发光元件、发光装置、照明装置及电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用有机电致发光（EL:electroluminescence)现象的发光元件 (以下，该发光元件也称为有机EL元件）、发光装置、照明装置及电子设备。
【背景技术】
[0002] 对有机EL元件积极地进行研究开发。在有机EL元件的基本结构中，包含发光性 有机化合物的层（以下，也称为发光层）夹在一对电极之间。该有机EL元件由于具有可实 现薄型轻量化、能够对输入信号进行高速响应、能够实现直流低电压驱动的特性，所以作为 下一代的平板显示元件受到关注。此外，使用这种发光元件的显示器具有优异的对比度和 图像质量以及广视角的特征。再者，作为面光源，有机EL元件被期望应用于液晶显示器的 背光灯、照明装置等的光源。
[0003] 有机EL元件的发光机理属于载流子注入型。换言之，通过对夹在电极之间的发光 层施加电压，从电极注入的电子和空穴复合，以使发光物质激发，并且当该激发态驰豫至基 态时发光。作为激发态有两种类型：单重激发态（S〇和三重激发态cn。在发光元件中， 激发态的统计学上的生成比例被认为是1:3。
[0004] 通常，发光性有机化合物的基态是单重态。因此，来自单重激发态（S0的发光因是 在相同的自旋多重态之间的电子跃迀而被称为荧光。另一方面，来自三重激发态cn的发 光被称为磷光，其中不同的自旋多重态之间发生电子跃迀。在此，在发射荧光的化合物（以 下，称为荧光化合物）中，通常，在室温下无法观察到磷光，且只能观察到荧光。因此，基于 1:3,包括荧光化合物的发光元件中的内量子效率（所生成的光子与所注入的载流 子之比）的理论上的极限被认为是25%。
[0005] 另一方面，当使用发射磷光的化合物（以下称为磷光化合物）时，在理论上可获得 100%的内量子效率。换言之，与使用荧光化合物的情况相比，可以得到高发光效率。根据 上述理由，为了实现高效率的发光元件，近年来积极地开发出包括磷光化合物的发光元件。 作为磷光化合物，以铱等为中心金属的有机金属配合物由于其高磷光量子产率而已特别受 到关注；例如，专利文献1公开了以铱为中心金属的有机金属配合物作为磷光材料。
[0006] 当使用上述磷光化合物形成发光元件的发光层时，为了抑制磷光化合物的浓度猝 灭或者由三重态-三重态湮灭导致的猝灭，通常以使该磷光化合物分散在其它化合物的基 质中的方式形成发光层。在此，用作基质的化合物被称为主体材料，分散在基质中的化合物 诸如磷光化合物被称为客体材料。
[参考文献]
[专利文献]
[0007][专利文献1]国际公开W0 00/70655号小册子
【发明内容】
[0008] 然而，一般被认为有机EL元件的光取出效率为20%至30%左右。因此，当考虑到 由于反射电极及透明电极的光吸收时，包括磷光化合物的发光元件的外量子效率的极限为 25%左右。
[0009] 此外，如上所述那样，有机EL元件被考虑应用到显示器及照明。此时，可实现的目 的之一是耗电量的降低。为了降低耗电量，需要降低有机EL元件的驱动电压。
[0010] 本发明的一个实施方式的目的是提供一种外量子效率高的发光元件。本发明的一 个实施方式的另一个目的是提供一种驱动电压低的发光元件。
[0011] 注意，以下所公开的发明的目的是解决上述目的中的至少一个。
[0012] 本发明的一个实施方式是一种发光元件，该发光元件包括一对电极之间的包含磷 光化合物、第一有机化合物及第二有机化合物的发光层，其中，第一有机化合物和第二有机 化合物的组合形成激基复合物（exciplex)，激基复合物的发射光谱与位于磷光化合物的吸 收光谱的最长波长一侧的吸收带重叠，并且，激基复合物的发射光谱的峰值波长长于或等 于位于磷光化合物的吸收光谱的最长波长一侧的吸收带的峰值波长。
[0013] 本发明的另一个实施方式是一种发光元件，该发光元件包括一对电极之间的包含 磷光化合物、第一有机化合物及第二有机化合物的发光层，其中，第一有机化合物和第二有 机化合物的组合形成激基复合物，激基复合物的发射光谱与位于磷光化合物的吸收光谱的 最长波长一侧的吸收带重叠，并且，激基复合物的发射光谱的峰值波长和磷光化合物的发 射光谱的峰值波长之间的差异为30nm或更小。
[0014] 本发明的另一个实施方式是一种发光元件，该发光元件包括：一对电极之间的包 含磷光化合物、第一有机化合物及第二有机化合物的发光层，其中，第一有机化合物和第二 有机化合物的组合形成激基复合物，激基复合物的发射光谱与位于磷光化合物的吸收光谱 的最长波长一侧的吸收带重叠，并且，激基复合物的发射光谱的峰值波长长于或等于位于 磷光化合物的吸收光谱的最长波长一侧的吸收带的峰值波长且短于或等于磷光化合物的 发射光谱的峰值波长。再者，激基复合物的发射光谱的峰值波长与磷光化合物的发射光谱 的峰值波长之间的差异优选为30nm或更小。
[0015] 另外，本发明的一个实施方式是上述发光元件，其中由第一有机化合物的单重态 激子形成激基复合物。
[0016] 另外，本发明的一个实施方式是上述发光元件，其中由第一有机化合物的阴离子 及第二有机化合物的阳离子形成激基复合物。
[0017] 在上述发光元件中，优选的是，激基复合物的激发能量转移到磷光化合物，以使该 磷光化合物发射磷光。
[0018] 在上述发光元件中，优选的是，第一有机化合物和第二有机化合物中的至少一个 是荧光化合物。
[0019] 在上述发光元件中，优选的是，磷光化合物是有机金属配合物。
[0020] 本发明的一个实施方式的发光元件可以应用于发光装置、电子设备及照明装置。
[0021] 根据本发明的一个实施方式，能够提供一种外量子效率高的发光元件。根据本发 明的另一个实施方式，能够提供一种驱动电压低的发光元件。
【附图说明】
[0022] 图1示出根据实施例1的吸收光谱及发射光谱； 图2示出根据实施例1的吸收光谱及发射光谱； 图3示出根据实施例1的吸收光谱及发射光谱； 图4示出根据实施例1的吸收光谱及发射光谱； 图5示出本发明的一个实施方式的概念； 图6示出在本发明的一个实施方式中应用的激基复合物的能级； 图7A至图7C都示出本发明的一个实施方式的发光元件； 图8示出实施例2的发光元件的结构； 图9示出实施例2的发光元件的电压-亮度特性； 图10示出实施例2的发光元件的电压-电流特性； 图11示出实施例2的发光元件的亮度-功率效率特性； 图12示出实施例2的发光元件的亮度-外量子效率特性； 图13示出实施例2的发光元件的发射光谱； 图14示出实施例2的发光元件的可靠性测试的结果； 图15示出根据实施例3的激基复合物的发射光谱的峰值波长和物质X的HOMO能级的 关系； 图16示出根据实施例3的激基复合物的发射光谱的峰值波长和发光元件的外量子效 率的关系； 图17示出根据本发明的一个实施方式的计算结果； 图18A1、图18A2、图18B1、图18B2、图18C1及图18C2示出根据本发明的一个实施方式 的计算结果。
【具体实施方式】
[0023] 在实施方式中，将参照附图进行说明。注意，本发明不局限于以下说明，而所属技 术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是其方式及详细内容在不脱离本发 明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为 仅局限在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在下面说明的发明结构中，在不同的 附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略反复说 明。
[0024] 实施方式1 在本实施方式中，将说明本发明的一个实施方式的发光元件。
[0025] 本实施方式的发光元件包括发光层，该发光层包含作为发光物质的客体材料、第 一有机化合物及第二有机化合物。具体而言，作为客体材料使用磷光化合物。注意，在第 一有机化合物和第二有机化合物的一个中，将包含在发光层中的含量多的材料称为主体材 料。
[0026] 通过使用将客体材料分散在主体材料中的结构，可以抑制发光层的晶化。此外，可 以抑制因客体材料的高浓度而导致的浓度猝灭，从而可以使发光元件具有高发光效率。
[0027] 此外，在本实施方式中，第一及第二有机化合物的每个三重激发态能级〇\能级） 优选高于客体材料的能级。这是因为当第一有机化合物（或第二有机化合物）的！\能 级低于客体材料的能级时，第一有机化合物（或第二有机化合物）使有助于发光的客体 材料的三重激发态能级猝灭，由此导致发光效率的降低。
[0028] 〈发光的基本过程〉 首先，对将磷光化合物用作客体材料的发光元件中的发光的一般的基本过程进行说 明。
[0029] (1)对于在客体分子中电子和空穴复合，而客体分子激发的情况（直接复合过 程）。 (1-1)当客体分子的激发态为三重激发态时，客体分子发射磷光。 (1-2)当客体分子的激发态为单重激发态时，处于单重激发态的客体分子系间跨越(intersystemcrossing)到三重激发态而发射磷光。
[0030] 换言之，在（1)的直接复合过程中，只要客体分子的系间跨越效率及磷光量子产 率高，就可以获得高发光效率。此外，如上所述，主体分子的能级优选高于客体分子的T: 能级。
[0031] (2)对于在主体分子中电子和空穴复合，而主体分子激发的情况（能量转移过 程）。 (2-1)当主体分子的激发态为三重激发态，并且主体分子的能级高于客体分子的T: 能级时，激发能量从主体分子转移到客体分子，从而使客体分子成为三重激发态。处于三重 激发态的客体分子发射磷光。此外，理论上有可能能量转移到客体分子的单重激发能级（Si 能级），但是由于在很多情况下客体分子的Si能级具有比主体分子的Ti能级更高的能量， 这不容易成为主要能量转移过程；因此在此省略说明。 (2-2)当主体分子的激发态为单重激发态，并且主体分子的Si能级高于客体分子的Si能级及能级时，激发能量从主体分子转移到客体分子，从而使客体分子成为单重激发态 或三重激发态。处于三重激发态的客体分子发射磷光。此外，处于单重激发态的客体分子 系间跨越到三重激发态而发射磷光。
[0032] 换言之，在（2)的能量转移过程中，尽可能使主体分子的三重激发能及单重激发 能都高效地转移到客体分子是重要的。
[0033] 从上述能量转移过程来看，在主体分子的激发能量转移到客体分子之前，当主体 分子本身将该激发能量作为光或热释放而失活时，发光效率降低。本发明人等发现在主体 分子处于单重激发态时（上述（2-2))，与主体分子处于三重激发态时相比（上述（2-1))， 能量不容易转移到如磷光化合物等的客体分子，并且发光效率容易降低。因此，本发明人等 将其作为课题。如下所述，考虑更详细的能量转移过程发现了其原因。
[0034] 〈能量转移过程〉 以下，详细说明分子间的能量转移过程。
[0035] 首先，作为分子间的能量转移机理，提倡以下两个机理。将提供激发能量的分子记 为主体分子，而将接受激发能量的分子记为客体分子。
[0036]《福斯特（F6rstcr)机理（偶极_偶极相互作用）》 在福斯特机理中，能量转移不需要分子间的直接接触。通过主体分子和客体分子间的 偶极振荡的共振现象发生能量转移。通过偶极振荡的共振现象，主体分子给客体分子供应 能量，因此，主体分子成为基态，且客体分子成为激发态。公式（1)示出福斯特机理的速度 常数khl g。
[公式1]
[0038] 在公式（1)中，v表不振荡数，f' h( v )表不主体分子的归于化的发射光谱（从 单重激发态的能量转移中的荧光光谱、以及从三重激发态的能量转移中的磷光光谱）， e g( v )表示客体分子的摩尔吸光系数，N表示阿伏伽德罗数，n表示介质的折射率，R表示 主体分子和客体分子的分子间距离，T表不所测量的激发态的寿命（焚光寿命或磷光寿 命），C表示光速，巾表示发光量子产率（从单重激发态的能量转移中的荧光量子产率、以 及从三重激发态的能量转移中的磷光量子产率），K 2表不主体分子和客体分子间的跃迀偶 极矩的取向的系数（0至4)。此外，在无规取向中K2= 2/3。
[0039] 《德克斯特（Dexter)机理（电子交换相互作用）》 在德克斯特机理中，主体分子和客体分子接近于产生轨道的重叠的接触有效距离，激 发态的主体分子的电子和基态的客体分子交换电子，由此发生能量转移。公式2示出德克 斯特机理的速度常数khl g。
[0040] [公式 2]
[0041] 在公式（2)中，h表示普朗克常数，K表示具有能量维数（energy dimension)的常 数，v表示振荡数，f' h(v)表示主体分子的归一化的发射光谱（从单重激发态的能量转 移中的荧光光谱、以及从三重激发态的能量转移中的磷光光谱），e 'g(v)表示客体分子的 归一化的吸收光谱，L表示有效分子半径，R表示主体分子和客体分子的分子间距离。
[0042] 在此，可认为以公式（3)表示从主体分子到客体分子的能量转移的效率（能量转 移效率Oet)。在公式中，I表示主体分子的发光过程（从单重激发态的能量转移中的荧光、 以及从三重激发态的能量转移中的磷光）的速度常数，k n表示主体分子的非发光过程（热 失活或系间跨越）的速度常数，t表示所检测出的主体分子的激发态的寿命。
[0043] [公式 3]
[0044] 首先，根据公式（3)可知，通过使能量转移的速度常数khlg比其他竞争的速度常 数k，k n( = 1/t)大得多，能够提高能量转移效率Oet。而且，为了增大该能量转移的速 度常数k hlg，基于公式（1)及公式（2)，在福斯特机理和德克斯特机理中，主体分子的发射 光谱（从单重激发态的能量转移中的荧光光谱、以及从三重激发态的能量转移中的磷光光 谱）和客体分子的吸收光谱的重叠越大越好。
[0045] 在此，本发明人等认为在考虑到主体分子的发射光谱和客体分子的吸收光谱的重 叠上，客体分子的吸收光谱中的最长波长一侧（最低能量一侧）的吸收带是重要的。
[0046] 在本实施方式中，作为客体材料使用磷光化合物。在磷光化合物的吸收光谱中，被 认为最有助于发光的吸收带为相当于从单重基态到三重激发态的直接跃迀的吸收波长和 其附近，这位于最长波长一侧。由此，可以认为优选的是，主体材料的发射光谱（荧光光谱 及磷光光谱）与磷光化合物的吸收光谱中的最长波长一侧的吸收带重叠。
[0047] 例如，大部分有机金属配合物，尤其是发光铱配合物，最长波长一侧的吸收带为在 500nm至600nm附近出现宽吸收带（当然，宽吸收带根据发光波长可以位于更短波长一侧或 更长波长一侧）。该吸收带主要基于三重MLCT(从金属到配体的电荷转移）跃迀。注意， 可以认为该吸收带还包括基于三重^跃迀及单重MLCT跃迀的吸收，这些吸收彼此重 叠，而在吸收光谱的最长波长一侧形成宽吸收带。换言之，可以认为最低单重激发态与最低 三重激发态之间的差异小，基于这些态彼此重叠的吸收在吸收光谱中的最长波长一侧形成 宽吸收带。从而，如上所述那样，在作为客体材料使用有机金属配合物（尤其是铱配合物） 时，位于最长波长一侧的宽吸收带优选较大地与主体材料的发射光谱重叠。
[0048] 在此，首先，将考虑从三重激发态的主体材料的能量转移。从上述说明可知，优选 的是，在从三重激发态的能量转移中，主体材料的磷光光谱与客体材料的最长波长一侧的 吸收带较大地重叠在一起。
[0049] 此外，由于作为主体材料通常使用荧光化合物，所以磷光寿命（t)非常长，即毫 秒或更长（k，kn很小）。这是因为从三重激发态到基态（单重）的跃迀为禁戒跃迀的缘故。 公式（3)示出，这有利于能量转移效率〇 ET。这也意味着能量通常容易从处于三重激发态 的主体材料转移到处于三重激发态的客体材料。
[0050] 然而，此时的问题是从单重激发态的主体材料的能量转移。为了除从三重激发态 的能量转移以外，还高效地进行从单重激发态的能量转移，从上述说明可知，需要对主体材 料进行设计，以使除了主体材料的磷光光谱以外，其荧光光谱也与客体材料的最长波长一 侧的吸收带重叠。换言之，若不以主体材料的荧光光谱位于与磷光光谱大致相同的位置的 方式设计主体材料，则不能实现高效的从处于单重激发态及三重激发态的主体材料的能量 转移。
[0051] 但是，Si能级通常与能级大不相同（Si能级能级）；因此，荧光的发光波长 与磷光的发光波长大不相同（焚光的发光波长<磷光的发光波长）。例如，在使用磷光化合 物的发光元件中通常被用作主体材料的4, 4' -二（N-咔唑基）联苯（缩写：CBP)在500nm 附近具有磷光光谱，且在400nm附近具有荧光光谱，两者之间有100nm的较大间隔。从上述 例子来看，以主体材料的荧光光谱位于与磷光光谱大致相同的位置的方式设计主体材料是 极为困难的。因此，本发明人等认为从单重激发态的主体材料到客体材料的能量转移效率 的提尚是主要挑战。
[0052] 此外，用作主体材料的荧光化合物的荧光寿命（t)非常短，即纳秒级（1+1很 大）。这是因为从单重激发态到基态（单重）的跃迀为容许跃迀的缘故。公式（3)示出，这 不利于能量转移效率〇 ET。这也意味着能量通常不容易从主体材料的单重激发态转移到客 体材料。
[0053] 本发明的一个实施方式是能够克服这种从单重激发态的主体材料到客体材料的 能量转移效率的问题的有用方法。
[0054] 另外，以往被认为，包括磷光化合物的发光元件在理论上能够实现100 %的内量子 效率，因为通过系间跨越可以将单重激发态及三重激发态都转换为发光（参照上述"（1)直 接复合过程")。而且，已进行了如下讨论：在假设光取出效率为20%条件下，外量子效率达 到20%的发光元件可以实现几乎100%的内量子效率。但是，在实际上，这些现有的发光元 件没达到100%的内量子效率，因为忽略了上述从主体材料的单重激发态的能量转移。这是 因为通过实施以下所述的本发明的一个实施方式，本发明人等已达到27%或更高的外量子 效率的缘故（参照图12和实施例2)。可以说该数值等于或超过外量子效率的现有的理论 极限。换言之，至少27%或更高的外量子效率相当于100%的内量子效率，本发明的一个实 施方式是为实现此的有用方法。此外，这表示估计现有的外量子效率20%相当于内量子效 率75%以下。
[0055] 如上所述，通过应用本发明的一个实施方式，能够