(57)【要約】【課題】  透明導電膜を含めた発光層上部の膜の合計した光透過性を向上させ、かつ電子注入効率を向上させて有効な発光強度が得られるようにした、トップエミッション型のエレクトロルミネセンス素子を提供する。【解決手段】  本発明の有機ＥＬ素子は、トップエミッション型のエレクトロルミネセンス素子であり、基板１と、基板１表面に設けられた電極２と、電極２表面に設けられた正孔注入層３と、正孔注入層３表面に設けられた発光層４と、発光層４上に設けられた、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物と還元剤とが還元反応して形成された還元反応部５と、還元反応部５上に設けられた透明導電膜８と、を有している。還元反応部５は、発光層４に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトロルミネセンス素子であり、
基板と、
該基板表面に設けられた電極と、
該電極表面に設けられた正孔注入層と、
該正孔注入層表面に設けられた発光層と、
該発光層上に設けられた、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物と還元剤とが還元反応して形成された還元反応部と、
該還元反応部上に設けられた透明導電膜と、を有し、
上記還元反応部が、上記発光層に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有することを特徴とするエレクトロルミネセンス素子。
【請求項２】
上記還元剤がアルミニウムであることを特徴する請求項１記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項３】
上記還元反応部についての可視光の透過率が５０％を越えることを特徴とする請求項１又は２記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項４】
エレクトロルミネセンス素子の製造方法であり、
基板表面に電極を設ける工程と、
該電極表面に正孔注入層を設ける工程と、
該正孔注入層表面に有機膜の発光層を形成する工程と、
該発光層表面にアルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層を設ける工程と、
該アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層の上に還元剤を設け、上記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物と還元剤とを還元反応させて還元反応部を形成する工程と、
該還元反応部表面に透明導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴するエレクトロルミネセンス素子の製造方法。
【請求項５】
上記還元剤がアルミニウムであることを特徴する請求項４記載のエレクトロルミネセンス素子の製造方法。
【請求項６】
上記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層の厚さを、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に形成することを特徴とする請求項４又は５記載のエレクトロルミネセンス素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロルミネセンス素子に関し、特に素子上部から発光した光を取り出すいわゆるトップエミッション型のエレクトロルミネセンス素子の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロルミネセンス（以下、ＥＬ）素子は、表示用または照明用の発光素子として有用であり、特に、低電圧で使用可能な有機ＥＬ素子は非常に省電力に適した表示または発光素子として期待されている。
この有機ＥＬ素子は、通常、２つの電極に有機層が挟まれた構造で構成されている。
【０００３】
従来、ＴＦＴを形成したガラス基板側（ガラス基板に対して接している素子面）から光を取り出す構造の、いわゆるボトムエミッション型の有機ＥＬ素子が良く用いられるが、同一基板に他の回路を構成させて、高機能な素子を作製しようとする場合、ガラス基板上に形成された素子上部（ガラス基板に対して反対の素子面）から光を取り出す構造の、いわゆるトップエミッション型の有機ＥＬ素子を作製する必要がある。
このようなトップエミッション型の有機ＥＬ素子は、ガラス基板上に形成される、駆動に必要な回路等が放射光の透過の障害にならず、開口率を向上させ、高輝度・高精細を実現するものとなる。
【０００４】
この場合、素子上部に透明電極を用いる必要があるため、有機膜の上に電子注入層として、低仕事関数の金属を薄く形成し、この金属の表面にＩＴＯを堆積させる構成が用いられている（特許文献１参照）。
すなわち、上記構成では、有機膜の素子のトップ（陰極側）から光を取り出すため、キャリア注入効果、すなわち電子の注入効果を持つ電子注入層として、アルカリまたはアルカリ土類金属を薄く付けている。この電子注入層は、膜厚が薄いために抵抗が高く、これをそのまま電極として用いるのは難しい。したがって、その上部に透過率の高い透明導電膜（透明電極、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）：酸化インジウムスズ）をスパッタによって形成している。
【特許文献１】特開平８−１８５９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記アルカリまたはアルカリ土類金属は低仕事関数の金属であるため、非常に酸化しやすい。
そのため、ＩＴＯをスパッタリングプロセスで作製すると、酸素雰囲気でのスパッタ効果によってアルカリまたはアルカリ土類金属が酸化され、電子の注入効率が低下して素子特性が劣化してしまう。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、透明導電膜を含めた発光層上部の膜の合計した光透過性を向上させ、かつ電子注入効率を向上させて有効な発光強度が得られるようにした、トップエミッション型のエレクトロルミネセンス素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の有機エレクトロルミネセンス素子は、エレクトロルミネセンス素子であり、基板と、該基板表面に設けられた電極と、該電極表面に設けられた正孔注入層と、該正孔注入層表面に設けられた発光層と、該発光層上に設けられた、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物と還元剤とが還元反応して形成された還元反応部と、該還元反応部上に設けられた透明導電膜と、を有し、上記還元反応部が、上記発光層に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有することを特徴としている。
【０００８】
このエレクトロルミネセンス素子によれば、還元反応部が、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物と還元剤とが還元反応して形成されているので、特に製造時において、この還元反応によって低仕事関数のアルカリ金属またはアルカリ土類金属が生成する。そして、このアルカリ金属またはアルカリ土類金属は、生成するとすぐに発光層側に移動し、発光層の上層部にドープされる。すると、ドープされたアルカリ金属またはアルカリ土類金属は、発光層の上層部にてドーピング材となり、ここで電子注入性を発揮させるように機能する。したがって還元反応部は、結果的に、発光層に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有するものとなる。
【０００９】
また、上記有機エレクトロルミネセンス素子においては、上記還元剤がアルミニウムであるのが好ましい。
アルミニウムは比較的安定であり導電性も高いので、これが還元反応後に未反応物として還元反応部中に残留しても、これは透明導電膜の形成時に酸化されにくく、したがって導電性の低下が抑制される。また、未反応物として残留したアルミニウムは、透明導電膜とともに電極として機能するようになる。
【００１０】
また、上記有機エレクトロルミネセンス素子においては、上記還元反応部についての可視光の透過率が５０％を越えるのが好ましい。
還元反応後に未反応物として還元反応部中に残留する還元剤が多ければ、還元反応部での透明性（光透過率）の低下の度合いが高くなる。逆に、未反応物として還元反応部中に残留する還元剤が少なければ、還元反応部での透明性（光透過率）の低下は抑えられる。そこで、この還元反応部についての可視光の透過率が５０％を越えるように形成することにより、光透過性が向上して発光強度が高まるとともに、未反応の還元剤に由来する透明導電膜形成時の酸化による還元剤の酸化物が少なくなり、この酸化物による導電性の低下が抑えられて良好な発光特性が得られるようになる。
【００１１】
本発明のエレクトロルミネセンス素子の製造方法は、エレクトロルミネセンス素子の製造方法であり、基板表面に電極を設ける工程と、該電極表面に正孔注入層を設ける工程と、該正孔注入層表面に有機膜の発光層を形成する工程と、該発光層表面にアルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物を設ける工程と、該アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層の上に還元剤を設け、上記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層と還元剤とを還元反応させて還元反応部を形成する工程と、該還元反応部表面に透明導電膜を形成する工程と、を有することを特徴としている。
【００１２】
このエレクトロルミネセンス素子の製造方法によれば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物の上に還元剤を設け、これらアルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層と還元剤とを還元反応させて還元反応部を形成するので、この還元反応時に、低仕事関数のアルカリ金属またはアルカリ土類金属が生成する。このアルカリ金属またはアルカリ土類金属は、生成するとすぐに発光層側に移動し、発光層の上層部にドープされる。すると、ドープされされたアルカリ金属またはアルカリ土類金属は、発光層の上層部にてドーピング材となり、ここで電子注入性を発揮させるように機能する。したがって還元反応部は、結果的に、発光層に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有するものとなる。
【００１３】
また、上記有機エレクトロルミネセンス素子の製造方法においては、上記還元剤がアルミニウムであるのが好ましい。
前述したようにアルミニウムは比較的安定であり導電性も高いので、これが還元反応後に未反応物として還元反応部中に残留しても、これは透明導電膜の形成時に酸化されにくく、したがって導電性の低下が抑制される。また、未反応物として残留したアルミニウムは、透明導電膜とともに電極として機能するようになる。
【００１４】
また、上記有機エレクトロルミネセンス素子の製造方法においては、上記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層の厚さを、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に形成するのが好ましい。
このようにすれば、厚さを０．５ｎｍ以上とすることにより、還元剤と反応して十分な量のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を生成し、これがドーピング材となることで良好な電子注入性を発揮させるようになる。また、１０ｎｍ以下であることにより、還元剤と反応して生成したアルカリ金属またはアルカリ土類金属がより確実に発光層側に移動してドーピング材となり、したがってこのアルカリ金属またはアルカリ土類金属が還元反応部中に残留し、透明導電膜形成時に酸化されてしまうことで導電性が低下してしまうことがより確実に抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態である、トップエミッション型の有機ＥＬ素子について説明する。図１は上記有機ＥＬ素子の積層構造の概要を示す模式的な断面図である。
基板１は、トップエミッション型の有機ＥＬ素子であれば、不透明な半導体または絶縁性基板等である（また、点灯時に両面から発光する透明有機ＥＬ素子であれば、透明なガラス基板である）。
【００１６】
電極２は、基板１の表面に形成されたもので、Ａｌ（アルミニウム），Ａｇ（銀），Ｃｕ（銅）等の金属や、透明導電材料（特に、透明有機ＥＬ素子の場合）などが、電極材料として用いられる。
正孔注入層３は、電極２から供給される正孔を、効率よく発光層４に、すなわち有機ＥＬ層に注入するためのものである。
このため、正孔注入層３は、真空準位に対して仕事関数の大きい材料、例えば、膜厚５０ｎｍ〜１００ｎｍのトリフェニルアミン誘導体等により形成されている。
【００１７】
発光層４は、有機薄膜層として、膜厚５０ｎｍ程度のジスチリルビフェニル誘導体等が用いられる。
還元反応部５は、後述するように発光層４に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有したもので、金属化合物層と還元剤としての還元性金属とが還元反応したことにより、形成されたものである。
透明導電膜８は、配線等に用いられる透明な導電膜であり、膜厚１００ｎｍ程度のＩＴＯによって形成されたものである。
【００１８】
ここで、本発明における有機ＥＬ素子の構造の特徴点は、還元反応部５にある。還元反応部５を形成するための金属化合物層は、電子注入効率のよい仕事関数の低い金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等のアルカリ金属及びＣａ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属及びＢｅ、Ｍｇ）を含む金属化合物、例えば、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ２Ｏ）、酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化ルビジウム（ＲｂＦ）、フッ化セシウム（ＣｓＦ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等のうち１種または２種以上を含有する。これらは単独でも、２種以上を混合して用いても良く、混合して用いる場合の混合比率は任意である。
【００１９】
また、還元剤としての還元性金属は、上記金属化合物を還元できる金属であれば特に限定されることなく種々のものが使用可能である。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やナトリウム、カルシウム、マグネシウム、セリウム（Ｃｅ）等が挙げられ、特にアルミニウムが好適に用いられる。後述するように、上記の金属化合物を生成した後、アルミニウム等の還元性金属を蒸着等によって形成すると、還元性金属（例えばアルミニウム）の揮発原子が上記金属化合物（例えばアルカリ金属化合物）を還元し、低仕事関数で電子注入層となるアルカリ金属原子を生成させる（Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ、２２巻、１１号、１４１６ページ、２０００年）。
【００２０】
例えば、金属化合物としてＬｉＦ（フッ化リチウム）を用い、還元性金属としてアルミニウムを用いると、還元反応部５においては、「３ＬｉＦ＋Ａｌ→３Ｌｉ＋ＡｌＦ３」の反応、すなわち金属化合物（ＬｉＦ）に対する還元反応が起こる。すると、生成したＬｉは発光層４側に移動し、発光層４の上層部にドープされる。ドープされたＬｉは、発光層４の上層部にてドーピング材となり、ここで電子注入性を発揮させるように機能する。したがって還元反応部５は、結果的に、発光層４に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有するものとなる。
また、これにより還元反応部５は、特にこのように電子注入性向上を発現させるべく、生成金属を発光層４側にドープした後には、この金属とは別の生成物である還元性金属化合物（上記例ではＡｌＦ３）がその主成分となり、未反応の還元性金属や、アルカリあるいはアルカリ土類金属、さらには発光層４側に移動しきれなかった生成金属を一部に含有するものとなる。
【００２１】
なお、金属化合物層および還元性金属（還元剤）のそれぞれの成膜量については、特に限定されないものの、これらが化学量論的に過不足なく反応し、したがって上記の未反応物が残らないようなモル比に形成されているのが好ましい。ただし、特に金属化合物層が厚くなり過ぎると、仮にその全量がアルカリあるいはアルカリ土類金属に還元されたとしても、膜厚が厚いことで生成したアルカリあるいはアルカリ土類金属が発光層４側に移動しきれず、結果として還元反応部５中に多く残ってしまうことになる。すると、この還元反応部５の上に透明導電膜８が形成された際、還元反応部５中に残ったアルカリあるいはアルカリ土類金属が酸化されてしまい、還元反応部５の導電性の低下を招いてしまう。したがって、特に金属化合物層の厚さについては、これの上に設けられる還元性金属の厚さに関係なく、所定厚さ以下とするのが好ましく、具体的には、後述するように１０ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００２２】
また、本有機ＥＬ素子を、点灯時に両面から発光する透明有機ＥＬ素子として形成する場合には、電極２としてその透明性を確保するためＩＴＯまたはＳｎＯ２を用い、基板１として透明性のガラスあるいはポリエステルなどの高分子フィルムを用いればよい。
【００２３】
次に、図１に示す有機ＥＬ素子を製造するための製造方法の一例を説明する。
まず、絶縁膜である基板１表面に、膜厚１００ｎｍの例えばＣｕの電極２をスパッタ法により堆積させる。
また、真空蒸着法により、上記電極２の表面に、正孔注入層３として膜厚６０ｎｍのトリフェニルジアミンを形成する。
さらに、この正孔注入層３の表面に、発光層４として膜厚４０ｎｍのジスチリルビフェニルを形成する。
【００２４】
次に、還元反応部５の形成を行うため、図２（ａ）に示すように発光層４の表面上に、金属化合物層６として、例えば膜厚５ｎｍのＬｉＦを１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空下での真空蒸着法によって堆積させる。
続いて、このＬｉＦからなる金属化合物層６の表面上に、図２（ｂ）に示すように還元性金属層７として、金属化合物層６と同様に厚さの膜厚５ｎｍのＡｌを１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空下での真空蒸着法によって堆積させる。
【００２５】
すると、前述したようにＡｌによってＬｉＦが還元されることにより、Ｌｉ原子が生成してこれが発光層４表面に供給され、発光層４の上層部中にドープされる。したがって、ドープされたＬｉが発光層４の上層部にてドーピング材となり、ここで電子注入性を発揮させるように機能する。また、このようにして金属化合物層６と還元性金属層７とが反応することにより、これらの積層部分は前述したように還元性金属化合物を主成分とする層となり、図２（ｃ）に示すように還元反応部５となる。よって、この還元反応部５は、結果的に発光層４に対する電子注入性の向上を発現させたもの、すなわち、電子注入性の向上を発現させる機能を有するものとなる。なお、金属化合物層６、還元性金属層７の形成はいずれも高真空下で行っているので、酸素が存在せず、したがって還元性金属層７と酸素との反応による酸化は起こらない。
【００２６】
ここで、特に金属化合物層６の厚さについては、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのが好ましい。０．５ｎｍ未満であると、還元性金属（還元剤）と反応しても十分な量のアルカリ金属またはアルカリ土類金属が生成されず、これがドーピング材となることによる電子注入性の向上効果が十分に発揮されなくなるからである。また、１０ｎｍを越えると、前述したように生成したアルカリあるいはアルカリ土類金属が発光層４側に移動しきれず、結果的に還元反応部５の導電性の低下を招いてしまうおそれがあるからである。
【００２７】
また、このようにして形成する還元反応部５については、その可視光の透過率、具体的には波長５５０ｎｍの光の透過率が、５０％を越えているのが好ましい。
前述したように、未反応物として還元反応部５中に残留する還元性金属（還元剤）が少なければ、還元反応部での透明性（光透過率）の低下が抑えられる。したがって、還元性金属層７を過剰な厚さに形成せず、金属化合物層６の厚さに対応した適宜な厚さとすることにより、還元反応部５中に残留する還元性金属（還元剤）を少なくしてこの還元反応部５についての可視光の透過率を、５０％を越えるように形成することができる。そして、このような透過率に形成することにより、光透過性を向上して発光強度を高めることができるのはもちろん、未反応の還元剤に由来する透明導電膜形成時の酸化による還元剤の酸化物を少なくし、この酸化物による導電性の低下を抑えて良好な発光特性を得ることができるようになる。
【００２８】
その後、還元反応部５の上に、透明導電膜８として、膜厚１５０ｎｍのＩＴＯをスパッタリング法により形成し、図１に示した有機ＥＬ素子の構造を完成する。
このようにして得られた有機ＥＬ素子にあっては、還元反応部５が発光層４に対する電子注入性の向上を発現させる機能を有するものとなっていることから、良好な発光特性を有するものとなる。
また、還元性金属（還元剤）は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の金属化合物層と還元反応することで酸化されるので、その後これの上に透明導電膜としてＩＴＯを設けても、その際のプロセスにて酸化されることがほとんどなく、したがって光透過性の低下を抑制することができる。
【００２９】
また、この有機ＥＬ素子にあっては、発光層４からの発光に対する透過率８０％を満足させることができる。すなわち、発光層４に膜厚４０ｎｍのジスチリルビフェニルを用い、正孔注入層３に膜厚６０ｎｍのトリフェニルジアミンを用い、還元反応部５の金属化合物として膜厚５ｎｍのＬｉＦを用いた場合、素子としての発光強度が１００００ｃｄ／ｍ２となる。携帯電話などでは、通常、１００ｃｄ／ｍ２の発光強度で実用的に用いられるため、本発明の有機ＥＬ素子は、トップエミッション素子として十分な発光強度が得られるものと。したがって、同一の絶縁基板状において、他の電子回路と複合的な機能の半導体素子を、一体型として容易に形成することができるものとなる。
【００３０】
（実験例１）
次に、実験として形成した有機ＥＬ素子の評価について説明する。
ここでは、有機ＥＬ素子として、上述した透明導電膜８を形成せず、還元性金属層７として膜厚２００ｎｍのＡｌを蒸着し、このＡｌ膜に還元性金属層７としての機能と電極（透明導電膜８）としての機能を両方持たせた。また、金属化合物層６の膜厚、すなわちＬｉＦの膜厚については、０.５ｎｍ，１ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍの４種類を形成した。なお、電極２については膜厚１００ｎｍのＩＴＯで形成し、また基板１については厚さ１ｍｍの研磨ガラスを用いた。また、正孔注入層３、発光層４については前記実施形態で示したものを用いた。
【００３１】
得られた４種類の有機Ｅｌ素子について、その発光強度を測定したところ、ＬｉＦの膜厚が０．５ｎｍのものでは５０００ｃｄ／ｍ２、１ｎｍのものでは８０００ｃｄ／ｍ２、３ｎｍのものでは３０００ｃｄ／ｍ２、５ｎｍのものでは１０００ｃｄ／ｍ２であった。
この結果から、還元性金属層７として、５ｎｍの膜厚のＡｌを還元性金属層７として用いたとすると、このＡｌの透過率が８０％であるため、トップエミッション型として、絶縁性基板上に有機ＥＬ素子を作製した場合にも、十分実用的な発光強度を得ることが可能である。
【００３２】
（実験例２）
また、金属化合物層６としてＬｉＦを、その厚さが２ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍ、１０ｎｍ、１２ｎｍとなるように成膜し、それ以外は実験例１と同様に構成して、５種類の有機ＥＬ素子を作製した。
得られた５種類の有機Ｅｌ素子について、その発光効率（最大効率）を測定したところ、ＬｉＦの膜厚が２ｎｍのものでは９．２ｌｍ／Ｗ、４ｎｍのものでは６．４ｌｍ／Ｗ、６ｎｍのものでは４．４ｌｍ／Ｗ、１０ｎｍのものでは３．７ｌｍ／Ｗであり、１２ｎｍのものでは発光が認められなかった。
この結果から、金属化合物層６について１０ｎｍを越える厚さに形成すると、還元反応後に電子注入性の向上効果が認められなかった。したがって、金属化合物層６の厚さについては、その上限値を１０ｎｍとするのが望ましいことが確認された。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の有機ＥＬ素子の積層構造の、概要を示す模式的な断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は有機ＥＬ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…基板、２…電極、３…正孔注入層、４…発光層、５…還元反応部、
６…金属化合物層、７…還元性金属層、８…透明導電膜
【図１】
2004311403.tif 000003
【図２】
2004311403.tif 000004