JP5219745B2

JP5219745B2 - 発光装置

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Description

本発明は発光装置に関するものである。

有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴とした有機ＥＬ素子から構成され、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極から電子を、陽極からホール（正孔）を有機層に注入し、有機層中の発光層で励起子を生成させ、これら励起子が基底状態にもどる際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料からなる。

このような有機ＥＬ発光装置の開発課題の一つとして、発光効率の向上がある。有機ＥＬ素子の構成は、通常、陽極、発光層を含む有機層および陰極が１次元的に積層された構成である。このとき、空気の屈折率よりも発光層の屈折率（約１．７〜１．９程度）の方が大きい。このため、発光層の内部から放出された光の大部分は、高屈折率から低屈折率へ変化する積層膜の界面で全反射されて、基板に水平な方向に伝播する導波光となり、素子内部に閉じ込められることになる。発光層の内部で発生した光のうち外部に取り出して利用できる光の割合（光取り出し効率）は、通常、約２０％程度でしかない。

よって、有機ＥＬ発光装置の発光効率を改善するためには、この光取り出し効率を向上することが重要である。非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３では、有機ＥＬ素子に共振器を導入し、干渉強め合い効果を利用することで、光取り出し効率を向上できることが示されている。さらに、非特許文献３では、共振器により外部量子効率が３５％向上したことが報告されている。

これらとは別の従来技術として、特許文献１では、全反射を防ぎ素子内部への光閉じ込めを抑制することを目的として、有機層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（回折格子）を配置する方法が提案されている。
特開平１１−２８３７５１号公報Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，１９９７（１９９６）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１，３９２１（２００２）Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８８，０７３５１７（２００６）

しかしながら、共振器を設ける構成あるいは回折格子を設ける構成であっても、光取り出し効率の向上は不十分であり、さらなる光取り出し効率の向上が求められている。ところが、干渉光を生じさせるために平坦性が必要な共振器と、これとは逆に、回折光を生じさせるために凹凸性が必要な周期構造を両立させ、光取り出し効率をより向上するための深い研究が従来なされていなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、従来の発光装置に比べて発光装置の光取り出し効率をさらに向上することを目的とする。

上記背景技術の課題を解決するための手段として、本発明に係る発光装置は、基板と、前記基板の上に形成されている複数の発光素子とを有し、前記発光素子は、前記基板の上に形成されている反射電極である第１電極と、前記第１電極の上に形成されている発光層と、前記発光層の上に形成されている第２電極と、を有し、前記発光層で発光する光を、前記第１電極にある第１反射面と、前記第２電極にある第２反射面との間で共振させる共振器を有する発光装置において、前記発光層で発生し前記第１反射面と前記第２反射面との間を前記発光素子の面内方向に導波する光を前記発光素子の外に取り出す周期構造が、前記第１反射面に形成されており、前記周期構造は、前記発光素子の発光領域内に部分的に形成されており、前記基板垂直方向に沿った前記周期構造の高さｈが、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λ、前記第１反射面と前記第２反射面との間の平均屈折率ｎに対して、ｈ＜λ／（４ｎ）を満たしていることを特徴とする。

本発明によれば、従来の発光装置に比べて発光装置の光取り出し効率をさらに向上することが可能となる。

以下、本発明の原理を構成例に基づいて説明する。

本発明では、有機ＥＬ素子の光取り出し効率を向上させるために、共振器の内部に周期構造が構成される。周期構造は、発光層で発生し共振器を構成する２つの反射面の間を発光素子の面内方向に導波する光を発光素子の外に取り出す構造のことである。

共振器中に周期構造が構成された有機ＥＬ発光装置を模式的に表した断面概略図を図１に、平面概略図を図２に示す。なお、図示例では有機ＥＬ発光装置を示したが、無機ＥＬ発光装置やＱＤ−ＬＥＤ発光装置などであっても実施できる。図１において、１００は基板、１０１は有機層、１０２は反射電極、１０３Ｂは透明電極、１０４は金属半透明電極、１１０は素子分離層、３００は周期構造である。また、２０１は発光点、２０２は伝播光、２０３は導波光、２０４は回折光である。図２において、３０２はＥＬ発光領域である。

図１に示した有機ＥＬ発光装置を構成する有機ＥＬ素子（発光素子）は、基板１００上に陽極として金属からなる反射電極１０２が形成されている。反射電極１０２には、基板１００と反対側の面の一部に金属により構成される周期構造３００が形成されており、周期構造の表面は、反射電極上の透明電極１０３Ｂにより覆われて平坦化されている。また、周期構造の表面を平坦化する平坦化層として、透明電極１０３Ｂのではなく、別に設けられる層であってもよい。なお、本実施の形態では反射電極１０２と透明電極１０３Ｂとが、基板１００側に設けられた第１電極である。

さらに、この陽極の周縁を覆うように絶縁材料からなる素子分離層１１０が形成されている。素子分離層１１０の開口部から露出する陽極の露出部の上に、発光層を含む有機層１０１が積層され、陰極である金属半透明電極１０４が形成されている。本実施の形態では金属半透明電極１０４を第２電極とする。

周期構造は、凹部、凸部あるいは両方が面内に周期的に形成された構造のことである。周期構造の凹部、凸部は、図１に示すように直角の頂点を有するテーパ構造である必要はなく、順テーパ構造、逆テーパ構造等様々な構造にすることができる。周期構造３００は、金属により構成されており、図２に示すようにＥＬ発光領域３０２の内側にフォトニック結晶構造（周期構造３００）部分と平坦部分とをいずれも有している。なお、図１の反射電極１０２、透明電極１０３Ｂ、有機層１０１、金属半透明電極１０４が積層された部分に対応するのが、図２の発光領域（ＥＬ発光領域）３０２である。

有機層１０１は、図３に示すように、通常、ホール輸送層１０６、発光層１０５（Ｒ発光層１１５、Ｇ発光層１２５、Ｂ発光層１３５）、電子輸送層１０７が積層された構成である。発光層１０５は、それぞれの発光色に応じた蛍光性有機化合物若しくは燐光性有機化合物を含む。また、必要に応じて陽極とホール輸送層１０６との間にホール注入層１０８を、陰極と電子輸送層１０７との間に電子注入層１０９を設けてもよい。

これらの有機ＥＬ素子に電圧を印加することで、陽極から注入された正孔と陰極から注入された電子が、有機層１０１中の発光層で再結合し、励起子を形成することで発光する。

図１に示した構成例では、反射電極１０２とその上の層（透明電極１０３Ｂ）の界面が第１反射面に、金属半透明電極１０４とその下の層（有機層）の界面が第２反射面となり、基板の法線方向（垂直方向）に１次元的な共振器が構成されている。つまり第１反射面は、発光層１０５よりも第１電極（反射電極１０２及び透明電極１０３Ｂ）側に設けられている反射面である。また第２反射面は発光層１０５よりも第２電極（金属半透明電極１０４）側に設けられている反射面である。

さらに、共振器の第１反射面と第２反射面との間の光路長（光学距離）は、有機ＥＬ素子の外部に取り出したい発光波長を干渉によって強め合うように構成されている。ここで、発光点２０１に対して、金属半透明電極１０４側（第２電極側）が光取り出し側、反射電極１０２側（第１電極側）が反射面側となる。

一方、共振器は、同時に、基板面内方向（水平方向）では、プレーナー型の光導波路３０１として機能する。そのため、図４に示すような周期構造がない一般の有機ＥＬ素子の場合は、発光点２０１から発せられた光の大部分が、光導波路３０１を伝わる導波光２０３として有機ＥＬ素子の内部に閉じ込められる。つまり、導波光２０３は、第１反射面と第２反射面との間を有機ＥＬ素子の面内方向に導波する光のことである。これに対し、図１に示すような周期構造３００が配置された場合は、導波光２０３の一部が周期構造３００によって回折光２０４に変換されて有機ＥＬ素子の外に取り出され、光取り出し効率がさらに向上する。

しかしながら、後述するように、共振器と周期構造を形式的に組み合わせても、双方を同時に機能させることはできず、光取り出し効率が向上するとは限らない。なぜなら、共振器は平坦な２つの反射面により光の干渉強め合いが生じるように構成されるが、共振器中に凹凸を有する周期構造を配置することで光の干渉強め合いが損なわれ、その結果、光取り出し効率の低下を招いてしまうためである。

よって、光取り出し効率を向上するためには、共振器と周期構造を両立し、同時に機能させる必要がある。そこで、第１の方法として、共振器の干渉強め合い条件を保持するために周期構造の基板法線方向の高さを低く抑えることによって両立を図る。周期構造の高さを低くすることによって、周期構造が形成されている部分においても共振器による干渉強め合いの効果を得ることができる。

また、第２の方法として、発光素子の発光領域内に周期構造を形成する部分と、形成しない部分とを設ける。つまり、周期構造を発光領域内に部分的に設けることによって両立を図る。周期構造が設けられていない平坦な部分では、共振器による干渉強め合いの効果によって光取り出し効率の向上を図る。一方、周期構造が形成された部分では導波光を回折光に変換することによって光取り出し効率の向上を図る。さらには、周期構造が形成された部分でも共振器による干渉強め合いの効果を利用することもできる。

したがって、本発明により、有機ＥＬ素子において、共振器の干渉強め合い効果と周期構造の回折効果を同時に機能させ、光取り出し効率を向上することが可能となる。

以下、共振器の干渉強め合い効果と周期構造の回折効果を同時に機能させる方法についてより詳細な説明を行う。

＜共振器＞
まず、共振器により干渉強め合い効果を得るための具体的条件について説明する。

共振器の第１反射面と第２反射面との間の光路長は、外部に取り出したい発光波長を干渉によって強め合うように設定されている。共振器の多重干渉による強め合い条件は、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長をλ、共振器を構成する第１反射面と第２反射面間の距離をｄ、第１反射面と第２反射面間の平均屈折率をｎとして数１で与えられる。ここで、第１反射面の位相シフト量と第２反射面の位相シフト量の和φ、整数ｍである。また、距離ｄと平均屈折率ｎは、共振器を構成する第１反射面と第２反射面との間の各層ｉの厚さをｄ_ｉ、屈折率をｎ_ｉとして、それぞれ、ｄ＝Σｄ_ｉ、ｎ＝Σｎ_ｉｄ_ｉ／ｄで表される。

ここで、第１反射面と第２反射面との間の光路長ｎｄは、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λの０．３７５倍〜１．３７５倍程度であることが望ましい。また、有機ＥＬ素子では、第１反射面と第２反射面との間の平均屈折率はｎ＝１．５〜２．０程度であるから、第１反射面と第２反射面との間の距離ｄは、７０ｎｍより大きく７１５ｎｍより小さいことが望ましい。

＜周期構造の高さ＞
次に、共振器と周期構造の両立を図るために、周期構造の高さを低く抑える構成について説明する。

共振器に閉じ込められる導波光を有機ＥＬ素子の外に取り出すために、共振器の内部に周期構造を形成すると、周期構造の高さ方向の凹凸に従って場所ごとに光路長が変化し、共振器中の干渉波に影響を及ぼす。そのため、共振器の干渉強め合い条件を保持するために周期構造の基板法線方向の高さを低く抑えることが考えられる。

このことを説明するために、共振器の第１反射面に周期構造が形成され、基板垂直方向に沿った周期構造の高さｈを変化させた場合の概念図を図５に示す。図５（ｃ）のように、周期構造の凹凸による光路長の変化が大きすぎると、干渉強め合いと干渉弱め合いが混在することになり、共振器の干渉強め合い効果が失われてしまう。

したがって、共振器の干渉強め合いを保持するには、周期構造の凹凸いずれの領域においても、共振器の多重干渉による強め合い条件を満たす必要がある。つまり、周期構造の凹凸いずれの領域においても数１を満たす必要があり、数２の条件式で与えられる。さらに、数２から、周期構造の高さｈが満たすべき条件式が数３で与えられる。したがって、共振器の干渉強め合いを保持するためには、周期構造の高さｈを上限値λ／（４ｎ）より低く抑える必要がある。図５において、周期構造の高さが上限値λ／（４ｎ）より低い場合は、共振器の干渉強め合い効果が保たれる（図５（ｂ））。これに対し、周期構造の高さが上限値λ／（４ｎ）を越えると、共振器の干渉強め合い効果が失われる（図５（ｃ））。

有機ＥＬ素子では、平均屈折率は、ｎ＝１．５〜２．０程度、可視域での発光波長λは３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであるから、周期構造の高さは、１３０ｎｍより小さいであることが望ましい。また、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子（以下Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子とする。）で周期構造の高さが共通の場合は、波長の最も短いＢ（青）で数３の条件を満たす必要があるため、６０ｎｍより小さいことが望ましい。Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子で周期構造の高さを共通にする場合、周期構造の形成をまとめて行うことができる。さらに、発光層の段切れを防いで電流リークや発光不均一化を防ぐためには発光層の平坦化が求められ、発光層の平坦化のためには、周期構造の高さが３０ｎｍより小さことがより望ましい。特に、有機ＥＬ素子においては、有機層（発光層）の段切れによる電流リークや発光不均一化の問題が顕著であるため、周期構造の高さを低くすることが好ましい。

とはいえ周期構造は、発光層よりも基板側に形成する、つまり発光層と基板との間に形成することが好ましい。発光層の光取り出し側に形成する場合、周期構造による発光層の段切れの問題は解決されるが、発光層（有機層）に影響を与えることなく周期構造を形成することが困難であるためである。

一方、導波光から回折光への結合効率を大きくし、周期構造の回折効果を向上させるためには、周期構造による光導波路の誘電率変化を大きくすることが望ましい。数３から周期構造の高さを抑える必要があるため、周期構造の体積は限定される。したがって、誘電率変化を大きくするために、有機層や透明導電層（透明電極）などに対して誘電率が大きく異なる材料で周期構造を構成することが望ましい。このためには、金属層によって周期構造を形成することが望ましい。さらに、共振器を構成する反射界面に周期構造が構成されることが望ましい。反射面を構成する層を形成する際に周期構造も形成することができるため、周期構造を形成するために別の層を設ける必要がないからである。

したがって、共振器を有する有機ＥＬ素子において、共振器の内部に金属層によって構成製される周期構造を構成することにより、共振器の干渉強め合い効果と周期構造の回折効果を同時に機能させることができ、光取り出し効率を向上することが可能となる。

ここで、具体的な評価例として、金属層によって構成される周期構造の高さと発光強度の関係を数値計算により評価した結果を図６にグラフとして示す。発光強度は、周期構造の高さが０の時を基準とした相対値であり、光取り出し効率の変化を示している。図５のように、第１反射面の全面に周期構造が配置されているとし、周期構造の高さｈの中心線から第２反射面までの距離ｄを一定として、周期構造の高さｈを変化させた。電磁波の数値計算には、有機ＥＬ発光装置の断面を考え、ＦＤＴＤ法を用いた。波長範囲λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍで、５ｎｍ刻みで計算を行った。電磁波モードは、ＴＥ、ＴＭモードで計算を行った。

図６の評価例では、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λが約５３０ｎｍ、共振器を構成する第１反射面と第２反射面間の平均屈折率ｎが約１．９であるから、周期構造の高さｈの上限値λ／（４ｎ）は約７０ｎｍである。

図６の評価結果のグラフにおいて、属層によって構成される周期構造の高さを徐々に高くしていくと、発光強度が増加していき、高さが４０ｎｍ付近で発光強度が最大となる。その後、減少に転じ、周期構造の高さが上限値７０ｎｍ付近で、曲線は変曲点をとる。さらに、周期構造の高さが上限値７０ｎｍより高くなると、発光強度は減少を続け、最終的に、周期構造がない場合の５０％程度にまで発光強度が減少してしまうことが理解できる。

＜周期構造の部分的形成＞
次に、共振器と周期構造の両立を図るために、周期構造を発光領域内に部分的に設ける構成について説明する。周期構造を発光領域内に部分的に設けることによっても、共振器と周期構造を同時に機能させ光取り出し効率を向上させることができる。

図２に示すように、本構成例では、周期構造３００が存在する部分と存在しない部分から構成される。ここで、周期構造３００の周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ_１、ａ_２とする。また、これらの基本格子ベクトルａ_１、ａ_２に対し、数４の関係を満たす基本逆格子ベクトルをｂ_１、ｂ_２とする。

周期構造を発光領域内に部分的に設ける場合、共振器中に周期構造を形成する部分と周期構造を形成せずに共振器の平坦性を維持する部分とが交互に構成されることが望ましい。図２の例では、周期構造３００が存在する部分と存在しない部分が、より大きな周期で配列された階層構造となっている。ここで、より大きな周期を規定する２つの基本格子ベクトルはＡ_１、Ａ_２である。図２の例では、発光素子の上下左右で同じ視野角特性となるように、周期構造３００が４回対称性を有する構造となっている。本発明の発光素子を表示装置として用いる場合には、表示装置の上下左右の視野角特性を同じにするために、周期構造の基本格子ベクトル方向と表示領域の上下方向、左右方向を合わせることが好ましい。

図１において、導波光２０３が減衰により強度が半減する距離（半減距離）は１０μｍ程度である。よって、周期構造３００が存在しない部分で発光した光が、周期構造３００まで到達して素子外部に取り出され、光取り出し効率が向上するためには、発光領域内のいずれの位置からも、最も近い周期構造までの距離が１０μｍより小さいことが望ましい。

ここで、本構成例（図１、図２：周期構造あり、共振器あり）と従来例（図４：周期構造なし、共振器あり）の発光スペクトルを、数値計算により評価した例を図７にグラフで示す。本構成例のピーク強度が、従来例のピーク強度に対して、約１．８倍となり、光取り出し効率が向上することがわかる。

＜周期構造の周期＞
周期構造による回折の効果を高めるためには、周期構造の周期を設定することがより好ましい。以下周期構造の周期について説明する。

有機層１０１中の発光層からの発光ピーク波長をλとし、波数をｋ＝２π／λとする。また、発光層の屈折率をｎ、光取り出し側媒体（通常は空気）の屈折率をｎ_ｅｘｔとし、条件ｎ＞ｎ_ｅｘｔを満たすとする。

光導波路３０１を伝播する導波光２０３に対する基板１００の水平方向への伝播係数をβとし、導波光２０３に対する有効屈折率ｎ_ｅｆｆ及び有効吸収係数κ_ｅｆｆを、数５により定義する。有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、条件ｎ_ｅｘｔ＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎを満たす。

このとき、回折条件は水平方向の位相整合条件から、２つの整数ｍ_１、ｍ_２を回折次数とし、基板法線方向に対する回折角度をθとして、条件ｎ_ｅｘｔ＜ｎ_ｅｆｆ＜ｎのもとで、数６で与えられる。

正方格子の場合は、周期をａとして、基本格子ベクトルは数７となり、基本逆格子ベクトルは数８となる。

この時、数６の回折条件は、数９となる。

ここで、どちらか一方の１次元方向に着目し、ｍ_２＝０（もしくは、ｍ_１＝０）および、｜ｍ_１｜＝ｍ＞０（もしくは、｜ｍ_２｜＝ｍ＞０）とする。この時、数９の回折条件は、簡略化され数１０となる。さらに、有機ＥＬ素子のように、３ｎ_ｅｘｔ＞ｎ≧ｎ_ｅｆｆの関係を満たす場合、ｍ＝１の１次の回折光のみが生じるための回折条件は、数１１となる。

有機ＥＬ素子の発光パターンや効率、色度などの制御を可能とするには、１次の回折光のみを発生させ、また、導波光のモード数を少なくすることが望ましい。有機ＥＬ素子では、通常、発光層の屈折率はｎ＝１．６〜２．０程度、光取り出し側の屈折率はｎ_ｅｘｔ＝１．０である。よって、数１１から、主に１次の回折光のみを利用する場合は、周期構造３００の周期ａは、概ね発光ピーク波長λの０．３３倍〜１．０倍が望ましい。可視光の波長域が３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであることから、周期構造３００の周期ａは、１２５ｎｍより大きく７８０ｎｍより小さいことが望ましい。Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子のそれぞれで周期構造の周期が数１１を満たすためには、Ｒ素子の周期を最も長く、Ｂ素子の周期を最も短くすることが好ましい。

＜その他の構成＞
これまでは、基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成で説明してきたが、基板側を陰極、光取り出し側を陽極とし、ホール輸送層、発光層、電子輸送層を逆順に積層した構成においても本発明を実施することは可能である。したがって、本発明にかかる発光装置は基板側を陽極、光取り出し側を陰極とする構成に限定されるものではない。

また、図３のホール輸送層１０６、発光層１０５、電子輸送層１０７、ホール注入層１０８、電子注入層１０９に用いられる有機化合物としては、低分子材料、高分子材料、若しくはその両方により構成され、特に限定されるものではない。さらに、必要に応じて無機化合物やＱＤ（量子ドット）を用いてもよい。

さらに、周期構造３００は、上述したように２次元的なフォトニック結晶構造に限定されず、１次元的な回折格子の組み合わせや３次元的なフォトニック結晶構造でもよい。また、図１では凹型のフォトニック結晶構造を示したが、図８のように凸型のフォトニック結晶構造でもよい。また、図９のように、周期構造を反射界面から離した位置に構成しても良い。

さらに、図１０のように、異なる基本格子ベクトルを持つ複数種類の周期構造３００をいずれも有する構成であってもよい。図１０の例は、基本格子ベクトルａ_１、ａ_２の周期構造と基本格子ベクトルａ’_１、ａ’_２の周期構造を組み合わせた場合である。ａ’_１は（ａ_１＋ａ_２）／√２方向のベクトルであり、ａ’_２は（−ａ_１＋ａ_２）／√２方向のベクトルである。つまり、周期構造は、４回対称性を有する周期構造１と、周期構造１を４５°回転した周期構造２を組み合わせた構造になっている。図１０のように周期構造を配置することにより、発光素子の上下方向と左右方向の視野角特性だけでなく、発光素子の斜め方向の視野角特性も同じにすることができる。また、同様に、周期構造は、Ｎを自然数として、Ｎ回対称性を有する周期構造１と、周期構造１を１８０°／Ｎ回転した周期構造２を組み合わせた構造とすることができる。

周期構造３００は、完全に周期的である必要はなく、準結晶構造やフラクタル構造、連続的に周期構造が変化する構造、部分的に不規則な散乱構造を有する構造、若しくは周期構造とこれらを組み合わせたものでもよい。

さらに、以上の説明では、基板側の電極、即ち第１電極が反射電極と透明電極の２層の電極である構成で説明してきたが、いずれか１層の電極とする構成においても本発明を実施可能である。第１電極を透明電極とする場合、基板側に接して、あるいは離間して金属層によって構成される反射層を設けることが好ましい。この反射層が、第１反射面となる。

さらに、以上の説明では、光取り出し側の電極、即ち第２電極が金属半透明電極である構成で説明してきたが、図１１に示すように、光取り出し側の電極を透明電極（光透過電極）１０３とする構成においても本発明を実施可能である。この場合、第２反射面は、透明電極１０３と隣接する気体（空気）との界面になる。また、図１の半透明電極１０４の上や図１１の透明電極１０３の上には、図１２に示すように誘電体層１０４Ｂが形成されていてもよい。あるいは、第１反射面と第２反射面のうち光取り出し側に位置する反射面を、金属、透明電極、誘電体層のいずれかもしくは全部の組み合わせによる多層干渉膜とすることも可能である。

さらに、以上の説明では、基板の反対側が光取り出し側となるトップエミッション型の構成について説明してきたが、基板側が光取り出し側となるボトムエミッション構成においても本発明は実施可能である。図１３では、発光層より基板側に位置する反射面に周期構造を形成する例としている。すなわち、基板１００上に周期構造３００を有する金属半透明電極１０４と反射電極上の透明電極１０３Ｂを形成し、その上に有機層１０１、反射電極１０２を積層したボトムエミッション構成を示している。

さらに、図２において、金属からなる反射電極１０２と可視光の波長領域では誘電体とみなせる反射電極上の透明電極１０３Ｂとの界面（金属反射面）を基板水平方向に伝播し、導波光の一種と考えられる表面プラズモンが生じる。よって、反射電極１０２と反射電極上の透明電極１０３Ｂとの界面を光導波路として利用可能である。表面プラズモンの伝播係数β_ｓｐを、数５の伝播係数βとすると、通常の導波光と同様に回折条件は数６で与えられる。表面プラズモンを生じる界面は、金属層と透明導電層の界面に限られず、金属層と有機層界面や金属と誘電体層界面でもよい。

本発明の発光装置は、表示装置や、照明、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末（ＰＤＡ）の表示部、携帯ゲーム機の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等がある。

以下、本発明の発光装置の製造方法を実施例として説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１４に示す構成のフルカラー有機ＥＬ発光装置を以下に示す方法で作製する。つまり、本実施例１の発光装置は、複数の画素を有し、各画素がＲ素子、Ｇ素子、Ｂ素子、つまり赤、緑、青の３色の副画素からなる有機ＥＬ発光装置であって、表示装置として好ましく適用することができる例である。

まず、支持体としてのガラス基板上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化層を形成して基板１００とする。基板１００上に、反射電極１０２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ａｇ合金からなる反射電極１０２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射電極である。Ａｇ合金以外に、Ａｌ合金などを用いてもよい。

この反射電極１０２上に、まず、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図２に示すような正方格子の周期構造パターンを露光し、現像、ポストベークを行いレジストパターンを形成する。

エッチング加工により、反射電極１０２表面に周期構造３００を形成する。本実施例１では、Ｒ素子の周期構造（Ｒ周期構造３１０）は周期３４５ｎｍ、一辺の長さ２００ｎｍ、エッチング深さ４０ｎｍとされる。Ｇ素子の周期構造（Ｇ周期構造３２０）は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ１４０ｎｍ、エッチング深さ４０ｎｍとされる。Ｂ素子の周期構造（Ｂ周期構造３３０）は周期２００ｎｍ、一辺の長さ１４５ｎｍ、エッチング深さ４０ｎｍとされる。また、ＲＧＢの各素子で、１０周期ごとに周期構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。

次に、ＩＺＯのリフトオフ加工により、周期構造３００の凹状に窪んだエッチング部分を平坦化する。レジストパターンを残した状態で、スパッタリングにより透明導電性材料のＩＺＯを４０ｎｍの膜厚で形成する。エッチング部分ではＡｇ合金上にＩＺＯを、エッチング部分以外ではレジスト上にＩＺＯを形成する。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＩＺＯごと取り除いて平坦化する。この上に、スパッタリングによりＩＺＯを２０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。

図２のような正方格子では、各副画素の上下方向と左右方向とで周期構造３１０（３２０、３３０）の周期（配列）が等しい。そのため、発光装置を視認した場合、上下方向と左右方向とで同様の光学特性を得ることができ、視認性を高めることができる。また、逆に、上下方向と左右方向の周期が異なる四角格子としてもよい。この場合は、方向によって視認性を調整することが可能となる。さらに、図１０のように、異なる正方格子を組み合わせることにより、上下方向、左右方向と斜め方向とで同様の光学特性を得ることができ、視認性を高めることができる。

さらに、酸化窒化珪素（ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ）の素子分離層１１０を３２０ｎｍの膜厚で形成した後、各副画素にＥＬ発光領域となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してからＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの有機層１１１、１２１、１３１を真空蒸着により形成する。

まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒホール輸送層として２１５ｎｍの膜厚、Ｇホール輸送層として１５５ｎｍの膜厚、Ｂホール輸送層として１０５ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、発光層として、シャドーマスクを用いて、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子それぞれの発光層を形成する。Ｒ素子の発光層としては、ホストとして４，４’‐Ｂｉｓ（Ｎ‐ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ｂｉｐｈｅｎｙｌ（以下、ＣＢＰと呼ぶ）と、燐光発光性化合物Ｂｉｓ［２‐（２’‐ｂｅｎｚｏｔｈｉｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ３］（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、Ｂｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｇ素子の発光層としては、ホストとしてｔｒｉｓ‐（８‐ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍ（以下、Ａｌｑ３と呼ぶ）と、発光性化合物３‐（２’‐Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）‐７‐Ｎ，Ｎ‐ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎ（以下、クマリン６と呼ぶ）とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。Ｂ素子の発光層としては、ホストとして下記に示す化合物［ＩＩ］と発光性化合物［ＩＩＩ］とを共蒸着して３０ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子輸送層として、１、１０‐Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ（以下、ＢＰｈｅｎと呼ぶ）を真空蒸着法にて１０ｎｍの膜厚で一括して形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、Ｒ素子、Ｇ素子、Ｂ素子に共通の電子注入層として、ＢＰｈｅｎとＣｓ_２ＣＯ_３とを共蒸着（重量比９０：１０）し、３０ｎｍの膜厚で一括して形成する。蒸着時の真空度は３×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１０４として、スパッタリングによりＡｇ合金を２４ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、図１２のように誘電体層１０４Ｂとして、スパッタリングによりシリカを２９０ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、発光装置の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止することにより、有機ＥＬ発光装置を得る。

＜実施例２＞
レジストパターンの形成までは、実施例１と同様である。

リフトオフ加工によって、反射電極１０２表面に、図８に示すような上に凸型の周期構造３００を形成する。スパッタリングによりＡｇ合金を２０ｎｍの膜厚で形成する。ポジ型レジストの露光部分では反射電極１０２上にＡｇ合金が、ポジ型レジストの露光部分以外ではレジスト上にＡｇ合金が形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｇ合金ごと取り除いて、上に凸型の周期構造３００を形成する。

本実施例２では、Ｒ周期構造３１０は周期３４５ｎｍ、一辺の長さ径２００ｎｍ、高さ２０ｎｍとされる。Ｇ周期構造３２０は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ径１４０ｎｍ、高さ２０ｎｍとされる。Ｂ周期構造３３０は周期２００ｎｍ、一辺の長さ１４５ｎｍ、高さ２０ｎｍとされる。また、ＲＧＢの各素子で、１０周期ごとに周期構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。

次に、剥離剤によりレジストパターンを取り除く。スパッタリングにより透明導電性材料のＩＺＯを８０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。反射電極上の周期構造３００の高さを低く抑制し、反射電極上の透明電極１０３Ｂの膜厚を厚くすることで、平坦性を改善させる。

化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒホール輸送層として１５０ｎｍの膜厚、Ｇホール輸送層として９０ｎｍの膜厚、Ｂホール輸送層として４０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。発光層の形成から電子注入層の形成までは、実施例１と同様である。

電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、金属半透明電極１０４として、スパッタリングによりＡｇ合金を２０ｎｍの膜厚で形成する。

さらに、図１２のように誘電体層１０４Ｂとして、スパッタリングによりシリカを７０ｎｍの膜厚で形成する。

＜実施例３＞
上に凸型の周期構造３００を形成するまでは、実施例２と同様である。
次に、剥離剤によりレジストパターンを取り除く。次に、スピンコートにより、ＳＯＧを３０ｎｍの膜厚で形成し平坦化する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材料のＩＺＯを６０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。素子分離層１１０の形成以降は、実施例２と同様である。つまり、周期構造を平坦化する平坦化層を有する構成とされている。

＜実施例４＞
図１５に実施例４の有機ＥＬ発光装置の構成図を示す。ホール輸送層の形成までは、実施例１と同様である。次に、共通の３色積層型白色（Ｗ）発光層として、ＣＢＰとＢｉｓ［（４，６‐ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌ）ｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ‐Ｎ，Ｃ２］（ｐｉｃｏｌｉｎａｔｏ）Ｉｒｉｄｉｕｍ（以下、ＦＩｒｐｉｃと呼ぶ）（重量比９４：６）とを共蒸着により２５ｎｍの膜厚で形成する。そして、ＣＢＰとＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成する。さらに、ＣＢＰとＢｉｓ（２‐ｐｈｅｎｙｌｂｅｎｚｏｔｈｉｏｚｏｌａｔｏ‐Ｎ‐Ｃ２）Ｉｒｉｄｉｕｍ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）（以下、Ｂｔ２Ｉｒ（ａｃａｃ）と呼ぶ）（重量比９２：８）とを共蒸着により２ｎｍの膜厚で形成し積層構造とする。電子輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。

つまり、本実施例の有機ＥＬ発光装置は各副画素にＷ有機層１７１が形成されており、白色の有機ＥＬ素子を有する構成とされている。

＜実施例５＞
レジストパターンの形成までは、実施例１と同様である。

リフトオフ加工によって、反射電極１０２表面に、図８に示すような上に凸型の周期構造３００を形成する。スパッタリングによりＡｇ合金を３０ｎｍの膜厚で形成する。ポジ型レジストの露光部分では反射電極１０２上にＡｇ合金が、ポジ型レジストの露光部分以外ではレジスト上にＡｇ合金が形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｇ合金ごと取り除いて、上に凸型の周期構造３００を形成する。

本実施例５では、Ｒ周期構造３１０は周期３４５ｎｍ、一辺の長さ径２００ｎｍ、高さ３０ｎｍとされる。Ｇ周期構造３２０は周期２５０ｎｍ、一辺の長さ径１４０ｎｍ、高さ３０ｎｍとされる。Ｂ周期構造３３０は周期２００ｎｍ、一辺の長さ１４５ｎｍ、高さ３０ｎｍとされる。また、ＲＧＢの各素子で、１０周期ごとに周期構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。

次に、剥離剤によりレジストパターンを取り除く。Ａｇ合金からなる反射電極１０２と周期構造３００を、酸化やハロゲン化などの劣化から防ぐために、スパッタリングにより保護層として窒化膜ＳｉＮｘを３０ｎｍの膜厚で形成する。さらに、スパッタリングにより透明導電性材料のＩＺＯを２０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、フォトニック結晶付きの陽極を形成する。

化合物［Ｉ］を、シャドーマスクを用いて各副画素に、Ｒホール輸送層として１８０ｎｍの膜厚、Ｇホール輸送層として１２０ｎｍの膜厚、Ｂホール輸送層として７０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。発光層の形成以降は、実施例２と同様である。つまり、周期構造を保護する保護層を有する構成とされている。

＜比較例１＞
反射電極１０２の形成までは、実施例１と同様である。スパッタリングによりＩＺＯを２０ｎｍの膜厚で形成して電極のパターニングをし、陽極を形成する。ホール輸送層の形成以降は、実施例１と同様である。つまり、共振器を有しており、周期構造を有さない構成である。

表１に、実施例１と比較例１におけるＲＧＢの各素子の発光強度（外部に取り出される発光スペクトルのピーク波長での強度比）の数値計算による評価値を示す。比較例１の波高強度を１とした場合、実施例１の発光強度は、ＲＧＢの全ての素子において約１．８倍となり、光取り出し効率が向上することがわかる。

反射面に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。有機層の断面概略図である。反射面に周期構造を有さない有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。共振器中の干渉波と周期構造の高さの関係を示す模式図である。周期構造の高さと発光強度の関係を示す計算結果例である。周期構造を有する有機ＥＬ発光装置と周期構造を有さない有機ＥＬ発光装置に関するＥＬスペクトルの計算結果例である。反射面に上に凸型の周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。２つの反射面の間に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の平面概略図である。反射面に周期構造を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有し、光取り出し側が複数層からなる半透明電極を有する有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有するボトムエミッション型有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有するＲＧＢ発光層塗り分け構成の有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。反射面に周期構造を有するＷ発光層共通構成の有機ＥＬ発光装置の断面概略図である。

符号の説明

１００基板
１０１有機層
１０２反射電極
１０３透明電極
１０３Ｂ反射電極上の透明電極
１０４金属半透明電極
１０４Ｂ誘電体層
１０５発光層
１０６ホール輸送層
１０７電子輸送層
１０８ホール注入層
１０９電子注入層
１１０素子分離層
１１１Ｒ有機層
１１５Ｒ発光層
１２１Ｇ有機層
１２５Ｇ発光層
１３１Ｂ有機層
１３５Ｂ発光層
１７１Ｗ有機層
２０１発光点
２０２伝播光
２０３導波光
２０４回折光
３００周期構造
３０１光導波路
３０２ＥＬ発光領域
３１０Ｒ周期構造
３１１Ｒ光導波路
３２０Ｇ周期構造
３２１Ｇ光導波路
３３０Ｂ周期構造
３３１Ｂ光導波路

Claims

基板と、前記基板の上に形成されている複数の発光素子とを有し、
前記発光素子は、前記基板の上に形成されている反射電極である第１電極と、前記第１電極の上に形成されている発光層と、前記発光層の上に形成されている第２電極と、を有し、
前記発光層で発光する光を、前記第１電極にある第１反射面と、前記第２電極にある第２反射面との間で共振させる共振器を有する発光装置において、
前記発光層で発生し前記第１反射面と前記第２反射面との間を前記発光素子の面内方向に導波する光を前記発光素子の外に取り出す周期構造が、前記第１反射面に形成されており、
前記周期構造は、前記発光素子の発光領域内に部分的に形成されており、
前記基板垂直方向に沿った前記周期構造の高さｈが、外部に取り出される光のスペクトルのピーク波長λ、前記第１反射面と前記第２反射面との間の平均屈折率ｎに対して、

を満たしていることを特徴とする発光装置。
前記周期構造の高さが１３０ｎｍより低いことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記複数の発光素子は、赤色発光の前記発光素子と、緑色発光の前記発光素子と、青色発光の前記発光素子と、を有し、
各発光素子における前記周期構造の高さは同じであり、いずれも６０ｎｍより低いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記周期構造が、金属層によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光領域内のいずれの位置からも、最も近い前記周期構造までの距離が１０μｍより小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記複数の発光素子は、赤色発光の前記発光素子と、緑色発光の前記発光素子と、青色発光の前記発光素子と、を有し、
前記周期構造の周期は、前記赤色発光の発光素子が最も長く、前記青色発光の発光素子が最も短いことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記周期構造の周期が、１２５ｎｍより大きく７８０ｎｍより小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記周期構造の上に前記周期構造の表面を平坦化する平坦化層を有し、
前記発光層は、前記平坦化層の上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記周期構造が４回対称性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１反射面と前記第２反射面との間の距離が、７０ｎｍより大きく７１５ｎｍより小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第２電極は光透過電極もしくは金属半透明電極であり、
前記発光層で発光する光は、前記第２電極から外部に取り出されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子が有機ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の発光装置。