JP2004241194A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間に渡って安定した画像表示が可能な画像表示装置を提供すること。
【解決手段】光透過性を有する基板１上に、駆動回路を構成する薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３と、後述する信号線または走査線と接続するための導電層４と、薄膜トランジスタ２と薄膜トランジスタ３とを接続する導電層５と、薄膜トランジスタ３と接続されたアノード配線層６とを有する。また、薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３上には平坦化層７が配置されている。そして、アノード配線層６および平坦化層７上には発光素子１２と、表示画素ごとに発光素子１２を分離するための素子分離層１１とを有する。かかる構造によって低電流発光が可能とすることで、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の電気的変動を抑制し、長時間に渡って安定した画像表示を実現する。
【選択図】 図１
【解決手段】光透過性を有する基板１上に、駆動回路を構成する薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３と、後述する信号線または走査線と接続するための導電層４と、薄膜トランジスタ２と薄膜トランジスタ３とを接続する導電層５と、薄膜トランジスタ３と接続されたアノード配線層６とを有する。また、薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３上には平坦化層７が配置されている。そして、アノード配線層６および平坦化層７上には発光素子１２と、表示画素ごとに発光素子１２を分離するための素子分離層１１とを有する。かかる構造によって低電流発光が可能とすることで、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の電気的変動を抑制し、長時間に渡って安定した画像表示を実現する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自発光素子を備えた画像表示装置に関し、特に、電流通過領域が非晶質シリコンによって形成されたドライバ素子を具備したアクティブマトリックス方式の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、画像表示等を行うディスプレイの分野において、液晶表示装置にかわって有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置が注目されている。液晶表示装置と比較すると、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置は、自発光性のためバックライトが不要であり、優れた応答速度とコントラスト、視認性を有するなど、液晶をしのぐ機能を有する。また、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置は構造も比較的単純なことから、製造コストの面でも有利と考えられている。
【０００３】
図８は、従来の有機ＥＬ素子を用いたアクティブマトリックス方式の画像表示装置の構造を示す等価回路図である。図８に示すように、従来の画像表示装置は、有機ＥＬ素子１０１と、有機ＥＬ素子１０１のカソード側と接続され、有機ＥＬ素子１０１に対して電流を供給する電源線１０７とを有する。また、有機ＥＬ素子１０１は、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ１０２に接続されており、薄膜トランジスタ１０２によって有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値が制御される。薄膜トランジスタ１０２は、信号線１０４および走査線１０５から薄膜トランジスタ１０３を介して所定のゲート電位を与えられることによって駆動状態が制御され、かかる制御に基づいて有機ＥＬ素子１０１に流れる電流が決定される。有機ＥＬ素子１０１は、流入する電流の値に応じた光強度で発光し、画像表示が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
薄膜トランジスタ１０２は、駆動状態に応じた移動度を有することから、印加されるゲート電位に応じて有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値を制御する機能を有する。かかる薄膜トランジスタ１０２の構造としては、チャネル層を多結晶シリコンによって形成したものと、非晶質シリコンによって形成したものが提案されている。
【０００５】
チャネル層を多結晶シリコンによって形成した薄膜トランジスタの場合、移動度を高くすることが可能な反面、チャネル層を形成する多結晶シリコンの粒径を制御することが難しいという問題を有する。多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタの移動度は、チャネル層を形成する多結晶シリコンの粒径の影響を受けることから、粒径の制御が困難な場合、薄膜トランジスタ１０２の移動度が画素ごとに相違することとなる。例えば画面全体に単一色を表示するために、それぞれの画素を構成する薄膜トランジスタ１０２に対して印加するゲート電圧を等しくした場合を考える。多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタは、粒径の制御が困難であるため、画素ごとに移動度が相違し、有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値も相違することとなる。有機ＥＬ素子１０１は電流発光素子であるため、流入する電流値が相違することで輝度が画素ごとに変動することとなるため、実際に単一色を表示することができなくなる。
【０００６】
これに対してチャネル層を非晶質シリコンによって形成された薄膜トランジスタは、粒径を制御する必要がないため、画素ごとに設けられた個々の薄膜トランジスタの移動度が相違する問題は生じない。このため、有機ＥＬ素子のドライバ素子として用いる薄膜トランジスタ１０２は、チャネル層を非晶質シリコンによって形成されたものを用いることが好ましく、かかる構造の薄膜トランジスタを用いることによって個々の有機ＥＬ素子に対してほぼ均一な電流を流すことが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２３４６８３号公報（第１０頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質シリコンによってチャネル層が形成された薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した場合、図８に示す従来の画像表示装置では長時間に渡って画像表示を行うことが困難であるという問題が存在する。非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは、長時間に渡ってチャネル層に電流を流した場合、徐々に閾値電圧が変動することが知られており、一定のゲート電圧を印加し続けても閾値電圧の変動に応じてチャネル層を流れる電流の値は変化するためである。
【０００９】
図９は、非晶質シリコンをチャネル層とした薄膜トランジスタについて、チャネル層に一定の電流を流し続けた結果生じる閾値電圧の変動値の変化を示すグラフである。なお、図９のグラフにおいて、チャネル層に流れる電流は、一般的な有機ＥＬ素子が１５０ｃｄ／ｍ２の輝度で発光する程度の電流とする。
【００１０】
図９からも明らかなように、約１００時間で１Ｖ程度の閾値電圧変動が生じ、２０００時間経過すると２Ｖを越えた閾値電圧変動が生じることが示されている。一般に、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置の性能としては、２００００時間程度連続して一定の輝度を保持することが要請されており、短時間で閾値電圧が大きく変動することは好ましくない。
【００１１】
従って、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した実際の画像表示装置では、図８に示す構造に加えて画素ごとに電圧補償回路が配置されている。具体的には、薄膜トランジスタ１０２のゲート電極に対して、信号線１０４から供給される電位に加え、電圧補償回路によって閾値電圧の変動分を補償する電位を与えられる構造とすることによって安定した画像表示を実現している。かかる電圧補償回路は１画素あたり３〜４個の薄膜トランジスタによって形成されており、有機ＥＬ素子を配置する基板上に電圧補償回路用の領域を別途設ける必要性が生じるため、有機ＥＬ素子を高密度に配置することができず、高精細画像表示が困難となるという問題が新たに生じる。
【００１２】
また、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタはそもそも移動度が低いという問題も有する。従来用いられた有機ＥＬ素子を発光素子とした場合、十分な輝度を実現するためには一定量の電流を必要としたことから、かかる電流を有機ＥＬ素子に供給するためにチャネル幅を拡大する必要性を有し、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタの占有面積が増加するため、有機ＥＬ素子の配置密度が低下し、高精細画像表示が困難となるという問題を有する。
【００１３】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、アクティブマトリックス方式の画像表示装置において、電流通過領域が非晶質シリコンによって形成されたドライバ素子の電気特性の変動を抑制することで長時間に渡る画像表示が可能となる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる画像表示装置は、複数の発光層と、該複数の発光層間に配置された電子−正孔対生成層とを備えた発光素子と、該発光素子に流れる電流を制御し、非晶質シリコンを含んで形成された電流通過領域を有するドライバ素子と、該ドライバ素子の駆動状態を制御するスイッチング素子と、該スイッチング素子に対して表示信号を供給する信号線と、前記スイッチング素子に対して走査信号を供給する走査線とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この請求項１の発明によれば、アクティブマトリックス方式であって、かつドライバ素子の電流通過領域が非晶質シリコンを含んで形成した構造の画像表示装置において、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を含む発光素子を備えたことによって、低電流で高輝度の発光が可能となり、電流通過領域を通過する荷電粒子量を抑制することによってドライバ素子の電気特性の変動を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項２にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、有機材料を含んで形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記ドライバ素子は、非晶質シリコンによってチャネル層を形成した薄膜トランジスタを含んで形成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた導電層によって形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた金属酸化層によって形成されることを特徴とする
【００２０】
また、請求項６にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、ＩＴＯ層によって形成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔生成層は、前記発光素子の陰極側にＩＴＯ層が配置され、陽極側にセシウムを含む導電層が配置されたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項８にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、白色光を出射し、前記白色光から所定波長の光を抽出する光フィルタをさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項９にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、４００ｎｍ以下の波長の光を出射し、前記発光層から出射される光の波長を変換する色変調手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１０にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記色変調手段は、前記発光層から出射される光を赤、青、緑に対応した波長の光に変換することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である画像表示装置について説明する。なお、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、この発明の実施の形態１にかかる画像表示装置について説明する。本実施の形態１にかかる画像表示装置は、発光層を複数備え、かかる発光層間に発光に寄与する電子−正孔対生成層を配置した構造の低電流発光素子を有し、画像表示時に非晶質シリコンを含むドライバ素子に流れる電流値を低減することで長時間に渡って安定した画像表示を可能とする構造を有する。
【００２７】
図１は、本実施の形態１にかかる画像表示装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、光透過性を有する基板１上に、駆動回路を構成する薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３と、後述する信号線または走査線と接続するための導電層４と、薄膜トランジスタ２と薄膜トランジスタ３とを接続する導電層５と、薄膜トランジスタ３と接続されたアノード配線層６とを有する。また、薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３上には平坦化層７が配置されている。そして、アノード配線層６および平坦化層７上には発光素子１２と、表示画素ごとに発光素子１２を分離するための素子分離層１１とを有する。かかる薄膜トランジスタ２、３および発光素子１２は、モノトーン表示の場合には表示画素ごと、カラー表示の場合には表示画素のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に対応した副画素（以下ではまとめて「表示画素等」と称する）ごとに配置された構造を有する。
【００２８】
薄膜トランジスタ３は、有機ＥＬ発光素子１２に流入する電流値を制御するためのものであって、有機ＥＬ発光素子１２と一方のソース／ドレイン電極およびアノード配線層６を介して接続されている。また、薄膜トランジスタ３は、電流通過層として機能するチャネル層が非晶質シリコンによって形成された構造を有するため、チャネル層の物理的構造上の差異に起因して表示画素等ごとに電圧−電流特性が変動することのない、安定した特性を有する。
【００２９】
薄膜トランジスタ２は、薄膜トランジスタ３の駆動状態を制御するためのものであって、スイッチング素子として機能する。薄膜トランジスタ２のチャネル層は、非晶質シリコンと多結晶シリコンのいずれを用いて形成することも可能である。
【００３０】
平坦化層７は、薄膜トランジスタ２、３が配置された領域の上面を平坦化するためのものである。すなわち、図１では簡略化して表示したものの、実際の薄膜トランジスタ２、３は異種材料によって形成された複雑な多層構造を有するため、薄膜トランジスタ２、３の上面は複雑な凹凸形状を有する。一方で、上層に配置する発光素子１２を形成する材料層は膜厚が非常に薄く、凹凸状の表面上に積層することは困難である。このため、本実施の形態１にかかる画像表示装置では、薄膜トランジスタ２、３が配置された領域上に平坦化層７を配置することとし、平坦化層７上に発光素子１２を積層する構造としている。なお、平坦化層７は一般にフォトレジスト等の有機材料を含んで形成されるが、薄膜トランジスタ２、３の上層を平坦化することが可能な材料であれば、有機材料以外の材料を用いることとしてもよい。
【００３１】
素子分離層１１は、表示画素等ごとに発光素子１２を分離することによって、ある表示画素等に設けられた発光素子と他の表示画素等に設けられた発光素子との間でクロストークが発生することを防止するためのものである。具体的には、素子分離層１１は例えば感光性の高分子膜を材料とし、素子分離層１１の形状に対応したフォトマスクを用いて写真工程を行うことによって形成される。なお、素子分離の観点からは断面の形状が台形状であって、上底が下底よりも大きくなる逆テーパー状の形状を有することが好ましいが、他の断面形状を有することとしてもよい。
【００３２】
次に、発光素子１２について説明する。発光素子１２は、注入電流の値に応じた輝度で発光する自発光素子であって、本実施の形態１にかかる画像表示装置の画像表示に直接寄与する素子である。具体的な構造としては、電子と正孔が発光再結合することによって光を発する発光層８ａ〜８ｄと、発光層８ａ〜８ｄ間にそれぞれ配置された電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃとが積層された構造を有する。また、底部には外部の回路素子と接続するためのアノード配線層６が配置され、頂部にはカソード配線層１０が配置された構造を有する。なお、図１においては、発光層８を４層、電子−正孔対生成層９を３層設けた構造について示すがあくまでも例示であって、発光層８および電子−正孔対生成層９の層数は図１に示すものに限定されるものではないことに留意が必要である。
【００３３】
アノード配線層６は、発光素子１２のアノード電極として機能すると共に、発光素子１２と薄膜トランジスタ３とを電気的に接続するためのものである。本実施の形態１において、アノード配線層６は、Ａｌ、Ｃｕ等によって形成され、発光層８ａ〜８ｄで発生する光を透過可能な構造を有する。例えば、アノード配線層６は光の透過が可能な程度に薄膜化された構造を有することが可能であり、また、光透過窓として機能する穴構造を部分的に配置した構造とすることが可能である。
【００３４】
カソード配線層１０は、発光素子１２のカソード電極として機能するためのものである。カソード配線層１０は、具体的には、Ａｌ、Ｃｕ等の金属等の導電性材料によって形成される。なお、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、発光素子１２から発する光が基板１を通して外部に放出される構造を有するため、カソード配線層１０は光透過性を備える必要はなく、膜厚を大きくすることが可能である。
【００３５】
発光層８ａ〜８ｄは、それぞれ所定の波長に対応した材料、好ましくは有機材料によって形成され、カソード側から注入される電子と、アノード側から注入されるホールとが再結合することによって光を発する構造を有する。具体的には、発光層８ａ〜８ｄは、フタルシアニン、トリスアルミニウム錯体、ベンゾキノリノラト、ベリリウム錯体等の有機系の材料によって形成され、必要に応じて所定の不純物が添加された構造を有する。
【００３６】
電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、電圧を印加されることによってカソード側（図１における上方向）に正孔を放出し、アノード側に電子を放出するためのものである。電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、光透過性を有する導電材料によって形成され、具体的には、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの金属酸化物等透明な導電材料によって形成される。なお、ＩＴＯは電気陰性度が高いため、電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、それぞれＩＴＯの下層にセシウム（Ｃｓ）等の金属材料を含む導電層を含んで形成することとしてもよい。かかる導電層としては、セシウムを含有したＢＰＨＰＥＮまたはＢＣＰを用いることが好ましい。また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ等を材料として、光透過が可能な程度まで薄膜化した構造または光透過窓を部分的に備えた構造によって電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを形成してもよい。
【００３７】
次に、本実施の形態１にかかる画像表示装置の表示画素等ごとにおける回路素子の具体的な接続態様について説明する。図２は、本実施の形態１にかかる画像表示装置の表示画素等ごとの等価回路を示す図であって、以下図２を参照して説明する。
【００３８】
本実施の形態１にかかる画像表示装置は、図２に示すように、発光素子１２のアノード側はドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３の一方のソース／ドレイン電極に接続され、薄膜トランジスタ３のゲート電極は薄膜トランジスタ２の一方のソース／ドレイン電極に接続されている。また、薄膜トランジスタ２の他方のソース／ドレイン電極は信号線１４と接続され、ゲート電極は走査線１３に接続された構造を有する。また、発光素子１２のカソード側は電源線１５に接続されると共に、電源線１５と薄膜トランジスタ３のゲート電極との間にはコンデンサ１６が配置されている。さらに、電源線１５は、電源線駆動回路１９と接続されることによって電流供給機能を有し、走査線１３、信号線１４はそれぞれ走査線駆動回路１７、信号線駆動回路１８に接続されることによって、所定の電位を薄膜トランジスタ２のゲート電極および他方のソース／ドレイン電極に供給する。なお、発光素子１２については、図１でも示したように発光層を複数備えた構造を有することから、電気的には複数の発光ダイオードが直列接続された構造とみなせ、図２に示す構造で表現している。
【００３９】
次に、発光素子１２に対して電流が供給されるメカニズムについて図２を参照しつつ説明する。まず、走査線駆動回路１７から走査線１３を介して薄膜トランジスタ２のゲート電極に対して所定の電位が供給され、薄膜トランジスタ２がオン状態となる。そして、オン状態となった薄膜トランジスタ２に対して信号線駆動回路１８から信号線１４を介して所定の電位が供給され、薄膜トランジスタ２のチャネル層を介してコンデンサ１６に所定の電位が書き込まれる。コンデンサ１６の一方の電極と薄膜トランジスタ３のゲート電極は電気的に接続されているため、薄膜トランジスタ３のゲート電極にはコンデンサ１６に書き込まれた電位が与えられる。
【００４０】
そして、かかる電位に基づいて薄膜トランジスタ３はオン状態となり、薄膜トランジスタ３のチャネル層に所定の電流が流れる。薄膜トランジスタ３の一方のソース／ドレイン電極に対して発光素子１２は接続されていることから、薄膜トランジスタ３のチャネル層における移動度によって規定された電流が発光素子１２に対して流れ、電流値に応じた輝度の光が出射される。ところで、一度コンデンサ１６に対して電位が書き込まれた後は、薄膜トランジスタ２がオフ状態となるが、コンデンサ１６に書き込まれた電位は保持されるため薄膜トランジスタ３のゲート電位は維持される。従って、かかるゲート電位に対応した電流が薄膜トランジスタ３のチャネル層および発光素子１２に対して流れ続け、発光素子１２は発光状態を維持される。
【００４１】
従って、画像表示時にはドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３のチャネル層には電流が流れ続けることとなり、長時間に渡って電流が流れることによって閾値電圧が変動するおそれがある。しかしながら、かかる閾値電圧の変動幅はチャネル層を通過する荷電粒子の量に対応することから、本実施の形態１にかかる画像表示装置では、発光素子１２に流す電流値を低減することによって、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の閾値電圧の変動を抑制している。
【００４２】
図３は、発光素子１２の発光のメカニズムについて説明するための模式図である。発光層８ａ〜８ｄは、外部から供給された電子と正孔が再結合することによって発光層８ａ〜８ｄを構成する有機材料分子が励起され、分子が励起状態から基底状態に遷移する際に生じる余剰エネルギーが光に変換されることで発光する。また、発光素子１２を形成する電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、それぞれが所定の電位を与えられることによって電子をアノード配線層６側に供給し、正孔をカソード配線層１０側に供給する機能を有する。本実施の形態１にかかる画像表示装置では、かかる電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを設けることによって、低電流で十分な輝度の光を発光させている。
【００４３】
例として、発光層８ｃにおける発光メカニズムについて説明する。発光層８ｃでは電子−正孔対生成層９ｂで生じた正孔と電子−正孔対生成層９ｃで生じた電子とが外部から流入し、発光層８ｃ内で再結合することによって光が生じる。ここで、発光層８ｃに供給される正孔および電子はいずれも発光素子１２の外部から供給されるのではなく、発光素子１２内部で生成されている。従って、発光層８ｃにおいて発光に寄与する荷電粒子は薄膜トランジスタ３のチャネル層を通過する荷電粒子とは直接の関係はなく、発光層８ｃで発光することによって薄膜トランジスタ３のチャネル層が影響を受けることはない。同様に、発光層８ｂに供給される電子および正孔、発光層８ａに供給される電子および発光層８ｄに供給される正孔は発光素子１２の内部で発生し、かつ発光層内で光に変換されるため、これらの荷電粒子が薄膜トランジスタ３のチャネル層の劣化に影響を与えることはない。従って、発光素子１２は薄膜トランジスタ３を介して供給される電流値に比して従来よりも高い効率で発光することが可能であって、同一輝度の光を発光する場合において、薄膜トランジスタ３に流れる電流値を低減することが可能である。
【００４４】
次に、本実施の形態１において長時間の画像表示を行った際にドライバ素子の電気的特性が変動しないこと、具体的にはドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３のチャネル層に流れる電流値と閾値電圧の変動値との関係について説明する。図４は、チャネル層を非晶質シリコンによって形成した同一構造の薄膜トランジスタについてチャネル層に電流を流し続けた場合における閾値電圧変動値の時間変動を加速試験によって測定した結果を表すグラフである。図４において、曲線ｌ１は従来の有機ＥＬ素子を十分な輝度で発光させるために必要な１×１０−６Ａの電流を流した場合の閾値電圧変動について示し、曲線ｌ２は、半分の０．５×１０−６Ａの電流を流した場合について示す。
【００４５】
曲線ｌ１と曲線ｌ２とを比較すると明らかなように、例えば４０００時間経過した時点における閾値電圧は、曲線ｌ１の場合は２．５Ｖ程度であるのに対し、曲線ｌ２の場合には１Ｖ以下に抑制されており、電流値を半分にすることによって閾値電圧の変動値を２／５程度まで抑制している。さらに、一定の閾値電圧変動値に到達するまでに要する時間を比較すると、電流値による差は顕著となる。例えば、ドライバ素子として許容しうる閾値電圧変動値を仮に１Ｖとすると、曲線ｌ１の場合には１０００時間程度で許容値を超えるのに対し、曲線ｌ２の場合には４０００時間以上経過して初めて許容値に達している。また、許容値を１．５Ｖとした場合には曲線ｌ１の場合が２０００時間以下で許容値を超えるのに対し、曲線ｌ２の場合は１００００時間程度を要する。従って、チャネル層を流れる電流値を半分の値とした場合、ドライバ素子としての寿命は単純に２倍となるのではなく、４〜５倍、もしくはそれ以上の素子寿命を実現することが可能となる。本実施の形態１で用いる発光素子１２では発光層を４層備えることから同一輝度の光を発光するのに要する電流値は理論的には従来の１／４程度で足りるため、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３の素子寿命はさらに延びることとなる。従って、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、ドライバ素子の電気特性の変動による画像品位の劣化の問題をほぼ解決することが可能となり、長時間に渡って安定した画像表示が可能となる。
【００４６】
なお、電子−正孔対生成部９ａ〜９ｃから電子および正孔を生じさせるためには電子−正孔対生成部９ａ〜９ｃそれぞれに対して所定の電位を印加する必要があり、結果として発光素子１２全体に対して印加する電圧値は増大する。しかしながら、薄膜トランジスタ３の電気特性の変動は荷電粒子の通過量が主因となり、発光素子１２に印加される電圧の影響を受けることはないため、長時間の安定した画像表示に影響を及ぼすおそれはない。また、上記のように本実施の形態１にかかる画像表示装置では低電流で十分な輝度の発光が可能となるため、発光素子１２に印加する電圧が増大することによって消費電力が増加することもない。
【００４７】
また、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の電気特性が長時間に渡って安定することから、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、薄膜トランジスタ３の閾値電圧の変動を補償するために別途補償回路を設ける必要がなくなる。このため、基板１上における非発光領域の占有面積を低減することが可能となり、個々の表示画素等における発光素子１２の大型化または表示画素等の個数を増大させることが可能となる。従って、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、高輝度もしくは高精細の画像表示を実現することができる。
【００４８】
さらに、複数の発光層８ａ〜８ｄおよび電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを備えた発光素子１２を用いた構造とすることで製造コストの増加が問題になることはない。本実施の形態１において、発光層８ａ〜８ｄは既知の有機材料等を用いることが可能であり、電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃについてもＩＴＯ等の既存の材料を使用できるためである。
【００４９】
なお、本実施の形態１において、表示画素等ごとに発光素子１２を分離するため素子分離層１１を形成することとしたが、図５に示すように、素子分離層を省略した構造とすることも可能である。発光層に用いられる有機材料等は元来電気伝導度が低く、適当な材料を選択することによってアノード配線層６とカソード配線層１０との間に印加される電圧に基づいて縦方向にのみ荷電粒子が移動する構造とすることが可能である。従って、隣接する表示画素等において発光層もしくは電子−正孔対生成層が連続して形成されている場合であっても横方向に電流が流れることによるクロストークが発生することを抑制することが可能である。かかる構造とした場合、素子分離層の形成に要する工程を省略することが可能となり、製造コストを低減することができる。
【００５０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる画像表示装置について説明する。実施の形態２にかかる画像表示装置は、発光素子が複数の発光層および発光層に挟まれた電子−正孔対生成層を備えることで、個々の発光層からＲ、Ｇ、Ｂに対応する波長の光を出射し、これらの光を合派して出力することで白色光を出力する構造を有する。なお、「白色光」とは、完全に無彩色のもののみを指すのではなく、実質上白色と同視しうる色を含む概念とする。
【００５１】
そして、副画素ごとにＲ、Ｇ、Ｂに対応する波長の光を透過するカラーフィルタを有することによってカラー画像表示を可能としている。なお、本実施の形態２にかかる画像表示装置は、基本的構造は実施の形態１にかかる画像表示装置と同様であり、具体的には、図１および図２に示す構造を有する。従って、以下で特に言及しない点については、実施の形態１と同じものと解釈することが可能である。
【００５２】
図６は、本実施の形態２にかかる画像表示装置を構成する要素のうち、表示画素に対応した部分において発光素子２０と、カラーフィルタ２１について模式的に示し、カラー画像表示の態様について説明するための図である。カラーフィルタ２１は、具体的には図１に示す基板１の下層に配置され、発光素子２０から出射された白色光に対してＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を透過する機能を有する。
【００５３】
発光素子２０は、実施の形態１と同様に複数の発光層２２ａ〜２２ｃと、発光層間に配置された電子−正孔対生成層９ａ、９ｂと、かかる構成をアノード配線層６およびカソード配線層１０とで狭持した構造を有する。アノード配線層６、カソード配線層１０および電子−正孔対生成層９ａ、９ｂの具体的構造および機能は実施の形態１と同様とする。
【００５４】
発光層２２ａ〜２２ｃは、電子と正孔が再結合する事によってそれぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を生じる材料によって形成される。それぞれの波長に対応した光を出射するためには、例えばＲに対応したＩｒ（ｂｔｐ）２（ａｃａｃ）、Ｇに対応したＩｒ（ｐｐｙ）３、Ｂに対応したＦｉｒｐｉｃをそれぞれ発光層２２ａ〜２２ｃに不純物として添加した構造が挙げられる。かかる構造により発光層２２ａがＲに対応した波長の光を生じ、発光層２２ｂはＧ、発光層２２ｃはＢに対応した波長の光をそれぞれ生じることで発光素子２０全体として白色光を出力する。
【００５５】
次に、本実施の形態２にかかる画像表示装置の利点について説明する。まず、実施の形態１と同様に、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を配置した構造を有するために低電流で高輝度の光を出力することが可能であって、チャネル層が非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した場合であっても補償回路を設ける必要がないという利点を有する。
【００５６】
また、発光素子２０が白色光を出力し、カラーフィルタ２１によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を抽出する構造とすることで、副画素ごとに発光素子のパターニングを行う必要がなく、製造工程が簡略化されるという利点も有する。すなわち、発光素子２０を形成する際にはアノード配線層６、発光層２２ａ〜２２ｃおよび電子−正孔対生成層９ａ、９ｂ、カソード配線層１０を基板１上に一様に積層する事が可能であり、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を出射する発光素子をそれぞれ別工程によって形成する必要がなく、製造を容易に行うことが可能である。
【００５７】
さらに、本実施の形態２にかかる画像表示装置は、発光素子２０が発光層を複数備えた構造とすることで、彩度等を低減したほぼ純粋な白色光を出射する事が可能である。すなわち、従来の発光層は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した不純物の発光効率が異なるためにＲ、Ｇ、Ｂの光成分の強度を均等に出力することが困難であった。しかしながら、本実施の形態２にかかる画像表示装置では、発光層を多数積層する事が可能であるため、発光素子２０について発光効率の低い色に対応した発光層を複数積層する構造とすることでＲ、Ｇ、Ｂの光成分の強度を均等にし、彩度が実質上問題ない程度にまで白色化した光を出射する事が可能である。
【００５８】
なお、本実施の形態２にかかる画像表示装置において、発光層２２ａ〜２２ｃがそれぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を生ずる構造とするのではなく、例えば上記の不純物すべてを発光層２２ａ〜２２ｃのそれぞれに添加することによって発光層２２ａ〜２２ｃがそれぞれ白色光を出射する構造としてもよい。
【００５９】
（変形例）
図７は、実施の形態２にかかる画像表示装置の変形例について示す模式図である。本変形例では、発光層２３ａ〜２３ｄがＢに対応した波長の光を生じる構造とし、色変調部２４によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した光を外部に出力する構造を有する。
【００６０】
色変調部２４は、入力された一定波長の光に基づいて、入力光よりも低エネルギー、すなわち入力光よりも長波長の光を出力する機能を有する。Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光のうち、もっとも高エネルギー、すなわち短波長の光はＢに対応した光である。このため、発光層２３ａ〜２３ｄでＢに対応した光を出射して色変調部２４に入力する構造とすることで、色変調部２４は、より長波長のＲ、Ｇに対応した波長の光を出力することが可能である。
【００６１】
カラーフィルタを用いることによって白色光からＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を抽出する構造の場合、白色光の他の波長の光成分についてはカラーフィルタにおいて遮蔽されることとなるため、実質的な発光効率の観点からは必ずしも好ましくない。本変形例では白色光から所定の波長成分を抽出するのではなく、Ｂに対応した波長の光を長波長光に変換することによってＲ、Ｇに対応した波長の光とすることで実質的な発光効率を向上させている。
【００６２】
なお、本変形例においては発光層２３ａ〜２３ｄから生じる光をＢに対応した波長の光としたが、必ずしもかかる波長の光に限定する必要はない。具体的には、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれに対応した光の波長よりも短波長、例えば波長が４００ｎｍ以下の光を出射する事で、色変調部２４によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を出力することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アクティブマトリックス方式であって、かつドライバ素子の電流通過領域が非晶質シリコンを含んで形成した構造の画像表示装置において、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を含む発光素子を備えたことによって、低電流で高輝度の発光が可能となり、電流通過領域を通過する荷電粒子量を抑制することによってドライバ素子の電気特性の変動を抑制することができ、長時間に渡って輝度等が変動することのない、安定した画像表示が可能な画像表示装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる画像表示装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる画像表示装置の配線構造を示す等価回路図である。
【図３】実施の形態１にかかる画像表示装置を形成する発光素子の発光メカニズムを説明するための模式図である。
【図４】非晶質シリコンをチャネル層に用いた薄膜トランジスタについて、チャネル層を流れる電流と閾値電圧の関係について示すグラフである。
【図５】実施の形態１にかかる画像表示装置の変形例の構造を示す断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる画像表示装置のカラー画像表示の態様を説明するための模式図である。
【図７】実施の形態２の変形例にかかる画像表示装置のカラー画像表示の態用を説明するための模式図である。
【図８】従来技術にかかる有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置の構造を示す等価回路図である。
【図９】非晶質シリコンをチャネル層とした薄膜トランジスタの閾値電圧変動値について示すグラフである。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜トランジスタ
３ 薄膜トランジスタ
４ 導電層
５ 導電層
６ アノード配線層
７ 平坦化層
８ａ〜８ｄ 発光層
９ａ〜９ｄ 正孔対生成層
１０ カソード配線層
１１ 素子分離層
１２ 発光素子
１３ 走査線
１４ 信号線
１５ 電源線
１６ コンデンサ
１７ 走査線駆動回路
１８ 信号線駆動回路
１９ 電源線駆動回路
２０ 発光素子
２１ カラーフィルタ
２２ａ〜２２ｃ 発光層
２３ａ〜２３ｄ 発光層
２４ 色変調部
１０１ 有機ＥＬ素子
１０２ 薄膜トランジスタ
１０３ 薄膜トランジスタ
１０４ 信号線
１０５ 走査線
１０７ 電源線
【発明の属する技術分野】
この発明は、自発光素子を備えた画像表示装置に関し、特に、電流通過領域が非晶質シリコンによって形成されたドライバ素子を具備したアクティブマトリックス方式の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、画像表示等を行うディスプレイの分野において、液晶表示装置にかわって有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置が注目されている。液晶表示装置と比較すると、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置は、自発光性のためバックライトが不要であり、優れた応答速度とコントラスト、視認性を有するなど、液晶をしのぐ機能を有する。また、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置は構造も比較的単純なことから、製造コストの面でも有利と考えられている。
【０００３】
図８は、従来の有機ＥＬ素子を用いたアクティブマトリックス方式の画像表示装置の構造を示す等価回路図である。図８に示すように、従来の画像表示装置は、有機ＥＬ素子１０１と、有機ＥＬ素子１０１のカソード側と接続され、有機ＥＬ素子１０１に対して電流を供給する電源線１０７とを有する。また、有機ＥＬ素子１０１は、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ１０２に接続されており、薄膜トランジスタ１０２によって有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値が制御される。薄膜トランジスタ１０２は、信号線１０４および走査線１０５から薄膜トランジスタ１０３を介して所定のゲート電位を与えられることによって駆動状態が制御され、かかる制御に基づいて有機ＥＬ素子１０１に流れる電流が決定される。有機ＥＬ素子１０１は、流入する電流の値に応じた光強度で発光し、画像表示が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
薄膜トランジスタ１０２は、駆動状態に応じた移動度を有することから、印加されるゲート電位に応じて有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値を制御する機能を有する。かかる薄膜トランジスタ１０２の構造としては、チャネル層を多結晶シリコンによって形成したものと、非晶質シリコンによって形成したものが提案されている。
【０００５】
チャネル層を多結晶シリコンによって形成した薄膜トランジスタの場合、移動度を高くすることが可能な反面、チャネル層を形成する多結晶シリコンの粒径を制御することが難しいという問題を有する。多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタの移動度は、チャネル層を形成する多結晶シリコンの粒径の影響を受けることから、粒径の制御が困難な場合、薄膜トランジスタ１０２の移動度が画素ごとに相違することとなる。例えば画面全体に単一色を表示するために、それぞれの画素を構成する薄膜トランジスタ１０２に対して印加するゲート電圧を等しくした場合を考える。多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタは、粒径の制御が困難であるため、画素ごとに移動度が相違し、有機ＥＬ素子１０１に流れる電流値も相違することとなる。有機ＥＬ素子１０１は電流発光素子であるため、流入する電流値が相違することで輝度が画素ごとに変動することとなるため、実際に単一色を表示することができなくなる。
【０００６】
これに対してチャネル層を非晶質シリコンによって形成された薄膜トランジスタは、粒径を制御する必要がないため、画素ごとに設けられた個々の薄膜トランジスタの移動度が相違する問題は生じない。このため、有機ＥＬ素子のドライバ素子として用いる薄膜トランジスタ１０２は、チャネル層を非晶質シリコンによって形成されたものを用いることが好ましく、かかる構造の薄膜トランジスタを用いることによって個々の有機ＥＬ素子に対してほぼ均一な電流を流すことが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２３４６８３号公報（第１０頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質シリコンによってチャネル層が形成された薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した場合、図８に示す従来の画像表示装置では長時間に渡って画像表示を行うことが困難であるという問題が存在する。非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは、長時間に渡ってチャネル層に電流を流した場合、徐々に閾値電圧が変動することが知られており、一定のゲート電圧を印加し続けても閾値電圧の変動に応じてチャネル層を流れる電流の値は変化するためである。
【０００９】
図９は、非晶質シリコンをチャネル層とした薄膜トランジスタについて、チャネル層に一定の電流を流し続けた結果生じる閾値電圧の変動値の変化を示すグラフである。なお、図９のグラフにおいて、チャネル層に流れる電流は、一般的な有機ＥＬ素子が１５０ｃｄ／ｍ２の輝度で発光する程度の電流とする。
【００１０】
図９からも明らかなように、約１００時間で１Ｖ程度の閾値電圧変動が生じ、２０００時間経過すると２Ｖを越えた閾値電圧変動が生じることが示されている。一般に、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置の性能としては、２００００時間程度連続して一定の輝度を保持することが要請されており、短時間で閾値電圧が大きく変動することは好ましくない。
【００１１】
従って、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した実際の画像表示装置では、図８に示す構造に加えて画素ごとに電圧補償回路が配置されている。具体的には、薄膜トランジスタ１０２のゲート電極に対して、信号線１０４から供給される電位に加え、電圧補償回路によって閾値電圧の変動分を補償する電位を与えられる構造とすることによって安定した画像表示を実現している。かかる電圧補償回路は１画素あたり３〜４個の薄膜トランジスタによって形成されており、有機ＥＬ素子を配置する基板上に電圧補償回路用の領域を別途設ける必要性が生じるため、有機ＥＬ素子を高密度に配置することができず、高精細画像表示が困難となるという問題が新たに生じる。
【００１２】
また、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタはそもそも移動度が低いという問題も有する。従来用いられた有機ＥＬ素子を発光素子とした場合、十分な輝度を実現するためには一定量の電流を必要としたことから、かかる電流を有機ＥＬ素子に供給するためにチャネル幅を拡大する必要性を有し、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタの占有面積が増加するため、有機ＥＬ素子の配置密度が低下し、高精細画像表示が困難となるという問題を有する。
【００１３】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、アクティブマトリックス方式の画像表示装置において、電流通過領域が非晶質シリコンによって形成されたドライバ素子の電気特性の変動を抑制することで長時間に渡る画像表示が可能となる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる画像表示装置は、複数の発光層と、該複数の発光層間に配置された電子−正孔対生成層とを備えた発光素子と、該発光素子に流れる電流を制御し、非晶質シリコンを含んで形成された電流通過領域を有するドライバ素子と、該ドライバ素子の駆動状態を制御するスイッチング素子と、該スイッチング素子に対して表示信号を供給する信号線と、前記スイッチング素子に対して走査信号を供給する走査線とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この請求項１の発明によれば、アクティブマトリックス方式であって、かつドライバ素子の電流通過領域が非晶質シリコンを含んで形成した構造の画像表示装置において、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を含む発光素子を備えたことによって、低電流で高輝度の発光が可能となり、電流通過領域を通過する荷電粒子量を抑制することによってドライバ素子の電気特性の変動を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項２にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、有機材料を含んで形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記ドライバ素子は、非晶質シリコンによってチャネル層を形成した薄膜トランジスタを含んで形成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた導電層によって形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた金属酸化層によって形成されることを特徴とする
【００２０】
また、請求項６にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔対生成層は、ＩＴＯ層によって形成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記電子−正孔生成層は、前記発光素子の陰極側にＩＴＯ層が配置され、陽極側にセシウムを含む導電層が配置されたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項８にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、白色光を出射し、前記白色光から所定波長の光を抽出する光フィルタをさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項９にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記発光層は、４００ｎｍ以下の波長の光を出射し、前記発光層から出射される光の波長を変換する色変調手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１０にかかる画像表示装置は、上記の発明において、前記色変調手段は、前記発光層から出射される光を赤、青、緑に対応した波長の光に変換することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である画像表示装置について説明する。なお、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、この発明の実施の形態１にかかる画像表示装置について説明する。本実施の形態１にかかる画像表示装置は、発光層を複数備え、かかる発光層間に発光に寄与する電子−正孔対生成層を配置した構造の低電流発光素子を有し、画像表示時に非晶質シリコンを含むドライバ素子に流れる電流値を低減することで長時間に渡って安定した画像表示を可能とする構造を有する。
【００２７】
図１は、本実施の形態１にかかる画像表示装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、光透過性を有する基板１上に、駆動回路を構成する薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３と、後述する信号線または走査線と接続するための導電層４と、薄膜トランジスタ２と薄膜トランジスタ３とを接続する導電層５と、薄膜トランジスタ３と接続されたアノード配線層６とを有する。また、薄膜トランジスタ２および薄膜トランジスタ３上には平坦化層７が配置されている。そして、アノード配線層６および平坦化層７上には発光素子１２と、表示画素ごとに発光素子１２を分離するための素子分離層１１とを有する。かかる薄膜トランジスタ２、３および発光素子１２は、モノトーン表示の場合には表示画素ごと、カラー表示の場合には表示画素のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に対応した副画素（以下ではまとめて「表示画素等」と称する）ごとに配置された構造を有する。
【００２８】
薄膜トランジスタ３は、有機ＥＬ発光素子１２に流入する電流値を制御するためのものであって、有機ＥＬ発光素子１２と一方のソース／ドレイン電極およびアノード配線層６を介して接続されている。また、薄膜トランジスタ３は、電流通過層として機能するチャネル層が非晶質シリコンによって形成された構造を有するため、チャネル層の物理的構造上の差異に起因して表示画素等ごとに電圧−電流特性が変動することのない、安定した特性を有する。
【００２９】
薄膜トランジスタ２は、薄膜トランジスタ３の駆動状態を制御するためのものであって、スイッチング素子として機能する。薄膜トランジスタ２のチャネル層は、非晶質シリコンと多結晶シリコンのいずれを用いて形成することも可能である。
【００３０】
平坦化層７は、薄膜トランジスタ２、３が配置された領域の上面を平坦化するためのものである。すなわち、図１では簡略化して表示したものの、実際の薄膜トランジスタ２、３は異種材料によって形成された複雑な多層構造を有するため、薄膜トランジスタ２、３の上面は複雑な凹凸形状を有する。一方で、上層に配置する発光素子１２を形成する材料層は膜厚が非常に薄く、凹凸状の表面上に積層することは困難である。このため、本実施の形態１にかかる画像表示装置では、薄膜トランジスタ２、３が配置された領域上に平坦化層７を配置することとし、平坦化層７上に発光素子１２を積層する構造としている。なお、平坦化層７は一般にフォトレジスト等の有機材料を含んで形成されるが、薄膜トランジスタ２、３の上層を平坦化することが可能な材料であれば、有機材料以外の材料を用いることとしてもよい。
【００３１】
素子分離層１１は、表示画素等ごとに発光素子１２を分離することによって、ある表示画素等に設けられた発光素子と他の表示画素等に設けられた発光素子との間でクロストークが発生することを防止するためのものである。具体的には、素子分離層１１は例えば感光性の高分子膜を材料とし、素子分離層１１の形状に対応したフォトマスクを用いて写真工程を行うことによって形成される。なお、素子分離の観点からは断面の形状が台形状であって、上底が下底よりも大きくなる逆テーパー状の形状を有することが好ましいが、他の断面形状を有することとしてもよい。
【００３２】
次に、発光素子１２について説明する。発光素子１２は、注入電流の値に応じた輝度で発光する自発光素子であって、本実施の形態１にかかる画像表示装置の画像表示に直接寄与する素子である。具体的な構造としては、電子と正孔が発光再結合することによって光を発する発光層８ａ〜８ｄと、発光層８ａ〜８ｄ間にそれぞれ配置された電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃとが積層された構造を有する。また、底部には外部の回路素子と接続するためのアノード配線層６が配置され、頂部にはカソード配線層１０が配置された構造を有する。なお、図１においては、発光層８を４層、電子−正孔対生成層９を３層設けた構造について示すがあくまでも例示であって、発光層８および電子−正孔対生成層９の層数は図１に示すものに限定されるものではないことに留意が必要である。
【００３３】
アノード配線層６は、発光素子１２のアノード電極として機能すると共に、発光素子１２と薄膜トランジスタ３とを電気的に接続するためのものである。本実施の形態１において、アノード配線層６は、Ａｌ、Ｃｕ等によって形成され、発光層８ａ〜８ｄで発生する光を透過可能な構造を有する。例えば、アノード配線層６は光の透過が可能な程度に薄膜化された構造を有することが可能であり、また、光透過窓として機能する穴構造を部分的に配置した構造とすることが可能である。
【００３４】
カソード配線層１０は、発光素子１２のカソード電極として機能するためのものである。カソード配線層１０は、具体的には、Ａｌ、Ｃｕ等の金属等の導電性材料によって形成される。なお、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、発光素子１２から発する光が基板１を通して外部に放出される構造を有するため、カソード配線層１０は光透過性を備える必要はなく、膜厚を大きくすることが可能である。
【００３５】
発光層８ａ〜８ｄは、それぞれ所定の波長に対応した材料、好ましくは有機材料によって形成され、カソード側から注入される電子と、アノード側から注入されるホールとが再結合することによって光を発する構造を有する。具体的には、発光層８ａ〜８ｄは、フタルシアニン、トリスアルミニウム錯体、ベンゾキノリノラト、ベリリウム錯体等の有機系の材料によって形成され、必要に応じて所定の不純物が添加された構造を有する。
【００３６】
電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、電圧を印加されることによってカソード側（図１における上方向）に正孔を放出し、アノード側に電子を放出するためのものである。電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、光透過性を有する導電材料によって形成され、具体的には、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの金属酸化物等透明な導電材料によって形成される。なお、ＩＴＯは電気陰性度が高いため、電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、それぞれＩＴＯの下層にセシウム（Ｃｓ）等の金属材料を含む導電層を含んで形成することとしてもよい。かかる導電層としては、セシウムを含有したＢＰＨＰＥＮまたはＢＣＰを用いることが好ましい。また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ等を材料として、光透過が可能な程度まで薄膜化した構造または光透過窓を部分的に備えた構造によって電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを形成してもよい。
【００３７】
次に、本実施の形態１にかかる画像表示装置の表示画素等ごとにおける回路素子の具体的な接続態様について説明する。図２は、本実施の形態１にかかる画像表示装置の表示画素等ごとの等価回路を示す図であって、以下図２を参照して説明する。
【００３８】
本実施の形態１にかかる画像表示装置は、図２に示すように、発光素子１２のアノード側はドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３の一方のソース／ドレイン電極に接続され、薄膜トランジスタ３のゲート電極は薄膜トランジスタ２の一方のソース／ドレイン電極に接続されている。また、薄膜トランジスタ２の他方のソース／ドレイン電極は信号線１４と接続され、ゲート電極は走査線１３に接続された構造を有する。また、発光素子１２のカソード側は電源線１５に接続されると共に、電源線１５と薄膜トランジスタ３のゲート電極との間にはコンデンサ１６が配置されている。さらに、電源線１５は、電源線駆動回路１９と接続されることによって電流供給機能を有し、走査線１３、信号線１４はそれぞれ走査線駆動回路１７、信号線駆動回路１８に接続されることによって、所定の電位を薄膜トランジスタ２のゲート電極および他方のソース／ドレイン電極に供給する。なお、発光素子１２については、図１でも示したように発光層を複数備えた構造を有することから、電気的には複数の発光ダイオードが直列接続された構造とみなせ、図２に示す構造で表現している。
【００３９】
次に、発光素子１２に対して電流が供給されるメカニズムについて図２を参照しつつ説明する。まず、走査線駆動回路１７から走査線１３を介して薄膜トランジスタ２のゲート電極に対して所定の電位が供給され、薄膜トランジスタ２がオン状態となる。そして、オン状態となった薄膜トランジスタ２に対して信号線駆動回路１８から信号線１４を介して所定の電位が供給され、薄膜トランジスタ２のチャネル層を介してコンデンサ１６に所定の電位が書き込まれる。コンデンサ１６の一方の電極と薄膜トランジスタ３のゲート電極は電気的に接続されているため、薄膜トランジスタ３のゲート電極にはコンデンサ１６に書き込まれた電位が与えられる。
【００４０】
そして、かかる電位に基づいて薄膜トランジスタ３はオン状態となり、薄膜トランジスタ３のチャネル層に所定の電流が流れる。薄膜トランジスタ３の一方のソース／ドレイン電極に対して発光素子１２は接続されていることから、薄膜トランジスタ３のチャネル層における移動度によって規定された電流が発光素子１２に対して流れ、電流値に応じた輝度の光が出射される。ところで、一度コンデンサ１６に対して電位が書き込まれた後は、薄膜トランジスタ２がオフ状態となるが、コンデンサ１６に書き込まれた電位は保持されるため薄膜トランジスタ３のゲート電位は維持される。従って、かかるゲート電位に対応した電流が薄膜トランジスタ３のチャネル層および発光素子１２に対して流れ続け、発光素子１２は発光状態を維持される。
【００４１】
従って、画像表示時にはドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３のチャネル層には電流が流れ続けることとなり、長時間に渡って電流が流れることによって閾値電圧が変動するおそれがある。しかしながら、かかる閾値電圧の変動幅はチャネル層を通過する荷電粒子の量に対応することから、本実施の形態１にかかる画像表示装置では、発光素子１２に流す電流値を低減することによって、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の閾値電圧の変動を抑制している。
【００４２】
図３は、発光素子１２の発光のメカニズムについて説明するための模式図である。発光層８ａ〜８ｄは、外部から供給された電子と正孔が再結合することによって発光層８ａ〜８ｄを構成する有機材料分子が励起され、分子が励起状態から基底状態に遷移する際に生じる余剰エネルギーが光に変換されることで発光する。また、発光素子１２を形成する電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃは、それぞれが所定の電位を与えられることによって電子をアノード配線層６側に供給し、正孔をカソード配線層１０側に供給する機能を有する。本実施の形態１にかかる画像表示装置では、かかる電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを設けることによって、低電流で十分な輝度の光を発光させている。
【００４３】
例として、発光層８ｃにおける発光メカニズムについて説明する。発光層８ｃでは電子−正孔対生成層９ｂで生じた正孔と電子−正孔対生成層９ｃで生じた電子とが外部から流入し、発光層８ｃ内で再結合することによって光が生じる。ここで、発光層８ｃに供給される正孔および電子はいずれも発光素子１２の外部から供給されるのではなく、発光素子１２内部で生成されている。従って、発光層８ｃにおいて発光に寄与する荷電粒子は薄膜トランジスタ３のチャネル層を通過する荷電粒子とは直接の関係はなく、発光層８ｃで発光することによって薄膜トランジスタ３のチャネル層が影響を受けることはない。同様に、発光層８ｂに供給される電子および正孔、発光層８ａに供給される電子および発光層８ｄに供給される正孔は発光素子１２の内部で発生し、かつ発光層内で光に変換されるため、これらの荷電粒子が薄膜トランジスタ３のチャネル層の劣化に影響を与えることはない。従って、発光素子１２は薄膜トランジスタ３を介して供給される電流値に比して従来よりも高い効率で発光することが可能であって、同一輝度の光を発光する場合において、薄膜トランジスタ３に流れる電流値を低減することが可能である。
【００４４】
次に、本実施の形態１において長時間の画像表示を行った際にドライバ素子の電気的特性が変動しないこと、具体的にはドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３のチャネル層に流れる電流値と閾値電圧の変動値との関係について説明する。図４は、チャネル層を非晶質シリコンによって形成した同一構造の薄膜トランジスタについてチャネル層に電流を流し続けた場合における閾値電圧変動値の時間変動を加速試験によって測定した結果を表すグラフである。図４において、曲線ｌ１は従来の有機ＥＬ素子を十分な輝度で発光させるために必要な１×１０−６Ａの電流を流した場合の閾値電圧変動について示し、曲線ｌ２は、半分の０．５×１０−６Ａの電流を流した場合について示す。
【００４５】
曲線ｌ１と曲線ｌ２とを比較すると明らかなように、例えば４０００時間経過した時点における閾値電圧は、曲線ｌ１の場合は２．５Ｖ程度であるのに対し、曲線ｌ２の場合には１Ｖ以下に抑制されており、電流値を半分にすることによって閾値電圧の変動値を２／５程度まで抑制している。さらに、一定の閾値電圧変動値に到達するまでに要する時間を比較すると、電流値による差は顕著となる。例えば、ドライバ素子として許容しうる閾値電圧変動値を仮に１Ｖとすると、曲線ｌ１の場合には１０００時間程度で許容値を超えるのに対し、曲線ｌ２の場合には４０００時間以上経過して初めて許容値に達している。また、許容値を１．５Ｖとした場合には曲線ｌ１の場合が２０００時間以下で許容値を超えるのに対し、曲線ｌ２の場合は１００００時間程度を要する。従って、チャネル層を流れる電流値を半分の値とした場合、ドライバ素子としての寿命は単純に２倍となるのではなく、４〜５倍、もしくはそれ以上の素子寿命を実現することが可能となる。本実施の形態１で用いる発光素子１２では発光層を４層備えることから同一輝度の光を発光するのに要する電流値は理論的には従来の１／４程度で足りるため、ドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ３の素子寿命はさらに延びることとなる。従って、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、ドライバ素子の電気特性の変動による画像品位の劣化の問題をほぼ解決することが可能となり、長時間に渡って安定した画像表示が可能となる。
【００４６】
なお、電子−正孔対生成部９ａ〜９ｃから電子および正孔を生じさせるためには電子−正孔対生成部９ａ〜９ｃそれぞれに対して所定の電位を印加する必要があり、結果として発光素子１２全体に対して印加する電圧値は増大する。しかしながら、薄膜トランジスタ３の電気特性の変動は荷電粒子の通過量が主因となり、発光素子１２に印加される電圧の影響を受けることはないため、長時間の安定した画像表示に影響を及ぼすおそれはない。また、上記のように本実施の形態１にかかる画像表示装置では低電流で十分な輝度の発光が可能となるため、発光素子１２に印加する電圧が増大することによって消費電力が増加することもない。
【００４７】
また、ドライバ素子たる薄膜トランジスタ３の電気特性が長時間に渡って安定することから、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、薄膜トランジスタ３の閾値電圧の変動を補償するために別途補償回路を設ける必要がなくなる。このため、基板１上における非発光領域の占有面積を低減することが可能となり、個々の表示画素等における発光素子１２の大型化または表示画素等の個数を増大させることが可能となる。従って、本実施の形態１にかかる画像表示装置は、高輝度もしくは高精細の画像表示を実現することができる。
【００４８】
さらに、複数の発光層８ａ〜８ｄおよび電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃを備えた発光素子１２を用いた構造とすることで製造コストの増加が問題になることはない。本実施の形態１において、発光層８ａ〜８ｄは既知の有機材料等を用いることが可能であり、電子−正孔対生成層９ａ〜９ｃについてもＩＴＯ等の既存の材料を使用できるためである。
【００４９】
なお、本実施の形態１において、表示画素等ごとに発光素子１２を分離するため素子分離層１１を形成することとしたが、図５に示すように、素子分離層を省略した構造とすることも可能である。発光層に用いられる有機材料等は元来電気伝導度が低く、適当な材料を選択することによってアノード配線層６とカソード配線層１０との間に印加される電圧に基づいて縦方向にのみ荷電粒子が移動する構造とすることが可能である。従って、隣接する表示画素等において発光層もしくは電子−正孔対生成層が連続して形成されている場合であっても横方向に電流が流れることによるクロストークが発生することを抑制することが可能である。かかる構造とした場合、素子分離層の形成に要する工程を省略することが可能となり、製造コストを低減することができる。
【００５０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる画像表示装置について説明する。実施の形態２にかかる画像表示装置は、発光素子が複数の発光層および発光層に挟まれた電子−正孔対生成層を備えることで、個々の発光層からＲ、Ｇ、Ｂに対応する波長の光を出射し、これらの光を合派して出力することで白色光を出力する構造を有する。なお、「白色光」とは、完全に無彩色のもののみを指すのではなく、実質上白色と同視しうる色を含む概念とする。
【００５１】
そして、副画素ごとにＲ、Ｇ、Ｂに対応する波長の光を透過するカラーフィルタを有することによってカラー画像表示を可能としている。なお、本実施の形態２にかかる画像表示装置は、基本的構造は実施の形態１にかかる画像表示装置と同様であり、具体的には、図１および図２に示す構造を有する。従って、以下で特に言及しない点については、実施の形態１と同じものと解釈することが可能である。
【００５２】
図６は、本実施の形態２にかかる画像表示装置を構成する要素のうち、表示画素に対応した部分において発光素子２０と、カラーフィルタ２１について模式的に示し、カラー画像表示の態様について説明するための図である。カラーフィルタ２１は、具体的には図１に示す基板１の下層に配置され、発光素子２０から出射された白色光に対してＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を透過する機能を有する。
【００５３】
発光素子２０は、実施の形態１と同様に複数の発光層２２ａ〜２２ｃと、発光層間に配置された電子−正孔対生成層９ａ、９ｂと、かかる構成をアノード配線層６およびカソード配線層１０とで狭持した構造を有する。アノード配線層６、カソード配線層１０および電子−正孔対生成層９ａ、９ｂの具体的構造および機能は実施の形態１と同様とする。
【００５４】
発光層２２ａ〜２２ｃは、電子と正孔が再結合する事によってそれぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を生じる材料によって形成される。それぞれの波長に対応した光を出射するためには、例えばＲに対応したＩｒ（ｂｔｐ）２（ａｃａｃ）、Ｇに対応したＩｒ（ｐｐｙ）３、Ｂに対応したＦｉｒｐｉｃをそれぞれ発光層２２ａ〜２２ｃに不純物として添加した構造が挙げられる。かかる構造により発光層２２ａがＲに対応した波長の光を生じ、発光層２２ｂはＧ、発光層２２ｃはＢに対応した波長の光をそれぞれ生じることで発光素子２０全体として白色光を出力する。
【００５５】
次に、本実施の形態２にかかる画像表示装置の利点について説明する。まず、実施の形態１と同様に、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を配置した構造を有するために低電流で高輝度の光を出力することが可能であって、チャネル層が非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタをドライバ素子として使用した場合であっても補償回路を設ける必要がないという利点を有する。
【００５６】
また、発光素子２０が白色光を出力し、カラーフィルタ２１によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を抽出する構造とすることで、副画素ごとに発光素子のパターニングを行う必要がなく、製造工程が簡略化されるという利点も有する。すなわち、発光素子２０を形成する際にはアノード配線層６、発光層２２ａ〜２２ｃおよび電子−正孔対生成層９ａ、９ｂ、カソード配線層１０を基板１上に一様に積層する事が可能であり、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を出射する発光素子をそれぞれ別工程によって形成する必要がなく、製造を容易に行うことが可能である。
【００５７】
さらに、本実施の形態２にかかる画像表示装置は、発光素子２０が発光層を複数備えた構造とすることで、彩度等を低減したほぼ純粋な白色光を出射する事が可能である。すなわち、従来の発光層は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した不純物の発光効率が異なるためにＲ、Ｇ、Ｂの光成分の強度を均等に出力することが困難であった。しかしながら、本実施の形態２にかかる画像表示装置では、発光層を多数積層する事が可能であるため、発光素子２０について発光効率の低い色に対応した発光層を複数積層する構造とすることでＲ、Ｇ、Ｂの光成分の強度を均等にし、彩度が実質上問題ない程度にまで白色化した光を出射する事が可能である。
【００５８】
なお、本実施の形態２にかかる画像表示装置において、発光層２２ａ〜２２ｃがそれぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を生ずる構造とするのではなく、例えば上記の不純物すべてを発光層２２ａ〜２２ｃのそれぞれに添加することによって発光層２２ａ〜２２ｃがそれぞれ白色光を出射する構造としてもよい。
【００５９】
（変形例）
図７は、実施の形態２にかかる画像表示装置の変形例について示す模式図である。本変形例では、発光層２３ａ〜２３ｄがＢに対応した波長の光を生じる構造とし、色変調部２４によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した光を外部に出力する構造を有する。
【００６０】
色変調部２４は、入力された一定波長の光に基づいて、入力光よりも低エネルギー、すなわち入力光よりも長波長の光を出力する機能を有する。Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光のうち、もっとも高エネルギー、すなわち短波長の光はＢに対応した光である。このため、発光層２３ａ〜２３ｄでＢに対応した光を出射して色変調部２４に入力する構造とすることで、色変調部２４は、より長波長のＲ、Ｇに対応した波長の光を出力することが可能である。
【００６１】
カラーフィルタを用いることによって白色光からＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を抽出する構造の場合、白色光の他の波長の光成分についてはカラーフィルタにおいて遮蔽されることとなるため、実質的な発光効率の観点からは必ずしも好ましくない。本変形例では白色光から所定の波長成分を抽出するのではなく、Ｂに対応した波長の光を長波長光に変換することによってＲ、Ｇに対応した波長の光とすることで実質的な発光効率を向上させている。
【００６２】
なお、本変形例においては発光層２３ａ〜２３ｄから生じる光をＢに対応した波長の光としたが、必ずしもかかる波長の光に限定する必要はない。具体的には、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれに対応した光の波長よりも短波長、例えば波長が４００ｎｍ以下の光を出射する事で、色変調部２４によってＲ、Ｇ、Ｂに対応した波長の光を出力することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アクティブマトリックス方式であって、かつドライバ素子の電流通過領域が非晶質シリコンを含んで形成した構造の画像表示装置において、複数の発光層間に電子−正孔対生成層を含む発光素子を備えたことによって、低電流で高輝度の発光が可能となり、電流通過領域を通過する荷電粒子量を抑制することによってドライバ素子の電気特性の変動を抑制することができ、長時間に渡って輝度等が変動することのない、安定した画像表示が可能な画像表示装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる画像表示装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる画像表示装置の配線構造を示す等価回路図である。
【図３】実施の形態１にかかる画像表示装置を形成する発光素子の発光メカニズムを説明するための模式図である。
【図４】非晶質シリコンをチャネル層に用いた薄膜トランジスタについて、チャネル層を流れる電流と閾値電圧の関係について示すグラフである。
【図５】実施の形態１にかかる画像表示装置の変形例の構造を示す断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる画像表示装置のカラー画像表示の態様を説明するための模式図である。
【図７】実施の形態２の変形例にかかる画像表示装置のカラー画像表示の態用を説明するための模式図である。
【図８】従来技術にかかる有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置の構造を示す等価回路図である。
【図９】非晶質シリコンをチャネル層とした薄膜トランジスタの閾値電圧変動値について示すグラフである。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜トランジスタ
３ 薄膜トランジスタ
４ 導電層
５ 導電層
６ アノード配線層
７ 平坦化層
８ａ〜８ｄ 発光層
９ａ〜９ｄ 正孔対生成層
１０ カソード配線層
１１ 素子分離層
１２ 発光素子
１３ 走査線
１４ 信号線
１５ 電源線
１６ コンデンサ
１７ 走査線駆動回路
１８ 信号線駆動回路
１９ 電源線駆動回路
２０ 発光素子
２１ カラーフィルタ
２２ａ〜２２ｃ 発光層
２３ａ〜２３ｄ 発光層
２４ 色変調部
１０１ 有機ＥＬ素子
１０２ 薄膜トランジスタ
１０３ 薄膜トランジスタ
１０４ 信号線
１０５ 走査線
１０７ 電源線
Claims (10)
- 複数の発光層と、該複数の発光層間に配置された電子−正孔対生成層とを備えた発光素子と、
該発光素子に流れる電流を制御し、非晶質シリコンを含んで形成された電流通過領域を有するドライバ素子と、
該ドライバ素子の駆動状態を制御するスイッチング素子と、
該スイッチング素子に対して表示信号を供給する信号線と、
前記スイッチング素子に対して走査信号を供給する走査線と、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 前記発光層は、有機材料を含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
- 前記ドライバ素子は、非晶質シリコンによってチャネル層を形成した薄膜トランジスタを含んで形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
- 前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた導電層によって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の画像表示装置。
- 前記電子−正孔対生成層は、光透過性を備えた金属酸化層によって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の画像表示装置。
- 前記電子−正孔対生成層は、ＩＴＯ層によって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の画像表示装置。
- 前記電子−正孔生成層は、前記発光素子の陰極側にＩＴＯ層が配置され、陽極側にセシウムを含む導電層が配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の画像表示装置
- 前記発光層は、白色光を出射し、
前記白色光から所定波長の光を抽出する光フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の画像表示装置。 - 前記発光層は、４００ｎｍ以下の波長の光を出射し、
前記発光層から出射される光の波長を変換する色変調手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の画像表示装置。 - 前記色変調手段は、前記発光層から出射される光を赤、青、緑に対応した波長の光に変換することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
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