WO2020174595A1 - 発光素子、発光デバイス - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a light emitting device including quantum dots and a light emitting device including the light emitting device.
- Patent Document 1 discloses a light emitting element including a layer containing an insulating material between a carrier injection layer and a light emitting layer containing quantum dots.
- the layer containing the insulating material reduces the charge injected from one electrode from flowing out to the other electrode without recombination in the light emitting layer.
- a light-emitting element includes an anode, a hole-transporting layer, a light-emitting layer including a plurality of quantum dots, an electron-transporting layer, and a cathode in this order.
- a light emitting device further comprising a charge blocking layer between the light emitting layer and at least one of the hole transporting layer and the electron transporting layer, wherein the charge blocking layer is an oxide as an element.
- a transition metal element that constitutes a semiconductor, at least one of Al, Mg, and Si, and O are included.
- a light-emitting element includes an anode, a hole-transporting layer, a light-emitting layer including a plurality of quantum dots, an electron-transporting layer, and a cathode.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi levels of each layer in the light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- 6 is a graph showing a relationship between an ionization potential and an electron affinity of the electron block layer according to Embodiment 1 of the present invention, and a ratio of a transition metal element forming an oxide insulator in the electron block layer.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi levels of each layer in the light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- 6 is a graph showing a relationship between an ionization potential and an electron affinity of the electron block layer according to Embodiment 1 of the present invention, and a ratio of a transition metal element forming an
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to a second embodiment of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi level of each layer in the light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to a third embodiment of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi level of each layer in a light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to a second embodiment of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi level of each layer in the light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device according to Embodiment 4 of the present invention, and an energy diagram showing an example of Fermi levels of each layer in a light emitting element of the light emitting device, or electron affinity and ionization potential.
- FIG. 1A is a schematic sectional view of a light emitting device 1 according to this embodiment.
- FIG. 1B is an energy band diagram showing an example of the Fermi level or band gap in each layer of the light emitting device 2 according to this embodiment.
- the light emitting device 1 includes a light emitting element 2 and an array substrate 3.
- the light emitting device 1 has a structure in which each layer of the light emitting element 2 is stacked on an array substrate 3 on which a TFT (Thin Film Transistor) (not shown) is formed.
- TFT Thin Film Transistor
- the light emitting element 2 includes a hole transport layer 6, a light emitting layer 8, an electron transport layer 10, and a cathode 12 on an anode 4 in this order from the lower layer.
- the anode 4 of the light emitting element 2 formed on the upper layer of the array substrate 3 is electrically connected to the TFT of the array substrate 3.
- a cathode is provided on the upper layer of the array substrate, and an electron transport layer, a light emitting layer, a hole transport layer, and an anode are provided on the cathode in this order. May be.
- the light emitting element 2 further includes the charge block layer 14.
- the charge block layer 14 includes an electron block layer 14n and a hole block layer 14p.
- the light emitting element 2 includes the electron blocking layer 14n between the hole transport layer 6 and the light emitting layer 8 and the hole blocking layer 14p between the electron transport layer 10 and the light emitting layer 8.
- the light emitting element 2 in the present embodiment includes the charge blocking layer 14 both between the hole transport layer 6 and the light emitting layer 8 and between the electron transport layer 10 and the light emitting layer 8.
- the charge blocking layer 14 may include only one of the electron blocking layer 14n and the hole blocking layer 14p. That is, the light emitting element 2 includes the charge blocking layer 14 between the light emitting layer 8 and at least one of the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10.
- the anode 4 and the cathode 12 include a conductive material and are electrically connected to the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10, respectively.
- Either one of the anode 4 and the cathode 12 is a transparent electrode.
- the transparent electrode for example, ITO, IZO, ZnO, AZO, BZO, FTO, or the like is used, and may be formed by a sputtering method or the like.
- either one of the anode 4 and the cathode 12 may include a metal material, and as the metal material, Al, Cu, Au, Ag, or Mg having a high visible light reflectance alone or an alloy thereof is preferable. ..
- the hole transport layer 6 is a layer that transports holes from the anode 4 to the light emitting layer 8.
- the hole transport layer 6 contains a p-type semiconductor material.
- the hole transport layer 6 preferably contains an inorganic material from the viewpoint of sufficiently ensuring the carrier concentration and the carrier mobility, and from the viewpoint of reducing deterioration due to moisture or the like.
- the hole transport layer 6 contains a semiconductor material whose example is an oxide.
- the hole transport layer 6 contains an oxide of any of Ni, Cu, and Cr, or a mixture thereof.
- the hole transport layer 6 may include a material obtained by adding Li or La to these materials.
- the electron transport layer 10 is a layer that transports electrons from the cathode 12 to the light emitting layer 8.
- the electron transport layer 10 contains an n-type semiconductor material.
- the electron transport layer 10 preferably contains an inorganic material from the viewpoints of sufficiently securing the carrier concentration and carrier mobility, and from the viewpoint of reducing the deterioration due to moisture and the like.
- the electron transport layer 10 includes a semiconductor material such as an oxide, like the hole transport layer 6.
- the electron transport layer 10 contains any chalcogenide of Zn, Ti, In, Ga, Sn, V, Mo, and W, or a mixture thereof.
- the materials included in the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10 may partially include oxygen deficiency. Further, the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10 may contain a small amount of dopant as in the case of a general charge transport layer.
- the light emitting layer 8 is a layer including a plurality of quantum dots (semiconductor nanoparticles) 16.
- the light emitting layer 8 may be a stack of several light emitting layers.
- the quantum dots 16 in the light emitting layer 8 do not need to be regularly arranged as shown in FIG. 1A, and the quantum dots 16 may be randomly included in the light emitting layer 8.
- the light emitting layer 8 can be formed by a spin coating method, an inkjet method, or the like from a dispersion liquid in which the quantum dots 16 are dispersed in a solvent such as hexane or toluene.
- a dispersion material such as thiol or amine may be mixed with the dispersion liquid.
- the thickness of the light emitting layer 8 is preferably 2 to 70 nm.
- Quantum dot 16 is a light emitting material that has a valence band level and a conduction band level, and emits light by recombination of holes in the valence band level and electrons in the conduction band level. Since the light emitted from the quantum dots 16 has a narrow spectrum due to the quantum confinement effect, it is possible to obtain light emission with a relatively deep chromaticity.
- the quantum dots 16 may be appropriately selected from materials used in the field. Further, the quantum dots 16 may have a core/shell structure having, for example, a core and a shell that is an outer shell of the core.
- the light emitting layer 8 may further include a ligand that forms a coordinate bond with the outermost layer of the quantum dot 16.
- the particle size of the quantum dots 16 is about 2 to 15 nm.
- the wavelength of light emitted from the quantum dots 16 can be controlled by the particle size of the quantum dots 16. Therefore, by controlling the particle size of the quantum dots 16, the wavelength of light emitted by the light emitting device 1 can be controlled.
- the charge blocking layer 14 has a function of preventing charges transferred from one electrode to the light emitting layer 8 from flowing out to the other electrode without recombination in the light emitting layer 8. Specifically, each of the charge blocking layers 14 can move only one of carriers injected from the electrode, that is, holes injected from the anode 4 and electrons injected from the cathode 12. By inhibiting, the transfer of charge is inhibited.
- the hole blocking layer 14p moves the holes so that the holes transported from the anode 4 to the light emitting layer 8 via the hole transport layer 6 do not flow out to the cathode 12 via the electron transport layer 10. Inhibit.
- the hole blocking layer 14p does not prevent the electrons transported from the cathode 12 to the electron transport layer 10 from further moving to the light emitting layer 8.
- the electron blocking layer 14n inhibits the movement of electrons so that the electrons transported from the cathode 12 to the light emitting layer 8 via the electron transport layer 10 do not flow out to the anode 4 via the hole transport layer 6. ..
- the electron blocking layer 14n does not prevent the holes transported from the anode 4 to the hole transporting layer 6 from further moving to the light emitting layer 8.
- the charge block layer 14 contains, as elements, a transition metal element forming an oxide semiconductor, an element forming an oxide insulator, and oxygen.
- the transition metal element that constitutes the oxide semiconductor refers to a transition metal element that becomes a semiconductor by being oxidized.
- the charge block layer 14 may include at least one of Ni, Cu, Cr, La, Zn, Ti, V, Mo, and W as a transition metal element.
- the element that constitutes the oxide insulator refers to the element that becomes an insulator by being oxidized.
- the charge block layer 14 contains at least one of Al, Mg, and Si as an element forming the oxide insulator.
- the charge blocking layer 14 forms a semiconductor phase having a reduced carrier density by mixing the material forming the oxide semiconductor and the material forming the oxide insulator.
- the charge block layer 14 contains a semiconductor oxide having a reduced carrier density.
- the electron block layer 14n may include Ni, Mg, and O as elements.
- the electron block layer 14n contains Mg x Ni 1-x O.
- x is a real number that satisfies 0 ⁇ x ⁇ 1.
- the hole blocking layer 14p may include Zn, Mg, and O as elements.
- the electron block layer 14n contains Mg y Zn 1-y O.
- y is a real number that satisfies 0 ⁇ y ⁇ 1.
- Each of the hole transport layer 6, the electron transport layer 10, and the charge block layer 14 may be formed by a sputtering method.
- the hole transport layer 6 and the electron block layer 14n may be continuously formed by a sputtering method.
- the hole transport layer 6 and the electron block layer 14n are formed by performing sputtering of NiO and operating a sputtering device for sputtering Mg from the middle to simultaneously perform sputtering of NiO and Mg. May be. Accordingly, the hole transport layer 6 containing NiO and the electron block layer 14n containing Mg x Ni 1-x O can be continuously formed.
- the electron block layer 14n has the same constituent element as at least one of the constituent elements of the hole transport layer 6. It is preferable to contain an element. Note that each of the hole transport layer 6 and the electron block layer 14n may be individually formed by using a sputtering method. In this case, the constituent elements of the hole transport layer 6 and the electron blocking layer 14n may be different.
- the electron transport layer 10 and the hole blocking layer 14p may be continuously formed by a sputtering method.
- the electron transport layer 10 and the hole blocking layer 14p are formed by performing sputtering of ZnO and Mg, stopping the sputtering device for sputtering Mg from the middle, and performing sputtering of ZnO only. May be.
- the electron transport layer 10 containing ZnO and the hole blocking layer 14p containing Mg y Zn 1-y O can be continuously formed.
- the hole blocking layer 14p has the same constituent element as at least one of the constituent elements of the electron transport layer 10. It is preferable to contain an element.
- Each of the electron transport layer 10 and the hole blocking layer 14p may be individually formed by using a sputtering method or another conventionally known thin film forming method. In this case, the respective constituent elements of the electron transport layer 10 and the hole blocking layer 14p may be different.
- FIG. 1B is an energy band diagram showing an example of the Fermi level or band gap in each layer of the light emitting device 2 according to this embodiment.
- the energy band diagram in this specification shows the energy level of each layer with reference to the vacuum level.
- the Fermi level or band gap of a member corresponding to the attached member number is shown.
- the Fermi level is shown for the anode 4 and the cathode 12, and the band gap from the electron affinity to the ionization potential is shown for the hole transport layer 6, the light emitting layer 8, the electron transport layer 10, and the charge blocking layer 14, respectively.
- the hole transport layer 6 contains NiO
- the ionization potential of the hole transport layer 6 is around 5.2 eV
- the electron affinity of the hole transport layer 6 is around 2.0 eV.
- the electron transport layer 10 contains ZnO
- the ionization potential of the electron transport layer 10 is around 7.0 eV
- the electron affinity of the electron transport layer 10 is around 3.8 eV.
- the light emitting layer 8 has an ionization potential of about 5.0 eV to 7.0 eV and an electron affinity of about 2.0 eV to 3.5 eV, although it varies depending on the material and particle size of the quantum dots 16.
- the charge block layer 14 contains a mixture of a transition metal element forming an oxide semiconductor and an element forming an oxide insulator. Therefore, the charge blocking layer 14 usually has a band gap larger than that of only the oxide semiconductor.
- the electron blocking layer 14n has a band gap larger than that of the hole transporting layer 6, and the hole blocking layer 14p includes electrons. It has a band gap larger than that of the transport layer 10.
- the light emitting mechanism of the light emitting device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
- the light emitting device 1 by providing a potential difference between the anode 4 and the cathode 12, holes are injected from the anode 4 and electrons are injected from the cathode 12 toward the light emitting layer 8.
- the holes from the anode 4 reach the light emitting layer 8 via the hole transport layer 6 and the electron block layer 14n.
- the electrons from the cathode 12 reach the light emitting layer 8 via the electron transport layer 10 and the hole blocking layer 14p.
- the holes and the electrons that have reached the light emitting layer 8 are recombined in the quantum dots 16 and emit light.
- the light emitted from the quantum dots 16 may be reflected by the anode 4 which is a metal electrode, transmitted through the cathode 12 which is a transparent electrode, and emitted to the outside of the light emitting device 1.
- the light emitted from the quantum dots 16 is reflected by, for example, the cathode 12 which is a metal electrode, passes through the anode 4 which is a transparent electrode and the array substrate 3, and is emitted to the outside of the light emitting device 1. Good.
- holes are injected from the hole transport layer 6 to the electron block layer 14n as shown by an arrow H2 in FIG. 1(b).
- the electron block layer 14n is not a pure oxide insulator but contains an element that forms a p-type oxide semiconductor, it has a carrier with a low density. Therefore, the holes injected into the electron block layer 14n can move toward the light emitting layer 8 in the electron block layer 14n. Therefore, the holes in the electron block layer 14n are injected into the light emitting layer 8 as shown by the arrow H3 in FIG.
- the band gap of the electron block layer 14n is larger than the band gap of the hole transport layer 6, and the ionization potential of the electron block layer 14n is larger than the ionization potential of the hole transport layer 6.
- the barrier of hole injection from the electron blocking layer 14n to the light emitting layer 8 is smaller than the barrier when holes are directly injected from the hole transport layer 6 to the light emitting layer 8. Therefore, in the present embodiment, the efficiency of transporting holes from the anode 4 to the light emitting layer 8 is increased, which leads to an increase in the concentration of holes in the light emitting layer 8.
- the electron block layer 14n also contains an element that forms a p-type oxide semiconductor. Therefore, in the electron block layer 14n, carriers (holes) intended to be injected into the light emitting layer 8 are easier than carriers (electrons) whose movement is desired to be blocked, as compared with the case where only the insulating material is formed. It becomes a layer that can pass through. Therefore, the electron blocking layer 14n is a layer having both a highly efficient hole injection function and an electron blocking function.
- the hole blocking layer 14p is not a pure oxide insulator but contains an element that forms an n-type oxide semiconductor, it has a carrier with a low density. Therefore, the electrons injected into the hole blocking layer 14p can move toward the light emitting layer 8 in the hole blocking layer 14p. Therefore, the electrons in the hole blocking layer 14p are injected into the light emitting layer 8 as shown by the arrow E3 in FIG.
- the band gap of the hole blocking layer 14p is larger than that of the electron transport layer 10
- the electron affinity of the hole blocking layer 14p is smaller than that of the electron transport layer 10.
- the barrier of electron injection from the hole blocking layer 14p to the light emitting layer 8 is smaller than the barrier when electrons are directly injected from the electron transport layer 10 to the light emitting layer 8. Therefore, in the present embodiment, the efficiency of transporting electrons from the cathode 12 to the light emitting layer 8 is increased, which in turn leads to an increase in the concentration of electrons in the light emitting layer 8.
- the hole blocking layer 14p contains an element forming an n-type oxide semiconductor. Therefore, in the hole blocking layer 14p, the carriers (electrons) intended to be injected into the light emitting layer 8 are more likely to be blocked than the carriers (holes) whose movement is desired to be blocked, as compared with the case where the holes blocking layer 14p is formed only from the insulating material. It is a layer that can easily pass through. Therefore, the hole blocking layer 14p is a layer having both the functions of highly efficient electron injection and hole blocking.
- the holes and the electrons transported to the light emitting layer 8 are recombined in the quantum dots 16, so that the quantum dots 16 emit light.
- the value obtained by subtracting the electron affinity of the electron blocking layer 14n from the electron affinity of the light emitting layer 8 is obtained by further injecting the electrons transported to the light emitting layer 8 from the light emitting layer 8 into the electron blocking layer 14n.
- the electron affinity of the electron block layer 14n is smaller than the electron affinity of the hole transport layer 6.
- the barrier of hole injection from the light emitting layer 8 to the electron blocking layer 14n shown by the arrow H4 in FIG. 1B is the barrier when electrons are directly injected from the light emitting layer 8 to the hole transport layer 6. Will be larger than Therefore, in the present embodiment, the electron blocking layer 14n more efficiently blocks the outflow of the electrons in the light emitting layer 8 to the hole transport layer 6 side, which leads to the increase of the electron concentration in the light emitting layer 8. ..
- the electron affinity of the electron blocking layer 14n is preferably smaller than that of the light emitting layer 8 by 1.0 eV or more. With the above configuration, the electron block layer 14n can sufficiently reduce the outflow of the electrons transported to the light emitting layer 8 to the hole transport layer 6 side.
- the value obtained by subtracting the ionization potential of the light emitting layer 8 from the ionization potential of the hole blocking layer 14p further injects the holes transported to the light emitting layer 8 from the light emitting layer 8 into the hole blocking layer 14p. It corresponds to the barrier of hole injection at that time. Further, the ionization potential of the hole blocking layer 14p is larger than the ionization potential of the electron transport layer 10.
- the barrier of hole injection from the light emitting layer 8 to the hole blocking layer 14p shown by the arrow E4 in FIG. 1B is in the case of directly injecting holes from the light emitting layer 8 to the electron transport layer 10. Larger compared to the barrier. Therefore, in the present embodiment, the hole blocking layer 14p more efficiently blocks the outflow of holes in the light emitting layer 8 to the electron transport layer 10 side, and thus the concentration of holes in the light emitting layer 8 increases. Lead to
- the ionization potential of the hole blocking layer 14p is preferably larger than that of the light emitting layer 8 by 1.0 eV or more. With the above structure, the hole blocking layer 14p can sufficiently reduce the outflow of holes transported to the light emitting layer 8 to the electron transporting layer 10 side.
- the electron blocking layer 14n and the hole blocking layer 14p improve the concentration of holes and electrons in the light emitting layer 8. Therefore, recombination of holes and electrons is efficiently generated in the light emitting layer 8. Therefore, in this embodiment, the electron blocking layer 14n and the hole blocking layer 14p improve the luminous efficiency of the light emitting element 2.
- the electron blocking layer 14n and the hole transport inhibiting function of the hole blocking layer 14p it is necessary to increase the band gaps of the electron blocking layer 14n and the hole blocking layer 14p. desirable. From the viewpoint of improving the efficiency of hole injection from the electron blocking layer 14n to the light emitting layer 8 and the efficiency of electron injection from the hole blocking layer 14p to the light emitting layer 8, the electron blocking layer 14n and the hole blocking layer are also improved. It is desirable to increase the bandgap of each layer 14p.
- the horizontal axis represents the ratio of the total number of Mg atoms and the total number of Ni atoms of the elements excluding oxygen in the electron blocking layer 14n. That is, the horizontal axis of each drawing of FIG. 2 indicates the ratio of the elements excluding O to the elements forming the oxide insulator in the electron block layer 14n in atomic percent.
- the ionization potential of the electron block layer 14n is shown on the vertical axis of FIG. 2A
- the electron affinity of the electron block layer 14n is shown on the vertical axis of FIG. 2B. ..
- the electron block layer 14n contains 90 atomic% or more of Mg, that is, the element forming the oxide insulator, out of the elements other than O, from the viewpoint of efficiently increasing the band gap of the electron block layer 14n. Is preferred.
- the electron block layer 14n is not a pure insulator, but contains at least a transition metal element that forms an oxide semiconductor. From this point, in the present embodiment, the electron block layer 14n contains less than 100 atomic percent of the elements excluding O and forming the oxide insulator.
- the hole blocking layer 14p include 90 atomic percent or more and less than 100 atomic percent of the elements excluding O, that is, the elements constituting the oxide insulator.
- the charge blocking layer 14 reduces the charge injected from one electrode from flowing out to the other electrode without being recombined in the light emitting layer. Therefore, the luminous efficiency of the light emitting element 2 is improved.
- the charge block layer 14 is not a pure oxide insulator, but partially contains a transition metal element forming an oxide semiconductor. For this reason, the charge blocking layer 14 has carriers even though it has a low density, and thus the charges injected from the one electrode can be transported to the light emitting layer 8 without completely blocking them.
- the charge blocking layer 14 since the charge blocking layer 14 does not need to tunnel charges, it can be formed with a certain thickness. Therefore, it becomes easy to control the film thickness of the charge blocking layer 14, and the yield of the light emitting element 2 is improved.
- each film thickness of the charge block layer 14 is preferably 3 nm or more, and more preferably 4 nm or more. From the viewpoint of reducing the increase in resistance of the entire light emitting element 2, the film thickness of each charge blocking layer 14 is preferably 30 nm or less, and more preferably 15 nm or less.
- the hole transport layer 6 includes NiO as an example, but the present invention is not limited to this.
- the hole transport layer 6 may include, for example, Mg, that is, an element that the electron block layer 14n includes as an element that constitutes the oxide insulator.
- the hole transport layer 6 it is preferable that the hole transport layer 6 contain the element forming the oxide insulator in a ratio lower than that in the electron block layer 14n. Thereby, the band gap of the hole transport layer 6 can be maintained smaller than the band gap of the electron block layer 14n.
- the band gap of the hole transport layer 6 is slightly increased, and the ionization potential of the hole transport layer 6 is also increased. For this reason, the barrier for hole injection from the hole transport layer 6 to the electron blocking layer 14n becomes smaller, so that the efficiency of hole transport from the anode 4 to the light emitting layer 8 is further improved.
- the electron transport layer 10 may include, for example, Mg, that is, an element that the hole blocking layer 14p includes as an element forming the oxide insulator.
- Mg that is, an element that the hole blocking layer 14p includes as an element forming the oxide insulator.
- the electron transport layer 10 contains the element forming the oxide insulator in a ratio lower than that in the hole blocking layer 14p. Thereby, the band gap of the electron transport layer 10 can be maintained smaller than the band gap of the hole blocking layer 14p.
- the electron transport layer 10 By providing the electron transport layer 10 with a small amount of the element forming the oxide insulator, the band gap of the electron transport layer 10 is slightly increased, and the electron affinity of the electron transport layer 10 is reduced. For this reason, the barrier of electron injection from the electron transport layer 10 to the hole blocking layer 14p becomes smaller, so that the efficiency of electron transport from the cathode 12 to the light emitting layer 8 is further improved.
- a hole injection layer (not shown) for efficiently injecting holes from the anode 4 into the hole transport layer 6 between the anode 4 and the hole transport layer 6.
- a material of the hole transport layer an organic or inorganic conductor material, or a p-type or n-type semiconductor material can be applied.
- an organic material such as PEDOT:PSS or HAT-CN, or any oxide such as Mo, Wo, or V can be applied. The above is similarly applicable to the following embodiments.
- FIG. 3A is a schematic sectional view of the light emitting device 1 according to this embodiment.
- FIG. 3B is an energy band diagram showing an example of the Fermi level or band gap in each layer of the light emitting device 2 according to this embodiment.
- the light emitting device 1 according to the present embodiment further includes, as shown in FIG. 3A, between the light emitting layer 8 and the charge block layer 14. , Except that the insulating layer 14i is provided.
- the insulating layer 14i may be, for example, an oxide insulator, or may be an oxide of an element that is included in any of the charge block layers 14 and forms an oxide insulator. That is, in the present embodiment, for example, the insulating layer 14i may be MgO.
- the insulating layer 14i is formed thinner than the charge block layer 14 and has a film thickness of, for example, about 1 nm to 2 nm. As shown in FIG. 3B, the insulating layer 14i has a bandgap larger than that of the charge blocking layer 14.
- the transport of holes and electrons in each layer of the light emitting element 2 is the same as the principle described in the previous embodiment, except for the transport from each of the charge blocking layers 14 to the light emitting layer 8. May be realized.
- holes in the electron block layer 14n are injected into the light emitting layer 8 via the insulating layer 14i, as indicated by an arrow H3 in FIG. 3B.
- the insulating layer 14i is sufficiently thin, holes are transported to the light emitting layer 8 by tunneling through the insulating layer 14i.
- the band gap of the insulating layer 14i is sufficiently large, the hole injection from the light emitting layer 8 to the hole blocking layer 14p shown by the arrow H4 in FIG. Therefore, the insulating layer 14i contributes to an increase in the concentration of holes in the light emitting layer 8.
- the electrons in the hole blocking layer 14p are injected into the light emitting layer 8 through the insulating layer 14i, as indicated by the arrow E3 in FIG. 3B.
- the insulating layer 14i is sufficiently thin, electrons are tunneled through the insulating layer 14i and transported to the light emitting layer 8.
- the band gap of the insulating layer 14i is sufficiently large, electron injection from the light emitting layer 8 to the electron block layer 14n shown by the arrow E4 in FIG. Therefore, the insulating layer 14i contributes to an increase in the concentration of electrons in the light emitting layer 8.
- the luminous efficiency of the light emitting element 2 in the present embodiment is further improved by the insulating layer 14i.
- the insulating layer 14i does not necessarily need to be formed uniformly. For example, even when a part of the insulating layer 14i is formed extremely thin and a position where charges easily flow out occurs, the charge blocking layer 14 reduces the outflow of charges from the position to some extent. Therefore, even if a defect occurs in the film formation of the insulating layer 14i, the defect of the entire light emitting element 2 is less likely to occur, and the yield of the light emitting element 2 is maintained.
- FIG. 4A is a schematic sectional view of the light emitting device 1 according to the present embodiment.
- FIG. 4B is an energy band diagram showing an example of the Fermi level or band gap in each layer of the light emitting device 2 according to this embodiment.
- the hole transport layer 6 includes a first hole transport layer 6a and a second hole transport layer 6b from the anode 4 side. , In this order.
- the electron transport layer 10 includes the first electron transport layer 10a and the second electron transport layer 10b from the hole blocking layer 14p side. And are provided in this order. Excluding these configurations, the light emitting device 1 according to the present embodiment may have the same configuration as the light emitting device 1 according to the first embodiment.
- the first hole transport layer 6a has a smaller band gap than the second hole transport layer 6b. That is, in this embodiment, in the hole transport layer 6, it can be considered that the band gap gradually increases from the end surface on the anode 4 side to the end surface on the light emitting layer 8 side. Therefore, particularly in the present embodiment, the first hole transport layer 6a has a smaller ionization potential than the second hole transport layer 6b.
- the second hole transport layer 6b may include a small amount of the element that forms the oxide insulator and that is included in the electron block layer 14n.
- the hole transport layer 6 in the present embodiment can be obtained. can get.
- the first hole transport layer 6a is NiO
- the second hole transport layer 6b is Mg x1 Ni 1-x1 O
- the electron blocking layer 14n is Mg x2 Ni 1-x2 O.
- x1 and x2 are real numbers that satisfy 0 ⁇ x1 ⁇ x2 ⁇ 1.
- the first electron transport layer 10a has a band gap larger than that of the second electron transport layer 10b. That is, in the present embodiment, it can be considered that the band gap of the electron transport layer 10 gradually increases from the end surface on the cathode 12 side to the end surface on the light emitting layer 8 side. Therefore, particularly in the present embodiment, the first electron transport layer 10a has a smaller electron affinity than the second electron transport layer 10b.
- the first electron transport layer 10a may include a small amount of the element that forms the oxide insulator and that is included in the hole blocking layer 14p.
- the electron transport layer 10 in the present embodiment is obtained.
- the second electron transport layer 10b is ZnO
- the first electron transport layer 10a is Mg y1 Zn 1-y1 O
- the hole blocking layer 14p is Mg y2 Zn 1-y2 O. It may be.
- y1 and y2 are real numbers that satisfy 0 ⁇ y1 ⁇ y2 ⁇ 1.
- the transport of holes and electrons in each layer of the light emitting element 2 is the same as the principle described in Embodiment 1 except the transport of carriers in the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10. You may realize by the principle of.
- the barrier for hole injection shown by the arrow H5 in the present embodiment is the same as in the above-described embodiments because the second hole transport layer 6b has a larger ionization potential than the first hole transport layer 6a. It is smaller than the hole injection barrier indicated by arrow H2. For the same reason, the hole injection barrier indicated by arrow H2 in the present embodiment is smaller than the hole injection barrier indicated by arrow H2 in the above-described embodiments.
- the light-emitting element 2 of the present embodiment reduces the influence on the hole transport in the hole-transporting layer 6 from the light-emitting element 2 of the above-described embodiments, while reducing the influence from the hole-transporting layer 6 to the electron block.
- the barrier for hole transport to the layer 14n can be reduced. Therefore, the efficiency of hole transport from the anode 4 to the electron blocking layer 14n is improved, which leads to the improvement of the hole concentration in the light emitting layer 8.
- the barrier for electron injection shown by the arrow E5 in the present embodiment is the same as the arrow E2 in the above-described embodiments because the first electron transport layer 10a has a smaller electron affinity than the second electron transport layer 10b. Is smaller than the barrier of electron injection.
- the electron injection barrier indicated by the arrow E2 in the present embodiment is smaller than the electron injection barrier indicated by the arrow E2 in the above-described embodiments.
- the light emitting device 2 in the present embodiment reduces the influence on the electron transport in the electron transport layer 10 from the electron transport layer 10 to the hole blocking layer 14p as compared with the light emitting device 2 in the above-described embodiments.
- the barrier of electron transport to the can be reduced. Therefore, the efficiency of electron transport from the cathode 12 to the hole blocking layer 14p is improved, which in turn leads to an improvement in the concentration of electrons in the light emitting layer 8.
- FIG. 5A is a schematic sectional view of the light emitting device 1 according to the present embodiment.
- FIG. 5B is an energy band diagram showing an example of the Fermi level or band gap in each layer of the light emitting device 2 according to this embodiment.
- the light emitting device 1 according to the present embodiment may have the same configuration as the light emitting device 1 according to the first embodiment except for the band gaps in the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10.
- the hole transport layer 6 in the hole transport layer 6, the band gap gradually increases substantially smoothly from the end surface on the anode 4 side to the end surface on the light emitting layer 8 side.
- the hole transport layer 6 may be regarded as a structure in which a large number of ultrathin hole transport layers having a gradually increasing band gap are stacked from the anode 4 side.
- the hole transport layer 6 may have the same bandgap as the electron blocking layer 14n on the end face on the light emitting layer 8 side.
- the hole transport layer 6 may be regarded as including an ultrathin hole transport layer having substantially the same structure as the electron blocking layer 14n on the end face on the light emitting layer 8 side.
- the hole transport layer 6a may be Mg x3 Ni 1-x3 O and the electron block layer 14n may be Mg x4 Ni 1-x4 O.
- x3 and x4 are real numbers that satisfy 0 ⁇ x3 ⁇ x4 ⁇ 1, and x3 monotonically increases from 0 to x4 from the end surface on the anode 4 side to the end surface on the light emitting layer 8 side.
- the hole transport layer 6 may be obtained by monotonically increasing the output intensity of the sputtering device that gradually sputters Mg in the step of forming the hole transport layer 6 by the sputtering method.
- the electron transport layer 10 in the electron transport layer 10, the band gap gradually increases substantially smoothly from the end surface on the cathode 12 side to the end surface on the light emitting layer 8 side. ..
- the electron transport layer 10 may be regarded as a structure in which a large number of ultrathin electron transport layers having a gradually increasing band gap are stacked from the cathode 12 side. Further, the electron transport layer 10 may have a band gap that is substantially the same as that of the hole blocking layer 14p on the end surface on the light emitting layer 8 side. In this case, the electron transport layer 10 may be regarded as including an ultrathin electron transport layer having substantially the same configuration as the hole blocking layer 14p on the end face on the light emitting layer 8 side.
- the electron transport layer 10 may be Mg y3 Zn 1-y3 O and the hole blocking layer 14p may be Mg y4 Zn 1-y4 O.
- y3 and y4 are real numbers that satisfy 0 ⁇ y3 ⁇ y4 ⁇ 1, and y3 monotonically increases from 0 to y4 from the end face on the cathode 12 side to the end face on the light emitting layer 8 side.
- the electron transport layer 10 may be obtained by monotonically increasing the output intensity of the sputtering device that gradually sputters Mg in the step of forming the electron transport layer 10 by the sputtering method.
- the transport of holes and electrons in each layer of the light emitting element 2 is the same as the principle described in Embodiment 1 except the transport of carriers in the hole transport layer 6 and the electron transport layer 10. You may realize by the principle of.
- the ionization potential gradually and gradually increases from the end surface on the anode 4 side to the end surface on the light emitting layer 8 side. Therefore, the holes can move smoothly in the hole transport layer 6 as shown by the arrow H6 in FIG. Further, since the ionization potential of the end surface of the hole transport layer 6 on the light emitting layer 8 side is substantially the same as the ionization potential of the electron block layer 14n, the hole injection barrier indicated by the arrow H2 in FIG. Very small.
- the light-emitting element 2 of the present embodiment reduces the influence on the hole transport in the hole-transporting layer 6 from the light-emitting element 2 of the above-described embodiments, while reducing the influence from the hole-transporting layer 6 to the electron block.
- the barrier for hole transport to the layer 14n can be reduced. Therefore, the efficiency of hole transport from the anode 4 to the electron blocking layer 14n is improved, which leads to the improvement of the hole concentration in the light emitting layer 8.
- the electron affinity gradually and gradually decreases from the end surface on the cathode 12 side to the end surface on the light emitting layer 8 side. Therefore, the electrons can smoothly move in the electron transport layer 10 as shown by the arrow E6 in FIG. Further, since the electron affinity at the end surface of the electron transport layer 10 on the light emitting layer 8 side is substantially the same as the electron affinity of the electron block layer 14n, the electron injection barrier shown by the arrow E2 in FIG. 5B is very small. ..
- the light emitting device 2 in the present embodiment reduces the influence on the electron transport in the electron transport layer 10 from the electron transport layer 10 to the hole blocking layer 14p as compared with the light emitting device 2 in the above-described embodiments.
- the barrier of electron transport to the can be reduced. Therefore, the efficiency of electron transport from the cathode 12 to the hole blocking layer 14p is improved, which in turn leads to an improvement in the concentration of electrons in the light emitting layer 8.
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Abstract
発光素子(2)は、陽極(4)と、正孔輸送層(6)と、複数の量子ドット(16)を含む発光層(8)と、電子輸送層(10)と、陰極(12)とをこの順に備える。前記発光素子は、さらに、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との少なくとも一方と、前記発光層との間に、電荷ブロック層(14)を備える。前記電荷ブロック層は、元素として、酸化物半導体を構成する遷移金属元素と、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つと、Oとを含む。
Description
本発明は量子ドットを含む発光素子、および当該発光素子を備えた発光デバイスに関する。
特許文献1には、キャリア注入層と、量子ドットを含む発光層との間に、絶縁材料を含む層を備えた発光素子が開示されている。当該絶縁材料を含む層は、一方の電極から注入された電荷が、発光層において再結合せずに他方の電極に流れ出すことを低減する。
特許文献1が開示する発光素子においては、各電極から注入された電荷が絶縁層をトンネルする必要があるために、当該絶縁層を極薄く形成する必要がある。また、素子全体の抵抗の上昇を低減する観点においても、上記絶縁層は薄く形成することが求められる。このため、絶縁層の膜厚制御が困難となることから、特許文献1が開示する構成は、発光素子の歩留まりの低下を招来する。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光素子は、陽極と、正孔輸送層と、複数の量子ドットを含む発光層と、電子輸送層と、陰極とをこの順に備え、さらに、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との少なくとも一方と、前記発光層との間に、電荷ブロック層を備えた発光素子であって、前記電荷ブロック層は、元素として、酸化物半導体を構成する遷移金属元素と、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つと、Oとを含む。
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光素子は、陽極と、正孔輸送層と、複数の量子ドットを含む発光層と、電子輸送層と、陰極とをこの順に備え、さらに、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との少なくとも一方と、前記発光層との間に、電荷ブロック層を備えた発光素子であって、前記電荷ブロック層は、元素として、Ni、Cu、Cr、La、Zn、Ti、V、Mo、およびWのうちの少なくとも1つと、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つと、Oとを含む。
本発明の一態様によれば、発光層からの電荷の流出を低減しつつ、歩留まりを向上した発光素子を実現できる。
〔実施形態1〕
図1の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図1の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
図1の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図1の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
図1の(a)に示すように、本実施形態に係る発光デバイス1は、発光素子2とアレイ基板3とを備える。発光デバイス1は、図示しないTFT(Thin Film Transistor)が形成されたアレイ基板3上に、発光素子2の各層が積層された構造を備える。なお、本明細書においては、発光デバイス1の発光素子2からアレイ基板3への方向を「下方向」、発光素子2のアレイ基板3から発光素子2への方向を「上方向」として記載する。
発光素子2は、陽極4上に、正孔輸送層6と、発光層8と、電子輸送層10と、陰極12とを、下層からこの順に備える。アレイ基板3の上層に形成された発光素子2の陽極4は、アレイ基板3のTFTと電気的に接続されている。他の実施形態に係る発光素子においては、アレイ基板の上層に陰極を備え、陰極上に、電子輸送層と、発光層と、正孔輸送層と、陽極とを、この順に備える発光素子であってもよい。
本実施形態において、発光素子2は、さらに、電荷ブロック層14を備える。電荷ブロック層14は、電子ブロック層14nと正孔ブロック層14pとを含む。発光素子2は、電子ブロック層14nを、正孔輸送層6と発光層8との間に備え、正孔ブロック層14pを、電子輸送層10と発光層8との間に備える。
なお、本実施形態における発光素子2は、正孔輸送層6と発光層8との間、および電子輸送層10と発光層8との間の双方に、電荷ブロック層14をそれぞれ備えている。しかしながら、他の実施形態に係る発光素子においては、電荷ブロック層14は、電子ブロック層14nまたは正孔ブロック層14pの何れか一方のみを含んでいてもよい。すなわち、発光素子2は、正孔輸送層6と電子輸送層10との少なくとも一方と、発光層8との間に、電荷ブロック層14を備える。
以下、発光素子2の各層の構成について、より詳細に説明する。
陽極4および陰極12は導電性材料を含み、それぞれ、正孔輸送層6および電子輸送層10と電気的に接続されている。
陽極4と陰極12との何れか一方は、透明電極である。透明電極としては、例えば、ITO、IZO、ZnO、AZO、BZOまたはFTO等が用いられ、スパッタ法等によって成膜されてもよい。また、陽極4または陰極12のいずれか一方は金属材料を含んでいてもよく、金属材料としては、可視光の反射率の高いAl、Cu、Au、AgまたはMgの単独またはこれらの合金が好ましい。
正孔輸送層6は、アノード4からの正孔を発光層8へと輸送する層である。本実施形態において、正孔輸送層6は、p型半導体材料を含む。キャリア濃度とキャリア移動度とを十分に確保する観点、および、水分等による劣化を低減する観点から、正孔輸送層6は、無機材料を含むことが好ましい。特に、本実施形態においては、正孔輸送層6は、酸化物を一例とする半導体材料を含む。具体的に例えば、正孔輸送層6は、Ni、Cu、およびCrの何れかの酸化物、あるいはこれらの混合体を含む。正孔輸送層6は、これらの材料に、LiまたはLaが添加された材料を含んでいてもよい。
電子輸送層10は、カソード12からの電子を発光層8へと輸送する層である。本実施形態において、電子輸送層10は、n型半導体材料を含む。キャリア濃度とキャリア移動度とを十分に確保する観点、および、水分等による劣化を低減する観点から、電子輸送層10は、正孔輸送層6と同様に、無機材料を含むことが好ましい。特に、本実施形態においては、電子輸送層10は、正孔輸送層6と同様に、酸化物を一例とする半導体材料を含む。具体的には、電子輸送層10は、Zn、Ti、In、Ga、Sn、V、Mo、およびWの何れかのカルゴゲナイド、あるいはこれらの混合体を含む。
なお、本実施形態において、正孔輸送層6および電子輸送層10がそれぞれ含む材料は、一部酸素欠損を含んでいてもよい。また、正孔輸送層6および電子輸送層10は、一般的な電荷輸送層と同様に、微量のドーパントを含んでいてもよい。
発光層8は、複数の量子ドット(半導体ナノ粒子)16を含む層である。発光層8は、数層の発光層が積層したものであってもよい。ここで、発光層8における量子ドット16は、図1の(a)に示すように、規則正しく配置されている必要はなく、量子ドット16は無秩序に発光層8に含まれていてもよい。発光層8は、ヘキサンまたはトルエン等の溶媒に量子ドット16を分散させた分散液から、スピンコート法、またはインクジェット法等によって成膜することができる。分散液にはチオール、アミン等分散材料を混合してもよい。発光層8の膜厚は、2~70nmが好ましい。
量子ドット16は、価電子帯準位と伝導帯準位とを有し、価電子帯準位の正孔と伝導帯準位の電子との再結合によって発光する発光材料である。量子ドット16からの発光は、量子閉じ込め効果により狭いスペクトルを有するため、比較的深い色度の発光を得ることが可能である。
量子ドット16は、当該分野において利用される材料から適宜選択されてもよい。また、量子ドット16は、例えば、コアと、当該コアの外殻であるシェルとを有する、コア/シェル構造を備えていてもよい。なお、発光層8は、さらに、量子ドット16の最外層と配位結合するリガンドを備えていてもよい。
量子ドット16の粒径は2~15nm程度である。量子ドット16からの発光の波長は、量子ドット16の粒径によって制御することができる。このため、量子ドット16の粒径を制御することにより、発光デバイス1が発する光の波長を制御できる。
電荷ブロック層14は、一方の電極から発光層8まで輸送された電荷が、発光層8において再結合せずに他方の電極に流れ出すことを防止する機能を有する。具体的には、電荷ブロック層14のそれぞれは、電極から注入されたキャリア、すなわち、陽極4から注入された正孔、および、陰極12から注入された電子のうち、何れか一方のみの移動を阻害することにより、電荷の移動を阻害する。
例えば、正孔ブロック層14pは、陽極4から正孔輸送層6を介して発光層8に輸送された正孔が、電子輸送層10を介して陰極12に流れ出さないよう、正孔の移動を阻害する。ここで、正孔ブロック層14pは、陰極12から電子輸送層10に輸送された電子が、さらに発光層8に移動することを阻害しないことが好ましい。
一方、電子ブロック層14nは、陰極12から電子輸送層10を介して発光層8に輸送された電子が、正孔輸送層6を介して陽極4に流れ出さないよう、電子の移動を阻害する。ここで、電子ブロック層14nは、陽極4から正孔輸送層6に輸送された正孔が、さらに発光層8に移動することを阻害しないことが好ましい。
電荷ブロック層14は、元素として、酸化物半導体を構成する遷移金属元素と、酸化物絶縁体を構成する元素と、酸素とを含む。
酸化物半導体を構成する遷移金属元素とは、酸化することにより、半導体となる遷移金属元素を指す。電荷ブロック層14は、遷移金属元素として、Ni、Cu、Cr、La、Zn、Ti、V、Mo、およびWのうちの少なくとも1つ含んでいてもよい。
酸化物絶縁体を構成する元素とは、酸化することにより、絶縁体となる元素を指す。電荷ブロック層14は、酸化物絶縁体を構成する元素として、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つを含む。
すなわち、電荷ブロック層14は、酸化物半導体を構成する材料と酸化物絶縁体を構成する材料とが混合されることにより、キャリア密度が低下した半導体の相を形成する。本実施形態において、電荷ブロック層14は、当該キャリア密度が低下した半導体の酸化物を含んでいる。
本実施形態において、電子ブロック層14nは、元素として、Ni、Mg、およびOを含んでいてもよい。この場合、例えば、電子ブロック層14nはMgxNi1-xOを含んでいる。ここで、xは0<x<1を満たす実数である。また、本実施形態において、正孔ブロック層14pは、元素として、Zn、Mg、およびOを含んでいてもよい。この場合、例えば、電子ブロック層14nはMgyZn1-yOを含んでいる。ここで、yは0<y<1を満たす実数である。
正孔輸送層6、電子輸送層10、および電荷ブロック層14のそれぞれは、スパッタ法によって形成してもよい。
ここで、正孔輸送層6と電子ブロック層14nとは、スパッタ法により連続して形成してもよい。例えば、正孔輸送層6と電子ブロック層14nとは、NiOのスパッタを実行し、途中から、Mgをスパッタするスパッタ装置を稼働して、NiOとMgとのスパッタを同時に行うことにより、形成してもよい。これにより、NiOを含む正孔輸送層6と、MgxNi1-xOを含む電子ブロック層14nとを連続して形成できる。
上述のように、正孔輸送層6と電子ブロック層14nとを連続したスパッタにより形成するためには、電子ブロック層14nは、構成元素として、正孔輸送層6の構成元素の少なくとも1つと同じ元素を含むことが好ましい。なお、正孔輸送層6と電子ブロック層14nとのそれぞれは、スパッタ法を用いて個別に形成してもよい。この場合、正孔輸送層6と電子ブロック層14nとのそれぞれの構成元素は異なっていてもよい。
また、電子輸送層10と正孔ブロック層14pとは、スパッタ法により連続して形成してもよい。例えば、電子輸送層10と正孔ブロック層14pとは、ZnOとMgとのスパッタを実行し、途中から、Mgをスパッタするスパッタ装置を停止して、ZnOのみのスパッタを行うことにより、形成してもよい。これにより、ZnOを含む電子輸送層10と、MgyZn1-yOを含む正孔ブロック層14pとを連続して形成できる。
上述のように、電子輸送層10と正孔ブロック層14pとを連続したスパッタにより形成するためには、正孔ブロック層14pは、構成元素として、電子輸送層10の構成元素の少なくとも1つと同じ元素を含むことが好ましい。なお、電子輸送層10と正孔ブロック層14pとのそれぞれは、スパッタ法または従来公知のその他の薄膜形成手法を用いて個別に形成してもよい。この場合、電子輸送層10と正孔ブロック層14pのそれぞれの構成元素は異なっていてもよい。
次に、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるエネルギーバンドについて、図1の(b)を参照して説明する。図1の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
なお、本明細書のエネルギーバンド図においては、各層の、真空準位を基準としたエネルギー準位を示している。また、本明細書のエネルギーバンド図においては、付した部材番号と対応する部材のフェルミ準位、またはバンドギャップを示す。陽極4および陰極12についてはフェルミ準位を、正孔輸送層6、発光層8、電子輸送層10、および電荷ブロック層14については、電子親和力からイオン化ポテンシャルまでのバンドギャップをそれぞれ示す。
本実施形態において、例えば、正孔輸送層6がNiOを含む場合、正孔輸送層6のイオン化ポテンシャルは5.2eV前後であり、正孔輸送層6の電子親和力は2.0eV前後である。また、本実施形態において、例えば、電子輸送層10がZnOを含む場合、電子輸送層10のイオン化ポテンシャルは7.0eV前後であり、電子輸送層10の電子親和力は3.8eV前後である。なお、量子ドット16の材料および粒径によっても変化するが、発光層8のイオン化ポテンシャルは5.0eV~7.0eV程度であり、電子親和力は2.0eV~3.5eV程度である。
電荷ブロック層14は、酸化物半導体を構成する遷移金属元素と、酸化物絶縁体を構成する元素とを混合して含む。このため、電荷ブロック層14は、通常、酸化物半導体のみのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。特に、本実施形態においては、図1の(b)に示すように、電子ブロック層14nは、正孔輸送層6のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、正孔ブロック層14pは、電子輸送層10のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
本実施形態に係る発光デバイス1の発光機構について、図1を参照して説明する。
発光デバイス1において、陽極4と陰極12との間に電位差を与えることにより、陽極4からは正孔が、陰極12からは電子が、発光層8に向かって注入される。図1の(a)の矢印h+に示すように、陽極4からの正孔は、正孔輸送層6および電子ブロック層14nを介して、発光層8に到達する。図1の(a)の矢印e-に示すように、陰極12からの電子は、電子輸送層10および正孔ブロック層14pを介して、発光層8に到達する。
発光層8に到達した正孔と電子とは、量子ドット16において再結合し、発光する。量子ドット16からの発光は、例えば、金属電極である陽極4によって反射され、透明電極である陰極12を透過して、発光デバイス1の外部に放射されてもよい。他の実施形態において、量子ドット16からの発光は、例えば、金属電極である陰極12によって反射され、透明電極である陽極4およびアレイ基板3を透過して、発光デバイス1の外部に放射されてもよい。
発光素子2の各層において、正孔および電子が輸送される様子を、図1の(b)を参照して説明する。
発光デバイス1において、陽極4と陰極12との間に電位差が発生すると、図1の(b)の矢印H1に示すように、陽極4から正孔輸送層6へと正孔が注入される。同様に、図1の(b)の矢印E1に示すように、陰極12から電子輸送層10へと電子が注入される。
次いで、図1の(b)の矢印H2に示すように、正孔輸送層6から電子ブロック層14nへと正孔が注入される。この際、電子ブロック層14nは、純粋な酸化物絶縁体ではなく、p型の酸化物半導体を形成する元素を含むため、低密度ながらキャリアを有する。したがって、電子ブロック層14nに注入された正孔は、電子ブロック層14n中を、発光層8に向かって移動することができる。このため、電子ブロック層14nにおける正孔は、図1の(b)の矢印H3に示すように、発光層8に注入される。
ここで、電子ブロック層14nのバンドギャップは、正孔輸送層6のバンドギャップよりも大きく、電子ブロック層14nのイオン化ポテンシャルは、正孔輸送層6のイオン化ポテンシャルよりも大きい。
このため、電子ブロック層14nから発光層8への正孔注入の障壁は、正孔輸送層6から発光層8へ直接正孔を注入する場合の障壁と比較して小さくなる。したがって、本実施形態においては、陽極4からの正孔を、発光層8に輸送する効率が上昇し、ひいては、発光層8における正孔の濃度の増加につながる。
また、電子ブロック層14nは、p型の酸化物半導体を形成する元素を含む。このため、電子ブロック層14nは、絶縁体材料のみから形成された場合に比べて、発光層8への注入を意図するキャリア(正孔)が、移動を阻害したいキャリア(電子)よりも、容易に通過できる層となる。したがって、電子ブロック層14nは、高効率の正孔注入と電子ブロックとの機能を兼ね備えた層となる。
同様に、図1の(b)の矢印E2に示すように、電子輸送層10から正孔ブロック層14pへと電子が注入される。この際、正孔ブロック層14pは、純粋な酸化物絶縁体ではなく、n型の酸化物半導体を形成する元素を含むため、低密度ながらキャリアを有する。したがって、正孔ブロック層14pに注入された電子は、正孔ブロック層14p中を、発光層8に向かって移動することができる。このため、正孔ブロック層14pにおける電子は、図1の(b)の矢印E3に示すように、発光層8に注入される。
ここで、正孔ブロック層14pのバンドギャップは、電子輸送層10のバンドギャップよりも大きく、正孔ブロック層14pの電子親和力は、電子輸送層10の電子親和力よりも小さい。
このため、正孔ブロック層14pから発光層8への電子注入の障壁は、電子輸送層10から発光層8へ直接電子を注入する場合の障壁と比較して小さくなる。したがって、本実施形態においては、陰極12からの電子を、発光層8に輸送する効率が上昇し、ひいては、発光層8における電子の濃度の増加につながる。
また、正孔ブロック層14pは、n型の酸化物半導体を形成する元素を含む。このため、正孔ブロック層14pは、絶縁体材料のみから形成された場合に比べて、発光層8への注入を意図するキャリア(電子)が、移動を阻害したいキャリア(正孔)よりも、容易に通過できる層となる。したがって、正孔ブロック層14pは、高効率の電子注入と正孔ブロックとの機能を兼ね備えた層となる。
上述のように、発光層8に輸送された正孔と電子とが、量子ドット16において再結合することにより、量子ドット16からの発光が得られる。
ここで、電子ブロック層14nの電子親和力を、発光層8の電子親和力から引いた値は、発光層8に輸送された電子を、さらに、発光層8から電子ブロック層14nに注入する際の、電子注入の障壁に対応する。また、電子ブロック層14nの電子親和力は、正孔輸送層6の電子親和力よりも小さい。
このため、図1の(b)の矢印H4に示す、発光層8から電子ブロック層14nへの正孔注入の障壁は、発光層8から正孔輸送層6へ直接電子を注入する場合の障壁と比較して大きくなる。したがって、本実施形態においては、発光層8における電子の、正孔輸送層6側への流出を、電子ブロック層14nがより効率よく阻害し、ひいては、発光層8における電子の濃度の増加につながる。
なお、電子ブロック層14nの電子親和力は、発光層8の電子親和力よりも、1.0eV以上小さいことが好ましい。上記構成であれば、電子ブロック層14nが、発光層8に輸送された電子の、正孔輸送層6側への流出を十分に低減することができる。
同様に、正孔ブロック層14pのイオン化ポテンシャルから、発光層8のイオン化ポテンシャルを引いた値は、発光層8に輸送された正孔を、さらに、発光層8から正孔ブロック層14pに注入する際の正孔注入の障壁に対応する。また、正孔ブロック層14pのイオン化ポテンシャルは、電子輸送層10のイオン化ポテンシャルよりも大きい。
このため、図1の(b)の矢印E4に示す、発光層8から正孔ブロック層14pへの正孔注入の障壁は、発光層8から電子輸送層10へ直接正孔を注入する場合の障壁と比較して大きくなる。したがって、本実施形態においては、発光層8における正孔の、電子輸送層10側への流出を、正孔ブロック層14pがより効率よく阻害し、ひいては、発光層8における正孔の濃度の増加につながる。
なお、正孔ブロック層14pのイオン化ポテンシャルは、発光層8のイオン化ポテンシャルよりも、1.0eV以上大きいことが好ましい。上記構成であれば、正孔ブロック層14pが、発光層8に輸送された正孔の、電子輸送層10側への流出を十分に低減することができる。
上述のように、電子ブロック層14nおよび正孔ブロック層14pにより、発光層8における正孔および電子の濃度が向上する。このため、発光層8における正孔および電子の再結合が効率よく発生する。したがって、本実施形態においては、電子ブロック層14nおよび正孔ブロック層14pにより、発光素子2の発光効率が改善される。
電子ブロック層14nの電子輸送の阻害機能、および正孔ブロック層14pの正孔輸送の阻害機能を向上させるためには、電子ブロック層14nおよび正孔ブロック層14pそれぞれのバンドギャップを増大させることが望ましい。また、電子ブロック層14nから発光層8への正孔注入の効率、および、正孔ブロック層14pから発光層8への電子注入の効率を改善する観点からも、電子ブロック層14nおよび正孔ブロック層14pそれぞれのバンドギャップを増大させることが望ましい。
ここで、MgxNi1-xOを含む電子ブロック層14nを例に挙げて、電荷ブロック層14における酸化物絶縁体を構成する元素の比率と、バンドギャップとの関係を、図2を参照して詳細に説明する。
図2の各図において、横軸は、電子ブロック層14nにおける酸素を除いた元素のうち、Mgの総原子数の、Mgの総原子数とNiの総原子数との合計に対する割合である。すなわち、図2の各図の横軸は、電子ブロック層14nが、Oを除く元素のうち、酸化物絶縁体を構成する元素を含む割合を、原子パーセントを単位として示す。図2においては、電子ブロック層14nのイオン化ポテンシャルを、図2の(a)の縦軸に、電子ブロック層14nの電子親和力を、図2の(b)の縦軸にそれぞれとって示している。
図2の(a)および(b)のそれぞれに示すように、電子ブロック層14nにおけるMg、すなわち、酸化物絶縁体を構成する元素の比率が高くなるにつれて、イオン化ポテンシャルは大きくなり、電子親和力は小さくなる。すなわち、電子ブロック層14nにおける酸化物絶縁体を構成する元素の比率が高くなるにつれて、バンドギャップは増大する。
特に、図2の(a)および(b)のそれぞれに示すように、電子ブロック層14nにおけるMg、すなわち、酸化物絶縁体を構成する元素の比率が、90原子パーセントを超えると、電子親和力は急激に小さくなる。
したがって、電子ブロック層14nが、Oを除く元素のうち、Mg、すなわち、酸化物絶縁体を構成する元素を、90原子パーセント以上含むことは、電子ブロック層14nのバンドギャップを効率よく増大させる観点から好ましい。なお、本実施形態において、電子ブロック層14nは、純粋な絶縁体ではなく、少なくとも酸化物半導体を構成する遷移金属元素を含む。この点から、本実施形態において、電子ブロック層14nは、Oを除く元素のうち、酸化物絶縁体を構成する元素を、100原子パーセント未満含む。
なお、正孔ブロック層14pが、Oを除く元素のうち、酸化物絶縁体を構成する元素を含む割合と、正孔ブロック層14pのバンドギャップとの関係は、電子ブロック層14nと同様の傾向にある。したがって、正孔ブロック層14pが、Oを除く元素のうち、Mg、すなわち、酸化物絶縁体を構成する元素を、90原子パーセント以上100原子パーセント未満含むことが好ましい。
本実施形態においては、電荷ブロック層14により、一方の電極から注入された電荷が、発光層において再結合せずに他方の電極に流れ出すことを低減される。このために、発光素子2の発光効率が改善する。
また、電荷ブロック層14は、純粋な酸化物絶縁体ではなく、酸化物半導体を構成する遷移金属元素を一部含んでいる。このため、電荷ブロック層14は、低密度ながらもキャリアを有するため、上記一方の電極から注入された電荷を完全に遮蔽することなく、発光層8に輸送することができる。
したがって、電荷ブロック層14は、電荷をトンネルさせる必要がないため、ある程度の膜厚を確保して形成することができる。ゆえに、電荷ブロック層14の膜厚制御が容易となり、発光素子2の歩留まりが向上する。
なお、電荷ブロック層14の膜厚をより確実に制御する観点から、電荷ブロック層14のそれぞれの膜厚は、3nm以上であることが好ましく、4nm以上であることがより好ましい。また、発光素子2全体の抵抗上昇を低減する観点から、電荷ブロック層14のそれぞれの膜厚は、30nm以下であることが好ましく、15nm以下であることがより好ましい。
本実施形態においては、正孔輸送層6が、NiOを含む場合を例に挙げたが、これに限られない。正孔輸送層6は、例えば、Mg、すなわち、電子ブロック層14nが、酸化物絶縁体を構成する元素として含む元素を含んでいてもよい。この場合、正孔輸送層6は、酸化物絶縁体を構成する元素を、電子ブロック層14nにおける割合より低い割合だけ含むことが好ましい。これにより、正孔輸送層6のバンドギャップが、電子ブロック層14nのバンドギャップよりも小さい状態を維持できる。
正孔輸送層6が酸化物絶縁体を構成する元素を少量備えることにより、正孔輸送層6のバンドギャップがわずかに増大し、正孔輸送層6のイオン化ポテンシャルも増大する。このため、正孔輸送層6から電子ブロック層14nへの正孔注入の障壁が小さくなるため、より陽極4から発光層8への正孔輸送の効率が改善する。
また、本実施形態においては、電子輸送層10が、ZnOを含む場合を例に挙げたが、これに限られない。電子輸送層10は、例えば、Mg、すなわち、正孔ブロック層14pが、酸化物絶縁体を構成する元素として含む元素を含んでいてもよい。この場合、電子輸送層10は、酸化物絶縁体を構成する元素を、正孔ブロック層14pにおける割合より低い割合だけ含むことが好ましい。これにより、電子輸送層10のバンドギャップが、正孔ブロック層14pのバンドギャップよりも小さい状態を維持できる。
電子輸送層10が酸化物絶縁体を構成する元素を少量備えることにより、電子輸送層10のバンドギャップがわずかに増大し、電子輸送層10の電子親和力が減少する。このため、電子輸送層10から正孔ブロック層14pへの電子注入の障壁が小さくなるため、より陰極12から発光層8への電子輸送の効率が改善する。
さらに、本実施形態においては、陽極4と正孔輸送層6との間に、陽極4から正孔輸送層6への正孔注入を効率的に行うための、正孔注入層(図示しない)を形成してもよい。正孔輸送層の材料としては、有機または無機の伝導体材料、あるいは、p型またはn型の半導体材料を適用可能である。具体的に例えば、正孔輸送層の材料として、PEDOT:PSS、HAT-CN等の有機材料、Mo、Wo、V等の何れかの酸化物を適用可能である。以降の実施形態についても、上記を同様に適用可能である。
〔実施形態2〕
図3の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図3の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
図3の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図3の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
本実施形態に係る発光デバイス1は、前実施形態に係る発光デバイス1と比較して、図3の(a)に示すように、発光層8と電荷ブロック層14との間のそれぞれに、さらに、絶縁層14iを備える点を除いて、同一の構成を備えている。
絶縁層14iは、例えば、酸化物絶縁体であってもよく、電荷ブロック層14の何れかが含む、酸化物絶縁体を構成する元素の酸化物であってもよい。すなわち、本実施形態においては、例えば、絶縁層14iは、MgOであってもよい。絶縁層14iは、電荷ブロック層14よりも薄く形成され、例えば、1nm~2nm程度の膜厚を有する。図3の(b)に示すように、絶縁層14iは、電荷ブロック層14よりも大きいバンドギャップを有する。
本実施形態において、発光素子2の各層における、正孔および電子の輸送は、電荷ブロック層14のそれぞれから発光層8への輸送を除いて、前実施形態にて説明した原理と同一の原理にて実現してもよい。
本実施形態においては、図3の(b)の矢印H3に示すように、電子ブロック層14nにおける正孔が、絶縁層14iを介して発光層8に注入される。この際、絶縁層14iは十分に薄いため、正孔は絶縁層14iをトンネルして発光層8に輸送される。また、絶縁層14iのバンドギャップは十分に大きいため、図3の(b)の矢印H4に示す、発光層8から正孔ブロック層14pへの正孔注入はさらに生じにくくなる。したがって、絶縁層14iは、より発光層8における正孔の濃度の増加に寄与する。
同様に、図3の(b)の矢印E3に示すように、正孔ブロック層14pにおける電子が、絶縁層14iを介して発光層8に注入される。この際、絶縁層14iは十分に薄いため、電子は絶縁層14iをトンネルして発光層8に輸送される。また、絶縁層14iのバンドギャップは十分に大きいため、図3の(b)の矢印E4に示す、発光層8から電子ブロック層14nへの電子注入はさらに生じにくくなる。したがって、絶縁層14iは、より発光層8における電子の濃度の増加に寄与する。
以上より、本実施形態における発光素子2は、絶縁層14iにより、発光効率がより改善される。なお、本実施形態において、絶縁層14iは、必ずしも均一に成膜されなくともよい。例えば、絶縁層14iの一部が極端に薄く形成され、電荷が流出しやすい位置が発生した場合であっても、電荷ブロック層14により、当該位置からの電荷の流出がある程度低減される。したがって、絶縁層14iの成膜に不良が生じた場合であっても、発光素子2全体の不良に繋がりにくくなるため、発光素子2の歩留まりが維持される。
〔実施形態3〕
図4の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図4の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
図4の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図4の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
本実施形態に係る発光デバイス1において、図4の(a)に示すように、正孔輸送層6は、陽極4側から、第1正孔輸送層6aと第2正孔輸送層6bとを、この順に備えている。さらに、本実施形態に係る発光デバイス1において、図4の(a)に示すように、電子輸送層10は、正孔ブロック層14p側から、第1電子輸送層10aと第2電子輸送層10bとを、この順に備えている。これらの構成を除くと、本実施形態に係る発光デバイス1は、実施形態1に係る発光デバイス1と比較して、同一の構成を備えていてもよい。
本実施形態において、第1正孔輸送層6aは、第2正孔輸送層6bよりも小さいバンドギャップを有する。すなわち、本実施形態においては、正孔輸送層6において、陽極4側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第にバンドギャップが増大していると見なせる。このため、本実施形態においては、特に、第1正孔輸送層6aは、第2正孔輸送層6bよりも小さいイオン化ポテンシャルを有する。
第2正孔輸送層6bは、電子ブロック層14nが含む、酸化物絶縁体を構成する元素を少量含んでいてもよい。ここで、当該元素について、第2正孔輸送層6bにおける密度を、第1正孔輸送層6aと電子ブロック層14nとの中間の値とすることにより、本実施形態における正孔輸送層6が得られる。
本実施形態においては、例えば、第1正孔輸送層6aがNiOであり、第2正孔輸送層6bがMgx1Ni1-x1Oであり、電子ブロック層14nがMgx2Ni1-x2Oであってもよい。ここで、x1およびx2は、0<x1<x2<1を満たす実数である。これにより、上述した通り、第1正孔輸送層6a、第2正孔輸送層6b、および電子ブロック層14nを、スパッタ法により連続して形成できる。
本実施形態において、第1電子輸送層10aは、第2電子輸送層10bよりも大きいバンドギャップを有する。すなわち、本実施形態においては、電子輸送層10において、陰極12側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第にバンドギャップが増大していると見なせる。このため、本実施形態においては、特に、第1電子輸送層10aは、第2電子輸送層10bよりも小さい電子親和力を有する。
第1電子輸送層10aは、正孔ブロック層14pが含む、酸化物絶縁体を構成する元素を少量含んでいてもよい。ここで、当該元素について、第1電子輸送層10aにおける密度を、第2正孔輸送層10bと正孔ブロック層14pとの中間の値とすることにより、本実施形態における電子輸送層10が得られる。
本実施形態においては、例えば、第2電子輸送層10bがZnOであり、第1電子輸送層10aがMgy1Zn1-y1Oであり、正孔ブロック層14pがMgy2Zn1-y2Oであってもよい。ここで、y1およびy2は、0<y1<y2<1を満たす実数である。これにより、上述した通り、正孔ブロック層14p、第1電子輸送層10a、および第2電子輸送層10bを、スパッタ法により連続して形成できる。
本実施形態において、発光素子2の各層における、正孔および電子の輸送は、正孔輸送層6中および電子輸送層10中におけるキャリアの輸送を除いて、実施形態1にて説明した原理と同一の原理にて実現してもよい。
本実施形態においては、正孔輸送層6中の正孔の移動において、図4の(b)の矢印H5に示す、第1正孔輸送層6aから第2正孔輸送層6bへの正孔注入に障壁が存在する。しかしながら、本実施形態における矢印H5にて示す正孔注入の障壁は、第2正孔輸送層6bが、第1正孔輸送層6aよりも大きいイオン化ポテンシャルを有するために、前述までの実施形態における矢印H2にて示す正孔注入の障壁よりも小さい。同様の理由から、本実施形態における矢印H2にて示す正孔注入の障壁についても、前述までの実施形態における矢印H2にて示す正孔注入の障壁よりも小さい。
したがって、本実施形態における発光素子2は、前述までの実施形態における発光素子2と比較して、正孔輸送層6中の正孔輸送に対する影響を低減しつつ、正孔輸送層6から電子ブロック層14nへの正孔輸送の障壁を低減できる。このため、陽極4から電子ブロック層14nへの正孔輸送の効率が改善し、ひいては、発光層8における正孔の濃度の向上につながる。
本実施形態においては、電子輸送層10中の電子の移動において、図4の(b)の矢印E5に示す、第2電子輸送層10bから第1電子輸送層10aへの電子注入に障壁が存在する。しかしながら、本実施形態における矢印E5にて示す電子注入の障壁は、第1電子輸送層10aが、第2電子輸送層10bよりも小さい電子親和力を有するために、前述までの実施形態における矢印E2にて示す電子注入の障壁よりも小さい。同様の理由から、本実施形態における矢印E2にて示す電子注入の障壁についても、前述までの実施形態における矢印E2にて示す電子注入の障壁よりも小さい。
したがって、本実施形態における発光素子2は、前述までの実施形態における発光素子2と比較して、電子輸送層10中の電子輸送に対する影響を低減しつつ、電子輸送層10から正孔ブロック層14pへの電子輸送の障壁を低減できる。このため、陰極12から正孔ブロック層14pへの電子輸送の効率が改善し、ひいては、発光層8における電子の濃度の向上につながる。
〔実施形態4〕
図5の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図5の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
図5の(a)は、本実施形態に係る発光デバイス1の概略断面図である。図5の(b)は、本実施形態に係る発光素子2の各層におけるフェルミ準位、またはバンドギャップの例を示すエネルギーバンド図である。
本実施形態に係る発光デバイス1は、実施形態1に係る発光デバイス1と比較して、正孔輸送層6および電子輸送層10におけるバンドギャップを除いて、同一の構成を備えていてもよい。
本実施形態においては、図5の(b)に示すように、正孔輸送層6において、陽極4側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第にバンドギャップが略滑らかに増大している。本実施形態において、正孔輸送層6は、次第にバンドギャップが増大する極薄の正孔輸送層が、陽極4側から多数積層された構成とみなしてもよい。また、正孔輸送層6は、発光層8側の端面において、電子ブロック層14nと略同一のバンドギャップを有していてもよい。この場合、正孔輸送層6は、発光層8側の端面において、電子ブロック層14nと略同一の構成を備えた極薄の正孔輸送層を備えているとみなしてもよい。
本実施形態においては、例えば、正孔輸送層6aがMgx3Ni1-x3Oであり、電子ブロック層14nがMgx4Ni1-x4Oであってもよい。ここで、x3およびx4は、0≦x3≦x4<1を満たす実数であり、x3は、陽極4側の端面から発光層8側の端面にかけて、0からx4まで単調増加する。この場合における正孔輸送層6は、正孔輸送層6のスパッタ法による形成工程において、次第にMgをスパッタするスパッタ装置の出力強度を単調増加させることにより得られてもよい。
一方、本実施形態においては、図5の(b)に示すように、電子輸送層10において、陰極12側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第にバンドギャップが略滑らかに増大している。本実施形態において、電子輸送層10は、次第にバンドギャップが増大する極薄の電子輸送層が、陰極12側から多数積層された構成とみなしてもよい。また、電子輸送層10は、発光層8側の端面において、正孔ブロック層14pと略同一のバンドギャップを有していてもよい。この場合、電子輸送層10は、発光層8側の端面において、正孔ブロック層14pと略同一の構成を備えた極薄の電子輸送層を備えていると見なしてもよい。
本実施形態においては、例えば、電子輸送層10がMgy3Zn1-y3Oであり、正孔ブロック層14pがMgy4Zn1-y4Oであってもよい。ここで、y3およびy4は、0≦y3≦y4<1を満たす実数であり、y3は、陰極12側の端面から発光層8側の端面にかけて、0からy4まで単調増加する。この場合における電子輸送層10は、電子輸送層10のスパッタ法による形成工程において、次第にMgをスパッタするスパッタ装置の出力強度を単調増加させることにより得られてもよい。
本実施形態において、発光素子2の各層における、正孔および電子の輸送は、正孔輸送層6中および電子輸送層10中におけるキャリアの輸送を除いて、実施形態1にて説明した原理と同一の原理にて実現してもよい。
本実施形態における正孔輸送層6において、陽極4側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第にイオン化ポテンシャルが略滑らかに増大している。このため、正孔は、図5の(b)における矢印H6に示すように、正孔輸送層6中を滑らかに移動できる。また、正孔輸送層6の発光層8側の端面におけるイオン化ポテンシャルは、電子ブロック層14nのイオン化ポテンシャルと略同一であるため、図5の(b)における矢印H2に示す正孔注入の障壁はごく小さい。
したがって、本実施形態における発光素子2は、前述までの実施形態における発光素子2と比較して、正孔輸送層6中の正孔輸送に対する影響を低減しつつ、正孔輸送層6から電子ブロック層14nへの正孔輸送の障壁を低減できる。このため、陽極4から電子ブロック層14nへの正孔輸送の効率が改善し、ひいては、発光層8における正孔の濃度の向上につながる。
同様に、本実施形態における電子輸送層10において、陰極12側の端面から発光層8側の端面にかけて、次第に電子親和力が略滑らかに減少している。このため、電子は、図5の(b)における矢印E6に示すように、電子輸送層10中を滑らかに移動できる。また、電子輸送層10の発光層8側の端面における電子親和力は、電子ブロック層14nの電子親和力と略同一であるため、図5の(b)における矢印E2に示す電子注入の障壁はごく小さい。
したがって、本実施形態における発光素子2は、前述までの実施形態における発光素子2と比較して、電子輸送層10中の電子輸送に対する影響を低減しつつ、電子輸送層10から正孔ブロック層14pへの電子輸送の障壁を低減できる。このため、陰極12から正孔ブロック層14pへの電子輸送の効率が改善し、ひいては、発光層8における電子の濃度の向上につながる。
本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
1 発光デバイス
2 発光素子
4 陽極
6 正孔輸送層
8 発光層
10 電子輸送層
12 陰極
14 電荷ブロック層
14n 電子ブロック層
14p 正孔ブロック層
14i 絶縁層
16 量子ドット
2 発光素子
4 陽極
6 正孔輸送層
8 発光層
10 電子輸送層
12 陰極
14 電荷ブロック層
14n 電子ブロック層
14p 正孔ブロック層
14i 絶縁層
16 量子ドット
Claims (27)
- 陽極と、正孔輸送層と、複数の量子ドットを含む発光層と、電子輸送層と、陰極とをこの順に備え、さらに、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との少なくとも一方と、前記発光層との間に、電荷ブロック層を備えた発光素子であって、
前記電荷ブロック層は、元素として、酸化物半導体を構成する遷移金属元素と、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つと、Oとを含む発光素子。 - 陽極と、正孔輸送層と、複数の量子ドットを含む発光層と、電子輸送層と、陰極とをこの順に備え、さらに、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との少なくとも一方と、前記発光層との間に、電荷ブロック層を備えた発光素子であって、
前記電荷ブロック層は、元素として、Ni、Cu、Cr、La、Zn、Ti、V、Mo、およびWのうちの少なくとも1つと、Al、Mg、およびSiのうちの少なくとも1つと、Oとを含む発光素子。 - 前記電荷ブロック層の膜厚が、3nm以上30nm以下である請求項1または2に記載の発光素子。
- 前記電荷ブロック層の膜厚が、4nm以上15nm以下である請求項3に記載の発光素子。
- 前記電荷ブロック層と前記発光層との間に、さらに、絶縁層を備えた請求項1から4の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電荷ブロック層が、前記正孔輸送層と前記発光層との間の電子ブロック層を含む請求項1から5の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電子ブロック層の電子親和力が、前記発光層の電子親和力よりも、1.0eV以上小さい請求項6に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層がp型半導体材料を含む請求項6または7に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層が無機材料を含む請求項6から8の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層が酸化物半導体を含む請求項6から9の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層が、Ni、Cu、およびCr、の何れかの酸化物、あるいはこれらの混合体を含む請求項10に記載の発光素子。
- 前記電子ブロック層が、元素として、Ni、Mg、およびOを含む請求項6から11の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電子ブロック層が、Oを除く元素のうち、酸化物絶縁体を構成する元素を、90原子パーセント以上100原子パーセント未満含む請求項12に記載の発光素子。
- 前記電子ブロック層が、前記正孔輸送層の構成元素のうちの少なくとも1つを、構成元素として含む請求項6から13の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電荷ブロック層が、前記電子輸送層と前記発光層との間の正孔ブロック層を含む請求項1から14の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔ブロック層のイオン化ポテンシャルが、発光層のイオン化ポテンシャルよりも、1.0eV以上大きい請求項15に記載の発光素子。
- 前記電子輸送層がn型半導体材料を含む請求項15または16に記載の発光素子。
- 前記電子輸送層が無機材料を含む請求項15から17の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電子輸送層が酸化物半導体を含む請求項15から18の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電子輸送層が、Zn、Ti、In、Ga、Sn、V、Mo、およびWの何れかのカルコゲナイド、あるいはこれらの混合体を含む請求項19に記載の発光素子。
- 前記正孔ブロック層が、元素として、Zn、Mg、およびOを含む請求項15から20の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔ブロック層が、Oを除く元素のうち、酸化物絶縁体を構成する元素を、90原子パーセント以上100原子パーセント未満含む請求項21に記載の発光素子。
- 前記正孔ブロック層が、前記電子輸送層の構成元素のうちの少なくとも1つを、構成元素として含む請求項15から22の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層と前記発光層との間、および前記電子輸送層と前記発光層との間のそれぞれに、前記電荷ブロック層を備えた請求項1から23の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記正孔輸送層において、前記陽極側の端面から前記発光層側の端面にかけて、次第にバンドギャップが増大する請求項1から24の何れか1項に記載の発光素子。
- 前記電子輸送層において、前記陰極側の端面から前記発光層側の端面にかけて、次第にバンドギャップが増大する請求項1から25の何れか1項に記載の発光素子。
- 請求項1から26の何れか1項に記載の発光素子を備えた発光デバイス。
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