(57)【要約】【課題】光インターコネクションモジュール等の光通信用途の発光素子として利用可能な高い応答速度を持った有機ＥＬ素子を提供する。【解決手段】本発明に係る有機ＥＬ素子は、透明基板２上に陽極層３、有機層４、及び陰極層５を順に積層してなる情報伝達機能を有する有機ＥＬ素子１において、前記有機層は、前記陽極層側に位置する第一有機層１１と、前記陰極層側に位置する第二有機層１３と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層１２とを少なくとも備えるものであり、前記発光層と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差は、発光層と前記第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層と前記第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に陽極層、有機層、及び陰極層を順に積層してなる情報伝達機能を有する有機ＥＬ素子において、
前記有機層は、前記陽極層側に位置する第一有機層と、前記陰極層側に位置する第二有機層と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層とを少なくとも備えるものであり、
前記発光層と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差は、
発光層と前記第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、
かつ、
発光層と前記第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項２】
透明基板上に陽極層、有機層、及び陰極層を順に積層してなり、前記有機層は、前記陽極層側に位置する第一有機層と、前記陰極層側に位置する第二有機層と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層とを少なくとも備え、前記発光層と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差は、発光層と前記第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層と前記第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下である、有機ＥＬ素子からなる発光素子と、
前記発光素子に光接続された光配線と、
を少なくとも備えたことを特徴とする光インターコネクションモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と略す）及び有機ＥＬ素子を発光素子として用いた光インターコネクションモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子は、コントラスト比が高い、視野角が広い、薄型化が可能であるといった特徴を有しており、ディスプレイなどの分野に応用され始めている。また、有機ＥＬ素子を利用したディスプレイでは駆動用のトランジスタ回路上に発光部を形成するために、通常の素子構造ではトランジスタ部分で発光した光が吸収もしくは散乱されてしまい、外部への取り出し効率が鈍化するという問題がある。この問題を解決するためにガラス基板上に陰極、有機層、陽極の順番に積層されたトップエミッション構造と呼ばれる構造も検討されている。
【０００３】
代表的な有機ＥＬ素子の構造を図１に示す。有機ＥＬ素子は、透明なガラスもしくは透明な樹脂基板の表面に、第一電極層（陽極）、有機層、第二電極層（陰極）が積層された基本構成を有する。
第一電極層（陽極）は、ＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）に代表される透明導電材料から形成される。有機層は、正孔注入層、正孔輸送層，発光層、電子輸送材料層、電子注入層など、複数層から構成される。第二電極層（陰極）はＭｇとＡｇの合金、ＡＩ、Ｃａなどの金属材料で構成される。
【０００４】
有機ＥＬ素子は多くの研究機関で研究開発が進められており、その発光特性（発光効率、最大輝度、消費電力など）は飛躍的に向上してきている。例えば、従来の蛍光材料よりも発光効率の高い燐光材料、低い仕事関数を有する陰極材料、電子と正孔のキャリアバランスの最適化など多くの研究開発が行われている。また、低コスト化が実現可能な製造方法として従来の真空蒸着だけではなくスクリーン印刷やグラビア印刷、インクジェット法などを用いた脱真空プロセスが検討されている。
【０００５】
一方、この有機ＥＬ素子の新しい応用として光インターコネクション用の光源が期待されている。光インターコネクションでは発光素子を用いて電気信号を光信号に変換して、この光信号を受光素子に送信する。最後に、受光素子で光信号を電気信号に変換することで発光素子から受光素子に情報の伝達が行われる。ここで、発光素子から受光素子に情報を伝達させるためには、空間伝搬でも光ファイバなどの光導波路を用いる場合のどちらでも良い。
【０００６】
有機ＥＬ素子を用いた光インターコネクションに関係する公知文猷として、例えば特許文献１や特許文献２が挙げられる。これらに記載されている技術を用いると、光ファイバやポリマー光導波路などの光導波路に光を伝透するための発光素子として有機ＥＬ素子を利用できる。
【０００７】
また、有機ＥＬ素子は蒸着などの方法を用いて、耐熱性がそれほど良くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、複雑な光軸調整や光導波路端面の加工を必要とせずに簡単に光導波路と有機ＥＬ素子を結合できるという利点がある。さらに、光導波路や有機ＥＬ素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光インターコネクションの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【０００８】
有機ＥＬ素子の応答速度を向上させる方法として、例えば特許文献３、特許文献４、特許文献５等に記載の技術が挙げられる。特許文献３に開示された方法では、有機ＥＬ素子の静電容量を小さくすることで応答速度を向上させることができる。また、特許文献４では、バイアス電圧とパルス電圧を重畳した電圧を印加して１００ＭＨｚの応答速度を実現している。さらに、特許文献５では、発光層と隣接して正孔障壁層や電子注入層を設けて応答速度の向上を実現している。
【０００９】
しかしながら、特許文献３や特許文献４で開示されている方法では、有機ＥＬ素子の応答速度は向上するが、光インターコネクション用の光源として有機ＥＬ素子を用いるためには、更なる応答速度の向上が必要となってくる。また、特許文献５で開示されている方法では、有機ＬＥＤの時定数を小さくすることで有機ＥＬ素子の応答速度を早くすることが出来るが、応答速度が最大で２０ＭＨｚ程度であり、実用的な光インターコネクション用の光源としては不十分である。
【特許文献１】特開２００３−１４９５４１号公報
【特許文献２】特開２００３−１４９９５号公報
【特許文献３】特開平５−０２９０８０号公報
【特許文献４】特開２００３−２４３１６７号公報
【特許文献５】特開２００２−３１３５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこのような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、光インターコネクションモジュール等の光通信用途の発光素子として利用可能な高い応答速度を持った有機ＥＬ素子を提供することを第一の目的とする。
【００１１】
また、本発明は、応答速度を向上させた有機ＥＬ素子を光源として備え、光応答特性に優れた光配線モジュールを提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の有機ＥＬ素子は、透明基板上に陽極層、有機層、及び陰極層を順に積層してなる情報伝達機能を有する有機ＥＬ素子において、前記有機層は、前記陽極層側に位置する第一有機層と、前記陰極層側に位置する第二有機層と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層とを少なくとも備えるものであり、前記発光層と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差は、発光層と前記第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層と前記第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の光インターコネクションモジュールは、透明基板上に陽極層、有機層、及び陰極層を順に積層してなり、前記有機層は、前記陽極層側に位置する第一有機層と、前記陰極層側に位置する第二有機層と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層とを少なくとも備え、前記発光層と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差は、発光層と前記第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層と前記第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下である、有機ＥＬ素子からなる発光素子と、前記発光素子に光接続された光配線と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発光層と隣接する第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差を規定することで、正孔や電子の注入効率が高くなる。これにより応答速度を向上させ、光インターコネクションモジュール等の光通信用途の発光素子として利用可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の光インターコネクションモジュールは、高速応答が可能な本発明の有機ＥＬ素子を発光素子として備えることで、光伝播特性に優れたものとなる。また、有機ＥＬ素子を用いることで、耐熱性がそれほど高くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、複雑な光路調整や光導波路端面の加工を必要とせず、筒単に光導波路と有機ＥＬ素子を結合できる。さらに、光導波路や有機ＥＬ素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光インターコネクションモジュールの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る有機ＥＬ素子の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明の有機ＥＬ素子１の一構成例を模式的に示す断面図である。
本発明の有機ＥＬ素子１は、透明基板２上に陽極層３、有機層４、及び陰極層５を順に積層してなる有機ＥＬ素子において、前記陽極層３側に位置する第一有機層と、前記陰極層５側に位置する第二有機層と、前記第一有機層及び第二有機層に挟まれた発光層１２とを少なくとも備えるものである。図１に示す例では、前記有機層４は、陽極層３側から正孔注入層１０、正孔輸送層１１（第一有機層）、発光層１２、電子輸送層１３（第二有機層）、電子注入層１４が順番に積層された構成をなす。
【００１８】
そして本発明の有機ＥＬ素子１は、前記発光層１２と前記第一有機層（正孔輸送層１１）及び第二有機層（電子輸送層１３）との界面におけるエネルギーレベル差は、発光層１２と前記第一有機層との界面における最高占有分子軌道(ＨＯＭＯ)レベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層１２と前記第二有機層との界面における最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）レベル差が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の有機ＥＬ素子１では、発光層１２と隣接する第一有機層（正孔輸送層１１）及び第二有機層（電子輸送層１３）との界面におけるエネルギーレベル差を規定することで、応答速度を向上することができる。このような応答速度の高い有機ＥＬ素子１は、光インターコネクションモジュール等の光通信用途の発光素子として利用することができる。
【００２０】
有機ＥＬ素子の応答速度には、素子の時定数や電極からのキャリア移動時間などが影響を与えることは既に公知の事実として知られているが、後述する実施例において詳述する通り、本発明によって、発光層１２とそれに隣りあう有機層との界面のエネルギーレベル差が有機ＥＬ素子の応答速度に関する関係が初めて明らかにされた。
【００２１】
ここで、電子が発光層１２に注入されるときの注入効率の大きさは、発光層１２とそれに隣り合う陰極側の第二有機層(電子輸送層１３)とのＬＵＭＯレベルの差（以下、ＬＵＭＯレベル差と略す）で表される。また、正孔が発光層１２に注入されるときの注入効率の大きさは、発光層１２とそれに隣り合う陽極側の第一有機層(ここでは正孔輸送層１１)とのＨＯＭＯレベルの差（以下、ＨＯＭＯレベル差と略す）で表わされる。
【００２２】
本発明の有機ＥＬ素子１は、前記発光層１２と前記第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差が前記各実施形態に記載した特徴を有していれば良く、他の構成要素は特に限定されず、従来周知の有機ＥＬ素子と同等の構成とすることができる。例えば図１に示すように、ガラス基板や透明樹脂基板などの透明基板２上に、ＩＴＯ等の透明導電材料からなる陽極層３、発光層１２を含む有機層４、金属薄膜からなる陰極層５を順に積層した基本構成とすることができる。またはガラス基板上に陰極層、有機層、陽極層の順番に積層されたトップエミッション構造とすることもできる。
【００２３】
また、本発明の光インターコネクションモジュールは、上述したような有機ＥＬ素子１からなる発光素子と、前記発光素子に光接続された光配線と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の光インターコネクションモジュールは、高速応答が可能な本発明の有機ＥＬ素子を発光素子として備えることで、光応答特性に優れたものとなる。また、有機ＥＬ素子を用いることで、耐熱性がそれほど高くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、複雑な光路調整や光導波路端面の加工を必要とせず、筒単に光導波路と有機ＥＬ素子を結合できる。さらに、光導波路や有機ＥＬ素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光インターコネクションモジュールの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【００２５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の例示であり、本発明はこれらの実施例にのみ限定されない。
【実施例】
【００２６】
以下に示すように、実施例では、発光層とそれに隣り合う有機層界面におけるエネルギーレベル差と有機ＥＬ素子の応答速度の関係を調べた。
【００２７】
(実施例１)
まず洗浄を行ったガラス基板に酸素プラズマ処理を行うことで表面の有機層を除去した。次に、スパッタ装置を用いて１５０ｎｍの濃厚でＩＴＯ膜からなる陽極層を成膜した後、抵抗線加熱の蒸着装置を用いて有機層と陰極層を成膜した。
【００２８】
ここで、上記有機層は、4,4’-bis-[N-(1-napthyl)-N-phenyl-amino]-biphenyl（α-ＮＰＤ）を４０ｎｍと、ドープ量０．５ｗｔ％の[1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene（ＤＳＢ）ドープ 4,4-bis(2,2-ditolylviny1)biphenyl（ＤＰＶＢi）を２０ｎｍと、として、Bathocuproine（ＢＣＰ）を１０ｎｍと、tris(8-hydroxyquinollne)aluminum)（Ａｌｑ３  ）を２０ｎｍと、を順に成膜した。
最後に、電子注入層と陰極層として、ＬｉＦを０．４ｎｍと、ＭｇとＡｇの合金（重量比９：１）を１５０ｎｍと、を順に成膜することにより有機ＥＬ素子を作製した。
【００２９】
（比較例１）
ガラス基板上に、陽極層としてＩＴＯを１５０ｎｍと、有機層として、(α-ＮＰＤ）を４０ｎｍと、ドープ量０．５ｗｔ％のＤＳＢドープ 4,4'-(bis(9-ethyl-3-carbazovinylene)-1,1'-biphenyl（ＢＣｚＶＢｉ）を２０ｎｍと、ＢＣＰを１０ｎｍと、Ａｌｑ３を２０ｎｍと、電子注入層としてＬｉＦを０．４ｎｍと、陰極層としてＭｇとＡｇの合金（重量比９：１）を１５０ｎｍと、を順に成膜することで有機ＥＬ素子を作製した。
【００３０】
（比較例２）
ガラス基板上に、陽極層としてＩＴＯを１５０ｎｍと、有機層として、(α-ＮＰＤ）を４０ｎｍと、ドープ量０．５ｗｔ％のＤＳＢドープ 4,4'-bis' [9-dicarbazolyl]-2,2'-biphenyl（ＣＢＰ）を２０ｎｍと、ＢＣＰを１０ｎｍと、Ａｌｑ３を２０ｎｍと、電子注入層としてＬｉＦを０．４ｎｍと、陰極層としてＭｇとＡｇの合金（重量比９：１）を１５０ｎｍと、を順に成膜することにより有機ＥＬ素子を作製した。
【００３１】
以上のようにして作製された実施例１、比較例１および比較例２の有機ＥＬ素子について、上記素子構造のエネルギーバンドダイアグラムを図２〜図４にそれぞれ示す。
また、実施例１、比較例１および比較例２の有機ＥＬ素子について、発光層と隣接する有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差とＨＯＭＯレベル差を表１に纏めて示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
有機ＥＬ素子の応答速度を評価するために、作製した有機ＥＬ素子に正弦波電圧を印加した時に出力される光強度の周波数依存性を測定した。この実験系では正弦波電圧発生器で正弦波電圧を発生させて、それをアッテネータと高速増幅器で振幅を７Ｖに制御して有機ＥＬ素子に印加した。また、直流電圧発電器を用いて５Ｖのバイアス電圧を正弦波電圧と合わせてから有機ＥＬ素子に印加した。
【００３４】
ここで、電気回路中はインピーダンス不整合による電気信号の反射損失を防ぐために使用した電子部品の特性インピ−ダンスが全て５０Ωになるように設計した。正弦波電圧の印加によって有機ＥＬ素子から発生した光をアパランシェフオトダイオードで受光して、この光信号を電流信号に変換した。最後にオシロスコープを用いて電気信号の振幅を測定して、有機ＥＬ素子からの出力光の強度を見積もった。
【００３５】
図５に発光強度の周波数依存性の測定結果を示す．実施例１の有機ＥＬ素子は、比較例１及び比較例２の有機ＥＬ素子と比較して、高い周波数帯域での発光強度が強くなった。つまり、実施例１に示した構造の有機ＥＬ素子は応答速度が向上していることが分かる。
【００３６】
この結果は、表１に示したＨＯＭＯレベル差やＬＵＭＯレベル差で説明できる。すなわち、実施例１と比較例１を比較すると、両方ともにＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶであるのに対して、ＨＯＭＯレベル差は実施例１で０．４ｅＶ、比較例２で０．６ｅＶとなった。つまり、発光層中への正孔の注入効率は同程度であるのに対して、電子の注入効率は実施例１の方が高くなる。その結果として、有機ＥＬ素子の応答速度は実施例１の方が速くなったと言える。一方、比較例２はＬＵＭＯレベル差とＨＯＭＯレベル差共に実施例１の方が低い。そのため、実施例１に示した構造の有機ＥＬ素子の方が正孔や電子の注入効率が高くなり、速い応答速度を実現したと言える。
【００３７】
以上説明したように、本発明では、発光層と隣接する第一有機層及び第二有機層との界面におけるエネルギーレベル差を、発光層と第一有機層との界面におけるＨＯＭＯレベル差が０．４ｅＶ以下であり、かつ、発光層と第二有機層との界面におけるＬＵＭＯレベル差が０．１ｅＶ以下、とすることで有機ＥＬ素子の応答速度を向上できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は有機ＥＬ及び有機ＥＬ素子を発光素子として用いた光配線モジュールに広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る有機ＥＬ素子の一例を模式的に示す断面図。
【図２】実施例１にて作製した有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示す図。
【図３】比較例１にて作製した有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示す図。
【図４】比較例２にて作製した有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示す図。
【図５】実施例及び比較例にて作製した有機ＥＬ素子について、電圧印加時の発光強度と周波数との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１  有機ＥＬ素子、２  透明基板、３  陽極層、４  有機層、５  陰極層、１０  正孔注入層、１１  正孔輸送層（第一有機層）、１２  発光層、１３  電子輸送層（第二有機層）、１４  電子注入層。
【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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