JP5312294B2 - 発光装置および露光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、有機ＥＬ素子を複数有する発光装置に係り、特に輝度バラツキを抑制する発光装置に関するものである。
複数の有機ＥＬ素子を用いた発光装置は、薄型化、低消費電力化が期待される自発光型デバイスとして多くの注目を集めている。有機ＥＬ素子は、陽極と陰極との間に、有機化合物層を備え、入力信号に応じて、陰極と陽極とからそれぞれ注入される電子と正孔が有機化合物層において再結合するエネルギーを利用して発光する。
ところで、有機ＥＬ素子は、駆動時間の経過と共に輝度が低下し、駆動電圧が上昇するといった劣化現象が起こることが知られている。また、劣化現象は、有機ＥＬ素子ごとで異なるため、複数の有機ＥＬ素子を用いた発光装置においては、輝度バラツキが起こってしまう。輝度バラツキとは、同一の入力信号に対して有機ＥＬ素子ごとで異なる輝度を発し、視認される輝度差が生じる現象である。この輝度バラツキを補正するために、特許文献１では、画素内にフォトセンサを設け、各有機ＥＬ素子の発光量に応じて画素毎に輝度を補償する有機ＥＬ表示装置について提案されている。
特開２００６−３０３１７号公報
本発明は、輝度バラツキを抑制することを目的とする。
本発明は、有機ＥＬ素子と、前記有機ＥＬ素子を駆動する駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタを制御する制御信号を保持する保持容量と、を有する画素を複数有し、前記有機ＥＬ素子は前記駆動トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方と電気的に接続される発光装置であって、前記保持容量は、金属層と絶縁層と半導体層とをこの順で有しており、前記半導体層は前記有機ＥＬ素子が発光する光を受光し、前記保持容量の前記金属層及び前記半導体層の一方が前記駆動トランジスタのゲート電極と電気的に接続され、前記保持容量の前記金属層及び前記半導体層の他方が一定の電位に規定されていることを特徴とする。
本発明の発光装置によれば、輝度バラツキを抑制することができる。
本発明の発光装置の一例を示す概略図 本発明の発光装置に用いられる保持容量の両端電圧の測定図及び測定結果を示す図 輝度バラツキを補償する動作を説明する図 本発明の発光装置の部分断面図 本発明の他の発光装置の画素内の回路図と保持容量の感度と信号電圧との関係を表した図 本発明の他の発光装置の画素内の回路図
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。図１（ａ）は複数の画素を有する発光装置の概略斜視図である。画素１は、各画素１に制御信号を送るための信号線３と制御信号を送る画素を順次選択する選択線２との交差部付近に配置されている。図１（ｂ）は、本発明の発光装置が有する画素１の概略平面図である。画素１は、有機ＥＬ素子が形成される発光領域４と、有機ＥＬ素子を駆動する回路が形成される非発光領域５とから構成されている。画素１の発光領域４には、有機ＥＬ素子と制御信号を保持する保持容量とがあり、画素１の非発光領域５には、有機ＥＬ素子を駆動する駆動トランジスタがある。制御信号は、駆動トランジスタを制御する信号であり、この信号に応じた電流が駆動トランジスタによって有機ＥＬ素子に流される。この制御信号によって、有機ＥＬ素子の発光強度が決まる。なお、制御信号は、その信号に応じた電位（以下、信号電位という）として画素に送られる。
また、本発明に用いられる保持容量は、金属層と、絶縁層と、半導体層とを、この順で備えている。また、半導体層は、有機ＥＬ素子が発する光を受光する位置に設けられ、例えば非晶質シリコン層のような光電変換の機能を有している。
図１（ｃ）は本実施形態の画素内の回路図である。図１（ｃ）において、６は選択トランジスタであり、選択トランジスタ６のゲート電極は選択線２に接続され、選択トランジスタ６のドレイン電極は信号線３に接続されている。そして、選択トランジスタ６のソース電極は駆動トランジスタ３０のゲート電極と接続されている。また、７は有機ＥＬ素子１０に駆動電流を供給する給電線であり、給電線７と有機ＥＬ素子１０と駆動トランジスタ３０とＧＮＤ線８は直列に電気的に接続されている。なお、有機ＥＬ素子１０と駆動トランジスタ３０の間に発光期間を制御するトランジスタが直列に電気的に接続されていてもよい。また、保持容量２０の一方の端子Ｎ１は駆動トランジスタ３０のゲート電極３１に電気的に接続され、保持容量２０の他方の端子Ｎ２は駆動トランジスタ３０のソース電極３３とＧＮＤ線８に電気的に接続されている。ＧＮＤ線８によって、保持容量２０の端子Ｎ２には一定の電位に規定されている。この構成により、画素内の構成で、後述するように輝度バラツキの補償をすることが可能となる。
発光装置の駆動時には、まず選択線２に順次、選択トランジスタ６をオンまたはオフする２値の電位が印加される。選択線２に選択トランジスタ６をオンする電位が印加された画素には、データ線３を通して制御信号が印加され、その制御信号が保持容量２０に保持される。具体的には、信号電位とＧＮＤ線８に印加される電位との電位差（以下、信号電圧という）の分の電荷量が保持容量２０に保持される。その後、有機ＥＬ素子１０が発光する発光期間において、選択線２に選択トランジスタ６をオフする電位が印加されても、保持容量２０には信号電圧に応じた電荷量が保持されたままである。そして、駆動トランジスタ３０のゲート−ソース間の電位差、つまり、保持容量２０に保持された制御信号に応じた駆動電流が給電線７から有機ＥＬ素子１０に供給されて、制御信号に応じた発光強度で有機ＥＬ素子１０は発光する。
次に、図２を用いて、本発明の保持容量２０が光を受光して保持容量の両端電圧が減少する作用を説明する。図２（ａ）において、保持容量２０にあらかじめ所望の電圧Ｖ０に対応する電荷量を保持させておく。そして、保持容量２０に様々な強度の異なる光（１Ｌｘ、０．１Ｌｘ、０．０１Ｌｘ）を受光させて、保持容量２０の両端電圧を電圧計にて検出する。その検出結果が図２（ｂ）に示されている。この図により、本発明の保持容量２０は、光を受光することで、その両端電圧が減少する特性を有していることが分かる。これは、本発明の保持容量２０にある半導体層２３にて、光を受光して電荷（電子と正孔）が生成されることに起因する。あらかじめ保持容量２０の両端電圧を電圧Ｖ０にするのは、保持容量２０の両端子間に電界が生じる状態にするためである。この電界によって、生成された電荷の一方が、保持容量２０の一端から取り出され、他方の電荷は半導体層の絶縁層側の界面に貯まり、容量を構成する部位が変化する。より詳しくは、金属層と半導体層の金属層とは反対側の界面との間で形成されていた容量が、金属層と半導体層の金属層側の界面との間で形成されるようになる。この結果、保持容量２０の容量が大きくなる。一方、電荷量の総和は変化しないので保持容量２０の両端電圧が減少する。また、半導体層において生成される電荷量は、入射光の強度に応じて異なる。よって、図２（ｂ）で示すように、入射光の強度が大きいほど、所望の時刻ｔ０経過したときにおける保持容量２０の保持する電荷量の減少量が大きなり、両端電圧が小さくなる。
次に、この作用を応用した本発明の発光装置において、画素の輝度バラツキが抑制される動作について説明する。図１（ｃ）の回路図において、保持容量２０が有機ＥＬ素子１０の光を受光すると、保持容量２０の容量は増えるが保持される電荷量は変わらないので、保持容量２０の両端電圧である信号電圧が減少する。そして、保持容量２０の端子Ｎ２は駆動トランジスタ３０のソース電極３３と、ＧＮＤ線８と電気的に接続されて、その電位が信号電位より小さい一定の電位に固定されているので、保持容量２０の端子Ｎ１の電位（駆動トランジスタ３０のゲート電極３１の電位）が降下する。このため、駆動トランジスタ３０のゲート−ソース間の電位差が小さくなり、有機ＥＬ素子１０に供給される駆動電流が１フレーム中の発光期間（例えば、１／６０秒）の初期の駆動電流より小さくなる。
図３は、有機ＥＬ素子の劣化が小さい画素Ｘと有機ＥＬ素子の劣化が大きい画素Ｙにおける、図１（ｃ）で本発明の保持容量２０を用いた場合（補償あり）と、図１（ｃ）で本発明の保持容量の代わりに従来の保持容量を用いた場合（補償なし）の比較を示した図である。なお、画素Ｘと画素Ｙの保持容量には、同じ信号電圧に対応する同じ電荷量が保持されている。また、従来の保持容量とは半導体層を有さない構成のものである。有機ＥＬ素子が劣化すると、保持容量が同じ電荷量を保持していても、発光する発光強度は異なってしまう。さらに、人間の目は、１フレーム中の発光期間の発光強度の積算値、つまり、図３の斜線で示した面積（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を輝度の大きさとして認識する。よって、従来の保持容量を用いた場合、画素Ｘと画素Ｙは、初期の発光強度の差が発光期間分積算されて、面積Ａと面積Ｂとの面積差が人間の目に輝度差として認識されてしまう。
一方、本発明の保持容量を用いた場合は、画素の発光は発光期間中に一様ではなくなる。すなわち、図２（ｂ）で示したように、有機ＥＬ素子が発光し始め、有機ＥＬ素子の発光を受光した保持容量の両端電圧が、画素内の有機ＥＬ素子の発光強度に応じて減少する。そして、画素Ｙでは、画素Ｘに比べてあらかじめ保持容量の両端にかかっていた信号電圧の減少量が小さくなる。このため、本発明の保持容量を用いた画素Ｘと画素Ｙの発光期間中の発光強度の積算値との差は、従来の保持容量を用いた劣化の大きい画素と劣化の小さい画素との発光期間中の発光強度の積算値との差よりも小さくなる。つまり、面積Ｃと面積Ｄとの面積差の方が面積Ａと面積Ｂとの面積差よりも小さくなり、人間の目に画素Ｘと画素Ｙとの輝度差として認識されにくくなる。よって、本発明の保持容量を備えた回路では、画素内の回路によって輝度バラツキが抑制される。なお、発光期間が１／６０秒程度であれば、発光期間中の発光強度の変化は認識できないので問題とはならない。
図４は図１（ｂ）のＡ−Ａ’の概略断面図である。発光領域４には基板４０の上に、保持容量２０が配置され、その上に、有機ＥＬ素子１０が配置されている。この構成によって、有機ＥＬ素子１０の下部電極１１を透過した光が保持容量２０に入射されるようになる。
有機ＥＬ素子１０は、ガラス、石英、セラミック等の絶縁性のある基板４０の上に、基板４０側から順に下部電極１１、有機化合物層１２、上部電極１３を有する構成であり、発光領域４に配置されている。また、有機ＥＬ素子１０は保持容量２０の上に、ＳｉＯｘやＳｉＮｘまたはそれらの積層膜からなる絶縁層４１を介して積層されている。有機ＥＬ素子１０の発光は、下部電極１１と上部電極１３からそれぞれ電子または正孔が有機化合物層１２内に注入され、その電子と正孔が有機化合物層１２内で再結合する際のエネルギーを利用している。本実施形態では、基板４０側とは反対側（上部電極１３側）から有機ＥＬ素子の光を取り出す、いわゆるトップエミッション型の発光装置について説明する。
下部電極１１は、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇなどの金属単体やそれらの合金からなる金属層を用いることができる。なお、下部電極１１は、有機ＥＬ素子１０の光を反射させる機能を有するが、後に説明する保持容量２０に有機ＥＬ素子の光の一部（０．０１％以上１０％以下）を透過させるため、膜厚３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で用いる必要がある。より好ましくは、膜厚３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。さらに、その金属層の上に、酸化インジウムと酸化錫の化合物層や酸化インジウムと酸化亜鉛の化合物層などの、光透過性が高い金属酸化物導電層を積層する構成を用いることもできる。なお、本発明において光透過性が高いとは、有機ＥＬ素子から取り出される光のスペクトルの最大ピーク波長における透過率が５０％以上１００％以下であることをいう。
有機化合物層１２は、少なくとも発光層を備え、必要に応じて正孔輸送層や電子輸送層などの電荷輸送層を備える。有機化合物層を構成する層は、公知材料を用いて、抵抗加熱蒸着法やスピンコート法などの従来の方法を用いて形成することができる。
上部電極１３は、有機ＥＬ素子１０で発生した光を６０％以上透過させる必要があるため、上述した金属層を膜厚５ｎｍ以上２０ｎｍ以下で用いたり、上述した光透過性が高い金属酸化物導電層を単層で用いたりすることができる。さらに、それらを積層する構成を採ることもできる。
４２は、下部電極１１と上部電極１３とがショートするのを防ぐための絶縁層で、アクリル樹脂やポリイミド樹脂などを１μｍ以上３μｍ以下の膜厚で用いることができる。
保持容量２０は、基板４０の上に、基板４０側から順に金属層２１、絶縁層２２、半導体層２３、導電層２４が配置された構成を採っている。半導体層２３として、光を受光することで電荷を生成する光電変換層を用いる。本実施形態で保持容量２０は有機ＥＬ素子１０の下部電極１１と基板４０との間に配置され、有機ＥＬ素子１０で発光した光は下部電極１１を透過して保持容量２０の半導体層２３に受光される。この半導体層２３で有機ＥＬ素子１０の光が受光されることによって、受光素子を保持容量２０と兼ねることができ、さらに輝度バラツキを補償する補償手段として利用することができる。
また、光をより面積は効率よく半導体層に受光させるために、保持容量２０の基板４０の面内方向における面積は、発光領域４にある有機ＥＬ素子１０の発光面積より大きく形成されることが望ましい。なお、発光面積とは、発光領域の面積であり、下部電極１１と有機化合物層１２と上部電極１３が基板４０に垂直方向において重なり、絶縁層４２が配置されていない領域の、基板４０の面内方向の面積である。また、図４では、保持容量２０の上に、有機ＥＬ素子１０が形成される構成を採っている。これは、通常のフォトトランジスタのような受光素子と異なり、保持容量が受光素子を兼ねる構成を用いているため、受光素子の上部の平坦性が十分に確保されることに起因する。このため、保持容量２０（受光素子）と有機ＥＬ素子１０との間に膜厚がミクロンオーダーの樹脂からなる平坦化層を設ける必要がなく、保持容量２０の半導体層２３に有機ＥＬ素子１０の光を効率よく吸収させることができる。
光電変換層としての半導体層２３は、ｎ型、ｐ型のどちらの半導体層を用いることができる。具体的には、非晶質シリコン層や微結晶シリコン層を用いることができるが、光電変換効率の観点から非晶質シリコン層が好ましい。また、非晶質シリコン層と不純物がドープされたｎ型あるいはｐ型の非晶質シリコン層とを積層した構成を採ってもよい。なお、半導体層２３の膜厚は好適には５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。以下では、半導体層２３はｎ型の非晶質シリコン層を用いて説明する。
金属層２１は、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、あるいはそれらの合金、それらの積層構造体を用いることができる。また、その膜厚は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。
絶縁層２２、４１は、ＳｉＯｘやＳｉＮｘまたはそれらの積層膜を用いることができ、その膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。また、絶縁層２２の膜厚によって保持容量２０の容量を変化させることができる。
導電層２４は、金属層２１と同じ材料を用いることができる。ただし、有機ＥＬ素子１０の光は、導電層２４を透過し、半導体層２３まで達する必要があるため、導電層２４の透過率が１％以上となるように、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、導電層２４は、酸化インジウムと酸化錫の化合物層や酸化インジウムと酸化亜鉛の化合物層の光透過性が高い金属酸化物導電層を用いることも可能である。
なお、図１（ｃ）における保持容量２０の、駆動トランジスタ３０のゲート電極３１と電気的に接続する端子Ｎ１は、図４の導電層２４に対応し、半導体層２３はこの導電層２４を介して駆動トランジスタ３０のゲート電極３１と電気的に接続される。また、保持容量２０の他方の端子Ｎ２は、図４の金属層２１に対応している。
駆動トランジスタ３０は、ゲート電極３１と、絶縁層２２と、半導体層３２と、ソース電極３３と、ドレイン電極３４とで構成され、非発光領域５に形成されている。また、ドレイン電極３４は有機ＥＬ素子１０の下部電極１１と電気的に接続されている。そして、半導体層３２は非晶質シリコンを用い、半導体層３２のソース電極３３とドレイン電極３４とが形成される領域には、ｎ型の不純物がドープされている。この構成のため、駆動トランジスタ３０はｎ型のトランジスタとなる。ゲート電極３１、ソース電極３３、ドレイン電極３４は、保持容量２０の金属層２１として用いられる材料を用いることができる。
なお、図４では、駆動トランジスタ３０の絶縁層２２は、保持容量２０の絶縁層２２と一体で配置された構成であるが、必ずしもこの構成である必要はない。つまり、駆動トランジスタ３０の絶縁層２２と保持容量２０の絶縁層２２は異なる材料、あるいは異なる膜厚でそれぞれ配置されていてもよい。
また、半導体層３２は、保持容量２０の半導体層２３と同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
本実施形態では、有機ＥＬ素子１０は駆動トランジスタ３０のドレイン電極３４に接続されているが、駆動トランジスタ３０のソース電極３３に接続されていもよい。
また、画素１は、保持容量２０とは別に、駆動トランジスタ３０のゲート電極３１と接続される補助容量（不図示）を有する構成であってもよい。
（第２の実施形態）
図５（ａ）は本実施形態の画素内の回路図である。第１の実施形態とは、保持容量２０の駆動トランジスタ３０のゲート電極３１と電気的に接続されている端子Ｎ１とは異なる端子Ｎ２が一定の電位を供給する電位線９に接続されている点が異なる。この電位線９によって保持容量２０の端子Ｎ２に一定の電位に規定されている。
なお、図５（ａ）における保持容量２０の、駆動トランジスタ３０のゲート電極３１と電気的に接続する端子Ｎ１は、金属層に対応し、保持容量２０の他方の端子Ｎ２は、半導体層に対応している。
第１の実施形態では、保持容量２０の両端にかかる信号電圧は、そのまま駆動トランジスタ３０のゲート−ソース間電圧である。このため、有機ＥＬ素子に発光させる発光強度が小さい場合には、保持容量２０の両端電圧である信号電圧が小さく、図５（ｂ）で示されるように保持容量２０の光を感知する感度が小さくなってしまう。これに対して、本実施形態では、電位線９に信号電位よりも低く、さらにＧＮＤ線８よりも低い一定の電位が供給される。このため保持容量２０の端子Ｎ２の電位は第１の実施形態のそれよりも小さくなる。有機ＥＬ素子１０の発光強度は駆動トランジスタ３０のゲート−ソース間電圧であるので、第１の実施形態と同じ発光強度で有機ＥＬ素子１０を光らせるには、保持容量２０の駆動トランジスタ３０のゲート電極３１側には第１の実施形態と同じ電位にする必要がある。このため、保持容量２０の両端にかかる信号電圧は、第１の実施形態よりも大きくなり、図５（ｂ）で示されるように、保持容量の光に対する感度が向上し、さらに、より感度の安定した領域にて保持容量２０を使用することができる。このため、より精度よく画素の輝度バラツキを抑制することができる。
なお、第１の実施形態および第２の実施形態はともに駆動トランジスタ３０がｎ型のものを用いて説明したが、ｐ型の駆動トランジスタを用いることも可能である。例えば、図６のような回路構成を形成するために、図４において、駆動トランジスタ３０の半導体層３２に微結晶シリコン層を用い、保持容量２０の半導体層２３と駆動トランジスタ３０のゲート電極３１とを電気的に接続させる構成を採ればよい。この構成では、保持容量２０の他方の一端Ｎ２である半導体層２３側に一定の電位を印加する電位線９を電気的に接続させて、一定の電位を信号電位より大きくすればよい。
また、駆動トランジスタがｎ型で、保持容量の半導体層としてｐ型半導体層を用いる場合には、駆動トランジスタのゲート電極に保持容量の金属層を電気的に接続させ、保持容量の半導体層を信号電位より小さい一定の電位に規定すればよい。また、駆動トランジスタがｐ型で、保持容量の半導体層としてｎ型半導体層を用いる場合には、駆動トランジスタのゲート電極に保持容量の金属層を電気的に接続させ、保持容量の半導体層を信号電位より大きい一定の電位に規定すればよい。
補償の効果を大きくするには、上述したように保持容量の両端電圧を大きくする方法の他に、保持容量の容量を大きくする方法が挙げられる。具体的には、保持容量の基板の面内方向の面積を大きくしたり、保持容量の絶縁層の膜厚を薄くしたりする方法が考えられる。または、保持容量と有機ＥＬ素子との間の絶縁層、もしくは有機ＥＬ素子の下部電極の膜厚を薄くする方法も考えられる。
本発明の発光装置は、表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。また、テレビ受像機やパーソナルコンピュータ、デジタルカメラや携帯電話のディスプレイなどにも適用することができる。
なお、図１（ａ）で示したように、本発明の発光装置は、画素が２次元的に配列されているが、画素を１次元的に配列された発光装置においても適用可能であり、この発光装置は露光装置の光源として利用することも可能である。
１０ 有機ＥＬ素子
２０ 保持容量
３０ 駆動トランジスタ

Claims (7)

  1. 有機ＥＬ素子と、前記有機ＥＬ素子を駆動する駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタを制御する制御信号を保持する保持容量と、を有し、前記有機ＥＬ素子は前記駆動トランジスタのソース電極とドレイン電極のうち一方と電気的に接続されている発光装置であって、
    前記保持容量は、金属層と絶縁層と半導体層とをこの順で有しており、
    前記半導体層は、前記有機ＥＬ素子が発する光を受光し、
    前記保持容量の前記金属層及び前記半導体層のうち一方は、前記駆動トランジスタのゲート電極と電気的に接続され、且つ、他方は一定の電位に設定されていることを特徴とする発光装置。
  2. 基板を有し、
    前記保持容量は、前記基板と前記有機ＥＬ素子との間に配置され、
    前記保持容量の前記基板の面内方向の面積は、前記有機ＥＬ素子の発光面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 基板を有し、
    前記保持容量は、前記基板と前記有機ＥＬ素子との間に配置され、
    前記基板とは反対側から前記有機ＥＬ素子が発する光を射出し、
    前記有機ＥＬ素子の前記保持容量に近い電極は、厚さが３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である金属層を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 基板を有し、
    前記保持容量は、前記基板と前記有機ＥＬ素子との間に配置され、
    前記保持容量は、前記基板側から前記金属層と前記絶縁層と前記半導体層と導電層をこの順で有しており、
    前記導電層は、金属酸化物導電層と厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である金属層のうち少なくとも一つを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
  5. 前記保持容量の前記金属層及び前記半導体層のうち前記他方は、前記駆動トランジスタのソース電極とドレイン電極のうち前記有機ＥＬ素子と電気的に接続されていない方と接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。
  6. 前記半導体層の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
    前記絶縁層の厚さは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置を露光光源として用いた露光装置。
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