電致發光元件及使用該電致發光元件的顯示裝置的製作方法
2023-06-04 02:16:26 2
專利名稱：電致發光元件及使用該電致發光元件的顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於平面光發射器、顯示裝置等的電致發光元件(以下稱為EL元件)，尤其涉及其中光散射薄膜提供在發光層附近以提高發光效率的EL元件。
背景技術：
到目前為止，包括由無機材料製成的發光層的無機EL元件已經公知。近年來，使用低分子有機薄膜或者聚合物有機薄膜作為發光層的有機EL元件已經在開發中。該EL元件具有裝置薄且以低功耗發射光的特點。因此，該EL元件已經投入平面光發射器的實際應用，以照亮液晶顯示器。此外，用於全彩圖像顯示裝置(其中像素以點陣排列)的EL元件已經在研究和開發中。
圖13示出了到目前為止公知的全彩顯示型EL元件的橫截面結構。如圖13所示，背電極52形成在玻璃襯底51上。絕緣層53、三個發光層54、55和56、顯示側絕緣層57以及透明電極58按照該次序堆疊在背電極52上。每個背電極52為在與圖13的紙平面平行的方向上延伸的條形電極。每個透明電極58為在與圖13的紙平面垂直的方向上延伸的條形電極。形成濾色器層59以覆蓋透明電極58。三個發光層54、55和56分別為按照該次序堆疊的ZnS:Tb，F的綠色發光層、SrS:Ce的藍綠色發光層、ZnS:Mn的桔黃色發光層。濾色器層59包括紅色光透射濾波器59r、綠色光透射濾波器59g和藍色光透射濾波器59b，它們彼此相互隔開且形成以覆蓋透明電極58。例如，在JP 01-315988A中描述了這樣的結構。
在EL元件中，驅動電壓施加在每個背電極52和每個透明電極58之間以從位於其間交叉處的每個發光層54、55和56發射光。綠色(下文稱作G)光、紅橙色(下文稱作R)光、藍色(下文稱作B)光同時從發光層發射，因此得到白色光。當白色光到達濾色器層59時，除了濾色器層59相應顏色之外的顏色的光被位於交叉處的每個像素吸收，僅僅與濾色器層59相應顏色的光從中通過。因此，大量的發射光被濾色器層59吸收。
通過按照行順序選擇以條形形狀提供且彼此隔開的大量背電極52或者大量透明電極58來執行實際的掃描驅動。即，假設透明電極58用作掃描電極，而背電極52用作信號電極。在這種情況下，當選擇透明電極58其中之一時，則給背電極52提供信號電壓，以便從發光層發射光，所述發光層位於所選擇的透明電極與每個背電極52之間的每個交叉部分。順序重複這樣的操作以進行掃描，從而實現全彩顯示。
在發光層中所產生的光不僅包括從發光層表面以垂直方向發射的光，還包括被限制在發光層中的光。例如，當發光層54(或者發光層56)比上述常規結構中的絕緣層53(或者顯示側絕緣層57)相對於可見光具有更大的折射率時，橫向的光在絕緣層和發光層之間的界面處被全部反射。為此，光無法從發光層提取，因而光被限制在發光層中。因此，存在的問題是用於平面光發射器的EL元件的發光效率降低了。即使當發光層54、55和56以及絕緣層53(或者顯示側絕緣層57)的折射率朝向外部變得更低時，所產生的光仍然很可能被限制在每個發光層中。這導致用於平面光發射器的EL元件的發光效率降低。
在上述已知用於全彩顯示裝置的實例中，大量從發光層54、55和56發射的光被濾色器層59所吸收。例如，當使濾色器層59透射藍色光束時，綠色光束和紅橙色光束被吸收，而當使濾色器層59透射紅橙色光束時，藍色光束和綠色光束被吸收。為此，存在的問題在於提取用於顯示的光的量必定減少了。
發明內容
因此根據本發明，EL元件包括第一電極層、第二電極層、位於其間的發光層以及光散射層，所述光散射層形成在第一電極層和發光層之間且包含有分散的金屬顆粒。從由Au、Ag、Pt、Co和W或者其合金構成的組中選擇的金屬可以用於金屬顆粒。在這些金屬顆粒中，表面等離子體激元可以被激發。
此外，所述光散射層由在介質材料中布置有金屬顆粒的薄膜形成，每個金屬顆粒具有的顆粒直徑在1nm至300nm範圍內。所述光散射層可以由在介質材料中布置有這樣金屬顆粒的薄膜形成，所述金屬顆粒具有不同的短軸(minor axis)與長軸(major axis)比。每個金屬顆粒可以具有等於光散射層厚度的顆粒直徑。
所述EL元件進一步包括位於第二電極層和發光層之間的第二光散射層。
可以替代的方案是，所述光散射層可以不位於第一電極層和發光層之間，而是提供在第二光散射層之上。
此外，第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括多個彼此隔開的電極，並且像素提供在其中第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分。所述光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域。從第一光散射區域發射的散射光具有的波長特性與從第二光散射區域發出的散射光的波長特性不同。
根據本發明，在發光層附近提供了其中分散有金屬顆粒的光散射層。因此，可以提高用於平面光發射器的EL元件的發光效率。
在附圖中圖1為示出了根據本發明的實施例1的EL元件的局部橫截面示意圖；圖2為示出了根據本發明的實施例1的雙面發光型EL元件的局部橫截面示意圖；圖3為示出了根據本發明的實施例1的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖4為示出了根據本發明的實施例1的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖5為示出了根據本發明的實施例1的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖6為示出了根據本發明的實施例1的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖7為示出了根據本發明的實施例2的EL元件的局部橫截面示意圖；圖8為示出了根據本發明的實施例1的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖9為示出了根據本發明的實施例3的EL元件的局部橫截面示意圖；圖10為示出了根據本發明的實施例3的所述EL元件的局部橫截面示意圖；
圖11為示出了根據本發明的實施例3的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖12為示出了根據本發明的實施例3的所述EL元件的局部橫截面示意圖；圖13為示出了目前公知的EL元件結構的局部橫截面示意圖；圖14為示出了本發明的每個實施例1、2和3中使用的金屬顆粒橫截面示意圖；圖15為示出了本發明的每個實施例1、2和3中使用的光散射層的局部橫截面示意圖；圖16為示出了本發明的每個實施例1、2和3中使用的所述光散射層的局部橫截面示意圖。
具體實施例方式
根據本發明的EL元件包括第一電極層、第二電極層、位於其間的發光層以及光散射層，所述光散射層形成在第一電極層和發光層之間且包括分散的金屬顆粒。圖1示出了這樣結構的EL元件的橫截面示意圖。圖1中示出的結構適合於用作例如照明裝置的平面發光板的EL元件。在圖1中，在襯底1之上提供了上述構成元件。根據其中光散射層3(其中分散有金屬顆粒)提供在發光層4附近的結構，從發光層4發射的光在光散射層3上入射並與金屬顆粒6發生碰撞。然後，光被慢反射至第一電極層2側。因此，所述光可以作為散射光被提取。
從由Au、Ag、Pt、Co和W或者其合金構成的組中選擇的金屬可以用於金屬顆粒6。可以替代的方案是，使用其中表面等離子體激元被激發的顆粒作為金屬顆粒6。根據這樣的結構，金屬顆粒6的電子與近場光發生共振，所述近場光由發光層4和光散射層3之間的界面處的光全反射產生。然後，等離子體激元被激發，從而發射光。提取所發射的光。因此，在發光層和光散射層之間的界面處被全部反射的光，即被限制在發光層中的光可以散射至發光層的外部。因此，光利用效率，即用於平面光發射器的EL元件的發光效率可以得到提高。
當每個金屬顆粒的顆粒直徑變為300nm或者更小時，金屬顆粒與近場光相互作用，因此等離子體激元被激發。等離子體激元意味著其中金屬顆粒的電子與光的電場發生共振的一種狀態。在來自折射率大的材料的光以小於等於全反射臨界角的角度入射在折射率小的材料上並且滲透至折射率小的材料的情況下，或者當入射在一個直徑小於所述光波長的開口部分時在光穿過所述開口部分的情況下，通過近場光(也稱作漸消失光)和金屬顆粒的電子之間的共振，也可激發等離子體激元。
例如，當在發光層中產生的光從折射率大的發光層以小於等於全反射臨界角的角度入射在折射率小的光散射層上時，在臨近折射率小的光散射層的界面處的若干個100nm或者更小的區域內會產生近場光。近場光與分散在光散射層的金屬顆粒的自由電子相互作用。其結果是，通過隨著共振振動的自由電子發射光，發射光被散射出光散射層外部。所發射光的峰值強度根據每個金屬顆粒的顆粒直徑和每個金屬顆粒的長軸與其短軸之比而改變。
在光散射層中分散有金屬顆粒，每個金屬顆粒的顆粒直徑在1nm至300nm範圍內。因此，即使當從發光層發射的光具有不同波長時，仍可以提取具有期望波長的散射光。即使當在光散射層中分散有幾種具有不同的短軸與長軸比的金屬顆粒時，仍可得到同樣的效果。
每個金屬顆粒可以由介電材料製成的基本球形的核心部分和形成在所述核心部分表面上的薄膜構成。假設在光散射層中混合有多種金屬顆粒，在每種金屬顆粒中，核心部分和金屬薄膜的大小不同。在這種情況下，即使當從發光層發射的光具有不同的波長，也可提取具有期望波長的散射光。每個金屬顆粒可以是其中多個顆粒凝結在一起的團。
具有上述結構的EL元件用作非自發光顯示元件的照明裝置。例如，所述EL元件可以用於液晶面板的照明裝置以構成顯示裝置。
接著，將描述其中根據本發明的EL元件用於顯示裝置的結構。即，根據本發明的EL元件是這樣的EL元件，其中第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括彼此隔開的多個電極，並且像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中，發光層和其中分散有金屬顆粒的光散射層位於第一電極層和第二電極層之間。採用了這樣的結構，其中光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域，並且從所述第一光散射區域發射的散射光的波長特性與從所述第二光散射區域發射的散射光的波長特性不同。根據該結構，即使當發光層用於單色，仍可相應於像素調節散射光顏色，因此多色顯示是可能的。具有上述結構的EL元件不僅可以用於顯示裝置，還可以用於發射光的顏色根據位置而變化的照明裝置。
可以替代的方案是，使用這樣的結構，其中光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域，並且其中第一光散射區域中所包括的每個金屬顆粒的形狀與第二光散射區域中所包含的每個金屬顆粒的形狀不同。
因而，即使當發光層發射出具有特定特性的光，由於所散射光束的特性彼此不同，因此可以得到第一光散射區域所散射的光和第二光散射區域所散射的光。例如，可以使從第一光散射區域散射的光的波長與從第二光散射區域所散射的光的波長不同。可以替代的方案是，可以使從第一光散射區域散射的光的散射角度與從第二光散射區域散射的光的散射角度不同。
更具體地講，將第二光散射區域的每個金屬顆粒的平均顆粒直徑設置為比第一光散射區域的每個金屬顆粒的平均顆粒直徑更大的值。在金屬顆粒中等離子體激元被激發並因此光被散射的情況下，當每個金屬顆粒的顆粒直徑增加，散射光的波長移至長波長側。因此，例如，第一光散射區域所散射的光的顏色可以設置為綠色組，而第二光散射區域所散射的光的顏色可以設置為紅色組。即，可以為不同的像素指定不同的發光顏色。
對於每個金屬顆粒的短軸與其長軸的形狀比，將第二光散射區域的金屬顆粒的平均形狀比設置為比第一光散射區域的金屬顆粒的平均形狀比更大的值。在金屬顆粒中等離子體激元被激發並因此光被散射的情況下，當每個金屬顆粒的形狀比增加時，散射光的波長移至長波長側。因而，在平均顆粒直徑的情況下，可以為不同的像素指定不同的發光顏色。
可以替代的方案是，發光層包括第一介電層和第二介電層。第一介電層的介電常數與第二介電層的介電常數不同，在光散射層中所述第一介電層構成與第一像素相應的第一光散射區域，所述第二介電層構成與第二像素相應的第二光散射區域。
可以替代的方案是，將介電層提供在發光層和光散射層之間。光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域。介電層的薄膜厚度在與第一光散射區域相應的第一部分和與第二光散射區域相應的第二部分之間改變。當介電層的薄膜厚度在該各個部分之間改變時，施加給與第一像素區域相應的發光層和與第二像素區域相應的發光層的電壓或者電流在其間改變。因此，可以實現均勻的發光強度。例如，當與第一部分相應的像素的發光強度大於與第二部分相應的像素的發光強度時，各個像素的光強度分布不平衡。因此，適當地設置與每個像素區域相應的介電層的薄膜厚度，使來自各個像素中的發光層和光散射層的散射光束的強度可以彼此相等。
此處使用的每個金屬顆粒是這樣的顆粒，其中金屬薄膜形成在包含介電材料的基本球形核心部分的表面上。每個金屬顆粒的核心部分和金屬薄膜其大小在第一光散射區域和第二光散射區域之間改變。因此，波長與每個光散射區域的散射效率相關，結果是可以使用用於單色的發光層來執行多色顯示。
將詳細描述使用與三基色相應的光散射層執行多色顯示的EL元件。在該EL元件中，第一電極層和第二電極層中至少其中之一被分成三個電極組。第一像素、第二像素和第三像素提供在其中第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分。光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域、與第二像素相應的第二光散射區域以及與第三像素相應的第三光散射區域。分散在第一光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在10nm至50nm的範圍內。分散在第二光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在50nm至90nm的範圍內。分散在第三光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在90nm至140nm的範圍。因此，通過三基色R、G和B的結合可以執行顏色顯示。
每個金屬顆粒的實例包括這樣的顆粒，所述顆粒包含從由Au、Ag、Pt、Co和W或者其合金構成的組中選擇的金屬；以及包含其中等離子體激元被激發的顆粒。
在下文中，將參考附圖詳細描述本發明的實施例。
(實施例1)將參考圖1描述根據本實施例的EL元件。如圖1中所示，透明的第一電極層2形成在透明的襯底1上。然後，其中在介電材料中分散有金屬顆粒6的光散射層3形成在第一電極層2上。然後，發光層4和第二電極層5形成在光散射層3上。在該實施例中，將描述用作平面發光板的EL元件。該EL元件可以用於提供在液晶顯示裝置背部中的照明裝置。如圖1中所示，其中分散有金屬顆粒的光散射層形成在第一電極層和發光層之間。為此，光與金屬顆粒碰撞，從而可以提取所述光。
在第一電極層和第二電極層之間施加電壓以使其間流動電流，從而將高能電子注入發光層。然後，電子與空穴結合以從EL元件發射光。發光層中產生的光以與其平行的方向或者與其垂直的方向傳播。在一些情況下，通過發光層與光散射層之間或者發光層和第二電極層之間的光折射率不同或者折射率分布，所產生的光被限制在發光層。當發光層4的折射率大於光散射層3的折射率時，在發光層4和光散射層3之間的界面處，光以光入射角度被全反射。當光在發光層4和光散射層3之間的界面處被全反射時，在光散射層3中產生近場光。因此從由Au、Ag、Pt、Co和W或者其合金構成的組中選擇的金屬可以用於金屬顆粒6。可以替代的方案是，使用其中表面等離子體激元被激發的顆粒作為金屬顆粒6。根據這樣的結構，金屬顆粒6的電子與近場光發生共振以激發等離子體激元。部分入射光由等離子體激元再次發射並散射至襯底1的外部。即，可以通過金屬顆粒6提取被限制在發光層中的光。其結果是，在橫向方向傳播的光也可被提取，因此用於光發射器的EL元件的發光效率可以得到提高。
光在發光層和光散射層之間的界面處是否被全部反射取決於光入射角度。最大全反射角稱為臨界角。因為發光層的折射率變得比光散射層的折射率更大，限制在發光層中的光的百分比增加。
等離子體激元所發射光的波長取決於每個金屬顆粒6的顆粒直徑。即，當顆粒直徑變得更大時，散射光的波長移至長波長側。因此，為了分散分布將每個金屬顆粒6的顆粒直徑設置在例如1nm至300nm的範圍內。這樣，在發光層4中產生的光中，可以選擇性地散射具有期望波長的光。優選地是，將上述結構用於液晶顯示裝置的背光。
圖2示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中發光層夾在兩個光散射層之間。圖2中示出的EL元件與圖1示出的E1元件其不同之處在於，第二光散射層3』提供在第二電極層5和發光層4之間。其他結構與圖1相同，此處省略多餘的描述。當透明電極用作第二電極層5時，不僅可以在襯底1側上而且可以在第二電極層5側上得到散射光。即，當使用該結構時，可以實現雙面發光型EL元件。
圖3示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中不是使用球形顆粒而是使用每個具有長軸和短軸的非球形顆粒作為包含在光散射層3中的金屬顆粒6。假設每個非球形金屬顆粒的短軸r2與其長軸r1之比為形狀比。在形狀比增加的情況下，當入射光被金屬顆粒6散射而產生散射光時，入射在界面上的入射光的波長移至長波長側。即，當金屬顆粒6為球形顆粒且其顆粒直徑增加時，就可能得到散射光所具有的波長移至長波長側的相同效果。非球形顆粒的實例包括柱型或者矩形顆粒。
圖14示出了光散射層3中包含的每個金屬顆粒的另一結構的橫截面圖。每個金屬顆粒包括由介電材料製成的核心部分23和其表面具有厚度24的金屬薄膜25。核心部分23的材料例如可以是二氧化矽。金屬薄膜25的材料例如是Au或者Ag。當調整核心部分23的直徑22的絕對值以及金屬薄膜25的厚度24的絕對值或者它們之間的比值時，波長與散射效率相關。
圖4示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中介電層7提供在光散射層3和發光層4之間。當使用折射率比發光層4的折射率更小的介電層7時，在發光層4和介電層7之間引起全反射。當將光散射層3的折射率設置成比介電層7的折射率更小的值時，在介電層7和光散射層3之間的界面處引起全反射。當介電層較薄時，光的全反射所產生的近場光透入光散射層。其結果是，在光散射層中的金屬顆粒的電子與近場光發生共振以激發等離子體激元，從而發射光。從襯底1中提取所發射的光。當介電層的薄膜厚度在1nm至50nm的範圍時，近場光可以與光散射層的金屬顆粒相互作用。當薄膜厚度在該範圍內改變時，可以調節光提取效率。
如上所述，當介電層提供在光散射層和發光層之間時，在介電層和發光層之間的界面處可以具有全反射條件。例如，使用介電常數小的材料用於介電層時，臨界角增加，所以容易引起全反射。因此，可以產生更大量的近場光，從而增加了金屬顆粒所散射的光的數量。
圖5示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中使光散射層3的薄膜厚度基本等於每個金屬顆粒6的顆粒直徑。例如，當每個金屬顆粒6的顆粒直徑為幾十nm時，將光散射層3的薄膜厚度設置成幾十nm。根據該結構，通過與金屬顆粒電接觸可以使第一電極層與發光層直接接觸。絕緣介電材料通常用於光散射層，當使用無機EL層作為發光層4時，可以防止施加在發光層上的電場降低。當使用有機EL層作為發光層4時，可以防止注入發光層的電子流被阻擋。因此，可以提高從第一電極層至發光層的電子或者空穴的注入效率。此外，被限制在發光層中的光可以被金屬顆粒散射，並從發光層提取。因此，可以提高用於平面光發射器的EL元件的發光效率。
圖6示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中提供了彼此發光顏色不同的多個發光層。如圖6所示，用於紅色的R-發光層4r，用於綠色的G-發光層4g和用於藍色的B-發光層4b作為發光層堆疊，以實現高強度的白色EL元件。因此，當提供了發射光波長彼此不同的多個發光層以及其中分散有金屬顆粒的光散射層時，可以發射必要的顏色光，並可提取限制在發光層中的光。因此，可能得到這樣的平面光發射器，其中保證了從平面光發射器中發射的光的顏色選擇自由度，以便提高發光效率。
圖8示出了有機EL元件的詳細橫截面結構。在有機EL元件的情況下，空穴和電子在發光層中相互結合以發射光。第一電極層2、空穴注入層8、空穴傳輸層9、光散射層3、有機EL材料製成的發光層4、電子傳輸層10、電子注入層11和第二電極層5按照這樣的順序堆疊在襯底1上。因此，從第一電極層和第二電極層注入的空穴和電子的注入效率和傳輸效率可以得到提高，以便提高發光效率。金屬顆粒6分散在光散射層3中。此處，每個顆粒直徑大約1nm至300nm的金(Au)顆粒作為金屬顆粒6分散在薄膜厚度為1nm至1μm的氧化矽薄膜中。製備其中Au顆粒與氧化矽混合或者分散在其中的靶(target)，並使用RF濺射方法執行沉積以形成光散射層。除了氧化矽薄膜以外，可能使用諸如氧化鋁薄膜、氮化矽薄膜、氧化銀薄膜、氧化鎢薄膜或者氧化鈷薄膜的氧化物薄膜，或者陶瓷材料薄膜。除了Au以外，可以使用Ag、Pt、Co、W等作為金屬顆粒。為使金屬顆粒分散分布，將每個金屬顆粒6的顆粒直徑設置在光散射層3的薄膜厚度範圍內。因此，可以引起從發光層4發射的光的波長色散。
用於發光層4的有機EL材料的宿主材料的實例包括Alq3和鈹苯基喹啉(BeBq2)。發光層4的摻雜劑的實例包括螢光材料和磷光材料。在有機EL元件的情況下，當從兩個電極層注入電子和空穴，以便複合發出光時，不需要為注入電子提供高能量。因此，可以降低驅動電壓。
空穴注入層8和空穴傳輸層9提供在用作陽極的第一電極層2和發光層4之間，這有利於來自第一電極層2的空穴的注入和傳輸。選擇所述層的材料，以使每個電離電勢在用作陽極的第一電極層2的功函數和發光層4的電離電勢之間。例如，可以使用諸如酞菁衍生物或者三唑衍生物的材料。電子注入層11和電子傳輸層10提供在發光層4和第二電極層5之間，這有利於來自第二電極層5的電子的注入和傳輸。選擇所述層的材料，以使得每個電子的親和勢(affinity)在第二電極層5的功函數和發光層4的電子親和勢之間。例如，可以使用諸如三唑衍生物或者三嗪衍生物的材料。
在上述各種結構中，第二電極層5為諸如Al的金屬薄膜，或者由ITO製成並使用濺射方法或者真空蒸發方法形成的透明導電薄膜。在該實施例中，除圖2的情況外，從襯底1側提取從發光層4(4b、4g、4r)發射的光以及光散射層3所散射的光。當從作為上面部分側的第二電極層5提取光束時，僅需要使用不透明金屬電極作為第一電極層2，而使用由ITO等製成的透明電極層作為第二電極層5。
由無機材料製成的發光層4通過EL材料的沉積形成，在所述EL材料中通過電子束蒸發方法使用Sm或Tb摻雜ZnS。ZnS的EL元件為無機EL元件，因此驅動電壓變得更高。
在該實施例中，玻璃襯底用作襯底1。可以使用由彈性材料製成的襯底，諸如透明塑料襯底。在該實施例中，使用了將光提取到襯底側的結構，因此透明電極層用作第一電極層2。具體地講，使用真空蒸發方法沉積氧化銦錫(下文中稱為ITO)。可以使用氧化銦鋅來代替ITO。
(實施例2)圖7為示出了根據該實施例的EL元件的橫截面結構的局部示意圖。根據該實施例的EL元件與根據實施例1的EL元件的重要不同在於，光散射層3不是提供在第一電極層和發光層之間，而是提供在第二電極層5上。其它結構和結構布置與實施例1中的相同，此處省略多餘描述。在根據該實施例的結構中，不透明金屬電極用作第二電極層2，而透明電極層用作第二電極層5，從而得到來自圖7的上部散射光。發光層4與第二電極層2和第二電極層5接觸。因此，存在的優勢在於，通過光散射層3防止了施加至發光層4上的電壓降低或者注入其中的電荷的抑制。
(實施例3)圖9為示出了根據該實施例的EL元件的橫截面的局部示意圖。將描述根據本發明的EL元件用於顯示裝置的結構。此處將描述EL元件的實例，其中相應於三種光散射區域形成了彼此隔開的多個電極。如圖9所示，第一電極層2形成在由玻璃等製成的透明襯底1上，第一電極層2為在平行於圖9的紙平面方向延伸的多個隔開的條形電極組的其中之一。光散射層3形成在第一電極層2上。發光層4形成在光散射層3上。彼此隔開並以條形提供以與第二電極層2相交的第二電極層-B 5b、第二電極層-G 5g和第二電極層-R 5r形成在發光層4上。其中第一電極層2和第二電極層5相互重疊的每個堆疊部分構成像素。當在第一電極層2和第二電極層-B 5b之間施加電壓時，夾在其間的發光層區域發射光。當在第一電極層2和第二電極層-G 5g之間施加電壓時，夾在其間的發光層區域發出光。當如上所述執行逐次電極選擇時，可以實現點陣顯示。
光散射層3包括相應於像素提供的光散射區域-B 3b、光散射區域-G 3g和光散射區域-R 3r。各個光散射區域的金屬顆粒6的平均顆粒直徑彼此不同。即，光散射層-G 3g的金屬顆粒-G 6g的平均顆粒直徑比光散射區域-B 3b的金屬顆粒-B 6b的平均顆粒直徑大。光散射層-R 3r的金屬顆粒-R 6r的平均顆粒直徑比光散射區域-G 3g的金屬顆粒-G 6g的平均顆粒直徑大。因此，當調整每個光散區域的金屬顆粒形狀時，可以改變散射光的特性，例如散射光的波長特性及其方向性。
如上所述，在金屬顆粒6中等離子體激元被激發的情況下，當每個金屬顆粒的顆粒直徑增加時，入射光的波長就移至長波長側以產生散射光。在該實施例中，金屬顆粒-G 6g所散射的光的波長比金屬顆粒-B 6b所散射的光的波長更長，金屬顆粒-R 6r所散射的光的波長比金屬顆粒-G 6g所散射的光的波長更長。例如，假設發光層4為用於藍光或者紫外光的EL發光層，Au顆粒用作金屬顆粒。然後，當將金屬顆粒-B 6b的平均顆粒直徑設置為大約50nm時，將金屬顆粒-G6g的平均顆粒直徑設置為大約100nm，將金屬顆粒-R 6r的平均顆粒直徑設置為大約150nm，可以得到藍色光束、綠色光束和紅色光束作為各個散射光束。
因此，光束被與各個像素相應的光散射層3的光散射區域散射，以產生顏色彼此不同的散射光束。當逐次掃描構成第一電極層2的多個電極和構成第二電極層5的多個電極時，可以得到能夠執行全彩顯示的EL元件。
可以如下製造圖9示出的光散射層3。將Au顆粒或者Ag顆粒與由用於光散射層3的材料製成的靶混合或者將其分散在該靶之中。通過使用靶的RF濺射方法執行薄膜形成。使用金屬掩膜用於形成薄膜，在所述金屬掩膜中，為包括例如三個像素的每個組提供空穴。形成具有平均顆粒直徑的光散射層3，然後金屬掩膜移位一個像素。接著，在不同的RF濺射條件下執行薄膜形成。當重複這樣的操作時，可以得到具有不同平均顆粒直徑的光散射層3。
圖10示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中不是使用球形顆粒而是使用每個具有長軸和短軸的非球形顆粒作為包含在光散射層3中的金屬顆粒6。非球形顆粒是例如柱型或矩形顆粒。假設每個金屬顆粒6的短軸與其長軸之為形狀比，形狀比增加時，當入射光被金屬顆粒6散射產生散射光時，最大散射光的波長移至長波長側。即，光散射區域-G 3g的金屬顆粒-G 6g的平均形狀比比光散射區域-B3b的金屬顆粒-B 6b的平均形狀比更大。光散射區域-R 3r的金屬顆粒-R 6r的平均形狀比比光散射區域-G 3g的金屬顆粒-G 6g的平均形狀比更大。其結果是，金屬顆粒-G 6g所散射的光的波長比金屬顆粒-B 6b所散射的光的波長更長，金屬顆粒-R 6r所散射的光的波長比金屬顆粒-G 6g所散射的光的波長更長。因此，在參考圖9描述的情況下，可以得到全彩EL元件。
圖11示意性地示出了具有這樣結構的EL元件，其中介電層7提供在光散射層3和發光層4之間。在該結構中，對於每個像素區域，介電層7的薄膜厚度不同。即，如圖11所示，隨著布置在光散射層中的金屬顆粒8的大小變得更大，介電層7的薄膜厚度增加。從與各個像素區域相應的金屬顆粒-B 6b、金屬顆粒-G 6g和金屬顆粒-R 6r所散射光束的強度彼此不同。因此，為每個像素區域調節介電層7的薄膜厚度，以使得散射光束的強度彼此相等。將介電層7的薄膜厚度設置為例如能夠允許溝道電流流動的薄膜厚度。
圖12示出了有機EL元件的詳細橫截面結構。在該結構中，空穴注入層8和空穴傳輸層9提供在光散射層3和第一電極層2之間。此外，電子傳輸層10和電子注入層11提供在有機EL材料製成的發光層4和第二電極層5之間。根據這樣的結構，提高了空穴和電子的注入效率，因此可能得到低壓驅動。
如圖9至12示出的包括各個像素區域的光散射層3可以由對於每個區域來講介電常數不同的發光層所代替。即，假設其中分散有金屬顆粒-B 6b的光散射區域-B 3b、其中分散有金屬顆粒-G 6g的光散射區域-G 3g以及其中分散有金屬顆粒-R 6r的光散射區域-R 3r具有彼此不同的介電常數。因此，可以進一步改變散射光束的強度峰值。
在如上所述的每個結構中，描述了球形顆粒、或者柱狀顆粒或者矩形顆粒的金屬顆粒6。然而，本發明並不僅限於此，因此金屬顆粒可以為多邊形顆粒或者形狀複雜顆粒。
圖15示意性地示出了其中金屬顆粒分散在每個光散射區域的光散射層31，在所述光散射層31中每個金屬顆粒具有金屬薄膜25提供在由介電材料(參見圖14)製成的核心部分表面上的結構。即，圖9至12示出的光散射層3可以由光散射層31代替。在圖15中，省略了位於光散射層31上面和下面的層。使用了這樣的金屬顆粒，其中調節核心部分的直徑絕對值和金屬薄膜的厚度絕對值或者其比值。因此，波長與每個光散射區域的散射效率相關。在光散射層31中，金屬顆粒35分散在直接位於第二電極層-B下的部分32中，每個所述金屬顆粒35所具有的金屬薄膜厚度比核心部分的厚度相對更厚。金屬顆粒37分散在直接位於第二電極層-R下的部分32中，每個所述金屬顆粒37所具有的金屬薄膜厚度比核心部分的厚度相對更薄。金屬顆粒36分散在直接位於第二電極層-G之下的部分33中，每個所述金屬顆粒36所具有的核心部分和金屬薄膜之間的厚度比是在兩側部分中分散的金屬顆粒中的其厚度比的中間值。在具有這樣結構的光散射層31中，從發光層(未示出)發射出的光中，短波長分量被金屬顆粒35以高效率散射，長波長分量被金屬顆粒37以高效率散射，而中間波長分量被金屬顆粒36以高效率散射。因此，可以得到用於全彩顯示裝置的EL元件。
圖16示意性地示出了光散射層41，其中使用多個顆粒凝結在一起的每個團用作金屬顆粒。即，圖9至圖12示出的光散射層3可以通過光散射層41代替。在圖16中，省略了位於光散射層41之上和之下的層。在光散射層41中，金屬顆粒團45分散在直接位於第二電極層-B下方的部分42中，在所述每個金屬顆粒團45中，相對小量的顆粒(幾個至十個顆粒)凝結在一起。金屬顆粒團47分散在直接位於第二電極層-R下方的部分44中，在所述每個金屬顆粒團47中，相對較大量的顆粒(幾十個至一百個顆粒)凝結在一起。金屬顆粒團46分散在直接位於第二電極層-G下方的部分43中，在所述每個金屬顆粒團46中，凝結顆粒的數量是上述顆粒數量之間的中間值。在具有這樣結構的光散射層41中，從發光層(未示出)發射出的光中，短波長分量被金屬顆粒團45以高效率散射，長波長分量被金屬顆粒團47以高效率散射，而中間波長分量被金屬顆粒團46以高效率散射。因此，可以得到用於全彩顯示裝置的EL元件。
在根據每個實施例的結構中，描述了無源矩陣顯示裝置，其中第一電極層2和第二電極層5用於多個條形電極，並且像素提供在其間的每個交叉部分。可以使用這樣的EL元件，其中使用在每個像素處形成了TFT元件等的有源矩陣結構，第二電極層用作像素電極，並為每個像素提供光散射層3。
權利要求
1.一種電致發光元件，包括第一電極層；第二電極層；提供在第一電極層和第二電極層之間的發光層；和光散射層，位於第一電極層和發光層之間，且包含有分散的金屬顆粒。
2.根據權利要求1所述的電致發光元件，進一步包括提供在第二電極層和發光層之間的第二光散射層。
3.根據權利要求1所述的電致發光元件，所述光散射層位於第二電極層之上。
4.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中所述光散射層包括薄膜，在所述薄膜中金屬顆粒分散在介電材料中，每個金屬顆粒具有的顆粒直徑在1nm至300nm範圍內。
5.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中所述光散射層包括薄膜，在所述薄膜中金屬顆粒分散在介電材料中，所述金屬顆粒具有不同的短軸與長軸比。
6.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中每個所述金屬顆粒具有的顆粒直徑基本上等於光散射層的厚度。
7.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中每個所述金屬顆粒包括基本為球形且包含介電材料的核心部分以及形成在所述核心部分表面上的金屬薄膜。
8.根據權利要求7所述的電致發光元件，其中所述光散射層包括多種金屬顆粒，在每種金屬顆粒中，核心部分和金屬薄膜的大小不同。
9.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中每個金屬顆粒包括多個顆粒凝結的團。
10.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括多個彼此隔開的電極，並且像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中；和光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域，並且從第一光散射區域發射的散射光具有與從第二光散射區域發射的散射光的波長特性不同的波長特性。
11.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括多個彼此隔開的電極，並且像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中；和在光散射層中與第一像素相應的第一光散射區域具有的金屬顆粒在形狀上與第二像素相應的第二光散射區域的金屬顆粒不同。
12.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括多個彼此隔開的電極，並且像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中；光散射層包括第一介電層和第二介電層；和在光散射層中所述第一介電層具有的介電常數與所述第二介電層的介電常數不同，所述第一介電層包括與第一像素相應的第一光散射區域，所述第二介電層包括與第二像素相應的第二光散射區域。
13.根據權利要求1所述的電致發光元件，進一步包括提供在發光層和光散射層之間的介電層，其中第一電極層和第二電極層中至少其中之一包括多個彼此隔開的電極，並且像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中；光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域和與第二像素相應的第二光散射區域；和所述介電層具有在與第一光散射區域相應的部分和與第二光散射區域相應的部分之間改變的薄膜厚度。
14.根據權利要求11至13任一項所述的電致發光元件，其中包括在第二光散射區域中的金屬顆粒的平均顆粒直徑大於包括在所述第一光散射區域中的金屬顆粒的平均顆粒直徑。
15.根據權利要求11所述的電致發光元件，其中當將每個金屬顆粒的短軸與其長軸的比表示為形狀比時，包括在第二光散射區域中的金屬顆粒的平均形狀比大於包括在第一光散射區域中的金屬顆粒的平均形狀比。
16.根據權利要求11所述的電致發光元件，其中每個金屬顆粒包括這樣的結構，其中金屬薄膜形成在包含介電材料的基本球形核心部分的表面上；和在第一光散射區域和第二光散射區域之間，每個金屬顆粒的核心部分和金屬薄膜大小不同。
17.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中將第一電極層和第二電極層中至少其中之一分成與三基色相應的部分，第一像素、第二像素和第三像素提供在第一電極層和第二電極層相互重疊的堆疊部分中；光散射層包括與第一像素相應的第一光散射區域、與第二像素相應的第二光散射區域和與第三像素相應的第三光散射區域；和分散在第一光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在10nm至50nm的範圍內，分散在第二光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在50nm至90nm的範圍內，分散在第三光散射區域中的每個金屬顆粒的大小在90nm至140nm的範圍內。
18.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中每個金屬顆粒包括從由Au、Ag、Pt、Co、W和其合金構成的組中選擇的其中之一。
19.根據權利要求1所述的電致發光元件，其中每個金屬顆粒包括其中等離子體激元被激發的顆粒。
20.一種顯示裝置，包括電致發光元件，所述電致發光元件包含第一電極層、第二電極層、發光層以及光散射層，所述發光層提供在所述第一電極層和所述第二電極層之間，所述光散射層提供在所述第一電極層和所述發光層之間且包含有分散的金屬顆粒；和提供在所述電致發光元件的發光表面側上的非自發光顯示元件。
全文摘要
在包含夾在上下電極之間的發光層的EL元件中，對該EL元件發出的光來講，由於沒有提取在發光層界面處被全反射的光，所以存在發光效率降低的問題。因此，在電極和發光層之間提供了其中分散有金屬顆粒的光散射層。根據這樣的結構，來自發光層中的光可以被金屬顆粒散射並提取，從而提高了發光效率。當在金屬顆粒中等離子體激元被激發時，可以使用限制在發光層或者與其臨近的每個層中的光，從而提高了光使用效率。
文檔編號H01L27/28GK1967901SQ20061014933
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月20日 優先權日2005年11月18日
發明者大海學, 須田正之, 山本修平, 杉野谷充, 千本松茂 申請人:精工電子有限公司