JP4195352B2 - 発光素子基板およびそれを用いた発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子用の基板およびそれを用いた光学素子に関し、本発明の光学素子は、ディスプレイ等の表示デバイスに利用される。さらに、本発明は、有機ＥＬ素子用の封止材に利用される。

有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、電界を印加することにより、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子の再結合エネルギーにより蛍光性物質が発光する原理を利用した自発光素子である。積層型の低電圧駆動有機エレクトロルミネッセンス素子の報告がなされて以来、有機材料を構成材料とする有機エレクトロルミネッセンス素子に関する研究が盛んに行われている。Ｔａｎｇらは、トリス（８−キノリノール）アルミニウムを発光層に、トリフェニルジアミン誘導体を正孔輸送層に用いている。積層構造の利点としては、発光層への正孔の注入効率を高めること、陰極より注入された電子をブロックして再結合により生成する励起子の生成効率を高めること、発光層内で生成した励起子を閉じこめることなどが挙げられる。この例のように有機エレクトロルミネッセンス素子の素子構造としては、正孔輸送（注入）層、電子輸送性発光層の２層型、又は正孔輸送（注入）層、発光層、電子輸送（注入）層の３層型等がよく知られている。こうした積層型構造素子では注入された正孔と電子の再結合効率を高めるため、素子構造や形成方法の工夫がなされている。しかしながら、有機エレクトロルミネッセンス素子においては、キャリア再結合の際にスピン統計の依存性より一重項生成の確率に制限があり、発光確率に上限が生じる。この上限の値はおよそ２５％と知られている。

更に、少なくとも発光層を陰極と陽極で挟持した有機エレクトロルミネッセンス素子のような球面波状の波面を有する面発光素子では、発光体の屈折率が、基板や空気よりも高いため、臨界角以上の出射角の光は基板／空気界面等で全反射を起こし、基板から外部に取り出すことができない。発光体の屈折率が１．６とすると、発光量全体の２０％程度しか有効に利用できないものと見積もられている。このため、エネルギーの変換効率の限界としては一重項生成確率を併せ全体で５％程度と低効率とならざるをえない。発光確率に強い制限の生じる有機エレクトロルミネッセンス素子においては、低い光取り出し効率は致命的ともいえるエネルギー変換効率の低下を招くことになる。

この光の取り出し効率を向上させる手法として、従来、いくつかの提案がなされている。

特許文献１には、基板にレンズを形成する方法が記載されている。同文献では、基板がセルフォックや凸レンズ等の集光性のある基板が利用されている。

特許文献２には、光の取り出し効率を向上させる手法として、反射面を形成する方法が記載されている。同文献記載の技術は、発光層の片面に光を反射するミラーを設けたことを特徴とし、ミラーの形状をすり鉢状に形成することにより発光層の周囲への光のロスを改善している。

特許文献３には、低屈折率層を基板と電極層との間に配置する方法が提案されている。当該開示技術では、低屈折率層の少なくとも一方の表面に接して透明導電性膜（電極層）を有することで、低屈折率層を通過する光は大気への取り出し率が高くなり、光を外部に取り出す取り出し率が高くなること、低屈折率層の屈折率が１．００３〜１．３００であるので、低屈折率層を通過する光は大気への取り出し率が高くなり、光を外部に取り出す取り出し率が高くなること、さらに、低屈折率層としてシリカエアロゲルを使用することにより、１に近い超低屈折率を実現している。

特許文献４には、発光層と基板との間に、高屈折率層、低屈折率層および高屈折率層がこの順で積層した反射防止膜を備える発光素子が記載されている。同文献の図１には、ガラスからなる基板１と有機ＥＬ層３との間に、高屈折率層Ｈ１、低屈折率層Ｌ１および高屈折率層である陽極層２Ａがこの順で積層してなる光学多層体２を設けた構造が記載されている。そして、段落００２５には、この光学多層体２は反射防止機能を有しており、基板１からの光の取り出し効率が向上することが記載されている。

いわゆる反射防止膜は、単一膜で構成する場合、ｎｄ＝λ／４（物理膜厚をｄ、使用波長をλとする）を満たすとき、光の干渉作用により反射光が打ち消される。上記文献記載の技術は、このような反射防止膜の一種であり、多層構造を有している。実施例で記載されている構造では、高屈折率層Ｈ１、低屈折率層Ｌ１および陽極層２Ａの厚みは、それぞれ、１４．２ｎｍ、４１．５ｎｍおよび１３９．８ｎｍであり（段落００１５）、各層の厚みは、発光波長４００〜７００ｎｍに対し半波長以下の厚みとなっている。この文献に記載されている多層膜は、いわゆる反射防止膜の一種である。

特開昭６３−３１４７９５号公報 特開平１−２００３９４号公報 特開２００１−２０２８２７号公報 特開２００３−３１３７４号公報

しかしながら、上記従来技術の技術は、以下の点でなお改善の余地を有していた。

特許文献１、２に記載されている、基板にレンズを形成する方法や、反射面を形成する方法は、発光面積の大きな素子に対しては有効であるが、ドットマトリクスディスプレイ等の画素面積の微小な素子においては、集光性を持たせるレンズや側面の反射面等の形成加工が困難である。特に、有機エレクトロルミネッセンス素子においては発光層の膜厚が数μｍ以下となるためテーパー状の加工を施し素子側面に反射鏡を形成することは、現在の微細加工の技術では困難であり、大幅なコストアップをもたらすことは明白である。

特許文献３に記載されている、低屈折率層を基板と電極層との間に配置する方法では、臨界角内に光を集めて光取り出し効率を向上させるという点では有効であるが、陽極と低屈折率層の界面で光の反射が発生するために、光取り出し効率の改善は、未だ不十分であるといえる。また、超低屈折率層を得るためにポーラスなシリカエアロゲル膜を使用した場合、膜の機械強度が非常に弱い。また、ポーラスな膜の表面凹凸に起因した電極のショートが発生し、非発光部（ダークスポット）が発生する。このように、有機エレクトロルミネッセンス素子に有効な光取り出し技術は未だ不十分である。

特許文献４に記載されている反射防止膜を設ける方法では、その機能上、光の取り出し効率の向上に限界があった（実施例の項にて後述）。
また、よく知られているように、反射防止膜は、波長依存性が大きいため、上記構造では発光波長によって光の取り出し効率が大きく変動する。このため、同文献記載の技術を白色発光の素子に適用した場合、基板外部へ放出される光量が波長によって大きく相違することとなりホワイトバランスの劣化が問題となる。
さらに、反射防止膜は光の干渉を利用して光の反射を打ち消すものであるため、膜厚や屈折率が所定の条件を満たすように形成される必要がある。したがって、製造要因により膜厚が微妙に変動すると反射防止膜の反射率が変動することとなるため、素子性能のばらつきが生じやすい。

光取り出し技術の開発は、有機エレクトロルミネッセンス素子等の発光素子の低電圧駆動化に繋がる重要な技術であり、素子の低消費電力化の実現に不可欠である。
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、その目的とすることころは、上記従来技術の有する課題を解決した光取り出し効率に優れる発光素子基板およびそれを用い
た発光素子を提供することにある。

従来技術の項で示したように、基板に集光性を付与したり、基板と発光領域との間に反射を防止する膜を設ける観点からの提案はこれまでになされてきた。これに対し本発明者は、こうした提案とは別の観点から検討を行い、光取り出し効率を顕著に改善することに成功した。すなわち本発明者は、透明基板上に、発光を波面変換して透明基板に導く光制御部を設けることにより、光取り出し効率を向上できることを見いだし本発明の完成に至った。

本発明によれば、透明基板と、該透明基板上に設けられ、球面波の入射光を平面波状の光に変換して前記透明基板に導く光制御部とを備えることを特徴とする発光素子基板が提供される。

また本発明によれば、透明基板と、該透明基板上に設けられ、球面波の入射光を平面波状の光に変換して前記透明基板に導く光制御部と、該光制御部上に設けられた電極層と、該電極層上に設けられた発光層とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。

本発明によれば、透明基板上に設けられた光制御部の作用により、光取り出し効率が顕著に向上する。光制御部は、その上部に配置される発光領域が発した球面波状の発光を平面波状の光に波面変換し、透明基板に導くように構成されている。平面波状の光が透明基板に導かれるため、透明基板とこれに隣接する層との間での反射や損失を効果的に低減でき、この結果、光取り出し効率を顕著に向上することができる。

ここで、「平面波状の光」とは、光のポインティングベクトルが略平行であることをいう。光進行方向に対して垂直な面における光の位相は、必ずしも揃っていなくてもよい。「波面変換」とは、光の指向性を高めるように波面を変換することをいい、ポインティングベクトルが拡散する形態の球面波を、上記のような平面波状の光に変換することをいう。平面波状の光へ波面変換する具体的構成としては種々の形態を採用することができる。たとえば、光制御部中に屈折率変調領域を導入し、光の進行を適宜調整することにより波面変換することができる。

なお、「発光素子基板」とは、光制御部の上部に発光領域を搭載して用いられる基板をいう。発光領域は種々の形態を採用することができる。たとえば、有機または無機のエレクトロルミネッセンス素子の発光層等とすることができる。

本発明において、前記光制御部は、前記透明基板上に設けられ層中に屈折率分布を有する光制御層からなるものとすることができる。

かかる構成では、低屈折率領域および高屈折率領域が隣接する箇所が波面変換領域となり得る。すなわち、低屈折率領域から高屈折率領域に光が導入される際、これらの領域の界面に光の波面が変換され、球面波状の発光が平面波状の光となる。上記構成とした場合、光制御部が層の形態を有しているため、製造安定性に優れるという利点も得られる。

以上のように、素子を構成する層構造中に波面変換機能を有する光制御部を設けることにより、光取り出し効率が顕著に向上する。しかしながら、こうした光制御部を設けた場合、層構造中に新たな光損失部が発生することがある。この場合、光制御の効果が光損失の分だけ減じることになる。すなわち、波面変換機能を有する光制御部を設けた場合、これにともなって新たな課題が生じることとなる。そこで、本発明は、かかる課題に対し、以下の構成を提供する。

すなわち、本発明において、光制御層が、透明基板の側から上部に向かって屈折率が減少する屈折率分布を有する構成を採用することができる。
高屈折率領域から低屈折率領域へ光が進行する場合、これらの領域の界面において光の反射や損失が発生する。上記構成によれば、光制御層上に発光部を設け透明基板から光を出射するようにしたとき、光が進む方向に沿って屈折率が低くなる層構造となる。このため、上記のような光の反射や損失の発生する界面が発生せず、光取り出し効率が顕著に改善される。上記構成における屈折率分布は、透明基板の側から上部に向かって屈折率が減少するものであるが、その態様は、階段状に減少するものであってもよいし、連続的に減少するものであってもよい。また、光制御層全体にわたって膜厚方向に屈折率減少するものであってもよいし、屈折率が一部の領域で減少するものであってもよい。

本発明において、光制御層上に電極層をさらに備え、前記光制御層の上面近傍の屈折率は、前記電極層の屈折率よりも大きい構成とすることができる。この構成によれば、光制御層とその上の界面における光の反射や損失の発生が抑制される。すなわち、光制御層から電極層にわたり、上部に向かうにつれて屈折率が減少する屈折率分布となる。したがって、光取り出し効率が一層顕著に改善される。

前記光制御層は、前記透明基板上に設けられた第一の層と、該第一の層上に接して設けられ、該第一の層よりも低い屈折率を有する第二の層とを含む構成とすることができる。

かかる構成では、第一および第二の層の界面が波面変換領域となる。この界面において光の波面が変換され、球面波状の発光が平面波状の光となる。層の界面において波面変換がなされるため、透明基板へ平面波状の光が効率よく安定的に導かれ、光取り出し効率が安定的に改善される。

ここで、第一の層は、前記透明基板に接して設けられることが好ましい。こうすることにより、平面波状に変換された光がそのまま透明基板に導かれるため、従来問題となっていた透明基板と上部層との界面における反射や損失を効果的に抑制することができる。
また、発光素子基板に搭載される発光素子の発光ピーク波長をλとし、第一の層の屈折率をｎ_１、層厚をｄ_１としたとき、ｎ_１ｄ_１≧λ／２とすることができる。
また、第二の層の屈折率をｎ_２、層厚をｄ_２としたとき、ｎ_２ｄ_２≧λ／２とすることができる。
こうすることにより、第一および第二の層の界面において、発光が好適に波面変換されて平面波状の光となり、光取り出し効率の向上効果が安定的に得られる。
本発明に係る透明基板には、発光素子駆動回路が設けられていてもよい。たとえばＴＦＴ等の素子が形成されていてもよい。
なお、上記発明において、透明基板側から光制御部に向かう方向を「上」方向と規定している。

以上説明したように、本発明は、球面波の入射光を平面波状の光に変換して透明基板に導く光制御部を備える構成を有するので、出射光を基板外に効率良く取り出すことができる。このため、輝度が高く視認性の優れた発光素子を提供することが可能となる。

本発明に係る発光素子基板は、電圧等の外部刺激に対して発光する発光素子に利用でき、例えば、有機エレクトロルミネッセンス素子、無機エレクトロルミネッセンス素子、プラズマディスプレイ、ＬＥＤ等の発光素子に利用できる。特に、発光領域における発光が点発光となる素子に対して顕著な効果を発揮する。たとえばＥＬ素子の発光は、発光層における発光中心からの点発光の集合であり、本発明の効果が顕著となる。

本発明は、光制御層の作用により光取り出し効率が向上する。この光取り出し効率の作用は、反射防止膜に比べ、波長依存性が小さい。したがって、たとえば白色発光の素子に適用した場合、基板外部へ放出される光量が波長によって大きく相違することとなく、ホワイトバランスが比較的良好に維持される。また、製造要因等による素子性能のばらつきが生じにくく、この点でも利点がある。

本発明の上記の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。なお、本明細書において、「屈折率」とは、特にことわりがないかぎり、発光層からの出射光のピーク波長における屈折率を示すものとする。また、以下の実施の形態において、同一符号を付した箇所は同一の部材を示し、一部説明を省略する。
（第一の実施の形態）

図１は、本実施形態に係る発光素子基板の模式的断面図である。すなわち、本発明の発光素子基板５０は光透明性基板１０の一方の面に光制御層２０を具備する。光制御層２０は、光透明性基板１０の屈折率よりも高い屈折率を有する第一の層３０と、第一の層３０の屈折率よりも低い屈折率を有する第二の層４０とからなっており、これらが光透明性基板１０側からこの順で積層した構造を有している。

この発光素子基板は、光制御層２０の上部に発光領域を搭載し、発光素子の基板として使用される。光制御層２０は、その上部から導入された発光の球面波状の波面を平面波状の波面に変換する。有機ＥＬ素子等の発光層における発光中心は点光源として取り扱われ、点光源からの出射光は３６０度全方向に進行する。通常の光透過性基板だけでは、この球面波状の波面は、発光中心から基板外へと出射していき、臨界角以上の出射角度は全反射により、基板内を反射し、基板外に出射することはできない。しかし、本実施形態では、第一の層３０と第二の層４０との界面において、球面波状の波面が平面波状の波面へ変換され、高指向性の光となる。これにより、点光源から出射された球面波状の波面は、光制御層２０を通過後、平面波状の波面へと変換され、指向性を有した状態で光透明性基板１０を伝搬する。このため、全反射する光の量が少なく、光透明性基板１０の外側により多くの光が出射され、結果として光の取り出し効率が向上する。基板外への出射光は平面波状の波面であり、球面波状の波面や円筒波状の波面ではない。なお、本実施形態に係る発光素子基板を構成する各層は、光学的に平滑であり、さらに、機械的強度の高い薄膜材料を選択できるため、信頼性の高い発光素子を提供することができる。すなわち、基板表面の凹凸に起因するショートを抑制でき、さらに、基板の変形に伴う薄膜のクラックを抑制できる。

図２は、図１の発光素子基板の上面に接して電極層６０を設けた基板の断面図である。電極層６０は、第二の層４０よりも低い屈折率を有する。

この発光素子基板では、光取り出し効率を向上させるために、二つの界面が重要な機能を果たしている。一つは、光透明性基板１０と第一の層３０との界面であり、もう一つは、第一の層３０と第二の層４０との界面である。この二つの界面で、発光層から球面波状の波面として広がる光を平面波状の波面に変換することが可能となる。したがって、この二つの界面の構成および、この界面に光を導入するまでの構成が本実施形態に係る重要な要素となっている。本実施形態に係る構成では発光層からの出射光は、電極層６０を通り、次に第二の層４０、その次に第一の層３０、最後に光透明性基板１０を通り、光透明性基板１０の外へと出射される。したがって、本実施形態では、図２の屈折率の相対値に示すように、電極層６０から光透明性基板１０に向かって、屈折率は上がり、そしてさらに上がり、光透明性基板１０のところで下がるという構成となる。

前述したように、高屈折率の層から低屈折率の層へ光が進行する界面が存在すると、その界面で光の反射や損失が起こる。図２の構成では、電極層６０から光制御層２０に至る領域において、このような界面が存在しないため、優れた光取り出し効率を示す。

以下、本実施形態に係る発光素子基板を構成する各部について詳細に説明する。

光透明性基板１０は、発光素子の光取り出し基板として使用される。少なくとも可視光領域の一部の波長を透過するものである。本実施形態における光透明性基板１０とは、波長が４００〜８００ｎｍの少なくとも一部の光を通すものであれば良く、材質は無機物でも有機物でも構わない。無機物としては、例えばガラスがあり、有機物としてはプラスチック等が使用できる。ガラスとしては、溶融石英、無アルカリガラス、ソーダガラス、重フリントガラスの光学ガラスが利用できる。プラスチックとしては、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)等のエンジニアリングプラスチックが利用できる。光透明性基板１０の屈折率としては１．４〜２．１程度のものが好適である。光透明性基板１０には、水分や酸素の透過を抑制するバリア層をコートしてあっても構わない。また、色変換フィルタやカラーフィルタを具備していても構わない。光透明性基板１０の厚さは特に限定はないが、実用上の観点から０．１ｍｍから２ｍｍ程度が望ましい。

図１および図２に示す基板は発光素子基板であり、光透明性基板１０には発光素子の駆動回路が形成される。図９は、ＴＦＴを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子の概略構造を模式的に示したものである。光透明性基板１０には、TFT素子部５３０が形成されている。本実施形態に係る基板は、こうした素子に好適に利用される。

なお、本実施形態に係る発光素子基板は、光透明性基板１０上に第一の層３０、第二の層４０を順次積層して製造される。本実施形態に係る発光素子はその発光素子基板上に少なくとも電極層６０および発光層を積層して製造される。このため、光透明性基板１０の表面に凹凸があると電極層６０や発光層にもその凹凸が影響を及ぼし、電極のショートの原因になる可能性がある。したがって光透明性基板１０は、平滑なものを利用することが好ましい。なお、アクティブマトリックス駆動用の基板では、少なくとも発光素子を動作させる画素部で平滑であることが望ましい。

第一の層３０は、光透明性基板１０よりも高い屈折率を有する。例えば、光透明性基板１０の屈折率が１．４５の場合、第一の層３０の屈折率は、１．４５よりも高く、１．４６程度のものから２．５程度のものが実用上、好適である。光透明性基板１０の屈折率に対する第一の層３０の屈折率の比（第一の層３０の屈折率／光透明性基板１０の屈折率）は大きいことが望ましい。その比は、１よりも大きければ良いが、好ましくは１．１５以上、さらに好ましくは１．３以上である。こうすることにより、光透明性基板１０として屈折率１．４５程度の汎用性の高いガラス基板を利用でき、かつ、その光透明性基板の上に高い波面変換機能する光制御層を形成することが可能となる。

ここで、発光層からの出射光のピーク波長をλ（μｍ）、第一の層３０の屈折率をｎ_１、その層厚をｄ_１としたとき、第一の層３０の光学厚み、すなわちｎ_１ｄ_１は、０．５λを超える値とすることが好ましく、λを超える値とすることがさらに好ましい。こうすることにより、第二の層４０から入射した光が、好適に波面変換されて平面波状の光となり、光取り出し効率の向上効果が安定的に得られる。ｎ_１ｄ_１の上限については、たとえば１０λ以下とすることが好ましい。こうすることにより、平面波状の光への波面変換が、安定的に実現される。

発光素子基板における第一の層３０を構成する材料としては、有機物でも無機物でも構わない。有機物としては、ポリイミド、ポリウレタン等が利用でき、無機物としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮ_X、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｃｅ０_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＩＴＯ等がある。これらの材料は、単独で用いても構わないし、二種類以上の材料の組み合わせでも構わない。熱安定性等の理由から無機物であることが望ましい。

第一の層３０は、４００〜８００ｎｍの波長の光の少なくとも一部を通すものであれば良い。これらの光学薄膜はウエット成膜あるいはドライ成膜等で製造することができる。ウエット成膜法としては、ゾルゲル法等が利用でき、また、ドライ成膜法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ）や、蒸着法、プラズマスパッタ法、イオンビームスパッタ法等の物理気相成長法が利用できる。詳しくは、ＣＶＤ法としては、プラズマエンハンスＣＶＤ、メタルオーガニックＣＶＤ、レーザＣＶＤ、フォトケミカルＣＶＤおよびエレクトロンサイクロトロン共鳴ＣＶＤ等が利用できる。また、蒸着法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザ蒸着法、アーク放電蒸着法および高周波加熱蒸着法等が利用できる。プラズマスパッタ法としては、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法およびマグネトロンスパッタリング法等がある。また、イオンビームスパッタ法のイオン源としては、ペニング型、ホロカソード型およびデュオプラズマトロン型等がある。

第二の層４０は、第一の層３０とともに波面変換機能を有する界面を形成する層である。
第一の層３０の屈折率をｎ_１、第二の層４０の屈折率をｎ_２、電極層６０の屈折率をｎ_３としたとき、
ｎ_１≧ｎ_２≧ｎ_３
となっている。例えば、第一の層３０の屈折率が２．４で、形成する電極層６０の屈折率が１．７５の場合、第二の層４０の屈折率はこの間の屈折率とする。ｎ_１／ｎ_２の値は、１を超える値であれば良いが、好ましくは１．１以上、さらに好ましくは１．２５以上である。

ここで、発光層からの出射光のピーク波長をλ（μｍ）、第二の層４０の屈折率をｎ_２、層厚をｄ_２としたとき、第二の層４０の光学厚み、すなわちｎ_２ｄ_２は、０．５λを超える値とすることが好ましく、λを超える値とすることがさらに好ましい。こうすることにより、第二の層４０から出射した光が、第二の層４０と第一の層３０との間の界面で効率的に波面変換されて平面波状の光となり、光取り出し効率の向上効果が安定的に得られる。ｎ₂ｄ₂の上限については、たとえば１０λ以下とすることが好ましい。こうすることにより、平面波状の光への波面変換が、安定的に実現される。なお、第二の層の屈折率は、１．３５以上とすることが好ましい。第二の層の屈折率の値が小さすぎると、第二の層の密度が小さくなりすぎて充分な機械的強度が得られないことがある。

発光素子基板における第二の層４０を構成する材料としては、有機物でも無機物でも構わない。有機物としては、ポリイミド、ポリウレタン等が利用でき、無機物としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮ_X、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｃｅ０_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ITO等がある。これらの材料は、単独で用いても構わないし、二種類以上の材料の組み合わせでも構わない。熱安定性等の理由から無機物であることが望ましい。

第二の層４０は、４００〜８００ｎｍの波長の光の少なくとも一部を通すものであれば良い。これらの光学薄膜はウエット成膜あるいはドライ成膜等で製造することができる。ウエット成膜法としては、ゾルゲル法等が利用でき、また、ドライ成膜法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ）や、蒸着法、プラズマスパッタ法、イオンビームスパッタ法等の物理気相成長法が利用できる。詳しくは、ＣＶＤ法としては、プラズマエンハンスＣＶＤ、メタルオーガニックＣＶＤ、レーザＣＶＤ、フォトケミカルＣＶＤおよびエレクトロンサイクロトロン共鳴ＣＶＤ等が利用できる。また、蒸着法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザ蒸着法、アーク放電蒸着法および高周波加熱蒸着法等が利用できる。プラズマスパッタ法としては、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法およびマグネトロンスパッタリング法等がある。また、イオンビームスパッタ法のイオン源としては、ペニング型、ホロカソード型およびデュオプラズマトロン型等がある。

ここで、第二の層４０は第一の層３０の後に成膜される関係上、第一の層３０が分解等しない成膜方法を選択することが好ましい。

また、第一の層３０および第二の層４０は、その上に形成される電極層や発光層の製造プロセスに適応する材料を選択する必要がある。

本実施形態において、第一の層３０あるいは第二の層４０を電極層６０の抵抗を下げる補助電極として利用することができる。これらの層は、発光素子の光学特性に寄与するだけでなく、電気特性にも寄与することができる。補助電極として利用する場合には、構成材料にＩＴＯ等の導電性材料を使用し、電極層６０と接続し、電極層６０の抵抗を下げる。第二の層４０を補助電極とする場合は電極層６０と直接接続することができ、第一の層３０を補助電極とする場合は電極層６０とコンタクトホール等で接続することができる。

本実施形態に係る発光素子基板は、反射防止膜を備えていても良い。本実施形態に係る第一の形態では、反射防止膜は、出射光が発光素子基板を通過し、大気中に放出される際の界面すなわち空気層と光透明性基板１０の界面に反射防止膜を具備することにより、光取り出し効率の改善が見られる。図３は反射防止膜を形成した光学素子の断面模式図である。光透明性基板１０の一方の面に反射防止層７０を形成し、もう一方の面に、光透明性基板１０の屈折率よりも高い屈折率を有する第一の層３０と、第一の層３０の屈折率よりも低い屈折率を有する第二の層４０からなる光制御層２０を具備している。本実施形態に係る第一の形態では、第一の層３０の屈折率は電極層６０の屈折率以上であるから、発光層からの出射光が光制御層２０に入るまでに大きな反射は起きない。したがって、発光層から球面波状の波面として広がる光は、大きな反射を受けること無く、光制御層２０に入射しここで平面波状の波面に変換される。大きな反射を受けるのは、空気層／光透明性基板１０界面であり、ここに反射防止膜を配置することは有効であるが、その他の場所への反射防止膜を配置すると、球面波状の波面を平面波状の波面に変換する効率を低下させることがある。

（第二の実施の形態）
図４は、本実施形態に係る発光素子基板を利用した無機エレクトロルミネッセンス素子の断面模式図の一例である。光透明性基板１０の一方の面に光制御層２０を具備し、その上に電極層６０、絶縁層９０、無機発光層１００、絶縁層９０、電極層６１を順次具備する。光制御層２０は、光透明性基板１０の屈折率よりも高い屈折率を有する第一の層３０と、第一の層３０の屈折率よりも低い屈折率を有する第二の層４０を光透明性基板１０側から順次具備する。第一の層３０は光透明性基板１０側に位置する。なお、無機エレクトロルミネッセンス素子構成や構成材料は公知のものを任意に選択することができる。

本実施形態の構成によれば、発光層から全方向に出射された球面波状の波面が、光制御層２０で平面波状の波面に変換される。この結果、基板外に効率良く光を取り出すことができる。

（第三の実施の形態）
本実施形態では、第一の実施の形態で説明した発光素子基板を有機エレクトロルミネッセンス素子に適用した例を示す。図５は、本実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の素子構造の断面模式図の一例である。本実施形態に係る発光素子基板上に、陽極８０、発光層１３０、陰極１２０を順次具備している。

図６は、本実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の別の素子構造の断面模式図の一例である。本実施形態に係る発光素子基板上に、陽極８０、正孔輸送層１４０、発光層１３０、陰極１２０を順次具備するものである。この他、陽極／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／陰極からなる構造、陽極／発光層／電子輸送層／陰極からなる構造等の構造が挙げられる。なお、本実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子は、低分子タイプ、高分子タイプの両方が利用できる。なお、本実施形態に係る有機ＥＬ素子では、発光素子基板は発光層からの出射光が発光素子基板を通過するように配置される。

正孔輸送材料としては種々のものを用いることができる。具体的には、ビス（ジ（ｐ−トリル）アミノフェニル）−１，１−シクロヘキサン、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’―ビス（３−メチルフェニル）−１，１’―ビフェニル−４，４’―ジアミン、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ−Ｎ−ビス（１−ナフチル）−１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン等のトリフェニルジアミン類や、スターバースト型分子等が挙げられる。

電子輸送材料としては種々のものを用いることができる。具体的には、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール、ビス｛２−（４−ｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール｝−ｍ−フェニレン等のオキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、キノリノール系の金属錯体が挙げられる。

発光材料としては、例えば、トリス（８−キノリノール）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）やビスジフェニルビニルビフェニル（ＢＤＰＶＢｉ）、１，３−ビス（ｐ−ｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾールイル）フェニル（ＯＸＤ−７）、Ｎ，Ｎ’−ビス（２，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（ＢＰＰＣ）、１，４ビス（ｐ−トリル−ｐ−メチルスチリルフェニル）ナフタレンなどがある。また、電荷輸送材料に蛍光材料をドープした層を発光材料として用いることもできる。例えば、前記のＡｌｑ３などのキノリノール金属錯体に４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−４Ｈ−ピラン（ＤＣＭ）、２，３−キナクリドン［７］などのキナクリドン誘導体、３−（２’−ベンゾチアゾール）−７−ジエチルアミノクマリンなどのクマリン誘導体をドープした層、あるいは電子輸送材料ビス（２−メチル−８−ヒドロキシキノリン）−４−フェニルフェノール−アルミニウム錯体にペリレン等の縮合多環芳香族をドープした層、あるいは正孔輸送材料４，４’−ビス（ｍ−トリルフェニルアミノ）ビフェニル（ＴＰＤ）にルブレン等をドープした層を用いることができる。

図５および図６の素子において、陽極８０は、正孔を正孔輸送層に注入する役割を担うものであり、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有することが好ましい。本実施形態に用いられる陽極８０材料の具体例としては、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化錫（ＮＥＳＡ）、金、銀、白金、銅等が挙げられるが特にＩＴＯが有効である。なお、本実施形態に係る第二の層４０の屈折率と有機エレクトロルミネッセンス素子の陽極８０の屈折率とでは、どちらが高くても構わないが、第二の層４０が陽極８０と接している場合、屈折率が陽極８０の屈折率よりも高いことが好ましい。

一方、陰極１２０としては、電子輸送帯又は発光層に電子を注入する目的で、仕事関数の小さい材料が好ましい。陰極１２０材料は特に限定されないが、具体的にはインジウム、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等を使用できる。なお、本実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子は、パッシブ駆動で利用することも出来るし、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のアクティブ素子を付加し、アクティブ駆動で利用することもできる。本実施形態における有機エレクトロルミネッセンス素子の各層の形成方法は特に限定されず、公知の方法から適宜選択できる。例えば、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ法）あるいは溶媒に溶かした溶液のディッピング法、スピンコーティング法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法等の塗布法、等があげられる。

光制御層２０は、発光層の発光中心から発光された球面波状の波面を平面波状の波面に変換する機能を有している。このため、光制御層２０を通過した光は平面波状の波面を有し、光透明性基板１０内を、指向性を有した状態で伝播する。このような理由から、色変換フィルタやカラーフィルタを形成した場合、それらの機能を有効に利用することができる。すなわち、発光層から発光した光が、隣の画素に入ることが抑制され、色の純度が低下しないという利点がある。

これらのフィルタを配置する場所としては、本実施形態に係る発光素子基板のいずれの面でも構わないが、本実施形態に係る発光素子基板では、これらのフィルタを発光層と反対側の面に配置しても表示は高い色純度を維持することができる。一般的に、色変換フィルタやカラーフィルタ上に電極や発光層を形成することは、製造プロセス上困難を伴う。これに対し、発光層と反対側の光透明性基板１０面に配置する場合、色変換フィルタやカラーフィルタの製造プロセスは、電極や発光層の製造プロセスとは独立し、製造が容易になる。例えば、発光素子を形成した後に、色変換フィルタやカラーフィルタを形成することも可能である。色変換フィルタを使用する場合、発光層の発光色や色変換フィルタの種類は任意のものを使用することができる。例えば、青色発光層を使用し、青色を赤色に変換する赤色変換フィルタおよび青色を緑色に変換する緑色変換フィルタを平置することにより、フルカラー表示が得られる。

図７は色変換フィルタを具備した有機エレクトロルミネッセンス素子の断面模式図の一例である。光透過性基板の一方の面に赤色変換フィルタ５１０、緑色変換フィルタ５１１を具備し、それと反対の面に光制御層２０、陽極８０、青色発光層１５０、陰極１２０を具備している。青色出射光５０１は、赤色変換フィルタで赤色出射光５０３に、緑色変換フィルタで緑色出射光５０２に変換される。この時、青色出射光は、そのまま出射させても構わないし、カラーフィルタ設置し、さらに純度を向上させた後に出射させても構わない。前述したように、光制御層２０を通過した後の光は、平面波状の波面を有し、光透明性基板１０内を、指向性を有して進行するため、赤色、緑色、青色の各画素のサイズが微小となっても色にじみの無い表示が得られる。

図８は、カラーフィルタを具備した有機エレクトロルミネッセンス素子の断面模式図の一例である。白色発光層を使用し、赤色、緑色、青色のカラーフィルタで、フルカラーを表示できる。すなわち、光透過性基板１０の一方の面に赤色カラーフィルタ５２０、緑色カラーフィルタ５２１、青色カラーフィルタ５２２を具備し、それと反対の面に光制御層２０、陽極８０、白色発光層１６０、陰極１２０を具備している。白色発光層からの白色発光は赤色カラーフィルタ５２０、緑色カラーフィルタ５２１、青色カラーフィルタ５２２でそれぞれ、赤色出射光５０３、緑色出射光５０２および青色出射光５０１に分離される。前述したように、光制御層２０を通過した後の光は、平面波状の波面を有し、光透明性基板１０内を、指向性を有して進行するため、赤色、緑色、青色の各画素のサイズが微小となっても色にじみのない、表示が得られる。

本実施形態に係る発光素子基板は、有機ＥＬ素子の封止材としても利用できる。前述したように、本実施形態に係る有機ＥＬ素子では、発光素子基板は発光層からの出射光が発光素子基板を通過するように配置される。電極層６０や発光層を形成した基板側と反対の方向に発光層からの光を出射させる有機ＥＬ素子のトップエミッション型あるいはリバース型では、本実施形態に係る発光素子基板は、封止材として利用することができる。封止材として利用する場合、減圧下で、発光素子の最表面に貼り合わせることが好適である。

図４〜図８では発光素子部の層構造を示したが、実際には、光透明性基板１０にＴＦＴ素子等の発光素子駆動回路を備えている。図９は、ＴＦＴを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子の概略構造を模式的に示した図である。光透明性基板１０の駆動回路形成領域には、TFT素子部５３０が形成されている。一方、光透明性基板１０の発光素子形成領域には、光制御層２０、陽極８０、発光層１３０および陰極１２０からなる発光素子が形成されている。発光素子の層構造は、図示したものに限られず、様々なものが使用可能である。なお、この図ではカラーフィルタや色変換フィルタは示していない。ここで、ＴＦＴ基板の画素表示部に高屈折率膜を有する構成とする場合、その高屈折率膜を第一の層３０として利用することもできる。

（第四の実施の形態）
本実施形態に係る発光素子基板の構成を図１０に示す。光制御層２５は、層中に不純物金属がドープされた誘電体からなる。光制御層２５中の不純物濃度分布は、透明性基板１０側から電極層６０に向かって次第に高濃度となるように構成されている。これにより、透明性基板１０側から電極層６０に向かって屈折率が漸次的に減少するようになっている。

光制御層２０は、例えばＳｉＯ_２またはＭｇＦ_２と不純物属との混合物により構成される。不純物金属としては、Ｃｒ、Ａｇ、Ａｌなどが挙げられる。金属のドープ量は適宜選択することができるが、通常は光制御層２５を構成する材料全体に対し、５ｍｏｌ−％以下とする。こうすることにより、金属の吸収による透過率の低下を抑えることができる。

本実施形態では、不純物濃度の調整により光制御層２５中の屈折率を変調させている。光進行方向に対して屈折率が増加している領域において波面変換がなされ、球面波状から平面波状の光へ変換され、光の指向性が増大するようになっている。本実施形態では、こうした波面変換が単一の界面で行われるのではなく、光制御層２５中の屈折率変調箇所において数次にわたって行われる。このため、平面波状の光への波面変換が、確実に実現される。

本実施形態による基板は、上記のような構成を有するため、光制御層２５と透明性基板１０との間の界面における光の反射や損失が低減し、光取り出し効率が顕著に向上する。

以上、実施の形態に基づいて本発明を説明した。これらの実施の形態は例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、上記実施の形態では、ＥＬ素子の例を挙げて説明したが、発光ダイオード等、他の発光素子に適用することもできる。発光素子は、たとえば表示素子として利用される。

また、光制御層２０として２層構造のものを例示したが、これに限られず、３層以上の多層構造としてもよい。この場合、発光層から透明基板に向かうにつれ屈折率が増大する屈折率分布とすることが好ましい。

実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例において、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光特性の測定は輝度計（ＴＯＰＣＯＮ ＢＭ−５Ａ）を基板法線方向に配置し、集光角０．１度の条件で行った。また、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光部の面積は４ｍｍ^２とし、この素子に直流電圧を印加して、輝度１００ｃｄ／ｍ^２の時の電流効率を測定した。また、使用した光透明性基板の厚さはすべて０．７ｍｍである。

実施例１
光透明性基板として、屈折率１．４５７の溶融石英を使用し、その光透明性基板の一方の面に、スパッタリング法により光制御層の第一の層として屈折率２．３０のＴｉＯ_２膜を７００ｎｍの厚さに成膜し、さらに、その上に光制御層の第二の層として、スパッタリング法により１．９９の屈折率を有するＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２混合膜を３７８ｎｍの厚さに成膜し、発光素子基板を作製した。

さらに、作製した発光素子基板上に、陽極としてＩＴＯをスパッタリング法によってシート抵抗が２０Ω／□になるように成膜した。ＩＴＯの膜厚は１００ｎｍであり、屈折率は１．７８とした。

次に、ＩＴＯ上に有機層として以下の２層を形成した。まず正孔輸送層として、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’−ジアミンを真空蒸着法にて５０ｎｍ形成し、次に、発光層としてトリス（８−キノリノラート）アルミニウムを真空蒸着法にて７０ｎｍ形成した。最後に、陰極としてマグネシウム−銀合金を蒸着速度比９：１で真空蒸着法にて共蒸着した膜を１５０ｎｍ形成して緑色発光（ピーク波長５３０ｎｍ）の有機エレクトロルミネッセンス素子を作製した。その結果、電流効率は、７．０ｃｄ／Ａであり、比較例１で得られた結果の約２．３倍であった。

実施例２
実施例１で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子において、ＴｉＯ_２膜厚を２００ｎｍに変更した。電流効率は、６．３ｃｄ／Ａであり、比較例１の結果を上回る結果が得られた。

実施例３
実施例１で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子において、ＴｉＯ_２膜厚を２０００ｎｍに変更した。電流効率は、４．９ｃｄ／Ａであり、比較例１の結果を上回る結果が得られた。

実施例４
実施例１で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子において、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２混合膜厚を２００ｎｍに変更した。電流効率は、６．０ｃｄ／Ａであり、比較例１の結果を上回る結果が得られた。

実施例５
実施例１で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子において、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２混合膜厚を３０００ｎｍに変更した。電流効率は、４．０ｃｄ／Ａであり、比較例１の結果を上回る結果が得られた。
実施例６
実施例１で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子において、ＴｉＯ_２膜厚を１１６ｎｍ、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２混合膜厚を１３４ｎｍに変更した。電流効率は、３．６ｃｄ／Ａであり、比較例１の結果を上回る結果が得られた。

比較例１
光制御層を具備しないこと以外は実施例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。この素子の電流効率は３．０ ｃｄ／Ａであった。

比較例２
光制御層の第一の層を具備せず、光制御層の第二の層だけを、光透明性基板にスパッタリング法により２．３０の屈折率を有するＴｉＯ_２膜を３７８ｎｍの厚さに成膜する以外は比較例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。この素子の電流効率は２．９ ｃｄ／Ａであった。

比較例３
光制御層の第二の層を具備せず、光制御層の第一の層だけを、スパッタリング法により屈折率２．３０のＴｉＯ_２膜／ＳｉＯ_２混合膜を７００ｎｍの厚さに成膜する以外は比較例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。この素子の電流効率は２．４ｃｄ／Ａであった。

比較例４
ＴｉＯ_２膜（第一の層）の厚さを１５ｎｍとする以外は実施例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。この素子の電流効率は、２．９ｃｄ／Ａであり光取り出し効率の改善は観察されなかった。この例では、第一の層の厚みが薄すぎたため、第一および第二の層の界面が充分な波面変換機能を有さず、光取り出し効率の向上が図られなかったと考えられる。

比較例５
光透明性基板として、屈折率１．５１２のソーダガラスを使用すること、および、光制御層を具備しないこと以外は実施例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。この素子の電流効率は３．０ ｃｄ／Ａであった。

比較例６
光制御層の第二の層として、ゾルゲル法により屈折率１．２５のＳｉＯ_２膜を使用すること以外は実施例８と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。作製した有機エレクトロルミネッセンス素子の発光効率は３．１ｃｄ／Ａであったが、発光しない点（ダークスポット）が多数観察された。

比較例７
光制御層に代えて反射防止膜を設けたこと以外はすべて実施例１と同一の層構造、製造方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を得た。反射防止膜としては、スパッタリング法により屈折率１．５９のＴｉＯ２／ＳｉＯ２混合膜を８４ｎｍの厚みで成膜した膜を使用した。この素子の電流効率は、２．８ｃｄ／Ａであり、光取り出し効率の改善は観察されなかった。反射防止膜を設ける方法では、その機能上、充分に光の取り出し効率を向上させることが困難なことが明らかにされた。

上記実施例および比較例の評価結果を以下に示す。表中、第一の層の屈折率をｎ_１、層厚をｄ_１、第二の層の屈折率をｎ_２、層厚をｄ_２、陽極の屈折率をｎ_３とした。また、透明基板の屈折率をn(sub)とした。

本実施形態に係る発光素子基板の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子基板の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子基板の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 本実施形態に係る発光素子の断面模式図の一例である。 光制御層の構造の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 光透明性基板
２０ 光制御層
３０ 第一の層
４０ 第二の層
５０ 発光素子基板
６０ 電極層
７０ 反射防止膜
８０ 陽極
９０ 絶縁層
１００ 無機発光層
１２０ 陰極
１３０ 発光層
１４０ 正孔輸送層
１５０ 青色発光層
１６０ 白色発光層
５０１、５０４ 青色出射光
５０２、５０５ 緑色出射光
５０３、５０６ 赤色出射光
５０７ 白色発光
５１０、５１１ 色変換フィルタ
５２０、５２１、５２２ カラーフィルタ

Claims (7)

1. 透明基板と、
   該透明基板上に設けられ、層中に屈折率分布を有し、球面波の入射光を平面波状の光に変換して前記透明基板に導く光制御層と、
   該光制御部上に設けられた電極層と、
   該電極層上に設けられた発光層とを備え、
   前記光制御層は、前記透明基板上に設けられた第一の層と、該第一の層上に接して設けられ、該第一の層よりも低い屈折率を有する第二の層とを含み、
   前記発光層の発光ピーク波長をλ、前記第一の層の屈折率をｎ _１ 、層厚をｄ _１ 、前記第二の層の屈折率をｎ _２ 、層厚をｄ _２ としたとき、
   ｎ _１ ｄ _１ ≧λ／２
   ｎ _２ ｄ _２ ≧λ／２
   であり、
   前記電極層は、前記第二の層よりも低い屈折率を有することを特徴とする発光素子。
2. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記透明基板に色変換フィルタが設けられたことを特徴とする発光素子。
3. 請求項１または２に記載の発光素子において、
   前記透明基板にカラーフィルタが設けられたことを特徴とする発光素子。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の発光素子において、
   前記発光層からの発光が単色光であることを特徴とする発光素子。
5. 請求項４に記載の発光素子において、
   前記単色光が青色光であることを特徴とする発光素子。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の発光素子において、
   有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする発光素子。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の発光素子基板において、
   前記透明基板に、発光素子駆動回路が設けられたことを特徴とする発光素子基板。

Images