(57)【要約】【課題】ＳＰＰモード光を効果的に取り出すことができ、かつ駆動電圧が高くなるのを抑制した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供する。【解決手段】本発明の有機EL素子１０は、第１電極２と、発光層を含む有機層３と、第２電極４と、低屈折率層５と、反射層６を順に具備する有機EL素子であって、前記第１電極２は透光性導電材料からなり、前記低屈折率層５の屈折率は、前記有機層３の屈折率よりも低く、前記第２電極４は、金属からなることを特徴としており、前記第２電極に捕捉されたＳＰＰモード光を全反射によるエバネッセント波を用いて効果的に取り出すことで光取り出し効率を向上させ、かつ駆動電圧が高くなるのを抑制したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極と、低屈折率層と、反射層とを順に具備する有機EL素子であって、
前記第１電極は透光性導電材料からなり、
前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、
前記第２電極は、金属からなり、且つ、前記第２電極の膜厚が、２ｎｍより厚く４０ｎｍより薄いことを特徴とする有機EL素子。
【請求項２】
前記第２電極の膜厚が、２．５〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の有機EL素子。
【請求項３】
前記第２電極の膜厚が、５〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の有機EL素子。
【請求項４】
前記第２電極がＡｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機EL素子。
【請求項５】
前記低屈折率層は、前記有機層よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機EL素子。
【請求項６】
前記低屈折率層の膜厚が、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機EL素子。
【請求項７】
前記反射層は、金属からなり、且つ、前記低屈折率層の膜厚が、２０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に有機EL素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機EL（エレクトロルミネッセンス）素子は、広視野角、高速応答、鮮明な自発光表示等の特徴を有し、また、薄型軽量で低消費電力であること等の理由から、次世代の照明装置や画像表示装置等の柱として期待されている。
有機EL素子は、有機発光層で発生した光が取り出される向きに応じて、支持基板側から光が取り出されるボトムエミッション型と、支持基板の反対側から光が取り出されるトップエミッション型とに分けられる。
【０００３】
例えば、透明基板上に、透明電極、発光層を含む有機層、金属電極を順に備えるボトムエミッション型の有機EL素子を考える。このような有機EL素子において、発光層で発光した光のうち、透明基板に垂直に入射した光は透明基板を透過して素子の外部に取り出される。また、発光層で発光した光のうち、透明基板（例えば、ガラス（代表的な屈折率：１．５２））と空気（屈折率：１．０）との界面に臨界角以下の小さい入射角（入射光線と入射する界面の法線がなす角度）で入射した光は、その界面で屈折して素子の外部に取り出される。本明細書では、これらの光を外部モード（External Mode）光という。
これに対して、発光層で発光した光のうち、透明基板と空気との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光はその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を基板モード（Substrate Mode）光といい、これによる損失を基板損失という。
また、発光層で発光した光のうち、透明導電性酸化物からなる透明電極（例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ（代表的な屈折率：１．８２））と透明基板（例えば、ガラス（代表的な屈折率：１．５２））との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光もその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を導波モード（Waveguide Mode）光といい、これによる損失を導波損失という。
また、発光層で発光した光のうち、金属電極に入射して金属電極の自由電子と結合し、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ；Surface Plasmon Polariton）として金属電極の表面に捕捉された光も素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光をＳＰＰモード光といい、これによる損失をプラズモン損失という。
【０００４】
有機EL素子の光取り出し効率（発光層で発光した光に対して素子の外部に取り出される光の割合）は一般に２０％程度に留まっている（例えば、特許文献１）。すなわち、発光層で発光した光のうち、約８０％が損失となっており、これらの損失を低減して光の取り出し効率を向上させることが大きな課題となっている。
ここで、基板モード光の取り出しについては透明基板上に光拡散シートなどを設けることで対処できる（例えば、特許文献２）が、導波モード光及びＳＰＰモード光の低減や取り出し、特にＳＰＰモード光の低減や取り出しについては研究が緒に就いたばかりといえる。
【０００５】
そのためＳＰＰモード光の対策としては、まだ十分な検討はされていないが、金属電極の表面に光が表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）として捕捉されないように、電極をＩＴＯやＩＺＯからなる透明電極で形成し、透明電極の有機層と反対側に有機EL素子の発光ピーク波長以上の膜厚の低屈折率層と光を反射させるための金属層とを順に導入することが開示されている（例えば、特許文献３）。これにより、光は電極上でＳＰＰモード光として捕捉されることは無くなり、かつ光を反射させるための金属層は有機EL素子の発光ピーク波長以上の膜厚の低屈折率層によって、発光点から離れた点に形成されているため、ＳＰＰモード光として捕捉されるのを抑えることができる。しかし、透明導電性酸化物からなる電極では、駆動電圧（素子の発光に必要な印加電圧）が高くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１０７１７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４３６２５号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＰＰモード光を抑えるために、透明導電体である導電性酸化物からなる電極、低屈折率層、金属層を具備する構造を用いると、電極が導電性酸化物からなるため、駆動電圧が高くなり光取り出し効率が低下してしまうという問題がある。
この駆動電圧が高くなる原因としては、導電性酸化物が電極の場合、有機層のＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital）準位またはＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）準位と電極の仕事関数の差が金属電極の場合より大きくなるため、導電性酸化物の電極から有機層への電荷注入が金属電極に比べて劣るためである。また、導電性酸化物を成膜する場合は、スパッタ等を用いる必要があるために、成膜時に用いるプラズマから生じる放射線や熱輻射により有機層がダメージを受け、発光層を含む有機層中の電荷輸送が阻害されてしまうためでもある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ＳＰＰモード光として捕捉された光を効果的に外部へ取り出すことができ、かつ駆動電圧が高くなることを抑制した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、駆動電圧の上昇を抑えるために、電極を導電性酸化物から金属に変更することを検討した。しかし、ただ金属に変えるだけでは、その金属表面にＳＰＰモード光として光が捕捉されてしまうため、金属電極を特定膜厚範囲の半透光性の金属層とし、かつKretschmann型配置になるように有機EL素子の各層の屈折率を調整し、さらにKretschmann型配置の低屈折率媒質上に反射層を具備する構成とすることで、駆動電圧の上昇を抑制し、且つＳＰＰモード光を効果的に取り出すことができる有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を実現した。
【００１０】
上記課題を解決するため、概要を説明した本発明は以下の構成を採用する。
（１）第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極と、低屈折率層と、反射層とを順に具備する有機EL素子であって、前記第１電極は透光性導電材料からなり、前記低屈折率層の屈折率は、前記有機層の屈折率よりも低く、前記第２電極は、金属からなり、且つ、前記第２電極の膜厚が、２ｎｍより厚く４０ｎｍより薄いことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（２）前記第２電極の膜厚が、２．５〜３０ｎｍであることを特徴とする（１）に記載の有機EL素子。
（３）前記第２電極の膜厚が、５〜１５ｎｍであることを特徴とする（２）に記載の有機EL素子。
（４）前記第２電極がＡｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（５）前記低屈折率層は、前記有機層よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（６）前記低屈折率層の膜厚が、２０ｎｍ以上であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（７）前記反射層は、金属からなり、且つ、前記低屈折率層の膜厚が、２０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか一項に有機ＥＬ素子。
（８）（１）〜（７）のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
（９）（１）〜（７）のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする照明装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＳＰＰモード光として捕捉された光を効果的に外部へ取り出すことができ、かつ駆動電圧が高くなることを抑制した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る有機EL素子の一例を模式的に示した断面模式図。
【図２】本発明の一実施形態に係る有機EL素子の他の例を模式的に示した断面模式図。
【図３】本発明の一実施形態に係る有機EL素子のKretschmann型配置によるＳＰＰモード光の光取り出し効果を表した模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る有機EL素子のOtto型配置によるＳＰＰモード光の光取り出し効果を表した模式図である。
【図５】本発明の有機EL素子を備えた画像表示装置の一例を説明するための断面模式図である。
【図６】本発明の有機EL素子を備えた照明装置の一例を説明するための断面模式図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る有機EL素子のボトムエミッション型の場合の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る有機EL素子のトップエミッション型の場合の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図９】基板上に、陽極と有機層と陰極（金属）とを有する標準構造の有機EL素子において、有機層で発光した光の強度を、有機EL素子面方向における波数で展開するエネルギー散逸計算を行った結果を示す。
【図１０】Otto型配置におけるエネルギー散逸計算の、低屈折率層の膜厚による依存性を示した図であり、低屈折率層の屈折率を１．３８とし、（ａ）は反射層をＡｌとし、（ｂ）は反射層をＡｇとした場合の結果を示した図である。
【図１１】図１０におけるピークの変化を説明するための、Otto型配置の有機EL素子の断面模式図である。（ａ）は、低屈折率層の膜厚が０ｎｍの場合。（ｂ）は、低屈折率層の膜厚が厚くなるにつれて、ＳＰＰモード光と導波モード光が混在する場合。（ｃ）は、低屈折率層の膜厚が十分厚く、エバネッセント波が金属層に届かなくなり、ＳＰＰモード光として捕捉されない場合。
【図１２】図１０におけるエネルギー散逸計算の結果において、低屈折率層の膜厚に対するピーク幅（半値幅）の変化を示した図である。
【図１３】Otto型配置の有機EL素子において、（ａ）は反射層をＡｌ、（ｂ）は反射層をＡｇとした場合の式（８）をグラフ化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本発明の有機EL素子は、いわゆるボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも、いずれを適用してもよい。
本発明において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極であるが、以下では、第１電極を陽極、第２電極を陰極とする構成を例に挙げて説明する。
また、本発明の有機EL素子は本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層や構造を備えてもよい。例えば、第１電極側（基板、第１電極、有機層および素子外部）に、導波モード光を効率的に基板面に垂直な方向に取り出すための屈折率変調構造等を用いてもよい。
【００１４】
（有機EL素子）
図１は本発明の一実施形態に係る有機EL素子の一例を説明するための断面模式図である。図１に示す有機EL素子１０は、基板１上に、陽極（第１電極）２と、発光層を含む有機層３と、陰極（第２電極）４と、低屈折率層５と、反射層６とを順に具備する有機EL素子であって、前記陽極２は透光性導電材料からなり、前記低屈折率層５の屈折率は、前記有機層３の屈折率よりも低く、前記陰極４は金属で形成され、前記陰極４の膜厚は２ｎｍより厚く４０ｎｍより薄い範囲である。
上記のように陰極４側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層３の屈折率とは、有機EL材料からなる発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
【００１５】
本発明の有機EL素子に共通する陰極側の構成は、反射層／低屈折率層／陰極／有機層の積層構造になっている。陰極は金属からなり、低屈折率層の屈折率が有機層の屈折率よりも低い構成となっているため、本発明の有機EL素子は、光学的な積層構成が、低屈折率媒質（低屈折率層）／金属層（陰極）／高屈折率媒質（有機層）というKretschmann型配置を常に含み、さらにKretschmann型配置の低屈折率媒質（低屈折率層）の上に反射層を有している。
Kretschmann型配置では、高屈折率媒質側から入射した光が高屈折率媒質と金属層の界面で反射した際に、金属層の内部にエバネッセント波が生じる。このエバネッセント波が、金属層と低屈折率媒質の界面に捕捉されたＳＰＰモード光と共鳴することにより、エバネッセント波の一部はＳＰＰモード光になるが、逆にＳＰＰモード光の一部を高屈折率媒質（有機層）中に伝播光として取り出すことができる。すなわち本発明の有機EL素子では、有機層に含まれる発光層からの光が、有機層と陰極（金属）との界面で反射した際に陰極（金属）の内部にエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波により、陰極（金属）と低屈折率層の界面に捕捉されたＳＰＰモード光の一部を伝播光として有機層中に取り出すことができる。
【００１６】
また本発明の有機EL素子において、反射層が金属の場合、光学的な積層構成は、金属反射層（反射層）／低屈折率媒質（低屈折率層）／金属層（陰極）／高屈折率媒質（有機層）の順であり、中間の金属層（陰極）を除けばOtto型配置となっている。Otto型配置では、高屈折率媒質側から入射した光が、低屈折率媒質と高屈折率媒質の界面で全反射した際にエバネッセント波が生じる。このエバネッセント波が、金属反射層（反射層）に捕捉されたＳＰＰモード光と共鳴することにより、エバネッセント波の一部はＳＰＰモード光になるが、逆にＳＰＰモード光の一部を高屈折率媒質（有機層）中に伝播光として取り出すことができる。
ここで、本発明の有機EL素子では通常のOtto型配置と異なり、低屈折率媒質と高屈折率媒質の間にさらに金属層（陰極）が挟まれた積層構造となっているが、金属層（陰極）が十分薄く半透光性であり、エバネッセント場はこの金属層（陰極）を透過するために、通常のOtto型配置と同様にＳＰＰモード光を取り出すことができる。
【００１７】
この有機EL素子は、上記のようにトップエミッション型（反射層６から見て低屈折率層５と反対側に基板１がある場合）、ボトムエミッション型（陽極２から見て有機層３と反対側に基板１がある場合）の有機EL素子のいずれにも適用できる。
ボトムエミッション型に適用するためには、基板１は透光性の基板であり、通常、可視光に対して透明であることが必要である。ここで、「可視光に対し透明である」とは、発光層から発する波長の可視光を透過することができればよいという意味であり、可視光領域全域にわたり透明である必要はない。４００〜７００ｎｍの可視光における透過率が５０％以上で、平滑な基板が好ましい。また、透過率が７０％以上であることがより好ましい。
具体的には、ガラス板、ポリマー板等が挙げられる。ガラス板の材料としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマー板の材料としては、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。
なお、発光光が可視光でない場合は、基板は少なくとも発光波長領域に対して透明であることが必要である。透過率としては、発光が最大強度となる波長に対し、５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることが更に好ましい。
【００１８】
トップエミッション型に適用するためには、上記記載と同様なものの他に、不透明なものも使用できる。具体的には、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ，Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｌの単体、またはこれらの元素を含んだ合金、あるいはステンレスなどの金属材料からなる基板、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、サファイアなどの非金属材料からなる基板、その他のトップエミッション型の有機EL素子で通常用いられる基板を用いることができる。また、素子の発光に伴い生じる熱を逃がすため、熱伝導率の高い材料を基板に用いることが好ましい。
【００１９】
基板１の厚さは、要求される機械的強度にもよるため、特に限定はされないが、好ましくは、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは０．０５ｍｍ〜２ｍｍである。
【００２０】
陽極２は陰極４との間で電圧を印加し、陽極２より有機層３に正孔を注入するための電極であり、仕事関数の大きい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、有機層３とのＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital）準位との差が過大にならないように仕事関数が４ｅＶ以上６ｅＶ以下のものを用いるのが好ましい。陽極２の材料としては透光性でかつ導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）、酸化錫、酸化亜鉛などの透明無機酸化物、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリンなどの導電性高分子および任意のアクセプタなどでドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料、薄膜金属、薄膜状に形成した金属ナノワイヤ、これらを含む複合材料を挙げることができる。ここにおいて、陽極２は、基板１上に例えば、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などによって形成することができる。
【００２１】
陽極２の厚さは特に限定はされないが、例えば１０〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０〜１０００ｎｍである。１０ｎｍより薄いとシート抵抗が増大し、また、２０００ｎｍ以下であれば有機層３の陰極４側の平坦度を保持てなくなると共に、陽極２の透過率が低下するからである。
【００２２】
有機層３は、発光層（有機発光層）の他、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層等を備えてもよい。発光層の材料としては、有機EL素子用の材料として知られる任意の材料を用いることができる。
正孔注入層は陽極２から有機層３への正孔注入を助ける層であり、イオン化エネルギーが通常５．５ｅＶ以下と低い。このような正孔注入層としてはより低い電界強度で正孔を有機層３に注入する材料が好ましいが、形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、正孔輸送層は発光領域まで正孔を輸送する層であって、正孔移動度が大きい。このような正孔輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
電子注入層は陰極４から有機層３への電子注入を助ける層である。このような電子注入層としてはより低い電界強度で電子を有機層３に注入する材料が好ましいが、これらを形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、電子輸送層は発光領域まで電子を輸送する層であって、電子移動度が大きい。このような電子輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる
【００２３】
有機層３は、蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって成膜してもよいし、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など、湿式プロセスによって成膜してもよい。
有機層３の厚さは、特に限定はされないが、例えば５０〜２０００ｎｍであり、好ましくは１００〜１０００ｎｍである。５０ｎｍより薄いと突き抜け電流による内部量子効率の低下や、反射層６による損失性表面波モードカップリング（lossy surface wave mode coupling）など、ＳＰＰカップリング以外の消光が起こり、また、２０００ｎｍより厚いと駆動電圧が上昇する。
【００２４】
陰極４は、２ｎｍより厚く４０ｎｍより薄い膜厚の半透光性の薄膜金属で形成されており、光の一部が陰極４を透過するため、誘電損失（誘電率の虚部）が小さいものを用いることが好ましい。これは、誘電損失が大きいとＳＰＰモード光の吸収損失が大きくなるため、Kretschmann型配置によるＳＰＰモード光の取り出しがされにくくなるためである。
このような誘電損失が小さい金属として、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ及びそれらの合金などが挙げられる。中でもＡｇ、Ａｌとそれらの合金が好ましい。陰極４を有機層３と低屈折率層５で挟むことにより、低屈折率媒質（低屈折率層５）／金属層（陰極４）／高屈折率媒質（有機層３）という構成になるため、Kretschmann型配置が形成される。Kretschmann型配置を用いることで、陰極４中のエバネッセント波を介して、陰極４の低屈折率層５側の界面に捕捉された表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）を取り出すことができる。
【００２５】
また陰極４は、有機層３に電子を注入するための電極である。陰極４は金属であればよく、材料を限定するものではないが、仕事関数が１．９ｅＶ以上５ｅＶ以下であるのが好ましい。
これは陰極４を金属で形成することにより、非金属材料からなる透光性の導電材料、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）に比べて、有機層３への電子注入が容易になり、有機EL素子の駆動電圧の上昇を抑制することができるためである。一般に電極が金属材料の場合、有機層への電子注入が容易になるのは、有機層３のＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）準位と電極の仕事関数の差が、非金属材料で形成した場合に比べて小さくなるためである。
【００２６】
陰極４は、真空蒸着法、塗布法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などによって形成することができる。
但し、スパッタ等で膜を形成すると成膜時のプラズマにより有機層がダメージを受け、駆動電圧の上昇を招くので好ましくない。陰極４を金属薄膜とすることによって、有機層へのダメージの少ない抵抗加熱蒸着等の形成方法を採用することができる。
【００２７】
陰極４の膜厚は２ｎｍより厚く４０ｎｍより薄い。好ましくは２．５ｎｍ〜３０ｎｍであり、さらに好ましくは、５ｎｍ〜１５ｎｍである。厚さが２ｎｍ以下では平坦な膜を形成することが困難で、面内方向に導通がとれず、有機EL素子が発光しない。一方、４０ｎｍ以上では、Kretschmann型配置において、エバネッセント波が滲み出すことができず、陰極４の低屈折率層５側の表面から表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）を取り出すことができない。Kretschmann型配置における、ＳＰＰのエバネッセント場の滲み出し長（１／ｅ減衰距離）は、金属層（陰極４）へ垂直入射した光の強度が１／ｅとなる減衰距離１／（ｋ０κ）（κは陰極４の消衰係数）と同程度であり、波長５５０ｎｍの光に対しては、Ａｇの場合の１／ｅ減衰距離は２６ｎｍ、Ａｌの場合は２０ｎｍである。従って、陰極４の膜厚は３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、１５ｎｍ以下であれば、金属薄膜の５５０ｎｍにおける透過率が２０％以上であり、陰極４の透過率として十分な透過率を得ることができるのでさらに好ましい。
【００２８】
低屈折率層５は、陰極４の、有機層３とは反対側に備えられており、有機層３より低い屈折率を有する透明材料からなることが好ましい。また低屈折率層５は、前記有機層３よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなることが好ましい。
低屈折率層５／陰極４／有機層３が低屈折率媒質／金属層／高屈折率媒質という構造をとることで、Kretschmann型配置となり、低屈折率層５と陰極４の界面で捕捉されたＳＰＰモード光を取り出すことが可能になるためである。また屈折率差が０．２以上あれば、陰極４中のエバネッセント場とＳＰＰモードが共鳴を起こし互いにエネルギーをやり取りできるようになり、Kretschmann型配置によりＳＰＰモード光の取出し効率が上がる。
【００２９】
このような低屈折率層５の材料としては、有機層３を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有する材料であれば特に制限はなく、例えば、この屈折率条件を満たすＳＯＧ、ＬｉＦ（フッ化リチウム、代表的な屈折率：１．３６）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム、代表的な屈折率：１．３８）等の金属フッ化物、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、代表的な屈折率：１．３５）等の有機フッ素化合物、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素、代表的な屈折率：１．４５）、各種の低融点ガラス、多孔性物質が挙げられる。また、低屈折率層５は空気層を含む層からなり、有機層３を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有するものでもよい。
【００３０】
低屈折率層５の厚さは、２０ｎｍ以上であることが好ましい。厚みが２０ｎｍより薄いと、反射層６と陰極４が接近しすぎるため、Kretschmann配置における低屈折率媒質（低屈折率層５）と金属層（陰極４）の界面におけるＳＰＰモード光の分散が変化して、高屈折率媒質（有機層３）中の伝播光の分散曲線と交わらなくなり、このＳＰＰモード光が変化して取り出されなくなる。
特に反射層６が金属である場合、低屈折率層５が２０ｎｍより薄いと低屈折率層５と陰極４の界面におけるＳＰＰモード（Kretschmann型配置により取り出されていたＳＰＰ）と反射層６と低屈折率層５の界面におけるＳＰＰモード（Otto型配置により取り出されていたＳＰＰ）が互いに結合し、元のＳＰＰより波数の大きいＳＰＰモードを生じる。この新たに生じたＳＰＰは有機層３（高屈折率媒質）へ取り出されなくなるため、結果としてKretschmann型配置およびOtto型配置によるＳＰＰの取り出し効果が低下する。
【００３１】
低屈折率層５の厚さは、２０００ｎｍ以下であることが好ましい。２０００ｎｍより厚い膜厚では、低屈折率層５の成膜時に熱ダメージや、膜応力による機械的ダメージが有機層３に蓄積するためである。
さらに、反射層６が金属の場合、低屈折率層５の厚さは、３００ｎｍ以下であることが好ましい。３００ｎｍより厚い膜厚では、低屈折率層５の膜厚が厚すぎるため、エバネッセント波が金属層６に届かなくなり、ＳＰＰモード光が高屈折率層中に取り出されにくくなり、結果としてOtto型配置によるＳＰＰの取り出し効果が低下する。２００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３２】
反射層６は、陰極４の、有機層３とは反対側に低屈折率層５を介して備えられている。
反射層６の材料としては、光の反射率が可視光において十分高ければよく、金属、非金属どちらも用いることができる。具体的には、高反射率金属、誘電体ミラー、拡散反射層等を用いることができる。
特に、低屈折率層５の厚みが、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であれば、Otto型配置による反射層６からのＳＰＰモード光の取り出しができるので、反射層６は金属であることが好ましい。
高反射率金属の例としては、発光層における発光光によりプラズモン共鳴が生じるものであればよいのでほとんどの金属の単体または合金を用いることができるが、複素誘電率の実部が負で、絶対値が大きな値を持つような材料が好ましい。かかる材料としては例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ等の単体や、ＡｕとＡｇとの合金、ＡｇとＣｕとの合金、真鍮等の合金が挙げられる。また反射層６は、２層以上の積層構造であってもよい。
誘電体ミラーの一例としては、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）反射膜を用いることができる。ＤＢＲ反射膜は、低屈折率誘電体材料と高屈折率誘電体材料とを交互に積層した超格子構造の多層膜で、光の干渉効果を用いて特定の角度から進入する特定の波長の光を反射する機能を持つ。ペアとなる誘電体材料の屈折率の差が大きければ、少ないペア数でも高い反射率が得られる。低屈折率誘電体材料の例としては、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２など、また、高屈折率誘電体材料の例としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｎｂ２Ｏ５などが挙げられる。
【００３３】
反射層６の厚さは特に限定はされないが、例えば２０〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０〜５００ｎｍである。２０ｎｍより薄いと反射率が低くなり正面輝度が低下し、また、２０００ｎｍより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積する。
【００３４】
本発明の有機EL素子は、第１電極側（基板、第１電極、有機層および素子外部）に、導波モード光を効率的に基板面に垂直な方向に取り出すための、凹凸形状、複数のマイクロレンズ、散乱体、回折格子、フォトニック結晶構造等の屈折率変調構造を用いてもよい。
図２に一実施形態の有機EL素子１０の陽極（第１電極）側構造の変形例を示す。（ａ）は基板１と陽極２の間に、互いに屈折率の異なる透光性材料７と８からなる屈折率変調構造を用いる一例である。変調構造が周期性を持つ場合は、回折格子、フォトニック結晶構造として機能し、基板面に対して垂直または垂直に近い基板面に対し縦方向を向く複数の界面により、導波モード光を効率的に取り出すことができる。（ｂ）は、陽極２と屈折率の異なる透光性材料７を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。（ｃ）は、互いに屈折率の異なる陽極２と有機層３を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。（ｄ）は、互いに屈折率の異なる有機層３と透光性誘電体材料９を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。（ｅ）、（ｆ）は、さらに、透光性誘電体材料９と屈折率の異なる陽極２、基板１を用いて同様の屈折率変調構造とする例である。
なお、屈折率変調構造とは、具体的には、異なる屈折率の物質が素子面内の少なくとも一方向に繰り返して配置されることによりできる複数の屈折率界面が、素子面に対して垂直または垂直に近い構造を意味する。
屈折率変調構造は、周期性を有する構造であっても、周期性を有さない非周期的な構造であってもよい。屈折率変調構造が周期性を有する場合、屈折の効果に加えて、透過型回折格子（以下、単に「回折格子」ということがある）としての回折効果（素子面に対して所定の角度に屈折される効果）や、フォトニック結晶としての効果（素子面に対して垂直な方向に放射させる効果）によって、導波モード光を素子面に垂直な方向に取り出すことが可能となる。
非周期的な構造の場合は、この第１電極構造に入射した光がランダムな位置・位相で回折されるため、特定の放射角度光が強め合って放射されることはない。従って、第１電極側にこのような構造を持つことによって、比較的均一な（拡散性の高い）配向特性を得ることができる。
つまり、第１電極側構造が周期的な構造の場合は、回折格子による出射光の強め合いの効果により、ある特定の放射角の光強度が強くなる配向特性を得ることができるのに対し、第１電極側構造が非周期的な構造の場合は、比較的均一な配向特性を得ることができる。そのため、第１電極側構造は、必要とされる配光特性に応じて周期性を有する構造にするか、非周期的な構造にするかを選択することができる。
【００３５】
本発明の有機EL素子の、Kretschmann型配置による第２電極側構造の作用効果について以下に説明する。
【００３６】
平坦な金属層表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の波数の層の面内方向成分の実部をｋＳＰＰとすると、この分散関係は、金属層の誘電率の実部ε１と、金属層表面に接触する低屈折率媒質の誘電率ε２によって決まり、近似的に次式（１）によって与えられる（ｋ０はＳＰＰと同じ振動数の光の、真空中での波数）。
【数１】
2015037031.tif 000003
これに対して、誘電率ε２の低屈折率媒質を伝播する伝播光の波数の大きさは、次式（２）によって与えられる。
【数２】
2015037031.tif 000004
金属の場合ε１＜０であるため、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の分散曲線（１）は通常の伝播光の分散（２）と交差しない。そのため、通常の伝播光では平坦な金属層表面にＳＰＰを励起することはできず、また、平坦な金属層表面に存在するＳＰＰから直接伝播光を取り出すことはできない。
【００３７】
これに対して、本発明の有機EL素子中にあるKretschmann配置の場合、全反射減衰法により金属層（第２電極）中に発生させたエバネッセント波の分散（波数の層面内方向の成分）は、次式（３）によって与えられる。ここで、ε３は高屈折率媒質（有機層）の誘電率、θは高屈折率媒質（有機層）から金属層（第２電極）への入射光の入射角、である。
【数３】
2015037031.tif 000005
また、金属層（第２電極）の誘電率をε１、低屈折率媒質（低屈折率層）の誘電率をε２とすると、低屈折率媒質がそれほど薄くない場合（低屈折率媒質の膜厚が低屈折率媒質側へのＳＰＰの滲み出し距離と同程度以上）、低屈折率媒質／金属層界面のＳＰＰモード光の分散は（１）と同じ表式となる。従って、高屈折率媒質（有機層）の屈折率を低屈折率媒質の屈折率に比べ十分大きくした場合、入射角θを変えることにより、ＳＰＰの分散曲線と全反射減衰法によるエバネッセント波（以降、単に「エバネッセント波」という場合も、全て全反射減衰法によって金属層中に生じたものをさすものとする）の分散曲線の所定の周波数位置に交点（ｋ＝ｋＳＰＰ）を持たせることが可能となる。すなわち、エバネッセント波を用いれば、伝播光を用い平坦な金属層表面にＳＰＰを励起することができ、また、逆の過程として、平坦な金属層表面に存在するＳＰＰを、エバネッセント波を介して伝播光として取り出すことが可能となる。ここで、「入射角θ」はＳＰＰの取り出しという観点からは、ＳＰＰの放射角度ということになる。
言い換えると、Kretschmann型配置（低屈折率誘媒質（誘電率ε２）／金属層（誘電率ε１）／高屈折率媒質（誘電率ε3）の積層構造）を用いると、ＳＰＰの分散曲線とエバネッセント波の分散直線とが交差するようになる。これは、高屈折率媒質中を所定の角度で伝播する光だけが、エバネッセント波を介しＳＰＰとエネルギーをやり取りできる状態となることを意味する。そして、ＳＰＰを、エバネッセント波を介して所定の角度で放射される伝播光として高屈折率媒質中に取り出すことが可能となる。
【００３８】
従って、有機EL素子において、例えば、有機層の屈折率が低屈折率層より高くなるようにすることで、低屈折率層（低屈折率媒質）／第２電極（金属層）／有機層（高屈折率媒質）となり、第２電極（金属層）の低屈折率層側の表面に励起されたＳＰＰモード光は所定の角度で放射される伝播光として有機層中に取り出すことが可能となる。すなわち、有機EL素子において、Kretschmann型配置構造を導入することにより、ＳＰＰモード光を所定の角度で有機層中へ放射される伝播光として取り出すことが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の有機EL素子において反射層が金属の場合の、Otto型配置による第２電極側構造の作用効果について以下に説明する。以下は、計算式に基づく原理的な内容であるため、第１電極側構造と第２電極側構造として記載する（本発明の一実施形態において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極である）。
【００４０】
Otto型配置（金属反射層（誘電率ε４）／低屈折率媒質（誘電率ε２）／高屈折率媒質（誘電率ε３））を用いた場合、金属反射層表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の波数の層の面内方向成分の実部をｋ’ｓｐｐとすると、この分散関係は、式（１）と同様に金属反射層の誘電率の実部ε４と、金属反射層表面に接触する低屈折率媒質の誘電率ε２によって決まり、近似的に次式（４）によって与えられる（ｋ０は前記発光層で発光する光のピーク波長における真空中の光の波数）。
【数４】
2015037031.tif 000006
【００４１】
またOtto型配置の場合も全反射減衰法により発生させたエバネッセント波の分散直線は、式（５）と同様に求めることができる。ここで、Otto型配置を用いた場合、θは高屈折率媒質から低屈折率媒質への入射光の入射角、である。
【数５】
2015037031.tif 000007
【００４２】
従って、有機EL素子において、例えば、有機層の近傍に有機層に対し遠い側から順に反射層（金属）／低屈折率層／有機層（高屈折率媒質）を設けると、反射層（金属）表面に励起されたＳＰＰモード光はOtto型配置構造において低屈折率層中に生成されるエバネッセント波を介して所定の角度（ｋ’ＳＰＰ＝ｋを満たす角度θ）で放射される伝播光として有機層中に取り出すことが可能となる。ただし、エバネッセント波を介したＳＰＰモード光の励起・取り出しは上記低屈折率層の膜厚がある膜厚範囲内にある場合に生じる。これは、低屈折率層が厚すぎると、有機層からのエバネッセント波の滲み出しが反射層（金属）まで到達せず、エバネッセント波とＳＰＰモード光同士がエネルギーをやりとりできないためであり、低屈折率層が薄すぎると、反射層（金属）と有機層が接近してＳＰＰモードの波数が（４）式より大きくなり、分散曲線が伝播光の分散曲線（５）と交わらなくなるためである。
こうして反射層６と低屈折率層５の界面のＳＰＰから取り出される光は上記の通り、ＳＰＰの分散曲線とエバネッセント波の分散直線との交点に対応する所定の角度を有して有機層中３に放射される。
【００４３】
次に、本発明の一実施形態の有機EL素子１０の作用効果を、具体的に図３、図４を用いて説明する。図３は、Kretschmann型配置による光取り出しを表した模式図であり、図４は、低屈折率層が２０ｎｍ〜３００ｎｍであり、かつ反射層が金属の場合における、Otto型配置による光取り出しを表した模式図である。ここで、図３、図４に矢印で示した光の伝播の仕方は、作用効果の原理をわかりやすく説明するために模式的に示したものである。
【００４４】
図３において、Kretschmann型配置による光取り出しについて説明する。有機層３に含まれる発光層のＡ点で発光した光のうち一部は、発光ダイポール周りのエバネッセント場を介して（矢印Ａ１）、陰極４と低屈折率層５との界面に表面プラズモンポラリトンＳＰＰとして直接捕捉される（矢印Ａ２）。
捕捉されたＳＰＰモード光は、有機層３と陰極４との界面で起こる反射によって生じるエバネッセント波（矢印Ａ３）と共鳴する。この共鳴により、ＳＰＰモード光の一部は、所定の角度で有機層３中に再放射され（矢印Ａ４）、伝播光として取り出されうる。
【００４５】
次に図４において、Otto型配置による光取り出しについて説明する。Otto型配置による光取り出しは、有機層３に含まれる発光層のＡ点で発光した光のうち、一部は、発光ダイポール周りのエバネッセント場を介して（矢印Ｂ１）、低屈折率層５と反射層６との界面に表面プラズモンポラリトンＳＰＰとして直接捕捉される（矢印Ｂ２）。
捕捉されたＳＰＰモード光は、有機層３と陰極４との界面で起こる反射によって陰極４および低屈折率層５中に生じるエバネッセント波（矢印Ｂ３）と共鳴する。この共鳴により、ＳＰＰモード光の一部は、所定の角度で有機層３中に再放射され（矢印Ｂ４）、伝播光として取り出されうる。ここで、本発明の陰極側構造は、反射層６が金属の場合、金属反射層（反射層６）／低屈折率媒質（低屈折率層５）／金属層（陰極４）／高屈折率媒質（有機層３）であり、通常のOtto配置に対し、高屈折率媒質と低屈折率媒質の間に金属層が余分に挿入された積層構造となっているが、金属層である陰極４が十分薄ければ、低屈折率層５と反射層６の間のＳＰＰモード光はこの陰極４を透過して有機層３に取り出すことが可能である。
【００４６】
（画像表示装置）
次に、上記の有機EL素子１０を備えた画像表示装置について説明を行う。図５は、上記の有機EL素子１０を備えた画像表示装置の一例を説明した図である。また、有機EL素子１０はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下はボトムエミッション構造の例で説明を行う。
図５に示した画像表示装置１００は、いわゆるパッシブマトリクス型の画像表示装置であり、有機EL素子１０の他に、陽極配線１０４、陽極補助配線１０６、陰極配線１０８、絶縁膜１１０、陰極隔壁１１２、封止プレート１１６、シール材１１８とを備えている。
【００４７】
本実施の形態において、画像表示装置１００の基板１上には、複数の陽極配線１０４が形成されている。陽極配線１０４は、一定の間隔を隔てて平行に配置される。陽極配線１０４は、透明導電膜により構成され、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）を用いることができる。また陽極配線１０４の厚さは例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍとすることができる。そして、それぞれの陽極配線１０４の端部の上には、陽極補助配線１０６が形成される。陽極補助配線１０６は陽極配線１０４と電気的に接続されている。このように構成することにより、陽極補助配線１０６は、基板１の端部側において外部配線と接続するための端子として機能し、外部に設けられた図示しない駆動回路から陽極補助配線１０６を介して陽極配線１０４に電流を供給することができる。陽極補助配線１０６は、例えば、厚さ５００ｎｍ〜６００ｎｍの金属膜によって構成される。
【００４８】
また、有機EL素子１０上には、複数の陰極配線１０８が設けられている。複数の陰極配線１０８は、それぞれが平行となるよう、かつ、陽極配線１０４と直交するように配設されている。陰極配線１０８には、Ａｌ又はＡｌ合金を使用することができる。陰極配線１０８の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。また、陰極配線１０８の端部には、陽極配線１０４に対する陽極補助配線１０６と同様に、図示しない陰極補助配線が設けられ、陰極配線１０８と電気的に接続されている。よって、陰極配線１０８と陰極補助配線との間に電流を流すことができる。
【００４９】
更に基板１上には、陽極配線１０４を覆うように絶縁膜１１０が形成される。絶縁膜１１０には、陽極配線１０４の一部を露出するように矩形状の開口部１２０が設けられている。複数の開口部１２０は、陽極配線１０４の上にマトリクス状に配置されている。この開口部１２０において、陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に有機EL素子１０が設けられる。すなわち、それぞれの開口部１２０が画素となる。従って、開口部１２０に対応して表示領域が形成される。ここで、絶縁膜１１０の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜１００００ｎｍとすることができ、開口部１２０の大きさは、例えば、１００μｍ×１００μｍとすることができる。
【００５０】
有機EL素子１０は、開口部１２０において陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に位置している。そしてこの場合、有機EL素子１０の陽極２が陽極配線１０４と接触し、陰極４が陰極配線１０８と接触する。有機EL素子１０の厚さは、例えば、１５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。
【００５１】
絶縁膜１１０の上には、複数の陰極隔壁１１２が陽極配線１０４と平面視で直交する方向に沿って形成されている。陰極隔壁１１２は、陰極配線１０８の配線同士が導通しないように、複数の陰極配線１０８を空間的に分離するための役割を担っている。従って、隣接する陰極隔壁１１２の間にそれぞれ陰極配線１０８が配置される。陰極隔壁１１２の大きさとしては、例えば、高さが２μｍ〜３μｍ、幅が１０μｍのものを用いることができる。
【００５２】
また、基板１は、封止プレート１１６とシール材１１８を介して貼り合わせられている。これにより、有機EL素子１０が設けられた空間を封止することができ、有機EL素子１０が大気中の水分により劣化するのを防ぐことができる。封止プレート１１６としては、例えば、厚さが０．７ｍｍ〜１．１ｍｍのガラス基板を使用することができる。封止プレート１１６は、素子がボトムエミッション型のように光を基板１側から取り出す場合は、透明でなくてもよい。一方、素子がトップエミッション型のように光を封止プレート１１６側から取り出す場合は、封止プレート１１６は発光波長域の少なくとも一部の波長に対して透明である必要がある。
【００５３】
このような構造の画像表示装置１００において、図示しない駆動装置により、陽極補助配線１０６、図示しない陰極補助配線を介して、有機EL素子１０に電流を供給し、発光層を発光させることができる。そして基板１から基板１を通し、光を出射させることができる。そして、上述の画素に対応した有機EL素子１０の発光、非発光を制御装置により制御することにより、画像表示装置１００に画像を表示させることができる。
【００５４】
（照明装置）
次に、上記の有機EL素子１０を備えた照明装置について説明を行う。有機EL素子１０はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下はボトムエミッション構造の例で説明を行う。
図６は、上記の有機EL素子１０を備える照明装置の一例を説明した図である。
図６に示した照明装置２００は、上述した有機EL素子１０と、有機EL素子１０の基板１（図１参照）上に設置され、陽極２（図１参照）に接続される端子２０２と、陰極４（図１参照）に接続される端子２０３と、端子２０２と端子２０３とに接続し、有機EL素子１０を駆動するための点灯回路２０１とから構成される。
【００５５】
点灯回路２０１は、図示しない直流電源と図示しない制御回路を内部に有し、端子２０２と端子２０３を通して、有機EL素子１０の陽極２と陰極４との間に電圧を印加して電流を供給する。そして、有機EL素子１０を駆動し、発光層を発光させて、基板１を通して光を出射させ、照明光として利用する。発光層は白色光を出射する発光材料より構成されていてもよく、また緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）を出射する発光材料を使用した有機EL素子１０をそれぞれ複数個設け、その合成光が白色となるようにしてもよい。
【００５６】
（有機EL素子の製造方法）
本発明の一実施形態に係る有機EL素子の製造方法として、図１で示したボトムエミッション型の有機EL素子の製造方法を参照して説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、基板１上に、陽極２を形成する。この陽極２の形成方法は特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などのドライ（乾式）プロセス法のほか、塗布法などのウェット（湿式）プロセスも用いることができる。
【００５７】
陽極２を形成した後に、陽極２の表面処理を行うことで、オーバーコートされる層の性能（陽極２との密着性、表面平滑性、ホール注入障壁の低減化など）を改善することができる。表面処理の具体的方法としては、高周波プラズマ処理を始めとして逆スパッタリング処理、コロナ処理、ＵＶオゾン照射処理、紫外線照射処理、または酸素プラズマ処理などが挙げられる。
【００５８】
更に、陽極２の表面処理の表面処理を行う代わりに、もしくは表面処理に追加して、図示しない陽極バッファ層を形成することで表面処理と同様の効果が期待できる。そして、陽極バッファ層はウェットプロセスにて塗布して作製することができ、具体的な成膜方法としてはスピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等の塗布法などが挙げられる。
【００５９】
また、陽極バッファ層をドライプロセスにて作製する場合は、特開２００６−３０３１２号公報に例示のプラズマ処理などを用いて成膜することができる。この他にも金属単体あるいは金属酸化物、金属窒化物等を成膜する方法が挙げられ、具体的な成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学反応法、コーティング法、真空蒸着法などを用いることができる。
【００６０】
次に、図７（ｂ）で示すように、有機層３を陰極２の上に形成する。有機層３の形成方法は陰極２の形成と同様に特に限定はされないが、従来公知の方法を用いることができ、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。
【００６１】
次に、図７（ｃ）に示すように、有機層３上に陰極４を形成する。陰極４の形成方法も陽極２の形成と同様の方法を用いることができ、特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
スパッタリング法等を用いて、高い成膜レートで陰極を形成する場合、成膜中のプラズマにより有機層にダメージを与えることがある。そのため、中でも形成方法としては抵抗加熱蒸着、イオンプレーティング等が好ましい。
【００６２】
次に、図７（ｄ）に示すように、陰極４上に低屈折率層５を形成する。低屈折率層５の形成方法は特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などの他、各種の塗布法などのウェットプロセスも用いることができる。
低屈折率層５を、空気層を含んでなる低屈折率層とする場合は、例えば、ＳＯＧ層を形成した後に、ＳＯＧ層のうち、フォトリソグラフィを用いて所定箇所だけＳＯＧ材料を残すようにＳＯＧ層をエッチング除去して、ＳＯＧ層を除去した部分が空気層となるようにして、低屈折率層５を形成することができる。
【００６３】
次に、図７（ｅ）に示すように、低屈折率層５上に反射層６を形成する。反射層６の形成方法は特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【００６４】
以上の工程により、有機EL素子１０を製造することができる。また、これら一連の工程後、有機EL素子１０を長期安定的に駆動し、有機EL素子１０を外部の水分、酸素等から保護するための保護層や保護カバー（図示せず）を装着することが好ましい。保護層としては、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素等のシリコン化合物、または陰極４や反射層６で用いる金属より、イオン化傾向の大きな金属（例えば反射層６が銀の場合、亜鉛等）などを用いることができる。そして、これらの積層体も用いることができる。また、保護カバーとしては、ガラス板、表面に低透水率処理を施したプラスチック板、金属などを用いることができる。この保護カバーは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂、フリットガラスで基板１と貼り合わせて密閉する方法を採ることが好ましい。またこの際に、スペーサを用いることで所定の空間を維持することができ、外部からの力により保護カバーが接触し有機EL素子１０が傷つくのを防止できるため好ましい。そして、この空間に窒素、アルゴン、ヘリウムのような不活性なガスを封入すれば、上側の反射層６が金属の場合に酸化を防止しやすくなる。特にヘリウムを用いた場合、熱伝導が高いため、電圧印加時に有機EL素子１０より発生する熱を効果的に保護カバーに伝えることができるため、好ましい。更に酸化バリウム等の乾燥剤をこの空間内に設置することにより上記一連の製造工程で吸着した水分が有機EL素子１０にダメージを与えるのを抑制しやすくなる。
【００６５】
次に、トップエミッション型の有機EL素子の製造方法を、図８を参照して説明する。まず、図８（ａ）に示すように、基板１上に、反射層６を形成する。反射層６の形成方法は特に限定はされないが、例えば、蒸着法、スパッタリング法を用いることができる。
【００６６】
次に、図８（ｂ）に示すように、反射層６上に低屈折率層５を形成する。低屈折率層５の形成方法は、特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などの他、塗布法などのウェットプロセスも用いることができる。
【００６７】
次に、図８（ｃ）に示すように、低屈折率層５上に陰極４を形成する。陰極４の形成方法は、特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【００６８】
次に、図８（ｄ）に示すように、陰極４上に有機層３を形成する。有機層３の形成は、従来公知の方法を用いることができ、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。
【００６９】
次に、図８（ｅ）に示すように、有機層３の上に陽極２を形成する。陽極２の形成方法は、陰極４と同様に、特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【００７０】
以上の工程により、トップエミッション構造の有機EL素子１０を製造することができる。また、これら一連の工程後、有機EL素子１０を長期安定的に用い、有機EL素子１０を外部から保護するための保護層や保護カバー（図示せず）を装着することが好ましい。これらの保護層としてもボトムエミッション構造の有機EL素子１０と同様のものを使用することができるが、トップエミッション構造の場合は光取り出しを考慮して、発光波長に対して透過率の高いものが好ましい。
【００７１】
（Otto型配置におけるＳＰＰ取り出し）
本発明における有機EL素子は、反射層が金属からなる場合には、低屈折率媒質（低屈折率層）と高屈折率媒質（有機層）の間にさらに金属層（陰極）が挟まれた積層構造となっている点で通常のOtto型配置と異なるが、金属層（陰極）が十分薄く半透光性であるため、通常のOtto型配置と同様に反射層（金属）表面に捕捉されたSPPモード光を高屈折率媒質（有機層）中に取り出す効果をもつ。ただし、陰極が金属であるので、反射層表面の他にこの陰極表面にもＳＰＰモード光を生じうる。そこで、Otto型配置による表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の取り出しが可能な低屈折率層膜厚条件の検討においては、本発明における有機ＥＬ素子の陰極の材料を金属からＩＴＯ（透明導電酸化物）に置き換え、ＳＰＰモード光が反射層（金属）表面にのみ生じるようにした有機EL素子の例を用いて説明する。
【００７２】
図９に、標準構造の有機EL素子２０について、有機層で発光した光の強度を、有機EL素子面方向における波数成分で展開するエネルギー散逸計算を行った結果を示す。横軸が、有機層で発光した光の波数の、有機EL素子面方向成分を真空の波数ｋ０で割ったもの、すなわち有効屈折率であり、縦軸がその波数の光の強度、すなわち展開係数を示している。計算は、ＴＭ偏光成分、ＴＥ偏光成分に分けて行った。なお、この計算は基板１１（ガラス）上に、各層が平坦な陽極１２と有機層１３と陰極１４（金属）とを積層した標準構造の有機EL素子の結果を示している。この場合、ＴＭ・ＴＥ偏光成分の全積分面積に対する、ＴＭ偏光の最も高波数側のピーク面積がＳＰＰモード光の強度割合を表しているが、有機層１３で発光した光の多くがＳＰＰモード光として捕捉されているのが分かる。図９に示す有機EL素子では、陽極１２と有機層１３の膜厚は、それぞれ１５０ｎｍ、１００ｎｍである。
【００７３】
一方で、Otto型配置を有する有機EL素子３０（図１１参照）における、エネルギー散逸計算による有機層で発光した光（ＴＭ偏光成分）の強度の、低屈折率層２５の膜厚による依存性を示した図を図１０に示す。Otto型配置を有する有機EL素子の一例である有機EL素子３０は、基板２１、陽極２２、有機層２３は図９の素子２０と同じ構成であるが、有機層２３上に透明導電材料であるＩＴＯからなる陰極２４（５０ｎｍ）が形成され、さらにその上に低屈折率層２５、反射層２６（金属）が順に形成された構成から成る。
低屈折率層２５の屈折率を１．３８とし、図１０（ａ）は反射層２６をＡｌとし、図１０（ｂ）は反射層２６をＡｇとした場合である。
【００７４】
図１０（ａ）、（ｂ）共に、低屈折率層２５の膜厚が厚くなるに従って、ピーク波数が小さくなり、かつピーク幅が狭くなるようにシフトしていることが分かる。また膜厚が厚くなるに従って、ピーク波数のシフトはわずかになり、ピーク幅も一定に近づいていることが確認できる。なお、ピーク波数が小さくなることは、反射層２６に接した低屈折率層２５の膜厚が大きくなり、ＳＰＰの波数がこの低屈折率層２５の屈折率の影響で小さくなることを示しており、ピーク幅が狭くなることは、ＳＰＰとして捕捉されていた光が導波モード光として取り出され、光の減衰が小さくなっていることを示している。これについて、次に説明する。
【００７５】
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いてピークの変化について、以下に説明する。
図１１（ａ）は、ＳＰＰモード光として光が完全に反射層２６表面に捕捉されている。これは、低屈折率層２５の膜厚が０ｎｍの時を表しており、有機層２３〜反射層２６側の積層構造がOtto型配置をなさず、ＳＰＰは反射層２６と陰極２４の界面を面内方向に伝播しながら急速に減衰するため、ピーク幅が大きくなっている。
次に、低屈折率層２５の膜厚が厚くなるにつれて、図１１（ｂ）のようになり、Otto型配置によってＳＰＰモード光と導波モード光が混在した状態となる。これは、取り出されたＳＰＰモード光が導波モード光となり、界面反射により再度反射層２６にＳＰＰモード光として再補足されることを意味している。この場合、光は図１１（ａ）のＳＰＰモード光に比べ減衰しにくいため、ピーク幅は次第に狭くなる。
最後に、低屈折率層２５の膜厚が十分厚くなると、図１１（ｃ）のようになる。この場合、Otto型配置をしているが、発光点におけるエバネッセント波が反射層２６に届かなくなり、ＳＰＰモード光として捕捉されない。この場合、発光した光は導波モード光として、捕捉されることとなる。つまり、低屈折率層２５の膜厚がある厚みを超えると、捕捉された光は導波モード光のみとなるため、減衰のしやすさは変わらなくなり、ピーク幅にも変化が生じなくなる。
【００７６】
図１２は、低屈折率層２５の膜厚に対する、ピーク幅（半値幅）の変化を示した図であるが、反射層２６がＡｌの場合に、低屈折率層２５の膜厚が２００ｎｍ以上でピーク幅の変化が小さくなり、発光した光がＳＰＰに捕捉されにくくなくなっていることが分かる。また、反射層２６がＡｇの場合に、低屈折率層２５の膜厚が１５０ｎｍ以上でピーク幅の変化が小さくなり、ＳＰＰモード光として捕捉されにくいことが分かる。
つまりＳＰＰモード光として捕捉される低屈折率層２５の膜厚は少なくとも３００ｎｍ以下であり、２００ｎｍ以下で捕捉の効果が顕著になることが分かる。なお、本検討は低屈折率層２５の屈折率をｎ＝１．３８の場合を計算しているが、屈折率は１．３８に限定されるものではなく、反射層２６もＡｇとＡｌに限定されるものではない。
【００７７】
また、Otto型配置において、反射層２６の表面に捕捉された表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）は、陰極２４と低屈折率層２５の界面で全反射した光によって発生するエバネッセント波によって取り出すことができる。すなわち、このエバネッセント波の波数が、反射層２６の表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の波数ｋＳＰＰと交点を持つ必要がある。
【００７８】
反射層２６の表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の波数ｋＳＰＰの実部は近似的に以下の式（６）で表すことができる。但し、ε４は反射層２６の誘電率の実部であり、ε２は低屈折率層２５の誘電率であり、ｋ０は前記発光層で発光する光のピーク波長における真空中の光の波数である。
【数６】
2015037031.tif 000008
【００７９】
一方で、反射層２６の表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の、低屈折率層２５の中における波数の垂直成分は以下の式（７）で表すことができる。
【数７】
2015037031.tif 000009
【００８０】
反射層２６表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の電磁場の大きさ（強度）を、反射層２６の表面での値を１として規格化すると、反射層２６に垂直な方向に指数関数的に減衰しながら滲み出し、低屈折率層２５／陰極２４の界面に到達した表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の強度は、各界面での反射が無視できる場合、近似的に
【数８】
2015037031.tif 000010
となる。
但し、κＳＰＰは表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の波数の層の面内方向成分の実部を真空中の光の波数ｋ０で割った値とする。つまり、式（８）が十分大きければ、反射層２６の表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の電磁場が陰極や有機層に滲み出し、陰極２４と低屈折率層２５の界面での全反射により生じたエバネッセント波とカップリングして、取り出すことができる。
図１３（ａ）は反射層２６をＡｌ、（ｂ）は反射層２６をＡｇとした場合の式（８）をグラフ化した図である。
【００８１】
この結果を、図１０（ａ）、（ｂ）と比較すると、式（８）において、反射層２６の表面に生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の、低屈折率層２５／陰極２４の界面での強度は、反射層２６の表面での強度を１として規格化すると、低屈折率層２５の厚み方向に伝搬した位置での表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の強度が０．４以下となる低屈折率層２５の厚みで、ピーク幅が一定値に飽和していることが分かる。すなわち、式（８）が０．４以下となるときには、低屈折率層２５と陰極２４の界面にまで滲み出す表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）の強度が小さくなり、Otto型配置による光取り出し効果は少なくなると言える。逆に言えば、低屈折率層２５の膜厚は、式（８）が０．４以上となれば、Otto型配置による光取り出し効果を十分に得ることができることが分かる。なお、本検討は低屈折率層２５の屈折率をｎ＝１．３８の場合を計算しているが、屈折率は１．３８に限定されるものではなく、反射層２６もＡｇとＡｌに限定されるものではない。式（８）で表わされる、低屈折率層２５と陰極２４の界面でのＳＰＰの強度が一定値（例えば０．４）より大きいという条件を満たせば、Otto配置によってＳＰＰモード光を有機層２３中に取り出すことができ、この条件を満たす限り、低屈折率層２５の屈折率や反射層２６の材料は限定されるものではない。
以上の検討では、陰極がITOからなるOtto型配置を具備する有機EL素子を用いたが、陰極が十分薄く半透光性の金属からなる本発明における有機EL素子においても同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００８２】
本発明の有機EL素子の実施例について以下に説明する。
【００８３】
表１に、本発明の一実施形態に係る有機EL素子の効果の電力効率の結果を示す。実施例１は、本発明の一実施形態の一例である。実施例１の有機EL素子１０は、ガラスからなる基板１上に、陽極２として１５０ｎｍのＩＴＯ層（屈折率＝１．８２）、４０ｎｍのpTmTDMPD（下記（化学式１））；F4TCNQ（下記（化学式２））(95:5)からなる正孔注入層（有機層３の一部）、２０ｎｍのm―MTDATA（下記（化学式３））からなる正孔輸送層（有機層３の一部）、２０ｎｍのIr(piq)3（下記（化学式４）） : Ir(ppy)3（下記（化学式５）） : BFA-1T（下記（化学式６））(1:24:75)からなるＲＧ発光層（有機層３の一部）、１０ｎｍのFirpic（下記（化学式７）） : PyTMB（下記（化学式８））(20:80)からなるＢ発光層（有機層３の一部）、２０ｎｍのAlq3（下記（化学式９））からなる電子輸送層(有機層３の一部)、 １００ｎｍのBCP（下記（化学式１０））；Cs(20:1)からなる電子注入層(有機層３の一部)、陰極４として５ｎｍのＡｇ層、低屈折率層５として１００ｎｍのＬｉＦ（屈折率＝１．３６）からなる層、反射層６として２００ｎｍのＡｇ層を順に積層して、ボトムエミッション構造を用いたサンプルを作製した。有機層６の平均の屈折率は、１．７２であった。
【００８４】
【化１】
2015037031.tif 000011
【００８５】
【化２】
2015037031.tif 000012
【００８６】
【化３】
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【００８７】
【化４】
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【００８８】
【化５】
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【００８９】
【化６】
2015037031.tif 000016
【００９０】
【化７】
2015037031.tif 000017
【００９１】
【化８】
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【００９２】
【化９】
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【００９３】
【化１０】
2015037031.tif 000020
【００９４】
実施例２〜６の有機EL素子は、陰極４の膜厚を表１に示す条件とした以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。
実施例７の有機EL素子は、陰極４を１０ｎｍのＡｌ層とした以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。
比較例１の有機EL素子は、陰極４を５０ｎｍのＩＴＯ層（屈折率＝１．８２）とした以外は、実施例１と同様にサンプルを作製したものであり、通常のOtto型配置となっている。比較例２，３の有機EL素子は、陰極４の膜厚を表１に示す条件とした以外は、実施例１と同様にサンプルを作製した。
表１において、光取出しは、有機層３で発光した光のうち、基板１から取出された比率を示している。電圧は有機EL素子の駆動電圧を意味し、陽極４を５０ｎｍのＩＴＯ層とした比較例１の駆動電圧との差を示している。また効率は電力効率（基板１側に取り出された光の光束を駆動電圧で割ったもの）を意味し、比較例１を１００％として規格化した値を示している。
【００９５】
【表１】
2015037031.tif 000021
【００９６】
その結果、陰極４を２ｎｍより厚い膜厚のＡｇ層とした実施例１〜６は、比較例１に比べて、−０．２３から−１．３３Ｖと駆動電圧が低いことが分かる。一般に有機EL素子において、０．２Ｖ駆動電圧を下げることができれば、顕著な効果を示していると言われており、実施例１〜６の駆動電圧の低下は非常に優れたものである。さらに、電力効率も比較例１に比べて２〜１８％向上し、非常に電力効率が優れる有機EL素子であることがわかる。
また、実施例７の結果より、陰極４をＡｌに変えてもＡｇと同等の結果が得られることがわかる。
【００９７】
比較例２は、有機EL素子に電流が流れず発光しなかった。これは、陰極４のＡｇ層の膜厚が薄すぎるため、Ａｇ層が均一に平坦な連続膜を形成することができず、導通が取れなかったためと考えられる。
比較例３は、駆動電圧を−１．３０Ｖと大幅に低減することができた。一方で、光取り出しは、比較例１と比較して８％程度下がっている。さらに、電力効率も比較例１に比べて１０％低下している。これは、陰極４を金属とした際に、膜厚が４０ｎｍ以上では透過率が減少してしまうためと考えられる。
【符号の説明】
【００９８】
１０、２０、３０  有機EL素子
１、１１，２１  基板
２、１２、２２  陽極
３、１３、２３  有機層
４、１４、２４  陰極
５、２５  低屈折率層
６、２６  金属層
１００  画像表示装置
１０４  陽極配線
１０６  陽極補助配線
１０８  陰極配線
１１０  絶縁膜
１１２  陰極隔壁
１１６  封止プレート
１１８  シール材
１２０  開口部
２００  照明装置
２０１  点灯回路
２０２  端子
２０３  端子
【図１】
2015037031.tif 000022
【図２】
2015037031.tif 000023
【図３】
2015037031.tif 000024
【図４】
2015037031.tif 000025
【図５】
2015037031.tif 000026
【図６】
2015037031.tif 000027
【図７】
2015037031.tif 000028
【図８】
2015037031.tif 000029
【図９】
2015037031.tif 000030
【図１０】
2015037031.tif 000031
【図１１】
2015037031.tif 000032
【図１２】
2015037031.tif 000033
【図１３】
2015037031.tif 000034