(57)【要約】【課題】強磁性体を含む金属材料から有機材料に効率良くスピン偏極した正孔や電子を注入でき、発光効率の高い発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、通電によって発光し、強磁性陽極（陽極）１２及び強磁性陰極（陰極）１６と、強磁性陽極１２及び強磁性陰極１６間に形成された有機エレクトロルミネッセンスにより発光する有機物層１４と、絶縁体からなる絶縁体層１３、１５とを備え、強磁性陽極１２と強磁性陰極１６とが、強磁性体を含む強磁性体層１２ｂ、１６ａを有し、絶縁体層１３、１５が、ＭｇＯからなる層を有し、強磁性体層１２ｂ、１６ａと有機物層１４との間に形成されることを特徴とする。更に、発光素子１Ｃは、絶縁体層１３、１５と有機物層１４との間に導電性ポリマを含む導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃを備えることを特徴とする。【選択図】図１
2008166034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電によって発光する発光素子であって、
陽極と、
陰極と、
前記陽極及び前記陰極間に形成された有機エレクトロルミネッセンスにより発光する有機物層と、
絶縁体からなる絶縁体層と、
を備え、
前記陽極、又は、前記陰極が、強磁性体を含む強磁性体層を有し、
前記絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有し、前記強磁性体層と前記有機物層との間に形成されることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
通電によって発光する発光素子であって、
陽極と、
陰極と、
前記陽極及び前記陰極間に形成された有機エレクトロルミネッセンスにより発光する有機物層と、
絶縁体からなる絶縁体層と、
を備え、
前記陽極、及び、前記陰極が、強磁性体を含む強磁性体層を有し、
前記絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有し、少なくとも一方の前記強磁性体層と、前記有機物層との間に形成されることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記絶縁体層と前記有機物層との間に更に導電性ポリマを含む導電性ポリマ層を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ＭｇＯからなる層が、前記有機物層と隣接することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子を含む表示装置。
【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（有機ＥＬ；organic electroluminescence）により発光する発光素子及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像等の表示装置において、有機ＥＬディスプレイの開発が盛んに行われている。この有機ＥＬディスプレイでは、基板に、陽極及び陰極の２つの電極に挟まれた有機物層を形成してサブピクセル（発光素子）を構成し、陽極及び陰極の間を通電することで、各々のサブピクセルの有機物層が有機ＥＬによって発光する。
【０００３】
ここで、図４を参照して、従来の有機ＥＬを用いた発光素子について説明する。図４は、従来の発光素子の構成を模式的に示す拡大断面図、（ａ）は、従来の一般的な発光素子の拡大断面図、（ｂ）は、従来の強磁性体層を有する発光素子の拡大断面図である。
【０００４】
図４（ａ）に示すように、発光素子１００は、基板１１０上に積層された、陽極１１１と、ホール輸送層１１２ａ、発光層１１２ｂ及び電子輸送層１１２ｃからなる有機物層１１２と、陰極１１３とを順に備えている。陽極１１１は透明な導電体から形成され、また、陰極１１３は導電体から形成されている。
【０００５】
そして、この陽極１１１と陰極１１３との間を通電すると、陽極１１１からは正孔がホール輸送層１１２ａに注入され、一方、陰極１１３からは電子が電子輸送層１１２ｃに注入される。そうすると、正孔及び電子はそれぞれホール輸送層１１２ａ及び電子輸送層１１２ｃ内を輸送されて発光層１１２ｂに注入される。そして、注入された正孔と電子とは、発光層１１２ｂの内部において再結合する。この再結合が起こった際のエネルギで周りの分子が励起され、励起された励起子（エキシトン）が励起状態から再び基底状態に戻る際に光が発生する。この光は、ホール輸送層１１２ａ、陽極１１１及び基板１１０を透過して外部に出射する。
【０００６】
また、図４（ｂ）に示すように、発光素子１００Ａは、図４（ａ）に発光素子１００の構成に加えて、陽極１１１及び有機物層１１２の間に強磁性体層１１４Ａと、有機物層１１２及び陰極１１３の間に強磁性体層１１５Ａとを備えている。そして、陽極１１１と陰極１１３との間を通電すると、強磁性体層１１４Ａからは正孔がホール輸送層１１２ａに注入され、また、強磁性体層１１５Ａからは電子が電子輸送層１１２ｃに注入される。そして、発光層１１２ｂが発光する。
【０００７】
このとき、強磁性体層１１４Ａ、１１５Ａの磁化の方向と注入される電子のスピン偏極率とによって、発光層１１２ｂにおいて励起されるシングレットエキシトン（一重項励起子）とトリプレットエキシトン（三重項励起子）の発生確率が変化する（非特許文献１参照）。そのため、強磁性体層１１４Ａ、１１５Ａを有する発光素子１００Ａでは、発光効率を向上させられるとともに、磁界によって発光を制御することができる。
【０００８】
更に、電子輸送層に電子を注入する陰極に、電子輸送層側にＡｌ２Ｏ３からなる絶縁体の層の形成されたＡｌ膜を用いることで、Ａｌ２Ｏ３の層を介してトンネル現象によって電子が電子輸送層に注入され、電流注入効率が向上することが開示されている（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】A. H. Davis, et al, "Organic luminescent devices and magnetoelectronics", Journal of Applied Physics, May 15, 2003, Volume 93, Issue 10, pp. 7358-7360
【非特許文献２】H. Tang, et al, "Bright high efficiency blue organic light-emitting diodes with Al2O3/Al cathodes", Applied Physics Letters, November 3, 1997, Volume 71, Issue 18, pp. 2560-2562
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１によれば、強磁性体等のスピン偏極した材料から有機材料にスピン偏極した正孔及び電子（キャリア）を注入することで、発光素子の発光効率を向上させられることが理論的に予測されるが、強磁性体やそれらを含む金属材料から有機材料に対しては、その仕事関数の違いから効率の良い正孔や電子の注入が困難であった。そして、非特許文献２に記載されるように、絶縁体の層を介して正孔や電子を注入することで金属材料から有機材料への正孔及び電子の注入効率を向上させることができるものの、強磁性体を含む金属材料から有機材料に効率良く正孔や電子を注入できる絶縁体がないため、発光効率の大変低いものしか得られなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するために成されたもので、強磁性体を含む金属材料から有機材料に効率良くスピン偏極した正孔や電子を注入でき、発光効率の高い発光素子及び表示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】
【００１１】
前記問題を解決するために、本発明者らは、発光素子の発光効率を向上させるため、強磁性体を含む層と、発光層を含む有機材料からなる層との間に介在させる絶縁体の層において、正孔や電子の注入効率を向上させられる成分について鋭意検討を行った。その結果、絶縁体層の材料としてＭｇＯを用いるとトンネル電流が流れやすくなり、強磁性体を含む層と有機材料からなる層との間で高効率に正孔や電子を注入できることを見出して本発明を創作するに至った。
【００１２】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発光素子は、通電によって発光する発光素子であって、陽極と、陰極と、前記陽極及び前記陰極間に形成された有機エレクトロルミネッセンスにより発光する有機物層と、絶縁体からなる絶縁体層とを備え、前記陽極、又は、前記陰極が、強磁性体を含む強磁性体層を有し、前記絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有し、前記強磁性体層と前記有機物層との間に形成される構成とした。
【００１３】
かかる構成によれば、発光素子は、陽極及び陰極間を通電すると、強磁性体層が陽極にある場合にはスピン偏極正孔が、強磁性体層が陰極にある場合にはスピン偏極電子が、強磁性体層から有機物層に注入される。そして、絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有するため、この絶縁体層を介して強磁性体層から有機物層への高効率のキャリアのトンネル注入が可能となる。ここで、絶縁体層にＭｇＯを用いると、ショットキーバリアが減少し、強磁性体層から有機物層へトンネル電流が流れやすくなると考えられる。これによって、発光素子は、強磁性体層から有機物層へ効率的にキャリアを注入することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発光素子は、通電によって発光する発光素子であって、陽極と、陰極と、前記陽極及び前記陰極間に形成された有機エレクトロルミネッセンスにより発光する有機物層と、絶縁体からなる絶縁体層とを備え、前記陽極、及び、前記陰極が、強磁性体を含む強磁性体層を有し、前記絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有し、少なくとも一方の前記強磁性体層と、前記有機物層との間に形成される構成とした。
【００１５】
かかる構成によれば、発光素子は、陽極及び陰極間を通電すると、陽極側ではスピン偏極正孔が、陰極側ではスピン偏極電子が、強磁性体層から有機物層に注入される。そして、絶縁体層が、ＭｇＯからなる層を有するため、この絶縁体層を介して強磁性体層から有機物層への高効率のキャリアのトンネル注入が可能となる。これによって、発光素子は、強磁性体層から有機物層へ効率的にキャリアを注入することができる。
【００１６】
更に、陽極及び陰極との両方が強磁性体層を有することで、強磁性体層の磁化の方向によって、有機物層に注入するスピンの向きを調整することが可能になる。そのため、発光素子は、２つの強磁性体層の磁化の方向を調整することによって、発生する光の量をコントロールすることが可能になる。
【００１７】
更に、請求項３に記載の発光素子は、請求項１又は請求項２に記載の発光素子において、前記絶縁体層と前記有機物層との間に更に導電性ポリマを含む導電性ポリマ層を備える構成とした。かかる構成によれば、発光素子は、導電性ポリマ層によって絶縁体層と有機物層との間のエネルギ障壁を低下させて、効率的にキャリアを注入することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発光素子は、請求項１又は請求項２に記載の発光素子において、前記ＭｇＯからなる層が、前記有機物層と隣接する構成とした。かかる構成によれば、ＭｇＯからなる層は有機物層との密着性が高く、また、バンド構造に起因して電子スピンを注入しやすくなるため、発光素子は更に効率的に強磁性体層から有機物層にキャリアを注入することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載の表示装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子を含む構成とした。かかる構成によれば、表示装置は、発光効率の高い発光素子によって表示することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る発光素子及び表示装置では、以下のような優れた効果を奏する。請求項１に記載の発明によれば、強磁性体層から有機物層へ効率的にスピン偏極したキャリアを注入することができるため、発光効率の高い発光素子を提供することができる。そのため、低電圧で駆動でき、かつ、消費電力の低い発光素子とすることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、強磁性体層から有機物層へスピン偏極したキャリアを効率的に注入することができるとともに、強磁性体層の磁化の方向によって、注入する電子のスピンの向きを調整することができ、有機物層において光を発生する一重項のエキシトンを多く発生させることで、発光効率の更に高い発光素子を提供することができる。そのため、低電圧で駆動でき、かつ、消費電力の低い発光素子とすることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、エネルギ障壁を低下させて強磁性体層から有機物層へ更に効率的にキャリアを注入することができ、より発光効率の高い発光素子を提供することができる。請求項４に記載の発明によれば、絶縁体層と有機物層との密着性を高めることで強磁性体層から有機物層へ更に効率的にキャリアを注入することができ、より発光効率の高い発光素子を提供することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、発光効率の高い表示装置となり、低電圧で駆動でき、かつ、消費電力を低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［発光素子の構成］
まず、図１を参照して、本発明における発光素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃの構成について説明する。図１は、本発明における発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ａ）は、強磁性体層及び絶縁体層をそれぞれ陽極側と陰極側とに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｂ）は、強磁性体層をそれぞれ陽極側と陰極側とに、絶縁体層を陽極側のみに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｃ）は、強磁性体層及び絶縁体層を陰極側のみに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｄ）は、強磁性体層、絶縁体層及び導電性ポリマ層をそれぞれ陽極側と陰極側とに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、発光素子１は、強磁性陽極１２と強磁性陰極１６との間を通電することで、有機エレクトロルミネッセンスにより発光するものである。ここで、発光素子１は、基板１１の表面に複数の層が積層された積層構造を有し、この基板１１上に、強磁性陽極１２と、絶縁体層１３と、有機物層１４と、絶縁体層１５と、強磁性陰極１６とを順に備えている。
【００２６】
なお、本発明における発光素子１に使用する基板１１は、当該技術分野において用いられる様々な透明な板やフィルムから適宜選択できる。例えば、本発明における発光素子１に使用する基板１１の具体例として、ガラス、ポリカーボネイト等を挙げることができる。また、基板１１の厚みも最終製品である発光素子１の用途に応じて適宜選択されるが、一般的には０．０１〜２ｍｍ程度が好ましい。以下、発光素子１を構成する各層について説明する。
【００２７】
（強磁性陽極）
強磁性陽極（陽極）１２は、強磁性体を含む強磁性体層１２ｂを有する陽極である。ここでは、強磁性陽極１２は、陽極層１２ａ及び強磁性体層１２ｂから構成される。このように、陽極を強磁性体層１２ｂを有する強磁性陽極１２とすることで、有機物層１４にスピン偏極正孔を注入することができる。
【００２８】
（陽極層）
陽極層１２ａは、図示しない電源と電気的に接続される、透明な電子伝導体又は半導体からなる層である。この陽極層１２ａは、本発明の作用効果を損なわないものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ；インジウムドープ酸化スズ）や酸化スズ（ＳｎＯ２）等によって形成することができる。なお、陽極層１２ａの形成方法は、当該技術分野における様々な方法、例えば真空蒸着法やスパッタリング法等によって行うことができる。
【００２９】
（強磁性体層）
強磁性体層１２ｂ、１６ａは、強磁性体を含む膜であり、スピン偏極正孔及びスピン偏極電子の供給源となるものである。そして、強磁性体層１２ｂ、１６ａから有機物層１４にスピン偏極正孔及びスピン偏極電子を注入することで、発光層１４ｂの発光効率を向上させることができる。
【００３０】
この強磁性体層１２ｂ、１６ａは、金属系の強磁性体、例えば、Ｃｏ単体、Ｆｅ単体、Ｎｉ単体や、ＮｉＦｅ等のＮｉとＦｅとの合金、ＣｏＦｅ等のＣｏとＦｅとの合金、Ｃｏを含む磁性合金、Ｎｉを含む磁性合金、Ｆｅを含む磁性合金、導電性のある酸化物磁性材料であるフェライト（Ｆｅ３Ｏ４等）、Ｃｒを含む酸化物磁性材料（ＣｒＯ２等）、透明磁性半導体であるＴｉＯ２−Ｃｏ（ＣｏドープＴｉＯ２）、ホイスラ合金等を含んで形成することができる。なお、ホイスラ合金とは、組成がＸＹＺもしくはＸ２ＹＺで表される金属材料であり、ここで、Ｘ及びＹは遷移金属、Ｚは半導体もしくは非磁性金属である。
【００３１】
特に、スピン偏極率の高いＦｅ３Ｏ４、ＣｒＯ２、Ｃｏを含むホイスラ合金、特にＣｏ２ＹＺ（Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒのうちの少なくとも１つであり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ及びＳｎのうちの少なくとも１つである）で表されるホイスラ合金や、ＣｏＦｅＢは、スピン偏極正孔及びスピン偏極電子の供給源として効果が高いため好ましい。また、透明磁性半導体であるＴｉＯ２−Ｃｏは、発光層１４ｂにおいて発光した光を吸収することなく取り出すことができるため、透明でない強磁性材料と比べて光の取り出し効率が高くなる。なお、強磁性体層１２ｂの形成方法は、当該技術分野における様々な方法、例えば真空蒸着法やスパッタリング法等によって行うことができる。
【００３２】
ここで、強磁性体層１２ｂは、陽極層１２ａに隣接して形成され、スピン偏極した正孔の供給源となる。また、強磁性体層１６ａは、陰極層１６ｂに隣接して形成され、スピン偏極した電子の供給源となる。このように、陽極層１２ａと有機物層１４との間、及び、有機物層１４と陰極層１６ｂとの間の両方に強磁性体層１２ｂ、１６ａを形成することで、強磁性体層１２ｂ、１６ａの磁化の方向によって、有機物層１４に注入するスピンの向きを調整して、発光効率を向上させることが可能になる。
【００３３】
ここで、発光に関わるエキシトンは、そのスピン状態によって、以下の状態（１）〜（４）の４種類ある。なお、“｜＞”は量子状態を表すケットベクトルである。また、“↓”は下向きのスピン、“↑”は上向きのスピンを表し、陰極の電子のスピン状態を“｜↑＞ｅ”及び“｜↓＞ｅ”、陽極の正孔のスピン状態を“｜↑＞ｈ”及び“｜↓＞ｈ”とする。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
蛍光発光材料の場合は一重項のエキシトンのみが発光することが知られている。ここで、非特許文献１によれば、注入される電子及び正孔がスピン偏極し、かつ、陽極と陰極の磁化方向が角度φをなしている場合には、一重項のエキシトンの発生確率ｗｓは、以下の式（５）のように表され、両極の磁化方向の相対角である角度φに依存する。この角度φによって、発生確率ｗｓを０％〜５０％と変えることができるようになる。なお、Ｐｅは、電子のスピン偏極率、Ｐｈは、正孔のスピン偏極率である。
ｗｓ＝（１／４）・［１−ＰｅＰｈｃｏｓ（φ）］      …（５）
【００３６】
そして、強磁性を持たない陽陰極からの電子及び正孔の注入では、通常、一重項のエキシトンの発生確率ｗｓは２５％までしか大きくならないが、強磁性陰極１６及び強磁性陽極１２からそれぞれ電子及び正孔を注入することで、発生確率ｗｓを変化させることができるだけでなく、大幅に発光効率を向上させることができるようになる。
【００３７】
なお、強磁性体層１２ｂ、１６ａの磁性材料の膜厚を変えることで、磁化方向を制御することができる。例えば、強磁性体層１２ｂ、１６ａを構成する磁性材料としてＣｏＦｅを用いる場合、強磁性陽極１２側の強磁性体層１２ｂを膜厚３ｎｍ、強磁性陰極１６の強磁性体層１６ａを１０ｎｍとすることで、強磁性体層１２ｂのみ磁化方向を反転させることが可能となる。これによって、強磁性体層１２ｂ、１６ａを、磁化方向が逆向きになるように形成することができる。
【００３８】
（絶縁体層）
絶縁体層１３、１５は、絶縁体からなる層で、トンネル効果により強磁性体層１２ｂ、１６ａからのキャリアを効率良くホール輸送層１４ａ及び電子輸送層１４ｃに注入するためのものである。強磁性体層１２ｂ、１６ａから直接有機物層１４に対しては、仕事関数の違いから効率良くキャリアを注入することが困難であるが、これらの層の間に絶縁体層１３、１５を介在させることで、トンネル効果によりキャリアを効率良く注入することができる。この絶縁体層１３、１５は、絶縁体からなり、かつ、ＭｇＯからなる層を含んで形成されている。
【００３９】
ここで、ＭｇＯからなる層を強磁性体層１２ｂと有機物層１４との間、及び、有機物層１４と強磁性体層１６ａとの間に介在させると、ショットキーバリアが減少しトンネル電流が流れやすくなる。そのため、絶縁体層１３、１５が、ＭｇＯからなる層を含んで形成されることで、高効率のキャリアのトンネル注入が可能となる。また、ＭｇＯは、有機物層１４との密着性が高く、更に、ＭｇＯの層の上に隣接して有機物層１４を形成する場合には、ＭｇＯの表面エネルギが有機材料の成長に良い影響を与え、ＭｇＯの層と有機物層１４との密着性をより高めるとともに、有機物層１４の膜質を向上させることができる。そのため、このＭｇＯからなる層が有機物層１４に隣接して形成されることで、更に高効率にキャリアを注入することが可能になり、より好ましい。
【００４０】
この絶縁体層１３、１５は、各々ＭｇＯ単層のみから形成されていてもよいし、ＭｇＯからなる層と、それ以外の絶縁体からなる層とを積層して形成されていてもよい。そして、絶縁体層１３、１５がＭｇＯからなる層と、それ以外の絶縁体からなる層とを積層して形成される場合にＭｇＯとともに積層構造を形成するＭｇＯ以外の絶縁体としては、本発明の作用効果を損なわないものであれば特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＨｆＯ、ＺｒＯ２及びＴｉＯ２等の材料が、緻密な絶縁体層を形成できてピンホールのないトンネル注入が可能となるため好ましく、Ａｌ２Ｏ３は熱伝導が高く熱拡散層として機能することで、発光素子１の寿命を延ばすことができるため、より好ましい。しかしながら、絶縁体層１３、１５が、ＭｇＯのみによって形成されていることが更に好ましい。
【００４１】
絶縁体層１３、１５の形成方法は、所望の膜厚のＭｇＯからなる絶縁体層を形成できる方法であれば特に限定されるものではないが、所定の厚みのＭｇＯ層を容易に成膜できるという観点からスパッタリング法もしくは真空蒸着法が好ましい。スパッタリングの場合の条件は、例えば高周波電力３０〜２０００Ｗ、ガス圧０．０７〜５Ｐａである。また、
真空蒸着法の場合の条件は、抵抗加熱式では１００〜５００Ｗ程度、電子銃方式では１００〜３００ｍＡ程度である。更に、絶縁体層１３、１５は、膜厚が０．３〜４ｎｍに形成されていることが好ましい。特に、有機物層１４を成膜した以降の成膜、ここでは、絶縁体層１５、強磁性体層１６ａ及び陰極層１６ｂの成膜は、スパッタリングではなく真空蒸着によって行うことが望ましい。これは、条件によっては、スパッタリングで発生するプラズマが有機物層１４にダメージを与える可能性があるためである。
【００４２】
ここで、絶縁体層１３は、強磁性体層１２ｂに隣接して形成され、強磁性体層１２ｂから供給された正孔をトンネル効果によりホール輸送層１４ａに注入する。一方、絶縁体層１５は、強磁性体層１６ａに隣接して形成され、強磁性体層１６ａから供給された電子をトンネル効果により電子輸送層１４ｃに注入する。このように、発光素子１が、強磁性体層１２ｂと有機物層１４との間、及び、有機物層１４と強磁性体層１６ａとの間のそれぞれに絶縁体層１３、１５を備えることで、正孔と電子との両方の注入効率を向上させられ、発光素子１の発光効率を大きく向上させることができる。
【００４３】
（有機物層）
有機物層１４は、絶縁体層１３と絶縁体層１５との間に形成され、正孔注入を絶縁体層１３を介して強磁性体層１２ｂから、電子注入を絶縁体層１５を介して強磁性体層１６ａから受けて有機エレクトロルミネッセンスにより発光するものである。有機物層１４は、ホール輸送層１４ａと、発光層１４ｂと、電子輸送層１４ｃとを備えている。
【００４４】
ホール輸送層１４ａは、絶縁体層１３を介して強磁性体層１２ｂから正孔注入を受けて、この正孔を発光層１４ｂに輸送するものである。このホール輸送層１４ａは、例えば、芳香族３級アミンであるα−ＮＰＤ（ジフェニルナフチルジアミン）等からなる。
【００４５】
発光層１４ｂは、ホール輸送層１４ａと電子輸送層１４ｃとの間に形成され、ホール輸送層１４ａからの正孔と、電子輸送層１４ｃからの電子とを再結合させることで、励起子を生成して発光するものである。この発光層１４ｂは、例えば、キノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ３）等のホスト材料に微量（例えば、０．１〜１質量％）のドーパントを添加した材料から形成することができる。このドーパント材料には、Ｃｏｕｍａｒｉｎ６（クマリン６）や、ＤＣＪＴＢ［4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran］などを用いることができる。
【００４６】
電子輸送層１４ｃは、絶縁体層１５を介して強磁性体層１６ａから電子注入を受けて、電子を発光層１４ｂに輸送するものである。この電子輸送層１４ｃは、例えば、キノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ３）や、シロール誘導体（ＰｙＰｙＳＰｙＰｙ）から形成することができる。
【００４７】
なお、ここでは、有機物層１４が、ホール輸送層１４ａと、発光層１４ｂと、電子輸送層１４ｃとを備えていることとしたが、本発明の発光素子１の有機物層１４は、少なくとも発光層１４ｂを備えていればよい。なお、この有機物層１４は、当該技術分野における様々な方法、例えば、真空蒸着法や塗布法により成膜することができる。
【００４８】
（強磁性陰極）
強磁性陰極（陰極）１６は、強磁性体を含む強磁性体層１６ａを有する陰極である。ここでは、強磁性陰極１６は、強磁性体層１６ａ及び陰極層１６ｂから構成される。このように、陰極を強磁性体層１６ａを有する強磁性陰極１６とすることで、有機物層１４にスピン偏極電子を注入することができる。
【００４９】
（陰極層）
陰極層１６ｂは、図示しない電源と電気的に接続される、電子伝導体又は半導体からなる層である。この陰極層１６ｂは、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｈｆ又はＷや、これらのうちの２種類以上を組み合わせた合金によって形成することができる。なお、陰極層１６ｂの形成方法は、当該技術分野における様々な方法、例えば真空蒸着法やスパッタリング法等によって行うことができる。
【００５０】
なお、この発光素子１は、基板１１の表面に、陽極層１２ａと、強磁性体層１２ｂと、絶縁体層１３と、有機物層１４と、絶縁体層１５と、強磁性体層１６ａと、陰極層１６ｂとを順に積層することにより作製することができる。
【００５１】
また、ここでは、陽極層１２ａ側に強磁性体層１２ｂ及び絶縁体層１３を、陰極層１６ｂ側に絶縁体層１５及び強磁性体層１６ａを備える発光素子１について説明したが、図１（ｂ）に示すような、陽極層１２ａ側のみに絶縁体層１３を備え、絶縁体層１５を備えない発光素子１Ａとしてもよいし、図１（ｃ）に示すような、陰極層１６ｂ側のみに絶縁体層１５及び強磁性体層１６ａを備え、強磁性陽極１２の代わりに陽極１２Ｂを備え、絶縁体層１３を備えない発光素子１Ｂとしてもよい。そして、発光素子１と同様に、発光素子１Ａは、強磁性体層１２ｂから有機物層１４に絶縁体層１３を介して効率良くスピン偏極正孔を注入することができ、また、発光素子１Ｂは、強磁性体層１６ａから有機物層１４に絶縁体層１５を介して効率良くスピン偏極電子を注入することができ、発光層１４ｂの発光効率を向上させることができる。なお、陽極１２Ｂは、陽極層１２ａと同様のもので構成することができる。
【００５２】
更に、図１（ｄ）に示すように、発光素子１［図１（ａ）参照］の絶縁体層１３と有機物層１４との間に導電性ポリマ層１８Ｃを、絶縁体層１５と有機物層１４との間に導電性ポリマ層１９Ｃを更に備える発光素子１Ｃとしてもよい。以下、発光素子１Ｃに含まれる導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃについて説明する。なお、発光素子１Ｃ内の導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃ以外の層は、図１（ａ）に示したものと同一であるので、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
（導電性ポリマ層）
導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃは、絶縁体層１３と有機物層１４との間、及び、絶縁体層１５と有機物層１４との間に形成され、導電性ポリマからなる層である。導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃは、絶縁体層１３と有機物層１４との間、及び、絶縁体層１５と有機物層１４との間のエネルギ障壁を低下させるバッファ層として機能する。これによって、ホール輸送層１４ａ及び電子輸送層１４ｃに対して、更に効率的にキャリアを注入することができる。
【００５４】
この導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃは、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）や、プリチオフェン等によって形成することができる。この導電性ポリマ層１８Ｃ、１９Ｃは、当該技術分野における様々な方法、例えば塗布法や真空蒸着法等によって行うことができる。
【００５５】
なお、本発明の発光素子は、陽極層１２ａ側及び陰極層１６ｂ側の一方のみに強磁性体層（１２ｂ又は１６ａ）、絶縁体層（１３又は１５）及び導電性ポリマ層（１８Ｃ又は１９Ｃ）を備える構成としてもよい。更に、ここでは、強磁性陽極１２が陽極層１２ａ及び強磁性体層１２ｂから構成され、強磁性陰極１６が強磁性体層１６ａ及び陰極層１６ｂから構成されることとしたが、本発明の発光素子の強磁性陽極及び強磁性陰極は、強磁性体層を有していればよく、例えば、強磁性体層のみから構成されることとしてもよい。また、本発明の発光素子は、図１（ａ）〜（ｄ）に示した発光素子１〜１Ｃの各層の間にバッファ層（図示せず）や、導電体からなる層（図示せず）を更に備える構成としてもよいし、基板１１と陽極層１２ａの間や陰極層１６ｂの上に、更に保護層等を備えることとしてもよい。また、ここでは、発光素子１〜１Ｃは、基板１１上に陽極層１２ａから順に積層された構成としたが、順番を逆にして基板１１上に陰極層１６ｂから順に積層された構成としてもよい。
【００５６】
［表示装置の構成］
次に、本発明の表示装置（図示せず）の構成について説明する。本発明の表示装置は、本発明の発光素子（１、１Ａ、１Ｂ又は１Ｃ）を有する。本発明の表示装置は、例えば、基板１１上に２次元方向に発光素子（１、１Ａ、１Ｂ又は１Ｃ）を複数配列して複数のサブピクセルを形成することで、有機ＥＬディスプレイとして構成することとしてもよい。そして、発光素子（１、１Ａ、１Ｂ又は１Ｃ）を備える構成とすることで、本発明の表示装置は、発光効率の高い表示装置となる。
【００５７】
［発光素子の動作］
続いて、図１（ａ）を参照して、本発明における発光素子１の発光の動作について説明する。なお、発光素子１Ａ〜１Ｃも同様の動作であるため、ここでは発光素子１の場合についてのみ説明することとする。
【００５８】
まず、陽極層１２ａと陰極層１６ｂとの間を通電すると、強磁性体層１２ｂから供給されたスピン偏極正孔は、絶縁体層１３をトンネル効果により通過してホール輸送層１４ａに注入され、ホール輸送層１４ａから発光層１４ｂに輸送される。同時に、強磁性体層１６ａから供給されたスピン偏極電子は、絶縁体層１５をトンネル効果により通過して電子輸送層１４ｃに注入され、電子輸送層１４ｃから発光層１４ｂに輸送される。そして、発光層１４ｂにおいて、ホール輸送層１４ａからの正孔と、電子輸送層１４ｃからの電子とが再結合し、励起子が生成されて発光する。
【実施例】
【００５９】
以下、図２を参照して、本発明に係る実施例について具体的に説明する。図２は、本発明における実施例の発光素子及び比較例の発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図である。
【００６０】
（表示装置の作製）
まず、図２に示すような発光素子１Ｄを作製した。ここでは、発光素子１Ｄをサブピクセルとして基板１１上に２次元方向に複数配列した有機ＥＬディスプレイ（表示装置、図示せず）を作製した。
【００６１】
まず、ガラスからなる基板１１上に、スパッタリング法によってＩＴＯを１５０ｎｍの膜厚で成膜し、短冊状にパターニングして陽極層１２ａを形成した。続いて、陽極層１２ａと同じ形状のメタルマスク（図示せず）を基板１１上に設置した。
【００６２】
そして、陽極層１２ａ及びメタルマスクの上に強磁性体層１２ｂを形成した。このとき、表１に示すように、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２については、スパッタリング法によってＣｏＦｅを膜厚３ｎｍに成膜し、比較例３については、Ｆｅを膜厚３ｎｍに成膜した。なお、ここでは成膜時に磁界を印加することで、強磁性体層１２ｂはその磁界の方向に磁化されている。
【００６３】
その後、絶縁体層１３を形成した。このとき、表１に示すように、実施例１、実施例２については、イオンビームスパッタリング法によってＭｇＯを膜厚２ｎｍに成膜し、比較例１及び比較例２については、Ａｌ２Ｏ３を膜厚１．５ｎｍに成膜した。このとき、室温で、ビーム電圧８５０Ｖ、電流１００ｍＡ、ガス圧０．０２ＰａでＭｇＯ及びＡｌ２Ｏ３のスパッタリングを行った。また、比較例３については、絶縁体層１３を形成しなかった。
【００６４】
続いて、導電性ポリマ層１８Ｃを形成した。このとき、表１に示すように、実施例１、比較例１及び比較例３については、導電性ポリマ層１８Ｃを形成せず、実施例２及び比較例２については、塗布法によってＰＥＤＯＴを膜厚２０ｎｍに成膜した。
【００６５】
そして、真空蒸着法によってα−ＮＰＤを成膜してホール輸送層１４ａとし、更にＡｌｑ３を成膜して発光層１４ｂとした。その後、陽極層１２ａに直交するメタルマスク（図示せず）を基板１１上に設け、バッファ層２０ＤとしてＬｉＦと、陰極層１６ｂとしてＡｌとを順に真空蒸着して成膜した。
【００６６】
【表１】
2008166034.tif 000004
【００６７】
実施例１及び実施例２は、いずれも本発明で規制した条件を満足するものである。一方、比較例１から比較例３はＭｇＯからなる絶縁体層１３を備えないものである。
【００６８】
（発光素子の評価）
このように作製された本発明に係る実施例１及び実施例２と、本発明で規制した条件を満足しない比較例１〜３の発光素子１Ｄを有する表示装置に電流を通電し、電圧・発光特性、外部量子効率、電流・発光特性及び電流・電圧特性を調べた。測定結果を図３に示す。図３は、実施例及び比較例の発光素子の発光特性を示すグラフ、（ａ）は、電圧と輝度の関係を示すグラフ、（ｂ）は、電流密度と輝度の関係を示すグラフ、（ｃ）は、電流密度と外部量子効率特性の関係を示すグラフ、（ｄ）は、電圧と電流密度の関係を示すグラフである。
【００６９】
図３（ａ）の比較例１における電圧と輝度の関係３３を見ると、発光しはじめる電圧である閾値電圧が１５Ｖと大変高いが、実施例１における電圧と輝度の関係３１を見ると、閾値電圧が１０Ｖ以下に低減しており、実施例１では比較例１に比べて効率良く発光層１４ｂにスピン偏極正孔の注入ができていることが分かった。更に、それぞれ導電性ポリマ層１８Ｃを有する実施例２における電圧と輝度の関係３２と、比較例２における電圧と輝度の関係３４とを比較すると、実施例２は比較例２に比べて低電圧化が図れることが分かった。
【００７０】
なお、比較例３における電圧と輝度の関係３５と、実施例１における電圧と輝度の関係３１とを比較すると、閾値電圧に大差がないものの、図３（ｂ）の実施例１、比較例１及び比較例３における電流密度と輝度の関係４１、４３及び４５に示すように、実施例１では、比較例１及び比較例３に比べて、流した電流に対して輝度が大きいことが確認された。そのため、図３（ｃ）の実施例１、比較例１及び比較例３における電流密度と外部量子効率の関係５１、５３及び５５に示すように、実施例１では、比較例１及び比較例３に比べて外部量子効率が大きく向上することが確認された。
【００７１】
一方で、図３（ｄ）の実施例１及び比較例３における電圧と電流密度の関係６１及び６５に示すように、実施例１に比べて比較例３は、低電圧において電流密度は高いものの、図３（ｂ）の比較例３における電流密度と輝度の関係４５に示すように電流密度あたりの輝度が低い。このことから比較例３では正孔が効率よく注入されていないことが分かる。すなわち、電子が陰極層１６ｂから陽極層１２ａに一方的に流れているだけで正孔の生成がないことが分かる。
【００７２】
また、実施例２及び比較例２における電流密度と外部量子効率の関係５２、５４に示すように、実施例２についても、比較例２に比べて外部量子効率が向上することが確認された。
【００７３】
更に、導電性ポリマ層１８Ｃを備えない実施例１と導電性ポリマ層１８Ｃを備える実施例２とを比較すると、図３（ａ）に示すように、実施例２は、実施例１に比べて閾値電圧が大きく低下し、また、図３（ｂ）に示すように、流した電流に対して輝度が大きく、そのため、図３（ｃ）に示すように、外部量子効率が大きく向上した。
【００７４】
なお、比較例３は強磁性体層１２ｂをＦｅにより形成したが、ＣｏとＦｅとでは仕事関数が近い（Ｃｏは４．４１、Ｆｅは４．４７）ことから、強磁性体層１２ｂがＣｏＦｅからなる場合と同様の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明における発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ａ）は、強磁性体層及び絶縁体層をそれぞれ陽極側と陰極側とに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｂ）は、強磁性体層をそれぞれ陽極側と陰極側とに、絶縁体層を陽極側のみに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｃ）は、強磁性体層及び絶縁体層を陰極側のみに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図、（ｄ）は、強磁性体層、絶縁体層及び導電性ポリマ層をそれぞれ陽極側と陰極側とに備える発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図である。
【図２】本発明における実施例の発光素子及び比較例の発光素子の構成を模式的に示した拡大断面図である。
【図３】本発明における実施例の発光素子及び比較例の発光素子の発光特性を示すグラフ、（ａ）は、電圧と輝度の関係を示すグラフ、（ｂ）は、電流密度と輝度の関係を示すグラフ、（ｃ）は、電流密度と外部量子効率特性の関係を示すグラフ、（ｄ）は、電圧と電流密度の関係を示すグラフである。
【図４】従来の発光素子の構成を模式的に示す拡大断面図、（ａ）は、従来の一般的な発光素子の拡大断面図、（ｂ）は、従来の強磁性体層を有する発光素子の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  発光素子
１１    基板
１２ａ    陽極層
１２ｂ、１６ａ  強磁性体層
１３、１５  絶縁体層
１４    有機物層
１４ａ  ホール輸送層
１４ｂ  発光層
１４ｃ  電子輸送層
１６ｂ    陰極層
１８Ｃ、１９Ｃ  導電性ポリマ層
【図１】
2008166034.tif 000005
【図２】
2008166034.tif 000006
【図３】
2008166034.tif 000007
【図４】
2008166034.tif 000008