JP2003272852A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光層から発光された光を効率よく外部に出
射させて明るい表示が得ることの出来るＥＬ表示装置を
得る。 【解決手段】 ガラス基板からなる絶縁性基板上にＴＦ
Ｔおよび有機ＥＬ素子を形成した有機ＥＬ表示装置にお
いて、有機ＥＬ素子を形成する領域には基板以外の屈折
率がＥＬ素子の発光の透過する方向に対し、積層膜の屈
折率が順に小さくなる構造を用いる。このことで、ＥＬ
素子からの発光が反射されることなく効率良く外部に取
り出すことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトロルミネ
ッセンス素子及び薄膜トランジスタを備えたエレクトロ
ルミネッセンス表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エレクトロルミネッセンス（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：以下、「Ｅ
Ｌ」と称する）素子を用いたＥＬ表示装置が、ＣＲＴや
ＬＣＤに代わる表示装置として注目されており、特に、
そのＥＬ素子を駆動させるスイッチング素子として薄膜
トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔ
ｏｒ：以下、「ＴＦＴ」と称する）を備えたＥＬ表示装
置の開発が積極的に進められている。

【０００３】図４に有機ＥＬ表示装置の平面図を示し、
図５に図４のＡ−Ｂ線に沿った断面図を示し、図６には
図４に示した有機ＥＬ表示装置の等価回路図を示す。

【０００４】また、図６に示すように、ゲートライン３
０１とソースライン３０２と電流供給ライン３０３とに
囲まれた領域に単位画素３０８が形成されている。両信
号線の交点付近にはスイッチング素子である第１のＴＦ
Ｔ３０４が備えられており、その第１のＴＦＴ３０４の
ソースは、保持容量３０７を構成する容量電極ととも
に、有機ＥＬ素子３０６を駆動する第２のＴＦＴ３０５
のゲートに接続されている。第２のＴＦＴ３０５のソー
スは有機ＥＬ素子３０６の陽極に接続され、他方のドレ
インは有機ＥＬ素子３０６を駆動する電流供給ライン３
０３に接続されている。

【０００５】図５に示すように、第２のＴＦＴは半導体
層にソース２０３−１、チャンネル２０３−２、ドレイ
ン２０３−３が形成され、ゲート絶縁膜２０４を挟んで
ゲート電極２０５およびゲートラインが金属で形成され
ており、ゲート電極の上部には層間絶縁膜２０６が形成
されている。層間絶縁膜上にはソースライン２０７と電
流供給ラインが金属によって形成されている。また、保
護膜２０８と平坦化膜２０９を介して有機ＥＬのための
陽極２１０が形成されている。

【０００６】有機ＥＬ素子は、陽極２１０、ホール輸送
層、発光層、電子輸送層からなる発光素子層２１２、Ａ
ｌから成る陰極２１３がこの順番で積層形成された構造
であり、有機ＥＬ素子の実質全面に設けられている。

【０００７】有機ＥＬ素子の発光原理および動作は、陽
極から注入されたホールと、陰極から注入された電子と
が発光層ＥＭの内部で再結合し、発光層ＥＭを形成する
有機分子を励起して励起子を発生させる。この励起子が
放射失活する過程で発光層から光が放たれ、この光が透
明な陽極から透明絶縁基板を介して外部へ放出されて発
光する。

【０００８】このように、第１のＴＦＴのソースから供
給された電荷が保持容量に保持され、第２のＴＦＴのゲ
ートに印加され、その電圧に応じて有機ＥＬ素子を電流
駆動し、発光する。

【０００９】また、有機ＥＬ素子は水分の拡散によって
劣化が進行するために表示装置全体がメタルキャップ２
１４によってエポキシ樹脂２１５で密閉されており、か
つ、内部に補水剤２１６を有するために大気中の水分に
よって有機ＥＬ素子が劣化しない構造を有している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述した平坦化膜の材
料には、感光性の有機系材料が一般的に用いられてい
る。層間絶縁膜あるいは保護膜を形成する積層膜の中に
シリコン窒化膜からなる層を有する場合においては、シ
リコン窒化膜の屈折率は平坦化膜の屈折率よりも大きく
なってしまう。この結果、ＥＬ素子からの発光光が屈折
率の大きいシリコン窒化膜との界面において反射される
割合が大きくなるため、ＥＬ素子の発光を効率良く外部
に取り出すことが出来ないという問題を有する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題に
鑑みてなされ、第１に、有機ＥＬ素子の発光が透過する
領域において、基板以外の積層膜の屈折率が、発光光の
出射方向に対して順に小さくなる領域を有することを特
徴とする。

【００１２】本第１の発明のように、有機ＥＬ素子の発
光が透過する領域における積層膜の屈折率が、発光光の
出射方向に対して順に小さくなる場合、ＥＬ素子の発光
は積層膜の界面において反射されないために有機ＥＬ素
子の発光を外部に効率よく取り出すことが可能となる。

【００１３】第２に、層間絶縁膜および保護膜の屈折率
が平坦化膜よりも小さい膜で形成することを特徴とす
る。

【００１４】薄膜トランジスタを有する有機ＥＬ表示装
置において、基板上にＴＦＴ素子を形成する必要がある
ために層間絶縁膜および保護膜が形成される。本第２の
発明のように、層間絶縁膜および保護膜の屈折率が平坦
化膜の屈折率よりも小さい場合には、平坦化膜と保護膜
の界面における反射の影響が小さいためにＥＬ素子の発
光を効率良く取り出すことが出来る。

【００１５】第３に、層間絶縁膜あるいは保護膜の中に
平坦化膜よりも屈折率の小さいシリコン窒化酸化膜層を
有することを特徴とする。

【００１６】本第３の発明のように、層間絶縁膜あるい
は保護膜をシリコン窒化酸化膜により形成することで、
保護膜における窒素と酸素の組成比を変えてシリコン窒
化酸化膜の屈折率を制御することが可能となる。そのた
めに、ＥＬ素子の発光の出射方向に対して屈折率を順に
小さくなるように光学的に設計することが可能である。

【００１７】また、シリコン窒化膜と同様に、シリコン
窒化酸化膜は外部の不純物の拡散を防ぐ効果があり、ま
た膜中に多くの水素を含んでいるために水素化処理のた
めの水素の拡散源とすることが可能である。このため、
ＴＦＴ特性を安定化させることが出来る。

【００１８】第４に、層間絶縁膜あるいは保護膜が多層
膜で構成されていて、平坦化膜よりも屈折率の大きい層
を有する場合には、平坦化膜よりも屈折率の大きい層に
おける屈折率と膜厚を掛けた光路長が２０ｎｍ以下であ
ることを特徴とする。

【００１９】また、層間絶縁膜あるいは保護膜の積層膜
の中に、平坦化膜よりも屈折率が大きい層を有してい
て、膜厚と屈折率を掛けた光路長が１００ｎｍ以下の場
合においては、可視光の波長よりも十分に小さいために
干渉効果が出ない。この結果、ＥＬ素子の発光を十分に
外部に取り出すことが出来る。

【００２０】第５に、層間絶縁膜あるいは保護膜の中に
シリコン窒化膜で形成されている層を有する場合には、
シリコン窒化膜の膜厚が５０ｎｍ以下であることを特徴
とする。

【００２１】本第５の発明のように、層間絶縁膜あるい
は保護膜の積層膜の中に、シリコン窒化膜を有する場合
においては平坦化膜よりも屈折率が大きくなるために光
路長を１００ｎｍ以下にすることで、可視光の波長より
も十分に光路長を小さくすることが出来るのでＥＬ素子
の発光を十分に外部に取り出すことが出来る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００２３】（実施の形態１）本発明は、ＡＭ方式ＥＬ
表示装置でのＥＬ発光領域において、発光が透過する積
層膜における屈折率と膜厚の関係に特徴を有するもので
あり、図５を参照しながら有機ＥＬ表示装置を具体的に
説明していく。

【００２４】まず、少なくとも表面が絶縁性を有する透
明基板がある。本実施の形態１では、ＥＬ素子を水分か
ら保護するため、メタルキャップがＥＬ材料を封止する
ように上面に設置されている。このメタルキャップが設
置されているため、発光光を前記透明基板２０１から取
り出すにはこの基板２０１が透明である必要があるが、
発光光を上方から取り出す場合には、透明である必要は
ない。ここでは、ガラスや合成樹脂などから成る透明基
板２０１を採用している。

【００２５】この透明基板２０１の上には、約３００ｎ
ｍの膜厚の絶縁膜層２０２がシリコン酸化膜で形成され
ており、その上には半導体層が形成されている。具体的
には、約５０ｎｍのアモルファスシリコンがプラズマＣ
ＶＤで形成される。その後、約４００度の窒素雰囲気中
で脱水素アニールが行われ、エキシマレーザにより多結
晶化される。ホトリソグラフィ技術により多結晶シリコ
ン層がアイランド化することにより、ソース２０３−
１、チャンネル２０３−２、ドレイン２０３−３が形成
されている。ここでは、第１のＴＦＴの半導体層および
保持容量の容量電極も同一半導体層で形成されている。
半導体層上には、約１０００Åのシリコン酸化膜がプラ
ズマＣＶＤにより形成されており、ゲート絶縁膜２０４
を形成している。また、このシリコン酸化膜は保持容量
の誘電膜として利用される。

【００２６】第１のＴＦＴおよび第２のＴＦＴにおける
ゲート電極２０５およびゲートライン並びに保持容量を
構成するための対向電極が約３００ｎｍの膜厚ＭｏＷ等
の金属により形成されている。ここでは、約３０００Å
のＭｏＷがスパッタリングにて形成されている。また、
パターニングの際はステップカバレージが考慮され、側
辺はテーパー形状に加工されている。

【００２７】第１および第２のＴＦＴには、ゲート電極
２０５をマスクにしてＢ（ボロン）イオンが注入されて
Ｐチャンネル型のソース２０３−１、ドレイン２０３−
３が形成されている。

【００２８】そして、全面には層間絶縁膜が形成されて
いる。この層間絶縁膜として、約４００ｎｍの膜厚のシ
リコン酸化膜がプラズマＣＶＤで形成されている。な
お、膜厚はこれに限らない。また、層間絶縁膜はシリコ
ン酸化膜とシリコン窒化膜の積層構造で形成することも
可能である。

【００２９】次に、層間絶縁膜の上層には、ソースライ
ン、電流供給ラインおよび接続配線が形成される。当然
コンタクトが形成され、ソースラインと第１のＴＦＴの
半導体層とが、電流供給ラインと第２のＴＦＴの半導体
層とが、接続配線と容量電極とが、コンタクトを経由し
てそれぞれ接続されている。このライン材料は、下層に
１０００ÅのＭｏ、上層に７０００ÅのＡｌ、更にその
上にＭｏが積層された構造であり、Ｍｏはバリア層であ
る。

【００３０】次に、外部からの不純物拡散阻止とＴＦＴ
の水素化のために保護膜２０８が、シリコン窒化膜ある
いはシリコン窒化酸化膜により形成されている。更に、
約１〜３μｍの平坦化膜２０８がアクリル系樹脂によっ
て全面に形成されている。この後、陽極２１０となるＩ
ＴＯ電極をスパッタリングで形成し、その後、パターニ
ングを行う。

【００３１】ＥＬ素子は電流駆動であるため、これらの
膜厚が極めて均一に形成されないと、膜厚の薄い部分を
介して電流が大量に流れ、その部分にひときわ輝く輝点
が発生すると同時に、このポイントが有機膜の劣化を発
生させ、最悪の場合、破壊に至る。従って、この破壊を
防止するには、陽極２１０を含む全面ができるだけ平坦
である必要がある。そのため通常、平坦化膜２０９とし
てアクリル系の液状樹脂を塗布する。この膜は、硬化前
に流動性を有することから、平坦にしてから硬化させる
ことができる。また、平坦化膜にＳＯＧ膜を採用するこ
とも可能である。

【００３２】更に、陽極２１０が形成された上には隔壁
２１１が形成される。ここでは平坦化膜２０９と同じく
アクリル系の樹脂を材料に隔壁を形成している。

【００３３】陽極２１０の上にはＥＬ素子を構成する有
機膜である発光素子層２１２が形成されている。まず、
陽極の上には、ＭＴＤＡＴＡ（４，４−ｂｉｓ（３−ｍ
ｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙｌｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏ）ｂｉ
ｐｈｅｎｙｌ）から成る第１ホール輸送層、及びＴＰＤ
（４，４，４−ｔｒｉｓ（３−ｍｅｔｈｙｌｐｈｅｎｙ
ｌｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｏ）ｔｒｉｐｈｅｎｙｌａｎｉ
ｎｅ）からなる第２ホール輸送層、キナクリドン（Ｑｕ
ｉｎａｃｒｉｄｏｎｅ）誘導体を含むＢｅｂｑ ₂（１０
−ベンゾ〔ｈ〕キノリノール−ベリリウム錯体）から成
る発光層及びＢｅｂｑ２から成る電子輸送層からなる発
光素子層ＥＭ、マグネシウム・銀（Ａｇ）合金、Ａｌと
Ｌｉの合金またはＡｌ／ＬｉＦ等から成る陰極２１３が
積層形成された構造である。また、陰極２１３はＡｌ／
ＬｉＦの合金を採用し、その膜厚は１０００〜２０００
Åである。

【００３４】更に、表示領域のＥＬ層、または全てのＥ
Ｌ層をカバーするメタルキャップ２１４が形成されてい
る。ＥＬ層は、水を吸湿すると劣化し、水の浸入に対し
て保護が必要となるからである。

【００３５】有機ＥＬ素子の発光原理および動作は、陽
極から注入されたホールと、陰極から注入された電子と
が発光層ＥＭの内部で再結合し、発光層ＥＭを形成する
有機分子を励起して励起子を発生させる。この励起子が
放射失活する過程で発光層から光が放たれ、この光が透
明な陽極から透明絶縁基板を介して外部へ放出されて発
光するのである。

【００３６】（実施の形態２）本発明は、薄膜トランジ
スタとＥＬ発光素子を含む表示装置におけるＥＬ発光領
域において、発光が透過する積層膜における屈折率と膜
厚の関係に特徴を有するものである。

【００３７】有機ＥＬ素子の本実施の形態２におけるＥ
Ｌ発光領域のＥＬ素子の発光が出射する方向における膜
構成図を図１に示す。この膜構成におけるＥＬ素子の発
光の透過率を計算すると図２の５０１の点線のようにな
る。また、保護膜としてシリコン窒化膜の屈折率が平坦
化膜の屈折率よりも小さいシリコン窒化酸化膜を保護膜
として用いた場合には５０２の実線のように透過率が大
きく向上することがわかる。

【００３８】このことから、保護膜として用いているシ
リコン窒化膜をシリコン窒化酸化膜にすることで結果的
にＥＬ素子の発光を効率的に取り出すことが可能とな
り、ＥＬ素子の発光が透過する積層膜における基板と有
機ＥＬ層以外との屈折率が順に小さくなる場合では干渉
効果が生じないが、積層膜において屈折率が大きくなる
層が存在する場合には上述の透過率の大きな向上が生じ
る。

【００３９】このように、積層膜におけるＥＬ素子の発
光が透過する積層膜において、屈折率が大きくなる層の
面積を発光領域に対して小さくすることで、光取出し効
率を高めることが可能となる。本実施の形態２において
は図１に示すように、ＴＦＴの形成されている領域にの
み保護膜２０８としてシリコン窒化膜を形成し、ＥＬ素
子の発光が透過するＴＦＴ以外の領域には保護膜として
のシリコン窒化膜を形成しない構造を用いることで効率
良くＥＬ素子の発光を外部に取り出すことが可能であ
る。このように、ＴＦＴの上部にシリコン窒化膜を形成
することで、外部の不純物の拡散を抑制し、水素化を効
率良く行うことが可能であり、また、発光領域において
は出来るだけ大きな範囲でシリコン窒化膜を形成しない
構造を採用することが望ましい。

【００４０】また、図３にシリコン窒化膜の膜厚と透過
率の関係の図を示す。シリコン窒化膜の膜厚を１０ｎｍ
以下にすることで透過率は大きく改善され、外部に十分
なＥＬ発光を取り出すことが可能であることがわかる。
ここではシリコン窒化膜を保護膜に用いた場合の例を記
載しているが、本質的に干渉効果によって透過率が低下
するのは平坦化膜に用いている有機樹脂膜の屈折率がシ
リコン窒化膜より小さいためである。

【００４１】この関係は、保護膜だけについて成り立つ
関係ではなく、ＥＬ素子の発光が透過する領域について
は常に成り立つことから、層間絶縁膜やガラス基板と半
導体層との間に形成される不純物拡散防止層の一部にシ
リコン窒化膜が形成される場合においてもシリコン窒化
膜の膜厚を１０ｎｍ以下にすることで透過率を高めてＥ
Ｌ素子の発光を効率良く取り出すことが可能となる。

【００４２】なお、上述の実施の形態においては、半導
体膜として多結晶シリコン膜を用いたが、微結晶シリコ
ン膜又は非晶質シリコン膜等の半導体膜を用いても良
い。また、シングルゲート型で説明したがダブルゲート
型ＴＦＴでも良い。

【００４３】更に、上述の実施の形態においては、有機
ＥＬ表示装置について説明したが、本発明はそれに限定
されるものではなく、発光層が無機材料から成る無機Ｅ
Ｌ表示装置にも適用が可能であり、同様の効果が得られ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、ＥＬ
素子の発光が積層膜を経由して透過する場合において、
基板以外の積層膜の屈折率がＥＬ素子が透過する方向に
対して順に小さくなる構造を用いることでＥＬ素子の発
光を外部に十分に取り出すことが出来る。

【００４５】また、屈折率が大きくなる層の面積をＥＬ
素子の発光領域に対して出来る限り小さくすることと、
屈折率が大きくなる層の光路長を１００ｎｍ以下にする
ことによってもＥＬ素子の発光を効率的に取り出すこと
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態２におけるＥＬ発光領域のＥＬ素
子の発光が出射する方向における膜構成図

【図２】シリコン窒化膜とシリコン窒化酸化膜との比較
図

【図３】シリコン窒化膜の膜厚と透過率の関係を示す図

【図４】有機ＥＬ表示装置の平面図

【図５】図４のＡ−Ｂ線に沿った断面図

【図６】図４での有機ＥＬ表示装置の等価回路図

【符号の説明】

２０１ 透明基板 ２０２ 絶縁膜層 ２０３−１ ソース ２０３−２ チャンネル ２０３−３ ドレイン ２０４ ゲート絶縁膜 ２０５ ゲート電極 ２０６ 層間絶縁膜 ２０７ ソースライン ２０８ 保護膜 ２０９ 平坦化膜 ２１０ 陽極 ２１１ 隔壁 ２１２ 発光素子層 ２１３ 陰極 ２１４ メタルキャップ ２１５ エポキシ樹脂 ２１６ 補水剤 ３０１ ゲートライン ３０２ ソースライン ３０３ 電流供給ライン ３０４ 第１のＴＦＴ ３０５ 第２のＴＦＴ ３０６ 有機ＥＬ素子 ３０７ 保持容量 ３０８ 単位画素

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明絶縁性基板上に、薄膜トランジスタ
   と発光素子を備えた表示装置であって、発光素子の発光
   が透過する領域において、発光素子と基板以外の積層膜
   の屈折率が発光素子からの発光の透過する方向に対し
   て、順に小さくなる積層膜を有することを特徴とする表
   示装置。
2. 【請求項２】 透明絶縁性基板上に、薄膜トランジスタ
   と発光素子を備えた表示装置であって、発光素子の発光
   が透過する領域において、発光素子と基板以外の積層膜
   にシリコンと窒素と酸素を成分とする絶縁膜を有し、発
   光素子と基板以外の積層膜の屈折率が発光素子からの発
   光の透過する方向に対して、順に小さくなる積層膜を有
   することを特徴とする表示装置。
3. 【請求項３】 透明絶縁性基板上に、薄膜トランジスタ
   と発光素子を備えた表示装置であって、薄膜トランジス
   タの層間絶縁膜あるいは保護膜にはシリコン窒化膜を有
   するが、発光素子からの発光が透過する領域における積
   層膜の一部にシリコン窒化膜が存在しない領域を有する
   ことを特徴とする表示装置。
4. 【請求項４】 透明絶縁性基板上に、薄膜トランジスタ
   と発光素子を備えた表示装置であって、発光素子の発光
   が透過する領域において、発光素子と基板以外の積層膜
   にシリコン窒化膜からなる絶縁膜を有し、シリコン窒化
   膜の膜厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする表示装
   置。