなく、波長域に広がりを有する光である場合は、平均波長λmeanに対応する角周波数ωmean（＝２πｃ／λmean）について算出した減衰距離よりも小さい周期で凹凸を設ければよい。ここで、「平均波長」とは、発光スペクトルにおいて、その波長よりも長い波長の光の強度和と、その波長よりも短い波長の光の強度和とが等しくなる波長を意味する。本明細書では、平均波長λmeanに対応する周波数ωmeanを「平均周波数」と称することがある。
【００２８】
一方、凹凸の周期が光の波長の半分以下である場合は、周期的な凹凸構造による光の回折が生じなくなる。このような構造はモスアイ構造と呼ばれ、反射防止膜に用いられる構造である。つまり、凹凸の周期を例えば５００ｎｍの光の波長の半分である２５０ｎｍ以下にすると、反射電極における光の吸収量が増大し、反射率が小さくなるため、光取り出し効率が低下する。よって、反射電極に設ける凹凸構造の周期としては２５０ｎｍ〜３μｍが好ましい。
【００２９】
図５は、凹凸の周期と発光量の割合との関係を計算した結果を示している。計算はＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法により行った。計算条件は、有機層の屈折率を１．８、反射電極の材料をＡｇまたはＡｌ、発光波長を５００ｎｍ、周期構造の高さを６０ｎｍとした。図５に示すように、周期がおおよそ０．２５μｍ〜３μｍのときに発光量が増大（凹凸構造がない場合の発光量の割合はＡｇ、Ａｌの場合でそれぞれおよそ０．５５、０．６５）していることが確認できる。このように、周期的な凹凸構造を有機層と反射電極との界面に設けることにより、発光量の割合が向上することが確認できた。
【００３０】
次に、凹凸構造の好ましい高さを検討した。図４に示すように、表面プラズモンの電場は有機層方向にγorg程度侵入している。したがって、表面プラズモンの電場の発生を抑制するためには、凹凸構造の高さ（凹部と凸部との高低差）をγorgと同程度、あるいはこれよりも大きくすればよい。表１から、ＡｇやＡｌにおけるγorgは、数十ｎｍ〜１２０ｎｍ程度である。よって、表面プラズモンの電場の発生を抑制するためには、凹凸構造の高さは、例えば２０ｎｍ以上であればよく、凹凸構造が高いほど抑制効果が顕著に得られる。凹凸構造の高さがおおよそ１２０ｎｍであれば、ほぼプラズモンの発生を抑制できると考えられる。
【００３１】
図６は、反射電極に設けられた凹凸構造の高さと発光量の割合との関係を示している。ここで、反射電極の材料をＡｇ、凹凸構造の周期を８００ｎｍとした。図６からわかるように、凹凸の高さが１００ｎｍ程度以上であれば、発光量の割合はほぼ一定となり、プラズモンの発生をほぼ抑制できる。ただし、有機ＥＬ素子における有機層を構成する複数の層の厚さはそれぞれ２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるため、凹凸構造の高さが１００ｎｍを超える場合、凹凸構造に隣接する有機層の各層の厚さよりも凹凸構造の段差の方が大きくなる。そのような場合、有機層が連続的に形成されない、あるいは、局所的に厚さの小さい箇所が有機層中に生じ、電流のリークパスができる可能性がある。このため、凹凸構造の高さは、有機層を構成する各層の厚さにもよるが、１００ｎｍ以下に設定することが好ましい。
【００３２】
＜全反射ロスを低減し光を効率よく取り出す構造＞
次に、発生した光が、基板１１４に取り出される割合（取り出し効率）を計算した。一般に、基板の屈折率は１．５程度であり、有機層や透明電極の屈折率（１．７〜２．０程度）に比べて小さい。よって、基板に到達するまでに、光の一部は全反射してしまい、光を取り出すことができない。しかし、図７に示すように、反射電極１１１と有機層１１２との界面１１１ａに凹凸構造を設けることによって、全反射を抑制することができる。凹凸構造により、反射電極１１１において光が反射する際、光を回折させることができる。有機層１１２内の発光点から出射した光を、透明電極１１３や基板１１４の主面に対してより垂直に近い角度で透明電極１１３や基板１１４に入射させることができる。これにより、光の取り出し効率を高めることができる。
【００３３】
図８は、反射電極１１１の界面１１１ａに高さ６０ｎｍの周期的な凹凸構造を設けた場合における凹凸の周期と、発生した光が基板１１４に取り出される割合（取り出し効率）との関係を示す。図９は、周期を１μｍにした場合における凹凸構造の高さと基板１１４への取り出し効率との関係を示す。図８より、凹凸の周期が１μｍ以上であれば、取り出し効率が高くなることが分かる。また、図９より、凹凸の高さが１００ｎｍ以上であれば、取り出し効率がより高くなることが分かる。
【００３４】
＜基板に取り出される光量＞
図５および図６では、凹凸構造による発光量の変化を計算した。また、図８および図９では、発光した光の取り出し効率を計算した。最終的に基板に取り出される光量は、（発光量）×（取り出し効率）で計算することができる。図１４の参考例１に基板に取り出される光量の計算結果を示す。基板に取り出される光量の最大値は６３％程度である。ここで、図５の発光量と図８の取り出し効率とを比較すると、凹凸形状の周期の最適値が異なることが分かる。つまり、取り出し効率をより改善するような構成が他にもあるといえる。
【００３５】
そこで、特許文献３に開示されているような構成（図１０）、すなわち、透明電極１１３と透明基板（硬化性透明樹脂）１１４の界面にも凹凸形状がある構成を採用することにより、図７の構成よりも全反射ロスを低減することができる。しかしながら、この凹凸形状の高さが１００ｎｍ程度である場合、凹凸形状を通過する光はほとんど位相差の影響を受けないため、全反射ロスを抑制する効果はほとんど得られない。例えば、波長５５０ｎｍの光に対して、樹脂の屈折率を１．５、透明電極の屈折率を１．８とすると、高さ１００ｎｍの凹凸形状でを通過するときの光の位相のずれは、２π×（１．８−１．５）×１００ｎｍ／５５０ｎｍ≒０．１πである。これは、最適な回折効率が得られるπより遥かに小さいため、光はほとんど回折しない。つまり、図１０の構成では、透明電極１１３４と硬化性透明樹脂１１４の界面に設けられた凹凸形状による全反射ロスを低減し光を効率よく取り出す効果はほとんどない。反射電極１１１の界面１１１ａに設けられた周期的な凹凸構造により全反射ロスが低減され光が取り出されている。
【００３６】
そこで、凹凸形状の高さを大きくすることで高い取り出し効率を得ることが考えられる。しかし、図１０の構造において、凹凸形状の高さを１００ｎｍ以上にすると、発光素子の各層（数十ｎｍ〜数百ｎｍの厚み）が正しく形成できない可能性がある。
【００３７】
本願発明者は、このような検討の結果、表面プラズモンの発生を抑制することで、効率を向上しつつ、全反射ロスを低減し得る、新規な構造を有する発光装置を想到した。本発明の実施形態の概要は以下のとおりである。
【００３８】
本開示は、以下の項目に記載の発光装置および製造方法を含む。
[項目１]
透明電極と、反射電極と、前記透明電極および前記反射電極に挟まれており、発光層を有する有機層とを含む発光素子と、
低屈折率層と高屈折率層とを含み、前記高屈折率層が前記透明電極と接するように前記発光素子に設けられた透明積層体と、
前記低屈折率層と前記高屈折率層との界面に設けられた第１の凹凸構造と、
前記反射電極と前記有機層との界面に設けられた第２の凹凸構造と
を備え、
前記第１の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、
前記第２の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、発光装置。
これにより、表面プラズモンの発生および発光素子から外部へ出射する際の全反射ロスを抑制することができる。その結果、発光層で発生した光を外部へ効率よく取り出すことができる。
[項目２]
前記第１の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元に周期的に配列された形状を有し、前記第１の凹凸構造の平均周期は、８００ｎｍ以上６μｍ以下である項目１に記載の発光装置。
これにより、可視光帯域における光の取り出し効率を高めることができる。
[項目３]
前記第２の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元に周期的に配列された形状を有し、前記第２の凹凸構造の平均周期は、２００ｎｍ以上３μｍ以下である項目１または２に記載の発光装置。
これにより、表面プラズモンの発生を効果的に抑制できる。
[項目４]
前記第１の凹凸構造、あるいは前記第２の凹凸構造のいずれか、または両方が、複数の凹部と複数の凸部とが周期的に配列された凹凸形状を有する項目１から３のいずれかに記載の発光装置。
これにより、比較的容易に光取り出し効率の高い発光装置を製造できる。
[項目５]
前記第１の凹凸構造が、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的にランダムに配列された凹凸形状を有する項目１に記載の発光装置。
これにより、発光装置から出射する光の色むらおよび輝度むらを抑制することができる。
[項目６]
前記第１の凹凸構造において、前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内接する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記凹凸形状のパターンの周期成分のうち、２ｗよりも大きな成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている項目５に記載の発光装置。
これにより、色むらおよび輝度むらを抑制しながら、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
[項目７]
前記第１の凹凸構造の前記ｗは４００ｎｍ以上３μｍ以下である、項目６に記載の発光装置。
これにより、平均周期が好ましい範囲の値になり、光取り出し効率を高くすることができる。
[項目８]
前記第２の凹凸構造は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元に周期的に配列された形状を有する項目１から７のいずれかに記載の発光装置。
これにより、比較的容易に光取り出し効率の高い発光装置を製造できる。
[項目９]
前記第２の凹凸構造が、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的にランダムに配列された凹凸形状を有する項目１から７のいずれかに記載の発光装置。
これにより、表面プラズモンの影響を低減して発光効率を改善するとともに、色むらや輝度むらの少ない発光装置を実現できる。
[項目１０]
前記第２の凹凸構造における前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内設する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記第２の凹凸構造におけるパターンの周期成分のうち、２ｗよりも大きい成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている、項目９に記載の発光装置。
これにより、周期の大きい構造の発生を抑制できるため、表面プラズモンの影響をさらに抑制できる。
[項目１１]
前記第２の凹凸構造の前記ｗは、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である、項目９または１０に記載の発光装置。
これにより、周期の大きい構造の発生を抑制できるため、表面プラズモンの影響をさらに抑制できる。
[項目１２]
前記第２の凹凸構造は、予め定められた個数以上の凹部または凸部が、配列方向に連続しないように構成されている、項目９から１１のいずれかに記載の発光装置。
これにより、周期の大きい構造の発生を抑制できるため、表面プラズモンの影響をさらに抑制できる。
[項目１３]
前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造のパターンが等しい、項目１から１２のいずれかに記載の発光装置。
[項目１４]
前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造は同一のランダムに配列された凹凸パターンを有する項目９から１３のいずれかに記載の発光装置。
[項目１５]
前記界面に平行な平面で前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々を切断したときの断面形状は、四角形である、項目９から１４のいずれかに記載の発光装置。
[項目１６]
前記凹凸構造は、３個以上の凹部または凸部が配列方向に連続しないように構成されている、項目１５に記載の発光装置。
[項目１７]
前記界面に平行な平面で前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々を切断したときの断面形状は、六角形である、項目９から１４のいずれかに記載の発光装置。
[項目１８]
前記凹凸構造は、４個以上の凹部または凸部が、配列方向に連続しないように構成されている、項目１７に記載の発光装置。
[項目１９]
前記有機層の複素誘電率をεorg、前記反射電極の複素誘電率をεmetal、平均発光周波数をω、真空中の光速をｃとするとき、前記第２の凹凸構造の平均周期は、
【数４】
2015144110.tif 000007
よりも小さい、項目１から１８のいずれかに記載の発光装置。
[項目２０]
前記有機層の複素誘電率をεorg、前記反射電極の複素誘電率をεmetal、平均発光周波数をω、真空中の光速をｃとするとき、前記複数の凹部と前記複数の凸部との高低差は、
【数５】
2015144110.tif 000008
よりも大きい、項目１から１８のいずれかに記載の発光装置。
[項目２１]
基板上に、第１の凹凸構造を有する低屈折率層を形成する工程と、
前記低屈折層の第１の凹凸構造を高屈折材料で埋める工程と、
前記高屈折材料の表面に他の凹凸構造を形成することにより、高屈折層を形成する工程と、
前記高屈折層に透明電極、有機層および反射電極を積層することによって、前記有機層と前記反射電極との界面に前記他の凹凸構造と同じ周期および高さを有する第２の凹凸構造を有する発光素子を形成する工程と、
を包含し、
前記第１の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、
前記第２の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、
発光装置の製造方法。
[項目２２]
基板の表面に、凹凸構造を形成する工程と、
前記凹凸構造上に反射電極を形成することにより、前記凹凸構造と同じ周期および高さを有する凹凸構造を有する反射電極を前記基板上に形成する工程と、
前記反射電極上に有機層を形成し、前記有機層上に透明電極を形成することによって、前記基板上に発光素子を完成させる工程と、
前記透明電極の表面を高屈折材料で埋める工程と、
前記高屈折材料の表面を平坦化する工程と、
前記平坦化された高屈折材料の表面に他の凹凸構造を形成することにより、前記他の凹凸構造を有する高屈折率層を完成させる工程と、
前記高屈折率層の前記他の凹凸構造を埋めるように低屈折材料を形成し、前記低屈折材料の表面を平坦化することにより、低屈折率層を完成させる工程と
を包含し、
前記高屈折率層と前記低屈折率層との界面における凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、
前記反射電極と前記有機層との界面における凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、発光装置の製造方法。
[項目２３]
基板上に、第１の凹凸構造を有する低屈折率層を形成する工程と、
前記低屈折層の第１の凹凸構造を高屈折材料で埋めこみ、凸部の高さが第１の凹凸構造よりも小さい他の凹凸構造を有する高屈折層を形成する工程と、
前記高屈折層に透明電極、有機層および反射電極を積層することによって、前記有機層と前記反射電極との界面に前記他の凹凸構造と同じ周期および高さを有する第２の凹凸構造を有する発光素子を形成する工程と、
を包含し、
前記第１の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは４００ｎｍ以上であり、
前記第２の凹凸構造の凹部に対する凸部の高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、発光装置の製造方法。
【００３９】
以下、本開示の具体的な実施形態を説明する。
【００４０】
（第１の実施形態）
１．  構造
以下、本発明による発光装置の第１の実施形態を説明する。本実施形態では、一例として、有機ＥＬ素子を用いた発光装置を説明する。
【００４１】
図１１は、本実施形態の発光装置１０１の概略構成を示す断面図である。本実施形態の発光装置１０１は、発光素子１９と透明積層体１８とを備える。発光素子１９は有機ＥＬ素子である。発光素子１９は、透明電極１３と、反射電極１１と、透明電極１３および反射電極１１に挟まれた有機層１２とを有する。有機層１２は、発光層を有する。
【００４２】
反射電極１１は、有機層１２における発光層に電子を注入するための電極（陰極）である。反射電極１１と透明電極１３との間に所定の電圧が印加されると、反射電極１１から有機層１２の発光層へ電子が注入される。反射電極１１の材料としては、例えば銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）や、これらを主成分とした合金などを用いることができる。また、これらの金属を組み合わせて積層することによって反射電極１１を構成してもよい。
【００４３】
透明電極１３は、有機層１２の発光層にホールを注入するための電極（陽極）である。透明電極１３は、仕事関数の比較的大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物などの材料から構成され得る。透明電極１３の材料としては、例えばＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ヨウ化銅などの無機化合物、ＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子、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を挙げることができる。
【００４４】
透明電極１３は、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによって薄膜として形成することができる。なお、透明電極１３のシート抵抗は、例えば数百Ω／□以下に設定され、ある例では１００Ω／□以下に設定され得る。透明電極１３の膜厚は、例えば５００ｎｍ以下であり、ある例では１０−２００ｎｍの範囲で設定され得る。透明電極１３を薄くするほど光の透過率が向上するが、シート抵抗が膜厚に反比例して増加するため、シート抵抗が増加する。その結果、発光装置１０１の大面積化の際に、高電圧化の問題や、電圧降下による電流密度の不均一化に伴う輝度の不均一化の問題が発生し得る。このトレードオフを回避するため、メタルなどの補助配線（グリッド）を透明電極１３上に形成してもよい。補助配線の材料としては導電性に優れたものが使用され得る。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄやこれらの合金（ＭｏＡｌＭｏ、ＡｌＭｏ、ＡｇＰｄＣｕなど）を用いることができる。この際、メタルグリッドが遮光材料として働かないように、グリッド部に電流が流れるのを防ぐ絶縁処理を施してもよい。また、拡散した光がグリッドに吸収されることを防ぐため、反射率の高い金属をグリッドに用いてもよい。なお、本実施形態では、透明電極１３を陽極、反射電極１１を陰極としているが、これらの電極の極性は逆であってもよい。発光層は、透明電極１３および反射電極１１から注入される電子およびホールの再結合によって光を発生する材料から形成される。
【００４５】
発光層は、透明電極１３および反射電極１１から注入される電子およびホールの再結合によって光を発生する材料から形成される。発光層は、例えば、低分子または高分子の発光材料や、金属錯体などの一般に知られる任意の発光材料によって形成され得る。図１１には示されていないが、有機層１２は、発光層の両側に位置する電子輸送層及びホール輸送層をさらに含んでいてもよい。電子輸送層は反射電極１１（陰極）側に配置され、ホール輸送層は透明電極１３（陽極）側に配置される。なお、反射電極１１を陽極とする場合には、電子輸送層は透明電極１３側に配置され、ホール輸送層は電極１１側に配置される。電子輸送層は、電子輸送性を有する化合物の群から適宜選定することができる。この種の化合物としては、例えば、電子輸送性材料として知られるＡｌｑ３のような金属錯体や、フェナントロリン誘導体、ピリジン誘導体、テトラジン誘導体、又は、オキサジアゾール誘導体等のヘテロ環を有する化合物などが挙げられる。但し、これらの材料に限定されるものではなく、一般に知られる任意の電子輸送性材料を用いることが可能である。ホール輸送層は、正孔輸送性を有する化合物の群から適宜選定することができる。この種の化合物としては、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）、２−ＴＮＡＴＡ、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）、スピロ−ＮＰＤ、スピロ−ＴＰＤ、スピロ−ＴＡＤ、又は、ＴＮＢなどを代表例とするトリアリールアミン系化合物、カルバゾール基を含むアミン化合物、フルオレン誘導体を含むアミン化合物などを挙げることができる。但し、これらの材料に限定されるものではなく、一般に知られる任意の正孔輸送性材料を用いることが可能である。このように、反射電極１１と透明電極１３との間には、発光層以外にも、電子輸送層やホール輸送層等の他の層が設けられ得る。
【００４６】
有機層１２の構造は、上述の例に限らず、種々の構造を採用することができる。例えば、ホール輸送層と発光層との積層構造や、発光層と電子輸送層との積層構造を採用してもよい。また、陽極とホール輸送層との間にホール注入層を介在させてもよいし、陰極と電子輸送層との間に電子注入層を介在させてもよい。また、発光層は、単層構造に限らず、多層構造を有していてもよい。例えば、所望の発光色が白色である場合には、発光層中に赤色、緑色、青色の３種類のドーパント色素をドーピングするようにしてもよい。また、青色正孔輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよいし、青色電子輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよい。さらに、陽極と陰極とで挟んで電圧を印加すれば発光する素子からなる層を１つの発光ユニットとして、複数の発光ユニットを光透過性および導電性を有する中間層を介して積層した構造（電気的に直列接続されたマルチユニット構造）を採用してもよい。
【００４７】
透明積層体１８は、低屈折率層１６と高屈折率層１７とを含む。高屈折率層１７は透明電極１３と接するように位置している。本実施形態では、発光装置１０１は、更に基板１４を含み、透明積層体１８の発光素子１９と反対側の面に基板１４が位置している。低屈折率層１６は、基板１４と接している。透明積層体１８および基板１４は、発光素子１９から出射する光に対して透明である。
【００４８】
低屈折率層１６は、高屈折率層１７よりも小さい屈折率を有していればよく、さらに基板１４の屈折率より低いほうがより望ましく、ＳｉＯ2やガラスなどの無機材料や、樹脂などを用いることができる。低屈折率層１６の厚さは特に光学特性に影響はないが、塗布や半導体プロセス等の工程で形成することを考えると、数μｍ〜数１０μｍ程度に設定され得る。
【００４９】
高屈折率層１７の屈折率は、発光層の屈折率よりも高い方が望ましく、例えば１．７以上に設定され得る。高屈折率層１７に用いる材料として、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）などの比較的高い屈折率の無機材料または高屈折率樹脂などを使用することができる。高屈折率層１７の厚さは特に光学特性には影響はないが、塗布や半導体プロセス等の工程で形成することを考えると、数μｍ〜数１０μｍ程度に設定されうる。
【００５０】
基板１４は、透明積層体１８および発光素子１９を支持するための部材である。基板１４の材料としては、例えばガラスや樹脂等の透明材料を用いることができる。基板１４の屈折率は、例えば１．４５〜１．６５程度であるが、屈折率が１．６５以上の高屈折率基板を用いてもよいし、屈折率が１．４５よりも小さい低屈折率基板を用いてもよい。
【００５１】
発光装置１０１は、発光素子１９の発光層で発生した光の外部への取り出し効率を高めるために、第１の凹凸構造５０と第２の凹凸構造２０とを備える。第１の凹凸構造５０は発光素子から外部へ出射する際の全反射ロスを低減し、第２の凹凸構造２０はプラズモンを抑制する。このために、第１の凹凸構造５０は、透明積層体１８の低屈折率層１６と高屈折率層１７との界面に設けられる。一方、上述したプラズモンによる発光効率の低下は、有機層１２と反射電極１１との界面近傍で生じるため、第２の凹凸構造２０は、少なくとも有機層１２と反射電極１１との界面に設けられればよい。ただし、有機層１２と有機層１２と反射電極１１との界面を直接加工することによって、第２の凹凸構造２０の形状を形成することが困難な場合には、他の層の表面に第２の凹凸構造２０と同じ形状を有する構造を形成し、発光素子１９の各層を堆積する際に、各層にもその形状を反映させることによって、最終的に、有機層１２と反射電極１１との界面に第２の凹凸構造２０を形成してもよい。
【００５２】
本実施形態の発光装置１０１は、透明積層体１８の高屈折率層１７と発光素子１９の透明電極１３との界面にまず、第２の凹凸構造と同じ構造を有する凹凸構造４０を形成し、その形状を反映した発光素子１９の各層を形成している。このため、透明電極１３と有機層１２との界面にも第２の凹凸構造と同じ構造を有する凹凸構造３０が形成されている。また、反射電極１１の有機層１２と反対側の面にも第２の凹凸構造と同じ構造を有する凹凸構造１０が形成されている。
【００５３】
上述したように、プラズモンを抑制する効果を得るための第２の凹凸構造２０の凹部および凸部のレベルの差である高さは、あまり大きくない。このため、凹凸構造３０および凹凸構造４０における回折効果はほとんど生じず、凹凸構造３０および凹凸構造４０が、界面において光の屈折に与える影響は小さい。
【００５４】
第１の凹凸構造５０は、本実施形態では、周期構造であり、複数の凹部および複数の凸部が交互に、かつ、２次元に配列された形状を有する。本実施形態では、第１の凹凸構造５０は、２レベルの異なる高さの部分で構成されるため、凸部と凸部の間の空間を凹部と呼び、逆に、凹部と凹部の間を凸部と呼んでいる。第１の凹凸構造５０は、低屈折率層１６と高屈折率層１７との界面に平行な面において、正方形の凹部および凸部が交互にかつ２次元に配置されている。
【００５５】
図１１に示す凹部に対する凸部の高さｈ１は、４００ｎｍ以上である。配列方向に沿った周期ｐ１は、８００ｎｍ以上６μｍ以下である。このような数値範囲にある第１の凹凸構造５０は可視光帯域において光の取り出し効率を高めることができる。
【００５６】
発光素子１９の透明電極１３は、有機層１２と反対側において透明積層体１８の高屈折率層１７と接する。このため、発光素子１９で発生した光が、透明電極１３と高屈折率層１７との界面において全反射するのが抑制され、発光素子１９で発生した光が高い効率で透明積層体１８へ伝播する。また、透明積層体１８に入射した発光素子１９からの光は、第１の凹凸構造５０において回折し、低屈折率層１６に対してより垂直に近い方向から低屈折率層１６に入射する。このため、低屈折率層１６と高屈折率層１７との界面における全反射が低減され、多くの光を基板１４から出射させることができる。
【００５７】
第２の凹凸構造２０も、本実施形態では、複数の凹部および複数の凸部が交互に２次元に配列された形状を有する。本実施形態では、第２の凹凸構造２０は、２レベルの異なる高さの部分で構成されるため、凸部と凸部の間の空間を凹部と呼び、逆に、凹部と凹部の間を凸部と呼んでいる。第２の凹凸構造２０は、有機層１２と反射電極１１との界面に平行な面において、正方形の凹部および凸部が交互にかつ２次元に配置されている。
【００５８】
図１１に示す凹部に対する凸部の高さｈ２は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。配列方向に沿った周期ｐ２は、５０ｎｍ以上０．７５μｍ以下である。上述したように、第２の凹凸構造２０がこの範囲の凹凸形状を有することによって、表面プラズモンの発生を抑制することができ、有機層１２の発光層で発生した光を有機層１２の外部へ効率よく、取り出すことが可能となる。このように、第１の凹凸構造５０および第２の凹凸構造２０は、異なる目的で発光装置１０１に設けられており、凹部に対する凸部の高さおよび周期が互いに異なっている。
【００５９】
なお、本実施形態の発光装置１０１は基板１４を備えているが、基板１４はなくてもよい。また、基板１４に到達した光は、例えば、そのまま基板１４の表面からデバイス外部に取り出してもよいし、基板１４の表面（裏面）に設けた光取り出しフィルムなどを用いて発光装置１５の外部に光を取り出してもよい。
【００６０】
２．  構造の詳細な検討
以下、本実施形態の発光装置１０１の光取り出し効率を評価するために、第１の凹凸構造５０と第２の凹凸構造２０の周期をおよび高さを変えて、図１１に示す基板１４に到達する光の量を計算した結果を示す。また、以下の参考例の構造を備える発光装置において、基板１４に到達する光の量も合わせて計算した。
【００６１】
（実施例１）
図１１に示す実施例１の発光装置を検討した。第１の凹凸構造５０および第２の凹凸構造２０の高さは、それぞれ６００ｎｍおよび６０ｎｍである。また、第２の凹凸構造２０の周期は８００ｎｍである。電極の主な材料はＡｇである。
【００６２】
（実施例２）
図１２に示す実施例２の発光装置を検討した。図１２に示す発光装置は、図１１に示す本実施形態の発光装置と同様、低屈折率層１６と高屈折率層１７との間に第１の凹凸構造５０を備え、有機層１２と反射電極１１との間に第２の凹凸構造２０を備える。また、高屈折率層１７と透明電極１３との間および透明電極１３と有機層１２との間にも凹凸構造４０、３０をそれぞれ備える。ただし、これらの凹凸構造の周期はいずれも互いに等しい。また、第１の凹凸構造５０および第２の凹凸構造２０の高さは、それぞれ６００ｎｍおよび６０ｎｍである。電極の主な材料はＡｇである。
【００６３】
（実施例３）
図１１に示す実施例３の発光装置を検討した。第１の凹凸構造５０および第２の凹凸構造２０の周期は１μｍおよび８００ｎｍであり、第２の凹凸構造２０の高さは、６０ｎｍである。電極の主な材料はＡｌである。
【００６４】
（実施例４）
図１１に示す実施例４の発光装置を検討した。第１の凹凸構造５０の周期は２μｍであり、第１の凹凸構造５０および第２の凹凸構造２０の高さは、それぞれ６００ｎｍおよび６０ｎｍである。電極の主な材料はＡｌである。
【００６５】
（参考例１）
図３に示す参考例１の発光装置を検討した。参考例１の発光装置は、有機層１１２と反射電極１１１との間に第２の凹凸構造１２０のみを備えている。第２の凹凸構造１２０の高さは１００ｎｍである。
【００６６】
（参考例２）
図１３に示す参考例２の発光装置を検討した。参考例２の発光装置は、低屈折率層１１６と高屈折率層１１７との間に第１の凹凸構造１５０のみを備えている。第１の凹凸構造１５０の高さは６００ｎｍである。
【００６７】
（参考例３）
図３に示す参考例３の発光装置を検討した。参考例３の発光装置は、有機層１１２と反射電極１１１との間に第２の凹凸構造１２０のみを備えている。第２の凹凸構造１２０の周期は８００ｎｍであり、高さは１００ｎｍである。
【００６８】
（参考例４）
図１３に示す参考例４の発光装置を検討した。参考例４の発光装置は、低屈折率層１１６と高屈折率層１１７との間に第１の凹凸構造１５０のみを備えている。第１の凹凸構造１５０の周期は１μｍである。
【００６９】
図１４は、反射電極がＡｇによって構成される場合において、第１の凹凸構造の周期と基板に取り出される光量との関係を示している。図１４から分かるように、実施例１の発光装置は、図１４に示す範囲の周期全体（０．０５μｍ〜８μｍ）において、第２の凹凸構造のみを備える参考例１および第１の凹凸構造のみを備える参考例２よりも、高い発光量を得ることができる。特に、周期が０．４μ〜８μｍの範囲において、参考例１のピーク発光量よりも高い発光量を得ることができる。特に、１μｍ〜５μｍの範囲において、反射電極がＡｌの場合を上回る０．７以上の発光量を得ることができる。これは、Ａｇの方が光吸収が少なく、取り出し効率の改善効果が大きいからである。
【００７０】
また、実施例２の発光装置でも、０．４μｍ〜８μｍの範囲において高い発光量を得ることができる。特に、周期が０．４μｍ（４００ｎｍ）〜２μｍの範囲において、参考例１のピーク発光量よりも高い発光量を得ることができる。実施例１の発光装置が、実施例２の発光装置に比べてより高い発光量が得られるのは、第２の凹凸構造の周期をプラズモンの抑制に効果が大きい８００ｎｍに設定しているからと考えられる。
【００７１】
図１５は、反射電極がＡｌによって構成される場合において、第１の凹凸構造の周期と基板に取り出される光量との関係を示している。
【００７２】
図１５から分かるように、Ａｇの場合と同様、実施例１の発光装置は、図１５に示す範囲の周期全体（０．０５μｍ〜８μｍ）において、第２の凹凸構造のみを備える参考例１および第１の凹凸構造のみを備える参考例２よりも、高い発光量を得ることができる。特に、周期が０．８μ〜７μｍの範囲において、参考例１のピーク発光量よりも高い発光量を得ることができる。
【００７３】
また、実施例２の発光装置でも０．４μｍ〜８μｍの範囲において、高い発光量を得ることができる。特に、周期が０．４μｍ（４００ｎｍ）〜３μｍの範囲において、参考例１のピーク発光量よりも高い発光量を得ることができる。
【００７４】
図１６は、第１の凹凸構造の高さと基板に取り出される光量との関係を示している。破線は、参考例３の発光装置における基板に取り出される光量を示している。参考例３の発光装置は、第１の凹凸構造を備えていないため、横軸に対して光の割合は一定である。
【００７５】
図１６から分かるように、実施例３の発光装置において、第１の凹凸構造の高さが、１００ｎｍ以上であれば、参考例３の発光装置よりも、高い光の割合を得ることができる。特に、高さが４００ｎｍ以上であれば、取り出し効率が０．９以上になる。
【００７６】
図１７は、反射電極がＡｇおよびＡｌによって構成される場合において、第２の凹凸構造の周期と取り出し効率との関係を示している。破線は、参考例３の発光装置における取り出し効率のピーク値（周期が８００ｎｍ）を示している。
【００７７】
図１７から、反射電極がＡｇおよびＡｌのいずれによって構成されている場合でも、第２の凹凸構造の周期が、２００ｎｍ〜３μｍの範囲にあれば、参考例３の発光装置における最も高い割合よりも高い割合を得ることができる。
【００７８】
以上の結果から、第１の凹凸構造の周期は８００ｎｍ〜６μｍであり、高さが４００ｎｍ以上であれば、高い光取り出し効率を得られることがわかる。また、第２の凹凸構造の周期が２００ｎｍ〜３μｍであり、高さが２０ｎｍ〜１００ｎｍであれば、表面プラズモンの影響を効果的に抑制できることがわかる。
【００７９】
このように、本実施形態の発光装置によれば、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造の形状を異ならせることによって、高い光取り出し効率が得られることが分かった。特に、図９と図１４から、表面プラズモンの影響を効果的に抑制し得る第２の凹凸構造と、全反射を抑制し発光素子からの光を高効率で取り出すための第１の凹凸構造とにおいて、最適な凹凸の高さは異なっている。このため、適切な高さを第１の凹凸構造および第２の凹凸構造に設定することにより、全体として光の取り出し効率の高い発光装置を実現し得ることが分かった。
【００８０】
また、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造の周期を異ならせることによって、周期に依存する光の回折効率や回折角度の波長に依存性を分散させることができる。よって、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造の周期を異ならせることにより、発光装置から出射する光の色むらを低減することも可能となる。
【００８１】
３．  製造方法
図１８を参照しながら本実施形態の発光装置の製造方法を説明する。
【００８２】
まず、図１８（ａ）に示すように、透明な基板１４上に低屈折率層１６を形成し、低屈折率層１６の表面に第１の凹凸構造５０を形成する。低屈折率層１６は基板１４の一部であってもよい。フォトリソグラフィおよびエッチングを組み合わせた半導体プロセスによって低屈折率層１６の表面に第１の凹凸構造５０を形成してもよいし、また、切削などによって第１の凹凸構造５０を形成してもよい。また、低屈折率層１６を熱あるいは紫外線による硬化樹脂によって形成してもよい。この場合、ナノインプリント技術を用いることができる。例えば基板１４の表面に未硬化の硬化性樹脂を形成し、その表面に、第１の凹凸構造５０を規定する型を押し当て、熱あるいは紫外線により、硬化性樹脂を硬化させ、低屈折率層１６を得る。
【００８３】
次に、図１８（ｂ）に示すように、低屈折率層１６の表面に設けられた第１の凹凸構造５０を高屈折材料１７’で埋め込む。蒸着法やスパッタ法によって、高屈折材料１７’で埋め込んだ後、表面１７ａを平坦化してもよい。あるいは、樹脂材料を第１の凹凸構造５０の表面に塗布したり、スピンコートしてもよい。
【００８４】
その後、図１８（ｃ）に示すように、第２の凹凸構造２０と同じ周期および高さを有する形状を備えた凹凸構造４０を、半導体プロセスや切削、ナノインプリントなどの方法によって、高屈折材料１７’の表面に形成し、高屈折率層１７を形成する。
【００８５】
図１８（ｄ）に示すように、高屈折率層１７の表面に、透明電極１３、有機層１２および反射電極１１を含む発光素子１９を形成する。凹凸構造４０の高さが１００ｎｍ程度であれば、発光素子１９の各層を蒸着や塗布などで形成する際に、凹凸構造４０の形状を形成した層の表面に反映させることができる。これにより、有機層１２と反射電極１１との界面に第２の凹凸構造２０を形成することができ、本実施形態の発光装置が完成する。
【００８６】
本実施形態の発光装置は、反射電極側から形成することも可能である。図１９（ａ）に示すように、基板３１を用意し、第２の凹凸構造２０と同じ周期および高さを有する形状を備えた凹凸構造２０’を、半導体プロセスや切削、ナノインプリントなどの方法によって、基板３１の表面に形成する。基板３１の表面に樹脂層や無機材料層を形成し、これらの表面に凹凸構造２０’を形成してもよい。
【００８７】
次に、図１９（ｂ）に示すように、反射電極１１を蒸着法やスパッタ法により形成する。これにより、凹凸構造２０’の形状を反映し、第２の凹凸構造２０が表面に設けられた反射電極１１が形成できる。
【００８８】
図１９（ｃ）に示すように、有機層１２および透明電極１３を形成し、表面を高屈折材料１７’で埋め込み、高屈折材料１７’の表面を平坦化する。図１９（ｃ）、（ｄ）に示すように、さらに高屈折材料１７’の表面に第１の凹凸構造５０を形成する。
【００８９】
最後に図１９(ｅ)に示すように、第１の凹凸構造５０を低屈折率層１６で埋め込み、表面を平坦化する。さらに基板１４を低屈折率層１６の表面に形成してもよい。これにより、本実施形態の発光装置が完成する。
【００９０】
また、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造とが同じ周期を有する場合には、以下の方法によって本実施形態の発光装置を作製してもよい。
【００９１】
図２０（ａ）に示すように、まず基板１４に透明な基板１４上に低屈折率層１６を形成し、低屈折率層１６の表面に第１の凹凸構造５０を形成する。次に、図２０（ｂ）に示すように、スピンコート法などによって、高屈折材料１７を少量、第１の凹凸構造５０に配置することによって、第１の凹凸構造５０の凹部を埋め込み、凸部の高さが第１の凹凸構造５０の高さよりも小さい凹凸構造４０が形成される。この凹凸構造４０の周期は第１の凹凸構造５０の周期と同じであるが、凹凸構造４０の高さは第１の凹凸構造５０の高さよりも小さい。凹凸構造４０の高さを第２の凹凸構造２０の高さと一致するように、配置する高屈折材料１７’の量を調整することによって、第２の凹凸構造２０を規定するパターンを別途形成することなく、第２の凹凸構造２０を形成することができる。この場合、第１の凹凸構造５０を規定するパターンと第２の凹凸構造２０を規定するパターンとは互いに等しくなる。その後、凹凸構造４０上に発光素子１９を形成することにより、発光装置を製造することができる。この方法によれば、凹凸構造４０を第１の凹凸構造５０とは別にパターニングする必要がなく、製造工程を簡単にすることができる。
【００９２】
（第２の実施形態）
以下、本発明による発光装置の第２の実施形態を説明する。
【００９３】
図２１は、本実施形態の発光装置１０２の概略構成を示す断面図である。本実施形態の発光装置１０２は、発光素子１９と透明積層体１８とを備える。発光素子１９は有機ＥＬ素子であり、透明電極１３と、反射電極１１、透明電極１３および反射電極１１に挟まれており、発光層を有する有機層１２とを含む。透明積層体１８は低屈折率層１６と高屈折率層１７とを含む。低屈折率層１６と高屈折率層１７との界面に第１の凹凸構造５１が設けられている。反射電極１１と有機層１２との界面には第２の凹凸構造２０が設けられている。
【００９４】
本実施形態の発光装置１０２は、第１の凹凸構造５１が、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的にランダムに配列された凹凸形状を有する点で、第１の実施形態と異なる。
【００９５】
第１の凹凸構造および第２の凹凸構造が周期構造である場合、回折する光の回折角に波長依存性が生じ、発光装置から出射する光に色むらや輝度むらが発生する可能性がある。これは、特に、発光装置が白色光を出射する場合に大きな影響を与える。このような課題を解決するため、本実施形態では、第１の凹凸構造５１がランダムに配列された凹凸形状を有する。発光装置は第１の凹凸構造および第２の凹凸構造を備えているため、これらのいずれかをランダム構造にするか、両方をランダム構造にしてもよい。好ましくは、本実施形態のように第１の凹凸構造５１がランダムに配列された凹凸形状を有し、第２の凹凸構造２０が、第１の実施形態で説明したように周期構造を備えている。これにより、基板１４越しに発光装置を見た場合には、ランダム性によってどの方向からも発光が均一に見える効果が得られ、かつ、第２の凹凸構造２０によってプラズモンを効果的に抑制する効果が得られる。
【００９６】
ここで、「ランダム構造」とは、ランダム性を有するパターンで複数の凹部および複数の凸部が配列された構造を意味する。「ランダム性を有するパターン」とは、周期的ではない任意の配列パターンを意味する。例えば、凹部と凸部とをランダムに同数ずつ配列した完全にランダムなパターンのみならず、同種の構造（凹部または凸部）が配列方向に所定回数以上連続しないように調整されたパターンも「ランダム性を有するパターン」に含まれる。複数の凹部と複数の凸部とは、必ずしも同数である必要はなく、両者の数が異なっていてもよい。複数の凹部および複数の凸部の各々は、典型的には同一のｘ方向サイズおよびｙ方向サイズを有するが、そのような構成に限らず、これらのサイズに偏りがあってもよい。以下の説明では、簡単のため、各凹部および各凸部のｘ方向およびｙ方向のサイズはいずれも同一であるものとする。本明細書では、「ランダム性を有するパターン」を、省略して「ランダムパターン」と称することがある。
【００９７】
第１の凹凸構造５１が備えるランダムな凹凸形状について詳細に説明する。ランダム性を有する凹凸構造の例として、例えば特許第４８７０１９５号に開示されている構造が考えられる。この構造は、一辺の長さｗの正方形を単位領域とするグリッドを考え、そのグリッド上に複数の凹部および複数の凸部をランダムに並べることで実現される。図２２は、このような凹凸パターンの一例を示す平面図である。図２２において、例えば白い領域が凹部であり、黒い領域が凸部である（この関係は逆でもよい）。
【００９８】
図２２に示す構造では、幅ｗの凹部または凸部が存在する確率は１／２であり、幅２ｗの連続した凹部または凸部が存在する確率は（１／２）2である。一般化すれば、ｘ方向およびｙ方向の各々について、幅ｎｗ（ｎは任意の自然数）の連続した凹部または凸部が存在する確率は（１／２）nである。したがって、ランダムな凹凸構造における同種の構造（凹部または凸部）のｘ方向およびｙ方向の平均の長さｗexpは、以下の計算によって２ｗと求められる。
【数６】
2015144110.tif 000009
【００９９】
平均周期は、凹部の平均サイズと凸部の平均サイズの和であるから４ｗとなる。
【０１００】
第１の実施形態で説明したように、第１の凹凸構造の周期は８００ｎｍ〜６μｍであり、第２の凹凸構造の周期は２００ｎｍ〜３μｍであることが好ましい。したがって、第１の凹凸構造および第２の凹凸構造がそれぞれランダムな凹凸構造である場合には、好ましいｗの範囲は、第１の凹凸構造について、２００ｎｍ〜１．５μｍであり、第２の凹凸構造について、５０ｎｍ〜０．７５μｍである。
【０１０１】
ただし、このような１／２の確率で凹部または凸部を配置するランダム構造では、ある一定の確率で、多数の凹部または凸部が連続し、一部に３μｍを超える連続した凹部または凸部が生じてしまう。例えば、図２２において矢印を付した部分は、ｘ方向に６ｗの長さを有している。そこで、このような大きい構造を含まないようにランダム性が調整された凹凸構造を採用してもよい。
【０１０２】
図２３Ａは、大きい構造を含まない凹凸構造の一例を示す平面図である。図２３Ａに示す凹凸構造は、図２３Ｂに示す２種類の単位構造体１５１、１５２をランダムに配列したものである。単位構造体１５１、１５２は、２個の凹部と２個の凸部とをそれぞれ対角に配置したものであり、単位構造体１５１と単位構造体１５２とでは、凹部と凸部とが反転している。このような２種類の単位構造体をランダムに隙間なく配列することにより、凹部および凸部自体をランダムに配列した図２２の構造と比較して、ランダム性を抑制することができる。このような凹凸構造を採用した場合、配列方向（ｘ方向およびｙ方向）のいずれについても、凹部または凸部が３以上連続しない。つまり、図２２に示す凹凸構造においては、複数の凹部および複数の凸部の各々に内接する円６１の直径または楕円６２の短辺の長さの最小値をｗとするとき、２ｗよりも大きい構造（周期成分）が生成されない。このため、このような凹凸構造を第１の凹凸構造に採用した場合、全反射によるロスを抑制でき、第２の凹凸構造に採用した場合、表面プラズモンを効果的に抑制できる。
【０１０３】
図２４Ａは、大きい構造を含まない凹凸構造の他の例を示す平面図である。この凹凸構造は、図２４Ｂに示す２種類の単位構造体１６１、１６２をランダムに配列したものである。このような凹凸構造を用いた場合でも、ｘ、ｙ方向について２ｗよりも大きい構造が生成されない。このため、このような凹凸構造を第１の凹凸構造に採用した場合、全反射によるロスを抑制でき、第２の凹凸構造に採用した場合、表面プラズモンを効果的に抑制することができる。
【０１０４】
図２３Ａおよび図２４Ａに示す構成では、ｘ方向およびｙ方向の長さがｗまたは２ｗの構造しか存在しないため、周期の大きい成分（すなわち低周波成分）が抑制されていると考えることができる。これらのランダムパターンのランダム性は、パターンをフーリエ変換することによって分析できる。ここで、「パターンをフーリエ変換する」とは、基準面に対する凹部および凸部の平坦部の高さを座標ｘ、ｙについての二次元関数として表したときのフーリエ変換を意味する。
【０１０５】
図２５は、凹凸パターンをフーリエ変換することによってランダムパターンが有する周期成分の分析を行った結果を示す図である。図２５は、ｘ方向についての周期成分（空間周波数成分の逆数）ごとの割合を示している。ここでは、図２２に示すランダムパターンと、図２４Ａに示す制限付きのランダムパターンとを比較した。図２２のパターンに比べて、図２４Ａのパターンは周期が２ｗの成分にピークがあり、２ｗよりも大きい周期成分が抑制されていることがわかる。したがって、図２４Ａのパターンは、主に周期が２ｗの周波数成分を有する構造と考えることができる。
【０１０６】
図２３Ａまたは図２４Ａに示す低周波成分を抑制した構造においても図２２の構造と同様の考え方で平均周期を求めることができる。構造のパターンから平均周期を求める方法を図２６に示す。ここで、図２６に示す横方向および縦方向のそれぞれについて、連続する同種の構造の群からなる領域に内接する楕円（真円を含む）を考える。図２６の下の図における白い部分の大きさの平均値は、白い部分に内接する楕円の軸の長さの平均値を計算することによって求めることができる。ここで、「軸の長さ」とは、図２６の上の図に示す短軸の長さａまたは長軸の長さｂのいずれかを指す。黒い部分についても同様である。これらの平均値を足し合わせた値を平均周期とすればよい。
【０１０７】
したがって、第１の凹凸構造および第２の凹凸構造が、このようなランダム性で凹部および凸部が配列された凹凸形状を有する場合、このランダム構造におけるｗとして好ましい範囲は、第１の凹凸構造について、４００ｎｍ〜３μｍであり、第２の凹凸構造について、１００ｎｍ〜１．５μｍである。
【０１０８】
以上の例では、界面に平行な平面で凹部および凸部の空間を仮想的に切断したときの断面形状が正方形であることを前提としたが、断面形状は六角形などの他の形状であってもよい。本願発明者らの検討によれば、正方形ではなく正六角形の断面形状を有する構造を並べた方が光取り出し効率が高くなる。これは、正方形の対角の長さが辺の長さの√２倍であるのに対し、正六角形の対角の長さは辺の長さの√３／２倍であるため、正六角形の断面形状を有する構造を並べた方が方位依存性が小さいためである。つまり、正方形の構造を並べた場合は、辺の方向または対角の方向のいずれかの取り出し効率が低くなってしまうが、正六角形の構造を並べた場合は、方位によらず高い取り出し効率が得られる。
【０１０９】
図２７Ａは、基本形状を正方形から正六角形に変更したランダム構造（凹部と凸部の出現確率がともに１／２）の一例を示している。図２７Ｂは、図２３Ａや図２４Ａのパターンと同様にランダム性を調整して大きな構造の発生を抑制したランダムパターンの一例を示している。図２７Ｂに示すランダムパターンでは、正六角形が配列方向（３つの辺に垂直な３方向）に最大で３つしか並ばないようにランダム性が調整されている。すなわち、同種の構造の配列方向のサイズがｗ〜３ｗの範囲内に納まっている。このようなパターンをフーリエ変換した場合も周期が２ｗの成分にピークがあり、２ｗよりも大きい周期成分（低周波成分）が抑制される。
【０１１０】
凹凸パターンがランダム性を有しているか、周期性を有しているかは、上記のようにパターンをフーリエ変換することで判断することができる。以下、フーリエ変換によってランダム性および周期性のいずれが支配的であるかを判断する方法を説明する。
【０１１１】
図２８は、図２３Ａに示す構造における第１の単位構造体１５１および第２の単位構造体１５２の出現確率をそれぞれ７５％および２５％に変更した凹凸構造の例を示す平面図である。図２９は、図２８の凹凸パターンをフーリエ変換し、空間周波数成分の振幅を示した図である。この凹凸構造は、ランダム性の成分を有するとともに、出現確率の高い第１の単位構造体１５１が周期的に出現することによる周期性の成分を有する。周期性の成分は、図２９における中心から斜め４方向に位置する４つの点に対応し、ランダム性の成分は、それらの４点の周辺に分布する複数の点に対応する。
【０１１２】
図３０は、周期性成分の割合の異なる５通りの凹凸パターンの構造と、パターンをフーリエ変換した結果を示す図である。図３０において、右側は凹凸パターンを示しており、左側はその凹凸パターンにおける１つの配列方向についての周期成分の振幅の一次元分布を示している。図３０（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、周期性成分の割合が１００％、６０％、４０％、２０％、０％である場合の例を示している。これらの凹凸パターンでは、第１の単位構造体１５１および第２の単位構造体の出現確率が異なることにより、周期性成分の割合が異なっている。
【０１１３】
ここで、ｘ＞ｙ、ｘ＋ｙ＝１００として、第１の単位構造体１５１の出現確率をｘ％、第２の単位構造体１５２の出現確率をｙ％とする。全体のｙ％に相当する数の第１の単位構造体１５１は、第２の単位構造体１５２のペアが存在するのでランダム性の成分であると考えることができる。これに対し、全体の（ｘ−ｙ）％に相当する数の第１の単位構造体１５１は、第２の単位構造体１５２のペアが存在しないので周期性の成分であると考えることができる。すなわち、第１の単位構造体１５１の出現確率をｘ％、第２の単位構造体１５２の出現確率をｙ％としたときには、全体のｙ％分の第１の単位構造体１５１がランダム性の成分、全体の（ｘ−ｙ）％分の第１の単位構造体１５１が周期性の成分といえる。
【０１１４】
図３０（ａ）のパターンでは、第１の単位構造体１５１の個数と第２の単位構造体１５２の個数との比は１００：０であり、周期性成分の割合は１００％である。図３０（ｂ）のパターンでは、両者の比は８０：２０であり、周期性成分の割合は６０％である。図３０（ｃ）のパターンでは、両者の比は、７０：３０であり、周期性成分の割合は４０％である。図３０（ｄ）のパターンでは、両者の比は、６５：４５であり、周期性成分の割合は２０％である。図３０（ｅ）のパターンでは、両者の比は、５０：５０であり、周期性成分の割合は０％である。図３０（ｂ）〜（ｄ）に示す凹凸パターンでは、フーリエ変換結果から、周期性の成分とランダム性の成分とが共存していることがわかる。
【０１１５】
ランダムパターンの周期成分（空間周波数成分）を解析することにより、ランダム性の成分が支配的であるか、周期性の成分が支配的であるかを判定することができる。例えば、あるパターンにおいて、ランダム性に起因する周波数成分の振幅が周期性に起因する周波数成分の振幅よりも大きい場合には、そのパターンは、ランダム性の成分が支配的であると考えることができる。したがって、本願の実施の形態における凹凸構造は、ランダム性の成分が支配的であるランダムパターンを有する構成といえる。
【０１１６】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。本実施形態の発光装置は、上述した第２の凹凸構造に相当する構造を有しているが、第１の凹凸構造に相当する構造を有していない点で、第１および第２の実施形態とは異なる。以下、これらの実施形態と異なる点を説明する。
【０１１７】
特許文献１に開示された構成では、周期的な突起を有する回折格子が用いられているため、波長依存性が大きく、見る角度によって輝度や色が変化する。すなわち、いわゆる輝度むらおよび色むらの問題が生じる。特に、白色で発光する有機ＥＬ素子においては、色むらは致命的な課題である。
【０１１８】
本実施形態は、表面プラズモンの影響を低減して発光効率を改善するとともに、色むらや輝度むらの少ない発光装置に関する。本実施形態では、波長依存性を低減するために、ランダム性を有するパターンで構成された凹凸構造を用いる。
【０１１９】
図３１は、本実施形態における発光装置（有機ＥＬ素子）２００の構成を模式的に示す断面図である。発光装置２００は、図３に示す構成と同様、透明基板１１４、透明電極１１３、有機層１１２、反射電極１１１がこの順に積層された構造を有する。有機層１１２と反射電極１１１との間の界面１１１ａには、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造１３０が形成されている。図３１において、複数の凹部および複数の凸部の配列方向をｘ方向およびｙ方向とし、それらに垂直な方向をｚ方向としている。凹凸構造１３０は、上述した第２の凹凸構造に相当する構造である。凹凸構造１３０の２次元配列パターンは、例えば、図２３Ａ、図２４Ａ、図２７Ｂのようなパターンであり得る。
【０１２０】
上記の各凹凸構造のパターンはあくまでも例示であり、凹凸構造のパターンは上記のものに限定されない。図２３Ｂ、図２４Ｂに示すような単位構造体を配列する方法以外の方法で大きい周期成分が抑制された構造を決定してもよい。また、有機層１１２と反射電極１１１との界面を直接加工することによって凹凸構造１３０を形成することが困難な場合には、他の層の表面に凹凸構造１３０に対応する形状を有する構造を形成することによって最終的に凹凸構造１３０を形成してもよい。他の層の表面に凹凸構造１３０に対応する形状を有する構造を形成することにより、有機層１１２の各層を堆積する際に、各層にもその形状を反映させることができる。その結果、有機層１１２と反射電極１１１との界面に凹凸構造１３０を形成することができる。
【０１２１】
図３２Ａおよび図３２Ｂは、凹凸構造を他の層にも形成した有機ＥＬ素子の例を示す図である。図１８Ａに示すように、凹凸構造１３０と同じ構造を透明基板１１４と透明電極１１３との界面に形成することによって有機層１１２と反射電極１１１との界面に凹凸構造１３０を形成してもよい。あるいは、図３２Ｂに示すように、透明基板１１３と有機層１１２との界面に凹凸構造１３０に対応する凹凸構造１４０を形成することによって凹凸構造１３０を形成してもよい。
【０１２２】
以下、図３３を参照しながら、凹凸構造１３０を含む発光装置の製造方法の一例を説明する。まず、図３３（ａ）に示すように、透明基板１１４の表面に凹凸構造１３０に対応する形状を有する凹凸構造５０を形成する。凹凸構造５０は、半導体プロセスや、切削、ナノインプリントなど、任意の方法で形成してよい。
【０１２３】
次に、図３３（ｂ）に示すように、透明基板１１４の表面に、透明電極１１３を形成する。透明電極１１３は、蒸着や塗布などの方法で形成することができる。凹凸構造５０の高さが１００ｎｍ程度であれば、凹凸構造５０の形状を形成した透明電極１１３の表面に反映させることができる。これにより、透明電極１１３の表面に凹凸構造６０が形成される。
【０１２４】
続いて、図３３（ｃ）に示すように、有機層１１２を形成し、さらに反射電極１１１を形成する。これらの工程でも同様に、各層を蒸着や塗布などで形成する際に、凹凸構造６０の形状を形成した各層の表面に反映させることができる。これにより、有機層１１２と反射電極１１１との界面に凹凸構造１３０を形成することができ、発光装置が完成する。
【０１２５】
発光装置は、反射電極１１１側から形成することも可能である。図３４は、そのような方法を示す図である。まず、図３４（ａ）に示すように、基板３１を用意し、凹凸構造１３０と同じ周期および高さを有する形状を備えた凹凸構造１３０’を、半導体プロセスや切削、ナノインプリントなどの方法によって、基板３１の表面に形成する。基板３１の表面に樹脂層や無機材料層を形成し、これらの表面に凹凸構造１３０’を形成してもよい。
【０１２６】
次に、図３４（ｂ）に示すように、反射電極１１１を蒸着法やスパッタ法により形成する。これにより、凹凸構造１３０’の形状を反映した凹凸構造１３０が表面に設けられた反射電極１１１が形成できる。
【０１２７】
続いて、図３４（ｃ）に示すように、有機層１１２および透明電極１１３を形成し、表面を透明材料で埋め込み、表面を平坦化することによって透明基板１１４を形成する。これにより、発光装置が完成する。
【０１２８】
なお、透明基板１１４は必須の構成要素ではない。また、透明基板１１４に到達した光は、例えば、そのまま透明基板１１４の表面から発光装置の外部に取り出してもよいし、透明基板１１４の表面にマイクロレンズアレイや複数の拡散粒子からなる層などの光取り出しフィルムを用いて発光装置の外部に光を取り出してもよい。発光装置の製造方法は上記の方法に限定されず、どのような方法を用いてもよい。
【０１２９】
以上のように、ランダム性を有する凹凸構造を有機層と反射電極との間に設けることにより、表面プラズモンの影響を抑え、光取り出し効率を高めることができる。以下、このような凹凸構造を有する有機ＥＬ素子について、より具体的に説明する。
【０１３０】
図３５は、本実施形態の有機ＥＬ素子３００の構造を示す断面図である。有機ＥＬ素子３００は、基板１０と、基板１０の一方の表面（以下、「電極側表面」と称することがある。）側に設けられた反射電極１１と、基板１０がある側の反対側において反射電極１１に対向する透明電極１３と、反射電極１１と透明電極１３との間に挟まれ、発光層３２を有する有機層３０とを備える。反射電極１１における透明電極１３側の表面（反射電極１１と有機層３０との界面）には、ランダム性を有する凹凸構造１３０が形成されている。反射電極１１、有機層３０および透明電極１３の積層構造は、素子部１を構成している。本実施形態の有機ＥＬ素子３００は、透明電極１３側から光を取り出すトップエミッション型の有機ＥＬ素子である。
【０１３１】
透明電極１３は、有機層３０に接し光透過性を有する導電性層３９を有する。これにより、有機ＥＬ素子３００は、透明電極１３側から光を取り出すことができる。透明電極１３は、導電性高分子層３９の他に、導電性高分子層３９における有機層３０側とは反対側に位置する電極パターン４２を有してもよい。電極パターン４２は、図３６の平面図に示すように、導電性層３９における有機層３０側とは反対側の表面を覆う電極部４４と、電極部４４に囲まれ、有機層３０からの光を外部に取り出すための複数の開口部４１とを有する。複数の開口部４１は、導電性層３９における有機層３０側とは反対側の表面を露出させるように構成されている。これにより、有機ＥＬ素子３００は、透明電極１３側から光を取り出すことができる。なお、導電性層３９の抵抗による電圧降下が問題にならない場合には、透明電極１３を導電性層３９のみから構成してもよい。導電性層３９の抵抗による電圧降下が問題にならない場合としては、例えば、有機ＥＬ素子３００の輝度の面内均一性が、要求仕様を満たすような場合が挙げられる。導電性層３９は、例えば導電性高分子やＩＴＯなどで形成することができる。
【０１３２】
有機ＥＬ素子３００は、さらに、光が出射する側において基板１０に対向する位置に配置された透光性を有する封止基板８０と、基板１０の周部と封止基板８０の周部との間に介在する矩形枠状のフレーム部９５とを備えている。
【０１３３】
有機ＥＬ素子３００は、反射電極１１において有機層３０および透明電極１３の積層膜が形成されていない部分（図示せず）を端子部としてもよいし、反射電極１１に引出し配線を介して接続された端子部を設けてもよい。あるいは、基板１０を金属板や金属箔により形成して、その露出部分を端子部としてもよい。以下、このような反射電極１１側の端子部を「第１端子部」と称し、引出し配線を「第１引出し配線」と称することがある。
【０１３４】
有機ＥＬ素子３００は、透明電極１３に第２引出し配線４６を介して電気的に接続された第２端子部４７を備えている。また、有機ＥＬ素子３００は、基板１０の電極側表面と、反射電極１１の側面と、有機層３０の側面と、有機層３０における透明電極１３側の表面の外周部とに跨って形成された絶縁層６０を備えている。これにより、第２引出し配線４６と、有機層３０および反射電極１１とが、絶縁層６０によって電気的に絶縁されている。図３５の構成例では、第２引出し配線４６および第２端子部４７が基板１０の電極側表面に設けられているが、このような構成に限られない。例えば、基板１０が金属箔によって形成されている場合、第２端子部４７を絶縁層６０および基板１０のそれぞれの一部とともに封止基板８０側とは反対側に折り返してもよい。
【０１３５】
以下、有機ＥＬ素子３００の各構成要素について詳細に説明する。
【０１３６】
基板１０は、平面視で矩形の形状を有しているが、これに限定されない。基板１０の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状、円形状などでもよい。
【０１３７】
本実施形態では、基板１０は、リジッドなガラス基板であるが、これに限らず、例えば、リジッドまたはフレキシブルなプラスチック板や、リジッドな金属板、フレキシブルな金属箔などを用いてもよい。ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラスなどを採用することができる。また、プラスチック板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートなどを採用することができる。また、金属板や金属箔の材料としては、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、錫、鉛、金、銀、鉄、チタンなどの金属や、これらの金属の１種以上を含む合金などを採用することができる。プラスチック板を用いる場合は、プラスチック板の表面にＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜などが成膜されたものを用いることによって水分の透過を抑えるようにしてもよい。上記のように、基板１０は、リジッドなものでもよいし、フレキシブルなものでもよい。また、透明なガラス基板、透明なプラスチック板、金属板、金属箔に限らず、機械的強度が高く、低コストで、ガスバリア性、耐薬品性、耐熱性などを有する任意の材料を用いることができる。また、基板１０として、金属板や金属箔などの導電性を有するものを用いる場合には、基板１０が反射電極１１の一部を構成してもよいし、基板１０が反射電極１１を兼ねる構成としてもよい。
【０１３８】
基板１０としてガラス基板を用いる場合には、基板１０の電極側表面の凹凸が有機ＥＬ素子３００のリーク電流を誘発し、有機ＥＬ素子３００の劣化原因となることがある。このため、基板１０としてガラス基板を用いる場合には、例えば基板１０の電極側表面の表面粗さが小さくなるように高精度に研磨された素子形成用のガラス基板を用いればよい。基板１０の電極側表面の表面粗さについては、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２０１３（ＩＳＯ  ４２８７−１９９７）で規定されている算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以下であることが好ましく、数ｎｍ以下であることが、より好ましい。これに対して、基板１０としてプラスチック板を用いる場合には、特に高精度な研磨を行わなくても、電極側表面の算術平均粗さＲａが数ｎｍ以下のものを低コストで得ることが可能である。
【０１３９】
本実施形態の有機ＥＬ素子３００では、反射電極１１が陰極を構成し、透明電極１３が陽極を構成している。この場合、反射電極１１から有機層３０へ注入されるキャリアは電子であり、透明電極１３から有機層３０へ注入されるキャリアは正孔（ホール）である。なお、反射電極１１が陽極を構成し、透明電極１３が陰極を構成するようにしてもよい。
【０１４０】
有機層３０は、反射電極１１側から順に、発光層３２、ホール輸送層３３、ホール注入層３４を備えている。なお、反射電極１１が陽極を構成し、透明電極１３が陰極を構成する場合には、ホール輸送層３３の代わりに電子輸送層を、ホール注入層３４の代わりに電子注入層を設ければよい。
【０１４１】
有機層３０の構造は、図３５に示す構造に限定されない。例えば、反射電極１１と発光層３２との間に、電子注入層、電子輸送層を設けたり、発光層３２とホール輸送層３３との間にインターレイヤーを設けたりしてもよい。反射電極１１が陽極を構成し、透明電極１３が陰極を構成している場合は、反射電極１１と発光層３２との間に、ホール注入層およびホール輸送層を設けてもよい。
【０１４２】
有機層３０は、少なくとも発光層３２を含んでいればよい。言い換えれば、有機層３０は、発光層３２のみから構成されていてもよい。発光層３２以外の層、例えば、電子注入層、電子輸送層、インターレイヤー、ホール輸送層３３、ホール注入層３４などは適宜設ければよい。発光層３２は、単層構造でも多層構造でもよい。例えば、所望の発光色が白色の場合には、発光層３２の内部に赤色、緑色、青色の３種類のドーパント色素をドーピングするようにしてもよいし、青色ホール輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよいし、青色電子輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよい。
【０１４３】
発光層３２の材料としては、例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、色素体、金属錯体系発光材料を用いることができる。より具体的には、アントラセン、ナフタレン、ピレン、テトラセン、コロネン、ペリレン、フタロペリレン、ナフタロペリレン、ジフェニルブタジエン、テトラフェニルブタジエン、クマリン、オキサジアゾール、ビスベンゾキサゾリン、ビススチリル、シクロペンタジエン、クマリン、オキサジアゾール、ビスベンゾキサゾリン、ビススチリル、シクロペンタジエン、キノリン金属錯体、トリス（８−ヒドロキシキノリナート）アルミニウム錯体、トリス（４−メチル−８−キノリナート）アルミニウム錯体、トリス（５−フェニル−８−キノリナート）アルミニウム錯体、アミノキノリン金属錯体、ベンゾキノリン金属錯体、トリ−（ｐ−ターフェニル−４−イル）アミン、ピラン、キナクリドン、ルブレン、およびこれらの誘導体を用いることができる。あるいは、１−アリール−２，５−ジ（２−チエニル）ピロール誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、スチリルアリーレン誘導体、スチリルアミン誘導体、および上記の発光性化合物からなる基を分子の一部分に有する化合物などを用いてもよい。また、上記化合物に代表される蛍光色素由来の化合物のみならず、いわゆる燐光発光材料、例えばイリジウム錯体、オスミウム錯体、白金錯体、ユーロピウム錯体などの発光材料、又はそれらを分子内に有する化合物もしくは高分子も好適に用いることができる。これらの材料は、必要に応じて、適宜選択して用いることができる。
【０１４４】
発光層３２は、塗布法（例えば、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、スクリーン印刷法など）のような湿式プロセスによって成膜することができる。発光層３２の成膜方法は、塗布法に限らず、例えば、真空蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって発光層３２を成膜してもよい。
【０１４５】
電子注入層の材料は、例えば、フッ化リチウムやフッ化マグネシウムなどの金属フッ化物、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどに代表される金属塩化物などの金属ハロゲン化物や、チタン、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウムなどの酸化物を用いることができる。これらの材料の場合、電子注入層は、真空蒸着法により形成することができる。また、電子注入層の材料は、例えば、電子注入を促進させるドーパント（アルカリ金属など）を混合した有機半導体材料を用いることができる。このような材料の場合、電子注入層は、塗布法により形成することができる。
【０１４６】
また、電子輸送層の材料は、電子輸送性を有する化合物の群から選定することができる。この種の化合物としては、Ａｌｑ3などの電子輸送性材料として知られる金属錯体や、フェナントロリン誘導体、ピリジン誘導体、テトラジン誘導体、オキサジアゾール誘導体などのヘテロ環を有する化合物などが挙げられるが、この限りではなく、一般に知られる任意の電子輸送材料を用いることが可能である。
【０１４７】
ホール輸送層の材料としては、例えば、ポリビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ）や、ポリピリジン、ポリアニリンなどの側鎖や主鎖に芳香族アミンを有するポリアリーレン誘導体などの芳香族アミンを含むポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、ホール輸送層の材料としては、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）、２−ＴＮＡＴＡ、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）、スピロ−ＮＰＤ、スピロ−ＴＰＤ、スピロ−ＴＡＤ、ＴＮＢ、ＴＦＢ（Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4’-(N-(4-sec-butylphenyl))diphenyl amine)]）などを用いることが可能である。
【０１４８】
ホール注入層の材料としては、例えば、チオフェン、トリフェニルメタン、ヒドラゾリン、アミールアミン、ヒドラゾン、スチルベン、トリフェニルアミンなどを含む有機材料が挙げられる。具体的には、例えば、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ＴＰＤなどの芳香族アミン誘導体などで、これらの材料を単独で用いてもよいし、２種類以上の材料を組み合わせて用いてもよい。このようなホール注入層は、塗布法（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）のような湿式プロセスによって成膜することができる。
【０１４９】
インターレイヤーは、例えば、発光層３２側からの透明電極１３側への電子の漏れを抑制するキャリア障壁としてのキャリアブロッキング機能（ここでは、電子ブロッキング機能）を有するように構成される。更に、ホールを発光層３２へ輸送する機能、発光層３２の励起状態の消光を抑制する機能などを有していてもよい。本実施形態では、インターレイヤーが、発光層３２側からの電子の漏れを抑制する電子ブロッキング層を構成しているものとする。
【０１５０】
有機ＥＬ素子３００では、インターレイヤーを設けることにより、発光効率の向上および長寿命化を図ることが可能となる。インターレイヤーの材料としては、例えば、ポリアリールアミンもしくはその誘導体、ポリフルオレンもしくはその誘導体、ポリビニルカルバゾールもしくはその誘導体、またはトリフェニルジアミン誘導体などを用いることができる。このようなインターレイヤーは、塗布法（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）のような湿式プロセスによって成膜することができる。
【０１５１】
陰極は、有機層３０中に電子を注入するための電極である。反射電極１１が陰極の場合、陰極の材料としては、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物およびこれらの混合物からなる電極材料を用いることができる。反射電極１１の仕事関数とＬＵＭＯ(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位との差が大きくなりすぎないように、例えば仕事関数が１．９ｅＶ以上５ｅＶ以下の電極材料を好適に用いることができる。陰極の電極材料の例として、アルミニウム、銀、マグネシウム、金、銅、クロム、モリブデン、パラジウム、錫、およびこれらと他の金属との合金、例えばマグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金を挙げることができる。また、金属、金属酸化物、またはこれらと他の金属との混合物を使用することもできる。例えば、酸化アルミニウムからなる極薄膜（例えば、トンネル注入により電子を流すことが可能な１ｎｍ以下の薄膜）とアルミニウムからなる薄膜との積層膜を使用することもできる。反射電極１１が陰極の場合、陰極の材料としては、発光層３２から放射される光の反射率が高く、且つ、抵抗率の低い金属、例えば、アルミニウムや銀を好適に用いることができる。なお、反射電極１１が有機層３０中にホールを注入する陽極である場合、反射電極１１の材料としては、仕事関数の大きい金属を好適に用いることができる。反射電極１１の仕事関数とＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital）準位との差が大きくなりすぎないように、例えば仕事関数が４ｅＶ以上６ｅＶ以下の電極材料を好適に用いることができる。
【０１５２】
透明電極１３の導電性高分子層３９の材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、ポリカルバゾールなどの導電性高分子材料を用いることができる。導電性を高めるために、例えば、スルホン酸、ルイス酸、プロトン酸、アルカリ金属、アルカリ土類金属などのドーパントをドーピングしたものを採用してもよい。ここで、導電性高分子層３９は、抵抗率が低いほど、横方向（面内方向）への導電性が向上し、発光層３２に流れる電流の面内ばらつきを低減することができ、輝度むらを抑制することができる。
【０１５３】
透明電極１３の電極パターン４２における電極部４４は、金属の粉末と有機バインダとを含む電極材料によって構成され得る。この種の金属としては、例えば、銀、金、銅などを採用することができる。これにより、透明電極１３が導電性透明酸化物によって形成された薄膜である場合に比べて、電極部の抵抗率およびシート抵抗を小さくすることができ、輝度むらを抑えることができる。なお、電極パターン４２を構成する導電性材料としては、金属の代わりに合金やカーボンブラックを用いることもできる。
【０１５４】
電極パターン４２は、例えば、金属の粉末に有機バインダおよび有機溶剤を混合させたペースト（印刷インク）を、スクリーン印刷法、グラビア印刷法といった方法によって印刷して形成することができる。有機バインダとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ジアクリルフタレート樹脂、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、その他の熱可塑性樹脂や、これらの樹脂を構成する単量体の２種以上の共重合体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【０１５５】
第２引出し配線４６および第２端子部４７の材料としては、透明電極１３の電極パターン４２と同じ材料を採用しているが、特に限定するものではない。第２引出し配線４６および第２端子部４７の材料と透明電極１３の電極パターン４２の材料とが同じ場合には、第２引出し配線４６および第２端子部４７と電極パターン４２とを同時に形成することができる。第２端子部４７は、単層構造に限らず、２層以上の積層構造を有していてもよい。
【０１５６】
本実施形態の有機ＥＬ素子３００では、反射電極１１の膜厚を８０〜２００ｎｍ、発光層３２の膜厚を６０〜２００ｎｍ、ホール輸送層３３の膜厚を５〜３０ｎｍ、ホール注入層３４の膜厚を１０〜６０ｎｍ、導電性高分子層３９の膜厚を２００〜４００ｎｍにそれぞれ設定している。これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【０１５７】
電極パターン４２は、図３６に示すように、格子状（網状）に形成されており、複数（例えば６×６＝３６）の開口部４１を有している。図３６に示す電極パターン４２は、平面視における各開口部４１の各々の形状が正方形状である正方格子状の形状を有しているが、これに限定されるものではない。
【０１５８】
透明電極１３における正方格子状の電極パターン４２の寸法の一例として、電極パターン４２における電極部４４の線幅Ｌ１（図３７参照）を１μｍ〜１００μｍ、高さＨ１（図３７参照）を５０ｎｍ〜１００μｍ、ピッチＰ１（図３７参照）を１００μｍ〜２０００μｍとすればよい。ただし、電極パターン４２における電極部４４の線幅Ｌ１、高さＨ１およびピッチＰ１それぞれの数値範囲は、上記の範囲に限定するものではなく、反射電極１１、素子部１の平面サイズに基づいて適宜設定すればよい。ここで、電極パターン４２における電極部４４の線幅Ｌ１については、発光層３２から出射された光の利用効率の観点からは狭い方が好ましく、透明電極１３の低抵抗化によって輝度むらを低減するという観点からは広い方が好ましい。したがって、電極部４４の線福Ｌ１は、有機ＥＬ素子３００の平面サイズや要求される性能に基づいて適宜設定すればよい。電極部４４の高さＨ１については、透明電極１３の低抵抗化の観点、電極パターン４２をスクリーン印刷法などの塗布法により形成する際の電極パターン４２の材料の使用効率の観点、および有機層３０から放射される光の放射角の観点などの種々の観点から設定され得る。高さＨ１は、例えば１００ｎｍ以上１０μｍ以下に設定され得るが、これに限られない。
【０１５９】
カバー基板として機能する封止基板８０は、例えばガラス基板であるが、これに限らず、プラスチック板などの他の材料を用いてもよい。ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラスなどを採用することができる。プラスチック板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートを採用することができる。なお、基板１０がガラス基板によって構成されている場合には、基板１０と同じ材料のガラス基板によって封止基板８０を構成することが好ましい。
【０１６０】
封止基板８０は、可視光についての全光線透過率が例えば７０％以上であることが好ましが、この限りではない。有機ＥＬ素子３００の光取り出し効率の向上の観点からは、封止基板８０の全光線透過率が大きいほうが好ましい。なお、全光線透過率の測定法としては、例えば、ＩＳＯ  １３４６８−１で規定されている測定法を採用することができる。
【０１６１】
本実施形態では平板状の封止基板８０を用いているが、他の形状のものを用いてもよい。例えば、基板１０に対向するように、素子部１を収納する収納凹所を形成したものを配置し、収納凹所の周部を全周に亘って基板１０側と接合するようにしてもよい。このような構成では、別部材のフレーム部９５を用いる必要がなくなるという利点がある。一方、平板状の封止基板８０と枠状のフレーム部９５とを別部材によって構成した場合、封止基板８０に要求される光学的な物性（光透過率、屈折率など）と、フレーム部９５に要求される物性（ガスバリア性など）との両方の要求を満たす材料を採用することができるという利点がある。
【０１６２】
本実施形態では、フレーム部９５と基板１０の電極側表面側とを接合する接合材料（「第１の接合材料」と称する。）として、エポキシ樹脂を用いているが、これに限らず、例えば、アクリル樹脂などを採用してもよい。第１の接合材料として用いられるエポキシ樹脂やアクリル樹脂は、例えば、紫外線硬化型のものでもよいし、熱硬化型のものでもよい。また、接合材料として、エポキシ樹脂にフィラー（例えば、シリカ、アルミナなど）を含有させたものを用いてもよい。フレーム部９５は、フレーム部９５における基板１０に対向する面が全周に亘って気密になるように基板１０の電極側表面に接合されている。
【０１６３】
フレーム部９５と封止基板８０とを接合する接合材料（「第２の接合材料」と称する。）として、本実施形態ではエポキシ樹脂を用いているが、これに限らず、例えば、アクリル樹脂やフリットガラスなどを採用してもよい。第２接合材料として用いられるエポキシ樹脂やアクリル樹脂は、例えば、紫外線硬化型のものでもよいし、熱硬化型のものでもよい。また、第２接合材料として、エポキシ樹脂にフィラー（例えば、シリカ、アルミナなど）を含有させたものを用いてもよい。フレーム部９５は、フレーム部９５における封止基板８０に対向する面が全周に亘って気密になるように封止基板８０に接合されている。
【０１６４】
絶縁層６０の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などの光硬化性樹脂に吸湿剤を含有させたものを用いることができる。吸湿剤としては、例えばアルカリ土類金属の酸化物や硫酸塩を用いることができる。アルカリ土類金属の酸化物としては、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウムなどが挙げられる。硫酸塩としては、例えば、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸ガリウム、硫酸チタン、硫酸ニッケルなどが挙げられる。吸湿剤としては、上記のもの以外にも、例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化銅、酸化マグネシウムなどの無機化合物を用いることができる。あるいは、例えばシリカゲルやポリビニルアルコールなどの吸湿性を有する化合物を用いてもよい。吸湿剤の材料は特に限定されないが、これらの中でも、酸化カルシウム、酸化バリウム、シリカゲルなどが特に好適に用いられ得る。絶縁層６０中の吸湿剤の含有率は、特に限定されない。
【０１６５】
有機層３０と反射電極１１との界面の凹凸構造１３０は、配列方向に同種の構造が所定回数以上連続しないようにランダム性が調整されたパターンで形成されている。凹凸構造１３０は、例えば図２３Ａ、図２４Ａ、および図２７Ｂのいずれかのパターンで形成することができる。また、これらとは異なるパターンで形成されていてもよい。図３２Ａ、図３２Ｂに例示されるように、有機層１１２と透明電極１１３との界面にも同様の凹凸構造が形成されていてもよい。
【０１６６】
上述の実施形態で説明した有機ＥＬ素子は、例えば、照明用の有機ＥＬ素子として好適に用いることができるが、照明用に限らず、他の用途に用いることも可能である。
【０１６７】
なお、上述の実施形態において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。
【０１６８】
（実施例１）
実施例１として、図３５に示す有機ＥＬ素子３００を製造した。この実施例１の有機ＥＬ素子３００の製造条件は、以下の通りである。実施例１の有機ＥＬ素子３００の製造にあたっては、まず、基板１０を用意した。
【０１６９】
この基板１０の一表面上に、真空蒸着法により、膜厚が１２０ｎｍのアルミニウム膜からなる反射電極１１（陰極）を形成する第１工程を行った。この際、図２４Ａに示すような正方形を基本の断面形状とする凹凸パターン１３０を反射電極１１の表面に形成した。凹凸の正方形の大きさｗは０．８ｎｍ、高さは６０ｎｍに設定した。
【０１７０】
第１工程の後には、有機層３０を形成する第２工程を行った。第２工程では、発光層３２、ホール輸送層３３、ホール注入層３４を順次形成した。
【０１７１】
発光層３２の形成にあたっては、まず、赤色高分子材料（アメリカンダイソース社製の「Light Emitting polymer ATS111RE」）をＴＨＦ溶媒に１ｗｔ％になるよう溶解した溶液を、反射電極１１上に膜厚が約２００ｎｍになるようにスピンコーターで塗布した。次に、１００℃で１０分間の焼成を行うことにより、発光層３２を得た。この発光層３２の屈折率は約１．８である。
【０１７２】
ホール輸送層３３の形成にあたっては、まず、ＴＦＢ（アメリカンダイソース社製の「Hole Transport Polymer ADS259BE」）をＴＨＦ溶媒に１wt％になるよう溶解した溶液を発光層３２上に膜厚が約１２ｎｍになるようにスピンコーターで塗布してＴＦＢ被膜を作製した。次に、このＴＦＢ被膜を２００℃で１０分間の焼成を行うことにより、ホール輸送層３３を得た。このホール輸送層３３の屈折率は約１．８である。
【０１７３】
ホール注入層３４の形成にあたっては、まず、ホール輸送層３３上にＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ(HERAEUS社製の「CLEVIOUS P  VP AI4083」、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ＝１：６）とイソプロピルアルコールを１：１で混合した溶液をＰＥＤＯＴ−ＰＳＳの膜厚が約１００ｎｍになるようにスピンコーターで塗布した。次に、１５０℃で１０分間の焼成を行うことにより、ホール注入層３４を得た。このホール注入層３４の屈折率は約１．５である。
【０１７４】
第２工程の後には、導電性高分子層３９を形成する第３工程を行った。この第３工程では、高導電タイプのＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ(HERAEUS社製の「CLEVIOUS SHT」)をスクリーン印刷法により塗布した後、１３０℃で３０分間、窒素雰囲気下において熱処理することにより、導電性高分子層３９を得た。この導電性高分子層３９の屈折率は、約１．４３である。
【０１７５】
第３工程の後には、絶縁層６０を形成する第４工程を行った。この第４工程では、スクリーン版をマスクとして、イミド系樹脂（OPTMATE製の「HRI1783」、屈折率が１．７８、濃度が１８％）を塗布してから、１３０℃で３０分間、窒素雰囲気下において熱処理することにより、絶縁層６０の膜を形成した。
【０１７６】
第４工程の後には、電極パターン４２を形成する第５工程を行った。この第５工程では、線幅が５０μｍ、スペース幅が５００μｍのスクリーン版をマスクとしてＡｇペーストを塗布してから、１３０℃で３０分間、窒素雰囲気下において熱処理することで、電極パターン４２を形成した。この際、絶縁層６０と電極パターン４２とが互いの厚さ方向において重なるようにアライメントを行って電極パターン４２を形成した。第５工程で用いるスクリーン版には、第１引出し配線、第１端子部、第２引出し配線４６および第２端子部４７それぞれを形成するための開孔部が形成されている。このため、第５工程では、電極パターン４２だけでなく、第１引出し配線、第１端子部、第２引出し配線４６、および第２端子部４７も形成される。実施例１の有機ＥＬ素子３００では、導電性高分子層３９と電極パターン４２とからなる透明電極１３が陽極を構成している。
【０１７７】
実施例１の有機ＥＬ素子３００の製造にあたっては、第５工程までが終了した後に、第６工程を行った。第６工程では、まず、基板１０を露点−８０℃以下のドライ窒素雰囲気のグローブボックス内へ大気に暴露することなく搬送した。一方、封止基板８０とフレーム部９５とを一体に備えた無アルカリガラス製の封止キャップのフレーム部９５に紫外線硬化型のエポキシ樹脂製のシール剤を塗布したものを用意した。そして、グローブボックス内で、封止キャップと基板１０とで素子部１を囲むように封止キャップを基板１にシール剤で張り合わせることにより、有機ＥＬ素子３００を得た。
【０１７８】
（比較例１）
比較例１として、実施例１の有機ＥＬ素子３００から凹凸構造１３０を省いた有機ＥＬ素子を作製した。比較例１の作製条件は、凹凸構造１３０がないことを除いて、実施例１における作製条件と同一である。
【０１７９】
＜実験による検証結果＞
実施例１と、比較例１とを作製し、それぞれの有機ＥＬ素子について、光取り出し効率を測定したところ、下記の表２に示す結果が得られた。
【０１８０】
【表２】
2015144110.tif 000010
【０１８１】
表２では、「光取り出し効率比」として、比較例１の有機ＥＬ素子の光取り出し効率を１．０としたときの実施例１の有機ＥＬ素子の光取り出し効率の相対値を記載している。光取り出し効率の測定にあたっては、実施例１および比較例１のそれぞれの有機ＥＬ素子の第２端子部４７と第１端子部との間に、ＤＣ電源（ケースレイ社製の２４００）を用いて電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2の定電流を流し、出射される全放射束を積分球により計測し、その計測結果に基づいて光取り出し効率を求めた。また、光取出し効率の測定にあたっては、実施例１および比較例１それぞれの有機ＥＬ素子の第２端子部４７と第１端子部との間に、ＤＣ電源（ケースレイ社製の２４００）から電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2の定電流を流し、０°〜８０°の角度方位での発光輝度を輝度計（トプコン社製のＳＲ−３）で測定することで算出した。
【０１８２】
表２から、実施例１の有機ＥＬ素子では、比較例１の有機ＥＬ素子に比べて、光取り出し効率が１．６１倍に向上していることがわかる。
【０１８３】
また、比較例２として、実施例１の有機ＥＬ素子３００における凹凸構造１３０を周期パターンを有する回折格子に変更した有機ＥＬ素子を作製した。凹凸の周期は１μｍ、高さは６０ｎｍとした。図３８に実施例１と比較例２の視野角依存性を示す。図２４Ａに示すランダム構造を用いた実施例１では、なだらかな視野角特性が得られている。一方、回折格子を用いた比較例２では、角度によって強度が急峻に変化している。このように、実施例１では視野角依存性が改善していることを確認できる。また、ランダム構造の方が回折格子よりも高い取り出し効率が得られた。
【０１８４】
図３９は、実施例１および比較例２のそれぞれにおける比較例１と比較したときのスペクトルの増強率を測定した結果を示す図である。ここでは、凹凸構造がない比較例１における各波長成分の強度を基準として、実施例１および比較例２のそれぞれにおけるスペクトルの増強割合を計算した。図示されるように、回折格子を用いた比較例２では、波長６３０ｎｍ付近のみスペクトルが増強されているのに対して、ランダム構造を有する実施例１では、スペクトルの広い領域に亘ってスペクトルが増強されている。これは、図２４Ａのようなランダム構造が比較的広い周波数成分を有しているからである。
【０１８５】
次に、図２２に示すような完全にランダムなパターンと、図２４Ａに示す制限されたランダムパターン（低周波除去構造）との比較結果を説明する。図４０は、それぞれのパターンについて、構造のサイズｗに対する発光量の割合を計算した結果を示す図である。図示されるように、ｗが３００ｎｍ〜約３．０μｍの範囲で図２４Ａに示すパターンの方が改善効果が大きい。前述のように、図２４Ａに示す構成において、表面プラズモンの抑制に好適なｗの範囲は１００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であるため、ｗが３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲では、低周波除去構造による表面プラズモン抑制効果と、発光量の増加の効果とを同時に得ることができる。ただし、ｗは、この範囲に限定されず、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であれば、比較的高い発光量を実現することができる。
【０１８６】
図４１は、図２４Ａに示す低周波除去構造における凹凸の高さに対する発光量割合の依存性を示すグラフである。ここでは、ｗ＝５００ｎｍとして計算を行った。図６に示す周期構造についての結果と同様、凹凸の高さが１００ｎｍ程度以上であれば、発光量の割合はほぼ一定となり、プラズモンの発生をほぼ抑制できる。ただし、凹凸構造に隣接する有機層の各層の厚さよりも凹凸構造の段差の方が大きくなって電流のリークパスが生じないように、凹凸構造の高さは、典型的には１００ｎｍ以下に設定され得る。
【０１８７】
上記態様によれば、表面プラズモンの影響を抑制することで発光効率を向上させながら、色むらや輝度むらの少ない発光装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８８】
本願に開示された発光装置は、フラットパネルディスプレイ、液晶表示装置用バックライトおよび照明用光源等の発光装置として広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１８９】
１１    反射電極
１２    有機層
１３    透明電極
１４    基板
１６    低屈折率層
１７    高屈折率層
１８    透明積層体
１９    発光素子
２０    第２の凹凸構造
３０  機能層（有機層）
３１    基板
３２  発光層
３３  ホール輸送層
３４  ホール注入層
３９  導電性高分子層
４０    凹凸構造
４１  開口部
４２  電極パターン
４４  電極部
４６  第２引出し配線
４７  第２端子部
５０    第１の凹凸構造
５１    第１の凹凸構造
６０  絶縁層
６１    円
６２    楕円
８０  封止基板
９０  樹脂層
９５  フレーム部
１００  有機ＥＬ素子
１０１  発光装置
１０２  発光装置
１１１  反射電極
１１１ａ  界面
１１２  有機層
１１３  透明電極
１１４  基板
１１５  発光点
１１６  低屈折率層
１１７  高屈折率層
１２０  周期的な凹凸構造
１３０  ランダム性を有する凹凸構造
１５０  第１の凹凸構造
１５１  第１の単位構造体
１５２  第２の単位構造体
１６１  第１の単位構造体
１６２  第２の単位構造体
２００  発光装置
３００  有機ＥＬ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015144110.tif 000019
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2015144110.tif 000022
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
2015144110.tif 000035
【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
2015144110.tif 000040
【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
2015144110.tif 000045
【図３２Ａ】
2015144110.tif 000046
【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
2015144110.tif 000055
【図４１】
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