JP2830474B2 - 有機発光素子とその基板 - Google Patents

有機発光素子とその基板

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JP2830474B2 JP50797594A JP50797594A JP2830474B2 JP 2830474 B2 JP2830474 B2 JP 2830474B2 JP 50797594 A JP50797594 A JP 50797594A JP 50797594 A JP50797594 A JP 50797594A JP 2830474 B2 JP2830474 B2 JP 2830474B2
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隆博 中山
紳太郎 服部
雄三 伊藤
角田  敦
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【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、表示素子、通信用発光デバイス、情報ファ
イル用読/書ヘッド、印刷装置などに利用される有機発
光素子およびそれに用いる基板に関する。
背景技術 従来の有機発光素子は、例えば、酸化錫インジウム等
の透明電極を有する透明基板間に、有機発光体と電気絶
縁性の結合剤とからなる発光体を介在させ、前記電極の
陽極電極と発光体域との間にポルフィリン系化合物層を
形成した有機エレクトロルミネセンスセルが提案されて
いる(特開昭57−51781号公報)。該有機エレクトロル
ミネセンスセルは、両電極間に印加される信号電界に基
づき、ポルフィリン系化合物からなる正孔注入体により
正孔が注入されて、発光するものである。
こうした有機薄膜を用いた発光素子は安価に提供でき
ると云う特長を有しているが、スペクトルの半値幅が広
いために用途は表示パネルに限られ、また、各材料毎に
各一色の発光しか得られないため、単一材料では単色の
ディスプレイしか作製できなかった。
発明の開示 本発明の目的は、スペクトル幅と発光特性を改善した
有機発光素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記有機発光素子用の基
板を提供することにある。前記課題を解決する本発明の
要旨は次のとおりである。
(1)発光機能を有する有機薄膜からなる発光層と、該
発光層の両面に設けた反射鏡とで微小光共振器が構成さ
れ、該微小光共振器は発光可能に構成されている有機発
光素子。
(2)透明基体上に半透明反射層を有し、該半透明反射
層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上に有機薄
膜からなる発光層が設けられており、その上に電極が形
成された有機発光素子であって、前記半透明反射層は発
光層での発光の1部を透明基体側に透過し、発光の1部
を発光層側に反射する反射機能を有し、該半透明反射層
は発光層背面の電極との間で光共振器として作用するよ
う構成されている有機発光素子。
(3)透明基体上に半透明反射層を有し、該半透明反射
層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上にホール
注入層、有機薄膜からなる発光層、電子注入層が順に設
けられており、その上に電極が形成された有機発光素子
であって、前記半透明反射層は発光層での発光の1部を
透明基体側に透過し、発光の1部を発光層側に反射する
反射機能を有し、該半透明反射層は発光層背面の電極と
で光共振器として作用するよう構成されている有機発光
素子。
(4)前記半透明反射層と発光層背面の電極とで生じる
反射光の位相のシフトをAラジアンとするとき、半透明
反射層と発光層背面の電極との間の光学的距離Lが(整
数−A/2π)倍〔但し、S<(2L)<Tであり、S,Tは、
前記半透明反射層を持たない発光素子の発光スペクトル
における発光強度が最大強度の1/2となる波長を示
す。〕である前記有機発光素子。
(5)前記半透明反射層と発光層背面の電極とで生じる
反射光の位相のシフトがAラジアンとするとき、半透明
反射層と発光層背面の電極との間の光学的距離Lが〔取
出す光のピーク波長×(整数−A/2π)/2〕の長さの0.9
〜1.1倍である前記有機発光素子。
例えば、共振器としての光学的距離が発光波長の2
倍,3倍,…n倍と整数倍の場合、または1/2,3/2,…など
半整数倍の場合にも同様に共振の効果を得ることができ
る。
(6)前記半透明反射層が誘電体の多層膜である前記有
機発光素子。
(7)前記透明導電層、ホール注入層、発光層および電
子注入層の各層の厚さとそれぞれの屈折率との積で表さ
れる光学的距離の和が、発光のピーク波長と同じもしく
は近似している前記有機発光素子。
(8)前記半透明反射層がパターニングにより発光取出
し窓を有する金属製全反射膜である前記有機発光素子。
(9)前記半透明反射層が、反射率が50〜99.9%または
透過率が50〜0.1%である前記有機発光素子。
(10)透明基板と、その上に光の一部を透過し、一部を
反射する誘電体の多層膜からなる半透明反射層を備え、
該半透明反射層上に透明導電膜を有する有機発光素子用
基板。
(11)透明基板と、その上に誘電体の多層膜からなる半
透明反射層を有し、該半透明反射層の反射率が50〜99.9
%または透過率が50〜0.1%である有機発光素子用基
板。
(12)透明基板と、その上に透明導電膜と透明絶縁膜と
を積層した半透明反射層を備え、該半透明反射層上に透
明導電膜を有する有機発光素子用基板。
なお、前記透明基体としては、透明な石英、ガラスま
たはプラスチックから選ばれる透明基板が望ましい。
本発明においては、透明電極と基板との間に半透明反
射膜を設置し、該反射膜と背面電極との間の光学的距離
を発光波長のそれと同じか、またはその整数倍としたこ
とにより、素子内部を光の微小共振器とすることができ
る。それによって、発光スペクトルの半値幅が縮小され
る。
また、発光効率が向上し、可干渉光の発生の割合が増
大するなど、発光特性を向上できる。
図面の簡単な説明 図1は、本発明の一実施例の発光素子の構造を示す模
式断面図である。
図2は、従来の発光素子の構造を示す模式断面図であ
る。
図3は、図1の素子と図2の素子との発光スペクトル
の比較図である。
図4は、本発明の一実施例の半透明反射膜を有する発
光素子の共振器部分の光学的な距離と発光スペクトルの
半値幅の関係を示すグラフである。
図5は、本発明の一実施例の発光素子の構造を示す模
式断面図である。
図6は、有機蛍光膜(アルミキレート)の膜厚と発光
スペクトルの関係を示すスペクトル図である。
発明を実施するための最良の形態 〔実施例1〕 図1は、本発明の一実施例の発光素子の構造を示す模
式断面図である。
硝子基板1上に、TiO2膜とSiO2膜とを積層した半透明
反射膜2が形成されている。該半透明反射膜2上に、透
明導電膜(Indium Tin Oxide:ITO膜)3を形成し、その
上にトリフェニルジアミン誘導体(TAD)からなるホー
ル注入層4、アルミキレートの発光層5、オキシジアゾ
ール誘導体(PBD)の電子注入層6、Ag−Mg金属電極7
が順次形成されている。なお、透明導電膜3、ホール注
入層4、発光層5および電子注入層6のそれぞれの膜厚
と屈折率との積から得られる光学的距離の和は、アルミ
キレートのエレクトロルミネセント(EL)発光のピーク
波長である530nmと一致させる。これによって本発明の
共振器が構成される。
図1において、ホール注入層4および電子注入層6
は、高性能な特性を要求しない場合には必須ではなく、
これらのいずれかまたは両方を省略して用いることがで
きる。その際には、透明導電膜3からホールが注入さ
れ、また、金属電極7から電子が注入され、本発明の発
光素子が得られるが、ホール注入層4および電子注入層
6を設けた方がより好ましい。
前記半透明反射膜2の反射率は発光層5の材料の性能
と、素子の用途によって選択される。その反射率の上限
は光共振器が自己破壊することなく蓄積できるエネルギ
ーの限界により制限される。透過率で50〜0.1%、反射
率で50〜9 9.9%である。少なくとも10μW/cm2の出射光を得るため
には、取り出す光の透過率で0.1%よりは小さくできな
い。また、反射率では99.9%が限度である。反射率を小
さくし過ぎると光共振器としての性質を失うため、50%
を下廻る反射率のものを用いると、十分なスペクトル幅
の減少を得ることができない。
上記において発光層5としてはアルミキレートを用い
たが、ペリレン誘導体、ペリノン誘導体、ナフタレン誘
導体,クマリン誘導体,オキサジアゾール・ビスベンゾ
キサゾリン,アルダジン,ピラジン誘導体,ジスチルベ
ンゼン誘導体,ポリフェニル誘導体,ビススチルアント
ラセン誘導体,キレート金属錯体等が用いられる。
上記の有機薄膜は蒸着、塗布、化学反応による成長、
ラングミュア・ブロジェット法等により作製することが
できる。また、複数の有機材料を混合して用いることも
できる。
図2は、従来構造の有機EL素子の構造を示す模式断面
図である。即ち、図1の構造から半透明反射膜2を除い
た構造となっている。
図3は、図1の素子と、図2の素子の、発光スペクト
ルを比較したスペクトル図である。図1の素子のスペク
トルAは、図2の素子のスペクトルBより半値幅が小さ
い。これは、半透明反射膜2によって、素子内部で発光
を共振させることにより、共振周波数の電磁波を選択的
に発生させた結果によるものである。このように、発光
を共振させることにより、発光スペクトルの半値幅の減
少、発光効率の向上、可干渉光の発生などの効果を得る
ことができる。この共振器の共振器部分の光学的な距離
を発光波長により近く合わせることにより、より大きな
効果を得ることができる。
図4は、上記共振器部分の光学的な距離と、発光スペ
クトルの半値幅の関係を示すグラフである。これは、図
1の素子構造において、ホール注入層4の膜厚のみを変
えた素子を用いて測定した結果で、半透明反射膜2の無
い場合の半値幅を100としている。光学的距離が発光の
ピーク波長と一致する530nm付近で最も半値幅が小さ
く、530nmから外れるに従って急速に大きくなる。図3
の半透明反射膜2がない素子(スペクトルB)では、発
光強度が530nmの発光強度の約1/2になる波長は480nmと5
80nmであることが分かる。この範囲は、図4において半
値幅の減少が見られる範囲と対応している。
共振効果が得られるのは、光学的な距離が取り出され
る発光のピーク波長の0.9〜1.1倍の範囲にある時であ
る。この範囲は、図4において半値幅の減少が見られる
波長領域と対応している。
本実施例においては、発光層材料としてアルミニウム
キレートを単体で用いたが、電子−ホール結合により発
光を示す有機材料であれば、単体に限らず、混合体や積
層構造でも用いることができる。
また、共振した発光を安定させるためには、素子の温
度を一定に保つ機構を設けることが重要である。
素子構造や半透明反射膜2の構成材料によって、透過
率および反射率の最適値が異なるが、吸収率については
0に近いほど望ましい。
半透明反射膜2としては、パターニングを施し、一部
に発光を取り出す窓を有する金属の全反射膜を用いるこ
ともできる。また、横方向に発光が漏れにくい素子構造
とすることにより、発光特性を更に向上することができ
る。
本実施例では、共振器としての光学的距離が発光波長
と同じ場合について説明したが、理論的には発光波長の
2倍,3倍,…n倍と整数倍の場合、及び1/2,3/2,…など
半整数倍の場合にも同様の共振の効果を得ることができ
る。
また、本実施例では、上下の鏡面での反射による光の
位相シフトの総計が0または1波長である場合について
示しているが、金属面で1/2波長シフトし、半透明反射
膜で波長シフトがない素子構成の場合は、光学的距離が
発光波長の1/4,3/4,5/4,……倍の時に共振させることが
できる。
しかし、実際の素子においては、素子作成に由来して
共振の生ずる鋭さにぼやけが生ずる。そのために上記効
果は膜厚が小さいほど鋭く、倍数が大きくなるに従って
共振の出方が不明瞭となるので、10倍程度が実用上の限
界である。
本実施例の構造の素子は、電荷注入により電界発光を
生じさせ、また、透明基板側から照射する光により発光
層に螢光を発生させて、電界発光と同様の半値幅の狭い
発光スペクトルを生じさせることができる。この場合に
は、透明電極および発光層以外の有機薄膜は省略するこ
とも可能である。
〔実施例2〕 図5に光励起による発光を利用した共振器素子の模式
断面図を示す。
全反射金属膜8とTiO2/SiO2の積層体からなる半透明
反射膜2との間に、有機蛍光薄膜9としてアルミキレー
トが挾まれた構造に形成した。これに、半透明反射膜2
側から波長406nmの光を照射することにより有機蛍光薄
膜9から可視光を取り出すことができる。
図6に前記有機蛍光薄膜(アルミキレート)の膜厚と
発光スペクトルの関係を示す。アルミキレートの膜厚に
より発光ピークの位置、半値幅、強度を変えることがで
きる。また、半透明反射膜の反射特性を変えることによ
っても発光スペクトルの形状を変えることができる。
本発明の有機発光素子は、光共振器の効果により発光
スペクトルの半値幅の縮小、発光効率の向上、可干渉光
の発生など発光特性を向上することができる。
上記有機発光素子は、これまでのGaAs,SiC,ZnSe等の
無機半導体により作製されてきた発光ダイオードや半導
体レーザーの代替として用いることができ、光通信素
子、情報表示パネル、光記録ファイルの読み/書き用ヘ
ッド、レーザープリンタの光ヘッドとしての利用が可能
である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−46695(JP,A) 実開 平3−69899(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 33/22

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明基体上に半透明反射層を有し、該半透
    明反射層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上に
    有機薄膜からなる発光層が設けられており、その上に電
    極が形成された有機発光素子であって、前記半透明反射
    層は発光層での発光の1部を透明基体側に透過し、発光
    の1部を発光層側に反射する反射機能を有し、該半透明
    反射層は発光層背面の電極との間で光共振器として作用
    するよう構成されていることを特徴とする有機発光素
    子。
  2. 【請求項2】透明基体上に半透明反射層を有し、該半透
    明反射層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上に
    ホール注入層、有機薄膜からなる発光層、電子注入層が
    順に設けられており、その上に電極が形成された有機発
    光素子であって、前記半透明反射層は発光層での発光の
    1部を透明基体側に透過し、発光の1部を発光層側に反
    射する反射機能を有し、該半透明反射層は発光層背面の
    電極とで光共振器として作用するよう構成されているこ
    とを特徴とする有機発光素子。
  3. 【請求項3】透明基体上に半透明反射層を有し、該半透
    明反射層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上に
    ホール注入層、有機薄膜からなる発光層が設けられてお
    り、その上に電極が形成された有機発光素子であって、
    前記半透明反射層は発光層での発光の1部を透明基体側
    に透過し、発光の1部を発光層側に反射する反射機能を
    有し、該半透明反射層は発光層背面の電極とで光共振器
    として作用するよう構成されていることを特徴とする有
    機発光素子。
  4. 【請求項4】透明基体上に半透明反射層を有し、該半透
    明反射層上に透明導電層が配置され、該透明導電層上に
    有機薄膜からなる発光層、電子注入層が順に設けられて
    おり、その上に電極が形成された有機発光素子であっ
    て、前記半透明反射層は発光層での発光の1部を透明基
    体側に透過し、発光の1部を発光層側に反射する反射機
    能を有し、該半透明反射層は発光層背面の電極とで光共
    振器として作用するよう構成されていることをと特徴と
    する有機発光素子。
  5. 【請求項5】前記半透明反射層と発光層背面の電極とで
    生じる反射光の位相のシフトをAラジアンとするとき、
    半透明反射層と発光層背面の電極との間の光学的距離L
    が(整数−A/2π)倍〔但し、S<(2L)<Tであり、
    S,Tは、前記半透明反射層を持たない発光素子の発光ス
    ペクトルにおける発光強度が最大強度の1/2となる波長
    を示す。〕である請求の範囲第1項乃至第4項のいずれ
    かに記載の有機発光素子。
  6. 【請求項6】前記半透明反射層と発光層背面の電極との
    間の光学的距離が、取出す光のピーク波長の0.9〜1.1倍
    またはその整数倍である請求の範囲第1項乃至第4項の
    いずれかに記載の有機発光素子。
  7. 【請求項7】前記半透明反射層と発光層背面の電極とで
    生じる反射光の位相のシフトがAラジアンとするとき、
    半透明反射層と発光層背面の電極との間の光学的距離L
    が〔取出す光のピーク波長×(整数−A/2π)/2〕の長
    さの0.9〜1.1倍である請求の範囲第1項乃至第4項のい
    ずれかに記載の有機発光素子。
  8. 【請求項8】前記透明導電層、ホール注入層、発行層お
    よび電子注入層の各層の厚さとそれぞれの屈折率との積
    で表される光学的距離の和が、発光のピーク波長と同じ
    もしくは近似している請求の範囲第2項に記載の有機発
    光素子。
  9. 【請求項9】前記半透明反射層が誘電体の多層膜で構成
    されている請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかに記
    載の有機発光素子。
  10. 【請求項10】前記半透明反射層が発光取出し窓を有す
    る金属製全反射膜で構成されている請求の範囲第1項乃
    至第8項のいずれかに記載の有機発光素子。
  11. 【請求項11】前記半透明反射層の反射率が50〜99.9%
    または透過率が50〜0.1%である請求の範囲第1項乃至
    第9項のいずれかに記載の有機発光素子。
  12. 【請求項12】透明基板と、その上に光の一部を透過
    し、一部を反射する誘電体の多層膜からなる半透明反射
    層を備え、該半透明反射層上に透明導電膜を有すること
    を特徴とする有機発光素子用基板。
  13. 【請求項13】透明基板と、その上に誘電体の多層膜か
    らなる半透明反射層を備え、該半透明反射層上に透明導
    電膜を有し、前記半透明反射層の反射率が50〜99.9%ま
    たは透過率が50〜0.1%であることを特徴とする有機発
    光素子用基板。
  14. 【請求項14】透明基板と、その上に透明導電膜と透明
    絶縁膜とを積層した半透明反射層を備え、該半透明反射
    層上に透明導電膜を有することを特徴とする有機発光素
    子用基板。
  15. 【請求項15】前記透明基板が石英、ガラスまたはプラ
    スチックからなる透明基板であり、前記半透明反射層上
    に透明導電膜がパターニングされている請求の範囲第12
    項乃至第14項のいずれかに記載の有機発光素子用基板。
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