有機ＥＬ素子
【課題】低電圧かつ高発光効率可能なマルチフォトンエミッション（ＭＰＥ）構造の有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】
基板１０上に順次配置された陽極電極１２，第２ホール輸送層１４，第２発光層１６，第２電子輸送層１８，第２電子注入層２０，および第２陰極電極２２と、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備え、第１ホール輸送層３６は、電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有するＭＰＥ構造の有機ＥＬ素子。
【解決手段】
基板１０上に順次配置された陽極電極１２，第２ホール輸送層１４，第２発光層１６，第２電子輸送層１８，第２電子注入層２０，および第２陰極電極２２と、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備え、第１ホール輸送層３６は、電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有するＭＰＥ構造の有機ＥＬ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子に関し、特に、マルチフォトンエミッション構造において、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Electroluminescence）ＥＬ素子として、発光開始閾値電圧の低下及び電流密度対発光輝度特性の向上を図り、発光効率の優れた有機薄膜ＥＬ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１においては、基板上に順に積層された、陽極と、有機化合物からなる正孔輸送層と、有機化合物からなる発光層と、陰極と、を有する有機薄膜ＥＬ素子であって、正孔輸送層が正孔輸送能を有する２層以上の有機化合物の積層構造からなり、正孔輸送層の中で陽極と接する有機化合物層のイオン化ポテンシャルが、正孔輸送層と接する陽極の仕事関数よりも小さい、又は、積層構造を有する正孔輸送層の中で発光層と接する正孔輸送層の正孔移動度が他の正孔輸送層より大きい構造からなる。
【０００３】
また、従来の有機ＥＬ素子として、有機電界発光表示素子およびその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２においては、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置された発光層と、第１電極と発光層との間に配置された正孔注入層と、第１電極と発光層との間に配置された正孔輸送層と、正孔注入層と正孔輸送層との間に配置された電荷発生層と、を備えることを特徴とする有機電界発光表示素子およびその製造方法が開示されている。
【０００４】
一方、従来のマルチフォトンエミッション（ＭＰＥ：Multi-Photon Emission）構造を有する有機ＥＬ素子は、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層を用いた場合、電荷発生層のＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）の準位と、ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ（Highest Unoccupied Molecular Orbital）の準位とのエネルギー差が大きいため、順方向電圧が上昇してしまう。
【特許文献１】特開平０８−２２２３７３号公報（第２図および第６図、第５−７頁）
【特許文献２】特開２００７−１７３７７９号公報（第２Ａ−２Ｃ図、第８−１３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、電荷発生層とワイドギャップホール輸送層との間に、電荷発生層のＬＵＭＯとのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯの準位を有するホール輸送材料を使用することで、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなり、低電圧かつ高発光効率可能であることを見出した。
【０００６】
本発明の目的は、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、電荷発生層と、前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された燐光発光を有する第１発光層とを備える有機ＥＬ素子が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、電荷発生層と、前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と、前記第１発光層上に配置された第１電子輸送層と、前記第１電子輸送層上に配置された第１電子注入層と、前記第１電子注入層上に配置された第１陰極電極と、基板と、基板上に配置された陽極電極と、前記陽極電極上に配置された第２ホール輸送層と、前記第２ホール輸送層上に配置された第２発光層と、前記第２発光層上に配置された第２電子輸送層と、前記第２電子輸送層上に配置された第２電子注入層と、前記第２電子注入層上に配置された第２陰極電極とを備え、前記電荷発生層は前記第２陰極電極上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有する有機ＥＬ素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００１０】
本発明によれば、燐光発光を用いたマルチフォトエミッション構造において電荷発生層のＬＵＭＯとそれに接する第１ホール輸送層のＨＯＭＯのエネルギー差を０．３ｅＶ未満とし、燐光発光を有する第１発光層と接する側には燐光エネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有するワイドギャップホール輸送層を設けた低電圧且つ高発光効率可能の２層型ホール輸送層構造を有するＭＰＥ有機ＥＬ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、図１に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８とを備える。すなわち、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６からなる２層型ホール輸送層構造を有する。
【００１４】
第１ホール輸送層３６により、電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることが可能である。
【００１５】
電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとすることもできる。
【００１６】
ワイドギャップホール輸送層２６は、第１発光層２８よりも大きなエネルギーギャップを有する。
【００１７】
第１発光層２８は、例えば、約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰから形成してもよい。
【００１８】
電荷発生層２４を、例えば、ＨＡＴ（ＣＮ）6で形成し、ワイドギャップホール輸送層２６を、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成し、第１ホール輸送層３６を、例えば、ＮＰＢで形成することによって、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差をゼロとすることができる。
【００１９】
（比較例）
一方、本発明の比較例に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、例えば、図９に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備える。
【００２０】
さらに、基板１０と、基板１０上に配置された陽極電極１２と、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４と、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６と、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８と、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０と、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２とを備える。電荷発生層２４は、第２陰極電極２２上に配置され、結果として、マルチフォトンエミッション構造を有する。
【００２１】
図９に示す有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造は、例えば、図１０に示すように表される。すなわち、基板１０としてガラス、基板１０上に配置された陽極電極１２としてＩＴＯ、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８としてＢＣＰ、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０してＬｉＦ、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２としてＡｌを使用する。
【００２２】
さらに、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４としてＨＡＴ（ＣＮ）6、電荷発生層２４上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０としてＢＣＰ、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２としてＬｉＦ、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４としてＡｌを使用する。
【００２３】
各層において、上側はＬＵＭＯの準位、下側はＨＯＭＯの準位を表す。
【００２４】
比較例に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、図９に示すように、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層２６を用いた場合、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が大きい。
【００２５】
電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位が近い方が順方向電圧を低くすることができる。一方、燐光材料としては、発光エネルギーの大きな材料を使用する必要がある。
【００２６】
ここで、ＨＯＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の基底状態を表す。また、ＬＵＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の励起状態を表す。ここで、ＬＵＭＯ準位は最低励起一重項準位（Ｓ1）に対応する。さらに電子や正孔が有機物に注入され、ラジカルアニオン（Ｍ-）,ラジカルカチオン（Ｍ+）が形成された場合の正孔および電子の準位は、励起子結合エネルギーが存在しない分、ＨＯＭＯ準位,ＬＵＭＯ準位の外側の位置に電子伝導準位、正孔伝導準位が位置することになる。
【００２７】
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、さらに詳細には、図１に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備える。
【００２８】
さらに、基板１０と、基板１０上に配置された陽極電極１２と、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４と、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６と、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８と、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０と、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２とを備える。電荷発生層２４は第２陰極電極２２上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有する。
【００２９】
第１ホール輸送層３６により、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることができる。
【００３０】
電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとすることもできる。
【００３１】
ワイドギャップホール輸送層２６は、第１発光層２８よりも大きなエネルギーギャップを有する。
【００３２】
第２ホール輸送層１４は、第２発光層１６よりも大きなエネルギーギャップを備えていてもよい。
【００３３】
第１発光層２８および第２発光層１６は、燐光発光層からなる。
【００３４】
燐光発光層は、例えば、Ｉｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰから形成されていてもよい。
【００３５】
電荷発生層２４を、例えば、ＨＡＴ（ＣＮ）6で形成し、ワイドギャップホール輸送層２６を、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成し、第１ホール輸送層３６を、例えば、ＮＰＢで形成することによって、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差をゼロとすることができる。
【００３６】
図１に示す有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造は、例えば、図２に示すように表される。すなわち、基板１０としてガラス、基板１０上に配置された陽極電極１２としてＩＴＯ、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８としてＢＣＰ、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０してＬｉＦ、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２としてＡｌを使用する。
【００３７】
さらに、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４としてＨＡＴ（ＣＮ）6、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６としてＮＰＢ、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０としてＢＣＰ、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２としてＬｉＦ、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４としてＡｌを使用する。
【００３８】
各層において、上側はＬＵＭＯの準位、下側はＨＯＭＯの準位を表す。
【００３９】
第１の実施の形態に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６のＨＯＭＯの準位５．４ｅＶが等しい。電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６によって、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層２６を用いた場合においても、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が緩和され、順方向電圧を低く設定することができる。
【００４０】
基板１０は、例えば、ガラスで形成される。他にはサファイア、ＧａＰなど発光波長に対して透明な材料であればよい。
【００４１】
ここで、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、「透明」とは、透過率が約５０％以上であるものと定義する。「透明」とは、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度、エネルギー約３．４ｅＶ〜１．５ｅＶ程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。
【００４２】
透明性はバンドギャップＥgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップＥgが約３．４ｅＶ以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をｎ、電荷をｑ、誘電率をε、有効質量をｍ*とすると、ωp＝（ｎｑ2／εｍ*）1/2で表され、キャリア密度の関数である。
【００４３】
陽極電極１２は透明電極で形成される。透明電極としては、例えば、光を透過可能であり、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム−亜鉛酸化物）、ＺｎＯ（亜鉛酸化物）、ＩＺＴＯ（インジウム−スズー亜鉛酸化物）などの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。望ましくは、厚さが、例えば、約１５０〜１６０ｎｍ程度のＩＴＯの透明電極からなる。
【００４４】
第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６は、それぞれ陽極電極１２および電荷発生層２４から注入された正孔を円滑に第２発光層１６および第１発光層２８に輸送するためのものである。第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６は、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成することができる。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは、トリフェニルアミンを基本として星形（スターバースト）に分子を大きくしたもので、スターバーストポリアミンと呼ばれる化合物である。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは、ＩＴＯとの組み合わせで良好なホール注入特性を示す。第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６の厚さは、例えば、それぞれ約７０ｎｍ程度、および約２０ｎｍ程度である。第２ホール輸送層１４、ワイドギャップホール輸送層２６に適用されるｍ−ＭＴＤＡＴＡの化学式は、図３に示すように表される。
【００４５】
第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６を形成する正孔輸送材料の分子構造例としては、他に、ＧＰＤ、spiro-ＴＡＤ、spiro-ＮＰＤ、oxidized-ＴＰＤなどを適用することができる。さらに別の正孔輸送材料としては、ＴＤＡＰＢなどがある。他に、厚さが、例えば、約６０ｎｍ程度のＮＰＢ（Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタリル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−ベンジデン）を適用可能である。他の正孔輸送材料としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。ここで、α−ＮＰＤは、４,４−ビスＮ−（１−ナフチル−１−）[Ｎ−フェニル−アミノ]−ビフェニル（4,4-bis[N-(1-naphtyl-1-)N-phenyl-amino]-biphenyl）と呼ばれる。
【００４６】
第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰを適用する。ここで、ＣＢＰは、４，４´−ディカルバゾリル―１，１´ビフェニル（4,4´-dicarbazolyl-1,1´-biphenyl）と呼ばれる材料であり、三重項励起子の閉じ込め効果、耐久性、およびバイポーラキャリア輸送性を備えるホスト材料である。ＣＢＰの化学式は、図４に示すように表される。
【００４７】
Ｉｒ（ｐｐｙ）3は、燐光発光のドーパント材料であり、室温において非常に強い燐光を示す。第１発光層２８、第２発光層１６の厚さは、共に、例えば、約３０ｎｍ程度である。Ｉｒ（ｐｐｙ）3 の化学式は、図５に示すように表される。
【００４８】
第１発光層２８および第２発光層１６には、他に、燐光ホスト材料として、以下のものを適用することができる。例えば、低分子ホスト材料としては、Ａｌｑ3，ＢＣＰ，Ｂｐｈｅｎ，ＴＡＺ，ＴＰＢＩ，ＯＸＤ−７，ＴＣＴＡ，ｍＣＰ，ＣＤＢＰ，ＵＧＨ１，ＵＧＨ２などを適用することができる。例えば、高分子ホスト材料としては、ＰＶＫ，ＰＦＯを適用することができる。
【００４９】
燐高有機ＥＬ発光材料としては、上記のＩｒ（ｐｐｙ）3（５１４ｎｍ）の他に、青色用として、例えばＩｒｔｆｍｐｐｚ３（４２８ｎｍ），Ｉｒ４６ｄｆｐｐｙ３（４６８ｎｍ），Ｉｒ４６ｄｆｐｐｙ２ｐｉｃ（４７１ｎｍ）などを適用することができる。また、緑色〜橙色用としては、例えば、Ｉｒｐｐｙ２ａｃａｃ（５１６ｎｍ），Ｉｒｔｐｙ３（５５０ｎｍ），Ｉｒｂｔ２ａｃａｃ（５５７ｎｍ），Ｔｂ（ＡＣＡＣ）３Ｐｈｅｎ（５４３ｎｍ），Ｉｒｂｔｐｙ３（５９６ｎｍ），Ｉｒｐｑ２ａｃａｃ（５９７ｎｍ），Ｄｙ（ＢＴＦＡ）３Ｐｈｅｎ（５７６ｎｍ）などを適用することができる。また、赤色用としては、例えば、Ｉｒｐｉｑ３（６２１ｎｍ），Ｉｒｂｔｐｙ２ａｃａｃ（６１２ｎｍ），Ｅｕ（ＴＴＦＡ）３Ｐｈｅｎ（６１３ｎｍ），Ｉｒｔｈｉｑ３（６４４ｎｍ），Ｉｒｆｌｉｑ３（６５６ｎｍ），ＰｔＯＥＰ（６５０ｎｍ）などを適用することができる。
【００５０】
第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８は、例えば、ＢＣＰで形成することができる。第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８は、第１電子注入層３２および第２電子注入層２０から注入された電子を円滑に、それぞれ第１発光層２８および第２発光層１６に輸送するためのものであり、いずれも厚さが、例えば、約２０ｎｍ程度のＢＣＰからなる。ここで、ＢＣＰは、１，１０−フェナンスロリン誘導体であり、バソクプロイン（Bathocuproine）と呼ばれる材料である。ＢＣＰの化学式は、図６に示すように表される。
【００５１】
第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８としては、他に、Ａｌｑ３（アルミニウムキノリノール錯体）を適用可能である。ここで、Ａｌｑ３は、アルミニウム８−ヒドロキシキノリネート（Aluminum 8-hydroxyquinolinate）或いは、トリ８−キノリノラトアルミニウムと呼ばれる材料である。第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８を形成する他の電子輸送材料としては、t-butyl-ＰＢＤ、ＴＡＺ、シロール誘導体、ホウ素置換型トリアリール系化合物、フェニルキノキサリン誘導体などがある。また、オキサジアゾール二量体、スターバーストオキサジアゾールなどが適用可能である。
【００５２】
第１電子注入層３２および第２電子注入層２０は、例えば、厚さ、約０．５ｎｍ程度のＬｉＦで形成することができる。
【００５３】
第２陰極電極２２は、例えば、厚さ、約１ｎｍ程度のＡｌで形成することができる。第１陰極電極３４は、例えば、厚さ、約１００ｎｍ程度のＡｌで形成することができる。第２電子注入層２０のＬｉＦの厚さが約０．５ｎｍ程度であり、第２陰極電極２２のＡｌのｐ厚さが約１ｎｍ程度ときわめて薄いことから、図１に示すように、第２発光層１６からの光（ｈν２）および第１発光層２８からの光（ｈν１）は、いずれも陽極電極１２側から基板１０を通して、取り出しことができる。
【００５４】
電荷発生層２４として、例えば厚さ約２０ｎｍ程度のヘキサアザトリフェニレンＨＡＴ（ＣＮ）6を適用する。ヘキサアザトリフェニレンＨＡＴ（ＣＮ）6は６つのシアノ基を有する非常に大きなπ共役系分子であり、電子アクセプター性に優れた有機配位子である。電荷発生層２４に適用するＨＡＴ（ＣＮ）6の化学式は、図７に示すように表される。電荷発生層２４として、他には、例えば、モリブデンオキサイド（ＭｏＯX），バナジウムオキサイド（ＶXＯY）などを適用することができる。
【００５５】
電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６として、例えば、ＮＰＢを適用することができる。ＮＰＢは、Ｎ，Ｎ-ジ（ナフタレン-１-イル）-Ｎ，Ｎ−ジフェニル−ベンジデン（N,N-di(naphthalene-1-yl)-N,N-diphenyl-benzidene）と呼ばれる材料である。ＮＰＢの化学式は、図８に示すように表される。電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６のＨＯＭＯの準位５．４ｅＶが等しくなるため、第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６によって、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が緩和され、順方向電圧を低くすることができる。
【００５６】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の動作原理は以下の通りである。
【００５７】
まず、陽極電極１２および第１陰極電極３４を介して、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子のアノードＡ（＋）・カソードＫ（−）間に一定の電圧が印加される。これにより、第１ホール輸送層３６およびワイドギャップホール輸送層２６から第１発光層２８に正孔が注入され、第１電子輸送層３０から第１発光層２８に電子が注入される。同様に、第２ホール輸送層１４から第２発光層１６に正孔が注入され、第２電子輸送層１８から第２発光層１６に電子が注入される。そして、第１発光層２８に注入された正孔と電子とが再結合することによって、第１の光（ｈν１）を発光する。第２発光層１６に注入された正孔と電子とが再結合することによって、第２の光（ｈν２）を発光する。発光された第１の光（ｈν１）および第２の光（ｈν２）は、陽極電極１２を透過し、基板１０を介して外部に出力される。
【００５８】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
【００５９】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、発光層とホール輸送層の間、若しくは発光層と陽極電極との間に、ｐ型有機半導体層を介在させてもよい。同様に、発光層と電子輸送層の間、若しくは陰極電極と電子輸送層の間に、ｎ型有機半導体層を介在させてもよい。
【００６０】
本発明によれば、ＭＰＥ構造において、順方向電流密度（ｍＡ／ｃｍ2 ）と順方向電圧Ｖ（Ｖ）の関係において、しきい値電圧を低減することができる。
【００６１】
また、本発明によれば、ＭＰＥ構造において、発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）と順方向電圧Ｖ（Ｖ）の関係において、しきい値電圧を低減することができる。
【００６２】
また、本発明によれば、ＭＰＥ構造において、電力効率（ｌｍ／Ｗ）と発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）との関係および電流効率（ｃｄ／Ａ）と発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）との関係において、いずれも低輝度側において効率が改善され、また広い発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）の範囲にわたり、所定の効率を維持することもできる。
【００６３】
本発明によれば、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００６４】
本発明によれば、燐光発光を用いたマルチフォトエミッション構造において電荷発生層のＬＵＭＯとそれに接する第１ホール輸送層のＨＯＭＯのエネルギー差を０．３ｅＶ未満とし、燐光発光層と接する側には燐光エネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有するワイドギャップホール輸送層を設けた低電圧且つ高発光効率可能の２層型ホール輸送層構造を有するＭＰＥ有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００６５】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００６６】
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成に適用される有機半導体材料は、例えば、真空蒸着法、カラムクロマトグラフィー,再結晶法などの化学的精製法、昇華精製法、高分子材料の場合には、スピンコート,ディップコート,ブレードコート,インクジェット法などの湿式成膜法などを用いて形成することができる。
【００６７】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の有機ＥＬ素子は、照明分野及び各種光源に適用可能であり、さらにディスプレイ分野、ヘッドマウントディスプレイ、有機集積回路分野、有機発光デバイス、フラットパネルディスプレイ、フレキシブルディスプレイエレクトロニクス分野、および透明エレクトロニクス分野において適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第２ホール輸送層１４、ワイドギャップホール輸送層２６に適用するｍ−ＭＴＤＡＴＡの化学式。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１発光層２８，第２発光層１６に適用するＣＢＰの化学式。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１発光層２８，第２発光層１６に適用するＩｒ（ｐｐｙ）3 の化学式。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１電子輸送層３０，第２電子輸送層１８に適用するＢＣＰの化学式。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の電荷発生層２４に適用するＨＡＴ（ＣＮ）6の化学式。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１ホール輸送層３６に適用するＮＰＢの化学式。
【図９】本発明の比較例に係る有機ＥＬ素子の模式的断面構造図。
【図１０】本発明の比較例に係る有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造図。
【符号の説明】
【００７０】
１０…基板
１２…陽極電極
１４…第２ホール輸送層
１６…第２発光層（燐光発光層）
１８…第２電子輸送層
２０…第２電子注入層
２２…第２陰極電極
２４…電荷発生層
２６…ワイドギャップホール輸送層
２８…第１発光層（燐光発光層）
３０…第１電子輸送層
３２…第１電子注入層
３４…第１陰極電極
３６…第１ホール輸送層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子に関し、特に、マルチフォトンエミッション構造において、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Electroluminescence）ＥＬ素子として、発光開始閾値電圧の低下及び電流密度対発光輝度特性の向上を図り、発光効率の優れた有機薄膜ＥＬ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１においては、基板上に順に積層された、陽極と、有機化合物からなる正孔輸送層と、有機化合物からなる発光層と、陰極と、を有する有機薄膜ＥＬ素子であって、正孔輸送層が正孔輸送能を有する２層以上の有機化合物の積層構造からなり、正孔輸送層の中で陽極と接する有機化合物層のイオン化ポテンシャルが、正孔輸送層と接する陽極の仕事関数よりも小さい、又は、積層構造を有する正孔輸送層の中で発光層と接する正孔輸送層の正孔移動度が他の正孔輸送層より大きい構造からなる。
【０００３】
また、従来の有機ＥＬ素子として、有機電界発光表示素子およびその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２においては、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置された発光層と、第１電極と発光層との間に配置された正孔注入層と、第１電極と発光層との間に配置された正孔輸送層と、正孔注入層と正孔輸送層との間に配置された電荷発生層と、を備えることを特徴とする有機電界発光表示素子およびその製造方法が開示されている。
【０００４】
一方、従来のマルチフォトンエミッション（ＭＰＥ：Multi-Photon Emission）構造を有する有機ＥＬ素子は、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層を用いた場合、電荷発生層のＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）の準位と、ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ（Highest Unoccupied Molecular Orbital）の準位とのエネルギー差が大きいため、順方向電圧が上昇してしまう。
【特許文献１】特開平０８−２２２３７３号公報（第２図および第６図、第５−７頁）
【特許文献２】特開２００７−１７３７７９号公報（第２Ａ−２Ｃ図、第８−１３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、電荷発生層とワイドギャップホール輸送層との間に、電荷発生層のＬＵＭＯとのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯの準位を有するホール輸送材料を使用することで、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなり、低電圧かつ高発光効率可能であることを見出した。
【０００６】
本発明の目的は、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、電荷発生層と、前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された燐光発光を有する第１発光層とを備える有機ＥＬ素子が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、電荷発生層と、前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と、前記第１発光層上に配置された第１電子輸送層と、前記第１電子輸送層上に配置された第１電子注入層と、前記第１電子注入層上に配置された第１陰極電極と、基板と、基板上に配置された陽極電極と、前記陽極電極上に配置された第２ホール輸送層と、前記第２ホール輸送層上に配置された第２発光層と、前記第２発光層上に配置された第２電子輸送層と、前記第２電子輸送層上に配置された第２電子注入層と、前記第２電子注入層上に配置された第２陰極電極とを備え、前記電荷発生層は前記第２陰極電極上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有する有機ＥＬ素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００１０】
本発明によれば、燐光発光を用いたマルチフォトエミッション構造において電荷発生層のＬＵＭＯとそれに接する第１ホール輸送層のＨＯＭＯのエネルギー差を０．３ｅＶ未満とし、燐光発光を有する第１発光層と接する側には燐光エネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有するワイドギャップホール輸送層を設けた低電圧且つ高発光効率可能の２層型ホール輸送層構造を有するＭＰＥ有機ＥＬ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、図１に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８とを備える。すなわち、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６からなる２層型ホール輸送層構造を有する。
【００１４】
第１ホール輸送層３６により、電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることが可能である。
【００１５】
電荷発生層２４のＬＵＭＯ準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとすることもできる。
【００１６】
ワイドギャップホール輸送層２６は、第１発光層２８よりも大きなエネルギーギャップを有する。
【００１７】
第１発光層２８は、例えば、約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰから形成してもよい。
【００１８】
電荷発生層２４を、例えば、ＨＡＴ（ＣＮ）6で形成し、ワイドギャップホール輸送層２６を、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成し、第１ホール輸送層３６を、例えば、ＮＰＢで形成することによって、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差をゼロとすることができる。
【００１９】
（比較例）
一方、本発明の比較例に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、例えば、図９に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備える。
【００２０】
さらに、基板１０と、基板１０上に配置された陽極電極１２と、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４と、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６と、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８と、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０と、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２とを備える。電荷発生層２４は、第２陰極電極２２上に配置され、結果として、マルチフォトンエミッション構造を有する。
【００２１】
図９に示す有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造は、例えば、図１０に示すように表される。すなわち、基板１０としてガラス、基板１０上に配置された陽極電極１２としてＩＴＯ、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８としてＢＣＰ、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０してＬｉＦ、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２としてＡｌを使用する。
【００２２】
さらに、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４としてＨＡＴ（ＣＮ）6、電荷発生層２４上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０としてＢＣＰ、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２としてＬｉＦ、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４としてＡｌを使用する。
【００２３】
各層において、上側はＬＵＭＯの準位、下側はＨＯＭＯの準位を表す。
【００２４】
比較例に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、図９に示すように、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層２６を用いた場合、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が大きい。
【００２５】
電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位が近い方が順方向電圧を低くすることができる。一方、燐光材料としては、発光エネルギーの大きな材料を使用する必要がある。
【００２６】
ここで、ＨＯＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の基底状態を表す。また、ＬＵＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の励起状態を表す。ここで、ＬＵＭＯ準位は最低励起一重項準位（Ｓ1）に対応する。さらに電子や正孔が有機物に注入され、ラジカルアニオン（Ｍ-）,ラジカルカチオン（Ｍ+）が形成された場合の正孔および電子の準位は、励起子結合エネルギーが存在しない分、ＨＯＭＯ準位,ＬＵＭＯ準位の外側の位置に電子伝導準位、正孔伝導準位が位置することになる。
【００２７】
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、さらに詳細には、図１に示すように、電荷発生層２４と、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６と、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６と、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８と、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０と、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２と、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４とを備える。
【００２８】
さらに、基板１０と、基板１０上に配置された陽極電極１２と、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４と、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６と、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８と、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０と、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２とを備える。電荷発生層２４は第２陰極電極２２上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有する。
【００２９】
第１ホール輸送層３６により、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位とワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることができる。
【００３０】
電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとすることもできる。
【００３１】
ワイドギャップホール輸送層２６は、第１発光層２８よりも大きなエネルギーギャップを有する。
【００３２】
第２ホール輸送層１４は、第２発光層１６よりも大きなエネルギーギャップを備えていてもよい。
【００３３】
第１発光層２８および第２発光層１６は、燐光発光層からなる。
【００３４】
燐光発光層は、例えば、Ｉｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰから形成されていてもよい。
【００３５】
電荷発生層２４を、例えば、ＨＡＴ（ＣＮ）6で形成し、ワイドギャップホール輸送層２６を、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成し、第１ホール輸送層３６を、例えば、ＮＰＢで形成することによって、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位と第１ホール輸送層３６のＨＯＭＯの準位のエネルギー差をゼロとすることができる。
【００３６】
図１に示す有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造は、例えば、図２に示すように表される。すなわち、基板１０としてガラス、基板１０上に配置された陽極電極１２としてＩＴＯ、陽極電極１２上に配置された第２ホール輸送層１４としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、第２ホール輸送層１４上に配置された第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第２発光層１６上に配置された第２電子輸送層１８としてＢＣＰ、第２電子輸送層１８上に配置された第２電子注入層２０してＬｉＦ、第２電子注入層２０上に配置された第２陰極電極２２としてＡｌを使用する。
【００３７】
さらに、第２陰極電極２２上に配置された電荷発生層２４としてＨＡＴ（ＣＮ）6、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６としてＮＰＢ、第１ホール輸送層３６上に配置されたワイドギャップホール輸送層２６としてｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ワイドギャップホール輸送層２６上に配置された第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８上に配置された第１電子輸送層３０としてＢＣＰ、第１電子輸送層３０上に配置された第１電子注入層３２としてＬｉＦ、第１電子注入層３２上に配置された第１陰極電極３４としてＡｌを使用する。
【００３８】
各層において、上側はＬＵＭＯの準位、下側はＨＯＭＯの準位を表す。
【００３９】
第１の実施の形態に係るＭＰＥ構造を有する有機ＥＬ素子は、電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６のＨＯＭＯの準位５．４ｅＶが等しい。電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６によって、高効率発光可能なワイドギャップホール輸送層２６を用いた場合においても、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が緩和され、順方向電圧を低く設定することができる。
【００４０】
基板１０は、例えば、ガラスで形成される。他にはサファイア、ＧａＰなど発光波長に対して透明な材料であればよい。
【００４１】
ここで、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、「透明」とは、透過率が約５０％以上であるものと定義する。「透明」とは、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度、エネルギー約３．４ｅＶ〜１．５ｅＶ程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。
【００４２】
透明性はバンドギャップＥgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップＥgが約３．４ｅＶ以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をｎ、電荷をｑ、誘電率をε、有効質量をｍ*とすると、ωp＝（ｎｑ2／εｍ*）1/2で表され、キャリア密度の関数である。
【００４３】
陽極電極１２は透明電極で形成される。透明電極としては、例えば、光を透過可能であり、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム−亜鉛酸化物）、ＺｎＯ（亜鉛酸化物）、ＩＺＴＯ（インジウム−スズー亜鉛酸化物）などの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。望ましくは、厚さが、例えば、約１５０〜１６０ｎｍ程度のＩＴＯの透明電極からなる。
【００４４】
第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６は、それぞれ陽極電極１２および電荷発生層２４から注入された正孔を円滑に第２発光層１６および第１発光層２８に輸送するためのものである。第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６は、例えば、ｍ−ＭＴＤＡＴＡで形成することができる。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは、トリフェニルアミンを基本として星形（スターバースト）に分子を大きくしたもので、スターバーストポリアミンと呼ばれる化合物である。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは、ＩＴＯとの組み合わせで良好なホール注入特性を示す。第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６の厚さは、例えば、それぞれ約７０ｎｍ程度、および約２０ｎｍ程度である。第２ホール輸送層１４、ワイドギャップホール輸送層２６に適用されるｍ−ＭＴＤＡＴＡの化学式は、図３に示すように表される。
【００４５】
第２ホール輸送層１４およびワイドギャップホール輸送層２６を形成する正孔輸送材料の分子構造例としては、他に、ＧＰＤ、spiro-ＴＡＤ、spiro-ＮＰＤ、oxidized-ＴＰＤなどを適用することができる。さらに別の正孔輸送材料としては、ＴＤＡＰＢなどがある。他に、厚さが、例えば、約６０ｎｍ程度のＮＰＢ（Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタリル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−ベンジデン）を適用可能である。他の正孔輸送材料としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。ここで、α−ＮＰＤは、４,４−ビスＮ−（１−ナフチル−１−）[Ｎ−フェニル−アミノ]−ビフェニル（4,4-bis[N-(1-naphtyl-1-)N-phenyl-amino]-biphenyl）と呼ばれる。
【００４６】
第２発光層１６として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰ、第１発光層２８として約９％程度のＩｒ（ｐｐｙ）3を添加したＣＢＰを適用する。ここで、ＣＢＰは、４，４´−ディカルバゾリル―１，１´ビフェニル（4,4´-dicarbazolyl-1,1´-biphenyl）と呼ばれる材料であり、三重項励起子の閉じ込め効果、耐久性、およびバイポーラキャリア輸送性を備えるホスト材料である。ＣＢＰの化学式は、図４に示すように表される。
【００４７】
Ｉｒ（ｐｐｙ）3は、燐光発光のドーパント材料であり、室温において非常に強い燐光を示す。第１発光層２８、第２発光層１６の厚さは、共に、例えば、約３０ｎｍ程度である。Ｉｒ（ｐｐｙ）3 の化学式は、図５に示すように表される。
【００４８】
第１発光層２８および第２発光層１６には、他に、燐光ホスト材料として、以下のものを適用することができる。例えば、低分子ホスト材料としては、Ａｌｑ3，ＢＣＰ，Ｂｐｈｅｎ，ＴＡＺ，ＴＰＢＩ，ＯＸＤ−７，ＴＣＴＡ，ｍＣＰ，ＣＤＢＰ，ＵＧＨ１，ＵＧＨ２などを適用することができる。例えば、高分子ホスト材料としては、ＰＶＫ，ＰＦＯを適用することができる。
【００４９】
燐高有機ＥＬ発光材料としては、上記のＩｒ（ｐｐｙ）3（５１４ｎｍ）の他に、青色用として、例えばＩｒｔｆｍｐｐｚ３（４２８ｎｍ），Ｉｒ４６ｄｆｐｐｙ３（４６８ｎｍ），Ｉｒ４６ｄｆｐｐｙ２ｐｉｃ（４７１ｎｍ）などを適用することができる。また、緑色〜橙色用としては、例えば、Ｉｒｐｐｙ２ａｃａｃ（５１６ｎｍ），Ｉｒｔｐｙ３（５５０ｎｍ），Ｉｒｂｔ２ａｃａｃ（５５７ｎｍ），Ｔｂ（ＡＣＡＣ）３Ｐｈｅｎ（５４３ｎｍ），Ｉｒｂｔｐｙ３（５９６ｎｍ），Ｉｒｐｑ２ａｃａｃ（５９７ｎｍ），Ｄｙ（ＢＴＦＡ）３Ｐｈｅｎ（５７６ｎｍ）などを適用することができる。また、赤色用としては、例えば、Ｉｒｐｉｑ３（６２１ｎｍ），Ｉｒｂｔｐｙ２ａｃａｃ（６１２ｎｍ），Ｅｕ（ＴＴＦＡ）３Ｐｈｅｎ（６１３ｎｍ），Ｉｒｔｈｉｑ３（６４４ｎｍ），Ｉｒｆｌｉｑ３（６５６ｎｍ），ＰｔＯＥＰ（６５０ｎｍ）などを適用することができる。
【００５０】
第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８は、例えば、ＢＣＰで形成することができる。第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８は、第１電子注入層３２および第２電子注入層２０から注入された電子を円滑に、それぞれ第１発光層２８および第２発光層１６に輸送するためのものであり、いずれも厚さが、例えば、約２０ｎｍ程度のＢＣＰからなる。ここで、ＢＣＰは、１，１０−フェナンスロリン誘導体であり、バソクプロイン（Bathocuproine）と呼ばれる材料である。ＢＣＰの化学式は、図６に示すように表される。
【００５１】
第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８としては、他に、Ａｌｑ３（アルミニウムキノリノール錯体）を適用可能である。ここで、Ａｌｑ３は、アルミニウム８−ヒドロキシキノリネート（Aluminum 8-hydroxyquinolinate）或いは、トリ８−キノリノラトアルミニウムと呼ばれる材料である。第１電子輸送層３０および第２電子輸送層１８を形成する他の電子輸送材料としては、t-butyl-ＰＢＤ、ＴＡＺ、シロール誘導体、ホウ素置換型トリアリール系化合物、フェニルキノキサリン誘導体などがある。また、オキサジアゾール二量体、スターバーストオキサジアゾールなどが適用可能である。
【００５２】
第１電子注入層３２および第２電子注入層２０は、例えば、厚さ、約０．５ｎｍ程度のＬｉＦで形成することができる。
【００５３】
第２陰極電極２２は、例えば、厚さ、約１ｎｍ程度のＡｌで形成することができる。第１陰極電極３４は、例えば、厚さ、約１００ｎｍ程度のＡｌで形成することができる。第２電子注入層２０のＬｉＦの厚さが約０．５ｎｍ程度であり、第２陰極電極２２のＡｌのｐ厚さが約１ｎｍ程度ときわめて薄いことから、図１に示すように、第２発光層１６からの光（ｈν２）および第１発光層２８からの光（ｈν１）は、いずれも陽極電極１２側から基板１０を通して、取り出しことができる。
【００５４】
電荷発生層２４として、例えば厚さ約２０ｎｍ程度のヘキサアザトリフェニレンＨＡＴ（ＣＮ）6を適用する。ヘキサアザトリフェニレンＨＡＴ（ＣＮ）6は６つのシアノ基を有する非常に大きなπ共役系分子であり、電子アクセプター性に優れた有機配位子である。電荷発生層２４に適用するＨＡＴ（ＣＮ）6の化学式は、図７に示すように表される。電荷発生層２４として、他には、例えば、モリブデンオキサイド（ＭｏＯX），バナジウムオキサイド（ＶXＯY）などを適用することができる。
【００５５】
電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層３６として、例えば、ＮＰＢを適用することができる。ＮＰＢは、Ｎ，Ｎ-ジ（ナフタレン-１-イル）-Ｎ，Ｎ−ジフェニル−ベンジデン（N,N-di(naphthalene-1-yl)-N,N-diphenyl-benzidene）と呼ばれる材料である。ＮＰＢの化学式は、図８に示すように表される。電荷発生層２４のＬＵＭＯの準位５．４ｅＶと、電荷発生層２４上に配置された第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６のＨＯＭＯの準位５．４ｅＶが等しくなるため、第１ホール輸送層（ＮＰＢ）３６によって、ワイドギャップホール輸送層２６のＨＯＭＯの準位５．１ｅＶとのエネルギー差が緩和され、順方向電圧を低くすることができる。
【００５６】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の動作原理は以下の通りである。
【００５７】
まず、陽極電極１２および第１陰極電極３４を介して、第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子のアノードＡ（＋）・カソードＫ（−）間に一定の電圧が印加される。これにより、第１ホール輸送層３６およびワイドギャップホール輸送層２６から第１発光層２８に正孔が注入され、第１電子輸送層３０から第１発光層２８に電子が注入される。同様に、第２ホール輸送層１４から第２発光層１６に正孔が注入され、第２電子輸送層１８から第２発光層１６に電子が注入される。そして、第１発光層２８に注入された正孔と電子とが再結合することによって、第１の光（ｈν１）を発光する。第２発光層１６に注入された正孔と電子とが再結合することによって、第２の光（ｈν２）を発光する。発光された第１の光（ｈν１）および第２の光（ｈν２）は、陽極電極１２を透過し、基板１０を介して外部に出力される。
【００５８】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
【００５９】
第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子において、発光層とホール輸送層の間、若しくは発光層と陽極電極との間に、ｐ型有機半導体層を介在させてもよい。同様に、発光層と電子輸送層の間、若しくは陰極電極と電子輸送層の間に、ｎ型有機半導体層を介在させてもよい。
【００６０】
本発明によれば、ＭＰＥ構造において、順方向電流密度（ｍＡ／ｃｍ2 ）と順方向電圧Ｖ（Ｖ）の関係において、しきい値電圧を低減することができる。
【００６１】
また、本発明によれば、ＭＰＥ構造において、発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）と順方向電圧Ｖ（Ｖ）の関係において、しきい値電圧を低減することができる。
【００６２】
また、本発明によれば、ＭＰＥ構造において、電力効率（ｌｍ／Ｗ）と発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）との関係および電流効率（ｃｄ／Ａ）と発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）との関係において、いずれも低輝度側において効率が改善され、また広い発光輝度（ｃｄ／ｍ2 ）の範囲にわたり、所定の効率を維持することもできる。
【００６３】
本発明によれば、ＬＵＭＯ−ＨＯＭＯエネルギー差が小さくなることで、低電圧かつ高発光効率可能な有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００６４】
本発明によれば、燐光発光を用いたマルチフォトエミッション構造において電荷発生層のＬＵＭＯとそれに接する第１ホール輸送層のＨＯＭＯのエネルギー差を０．３ｅＶ未満とし、燐光発光層と接する側には燐光エネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有するワイドギャップホール輸送層を設けた低電圧且つ高発光効率可能の２層型ホール輸送層構造を有するＭＰＥ有機ＥＬ素子を提供することができる。
【００６５】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００６６】
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成に適用される有機半導体材料は、例えば、真空蒸着法、カラムクロマトグラフィー,再結晶法などの化学的精製法、昇華精製法、高分子材料の場合には、スピンコート,ディップコート,ブレードコート,インクジェット法などの湿式成膜法などを用いて形成することができる。
【００６７】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の有機ＥＬ素子は、照明分野及び各種光源に適用可能であり、さらにディスプレイ分野、ヘッドマウントディスプレイ、有機集積回路分野、有機発光デバイス、フラットパネルディスプレイ、フレキシブルディスプレイエレクトロニクス分野、および透明エレクトロニクス分野において適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第２ホール輸送層１４、ワイドギャップホール輸送層２６に適用するｍ−ＭＴＤＡＴＡの化学式。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１発光層２８，第２発光層１６に適用するＣＢＰの化学式。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１発光層２８，第２発光層１６に適用するＩｒ（ｐｐｙ）3 の化学式。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１電子輸送層３０，第２電子輸送層１８に適用するＢＣＰの化学式。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の電荷発生層２４に適用するＨＡＴ（ＣＮ）6の化学式。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の第１ホール輸送層３６に適用するＮＰＢの化学式。
【図９】本発明の比較例に係る有機ＥＬ素子の模式的断面構造図。
【図１０】本発明の比較例に係る有機ＥＬ素子のエネルギーバンド構造図。
【符号の説明】
【００７０】
１０…基板
１２…陽極電極
１４…第２ホール輸送層
１６…第２発光層（燐光発光層）
１８…第２電子輸送層
２０…第２電子注入層
２２…第２陰極電極
２４…電荷発生層
２６…ワイドギャップホール輸送層
２８…第１発光層（燐光発光層）
３０…第１電子輸送層
３２…第１電子注入層
３４…第１陰極電極
３６…第１ホール輸送層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷発生層と、
前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、
前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、
前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と
を備える有機ＥＬ素子。
【請求項２】
前記第１ホール輸送層は、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有し、前記第１ホール輸送層により、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とす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】
前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記第１ホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロと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】
前記ワイドギャップホール輸送層は、前記第１発光層よりも大きなエネルギーギャップを有す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５】
電荷発生層と、
前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、
前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、
前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と、
前記第１発光層上に配置された第１電子輸送層と、
前記第１電子輸送層上に配置された第１電子注入層と、
前記第１電子注入層上に配置された第１陰極電極と、
基板と、
基板上に配置された陽極電極と、
前記陽極電極上に配置された第２ホール輸送層と、
前記第２ホール輸送層上に配置された第２発光層と、
前記第２発光層上に配置された第２電子輸送層と、
前記第２電子輸送層上に配置された第２電子注入層と、
前記第２電子注入層上に配置された第２陰極電極と
を備え、前記電荷発生層は前記第２陰極電極上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有することを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項６】
前記第１ホール輸送層は、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有し、前記第１ホール輸送層により、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項７】
前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記第１ホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとしたことを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項８】
前記ワイドギャップホール輸送層は、前記第１発光層よりも大きなエネルギーギャップを有することを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項９】
前記第２ホール輸送層は、前記第２発光層よりも大きなエネルギーギャップを有することを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項１０】
前記第１発光層および前記第２発光層は、燐光発光層からなることを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項１】
電荷発生層と、
前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、
前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、
前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と
を備える有機ＥＬ素子。
【請求項２】
前記第１ホール輸送層は、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有し、前記第１ホール輸送層により、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とす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】
前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記第１ホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロと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】
前記ワイドギャップホール輸送層は、前記第１発光層よりも大きなエネルギーギャップを有す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５】
電荷発生層と、
前記電荷発生層上に配置された第１ホール輸送層と、
前記第１ホール輸送層上に配置されたワイドギャップホール輸送層と、
前記ワイドギャップホール輸送層上に配置された第１発光層と、
前記第１発光層上に配置された第１電子輸送層と、
前記第１電子輸送層上に配置された第１電子注入層と、
前記第１電子注入層上に配置された第１陰極電極と、
基板と、
基板上に配置された陽極電極と、
前記陽極電極上に配置された第２ホール輸送層と、
前記第２ホール輸送層上に配置された第２発光層と、
前記第２発光層上に配置された第２電子輸送層と、
前記第２電子輸送層上に配置された第２電子注入層と、
前記第２電子注入層上に配置された第２陰極電極と
を備え、前記電荷発生層は前記第２陰極電極上に配置されたマルチフォトンエミッション構造を有することを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項６】
前記第１ホール輸送層は、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．３ｅＶ未満となるＨＯＭＯ準位を有し、前記第１ホール輸送層により、前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記ワイドギャップホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差を０．３ｅＶ未満とすることを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項７】
前記電荷発生層のＬＵＭＯ準位と前記第１ホール輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギー差をゼロとしたことを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項８】
前記ワイドギャップホール輸送層は、前記第１発光層よりも大きなエネルギーギャップを有することを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項９】
前記第２ホール輸送層は、前記第２発光層よりも大きなエネルギーギャップを有することを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項１０】
前記第１発光層および前記第２発光層は、燐光発光層からなることを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２８３７８７（Ｐ２００９−２８３７８７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３５９５７（Ｐ２００８−１３５９５７）
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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