JP2002110362A

JP2002110362A - 面発光装置

Info

Publication number: JP2002110362A
Application number: JP2000294460A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Koyama; 智子小山; Takeo Kaneko; 丈夫金子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の方向における光の強度を大きくし、光
を効率よく利用することができる面発光装置を提供す
る。【解決手段】面発光装置１０００は、基板１０と、基
板１０上に形成された発光素子部１００とを含む。発光
素子部１００は、発光層４０と、発光層４０に電界を印
加するための陽極３０および陰極５０と、分布ブラッグ
反射型であり、かつ１次オーダの回折格子１２とを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＬ（エレクトロ
ルミネッセンス）を用いた面発光装置に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】ＥＬ
（エレクトロルミネッセンス）を用いたＥＬ発光素子に
おいては、発光が等方的に行われて指向性が悪いため、
特定の方向についてみると、光の強度が弱く、出射光を
高い効率で利用することができないという難点を有す
る。

【０００３】本発明の目的は、特定の方向における光の
強度を大きくし、光を効率よく利用することができる面
発光装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の面発光装置は、
基板と、前記基板上に形成された発光素子部とを含み、
かつ前記基板面と交差する方向に光を出射する面発光装
置であって、前記発光素子部は、エレクトロルミネッセ
ンスによって発光可能な発光層と、前記発光層に電界を
印加するための一対の電極層と、分布ブラッグ反射型の
回折格子と、を含み、前記回折格子は、１次オーダの回
折格子である。

【０００５】ここで、分布ブラッグ反射型の回折格子と
は、少なくとも一部に回折格子が形成されない領域（非
格子領域）を含む回折格子をいう。

【０００６】本発明の面発光装置によれば、一対の電極
層、すなわち陰極と陽極とからそれぞれ電子とホールと
が発光層内に注入され、この電子とホールとが発光層で
再結合して、分子が励起状態から基底状態に戻るときに
光が発生する。ここで、前記発光層で発生した光は、分
布ブラッグ反射型の回折格子中の非格子領域から前記基
板面と交差する方向へと伝播する。すなわち、前記回折
格子が分布ブラッグ反射型の回折格子であることによ
り、前記発光層で発生した光を前記基板面と交差する方
向へと出射させることができる。

【０００７】ここで、基板面とは、基板において電極層
や回折格子が設置される側の面をいう。

【０００８】また、１次オーダの回折格子とは、たとえ
ば回折格子の周期方向のピッチがλ／２ｎ（ｎは平均屈
折率）である回折格子をいう。また、回折格子とは、光
の回折を利用して所定のスペクトルを得るために一般的
に用いられる光学素子をいう。

【０００９】本発明によれば、回折格子が１次オーダの
回折格子であることにより、２次オーダの回折格子と比
較して、より効率良く前記基板の面方向での帰還をさせ
ることができる。ここで、前記基板の面方向とは、前記
基板において前記基板の膜厚方向（前記基板上に前記発
光層や電極層等の層が積層される方向）と垂直な方向を
いい、さらに換言すれば、前記基板ののびる方向をい
う。

【００１０】この場合、前述した本発明の面発光装置に
おいては、前記回折格子がフォトニックバンドギャップ
または不完全フォトニックバンドを構成することができ
る。ここで、不完全フォトニックバンドとは、完全なフ
ォトニックバンドギャップが形成されない場合に形成さ
れるバンドをいう。たとえば、回折格子が第１の媒質層
および第２の媒質層が交互に配列されて形成されている
場合に、第１の媒質層と第２の媒質層との間の屈折率差
が小さい場合には、フォトニックバンドギャップが完全
に形成されない場合が生じる。

【００１１】この構成によれば、一対の電極層、すなわ
ち陰極と陽極とからそれぞれ電子とホールとが発光層内
に注入され、この電子とホールとが発光層で再結合し
て、分子が励起状態から基底状態に戻るときに光が発生
する。すなわち、発光層内で、この電子とホールとが再
結合されることにより励起子が生成され、この励起子が
失活する際に蛍光や燐光などの光が発生する。これによ
り、発光スペクトル幅の非常に狭い光を高効率で得るこ
とができる。

【００１２】なお、本発明の面発光装置において、光が
出射する方向としては、前記基板の面方向とほぼ垂直な
方向が望ましい。

【００１３】また、上述した回折格子を含む面発光装置
としては、以下に示す第１および第２の面発光装置が例
示できる。

【００１４】（第１の面発光装置）第１の面発光装置に
おいては、前記回折格子の一部に形成され、欠陥に起因
するエネルギー準位が所定の発光スペクトル内に存在す
るように設定された欠陥部を含む。前記欠陥部が前述
した非格子領域である場合、非格子領域に起因する欠陥
のエネルギー準位が所定の発光スペクトル内に存在する
ように構成される。この構成によれば、前記発光層で発
生した光のうち、その欠陥に起因するエネルギー準位に
相当する波長帯域の光のみが前記基板の面方向に伝播す
ることができ、その光のみが選択的に非格子領域から基
板面と交差する方向へと漏れ出ることになる。その結
果、面方向で、発光スペクトル幅が非常に狭くかつ指向
性がある光を高収率で得ることができる。

【００１５】この場合、前記発光層は、前記欠陥部、上
記の例でいうと非格子領域の少なくとも一部として機能
することができる。

【００１６】（第２の面発光装置）第２の面発光装置
は、前述した本発明の面発光装置において、前記発光層
の発光スペクトルのエネルギー準位が、前記回折格子に
よって形成されるバンドに含まれるバンドエッジのエネ
ルギー準位を含むように前記回折格子が構成される。

【００１７】第２の面発光装置によれば、前記回折格子
によって、光に対してのバンドが形成される。このバン
ドは、あるバンドエッジのエネルギーにおいて、状態密
度が高い状態が得られる。ここで、前記発光層において
発光する光のスペクトルのエネルギー準位が、このバン
ドエッジのエネルギー準位を含むように前記回折格子が
構成されることにより、発光層での発光がこのバンドエ
ッジのエネルギー準位で起こりやすくなる。このため、
このバンドエッジのエネルギー準位に対応する波長を有
し、かつスペクトル幅が狭い光を発光することができ、
高収率の素子が得られる。

【００１８】前述した第１および第２の面発光装置にお
いては、たとえば、以下の態様をとることができる。

【００１９】（１）前記発光層は、連続する層から形成
することができる。

【００２０】（２）前記発光層は、前記回折格子の少な
くとも一部として機能することができる。

【００２１】（３）前記発光層を、前記回折格子と異な
る領域に形成することができる。

【００２２】（４）前記回折格子が利得結合型構造ある
いは屈折率結合型構造を有することが望ましい。

【００２３】（５）前記回折格子が、絶縁性の第１の媒
質層と第２の媒質層とが周期的に配列されることが望ま
しく、少なくとも一方向に周期的な屈折率分布を有する
ことが望ましい。たとえば、一方向、所定の２方向（第
１および第２の方向）、あるいは所定の３方向（第１、
第２および第３の方向）に周期性をもたせることができ
る。

【００２４】また、この場合、前記第１の媒質層は、柱
状であり、かつ格子状に配列され、前記第２の媒質層
は、該第１の媒質層の間に配置されていることが望まし
い。

【００２５】（６）さらに、ホール輸送層および電子輸
送層の少なくとも一方が設けられていることが望まし
い。

【００２６】この場合、前記回折格子は、ホール輸送層
または電子輸送層がひとつの媒質を構成することができ
る。

【００２７】（７）前記基板の膜厚方向にのびる部材が
前記基板上に形成されていることが望ましい。この構成
によれば、少なくとも前記基板の面方向への光の伝播を
遮断することができ、前記基板の面方向とほぼ垂直な方
向へと光を出射させることができる。

【００２８】（８）前記電極層の少なくとも一方の層上
に、該光の伝播を規制する層を設けることができる。

【００２９】この場合、前記光の伝播を規制する層は、
クラッド層または誘電体多層膜であることが望ましい。

【００３０】（９）前記発光層は、発光材料として有機
発光材料を含むことが望ましい。有機発光材料を用いる
ことにより、例えば半導体材料や無機材料を用いた場合
に比べて材料の選択の幅が広がり、種々の波長の光を発
光することが可能となる。

【００３１】前述した本発明の面発光装置は、ディスプ
レイに用いることができる。

【００３２】次に、本発明にかかる面発光装置の各部分
に用いることができる材料の一部を例示する。これらの
材料は、公知の材料の一部を示したにすぎず、例示した
もの以外の材料を選択できることはもちろんである。

【００３３】（発光層）発光層の材料は、所定の波長の
光を得るために公知の化合物から選択される。発光層の
材料としては、有機化合物および無機化合物のいずれで
もよいが、種類の豊富さや成膜性の点から有機発光材料
であることが望ましい。

【００３４】このような有機発光材料としては、例え
ば、特開平１０−１５３９６７号公報に開示された、ア
ロマティックジアミン誘導体（ＴＰＤ）、オキシジアゾ
ール誘導体（ＰＢＤ）、オキシジアゾールダイマー（Ｏ
ＸＤ−８）、ジスチルアリーレン誘導体（ＤＳＡ）、ベ
リリウム−ベンゾキノリノール錯体（Ｂｅｂｑ）、トリ
フェニルアミン誘導体（ＭＴＤＡＴＡ）、ルブレン、キ
ナクリドン、トリアゾール誘導体、ポリフェニレン、ポ
リアルキルフルオレン、ポリアルキルチオフェン、アゾ
メチン亜鉛錯体、ポリフィリン亜鉛錯体、ベンゾオキサ
ゾール亜鉛錯体、フェナントロリンユウロピウム錯体な
どが使用できる。

【００３５】また、発光層の材料としては、特開昭６３
−７０２５７号公報、同６３−１７５８６０号公報、特
開平２−１３５３６１号公報、同２−１３５３５９号公
報、同３−１５２１８４号公報、さらに、同８−２４８
２７６号公報および同１０−１５３９６７号公報に記載
されているものなど、公知のものが使用できる。これら
の化合物は単独で用いてもよく、２種類以上を混合して
用いてもよい。

【００３６】無機化合物としては、ＺｎＳ：Ｍｎ（赤色
領域）、ＺｎＳ：ＴｂＯＦ（緑色領域）、ＳｒＳ：Ｃ
ｕ、ＳｒＳ：Ａｇ、ＳｒＳ：Ｃｅ（青色領域）などが例
示できる。

【００３７】（ホール輸送層）発光素子部において有機
化合物からなる発光層を用いる場合、必要に応じて電極
層（陽極）と発光層との間にホール輸送層を設けること
ができる。ホール輸送層の材料としては、公知の光伝導
材料のホール注入材料として用いられているもの、ある
いは有機発光装置のホール注入層に使用されている公知
のものの中から選択して用いることができる。ホール輸
送層の材料は、ホールの注入あるいは電子の障壁性のい
ずれかの機能を有するものであり、有機物あるいは無機
物のいずれでもよい。その具体例としては、例えば、特
開平８−２４８２７６号公報に開示されているものを例
示することができる。

【００３８】（電子輸送層）発光素子部において有機化
合物からなる発光層を用いる場合、必要に応じて電極層
（陰極）と発光層との間に電子輸送層を設けることがで
きる。電子輸送層の材料としては、陰極より注入された
電子を発光層に伝達する機能を有していればよく、その
材料は公知の物質から選択することができる。その具体
例としては、例えば、特開平８−２４８２７６号公報に
開示されたものを例示することができる。

【００３９】（電極層）陰極としては、仕事関数の小さ
い（例えば４ｅＶ以下）電子注入性金属、合金電気伝導
性化合物およびこれらの混合物を用いることができる。
このような電極物質としては、例えば特開平８−２４８
２７６号公報に開示されたものを用いることができる。

【００４０】陽極としては、仕事関数の大きい（例えば
４ｅＶ以上）金属、合金、電気伝導性化合物またはこれ
らの混合物を用いることができる。陽極として光学的に
透明な材料を用いる場合には、ＣｕＩ，ＩＴＯ，ＳｎＯ
₂，ＺｎＯなどの導電性透明材料を用いることができ、
透明性を必要としない場合には金などの金属を用いるこ
とができる。

【００４１】（回折格子）本発明において、回折格子の
形成方法は特に限定されるものではなく、公知の方法を
用いることができる。その代表例を以下に例示する。

【００４２】（１）リソグラフィーによる方法ポジまたはネガレジストを紫外線やＸ線などで露光およ
び現像して、レジスト層をパターニングすることによ
り、回折格子を作成する。ポリメチルメタクリレートあ
るいはノボラック系樹脂などのレジストを用いたパター
ニングの技術としては、例えば特開平６−２２４１１５
号公報、同７−２０６３７号公報などがある。

【００４３】また、ポリイミドをフォトリソグラフィー
によりパターニングする技術としては、例えば特開平７
−１８１６８９号公報および同１−２２１７４１号公報
などがある。さらに、レーザアブレーションを利用し
て、ガラス基板上にポリメチルメタクリレートあるいは
酸化チタンの回折格子を形成する技術として、例えば特
開平１０−５９７４３号公報がある。

【００４４】（２）光照射による屈折率分布の形成によ
る方法光導波路の光導波部に屈折率変化を生じさせる波長の光
を照射して、光導波部に屈折率の異なる部分を周期的に
形成することにより回折格子を形成する。このような方
法としては、特に、ポリマーあるいはポリマー前駆体の
層を形成し、光照射などにより部分的に重合を行い、屈
折率の異なる領域を周期的に形成させて回折格子とする
ことが好ましい。この種の技術として、例えば、特開平
９−３１１２３８号公報、同９−１７８９０１号公報、
同８−１５５０６号公報、同５−２９７２０２号公報、
同５−３２５２３号公報、同５−３９４８０号公報、同
９−２１１７２８号公報、同１０−２６７０２号公報、
同１０−８３００号公報、および同２−５１１０１号公
報などがある。

【００４５】（３）スタンピングによる方法熱可塑性樹脂を用いたホットスタンピング（特開平６−
２０１９０７号公報）、紫外線硬化型樹脂を用いたスタ
ンピング（特願平１０−２７９４３９号）、電子線硬化
型樹脂を用いたスタンピング（特開平７−２３５０７５
号公報）などのスタンピングによって回折格子を形成す
る。

【００４６】（４）エッチングによる方法リソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、薄膜を
選択的に除去してパターニングし、回折格子を形成す
る。

【００４７】以上、回折格子の形成方法について述べた
が、要するに、回折格子は互いに異なる屈折率を有する
少なくとも２領域から構成されていればよく、例えば、
屈折率の異なる２種の材料により２領域を形成する方
法、一種の材料を部分的に変性させるなどして、屈折率
の異なる２領域を形成する方法、などにより形成するこ
とができる。

【００４８】また、面発光装置の各層は、公知の方法で
形成することができる。たとえば、面発光装置の各層
は、その材質によって好適な成膜方法が選択され、具体
的には、蒸着法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェ
ット法などを例示できる。

【００４９】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］（デバイスの構造）図１は、本実施の形態にかかる面発
光装置１０００を模式的に示す断面図であり、図２は、
図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３〜図
７はそれぞれ、図１に示す面発光装置の一変形例を示す
断面図である。

【００５０】面発光装置１０００は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１００とを含む。発光素
子部１００は、陽極３０、発光層４０、陰極５０、およ
び回折格子１２を含む。発光層４０は、エレクトロルミ
ネッセンスによって発光可能な材料から形成される。陽
極３０および陰極５０は、発光層４０に電界を印加する
ために設けられる。

【００５１】陽極３０は透明な導電材料で構成される。
このような透明電極の材料としては、ＩＴＯなど前述し
た材料を用いることができる。

【００５２】回折格子１２は、一方向に周期的な屈折率
分布を有する。ここで、回折格子とは、光の回折を利用
して所定のスペクトルを得るために一般的に用いられる
光学素子をいい、２つの媒質層が交互に配列して構成さ
れているものをいう。図２に示すように、回折格子１２
は、屈折率の異なる第１の媒質層１２ａと第２の媒質層
１２ｂとが交互にＸ方向に配列されて構成される。第２
の媒質層１２ｂは、発光層４０に連続する。すなわち、
発光層４０は回折格子１２の一部（第２の媒質層１２
ｂ）として機能する。また、図１に示すように、発光層
４０は連続する層からなる。

【００５３】本実施の形態において、回折格子１２は、
１次オーダの回折格子であり、その周期方向のピッチが
λ／２ｎ（ｎは平均屈折率）となるように形成されてい
る。図２において、回折格子１２の周期方向のピッチと
は、１組の隣接する第１の媒質層１２ａおよび第２の媒
質層１２ｂの幅の合計をいう。また、回折格子１２の設
置場所は発光層４０に限定されるわけではなく、後述す
る図４，図５，図７に示すように、回折格子を他の層に
設置することができる。

【００５４】また、回折格子１２は分布ブラッグ反射型
の回折格子である。分布ブラッグ反射型の回折格子は、
少なくとも一部に回折格子が形成されていない領域（非
格子領域）を含む。面発光装置１０００においては、図
２に示すように、回折格子１２は非格子領域１１を含
む。非格子領域１１には第１の媒質層１２ａが形成され
ず、第２の媒質層１２ｂ（発光層４０）が埋め込まれて
いる。

【００５５】回折格子１２を構成する第１の媒質層１２
ａの材質は特に限定されず、面発光装置に用いる一般的
な材料の選択範囲のものから第１の媒質層１２ａを形成
する。たとえば、第１の媒質層１２ａは空気などの気体
の層であってもよい。このように、気体の層で光学部材
を形成する場合には、面発光装置に用いる一般的な材料
の選択範囲で、光学部材を構成する二媒質の屈折率差を
大きくすることができ、所望の光の波長に対して効率の
よい回折格子を得ることができる。この変形例は、他の
実施の形態についても同様に適用できる。

【００５６】また、面発光装置１０００において、回折
格子１２は、その形状（寸法）や媒質の組合せに基づい
て、所定の波長帯域に対してフォトニックバンドギャッ
プを形成しうる。

【００５７】非格子領域１１は欠陥部として機能し、そ
の欠陥に起因するエネルギー準位が、発光層４０の電流
励起による発光スペクトル内に存在するように形成され
る。

【００５８】本実施の形態においては、第１の媒質層１
２ａは、第２の媒質１２ｂとの周期的な分布によってフ
ォトニックバンドギャップを形成しうる物質であればよ
く、その材質は特に限定されない。たとえば、第２の媒
質層として空気などの気体であってもよい。このよう
に、気体の層でいわゆるエアギャップ構造の回折格子を
形成する場合には、面発光装置に用いる一般的な材料の
選択範囲で、回折格子を構成する２媒質の屈折率差を大
きくすることができる。

【００５９】また、回折格子１２は、利得結合型構造ま
たは屈折率結合型構造を有することが望ましい。図１に
おいては、回折格子１２が利得結合型構造である場合を
示す。

【００６０】陰極５０は、発光層４０の表面を覆うよう
に形成される。このように、陰極５０を発光層４０上に
形成することにより、電流を発光層４０に集中して供給
することができ、電流の損失を小さくできる。

【００６１】面発光装置１０００の回折格子１２の製造
方法および各層を構成する材料などについては、前述し
た方法あるいは材料などを適宜用いることができる。こ
れらの製造方法および材料については、以下に述べる変
形例および他の実施の形態でも同様である。

【００６２】（デバイスの動作）次に、この面発光装置
１０００の動作について説明する。

【００６３】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から電子が、陽極３０から
ホールが、それぞれ発光層４０内に注入される。発光層
４０内では、この電子とホールとが再結合されることに
より励起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光
や燐光などの光が発生する。発光層４０において発生し
た光は、回折格子１２の非格子領域１１から、基板１０
の膜厚方向（図１におけるＹ方向）へと伝播し出射す
る。

【００６４】（作用および効果）以下、本実施の形態に
かかる面発光装置１０００の作用および効果について説
明する。

【００６５】面発光装置１０００においては、回折格子
１２の一部に非格子領域１１が形成されている。非格子
領域１１は欠陥部として機能し、欠陥に起因するエネル
ギー準位が所定の発光スペクトル内に存在するように設
定されている。この構成によれば、発光層４０で発生し
た光のうち、その欠陥に起因するエネルギー準位に相当
する波長帯域の光のみが回折格子１２内を伝搬できる。
したがって、非格子領域１１において前記欠陥に起因す
るエネルギー準位の幅が規定されていることにより、欠
陥に起因するエネルギー準位に相当する波長帯域の光の
みを非格子領域１１において基板１０の膜厚方向（図１
におけるＹ方向）へと漏れ伝播させることができ、基板
１０の面方向（図１におけるＸ方向）への光の自然放出
が制約することができる。その結果、発光スペクトル幅
が非常に狭くかつ指向性がある光を高収率で得ることが
できる。

【００６６】（変形例）図１および図２に示す面発光装
置１０００において、回折格子１２や発光層４０の形成
位置を変えたり、あるいはさらに他の層を設けることに
より、図３〜図７に例示する構造を含む面発光装置を採
用することもできる。これらの図において、面発光装置
１０００の構成要素と同様な部材には同一符号を付し、
詳細な説明は省略する。なお、これらの変形例は、他の
実施の形態についても同様に適用できる。

【００６７】図３〜図７はそれぞれ、本実施の形態にか
かる面発光装置１０００の一変形例（面発光装置１００
１〜１００５）を模式的に示す断面図である。面発光装
置１００１〜１００５に含まれる回折格子はいずれも分
布ブラッグ反射型であり、１次オーダの回折格子であっ
て、かつフォトニックバンドギャップを構成する。

【００６８】（ａ）図３に示す面発光装置１００１は、
発光素子部１０１にホール輸送層７０を含む点で、その
ようなホール輸送層が設けられていない面発光装置１０
００と異なる。

【００６９】面発光装置１００１は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０１とを含む。発光素
子部１０１は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、および陰極５０がこの順序で基板１０上に積層され
ることにより形成される。また、回折格子１２がホール
輸送層７０上に形成されている。

【００７０】次に、この面発光装置１００１の動作につ
いて説明する。

【００７１】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から発光層４０内に電子が
注入され、さらに、陽極３０からホール輸送層７０を介
して発光層４０内にホールが注入される。発光層４０内
では、この電子とホールとが再結合されることにより励
起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光や燐光
などの光が発生する。これ以降の動作は、第１の実施の
形態にかかる面発光装置１０００とほぼ同様であるた
め、説明は省略する。

【００７２】面発光装置１００１は、図１に示す面発光
装置１０００と同様の作用および効果を有するのに加
え、ホール輸送層７０が設けられているため、ホールの
輸送能の向上を図ることができる。

【００７３】（ｂ）図４に示す面発光装置１００２は、
発光素子部１０２にホール輸送層７０を含む点、および
回折格子１１２を構成する第２の媒質層１１２ｂがホー
ル輸送層７０に連続している点で、図１に示す面発光装
置１０００と異なる。

【００７４】面発光装置１００２は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０２とを含む。発光素
子部１０２は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、および陰極５０がこの順序で基板１０上に積層され
ることにより形成される。

【００７５】また、回折格子１１２は陽極３０上に形成
されている。回折格子１１２を構成する第２の媒質層１
１２ｂはホール輸送層７０に連続して形成されている。
すなわち、ホール輸送層７０が、回折格子１１２の一部
（第２の媒質層１１２ｂ）として機能する。

【００７６】次に、この面発光装置１００２の動作につ
いて説明する。

【００７７】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から発光層４０内に電子が
注入され、さらに、陽極３０からホール輸送層７０を介
して発光層４０内にホールが注入される。発光層４０内
では、この電子とホールとが再結合されることにより励
起子が生成され、この励起子が失活する際に蛍光や燐光
などの光が発生する。これ以降の動作は、第１の実施の
形態にかかる面発光装置１０００とほぼ同様であるた
め、説明は省略する。

【００７８】面発光装置１００２は、図３に示す面発光
装置１００１とほぼ同様の作用および効果を有する。

【００７９】なお、図４においては、ホール輸送層７０
内に回折格子１１２を設けた例を示したが、陽極３０が
金属以外の材料で形成される場合、たとえばＩＴＯで形
成する場合には、ホール輸送層７０および陽極３０から
回折格子を形成することもできる。

【００８０】（ｃ）図５に示す面発光装置１００３は、
ホール輸送層７０および電子輸送層８０を発光素子部１
０３に含む点、および回折格子２１２を構成する第２の
媒質層２１２ｂが電子輸送層８０に連続している点で、
図１に示す面発光装置１０００と異なる。

【００８１】面発光装置１００３は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０３とを含む。発光素
子部１０３は、陽極３０、ホール輸送層７０、発光層４
０、電子輸送層８０、および陰極５０がこの順序で積層
されることにより形成される。また、回折格子２１２は
発光層４０上に形成され、かつ回折格子２１２を構成す
る第２の媒質層２１２ｂは電子輸送層８０に連続して形
成されている。すなわち、電子輸送層８０が、回折格子
２１２の一部（第２の媒質層２１２ｂ）として機能す
る。

【００８２】次に、この面発光装置１００３の動作につ
いて説明する。

【００８３】陽極３０と陰極５０とに所定の電圧が印加
されることにより、陰極５０から電子輸送層８０を介し
て発光層４０内に電子が注入され、さらに、陽極３０か
らホール輸送層７０を介して発光層４０内にホールが注
入される。発光層４０内では、この電子とホールとが再
結合されることにより励起子が生成され、この励起子が
失活する際に蛍光や燐光などの光が発生する。これ以降
の動作は、第１の実施の形態にかかる面発光装置１００
０とほぼ同様である。

【００８４】面発光装置１００３は、図１に示す面発光
装置１０００と同様の作用および効果を有するうえに、
ホール輸送層７０および電子輸送層８０が設けられてい
るため、ホールおよび電子の輸送能の向上を図ることが
できる。

【００８５】なお、図５においては、電子輸送層８０内
に回折格子２１２を設けた例を示したが、陰極５０を金
属以外の材料、たとえばダイヤモンド等で形成する場合
には、電子輸送層８０および陰極５０により回折格子を
形成することができる。また、電子輸送層８０を形成し
ない場合には、陰極５０と発光層４０とによって回折格
子を形成することもできる。

【００８６】（ｄ）図６に示す面発光装置１００４は、
発光素子部１０４にホール輸送層１７０を含む点で、図
１に示す面発光装置１０００と異なる。また、ホール輸
送層１７０を発光素子部１０４に含む点、および回折格
子３１２を構成する第２の媒質層３１２ｂが発光層１４
０に連続している点で、図３に示す面発光装置１００１
と同様の構成を有する。一方、回折格子３１２を構成す
る第１の媒質層３１２ａがホール輸送層１７０に連続し
ている点で、図３に示す面発光装置１００１と異なる。

【００８７】面発光装置１００４は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０４とを含む。発光素
子部１０４は、陽極３０、ホール輸送層１７０、発光層
１４０、および陰極５０がこの順序で積層されることに
より形成される。また、回折格子３１２は、発光層１４
０とホール輸送層１７０との境界領域に形成されてい
る。すなわち、回折格子３１２は、ホール輸送層１７０
の上面に設けられた溝１３に発光層１４０を形成するた
めの材料を埋め込むことによって形成される。したがっ
て、回折格子３１２を構成する第１の媒質層３１２ａは
ホール輸送層１７０に連続する。すなわち、ホール輸送
層１７０が、回折格子３１２の一部（第１の媒質層３１
２ａ）として機能する。また、回折格子３１２を構成す
る第２の媒質層３１２ｂは発光層１４０に連続する。し
たがって、発光層１４０が回折格子３１２の一部（第２
の媒質層３１２ｂ）として機能する。

【００８８】この面発光装置１００４の動作、作用、お
よび効果は、図３に示す面発光装置１００１と同様であ
るので、説明は省略する。

【００８９】（ｅ）図７に示す面発光装置１００５は、
回折格子４１２が利得結合型構造でない点で、利得結合
型構造を有する面発光装置１０００〜１００４とは異な
る。また、面発光装置１００５は、発光素子部１０５に
ホール輸送層７０を含む点で、図３に示す面発光装置１
００１と同様の構成を有するが、回折格子４１２が基板
１０上に形成されている点で、図３に示す面発光装置１
００１と異なる。

【００９０】面発光装置１００５は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部１０５とを含む。発光素
子部１０５は、絶縁層６０、陽極３０、ホール輸送層７
０、発光層４０、および陰極５０がこの順序で積層され
ることにより形成される。

【００９１】また、回折格子４１２は、第１の媒質層４
１２ａおよび第２の媒質層４１２ｂから構成される。第
１の媒質層４１２ａは、図１に示す回折格子１２を構成
する第１の媒質層１２ａと同様の材料にて形成される。
第２の媒質層４１２ｂは絶縁層６０に連続する。したが
って、絶縁層６０が、回折格子４１２の一部（第２の媒
質層４１２ｂ）として機能する。

【００９２】この面発光装置１００５の動作、作用、お
よび効果は、図３に示す面発光装置１００１とほぼ同様
である。

【００９３】［第２の実施の形態］（デバイスの構造）図８は、本実施の形態にかかる面発
光装置２０００を模式的に示す断面図であり、図９
（ａ）は、図８におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図であ
り、図９（ｂ），図９（ｃ）はそれぞれ、図９（ａ）に
示す回折格子２２の一変形例を示す図である。

【００９４】面発光装置２０００は、回折格子２２が第
１、第２、および第３の方向に周期的な屈折率分布を有
する点で、一方向に周期的な屈折率分布を有する回折格
子１２を含む面発光装置１０００（第１の実施形態）と
異なる。そのほかの構成要素は第１の実施の形態にかか
る面発光装置１０００とほぼ同様であるため、当該構成
要素については説明を省略する。なお、図９（ａ）にお
いては、回折格子２２を構成する第１および第２の媒質
層２２ａ，２２ｂのみを示す。

【００９５】回折格子２２は、分布ブラッグ反射型であ
り、１次オーダの回折格子であって、かつフォトニック
バンドギャップを構成する。さらに、前述したように、
回折格子２２は、第１、第２、および第３の方向に周期
的な屈折率分布を有する。回折格子２２では、図９
（ａ）に示すように、屈折率の異なる第１の媒質層２２
ａが三角格子状に配列している。第１の媒質層２２ａは
柱状であり、第２の媒質層２２ｂは第１の媒質層２２ａ
の間に配置されている。また、第２の媒質層２２ｂは、
第１の実施の形態にかかる第２の媒質層２２ｂと同様
に、発光層４０に連続している。

【００９６】また、本実施の形態にかかる面発光装置２
０００においては、１次オーダの回折格子であり、回折
格子２２の周期方向のピッチがλ／２ｎ（ｎは平均屈折
率）である。なお、図９（ａ）の（１）に示すように、
回折格子２２がａ，ｂ，およびｃ方向に周期的な屈折率
分布を有する場合、そのピッチは、１つ挟んで隣接する
第１の媒質層２２ａの中心間の距離（図９（ａ）の
（１）では、λ／２ｎ）とする。また、なお、図９
（ａ）の（２）に示すように、回折格子２２がａ''，
ｂ''，およびｃ''方向に周期的な屈折率分布を有する場
合、そのピッチは、隣接する第１の媒質層２２ａの中心
間の距離（図９（ａ）の（２）では、λ／２ｎ）とす
る。

【００９７】すなわち、図９（ａ）の（２）、および図
９（ｂ）において、回折格子２２の周期方向のピッチと
は、隣接する第１の媒質層２２ａの中心間の距離をい
う。また、図９（ａ）の（１）において、回折格子２２
の周期方向のピッチとは、１つ挟んで隣接する第１の媒
質層２２ａの中心間の距離をいう。

【００９８】また、回折格子２２の一変形例を図９
（ｂ）および図９（ｃ）に示す。図９（ｂ）は、図９
（ａ）に示す第１の媒質層２２ａを正方格子状に配置し
た例である。この場合、第１および第２の方向（ａ’お
よびｂ’方向）に周期的な屈折率分布を有する。

【００９９】また、図９（ｃ）は、図９（ａ）における
第１の媒質層２２ａを蜂の巣状に配置した一例である。

【０１００】図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すいずれ
の場合においても、回折格子２２は１次オーダの回折格
子である。また、図９（ｂ）では、隣接する第１の媒質
層２２ａの中心間の距離がλ／２ｎである。図９（ｃ）
においては、１つ挟んで隣接する第１の媒質層２２ａの
中心間の距離がλ／２ｎである。

【０１０１】さらに、面発光装置２０００は、前述した
面発光装置１０００と同様に、回折格子２２に非格子領
域２１が形成されている。第１の実施の実施の形態にか
かる非格子領域１１と同様に、非格子領域２１は欠陥部
として機能し、欠陥に起因するエネルギー準位が、発光
層４０の電流励起による発光スペクトル内に存在するよ
うに形成される。

【０１０２】（デバイスの動作）この面発光装置２００
０の動作は、図１に示す面発光装置１０００とほぼ同様
であるので、説明は省略する。

【０１０３】（作用および効果）面発光装置２０００
は、第１の実施の形態にかかる面発光装置１０００と同
様の作用および効果を有するのに加えて、面発光装置２
０００は、回折格子２２が第１、第２および第３の方向
に周期的な屈折率分布を有する。これにより、当該３方
向への光の伝搬が規制される。したがって、一方向にの
み光の伝搬を規制する第１の実施の形態にかかる面発光
装置１０００よりも光の伝搬がさらに規制されるので、
発光スペクトル幅の非常に狭い光を高効率で得ることが
できる。

【０１０４】図９（ｂ）および図９（ｃ）に示す回折格
子を含む場合においても、上述したものとほぼ同様の作
用および効果を有する。

【０１０５】［第３の実施の形態］（デバイスの構造）図１０は、本実施の形態にかかる面
発光装置３０００を模式的に示す断面図である。

【０１０６】面発光装置３０００は、誘電体多層膜９０
を発光素子部３００に含む。図１０に示すように、基板
１０上に、陽極３０、回折格子１２、発光層４０、陰極
５０、および誘電体多層膜９０が、この順序で配置され
ている。すなわち、陰極５０上には誘電体多層膜９０が
形成されている。なお、図１０では、誘電体多層膜９０
を強調して示している。なお、誘電体多層膜９０以外の
構成要素は第１の実施の形態にかかる面発光装置１００
０とほぼ同様であるため、当該構成要素については説明
を省略する。

【０１０７】（デバイスの動作）この面発光装置３００
０の動作は、図１に示す面発光装置１０００とほぼ同様
である。すなわち、陽極３０と陰極５０とに所定の電圧
が印加されることにより、陰極５０から電子が、陽極３
０からホールが、それぞれ発光層４０内に注入される。
発光層４０内では、この電子とホールとが再結合される
ことにより励起子が生成され、この励起子が失活する際
に蛍光や燐光などの光が発生し、Ｘ方向に伝播する。非
格子領域１１でＸ方向と交差する方向に漏れた光は、誘
電体多層膜９０によって、基板１０側へと反射される。

【０１０８】（作用および効果）本実施の形態にかかる
面発光装置３０００においては、第１の実施の形態の面
発光装置１０００と同様の作用および効果を有するのに
加えて、誘電体多層膜９０によって、基板１０の面方向
（Ｘ方向）と交差する方向に漏れた光を基板１０側へと
反射させることができる。これにより、基板１０側へと
出射する光の量をふやすことができる。

【０１０９】本実施の形態では、陰極５０上に誘電体多
層膜９０が形成された例を示したが、光伝播を制御する
層は、これらの誘電体多層膜９０に限定されるわけでは
なく、反射率の大きな層であればよい。

【０１１０】また、本発明の面発光装置をたとえばディ
スプレイに用いる場合には、光の利用効率を向上させる
ため、基板１０側へと光を伝播させる必要がある。この
場合、本実施の形態にかかる面発光装置３０００では、
陰極５０上に誘電体多層膜９０が形成されているので、
陰極５０側へ伝播する光を誘電体多層膜９０で反射させ
ることができる。これにより、陰極５０側から出射する
光を低減し、基板１０側から優先的に光を出射させるこ
とができ、その結果、光の利用効率を高めることができ
る。なお、この場合、陰極５０側で反射する光と、基板
１０側に直接出射する光の位相を合わせることが望まし
い。

【０１１１】また、面発光装置３０００において、金属
材料からなる陰極５０のかわりに、ＣｕＰｃ層(Copper
phthalocyanine)を用いることもできる。この場合に
は、ＣｕＰｃ層と誘電体多層膜９０との間に、ＩＴＯか
らなる層を設ける。

【０１１２】なお、回折格子１２は、第１の実施の形態
の面発光装置１０００に形成された回折格子１２と同様
のものであるが、第２の実施の形態の面発光装置２００
０に形成された回折格子２２（図９（ａ）〜図９（ｃ）
参照）と同様のものを用いることもできる。

【０１１３】［第４の実施の形態］（デバイスの構造）図１１は、本実施の形態にかかる面
発光装置４０００を模式的に示す断面図であり、図１２
は、図１１におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。面
発光装置４０００は、回折格子４２が分布ブラック型で
あり、かつ１次オーダの回折格子である点で第１〜第３
の実施の形態にかかる面発光装置とほぼ同様の構造を有
する。一方、回折格子４２が不完全フォトニックバンド
を構成し、かつ非格子領域２１が欠陥部として機能しな
い点で、上述の第１〜第３の実施の形態にかかる面発光
装置と異なる構造を有する。

【０１１４】面発光装置４０００は、基板１０と、基板
１０上に形成された発光素子部４００とを含む。発光素
子部４００は、陽極３０、発光層４０、陰極５０および
回折格子４２を含む。なお、これらの構成要素のうち、
符号が同じものは、第１の実施の形態にかかる面発光装
置１０００の構成要素と同じであるため、説明は省略す
る。

【０１１５】回折格子４２は、第１の実施の形態にかか
る面発光装置１０００の回折格子１２と同様に、１次オ
ーダの回折格子であり、その周期方向のピッチがλ／２
ｎである。

【０１１６】また、回折格子４２は、分布ブラッグ反射
型の回折格子であり、かつ一方向に周期的な屈折率分布
を有する点で、第１の実施の形態にかかる面発光装置１
０００の回折格子１２と同様である。すなわち、回折格
子４２は非格子領域４１を含み、屈折率の異なる第１の
媒質層４２ａと第２の媒質層４２ｂとが交互に配列して
回折格子４２を構成する。さらに、発光層４０が、回折
格子４２の一部（第２の媒質層４２ｂ）として機能す
る。

【０１１７】本実施の形態にかかる面発光装置４０００
に用いられる回折格子４２は、不完全フォトニックバン
ドを構成する。さらに、発光層４０の発光スペクトルの
エネルギー準位が、回折格子４２によって形成されるバ
ンドに含まれるバンドエッジのエネルギー準位を含むよ
うに回折格子４２が構成される。光に対してのバンド
は、回折格子４２によって形成される。このバンドは、
あるバンドエッジのエネルギーにおいて、状態密度が高
い状態で得られる。また、発光層４０において、発光す
る光のスペクトルが、このバンドエッジのエネルギー準
位を含むように回折格子４２が構成されている。したが
って、発光層４０での発光がこのバンドエッジのエネル
ギー準位で起こりやすくなる。これにより、このバンド
エッジのエネルギー準位に対応する波長を有し、スペク
トル幅が狭い光を発光し、かつ高収率の素子を得ること
ができる。

【０１１８】また、面発光装置４０００においては、回
折格子４２の面方向（図１１におけるＸ方向）への光の
伝搬が許容される。このＸ方向への光の伝搬を抑制する
ため、必要に応じて、たとえば、基板１０の膜厚方向に
のびる部材（図示せず）を基板１０上に設けることもで
きる。この部材は、基板１０の膜厚方向にのびるように
形成するのが望ましい。この部材を設けることにより、
回折格子４２の面方向への光の伝搬を効果的に抑制する
ことができる。

【０１１９】なお、前述した第１の実施の形態の一変形
例にかかる面発光装置（図３〜図７参照）、第２および
第３の実施の形態にかかる面発光装置（図９および図１
０参照）において、フォトニックバンドギャップを構成
し、欠陥部として機能する非格子領域を含む回折格子を
設けるかわりに、本実施の形態の面発光装置４０００と
同様に、欠陥部として機能しない非格子領域を含み、不
完全フォトニックバンドを構成する回折格子を形成する
こともできる。

【０１２０】（デバイスの動作、作用および効果）次
に、この面発光装置４０００の動作、作用および効果に
ついて説明する。

【０１２１】陰極５０と陽極３０とからそれぞれ電子と
ホールとが発光層４０内に注入され、この電子とホール
とが発光層４０で再結合して、分子が励起状態から基底
状態に戻るときに光が発生する。この光を非格子領域４
１から基板１０の膜厚方向（図１１におけるＹ方向）へ
とに伝播することができる。

【０１２２】発光の際しては、回折格子４２によって、
光に対してのバンドが形成される。このバンドは、ある
バンドエッジのエネルギーにおいて、状態密度が高い状
態が得られる。前述したように、発光層４０において発
光する光のスペクトルのエネルギー準位が、このバンド
エッジのエネルギー準位を含むように回折格子４２が構
成されることにより、発光層４０での発光がこのバンド
エッジのエネルギー準位で起こりやすくなる。このた
め、このバンドエッジのエネルギー準位に対応する波長
を有し、かつスペクトル幅が狭い光を発光することがで
き、高収率の素子が得られる。以上により、いわゆる面
発光を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる面発光装置
を模式的に示す断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図３】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図４】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図５】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図６】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図７】第１の実施の形態にかかる面発光装置の一変形
例を模式的に示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる面発光装置
を模式的に示す断面図である。

【図９】図９（ａ）は、図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図
であり、図９（ｂ）、図９（ｃ）はともに、図９（ａ）
に示す回折格子の一変形例を示す図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかる面発光装
置を模式的に示す断面図である。

【図１１】本発明の第４の実施の形態にかかる面発光装
置を模式的に示す断面図である。

【図１２】図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１０基板１１，２１，４１，１１１，２１１，３１１，４１１
非格子領域１２，２２，４２，１１２，２１２，３１２，４１２
回折格子１２ａ，２２ａ，４２ａ，１１２ａ，２１２ａ，３１２
ａ，４１２ａ第１の媒質層１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ，１１２ｂ，２１２ｂ，３１２
ｂ，４１２ｂ第２の媒質層１３溝３０陽極４０，１４０発光層５０陰極６０絶縁物７０，１７０ホール輸送層８０電子輸送層９０誘電体多層膜１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，２
００，３００，４００，発光素子部１０００，１００１，１００２，１００３，１００４，
１００５，２０００，３０００，４０００ＥＬ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に形成された発光素
子部とを含み、かつ前記基板面と交差する方向に光を出
射する面発光装置であって、前記発光素子部は、エレクトロルミネッセンスによって発光可能な発光層
と、前記発光層に電界を印加するための一対の電極層と、分布ブラッグ反射型の回折格子と、を含み、前記回折格子は、１次オーダの回折格子である、面発光
装置。
【請求項２】請求項１において、前記回折格子は、フォトニックバンドギャップまたは不
完全フォトニックバンドを構成しうる、面発光装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記回折格子の一部に形成され、欠陥に起因するエネル
ギー準位が所定の発光スペクトル内に存在するように設
定された欠陥部を含む、面発光装置。
【請求項４】請求項１または２において、前記発光層の発光スペクトルのエネルギー準位が、前記
回折格子によって形成されるバンドに含まれるバンドエ
ッジのエネルギー準位を含むように前記回折格子が構成
される、面発光装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記基板の面方向とほぼ垂直な方向に出射する、面発光
装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、前記発光層は、連続する層からなる、面発光装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかにおいて、前記回折格子は、利得結合型構造を有する、面発光装
置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかにおいて、前記回折格子は、屈折率結合型構造を有する、面発光装
置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかにおいて、前記発光層は、発光材料として有機発光材料を含む、面
発光装置。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれかにおいて、前記発光層は、前記回折格子の少なくとも一部として機
能する、面発光装置。
【請求項１１】請求項１〜３，５〜１０のいずれかに
おいて、前記発光層は、前記欠陥部の少なくとも一部として機能
する、面発光装置。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかにおいて、前記発光層は、前記回折格子と異なる領域に形成され
る、面発光装置。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかにおいて、さらに、ホール輸送層および電子輸送層の少なくとも一
方を有する、面発光装置。
【請求項１４】請求項１３において、前記回折格子は、ホール輸送層または電子輸送層がひと
つの媒質を構成する、面発光装置。
【請求項１５】請求項１〜１４のいずれかにおいて、前記回折格子は、絶縁性の第１の媒質層と第２の媒質層
とが周期的に配列された、面発光装置。
【請求項１６】請求項１５において、前記第１の媒質層は、柱状であり、かつ格子状に配列さ
れ、前記第２の媒質層は、該第１の媒質層の間に配置さ
れた、面発光装置。
【請求項１７】請求項１５または１６において、前記回折格子は、少なくとも一方向に周期的な屈折率分
布を有する、面発光装置。
【請求項１８】請求項１５〜１７のいずれかにおい
て、前記回折格子は、第１および第２の方向に周期的な屈折
率分布を有する、面発光装置。
【請求項１９】請求項１５〜１７のいずれかにおい
て、前記回折格子は、第１、第２および第３の方向に周期的
な屈折率分布を有する、面発光装置。
【請求項２０】請求項１〜１９のいずれかにおいて、前記基板の膜厚方向にのびる部材が前記基板上に形成さ
れている、面発光装置。
【請求項２１】請求項１〜２０のいずれかにおいて、前記電極層の少なくとも一方の層上に、該光の伝播を規
制する層が設けられた、面発光装置。
【請求項２２】請求項２１において、前記光の伝播を規制する層は、クラッド層または誘電体
多層膜である、面発光装置。
【請求項２３】請求項１〜２２のいずれかの面発光装
置であって、ディスプレイに用いられる、面発光装置。