DE69323176T2

DE69323176T2 - Organisches lumineszentes element und sein substrat

Info

Publication number: DE69323176T2
Application number: DE69323176T
Authority: DE
Inventors: Shintaro Hattori; Yuzo Ito; Atsushi Kakuta; Takahiro Nakayama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JP3274527B2; US5847506A; JPH08213174A; DE69323176D1; WO1994007344A1; EP0615401A4; EP0615401B1; EP0615401A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine organische lichtemittierende Vorrichtung, die für Anzeigevorrichtungen, lichtemittierende Kommunikationsvorrichtungen, Informationsdatei-Lese/Schreibköpfe, Drucker und ähnliche Vorrichtungen und Geräte verwendbar ist, und eine Substratplatte für deren Herstellung.

Beschreibung des Standes der Technik

Die bisher vorgeschlagenen organischen lichtemittierenden Vorrichtungen umfassen zum Beispiel eine organische elektrolumineszente Zelle, wie sie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 57-51781 beschrieben ist. Die Zelle weist zwischen transparenten Substraten mit transparenten Elektroden aus Indiumzinnoxid oder dergleichen einen lichtemittierenden Körper aus einem organischen lichtemittierenden Material auf und elektrisch isolierendes Bindemittel. Zwischen der positiven der transparenten Elektroden und dem lichtemittierenden Körper ist eine Verbundschicht aus einem Porphyrinsystem ausgebildet. Die organische elektrolumineszierende Zelle umfaßt einen Löcher injizierenden Körper im Porphyrinsystemverbund, um auf der Basis einer Signalspannung, die zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, Löcher zu injizieren und damit zu bewirken, daß Licht emittiert wird.
Solche lichtemittierenden Vorrichtungen mit einer organischen Dünnschicht haben den Vorteil, daß ihre Herstellung kostengünstig ist. Sie können jedoch nur bei Anzeigefeldern verwendet werden, da ihre spektrale Halbwertsbreite zu groß ist. Sie besitzen auch jeweils nur eine einzige Anzeigefarbe, da das jeweilige Material nur eine Farbe des Lichts emittieren kann.

Aufgaben und Vorteile

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine organische lichtemittierende Vorrichtung mit einer verbesserten spektralen Breite und verbesserten Lichtemissionseigenschaften zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Substratplatte zu schaffen, die bei der Herstellung einer organischen lichtemittierenden Vorrichtung verwendbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine organische lichtemittierende Vorrichtung, wie sie im Patentanspruch 1 beschrieben ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Substratplatte für die Herstellung der erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtung, wie es im Patentanspruch 12 beschrieben ist.
Bei der erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtung befindet sich vorzugsweise zwischen der transparenten leitfähigen Schicht und der lichtemittierenden Schicht eine Löcher injizierende Schicht. Auch befindet sich vorzugsweise zwischen der lichtemittierenden Schicht und der zweiten Elektrode eine Elektronen injizierenden Schicht.
Vorzugsweise ist der optische Weg L zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht und der auf der lichtemittierenden Schicht angeordneten zweiten Elektrode gegeben durch
0,9 nP < L < 1,1 nP,
wobei n eine positive ganze Zahl und P das Wellenlängenmaximum des von der Vorrichtung emittierten Lichts ist.
Der optische Weg L zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht und der auf der lichtemittierenden Schicht angeordneten zweiten Elektrode kann gegeben sein durch
0,9 P(ganze Zahl - A/2π)/2 < L < 1,1 P(ganze Zahl - A/2π)/2,
wobei
A die Phasenverschiebung des zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht und der zweiten Elektrode reflektierten Lichts im Bogenmaß und
P das Wellenlängenmaximum des von der Vorrichtung emittierten Lichts ist.
Vorzugsweise besteht die halbtransparente reflektierende Schicht aus mehreren Schichten dielektrischen Materials.
Vorzugsweise ist die halbtransparente reflektierende Schicht als totalreflektierende Metallschicht mit einem Fenster ausgebildet, durch das das Licht nach außen tritt.
Das Reflexionsvermögen der halbtransparenten reflektierenden Schicht kann 50 bis 99,9% bzw. ihre Durchlässigkeit 50 bis 0,1% betragen.
Die Substratplatte besteht vorzugsweise aus Quarz, Glas oder Kunststoff, und die transparente leitfähige Schicht kann als Muster auf der halbtransparenten reflektierenden Schicht ausgebildet sein.
Bei der erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtung kann der Licht-Mikroresonator dadurch erhalten werden, daß die halbtransparente reflektierende Schicht zwischen der transparenten Elektrode und der Substratplatte angeordnet wird, und daß der optische Weg zwischen der reflektierenden Schicht und der hinteren Elektrode gleich oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der emittierten Lichtwellenlänge gemacht wird. Der Mikroresonator macht die Halbwertsbreite des emittierten Lichtspektrums klein. Der Mikroresonator erhöht auch die Lichtemissionseffektivität, erzeugt kohärentes Licht und verbessert die Lichtemissionseigenschaften.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen Aufbau im Querschnitt, der eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtung darstellt;
Fig. 2 einen Aufbau im Querschnitt, der eine bekannte organische elektrolumineszierende (EL) lichtemittierende Vorrichtung darstellt;
Fig. 3 ein Vergleichsdiagramm für die Lichtemissionsspektren der Vorrichtungen der Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ein Diagramm für den Verlauf der Halbwertsbreiten der Lichtemissionsspektra hinsichtlich des Resonatorabschnittes eines Resonators einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung; und
Fig. 5 ein Diagramm für die Kurve des optischen Weges des Resonators hinsichtlich des Wellenlängenmaximums des von der Vorrichtung mit der halbtransparenten reflektierenden Schicht emittierten Lichts.

Genaue Beschreibung der Ausführungsform

Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform anhand der Zeichnung genauer erläutert.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer organischen lichtemittierenden Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die organische lichtemittierende Vorrichtung umfaßt ein Glassubstrat 1. Das Glassubstrat 1 weist eine halbtransparente reflektierende Schicht 2 auf, die ein Laminat aus TiO&sub2;-und SiO&sub2;-Schichten ist. Auf der halbtransparenten reflektierenden Schicht 2 ist aufeinanderfolgend eine transparente leitende Schicht 3 aus Indiumzinnoxid (abgekürzt ITO), eine Löcher injizierende Schicht 4 aus einem Triphenyldiaminderivat (TAD), eine lichtemittierende Schicht 5 aus einer Aluminiumchelatverbindung, eine Elektronen injizierende Schicht 6 aus einem Oxydiazolderivat (PBD) und eine Elektrode 7 aus Ag-Mg ausgebildet. Die Summe der optischen Wege, die aus den Produkten der Dicken der transparenten leitenden Schicht 3, der Löcher injizierenden Schicht 4, der lichtemittierenden Schicht 5 und der Elektronen injizierenden Schicht 6, jeweils multipliziert mit dem entsprechenden Brechungsindex, erhalten wird, sollte mit 530 nm zusammenfallen, das das Wellenlängenmaximum für die elektrolumineszierende (EL) Lichtemission der Aluminiumchelatverbindung ist. Dadurch entsteht der Resonator der vorliegenden Erfindung.
Die Löcher injizierende Schicht 4 und die Elektronen injizierende Schicht 6 der Fig. 1 sind nicht immer erforderlich, wenn keine besonderen Hochleistungseigenschaften benötigt werden. Die organische lichtemittierende Vorrichtung kann ohne eine oder beide dieser Schichten verwendet werden. Wenn diese Schichten weggelassen werden, werden Löcher aus der transparenten leitenden Schicht und Elektronen aus der Metallelektrode in die transparente leitende Schicht 3 injiziert, wodurch die organische lichtemittierende Vorrichtung vollständig ausgebildet wird. Die Vorrichtung umfaßt jedoch vorzugsweise die Löcher injizierende Schicht 4 und die Elektronen injizierende Schicht 6.
Das Reflexionsvermögen der halbtransparenten reflektierenden Schicht 2 sollte mit Bezug zu den Eigenschaften der lichtemittierenden Schicht 5 und der Verwendung der Vorrichtung ausgewählt werden. Die Obergrenze der Vorrichtung wird hinsichtlich der Energie begrenzt, die ein Lichtresonator speichern kann, ohne sich selbst zu zerstören. Das Reflexionsvermögen beträgt 50 bis 99,9% bzw. die Durchlässigkeit der halbtransparenten reflektierenden Schicht 2 50 bis 0,1%. Für eine Lichtemission von wenigstens 10 uW/cm² darf die Durchlässigkeit für das austretende Licht nicht kleiner sein als 0,1%. Das Reflexionsvermögen ist daher auf 99,9% begrenzt. Wenn das Reflexionsvermögen zu klein ist, funktioniert der Lichtresonator nicht. Wenn sie kleiner ist als 50 %, ist die spektrale Breite nicht ausreichend gering.
Die erwähnte Aluminiumchelatverbindung für die lichtemittierende Schicht 5 kann alternativ ersetzt werden durch ein Perylenderivat, ein Perinonderivat, ein Naphtalinderivat, ein Kumarinderivat, Oxadiazol, Bisbensoxazolin, Aldazin, einem Pyrazinderivat, einem Distilbenzinderivat, einem Polyphenylderivat, einem Bisstilanthrazenderivat oder einem Chelat-Metall-Komplex.
Diese organischen Dünnschichten können durch Aufdampfen, Beschichten, Aufwachsenlassen durch chemische Reaktion, das Langmuir-Projekt-Verfahren oder ähnliche Techniken ausgebildet werden. Die Dünnschichten können auch durch geeignete Mischungen einer Anzahl von organischen Materialien ausgebildet werden.
Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch den Aufbau einer bekannten organischen elektrolumineszierenden (EL) lichtemittierenden Vorrichtung. Diese bekannte Vorrichtung entsteht, wenn die halbtransparente reflektierende Schicht 2 bei dem Aufbau der Fig. 1 weggelassen wird.
Die Fig. 3 zeigt ein Vergleichsdiagramm für die Lichtemissionspektren der Vorrichtungen der Fig. 1 und 2. Es ist ersichtlich, daß die spektrale Kurve A der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 1 eine kleinere Halbwertsbreite hat als die bekannte Vorrichtung der Fig. 2. Der Grund dafür ist, daß die halbtransparente reflektierende Schicht 2 einen Resonator für die Lichtemission in der Vorrichtung bildet und dadurch selektiv eine elektromagnetische Welle mit der Resonanzfrequenz erzeugt wird. Eine solche Lichtemissionsresonanz ergibt Effekte, die die Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums verringern, die Lichtemissionseffizienz erhöhen und kohärentes Licht erzeugen. Diese Effekte können dadurch weiter gesteigert werden, daß der optische Weg im Resonatorabschnitt des Resonators der Wellenlänge des emittierten Lichts nahekommt.
Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm für den Verlauf der Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums mit Bezug zum Resonatorabschnitt des Resonators. Die Kurve ist das Ergebnis, das durch Messungen an der Vorrichtung erhalten wird, wenn nur die Dicke der Löcher injizierenden Schicht 4 bei dem Aufbau der Vorrichtung der Fig. 1 verändert wird. In dem Diagramm ist die Halbwertsbreite ohne die halbtransparente reflektierende Schicht 2 gleich 100%. Es ist ersichtlich, daß die Halbwertsbreite um 530 nm, wo der optische Weg mit dem Wellenlängenmaximum zusammenfällt, am kleinsten ist und sich schnell verbreitert, wenn sich die Wellenlänge von 530 nm entfernt. Aus der Kurve B in der Fig. 3 ist auch zu sehen, daß eine Vorrichtung ohne die halbtransparente reflektierende Schicht 2 Wellenlängen von 480 und 580 nm aufweist, bei denen die Lichtemissionsintensität die Hälfte von der bei 530 nm ist. Dieser Bereich entspricht dem, bei dem die Halbwertsbreite in der Fig. 4 gering ist.
Die Fig. 5 zeigt ein Diagramm für die Kurve des optischen Weges im Resonator mit Bezug zum Wellenlängenmaximum des aus der Vorrichtung mit der halbtransparenten reflektierenden Schicht 2 emittierten Lichts. Die Resonanz ergibt das Phänomen, daß, wenn der optische Weg von 530 nm abweicht, das Wellenlängenmaximum des emittierten Lichts ebenfalls von 530 nm abweicht. Wenn die Abweichung zu groß ist, um eine Lichtemission aufgrund der Resonanz zu erhalten, liegt das Maximum der gesamten Lichtemission nahe am Wellenlängenmaximum von 530 nm, wenn keine halbtransparente reflektierende Schicht 2 vorgesehen ist.
Aus dem in der Fig. 5 gezeigten Ergebnis ist ersichtlich, daß der Resonanzeffekt erhalten wird, wenn der optische Weg im Bereich von 0,9 bis 1, 1 mal dem Wellenlängenmaximum des emittierten Lichts liegt. Dieser Bereich entspricht dem, in dem die Halbwertsbreite in der Fig. 4 schmal ist.
Das Aluminiumchelat, das bei der ersten Ausführungsform für die lichtemittierende Schicht verwendet wurde, kann alternativ nicht nur durch ähnliche Verbindungen ersetzt werden, sondern auch durch Mischungen, laminierte Schichten und ähnliche organische Materialien, die mittels Elektronen-Loch- Kopplung Licht emittieren können.
Es ist wichtig, daß die Vorrichtung eine Anordnung aufweisen sollte, die die Temperatur der Vorrichtung konstant hält, um die Resonanz-Lichtemission zu stabilisieren.
Die optimale Durchlässigkeit und die optimale Reflektivität können in Abhängigkeit vom Aufbau der Vorrichtung und dem Material für die halbtransparente reflektierende Schicht 2 variieren, die Absorptivität sollte jedoch vorzugsweise nahe an 0 liegen.
Die halbtransparente reflektierende Schicht 2 kann eine metallische totalreflektierende Schicht sein, die mit einem Muster versehen wird und ein Fenster aufweist, durch das das Licht austreten kann. Der Aufbau der Vorrichtung erschwert es dem Licht auch, seitlich auszutreten, damit sich die Lichtemissionseigenschaften weiter erhöhen.
Wie bisher beschrieben, ist der optische Weg im Resonator bei der Ausführungsform 1 gleich der Lichtemissionswellenlänge. Theoretisch ergeben sich bei der Ausführungsform die gleichen Effekte der Resonanz, wenn der optische Weg ein ganzzahliges Vielfaches, wie das zweifache, das dreifache, ..., das n-fache der Lichtemissionswellenlänge ist, und wenn der optische Weg ein Vielfaches von halben ganzen Zahlen der Lichtwellenlänge ist, wie das 1/2-fache, das 3/2-fache, ..., n/2-fache.
Auch ist bei dieser Ausführungsform die gesamte Phasenverschiebung des Lichts durch die Reflektionen an der oberen und unteren Spiegelfläche gleich 0 oder 1 Wellenlänge. Die Ausführungsform kann auch bei Vorrichtungen mit Licht, das an der Oberfläche der Metallelektrode um 1/2 Wellenlänge und am halbtransparenten reflektierenden Spiegel nicht verschoben wird, Resonanz erzeugen, wenn der optische Weg gleich 1/4, 3/4, 5/4 usw. der Lichtemissionswellenlänge ist.
Aufgrund der Herstellung der Vorrichtung können die realen Vorrichtungen eine geringe Schärfe aufweisen. Die obi gen Resonanzeffekte sind daher scharf, wenn die Schicht dünn ist, und die Resonanz wird unklar, wenn der Faktor groß ist. Aus diesem Grund ist der Faktor praktisch auf 10 begrenzt.
Die Vorrichtung dieser Ausführungsform macht von einer Feldlichtemission durch die Injektion elektrischer Ladungen Gebrauch und kann dahingehend modifiziert werden, daß eine transparente Substratplatte verwendet wird, um Licht einzustrahlen, so daß die Licht emittierende Schicht Fluoreszenzlicht erzeugt, wodurch das Spektrum der Lichtemission wie bei der Feldlichtemission eine geringe Halbwertsbreite bekommt. Bei einem solchen modifizierten Beispiel ist es möglich, daß bei der Vorrichtung die transparenten Elektroden und die organischen Dünnschichten außer der lichtemittierenden Schicht weggelassen werden.
Wie beschrieben, weisen die erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtungen solche Effekte wie ein Anheben der Lichtemissionseigenschaften einschließlich einer Verringerung der Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums, ein Anheben der Lichtemissionseffizienz und das Erzeugen von kohärentem Licht auf.
Die erfindungsgemäßen organischen lichtemittierenden Vorrichtungen können die bekannten lichtemittierenden Dioden und Halbleiterlaser aus GaAs, SiC, ZnSe und ähnlichen anorganischen Halbleitern ersetzen. Sie sind für optische Kommunikationsvorrichtungen, Informationsanzeigefelder, den Lese/Schreibköpfen für die optische Aufzeichnung von Daten und den optischen Köpfen von Laserdruckern geeignet.

Claims

1. Organische lichtemittierende Vorrichtung mit einem transparenten Substrat (1), einer darauf angeordneten halbtransparenten reflektierenden Schicht (2), einer auf dieser angeordneten und als erste Elektrode dienenden transparenten leitfähigen Schicht (3), einer darauf angeordneten lichtemittierenden Schicht (5) in Form eines dünnen organischen Films und einer auf diesem angeordneten, als reflektierender Spiegel dienenden zweiten Elektrode (7), wobei die halbtransparente reflektierende Schicht das von der lichtemittierenden Schicht emittierte Licht teilweise an das transparente Substrat durchläßt und teilweise auf die lichtemittierende Schicht reflektiert, und wobei die halbtransparente reflektierende Schicht und die auf der lichtemittierenden Schicht angeordnete zweite Elektrode so angeordnet sind, daß sie miteinander als optischer Resonator wirken.

2. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 mit ferner einer zwischen der transparenten leitfähigen Schicht (3) und der lichtemittierenden Schicht (5) angeordneten, Löcher injizierenden Schicht (4) und einer zwischen der lichtemittierenden Schicht (5) und der zweiten Elektrode (7) angeordneten, Elektronen injizierenden Schicht (6).

3. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Summe der optischen Wege der transparenten leitfähigen Schicht (3), der Löcher injizierenden Schicht (4), der lichtemittierenden Schicht (5) und der Elektronen injizierenden Schicht (5), jeweils gegeben durch die betreffende, mit dem betreffenden Brechungsindex multiplizierte Dicke, im Bereich des 0,9- bis 1,1-fachen des Wellenlängenmaximums des von der Vorrichtung emittierten Lichtes liegt.

4. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 mit ferner einer zwischen der transparenten leitfähigen Schicht (3) und der lichtemittierenden Schicht (5) angeordneten Löcher injizierenden Schicht (4).

5. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 mit ferner einer zwischen der lichtemittierenden Schicht (5) und der zweiten Elektrode (7) angeordneten Elektronen injizierenden Schicht (6).

6. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der optische Weg L zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) und der auf der lichtemittierenden Schicht angeordneten zweiten Elektrode (7) unter der Voraussetzung, daß S < 2L < T ist, durch

L = (ganze Zahl - A/2π) · P

gegeben ist, wobei

A die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht und der zweiten Elektrode im Bogenmaß ist,

P das Wellenlängenmaximum des von der Vorrichtung emittierten Lichts ist, und

S und T diejenigen Wellenlängen sind, bei denen in einem Lichtemissionsspektrum einer lichtemittierenden Vorrichtung, die keine halbtransparente reflektierende Schicht aufweist, die Intensität des emittierten Lichts die Hälfte des Intensitätsmaximums des emittierten Lichts beträgt.

7. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der optische Weg L zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) und der auf der lichtemittierenden Schicht angeordneten zweiten Elektrode (7) durch

0,9 nP < L < 1,1 nP

gegeben ist, wobei

n eine positive ganze Zahl und

P das Wellenlängenmaximum des von der Vorrichtung emittierten Lichts ist.

8. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der optische Weg L zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) und der auf der lichtemittierenden Schicht angeordneten zweiten Elektrode (7) durch

0,9 P(ganze Zahl - A/2π)/2 < L < 1,1 P(ganze Zahl - A/2π)/2

gegeben ist, wobei

A die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts zwischen der halbtransparenten reflektierenden Schicht und der zweiten Elektrode im Bogenmaß und

P das Wellenlängenmaximum des von der Vorrichtung emittierten Lichts ist.

9. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die halbtransparente reflektierende Schicht (2) aus mehreren Schichten aus dielektrischem Material besteht.

10. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die halbtransparente reflektierende Schicht (2) aus einem totalreflektierenden Metallfilm mit einem Fenster besteht, durch das das Licht nach außen tritt.

11. Organische lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Reflexionsvermögen der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) 50 bis 99, 9% bzw. ihr Transmissionsvermögen 50 bis 0,1% beträgt.

12. Zur Herstellung einer organischen lichtemittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 geeignete Substratplatte mit einer transparenten Substratplatte (1), einer darauf angeordneten halbtransparenten reflektierenden Schicht (2), die aus mehreren Schichten aus dielektrischem Material besteht und Licht teilweise zu transmittieren und teilweise zu reflektieren vermag, und einer auf der halbtransparenten reflektierenden Schicht ausgebildeten und als Elektrode dienenden transparenten leitfähigen Schicht (3).

13. Substratplatte nach Anspruch 12, wobei das Reflexionsvermögen der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) 50 bis 99, 9% bzw. ihr Transmissionsvermögen 50 bis 0,1% beträgt.

14. Substratplatte nach Anspruch 12 oder 13, wobei die transparente Substratplatte (1) aus Quarz, Glas oder Kunststoff besteht und die transparente leitfähige Schicht (3) auf der halbtransparenten reflektierenden Schicht (2) musterartig ausgebildet ist.