(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性の基板上に少なくとも、透明電極と、発光スペクトルのピーク波長λの光を発光する発光層を含む有機化合物材料層と、金属電極と、が順に積層されて形成され、前記発光層中の発光強度の分布において発光強度ピークを有する発光界面を含み、前記発光界面により前記透明電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記金属電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の金属電極側部分とに区分された有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記透光性の基板と前記透明電極の間に、前記発光界面よりも透明電極側の屈折率段差の中で最大である最大屈折率段差の界面を有し、
光の干渉により前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚に対して前記発光界面から取り出される光の輝度電流効率が変化する特性を有し、
前記輝度電流効率が変化する特性が第１膜厚に対応する１次極大値と前記第１膜厚より大なる第２膜厚に対応する２次極大値と前記第１及び第２膜厚の間の厚さの第３膜厚に対応する極小値とを含み、
前記有機化合物材料層の透明電極側部分は、前記輝度電流効率が変化する特性における前記２次極大値を示す前記第２膜厚で、形成されていること、
前記発光界面から前記最大屈折率段差の界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の偶数倍と等しくなるような膜厚で、前記有機化合物材料層の透明電極側部分が成膜されていること、並びに、
前記発光界面から前記金属電極との界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の奇数倍と等しくなるような膜厚で、前記有機化合物材料層の金属電極側部分が成膜されていること、を特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
透光性の基板上に少なくとも、透明電極と、発光スペクトルのピーク波長λの光を発光する発光層を含む有機化合物材料層と、金属電極と、が順に積層されて形成され、前記発光層中の発光強度の分布において発光強度ピークを有する発光界面を含み、前記発光界面により前記透明電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記金属電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の金属電極側部分とに区分され、前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記透明電極との間又は前記透明電極と前記基板との間に最大屈折率段差の界面を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
光の干渉により前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚に対して前記発光界面から取り出される光の輝度電流効率が変化する特性を示し、かつ、前記輝度電流効率が変化する特性が第１膜厚に対応する１次極大値と前記第１膜厚より大なる第２膜厚に対応する２次極大値と前記第１及び第２膜厚の間の厚さの第３膜厚に対応する極小値とを含み、
前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚が、前記輝度電流効率が変化する特性における前記２次極大値を示す前記第２膜厚となるとともに、前記発光界面から前記基板及び前記透明電極間の界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の偶数倍と等しくなるように、前記有機化合物材料層のうちの１つ以上の層を積層して、前記有機化合物材料層の透明電極側部分を形成する第１の有機化合物材料層形成工程と、
前記透明電極側の前記有機化合物材料層上に前記有機化合物材料層の金属電極側部分を、前記発光界面から前記金属電極との界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の奇数倍と等しくなるような膜厚で、積層する第２の有機化合物材料層形成工程と、を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流の注入によって発光するエレクトロルミネッセンスを呈する有機化合物を利用し、かかる有機ＥＬ材料からなる発光層を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子ともいう）及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、有機化合物材料を用いた有機ＥＬ素子は、図１に示すように、ダイオード特性を有する電流注入型の素子であり、電流量に対応した輝度で発光する素子である。かかる素子の複数をマトリクス状に配列してデイスプレイパネルが開発されつつある（特開平８−３１５９８１号）。表示面としてのガラス基板２上に、インジウム錫酸化物いわゆるＩＴＯの膜を成膜後、エッチングによってパターニングして形成し透明電極の陽極３とした基板を用いる。デイスプレイパネルを構成する各有機ＥＬ素子１は、透明電極３上に、蒸着法などを利用して、発光層を含む複数の有機化合物材料層４、金属電極からなる陰極５を、順次、積層した構造を有している。また、有機化合物材料層４として、発光層の他に、必要に応じて、正孔輸送機能層（正孔注入層、正孔輸送層）と電子輸送機能層（電子注入層、電子輸送層）などが適宜設けられる。
【０００３】
有機化合物材料層は高抵抗であることから、従来から、有機化合物材料層は極力薄く形成して駆動電圧を下げるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
有機化合物材料層を極力薄く形成して上記構成の有機ＥＬ素子１を製造する場合、ガラス基板２に各層を蒸着などにより順次形成するために、図２に示すように、各層の蒸着時に、例えば陽極３上に異物固体のゴミ６などが存在すると、ゴミ６によってその下部接触点の周縁部には蒸着粒子が蒸着しにくいので、ゴミ６下部周縁部すなわち陰部分６ａの電極は、有機化合物材料層４の膜厚が他の領域に比べて薄くなる傾向がある。その結果、ゴミ６の近傍では陽極３と陰極５とが近接して、電流集中が生じ、発光輝度が局所的に変化することがある。また、場合によっては、陽極３と陰極５とが接触して短絡が生じ、素子１の破壊につながることもある。
【０００５】
そこで、各層の蒸着前の基板２の洗浄などの対策が取られているが、これだけでは一旦付着したゴミを完全に除去することは困難であった。
本発明の目的は、上記問題点に鑑みて、透明電極と金属電極との間のリーク電流の発生を抑制した有機ＥＬ素子とその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による有機エレクトロルミネッセンス素子は、透光性の基板上に少なくとも、透明電極と、発光スペクトルのピーク波長λの光を発光する発光層を含む有機化合物材料層と、金属電極と、が順に積層されて形成され、前記発光層中の発光強度の分布において発光強度ピークを有する発光界面を含み、前記発光界面により前記透明電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記金属電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の金属電極側部分とに区分された有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記透明電極との間又は前記透明電極と前記基板との間に最大屈折率段差の界面を有し、
光の干渉により前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚に対して前記発光界面から取り出される光の輝度電流効率が変化する特性を有し、
前記輝度電流効率が変化する特性が第１膜厚に対応する１次極大値と前記第１膜厚より大なる第２膜厚に対応する２次極大値と前記第１及び第２膜厚の間の厚さの第３膜厚に対応する極小値とを含み、
前記有機化合物材料層の透明電極側部分は、前記輝度電流効率が変化する特性における前記２次極大値を示す前記第２膜厚で、形成されていること、
前記発光界面から前記最大屈折率段差の界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の偶数倍と等しくなるような膜厚で、前記有機化合物材料層の透明電極側部分が成膜されていること、並びに、
前記発光界面から前記金属電極との界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の奇数倍と等しくなるような膜厚で、前記有機化合物材料層の金属電極側部分が成膜されていること、を特徴とする。
【０００８】
また、本発明による有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法は、透光性の基板上に少なくとも、透明電極と、発光スペクトルのピーク波長λの光を発光する発光層を含む有機化合物材料層と、金属電極と、が順に積層されて形成され、前記発光層中の発光強度の分布において発光強度ピークを有する発光界面を含み、前記発光界面により前記透明電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記金属電極から前記発光界面までの前記有機化合物材料層の金属電極側部分とに区分され、前記有機化合物材料層の透明電極側部分と前記透明電極との間又は前記透明電極と前記基板との間に最大屈折率段差の界面を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
光の干渉により前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚に対して前記発光界面から取り出される光の輝度電流効率が変化する特性を示し、かつ、前記輝度電流効率が変化する特性が第１膜厚に対応する１次極大値と前記第１膜厚より大なる第２膜厚に対応する２次極大値と前記第１及び第２膜厚の間の厚さの第３膜厚に対応する極小値とを含み、
前記有機化合物材料層の透明電極側部分の膜厚が、前記輝度電流効率が変化する特性における前記２次極大値を示す前記第２膜厚となるとともに、前記発光界面から前記基板及び前記透明電極間の界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の偶数倍と等しくなるように、前記有機化合物材料層のうちの１つ以上の層を積層して、前記有機化合物材料層の透明電極側部分を形成する第１の有機化合物材料層形成工程と、
前記透明電極側の前記有機化合物材料層上に前記有機化合物材料層の金属電極側部分を、前記発光界面から前記金属電極との界面までの光学距離が前記ピーク波長λの１／４の奇数倍と等しくなるような膜厚で、積層する第２の有機化合物材料層形成工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明による有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法において、前記有機化合物材料層及び金属電極は、蒸着により積層されることを特徴とする。
本発明によれば、有機化合物材料層の膜厚、特に透明電極側膜厚を厚くしていくと高次の発光効率ピークが出現する現象を利用し、透明電極と発光層との間に位置する有機化合物材料層の膜厚を調整することにより、発光効率（電流に対する輝度比）を悪化させることなくリーク防止を達成した素子を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による有機ＥＬ素子及びその製造方法の実施例を図面を参照しつつ説明する。
発明者は有機化合物材料層の透明電極側膜厚を順次厚くした有機ＥＬ素子の複数の特性を調べた結果、有機ＥＬ素子において有機化合物材料層の透明電極側膜厚を厚くすることにより高次の発光効率ピークが出現する現象を知見し、本発明に到った。
【００１１】
有機ＥＬ素子において発光層中での発光強度の分布は、正孔輸送層などが存在する透明電極側の境界面においては強く、電子輸送層などが存在する金属電極側に向かうほど減少し、発光層の膜厚に関する指数関数分布であり、かかる透明電極側の界面が発光強度ピークを有する発光界面として知られている。
図３に示すように、ガラス基板２上に、ＩＴＯの透明電極３、発光層を含む複数の有機化合物材料層４ｄ及び４Ｄ、金属電極５を順次、積層した構造の有機ＥＬ素子１において、有機化合物材料層は、発光層の発光界面１０を境にして透明電極側４ｄと金属電極側４Ｄに分けられる。  図３に示すように、有機ＥＬ素子１において、金属電極５及び有機化合物材料層４Ｄの界面は全反射面とみなすことができる。よって、発光層の発光界面１０から金属電極へ向かう光は金属電極５で全反射され、発光界面１０を通過して、外部発光に寄与する。もちろん、透明電極３へ向かう光のほとんどは基板２を通過して、外部発光に寄与する。
【００１２】
一方、ガラス基板２と透明電極３の屈折率段差は他の隣接層の屈折率差よりも格段に大きいので、かかる透明電極側に最大屈折率段差の界面は反射面として作用も顕著である。有機化合物材料層４ｄ、４Ｄでは屈折率は略１．８程度で、ＩＴＯ透明電極３では屈折率は略２．０程度で、ガラス（ソーダライムガラス）基板２では屈折率は略１．５程度であるので、有機化合物材料層４ｄ及び透明電極３間の屈折率差は０．２で、ガラス基板２及び透明電極３間の屈折率差は０．５であり、透明電極側ではガラス基板２及び透明電極３の屈折率差が最大である。よって、発光層の発光界面１０から透明電極３へ向かい発光界面１０へ戻る光では、有機化合物材料層４ｄ及び透明電極３間などの小さな屈折率差を無視してガラス基板２及び透明電極３の最大屈折率段差を考慮する。なお、最大屈折率段差は、ガラス基板及び透明電極だけでなく、有機化合物材料層４ｄ内部にも高い屈折率材料を成膜して形成することもできる。
【００１３】
これにより、素子では図３のように、発光界面で発生した光放出ルートは、主に、（１）発光界面から直接外部へ向かい放出、（２）金属電極で反射して発光界面に戻って外部へ向かい放出、及び（３）ガラスで反射して発光界面に戻って外部へ向かい放出、のいずれかとなり、界面に復帰する（２）及び（３）の光の干渉の不具合によって、発光効率は左右される。以下に、波長λの光を主成分として発光する有機化合物材料層の発光層について最適な膜の設計を説明する。
【００１４】
まず、上記（３）の有機化合物材料層の透明電極側４ｄの光放出ルートにおける干渉を考える。図３に示されるように、透明電極３と基板ガラス２との界面で反射して発光界面に戻る光の全体の屈折率ｎ及び膜厚ｄとすると、その光路長２ｎｄは、有機化合物材料層の光路長と透明電極の光路長の合計で
【００１５】
【数１】
２ｎｄ＝２（ｎorgｄorg＋ｎITOｄITO）
（式中、ｎorgは有機化合物材料層４ｄの屈折率を、ｄorgは有機化合物材料層４ｄの膜厚を、ｎITOは透明電極３の屈折率を、ｄITOは透明電極３の膜厚をそれぞれ示す）と表される。よって、この往復する光の光路長２ｎｄが発光して取り出すべき波長λの整数倍に等しい時に、戻る光と発光される光との干渉が最大となる。よって、図４に示されるように、干渉効果が最大となる有機化合物材料層４ｄの膜厚設定のための発光界面から最大屈折率段差の界面までの光学距離は、
【００１６】
【数２】
２（ｎorgｄorg＋ｎITOｄITO）＝ｊ・λ
∴（ｎorgｄorg＋ｎITOｄITO）＝２ｊ・（λ／４）
（式中、ｊ＝１、２、３・・・の整数）と表される。この光学距離近傍となるように有機化合物材料層４ｄ及び透明電極３の合計膜厚を設定すれば、干渉により発光効率が向上する。すなわち、有機化合物材料層の透明電極側の膜厚を、発光界面１０から最大屈折率段差の界面までの光学距離（ｎorgｄorg＋ｎITOｄITO）が波長λの１／４の偶数倍と略等しくなるように、成膜すればよい。
【００１７】
さらに、上記（２）の有機化合物材料層の金属電極側４Ｄの光放出ルートにおける干渉を考える。図３に示されるように、金属電極５と金属電極側有機化合物材料層４Ｄとの界面では、光の反射前後で位相差πが生じる。よって、発光界面に戻る光の全体の金属電極側有機化合物材料層４Ｄの屈折率ｎ及び膜厚Ｄとするとその光路長２ｎＤと表されるので、この往復する光の光路長２ｎＤが図５に示されるようにλ／２、３λ／２、５λ／２、・・・の発光して取り出すべき波長と等しい時に、戻る光と発光される光との干渉が最大となる。よって、干渉効果が最大となる有機化合物材料層４Ｄの膜厚すなわち発光界面１０から金属電極５の界面までの光学距離は、
【００１８】
【数３】
２ｎＤ＝［２（ｊ−１）／２］λ
∴ｎＤ＝［２（ｊ−１）／４］λ
（式中、ｊ＝１、２、３・・・の整数）と表される。この光学距離近傍となるように有機化合物材料層４Ｄの膜厚Ｄを設定すれば、干渉により発光効率が向上する。すなわち、有機化合物材料層の金属電極側の膜厚Ｄは、発光層の発光界面１０から金属電極５との界面までの光学距離ｎＤが波長λの１／４の奇数倍と略等しくなるように、成膜すればよい。
【００１９】
有機ＥＬ素子を製造する場合には、第１の有機化合物材料層形成工程として、透光性の基板上に形成された透明電極上に、波長λの光を主成分として発光させるべき発光層を除く有機化合物材料層のうちの１つ以上の層を、発光層の発光界面から最大屈折率段差の界面までの光学距離が波長λの１／４の偶数倍と略等しくなるような膜厚で、積層して、透明電極側の有機化合物材料層を形成する。続いて、第２の有機化合物材料層形成工程として、透明電極側の有機化合物材料層上に発光層及び残る有機化合物材料層を、発光層の発光界面から金属電極との界面までの光学距離が波長λの１／４の奇数倍と略等しくなるような膜厚で、積層して、金属電極側の有機化合物材料層を形成し、その後、金属電極側の有機化合物材料層上に金属電極を形成する。
【００２０】
このように、上記素子構造のため、有機化合物材料層の膜厚を徐々に厚くしていくと、光放出ルートの位相が一致する膜厚が順次出現し、特に、有機化合物材料層の透明電極側の膜厚に対する発光効率特性における極大値及び極小値を示すようになる。
従来、膜厚発光効率特性において１次極大値近傍に有機化合物材料層の膜厚を設定して、該膜厚を徐々に増加させると、発光効率が漸次低下する傾向が知られていたが、さらに該膜厚を厚くして、膜厚発光効率特性における１次及び２次極大値の発光効率の間の極小値を生じる膜厚以上となるように設定することにより、２次極大値になるまで発光効率は向上する。
【００２１】
膜厚発光効率特性における高次極大値ピーク出現の実験による確認を行った。
正孔輸送層の膜厚を変化させて、図６に示されるように、基板２上に透明電極（陽極）３／正孔注入層４１／正孔輸送層４２／発光層４３／電子注入層４４／金属電極（陰極）５の順に成膜して、それぞれの材料（膜厚）をＩＴＯ（110nm）／ＭＴＤＡＴＡ（25nm）／ＴＰＤ（40〜200nm）／アルミオキシンキレートＡｌｑ3にキナクリドンを添加（60nm）／アルミニウムリチウム合金Ａｌ−Ｌｉ（100nm）とした有機ＥＬ素子を複数作製した。発光層は波長５２５nmの光を主成分として発光する。
【００２２】
各素子について、順方向電圧（素子が発光する方向の電圧）を印加して、輝度電流Ｌ／Ｉ効率、輝度効率及び外部量子効率を測定し、さらに、順方向に一定電流を供給したときの素子の両端にかかる駆動電圧、及び逆方向電圧を印加して素子が破壊すなわちリークする直前の電圧値（耐電圧）を測定した。図７は、ＴＰＤ膜厚に関するＬ／Ｉ効率、輝度効率及び外部量子効率の特性を示す。図８は、ＴＰＤ膜厚に関する駆動電圧及び前記耐電圧の特性を示す。
【００２３】
図７から明らかなように、対電流輝度効率は、図には現れていないが１次のピークが２０nm膜厚近傍に生じると推測され、更にＴＰＤ膜厚を厚くしていくと、極小値が１００nm膜厚近傍に生じ、２次のピークが１８０nm膜厚近傍に生じていることがわかる。よって、ＴＰＤ膜厚を厚くしても高次のピークに合せ込むことで、実用的な素子特性が得られる。すなわち、有機化合物材料層の透明電極側のＴＰＤ膜厚に対する発光効率特性における１次極大値及び２次極大値の発光効率の間の極小値を越える膜厚１２０nm以上、好ましくは１７０〜２００nmの膜厚となるＴＰＤを有する素子が実用的な素子となる。また、図８から明らかなように、かかる素子は、ＴＰＤ膜厚を厚くしていくと、対電流駆動電圧及び耐久電圧は上昇し、１次極大値及び２次極大値の発光効率の間の極小値を生じる膜厚１２０nm以上では十分な耐電圧特性を有することがわかる。
【００２４】
さらに、本発明により、蒸着形成される有機化合物材料層の厚さを厚くすることにより、図２に示すようにゴミの陰となる部分６ａでの有機化合物材料層４の肉薄部分も十分となり素子のリークは発生しにくい。
上記実施例の透明電極側の有機化合物材料層上に発光層及び残る有機化合物材料層を積層する第２の有機化合物材料層形成工程では、発光層の発光界面から金属電極との界面までの光学距離が波長λの１／４の奇数倍と略等しくなるような膜厚で、金属電極側の有機化合物材料層を形成しているが、明るさの視角依存性を考慮してこれを向上させるために、特許第２８４３９２４号に記載されているように、膜厚輝度減衰特性に応じて、発光層を含む金属電極側の有機化合物材料層を設定膜厚よりも薄く形成しても良い。
【００２５】
また、上記実施例では最大屈折率段差の界面であるガラス基板２と透明電極３の界面のみ反射面として考慮したが、この間に半透明層を設けることで積極的に反射面として活用してもよい。また、透明電極の屈折率よりも極端に大きい屈折率を有するガラス基板を用いて界面を反射層として作用させるときは、光の反射前後で位相差πが生じることを考慮して膜厚ｄを設定すればよい。また、正孔輸送層ではなく正孔注入層の膜厚を変化させてもよく、正孔注入層を成膜せずにＩＴＯ陽極１上に正孔輸送層を形成した構造でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機ＥＬ素子を示す断面図である。
【図２】製造過程における有機ＥＬ素子を示す断面図である。
【図３】本発明による有機ＥＬ素子を示す断面図である。
【図４】本発明による有機ＥＬ素子の透明電極側の有機化合物材料層における反射を示す断面図である。
【図５】本発明による有機ＥＬ素子の金属電極側の有機化合物材料層における反射を示す断面図である。
【図６】本発明による有機ＥＬ素子の実施例の断面図である。
【図７】本発明による有機ＥＬ素子の正孔輸送層膜厚に関するＬ／Ｉ効率、輝度効率及び外部量子効率の特性を示すグラフである。
【図８】本発明による有機ＥＬ素子の正孔輸送層膜厚に関する駆動電圧及び逆方向電圧印加時の破壊電圧の特性を示すグラフである。
【図９】 本発明による有機ＥＬ素子の他の実施例の断面図である。
【符号の説明】
１ 有機ＥＬ素子
２ 透明基板
３ 透明電極
４ 有機化合物材料層
５ 金属電極
１０ 発光界面
４１ 正孔注入層
４２ 正孔輸送層
４３ 発光層
４４a 電子輸送層
４４ 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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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