JP2002352960A - 薄膜電界発光素子 - Google Patents

薄膜電界発光素子

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隆博 中山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 有機LED発光の高効率化をはかる。 【解決手段】 励起状態生成を行う発光層14の主要材
料としてスピン転換材料14aを用い、それに発光材料
14bを別個に添加した構成をとって励起状態を有効に
利用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子−ホール再結
合により発生する励起状態を利用して光子を発生させる
薄膜電界発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】有機電界発光素子においては、その励起
状態生成−光子変換機能を果たす構成部分(以下、発光
層という)で1重項励起状態と3重項励起状態が1:3
の割合で生成されるが、そのうち発光に利用できていた
のは励起状態の1/4を占める1重項励起状態だけであ
った(以下では、便宜的に、これらの材料を1重項利用
材料という)。近年、IrやPtなどの重金属を結合さ
せた発光分子において、軌道角運動量量子数と励起状態
のスピン量子数がその重金属の効果により生じる相互作
用により交換することが知られ、1/4を上回る割合の
励起状態が発光に利用できることがわかった(以下で
は、便宜的に、これらの材料をスピン転換材料とい
う)。
【0003】発光層の構造は、発光材料を単組成で用い
たものであったが、濃度消光と呼ばれる発光分子間の相
互作用により効率が低下していた。その改善策として、
Blado et. Al: Appl. Phys. Lett., vol.74, no.3, p.4
42などに示されたように、1重項利用材料の中にスピン
転換発光材料又は1重項励起状態利用発光材料を数%程
度ドーピングする構造が利用されてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】1重項利用材料の中に
スピン転換発光材料又は1重項励起状態利用発光材料を
ドーピングすると濃度消光は避けられるが、EL発光の
発光量子効率は25%が理論限界である。
【0005】本発明の目的は、発光型ディスプレイを初
めとする種々の発光デバイスにおいて共通の課題であ
る、発光量子効率(注入電荷数に対し発生する光子数の
割合)又はエネルギー効率(印加エネルギーに対する発
光エネルギー)を向上することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明では、励起状態生
成を行う発光層の主要材料としてスピン転換材料を用
い、それに発光材料を別個に添加することにより、励起
状態を有効に利用して上記目的を達成する。
【0007】すなわち、本発明による薄膜電界発光素子
は、電子−ホール再結合により発生する励起状態を利用
して光子を発生させる発光層を備える薄膜電界発光素子
において、発光層は、軌道角運動量量子数と励起状態の
スピン量子数とが相互作用により交換可能な材料と、前
記材料中に混合された発光性分子とを含むことを特徴と
する。この薄膜電界発光素子は、軌道角運動量量子数と
励起状態のスピン量子数とが相互作用により交換可能な
材料を用いて再結合励起状態を生成し、その励起エネル
ギーを発光性分子に伝達して発光させるものである。
【0008】また、本発明による薄膜電界発光素子は、
電子−ホール再結合により発生する励起状態を利用して
光子を発生させる発光層を備える薄膜電界発光素子にお
いて、発光層は、有機蒸着薄膜に、軌道角運動量量子数
と励起状態のスピン量子数とが相互作用により交換可能
な材料と、発光性分子とを別個のドーパントとして含有
する同時蒸着法により作成された膜であることを特徴と
する。
【0009】軌道角運動量量子数と励起状態のスピン量
子数とが相互作用により交換可能な材料は、重金属原子
(原子番号76以上の金属原子)が有機材料と結合ある
いは配位した分子とすることができ、重金属原子はIr
又はPtとすることができる。
【0010】発光性分子は、重金属原子(原子番号76
以上の金属原子)が有機材料と結合あるいは配位した分
子とすることができ、重金属原子はIr又はPtとする
ことができる。本発明によると、3重項励起状態を1重
項励起状態と同様に発光に利用することができるように
なり、発光量子効率を向上することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は、スピン転換材料を発光層
主成分として用いた本発明による有機発光素子の一例の
断面模式図である。この発光素子は、透明基板11上に
透明電極12、ホール輸送層13、発光層14、電子輸
送層15、金属電極16を形成したpin型発光ダイオ
ードの一種である。発光層14において、電極12,1
6から注入されたホールと電子が結合して励起状態を形
成する。発光層14は、主成分材料14aとしてスピン
転換材料を用い、それに発光分子14bを濃度消光の生
じない濃度(0.1〜20体積%程度)で混入させて構
成する。主成分のスピン転換材料14aによって発光層
中の励起状態のスピンは1重項状態と3重項状態の間で
可換となり、その1重項励起状態が発光分子14bに移
動し発光を生じる。その結果、励起状態のうちの1/4
を超える部分が発光に利用されることになる。この効果
は、主成分材料に混入した発光材料が1重項利用材料で
あっても、スピン転換材料であっても同様に奏せられ
る。発光層の主成分をなすスピン転換材料は、そのエネ
ルギーバンドギャップが発光分子の発光エネルギーより
大きいものが適当であり、単分子として評価したときに
発光性がないものでも有るものでもよい。また、一般
に、発光分子は、3重項励起状態転換分子よりもエネル
ギーバンドギャップ幅としてより広い値を持つ方が、高
効率を達成することができる。
【0012】図1に断面模式図を示す有機発光素子を作
製した。ガラス基板11上に、ITO(Indium Tin Oxi
de)透明電極12を200nm、ホール注入層13とし
てα−NPBを35nm、発光層14としてIr(pp
y)3(24a)にPtOEP(24b)を6体積%混
入した膜を20nm、電子輸送層15としてALQを2
2nm、順次積層した。その上に、LiF層を0.5n
m、Al層を150nm積層して上部電極16とした。
成膜に当たっては、ITOはスパッタリング法、他の膜
はボート加熱による蒸着法が代表的な成膜方法である。
図2に、それぞれの有機分子の構造を示す。この素子の
ITO電極22−Al層27間に+4V以上の直流電圧
を印加することにより、PtOEPの発光が高効率で達
成される。
【0013】図3に、このようにして作製した有機発光
素子の発光スペクトルを示す。Ir(ppy)3も発光
性分子ではあるが、520nm付近にピークがあるIr
(ppy)3の発光スペクトルは殆ど見られず、PtO
EPに起因して650nmにピークを有する発光スペク
トルが強く観測された。
【0014】素子の発光波長は発光層の材料を選択する
ことにより変化させることができる。図4は、スピン転
換材料であるCBPを主成分材料とし、それに発光分子
としてIr(ppy)3を混入した発光層を有する本発
明による有機発光素子の他の例を示す断面模式図であ
る。無アルカリガラス上に、ITO透明電極を140n
m、ホール注入層としてα−NPBを40nm、発光層
としてCBPにIr(ppy)3を6体積%混入した膜
を20nm、バッファ層としてBCP層を6nm、電子
輸送層としてALQを240nm、上部電極としてLi
F層を0.6nm、Al層を150nm、順次積層し
た。成膜に当たっては、ITOはスパッタリング法、他
の膜はボート加熱による蒸着法が代表的な成膜方法であ
る。
【0015】図5(a)に、図4に示した素子の発光ス
ペクトルを示す。図示するように、Ir(ppy)3
起因する520nm付近のピークを有している。発光層
を、スピン転換材料であるCBPを主成分材料とし、そ
れに発光分子としてPtOEPを6体積%混入して構成
した以外、図4に示したのと同じ層構造を有する有機発
光素子を製造した。この発光スペクトルを図5(b)に
示す。この素子の発光スペクトルは、PtOEPに起因
する650nm付近のピークを有している。
【0016】発光層を、スピン転換材料であるIr(p
py)3を主成分材料とし、それに発光分子としてPt
OEPを6体積%混入して構成した以外、図4に示した
のと同じ層構造を有する有機発光素子を製造した。この
素子の発光スペクトルを図5(c)に示す。この発光ス
ペクトルは、PtOEPに起因する650nm付近のピ
ークを有し、Ir(ppy)3に起因する520nmの
ピークは観測されなかった。
【0017】図6は、本発明による有機発光素子の他の
例を示す断面模式図である。図6において、図1と同じ
構成部分には図1と同じ番号を付し、重複する説明を省
略する。発光層24中で再結合励起状態が十分自由に動
き回れる場合は、発光層母体材料すべてがスピン転換材
料である必要はなく、1重項利用材料中にスピン転換材
料及び発光材料を混入させた構造で効率向上を果たすこ
とができる。図6に示した有機発光素子の発光層24
(厚さ20nm)は、主成分材料としての1重項利用材
料(CBP)24a中にスピン転換材料(Ir(pp
y)3)14aを20体積%、発光材料(PtOEP)
14bを7体積%混入させた膜である。再結合励起状態
が発光層膜中で十分自由に動き回れる構造は、真空中で
有機分子を同時蒸着し十分な混合・分散状態を作成する
ことにより達成できる。
【0018】図7は、発光層24を成膜するために用い
る多元蒸着装置の一例を示す概略図である。真空排気系
32に接続されて10-6Torr以上の真空度に真空排
気されるチャンバ31内には、蒸着すべき材料を入れた
蒸着ボート34,35,36が配置され、その上に基板
33が蒸着面を蒸着ボートに対向させて配置される。各
蒸着ボート34,35,36内の材料は、加熱電極3
7,38,39を介して蒸着ボートに通電し、ボートを
加熱することにより気化され、基板33に蒸着される。
基板に形成される同時蒸着膜の組成は、ボートに流す電
流を制御することにより調整することができる。
【0019】図6に示した有機発光素子は、発光層とし
て3成分を同時蒸着した膜を用いたが、4成分以上を同
時蒸着した膜を用いることもできる。その場合、主成
分、スピン転換材料、発光材料に加えて追加する材料と
しては、以下のような材料がある。
【0020】(1)別分子のスピン転換材料 再結合励起子は種々のエネルギー値を持つことが予測さ
れる。種々のエネルギー値の3重項励起状態の転換を果
たすことを目的に、2種類以上のスピン転換材料を入れ
る場合である。 (2)別分子の発光材料 発光スペクトルの色合い調整や、スペクトルの広波長域
化を達成するために、2種類以上の発光材料を入れる場
合である。 (3)その他の材料 膜の混合性、上下の膜との密着性などを向上させるため
の材料や、主成分材料の電気伝導性を改善するための材
料(Li結合分子など)を入れる場合である。
【0021】
【発明の効果】本発明によると、濃度消光による悪影響
を受けることなく、3重項材料の高効率化の効果を利用
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スピン転換材料を発光層主成分として用いた本
発明による有機発光素子の一例の断面模式図。
【図2】有機分子の構造を示す図。
【図3】Ir(ppy)3にPtOEPを混合した発光
層を有する有機発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図4】本発明による有機発光素子の他の例の断面模式
図。
【図5】(a)はCBPにIr(ppy)3を混入した
発光層を有する有機発光素子の発光スペクトル、(b)
はCBPにPtOEPを混入した発光層を有する有機発
光素子の発光スペクトル、(c)はIr(ppy)3
PtOEPを混入した発光層を有する有機発光素子の発
光スペクトル。
【図6】1重項利用材料中にスピン転換材料、発光材料
を混入した発光層を有する有機発光素子の断面模式図。
【図7】多元蒸着装置の一例を示す概略図。
【符号の説明】
11:透明基板、12:透明電極、13:ホール輸送
層、14:発光層、15:電子輸送層、16:金属電
極、14a:スピン変換材料、14b:発光分子、2
4:発光層、24a:1重項利用材料、31:チャン
バ、32:真空排気系、33:基板、34〜36:蒸着
ボート、37〜39:加熱電極

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子−ホール再結合により発生する励起
    状態を利用して光子を発生させる発光層を備える薄膜電
    界発光素子において、 前記発光層は、軌道角運動量量子数と励起状態のスピン
    量子数とが相互作用により交換可能な材料と、前記材料
    中に混合された発光性分子とを含むことを特徴とする薄
    膜電界発光素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記軌道角運動量量子数と励起状態のスピン量子数
    とが相互作用により交換可能な材料は、重金属原子が有
    機材料と結合あるいは配位した分子であることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記重金属原子はIr又はPtであることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記発光性分子は、重金属原子が有機材料と結合あ
    るいは配位した分子であることを特徴とする薄膜電界発
    光素子。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記重金属原子はIr又はPtであることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  6. 【請求項6】 電子−ホール再結合により発生する励起
    状態を利用して光子を発生させる発光層を備える薄膜電
    界発光素子において、 前記発光層は、有機蒸着薄膜に、軌道角運動量量子数と
    励起状態のスピン量子数とが相互作用により交換可能な
    材料と、発光性分子とを別個のドーパントとして含有
    し、同時蒸着法により作成された膜であることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記軌道角運動量量子数と励起状態のスピン量子数
    とが相互作用により交換可能な材料は、重金属原子が有
    機材料と結合あるいは配位した分子であることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記重金属原子はIr又はPtであることを特徴と
    する薄膜電界発光素子。
  9. 【請求項9】 請求項6記載の薄膜電界発光素子におい
    て、前記発光性分子は、重金属原子が有機材料と結合あ
    るいは配位した分子であることを特徴とする薄膜電界発
    光素子。
  10. 【請求項10】 請求項9記載の薄膜電界発光素子にお
    いて、前記重金属原子はIr又はPtであることを特徴
    とする薄膜電界発光素子。
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