(57)【要約】本発明は、素子の光取り出し効率，電気特性，寿命等を向上した有機電界発光素子を提供するものである。正負の両電荷の注入，輸送が可能で、該正負の両電荷により生成された正孔と電子の再結合により光の発生が可能な有機電界発光素子であり、該有機電界発光素子に含まれる再結合による発光物質または該発光物質からの光を受けて二次的に光を発生させることが可能な蛍光物質を含む発光層を有する有機電界発光素子において、光を発生する発光層外部にあって、有機電界発光素子外部への光の取り出し界面との間に第１種中間層を有し、かつ、前記発光層から取り出される光の強度方位分布が第１種中間層を通過した後に拡大することを特徴とするものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負の両電荷の注入，輸送が可能で、該正負の両電荷により生成された正孔と電子の再結合により光の発生が可能な有機電界発光素子であり、該有機電界発光素子に含まれる再結合による発光物質または該発光物質からの光を受けて二次的に光を発生させることが可能な蛍光物質を含む発光層を有する有機電界発光素子において、
光を発生する発光層外部にあって、有機電界発光素子外部への光の取り出し界面との間に第１種中間層を有し、かつ、前記発光層から取り出される光の強度方位分布が第１種中間層を通過した後に拡大することを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】
第１種中間層が光散乱が可能であるか、または、光路の拡散が可能である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項３】
第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁によって画素毎に区切られている請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項４】
第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁によって画素毎に区切られており、取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または該隔壁の形状が多角形であり、該多角形を形成する形状面のうちの少なくとも２つが平行である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項５】
第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁によって画素毎に区切られており、取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または該隔壁の形状が多角形であり、該多角形を形成する形状面のうちの少なくとも２つが平行で、多角形を形成する平行な形状面の対のうち、少なくとも一組が発生する光の波長の０．２５〜２波長分の長さである請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項６】
第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁によって画素毎に区切られており、取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または隔壁の形状が円形である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項７】
円形の第１種中間層または隔壁の直径が、発生する光の波長の０．２５〜２波長分である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項８】
取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の断面形状または隔壁の断面形状が、光の取り出し界面に対して平行でない平面構造または曲面構造を有している請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項９】
取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層または隔壁の光の取り出し界面及び光発光層に接していない界面が、光を反射または屈折させることが可能である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１０】
取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層または隔壁の光の取り出し界面及び光発光層に接していない界面が、光を反射または屈折させることが可能で、界面での反射が正反射でない請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１１】
第１種中間層の断面形状が発光面側から光取り出し面側に向けて開口部が拡大する形状であって、該第１種中間層の側面において光を反射させることが可能であり、第１種中間層の光取り出し面側における全反射角φｃに対して中間層の側面のテーパ角ηがφｃ以下である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１２】
第１種中間層の断面形状が発光面側から光取り出し面側に向けて開口部が拡大する形状であって、該第１種中間層の側面において光を反射させることが可能であり、第１種中間層の光取り出し面側における全反射角φｃに対して中間層の側面のテーパ角ηが４５°−φｃ／２からφｃであり、同一断面上で該発光面側開口部の幅ａに対して第１種中間層の厚みｄがａ／２ｔａｎη以下である請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１３】
第１種中間層と、発光層に係る光透過性の電極層との間に、発光層の面積以下の断面積を有する光導波層を有している請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１４】
第１種中間層と、発光層に係る光透過性の電極層との間に、光透過性電極層に接することなく発光層の面積以下の断面積を有する光導波層を有している請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１５】
第１種中間層が発光層で発生する光を吸収して別の色の光を発生し得る物質を含む請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１６】
第１種中間層が発光層を担持する基板内部に形成されている請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１７】
第１種中間層が発光層を担持する光透過性基板の外部に形成されている請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１８】
発光層がアモルファスシリコン薄膜トランジスタまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した基板に形成、または、有機薄膜トランジスタを形成した基板上に形成されている請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【請求項１９】
発光層がアモルファスシリコン薄膜トランジスタまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した基板、または、有機薄膜トランジスタを形成した基板と別個に形成後、一体化された請求の範囲第１項記載の有機電界発光素子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は新規な有機電界発光素子に係り、特に、正負の両電荷を注入し、該両電荷により生成された正孔と電子の再結合により光を発生する有機電界発光素子に関する。
背景技術
昨今、各種携帯電話や移動体端末、モバイルコンピュータ、カーナビゲーション等の普及により、軽量，高精彩，高輝度でかつ安価な小型平面ディスプレイへの要求は高まっている。また、家庭内やオフィスにおいても、省スペース型のデスクトップディプレイや壁掛けテレビ等の平面ディスプレイが、従来のＣＲＴ管ディスプレイから置き換わりつつある。
特に、高速インターネットの普及やデジタル放送の進展により、数百〜数ギガビット／秒級のデジタル信号伝送が有線、無線の双方で実用化され、一般利用者が極めて大容量の情報をリアルタイムにやり取りする時代に移りつつある。このことから、これら平面ディプレイに対する要求は従来以上の軽量性，高精彩，高輝度，低価格に加えて、デジタル信号処理可能な高速表示性が求められている。
このような平面ディスプレイとしては、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）やプラズマディスプレイ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ＰＤ）、フィールドエミッションディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）等が検討されている。これら各種平面ディスプレイに加えて、近年有機電界発光素子（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｓｅ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＯＥＬＤ）または有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｅｄ  Ｄｉｏｄｅ：ＯＬＥＤ）と呼ばれる新しい型の平面ディスプレイが着目されつつある。
有機電界発光素子とは、陰極と陽極の間に挟んだ有機化合物に電流を流すことにより、その中に含まれる蛍光性または燐光性の有機分子を発光させることで表示する素子である。
有機エレクトロニクス材料研究会編、『有機ＬＥＤ素子の残された重要な課題と実用化戦略』、ぶんしん出版、１９９９年中、第１〜１１頁、佐藤佳晴著、『序章：材料・デバイスの現状と課題』によると、有機電界発光素子の研究は、古くはアントラセンやペリレン等の有機半導体単結晶を中心に検討が進められていた。そして、１９８７年にＴａｎｇらが発光性の有機化合物薄膜と正孔輸送性の有機化合物薄膜とを積層した２層型の有機電界発光素子を提案（Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ  ａｎｄ  Ｓ．Ａ．ＶａｎＳｌｙｋｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，９１３，１９８７年）し、発光特性の大幅な向上が可能（発光効率１．５ｌｍ／Ｗ、駆動電圧１０Ｖ、輝度１０００ｃｄ／ｍ２）になったことがその研究の出発点である。
その後、色素ドープ技術や、高分子ＯＬＥＤ、低仕事関数電極、マスク蒸着法等の要素技術が研究開発され、１９９７年に単純マトリックス方式と呼ばれる電荷注入方式での有機電界発光素子が一部実用化されている。更に、アクティブマトリックス方式と呼ばれる新しい電荷注入方式での有機電界発光素子の開発も検討されつつある。
このような有機電界発光素子は、以下のような原理で駆動されている。
蛍光性または燐光性の有機発光材料を一対の電極間に薄膜化させて、正負の電極から電子と正孔を注入させる。有機発光材料中において、注入電子は発光性分子の最低非占有分子軌道（Ｌｏｗｅｓｔ  Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：ＬＵＭＯ）に入った１電子化有機分子（単に電子と云う）となる。
また、注入正孔は発光性分子の最高占有分子軌道（Ｈｉｇｈｅｓｔ  Ｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：ＨＯＭＯ）に入った１正孔化有機分子（単にホールと云う）となって、有機材料中をそれぞれ対向電極に向けて移動する。その途中で電子とホールが出会うと発光性分子の一重項または三重項励起状態が形成され、それが光を輻射しながら失活することで、光を放出する。
一般に有機発光材料には各種レーザ色素のように光励起に対する量子効率の高い材料が数多く知られている。それらを電荷注入により発光させようとすると、多くの有機化合物は、絶縁体であるために電子とホールの電荷輸送性が低く、従って、数百Ｖ級の高電圧が初期の有機電界発光素子には必要であった。
しかし、複写機の感光体として用いられている有機電子写真感光体の電荷輸送性能の高さを利用し、電荷（ホール）を輸送する薄膜と、発光する薄膜とに機能分離することで発光特性を向上させたものが、前述のＴａｎｇの２層型の有機電界発光素子である。
今日では、もう一つの電荷の電子の輸送性を別の有機薄膜に担わせた３層型の有機電界発光素子が報告されている。
これ以外に、ホールと電子の有機材料への注入特性を向上させるための電荷注入層や、両者の再結合確率を上げるためのホール停止層等、各種機能を担わせた薄膜を追加することで、機能分離型、多層膜型の有機電界発光素子が提案されている。
しかし、その発光の元となる部分は、有機発光層に含まれる有機発光分子からの励起状態の失活過程における光輻射であることには変りがない。
有機エレクトロニクス材料研究会編、『有機ＬＥＤ素子の残された重要な課題と実用化戦略』、ぶんしん出版、１９９９年中、第２５〜３８頁、浜田裕次著、『第２節：発光材料の現状と課題』によると、蛍光または燐光を発する有機発光材料は、インキ，染料，シンチレータ等、様々な用途で開発されたものが数多く知られている。
有機電界発光素子にはこれらの有機発光材料が利用されている。その種類は分子量で分けると、低分子系と高分子系に分類され、低分子系は真空蒸着法等のドライプロセスで、高分子系はキャスト法で薄膜形成されている。
初期（Ｔａｎｇ以前）の有機電界発光素子で高効率な素子を得られなかった理由の一つが、良質な有機薄膜を形成することができなかったことによると云われている。特に、低分子系で必要な条件として、
（１）真空蒸着法で薄膜（１００ｎｍレベル）の作製が可能、
（２）製膜後均一薄膜構造維持可能（結晶の析出なし）、
（３）固体状態での高蛍光量子収率、
（４）適度なキャリア輸送性、
（５）耐熱性、
（６）精製容易、
（７）電気化学的に安定、
等が挙げられている。
また、発光過程の分類から、直接電子とホールの再結合によって発光する発光材料と、発光材料から発生した光励起によって発光する蛍光材料（またはドーパント材料）等に分けられる場合もある。
また、化学構造上の違いからは、金属錯体型発光材料（配位子として８−キノリノール，ベンゾオキサゾール，アゾメチン，フラボン等がある。中心金属としてはＡｌ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｅｕ，Ｐｔ等）と、蛍光色素系発光材料（オキサジアゾール，ピラゾリン，ジスチリルアリレーン，シクロペンタジエン，テトラフェニルブタジエン，ビススチリルアントラセン，ペリレン，フェナントレン，オリゴチオフェン，ピラゾロキノリン，チアジアゾロピリジン，層状ペロプスカイト，ｐ−セキシフェニル，スピロ化合物等）等が知られている。
このように有機電界発光素子の発光材料及び素子化プロセスについては、多種多様な材料及び手法が検討されてきた。このような有機電界発光素子から、最大でどの程度の効率で発光量を得ることができるかについては、未だ明確でない点が多い。
有機エレクトロニクス材料研究会編、『有機ＬＥＤ素子の残された重要な課題と実用化戦略』、ぶんしん出版、１９９９年中、第１０５〜１１８頁、筒井哲夫著、『第１節  発光効率の解釈と限界』によると、有機電界発光素子の外部に取り出される光エネルギーは、素子を流れる電子またはホール１個当たりの放出光子数で与えられる。これを電界発光の外部量子効率ηφ（ｅｘｔ）で表わすと、以下の関係があることが知られている。
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ここで、ηφ（ｉｎｔ）は素子内部での素子を流れる電子またはホール１個当たりの放出光子数を表わす内部量子効率、ηｅｘｔは素子内部で発生した光が素子界面での反射や吸収より減少させられた後の素子外部への光の取り出し効率を示す。
また、γは素子内部に注入される電子とホールの数の比率に相当するチャージバランス、ηｒは注入された電荷から発光に寄与する重項励起子を発生する割合を示す一重項励起子生成効率、ηｆは一重項励起子の中で光を発生して失活する割合を示す発光量子効率を表わす。
これら素子外部への発光量に相当する外部量子効率ηφ（ｅｘｔ）は、発光材料自身の性質によって決まるηｒ及びηｆと、素子への電子とホールの注入比によって決まるγ、及び、素子の構造によって決まるηｅｘｔとに大きく分けることができる。
ηｒ及びηｆは、発光材料自身の物性に関係する効率であり、用いる発光材料によって一義的に決定される。また、γは電極とそれに接する有機層との電気的ポテンシャル差や界面ポテンシャル、有機層中の電子とホールの易動度等によって決まる量である。これは、電極材料と素子内部の有機材料の物性によって一義的に決まる効率である。
これら因子のうち、チャージバランスγ≦１である。一重項励起子生成効率ηｒは、電荷のスピンの関係からηｒ≦０．２５であると云われる。
発光量子効率ηｆは超放射的過程以外はηｆ＜１である。従って、素子内部の有機材料及び電極材料によって決定される因子の部分〔式（１）の（γ×ηｒ×ηｆ）の部分〕は０．２５以下であると云われる。
一方、取り出し効率は、Ｎ．Ｃ．Ｇｒｅｅｎｈａｍ，Ｒ．Ｈ．Ｆｒｉｅｎｄ，Ｄ．Ｄ．Ｃ．Ｂｒａｄｌｅｙ，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．６，４９１，１９９４年によると、古典光学の反射と屈折の法則によって決定され、発光層の屈折率をｎとすると、
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で与えられる。
多くの有機電界発光素子の発光層、または、それらを保持するガラス基板の屈折率は１．６程度であり、これからηｅｘｔ＝０．２とされている。
これらのことから、全体としての電界発光の外部量子効率ηφ（ｅｘｔ）≦０．２×０．２５＝０．０５となり、その外部量子効率は高々５％であると云われている。
有機電界発光素子を実用化する上で、この外部量子効率を向上させることが必須ではあるが、上記従来の有機電界発光素子の外部量子効率には上限があるため、これとは異なる機能を有する有機電界発光素子の開発が進められつつある。
その一つの方法は、発光材料自身の発光量子効率一重項励起子生成効率ηｒを向上させようとするものである。従来の電荷注入及び再結合の過程では一重項励起子が０．２５、三重項励起子が０．７５の割合で発生する。
これに対して、重金属を含有する有機発光材料のスピン−軌道角運動量相互作用による項間交差によって、三重項励起子を一重項励起子にスピン反転させたり、ナノスケール領域に閉じ込められた三重項励起子同士の衝突による一重項励起子への転換等によって、発生した三重項励起子を一重項励起子に転化することで、発光に寄与する励起子の割合を増大させようとするものである。
このような新しい励起子発生機構を有する材料としてｆａｃ  ｔｒｉｓ（２−ｐｈｅｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）ｉｒｉｄｉｕｍ〔Ｉｒ（ｐｐｙ）３〕を用いた高効率発光可能な有機電界発光素子が、Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｓ．Ｌａｍａｎｓｋｙ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｍ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５，４−６，１９９９年に紹介されている。
もう一つの方法は、取り出し効率ηｅｘｔを改善することにより素子外部での外部量子効率を向上させようとするものである。即ち、これまで結晶析出しない均一薄膜構造であることが、有機電界発光素子作製上の必要条件とされていた。しかし、この場合発光層を構成する有機発光材料は、空間的にランダムな配向状態となっているために、発光は素子内部において全方位に対して等方的に出射されていた。
これに対し、素子の発光面に対して平行な方向への発光を制御し、かつ、垂直方向への発光を増大させる手段として、例えば、ラビング法によって１軸的に配向させた分子からなる発光層を有する有機電界発光素子について、特開平４−４０４１３号公報に記載されている。
真空中で発光層をドライプロセスによって形成し、発光層を構成する有機分子を光異性化反応によって発光面に平行に配向させて形成した有機電界発光素子においても、同様に発光層内部での異方的な発光特性が得られることが特開平１１−１０２７８３号公報に記載されている。
しかし、これらは配向化による取出し効率の向上については具体的には記載されておらず、唯一、特開平１１−１０２７８３号公報において、素子外部での発光効率が０．５１ｍ／Ｗから０．８１ｍ／Ｗへと１．６倍程度向上したことが記載されているに過ぎない。
それより以前のＭ．Ｈａｍａｇｕｃｈｉ  ａｎｄ  Ｋ．Ｙｏｓｈｉｎｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第３４巻，第Ｌ７１２頁，１９９５年には、配向させた有機電界発光素子の発光異方性と、取り出し効率についてより詳細な測定がなされている。
その第１図によると、配向方向に平行な方向と垂直な方向とでは、取り出し光量に著しい差が認められるのに対し、配向させた試料と無配向な試料との間には、取り出し光量の顕著な差が見出されていない。
もう一つの方法は、発光層内部においてランダムに発生した光の内、膜の面内に伝播する成分を、素子の構造上の工夫により膜面に垂直な方向に変換させようとする方法が提案されている。例えば、特開平１０−１７２７６６号公報によれば、発光層の横端面をドライエッチングにより加工形成し、膜端面を半透明反射鏡として機能させる。そして一定の割合の光を膜内部に戻す作用によって損失を低減し、膜前面に出る有効な光の総量を増大させて、発光素子の入力エネルギー当りの出力発光量を向上させる方法が提案されている。
しかし、この方法では、本来機械的強度に劣る有機薄膜に対してドライエッチングを施すために、膜そのものへのダメージや反射鏡として作用可能な光学的に優れた端面を、形成することが極めて困難であった。
同様に、特開平１０−２２９２４３号公報によれば、膜面垂直方向に共振器構造を有する有機発光素子で、膜平行方向に近接場光を利用して微細周期構造を作成し、反射機能を果たす微細周期構造を膜面平行方向に有し、それによって出射される発光を変調する方法が提案されている。
しかし、この手法では同様に膜の加工性に問題があり、特に、膜面内に共振器構造を形成させるための加工精度は一段と厳しいものがあった。およそ有機発光層自身の厚みは高々１００ｎｍ前後であり、この端面を光学的レベルで加工することは極めて困難であった。
また、特開平１０−３９８１１号公報によれば、わん曲透明基板の凹部内側面に薄膜電界発光素子を形成し、透明基板から外部へ光が出る効率を向上させる方法が提案されている。しかし、わん曲性基板に複雑な画像表示が可能な画素電極や発光層、正孔輸送層等の機能性薄膜を形成することは極めて困難である。また、表示素子として見た場合に、表示部全体が大きくわん曲しているために、利用者の視野特性に著しい制限が生じる等の問題があった。
以上のように、有機電界発光素子において、その発光効率を従来以上に向上させるための手法が検討されているが、これら多数の因子が含まれるために、明確な指針が出されていないのが実情である。
本発明は、有機電界発光素子を実用化する上で、この外部量子効率を向上させることが必須ではある。しかし、上記従来の有機電界発光素子の外部量子効率には上限があり、その一つの方法は発光材料自身の発光量子効率一重項励起子生成効率ηｒを向上させようとするもの、及び取り出し効率ηｅｘｔを改善することにより素子外部での外部量子効率を向上させようとするものである。
その中で、特に後者の取り出し効率ηｅｘｔを改善し、より広範な効率向上手段を提供するものである。
即ち、より簡便に形成可能な素子構造を取ることにより、取り出し効率ηｅｘｔを改善し、従来報告されてきた同じ組成の有機電界発光素子に対しても、同じ駆動条件でありながら、より多くの光を素子外部に取り出す手法を提案するものである。
このような効率化によって、必要とする電力の低減や画素サイズの最適化，高精細化を図り、加えて素子の長寿命化を図ることを目的とする。
特に、１０インチ以上の大画面表示素子や、小面積でも高精細な画像表示素子として駆動させる場合に、有機材料を用いる上での本質的な事柄と考えられてきたため、高密度な画像表示素子としての利用は制限され、高々８インチまでの画像表示素子が提案されたにすぎなかった。これら次世代の有機電界発光素子に、必要な基本構成を提案するものである。
発明の開示
上記目的である有機電界発光素子の光取り出し効率向上を達成する本発明の要旨は以下の通りである。
〔１〕  正負の両電荷の注入，輸送が可能で、該正負の両電荷により生成された正孔と電子の再結合により光の発生が可能な有機電界発光素子であり、該有機電界発光素子に含まれる再結合による発光物質または該発光物質からの光を受けて二次的に光を発生させることが可能な蛍光物質を含む発光層を有する有機電界発光素子において、
光を発生する発光層外部にあって、有機電界発光素子外部への光の取り出し界面との間に第１種中間層を有し、かつ、前記発光層から取り出される光の強度方位分布が第１種中間層を通過した後に拡大することを特徴とする有機電界発光素子にある。
〔２〕  第１種中間層が光散乱が可能であるか、または、光路の拡散が可能である前記の有機電界発光素子にある。
〔３〕  第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁によって画素毎に区切られている前記の有機電界発光素子にある。
〔４〕  取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または該隔壁の形状が多角形であり、該多角形を形成する形状面のうちの少なくとも２つが平行である前記の有機電界発光素子にある。
〔５〕  多角形を形成する平行な形状面の対のうち、少なくとも一組が発生する光の波長の０．２５〜２波長分の長さである前記の有機電界発光素子にある。
〔６〕  取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または隔壁の形状が円形である前記の有機電界発光素子にある。
〔７〕  円形の第１種中間層または隔壁の直径が、発生する光の波長の０．２５〜２波長分である前記の有機電界発光素子にある。
〔８〕  取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の断面形状または隔壁の断面形状が、光の取り出し界面に対して平行でない平面構造または曲面構造を有している前記の有機電界発光素子にある。
〔９〕  取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層または隔壁の光の取り出し界面及び光発光層に接していない界面が、光を反射または屈折させることが可能である前記の有機電界発光素子にある。
〔１０〕  界面での反射が正反射でない前記の有機電界発光素子にある。
〔１１〕  第１種中間層の断面形状が発光面側から光取り出し面側に向けて開口部が拡大する形状であって、該第１種中間層の側面において光を反射させることが可能であり、第１種中間層の光取り出し面側における全反射角φｃに対して中間層の側面のテーパ角ηがφｃ以下である前記の有機電界発光素子にある。
〔１２〕  第１種中間層の断面形状が発光面側から光取り出し面側に向けて開口部が拡大する形状であって、該第１種中間層の側面において光を反射させることが可能であり、第１種中間層の光取り出し面側における全反射角φｃに対して中間層の側面のテーパ角ηが４５°−φｃ／２からφｃであり、同一断面上で該発光面側開口部の幅ａに対して第１種中間層の厚みｄがａ／２ｔａｎη以下である前記の有機電界発光素子にある。
〔１３〕  第１種中間層と、発光層に係る光透過性の電極層との間に、発光層の面積以下の断面積を有する光導波層を有している前記の有機電界発光素子にある。
〔１４〕  第１種中間層と、発光層に係る光透過性の電極層との間に、光透過性電極層に接することなく発光層の面積以下の断面積を有する光導波層を有している前記の有機電界発光素子にある。
〔１５〕  第１種中間層が発光層で発生する光を吸収して別の色の光を発生し得る物質を含む前記の有機電界発光素子にある。
〔１６〕  第１種中間層が発光層を担持する基板内部に形成されている前記の有機電界発光素子にある。
〔１７〕  第１種中間層が発光層を担持する光透過性基板の外部に形成されている前記の有機電界発光素子にある。
〔１８〕  発光層がアモルファスシリコン薄膜トランジスタまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した基板に形成、または、有機薄膜トランジスタを形成した基板上に形成されている前記の有機電界発光素子にある。
〔１９〕  発光層がアモルファスシリコン薄膜トランジスタまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した基板、または、有機薄膜トランジスタを形成した基板と別個に形成後、一体化された前記の有機電界発光素子にある。
ここで云う有機電界発光素子とは、有機発光分子を含む発光層に対して、陽極電極から正孔を、陰極電極から電子を注入可能で、該発光層内部で正孔と電子の再結合によって光を放出することが可能な有機電界発光素子であり、該発光層は単一層であっても、または多層であってもよい。
また、該発光層は、該正孔と電子の再結合により光を放射する有機発光分子以外に、該有機発光分子から発生した光を吸収して別の光を発生することが可能な蛍光物質（または燐光物質）を含んでいてもよい。
また、該発光層は正孔または電子の該発光層内部での易動度を高めることが可能な正孔輸送物質または電子輸送物質を含んでいてもよい。
また、該発光層は、特定の空間的位置に正孔または電子を補足するまたは輸送性を低下させるための正孔捕捉物質または電子捕捉物質を含んでいてもよい。更に、これら有機発光分子、蛍光物質（または燐光物質）、正孔輸送物質、電子輸送物質、正孔捕捉物質、電子捕捉物質は、同一の層に含まれていてもよく、または別個の層に分離されていてもよい。複数の層に分離されてこれらの構成物質を含む層が形成されている場合も、本発明においては一括して発光層と呼ぶことにする。
また、本発明の該発光層と、該発光層に正孔または電子を注入する陽極または陰極との間には、正孔または電子の注入効率を向上させるための正孔注入層または電子注入層を設けてもよい。
また、該発光層や、陽極、陰極、正孔注入層、電子注入層を保持するための基板を設けていてもよく、それら以外の中間層を適宜設けていてもよい。そのような中間層としては、光の反射特性を変調するための反射鏡や部分透過鏡、特定光を透過するフィルタ、光の出射タイミングを調整する光スイッチ、光の位相特性を調整するために波長板、光の出射方向を拡散するための拡散板、素子を構成する物質の外部光や熱、酸素、水分等による劣化を防ぐための保護膜等が挙げられる。
これら中間層は該発光層、陽極、陰極、正孔注入層、電子注入層、基板との間、またはその外部に素子特性を著しく劣化させないような仕様で適宜設けることができる。特に、該有機電界発光素子から外部に光が取り出される最表面に当たる層を、取り出し最表層と呼ぶことにする。
また、本発明に用いることが可能な電界発光材料としては、各種金属錯体型発光材料（配位子として８−キノリノール，ベンゾオキサゾール，アゾメチン，フラボン等。中心金属としてはＡｌ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｅｕ，Ｒｕ，Ｐｔ等）を用いることができる。また、蛍光色素系発光材料（オキサジアゾール，ピラゾリン，ジスチリルアリレーン，シクロペンタジエン，テトラフェニルブタジエン，ビススチリルアントラセン，ペリレン，フェナントレン，オリゴチオフェン，ピラゾロキノリン，チアジアゾロピリジン，層状ペロプスカイト，ｐ−セキシフェニル，スピロ化合物等）を用いることができる。
あるいは、各種高分子材料（ポリフェニレンビニレン，ポリビニルカルバゾール，ポリフルオレン等）を発光材料とし、または、非発光性の高分子材料（ポリエチレン，ポリスチレン，ポリオキシエチレン，ポリビニルアルコール，ポリメタクリル酸メチル，ポリアクリル酸メチル，ポリイソプレン，ポリイミド，ポリカーボネート等）をマトリックスとして、各種発光材料または蛍光材料を混合したり共重合したりすることも可能である。
また、各種有機正孔または電子輸送材料（トリフェニルアミン等）を介在させることもできる。更には、各種正孔または電子注入層（例えばＬｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｓ，ＣｕＰｃ等）を介在させることも可能であり、素子構成に合わせて適宜材料を選ぶことができる。
本発明の有機電界発光素子を作成する手段としては、各種薄膜形成技術、例えば、スピンコート法，塗布法，キャスト法，スパッタ法，真空蒸着法，分子線蒸着法，液相エピタキシャル法，原子層エピタキシャル法，ロール法，スクリーン印刷法，インクジェット法，電界重合法，ラビング法，吹き付け法，水面展開法，ラングミュア・ブロジェット膜法等を用いることができる。
また、これら製膜中または製膜後の配向化を促進させるために、基板自身に配向規制力を有するような結晶性基板や、配向膜塗布基板、物理的または化学的な表面処理を施した基板等を用いることができる。
また、このような配向処理に適した化合物中の分子骨格としては、配向処理過程で液晶性を示すものが望ましい。配向処理を施した後に、試料温度のガラス転移温度以下への冷却や、光や熱等による反応により分子間に新たな化学結合を形成することにより、その配向状態を固定することも有効である。
また、基板としてはガラス，シリコン，ガリウム砒素等の無機物質からなる基板や、ポリカーボネート，ポリエチレン，ポリスチレン，ポリプロピレン，ポリメタクリル酸メチル等の有機物質からなる基板、あるいは、両者を複合化させた基板を用いることができる。
これら基板は、その母材からの切り出し研磨，射出成形，サンドブラスト法，ダイシング法等の手法によって形成することができる。
また、発光状態を制御するために、薄膜トランジスタを形成した基板を用いることも可能である。こうした薄膜トランジスタを形成した基板上に有機電界発光層を形成する。あるいは、薄膜トランジスタを形成した基板と有機電界発光層を形成した基板とをそれぞれ別々に形成後、両者を接合させることによって一体化させることも可能である。
また、本発明の有機電界発光素子は、その素子形成の過程で、必要とする光学的素子構造を作製するために、各種精密加工技術を用いることができる。例えば、精密ダイアモンド切断加工，レーザ加工，エッチング加工，フォトリソグラフィ，反応性イオンエッチング，集束イオンビームエッチング等が挙げられる。
また、予め、加工された有機電界発光素子を複数個配列させたり、多層化したり、その間を光導波路で結合したり、または、その状態で封止したりすることもできる。
また、素子を不活性ガスまたは不活性液体を充填させた容器に保存することも可能である。更に、その動作環境を調整するための冷却または加熱機構を共存させることもできる。これらの容器に用いることができる素材としては銅，銀，ステンレス，アルミニウム，真鍮，鉄，クロム等の各種金属やその合金、あるいは、ポリエチレン，ポリスチレン等の高分子材料等に上記金属を分散させた複合材料，セラミック材料等を用いることができる。
また、断熱層には発泡スチロール，多孔質セラミックス，ガラス繊維シート，紙等を用いることができる。特に、結露を防止するためのコーティングを行うことも可能である。
また、内部に充填する不活性液体としては低融点ワックス，水銀等の液体や、その混合物を用いることができる。また、内部に充填する不活性ガスとしては、ヘリウム，アルゴン，窒素等を挙げることができる。また、容器内部の湿度低減のために、乾燥剤を入れることも可能である。
本発明の有機電界発光素子は、製品の形成後に、外観、特性の向上や長寿命化のための処理を行ってもよい。こうした後処理としては熱アニーリング，放射線照射，電子線照射，光照射，電波照射，磁力線照射，超音波照射等が挙げられる。
さらに、該有機電界発光素子を各種の複合化、例えば接着，融着，電着，蒸着，圧着，染着，溶融成形，混練，プレス成形，塗工等その用途または目的に応じた手段を用いて、複合化させることができる。
また、本発明の有機電界発光素子は、駆動させるための電子回路と近接させて高密度実装させることも可能であり、外部との信号の授受のインターフェースやアンテナ等と一体化することもできる。
発明を実施するための最良の形態
〔実施例  １〕
第１図は、本発明の有機電界発光素子の基本構造図である。有機電界発光素子は、正負の両電荷の注入，輸送が可能で、該両電荷により生成された正孔と電子の再結合により光を発生可能な有機電界発光素子である。
該有機電界発光素子に含まれる再結合による発光物質、または、該発光物質からの光を受けて二次的に光を発生させることが可能な蛍光物質を含む有機電界発光素子において、光を発生する発光層外部にあって、該有機電界発光素子外部への光の取り出し界面との間に第１種中間層を含み、該発光層から取り出される光の強度方位分布が、第１種中間層を通過した後に拡大していることを特徴とする。
通常、有機電界発光素子は、一対の電極間に挟まれた有機電界発光材料があり、陰極から電子、陽極から正孔を注入して、該発光材料中で再結合させることにより、光を発生している。
例えば、第１図（ａ）においては陰極１と透明陽極３の間に挟まれた発光層２から、また、第１図（ｂ）においては陰極１′と透明陽極３′の間に挟まれた発光層２′から、光が発生させられる。
これら発光層２，２′には、既に知られている各種有機電界発光材料を用いることができる。ここでは特に図示していないが、必要に応じて、正孔輸送層や電子輸送層、正孔注入層や電子注入層等の機能化層を多層化することができる。
これらの電界発光する部分は高々数１００ｎｍの薄膜であるため、ガラスや透明プラスチックスのような基板４，４′上に形成されている。発光層２，２′内で発生した光は透明陽極３，３′を透過し、更に基板４，４′を透過して、素子外部に取り出される。この最終的に光が素子外部に取り出される素子界面を、ここでは光取り出し界面６，６′と呼ぶことにする。
本発明の特徴となる基本構成は、この発光層２，２′外部にあって、光取り出し界面６，６′との間の部分に、第１種中間層５，５′と呼ぶ領域が形成されていることである。
この領域を通過して光が外部に誘導される過程で、光の強度方位分布が、第１種中間層５を通過した後に拡大していることが特徴となる。第１図（ａ）ではそのような第１種中間層が基板４の内部に形成されている場合を、また、第１図（ｂ）では基板４′の外部の保持媒体７内部に形成された第１種中間層５′が形成されたものが接合された構造を示す。
また、第２図は、基板１１とは反対の上面側から光が取り出される素子の構造について示す。陽極８，発光層９，透明陽極１０の基板１１上への積層順序が逆になっており、発光層９内部で発生した光は素子上部へ誘導される。このような場合は、透明陽極１０の上部に保持媒体１４の内部に形成された第１種中間層１２が接合され、内部の光はこの中間層１２を経由して、光取り出し界面１３に達し、素子外部に至る。
本発明の第１種中間層は、例えば、第１図（ａ）は基板内部の面内方向、また、第１図（ｂ）や第２図では保持媒体内部の面内方向での第１種中間層の境界面において、光を反射または拡散できるような構造で、その第１種中間層の内部は均一な光学媒体となっている。
発光層内部で発生した光は、一般に等方的に光を発生するため、光取り出し界面までの各薄膜での界面において反射され、多くの光が素子外部に取り出されることなく損失する。その反射による損失は、各薄膜間の屈折率の差が大きい程拡大し、特に、大きな損失となるのは基板と空気との界面における損失である。このような反射は、一般に界面の法線方向に対する角度が大きくなるに伴い増大し、所謂、全反射角以上の方位角で放出された光は永久に素子外部に取り出すことができなくなる。
例えば、基板の屈折率を１．５０、空気の屈折率を１とすると全反射角θｃ＝ｓｉｎ−１（１／１．５０）＝４１．８°となり、これより広角に放出された光は基板面内方向にのみ伝播し、完全な損失となる。
そこで、第１種中間層のように、一つの層の膜面内に特定の幾何学的構造を有する第１種中間層を形成することにより、この面内方向に伝播する光の光路を変更し、面外方向に光を誘導することができる。
更に、このような第１種中間層による光散乱または光路拡散を効果的に実施するためには、発光層／透明陽極と第１種中間層との界面における反射をなるべく少なくすることが必要である。即ち、屈折率差をなるべく小さくするか、第１種中間層側の屈折率をより大きくすることが望ましい。但し、後者の場合、最終的な光取り出し界面における空気との屈折率差がより大きくなるために、別途反射防止手段が必要となる場合がある。
第１種中間層はその電界発光素子の発光単位となる画素毎に形成されていることが望ましい。即ち、第１種中間層が特定の形状を有する画素毎に区切られているか、または、該中間層とは異なる性状の物質からなる隔壁により、画素毎に区切られていることを特徴とする。
第３図は、このような第１種中間層の幾何学的形状の例を示す。なお、第３図（ａ）〜（ｄ）は、左側は断面構造、右側は立体構造を示す。いずれも上側が発光層側、下側が光取り出し界面側とした。
第３図（ａ）は、４つの側面からなる台形型をしており、上側の発光層から侵入した光は、４つの側面で反射されてその進行方向を変え、下側の光取り出し界面に達する。従って、４つの方向に対して光の反射拡散が可能である。
第３図（ｂ）は、断面は台形型であるが全体は円錐形状で、光取り出し界面から見た反射面の形状は円形であるため、面内方向への光の反射拡散は一様となる。
第３図（ｃ）は、直方体構造でその側面において単純に反射され、発光層側と光取り出し界面側の光の入出射角は同じとなるため、その反射損失を低減する別の界面構造の工夫が光取り出し界面において必要となる。しかし、その側面が光散乱性であると、光取り出し量を増やすことが可能となる。
第３図（ｄ）は、半球形状であり、パラボラ型の反射構造を第１種中間層に持たせることで、より面内に伝播する光をより多く素子外部の取り出し方向に変更させることが可能となる。
上記以外にも、特殊な光学設計によって、取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または隔壁の形状が、光の取り出し界面に対して平行でない平面または曲面構造とすることにより、面内方向の光を面外方向に変化させる設計が可能である。特に、第３図（ｂ）の構造においては、取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層の形状または隔壁の形状が多角形であり、かつ、多角形を形成する形状面のうち少なくとも２つが平行であるような面であればよい。
この平行である面に対しては、多角形を形成する平行な形状面の対の内、少なくとも一組が、発生する光の波長の０．２５〜２波長分の長さであるように設定する。これによりその面の間で反射する光に対しては、微小共振器効果による光増幅性を付与することが可能となる。
このような効果は、特に、光誘導媒体にレーザ発振可能な色素を併せて分散させることで実現される。同様に図示は省略したが、第１種中間媒体の形状が円柱状であって、円形の直径が発生する光の波長の０．２５〜２波長分の長さである場合にも、同様に微小共振器効果をその内部に持たせることが可能となる。
第４図には、このような取り出し界面から臨む画素毎に区切られた第１種中間層または隔壁の、光の取り出し界面及び光発光層に接していない界面での光を、反射または屈折させる機能を有する第１種中間層の具体的構造を示した。
第４図（ａ）は、第１種中間媒体の側面に反射鏡が形成されている一例で、保持媒体１５の中に形成した台形型の第１種中間層１８の側面に、反射鏡１６が形成されている。中央部は屈折率が調整された光誘導媒体１７が充填されている。
第４図（ｂ）は、保持媒体１５′中に形成された第１種中間媒体１８′で、図（ａ）の反射鏡１６の代わりに散乱鏡１９が形成されており、中央部は屈折率が調整された光誘導媒体１７′が充填されている。
このような反射または散乱機能は、第１種中間層とその保持媒体との屈折率差が大きい場合にも可能である。例えば、第４図（ｃ）の保持媒体１５’’中に形成された第４図（ａ）と同様の形状の第１種中間媒体１８’’で、中央部は同じく屈折率が調整された光誘導媒体１７’’が充填されている構造でも、同様の機能を得ることが可能である。但し、この場合は、側面に到達した光の一部が保持媒体１５’’へ抜け出る可能性がある。
中央部の光誘導媒体は、発光層からの光を外部に導く部分であるが、その中に各種機能性色素を分散させることにより、有機電界発光素子を高機能化させることが可能である。
特に、発光層で発生する光を吸収し、別の色の光を発生することが可能な物質を含有することで、発光の色変換を行うことが可能となる。各画素毎に赤，緑，青の三原色等の光発生が可能となるよう担当色を分担させ、その幾つかの光を発光層の光の色変換によって実現することにより、簡便で高効率なカラー表示が可能となる。
このような第１種中間層は、その内部での多重反射による干渉によって、素子外部での発光色の変化を防止する観点から、光の波長よりも十分厚い層であることが望ましい。
また、発光層から発生した光を、全て第１種中間層に導くためには、両者の屈折率差が無いのが望ましいことは既述した。その接触部分の面の発光層側が、第１種中間層側によって覆われることが望ましい。なぜならば、発光層側が大きいと、第１種中間層の外側に発光する部分が生じるために、発生した光を十分に誘導することが困難となる。
また、画素サイズは、第１種中間層の光取り出し界面側の面積程度であることが望ましい。このことから発光層側の面積はより小さな面積であることが望ましい。
通常界面での全反射による損失を考慮した場合、発光層で発生した光の高々２０％が外部に取り出されるだけであるが、面内方向に伝播する光も、第１種中間層によって全て素子外部に誘導された場合、その取り出し効率は１００％となる。従って、１つの画素当りの発光層部分の面積は１／５でよい。
また、第１図（ｂ）のように、透明陽極３′と第１種中間層５′との間に透明基板４′が介在する場合は、発光層２′から発生した光が第１種中間層′に到達するまでに拡散してしまうため、両者の距離は短いほど望ましい。実質的には光の波長よりも大きく、１ｍｍ以下程度が必要である。
以上のような形状と寸法、屈折率の条件を満たす第１種中間層を、発光層と光取り出し界面との間に設けることにより、より多くの光を素子外部に誘導することが可能となる。
〔実施例  ２〕
次に、実施例１に示す第１種中間層の構造の内、円錐型構造の第１種中間層の作製手順の例を第５図に示す。
（１）  有機電界発光素子を形成するガラス基板２０には、硼珪酸ガラス（サイズ４０×４０×０．８ｍｍ、両面研磨）を用いた。
（２）  ガラス基板にはサンドブラスト法（微細な砂状粒子を高速噴射して加工する手法）で、噴射範囲１００×６０ｍｍ、加工上穴２９５．５μｍ、加工下穴８３６．５μｍ、テーパ角７０°で、円錐状の加工穴を明ける。
（３）  これに分子線蒸着装置を用いて加工下穴側からアルミニウムを１００ｎｍ蒸着し、反射鏡２２とする。
（４）  加工穴に屈折率調整樹脂２３を光誘導媒体として充填する。屈折率調整樹脂は用いる有機電界発光層の屈折率に近い樹脂を選択する。本実施例ではポリメタクリル酸メチル，ポリスチレン，ポリビニルアルコール，ポリアミドから選択して用いた。
（５）  十分に硬化後、その上面と下面に余分にはみ出た樹脂を研磨剤で表面を研磨して平坦にした。
（６）  次に、この上面側に基板温度室温でＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ：ＩｎＺｎＯ）をスパッタ装置で薄膜形成し、透明陽極２５とした。ＩＺＯの膜厚は１００ｎｍ、シート抵抗は６０Ω／□であった。これを純水の流水下で１時間洗浄後、純水中で１５分超音波洗浄を２回繰り返した後、アセトン（和光純薬製特級試薬）中で１５分超音波洗浄し、乾燥窒素を吹き付けて乾燥させた。
これを大気中で紫外線ランプを５分間照射した後、モリブデン製基板ホルダ（日本バックスメタル製）に装着し、手早く分子線蒸着装置の交換室に基板ホルダごと装着した。
（７）  この分子線蒸着装置内で有機電界発光層２６を形成し、更に、パターニングマスクを介して陰極２７を形成した。本発明の効果を確認するため、ここでは発光層に正孔輸送層と有機発光材料層とからなる二層型構造を採用した。正孔輸送層にはα−ＮＰＤ（４，４−ｂｉｓ〔Ｎ−（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ−ｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏ〕ｂｉｐｈｅｎｙｌ）を用い、有機発光物質にはＡｌｑ３（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｔｒｉｓ（８−ｈｙｄｒｏｑｕｉｎｏｌｉｎｅ））を用いた。
各膜厚は６０ｎｍとし、ＩＺＯ上に正孔輸送層、有機発光物質の順に真空蒸着した。その上にＬｉＦを電子注入層として０．５ｎｍ蒸着した。これら正孔輸送層から電子注入層までが有機電界発光層２６に相当する。更に、Ａｌを陰極として蒸着した。
第７図は、本実施例の試料作製に用いた分子線蒸着装置の装置構成を示す。正孔輸送層，発光層及び陰極は、分子線蒸着装置（日電アネルバ製、型式ＯＭＢＥ，ＩＭＢＥ−６２０）内で蒸着形成した。
該分子線蒸着装置は基板ホルダを交換，装着するための交換室、交換室内の基板を搬送して最高１３００℃まで加熱できる前処理室、正孔輸送層，有機発光材料層及び無機障壁層を形成する第１成長室、金属電極を形成する第２成長室、形成された薄膜の表面状態をＥＳＣＡ，ＡＥＳで分析する分析室から成っている。
各室のベース圧力は、交換室以外は１０−１０Ｔｏｒｒ台、交換室は１０−９Ｔｏｒｒ台であり、各室の間はゲートバルブによって仕切られ、必要に応じて、基板ホルダごと基板を超高真空下で移動できる構造になっている。
また、交換室への基板の装着や製膜された試料の取出しは、ゲートバルブで仕切られたグローブボックス（美和製作所製）を介し、大気圧下、但し酸素及び水分を除去した乾燥窒素の環境下で行うことが可能となっている。
蒸着に際しては、必要に応じ第１及び第２成長室に基板を移動させて行った。蒸着時には該当する成長室チャンバを液体窒素で冷却しながら、各成長室に予め装着した原料物質を加熱昇華または蒸発させることで基板上に蒸着し、薄膜を形成した。原料物質は、有機物質には石英製るつぼ（日電アネルバ製）、無機物質には窒化硼素製るつぼ（信越化学製）に収納し、各成長室に装着後、真空状態にし、ヒータ加熱によって原料物質を気化させる。
るつぼの出口には機械式のシャッタが設けられており、所定時間シャッタを開くことで、気化した原料物質を基板上に蒸着させる。
蒸着された原料の膜厚は、基板近くに置かれた水晶振動子型膜厚計により計測し、所定の膜厚の薄膜を形成した。また、基板の温度は−９０℃〜１５０℃の範囲で所定の温度に保持することが可能である。
蒸着速度は、有機物及び無機障壁層は０．１ｎｍ／ｓ、陰極材料は３０ｎｍ／ｓ程度になるようにるつぼの温度を設定した。
蒸着手順は、まず第１成長室内で正孔輸送層を所定の膜厚に形成後、同じチャンバ内で有機発光材料層と無機障壁層からなる発光層を所定の膜厚形成した。これを一旦交換室に搬送する。そこで、ステンレス製の金属マスクを装着した基板ホルダに試料を載せ換えた後、第２成長室に試料を搬送し、陰極を形成した。合金性陰極の混合比は、分析室のＸＰＳによって各元素の存在比率から決定した。陰極形成時の基板温度は−９０℃〜３０℃の範囲の所定温度に設定した。
陰極まで形成した試料は交換室に移動し、そこからグローブボックスに取出し、グローブボックス内部でガラス板のカバーをし、その端部を紫外線硬化樹脂にて封止した。最終的な試料では発光層エリアは封止され、その外部に陽極，陰極が引き出されており、これら電極に対してはブローバを用いて外部から電圧を印加させることができる。
また、第６図には低温での膜形成が困難な透明陽極を有する有機電界発光素子の作製手順の一部を示した。
（１）  基板の準備、
（２）  テーパ穴加工、
（３）  反射鏡蒸着までのプロセスは、第５図の場合と全く同一であるのでここでは省略する。
第５図では、透明樹脂を第５図（４）で封入したものを基板として、その後ＩＺＯのような透明陽極を形成した。これに対し、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩｎＳｎＯ）のような透明陽極でシート抵抗の低い電極を形成するためには、基板温度を１００℃以上にして蒸着する必要があり、予め屈折率調整樹脂を封入したものを基板とすることができない。
そこで、この場合は基板厚さ５０μｍのガラス基板３１上に、別途ＩＴＯを透明陽極３０としてスパッタ蒸着し、同様に分子線蒸着装置を用いて、正孔輸送層，有機発光材料，電子注入層を順次蒸着したものを発光層２９とした。その上にＡｌ陰極２８を蒸着した後、ガラス封止したものを基本有機電界発光素子部３２とした。
第６図（４′）に示す様に基本有機電界発光素子部３２を基板の接着面３３と接合した。この際、接着面３３に薄く屈折率調整樹脂の希薄溶液を浸透させて予備接合しておくことが効果的であった。
次に第６図（５′）に示す様に、前記の加工穴に屈折率調整樹脂３３を封入し、はみ出た樹脂は研磨除去して素子を完成させた。これらの作業はグローブボックス外で両者の位置合わせを行いつつ接合した。
いずれの場合も、画像表示素子とする場合には透明陽極及び陰極に対して表示画素としての電極パターニングが必要であるが、ここでは図示は省略した。
画像表示素子として駆動させるためには、１枚の基板内に複数の加工穴を形成して、第１中間媒体を作製した。但し、現在の加工精度の都合上、このサイズの加工穴より細かな穴開けが困難であったので、これに合せて、発光層を挟む陽極，陰極は幅３００μｍの単純マトリックス構造とした。このような電極を間隔１００μｍで縦横それぞれ４０本ずつ形成し、その交点を一つの画素部とした。
この陽極、陰極に外部電線を銀ペーストを用いて接合し、任意の陽極，陰極を１つずつ選択し８Ｖの電圧を印加したところ、全ての画素位置で発光を確認することができた。
〔実施例  ３〕
次に、単一の画素を持つ試験用有機電界発光素子を形成し、その光拡散特性を以下に示す手法で評価した。
第８図は、上記試験用有機電界発光素子の素子構成を示す。第８図（ａ）は第１種中間層を有する素子、同（ｂ）は第１種中間層を持たない素子を示す。
有機電界発光を起こす部分はいずれも同じであり、その製法は、実施例２の第６図の手法によって作製した。即ち、第８図（ａ）では上から陰極３５，電子注入層３６，有機発光材料３７，正孔輸送層３８，透明陽極３９をガラス基板４０上に形成したものを基本有機電界発光素子部４１とした。
これに対して、第６図の手法に従い第１種中間層となるべき加工穴を開け、かつ、反射鏡を蒸着した保持媒体４３を接合した。但し、ここでは、その上面の加工穴以外の部分に、光が漏れることを防止するための遮光マスク４２を形成した。
具体的にはその上面に薄く樹脂を塗り、その上からカーボン粉末を散布して形成した。こうして作製した保持媒体４３を基本有機電界発光素子部４１と接合し、その状態で屈折率調整樹脂４４を封入し素子を形成した。ここでは、保持媒体部４３のガラスと、基本素子部４１を形成したガラス基板４０は、同種のガラス材料を用い、屈折率調整樹脂の屈折率がガラスと同じとなるものを選択した。
一方、比較用の有機電界発光素子も有機電界発光を起こす部分はいずれも同じであり、その作製方法は実施例２の第６図の手法によって作製した。即ち、第８図（ｂ）では上から陰極３５′，電子注入層３６′，有機発光材料３７′，正孔輸送層３８′，透明陽極３９′をガラス基板４０′上に形成したものを基本有機電界発光素子部４１′とした。これに対して接合させるべき第１種中間層を持たない保持媒体４３′としては、穴開け加工を施す前のガラス板そのものを用いた。但し、その一部に第８図（ａ）の第１種中間層の上面穴と同じサイズの領域だけ光が透過するように、遮光マスク４２′を形成した。このようにした保持媒体４３′を同様に接合したものを比較用素子とした。
第９図は、光拡散特性の違いを評価した素子の評価系ダイアグラムを示す。作製した有機電界発光素子４５に対して、電圧を供給し、同時に電流量を測定する電圧供給，電流測定装置４８（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ社製、ｐＡ  Ｍｅｔｅｒ／ＤＣ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｏｕｒｃｅ  ４１４０Ｂ）から電圧を印加し、陽極から陰極に向けて素子内部に電流を流すことで、該素子を電界発光させた。
発生した光量は、該素子中央部の正面位置に設置された輝度計カメラ４６及びそれを制御する輝度計制御器４７（Ｐｈｏｔｏｒｅｓｅａｒｃｈ社製、Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｐｒｉｔｃｈａｒｄ  Ｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ，Ｍｏｄｅｌ  １９８０Ａ−ＰＬ）によって、その輝度測定を行った。輝度計カメラに対する素子の光取り出し界面の法線方向に対する方位角θは、パルスモータ駆動の回転ステージ５（中央精機製）によって行った。
これらの輝度計制御器４７、電圧供給，電流測定装置４８及び回転ステージ５０は、その制御及び計測を制御パーソナルコンピュータ４９によって制御した。測定は全て室温で行い、特に、温度制御は行っていない。
第８図（ａ）の素子と同（ｂ）の素子で、素子外部から観測した発光特性を比較したところ、第８図（ｂ）の素子では正面輝度（θ＝０°）を最大値として、ほぼｃｏｓ２θで発光強度が減衰する所謂Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎな発光特性を示し、その光量は１０Ｖで正面１２００ｃｄ／ｍ２、θ＝２０°で１０００ｃｄ／ｍ２であった。
これに対して第８図（ａ）の素子では、θが０°〜±３０°の範囲でほぼ同等な輝度を観測し、その光量は１０Ｖで６３００ｃｄ／ｍ２であった。これは第８図（ｂ）の素子では保持媒体４３′の面内方向に伝播し、面外方向に取り出すことができなかった光が、ほぼ全て外部に取り出せたことを示している。
また、加工穴のテーパ角からは、この素子の場合は±２０°で光が観測されると予想されるが、実験ではやや広い角度に光が観測された。これはサンドブラスト法による加工面の荒れによる乱反射の効果が、加味されたものと考えられる。
〔実施例  ４〕
次に、画像表示用の有機電界発光素子に用いる場合の本発明の構造寸法，設計の一例について説明する。
画像表示素子として用いる場合、各有機電界発光素子の発光部分は画素と呼ばれる領域に区切られており、各画素の発光量やその発光時間が画像表示素子の制御回路によって制御される。画像表示素子中の画素は２次元的に配列されており、その画素数は画像表示素子の解像度に応じて規格化されている。
例えば、ＶＧＡ＝６４０×４８０，ＳＶＧＡ＝８００×６００，ＸＧＡ＝１０２４×７６８，ＳＸＧＡ＝１２８０×１０２４，ＵＸＧＡ＝１６００×１２００，ＨＤＴＶ＝１９２０×１０８０，ＱＸＧＡ＝２０４８×１５３６である。
従って、画像表示素子中の各画素のサイズは、画面サイズと解像度に応じて決定され、例えば、画面サイズが１２３×３１ｍｍ、解像度ＸＧＡ（画素数１０２４×７６８）の場合、一つの画素サイズは１２０×４０μｍ以下の領域になければならない。
第１０図は、一般的な有機電界発光素子を用いた画像表示素子の画素間の配置図（ａ）と、本発明の有機電界発光素子の構造を取り込んだ画像表示素子の画素間配置図（ｂ）との関係を示した。但し、第１０図においては、簡略化のため有機電界発光素子の基板より上の部分については、一括して画素と表示した。
基板厚ｄの基板上に形成された画素１，２，３について、画素サイズをＬ１、画素間の距離を示す画素ピッチをＬ２とすると、１つの画素が占有する大きさは光を発生する画素部と画素ピッチ部分となり、その長さはＬ１＋Ｌ２である。
ここでは特に説明しないが、紙面に垂直な方向にも同様な画素領域があり、その長さも画素サイズと画素ピッチの和となる。
各画素の発光が基板側から外部に放出される場合、画素と基板の界面から放射された光が、基板底部の光取り出し界面に達する間に光拡散し、基板と空気との界面において一部は反射され、臨界角よりも広角で到達した光は全反射されて、基板の横方向に伝播する。このため隣の画素と近接し過ぎると隣の光が混在し、フルカラー画像表示の場合には色の混色が発生する。
また、画素自身に光共振器構造を取り込んだり、各画素の横方向にテーパ面を設けると基板内を進む光の指向性が高まり、基板横方向の伝播が抑制される。しかし、光が素子外部に出た時点でも光指向性が残留し、画像表示素子としての視野角が狭くなると共に、共振器効果による光干渉色が混じり、表示色むらを発生させる。
これに対し、本発明の有機電界発光素子からなる画像表示素子の場合、第１種中間層として、例えば、テーパ面が基板表面の法線と成す角ηを、光取り出し界面で画素間の中点位置で接するように設けた場合、各画素から発生した光は基板内で混合することなく、また、基板外部で指向性を伴うことなく光が放出される。
第１１図は、このような画像表示素子として用いた本発明の有機電界発光素子の最適な第１種中間層の大きさを決定するための説明図を示す。
画素から基板に侵入する光は、画素自身が２次元的な発光体であることから、様々な方位角で放射され、第１種中間層の基板横方向を制限する界面で反射されながら、最終的に様々な角度で光取り出し界面に到達する。このため、光取り出し界面で一部の光は反射され、特に全反射角よりも広角の光が存在すると、その光は再び画素に戻ってしまって取り出すことができない。従って、最適な第１種中間層のテーパ角と、その厚みや屈折率を見積もる必要がある。
第１種中間層のテーパ面が基板表面の法線と成す角をηとすると、テーパ角はπ／２−ηとなる。そして、基板下面の発光点Ｐから方位φに放出された光が、テーパ面に到達した位置をＷ、Ｗで反射されて基板上面に達した位置をＶとし、ｚ軸上の点Ｗの高さに相当する点をＧ、点Ｗでのテーパ面の法線とｚ軸の交点をＦ、テーパ面とｘ軸との交点をＥとする。
テーパ面に対する放射光の入射角は∠ＰＷＦであり、反射光の方向は点Ｗで入射光の方位ベクトルの逆ベクトルを負の方向に∠ＰＷＶ＝２∠ＰＷＦだけ回転させたものであることに留意する。
この時、φ＞ηであることに注意すると、
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放射光の方位ベクトルの逆ベクトルとテーパ面の法線ベクトルとの為す角はそれらの内積から、
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その角度は（π／２）−φ＋ηである。
この２倍の角度だけ正の方向に回転させたものが反射光の方位となるから、反射光の方位ベクトルは、
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となる。その方位角は、
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で与えられる。これは反射光が上面に入射する角度が上式であることを示している。具体的には第１種中間層の形状により下面からの光の光路を計算により求めればよい。
範囲として、０≦φ≦（π／２），０≦η≦（π／２），η＜φで、直接放射光がテーパ面ＥＶに当たるまでの間で、臨界角φｃ＝ｓｉｎ（１／ｎ）を超えないようにするためにはη＜φｃ、テーパ面で反射した光の最も広角なもの（φ＝９０°）も臨界角を超えないようにするためには、
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となる。
ｎ＝１．６では２５．６６°＜η＜３８．６８°となるが、ｎ＝２．２ではφｃ＝２７．０４°、（π／４）−（φｃ／２）＝３１．４８°となり、最適なテーパ角を定めることができない。
よって、テーパ中央部に屈折率１．６程度の樹脂を埋めることにより、全ての光を外部に導くことができる。
あまり臨界角に近い角度で到着した光の透過率も高くないことから、実効的には（２５．６６＋３８．６８）／２＝３２．１７°程度にすると、直接放射光も反射光も臨海角よりもやや小角の範囲に止めることができる。
次に、光取り出し量で利得が発生する基板厚を求める。画素下側面の直径をａ、基板厚をｄとすると、上側取り出し面の半径はａ／２＋ｄｔａｎη＝である。下側面の光が１００％取り出されたとして、上側面と同じ大きさの単純画素（取り出し効率Ｔとする）からの光量が下側面の光と同じ光量となるのは、
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Ｔ＝０．２、ａ＝１２０μｍ、η＝３２．１７°とすると、ｄ＝３０９μｍとなる。従って、厚みｄがこれよりも薄いと、取り出し光量に利得が生じる。逆に上側面の大きさが１２０μｍではａ＝１０７，ｄ＝１０５μｍとなる。
このことは、画素サイズａが決まると前記式（４）によって角度ηが定まり、また有効な基板厚ｄが前記式（５）によって定まることを示している。これよりも大きな基板厚に対しては、画素で発生した光の全てを外部に取り出すことができず、必ずしも利得は大きくない。
第１２図は、このような最適厚みを有する第１種中間層を取り込んだ素子構造の一例を示す。
第１２図（ａ）は、基板全体の厚みに比べて十分薄い第１種中間層が、画素下部に、直接、接している場合を示している。このような配置では、最終的な光取り出し界面に達するまでに光が拡散する余地があるので効果が少ない。
第１２図（ｂ）は、基板全体の厚みと第１種中間層の厚みが同じ場合を示している。この場合は、前記の通り光取り出しの利得はあるが、基板厚みが薄いものとなる。このため、基板の機械的強度を維持するためには、第１２図（ｃ）のような画素と第１種中間層との間に、一定の距離ｄｗを介した基板も可能である。この場合は、画素から第１種中間層に光が到達する間で、隣接画素との光の混合を避けるため、上記ｄｗをあまり大きな値としてはいけない。
第１３図は、第１種中間層と画素とが隔絶配置されている条件で、両者をつなぐ導波層を、基板中に形成した素子構造を示す。この場合、第１３図（ａ）の様に直接画素部と第１種中間層を導波層によって結合する場合と、第１３図（ｂ）の様に距離ｄｗを介して第１種中間層を導波層によって結合する場合とがある。特に、後者は、画素から第１種中間層に光が到達する間で隣接画素との光の混合を避けるためには、上記ｄｗをあまり大き値としてはいけない。
以上のように、有機電界発光素子において、第１種中間層の断面形状が、発光面側から光取り出し面側に向けて開口部が拡大する形状であって、該第１種中間層の側面において光を反射させることが可能で、第１種中間層の光取り出し面側における全反射角φｃに対して、中間層の側面のテーパ角ηがφｃ以下とする。
特に、ηが４５°−φｃ／２以上、φｃ以下で、同一断面上で発光面側開口部の幅ａに対して、第１種中間層の厚みｄがａ／２ｔａｎη以下であるよう素子構造を設計すると、画素部で発生した光の殆どを表示素子としての画素サイズの制限を保持しながら、素子外部に取り出すことが可能となる。
〔実施例  ５〕
本実施例では、アモルファスシリコン薄膜トランジスタまたは多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した基板上に形成、または、有機薄膜トランジスタを形成した基板上に形成した状態の画像表示素子の素子構造と駆動回路について第１４図を用いて説明する。
有機電界発光素子を画像表示素子として用いる場合、各画素の発光状態を制御する必要がある。画面サイズが大きくなると、各画素を独立して駆動可能な薄膜トランジスタを素子内部に画素毎に形成することが有効である。
第１４図（ａ）は、そのような薄膜トランジスタを内蔵した１つの画素部の構造を示す。基板の光取り出し面とは反対側の上面に薄膜トランジスタ層が形成されており、ここでは１つの画素当り２つのトランジスタ（Ｔｓｗ：スイッチングトランジスタ、Ｔｄｒ：ドレイントランジスタ）によって駆動され、薄膜トランジスタ層の上部に有機電界発光素子の透明陽極，発光層，陰極を形成した。
透明陽極の一部及び陰極の一部は、Ａｌ配線によりトランジスタと接続されている。発光層の下層には第１種中間層が形成されており、その構造は実施例４に示したような種々の構造を取ることができる。
第１４図（ｂ）には、各画素を駆動させるためのトランジスタの回路図を示しており、スイッチングトランジスタを駆動させるためのゲート配線（Ｇ１〜Ｇ４）、ドレイントランジスタを駆動させるためのドレイン配線（Ｄ１〜Ｄ４）が、それぞれ画素間には形成されている。
特定の画素を表示させるには、これら２種の配線を選択して特定の画素位置のトランジスタを駆動し、当該発光部で光を発生させる。発生した光は薄膜トランジスタを内蔵した層の下に形成した第１種中間層に導かれ、そこで光路が拡散しながら光取り出し界面に到達する。
このように薄膜トランジスタ内蔵型の有機電界発光層からなる画像表示素子では、発光画素部分以外にトランジスタ部分や配線部分が共存するため、非発光な領域を必ず含む。しかし、第１種中間層のテーパ部分にそれらの駆動回路部分を配置することで、素子をより緻密し、光取り出し効率を最大限に引き出すことが可能となる。
本発明の有機電界発光素子は、従来、数多く報告されている有機電界発光素子の発光部の基本構造を変化させることなく、より簡便な手法で取り出し効率ηｅｘｔを改善し、より多くの光を素子外部に取り出すことができる。
特に、１０インチ以上の大画面表示素子や、小面積でも高精細な画像表示素子として駆動させる場合、従来、有機材料を用いる上での本質的な事柄と考えられてきたため、高密度な画像表示素子としての利用は制限され、高々８インチまでの画像表示素子が提案されたに過ぎなかった。このような高精細素子，大画面素子に対しても、有機電界発光素子を適用可能なものとすることができる。
これら素子の電気特性の向上によって、素子駆動の低電圧化，高輝度化，長寿命化を図ることが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明によって、薄膜，軽量，高精細にして高効率な有機電界発光素子、並びに、これを用いた薄膜平面ディスプレイ，小型携帯投射型ディスプレイ，携帯電話表示素子，立体ディスプレイ，電子紙，携帯型パーソナルコンピュータ用ディスプレイ，リアルタイム電子掲示板，光発光ダイオード，レーザ，２次元光パターン発生素子，光コンピュータ，光クロスコネクタ，光ルータ等の各種新規光電子素子、及び、それを用いたシステム，サービスの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の基板側から光を取り出す有機電界発光素子の基本的素子構成である。
第２図は、本発明の陰極側から光を取り出す有機電界発光素子の基本的素子構成である。
第３図は、本発明の第１種中間層の幾何学形状の一例である。
第４図は、本発明の第１種中間層内部の反射鏡の構成図である。
第５図は、本発明の第１種中間層を有する有機電界発光素子の作製手順の一例である。
第６図は、本発明の第１種中間層を有する有機電界発光素子の作製手順の一例である。
第７図は、本発明の有機電界発光素子の実施例での素子作製装置の構成図である。
第８図は、本発明の第１種中間層の効果を確認するための試験用素子の構成図である。
第９図は、本発明の第１種中間層の効果を確認するための試験用素子の特性測定系である。
第１０図は、本発明の第１種中間層画素配置を説明するための図面である。
第１１図は、本発明の第１種中間層の最適画素サイズを説明するための図面である。
第１２図は、本発明の表示画素用の第１種中間層の一例である。
第１３図は、本発明の表示画素用の第１種中間層の一例である。
第１４図は、本発明の薄膜トランジスタ内蔵の画像表示素子に第１種中間層を用いた場合の説明図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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