(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、陽電極層と、少なくとも１つの有機材料を含む有機層と、陰電極層とからなる有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
主たる光の取り出し方向は、前記基板の表面に対して平行方向であり、
前記素子によって構成される、前記有機層をコアの一部とした光導波路の、横電場モードのいずれかのカットオフ波長が、前記有機層に含まれるいずれかの有機材料の蛍光スペクトルの半値全幅の波長域に含まれている有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
前記陽電極層と前記陰電極層の少なくとも一方が、前記いずれかのカットオフ波長の光に対して透明な電極層である請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記有機層が、複数の層からなる積層構造を有する請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記複数の層からなる積層構造を有する有機層が、前記陽電極層と接する側に正孔注入・輸送層を有し、前記陰電極層と接する側に電子注入・輸送層を有する請求項３に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記発光層で生じる光のうち、前記カットオフ波長における、前記有機層に含まれるいずれかの有機材料の屈折率が、前記陽電極層の屈折率よりも高い請求項１〜４のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
前記基板の表面が、前記いずれかのカットオフ波長の光に対して透明である請求項１〜５のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
前記いずれかのカットオフ波長における前記基板の表面の屈折率が、１．７以下である請求項１〜６のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項８】
前記基板が、ガラス基板である請求項７に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項９】
前記基板が、表面にシリコン酸化膜を有するシリコン基板である請求項７に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１０】
前記有機層が、レーザ活性の材料を含む請求項１〜９のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１１】
前記有機層が、下記式（１）：
【化１】
0005079421.tif 000006
（式中、Ｘは、置換あるいは非置換のアルキル基、アリール基または複素環基を表す。）
で示される部位を含有する化合物を含む請求項１〜１０のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１２】
前記有機層が、下記式（２）：
【化２】
0005079421.tif 000007
（式中、Ｙ、ＺおよびＺ’は、それぞれ独立して、置換あるいは非置換のアルキル基、アリール基または複素環基を表す。）
で示される化合物を含む請求項１１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１３】
前記陰電極層は、Ａｇを含む請求項１〜１２のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１４】
前記有機層の厚みは、１００〜１０００ｎｍの範囲である請求項１〜１３のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１５】
前記有機層の厚みに応じて、取り出される光のピーク波長が異なる請求項１４に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１６】
前記正孔注入・輸送層が、金属酸化物を含む請求項４〜１５のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１７】
前記正孔注入・輸送層が、酸化モリブデンを含む請求項１６に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１８】
前記電子注入・輸送層が、第Ｉ族元素もしくは第ＩＩ族元素をドーパントとして含む請求項４〜１７のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１９】
前記陽電極層の厚みが３〜１００ｎｍである請求項１〜１８のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２０】
前記陽電極層は、透明導電性酸化物からなる請求項２〜１９のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２１】
発光が光学的に増幅される請求項１〜２０のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２２】
有機レーザダイオードである請求項２１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【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素子（以下、有機ＥＬ素子とも称する。）および有機レーザダイオードに関し、より詳しくは、低い電流密度でも、スペクトル幅が極めて狭い発光を得ることができる有機ＥＬ素子および有機レーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子等の有機半導体発光素子は、無機半導体発光素子と比較して、素子構造が簡単であるとともに、より短波長の光（たとえば、４００〜５５０ｎｍ程度）が得られることから、大容量化（高記録密度化）が可能となるなど、様々な分野への応用が期待されており、近年活発に研究開発が行なわれている。
【０００３】
有機レーザダイオードは、有機ＥＬ素子に続く次世代技術として、その実現が期待されている。発光波長の多用性、作製プロセスの簡便性等を活かし、設計自由度の高いレーザダイオードを低コストで作製することができると考えられる。
【０００４】
有機レーザは、光励起型の有機レーザと、電流励起型の有機レーザとに大別することができる。光励起型の有機レーザは、光エネルギー（典型的には、レーザ光の照射）により有機物を励起し、生成した励起子が再結合する際に発光を生じる。発光は誘導放出により増幅され、レーザ光として取り出される。一方、電流励起型の有機レーザにおいては、レーザ活性層（発光層）への正孔および電子の注入のために、電気エネルギー（すなわち、陽極−陰極間への電圧の印加）が用いられる。陽極からレーザ活性層（発光層）へ正孔が注入され、陰極からレーザ活性層（発光層）に電子が注入されることによって、レーザ活性層（発光層）内で正孔と電子が再結合して発光が生じるともに、誘導放出により増幅され、レーザ光として取り出される。前者は特許文献および非特許文献においてこれまでに数多くの報告がなされているが、後者については未だ実現がなされていない。
【０００５】
ここで、光励起型および電流励起型有機レーザのいずれにおいても、増幅自然放出（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を生じさせるための閾値（ＡＳＥ閾値）が十分低いことが求められる。
【０００６】
非特許文献１には、下記式（３）で示される４，４’−ビス［（Ｎ−カルバゾール）スチリル］−ビフェニル（以下、ＢＳＢ−Ｃｚとも称する。）が６重量％の濃度でドープされた、下記式（４）で示される４，４’−ビス（Ｎ−カルバゾール）−ビフェニル（ＣＢＰ）薄膜が、波長３３７ｎｍの窒素ガスレーザ（パルス幅５００ｐｓ）を励起光源としたとき、０．３２μＪ／ｃｍ2程度の極めて低いＡＳＥ閾値を示すことが記載されている。
【０００７】
【化１】
0005079421.tif 000002
【０００８】
【化２】
0005079421.tif 000003
【０００９】
また、非特許文献２には、上記ＢＳＢ−Ｃｚ：ＣＢＰ薄膜（膜厚５００ｎｍ）に、ｃｗ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ）のＨｅ−Ｃｄレーザ光（励起波長３２５ｎｍ）を照射すると、１５Ｗ／ｃｍ2程度の低い励起パワーで、半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）が極めて狭い発光が得られることが示されている。
【００１０】
しかし、光励起による有機レーザでは、レーザ光を得るために、別にレーザ活性材料を励起させるための光源を用意する必要があり、装置の大型化等が問題となる。そのため、電流励起型の有機レーザダイオードの実現が望まれている。
【００１１】
励起用の光源を用いることなく有機色素材料を発光させる発光素子としては、有機ＥＬ素子が知られている。有機ＥＬ素子は、通常、陽電極層、正孔注入・輸送層、発光層、電子注入・輸送層、陰電極層がこの順で積層されてなり、陽電極層と陰電極層との間に電圧を印加し、発光層に正孔および電子を注入することにより、発光層を発光させるものである。しかし、有機ＥＬ素子から得られる光は、通常、出射光の角度分布は広く、また、スペクトル幅も広い（単色性が低い）。
【００１２】
有機ＥＬ素子に大電流を流すことでレーザダイオードの実現を目指す研究も、これまで数多く試みられているが、以下に示すような多くの課題点を抱えている。すなわち、（１）大電流密度下での発熱による有機膜の破壊・劣化、（２）励起子−励起子相互作用、励起子−ポーラロン相互作用による大電流密度下における励起子失活、（３）励起子、ポーラロン、電極の光吸収による光伝播損失、等である。いずれも特に電流励起の有機レーザにおいて顕著な問題となり、これら全てについて対策を講じる必要があるが、現在のところ十分には克服できていない。
【非特許文献１】Ｔ．Ａｉｍｏｔｏ，Ｙ．Ｋａｗａｍｕｒａ，Ｋ．Ｇｏｕｓｈｉ，Ｈ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｈ．Ｓａｓａｂｅ，ａｎｄ  Ｃ．Ａｄａｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，０７１１０（２００５）
【非特許文献２】Ｈ．Ｎａｋａｎｏｔａｎｉ，Ｃ．Ａｄａｃｈｉ，Ｓ．Ｗａｔａｎｅｂｅ，ａｎｄ  Ｒ．Ｋａｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９０（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低いエネルギー密度（電流密度）での励起下においても、スペクトル幅の極めて狭い発光を取り出すことのできる有機ＥＬ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、基板と、陽電極層と、少なくとも１つの有機材料を含む有機層と、陰電極層とからなる有機エレクトロルミネッセンス素子であって、主たる光の取り出し方向は、前記基板の表面に対して平行方向であり、上記素子によって構成される、有機層をコアの一部とした光導波路の、横電場モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｃ  ｍｏｄｅ）のいずれかのカットオフ波長が、上記有機層に含まれるいずれかの有機材料の蛍光スペクトルの半値全幅の波長域に含まれている有機エレクトロルミネッセンス素子を提供する。
【００１５】
上記陽電極層と陰電極層の少なくとも一方は、上記いずれかのカットオフ波長の光に対して透明な電極層であることが好ましい。ここで、透明な電極層とは、５０％以上の光を透過する電極層を指すものとし、たとえば、透明導電性酸化物、金属薄膜等が含まれる。
【００１６】
また、上記有機層は、複数の層からなる積層構造を有することが好ましく、上記陽電極層と接する側に正孔注入・輸送層を有し、上記陰電極層と接する側に電子注入・輸送層を有することがさらに好ましい。
【００１７】
上記発光層で生じる光のうち、上記カットオフ波長における、上記有機層に含まれるいずれかの有機材料の屈折率が、上記陽電極層の屈折率よりも高いことが好ましい。
【００１８】
上記基板の表面は、上記いずれかのカットオフ波長の光に対して透明であることが好ましい。ここで、透明であるとは、５０％以上の光を透過することを指すものとする。
【００１９】
また、上記いずれかのカットオフ波長における上記基板の表面の屈折率が、１．７以下であることが好ましく、さらに、上記基板は、ガラス基板あるいは表面にシリコン酸化膜を有するシリコン基板であることがより好ましい。
【００２０】
上記有機層は、レーザ活性の材料を含むことが好ましく、下記式（１）で示される部位を含有する化合物を含むことがより好ましい。さらには、下記式（２）で示される化合物を含むことがより好ましい。
【００２１】
【化３】
0005079421.tif 000004
【００２２】
（式中、Ｘは、置換あるいは非置換のアルキル基、アリール基または複素環基を表す。）
【００２３】
【化４】
0005079421.tif 000005
【００２４】
（式中、Ｙ、ＺおよびＺ’は、それぞれ独立して、置換あるいは非置換のアルキル基、アリール基または複素環基を表す。）
上記陰電極層は、Ａｇを含むことが好ましい。
【００２５】
上記有機層の厚みは、１００〜１０００ｎｍの範囲であることが好ましく、その厚みに応じて、取り出される光のピーク波長が異なることが好ましい。本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子においては、当該発光層の厚みを変えることにより、取り出される光のピーク波長を制御することができる。
【００２６】
上記正孔注入・輸送層は、金属酸化物を含むことが好ましく、酸化モリブデンを含むことが特に好ましい。
【００２７】
上記電子注入・輸送層は、第Ｉ族元素もしくは第ＩＩ族元素をドーパントとして含むことが好ましく、セシウムをドーパントとして含むことが特に好ましい。
【００２８】
前記陽電極層の厚みは、３〜１００ｎｍであることが好ましい。
上記陽電極層は、透明導電性酸化物からなることが好ましい。
【００２９】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子においては、横方向に取り出される光はレーザ光と共通の性質も有している。端面より出射される光は、高い指向性（コヒーレント性）および単色性を示す。発光が光学的に増幅されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、低いエネルギー密度（電流密度）での励起下においても、スペクトル幅の狭い発光を取り出すことのできる端面発光型有機ＥＬ素子が提供される。また、本発明の有機ＥＬ素子においては、発光層の膜厚を変化させることのみで発光ピーク波長を変えることができるため、任意の可視域において所望の発光ピーク波長を示す複数の有機ＥＬ素子を容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の有機ＥＬ素子の一例を示す概略断面図である。図１に示される有機ＥＬ素子１００は、基板１０１上に形成されており、基板１０１から、陽電極層１０２、正孔注入・輸送層１０３、発光層１０４、電子注入・輸送層１０５、陰電極層１０６をこの順で備えている。ここで、有機層は、正孔注入・輸送層１０３、発光層１０４、電子注入・輸送層１０５の積層構造となっているが、これに限られるものではない。
【００３２】
基板１０１としては、たとえばガラス基板、表面にＳｉＯ2酸化膜を有するシリコン基板、ＳｉＯ2基板、サファイア基板、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮＩｎＰ基板、高分子ポリマーからなるプラスチック基板等を用いることができる。本発明の有機ＥＬ素子の主たる光取り出し面は、上記基板の表面に対して平行方向である。ここで、基板の表面に対して平行方向とは、基板の表面に対する角度が４５°以下の方向を指すものとする。ただし、基板の表面に対して平行方向に伝播する光を、ミラー等で垂直方向に反射させ、垂直方向に光を取り出すことも可能である。光導波路に効率良く光を閉じ込めるため、発光素子に形成される光導波路の、横電場モードのいずれかのカットオフ波長における基板の表面の屈折率は上記有機層に含まれるいずれかの有機材料の屈折率より小さいことが好ましく、該カットオフ波長における基板の表面の屈折率は１．７以下程度であることが好ましい。低コスト性および作製の簡便性から、ガラス基板あるいは表面にシリコン酸化膜を有するシリコン基板であることがより好ましい。また、基板表面は、発光素子に形成される光導波路の、横電場モードのいずれかのカットオフ波長の光に対して透明であることが好ましい。
【００３３】
陽電極層１０２は、正孔注入・輸送層１０３に正孔を注入する作用を有する。陽電極層は、仕事関数の大きい（好ましくは、４ｅＶ以上）金属、またはその合金、電気導電性化合物等より形成することが好ましい。スペクトル幅の狭い発光を得るためには、陽電極層は、発光素子に形成される光導波路の、横電場モードのいずれかのカットオフ波長の光に対して透明であることが好ましく、このような陽電極材料の具体例としては、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム−亜鉛酸化物）、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＡＺＯ（アルミニウム−亜鉛酸化物）等の導電性材料、Ａｕ等の金属を挙げることができる。陽電極層１０２の厚みは、通常、３ｎｍ〜１００μｍが好ましく、電極による光伝播損失を考慮すると、３〜５０ｎｍがより好ましい。
【００３４】
有機層（正孔注入・輸送層１０３、発光層１０４、電子注入・輸送層１０５）を形成する有機材料の具体例としては、たとえば、カルバゾール誘導体、トリアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、芳香族第三級アミン化合物、スチリルアミン化合物、芳香族ジメチリデン系化合物、ポルフィリン系化合物、ポリシラン系化合物、ポリビニルカルバゾール誘導体、アニリン系共重合体、チオフェンオリゴマー、ポリチオフェン等の有機半導体等を挙げることができる。
【００３５】
ここで本発明においては、上記いずれかのカットオフ波長における有機層のいずれかの有機材料の屈折率が、陽電極層１０２の屈折率よりも高いことが好ましい。
【００３６】
発光層１０４は、注入された正孔および電子を再結合させ光を発生する作用を有する。発光層１０４を形成する有機半導体材料は、レーザ活性材料、すなわち、レーザ発振し得る材料であることが好ましく、発振閾値（ＡＳＥ閾値）がより低い材料であることがさらに好ましい。このような有機半導体材料を選択することにより、電圧の印加によって、スペクトル幅の狭い発光を得ることができる。発振閾値（ＡＳＥ閾値）がより低い材料を用いれば、より低い電流密度でも、レーザ発振させることができると考えられる。
【００３７】
上記屈折率およびＡＳＥ閾値の観点から、好ましい有機半導体材料としては、前記式（１）で示される化合物を挙げることができる。さらに、前記式（２）で示される化合物がさらに好ましい。前記式（２）で示される化合物の具体例として、前記式（３）で示されるＢＳＢ−Ｃｚを挙げることができる。ＢＳＢ−Ｃｚ単層膜のＰＬ発光効率（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）およびＡＳＥ閾値は、それぞれ７７％、約０．６μＪ／ｃｍ2である。
【００３８】
正孔注入・輸送層としては、アクセプタをドープしたＢＳＢ−Ｃｚを好ましく使用することができる。具体的なドーパントとしては、ＭｎＯｘ、ＷＯ3、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯ等の各種金属酸化物が好ましいが、正孔注入特性をより良く改善できることから、酸化モリブデン（ＭｏＯx）特に好ましい。そのドーパント濃度は、１〜１００質量％とすることができる。
【００３９】
正孔注入・輸送層の厚みは、通常、０．２〜１００ｎｍとすることができる。ドープによる光学的な不活性化を考慮すると、より薄い０．２〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００４０】
ＢＳＢ−Ｃｚ単層膜と、ＭｏＯｘがドープされたＢＳＢ−Ｃｚ層の屈折率とはほとんど同じ値を示し、エリプソメーター（Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製  Ｆａｓｔ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ  Ｍ−２０００Ｕ）により測定されるその屈折率は、波長４５０ｎｍの光に対して約２．２、波長４７０ｎｍの光に対して約２．１、波長５５０ｎｍの光に対して約２．０、波長６５０ｎｍの光に対して約１．９である。陽電極層１０２として、ＩＴＯを用いた場合、その屈折率は、およそ２．０〜１．８程度（波長約４００〜７００ｎｍの光に対して）であるから、上記屈折率の条件を満たす。
【００４１】
電子注入・輸送層１０５を形成する材料としては、特に制限されず、従来公知の有機半導体材料を用いることができるが、発光層との界面でキャリアトラップを生じないように上記ＢＳＢ−Ｃｚをホスト材料とすることが好ましい。この場合、ドーパントとしては、セシウム、カリウム等の第Ｉ族元素、マグネシウム、カルシウム等の第ＩＩ族元素を好ましく使用することができ、そのドーパント濃度は、１〜５０質量％とすることができる。電子注入・輸送層の厚みは、通常、０．２〜２００ｎｍとすることができ、作成プロセス等を考慮すると、０．２〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００４２】
有機層全体の厚みは、たとえば１００〜１０００ｎｍの範囲とすることができる。発光層の厚みが１００ｎｍ未満であると、有機層内部での光伝播が困難になる傾向がある。また、発光層の厚みが３００ｎｍを超えると、駆動電圧が上昇し、作製プロセスも長時間を要するため、発光層１０４の厚みは、より好ましくは、１００〜３００ｎｍである。
【００４３】
陰電極層１０６は、電子注入・輸送層１０５に電子を注入する作用を有する。陰電極層は、仕事関数の小さい（好ましくは４ｅＶ以下）金属またはその合金、電気導電性化合物等より形成することが好ましい。陰電極材料の具体例としては、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｇ−Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ−Ｌｉ合金、Ａｌ／Ａｌ2Ｏ3混合物、Ｉｎ等を挙げることができるが、伝播損失を抑えるために、反射率の高いＡｇを用いるのが特に好ましい。陰電極層１０５の厚みは、通常、５ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは、１０〜２００ｎｍ程度である。
【００４４】
図２は、図１に示される有機ＥＬ素子１００の概略上面図である。図２に示されるように、本発明の有機ＥＬ素子の上面からみたときの形状は、略長方形であることが好ましい。この際、主たる光取り出し面は、図２の矢印に示されるように、より短い辺を有する方の端面である。このような形状とすることにより、出射光量を増大させることができ、また、丸型や正方形型と比較して熱放出性を向上させることができる。該長方形の各辺の長さは、特に制限されず、たとえば、５〜５００μｍ×５００〜２０００μｍとすることができる。
【００４５】
また、有機ＥＬ素子の耐久性を考慮し、本発明の有機ＥＬ素子は封止されていることが好ましい。たとえば、ガラス封止缶による窒素雰囲気下あるいはアルゴン雰囲気下での封止、ＳｉＯx膜、ＳｉＮx膜、ＳｉＯxＮy膜、パリレン膜の成膜による封止等が挙げられる。
【００４６】
本発明の有機ＥＬ素子によれば、極めて低い電流密度で、基板の表面に対して平行方向に、スペクトル幅の狭い（単色性が高い）光を得ることができる。本発明の有機ＥＬ素子から取り出される光は、発光層で発生した光の増幅を伴ったものである可能性がある。この点については後述する。本発明において、極めて低い電流密度でスペクトル幅の極めて狭い発光の発振が可能となるのは、発光層で発生した光のうち、素子各層によって形成される導波路のカットオフ波長に近い光がコヒーレント的に重ね合わされ、基板表面にほぼ平行な向きに出射したことによる。また、発光の増幅は、光の波長が０−１遷移の波長と一致するときに比較的容易に起こりやすい。なお、カットオフ波長近傍の端面発光についての詳細は、たとえば、１）Ｍ．Ｐａｕｃｈａｒｄ，Ｍ．Ｖｅｈｓｅ，Ｊ．Ｓｗｅｎｓｅｎ，Ｄ．Ｍｏｓｅｓ，Ａ．Ｊ．Ｈｅｅｇｅｒ，Ｅ．Ｐｅｒｚｏｎ，ａｎｄ  Ｍ．Ｒ．Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３，４４８８（２００３）、２）Ｆ．Ｌｉ，Ｏ．Ｓｏｌｏｍｅｓｃｈ，Ｐ．Ｒ．Ｍａｃｋｉｅ，Ｄ．Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ，ａｎｄ  Ｎ．Ｔｅｓｓｌｅｒ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９９，０１３１０１（２００６）等に記載されている。
【００４７】
本発明の有機ＥＬ素子の別の特徴は、発光層の厚みの調整により、取り出される光のピーク波長を制御できる点にある。たとえば、有機ＥＬ素子を、陽電極層（ＩＴＯ  ３０ｎｍ）／正孔注入・輸送層（７質量％−ＭｏＯxドープＢＳＢ−Ｃｚ  １０ｎｍ）／発光層（ＢＳＢ−Ｃｚ  Ｌｎｍ）／電子注入・輸送層（２０質量％−ＣｓドープＢＳＢ−Ｃｚ  ６０ｎｍ）／陰電極層（Ａｇ  １００ｎｍ）で構成した場合、発光層の厚み（Ｌ）を１００〜１５０ｎｍの範囲で変化させると、最も発光強度が高いピーク波長が約４５０〜５００ｎｍの範囲で変化し、発光層の厚みを大きくするほど、より高波長の光を取り出すことができる。
【００４８】
図１のような素子においては、基板より屈折率の高い有機材料を含む有機層と透明陽電極層を選択することで、屈折率の低い基板と反射率の高い陰電極層にこれらが挟まれた、光導波路が形成される。このような光導波路のカットオフ波長は、それぞれのモードごと（ＴＥ０、ＴＭ０、ＴＥ１、ＴＭ１、ＴＥ２、ＴＭ２、、、）に光導波路内に光を閉じ込めることができる波長の上限として定義されている。その値は、光導波路を構成する材料種、その光学定数、構造によって、一意的に決定するものであり、一般に数値計算によって算出される。
【００４９】
カットオフ波長よりわずかに大きい波長の光は、素子表面に対してほぼ平行の形で出射することになる。このカットオフ波長近傍の出射光のうち、横電場モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｃ  ｍｏｄｅ；ＴＥモード）の光が、陰電極による伝播損失を受けにくいため、スペクトル幅の極めて狭い発光となる。
【００５０】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５１】
＜実施例１＞
ガラス基板３０１上に、フォトリソグラフィおよびリフトオフにより、幅５００μｍ、長さ８０００μｍの穴を有するフォトレジスト膜を形成した。次に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、ガラス基板３０１上全体に、ＩＴＯ層を厚さ３０ｎｍで形成した（ＩＴＯターゲット：１０質量％ＳｎＯ2／９０質量％Ｉｎ2Ｏ3、フローレート：Ａｒ  ３０ｓｃｃｍ、圧力：約１×１０-1Ｐａ、ＲＦパワー：２０Ｗ）。ついで、フォトレジスト膜をその上に形成されたＩＴＯ層と共に除去し、パターニングされた陽電極層３０２（ＩＴＯ層）を有する基板を得た。該基板を洗剤および有機溶剤を用いて洗浄し、ＵＶ−オゾン処理した。
【００５２】
次に、正孔注入・輸送層、発光層および電子注入・輸送層をこの順で、基板表面全体に真空加熱蒸着により形成した（圧力：３×１０-3Ｐａ以下、蒸着速度：約０．２ｎｍ／ｓ）。正孔注入・輸送層には、ＭｏＯxが７質量％の濃度でドープされたＢＳＢ−Ｃｚを用い、層厚は１０ｎｍとした。発光層には、ＢＳＢ−Ｃｚを用い、層厚は１００ｎｍとした。電子注入・輸送層には、Ｃｓが２０質量％の濃度でドープされたＢＳＢ−Ｃｚを用い、層厚は６０ｎｍとした。これら３つの層はいずれもアモルファス状態とした。次に、シャドーマスクを用いた熱蒸着により、電子注入・輸送層の上に、陰電極層３０３として、Ａｇ層を１００ｎｍ厚で形成した（圧力：３×１０-3Ｐａ以下、蒸着速度：約０．１ｎｍ／ｓ）。これにより、図３に示される素子構造を得た。最後に、図３に示される分割線３０５に沿って、ガラスカッターにより基板を素子ごと破断し、ライン形状の有機ＥＬ素子を得た。活性領域３０４のサイズは、５００μｍ×２ｍｍである。
【００５３】
＜実施例２〜３＞
発光層の厚みをそれぞれ、１３０ｎｍ、１５０ｎｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００５４】
上記膜厚で素子作製した場合の、光導波路のカットオフ波長の計算値は、ＴＥ１モードに対して、それぞれ４５６ｎｍ、４７９ｎｍ、４９９ｎｍであった。後述するように、これらの値はＢＳＢ−Ｃｚの蛍光スペクトルの半値全幅の波長域に含まれている。
【００５５】
＜比較例１〜２＞
ガラス基板上の全面に、陽電極層としてＩＴＯ層を形成すること以外は実施例１と同様にして電子注入・輸送層の形成までを行なった（発光層の層厚１３０ｎｍ（比較例１）、１５０ｎｍ（比較例２））。次に、電子注入・輸送層上に、シャドーマスクを用いた熱蒸着により、直径１ｍｍの円形状Ａｇ層（層厚１００ｎｍ厚）を形成し、面発光型有機ＥＬ素子を得た。
【００５６】
＜比較例３＞
正孔注入・輸送層、発光層および電子注入・輸送層の有機半導体材料として、ＢＳＢ−Ｃｚの代わりに、トリス−（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ3）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして端面発光型有機ＥＬ素子を作製した。発光層の層厚は、１８０ｎｍとした。Ａｌｑ3の最も発光強度が高い光のピーク波長における屈折率は、約１．７である。
【００５７】
［有機ＥＬ素子の特性評価］
（１）電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）特性
上記実施例１〜３の有機ＥＬ素子（発光層の厚さがそれぞれ、１００、１３０、１５０ｎｍ）についてＪ−Ｖ特性を測定した。測定は、図４に示されるように、ガラス基板上に形成された有機ＥＬ素子をステージ４０１上に載置し、陽電極層−陰電極層間に、コンタクトプローブ４０２を用いて電圧を印加することにより行なった。Ｊ−Ｖ特性の測定には、半導体パラメータアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．製  Ｅ５２５０）を用いた。結果を図５に示す。
【００５８】
（２）端面から取り出される光の発光スペクトル
図４に示されるように、受光部の直径が１ｍｍである光ファイバ４０３を有するマルチチャネルスペクトロメータ（Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．製  ＰＭＡ−１１）を用いて、端面から出射される光を集光し、発光スペクトルを測定した。光ファイバ４０３は、素子表面と平行に、素子と同じ高さに置いた。
【００５９】
有機ＥＬ素子端面から取り出される光の発光スペクトルを図６に示す。図６（ａ）は、実施例１（発光層の層厚：１００ｎｍ）の有機ＥＬ素子について、電流密度を１０μＡ／ｃｍ2から２００ｍＡ／ｃｍ2まで変化させたときの発光スペクトルである。図６（ｂ）は、実施例２（発光層の層厚：１３０ｎｍ）の有機ＥＬ素子について、電流密度を１０μＡ／ｃｍ2から５００ｍＡ／ｃｍ2まで変化させたときの発光スペクトルである。図６（ｃ）は、実施例３（発光層の層厚：１５０ｎｍ）の有機ＥＬ素子について、電流密度を１０μＡ／ｃｍ2から１００ｍＡ／ｃｍ2まで変化させたときの発光スペクトルである。また、図７は、実施例１〜３の有機ＥＬ素子端面から取り出される光の、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2における発光スペクトルを重ね合わせた図である。各発光スペクトルは、ピーク強度が１となるように規格化されている。参考のため、ガラス基板上に形成されたＢＳＢ−Ｃｚ単層膜（約１００ｎｍ厚）の蛍光スペクトルをともに示す。
【００６０】
ＢＳＢ−Ｃｚ単層膜の蛍光スペクトルと比較すると明らかなように、実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から取り出される光のうち、特定のピーク波長を有する光（最も発光強度が高い光）のスペクトル幅は極めて狭いことがわかる。これらのピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、それぞれ１２ｎｍ（実施例１、発光層の層厚：１００ｎｍ）、６．５ｎｍ（実施例２、発光層の層厚：１３０ｎｍ）、１１ｎｍ（実施例３、発光層の層厚：１５０ｎｍ）である。
【００６１】
また、図７より、当該スペクトル幅の狭い光のピーク波長が発光層の層厚に依存していることがわかる。すなわち、発光層の層厚が１００、１３０、１５０ｎｍと大きくなるに従い、ピーク波長は、４４６ｎｍ、４７１ｎｍ、５００ｎｍと大きくなる。ＦＷＨＭは、端面発光のピーク波長がＢＳＢ−Ｃｚの０−１遷移の波長に近いほど狭くなり、発光層の厚みが１３０ｎｍのときに６．５ｎｍであった。
【００６２】
ピーク波長の値は、前述の計算値と極めて近い。この発光が光導波路のカットオフ波長近傍の光であることが分かる。また、これらの波長はいずれもＢＳＢ−Ｃｚ単層膜の蛍光スペクトルの半値全幅の波長域に含まれている。
【００６３】
（３）ＩＴＯ表面から取り出される光の発光スペクトル
光ファイバを有するスペクトロメータ（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏ．製  ＳＤ２０００）を用い、該光ファイバの先端を基板の下に設置して、電流密度Ｊが１、１０、１００ｍＡ／ｃｍ2である場合における実施例２（発光層の層厚：１３０ｎｍ）および３（発光層の層厚：１５０ｎｍ）の有機ＥＬ素子のＩＴＯ表面から取り出される光の発光スペクトルを測定した。結果を図８に示す。また、図８には、比較のため、比較例１（発光層の層厚：１３０ｎｍ）および２（発光層の層厚：１５０ｎｍ）の有機ＥＬ素子のＩＴＯ表面から取り出される光の発光スペクトルも示した。
【００６４】
実施例２および３の有機ＥＬ素子のＩＴＯ表面から出射する光のＦＷＨＭは、５０ｎｍ以上とブロードであり、ＦＷＨＭ値は、通常の面発光型有機ＥＬ素子と同等であることが図８からわかる。
【００６５】
（４）偏光特性
回転偏向板用いて、実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の偏光特性を測定した。結果を図９に示す。図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の偏光特性を示す図である。スペクトル幅が狭い光（最も発光強度が高い光）は、基板表面と平行な方向（ＴＥモード、図９における９０°方向）に偏光していることがわかる。また、より強度の低いＴＭモード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｄｅ、図９における０°方向）の光や偏光していない光も存在することがわかる。
【００６６】
（５）発光強度の電流密度依存性
有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光強度と、電流密度との関係を調べた結果を図１０に示す。図１０（ａ）は、実施例２の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光スペクトルのうち、ＴＥピーク（すなわち、ピーク波長４７１ｎｍのピーク）に関する、発光強度と電流密度との関係を示している。図１０（ａ）には、参考のため、原点を通る比例直線を示している。発光強度は、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2のときに１となるように規格化している。図１０（ａ）からわかるように、発光強度と電流密度とは比例関係になく、高電流密度における発光強度値を用いてフィッティングした外挿線は、原点を通らない。図１０（ｂ）は、実施例２の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光スペクトルのうち、偏光していない光（波長４５０ｎｍ）に関する、発光強度と電流密度との関係を示している。このような無偏光の光は、端面領域近傍からの発光に起因するものと考えられる。図１０（ｂ）には、比較例１の有機ＥＬ素子の面発光スペクトルの電流密度依存性を合わせて示している。これらの発光強度は、完全に電流密度に比例し、フィッティング直線は原点を通ることがわかる。したがって、上に記したような比例関係からの逸脱は、スペクトル幅の狭いピークに特有のものである。
【００６７】
（６）発光スペクトル形状の変化
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光スペクトル形状の電流密度依存性を示す図である。全ての発光スペクトルは、最高ピーク強度が１となるように規格化されている。図１１から明らかなように、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2の場合と、１００ｍＡ／ｃｍ2以上の場合とではスペクトル形状が異なり、電流密度が高くなるとともに、スペクトル幅の狭いピークの強度比が高くなっている。
【００６８】
（７）近視野像
ビームプロファイラー（Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．製  ＬＥＰＡＳ−１２）を用いて、端面発光の近視野像を測定した。図１２（ａ）は、実施例２の有機ＥＬ素子の端面発光の近視野像であり（電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2）、図１２（ｂ）および（ｃ）は、図１２（ａ）におけるｘ＝０、ｙ＝０での光分布パターンの断面図である（電流密度１０、１００ｍＡ／ｃｍ2）。発光位置は、素子表面近傍に局在化している（ｙ＝０）。また、光分布パターンは、電流密度に大きくは依存しないことがわかる。
【００６９】
（８）比較例３の有機ＥＬ素子の発光スペクトル
図１３は、比較例３（発光層の層厚：１８０ｎｍ）の有機ＥＬ素子について、電流密度を１０μＡ／ｃｍ2から４００ｍＡ／ｃｍ2まで変化させたときの端面発光スペクトルである。図１３に示されるように、電流密度の増加に伴い、スペクトル幅の狭小化が認められるものと、そのＦＷＨＭは約５０ｎｍ程度と大きい。
【００７０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の有機ＥＬ素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示される有機ＥＬ素子の概略上面図である。
【図３】実施例１の有機ＥＬ素子の構造を示す概略上面図である。
【図４】電流密度−電圧特性および端面発光スペクトルの測定方法を示す模式図である。
【図５】実施例１〜３の有機ＥＬ素子の電流密度−電圧特性を示す図である。
【図６】実施例１〜３の有機ＥＬ素子端面から取り出される光の発光スペクトルである。
【図７】実施例１〜３の有機ＥＬ素子端面から取り出される光の、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2における発光スペクトルを重ね合わせた図である。
【図８】実施例２〜３および比較例１〜２の有機ＥＬ素子のＩＴＯ表面から取り出される光の発光スペクトルである。
【図９】実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の偏光特性を示す図である。
【図１０】実施例２の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光強度と、電流密度との関係を示す図である。
【図１１】実施例１〜３の有機ＥＬ素子の端面から出射する光の発光スペクトル形状の電流密度依存性を示す図である。
【図１２】実施例２の有機ＥＬ素子の端面発光の近視野像を示す図である。
【図１３】比較例３（発光層の層厚：１８０ｎｍ）の有機ＥＬ素子について、電流密度を１０μＡ／ｃｍ2から４００ｍＡ／ｃｍ2まで変化させたときの端面発光スペクトルである。
【符号の説明】
【００７２】
１０１，３０１  基板、１０２，３０２  陽電極層、１０３  正孔注入・輸送層、１０４  発光層、１０５  電子注入・輸送層、１０６，３０３  陰電極層。
【図１】
0005079421.tif 000008
【図２】
0005079421.tif 000009
【図３】
0005079421.tif 000010
【図４】
0005079421.tif 000011
【図５】
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【図６】
0005079421.tif 000013
【図７】
0005079421.tif 000014
【図８】
0005079421.tif 000015
【図９】
0005079421.tif 000016
【図１０】
0005079421.tif 000017
【図１１】
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【図１３】
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【図１２】
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