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WO2019159216A1 - 発光デバイス - Google Patents

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Publication number
WO2019159216A1
WO2019159216A1 PCT/JP2018/004808 JP2018004808W WO2019159216A1 WO 2019159216 A1 WO2019159216 A1 WO 2019159216A1 JP 2018004808 W JP2018004808 W JP 2018004808W WO 2019159216 A1 WO2019159216 A1 WO 2019159216A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light emitting
emitting device
layer
metal oxide
light
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/004808
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正 小橋
上田　吉裕
真 和泉
岩田　昇
Original Assignee
シャープ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by シャープ株式会社 filed Critical シャープ株式会社
Priority to US16/968,543 priority Critical patent/US11289667B2/en
Priority to PCT/JP2018/004808 priority patent/WO2019159216A1/ja
Publication of WO2019159216A1 publication Critical patent/WO2019159216A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/14—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of the electroluminescent material, or by the simultaneous addition of the electroluminescent material in or onto the light source
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/16—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering
    • H10K71/164—Deposition of organic active material using physical vapour deposition [PVD], e.g. vacuum deposition or sputtering using vacuum deposition

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device using a quantum dot (Quantum Dot, QD).
  • Patent Document 1 discloses an example of such a light emitting device.
  • the light emitting device of Patent Document 1 includes a first inorganic substance-containing first charge transport layer in contact with a first electrode arranged to introduce charges into the first charge transport layer, a second electrode, and the first electrode.
  • a plurality of semiconductor nanocrystals are disposed between the electrode and the second electrode.
  • Patent Document 1 has a problem that the efficiency of electron injection into the semiconductor nanocrystal (quantum dot) is low.
  • An object of one embodiment of the present invention is to realize a light-emitting device with high efficiency of electron injection into quantum dots.
  • a light-emitting device includes a light-emitting layer and a hole transport that transports holes supplied from the anode to the light-emitting layer between an anode and a cathode.
  • a light-emitting device comprising: a layer; and an electron transport layer that transports electrons supplied from the cathode to the light-emitting layer, wherein the light-emitting layer includes quantum dots that emit light in association with the combination of holes and electrons.
  • the electron transport layer includes a metal oxide, and the energy level at the lower end of the conduction band of the metal oxide is equal to or lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dot.
  • the light emitting device can realize a light emitting device having high light emission efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a light emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows schematic structure of the light-emitting device as a modification of the light-emitting device which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows schematic structure of the light-emitting device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows schematic structure of the light-emitting device as a modification of the light-emitting device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows schematic structure of the light-emitting device which concerns on an Example. It is a measurement result of the voltage-current density characteristic in an Example.
  • Embodiment 1 hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • “same layer” means that the same material is formed in the same process
  • “lower layer” means that it is formed in a process prior to the layer to be compared.
  • the “upper layer” means that it is formed in a later process than the layer to be compared.
  • each drawing schematically illustrates the shape, structure, and positional relationship of each member and is not necessarily drawn to scale.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a light emitting device 1 according to the first embodiment.
  • the light emitting device 1 is used as a light source of a display device (not shown). That is, the display device includes the light emitting device 1 as a light source.
  • the members included in the light emitting device 1 description of members that are not related to the first embodiment is omitted. Members that omit these descriptions may be understood to be the same as known members.
  • the light emitting device 1 is a light source that lights each pixel (red pixel (R pixel), green pixel (G pixel), blue pixel (B pixel)) of the display device.
  • the display device represents an image with a plurality of RGB (Red, Green, Blue) pixels.
  • the light-emitting device 1 is a quantum dot (QD phosphor particle) that emits light in association with the combination of holes supplied from an anode 11 (anode) and electrons (free electrons) supplied from a cathode 15 (cathode). ) Is included. More specifically, the quantum dots are included in the light emitting layer 13 (QD phosphor layer) provided between the anode 11 and the cathode 15.
  • QD phosphor layer a direction from the anode 11 toward the cathode 15
  • a direction opposite to the upward direction is referred to as a downward direction.
  • the light emitting device 1 includes a substrate 10, an anode 11, a hole transport layer (HTL) 12, a light emitting layer 13, an electron transport layer ( Electron Transport Layer (ETL) 14 and cathode 15 are provided in this order.
  • HTL hole transport layer
  • ETL Electron Transport Layer
  • the anode 11 to the cathode 15 are supported by a substrate 10 provided below the anode 11.
  • the anode 11, the hole transport layer 12, the light emitting layer 13, the electron transport layer 14, and the cathode 15 are formed (film formation) in this order on the substrate 10.
  • the substrate 10 is composed of a highly translucent substrate (eg, a glass substrate).
  • the light emitting device 1 will be described as a light emitting device having a bottom emission structure in which light emitted from the light emitting layer 13 is emitted downward.
  • the substrate 10 is a substrate having low translucency (eg, a plastic substrate). It may be.
  • the anode 11 has a relatively large work function such as tin-doped indium oxide (ITO), zinc-doped indium oxide (IZO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (GZO), and antimony-doped tin oxide (ATO). Preferably composed of materials.
  • ITO tin-doped indium oxide
  • IZO zinc-doped indium oxide
  • AZO aluminum-doped zinc oxide
  • GZO gallium-doped zinc oxide
  • ATO antimony-doped tin oxide
  • sputtering film deposition, vacuum deposition, physical vapor deposition (PVD, physical vapor deposition) or the like is used.
  • PVD physical vapor deposition
  • the anode 11 has translucency so that light emitted from the light emitting layer 13 can be transmitted.
  • the hole transport layer 12 is a layer that transports holes supplied from the anode 11 to the light emitting layer 13.
  • the hole transport layer 12 includes a material excellent in hole transportability.
  • the material may be an organic material or an inorganic material. When the material is an inorganic material, it may be a semiconductor such as a metal oxide or a metal sulfide, and for example, NiO can be used.
  • the hole transport layer 12 may be a single layer or a stacked layer. For film formation of the hole transport layer 12, sputtering, vacuum deposition, physical vapor deposition, spin coating, ink jet, or the like is used.
  • the light emitting layer 13 includes quantum dots that emit light in accordance with the combination of holes supplied from the anode 11 and electrons supplied from the cathode 15.
  • the material of the quantum dot is “GaN, GaP, Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ge, CdSe, CdS, CdTe, CdO, InP, InN, In 2 S 3 , InGaN, AlInN, AlGaInN, CuInGaSe.
  • At least one material selected from the group consisting of More specifically, nano-sized crystals of the above materials are used as the material for the QD phosphor particles.
  • the quantum dots may have a core / shell structure covered with a material having a band gap different from that of the material constituting the quantum dots on the outer peripheral portion. According to the core-shell structure, quantum efficiency can be improved.
  • the quantum dot preferably has a modifying group (ligand) on the surface layer. Thereby, the dispersibility of a quantum dot can be improved.
  • the film formation of the light emitting layer 13 is preferably performed using a technique such as spin coating, ink jetting, or photolithography.
  • the electron transport layer 14 is a layer that transports electrons supplied from the cathode 15 to the light emitting layer 13.
  • the electron transport layer 14 is formed of a metal oxide having a conduction band lower end (lowest molecular orbital, LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy level equal to or lower than the energy level of the lower conduction band of the quantum dots included in the light emitting layer 13. Including.
  • the metal oxide can be formed by sputtering.
  • the composition ratio of In, Ga, Zn, and O can be controlled by changing the oxygen concentration of the sputtering gas. Therefore, by controlling the oxygen concentration of the sputtering gas in consideration of the carrier density of the hole transport layer 12, the composition ratio of the metal oxide is controlled so that the amount of electrons transported to the light emitting layer 13 is appropriate. Can do.
  • the ligand that modifies the quantum dots contained in the light emitting layer 13 is easily damaged by heat or oxygen plasma. Therefore, when forming the electron carrying layer 14 on the light emitting layer 13, there exists a problem that the film-forming state of a light emitting layer will worsen.
  • the metal oxide containing In, Ga, and Zn in this embodiment can be formed by sputtering at room temperature. Thereby, compared with high frequency sputtering, the damage given during sputtering with respect to the ligand which has modified the quantum dot contained in the light emitting layer 13 can be reduced.
  • the energy level at the lower end of the conduction band is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dot.
  • the carrier density of the metal oxide contained in the electron transport layer 14 is preferably 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more. This is because, when the carrier density of the metal oxide is smaller than 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , the triangular potential generated by the heterojunction of the band increases, and the current density change with respect to voltage application causes a negative differential resistance. The area to be shown is likely to exist. Therefore, the efficiency of electron injection from the electron transport layer 14 into the quantum dots is reduced.
  • the carrier density of the metal oxide contained in the electron transport layer 14 is more preferably 1.0 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more.
  • the metal oxide containing In, Ga, and Zn can control the composition ratio of In, Ga, Zn, and O when formed by sputtering. Therefore, the metal oxide containing In, Ga, and Zn can easily control the carrier density. Thereby, the metal oxide containing In, Ga, and Zn can reduce the difference between the energy level at the lower end of the conduction band and the Fermi level. As a result, the triangular potential generated when heterojunction can be reduced, and electrons can be efficiently injected from the electron transport layer 14 into the quantum dots.
  • the carrier density of the metal oxide included in the electron-transport layer is 1.0 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , and the Fermi level enters the conduction band and is degenerated. Also good.
  • the difference between the energy level at the lower end of the conduction band and the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dots included in the light emitting layer 13 is less than 0.5 eV. It is preferable. This is because when the difference between the energy level at the lower end of the conduction band of the metal oxide and the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dot is 0.5 eV or more, the applied voltage required when injecting electrons into the quantum dot This is because the driving voltage of the light emitting device is increased.
  • the difference between the energy level at the bottom of the conduction band and the energy level at the bottom of the conduction band of the quantum dots is more preferably less than 0.4 eV.
  • the metal oxide containing In, Ga, and Zn may be crystalline or amorphous.
  • the metal oxide is crystalline, the carrier mobility of the electron transport layer 14 can be improved. Further, when the metal oxide is amorphous, there is no grain boundary, so that the interface between the electron transport layer 14 and the light emitting layer 13 becomes flat, and electrons can be injected efficiently.
  • the metal oxide included in the electron-transport layer 14 is not limited to a metal oxide including In, Ga, and Zn, and the energy level at the bottom of the conduction band is the light-emitting layer.
  • Other metal oxides may be used as long as the metal oxide is equal to or lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dots included in 13.
  • TiO 2 or the like can be used as the metal oxide.
  • the film thickness of the electron transport layer 14 is preferably 5 nm or more and 200 nm or less. When the thickness of the electron transport layer 14 is smaller than 5 nm, electrons cannot be sufficiently injected into the light emitting layer 13. Moreover, when the film thickness of the electron carrying layer 14 is larger than 200 nm, the electron carrying layer 14 becomes resistance and it becomes difficult to inject electrons into the light emitting layer 13.
  • the cathode 15 is made of a material having a relatively small work function, such as Al, Ag, Ba, Yb, Ca, Li—Al alloy, Mg—Al alloy, Mg—Ag alloy, Mg—In alloy, Al—Al 2 O 3 alloy, etc. It is preferable that it is comprised by.
  • a material having a relatively small work function such as Al, Ag, Ba, Yb, Ca, Li—Al alloy, Mg—Al alloy, Mg—Ag alloy, Mg—In alloy, Al—Al 2 O 3 alloy, etc. It is preferable that it is comprised by.
  • sputtering, film deposition, vacuum deposition, physical vapor deposition, or the like is used.
  • the cathode 15 is a reflective electrode that reflects the light emitted from the light emitting layer 13.
  • the light emitting device 1 by applying a forward voltage between the anode 11 and the cathode 15 (the anode 11 is set to a higher potential than the cathode 15), (i) electrons are transferred from the cathode 15 to the light emitting layer 13. While being supplied, (ii) holes can be supplied from the anode 11 to the light emitting layer 13. As a result, light can be generated in the light emitting layer 13 with the combination of holes and electrons.
  • the application of the voltage may be controlled by a TFT (Thin Film Transistor, thin film transistor) (not shown).
  • the light-emitting device 1 includes the light-emitting layer 13 including the quantum dots that emit light according to the combination of holes and electrons, and the hole transport layer between the anode 11 and the cathode 15. 12 and a light-emitting device including an electron transport layer 14.
  • the electron carrying layer 14 contains the metal oxide whose energy level of the conduction band lower end of a metal oxide is below the energy level of the conduction band lower end of the said quantum dot.
  • the light-emitting device 1 of one embodiment of the present invention may include a hole blocking layer (HBL, Hole Blocking Layer) that suppresses injection of holes into the light-emitting layer 13. Thereby, the balance of the carriers (that is, holes and electrons) supplied to the light emitting layer 13 can be adjusted.
  • HBL hole blocking layer
  • the light-emitting device 1 of one embodiment of the present invention may include an electron blocking layer (EBL, Electron Blocking Layer) that suppresses injection of electrons into the light-emitting layer 13. Thereby, the balance of the carriers (that is, holes and electrons) supplied to the light emitting layer 13 can be adjusted.
  • EBL electron blocking layer
  • sealing is performed after film formation up to the cathode 15 is completed.
  • the member (sealing member) that seals the light emitting device may be glass, plastic, or the like, and is preferably concave.
  • a sealing adhesive for example, an epoxy-based adhesive
  • sealing is performed in a nitrogen atmosphere.
  • each of the red pixel (R pixel), the green pixel (G pixel), and the blue pixel (B pixel) can be lit individually.
  • the layer 14 may be formed in units of a plurality of pixels, or may be formed in common for a plurality of pixels.
  • the light emitting device 1 may be configured as a top emission type light emitting device. That is, the light emitting device 1 may be configured to emit light emitted from the light emitting layer 13 upward. Specifically, by using a reflective electrode as the anode 11 and a translucent electrode as the cathode 15, the top emission type light emitting device 1 can be realized.
  • Modification 2 A light emitting device 1A as a modification of the light emitting device 1 in the first embodiment will be described.
  • the light emitting device 1A differs from the light emitting device 1 in the structure of the electron transport layer.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the light emitting device 1A. As shown in FIG. 2, the light emitting device 1 ⁇ / b> A includes an electron transport layer 20 instead of the electron transport layer 14 in the light emitting device 1.
  • the electron transport layer 20 is composed of a lower layer 20A and an upper layer 20B.
  • Both lower layer 20 ⁇ / b> A and upper layer 20 ⁇ / b> B include a metal oxide in which the energy level at the lower end of the conduction band is equal to or lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dots included in light emitting layer 13.
  • the lower layer 20A includes the amorphous metal oxide
  • the upper layer 20B includes the crystalline metal oxide.
  • the lower layer 20 ⁇ / b> A is adjacent to the light emitting layer 13.
  • the lower layer 20A of the electron transport layer 20 includes an amorphous metal oxide.
  • the interface between the lower layer 20A of the electron transport layer 20 and the light emitting layer 13 becomes flat, so that electrons can be efficiently injected into the light emitting layer 13.
  • the upper layer 20B of the electron transport layer 20 contains a crystalline metal oxide, the carrier mobility of the electron transport layer 20 can be improved.
  • the electron transport layer 20 may not be completely divided into two layers, and amorphous and crystalline layers may be laminated with a concentration gradient from the lower layer 20A to the upper layer 20B.
  • amorphous and crystalline layers may be laminated with a concentration gradient from the lower layer 20A to the upper layer 20B.
  • firing is performed from the upper layer 20B side by irradiation using an excimer laser, a xenon lamp, or the like.
  • the order in which the anode 11, the hole transport layer 12, the light emitting layer 13, the electron transport layer 14, and the cathode 15 are formed in the light emitting device 1B in the present embodiment is reversed from that in the light emitting device 1 in the first embodiment. Yes.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the light emitting device 1B.
  • the light emitting device 1 ⁇ / b> B includes a substrate 10, a cathode 15, an electron transport layer 14, a light emitting layer 13, a hole transport layer 12, and an anode 11 from the lower side to the upper side in FIG. 3. In this order.
  • the metal oxide containing In, Ga, and Zn contained in the electron transport layer 14 in the present embodiment is amorphous. Therefore, the upper surface of the electron transport layer 14 can be flattened. As a result, when the light emitting layer 13 is formed on the upper surface of the electron transport layer 14, the light emitting layer 13 can be flattened (in other words, the surface roughness can be suppressed). As a result, the light-emitting device 1B can emit light with higher surface uniformity compared to a light-emitting device in which the electron transport layer includes a crystalline oxide semiconductor in which crystal grains exist. Further, when the metal oxide is amorphous, there is no grain boundary, so that the interface between the electron transport layer 14 and the light emitting layer 13 becomes flat, and electrons can be efficiently injected into the light emitting layer 13.
  • any structure can be used as long as each pixel of the red pixel (R pixel), the green pixel (G pixel), and the blue pixel (B pixel) can be lit individually.
  • the layer 14 may be formed in units of a plurality of pixels, or may be formed in common for a plurality of pixels.
  • Modification 3 A light emitting device 1C as a modification of the light emitting device 1B in the second embodiment will be described.
  • the light emitting device 1C is different from the light emitting device 1B in the structure of the electron transport layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the light emitting device 1C. As shown in FIG. 4, the light emitting device 1C includes an electron transport layer 30 instead of the electron transport layer 14 in the light emitting device 1B.
  • the electron transport layer 30 is composed of a lower layer 30A and an upper layer 30B.
  • Both lower layer 30 ⁇ / b> A and upper layer 30 ⁇ / b> B include a metal oxide in which the energy level at the lower end of the conduction band is equal to or lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dots included in light emitting layer 13.
  • the lower layer 30A includes the crystalline metal oxide
  • the upper layer 30B includes the amorphous metal oxide.
  • the upper layer 30 ⁇ / b> B is adjacent to the light emitting layer 13.
  • the upper layer 30B of the electron transport layer 30 includes an amorphous metal oxide
  • the upper surface of the electron transport layer 30 can be flattened.
  • the light emitting layer 13 can be made flat.
  • the light emitting device 1 ⁇ / b> C can emit light with higher surface uniformity as compared with a light emitting device in which an electron transport layer includes a crystalline oxide semiconductor in which crystal grains exist.
  • the metal oxide is amorphous, there is no grain boundary, so that the interface between the electron transport layer 30B and the light emitting layer 13 becomes flat, and electrons can be efficiently injected into the light emitting layer 13.
  • the lower layer 30A of the electron transport layer 30 includes a crystalline metal oxide, the carrier mobility of the electron transport layer 30 can be improved.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a light emitting device as Example 1, and Example 2 and Comparative Example 1 used in this example.
  • the light-emitting device in this example has a substrate 10, a cathode 15, an electron transport layer 14, a light-emitting layer 13, a hole transport layer 12, a hole from the bottom to the top in FIG. 5.
  • the injection layer 16 and the anode 11 are provided in this order.
  • Example 1 The light emitting devices of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 differ only in the structure of the electron transport layer 14, and the other configurations are the same.
  • the substrate 10 is a glass substrate.
  • the cathode 15 is IZO having a thickness of 100 nm formed by sputtering.
  • the light emitting layer 13 includes quantum dots made of Cd (Se, S) and is formed to have a film thickness of 20 nm.
  • the hole transport layer 12 was formed by vacuum deposition of 4,4′-bis (N-carbazolyl) -1,1′-biphenyl (CBP) having a thickness of 40 nm.
  • CBP 4,4′-bis (N-carbazolyl) -1,1′-biphenyl
  • MoO 3 having a film thickness of 10 nm was formed by vacuum deposition.
  • the anode 11 was formed by vacuum deposition of Al having a thickness of 100 nm. After film formation of each layer was completed, sealing was performed in a nitrogen atmosphere.
  • the electron transport layer 14 in the light-emitting device in Example 1 includes a metal oxide containing In, Ga, and Zn, and has an oxygen concentration such that the carrier density of the metal oxide is 4.1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3. Was controlled to form a film by sputtering.
  • the film thickness of the electron transport layer 14 was 70 nm.
  • the electron transport layer 14 in the light-emitting device in Example 2 includes a metal oxide containing In, Ga, and Zn, and has an oxygen concentration such that the carrier density of the metal oxide is 6.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3. Was controlled to form a film by sputtering.
  • the film thickness of the electron transport layer 14 was 70 nm.
  • the electron transport layer 14 in the light emitting device in Comparative Example 1 was formed by sputtering ZnO.
  • the film thickness of the electron transport layer 14 was 70 nm.
  • FIG. 6 shows measurement results of voltage-current density characteristics.
  • the light emitting device (1, 1A to 1C) emits light emitted from the light emitting layer (13) and the holes supplied from the anode between the anode (11) and the cathode (15).
  • a light-emitting device comprising a hole transport layer (12) transported to a layer and an electron transport layer (14) transporting electrons supplied from the cathode to the light-emitting layer, wherein the light-emitting layer comprises holes,
  • the electron transport layer includes a metal oxide, and the energy level at the lower end of the conduction band of the metal oxide is the energy at the lower end of the conduction band of the quantum dot. Below the level.
  • the light emitting device according to aspect 2 of the present invention is the light emitting device according to aspect 1, wherein the energy level difference between the energy level at the lower end of the conduction band of the metal oxide and the energy level at the lower end of the conduction band of the quantum dot is 0 eV or more and less than 0.5 eV.
  • the metal oxide contains In, Ga, and Zn.
  • the metal oxide is amorphous.
  • the metal oxide is crystalline.
  • the light-emitting device according to aspect 7 of the present invention is the light-emitting device according to any one of the above aspects 1 to 4, wherein the electron transport layer is formed by laminating a layer containing an amorphous metal oxide and a layer containing a crystalline metal oxide. And the layer containing the amorphous metal oxide is adjacent to the light emitting layer.
  • the thickness of the electron transport layer is 5 nm or more and 200 nm or less.
  • the metal oxide has a carrier density of 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more.
  • the light-emitting device according to aspect 10 of the present invention is the light-emitting device according to any one of the aspects 1 to 9, wherein the quantum dots are GaN, GaP, Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ge, CdSe, CdS, CdTe, CdO, At least one material selected from the group consisting of InP, InN, In 2 S 3 , InGaN, AlInN, AlGaInN, and CuInGaSe.

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Abstract

発光デバイス（１）は、陽極（１１）と陰極（１５）との間に、発光層（１３）と、正孔輸送層（１２）と、電子輸送層（１４）とを含む。発光層（１３）は、正孔と電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含む。電子輸送層（１４）は、金属酸化物を含み、金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である。

Description

発光デバイス
　本発明は、量子ドット（Quantum Dot，ＱＤ）を用いた発光デバイスに関する。
　近年、例えば表示装置の光源として、ＱＤドット（量子ドット粒子、半導体ナノ粒子、ＱＤドーパントとも称される）を含む発光デバイスが用いられている。特許文献１には、そのような発光デバイスの一例が開示されている。特許文献１の発光デバイスは、第一電荷輸送層に電荷を導入するように配置された第一電極に接触している第一無機物質含有第一電荷輸送層、第二電極、及び該第一電極と該第二電極との間に配置された複数の半導体ナノクリスタルを含んでいる。
日本国公開特許公報「特開２０１２－２３３８８号」
　しかしながら、特許文献１の技術では、半導体ナノクリスタル（量子ドット）への電子の注入の効率が低いという問題がある。
　本発明の一態様は、量子ドットへの電子の注入の効率が高い発光デバイスを実現することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光デバイスは、陽極と陰極との間に、発光層と、前記陽極から供給された正孔を前記発光層に輸送する正孔輸送層と、前記陰極から供給された電子を前記発光層に輸送する電子輸送層とを含む発光デバイスであって、前記発光層は、正孔と電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含み、前記電子輸送層は、金属酸化物を含み、前記金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である。
　本発明の一態様に係る発光デバイスによれば、高い発光効率を有する発光デバイスを実現することができる。
実施形態１に係る発光デバイスの概略的な構成を示す図である。 実施形態１に係る発光デバイスの変形例としての発光デバイスの概略的な構成を示す図である。 実施形態２に係る発光デバイスの概略的な構成を示す図である。 実施形態２に係る発光デバイスの変形例としての発光デバイスの概略的な構成を示す図である。 実施例に係る発光デバイスの概略的な構成を示す図である。 実施例における電圧－電流密度特性の測定結果である。
　〔実施形態１〕
　以下、本発明の実施形態１について図面を参照しながら詳細に説明する。以下においては、「同層」とは同一プロセスにて同材料で形成されていることを意味し、「下層」とは、比較対象の層よりも前のプロセスで形成されていることを意味し、「上層」とは比較対象の層よりも後のプロセスで形成されていることを意味する。また、各図面は、各部材の形状、構造、および位置関係を概略的に説明するものであり、必ずしもスケール通りに描かれていないことに留意されたい。
　図１は、実施形態１の発光デバイス１の概略的な構成を示す図である。発光デバイス１は、表示装置（不図示）の光源として用いられる。つまり、表示装置は、発光デバイス１を光源として備えている。発光デバイス１が備える各部材のうち、実施形態１とは関係しない部材については説明を省略する。これらの説明を省略する部材は、公知のものと同様であると理解されてよい。
　（発光デバイス１の構成）
　発光デバイス１は、上記表示装置の各画素（赤色画素（Ｒ画素）、緑色画素（Ｇ画素）、青色画素（Ｂ画素））を点灯させる光源である。実施形態１では、上記表示装置は、ＲＧＢ（Red，Green，Blue）の複数の画素によって画像を表現する。
　発光デバイス１は、陽極１１（アノード）から供給された正孔（ホール）と陰極１５（カソード）から供給された電子（自由電子）との結合に伴って光を発する量子ドット（ＱＤ蛍光体粒子）を含んでいる。より具体的には、量子ドットは、陽極１１と陰極１５との間に設けられた発光層１３（ＱＤ蛍光体層）に含まれている。以下、陽極１１から陰極１５に向かう方向を上方向と称する。また、上方向とは反対の方向を下方向と称する。
　図１に示すように発光デバイス１は、図１の下側から上方向に向かって、基板１０、陽極１１、正孔輸送層（Hole Transport Layer，ＨＴＬ）１２、発光層１３、電子輸送層（Electron Transport Layer，ＥＴＬ）１４、および陰極１５を、この順に備えている。
　陽極１１～陰極１５は、陽極１１の下方に設けられた基板１０によって支持されている。一例として、発光デバイス１を製造する場合には、基板１０上に、陽極１１、正孔輸送層１２、発光層１３、電子輸送層１４、および陰極１５が、この順で形成（成膜）される。
　基板１０は、透光性の高い基板（例：ガラス基板）で構成される。本実施形態では、発光デバイス１が、発光層１３から発せられた光が下方に向けて出射されるボトムエミッション構造の発光デバイスとして説明する。なお、発光デバイス１が発光層１３から発せられた光が上方に向けて出射されるトップエミッション構造の発光デバイスである場合には、基板１０は、透光性の低い基板（例：プラスチック基板）であってもよい。
　陽極１１は、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム（ＩＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）などの比較的仕事関数が大きな材料で構成されるが好ましい。陽極１１の成膜には、スパッタリング、フィルム蒸着、真空蒸着、物理的気相法（ＰＶＤ、physical vapor deposition）などが用いられる。陽極１１は、発光層１３から発せられた光を透過できるように透光性を有している。
　正孔輸送層１２は、陽極１１から供給された正孔を発光層１３に輸送する層である。正孔輸送層１２は、正孔輸送性に優れた材料を含む。当該材料は、有機材料であってもよく、無機材料であってもよい。当該材料が無機材料である場合、金属酸化物、金属硫化物などの半導体であればよく、例えば、ＮｉＯなどを用いることができる。また、正孔輸送層１２は、単層であってもよく、積層であってもよい。正孔輸送層１２の成膜には、スパッタリング、真空蒸着、物理的気相法、スピンコート、インクジェットなどが用いられる。
　発光層１３は、陽極１１から供給された正孔と、陰極１５から供給された電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含む。一例として、量子ドットの材料は、「ＧａＮ、ＧａＰ、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＯ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、Ｉｎ２Ｓ３、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＣｕＩｎＧａＳｅ」からなる群から選択された少なくとも１種類の材料であってよい。より具体的には、上記材料のナノサイズの結晶が、ＱＤ蛍光体粒子の材料として用いられる。
　なお、量子ドットは、外周部に量子ドットを構成する材料とはバンドギャップが異なる材料で覆われたコア・シェル構造であってもよい。コア・シェル構造によれば、量子効率を向上させることができる。また、量子ドットは、表層に修飾基（リガンド）があることが好ましい。これにより、量子ドットの分散性を向上させることができる。
　発光層１３の成膜は、スピンコート、インクジェット、フォトリソグラフィなどの手法を用いることが好ましい。
　電子輸送層１４は、陰極１５から供給された電子を発光層１３に輸送する層である。電子輸送層１４は、伝導帯下端（最低空分子軌道、ＬＵＭＯ（lowest unoccupied molecular orbital）のエネルギー準位が、発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である金属酸化物を含む。
　本実施形態では、電子輸送層１４は、前記金属酸化物として、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物を含む。より詳細には、前記金属酸化物は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎの組成比が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：Ｘ：Ｙ（０．８≦Ｘ≦１．２、０．４≦Ｙ≦１．２）である。例えば、前記金属酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝２：２：１：７の化学量論比を有しており、当該化学量論比から酸素が欠損することにより、キャリア移動度が変化する。また、必ずしも上記の化学量論比である必要はなく、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４～Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝２：２：１：７の間で線形的に組成が変化しても構わない。
　前記金属酸化物は、スパッタにより形成することができる。金属酸化物を形成する際に、スパッタガスの酸素濃度を変化させることにより、Ｉｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＯの組成比を制御することができる。そのため、正孔輸送層１２のキャリア密度を考慮してスパッタガスの酸素濃度を制御することにより、発光層１３への電子の輸送量が適切になるように金属酸化物の組成比を制御することができる。
　発光層１３に含まれる量子ドットを修飾しているリガンドは、熱や酸素プラズマによりダメージを受け易い。そのため、発光層１３の上部に電子輸送層１４を形成する際に、発光層の成膜状態が悪くなってしまうという問題がある。これに対して、本実施形態におけるＩｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、室温でのスパッタにより形成することができる。これにより、高周波スパッタリングに比べて、発光層１３に含まれる量子ドットを修飾しているリガンドに対してスパッタ中に与えるダメージを低減させることができる。
　また、従来の発光デバイスのように、電子輸送層に含まれる金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位よりも大きい場合では、金属酸化物と量子ドットとのヘテロ結合によるバンド構造の曲がり（三角ポテンシャル）が生じる。このため、電圧の増加に対して電流密度変化が負性微分抵抗を示す領域が存在するので、電子輸送層から量子ドットへの電子の注入効率が低くなる。そのため、電子輸送層から量子ドットへ電子を注入するために電圧を高くする必要があるという問題がある。
　これに対して、本実施形態における前記金属酸化物は、上述したように伝導帯下端のエネルギー準位が量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下となっている。これにより、金属酸化物と量子ドットとのヘテロ結合によって生じる三角ポテンシャルの影響を低減することが可能である。その結果、電子輸送層１４から量子ドットへ電子を効率良く注入することができる。したがって、低電圧で電子輸送層１４から量子ドットへ電子を注入することができる。
　また、電子輸送層１４に含まれる金属酸化物のキャリア密度は、１．０×１０１７ｃｍ－３以上であることが好ましい。これは、金属酸化物のキャリア密度が１．０×１０１７ｃｍ－３よりも小さい場合、バンドのヘテロ結合により生じる三角ポテンシャルが大きくなり、電圧印加に対して電流密度変化が負性微分抵抗を示す領域が存在しやすくなる。そのため、電子輸送層１４から量子ドットへの電子の注入の効率が低下してしまうためである。なお、電子輸送層１４に含まれる金属酸化物のキャリア密度は、１．０×１０１９ｃｍ－３以上であることがより好ましい。
　上述したように、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、スパッタによる形成時においてＩｎ、Ｇａ、ＺｎおよびＯの組成比を制御することができる。そのため、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、キャリア密度を制御することが容易である。これにより、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位とフェルミ準位との差を小さくすることができる。その結果、ヘテロ接合した際に生じる三角ポテンシャルを小さくすることが可能であり、電子輸送層１４から量子ドットへ電子を効率良く注入することができる。
　なお、本発明の一態様における発光デバイスでは、電子輸送層に含まれる金属酸化物のキャリア密度が１．０×１０20ｃｍ－３となり、フェルミ準位が伝導帯中に入り込み、縮退していてもよい。
　また、本発明におけるＩｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位と発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位との差が０．５ｅＶ未満であることが好ましい。これは、金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位と量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位との差が０．５ｅＶ以上になると、量子ドットに電子を注入する際に必要となる印加電圧が大きくなり、発光デバイスの駆動電圧が高くなってしまうからである。なお、本発明におけるＩｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、伝導帯下端のエネルギー準位と量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位との差が０．４ｅＶ未満であることがより好ましい。
　本実施形態における発光デバイスでは、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、結晶質であっても、アモルファスであっても構わない。金属酸化物が結晶質である場合、電子輸送層１４のキャリア移動度を向上させることができる。また、金属酸化物がアモルファスである場合、粒界が存在しないため、電子輸送層１４と発光層１３との界面が平坦となり、効率良く電子を注入することができる。
　なお、本発明の一態様の発光デバイス１では、電子輸送層１４に含まれる金属酸化物は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物に限られず、伝導帯下端のエネルギー準位が、発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である金属酸化物であれば他の金属酸化物であってもよい。例えば、前記金属酸化物として、ＴｉＯ２などを用いることができる。
　電子輸送層１４の膜厚は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。電子輸送層１４の膜厚が５ｎｍよりも小さい場合、発光層１３への電子の注入が十分に行えない。また、電子輸送層１４の膜厚が２００ｎｍよりも大きい場合、電子輸送層１４が抵抗となってしまい、発光層１３への電子の注入がしにくくなる。
　陰極１５は、Ａｌ、Ａｇ、Ｂａ、Ｙｂ、Ｃａ、Ｌｉ－Ａｌ合金、Ｍｇ－Ａｌ合金、Ｍｇ－Ａｇ合金、Ｍｇ－Ｉｎ合金、Ａｌ－Ａｌ２Ｏ３合金など、比較的仕事関数が小さな材料によって構成されることが好ましい。陰極１５の成膜には、スパッタリング、フィルム蒸着、真空蒸着、物理的気相法などが用いられる。陰極１５は、発光層１３から発せられた光を反射する反射性電極である。
　発光デバイス１では、陽極１１と陰極１５との間に順方向の電圧を印加する（陽極１１を陰極１５よりも高電位にする）ことにより、（ｉ）陰極１５から発光層１３へと電子を供給するとともに、（ｉｉ）陽極１１から発光層１３へと正孔を供給できる。その結果、発光層１３において、正孔と電子との結合に伴って光を発生させることができる。上記電圧の印加は、不図示のＴＦＴ（Thin Film Transistor，薄膜トランジスタ）によって制御されてよい。
　以上のように、本実施形態における発光デバイス１は、陽極１１と陰極１５との間に、正孔と電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含む発光層１３と、正孔輸送層１２と、電子輸送層１４とを含む発光デバイスである。そして、電子輸送層１４が、金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である金属酸化物を含む。
　上記の構成によれば、電子輸送層１４に含まれる金属属酸化物と、発光層１３に含まれる含む量子ドットとのヘテロ結合によって生じる三角ポテンシャルの影響を低減することが可能である。その結果、電子輸送層１４から量子ドットへ電子を効率良く注入することができる。したがって、低電圧で電子輸送層１４から量子ドットへ電子を注入することができる。
　なお、本発明の一態様の発光デバイス１では、発光層１３への正孔の注入を抑制する正孔ブロッキング層（ＨＢＬ、Hole Blocking Layer）を備えていてもよい。これにより、発光層１３へ供給されるキャリア（すなわち、正孔および電子）のバランスを調整することができる。
　また、本発明の一態様の発光デバイス１では、発光層１３への電子の注入を抑制する電子ブロッキング層（ＥＢＬ、Electron Blocking Layer）を備えていてもよい。これにより、発光層１３へ供給されるキャリア（すなわち、正孔および電子）のバランスを調整することができる。
　また、本発明の一態様の発光デバイス１では、陰極１５までの成膜が完了した後に封止されることが好ましい。発光デバイスを封止する部材（封止部材）は、ガラス、プラスチックなどであればよく、凹状であることが好ましい。具体的には、上記封止部材と、基板１０との間に封止接着剤（例えば、エポキシ系の接着剤）を塗布し、窒素雰囲気下で封止を行う。
　また、本発明の一態様の発光デバイス１では、赤色画素（Ｒ画素）、緑色画素（Ｇ画素）、および青色画素（Ｂ画素）のそれぞれの画素を個別に点灯できる構成であれば、電子輸送層１４が複数の画素単位で成膜されてもよく、また複数の画素に対して共通で成膜されてもよい。
　（変形例１）
　発光デバイス１は、トップエミッション型の発光デバイスとして構成されてもよい。つまり、発光デバイス１は、発光層１３から発せられた光を上方向に出射するように構成されてもよい。具体的には、陽極１１として反射性電極を、陰極１５として透光性電極をそれぞれ用いることにより、トップエミッション型の発光デバイス１を実現できる。
　（変形例２）
　実施形態１における発光デバイス１の変形例としての発光デバイス１Ａについて説明する。発光デバイス１Ａは、発光デバイス１とは電子輸送層の構造が異なっている。
　図２は、発光デバイス１Ａの概略的な構成を示す図である。図２に示すように、発光デバイス１Ａは、発光デバイス１における電子輸送層１４に代えて電子輸送層２０を備えている。
　電子輸送層２０は、下層２０Ａと、上層２０Ｂとからなっている。下層２０Ａおよび上層２０Ｂはともに、伝導帯下端のエネルギー準位が、発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である金属酸化物を含む。本実施形態における発光デバイス１Ａでは、下層２０Ａがアモルファスの上記金属酸化物を含み、上層２０Ｂが結晶質の上記金属酸化物を含む。下層２０Ａは、発光層１３に隣接している。
　上記の構成によれば、電子輸送層２０の下層２０Ａがアモルファスの金属酸化物を含むため、粒界が存在しない。その結果、発光デバイス１Ａでは、電子輸送層２０の下層２０Ａと発光層１３との界面が平坦となるので、発光層１３へ効率良く電子を注入することができる。さらに、電子輸送層２０の上層２０Ｂが結晶質の金属酸化物を含むので、電子輸送層２０のキャリア移動度を向上させることができる。
　なお、電子輸送層２０は、完全に２層に分かれていなくてもよく、アモルファスと結晶質とが下層２０Ａから上層２０Ｂにかけて濃度勾配をもって積層していても構わない。アモルファスの上に結晶質を積層させる際には、金属酸化物を成膜した後に、上層２０Ｂ側からエキシマレーザーやキセノンランプなどを用いた照射によって焼成することが好ましい。
　〔実施形態２〕
　本発明の他の実施形態について説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
　本実施形態における発光デバイス１Ｂは、実施形態１における発光デバイス１とは、陽極１１、正孔輸送層１２、発光層１３、電子輸送層１４、および陰極１５が形成される順序が逆になっている。
　図３は、発光デバイス１Ｂの概略的な構成を示す図である。図３に示すように、発光デバイス１Ｂは、図３の下側から上方向に向かって、基板１０、陰極１５、電子輸送層１４、発光層１３、正孔輸送層１２、および陽極１１を、この順に備えている。
　本実施形態における電子輸送層１４に含まれるＩｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物は、アモルファスとなっている。そのため、電子輸送層１４の上面を平坦にすることができる。その結果、電子輸送層１４の上面に発光層１３を形成する際に、発光層１３を平坦にすることができる（換言すれば、表面粗さを抑えることができる）。その結果、発光デバイス１Ｂは、電子輸送層が結晶粒の存在する結晶質の酸化物半導体を含む発光デバイスと比較して場合と比較して、面均一性が高い発光を行うことができる。また、金属酸化物がアモルファスである場合、粒界が存在しないため、電子輸送層１４と発光層１３との界面が平坦となり、発光層１３に効率良く電子を注入することができる。
　また、本発明の一態様の発光デバイス１Ｂでは、赤色画素（Ｒ画素）、緑色画素（Ｇ画素）、および青色画素（Ｂ画素）のそれぞれの画素を個別に点灯できる構成であれば、電子輸送層１４が複数の画素単位で成膜されてもよく、また複数の画素に対して共通で成膜されてもよい。
　（変形例３）
　実施形態２における発光デバイス１Ｂの変形例としての発光デバイス１Ｃについて説明する。発光デバイス１Ｃは、発光デバイス１Ｂとは電子輸送層の構造が異なっている。
　図４は、発光デバイス１Ｃの概略的な構成を示す図である。図４に示すように、発光デバイス１Ｃは、発光デバイス１Ｂにおける電子輸送層１４に代えて電子輸送層３０を備えている。
　電子輸送層３０は、下層３０Ａと、上層３０Ｂとからなっている。下層３０Ａおよび上層３０Ｂはともに、伝導帯下端のエネルギー準位が、発光層１３が含む量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である金属酸化物を含む。本実施形態における発光デバイス１Ｃでは、下層３０Ａが結晶質の上記金属酸化物を含み、上層３０Ｂがアモルファスの上記金属酸化物を含む。上層３０Ｂは、発光層１３に隣接している。
　上記の構成によれば、電子輸送層３０の上層３０Ｂがアモルファスの金属酸化物を含むので、電子輸送層３０の上面を平坦にすることができる。これにより、電子輸送層３０の上面に発光層１３を形成する際に、発光層１３を平坦にすることができる。その結果、発光デバイス１Ｃは、電子輸送層が結晶粒の存在する結晶質の酸化物半導体を含む発光デバイスと比較して場合と比較して、面均一性が高い発光を行うことができる。また、金属酸化物がアモルファスである場合、粒界が存在しないため、電子輸送層３０Ｂと発光層１３との界面が平坦となり、発光層１３に効率良く電子を注入することができる。さらに、電子輸送層３０の下層３０Ａが結晶質の金属酸化物を含むので、電子輸送層３０のキャリア移動度を向上させることができる。
　次に、本発明の発光デバイスの実施例について説明する。
　図５は、本実施例で用いる実施例１、および実施例２および比較例１としての発光デバイスの概略的な構成を示す図である。本実施例における発光デバイスは、図５に示すように、図５の下側から上方向に向かって、基板１０、陰極１５、電子輸送層１４、発光層１３、正孔輸送層１２、正孔注入層１６および陽極１１を、この順に備えている。
　実施例１、および実施例２および比較例１の発光デバイスは、電子輸送層１４の構造のみが異なっており、その他の構成については同様である。
　基板１０は、ガラス基板にてなっている。陰極１５は、スパッタにより形成された膜厚が１００ｎｍのＩＺＯである。発光層１３は、Ｃｄ（Ｓｅ、Ｓ）からなる量子ドットを含み、膜厚が２０ｎｍとなるように形成した。正孔輸送層１２は、膜厚が４０ｎｍの４，４‘－ビス（Ｎ－カルバゾリル）－１，１’-ビフェニル（ＣＢＰ）を真空蒸着により形成した。正孔注入層１６は、膜厚が１０ｎｍのＭｏＯ３を真空蒸着により形成した。陽極１１は、膜厚が１００ｎｍのＡｌを真空蒸着により成膜した。各層の成膜が完了した後に窒素雰囲気下で封止を行った。
　実施例１における発光デバイスにおける電子輸送層１４は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物を含み、かつ、金属酸化物のキャリア密度が４．１×１０１９ｃｍ－３となるように酸素濃度を制御してスパッタにより成膜した。電子輸送層１４の膜厚は、７０ｎｍとした。
　実施例２における発光デバイスにおける電子輸送層１４は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む金属酸化物を含み、かつ、金属酸化物のキャリア密度が６．３×１０１７ｃｍ－３となるように酸素濃度を制御してスパッタにより成膜した。電子輸送層１４の膜厚は、７０ｎｍとした。
　比較例１における発光デバイスにおける電子輸送層１４は、ＺｎＯをスパッタにより成膜した。電子輸送層１４の膜厚は、７０ｎｍとした。
　実施例１、および実施例２および比較例１としての発光デバイスに対して０～１０Ｖの電圧を印加した際の電流密度の変化（電圧－電流密度特性）を測定した。図６は、電圧－電流密度特性の測定結果である。
　図６に示すように、比較例１の発光デバイスでは、電圧の増加に対して電流が低下する領域があり、電流密度変化が負性微分抵抗を示す領域が存在することが確認できた。一方で、実施例１および実施例２の発光デバイスでは、電圧の増加に対して電流密度が単調に増加しており、電流密度変化が負性微分抵抗を示す領域が存在しなかった。すなわち、実施例１および実施例２の発光デバイスでは、実施例１および実施例２の発光デバイスでは、電子輸送層１４から量子ドットへ電子を効率良く注入することができ、発光効率が高かった。
　〔まとめ〕
　本発明の態様１に係る発光デバイス（１、１Ａ～１Ｃ）は、陽極（１１）と陰極（１５）との間に、発光層（１３）と、前記陽極から供給された正孔を前記発光層に輸送する正孔輸送層（１２）と、前記陰極から供給された電子を前記発光層に輸送する電子輸送層（１４）とを含む発光デバイスであって、前記発光層は、正孔と電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含み、前記電子輸送層は、金属酸化物を含み、前記金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下である。
　上記の構成によれば、金属酸化物と量子ドットとのヘテロ結合によって生じる三角ポテンシャルの影響を低減することが可能である。その結果、電子輸送層から量子ドットへ電子を効率良く注入することができる。したがって、低電圧で電子輸送層から量子ドットへ電子を注入することができる。
　本発明の態様２に係る発光デバイスは、上記態様１において、前記金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位と、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位とのエネルギー準位の差が、０ｅＶ以上０．５ｅＶ未満である。
　本発明の態様３に係る発光デバイスは、上記態様１または２において、前記金属酸化物が、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む。
　本発明の態様４に係る発光デバイスは、上記態様３において、前記金属酸化物におけるＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの組成比が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：Ｘ：Ｙ（０．８≦Ｘ≦１．２、０．４≦Ｙ≦１．２）である。
　本発明の態様５に係る発光デバイスは、上記態様１～４のいずれかにおいて、前記金属酸化物が、アモルファスである。
　本発明の態様６に係る発光デバイスは、上記態様１～４のいずれかにおいて、前記金属酸化物が、結晶質である。
　本発明の態様７に係る発光デバイスは、上記態様１～４のいずれかにおいて、前記電子輸送層は、アモルファスの金属酸化物を含む層と、結晶質の金属酸化物を含む層が積層されており、前記アモルファスの金属酸化物を含む層が、前記発光層に隣接する。
　本発明の態様８に係る発光デバイスは、上記態様１～７のいずれかにおいて、前記電子輸送層の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
　本発明の態様９に係る発光デバイスは、上記態様１～８のいずれかにおいて、前記金属酸化物のキャリア密度が、１．０×１０１７ｃｍ－３以上である。
　本発明の態様１０に係る発光デバイスは、上記態様１～９のいずれかにおいて、前記量子ドットが、ＧａＮ、ＧａＰ、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＯ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、Ｉｎ２Ｓ３、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＣｕＩｎＧａＳｅからなる群から選択された少なくとも１種類の材料である。
　〔付記事項〕
　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できる。
　１、１Ａ～１Ｃ　発光デバイス
　１１　陽極
　１２　正孔輸送層
　１３　発光層
　１４、２０、３０　電子輸送層
　１５　陰極

Claims (10)

  1. 　陽極と陰極との間に、発光層と、前記陽極から供給された正孔を前記発光層に輸送する正孔輸送層と、前記陰極から供給された電子を前記発光層に輸送する電子輸送層とを含む発光デバイスであって、
    　前記発光層は、正孔と電子との結合に伴って光を発する量子ドットを含み、
    　前記電子輸送層は、金属酸化物を含み、
    　前記金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位が、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位以下であることを特徴とする発光デバイス。
  2. 　前記金属酸化物の伝導帯下端のエネルギー準位と、前記量子ドットの伝導帯下端のエネルギー準位とのエネルギー準位の差が、０ｅＶ以上０．５ｅＶ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  3. 　前記金属酸化物が、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光デバイス。
  4. 　前記金属酸化物におけるＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの組成比が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：Ｘ：Ｙ（０．８≦Ｘ≦１．２、０．４≦Ｙ≦１．２）であることを特徴とする請求項３に記載の発光デバイス。
  5. 　前記金属酸化物が、アモルファスであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  6. 　前記金属酸化物が、結晶質であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  7. 　前記電子輸送層は、アモルファスの金属酸化物を含む層と、結晶質の金属酸化物を含む層が積層されており、
    　前記アモルファスの金属酸化物を含む層が、前記発光層に隣接することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  8. 　前記電子輸送層の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  9. 　前記金属酸化物のキャリア密度が、１．０×１０１７ｃｍ－３以上であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
  10. 　前記量子ドットが、ＧａＮ、ＧａＰ、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＯ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、Ｉｎ２Ｓ３、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＣｕＩｎＧａＳｅからなる群から選択された少なくとも１種類の材料であることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
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