JP2005317536A - 有機電界発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部へ放射される光の量を増大させることで光効率が高められる、トップエミッション方式による有機電界発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板と、基板の上に形成される薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタを含む基板の全面に形成される平坦化膜８０と、平坦化膜８０の上に形成され、中央領域の表面よりエッジ領域の表面の高さが高く形成されてなる第１電極２０と、第１電極２０の上に形成される有機発光層と、有機発光層の上に形成される第２電極とから構成される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、有機電界発光素子に係り、特に、トップエミッション方式の有機電界発光素子およびその製造方法に関する。

近年、共役高分子の一種であるポリ−フェニレンビニレン（ＰＰＶ）を用いた有機電界発光素子の開発以来、伝導性をもつ共役高分子のような有機物に関する研究が盛んに進められている。

この種の有機物を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、センサ、レーザ、光電素子などに応用するための研究も進められつつあり、そのうちでも有機電界発光素子に関する研究が最も盛んに進められている。

燐光物質系の無機物からなる無機電界発光素子は、作動電圧として交流２００Ｖ以上を必要とし、素子の作製工程が真空蒸着で行われることから大型化が困難であり、特に青色発光が困難であるのみならず、製造コストが高いという短所がある。

しかし、有機物からなる有機電界発光素子は、優れた発光効率、大面積化の容易化、工程の簡便性、特に青色発光が容易に得られるという長所とともに、曲がり得る電界発光素子の開発などが可能である点から次世代表示装置として脚光を浴びている。

特に、現在は、液晶表示装置と同様に、各画素に能動型駆動素子を備えたアクティブマトリックス電界発光素子がフラットパネル表示装置として盛んに研究されている。

図１は、従来技術に係るアクティブマトリックス有機電界発光素子を示す図であって、光が基板に向けて発光するボトムエミッション方式を示している。

図１に示すように、透明ガラスからなる基板１０の上にＴＦＴ６０を形成し、前記ＴＦＴ６０のソース／ドレイン電極に重なり合って接触するようにアノード２０を形成する。

次いで、前記ＴＦＴ６０の上に絶縁膜３０を形成し、全面に有機発光層４０およびカソード５０を順次形成する。

このように構成されるボトムエミッション方式を有するアクティブマトリックス有機電界発光素子は、有機発光層４０から発光する光が基板１０を透過して放射されるとき、前記基板１０と有機発光層４０で挟み込まれているＴＦＴ６０により発光部分が遮られるようになる。

これにより、前記ＴＦＴ６０の大きさやその数が多くなるほど、アクティブマトリックス有機電界発光素子の開口率は幾何級数的に下がるようになり、ディスプレイ素子としての使用が困難になる。

従って、ＴＦＴ６０による開口率の低下を抑えるために、光を基板１０の反対面に向けて発光させるトップエミッション方式が提案された。

図２は、従来技術に係るトップエミッション方式を有するアクティブマトリックス有機電界発光素子を示す図である。

図２に示すように、まず基板１０の上にＴＦＴ６０を形成し、前記ＴＦＴ６０のソース／ドレイン電極を露出させるビアホールを形成した後、平坦化膜８０を全面に形成する。

そして、ビアホールによりＴＦＴのソース／ドレイン電極と接触するように平坦化膜８０の上にアノード２０を形成する。

次いで、電気的絶縁のためにＴＦＴ６０のソース／ドレイン電極とアノード２０とが接触した領域に絶縁膜３０を形成し、全面に有機発光層４０およびカソード５０を順次形成する。

このように構成されるトップエミッション方式を有するアクティブマトリックス有機電界発光素子は、アノード２０が反射面になって光をカソード５０側へ反射し、反射されてきた光は透明電極のカソード５０を通って外部へと放射される。

しかし、トップエミッション方式の有機電界発光素子は、アノードが平坦に形成されるため、アノードの表面から反射された光は四方に散乱する。

図３は、図２のＡ部分を詳細に示す拡大図であって、図３に示すように、平坦化膜３０の上に形成されたアノード２０の表面が平坦であるため、アノード２０の表面から反射された光は四方に散乱する。

しかしながら、図２に示す従来技術に係る有機電界発行素子では、カソードに向かう光の量が小さいため、光効率が低下するという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、外部へと放射される光の量を増大させることで光効率が高められる有機電界発光素子およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る有機電界発光素子は、基板と、基板の上に形成される薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタを含む基板の全面に形成される平坦化膜と、平坦化膜の上に形成され、中央領域の表面よりエッジ領域の表面の高さが高く形成されてなる第１電極と、第１電極の上に形成される有機発光層と、有機発光層の上に形成される第２電極と、を含むことを特徴とする。

ここで、第１電極の表面は、凹状を有し、第１電極の断面は、半円形、シリンダー形、三角形、菱形のいずれかの形態を有すればよい。

そして、第１電極は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇのうち少なくともいずれか１種、またはそれらの合金からなる単一層であればよく、または、第１電極は、少なくとも２層からなり、各層が同種または他種の物質からなってもよい。

また、第１電極の厚さは、１０〜１０００Åであればよい。

本発明に係る有機電界発光素子の製造方法は、基板の上に薄膜トランジスタを形成するステップと、薄膜トランジスタを含む基板の全面に平坦化膜を形成するステップと、平坦化膜の上に引張応力をもつ金属物質を形成してパターニングし、凹状の表面を有する第１電極を形成するステップと、第１電極の上に有機発光層を形成するステップと、有機発光層の上に第２電極を形成するステップと、を含むことを特徴とする。

ここで、第１電極を形成するステップは、平坦化膜の上に引張応力をもつ金属物質を形成するステップと、金属物質の上にマスクフィルムを形成し、マスクフィルムをパターニングするステップと、パターニングしたマスクフィルムをマスクとして金属物質を除去するステップと、金属物質の上に残留するマスクフィルムを除去し、凹状の表面を有する第１電極を形成するステップと、を含んでなる。

そして、引張応力をもつ金属物質は、常温で形成されるか、または常温以上の温度、即ち、５０〜４００℃で形成されればよい。

また、金属物質の引張応力は、第１電極の形成時の圧力、パワー、ターゲットと基板との距離、温度、基板に加えるバイアス、基板の種類、蒸着物質のうち少なくとも一方を変化させて制御してもよい。

本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面に基づいて説明する実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。

上述したような本発明に係る有機電界発光素子およびその製造方法によれば、トップエミッション方式の有機電界発光素子において、凹面鏡形態のアノードを適用することにより外部へ放出される光の量を増大させることで光効率が高められるという長所を有している。

以下、本発明に係る有機電界発光素子およびその製造方法の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図４Ａ乃至図４Ｆは、本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。

まず、図４Ａに示すように、基板１０の上にソース／ドレイン電極６０ａを有する薄膜トランジスタ６０を形成する。

次いで、図４Ｂに示すように、薄膜トランジスタ６０を含む基板１０の全面に平坦化膜８０を形成した後、ソース／ドレイン電極６０ａが露出するようにビアホール８０ａを形成する。

その後、図４Ｃに示すように、ビアホール８０ａを介してソース／ドレイン電極６０ａに電気的に接続されるように平坦化膜８０の上に引張応力をもつ金属物質を形成する。

そして、引張応力をもつ金属物質をパターニングし、凹状の表面を有する第１電極２０を形成する。

なお、凹状の表面を有する第１電極２０を形成する理由については後述することにする。

第１電極２０の断面は、半円形、シリンダー形、三角形、菱形のいずれかの形態を有するように形成すればよい。

このとき、第１電極２０は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇのうち少なくともいずれか１種、またはそれらの合金からなる単一層であればよい。

そして、第１電極２０は、少なくとも２層からなり、各層が同種または他種の物質からなってもよく、第１電極２０の厚さは、１０〜１０００Åであればよい。

次いで、図４Ｄに示すように、第１電極２０とソース／ドレイン電極６０ａの接触領域に絶縁膜３０を形成し、図４Ｅに示すように、絶縁膜３０を含む第１電極２０の上に有機発光層４０を形成する。

そして、図４Ｆに示すように、有機発光層４０の上に第２電極５０を形成して有機電界発光素子を作製する。

ここで、第１電極２０はアノードとし、第２電極５０はカソードとし、場合に応じては、その逆にしてもよい。

このようにして作製される本発明は、光の反射面として用いられるアノードの第１電極２０の構造に特徴を有する。

本発明は、一実施例としてアノードを反射面として用いるトップエミッション方式のアクティブマトリックス有機電界発光素子に適用可能である。

図５は、図４Ｆ中のＢ領域を拡大して示す拡大図であって、平坦化膜８０の上に形成された第１電極２０が凹状を有するため、光が上方に向けてのみ反射され、この結果、光効率が高められるという効果を奏する。

従来では、第１電極の表面が平坦であったため、光の損失が多かったのに対し、本発明の第１電極では、中央領域の表面よりエッジ領域の表面の高さが高く形成される凹状を有するため、光の損失を最小化し光効率が高められる。

また、第１電極の断面を半円形、シリンダー形、三角形、菱形などの形態を有するように作製しても同様な効果を奏することができる。

凹状の表面を有する本発明の第１電極の作製過程についてより詳述すれば、次の通りである。

図６Ａ乃至図６Ｃは、本発明の第１電極の製造工程を示す工程断面図である。

図６Ａに示すように、平坦化膜８０の上に引張応力をもつ金属物質２０ａを形成する。

次いで、図６Ｂに示すように、金属物質２０ａの上にマスクフィルム７０を形成し、マスクフィルム７０をパターニングした後、このパターニングしたマスクフィルム７０をマスクとして金属物質２０ａを除去する。

そして、図６Ｃに示すように、金属物質２０ａの上に残留するマスクフィルム７０を除去し、凹状の表面を有する第１電極２０を形成する。

ここで、マスクフィルム７０はフォトレジストであればよい。

なお、凹状の第１電極は、この第１電極にフォトリソグラフィ工程を施し、第１電極の引張応力により第１電極のエッジ部分を平坦化膜の表面から浮き上がらせることで作製することができる。

ここで、引張応力をもつ金属物質は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇなどから選ばれた少なくともいずれか１種、またはそれらの合金であればよい。

ここで、Ｃｒは常温で形成することができ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇなどは常温以上の温度で形成することができる。

即ち、アノードの第１電極が引張応力をもつためには、Ｃｒの場合、常温（約２０℃）で形成し、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇなどの金属またはそれらの合金は、約５０〜４００℃、好ましくは、２００℃程度で形成する。

このような薄膜の引張応力は、蒸着時の圧力、パワー、ターゲットと基板との距離、温度、基板に加えるバイアスなどを制御することにより変化させ得る。

さらには、その引張応力は、基板の種類を変えるか、または基板の上に蒸着される物質を変えることによっても変化させ得る。

そして、第１電極は、単一膜からなってもよいが、抵抗減少膜と第１電極または反射膜と第１電極からなる２層以上の多層膜からなってもよい。

また、本発明は、第１電極の形成時、スパッタ、電子ビーム、熱蒸着、ＣＶＤなどの一般に用いられる蒸着工程のうちいずれを用いてもよいが、蒸着された膜の質を考慮すれば、電子ビームやスパッタ蒸着工程を用いて第１電極を形成することが最も好ましい。

本発明の実施例では、アノードの第１電極の金属物質としてＣｒを使用し、ＤＣスパッタを用いて第１電極を常温で蒸着した。

そして、蒸着パワー、圧力、薄膜の厚さを変化させながら基板の応力を測定した。

次いで、基板の応力は、Ｔｅｎｃｏｒ社製のＦＬＸ−２３２０装備を用いて薄膜蒸着の前後の基板の曲率を測定することにより応力を求めた。

図７Ａに示すように、蒸着パワーが２００Ｗ、４００Ｗ、および６５０Ｗに増大することに伴い、基板の引張応力が１３００ＭＰａ、１１５０ＭＰａ、および９５０ＭＰａに減少していることが分かる。

また、図７Ｂに示すように、蒸着圧力が０．３ｍＴｏｒｒから１０ｍＴｏｒｒに増大するに伴い、立ち上がり時は高い基板の引張応力を示したが、次第に減少していることが分かる。

そして、図７Ｃに示すように、蒸着厚さが５００Åから２０００Åに増大するに伴い、引張応力が２２３０ＭＰａから１２２５ＭＰａまで下がり、その後、ほぼ一定の応力を保つような挙動を示した。

このような結果に基づき、約１０００Å以下の厚さで敏感な応力変化を示すＣｒ薄膜を、３００、６００、１０００Åの厚さで基板の上にそれぞれ形成し、フォトリソグラフィ工程を施した。

約２０００ＭＰａ以上の引張応力をもつ６００Å以下のＣｒ薄膜を蒸着した試片では、第１電極が凹状に形成されたことが確認できた。

しかし、１５００ＭＰａの引張応力をもつ１０００ÅのＣｒ薄膜を蒸着した試片の場合は、そのような現象が現れなかった。

このように、本発明は、薄膜の引張応力を制御することにより第１電極の形状を制御することができるようになる。

このとき、薄膜の引張応力を制御する方法としては、前述したように蒸着時の圧力、パワー、ターゲットと基板との距離、温度、基板に加えるバイアスなどを制御することにより変化させ得る。

さらには、基板の種類を変えるか、または基板の上に蒸着する物質を変えることによっても変化させ得る。

上述した説明に基づいて当業者であれば本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更および修正が可能であることは自明である。従って、本発明の技術的範囲は、実施例に記載した内容に限定されるものでなく、特許請求の範囲により定められるべきである。

従来技術に係るボトムエミッション方式のアクティブマトリックス有機電界発光素子を示す図である。 従来技術に係るトップエミッション方式のアクティブマトリックス有機電界発光素子を示す図である。 図２中のＡ部分を拡大して示す拡大図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 本発明に係るトップエミッション方式の有機電界発光素子の製造工程を示す工程断面図である。 図４Ｆ中のＢ領域を拡大して示す拡大図である。 本発明の第１電極の製造工程を示す工程断面図である。 本発明の第１電極の製造工程を示す工程断面図である。 本発明の第１電極の製造工程を示す工程断面図である。 蒸着パワーと引張応力との関係を示すグラフである。 蒸着圧力と引張応力との関係を示すグラフである。 蒸着厚さと引張応力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板
２０ 第１電極
３０ 絶縁膜
４０ 有機発光層
５０ 第２電極
６０ ＴＦＴ
７０ マスク層
８０ 平坦化膜

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成される薄膜トランジスタと、
   前記薄膜トランジスタを含む基板の全面に形成される平坦化膜と、
   前記平坦化膜の上に形成され、中央領域の表面よりエッジ領域の表面の高さが高く形成されてなる第１電極と、
   前記第１電極の上に形成される有機発光層と、
   前記有機発光層の上に形成される第２電極と、
   を含むことを特徴とする有機電界発光素子。
2. 前記第１電極の表面は、凹状であることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
3. 前記第１電極の断面は、半円形、シリンダー形、三角形、菱形のいずれかの形態を有することを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
4. 前記第１電極は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇのうち、少なくともいずれか１種、またはそれらの合金からなる単一層であることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
5. 前記第１電極は、少なくとも２層からなり、各層が同種または他種の物質からなることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
6. 前記第１電極の厚さは、１０〜１０００Åであることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
7. 基板の上に薄膜トランジスタを形成するステップと、
   前記薄膜トランジスタを含む基板の全面に平坦化膜を形成するステップと、
   前記平坦化膜の上に引張応力をもつ金属物質を形成してパターニングし、凹状の表面を有する第１電極を形成するステップと、
   前記第１電極の上に有機発光層を形成するステップと、
   前記有機発光層の上に第２電極を形成するステップと、
   を含むことを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。
8. 前記第１電極を形成するステップは、
   前記平坦化膜の上に引張応力をもつ金属物質を形成するステップと、
   前記金属物質の上にマスクフィルムを形成し、前記マスクフィルムをパターニングするステップと、
   前記パターニングしたマスクフィルムをマスクとして前記金属物質を除去するステップと、
   前記金属物質の上に残留するマスクフィルムを除去し、凹状の表面を有する第１電極を形成するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。
9. 前記引張応力をもつ金属物質は、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇのうち、少なくともいずれか１種、またはそれらの合金であることを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。
10. 前記引張応力をもつ金属物質は、常温で形成されるか、または常温以上の温度で形成されることを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。
11. 前記常温以上の温度は、５０〜４００℃であることを特徴とする請求項１０に記載の有機電界発光素子の製造方法。
12. 前記常温で形成される金属物質はＣｒであり、前記常温以上の温度で形成される金属物質は、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇのうち、少なくともいずれか１種であることを特徴とする請求項１０に記載の有機電界発光素子の製造方法。
13. 前記マスクフィルムは、フォトレジストであることを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。
14. 前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードであることを特徴とする請求項７に記載の有機電界発光素子の製造方法。
15. 前記金属物質の引張応力は、第１電極の形成時の圧力、パワー、ターゲットと基板との距離、温度、基板に加えるバイアス、基板の種類、蒸着物質のうち少なくとも一方を変化させて制御することを特徴とする請求項７に記載の有機電界発光素子の製造方法。
16. 前記第１電極は、電子ビーム工程、スパッタリング工程のうち少なくとも一方を用いて形成することを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。

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