発光素子および発光装置
【課題】 発光層からの発光に及ぼす影響を軽減し、光取り出し効率を向上する。
【解決手段】 第１電極１０３Ｂと第２電極１０４の間に電圧を印加することによって発光層が発光する発光領域３０２の外部に位置する非発光領域３０３であって、且つ、少なくとも発光層を有する有機層１０１よりも基板１００側に、周期構造３００が形成されている。
【解決手段】 第１電極１０３Ｂと第２電極１０４の間に電圧を印加することによって発光層が発光する発光領域３０２の外部に位置する非発光領域３０３であって、且つ、少なくとも発光層を有する有機層１０１よりも基板１００側に、周期構造３００が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子および発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴としており、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極から電子を、陽極からホール（正孔）を有機層に注入し、有機層中の発光層で励起子を生成させ、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料からなる。
【０００３】
このような有機ＥＬ素子の開発課題の一つとして、発光効率の向上がある。有機ＥＬ素子の構成は、通常、陽極、発光層を含む有機層および陰極が１次元的に積層された構成である。このとき、空気の屈折率よりも発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）の方が大きい。このため、発光層の内部から放出された光の大部分は、高屈折率から低屈折率へ変化する積層膜の界面で全反射されて、基板に水平な方向に伝播する導波光となり、素子内部に閉じ込められることになる。発光層の内部で発生した光のうち外部に取り出して利用できる光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。
【０００４】
よって、有機ＥＬ素子の発光効率を改善するためには、この光取り出し効率を向上することが重要である。特許文献１では、全反射を防ぎ素子内部への光閉じ込めを抑制することを目的として、発光層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（サブ波長周期構造や回折格子など）を配置することが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した有機ＥＬ素子において、発光層の上部に周期構造を配置する場合、発光層を形成後に、周期構造を加工する必要があるため、周期構造の作製プロセスによって発光層が損傷してしまう恐れがある。
【０００６】
また、発光層の下部に周期構造を配置する場合、発光層や電極の平坦性に問題があり、形成時の膜の不均一性や密着性の低下などが起こり、電流リークによる素子耐久の低下や非点灯を生じる可能性が高くなる恐れがある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、発光層からの発光に及ぼす影響を軽減し、光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段として、本発明に係る発光素子は、基板上に、第１電極と、少なくとも発光層を有する有機層と、第２電極と、が積層された発光素子であって、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって前記発光層が発光する発光領域と、前記発光領域の外側に位置する非発光領域と、を有し、前記非発光領域で、且つ、前記有機層よりも前記基板側に周期構造が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発光層からの発光に及ぼす影響を軽減し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の原理を構成例に基づいて説明する。なお、以下では発光素子の一例として、有機ＥＬ素子を示して説明するが、無機ＥＬ素子やＱＤ−ＬＥＤ素子などでもよい。
【００１１】
本発明では、有機ＥＬ素子の電圧印加により発光する発光領域では反射層と電極の界面及び電極と有機層の界面の平坦性を維持し、光取り出し効率を向上させるために、発光領域の外部（非発光領域）に周期構造が構成される。発光領域とは、電極間に電圧を印加することによって、陽極からホールが、陰極から電子が注入され、発光層で励起子が生成され、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出されて、発光層が発光する領域のことである。一方、非発光領域とは、発光を生じない領域、もしくは、発光領域と比較して発光が弱い領域である。発光領域と比較して発光が弱い領域とは、発光領域で発生した光の発光強度の２０％程度以下の発光強度で発光する領域を指す。周期構造は、発光領域内の発光層で発生した光のうち、発光素子の面内方向に導波する光を発光素子の外に取り出すための構造である。また、発光領域３０２にある反射層と電極の界面及び電極と有機層の界面の平坦性は、その中心線平均粗さＲａが７ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
発光領域の外部に位置する非発光領域に周期構造が構成された有機ＥＬ素子を模式的に表した断面概略図が図１に、俯瞰概略図が図２に示されている。図１において、１００は基板、１０１は少なくとも発光層１０５を有する有機層、１０２は反射層、１０２Ｂは絶縁層、１０３Ｂは透明電極（第１電極）、１０４は金属半透明電極（第２電極）、１１０は隔壁である。また、２０１は発光点、２０２は伝播光、２０３は導波光、２０４は回折光である。図１、図２において、３００は周期構造、３０２は発光領域、３０３は非発光領域である。また、図１では発光点２０１に対して、金属半透明電極１０４側が光取り出し側である。
【００１３】
図１に示した有機ＥＬ素子（発光素子）は、基板１００上に金属からなる反射層１０２が形成されている。反射層１０２の基板１００と反対側の面には、反射層１０２の平坦面を囲むようにして形成されるフォトニック結晶（周期構造３００）が設けられる。この反射層１０２は、絶縁層１０２Ｂで覆われ、さらに、絶縁層１０２Ｂ上の一部には陽極として透明電極１０３Ｂが形成されている。なお、本実施の形態では透明電極１０３Ｂが、基板１００側に設けられた第１電極である。
【００１４】
さらに、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂの周囲を覆うように絶縁材料からなる隔壁１１０が形成されている。隔壁１１０の開口部から露出する絶縁層１０２Ｂの露出部と透明電極１０３Ｂの上に、少なくとも発光層１０５を有する有機層１０１が積層され、陰極である金属半透明電極１０４が形成されている。本実施の形態では金属半透明電極１０４を光透過性の第２電極とする。光透過性の電極としては、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明電極や、金属薄膜からなる金属半透明電極もしくはこれらの組み合わせでもよい。また、反射層１０２の材料としては、ＡｌやＡｇなどの反射率の高い材料が好ましい。さらに、絶縁層としては、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）、アクリル樹脂などが好ましい。 図１で示すように、反射層１０２の平坦面が形成されている領域に第１電極である透明電極１０３Ｂが設けられる。つまり、この領域が透明電極（第１電極）１０３Ｂと金属半透明電極（第２電極）１０４の間に電圧を印加して発光層１０５が発光する発光領域３０２となる。一方、図１に示すように、発光領域３０２の外部に位置する領域では、透明電極１０３Ｂは周期構造３００を覆わない構成を採っており、この領域が非発光領域３０３となる。また、図１に示すように、発光領域３０２の外部に位置する非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に周期構造３００が形成されている。つまり、発光領域３０２には周期構造３００は形成されず、非発光領域３０３にのみ周期構造３００が形成される。ただし、配線とのコンタクトやプロセス精度などのために、多少、非発光領域３０３と周期構造３００が形成される領域がずれてもよい。また、図２で示すように、周期構造３００が配置された非発光領域３０３が、発光領域３０２を囲むように４辺全てに形成されている必要はなく、発光領域３０２の周囲の１辺でもよいし、部分的に形成されていてもよい。
【００１５】
図１の周期構造３００は、凸部が面内に周期的に形成された構造を指しているが、凹部、あるいは、凹部と凸部の両方が面内に周期的に形成された構造であってもよい。また、周期構造３００の凹部、凸部は、図１に示すように直角の頂点を有するテーパ構造である必要はなく、順テーパ構造、逆テーパ構造等様々な構造にすることができる。また、周期構造３００は、反射層１０２と同じ材料で反射層１０２と一体で形成してもよいし、反射層１０２と異なる材料で形成してもよく、金属や誘電体もしくはこれらの組み合わせでもよい。
周期構造３００の材料としては、金属であれば、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｒ、誘電体ならば、酸化珪素等を用いることができる。さらに、周期構造３００の表面は、絶縁層、光透過性電極や他の層などにより、平坦化されてもよいし、されなくてもよい。さらに、周期構造３００は、２次元周期構造を積層し３次元周期構造としてもよい。
【００１６】
有機層１０１は、図３に示すように、通常、ホール輸送層１０６、発光層１０５（Ｒ発光層１１５、Ｇ発光層１２５、Ｂ発光層１３５）、電子輸送層１０７が積層された構成である。ここでＲ発光層、Ｇ発光層、Ｂ発光層とは、それぞれ、赤色（Ｒ）を発光する発光層、緑色（Ｇ）を発光する発光層、青色（Ｂ）を発光する発光層を意味している。発光層１０５は、それぞれの発光色に応じた蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む。また、必要に応じて、電荷輸送層と電極の間に電荷注入層を設けてもよい。具体的には、陽極とホール輸送層１０６との間にホール注入層１０８を、陰極と電子輸送層１０７との間に電子注入層１０９を設ける構成でもよい。
【００１７】
これらの有機ＥＬ素子に電圧を印加することで、陽極から注入された正孔と陰極から注入された電子が、有機層１０１中の発光層１０５で再結合し、励起子を形成することで発光する。
【００１８】
図１に示した構成例では、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面が、発光層１０５より第１電極側に設けられた第１反射面となり、また、有機層１０１と金属半透明電極１０４との界面が発光層１０５より第２電極側に設けられた第２反射面となる。この二つの反射面間で、発光層１０５で発光する光が共振して強め合うように、反射面間の光路長が調整され、基板の法線方向（垂直方向）に１次元的な共振器構造が構成されている。共振器構造は、同時に、基板面内方向（水平方向）では、プレーナー型の光導波路３０１として機能する。そのため、図４に示すような周期構造３００がない一般の有機ＥＬ素子の場合は、発光点２０１から発せられた光の大部分（約８０％）が、光導波路３０１を基板面内方向に伝わる導波光２０３として有機ＥＬ素子の内部に閉じ込められる。また、光取り出し側に第２反射面が形成されず、共振器構造が構成されない場合でも、有機層１０１の屈折率が空気の屈折率より大きいため、全反射界面が存在する。そのため、第１反射面と全反射界面との間で基板面内方向に導波光２０３が生じ、同様に、発光点２０１からの光の大部分が有機ＥＬ素子の内部に閉じ込められる。
【００１９】
これに対し、図１に示した本発明の有機ＥＬ素子では、非発光領域３０３において、周期構造３００が有機層１０１と基板１００との間に設けられる構成を採っている。この場合には、発光領域３０２で発生した導波光２０３が、非発光領域３０３まで導波し、導波光２０３の一部が周期構造３００によって回折光２０４に変換されて、非発光領域３０３の上面（金属半透明電極１０４側）から有機ＥＬ素子の外に取り出される。よって、光取り出し効率が向上する。
【００２０】
さらに、本発明では、図１に示すように、発光領域３０２において有機層１０１の上部や下部に、周期構造３００を加工する必要がない。そのため、有機層１０１を形成した後の周期構造３００の作製プロセスによる有機層１０１への損傷を回避することができる。また、周期構造３００上への有機層１０１の形成による平坦性や密着性の低下による発光領域３０２からの発光に及ぼす影響が抑えられるので、電流リークや駆動電圧の高電圧化、素子耐久低下、非点灯などを回避することができる。
【００２１】
＜反射防止構造＞
一般に、表示装置では、視認性を良くするために高コントラストが要求される。特に、小型ディスプレイなどのような屋外での利用が多い表示装置では、コントラストを保つために外光反射防止機能が大変重要である。有機ＥＬ素子や有機ＥＬ表示装置に対する有効な反射防止方法としては、円偏光板の設置や共振器干渉打ち消し効果とカラーフィルターを組み合わせた方法がある。しかしながら、いずれも平面構造を有する有機ＥＬ素子に対し有効な方法であるため、発光効率を向上させるために周期構造や回折格子を配置すると、反射防止性能が低下してしまう。そのため、反射防止機能を維持する構造を有することが望ましい。
【００２２】
以下、図５、図６、図７により、本発明の発光素子に対して、外光反射防止機能を保有させる構造例について説明を行う。
【００２３】
図５に示すように、本発明において、発光素子の光取り出し側の、周期構造３００を覆うように遮光部材４００が配置され、さらに、その上部に円偏光板４０１が配置される。複数の発光素子を表示装置が有している場合は、発光素子の外部に形成された周期構造３００は、隣り合う発光素子の間に形成されることになる。そして、遮光部材４００も隣り合う発光素子の間に形成される。
【００２４】
発光点２０１からの伝播光２０２は、光取り出し側の発光領域３０２上にある遮光部材４００の開口部から発光素子の外部に放射される。また、外部に取り出したい波長において、回折光２０４が遮光部材４００の開口部から外部に放射されるよう、回折光２０４の回折角度が導波光２０３の導波方向に対して９０°より大きくする必要がある。この要望を満たすように、周期構造３００の周期は構成されることが望ましい。さらに、周期構造３００を介して外部に取り出される光が、導波光２０３の導波方向に対して９０°より大きい回折角度方向で、最大強度もしくは最大輝度となることが望ましい。その回折角度は、図５に示すように、基板法線方向を基準とすると負の角度となる。以下、導波光２０３の導波方向に対して、９０°より大きな方向への回折を、「負回折」と呼ぶ。負回折と周期構造３００の周期の関係は後述する。
【００２５】
図６に、本発明の発光素子に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２０５のうち、発光領域３０２への入射光は、円偏光板４０１により反射光が防止される。また、周期構造３００の上方の入射光は、遮光部材４００によって反射が防止される。
【００２６】
次に、図７に、本発明の発光素子に、外光が斜め方向から入射する場合の概略図を示す。斜め入射光２０８は、円偏光板４０１を透過し円偏光となり、その後、周期構造３００に反射して斜め反射光２０９となる。斜め反射光２０９は、周期構造３００によって円偏光から楕円偏光となるが、遮光部材４００によって吸収されるため、反射が抑制される。
【００２７】
以上から、周期構造３００を配置して光取り出し効率を向上させると同時に、外光入射に対する反射光を低減することが可能である。
【００２８】
同様に、図８、図９、図１０に、本発明の発光素子に対して、外光反射防止機能を保有させる他の構成例を示す。
【００２９】
図８において、発光素子は、赤色を発光する発光素子（以下Ｒ素子とする）であり、赤色を強める共振器構造を有している。Ｒ素子の光取り出し側の、周期構造３００の上方に遮光部材４００を配置し、さらに、遮光部材４００の開口部に赤色光を透過するカラーフィルター（Ｒカラーフィルター）４１０を配置する。光の取り出しに関しては、図５の場合と同様である。
【００３０】
図９に、本発明のＲ素子に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２０５のうち、発光領域３０２への入射光は、Ｒカラーフィルター４１０により、赤色の透過光（Ｒ透過光）２１０となる。共振器構造では、共振器構造中の干渉強め合い条件と反射光への干渉打ち消し条件が、概ね一致する。そのため、赤色を強める共振器構造を有したＲ素子では、赤色の透過光２１０に対して、第１反射面、第２反射面からの反射光２１１Ａ、２１１Ｂなどが干渉して打ち消し合う。また、周期構造３００の上方部への入射光は、遮光部材４００によって反射が防止される。
【００３１】
図９に示す外光が斜め方向から入射する場合は、図７の場合と同様である。Ｒ（赤）について説明を行ったが、Ｇ（緑）やＢ（青）の場合も同様である。
【００３２】
＜負回折条件＞
以下、回折光が負回折となるための周期構造３００の考察を行う。
【００３３】
図２に示すように、周期構造３００の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ１、ａ２とする。また、これらの基本格子ベクトルａ１、ａ２に対し、数１の関係を満たす基本逆格子ベクトルをｂ１、ｂ２とする。図２の例では、上下左右で同じ視野角特性となるように、周期構造３００が４回対称性を有する構造となっている。ｎ回対称性とは、ある中心または軸の周りを２π／ｎラジアン回転させると自らと重なる性質を指す。つまり、４回対称性を有する構造とは、ある構造を中心または軸の周りで、２π／４（＝９０°）ラジアン回転させると自らの構造と一致する構造である。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図５において、有機層１０１中の発光層１０５からの外部に取り出したい光のスペクトルのピーク波長をλとすると、波数ｋはｋ＝２π／λとなる。また、発光層１０５の屈折率ｎと、光取り出し側媒体（通常は空気）の屈折率ｎｅｘｔは、条件ｎ＞ｎｅｘｔを満たすとする。
【００３６】
また、光導波路３０１を伝播する導波光２０３に対する基板１００の水平方向への伝播係数をβとし、導波光２０３に対する有効屈折率ｎｅｆｆ及び有効吸収係数κｅｆｆが、数２によって定義される。有効屈折率ｎｅｆｆは、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎを満たす。
【００３７】
【数２】
【００３８】
このとき、回折条件は水平方向の位相整合条件から、２つの整数ｍ１、ｍ２を回折次数とし、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎのもとで、数３が得られる。
【００３９】
【数３】
【００４０】
図５において、回折光２０４が負回折となる条件は、数３の回折条件より、概ね数４で与えられる。但し、周期構造３００を介して外部に取り出したい光のスペクトルのピーク波長をλ、２つの整数ｍ１、ｍ２を回折次数、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎを用いた。
【００４１】
【数４】
【００４２】
正方格子の場合は、周期をａとして、基本格子ベクトルａ１、ａ２は数５となり、基本逆格子ベクトルｂ１、ｂ２は数６となる。
【００４３】
【数５】
【００４４】
【数６】
【００４５】
この時、数３の回折条件は、数７で与えられる。また、数４で表される負回折が生じるための条件は、数８となる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
【数８】
【００４８】
ここで、どちらか一方の１次元方向に着目し、ｍ２＝０（もしくは、ｍ１＝０）および、｜ｍ１｜＝ｍ＞０（もしくは、｜ｍ２｜＝ｍ＞０）とする。この時、数７の回折条件は、簡略化されて数９となる。また、負回折が生じるための条件である数８は、簡略化されて数１０となる。
【００４９】
【数９】
【００５０】
【数１０】
【００５１】
有機ＥＬ素子の発光パターンや効率、色度などの制御を可能とするには、１次の負回折光のみを発生させることが望ましい。１次の負回折光のみを発生させる場合の条件式は、概ね数１１で与えられる。有機ＥＬ素子では、通常、有機層１０１の屈折率はｎ＝１．５〜２．０程度、光取り出し側の屈折率はｎｅｘｔ＝１．０である。よって、主に１次の負回折光のみを利用する場合は、周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．３３倍から１．００倍が望ましい。可視光の波長域が３８０ｎｍから７８０ｎｍであることから、周期構造３００の周期ａは、１２５ｎｍ以上から７８０ｎｍ以下であることが望ましい。この周期ａは、取り出したい波長と、有機層１０１の屈折率等によって決定される。より詳しく言えば、赤色の光を取り出したい場合には、周期ａは、２１０ｎｍ以上から７４０ｎｍ以下の中から、取り出したい波長λとＲ発光層１１５を含む有機層１０１の屈折率ｎによって決定される。また、緑色、青色の光を取り出したい場合には、それぞれ、１６５ｎｍ以上から５６５ｎｍ以下、１５０ｎｍ以上から４８５ｎｍ以下から周期ａが決定される。
【００５２】
【数１１】
【００５３】
＜共振器＞
図１に示した構成例では、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面が第１反射面、金属半透明電極１０４と有機層１０１との界面が、第２反射面となり、共振器構造が構成されている。共振器構造の第１反射面と第２反射面との間の光路長は、外部に取り出したい発光波長を干渉によって強め合うように設定されている。共振器構造の多重干渉による強め合い条件は、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長をλ、共振器構造を構成する反射面間の距離をｄ、反射面間の平均屈折率をｎとして数１２で与えられる。ここで、第１反射面の位相シフト量と第２反射面の位相シフト量の和をφとし、ｍは整数である。また、距離ｄと平均屈折率ｎは、共振器構造を構成する第１反射面と第２反射面との間の各層ｉの厚さをｄｉ、各層の屈折率をｎｉとして、それぞれ、ｄ＝Σｄｉ、ｎ＝Σｎｉｄｉ／ｄで表される。
【００５４】
【数１２】
【００５５】
また、数１２の共振条件を考慮した上で、導波光２０３のモード数を少なくするには、第１反射面と第２反射面との間の光路長が、発光ピーク波長λの０．３７５倍から１．３７５倍程度であることが望ましい。有機ＥＬ素子では、第１反射面と第２反射面との間の屈折率はｎ＝１．５〜２．０程度であるから、第１反射面と第２反射面との間の膜厚は、７０ｎｍ以上から７１５ｎｍ以下であることが望ましい。具体的には、取り出したい光が赤色である場合には、膜厚は１１７ｎｍ以上から６７８ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、取り出したい光が緑色、青色である場合には、それぞれの膜厚は、９４ｎｍ以上から５１８ｎｍ以下、７５ｎｍ以上から４４５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５６】
＜変形例＞
図１において、反射層１０２を構成する金属は特定なものに限らないが、例えば、ＡｌやＡｌ合金等で反射層１０２が形成される場合には、図１１に示すように、反射層１０２の表面に自然酸化膜を形成させるようにしてもよい。この構成では、反射層１０２上に絶縁層１０２Ｂを設ける必要がないので製造プロセスが減少する。この場合も、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に、周期構造３００が設けられた構成を採っている。また、反射層１０２上に平坦面が形成されているので、透明電極１０３Ｂの平坦性が確保され、発光領域３０２からの発光効率は低減しない。
【００５７】
また、図１２に示した構成例では、周期構造３００が構成されている部分も含めて、反射層１０２の全面が、陽極である透明電極１０３Ｂにより覆われている。このため、反射層１０２と透明電極１０３Ｂが第一電極として機能する。その代わり、電子注入層１０９（電荷注入層）が第２電極である透明電極１０３の発光層１０５側の面で、反射層１０２の平坦面にあたる領域に形成されている。これにより、平坦面の領域では電子注入性が良いため発光領域３０２となり、その外部に設けられる周期構造３００上では電子注入性が良くなく駆動電圧が高くなるため、発光領域３０２よりも発光が弱く、非発光領域３０３とすることができる。また、反射層１０２の平坦面に当たる領域の透明電極１０３Ｂに、電子注入層の代わりにホール注入層を形成してもよい。さらに、この領域に反射層１０２上の透明電極１０３Ｂにはホール注入層を、第２電極である透明電極１０３の発光層側には電子注入層を共に形成してもよい。
【００５８】
また、発光領域３０２に電子注入層を設ける代わりに、周期構造３００上に形成される有機層１０１を高抵抗化することによって、この領域に電流が流れにくくなり、非発光領域３０３とすることができる。具体的には、この領域にある有機層１０１のうちの少なくとも一つの層を厚く形成することによっても高抵抗化することができる。また、発光層などに電荷注入性や電荷輸送性などを高めるために添加されるアシストドーパントを添加しないことによっても高抵抗化することができる。
【００５９】
図１３、図１４に示した構成例では、図１２と同様に、周期構造３００が構成されている部分も含めて、反射層１０２の全面が、第１電極極である透明電極１０３Ｂにより覆われている。さらに、発光領域３０２を囲むように形成された絶縁材料からなる隔壁１１０が周期構造３００を覆っている。反射層１０２の平坦面の領域は、隔壁１１０の開口部に位置し、その領域に有機層１０１が積層され、陰極である金属半透明電極１０４が形成されている。これにより、隔壁１１０の開口部が発光領域３０２となり、その周囲を囲む隔壁１１０の形成される領域が非発光領域３０３となり、周期構造３００は非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に設けられている。なお、この構成では、トップエミッション型であるので、隔壁は透明材料からなる必要があるが、後述するようなボトムエミッション型の場合には、隔壁は透明である必要はない。さらに、図１４の構成例では、周期構造３００を覆うように隔壁１１０の膜厚が薄く形成されており、この膜厚を調整することで、発光領域３０２の基板法線方向の光路長と非発光領域３０３の基板法線方向の光路長が同程度にすることができる。
【００６０】
図１において、導波光２０３が減衰により強度が半減する距離（半減距離）は１０μｍ程度である。よって、発光領域３０２で発光した光が、周期構造３００によって有機ＥＬ素子の外部に取り出され、発光効率が向上するためには、発光領域３０２内のいずれの位置からも、最も近い周期構造３００までの距離が１０μｍより小さいことが望ましい。このため、図１５に示すように、より発光効率を向上させるために、発光領域３０２の外部に位置する周期構造３００の割合を増やすよう、発光領域３０２を細分化してもよい。
【００６１】
図１６に示す構成例では、周期構造３００が反射層１０２から離れた位置に設けられている。この場合も、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に周期構造３００が形成されている。
【００６２】
これまでは、基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成で説明してきたが、基板側を陰極、光取り出し側を陽極とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を逆順に積層した構成においても本発明を実施することは可能である。したがって、本発明にかかる発光装置は基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成に限定されるものではない。
【００６３】
また、ホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、さらに必要に応じて形成されるホール注入層１０８、電子注入層１０９に用いられる有機化合物としては、低分子材料、高分子材料、若しくはその両方により構成され、特に限定されるものではない。
【００６４】
さらに、周期構造３００は、上述したように２次元的なフォトニック結晶構造に限定されず、１次元的な回折格子の組み合わせや３次元的なフォトニック結晶構造でもよい。また、図１では、反射層１０２に凸型のフォトニック結晶構造を示したが、図１７のように凹型のフォトニック結晶構造でもよい。
【００６５】
さらに、図１８のように、異なる基本格子ベクトルを持つ複数種類の周期構造３００をいずれも有する構成であってもよい。図１８の例は、基本格子ベクトルａ１、ａ２の周期構造３００と基本格子ベクトルａ’１、ａ’２の周期構造３００を組み合わせた場合である。周期構造３００は、完全に周期的である必要はなく、準結晶構造やフラクタル構造、連続的に周期が変化する構造、部分的に不規則な散乱構造を有する構造、若しくはこれらを組み合わせたものでもよい。
【００６６】
さらに、図１では、光取り出し側の電極、即ち光透過性の第２電極が金属半透明電極１０４である構成で説明してきたが、図６に示すように、光取り出し側の電極を透明電極１０３とする構成であってもよい。また、図１の半透明電極１０４の上や図１１の透明電極１０３の上には、図８に示すように誘電体層１１０Ｂが形成されていてもよい。あるいは、これらの複数層の組み合わせでもよい。
【００６７】
さらに、これまでの説明では、基板１００の反対側が光取り出し側となるトップエミッション型の構成について説明してきたが、基板１００側が光取り出し側となるボトムエミッション構成においても本発明は実施可能である。図１９に示した有機ＥＬ素子は、基板１００上に金属半透過層１０４Ｂが形成されている。電圧印加により光を発生する発光領域３０２では、金属半透過層１０４Ｂは平坦であり、絶縁層１０２Ｂで覆われ、さらに絶縁層１０２Ｂ上に陽極として透明電極１０３Ｂが形成されている。一方、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に位置する金属半透過層１０４Ｂに周期構造３００が形成されており、周期構造３００の表面は、絶縁層１０２Ｂにより覆われている。つまり、発光領域３０２には周期構造３００は形成されず、非発光領域３０３にのみ周期構造３００が形成される。ただし、配線とのコンタクトやプロセス精度などのために、多少、非発光領域３０３と周期構造３００が形成される領域がずれてもよい。絶縁層１０２Ｂ上に有機層１０１、金属より構成されて、陰極としても機能する反射層１０２を積層したボトムエミッション構成を示している。この場合、基板１００は透明な材料で形成される必要がある。なお、図１９の構成例では、透明電極１０３Ｂが基板１００側に設けられた第１電極、金属からなる反射層１０２が第２電極である。また、この有機ＥＬ素子は、金属半透過層１０４Ｂと絶縁層１０２Ｂの界面が第１反射面、反射層１０２と有機層１０１の界面が第２反射面となる共振器構造を有する。
【００６８】
さらに、図１において、金属からなる反射層１０２と誘電体である絶縁層１０２Ｂとの界面（第１反射面）を基板水平方向に伝播し、導波光の一種と考えられる表面プラズモンが生じる。よって、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面を光導波路として利用可能である。表面プラズモンの伝播係数βｓｐを、数２の伝播係数βとすると、通常の導波光２０３と同様に回折条件は数３で与えられる。表面プラズモンを生じる界面は、金属層と絶縁層の界面に限られず、金属層と有機層界面や金属層と透明電極界面でもよい。
【００６９】
本発明の発光装置は、表示装置や、照明、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末の表示部、携帯ゲーム機の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等に適用することができる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の発光素子を複数配置することにより構成される発光装置の一例として有機ＥＬ発光装置を挙げて説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７１】
＜実施例１＞
図２０に示す構成のフルカラー有機ＥＬ発光装置を以下に示す方法で作製する。つまり、本実施例１の発光装置は、複数の画素を有し、各画素が赤色発光の発光素子（Ｒ素子）、緑色発光の発光素子（Ｇ素子）、青色発光の発光素子（Ｂ素子）、つまり赤、緑、青の３色の副画素からなる有機ＥＬ発光装置である。このフルカラーの有機発光装置は表示装置として好ましく適用することができる例である。
【００７２】
まず、支持体としてのガラス基板上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化層を形成して基板１００とする。基板１００上に、反射層１０２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｇ合金からなる反射層１０２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射電極である。反射層１０２はＡｇ合金以外に、Ａｌ合金などを用いてもよい。図２０では、各発光素子で反射層１０２を独立に形成しているが、複数の発光素子で共通に形成してもよい。
【００７３】
この反射層１０２上に、まず、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図１５に示すような正方格子の周期構造パターンを露光し、現像、ポストベークを行い、レジストパターンを形成する。
【００７４】
次に、リフトオフ加工により、反射層１０２上に周期構造を形成する。まず、スパッタリングによりＡｇ合金を４０ｎｍの膜厚で形成する。ポジ型レジストの露光部分では反射層１０２上にＡｇ合金が、ポジ型レジストの露光部分以外ではレジスト上にＡｇ合金が形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｇ合金ごと取り除いて、上に凸型の周期構造３００を形成する。
【００７５】
本実施例では、Ｒ素子に形成される周期構造（Ｒ周期構造３１０）は、周期３４５ｎｍ、一辺の長さ２００ｎｍ、高さ４０ｎｍとなる。また、Ｇ素子の周期構造（Ｇ周期構造３２０）は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ１４０ｎｍ、高さ４０ｎｍとなり、Ｂ素子の周期構造（Ｂ周期構造３３０）は周期２００ｎｍ、一辺の長さ１４５ｎｍ、高さ４０ｎｍとなるよう形成される。これは、取り出したいピーク波長が上述した負回折条件に合うように、各色の発光素子に形成される周期構造の周期等を決定したからである。このように赤色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も長く、青色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も短くなる。
【００７６】
次に、スパッタリングにより酸化珪素（ＳｉＯｘ）を１０ｎｍの膜厚で絶縁層１０２Ｂとして形成する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材のＩＺＯを７０ｎｍの膜厚で形成して、発光領域３０２に電極のパターニングをし、陽極として透明電極１０３Ｂを形成する。発光領域３０２の大きさは、図１５のＡ１が２０μｍ、Ｂ１が２０μｍである。非発光領域３０３の大きさは、図１５のＡ２が３２μｍ、Ｂ２が９５μｍである。
【００７７】
さらに、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）の隔壁１１０を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素に発光領域となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。
【００７８】
これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してからＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの有機層１１１、１２１、１３１を真空蒸着により形成する。
【００７９】
まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒホール輸送層として１５０ｎｍの膜厚、Ｇホール輸送層として９０ｎｍの膜厚、Ｂホール輸送層として４０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８０】
【化１】
【００８１】
次に、発光層として、シャドーマスクを用いて、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの発光層を形成する。Ｒ素子のＲ発光層１１５としては、ホストとして４，４’‐Ｂｉｓ（Ｎ‐ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ（以下、ＣＢＰと呼ぶ）と、燐光発光性化合物Ｂｉｓ［２‐（２’‐ｂｅｎｚｏｔｈｉｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ３］（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＲ発光層１１５を形成する。Ｇ素子のＧ発光層１２５としては、ホストとしてｔｒｉｓ‐（８‐ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍ（以下、Ａｌｑ３と呼ぶ）と、発光性化合物３‐（２’‐Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）‐７‐Ｎ，Ｎ‐ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎ（以下、クマリン６と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＧ発光層１２５を形成する。Ｂ素子のＢ発光層１３５としては、ホストとして下記に示す化合物［ＩＩ］と発光性化合物［ＩＩＩ］とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＢ発光層１３５を形成する。蒸着時の真空度は１×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８２】
【化２】
【００８３】
【化３】
【００８４】
さらに、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子輸送層１０７として、１，１０‐Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ（以下、ＢＰｈｅｎと呼ぶ）を真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で一括形成する。蒸着時の真空度は１×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ２ＣＯ３とを共蒸着（重量比９０：１０）し、３０ｎｍの膜厚で一括形成する。蒸着時の真空度は３×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８５】
電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１０４として、スパッタリングによりＡｇ合金を２０ｎｍの膜厚で形成する。
【００８６】
さらに、図８のように誘電体層１１０Ｂとして、スパッタリングにより酸化珪素を２９０ｎｍの膜厚で形成する。
【００８７】
さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。
【００８８】
＜実施例２＞
図２１に本実施例の有機ＥＬ発光装置の構成図を示す。ホール輸送層の形成までは、実施例１と同様である。次に、共通の３色積層型白色（Ｗ）発光層として、ＣＢＰとＢｉｓ［（４，６‐ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ２］（ｐｉｃｏｌｉｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、ＦＩｒｐｉｃと呼ぶ）（重量比９４：６）とを共蒸着により２５ｎｍの膜厚で形成する。そして、ＣＢＰとｆａｃ‐Ｔｒｉｓ（２‐（２‐ｐｙｒｉｄｉｎｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｉｒ（ｐｐｙ）３と呼ぶ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成する。さらに、ＣＢＰとＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成し積層構造とする。電子輸送層の形成から、Ａｇ合金の形成までは、実施例１と同様である。
【００８９】
その後、保護膜として、窒化酸化珪素を５０００ｎｍ成膜する。
【００９０】
最後に、別の基板上に、各副画素にＲカラーフィルター、Ｇカラーフィルター、Ｂカラーフィルターがパターニングされ、副画素間にブラックマトリックス（遮光部材）がパターニングされたカラーフィルター基板を、保護膜の上部に、エポキシ樹脂により配置する。
【００９１】
以上により、有機ＥＬ発光装置を得る。つまり、本実施例の有機ＥＬ発光装置は各副画素に共振器構造を有するＷ有機層１７１が形成されており、白色の有機ＥＬ素子を有する構成とされている。この際、共振器構造の光路長は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各副画素で、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂの発光波長を多重干渉で強め合うように構成されている。つまり、カラーフィルターと共振器による干渉、および発光領域３０２の外部へのフォトニック結晶の配置を組み合わせることにより、発光効率を向上させ、かつ、外光反射防止機能を維持する構成となっている。
【００９２】
＜比較例１＞
反射層１０２の形成までは、実施例１と同様である。次に、スパッタリングによりＳｉＯｘを１０ｎｍの膜厚で形成する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材のＩＺＯを７０ｎｍの膜厚で形成して、発光領域３０２（および、導通のためのコンタクト部分）に電極のパターニングをし、陽極を形成する。ホール輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。つまり、実施例１と異なる構成は、周期構造を有さない構成である。
【００９３】
表１に、実施例１と比較例１におけるＲ、Ｇ、Ｂの各発光素子の発光強度（外部に取り出される発光スペクトルのピーク波長での強度比）の数値計算による評価値を示す。比較例１の波高強度を１とした場合、実施例１の発光強度は、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての発光素子において約１．２倍となり、光取り出し効率が向上することがわかる。
【００９４】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図１）である。
【図２】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図１）である。
【図３】有機層の模式図（断面概略図）である。
【図４】周期構造を有さない有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図）である。
【図５】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図２）である。
【図６】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図３）である。
【図７】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図４）である。
【図８】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図５）である。
【図９】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図２）である。
【図１０】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（発光時）である。
【図１１】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（垂直入射時）である。
【図１２】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（斜め入射時）である。
【図１３】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（発光時）である。
【図１４】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（垂直入射時）である。
【図１５】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（斜め入射時）である。
【図１６】非発光領域で、反射層から離れた位置に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図６）である。
【図１７】凹型の周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図７）である。
【図１８】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図３）である。
【図１９】非発光領域に周期構造を有するボトムエミッション型有機ＥＬ発光装置の模式図（断面概略図７）である。
【図２０】非発光領域に周期構造を有するＲＧＢ発光層塗り分け構成の有機ＥＬ表示装置の断面概略図である。
【図２１】非発光領域に周期構造を有するＷ発光層共通構成の有機ＥＬ表示装置の断面概略図である。
【符号の説明】
【００９６】
１００ 基板
１０１ 有機層
１０２ 反射層
１０２Ｂ 絶縁層
１０３ 透明電極
１０３Ｂ 反射層上の透明電極
１０４ 金属半透明電極
１０５ 発光層
１１０ 隔壁
２０１ 発光点
２０２ 伝播光
２０３ 導波光
２０４ 回折光
３００ 周期構造
３０１ 光導波路
３０２ 発光領域
３０３ 非発光領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子および発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴としており、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極から電子を、陽極からホール（正孔）を有機層に注入し、有機層中の発光層で励起子を生成させ、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料からなる。
【０００３】
このような有機ＥＬ素子の開発課題の一つとして、発光効率の向上がある。有機ＥＬ素子の構成は、通常、陽極、発光層を含む有機層および陰極が１次元的に積層された構成である。このとき、空気の屈折率よりも発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）の方が大きい。このため、発光層の内部から放出された光の大部分は、高屈折率から低屈折率へ変化する積層膜の界面で全反射されて、基板に水平な方向に伝播する導波光となり、素子内部に閉じ込められることになる。発光層の内部で発生した光のうち外部に取り出して利用できる光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。
【０００４】
よって、有機ＥＬ素子の発光効率を改善するためには、この光取り出し効率を向上することが重要である。特許文献１では、全反射を防ぎ素子内部への光閉じ込めを抑制することを目的として、発光層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（サブ波長周期構造や回折格子など）を配置することが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した有機ＥＬ素子において、発光層の上部に周期構造を配置する場合、発光層を形成後に、周期構造を加工する必要があるため、周期構造の作製プロセスによって発光層が損傷してしまう恐れがある。
【０００６】
また、発光層の下部に周期構造を配置する場合、発光層や電極の平坦性に問題があり、形成時の膜の不均一性や密着性の低下などが起こり、電流リークによる素子耐久の低下や非点灯を生じる可能性が高くなる恐れがある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、発光層からの発光に及ぼす影響を軽減し、光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段として、本発明に係る発光素子は、基板上に、第１電極と、少なくとも発光層を有する有機層と、第２電極と、が積層された発光素子であって、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって前記発光層が発光する発光領域と、前記発光領域の外側に位置する非発光領域と、を有し、前記非発光領域で、且つ、前記有機層よりも前記基板側に周期構造が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発光層からの発光に及ぼす影響を軽減し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の原理を構成例に基づいて説明する。なお、以下では発光素子の一例として、有機ＥＬ素子を示して説明するが、無機ＥＬ素子やＱＤ−ＬＥＤ素子などでもよい。
【００１１】
本発明では、有機ＥＬ素子の電圧印加により発光する発光領域では反射層と電極の界面及び電極と有機層の界面の平坦性を維持し、光取り出し効率を向上させるために、発光領域の外部（非発光領域）に周期構造が構成される。発光領域とは、電極間に電圧を印加することによって、陽極からホールが、陰極から電子が注入され、発光層で励起子が生成され、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出されて、発光層が発光する領域のことである。一方、非発光領域とは、発光を生じない領域、もしくは、発光領域と比較して発光が弱い領域である。発光領域と比較して発光が弱い領域とは、発光領域で発生した光の発光強度の２０％程度以下の発光強度で発光する領域を指す。周期構造は、発光領域内の発光層で発生した光のうち、発光素子の面内方向に導波する光を発光素子の外に取り出すための構造である。また、発光領域３０２にある反射層と電極の界面及び電極と有機層の界面の平坦性は、その中心線平均粗さＲａが７ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
発光領域の外部に位置する非発光領域に周期構造が構成された有機ＥＬ素子を模式的に表した断面概略図が図１に、俯瞰概略図が図２に示されている。図１において、１００は基板、１０１は少なくとも発光層１０５を有する有機層、１０２は反射層、１０２Ｂは絶縁層、１０３Ｂは透明電極（第１電極）、１０４は金属半透明電極（第２電極）、１１０は隔壁である。また、２０１は発光点、２０２は伝播光、２０３は導波光、２０４は回折光である。図１、図２において、３００は周期構造、３０２は発光領域、３０３は非発光領域である。また、図１では発光点２０１に対して、金属半透明電極１０４側が光取り出し側である。
【００１３】
図１に示した有機ＥＬ素子（発光素子）は、基板１００上に金属からなる反射層１０２が形成されている。反射層１０２の基板１００と反対側の面には、反射層１０２の平坦面を囲むようにして形成されるフォトニック結晶（周期構造３００）が設けられる。この反射層１０２は、絶縁層１０２Ｂで覆われ、さらに、絶縁層１０２Ｂ上の一部には陽極として透明電極１０３Ｂが形成されている。なお、本実施の形態では透明電極１０３Ｂが、基板１００側に設けられた第１電極である。
【００１４】
さらに、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂの周囲を覆うように絶縁材料からなる隔壁１１０が形成されている。隔壁１１０の開口部から露出する絶縁層１０２Ｂの露出部と透明電極１０３Ｂの上に、少なくとも発光層１０５を有する有機層１０１が積層され、陰極である金属半透明電極１０４が形成されている。本実施の形態では金属半透明電極１０４を光透過性の第２電極とする。光透過性の電極としては、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明電極や、金属薄膜からなる金属半透明電極もしくはこれらの組み合わせでもよい。また、反射層１０２の材料としては、ＡｌやＡｇなどの反射率の高い材料が好ましい。さらに、絶縁層としては、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）、アクリル樹脂などが好ましい。 図１で示すように、反射層１０２の平坦面が形成されている領域に第１電極である透明電極１０３Ｂが設けられる。つまり、この領域が透明電極（第１電極）１０３Ｂと金属半透明電極（第２電極）１０４の間に電圧を印加して発光層１０５が発光する発光領域３０２となる。一方、図１に示すように、発光領域３０２の外部に位置する領域では、透明電極１０３Ｂは周期構造３００を覆わない構成を採っており、この領域が非発光領域３０３となる。また、図１に示すように、発光領域３０２の外部に位置する非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に周期構造３００が形成されている。つまり、発光領域３０２には周期構造３００は形成されず、非発光領域３０３にのみ周期構造３００が形成される。ただし、配線とのコンタクトやプロセス精度などのために、多少、非発光領域３０３と周期構造３００が形成される領域がずれてもよい。また、図２で示すように、周期構造３００が配置された非発光領域３０３が、発光領域３０２を囲むように４辺全てに形成されている必要はなく、発光領域３０２の周囲の１辺でもよいし、部分的に形成されていてもよい。
【００１５】
図１の周期構造３００は、凸部が面内に周期的に形成された構造を指しているが、凹部、あるいは、凹部と凸部の両方が面内に周期的に形成された構造であってもよい。また、周期構造３００の凹部、凸部は、図１に示すように直角の頂点を有するテーパ構造である必要はなく、順テーパ構造、逆テーパ構造等様々な構造にすることができる。また、周期構造３００は、反射層１０２と同じ材料で反射層１０２と一体で形成してもよいし、反射層１０２と異なる材料で形成してもよく、金属や誘電体もしくはこれらの組み合わせでもよい。
周期構造３００の材料としては、金属であれば、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｒ、誘電体ならば、酸化珪素等を用いることができる。さらに、周期構造３００の表面は、絶縁層、光透過性電極や他の層などにより、平坦化されてもよいし、されなくてもよい。さらに、周期構造３００は、２次元周期構造を積層し３次元周期構造としてもよい。
【００１６】
有機層１０１は、図３に示すように、通常、ホール輸送層１０６、発光層１０５（Ｒ発光層１１５、Ｇ発光層１２５、Ｂ発光層１３５）、電子輸送層１０７が積層された構成である。ここでＲ発光層、Ｇ発光層、Ｂ発光層とは、それぞれ、赤色（Ｒ）を発光する発光層、緑色（Ｇ）を発光する発光層、青色（Ｂ）を発光する発光層を意味している。発光層１０５は、それぞれの発光色に応じた蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む。また、必要に応じて、電荷輸送層と電極の間に電荷注入層を設けてもよい。具体的には、陽極とホール輸送層１０６との間にホール注入層１０８を、陰極と電子輸送層１０７との間に電子注入層１０９を設ける構成でもよい。
【００１７】
これらの有機ＥＬ素子に電圧を印加することで、陽極から注入された正孔と陰極から注入された電子が、有機層１０１中の発光層１０５で再結合し、励起子を形成することで発光する。
【００１８】
図１に示した構成例では、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面が、発光層１０５より第１電極側に設けられた第１反射面となり、また、有機層１０１と金属半透明電極１０４との界面が発光層１０５より第２電極側に設けられた第２反射面となる。この二つの反射面間で、発光層１０５で発光する光が共振して強め合うように、反射面間の光路長が調整され、基板の法線方向（垂直方向）に１次元的な共振器構造が構成されている。共振器構造は、同時に、基板面内方向（水平方向）では、プレーナー型の光導波路３０１として機能する。そのため、図４に示すような周期構造３００がない一般の有機ＥＬ素子の場合は、発光点２０１から発せられた光の大部分（約８０％）が、光導波路３０１を基板面内方向に伝わる導波光２０３として有機ＥＬ素子の内部に閉じ込められる。また、光取り出し側に第２反射面が形成されず、共振器構造が構成されない場合でも、有機層１０１の屈折率が空気の屈折率より大きいため、全反射界面が存在する。そのため、第１反射面と全反射界面との間で基板面内方向に導波光２０３が生じ、同様に、発光点２０１からの光の大部分が有機ＥＬ素子の内部に閉じ込められる。
【００１９】
これに対し、図１に示した本発明の有機ＥＬ素子では、非発光領域３０３において、周期構造３００が有機層１０１と基板１００との間に設けられる構成を採っている。この場合には、発光領域３０２で発生した導波光２０３が、非発光領域３０３まで導波し、導波光２０３の一部が周期構造３００によって回折光２０４に変換されて、非発光領域３０３の上面（金属半透明電極１０４側）から有機ＥＬ素子の外に取り出される。よって、光取り出し効率が向上する。
【００２０】
さらに、本発明では、図１に示すように、発光領域３０２において有機層１０１の上部や下部に、周期構造３００を加工する必要がない。そのため、有機層１０１を形成した後の周期構造３００の作製プロセスによる有機層１０１への損傷を回避することができる。また、周期構造３００上への有機層１０１の形成による平坦性や密着性の低下による発光領域３０２からの発光に及ぼす影響が抑えられるので、電流リークや駆動電圧の高電圧化、素子耐久低下、非点灯などを回避することができる。
【００２１】
＜反射防止構造＞
一般に、表示装置では、視認性を良くするために高コントラストが要求される。特に、小型ディスプレイなどのような屋外での利用が多い表示装置では、コントラストを保つために外光反射防止機能が大変重要である。有機ＥＬ素子や有機ＥＬ表示装置に対する有効な反射防止方法としては、円偏光板の設置や共振器干渉打ち消し効果とカラーフィルターを組み合わせた方法がある。しかしながら、いずれも平面構造を有する有機ＥＬ素子に対し有効な方法であるため、発光効率を向上させるために周期構造や回折格子を配置すると、反射防止性能が低下してしまう。そのため、反射防止機能を維持する構造を有することが望ましい。
【００２２】
以下、図５、図６、図７により、本発明の発光素子に対して、外光反射防止機能を保有させる構造例について説明を行う。
【００２３】
図５に示すように、本発明において、発光素子の光取り出し側の、周期構造３００を覆うように遮光部材４００が配置され、さらに、その上部に円偏光板４０１が配置される。複数の発光素子を表示装置が有している場合は、発光素子の外部に形成された周期構造３００は、隣り合う発光素子の間に形成されることになる。そして、遮光部材４００も隣り合う発光素子の間に形成される。
【００２４】
発光点２０１からの伝播光２０２は、光取り出し側の発光領域３０２上にある遮光部材４００の開口部から発光素子の外部に放射される。また、外部に取り出したい波長において、回折光２０４が遮光部材４００の開口部から外部に放射されるよう、回折光２０４の回折角度が導波光２０３の導波方向に対して９０°より大きくする必要がある。この要望を満たすように、周期構造３００の周期は構成されることが望ましい。さらに、周期構造３００を介して外部に取り出される光が、導波光２０３の導波方向に対して９０°より大きい回折角度方向で、最大強度もしくは最大輝度となることが望ましい。その回折角度は、図５に示すように、基板法線方向を基準とすると負の角度となる。以下、導波光２０３の導波方向に対して、９０°より大きな方向への回折を、「負回折」と呼ぶ。負回折と周期構造３００の周期の関係は後述する。
【００２５】
図６に、本発明の発光素子に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２０５のうち、発光領域３０２への入射光は、円偏光板４０１により反射光が防止される。また、周期構造３００の上方の入射光は、遮光部材４００によって反射が防止される。
【００２６】
次に、図７に、本発明の発光素子に、外光が斜め方向から入射する場合の概略図を示す。斜め入射光２０８は、円偏光板４０１を透過し円偏光となり、その後、周期構造３００に反射して斜め反射光２０９となる。斜め反射光２０９は、周期構造３００によって円偏光から楕円偏光となるが、遮光部材４００によって吸収されるため、反射が抑制される。
【００２７】
以上から、周期構造３００を配置して光取り出し効率を向上させると同時に、外光入射に対する反射光を低減することが可能である。
【００２８】
同様に、図８、図９、図１０に、本発明の発光素子に対して、外光反射防止機能を保有させる他の構成例を示す。
【００２９】
図８において、発光素子は、赤色を発光する発光素子（以下Ｒ素子とする）であり、赤色を強める共振器構造を有している。Ｒ素子の光取り出し側の、周期構造３００の上方に遮光部材４００を配置し、さらに、遮光部材４００の開口部に赤色光を透過するカラーフィルター（Ｒカラーフィルター）４１０を配置する。光の取り出しに関しては、図５の場合と同様である。
【００３０】
図９に、本発明のＲ素子に、外光が垂直に近い角度で入射する場合の概略図を示す。入射光（垂直近傍）２０５のうち、発光領域３０２への入射光は、Ｒカラーフィルター４１０により、赤色の透過光（Ｒ透過光）２１０となる。共振器構造では、共振器構造中の干渉強め合い条件と反射光への干渉打ち消し条件が、概ね一致する。そのため、赤色を強める共振器構造を有したＲ素子では、赤色の透過光２１０に対して、第１反射面、第２反射面からの反射光２１１Ａ、２１１Ｂなどが干渉して打ち消し合う。また、周期構造３００の上方部への入射光は、遮光部材４００によって反射が防止される。
【００３１】
図９に示す外光が斜め方向から入射する場合は、図７の場合と同様である。Ｒ（赤）について説明を行ったが、Ｇ（緑）やＢ（青）の場合も同様である。
【００３２】
＜負回折条件＞
以下、回折光が負回折となるための周期構造３００の考察を行う。
【００３３】
図２に示すように、周期構造３００の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ１、ａ２とする。また、これらの基本格子ベクトルａ１、ａ２に対し、数１の関係を満たす基本逆格子ベクトルをｂ１、ｂ２とする。図２の例では、上下左右で同じ視野角特性となるように、周期構造３００が４回対称性を有する構造となっている。ｎ回対称性とは、ある中心または軸の周りを２π／ｎラジアン回転させると自らと重なる性質を指す。つまり、４回対称性を有する構造とは、ある構造を中心または軸の周りで、２π／４（＝９０°）ラジアン回転させると自らの構造と一致する構造である。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図５において、有機層１０１中の発光層１０５からの外部に取り出したい光のスペクトルのピーク波長をλとすると、波数ｋはｋ＝２π／λとなる。また、発光層１０５の屈折率ｎと、光取り出し側媒体（通常は空気）の屈折率ｎｅｘｔは、条件ｎ＞ｎｅｘｔを満たすとする。
【００３６】
また、光導波路３０１を伝播する導波光２０３に対する基板１００の水平方向への伝播係数をβとし、導波光２０３に対する有効屈折率ｎｅｆｆ及び有効吸収係数κｅｆｆが、数２によって定義される。有効屈折率ｎｅｆｆは、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎを満たす。
【００３７】
【数２】
【００３８】
このとき、回折条件は水平方向の位相整合条件から、２つの整数ｍ１、ｍ２を回折次数とし、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎのもとで、数３が得られる。
【００３９】
【数３】
【００４０】
図５において、回折光２０４が負回折となる条件は、数３の回折条件より、概ね数４で与えられる。但し、周期構造３００を介して外部に取り出したい光のスペクトルのピーク波長をλ、２つの整数ｍ１、ｍ２を回折次数、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎｅｘｔ＜ｎｅｆｆ＜ｎを用いた。
【００４１】
【数４】
【００４２】
正方格子の場合は、周期をａとして、基本格子ベクトルａ１、ａ２は数５となり、基本逆格子ベクトルｂ１、ｂ２は数６となる。
【００４３】
【数５】
【００４４】
【数６】
【００４５】
この時、数３の回折条件は、数７で与えられる。また、数４で表される負回折が生じるための条件は、数８となる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
【数８】
【００４８】
ここで、どちらか一方の１次元方向に着目し、ｍ２＝０（もしくは、ｍ１＝０）および、｜ｍ１｜＝ｍ＞０（もしくは、｜ｍ２｜＝ｍ＞０）とする。この時、数７の回折条件は、簡略化されて数９となる。また、負回折が生じるための条件である数８は、簡略化されて数１０となる。
【００４９】
【数９】
【００５０】
【数１０】
【００５１】
有機ＥＬ素子の発光パターンや効率、色度などの制御を可能とするには、１次の負回折光のみを発生させることが望ましい。１次の負回折光のみを発生させる場合の条件式は、概ね数１１で与えられる。有機ＥＬ素子では、通常、有機層１０１の屈折率はｎ＝１．５〜２．０程度、光取り出し側の屈折率はｎｅｘｔ＝１．０である。よって、主に１次の負回折光のみを利用する場合は、周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．３３倍から１．００倍が望ましい。可視光の波長域が３８０ｎｍから７８０ｎｍであることから、周期構造３００の周期ａは、１２５ｎｍ以上から７８０ｎｍ以下であることが望ましい。この周期ａは、取り出したい波長と、有機層１０１の屈折率等によって決定される。より詳しく言えば、赤色の光を取り出したい場合には、周期ａは、２１０ｎｍ以上から７４０ｎｍ以下の中から、取り出したい波長λとＲ発光層１１５を含む有機層１０１の屈折率ｎによって決定される。また、緑色、青色の光を取り出したい場合には、それぞれ、１６５ｎｍ以上から５６５ｎｍ以下、１５０ｎｍ以上から４８５ｎｍ以下から周期ａが決定される。
【００５２】
【数１１】
【００５３】
＜共振器＞
図１に示した構成例では、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面が第１反射面、金属半透明電極１０４と有機層１０１との界面が、第２反射面となり、共振器構造が構成されている。共振器構造の第１反射面と第２反射面との間の光路長は、外部に取り出したい発光波長を干渉によって強め合うように設定されている。共振器構造の多重干渉による強め合い条件は、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長をλ、共振器構造を構成する反射面間の距離をｄ、反射面間の平均屈折率をｎとして数１２で与えられる。ここで、第１反射面の位相シフト量と第２反射面の位相シフト量の和をφとし、ｍは整数である。また、距離ｄと平均屈折率ｎは、共振器構造を構成する第１反射面と第２反射面との間の各層ｉの厚さをｄｉ、各層の屈折率をｎｉとして、それぞれ、ｄ＝Σｄｉ、ｎ＝Σｎｉｄｉ／ｄで表される。
【００５４】
【数１２】
【００５５】
また、数１２の共振条件を考慮した上で、導波光２０３のモード数を少なくするには、第１反射面と第２反射面との間の光路長が、発光ピーク波長λの０．３７５倍から１．３７５倍程度であることが望ましい。有機ＥＬ素子では、第１反射面と第２反射面との間の屈折率はｎ＝１．５〜２．０程度であるから、第１反射面と第２反射面との間の膜厚は、７０ｎｍ以上から７１５ｎｍ以下であることが望ましい。具体的には、取り出したい光が赤色である場合には、膜厚は１１７ｎｍ以上から６７８ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、取り出したい光が緑色、青色である場合には、それぞれの膜厚は、９４ｎｍ以上から５１８ｎｍ以下、７５ｎｍ以上から４４５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５６】
＜変形例＞
図１において、反射層１０２を構成する金属は特定なものに限らないが、例えば、ＡｌやＡｌ合金等で反射層１０２が形成される場合には、図１１に示すように、反射層１０２の表面に自然酸化膜を形成させるようにしてもよい。この構成では、反射層１０２上に絶縁層１０２Ｂを設ける必要がないので製造プロセスが減少する。この場合も、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に、周期構造３００が設けられた構成を採っている。また、反射層１０２上に平坦面が形成されているので、透明電極１０３Ｂの平坦性が確保され、発光領域３０２からの発光効率は低減しない。
【００５７】
また、図１２に示した構成例では、周期構造３００が構成されている部分も含めて、反射層１０２の全面が、陽極である透明電極１０３Ｂにより覆われている。このため、反射層１０２と透明電極１０３Ｂが第一電極として機能する。その代わり、電子注入層１０９（電荷注入層）が第２電極である透明電極１０３の発光層１０５側の面で、反射層１０２の平坦面にあたる領域に形成されている。これにより、平坦面の領域では電子注入性が良いため発光領域３０２となり、その外部に設けられる周期構造３００上では電子注入性が良くなく駆動電圧が高くなるため、発光領域３０２よりも発光が弱く、非発光領域３０３とすることができる。また、反射層１０２の平坦面に当たる領域の透明電極１０３Ｂに、電子注入層の代わりにホール注入層を形成してもよい。さらに、この領域に反射層１０２上の透明電極１０３Ｂにはホール注入層を、第２電極である透明電極１０３の発光層側には電子注入層を共に形成してもよい。
【００５８】
また、発光領域３０２に電子注入層を設ける代わりに、周期構造３００上に形成される有機層１０１を高抵抗化することによって、この領域に電流が流れにくくなり、非発光領域３０３とすることができる。具体的には、この領域にある有機層１０１のうちの少なくとも一つの層を厚く形成することによっても高抵抗化することができる。また、発光層などに電荷注入性や電荷輸送性などを高めるために添加されるアシストドーパントを添加しないことによっても高抵抗化することができる。
【００５９】
図１３、図１４に示した構成例では、図１２と同様に、周期構造３００が構成されている部分も含めて、反射層１０２の全面が、第１電極極である透明電極１０３Ｂにより覆われている。さらに、発光領域３０２を囲むように形成された絶縁材料からなる隔壁１１０が周期構造３００を覆っている。反射層１０２の平坦面の領域は、隔壁１１０の開口部に位置し、その領域に有機層１０１が積層され、陰極である金属半透明電極１０４が形成されている。これにより、隔壁１１０の開口部が発光領域３０２となり、その周囲を囲む隔壁１１０の形成される領域が非発光領域３０３となり、周期構造３００は非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に設けられている。なお、この構成では、トップエミッション型であるので、隔壁は透明材料からなる必要があるが、後述するようなボトムエミッション型の場合には、隔壁は透明である必要はない。さらに、図１４の構成例では、周期構造３００を覆うように隔壁１１０の膜厚が薄く形成されており、この膜厚を調整することで、発光領域３０２の基板法線方向の光路長と非発光領域３０３の基板法線方向の光路長が同程度にすることができる。
【００６０】
図１において、導波光２０３が減衰により強度が半減する距離（半減距離）は１０μｍ程度である。よって、発光領域３０２で発光した光が、周期構造３００によって有機ＥＬ素子の外部に取り出され、発光効率が向上するためには、発光領域３０２内のいずれの位置からも、最も近い周期構造３００までの距離が１０μｍより小さいことが望ましい。このため、図１５に示すように、より発光効率を向上させるために、発光領域３０２の外部に位置する周期構造３００の割合を増やすよう、発光領域３０２を細分化してもよい。
【００６１】
図１６に示す構成例では、周期構造３００が反射層１０２から離れた位置に設けられている。この場合も、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に周期構造３００が形成されている。
【００６２】
これまでは、基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成で説明してきたが、基板側を陰極、光取り出し側を陽極とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を逆順に積層した構成においても本発明を実施することは可能である。したがって、本発明にかかる発光装置は基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成に限定されるものではない。
【００６３】
また、ホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、さらに必要に応じて形成されるホール注入層１０８、電子注入層１０９に用いられる有機化合物としては、低分子材料、高分子材料、若しくはその両方により構成され、特に限定されるものではない。
【００６４】
さらに、周期構造３００は、上述したように２次元的なフォトニック結晶構造に限定されず、１次元的な回折格子の組み合わせや３次元的なフォトニック結晶構造でもよい。また、図１では、反射層１０２に凸型のフォトニック結晶構造を示したが、図１７のように凹型のフォトニック結晶構造でもよい。
【００６５】
さらに、図１８のように、異なる基本格子ベクトルを持つ複数種類の周期構造３００をいずれも有する構成であってもよい。図１８の例は、基本格子ベクトルａ１、ａ２の周期構造３００と基本格子ベクトルａ’１、ａ’２の周期構造３００を組み合わせた場合である。周期構造３００は、完全に周期的である必要はなく、準結晶構造やフラクタル構造、連続的に周期が変化する構造、部分的に不規則な散乱構造を有する構造、若しくはこれらを組み合わせたものでもよい。
【００６６】
さらに、図１では、光取り出し側の電極、即ち光透過性の第２電極が金属半透明電極１０４である構成で説明してきたが、図６に示すように、光取り出し側の電極を透明電極１０３とする構成であってもよい。また、図１の半透明電極１０４の上や図１１の透明電極１０３の上には、図８に示すように誘電体層１１０Ｂが形成されていてもよい。あるいは、これらの複数層の組み合わせでもよい。
【００６７】
さらに、これまでの説明では、基板１００の反対側が光取り出し側となるトップエミッション型の構成について説明してきたが、基板１００側が光取り出し側となるボトムエミッション構成においても本発明は実施可能である。図１９に示した有機ＥＬ素子は、基板１００上に金属半透過層１０４Ｂが形成されている。電圧印加により光を発生する発光領域３０２では、金属半透過層１０４Ｂは平坦であり、絶縁層１０２Ｂで覆われ、さらに絶縁層１０２Ｂ上に陽極として透明電極１０３Ｂが形成されている。一方、非発光領域３０３で、且つ、有機層１０１よりも基板１００側に位置する金属半透過層１０４Ｂに周期構造３００が形成されており、周期構造３００の表面は、絶縁層１０２Ｂにより覆われている。つまり、発光領域３０２には周期構造３００は形成されず、非発光領域３０３にのみ周期構造３００が形成される。ただし、配線とのコンタクトやプロセス精度などのために、多少、非発光領域３０３と周期構造３００が形成される領域がずれてもよい。絶縁層１０２Ｂ上に有機層１０１、金属より構成されて、陰極としても機能する反射層１０２を積層したボトムエミッション構成を示している。この場合、基板１００は透明な材料で形成される必要がある。なお、図１９の構成例では、透明電極１０３Ｂが基板１００側に設けられた第１電極、金属からなる反射層１０２が第２電極である。また、この有機ＥＬ素子は、金属半透過層１０４Ｂと絶縁層１０２Ｂの界面が第１反射面、反射層１０２と有機層１０１の界面が第２反射面となる共振器構造を有する。
【００６８】
さらに、図１において、金属からなる反射層１０２と誘電体である絶縁層１０２Ｂとの界面（第１反射面）を基板水平方向に伝播し、導波光の一種と考えられる表面プラズモンが生じる。よって、反射層１０２と絶縁層１０２Ｂとの界面を光導波路として利用可能である。表面プラズモンの伝播係数βｓｐを、数２の伝播係数βとすると、通常の導波光２０３と同様に回折条件は数３で与えられる。表面プラズモンを生じる界面は、金属層と絶縁層の界面に限られず、金属層と有機層界面や金属層と透明電極界面でもよい。
【００６９】
本発明の発光装置は、表示装置や、照明、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末の表示部、携帯ゲーム機の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等に適用することができる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の発光素子を複数配置することにより構成される発光装置の一例として有機ＥＬ発光装置を挙げて説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７１】
＜実施例１＞
図２０に示す構成のフルカラー有機ＥＬ発光装置を以下に示す方法で作製する。つまり、本実施例１の発光装置は、複数の画素を有し、各画素が赤色発光の発光素子（Ｒ素子）、緑色発光の発光素子（Ｇ素子）、青色発光の発光素子（Ｂ素子）、つまり赤、緑、青の３色の副画素からなる有機ＥＬ発光装置である。このフルカラーの有機発光装置は表示装置として好ましく適用することができる例である。
【００７２】
まず、支持体としてのガラス基板上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化層を形成して基板１００とする。基板１００上に、反射層１０２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｇ合金からなる反射層１０２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射電極である。反射層１０２はＡｇ合金以外に、Ａｌ合金などを用いてもよい。図２０では、各発光素子で反射層１０２を独立に形成しているが、複数の発光素子で共通に形成してもよい。
【００７３】
この反射層１０２上に、まず、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図１５に示すような正方格子の周期構造パターンを露光し、現像、ポストベークを行い、レジストパターンを形成する。
【００７４】
次に、リフトオフ加工により、反射層１０２上に周期構造を形成する。まず、スパッタリングによりＡｇ合金を４０ｎｍの膜厚で形成する。ポジ型レジストの露光部分では反射層１０２上にＡｇ合金が、ポジ型レジストの露光部分以外ではレジスト上にＡｇ合金が形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｇ合金ごと取り除いて、上に凸型の周期構造３００を形成する。
【００７５】
本実施例では、Ｒ素子に形成される周期構造（Ｒ周期構造３１０）は、周期３４５ｎｍ、一辺の長さ２００ｎｍ、高さ４０ｎｍとなる。また、Ｇ素子の周期構造（Ｇ周期構造３２０）は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ１４０ｎｍ、高さ４０ｎｍとなり、Ｂ素子の周期構造（Ｂ周期構造３３０）は周期２００ｎｍ、一辺の長さ１４５ｎｍ、高さ４０ｎｍとなるよう形成される。これは、取り出したいピーク波長が上述した負回折条件に合うように、各色の発光素子に形成される周期構造の周期等を決定したからである。このように赤色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も長く、青色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も短くなる。
【００７６】
次に、スパッタリングにより酸化珪素（ＳｉＯｘ）を１０ｎｍの膜厚で絶縁層１０２Ｂとして形成する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材のＩＺＯを７０ｎｍの膜厚で形成して、発光領域３０２に電極のパターニングをし、陽極として透明電極１０３Ｂを形成する。発光領域３０２の大きさは、図１５のＡ１が２０μｍ、Ｂ１が２０μｍである。非発光領域３０３の大きさは、図１５のＡ２が３２μｍ、Ｂ２が９５μｍである。
【００７７】
さらに、酸化窒化珪素（ＳｉＮｘＯｙ）の隔壁１１０を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素に発光領域となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。
【００７８】
これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してからＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの有機層１１１、１２１、１３１を真空蒸着により形成する。
【００７９】
まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒホール輸送層として１５０ｎｍの膜厚、Ｇホール輸送層として９０ｎｍの膜厚、Ｂホール輸送層として４０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８０】
【化１】
【００８１】
次に、発光層として、シャドーマスクを用いて、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの発光層を形成する。Ｒ素子のＲ発光層１１５としては、ホストとして４，４’‐Ｂｉｓ（Ｎ‐ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ（以下、ＣＢＰと呼ぶ）と、燐光発光性化合物Ｂｉｓ［２‐（２’‐ｂｅｎｚｏｔｈｉｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ３］（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＲ発光層１１５を形成する。Ｇ素子のＧ発光層１２５としては、ホストとしてｔｒｉｓ‐（８‐ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍ（以下、Ａｌｑ３と呼ぶ）と、発光性化合物３‐（２’‐Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）‐７‐Ｎ，Ｎ‐ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎ（以下、クマリン６と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＧ発光層１２５を形成する。Ｂ素子のＢ発光層１３５としては、ホストとして下記に示す化合物［ＩＩ］と発光性化合物［ＩＩＩ］とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚でＢ発光層１３５を形成する。蒸着時の真空度は１×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８２】
【化２】
【００８３】
【化３】
【００８４】
さらに、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子輸送層１０７として、１，１０‐Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ（以下、ＢＰｈｅｎと呼ぶ）を真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で一括形成する。蒸着時の真空度は１×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ２ＣＯ３とを共蒸着（重量比９０：１０）し、３０ｎｍの膜厚で一括形成する。蒸着時の真空度は３×１０−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
【００８５】
電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１０４として、スパッタリングによりＡｇ合金を２０ｎｍの膜厚で形成する。
【００８６】
さらに、図８のように誘電体層１１０Ｂとして、スパッタリングにより酸化珪素を２９０ｎｍの膜厚で形成する。
【００８７】
さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。
【００８８】
＜実施例２＞
図２１に本実施例の有機ＥＬ発光装置の構成図を示す。ホール輸送層の形成までは、実施例１と同様である。次に、共通の３色積層型白色（Ｗ）発光層として、ＣＢＰとＢｉｓ［（４，６‐ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ２］（ｐｉｃｏｌｉｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、ＦＩｒｐｉｃと呼ぶ）（重量比９４：６）とを共蒸着により２５ｎｍの膜厚で形成する。そして、ＣＢＰとｆａｃ‐Ｔｒｉｓ（２‐（２‐ｐｙｒｉｄｉｎｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｉｒ（ｐｐｙ）３と呼ぶ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成する。さらに、ＣＢＰとＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成し積層構造とする。電子輸送層の形成から、Ａｇ合金の形成までは、実施例１と同様である。
【００８９】
その後、保護膜として、窒化酸化珪素を５０００ｎｍ成膜する。
【００９０】
最後に、別の基板上に、各副画素にＲカラーフィルター、Ｇカラーフィルター、Ｂカラーフィルターがパターニングされ、副画素間にブラックマトリックス（遮光部材）がパターニングされたカラーフィルター基板を、保護膜の上部に、エポキシ樹脂により配置する。
【００９１】
以上により、有機ＥＬ発光装置を得る。つまり、本実施例の有機ＥＬ発光装置は各副画素に共振器構造を有するＷ有機層１７１が形成されており、白色の有機ＥＬ素子を有する構成とされている。この際、共振器構造の光路長は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各副画素で、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂの発光波長を多重干渉で強め合うように構成されている。つまり、カラーフィルターと共振器による干渉、および発光領域３０２の外部へのフォトニック結晶の配置を組み合わせることにより、発光効率を向上させ、かつ、外光反射防止機能を維持する構成となっている。
【００９２】
＜比較例１＞
反射層１０２の形成までは、実施例１と同様である。次に、スパッタリングによりＳｉＯｘを１０ｎｍの膜厚で形成する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材のＩＺＯを７０ｎｍの膜厚で形成して、発光領域３０２（および、導通のためのコンタクト部分）に電極のパターニングをし、陽極を形成する。ホール輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。つまり、実施例１と異なる構成は、周期構造を有さない構成である。
【００９３】
表１に、実施例１と比較例１におけるＲ、Ｇ、Ｂの各発光素子の発光強度（外部に取り出される発光スペクトルのピーク波長での強度比）の数値計算による評価値を示す。比較例１の波高強度を１とした場合、実施例１の発光強度は、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての発光素子において約１．２倍となり、光取り出し効率が向上することがわかる。
【００９４】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図１）である。
【図２】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図１）である。
【図３】有機層の模式図（断面概略図）である。
【図４】周期構造を有さない有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図）である。
【図５】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図２）である。
【図６】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図３）である。
【図７】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図４）である。
【図８】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図５）である。
【図９】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図２）である。
【図１０】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（発光時）である。
【図１１】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（垂直入射時）である。
【図１２】周期構造とブラックマトリックス、円偏光板を有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（斜め入射時）である。
【図１３】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（発光時）である。
【図１４】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（垂直入射時）である。
【図１５】周期構造とブラックマトリックス、カラーフィルターを有する構成の有機ＥＬ素子の模式図（斜め入射時）である。
【図１６】非発光領域で、反射層から離れた位置に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図６）である。
【図１７】凹型の周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（断面概略図７）である。
【図１８】非発光領域に周期構造を有する有機ＥＬ素子の模式図（俯瞰概略図３）である。
【図１９】非発光領域に周期構造を有するボトムエミッション型有機ＥＬ発光装置の模式図（断面概略図７）である。
【図２０】非発光領域に周期構造を有するＲＧＢ発光層塗り分け構成の有機ＥＬ表示装置の断面概略図である。
【図２１】非発光領域に周期構造を有するＷ発光層共通構成の有機ＥＬ表示装置の断面概略図である。
【符号の説明】
【００９６】
１００ 基板
１０１ 有機層
１０２ 反射層
１０２Ｂ 絶縁層
１０３ 透明電極
１０３Ｂ 反射層上の透明電極
１０４ 金属半透明電極
１０５ 発光層
１１０ 隔壁
２０１ 発光点
２０２ 伝播光
２０３ 導波光
２０４ 回折光
３００ 周期構造
３０１ 光導波路
３０２ 発光領域
３０３ 非発光領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１電極と、少なくとも発光層を有する有機層と、第２電極と、が積層された発光素子であって、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって前記発光層が発光する発光領域と、前記発光領域の外部に位置する非発光領域と、を有し、
前記非発光領域で、且つ、前記有機層よりも前記基板側に周期構造が設けられていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記非発光領域において、前記周期構造が前記有機層と前記基板との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記非発光領域において、前記発光領域を囲むように形成された隔壁が前記周期構造を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記非発光領域において、前記有機層と前記周期構造の間に絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１電極は、前記周期構造を覆っていないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光領域では、前記第１電極の前記発光層側及び／又は前記第２電極の前記発光層側に電荷注入層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記周期構造が４回対称性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記発光素子の光取り出し側で、前記周期構造を覆うように遮光部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記周期構造を介して取り出される光が、導波方向に対して９０°より大きい角度方向で最大強度もしくは最大輝度となることを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記周期構造の基本逆格子ベクトルｂ１、ｂ２は、前記発光層の屈折率ｎ、光取り出し側媒体の屈折率ｎｅｘｔ、前記周期構造を介して外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λ、整数ｍ１、ｍ２に対して、
【数１】
を満たすことを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記発光素子の光取り出し側に前記発光素子の発光を透過するカラーフィルターを有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記発光素子の光取り出し側に円偏光板を有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記発光層で発光する光を、前記発光層より前記第１電極側に設けられた第１反射面と、前記発光層より前記第２電極側に設けられた第２反射面と、の間で共振させる共振器構造を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の前記発光素子が、前記基板上に複数配置されていることを特徴とする発光装置。
【請求項１５】
赤色発光の前記発光素子と、緑色発光の前記発光素子と、青色発光の前記発光素子と、を有し、前記赤色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も長く、前記青色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も短いことを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
【請求項１】
基板上に、第１電極と、少なくとも発光層を有する有機層と、第２電極と、が積層された発光素子であって、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって前記発光層が発光する発光領域と、前記発光領域の外部に位置する非発光領域と、を有し、
前記非発光領域で、且つ、前記有機層よりも前記基板側に周期構造が設けられていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記非発光領域において、前記周期構造が前記有機層と前記基板との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記非発光領域において、前記発光領域を囲むように形成された隔壁が前記周期構造を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記非発光領域において、前記有機層と前記周期構造の間に絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１電極は、前記周期構造を覆っていないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光領域では、前記第１電極の前記発光層側及び／又は前記第２電極の前記発光層側に電荷注入層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記周期構造が４回対称性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記発光素子の光取り出し側で、前記周期構造を覆うように遮光部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記周期構造を介して取り出される光が、導波方向に対して９０°より大きい角度方向で最大強度もしくは最大輝度となることを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記周期構造の基本逆格子ベクトルｂ１、ｂ２は、前記発光層の屈折率ｎ、光取り出し側媒体の屈折率ｎｅｘｔ、前記周期構造を介して外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λ、整数ｍ１、ｍ２に対して、
【数１】
を満たすことを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記発光素子の光取り出し側に前記発光素子の発光を透過するカラーフィルターを有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記発光素子の光取り出し側に円偏光板を有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記発光層で発光する光を、前記発光層より前記第１電極側に設けられた第１反射面と、前記発光層より前記第２電極側に設けられた第２反射面と、の間で共振させる共振器構造を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の前記発光素子が、前記基板上に複数配置されていることを特徴とする発光装置。
【請求項１５】
赤色発光の前記発光素子と、緑色発光の前記発光素子と、青色発光の前記発光素子と、を有し、前記赤色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も長く、前記青色発光の発光素子に形成された周期構造の周期が最も短いことを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−４０４８６（Ｐ２０１０−４０４８６Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５６１３（Ｐ２００８−２０５６１３）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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