JP4942934B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに係り、特に陽極と陰極の間に複数の発光層やキャリア輸送層を形成した有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに関する。

有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機エレクトロルミネッセンス素子を「有機ＥＬ素子」と称する。）は、小型化が容易であって、消費電力が小さく、面発光が可能であり、液晶素子と比較して印加電圧を大幅に低減できるためフラットディスプレイ等の各種表示装置での利用が注目されており、次世代の発光素子として研究開発が行われている。

図１は、従来の有機ＥＬ素子の断面図を示したものである。図１に示すように、従来の有機ＥＬ素子１０は、透明なガラス基板１１上に、透明なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等からなる陽極１２と、正孔輸送層１３と、発光層１４と、電子輸送層１５と、陰極１６が順次積層された構成となっている。正孔輸送層１３は、発光層１４に正孔を効率良く輸送し、正孔密度を増加させ、一方電子輸送層１５は、発光層１４に電子を効率良く輸送し、空間電子密度を増加させ、発光効率を高めている。また、発光層と発光層の間に電子をせき止めるための層を設けて、発光層での発光効率の向上を図る技術が提案されている。

図２は、図１に示す有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。有機ＥＬ素子１０に電圧が印加されると、正孔２２は陽極１２から発光層へ向かって移動し、電子２１は陰極１６から発光層へ向かって移動する。電子２１と正孔２２が発光層１４に到達すると、電子２１と正孔２２が再結合して放出されたエネルギーによって、発光層１４に含まれる有機蛍光体が励起され発光する。

ところで、図２に示すように、電子２１及び正孔２２の中には、発光層１４で再結合することなく、陽極１２へ運ばれる電子２１や、陰極１６に運ばれる正孔２２が存在し、発光に寄与せずに消費されてしまうので、単位消費電流当たりの輝度、すなわち発光効率が低下してしまうという問題がある。

また、発光層で再結合しなかった電子や正孔が正孔輸送層１３や電子輸送層１５で再結合して、所望の色と異なる色を発光してしまうという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、発光に寄与しない電子及び正孔を低減し、発光層での電子と正孔の再結合を効率良く行い、発光効率に優れた有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを提供することを概括的課題とする。

本発明のより具体的な課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陽極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬと前記キャリア輸送層の電子親和力Ｅａ_ＯＬ１との関係が、Ｅａ_ＥＭＬ＞Ｅａ_ＯＬ１である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

ここで、電子親和力は、発光層やキャリア輸送層の伝導レベル（伝導帯の下端のエネルギー）と真空準位のエネルギー差であり、正の値で示される。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬより小さな電子親和力Ｅａ_ＯＬ１を有するキャリア輸送層が形成されている。したがって、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積され、空間電子密度が増加する。その結果、正孔と再結合する電子が増加して、発光層での発光効率を向上させることができる。

本発明の他の課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陰極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層のイオン化ポテンシャルＩｐ_ＥＭＬと前記キャリア輸送層のイオン化ポテンシャルＩｐ_ＯＬ２との関係が、Ｉｐ_ＥＭＬ＜Ｉｐ_ＯＬ２である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

ここで、イオン化ポテンシャルは、発光層やキャリア輸送層の価電子レベルと真空準位のエネルギーの差であり、正の値で示される。

本発明によれば、発光層の陰極側に、発光層のイオン化ポテンシャルＩｐ_ＥＭＬより大きなイオン化ポテンシャルＩｐ_ＯＬ２を有するキャリア輸送層が形成されている。したがって、正孔が発光層から陰極側のキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に正孔が蓄積されて正孔密度が増加する。その結果、電子と再結合する正孔が増加し、発光層での発光効率を向上させることができる。

本発明のその他の課題は、前記発光層のエネルギーギャップＥｇ_ＥＭＬと前記キャリア輸送層Ｅｇ_OL２との関係が、Ｅｇ_ＥＭＬ＜Ｅｇ_ＯＬ２である有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。

発光層の陰極側に、発光層のエネルギーギャップＥｇ_ＥＭＬより大きなエネルギーギャップＥｇ_ＯＬ２を有するキャリア輸送層が形成されているので、発光層との界面付近のキャリア輸送層での正孔と電子の再結合が抑制され、発光層の発光効率を向上させることができる。

本発明のその他の課題は、互いに対向する陽極と陰極との間に形成された複数の発光層と、前記発光層の陽極側に接するように形成されたキャリア輸送層とを有する有機エレクトロルミネッセンス素子を備えた有機エレクトロルミネッセンスディスプレイであって、前記発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬと前記キャリア輸送層の電子親和力Ｅａ_ＯＬ１との関係が、Ｅａ_ＥＭＬ＞Ｅａ_ＯＬ１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ディスプレイを提供することにある。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬより小さな電子親和力Ｅａ_ＯＬ１を有するキャリア輸送層が形成されているため、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積されて、空間電子密度が増加し、正孔と再結合する電子が増加して、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光効率を向上させることができ、上記有機エレクトロルミネッセンス素子を有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに形成することで、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイの視認性の向上及び低消費電力化が可能である。

従来の有機ＥＬ素子の断面図を示した図である。 従来の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 本発明の第１の実施の形態の有機ＥＬ素子の断面図ある。 第１の実施の形態の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 光吸収スペクトルの波長依存性を示した図である。 紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係を示した図である。 第１実施例に用いた層の電子親和力Ｅａ、イオン化ポテンシャルＩｐ及びエネルギーギャップＥｇを示した図である。 第２及び第３実施例の有機ＥＬ素子の膜構成を示した図である。 電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ^２における有機ＥＬ素子の発光輝度を示した図である。 本発明の第２の実施の形態の有機ＥＬ素子の断面図である。 第２の実施の形態の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。 第４実施例に用いた層の電子親和力Ｅａ、イオン化ポテンシャルＩｐ及びエネルギーギャップＥｇの関係を示した図である。 本発明の第３の実施の形態の有機エレクトロルミネッセンスディスプレイの概要構成を示した斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態の有機ＥＬ素子の断面図である。図３に示すように、有機ＥＬ素子３０は、ガラス基板３３上に、陽極３４と、正孔注入層３５と、第１のキャリア輸送層３６Ａと、第１の発光層３７Ａと、第２のキャリア輸送層３６Ｂと、第２の発光層３７Ｂと、電子輸送層３８と、陰極３９とが順次形成された構成となっている。第１，第２のキャリア輸送層３６Ａ，３６Ｂは、第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂよりもそれぞれ電子親和力Ｅａが小さく、かつ、エネルギーギャップＥｇが大きい。

有機ＥＬ素子３０は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚を有している。１０００ｎｍよりも厚いと、発光層３７Ａ，３７Ｂで発せられた光が遮蔽されてしまい１０ｎｍより薄いと発光層３７Ａ，３７Ｂ自体の厚さが過度に薄くなり、発光輝度が不足してしまう。

陽極３４と陰極３９は、有機ＥＬ素子３０の所望の位置に電圧を印加するための電極であり、陽極３４は、例えば、ＩＴＯやＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などを用いることができ、陰極３９は、例えば、Ａｌ／ＬｉＦ電極やＡｇ／Ｍｇ電極などを用いることができる。

正孔注入層３５には、例えば、下記式（１）に示した２―ＴＮＡＴＡ（バンドー化学社製）や下記式（２）に示したｍ−ＭＴＤＡＴＡ（バンドー化学社製）などを用いることができる。

第１，第２のキャリア輸送層３６Ａ，３６Ｂは、電子、正孔の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、下記式（３）に示されるα−ＮＰＤ（東洋インキ社製）やＥＬ−０２２（保土谷化学工業社製）などを用いることができる。第１，第２のキャリア輸送層３６Ａ，３６Ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に設定され、有機ＥＬ素子を構成する層の数と有機ＥＬ素子全体の厚さに応じて適宜選択される。

第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂは、所望の発光色を発光するための材料、例えば有機蛍光体が含まれており、例えば、ＴＹＧ−２０１（東洋インキ社製）や下記式（４）に示したＡｌｑ_３（ｔｒｉｓ（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｏ）ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）（東洋インキ社製）などを用いることができる。第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に設定され、前記キャリア輸送層と同様に適宜厚さが選択される。

電子輸送層３８は、電子の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、ＴＹＥ−７０４（東洋インキ社製）や上記式（４）に示したＡｌｑ_３（東洋インキ社製）などを用いることができる。

上記有機ＥＬ素子３０の各層は、例えば、真空蒸着法により圧力を１．３３×１０^−４Ｐａ、ガラス基板３３の温度を室温にして形成される。

図４は、第１の実施の形態の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。図４中のＥａ、Ｅｇ、Ｉｐは、それぞれ有機ＥＬ素子の各層の電子親和力Ｅａ、エネルギーギャップＥｇ、イオン化ポテンシャルＩｐを示しており、電子親和力Ｅａは伝導レベル４９（伝導帯の下端のエネルギー）と真空準位のエネルギーとの差であり、エネルギーギャップＥｇは伝導レベル４９と価電子レベル５０（価電子帯の上端のエネルギー）のエネルギーとの差であり、イオン化ポテンシャルＩｐは価電子レベル５０と真空準位とのエネルギーの差である。

図４に示すように、第１の発光層３７Ａの陽極３４側に第１のキャリア輸送層３６Ａが形成され、第２の発光層３７Ｂの陽極３４側に第２のキャリア輸送層３６Ｂを形成されており、第１の発光層３７Ａ、第２の発光層３７Ｂ、第１のキャリア輸送層３６Ａ、第２のキャリア輸送層３６Ｂの電子親和力をそれぞれ、Ｅａ_３７Ａ、Ｅａ_３７Ｂ、Ｅａ_３６Ａ、Ｅａ_３６Ｂとし、第１の発光層３７Ａ、第２の発光層３７Ｂ、第１のキャリア輸送層３６Ａ、第２のキャリア輸送層３６Ｂのエネルギーギャップをそれぞれ、Ｅｇ_３７Ａ、Ｅｇ_３７Ｂ、Ｅｇ_３６Ａ、Ｅｇ_３６Ｂとすると、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層３６Ａとの関係は、Ｅａ_３７Ａ＞Ｅａ_３６Ａ，Ｅｇ_３７Ａ＜Ｅｇ_３６Ａ、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層３６Ｂとの関係は、Ｅａ_３７Ｂ＞Ｅａ_３６Ｂ，Ｅｇ_３７Ｂ＜Ｅｇ_３６Ｂに設定されている。したがって、図４に示した有機ＥＬ素子は、第１のキャリア輸送層３６Ａ／第１の発光層３７Ａと、第２のキャリア輸送層３６Ｂ／第２の発光層３７Ｂとを有しており、キャリア輸送層／発光層からなる積層構造が２層形成されている。

電子の流れについて説明する。電子は、陰極３９から陽極３４に向かって電子輸送層３８を通り第２の発光層３７Ｂに達する。ここで、電子は正孔と再結合するが、再結合しなかった電子は、第２の発光層３７Ｂから陽極３４側の第２のキャリア輸送層３６Ｂに流れようとする。しかし、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層３６Ｂとの界面には、エネルギー障壁ＢＥ−Ｂが形成されている。エネルギー障壁ＢＥ−Ｂの高さＥ_ＢＥ−Ｂは、第２のキャリア輸送層３６Ｂの電子親和力Ｅａ_３６Ｂと第２の発光層３７Ｂの電子親和力Ｅａ_３７Ｂとの差、すなわちＥ_ＢＥ−Ｂ＝Ｅａ_３７Ｂ―Ｅａ_３６Ｂである。Ｅａ_３７Ｂ＞Ｅａ_３６Ｂに設定されているのでＥ_ＢＥ−Ｂ＞０である。したがって、電子は第２の発光層３７Ｂに蓄積され、空間電子密度が増加するため第２の発光層３７Ｂでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁ＢＥ−Ｂは、０．１ｅＶより大きい方が好ましい。

また、第２の発光層３７Ｂの空間電子密度が増加すると、第２のキャリア輸送層３６Ｂの第２の発光層３７Ｂとの界面においても、空間電子密度の増加により電子と正孔が再結合する確率が高まる。しかし、第２のキャリア輸送層３６ＢのエネルギーギャップＥｇ_３６Ｂは、第２の発光層３７ＢのエネルギーギャップＥｇ_３７Ｂよりも大きいので、第２のキャリア輸送層３６Ｂでの再結合が抑制される。

次に、第２の発光層３７Ｂで再結合せずに、陽極３４側に流れる電子は上述した第２の発光層３７Ｂでの電子の蓄積と同様に、第１の発光層においても蓄積される。すなわち、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層３６Ａとの界面にはエネルギー障壁ＢＥ−Ａが形成されている。エネルギー障壁ＢＥ−Ａの高さＥ_ＢＥ−Ａは、第１のキャリア輸送層３６Ａの電子親和力Ｅａ_３６Ａと第１の発光層３７Ａの電子親和力Ｅａ_３７Ａとの差、すなわちＥ_ＢＥ−Ａ＝Ｅａ_３７Ａ―Ｅａ_３６Ａである。Ｅａ_３７Ａ＞Ｅａ_３６Ａに設定されているのでＥ_ＢＥ−Ａ＞０である。したがって、電子は第１の発光層３７Ａに蓄積され、空間電子密度が増加するため第１の発光層３７Ａでの発光効率を向上することができる。なお、エネルギー障壁ＢＥ−Ａは、０．１ｅＶより大きい方が好ましい。

また、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層３６ＡのエネルギーギャップＥｇ_３７Ａ，Ｅｇ_３６Ａも同様の関係を有するので、第１のキャリア輸送層３６Ａでの再結合が抑制される。

本実施の形態によれば、上述した有機ＥＬ素子は、キャリア輸送層／発光層からなる積層構造を２層形成しているため、キャリア輸送層と発光層の界面に２つのエネルギー障壁ＢＥ−Ｂ，ＢＥ−Ａが形成され、エネルギー障壁ＢＥ−Ｂにより電子は第２の発光層３７Ｂに蓄積され、正孔と再結合して第２の発光層３７Ｂでの発光効率が向上すると共に、第２の発光層３７Ｂで正孔と再結合せずに陽極３４側に流れた電子は、エネルギー障壁ＢＥ−Ａにより第１の発光層３７Ａに蓄積され、正孔と再結合するので第１の発光層３７Ａの発光効率も向上し、有機ＥＬ素子全体の発光効率を向上することができる。なお、キャリア輸送層／発光層からなる積層構造をさらに形成して、エネルギー障壁の数を増加させることにより、有機ＥＬ素子全体の発光効率を向上することができる。
［第１実施例］
第１実施例の有機ＥＬ素子３０を以下のように形成した。ガラス基板３３上に、真空蒸着法により、陽極３４にＩＴＯ電極と、正孔注入層３５に２−ＴＮＡＴＡ層を膜厚５０ｎｍと、第１のキャリア輸送層３６Ａにα−ＮＰＤ層を膜厚１０ｎｍと、第１の発光層３７Ａにノンドープ型の緑色発光するＴＹＧ−２０１層を膜厚２０ｎｍと、第２のキャリア輸送層３６Ｂにα−ＮＰＤ層を膜厚２０ｎｍと、第２の発光層３７Ｂにノンドープ型の緑色発光するＴＹＧ−２０１層を膜厚２０ｎｍと、電子輸送層３８にＴＹＥ−７０４層を膜厚３０ｎｍと、陰極３９にフッ化リチウム膜が膜厚０．５ｎｍとＡｌ膜が膜厚１００ｎｍからなるＡｌ／ＬｉＦ積層膜を順次形成した。

ここで、本発明を実施する上で重要なエネルギーギャップＥｇとイオン化ポテンシャルＩｐの測定方法について説明する。

エネルギーギャップＥｇは、上記有機ＥＬ素子３０の形成方法と同様な方法を用いて有機ＥＬ素子３０の各層を単独に形成した薄膜を、光吸収スペクトルが測定できる分光光度計装置、例えば、日立社製スペクトロフォトメーターＵ−４１００を用いて大気中で紫外からの可視領域の光を薄膜に対して照射して測定した。

図５は、光吸収スペクトルの波長依存性を示した図である。図５中の曲線Ｊは、測定結果である光吸収スペクトルを示している。なお、範囲Ｔは、光吸収スペクトルの強度が立ち上がり部のうち、曲線Ｊが直線になっている部分を示している。範囲Ｕは、光吸収スペクトルの未吸収波長領域において、曲線Ｊが直線になっている部分を示している。直線Ｋは、範囲Ｔに示した曲線Ｊと重なるように引いた直線である。直線Ｌは、範囲Ｕに示した曲線Ｊと重なるように引いた直線である。エネルギーギャップＥｇは、直線Ｋと直線Ｌとの交点Ｍから求められる。

イオン化ポテンシャルＩｐは、エネルギーギャップＥｇの測定に用いた薄膜と同様に形成された薄膜を用いて、大気雰囲気型紫外線光電子分析装置、例えば、理研計器製ＡＣ−１を用いて大気中で紫外線を薄膜に対して照射して、放出される光電子の数を測定して、紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係から求められる。理研計器製ＡＣ−１の測定条件は、紫外線のエネルギー範囲が３．８〜６．２ｅＶ、紫外線の強度が２０ｎＷである。薄膜の膜厚は、５０ｎｍを用いた。

図６は、紫外線のエネルギーと光電子の放出数の平方根との関係を示した図である。放出される光電子の数は紫外線のエネルギーの大きさに依存し、図６中に示した範囲Ｎにおいては、紫外線のエネルギーが小さいため光電子は放出されないが、範囲Ｏにおいては、紫外線のエネルギーが十分に大きいため、光電子は真空準位よりも高いエネルギーの準位へ励起され、光電子が放出される。図６中に示した直線Ｐは、紫外線のエネルギーが４．２ｅＶ〜５．３ｅＶの間について最小２乗法により引かれた近似直線を示している。直線Ｑは、紫外線のエネルギーが５．６ｅＶ〜５．９ｅＶの間について最小２乗法により引かれた近似直線を示している。

直線Ｐと直線Ｑの交点Ｒは、光電子放出のしきい値エネルギーを示しており、この光電子放出のしきい値エネルギーがイオン化ポテンシャルＩｐである。電子親和力Ｅaは、イオン化ポテンシャルＩｐとエネルギーギャップＥｇとの差（Ｅａ＝Ｉｐ―Ｅｇ）により求められる。

図７は、第１実施例に用いた層の電子親和力Ｅａ、イオン化ポテンシャルＩｐ及びエネルギーギャップＥｇを示した図である。図７に示すように、第１及び第２のキャリア輸送層３６Ａ，３６Ｂに用いたα−ＮＰＤ層の電子親和力Ｅａは２．４２ｅＶであり、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層の電子親和力Ｅａは３．２０ｅＶである。α−ＮＰＤ層とＴＹＧ−２０１層の電子親和力Ｅａの差により、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層３６Ａの界面と、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層３６Ｂの界面に、それぞれ０．７８ｅＶの大きさのエネルギー障壁が形成された。

エネルギー障壁により第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層に電子が蓄積されて空間電子密度が増加し、正孔と再結合する電子が増加して、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂの発光効率を向上させることができる。また、第１及び第２のキャリア輸送層３６Ａ，３６Ｂに用いたα―ＮＰＤ層のエネルギーギャップＥｇ３．０４ｅＶは、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層のエネルギーギャップＥｇ２．４０ｅＶよりも大きいため、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂでの電子と正孔の再結合する確率が増加し、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層の発光効率を向上させることができる。

さらに、第１のキャリア輸送層３６Ａが形成されていない場合でも、正孔注入層３５に用いた２−ＴＮＡＴＡ層の電子親和力Ｅａ２．１９ｅＶは、第１の発光層３７Ａに用いたＴＹＧ−２０１層の電子親和力Ｅａ３．２０ｅＶよりも小さいため、２−ＴＮＡＴＡ層とＴＹＧ−２０１層の間にエネルギー障壁が形成されるので、発光効率を向上させることができる。
［第２及び第３実施例］
図８は、第２及び第３実施例の有機ＥＬ素子の層構成を示した図である。

第２及び第３の実施例は、第１実施例において、第２の発光層３７Ｂと陰極３９との間に、さらにキャリア輸送層と発光層を積層したものである。第２実施例では第１実施例よりもさらに１組のキャリア輸送層と発光層を形成し、第３実施例では第２実施例よりもさらに２組のキャリア輸送層と発光層を形成した。なお、有機ＥＬ素子の全体の厚さにより各層の膜厚が決定されている。

第２及び第３実施例によれば、キャリア輸送層と発光層がさらに積層されているので、より多くの電子が正孔との再結合に寄与し、有機ＥＬ素子全体の発光効率を高めることができる。
［発光輝度の評価］
次に、第１，第２及び第３の実施例の有機ＥＬ素子の発光輝度の評価を行なった。本発明によらない比較例として、発光層が１層のみの有機ＥＬ素子を評価した。比較例の有機ＥＬ素子は、ガラス基板上に、真空蒸着法を用いて、陽極にＩＴＯ電極と、正孔注入層に２−ＴＮＡＴＡ層を膜厚５０ｎｍと、正孔輸送層にα−ＮＰＤ層を膜厚５０ｎｍと、発光層にノンドープ型の緑色発光するＴＹＧ−２０１層を膜厚２０ｎｍと、電子輸送層にＴＹＥ−７０４層を膜厚３０ｎｍと、Ａｌ／ＬｉＦ電極とが順次形成された構成とした。真空蒸着装置内の圧力とガラス基板３３の温度は、圧力が１．３３×１０^−４Ｐａ、ガラス基板の温度は室温とした。

次に、第１〜第３実施例及び比較例の有機ＥＬ素子について、電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ^２における発光効率を調べた。

図９は、電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ^２における有機ＥＬ素子の発光輝度を示した図である。図９に示すように、第１実施例の有機ＥＬ素子が３８００ｃｄ／ｍ^２、第２実施例の有機ＥＬ素子が３９００ｃｄ／ｍ^２、第３実施例の有機ＥＬ素子が４０１０ｃｄ／ｍ^２であり、比較例の有機ＥＬ素子の発光輝度が３１００ｃｄ／ｍ^２と比較して高い結果となった。

第１〜第３実施例によれば、発光層とその陽極側に形成されたキャリア輸送層との積層の組が多いほど発光輝度が高く、すなわち発光効率が高いことが分かった。

（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態の有機ＥＬ素子の断面図である。図１０に示すように、有機ＥＬ素子４０は、ガラス基板３３上に、陽極３４と、正孔注入層３５と、正孔輸送層４１と、第１の発光層３７Ａと、第１のキャリア輸送層４２Ａと、第２の発光層３７Ｂと、第２のキャリア輸送層４２Ｂと、フッ化リチウム膜が膜厚０．５ｎｍ及びＡｌ膜が膜厚１００ｎｍからなる陰極３９とを順次形成された構成となっている。第１，第２のキャリア輸送層４２Ａ，４２Ｂは、第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂよりもイオン化ポテンシャルＩｐが大きく、かつ、エネルギーギャップＥｇが大きい。

第１，第２のキャリア輸送層４２Ａ，４２Ｂは、電子、正孔の輸送能力の高い材料により構成され、例えば、ＴＹＥ−７０４（東洋インキ社製）やＡｌｑ_３（東洋インキ社製）などを用いることができる。第１，第２のキャリア輸送層４２Ａ，４２Ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に設定され、有機ＥＬ素子を構成する層の数と有機ＥＬ素子全体の厚さに応じて適宜選択される。

第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂは、所望の発光色を発光するための材料、例えば有機蛍光体が含まれており、例えば、ＴＹＧ−２０１（東洋インキ社製）を用いることができる。第１，第２の発光層３７Ａ，３７Ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に設定され、前記キャリア輸送層と同様に適宜厚さが選択される。

上記有機ＥＬ素子４０の各層は、例えば、真空蒸着法により圧力を１．３３×１０^−４Ｐａ、ガラス基板３３温度を室温にして形成される。

図１１は、第２の実施の形態の有機ＥＬ素子のエネルギーダイアグラムを示した図である。図１１に示すように、第１発光層３７Ａの陰極３９側に，第１のキャリア輸送層４２Ａが形成され、第２発光層３７Ｂの陰極３９側に，第２のキャリア輸送層４２Ｂが形成されている。第１の発光層３７Ａ、第２の発光層３７Ｂ、第１のキャリア輸送層４２Ａ、第２のキャリア輸送層４２Ｂのイオン化ポテンシャルをそれぞれ、Ｉｐ_３７Ａ、Ｉｐ_３７Ｂ、Ｉｐ_４２Ａ、Ｉｐ_４２Ｂとし、第１の発光層３７Ａ、第２の発光層３７Ｂ、第１のキャリア輸送層４２Ａ、第２のキャリア輸送層４２Ｂのエネルギーギャップをそれぞれ、Ｅｇ_３７Ａ、Ｅｇ_３７Ｂ、Ｅｇ_４２Ａ、Ｅｇ_４２Ｂとすると、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層４２Ａとの関係は、Ｉｐ_３７Ａ＜Ｉｐ_４２Ａ，Ｅｇ_３７Ａ＜Ｅｇ_４２Ａ、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層４２Ｂとの関係は、Ｉｐ_３７Ｂ＜Ｉｐ_４２Ｂ，Ｅｇ_３７Ｂ＜Ｅｇ_４２Ｂに設定されている。したがって、図１１に示した有機ＥＬ素子は、第１の発光層３７Ａ／第１のキャリア輸送層４２Ａと、第２の発光層３７Ｂ／第２のキャリア輸送層４２Ｂとを有しており、発光層／キャリア輸送層からなる積層構造が２層形成されている。

正孔の流れについて説明する。正孔は、陽極３４から陰極３９に向かって正孔注入層３５と正孔輸送層４１を通り第１の発光層３７Ａに達する。ここで、正孔は電子と再結合するが、再結合しなかった正孔は、第１の発光層３７Ａから陰極３９側の第１のキャリア輸送層４２Ａに流れようとする。しかし、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層４２Ａとの界面には、エネルギー障壁ＢＨ−Ａが形成されている。エネルギー障壁ＢＨ−Ａの高さＥ_ＢＨ−Ａは、第１のキャリア輸送層４２Ａのイオン化ポテンシャルＩｐ_４２Ａと第１の発光層３７Ａのイオン化ポテンシャルＩｐ_３７Ａとの差、すなわちＥ_ＢＨ−Ａ＝Ｉｐ_４２Ａ―Ｉｐ_３７Ａである。Ｉｐ_４２Ａ＞Ｉｐ_３７Ａに設定されているのでＥ_ＢＨ−Ａ＞０である。したがって、正孔は第１の発光層３７Ａに蓄積され、正孔密度が増加するため第１の発光層３７Ａでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁ＢＨ−Ａは、０．１ｅＶより大きい方が好ましい。

また、第１の発光層３７Ａの正孔密度が増加すると、第１のキャリア輸送層４２Ａの第１の発光層３７Ａとの界面においても、空間正孔密度の増加により正孔と電子が再結合する確率が高まる。しかし、第１のキャリア輸送層４２ＡのエネルギーギャップＥｇ_４２Ａは、第１の発光層３７ＡのエネルギーギャップＥｇ_３７Ａよりも大きいので、第１のキャリア輸送層４２Ａでの再結合が抑制される。

次に、第１の発光層３７Ａで再結合せずに、陰極３９側に流れる正孔は上述した第１の発光層３７Ａでの正孔の蓄積と同様に、第２の発光層３７Ｂにおいても蓄積される。すなわち、第２の発光層３７Ｂと第１のキャリア輸送層４２Ｂとの界面にはエネルギー障壁ＢＨ−Ｂが形成されている。エネルギー障壁ＢＨ−Ｂの高さＥ_ＢＨ−Ｂは、第２のキャリア輸送層４２Ｂのイオン化ポテンシャルＩｐ_４２Ｂと第２の発光層３７Ｂのイオン化ポテンシャルＩｐ_３７Ｂとの差、すなわちＥ_ＢＨ−Ｂ＝Ｉｐ_４２Ｂ―Ｉｐ_３７Ｂである。Ｉｐ_４２Ｂ＞Ｉｐ_３７Ｂに設定されているのでＥ_ＢＨ−Ｂ＞０である。したがって、正孔は第２の発光層３７Ｂに蓄積され、正孔密度が増加するため第２の発光層３７Ｂでの発光効率を向上することができる。さらに、エネルギー障壁ＢＨ−Ｂは、０．１ｅＶより大きい方が好ましい。

また、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層４２ＢのエネルギーギャップＥｇ_３７Ｂ，Ｅｇ_４２Ｂも同様の関係を有するので、第２のキャリア輸送層４２Ｂでの再結合が抑制される。

本実施の形態によれば、上述した有機ＥＬ素子は、キャリア輸送層発光層からなる積層構造を２層形成しているため、キャリア輸送層／発光層の界面に２つのエネルギー障壁ＢＨ−Ｂ，ＢＨ−Ａが形成され、エネルギー障壁ＢＨ−Ａにより正孔は第１の発光層３７Ａに蓄積され、電子と再結合して第１の発光層３７Ａでの発光効率が向上すると共に、第１の発光層３７Ａで電子と再結合せずに陰極３９側に流れた正孔は、エネルギー障壁ＢＨ−Ｂにより第２の発光層３７Ｂに蓄積され、電子と再結合するので第２の発光層３７Ｂの発光効率も向上し、有機ＥＬ素子全体の発光効率を向上することができる。なお、キャリア輸送層／発光層からなる積層構造をさらに形成して、エネルギー障壁の数を増加させることにより、さらに有機ＥＬ素子全体の発光効率を向上することができる。

［第４実施例］
第４実施例の有機ＥＬ素子を以下のようにして作成した。ガラス基板３３上に、真空蒸着法を用いて陽極３４にＩＴＯ電極と、正孔注入層３５に２−ＴＮＡＴＡ層を膜厚５０ｎｍと、正孔輸送層４１にα−ＮＰＤ層を膜厚１０ｎｍと、第１の発光層３７Ａに第１のノンドープ型の緑色発光するＴＹＧ−２０１層を膜厚２０ｎｍと、第１のキャリア輸送層４２ＡにＴＹＥ−７０４層を膜厚３０ｎｍと、第２の発光層３７Ｂに第２のノンドープ型の緑色発光するＴＹＧ−２０１層を膜厚２０ｎｍと、第２のキャリア輸送層４２ＢにＴＹＥ−７０４層を膜厚３０ｎｍと、陰極３９にフッ化リチウム膜が膜厚０．５ｎｍとＡｌ膜が膜厚１００ｎｍからなるＡｌ／ＬｉＦ積層膜を順次形成した。

図１２は、第４実施例に用いた層の電子親和力Ｅａ、イオン化ポテンシャルＩｐ及びエネルギーギャップＥｇの関係を示した図である。なお、イオン化ポテンシャルＩｐ及びエネルギーギャップＥｇの測定は実施例１に示した方法を用いて求めた。また、α−ＮＰＤは図７に示したＥａ、Ｅｇ、Ｉｐを有する。

図１２に示すように、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層のイオン化ポテンシャルＩｐは５．６０ｅＶであり、第１及び第２のキャリア輸送層に用いたＴＹＥ−７０４層のイオン化ポテンシャルＩｐは５．７３ｅＶである。ＴＹＥ−７０４層とＴＹＧ−２０１層のイオン化ポテンシャルＩｐの差により、第１の発光層３７Ａと第１のキャリア輸送層４２Ａの界面と、第２の発光層３７Ｂと第２のキャリア輸送層４２Ｂの界面に、それぞれ０．１３ｅＶの大きさのエネルギー障壁が形成された。

エネルギー障壁により第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層に正孔が蓄積されて正孔密度が増加し、電子と再結合する正孔が増加して、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂの発光効率を向上させることができる。さらに、第１及び第２のキャリア輸送層４２Ａ，４２Ｂに用いたＴＹＥ−７０４層のエネルギーギャップＥｇ２．７６ｅＶは、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層のエネルギーギャップＥｇ２．４０ｅＶよりも大きいため、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂでの正孔と電子の再結合する確率が増加し、第１及び第２の発光層３７Ａ，３７Ｂに用いたＴＹＧ−２０１層の発光効率を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図１３は、本発明の第３の実施の形態の有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬディスプレイ）の概要構成を示した斜視図である。

図１３に示すように、有機ＥＬディスプレイ６０は、ガラス基板３３上に陰極３９であるＡｌ／ＬｉＦ電極と、陽極３４であるＩＴＯ電極とが直交するように形成され、その間に第１又は第２の実施の形態の有機ＥＬ素子を構成する積層体５１が形成された構成となっている。有機ＥＬディスプレイ６０の発光は、発光させたい発光層の領域のＩＴＯ電極とＡｌ／ＬｉＦ電極をそれぞれ指定して電圧を印加して行なう。有機ＥＬディスプレイ６０を上記構成としたことで、発光効率を向上することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の記載範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせることもできる。

本発明によれば、発光層の陽極側に、発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬより小さな電子親和力Ｅａ_ＯＬ１を有するキャリア輸送層を形成することにより、電子が発光層からキャリア輸送層へ向かう界面にエネルギー障壁が形成され、発光層に電子が蓄積され、空間電子密度が増加するので、正孔と再結合する電子が増加して、発光層での発光効率を向上させることが可能となった。

Claims (3)

1. 互いに対向する陽極と陰極との間に複数の発光層と複数のキャリア輸送層とを有し、各発光層と、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層とが交互に積層した構造を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
   各発光層は、発光材料として有機蛍光体を含み、
   各発光層のイオン化ポテンシャルＩｐ_ＥＭＬと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層のイオン化ポテンシャルＩｐ_ＯＬ２との関係が、Ｉｐ_ＥＭＬ＜Ｉｐ_ＯＬ２であり、かつ、
   各発光層の電子親和力Ｅａ_ＥＭＬと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層の電子親和力Ｅａ_ＯＬ２との関係が、Ｅａ_ＥＭＬ＜Ｅａ_ＯＬ２であり、かつ、
   各発光層のエネルギーギャップＥｇ_ＥＭＬと、該発光層と陰極側で接するように形成されたキャリア輸送層のエネルギーギャップＥｇ_ＯＬ２との関係が、Ｅｇ_ＥＭＬ＜Ｅｇ_ＯＬ２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。
2. 前記キャリア輸送層の材料は、Ａｌｑ_３を用い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。
3. 請求項１又は請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ。

Images