説明

有機EL素子及び有機EL表示装置

【課題】燐光を利用する有機EL素子においてより高い発光効率を達成する。
【解決手段】本発明の有機EL素子OLEDは、陽極ANと、陰極CTと、それらの間に介在すると共にホスト材料と燐光性のドーパント材料とを含有した発光層EMTとを具備し、前記発光層EMTのうち前記陽極AN側の第1領域R1は、前記発光層EMTのうち前記陰極CT側の第2領域R2と比較して前記ドーパント材料の濃度がより高く、前記第2領域R2における前記ドーパント材料の濃度はゼロであることを特徴とする。

【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ト(EL)素子及び有機EL表示装置に係り、特には、発光層を燐光性のドーパント材料でドープした有機EL素子及びこれを用いた有機EL表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
有機エレクトロルミネッセンスにおいて、励起状態の1/4は励起1重項状態であり、3/4は励起3重項状態である。そのため、励起1重項状態から基底状態への電子の遷移によって生じる蛍光のみを利用する有機EL素子は、理論的に達成可能な発光効率の最大値が小さい。
【0003】
励起3重項状態から基底状態への電子遷移によって生じる燐光を利用する有機EL素子は、理論的には、励起1重項状態から基底状態への電子の遷移によって生じる蛍光のみを利用する有機EL素子と比較して、より高い発光効率を達成可能である。しかしながら、実際には、発光層を燐光性のドーパント材料でドープした有機EL素子において、期待されるほどの発光効率は達成できていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、燐光を利用する有機EL素子においてより高い発光効率を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の第1側面によると、陽極と、陰極と、それらの間に介在すると共にホスト材料と燐光性のドーパント材料とを含有した発光層とを具備し、前記発光層のうち前記陽極側の第1領域は、前記発光層のうち前記陰極側の第2領域と比較して前記ドーパント材料の濃度がより高く、前記第2領域における前記ドーパント材料の濃度はゼロであることを特徴とする有機EL素子が提供される。
本発明の第2側面によると、第1側面に係る有機EL素子を各々が含んだ複数の画素を具備したことを特徴とする有機EL表示装置が提供される。
【発明の効果】
【0006】
本発明によると、燐光を利用する有機EL素子においてより高い発光効率を達成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0008】
図1は、本発明の一態様に係る有機EL素子を概略的に示す平面図である。
この有機EL素子OLEDは、陽極ANと、これと向き合った陰極CTとを含んでいる。陽極ANは、例えば、ITO(indium tin oxide)からなる。陰極CTは、例えば、アルミニウムからなる。
【0009】
陽極ANと陰極CTとの間には、活性層ACTが介在している。活性層ACTは、後で詳述する発光層EMTを含んでいる。
【0010】
この例では、活性層ACTは、陽極ANと発光層EMTとの間に、正孔注入層HIと正孔輸送層HTとをさらに含んでいる。正孔注入層HIは、例えば、アモルファスカーボンからなる。正孔輸送層HTは、正孔注入層HIと発光層EMTとの間に介在している。正孔輸送層HTは、例えば、α−NPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphthylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine)からなる。
【0011】
また、この例では、活性層ACTは、陰極CTと発光層EMTとの間に、電子注入層EIと電子輸送層ETと正孔ブロッキング層HBとをさらに含んでいる。電子注入層EIは、例えば、フッ化リチウムからなる。電子輸送層ETは、電子注入層EIと発光層EMTとの間に介在している。電子輸送層ETは、例えば、Alq3(tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III))からなる。正孔ブロッキング層HBは、電子輸送層ETと発光層EMTとの間に介在している。正孔ブロッキング層HBは、例えば、BAlq(bis(2-methyl-8-quinolinolato)(para-phenylphenolato)aluminum(III))からなる。
【0012】
発光層EMTは、ホスト材料と燐光性のドーパント材料とを含有している。ホスト材料は、例えば、CBP(4,4'-di(carbazolyl-9-yl)biphenyl)である。また、ドーパント材料は、例えば、Ir(ppy)3(tris(2-phenylpyridine)iridium)である。
【0013】
発光層EMTは、層状の領域R1及びR2を含んでいる。領域R1は、発光層EMTのうち陽極側に位置し、領域R2は、発光層EMTのうち陰極側に位置している。ここでは、領域R2は、領域R1と正孔ブロッキング層HBとの間に位置している。領域R1は、領域R2と比較してドーパント材料の濃度がより高い。領域R2におけるドーパント材料の濃度はゼロである。すなわち、領域R1はホスト材料とドーパント材料との混合物からなり、領域R2はホスト材料からなる。
【0014】
この有機EL素子OLEDは、発光層EMTが領域R2を含んでいないこと以外は同様の構造を有する有機EL素子と比較して、より高い発光効率を達成する。特に、この有機EL素子OLEDは、小さな電流密度で使用した場合に、極めて優れた発光効率を達成する。
【0015】
領域R1の厚さは、例えば、10nm乃至100nmとする。また、領域R2の厚さは、例えば、1nm乃至30nmとする。領域R2の厚さが5nm以上である場合、特に高い発光効率を達成することができる。
【0016】
この有機EL素子OLEDは、例えば、表示装置の発光素子として利用することができる。
【0017】
図2は、図1の有機EL素子を含む表示装置の一例を概略的に示す平面図である。図3は、図2の表示装置に採用可能な構造の一例を概略的に示す断面図である。なお、図3では、表示装置を、その表示面,すなわち前面又は光出射面,が下方を向き、背面が上方を向くように描いている。
【0018】
図2の表示装置は、アクティブマトリクス型駆動方式を採用した下面発光型の有機EL表示装置である。この有機EL表示装置は、表示パネルDPと、映像信号線ドライバXDRと、走査信号線ドライバYDRとを含んでいる。
【0019】
表示パネルDPは、図2及び図3に示すように、例えば、ガラス基板などの絶縁基板SUBを含んでいる。
【0020】
基板SUB上には、図3に示すように、アンダーコート層UCが形成されている。アンダーコート層UCは、例えば、基板SUB上にSiNx層とSiOx層とをこの順に積層してなる。
【0021】
アンダーコート層UC上には、例えば不純物を含有したポリシリコンからなる半導体パターンが形成されている。この半導体パターンの一部は、図3の半導体層SCとして利用している。半導体層SCには、ソース及びドレインとして利用する不純物拡散領域と、ソース及びドレイン間に配置されるチャネルとが形成されている。また、この半導体パターンの他の一部は、後述するキャパシタCの下部電極として利用している。下部電極は、後述する画素PXに対応して配列している。
【0022】
半導体パターンは、図3に示すゲート絶縁膜GIで被覆されている。ゲート絶縁膜GIは、例えばTEOS(tetraethyl orthosilicate)などを用いて形成することができる。
【0023】
ゲート絶縁膜GI上には、図2に示す走査信号線SL1及びSL2が形成されている。走査信号線SL1及びSL2は、各々がX方向に延びており、Y方向に交互に配列している。走査信号線SL1及びSL2は、例えばMoWなどからなる。
【0024】
ゲート絶縁膜GI上には、キャパシタCの上部電極がさらに配置されている。この上部電極は、画素PXに対応して配列しており、キャパシタCの下部電極と向き合っている。上部電極は、例えばMoWなどからなり、走査信号線SL1及びSL2と同一の工程で形成することができる。
【0025】
走査信号線SL1及びSL2は、半導体層SCと交差している。走査信号線SL1と半導体層SCとの交差部は図2及び図3に示すスイッチングトランジスタSWaを構成しており、走査信号線SL2と半導体層SCとの交差部は図1に示すスイッチングトランジスタSWb及びSWcを構成している。また、上記の下部電極と上部電極とそれらの間に介在した絶縁膜GIとは図2に示すキャパシタCを構成しており、上部電極の延在部と半導体層SCとの交差部は図1に示す駆動トランジスタDRを構成している。
【0026】
なお、この例では、駆動トランジスタDR及びスイッチングトランジスタSWa乃至SWcは、トップゲート型のpチャネル薄膜トランジスタである。また、図3に参照符号Gで示す部分は、スイッチングトランジスタSWaのゲートである。
【0027】
ゲート絶縁膜GI、走査信号線SL1及びSL2、並びに上部電極は、図3に示す層間絶縁膜IIで被覆されている。層間絶縁膜IIは、例えばプラズマCVD法により堆積させたSiOxなどからなる。
【0028】
層間絶縁膜II上には、図2に示す映像信号線DLと電源線PSLとが形成されている。映像信号線DLは、図1に示すように、各々がY方向に延びており、X方向に配列している。電源線PSLは、例えば、各々がY方向に延びており、X方向に配列している。
【0029】
層間絶縁膜II上には、図3に示すソース電極SE及びドレイン電極DEがさらに形成されている。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、画素PXの各々において素子同士を接続している。
【0030】
映像信号線DLと電源線PSLとソース電極SEとドレイン電極DEとは、例えば、Mo/Al/Moの三層構造を有している。これらは、同一工程で形成可能である。
【0031】
映像信号線DLと電源線PSLとソース電極SEとドレイン電極DEとは、図3に示すパッシベーション膜PSで被覆されている。パッシベーション膜PSは、例えばSiNxなどからなる。
【0032】
パッシベーション膜PS上では、図3に示す画素電極PEが、画素PXに対応して配列している。各画素電極PEは、パッシベーション膜PSに設けたコンタクトホールを介してドレイン電極DEに接続されており、このドレイン電極はスイッチングトランジスタSWaのドレインに接続されている。
【0033】
画素電極PEは、この例では光透過性の前面電極である。また、画素電極PEは、この例では図1に示す陽極ANである。画素電極PEの材料としては、例えば、ITOなどの透明導電性酸化物を使用することができる。
【0034】
パッシベーション膜PS上には、さらに、図3に示す隔壁絶縁層PIが形成されている。隔壁絶縁層PIには、画素電極PEに対応した位置に貫通孔が設けられているか、或いは、画素電極PEが形成する列に対応した位置にスリットが設けられている。ここでは、一例として、隔壁絶縁層PIには、画素電極PEに対応した位置に貫通孔が設けられていることとする。
【0035】
隔壁絶縁層PIは、例えば、有機絶縁層である。隔壁絶縁層PIは、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
【0036】
画素電極PE上には、図1及び図3に示す活性層ACTが形成されている。活性層ACTは、図1に示すように、発光層EMTを含んでいる。この活性層ACTは、発光層EMTに加え、正孔注入層HI、正孔輸送層HT、電子注入層EI、電子輸送層ET、正孔ブロッキング層HBなどをさらに含むことができる。
【0037】
隔壁絶縁層PI及び活性層ACTは、対向電極CEで被覆されている。この例では、対向電極CEは、画素PX間で互いに接続された電極,すなわち共通電極,である。また、この例では、対向電極CEは、図1に示す陰極CTであり且つ光反射性の背面電極である。対向電極CEは、例えば、パッシベーション膜PSと隔壁絶縁層PIとに設けられたコンタクトホールを介して、映像信号線DLと同一の層上に形成された電極配線(図示せず)に電気的に接続されている。各々の有機EL素子OLEDは、画素電極PEと、有機物層ORGと、対向電極CEとを含んでいる。
【0038】
画素PXの各々は、図2に示すように、駆動トランジスタDRと、スイッチングトランジスタSWa乃至SWcと、有機EL素子OLEDと、キャパシタCとを含んでいる。上記の通り、この例では、駆動トランジスタDR及びスイッチングトランジスタSWa乃至SWcはpチャネル薄膜トランジスタである。
【0039】
駆動トランジスタDRとスイッチングトランジスタSWaと有機EL素子OLEDとは、第1電源端子ND1と第2電源端子ND2との間で、この順に直列に接続されている。この例では、電源端子ND1は高電位電源端子であり、電源端子ND2は低電位電源端子である。
【0040】
スイッチングトランジスタSWaのゲートは、走査信号線SL1に接続されている。スイッチングトランジスタSWbは映像信号線DLと駆動トランジスタDRのドレインとの間に接続されており、そのゲートは走査信号線SL2に接続されている。スイッチングトランジスタSWcは駆動トランジスタDRのドレインとゲートとの間に接続されており、そのゲートは走査信号線SL2に接続されている。
【0041】
キャパシタCは、駆動トランジスタDRのゲートと定電位端子ND1’との間に接続されている。この例では、定電位端子ND1’は、電源端子ND1に接続されている。
【0042】
映像信号線ドライバXDRには、映像信号線DLが接続されている。この例では、映像信号線ドライバXDRには、電源線PSLがさらに接続されている。映像信号線ドライバXDRは、映像信号線DLに映像信号として電流信号を出力するとともに、電源線PSLに電源電圧を供給する。
【0043】
走査信号線ドライバYDRには、走査信号線SL1及びSL2が接続されている。走査信号線ドライバYDRは、走査信号線SL1及びSL2にそれぞれ第1及び第2走査信号として電圧信号を出力する。
【0044】
この有機EL表示装置で画像を表示する場合、例えば、走査信号線SL1及びSL2の各々を線順次駆動する。すなわち、画素PXを行毎に走査(選択)する。画素PXを選択している選択期間では書込動作を行い、非選択期間では表示動作を行う。
【0045】
或る行の画素PXを選択する選択期間では、まず、走査信号線ドライバから、先の画素PXが接続された走査信号線SL1にスイッチングトランジスタSWaを開く(非導通状態とする)走査信号を電圧信号として出力し、続いて、先の画素PXが接続された走査信号線SL2にスイッチングトランジスタSWb及びSWcを閉じる(導通状態とする)走査信号を電圧信号として出力する。この状態で、映像信号線ドライバから、映像信号線DLに映像信号を電流信号(書込電流)Isigとして出力し、駆動トランジスタDRのゲート−ソース間電圧Vgsを、先の映像信号Isigに対応した大きさに設定する。その後、走査信号線ドライバから、先の画素PXが接続された走査信号線SL2にスイッチングトランジスタSWb及びSWcを開く走査信号を電圧信号として出力する。これにより、選択期間を終了する。
【0046】
選択期間に続く非選択期間では、先の画素PXが接続された走査信号線SL1にスイッチングトランジスタSWaを閉じる走査信号を電圧信号として出力し、スイッチングトランジスタSWb及びSWcは開いたままとする。非選択期間では、有機EL素子OLEDには、駆動トランジスタDRのゲート−ソース間電圧Vgsに対応した大きさの駆動電流Idrvが流れる。有機EL素子OLEDは、駆動電流Idrvの大きさに対応した輝度で発光する。
【0047】
図3には、図1の有機EL素子OLEDを下面発光型の有機EL表示装置に適用した例を示したが、図1の有機EL素子OLEDは上面発光型の有機EL表示装置でも使用可能である。また、図2には、画素回路に映像信号として電流信号を書き込む有機EL表示装置を示したが、図1の有機EL素子OLEDは、画素回路に映像信号として電圧信号を書き込む有機EL表示装置で使用することも可能である。
【実施例】
【0048】
以下、本発明の実施例について説明する。
まず、一主面にITO層が形成されたガラス基板を準備した。なお、このITO層は、陽極ANとして利用する。
【0049】
次に、陽極AN上に、スパッタリング法によりアモルファスカーボンからなる厚さ10nmの正孔注入層HIを形成した。次いで、正孔注入層HI上に、真空蒸着法によりα−NPDからなる厚さ110nmの正孔輸送層HTを形成した。
【0050】
その後、正孔輸送層HT上に、真空蒸着法によりCBPとIr(ppy)3との混合物からなる厚さ30nmの第1有機物層を形成した。ここでは、CBPとIr(ppy)3とのドープ濃度比は94:6とした。続いて、第1有機物層上に、真空蒸着法によりCBPからなる厚さ2.5nmの第2有機物層を形成した。以上のようにして、第1及び第2有機物層からなる発光層EMTを得た。なお、第1及び第2有機物層は、発光層EMTが含む領域R1及びR2にそれぞれ対応している。
【0051】
次に、発光層EMT上に、真空蒸着法によりBAlqからなる厚さ10nmの正孔ブロッキング層HBを形成した。次いで、正孔ブロッキング層HB上に、真空蒸着法によりAlqからなる厚さ37.5nmの電子輸送層ETを形成した。
【0052】
その後、電子輸送層ET上に、真空蒸着法によりフッ化リチウムからなる厚さ1nmの電子注入層EIを形成した。さらに、電子注入層EI上に、真空蒸着法によりアルミニウムからなる厚さ100nmの陰極CTを形成した。
【0053】
以上のようにして、図1の有機EL素子OLEDを完成した。以下、この有機EL素子OLEDをサンプル(1)と呼ぶ。
【0054】
次に、第2有機物層の厚さを5nmとし且つ電子輸送層ETの厚さを35nmとしたこと以外は、サンプル(1)について説明したのと同様の方法により図1の有機EL素子OLEDを作製した。以下、この有機EL素子OLEDをサンプル(2)と呼ぶ。
【0055】
次いで、第2有機物層の厚さを10nmとし且つ電子輸送層ETの厚さを30nmとしたこと以外は、サンプル(1)について説明したのと同様の方法により図1の有機EL素子OLEDを作製した。以下、この有機EL素子OLEDをサンプル(3)と呼ぶ。
【0056】
その後、第2有機物層を省略し且つ電子輸送層ETの厚さを40nmとしたこと以外は、サンプル(1)について説明したのと同様の方法により有機EL素子を作製した。以下、この有機EL素子を比較サンプルと呼ぶ。
【0057】
以上の方法で作製したサンプル(1)乃至(3)及び比較サンプルの構造及び組成を以下の表1に纏める。
【表1】

【0058】
次に、サンプル(1)乃至(3)及び比較サンプルの発光効率を調べた。その結果を、図4及び以下の表2に纏める。
【表2】

【0059】
図4は、本発明の実施例に係る有機EL素子の発光効率を示すグラフである。図中、横軸は電流密度を示し、縦軸は発光効率を示している。また、表2には、電流密度を10mA/cm2としたときの発光効率及び輝度半減時間を示している。
【0060】
図4及び表2から明らかなように、サンプル(1)乃至(3)は、比較サンプルと比較して、より高い発光効率を達成している。特に、電流密度が比較的小さい場合、サンプル(1)乃至(3)は、比較サンプルと比較して、極めて高い発光効率を達成している。
【0061】
また、図4のサンプル(1)乃至(3)に関するデータから明らかなように、サンプル(2)はサンプル(1)と比較してより優れた発光効率を達成し、サンプル(3)はサンプル(2)と比較してより優れた発光効率を達成している。すなわち、領域R2の厚さが増加するのに伴い、発光効率は高くなる。また、サンプル(2)及び(3)は、ほぼ等しい発光効率を達成している。以上から、領域R2の厚さが5nm以上の場合には、領域R2の厚さの増加に伴う発光効率の向上はほぼ飽和していることが分かる。
【0062】
また、サンプル(1)乃至(3)は、比較サンプルと比較して、耐久性が向上している。すなわち、領域R2を有することにより、長寿命化の効果があることが分かる。特に、領域R2の厚さが増大するにつれ、より優れた耐久性を示している。このように、本発明によれば、発光層に隣接する層から発光ポイントへの異分子拡散を抑制する領域R2を有することにより、上述の効果に加え、耐久性を向上させることが可能となる。なお、異分子とは、発光層を構成する分子以外の分子を指す。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】本発明の一態様に係る有機EL素子を概略的に示す平面図。
【図2】図1の有機EL素子を含む表示装置の一例を概略的に示す平面図。
【図3】図2の表示装置に採用可能な構造の一例を概略的に示す断面図。
【図4】本発明の実施例に係る有機EL素子の発光効率を示すグラフ。
【符号の説明】
【0064】
ACT…活性層、AN…陽極、C…キャパシタ、CE…対向電極、CT…陰極、DE…ドレイン電極、DL…映像信号線、DP…表示パネル、DR…駆動トランジスタ、EI…電子注入層、EMT…発光層、ET…電子輸送層、G…ゲート、GI…ゲート絶縁膜、HB…正孔ブロッキング層、HI…正孔注入層、HT…正孔輸送層、II…層間絶縁膜、ND1…電源端子、ND1’…定電位端子、ND2…電源端子、OLED…有機EL素子、PE…画素電極、PI…隔壁絶縁層、PS…パッシベーション膜、PSL…電源線、PX…画素、R1…領域、R2…領域、SC…半導体層、SE…ソース電極、SL1…走査信号線、SL2…走査信号線、SUB…絶縁基板、SWa…スイッチングトランジスタ、SWb…スイッチングトランジスタ、SWc…スイッチングトランジスタ、UC…アンダーコート層、XDR…映像信号線ドライバ、YDR…走査信号線ドライバ。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
陽極と、陰極と、それらの間に介在すると共にホスト材料と燐光性のドーパント材料とを含有した発光層とを具備し、前記発光層のうち前記陽極側の第1領域は、前記発光層のうち前記陰極側の第2領域と比較して前記ドーパント材料の濃度がより高く、前記第2領域における前記ドーパント材料の濃度はゼロであることを特徴とする有機EL素子。
【請求項2】
前記第2領域の厚さは5nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の有機EL素子。
【請求項3】
前記陽極と前記発光層との間に介在した正孔注入層と、前記正孔注入層と前記発光層との間に介在した正孔輸送層と、前記陰極と前記発光層との間に介在した電子注入層と、前記電子注入層と前記発光層との間に介在した電子輸送層と、前記電子輸送層と前記発光層との間に介在した正孔ブロッキング層とをさらに具備したことを特徴とする請求項1に記載の有機EL素子。
【請求項4】
請求項1乃至3の何れか1項に記載の有機EL素子を各々が含んだ複数の画素を具備したことを特徴とする有機EL表示装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2007−88251(P2007−88251A)
【公開日】平成19年4月5日(2007.4.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−275855(P2005−275855)
【出願日】平成17年9月22日(2005.9.22)
【出願人】(302020207)東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社 (2,170)
【出願人】(504409484)
【Fターム(参考)】