JP2006040580A

JP2006040580A - 有機ｅｌ素子の製法

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Publication number: JP2006040580A
Application number: JP2004214743A
Authority: JP
Inventors: Kazu Tomoyose; 寄壹友
Original assignee: AMS KK
Current assignee: AMS KK
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】トップエミッション型有機ＥＬ素子の、基板からの放熱性が高く、有機ＥＬ層の変質を招かないで第２電極であるＩＴＯ膜とその上の保護膜を連続して形成でき、基板表面の絶縁層を経済的に形成できる製法を提供する。
【解決手段】マグネシウム、アルミニウム、又はそれらを含む合金からなる金属母体を用意し、その表面に絶縁層を形成して、金属基板とする第１の段階と、複数本の第１電極を形成する第２の段階と、有機ＥＬ層を形成する第３の段階と、対向ターゲットスパッタ（ＦＴＳ）装置により、ターゲットを酸化インディウム錫（ＩＴＯ）として、第２電極を形成する第４の段階と、前記ターゲットをシリコンに替えて、酸素ガスと窒素ガスを所定の分圧に混合して吹き込むことにより、酸化窒化シリコンからなる保護膜を第２電極に連続して形成する第５の段階とをこの順に含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機ＥＬ素子の製法に係り、特に、基板としてマグネシウム材を用いたトップエミッション型の有機ＥＬ素子の製法に関するものである。

有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、略して「有機ＥＬ素子」という。）は、近年の薄膜形成技術の進歩により、厚さｎｍクラスの高純度、良質の積層膜が形成できるようになり、５Ｖ程度の低電圧動作が可能となった。
このようにして有機ＥＬ素子は、低消費電力、高品質で、薄型で、さらには曲面表示も可能な、次世代表示システム用の素子として注目されている。

有機ＥＬ素子では、所定の有機分子成分からなる複数の膜を上下に積層して有機ＥＬ層とし、その上下両側に各々電極層を付着してＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）を形成し、両電極を通じて所定の電圧又は電流を印加して電子とホールを有機ＥＬ層に注入し、電子とホールが再結合する際に発光する現象を利用する。
従って、この発光を外部に導いて表示機能を果たさせるためには、上下に備えた電極の内、少なくとも一方の電極は透明でなければならない。

透明電極としては、電気伝導度と透明度の両立を図ることができる材質としてＩＴＯ（酸化インジウム錫）が普及しているが、一般にはＩＴＯの電気抵抗を下げるためアニールが必要であり、且つ、ＩＴＯの表面の平滑度を上げるため（粗度を下げるため）研磨が必要であった。

有機ＥＬ層はＩＴＯのアニールの際に高温になると変質してしまうので、有機ＥＬ層は、従来はＩＴＯより後に形成する必要があった。
即ち、積層順が［基板−第１電極（ＩＴＯ）−有機ＥＬ層−第２電極（不透明電極）］となり、基板側から発光させる（ボトムエミッション）ため、基板も透明でなければならず、通常、ガラス基板を用いている。

しかしながら、ガラス基板は熱伝導性が悪く、作動中の発熱に対し放熱が不十分で高温になり有機ＥＬ層の劣化を招き易い。

さらに、高速高精細の表示システムを得るためには、アクティブマトリクス（ＴＦＴ）駆動にしなければならないが、その場合、ＴＦＴトランジスタを基板とＩＴＯ電極の間に形成しなければならないので、ＴＦＴトランジスタの存在する分だけ開口率が低下し、発光の外部変換効率が低下する。
即ち、所要の発光量を確保するためには消費電力が増大し、従って消費電力に比例する発熱量が増大し、さらに高温になってしまい、有機ＥＬ層の劣化を一層招き易い。

そこで、第２電極を透明化して［基板―ＴＦＴ−第１電極−有機ＥＬ層−第２電極（ＩＴＯ）］とし、基板の反対側から発光させる（トップエミッション）方式が研究されている。
その際、第２電極の形成により有機ＥＬ層を変質させないように、種々の工夫がなされている。

例えば特許文献１には、第２電極（透明電極）を多層ＩＴＯ薄膜化し、従来と同程度の電気伝導度を確保しつつ透明度を向上し、ＩＴＯ成膜の際の基板の温度を低温に抑える技術が開示されている。

また例えば特許文献２には、ボトムエミッション型で作成した有機ＥＬ層基板（色変換基板）と、別に作成したＴＦＴ基板を貼り合わせる（その際、両基板間のギャップ調整と応力緩和用にオーバコート層を設ける）ことによりトップエミッション型に切り替える技術が開示されている。
しかしながら、これらの技術には、基板の温度上昇抑制が必ずしも十分でなく、また、工程数が増加して製造方法が複雑になるという問題がある上に、ガラス基板に頼っているので放熱が十分でなく、有機ＥＬ層の劣化を招き易いという問題があった。
特開２００４−１３９９９１号公報特開２００３−２８２２６１号公報

本発明は、トップエミッション型有機ＥＬ素子の、基板からの放熱性が高く、しかも経済的な製法を提供することを目的とする。

本発明は、また、トップエミッション型有機ＥＬ素子の、有機ＥＬ層の変質を招かないで第２電極であるＩＴＯ膜とその上の保護膜を連続して形成でき、しかもＩＴＯ膜が研磨を要しないほど平滑にできる、経済的な製法を提供することを目的とする。

本発明は、また、このようにトップエミッション型有機ＥＬ素子の、基板表面の絶縁層を経済的に形成できる製法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による有機ＥＬ素子の製法は請求項１に記載のとおり、マグネシウム、アルミニウム、又はそれらを含む合金からなる金属母体を用意し、その表面に絶縁層を形成して、金属基板とする第１の段階と、複数本の第１電極を形成する第２の段階と、有機ＥＬ層を形成する第３の段階と、対向ターゲットスパッタ（ＦＴＳ）装置により、ターゲットを酸化インディウム錫（ＩＴＯ）として、第２電極を形成する第４の段階と、前記ターゲットをシリコンに替えて、酸素ガスと窒素ガスを所定の分圧に混合して吹き込むことにより、酸化窒化シリコンからなる保護膜を第２電極に連続して形成する第５の段階と、を、この順に含むことを特徴とする。

また、請求項２に記載のとおり、第１の段階において、前記絶縁層が金属母体の表面を酸化して形成されることを特徴とする。

また、請求項３に記載のとおり、第１の段階と第２の段階の間に、さらに、前記有機ＥＬ層の下部に相当する位置にＴＦＴトランジスタを形成する第６の段階を含むことを特徴とする。

本発明によるトップエミッション型有機ＥＬ素子の製法によれば、第２電極（ＩＴＯ）膜とその上の保護膜が連続して形成され、しかも基板からの放熱性が高いので有機ＥＬ層の劣化を招かず、信頼性の高い有機ＥＬ素子を経済的に提供できる。

また、本発明によるトップエミッション型有機ＥＬ素子の製法によれば、第２電極（ＩＴＯ）の形成に際して有機ＥＬ層を変質させることがないので、高品質の有機ＥＬ素子を高歩留でしかも経済的に提供できる。

また、本発明によるトップエミッション型有機ＥＬ素子の製法によれば、ＴＦＴトランジスタによって開口率が制限されることのない、アクティブマトリクス型有機ＥＬ素子を経済的に提供できる。

以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

本発明では、対向ターゲット・スパッタ（以下、「ＦＴＳ」と略する）技術によりＩＴＯ透明電極膜を形成することにより、通常の単純スパッタ技術による場合よりも低温で、即ち有機ＥＬ層を変質させることなく、比抵抗率の低い、かつ透明度の高い、そして平滑度の良いＩＴＯが得られるという事実に着目する。

ＦＴＳは、その原理が１９７７年に東工大の直江教授他により提案されたものである。
（Ｙ．Ｈｏｓｈｉ，Ｍ．ＮａｏｅａｎｄＳ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１６（１９７７），ＰＰ．１７１５）
その特徴はターゲット面を対向させ、ターゲット間に挟まれた空間に高密度プラズマを拘束し高真空・低電圧放電によりスパッタ粒子を発生し、その際、スパッタ粒子を堆積し膜を生成すべき基板表面をプラズマ空間の外に位置させて、プラズマ粒子が直接基板表面に衝突しないようにしながら、スパッタ粒子が低温で基板表面に堆積するようにして、衝突ダメージ、粒界欠陥の無い膜を形成することにある。

なお単純スパッタ法でもＣＶＤ（化学蒸着）方式による薄膜形成では、原料ガスを均一に分解し基板上に輸送し、基板温度や基板バイアスにより選択的に所望の量の分子を堆積するので、ほぼ同等の、粒界欠陥のない膜を形成できる。
しかし、ＣＶＤ方式では基板温度を高温にしなければならない場合があり、その場合は有機ＥＬ層の上の膜形成に使えない。
さらに有毒なガスを使用する場合が多く、かつガス分解した有機物が薄膜形成プロセス中に必要な真空容器や配管系統へ付着するので、環境安全性や保守を考慮した広いスペースと高額な設備投資を必要とし、好ましくない。

図１、図３は、本発明による有機ＥＬ素子の製法を示すフローチャートであり、図２、図４は、本発明による有機ＥＬ素子の製法を示す断面模式図であり、図１、図２はパッシブマトリクス駆動の場合、図３、図４はアクティブマトリクス駆動の場合である。

図１、図２に示すように、パッシブマトリクス駆動型の有機ＥＬ素子は次の順序で形成される。
ステップ１で、最初に金属基板１００を用意する。金属基板の材質としては、加工性、熱伝導性が高く、経済的に入手できることが望ましく、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）もしくはそれらを含む合金が好適である。

金属基板１００は、金属母体１０２と絶縁層１０４からなる。
絶縁層の形成に先立って、金属母体の表面を研磨して、所定の平滑度を得ておく。この平滑度は、後の工程で付着される有機ＥＬ層の光学的品質レベルに大きく影響するものである。
Ｍｇの場合は、バフ研磨と電界研磨を併用することにより、０．０１０μ台の優秀な平滑度が得られることが報告されている。

絶縁層１０４は、母体金属の酸化によって形成する。
その際、Ａｌの場合は、アルミナを形成するためには陽極酸化、即ち電気化成を要するのに対し、Ｍｇの場合は、例えば２塩化マグネシウムＭｇＣｌ_２の２〜５％溶液にディップ（浸す）し、焼成するだけでよい。
形成された酸化Ｍｇの膜厚は５０〜１００ｎｍと薄いが、有機ＥＬ素子に要求される耐圧１５Ｖを十分クリアできる。

ＭｇＣｌ_２液浸の場合、表面にムラ、アレを生ずる場合があるが、この問題は、適切な濃度のＮａＯＨ＋ＮａＣｌにディップし焼成することにより解決できることが報告されている。
（Ａ．ＹａｍａｍｏｔｏａｎｄＨ．Ｔｓｕｂａｋｉｎｏ，ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓ．，４４−４（２００３），ｐｐ５１１−５１７，Ｊｐｎ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｔａｌｓ）
以上のような加工性の観点から、以下の説明では金属基板をＭｇ基板で代表する。

次にステップ２で、絶縁層１０４の上に複数本の第１電極１２０が互いに平行に形成される。
第１電極の材質は、障壁電位が低く電気伝導性の高いＭｇもしくはＭｇ−Ａｇが好適である。
第１電極１２０の間は誘電体層（絶縁物層）１２２で埋められる。

次にステップ３で、第１電極１２０の上に、有機ＥＬ層１３０が形成される。
有機ＥＬ層は下から順に、電子注入層１３２、電子輸送層１３３、発光層１３４、ホール輸送層１３５、ホール注入層１３６からなるが、一部の層が合体される場合もある。

次にステップ４で、有機ＥＬ層１３０のホール注入層１３６の上に、上記ＦＴＳ装置を用いて、複数本の、酸化インディウム錫ＩＴＯからなる第２電極１４０が互いに平行に、しかも第１電極と直交するように形成される。
なお、第２電極ＩＴＯはホール注入効率が高いので、陽電極とするのが好適であり、従って第１電極は陰電極とするのが好適である。

第２電極の形成に際しては、上記ＦＴＳ装置のターゲットをＩＴＯにしておき、有機ＥＬ層１３０が形成された基板を、所定のマスキングをした後、上記ＦＴＳ装置の所定の位置に配置し、ＩＴＯを上記所定のマスクパターンに従って選択的に堆積する。

その際、プラズマ粒子が有機ＥＬ層に衝突しないので、有機ＥＬ層を物理的に傷つけることなく、また高温に晒さないので、有機ＥＬ層を化学的に変質させることなく、高品質（比抵抗率の低い、かつ透明度の高い、そして研磨を要しないほど平滑度の良い）のＩＴＯ層が得られる。

これで、第１電極１２０、有機ＥＬ層１３０、第２電極１４０からなる有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）１１０が形成されたことになる。
最後にステップ５で、ＩＴＯ層１４０の上に保護膜１５０が形成される。
保護膜１５０は酸化窒化シリコンＳｉＯｘＮｙであり、酸素と窒素の比率は、透明性とバリア性が共に優れたｘ／ｙ＝２／３〜４／１に取るのが望ましい。
（Ｔ．Ｍｉｙａｋｅｅｔａｌ，ＩＤＷ’０３，ｐｐ１２８９−１２９２）
例えば、ｘ／ｙ＝８／３に取るのが好適である。

保護膜１５０は、上記ＦＴＳ装置内でＩＴＯに続き連続的に形成する。
即ち、ＩＴＯ形成後、ターゲットをＩＴＯからシリコンに取替え、反応性ガスとして酸素ガスと窒素ガスを所定の比率、例えば８：３の分圧に混合して、ＦＴＳ装置内の、プラズマ領域の外部であって、基板の周辺だけに吹き込む。
その際、反応性ガスは専らターゲットから降ってきたシリコンと反応して、基板上の保護膜を形成するのに使われ、反応性ガス、特に酸素分子がプラズマ中に入ることがない。

このように、有機ＥＬ素子は図２に示した有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）１１０を複数個、マトリクス状に並べたものを含み、第１と第２の電極間に所定の電圧を与えると、交点のＯＬＥＤにはその電圧に応じた電流が流れ、その電流に応じた光量を発光する。
発光された光は、透明な第２電極１４０と保護膜１５０を透過して、図の上方から外部に放出される。即ち、トップエミッション型の有機ＥＬ素子が得られる。

その際、交点のＯＬＥＤで発生する消費電力（電圧×電流）は、外部に発光された光のエネルギを除いて、熱エネルギとなるが、本発明による有機ＥＬ素子の場合は、基板の熱伝導率が高いので、速やかに放散することができ、有機ＥＬ層が低温に保たれるので、有機ＥＬ層の劣化を招かない。

図３、図４を参照すると、アクティブマトリクス駆動の場合であり、上記図１、図２と比較して、ステップ１とステップ２の間にステップ６が介在する点で相違する。
本実施例では、アクティブマトリクス駆動の原理を模式的に示す。
ステップ６で、最初に、金属基板１００の絶縁層１０４の上にポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるＴＦＴ層１２４を設ける。

ＴＦＴ層１２４には、各々ゲート、ソース、ドレーンを有するＴＦＴトランジスタ１２６が形成され、ドレーン配線Ｚが対応する第１電極１２０に接続され、ゲート配線Ｘ、ソース配線Ｙは互いに直交する行列をなす。
第１電極１２０は、その行列の交点の数だけアレイ状に形成される。
また第２電極１５０は全面一体でよい。

ある行に対応するゲートＸに所定の電圧を印加すると、その行のＴＦＴをすべて選択することができ、その際のソースＹに印加した電圧が対応するＯＬＥＤの第１電極１２０に転送され記憶される。

このようにしてすべての行を順次選択して循環すると、個々のＯＬＥＤに、第２電極を基準とする、各々所望の電圧を与えることが出来、個々のＯＬＥＤは１周期の間、与えられた電圧に対応して発光し、実施例１の場合と同じように、トップエミッション型の有機ＥＬ素子が得られる。

その際、ボトムエミッション型の場合と異なり、ＴＦＴトランジスタ１２６を有機ＥＬ層１３０の下の領域に形成しても外部への発光を妨げないので、開口率、従って最終的な発光効率を上げることができる。
逆に、同一の光量が低消費電力で得られるので、有機ＥＬ層の温度をさらに抑え、劣化を防ぐことができる。

本発明による有機ＥＬ素子の製法の、パッシブマトリクス型の場合のフローチャートである。パッシブマトリクス型の有機ＥＬ素子の模式図である。本発明による有機ＥＬ素子の製法の、アクティブマトリクス型の場合のフローチャートである。アクティブマトリクス型の有機ＥＬ素子の模式図である。

符号の説明

１００金属基板
１０２金属母体
１０４絶縁層
１１０有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）
１２０第１電極
１２２誘電体層
１２４ＴＦＴ層
１２６ＴＦＴトランジスタ
１３０有機ＥＬ層
１３２電子注入層
１３３電子輸送層
１３４発光層
１３５ホール輸送層
１３６ホール注入層
１４０第２電極（ＩＴＯ）
１５０保護膜

Claims

マグネシウム、アルミニウム、又はそれらを含む合金からなる金属母体を用意し、その表面に絶縁層を形成して、金属基板とする第１の段階と、
複数本の第１電極を形成する第２の段階と、
有機ＥＬ層を形成する第３の段階と、
対向ターゲットスパッタ（ＦＴＳ）装置により、ターゲットを酸化インディウム錫（ＩＴＯ）として、第２電極を形成する第４の段階と、
前記ターゲットをシリコンに替えて、酸素ガスと窒素ガスを所定の分圧に混合して吹き込むことにより、酸化窒化シリコンからなる保護膜を第２電極に連続して形成する第５の段階と、
を、この順に含むことを特徴とする有機ＥＬ素子の製法。
第１の段階において、前記絶縁層が金属母体の表面を酸化して形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子の製法。
第１の段階と第２の段階の間に、さらに、前記有機ＥＬ層の下部に相当する位置にＴＦＴトランジスタを形成する第６の段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子の製法。