JPH11307266A - 有機発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単色性に優れた有機発光素子を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 有機発光層９４には透明電極９２および
金属電極９５からそれぞれ正孔および電子が注入されて
発光が生じる。発光した光は低屈折率の有機発光層９４
とガラス基板９１に挟まれた高屈折率の透明電極９２６
により形成される光導波路に閉じこめられ、導波光とし
てガラス基板９１に平行な方向に伝搬する。光導波路内
には周期的に形成された誘電体により屈折率の周期的分
布が形成されており、導波光はその周期に対応する特定
の波長の光に対して回折する光が逆方向に伝搬するので
共振器が形成され、この共振器で決定される特定の波長
の光だけが強く発光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は有機半導体を利用した有
機発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高度情報化マルチメディア社会の発展に
伴い、低消費電力・高画質の平板型表示素子の開発が活
発化している。非発光型の液晶表示素子は低消費電力を
特長としてその位置を確立し、携帯情報端末等への応用
と更なる高性能化が進んでいる。一方、有機ＥＬディス
プレイは自発光型であり、ディスプレイが最も一般的に
使用される室内で非常に認識しやすいことから、従来の
ＣＲＴの代替えや、ＣＲＴでは実現困難な大画面表示や
超高精細表示の実現を目標として研究開発が活発化して
いる。既に、モノクロ（緑色、黄色）の文字数字表示は
実用に近い技術レベルに達しており、今後は有機ＥＬの
特徴を活かした高輝度、薄型のディスプレイの開発と動
画像をも表示し得る高精細カラーディスプレイへの期待
が高まりつつある。

【０００３】１９８７年にタンらがガラス基板上に正孔
注入用電極層、有機正孔輸送層、有機電子輸送性発光
層、電子注入用電極層を付着形成することによりること
により、低電圧で発光する有機ＥＬが可能となることを
実証して以来（参考文献：C.W.Tang et al. Appl. Phy
s. Lett. Vol.51, p.913 (1987)）、有機ＥＬ素子が大
きく注目を浴びている。

【０００４】タンらにより提案された従来の有機ＥＬ素
子の概要を図１１を用いて説明する。ガラス基板１１１
の上に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の比較的大きなイ
オン化ポテンシャルを有し正孔の注入が容易な透明導電
性薄膜（ＩＴＯ）でなる陽極１１２が形成されている。
次にその表面のほぼ全面に正孔輸送層１１３、及び電子
輸送性の発光層１１４が順に形成されている。そしてそ
の表面に銀マグネシウム合金（ＡｇＭｇ）等の比較的低
い仕事関数を有し電子の注入の容易な金属層でなる陰極
１１５が形成されている。

【０００５】電子輸送性の発光層１１４は一般的に金属
に比較して低い仕事関数を有するが、ＡｇＭｇ合金等の
低仕事関数を有する金属を陰極として用いることにより
電子の注入とその輸送が比較的容易に実現できる。ま
た、正孔輸送層１１３は比較的大きなイオン化ポテンシ
ャルを有するので、金（Ａｕ）や酸化インジウム錫（Ｉ
ＴＯ）等のイオン化ポテンシャルの大きな材料を陽極と
して用いることにより正孔の注入とその輸送が比較的容
易に実現できる。そこで、陰極に対して陽極に正の直流
電圧を印加することにより、陽極（ＩＴＯ）１１２から
正孔輸送層１１３に正孔が注入され、また陰極１１５か
ら電子輸送性の発光層１１４に電子が注入され、さらに
正孔輸送層１１３と電子輸送性の発光層１１４の接合部
近傍の発光層中でこれらが結合することにより励起子が
形成され緑色の発光１１６が生じる。この発光は透明電
極及び基板を通して観測がなされる。勿論、正孔輸送性
の有機発光層と電子輸送性の有機層を接合させ、正孔と
電子を注入・輸送することによっても発光が得られる。

【０００６】この発光原理はガリウム砒素等で形成され
た無機の発光ダイオードに類似しており、ＰＮ接合のさ
れた化合物半導体に電子と正孔を注入することにより接
合部近傍で電子と正孔の再結合することによる発光と対
応させることができる。そして、電子輸送層はＮ型化合
物半導体、正孔輸送層はＰ型化合物半導体に対比させる
させることができる。

【０００７】その後、青色や赤色を発光する有機半導体
材料や添加物材料が開発されるとともに、カラーディス
プレイを実現するためのいくつかの方式も提案され、カ
ラーディスプレイも試作されるに至っている。有機ＥＬ
でカラーディスプレイを実現する方式として次の五つの
方式が提案されている。

【０００８】（１） 赤、緑、青の発光を生じる三種類
の有機発光材料を平面的に交互に配置する方法。

【０００９】（２） 赤、緑、青の発光を生じる三種類
の有機発光材料を積層する方法。 （３） 白色（広い帯域の緑）発光する有機材料と三種
類の共振器構造を形成する方法。

【００１０】（４） 白色発光する有機材料と三原色の
カラーフィルタを組み合わせる方法。

【００１１】（５） 青色発光する有機材料と三原色に
変換する色変換層を組み合わせる方法。

【００１２】ところが、それぞれの方式に大きな課題が
残されている。第１の方式では、有機材料の耐水性、耐
薬品性に問題があるために一度形成した有機薄膜を微細
加工することは困難であり、高精細なディスプレイを実
現することは非常に困難である。

【００１３】第２の方式では、有機材料の耐熱性が不十
分なために透過率の高いＩＴＯ層を積層して形成するこ
とが困難であり、更に有機ＥＬの場合陰極として仕事関
数の低い金属を用いる必要があるために透過率の高い積
層構造素子を形成することが不可能に近く、従ってこの
方式では効率のよいカラーディスプレイを形成すること
は極めて困難である。

【００１４】第３の方式では発光色が共振器を形成する
ための薄膜の厚さに大きく依存するために大面積にわた
って均一なカラーディスプレイを実現することは非常に
困難である。

【００１５】第４及び第５の方法は高画質を実現するう
えでは比較的優れているが、第４の方式ではカラーフィ
ルタを用いるために高効率なディスプレイを実現するこ
とは不可能であり、更に現在のところ信頼性の高い白色
発光材料の開発を待たざるを得ない。また。第５の方式
では青から赤への光の変換効率が低く高効率、高輝度な
ディスプレイを実現することが困難である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明したよう
に、従来の有機発光素子においては実用的な高画質なカ
ラーディスプレイを実現することが困難であった。

【００１７】本発明は、新しい原理にもとづく発光波長
を制御する方式を提供するとともに、新しい方式のカラ
ーディスプレイを提供するものである。特に、従来の有
機発光素子のカラー化方式を欠点を克服し、高画質、高
信頼性のカラーディスプレイを実現するものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の有機発光素子は基板上に少なくとも陽極、
発光層を含む有機薄膜層および陰極が形成され、有機薄
膜層に陽極及び陰極からそれぞれ正孔及び電子が注入さ
れることにより発光層にて発光が生じる有機発光素子に
おいて、前記発光層に近接する領域を含んで発光層より
も屈折率の高い層を前記発光層と光学的に結合させ、か
つ、前記発光層で発光する光を基板表面に対して平行な
方向に伝搬させる光導波路層を形成し、この光導波路層
の一部または全体に実効屈折率が基板表面に対して平行
な一定方向に周期的に変化している領域が形成されてい
る。

【００１９】また、本発明の有機発光素子は基板上に少
なくとも陽極、発光層を含む有機薄膜層および陰極が形
成され、有機半導体に陽極及び陰極からそれぞれ正孔及
び電子が注入されることにより発光層にて発光が生じる
有機発光素子において、陽極または陰極のうち少なくと
も一方が透明であり、前記発光層に近接して発光層より
も屈折率の高い層が形成されることにより、前記発光層
で発光する光を基板表面に対して平行な方向に伝搬する
光導波路層が形成され、前記光導波路の一部もしくは全
体に実効屈折率が基板表面に対して平行な一定方向に周
期的に変化している領域が形成されており、前記伝搬光
と逆方向に光が回折帰還されることにより伝搬光と帰還
光が互いに共振しあう構造を有し、共振した光のうち散
乱光または低次回折光が透明電極を透過して素子の外部
に放出される。

【００２０】これらの構成により、単色性の優れた所望
の発光波長を発光する高画質、高信頼性のカラーデイス
プレイを実現することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基板上に少なくとも陽極、発光層を含む有機薄膜層
および陰極が形成され、有機薄膜層に陽極および陰極か
らそれぞれ正孔及び電子が注入されることにより発光層
にて発光が生じる有機発光素子において、発光層に近接
する領域を含んで発光層よりも屈折率の高い層を前記発
光層と光学的に結合させ、かつ、発光層で発光する光を
基板表面に対して平行な方向に伝搬させる光導波路を形
成し、この光導波路の一部または全体に実効屈折率が基
板表面に対して平行な一定方向に周期的に変化している
領域が形成されていることを特徴とする有機発光素子
で、実効屈折率の周期的変化に応じた特定の波長の光が
強く発光し、色純度の高い発光が得られる。

【００２２】請求項２に記載の発明は、基板上に少なく
とも陽極、発光層を含む有機薄膜層および陰極が形成さ
れ、有機半導体に陽極および陰極からそれぞれ正孔及び
電子が注入されることにより発光層にて発光が生じる有
機発光素子において、陽極または陰極のうち少なくとも
一方が透明であり、発光層に近接して発光層よりも屈折
率の高い層が形成されることにより、発光層で発光する
光を基板表面に対して平行な方向に伝搬する光導波路が
形成され、光導波路の一部もしくは全体に実効屈折率が
基板表面に対して平行な一定方向に周期的に変化してい
る領域が形成されており、伝搬光と逆方向に光が回折帰
還されることにより伝搬光と帰還光が互いに共振しあう
構造を有し、共振した光のうち散乱光または低次回折光
が透明電極を透過して素子の外部に放出されることを特
徴とする有機発光素子で、実効屈折率の周期的変化に応
じた特定の波長の光が強く発光し、色純度の高い発光が
得られる。

【００２３】請求項３に記載の発明は、基板上に少なく
とも陽極、発光層を含む有機薄膜層および陰極が形成さ
れた構造を有し、陽極または陰極のうち少なくとも一方
が透明であるとともに、前記発光層および近接して設置
された屈折率の高い層により光導波路が形成され、光導
波路にその実効屈折率が周期的に変化している領域が形
成されており、光導波路に形成された実効屈折率の変動
周期が複数種形成されていることを特徴とする有機発光
素子で、実効屈折率の周期的変化に応じた特定の波長の
複数種の光が強く発光し、色純度の高い複数種の発光が
得られる。

【００２４】請求項４に記載の発明は、請求項１から３
に記載の有機発光素子において、光導波路に形成された
実効屈折率変化の周期の光学長を発光波長の半分の整数
倍としたものである。

【００２５】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の有機発光素子において、光導波路に形成された実効屈
折率変化の周期の光学長を発光波長の半分としたもので
ある。

【００２６】請求項６に記載の発明は、請求項４に記載
の有機発光素子において、光導波路に形成された実効屈
折率変化の周期の光学長を発光波長と等しくしたもので
ある。これらの構成によれば、二次の回折光が共振し、
一次の回折光が発光素子から放出される。

【００２７】請求項７に記載の発明は、請求項１から３
のいずれかに記載の有機発光素子において、光導波路に
おける実効屈折率の変化する領域を発光層に近接して形
成し、透明電極を透過して素子の外部に放出される光を
平面状としたものである。

【００２８】請求項８に記載の発明は、基板上に少なく
とも陽極、発光層を含む有機薄膜層および陰極が形成さ
れ、有機薄膜層に陽極および陰極からそれぞれ正孔およ
び電子が注入されることにより、発光層にて発光が生じ
る有機発光素子において、発光層近傍に設置された発光
層よりも屈折率が高くかつ屈折率が周期的に変化してい
る領域を有する透明な層が形成され、前記発光層で発光
する光を伝搬しかつその実効屈折率が基板表面の一定の
方向に周期的に変化している領域を有する光導波路層が
形成されていることを特徴とする有機発光素子で、実効
屈折率の周期的変化に応じた特定の波長の複数種の光が
強く発光し、色純度の高い複数種の発光が得られる。

【００２９】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載
の有機発光素子において、光導波路が発光層よりも屈折
率の高い透明電極を含んで形成され、かつ透明電極の組
成が一定方向に周期的に変化させたものである。

【００３０】請求項１０に記載の発明は、請求項８に記
載の有機発光素子において、光導波路が発光層よりも屈
折率の高い透明電極を含んで形成され、かつ透明電極の
厚さが一定方向に周期的に変化させたものである。

【００３１】請求項１１に記載の発明は、基板上に少な
くとも陽極、発光層を含む有機薄膜層および陰極が形成
され、有機薄膜層に陽極および陰極からそれぞれ正孔お
よび電子が注入されることにより、発光層にて発光が生
じる有機発光素子において、発光層近傍に設置された発
光層よりも屈折率の高い透明な層および屈折率が周期的
に変化している領域を有する透明な層が形成されてお
り、発光層で発光する光を伝搬しかつその実効屈折率が
基板表面の一定の方向に周期的に変化している領域を有
する光導波路層が形成されていることを特徴とする有機
発光素子で、実効屈折率の周期的変化に応じた特定の波
長の複数種の光が強く発光し、色純度の高い複数種の発
光が得られる。

【００３２】請求項１２に記載の発明は、少なくとも陽
極および陰極のうちの一方が透明であり、発光層に近接
して透明電極側に発光層よりも屈折率の高い透明な層、
並びに発光層または高屈折率層の近傍に屈折率が周期的
に変化している領域を有する透明な層が形成されてお
り、発光層で発光する光を伝搬しかつその実効屈折率が
基板表面の一定の方向に周期的に変化している領域を有
する光導波路層が形成されていることを特徴とする有機
発光素子で、実効屈折率の周期的変化に応じた特定の波
長の複数種の光が強く発光し、色純度の高い複数種の発
光が得られる。

【００３３】請求項１３に記載の発明は、請求項１２に
記載の有機発光素子において、透明電極が発光層よりも
屈折率が高い層でなり、かつ発光層または透明電極層の
近傍に屈折率が周期的に変化している領域を有する透明
な層が形成され、発光層で発光する光を伝搬しかつその
実効屈折率が基板表面の一定の方向に周期的に変化して
いる領域を有する光導波路層が形成されているものであ
る。

【００３４】請求項１４に記載の発明は、請求項１１に
記載の有機発光素子において、屈折率が周期的に変化し
ている領域を有する透明な層が有機薄膜層を含んで形成
され、かつ有機薄膜の組成が一定方向に周期的に変化し
ているものである。

【００３５】請求項１５に記載の発明は、請求項１１に
記載の有機発光素子において、屈折率が周期的に変化し
ている領域を有する透明な層が誘電体層を含んで形成さ
れ、かつ誘電体層の組成が一定方向に周期的に変化して
いるものである。

【００３６】請求項１６に記載の発明は、請求項１１に
記載の有機発光素子において、屈折率が周期的に変化し
ている領域を有する透明な層が誘電体層を含んで形成さ
れ、かつ誘電体層の厚さが一定方向に周期的に変化して
いるものである。

【００３７】請求項１７に記載の発明は、請求項１１に
記載の有機発光素子において、屈折率が周期的に変化し
ている領域を有する透明な層が複数の誘電体層を含んで
形成され、かつ少なくとも一層の誘電体層の厚さまたは
組成が一定方向に周期的に変化しているものである。

【００３８】請求項１８に記載の発明は、請求項３に記
載の有機発光素子において、光導波路に形成された実効
屈折率の変動周期が赤、緑、青の光に対応する複数種の
周期としたもので、カラー画像表示を可能としたもので
ある。

【００３９】（実施の形態１）本発明の有機発光素子の
概略原理を図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）は
発光素子の層断面図であり、図１（Ｂ）には本素子にお
ける各層の屈折率と光強度分布を示す。

【００４０】図１(Ａ)において、１はガラス基板であ
る。その表面には透明電極２、屈折率が発光層を含む有
機半導体層よりも高くかつその屈折率が周期的に変化し
ている透明な半導体層である周期的高屈折率層６、発光
層を含む有機半導体薄膜による有機発光層４、金属電極
５が順次形成されている。有機発光層４中の発光層に透
明電極２及び金属電極５からキャリアが注入されること
により発光が生じる。ところが、図１(Ｂ)に示すよう
に、有機発光層４の近傍に周期的高屈折率層６が形成さ
れているために、発生した光は屈折率の低い両端の層、
即ち有機発光層４およびガラス基板１に挟まれた周期的
高屈折率層６内またはその近傍に閉じこめられ、発生し
た光は導波光７としてガラス基板１に平行な方向に伝搬
する。ところが、この光導波路には周期的高屈折率層６
により一定の周期を有する屈折率分布が形成されている
ために、導波路中を伝搬する導波光７のうちこの周期に
応じた特定の波長の光８だけが回折現象により逆方向に
反射される。するとこの反射される波の波長と同一波長
の伝搬光が互いに干渉しあい強め合うことになるので、
特定の波長に対してガラス基板１と平行方向に共振器が
形成される。その結果、有機発光層４で生じる光のうち
この共振器で決定される特定の波長の光だけが強く発光
する。そして導波路型の共振器内に閉じこめられた光は
導波路内の散乱によりガラス基板１を通じて基板から外
部に放射される。

【００４１】このとき、周期構造に伴う導波路の実効屈
折率の変動周期の光学長が発光波長の半分の整数倍であ
れば低次の回折光が取り出される。たとえば発光波長と
ほぼ同一の場合には２次の回折光が共振し、その時１次
の回折光９が基板と垂直方向に放出される。

【００４２】本構成の発光素子においては、発光する光
のスペクトルは共振波長の近傍であり極めて色純度の高
い発光が得られる。従って、実効屈折率の変動周期をそ
れぞれ赤、緑、青等に対応させることにより、色純度の
高いカラーの発光を得ることができる。

【００４３】また一般に屈折率の周期構造を有する導波
路においては伝搬する光の振動方向が周期構造と平行な
波だけが回折を受けるので、この周期構造の導波路から
外部に放出される光は周期構造と同一方向に偏光成分を
有する光がほとんどであり、この周期構造を形成する方
向を制御することにより発光の偏光方向を制御すること
が可能である。

【００４４】なお、本実施例においては、有機発光層４
と透明電極２の間に両者の屈折率よりも高く、かつ周期
的な屈折率分布を有する周期的高屈折率層６を形成する
ことにより特定の波長に対する光帰還性の導波路を形成
しているが、高屈折率層と周期的な屈折率分布を有する
層を別途形成してもよい。この構成によっても、周期的
に実効屈折率が変化する光導波路を形成することができ
る。

【００４５】また、本実施例においては、光導波路を形
成するために透明電極２よりも屈折率の高い高屈折率層
６を用いているが、必ずしも透明電極２よりも高い屈折
率層を形成する必要はなく、例えば透明電極２の屈折率
自体が有機発光層４よりも高ければ透明電極２を主体と
する光導波路が形成される。したがって有機発光層４も
しくは透明電極２の近傍に周期的な屈折率分布を有する
層が形成されていれば実質的に実効屈折率に周期構造を
有する光導波路が形成され、導波路型共振器が形成され
る。

【００４６】また、本実施例においては、周期的な高屈
折率分布を有する周期的高屈折率層６が有機発光層４と
透明電極２の間に設置されているが、必ずしも有機発光
層４と透明電極２の間に設置される必要はなく、例えば
透明電極２とガラス基板１の間、または有機発光層４と
金属電極層５の間に形成されていてもよい。

【００４７】（実施の形態２）本発明のより具体的な素
子構成を以下に説明する。第２の実施形態に係わる発光
素子について図２を参照しながら説明する。

【００４８】図２において、２１はガラス基板である。
ガラス基板２１の表面には屈折率の高い２種類の誘電
体、たとえば酸化チタンおよび硫化亜鉛を交互に周期的
に配列した透明な誘電体層２６７が形成され、その上に
更に酸化インジウム錫でなる透明電極層２２としての陽
極が形成されている。透明電極層２２の表面には、正孔
輸送層２３としてトリフェニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-
bis (3-methylphenyl) -(1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-dia
mine] が形成され、その上にアルミキノリノール錯体
（Alq[tris(8-hydroxyquinoline) aluminium]）のよう
な有機半導体による電子輸送性の有機発光層２４および
金属電極２５による陰極が順次形成され、有機発光層２
４に陽極２２および陰極２５からそれぞれ正孔および電
子が注入されることにより発光が生じる。

【００４９】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層２４の近傍に配置されている誘電体
層２６７の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の
低い２つの層または媒体、即ち有機発光層２４およびガ
ラス基板２１に挟まれた誘電体層２６７の近傍に閉じこ
められ、発生した光は導波光としてガラス基板２１に平
行な方向に伝搬する。誘電体層２６７に周期的屈折率分
布が形成されているので、伝搬する光の導波路にはその
実効屈折率に周期的な分布が形成される。したがって、
実施の形態１で説明したように、光導波路に形成された
実効屈折率の分布により、ガラス基板２１と平行方向に
光共振器が形成され、有機発光層２４で発する光のうち
この共振器で決定される特定の波長の光だけが強く発光
し、外部に放出される。

【００５０】（実施の形態３）実施の形態２においては
誘電体層２６７が周期的な屈折率分布を形成するように
形成されたが、透明電極自体が周期的な屈折率分布を有
していてもかまわない。具体的な素子構成を実施の形態
３として図３を参照しながら説明する。

【００５１】図３において、３１はガラス基板で、その
表面には組成比が周期的に変化している酸化インジウム
錫でなる透明電極３２６７から成るな陽極が形成されて
いる。その表面には、正孔輸送層３３としてのトリフェ
ニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-bis (3-methylphenyl) -
(1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-diamine] が形成され、さら
に、有機半導体であるアルミキノリノール錯体（Alq[tr
is(8-hydroxyquinoline)aluminium]）でなる電子輸送性
の有機発光層３４および金属電極３５による陰極が順次
形成され、有機発光層３４に陽極３２６７および陰極３
５からそれぞれ正孔および電子が注入されることにより
発光が生じる。

【００５２】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層３４の近傍に配置されている透明電
極３２６７の屈折率が高いために、発生した光は屈折率
の低い２つの層または媒体、即ち有機発光層３４および
ガラス基板３１に挟まれた透明電極３２６７の近傍に閉
じこめられ、発生した光は導波光としてガラス基板３１
に平行な方向に伝搬する。透明電極３２６７に周期的屈
折率分布が形成されているので、伝搬する光の導波路に
はその実効屈折率に周期的な分布が形成される。したが
って、実施の形態１で説明したように、光導波路に形成
された実効屈折率の分布により、ガラス基板３１と平行
方向に光共振器が形成され、有機発光層２４で発する光
のうちこの共振器で決定される特定の波長の光だけが強
く発光し、外部に放出される。

【００５３】（実施の形態４）つぎに、本発明の実施の
形態４に係わる発光素子について図４を参照しながら説
明する。

【００５４】図４において、４１はガラス基板で、その
表面には酸化インジウム錫でなる透明電極４２６７が陽
極として形成されている。透明電極４２６７は周期的に
厚さを変化させており、表面に周期的な凹凸構造が形成
されている。透明電極４２６７の表面には、正孔輸送層
４３としてのトリフェニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-bis
(3-methylphenyl) - (1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-diamin
e] が形成され、その上に有機半導体であるアルミキノ
リノール錯体（Alq[tris(8-hydroxyquinoline)aluminiu
m]）でなる電子輸送性の有機発光層４４、さらに、金属
電極４５による陰極が順次形成されている。有機発光層
４４には陽極４２６７および陰極４５からそれぞれ正孔
および電子が注入されることにより発光が生じる。

【００５５】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層４４の近傍に配置されている透明電
極４２６７の屈折率が高いために、発生した光は屈折率
の低い２つの層または媒体、即ち有機発光層４４および
ガラス基板４１に挟まれた透明電極４２６７の近傍に閉
じこめられ、発生した光は導波光としてガラス基板４１
に平行な方向に伝搬する。透明電極４２６７の周期的な
凹凸構造により周期的屈折率分布が形成されているの
で、伝搬する光の導波路にはその実効屈折率に周期的な
分布が形成される。したがって、実施の形態１で説明し
たように、光導波路に形成された実効屈折率の分布によ
り、ガラス基板４１と平行方向に光共振器が形成され、
有機発光層４４で発する光のうちこの共振器で決定され
る特定の波長の光だけが強く発光し、外部に放出され
る。

【００５６】（実施の形態５）本発明の実施の形態５に
係わる発光素子について図５を参照しながら説明する。

【００５７】図５において、５１はガラス基板である。
ガラス基板５１上に高屈折率を有する誘電体層５６が形
成され、更にその表面には酸化インジウム錫でなる透明
電極５２が形成され、透明電極５２の表面に周期的な屈
折率構造を有する正孔注入層５７が形成されている。正
孔注入層５７の上には正孔輸送層５３としてのトリフェ
ニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-bis (3-methylphenyl) -
(1,1'-biphenyl) - 4 ,4'-diamine] が形成されてい
る。その上にさらに、有機半導体であるアルミキノリノ
ール錯体（Alq[tris(8-hydroxyquinoline) aluminiu
m]）でなる電子輸送性の有機発光層５４および金属電極
５５による陰極が順次形成される。有機発光層５４に
は、陽極５２および陰極５５からそれぞれ正孔および電
子が注入されることにより発光が生じる。

【００５８】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層５４の近傍に配置されている誘電体
層５６の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の低
い２つの層または媒体、即ち有機発光層５４およびガラ
ス基板５１に挟まれた透明電極層５２の近傍に閉じこめ
られ、発生した光は導波光として基板に平行な方向に伝
搬する。正孔注入層５７に周期的屈折率分布が形成され
ているので、伝搬する光の導波路にはその実効屈折率に
周期的な分布が形成される。したがって、実施の形態１
で説明したように、光導波路に形成された実効屈折率の
分布により、ガラス基板５１と平行方向に光共振器が形
成され、有機発光層５４で発する光のうちこの共振器で
決定される特定の波長の光だけが強く発光し、外部に放
出される。

【００５９】（実施の形態６）本発明の実施の形態６に
係わる発光素子について図６を参照しながら説明する。

【００６０】図６において、６１はガラス基板である。
ガラス基板６１上に酸化インジウム錫でなる高屈折率の
透明電極６２６が形成され、透明電極６２６の表面に周
期的な屈折率構造を有する正孔注入層６７が形成されて
いる。正孔注入層６７の上に正孔輸送層６３としてトリ
フェニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-bis (3-methylphenyl)
- (1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-diamine] が形成されて
いる。その上に、有機半導体であるアルミキノリノール
錯体（Alq[tris(8-hydroxyquinoline) aluminium]）で
なる電子輸送性の有機発光層５４および金属電極６５に
よる陰極が順次形成される。有機発光層６４には、陽極
６２６および陰極６５からそれぞれ正孔および電子が注
入されることにより発光が生じる。

【００６１】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層６４の近傍に配置されている透明電
極６２６の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の
低い２つの層または媒体、即ち有機発光層６４およびガ
ラス基板６１に挟まれた透明電極６２６の近傍に閉じこ
められ、発生した光は導波光としてガラス基板６１に平
行な方向に伝搬する。正孔注入層６７に周期的屈折率分
布が形成されているので、伝搬する光の導波路にはその
実効屈折率に周期的な分布が形成される。したがって、
実施の形態１で説明したように、光導波路に形成された
実効屈折率の分布により、ガラス基板６１と平行方向に
光共振器が形成され、有機発光層６４で発する光のうち
この共振器で決定される特定の波長の光だけが強く発光
し、外部に放出される。

【００６２】（実施の形態７）本発明の実施の形態７に
係わる発光素子について図７を参照しながら説明する。

【００６３】図７において、７１はガラス基板である。
ガラス基板７１上に互いに屈折率の異なる２つの誘電
体、例えば酸化シリコンと酸化チタンを交互に周期的に
繰り返した周期的屈折率構造を有する誘電体層７７およ
び高屈折率な透明電極（酸化インジウム錫でなる透明電
極）７２６が形成されている。透明電極７２６の上に正
孔輸送層７３としてトリフェニルジアミン（ＴＰＤ[N,
N'-bis (3-methylphenyl)- (1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-
diamine] が形成されている。その上に有機半導体アル
ミキノリノール錯体（Alq[tris(8-hydroxyquino) alumi
nium]）でなる電子輸送性の有機発光層７４、および金
属電極７５による陰極が順次形成される。有機発光層７
４には陽極７２および陰極７５からそれぞれ正孔および
電子が注入されることにより発光が生じる。

【００６４】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層７４の近傍に配置されている透明電
極７２６の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の
低い２つの層または媒体、即ち有機発光層７４およびガ
ラス基板７１に挟まれた透明電極層７２６の近傍に閉じ
こめられ、発生した光は導波光としてガラス基板７１に
平行な方向に伝搬する。誘電体層７７に周期的屈折率分
布が形成されているので、伝搬する光の導波路にはその
実効屈折率に周期的な分布が形成される。したがって、
実施の形態１で説明したように、光導波路に形成された
実効屈折率の分布により、ガラス基板７１と平行方向に
光共振器が形成され、有機発光層７４で発する光のうち
この共振器で決定される特定の波長の光だけが強く発光
し、外部に放出される。

【００６５】（実施の形態８）本発明の実施の形態８に
係わる発光素子について図８を参照しながら説明する。

【００６６】図８において、８１はガラス基板である。
ガラス基板８１上に誘電体８７が形成されその表面に凹
凸構造が施されている。この凹凸構造を覆って高屈折率
を有する透明電極８２６が被覆されている。透明電極８
２６上には正孔輸送層８３としてトリフェニルジアミン
（ＴＰＤ[N,N'-bis (3-methylphenyl) - (1,1'-bipheny
l) - 4 , 4'-diamine] が形成され、さらにその上に有
機半導体アルミキノリノール錯体（Alq[tris(8-hydroxy
quinoline) aluminium]）でなる電子輸送性の有機発光
層８４および金属電極８５による陰極が順次形成され
る。有機発光層８４に陽極８２６および陰極８５からそ
れぞれ正孔および電子が注入されることにより発光が生
じる。

【００６７】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層８４の近傍に配置されている透明電
極８２６の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の
低い２つの層または媒体、即ち有機発光層８４およびガ
ラス基板８１に挟まれた透明電極層８２６の近傍に閉じ
こめられ、発生した光は導波光としてガラス基板８１に
平行な方向に伝搬する。誘電体層８７に周期的屈折率分
布が形成されているので、伝搬する光の導波路にはその
実効屈折率に周期的な分布が形成される。したがって、
実施の形態１で説明したように、光導波路に形成された
実効屈折率の分布により、ガラス基板８１と平行方向に
光共振器が形成され、有機発光層８４で発する光のうち
この共振器で決定される特定の波長の光だけが強く発光
し、外部に放出される。

【００６８】（実施の形態９）本発明の実施の形態９に
係わる発光素子について図９を参照しながら説明する。

【００６９】図９において、９１はガラス基板である。
ガラス基板９１上にストライプ状に誘電体９７が形成さ
れ、その上を覆って誘電体９７とは異なる屈折率を有す
る誘電体９７’が被覆されている。誘電体層９７’の上
に高屈折率の透明電極、たとえば酸化インジウム錫でな
る透明電極９２６が形成されている。更に透明電極９２
６の上に正孔輸送層９３としてトリフェニルジアミン
（ＴＰＤ[N,N'-bis (3-methylphenyl) - (1,1'-bipheny
l) - 4 , 4'-diamine] が形成され、さらに、有機半導
体アルミキノリノール錯体（Alq[tris(8-hydroxyquinol
ine) aluminium]）でなる電子輸送性の有機発光層９
４、および金属電極９５による陰極が順次形成される。
有機発光層９４には陽極９２および陰極９５からそれぞ
れ正孔および電子が注入されることにより発光が生じ
る。ここで、実施の形態１で説明したのと同じ原理で、
有機発光層９４の近傍に配置されている透明電極９２６
の屈折率が高いために、発生した光は屈折率の低い２つ
の層または媒体、即ち有機発光層９４およびガラス基板
９１に挟まれた透明電極層９２６の近傍に閉じこめら
れ、発生した光は導波光としてガラス基板９１に平行な
方向に伝搬する。誘電体層９７、９７’により周期的屈
折率分布が形成されているので、伝搬する光の導波路に
はその実効屈折率に周期的な分布が形成される。したが
って、実施の形態１で説明したように、光導波路に形成
された実効屈折率の分布により、ガラス基板９１と平行
方向に光共振器が形成され、有機発光層９４で発する光
のうちこの共振器で決定される特定の波長の光だけが強
く発光し、外部に放出される。

【００７０】（実施の形態１０）本発明の実施の形態１
０に係わる発光素子について図１０を参照しながら説明
する。

【００７１】図１０において、１０１はガラス基板であ
る。ガラス基板１０１上に互いに周期幅が異なる２つの
ストライプ状誘電体１０７、１１７が形成され、その上
を覆ってこれらの誘電体ストライプ１０７、１１７とは
異なる屈折率を有する誘電体層１２７が被覆されてい
る。誘電体層１２７の上に高屈折率の透明電極、たとえ
ば酸化インジウム錫でなる透明電極１０２６が形成され
ている。更に透明電極１０２６の上に正孔輸送層１０３
としてトリフェニルジアミン（ＴＰＤ[N,N'-bis(3-meth
ylphenyl) - (1,1'-biphenyl) - 4 , 4'-diamine] が形
成され、さらに、有機半導体アルミキノリノール錯体
（Alq[tris(8-hydroxyquinoline) aluminium]）でなる
電子輸送性の有機発光層１０４、および金属電極１０５
による陰極が順次形成される。有機発光層１０４には陽
極１０２および陰極１０５からそれぞれ正孔および電子
が注入されることにより発光が生じる。

【００７２】ここで、実施の形態１で説明したのと同じ
原理で、有機発光層１０４の近傍に配置されている透明
電極１０２６の屈折率が高いために、発生した光は屈折
率の低い２つの層または媒体、即ち有機発光層１０４お
よびガラス基板１０１に挟まれた透明電極層１０２６の
近傍に閉じこめられ、発生した光は導波光としてガラス
基板１０１に平行な方向に伝搬する。誘電体層１０７、
１１７、１２７により２つの異なる周期的屈折率分布が
形成されているので、伝搬する光の導波路にはその実効
屈折率に２つの異なる周期的な分布が形成される。した
がって、実施の形態１で説明したように、光導波路に形
成された実効屈折率の分布により、ガラス基板１０１と
平行方向に光共振器が形成され、有機発光層１０４で発
する光のうちこの共振器で決定される特定の波長の光だ
けが強く発光し、外部に放出される。このとき、光共振
器は２つの異なる周期的屈折率分布を有しているので、
外部に放出される光は互いに異なる波長１および波長２
になり、２色の発光光を得ることができる。

【００７３】誘電体層の周期構造にさらに異なる周期的
屈折率分布を形成すれば３色の発光も可能であり、この
３色を赤、青、緑に対応させれば３原色の発光が可能に
なり、カラーデイスプレイを実現することができる。

【００７４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
基板上に少なくとも陽極、発光層を含む有機薄膜層およ
び陰極が形成され、有機薄膜層に陽極および陰極からそ
れぞれ正孔および電子が注入されることにより発光層に
て発光が生じる有機発光素子において、基板表面に平行
な方向に屈折率が周期構造を有する光導波路を形成し、
この周期構造に対応した発光波長の光を取り出すことが
できる有機発光素子を提供するもので、所望の波長でし
かも単色性の優れた発光をさせることができ、高画質、
高信頼性のカラーデイスプレイを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）本発明の実施の形態１に係わる発光素子
の断面図 （Ｂ）各層の屈折率と光強度分布を示す図

【図２】本発明の実施の形態２に係わる発光素子の断面
図

【図３】本発明の実施の形態３に係わる発光素子の断面
図

【図４】本発明の実施の形態４に係わる発光素子の断面
図

【図５】本発明の実施の形態５に係わる発光素子の断面
図

【図６】本発明の実施の形態６に係わる発光素子の断面
図

【図７】本発明の実施の形態７に係わる発光素子の断面
図

【図８】本発明の実施の形態８に係わる発光素子の断面
図

【図９】本発明の実施の形態９に係わる発光素子の断面
図

【図１０】本発明の実施の形態１０に係わる発光素子の
断面図

【図１１】従来の有機発光素子の概略構造の断面図

【符号の説明】

１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９
１、１０１ ガラス基板 ２、２２、３２６７、４２６７、５２、６２６、７２
６、８２６、９２６、１０２６ 透明電極 ４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９
４、１０４ 有機発光層 ５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９
５、１０５ 金属電極 ６ 高屈折率層 ２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１
０３ 正孔輸送層 ２６７、５６、７７、８７、９７、９７’、１０７、１
１７、１２７ 誘電体 ５７、６７ 正孔注入層、

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に少なくとも陽極、発光層を含む
   有機薄膜層および陰極が形成され、有機薄膜層に陽極お
   よび陰極からそれぞれ正孔および電子が注入されること
   により発光層にて発光が生じる有機発光素子において、
   前記発光層に近接する領域を含んで発光層よりも屈折率
   の高い層を前記発光層と光学的に結合させ、かつ、前記
   発光層で発光する光を基板表面に対して平行な方向に伝
   搬させる光導波路を形成し、この光導波路の一部または
   全体に実効屈折率が基板表面に対して平行な一定方向に
   周期的に変化している領域が形成されていることを特徴
   とする有機発光素子。
2. 【請求項２】 基板上に少なくとも陽極、発光層を含む
   有機薄膜層および陰極が形成され、有機半導体に陽極お
   よび陰極からそれぞれ正孔および電子が注入されること
   により発光層にて発光が生じる有機発光素子において、
   陽極または陰極のうち少なくとも一方が透明であり、前
   記発光層に近接して発光層よりも屈折率の高い層が形成
   されることにより、前記発光層で発光する光を基板表面
   に対して平行な方向に伝搬する光導波路が形成され、前
   記光導波路の一部もしくは全体に実効屈折率が基板表面
   に対して平行な一定方向に周期的に変化している領域が
   形成されており、前記伝搬光と逆方向に光が回折帰還さ
   れることにより伝搬光と帰還光が互いに共振しあう構造
   を有し、共振した光のうち散乱光または低次回折光が透
   明電極を透過して素子の外部に放出されることを特徴と
   する有機発光素子。
3. 【請求項３】 基板上に少なくとも陽極、発光層を含む
   有機薄膜層および陰極が形成された構造を有し、陽極ま
   たは陰極のうち少なくとも一方が透明であるとともに、
   前記発光層および近接して設置された屈折率の高い層に
   より光導波路が形成され、前記光導波路にその実効屈折
   率が周期的に変化している領域が形成されており、前記
   光導波路に形成された実効屈折率の変動周期が複数種形
   成されていることを特徴とする有機発光素子。
4. 【請求項４】 光導波路に形成された実効屈折率変化の
   周期の光学長が、発光波長の半分の整数倍であることを
   特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機発光
   素子。
5. 【請求項５】 光導波路に形成された実効屈折率変化の
   周期の光学長が、発光波長の半分であることを特徴とす
   る請求項４に記載の有機発光素子。
6. 【請求項６】 光導波路に形成された実効屈折率変化の
   周期の光学長が、発光波長と等しいことを特徴とする請
   求項４に記載の有機発光素子。
7. 【請求項７】 光導波路において実効屈折率の変化する
   領域が発光層に近接して形成されるとともに、透明電極
   を透過して素子の外部に放出される光が平面状であるこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機
   発光素子。
8. 【請求項８】 基板上に少なくとも陽極、発光層を含む
   有機薄膜層および陰極が形成され、有機薄膜層に陽極及
   び陰極からそれぞれ正孔および電子が注入されることに
   より、発光層にて発光が生じる有機発光素子において、
   発光層近傍に設置された発光層よりも屈折率が高くかつ
   屈折率が周期的に変化している領域を有する透明な層が
   形成され、前記発光層で発光する光を伝搬しかつその実
   効屈折率が基板表面の一定の方向に周期的に変化してい
   る領域を有する光導波路が形成されていることを特徴と
   する有機発光素子。
9. 【請求項９】 光導波路が発光層よりも屈折率の高い透
   明電極を含んで形成され、かつ透明電極の組成が一定方
   向に周期的に変化していることを特徴とする請求項８に
   記載の有機発光素子。
10. 【請求項１０】 光導波路が発光層よりも屈折率の高い
    透明電極を含んで形成され、かつ透明電極の厚さが一定
    方向に周期的に変化していることを特徴とする請求項８
    に記載の有機発光素子。
11. 【請求項１１】 基板上に少なくとも陽極、発光層を含
    む有機薄膜層および陰極が形成され、有機薄膜層に陽極
    および陰極からそれぞれ正孔および電子が注入されるこ
    とにより、発光層にて発光が生じる有機発光素子におい
    て、発光層近傍に設置された発光層よりも屈折率の高い
    透明な層および屈折率が周期的に変化している領域を有
    する透明な層が形成されており、前記発光層で発光する
    光を伝搬しかつその実効屈折率が基板表面の一定の方向
    に周期的に変化している領域を有する光導波路が形成さ
    れていることを特徴とする有機発光素子。
12. 【請求項１２】 少なくとも陽極および陰極のうちの一
    方が透明であり、発光層に近接して透明電極側に発光層
    よりも屈折率の高い透明な層、および発光層または高屈
    折率層の近傍に屈折率が周期的に変化している領域を有
    する透明な層が形成されており、前記発光層で発光する
    光を伝搬しかつその実効屈折率が基板表面の一定の方向
    に周期的に変化している領域を有する光導波路が形成さ
    れていることを特徴とする有機発光素子。
13. 【請求項１３】 透明電極が発光層よりも屈折率が高い
    層でなり、かつ発光層または透明電極層の近傍に屈折率
    が周期的に変化している領域を有する透明な層が形成さ
    れ、発光層で発光する光を伝搬しかつその実効屈折率が
    基板表面の一定の方向に周期的に変化している領域を有
    する光導波路が形成されていることを特徴とする請求項
    １２に記載有機発光素子。
14. 【請求項１４】 屈折率が周期的に変化している領域を
    有する透明な層が有機薄膜層を含んで形成され、かつ有
    機薄膜の組成が一定方向に周期的に変化していることを
    特徴とする請求項１１に記載の有機発光素子。
15. 【請求項１５】 屈折率が周期的に変化している領域を
    有する透明な層が誘電体層を含んで形成され、かつ誘電
    体層の組成が一定方向に周期的に変化していることを特
    徴とする請求項１１に記載の有機発光素子。
16. 【請求項１６】 屈折率が周期的に変化している領域を
    有する透明な層が誘電体層を含んで形成され、かつ誘電
    体層の厚さが一定方向に周期的に変化していることを特
    長とする請求項１１に記載の有機発光素子。
17. 【請求項１７】 屈折率が周期的に変化している領域を
    有する透明な層が複数の誘電体層を含んで形成され、か
    つ少なくとも一層の誘電体層の厚さまたは組成が一定方
    向に周期的に変化していることを特徴とする請求項１１
    に記載の有機発光素子。
18. 【請求項１８】 光導波路に形成された実効屈折率の変
    動周期が赤、緑、青の発光に対応する複数種であること
    を特徴とする請求項３に記載の有機発光素子。