(57)【要約】【課題】応答速度を向上せしめた有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）とそれを用いた光インターコネクションの提供。【解決手段】陽極と陰極との間に発光層を含む有機層を有し、情報伝達機能を有する有機エレクトロルミネッセンス素子において、陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差が０．１ｅＶ以下であ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。本発明の有機ＥＬ素子において、陰極と有機層との界面に還元性ドーパントを含む電子注入層を設けてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極との間に発光層を含む有機層を有し、情報伝達機能を有する有機エレクトロルミネッセンス素子において、
陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差が０．１ｅＶ以下であ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】
前記陰極がＣａからなることを特徴とする請求項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】
陰極と有機層との界面に還元性ドーパントを含む電子注入層が設けられたことを特徴とする請求項１又は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】
還元性ドーパントの仕事関数が２．９ｅＶ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ッセンス素子。
【請求項５】
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を光源として有することを特徴とする光インターコネクション。
【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）を用いた発光素子に関し、特に応答速度を向上せしめた有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す。）と、それを用いた光インターコネクションに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子は、図１に示すように、透明なガラスもしくは透明樹脂からなる透明基板２の表面に、第１電極層３（陽極）、発光層を含む複数層からなる有機層４、及び第二電極層５（陰極）が積層された基本構成を有する。
【０００３】
有機ＥＬ素子は、コントラスト比が高い、視野角が広い、薄型化が可能であるといった特徴を有しており、ディスプレイなどの分野に応用され始めている。また、有機ＥＬ素子を利用したディスプレイでは、駆動用のトランジスタ回路上に発光部を形成するために、通常の素子構造ではトランジスタ部分で発光した光が吸収もしくは散乱されてしまい、外部への取り出し効率が悪化するという問題がある。この問題を解決するために、ガラス基板上に陰極、有機層、陽極の順番に積層されたトップエミッション構造と呼ばれる構造も検討されている。
【０００４】
代表的な有機ＥＬ素子の構造を図１に示す。図中、符号１は有機ＥＬ素子、２は透明基板、３は第一電極層、４は有機層、５は第二電極層、６は正孔注入層、７は正孔輸送層、８は発光層、９は電子輸送層、１０は電子注入層である。第一電極層３（陽極）は、ＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）に代表される透明導電材料から形成される。有機層４は、正孔注入層６、正孔輸送層７、発光層８、電子輸送層９などの複数層から構成される。
【０００５】
有機ＥＬ素子は、これまでに多くの研究機関で研究開発が進められており、その発光特性（発光効率、最大輝度、消費電力など）は飛躍的に向上してきている。例えば、従来の蛍光材料よりも発光効率の高い燐光材料、低い仕事関数を有する陰極材料、電子と正孔のキャリアバランスの最適化など多くの研究開発が行われている。また、低コスト化が実現可能な製造方法として、従来の真空蒸着だけではなくスクリーン印刷やグラビア印刷、インクジェット法などを用いた脱真空プロセスが検討されている。
【０００６】
一方、この有機ＥＬ素子の新しい応用として、光インターコネクション用の光源が期待されている。光インターコネクションでは、発光素子を用いて電気信号を光信号に変換して、この光信号を受光素子に送信する。最後に受光素子で光信号を電気信号に変換することで、発光素子から受光素子に情報の伝達が行われる。また、有機ＥＬ素子は、フレキシビリティや低コスト化などの点で無機材料を利用した発光素子よりも優れている。このような特徴を活かして可視光通信用の光源としても利用できる。
【０００７】
有機ＥＬ素子を用いた光インターコネクションに関係する従来技術として、例えば、特許文献１及び２が挙げられる。
これらの従来技術の技術を用いると、光ファイバやポリマー光導波路に光を伝送するための発光素子として有機ＥＬ素子を利用できる。また、有機ＥＬ素子は、蒸着などの方法を用いて、耐熱性がそれほど良くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、精密な光軸調整や光導波路端面の加工を必要とせずに、簡単に光導波路と有機ＥＬ素子とを結合できるという利点がある。さらに、光導波路や有機ＥＬ素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光配線インターコネクションの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【０００８】
有機ＥＬ素子の応答速度の向上を図った従来技術として、例えば、特許文献３〜５が挙げられる。
特許文献３に開示された方法では、有機ＥＬ素子の静電容量を小さくすることで有機ＥＬ素子の応答速度を向上させることができる。また、特許文献４では、バイアス電圧とパルス電圧を重畳した電圧を印加して１００ＭＨｚの応答速度を実現している。さらに、特許文献５では、発光層の隣に正孔障壁層や電子注入層を設けて応答速度の向上を実現している。
【特許文献１】特開２００３−１４９５４１号公報
【特許文献２】特開２００３−１４９９５号公報
【特許文献３】特開平５−２９０８０号公報
【特許文献４】特開２００３−２４３１５７号公報
【特許文献５】特開２００２−３１３５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した特許文献３〜５に開示された従来技術では、有機ＥＬ素子の応答速度の向上が未だ不十分であり、光インターコネクション用の発光素子として有機ＥＬ素子を用いるためには、更なる応答速度の改善が必要である。
【００１０】
特許文献３においては、有機ＥＬ素子の時定数を小さくすることで有機ＥＬ素子の応答速度を速くすることができる。しかし、特許文献３に記載された方法では、応答速度が最大で２０ＭＨｚ程度であり、実用的な光インターコネクション用の光源としては不十分である。
【００１１】
特に、陰極に用いる金属材料の一例として、Ｃａを用いると電子注入効率が高く、良好な特性を示すことが知られている。しかし、Ｃａは活性が高く、空気中の酸素と反応して酸化カルシウムになってしまい、長期間使用していくと、電子注入効率が低下して有機ＥＬ素子の特性が著しく廉価することが知られている。また、ディスプレイや照明といった有機ＥＬ素子の応用が期待されている分野においては、発光強度の面内均一性が高いことが要求されるので、局所的にＣａが酸化してダークスポット（非発光部）が形成されることは許されない。そのため、ディスプレイや照明といった分野に用いる有機ＥＬ素子では、陰極にＣａを用いた有機ＥＬ素子は用いられないのが一般的である。
【００１２】
一方、可視光通信などの光通信用の光源として有機ＥＬ素子を用いる場合には、例えば長期間使用して発光部にダークスポットが形成されても、受光素子で光を受光できれば通信が可能になる。そのため、光インターコネクション用の光源（発光素子）の分野にあっては、Ｃａを陰極に用いた有機ＥＬ素子を利用することができる。
【００１３】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、応答速度を向上せしめた有機ＥＬ素子と、それを用いた光インターコネクションの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するため、本発明は、陽極と陰極との間に発光層を含む有機層を有し、情報伝達機能を有する有機エレクトロルミネッセンス素子において、陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。
【００１５】
本発明の有機ＥＬ素子において、前記陰極がＣａからなることが好ましい。
【００１６】
本発明の有機ＥＬ素子において、陰極と有機層との界面に還元性ドーパントを含む電子注入層を設けてもよい。
この還元性ドーパントは、仕事関数が２．９ｅＶ以下であることが好ましい。
【００１７】
また本発明は、前述した本発明に係る有機ＥＬ素子を光源として有することを特徴とする光インターコネクションを提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の有機ＥＬ素子は、陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差を０．１ｅＶ以下としたものなので、応答速度を向上させることができ、光インターコネクションの光源として適用可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
陰極と有機層との界面に還元性ドーパントを含む電子注入層を設けることによって、さらに有機ＥＬ素子の応答速度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の有機ＥＬ素子は、陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層４の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差を０．１ｅＶ以下としたことを特徴としており、これ以外の基本的な構造や各層の構成材料等は限定されず、例えば、図１に示す一般的な有機ＥＬ素子１と同様に構成することができる。第一電極層３（陽極）は、ＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）に代表される透明導電材料から形成される。有機層４は、正孔注入層６、正孔輸送層７、発光層８、電子輸送層９、電子注入層１０などの複数層から構成される。
【００２０】
本発明の有機ＥＬ素子において、第二電極層５（陰極）としては、有機層４の陰極側の材料、例えば、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差が０．１ｅＶ以下となるような材料を選択して用いている。このような陰極材料としては、Ｃａ（仕事関数：３．０ｅＶ）が挙げられる。陰極の仕事関数と陰極に隣り合う有機層の最低非占有分子軌道のエネルギーレベル差を０．１ｅＶ以下とすることで、有機ＥＬ素子１の応答速度を向上させることができる。従って、本発明によれば、光インターコネクションの光源として適用可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
以下、実施例により本発明の効果を実証する。
【実施例】
【００２１】
［実施例１、比較例１，２］
はじめに有機ＥＬ素子の作製手順を示す。各種洗剤やアルコールなどで洗浄を行ったガラス基板に酸素プラズマ処理を行うことで、表面の残留有機層を除去した。次に、スパッタ装置を用いて１５０ｎｍの膜厚でＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を成膜した後、抵抗線加熱の蒸着機を用いて有機層と陰極を成膜した。ここで、ＩＴＯ上に４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］−ビフェニル（α−ＮＰＤ）４０ｎｍ、０．５質量％の５，６，１１，１２−テトラフェニルテトラセン（rubrene）をドープしたＡｌｑ３２０ｎｍ、Ａｌｑ３３０ｎｍ、陰極１５０ｎｍの順番に成膜することで有機ＥＬ素子を作製した。ここで、陰極として仕事関数がそれぞれ異なるＣａ（実施例１）、ＭｇＡｇ（質量比９：１、比較例１）及びＡｌ（比較例２）を用いた。また、図２から図４にそれぞれ実施例１、比較例２及び比較例２の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
有機ＥＬ素子の応答速度を評価するために、作製した有機ＥＬ素子に正弦波電圧を印加した時の出力される変調信号強度の周波数依存性を測定した。
この実験系では、正弦波電圧発生器で正弦波電圧を発生させて、それをアッテネータと高速増幅器で振幅を７Ｖに制御して有機ＥＬ素子に印加した。また、直流電圧発生器を用いて５Ｖのバイアス電圧を正弦波電圧と重畳させて有機ＥＬ素子に印加した。ここで、電気回路中は、インピーダンス不整合による電気信号の反射損失を防ぐために使用した電子部品の特性インピーダンスが全て５０Ωになるように設計した。
正弦波電圧の印加によって有機ＥＬ素子から発生した光をアバランシェフォトダイオードで受光して、この光信号を電流信号に変換した。最後に、オシロスコープを用いて電気信号の振幅を測定して、有機ＥＬ素子からの変調信号強度の強度を見積もった。
【００２４】
図５に実施例１、比較例２及び比較例２の有機ＥＬ素子における変調信号強度の周波数依存性の測定結果を示す。
実施例１の構造の有機ＥＬ素子は、比較例１と比較例２と比較して、高い周波数領域での変調信号強度が高くなった。つまり、実施例１に示した構造の有機ＥＬ素子は、応答速度が向上していることが分かる。この結果は、表１に示した有機層（Ａｌｑ３）の最低非占有分子軌道と陰極の仕事関数のエネルギーレベル差（以下、エネルギーレベル差と略記する）で説明できる。
【００２５】
実施例１の有機ＥＬ素子は、エネルギーレベル差が０．１ｅＶであるのに対して、比較例１と比較例２の有機ＥＬ素子では、エネルギーレベル差がそれぞれ０．５ｅＶと１．２ｅＶとなった。図５の結果は、このエネルギーレベル差が小さいほど、高周波領域での変調信号強度が高いこと、つまり有機ＥＬ素子の応答速度が速いことを示している。
【００２６】
また、図６に正弦波電圧の振幅電圧を変化させたときの遮断周波数の測定結果を示す。ここで、遮断周波数は、図５の結果から低い周波数領域の変調信号強度に対して変調信号強度が５０％になる周波数として求めた。
この図６の結果から、陰極の以後と関数が小さいほど応答速度の印加電圧依存性が小さくなることが分かった。つまり、仕事関数の小さなＣａを陰極に用いることで、印加電圧が低くても速い応答速度を実現できることが分かった。
【００２７】
［実施例２］
実施例２では、さらに電子注入層を設けることで、実施例１に示した有機ＥＬ素子よりも高い応答速度が実現できることを実証する。
はじめに有機ＥＬ素子の作製手順を示す。各種洗剤やアルコールなどで洗浄を行ったガラス基板に酸素プラズマ処理を行うことで、表面の残留有機層を除去した。次に、スパッタ装置を用いて１５０ｎｍの膜厚でＩＴＯを成膜した後、抵抗線加熱の蒸着機を用いて有機層と陰極を成膜した。ここで、ＩＴＯ上にα−ＮＰＤ４０ｎｍ、０．５質量％のrubreneをドープしたＡｌｑ３２０ｎｍ、Ａｌｑ３３０ｎｍ、リチウムキノリネート（Ｌｉｑ）０．５ｎｍ、Ｃａ（陰極）１５０ｎｍの順番に成膜することで有機ＥＬ素子を作製した。
【００２８】
図７に、実施例１と実施例２の有機ＥＬ素子における発光強度の周波数依存性の測定結果を示す。ここで、正弦波電圧の振幅は７Ｖ、バイアス電圧は５Ｖとした。図７の結果より、実施例２の有機ＥＬ素子は、実施例１の有機ＥＬ素子よりも高周波数領域での発光強度が高くなることがわかる。つまり、実施例２の有機ＥＬ素子は、実施例１の有機ＥＬ素子と比較して応答速度が向上していることが分かる。これは、Ｌｉｑに含まれるＬｉの拡散が原因であると考えられる。Ｌｉの仕事関数は２．９ｅＶであり、このＬｉが陰極と有機層の界面におけるエネルギーレベル差の緩衝材のような作用をしているためである。
【００２９】
また、Ｌｉｑの部分には、一定の還元性を有するものであれば、様々なものを用いることができ、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、希土類金属の酸化物又は希土類金属のハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも一つの物質を好適に使用することができる。好ましい還元性ドーパントとしては、Ｎａ（仕事関数：２．４ｅＶ）、Ｋ（仕事関数：２．３ｅＶ）、Ｒｂ（仕事関数：２．２ｅＶ）およびＣｓ（仕事関数：２．０ｅＶ）からなる群から選択される少なくとも一つのアルカリ金属や、Ｃａ（仕事関数：２．９ｅＶ）、Ｓｒ（仕事関数：２．５ｅＶ）及びＢａ（仕事関数：２．５ｅＶ）からなる群から選択される少なくとも一つのアルカリ土類金属が挙げられ、特に仕事関数が２．９ｅＶ以下の材料を電子輸送層のドーパントに用いることで、発光効率や応答速度が向上する。これらのうち、より好ましい還元性ドーパントは、Ｋ，Ｒｂ及びＣｓからなる群から選択される少なくとも一つのアルカリ金属であり、更に好ましくは、Ｒｂ又はＣｓであり、最も好ましくはＣｓである。これらのアルカリ金属は、特に還元能力が高く、電子注入層への比較的少量の添加で、有機ＥＬ素子における発光輝度の向上や長寿命化を図ることができる。また、仕事関数が２．９ｅＶ以下の還元性ドーパントとして、これら２種以上のアルカリ金属を組み合わせることも好ましく、特にＣｓを含んだ組み合わせ、例えば、ＣｓとＮａ、ＣｓとＫ、ＣｓとＲｂの組み合わせであることが好ましい。Ｃｓを組み合わせて含むことにより、還元能力を効率的に発揮することができ、有機ＥＬ素子の応答特性と発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】有機ＥＬ素子の基本構造を例示する断面図である。
【図２】実施例１の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムである。
【図３】比較例１の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムである。
【図４】比較例２の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムである。
【図５】実施例１、比較例１及び比較例２の各有機ＥＬ素子の正弦波電圧印加時の変調信号強度の周波数依存性を示すグラフである。
【図６】実施例１、比較例１及び比較例２の各有機ＥＬ素子の電圧と遮断周波数の関係を示すグラフである。
【図７】実施例１と実施例２の各有機ＥＬ素子の正弦波電圧印加時の変調信号強度の周波数依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１…有機ＥＬ素子、２…透明基板、３…第一電極層、４…有機層、５…第二電極層、６…正孔注入層、７…正孔輸送層、８…発光層、９…電子輸送層、１０…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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