(57)【要約】【課題】応答速度が改善された有機ＥＬ素子の提供。【解決手段】透明基板上に誘電体多層膜フィルタを成膜し、該誘電体多層膜フィルタ上に第一電極層、ホスト材料とゲスト材料からなる発光層を含む有機層、第二電極層を順に積層してなり、前記誘電体多層膜フィルタと第二電極層との間に共振器が形成された有機ＥＬ素子であって、ホスト材料のＨＯＭＯレベルがゲスト材料のＨＯＭＯレベルよりも低く、且つホスト材料のＬＵＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも高くなっていることを特徴とする有機ＥＬ素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に誘電体多層膜フィルタを成膜し、該誘電体多層膜フィルタ上に第一電極層、ホスト材料とゲスト材料からなる発光層を含む有機層、第二電極層を順に積層してなり、前記誘電体多層膜フィルタと第二電極層との間に共振器が形成された有機ＥＬ素子であって、
ホスト材料のＨＯＭＯレベルがゲスト材料のＨＯＭＯレベルよりも低く、且つホスト材料のＬＵＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも高くなっていることを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項２】
ホスト材料のＨＯＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも０．２ｅＶ以上小さい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】
請求項１又は２に記載の有機ＥＬ素子を用いた光配線モジュール。
【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を用いた発光素子に関し、特に応答速度を向上せしめた有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す。）及び該有機ＥＬ素子を用いた光配線モジュールに関する。本発明の有機ＥＬ素子は、パルスおよび正弦波電圧印加時の応答速度を向上できるので、フラットパネルディスプレイや照明、光配線モジュールといった用途で用いる有機ＥＬ素子に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子は、透明なガラス若しくは透明な樹脂からなる透明基板の表面に、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。
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若しくは散乱されてしまい、外部への取り出し効率が悪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】
一般的な有機ＥＬ素子の第一電極層（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。また、有機層は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送材料層、電子注入層などの複数層から構成される。さらに、第二電極層（陰極）は、Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ、Ｃａなどの金属材料で構成される。
【０００４】
有機ＥＬ素子は、多くの研究機関等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、光配線モジュール用の光源が期待されている。この光配線モジュールは、光ファイバやポリマー光導波路の両端に発光素子や受光素子を実装した構造をしており、発光素子を用いて電気信号を光信号に変換し、この光信号を光ファイバやポリマー光導波路を通して、受光素子に送る。最後に、受光素子で光信号を電気信号に変換して通信を行っている。
【０００６】
従来、有機ＥＬ素子を用いた光配線モジュールとしては、例えば、特許文献１，２に記載された技術が提案されている。
特許文献１，２に開示された従来技術を用いることによって、光ファイバやポリマー光導波路に光を伝送するための発光素子として、有機ＥＬ素子を利用することができる。
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、簡単に光導波路と有機ＥＬ素子と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、光配線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。
【０００７】
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３，４に開示された技術が提案されている。
特許文献３に開示された従来技術では、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。
また、特許文献４に開示された従来技術では、発光層の隣に正孔障壁層を設けて応答速度の向上を実現している。
さらに、特許文献５には、共振器構造を利用すると、単色性の優れた有機ＥＬ素子を実現できることが記載されている。
【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２００３−２４３１５７号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３５５３号公報
【特許文献５】特開２００３−１５１７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３や特許文献４に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ものの、ここに開示されている有機ＥＬ素子は自然放出光を利用していることから、１００ＭＨｚを超える応答速度を達成することは困難である。さらなる応答速度の向上のためには、無機半導体材料を利用したレーザのように誘導放出を積極的に起こす必要がある。光配線モジュールとしては、１００ＭＨｚ程度の応答速度では、応用範囲が限定されてしまうので、幅広い分野に有機ＥＬ素子を用いた光配線モジュールを適用するためには、さらなる応答速度の向上が必須である。
特許文献５には、共振器構造を用いて単色性の優れた有機ＥＬ素子を実現することが記載されているものの、有機ＥＬ素子の応答速度に関しての記載はない。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、応答速度が改善された有機ＥＬ素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、透明基板上に誘電体多層膜フィルタを成膜し、該誘電体多層膜フィルタ上に第一電極層、ホスト材料とゲスト材料からなる発光層を含む有機層、第二電極層を順に積層してなり、前記誘電体多層膜フィルタと第二電極層との間に共振器が形成された有機ＥＬ素子であって、ホスト材料のＨＯＭＯレベルがゲスト材料のＨＯＭＯレベルよりも低く、且つホスト材料のＬＵＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも高くなっていることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。
【００１１】
本発明の有機ＥＬ素子において、ホスト材料のＨＯＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも０．２ｅＶ以上小さいことが好ましい。
【００１２】
また本発明は、前述した本発明に係る有機ＥＬ素子を用いた光配線モジュールを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の有機ＥＬ素子は、発光層のホスト材料のＨＯＭＯレベルが発光層のゲスト材料のＨＯＭＯレベルよりも低く、且つホスト材料のＬＵＭＯレベルがゲスト材料のＬＵＭＯレベルよりも高いものなので、共振器構造を用いた有機ＥＬ素子において、応答速度を向上することができる。従って、本発明によれば、高速動作可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、後述する実施例は本発明の単なる例示であり、本発明の範囲を限定するためのものではない。
【００１５】
（実施例１，比較例１）
図１は、本発明に係る有機ＥＬ素子の実施例１の断面図を示す。この実施例１の有機ＥＬ素子は、透明基板であるガラス基板１の表面に誘電体多層膜フィルタ５を成膜し、この誘電体多層膜フィルタ５上に有機ＥＬ素子を作製した構成になっている。この有機ＥＬ素子は、誘電体多層膜フィルタ５上にＩＴＯからなる第一電極層２、有機層３、Ｍｇ：Ａｇからなる第二電極層４を順番に積層して構成されている。また、前記有機層３は、第一電極層２側から、α−ＮＰＤ層（正孔輸送層）、ｒｕｂｒｅｎｅ：Ａｌｑ３層（発光層）、Ａｌｑ３層（電子輸送層）、ＬｉＦ層（電子注入層）を順番に積層した構造になっている。
【００１６】
まず、ガラス基板１上に、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５とを交互に積層して誘電体多層膜フィルタ５を作製した。ここで、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の厚さは、有機ＥＬ素子の発光スペクトルの中心波長の１／４として、それぞれ８６．３２ｎｍと５６．８５ｎｍとした。また、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５との組数は４組とした。
【００１７】
この誘電体多層膜フィルタ５上に、ＩＴＯ（１００ｎｍ）／α−ＮＰＤ（４０ｎｍ）／ｒｕｂｒｅｎｅ：Ａｌｑ３（２０ｎｍ）／Ａｌｑ３（４０ｎｍ）／ＬｉＦ（０．４ｎｍ）／Ｍｇ：Ａｇ（１５０ｎｍ）／Ａｇ（１００ｎｍ）の順番に成膜することで有機ＥＬ素子を作製した。
【００１８】
また、比較例１として、誘電体多層膜フィルタ５を作製していないガラス基板１上に、実施例１と同じ第一電極層２、有機層３、第二電極層４を成膜して有機ＥＬ素子を作製した。
【００１９】
ここで、誘電体多層膜フィルタ５と第二電極層４とで構成される共振器長は、有機ＥＬ素子の発光スペクトルの中心波長と次式（１）〜（３）で関連付けされている。
【００２０】
【数１】
2008085142.tif 000003
【００２１】
【数２】
2008085142.tif 000004
【００２２】
【数３】
2008085142.tif 000005
【００２３】
式（１）〜（３）中、Ｌ（λ）は共振器長、ｎｅｆｆは誘電体多層膜フィルタの等価屈折率、ΔｎはＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の屈折率差、ｎｊとＬｊは共振器中に存在するＩＴＯや有機層のそれぞれの屈折率と厚さ、λは有機ＥＬ素子の発光スペクトルの中心波長、ｎｓは陰極（第二電極層）に接している有機層の屈折率、ｎｍとｋｍは陰極の屈折率の実部と虚部、ｍはモード次数を示している。
【００２４】
実施例１の素子構造では、発光スペクトルの中心波長が５６０ｎｍであり、使用した有機層やＩＴＯ、Ｍｇ：Ａｇなどの膜厚や屈折率を前記式中に代入して計算した結果、モード次数ｍ＝４が得られた。
【００２５】
図２は、実施例１と比較例１のそれぞれの有機ＥＬ素子に５Ｖの正弦波電圧と７Ｖのバイアス電圧を印加したときの、光出力の周波数依存性の測定結果を示すグラフである。
図２から分かるように、実施例１（共振器あり）と比較例１（共振器なし）を比較すると、前者の方があきらかに高周波特性が向上している。この結果は、共振器構造を用いた有機ＥＬ素子により応答速度を改善できることを示している。
【００２６】
ここで、この有機ＥＬ素子における発光層である、ｒｕｂｒｅｎｅ：Ａｌｑ３のホスト材料であるＡｌｑ３とゲスト材料であるｒｕｂｒｅｎｅのＨＯＭＯレベル（電子によって占有されている分子軌道のうち最もエネルギーの高い軌道）とＬＵＭＯレベル（電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い軌道）は下記表１で表される。
【００２７】
【表１】
2008085142.tif 000006
【００２８】
本例では、ホスト材料のＨＯＭＯレベルよりもゲスト材料のＨＯＭＯレベルが高く、またホスト材料のＬＵＭＯレベルよりもゲスト材料のＬＵＭＯレベルが低いため、ホスト材料とゲスト材料の間で効率的な電荷（電子と正孔）の移動が起きて、ゲストのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間で電子と正孔が再結合するので、高い発光効率を実現できる。また、ゲスト材料のＬＵＭＯレベルに正孔が常時蓄えられているために、陰極から注入された電子との再結合を起こすための時間が短くなり、有機ＥＬ素子の応答速度が向上する。さらに、発光層近傍で正孔と電子の濃度が高くなるために、共振器中で反転分布を形成する割合が増加し、応答速度の飛躍的な増加が期待される。
【００２９】
（比較例２，比較例３）
比較例２として、図３に示すように、実施例１と同じく透明基板１上に成膜した誘電体多層膜フィルタ５上に、ＩＴＯ（１００ｎｍ）／α−ＮＰＤ（２８ｎｍ）／ｃｏｕｍａｒｉｎ６：Ａｌｑ３（２０ｎｍ）／Ａｌｑ３（２２ｎｍ）／ＬｉＦ（０．４ｎｍ）／Ｍｇ：Ａｇ（１５０ｎｍ）／Ａｇ（１００ｎｍ）の順番に成膜することで有機ＥＬ素子を作製した。この構造も、前記式（３）のモード次数はｍ＝４となる。
【００３０】
また、比較例３として、誘電体多層膜フィルタを成膜していないガラス基板１上に比較例２と同じ有機ＥＬ素子を作製した。
【００３１】
図４は、比較例２と比較例３のそれぞれの有機ＥＬ素子に５Ｖの正弦波電圧と７Ｖのバイアス電圧を印加したときの、光出力の周波数依存性の測定結果を示すグラフである。
図４から分かるように、比較例２（共振器あり）と比較例３（共振器なし）を比較すると、後者の方があきらかに高周波特性が向上している。この比較においては、ｃｏｕｍａｒｉｎ６：Ａｌｑ３を発光層に用いた素子では、共振器構造にすると応答速度が遅くなるという結果になった。
【００３２】
ここで、発光層のｃｏｕｍａｒｉｎ６：Ａｌｑ３のホスト材料であるＡｌｑ３とゲスト材料であるｃｏｕｍａｒｉｎ６のＨＯＭＯレベルとＬＵＭＯレベルは下記表２で表される。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
本例では、実施例１と同様にホスト材料のＬＵＭＯレベルよりもゲスト材料のＬＵＭＯレベルの方が低いが、ＨＯＭＯレベルはゲスト材料の方が低くなっている。そのため、一度ホスト材料のＨＯＭＯレベルからゲスト材料のＨＯＭＯレベルへ移動した電子が、エネルギー適に安定なホスト材料のエネルギーレベルに戻ってしまい、効率的に電子と正孔の再結合が起きない。また、ゲスト材料のＨＯＭＯレベルに大量の電子が存在できなくなり、反転分布が形成されなくなり、共振器構造を用いても応答速度が向上しないと推測される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施例１の有機ＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図２】実施例１と比較例１の測定結果を示すグラフである。
【図３】比較例２の有機ＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図４】比較例２と比較例３の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１…ガラス基板（透明基板）、２…第一電極層、３…有機層、４…第二電極層、５…誘電体多層膜フィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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