JPWO2020053692A1 - 表示装置、表示モジュール、及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

光検出機能を有する表示装置を提供する。利便性の高い表示装置を提供する。表示部に受光素子及び発光素子を有する表示装置である。受光素子は、第1の画素電極、活性層、及び共通電極を有する。発光素子は、第2の画素電極、発光層、及び共通電極を有する。活性層は、第1の画素電極上に位置する。活性層は、第1の有機化合物を有する。発光層は、第2の画素電極上に位置する。発光層は、第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有する。共通電極は、活性層を介して第1の画素電極と重なる部分と、発光層を介して第2の画素電極と重なる部分と、を有する。表示装置は、さらに、第1の画素電極上及び第2の画素電極上に位置する共通層を有することが好ましい。共通層は、活性層と重なる部分と、発光層と重なる部分と、を有する。

Description

本発明の一態様は、表示装置、表示モジュール、及び電子機器に関する。本発明の一態様は、受光素子と発光素子とを有する表示装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置(例えば、タッチセンサなど)、入出力装置(例えば、タッチパネルなど)、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法を一例として挙げることができる。
近年、表示装置は様々な用途への応用が期待されている。例えば、大型の表示装置の用途としては、家庭用のテレビジョン装置(テレビまたはテレビジョン受信機ともいう)、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、PID(Public Information Display)等が挙げられる。また、携帯情報端末として、タッチパネルを備えるスマートフォンやタブレット端末の開発が進められている。
表示装置としては、例えば、発光素子を有する発光装置が開発されている。エレクトロルミネッセンス(Electroluminescence、以下ELと記す)現象を利用した発光素子(EL素子とも記す)は、薄型軽量化が容易である、入力信号に対し高速に応答可能である、直流低電圧電源を用いて駆動可能である等の特徴を有し、表示装置に応用されている。例えば、特許文献1に、有機EL素子が適用された、可撓性を有する発光装置が開示されている。
特開2014−197522号公報
本発明の一態様は、光検出機能を有する表示装置を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、利便性の高い表示装置を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、多機能の表示装置を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、新規な表示装置を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、表示部に、受光素子及び第1の発光素子を有する表示装置である。受光素子は、第1の画素電極、活性層、及び共通電極を有する。第1の発光素子は、第2の画素電極、発光層、及び共通電極を有する。活性層は、第1の画素電極上に位置する。活性層は、第1の有機化合物を有する。発光層は、第2の画素電極上に位置する。発光層は、第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有する。共通電極は、活性層を介して第1の画素電極と重なる部分と、発光層を介して第2の画素電極と重なる部分と、を有する。
本発明の一態様は、表示部に、受光素子及び第1の発光素子を有する表示装置である。受光素子は、第1の画素電極、共通層、活性層、及び共通電極を有する。第1の発光素子は、第2の画素電極、共通層、発光層、及び共通電極を有する。活性層は、第1の画素電極上に位置する。活性層は、第1の有機化合物を有する。発光層は、第2の画素電極上に位置する。発光層は、第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有する。共通層は、第1の画素電極上及び第2の画素電極上に位置する。共通層は、活性層と重なる部分と、発光層と重なる部分と、を有する。共通電極は、共通層及び活性層を介して第1の画素電極と重なる部分と、共通層及び発光層を介して第2の画素電極と重なる部分と、を有する。
本発明の一態様は、表示部に、受光素子、第1の発光素子、及び第2の発光素子を有する表示装置である。受光素子は、第1の画素電極、共通層、活性層、及び共通電極を有する。第1の発光素子は、第2の画素電極、共通層、第1の発光層、及び共通電極を有する。第2の発光素子は、第3の画素電極、共通層、第2の発光層、及び共通電極を有する。活性層は、第1の画素電極上に位置する。活性層は、第1の有機化合物を有する。第1の発光層は、第2の画素電極上に位置する。第1の発光層は、第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有する。第2の発光層は、第3の画素電極上に位置する。第2の発光層は、第1の有機化合物及び第2の有機化合物とは異なる第3の有機化合物を有する。共通層は、第1の画素電極上、第2の画素電極上、及び第3の画素電極上に位置する。共通層は、活性層と重なる部分と、第1の発光層と重なる部分と、第2の発光層と重なる部分と、を有する。共通電極は、共通層及び活性層を介して第1の画素電極と重なる部分と、共通層及び第1の発光層を介して第2の画素電極と重なる部分と、共通層及び第2の発光層を介して第3の画素電極と重なる部分と、を有する。
表示部は、さらに、レンズを有することが好ましい。レンズは、受光素子と重なる部分を有することが好ましい。レンズを透過した光が、受光素子に入射する。
表示部は、さらに、隔壁を有することが好ましい。隔壁は、第1の画素電極の端部及び第2の画素電極の端部を覆うことが好ましい。隔壁は、第1の画素電極と第2の画素電極とを電気的に絶縁する機能を有することが好ましい。隔壁は、第1の発光素子が発した光の少なくとも一部を吸収する機能を有することが好ましい。
表示部は、さらに、有色層を有することが好ましい。有色層は、第1の画素電極の上面に接する部分と、隔壁の側面に接する部分と、を有することが好ましい。
または、表示部は、さらに、絶縁層及び有色層を有することが好ましい。
有色層、第1の画素電極、及び第2の画素電極は、それぞれ、絶縁層の上面に接する部分を有することが好ましい。このとき、隔壁は、有色層の上面及び側面を覆うことが好ましい。
または、隔壁、第1の画素電極、及び第2の画素電極は、それぞれ、絶縁層の上面に接する部分を有することが好ましい。このとき、隔壁は、絶縁層に達する開口を有することが好ましく、有色層は、開口を介して絶縁層と接する部分と、隔壁の上面に接する部分と、を有することが好ましい。
有色層は、カラーフィルタまたはブラックマトリクスを有することが好ましい。
表示部は、さらに、遮光層を有することが好ましい。遮光層の端部は、レンズの端部と重なることが好ましい。遮光層は、隔壁と重なることが好ましい。
表示部は、可撓性を有することが好ましい。
本発明の一態様は、上記いずれかの構成の表示装置を有し、フレキシブルプリント回路基板(Flexible printed circuit、以下、FPCと記す)もしくはTCP(Tape Carrier Package)等のコネクタが取り付けられたモジュール、またはCOG(Chip On Glass)方式もしくはCOF(Chip On Film)方式等により集積回路(IC)が実装されたモジュール等のモジュールである。
本発明の一態様は、上記のモジュールと、アンテナ、バッテリ、筐体、カメラ、スピーカ、マイク、及び操作ボタンのうち少なくとも一つと、を有する電子機器である。
本発明の一態様により、光検出機能を有する表示装置を提供できる。本発明の一態様により、利便性の高い表示装置を提供できる。本発明の一態様により、多機能の表示装置を提供できる。本発明の一態様により、新規な表示装置を提供できる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。明細書、図面、請求項の記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図1A、図1B、図1C、図1Dは表示装置の一例を示す断面図である。図1E、図1F、図1G、図1Hは画素の一例を示す上面図である。
図2A、図2B、図2Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図3A、図3B、図3Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図4A、図4B、図4Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図5A、図5B、図5Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図6A、図6B、図6Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図7は表示装置の一例を示す斜視図である。
図8は表示装置の一例を示す断面図である。
図9A、図9Bは表示装置の一例を示す断面図である。
図10A、図10B、図10Cは表示装置の一例を示す断面図である。
図11は表示装置の一例を示す断面図である。
図12A、図12Bは画素回路の一例を示す回路図である。
図13A、図13Bは電子機器の一例を示す図である。
図14A、図14B、図14C、図14Dは電子機器の一例を示す図である。
図15A、図15B、図15C、図15D、図15E、図15Fは電子機器の一例を示す図である。
図16A、図16Bは実施例1における計算に用いた要素の位置関係を示す断面図である。
図17は実施例1における計算結果を示す図である。
図18は実施例1における計算結果を示す図である。
図19は実施例2における受光素子の特性を示す図である。
図20A、図20B、図20C、図20Dは実施例2における撮像結果である。
図21は実施例3における表示装置の画素を構成するデバイス構造を示す図である。
図22は実施例3における分光感度の波長依存性と正孔輸送層の膜厚の関係を示す図である。
図23は実施例3における入射光強度と光電流の関係を示す図である。
図24は実施例3における表示装置の表示結果である。
図25は実施例3における表示装置の撮像結果である。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、図面において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能である。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能である。
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置について図1〜図11を用いて説明する。
本実施の形態の表示装置は、表示部に、受光素子と発光素子とを有する。具体的には、表示部に、発光素子がマトリクス状に配置されており、当該表示部で画像を表示することができる。また、当該表示部には、受光素子がマトリクス状に配置されており、表示部は、受光部としての機能も有する。受光部は、イメージセンサやタッチセンサに用いることができる。つまり、受光部で光を検出することで、画像を撮像することや、対象物(指やペンなど)の近接もしくは接触を検出することができる。
本実施の形態の表示装置では、表示部が有する発光素子の発光を対象物が反射した際、受光素子がその反射光を検出できるため、暗い場所でも、撮像やタッチ(ニアタッチを含む)検出が可能である。
本実施の形態の表示装置は、発光素子を用いて、画像を表示する機能を有する。つまり、発光素子は、表示素子として機能する。
発光素子としては、OLED(Organic Light Emitting Diode)やQLED(Quantum−dot Light Emitting Diode)などのEL素子を用いることが好ましい。EL素子が有する発光物質としては、蛍光を発する物質(蛍光材料)、燐光を発する物質(燐光材料)、無機化合物(量子ドット材料など)、熱活性化遅延蛍光を示す物質(熱活性化遅延蛍光(Thermally activated delayed fluorescence:TADF)材料)などが挙げられる。また、発光素子として、マイクロLED(Light Emitting Diode)などのLEDを用いることもできる。
本実施の形態の表示装置は、受光素子を用いて、光を検出する機能を有する。
受光素子をイメージセンサに用いる場合、本実施の形態の表示装置は、受光素子を用いて、画像を撮像することができる。
例えば、イメージセンサを用いて、指紋、掌紋、または虹彩などのデータを取得することができる。つまり、本実施の形態の表示装置に、生体認証用センサを内蔵させることができる。表示装置が生体認証用センサを内蔵することで、表示装置とは別に生体認証用センサを設ける場合に比べて、電子機器の部品点数を少なくでき、電子機器の小型化及び軽量化が可能である。
また、イメージセンサを用いて、ユーザーの表情、目の動き、または瞳孔径の変化などのデータを取得することができる。当該データを解析することで、ユーザーの心身の情報を取得することができる。当該情報をもとに表示及び音声の一方又は双方の出力内容を変化させることで、例えば、VR(Virtual Reality)向け機器、AR(Augmented Reality)向け機器、またはMR(Mixed Reality)向け機器において、ユーザーが機器を安全に使用できるよう図ることができる。
また、受光素子をタッチセンサに用いる場合、本実施の形態の表示装置は、受光素子を用いて、対象物の近接または接触を検出することができる。
受光素子としては、例えば、pn型またはpin型のフォトダイオードを用いることができる。受光素子は、受光素子に入射する光を検出し電荷を発生させる光電変換素子として機能する。入射する光量に基づき、発生する電荷量が決まる。
特に、受光素子として、有機化合物を含む層を有する有機フォトダイオードを用いることが好ましい。有機フォトダイオードは、薄型化、軽量化、及び大面積化が容易であり、また、形状及びデザインの自由度が高いため、様々な表示装置に適用できる。
本発明の一態様では、発光素子として有機EL素子を用い、受光素子として有機フォトダイオードを用いる。有機フォトダイオードは、有機EL素子と共通の構成にできる層が多い。そのため、作製工程を大幅に増やすことなく、表示装置に受光素子を内蔵することができる。例えば、受光素子の活性層と発光素子の発光層とを作り分け、それ以外の層は、発光素子と受光素子とで同一の構成にすることができる。なお、受光素子と発光素子とが共通で有する層は、発光素子における機能と受光素子における機能とが異なる場合がある。本明細書中では、発光素子における機能に基づいて構成要素を呼称する。例えば、正孔注入層は、発光素子において正孔注入層として機能し、受光素子において正孔輸送層として機能する。同様に、電子注入層は、発光素子において電子注入層として機能し、受光素子において電子輸送層として機能する。
図1A〜図1Dに、本発明の一態様の表示装置の断面図を示す。
図1Aに示す表示装置50Aは、基板51と基板59との間に、受光素子を有する層53と、発光素子を有する層57と、を有する。
図1Bに示す表示装置50Bは、基板51と基板59との間に、受光素子を有する層53、トランジスタを有する層55、及び、発光素子を有する層57を有する。
表示装置50A及び表示装置50Bは、発光素子を有する層57から、赤色(R)、緑色(G)、及び青色(B)の光が射出される構成である。
本発明の一態様の表示装置は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する。1つの画素は、1つ以上の副画素を有する。1つの副画素は、1つの発光素子を有する。例えば、画素には、副画素を3つ有する構成(R、G、Bの3色、または、黄色(Y)、シアン(C)、及びマゼンタ(M)の3色など)、または、副画素を4つ有する構成(R、G、B、白色(W)の4色、または、R、G、B、Yの4色など)を適用できる。さらに、画素は、受光素子を有する。受光素子は、全ての画素に設けられていてもよく、一部の画素に設けられていてもよい。また、1つの画素が複数の受光素子を有していてもよい。
トランジスタを有する層55は、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを有することが好ましい。第1のトランジスタは、受光素子と電気的に接続される。第2のトランジスタは、発光素子と電気的に接続される。
本発明の一態様の表示装置は、表示装置に接触している指などの対象物を検出する機能を有していてもよい。例えば、図1Cに示すように、発光素子を有する層57において発光素子が発した光を、表示装置50Bに接触した指52が反射することで、受光素子を有する層53における受光素子がその反射光を検出する。これにより、表示装置50Bに指52が接触したことを検出することができる。
本発明の一態様の表示装置は、図1Dに示すように、表示装置50Bに近接している(接触していない)対象物を検出または撮像する機能を有していてもよい。
図1E〜図1Hに、画素の一例を示す。
図1E、図1Fに示す画素は、R、G、Bの3つの副画素(3つの発光素子)と、受光素子PDと、を有する。図1Eは、2×2のマトリクス状に、3つの副画素と受光素子PDとが配置されている例であり、図1Fは、横1列に、3つの副画素と受光素子PDとが配置されている例である。
図1Gに示す画素は、R、G、B、Wの4つの副画素(4つの発光素子)と、受光素子PDと、を有する。
図1Hに示す画素は、R、G、Bの3つの副画素と、赤外光を発する発光素子IRと、受光素子PDとを有する。このとき、受光素子PDは、赤外光を検出する機能を有することが好ましい。受光素子PDは、可視光及び赤外光の双方を検出する機能を有していてもよい。センサの用途に応じて、受光素子PDが検出する光の波長を決定することができる。
以下では、図2〜図5を用いて、本発明の一態様の表示装置の、詳細な構成について説明する。
[表示装置10A]
図2Aに表示装置10Aの断面図を示す。
表示装置10Aは、受光素子110及び発光素子190を有する。
受光素子110は、画素電極111、共通層112、活性層113、共通層114、及び共通電極115を有する。
発光素子190は、画素電極191、共通層112、発光層193、共通層114、及び共通電極115を有する。
画素電極111、画素電極191、共通層112、活性層113、発光層193、共通層114、及び共通電極115は、それぞれ、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
画素電極111及び画素電極191は、絶縁層214上に位置する。画素電極111と画素電極191は、同一の材料及び同一の工程で形成することができる。
共通層112は、画素電極111上及び画素電極191上に位置する。共通層112は、受光素子110と発光素子190に共通で用いられる層である。
活性層113は、共通層112を介して、画素電極111と重なる。発光層193は、共通層112を介して、画素電極191と重なる。活性層113は、第1の有機化合物を有し、発光層193は、第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有する。
共通層114は、共通層112上、活性層113上、及び発光層193上に位置する。共通層114は、受光素子110と発光素子190に共通で用いられる層である。
共通電極115は、共通層112、活性層113、及び共通層114を介して、画素電極111と重なる部分を有する。また、共通電極115は、共通層112、発光層193、及び共通層114を介して、画素電極191と重なる部分を有する。共通電極115は、受光素子110と発光素子190に共通で用いられる層である。
本実施の形態の表示装置では、受光素子110の活性層113に有機化合物を用いる。受光素子110は、活性層113以外の層を、発光素子190(EL素子)と共通の構成にすることができる。そのため、発光素子190の作製工程に、活性層113を成膜する工程を追加するのみで、発光素子190の形成と並行して受光素子110を形成することができる。また、発光素子190と受光素子110とを同一基板上に形成することができる。したがって、作製工程を大幅に増やすことなく、表示装置に受光素子110を内蔵することができる。
表示装置10Aでは、受光素子110の活性層113と、発光素子190の発光層193と、を作り分ける以外は、受光素子110と発光素子190が共通の構成である例を示す。ただし、受光素子110と発光素子190の構成はこれに限定されない。受光素子110と発光素子190は、活性層113と発光層193のほかにも、互いに作り分ける層を有していてもよい(後述の表示装置10K、10L、10M参照)。受光素子110と発光素子190は、共通で用いられる層(共通層)を1層以上有することが好ましい。これにより、作製工程を大幅に増やすことなく、表示装置に受光素子110を内蔵することができる。
表示装置10Aは、一対の基板(基板151及び基板152)間に、受光素子110、発光素子190、トランジスタ41、及びトランジスタ42等を有する。
受光素子110において、それぞれ画素電極111及び共通電極115の間に位置する共通層112、活性層113、及び共通層114は、有機層(有機化合物を含む層)ということもできる。画素電極111は可視光を反射する機能を有することが好ましい。画素電極111の端部は隔壁216によって覆われている。共通電極115は可視光を透過する機能を有する。
受光素子110は、光を検知する機能を有する。具体的には、受光素子110は、表示装置10Aの外部から入射される光22を受光し、電気信号に変換する、光電変換素子である。光22は、発光素子190の発光を対象物が反射した光ということもできる。また、光22は、後述するレンズを介して受光素子110に入射してもよい。本実施の形態では、発光素子190と揃えて、画素電極111が陽極として機能し、共通電極115が陰極として機能するものとして説明する。つまり、受光素子110は、画素電極111と共通電極115との間に逆バイアスをかけて駆動することで、受光素子110に入射する光を検出し電荷を発生させることができる。
基板152の基板151側の面には、遮光層BMが設けられている。遮光層BMは、受光素子110と重なる位置及び発光素子190と重なる位置に開口を有する。遮光層BMを設けることで、受光素子110が光を検出する範囲を制御することができる。
遮光層BMとしては、発光素子からの発光を遮る材料を用いることができる。遮光層BMは、可視光を吸収することが好ましい。遮光層BMとして、例えば、金属材料、又は、顔料(カーボンブラックなど)もしくは染料を含む樹脂材料等を用いてブラックマトリクスを形成することができる。遮光層BMは、赤色のカラーフィルタ、緑色のカラーフィルタ、及び青色のカラーフィルタの積層構造であってもよい。
ここで、発光素子190の発光が対象物によって反射された光を受光素子110は検出する。しかし、発光素子190の発光が、表示装置10A内で反射され、対象物を介さずに、受光素子110に入射されてしまう場合がある。遮光層BMは、このような迷光の影響を抑制することができる。例えば、遮光層BMが設けられていない場合、発光素子190が発した光23aは、基板152で反射され、反射光23bが受光素子110に入射することがある。遮光層BMを設けることで、反射光23bが受光素子110に入射することを抑制できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
発光素子190において、それぞれ画素電極191及び共通電極115の間に位置する共通層112、発光層193、及び共通層114は、EL層ということもできる。画素電極191は可視光を反射する機能を有することが好ましい。画素電極191の端部は隔壁216によって覆われている。画素電極111と画素電極191とは隔壁216によって互いに電気的に絶縁されている。共通電極115は可視光を透過する機能を有する。
発光素子190は、可視光を発する機能を有する。具体的には、発光素子190は、画素電極191と共通電極115との間に電圧を印加することで、基板152側に光を射出する電界発光素子である(発光21参照)。
発光層193は、受光素子110の受光領域と重ならないように形成されることが好ましい。これにより、発光層193が光22を吸収することを抑制でき、受光素子110に照射される光量を多くすることができる。
画素電極111は、絶縁層214に設けられた開口を介して、トランジスタ41が有するソースまたはドレインと電気的に接続される。画素電極111の端部は、隔壁216によって覆われている。
画素電極191は、絶縁層214に設けられた開口を介して、トランジスタ42が有するソースまたはドレインと電気的に接続される。画素電極191の端部は、隔壁216によって覆われている。トランジスタ42は、発光素子190の駆動を制御する機能を有する。
トランジスタ41とトランジスタ42とは、同一の層(図2Aでは基板151)上に接している。
受光素子110と電気的に接続される回路の少なくとも一部は、発光素子190と電気的に接続される回路と同一の材料及び同一の工程で形成されることが好ましい。これにより、2つの回路を別々に形成する場合に比べて、表示装置の厚さを薄くすることができ、また、作製工程を簡略化できる。
受光素子110及び発光素子190は、それぞれ、保護層195に覆われていることが好ましい。図2Aでは、保護層195が、共通電極115上に接して設けられている。保護層195を設けることで、受光素子110及び発光素子190に水などの不純物が入り込むことを抑制し、受光素子110及び発光素子190の信頼性を高めることができる。また、接着層142によって、保護層195と基板152とが貼り合わされている。
なお、図3Aに示すように、受光素子110上及び発光素子190上に保護層を有していなくてもよい。図3Aでは、接着層142によって、共通電極115と基板152とが貼り合わされている。
[表示装置10B]
図2Bに表示装置10Bの断面図を示す。なお、以降の表示装置の説明において、先に説明した表示装置と同様の構成については、説明を省略することがある。
図2Bに示す表示装置10Bは、表示装置10Aの構成に加え、レンズ149を有する。
本実施の形態の表示装置は、レンズ149を有していてもよい。レンズ149は、受光素子110と重なる位置に設けられている。表示装置10Bでは、レンズ149が基板152に接して設けられている。表示装置10Bが有するレンズ149は、基板151側に凸面を有している。または、レンズ149は基板152側に凸面を有していてもよい。
基板152の同一面上に遮光層BMとレンズ149との双方を形成する場合、形成順は問わない。図2Bでは、レンズ149を先に形成する例を示すが、遮光層BMを先に形成してもよい。図2Bでは、レンズ149の端部が遮光層BMによって覆われている。
表示装置10Bは、光22がレンズ149を介して受光素子110に入射する構成である。レンズ149を有すると、レンズ149を有さない場合に比べて、受光素子110の撮像範囲を狭くすることができ、隣接する受光素子110と撮像範囲が重なることを抑制できる。これにより、ぼやけの少ない、鮮明な画像を撮像できる。また、受光素子110の撮像範囲が同じ場合、レンズ149を有すると、レンズ149を有さない場合に比べて、ピンホールの大きさ(図2Bでは受光素子110と重なるBMの開口の大きさに相当する)を大きくすることができる。したがって、レンズ149を有することで、受光素子110に入射する光量を増やすことができる。
図3B、図3Cに示す表示装置も、それぞれ、図2Bに示す表示装置10Bと同様に、光22がレンズ149を介して受光素子110に入射する構成である。
図3Bでは、レンズ149が保護層195の上面に接して設けられている。図3Bに示す表示装置が有するレンズ149は、基板152側に凸面を有している。
図3Cに示す表示装置は、基板152の表示面側に、レンズアレイ146が設けられている。レンズアレイ146が有するレンズは、受光素子110と重なる位置に設けられている。基板152の基板151側の面には、遮光層BMが設けられていることが好ましい。
本実施の形態の表示装置に用いるレンズの形成方法としては、基板上または受光素子上にマイクロレンズなどのレンズを直接形成してもよいし、別途作製されたマイクロレンズアレイなどのレンズアレイを基板に貼り合わせてもよい。
[表示装置10C]
図2Cに表示装置10Cの断面図を示す。
図2Cに示す表示装置10Cは、基板151、基板152、及び隔壁216を有さず、基板153、基板154、接着層155、絶縁層212、及び隔壁217を有する点で、表示装置10Aと異なる。
基板153と絶縁層212とは接着層155によって貼り合わされている。基板154と保護層195とは接着層142によって貼り合わされている。
表示装置10Cは、作製基板上に形成された絶縁層212、トランジスタ41、トランジスタ42、受光素子110、及び発光素子190等を、基板153上に転置することで作製される構成である。基板153及び基板154は、それぞれ、可撓性を有することが好ましい。これにより、表示装置10Cの可撓性を高めることができる。例えば、基板153及び基板154には、それぞれ、樹脂を用いることが好ましい。
基板153及び基板154としては、それぞれ、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリエーテルスルホン(PES)樹脂、ポリアミド樹脂(ナイロン、アラミド等)、ポリシロキサン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ABS樹脂、セルロースナノファイバー等を用いることができる。基板153及び基板154の一方または双方に、可撓性を有する程度の厚さのガラスを用いてもよい。
本実施の形態の表示装置が有する基板には、光学等方性が高いフィルムを用いてもよい。光学等方性が高いフィルムとしては、トリアセチルセルロース(TAC、セルローストリアセテートともいう)フィルム、シクロオレフィンポリマー(COP)フィルム、シクロオレフィンコポリマー(COC)フィルム、及びアクリルフィルム等が挙げられる。
隔壁217は、発光素子が発した光を吸収することが好ましい。隔壁217として、例えば、顔料もしくは染料を含む樹脂材料等を用いてブラックマトリクスを形成することができる。また、茶色レジスト材料を用いることで、着色された絶縁層で隔壁217を構成することができる。
発光素子190が発した光23cは、基板154及び隔壁217で反射され、反射光23dが受光素子110に入射することがある。また、光23cが隔壁217を透過し、トランジスタまたは配線等で反射されることで、反射光が受光素子110に入射することがある。隔壁217によって光23cが吸収されることで、反射光23dが受光素子110に入射することを抑制できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
隔壁217は、少なくとも、受光素子110が検知する光の波長を吸収することが好ましい。例えば、発光素子190が発する緑色の光を受光素子110が検知する場合、隔壁217は、少なくとも緑色の光を吸収することが好ましい。例えば、隔壁217が、赤色のカラーフィルタを有すると、緑色の光23cを吸収することができ、反射光23dが受光素子110に入射することを抑制できる。
[表示装置10D]
図4Aに表示装置10Dの断面図を示す。
表示装置10Dは、表示装置10Bの構成に加え、有色層148aを有する。
有色層148aは、受光素子110が有する画素電極111の上面に接する部分と、隔壁216の側面に接する部分と、を有する。
有色層148aは、発光素子が発した光を吸収することが好ましい。有色層148aとして、例えば、顔料もしくは染料を含む樹脂材料等を用いてブラックマトリクスを形成することができる。また、茶色レジスト材料を用いることで、着色された絶縁層で有色層148aを構成することができる。
有色層148aは、少なくとも、受光素子110が検知する光の波長を吸収することが好ましい。例えば、発光素子190が発する緑色の光を受光素子110が検知する場合、有色層148aは、少なくとも緑色の光を吸収することが好ましい。例えば、有色層148aが、赤色のカラーフィルタを有すると、緑色の光を吸収することができ、反射光が受光素子110に入射することを抑制できる。
有色層148aが表示装置10D内で生じた迷光を吸収することで、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
本実施の形態の表示装置において、有色層は、受光素子110と発光素子190との間に配置される。これにより、発光素子190から受光素子110に入射される迷光を抑制することができる。
[表示装置10E]
図4Bに表示装置10Eの断面図を示す。
表示装置10Eは、表示装置10Dの構成に加え、有色層148bを有する。有色層148bに用いることができる材料は、有色層148aと同様である。
有色層148bは、発光素子190が有する画素電極191の上面に接する部分と、隔壁216の側面に接する部分と、を有する。
本実施の形態の表示装置は、有色層148a及び有色層148bのうち一方または双方を有していることが好ましい。
有色層148a及び有色層148bの双方を有することで、受光素子110に入射される迷光の量をさらに低減できる。
なお、表示装置10Eでは、有色層148bが画素電極191の上面に接するため、発光素子190の発光21のうち、表示装置10Eの外部に取り出される光の量が、表示装置10D(図4A)よりも少なくなってしまうことがある。そのため、有色層148a及び有色層148bのうち一方のみを設ける場合には、表示装置10Dのように、受光素子110側の有色層148aのみを設けることが好ましい。これにより、発光素子190の光取り出し効率を高くでき、かつ、受光素子110への迷光の入射を抑制できる。そして、表示品位が高い表示装置に、感度の高いセンサを内蔵することができる。
[表示装置10F]
図4Cに表示装置10Fの断面図を示す。
表示装置10Fは、表示装置10Bの構成に加え、有色層148を有する。有色層148に用いることができる材料は、有色層148aと同様である。
有色層148は、隔壁216の上面及び側面を覆うように設けられている。有色層148は、受光素子110が有する画素電極111の上面に接する部分と、発光素子190が有する画素電極191の上面に接する部分と、を有する。
図4Bに示す有色層148a及び有色層148bとは互いに分離していなくてもよく、図4Cに示す有色層148のように一つの膜であってもよい。有色層148が表示装置10F内で生じた迷光を吸収することで、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
[表示装置10G]
図5Aに表示装置10Gの断面図を示す。
表示装置10Gは、表示装置10Bの構成に加え、有色層147を有する。
有色層147は、絶縁層214上に位置し、隔壁216が、有色層147の上面及び側面を覆うように設けられている。有色層147と受光素子110は、隔壁216によって電気的に絶縁されている。同様に、有色層147と発光素子190は、隔壁216によって電気的に絶縁されている。
有色層147に用いることができる材料は、有色層148aと同様である。前述の有色層148、148a、148bと同様に、有色層147が表示装置10G内で生じた迷光を吸収することで、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
前述の有色層148、148a、148bは、光を吸収するように構成されるため、材料によっては、隔壁216に比べて抵抗率が低くなることがある。例えば、カーボンブラックなどの顔料が含まれる樹脂は、当該顔料が含まれていない樹脂に比べて抵抗率が低くなる。そのため、材料によっては、有色層148、148a、148bのいずれかを設けることで、隣接する発光素子または受光素子に電流がリークする恐れがある。例えば、隣接する発光素子に電流がリークすることで、所望の発光素子以外が発光してしまう(クロストークともいう)という問題が生じる。
一方、有色層147は、受光素子110及び発光素子190とそれぞれ離間して設けられる。また、有色層147は、受光素子110及び発光素子190のそれぞれと、隔壁216によって電気的に絶縁されている。したがって、有色層147が抵抗率の低い層であっても、受光素子110及び発光素子190に影響を与えにくい。そのため、有色層147に用いる材料の選択の幅が広がり好ましい。例えば、有色層147として、金属材料等を用いてブラックマトリクスを形成してもよい。
[表示装置10H]
図5Bに表示装置10Hの断面図を示す。
表示装置10Hは、表示装置10Bの構成に加え、有色層148cを有する。
表示装置10Hでは、隔壁216が、絶縁層214に達する開口を有する。有色層148cは、当該開口を介して絶縁層214と接する部分と、当該開口の内側で隔壁216の側面と接する部分と、隔壁216の上面と接する部分と、を有する。有色層148cと受光素子110は、隔壁216によって電気的に絶縁されている。同様に、有色層148cと発光素子190は、隔壁216によって電気的に絶縁されている。
有色層148cに用いることができる材料は、有色層147と同様である。有色層148cが表示装置10H内で生じた迷光を吸収することで、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
有色層148cは、受光素子110及び発光素子190とそれぞれ離間して設けられる。また、有色層148cは、受光素子110及び発光素子190のそれぞれと、隔壁216によって電気的に絶縁されている。したがって、有色層148cが抵抗率の低い層であっても、受光素子110及び発光素子190に影響を与えにくい。そのため、有色層148cに用いる材料の選択の幅が広がり好ましい。
[表示装置10J]
図5Cに表示装置10Jの断面図を示す。
表示装置10Jは、表示装置10Dの構成に加え、有色層148cを有する。
図4A〜図4C及び図5A〜図5Cに示すように、本発明の一態様の表示装置は、有色層148、148a、148b、148c、147の一つまたは複数を有することが好ましい。これにより、表示装置内で生じた迷光を吸収することができ、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。したがって、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
[表示装置10K、10L、10M]
図6Aに表示装置10Kの断面図を示し、図6Bに表示装置10Lの断面図を示し、図6Cに表示装置10Mの断面図を示す。
表示装置10Kは、共通層114を有さず、バッファ層184及びバッファ層194を有する点で、表示装置10Aと異なる。バッファ層184及びバッファ層194は、それぞれ、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
表示装置10Kにおいて、受光素子110は、画素電極111、共通層112、活性層113、バッファ層184、及び共通電極115を有する。また、表示装置10Kにおいて、発光素子190は、画素電極191、共通層112、発光層193、バッファ層194、及び共通電極115を有する。
表示装置10Lは、共通層112を有さず、バッファ層182及びバッファ層192を有する点で、表示装置10Aと異なる。バッファ層182及びバッファ層192は、それぞれ、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
表示装置10Lにおいて、受光素子110は、画素電極111、バッファ層182、活性層113、共通層114、及び共通電極115を有する。また、表示装置10Lにおいて、発光素子190は、画素電極191、バッファ層192、発光層193、共通層114、及び共通電極115を有する。
表示装置10Mは、共通層112及び共通層114を有さず、バッファ層182、バッファ層184、バッファ層192、及びバッファ層194を有する点で、表示装置10Aと異なる。
表示装置10Mにおいて、受光素子110は、画素電極111、バッファ層182、活性層113、バッファ層184、及び共通電極115を有する。また、表示装置10Mにおいて、発光素子190は、画素電極191、バッファ層192、発光層193、バッファ層194、及び共通電極115を有する。
受光素子110と発光素子190の作製において、活性層113と発光層193を作り分けるだけでなく、他の層も作り分けることができる。
表示装置10Kでは、共通電極115と活性層113との間のバッファ層184と、共通電極115と発光層193との間のバッファ層194とを作り分ける例を示す。バッファ層184としては、例えば、電子輸送層を形成することができる。バッファ層194としては、例えば、電子注入層及び電子輸送層の一方または双方を形成することができる。
表示装置10Lでは、画素電極111と活性層113との間のバッファ層182と、画素電極191と発光層193との間のバッファ層192とを作り分ける例を示す。バッファ層182としては、例えば、正孔輸送層を形成することができる。バッファ層192としては、例えば、正孔注入層及び正孔輸送層の一方または双方を形成することができる。
表示装置10Mでは、受光素子110と発光素子190とで、一対の電極(画素電極111または画素電極191と共通電極115)間に、共通の層を有さない例を示す。表示装置10Mが有する受光素子110及び発光素子190は、絶縁層214上に画素電極111と画素電極191とを同一の材料及び同一の工程で形成し、画素電極111上にバッファ層182、活性層113、及びバッファ層184を形成し、画素電極191上にバッファ層192、発光層193、及びバッファ層194を形成した後、画素電極111、バッファ層182、活性層113、バッファ層184、画素電極191、バッファ層192、発光層193、及びバッファ層194を覆うように共通電極115を形成することで作製できる。なお、バッファ層182、活性層113、及びバッファ層184の積層構造と、バッファ層192、発光層193、及びバッファ層194の積層構造の作製順は特に限定されない。例えば、バッファ層182、活性層113、及びバッファ層184を成膜した後に、バッファ層192、発光層193、及びバッファ層194を作製してもよい。逆に、バッファ層182、活性層113、及びバッファ層184を成膜する前に、バッファ層192、発光層193、及びバッファ層194を作製してもよい。また、バッファ層182、バッファ層192、活性層113、発光層193、などの順に交互に成膜してもよい。
以下では、図7〜図11を用いて、本発明の一態様の表示装置の、より詳細な構成について説明する。
[表示装置100A]
図7に、表示装置100Aの斜視図を示し、図8に、表示装置100Aの断面図を示す。
表示装置100Aは、基板152と基板151とが貼り合わされた構成を有する。図7では、基板152を破線で明示している。
表示装置100Aは、表示部162、回路164、配線165等を有する。図7では表示装置100AにIC(集積回路)173及びFPC172が実装されている例を示している。そのため、図7に示す構成は、表示装置100A、IC、及びFPCを有する表示モジュールということもできる。
回路164としては、例えば走査線駆動回路を用いることができる。
配線165は、表示部162及び回路164に信号及び電力を供給する機能を有する。当該信号及び電力は、FPC172を介して外部から、またはIC173から配線165に入力される。
図7では、COG(Chip On Glass)方式またはCOF(Chip on Film)方式等により、基板151にIC173が設けられている例を示す。IC173は、例えば走査線駆動回路または信号線駆動回路などを有するICを適用できる。なお、表示装置100A及び表示モジュールは、ICを設けない構成としてもよい。また、ICを、COF方式等により、FPCに実装してもよい。
図8に、図7で示した表示装置100Aの、FPC172を含む領域の一部、回路164を含む領域の一部、表示部162を含む領域の一部、及び、端部を含む領域の一部をそれぞれ切断したときの断面の一例を示す。
図8に示す表示装置100Aは、基板151と基板152の間に、トランジスタ201、トランジスタ205、トランジスタ206、発光素子190、受光素子110等を有する。
基板152と絶縁層214は接着層142を介して接着されている。発光素子190及び受光素子110の封止には、固体封止構造または中空封止構造などが適用できる。図8では、基板152、接着層142、及び絶縁層214に囲まれた空間143が、不活性ガス(窒素やアルゴンなど)で充填されており、中空封止構造が適用されている。接着層142は、発光素子190と重ねて設けられていてもよい。また、基板152、接着層142、及び絶縁層214に囲まれた空間143を、接着層142とは異なる樹脂で充填してもよい。
発光素子190は、絶縁層214側から画素電極191、共通層112、発光層193、共通層114、及び共通電極115の順に積層された積層構造を有する。画素電極191は、絶縁層214に設けられた開口を介して、トランジスタ206が有する導電層222bと接続されている。トランジスタ206は、発光素子190の駆動を制御する機能を有する。画素電極191の端部は、隔壁216によって覆われている。画素電極191は可視光を反射する材料を含み、共通電極115は可視光を透過する材料を含む。
受光素子110は、絶縁層214側から画素電極111、共通層112、活性層113、共通層114、及び共通電極115の順に積層された積層構造を有する。画素電極111は、絶縁層214に設けられた開口を介して、トランジスタ205が有する導電層222bと電気的に接続されている。画素電極111の端部は、隔壁216によって覆われている。画素電極111は可視光を反射する材料を含み、共通電極115は可視光を透過する材料を含む。
発光素子190が発する光は、基板152側に射出される。また、受光素子110には、基板152及び空間143を介して、光が入射する。基板152には、可視光に対する透過性が高い材料を用いることが好ましい。
画素電極111及び画素電極191は同一の材料及び同一の工程で作製することができる。共通層112、共通層114、及び共通電極115は、受光素子110と発光素子190との双方に用いられる。受光素子110と発光素子190とは、活性層113と発光層193の構成が異なる以外は全て共通の構成とすることができる。これにより、作製工程を大幅に増やすことなく、表示装置100Aに受光素子110を内蔵することができる。
基板152の基板151側の面には、遮光層BMが設けられている。遮光層BMは、受光素子110と重なる位置及び発光素子190と重なる位置に開口を有する。遮光層BMを設けることで、受光素子110が光を検出する範囲を制御することができる。また、遮光層BMを有することで、対象物を介さずに、発光素子190から受光素子110に光が直接入射することを抑制できる。したがって、ノイズが少なく感度の高いセンサを実現できる。
トランジスタ201、トランジスタ205、及びトランジスタ206は、いずれも基板151上に形成されている。これらのトランジスタは、同一の材料及び同一の工程により作製することができる。
基板151上には、絶縁層211、絶縁層213、絶縁層215、及び絶縁層214がこの順で設けられている。絶縁層211は、その一部が各トランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁層213は、その一部が各トランジスタのゲート絶縁層として機能する。絶縁層215は、トランジスタを覆って設けられる。絶縁層214は、トランジスタを覆って設けられ、平坦化層としての機能を有する。なお、ゲート絶縁層の数及びトランジスタを覆う絶縁層の数は限定されず、それぞれ単層であっても2層以上であってもよい。
トランジスタを覆う絶縁層の少なくとも一層に、水や水素などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁層をバリア層として機能させることができる。このような構成とすることで、トランジスタに外部から不純物が拡散することを効果的に抑制でき、表示装置の信頼性を高めることができる。
絶縁層211、絶縁層213、及び絶縁層215としては、それぞれ、無機絶縁膜を用いることが好ましい。無機絶縁膜としては、例えば、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。また、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化タンタル膜、酸化マグネシウム膜、酸化ランタン膜、酸化セリウム膜、及び酸化ネオジム膜等を用いてもよい。また、上述の絶縁膜を2以上積層して用いてもよい。
ここで、有機絶縁膜は、無機絶縁膜に比べてバリア性が低いことが多い。そのため、有機絶縁膜は、表示装置100Aの端部近傍に開口を有することが好ましい。これにより、表示装置100Aの端部から有機絶縁膜を介して不純物が入り込むことを抑制することができる。または、有機絶縁膜の端部が表示装置100Aの端部よりも内側にくるように有機絶縁膜を形成し、表示装置100Aの端部に有機絶縁膜が露出しないようにしてもよい。
平坦化層として機能する絶縁層214には、有機絶縁膜が好適である。有機絶縁膜に用いることができる材料としては、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、シロキサン樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、フェノール樹脂、及びこれら樹脂の前駆体等が挙げられる。
図8に示す領域228では、絶縁層214に開口が形成されている。これにより、絶縁層214に有機絶縁膜を用いる場合であっても、絶縁層214を介して外部から表示部162に不純物が入り込むことを抑制できる。したがって、表示装置100Aの信頼性を高めることができる。
トランジスタ201、トランジスタ205、及びトランジスタ206は、ゲートとして機能する導電層221、ゲート絶縁層として機能する絶縁層211、ソース及びドレインとして機能する導電層222a及び導電層222b、半導体層231、ゲート絶縁層として機能する絶縁層213、並びに、ゲートとして機能する導電層223を有する。ここでは、同一の導電膜を加工して得られる複数の層に、同じハッチングパターンを付している。絶縁層211は、導電層221と半導体層231との間に位置する。絶縁層213は、導電層223と半導体層231との間に位置する。
本実施の形態の表示装置が有するトランジスタの構造は特に限定されない。例えば、プレーナ型のトランジスタ、スタガ型のトランジスタ、逆スタガ型のトランジスタ等を用いることができる。また、トップゲート型またはボトムゲート型のいずれのトランジスタ構造としてもよい。または、チャネルが形成される半導体層の上下にゲートが設けられていてもよい。
トランジスタ201、トランジスタ205、及びトランジスタ206には、チャネルが形成される半導体層を2つのゲートで挟持する構成が適用されている。2つのゲートを接続し、これらに同一の信号を供給することによりトランジスタを駆動してもよい。または、2つのゲートのうち、一方に閾値電圧を制御するための電位を与え、他方に駆動のための電位を与えることで、トランジスタの閾値電圧を制御してもよい。
トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体(微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体)のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。
トランジスタの半導体層は、金属酸化物(酸化物半導体ともいう)を有することが好ましい。または、トランジスタの半導体層は、シリコンを有していてもよい。シリコンとしては、アモルファスシリコン、結晶性のシリコン(低温ポリシリコン、単結晶シリコンなど)などが挙げられる。
半導体層は、例えば、インジウムと、M(Mは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、スズ、銅、バナジウム、ベリリウム、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、及びマグネシウムから選ばれた一種または複数種)と、亜鉛と、を有することが好ましい。特に、Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、及びスズから選ばれた一種または複数種であることが好ましい。
特に、半導体層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜鉛(Zn)を含む酸化物(IGZOとも記す)を用いることが好ましい。
半導体層がIn−M−Zn酸化物の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットは、Inの原子数比がMの原子数比以上であることが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8、In:M:Zn=6:1:6、In:M:Zn=5:2:5等が挙げられる。
スパッタリングターゲットとしては、多結晶の酸化物を含むターゲットを用いると、結晶性を有する半導体層を形成しやすくなるため好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。例えば、半導体層に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の場合、成膜される半導体層の組成は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の近傍となる場合がある。
なお、原子数比がIn:Ga:Zn=4:2:3またはその近傍と記載する場合、Inの原子数比を4としたとき、Gaの原子数比が1以上3以下であり、Znの原子数比が2以上4以下である場合を含む。また、原子数比がIn:Ga:Zn=5:1:6またはその近傍であると記載する場合、Inの原子数比を5としたときに、Gaの原子数比が0.1より大きく2以下であり、Znの原子数比が5以上7以下である場合を含む。また、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1またはその近傍であると記載する場合、Inの原子数比を1としたときに、Gaの原子数比が0.1より大きく2以下であり、Znの原子数比が0.1より大きく2以下である場合を含む。
回路164が有するトランジスタと、表示部162が有するトランジスタは、同じ構造であってもよく、異なる構造であってもよい。回路164が有する複数のトランジスタの構造は、全て同じであってもよく、2種類以上あってもよい。同様に、表示部162が有する複数のトランジスタの構造は、全て同じであってもよく、2種類以上あってもよい。
基板151の、基板152が重ならない領域には、接続部204が設けられている。接続部204では、配線165が導電層166及び接続層242を介してFPC172と電気的に接続されている。接続部204の上面は、画素電極191と同一の導電膜を加工して得られた導電層166が露出している。これにより、接続部204とFPC172とを接続層242を介して電気的に接続することができる。
基板152の外側には各種光学部材を配置することができる。光学部材としては、偏光板、位相差板、光拡散層(拡散フィルムなど)、反射防止層、及び集光フィルム等が挙げられる。また、基板152の外側には、ゴミの付着を抑制する帯電防止膜、汚れを付着しにくくする撥水性の膜、使用に伴う傷の発生を抑制するハードコート膜、衝撃吸収層等を配置してもよい。
基板151及び基板152には、それぞれ、ガラス、石英、セラミック、サファイア、樹脂などを用いることができる。基板151及び基板152に可撓性を有する材料を用いると、表示装置の可撓性を高めることができる。
接着層としては、紫外線硬化型等の光硬化型接着剤、反応硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、嫌気型接着剤などの各種硬化型接着剤を用いることができる。これら接着剤としてはエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、イミド樹脂、PVC(ポリビニルクロライド)樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート)樹脂等が挙げられる。特に、エポキシ樹脂等の透湿性が低い材料が好ましい。また、二液混合型の樹脂を用いてもよい。また、接着シート等を用いてもよい。
接続層242としては、異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)、異方性導電ペースト(ACP:Anisotropic Conductive Paste)などを用いることができる。
発光素子190は、トップエミッション型、ボトムエミッション型、デュアルエミッション型などがある。光を取り出す側の電極には、可視光を透過する導電膜を用いる。また、光を取り出さない側の電極には、可視光を反射する導電膜を用いることが好ましい。
発光素子190は少なくとも発光層193を有する。発光素子190は、発光層193以外の層として、正孔注入性の高い物質、正孔輸送性の高い物質、正孔ブロック材料、電子輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、またはバイポーラ性の物質(電子輸送性及び正孔輸送性が高い物質)等を含む層をさらに有していてもよい。例えば、共通層112は、正孔注入層及び正孔輸送層の一方又は双方を有することが好ましい。例えば、共通層114は、電子輸送層及び電子注入層の一方または双方を有することが好ましい。
共通層112、発光層193、及び共通層114には低分子系化合物及び高分子系化合物のいずれを用いることもでき、無機化合物を含んでいてもよい。共通層112、発光層193、及び共通層114を構成する層は、それぞれ、蒸着法(真空蒸着法を含む)、転写法、印刷法、インクジェット法、塗布法等の方法で形成することができる。
発光層193は、発光材料として、量子ドットなどの無機化合物を有していてもよい。
受光素子110の活性層113は、半導体を含む。当該半導体としては、シリコンなどの無機半導体、及び、有機化合物を含む有機半導体が挙げられる。本実施の形態では、活性層が有する半導体として、有機半導体を用いる例を示す。有機半導体を用いることで、発光素子190の発光層193と、受光素子110の活性層113と、を同じ方法(例えば、真空蒸着法)で形成することができ、製造装置を共通化できるため好ましい。
活性層113が有するn型半導体の材料としては、フラーレン(例えばC60、C70等)またはその誘導体等の電子受容性の有機半導体材料が挙げられる。また、活性層113が有するp型半導体の材料としては、銅(II)フタロシアニン(Copper(II) phthalocyanine;CuPc)やテトラフェニルジベンゾペリフランテン(Tetraphenyldibenzoperiflanthene;DBP)等の電子供与性の有機半導体材料が挙げられる。
例えば、活性層113は、n型半導体とp型半導体と共蒸着して形成することが好ましい。
トランジスタのゲート、ソース及びドレインのほか、表示装置を構成する各種配線及び電極などの導電層に用いることのできる材料としては、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、及びタングステンなどの金属、並びに、当該金属を主成分とする合金などが挙げられる。これらの材料を含む膜を単層で、または積層構造として用いることができる。
また、透光性を有する導電材料としては、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛などの導電性酸化物またはグラフェンを用いることができる。または、金、銀、白金、マグネシウム、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、及びチタンなどの金属材料や、該金属材料を含む合金材料を用いることができる。または、該金属材料の窒化物(例えば、窒化チタン)などを用いてもよい。なお、金属材料、合金材料(またはそれらの窒化物)を用いる場合には、透光性を有する程度に薄くすることが好ましい。また、上記材料の積層膜を導電層として用いることができる。例えば、銀とマグネシウムの合金とインジウムスズ酸化物の積層膜などを用いると、導電性を高めることができるため好ましい。これらは、表示装置を構成する各種配線及び電極などの導電層や、表示素子が有する導電層(画素電極や共通電極として機能する導電層)にも用いることができる。
各絶縁層に用いることのできる絶縁材料としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料が挙げられる。
[表示装置100B]
図9Aに、表示装置100Bの断面図を示す。
表示装置100Bは、レンズ149及び保護層195を有する点で、主に表示装置100Aと異なる。
受光素子110及び発光素子190を覆う保護層195を設けることで、受光素子110及び発光素子190に水などの不純物が入り込むことを抑制し、受光素子110及び発光素子190の信頼性を高めることができる。
表示装置100Bの端部近傍の領域228において、絶縁層214の開口を介して、絶縁層215と保護層195とが互いに接することが好ましい。特に、絶縁層215が有する無機絶縁膜と保護層195が有する無機絶縁膜とが互いに接することが好ましい。これにより、有機絶縁膜を介して外部から表示部162に不純物が入り込むことを抑制することができる。したがって、表示装置100Bの信頼性を高めることができる。
図9Bに、保護層195が3層構造である例を示す。図9Bにおいて、保護層195は、共通電極115上の無機絶縁層195aと、無機絶縁層195a上の有機絶縁層195bと、有機絶縁層195b上の無機絶縁層195cと、を有する。
無機絶縁層195aの端部と無機絶縁層195cの端部は、有機絶縁層195bの端部よりも外側に延在し、互いに接している。そして、無機絶縁層195aは、絶縁層214(有機絶縁層)の開口を介して、絶縁層215(無機絶縁層)と接する。これにより、絶縁層215と保護層195とで、受光素子110及び発光素子190を囲うことができるため、受光素子110及び発光素子190の信頼性を高めることができる。
このように、保護層195は、有機絶縁膜と無機絶縁膜との積層構造であってもよい。このとき、有機絶縁膜の端部よりも無機絶縁膜の端部を外側に延在させることが好ましい。
基板152の基板151側の面に、レンズ149が設けられている。レンズ149は、基板151側に凸面を有する。受光素子110の受光領域は、レンズ149と重なり、かつ、発光層193と重ならないことが好ましい。これにより、受光素子110を用いたセンサの感度及び精度を高めることができる。
レンズ149は、1.3以上2.5以下の屈折率を有することが好ましい。レンズ149は、無機材料及び有機材料の少なくとも一方を用いて形成することができる。例えば、樹脂を含む材料をレンズ149に用いることができる。また、酸化物及び硫化物の少なくとも一方を含む材料をレンズ149に用いることができる。
具体的には、塩素、臭素、またはヨウ素を含む樹脂、重金属原子を含む樹脂、芳香環を含む樹脂、硫黄を含む樹脂などをレンズ149に用いることができる。または、樹脂と当該樹脂より屈折率の高い材料のナノ粒子を含む材料をレンズ149に用いることができる。酸化チタンまたは酸化ジルコニウムなどをナノ粒子に用いることができる。
また、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化亜鉛、インジウムとスズを含む酸化物、またはインジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物などを、レンズ149に用いることができる。または、硫化亜鉛などを、レンズ149に用いることができる。
また、表示装置100Bでは、保護層195と基板152とが接着層142によって貼り合わされている。接着層142は、受光素子110及び発光素子190とそれぞれ重ねて設けられており、表示装置100Bには、固体封止構造が適用されている。
[表示装置100C]
図10Aに、表示装置100Cの断面図を示す。
表示装置100Cは、トランジスタの構造が、表示装置100Bと異なる。
表示装置100Cは、基板151上に、トランジスタ208、トランジスタ209、及びトランジスタ210を有する。
トランジスタ208、トランジスタ209、及びトランジスタ210は、ゲートとして機能する導電層221、ゲート絶縁層として機能する絶縁層211、チャネル形成領域231i及び一対の低抵抗領域231nを有する半導体層、一対の低抵抗領域231nの一方と接続する導電層222a、一対の低抵抗領域231nの他方と接続する導電層222b、ゲート絶縁層として機能する絶縁層225、ゲートとして機能する導電層223、並びに、導電層223を覆う絶縁層215を有する。絶縁層211は、導電層221とチャネル形成領域231iとの間に位置する。絶縁層225は、導電層223とチャネル形成領域231iとの間に位置する。
導電層222a及び導電層222bは、それぞれ、絶縁層225及び絶縁層215に設けられた開口を介して低抵抗領域231nと接続される。導電層222a及び導電層222bのうち、一方はソースとして機能し、他方はドレインとして機能する。
発光素子190の画素電極191は、導電層222bを介してトランジスタ208の一対の低抵抗領域231nの一方と電気的に接続される。
受光素子110の画素電極111は、導電層222bを介してトランジスタ209の一対の低抵抗領域231nの他方と電気的に接続される。
図10Aでは、絶縁層225が半導体層の上面及び側面を覆う例を示す。一方、図10Bでは、絶縁層225は、半導体層231のチャネル形成領域231iと重なり、低抵抗領域231nとは重ならない。例えば、導電層223をマスクに絶縁層225が加工することで、図10Bに示す構造を作製できる。図10Bでは、絶縁層225及び導電層223を覆って絶縁層215が設けられ、絶縁層215の開口を介して、導電層222a及び導電層222bがそれぞれ低抵抗領域231nと接続されている。さらに、トランジスタを覆う絶縁層218を設けてもよい。
また、表示装置100Cは、有色層147を有する点で、表示装置100Bと異なる。
有色層147は、絶縁層214上に位置し、隔壁216が、有色層147の上面及び側面を覆うように設けられている。
図10Aでは、有色層147と受光素子110とが互いに離間して設けられている。同様に、有色層147と発光素子190とは、互いに離間して設けられている。有色層147は図10Aの配置に限られない。図10Cに示すように、有色層147が画素電極111の端部及び画素電極191の端部の一方または双方を覆っていてもよい。
図10Aにおいて、有色層147は、受光素子110及び発光素子190とそれぞれ離間して設けられるため、有色層147が抵抗率の低い層であっても、受光素子110及び発光素子190に影響を与えにくい。したがって、有色層147に用いる材料の選択の幅が広がり好ましい。
図10Cにおいて、有色層147は、画素電極111の端部及び画素電極191の端部を覆うため、有色層147が設けられる面積を広くすることができる。有色層147が設けられる面積が広いほど、表示装置内で生じた迷光を有色層147で吸収することができ、受光素子110に入射される迷光の量を低減でき、好ましい。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
[表示装置100D]
図11に、表示装置100Dの断面図を示す。
表示装置100Dは、有色層147を有さず、有色層148aを有する点で、表示装置100Cと異なる。
有色層148aは、受光素子110が有する画素電極111の上面に接する部分と、隔壁216の側面に接する部分と、を有する。
有色層148aが表示装置100D内で生じた迷光を吸収することで、受光素子110に入射される迷光の量を低減できる。これにより、ノイズを低減し、受光素子110を用いたセンサの感度を高めることができる。
また、表示装置100Dは、基板151及び基板152を有さず、基板153、基板154、接着層155、及び絶縁層212を有する点で、表示装置100Cと異なる。
基板153と絶縁層212とは接着層155によって貼り合わされている。基板154と保護層195とは接着層142によって貼り合わされている。
表示装置100Dは、作製基板上で形成された絶縁層212、トランジスタ208、トランジスタ209、受光素子110、及び発光素子190等を、基板153上に転置することで作製される構成である。基板153及び基板154は、それぞれ、可撓性を有することが好ましい。これにより、表示装置100Dの可撓性を高めることができる。
絶縁層212には、絶縁層211、絶縁層213、及び絶縁層215に用いることができる無機絶縁膜を用いることができる。
また、表示装置100Cでは、レンズ149を有さない例を示し、表示装置100Dでは、レンズ149を有する例を示す。レンズ149はセンサの用途等に応じて適宜設けることができる。
[金属酸化物]
以下では、半導体層に適用可能な金属酸化物について説明する。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。例えば、亜鉛酸窒化物(ZnON)などの窒素を有する金属酸化物を、半導体層に用いてもよい。
なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能または材料の構成の一例を表す。
例えば、半導体層にはCAC(Cloud−Aligned Composite)−OS(Oxide Semiconductor)を用いることができる。
CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの半導体層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)、及び非晶質酸化物半導体などがある。
CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形及び七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、CAAC−OSは、インジウム、及び酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、及び酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。
CAAC−OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損(V:oxygen vacancyともいう。)など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC−OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(以下、IGZO)は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、IGZOは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶(ここでは、数mmの結晶、または数cmの結晶)よりも小さな結晶(例えば、上述のナノ結晶)とする方が、構造的に安定となる場合がある。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、a−like OSは、nc−OS及びCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体(金属酸化物)は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。
半導体層として機能する金属酸化物膜は、不活性ガス及び酸素ガスのいずれか一方または双方を用いて成膜することができる。なお、金属酸化物膜の成膜時における酸素の流量比(酸素分圧)に、特に限定はない。ただし、電界効果移動度が高いトランジスタを得る場合においては、金属酸化物膜の成膜時における酸素の流量比(酸素分圧)は、0%以上30%以下が好ましく、5%以上30%以下がより好ましく、7%以上15%以下がさらに好ましい。
金属酸化物は、エネルギーギャップが2eV以上であることが好ましく、2.5eV以上であることがより好ましく、3eV以上であることがさらに好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
金属酸化物膜の成膜時の基板温度は、350℃以下が好ましく、室温以上200℃以下がより好ましく、室温以上130℃以下がさらに好ましい。金属酸化物膜の成膜時の基板温度が室温であると、生産性を高めることができ、好ましい。
金属酸化物膜は、スパッタリング法により形成することができる。そのほか、例えばPLD法、PECVD法、熱CVD法、ALD法、真空蒸着法などを用いてもよい。
以上のように、本実施の形態の表示装置は、表示部に受光素子と発光素子とを有し、表示部は画像を表示する機能と光を検出する機能との双方を有する。これにより、表示部の外部または表示装置の外部にセンサを設ける場合に比べて、電子機器の小型化及び軽量化を図ることができる。また、表示部の外部または表示装置の外部に設けるセンサと組み合わせて、より多機能の電子機器を実現することもできる。
受光素子は、活性層以外の少なくとも一層を、発光素子(EL素子)と共通の構成にすることができる。さらには、受光素子は、活性層以外の全ての層を、発光素子(EL素子)と共通の構成にすることもできる。例えば、発光素子の作製工程に、活性層を成膜する工程を追加するのみで、発光素子と受光素子とを同一基板上に形成することができる。また、受光素子と発光素子は、画素電極と共通電極とを、それぞれ、同一の材料及び同一の工程で形成することができる。また、受光素子と電気的に接続される回路と、発光素子と電気的に接続される回路と、を、同一の材料及び同一の工程で作製することで、表示装置の作製工程を簡略化できる。このように、複雑な工程を有さなくとも、受光素子を内蔵し、利便性の高い表示装置を作製することができる。
また、本実施の形態の表示装置は、受光素子と発光素子との間に、有色層を有する。当該有色層は、受光素子と発光素子とを電気的に絶縁する隔壁が兼ねていてもよい。有色層は、表示装置内の迷光を吸収することができるため、受光素子を用いたセンサの感度を高めることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。また、本明細書において、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置について、図12を用いて説明する。
本発明の一態様の表示装置は、受光素子を有する第1の画素回路と、発光素子を有する第2の画素回路と、を有する。第1の画素回路と第2の画素回路は、それぞれ、マトリクス状に配置される。
図12Aに、受光素子を有する第1の画素回路の一例を示し、図12Bに、発光素子を有する第2の画素回路の一例を示す。
図12Aに示す画素回路PIX1は、受光素子PD、トランジスタM1、トランジスタM2、トランジスタM3、トランジスタM4、及び容量素子C1を有する。ここでは、受光素子PDとして、フォトダイオードを用いた例を示している。
受光素子PDは、カソードが配線V1と電気的に接続し、アノードがトランジスタM1のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する。トランジスタM1は、ゲートが配線TXと電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が容量素子C1の一方の電極、トランジスタM2のソースまたはドレインの一方、及びトランジスタM3のゲートと電気的に接続する。トランジスタM2は、ゲートが配線RESと電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が配線V2と電気的に接続する。トランジスタM3は、ソースまたはドレインの一方が配線V3と電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方がトランジスタM4のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する。トランジスタM4は、ゲートが配線SEと電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が配線OUT1と電気的に接続する。
配線V1、配線V2、及び配線V3には、それぞれ定電位が供給される。受光素子PDを逆バイアスで駆動させる場合には、配線V2に、配線V1の電位よりも低い電位を供給する。トランジスタM2は、配線RESに供給される信号により制御され、トランジスタM3のゲートに接続するノードの電位を、配線V2に供給される電位にリセットする機能を有する。トランジスタM1は、配線TXに供給される信号により制御され、受光素子PDに流れる電流に応じて上記ノードの電位が変化するタイミングを制御する機能を有する。トランジスタM3は、上記ノードの電位に応じた出力を行う増幅トランジスタとして機能する。トランジスタM4は、配線SEに供給される信号により制御され、上記ノードの電位に応じた出力を配線OUT1に接続する外部回路で読み出すための選択トランジスタとして機能する。
図12Bに示す画素回路PIX2は、発光素子EL、トランジスタM5、トランジスタM6、トランジスタM7、及び容量素子C2を有する。ここでは、発光素子ELとして、発光ダイオードを用いた例を示している。特に、発光素子ELとして、有機EL素子を用いることが好ましい。
トランジスタM5は、ゲートが配線VGと電気的に接続し、ソースまたはドレインの一方が配線VSと電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が、容量素子C2の一方の電極、及びトランジスタM6のゲートと電気的に接続する。トランジスタM6のソースまたはドレインの一方は配線V4と電気的に接続し、他方は、発光素子ELのアノード、及びトランジスタM7のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する。トランジスタM7は、ゲートが配線MSと電気的に接続し、ソースまたはドレインの他方が配線OUT2と電気的に接続する。発光素子ELのカソードは、配線V5と電気的に接続する。
配線V4及び配線V5には、それぞれ定電位が供給される。発光素子ELのアノード側を高電位に、カソード側をアノード側よりも低電位にすることができる。トランジスタM5は、配線VGに供給される信号により制御され、画素回路PIX2の選択状態を制御するための選択トランジスタとして機能する。また、トランジスタM6は、ゲートに供給される電位に応じて発光素子ELに流れる電流を制御する駆動トランジスタとして機能する。トランジスタM5が導通状態のとき、配線VSに供給される電位がトランジスタM6のゲートに供給され、その電位に応じて発光素子ELの発光輝度を制御することができる。トランジスタM7は配線MSに供給される信号により制御され、トランジスタM6と発光素子ELとの間の電位を、配線OUT2を介して外部に出力する機能を有する。
受光素子PDのカソードが電気的に接続される配線V1と、発光素子ELのカソードが電気的に接続される配線V5は、同一の層、同一の電位とすることができる。
なお、本実施の形態の表示装置では、発光素子をパルス状に発光させることで、画像を表示してもよい。発光素子の駆動時間を短縮することで、表示装置の消費電力の低減、及び、発熱の抑制を図ることができる。特に、有機EL素子は周波数特性が優れているため、好適である。周波数は、例えば、1kHz以上100MHz以下とすることができる。
ここで、画素回路PIX1が有するトランジスタM1、トランジスタM2、トランジスタM3、及びトランジスタM4、並びに、画素回路PIX2が有するトランジスタM5、トランジスタM6、及びトランジスタM7には、それぞれチャネルが形成される半導体層に金属酸化物(酸化物半導体)を用いたトランジスタを適用することが好ましい。
シリコンよりもバンドギャップが広く、かつキャリア密度の小さい金属酸化物を用いたトランジスタは、極めて小さいオフ電流を実現することができる。そのため、その小さいオフ電流により、トランジスタと直列に接続された容量素子に蓄積した電荷を長期間に亘って保持することが可能である。そのため、特に容量素子C1または容量素子C2に直列に接続されるトランジスタM1、トランジスタM2、及びトランジスタM5には、酸化物半導体が適用されたトランジスタを用いることが好ましい。また、これ以外のトランジスタも同様に酸化物半導体を適用したトランジスタを用いることで、作製コストを低減することができる。
また、トランジスタM1乃至トランジスタM7に、チャネルが形成される半導体にシリコンを適用したトランジスタを用いることもできる。特に単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性の高いシリコンを用いることで、高い電界効果移動度を実現することができ、より高速な動作が可能となるため好ましい。
また、トランジスタM1乃至トランジスタM7のうち、一以上に酸化物半導体を適用したトランジスタを用い、それ以外にシリコンを適用したトランジスタを用いる構成としてもよい。
なお、図12A、図12Bにおいて、トランジスタをnチャネル型のトランジスタとして表記しているが、pチャネル型のトランジスタを用いることもできる。
画素回路PIX1が有するトランジスタと画素回路PIX2が有するトランジスタは、同一基板上に並べて形成されることが好ましい。特に、画素回路PIX1が有するトランジスタと画素回路PIX2が有するトランジスタとを1つの領域内に混在させて周期的に配列する構成とすることが好ましい。
また、受光素子PDまたは発光素子ELと重なる位置に、トランジスタ及び容量素子の一方又は双方を有する層を1つまたは複数設けることが好ましい。これにより、各画素回路の実効的な占有面積を小さくでき、高精細な受光部または表示部を実現できる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器について、図13〜図15を用いて説明する。
本実施の形態の電子機器は、本発明の一態様の表示装置を有する。例えば、電子機器の表示部に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。本発明の一態様の表示装置は、光を検出する機能を有するため、表示部で生体認証を行うこと、または、タッチもしくはニアタッチを検出することができる。これにより、電子機器の機能性や利便性などを高めることができる。
電子機器としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。
本実施の形態の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)を有していてもよい。
本実施の形態の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。
図13Aに示す電子機器6500は、スマートフォンとして用いることのできる携帯情報端末機である。
電子機器6500は、筐体6501、表示部6502、電源ボタン6503、ボタン6504、スピーカ6505、マイク6506、カメラ6507、及び光源6508等を有する。表示部6502はタッチパネル機能を備える。
表示部6502に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
図13Bは、筐体6501のマイク6506側の端部を含む断面概略図である。
筐体6501の表示面側には透光性を有する保護部材6510が設けられ、筐体6501と保護部材6510に囲まれた空間内に、表示パネル6511、光学部材6512、タッチセンサパネル6513、プリント基板6517、バッテリ6518等が配置されている。
保護部材6510には、表示パネル6511、光学部材6512、及びタッチセンサパネル6513が接着層(図示しない)により固定されている。
表示部6502よりも外側の領域において、表示パネル6511の一部が折り返されており、当該折り返された部分にFPC6515が接続されている。FPC6515には、IC6516が実装されている。FPC6515は、プリント基板6517に設けられた端子に接続されている。
表示パネル6511には本発明の一態様のフレキシブルディスプレイを適用することができる。そのため、極めて軽量な電子機器を実現できる。また、表示パネル6511が極めて薄いため、電子機器の厚さを抑えつつ、大容量のバッテリ6518を搭載することもできる。また、表示パネル6511の一部を折り返して、画素部の裏側にFPC6515との接続部を配置することにより、狭額縁の電子機器を実現できる。
図14Aにテレビジョン装置の一例を示す。テレビジョン装置7100は、筐体7101に表示部7000が組み込まれている。ここでは、スタンド7103により筐体7101を支持した構成を示している。
表示部7000に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
図14Aに示すテレビジョン装置7100の操作は、筐体7101が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機7111により行うことができる。または、表示部7000にタッチセンサを備えていてもよく、指等で表示部7000に触れることでテレビジョン装置7100を操作してもよい。リモコン操作機7111は、当該リモコン操作機7111から出力する情報を表示する表示部を有していてもよい。リモコン操作機7111が備える操作キーまたはタッチパネルにより、チャンネル及び音量の操作を行うことができ、表示部7000に表示される映像を操作することができる。
なお、テレビジョン装置7100は、受信機及びモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができる。また、モデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
図14Bに、ノート型パーソナルコンピュータの一例を示す。ノート型パーソナルコンピュータ7200は、筐体7211、キーボード7212、ポインティングデバイス7213、外部接続ポート7214等を有する。筐体7211に、表示部7000が組み込まれている。
表示部7000に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
図14C、図14Dに、デジタルサイネージの一例を示す。
図14Cに示すデジタルサイネージ7300は、筐体7301、表示部7000、及びスピーカ7303等を有する。さらに、LEDランプ、操作キー(電源スイッチ、または操作スイッチを含む)、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。
図14Dは円柱状の柱7401に取り付けられたデジタルサイネージ7400である。デジタルサイネージ7400は、柱7401の曲面に沿って設けられた表示部7000を有する。
図14C、図14Dにおいて、表示部7000に、本発明の一態様の表示装置を適用することができる。
表示部7000が広いほど、一度に提供できる情報量を増やすことができる。また、表示部7000が広いほど、人の目につきやすく、例えば、広告の宣伝効果を高めることができる。
表示部7000にタッチパネルを適用することで、表示部7000に画像または動画を表示するだけでなく、ユーザーが直感的に操作することができ、好ましい。また、路線情報もしくは交通情報などの情報を提供するための用途に用いる場合には、直感的な操作によりユーザビリティを高めることができる。
また、図14C、図14Dに示すように、デジタルサイネージ7300またはデジタルサイネージ7400は、ユーザーが所持するスマートフォン等の情報端末機7311または情報端末機7411と無線通信により連携可能であることが好ましい。例えば、表示部7000に表示される広告の情報を、情報端末機7311または情報端末機7411の画面に表示させることができる。また、情報端末機7311または情報端末機7411を操作することで、表示部7000の表示を切り替えることができる。
また、デジタルサイネージ7300またはデジタルサイネージ7400に、情報端末機7311または情報端末機7411の画面を操作手段(コントローラ)としたゲームを実行させることもできる。これにより、不特定多数のユーザーが同時にゲームに参加し、楽しむことができる。
図15A乃至図15Fに示す電子機器は、筐体9000、表示部9001、スピーカ9003、操作キー9005(電源スイッチ、または操作スイッチを含む)、接続端子9006、センサ9007(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)、マイクロフォン9008、等を有する。
図15A乃至図15Fに示す電子機器は、様々な機能を有する。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出して処理する機能、等を有することができる。なお、電子機器の機能はこれらに限られず、様々な機能を有することができる。電子機器は、複数の表示部を有していてもよい。また、電子機器にカメラ等を設け、静止画や動画を撮影し、記録媒体(外部またはカメラに内蔵)に保存する機能、撮影した画像を表示部に表示する機能、等を有していてもよい。
図15A乃至図15Fに示す電子機器の詳細について、以下説明を行う。
図15Aは、携帯情報端末9101を示す斜視図である。携帯情報端末9101は、例えばスマートフォンとして用いることができる。なお、携帯情報端末9101は、スピーカ9003、接続端子9006、センサ9007等を設けてもよい。また、携帯情報端末9101は、文字や画像情報をその複数の面に表示することができる。図15Aでは3つのアイコン9050を表示した例を示している。また、破線の矩形で示す情報9051を表示部9001の他の面に表示することもできる。情報9051の一例としては、電子メール、SNS、電話などの着信の通知、電子メールやSNSなどの題名、送信者名、日時、時刻、バッテリの残量、アンテナ受信の強度などがある。または、情報9051が表示されている位置にはアイコン9050などを表示してもよい。
図15Bは、携帯情報端末9102を示す斜視図である。携帯情報端末9102は、表示部9001の3面以上に情報を表示する機能を有する。ここでは、情報9052、情報9053、情報9054がそれぞれ異なる面に表示されている例を示す。例えばユーザーは、洋服の胸ポケットに携帯情報端末9102を収納した状態で、携帯情報端末9102の上方から観察できる位置に表示された情報9053を確認することもできる。ユーザーは、携帯情報端末9102をポケットから取り出すことなく表示を確認し、例えば電話を受けるか否かを判断できる。
図15Cは、腕時計型の携帯情報端末9200を示す斜視図である。携帯情報端末9200は、例えばスマートウォッチとして用いることができる。また、表示部9001はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、携帯情報端末9200は、例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、携帯情報端末9200は、接続端子9006により、他の情報端末と相互にデータ伝送を行うことや、充電を行うこともできる。なお、充電動作は無線給電により行ってもよい。
図15D、図15E、(F)は、折り畳み可能な携帯情報端末9201を示す斜視図である。また、図15Dは携帯情報端末9201を展開した状態、図15Fは折り畳んだ状態、図15Eは図15Dと図15Fの一方から他方に変化する途中の状態の斜視図である。携帯情報端末9201は、折り畳んだ状態では可搬性に優れ、展開した状態では継ぎ目のない広い表示領域により表示の一覧性に優れる。携帯情報端末9201が有する表示部9001は、ヒンジ9055によって連結された3つの筐体9000に支持されている。例えば、表示部9001は、曲率半径0.1mm以上150mm以下で曲げることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせることができる。
本実施例では、本発明の一態様の表示装置が有する1つの画素の撮像範囲を計算した結果について、図16〜図18を用いて説明する。
本実施例で計算に用いた構成要素とそれらの位置関係について、図16A、図16Bを用いて説明する。
図16A、図16Bに示すように、基板SUBに遮光層BMが設けられている。受光素子PDは、基板SUB及び遮光層BMと離間して設けられている。遮光層BMは開口を有し、受光素子PDは当該開口と重なる。
図16Bに示す構成は、基板SUBにレンズLEが設けられている点で、図16Aに示す構成と異なる。レンズLEは、遮光層BMの開口及び受光素子PDと重なる。
本実施例では、受光素子PDを指紋センサなどに用いることを想定して、被写体が基板SUBの表面に接していると仮定した。
本実施例では、図16A、図16Bに示す、受光素子PDのサイズd、受光素子PDの撮像範囲D、ピンホールと被写体との間の距離L1、受光素子PDとピンホールとの間の距離L2、ピンホールの直径pを用いて計算を行った。なお、距離L1は、基板SUBの光路長に相当する。また、図16Bにおける距離L1は、レンズLEと被写体との間の距離ともいえる。また、ピンホールの直径pは、遮光層BMの開口の直径に相当する。
まず、図16Aに示す構成を用いて、ピンホールの直径pと受光素子PDの撮像範囲Dとの関係を計算により求めた。
計算に用いた条件は、色ごとに発光層を塗り分ける方式のフレキシブルOLEDパネルに受光素子を搭載することを想定して決定した。
具体的には、精細度は254ppi、画素サイズは100μm□、受光素子PDのサイズdは14μm□、距離L2は30μmとした。また、1つの画素は、赤色(R)の副画素、緑色(G)の副画素、青色(B)の副画素、及び受光素子PDを有する副画素を有することを想定した。RGBの副画素の開口率の合計は10.1%、受光素子PDを有する副画素の開口率は2.0%、1つの画素の開口率は12.1%とした。
図17に、計算によって得られたピンホールの直径pと受光素子PDの撮像範囲Dとの関係を示す。図17では、距離L1の値がそれぞれ異なる5つの条件(距離L1=100μm、200μm、500μm、1000μm、及び2000μm)の結果を示す。
上記の通り、画素サイズ100μm□の条件で計算したため、受光素子PDの撮像範囲Dが100μm以下であると、1つの受光素子PDの撮像範囲が1画素分の領域内に収まるといえる。一方、受光素子PDの撮像範囲Dが100μmを超えると、隣接する受光素子PDの撮像範囲Dと重なるため、撮像により得た画像がぼやけてしまう。
図17から、距離L1が100μm及び200μmの条件では、受光素子PDの撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができるピンホールの直径pの条件があるとわかった。また、距離L1が500μm以上の条件では、直径p≒0μmの条件であっても、受光素子PDの撮像範囲Dが1画素分の領域より広くなってしまうとわかった。
なお、隣接する受光素子PDの撮像範囲Dが重なる条件及び構成であっても、撮像後に画像のぼやけを低減する画像処理を行うことで、より鮮明な画像を得ることができる。一方、受光素子PDの撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができると、当該画像処理が不要となり、好ましい。
また、上述の通り、距離L1は基板SUBの光路長に相当するため、距離L1を短くするためには、基板SUBを薄くする必要がある。そのため、フレキシブルOLEDパネルの強度及び曲げ耐性が低くなる恐れがある。
そこで、レンズLEを用いることで、受光素子PDの撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができる距離L1の範囲を広げられるか、計算を行った。
具体的には、図16Bに示す構成を用いて、受光素子PDの撮像範囲Dと、ピンホール−被写体間の距離L1の関係を計算により求めた。
計算に用いた条件は、上記と同様である。ピンホールの直径pは14μmとした。
図18に、計算によって得られた受光素子PDの撮像範囲Dと、ピンホール−被写体間の距離L1の関係を示す。
図18から、距離L1が215μm以下のとき、受光素子PDの撮像範囲Dは100μm以下であり、撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができるとわかった。
一方、図17から、レンズLEを用いない場合、直径p=14μm、距離L1=100μmの条件では、撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができるが、直径p=14μm、距離L1=200μmの条件では、受光素子PDの撮像範囲Dが100μmより広いことがわかる。
つまり、図17及び図18の結果から、レンズLEを用いることで、受光素子PDの撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができる距離L1の範囲が広くなったことがわかった。具体的には、ピンホールの直径pが同じ場合、レンズLEを用いることで、レンズLEを用いない場合に比べて、距離L1を長くしても、撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができることがわかった。
距離L1を長くできるほど、基板SUBの厚さを厚くできる。例えば、基板自体の厚さを厚くできるほか、帯電防止膜、撥水性の膜、ハードコート膜、及び衝撃吸収層等の少なくとも一つを基板に加えて配置することができる。したがって、フレキシブルOLEDパネルの強度、曲げ耐性、及び信頼性を高めることができる。
以上のように、本実施例の結果から、レンズLEの有無に関わらず、受光素子PDの撮像範囲Dを1画素分の領域に収めることができる条件があることが確認できた。また、レンズLEを設けることで、当該条件を広くすることができることがわかった。例えば、基板SUBの厚さを厚くできるため、フレキシブルOLEDパネルの強度、曲げ耐性、及び信頼性を高められることが示唆された。
本実施例では、受光素子を作製し、当該受光素子をイメージセンサに用いることで、撮像を行った結果について説明する。
本実施例の受光素子1は、発光素子と構造の共通化を図った構成であり、発光素子の発光層を受光素子の活性層に置き換えて作製可能な積層構造を有する。比較受光素子2は、発光素子と構造の共通化を図っていない構成であり、イメージセンサに適した積層構造を有する。
本実施例で用いる材料の化学式を以下に示す。
Figure 2020053692
本実施例の受光素子の素子構造を表1に示す。また、表1を用いて、受光素子1及び比較受光素子2について説明する。
Figure 2020053692
[受光素子1]
表1に示すように、受光素子1では、第1の電極として、厚さ約50nmのチタン膜、厚さ約200nmのアルミニウム膜、及び厚さ約5nmのチタン膜の3層構造を用いた。
受光素子1の第1のバッファ層は、発光素子の正孔注入層及び正孔輸送層に対応する層である。
まず、正孔注入層に対応する層を、3−[4−(9−フェナントリル)−フェニル]−9−フェニル−9H−カルバゾール(略称:PCPPn)と、酸化モリブデンとを、重量比がPCPPn:酸化モリブデン=2:1となるように共蒸着することで、形成した。正孔注入層に対応する層の厚さは、約15nmとなるように形成した。
次に、正孔輸送層に対応する層を、N−(1,1’−ビフェニル−4−イル)−N−[4−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)フェニル]−9,9−ジメチル−9H−フルオレン−2−アミン(略称:PCBBiF)を用い、厚さが60nmとなるように蒸着した。
受光素子1の活性層は、フラーレン(C70)とテトラフェニルジベンゾペリフランテン(略称:DBP)とを、重量比がC70:DBP=9:1となるように共蒸着することで、形成した。活性層の厚さは、約60nmとなるように形成した。
受光素子1の第2のバッファ層は、発光素子の電子輸送層及び電子注入層に対応する層である。
まず、電子輸送層に対応する層を、2−[3’−(ジベンゾチオフェン−4−イル)ビフェニル−3−イル]ジベンゾ[f,h]キノキサリン(略称:2mDBTBPDBq−II)の厚さが10nm、2,9−ビス(ナフタレン−2−イル)−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン(略称:NBPhen)の厚さが10nmとなるように順次蒸着して形成した。
次に、電子注入層に対応する層を、フッ化リチウム(LiF)を用い、厚さが1nmとなるように蒸着して形成した。
受光素子1の第2の電極は、銀(Ag)とマグネシウム(Mg)との体積比を10:1とし、厚さが9nmとなるように共蒸着して形成した後、インジウム錫酸化物(ITO)をスパッタリング法により、厚さが70nmとなるように形成した。
以上により、受光素子1を作製した。
[比較受光素子2]
表1に示すように、比較受光素子2は、第1の電極として、厚さ約50nmのチタン膜、厚さ約200nmのアルミニウム膜、及び厚さ約5nmのチタン膜の3層構造を用いた。
比較受光素子2の第1のバッファ層は、フラーレン(C70)を用いて、厚さが約10nmとなるように蒸着した。
比較受光素子2の活性層は、受光素子1と同様であり、フラーレン(C70)とDBPとを、重量比がC70:DBP=9:1となるように共蒸着することで、形成した。活性層の厚さは、約60nmとなるように形成した。
比較受光素子2の第2のバッファ層は、酸化モリブデンを用いて、厚さが約60nmとなるように蒸着した。
比較受光素子2の第2の電極は、ITOをスパッタリング法により、厚さが約70nmとなるように形成した。
以上により、比較受光素子2を作製した。
[受光素子1の電流−照射光強度特性]
図19に、受光素子1の電流−照射光強度特性を評価した結果を示す。図19において、縦軸は電流(A)を表し、横軸は照射光強度(W/cm)を表す。
受光素子1の受光領域は、2mm×2mmであった。
受光素子1に電圧を−2V印加した状態で、波長λ=550nmの光を1μW/cmから40μW/cmの条件で照射し、電流量を測定した。なお、ここで印加した電圧(−2V)は、通常、EL素子に印加するバイアスを正とした場合の値である。つまり、第1の電極側が高電位で第2の電極側が低電位である場合が、正である。
図19から、照射光強度に対して線形に電流量が変化していることが確認された。これにより、受光素子1を用いたイメージセンサは、正常に動作することが示唆された。
[撮像結果]
次に、受光素子1及び比較受光素子2それぞれを用いてイメージセンサチップを作製し、静止画の撮像を行った。
受光素子1を用いたイメージセンサチップの撮像結果を、図20A、図20Bに示す。図20Aは補正前のデータである。また、受光素子1を用いたイメージセンサチップであらかじめ撮像した全白画像及び全黒画像を用いて、補正前のデータについて、階調及び画素間のムラなどを補正した。図20Bが補正後のデータである。
比較受光素子2を用いたイメージセンサチップの撮像結果を、図20C、図20Dに示す。図20Cは補正前のデータである。また、比較受光素子2を用いたイメージセンサチップであらかじめ撮像した全白画像及び全黒画像を用いて、補正前のデータについて、階調及び画素間のムラなどを補正した。図20Dが補正後のデータである。
図20A〜図20Dに示すように、受光素子1を用いたイメージセンサチップ及び比較受光素子2を用いたイメージセンサチップのどちらにおいても、静止画の撮像を良好に行うことができた。つまり、発光素子と構造の共通化を図った構成の受光素子1を用いて、イメージセンサに適した積層構造の比較受光素子2を用いる場合と同等の撮像結果を得ることができた。
以上のように、本実施例では、発光素子と構造の共通化を図った構成の受光素子を用いて、良好な撮像が行えるイメージセンサを作製することができた。
本実施例では、表示部に、受光素子及び発光素子を有する表示装置を作製した結果について説明する。
[断面構造]
図21に、表示装置の画素を構成するデバイス構造を示す。
本実施例で作製した表示装置の1つの画素は、Red(R)、Green(G)、Blue(B)の3色の有機EL素子OLED及び1つの有機フォトダイオードOPDの計4つの素子と、これら4つの素子をそれぞれ独立に駆動するための回路(駆動回路43、44)と、を有する。
4つの素子は、それぞれ、基板151(ガラス基板)上に設けられている。さらに、基板151上には、有機フォトダイオードOPDの画素電極111と電気的に接続される駆動回路43と、有機EL素子OLEDの画素電極191と電気的に接続される駆動回路44が設けられている。有機フォトダイオードOPDは、対向基板側から入射した光を検出する構成である。有機EL素子OLEDは、対向基板側(図21では共通電極115側)に光を発するトップエミッション構造である。画素電極111及び画素電極191は、可視光を反射する機能を有する。
4つの素子は、それぞれ、正孔輸送層が作り分けられており、さらに、各色の有機EL素子OLEDの発光層と有機フォトダイオードOPDの活性層とが、作り分けられている。具体的には、有機フォトダイオードOPDは正孔輸送層186及び活性層113を有し、赤色の有機EL素子OLEDは正孔輸送層196R及び発光層193Rを有し、緑色の有機EL素子OLEDは正孔輸送層196G及び発光層193Gを有し、青色の有機EL素子OLEDは正孔輸送層196B及び発光層193Bを有する。
共通層112、114a、114b、及び共通電極115は、4つの素子で共通の構成であり、共通のマスクを用いて形成される。本実施例において、共通層112は、正孔注入層であり、共通層114aは、電子輸送層であり、共通層114bは、電子注入層である。共通電極115は、可視光を透過する機能及び可視光を反射する機能を有する。
このように、R、G、Bの3色の発光素子を作り分ける構成から、有機フォトダイオードOPDを含めた4種を作り分ける構成に変更するのみで、有機ELディスプレイの表示部の一面全体にフォトセンサを形成することができる。本実施例の表示装置の構成は、フォトセンサを別のモジュールとして組み込む場合に比べて、プロセス面、コスト面、及びデザイン性の面で優れ、小型化及びフレキシブル化が容易である。
本実施例の表示装置における撮像方法について、図1Cを用いて説明する。本実施例の表示装置による撮像は、有機EL素子OLEDが発した光を光源に用いて、撮像物からの反射光を有機フォトダイオードOPDで検出することにより行う。
図1Cに示すように、基板59(対向基板)に接した指52の指紋を撮像する場合には、有機EL素子OLEDが発する光を、基板59上の指52が反射し、有機フォトダイオードOPDがその反射光を検出する。このとき、指紋の凹凸の反射率の差を利用することで、指紋を撮像することができる。
また、本実施例の表示装置では、対向基板に黒色樹脂層が設けられている。当該黒色樹脂層は、図2Aに示す遮光層BMに相当する。黒色樹脂層を設けることで、有機EL素子OLEDの発光が、表示装置内で反射し、当該反射光が直接有機フォトダイオードOPDに入射されることを抑制できる。さらに、黒色樹脂層は、有機フォトダイオードOPDが撮像する範囲の調整のためにも用いている。黒色樹脂層の開口部の径を、目的とする撮像範囲に合わせて設定することで、撮像画像がぼやけることを抑制できる。
指紋の撮像は、単色の光のみで検出することができ、カラー撮像でなくてよいが、本実施例の表示装置は、R、G、Bの有機EL素子を順次発光させ、それぞれの反射光を時分割で検出することで、カラー撮像も可能である。例えば、対向基板上にカラー画像を配置し、当該カラー画像をカラーでスキャンすることができる。この方式を用いる場合、可視光領域全体に対し感度を有する有機フォトダイオードOPDが配置されていればよく、R用、G用、B用の個々の有機フォトダイオードOPDを配置する必要がないため、高精細化に有利である。
[受光素子の検討]
上述の通り、本実施例の表示装置では、上部電極である共通電極115が可視光を透過する機能及び可視光を反射する機能を有しており、有機EL素子OLEDと有機フォトダイオードOPDの双方にマイクロキャビティ構造が適用される。これにより、有機EL素子OLEDの色純度を向上させることができ、有機フォトダイオードOPDにおいては、感知する波長の幅が狭くなる。
図22に、本実施例の表示装置に採用した有機フォトダイオードOPDと同様の構成を適用した受光素子における、分光感度の波長依存性と正孔輸送層の膜厚との関係を示す。図22には、当該受光素子の規格化した吸収スペクトルを合わせて示す。図22において、第1縦軸は分光感度(任意単位)、第2縦軸は吸収スペクトル(任意単位)、横軸は波長(単位:nm)である。
なお、本実施例の受光素子の材料は、画素電極111に、銀(Ag)とパラジウム(Pd)と銅(Cu)の合金(Ag−Pd−Cu(APC))膜と酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物(ITSO)膜の積層構造を用い、正孔輸送層にPCPPnを用いた以外は、実施例2の受光素子1(表1)と同様である。
図22に示すように、受光素子の吸収帯は、可視光領域全体に存在しており、赤色領域で長波長になるほど吸光度が低下することがわかった。これに対し、受光素子の分光感度はピークを有し、当該ピークは正孔輸送層の膜厚に依存してシフトすることがわかった。このことから、感知したい波長領域に対して、有機フォトダイオードOPDの正孔輸送層の膜厚を適切に調整する必要があることが確認された。
本実施例では、緑色の有機EL素子OLEDを発光させて指紋の撮像を行う。したがって、緑色(波長約550nm)を中心に、青色から赤色までを広くカバーできる、正孔輸送層の膜厚が40nmの有機フォトダイオードOPDを本実施例の表示装置に採用した。
図23に、正孔輸送層の膜厚が40nmの有機フォトダイオードOPDに、波長550nmの単色光を照射した場合の、入射光強度と光電流の関係を示す。図23において、縦軸は電流密度(単位:μA/cm)、横軸は入射光強度(単位:μW/cm)である。
図23に示すように、印加電圧が−2V以下の場合に、入射光強度と光電流の間の線形関係が確認できた。特に、−3V以上−6V以下の場合は、電圧依存性が小さく、飽和領域を有していることが確認できた。
画像をスキャンする場合、アナログ階調でのセンシングが求められる。また、カラー画像をスキャンする場合、感知できる波長域が広いことが求められる。そのため、広い波長域に対して、入射光強度と光電流の間の線形性と、広い飽和領域を有している必要がある。図22及び図23から、有機EL素子OLEDとデバイス構造の一部を共通化した有機フォトダイオードOPDが、上記要件を満たし、光センサとして問題なく動作できることが確認できた。
[表示装置の構成]
本実施例では、画面サイズが対角3.07インチ、画素数が360(H)×540(V)、画素ピッチが120μm×120μm、精細度が212ppiである、アクティブマトリクス型の表示装置を作製した。ゲートドライバは内蔵し、ソースドライバは外付けのICをCOG方式により実装した。読み出し回路は、アナログ電圧順次出力とした。
本実施例の表示装置は、酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタをスイッチング素子として用いた。CAAC−OSを半導体層に用いたトランジスタは、オフ電流が非常に小さいという特徴を有している。この特徴により、センシングの面では、グローバルシャッター方式での撮像が可能になるというメリットがある。また、静止画において、画像の書き換え回数を削減でき、低消費電力に繋がる駆動(IDS駆動)が可能になる。
なお、IDS駆動とは、通常よりも低速のフレーム周波数で動作するアイドリング・ストップ駆動である。IDS駆動では、画像データの書き込み処理を実行した後、画像データの書き換えを停止する。一旦画像データの書き込みをして、その後、次の画像データの書き込みまでの間隔を延ばすことで、その間の画像データの書き込みに要する分の消費電力を削減することができる。IDS駆動のフレーム周波数は、例えば、通常動作(代表的には60Hz以上240Hz以下)の1/100以上1/10以下とすることができる。静止画は、連続するフレーム間でビデオ信号が同じである。よって、IDS駆動モードは、静止画を表示する場合に特に有効である。
通常、画像の書き換え動作は、センサに対してノイズとなるため、SN比を低下させる。しかし、IDS駆動の場合、センシングしている間、画像を保持したまま、画像の書き換え動作を停止できる。よって、画像の書き換えによるノイズの影響を受けずにセンシングすることができ、SN比の低下を抑制できる。
本実施例の表示装置では、1フレームを表示の期間とセンシングの期間に分けた。センシングの期間はIDS駆動を用いることで、画像の書き換えを行わず、センシング時のノイズを低減させた。また、指紋認証や画像のスキャニングには、有機EL素子OLEDが発する光を光源として用いるため、有機EL素子OLEDの発光の輝度を一定に保持することが必要である。この場合も、IDS駆動を採用することで、ノイズが低減でき、良好なセンシングを行うことができる。
[表示結果]
図24に、本実施例の表示装置の表示結果を示す。図24に示すように、表示部に、受光素子及び発光素子を有する表示装置において、画像を良好に表示できることが確認された。
[撮像結果]
図25に、本実施例の表示装置において、有機EL素子OLEDが発する光を光源に、有機フォトダイオードOPDを用いて撮像した結果を示す。なお、取得した撮像画像に対して、事前に測定した白表示と黒表示の検出値を基準値として画像補正を実施した。また、画像補正の際、撮像画像の検出値が当該基準値から大きく外れる値を示す箇所については黒表示の値に補正した。
図25は、画像を紙に印刷し、当該紙の印刷面を表示装置側に向けて、表示装置上に当該紙を配置し、撮像した結果である。露光時間は1.78msec、読み出し時間は248msecとした。RGB時分割により、カラー撮像を行った。図25に示すように、本実施例の表示装置を用いて、カラー画像を良好に撮像できることが確認できた。
また、表示装置上に指を載せ、緑色の有機EL素子OLEDを発光させて、指紋の撮像を行ったところ、指紋の凹凸に起因した紋様を良好に撮像することができた。このことから、本実施例の表示装置を用いて、指紋と同程度の高解像度の撮像ができることが確認できた。
C1:容量素子、C2:容量素子、EL:発光素子、IR:発光素子、L1:距離、L2:距離、LE:レンズ、M1:トランジスタ、M2:トランジスタ、M3:トランジスタ、M4:トランジスタ、M5:トランジスタ、M6:トランジスタ、M7:トランジスタ、OLED:有機EL素子、OPD:有機フォトダイオード、OUT1:配線、OUT2:配線、PD:受光素子、PIX1:画素回路、PIX2:画素回路、SUB:基板、V1:配線、V2:配線、V3:配線、V4:配線、V5:配線、10A:表示装置、10B:表示装置、10C:表示装置、10D:表示装置、10E:表示装置、10F:表示装置、10G:表示装置、10H:表示装置、10J:表示装置、10K:表示装置、10L:表示装置、10M:表示装置、21:発光、22:光、23a:光、23b:反射光、23c:光、23d:反射光、41:トランジスタ、42:トランジスタ、43:駆動回路、44:駆動回路、50A:表示装置、50B:表示装置、51:基板、52:指、53:受光素子を有する層、55:トランジスタを有する層、57:発光素子を有する層、59:基板、100A:表示装置、100B:表示装置、100C:表示装置、100D:表示装置、110:受光素子、111:画素電極、112:共通層、113:活性層、114:共通層、114a:共通層、114b:共通層、115:共通電極、142:接着層、143:空間、146:レンズアレイ、147:有色層、148:有色層、148a:有色層、148b:有色層、148c:有色層、149:レンズ、151:基板、152:基板、153:基板、154:基板、155:接着層、162:表示部、164:回路、165:配線、166:導電層、172:FPC、173:IC、182:バッファ層、184:バッファ層、186:正孔輸送層、190:発光素子、191:画素電極、192:バッファ層、193:発光層、193B:発光層、193G:発光層、193R:発光層、194:バッファ層、195:保護層、195a:無機絶縁層、195b:有機絶縁層、195c:無機絶縁層、196B:正孔輸送層、196G:正孔輸送層、196R:正孔輸送層、201:トランジスタ、204:接続部、205:トランジスタ、206:トランジスタ、208:トランジスタ、209:トランジスタ、210:トランジスタ、211:絶縁層、212:絶縁層、213:絶縁層、214:絶縁層、215:絶縁層、216:隔壁、217:隔壁、218:絶縁層、221:導電層、222a:導電層、222b:導電層、223:導電層、225:絶縁層、228:領域、231:半導体層、231i:チャネル形成領域、231n:低抵抗領域、242:接続層、6500:電子機器、6501:筐体、6502:表示部、6503:電源ボタン、6504:ボタン、6505:スピーカ、6506:マイク、6507:カメラ、6508:光源、6510:保護部材、6511:表示パネル、6512:光学部材、6513:タッチセンサパネル、6515:FPC、6516:IC、6517:プリント基板、6518:バッテリ、7000:表示部、7100:テレビジョン装置、7101:筐体、7103:スタンド、7111:リモコン操作機、7200:ノート型パーソナルコンピュータ、7211:筐体、7212:キーボード、7213:ポインティングデバイス、7214:外部接続ポート、7300:デジタルサイネージ、7301:筐体、7303:スピーカ、7311:情報端末機、7400:デジタルサイネージ、7401:柱、7411:情報端末機、9000:筐体、9001:表示部、9003:スピーカ、9005:操作キー、9006:接続端子、9007:センサ、9008:マイクロフォン、9050:アイコン、9051:情報、9052:情報、9053:情報、9054:情報、9055:ヒンジ、9101:携帯情報端末、9102:携帯情報端末、9200:携帯情報端末、9201:携帯情報端末

Claims (15)

  1. 表示部を有する表示装置であり、
    前記表示部は、受光素子及び第1の発光素子を有し、
    前記受光素子は、第1の画素電極、活性層、及び共通電極を有し、
    前記第1の発光素子は、第2の画素電極、発光層、及び前記共通電極を有し、
    前記活性層は、前記第1の画素電極上に位置し、
    前記活性層は、第1の有機化合物を有し、
    前記発光層は、前記第2の画素電極上に位置し、
    前記発光層は、前記第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有し、
    前記共通電極は、前記活性層を介して前記第1の画素電極と重なる部分と、前記発光層を介して前記第2の画素電極と重なる部分と、を有する、表示装置。
  2. 表示部を有する表示装置であり、
    前記表示部は、受光素子及び第1の発光素子を有し、
    前記受光素子は、第1の画素電極、共通層、活性層、及び共通電極を有し、
    前記第1の発光素子は、第2の画素電極、前記共通層、発光層、及び前記共通電極を有し、
    前記活性層は、前記第1の画素電極上に位置し、
    前記活性層は、第1の有機化合物を有し、
    前記発光層は、前記第2の画素電極上に位置し、
    前記発光層は、前記第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有し、
    前記共通層は、前記第1の画素電極上及び前記第2の画素電極上に位置し、
    前記共通層は、前記活性層と重なる部分と、前記発光層と重なる部分と、を有し、
    前記共通電極は、前記共通層及び前記活性層を介して前記第1の画素電極と重なる部分と、前記共通層及び前記発光層を介して前記第2の画素電極と重なる部分と、を有する、表示装置。
  3. 表示部を有する表示装置であり、
    前記表示部は、受光素子、第1の発光素子、及び第2の発光素子を有し、
    前記受光素子は、第1の画素電極、共通層、活性層、及び共通電極を有し、
    前記第1の発光素子は、第2の画素電極、前記共通層、第1の発光層、及び前記共通電極を有し、
    前記第2の発光素子は、第3の画素電極、前記共通層、第2の発光層、及び前記共通電極を有し、
    前記活性層は、前記第1の画素電極上に位置し、
    前記活性層は、第1の有機化合物を有し、
    前記第1の発光層は、前記第2の画素電極上に位置し、
    前記第1の発光層は、前記第1の有機化合物とは異なる第2の有機化合物を有し、
    前記第2の発光層は、前記第3の画素電極上に位置し、
    前記第2の発光層は、前記第1の有機化合物及び前記第2の有機化合物とは異なる第3の有機化合物を有し、
    前記共通層は、前記第1の画素電極上、前記第2の画素電極上、及び前記第3の画素電極上に位置し、
    前記共通層は、前記活性層と重なる部分と、前記第1の発光層と重なる部分と、前記第2の発光層と重なる部分と、を有し、
    前記共通電極は、前記共通層及び前記活性層を介して前記第1の画素電極と重なる部分と、前記共通層及び前記第1の発光層を介して前記第2の画素電極と重なる部分と、前記共通層及び前記第2の発光層を介して前記第3の画素電極と重なる部分と、を有する、表示装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一において、
    前記表示部は、さらに、レンズを有し、
    前記レンズは、前記受光素子と重なる部分を有し、
    前記レンズを透過した光が、前記受光素子に入射する、表示装置。
  5. 請求項1乃至3のいずれか一において、
    前記表示部は、さらに、隔壁を有し、
    前記隔壁は、前記第1の画素電極の端部及び前記第2の画素電極の端部を覆い、
    前記隔壁は、前記第1の画素電極と前記第2の画素電極とを電気的に絶縁する機能を有する、表示装置。
  6. 請求項5において、
    前記隔壁は、前記第1の発光素子が発した光の少なくとも一部を吸収する機能を有する、表示装置。
  7. 請求項5において、
    前記表示部は、さらに、有色層を有し、
    前記有色層は、前記第1の画素電極の上面に接する部分と、前記隔壁の側面に接する部分と、を有する、表示装置。
  8. 請求項5において、
    前記表示部は、さらに、絶縁層及び有色層を有し、
    前記有色層、前記第1の画素電極、及び前記第2の画素電極は、それぞれ、前記絶縁層の上面に接する部分を有し、
    前記隔壁は、前記有色層の上面及び側面を覆う、表示装置。
  9. 請求項5において、
    前記表示部は、さらに、絶縁層及び有色層を有し、
    前記隔壁、前記第1の画素電極、及び前記第2の画素電極は、それぞれ、前記絶縁層の上面に接する部分を有し、
    前記隔壁は、前記絶縁層に達する開口を有し、
    前記有色層は、前記開口を介して前記絶縁層と接する部分と、前記隔壁の上面に接する部分と、を有する、表示装置。
  10. 請求項7乃至9のいずれか一において、
    前記有色層は、カラーフィルタまたはブラックマトリクスを有する、表示装置。
  11. 請求項6乃至9のいずれか一において、
    前記表示部は、さらに、レンズを有し、
    前記レンズは、前記受光素子と重なる部分を有し、
    前記レンズを透過した光が、前記受光素子に入射する、表示装置。
  12. 請求項11において、
    前記表示部は、さらに、遮光層を有し、
    前記遮光層の端部は、前記レンズの端部と重なり、
    前記遮光層は、前記隔壁と重なる、表示装置。
  13. 請求項1乃至3のいずれか一において、
    前記表示部は、可撓性を有する、表示装置。
  14. 請求項1乃至3のいずれか一に記載の表示装置と、コネクタ及び集積回路のうち少なくとも一方と、を有する、表示モジュール。
  15. 請求項14に記載の表示モジュールと、
    アンテナ、バッテリ、筐体、カメラ、スピーカ、マイク、及び操作ボタンのうち少なくとも一つと、を有する、電子機器。
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