发光元件、发光设备以及发光元件的制造装置
技术区域
本发明是关于包括量子点的发光元件、包括该发光元件的发光设备以及发光元件的制造装置。
背景技术
专利文献1公开了包括半导体纳米晶体的发光设备。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报“日本专利特开2012-23388号公报(2012年2月2日公开)”
发明内容
本发明所要解决的技术问题
在量子点的电离势大于形成于包括阳极以及量子点的层之间的空穴输送层的电离势的情况下，会降低从空穴输送层向量子点的空穴的注入效率。为了解决该问题，可想到将电离势小的材料采用于空穴输送层，但在此情况下，会降低从阳极向空穴输送层的空穴的注入效率。由此，在现有技术中，存在从空穴输送层向量子点层的空穴输送效率与从电子输送层向量子点层的电子输送效率的平衡不良，因此导致使发光元件的发光效率降低的问题。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的发光元件，其包括：第一电极、第二电极、量子点层叠在第一电极与第二电极之间的量子点层、在所述量子点层与所述第一电极之间空穴输送层，所述发光元件特征在于：所述空穴输送层由包括互相不同的材料的多层构成，所述空穴输送层的多层从所述第一电极到所述量子点层，各层的电离势变大，在所述空穴输送层的多层中，与所述量子点层相接的层的电离势大于所述量子点层的电离势。
另外，为了解决上述问题，本发明的发光元件的制造装置，其包括成膜装置，该成膜装置成膜第一电极、第二电极、量子点层叠在第一电极与第二电极之间的量子点层、在所述量子点层与所述第一电极之间的空穴输送层，所述发光元件的制造装置特征在于，所述空穴输送层由包含互相不同的材料的多层构成，所述空穴输送层的多层从所述第一电极到所述量子点层，各层的电离势变大，在所述空穴输送层的多层中，与所述量子点层相接的层的电离势大于所述量子点层的电离势。
发明效果
根据上述构成，能够提供改善从空穴输送层向量子点层的空穴输送效率，并且使发光元件的发光效率提升的发光设备。
附图说明
图1是本发明的实施方式一所述涉及的发光设备的概略剖视图与该发光设备的发光元件中的各层的费米能级、或电子亲和力与电离势的例子的能量图。
图2是表示比较方式所涉及的发光设备的概略剖视图与该发光设备的发光元件中的各层的费米能级，或电子亲和力与电离势的例子的能量图。
图3是表示其他比较方式所涉及的发光设备的概略剖视图与该发光设备的发光元件中的各层的费米能级或电子亲和力与电离势的例子的能量图。
图4是表示本发明的各实施方式所涉及的发光元件的制造装置的框图。
具体实施方式
〔实施方式一〕
图1的(a)是本实施方式所涉及的发光设备1的概略剖视图。
如图1的(a)所示，本实施方式所涉及的发光设备1包括发光元件2与阵列基板3。发光设备1包括在形成有未图示的TFT(Thin Film Transistor)的阵列基板3上层叠发光元件2的各层的结构。此外，在本说明书中，将从发光设备1的发光元件2向阵列基板3的方向记载为“向下”，将发光元件2的阵列基板3向发光元件2的方向记载为“向上”。
发光元件2在第一电极4上，从下层起依次包括空穴输送层6、量子点层8、电子输送层10以及第二电极12。形成于阵列基板3的上层的发光元件2的第一电极4与阵列基板3的TFT电连接。
第一电极4以及第二电极12包括导电性材料，分别与空穴输送层6以及电子输送层10电连接。在本实施方式中，第一电极4为阳极，第二电极12为阴极。
第一电极4与第二电极12中的任一方为透明电极。作为透明电极，例如也可以使用ITO、IZO、ZnO、AZO或BZO等，由溅射法等成膜。另外，第一电极4或第二电极12中的任一方也能够包括金属材料，作为金属材料，优选为可见光的反射率高的Al、Cu、Au、或Ag等。
量子点层8是量子点(半导体纳米颗粒)16从1层或多个层层叠。量子点层8可以是使量子点16分散到己烷或甲苯等的溶剂的分散液之后，用旋涂法或喷墨法等来制膜。在分散液中，也可以混合硫醇、胺等的分散材料。量子点层8的膜厚优选为5至50nm。
量子点16具有价电子带与传导带，是通过价电子带的空穴与传导带的电子的再结合来发光的发光材料。来自量子点16的发光由量子限制效应具有窄的光谱，因此能够获得较深的色度的发光。
作为量子点16，也可以是半导体纳米颗粒,该半导体纳米颗粒具有例如在核包括CdSe且在壳包括Zns的核/壳的结构。其他，量子点16也可以包括作为核/壳的结构的CdSe/CdS、InP/ZnS、ZnSe/ZnS或CIGS/ZnS等。
量子点16的粒径为3至15nm左右。来自量子点16的发光的波长通过量子点16的粒径可以控制。由此，控制量子点16的粒径，因此可以控制发光设备1发出的光的波长。
空穴输送层6为将来自第一电极4的空穴向量子点层8输送的层。在本实施方式中，空穴输送层6由包括互相不同的材料的多个层构成。如图1的(a)所示，空穴输送层6包括从第一电极4侧起依次层叠第一空穴输送层6a、第二空穴输送层6b、以及第三空穴输送层6c的结构。第一空穴输送层6a与第一电极4相接，第三空穴输送层6c与量子点层8相接。空穴输送层6的各层也可以用溅射法制膜。空穴输送层6的总厚度优选为5至40nm。
在本实施方式中，第一空穴输送层6包括LiNbO3，第二空穴输送层6b包括Cu2O，第三空穴输送层6c包括Cr2O3。然而，在本实施方式中，空穴输送层6的各层材料不限于此。例如，空穴输送层6也可以是包括Ni、Cr、Cu、W、MO、以及V的，包括过渡金属的金属氧化物，或在这些的过度金属中，两种以上的过度金属作为组成而包含的合金的氧化物。或者，空穴输送层6也可以是3族元素的氮化物以及两种以上的2族元素作为组成而包含的氮化物。或者，空穴输送层6也可以是具有2至6族化合物以及钙钛矿结构的电介质，或导电体，或半导体。另外，空穴输送层6只可以包括上述无机材料中的一种，或也可以包括两种以上。
在此，现有的导电性有机化合物与金属或半导体等，一般的导电性无机物相比，载流子的迁移率极低。由此，只由导电性有机化合物构成的空穴输送层在发生电位差的情况下，在结构中形成空间电化层。由此，只由导电性有机化合物构成的空穴输送层的电压-电流特性表示空间电化限制特性，该空间电化限制特性是电流不会成为与电压/层厚成比例的欧姆，与电压2/层厚3成比例，电流值相对于欧姆低。因此，在包括只由导电性有机化合物构成的空穴输送层的发光元件中，为了使发光元件驱动，需要向空穴注入层施加极大的电场，从而存在潜在易受静电击穿影响的问题。另外，有机化合物通过氧化而劣化，因此为了确保长期可靠性，需要以成本严谨地密封元件，并且从大气中的氧或水中保护有机化合物。
另一方面，在本实施方式中，空穴输送层6包含无机材料。由此，与只由有机材料构成的空穴输送层相比，空穴输送层6能够提升载流子的迁移率。另外，无机材料与有机材料相比，抗氧化性强而且具有高可靠性。由此，在本实施方式所涉及的发光元件2中，可以提升静电击穿的降低以及可靠性。
电子输送层10是将来自第二电极12的电子向量子点层8输送的层。电子输送层10也可以包括阻碍空穴输送的功能。电子输送层10也可以包括例如ZnO、TiO2、Ta2O3、或SrTiO3等，也可以用溅射法制膜。电子输送层10的膜厚能够采用以往公知的膜厚，优选为10至100nm。
空穴输送层6以及电子输送层10分别可以是纳米颗粒、晶体、多晶、或非晶质。另外，为了不会阻碍发光元件2的发光，相对于来自量子点层8的发光的、空穴输送层6与电子输送层10的吸收系数优选为10cm-1以下。
图1的(b)是本实施方式所涉及的发光元件2的各层中的费密能级，或电子亲和力与电离势的例子的能量图。在图1的(b)中，从左向右表示第一电极4、第一空穴输送层6a、第二空穴输送层6b、第三空穴输送层6c、量子点层8、电子输送层10、以及第二电极12。
在第一电极4以及第二电极12中，将各自的电极的费密能级，用eV为单位显示。在空穴输送层6、量子点层8以及电子输送层10的下方中，将真空能级作为标准的各个的层的电离势用eV为单位显示。在空穴输送层6、量子点层8以及电子输送层10的上方中，将真空能级作为标准的各个的层的电子亲和力用eV为单位显示。此外，关于第一电极4以及第二电极12以外的各层，费密能级不会直接干预电子输送以及空穴输送，因此省略费密能级的图示。
以下，在本发明中，在只说明电离势或电子亲和力的情况下，都将真空电位作为标准进行说明。
在本实施方式中，作为例子，在图1的(b)表示第一电极4由ITO构成，第二电极12由Al构成的情况。在此情况下，第一电极4的费密能级为4.6eV,第二电极12的费密能级为4.3eV。
在本实施方式中，空穴输送层6由包括LiNbO3的第一空穴输送层6a、包括Cu2O的第二空穴输送层6b以及包括Cr2O3的第三空穴输送层6c构成。在此，第一空穴输送层6a的电离势为5.0eV，第一空穴输送层6a的电子亲和力为1.1eV。另外，第二空穴输送层6b的电离势为5.3eV，第二空穴输送层6b的电子亲和力为3.1eV。另外，第三空穴输送层6c的电离势为6.3eV，第三空穴输送层6c的电子亲和力为3.2eV。
在本实施方式中，作为例子，在图1的(b)表示电子输送层10由ZnO构成的情况。在此情况下，电子输送层10的电离势为7.0eV，电子输送层10的电子亲和力为3.8eV。另外，在本实施方式中，虽然通过量子点16的材料与粒径来变化，但量子点层8中的电离势例如为6.2eV，电子亲和力为4.1eV。
就是说，空穴输送层6从第一电极4到量子点层8具有多个层，以使各层的电离势变大。进一步，在空穴输送层6的多个层中，与量子点层8相接的第三空穴输送层6c的电离势大于量子点层8的电离势。
另外，空穴输送层6从量子点层8到第一电极4具有多个层，以使各层的电离势变小。进一步，在空穴输送层6的多个层中，与量子点层8相接的第三空穴输送层6c的电子亲和力大于量子点层8的电子亲和力。
参照图1，对本实施方式所涉及的发光设备1的发光机构进行说明。
在发光设备1中，通过将电位差施加于第一电极4与第二电极12之间，从而从第一电极4向量子点层8注入空穴，从第二电极12向量子点层8注入电子。如图1的(a)的箭头h+所示，来自第一电极4的空穴经由第一空穴输送层6a、第二空穴输送层6b以及第三空穴输送层6c此顺序到达量子点层8。如图1的(a)的箭头e-所示，来自第二电子12的电子经由电子输送层10到达量子点层8。
已到达至量子点层8的空穴与电子在量子点16中再结合且发光。来自量子点16的发光例如也可以由金属电极即第二电极反射，并且透射透明电极即第一电极4、以及阵列基板3，向发光设备1的外部放射。
参照图1的(b)，说明在发光元件2的各层中，空穴与电子被输送的样子。
如图1的(b)的箭头H1所示，在发光设备1中，在第一电极4与第二电极12之间发生电位差，则空穴从第一电极4向第一空穴输送层6a注入。同样的，如图1的(b)的箭头E1所示，从第二电极12向电子输送层10注入电子。
然后，如图1的(b)的箭头H2以及H3所示，注入于第一空穴输送层6a的空穴向第二空穴输送层6b与第三空穴输送层6c依次输送。然后，如图1的(b)的箭头H4所示，空穴从第三空穴输送层6c向量子点层8输送。
在此，例如从第一层向与第一层不同的第二层的空穴输送的势垒是由从第二层的电离势减去第一层的电离势的能量来表示。另外，在上述第一层为第一电极4的情况下，从第一层向第二层的空穴输送的势垒是由从第二层的电离势减去第一层的费密能级的能量来表示。
因此，在图1的(b)中的、箭头H1、H2以及H3所示的空穴输送的势垒分别为0.4eV、0.3eV以及1.0eV。另外，量子点层8的电离势小于第三空穴输送层6c的电离势。由此，大致不存在箭头H4所示的、从第三空穴输送层6c向量子点层8的空穴输送的势垒。
同样的，如图1的(b)的箭头E2所示，从电子输送层10向量子点层8输送电子。这样，已向量子点层8输送的空穴与电子在量子点16再结合。
本实施方式所涉及的显示设备1具有结构，该结构是空穴输送层6的各层的电离势从第一电极4至量子点层8逐渐变大的结构。由此，与包括单层的空穴输送层的构成相比，能够变小从第一电极4向空穴输送层的空穴输送以及空穴输送层中的空穴输送、各自的空穴输送的势垒。由此，改善从第一电极4向空穴输送层6的空穴输送效率。
另外，本实施方式所涉及的显示设备1在空穴输送层6的各层中，与量子点层8相接的第三空穴输送层6c的电离势大于量子点层8的电离势。由此，也可以变小从空穴输送层向量子点层的空穴输送的势垒。由此，改善从空穴输送层6向量子点层8的空穴输送效率。
因此，本实施方式所涉及的发光元件2可以改善从第一电极4向量子点层8的空穴输送效率，而且使向量子点层8输送的空穴与从第二电极12向量子点层8输送的电子高效率地再结合。由此，本实施方式所涉及的发光元件2可以改善量子点层8中的发光效率。
此外，在本实施方式中的发光元件2中，第一电极4的费密能级与第一空穴输送层6a的电离势的差异为1eV以下。另外，第一空穴输送层6a、第二空穴输送层6b、第三空输送层6c以及量子点层8中的、相邻的两层间的电离势的差异都为1eV以下。
因此，在本实施方式中的发光元件2中，在从第一电极4到量子点层8之间，相邻的两层间的电离势之间或费密能级与电离势之间的差异为1eV以下。由此，进一步改善从第一电极4到量子点层8的空穴输送的效率。
尤其是，在空穴输送层6的相邻的两层之间，从第一电极4朝向量子点层8的方向中的、空穴输送的势垒都为1eV以下。由此，可以进一步变小从第一电极4向空穴输送层6注入的空穴的、向量子点层8的输送中的势垒。
另外，图1的(b)的箭头H5所示的，从量子点层8向电子输送层10的空穴的输送的势垒为0.8V，相对较大。尤其是，电子输送层10的电离势比量子点层8的电离势大0.6ev以上。由此，在发光元件2中，与从量子点层8向电子输送层10的空穴的输送相比，高效率地发生量子点层8中的空穴与电子的再结合。
进一步，在本实施方式中，量子点层8的电离势小于与量子点层8相接的层即第三空穴输送层6c以及电子输送层10的各自的电离势。由此，在从第三空穴输送层6c到电子输送层10之间，能够形成将量子点层8作为底部的、空穴的阱型势模型。由此与向量子点层8输送的空穴向空穴输送层6或电子输送层10输送相比，可以进一步地提升向量子点层8输送的空穴与向量子点层8输送的电子再结合的效率。
在此，例如从第一层向与第一层不同的第二层的电子输送的势垒是由从第一层的电子亲和力减去第二层的电子亲和力的能量来表示。因此，在图1的(b)中，箭头E3、E4以及E5所示的电子输送的势垒分别为0.9eV、0.1eV以及2.0eV。另外，箭头E3、E4以及E5所示的电子输送的势垒共计为3.0eV。
因此，空穴输送层6的多层在从量子点层8至第一电极4变小各层的电子亲和力。另外，在空穴输送层6的多层中，与量子点层8相接的第三空穴输送层6c的电子亲和力小于量子点层8的电子亲和力。由此，能够更高效率地减少电子从量子点层8向空穴输送层6被输送，而且提升量子点层8中的空穴与电子的再结合的效率。
另外，空穴输送层6的至少一层的电子亲和力比量子点层8的电子亲和力小1eV以上。由此，能够高效率地减少向量子点层8输送的电子经由空穴输送层6向第一电极4输送，而且能够高效率地减少第一电极4与第二电极12的短路。
进一步，在本实施方式中，量子点层8的电子亲和力大于与量子点层8相接的层即第三空穴输送层6c以及电子输送层10的各自的电子亲和力。由此，在从第三空穴输送层6c到电子输送层10之间，能够形成将量子点层8作为底部的、电子的阱型势模型。由此，与向量子点层8输送的电子向空穴输送层6或电子输送层10输送相比，可以进一步地提升向量子点层8输送的电子与向量子点层8输送的空穴再结合的效率。
在本实施方式中的空穴输送层6中，从第一空穴输送层6a到第三空穴输送层6c的各自的带隙都为4.0eV以下。由于空穴的活性化所需要的能量大于常温的热能，因此通常带隙超过4eV的宽能隙材料难以提高空穴浓度。另外，通常针对上述宽能隙材料，可知即使添加高浓度的受主杂质，也通过自然地生成为一样程度的浓度的电子，空穴被补偿的现象，从而也难以通过掺杂使空穴浓度变高。因此，在本实施方式中，能够进一步提升空穴输送层6中的空穴浓度。
此外，作为本实施方式中的变形例，第一空穴输送层6a也可以具有Li欠缺。具有Li欠缺的第一空穴输送层6a在成膜第一空穴输送层6a的溅射工序中，也可以通过使溅射装置的投入电力例如增加两倍以上而获得。其他，在成膜第一空穴输送层6a的溅射工序中，通过使用反应性溅射过度供应氧，或使用预先使Li组成比化学计量组成降低的溅射靶等，也可以在第一空穴输送层6a形成Li欠缺。
第一空穴输送层6a具有Li欠缺，因此具有LiNbO3的第一空穴输送层6a被p型化，并且第一空穴输送层6a的电离势变小，更接近第一电极4的费密能级。由此，进一步提升从第一电极4向第一空穴输送层6a的空穴输送的效率。
图2是表示比较方式所涉及的发光设备20的概略剖视图和发光设备20的发光元件22中的各层的费密能级或电子亲和力与电离势的例子的能量图。比较方式所涉及的发光设备20包括发光元件22。发光元件22与本实施方式所涉及的发光元件2相比，只在具备空穴输送层22，该空穴输送层22包含由CuO构成的第三空穴输送层6d的方面，构成不同。
发光设备20也通过与本实施方式同样原理来发光。此时，从第三空穴输送层6d向量子点层8的空穴输送的势垒为1.0eV。比较方式所涉及的发光元件22不具有如下的结构：从第一电极4到量子点层8，电离势逐渐变大的结构。尤其是，在发光元件22中，第三空穴输送层6d的电离势比第二空穴输送层6b的电离势小0.1eV。由此，在发光元件22中，与发光元件2相比，从第三空穴输送层6d向量子点层8的空穴输送的势垒变大。因此，发光元件22与发光元件2相比，不能说是高效率地进行从第一电4向量子点层8的空穴输送的构成。
图3是表示比较方式所涉及的发光设备26的概略剖视图和发光设备26的发光元件28中的各层的费密能级，或电子亲和力与电离势的例子的能量图。比较方式所涉及的发光设备26包括发光元件28。发光元件28与本实施方式所涉及的发光元件2相比，只在具备空穴输送层30，该空穴输送层30包括由CoO构成的第一空穴输送层6e的方面，构成不同。
发光设备26也通过与本实施方式同样的原理来发光。此时，从第二空穴输送层6b向第一空穴输送层6e的电子输送的势垒为0.1eV。发光元件22与发光元件2相比，不能说是可以高效率地降低第一电极4与第二电极12的短路的构成。
图4是表示上述各实施方式所涉及的发光元件的制造装置40的框图。发光元件的制造装置40包括控制器42与成膜装置44。控制器42控制成膜装置44。成膜装置44成膜发光元件2的各层。
〔总结〕
方式一的发光元件包括第一电极、第二电极、量子点层叠在第一电极与第二电极之间的量子点层、在所述量子点层与所述第一电极之间的空穴输送层，所述发光元件特征在于：所述空穴输送层由包括互相不同的材料的多层构成，所述空穴输送层的多层从所述第一电极到所述量子点层，各层的电离势变大，在所述空穴输送层的多层中，与所述量子点层相接的层的电离势大于所述量子点层的电离势。
在方式二中，在所述空穴输送层的相邻的两层之间，从所述第一电极朝向所述量子点层的方向中的、空穴输送的势垒为1eV以下。
在方式三中，所述空穴输送层的至少一层的电子亲和力比所述量子点层的电子亲和力小1eV以上。
在方式四中，所述空穴输送层包括以下无机材料中的至少一种：所述无机材料包括：包含Ni、Cr、Cu、W、MO、以及V且包括过渡金属的金属氧化物；或者将所述过度金属中的两种以上的过度金属作为组成而包含的合金的氧化物；或者将3族元素的氮化物以及两种以上的2族元素作为组成而包含的氮化物；或者具有2至6族化合物以及钙钛矿结构的电介质、或导电体、或半导体。
在方式五中，所述空穴输送层包括组合至少两种以上的所述无机材料。
在方式六中，在所述空穴输送层中，各层的带隙为4.0eV以下。
在方式七中，相对于来自所述量子点层的发光的、所述空穴输送层的吸收系数为10cm-1以下。
在方式八中，所述空穴输送层由晶体、或多晶、或非晶质构成。
在方式九中，还包括所述量子点层与所述第二电极之间的电子输送层，所述电子输送层的电离势大于所述量子点层的电离势。
在方式十中，所述电子输送层的电离势比所述量子点层的电离势大0.6eV以上。
在方式十一中，相对于来自所述量子点层的发光的、所述电子输送层的吸收系数为10cm-1以下。
在方式十二中，所述电子输送层由晶体、或多晶、或非晶质构成。
方式十三的发光设备包括上述方式中任一方式所述的发光元件。
方式十四的发光元件的制造装置包括成膜装置，该成膜装置成膜第一电极、第二电极、量子点层叠在第一电极与第二电极之间的量子点层、在所述量子点层与所述第一电极之间的空穴输送层，所述发光元件的制造装置特征在于，所述空穴输送层由包含互相不同的材料的多层构成，所述空穴输送层的多层从所述第一电极到所述量子点层，各层的电离势变大，在所述空穴输送层的多层中，与所述量子点层相接的层的电离势大于所述量子点层的电离势。
本发明不限于上述的各实施方式，在权利要求所示的范围中能够进行各种变更，将分别公开在不同的实施方式中的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围中。而且，通过将各实施方式中分别公开的技术手段组合能够形成新的技术特征。
附图标记说明
1发光设备
2 发光元件
4 第一电极
6 空穴输送层
8 量子点层
12 第二电极
16 量子点
40 发光元件的制造装置
