発光素子
【課題】外部量子効率が高い発光素子を提供する。
【解決手段】ゲスト、ｎ型ホスト及びｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差をゲストの三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より差し引いた値が０．１５電子ボルト以上である発光素子。該発光素子は、三重項励起状態にあるゲストからｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）の三重項励起状態への遷移が起こりにくいため、三重項励起状態にあるゲストからの発光が効率的におこなわれる。あるいは、ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位がゲストのＬＵＭＯ準位より０．１電子ボルト以上高い、あるいはｐ型ホストのＨＯＭＯ準位がゲストのＨＯＭＯ準位より０．１電子ボルト以上低い発光素子。該発光素子は、ゲスト内で電子正孔の再結合が効率よく発生し、発光効率あるいは外部量子効率を高めることができる。
【解決手段】ゲスト、ｎ型ホスト及びｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差をゲストの三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より差し引いた値が０．１５電子ボルト以上である発光素子。該発光素子は、三重項励起状態にあるゲストからｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）の三重項励起状態への遷移が起こりにくいため、三重項励起状態にあるゲストからの発光が効率的におこなわれる。あるいは、ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位がゲストのＬＵＭＯ準位より０．１電子ボルト以上高い、あるいはｐ型ホストのＨＯＭＯ準位がゲストのＨＯＭＯ準位より０．１電子ボルト以上低い発光素子。該発光素子は、ゲスト内で電子正孔の再結合が効率よく発生し、発光効率あるいは外部量子効率を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）現象を利用した発光素子（以下、有機ＥＬ素子とも記す）に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子の研究開発が盛んにおこなわれている（特許文献１、非特許文献１および非特許文献２参照）。有機ＥＬ素子の基本的な構成は、一対の電極間に発光性の有機化合物を含む層（以下、発光層とも記す）を挟んだものであり、薄型軽量化できる・入力信号に高速に応答できる・直流低電圧駆動が可能であるなどの特性から、次世代のフラットパネルディスプレイ素子として注目されている。また、このような発光素子を用いたディスプレイは、コントラストや画質に優れ、視野角が広いという特徴も有している。さらに、有機ＥＬ素子は面光源であるため、液晶ディスプレイのバックライトや照明等の光源としての応用も考えられている。
【０００３】
有機ＥＬ素子の発光機構は、キャリア注入型である。すなわち、電極間に発光層を挟んで電圧を印加することにより、電極から注入された電子および正孔が再結合して発光物質が励起状態となり、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。励起状態には、一重項励起状態と三重項励起状態がある。また、発光素子におけるその統計的な生成比率は、前者は後者の３分の１であると考えられている。なお、本明細書では、一重項励起状態（三重項励起状態）とは、特にことわらない限り、一重項励起状態（三重項励起状態）のうち、エネルギー準位が最も低いものを指す。
【０００４】
発光性の有機化合物は通常、基底状態が一重項状態である。したがって、一重項励起状態からの発光は、同じスピン多重度間の電子遷移であるため蛍光と呼ばれる。一方、三重項励起状態からの発光は、異なるスピン多重度間の電子遷移であるため燐光と呼ばれる。ここで、蛍光を発する化合物（以下、蛍光性化合物と記す）は室温において、通常、燐光は観測されず蛍光のみが観測される。したがって、蛍光性化合物を用いた発光素子における内部量子効率（注入したキャリアに対して発生するフォトンの割合）の理論的限界は、上記の一重項励起状態と三重項励起状態の比率を根拠に２５％とされている。
【０００５】
一方、燐光を発する化合物（以下、燐光性化合物と記す）を用いれば、内部量子効率は１００％にまで高めることが理論上は可能となる。つまり、蛍光性化合物に比べて高い発光効率を得ることが可能になる。このような理由から、高効率な発光素子を実現するために、燐光性化合物を用いた発光素子の開発が近年盛んにおこなわれている。
【０００６】
特に、その燐光量子効率の高さゆえに、燐光性化合物としてイリジウム等を中心金属とする有機金属錯体が注目されており、例えば、特許文献１には、イリジウムを中心金属とする有機金属錯体が燐光材料として開示されている。
【０００７】
上述した燐光性化合物を用いて発光素子の発光層を形成する場合、燐光性化合物の濃度消光や三重項−三重項消滅による消光を抑制するために、他の化合物からなるマトリクス中に該燐光性化合物が分散するようにして形成することが多い。この時、マトリクスとなる化合物はホスト、燐光性化合物のようにマトリクス中に分散される化合物はゲストと呼ばれる。
【０００８】
このような、燐光性化合物をゲストとして用いる発光素子における発光の一般的な素過程はいくつかあるが、それらについて以下に説明する。
【０００９】
（１）電子及び正孔がゲスト分子において再結合し、ゲスト分子が励起状態となる場合（直接再結合過程）。
（１−１）ゲスト分子の励起状態が三重項励起状態のときゲスト分子は燐光を発する。
（１−２）ゲスト分子の励起状態が一重項励起状態のとき一重項励起状態のゲスト分子は三重項励起状態に項間交差し、燐光を発する。
【００１０】
つまり、上記（１）の直接再結合過程においては、ゲスト分子の項間交差効率、及び燐光量子効率さえ高ければ、高い発光効率が得られることになる。
【００１１】
（２）電子及び正孔がホスト分子において再結合し、ホスト分子が励起状態となる場合（エネルギー移動過程）。
【００１２】
（２−１）ホスト分子の励起状態が三重項励起状態のとき、ホスト分子の三重項励起状態のエネルギー準位（Ｔ１準位）がゲスト分子のＴ１準位よりも高い場合、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動し、ゲスト分子が三重項励起状態となる。三重項励起状態となったゲスト分子は燐光を発する。なお、ゲスト分子の一重項励起状態のエネルギー準位（Ｓ１準位）へのエネルギー移動も形式上あり得るが、多くの場合ゲスト分子のＳ１準位の方がホスト分子のＴ１準位よりも高エネルギー側に位置しており、主たるエネルギー移動過程になりにくいため、ここでは割愛する。
【００１３】
（２−２）ホスト分子の励起状態が一重項励起状態のとき、ホスト分子の一重項励起状態のエネルギー準位（Ｓ１準位）がゲスト分子のＳ１準位およびＴ１準位よりも高い場合、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動し、ゲスト分子が一重項励起状態又は三重項励起状態となる。三重項励起状態となったゲスト分子は燐光を発する。また、一重項励起状態となったゲスト分子は、三重項励起状態に項間交差し、燐光を発する。
【００１４】
つまり、上記（２）のエネルギー移動過程においては、ホスト分子の三重項励起エネルギー及び一重項励起エネルギーの双方が、いかにゲスト分子に効率良く移動できるかが重要となる。
【００１５】
このエネルギー移動過程を鑑みれば、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動する前に、ホスト分子自体がその励起エネルギーを光又は熱として放出して失活してしまうと、発光効率が低下することになる。
【００１６】
＜エネルギー移動過程＞
以下では、分子間のエネルギー移動過程について詳述する。
【００１７】
まず、分子間のエネルギー移動の機構として、以下の２つの機構が提唱されている。ここで、励起エネルギーを与える側の分子をホスト分子、励起エネルギーを受け取る側の分子をゲスト分子と記す。
【００１８】
≪フェルスター機構（双極子−双極子相互作用）≫
フェルスター機構は、エネルギー移動に、分子間の直接的接触を必要としない。ホスト分子及びゲスト分子間の双極子振動の共鳴現象を通じてエネルギー移動が起こる。双極子振動の共鳴現象によってホスト分子がゲスト分子にエネルギーを受け渡し、ホスト分子が基底状態になり、ゲスト分子が励起状態になる。フェルスター機構の速度定数ｋｈ＊→ｇを数式（１）に示す。
【００１９】
【数１】
【００２０】
数式（１）において、νは、振動数を表し、ｆ’ｈ（ν）は、ホスト分子の規格化された発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）を表し、εｇ（ν）は、ゲスト分子のモル吸光係数を表し、Ｎは、アボガドロ数を表し、ｎは、媒体の屈折率を表し、Ｒは、ホスト分子とゲスト分子の分子間距離を表し、τは、実測される励起状態の寿命（蛍光寿命や燐光寿命）を表し、ｃは、光速を表し、φは、発光量子効率（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光量子効率、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光量子効率）を表し、Ｋ２は、ホスト分子とゲスト分子の遷移双極子モーメントの配向を表す係数（０〜４）である。なお、ランダム配向の場合はＫ２＝２／３である。
【００２１】
≪デクスター機構（電子交換相互作用）≫
デクスター機構は、ホスト分子とゲスト分子が軌道の重なりを生じる接触有効距離に近づき、励起状態のホスト分子の電子と基底状態のゲスト分子の電子の交換を通じてエネルギー移動が起こる。デクスター機構の速度定数ｋｈ＊→ｇを数式（２）に示す。
【００２２】
【数２】
【００２３】
数式（２）において、ｈは、プランク定数であり、Ｋは、エネルギーの次元を持つ定数であり、νは、振動数を表し、ｆ’ｈ（ν）は、ホスト分子の規格化された発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）を表し、ε’ｇ（ν）は、ゲスト分子の規格化された吸収スペクトルを表し、Ｌは、実効分子半径を表し、Ｒは、ホスト分子とゲスト分子の分子間距離を表す。
【００２４】
ここで、ホスト分子からゲスト分子へのエネルギー移動効率ΦＥＴは、数式（３）で表されると考えられる。ｋｒは、ホスト分子の発光過程（ホスト分子の一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光、ホスト分子の三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光）の速度定数を表し、ｋｎは、非発光過程（熱失活や項間交差）の速度定数を表し、τは、実測されるホスト分子の励起状態の寿命を表す。
【００２５】
【数３】
【００２６】
まず、数式（３）より、エネルギー移動効率ΦＥＴを高くするためには、エネルギー移動の速度定数ｋｈ＊→ｇを、他の競合する速度定数ｋｒ＋ｋｎ（＝１／τ）に比べて遙かに大きくすれば良いことがわかる。そして、そのエネルギー移動の速度定数ｋｈ＊→ｇを大きくするためには、数式（１）及び数式（２）より、フェルスター機構、デクスター機構のどちらの機構においても、ホスト分子の発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）とゲスト分子の吸収スペクトル（通常は、燐光であるので、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差）との重なりが大きい方が良いことがわかる。
【００２７】
例えば、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差と重なるように選択された材料によって、より効率的にホストからゲストへのエネルギー移動が生じる。
【００２８】
しかしながら、上記のエネルギー移動は、三重項励起状態のゲスト分子から基底状態のホスト分子へも全く同様に生じる。そして、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差と重なるように選択された材料では、ゲスト分子の三重項励起状態がホスト分子の三重項励起状態にエネルギー移動しやすいということでもある。このことにより、発光効率の低下が生じる。
【００２９】
このような問題に対しては、例えば、非特許文献１に記載されているように、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差よりも大きくすることで克服することが提案されている。
【００３０】
非特許文献１では、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子のホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．３電子ボルト（現在では、０．１５電子ボルトに訂正されている）大きくすることにより、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト分子の三重項励起状態への遷移を生じさせないようにしている。
【００３１】
すなわち、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子のホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きくすると、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト分子の三重項励起状態への遷移を十分に阻止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】国際公開第２０００／０７０６５５号パンフレット
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】Ｓｈｉｚｕｏ Ｔｏｋｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， ”Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒｉｐｌｅｔ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｔ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈｌｙ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｂｌｕｅ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ８３， ５６９ （２００３）．
【非特許文献２】Ｖｉ−Ｅｎ Ｃｈｏｏｎｇ ｅｔ ａｌ．， ”Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ” ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７５， １７２ （１９９９）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら、このようにホスト分子とゲスト分子とのエネルギー差が異なるということは、上記のフェルスター機構やデクスター機構が起こりにくくなるということを意味し、そのことによる発光効率の低下が問題となる。本発明の一態様は、このような矛盾を克服する新しい原理に基づいた発光素子を提供する。
【００３５】
また、上記のように、さまざまな励起過程が存在するが、失活の少ない励起過程は、直接再結合過程であり、その比率を向上させることが発光効率あるいは外部量子効率の向上にとって好ましい。本発明の一態様は効率よく直接再結合過程を発生させる方法を関する提供することを課題とする。また、本発明の一態様は、外部量子効率が高い発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明の一態様は、燐光性化合物（ゲスト）、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、第１の有機化合物及び第２の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差が、ゲストの三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きいことを特徴とする発光素子である。
【００３７】
上記において、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物が、励起錯体を形成する組み合わせであってもよい。また、第１の有機化合物は電子輸送性が正孔輸送性よりも優れており、第２の有機化合物は正孔輸送性が電子輸送性よりも優れていてもよい。このような特色を有する場合、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物をそれぞれ、ｎ型ホスト、ｐ型ホストと称する。
【００３８】
また、本発明の一態様は、ゲスト、ｎ型ホスト、ｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｎ型ホストのＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位がゲストのＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことを特徴とする発光素子である。
【００３９】
なお、ゲストのＬＵＭＯ準位がｎ型ホストのＬＵＭＯ準位より低すぎると電気伝導特性の上で好ましくない。そのため、ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位ＥｎからゲストのＬＵＭＯ準位Ｅａを差し引いた値、（Ｅｎ−Ｅａ）が０．１電子ボルト以上０．５電子ボルト以下であることが好ましい。
【００４０】
また、本発明の一態様は、ゲスト、ｎ型ホスト、及びｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｐ型ホストのＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位がゲストのＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことを特徴とする発光素子である。
【００４１】
なお、ゲストのＨＯＭＯ準位がｐ型ホストのＨＯＭＯ準位より高すぎると電気伝導特性の上で好ましくない。そのため、ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位ＥｐからゲストのＨＯＭＯ準位Ｅｂを差し引いた値、（Ｅｐ−Ｅｂ）が−０．５電子ボルト以上−０．１電子ボルト以下であることが好ましい。
【００４２】
上記発光素子において、ゲストは、有機金属錯体であることが好ましい。上記発光素子において、ｎ型ホスト及びｐ型ホストの少なくとも一方が、蛍光性化合物であってもよい。本発明の一態様の発光素子は、発光装置、電子機器、及び照明装置に適用することができる。
【００４３】
本発明の一態様では、発光層は、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子とゲスト分子を有する。もちろん、分子は規則正しく配列している必要は無く、規則性が極めて少ない状態であってもよい。特に発光層を５０ｎｍ以下の薄膜とする場合には、アモルファス状態となることが好ましく、そのために、結晶化しづらい材料の組み合わせを選択することが好ましい。
【００４４】
また、本発明の一態様は図１（Ａ）に示されるように、基板１０１上に第１の電極１０３、上記の構成を有する発光層１０２、第２の電極１０４を重ねて設けた発光素子でもよい。ここで、第１の電極１０３は、陽極と陰極の一方であり、第２の電極１０４は陽極と陰極の他方である。
【００４５】
また、本発明の一態様は図１（Ｂ）に示されるように、第１の電極１０３、発光層１０２、第２の電極１０４に加えて、第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの注入層１０７、第２のキャリアの輸送層１０８を重ねて設けた発光素子でもよい。ここで、第１のキャリアは電子と正孔の一方であり、第２のキャリアは電子と正孔の他方である。また、第１の電極が陽極であれば、第１のキャリアは正孔であり、第１の電極が陰極であれば、第１のキャリアは電子である。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の一態様では、ホスト（ｎ型ホストおよびｐ型ホスト）分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差を、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上高くすることで、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト（ｎ型ホストおよびｐ型ホスト）分子の三重項励起状態への遷移を十分に防止することができ、外部量子効率が高い発光素子を提供することができる。
【００４７】
その一方、フェルスター機構やデクスター機構を使用するエネルギー移動過程に関しては、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子の励起錯体からゲスト分子にエネルギー移動する過程を経ることができる。励起錯体は、エネルギーがゲスト分子に移動した段階で、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子に分裂し、ｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上高いので、ゲスト分子の三重項励起状態がｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）の三重項励起状態にエネルギー移動することはない。
【００４８】
また、本発明の一態様では、例えば、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位がゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことによりｎ型ホスト分子を伝導してきた電子は、優先的にゲスト分子のＬＵＭＯ準位に入る。その結果、ゲスト分子はアニオンとなり、正孔を誘引し、ゲスト分子において正孔と電子が再結合する。
【００４９】
また、本発明の一態様では、例えば、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位がゲスト分子のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことによりｐ型ホスト分子を伝導してきた正孔は、優先的にゲスト分子のＨＯＭＯ準位に入る。その結果、ゲスト分子はカチオンとなり、電子を誘引し、ゲスト分子において正孔と電子が再結合する。
【００５０】
このようにして、本発明の一態様を用いることにより、効率よくゲスト分子にキャリアを注入し、直接再結合過程の比率を高めることができる。特に、本発明の一態様では、発光層にｎ型ホストとｐ型ホストを混在して用いているため、電子はｎ型ホスト分子を伝導し、正孔はｐ型ホスト分子を伝導する傾向がある。その結果、ゲスト分子のＬＵＭＯ準位にはｎ型ホスト分子から電子が注入され、また、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位にはｐ型ホスト分子から正孔が注入される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のさまざまな態様を示す図。
【図２】本発明の一態様の原理を説明する図。
【図３】本発明の一態様の原理を説明する図。
【図４】実施例１の発光素子の電流密度−輝度特性を示す図。
【図５】実施例１の発光素子の電圧−輝度特性を示す図。
【図６】実施例１の発光素子の輝度−電流効率特性を示す図。
【図７】実施例１の発光素子の輝度−外部量子効率特性を示す図。
【図８】実施例１の発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図９】実施例１の発光素子の信頼性試験の結果を示す図。
【図１０】実施例２の発光素子の電流密度−輝度特性を示す図。
【図１１】実施例２の発光素子の電圧−輝度特性を示す図。
【図１２】実施例２の発光素子の輝度−電流効率特性を示す図。
【図１３】実施例２の発光素子の輝度−外部量子効率特性を示す図。
【図１４】実施例２の発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図１５】実施例２の発光素子の信頼性試験の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００５３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子の原理について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は２つのｎ型ホスト分子（Ｈ＿ｎ＿１、Ｈ＿ｎ＿２）と１つのゲスト分子（Ｇ）と２つのｐ型ホスト分子（Ｈ＿ｐ＿１、Ｈ＿ｐ＿２）が直線状に並んでいる場合のこれらの分子のエネルギー状態を示す。各分子は、それぞれＨＯＭＯとＬＵＭＯを有する。
【００５４】
ここでは、説明を簡単にするため、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎとゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａを等しく、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐとゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂを等しくしてあるが、そのような場合に限られず、−０．３［電子ボルト］＜Ｅａ−Ｅｎ＜＋０．３［電子ボルト］、−０．３［電子ボルト］）＜Ｅｂ−Ｅｐ＜＋０．３［電子ボルト］であればよい。また、ｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差はゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差より０．５電子ボルト以上大きいことが好ましい。
【００５５】
ｎ型ホスト分子、ｐ型ホスト分子、ゲスト分子のいずれも、基底状態では、ＨＯＭＯには２つの電子があり、ＬＵＭＯには電子が無い。例えば、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿２とゲスト分子Ｇとｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２は、ＨＯＭＯには２つの電子があり、ＬＵＭＯには電子が無い状態である。
【００５６】
一方、陽極（図の右側）より正孔が、陰極（図の左側）より電子が注入されたため、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はＬＵＭＯに電子を有し、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はＨＯＭＯに電子が１つしかない（正孔が一つある）状態となっている。すなわち、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はアニオンであり、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はカチオンである。
【００５７】
電子と正孔は、このようなｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子をホッピングしながら伝導する。そして、図２（Ｂ）に示すように、ゲスト分子のＬＵＭＯに電子が、ＨＯＭＯに正孔が注入され（直接再結合過程）、ゲスト分子は励起状態（分子内励起子、エキシトン）となる。このように、直接励起再結合過程でも、特にｎ型ホストおよびｐ型ホストからゲストに直接、キャリアが注入される現象を、Ｇｕｅｓｔ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｈｏｓｔｓ（ＧＣＣＨ）という。
【００５８】
ところで、図２でも明らかなように、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差およびｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差は、いずれもゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差よりかなり大きいので、フェルスター機構やデクスター機構によって、ゲストの三重項励起状態がｎ型ホストあるいはｐ型ホストの三重項励起状態に移行する確率は十分に小さい。
【００５９】
すなわち、図２（Ｃ）に示すように、ゲスト分子Ｇおよびｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の基底状態（それぞれ、Ｓ０＿Ｇ、Ｓ０＿Ｈ＿ｎ＿１）を基準としたとき、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の三重項励起状態のエネルギー準位Ｔ１＿Ｈ＿ｎ＿１はゲスト分子Ｇの三重項励起状態のエネルギー準位Ｔ１＿ＧよりもΔＥｔ（≧０．１５電子ボルト）だけ高いので、この間の遷移は常温では起こりにくい。なお、図２（Ｃ）でＳ１＿Ｇ、Ｓ１＿Ｈ＿ｎ＿１は、それぞれ、ゲスト分子Ｇ、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の一重項励起状態のエネルギー準位である。
【００６０】
図２（Ｃ）では、ｎ型ホスト分子のエネルギー状態について述べたが、ｐ型ホスト分子でも、その三重項励起状態のエネルギー準位が、ゲスト分子の三重項励起状態のエネルギー準位より高ければ同様の効果が得られる。
【００６１】
厳密には、分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差が、その分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差というわけではないが、一定の相関はある。例えば、後述する（アセチルアセトナト）ビス（４，６−ジフェニルピリミジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］）はゲストとして用いられるが、そのＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の差は２．５８電子ボルトであるのに対し、その三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、２．２２電子ボルトである。また、ｎ型ホストとして用いられる２−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）は、それぞれ、３．１０電子ボルト、２．５４電子ボルトであり、ｐ型ホストとして用いられる４、４’−ジ（１−ナフチル）−４’’−（９−フェニル−９Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニルアミン（略称：ＰＣＢＮＢＢ）は、ぞれぞれ、３．１５電子ボルト、２．４０電子ボルトである。
【００６２】
ところで、ゲストとして上記の［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］、ｎ型ホストとして２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ｐ型ホストとしてＰＣＢＮＢＢを用いた場合、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差およびＰＣＢＮＢＢの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差（光学測定の結果では、ぞれぞれ、２．５４電子ボルト、２．４０電子ボルト）は、ゲストの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差（光学測定の結果では、２．２２電子ボルト）より０．１８電子ボルト以上高いので、ゲストの三重項励起状態がホストに移ることはほとんど無い。
【００６３】
また、ゲストとして（ジピバロイルメタナト）ビス（３，５−ジメチル−２−フェニルピラジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）を用いることもできる。［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は光学測定の結果では、２．２４電子ボルトである。
【００６４】
したがって、ｎ型ホストとして２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ｐ型ホストとしてＰＣＢＮＢＢを用いた場合、それらの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１６電子ボルト以上高いので、ゲストの三重項励起状態がホストに移ることはほとんど無い。
【００６５】
以上は、ゲストに電子と正孔が注入される直接再結合過程であるが、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子が励起錯体を形成し、これがゲスト分子にエネルギー移動することにより、ゲスト分子を励起状態とすることもできる。この場合には、エネルギー移動には、フェルスター機構やデクスター機構を使用する。
【００６６】
励起錯体（エキサイプレックス、ｅｘｃｉｐｌｅｘ）は、励起状態における異種分子間の相互作用によって形成される。励起錯体は、比較的深いＬＵＭＯ準位をもつ材料と、浅いＨＯＭＯ準位をもつ材料間との間で形成しやすいことが一般に知られている。例えば、前者としてｐ型ホスト、後者としてｎ型ホストを用いることができる。
【００６７】
ここで、ｎ型ホストとｐ型ホストのＨＯＭＯ準位及びＬＵＭＯ準位は互いに異なり、ｎ型ホストのＨＯＭＯ準位＜ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位＜ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位＜ｐ型ホストのＬＵＭＯ準位という順で高い。
【００６８】
そして、このｎ型ホストとｐ型ホストにより励起錯体が形成された場合、励起錯体のＬＵＭＯ準位は、ｎ型ホストに由来し、ＨＯＭＯ準位は、ｐ型ホストに由来する。したがって、励起錯体のエネルギー差は、ｎ型ホストのエネルギー差、及びｐ型ホストのエネルギー差よりも小さくなる。つまり、ｎ型ホストとｐ型ホストのそれぞれの発光波長に比べて、励起錯体の発光波長は長波長となる。励起錯体の形成過程は大きく分けて以下の２つの過程が考えられる。
【００６９】
≪エレクトロプレックス（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌｅｘ）≫
本明細書において、エレクトロプレックスとは、基底状態のｎ型ホスト及び基底状態のｐ型ホストから、直接、励起錯体が形成されることを指す。
【００７０】
前述の通り、フェルスター機構やデクスター機構では、電子及び正孔がホスト中で再結合した場合、励起状態のホストからゲストに励起エネルギーが移動し、ゲストが励起状態に至り、発光する。
【００７１】
ここで、ホストからゲストに励起エネルギーが移動する前に、ホスト自体が発光する、又は励起エネルギーが熱エネルギーとなることで、励起エネルギーの一部を失う。特に、ホストが一重項励起状態である場合は、三重項励起状態である場合に比べて励起寿命が短いため、一重項励起子の失活が起こりやすい。励起子の失活は、発光素子の寿命の低下につながる要因の一つである。
【００７２】
一方、本発明の一態様では、ｎ型ホスト及びｐ型ホストが同じ発光層に存在するので、ｎ型ホスト分子及びｐ型ホスト分子がキャリアを持った状態（アニオンおよびカチオン）から、エレクトロプレックスを形成することが多い。そのため、励起寿命の短いｎ型ホスト分子の一重項励起子あるいはｐ型ホスト分子の一重項励起子は形成されにくい。
【００７３】
つまり、個々の分子の一重項励起子を形成することなく、直接、励起錯体を形成する過程がほとんどである。これにより、上記一重項励起子の失活も抑制することができる。そして、生じたエレクトロプレックスからゲストにエネルギー移動をおこなって発光効率が高い発光素子を得ることができる。
【００７４】
≪励起子による励起錯体の形成≫
もう一つの過程としては、ホストであるｎ型ホスト分子及びｐ型ホスト分子の一方が一重項励起子を形成した後、基底状態の他方と相互作用して励起錯体を形成する素過程が考えられる。エレクトロプレックスとは異なり、この場合は一旦、ｎ型ホスト分子あるいはｐ型ホスト分子の一重項励起子が生成してしまうが、これを速やかに励起錯体に変換できれば、やはり一重項励起子の失活を抑制することができる。なお、上述のように、ｎ型ホスト及びｐ型ホストが同じ発光層に存在する場合には、この過程は起こりにくい。
【００７５】
例えば、ｎ型ホストは電子トラップ性の化合物であり、一方でｐ型ホストは正孔トラップ性の化合物である。これら化合物のＨＯＭＯ準位の差、及びＬＵＭＯ準位の差が大きい場合（具体的には差が０．３ｅＶ以上）、電子は優先的にｎ型ホスト分子に入り、正孔は優先的にｐ型ホスト分子に入る。この場合、一重項励起子を経て励起錯体が形成される過程よりも、エレクトロプレックスが形成される過程の方が優先されると考えられる。
【００７６】
ところで、上記のようにして形成された励起錯体からゲスト分子へのエネルギー移動は、フェルスター機構やデクスター機構によるものであるが、上述のように、これらの機構においては、例えば、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が小さい方が好ましい。
【００７７】
この場合、励起錯体の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位の差に相当し、これらがゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差と等しいあるいは近い場合には、効率的にエネルギーが移動し、ゲスト分子を三重項励起状態とすることができ、励起錯体自らは基底状態となる。
【００７８】
ただし、励起錯体は、励起状態でのみ安定であるので、基底状態に戻ると、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子に分離する。そして、上述のように、これらの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より大きいため、ゲスト分子の三重項励起状態がいずれかのホスト分子にエネルギー移動することは室温では極めて起こりにくい。
【００７９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子の原理について図３を用いて説明する。図３（Ａ）は２つのｎ型ホスト分子（Ｈ＿ｎ＿１、Ｈ＿ｎ＿２）と１つのゲスト分子（Ｇ）と２つのｐ型ホスト分子（Ｈ＿ｐ＿１、Ｈ＿ｐ＿２）が直線状に並んでいる場合のこれらの分子のエネルギーの様子を示す。各分子は、それぞれＨＯＭＯとＬＵＭＯを有する。
【００８０】
ここでは、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎはゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐはゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより高いとする。また、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差およびｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差は、いずれもゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差より０．５電子ボルト以上大きいことが好ましい。
【００８１】
図３（Ａ）に示すように、陽極（図の右側）より正孔が、陰極（図の左側）より電子が注入されたため、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はＬＵＭＯにも電子を有し、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はＨＯＭＯの電子が１つしかない（正孔が一つある）状態となっている。したがって、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はアニオンであり、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はカチオンである。
【００８２】
電子と正孔は、このようなｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子をホッピングしながら伝導する。図に示すように、ｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位よりも高いので、電子はｎ型ホスト分子を伝導する。また、ｎ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位はｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりも低いので、正孔はｐ型ホスト分子を伝導する。
【００８３】
そして、図３（Ｂ）に示すように、ゲスト分子のＬＵＭＯに電子が注入され、ゲスト分子はアニオンとなる。ここで、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高く、もちろん、ｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はさらに高い。すると、ゲスト分子のＬＵＭＯに入った電子は準安定な状態となり、いわば、ゲスト分子にトラップされた状態となる。
【００８４】
その結果、ゲスト分子は負の電荷を帯びたアニオンとなるので、周囲にある正孔をクーロン相互作用（図中にＦと表記）によって誘引する。そのため、図３（Ｃ）に示すように、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２にある正孔がゲスト分子Ｇに注入される。クーロン相互作用は比較的、遠くまで及ぶため、効率的にゲスト分子内に電子と正孔が集まることとなる。
【００８５】
なお、この際、ゲスト分子ＧのＬＵＭＯにある電子とｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔と再結合する（すなわち、ゲスト分子ＧのＬＵＭＯにある電子がｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯに移動する、あるいは、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔がゲスト分子ＧのＬＵＭＯに移動する）と、その段階で発光が生じる。
【００８６】
また、上記の電子移動が禁制であれば、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔がゲスト分子ＧのＨＯＭＯに移動し、ゲスト分子Ｇは励起状態となる。その後、ゲスト分子Ｇは基底状態に遷移するが、その過程で発光が生じる。
【００８７】
ゲストにクーロン相互作用により正孔を誘引するには、（ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位）−（ゲストのＨＯＭＯ準位）をΔＥｐ、（ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位）−（ゲストのＬＵＭＯ準位）をΔＥｎとするとき、ΔＥｐ＜ΔＥｎ＋０．２［電子ボルト］、好ましくは、ΔＥｐ＜ΔＥｎとするとよい。以上の作用により、ゲスト分子内で正孔と電子が再結合する。
【００８８】
上記の過程は、ゲスト分子がアニオンとなったために生じる。もし、ゲスト分子の電荷が中性であれば、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位はｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりも低いので正孔がゲスト分子に注入される可能性は低い。
【００８９】
図３は、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎはゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐはゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより高い場合を示したが、逆にｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより０．１電子ボルト以上低く、また、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上低い場合でも同様の原理で、ゲスト分子内で効率よく正孔と電子が再結合する。この場合は、ゲスト分子のＨＯＭＯに正孔が最初に注入され、そのクーロン相互作用によりゲスト分子に電子が注入される。
【００９０】
なお、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより低い場合は、さらに効率的にゲストに電荷を注入し、励起状態とすることができる。その場合は、少なくともｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上高いか、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより０．１電子ボルト以上低いことが好ましい。
【００９１】
また、アニオンとなったｎ型ホスト分子とカチオンとなったｐ型ホスト分子が隣接する場合、両者が励起錯体状態となることがある。このとき、近くにあるゲスト分子を励起状態とするには、上述のエネルギー移動過程を経る必要があるが、その場合には、励起錯体の励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差ができるだけ近い方がよい。
【００９２】
もし、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位がゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルトだけ高ければ、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位がゲスト分子のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルトだけ低くなるような材料を選択して、励起錯体の励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差ができるだけ等しくなるようにすればよい。
【００９３】
具体的には、ゲストとして用いられる［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］のＬＵＭＯ準位、ＨＯＭＯ準位は、ぞれぞれ、−２．９８電子ボルト、−５．５６電子ボルトであり、また、ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩは、それぞれ、−２．７８電子ボルト、−５．８８電子ボルトであり、ｐ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢは、ぞれぞれ、−２．３１電子ボルト、−５．４６電子ボルトである。
【００９４】
この組み合わせにおいては、ゲストのＬＵＭＯ準位はｎ型ホストおよびｐ型ホストのＬＵＭＯ準位より低く、特にｎ型ホストのＬＵＭＯ準位より０．２電子ボルト低いため、ゲスト分子は電子をトラップしてアニオンとなりやすい。また、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位はｎ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりは高いものの、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりは０．１電子ボルト低い。
【００９５】
したがって、図３に示したように、最初にゲストのＬＵＭＯに電子が注入され、そのクーロン相互作用によりゲストに正孔が注入されることにより、発光することとなる。
【００９６】
また、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］のＬＵＭＯ準位は、−２．７７電子ボルトであり、ｎ型ホスト（２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）のＬＵＭＯ準位（−２．７８電子ボルト）とほとんど同じであり、また、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］のＨＯＭＯ準位は−５．５０電子ボルトであり、ｐ型ホスト（ＰＣＢＮＢＢ）のＨＯＭＯ準位（−５．４３電子ボルト）よりも０．０７電子ボルト低い。
【００９７】
これらの数値は［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］が上記のｎ型ホストやｐ型ホストと一緒に用いられる場合には、電子やホールをトラップする作用が、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］よりも劣っていることを示している。
【００９８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子について図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ｂ）は、第１の電極１０３と第２の電極１０４との間にＥＬ層１１０を有する発光素子を示した図である。図１（Ｂ）における発光素子は、第１の電極１０３の上に順に積層した第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、発光層１０２、第２のキャリアの輸送層１０８、第２のキャリアの注入層１０７と、さらにその上に設けられた第２の電極１０４から構成されている。ＥＬ層１１０は発光層１０２以外に、第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの輸送層１０８、第２のキャリアの注入層１０７より構成される。なお、ＥＬ層１１０は必ずしもこれらの層を全て有する必要は無い。
【００９９】
ここで、第１の電極１０３は陽極あるいは陰極の一方であり、第２の電極１０４は陽極あるいは陰極の他方である。また、第１のキャリアは正孔あるいは電子の一方であり、第２のキャリアは正孔あるいは電子の他方である。また、第１の電極が陽極であれば、第１のキャリアは正孔であり、第１の電極が陰極であれば、第１のキャリアは電子である。また、第１のキャリアの注入層１０５、第２のキャリアの注入層１０７は正孔注入層と電子注入層のいずれかであり、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの輸送層１０８は正孔輸送層と電子輸送層のいずれかである。
【０１００】
陽極としては、仕事関数の大きい（具体的には４．０ｅＶ以上）金属、合金、導電性化合物、及びこれらの混合物などを用いることが好ましい。具体的には、例えば、酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、珪素又は酸化珪素を含有した酸化インジウム−酸化スズ、酸化インジウム−酸化亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）等が挙げられる。これらの導電性金属酸化物膜は、通常スパッタリング法により成膜されるが、ゾル−ゲル法などを応用して作製しても構わない。
【０１０１】
例えば、酸化インジウム−酸化亜鉛膜は、酸化インジウムに対し１〜２０ｗｔ％の酸化亜鉛を加えたターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。また、ＩＷＺＯ膜は、酸化インジウムに対し酸化タングステンを０．５〜５ｗｔ％、酸化亜鉛を０．１〜１ｗｔ％含有したターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。この他、グラフェン、金、白金、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、又は金属材料の窒化物（例えば、窒化チタン）等が挙げられる。
【０１０２】
但し、ＥＬ層１１０のうち、陽極に接して形成される層が、後述する有機化合物と電子受容体（アクセプター）とを混合してなる複合材料を用いて形成される場合には、陽極に用いる物質は、仕事関数の大小に関わらず、様々な金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、アルミニウムを含む合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ）等も用いることもできる。陽極は、例えばスパッタリング法や蒸着法（真空蒸着法を含む）等により形成することができる。
【０１０３】
陰極は、仕事関数の小さい（好ましくは３．８ｅＶ以下）金属、合金、電気伝導性化合物、及びこれらの混合物などを用いて形成することが好ましい。具体的には、元素周期表の第１族または第２族に属する元素、すなわちリチウムやセシウム等のアルカリ金属、およびカルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属、マグネシウム、およびこれらを含む合金（例えば、Ｍｇ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ）、ユーロピウム、イッテルビウム等の希土類金属およびこれらを含む合金の他、アルミニウムや銀などを用いることができる。
【０１０４】
但し、ＥＬ層１１０のうち、陰極に接して形成される層が、後述する有機化合物と電子供与体（ドナー）とを混合してなる複合材料を用いる場合には、仕事関数の大小に関わらず、Ａｌ、Ａｇ、ＩＴＯ、珪素若しくは酸化珪素を含有した酸化インジウム−酸化スズ等様々な導電性材料を用いることができる。なお、陰極を形成する場合には、真空蒸着法やスパッタリング法を用いることができる。また、銀ペーストなどを用いる場合には、塗布法やインクジェット法などを用いることができる。
【０１０５】
正孔注入層は、正孔注入性の高い物質を含む層である。正孔注入性の高い物質としては、モリブデン酸化物、チタン酸化物、バナジウム酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物、クロム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物、銀酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）、銅（ＩＩ）フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）等のフタロシアニン系の化合物を用いることができる。
【０１０６】
また、低分子の有機化合物である４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−ジフェニルアミノフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＰＡＢ）、４，４’−ビス（Ｎ−｛４−［Ｎ’−（３−メチルフェニル）−Ｎ’−フェニルアミノ］フェニル｝−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）、１，３，５−トリス［Ｎ−（４−ジフェニルアミノフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ベンゼン（略称：ＤＰＡ３Ｂ）、３−［Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＡ１）、３，６−ビス［Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＡ２）、３−［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）アミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＮ１）等の芳香族アミン化合物等を用いることができる。
【０１０７】
さらに、高分子化合物（オリゴマー、デンドリマー、ポリマー等）を用いることもできる。例えば、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）（略称：ＰＶＫ）、ポリ（４−ビニルトリフェニルアミン）（略称：ＰＶＴＰＡ）、ポリ［Ｎ−（４−｛Ｎ’−［４−（４−ジフェニルアミノ）フェニル］フェニル−Ｎ’−フェニルアミノ｝フェニル）メタクリルアミド］（略称：ＰＴＰＤＭＡ）、ポリ［Ｎ，Ｎ’−ビス（４−ブチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）ベンジジン］（略称：Ｐｏｌｙ−ＴＰＤ）などの高分子化合物が挙げられる。また、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリアニリン／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＡｎｉ／ＰＳＳ）等の酸を添加した高分子化合物を用いることができる。
【０１０８】
また、正孔注入層として、有機化合物と電子受容体（アクセプター）とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子受容体によって有機化合物に正孔が発生するため、正孔注入性および正孔輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した正孔の輸送に優れた材料（正孔輸送性の高い物質）であることが好ましい。
【０１０９】
複合材料に用いる有機化合物としては、芳香族アミン化合物、カルバゾール誘導体、芳香族炭化水素、高分子化合物（オリゴマー、デンドリマー、ポリマー等）など、種々の化合物を用いることができる。なお、複合材料に用いる有機化合物としては、正孔輸送性の高い有機化合物であることが好ましい。具体的には、１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の正孔移動度を有する物質であることが好ましい。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。以下では、複合材料に用いることのできる有機化合物を具体的に列挙する。
【０１１０】
複合材料に用いることのできる有機化合物としては、例えば、ＴＤＡＴＡ、ＭＴＤＡＴＡ、ＤＰＡＢ、ＤＮＴＰＤ、ＤＰＡ３Ｂ、ＰＣｚＰＣＡ１、ＰＣｚＰＣＡ２、ＰＣｚＰＣＮ１、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢまたはα−ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−［１，１’−ビフェニル］−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４−フェニル−４’−（９−フェニルフルオレン−９−イル）トリフェニルアミン（略称：ＢＰＡＦＬＰ）等の芳香族アミン化合物や、４，４’−ジ（Ｎ−カルバゾリル）ビフェニル（略称：ＣＢＰ）、１，３，５−トリス［４−（Ｎ−カルバゾリル）フェニル］ベンゼン（略称：ＴＣＰＢ）、９−［４−（Ｎ−カルバゾリル）］フェニル−１０−フェニルアントラセン（略称：ＣｚＰＡ）、９−フェニル−３−［４−（１０−フェニル−９−アントリル）フェニル］−９Ｈ−カルバゾール（略称：ＰＣｚＰＡ）、１，４−ビス［４−（Ｎ−カルバゾリル）フェニル］−２，３，５，６−テトラフェニルベンゼン等のカルバゾール誘導体を用いることができる。
【０１１１】
また、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＮＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（１−ナフチル）アントラセン、９，１０−ビス（３，５−ジフェニルフェニル）アントラセン（略称：ＤＰＰＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ビス（４−フェニルフェニル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＢＡ）、９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＮＡ）、９，１０−ジフェニルアントラセン（略称：ＤＰＡｎｔｈ）、２−ｔｅｒｔ−ブチルアントラセン（略称：ｔ−ＢｕＡｎｔｈ）、９，１０−ビス（４−メチル−１−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＭＮＡ）、９，１０−ビス［２−（１−ナフチル）フェニル］−２−ｔｅｒｔ−ブチルアントラセン、９，１０−ビス［２−（１−ナフチル）フェニル］アントラセン、２，３，６，７−テトラメチル−９，１０−ジ（１−ナフチル）アントラセン等の芳香族炭化水素化合物を用いることができる。
【０１１２】
さらに、２，３，６，７−テトラメチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン、９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ジフェニル−９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ビス（２−フェニルフェニル）−９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ビス［（２，３，４，５，６−ペンタフェニル）フェニル］−９，９’−ビアントリル、アントラセン、テトラセン、ルブレン、ペリレン、２，５，８，１１−テトラ（ｔｅｒｔ−ブチル）ペリレン、ペンタセン、コロネン、４，４’−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（略称：ＤＰＶＢｉ）、９，１０−ビス［４−（２，２−ジフェニルビニル）フェニル］アントラセン（略称：ＤＰＶＰＡ）等の芳香族炭化水素化合物を用いることができる。
【０１１３】
また、電子受容体としては、７，７，８，８−テトラシアノ−２，３，５，６−テトラフルオロキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）、クロラニル等の有機化合物や、遷移金属酸化物を挙げることができる。また、元素周期表における第４族乃至第８族に属する金属の酸化物を挙げることができる。具体的には、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化レニウムは電子受容性が高いため好ましい。中でも特に、酸化モリブデンは大気中でも安定であり、吸湿性が低く、扱いやすいため好ましい。
【０１１４】
なお、上述したＰＶＫ、ＰＶＴＰＡ、ＰＴＰＤＭＡ、Ｐｏｌｙ−ＴＰＤ等の高分子化合物と、上述した電子受容体を用いて複合材料を形成し、正孔注入層に用いてもよい。
【０１１５】
正孔輸送層は、正孔輸送性の高い物質を含む層である。正孔輸送性の高い物質としては、ＮＰＢ、ＴＰＤ、ＢＰＡＦＬＰ、４，４’−ビス［Ｎ−（９，９−ジメチルフルオレン−２−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’−ビス［Ｎ−（スピロ−９，９’−ビフルオレン−２−イル）−Ｎ―フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＢＳＰＢ）などの芳香族アミン化合物を用いることができる。ここに述べた物質は、主に１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の正孔移動度を有する物質である。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、正孔輸送性の高い物質を含む層は、単層のものだけでなく、上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。
【０１１６】
また、正孔輸送層には、ＣＢＰ、ＣｚＰＡ、ＰＣｚＰＡのようなカルバゾール誘導体や、ｔ−ＢｕＤＮＡ、ＤＮＡ、ＤＰＡｎｔｈのようなアントラセン誘導体を用いても良い。
【０１１７】
また、正孔輸送層には、ＰＶＫ、ＰＶＴＰＡ、ＰＴＰＤＭＡ、Ｐｏｌｙ−ＴＰＤなどの高分子化合物を用いることもできる。
【０１１８】
発光層１０２は、発光物質を含む層である。本実施の形態の発光層１０２は、ゲストとして燐光性化合物を有し、ホストとしてｎ型ホスト及びｐ型ホストを有する。ｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）は、２種以上用いることができる。
【０１１９】
燐光性化合物としては、有機金属錯体が好ましく、イリジウム錯体が特に好ましい。なお、上述のフェルスター機構によるエネルギー移動を考慮すると、燐光性化合物の最も長波長側に位置する吸収帯のモル吸光係数は、２０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上が好ましく、５０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上が特に好ましい。
【０１２０】
このような大きなモル吸光係数を有する化合物としては、例えば、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］や、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］などが挙げられる。特に、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］のように、モル吸光係数が５０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上に達する材料を用いると、外部量子効率が３０％程度に達する発光素子が得られる。
【０１２１】
ｎ型ホストとしては、例えば、上述の２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ以外にも、２−［４−（３，６−ジフェニル−９Ｈ−カルバゾール−９−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：２ＣｚＰＤＢｑ−ＩＩＩ）、７−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：７ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）、及び、６−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：６ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）のような電子を受け取りやすい化合物のうちいずれか一を用いればよい。
【０１２２】
またｐ型ホストとしては、上述のＰＣＢＮＢＢ以外にも、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢまたはα−ＮＰＤ）、及び、４−フェニル−４’−（９−フェニル−９Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニルアミン（略称：ＰＣＢＡ１ＢＰ）のような正孔を受け取りやすい化合物を用いればよい。ただし、これらに限定されることなく、例えば、実施の形態１あるいは実施の形態２に示したエネルギー準位の関係を満たすｎ型ホストとｐ型ホストの組み合わせであればよい。
【０１２３】
電子輸送層は、電子輸送性の高い物質を含む層である。電子輸送性の高い物質としては、Ａｌｑ３、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ＢＡｌｑ、Ｚｎ（ＢＯＸ）２、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）などの金属錯体が挙げられる。
【０１２４】
また、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−フェニル−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、４，４’−ビス（５−メチルベンゾオキサゾール−２−イル）スチルベン（略称：ＢｚＯｓ）などの複素芳香族化合物も用いることができる。
【０１２５】
また、ポリ（２，５−ピリジン−ジイル）（略称：ＰＰｙ）、ポリ［（９，９−ジヘキシルフルオレン−２，７−ジイル）−ｃｏ−（ピリジン−３，５−ジイル）］（略称：ＰＦ−Ｐｙ）、ポリ［（９，９−ジオクチルフルオレン−２，７−ジイル）−ｃｏ−（２，２’−ビピリジン−６，６’−ジイル）］（略称：ＰＦ−ＢＰｙ）のような高分子化合物を用いることもできる。ここに述べた物質は、主に１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の電子移動度を有する物質である。なお、正孔よりも電子の輸送性の高い物質であれば、上記以外の物質を電子輸送層として用いてもよい。
【０１２６】
また、電子輸送層は、単層のものだけでなく、上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。
【０１２７】
電子注入層は、電子注入性の高い物質を含む層である。電子注入層には、リチウム、セシウム、カルシウム、フッ化リチウム、フッ化セシウム、フッ化カルシウム、リチウム酸化物等のようなアルカリ金属、アルカリ土類金属、またはそれらの化合物を用いることができる。また、フッ化エルビウムのような希土類金属化合物を用いることができる。また、上述した電子輸送層を構成する物質を用いることもできる。
【０１２８】
あるいは、電子注入層に、有機化合物と電子供与体（ドナー）とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子供与体によって有機化合物に電子が発生するため、電子注入性および電子輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した電子の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した電子輸送層を構成する物質（金属錯体や複素芳香族化合物等）を用いることができる。
【０１２９】
電子供与体としては、有機化合物に対し電子供与性を示す物質であればよい。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属や希土類金属が好ましく、リチウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、エルビウム、イッテルビウム等が挙げられる。また、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が好ましく、リチウム酸化物、カルシウム酸化物、バリウム酸化物等が挙げられる。また、酸化マグネシウムのようなルイス塩基を用いることもできる。また、テトラチアフルバレン（略称：ＴＴＦ）等の有機化合物を用いることもできる。
【０１３０】
なお、上述した正孔注入層、正孔輸送層、発光層１０２、電子輸送層、電子注入層は、それぞれ、蒸着法（真空蒸着法を含む）、インクジェット法、塗布法等の方法で形成することができる。
【０１３１】
また、図１（Ｃ）に示すように、陽極と陰極との間に複数のＥＬ層１１０ａ、１１０ｂが積層されていても良い。この場合、ＥＬ層１１０ａ、１１０ｂはそれぞれ少なくとも発光層を有する。積層された第１のＥＬ層１１０ａと第２のＥＬ層１１０ｂとの間には、電荷発生層１１１を設けることが好ましい。電荷発生層１１１は上述の複合材料で形成することができる。また、電荷発生層１１１は複合材料からなる層と他の材料からなる層との積層構造でもよい。
【０１３２】
この場合、他の材料からなる層としては、電子供与性物質と電子輸送性の高い物質とを含む層や、透明導電膜からなる層などを用いることができる。このような構成を有する発光素子は、エネルギーの移動や消光などの問題が起こり難く、材料の選択の幅が広がることで高い発光効率と長い寿命とを併せ持つ発光素子とすることが容易である。また、一方のＥＬ層で燐光発光、他方で蛍光発光を得ることも容易である。この構造は上述のＥＬ層の構造と組み合わせて用いることができる。
【０１３３】
また、それぞれのＥＬ層の発光色を異なるものにすることで、発光素子全体として、所望の色の発光を得ることができる。例えば、第１のＥＬ層１１０ａの発光色と第２のＥＬ層１１０ｂの発光色を補色の関係になるようにすることで、発光素子全体として白色発光する発光素子を得ることも可能である。また、３つ以上のＥＬ層を有する発光素子の場合でも同様である。
【０１３４】
あるいは、図１（Ｄ）に示すように、陽極２０１と陰極２０９との間に、正孔注入層２０２、正孔輸送層２０３、発光層２０４、電子輸送層２０５、電子注入バッファー層２０６、電子リレー層２０７、及び陰極２０９と接する複合材料層２０８を有するＥＬ層２１０を形成しても良い。
【０１３５】
陰極２０９と接する複合材料層２０８を設けることで、特にスパッタリング法を用いて陰極を形成する際に、ＥＬ層２１０が受けるダメージを低減することができるため、好ましい。複合材料層２０８は、前述の、正孔輸送性の高い有機化合物にアクセプター性物質を含有させた複合材料を用いることもできる。
【０１３６】
さらに、電子注入バッファー層２０６を設けることで、複合材料層２０８と電子輸送層２０５との間の注入障壁を緩和することができるため、複合材料層２０８で生じた電子を電子輸送層２０５に容易に注入することができる。
【０１３７】
電子注入バッファー層２０６には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、およびこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウム等の酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウム等の炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、または希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））等の電子注入性の高い物質を用いることが可能である。
【０１３８】
また、電子注入バッファー層２０６が、電子輸送性の高い物質とドナー性物質を含んで形成される場合には、電子輸送性の高い物質に対して質量比で、０．００１以上０．１以下の比率でドナー性物質を添加することが好ましい。電子輸送性の高い物質としては、先に説明した電子輸送層２０５の材料と同様の材料を用いて形成することができる。
【０１３９】
また、ドナー性物質としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、およびこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウム等の酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウム等の炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、または希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））の他、テトラチアナフタセン（略称：ＴＴＮ）、ニッケロセン、デカメチルニッケロセン等の有機化合物を用いることもできる。
【０１４０】
さらに、電子注入バッファー層２０６と複合材料層２０８との間に、電子リレー層２０７を形成することが好ましい。電子リレー層２０７は、必ずしも設ける必要は無いが、電子輸送性の高い電子リレー層２０７を設けることで、電子注入バッファー層２０６へ電子を速やかに送ることが可能となる。
【０１４１】
複合材料層２０８と電子注入バッファー層２０６との間に電子リレー層２０７が挟まれた構造は、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質と、電子注入バッファー層２０６に含まれるドナー性物質とが相互作用を受けにくく、互いの機能を阻害しにくい構造である。したがって、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。
【０１４２】
電子リレー層２０７は、電子輸送性の高い物質を含み、該電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位は、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質のＬＵＭＯ準位と、電子輸送層２０５に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位との間となるように形成する。
【０１４３】
また、電子リレー層２０７がドナー性物質を含む場合には、当該ドナー性物質のドナー準位も複合材料層２０８におけるアクセプター性物質のＬＵＭＯ準位と、電子輸送層２０５に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位との間となるようにする。具体的なエネルギー準位の数値としては、電子リレー層２０７に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位は−５．０ｅＶ以上、好ましくは−５．０ｅＶ以上−３．０ｅＶ以下とするとよい。
【０１４４】
電子リレー層２０７に含まれる電子輸送性の高い物質としてはフタロシアニン系の材料又は金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体を用いることが好ましい。
【０１４５】
電子リレー層２０７に含まれるフタロシアニン系材料としては、具体的にはＣｕＰｃ、ＳｎＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｎ（ＩＩ） ｃｏｍｐｌｅｘ）、ＺｎＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｚｉｎｃ ｃｏｍｐｌｅｘ）、ＣｏＰｃ（Ｃｏｂａｌｔ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ， β−ｆｏｒｍ）、ＦｅＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ Ｉｒｏｎ）及びＰｈＯ−ＶＯＰｃ（Ｖａｎａｄｙｌ ２，９，１６，２３−ｔｅｔｒａｐｈｅｎｏｘｙ−２９Ｈ，３１Ｈ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）のいずれかを用いることが好ましい。
【０１４６】
電子リレー層２０７に含まれる金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体としては、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体を用いることが好ましい。金属−酸素の二重結合はアクセプター性（電子を受容しやすい性質）を有するため、電子の移動（授受）がより容易になる。また、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体は安定であると考えられる。したがって、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体を用いることにより発光素子を低電圧でより安定に駆動することが可能になる。
【０１４７】
金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体としてはフタロシアニン系材料が好ましい。具体的には、ＶＯＰｃ（Ｖａｎａｄｙｌ ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、ＳｎＯＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｎ（ＩＶ） ｏｘｉｄｅ ｃｏｍｐｌｅｘ）及びＴｉＯＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ｃｏｍｐｌｅｘ）のいずれかは、分子構造的に金属−酸素の二重結合が他の分子に対して作用しやすく、アクセプター性が高いため好ましい。
【０１４８】
なお、上述したフタロシアニン系材料としては、フェノキシ基を有するものが好ましい。具体的にはＰｈＯ−ＶＯＰｃのような、フェノキシ基を有するフタロシアニン誘導体が好ましい。フェノキシ基を有するフタロシアニン誘導体は、溶媒に可溶である。そのため、発光素子を形成する上で扱いやすいという利点を有する。また、溶媒に可溶であるため、成膜に用いる装置のメンテナンスが容易になるという利点を有する。
【０１４９】
電子リレー層２０７はさらにドナー性物質を含んでいても良い。ドナー性物質としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属及びこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウムなどの酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウムなどの炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、又は希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））の他、テトラチアナフタセン、ニッケロセン、デカメチルニッケロセンなどの有機化合物を用いることができる。電子リレー層２０７にこれらドナー性物質を含ませることによって、電子の移動が容易となり、発光素子をより低電圧で駆動することが可能になる。
【０１５０】
電子リレー層２０７にドナー性物質を含ませる場合、電子輸送性の高い物質としては上記した材料の他、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質のアクセプター準位より高いＬＵＭＯ準位を有する物質を用いることができる。具体的なエネルギー準位としては、−５．０ｅＶ以上、好ましくは−５．０ｅＶ以上−３．０ｅＶ以下の範囲にＬＵＭＯ準位を有する物質を用いることが好ましい。このような物質としては例えば、ペリレン誘導体や、含窒素縮合芳香族化合物などが挙げられる。なお、含窒素縮合芳香族化合物は、安定であるため、電子リレー層２０７を形成する為に用いる材料として、好ましい材料である。
【０１５１】
ペリレン誘導体の具体例としては、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（略称：ＰＴＣＤＡ）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシリックビスベンゾイミダゾール（略称：ＰＴＣＢＩ）、Ｎ，Ｎ’−ジオクチル−３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：ＰＴＣＤＩ−Ｃ８Ｈ）、Ｎ，Ｎ’−ジヘキシル−３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：Ｈｅｘ ＰＴＣ）等が挙げられる。
【０１５２】
また、含窒素縮合芳香族化合物の具体例としては、ピラジノ［２，３−ｆ］［１，１０］フェナントロリン−２，３−ジカルボニトリル（略称：ＰＰＤＮ）、２，３，６，７，１０，１１−ヘキサシアノ−１，４，５，８，９，１２−ヘキサアザトリフェニレン（略称：ＨＡＴ（ＣＮ）６）、２，３−ジフェニルピリド［２，３−ｂ］ピラジン（略称：２ＰＹＰＲ）、２，３−ビス（４−フルオロフェニル）ピリド［２，３−ｂ］ピラジン（略称：Ｆ２ＰＹＰＲ）等が挙げられる。
【０１５３】
その他にも、７，７，８，８，−テトラシアノキノジメタン（略称：ＴＣＮＱ）、１，４，５，８，−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（略称：ＮＴＣＤＡ）、パーフルオロペンタセン、銅ヘキサデカフルオロフタロシアニン（略称：Ｆ１６ＣｕＰｃ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，８−ペンタデカフルオロオクチル）−１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：ＮＴＣＤＩ−Ｃ８Ｆ）、３’，４’−ジブチル−５，５’’−ビス（ジシアノメチレン）−５，５’’−ジヒドロ−２，２’：５’，２’’−テルチオフェン）（略称：ＤＣＭＴ）、メタノフラーレン（例えば、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）等を用いることができる。
【０１５４】
なお、電子リレー層２０７にドナー性物質を含ませる場合、電子輸送性の高い物質とドナー性物質との共蒸着などの方法によって電子リレー層２０７を形成すれば良い。
【０１５５】
正孔注入層２０２、正孔輸送層２０３、発光層２０４、及び電子輸送層２０５は前述の材料を用いてそれぞれ形成すれば良い。以上により、本実施の形態のＥＬ層２１０を作製することができる。
【０１５６】
上述した発光素子は、陽極と陰極との間に生じた電位差により電流が流れ、ＥＬ層において正孔と電子とが再結合することにより発光する。そして、この発光は、陽極または陰極のいずれか一方または両方を通って外部に取り出される。従って、陽極または陰極のいずれか一方、または両方が可視光に対する透光性を有する電極となる。
【０１５７】
なお、陽極と陰極との間に設けられる層の構成は、上記のものに限定されない。発光領域と金属とが近接することによって生じる消光を防ぐように、陽極及び陰極から離れた部位に正孔と電子とが再結合する発光領域を設けた構成であれば上記以外のものでもよい。
【０１５８】
つまり、層の積層構造については特に限定されず、電子輸送性の高い物質、正孔輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、正孔注入性の高い物質、バイポーラ性の物質（電子及び正孔の輸送性の高い物質）、又は正孔ブロック材料等から成る層を、発光層と自由に組み合わせて構成すればよい。
【０１５９】
本実施の形態で示した発光素子を用いて、パッシブマトリクス型の発光装置や、トランジスタによって発光素子の駆動が制御されたアクティブマトリクス型の発光装置を作製することができる。また、該発光装置を電子機器又は照明装置等に適用することができる。
【実施例１】
【０１６０】
本実施例では、本発明の一態様の発光素子について説明する。本実施例で用いた材料の化学式を以下に示す。
【０１６１】
【化１】
【０１６２】
以下に、本実施例の発光素子１及び比較発光素子２の作製方法を示す。
【０１６３】
（発光素子１）
まず、ガラス基板上に、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）をスパッタリング法にて成膜し、陽極として機能する第１の電極を形成した。なお、その膜厚は１１０ｎｍとし、電極面積は２ｍｍ×２ｍｍとした。
【０１６４】
次に、基板上に発光素子を形成するための前処理として、基板表面を水で洗浄し、２００℃で１時間焼成した後、ＵＶオゾン処理を３７０秒おこなった。
【０１６５】
その後、１０−４Ｐａ程度まで内部が減圧された真空蒸着装置内の加熱室に基板を導入し、１７０℃で３０分間の真空焼成をおこなった後、基板を３０分程度放冷した。
【０１６６】
次に、真空蒸着装置内の蒸着室に基板を導入し、第１の電極が形成された面が下方となるように、第１の電極が形成された基板が真空蒸着装置内に設けられた基板ホルダーに固定された状態で、１０−４Ｐａ程度まで減圧した後、第１の電極上に、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデン（ＶＩ）を共蒸着することで、正孔注入層を形成した。その膜厚は、４０ｎｍとし、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデンの比率は、重量比で４：２（＝ＢＰＡＦＬＰ：酸化モリブデン）となるように調節した。
【０１６７】
次に、正孔注入層上に、ＢＰＡＦＬＰを２０ｎｍの膜厚となるように成膜し、正孔輸送層を形成した。
【０１６８】
さらに、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ、及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］を共蒸着し、正孔輸送層上に発光層を形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の重量比は、０．８：０．２：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：ＰＣＢＮＢＢ：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。
【０１６９】
次に、発光層上に２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩを膜厚１０ｎｍとなるよう成膜し、第１の電子輸送層を形成した。
【０１７０】
次に、第１の電子輸送層上にＢＰｈｅｎを膜厚２０ｎｍとなるように成膜し、第２の電子輸送層を形成した。
【０１７１】
さらに、第２の電子輸送層上に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を１ｎｍの膜厚で蒸着し、電子注入層を形成した。
【０１７２】
最後に、陰極として機能する第２の電極として、アルミニウムを２００ｎｍの膜厚となるように蒸着することで、本実施例の発光素子１を作製した。
【０１７３】
（比較発光素子２）
比較発光素子２の発光層は、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］を共蒸着することで形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の重量比は、１：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。発光層以外は、発光素子１と同様に作製した。
【０１７４】
なお、上述した蒸着過程において、蒸着は全て抵抗加熱法を用いた。
【０１７５】
以上により得られた発光素子１及び比較発光素子２の素子構造を表１に示す。本実施例においては、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩがｎ型ホスト、ＰＣＢＮＢＢがｐ型ホスト、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］がゲストである。すなわち、発光素子１では、ｎ型ホストとｐ型ホストが共に発光層内にあるのに対し、比較発光素子２では、ｐ型ホストが発光層に存在しない。
【０１７６】
【表１】
【０１７７】
これらの発光素子を、窒素雰囲気のグローブボックス内において、発光素子が大気に曝されないように封止する作業をおこなった後、発光素子の動作特性について測定をおこなった。なお、測定は室温（２５℃に保たれた雰囲気）でおこなった。
【０１７８】
発光素子１及び比較発光素子２の電流密度−輝度特性を図４に示す。図４において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、電圧−輝度特性を図５に示す。図５において、横軸は電圧（Ｖ）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、輝度−電流効率特性を図６に示す。図６において、横軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は電流効率（ｃｄ／Ａ）を表す。また、輝度−外部量子効率特性を図７に示す。図７において、横軸は、輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は外部量子効率（％）を示す。
【０１７９】
また、発光素子１及び比較発光素子２における輝度１０００ｃｄ／ｍ２付近のときの電圧（Ｖ）、電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＣＩＥ色度座標（ｘ、ｙ）、電流効率（ｃｄ／Ａ）、パワー効率（ｌｍ／Ｗ）、外部量子効率（％）を表２に示す。
【０１８０】
【表２】
【０１８１】
また、発光素子１及び比較発光素子２に０．１ｍＡの電流を流した際の発光スペクトルを、図８に示す。図８において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（任意単位）を表す。また、表２に示す通り、１２００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の発光素子１のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５６，０．４４）であり、９６０ｃｄ／ｍ２の輝度の時の比較発光素子２のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５５，０．４４）であった。この結果から、発光素子１及び比較発光素子２は、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］に由来する橙色発光が得られたことがわかった。
【０１８２】
表２及び図４乃至図７からわかるように、発光素子１は、比較発光素子２に比べて、電流効率、パワー効率、外部量子効率がそれぞれ高い値を示した。一般に、発光体からの光を外部に取り出すに際しては、基板その他と大気との間で全反射がおこり、内部量子効率の２５％乃至３０％しか外部に光を取り出せないとされている。
【０１８３】
このことを考慮すると、比較発光素子２ではせいぜい、内部量子効率は６０％弱であると推定されるが、発光素子１は内部量子効率が８０％程度にまで高まっていると推定できる。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、外部量子効率の高い素子を実現できることが示された。
【０１８４】
次に、発光素子１及び比較発光素子２の信頼性試験をおこなった。信頼性試験の結果を図９に示す。図９において、縦軸は初期輝度を１００％とした時の規格化輝度（％）を示し、横軸は素子の駆動時間（ｈ）を示す。信頼性試験は、初期輝度を５０００ｃｄ／ｍ２に設定し、電流密度一定の条件で発光素子１を駆動した。
【０１８５】
比較発光素子２は、１２０時間後の輝度が、初期輝度の５８％であった。また、発光素子１は、６３０時間後の輝度が、初期輝度の６５％であった。この結果から、発光素子１は、比較発光素子２に比べて、寿命の長い素子であることがわかった。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、信頼性の高い素子を実現できることが示された。
【実施例２】
【０１８６】
本実施例では、本発明の一態様の発光素子について説明する。本実施例で用いた材料の化学式を以下に示す。なお、先の実施例で用いた材料の化学式は省略する。
【０１８７】
【化２】
【０１８８】
以下に、本実施例の発光素子３の作製方法を示す。
【０１８９】
（発光素子３）
まず、ガラス基板上に、ＩＴＳＯをスパッタリング法にて成膜し、陽極として機能する第１の電極を形成した。なお、その膜厚は１１０ｎｍとし、電極面積は２ｍｍ×２ｍｍとした。
【０１９０】
次に、基板上に発光素子を形成するための前処理として、基板表面を水で洗浄し、２００℃で１時間焼成した後、ＵＶオゾン処理を３７０秒おこなった。
【０１９１】
その後、１０−４Ｐａ程度まで内部が減圧された真空蒸着装置に基板を導入し、真空蒸着装置内の加熱室において、１７０℃で３０分間の真空焼成をおこなった後、基板を３０分程度放冷した。
【０１９２】
次に、第１の電極が形成された面が下方となるように、第１の電極が形成された基板を真空蒸着装置内に設けられた基板ホルダーに固定し、１０−４Ｐａ程度まで減圧した後、第１の電極上に、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデン（ＶＩ）を共蒸着することで、正孔注入層を形成した。その膜厚は、４０ｎｍとし、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデンの比率は、重量比で４：２（＝ＢＰＡＦＬＰ：酸化モリブデン）となるように調節した。
【０１９３】
次に、正孔注入層上に、ＢＰＡＦＬＰを２０ｎｍの膜厚となるように成膜し、正孔輸送層を形成した。
【０１９４】
さらに、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ、及び［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］を共蒸着し、正孔輸送層上に発光層を形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ及び［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］の重量比は、０．８：０．２：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：ＰＣＢＮＢＢ：［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。
【０１９５】
次に、発光層上に２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩを膜厚１０ｎｍとなるよう成膜し、第１の電子輸送層を形成した。
【０１９６】
次に、第１の電子輸送層上に、ＢＰｈｅｎを膜厚２０ｎｍとなるように成膜し、第２の電子輸送層を形成した。
【０１９７】
さらに、第２の電子輸送層上に、ＬｉＦを１ｎｍの膜厚で蒸着し、電子注入層を形成した。
【０１９８】
最後に、陰極として機能する第２の電極として、アルミニウムを２００ｎｍの膜厚となるように蒸着することで、本実施例の発光素子３を作製した。
【０１９９】
なお、上述した蒸着過程において、蒸着は全て抵抗加熱法を用いた。
【０２００】
以上により得られた発光素子３の素子構造を表３に示す。
【０２０１】
【表３】
【０２０２】
発光素子３を、窒素雰囲気のグローブボックス内において、発光素子が大気に曝されないように封止する作業をおこなった後、発光素子の動作特性について測定をおこなった。なお、測定は室温（２５℃に保たれた雰囲気）でおこなった。
【０２０３】
発光素子３の電流密度−輝度特性を図１０に示す。図１０において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、電圧−輝度特性を図１１に示す。図１１において、横軸は電圧（Ｖ）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、輝度−電流効率特性を図１２に示す。図１２において、横軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は電流効率（ｃｄ／Ａ）を表す。また、輝度−外部量子効率特性を図１３に示す。図１３において、横軸は、輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は外部量子効率（％）を示す。
【０２０４】
また、発光素子３における輝度１１００ｃｄ／ｍ２のときの電圧（Ｖ）、電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＣＩＥ色度座標（ｘ、ｙ）、電流効率（ｃｄ／Ａ）、パワー効率（ｌｍ／Ｗ）、外部量子効率（％）を表４に示す。
【０２０５】
【表４】
【０２０６】
また、発光素子３に０．１ｍＡの電流を流した際の発光スペクトルを、図１４に示す。図１４において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（任意単位）を表す。また、表４に示す通り、１１００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の発光素子３のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５４，０．４６）であった。この結果から、発光素子３は、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］に由来する橙色発光が得られたことがわかった。
【０２０７】
表４及び図１０乃至図１３からわかるように、発光素子３は、電流効率、パワー効率、外部量子効率がそれぞれ高い値を示した。特に、１１００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の外部量子効率が２８％と極めて高い値を示した。これは内部量子効率に換算すると、９０％以上となる。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、外部量子効率の高い素子を実現できることが示された。
【０２０８】
次に、発光素子３の信頼性試験をおこなった。信頼性試験の結果を図１５に示す。図１５において、縦軸は初期輝度を１００％とした時の規格化輝度（％）を示し、横軸は素子の駆動時間（ｈ）を示す。
【０２０９】
信頼性試験は、初期輝度を５０００ｃｄ／ｍ２に設定し、電流密度一定の条件で発光素子３を駆動した。３２０時間後の輝度について、発光素子３は、初期輝度の９２％を保っていた。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、信頼性の高い素子を実現できることが示された。
【実施例３】
【０２１０】
有機材料のＴ１準位は、その有機材料の薄膜や溶液の光学測定によって決定することもできるが、分子軌道計算によっても得られる。例えば、未知の材料のＴ１準位を見積もるには分子軌道計算が使用できる。本実施例では、ゲストとして用いられるＩｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃ、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍ、Ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩ、およびＰ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢのＴ１準位をそれぞれ算出した。
【０２１１】
計算方法は以下の通りである。最初に、それぞれの分子の一重項基底状態（Ｓ０）と三重項励起状態（Ｔ１）における最安定構造を、密度汎関数法（ＤＦＴ）を用いて計算した。さらに、Ｓ０とＴ１の最安定構造において振動解析をおこない、零点補正したエネルギーを求めた。Ｓ０とＴ１の零点補正したエネルギーの差から、Ｔ１準位を算出した。
【０２１２】
Ｎ型ホスト分子およびＰ型ホスト分子の計算では、全ての原子の基底関数として、６−３１１Ｇ（それぞれの原子価軌道に三つの短縮関数を用いたｔｒｉｐｌｅ ｓｐｌｉｔ ｖａｌｅｎｃｅ基底系の基底関数）を用いた。上述の基底関数により、例えば、Ｈ原子であれば、１ｓ〜３ｓの軌道が考慮され、また、Ｃ原子であれば、１ｓ〜４ｓ、２ｐ〜４ｐの軌道が考慮されることになる。さらに、計算精度向上のため、分極基底系として、Ｈ原子にはｐ関数を、Ｈ原子以外にはｄ関数を加えた。汎関数にはＢ３ＬＹＰを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定した。
【０２１３】
ゲスト分子の計算では、Ｉｒ原子の基底関数にはＬａｎＬ２ＤＺを用いた。Ｉｒ原子以外の基底関数には６−３１１Ｇを用いた。さらに、計算精度向上のため、分極基底系として、Ｈ原子にはｐ関数を、Ｈ原子以外にはｄ関数を加えた。汎関数にはＢ３ＰＷ９１を用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定した。
【０２１４】
なお、量子化学計算プログラムとしては、Ｇａｕｓｓｉａｎ０９を使用した。計算は、ハイパフォーマンスコンピュータ（ＳＧＩ社製、Ａｌｔｉｘ４７００）を用いておこなった。
【０２１５】
計算によって得られたＴ１準位は、Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃは２．１３電子ボルト、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍは２．１３電子ボルト、２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩは２．４２電子ボルト、ＰＣＢＮＢＢは２．３１電子ボルトであった。これらの値は、光学測定で得られたものに近いものであった。
【０２１６】
以上の結果より、Ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩ、およびＰ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢのＴ１準位は、ゲストとして用いられるＩｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃ、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍのＴ１準位よりも０．１５ｅＶ以上高いことが分かった。そのため、ゲスト分子の三重項励起状態からＮ型ホスト分子またはＰ型ホスト分子の三重項励起状態への遷移を十分に防止することができ、外部量子効率が高い発光素子を得ることができることが示唆された。
【０２１７】
このように光学測定で得られるＴ１準位と分子軌道計算によって得られるＴ１準位は非常に近いものである。したがって、新しい有機化合物を合成せずとも、分子軌道計算をおこない、その有機化合物のＴ１準位を評価し、その有機化合物が発光効率を高める上で有用か否かを判定できる。
【符号の説明】
【０２１８】
１０１ 基板
１０２ 発光層
１０３ 第１の電極
１０４ 第２の電極
１０５ 第１のキャリアの注入層
１０６ 第１のキャリアの輸送層
１０７ 第２のキャリアの注入層
１０８ 第２のキャリアの輸送層
１１０ ＥＬ層
１１０ａ ＥＬ層
１１０ｂ ＥＬ層
１１１ 電荷発生層
２０１ 陽極
２０２ 正孔注入層
２０３ 正孔輸送層
２０４ 発光層
２０５ 電子輸送層
２０６ 電子注入バッファー層
２０７ 電子リレー層
２０８ 複合材料層
２０９ 陰極
２１０ ＥＬ層
【技術分野】
【０００１】
有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）現象を利用した発光素子（以下、有機ＥＬ素子とも記す）に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子の研究開発が盛んにおこなわれている（特許文献１、非特許文献１および非特許文献２参照）。有機ＥＬ素子の基本的な構成は、一対の電極間に発光性の有機化合物を含む層（以下、発光層とも記す）を挟んだものであり、薄型軽量化できる・入力信号に高速に応答できる・直流低電圧駆動が可能であるなどの特性から、次世代のフラットパネルディスプレイ素子として注目されている。また、このような発光素子を用いたディスプレイは、コントラストや画質に優れ、視野角が広いという特徴も有している。さらに、有機ＥＬ素子は面光源であるため、液晶ディスプレイのバックライトや照明等の光源としての応用も考えられている。
【０００３】
有機ＥＬ素子の発光機構は、キャリア注入型である。すなわち、電極間に発光層を挟んで電圧を印加することにより、電極から注入された電子および正孔が再結合して発光物質が励起状態となり、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。励起状態には、一重項励起状態と三重項励起状態がある。また、発光素子におけるその統計的な生成比率は、前者は後者の３分の１であると考えられている。なお、本明細書では、一重項励起状態（三重項励起状態）とは、特にことわらない限り、一重項励起状態（三重項励起状態）のうち、エネルギー準位が最も低いものを指す。
【０００４】
発光性の有機化合物は通常、基底状態が一重項状態である。したがって、一重項励起状態からの発光は、同じスピン多重度間の電子遷移であるため蛍光と呼ばれる。一方、三重項励起状態からの発光は、異なるスピン多重度間の電子遷移であるため燐光と呼ばれる。ここで、蛍光を発する化合物（以下、蛍光性化合物と記す）は室温において、通常、燐光は観測されず蛍光のみが観測される。したがって、蛍光性化合物を用いた発光素子における内部量子効率（注入したキャリアに対して発生するフォトンの割合）の理論的限界は、上記の一重項励起状態と三重項励起状態の比率を根拠に２５％とされている。
【０００５】
一方、燐光を発する化合物（以下、燐光性化合物と記す）を用いれば、内部量子効率は１００％にまで高めることが理論上は可能となる。つまり、蛍光性化合物に比べて高い発光効率を得ることが可能になる。このような理由から、高効率な発光素子を実現するために、燐光性化合物を用いた発光素子の開発が近年盛んにおこなわれている。
【０００６】
特に、その燐光量子効率の高さゆえに、燐光性化合物としてイリジウム等を中心金属とする有機金属錯体が注目されており、例えば、特許文献１には、イリジウムを中心金属とする有機金属錯体が燐光材料として開示されている。
【０００７】
上述した燐光性化合物を用いて発光素子の発光層を形成する場合、燐光性化合物の濃度消光や三重項−三重項消滅による消光を抑制するために、他の化合物からなるマトリクス中に該燐光性化合物が分散するようにして形成することが多い。この時、マトリクスとなる化合物はホスト、燐光性化合物のようにマトリクス中に分散される化合物はゲストと呼ばれる。
【０００８】
このような、燐光性化合物をゲストとして用いる発光素子における発光の一般的な素過程はいくつかあるが、それらについて以下に説明する。
【０００９】
（１）電子及び正孔がゲスト分子において再結合し、ゲスト分子が励起状態となる場合（直接再結合過程）。
（１−１）ゲスト分子の励起状態が三重項励起状態のときゲスト分子は燐光を発する。
（１−２）ゲスト分子の励起状態が一重項励起状態のとき一重項励起状態のゲスト分子は三重項励起状態に項間交差し、燐光を発する。
【００１０】
つまり、上記（１）の直接再結合過程においては、ゲスト分子の項間交差効率、及び燐光量子効率さえ高ければ、高い発光効率が得られることになる。
【００１１】
（２）電子及び正孔がホスト分子において再結合し、ホスト分子が励起状態となる場合（エネルギー移動過程）。
【００１２】
（２−１）ホスト分子の励起状態が三重項励起状態のとき、ホスト分子の三重項励起状態のエネルギー準位（Ｔ１準位）がゲスト分子のＴ１準位よりも高い場合、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動し、ゲスト分子が三重項励起状態となる。三重項励起状態となったゲスト分子は燐光を発する。なお、ゲスト分子の一重項励起状態のエネルギー準位（Ｓ１準位）へのエネルギー移動も形式上あり得るが、多くの場合ゲスト分子のＳ１準位の方がホスト分子のＴ１準位よりも高エネルギー側に位置しており、主たるエネルギー移動過程になりにくいため、ここでは割愛する。
【００１３】
（２−２）ホスト分子の励起状態が一重項励起状態のとき、ホスト分子の一重項励起状態のエネルギー準位（Ｓ１準位）がゲスト分子のＳ１準位およびＴ１準位よりも高い場合、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動し、ゲスト分子が一重項励起状態又は三重項励起状態となる。三重項励起状態となったゲスト分子は燐光を発する。また、一重項励起状態となったゲスト分子は、三重項励起状態に項間交差し、燐光を発する。
【００１４】
つまり、上記（２）のエネルギー移動過程においては、ホスト分子の三重項励起エネルギー及び一重項励起エネルギーの双方が、いかにゲスト分子に効率良く移動できるかが重要となる。
【００１５】
このエネルギー移動過程を鑑みれば、ホスト分子からゲスト分子に励起エネルギーが移動する前に、ホスト分子自体がその励起エネルギーを光又は熱として放出して失活してしまうと、発光効率が低下することになる。
【００１６】
＜エネルギー移動過程＞
以下では、分子間のエネルギー移動過程について詳述する。
【００１７】
まず、分子間のエネルギー移動の機構として、以下の２つの機構が提唱されている。ここで、励起エネルギーを与える側の分子をホスト分子、励起エネルギーを受け取る側の分子をゲスト分子と記す。
【００１８】
≪フェルスター機構（双極子−双極子相互作用）≫
フェルスター機構は、エネルギー移動に、分子間の直接的接触を必要としない。ホスト分子及びゲスト分子間の双極子振動の共鳴現象を通じてエネルギー移動が起こる。双極子振動の共鳴現象によってホスト分子がゲスト分子にエネルギーを受け渡し、ホスト分子が基底状態になり、ゲスト分子が励起状態になる。フェルスター機構の速度定数ｋｈ＊→ｇを数式（１）に示す。
【００１９】
【数１】
【００２０】
数式（１）において、νは、振動数を表し、ｆ’ｈ（ν）は、ホスト分子の規格化された発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）を表し、εｇ（ν）は、ゲスト分子のモル吸光係数を表し、Ｎは、アボガドロ数を表し、ｎは、媒体の屈折率を表し、Ｒは、ホスト分子とゲスト分子の分子間距離を表し、τは、実測される励起状態の寿命（蛍光寿命や燐光寿命）を表し、ｃは、光速を表し、φは、発光量子効率（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光量子効率、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光量子効率）を表し、Ｋ２は、ホスト分子とゲスト分子の遷移双極子モーメントの配向を表す係数（０〜４）である。なお、ランダム配向の場合はＫ２＝２／３である。
【００２１】
≪デクスター機構（電子交換相互作用）≫
デクスター機構は、ホスト分子とゲスト分子が軌道の重なりを生じる接触有効距離に近づき、励起状態のホスト分子の電子と基底状態のゲスト分子の電子の交換を通じてエネルギー移動が起こる。デクスター機構の速度定数ｋｈ＊→ｇを数式（２）に示す。
【００２２】
【数２】
【００２３】
数式（２）において、ｈは、プランク定数であり、Ｋは、エネルギーの次元を持つ定数であり、νは、振動数を表し、ｆ’ｈ（ν）は、ホスト分子の規格化された発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）を表し、ε’ｇ（ν）は、ゲスト分子の規格化された吸収スペクトルを表し、Ｌは、実効分子半径を表し、Ｒは、ホスト分子とゲスト分子の分子間距離を表す。
【００２４】
ここで、ホスト分子からゲスト分子へのエネルギー移動効率ΦＥＴは、数式（３）で表されると考えられる。ｋｒは、ホスト分子の発光過程（ホスト分子の一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光、ホスト分子の三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光）の速度定数を表し、ｋｎは、非発光過程（熱失活や項間交差）の速度定数を表し、τは、実測されるホスト分子の励起状態の寿命を表す。
【００２５】
【数３】
【００２６】
まず、数式（３）より、エネルギー移動効率ΦＥＴを高くするためには、エネルギー移動の速度定数ｋｈ＊→ｇを、他の競合する速度定数ｋｒ＋ｋｎ（＝１／τ）に比べて遙かに大きくすれば良いことがわかる。そして、そのエネルギー移動の速度定数ｋｈ＊→ｇを大きくするためには、数式（１）及び数式（２）より、フェルスター機構、デクスター機構のどちらの機構においても、ホスト分子の発光スペクトル（一重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は蛍光スペクトル、三重項励起状態からのエネルギー移動を論じる場合は燐光スペクトル）とゲスト分子の吸収スペクトル（通常は、燐光であるので、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差）との重なりが大きい方が良いことがわかる。
【００２７】
例えば、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差と重なるように選択された材料によって、より効率的にホストからゲストへのエネルギー移動が生じる。
【００２８】
しかしながら、上記のエネルギー移動は、三重項励起状態のゲスト分子から基底状態のホスト分子へも全く同様に生じる。そして、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差と重なるように選択された材料では、ゲスト分子の三重項励起状態がホスト分子の三重項励起状態にエネルギー移動しやすいということでもある。このことにより、発光効率の低下が生じる。
【００２９】
このような問題に対しては、例えば、非特許文献１に記載されているように、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差よりも大きくすることで克服することが提案されている。
【００３０】
非特許文献１では、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子のホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．３電子ボルト（現在では、０．１５電子ボルトに訂正されている）大きくすることにより、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト分子の三重項励起状態への遷移を生じさせないようにしている。
【００３１】
すなわち、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差をゲスト分子のホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きくすると、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト分子の三重項励起状態への遷移を十分に阻止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】国際公開第２０００／０７０６５５号パンフレット
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】Ｓｈｉｚｕｏ Ｔｏｋｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， ”Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒｉｐｌｅｔ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｔ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈｌｙ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｂｌｕｅ−ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ８３， ５６９ （２００３）．
【非特許文献２】Ｖｉ−Ｅｎ Ｃｈｏｏｎｇ ｅｔ ａｌ．， ”Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ” ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７５， １７２ （１９９９）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら、このようにホスト分子とゲスト分子とのエネルギー差が異なるということは、上記のフェルスター機構やデクスター機構が起こりにくくなるということを意味し、そのことによる発光効率の低下が問題となる。本発明の一態様は、このような矛盾を克服する新しい原理に基づいた発光素子を提供する。
【００３５】
また、上記のように、さまざまな励起過程が存在するが、失活の少ない励起過程は、直接再結合過程であり、その比率を向上させることが発光効率あるいは外部量子効率の向上にとって好ましい。本発明の一態様は効率よく直接再結合過程を発生させる方法を関する提供することを課題とする。また、本発明の一態様は、外部量子効率が高い発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明の一態様は、燐光性化合物（ゲスト）、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、第１の有機化合物及び第２の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差が、ゲストの三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きいことを特徴とする発光素子である。
【００３７】
上記において、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物が、励起錯体を形成する組み合わせであってもよい。また、第１の有機化合物は電子輸送性が正孔輸送性よりも優れており、第２の有機化合物は正孔輸送性が電子輸送性よりも優れていてもよい。このような特色を有する場合、第１の有機化合物、及び第２の有機化合物をそれぞれ、ｎ型ホスト、ｐ型ホストと称する。
【００３８】
また、本発明の一態様は、ゲスト、ｎ型ホスト、ｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｎ型ホストのＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位がゲストのＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことを特徴とする発光素子である。
【００３９】
なお、ゲストのＬＵＭＯ準位がｎ型ホストのＬＵＭＯ準位より低すぎると電気伝導特性の上で好ましくない。そのため、ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位ＥｎからゲストのＬＵＭＯ準位Ｅａを差し引いた値、（Ｅｎ−Ｅａ）が０．１電子ボルト以上０．５電子ボルト以下であることが好ましい。
【００４０】
また、本発明の一態様は、ゲスト、ｎ型ホスト、及びｐ型ホストを含む発光層を一対の電極間に有し、ｐ型ホストのＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位がゲストのＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことを特徴とする発光素子である。
【００４１】
なお、ゲストのＨＯＭＯ準位がｐ型ホストのＨＯＭＯ準位より高すぎると電気伝導特性の上で好ましくない。そのため、ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位ＥｐからゲストのＨＯＭＯ準位Ｅｂを差し引いた値、（Ｅｐ−Ｅｂ）が−０．５電子ボルト以上−０．１電子ボルト以下であることが好ましい。
【００４２】
上記発光素子において、ゲストは、有機金属錯体であることが好ましい。上記発光素子において、ｎ型ホスト及びｐ型ホストの少なくとも一方が、蛍光性化合物であってもよい。本発明の一態様の発光素子は、発光装置、電子機器、及び照明装置に適用することができる。
【００４３】
本発明の一態様では、発光層は、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子とゲスト分子を有する。もちろん、分子は規則正しく配列している必要は無く、規則性が極めて少ない状態であってもよい。特に発光層を５０ｎｍ以下の薄膜とする場合には、アモルファス状態となることが好ましく、そのために、結晶化しづらい材料の組み合わせを選択することが好ましい。
【００４４】
また、本発明の一態様は図１（Ａ）に示されるように、基板１０１上に第１の電極１０３、上記の構成を有する発光層１０２、第２の電極１０４を重ねて設けた発光素子でもよい。ここで、第１の電極１０３は、陽極と陰極の一方であり、第２の電極１０４は陽極と陰極の他方である。
【００４５】
また、本発明の一態様は図１（Ｂ）に示されるように、第１の電極１０３、発光層１０２、第２の電極１０４に加えて、第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの注入層１０７、第２のキャリアの輸送層１０８を重ねて設けた発光素子でもよい。ここで、第１のキャリアは電子と正孔の一方であり、第２のキャリアは電子と正孔の他方である。また、第１の電極が陽極であれば、第１のキャリアは正孔であり、第１の電極が陰極であれば、第１のキャリアは電子である。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の一態様では、ホスト（ｎ型ホストおよびｐ型ホスト）分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差を、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上高くすることで、ゲスト分子の三重項励起状態からホスト（ｎ型ホストおよびｐ型ホスト）分子の三重項励起状態への遷移を十分に防止することができ、外部量子効率が高い発光素子を提供することができる。
【００４７】
その一方、フェルスター機構やデクスター機構を使用するエネルギー移動過程に関しては、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子の励起錯体からゲスト分子にエネルギー移動する過程を経ることができる。励起錯体は、エネルギーがゲスト分子に移動した段階で、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子に分裂し、ｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１５電子ボルト以上高いので、ゲスト分子の三重項励起状態がｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）の三重項励起状態にエネルギー移動することはない。
【００４８】
また、本発明の一態様では、例えば、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位がゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことによりｎ型ホスト分子を伝導してきた電子は、優先的にゲスト分子のＬＵＭＯ準位に入る。その結果、ゲスト分子はアニオンとなり、正孔を誘引し、ゲスト分子において正孔と電子が再結合する。
【００４９】
また、本発明の一態様では、例えば、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位がゲスト分子のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことによりｐ型ホスト分子を伝導してきた正孔は、優先的にゲスト分子のＨＯＭＯ準位に入る。その結果、ゲスト分子はカチオンとなり、電子を誘引し、ゲスト分子において正孔と電子が再結合する。
【００５０】
このようにして、本発明の一態様を用いることにより、効率よくゲスト分子にキャリアを注入し、直接再結合過程の比率を高めることができる。特に、本発明の一態様では、発光層にｎ型ホストとｐ型ホストを混在して用いているため、電子はｎ型ホスト分子を伝導し、正孔はｐ型ホスト分子を伝導する傾向がある。その結果、ゲスト分子のＬＵＭＯ準位にはｎ型ホスト分子から電子が注入され、また、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位にはｐ型ホスト分子から正孔が注入される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のさまざまな態様を示す図。
【図２】本発明の一態様の原理を説明する図。
【図３】本発明の一態様の原理を説明する図。
【図４】実施例１の発光素子の電流密度−輝度特性を示す図。
【図５】実施例１の発光素子の電圧−輝度特性を示す図。
【図６】実施例１の発光素子の輝度−電流効率特性を示す図。
【図７】実施例１の発光素子の輝度−外部量子効率特性を示す図。
【図８】実施例１の発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図９】実施例１の発光素子の信頼性試験の結果を示す図。
【図１０】実施例２の発光素子の電流密度−輝度特性を示す図。
【図１１】実施例２の発光素子の電圧−輝度特性を示す図。
【図１２】実施例２の発光素子の輝度−電流効率特性を示す図。
【図１３】実施例２の発光素子の輝度−外部量子効率特性を示す図。
【図１４】実施例２の発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図１５】実施例２の発光素子の信頼性試験の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００５３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子の原理について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は２つのｎ型ホスト分子（Ｈ＿ｎ＿１、Ｈ＿ｎ＿２）と１つのゲスト分子（Ｇ）と２つのｐ型ホスト分子（Ｈ＿ｐ＿１、Ｈ＿ｐ＿２）が直線状に並んでいる場合のこれらの分子のエネルギー状態を示す。各分子は、それぞれＨＯＭＯとＬＵＭＯを有する。
【００５４】
ここでは、説明を簡単にするため、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎとゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａを等しく、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐとゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂを等しくしてあるが、そのような場合に限られず、−０．３［電子ボルト］＜Ｅａ−Ｅｎ＜＋０．３［電子ボルト］、−０．３［電子ボルト］）＜Ｅｂ−Ｅｐ＜＋０．３［電子ボルト］であればよい。また、ｎ型ホスト分子（あるいはｐ型ホスト分子）のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差はゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差より０．５電子ボルト以上大きいことが好ましい。
【００５５】
ｎ型ホスト分子、ｐ型ホスト分子、ゲスト分子のいずれも、基底状態では、ＨＯＭＯには２つの電子があり、ＬＵＭＯには電子が無い。例えば、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿２とゲスト分子Ｇとｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２は、ＨＯＭＯには２つの電子があり、ＬＵＭＯには電子が無い状態である。
【００５６】
一方、陽極（図の右側）より正孔が、陰極（図の左側）より電子が注入されたため、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はＬＵＭＯに電子を有し、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はＨＯＭＯに電子が１つしかない（正孔が一つある）状態となっている。すなわち、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はアニオンであり、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はカチオンである。
【００５７】
電子と正孔は、このようなｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子をホッピングしながら伝導する。そして、図２（Ｂ）に示すように、ゲスト分子のＬＵＭＯに電子が、ＨＯＭＯに正孔が注入され（直接再結合過程）、ゲスト分子は励起状態（分子内励起子、エキシトン）となる。このように、直接励起再結合過程でも、特にｎ型ホストおよびｐ型ホストからゲストに直接、キャリアが注入される現象を、Ｇｕｅｓｔ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｈｏｓｔｓ（ＧＣＣＨ）という。
【００５８】
ところで、図２でも明らかなように、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差およびｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差は、いずれもゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差よりかなり大きいので、フェルスター機構やデクスター機構によって、ゲストの三重項励起状態がｎ型ホストあるいはｐ型ホストの三重項励起状態に移行する確率は十分に小さい。
【００５９】
すなわち、図２（Ｃ）に示すように、ゲスト分子Ｇおよびｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の基底状態（それぞれ、Ｓ０＿Ｇ、Ｓ０＿Ｈ＿ｎ＿１）を基準としたとき、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の三重項励起状態のエネルギー準位Ｔ１＿Ｈ＿ｎ＿１はゲスト分子Ｇの三重項励起状態のエネルギー準位Ｔ１＿ＧよりもΔＥｔ（≧０．１５電子ボルト）だけ高いので、この間の遷移は常温では起こりにくい。なお、図２（Ｃ）でＳ１＿Ｇ、Ｓ１＿Ｈ＿ｎ＿１は、それぞれ、ゲスト分子Ｇ、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１の一重項励起状態のエネルギー準位である。
【００６０】
図２（Ｃ）では、ｎ型ホスト分子のエネルギー状態について述べたが、ｐ型ホスト分子でも、その三重項励起状態のエネルギー準位が、ゲスト分子の三重項励起状態のエネルギー準位より高ければ同様の効果が得られる。
【００６１】
厳密には、分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差が、その分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差というわけではないが、一定の相関はある。例えば、後述する（アセチルアセトナト）ビス（４，６−ジフェニルピリミジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］）はゲストとして用いられるが、そのＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の差は２．５８電子ボルトであるのに対し、その三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、２．２２電子ボルトである。また、ｎ型ホストとして用いられる２−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）は、それぞれ、３．１０電子ボルト、２．５４電子ボルトであり、ｐ型ホストとして用いられる４、４’−ジ（１−ナフチル）−４’’−（９−フェニル−９Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニルアミン（略称：ＰＣＢＮＢＢ）は、ぞれぞれ、３．１５電子ボルト、２．４０電子ボルトである。
【００６２】
ところで、ゲストとして上記の［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］、ｎ型ホストとして２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ｐ型ホストとしてＰＣＢＮＢＢを用いた場合、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差およびＰＣＢＮＢＢの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差（光学測定の結果では、ぞれぞれ、２．５４電子ボルト、２．４０電子ボルト）は、ゲストの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差（光学測定の結果では、２．２２電子ボルト）より０．１８電子ボルト以上高いので、ゲストの三重項励起状態がホストに移ることはほとんど無い。
【００６３】
また、ゲストとして（ジピバロイルメタナト）ビス（３，５−ジメチル−２−フェニルピラジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）を用いることもできる。［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は光学測定の結果では、２．２４電子ボルトである。
【００６４】
したがって、ｎ型ホストとして２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ｐ型ホストとしてＰＣＢＮＢＢを用いた場合、それらの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より０．１６電子ボルト以上高いので、ゲストの三重項励起状態がホストに移ることはほとんど無い。
【００６５】
以上は、ゲストに電子と正孔が注入される直接再結合過程であるが、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子が励起錯体を形成し、これがゲスト分子にエネルギー移動することにより、ゲスト分子を励起状態とすることもできる。この場合には、エネルギー移動には、フェルスター機構やデクスター機構を使用する。
【００６６】
励起錯体（エキサイプレックス、ｅｘｃｉｐｌｅｘ）は、励起状態における異種分子間の相互作用によって形成される。励起錯体は、比較的深いＬＵＭＯ準位をもつ材料と、浅いＨＯＭＯ準位をもつ材料間との間で形成しやすいことが一般に知られている。例えば、前者としてｐ型ホスト、後者としてｎ型ホストを用いることができる。
【００６７】
ここで、ｎ型ホストとｐ型ホストのＨＯＭＯ準位及びＬＵＭＯ準位は互いに異なり、ｎ型ホストのＨＯＭＯ準位＜ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位＜ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位＜ｐ型ホストのＬＵＭＯ準位という順で高い。
【００６８】
そして、このｎ型ホストとｐ型ホストにより励起錯体が形成された場合、励起錯体のＬＵＭＯ準位は、ｎ型ホストに由来し、ＨＯＭＯ準位は、ｐ型ホストに由来する。したがって、励起錯体のエネルギー差は、ｎ型ホストのエネルギー差、及びｐ型ホストのエネルギー差よりも小さくなる。つまり、ｎ型ホストとｐ型ホストのそれぞれの発光波長に比べて、励起錯体の発光波長は長波長となる。励起錯体の形成過程は大きく分けて以下の２つの過程が考えられる。
【００６９】
≪エレクトロプレックス（ｅｌｅｃｔｒｏｐｌｅｘ）≫
本明細書において、エレクトロプレックスとは、基底状態のｎ型ホスト及び基底状態のｐ型ホストから、直接、励起錯体が形成されることを指す。
【００７０】
前述の通り、フェルスター機構やデクスター機構では、電子及び正孔がホスト中で再結合した場合、励起状態のホストからゲストに励起エネルギーが移動し、ゲストが励起状態に至り、発光する。
【００７１】
ここで、ホストからゲストに励起エネルギーが移動する前に、ホスト自体が発光する、又は励起エネルギーが熱エネルギーとなることで、励起エネルギーの一部を失う。特に、ホストが一重項励起状態である場合は、三重項励起状態である場合に比べて励起寿命が短いため、一重項励起子の失活が起こりやすい。励起子の失活は、発光素子の寿命の低下につながる要因の一つである。
【００７２】
一方、本発明の一態様では、ｎ型ホスト及びｐ型ホストが同じ発光層に存在するので、ｎ型ホスト分子及びｐ型ホスト分子がキャリアを持った状態（アニオンおよびカチオン）から、エレクトロプレックスを形成することが多い。そのため、励起寿命の短いｎ型ホスト分子の一重項励起子あるいはｐ型ホスト分子の一重項励起子は形成されにくい。
【００７３】
つまり、個々の分子の一重項励起子を形成することなく、直接、励起錯体を形成する過程がほとんどである。これにより、上記一重項励起子の失活も抑制することができる。そして、生じたエレクトロプレックスからゲストにエネルギー移動をおこなって発光効率が高い発光素子を得ることができる。
【００７４】
≪励起子による励起錯体の形成≫
もう一つの過程としては、ホストであるｎ型ホスト分子及びｐ型ホスト分子の一方が一重項励起子を形成した後、基底状態の他方と相互作用して励起錯体を形成する素過程が考えられる。エレクトロプレックスとは異なり、この場合は一旦、ｎ型ホスト分子あるいはｐ型ホスト分子の一重項励起子が生成してしまうが、これを速やかに励起錯体に変換できれば、やはり一重項励起子の失活を抑制することができる。なお、上述のように、ｎ型ホスト及びｐ型ホストが同じ発光層に存在する場合には、この過程は起こりにくい。
【００７５】
例えば、ｎ型ホストは電子トラップ性の化合物であり、一方でｐ型ホストは正孔トラップ性の化合物である。これら化合物のＨＯＭＯ準位の差、及びＬＵＭＯ準位の差が大きい場合（具体的には差が０．３ｅＶ以上）、電子は優先的にｎ型ホスト分子に入り、正孔は優先的にｐ型ホスト分子に入る。この場合、一重項励起子を経て励起錯体が形成される過程よりも、エレクトロプレックスが形成される過程の方が優先されると考えられる。
【００７６】
ところで、上記のようにして形成された励起錯体からゲスト分子へのエネルギー移動は、フェルスター機構やデクスター機構によるものであるが、上述のように、これらの機構においては、例えば、ホスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差が小さい方が好ましい。
【００７７】
この場合、励起錯体の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位の差に相当し、これらがゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差と等しいあるいは近い場合には、効率的にエネルギーが移動し、ゲスト分子を三重項励起状態とすることができ、励起錯体自らは基底状態となる。
【００７８】
ただし、励起錯体は、励起状態でのみ安定であるので、基底状態に戻ると、ｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子に分離する。そして、上述のように、これらの三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は、ゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より大きいため、ゲスト分子の三重項励起状態がいずれかのホスト分子にエネルギー移動することは室温では極めて起こりにくい。
【００７９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子の原理について図３を用いて説明する。図３（Ａ）は２つのｎ型ホスト分子（Ｈ＿ｎ＿１、Ｈ＿ｎ＿２）と１つのゲスト分子（Ｇ）と２つのｐ型ホスト分子（Ｈ＿ｐ＿１、Ｈ＿ｐ＿２）が直線状に並んでいる場合のこれらの分子のエネルギーの様子を示す。各分子は、それぞれＨＯＭＯとＬＵＭＯを有する。
【００８０】
ここでは、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎはゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐはゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより高いとする。また、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差およびｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差は、いずれもゲスト分子のＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の差より０．５電子ボルト以上大きいことが好ましい。
【００８１】
図３（Ａ）に示すように、陽極（図の右側）より正孔が、陰極（図の左側）より電子が注入されたため、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はＬＵＭＯにも電子を有し、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はＨＯＭＯの電子が１つしかない（正孔が一つある）状態となっている。したがって、ｎ型ホスト分子Ｈ＿ｎ＿１はアニオンであり、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿１はカチオンである。
【００８２】
電子と正孔は、このようなｎ型ホスト分子とｐ型ホスト分子をホッピングしながら伝導する。図に示すように、ｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位よりも高いので、電子はｎ型ホスト分子を伝導する。また、ｎ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位はｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりも低いので、正孔はｐ型ホスト分子を伝導する。
【００８３】
そして、図３（Ｂ）に示すように、ゲスト分子のＬＵＭＯに電子が注入され、ゲスト分子はアニオンとなる。ここで、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高く、もちろん、ｐ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位はさらに高い。すると、ゲスト分子のＬＵＭＯに入った電子は準安定な状態となり、いわば、ゲスト分子にトラップされた状態となる。
【００８４】
その結果、ゲスト分子は負の電荷を帯びたアニオンとなるので、周囲にある正孔をクーロン相互作用（図中にＦと表記）によって誘引する。そのため、図３（Ｃ）に示すように、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２にある正孔がゲスト分子Ｇに注入される。クーロン相互作用は比較的、遠くまで及ぶため、効率的にゲスト分子内に電子と正孔が集まることとなる。
【００８５】
なお、この際、ゲスト分子ＧのＬＵＭＯにある電子とｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔と再結合する（すなわち、ゲスト分子ＧのＬＵＭＯにある電子がｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯに移動する、あるいは、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔がゲスト分子ＧのＬＵＭＯに移動する）と、その段階で発光が生じる。
【００８６】
また、上記の電子移動が禁制であれば、ｐ型ホスト分子Ｈ＿ｐ＿２のＨＯＭＯにある正孔がゲスト分子ＧのＨＯＭＯに移動し、ゲスト分子Ｇは励起状態となる。その後、ゲスト分子Ｇは基底状態に遷移するが、その過程で発光が生じる。
【００８７】
ゲストにクーロン相互作用により正孔を誘引するには、（ｐ型ホストのＨＯＭＯ準位）−（ゲストのＨＯＭＯ準位）をΔＥｐ、（ｎ型ホストのＬＵＭＯ準位）−（ゲストのＬＵＭＯ準位）をΔＥｎとするとき、ΔＥｐ＜ΔＥｎ＋０．２［電子ボルト］、好ましくは、ΔＥｐ＜ΔＥｎとするとよい。以上の作用により、ゲスト分子内で正孔と電子が再結合する。
【００８８】
上記の過程は、ゲスト分子がアニオンとなったために生じる。もし、ゲスト分子の電荷が中性であれば、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位はｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりも低いので正孔がゲスト分子に注入される可能性は低い。
【００８９】
図３は、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎはゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐはゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより高い場合を示したが、逆にｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより０．１電子ボルト以上低く、また、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上低い場合でも同様の原理で、ゲスト分子内で効率よく正孔と電子が再結合する。この場合は、ゲスト分子のＨＯＭＯに正孔が最初に注入され、そのクーロン相互作用によりゲスト分子に電子が注入される。
【００９０】
なお、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより高く、また、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより低い場合は、さらに効率的にゲストに電荷を注入し、励起状態とすることができる。その場合は、少なくともｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅｎがゲスト分子のＬＵＭＯ準位Ｅａより０．１電子ボルト以上高いか、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｐがゲスト分子のＨＯＭＯ準位Ｅｂより０．１電子ボルト以上低いことが好ましい。
【００９１】
また、アニオンとなったｎ型ホスト分子とカチオンとなったｐ型ホスト分子が隣接する場合、両者が励起錯体状態となることがある。このとき、近くにあるゲスト分子を励起状態とするには、上述のエネルギー移動過程を経る必要があるが、その場合には、励起錯体の励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差ができるだけ近い方がよい。
【００９２】
もし、ｎ型ホスト分子のＬＵＭＯ準位がゲスト分子のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルトだけ高ければ、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位がゲスト分子のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルトだけ低くなるような材料を選択して、励起錯体の励起状態と基底状態とのエネルギー差とゲスト分子の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差ができるだけ等しくなるようにすればよい。
【００９３】
具体的には、ゲストとして用いられる［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］のＬＵＭＯ準位、ＨＯＭＯ準位は、ぞれぞれ、−２．９８電子ボルト、−５．５６電子ボルトであり、また、ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩは、それぞれ、−２．７８電子ボルト、−５．８８電子ボルトであり、ｐ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢは、ぞれぞれ、−２．３１電子ボルト、−５．４６電子ボルトである。
【００９４】
この組み合わせにおいては、ゲストのＬＵＭＯ準位はｎ型ホストおよびｐ型ホストのＬＵＭＯ準位より低く、特にｎ型ホストのＬＵＭＯ準位より０．２電子ボルト低いため、ゲスト分子は電子をトラップしてアニオンとなりやすい。また、ゲスト分子のＨＯＭＯ準位はｎ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりは高いものの、ｐ型ホスト分子のＨＯＭＯ準位よりは０．１電子ボルト低い。
【００９５】
したがって、図３に示したように、最初にゲストのＬＵＭＯに電子が注入され、そのクーロン相互作用によりゲストに正孔が注入されることにより、発光することとなる。
【００９６】
また、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］のＬＵＭＯ準位は、−２．７７電子ボルトであり、ｎ型ホスト（２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）のＬＵＭＯ準位（−２．７８電子ボルト）とほとんど同じであり、また、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］のＨＯＭＯ準位は−５．５０電子ボルトであり、ｐ型ホスト（ＰＣＢＮＢＢ）のＨＯＭＯ準位（−５．４３電子ボルト）よりも０．０７電子ボルト低い。
【００９７】
これらの数値は［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］が上記のｎ型ホストやｐ型ホストと一緒に用いられる場合には、電子やホールをトラップする作用が、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］よりも劣っていることを示している。
【００９８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光素子について図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ｂ）は、第１の電極１０３と第２の電極１０４との間にＥＬ層１１０を有する発光素子を示した図である。図１（Ｂ）における発光素子は、第１の電極１０３の上に順に積層した第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、発光層１０２、第２のキャリアの輸送層１０８、第２のキャリアの注入層１０７と、さらにその上に設けられた第２の電極１０４から構成されている。ＥＬ層１１０は発光層１０２以外に、第１のキャリアの注入層１０５、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの輸送層１０８、第２のキャリアの注入層１０７より構成される。なお、ＥＬ層１１０は必ずしもこれらの層を全て有する必要は無い。
【００９９】
ここで、第１の電極１０３は陽極あるいは陰極の一方であり、第２の電極１０４は陽極あるいは陰極の他方である。また、第１のキャリアは正孔あるいは電子の一方であり、第２のキャリアは正孔あるいは電子の他方である。また、第１の電極が陽極であれば、第１のキャリアは正孔であり、第１の電極が陰極であれば、第１のキャリアは電子である。また、第１のキャリアの注入層１０５、第２のキャリアの注入層１０７は正孔注入層と電子注入層のいずれかであり、第１のキャリアの輸送層１０６、第２のキャリアの輸送層１０８は正孔輸送層と電子輸送層のいずれかである。
【０１００】
陽極としては、仕事関数の大きい（具体的には４．０ｅＶ以上）金属、合金、導電性化合物、及びこれらの混合物などを用いることが好ましい。具体的には、例えば、酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、珪素又は酸化珪素を含有した酸化インジウム−酸化スズ、酸化インジウム−酸化亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）等が挙げられる。これらの導電性金属酸化物膜は、通常スパッタリング法により成膜されるが、ゾル−ゲル法などを応用して作製しても構わない。
【０１０１】
例えば、酸化インジウム−酸化亜鉛膜は、酸化インジウムに対し１〜２０ｗｔ％の酸化亜鉛を加えたターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。また、ＩＷＺＯ膜は、酸化インジウムに対し酸化タングステンを０．５〜５ｗｔ％、酸化亜鉛を０．１〜１ｗｔ％含有したターゲットを用いてスパッタリング法により形成することができる。この他、グラフェン、金、白金、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、又は金属材料の窒化物（例えば、窒化チタン）等が挙げられる。
【０１０２】
但し、ＥＬ層１１０のうち、陽極に接して形成される層が、後述する有機化合物と電子受容体（アクセプター）とを混合してなる複合材料を用いて形成される場合には、陽極に用いる物質は、仕事関数の大小に関わらず、様々な金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、アルミニウムを含む合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ）等も用いることもできる。陽極は、例えばスパッタリング法や蒸着法（真空蒸着法を含む）等により形成することができる。
【０１０３】
陰極は、仕事関数の小さい（好ましくは３．８ｅＶ以下）金属、合金、電気伝導性化合物、及びこれらの混合物などを用いて形成することが好ましい。具体的には、元素周期表の第１族または第２族に属する元素、すなわちリチウムやセシウム等のアルカリ金属、およびカルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属、マグネシウム、およびこれらを含む合金（例えば、Ｍｇ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ）、ユーロピウム、イッテルビウム等の希土類金属およびこれらを含む合金の他、アルミニウムや銀などを用いることができる。
【０１０４】
但し、ＥＬ層１１０のうち、陰極に接して形成される層が、後述する有機化合物と電子供与体（ドナー）とを混合してなる複合材料を用いる場合には、仕事関数の大小に関わらず、Ａｌ、Ａｇ、ＩＴＯ、珪素若しくは酸化珪素を含有した酸化インジウム−酸化スズ等様々な導電性材料を用いることができる。なお、陰極を形成する場合には、真空蒸着法やスパッタリング法を用いることができる。また、銀ペーストなどを用いる場合には、塗布法やインクジェット法などを用いることができる。
【０１０５】
正孔注入層は、正孔注入性の高い物質を含む層である。正孔注入性の高い物質としては、モリブデン酸化物、チタン酸化物、バナジウム酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物、クロム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物、銀酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）、銅（ＩＩ）フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）等のフタロシアニン系の化合物を用いることができる。
【０１０６】
また、低分子の有機化合物である４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−ビス［Ｎ−（４−ジフェニルアミノフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＰＡＢ）、４，４’−ビス（Ｎ−｛４−［Ｎ’−（３−メチルフェニル）−Ｎ’−フェニルアミノ］フェニル｝−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）、１，３，５−トリス［Ｎ−（４−ジフェニルアミノフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ベンゼン（略称：ＤＰＡ３Ｂ）、３−［Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＡ１）、３，６−ビス［Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＡ２）、３−［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−（９−フェニルカルバゾール−３−イル）アミノ］−９−フェニルカルバゾール（略称：ＰＣｚＰＣＮ１）等の芳香族アミン化合物等を用いることができる。
【０１０７】
さらに、高分子化合物（オリゴマー、デンドリマー、ポリマー等）を用いることもできる。例えば、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）（略称：ＰＶＫ）、ポリ（４−ビニルトリフェニルアミン）（略称：ＰＶＴＰＡ）、ポリ［Ｎ−（４−｛Ｎ’−［４−（４−ジフェニルアミノ）フェニル］フェニル−Ｎ’−フェニルアミノ｝フェニル）メタクリルアミド］（略称：ＰＴＰＤＭＡ）、ポリ［Ｎ，Ｎ’−ビス（４−ブチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）ベンジジン］（略称：Ｐｏｌｙ−ＴＰＤ）などの高分子化合物が挙げられる。また、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリアニリン／ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＡｎｉ／ＰＳＳ）等の酸を添加した高分子化合物を用いることができる。
【０１０８】
また、正孔注入層として、有機化合物と電子受容体（アクセプター）とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子受容体によって有機化合物に正孔が発生するため、正孔注入性および正孔輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した正孔の輸送に優れた材料（正孔輸送性の高い物質）であることが好ましい。
【０１０９】
複合材料に用いる有機化合物としては、芳香族アミン化合物、カルバゾール誘導体、芳香族炭化水素、高分子化合物（オリゴマー、デンドリマー、ポリマー等）など、種々の化合物を用いることができる。なお、複合材料に用いる有機化合物としては、正孔輸送性の高い有機化合物であることが好ましい。具体的には、１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の正孔移動度を有する物質であることが好ましい。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。以下では、複合材料に用いることのできる有機化合物を具体的に列挙する。
【０１１０】
複合材料に用いることのできる有機化合物としては、例えば、ＴＤＡＴＡ、ＭＴＤＡＴＡ、ＤＰＡＢ、ＤＮＴＰＤ、ＤＰＡ３Ｂ、ＰＣｚＰＣＡ１、ＰＣｚＰＣＡ２、ＰＣｚＰＣＮ１、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢまたはα−ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−［１，１’−ビフェニル］−４，４’−ジアミン（略称：ＴＰＤ）、４−フェニル−４’−（９−フェニルフルオレン−９−イル）トリフェニルアミン（略称：ＢＰＡＦＬＰ）等の芳香族アミン化合物や、４，４’−ジ（Ｎ−カルバゾリル）ビフェニル（略称：ＣＢＰ）、１，３，５−トリス［４−（Ｎ−カルバゾリル）フェニル］ベンゼン（略称：ＴＣＰＢ）、９−［４−（Ｎ−カルバゾリル）］フェニル−１０−フェニルアントラセン（略称：ＣｚＰＡ）、９−フェニル−３−［４−（１０−フェニル−９−アントリル）フェニル］−９Ｈ−カルバゾール（略称：ＰＣｚＰＡ）、１，４−ビス［４−（Ｎ−カルバゾリル）フェニル］−２，３，５，６−テトラフェニルベンゼン等のカルバゾール誘導体を用いることができる。
【０１１１】
また、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＮＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ジ（１−ナフチル）アントラセン、９，１０−ビス（３，５−ジフェニルフェニル）アントラセン（略称：ＤＰＰＡ）、２−ｔｅｒｔ−ブチル−９，１０−ビス（４−フェニルフェニル）アントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＢＡ）、９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＮＡ）、９，１０−ジフェニルアントラセン（略称：ＤＰＡｎｔｈ）、２−ｔｅｒｔ−ブチルアントラセン（略称：ｔ−ＢｕＡｎｔｈ）、９，１０−ビス（４−メチル−１−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＭＮＡ）、９，１０−ビス［２−（１−ナフチル）フェニル］−２−ｔｅｒｔ−ブチルアントラセン、９，１０−ビス［２−（１−ナフチル）フェニル］アントラセン、２，３，６，７−テトラメチル−９，１０−ジ（１−ナフチル）アントラセン等の芳香族炭化水素化合物を用いることができる。
【０１１２】
さらに、２，３，６，７−テトラメチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン、９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ジフェニル−９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ビス（２−フェニルフェニル）−９，９’−ビアントリル、１０，１０’−ビス［（２，３，４，５，６−ペンタフェニル）フェニル］−９，９’−ビアントリル、アントラセン、テトラセン、ルブレン、ペリレン、２，５，８，１１−テトラ（ｔｅｒｔ−ブチル）ペリレン、ペンタセン、コロネン、４，４’−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（略称：ＤＰＶＢｉ）、９，１０−ビス［４−（２，２−ジフェニルビニル）フェニル］アントラセン（略称：ＤＰＶＰＡ）等の芳香族炭化水素化合物を用いることができる。
【０１１３】
また、電子受容体としては、７，７，８，８−テトラシアノ−２，３，５，６−テトラフルオロキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）、クロラニル等の有機化合物や、遷移金属酸化物を挙げることができる。また、元素周期表における第４族乃至第８族に属する金属の酸化物を挙げることができる。具体的には、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化レニウムは電子受容性が高いため好ましい。中でも特に、酸化モリブデンは大気中でも安定であり、吸湿性が低く、扱いやすいため好ましい。
【０１１４】
なお、上述したＰＶＫ、ＰＶＴＰＡ、ＰＴＰＤＭＡ、Ｐｏｌｙ−ＴＰＤ等の高分子化合物と、上述した電子受容体を用いて複合材料を形成し、正孔注入層に用いてもよい。
【０１１５】
正孔輸送層は、正孔輸送性の高い物質を含む層である。正孔輸送性の高い物質としては、ＮＰＢ、ＴＰＤ、ＢＰＡＦＬＰ、４，４’−ビス［Ｎ−（９，９−ジメチルフルオレン−２−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’−ビス［Ｎ−（スピロ−９，９’−ビフルオレン−２−イル）−Ｎ―フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＢＳＰＢ）などの芳香族アミン化合物を用いることができる。ここに述べた物質は、主に１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の正孔移動度を有する物質である。但し、電子よりも正孔の輸送性の高い物質であれば、これら以外のものを用いてもよい。なお、正孔輸送性の高い物質を含む層は、単層のものだけでなく、上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。
【０１１６】
また、正孔輸送層には、ＣＢＰ、ＣｚＰＡ、ＰＣｚＰＡのようなカルバゾール誘導体や、ｔ−ＢｕＤＮＡ、ＤＮＡ、ＤＰＡｎｔｈのようなアントラセン誘導体を用いても良い。
【０１１７】
また、正孔輸送層には、ＰＶＫ、ＰＶＴＰＡ、ＰＴＰＤＭＡ、Ｐｏｌｙ−ＴＰＤなどの高分子化合物を用いることもできる。
【０１１８】
発光層１０２は、発光物質を含む層である。本実施の形態の発光層１０２は、ゲストとして燐光性化合物を有し、ホストとしてｎ型ホスト及びｐ型ホストを有する。ｎ型ホスト（あるいはｐ型ホスト）は、２種以上用いることができる。
【０１１９】
燐光性化合物としては、有機金属錯体が好ましく、イリジウム錯体が特に好ましい。なお、上述のフェルスター機構によるエネルギー移動を考慮すると、燐光性化合物の最も長波長側に位置する吸収帯のモル吸光係数は、２０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上が好ましく、５０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上が特に好ましい。
【０１２０】
このような大きなモル吸光係数を有する化合物としては、例えば、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］や、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］などが挙げられる。特に、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］のように、モル吸光係数が５０００Ｍ−１・ｃｍ−１以上に達する材料を用いると、外部量子効率が３０％程度に達する発光素子が得られる。
【０１２１】
ｎ型ホストとしては、例えば、上述の２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ以外にも、２−［４−（３，６−ジフェニル−９Ｈ−カルバゾール−９−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：２ＣｚＰＤＢｑ−ＩＩＩ）、７−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：７ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）、及び、６−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：６ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）のような電子を受け取りやすい化合物のうちいずれか一を用いればよい。
【０１２２】
またｐ型ホストとしては、上述のＰＣＢＮＢＢ以外にも、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢまたはα−ＮＰＤ）、及び、４−フェニル−４’−（９−フェニル−９Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニルアミン（略称：ＰＣＢＡ１ＢＰ）のような正孔を受け取りやすい化合物を用いればよい。ただし、これらに限定されることなく、例えば、実施の形態１あるいは実施の形態２に示したエネルギー準位の関係を満たすｎ型ホストとｐ型ホストの組み合わせであればよい。
【０１２３】
電子輸送層は、電子輸送性の高い物質を含む層である。電子輸送性の高い物質としては、Ａｌｑ３、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ＢＡｌｑ、Ｚｎ（ＢＯＸ）２、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）などの金属錯体が挙げられる。
【０１２４】
また、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−フェニル−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、４，４’−ビス（５−メチルベンゾオキサゾール−２−イル）スチルベン（略称：ＢｚＯｓ）などの複素芳香族化合物も用いることができる。
【０１２５】
また、ポリ（２，５−ピリジン−ジイル）（略称：ＰＰｙ）、ポリ［（９，９−ジヘキシルフルオレン−２，７−ジイル）−ｃｏ−（ピリジン−３，５−ジイル）］（略称：ＰＦ−Ｐｙ）、ポリ［（９，９−ジオクチルフルオレン−２，７−ジイル）−ｃｏ−（２，２’−ビピリジン−６，６’−ジイル）］（略称：ＰＦ−ＢＰｙ）のような高分子化合物を用いることもできる。ここに述べた物質は、主に１０−６ｃｍ２／Ｖｓ以上の電子移動度を有する物質である。なお、正孔よりも電子の輸送性の高い物質であれば、上記以外の物質を電子輸送層として用いてもよい。
【０１２６】
また、電子輸送層は、単層のものだけでなく、上記物質からなる層が二層以上積層したものとしてもよい。
【０１２７】
電子注入層は、電子注入性の高い物質を含む層である。電子注入層には、リチウム、セシウム、カルシウム、フッ化リチウム、フッ化セシウム、フッ化カルシウム、リチウム酸化物等のようなアルカリ金属、アルカリ土類金属、またはそれらの化合物を用いることができる。また、フッ化エルビウムのような希土類金属化合物を用いることができる。また、上述した電子輸送層を構成する物質を用いることもできる。
【０１２８】
あるいは、電子注入層に、有機化合物と電子供与体（ドナー）とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子供与体によって有機化合物に電子が発生するため、電子注入性および電子輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した電子の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した電子輸送層を構成する物質（金属錯体や複素芳香族化合物等）を用いることができる。
【０１２９】
電子供与体としては、有機化合物に対し電子供与性を示す物質であればよい。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属や希土類金属が好ましく、リチウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、エルビウム、イッテルビウム等が挙げられる。また、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が好ましく、リチウム酸化物、カルシウム酸化物、バリウム酸化物等が挙げられる。また、酸化マグネシウムのようなルイス塩基を用いることもできる。また、テトラチアフルバレン（略称：ＴＴＦ）等の有機化合物を用いることもできる。
【０１３０】
なお、上述した正孔注入層、正孔輸送層、発光層１０２、電子輸送層、電子注入層は、それぞれ、蒸着法（真空蒸着法を含む）、インクジェット法、塗布法等の方法で形成することができる。
【０１３１】
また、図１（Ｃ）に示すように、陽極と陰極との間に複数のＥＬ層１１０ａ、１１０ｂが積層されていても良い。この場合、ＥＬ層１１０ａ、１１０ｂはそれぞれ少なくとも発光層を有する。積層された第１のＥＬ層１１０ａと第２のＥＬ層１１０ｂとの間には、電荷発生層１１１を設けることが好ましい。電荷発生層１１１は上述の複合材料で形成することができる。また、電荷発生層１１１は複合材料からなる層と他の材料からなる層との積層構造でもよい。
【０１３２】
この場合、他の材料からなる層としては、電子供与性物質と電子輸送性の高い物質とを含む層や、透明導電膜からなる層などを用いることができる。このような構成を有する発光素子は、エネルギーの移動や消光などの問題が起こり難く、材料の選択の幅が広がることで高い発光効率と長い寿命とを併せ持つ発光素子とすることが容易である。また、一方のＥＬ層で燐光発光、他方で蛍光発光を得ることも容易である。この構造は上述のＥＬ層の構造と組み合わせて用いることができる。
【０１３３】
また、それぞれのＥＬ層の発光色を異なるものにすることで、発光素子全体として、所望の色の発光を得ることができる。例えば、第１のＥＬ層１１０ａの発光色と第２のＥＬ層１１０ｂの発光色を補色の関係になるようにすることで、発光素子全体として白色発光する発光素子を得ることも可能である。また、３つ以上のＥＬ層を有する発光素子の場合でも同様である。
【０１３４】
あるいは、図１（Ｄ）に示すように、陽極２０１と陰極２０９との間に、正孔注入層２０２、正孔輸送層２０３、発光層２０４、電子輸送層２０５、電子注入バッファー層２０６、電子リレー層２０７、及び陰極２０９と接する複合材料層２０８を有するＥＬ層２１０を形成しても良い。
【０１３５】
陰極２０９と接する複合材料層２０８を設けることで、特にスパッタリング法を用いて陰極を形成する際に、ＥＬ層２１０が受けるダメージを低減することができるため、好ましい。複合材料層２０８は、前述の、正孔輸送性の高い有機化合物にアクセプター性物質を含有させた複合材料を用いることもできる。
【０１３６】
さらに、電子注入バッファー層２０６を設けることで、複合材料層２０８と電子輸送層２０５との間の注入障壁を緩和することができるため、複合材料層２０８で生じた電子を電子輸送層２０５に容易に注入することができる。
【０１３７】
電子注入バッファー層２０６には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、およびこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウム等の酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウム等の炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、または希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））等の電子注入性の高い物質を用いることが可能である。
【０１３８】
また、電子注入バッファー層２０６が、電子輸送性の高い物質とドナー性物質を含んで形成される場合には、電子輸送性の高い物質に対して質量比で、０．００１以上０．１以下の比率でドナー性物質を添加することが好ましい。電子輸送性の高い物質としては、先に説明した電子輸送層２０５の材料と同様の材料を用いて形成することができる。
【０１３９】
また、ドナー性物質としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、およびこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウム等の酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウム等の炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、または希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））の他、テトラチアナフタセン（略称：ＴＴＮ）、ニッケロセン、デカメチルニッケロセン等の有機化合物を用いることもできる。
【０１４０】
さらに、電子注入バッファー層２０６と複合材料層２０８との間に、電子リレー層２０７を形成することが好ましい。電子リレー層２０７は、必ずしも設ける必要は無いが、電子輸送性の高い電子リレー層２０７を設けることで、電子注入バッファー層２０６へ電子を速やかに送ることが可能となる。
【０１４１】
複合材料層２０８と電子注入バッファー層２０６との間に電子リレー層２０７が挟まれた構造は、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質と、電子注入バッファー層２０６に含まれるドナー性物質とが相互作用を受けにくく、互いの機能を阻害しにくい構造である。したがって、駆動電圧の上昇を防ぐことができる。
【０１４２】
電子リレー層２０７は、電子輸送性の高い物質を含み、該電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位は、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質のＬＵＭＯ準位と、電子輸送層２０５に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位との間となるように形成する。
【０１４３】
また、電子リレー層２０７がドナー性物質を含む場合には、当該ドナー性物質のドナー準位も複合材料層２０８におけるアクセプター性物質のＬＵＭＯ準位と、電子輸送層２０５に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位との間となるようにする。具体的なエネルギー準位の数値としては、電子リレー層２０７に含まれる電子輸送性の高い物質のＬＵＭＯ準位は−５．０ｅＶ以上、好ましくは−５．０ｅＶ以上−３．０ｅＶ以下とするとよい。
【０１４４】
電子リレー層２０７に含まれる電子輸送性の高い物質としてはフタロシアニン系の材料又は金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体を用いることが好ましい。
【０１４５】
電子リレー層２０７に含まれるフタロシアニン系材料としては、具体的にはＣｕＰｃ、ＳｎＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｎ（ＩＩ） ｃｏｍｐｌｅｘ）、ＺｎＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｚｉｎｃ ｃｏｍｐｌｅｘ）、ＣｏＰｃ（Ｃｏｂａｌｔ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ， β−ｆｏｒｍ）、ＦｅＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ Ｉｒｏｎ）及びＰｈＯ−ＶＯＰｃ（Ｖａｎａｄｙｌ ２，９，１６，２３−ｔｅｔｒａｐｈｅｎｏｘｙ−２９Ｈ，３１Ｈ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）のいずれかを用いることが好ましい。
【０１４６】
電子リレー層２０７に含まれる金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体としては、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体を用いることが好ましい。金属−酸素の二重結合はアクセプター性（電子を受容しやすい性質）を有するため、電子の移動（授受）がより容易になる。また、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体は安定であると考えられる。したがって、金属−酸素の二重結合を有する金属錯体を用いることにより発光素子を低電圧でより安定に駆動することが可能になる。
【０１４７】
金属−酸素結合と芳香族配位子を有する金属錯体としてはフタロシアニン系材料が好ましい。具体的には、ＶＯＰｃ（Ｖａｎａｄｙｌ ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、ＳｎＯＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｎ（ＩＶ） ｏｘｉｄｅ ｃｏｍｐｌｅｘ）及びＴｉＯＰｃ（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ｃｏｍｐｌｅｘ）のいずれかは、分子構造的に金属−酸素の二重結合が他の分子に対して作用しやすく、アクセプター性が高いため好ましい。
【０１４８】
なお、上述したフタロシアニン系材料としては、フェノキシ基を有するものが好ましい。具体的にはＰｈＯ−ＶＯＰｃのような、フェノキシ基を有するフタロシアニン誘導体が好ましい。フェノキシ基を有するフタロシアニン誘導体は、溶媒に可溶である。そのため、発光素子を形成する上で扱いやすいという利点を有する。また、溶媒に可溶であるため、成膜に用いる装置のメンテナンスが容易になるという利点を有する。
【０１４９】
電子リレー層２０７はさらにドナー性物質を含んでいても良い。ドナー性物質としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属及びこれらの化合物（アルカリ金属化合物（酸化リチウムなどの酸化物、ハロゲン化物、炭酸リチウムや炭酸セシウムなどの炭酸塩を含む）、アルカリ土類金属化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む）、又は希土類金属の化合物（酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩を含む））の他、テトラチアナフタセン、ニッケロセン、デカメチルニッケロセンなどの有機化合物を用いることができる。電子リレー層２０７にこれらドナー性物質を含ませることによって、電子の移動が容易となり、発光素子をより低電圧で駆動することが可能になる。
【０１５０】
電子リレー層２０７にドナー性物質を含ませる場合、電子輸送性の高い物質としては上記した材料の他、複合材料層２０８に含まれるアクセプター性物質のアクセプター準位より高いＬＵＭＯ準位を有する物質を用いることができる。具体的なエネルギー準位としては、−５．０ｅＶ以上、好ましくは−５．０ｅＶ以上−３．０ｅＶ以下の範囲にＬＵＭＯ準位を有する物質を用いることが好ましい。このような物質としては例えば、ペリレン誘導体や、含窒素縮合芳香族化合物などが挙げられる。なお、含窒素縮合芳香族化合物は、安定であるため、電子リレー層２０７を形成する為に用いる材料として、好ましい材料である。
【０１５１】
ペリレン誘導体の具体例としては、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（略称：ＰＴＣＤＡ）、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボキシリックビスベンゾイミダゾール（略称：ＰＴＣＢＩ）、Ｎ，Ｎ’−ジオクチル−３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：ＰＴＣＤＩ−Ｃ８Ｈ）、Ｎ，Ｎ’−ジヘキシル−３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：Ｈｅｘ ＰＴＣ）等が挙げられる。
【０１５２】
また、含窒素縮合芳香族化合物の具体例としては、ピラジノ［２，３−ｆ］［１，１０］フェナントロリン−２，３−ジカルボニトリル（略称：ＰＰＤＮ）、２，３，６，７，１０，１１−ヘキサシアノ−１，４，５，８，９，１２−ヘキサアザトリフェニレン（略称：ＨＡＴ（ＣＮ）６）、２，３−ジフェニルピリド［２，３−ｂ］ピラジン（略称：２ＰＹＰＲ）、２，３−ビス（４−フルオロフェニル）ピリド［２，３−ｂ］ピラジン（略称：Ｆ２ＰＹＰＲ）等が挙げられる。
【０１５３】
その他にも、７，７，８，８，−テトラシアノキノジメタン（略称：ＴＣＮＱ）、１，４，５，８，−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（略称：ＮＴＣＤＡ）、パーフルオロペンタセン、銅ヘキサデカフルオロフタロシアニン（略称：Ｆ１６ＣｕＰｃ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，８−ペンタデカフルオロオクチル）−１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド（略称：ＮＴＣＤＩ−Ｃ８Ｆ）、３’，４’−ジブチル−５，５’’−ビス（ジシアノメチレン）−５，５’’−ジヒドロ−２，２’：５’，２’’−テルチオフェン）（略称：ＤＣＭＴ）、メタノフラーレン（例えば、［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）等を用いることができる。
【０１５４】
なお、電子リレー層２０７にドナー性物質を含ませる場合、電子輸送性の高い物質とドナー性物質との共蒸着などの方法によって電子リレー層２０７を形成すれば良い。
【０１５５】
正孔注入層２０２、正孔輸送層２０３、発光層２０４、及び電子輸送層２０５は前述の材料を用いてそれぞれ形成すれば良い。以上により、本実施の形態のＥＬ層２１０を作製することができる。
【０１５６】
上述した発光素子は、陽極と陰極との間に生じた電位差により電流が流れ、ＥＬ層において正孔と電子とが再結合することにより発光する。そして、この発光は、陽極または陰極のいずれか一方または両方を通って外部に取り出される。従って、陽極または陰極のいずれか一方、または両方が可視光に対する透光性を有する電極となる。
【０１５７】
なお、陽極と陰極との間に設けられる層の構成は、上記のものに限定されない。発光領域と金属とが近接することによって生じる消光を防ぐように、陽極及び陰極から離れた部位に正孔と電子とが再結合する発光領域を設けた構成であれば上記以外のものでもよい。
【０１５８】
つまり、層の積層構造については特に限定されず、電子輸送性の高い物質、正孔輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、正孔注入性の高い物質、バイポーラ性の物質（電子及び正孔の輸送性の高い物質）、又は正孔ブロック材料等から成る層を、発光層と自由に組み合わせて構成すればよい。
【０１５９】
本実施の形態で示した発光素子を用いて、パッシブマトリクス型の発光装置や、トランジスタによって発光素子の駆動が制御されたアクティブマトリクス型の発光装置を作製することができる。また、該発光装置を電子機器又は照明装置等に適用することができる。
【実施例１】
【０１６０】
本実施例では、本発明の一態様の発光素子について説明する。本実施例で用いた材料の化学式を以下に示す。
【０１６１】
【化１】
【０１６２】
以下に、本実施例の発光素子１及び比較発光素子２の作製方法を示す。
【０１６３】
（発光素子１）
まず、ガラス基板上に、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）をスパッタリング法にて成膜し、陽極として機能する第１の電極を形成した。なお、その膜厚は１１０ｎｍとし、電極面積は２ｍｍ×２ｍｍとした。
【０１６４】
次に、基板上に発光素子を形成するための前処理として、基板表面を水で洗浄し、２００℃で１時間焼成した後、ＵＶオゾン処理を３７０秒おこなった。
【０１６５】
その後、１０−４Ｐａ程度まで内部が減圧された真空蒸着装置内の加熱室に基板を導入し、１７０℃で３０分間の真空焼成をおこなった後、基板を３０分程度放冷した。
【０１６６】
次に、真空蒸着装置内の蒸着室に基板を導入し、第１の電極が形成された面が下方となるように、第１の電極が形成された基板が真空蒸着装置内に設けられた基板ホルダーに固定された状態で、１０−４Ｐａ程度まで減圧した後、第１の電極上に、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデン（ＶＩ）を共蒸着することで、正孔注入層を形成した。その膜厚は、４０ｎｍとし、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデンの比率は、重量比で４：２（＝ＢＰＡＦＬＰ：酸化モリブデン）となるように調節した。
【０１６７】
次に、正孔注入層上に、ＢＰＡＦＬＰを２０ｎｍの膜厚となるように成膜し、正孔輸送層を形成した。
【０１６８】
さらに、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ、及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］を共蒸着し、正孔輸送層上に発光層を形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の重量比は、０．８：０．２：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：ＰＣＢＮＢＢ：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。
【０１６９】
次に、発光層上に２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩを膜厚１０ｎｍとなるよう成膜し、第１の電子輸送層を形成した。
【０１７０】
次に、第１の電子輸送層上にＢＰｈｅｎを膜厚２０ｎｍとなるように成膜し、第２の電子輸送層を形成した。
【０１７１】
さらに、第２の電子輸送層上に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を１ｎｍの膜厚で蒸着し、電子注入層を形成した。
【０１７２】
最後に、陰極として機能する第２の電極として、アルミニウムを２００ｎｍの膜厚となるように蒸着することで、本実施例の発光素子１を作製した。
【０１７３】
（比較発光素子２）
比較発光素子２の発光層は、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］を共蒸着することで形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ及び［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］の重量比は、１：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。発光層以外は、発光素子１と同様に作製した。
【０１７４】
なお、上述した蒸着過程において、蒸着は全て抵抗加熱法を用いた。
【０１７５】
以上により得られた発光素子１及び比較発光素子２の素子構造を表１に示す。本実施例においては、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩがｎ型ホスト、ＰＣＢＮＢＢがｐ型ホスト、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］がゲストである。すなわち、発光素子１では、ｎ型ホストとｐ型ホストが共に発光層内にあるのに対し、比較発光素子２では、ｐ型ホストが発光層に存在しない。
【０１７６】
【表１】
【０１７７】
これらの発光素子を、窒素雰囲気のグローブボックス内において、発光素子が大気に曝されないように封止する作業をおこなった後、発光素子の動作特性について測定をおこなった。なお、測定は室温（２５℃に保たれた雰囲気）でおこなった。
【０１７８】
発光素子１及び比較発光素子２の電流密度−輝度特性を図４に示す。図４において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、電圧−輝度特性を図５に示す。図５において、横軸は電圧（Ｖ）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、輝度−電流効率特性を図６に示す。図６において、横軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は電流効率（ｃｄ／Ａ）を表す。また、輝度−外部量子効率特性を図７に示す。図７において、横軸は、輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は外部量子効率（％）を示す。
【０１７９】
また、発光素子１及び比較発光素子２における輝度１０００ｃｄ／ｍ２付近のときの電圧（Ｖ）、電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＣＩＥ色度座標（ｘ、ｙ）、電流効率（ｃｄ／Ａ）、パワー効率（ｌｍ／Ｗ）、外部量子効率（％）を表２に示す。
【０１８０】
【表２】
【０１８１】
また、発光素子１及び比較発光素子２に０．１ｍＡの電流を流した際の発光スペクトルを、図８に示す。図８において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（任意単位）を表す。また、表２に示す通り、１２００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の発光素子１のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５６，０．４４）であり、９６０ｃｄ／ｍ２の輝度の時の比較発光素子２のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５５，０．４４）であった。この結果から、発光素子１及び比較発光素子２は、［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２（ｄｐｍ）］に由来する橙色発光が得られたことがわかった。
【０１８２】
表２及び図４乃至図７からわかるように、発光素子１は、比較発光素子２に比べて、電流効率、パワー効率、外部量子効率がそれぞれ高い値を示した。一般に、発光体からの光を外部に取り出すに際しては、基板その他と大気との間で全反射がおこり、内部量子効率の２５％乃至３０％しか外部に光を取り出せないとされている。
【０１８３】
このことを考慮すると、比較発光素子２ではせいぜい、内部量子効率は６０％弱であると推定されるが、発光素子１は内部量子効率が８０％程度にまで高まっていると推定できる。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、外部量子効率の高い素子を実現できることが示された。
【０１８４】
次に、発光素子１及び比較発光素子２の信頼性試験をおこなった。信頼性試験の結果を図９に示す。図９において、縦軸は初期輝度を１００％とした時の規格化輝度（％）を示し、横軸は素子の駆動時間（ｈ）を示す。信頼性試験は、初期輝度を５０００ｃｄ／ｍ２に設定し、電流密度一定の条件で発光素子１を駆動した。
【０１８５】
比較発光素子２は、１２０時間後の輝度が、初期輝度の５８％であった。また、発光素子１は、６３０時間後の輝度が、初期輝度の６５％であった。この結果から、発光素子１は、比較発光素子２に比べて、寿命の長い素子であることがわかった。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、信頼性の高い素子を実現できることが示された。
【実施例２】
【０１８６】
本実施例では、本発明の一態様の発光素子について説明する。本実施例で用いた材料の化学式を以下に示す。なお、先の実施例で用いた材料の化学式は省略する。
【０１８７】
【化２】
【０１８８】
以下に、本実施例の発光素子３の作製方法を示す。
【０１８９】
（発光素子３）
まず、ガラス基板上に、ＩＴＳＯをスパッタリング法にて成膜し、陽極として機能する第１の電極を形成した。なお、その膜厚は１１０ｎｍとし、電極面積は２ｍｍ×２ｍｍとした。
【０１９０】
次に、基板上に発光素子を形成するための前処理として、基板表面を水で洗浄し、２００℃で１時間焼成した後、ＵＶオゾン処理を３７０秒おこなった。
【０１９１】
その後、１０−４Ｐａ程度まで内部が減圧された真空蒸着装置に基板を導入し、真空蒸着装置内の加熱室において、１７０℃で３０分間の真空焼成をおこなった後、基板を３０分程度放冷した。
【０１９２】
次に、第１の電極が形成された面が下方となるように、第１の電極が形成された基板を真空蒸着装置内に設けられた基板ホルダーに固定し、１０−４Ｐａ程度まで減圧した後、第１の電極上に、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデン（ＶＩ）を共蒸着することで、正孔注入層を形成した。その膜厚は、４０ｎｍとし、ＢＰＡＦＬＰと酸化モリブデンの比率は、重量比で４：２（＝ＢＰＡＦＬＰ：酸化モリブデン）となるように調節した。
【０１９３】
次に、正孔注入層上に、ＢＰＡＦＬＰを２０ｎｍの膜厚となるように成膜し、正孔輸送層を形成した。
【０１９４】
さらに、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ、及び［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］を共蒸着し、正孔輸送層上に発光層を形成した。ここで、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ、ＰＣＢＮＢＢ及び［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］の重量比は、０．８：０．２：０．０５（＝２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ：ＰＣＢＮＢＢ：［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］）となるように調節した。また、発光層の膜厚は４０ｎｍとした。
【０１９５】
次に、発光層上に２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩを膜厚１０ｎｍとなるよう成膜し、第１の電子輸送層を形成した。
【０１９６】
次に、第１の電子輸送層上に、ＢＰｈｅｎを膜厚２０ｎｍとなるように成膜し、第２の電子輸送層を形成した。
【０１９７】
さらに、第２の電子輸送層上に、ＬｉＦを１ｎｍの膜厚で蒸着し、電子注入層を形成した。
【０１９８】
最後に、陰極として機能する第２の電極として、アルミニウムを２００ｎｍの膜厚となるように蒸着することで、本実施例の発光素子３を作製した。
【０１９９】
なお、上述した蒸着過程において、蒸着は全て抵抗加熱法を用いた。
【０２００】
以上により得られた発光素子３の素子構造を表３に示す。
【０２０１】
【表３】
【０２０２】
発光素子３を、窒素雰囲気のグローブボックス内において、発光素子が大気に曝されないように封止する作業をおこなった後、発光素子の動作特性について測定をおこなった。なお、測定は室温（２５℃に保たれた雰囲気）でおこなった。
【０２０３】
発光素子３の電流密度−輝度特性を図１０に示す。図１０において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、電圧−輝度特性を図１１に示す。図１１において、横軸は電圧（Ｖ）を、縦軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を表す。また、輝度−電流効率特性を図１２に示す。図１２において、横軸は輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は電流効率（ｃｄ／Ａ）を表す。また、輝度−外部量子効率特性を図１３に示す。図１３において、横軸は、輝度（ｃｄ／ｍ２）を、縦軸は外部量子効率（％）を示す。
【０２０４】
また、発光素子３における輝度１１００ｃｄ／ｍ２のときの電圧（Ｖ）、電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＣＩＥ色度座標（ｘ、ｙ）、電流効率（ｃｄ／Ａ）、パワー効率（ｌｍ／Ｗ）、外部量子効率（％）を表４に示す。
【０２０５】
【表４】
【０２０６】
また、発光素子３に０．１ｍＡの電流を流した際の発光スペクトルを、図１４に示す。図１４において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（任意単位）を表す。また、表４に示す通り、１１００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の発光素子３のＣＩＥ色度座標は（ｘ，ｙ）＝（０．５４，０．４６）であった。この結果から、発光素子３は、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２（ａｃａｃ）］に由来する橙色発光が得られたことがわかった。
【０２０７】
表４及び図１０乃至図１３からわかるように、発光素子３は、電流効率、パワー効率、外部量子効率がそれぞれ高い値を示した。特に、１１００ｃｄ／ｍ２の輝度の時の外部量子効率が２８％と極めて高い値を示した。これは内部量子効率に換算すると、９０％以上となる。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、外部量子効率の高い素子を実現できることが示された。
【０２０８】
次に、発光素子３の信頼性試験をおこなった。信頼性試験の結果を図１５に示す。図１５において、縦軸は初期輝度を１００％とした時の規格化輝度（％）を示し、横軸は素子の駆動時間（ｈ）を示す。
【０２０９】
信頼性試験は、初期輝度を５０００ｃｄ／ｍ２に設定し、電流密度一定の条件で発光素子３を駆動した。３２０時間後の輝度について、発光素子３は、初期輝度の９２％を保っていた。以上の結果から、本発明の一態様を適用することで、信頼性の高い素子を実現できることが示された。
【実施例３】
【０２１０】
有機材料のＴ１準位は、その有機材料の薄膜や溶液の光学測定によって決定することもできるが、分子軌道計算によっても得られる。例えば、未知の材料のＴ１準位を見積もるには分子軌道計算が使用できる。本実施例では、ゲストとして用いられるＩｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃ、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍ、Ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩ、およびＰ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢのＴ１準位をそれぞれ算出した。
【０２１１】
計算方法は以下の通りである。最初に、それぞれの分子の一重項基底状態（Ｓ０）と三重項励起状態（Ｔ１）における最安定構造を、密度汎関数法（ＤＦＴ）を用いて計算した。さらに、Ｓ０とＴ１の最安定構造において振動解析をおこない、零点補正したエネルギーを求めた。Ｓ０とＴ１の零点補正したエネルギーの差から、Ｔ１準位を算出した。
【０２１２】
Ｎ型ホスト分子およびＰ型ホスト分子の計算では、全ての原子の基底関数として、６−３１１Ｇ（それぞれの原子価軌道に三つの短縮関数を用いたｔｒｉｐｌｅ ｓｐｌｉｔ ｖａｌｅｎｃｅ基底系の基底関数）を用いた。上述の基底関数により、例えば、Ｈ原子であれば、１ｓ〜３ｓの軌道が考慮され、また、Ｃ原子であれば、１ｓ〜４ｓ、２ｐ〜４ｐの軌道が考慮されることになる。さらに、計算精度向上のため、分極基底系として、Ｈ原子にはｐ関数を、Ｈ原子以外にはｄ関数を加えた。汎関数にはＢ３ＬＹＰを用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定した。
【０２１３】
ゲスト分子の計算では、Ｉｒ原子の基底関数にはＬａｎＬ２ＤＺを用いた。Ｉｒ原子以外の基底関数には６−３１１Ｇを用いた。さらに、計算精度向上のため、分極基底系として、Ｈ原子にはｐ関数を、Ｈ原子以外にはｄ関数を加えた。汎関数にはＢ３ＰＷ９１を用いて、交換と相関エネルギーに係る各パラメータの重みを規定した。
【０２１４】
なお、量子化学計算プログラムとしては、Ｇａｕｓｓｉａｎ０９を使用した。計算は、ハイパフォーマンスコンピュータ（ＳＧＩ社製、Ａｌｔｉｘ４７００）を用いておこなった。
【０２１５】
計算によって得られたＴ１準位は、Ｉｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃは２．１３電子ボルト、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍは２．１３電子ボルト、２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩは２．４２電子ボルト、ＰＣＢＮＢＢは２．３１電子ボルトであった。これらの値は、光学測定で得られたものに近いものであった。
【０２１６】
以上の結果より、Ｎ型ホストとして用いられる２ｍＤＢＴＰＤＢｑＩＩ、およびＰ型ホストとして用いられるＰＣＢＮＢＢのＴ１準位は、ゲストとして用いられるＩｒ（ｄｐｐｍ）２ａｃａｃ、Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）２ｄｐｍのＴ１準位よりも０．１５ｅＶ以上高いことが分かった。そのため、ゲスト分子の三重項励起状態からＮ型ホスト分子またはＰ型ホスト分子の三重項励起状態への遷移を十分に防止することができ、外部量子効率が高い発光素子を得ることができることが示唆された。
【０２１７】
このように光学測定で得られるＴ１準位と分子軌道計算によって得られるＴ１準位は非常に近いものである。したがって、新しい有機化合物を合成せずとも、分子軌道計算をおこない、その有機化合物のＴ１準位を評価し、その有機化合物が発光効率を高める上で有用か否かを判定できる。
【符号の説明】
【０２１８】
１０１ 基板
１０２ 発光層
１０３ 第１の電極
１０４ 第２の電極
１０５ 第１のキャリアの注入層
１０６ 第１のキャリアの輸送層
１０７ 第２のキャリアの注入層
１０８ 第２のキャリアの輸送層
１１０ ＥＬ層
１１０ａ ＥＬ層
１１０ｂ ＥＬ層
１１１ 電荷発生層
２０１ 陽極
２０２ 正孔注入層
２０３ 正孔輸送層
２０４ 発光層
２０５ 電子輸送層
２０６ 電子注入バッファー層
２０７ 電子リレー層
２０８ 複合材料層
２０９ 陰極
２１０ ＥＬ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第１の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差および前記第２の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差が、いずれも前記燐光性化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第１の有機化合物のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位が前記燐光性化合物のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第２の有機化合物のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位が前記燐光性化合物のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物及び前記第２の有機化合物から、励起錯体が形成される発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物のアニオン及び前記第２の有機化合物のカチオンから、前記励起錯体が形成される発光素子。
【請求項６】
請求項４および請求項５のいずれかにおいて、
前記励起錯体の励起エネルギーが前記燐光性化合物に移動して、前記燐光性化合物が燐光を発する発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物及び前記第２の有機化合物の少なくとも一方が、蛍光性化合物である発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
前記燐光性化合物が、有機金属錯体である発光素子。
【請求項１】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第１の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差および前記第２の有機化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差が、いずれも前記燐光性化合物の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差より０．１５電子ボルト以上大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第１の有機化合物のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位が前記燐光性化合物のＬＵＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上高いことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
燐光性化合物、電子輸送性が正孔輸送性よりも優れている第１の有機化合物、及び正孔輸送性が電子輸送性よりも優れている第２の有機化合物を含む発光層を一対の電極間に有し、前記第２の有機化合物のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）準位が前記燐光性化合物のＨＯＭＯ準位よりも０．１電子ボルト以上低いことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物及び前記第２の有機化合物から、励起錯体が形成される発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物のアニオン及び前記第２の有機化合物のカチオンから、前記励起錯体が形成される発光素子。
【請求項６】
請求項４および請求項５のいずれかにおいて、
前記励起錯体の励起エネルギーが前記燐光性化合物に移動して、前記燐光性化合物が燐光を発する発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記第１の有機化合物及び前記第２の有機化合物の少なくとも一方が、蛍光性化合物である発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
前記燐光性化合物が、有機金属錯体である発光素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１９５５７３（Ｐ２０１２−１９５５７３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３９５０３（Ｐ２０１２−３９５０３）
【出願日】平成２４年２月２７日（２０１２．２．２７）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２７日（２０１２．２．２７）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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