JP4900160B2 - 発光素子及び発光表示装置 - Google Patents
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Description
本発明の発光素子は、エミッタ電極、コレクタ電極、その両電極間に設けられた有機半導体層、及びその有機半導体層内に設けられたベース電極を少なくとも備えた縦型トランジスタ素子部と、その縦型トランジスタ素子部を構成する有機半導体層とコレクタ電極との間に有機発光層が設けられている発光素子部と、を有している。そして、(1)縦型トランジスタ素子部は、発光素子部よりも平面視での面積が小さいこと、(2)発光素子部は、縦型トランジスタ素子部に接触する側の面に等電位層を有していること、に特徴がある。以下に、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る発光素子を示す模式的な断面図であり、図2は、図1に示す発光素子の平面図である。この発光素子1Aは、基板2上に発光素子部10が形成され、その発光素子部10上の一部に、その発光素子部10よりも平面視で小さい面積からなる縦型トランジスタ素子部20が積層されている。
図3は、本発明の第2実施形態に係る発光素子を示す模式的な断面図であり、図4は、図3に示す発光素子の平面図である。この発光素子1Bは、基板2上に縦型トランジスタ素子部20が形成され、その縦型トランジスタ素子部20を覆うように、その縦型トランジスタ素子部20よりも平面視で大きい面積からなる発光素子部10が積層されている。
図5は、本発明の第3実施形態に係る発光素子を示す模式的な断面図であり、図6は、図5に示す発光素子の平面図である。この発光素子1Cは、基板2上に発光素子部10が形成され、さらにその発光素子部10とは異なる部位の基板2上に、その発光素子部10よりも平面視で小さい面積からなる縦型トランジスタ素子部20が形成されている。
以下に、本発明の発光素子を構成する縦型トランジスタ素子部と発光素子部の構成要素について順に説明する。
最初に、基板2について説明する。本発明においては、基板2上に縦型トランジスタ素子部20と発光素子部10が形成されているが、その基板2の種類や構造は特に限定されるものではなく、積層する各層の材質等により適宜決めることができる。例えば、Al等の金属、ガラス、石英又は樹脂等の各種の材料からなるものを用いることができる。なお、有機発光層13で発光した光を基板2側から出射させるボトムエミッション構造の発光素子の場合には、透明又は半透明になる材料で基板が形成されることが好ましいが、有機発光層13で発光した光を基板の反対側から出射させるトップエミッション構造の発光素子の場合には、必ずしも透明又は半透明になる材料を用いる必要はなく、不透明材料で基板を形成してもよい。
次に、縦型トランジスタ素子部について説明する。縦型トランジスタ素子部20は、図1、図3及び図5に示すように、エミッタ電極21と、コレクタ電極22と、エミッタ電極21とコレクタ電極22との間に設けられた有機半導体層24A,24Bと、有機半導体層内(詳しくは、有機半導体層24Aと有機半導体層24Bとの間)に設けられたベース電極23とを少なくとも備えた構造を呈している。この有機半導体層24A,24Bは、詳しくは、ベース電極23のエミッタ電極21側に設けられた電荷輸送性の第1有機半導体層24Aと、ベース電極23のコレクタ電極22側に設けられた電荷輸送性の第2有機半導体層24Bとで構成されている。なお、本発明においては、コレクタ電極22と有機半導体層24Bとの間に、発光素子部10と等電位層14が設けられている。
縦型トランジスタ素子部20の電極は、エミッタ電極21、コレクタ電極22及びベース電極23で構成される。第1〜第3実施形態に示すように、コレクタ電極22は、ベース電極23との間に発光素子部10と等電位層14とを介するように設けられ、ベース電極23は、第1有機半導体層24Aと第2有機半導体層24Bとの間に埋め込まれるように設けられ、エミッタ電極21は、コレクタ電極22と対向する位置に設けられて、ベース電極23との間に第1有機半導体層24Aを介するように設けられる。各電極を構成する材料としては、金属、導電性酸化物、導電性高分子等の薄膜が用いられる。なお、図3及び図5に示すように、エミッタ電極21又はコレクタ電極22を基板2上に設ける場合には、その間にバリア層や平滑層等が設けられていてもよい(図示しない)。
有機半導体層24A,24Bは、図1等に示すように、ベース電極23のエミッタ電極21側に設けられた電荷輸送性の第1有機半導体層24Aと、ベース電極23のコレクタ電極22側(すなわち発光素子部10側)に設けられた電荷輸送性の第2有機半導体層24Bとで構成されている。この有機半導体層24A,24Bは、種々の有機半導体材料で形成でき、通常は電荷輸送特性の良い電荷輸送材料で形成される。
次に、発光素子部10について説明する。発光素子部10は、上述した縦型トランジスタ素子部20を構成する第2有機半導体層24Bとコレクタ電極22との間に少なくとも有機発光層13が設けられている。さらに、発光素子部10の、縦型トランジスタ素子部20に接触する側の面には、等電位層14が形成されている。なお、「少なくとも」とは、発光素子部10が有機発光層13を必須の層として有し、さらにコレクタ電極22と有機発光層13との間に正孔注入層や正孔輸送層を必要に応じて設けてもよいし、等電位層14と有機発光層13との間に電子注入層や電子輸送層を必要に応じて設けてもよいことを意味する。なお、その他の層として、正孔ブロック層、電子ブロック層等のように、キャリア(正孔、電子)のつきぬけを防止し、効率よくキャリアの再結合させるための電荷ブロック層を設けてもよい。具体的には、図1、図3及び図5に示すように、基板2に形成されコレクタ電極22上に、正孔輸送層15、有機発光層13、電子輸送層16、電子注入層11からなる発光素子部10が形成され、さらにその発光素子部10上に等電位層14が形成されている。
有機発光層13、正孔輸送層15、電子輸送層16、電子注入層11、正孔注入層等の各有機層は、発光素子部10の構成や構成材料の種類等に応じ、適切な膜厚(例えば0.1nm〜10μmの範囲内)で形成される。各有機層の膜厚が厚すぎる場合には、一定の光出力を得るために大きな印加電圧が必要になって発光効率が悪くなることがあり、各有機層の膜厚が薄すぎる場合には、ピンホール等が発生して電界を印加しても十分な発光輝度が得られないことがある。
等電位層14は、縦型トランジスタ素子部20に接触する側の発光素子部10の面に、通常、その発光素子部10の発光領域と同じ面積で設けられている。この等電位層14は、小面積の縦型トランジスタ素子部20から出力された電流を大面積の発光素子部10に面均一に与えるように作用し、その結果、有機発光層13の全面で均一に発光させることができ、有機発光層13の各部での発光効率を向上させることができる。なお、等電位層14は、通常は有機発光層13の大きさと同じ大きさで設けられるが、必ずしも同じ大きさである必要はなく、発光領域として作用する実質的な領域に等電位層14が設けられていればよい。
次に、本発明の発光表示装置について説明する。本発明の発光表示装置は、上記本発明の発光素子1A,1B,1Cをマトリクス状に配置したものであって、その発光素子を構成するマトリックス状の発光素子部10に対して、発光素子が備えるエミッタ電極21とコレクタ電極22との間に電圧(コレクタ電圧Vc)を印加する第1電圧供給手段と、発光素子が備えるエミッタ電極21とベース電極23との間に電圧(ベース電圧Vb)を印加する第2電圧供給手段とを有する。
ガラスからなる基板上に、コレクタ電極として厚さ100nmの透明ITO電極を形成し、その上に、抵抗加熱蒸着法で形成したCuPcからなる厚さ2nmの正孔注入層と、抵抗加熱蒸着法で形成したNPDからなる厚さ30nmの正孔輸送層と、抵抗加熱蒸着法で形成したAlq3からなる厚さ30nmの有機発光層と、抵抗加熱蒸着法で形成したBCPからなる厚さ10nmの励起子ブロック層とをその順に積層して、縦Y2:2mm×横X2:2mm=4mm2の発光素子部を形成した。この発光素子部上の全面に、アルミニウムからなる厚さ20nmの等電位層を抵抗加熱蒸法で形成した。
縦型トランジスタ素子部を縦Y1:1mm×横X1:0.4mm=0.4mm2で形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の発光素子を作製した。この発光素子の縦型トランジスタ素子部の面積S1と発光素子部の面積S2との比S1/S2は1/10(=0.10)であった。
縦型トランジスタ素子部を縦Y1:1mm×横X1:0.8mm=0.8mm2で形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の発光素子を作製した。この発光素子の縦型トランジスタ素子部の面積S1と発光素子部の面積S2との比S1/S2は0.8/4=1/5(=0.20)であった。
縦型トランジスタ素子部を縦Y1:1mm×横X1:1.33mm=1.33mm2で形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の発光素子を作製した。この発光素子の縦型トランジスタ素子部の面積S1と発光素子部の面積S2との比S1/S2は1.33/4=1/3(=0.33)であった。
縦型トランジスタ素子部を発光素子部と同じ面積の縦:2mm×横:2mm=4mm2で、発光素子部上に積層した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の発光素子を作製した。図21は、得られた発光素子の模式的な形態であり、図22は、エミッタ電極とベース電極との間に正弦波交流電圧Vbを周波数を変えて印加したときの、エミッタ電極とコレクタ電極との間に流れる変位電流IEを含む出力電流Icを示すグラフである。周波数は、1kHz、20kHz、50kHzの3段階で測定した。図22に示すように、周波数が低い場合の出力電流Icは、エミッタ電極とコレクタ電極との間に流れる変位電流IEで主に占められ、容量成分の過渡応答電流Ioの影響は小さいが、周波数が高い場合の出力電流Iは、容量成分の過渡応答電流Ioが大きくなり、変位電流IEに過渡応答電流Ioが重畳するようになって、変位電流IEが隠れてしまうという問題が生じた。
等電位層を形成しない他は、実施例1と同様にして、比較例2の発光素子を作製した。得られた発光素子の発光状態は、縦型トランジスタ素子部から離れるにしたがって発光輝度が弱くなり、不均一な発光が目視により確認された。
ガラスからなる基板上に、抵抗加熱蒸着法で形成した銀からなる平均厚さ30nmのエミッタ電極と、抵抗加熱蒸着法で形成したフラーレン(C60、平均厚さ100nm)からなる第1有機半導体層と、抵抗加熱蒸着法でアルミニウムを成膜した後に120℃の大気雰囲気下で酸化処理して平均粒径40nm程度の粒状金属を分布形成してなるベース電極と、抵抗加熱蒸着法で形成したn型有機半導体であるペリレン顔料(Me−PTC、平均厚さ500nm)からなる第2有機半導体層とからなる、縦Y1:1mm×横X1:1mm=1mm2の縦型トランジスタ素子部を形成した。
ガラスからなる基板上に、コレクタ電極として厚さ100nmの透明ITO電極を形成し、その上に、抵抗加熱蒸着法で形成したCuPcからなる厚さ2nmの正孔注入層と、抵抗加熱蒸着法で形成したNPDからなる厚さ30nmの正孔輸送層と、抵抗加熱蒸着法で形成したAlq3からなる厚さ30nmの有機発光層と、抵抗加熱蒸着法で形成したBCPからなる厚さ10nmの励起子ブロック層とをその順で積層して、縦Y2:2mm×横X2:2mm=4mm2の発光素子部を形成した。この発光素子部上の全面に、Alからなる厚さ20nmの等電位層を抵抗加熱蒸着法で形成した。
実施例1〜3で得られた発光素子の電気特性について測定した。その結果を図12〜図14に示す。なお、この測定において、輝度は、輝度測定装置(トプコン社製、型番:BM−8)により測定した。
図15は、複数の発光画素(発光素子部)それぞれに対応した縦型トランジスタ(縦型トランジスタ素子部)が接続されてなる発光表示装置の一例を示す模式平面図であり、図16は、各縦型トランジスタに印加したベース電圧とそのときの発光輝度を示すプロファイルである。具体的には、図15に示す発光表示装置は、4つの発光画素1〜4を有し、各発光画素1〜4それぞれに対応するとともに各発光画素1〜4の1/20〜1/2の面積であってそれぞれ異なる面積の縦型トランジスタが接続されてなり、各縦型トランジスタには、発光素子部に電流を供給するための電源が接続され、さらに、各縦型トランジスタには、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線1〜4がベース電極に接続されている。ここでの発光画素と縦型トランジスタは、実施例6と同様にして作製した。
図17は、一つの発光画素(発光素子部)に複数の縦型トランジスタ(縦型トランジスタ素子部)が接続されてなる発光表示装置の一例を示す模式平面図であり、図18は、各縦型トランジスタに印加したベース電圧とそのときの発光輝度を示すプロファイルである。具体的には、図17に示す発光表示装置は、一つの発光画素に、その発光画素の1/20〜1/2の面積から選択された一定面積の縦型トランジスタ素子部が4つ並列に接続されてなり、各縦型トランジスタには、発光素子部に電流を供給するための電源が接続され、さらに、各縦型トランジスタには、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線1〜4がベース電極に接続されている。ここでの発光画素と縦型トランジスタは、実施例6と同様にして作製した。
図19は、一つの発光画素(発光素子部)に複数の縦型トランジスタ(縦型トランジスタ素子部)が接続されてなる発光表示装置の他の一例を示す模式平面図であり、図20は、各縦型トランジスタに印加したベース電圧とそのときの発光輝度を示すプロファイルである。具体的には、図19に示す発光表示装置は、一つの発光画素に、その発光画素の1/20〜1/2の面積であってそれぞれ異なる面積の縦型トランジスタ素子部が4つ並列に接続されてなり、各縦型トランジスタには、発光素子部に電流を供給するための電源が接続され、さらに、各縦型トランジスタには、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線1〜4がベース電極に接続されている。ここでの発光画素と縦型トランジスタは、実施例6と同様にして作製した。
2 基板
10 発光素子部
11 電子注入層
13 有機発光層
14 等電位層
15 正孔輸送層
16 電子輸送層
17 導電層
20 縦型トランジスタ素子部
21 エミッタ電極
22 コレクタ電極
23 ベース電極
24,24A,24B 有機半導体層
30 バッファ層
31 配線
41 画像信号供給源
42 電圧制御回路
43 電流供給線
50,51 画素
53 第一スイッチングトランジスタ
54 第二スイッチングトランジスタ
55 電圧保持用コンデンサ
56 グランド配線
57 第一スイッチング配線
58 第二スイッチング配線
59 定電圧印加線
21a 第一スイッチングトランジスタのエミッタ電極
21b 第二スイッチングトランジスタのエミッタ電極
22a 第一スイッチングトランジスタのコレクタ電極
22b 第二スイッチングトランジスタのコレクタ電極
23a 第一スイッチングトランジスタのベース電極
23b 第二スイッチングトランジスタのベース電極
Ib ベース電流
Ic 出力電流(コレクタ電流)
Io 過渡応答電流
Vb 正弦波交流電圧(ベース電圧)
Vc コレクタ電圧
S1 縦型トランジスタ素子部の面積
S2 発光素子部の面積
Claims (11)
- エミッタ電極、コレクタ電極、該両電極間に設けられた有機半導体層、及び該有機半導体層内に設けられたベース電極を少なくとも備えた縦型トランジスタ素子部と、
前記縦型トランジスタ素子部を構成する有機半導体層とコレクタ電極との間に有機発光層が設けられている発光素子部と、を有する発光素子であって、
前記縦型トランジスタ素子部は、前記発光素子部よりも平面視での面積が小さく、
前記発光素子部は、前記縦型トランジスタ素子部に接触する側の面に等電位層を有していることを特徴とする発光素子。 - 前記縦型トランジスタ素子部が前記発光素子部上に積層している、請求項1に記載の発光素子。
- 基板と、当該基板上に設けられた導電層と、当該導電層上に設けられて、少なくとも有機半導体層、ベース電極、有機半導体層、エミッタ電極をこの順で積層して形成された縦型トランジスタ素子部と、
前記縦型トランジスタ素子部とは異なる部位の基板上に設けられたコレクタ電極と、当該コレクタ電極上に設けられた発光素子部と、当該発光素子部の上に設けられた等電位層とを有する発光素子であって、
前記縦型トランジスタ素子部は、前記発光素子部よりも平面視での面積が小さく、
前記等電位層と前記導電層とが配線によって接続されていることを特徴とする発光素子。 - 前記縦型トランジスタ素子部の面積S1と前記発光素子部の面積S2との比(S1/S2)が、1/20以上1/2以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記発光素子部が正孔輸送層、電子輸送層、正孔注入層及び電子注入層から選ばれる1又は2以上の層を有し、前記有機発光層が有機EL層である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光素子をマトリクス状に配置した発光表示装置であって、
前記発光素子を構成するマトリックス状の発光素子部に対して、前記発光素子が備えるエミッタ電極とコレクタ電極との間に電圧を印加する第1電圧供給手段と、前記発光素子が備えるエミッタ電極とベース電極との間に電圧を印加する第2電圧供給手段と、を有することを特徴とする発光表示装置。 - 前記第1電圧印加手段は一定電圧を印加し、前記第2電圧印加手段は可変電圧を印加して、前記マトリックス状の個々の発光素子部をアクティブマトリックス方式で駆動する、請求項6に記載の発光表示装置。
- 前記第1電圧印加手段は一定電圧を印加し、前記第2電圧印加手段も一定電圧を印加して、前記マトリックス状の発光素子部の所定の広さの領域を非アクティブマトリックス方式で駆動する、請求項6に記載の発光表示装置。
- 前記発光素子部を複数有し、各発光素子部それぞれに対応するとともに各発光素子部の1/20〜1/2の面積の縦型トランジスタ素子部が接続されてなり、各縦型トランジスタは、前記第1電圧供給手段と、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線がベース電極に接続されている前記第2電圧供給手段とを備える、請求項6に記載の発光表示装置。
- 一つの発光素子部に、該発光素子部の1/20〜1/2の面積から選択された一定面積の縦型トランジスタ素子部が複数並列に接続されてなり、各縦型トランジスタは、前記第1電圧供給手段と、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線がベース電極に接続されている前記第2電圧供給手段とを備える、請求項6に記載の発光表示装置。
- 一つの発光素子部に、該発光画素の1/20〜1/2の面積であってそれぞれ異なる面積の縦型トランジスタ素子部が複数並列に接続されてなり、各縦型トランジスタは、前記第1電圧供給手段と、各縦型トランジスタのうち少なくとも一つの縦型トランジスタを選択する選択信号線がベース電極に接続されている前記第2電圧供給手段とを備える、請求項6に記載の発光表示装置。
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