(57)【要約】第１電極と発光層との間に設けられ、発光層の発光波長帯域内に吸収帯域を有する有機半導体層と、上記有機半導体層に電気的に接続されている制御電極と、を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第２電極、及び前記第１及び第２電極間に設けられた発光層を有する有機ＥＬ発光素子であって、
前記第１電極と前記発光層との間に設けられ、前記発光層の発光波長帯域内に吸収帯域を有する有機半導体層と、
前記有機半導体層に電気的に接続されている制御電極と、を有することを特徴とする有機半導体発光素子。
【請求項２】
前記有機半導体層は前記吸収帯域を有する光吸収層を有し、前記制御電極は前記光吸収層に接していることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【請求項３】
前記有機半導体層は前記吸収帯域を有する光吸収層を有し、前記制御電極は前記光吸収層内に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【請求項４】
前記光吸収層は前記制御電極と前記第１電極との間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の有機半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層及び前記有機半導体層の少なくとも一方は前記有機半導体層の光吸収率が所定範囲内であるようにドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【請求項６】
前記制御電極への印加電圧変化に対する前記第１及び第２電極間の電流電圧特性は、前記発光層の発光及び消光に応じて変化するサイリスタ特性を有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１電極及び前記第２電極はそれぞれアノード及びカソードであり、前記第１電極及び前記発光層間に配された正孔輸送層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１電極及び前記第２電極はそれぞれアノード及びカソードであり、前記第２電極及び前記発光層間に配された電子輸送層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、有機半導体発光素子、特に、スイッチング機能を備えた有機半導体発光素子等に関する。
【背景技術】  有機エレクトロルミネセンス素子（以下、有機ＥＬ素子ともいう。）は自発光型の素子であり、応答速度が非常に速く、高輝度である種々の利点を有し、その研究開発が進められてきた。また、スイッチング機能を備えた有機ＥＬ素子が提案されている（例えば、特開２００３−１８７９８３号公報参照）。
また、かかる有機ＥＬ素子をマトリクス状に配置して構成される発光表示ディスプレイは、視野角が広く、薄型で消費電力も小さい表示装置として、注目され、広く開発が進められている。
従来のＥＬ素子は、受動型のデバイスであり、アクティブ駆動するためには１つのＥＬ素子に少なくとも２つ以上のＴＦＴ等のスイッチング素子、及び、少なくとも１つ以上のキャパシタを必要としていた。従って、有機ＥＬ素子を用いてアクティブ駆動ディスプレイを構成する場合に、１つの画素内にＴＦＴ等のスイッチング素子やキャパシタを形成することによって画素の開口率が低下し、結果として、十分な輝度を得るために電力消費が大きくなるという問題があった。また、有機ＥＬ素子の発光寿命が短くなる等の問題があった。
また、さらに高輝度で、視認性に優れた高性能かつ低価格のディスプレイの実現に適した有機ＥＬ素子が望まれている。
【発明の開示】
本発明は、上述した点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、スイッチング機能を備え、高輝度で高性能な有機半導体発光素子等を提供することにある。本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が１例として挙げられる。
本発明による有機半導体発光素子は、第１電極、第２電極、及び第１及び第２電極間に設けられた発光層を有する有機ＥＬ発光素子であって、第１電極と発光層との間に設けられ、発光層の発光波長帯域内に吸収帯域を有する有機半導体層と、上記有機半導体層に電気的に接続されている制御電極と、を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施例１である光サイリスタ型の有機ＥＬ素子の構成を模式的に示す断面図である。
図２は、ゲート電極の一例を示す図であり、積層方向に垂直な面内におけるゲート電極の一部平面図である。
図３は、ゲート電極の一例を示す図であり、ゲート電極が有機半導体層内に埋め込まれるように形成されている場合の有機ＥＬ素子の断面図である。
図４は、発光層２５のＥＬ発光スペクトル（一点鎖線）及び第１及び第２有機半導体層の吸収スペクトル（実線）を示す図である。
図５は、図１に示す有機ＥＬ素子の基本的な動作を確認するための光感応性ＳＩＴ素子の構成を示す断面図である。
図６は、図５に示す光感応性ＳＩＴ素子に外部光を照射しない場合の、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレイン・ソース電流（ＩＤＳ）を示す図である。
図７は、図５に示す光感応性ＳＩＴ素子に外部光を照射した場合の、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレイン・ソース電流（ＩＤＳ）を示す図である。
図８は、実施例２の有機ＥＬ素子における、発光層のＥＬ発光スペクトル（一点鎖線）と第１及び第２有機半導体層の吸収スペクトル（実線）を示す図である。
図９は、本発明の実施例３である光サイリスタ型有機ＥＬ素子の構成を模式的に示す断面図である。
図１０は、本発明の実施例４である光サイリスタ型有機ＥＬ素子の構成を模式的に示す断面図である。
発明を実施するための形態
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施例において、等価な構成要素には同一の参照符を付している。
【実施例１】  図１は、本発明の実施例１である光サイリスタ型の有機ＥＬ素子１０の構成を模式的に示す断面図である。
有機ＥＬ素子１０は、第１電極としてのソース電極（Ｓ）１１、第２電極としてのドレイン電極（Ｄ）１２を有するとともに、当該ソース電極（Ｓ）１１、ドレイン電極（Ｄ）１２の間に制御電極としてのゲート電極（Ｇ）１３を有する。さらに、ソース電極（Ｓ）１１及びゲート電極（Ｇ）１３の間には第１有機半導体層（ＯＲＧ１）２１が、ゲート電極（Ｇ）１３及びドレイン電極（Ｄ）１２の間には第２有機半導体層（ＯＲＧ２）２２及び発光層（ＥＭＩ）２５が形成されている。
上記ソース電極（Ｓ）１１、ドレイン電極（Ｄ）１２、及びゲート電極（Ｇ）１３には金、白金、パラジウム、銀、鉛、錫、アルミニウム、カルシウム、インジウム、クロム、リチウム、などのアルカリ金属や、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、あるいはこれらの合金を用いることができる。また、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化錫、インジウム亜鉛酸化物、亜鉛酸化物やこれらの合金を用いることができる。あるいは、セレン、ヨウ化銅、ニッケルなどを用いることができる。また、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリフェニレンスフィド、ポリアニリンなどの導電性高分子を用いることも可能である。これらは単独で、あるいは、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）上にポリアニリンを成膜したもののように、複数の膜を積層したものを用いることもできる。
第１有機半導体層（ＯＲＧ１）２１、第２有機半導体層（ＯＲＧ２）２２には、シアニン、ポルフィリン、フタロシアニン等の有機色素分子とその誘導体、トリフェニルアミン誘導体、ペンタセン等のポリアセン系分子とその誘導体、カルバゾール誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、トリアゾール誘導体等を用いることができるが、これらに限られない。これらは単独で、あるいは、２種以上の材料の混合層であってもよい。
発光層（ＥＭＩ）２５には、アルミニウムキノリノール、カルバゾール誘導体等を用いることができるが、これらに発光効率の高い蛍光材料又は燐光材料が添加されたものがより好ましい。
以下に、有機ＥＬ素子１０の形成方法について具体的に説明する。まず、スパッタリングによってＩＴＯを約１００ｎｍ（ナノメートル）の厚さで成膜してソース電極１１を形成している。次に、１×１０−５Ｐａ（パスカル）程度の高真空下で第１有機半導体層２１として銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を、ゲート電極１３としてアルミニウム（Ａｌ）を、第２有機半導体層２２として銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を蒸着して形成している。
第１有機半導体層２１及び第２有機半導体層２２は、層厚が約５０ｎｍとなるように形成している。また、ゲート電極１３は、第１有機半導体層２１上にアルミニウムの層厚が約３０ｎｍとなるように蒸着したが、第１有機半導体層２１の表面の全面が被覆されているのではなく、ゲート電極１３の面内に空孔１３Ａが形成されるような成膜条件によって形成している。この場合、空孔はランダムに形成されている。すなわち、ゲート電極１３上への第２有機半導体層２２の成膜により、当該空孔内にも第２有機半導体（銅フタロシアニン）が形成され、第１有機半導体層２１と第２有機半導体層２２が当該空孔（すなわち、貫通部）１３Ａにおいて接している。
なお、ゲート電極１３は、第１有機半導体層２１と第２有機半導体層２２が接するような形状に形成されていればよい。すなわち、ゲート電極１３は、例えば、プロセスマスクを用いてメッシュ状、ストライプ状等の種々の形状に形成されていてもよい。例えば、ゲート電極１３がメッシュ形状を有するようにゲート電極１３を形成した場合の、積層方向に垂直な面内におけるゲート電極１３の一部平面図（すなわち、図１のＷ方向から見た一部断面図）を図２に示す。あるいは、ゲート電極１３は、櫛状に形成されていてもよい。
また、図３に示すように、ゲート電極１３は、１つの有機半導体層（ＯＲＧ）２３内に埋設されて形成されていてもよい。なお、この場合、ゲート電極１３は、当該１つの有機半導体層２３内に形成されていればよく、どの位置に形成されていてもよい。
第２有機半導体層２２上には、発光層（ＥＭＩ）２５が、アルミニウムキノリノール（Ａｌｑ３）とナイルレッドを１００：５の比で共蒸着して形成されている。
発光層（ＥＭＩ）２５上には、ドレイン電極１２が、マグネシウムと銀を１００：５の比で共蒸着して形成されている。
図４は、発光層２５のＥＬ発光スペクトル（一点鎖線で示す）と第１及び第２有機半導体層２１、２２に用いた銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）の吸収スペクトル（実線で示す）を示している。上述したように、発光層２５のアルミニウムキノリノールには、蛍光材料のナイルレッドを添加している。これにより、発光層２５の実際の発光スペクトルはアルミニウムキノリノール（Ａｌｑ３）の発光スペクトルよりも長波長側にシフトしている。なお、蛍光材料を適度に添加することにより発光効率は増加するが、あまり多く添加すると発光効率は低下する。
従って、発光層２５からの発光のうち一部の波長帯の光は第１及び第２有機半導体層２１、２２により吸収されるように構成されている。
以下に、上記した有機ＥＬ素子１０の動作について図を参照しつつ詳細に説明する。
図５は、有機ＥＬ素子１０の基本的な動作を確認するための光感応性ＳＩＴ素子１０Ａの構成を示す断面図である。この光感応性ＳＩＴ素子１０Ａは、有機ＥＬ素子１０の発光層２５が形成されていない点を除いて、有機ＥＬ素子１０と同様の構成を有している。
なお、ここでいう光感応性ＳＩＴとは、ソース電極とドレイン電極との間にゲート電極を有しており、その電流−電圧特性は静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）と同じ特性を示すが、特定の波長が含まれた光を照射することによりゲート電極の制御性が変化する素子である。
図６は、光感応性ＳＩＴ１０Ａに外部光を照射しない場合の、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレイン・ソース電流（ＩＤＳ）を示すものであり、ゲート電圧（ソース・ゲート間電圧）（ＶＧ）をパラメータとして変化させてプロットしたものである。ゲート電圧（ＶＧ）がゼロのとき、光感応性ＳＩＴ１０Ａは導通（ＯＮ）状態であるが、０．５Ｖの電圧印加により非導通（ＯＦＦ）状態にスイッチングした。
図７は、光感応性ＳＩＴ１０Ａに外部光を照射した場合の、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）に対するドレイン・ソース電流（ＩＤＳ）を示している。ゲート電圧（ＶＧ）がゼロのとき、光感応性ＳＩＴ１０Ａは導通（ＯＮ）状態であり、ゲート電圧を１Ｖまで増加させても導通（ＯＮ）状態は維持された。さらに、ゲート電圧を１．５Ｖまで増加させると非導通（ＯＦＦ）状態に変化した。
図６，７に示すように、外部光の照射の有無により、ゲート電圧による光感応性ＳＩＴ素子１０Ａのスイッチング特性が変化することが確認された。
次に、図１に示す有機ＥＬ素子１０の動作について説明する。ソース電極１１とゲート電極１３に電圧を印加しない状態（ＶＧ＝０Ｖ）で、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に１０ＶのＤＣ電圧を印加したところ、有機ＥＬ素子１０は発光し、約７８カンデラの発光強度が確認された。。次に、ソース電極１１とゲート電極１３との間に０．５Ｖの電圧を印加したところ、発光を維持したままだった。次に、ソース電極１１及びゲート電極１３の間に１．５Ｖの電圧を印加したところ消光した。次に、ソース電極１１及びゲート電極１３の間に０．５Ｖの電圧を印加したところ消光を維持した。次に、ソース電極１１及びゲート電極１３間の電圧を０Ｖに戻したところ、再び７８カンデラの発光強度で発光することが確認された。
かかる有機ＥＬ素子１０の動作については以下のように理解される。すなわち、発光層２５から放出された光が第１及び第２有機半導体層２１、２２により吸収されることが無い場合は（非発光状態）、ゲート電極１３への電圧印加により、ゲートポテンシャルが上昇し、発光層２５を流れる電流も減少して発光強度が低下する。しかしながら、本発明においては、発光層２５から放出された光が第１及び第２有機半導体層２１、２２により吸収されることによって生成されたホールによってゲートポテンシャルは下降する。このようなメカニズムにより発光層２５からの発光は、発光層２５から放出された光が第１及び第２有機半導体層２１、２２により吸収されることが無い場合には電流供給が減少するゲート電極１３への印加電圧であっても、電流供給は減少せず発光を維持するが、ゲート電極１３への印加電圧を更に大きくすると電流供給を減少させ、ゲート電圧の印加からマイクロ秒（μｓｅｃ）オーダー以下の時間でゲート電圧を印加しないときの発光強度に比べて十分小さな強度まで発光強度は低下する。
なお、本実施例において、第１及び第２有機半導体層２１、２２が発光層２５からの放出光を吸収する場合について説明したが、第１及び第２有機半導体層２１、２２の一方のみが放出光を吸収する光吸収層であるように構成してもよい。この場合、第１有機半導体層２１のみが放出光を吸収するように構成するのが好ましい。また、上記においては、発光層へのドーパント添加により発光層の発光効率、及び／又は発光スペクトルのシフトを調整する場合を説明したが、当該光吸収層へドーパントを添加してもよい。すなわち、発光層へのドーパント添加、及び／又は当該光吸収層へのドーパント添加により、当該光吸収層による光吸収率が所定値又は所定範囲内となるように調整する構成としてもよい。
【実施例２】  本発明の実施例２である光サイリスタ型の有機ＥＬ素子１０について説明する。
本実施例の層構造は上記した実施例１と同様であるが、第１及び第２有機半導体層２１、２２はメロシアニン（ＭＣ）を蒸着して形成している。ゲート電極（Ｇ）１３にはマグネシウムを用いている。また、発光層２５は、アルミニウムキノリノール（Ａｌｑ３）とクマリン６を１００：３の比で共蒸着して形成されている。さらに、ドレイン電極１２は、アルミニウムとリチウムを共蒸着して形成されている。
図８は、発光層２５のＥＬ発光スペクトル（一点鎖線）と第１及び第２有機半導体層２１、２２に用いたメロシアニン（ＭＣ）の吸収スペクトル（実線）を示している。上述したように、発光層２５のアルミニウムキノリノールには、蛍光材料のクマリン６が添加されている。これにより、発光層２５の発光効率は増加するが、発光スペクトルのシフトは小さい。
本実施例の有機ＥＬ素子１０の動作を確認したところ、上記した実施例１の場合と同様に、ゲート電極１３への電圧印加に応じた発光制御ができることが確認された。
【実施例３】  図９は、本発明の実施例３である光サイリスタ型の有機ＥＬ素子１０の構成を模式的に示す断面図である。
上記した実施例１と異なる点は、第２有機半導体層２２と発光層２５との間に正孔輸送層（ＨＴ）３１を、また、発光層２５上に正孔ブロック層（ＨＢ）３２を、正孔ブロック層３２上に電子輸送層（ＥＴ）３３を設けていることである。
第１及び第２有機半導体層２１、２２は、ｐ型有機半導体層である。従って、この有機ＥＬ素子１０は、発光素子としての機能に加えて、ゲート電極１３への電圧印加に応じて制御可能なｐ型ＳＩＴとしての機能を併有している。
なお、第２有機半導体層２２、正孔輸送層３１、正孔ブロック層３２、電子輸送層３３は、必要に応じて適宜設ければよい。あるいは、ソース電極１１と第１有機半導体層２１の間に正孔注入層を設けてもよい。
本実施例の有機ＥＬ素子１０においても、ソース電極（陽極）１１及びドレイン電極（陰極）１２間に１０Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧（ＶＧ）の印加に応じて発光制御を行うことができることが確認された。
【実施例４】  図１０は、本発明の実施例４である光サイリスタ型の有機ＥＬ素子１０の構成を模式的に示す断面図である。
上記した実施例３と異なる点は、有機ＥＬ素子１０を、発光素子としての機能に加えて、ゲート電極１３への電圧印加に応じて制御可能なｎ型ＳＩＴとしての機能を併有するように構成していることである。
具体的には、ソース電極１１上に、正孔輸送層３１、発光層２５、正孔ブロック層３２、電子輸送層３３、第１有機半導体層２１、ゲート電極１３、第２有機半導体層２２、及びドレイン電極１２を順次積層して形成されている。ここで、第１及び第２有機半導体層２１、２２は、ｎ型有機半導体層である。従って、この有機ＥＬ素子１０は、発光素子としての機能に加えて、ゲート電極１３への電圧印加に応じて制御可能なｎ型ＳＩＴとしての機能を併有している。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、サイリスタ特性を有する能動的有機ＥＬ素子を提供することができる。従って、例えば、当該有機ＥＬ素子を用いてディスプレイ装置を構成することにより、各画素内に設ける電子回路の構成が簡単となる。従って、消費電力が小さく、高輝度で低コストのアクティブ駆動ディスプレイを実現することができ、結果的に寿命が長く、高信頼度、高性能なディスプレイを実現することができる。
以上、本発明についてその好ましい実施例を参照しながら説明した。当業者は種々の変形や変更を想到しうる事が理解されるべきである。そのような変形や変更例の全ては添付の特許請求の範囲に含まれるものと考える。
【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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【国際調査報告】
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