JP3837344B2

JP3837344B2 - 光学素子およびその製造方法

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Publication number: JP3837344B2
Application number: JP2002065578A
Authority: JP
Inventors: 大輔井手; 浩司鈴木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: US7009749B2; KR20030074327A; CN1322600C; JP2003264089A; US20030169472A1; CN1444425A; KR100582608B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学素子として有機ＥＬ（ＯＬＥＤ：ＯｒｇａｎｉｃＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）素子を用いた表示装置が、ＣＲＴやＬＣＤに代わる表示装置として注目されている。
【０００３】
有機ＥＬ素子は、ガラス基板上に形成された透明な陽極とその上方に設けられた陰極とからそれぞれホールと電子が発光層に注入され、これらのホールと電子とが再結合して励起子が生じ、この励起子が放射失活する過程で発光層から光が放たれることにより発光する。なお、陽極と発光層との間にはホール輸送層が、陰極と発光層との間には電子輸送層が設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された有機ＥＬ素子において、電子輸送層や発光層は、水分子や酸素分子等の不純物に影響されやすく、ＬＣＤ等と比べ、一般的に経時変化による劣化が顕著であるという問題がある。
【０００５】
また、発光層へ安定的に電子を注入するのが困難なため、発光輝度のばらつきが生じるという問題もある。安定的な電子の注入を行うために、陰極材料として低仕事関数の金属が用いられる。さらに、陰極には、低抵抗対策、ウィスカ・ヒロック対策、エレクトロマイグレーション対策が求められる。
【０００６】
本発明は、そうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学素子の発光輝度のばらつきをおさえる技術の提供にある。本発明の別の目的は、光学素子の経時変化による劣化を低減することにある。本発明のまた別の目的は、光学素子の寿命を長くすることにある。本発明のさらに別の目的は、光学素子における電子の注入効率を向上することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、陰極を比抵抗の低いアルミニウムにより構成するので、陰極を低抵抗化することができる。しかし、アルミニウムは、面方位によって仕事関数が異なるという問題がある。例えば、アルミニウムの仕事関数は、面方位（１１０）で４．０６ｅＶ、面方位（１１１）で４．２４ｅＶ、面方位（１００）で４．４１ｅＶである。陰極において、仕事関数が均一でないと、仕事関数の低い部位から電子注入が起こる確率が高くなり、その部位の劣化が著しくなる。また、陰極全体の仕事関数が異なると、電子の注入効率が異なり、光学素子の輝度にも影響を与え、輝度がばらつくという問題もある。
【０００８】
以上の観点から、本発明者は、面方位が略均一なアルミニウムにより陰極を構成することにより、陰極全体の仕事関数を均一にすることができるという認識をするに至った。本発明によれば、基板上部に、少なくとも陽極、発光素子層、および陰極が形成された光学素子であって、該陰極は、面方位が略均一なアルミニウムにより構成されたことを特徴とする光学素子が提供される。略均一とは、Ｘ線解析法により、少なくとも９０％以上のものが同じ面方位のアルミニウムにより構成されたものをいう。
【０００９】
面方位が略均一なアルミニウムにより陰極を構成することにより、陰極全体の仕事関数を均一にすることができ、部分的な素子の劣化を妨げることができる。これにより、輝度のばらつきをおさえることもできる。発光素子層は、有機ＥＬ素子であってよい。また、ここで、陰極は、発光素子層側の界面における面方位が略均一なアルミニウムにより構成することができる。
【００１０】
アルミニウムの面方位は、（１１０）または（１１１）であってよい。アルミニウムの面方位を（１１０）または（１１１）にすることにより、陰極の仕事関数を低くすることができ、電子注入効率を高めることができる。
【００１１】
この光学素子は、発光素子層と陰極との間に、該陰極に接触して設けられたフッ化リチウム層をさらに有していてもよい。フッ化リチウム層の膜厚は、０．５ｎｍから２ｎｍであってよい。
【００１２】
発光素子層と陰極との間にフッ化リチウム層を設けることにより、発光素子層と陰極との界面におけるエネルギー障壁を下げることができる。これにより、電子注入効率が改善され、素子寿命を改善できる。なお、フッ化リチウム層に代えてＬｉ_２Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ₃等の金属酸化物またはＭｇＦ_２、ＳｒＦ_２等の金属ハロゲン化物を材料とする層を設けても同様の効果が得られる。
【００１３】
本発明によれば、基板上部に、少なくとも陽極、発光素子層、および陰極が形成された光学素子であって、該陰極は、少なくとも発光素子層との界面近傍において、酸素含有量が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のアルミニウムにより構成されたことを特徴とする光学素子が提供される。界面近傍とは、陰極の中心よりも発光素子層側のことをいう。陰極中、特に発光素子層との界面近傍における酸素含有量を低減することにより、電子輸送層や発光層への不純物の影響を減らすことができ、有機ＥＬ素子の劣化を妨げることができる。
【００１４】
また、発光素子層と陰極との間にフッ化リチウム層を設けた場合、絶縁膜であるフッ化リチウム層は電気的な極性を持つため、陰極中に不純物が含まれると、陰極との界面にアルミナ等の酸化物や不純物が偏析しやすくなる。界面付近に部分的な不純物が偏析すると、電子注入の抵抗成分になり、素子劣化を加速してしまう。陰極中の酸素含有量を低減することにより、このような不純物の偏析も減らすことができ、有機ＥＬ素子の劣化を妨げることができる。
【００１５】
さらに、陰極は、高純度のアルミニウムにより構成されてよい。これによりアルミニウム内の酸化物が減少し、界面付近の不純物偏析を抑制できる。さらに、アルミニウムの面方位を均一にすることができる。
【００１６】
本発明によれば、少なくとも陽極および発光素子層が形成された基板の上方に、１×１０^−４Ｐａ以下の減圧雰囲気下でアルミニウムを蒸着することにより陰極を形成することを特徴とする光学素子の製造方法が提供される。このように高真空下で陰極を形成することにより、陰極中の酸素濃度を減少させて酸化物を低減することができ、発光素子層との界面付近への不純物偏析を抑制できる。これにより、陰極におけるアルミニウムの面方位を略均一にすることもできる。
【００１７】
蒸着は、４０℃以下で行ってよい。蒸着温度の下限としては０℃以上、より好ましくは２０℃以上である。陰極を室温程度の２０℃以上４０℃以下の温度で形成することにより、アルミニウム原子の拡散が抑制され、エネルギー的に安定な面方位が（１１１）のアルミニウム層を形成することができる。また、このような温度制限により、基板に付着した酸素や炭素等の不純物の拡散を抑制することができ、これらの不純物が発光素子層と陰極との界面等に析出するのを抑制することができる。
【００１８】
この方法は、減圧雰囲気下で、発光素子層の上方にフッ化リチウム層を形成する工程をさらに有してよく、基板を減圧雰囲気下から取り出すことなく、陰極をフッ化リチウム層上に形成してよい。このように、減圧雰囲気下でフッ化リチウム層と陰極を連続して形成することにより、これらの層の界面の酸化を防止することができる。さらに、不純物の混入を防ぐことができ、不純物の界面への析出を抑制することができる。また、フッ化リチウム層上に面方位の略均一な陰極を形成することができる。
【００１９】
さらに、陰極は、複数の発光素子層に共通して設けられてよい。陰極を複数の発光素子層の上全体にわたって形成することにより、電流密度を下げることができ、エレクトロマイグレーションを防ぐことができる。
【００２０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本実施の形態における光学素子は、有機ＥＬ表示装置に用いられる有機ＥＬ素子である。まず、有機ＥＬ表示装置における表示画素の一般的な構造を図１および図２にもとづき説明する。図１は、有機ＥＬ表示装置の一表示画素を示す平面図である。図２（ａ）に図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図を示し、図２（ｂ）に図１中のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す。
【００２２】
表示画素はゲート信号線５１とドレイン信号線５２とに囲まれた領域に形成される。表示画素は、スイッチング素子である第１のＴＦＴ３０、有機ＥＬ素子を駆動する第２のＴＦＴ４０、および保持容量９０を有する。
【００２３】
第１のＴＦＴ３０は、ゲート信号線５１に接続され、ゲート信号が供給されるゲート電極１１、ドレイン信号線５２に接続され、ドレイン信号が供給されるドレイン電極１３ｄ、および保持容量９０の一方の電極５５を介して第２のＴＦＴ４０に接続されるソース電極１３ｓを有する。
【００２４】
保持容量９０の一方の電極５５は第１のＴＦＴのソース電極１３ｓと一体に形成される。保持容量９０の他方の電極５４は、クロム等からなり、ゲート絶縁膜を介して一方の電極５５との間で電荷を蓄積する。保持容量９０は、第２のＴＦＴ４０のゲート電極４２に印加される電圧を保持する。
【００２５】
第２のＴＦＴ４０は、第１のＴＦＴ３０のソース電極１３ｓに接続されるゲート電極４２、有機ＥＬ素子６０の陽極６１に接続されるドレイン電極４３ｄ、および駆動電源線５３に接続されるソース電極４３ｓを有する。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、絶縁性基板１０の上に能動層１３が形成される。絶縁性基板１０には、石英ガラス、無アルカリガラス等が用いられる。能動層１３には、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜にレーザ光を照射して多結晶化した多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）膜が用いられる。ここではトップゲート構造を示しているが、これに限定する趣旨ではない。能動層１３には、２つのチャネル１３ｃの両側にソース電極１３ｓおよびドレイン電極１３ｄが設けられる。本実施の形態において、ソース電極１３ｓおよびドレイン電極１３は、ｎ型不純物のイオンドーピングが施され、第１のＴＦＴ３０はｎチャネル型である。
【００２７】
能動層１３の上にゲート絶縁膜１２、その上にゲート電極１１、および保持容量９０の一方の電極５４が形成される。ゲート電極１１は、クロムやモリブデン等の高融点金属からなり、図２に示したゲート信号線５１の一部を構成する。
【００２８】
ゲート電極１１およびゲート絶縁膜１２の上の全面には、ＳｉＮ膜およびＳｉＯ_２膜で構成された層間絶縁膜１５が形成される。ドレイン電極１３ｄに対応して設けられたコンタクトホールにはアルミニウム等の金属が充填され、ドレイン信号線５２の一部を構成するドレイン引き出し電極１６が設けられる。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、絶縁性基板１０の上に能動層４３が形成される。能動層４３は、能動層１３と同じ材料により構成されてよい。能動層４３には、チャネル４３ｃおよびチャネル４３ｃの両側にソース電極４３ｓおよびドレイン電極４３ｄが設けられる。本実施の形態において、ソース電極４３ｓおよびドレイン電極４３ｄは、ｐ型不純物のイオンドーピングが施され、第２のＴＦＴ４０はｐチャネル型である。
【００３０】
能動層４３の上にゲート絶縁膜１２、その上にゲート電極４２が設けられる。ゲート電極４２は、クロムやモリブデン等の高融点金属からなる。ゲート電極４２は、第１のＴＦＴ３０のソース電極１３ｓに接続される。能動層４３において、チャネル４３ｃはゲート電極４２の下方に形成される。
【００３１】
ゲート絶縁膜１２およびゲート電極４２の上の全面には、層間絶縁膜１５が形成される。ソース電極４３ｓに対応して設けられたコンタクトホールにはアルミニウム等の金属が充填され、駆動電源線５３が形成される。
【００３２】
層間絶縁膜１５、ドレイン引き出し電極１６、および駆動電源線５３の上の全面には、例えば有機樹脂からなる平坦化絶縁膜１７が形成される。平坦化絶縁膜１７の上には、有機ＥＬ素子６０が形成される。有機ＥＬ素子６０は、陽極６１、発光素子層６６、および陰極６７がこの順で積層形成された構造を持つ。陽極６１は、平坦化絶縁膜１７のドレイン電極４３ｄに対応して設けられたコンタクトホールを介してドレイン電極４３ｄと接続される。陽極６１の上には絶縁膜６８が形成される。絶縁膜６８は、陽極６１の厚みによる段差に起因する発光素子層６６の断ち切れによって生じる陰極６７と陽極６１との短絡を防止するために設けられる。
【００３３】
陽極６１の材料としては、酸化インジウム・スズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、または酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ₃）等が例示される。一般的には、ホール注入効率や表面抵抗の低さからＩＴＯが用いられる。発光素子層６６は、ホール輸送層６２、発光層６４および電子輸送層６５がこの順で積層形成された構造を持つ。ホール輸送層６２の材料としては、4,4’,4’’-トリス(3-メチルフェニルフェニルアミノ)トリフェニルアミン（4,4’,4’’-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine：ＭＴＤＡＴＡ）、N,N’-ジ(ナフタレン-１-イル)-N,N’-ジフェニル-ベンジジン(N,N'-Di(naphthalene-１-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine：ＮＰＢ)、N,N’-ジフェニル-N,N’-ジ(3-メチルフェニル)-1,1’-ビフェニル-4,4’-ジアミン（N,N’-diphenyl-N,N’-di(3-methylphenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine：ＴＰＤ）等が例示される。発光層６４の材料としては、キナクリドン誘導体を含むビス（ベンゾキノリノラト）ベリリウム錯体（bis (10-hydroxybenzo[h]quinolinato) beryllium：Ｂｅｂｑ２）、またはアルミキノレン錯体（Ａｌｑ３）等が例示される。電子輸送層６５の材料としては、Ｂｅｂｑ２、またはＡｌｑ３等が例示される。陰極６７に関しては、後に詳述する。
【００３４】
ホール輸送層６２、電子輸送層６５および陰極６７は、各表示画素の有機ＥＬ素子６０に共通に形成される。発光層６４は、陽極６１に対応して島状に形成される。
【００３５】
以上で説明した表示画素の構成、材料は例示であり、これらに限定する趣旨ではない。例えば、第１のＴＦＴ３０および第２のＴＦＴ４０は、ｎチャネル型であってもよく、ｐチャネル型であってもよく、さらにｎチャネル型とｐチャネル型との組合せであってもよい。また、第１のＴＦＴ３０に関して、ドレイン電極１３ｄおよびソース電極１３ｓとしたところは、このトランジスタに印加される電圧に応じて、それぞれソース電極およびドレイン電極となることもある。有機ＥＬ素子６０は、陽極６１、発光素子層６６、および陰極６７がこの逆に積層されてもよい。また、各層の間には介在層があってもよい。
【００３６】
次に、以上のように構成された表示画素において、有機ＥＬ素子を発光させる動作を説明する。ゲート信号線５１からのゲート信号がゲート電極１１に印加されると、第１のＴＦＴ３０がオンになる。そのため、第１のＴＦＴ３０のソース電極１３ｓから印加された電荷が保持容量９０に蓄積されるとともに第２のＴＦＴ４０のゲート電極４２に印加される。有機ＥＬ素子６０には、第２のＴＦＴ４０のゲート電極４２に印加された電圧に応じた電流が駆動電源線５３から供給される。
【００３７】
有機ＥＬ素子６０において、陽極６１から注入されたホールと陰極６７から注入された電子とが発光層６４の内部で再結合し、発光層６４を構成する有機分子を励起して励起子が生じる。この励起子が放射失活する過程で発光層６４から光が放たれ、この光が透明な陽極６１を介して外部へ放出されて有機ＥＬ素子６０が発光する。
【００３８】
以上の有機ＥＬ表示装置の表示画素の構造をもとに、本発明の特徴を説明する。本発明の実施の形態において、陰極６７は、アルミニウムにより構成される。陰極を比抵抗の低いアルミニウムにより構成することにより、陰極の低抵抗化を図ることができる。
【００３９】
また、電子輸送層６５と陰極６７との間にフッ化リチウム層を設ける。こうすることで、陰極６７からの電子輸送層６５への電子注入効率が改善され、素子寿命が改善される。
【００４０】
なお、陰極６７を形成するアルミニウムは純度の高いものを用いる。好ましくは、９９．９％以上である。また、フッ化リチウム層および陰極６７は、１×１０⁻ ⁴Ｐａ以下の減圧下で蒸着によって成膜する。このような処理により、フッ化リチウム層および陰極６７中の不純物を低減することができる。そのため、これらの界面に不純物が偏析せず、素子劣化を防ぐことができる。さらに、電子輸送層６５や発光層６３等への不純物の影響を阻止することもでき、この観点からも素子劣化を防ぐことができる。フッ化リチウム層および陰極６７の蒸着時の減圧は、クライオポンプを用いて行う。クライオポンプを用いることにより、炭素等の不純物を低減することができる。
【００４１】
また、特に、陰極６７は、この減圧下でアルミニウムを２０℃以上４０℃以下の常温で蒸着させることにより形成する。このような常温で蒸着することにより、アルミニウムの面方位を安定な（１１１）にすることができる。さらに、上述したように、減圧下で蒸着するので、不純物の存在による面方位の乱れも防ぐことができ、面方位が略均一なアルミニウムからなる陰極６７を形成することができる。常温で蒸着することにより、基板に付着した不純物の拡散を抑制することができ、これらの不純物が発光素子層６６と陰極６７との界面等に析出するのを抑制することができるという効果も奏する。
【００４２】
陰極６７形成後に、５０℃〜１００℃で加熱処理を行う。これにより、さらに水分などの不純物を除去することができ、有機ＥＬ素子６０を安定化することができる。
【００４３】
なお、上述したように、陰極６７は、各表示画素の発光素子層６６に共通に形成されるので、電流密度が下がり、エレクトロマイグレーションを防ぐこともできる。
【００４４】
【実施例】
以下に、陰極６７を形成する実施例を説明する。
電子輸送層６５を形成した基板をチャンバに導入し、チャンバをロードロック式のクライオポンプにより５×１０⁻ ⁵Ｐａの減圧雰囲気とした。この減圧雰囲気下で電子輸送層６５上にフッ化リチウムを１ｎｍの厚さ蒸着した。この減圧雰囲気を保ったまま、フッ化リチウム膜上にアルミニウムを３０℃で４００ｎｍの厚さ蒸着した。アルミニウムは、高純度（９９．９％以上）のものを用いた。
【００４５】
その後、基板を大気にさらすことなく、８０℃で６０分間加熱する熱処理を行った。これは、陰極形成後に乾燥剤とともに、有機ＥＬディスプレイ全体の陰極側を金属またはガラスなどで封止するための前処理である。
【００４６】
フッ化リチウム膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることができる。膜厚が０．５ｎｍ程度のとき、基板全面に均一な膜を形成することができ、膜厚が２ｎｍ程度から直接トンネル電流が急激に減少するからである。フッ化リチウム膜を導入することにより、有機ＥＬへの印加電圧を低くすることができ、ホール輸送層などの劣化が緩和され、素子の寿命を延ばすことができる。
【００４７】
図３は、以上のようにして形成したアルミニウム層をＸ線回折法により分析した結果を示す図である。この図に示すように、面方位（１１１）を示す２θ＝３８．４４の位置にピーク３が表れる。他のピークとの強度比でも、９２％（２９９４６／３２４９６）以上のものが面方位（１１１）であることがわかる。なお、図中２θ＝８２．４０の位置のピーク６は、面方位（１１１）のアルミニウムが存在する場合に付随的に生じる面方位（２２２）のアルミニウムを示すものである。したがって、ピーク３およびピーク６と他のピークとの強度比から、９５％（３１０９８／３２４９６）以上のものが面方位（１１１）だということが示唆される。また、他のピーク１、２、４および５は、非常に微量であり、他の面方位のアルミニウムを示すのではなく、不純物を示すものと考えられる。以上の結果から、ほぼ１００％のものが面方位（１１１）であると言える。
【００４８】
図４は、以上のようにして形成した光学素子の酸素含有量を測定した結果を示す図である。酸素濃度はＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により測定した。この図に示すように、アルミニウム層中の酸素含有量は概ね１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であった。表面付近では、測定中の大気の影響により１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となっているが、表面から深さ０．１μｍ程度では酸素含有量は１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となり、発光層との界面近傍の深さ０．２５μｍ以上では、酸素含有量は約１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となっている。
【００４９】
図５は、陰極中の酸素含有量と緑色（Ｇ）の輝度半減時間との関係を示すグラフである。この図に示すように、陰極における酸素含有量が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より多くなると、輝度半減時間が極端に短くなる。
【００５０】
以上に示したように、本実施例において、面方位が略均一なアルミニウムにより構成された陰極を形成することができた。また、この陰極における酸素含有量は、少なくとも発光素子層との界面近傍において、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であった。これらの結果から、本実施例で形成された陰極によれば、有機ＥＬ素子の寿命を長くでき、輝度のばらつきをおさえることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子の輝度のばらつきをおさえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】有機ＥＬ表示装置の一表示画素を示す平面図である。
【図２】図１に示す表示画素の断面図である。
【図３】実施例において形成したアルミニウム層をＸ線回折法により分析した結果を示す図である。
【図４】実施例において形成した光学素子の酸素含有量を測定した結果を示す図である。
【図５】陰極中の酸素含有量と輝度半減時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０絶縁性基板、１２ゲート絶縁膜、１５層間絶縁膜、３０第１のＴＦＴ、４０第２のＴＦＴ、５１ゲート信号線、５２ドレイン信号線、５３駆動電源線、６０有機ＥＬ素子、６１陽極、６４発光層、６６発光素子層、６７陰極、９０保持容量。

Claims

基板上部に、少なくとも陽極、発光素子層、および陰極が形成された光学素子であって、
該陰極は、面方位が略均一なアルミニウムにより構成され、かつ面方位の９０％以上が（１１１）であることを特徴とする光学素子。
前記アルミニウムは、陰極中の少なくとも発光素子層との界面近傍において、酸素含有量が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
基板上部に、少なくとも陽極、発光素子層、および陰極が形成された光学素子であって、
該陰極は、少なくとも発光素子層との界面近傍において、酸素含有量が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のアルミニウムにより構成されたことを特徴とする光学素子。
前記発光素子層と前記陰極との間に、該陰極に接触して設けられたフッ化リチウム層をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。