JPH03230583A

JPH03230583A - 有機膜発光素子

Info

Publication number: JPH03230583A
Application number: JP2025100A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ekusa; 俊江草; Nobuhiro Motoma; 信弘源間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1991-10-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、有機膜を用いた発光素子に係り、特に複数の
有機膜の組合わせにより高効率の発光を可能とした有機
膜発光素子に関する。

（従来の技術）近年、表示素子や照明素子等として用いられるｆ導膜発
光素子の研究開発が盛んに行われている。例えば、凡用
大学の斎藤省吾は、１９８６年に金属電極／芳香族色素
／ポリチオフェン／透明電極を用いた有機２層構造素子
を報告している（　Ｊ　、　　Ｊ　、　Ａｐｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ　、　２５．Ｌ７７３，１９８Ｂ）　。ココでは、
有機膜の膜厚が１μｍ以上あり、印加電圧も１００Ｖと
大きい。これに対して、コダック社のＣ，Ｗ、Ｔａｎｇ
等は、Ｍｇ　−Ａｇ　／　Ａ　Ｉｑ３　／ジアミン／Ｉ
ＴＯという有機２層構造で、有機膜の膜厚を１０００Å
以下にすることによって、印加電圧１０Ｖ以下で駆動し
て実用上十分な輝度を示す素子が得られたことを報告し
ている（Ａ　Ｐ　Ｌ。

５１．９１３．１９８７　）。これらの発光素子は、電
子注入性的な色素と正孔注入性的な色素とを組合わせて
有機２層構造とすることを基本とし、有機膜をできるだ
け薄くすること、電子注入側の金属電極に仕事関数の小
さいものを選ぶこと、真空蒸着法或いは昇華法によって
有機膜を形成する際に電気的欠陥が発生しないような材
料を選択すること、等を主要な特徴としている。凡用大
学の斎藤省吾は更に１９８８年には、電子注入層／発光
層／正孔注入層という有機３層構造素子を提案し、発光
層に高いフォトルミネセンスを示す色素を選ぶことによ
って高輝度発光が得られることを示した（Ｊ　、　　Ｊ
　、　　Ａｌ）ｐｌ、Ｐｈｙｓ　　、　　２７．Ｌ２６
９，１９８８）　　。

その他これまでに、各種の杓゛導膜の組合わせによる発
光素子構造、単層の有機膜であっても、発光剤と正孔注
入剤を混合することによっである程度の発光が認められ
ること、発光体であるＡ１．ｑ３の特性劣化に関する研
究等が次々に報告されており、また同様の特許出願が多
くなされている。

（発明が解決しようとする課題）有機膜発光素子は、発光輝度についてはほぼ実用段階ま
できているが、発光効率や素子寿命。

素子作成プロセス等はまだまだ技術的に未解決の問題が
多い。発光効率は現状では良くて１％１通常０．１％程
度である。発光効率が低いことは発光に寄与しない電流
が電極間に流れることを意味し、この電流はジュール熱
を発生するから素子寿命を低下させる大きい原因となっ
ている。したがって有機膜発光素子を実用化するために
は、発光効率を少なくとも数％から１０％以上まで高め
ることが望まれる。

発光効率を高めるためには、素子構造の最適化と、用い
る材料の電気的性質の最適化が必要である。これまでの
ところ、有機材料の性質に関しては、電子（正孔）輸送
性、電子（正孔）注入性。

発光性といった定性的な定義しかなされておらず、これ
では素子条件が十分規定されているとはいえない。

本発明は、複数の有機膜の積層構造と金属電極の組合わ
せにおいて、それらの各材料の電気的性質を厳密に定義
した上で、高効率の発光を可能とした有機膜発光素子を
提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）有機膜は一種の半導体とみなせるので、有機膜を積層し
た素子においては各層の接合面における電気的特性が素
子特性を支配する。すなわち金属電極の仕事関数と、有
機膜の伝導帯レベル、フェルミレベルおよび価電子帯レ
ベルを考えたときに、各接合面でそれぞれのエネルギー
レベルがどの様な関係にあるかが重要になる。本発明は
この様な観点から、半導体モデルを用いて高効率発光の
素子構造を提案する。

すなわち本発明に係る発光素子は、第１および第２の電
極間に複数の有機膜の積層体を挟んだ構造を基本とする
。

本発明の第１の発光素子は、この様な基本構造において
、第１の電極に接する第１の有機膜と。

第２の電極に接する第２の自゛導膜の間に発光層として
の第３の有機膜が設けられ、第３の有機膜のバンドギャ
ップか第１および第２の有機膜のそれより小さく設定さ
れている。

具体的には、第１．第２の電極の仕事関数をそれぞれＥ
ＭＩ＋　　ＥＭ□とし、第１の有機膜の伝導帯下端の真
空準位からのエネルギー差（以下これを単に伝導帯レベ
ルと呼ぶ）、フェルミレベルの真空準位からのエネルギ
ー差（以下これを単にフェルミレベルと呼ぶ）および価
電子帯の上端の真空準位からのエネルギー差（以下これ
を単に価電子帯レベルと呼ぶ）をそれぞれＥ。１．Ｅｌ
およびＥｖ＋とし、第２の有機膜の伝導帯レベル、フェ
ルミレベルおよび価電子帯レベルをそれぞれＥｃ２，Ｅ
２およびＥｖ□とし、第３の有機膜の伝導帯レベル。

フェルミレベルおよび価電子帯レベルをそれぞれＥｃ３
，Ｅ３およびＥｖ３としたとき、Ｅ　Ｍ＋　＜　Ｅ　１
　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）Ｅ２＜ＥＭ
２　　　　　　　　　　　・・・（２）Ｅ　ｃ＋＞　Ｅ
　Ｃ２−（３）Ｅ　ｖｌ＞　Ｅ　Ｖ２　　　　　　　　　　−　（４）
を満たし、かつＥ　Ｃ３＞　Ｅ　Ｃ２−（５）Ｅ　ｖ＋＞　Ｅ　Ｖ３　　　　　　　　　　　”’　（
［ｉ）を満たすように材料が選択されていることを特徴
とする。（１）式および（２）式の関係は、具体的には
、ＥＭＩ　　ＥｃＩおよびＥｖ□−ＥＭ２がそれぞれ１
ｅＶ以下、好ましくは０．５〜０．３ｅＶ以下となるよ
うにする。

また本発明の第２の発光素子は、第１の発光素子の第３
の有機膜の部分が更に複数層の有機膜により構成される
。すなわち、第１の電極に接する第１の有機膜と第２の
電極に接する第２の有機膜の間に、発光層として少なく
とも第３および第４の有機膜の二層の積層体が設けられ
、これら第３および第４の有機膜のバンドギャップが第
１および第２の有機膜のそれより小さく設定されている
ことを特徴とする。

具体的には、第４の有機膜の伝導帯レヘル、フェルミレ
ベルおよび価電子帯レベルをそれぞれＥｃ，、Ｅ４およ
びＥｖ４としたとき、Ｅ　ｕ＋　＜　Ｅ　＋　　　　　
　　　　　　　　　・・（ア）Ｅ４＜ＥＭ□　　　　　
　　　　・・・（８）を満たし、かつＥ　ｃｌ−Ｅ　Ｃ３＞　Ｅ　（４＞　Ｅ　Ｃ２・・（９
）Ｅ　Ｖ２〜Ｅ　Ｖ４＜　Ｅ　ｖ３＜　Ｅ　ｖ＋　　　
　　　−’　（１０）を満すように材料が選択されてい
ることを特徴とする。

（作用）本発明による有機膜発光素ｒにおいては、第１、第２の
有機膜の間の発光層がバンドギャップの狭い単層または
複数層の有機膜により構成されている。したがって第１
．第２の７１ｔｉ間にバイアス電圧を印加すると、第１
．第２の電極からそれぞれ第１．第２の有機膜に注入さ
れた電子、正孔は、発光層内に閉じ込められる。この結
果、発光層内でキャリアの再結合による発光が効率よく
行われる。すなわちキャリア閉込めの効果によって発光
再結合に寄与しない電流がなくなるために発光効率が高
くなり、また素子寿命が長くなる。

具体的に第１の発光素子において上述した条件式を’ｔ
Ｊａす材料を選択すれば、第１の電極と第１の有機膜の
間は第１の電極から第１の有機膜に電子が注入され易い
接合であり（条件式（１）　）　、第２の電極と第２の
有機膜の間は第２の電極から第２の有機膜に正孔が注入
される品い接合である（条件式（２））。したがって第
１．第２の電極間に第２の電極側が正となるバイアス電
圧を印加すると、第１の電極から第１の有機膜に電子が
注入され、第２の電極から第２の有機膜に正孔が注入さ
れる。

そして条件式（３）によって第２の何機膜は第１の何機
膜からの電子に対してブロックとなり、条件式（４）に
よって第１の有機膜は第２の有機膜の正孔に対してブロ
ックとなり、条件式（５）　（６）によって第３の６機
膜に電子、正孔が閉じ込められる。

これにより、高効率の発光が可能となる。

また第２の発光素子においては、条件式（９）（１０〉
によって発光層である第３．第４の有機膜内にキャリア
閉じ込めの条件が満される。そして第３の有機膜と第４
の有機膜の間には、条件式（９）によって第３の有機膜
から第４の有機膜への電子の流れに障壁が形成され、条
件式（ｌＯ）によって第３の有機膜から第３の有機膜へ
の正孔の流れに障壁が形成される。そしてバイアス電圧
がある値を越えると第３の有機膜の電子は第４の有機膜
にトンネル注入された第４の有機膜内で再結合し、第３
の有機膜の正孔は第３の何機膜にトンネル注入されて第
３の有機膜内で再結合する。これらの再結合過程で、そ
れぞれ第３および第４の角゛導膜の材料で決まる波長で
発光を生じる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の発光素子断面構造を示す。

この素子は、上から見て第１の電極（Ｍ＋）６゜第１の
何機膜（０＋　）５．第３の何機膜４．第２の何機膜（
０，）４および第２の電極（Ｍ２　）　　２により構成
されている。第２の電極２はこの実施例ではガラス基板
１に形成されたＩＴＯ等の透明電極であって、光は基板
１側から取出される。この素子の製造プロセスは、後に
具体的に説明するが、基板上に真空蒸着法、真空昇華法
等によって順次膜を積層形成する。

第２図は、この発光素子を構成する各層がそれぞれ独立
した状態でのバンド図を示す。第１の有機膜（０，）５
の伝導帯レベルをＥ。１．フェルミレベルをＥ１１価電
子帯レベルをＥｖｌとし、第２の有機膜（０□）３の伝
導帯レベルをＥ。２．フェルミレベルをＥ２１価電子帯
レベルをＥｖ２とし、第３の有機膜（０，）４の伝導帯
レベルをＥｃ３＋フエルミレベルをＥ３２価電子帯レベ
ルをＥ　ｖ３トしたとき、図示のように、Ｅｃ３〉Ｅ　
ｃｌ＞　Ｅ　Ｃ２１Ｅ　ｖ＋　＞　Ｅ　Ｖ２＞　Ｅ　Ｖ
３なる材料が選ばれている。また第１の電極５は、仕事
関数ＥＭＩが、ＥＭ、＜Ｅ、であり、第１のａ機膜５に
対して電子を注入しゃすい関係に選ばれている。第２の
電極２は、仕事関数ＥＭ２が、ＥＭ２〉Ｅ２であり、第
２の有機膜３に対して正孔を注入しやすい関係に選ばれ
ている。

第３図を用いてこの実施例の素子の動作を説明する。第
３図（ａ）は、この実施例の発光素子の熱平衡状態での
バンド図である。熱平衡状態では系のフェルミレベルが
一致する。したがって第２図に示す電極の仕１１イ関数
および有機膜の各エネルギーレベルの大小関係から、第
３図（ａ）に示すように、第１の電極６と第１の有機膜
５の間は第１の電極６から電子か７十人しやすい接合が
形成される。

第２の電極２と第２の有機膜３の間は第２の電極２から
正孔が注入しやすい接合か形成される。そして第１の何
機ＩＩ’２．５と第２の有機膜３の間には、これらより
バンドギャップの小さい第３の角゛導膜４が挟まれた構
成となる。

第３図（ｌ〕）は、この実施例の発光素子に、第１ノ電
極６に対して第２の電極２に正のあるバイアス電圧Ｖを
印加したときの素子のバンド図である。

第１の電極６からは第１の有機膜５に電子が注入され、
第２の、電極２からは第２の有機膜３に正孔が注入され
て、これらの電子、正孔は、電子、正孔に対して共に電
位の井戸となっている第３の有機膜４に閉込められる。

この閉込められた電子。

正孔が互いに再結合する事によって、発光する。

第１および第２の有機膜５，３は第３の有機膜４に比べ
てバンドギャップが大きいから、第３の有機膜３て発し
た光は第１．第２の有機膜５３で再吸収されることなく
、外部に取り出される。

なおこの実施例の発光素子におけるような各接合面での
エネルギーレベルの大小関係を設定した材料を選択する
に当たっては、そのエネルギーレベルの大小関係を１１
定する方法が必要である。これは、次に説明するような
本発明者等が発見した方法を用いればよい。

第１１図に示すように、金属電極１１／シリコン１２／
シリコン酸化膜１３／有機膜１４／金属電極１５からな
る素子を形成する。この素子に第１２図に示すような三
角波電圧を印加し、その時の素子の変位電流を７Ｉｌｌ
ｊ定する。いま素子の容量をＣとすれば、変位電流は、１−Ｃ−ｄＶ／ｄｔで表される。第１１図の素子で有機膜１４がない場合を
考えると、素子は通常知られたＭＯ３素子となり、その
容量はシリコン酸化膜１３によって決まる。これに対し
て有機膜１４がある場合には、６゛機１１２．１４のフ
ェルミレベルと金属電極１５の仕事関数の大小関係によ
って次のような変位電流が観測される。

＜ａ）金属電極］５の仕事関数と有機膜１４のフェルミ
レベルが略笠しい場合この場合、金属電極１５と有機膜１４の接合は電子、正
孔いずれに対しても高い障壁を持つ接合となる。したが
って有機膜１４は絶縁体とみなせるため、素子容；はシ
リコン酸化膜と有機膜の直列容量となり、Ｍ　ＯＳ素子
のそれより小さい一定値を小す。これにより、第１２図
のような三角波電圧を素子に印加したときの変位電流は
、第１３図に示すような一定の小さい値を示す。

（ｂ）金属電極１５の仕事関数が有機膜１４のフェルミ
レベルより小さい場合この場合、金属電極１５と有機膜１４の接合は、金属電
極１５からＨ機膜１４に対して電子が注入されやすい接
合を形成する。したがって第１２図の三角波電圧を素子
に印加したとき、金属電極１５側が負になると金属電極
１５から有機膜１４に電子が注入され、この電子は有機
膜１４と酸化膜１３の界面に蓄積される。この状態では
素子容量は酸化膜１３で決まる値となり、第１４図に示
すように変位電流はＭＯ５素子のレベルまで増加する。

印加電圧が金属電極１５側が正になる極性では、有機膜
１４内の電子は金属電極１５に流れ去り、変位電流は有
機膜１４が絶縁体であるとした場合の小さい値まで減少
する。

（ｃ）金属電極１５の仕事関数が有機膜１４のフェルミ
レベルより大きい場合この場合、金属電極１５と有機膜１４の接合は、金属電
極１５から有機膜１４に対して正孔が注入されやすい接
合を形成する。したがって第１２図の三角波電圧を素子
に印加したとき、金属電極１５側が正になると金属電極
１５から有機膜１４に正孔が注入され、この正孔は有機
膜１４と酸化膜１３の界面に蓄積される。この状態では
素子容量は酸化膜１３で決まる値となり、第１５図に示
すように変位電流はＭＯ５素子のレベルまで増加する。

印加電圧が金属電極１５側が負になる極性では、有機膜
１４内の正孔は金属電極１５に流れ去り、変位電流は有
機膜１４が絶縁体であるとした場合の小さい値まで減少
する。

以上は、金属電極と有機膜の間の関係であるが、次に第
１１図の素子構造における有機膜１４の部分を第１．第
２の何機膜の積層構造として同様の変位電流測定を行う
。これにより、二つの白゛導膜の伝導帯レベル、フェル
ミレベル、価電子帯レベルの関係が明らかになる。

例えば、第１１図の素子構造に於いて、何機膜１４の金
属電極１５に接する部分が第１の有ａ！膜１４１であり
、その下が第２の有機膜１４２であるとする。そして金
属電極１５から第１の有機膜１４、に電子が注入される
とする。これは先の有機膜が中層の素子で調べられてい
る。もし、変位電流が金属電極１５側が負の状態でＭＯ
３素子レベルまで流れてるとすれば、第１のＨ機成１４
、に注入された電子はさらに第２のａ機成４１□まて注
入されている事になる。これにより、第２のｈ＃１膜１
４゜は伝導帯レベルが第１の有機膜１４、のそれより低
いことが分かる。この様なＭＯ３素子レベルの変位電流
が観測されないならば、第２の有機膜１４゜は伝導帯レ
ベルが第１の有機膜１４．のそれより高いことが分かる
。

価電子帯レベルについても、正孔注入を利用した同様の
変位電流Ａ１１ｌ定によって大小関係が分かる。

第１図の素子構造を用いた有機多色発光素子のより具体
的な実施例を次に説明する。

実施例１第１図の素子において、第１の電ｔ！６：エルビウム膜第１の有機膜５：第２の何機膜３：第３の有機膜４：第２の電極２：ＩＴＯ膜を用いた。

この材料系が第２図の条件を満すことは、先に説明した
変位電流Ｍ［定法によって確認されている。

素子作成プロセスは次の通りである。ＩＴＯ膜が形成さ
れたガラス基板上にまず、真空昇華法（丘空度〜１０−
６Ｔｏｒｒ）により第２の有機膜３を２００〜１０００
人形成し、続いて同様の真空昇華法によって第３の有機
膜４．第１の有機膜５を順次２００〜１０００人ずつ形
成し、最後に真空蒸着法によってエルビウム膜を２００
〜１０００人形成する。

得られた素子にＩＴＯ電極が正になるバイアスを印加す
ると、５Ｖで１．０ｍＡの電流が流れ、輝度１０００Ｃ
ｄ／ｍ２の発光が見られた。発光効率は約１０％であっ
た。

ちなみに、第１．第２の有機膜を設けず、発光層として
の第３の有機膜単層を用いた場合、輝度は低く、２０Ｖ
印加で１００ｍＡの電流を流しても、５００Ｃｄ／ｍ２
　（発光効率０．５％）シカ得られなかった。これから
、第１．第２の有機膜で発光層を挟んでキャリア閉込め
を行うことが発光効率の向上に寄与していることが理解
される。

第１図の素子構造を基本として、異なる材料系を用いた
二つの実施例を次に説明する。

第４図はその一つの素子の各層の接合前のバンド図を第
２図に対応させて示したものである。第２図と比較して
明らかなようにこの実施例では、第２の有機膜３と第３
の有機膜４の間で、Ｅｖ２〜Ｅ０なる条件を満し、第１
の有機膜５と第３の有機膜４の間で、ＥｃＩ＜Ｅｃ３な
る条件を満す。その他の条件は先の実施例と同様である
。

第５図（ａ）　（ｂ）はこの実施例の発光素子の動作説
明図である。第５図（ａ）は熱十衡状態でバンド図であ
り、図示のようにこの実施例では、第１の有機膜５と第
３の有機膜４の間で、第１の有機膜５から第３の有機膜
３への電子の流れに対して障壁（ΔＥｃ−Ｅ（ｌ　　Ｅ
ｃ３）が形成される。この電子に対する障壁は正孔に対
する障壁（ΔＥｖ＝Ｅｖ□−Ｅ　ＶＪ）に比べると小さ
い。これにバイアスを印加した状態が第５図（ｂ）であ
る。第１の電極６から第１の有機膜５に注入された電子
は、第３の有機膜４との間の障壁接合に蓄積され、第２
の電極２から第２の有機膜３に注入された正孔は何等ブ
ロックされずに第３の有機膜４まで流れて、第１の有機
膜５との間の障壁接合に蓄積される。

こうして第１の有機膜５と第３の有機膜４の間の接合に
蓄積されたキャリアは、電気二重層を形成する。この電
気二重層の厚みは色素の分子間距離（〜１０人）である
から、結果としてここには、１０’Ｖ／ＣＤＩ程度以上
の大きい電界が形成される。

この強電界によって、第１の有機膜５内の電子は第３の
有機膜４にトンネル注入され第３の有機膜４内で発光再
結合する。

第６図は別の素子の接合前の各層のバンド図である。こ
の実施例の場合には、図に示すように、第１の有機膜５
と第３の有機膜４の間で、ＥｃＩ〜Ｅｃ３なる条件に設
定され、第２の有機膜３と第３の有機膜４の間で、Ｅｖ
２＜Ｅｖ３なる条件に設定されている。それ以外は第２
図と同様である。

第７図（ａ）　（ｂ）はこの実施例の発光素子の動作説
明図である。第７図（ａ）は熱平衡状態でのバンド図で
あり、図ホのようにこの実施例では、第２の有機膜３と
第３の有機膜４の間で、第２の有機膜３から第３の有機
膜３への正孔の流れに対して障壁（ΔＥｖ＝Ｅｖｓ　　
Ｅｖ□）が形成される。この正孔に対する障壁は電子に
対する障壁（ΔＥｃ−Ｅ　Ｃ３Ｅ　Ｃ２）に比べると小
さい。これにバイアスを印加した状態が第７図（ｂ）で
ある。第１の電極６から第１の白゛導膜５に注入された
電子は、何等ブロックされずに第３のｂｍ膜４まで流れ
て第２の有機膜３との間の障壁接合に蓄積され°、第２
の電極２から第２のＨ機成３に注入された正孔は、第３
の有機ｐ！に４との間の障壁接合に蓄積される。

こうして第２の有機膜３と第３の有機膜４の間の接合に
蓄積されたキャリアは、電気二重層を形成する。そして
バイアス電圧がある値を越えると、第２の有機膜３内の
正孔は第３の有機膜４にトンネル注入され、第３の有機
膜４内で発光再結合する。

これらの実施例によっても、第３の有機膜には多数のキ
ャリアが閉じ込められる結果、効率の高い発光が得られ
る。

次に発光層を複数の有機膜の積層構造とした実施例を説
明する。

第８図はその様な実施例の素子構造を示す断面図である
。第１図と比較して明らかなように、この実施例では、
第１の有機膜５と第２の有機膜３により挟まれた発光層
領域が第３の有機膜４と第４の有機Ｗｋ７の積層体とな
っている。

第９図はこの素子の各構成層の接合前のバンド図である
。図に示すようにこの実施例では、Ｅ、＞Ｅ、＞Ｅ４＞
Ｅ２Ｅ　　Ｃ３Ｅ　　ｖｉ＜　　Ｅ　　ｃ　Ｉ　　　Ｅ　　
ｖ＋Ｅｃ４Ｅｖ４＜Ｅｃ２Ｅｖ２Ｅ　ＣＩ＝　Ｅ　Ｃ３＞　Ｅ　Ｃ４Ｅ　Ｖ　２　〜Ｅ　ｖａ　＜　Ｅ　Ｖ　３なる条件を満
たすように材料が組合わされている。

第１０図（ａ）はこの実施例の素子の熱平衡状態でのバ
ンド図である。バンドギャップの大きい第１、第２の有
機膜５，３の間にバンドギャップの小さい第３．第４の
有機膜４，７が挟まれている。

そして伝導帯を見ると、第１の有機膜５と第３の有機膜
４の間は滑らかであり、第３の有機膜４と第４の有機膜
７の間に障壁（ΔＥｃ＝Ｅｃ４　Ｅｃ３）が形成されて
いる。この電子に対する障壁は、第４の有機膜７と第２
の何機膜３の間のそれよりは小さい。−ｈ゛価電子帯を
見ると、第２の何機膜５と第４のｆ−ｉ機成７の間は滑
らかであり、第３の何機膜４と第４のａ機ｐ＆７の間に
障壁（ΔＥ、−Ｅｖ３〜Ｅ　Ｖ４）が形成されている。

この正孔に対する障壁は、第３の有機膜４と第１の有機
膜５の間のそれよりは小さい。

第１０図（ｂ）はこの実施例の素子に第２の電極２側が
正となるバイアス電圧を印加した時のバンド図である。

第１の電極６からは第２の有機膜５に７６７−が注入さ
れ、この電子は第３の有機膜４にまで転送されて第４の
有機膜７との開の障壁接合に蓄積される。第２の電極２
からは第２の有機膜３に正孔が注入され、この正孔は第
４の有機膜７にまで転送されて第３の有機膜４との間の
障壁接合に蓄積される。こうしてこの実施例では、第３
゜第４の有機膜４，７の接合部に電気二重層が形成され
る。そしてバイアス電圧がある一定値を越えると、第３
の有機膜４から第４の有機膜７に電子がトンネル注入さ
れて第４の有機膜７内で発光再結合し、また第４の何機
膜７から第３の有機膜４に正孔がトンネル注入されて第
３の有機膜４内で発光再結合する。

この場合、第３の何機膜４での発光再結合と第４の有機
膜７での発光再結合のしきい値が同じであれば、第３の
有機膜４での発光と第４の有機膜７での発光の混色とな
る。しきい値が異なれば、いずれか一方での発光が優先
する。例えば第１のしきい値で第３の有機膜４での発光
が生じ、さらにバイアスを上げて第２のしきい値で第４
の有機膜７での発光がこれに重なる。材料を選べはこの
優先順位は逆になる。いずれにしてもこの場合・バイア
スにより発光色を制御できる一画素多色表示が可能にな
る。

この実施例においても、発光層である第３および第４の
有機膜の部分はバンドギャップが広い第１および第２の
有機膜により挾まれており、したがってキャリア閉じ込
め効果によって、高効率の発光がｉりられる。

具体的に発光層に二層を用いた実施例を説明する。

実施例２第８図の素子において、第１の電極６：エルビウム膜第１の有機膜５：テトラニトロビフルオレノニル第３の
有機膜４：第４の有機膜７：ビコロネニル第２の有機膜３：実施例１に同じ第１の電極２：ＩＴＯ素子作成プロセスは先の実施例１で説明したのと基本的
に同様である。得られた素子にバイアスを印加したとこ
ろ、５Ｖの印加電圧で約１０ｍＡの電流が流れ、約２０
００Ｃｄ／ｍ２の輝度の発光が認められた。発光効率は
約２０％であった。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、複数層の有ａ！膜を
用い、バンドギャップの違いによるキャリア閉込めの効
果を利用して高い発光効率を得ることを可能とした有機
膜発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の発光素子を示す断面図、第２図はその各層の接合前の電気的特性を示すバンド図第３図（ａ）　（ｂ）はその素子動作を説明するための
それぞれ熱平衡状態とバイアス状態のバンド図、第４図
は他の実施例の発光素子の各層の接合前の電気的特性を
示すバンド図、第５図（ａ）　（ｂ）はその素子動作を説明するだめの
それぞれ熱平衡状態とバイアス状態のバンド図、第６図
は他の実施例の発光素子の各層の接合前の電気的特性を
示すバンド図、第７図（ａ）　（ｂ）はその素子動作を説明するための
それぞれ熱平衡状態とバイアス状態のバンド図、第８図
は更に他の実施例の発光素子を示す断面図、第９図はその各層の接合前の電気的特性を示すバンド図
、第１０図（ａ）　（ｂ）はその素子動作を説明するため
のそれぞれ熱平衡状態とバイアス状態のバンド図、第１１図は有機膜の特性を知るための変位電流測定法を
説明するための図、第１２図はその印加電圧波形を示す図、第１３図は有機
膜がない場合の変位電流−電圧特性を示す図、第１４図および第１５図は有機膜かある場合の変位電流
−電圧特性を示す図である。１・・・ガラス基板、２・・・第２の電極、３・・・第
２の有機膜、４・・・第３の有機膜、７・・・第４の有
機膜、５・・・第１の有機膜、６・・・第１の電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相対向する第１，第２の電極の間に複数層の有機
膜が挟まれた構造を有する有機発光素子において、前記
複数の有機膜は、前記第１の電極に接して設けられた第
１の有機膜と、前記第２の電極に接して設けられた第２
の有機膜と、これら第１の有機膜と第２の有機膜に挟ま
れて発光層となる第１，第２の有機膜よりバンドギャッ
プの小さい第３の有機膜とを有することを特徴とする有
機膜発光素子。
（２）前記第１，第２の電極の仕事関数をそれぞれＥ＿
Ｍ＿１，Ｅ＿Ｍ＿２とし、前記第１の有機膜の伝導帯の下端，フェルミレベルおよ
び価電子帯の上端の真空準位からのエネルギー差をそれ
ぞれＥ＿ｃ＿１，Ｅ＿１およびＥ＿ｖ＿１とし、前記第
２の有機膜の伝導帯の下端，フェルミレベルおよび価電
子帯の上端の真空準位からのエネルギー差をそれぞれＥ
＿ｃ＿２，Ｅ＿２およびＥ＿ｖ＿２とし、前記第３の有
機膜の伝導帯の下端および価電子帯の上端の真空準位か
らのエネルギー差をそれぞれＥ＿ｃ＿３およびＥ＿ｖ＿
３としたとき、Ｅ＿Ｍ＿１＜Ｅ＿１Ｅ＿２＜Ｅ＿Ｍ＿２Ｅ＿ｃ＿１＞Ｅ＿ｃ＿２Ｅ＿ｖ＿１＞Ｅ＿ｖ＿２を満たし、かつＥ＿ｃ＿３＞Ｅ＿ｃ＿２Ｅ＿ｖ＿１＞Ｅ＿ｖ＿３を満たすように材料が選択されていることを特徴とする
請求項１記載の有機膜発光素子。
（３）前記第３の有機膜のフェルミレベルの真空準位か
らのエネルギー差をＥ＿３としたとき、Ｅ＿Ｍ＿１＜Ｅ
＿３＜Ｅ＿Ｍ＿２を満たし、かつＥ＿ｃ＿１≦Ｅ＿ｃ＿３Ｅ＿ｖ＿３≦Ｅ＿ｖ＿２を満たすことを特徴とする請求項２記載の有機膜発光素
子。
（４）前記第３の有機膜のフェルミレベルの真空準位か
らのエネルギー差をＥ＿３としたとき、　Ｅ＿３＜Ｅ＿
Ｍ＿２を満たし、かつ　Ｅ＿ｃ＿１＞Ｅ＿ｃ＿３　Ｅ＿ｖ＿３≦Ｅ＿ｖ＿２を満たすことを特徴とする請求項２記載の有機膜発光素
子。
（５）前記第３の有機膜のフェルミレベルの真空準位か
らのエネルギー差をＥ＿３としたとき、　Ｅ＿Ｍ＿１＜
Ｅ＿３を満たし、かつ　Ｅ＿ｃ＿１≦Ｅ＿ｃ＿３　Ｅ＿ｖ＿３＞Ｅ＿ｖ＿２を満たすことを特徴とする請求項２記載の有機膜発光素
子。
（６）相対向する第１，第２の電極の間に複数層の有機
膜が挟まれた構造を有する有機発光素子において、前記
複数の有機膜は、前記第１の電極に接して設けられた第
１の有機膜と、前記第２の電極に接して設けられた第２
の有機膜と、これら第１の有機膜と第２の有機膜に挟ま
れて発光層となる第１，第２の有機膜よりバンドギャッ
プの小さい第３および第４の有機膜の積層体とを有する
ことを特徴とする有機膜発光素子。
（７）前記第１，第２の電極の仕事関数をそれぞれＥ＿
Ｍ＿１，Ｅ＿Ｍ＿２とし、　前記第１の有機膜の伝導帯の下端および価電子帯の上
端の真空準位からのエネルギー差をそれぞれＥ＿ｃ＿１
およびＥ＿ｖ＿１とし、　前記第２の有機膜の伝導帯の下端および価電子帯の上
端の真空準位からのエネルギー差をそれぞれＥ＿ｃ＿２
およびＥ＿ｖ＿２とし、　前記第３の有機膜の伝導帯の下端，フェルミレベルお
よび価電子帯の上端の真空準位からのエネルギー差をそ
れぞれＥ＿ｃ＿３，Ｅ＿３およびＥ＿ｖ＿３とし、　前
記第４の有機膜の伝導帯の下端，フェルミレベルおよび
価電子帯の上端の真空準位からのエネルギー差をそれぞ
れＥ＿ｃ＿４，Ｅ＿４およびＥ＿ｖ＿４としたとき、　Ｅ＿Ｍ＿１＜Ｅ＿３　Ｅ＿４＜Ｅ＿Ｍ＿２を満たし、かつ　Ｅ＿ｃ＿１〜Ｅ＿ｃ＿４＞Ｅ＿ｃ＿４＞Ｅ＿ｃ＿２　
Ｅ＿ｖ＿２〜Ｅ＿ｖ＿４＜Ｅ＿ｖ＿３＜Ｅ＿ｖ＿１を満
たすように材料が選択されていることを特徴とする請求
項６記載の有機膜発光素子。