JP7741992B2 - 発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法 - Google Patents

発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法

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Description

本発明は、発光素子、表示装置、および発光素子の製造方法に関する。
特許文献１が開示する有機発光コンポーネントは、半透明の第１電極と拡散反射する第２電極と備え、第２電極は、拡散反射のための境界面を備えた多数の結晶を含む電極層を含む。
ＵＳ ２０１７／００４７５５２（２０１７年２月１６日公開）
「Ｈｉｇｈ Ｒａｔｅ Ｔｈｉｃｋ Ｆｉｌｍ Ｇｒｏｗｔｈ」（Ａｎｎ．Ｒｅｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．，７（１９９７）２３９．）
従来技術においては、発光素子からの光取り出し効率が低いという問題がある。
本開示の一態様に係る発光素子は、第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部である。
本開示の一態様によれば、発光素子からの光取り出し効率が向上する。
実施形態１に係る発光素子の構成例を示す断面図である。 実施形態１に係る反射部の構成例を示す断面図である。 実施形態１に係る反射部の構成例を示す断面図である。 実施形態１に係る反射部の構成例を示す断面図である。 実施形態１に係る発光素子の断面を撮像した図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。 スパッタ薄膜の構造変化を示すＴｈｏｒｎｔｏｎのゾーンモデルを引用する図である。 実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流電圧（Ｊ－Ｖ）特性を示す図である。 実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流輝度（Ｊ－Ｌ）特性を示す図である。 実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流発光効率（Ｊ－ＥＱＥ）特性を示す図である。 比較例に係る発光素子の光取り出しを示す模式図である。 実施形態１に係る発光素子の光取り出しを示す模式図である。 実施形態２に係る発光素子の構成例を示す断面図である。 実施形態２に係る発光素子の構成例を示す断面図である。 実施形態２に係る発光素子の構成例を示す断面図である。 実施形態３に係る発光素子の構成例を示す断面図である。 実施形態４に係る表示装置の構成例を示す平面図である。 実施形態４に係る表示装置の構成例を示す断面図である。 実施形態４に係る表示装置の構成例を示す断面図である。 実施形態５に係る表示装置の構成例を示す断面図である。
〔実施形態１〕
図１は、本開示の一実施形態に係る発光素子の構成例を示す断面図である。図１に示すように、発光素子１０は、第１電極Ｅ１、正孔注入層ＨＪ、正孔輸送層ＨＴ、発光層ＥＭ、電子輸送層ＥＴ、および第２電極Ｅ２をこの順に備える構成としてよい。発光素子１０は、基板ＢＰの上に設けられてよく、水および酸素等の侵入を防止する封止膜ＳＬで覆われていてよい。第１電極Ｅ１がアノード、第２電極Ｅ２がカソードであってよい。正孔注入層ＨＪおよび正孔輸送層ＨＴそれぞれを機能層Ｆと称することができる。発光素子１０は、第２電極Ｅ２が透光性電極であるトップエミッション型であってよい。
正孔注入層ＨＪは、ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリエチレンジオキシオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）よりも電気抵抗率が高い正孔輸送材料を含んでよい。正孔注入層ＨＪは、電気抵抗率が１×１０６Ωｃｍ以上である正孔輸送材料を含んでよい。例えば、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｗのうちのいずれか１つ以上を含む酸化物、窒化物、または炭化物からなる群から選択される一種以上を含む材料が挙げられる。中でも、無機系正孔輸送材料としては、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｒのうちのいずれか１つ以上を含む酸化物が好ましく、ＮｉＯ、ＭｇＯ、ＭｇＮｉＯ、ＬａＮｉＯ３、ＣｕＯおよびＣｕ２Ｏから選択される少なくとも１種であることがより好ましい。さらに、好適な正孔輸送材料として、ＣｕＳＣＮなど、金属にＣＮ基、ＳＣＮ基、およびＳｅＣＮ基が結合した材料も挙げられる。
正孔輸送層ＨＴは、ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリエチレンジオキシオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）よりも電気抵抗率が高い有機正孔輸送材料を含んでよい。電気抵抗率が１×１０６Ωｃｍ以上である有機正孔輸送材料を含んでよい。有機系正孔輸送材料としては、当該分野で一般的に用いられる材料から適宜選択でき、例えば、４,４’，４’’－トリス（９－カルバゾイル）トリフェニルアミン（ＴＣＴＡ）、４，４’－ビス［Ｎ－（１－ナフチル）－Ｎ－フェニル－アミノ］－ビフェニル（ＮＰＢ）、亜鉛フタロシアニン（ＺｎＰＣ）、ジ［４－（Ｎ，Ｎ－ジトリルアミノ）フェニル］シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）、４，４’－ビス（カルバゾール－９－イル）ビフェニル（ＣＢＰ）、２，３，６，７，１０，１１－ヘキサシアノ－１，４，５，８，９，１２－ヘキサアザトリフェニレン（ＨＡＴＣＮ）などの材料や、ポリ（Ｎ－ビニルカルバゾール）（ＰＶＫ）、ポリ（２，７－（９,９－ジ－ｎ－オクチルフルオレン）－（１，４－フェニレン－（（４－第２ブチルフェニル）イミノ）－１，４－フェニレン（ＴＦＢ）、ポリ（トリフェニルアミン）誘導体（Ｐｏｌｙ－ＴＰＤ）などが挙げられる。なかでも、ＴＦＢ等のテトラシアノ化合物、ＰＶＫ等のカルバゾール誘導体、Ｐｏｌｙ－ＴＰＤ等のトリアリールアミン誘導体が好ましい。
図２は、実施形態１に係る反射部の構成例を示す断面図である。図２に示すように、第１電極Ｅ１は、粒界Ｂを有するとともに発光層ＥＭの側の表面Ｓの平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部３である。表面Ｓの平均粗さは、１０ｎｍ～２０ｎｍであってもよい。こうすれば、表面Ｓの凹凸に正孔注入層ＨＪが食い込み、アンカー効果によって、第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪの接着強度が増大する。これにより、正孔注入層ＨＪが第１電極Ｅ１から剥離し難くなる。
光反射部３は、粒界Ｂを形成する複数の結晶粒Ｃを含む。結晶粒Ｃは、多結晶の構成要素である結晶であってもよいし、ナノ粒子であってもよい。結晶粒Ｃの平均サイズは、レイリー散乱を起こすように、発光層ＥＭの発光ピーク波長の１／１０以下であってもよい。光反射部３の表面Ｓには、複数のピットＰが形成されてよい。ピットＰは、粒界Ｂが表面Ｓに露出して、表面Ｓが窪んでいる部分である。
ピットＰが、発光素子１０の電気特性および発光特性を悪化させずに、第１電極Ｅ１と正孔注入層ＨＪとの間の接着力を高めることが好ましい。ピットＰの平均深さは、３．０～５０ｎｍが好ましい。ピットＰの平均深さが３．０ｎｍ未満のときは、アンカー効果が低くなる。ピットＰの平均深さが５０ｎｍ超のときは、第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪの電気的接続性が悪化するおそれがある。
複数のピットＰにおける平均ピット間距離（隣り合うピット間距離ＰＴの平均値）は、３ｎｍ～５０ｎｍであってよい。平均ピット間距離が結晶粒の平均サイズ以上であってよい。平均ピット間距離が、３ｎｍ未満または結晶粒Ｃの平均サイズ未満のとき、第１電極Ｅ１と正孔注入層ＨＪとの電気的接続性が悪化するおそれがある。平均ピット間距離が、５０ｎｍ超または結晶粒Ｃの平均サイズ超のとき、アンカー効果が低い。
第１電極Ｅ１と正孔注入層ＨＪとは互いに可溶でないため、その間の接着力は、アンカー効果による抵抗接着に依存する。ピットＰは、表面Ｓの面積を増大し、アンカー効果を増大する。本開示に係る構成は、接着力の向上によって剥離を防止し、発光素子１０の製造歩留りを向上する効果を奏する。従来技術では、抵抗接着が溶着と比較して弱いため、正孔注入層ＨＪが第１電極Ｅ１から剥離する危険があった。層間剥離は素子破壊に繋がり、製造歩留りを低減する。
一方で、表面Ｓの凹凸の粗さが大きすぎる場合、第１電極Ｅ１（光反射部３）よりも上層の発光層ＥＭにおいて、量子ドットの配列が悪化する。量子ドットの配列の悪化は、量子ドットへのキャリア注入の低下を引き起こし、発光素子１０の電気特性および発光特性の悪化を引き起こす。表面Ｓの面積および平均粗さは、ピットＰの平均深さが一定の条件下で、平均ピット間距離と略反比例の関係を有する。平均ピット間距離が５ｎｍ以上のときは、表面Ｓの平均粗さは２０ｎｍ以下が好ましい。平均ピット間距離が２０ｎｍ以下のときは、表面Ｓの平均粗さは５ｎｍ以上が好ましい。平均ピット間距離と平均粗さとの積は、３０ｎｍ２～１５０ｎｍ２が好ましい。
平均ピット間距離は、表面Ｓの平均粗さおよびピットＰの平均深さに相関してよい。例えば、平均ピット間距離は、表面Ｓの平均粗さとピットＰの平均深さとのうちの大きい方の値以下であってよい。例えば、平均ピット間距離は、表面Ｓの平均粗さとピットＰの平均深さとの相乗平均の値以下であってよい。
粒界Ｂは、結晶粒Ｃ同士の結晶格子および結晶方位の少なくとも一方が異なる結晶不整合面であってよい。この場合、粒界Ｂで光が散乱する。粒界Ｂは、第１電極Ｅ１（光反射部３）の内部破断面であってよい。この場合、粒界Ｂで光が散乱する。
図３および図４は、実施形態１に係る反射部の構成例を示す断面図である。図３に示すように、第１電極Ｅ１が下層側の電導層ＥＳを伴うことがある。例えば、第１電極Ｅ１がインジウム亜鉛酸化物（ＩｎＺｎＯ）またはインジウムガリウム亜鉛酸化物（ＩｎＧａＺｎＯ）などを含む光透過性金属膜から成る場合、第１電極Ｅ１の下に、第１電極Ｅ１よりも光反射性が高い電導層ＥＳが位置してよい。電導層ＥＳは、第１電極Ｅ１よりも仕事関数が小さくてよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）を含む光反射性金属膜から構成されてよい。図４に示すように、第１電極Ｅ１が上層側の電導層ＥＵを伴うこともある。例えば、第１電極Ｅ１がＡｌまたはＡｇを含む光反射性金属膜から成る場合、第１電極Ｅ１の上に、第１電極Ｅ１よりも仕事関数が大きい電導層ＥＵが位置してよい。電導層ＥＵは、光透過性が高くてよく、例えば、ＩｎＺｎＯまたはＩｎＧａＺｎＯなどを含む光透過性金属膜から構成されてよい。
表面Ｓの平均粗さ、ピットＰの平均深さ、結晶粒Ｃの平均サイズは、第１電極Ｅ１（光反射部３）の断面を撮像した顕微鏡写真から得ることができる。本欄では説明の簡単化のために、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で第１電極Ｅ１を撮像した場合の一例について説明する。
図５は、本実施形態に係る発光素子の断面を撮像した図である。図５に示すように、第１電極Ｅ１が有する粒界Ｂおよび結晶粒Ｃを見て取ることができる。ここで、顕微鏡写真は、層厚方向と直交する面内方向（ｘ方向またはｙ方向）で、幅５００ｎｍ以上の範囲を撮像する。まず、第１電極Ｅ１の表面Ｓ上の複数の測定点を定め、各測定点の層厚方向（ｚ方向）の位置を測定する。測定点は、幅１００ｎｍあたり２０個以上でよい。各測定点は等間隔で定められる。幅５００ｎｍ以上の範囲を撮像した場合、測定点は撮像範囲に１００個以上定められ、各測定点は等間隔で定められる。そして、全測定点の層厚方向の平均位置を算出し、全測定点についての、前記平均位置と層厚方向の位置との差（絶対値）の算術平均値を、表面Ｓの平均粗さとする。
続いて、顕微鏡写真から粒界Ｂを抽出する。この抽出は、人間の視認による処理であっても、ＡＩまたはコンピュータによる画像処理であっても、その組み合わせであってもよい。例えば、人間が顕微鏡写真における第１電極Ｅ１の範囲を指定し、コンピュータが指定範囲から隣接画素間のコントラスト比の大きい位置を抽出する。そして、粒界Ｂによって区分された各領域を、結晶粒Ｃの断面とし、各結晶粒Ｃについて、２方向以上で対向する粒界Ｂの間の距離を測定し、距離の算術平均値を当該結晶粒Ｃのサイズとしてもよい。各結晶粒Ｃについて断面積を測定し、その断面積と同じ面積を有する円の直径を当該結晶粒Ｃのサイズとしてもよい。複数の結晶粒Ｃのサイズの算術平均値を、結晶粒Ｃの平均サイズとする。各結晶粒Ｃについて、層厚方向（ｚ方向）で対向する粒界Ｂの間の距離を測定し、その算術平均値を結晶粒Ｃの平均厚みとしてもよい。各結晶粒Ｃについて、面内方向（ｘ方向，ｙ方向）で対向する粒界Ｂの間の距離を測定し、その算術平均値を結晶粒Ｃの平均幅としてもよい。測定する結晶粒Ｃは、断面積５０００ｎｍ２あたり１００個以上である。以下では、結晶粒Ｃの粒径並びに厚みおよび幅を包括して結晶粒Ｃのサイズと称する。結晶粒Ｃの平均サイズは、結晶粒Ｃの平均粒径、平均厚み、および平均幅のいずれであってもよい。
続いて、顕微鏡写真からピットＰを抽出する。この抽出は、人間の視認による処理であっても、ＡＩまたはコンピュータによる画像処理であっても、その組み合わせであってもよい。例えば、まず、表面Ｓと粒界Ｂとが交わる交点がある箇所をピットＰとする。あるいは例えば、表面Ｓの層厚方向の平均位置よりも低い範囲で、表面Ｓに粒界Ｂが観察される箇所をピットＰとしてもよい。そして、各ピットＰの層厚方向（ｚ方向）で最も低い位置から、表面Ｓの層厚方向の平均位置までの距離を測定し、この距離の算術平均値をピットＰの平均深さとする。また、互いに隣接するピットＰの層厚方向で最も低い位置の間の面内方向（ｘ方向またはｙ方向）の距離を測定し、この距離の平均を平均ピット間距離とする。なお、ピットＰとした箇所のうち、ピットＰに上層（例えば、正孔注入層ＨＪ）が食い込み、ピットＰ内に上層の材料が観察された箇所を、有効なピットＰと見做してよい。そして、有効なピットＰに関し、平均深さおよび平均ピット間距離を算出してよい。ここで、測定するピットＰは、幅５００ｎｍあたり３０箇所以上である。
（製造方法）
図６は、本実施形態に係る発光素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。図６に示すように、基板ＢＰを用意し（ステップＳ１）、基板ＢＰの上に第１電極Ｅ１（光反射部）を形成する（ステップＳ２）。そして、第１電極Ｅ１の上に正孔注入層ＨＪを形成し（ステップＳ３）、正孔注入層ＨＪの上に正孔輸送層ＨＴを形成し（ステップＳ４）、正孔輸送層ＨＴの上に発光層ＥＭを形成し（ステップＳ５）、発光層ＥＭの上に電子輸送層ＥＴＬを形成し（ステップＳ６）、電子輸送層ＥＴＬの上に第２電極Ｅ２を形成する（ステップＳ７）。そして、発光素子１０を覆うように、封止膜ＳＬを形成する（ステップＳ８）。正孔注入層ＨＪおよび正孔輸送層ＨＴは、正孔輸送層材料を用いて形成することができる。
ステップＳ２においては、第１電極Ｅ１を、粒界Ｂを有するとともに発光層ＥＭの側の表面Ｓの平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍである光反射部３とする。第１電極Ｅ１の形成には、多結晶体を形成する様々な方法を適用できる。
図７は、Ｊ．Ａ．Ｔｈｏｒｎｔｏｎによる文献「Ｈｉｇｈ Ｒａｔｅ Ｔｈｉｃｋ Ｆｉｌｍ Ｇｒｏｗｔｈ」（Ａｎｎ．Ｒｅｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．，７（１９９７）２３９．）から引用した、スパッタ薄膜の構造変化を示すＴｈｏｒｎｔｏｎのゾーンモデルを引用する図である。図７に示すように、ゾーン３のうちのアルゴンガスの圧力が小さい条件下で、スパッタ薄膜の内部に粒界が生じると共に、スパッタ薄膜の表面が比較的平坦であり、かつ、微細なピットを有する。
例えば、スパッタリング法を用いて、ゾーン３のうちのアルゴンガスの圧力が小さい条件下で、第１電極Ｅ１を形成することができる。具体的には、基板ＢＰの温度（Ｔ）が絶対温度で、第１電極Ｅ１の融点（Ｔｍ）の８０％以上の温度であり、アルゴンガスの圧力が２０ｍＴｏｒｒ以下である条件下で、第１電極Ｅ１を形成することができる。ここで、Ｔｏｒｒは圧力を示す単位であり、１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２Ｐａである。第１電極Ｅ１の材料（電極材料）には、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、およびその合金が適する。
基板ＢＰにガラス基板を用い、基板ＢＰの温度を摂氏２００度（すなわち、４７３Ｋ）程度の高温にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入し、チャンバ内のアルゴンガスの圧力を１Ｐａ以下程度の低圧にした条件下で、第１電極Ｅ１をスパッタリング法で形成してよい。この結果、第１電極Ｅ１における結晶粒Ｃの平均サイズが３ｎｍ～５０ｎｍとなり、同時に、第１電極Ｅ１の表面Ｓに３ｎｍ～５０ｎｍの平均深さのピットＰが形成される。ここで、アルゴンガス供給量ＶＡｒとアルゴンガス以外のガスの総供給量Ｖの比ＶＡｒ／Ｖと、圧力計で測定したチャンバ内圧力の積がアルゴンガスの圧力である。アルゴンガス以外のガスとして、例えば窒素、酸素等を供給する場合がある。例えば、結晶粒Ｃの平均サイズは、３ｎｍ～１５ｎｍの範囲内、３ｎｍ～２０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～３０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～４０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～５０ｎｍ、１０ｎｍ～１５ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～２０ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～３０ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～４０ｎｍの範囲内、および１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲内のいずれかであってよい。ここで、ピットＰは、表面Ｓが粒界Ｂと交わる交点に形成される。ピットＰの平均深さは、結晶粒Ｃの平均サイズ未満であってよい。例えば、ピットＰの平均深さは、３ｎｍ～１５ｎｍの範囲内、３ｎｍ～２０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～３０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～４０ｎｍの範囲内、３ｎｍ～５０ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～１５ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～２０ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～３０ｎｍの範囲内、１０ｎｍ～４０ｎｍの範囲内、および１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲内、であってもよい。Ｔｈｏｒｎｔｏｎのゾーンモデルに従って、結晶粒ＣのサイズおよびピットＰの深さが制御可能であり、アルゴンガスの圧力を１０Ｐａから１００Ｐａのオーダとすることによって、結晶粒Ｃの平均サイズをより小さくできる。また、圧力を固定して、基板ＢＰの温度を低下することによって、第１電極Ｅ１の層厚方向に延びる柱状（および柱状に近い形状）の結晶粒Ｃを形成することもできる。ここで、「１０Ｐａから１００Ｐａのオーダ」は、１０Ｐａまたは１００Ｐａを単位とする圧力を意味し、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ未満の圧力である。
例えば、粉体を焼結することによって、または、ナノ粒子を含むインクを用いた印刷と熱処理とを組合せることによって、第１電極Ｅ１を形成することもできる。第１電極Ｅ１の形成には、代わりにまたは加えて、内部破断を発生する様々な方法を適用できる。例えば、第１電極Ｅ１に急激な温度変化を与え、内部応力によって、第１電極Ｅ１に内部破断を発生する。結晶粒Ｃの平均サイズは、第１電極Ｅ１の材料の弾性および脆性などの機械的性質に影響され得る。第１電極Ｅ１の材料が堅いほど、第１電極Ｅ１が割れやすく、結晶粒Ｃが小さくなりやすい。
図８は、実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流電圧（Ｊ－Ｖ）特性を示す図である。図９は、実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流輝度（Ｊ－Ｌ）特性を示す図である。図１０は、実施形態１に係る発光素子と比較例に係る発光素子との電流発光効率（Ｊ－ＥＱＥ）特性を示す図である。各図において、実施形態１に係る測定値を実線で示し、比較例に係る測定値を破線で示す。
実施形態１に係るに係る第１電極Ｅ１は、スパッタリング法を用いて、ゾーン３（図７参照）のうちのガス圧力が小さい条件下で、形成した。一方、実施形態１に係る第１電極ＥＡは、真空蒸着法を用いて形成した。他の層の材料および層厚は、実施形態１および比較例で共通とした。
図８に示すように、実施形態１では、比較例よりも電流に対する電圧が小さい。したがって、第１電極Ｅ１が光反射部３であることによって、実施形態１に係る発光素子１０の電気抵抗が低減した。これは、第１電極Ｅ１と正孔注入層ＨＪとの機械的な接着の向上によって電気的な接続が向上し、正孔注入効率が向上したと推定される。加えて、または或いは、ピットＰでの電界集中によって、正孔注入効率が向上したと推定される。
図９に示すように、実施形態１では、比較例よりも電流に対する輝度が大きい。さらに図１０に示すように、実施形態１では、比較例よりも外部量子効率（ＥＱＥ）が大きい。これは、第１電極Ｅ１（光反射部３）の粒界Ｂが光を散乱反射するため、発光素子１０からの光取り出し効率が向上したものと推定される。
図１１は、比較例に係る発光素子の光取り出しを示す図である。図１２は、実施形態１に係る発光素子の光取り出しを示す図である。なお、説明の簡単化のために、上側電極が大気に接している構成に関して説明する。図１１に示すように、比較例の発光素子では、発光層から斜めに（法線に対して大きな角度で）出射し、下側電極ＥＡで反射された光は、大きな入射角で上側電極ＥＣに入射し、全反射される。典型的な臨界角度を１５°とすると、先端角３０°のコーンに入る光だけを発光素子から取出すことができ、光取り出し効率２５％が理論的限界となる。
一方、図１２に示すように、実施形態１に係る発光素子１０においては、発光層ＥＭから斜めに（法線に対して大きな角度で）出射した光は、第１電極Ｅ１（光反射部３）の光学特性（光散乱性および乱反射性の少なくとも一方）によって、比較例よりも小さな入射角で第２電極Ｅ２に入射し易くなり、外部に出る確率が高くなる。このため、実施形態１では、比較例よりも光取り出し効率が高まる。
光取り出し効率の向上のために、光反射部３による散乱は、レイリー散乱であることが好ましい。ミー散乱が、入射光の進行方向に強く散乱するのに対して、レイリー散乱は等方的に散乱する。レイリー散乱の条件は、結晶粒Ｃのサイズが入射光の波長の１／１０以下であることである。このため、結晶粒Ｃの平均サイズは、発光層ＥＭの発光ピーク波長の１／１０以下が好ましい。結晶粒Ｃの平均サイズは、平均粒径、平均厚み、または平均幅であってよい。
〔実施形態２〕
図１３～図１５は、実施形態２に係る発光素子の構成例を示す断面図である。図１３に示すように、正孔注入層ＨＪ（機能層Ｆ）が、粒界Ｂを有するとともに発光層ＥＭの側の表面Ｓの平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍである光反射部３であってよい。図１４に示すように、正孔輸送層ＨＴ（機能層Ｆ）が、粒界Ｂを有するとともに発光層ＥＭの側の表面Ｓの平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍである光反射部３であってよい。図１５に示すように、正孔注入層ＨＪ（機能層Ｆ）および正孔輸送層ＨＴ（機能層Ｆ）それぞれが、粒界Ｂを有するとともに発光層ＥＭの側の表面Ｓの平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍである光反射部３であってよい。光反射部３を、例えば有機正孔輸送材料で形成した場合、光反射部３の粒界Ｂが有機層の内部破断面であってもよい。
実施形態２では、第１電極Ｅ１および発光層ＥＭの間に光反射部３が位置するため、実施形態１と同様の効果を奏する。正孔注入層ＨＪ（光反射部３）および正孔輸送層ＨＴ（光反射部３）の少なくとも一方を、金属酸化物ナノ粒子を含む層（塗布形成層）としてもよい。
〔実施形態３〕
図１６は、実施形態３に係る発光素子の構成例を示す断面図である。図１６に示すように、実施形態３では、第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪ（機能層）それぞれが、光反射部３である。第１電極Ｅ１は、粒界Ｂ１を形成する複数の結晶粒Ｃ１を含み、第１電極Ｅ１の発光層ＥＭの側の表面Ｓ１には、複数のピットＰ１が形成されている。正孔注入層ＨＪは、粒界Ｂ２を形成する複数の結晶粒Ｃ２を含み、正孔注入層ＨＪの発光層ＥＭの側の表面Ｓ２には、複数のピットＰ２が形成されている。
第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪにわたる結晶粒Ｃ１・Ｃ２の平均サイズは、第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪの層厚で結晶粒Ｃ１・Ｃ２の平均サイズを加重平均する。第１電極Ｅ１の層厚をｔ１、第１電極Ｅ１の結晶粒Ｃ１の平均サイズをＮ１、正孔注入層ＨＪの層厚をｔ２、正孔注入層ＨＪの結晶粒Ｃ２の平均サイズをＮ２とすると、第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪにわたる結晶粒Ｃ（Ｃ１・Ｃ２）の平均サイズは、（ｔ１Ｎ１＋ｔ２Ｎ２）／（ｔ１＋ｔ２）である。第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪにわたる結晶粒Ｃ（Ｃ１・Ｃ２）の平均サイズが、発光層ＥＭの発光ピーク波長の１／１０以下であることが好ましい。平均サイズは、平均粒径、平均厚み、または平均幅であってよい。
第１電極Ｅ１について、発光層ＥＭの側の表面Ｓ１のピットＰ１の平均深さは３ｎｍ～５０ｎｍであってよく、正孔注入層ＨＪについて、発光層ＥＭの側の表面Ｓ２のピットＰ２の平均深さは３ｎｍ～５０ｎｍであってよい。第１電極Ｅ１について、複数のピットＰ１における平均ピット間距離が、複数の結晶粒Ｃ１の平均サイズ以上であってよく、正孔注入層ＨＪについて、複数のピットＰ２における平均ピット間距離が、複数の結晶粒Ｃ２の平均サイズ以上であってよい。
複数のピットＰ１における平均ピット間距離は３ｎｍ～５０ｎｍが好ましい。複数のピットＰ１における平均ピット間距離は、表面Ｓ１の平均粗さおよび複数のピットＰ１の平均深さに相関してよい。例えば、複数のピットＰ１における平均ピット間距離は、表面Ｓ１の平均粗さと複数のピットＰ１の平均深さとのうちの大きい方の値以下であってよい。複数のピットＰ１における平均ピット間距離は、表面Ｓ１の平均粗さと複数のピットＰ１の平均深さとの相乗平均以下であってよい。
同様に、複数のピットＰ２における平均ピット間距離は３ｎｍ～５０ｎｍであってよい。複数のピットＰ２における平均ピット間距離は、表面Ｓ２の平均粗さおよび複数のピットＰ２の平均深さに相関してよい。例えば、複数のピットＰ２における平均ピット間距離は、表面Ｓ２の平均粗さと複数のピットＰ２の平均深さとのうちの大きい方の値以下であってよい。複数のピットＰ２における平均ピット間距離は、表面Ｓ２の平均粗さと複数のピットＰ２の平均深さとの相乗平均以下であってよい。
〔実施形態４〕
図１７は、実施形態４に係る表示装置の構成例を示す平面図である。図１８および図１９は、実施形態４に係る表示装置の構成例を示す断面図である。図１７に示すように、実施形態４に係る表示装置５０は、表示部ＤＡと、表示部ＤＡを駆動するドライバ回路ＤＲと、ドライバ回路ＤＲを制御する制御部ＤＣとを備える。表示部ＤＡは、互いに異なる色の光を発する（互いに発光ピーク波長が異なる）、第１サブ画素Ｘ１、第２サブ画素Ｘ２および第３サブ画素Ｘ３を含む。第１サブ画素Ｘ１、第２サブ画素Ｘ２および第３サブ画素Ｘ３それぞれは、発光素子１０と、発光素子１０に接続する画素回路ＰＣとを含む。
図１８に示すように、表示装置５０は、第１電極Ｅ１のエッジを覆うエッジカバーＢＫと、発光素子１０を覆う封止膜ＳＬとを備えてよい。第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２それぞれが有する発光素子１０は、光反射部３である第１電極Ｅ１と、光反射部３である正孔注入層ＨＪとを含む。第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２の発光素子１０が発光する光の色に関わらず、各発光素子１０の外部量子効率（ＥＱＥ）が略同等であることが好ましい。換言すると、光取り出し効率の理論的限界が略同等であることが好ましい。ＥＱＥが同等であることによって、第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２とを同様に駆動制御できる。駆動制御の簡単化によって、基板ＢＰおよび制御アルゴリズムのコストを低減できる。
光取り出し効率は、層厚Ｔ１（第１サブ画素Ｘ１における第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪの総厚）、層厚Ｔ２（第２サブ画素Ｘ２における第１電極Ｅ１および正孔注入層ＨＪの総厚）、および各サブ画素におけるレイリー散乱の強度Ｉに依存する。強度Ｉは、次の式で表される。
Ｉ＝４．５×Ｉ０×Ｋ×（１＋ｃｏｓ２θ）×（π２Ｖ２）／（λ４×Ｒ２）
Ｋ＝（ｎ２－１）２／（ｎ２＋２）２
Ｉ０：入射光強度
Ｒ：散乱体までの距離
λ：入射光の波長
Ｖ：散乱体の体積
ｎ：散乱体の屈折率
θ：入射角
「×」は掛算を示す演算記号である。「／」は割算を示す演算記号である。
上式から、第１サブ画素Ｘ１と第２サブ画素Ｘ２とで発光ピーク波長が異なる場合、散乱体である結晶粒Ｃのサイズを、発光ピーク波長の２／３乗に比例させることで、散乱強度が等しくなることがわかる。すなわち、結晶粒Ｃの平均サイズｄ１・ｄ２が発光ピーク波長Ｌ１・Ｌ２の２／３乗に比例するとき、発光素子１０の発光色に関わらず、光取り出し効率が略一定となる。この比例関係は、２０％、１０％、または５％の差を許容する。例えば、１０％の差を許容するとき、０．９×ｄ１ ３／Ｌ１ ２≦ｄ２ ３／Ｌ２ ２≦１．１×ｄ１ ３／Ｌ１ ２を満たす。
第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２それぞれにおいて光反射部３が複数層存在する場合、複数層のうちの一層以上について、第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２における結晶粒Ｃの平均サイズが略同等であってよい。例えば図１８に示すように、第２サブ画素Ｘ２の発光ピーク波長が、第１サブ画素Ｘ１の発光ピーク波長よりも大きい場合において、第１サブ画素Ｘ１の第１電極Ｅ１における結晶粒Ｃ１の平均サイズが、第２サブ画素Ｘ２の第１電極Ｅ１における結晶粒Ｃ１の平均サイズと、略同等であり、第２サブ画素Ｘ２の正孔注入層ＨＪ（機能層）における結晶粒Ｃ２の平均サイズが、第１サブ画素Ｘ１の正孔注入層ＨＪ（機能層）における結晶粒Ｃ２の平均サイズよりも大きくてもよい。
図１９に示すように、第２サブ画素Ｘ２の発光ピーク波長が、第１サブ画素Ｘ１の発光ピーク波長よりも大きい場合において、第１サブ画素Ｘ１の正孔注入層ＨＪ（機能層）における結晶粒Ｃ２の平均サイズが、第２サブ画素Ｘ２の正孔注入層ＨＪ（機能層）における結晶粒Ｃ２の平均サイズと、略同等であり、第２サブ画素Ｘ２の第１電極Ｅ１における結晶粒Ｃ１の平均サイズが、第１サブ画素Ｘ１の第１電極Ｅ１における結晶粒Ｃ１の平均サイズよりも大きくてもよい。第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２における結晶粒の平均サイズが略同等である層は同一工程で形成できるため、表示装置５０の生産効率を高めることができる。
〔実施形態５〕
図２０は、実施形態５に係る表示装置の構成例を示す断面図である。実施形態５では、第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２の光反射部３の層厚Ｔｆ・Ｔｓが異なり（Ｔｆ＞Ｔｓ）、第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２の光反射部３における結晶粒Ｃの平均サイズが同等である。第１サブ画素Ｘ１の発光ピーク波長Ｌ１は、第２サブ画素Ｘ２の発光ピーク波長Ｌ２よりも大きい。
実施形態５に係る構成において、光反射部３の層厚Ｔｆ，Ｔｓが第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２の発光層ＥＭの発光ピーク波長Ｌ１，Ｌ２の２／３乗に比例するとき、発光素子１０の発光色に関わらず、光取り出し効率が略一定となる。この比例関係は、２０％、１０％、または５％の差を許容する。例えば、１０％の差を許容するとき、０．９×Ｔｆ３／Ｌ１ ２≦Ｔｓ３／Ｌ２ ２≦１．１×Ｔｆ３／Ｌ１ ２を満たす。
第１サブ画素Ｘ１および第２サブ画素Ｘ２の発光ピーク波長が異なる場合に、光反射部３の層厚および結晶粒Ｃの平均サイズの双方を最適化することによって、発光素子１０の発光光に関わらず、光取り出し効率が略一定とすることもできる。
以上の開示は例示および説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではない。これら例示および説明に基づけば、多くの変形形態が当業者にとって自明となるのであるから、これら変形形態も実施形態に含まれることに留意されたい。
３ 光反射部
１０ 発光素子
５０ 表示装置
Ｂ 粒界
Ｃ 結晶粒
Ｆ 機能層
Ｅ１ 第１電極
Ｅ２ 第２電極
ＥＭ 発光層
Ｐ ピット
Ｓ 表面
Ｘ１ 第１サブ画素
Ｘ２ 第２サブ画素

Claims (17)

  1. 第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、
    前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部であり、
    前記光反射部は、前記粒界を形成する複数の結晶粒を含むとともに前記表面に複数のピットを有し、
    前記複数のピットにおける平均ピット間距離は、前記複数の結晶粒の平均サイズ以上である、発光素子。
  2. 前記複数のピットの平均深さは、３ｎｍ～５０ｎｍである、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記複数のピットにおける平均ピット間距離は、前記平均粗さおよび前記複数のピットの平均深さのうちの大きい方の値以下である、請求項１に記載の発光素子。
  4. 第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、
    前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部であり、
    前記光反射部は、前記表面に複数のピットを有し、
    前記複数のピットの平均深さは、３ｎｍ～５０ｎｍであり、且つ、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記粒界を形成する複数の結晶粒を含む前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層にわたる複数の結晶粒の平均サイズが、前記発光層の発光ピーク波長の１／１０以下である、又は、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記表面に複数のピットを有する前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層それぞれについて、複数のピットにおける平均ピット間距離が３ｎｍ～５０ｎｍである、又は、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記粒界を形成する複数の結晶粒を含むとともに前記表面に複数のピットを有する前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層それぞれについて、複数のピットにおける平均ピット間距離が、複数の結晶粒の平均サイズ以上である、
    発光素子。
  5. 第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、
    前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部であり、
    前記光反射部は、前記表面に複数のピットを有し、
    前記複数のピットにおける平均ピット間距離は、前記平均粗さおよび前記複数のピットの平均深さのうちの大きい方の値以下であり、且つ、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記粒界を形成する複数の結晶粒を含む前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層にわたる複数の結晶粒の平均サイズが、前記発光層の発光ピーク波長の１／１０以下である、又は、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記表面に複数のピットを有する前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層それぞれについて、複数のピットにおける平均ピット間距離が３ｎｍ～５０ｎｍである、又は、
    前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記粒界を形成する複数の結晶粒を含むとともに前記表面に複数のピットを有する前記光反射部であり、前記第１電極および前記機能層それぞれについて、複数のピットにおける平均ピット間距離が、複数の結晶粒の平均サイズ以上である、
    発光素子。
  6. 第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、
    前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部であり、
    前記光反射部は、前記表面に複数のピットを有し、
    前記複数のピットの平均深さは、３ｎｍ～５０ｎｍであり、
    前記第１電極および前記発光層の間に位置する複数の機能層を備え、
    前記複数の機能層それぞれが、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部である、
    発光素子。
  7. 第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に位置する発光層と、前記第１電極および前記発光層の間に位置する機能層とを備え、
    前記第１電極および前記機能層の少なくとも一方が、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部であり、
    前記光反射部は、前記表面に複数のピットを有し、
    前記複数のピットにおける平均ピット間距離は、前記平均粗さおよび前記複数のピットの平均深さのうちの大きい方の値以下であり、
    前記第１電極および前記発光層の間に位置する複数の機能層を備え、
    前記複数の機能層それぞれが、粒界を有するとともに前記発光層側の表面の平均粗さが３ｎｍ～２０ｎｍの光反射部である、
    発光素子。
  8. 前記複数のピットにおける平均ピット間距離は、前記平均粗さおよび前記複数のピットの平均深さの相乗平均値以下である、請求項１～７の何れか１項に記載の発光素子。
  9. 前記第１電極および前記機能層それぞれが、前記表面に複数のピットを有する前記光反射部であり、
    前記第１電極および前記機能層それぞれについて、複数のピットの平均深さが３ｎｍ～５０ｎｍである請求項１～７の何れか１項に記載の発光素子。
  10. 前記機能層は、正孔注入層あるいは正孔輸送層である、請求項１～７の何れか１項に記載の発光素子。
  11. 前記粒界は、結晶不整合面又は内部破断面である、請求項１～７の何れか１項に記載の発光素子。
  12. 第１サブ画素と、前記第１サブ画素と異なる色の光を発する第２サブ画素とを備え、
    第１サブ画素および第２サブ画素それぞれが、請求項１～７の何れか１項に記載の発光素子を含む表示装置。
  13. 前記第１サブ画素について、前記光反射部の前記粒界を形成する複数の結晶粒の平均サイズがｄ１、前記発光層の発光ピーク波長がＬ１であり、
    前記第２サブ画素について、前記光反射部の前記粒界を形成する複数の結晶粒の平均サイズがｄ２、前記発光層の発光ピーク波長がＬ２であり、
    Ｌ２＞Ｌ１およびｄ２＞ｄ１ 又は０．９×ｄ １ ３ ／Ｌ １ ２ ≦ｄ ２ ３ ／Ｌ ２ ２ ≦１．１×ｄ １ ３ ／Ｌ １ ２ を満たす、請求項１２に記載の表示装置。
  14. 前記第１サブ画素について、前記第１電極および前記機能層それぞれが前記粒界を形成する複数の結晶粒を含む前記光反射部であり、前記第１電極から前記機能層にわたる複数の結晶粒の平均サイズがｄ１、前記発光層の発光ピーク波長がＬ１であり、
    前記第２サブ画素について、前記第１電極および前記機能層それぞれが前記粒界を形成する複数の結晶粒を含む前記光反射部であり、前記第１電極から前記機能層にわたる複数の結晶粒の平均サイズがｄ２、前記発光層の発光ピーク波長がＬ２であり、
    ０．９×ｄ１ ３／Ｌ１ ２≦ｄ２ ３／Ｌ２ ２≦１．１×ｄ１ ３／Ｌ１ ２
    を満たす、請求項１２に記載の表示装置。
  15. 前記第１サブ画素の前記第１電極における複数の結晶粒の平均サイズが、前記第２サブ画素の前記第１電極における複数の結晶粒の平均サイズと同等である、又は、
    前記第１サブ画素の前記機能層における複数の結晶粒の平均サイズが、前記第２サブ画素の前記機能層における複数の結晶粒の平均サイズと同等である、
    請求項１４に記載の表示装置。
  16. 前記平均サイズは、複数の結晶粒の平均粒径又は複数の結晶粒の平均厚みである、請求項１３に記載の表示装置。
  17. 前記第１サブ画素について、前記光反射部の厚みがＴｆ、前記発光層の発光ピーク波長がＬ１であり、
    前記第２サブ画素について、前記光反射部の厚みがＴｓ、前記発光層の発光ピーク波長がＬ２であり、
    Ｌ１＞Ｌ２およびＴｆ＞Ｔｓ又は０．９×Ｔｆ ３ ／Ｌ １ ２ ≦Ｔｓ ３ ／Ｌ ２ ２ ≦１．１×Ｔｆ ３ ／Ｌ １ ２ を満たす、請求項１２に記載の表示装置。
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