特許 6415508 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6415508

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 51/50 20060101AFI20181022BHJP

【ＦＩ】

   H05B33/14 B

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-189172(P2016-189172)

(22)【出願日】2016年9月28日

(62)【分割の表示】特願2012-39502(P2012-39502)の分割

【原出願日】2012年2月27日

(65)【公開番号】特開2016-219853(P2016-219853A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2016年10月5日

(31)【優先権主張番号】特願2011-41233(P2011-41233)

(32)【優先日】2011年2月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】竹村 保彦

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

【審査官】 岩井 好子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２１８９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２９２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０２６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１５１７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１６６１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１７２７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３２７４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１８７７４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ５１／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ型有機材料を有する層と、
Ｐ型有機材料を有する層と、
前記Ｎ型有機材料を有する層と前記Ｐ型有機材料を有する層とに接する第１の層と、を有し、
前記第１の層は、厚さ方向の分子の数が１乃至５であり、
前記第１の層は、三重項励起エネルギーを発光に変換することができる有機発光材料を一種のみ有し、
前記Ｎ型有機材料のＬＵＭＯ準位と前記有機発光材料のＬＵＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さく、
前記Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位と前記有機発光材料のＨＯＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さい
（ただし、前記Ｎ型有機材料がＢａｌｑであり、前記Ｐ型有機材料がα−ＮＰＤであり、前記有機発光材料がＩｒ（ｐｐｙ）_３である組み合わせを除く）
発光素子。

【請求項2】

Ｎ型有機材料を有する層と、
Ｐ型有機材料を有する層と、
前記Ｎ型有機材料を有する層と前記Ｐ型有機材料を有する層とに接する第１の層と、を有し、
前記第１の層は、厚さが１ｎｍ乃至１０ｎｍの層であり、
前記第１の層は、三重項励起エネルギーを発光に変換することができる有機発光材料を一種のみ有し、
前記Ｎ型有機材料のＬＵＭＯ準位と前記有機発光材料のＬＵＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さく、
前記Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位と前記有機発光材料のＨＯＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さい
（ただし、前記Ｎ型有機材料がＢａｌｑであり、前記Ｐ型有機材料がα−ＮＰＤであり、前記有機発光材料がＩｒ（ｐｐｙ）_３である組み合わせを除く）
発光素子。

【請求項3】

Ｎ型有機材料を有する層と、
Ｐ型有機材料を有する層と、
前記Ｎ型有機材料を有する層と前記Ｐ型有機材料を有する層とに接する第１の層と、を有し、
前記第１の層は、有機発光材料を１０重量％乃至５０重量％有し、かつ、厚さが１ｎｍ乃至１０ｎｍの層であり、
前記第１の層は、三重項励起エネルギーを発光に変換することができる有機発光材料を一種のみ有し、
前記Ｎ型有機材料のＬＵＭＯ準位と前記有機発光材料のＬＵＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さく、
前記Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位と前記有機発光材料のＨＯＭＯ準位との差は、０．５ｅＶより小さい
（ただし、前記Ｎ型有機材料がＢａｌｑであり、前記Ｐ型有機材料がα−ＮＰＤであり、前記有機発光材料がＩｒ（ｐｐｙ）_３である組み合わせを除く）
発光素子。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記Ｎ型有機材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差は、前記有機発光材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差より０．５電子ボルト以上大きく、
前記Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差は、前記有機発光材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差より０．５電子ボルト以上大きい発光素子。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記有機発光材料はイリジウムを含む有機金属錯体であることを特徴とする発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、キャリア注入型の有機エレクトロ・ルミネッセンス（ＥＬ）に関する。

【背景技術】

【0002】

キャリア注入型の有機ＥＬの発光現象を応用した製品が実用化されつつある（例えば、特
許文献１参照）。通常、発光材料の取りうる励起状態は、一重項励起状態と三重項励起状
態の２種類あり、前者は確率論的に後者の３分の１程度であると考えられている。

【0003】

発光材料の基底状態は一重項状態であり、通常の有機分子では、一重項励起状態から基底
状態への遷移は可能であるが、三重項励起状態から基底状態への遷移は禁制である。すな
わち、一重項励起状態が基底状態へ遷移することで発光することはできるが、多くの場合
、三重項励起状態が発光して基底状態へ遷移することはなく、さまざまな準位を経過して
基底状態へ到達する。その経過において、エネルギーは熱として放出される。このような
現象を熱失活という。

【0004】

上述の通り、一重項励起状態となる確率は三重項励起状態となる確率の３分の１であるの
で、発光材料に注入されたエネルギーの多くが熱として失われるため効率が悪く、また、
多くの発熱を伴うため有機材料の劣化の原因ともなる。

【0005】

このような問題を解決するため、発光材料の中に、重金属（特にイリジウム）を有する有
機金属錯体を５重量％程度添加することで、発光効率を高める技術が開発された（非特許
文献１参照）。この技術においては、主成分をホスト、添加する有機発光材料をゲスト（
あるいはドーパント）と呼ぶ。この技術では、図２（Ａ）に示すように、発光層にはホス
ト２０２中に有機発光材料分子２０１が均等にドーピングされている。

【0006】

なお、有機発光材料の濃度を１０重量％以上とすると、１つの有機発光材料分子の発光が
、他の有機発光材料分子に吸収され、結果として、発光効率の低下につながる（これを濃
度消光という）ため、有機発光材料の濃度を１０重量％以上とすることを避けることが必
要とされる。

【0007】

この技術においては、三重項励起状態にあるホスト分子は、その状態を有機発光材料分子
に移すことにより、基底状態に戻り、有機発光材料分子は逆にホストから励起状態を受け
継いで、三重項励起状態となる。有機発光材料分子は、スピン軌道相互作用により発光し
て三重項励起状態から基底状態となることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】米国特許公開２０１１／０００１１４６号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ， Ｓ．Ｌａｍａｎｓｋｙ， Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｒｏｗｓ， Ｍ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ， Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ， ”Ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｇｒｅｅｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｃｅ”， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ７５ （１９９９） ｐ．４．

【非特許文献2】Ｓｈｅｎｇｙｉ Ｙａｎｇ， Ｘｉｕｌｏｎｇ Ｚｈａｎｇ， Ｙａｎｂｉｎｇ Ｈｏｕ， Ｚｈｅｎｂｏ Ｄｅｎｇ， ａｎｄ Ｘｕｒｏｎｇ Ｘｕ ”Ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒｓ ａｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ： Ｅｘｃｉｐｌｅｘ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌｅｘ ｅｍｉｓｓｉｏｎ？”， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ， １０１， （２００７） ０９６１０１．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、ホストとなる物質は電子あるいは正孔のいずれか一方の輸送性は高いもの
の、他方の輸送性は劣ることが通常であり、そのため、発光層の中において、発光が生じ
る部分は、輸送性の低いキャリアが注入される電極に近い領域で生じると想定される。そ
のため、本来、得られるべき効率より低い効率でしか得られていないものと考えられる。

【0011】

例えば、あるホストが電子輸送性に優れた材料である場合、相対的にそのホストの正孔輸
送性は劣るため、そのようなホストを有する発光層においては、図２（Ｂ）に示すように
、正孔と電子の再結合およびそれに伴う発光は、もっぱら正極側で生じることとなる。一
方、発光層の中央より負極側では、発光がほとんど起こらないと想定される。

【0012】

すなわち、この発光層においては、電子（あるいはアニオン）は負極から発光のおこる領
域にかけての発光層の多くの部分で比較的多い状態を維持する。正極近傍では発光により
消費されるため電子の数が低下する。一方、正孔の移動度が低いため正孔（あるいはカチ
オン）が存在するのは正極近傍に偏ることとなる。

【0013】

有機発光材料分子は発光層に均等にドーピングされているが、上記のように発光が偏った
部分で起こると、発光が起こらない部分の有機発光材料分子は全く使用されず、一方で発
光が起こる部分の有機発光材料分子は常に励起と発光を繰り返すこととなり、発光が起こ
る部分では有機発光材料分子が不足するという事態ともなる。そのため、有機発光材料分
子に状態を移行できないまま熱失活して基底状態へ戻るホスト分子も多くなる。このよう
なホスト分子は発光効率の低下の要因となる。

【0014】

有機発光材料が励起状態となるには、直接再結合過程かエネルギー移動過程を経る必要が
ある。エネルギー移動過程には、フェルスター機構とデクスター機構という２つの過程が
存在するとされるが、いずれも、有機発光材料の三重項励起状態と基底状態のエネルギー
差とホストの三重項励起状態と基底状態のエネルギー差の差が小さい方がエネルギー移動
の効率がよいとされる。

【0015】

なお、エネルギー移動には一定の時間が必要であるため、例えば、ホストの一重項励起状
態のように寿命の短い励起状態からは、十分に有機発光材料にエネルギー移動できていな
い可能性がある。

【0016】

このように有機発光材料の三重項励起状態と基底状態のエネルギー差とホストの三重項励
起状態と基底状態のエネルギー差の差が小さいということは、有機発光材料が三重項励起
状態となった後に、ホストにその状態が戻される場合が多い、ということでもある。その
例を図２（Ｃ）を用いて説明する。図において、Ｓ０＿ｈはホストの基底状態の、Ｔ１＿
ｈはホストの三重項励起状態の、Ｓ１＿ｈはホストの一重項励起状態の、Ｓ０＿ｇは有機
発光材料の基底状態の、Ｔ１＿ｇは有機発光材料の三重項励起状態の、Ｓ１＿ｇは有機発
光材料の一重項励起状態の、それぞれエネルギー準位を示す。

【0017】

ホストの一重項励起状態と三重項励起状態は有機発光材料の三重項励起状態に移され、こ
れが、有機発光材料の基底状態に戻ることにより発光する。通常、ホストの三重項励起状
態のエネルギー準位は有機発光材料の三重項励起状態のエネルギー準位よりも高くなるよ
うにする。これは、有機発光材料の三重項励起状態からホストの三重項励起状態に遷移す
ることを防止するためである。したがって、これのエネルギー準位の差が大きいほどこの
目的には好ましい。

【0018】

もし、有機発光材料の三重項励起状態とホストの三重項励起状態のエネルギー準位がほと
んど変わらなければ、熱的な励起によって有機発光材料の三重項励起状態がホストに遷移
することもある。もちろん、この結果、ホストの三重項励起状態は熱失活して基底状態に
戻る（この現象をクエンチという）。

【0019】

ただし、ホストの三重項励起状態のエネルギー準位を有機発光材料の三重項励起状態のエ
ネルギー準位よりも過剰に高くすると、エネルギー移動の面で損失が生じる。逆に、ホス
トの三重項励起状態のエネルギー準位を有機発光材料の三重項励起状態のエネルギー準位
と等しくすると、クエンチによって損失が生じる。このように、従来の発光機構では、十
分に特性を引き出せていないおそれがある。

【0020】

発光層の厚さはせいぜい１００ｎｍと薄く、以上の事実を確認することは技術的に困難で
あるため、いまだにその問題すら知られていないともいえる。しかし、本発明者はそのよ
うな問題があり、それらの問題を解決できれば、これまで得られているより高い効率の発
光を実現させることができると考えた。すなわち、本発明は上記のような問題点を根本的
に解決する理論を提供し、その理論に基づいた新しいＥＬ発光素子を提供することを課題
とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明は上記のような、ある程度の空間的な拡がりの中で発光する方法に代え、界面での
発光を用いることにより、上記の課題を解決する。すなわち、本発明の一態様は、電子輸
送性が正孔輸送性より高い有機材料（Ｎ型有機材料）の層と、正孔輸送性が電子輸送性よ
り高い有機材料（Ｐ型有機材料）の層と、Ｎ型有機材料の層とＰ型有機材料の層に接する
有機発光材料分子を有する層とを有し、有機発光材料分子を有する層の厚さ方向の分子（
有機発光材料分子を含む）の数が１乃至５の有機発光層である。

【0022】

また、本発明の他の一態様は、Ｎ型有機材料の層と、Ｐ型有機材料の層と、Ｎ型有機材料
の層とＰ型有機材料の層に接する厚さが１ｎｍ乃至１０ｎｍの有機発光材料分子を有する
層とを有する有機発光層である。ここで、有機発光材料分子を有する層には、Ｎ型有機材
料とＰ型有機材料の分子が含まれていてもよい。また、有機発光材料の分子の濃度は１０
重量％乃至５０重量％、好ましくは、２０重量％乃至５０重量％とするとよい。有機発光
材料分子を有する層は有機発光材料の濃度が従来の発光層のゲストの濃度よりも高く、か
つ、薄いため、実質的には有機発光材料分子の膜として扱える。

【0023】

上記において、Ｎ型有機材料やＰ型有機材料、有機発光材料に用いる材料は、特許文献１
に記載されている材料の中から選択されてもよい。もちろん、それ以外の材料も用いるこ
とが可能であり、既知の材料に限らない。有機発光材料は有機金属錯体であることが好ま
しい。

【0024】

また、本発明の他の一態様は、上記発光層を有する発光素子である。左記発光素子は、２
つ以上の上記発光層を有してもよい。また、２つ以上の上記発光層を有する場合には、そ
れぞれの発光層の発する光の発光スペクトルは異なってもよい。

【0025】

また、本発明の他の一態様は、上記発光層と上記発光層とは異なる発光機構により発光す
る発光層を有する発光素子である。左記発光素子は、２つ以上の上記発光層を有してもよ
い。また、２つ以上の上記発光層を有する場合には、それぞれの発光層の発する光の発光
スペクトルは異なってもよい。また、左記発光素子は、２つ以上の上記発光層とは異なる
発光機構により発光する発光層を有してもよい。また、２つ以上の上記発光層とは異なる
発光機構により発光する発光層を有する場合には、それぞれの発光層の発する光の発光ス
ペクトルは異なってもよい。

【0026】

また、上記発光素子には、他に正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層、電子
リレー層、中間層等を有してもよい。また、発光層、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送
層、電子注入層、電子リレー層、中間層を構成する材料は、例えば、特許文献１記載の材
料を適宜用いればよい。もちろん、それ以外の材料も用いることが可能であり、既知の材
料に限らない。

【0027】

また、本発明の他の一態様は、上記の発光層を有するパッシブマトリクス型表示装置、ア
クティブマトリクス型表示装置、照明装置である。パッシブマトリクス型表示装置、アク
ティブマトリクス型表示装置、照明装置の詳細については、特許文献１を参照できる。

【0028】

図１に本発明の概念図のいくつかを示す。図１（Ａ）に示されるのは、Ｎ型有機材料の層
１０２とＰ型有機材料の層１０３が有機発光材料分子１０１（Ｇ）を挟んだ発光層１０４
の構造を示す。図１（Ｂ）はＮ型有機材料の層１０２とＰ型有機材料の層１０３の間に有
機発光材料分子を有する層１０５を有する発光層１０４を示す。有機発光材料分子を有す
る層１０５の厚さは１ｎｍ乃至１０ｎｍとする。

【0029】

さらに、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）あるいは図１（Ｂ）に示される発光層１０４が正極１
０６および負極１０７に挟まれた表示素子を示し、図１（Ｄ）は、それらに加えて、正孔
注入層１０８、正孔輸送層１０９、電子注入層１１０、電子輸送層１１１を有する表示素
子を示す。

【発明の効果】

【0030】

従来にも異種の有機半導体の界面での発光現象は観測されている。この際、エキサイプレ
ックスあるいはエレクトロプレックスという励起錯体による発光が観測される（例えば、
非特許文献２）。一般に、Ｎ型有機材料のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅ
ｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）とＰ型有機材料のＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ
Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）が、このような励起錯体の
、それぞれＬＵＭＯとＨＯＭＯとなり、そのエネルギー差の発光を生じる。

【0031】

すなわち、Ｎ型有機材料の層を移動してきた電子とＰ型有機材料の層を移動してきた正孔
は、Ｎ型有機材料の層とＰ型有機材料の層の界面のＮ型有機材料分子とＰ型有機材料分子
の双方あるいはいずれか一方に注入され、この界面のＮ型有機材料分子とＰ型有機材料分
子が励起錯体を形成する。ただし、この場合、発光は一重項励起状態から基底状態へのも
のだけが許容され、三重項励起状態からの発光はないので、量子効率が悪い。

【0032】

これに対し、本発明の一態様では、Ｎ型有機材料の層とＰ型有機材料の層の界面に三重項
励起状態から基底状態への遷移に伴う発光（燐光）を発することのできる１分子乃至５分
子の厚さの有機発光材料分子を有する層を設けることにより、量子効率を高めることがで
きる。

【0033】

上記の構造では、Ｎ型有機材料とＰ型有機材料が隔離されるので、両者の間のエキサイプ
レックスの生成確率が低下し、Ｎ型有機材料の層を移動してきた電子およびＰ型有機材料
の層を移動してきた正孔は、いずれも有機発光材料分子に注入され、有機発光材料分子は
一重項励起状態あるいは三重項励起状態となる。

【0034】

このような現象は直接再結合過程の一種であるが、特にＮ型有機材料およびＰ型有機材料
から有機発光材料に直接、キャリアが注入される現象を、Ｇｕｅｓｔ Ｃｏｕｐｌｅｄ
ｗｉｔｈ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｈｏｓｔｓ（ＧＣＣＨ）という。

【0035】

また、従来の発光機構の多くの部分を占めるエネルギー移動過程がほとんど存在しないこ
とも特徴の一つである。上述のようにエネルギー移動過程においては、励起したＮ型有機
材料あるいはＰ型有機材料のエネルギーの一定の比率が熱失活となるため、エネルギー移
動過程によるゲストの励起は少ない方がよい。

【0036】

また、仮に、何らかの理由でＮ型有機材料分子とＰ型有機材料分子の間にエキサイプレッ
クスが生成したとしても、近接して存在する有機発光材料分子の作用により、その励起状
態は有機発光材料分子に移され、高い量子効率で発光することができる。

【0037】

本発明の一態様では、Ｎ型有機材料の層とＰ型有機材料の層との間に設けられる有機発光
材料分子を有する層の有機発光材料の濃度が従来の発光素子の発光層の有機発光材料の濃
度よりも高いことが特徴であるため、エキサイプレックスの励起状態は速やかに有機発光
材料分子に移される。

【0038】

なお、例えば、先に正孔が有機発光材料分子に注入された場合、その有機発光材料分子は
正の電気を帯びる（カチオンとなる）こととなるので、Ｎ型有機材料を移動する電子を引
き寄せることとなる。これは、有機発光材料分子の励起状態のポテンシャルが低下するこ
とをも意味する。この場合、正孔の注入された有機発光材料分子（カチオン）と隣接する
電子を有するＮ型有機材料分子（アニオン）の間で、励起錯体が形成されることがある。
この励起錯体が基底状態に戻る過程で、有機発光材料分子の励起状態から基底状態のエネ
ルギー差の発光を生じる。同様な理由で有機発光材料分子とＰ型有機材料分子の間で励起
錯体が形成されることもある。

【0039】

なお、励起状態の有機発光材料分子が基底状態となるには、数μ秒以上の時間が必要であ
り、もし、従来の発光原理のようにホスト中に有機発光材料分子が分散された構造である
と、ある有機発光材料分子が励起状態にある間に、その近辺に電子と正孔が注入されると
、ホスト分子を励起状態とし、そのいくらかは有機発光材料分子が基底状態となる前に熱
失活してしまう。

【0040】

このような現象は、発光層に過剰な電圧が印加され、過剰な電流が流れる場合に観測され
る。この場合、通常以上に、ホストが励起され、熱失活することにより、ホストの劣化を
招く。

【0041】

しかし、上記のように、有機発光材料分子を有する層でＮ型有機材料とＰ型有機材料が分
離された構成では、その間の有機発光材料分子が励起状態であっても、Ｎ型有機材料の電
子がＰ型有機材料に注入される確率やＰ型有機材料の正孔がＮ型有機材料に注入される確
率は非常に少ない。このため、熱失活の確率が低下し、量子効率を改善できる。

【0042】

なお、この状態では、Ｎ型有機材料の層（負極側）に電子が、Ｐ型有機材料の層（正極側
）に正孔が滞留する状態であり、それらが外部電圧のいくらかを相殺し、有機発光材料に
注入される電流を自動的に制御する構成となる。すなわち、有機発光材料やＮ型有機材料
、Ｐ型有機材料に過剰な電流が注入され、それらが劣化することを防止できる。

【0043】

さらに、本発明の一態様では、Ｎ型有機材料からは電子が有機発光材料のＬＵＭＯに注入
され、Ｐ型有機材料からは正孔が有機発光材料のＨＯＭＯに注入されるが、後述するよう
に、Ｎ型有機材料（あるいはＰ型有機材料）の三重項励起状態のエネルギー準位と有機発
光材料の三重項励起状態のエネルギー準位との差を大きくしても、エネルギーの損失には
つながらない。

【0044】

そのため、Ｎ型有機材料の三重項励起状態のエネルギー準位と有機発光材料の三重項励起
状態のエネルギー準位との差を十分に大きくできる。すなわち、有機発光材料の三重項励
起状態がＮ型有機材料の三重項励起状態に遷移する確率は極めて小さくできる。有機発光
材料の三重項励起状態とＰ型有機材料の三重項励起状態の間においても同様である。

【0045】

なお、従来の構造の発光素子では、電子や正孔を閉じ込める目的から、正孔注入層、正孔
輸送層、電子注入層、電子輸送層等を設けているが、本発明の一態様では、それらの１つ
あるいは複数を設けなくてもよい。そのため、これらの層を形成する工程を省略すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

【0046】

【図1】本発明のさまざまな態様の例を説明する図。

【図2】従来の発光機構の様子を説明する図。

【図3】実施の形態１を説明する図。

【図4】実施の形態２を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0047】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、
以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

【0048】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様で使用できるＮ型有機材料、Ｐ型有機材料、有機発光
材料の例を示す。Ｎ型有機材料の例として、２−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル
）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）の構
造式を図３（Ａ）に示す。

【0049】

一般に、ベンゼン環のような６員環芳香環の構成原子に、窒素原子のような炭素よりも電
気陰性度が大きい原子（ヘテロ原子）を導入するとヘテロ原子に環上のπ電子が引きつけ
られ、芳香環は電子不足となりやすい。そのため、この部分で電子をトラップしやすい。
一般に６員環のヘテロ芳香族化合物はＮ型有機材料となりやすい。

【0050】

なお、２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩのＬＵＭＯ準位は−２．７８電子ボルト、ＨＯＭＯ準位
は−５．８８電子ボルト、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は２．５４電子ボ
ルトである。

【0051】

Ｐ型有機材料の例として、４、４’−ジ（１−ナフチル）−４’’−（９−フェニル−９
Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニルアミン（略称：ＰＣＢＮＢＢ）の構造式を図
３（Ｂ）に示す。一般に、窒素原子が、ベンゼン環のような芳香環の外側にあって環と結
合すると、窒素原子の非共有電子対がベンゼン環に供与されて電子過剰となり電子を放出
しやすくなる（すなわち、正孔をトラップしやすくなる）。図において点線で囲まれた部
分Ｂはπ電子が過剰となっている部位を示し、この部分で電子を放出（正孔をトラップ）
しやすい。一般に芳香族アミン化合物はＰ型有機材料となりやすい。

【0052】

なお、ＰＣＢＮＢＢのＬＵＭＯ準位は−２．３１電子ボルト、ＨＯＭＯ準位は−５．４６
電子ボルト、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は２．４０電子ボルトである。

【0053】

有機発光材料の例として、（アセチルアセトナト）ビス（４，６−ジフェニルピリミジナ
ト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）_２（ａｃａｃ）］）の構造式を図
３（Ｃ）に示す。一般にイリジウム錯体は、ＭＬＣＴ（Ｍｅｔａｌ ｔｏ Ｌｉｇａｎｄ
Ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）励起状態という励起状態を形成する。これは、金属
原子の軌道上にある電子が、配位子の軌道上に励起される状態であり、ＨＯＭＯが金属原
子付近に、ＬＵＭＯが配位子付近に存在することを意味する。

【0054】

なお、［Ｉｒ（ｄｐｐｍ）_２（ａｃａｃ）］のＬＵＭＯ準位は−２．９８電子ボルト、Ｈ
ＯＭＯ準位は−５．５６電子ボルト、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は２．
２２電子ボルトである。

【0055】

図３（Ｃ）に示すように電子は点線で囲まれた部分Ｃに示される配位子にトラップされ、
正孔は点線に囲まれた部分Ｄに示される金属原子から配位子にかけての領域でトラップさ
れる。

【0056】

なお、有機発光材料には、他にビス（３，５−ジメチル−２−フェニルピラジナト）（ジ
ピバロイルメタナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）_２（ｄｐ
ｍ）］）、ビス（２，３，５−トリフェニルピラジナト）（ジピバロイルメタナト）イリ
ジウム（ＩＩＩ）（略称：［Ｉｒ（ｔｐｐｒ）_２（ｄｐｍ）］）、（アセチルアセトナト
）ビス（６−ｔｅｒｔ−ブチル−４−フェニルピリミジナト）イリジウム（ＩＩＩ）（略
称：［Ｉｒ（ｔＢｕｐｐｍ）_２（ａｃａｃ）］）等を用いてもよい。

【0057】

［Ｉｒ（ｍｐｐｒ−Ｍｅ）_２（ｄｐｍ）］のＬＵＭＯ準位は−２．７７電子ボルト、ＨＯ
ＭＯ準位は−５．５０電子ボルト、三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差は２．２
４電子ボルトである。［Ｉｒ（ｔｐｐｒ）_２（ｄｐｍ）］のＬＵＭＯ準位は−２．２８電
子ボルト、ＨＯＭＯ準位は−５．２８電子ボルト、三重項励起状態と基底状態とのエネル
ギー差は１．９２電子ボルトである。

【0058】

また、Ｎ型有機材料としては、例えば、上述の２ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ以外にも、２−
［４−（３，６−ジフェニル−９Ｈ−カルバゾール−９−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ
，ｈ］キノキサリン（略称：２ＣｚＰＤＢｑ−ＩＩＩ）、７−［３−（ジベンゾチオフェ
ン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ，ｈ］キノキサリン（略称：７ｍＤＢＴＰＤＢｑ
−ＩＩ）、及び、６−［３−（ジベンゾチオフェン−４−イル）フェニル］ジベンゾ［ｆ
，ｈ］キノキサリン（略称：６ｍＤＢＴＰＤＢｑ−ＩＩ）、４，４’，４’’−（１，３
，５−ベンゼントリイル）トリ（ジベンゾチオフェン）（略称：ＤＢＴ３Ｐ−ＩＩ）のよ
うな電子を受け取りやすい化合物のうちいずれか一を用いればよい。

【0059】

またＰ型有機材料としては、上述のＰＣＢＮＢＢ以外にも、４，４’−ビス［Ｎ−（１−
ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢまたはα−ＮＰＤ）、及び
、４−フェニル−４’−（９−フェニル−９Ｈ−カルバゾール−３−イル）トリフェニル
アミン（略称：ＰＣＢＡ１ＢＰ）、９−フェニル−９Ｈ−３−（９−フェニル−９Ｈ−カ
ルバゾール−３−イル）カルバゾール（略称：ＰＣＣＰ）のような正孔を受け取りやすい
化合物を用いればよい。

【0060】

上記の材料を用いて、図１（Ａ）あるいは図１（Ｂ）に示される、Ｎ型有機材料の層１０
２、Ｐ型有機材料の層１０３、有機発光材料分子１０１あるいは有機発光材料分子を有す
る層１０５等を構成できる。なお、これらを構成するＮ型有機材料、Ｐ型有機材料、有機
発光材料の組み合わせは、実施の形態２で説明するように、ＨＯＭＯ準位、ＬＵＭＯ準位
等を考慮することで、発光効率を高めることができる。

【0061】

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の発光機構について図４を用いて説明する。図４（Ａ
）には、負極および正極から注入された電子と正孔が発光層にあるＮ型有機材料の層１０
２とＰ型有機材料の層１０３を伝導しつつ、有機発光材料の単分子膜（有機発光材料分子
１０１）に接近しつつある様子を示している。ここで、Ｎ型有機材料の層１０２を構成す
る分子のうち左の分子はアニオンであり、また、Ｐ型有機材料の層１０３を構成する分子
のうち右の分子はカチオンである。

【0062】

なお、Ｎ型有機材料のＬＵＭＯ準位Ｅｎ［電子ボルト］と有機発光材料のＬＵＭＯ準位Ｅ
ａ［電子ボルト］の間には、Ｅｎ−０．５＜Ｅａ＜Ｅｎ＋０．５の関係があることが好ま
しい。また、Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位Ｅｐ［電子ボルト］と有機発光材料のＨＯＭＯ
準位Ｅｂ［電子ボルト］の間には、Ｅｐ−０．５＜Ｅｂ＜Ｅｐ＋０．５の関係があること
が好ましい。なお、Ｅａ＞Ｅｂである。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、Ｅａ＝Ｅｎ、Ｅ
ｂ＝Ｅｐである。

【0063】

また、Ｎ型有機材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の間のエネルギー差は、有機発光材料
のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の間のエネルギー差より０．５電子ボルト以上大きいこと
が好ましい。同じく、Ｐ型有機材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の間のエネルギー差は
、有機発光材料のＨＯＭＯ準位とＬＵＭＯ準位の間のエネルギー差より０．５電子ボルト
以上大きいことが好ましい。

【0064】

このような条件では、Ｎ型有機材料およびＰ型有機材料の三重項励起状態と基底状態との
エネルギー差は、有機発光材料の三重項励起状態と基底状態とのエネルギー差より大きく
なる。

【0065】

図４（Ｂ）には、Ｎ型有機材料の層１０２を伝導した電子とＰ型有機材料の層１０３を伝
導した正孔が、それぞれ、有機発光材料分子のＬＵＭＯとＨＯＭＯに注入された様子を示
している。このようにして、有機発光材料分子は三重項励起状態（励起子となり、発光す
る。

【0066】

ここで、注目すべきは、有機発光材料の三重項励起状態のエネルギー準位は、Ｎ型有機材
料、Ｐ型有機材料のエネルギー準位よりも十分に低いため、有機発光材料の三重項励起状
態がＮ型有機材料もしくはＰ型有機材料に遷移することはほとんどないということである
。そのことを図４（Ｃ）を用いて説明する。

【0067】

図４（Ｃ）において、Ｓ０＿ｈはＮ型あるいはＰ型有機材料の基底状態の、Ｔ１＿ｈはＮ
型あるいはＰ型有機材料の三重項励起状態の、Ｓ１＿ｈはＮ型あるいはＰ型有機材料の一
重項励起状態の、Ｓ０＿ｇは有機発光材料の基底状態の、Ｔ１＿ｇは有機発光材料の三重
項励起状態の、Ｓ１＿ｇは有機発光材料の一重項励起状態の、それぞれエネルギーレベル
を示す。

【0068】

有機発光材料が三重項励起状態となる過程においては、直接再結合過程（ＧＣＣＨ）がほ
とんどであり、Ｎ型有機材料あるいはＰ型有機材料の励起状態は関与せず、したがって、
Ｎ型有機材料あるいはＰ型有機材料から有機発光材料へのエネルギー移動過程を考慮する
必要が無い。そのため有機発光材料を励起させる効率が高い。

【0069】

また、エネルギー移動過程を考慮する必要が無いので、有機発光材料の三重項励起状態と
Ｎ型有機材料（あるいはＰ型有機材料）の三重項励起状態とのエネルギー準位の差を大き
くすることも可能である。このため、有機発光材料分子が三重項励起状態となった後にお
いても、有機発光材料分子の三重項励起状態がＮ型（あるいはＰ型）有機材料分子の三重
項励起状態に遷移する確率は極めて小さく、この面でも効率を高めるうえで好ましい。

【符号の説明】

【0070】

１０１ 有機発光材料分子
１０２ Ｎ型有機材料の層
１０３ Ｐ型有機材料の層
１０４ 発光層
１０５ 有機発光材料分子を有する層
１０６ 正極
１０７ 負極
１０８ 正孔注入層
１０９ 正孔輸送層
１１０ 電子注入層
１１１ 電子輸送層
２０１ 有機発光材料分子
２０２ ホスト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】