WO2021192068A1 - 発光素子および発光素子の制御方法 - Google Patents

発光素子および発光素子の制御方法 Download PDF

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上田 吉裕
久幸 内海
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting element and a method for controlling the light emitting element.
  • Patent Document 1 discloses an organic electroluminescence device in which a cathode, an organic light emitting layer, an inorganic thin film layer, and an anode are laminated.
  • a switching element such as a thin film transistor (TFT) is used. That is, it can be said that by combining the light emitting unit and the TFT, it functions as one light emitting element. Further, as a method of connecting the TFT and the light emitting unit, for example, it is conceivable to stack and connect the two. However, the luminous efficiency of the light emitting element may not be obtained depending on the combination of the type of TFT, the configuration of the light emitting portion, the stacking order of the TFT and the light emitting portion, and the like. Therefore, one embodiment of the present invention is to provide a light emitting element capable of obtaining good light emitting efficiency.
  • TFT thin film transistor
  • the light emitting element of one embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode facing the first electrode, and a light emitting layer provided between the first electrode and the second electrode and containing a phosphor. , A first insulating layer provided on the second electrode side of the metal layer, and a second insulating layer provided on the light emitting layer side of the metal layer, from the second electrode to the said. Between the laminate having a thickness capable of injecting charge into the light emitting layer, the first power source for applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and the metal layer and the second electrode.
  • the second electrode includes a second power source that applies a voltage having a polarity opposite to that of the voltage applied by the first power source.
  • One embodiment of the present invention can provide a light emitting element capable of obtaining good luminous efficiency.
  • FIG. It is sectional drawing which shows typically an example of the laminated structure of the light emitting element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a timing chart which shows an example of the control method of the 1st power source and the 2nd power source of the light emitting element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a timing chart which shows an example of the control method of the 1st power source and the 2nd power source of the light emitting element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a timing chart which shows an example of the control method of the 1st power source and the 2nd power source of the light emitting element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a flowchart of an example which shows the manufacturing process of the light emitting element which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 2 It is a flowchart of an example which shows the manufacturing process of the functional laminate in FIG. It is a timing chart which shows an example of the 1st power source of the light emitting element which concerns on Embodiment 2 and the control method of the 1st power source. It is a timing chart which shows an example of the control method of the 1st power source and the 2nd power source of the light emitting element which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a laminated structure of light emitting elements 1 according to the present embodiment.
  • the light emitting element 1 includes, for example, a thin film transistor (TFT) 10 provided on a substrate 2 and a light emitting unit 20.
  • the light emitting unit 20 is controlled by the TFT 10 which is a switching element and emits light.
  • TFT 10 thin film transistor
  • a display device can be configured by forming a plurality of these pixels side by side.
  • the TFT 10 has, for example, a gate electrode 11, a gate insulating layer 12, a channel layer 13, a source electrode 14, and a drain electrode 15.
  • the gate electrode 11 is formed on the substrate 2.
  • An insulating layer may be provided between the substrate 2 and the gate electrode 11.
  • the gate electrode 11 is formed of, for example, a metal material such as copper or titanium.
  • the gate insulating layer 12 is formed on the gate electrode 11.
  • the gate insulating layer 12 insulates the gate electrode 11.
  • the gate insulating layer 12 is formed of, for example, a transparent insulating material such as silicon nitride or silicon oxide.
  • the channel layer 13 is formed on the gate electrode 11 and the gate insulating layer 12.
  • the TFT 10 in this embodiment is, for example, an n-channel TFT.
  • the channel layer 13 is composed of an n-type semiconductor (hereinafter, the n-type semiconductor in the channel layer 13 may be referred to as a second n-type semiconductor).
  • n-type semiconductor hereinafter, the n-type semiconductor in the channel layer 13 may be referred to as a second n-type semiconductor.
  • Examples of materials that can be used as this n-type semiconductor include IGZO (indium gallium / zinc oxide), IZO (indium / zinc oxide), GZO (gallium-added zinc oxide), AZO (aluminum-added zinc oxide), ZnO, and the like. Examples thereof include In 2 O 3 and Ga 2 O 3.
  • the portion of the channel layer 13 connected to the source electrode 14 and the portion connected to the drain electrode 15 are p-type semiconductors, for example, by doping with impurities.
  • the TFT 10 is an n-channel type TFT has been described, but the present invention is not limited to this, and the TFT 10 may be, for example, a p-channel type TFT or the like.
  • the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed on the channel layer 13 and are connected to the channel layer 13, respectively.
  • the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed of, for example, a metal material such as copper or titanium.
  • a flattening layer 16 is laminated on the TFT 10.
  • the flattening layer 16 insulates, for example, the channel layer 13, the source electrode 14, and the drain electrode 15.
  • an insulating material such as an acrylic resin or a polyimide resin is used.
  • a light emitting portion 20 is formed on the flattening layer 16.
  • the light emitting unit 20 and the TFT 10 are electrically connected to each other.
  • the light emitting unit 20 in the present embodiment has, for example, a light emitting layer 22 sandwiched between a cathode 21 as a second electrode and an anode 24 as a first electrode. Further, a hole transport layer 23 is provided between the anode 24 and the light emitting layer 22. Further, a functional laminate 30 is provided between the cathode 21 and the light emitting layer 22.
  • the anode 24 supplies holes to the light emitting layer 22. Further, the anode 24 is provided so as to face the cathode 21.
  • the anode 24 is made of, for example, a conductive material having conductivity.
  • the anode 24 is preferably transparent. Specific examples of the transparent conductive material include ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), SnO 2 (tin oxide), and FTO (fluorine-doped tin oxide).
  • the anode 24 is electrically connected to, for example, the source electrode 14.
  • the anode 24 is electrically connected to the cathode 21 via the TFT 10 which is a switching element.
  • a first power supply 40 is provided between the anode 24 and the source electrode 14. The first power supply 40 applies a voltage that makes the cathode 21 negative between the anode 24 and the cathode 21.
  • the cathode 21 supplies electrons to the light emitting layer 22.
  • the cathode 21 in this embodiment is made of, for example, an n-type semiconductor.
  • n-type semiconductor examples include IGZO (indium gallium zinc oxide), IZO (indium gallium zinc oxide), GZO (gallium-added zinc oxide), AZO (aluminum-added zinc oxide), and ZnO.
  • Oxide semiconductors such as In 2 O 3 and Ga 2 O 3 can be mentioned.
  • the cathode 21 is electrically connected to the drain electrode 15. It is preferable that the cathode 21 and the drain electrode 15 are directly connected. Further, since the cathode 21 in the present embodiment is formed of an n-type semiconductor, it also functions as an electron injection layer that promotes the injection of electrons into the so-called light emitting layer 22 and an electron transport layer that transports electrons to the light emitting layer 22. Also serves as. Therefore, it is not necessary to provide an electron injection layer, an electron transport layer, or the like in addition to the cathode 21, and the number of bonding interfaces that can be a barrier for electron injection between the cathode 21 and the electron injection layer is reduced, and the light emitting element 1 is driven. The voltage can be lowered and good luminous efficiency can be obtained. Furthermore, it can be formed by using the same equipment as the channel layer 13 in the TFT 10, the manufacturing process can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the cathode 21 is made of an n-type semiconductor has been described, but for example, it may be made of a conductive material having conductivity.
  • a conductive material examples include ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), SnO 2 (tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide) and the like.
  • an electron injection layer, an electron transport layer, or the like may be provided on the light emitting layer 22 side of the cathode 21.
  • the light emitting layer 22 emits light by the holes supplied from the anode 24 and the electrons supplied from the cathode 21. That is, the light emitting layer 22 is provided between the cathode 21 and the anode 24.
  • the light emitting layer 22 contains, for example, a phosphor or the like. Examples of the phosphor include organic light emitting materials, quantum dots such as semiconductor nanoparticles, and the like.
  • the hole transport layer 23 transports holes from the anode 24 to the light emitting layer 22.
  • the hole transport layer 23 is preferably transparent. Specific examples of the material used for the hole transport layer 23, for example, NiO, Cr 2 O 3, MgO, LaNiO 3, MoO 3, WO 3 , and the like. Further, the hole transport layer 23 may also serve as a hole injection layer that promotes the injection of holes from the anode 24 into the light emitting layer 22.
  • the light emitting layer 22 and the hole transporting layer 23 in the present embodiment are formed in a predetermined pattern separated in an island shape, for example, in the bank 25.
  • the bank 25 for example, an insulating material such as an acrylic resin or a polyimide resin is used.
  • the anode 24 is, for example, a common electrode formed on the entire surface.
  • the functional laminate 30 is a laminate in which the first insulating layer 31, the metal layer 32, and the second insulating layer 33 are laminated from the cathode 21 side.
  • the functional laminate 30 is, for example, a laminate having a thickness capable of injecting electrons (charges) from the cathode 21 into the light emitting layer 22, and promotes the supply of electrons from the cathode 21 to the light emitting layer 22.
  • the thickness of the functional laminate 30 is preferably 3 nm or more and 20 nm or less.
  • the thickness of the first insulating layer 31, the metal layer 32, and the second insulating layer 33 can be measured by, for example, an SEM (scanning electron microscope) and / or an optical microscope.
  • the first insulating layer 31 insulates the metal layer 32 and the cathode 21.
  • the first insulating layer 31 is formed of, for example, an organic material such as a polyimide resin or an acrylic resin, SiN, SiO 2 , SiON, SiC, AlN, AlON, Al 2 O 3 .
  • the thickness of the first insulating layer 31 is preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 5 nm or less.
  • the second insulating layer 33 insulates the metal layer 32 and the light emitting layer 22.
  • the second insulating layer 33 is in direct contact with, for example, the light emitting layer 22.
  • the thickness of the second insulating layer 33 is preferably 5 nm or less.
  • the second insulating layer 33 is formed of, for example, an organic material such as a polyimide resin or an acrylic resin, SiN, SiO 2 , SiON, SiC, AlN, AlON, Al 2 O 3 .
  • the thickness of the second insulating layer 33 is preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 5 nm or less.
  • the functional laminate 30 in the present embodiment is formed in a predetermined pattern separated in an island shape, for example, in the insulating layer 34.
  • an insulating material such as an acrylic resin or a polyimide resin is used.
  • the metal layer 32 includes, for example, Al (aluminum), Mg (magnesium), Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Pt (platinum), Ni (nickel), Mo (molybdenum), Cr (chromium). ) And other metal materials. Further, the metal layer 32 is electrically connected to, for example, the drain electrode 15. As a result, the metal layer 32 is electrically connected to the cathode 21 via the drain electrode 15. Further, a second power supply 41 is provided between the metal layer 32 and the cathode 21. The second power supply 41 applies a voltage that makes the cathode 21 positive between the metal layer 32 and the cathode 21.
  • the polarity of the cathode 21 when a voltage is applied between the metal layer 32 and the cathode 21 by the second power supply 41 is the polarity when a voltage is applied between the anode 24 and the cathode 21 by the first power supply 40.
  • the polarity is opposite to that of the cathode 21.
  • the electric field generated by the voltage applied by the second power source 41 can tilt the CBM between the cathode 21 and the first insulating layer 31 and accelerate electrons from the cathode 21 to allow the first insulating layer 31 to pass through. ..
  • the thickness of the metal layer 32 is preferably 1 nm or more and 10 nm or less. Thereby, for example, electrons can be more efficiently supplied from the cathode 21 to the light emitting layer 22 via the functional laminate 30.
  • FIGS. 2, 3 and 4 show an example of a control method for the first power supply 40 and the second power supply 41, respectively.
  • a period in which the first power supply 40 applies a voltage in which the cathode 21 becomes negative between the anode 24 and the cathode 21, and a second power supply 41 are used. It is preferable to control so as to synchronize the period in which the voltage at which the cathode 21 becomes positive is applied between the metal layer 32 and the cathode 21. As a result, electrons can be more reliably injected from the cathode 21 into the light emitting layer 22. Further, when the control method of the light emitting element 1 shown in FIG. 2 is adopted, it is preferable that the metal layer 32 and the drain electrode 15 of the TFT 10 are connected.
  • the on and off of the first power supply 40 and the second power supply 41 can be synchronized by switching by the TFT 10, and the power consumption can be reduced. ..
  • the period of applying the voltage may be at least partially synchronized.
  • the first power supply 40 is controlled so that a voltage at which the cathode 21 is negative is constantly applied between the anode 24 and the cathode 21, and the second power supply 40 is controlled.
  • the timing at which the power supply 41 applies a voltage that makes the cathode 21 positive between the metal layer 32 and the cathode 21 may be controlled.
  • the ratio of the voltage applied by the second power supply 41 to the voltage applied by the first power supply 40 is preferably 80 or more and 120 or more, and more preferably 90 or more and 110 or less. As a result, electrons can be more efficiently supplied from the cathode 21 to the light emitting layer 22 via the functional laminate 30.
  • the metal layer 32 may function as a reflective layer that reflects the light emitted from the light emitting layer 22.
  • the light emitting element 1 functions as a so-called top emission type light emitting element that reflects the light from the light emitting layer 22 by the metal layer 32 and displays the light toward the anode 24 side.
  • the thickness of the metal layer 32 is, for example, preferably 1 nm or more and 10 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 10 nm or less.
  • the metal layer 32 as the reflective layer is preferably Al from the viewpoint of reflectance and the like.
  • the functional laminate 30 which is a laminate in which the first insulating layer 31, the metal layer 32, and the second insulating layer 33 are laminated from the cathode 21 side, the anode 24, and the cathode.
  • a first power supply 40 for applying a voltage in which the cathode 21 is negative is provided between the metal layer 32 and a second power supply 41 for applying a voltage in which the cathode 21 is positive between the metal layer 32 and the cathode 21.
  • the voltage from the first power supply 40 and the voltage from the second power supply 41 can efficiently supply electrons from the cathode 21 to the light emitting layer 22 via the functional laminate 30.
  • the TFT 10 is formed on the substrate 2 (S1).
  • the method for forming the TFT 10 is not particularly limited, and for example, the TFT 10 can be manufactured by a conventional method.
  • a flattening layer 16 is formed on the TFT 10 so that the surface becomes flat (S2).
  • the flattening layer 16 can be formed, for example, by applying a solution in which an insulating material such as polyimide is dissolved on the TFT 10 and baking it.
  • a cathode 21 is formed on the flattening layer 16 (S3).
  • the cathode 21 is formed by, for example, a sputtering method.
  • the cathode 21 is, for example, patterned into a predetermined shape.
  • a first mask is formed in which the portion corresponding to the drain electrode 15 on the flattening layer 16 opens. Then, the flattening layer 16 of the opening of the first mask is removed by ashing through the first mask to form a contact hole portion where the drain electrode 15 is exposed. After that, the first mask is removed.
  • a second mask is formed on the flattening layer 16 to cover the portion of the flattening layer 16 that does not form a cathode, and a layer of a material forming the cathode 21 is formed. Then, by removing the second mask and at the same time removing the portion corresponding to the second mask, the cathode 21 having a predetermined shape is formed. As a result, the cathode 21 and the drain electrode 15 are electrically connected via the contact hole portion. Further, the cathode 21 and the channel layer 13 are also electrically connected via the drain electrode 15.
  • a functional laminate 30 is formed on the cathode 21 (S4). The case of forming the functional laminate 30 will be described more specifically with reference to FIG.
  • an insulating layer 34 is formed on the cathode 21 (S41).
  • the insulating layer 34 can be formed, for example, by applying a solution in which an insulating material such as polyimide is dissolved on the TFT 10 and baking it.
  • a third mask is formed in which the portion of the insulating layer 34 corresponding to the cathode 21 opens. Then, the insulating layer 34 of the opening of the third mask is removed by ashing through the third mask to form an opening to be exposed by the cathode 21.
  • the first insulating layer 31 is formed on the cathode 21 of the opening (S41).
  • the first insulating layer 31 can be formed by applying a solution in which an insulating material such as Al 2 O 3 is dissolved and baking it.
  • a metal layer 32 is formed on the first insulating layer 31 of the opening (S42).
  • the metal layer 32 can be formed, for example, by a sputtering method.
  • a second insulating layer 33 is formed on the metal layer 32 of the opening (S43).
  • the second insulating layer 33 can be formed by applying a solution in which an insulating material such as Al 2 O 3 is dissolved and baking it.
  • Bank 25 is formed on the functional laminate 30 (S5).
  • the bank 25 can be formed, for example, by the same method as the flattening layer 16. More specifically, for example, an insulating material is applied onto the cathode 21 and baked to form a layer made of the insulating material. Then, a fourth mask is formed on the layer made of the insulating material so that the portion corresponding to the cathode 21 opens. Then, ashing is performed through the fourth mask to form a bank 25 having an opening in which the cathode 21 is exposed. After that, the fourth mask is removed.
  • a light emitting layer 22 is formed on the cathode 21 exposed at the opening of the bank 25 (S6). That is, the light emitting layer 22 patterned in a predetermined shape matching the opening of the bank 25 is formed.
  • the light emitting layer 22 can be formed by various methods such as vapor deposition of a light emitting material such as a phosphor via a mask and application to the opening of the bank 25 by inkjet.
  • the hole transport layer 23 is formed on the light emitting layer 22 formed at the opening of the bank 25 (S7). That is, the hole transport layer 23 patterned in a predetermined shape matching the opening of the bank 25 is formed.
  • the hole transport layer 23 can be formed by various methods such as vapor deposition of a light emitting material such as a phosphor via a mask and application to the opening of the bank 25 by inkjet.
  • An anode 24 is formed on the bank 25 and the hole transport layer 23 (S8).
  • the anode 24 can be formed, for example, by a sputtering method.
  • the anode 24 may be formed on the entire surface of the substrate 2 on the hole transport layer 23, for example.
  • a sealing layer may be formed to seal the light emitting element 1.
  • the light emitting element 1 according to the present embodiment can be manufactured.
  • the bank 25, the light emitting layer 22, and the like are formed after the cathode 21 is formed.
  • the cathode 21 is formed of, for example, an oxide semiconductor material, it is resistant to the environment at the time of forming the bank 25, the light emitting layer 22, and the like. Therefore, it is possible to suppress deterioration of luminous efficiency when the light emitting element 1 is used.
  • the cathode when a metal material such as Mg or Al is used for the cathode, it may be deteriorated by oxidation or the like in the environment at the time of forming the bank 25, the light emitting layer 22 or the like, and the light emitting element 1 In this case, the luminous efficiency may be deteriorated.
  • the first electrode is the anode and the second electrode is the cathode
  • the first electrode may be the cathode and the second electrode may be the anode.
  • the first power supply applies a voltage between the first electrode and the second electrode that makes the polarity of the second electrode positive
  • the second power supply is between the metal layer and the second electrode.
  • the functional laminate can efficiently inject holes (charges) from the anode, which is the second electrode, into the light emitting layer.
  • the second power supply 41 is a DC power supply, but in the second embodiment, the second power supply 41 is an AC power supply. Since the other configurations are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • 7 and 8 show an example of the control method of the first power supply 40 and the second power supply in the second embodiment.
  • the positive and negative of the first power supply applied voltage and the second power supply applied voltage shown in FIGS. 7 and 8 indicate the polarities of the second electrode, respectively.
  • the light emitting element 1 of the second embodiment has a second power source of an AC power source, so that the first power source does not apply a voltage between the first electrode and the second electrode.
  • the polarity of the second electrode is the same as the polarity of the second electrode when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode by the first power supply while the two power supplies are between the metal layer and the second electrode. You may apply the voltage which becomes.
  • the polarity of the voltage applied by the second power supply 41 is reversed, and the cathode 23 applies a positive voltage to release the excess charge stored in the cathode 21 or the light emitting layer 22. Can be done.
  • the capacitance between the metal layer 32 and the cathode 21 can be ignored, enabling a faster response with less delay.
  • the first power source since the second power source is an AC power source, the first power source constantly applies a voltage between the first electrode and the second electrode.
  • the polarity of the second electrode is the same as the polarity of the second electrode when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode by the first power supply.
  • the brightness of the light emitting element 1 may be controlled by applying a voltage having a polarity.
  • the second power supply 41 is driven by reversing the polarity of the applied voltage.
  • the polarity of the voltage applied by the second power supply 41 is reversed, and the cathode 23 applies a positive voltage to release the excess charge stored in the cathode 21 or the light emitting layer 22. Can be done.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is substantially the same as the configuration shown in the above-described embodiment, has the same effect and effect, or can achieve the same object. May be replaced with.

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Abstract

発光素子は、第1電極と、前記第1電極に対向する第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、蛍光体を含む発光層と、金属層と、前記金属層の前記第2電極側に設けられた第1絶縁層と、前記金属層の前記発光層側に設けられた第2絶縁層とを含み、前記第2電極から前記発光層への電荷注入が可能な厚さの積層体と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する第1電源と、前記金属層と前記第2電極との間に、前記第1電源によって前記第1電極と前記第2電極の間に電圧が印加されたときの前記第2電極の極性と反対の極性となる電圧を印加する第2電源と、を備える。

Description

発光素子および発光素子の制御方法
 本発明は、発光素子および発光素子の制御方法に関する。
 例えば、特許文献1には、陰極、有機発光層、無機薄膜層、陽極が積層された有機エレクトロルミネッセンス素子が開示されている。
特開2000-235893号公報
 引用文献1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子(発光部)を駆動させるには、例えば、薄膜トランジスタ(TFT)等のスイッチング素子が用いられる。つまり、発光部とTFTとを組み合わせることにより、1つの発光素子として機能するということができる。また、TFTと発光部とを接続する方法としては、例えば、両者を積層して接続することが考えられる。しかしながら、TFTの種類、発光部の構成、TFTと発光部との積層順等の組み合わせによっては、発光素子の発光効率が得られない場合がある。そこで、本発明の一形態は、良好な発光効率が得られる発光素子を提供することにある。
 本発明の一形態の発光素子は、第1電極と、前記第1電極に対向する第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、蛍光体を含む発光層と、金属層と、前記金属層の前記第2電極側に設けられた第1絶縁層と、前記金属層の前記発光層側に設けられた第2絶縁層とを含み、前記第2電極から前記発光層への電荷注入が可能な厚さの積層体と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する第1電源と、前記金属層と前記第2電極との間に、前記第2電極が前記第1電源によって印加された電圧の極性と反対の極性となる電圧を印加する第2電源と、を備える。
 本発明の一形態は、良好な発光効率が得られる発光素子を提供することができる。
実施形態1に係る発光素子の積層構造の一例を模式的に示す断面図である。 実施形態1に係る発光素子の第1電源および第2電源の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 実施形態1に係る発光素子の第1電源および第2電源の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 実施形態1に係る発光素子の第1電源および第2電源の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 実施形態1に係る発光素子の製造工程を示す一例のフローチャートである。 図2における機能性積層体の製造工程を示す一例のフローチャートである。 実施形態2に係る発光素子の第1電源および第で電源の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 実施形態2に係る発光素子の第1電源および第2電源の制御方法の一例を示すタイミングチャートである。
 〔実施形態1〕
 以下に、本開示の実施の一形態について説明する。図1は、本実施形態に係る発光素子1の積層構造の一例を模式的に示す断面図である。
 図1に示すように、発光素子1は、例えば、基板2上に設けられた薄膜トランジスタ(TFT)10と、発光部20とを備える。発光部20は、スイッチング素子であるTFT10により制御され、発光する。図1では、1つの画素について説明するが、例えば、この画素を複数並べて形成することにより、表示装置を構成することができる。
 TFT10は、例えば、ゲート電極11と、ゲート絶縁層12と、チャネル層13と、ソース電極14と、ドレイン電極15と、を有する。
 ゲート電極11は、基板2上に形成されている。基板2とゲート電極11との間に絶縁層を設けてもよい。ゲート電極11は、例えば、銅やチタン等の金属材料から形成される。
 ゲート絶縁層12は、ゲート電極11上に形成されている。ゲート絶縁層12は、ゲート電極11を絶縁する。ゲート絶縁層12は、例えば、シリコン窒化物やシリコン酸化物等の透明な絶縁材料から形成される。
 チャネル層13は、ゲート電極11およびゲート絶縁層12上に形成されている。本実施形態におけるTFT10は、例えば、nチャネル型TFTである。チャネル層13は、n型半導体(以下、チャネル層13におけるn型半導体を第2n型半導体と称することがある)からなる。このn型半導体となり得る材料としては、例えば、IGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化物)、GZO(ガリウム添加酸化亜鉛)、AZO(アルミニウム添加酸化亜鉛)、ZnO、In、Ga等が挙げられる。また、チャネル層13におけるソース電極14に接続されている部分およびドレイン電極15に接続されている部分は、例えば、不純物をドーピングするなどしてp型半導体となっている。上記では、TFT10がnチャネル型TFTである場合について説明したが、これに限らず、TFT10は、例えばpチャネル型TFT等であってもよい。
 ソース電極14およびドレイン電極15は、チャネル層13上に形成され、それぞれ、チャネル層13と接続されている。ソース電極14およびドレイン電極15は、例えば、銅やチタン等の金属材料から形成される。
 TFT10上には、例えば、平坦化層16が積層されている。平坦化層16は、例えば、チャネル層13、ソース電極14、ドレイン電極15を絶縁する。平坦化層16には、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁材料が用いられる。
 平坦化層16上には、発光部20が形成されている。発光部20と、TFT10とは、電気的に接続されている。
 図1に示すように、本実施形態における発光部20は、例えば、第2電極として陰極21と、第1電極として陽極24との間に挟まれた発光層22を有する。また、陽極24と発光層22との間には、正孔輸送層23が設けられている。さらに、陰極21と発光層22との間には、機能性積層体30が設けられている。
 陽極24は、発光層22に正孔を供給する。また、陽極24は、陰極21と対向するように設けられている。陽極24は、例えば、導電性を有する導電性材料からなる。そして、陽極24は、透明であることが好ましい。透明な導電性材料としては、具体的には、例えば、ITO(インジウムスズ酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、SnO(酸化スズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)等が挙げられる。
 また、陽極24は、例えば、ソース電極14に電気的に接続されている。これにより、陽極24は、スイッチング素子であるTFT10を介して、陰極21に電気的に接続される。さらに、例えば、陽極24とソース電極14との間に第1電源40が設けられている。この第1電源40は、陽極24と陰極21との間に、陰極21が負になる電圧を印加する。
 陰極21は、発光層22に電子を供給する。また、本実施形態における陰極21は、例えば、n型半導体からなる。このn型半導体となり得る材料としては、例えば、IGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化物)、GZO(ガリウム添加酸化亜鉛)、AZO(アルミニウム添加酸化亜鉛)、ZnO、In、Ga等の酸化物半導体が挙げられる。
 さらに、陰極21は、ドレイン電極15に電気的に接続されている。陰極21とドレイン電極15とは直接接続されていることが好ましい。また、本実施形態における陰極21は、n型半導体で形成されているため、いわゆる発光層22への電子の注入を促進する電子注入層、発光層22に電子を輸送する電子輸送層の機能も兼ねる。そのため、陰極21に加えて、電子注入層および電子輸送層等を設ける必要はなく、陰極21と電子注入層との間等の電子注入の障壁となり得る接合界面が少なくなり、発光素子1の駆動電圧を下げ、良好な発光効率を得ることができる。さらにまた、上記TFT10におけるチャネル層13と同様の設備を使用して形成することができ、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
 なお、上記では、陰極21がn型半導体からなる場合について説明したが、例えば、導電性を有する導電性材料からなっていてもよい。このような導電性材料としては、例えば、ITO(インジウムスズ酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、SnO(酸化スズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)等が挙げられる。陰極21を導電性材料で形成した場合、例えば、電子注入層、電子輸送層等を、陰極21の発光層22側に設けてもよい。
 発光層22は、陽極24から供給される正孔と、陰極21から供給される電子とにより発光する。つまり、発光層22は、陰極21と陽極24との間に設けられている。発光層22は、例えば、蛍光体等を含む。蛍光体としては、例えば、有機発光材料、半導体ナノ粒子等である量子ドット等が挙げられる。
 正孔輸送層23は、陽極24からの正孔を発光層22に輸送する。そして、正孔輸送層23は、透明であることが好ましい。正孔輸送層23に使用される材料の具体例としては、例えば、NiO、Cr、MgO、LaNiO、MoO、WO等が挙げられる。また、正孔輸送層23は、陽極24から発光層22への正孔の注入を促進する正孔注入層を兼ねていてもよい。
 なお、本実施形態における発光層22および正孔輸送層23は、バンク25において例えば島状に分離された所定のパターンで形成されている。上記バンク25には、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁材料が用いられる。一方、陽極24は、例えば、全面に形成した共通電極となっている。
 機能性積層体30は、陰極21側から、第1絶縁層31、金属層32、第2絶縁層33が積層された積層体である。この機能性積層体30は、例えば、陰極21から発光層22への電子(電荷)注入が可能な厚さの積層体であり、陰極21から発光層22への電子の供給を促進させる。機能性積層体30の厚さは、3nm以上、20nm以下であることが好ましい。なお、第1絶縁層31、金属層32、第2絶縁層33の厚さは、例えば、SEM(走査型電子顕微鏡)及び/又は光学顕微鏡により測定することができる。
 第1絶縁層31は、金属層32と陰極21とを絶縁する。第1絶縁層31は、例えば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などの有機材料や、SiN、SiO、SiON、SiC、AlN、AlON、Alから形成される。また、第1絶縁層31の厚さは、1nm以上、5nm以下であることが好ましく、3nm以上、5nm以下であることがより好ましい。
 第2絶縁層33は、金属層32と発光層22とを絶縁する。第2絶縁層33は、例えば、発光層22と直接接している。第2絶縁層33の厚さは、5nm以下であることが好ましい。第2絶縁層33は、例えば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などの有機材料や、SiN、SiO、SiON、SiC、AlN、AlON、Alから形成される。また、第2絶縁層33の厚さは、1nm以上、5nm以下であることが好ましく、3nm以上、5nm以下であることがより好ましい。
 また、本実施形態おける機能性積層体30は、絶縁層34において例えば島状に分離された所定のパターンで形成されている。第1絶縁層31、第2絶縁層33、絶縁層34には、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁材料が用いられる。
 金属層32は、例えば、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、Mo(モリブデン)、Cr(クロム)等の金属材料から形成される。また、金属層32は、例えば、ドレイン電極15に電気的に接続されている。これにより金属層32は、ドレイン電極15を介して陰極21に電気的に接続される。さらに、金属層32と陰極21との間には第2電源41が設けられている。この第2電源41は、金属層32と陰極21との間に、陰極21が正になる電圧を印加する。すなわち、第2電源41によって金属層32と陰極21との間に電圧が印加されたときの陰極21の極性は、第1電源40によって陽極24と陰極21の間に電圧が印加されたときの陰極21の極性と反対の極性である。この第2電源41により印加される電圧により生じる電界によって、陰極21と第1絶縁層31とにおけるCBMを傾斜させるとともに、陰極21から電子を加速させて第1絶縁層31を透過させることができる。そして、金属層32の厚さは、1nm以上、10nm以下であることが好ましい。これにより、例えば、機能性積層体30を介して、より効率的に陰極21から発光層22へ電子を供給することができる。
 図2および図3、図4は、第1電源40と第2電源41の制御方法の一例をそれぞれ示す。図2および図3、図4に示す第1電源印加電圧および第2電源印加電圧の正負は、それぞれ陰極21の極性を示す。
 発光素子1の制御方法としては、例えば、図2が示すように、第1電源40が陽極24と陰極21との間に陰極21が負となる電圧を印加する期間と、第2電源41が金属層32と陰極21との間に陰極21が正となる電圧を印加する期間と、を同期させるように制御することが好ましい。これにより、より確実に陰極21から発光層22へ電子を注入することができる。また、図2が示した発光素子1の制御方法を採用する場合、金属層32とTFT10のドレイン電極15とが接続されていることが好ましい。金属層32とドレイン電極15とが接続されている場合、TFT10によるスイッチングによって、第1電源40と第2電源41のそれぞれのオンとオフを同期させることができ、消費電力の低減することができる。なお、第1電源40が陽極24と陰極21との間に陰極21が負となる電圧を印加する期間と、第2電源41が金属層32と陰極21との間に陰極21が負となる電圧を印加する期間とが少なくとも部分的に同期させればよい。
 さらに、発光素子1の制御方法としては、図3が示すように、第2電源41を金属層32と陰極21との間に陰極21が正となる電圧を常時印加するように制御してもよい。これにより、金属層32と陰極21との間の静電容量を無視することができ、より遅延のない高速応答が可能になる。
 さらにまた、発光素子1の制御方法として、図4が示すように、第1電源40を陽極24と陰極21との間に陰極21が負となる電圧を常時印加するように制御し、第2電源41を金属層32と陰極21との間に陰極21が正となる電圧を印加するタイミングを制御してもよい。
 さらに、上記第1電源40が印加する電圧に対する、上記第2電源41が印加する電圧の比は、80以上、120以上であることが好ましく、90以上、110以下であることがより好ましい。これにより、機能性積層体30を介して、より効率的に陰極21から発光層22へ電子を供給することができる。
 また、金属層32は、発光層22から照射された光を反射する反射層として機能してもよい。これにより、発光素子1は、発光層22からの光を金属層32で反射し、陽極24側に向かって表示を行ういわゆるトップエミッション型の発光素子として機能する。このように金属層32を反射層として機能させる場合、金属層32の厚さは、例えば、1nm以上、10nm以下であることが好ましく、3nm以上、10nm以下であることがより好ましい。そして、反射層としての金属層32は、反射率等の観点からAlであることが好ましい。
 本実施形態の発光素子1によれば、陰極21側から、第1絶縁層31、金属層32、第2絶縁層33が積層された積層体である機能性積層体30と、陽極24と陰極21との間に陰極21が負となる電圧を印加する第1電源40と、金属層32と陰極21との間に陰極21が正となる電圧を印加する第2電源41とを備える。第1電源40により電圧と、第2電源41による電圧により、機能性積層体30を介して、陰極21から発光層22へと電子を効率的に供給することができる。
 次に、本実施形態に係る発光素子1の製造方法の一例について、図1および図5を参照して説明する。
 まず、基板2上にTFT10を形成する(S1)。TFT10の形成方法は特に限定されることはなく、例えば、従来の方法により製造することができる。
 TFT10上に、表面が平坦になるように、平坦化層16を形成する(S2)。平坦化層16は、例えば、TFT10上に、ポリイミド等の絶縁材料を溶解した溶液を塗布して、ベークすることにより形成することができる。
 平坦化層16上に、陰極21を形成する(S3)。陰極21は、例えば、スパッタ法により形成する。陰極21は、例えば、所定の形状にパターニングされる。
 より具体的には、まず、例えば、平坦化層16上のドレイン電極15に対応する部分が開口する第1マスクを形成する。そして、第1マスクを介してアッシングにより、第1マスクの開口部の平坦化層16を除去し、ドレイン電極15が露出するコンタクトホール部を形成する。その後、第1マスクを除去する。
 さらに、平坦化層16上の陰極を形成しない部分を覆う第2マスクを形成し、陰極21を形成する材料の層を形成する。そして、第2マスクを除去すると同時に第2マスクに対応する部分を除去することにより、所定の形状の陰極21を形成する。これにより、上記コンタクトホール部を介して、陰極21とドレイン電極15とが電気的に接続される。さらに、ドレイン電極15を介して、陰極21とチャネル層13とも電気的に接続される。
 陰極21上に、機能性積層体30を形成する(S4)。機能性積層体30を形成する場合について、より具体的に図6を参照して説明する。
 例えば、図6に示すように、陰極21上に、絶縁層34を形成する(S41)。絶縁層34は、例えば、TFT10上に、ポリイミド等の絶縁材料を溶解した溶液を塗布して、ベークすることにより形成することができる。
 絶縁層34上の陰極21に対応する部分が開口する第3マスクを形成する。そして、第3マスクを介してアッシングにより、第3マスクの開口部の絶縁層34を除去し、陰極21が露出させる開口部を形成する。
 上記開口部の陰極21上に、第1絶縁層31を形成する(S41)。第1絶縁層31は、Al等の絶縁材料を溶解した溶液を塗布して、ベークすることにより形成することができる。
 上記開口部の第1絶縁層31上に金属層32を形成する(S42)。金属層32は、例えば、スパッタ法により形成することができる。
 上記開口部の金属層32上に第2絶縁層33を形成する(S43)。第2絶縁層33は、Al等の絶縁材料を溶解した溶液を塗布して、ベークすることにより形成することができる。
 さらに、第3マスクを除去する。以上により絶縁層34に埋め込まれた機能性積層体30を形成する。
 機能性積層体30上に、バンク25を形成する(S5)。バンク25は、例えば、上記平坦化層16と同様の方法により形成することができる。より具体的には、例えば、陰極21上に、絶縁材料を塗布し、ベークすることにより、絶縁材料からなる層を形成する。そして、絶縁材料からなる層上に、陰極21に対応する部分が開口する第4マスクを形成する。そして、第4マスクを介してアッシングにより、陰極21が露出する開口部を有するバンク25を形成する。その後、第4マスクを除去する。
 バンク25の開口部にて露出する陰極21上に、発光層22を形成する(S6)。つまり、バンク25の開口部に合わせた所定の形状にパターニングされた発光層22を形成する。発光層22は、例えば、マスクを介した蛍光体等である発光材料の蒸着、バンク25の開口部へのインクジェットによる塗布等、種々の方法にて形成することができる。
 バンク25の開口部に形成された発光層22上に、正孔輸送層23を形成する(S7)。つまり、バンク25の開口部に合わせた所定の形状にパターニングされた正孔輸送層23を形成する。正孔輸送層23は、例えば、マスクを介した蛍光体等である発光材料の蒸着、バンク25の開口部へのインクジェットによる塗布等、種々の方法にて形成することができる。
 バンク25および正孔輸送層23に陽極24を形成する(S8)。陽極24は、例えば、スパッタ法により形成することができる。なお、陽極24は、例えば、正孔輸送層23上に、基板2の全面に形成してもよい。
 さらに、上記陽極24を形成した後に、封止層を形成し、発光素子1を封止してもよい。
 これにより、本実施形態に係る発光素子1を製造することができる。上記の方法によれば、陰極21を形成した後に、バンク25、発光層22等が形成される。本実施形態では、陰極21は、例えば、酸化物半導体材料から形成されているため、バンク25、発光層22等の形成時の環境に耐性を有する。そのため、発光素子1とした場合における、発光効率の劣化等を抑制することができる。これに対して、例えば、陰極にMg、Al等の金属材料を使用した場合には、バンク25、発光層22等の形成時の環境で、酸化等により劣化する可能性があり、発光素子1とした場合に発光効率の劣化等が生じ得る。
 上記の実施形態では、第1電極が陽極、第2電極が陰極となる場合の実施形態について説明したが、別の実施形態では、第1電極が陰極、第2電極が陽極としてもよい。この別の実施形態の場合、第1電源は第1電極と第2電極の間に、第2電極の極性が正となる電圧を印加し、第2電源は金属層と第2電極の間に、第2電極の極性が負となる電圧を印加する。これにより、機能性積層体は、第2電極である陽極から発光層への正孔(電荷)注入を効率よく行える。
 〔実施形態2〕
 以下に、本開示の実施の一形態について説明する。実施形態1においては、第2電源41が直流電源であるが、実施形態2では、第2電源41が交流電源である。その他の構成は、実施形態1と同様の構成なので、詳細な説明は省略する。図7および図8は、実施形態2における、第1電源40と第2電源の制御方法の一例を示す。図7および図8に示す第1電源印加電圧および第2電源印加電圧の正負は、それぞれ第2電極の極性を示す。
 実施形態2の発光素子1は、図7に示すように、第2電源が交流電源であることで、第1電源が第1電極と第2電極との間に電圧を印加しない期間において、第2電源が金属層と第2電極との間に、第2電極の極性が第1電源によって第1電極と第2電極の間に電圧が印加されたときの第2電極の極性と同一の極性となる電圧を印加してもよい。発光素子1の消灯時に、第2電源41が印加する電圧の極性を反転し、陰極23が正となる電圧を印加することで、陰極21または発光層22に蓄えられた余剰電荷を開放することができる。金属層32と陰極21との間の静電容量を無視することができ、より遅延のない高速応答が可能になる。
 さらに、実施形態2の発光素子1は、図8に示すように、第2電源が交流電源であることで、第1電源が第1電極と第2電極との間に電圧を常時印加し、第2電源が金属層と第2電極との間に、第2電極の極性が第1電源によって第1電極と第2電極の間に電圧が印加されたときの第2電極の極性と同一の極性となる電圧を印加することで、発光素子1の輝度を制御してもよい。
 第2電源41は、印加する電圧の極性を反転させて駆動する。発光素子1の消灯時に、第2電源41が印加する電圧の極性を反転し、陰極23が正となる電圧を印加することで、陰極21または発光層22に蓄えられた余剰電荷を開放することができる。
 本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、上記実施の形態で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えてもよい。
 

Claims (17)

  1.  第1電極と、
     前記第1電極に対向する第2電極と、
     前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、蛍光体を含む発光層と、
     金属層と、前記金属層の前記第2電極側に設けられた第1絶縁層と、前記金属層の前記発光層側に設けられた第2絶縁層とを含み、前記第2電極から前記発光層への電荷注入が可能な厚さの積層体と、
     前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する第1電源と、
     前記金属層と前記第2電極との間に、前記第1電源によって前記第1電極と前記第2電極の間に電圧が印加されたときの前記第2電極の極性と反対の極性となる電圧を印加する第2電源と、
    を備える発光素子。
  2.  前記第1電極が陽極であり、
     前記第2電極が陰極であり、
     前記第1電源は、前記第2電極が負となる電圧を印加し、
     前記第2電源は、前記第2電極が正となる電圧を印加する、請求項1に記載の発光素子。
  3.  前記第1電極が陰極であり、
     前記第2電極が陽極であり、
     前記第1電源は、前記第2電極が正となる電圧を印加し、
     前記第2電源は、前記第2電極が負となる電圧を印加する、請求項1に記載の発光素子。
  4.  前記積層体の厚さが、20nm以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載の発光素子。
  5.  前記金属層の厚さが、10nm以下である、請求項4に記載の発光素子。
  6.  前記第1絶縁層の厚さが、5nm以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載の発光素子。
  7.  前記第2絶縁層の厚さが、5nm以下である。請求項1から6のいずれか1項に記載の発光素子。
  8.  前記積層体は、前記第2電極から前記発光層への電荷注入を促進する、請求項1から7のいずれか1項に記載の発光素子。
  9.  前記第2電源が印加する電圧に対する、前記第2電極と前記第1電極との間に前記第1電源によって印加される電圧の比は、80以上、120以下である、請求項1から8のいずれか1項に記載の発光素子。
  10.  前記金属層は、前記発光層からの光を反射する、請求項1から9のいずれか1項に記載の発光素子。
  11.  前記第2絶縁層は、前記発光層と直接接続されている、請求項1から10の何れかに記載の発光素子。
  12.  薄膜トランジスタさらに備え、
     前記第2電極は、前記薄膜トランジスタのドレイン電極と接続され、
     前記第1電極は、前記薄膜トランジスタのソース電極と接続され、
     前記第2電源は、前記ドレイン電極または前記ソース電極に接続されている、請求項1から11のいずれかに記載の発光素子。
  13.  前記第2電源は、前記ドレイン電極に接続されている、請求項12に記載の発光素子。
  14.  前記第2電極は、n型半導体からなる、 請求項1から請求項13に記載の発光素子。
  15.  請求項1~請求項14の何れかに記載の発光素子の制御方法であって、
     前記第1電源が前記第1電極と前記第2電極との間に前記第2電極が負となる電圧を印加する期間と、前記第2電源が前記金属層と前記第2電極との間に、前記第1電源によって前記第1電極と前記第2電極の間に電圧が印加されたときの前記第2電極の極性と反対の極性となる電圧を印加する期間を同期させる、発光素子の制御方法。
  16.  請求項1~請求項14の何れかに記載の発光素子の制御方法であって、
     前記第1電源が前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する期間および前記第1電源が前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加しない期間において、前記第2電源が前記金属層と前記第2電極との間に、前記第1電源によって前記第1電極と前記第2電極の間に電圧が印加されたときの前記第2電極の極性と反対の極性となる電圧を印加する発光素子の制御方法。
  17.  前記請求項1~請求項14の何れかに記載の発光素子の制御方法であって、
     前記第2電源が交流電源であって、
     前記第1電源が前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加しない期間において、前記第2電源が前記金属層と前記第2電極との間に、前記第2電極の極性が前記第1電源によって前記第1電極と前記第2電極の間に電圧が印加されたときの前記第2電極の極性と同一の極性となる電圧を印加する発光素子の制御方法。
     
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