特許 7583952 発光素子、及び表示装置

(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】

(24)【登録日】2024-11-06

(45)【発行日】2024-11-14

(54)【発明の名称】発光素子、及び表示装置

(51)【国際特許分類】

   H10K 50/115 20230101AFI20241107BHJP

   H05B 33/14 20060101ALI20241107BHJP

   H05B 33/12 20060101ALI20241107BHJP

   H05B 33/22 20060101ALI20241107BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20241107BHJP

   H10K 50/16 20230101ALI20241107BHJP

   H10K 101/40 20230101ALN20241107BHJP

【ＦＩ】

H10K50/115

H05B33/14 Z

H05B33/12 B

H05B33/22 Z

H05B33/12 E

G02B5/20 101

H05B33/22 A

H10K50/16

H10K101:40

【請求項の数】 36

(21)【出願番号】P 2023548041

(86)(22)【出願日】2021-09-16

(86)【国際出願番号】 JP2021034172

(87)【国際公開番号】W WO2023042352

(87)【国際公開日】2023-03-23

【審査請求日】2023-12-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147304

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 知哉

(74)【代理人】

【識別番号】100148493

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 浩二

(72)【発明者】

【氏名】吐田 真一

(72)【発明者】

【氏名】榊原 裕介

【審査官】渡邊 吉喜

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１８０８７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５２４４４５１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｋ ５０／００－９９／００

Ｇ０２Ｂ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、
電子輸送層と、
を有し、
前記電子輸送層が、第１粒径分布を有する第１材料、及び、前記第１粒径分布と異なる第２粒径分布を有する第２材料を含むか、又は、Ａ_１－ｘＢ_ｘＣ（０≦ｘ＜１、Ａ、Ｂ、及びＣは互いに異なる第１元素、第２元素、及び第３元素）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる第１材料及び第２材料を含むか、又は、構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料を含み、
前記第１発光材料の電子親和力が、前記第１材料の電子親和力以下であり、
前記第２材料の電子親和力が、前記第１材料の電子親和力よりも小さく、
前記第２発光材料の電子親和力が、前記第２材料の電子親和力以下である発光素子。

【請求項2】

前記電子輸送層に含まれる前記第１材料の電子親和力及び前記第２材料の電子親和力が、互いに０．１ｅＶ以上異なる請求項１に記載の発光素子。

【請求項3】

前記電子輸送層の第１材料及び第２材料は、それぞれ無機化合物からなる請求項１又は２に記載の発光素子。

【請求項4】

前記第１材料及び前記第２材料が、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる材料である請求項１から３の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項5】

前記構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料の組合せが、
（１）ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも1つ、
（２）ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つ、
（３）ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つ、
から選択される異なる２つの組合せを含む請求項１から３の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項6】

前記発光層の混合物に前記第１波長、および前記第２波長と異なる第３波長の光を発光する第３発光材料がさらに混合されており、
前記電子輸送層に、前記第１粒径分布及び前記第２粒径分布と異なる第３粒径分布を有する第３材料か、又は、前記Ａ_１－ｘＢ_ｘＣ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が前記第１材料及び前記第２材料と異なる第３材料か、又は、構成元素が前記第１材料及び前記第２材料と異なる第３材料がさらに混合されており、
前記第３材料の電子親和力が、前記第２材料の電子親和力よりも小さく、前記第３発光材料の電子親和力が、前記第３材料の電子親和力以下である請求項１から５の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項7】

前記Ａ_１－ｘＢ_ｘＣ（０≦ｘ＜１）の前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料が、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる材料である請求項６に記載の発光素子。

【請求項8】

前記構成元素が互いに異なる第１材料、第２材料、及び第３材料のうち、
前記第１材料が、ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２材料が、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つを含み、
前記第３材料が、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つを含む請求項６に記載の発光素子。

【請求項9】

前記第１発光材料の電子親和力と前記第２発光材料の電子親和力とが互いに異なる請求項１から８の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項10】

前記第１発光材料の電子親和力が前記第２発光材料の電子親和力以上である場合、
前記第１材料の電子親和力が前記第１発光材料の電子親和力以上であり、
前記第１発光材料の電子親和力が前記第２材料の電子親和力以上であり、
前記第２材料の電子親和力が前記第２発光材料の電子親和力以上である請求項１から９の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項11】

前記第１材料及び前記第２材料は、ナノ粒子を含む請求項１から１０の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項12】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
その電子親和力が小さい順に前記電子輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項６に記載の発光素子。

【請求項13】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
陰極との間の界面近傍において、その電子親和力の大きい順に、前記電子輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項６に記載の発光素子。

【請求項14】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
前記発光層との間の界面近傍において、その電子親和力が小さい順に、前記電子輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項６に記載の発光素子。

【請求項15】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料のうちの電子親和力の最も大きいナノ粒子は、陰極側から前記発光層側に向かって減少する請求項６に記載の発光素子。

【請求項16】

前記電子親和力の最も大きいナノ粒子以外のナノ粒子は、前記陰極側から前記発光層側に向かって増加する請求項１５に記載の発光素子。

【請求項17】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、ＺｎＯからなり、
前記第１材料のナノ粒子の平均粒径が、４．５ｎｍ以上であり、
前記第２材料のナノ粒子の平均粒径が、３．５ｎｍ以上４．５ｎｍ未満であり、
前記第３材料のナノ粒子の平均粒径が、２．８ｎｍ以上３．５ｎｍ未満である請求項６に記載の発光素子。

【請求項18】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、それぞれＺｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯからなるナノ粒子を含み、
前記第１材料のナノ粒子が、０≦ｘ≦０．１５であり、
前記第２材料のナノ粒子が、０．１５＜ｘ≦０．３であり、
前記第３材料のナノ粒子が、０．３＜ｘ≦０．５である請求項６に記載の発光素子。

【請求項19】

前記第１材料が、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２、及びＺｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ≦０．１５）から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２材料が、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、ＺｒＯ_２、及びＺｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０．１５＜ｘ≦０．３）から選択された少なくとも１つを含み、
前記第３材料が、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、ＣａＳｎＯ_３、及びＺｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０．３＜ｘ≦０．５）から選択された少なくとも１つを含む請求項６に記載の発光素子。

【請求項20】

第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、
電子輸送層と、
を有し、
前記電子輸送層が、第１粒径分布を有する第１材料、及び、前記第１粒径分布と異なる第２粒径分布を有する第２材料を含むか、又は、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる第１材料及び第２材料を含むか、又は、構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料の組合せを含み、
前記構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料の組合せが、
（１）ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも1つ、
（２）ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つ、
（３）ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つ、
から選択される異なる２つの組合せを含む発光素子。

【請求項21】

第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、
正孔輸送層と、
を有し、
前記正孔輸送層が、第１材料及び第２材料を含み、
前記第１発光材料のイオン化ポテンシャルが、前記第１材料のイオン化ポテンシャル以上であり、
前記第２材料のイオン化ポテンシャルが、前記第１材料のイオン化ポテンシャルよりも大きく、
前記第２発光材料のイオン化ポテンシャルが、前記第２材料のイオン化ポテンシャル以上である発光素子。

【請求項22】

前記発光層の混合物に前記第１波長、および前記第２波長と異なる第３波長の光を発光する第３発光材料がさらに混合されており、
前記正孔輸送層が、第３材料をさらに含み、
前記第３材料のイオン化ポテンシャルが、前記第２材料のイオン化ポテンシャルよりも大きく、
前記第３発光材料のイオン化ポテンシャルが、前記第３材料のイオン化ポテンシャル以上である請求項２１に記載の発光素子。

【請求項23】

前記第１発光材料のイオン化ポテンシャルと前記第２発光材料のイオン化ポテンシャルとが互いに異なる請求項２１又は２２に記載の発光素子。

【請求項24】

前記第１発光材料の材料と前記第２発光材料の材料とが互いに異なる請求項２１から２３の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項25】

前記第１発光材料のイオン化ポテンシャルが前記第２発光材料のイオン化ポテンシャルよりも小さい場合、
前記第１材料のイオン化ポテンシャルが前記第１発光材料のイオン化ポテンシャル以下であり、
前記第１発光材料のイオン化ポテンシャルが前記第２材料のイオン化ポテンシャルよりも小さく、
前記第２材料のイオン化ポテンシャルが前記第２発光材料のイオン化ポテンシャル以下である請求項２１から２４の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項26】

前記第１材料及び前記第２材料は、ナノ粒子を含む請求項２１から２４の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項27】

前記第１材料及び前記第２材料は、それぞれＮｉ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）からなるナノ粒子を含み、
組成（ｘ）が互いに異なる請求項２１から２４の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項28】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
そのイオン化ポテンシャルが大きい順に前記正孔輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項２２に記載の発光素子。

【請求項29】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
陽極との間の界面近傍において、そのイオン化ポテンシャルの小さい順に、前記正孔輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項２２に記載の発光素子。

【請求項30】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
前記発光層との間の界面近傍において、そのイオン化ポテンシャルが大きい順に、前記正孔輸送層に含まれる体積比率が大きい請求項２２に記載の発光素子。

【請求項31】

前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料は、ナノ粒子を含み、
前記第１材料、前記第２材料、及び前記第３材料のうちのイオン化ポテンシャルの最も小さいナノ粒子は、陽極側から前記発光層側に向かって減少する請求項２２に記載の発光素子。

【請求項32】

前記イオン化ポテンシャルの最も小さいナノ粒子以外のナノ粒子は、前記陽極側から前記発光層側に向かって増加する請求項３１に記載の発光素子。

【請求項33】

前記第１発光材料が第１量子ドットであり、
前記第２発光材料が第２量子ドットである請求項１から３２の何れか一項に記載の発光素子。

【請求項34】

請求項１から３３の何れか一項に記載の発光素子を複数備え、
前記複数の発光素子が、陽極と、
陰極と、
前記複数の発光素子の隣接する陰極の間に配置されて前記隣接する陰極を分離可能であるか、又は、前記複数の発光素子の隣接する陽極の間に配置されて前記隣接する陽極を分離可能である側壁とをさらに有する表示装置。

【請求項35】

請求項１から３３の何れか一項に記載の発光素子を複数備え、
前記複数の発光素子が、陽極と、
陰極と、
隣接する前記発光素子の間に配置されて前記隣接する発光素子を分離可能である側壁とをさらに有する表示装置。

【請求項36】

前記発光素子に異なる波長の光を透過させる複数のカラーフィルタを備えた請求項３４又は３５に記載の表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１波長の光を発光する第１発光材料と、第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層を備えた発光素子、及び表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、赤色光を発光する第１量子ドットと、緑色光を発光する第２量子ドットと、青色光を発光する第３量子ドットとが混合されている混合物を含む発光層を備えた発光素子が知られている（特許文献１）。この発光素子は、発光層の上側に形成されたカラーフィルタによって、赤色光、緑色光、及び青色光の何れかを透過させて発光する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開公報第2019/180877号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、発光色が異なると各量子ドットの電子親和力がそれぞれ異なるため、各量子ドットに対して効率よく電子を注入できる電子輸送層の電子親和力も異なる。従って、単一の電子親和力を有する材料により電子輸送層を構成すると、赤色光、緑色光、及び青色光の全体の発光効率を高くすることができないという課題が存在する。

【0005】

本発明の一態様は、第１波長の光と、第１波長と異なる第２波長の光との全体の発光効率を高めることができる発光素子、及び表示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る発光素子は、第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、電子輸送層と、を有し、前記電子輸送層が、第１粒径分布を有する第１材料、及び、前記第１粒径分布と異なる第２粒径分布を有する第２材料を含むか、又は、Ａ_１－ｘＢ_ｘＣ（０≦ｘ＜１、Ａ、Ｂ、及びＣは互いに異なる第１元素、第２元素、及び第３元素）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる第１材料及び第２材料を含むか、又は、構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料を含み、前記第１発光材料の電子親和力が、前記第１材料の電子親和力以下であり、前記第２材料の電子親和力が、前記第１材料の電子親和力よりも小さく、前記第２発光材料の電子親和力が、前記第２材料の電子親和力以下である。

【0007】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る他の発光素子は、第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、電子輸送層と、を有し、前記電子輸送層が、第１粒径分布を有する第１材料、及び、前記第１粒径分布と異なる第２粒径分布を有する第２材料を含むか、又は、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる第１材料及び第２材料を含むか、又は、構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料の組合せを含み、前記構成元素が互いに異なる第１材料及び第２材料の組合せが、
（１）ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも1つ、（２）ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つ、（３）ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つ、から選択される異なる２つの組合せを含む。

【0008】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係るさらに他の発光素子は、第１波長の光を発光する第１発光材料と、前記第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２発光材料とが混合されている混合物を含む発光層と、正孔輸送層と、を有し、前記正孔輸送層が、第１材料及び第２材料を含み、前記第１発光材料のイオン化ポテンシャルが、前記第１材料のイオン化ポテンシャル以上であり、前記第２材料のイオン化ポテンシャルが、前記第１材料のイオン化ポテンシャルよりも大きく、前記第２発光材料のイオン化ポテンシャルが、前記第２材料のイオン化ポテンシャル以上である。

【0009】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る他の表示装置は、本発明の一態様に係る発光素子を複数備え、前記複数の発光素子が、陽極と、陰極と、前記複数の発光素子の隣接する陰極の間に配置されて前記隣接する陰極を分離可能であるか、又は、前記複数の発光素子の隣接する陽極の間に配置されて前記隣接する陽極を分離可能である側壁とをさらに有する。

【0010】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係るさらに他の表示装置は、本発明の一態様に係る発光素子を複数備え、前記複数の発光素子が、陽極と、陰極と、隣接する前記発光素子の間に配置されて前記隣接する発光素子を分離可能である側壁とをさらに有する。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、第１波長の光と、第１波長と異なる第２波長の光との全体の発光効率を高めることができる発光素子、及び表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１に係る発光素子の断面図である。

【図2】上記発光素子に設けられた発光層に電子が注入される流れを示す図である。

【図3】上記発光素子に設けられた電子輸送層から発光層への電子の注入を説明するための図である。

【図4】上記電子輸送層から発光層への電子の注入に関する等価回路の回路図である。

【図5】上記電子輸送層から発光層への電子の注入障壁を説明するための図である。

【図6】上記電子輸送層から発光層へ電子を注入するイメージを説明するための図である。

【図7】上記電子輸送層の材料の粒子半径とバンドギャップ及び電子親和力との間の関係を示すグラフである。

【図8】上記電子輸送層の材料の組成と電子親和力との間の関係を示すグラフである。

【図9】実施形態１の変形例に係る表示装置の断面図である。

【図10】実施形態２に係る発光素子の断面図である。

【図11】実施形態１に係る発光素子に設けられた発光層の電子準位を説明するための図である。

【図12】実施形態２に係る発光素子に設けられた発光層の電子準位を説明するための図である。

【図13】上記発光素子に設けられた正孔輸送層から発光層への正孔の注入障壁を説明するための図である。

【図14】実施形態２の変形例に係る表示装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施形態１）
図１は実施形態１に係る発光素子１の断面図である。基板９上に陽極８、正孔輸送層６、発光層１０、電子輸送層５、及び陰極７を順に備えている。発光層１０は、赤色光（第１波長の光）を発する第１量子ドット２（第１発光材料）と、緑色光（第２波長の光）を発する第２量子ドット３（第２発光材料）と、青色光を発光する第３量子ドット４（第３発光材料）とを混合した混合物を含む。発光層１０は赤緑青の３つの波長を持った白色光を発光することができる。ここでは発光層１０は３種類の量子ドットの混合物を示しているが２種類の量子ドットの混合物でも構わない。

【0014】

ここで、量子ドットとは、最大幅が１００ｎｍ以下のドットを意味する。量子ドットの形状は、上記最大幅を満たす範囲であればよく、特に制約されず、球状の立体形状（円状の断面形状）に限定されるものではない。例えば、多角形状の断面形状、棒状の立体形状、枝状の立体形状、表面に凹凸を有す立体形状でもよく、または、それらの組合せでもよい。

【0015】

このように、発光層１０は、第１波長の光を発光する第１量子ドット２と、第１波長と異なる第２波長の光を発光する第２量子ドット３とが混合されている混合物を含む。ここで、波長が異なるとは、２つの波長範囲が完全に分離される必要はなく、重複する波長範囲があってもよく、第１及び第２量子ドット２・３を含む発光層１０からの発光波長を測定した結果、少なくとも２つの発光ピークが確認できれば、その発光層１０は２つの異なる波長の光を発光しているものとする。

【0016】

陽極８は、導電性材料からなり、正孔輸送層６と電気的に接続される。陰極７は、導電性材料からなり、電子輸送層５と電気的に接続される。

【0017】

陽極８と陰極７との少なくとも一方は透明導電膜からなる。透明導電膜としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＢＺＯ等や薄層化、ナノ粒子化、ナノワイヤ化したＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等が用いられる。透明導電膜はスパッタ法や蒸着、塗布等で製膜することができる。

【0018】

陽極８と陰極７とのいずれか一方は金属で形成しても良い。この金属は可視光の反射率の高いＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇが好ましい。

【0019】

正孔輸送層６は、ｐ型酸化物半導体（例えばＮｉＯ、ＭｇＮｉＯ、Ｃｕ_２Ｏ）やＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＰＶＫ等の有機材料から形成される。正孔輸送層６は、塗布やスパッタ法、蒸着等によって形成できる。

【0020】

第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４は、例えば、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＩｎＰ／ＺｎＳ、ＺｎＳｅ／ＺｎＳ、ＣＩＧＳ／ＺｎＳ等のコア／シェル構造を用いることができる。各量子ドット２・３・４の粒径は典型的には３ｎｍ～１０ｎｍ程度である。それぞれの量子ドット２・３・４を混合しヘキサン等の溶媒に分散した混合液を、スピンコート法、インクジェット法などを用いて発光層１０が成膜される。無機物質からなるナノ粒子は有機材料よりも発光層の信頼性を高くすることができる。

【0021】

第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４は量子ドットのコアの粒径や材料により発光する波長を変えることができる。材料が同じ場合にはコアの粒径が小さいほど発する光の波長が短くなる。

【0022】

発光層１０において第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４はどのような分布や配置であっても構わない。しかし、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４がそれぞれランダムに分布している方が好ましい。色ムラが発生せず均一な発光素子１を得ることができる。また発光波長の短い量子ドットほど分布割合が多くなっていることが好ましい。発光波長の短い量子ドットほど発光効率が低く、分布割合を多くすることにより白色を発光しやすくすることができる。

【0023】

電子輸送層５は、異なる２つ以上の電子親和力を持つナノ粒子の混合物である。発光層１０に含まれる量子ドットが３種類の場合は、電子親和力が３つになって、電子輸送層５は３つの電子親和力を持つ３種類のナノ粒子の混合物であることが好ましい。これにより、電子輸送層５は、３種類の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれに電子を効率よく注入することができるので、全体の発光効率を高くすることができる。電子輸送層５のナノ粒子は、無機化合物からなることで信頼性を高くすることができる。

【0024】

電子輸送層５は、第１粒径分布を有する第１材料、及び、第１粒径分布と異なる第２粒径分布を有する第２材料を含む。例えば、粒径１２ｎｍを中心に約±１５％以内の粒径分布を有する第１材料と、粒径４ｎｍを中心に約±１５％以内の粒径分布を有する第２材料とを電子輸送層５は含む。

【0025】

ここで、「粒径」とは、粒子を含む層の断面観察において確認される粒子の面積に相当する面積の円の直径のこととする。「粒径分布が異なる」とは、２つの粒径分布が完全に分離される必要はなく、重複する粒径範囲があってもよく、第１材料及び第２材料を含む電子輸送層５の断面観察をした結果、少なくとも２つの粒径ピークが確認できれば、その電子輸送層５は２つの異なる粒径分布の粒子を含んでいるものとする。

【0026】

電子輸送層５は、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）により構成され、組成（ｘ）が互いに異なる第１材料及び第２材料を含んでもよい。電子輸送層５は、ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも1つ、又は、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つ、又は、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つのうちのいずれかを含む第１材料及び第２材料を含んでもよい。

【0027】

電子輸送層５は、第１粒径分布及び第２粒径分布と異なる第３粒径分布を有する第３材料をさらに含む。例えば、粒径１２ｎｍを中心に約±１５％以内の粒径分布を有する第１材料と、粒径４ｎｍを中心に約±１５％以内の粒径分布を有する第２材料と、粒径３ｎｍを中心に約±１５％以内の粒径分布を有する第３材料とを電子輸送層５は含む。

【0028】

電子輸送層５は、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）、により構成され、組成（ｘ）が第１材料及び第２材料と異なる第３材料か、又は、ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも1つを含む第１材料、及び、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つを含む第２材料、及び、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つを含む第３材料を含んでもよい。

【0029】

電子輸送層５は、例えば、平均粒径が１２ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍの３種類のＺｎＯのナノ粒子の混合物となっていることが好ましい。これにより、電子輸送層５が、３種類の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれの発光効率を高くする電子親和力を持つことができる。一般にナノ粒子は粒径を小さくすると量子効果によりバンドギャップが広がり、電子親和力が小さくなる。平均粒径が１２ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍのＺｎＯナノ粒子は電子親和力がそれぞれ３．９ｅＶ、３．５ｅＶ、３．１ｅＶとなり、これらを混合して３つの電子親和力を持つ電子輸送層５を実現している。

【0030】

ここで平均粒径１２ｎｍのナノ粒子とは１２ｎｍを中心に約±１５％以内のばらつきを含んだナノ粒子のことであり、粒径のばらつき内の粒子をもって異なる電子親和力を持つとは言わない。

【0031】

この電子輸送層５の３種類のナノ粒子は、同一材料であるのでナノ粒子の合成時間を調整すれば容易に作製可能であり、結晶構造も同じであり、電気伝導性等は大きくは変化しない。

【0032】

異なる電子親和力を持たせるために、例えば、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）でｘ＝０、０．２、０．４のように組成を変化させて電子輸送層５の３種類のナノ粒子を実現することもできるし、ＴｉＯ_２など異なる材料を用いて３種類のナノ粒子を実現してもよい。また粒径と組成とを同時に変化させて３種類のナノ粒子を実現することもできる。

【0033】

それぞれのナノ粒子を公知技術により作製し、エタノール等の有機溶媒に混合した混合液をスピンコート法やインクジェット法などを用いて電子輸送層５を形成する。

【0034】

本実施形態では、発光層１０はＲＧＢ３色の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４の混合物を含み、それぞれの量子ドットの電子親和力は、ＱＤ１＝３．６ｅＶ、ＱＤ２＝３．３ｅＶ、ＱＤ３＝２．９ｅＶであった。また、電子輸送層５は、平均粒径が１２ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍのＺｎＯナノ粒子の混合物として、電子親和力が大きい順に３．９ｅＶ（ＥＴＬ１）、３．５ｅＶ（ＥＴＬ２）、３．１ｅＶ（ＥＴＬ３）にした。

【0035】

図２は発光素子１の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４それぞれに電子が注入される流れを示す図である。

【0036】

図２には、実施形態１に係る第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４と、陰極７との間のバンド図と、陰極７から第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４への電子の注入の流れを表す矢印とが示されている。電子は電圧印加に伴い、電子親和力の大きい方から小さい方へ順に注入されていく。

【0037】

電子輸送層５は３つの電子親和力ＥＴＬ１・ＥＴＬ２・ＥＴＬ３を持っており、電圧が陽極８と陰極７との間で印加されるに伴い、まず最も大きい電子親和力ＥＴＬ１の電子輸送層５の箇所に陰極７から電子が注入される。そして、次に大きい電子親和力ＥＴＬ２の電子輸送層５の箇所に電子親和力ＥＴＬ１の箇所から電子が注入される。次に、一番小さい電子親和力ＥＴＬ３の電子輸送層５の箇所に電子親和力ＥＴＬ２の箇所から電子が注入されていく。

【0038】

電子親和力ＱＤ１を有する第１量子ドット２については、電子はまず陰極７から電子親和力ＥＴＬ１の箇所に注入される。そして、電子親和力ＥＴＬ２の箇所に注入されるよりも前に、電子親和力ＥＴＬ１の箇所から電子親和力ＱＤ１の第１量子ドット２に電子を注入することができる。

【0039】

電子親和力ＱＤ２を有する第２量子ドット３については、電子はまず陰極７から電子親和力ＥＴＬ１の箇所に注入される。そして、電子親和力ＥＴＬ１の箇所から電子親和力ＥＴＬ２の箇所に電子は注入される。次に、電子親和力ＥＴＬ３の箇所に注入されるよりも前に、電子親和力ＥＴＬ２の箇所から電子親和力ＱＤ２の第２量子ドット３に電子を注入することができる。

【0040】

電子親和力ＱＤ３を有する第３量子ドット４については、電子はまず陰極７から電子親和力ＥＴＬ１の箇所に注入される。そして、電子親和力ＥＴＬ１の箇所から電子親和力ＥＴＬ２の箇所に注入される。次に、電子親和力ＥＴＬ２の箇所から電子親和力ＥＴＬ３の箇所に注入された後、電子親和力ＱＤ３の第３量子ドット４に電子を注入することができる。

【0041】

このように、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４の各量子ドットに対し、発光効率が高い適切な電子親和力ＥＴＬ１・ＥＴＬ２・ＥＴＬ３の箇所から電子が注入される。他のＥＴＬの箇所からはほとんど電子が注入されない。これについて図４の回路図で説明する。

【0042】

図３は発光素子１に設けられた電子輸送層５から第２量子ドット３への電子の注入を説明するための図である。図４は電子輸送層５から発光層（第１量子ドット２、または第２量子ドット３、または第３量子ドット４）への電子の注入に関する等価回路の回路図である。図５は電子輸送層５から第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４への電子の注入障壁を説明するための図である。

【0043】

電子輸送層５から発光層１０への電子の注入について回路図で示すと、電子輸送層５は、図４に示すように、ダイオードと抵抗との直列回路が３つ並列に配置されているように示すことができる。

【0044】

ダイオードの電流は、
Ｉ＝Ｉ０［ｅｘｐ｛ｑ（Ｖ－φ）／ｎｋＴ｝－１］、
で表すことができる。

【0045】

ここで、φはダイオードの注入障壁高さに相当するが、その大きさは電子輸送層５から第１量子ドット２、第２量子ドット３、又は第３量子ドット４への注入障壁と相関する。ダイオードの電流Ｉは電圧に対して指数関数的に増加し、注入障壁高さφにより大きく電流Ｉが変化し、注入障壁高さφが小さいダイオードに殆どの電流が流れる。

【0046】

例えば、図３に示すように、緑色光を発する第２量子ドット３に電子輸送層５から電子が注入されるときに、第２量子ドット３の電子親和力ＱＤ２まで電子が注入されている場合を考える。電子輸送層５の電子親和力ＥＴＬ１・ＥＴＬ２・ＥＴＬ３からの注入障壁は、電子親和力ＥＴＬ１（３．９ｅＶ）から電子親和力ＱＤ２（３．３ｅＶ）への注入で０．６ｅＶであり、電子親和力ＥＴＬ２（３．５ｅＶ）から電子親和力ＱＤ２（３．３ｅＶ）への注入で０．２ｅＶである。電子親和力ＥＴＬ３の場合は、電子親和力ＥＴＬ２（３．５ｅＶ）から電子親和力ＥＴＬ３（３．１ｅＶ）を電子が通過するので注入障壁は０．４ｅＶとなる。このように電子親和力ＥＴＬ２からの注入障壁が最も小さいので、第２量子ドット３にはほぼ電子親和力ＥＴＬ２から電子が注入されることになる。

【0047】

他の第１量子ドット２及び第３量子ドット４の場合も上記と同様になり、注入障壁高さφの大小関係は図５に示すようになる。

【0048】

電子輸送層５が複数の電子親和力ＥＴＬ１・ＥＴＬ２・ＥＴＬ３を有していると、電子輸送層５に単一の電子親和力を用いる場合に比べて、ＲＧＢの第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれに適した低電圧で電子輸送層５から電子を注入することができる。

【0049】

従って、それぞれ異なる発光波長の光を発する第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれに対して注入効率の高くなる電子親和力をもつナノ粒子を、第１材料、第２材料、及び第３材料として適宜選択して混合した混合物を電子輸送層５に含めることにより、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４は発光層１０内でそれぞれ効率よく発光することができる。

【0050】

そのため、電子輸送層５は発光層１０内に含まれる量子ドットが発光する色の数と同じ数だけ異なる電子親和力をもつことが好ましく、３色の場合、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４の電子親和力を、大きい順に電子親和力ＱＤ１、電子親和力ＱＤ２、電子親和力ＱＤ３とし、電子輸送層５の電子親和力を、大きい順に電子親和力ＥＴＬ１、電子親和力ＥＴＬ２、電子親和力ＥＴＬ３としたときには、
ＱＤ３≦ＥＴＬ３＜ＱＤ２≦ＥＴＬ２＜ＱＤ１≦ＥＴＬ１、
であることが好ましい。各発光色の量子ドットに適した電子親和力からの電子注入が可能となり、各発光色の量子ドットとも発光効率を高くすることができ、全体としての発光効率が高くなる。

【0051】

また、電子親和力の差が０．１ｅＶ異なるごとに約５０倍電流の注入されやすさが異なるので、上記第１材料、第２材料、及び第３材料のお互いのナノ粒子の電子親和力の差は０．１ｅＶ以上あることが好ましい。第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のうちの適した量子ドットに優先的に電流を流すことができる。さらにＲＧＢの第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４の電子親和力の差が０．３ｅＶ以上異なるので、ナノ粒子の電子親和力の差が０．３ｅＶ以上あれば各色の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４に対して注入効率が高くなるナノ粒子を電子輸送層５に備えることができる。

【0052】

また、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯは、ｘが大きくなる程、一般には電子親和力が小さくなる程、電子濃度が低下して抵抗率が高くなる。また、一般にＲＧＢの順（電子親和力が小さくなる順）に量子ドットの発光効率が低くなる。このため、電子親和力の小さいナノ粒子ほど体積比率を多くすることで、電子親和力の小さいナノ粒子へ電子を注入しやすくして、発光効率の低くなる色ほど、発光効率を向上できる。従って、発光素子１の全体の発光効率をバランス良く高くすることができる。また陰極７からは電子親和力が大きいナノ粒子に電子が注入されやすいので、陰極７の界面近傍において、電子親和力の大きいナノ粒子が最も体積比率が大きい方が好ましい。これにより、陰極７から電子輸送層５に電子が注入されやすくなる。陰極７の界面で電子親和力の大きいナノ粒子の体積比率が１００％であってもよい。

【0053】

本明細書において、界面近傍とは、界面から３０ｎｍ以内の部分を指すものとする。

【0054】

電子輸送層５の電子親和力ＥＴＬ１を有する材料、電子親和力ＥＴＬ２を有する材料、及び電子親和力ＥＴＬ３を有する材料は、互いに異なる材料を用いることができる。例えば、電子親和力ＥＴＬ１を有する材料として、ＴｉＯ_２（電子親和力４．２ｅＶ）、ＳｎＯ_２（電子親和力４．２ｅＶ）を用いることができる。電子親和力ＥＴＬ２を有する材料として、ＧａＰ（電子親和力３．５ｅＶ）、ＡｌＳｂ（電子親和力３．４ｅＶ）、ＺｒＯ_２（電子親和力３．４ｅＶ）を用いることができる。電子親和力ＥＴＬ３を有する材料として、ＧａＮ（電子親和力３．２ｅＶ）、ＺｎＳ（電子親和力３．２ｅＶ）、ＺｎＴｅ（電子親和力３．２ｅＶ）、Ｃａ_２ＳｎＯ_４（電子親和力３．０ｅＶ）、ＣａＳｎＯ_３（電子親和力３．２ｅＶ）などを用いることができる。

【0055】

ここで各材料の電子親和力とイオン化ポテンシャルは以下の（表１）に記載された数字として扱う。

【0056】

【表1】

図６は電子輸送層５から発光層１０へ電子を注入するイメージを説明するための図である。

【0057】

左から順に陰極７と陽極８との間に印加する電圧を高くした状態を図６は示している。

【0058】

まず、陰極７と陽極８との間に電圧Ｖ１が印加された場合は陰極７から電子輸送層５には電子が注入されていない。次に、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２に増加した場合には、陰極７から電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料に電子が注入される。次に、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に増加したときにおいて、電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料から第１量子ドット２に電子が注入されて、第１量子ドット２が赤色光を発する。

【0059】

次に、電圧Ｖ３から電圧Ｖ４に増加したときにおいて、電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料から電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料に電子が注入される。そして、電圧Ｖ４から電圧Ｖ５に増加したときにおいて、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料から第２量子ドット３に電子が注入されて、第２量子ドット３が緑色光を発する。

【0060】

次に、電圧Ｖ５から電圧Ｖ６に増加したときにおいて、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料から電子親和力ＥＴＬ３を有する電子輸送層５の第３材料に電子が注入される。次に、電圧Ｖ６から電圧Ｖ７に増加したときにおいて、電子親和力ＥＴＬ３を有する電子輸送層５の第３材料から第３量子ドット４に電子が注入されて、第３量子ドット４が青色光を発する。ここで発光層１０から赤色光、緑色光、青色光が同時に発せられて白色を発する。

【0061】

陰極７と電子輸送層５との間の界面近傍では、電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料は、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料よりも体積比率が大きいことが好ましく、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料は、電子親和力ＥＴＬ３を有する電子輸送層５の第３材料よりも体積比率が大きいことが好ましい。電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料は、体積比率が１００％であることがより好ましい。電子親和力ＥＴＬ１を有する第１材料は電子親和力ＥＴＬ２を有する第２材料よりも陰極７から電子が注入されやすいからである。

【0062】

電子輸送層５と発光層１０との間の界面近傍では、電子親和力ＥＴＬ３を有する電子輸送層５の第３材料は、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料よりも体積比率が大きいことが好ましく、電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料は、電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料よりも体積比率が大きいことが好ましい。

【0063】

量子ドットの発光効率の低い青色光の第３量子ドット４、緑色光の第２量子ドット３、及び赤色光の第１量子ドット２の順番に、電子輸送層５の対応する第３材料、第２材料、及び第１材料の体積比率が多い方が、発光素子１の発光効率のバランスを向上させることができるからである。

【0064】

陰極７から発光層１０に向かっては、電子親和力ＥＴＬ３を有する電子輸送層５の第３材料と電子親和力ＥＴＬ２を有する電子輸送層５の第２材料との体積比率が徐々に増加し、電子親和力ＥＴＬ１を有する電子輸送層５の第１材料の体積比率が減少することが好ましい。

【0065】

電子親和力ＥＴＬ１を有する第１材料から電子親和力ＥＴＬ２を有する第２材料へ、そして、電子親和力ＥＴＬ２を有する第２材料から電子親和力ＥＴＬ３を有する第３材料へと、陰極７から発光層１０に向かう電子の流れる方向通りに電子が注入されていくことに対して障害とならず、電子輸送層５内の電圧を最も低くできるからである。

【0066】

電子親和力ＥＴＬ１を有する第１材料と電子親和力ＥＴＬ２を有する第２材料と電子親和力ＥＴＬ３を有する第３材料とが混合されている混合物を含む電子輸送層５は、例えば、第２材料と第３材料とのナノ粒子混合溶液（体積比率は第２材料＜第３材料）をスピン塗布し、乾燥させる前に第１材料のナノ粒子溶液をスピン塗布して形成することができる。

【0067】

また、第１材料、第２材料、及び第３材料のナノ粒子混合溶液の濃度（第１材料、第２材料、及び第３材料の割合）を変えた溶液を複数用意し、上記複数の溶液を複数回塗布して積層することによって層厚方向に濃度分布を持つようにして上記混合物を含む電子輸送層５を形成することもできる。

【0068】

このように、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４は、それぞれ注入効率の高い第１材料、第２材料、及び第３材料から電子が注入されるので発光効率を高くすることができる。

【0069】

図７はＺｎＯのナノ粒子半径とバンドギャップ及び電子親和力との間の関係を示すグラフである。

【0070】

電子輸送層５に含まれる混合物の第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、ＺｎＯからなることが好ましい。ＺｎＯのナノ粒子は粒径を小さくすると量子効果によりバンドギャップが広がり、電子親和力が小さくなるので、第１材料、第２材料、及び第３材料の粒径を変えることにより、３種類の電子親和力を持つ電子輸送層５を実現することができる。

【0071】

この第１材料のナノ粒子の平均粒径は、４．５ｎｍ以上であることが好ましい。この場合、第１材料のナノ粒子の半径は２．２５ｎｍ以上となり、図７に示すように、第１材料の電子親和力が、第１量子ドット２の電子親和力に相当する電子親和力３．６ｅＶ以上となるからである。

【0072】

第２材料のナノ粒子の平均粒径は、３．５ｎｍ以上４．５ｎｍ未満であることが好ましい。この場合、第２材料のナノ粒子の半径は１．７５ｎｍ以上２．２５ｎｍ以下となり、図７に示すように、第２材料の電子親和力が、第２発光層３の電子親和力に相当する電子親和力３．３ｅＶ以上、第１量子ドット２の電子親和力に相当する電子親和力３．６ｅＶ未満相当となるからである。

【0073】

第３材料のナノ粒子の平均粒径は、２．８ｎｍ以上３．５ｎｍ未満であることが好ましい。この場合、第３材料のナノ粒子の半径は１．４ｎｍ以上１．７５ｎｍ以下となり、図７に示すように、第３材料の電子親和力が、第３発光層４の電子親和力に相当する電子親和力２．９ｅＶ以上、第２量子ドット３の電子親和力に相当する電子親和力３．３ｅＶ未満相当となるからである。

【0074】

図８は平均粒径１２ｎｍのＺｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯの組成ｘと電子親和力との間の関係を示すグラフである。

【0075】

電子輸送層５に含まれる混合物の第１材料、第２材料、及び第３材料は、平均粒径１２ｎｍのナノ粒子を含み、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯからなることが好ましい。Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯは組成ｘが変わると電子親和力が変化する。このため、第１材料、第２材料、及び第３材料で組成ｘを異ならせることにより、３種類の電子親和力を持つ電子輸送層５を実現することができる。

【0076】

第１材料は、上記ｘが、０以上０．１５以下であることが好ましい。この場合、図８に示すように、第１材料の電子親和力ＥＴＬ１が第１量子ドット２の電子親和力ＱＤ１の３．６ｅＶよりも大きくなるからである。

【0077】

第２材料は、上記ｘが、０．１５よりも大きく０．３以下であることが好ましい。この場合、図８に示すように、第２材料の電子親和力ＥＴＬ２が第２量子ドット３の電子親和力ＱＤ２の３．３ｅＶよりも大きく、第１量子ドット２の電子親和力ＱＤ３の３．６ｅＶ以下となるからである。

【0078】

第３材料は、上記ｘが、０．３よりも大きく０．５以下であることが好ましい。この場合、図８に示すように、第３材料の電子親和力ＥＴＬ３が第３量子ドット４の電子親和力ＱＤ３の２．９ｅＶよりも大きく、第２量子ドット３の電子親和力ＱＤ２の３．３ｅＶ以下となるからである。

【0079】

このように、発光素子１は、第１波長の赤色光を発光する第１量子ドット２と第１波長と異なる第２波長の緑色光を発光する第２量子ドット３とを混合した混合物を含む発光層１０と、第１量子ドット２及び第２量子ドット３に電子を供給する電子輸送層５と、を有する。

【0080】

電子輸送層５は、第１材料及び第２材料が混合されている混合物を含む。第１量子ドット２の電子親和力は、第１材料の電子親和力以下である。第２材料の電子親和力は、第１材料の電子親和力よりも小さい。第２量子ドット３の電子親和力は、第２材料の電子親和力以下である。

【0081】

電子輸送層５に含まれる第１材料の電子親和力及び第２材料の電子親和力は、互いに０．１ｅＶ以上異なることが好ましい。電子親和力の差が０．１ｅＶ異なるごとに約５０倍電流の注入されやすさが異なるので、適した電子親和力の材料に優先的に電流を流すことができる。

【0082】

電子輸送層５の第１材料及び第２材料は、それぞれ無機化合物からなることが好ましい。無機化合物からなることで信頼性を高くすることができる。

【0083】

量子ドットは、有機発光材料よりも信頼性が高く、塗布法やインクジェット法を用いて容易に形成することができる。

【0084】

発光層１０は、第１波長および第２波長と異なる第３波長の青色光を発光する第３量子ドット４をさらに備えることが好ましい。

【0085】

電子輸送層５の混合物に、第３材料がさらに混合されている。第３材料の電子親和力は、第２材料の電子親和力よりも小さい。第３量子ドット４の電子親和力は、第３材料の電子親和力以下である。

【0086】

第１量子ドット２の電子親和力と第２量子ドット３の電子親和力とは互いに異なることが好ましい。これにより、電子親和力が互いに異なる第１量子ドット２と第２量子ドット３との発光効率を電子輸送層５により高くすることができる。

【0087】

第１量子ドット２の電子親和力が第２量子ドット３の電子親和力以上である場合、第１材料の電子親和力が第１量子ドット２の電子親和力以上であり、第１量子ドット２の電子親和力が第２材料の電子親和力以上であり、第２材料の電子親和力が第２量子ドット３の電子親和力以上であることが好ましい。これにより、電子親和力が互いに異なる第１量子ドット２と第２量子ドット３との発光効率を、第１材料と第２材料との混合物を含む電子輸送層５により、高くすることができる。

【0088】

第１材料及び第２材料は、ナノ粒子を含むことが好ましい。ナノ粒子は粒径を小さくすると量子効果によりバンドギャップが広がり、電子親和力が小さくなる。このため、第１材料及び第２材料の粒径を変えることにより、複数種類の電子親和力を持つ電子輸送層５を実現することができる。

【0089】

第１材料及び第２材料は、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）、により構成され、組成（ｘ）または粒径が互いに異なることが好ましい。Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）のナノ粒子は粒径を小さくすると量子効果によりバンドギャップが広がり、電子親和力が小さくなるので、第１材料及び第２材料の粒径を変えることにより、複数種類の電子親和力を持つ電子輸送層５を実現することができる。

【0090】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、その電子親和力が小さい順に電子輸送層５に含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、電子親和力の小さいナノ粒子へ電子を注入しやすくして、発光効率の低くなる色ほど、発光効率を向上させることができる。

【0091】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、陰極７との間の界面近傍において、その電子親和力の大きい順に、電子輸送層５に含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、陰極７から電子輸送層５に電子が注入されやすくなる。

【0092】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、発光層１０との間の界面近傍において、その電子親和力が小さい順に、電子輸送層５に含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、量子ドットの発光効率の低い発光色の順番に発光色に対応する電子輸送層５の材料が多い方が、発光効率のバランスを向上させることができる。

【0093】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、第１材料、第２材料、及び第３材料のうちの電子親和力の最も大きいナノ粒子は、陰極７側から発光層１０側に向かって減少することが好ましい。これにより、電子の流れる向き通りに第１材料、第２材料、第３材料の順番に電子が注入されていくための障害にならず、電子輸送層５内の電圧を最も低くすることができる。

【0094】

電子親和力の最も大きいナノ粒子以外のナノ粒子は、陰極７側から発光層１０側に向かって増加することが好ましい。これにより、電子の流れる向き通りに第１材料、第２材料、第３材料の順番に電子が注入されていくための障害にならず、電子輸送層５内の電圧を最も低くすることができる。

【0095】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ＴｉＯ_２、及びＳｎＯ_２から選択された少なくとも１つと、ＧａＰ、ＡｌＳｂ、及びＺｒＯ_２から選択された少なくとも１つと、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、Ｃａ_２ＳｎＯ_４、及びＣａＳｎＯ_３から選択された少なくとも１つとを含むことが好ましい。これにより、第１材料、第２材料、及び第３材料に異なる材料を用いるので、３種類の電子親和力を持つ電子輸送層５を実現することができる。

【0096】

図９は発光素子１を用いた表示装置１１を示す断面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。図９に示すように、表示装置１１は複数の発光素子１Ｒ、１Ｇ、及び１Ｂを備え、発光素子１Ｒ、１Ｇ、及び１Ｂの発光方向にそれぞれカラーフィルタ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを備えている。カラーフィルタ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから発した光のうち特定の色の波長のみを透過させるフィルタである。より詳細には、カラーフィルタ１２Ｒは赤色光、カラーフィルタ１２Ｇは緑色光、カラーフィルタ１２Ｂは青色光のみを透過させるフィルタである。また、発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは図９に示すように素子毎に側壁１３で分離されていてもよいし、分離されていなくても構わない。

【0097】

側壁１３は、陽極８から陰極７まで貫通して、隣接する発光素子１Ｒ・１Ｇ又は１Ｇ・１Ｂを分離可能である例を示しているが、本発明はこれに限定されず、隣接する陽極８を分離可能に形成されていればよい。また、図９に示す例とは逆に、基板９上に、陰極７、電子輸送層５、発光層１０、正孔輸送層６、陽極８の順番に積層されている場合は、側壁１３は隣接する陰極７を分離可能に形成されていればよい。

【0098】

なお、本実施形態では、ＲＧＢ３色の第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４の電子親和力が、ＱＤ１＝３．６ｅＶ、ＱＤ２＝３．３ｅＶ、ＱＤ３＝２．９ｅＶであり、発光波長の短い方の量子ドットの電子親和力が小さい場合の例を示したが、本発明はこれに限定されない。発光波長の短い方の量子ドットの電子親和力が大きい場合にも本発明を適用することができる。例えば、赤色光を発する第１量子ドット２がＣｄＴｅを含み、緑色光を発する第２量子ドット３がＣｄＳｅを含み、青色光を発する第３量子ドット４がＺｎＳｅを含み、各量子ドットの電子親和力が、ＱＤ１＝３．２ｅＶ、ＱＤ２＝３．３ｅＶ、ＱＤ３＝３．１ｅＶとなり、各量子ドットのイオン化ポテンシャルが、５．２ｅＶ、５．６ｅＶ、５．８ｅＶとなる場合は、発光波長の短い方の第２量子ドット３の電子親和力ＱＤ２＝３．３ｅＶが、発光波長の長い方の第１量子ドット２の電子親和力ＱＤ１＝３．２ｅＶよりも大きくなる。

【0099】

（実施形態２）
図１０は実施形態２に係る発光素子１Ａの断面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0100】

基板９上に陰極７、電子輸送層５Ｂ、発光層１０、正孔輸送層６Ｂ、陽極８を順に備える。発光層１０は、異なるイオン化ポテンシャルをもつ第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４とを含んでいる。

【0101】

陰極７は、導電性材料からなり、電子輸送層５Ｂと電気的に接続される。

【0102】

陽極８は、導電性材料からなり、正孔輸送層６Ｂと電気的に接続される。

【0103】

陰極７と陽極８との少なくとも一方は透明導電膜からなる。透明導電膜としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＢＺＯ等や薄層化、ナノ粒子化、ナノワイヤ化したＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等が用いられる。透明導電膜はスパッタ法や蒸着、塗布等で製膜される。

【0104】

陰極７と陽極８とのいずれか一方は金属で形成しても良い。この金属は、可視光の反射率の高いＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇが好ましい。

【0105】

電子輸送層５Ｂは、ｎ型酸化物半導体（例えばＺｎＯ、Ｚｎ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２）から形成される。電子輸送層５Ｂは、ナノ粒子であっても、連続膜であってもよい。塗布やスパッタ法、蒸着等によって電子輸送層５Ｂは形成できる。

【0106】

正孔輸送層６Ｂは、異なる２つ以上のイオン化ポテンシャルを持つナノ粒子の混合物であり、無機化合物からなることで発光素子１Ａの信頼性を高くすることができる。

【0107】

正孔輸送層６Ｂは、例えば、Ｎｉ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）でｘ＝０、０．２５、０．５で平均粒径１２ｎｍのナノ粒子を混合した混合物となっている。イオン化ポテンシャルはそれぞれ５．４ｅＶ、５．６ｅＶ、５．８ｅＶである。

【0108】

異なるイオン化ポテンシャルを正孔輸送層６Ｂに持たせるために、Ｃｕ_２Ｏ、ＮｉＯ、ＮｉＯ_１－ｘ（ＬａＮｉＯ_３）_ｘなど異なる材料を正孔輸送層６Ｂに用いてもよい。それぞれの材料のナノ粒子を公知技術により作製し、エタノール等の有機溶媒に混合した混合液によりスピンコート法やインクジェット法などを用いて正孔輸送層６Ｂを形成する。

【0109】

本実施形態では、発光層１０はコア材料がＩｎＰからなる赤色光の第１量子ドット２（イオン化ポテンシャル５．４ｅＶ）、ＣｄＳｅからなる緑色光の第２量子ドット３（イオン化ポテンシャル５．６ｅＶ）、ＺｎＳｅからなる青色光の第３量子ドット４（イオン化ポテンシャル５．８ｅＶ）とした。

【0110】

図１１は実施形態１に係る発光素子１に設けられた発光層の電子準位を説明するための図である。図１２は実施形態２に係る発光素子１Ａに設けられた発光層の電子準位を説明するための図である。

【0111】

実施形態１では、互いに異なる色で発光する量子ドットは電子親和力が異なるため、電子輸送層５に異なる電子親和力をもつナノ粒子を含む。量子ドットのコア部の材料が同じであればイオン化ポテンシャルはほぼ同じである。これに対して実施形態２では、イオン化ポテンシャルが異なる量子ドットに対して、正孔輸送層６Ｂに異なるイオン化ポテンシャルをもつナノ粒子を含む。量子ドットのイオン化ポテンシャルは主にコア材料よって変わる。図１２に示すように、例えばコア材料がＣｄＳｅであれば約５．６ｅＶ、ＩｎＰであれば約５．４ｅＶ、ＺｎＳｅであれば約５．８ｅＶ、他にＩｎＮであれば約６．５ｅＶである。

【0112】

図１３は正孔輸送層６Ｂから第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４への正孔の注入障壁を説明するための図である。各量子ドットへのホール注入については、電子輸送層５の電子注入と同じ説明ができる。注入障壁高さの大小関係は図１３に示すようになる。

【0113】

単一のイオン化ポテンシャルをもつ正孔輸送層６を用いる場合に比べ、異なるイオン化ポテンシャルをもつナノ粒子を含む正孔輸送層６Ｂは、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれに適した低電圧で正孔を注入することができる。従って、第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のそれぞれに対して注入効率の高くなるイオン化ポテンシャルをもつナノ粒子を適宜選択し混合することにより、発光効率の高い発光素子１Ａを得ることができる。

【0114】

そのため、正孔輸送層６Ｂは、量子ドットのコア材料と同じ種類だけ異なるイオン化ポテンシャルをもつことが好ましく、量子ドットのイオン化ポテンシャルが小さい順に、第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルをＱＤ１とし、第２量子ドット３のイオン化ポテンシャルをＱＤ２とし、第３量子ドット４のイオン化ポテンシャルをＱＤ３とし、正孔輸送層６Ｂの第１材料のイオン化ポテンシャルをＨＴＬ１とし、正孔輸送層６Ｂの第２材料のイオン化ポテンシャルをＨＴＬ２とし、正孔輸送層６Ｂの第３材料のイオン化ポテンシャルをＨＴＬ３としたときには、ＨＴＬ１≦ＱＤ１＜ＨＴＬ２≦ＱＤ２＜ＨＴＬ３≦ＱＤ３であることが好ましい。各量子ドットに適した正孔輸送層６Ｂからのホール注入が可能となり、発光素子１Ａの発光効率を高くすることができる。

【0115】

また、イオン化ポテンシャルの差が０．１ｅＶ異なるごとに約５０倍電流の注入されやすさが異なるので、上記第１材料、第２材料、及び第３材料のお互いのナノ粒子のイオン化ポテンシャルの差は０．１ｅＶ以上あることが好ましい。第１量子ドット２、第２量子ドット３、及び第３量子ドット４のうちの適した量子ドットに優先的に電流を流すことができる。

【0116】

また、Ｎｉ_１－ｘＭｇ_ｘＯは、組成ｘが大きくなる程、一般にはイオン化ポテンシャルが大きくなる程、キャリア濃度が低下し抵抗率が高くなる。イオン化ポテンシャルの大きいナノ粒子ほど体積比率を多くすることで、イオン化ポテンシャルの大きいナノ粒子の導電率を向上させ、発光効率の低くなる色ほど、発光効率を向上できるので、全体の発光効率をバランス良く高くすることができる。また、陽極８からはイオン化ポテンシャルが小さいナノ粒子に正孔が注入されやすいので、陽極８と正孔輸送層６Ｂとの間の界面近傍において、イオン化ポテンシャルが小さいナノ粒子が最も体積比率が多い方が好ましい。これにより、陽極８から正孔輸送層６Ｂに正孔が注入されやすくなる。

【0117】

上記界面近傍で、イオン化ポテンシャルが小さいナノ粒子の体積比率は１００％でもよい。

【0118】

このように、発光素子１Ａは、第１波長の赤色光を発する第１量子ドット２と、第１波長と異なる第２波長の緑色光を発光する第２量子ドット３とを含む発光層１０と、第１量子ドット２及び第２量子ドット３に正孔を供給する正孔輸送層６Ｂと、を有する。

【0119】

正孔輸送層６Ｂは、第１材料及び第２材料が混合されている混合物を含む。第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルは、第１材料のイオン化ポテンシャル以上である。第２材料のイオン化ポテンシャルは、第１材料のイオン化ポテンシャルよりも大きい。第２量子ドット３のイオン化ポテンシャルは、第２材料のイオン化ポテンシャル以上である。

【0120】

発光素子１Ａは、第１波長および第２波長と異なる第３波長の青色光を発光する第３量子ドット４をさらに備えることが好ましい。

【0121】

正孔輸送層６Ｂの混合物に、第３材料がさらに混合されていることが好ましい。これにより、３種類のイオン化ポテンシャルを持つ正孔輸送層６Ｂを実現することができる。

【0122】

第３材料のイオン化ポテンシャルが、第２材料のイオン化ポテンシャルよりも大きく、第３量子ドット４のイオン化ポテンシャルが、第３材料のイオン化ポテンシャル以上であることが好ましい。これにより、各量子ドットに適したイオン化ポテンシャルを有する正孔輸送層６Ｂの材料からのホール注入が可能となり、発光効率を高くすることができる。

【0123】

第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルと第２量子ドット３のイオン化ポテンシャルとは互いに異なることが好ましい。これにより、正孔輸送層６Ｂで発光効率を高くすることができる。

【0124】

第１量子ドット２の材料と第２量子ドット３の材料とは互いに異なることが好ましい。これにより、第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルと第２量子ドット３のイオン化ポテンシャルとを互いに異ならせることができる。

【0125】

第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルが第２量子ドット３のイオン化ポテンシャルよりも小さい場合、第１材料のイオン化ポテンシャルが第１発光層２のイオン化ポテンシャル以下であり、第１量子ドット２のイオン化ポテンシャルが第２材料のイオン化ポテンシャルよりも小さく、第２材料のイオン化ポテンシャルが第２量子ドット３のイオン化ポテンシャル以下であることが好ましい。これにより、イオン化ポテンシャルが互いに異なる第１量子ドット２と第２量子ドット３との発光効率を、第１材料と第２材料との混合物を含む正孔輸送層６Ｂにより、高くすることができる。

【0126】

第１材料及び第２材料は、ナノ粒子を含むことが好ましい。これにより、ナノ粒子の組成、材料を異ならせて、複数種類のイオン化ポテンシャルを持つ正孔輸送層６Ｂを実現することができる。

【0127】

第１材料及び第２材料は、ナノ粒子を含み、Ｎｉ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）、により構成され、組成（ｘ）が互いに異なることが好ましい。これにより、Ｎｉ_１－ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１）の組成（ｘ）を第１材料及び第２材料で異ならせて、複数種類のイオン化ポテンシャルを持つ正孔輸送層６Ｂを実現することができる。

【0128】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、そのイオン化ポテンシャルが大きい順に正孔輸送層６Ｂに含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、イオン化ポテンシャルが大きいナノ粒子へ正孔を注入しやすくして、発光効率の低くなる色ほど、発光効率を向上できる。

【0129】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、陽極８との間の界面近傍において、そのイオン化ポテンシャルの小さい順に、正孔輸送層６Ｂに含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、陽極８から正孔輸送層６Ｂに正孔が注入されやすくなる。

【0130】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、発光層１０との間の界面近傍において、そのイオン化ポテンシャルが大きい順に、正孔輸送層６Ｂに含まれる体積比率が大きいことが好ましい。これにより、イオン化ポテンシャルの大きいナノ粒子へ正孔を注入しやすくして、発光効率の低くなる色ほど、発光効率を向上できる。

【0131】

第１材料、第２材料、及び第３材料は、ナノ粒子を含み、第１材料、第２材料、及び第３材料のうちのイオン化ポテンシャルの最も小さいナノ粒子は、陽極８側から発光層１０側に向かって減少することが好ましい。これにより、正孔の流れる向き通りに第１材料、第２材料、第３材料の順番に正孔が注入されていくための障害にならず、正孔輸送層６Ｂ内の電圧を最も低くすることができる。

【0132】

イオン化ポテンシャルの最も小さいナノ粒子以外のナノ粒子は、発光層１０側に向かって増加することが好ましい。これにより、正孔の流れる向き通りに第１材料、第２材料、第３材料の順番に正孔が注入されていくための障害にならず、正孔輸送層６Ｂ内の電圧を最も低くすることができる。

【0133】

図１４は実施形態２の発光素子１Ａを用いた表示装置１１Ｂの断面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0134】

図１４に示すように、表示装置１１Ｂは複数の発光素子１ＡＲ、１ＡＧ、及び１ＡＢを備え、発光素子１ＡＲ、１ＡＧ、及び１ＡＢの発光方向にそれぞれカラーフィルタ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを備えている。カラーフィルタ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは発光素子１ＡＲ、１ＡＧ、１ＡＢから発した光のうち特定の色の波長のみを透過させるフィルタである。より詳細には、カラーフィルタ１２Ｒは赤色光、カラーフィルタ１２Ｇは緑色光、カラーフィルタ１２Ｂは青色光のみを透過させるフィルタである。また、発光素子１ＡＲ、１ＡＧ、１ＡＢは図１４に示すように素子毎に側壁１３で分離されていてもよいし、分離されていなくても構わない。

【0135】

側壁１３は、陽極８から陰極７まで貫通して、隣接する発光素子１ＡＲ・１ＡＧ又は１ＡＧ・１ＡＢを分離可能である例を示しているが、本発明はこれに限定されず、隣接する陰極７を分離可能に形成されていればよい。

【0136】

発光層１０が第１量子ドット２、第２量子ドット３、第３量子ドット４を含む例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば本発明はＯＬＥＤ（有機発光ダイオード、Organic Light Emitting Diode）に対しても適用することができる。

【0137】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【符号の説明】

【0138】

１ 発光素子
２ 第１量子ドット（第１発光材料）
３ 第２量子ドット（第２発光材料）
４ 第３量子ドット（第３発光材料）
５ 電子輸送層
６ 正孔輸送層
７ 陰極
８ 陽極
９ 基板
１０ 発光層
１１ 表示装置
１２ カラーフィルタ
１３ 側壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】