JP4046948B2

JP4046948B2 - 有機発光表示装置

Info

Publication number: JP4046948B2
Application number: JP2001050480A
Authority: JP
Inventors: 慎吾石原; 介和荒谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002252087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機発光表示装置に関わり、特に、アクティブマトリクス有機発光表示装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
本格的なマルチメディア時代の到来に伴い、マン・マシンインターフェイスとして用いられる平面型の表示装置がクローズアップされている。平面型表示装置としては、従来、液晶ディスプレイが用いられている。しかしながら、液晶表示装置には、狭視野角、低速応答性といった問題点が挙げられる。
【０００３】
近年、有機エレクトロルミネセンス(EL)表示装置が次世代平面型表示装置として注目を受けている。有機発光表示装置は、自発光、広視野角、高速応答特性といった優れた特性を有する。
【０００４】
従来の有機EL素子の構造は以下の通りである。ガラス基板上にITO等の第１透明電極、有機正孔輸送層、有機発光層、有機電子輸送層等の発光層、低仕事関数の第２電極を形成する。両電極間に数Ｖ程度の電圧を印加し、各電極に、それぞれ、正孔、電子が注入され、輸送層を経由して発光層で結合し、エキシトンが生成される。エキシトンが基底状態に戻る際に発光する。発光光は第１透明電極を透過して基板側から取出す。
【０００５】
有機EL素子を用いた表示装置には、単純マトリクス表示装置とアクティブマトリクス表示装置がある。単純マトリクス表示装置は、複数の陽極ラインと陰極ラインが交差した画素位置に正孔輸送層、発光層、電子輸送層等の有機層が形成されており、各画素は１フレーム期間中、選択時間のみ点灯する。単純マトリクス表示装置は構造が単純であるという利点を有する。
【０００６】
しかし、画素数が多くなると選択時間が短くなるので、駆動電圧を高くし、瞬間輝度を高くする必要がある。そのため、有機EL素子の寿命が短くなる問題がある。また、有機EL素子は電流駆動であるため、大画面では配線抵抗等による電圧降下が生じ、画素間の均一画質化が困難となる。以上のことより、単純マトリクス表示装置では、高精細、大画面化に限界がある。
【０００７】
一方、アクティブマトリクス表示装置では、各画素を構成する有機EL素子に、２〜４個の薄膜トランジスタのスイッチング素子から構成される駆動部が接続されており、１フレーム期間中の全点灯が可能となる。そのため、輝度を高くする必要がなく、有機EL素子の寿命を長くすることが可能となる。一方、前述したように、従来の有機EL素子では、発光光を基板側から取出すため、駆動部により開口率が制限される。以上の問題点を解決するために、上部電極を透明化し、発光光の取出しを上部電極側から行う試みがある。
【０００８】
ＵＳ5703436号公報では、上部電極を２層構成にし、第１層にMg：Ag等の注入層、第２層にITO等の透明電極を用い、上部電極から光を取出す有機EL素子を開示している。
【０００９】
また、特開平６−163158号公報では、透明であるアルカリ土類金属酸化物で構成された電子注入層と透明陰極材料からなる有機EL素子を開示している。
【００１０】
また、特開平８−227276号公報では、透明下部電極の外側に反射膜を有する有機EL素子を用いたディスプレイを開示している。この発明では、発光領域で発光し、下部電極側に向かった光を反射膜で反射させ、上部電極側から取出すことが可能となり、光量が増大する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
第２電極側から光を取出す有機EL素子では、透明電極を有機層の上部に形成する必要がある。透明電極は金属電極と比べて形成時に有機層にダメージを与えるため、この構成の有機EL素子は特性が低下する。そのため、高効率化するための構成を検討する必要がある。
【００１２】
その一つの方法として、特開平8−227276号公報で開示された、基板側に発光した光を反射膜を用いて上部電極から光を取出す方法が挙げられる。しかし、同方法では、直接上部電極側に出射する光と反射膜によって反射された光が干渉効果を起こし、有機EL素子の発光領域から反射膜の光路長により、上部電極を出射した全光量が変化する。
【００１３】
本発明では、上部電極から出射した全光量を増大させるため、有機EL素子の発光領域から反射膜の光路長を最適化することを目的とする。
【００１４】
また、反射膜を形成する際、製造工程数を増大させない素子構成の提供を目的とする。
【００１５】
また、フルカラー有機EL表示装置を構成する赤色(Ｒ)、緑色(Ｇ)、青色(Ｂ)発光有機EL素子に対して、それぞれ、上部電極から出射した全光量を増大させるため、有機EL素子の発光領域から反射膜までの光路長を最適化した有機EL表示装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１透明電極、発光層及び第２透明電極を有する有機発光素子と、前記有機発光素子を制御するスイッチング素子を有する駆動層を備える有機発光表示装置において、前記駆動層内の層間絶縁膜を介して反射膜を設け、前記反射膜が前記第１透明電極の一方の外側にあることを特徴とする。
【００１７】
または、基板及び駆動層と、第１透明電極、発光層、第２透明電極を有する有機発光素子が、上記の順に構成される有機発光表示装置において、前記駆動層内の層間絶縁膜を介して反射膜を設け、前記反射膜が前記第２透明電極の外側にあることを特徴とする。
【００１８】
また、第１透明電極、発光層及び第２透明電極を有し、カラー表示を行うための発光中心波長の異なった複数の有機発光素子と、前記有機発光素子を制御するスイッチング素子を有する駆動層を備える有機発光表示装置において、前記駆動層内の複数の層間絶縁膜を介して反射膜を設け、前記反射膜が前記第１透明電極の外側にあることを特徴とする。
【００１９】
上記の有機発光表示装置では、前記有機発光素子の発光領域から前記反射膜表面の光路長ｄが、式（１）を満足することが望ましい。
【００２０】
２ｄ＝（ｎ＋１／２）Ｘ・λ …（１）
ただし、λは発光する光の中心波長、ｎは整数である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による有機発光装置の実施形態について説明する。図１〜図４は本発明による有機発光表示装置の実施例１を示し、図１は有機発光表示装置の断面を模擬的に示す模式図、図２は有機発光表示装置の真上から見た平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線における断面図、図４は図２のＣ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線における断面図である。
【００２２】
まず、本実施例の構成を図１に示した模式図を用いて説明する。基板１０１上に駆動層１０２と、有機発光素子、つまり有機EL素子を構成する第１透明電極１０３、発光層１０４及び第２透明電極１０５を形成する。
【００２３】
発光層１０４は有機正孔注入層１０８、有機正孔輸送層１０９、有機発光層１１０、有機電子輸送層１１１からなる。有機正孔注入層１０８、有機電子輸送層１１１がない構造もある。また、第２透明電極は電子注入層１１２、透明電極１１３からなる。
【００２４】
本実施例では、駆動層１０２内に形成される電極層を用いて反射膜１０６を形成する。したがって、有機発光層１１０で発光した光のうち、一部は直接第２透明電極１０５から出射され、他の一部は反射膜１０６で反射されて第２透明電極１０５から出射される。ここで、反射膜１０６上に形成される層間絶縁膜１０７の膜厚を最適化して、２光路の発光光の干渉効果で出射光強度を高める。
【００２５】
次に、２個のトランジスタを用いた駆動層制御の有機発光表示装置を説明する。図２から図４に示すように、第１トランジスタ１２３、第２トランジスタ１２５、容量１２４からなる。
【００２６】
始めに、駆動層の形成方法について説明する。ガラス基板１０１上にLPCVDを用いて膜厚50nmのa−Si膜を形成する。原料はSi₂H₆であり、基板温度は450℃であった。次に、XeClエキシマレーザを用いて、膜全面をレーザアニールした。レーザアニールは２段階で行った。１回目、２回目の照射エネルギーは、それぞれ、188mJ／cm²、290mJ／cm²であった。これにより、a−Siが結晶化され、p−Siとなった。次に、p−Si膜を、CF₄を用いたドライエッチングでパターン化した。
【００２７】
次に、ゲート絶縁膜１２６として膜厚100nmのSiO₂膜を形成した。SiO₂膜はTEOSを原料としてPECVD法で形成した。
【００２８】
次に、ゲート電極１１５として膜厚50nmのTiW膜をスパッタリング法により作製し、パターニングした。併せて、ゲート線１１６、第２トランジスタゲート電極１２１、及び容量１２４電極１３０もパターニングした。
【００２９】
次に、イオン注入法によりゲート絶縁膜１２６の上部から、パターン化されたp−Si層に4×10¹⁵イオン／cm²、エネルギー80keVのPイオンを注入した。上部にゲート電極がある領域にはPイオンが注入されず、チャネル領域１１４となる。
【００３０】
次に、基板１０１を不活性N₂雰囲気下で、300℃、3時間加熱し、イオンを活性化し、ドーピングが有効に行われるようにした。P−Siのイオン注入された領域は２kΩ／□の面抵抗値となった。その上に、第１層間絶縁層１２７としてSiNx膜を成膜した。膜厚は200nmである。
【００３１】
次に、イオン注入された領域上部のゲート絶縁膜１２６及び第１層間絶縁膜１２７に、コンタクトホールを形成した。さらに、第２トランジスタのゲート電極１２１上部の第１層間絶縁膜１２７にコンタクトホールを形成した。
【００３２】
その上に、スパッタリング法にて膜厚500nmのAl膜を形成する。ホトリソグラフィ工程により信号線１１７、コモン線１２０を形成する。また、第１トランジスタ１２３のソース電極１１８及びドレイン電極１１９、第２トランジスタ１２５のソース電極１３２及びドレイン電極１２２、容量１２４の電極１３０、１３１を形成する。
【００３３】
容量１２４と第１トランジスタのソース電極１１８を、信号線１１７と接続する。また、第１トランジスタのドレイン電極１１９は第２トランジスタのゲート電極１２１を接続する。また、第１トランジスタのドレイン電極１１９を容量１２４の電極１３０と接続する。第２トランジスタのソース電極１３２はコモン線１２０と接続する。また、第２トランジスタのドレイン電極１２２は有機EL素子の第１透明電極１０３と接続する。さらに、反射膜１０６を画素開口部下に位置する領域に形成した。
【００３４】
次に、第２層間絶縁膜層１２８としてSiNx膜を成膜した。膜厚は195nmである。第２トランジスタのドレイン電極１２２上部にコンタクトホールを設ける。その上にスパッタリング法を用いて、厚さ１５０ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、ホトリソグラフティ法を用いて第１透明電極１０３を形成する。電極サイズは、250×100μｍ²である。
【００３５】
このように駆動層を形成した基板をアセトン、純水の順に、それぞれ超音波洗浄を３分間行った。洗浄後、窒素ガスを用いて乾燥させた後、80℃のオーブンで５分間乾燥させた。次に、O₂プラズマクリーニングを行った。RFパワーは20Ｗ、クリーニング時間は１分である。プラズマクリーニングを行った基板を大気に曝すことなく、真空蒸着チャンバーにセットした。
【００３６】
次に、図３のＡ−Ａ’線における断面図を用いて有機発光素子の形成方法について説明する。第１の透明電極１０３上に、膜厚50nmの4,4'−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ]ビフェニル膜(以下、a−NPD膜と略記する。)を形成した。このa−NPD膜は有機正孔輸送層１０９として機能する。その上に、膜厚60nｍのトリス(8−キノリノール)アルミニウム膜(以下、Alq膜と略記する。)を形成した。Alq膜は、有機発光層１１０及び有機電子輸送層として機能する。
【００３７】
次に、その上に電子注入層１１２としてMgとAgの合金膜を形成した。２元同時蒸着法を用いて蒸着レートを、それぞれ、1.4nm、0.1nmに設定し、膜厚10nmを蒸着した。次に、スパッタリング法により、透明電極１１３としてIn−Zn−O膜を200nm成膜した。In−Zn−O膜は非晶酸化物膜である。ターゲットには、In／(In＋Zn)＝0.83であるターゲットを用いた。成膜条件は、Ar：O₂混合ガスを雰囲気として真空度0.2Pa、スパッタリング出力２W／cm²である。Mg：Ag／In−ZnO積層膜は透明陰極として機能し、その透過率は65％であった。
【００３８】
本実施例の有機発光素子は、中心波長525nmで発光する。また、発光領域はa−NPD膜とAlq膜の界面である。発光領域で基板側方向に発光した光は、有機正孔輸送層１０９、第１透明電極１０３、第２層間絶縁膜１２８を透過し、反射膜１０６で反射して有機EL素子に入射し、第２透明電極１０５から出射する。この反射膜１０６に反射されて出射した光と、発光領域から直接第２透明電極１０５を出射した光の光路差は以下の通りである。
【００３９】
光路差＝２(屈折率(a−NPD)・膜厚(a−NPD)＋屈折率(ITO)・膜厚(ITO)＋屈折率(SiN_x)・膜厚(SiN_x))＝２(1.6・50＋2.0・70＋1.9・230)＝1314nm
この光路差は式（１）で示した発光領域から反射膜表面の光路長の２倍すなわち、２ｄに対応する。よって、ｎ＝２の式（１）を満足する。このため、正の干渉効果により、２つの光強度を足し合せた値が全光強度となる。10Ｖ印加により、輝度値は100cd／m²であった。一方、第２層間絶縁膜１２８の膜厚を160nmにしたところ、光路差が発光中心波長の２倍となる。この場合、負の干渉効果により全光強度は、輝度値で10cd／m²であった。
【００４０】
本実施例によれば、有機発光層１１０から第２透明電極１０５を出射する光と、反射膜１０６により反射されて第２透明電極１０５を出射する光が、発光中心波長の2.5倍の光路差をもって干渉するので、全光強度が最大で１０倍程度増加した。
【００４１】
次に、本発明の実施例２として、フルカラー表示が可能な有機発光表示装置を説明する。図５に実施例２の有機発光表示装置の断面図を示す。ガラス基板２０１上に有機EL素子を駆動する駆動層を形成する。作製方法は、実施例１と同様である。赤色（Ｒ）用反射膜２０５、緑色（Ｇ）用反射膜２０６、青色（Ｂ）用反射膜２０７は、それぞれ、ソース電極・ドレイン電極、p−Siチャネル領域、ゲート電極の形成時に作製する。また、ゲート絶縁膜２０２の膜厚は60nm、第１層間絶縁膜２０３の膜厚は258nm、第２層間絶縁膜２０４の膜厚は125nmとした。
【００４２】
Ｇ用有機EL素子は、実施例１と同様の構成である。第１透明電極２０８の上に、有機正孔輸送層２０９、有機発光層２１０、電子注入層２１１及び透明電極２１２を、金属マスクを用いてパターン化した。
【００４３】
Ｒ用有機EL素子の有機正孔輸送層２１４は、膜厚50nmのa−NPD、有機発光層２１５を膜厚60nmのAlqに、ドーパントとして４−(ジシアノメチレン)−２−メチル−６−(ｐ−ジメチルアミノスチリル)−４Ｈ−ピランを共蒸着したものを用いた。
【００４４】
Ｂ用有機EL素子の有機正孔輸送層２１９は、膜厚50nmのa−NPD、有機発光層２２０に、膜厚60nmの４,４'−ビス(２,２−ジフェニルビニル)ビフェニルを用いた。
【００４５】
反射膜に反射されて透明電極２１２,２１７,２２２から出射した光と、発光領域から直接上部陰極を出射した光の光路差は以下の通りである。
【００４６】
(Ｒ)：２(1.6・50＋2.0・70＋1.9・125)＝915nm
(Ｇ)：２(1.6・50＋2.0・70＋1.9・125＋1.45・258＋1.45・60)＝1837.5nm
(Ｂ)：２(1.6・50＋2.0・70＋1.9・125＋1.45・258)＝1662.5nm
これらの光路差は、発光中心波長の、それぞれ、1.5倍、3.5倍、3.5倍である。このため、正の干渉効果により、２つの光強度を足し合せた値が全光強度となる。10Ｖ印加により、輝度値はそれぞれ、30cd／m²、100cd／m²、80cd／m²であった。本実施例によれば、Ｒ，Ｇ、Ｂの取出し光強度を増大するフルカラーの表示装置が実現できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、上部電極側から発光光を取出す構成の有機発光表示装置において、直接第２透明電極方向に出射する光と基板方向に出射し反射膜で反射された光との干渉効果によって、取出し光強度が増大する効果がある。また、反射膜を駆動部の電極と同時形成することから、作製プロセスの簡素化が図れる。
【００４８】
また、各発光色で干渉効果が最大になるよう層間絶縁膜の膜厚及び反射膜を作製するので、各色の取出し光強度が増大するフルカラー有機発光表示装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である有機発光表示装置の模式図。
【図２】一実施例の有機発光表示装置を真上から見た平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に示した断面図。
【図４】図２のＣ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線に示した断面図。
【図５】本発明の第２の実施例であるフルカラー有機発光表示装置の断面図。
【符号の説明】
１０１,２０１…ガラス基板、１０２…駆動層、１０３…第１透明電極、１０４…発光層、１０５…第２透明電極、１０６,２０５,２０６,２０７…反射膜、１０７…層間絶縁膜、１０８…有機正孔注入層、１０９,２０９,２１４,２１９…有機正孔輸送層、１１０,２１０,２１５,２２０…有機発光層、１１１…有機電子輸送層、１１２,２１１,２１６,２２１…電子注入層、１１３,２１２,２１７,２２２…透明電極、１１４…第１トランジスタのチャネル領域、１１５…第１トランジスタのゲート電極、１１６…ゲート線、１１７…信号線、１１８…第１トランジスタのソース電極、１１９…第１トランジスタのドレイン電極、１２０…コモン線、１２１…第２トランジスタのゲート電極、１２２…第２トランジスタのドレイン電極、２０８,２１３,２１８…第１透明電極、１２３…第１トランジスタ、１２４…容量、１２５…第２トランジスタ、１２６,２０２…ゲート絶縁膜、１２７,２０３…第１層間絶縁膜、１２８,２０４…第２層間絶縁膜、１３０,１３１…容量電極、１３２…第２トランジスタソース電極、１３３…第２トランジスタチャネル領域。

Claims

基板と、
駆動層と、
第１透明電極、発光層、第２透明電極を有する有機発光素子と、が上記の順で階層構成され、前記第１透明電極の上記の順とは反対側に前記有機発光素子を制御するスイッチング素子を配置した駆動層を備える有機発光表示装置において、
前記駆動層内には金属層からなる反射層が配置し、前記反射層と前記第１透明電極との間に層間絶縁膜を配置し、
前記有機発光素子で発光した光のうち、一部は前記第２透明電極から出射され、他の一部は前記反射膜で反射されて前記第２透明電極から出射される２光路を有し、前記有機発光素子の発光領域から前記反射膜の表面までの光路長ｄが、式（１）を満足することを特徴とする有機発光表示装置。
２ｄ＝（ｎ＋１／２）Ｘ・λ …（１）
ただし、λは発光する光の中心波長、ｎは整数である。
基板と、駆動層と、第１透明電極、発光層、第２透明電極を有し、カラー表示を行うための発光中心波長の異なった複数の有機発光表示素子と、が上記の順で階層構成され、前記第１透明電極の上記の順とは反対側に前記有機発光素子を制御するスイッチング素子を配置した駆動層を備える有機発光表示装置において、
前記駆動層内には金属層からなる反射層が配置し、前記反射層と前記第１透明電極との間に層間絶縁膜を配置し、
前記有機発光素子で発光した光のうち、一部は前記第２透明電極から出射され、他の一部は前記反射膜で反射されて前記第２透明電極から出射される２光路を有し、前記有機発光素子の発光領域から前記反射膜の表面までの光路長ｄが、式（１）を満足することを特徴とする有機発光表示装置。
２ｄ＝（ｎ＋１／２）Ｘ・λ …（１）
ただし、λは発光する光の中心波長、ｎは整数である。