(57)【要約】【課題】支持基板と層間絶縁膜との界面における導波モード損失を低減する有機エレクトロルミネセンスデバイスを提供すること。【解決手段】本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、支持基板と、支持基板上の層間絶縁膜と、層間絶縁膜上の陽極と、陽極上の発光層と、発光層上の陰極と、支持基板と層間絶縁膜との間に設けられ、支持基板の屈折率と層間絶縁膜の屈折率との間の屈折率を有する薄膜とを備えている。薄膜の屈折率と層間絶縁膜の屈折率との差よりも薄膜の屈折率と支持基板の屈折率との差の方が小さい。【選択図】図１
2008210717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板上の層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上の陽極と、
前記陽極上の発光層と、
前記発光層上の陰極と、
前記支持基板と前記層間絶縁膜との間に設けられ、前記支持基板の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との間の屈折率を有する薄膜とを備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項２】
支持基板と、
前記支持基板上の層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上の陽極と、
前記陽極上の発光層と、
前記発光層上の陰極と、
前記支持基板と前記層間絶縁膜との間に設けられたゲート電極と、前記層間絶縁膜上に配設されたソース電極、半導体膜及びドレイン電極とを有する薄膜トランジスタと、
前記支持基板と前記層間絶縁膜との間であり且つ前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極の周囲に設けられ、前記支持基板の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との間の屈折率を有する薄膜を備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項３】
前記薄膜の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との差よりも前記薄膜の屈折率と前記支持基板の屈折率との差の方が小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項４】
前記薄膜の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との差が可視域において０．３以上であり、且つ、前記薄膜の屈折率と前記支持基板の屈折率との差が０．１以下であることを特徴とする請求項３に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項５】
前記薄膜の表面は、周期的又は非周期的な凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項６】
前記周期的又は非周期的な凹凸は、サインカーブ形状、ピラミッド形状又は矩形状であることを特徴とする請求項５に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項７】
前記薄膜トランジスタ及び前記陽極が行列状に設けられたことを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか一に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項８】
前記半導体膜は、酸化物半導体でなることを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか一に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイス。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか一に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項８の何れか一に記載の有機エレクトロルミネセンスデバイスを備えたことを特徴とする照明機器。
【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センスデバイスに関する。より詳細には、光取り出し効率を向上することができる有機エレクトロルミネセンスデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴ（Thin  Film  Transistor）駆動の有機エレクトロルミネセンスデバイスは一般的に図２（Ａ）で示す構造を有する。陽極（ＩＴＯ電極）８から注入されたホールと陰極１７から注入された電子は発光層１６を構成する発光層上で再結合して発光する。しかし、発光層からの光の全部を出射させて取り出せるわけではない。発光層１６において発光した光の取り出し効率は非常に低く、２０％前後である。
【０００３】
図２（Ｃ）より、発光層１６から出射した光においては、層間絶縁膜７と支持基板上１との間で損失（光損失）が生じる。この光損失は、導波モードやＳＰＰ励起によって生じ、８０％程度に達することもある。
【０００４】
導波モードによる光損失は、屈折率の差により生じる。図２（Ａ）を参照して具体的に説明する。図２（Ａ）に示すとおり、支持基板１（屈折率n＝１．４５）及び層間絶縁膜７（屈折率n＝２）を有する有機エレクトロルミネセンスデバイスの例においては、両者の屈折率の差によりトラップされる光束が支配的となる。支持基板１と層間絶縁膜７との屈折率の差により光がトラップされ、導波モードが生じる。このトラップされた光は、端面から出射するか又は次第に支持基板１と層間絶縁膜７とに吸収され光損失となる。発光層からの発光は、発光層の向きがランダムであれば等方的で、発光層内を四方八方に伝播し発光層を狭持する界面に達する。
【０００５】
屈折率の大きな媒質から小さな媒質へ進行する光は、ある有限な入射角以上では全反射をする。また、屈折率が小さな媒質から大きな媒質の界面では、透過する成分と反射する成分とに分光する。全反射による損失を除いた光の取り出し効率は、発光層の屈折率ｎと最外部の空気屈折率ｎ＝１とによってのみ決まり、1/2n2程度である。
【０００６】
導波モード損失の低減については各種提案されている。例えば、発光層内の横方向の導波モードに対しては、光のブラッグ散乱が生じるように発光層を回折格子化する技術が開示されている（非特許文献１及び２）。この技術の問題は、発光の角度依存性や発光スペクトルの変化が生じることである。また、この技術は、実際のデバイス構成に対応させることはできない。支持基板内の導波モードに対しては、回折特性や体積拡散性を有する明るさ向上フィルムの技術が特許文献1に開示されている。これは支持基板に対しては有効であるが、内部の導波モード損失に対しては適用できない。
【０００７】
層間絶縁膜７内の導波モード損失を低減するために、非特許文献１及び２で記載されたような陽極に格子構造を付与し、陽極上に発光層を堆積することは高分子型発光層においては好ましくない。また、発光層をスリットコート法やインクジェット等の塗布方法によって形成する場合、発光層の気液界面は平らになる。従って、陽極上に凹凸がある場合、水系の正孔輸送材料を陽極に塗工することは発光層の厚さムラに直結し、発光の均一性が得られなくなる。また、陽極に周期的格子を形成すると、後述の式（２）で示すようにスペクトルの角度依存性が生じるので好ましくない。高分子型発光層においては、明るさ向上フィルムを支持基板に貼り付けることが唯一の有効な損失低減策である。
【０００８】
次に、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）励起による光の損失について説明する。陰極をなす金属（多くの場合アルミニウム、銀等）に近接して存在する双極子モーメントが金属表面にＳＰＰを励起することによって光の損失が生じる。一般にはかなりの発光エネルギーがＳＰＰ励起に費やされてしまい、輻射場と結合する割合が低下している。ＳＰＰ励起による光の損失分は、金属表面上を伝播して、最終的に熱となって散逸する（特許文献２及び非特許文献２参照）。
【０００９】
ＳＰＰ励起による光の損失回復に対しては、陰極の金属に波型の格子構造を導入する技術が開示されている（非特許文献２）。これによれば、フォトレジストに干渉光を照射して、表面に凹凸を形成し、この形成した凹凸構造に後続層を堆積することで、再表層の金属の電極部分に格子構造を再現している。
【００１０】
金属表面に生成されるＳＰＰの波数ｋｓｐは、金属の誘電率εｍと、表面に接触する誘電体の誘電率εｄによって決まり、次式（１）で求められる（ｃは入射光の速さ、ωは角速度）。
【数１】
2008210717.tif 000003
【００１１】
周期構造がないと、ＳＰＰは熱に変化して光の損失となるが、表面に周期Λの格子的変調があると、
ｋsinθ＝ｋｓｐ＋ｎ（２π/Λ）    （ｎ＝±１、±２、  ）  ・・・（２）
を満たす波数ｋの光がθ方向に再輻射される。あるいは、金属表面の欠陥などによってＳＰＰが散乱され輻射光になることもある。これらは発光効率の大幅な増加につながる可能性がある。しかしながら、非特許文献２に記載されている方法は、アクティブマトリクス方式の発光デバイスには適合しない。
【００１２】
このため、アクティブマトリクス方式の発光デバイスに適合させた格子構造が特許文献２に開示されている。これは陽極としての透明電極に格子構造を持たせたもので、基本的には非特許文献１及び２と類似である。しかしながら、高分子型発光層である場合には、ＳＰＰの生成効率は低分子型発光層に較べて少ないと考えられる。ＳＰＰの励起確率は、発光双極子モーメントの方向が金属に垂直な場合において最大となる。蒸着法で製造する低分子型発光層の場合はこれに当てはまる。一方、高分子型発光層では、双極子モーメントが高分子主鎖に平行である場合が殆どで、高分子鎖は陽極と平行に配向する。従って、双極子モーメントが金属表面に垂直となる確率は低分子型発光層と較べて相当低い。よって、導波モードの光の損失がＳＰＰ損失よりも遥かに大きいといえる。
【００１３】
また、光を効率よく取り出すために、電極に凹凸加工を施すことは行われていた。発光層を形成する方法は、印刷やインクジェット法がある。この方法は、有機発光材料を用いた有機エレクトロルミネセンス素子に適用できるだけでなく、無機発光材料を有機バインダー中に分散し湿式法によって層形成を行うエレクトロルミネセンス素子にも適用できる。エレクトロルミネセンス素子においては、発光層を３０〜１００ｎｍ（好ましくは５０〜８０ｎｍ前後）と電極上に非常に薄く形成する必要がある。このとき、電極に凹凸があると、一定の厚みで発光層を構成することができず、発光ムラやショートの原因となってしまう問題がある。また、支持基板そのものに凹凸を設けるという方法では、ゲート電極がゆがんでしまう問題がある。薄膜トランジスタ基板の構造として、支持基板上に、ゲート電極、層間絶縁膜、ドレイン電極及びソース電極の順で形成されるのが一般的である。一方、ゲート電極の厚みにより層間絶縁膜表面に凹凸ができ、その上に形成されたドレイン電極、ソース電極に断線が起きるという問題もある。
【００１４】
【特許文献１】国際公開第02/37568号（発明の名称:Brightness and ContrastEnhancement of direct View Emissive Display,  Chou  他、 2001年）
【特許文献２】特開2004-31350号公報  イーストマンーコダックカンパニー、2004年
【非特許文献１】J.M.Lupton, B.J.Matterson, I.D.W.Samuel,M.J.Jory, and W.L.Barns, Applied Physics Letters, 77巻,3340頁、2000年
【非特許文献２】A.N.Safonov,M.Jory,B.J.Matterson,J.M.Lupton,M.G.Salt, J.A.E.Wasey, W.L.Barns and I.D.W.Samuel, Synthetic Metals, 116巻,145、2001年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、有機エレクトロルミネセンスデバイスにおいて、支持基板と層間絶縁膜との界面における導波モード損失を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施形態によると、支持基板と、前記支持基板上の層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上の陽極と、前記陽極上の発光層と、前記発光層上の陰極と、前記支持基板と前記層間絶縁膜との間に設けられ、前記支持基板の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との間の屈折率を有する薄膜とを備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネセンスデバイスが提供される。
【００１７】
本発明の一実施形態によると、支持基板と、前記支持基板上の層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上の陽極と、前記陽極上の発光層と、前記発光層上の陰極と、前記支持基板と前記層間絶縁膜との間に設けられたゲート電極と、前記層間絶縁膜上に配設されたソース電極、半導体膜及びドレイン電極とを有する薄膜トランジスタと、前記支持基板と前記層間絶縁膜との間であり且つ前記薄膜トランジスタの前記ゲート電極の周囲に設けられ、前記支持基板の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との間の屈折率を有する薄膜を備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネセンスデバイスが提供される。
【００１８】
前記薄膜の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との差よりも前記薄膜の屈折率と前記支持基板の屈折率との差の方が小さくなるようにしてもよい。
【００１９】
前記薄膜の屈折率と前記層間絶縁膜の屈折率との差が可視域において０．３以上であり、且つ、前記薄膜の屈折率と前記支持基板の屈折率との差が０．１以下であるようにしてもよい。
【００２０】
前記薄膜の表面は、周期的又は非周期的な凹凸を有するようにしてもよい。
【００２１】
前記周期的又は非周期的な凹凸は、サインカーブ形状、ピラミッド形状又は矩形状にしてもよい。
【００２２】
前記薄膜トランジスタ及び前記陽極が行列状に設けられるようにしてもよい。
【００２３】
前記半導体膜は、酸化物半導体でなること。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、支持基板と層間絶縁膜との間に薄膜を備えたことにより、支持基板と層間絶縁膜との界面にトラップされた光を外部へ取り出すことが可能となる。よって、本発明によれば、有機エレクトロルミネセンスデバイスにおいて、支持基板及び層間絶縁膜における導波モード損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について、図１を用いて説明をする。
【００２６】
図１（Ａ）は、本実施形態に係る本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスの平面図である。図１（Ａ）に示すとおり、本実施形態に係る本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ１４を有している。ボトムゲート型の薄膜トランジスタ１４は、支持基板１と層間絶縁膜７との間に配設されたゲート電極２と、層間絶縁膜７上に配設されたソース電極５、半導体膜６及びドレイン電極４を有する。半導体膜６は、チャネル形成領域となる。ドレイン電極４は、発光層１６に電流を供給する陽極（ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極）８に接続している。また、本実施形態に係る本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、ゲート電極２と同じ層に蓄積容量電極を設けることも可能である。
【００２７】
層間絶縁膜７は、発光部分２０（正孔輸送層１５／発光層１６／陰極１７／保護膜１８）の底部まで延長して堆積されている。
【００２８】
本実施形態においては、支持基板１にはガラス基板を用い、ゲート電極２には１００〜２５０ｎｍのＩＴＯを用いる。ソース電極５及びドレイン電極４にはＩＴＯを用いる。
【００２９】
本実施形態においては、半導体膜６は酸化物半導体からなる。半導体膜６を構成する酸化物半導体としては、インジウム及びガリウムを含む酸化亜鉛（ＩｎＧａＺｎＯ4）等を用いることができる。チャネルが形成される半導体膜６に酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの製造プロセスにおいては、最高プロセス温度が２００℃程度であり、チャネルが形成される半導体膜にアモルファスシリコン又はポリシリコンを用いる製造プロセスに較べて最高プロセス温度が低い。そのため、支持基板１や薄膜１２に無機材料のみならず、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、ポリメチルメタクリレート等の有機物を用いることができる。
【００３０】
ゲート電極２と半導体膜６とを隔離する層間絶縁膜７には、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＮＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかを用いることができる。本実施形態においては、層間絶縁層７の厚さを２００〜３００ｎｍとする。
【００３１】
発光層１６をなす有機物の屈折率ｎは、概ね１．６〜２である。本実施形態においては、発光層１６として高分子発光体PPV（poly［p-phenylene  vinylene］）を用いている。PPVの屈折率ｎは２である。一方、ゲート電極２及び層間絶縁膜７の屈折率は１．９〜２である。発光層１６と層間絶縁膜７との界面における導波モード損失はそれほど大きくは無い。支持基板１（本実施形態においてはガラス基板）の屈折率は約１．４５であり、層間絶縁膜７と支持基板１との界面における全反射による光損失が大きいと考えられる。
【００３２】
高分子型発光層においては、ＳＰＰによる光の損失は少ないので、導波モードによる光の損失低減が最重要である。そのため、本実施形態に係る本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、支持基板１と層間絶縁膜７との界面において、ゲート電極２を除いた部分（図1の斜線部）の周囲に薄膜１２を備える。この薄膜１２の密度は、支持基板１の密度と層間絶縁膜７の密度との間にあるため密度を変調している部分ということができる。この薄膜１２の屈折率は、層間絶縁膜７の屈折率とは差があり、且つ、支持基板（本実施形態においてはガラス）の屈折率とは差がないことが望ましい。この屈折率の差が大きい方が光の屈折や光の散乱を増大し、支持基板１と層間絶縁膜７との界面おいて光の損失が減るからである。薄膜１２の屈折率と層間絶縁膜７の屈折率の差は０．３以上であることが望ましい。また、支持基板１の屈折率と薄膜１２の屈折率との差は、０．１以下程度であることが望ましい。
【００３３】
ゲート電極２の周囲に薄膜１２を備えることで、ゲート電極２が存在することによる層間絶縁膜７の高低差を低減することができる。そのために、ゲート電極の肩の部分におけるゲートリーク電流が低減され、また、ソース電極５及びドレイン電極４の断線を防止することができる。
【００３４】
薄膜１２は、所定の屈折率を備える材料であれば絶縁性でも導電性でもよい。導電性の材料である場合は、ゲート電極２から一定の距離だけ離す必要がある。ゲート電極２との隔たりを埋めるという観点からは、絶縁材料の方が好ましい。所定の屈折率を備え、所定の厚みで形成できれば、凹凸を設けてもよいし、屈折率の異なる複数種類の樹脂の混合物、例えば、硬化前の樹脂に、樹脂ビーズを混ぜ合わせた組成物の塗布等による膜を用いてもよい。
【００３５】
薄膜１２の構造は非周期的な凹凸でも周期的な凹凸（サインカーブ、ピラミミッド、矩形等）を有していて構わない。周期的変調の周期Λは、波長程度以下（可視波長程度１００〜７００ｎｍ）が好適である。振幅に関しては、概ね波長Λの１／４〜１／１０程度が望ましい。この薄膜１２の周期的な凹凸の高低差は、発光層１６の陽極（ＩＴＯ電極）８に継承されないようにする必要がある。
【００３６】
非周期的な薄膜１２の製法としては、例えば、ＰＭＭＡ、エポキシ樹脂をゲート電極以外に、厚さ７０〜１００ｎｍで塗布して、ＲＩＥ（Reactive  ion  etching）を施すのが容易であった。この方法では、平均粗さ５０ｎｍ、ピーク間隔が１００ｎｍ程度の非周期的な凹凸が形成できた。周期的な薄膜１２の製法としては、例えば、感光性ポリイミド樹脂を支持基板１上に塗布して、周期的な開口を有するマスクを用いて露光現像すればよい。なお、薄膜１２の製法は、ここで説明した例に限定されない。
【００３７】
水系の正孔輸送層１５をスリットコートする場合、発光ムラをなくすためには、陽極（ＩＴＯ電極）８表面の凹凸高低差を１０ｎｍ以下にする必要があった。支持基板１上において凹凸形成が容易で且つ屈折率を選択することができる薄膜１２の材料は有機材料である。例えば、薄膜１２に用いる有機材料としては、ＰＭＭＡ、ポリイミド系、アクリル系、エポキシ系樹脂が挙げられる。可視域での屈折率は、化学構造によって異なるが、ＰＭＭＡで１．５、アクリル樹脂で１．４〜１．６、ポリイミド系で１．５〜１．７５程度であり。本実施形態に係る本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスにおいては、薄膜１２は、その屈折率が支持基板１の屈折率に近い材料を選択する。
【００３８】
ゲート電極２は、支持基板１上に形成するが、抵抗を低くするには膜厚は厚い方が好ましい。一方、膜厚は厚くすると、その上にスパッタリング法で堆積する層間絶縁膜７が段差を持つことになる。そうなるとゲート電流のリークが生じやすくなり、また、微細なソース電極５、ドレイン電極４が断線しやすくなる。そのため、ゲート電極２は薄い方が望ましい。
【００３９】
このゲート電極２に、隣接して薄膜１２を設けると、ゲート電極２の段差が薄膜１２の厚み分低減する。発光部の陽極８に継承される凹凸の程度と、必要なゲート電極２の抵抗とのバランスを考慮し、ゲート電極２の厚み、層間絶縁膜７の厚みを最適化するのが望ましい。
【００４０】
本実施形態においては、例えば、ゲート電極２の厚さを８０〜１２０ｎｍとし、層間絶縁膜７の厚さを２００〜３００ｎｍとする。層間絶縁膜７は、周期２００〜５００ｎｍ、平均厚さ８０ｎｍ、高低差３０ｎｍ程度が望ましい形態であった。本実施形態においては、陽極（ＩＴＯ電極）８の凹凸は概ね１０ｎｍ程度に減少しており、その上の材料を印刷する上での不適合、膜厚ムラによる発光上の問題はなかった。
【００４１】
本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、種々の電子機器の操作パネルや情報表示パネルに用いることができる。本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスを用いた電子機器としては、テレビ、携帯電話、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯ゲーム機、ノートパソコン、ＰＤＡ等が挙げられる。
【００４２】
また、本発明の有機エレクトロルミネセンスデバイスは、照明装置の発光モジュールや、電子機器のディスプレイのバックライトモジュールとしても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施形態に係る有機エレクトロルミネセンスデバイスの平面図である。（Ｂ）は（Ａ）をＦ−Ｆ線で切った断面図である。（Ｃ）は（Ｂ）のＡ断面図である。
【図２】（Ａ）は従来の有機エレクトロルミネセンスデバイスの平面図である。（Ｂ）は（Ａ）をＦ−Ｆ線で切った断面図である。（Ｃ）は（Ｂ）のＡ断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  支持基板
２  ゲート電極
４  ドレイン電極
５  ソース電極
６  半導体膜
７  層間絶縁膜
８  陽極（ＩＴＯ電極）
９  ゲート保護膜
１２  薄膜
１５  正孔輸送層
１６  発光層
１７  陰極
１８  保護層
【図１】
2008210717.tif 000004
【図２】
2008210717.tif 000005