發光器件和電器的製作方法
2023-10-11 19:14:59 1
專利名稱：發光器件和電器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到發光器件，它包括其中由能夠產生電致發光(以下縮寫為EL)的發光材料製成的薄膜(以下稱為EL膜)夾在一對電極之間的元件(以下稱為EL元件)。順便說一下，在本說明書中，利用單重態激發獲得EL的發光材料的EL元件，被稱為單重態EL元件，而利用三重態激發獲得EL的發光材料的EL元件，被稱為三重態EL元件。
近年來，已經開發了使用有機EL膜作為發光層的EL元件，並提出了使用各種有機EL膜的EL元件。已經試圖藉助於使用這種EL元件作為發光元件來實現平板顯示器。
作為使用EL元件的發光器件，已知有無源矩陣型和有源矩陣型。無源矩陣型是一種採用由條形陽極和陰極被製作成彼此以直角交叉而EL膜被夾在其間的結構構成的EL元件的發光器件。有源矩陣是一種系統，其中為每個象素提供一個半導體元件，且EL元件的陽極和陰極之一被連接到此半導體元件，使流過EL元件的電流受到半導體元件的控制。
然而，在無源矩陣型發光器件和有源矩陣型發光器件二者中，由於EL元件的發光性能受到EL膜本身的物理性質的巨大影響，故明亮的具有高可靠性的EL元件的開發歸根到底就是發光材料的開發。
雖然開發了從低分子材料到高分子材料的各種各樣的發光材料，但發光效率的理論上限一直是一個問題。特別是對於內量子效率，已經認為單重態激發的產生效率對三重態激發的產生效率的比率是1∶3，且僅僅單重態激發對發光有貢獻(螢光發射)。
於是，即使所有的載流子(電子和空穴)被複合，也只有總體的25％對發光有貢獻，而若向元件外部的提取效率為20％，則外量子效率總共為5％。亦即，根據計算，僅僅5％的消耗能量能夠被提取。
然而，最近提出了一種利用三重態激發而發光(磷光發射)的材料，其高的發光效率吸引了公眾注意。作為使用三重態激發且改進了外量子效率的例子，有下列報導。
(1)T.Tsutsui,C.Adachi,S.Saito,PhotochemicalProcesses in Organized Molecular System,ed.K.Honda,(Elsevier Sci.Pub.,Tokyo,1991)p.437。
(2)M.A.Baldo,D.F.O』Brien,Y.You,A.Shoustikov,S.Sibley,M.E.Thompson,S.R.Forrest,Nature395(1998)p.151。
(3)M.A.Baldo,S.Lamansky,P.E.Burrows,M.E.Thompson,S.R.Forrest,Appl.Phys.Lett.,75(1999)p.4。
(4)T.Tsutsui,M.-J.Yang,M.Yahiro,K.Nakamura,T.Watanabe,T.Tsuji,Y.Fukuda,T.Wakimoto,S.Mayaguchi,Jpn.Appl.Phys.,38(12B)(1999)L1502。
上述論文提出的發光材料是一些例子，其中藉助於從三重態激發獲得磷光而改進了外量子效率。
本發明的目的是利用具有高發光效率的EL元件，來提供一種明亮的功耗低的發光器件。
本發明的另一目的是利用此發光器件，來提供一種具有明亮顯示部分和低功耗的電器。
本發明的再一目的是利用本發明的發光器件作為光源(典型為後照光)，來提供一種功耗低的電器。
本發明的發光器件的特徵是，三重態EL元件被電連接到半導體元件並受到控制。亦即，本發明的特徵是，利用三重態EL元件作為有源矩陣型發光器件中的發光元件。可以採用場效應電晶體(FET)，最好是薄膜電晶體(TFT)作為半導體元件。
首先來描述本發明的工藝。當在EL元件的陽極與陰極之間施加一電壓時，載流子(電子或空穴)被注入到EL膜中，並由於複合而產生發光。於是在流過EL元件的電流密度與發光亮度之間得到比例關係。順便說一下，在本說明書中，施加到EL元件的電壓被稱為EL元件的工作電壓。
圖3的曲線示意地示出了這一關係。圖3示出了流過EL元件的電流密度與發光亮度之間的關係。參考號301表示採用單重態激發的常規EL元件(單重態EL元件)的特性；而302表示採用三重態激發的EL元件(三重態EL元件)的特性。
301所示的單重態EL元件的特性是，雖然當電流密度低時得到了比例關係(線性關係)，但當電流密度升高時，斜率變小。亦即，即使提高電流密度，發光亮度也變得難以提高到某一點以上。在302所示的三重態EL元件的特性的情況下，這一傾向是明顯的。當電流密度低時，它具有比例關係，相對於發光亮度，其斜率比單重態EL元件大。然而，當電流密度提高時，斜率變得極端小，且出現即使提高電流密度也難以改變發光亮度的情況。
從圖3的曲線可以理解，雖然當三重態EL元件在小電流密度工作區內發光時其發光亮度幾倍於單重態EL元件的發光亮度，但在大電流密度的工作區內，其發光亮度變得幾乎與單重態EL元件的發光亮度相等。
圖4示出了EL元件的工作電壓與其發光效率之間的關係。參考號401表示單重態EL的特性；而402表示三重態EL元件的特性。工作電壓「a」表示單重態EL元件的發光效率最高時的工作電壓(8-12V)，而工作電壓「b」表示三重態EL元件的發光效率最高時的工作電壓(3-5V)。
此時，如圖4的曲線所示，三重態EL元件的特點是當工作電壓低於單重態EL元件時，其發光效率變得最高。亦即，在低電流密度的工作區中，三重態EL元件顯現比單重態EL元件更高的發光效率。這與圖3的曲線不矛盾，在圖3曲線中，在低電流密度工作區中，三重態EL元件顯現比單重態EL元件更高的發光亮度。
此處，可以從圖3和4曲線所示的三重態EL元件的特性，示意地推導出圖5和6中的關係。圖5的曲線示出了三重態EL元件中的功耗與發光效率之間的關係，從而可以理解，在高功耗的工作區中，發光效率變低。圖6的曲線示出了三重態EL元件中的功耗與發光亮度之間的關係，從而可以理解，在高功耗的工作區中，發光亮度的提高速率變低。
從上面所述，本發明人認為使三重態EL元件在低電流密度工作區中，亦即在低工作電壓的工作區中發光是可取的。
此處，無源矩陣型發光器件的驅動原理成了問題。在無源矩陣型發光器件的情況下，由於僅僅一個被選定的象素髮光，故用象素數目除一個幀周期(通常為1/60秒)得到的時間就成為發光時間。亦即，隨著象素數目增大且精度提高，每個象素的發光時間變短。於是，為了能夠得到明亮而高精細的圖象顯示，就要提高每個象素的發光亮度，從而必須使高密度電流瞬時流動。
因此，在三重態EL元件被用於無源型發光器件的情況下，在圖3中的大電流密度工作區中，亦即，利用高於圖4中工作電壓「b」的工作電壓，使之發光，並在發光效率低的工作區中進行發光。因此，為了得到高的發光亮度，必須流動更大的電流，其結果是功耗增大且EL膜退化。
從上面所述，本發明人認為無源矩陣型發光器件對於三重態EL元件的發光是有缺點的，並發現有源矩陣型發光器件最適合於三重態EL元件。這是因為能夠用有源矩陣型發光器件中的半導體元件來控制發光時間，致使能夠大幅度抑制流過三重態EL元件的電流的密度。
因此，本發明人認為本發明的創新性在於，考慮到三重態EL元件的電學特性，三重態EL元件與有源矩陣型發光器件被組合成為最適合的發光器件。
在使用根據本發明的三重態EL元件的有源矩陣型發光器件中，當EL元件的工作電壓低時，獲得了高的發光效率，致使有可能進行具有高發光亮度的明亮圖象顯示。因此，工作電壓可以設定為10V或更低，優選為7.5V,5V或更低則更好。此外，由於今後還可望開發一些材料，故工作電壓變為2.5-10V是可能的。
此外，在有源矩陣型發光器件中，由於EL元件的發光時間能夠被設定得長，故當與無源矩陣型發光器件相同的亮度被獲得時，能夠將EL元件的工作電壓設定得低。亦即，比之無源矩陣型發光器件，能夠抑制功耗。
圖7A和7B中示意地示出了這一點。在圖7A中，橫軸表示包括在象素部分中的象素的數目，而縱軸表示任意象素中的發光時間。順便說一下，一個任意象素中的發光時間，是當任意一個象素連續發光的時間，此處，在有源矩陣型的情況下(701所示)和無源矩陣型情況下(702所示)，為了獲得相同的發光亮度所需的時間被認為是發光時間。
圖7A的曲線示出了當象素數目增大(變成高精細度)時，為獲得相同的發光亮度所需的各個發光時間在無源矩陣型和有源矩陣型之間是彼此不同的。亦即，由於在有源矩陣型中能夠用半導體元件來控制發光時間，故不管象素的數目如何，都能夠獲得幾乎相同的發光時間。但在無源矩陣型中，當象素數目增大時，發光時間縮短。
於是，為了獲得相同的發光亮度，象素數目與電流密度之間的關係變成圖7B所示。亦即，在有源矩陣型的情況下(703所示)，即使象素的數目增大，電流密度也可以幾乎恆定而小。然而，在無源矩陣型的情況下(704所示)，當象素數目增大時，為獲得此發光亮度所需的電流密度大幅度提高。
因此，當象素的數目增大並達到高精細度時，考慮到功耗相對於無源矩陣型發光器件得到了抑制，電流密度可以低的有源矩陣型發光器件，就變得有優點。
因此，由於三重態EL元件能夠在低工作電壓區中獲得最有效的發光，故當與有源矩陣型發光器件組合時，有可能實現具有低功耗並能夠得到明亮顯示的發光器件。而且，由於EL元件的工作電壓低，故流過EL元件的電流的密度可以低，致使能夠獲得具有長壽命(高可靠性)的發光器件。
在附圖中
圖1示出了發光器件的剖面結構；圖2A-2B示出了發光器件的上部結構和剖面結構；圖3示出了電流密度與發光亮度之間的關係；圖4示出了工作電壓與發光效率之間的關係；圖5示出了功耗與發光效率之間的關係；圖6示出了功耗與發光亮度之間的關係；圖7A和7B示出了象素數目與發光時間之間的關係以及象素數目與電流密度之間的關係；圖8A和8B示出了發光器件的電路結構和象素結構；圖9用來解釋利用時分方法的灰度顯示操作；圖10示出了發光器件的象素結構；圖11示出了發光器件的象素結構；圖12A和12B示出了輸入到柵引線的信號的時間圖；圖13A-13F示出了電器的特例；圖14A和14B示出了電器的特例；圖15剖面圖示出了有源矩陣型發光器件的一個例子；
圖16俯視圖示出了有源矩陣型發光器件的象素部分的結構；圖17是有源矩陣型發光器件象素部分的等效電路圖；圖18的曲線示出了三重態EL元件和單重態EL元件中的電流密度對亮度的特性；圖19的曲線示出了三重態EL元件和單重態EL元件中的電壓對發光效率的特性；圖20的曲線示出了三重態EL元件和單重態EL元件中的功耗對亮度的特性；圖21的曲線示出了本發明的TFT的壽命；以及圖22的曲線示出了本發明的10年保證電壓對TFT溝道長度的特性。下面參照圖1來描述本發明的實施方案模式。圖1是採用根據本發明的三重態EL元件的有源矩陣型發光器件的剖面圖。雖然此處使用一個TFT作為半導體元件，但包括在一個象素中的TFT的數目不受限制。
在圖1中，參考號101表示襯底，且此處使用對可見光透明的襯底。具體地說，可以使用玻璃襯底、石英襯底、晶化玻璃襯底、或塑料襯底(包括塑料膜)。順便說一下，襯底101還包括製作在襯底表面上的絕緣膜。
象素部分201和驅動電路202被提供在襯底101上。首先描述象素部分201。
象素部分201是進行圖象顯示的區域，且包括多個象素。用來控制流過EL元件的電流的TFT(以下稱為電流控制TFT)102以及三重態EL元件203，被提供在各個象素中。雖然此處僅僅示出了電流控制TFT102，但也提供了用來控制施加到電流控制TFT柵極的電壓的TFT(以下稱為開關TFT)。
此外，最好用p溝道TFT作為電流控制TFT102。雖然可以使用n溝道TFT，但在如圖1結構中那樣將電流控制TFT連接到EL元件的陽極的情況下，當採用p溝道TFT時，能夠抑制功耗。然而，開關TFT(未示出)可以是n溝道TFT或p溝道TFT。
象素電極103被電連接到電流控制TFT102的漏。此處，由於功函數為4.5-5.5eV的導電材料被用作象素電極103的材料，故象素電極103起三重態EL元件203的陽極的作用。通常可以採用氧化銦、氧化錫、氧化鋅、或它們的化合物作為象素電極103。
在象素電極103上製作EL層104。順便說一下，在本說明書中，EL層通常表示其中作為空穴注入層、空穴輸運層、空穴阻擋層、電子注入層、電子輸運層、或電子阻擋層的有機材料被層疊在EL層(發光層)上的層。但EL層還包括EL膜被單層使用的情況。
本發明的特徵是，藉助於三重態激發而發光的發光材料組成的薄膜被用作發光層。可以採用現有技術論文所指出的發光材料作為這種發光材料。此外，可以採用現有技術論文所指出的層結構作為EL層104的層結構。
此外，本發明人認為，除了上述論文列舉的發光材料之外，還可以採用下列分子式表示的發光材料(具體地說是金屬絡合物或金屬有機化合物)。 Et乙基M周期表中的8-10族元素[分子式2] M周期表中的8-10族元素在上述分子式中，M表示屬於周期表8-10族的一種元素。在上述論文中，採用鉑或銥。但本發明人認為最好是鐵、鎳、鈷、或鈀。由於鐵、鎳、鈷、和鈀比鉑和銥便宜，能夠降低發光器件的製造成本。特別是鎳，由於容易形成絡合物且產率高而較好。
接著，在EL層104上提供陰極105。功函數為2.5-3.5eV的導電材料被用作陰極105的材料。可以採用通常包含屬於周期表Ⅰ族或Ⅱ族的元素的導電膜作為陰極105。
用保護膜106覆蓋由象素電極103、EL層104、和陰極105構成的三重態EL元件203。保護膜106被用來保護三重態EL元件203不受氧和水的影響。採用氮化矽膜、氮氧化矽膜、氧化鋁膜、氧化鉭膜、或碳膜(具體地說是類金剛石碳膜)作為保護膜106的材料。
下面描述驅動電路202。驅動電路202是用來控制傳輸到象素部分201的信號(柵極信號和數據信號)的時間的區域，並配備有移位寄存器、緩衝器、鎖存器、模擬開關(傳送門)、或電平移位器。此處，由n溝道TFT107和p溝道TFT108構成的CMOS電路被示為這些電路的基本單元。
移位寄存器、緩衝器、鎖存器、模擬開關(傳送門)或電平移位器的電路結構，可以是眾所周知的那種。在圖1中，雖然象素部分201和驅動電路202被提供在同一個襯底上，但也有可能連接IC或LSI而無須提供驅動電路202。
在圖1所示有源矩陣型發光器件中，雖然頂部柵極型TFT(具體地說是平面型TFT)被指出作為TFT的例子，但也可以使用底部柵極型TFT(具體地說是反交錯型TFT)。
此處，雖然三重態EL元件203的陽極被電連接到電流控制TFT102，但也可以採用三重態EL元件的陰極被電連接到電流控制TFT的結構。在此情況下，象素電極由陰極105中所用的材料組成，而陰極由象素電極103中所用的材料組成。在此情況下，電流控制TFT最好被製作成n溝道TFT。
此處，圖1所示的有源矩陣型發光器件的整個結構被示於圖2A和2B中。圖2A是俯視圖，圖2B是沿圖2A中A-A』的剖面圖。此外，使用了圖1中的參考號。
在圖2A中，參考號211表示象素部分；212表示柵信號側驅動電路；而213表示數據信號側驅動電路。傳輸到柵信號側驅動電路212和數據信號側驅動電路213的信號，從FPC(柔性印刷電路)215通過輸入引線214被輸入。
此時，參考號216表示提供在圖1所示三重態EL元件203上的覆蓋元件，並被樹脂製成的密封元件217鍵合。任何材料只要不滲透氧和水，就可以用作覆蓋材料216。此處，如圖2B所示，覆蓋元件216由塑料元件216a以及提供在塑料元件216a的正反表面上的碳膜(具體地說是類金剛石碳膜)216b和216c構成。
而且，如圖2B所示，用樹脂製成的包封元件218覆蓋密封元件217，三重態EL元件203於是被完全密封在氣密性空間219中。此時，可以用惰性氣體(典型為氮氣或稀有氣體)、樹脂、或惰性液體(典型為以全氟烷為代表的液體碳氟化合物)填充氣密性空間219。而且，提供吸潮劑或除氧劑也是有效的。
本實施方案模式所示的有源矩陣型發光器件具有能夠用三重態EL元件作為發光元件來獲得低功耗的明亮圖象顯示的特點。由於三重態EL元件必須的工作電壓低，故此器件還具有EL膜壽命長和可靠性高的特點。在此實施方案模式中，將描述以數字驅動來運行根據本發明的使用三重態EL元件的有源矩陣型發光器件的情況。順便說一下，數字驅動是一種利用數位訊號來進行圖象顯示的驅動方法。
此外，此處將描述時分方法(時間共享方法)被用作進行灰度顯示的方法的例子。時分方法是一種利用發光時間組合來直觀地啟動多個灰度顯示的技術。
此處，在此實施方案模式中，當執行數字驅動時，採用圖8A所示電路結構的有源矩陣型發光器件。在圖8A中，參考號801表示象素部分；802表示數據信號側驅動電路；而803表示柵信號側驅動電路。數據信號側驅動電路802包括移位寄存器802a、第一級鎖存器802b、和第二級鎖存器802c。
此外，多個象素804被製作在象素部分801中。圖8B是象素804的放大圖。參考號805表示柵極引線；806表示數據引線；807表示開關TFT；808表示電流控制TFT；809表示三重態EL元件；810表示電容器；而811表示電流饋線。順便說一下，開關TFT807和電流控制TFT808可以分別製作成具有多柵結構，其中多個溝道形成區被提供在源區和漏區之間。考慮到關態電流(TFT處於關態時的漏電流)的抑制，將開關TFT807製作成具有多柵結構特別有效。
在上述結構的象素中，當開關TFT807的柵被開啟時，傳輸到數據引線806的數據信號在電容器810中被充電。此外，這一數據信號被施加到電流控制TFT808的柵，且當電流控制TFT808的柵開啟時，傳輸到電流饋線811的信號被施加到EL元件809。以這種方式，預定的電壓被施加到EL元件809，從而出現發光。
下面描述用時分方法進行灰度顯示的例子。此處將描述用8位數字驅動系統進行256灰度(1677萬種顏色)的全色顯示的例子。
首先，一幀圖象被分成8場。順便說一下，數據輸入到顯示部分的所有象素的時間被稱為一幀，而在正常EL顯示中，振蕩頻率為60Hz，亦即，在1秒鐘內形成60幀。而且，將一幀再分成多個部分所得到的幀被稱為一場。
一場被分成尋址周期(Ta)和保持周期(Ts)。尋址周期表示在一場周期內將數據輸入到所有象素所需的總時間，而保持周期(也可以稱為點亮周期)表示使EL發光的周期。
此處，第一場被稱為F1，而隨後的第二場到第八場被稱為F2-F8。F1-F8的尋址周期(Ta)是恆定的。另一方面，F1-F8的保持周期(Ts)分別被設定為Ts1-Ts8。
此時，保持周期被設定為使Ts1∶Ts2∶Ts3∶Ts4∶Ts5∶Ts6∶Ts7∶Ts8=1∶1/2∶1/4∶1/8∶1/16∶1/32∶1/64∶1/128成立。但F1-F8的出現次序可以是隨機的。藉助於組合各個保持周期，能夠進行256灰度的所希望的灰度顯示。
首先，在電壓未施加(選擇)到不連接於TFT的一側處的EL元件的電極的情況下，數據信號被輸入到各個象素而不使EL元件發光。此周期是尋址周期。當數據被輸入到所有象素時，尋址周期結束，電壓被施加(選擇)到電極，同時使EL元件發光。此周期是保持周期。發光(象素被點亮)周期是周期Ts1-Ts8中的任何一個。此處假設預定的象素在周期Ts8被點亮。
接著，再次在尋址周期內，數據信號被輸入到所有象素，然後開始保持周期。此時，周期Ts1-Ts7中的任何一個成為保持周期。此處假設預定象素在周期Ts7中被點亮。
隨後，對其餘的6場重複相似的操作，並假設保持周期被相繼設定為Ts6、Ts5、…、Ts1，且預定象素在各個場中被點亮。
當出現8場時，一幀就結束。此時，藉助於各個保持周期的組合來控制象素的灰度。例如，在Ts1和Ts2被選擇的情況下，當使總點亮為100％時，能夠表示75％的亮度，而在Ts3、Ts5和Ts8被選擇的情況系，能夠表示16％的亮度。
雖然已經描述了256灰度的情況，但也能夠進行其它灰度顯示。下面參照圖9來描述進行n位灰度顯示的情況。
在進行n位(n是2或以上的整數)灰度(2n灰度)顯示的情況下，首先，使一幀對應於n位灰度，並被分成n場(由F1、F2、F3、…、F(n-1)、F(n)表示)。隨著灰度數目增大，一幀的分割數目也增大，驅動電路從而必須以高的頻率被驅動。
而且，這些n個場的每一個被分成尋址周期(Ta)和保持周期(Ts)。亦即，藉助於選擇是否將電壓施加到對所有EL電極公共的電極(不被連接到TFT那一側處的電極)，而選擇尋址周期和保持周期。
然後，各個n場的保持周期(對應於F1、F2、F3、…、F(n-1)、F(n)的保持周期被分別表示為Ts1、Ts2、Ts3、…、Ts(n-1)、Ts(n))被處理成使Ts1∶Ts2∶Ts3∶…∶Ts(n-1)∶Ts(n)=20∶2-1∶2-2∶…∶2-(n-2)∶2-(n-1)。
在這種情況下，在任一場中，象素被相繼選擇(嚴格地說是各個象素的開關TFT被選擇)，且預定的柵極電壓(相當於數據信號)被加到電流控制TFT的柵極。此時，其中被輸入了使電流控制TFT具有導電狀態的數據信號的象素的EL元件，僅僅在分配給尋址周期結束之後的場的保持周期內發光，亦即預定的象素被點亮。
對所有的n場重複這一操作，各個象素的灰度從而被各個保持周期的組合控制。因此，當注意一個任意象素時，一個象素的灰度就根據象素在各個場中被點亮多長時間(通過多少個保持周期)而受到控制。
利用上述的技術，時分灰度顯示成為可能。為了用時分方法進行灰度顯示，數字驅動是可取的。由於EL元件具有對電信號的高的響應能力，故當使用時分方法時，是有優點的。
然而，本發明不局限於上述的驅動方法，而是也可以採用模擬驅動(使用模擬信號的驅動方法)。且除了時分方法之外，可以利用域分方法(也稱為區域灰度)來進行灰度顯示。在模擬驅動的情況下，可以採用用模擬信號的電壓灰度方法。
本發明這一實施方案模式描述的驅動方法，可以用作實施方案模式1所述發光器件的驅動方法。在這一實施方案模式中，參照圖10來描述本發明用於具有3個半導體元件被提供在一個象素中的象素結構的有源矩陣型發光器件的例子。
在圖10中，參考號1001表示開關TFT 1002的源引線；1003表示開關TFT1002的柵引線；1004表示電流控制TFT；1005表示電容器(可以略去)；1006表示電流饋線；1007表示擦除TFT；1008表示擦除柵引線；而1009表示三重態EL元件。順便說一下，關於擦除TFT1007的運行和象素結構，可查閱日本專利申請No.Hei.11-338786。
擦除TFT1007的漏被連接到電流控制TFT1004的柵，而電流控制TFT1004的柵電壓可以被強迫改變。雖然擦除TFT1007可以是n溝道TFT或p溝道TFT，但希望使擦除TFT1007具有與開關TFT1002相同的結構，以便使關態電流低。
此外，在圖10中，還有一個特點，即電流饋線1006被製作成二個象素共用。亦即，二個象素被製作成相對於電流饋線1006軸對稱。在這種情況下，由於能夠減少電流饋線的數目，故能夠將象素部分做得更精細。
順便說一下，本實施方案模式可以結合實施方案模式1或實施方案模式2進行。在這一實施方案模式中，參照圖11來描述本發明用於具有4個半導體元件被提供給一個象素的象素結構的有源矩陣型發光器件的例子。
在圖11中，參考號1101表示第一開關TFT1102的源引線；而1103表示串聯連接到第一開關TFT1102(連接到漏)的第二開關TFT。參考號1104表示連接到開關TFT1102的柵的第(i+1)個柵引線；而1105表示連接到開關TFT1103的柵的第i個柵引線。
參考號1106表示擦除TFT。擦除TFT1106的源被連接到電流饋線1107，而電流控制TFT1008的柵被連接到第二開關TFT1103的漏。擦除TFT1106的柵被連接到第(i-1)個柵引線1109。電流控制TFT1108的源被連接到電流饋線1107，而其漏被連接到三重態EL元件1110。
此時，擦除TFT1106的漏被連接到電流控制TFT1108的柵，致使能夠強迫改變電流控制TFT1108的柵電壓。擦除TFT1106可以是n溝道TFT或p溝道TFT。
與實施方案模式3所述的日本專利申請No.Hei.11-338786的象素結構的不同之處在於，開關TFT被分成第一開關TFT1102和第二開關TFT1103，且第一開關TFT1102的柵被連接到相鄰下一行的柵引線，亦即第(i+1)柵引線，以及在於擦除TFT1106的柵被連接到相鄰前一行的柵引線，亦即第(i-1)柵引線。
在採用圖11的象素結構的情況下，藉助於設法將柵信號輸入到第(i-1)柵引線、第i柵引線、和第(i+1)柵引線，能夠得到與日本專利申請No.Hei.11-338786所述相似的對象素結構的影響。此處，圖12A是數據信號被寫入象素時的柵信號時間圖，而圖12B是數據信號從象素被擦除時的柵信號時間圖。
根據本發明的這一實施方案模式，由於可以略去圖10所示的擦除柵引線1108，故能夠增大象素的有效發光區，並能夠略去用來驅動擦除柵引線1008的驅動電路，致使可望得到改進位造成品率的效果。
順便說一下，本發明的這一實施方案模式可以結合實施方案模式1或實施方案模式2進行。在本發明的發光器件的結構中，一個象素中的TFT的數目可以是任意的。雖然實施方案模式3示出了其中提供3個TFT的例子，且實施方案模式4示出了其中提供4個TFT的例子，但也可以採用其中提供更多的TFT的象素結構。
順便說一下，本發明的這一實施方案模式可以結合實施方案模式1或實施方案模式2進行。由於本發明的發光器件具有明亮、低功耗、和高可靠性的優點，故能夠被用作各種各樣電器的光源。
典型地說，此器件能夠被用作液晶顯示器的後照光或前照光的光源，或者用作照明設備的光源。
順便說一下，本發明的這一實施方案模式可以結合實施方案模式1到實施方案模式5的任何結構進行。
實施方案[實施方案1]在本實施方案中，參照圖15來描述採用三重態EL元件的有源矩陣型發光器件的例子。圖15所示的有源矩陣型發光器件由象素部分585和將信號輸出到象素部分的驅動電路584組成。在象素部分585中提供有開關TFT582和驅動TFT583，而在驅動電路中提供有p溝道TFT580和n溝道TFT581。
在象素部分585中，開關TFT 582的半導體層具有作為n型雜質區的源區560和漏區561及568以及LDD區562-565。此TFT具有多柵結構，並由溝道形成區566和567通過柵絕緣膜510上的柵電極513組成。而且，LDD區562-565被製作在不與柵電極513重疊的位置，是一種用來降低TFT關態電流的結構。
驅動電路584的n溝道TFT 581具有源區591、漏區592、溝道形成區594，並在漏區側592上製作LDD區593。LDD區593被提供在覆蓋柵電極512的位置，是一種抑制熱載流子效應造成的退化的結構。此n溝道TFT581不必過多考慮關態電流，而是在設計時更重要的是關注運行速度。而且，為了提高電流驅動能力，LDD區593與柵電極512完全重疊，使串聯電阻儘可能被抑制。另一方面，p溝道TFT580基本上可以忽略熱載流子效應造成的退化，致使不必特別提供LDD區，因此採用單漏結構。
利用由厚度為50nm的氮化矽膜561和厚度為1000nm的丙烯酸樹脂562組成的疊層結構，在層間絕緣膜上製作三重態EL元件。此氮化矽膜被用來防止離子性雜質從外部混入到半導體層中。丙烯酸樹脂被用來整平，並在適當的地方可以使用諸如聚醯胺、聚醯亞胺、和BCB(苯並環丁烯)之類的熱硬化或光硬化的其它有機樹脂材料。諸如丙烯酸之類的有機樹脂是吸溼性的，故最好用等離子體處理方法使其表面重構，使之緻密。而且，利用這一處理，可望得到防止諸如用作EL元件陰極材料的鋰之類的鹼金屬材料在半導體層中散布。
三重態EL元件的陽極555由氧化銦錫(ITO)組成。陽極555被連接到驅動TFT583的漏引線544。藉助於在陽極555和丙烯酸562上形成光敏丙烯酸，以及根據陽極555的位置形成窗口，製作分隔相鄰象素的帶556。此帶556覆蓋陽極555的端部，並被製作成側面傾斜30度或以上，最好是45度。而且，利用製作在陽極555和驅動TFT583的漏引線544所連接到的部分上的帶556，防止了出現在接觸孔部分中的臺階所造成的EL層557的發光失效。注意，藉助於將樹脂等混合到形成帶556的樹脂材料中，帶556也可以被用作光屏蔽膜。
然後，用真空蒸發方法，製作實施方案模式1所示的包括由三重態激發而發光的發光材料的EL層557，並用真空蒸發方法製作陰極(MgAg或AlLi電極)558。這二層最好連續製作而不暴露於大氣。注意，EL層557的厚度為80-200nm(典型為100-120nm)，而陰極558的厚度為180-300nm(典型為200-250nm)。注意，在本實施方案中，僅僅示出了一個象素，但同時製作了發射紅光的EL層、發射綠光的EL層、和發射藍光的EL層。
注意，在本實施方案中，EL層557可以是僅僅由發光層構成的單層結構，或除了發光層之外，還可以配備有諸如空穴輸運層、空穴注入層、電子輸運層、電子注入層之類。在各種各樣的例子中已經報導了這種組合，可以使用任何一種結構。
而且，在製作陰極557之後，製作DLC(類金剛石碳)或氮化矽膜作為鈍化膜559。
圖15所示有源矩陣型發光器件還是高度氣密性的，以便不暴露於外部空氣，並用出氣很小的透明密封元件或保護膜(疊層膜、紫外固化樹脂膜之類)封裝(密封)。此時，當密封元件內部被放置惰性氣體或吸溼性材料(例如氧化鋇)時，EL元件的可靠性就得到了改善。
而且，當藉助於封裝之類的工藝提高了氣密性時，用來將從元件或製作在襯底上的電路伸出的端子引線連接到外部信號端子的連接件(柔性印刷電路FPC)被安裝，從而完成產品。在本說明書中，將直至發貨的這種狀態稱為EL顯示器(EL模塊)。圖16示出了有源矩陣型發光器件的象素的電路圖。參考號1107表示開關TFT，參考號1108表示驅動TFT，參考號1109表示擦除TFT，參考號1110表示EL元件，參考號1111表示反電源，而參考號1112是電容器。驅動TFT1108是其中二個EL驅動TFT(第一EL驅動TFT和第二EL驅動TFT)並聯連接的驅動TFT。第一EL驅動TFT和第二EL驅動TFT被組合，並在本說明書中被稱為驅動TFT。
開關TFT的柵電極被連接到寫入柵信號線Ga(寫入柵信號線Ga1-Gay之一)。開關TFT1107的源區和漏區之一被連接到源信號線S(源信號線S1-Sx之一)，而另一個被連接到驅動TFT1108的柵電極，到每個象素的電容器1112，以及到擦除TFT1109的源區或漏區。
電容器1112被用來在開關TFT1107處於非選取狀態(關態)時保持驅動TFT1108的柵電壓。雖然在本實施方案中示出了其中提供電容器1112的結構，但本發明不局限於此，也可以採用其中不提供電容器1112的結構。
驅動TFT1108的一個源區被連接到電源饋線V(V1-Vx中的任何一個)，而漏區被連接到EL元件1110。電源饋線V被連接到電容器1112。
在擦除TFT1109的源區和漏區之中，未被連接到驅動TFT1108的柵電極的那個，被連接到電源饋線V。擦除TFT1109的柵電極被連接到擦除柵信號線Ge(Ge1-Gey中的任何一個)。
EL元件1110包括陽極、陰極、和製作在陽極與陰極之間的EL層。在陽極被連接到驅動TFT1108的漏區的情況下，陽極用作象素電極，而陰極用作反電極。相反，在陰極被連接到驅動TFT1108的漏區的情況下，陰極用作象素電極，而陽極用作反電極。
EL元件1110的反電極被連接到製作在具有象素部分101的襯底外面的反電源1111，且一直施加反電位。而且，電源饋線V被連接到製作在具有象素部分101的襯底外面的電源(圖中未示出)，且一直施加電源電位。反電位和電源電位一直保持在使EL元件在電源電位施加到象素電極時發光的電位差。
對於採用三重態EL元件的EL顯示器，在象素部分單位面積的光量為200cd/m2的情況下，象素部分單位面積需要大約0.5-1mA/cm2電流。因此，當象素部分的尺寸增大時，用開關來控制從電源施加到電源饋線的電位就變得困難了。但在本發明中，電源電位和反電位總是保持恆定。因此，由於不需要用開關來控制從提供在IC中的電源施加的電位水平，故本發明能夠實現大屏幕尺寸的平板。
開關TFT1107、驅動TFT1108、和擦除TFT1109可以採用n溝道TFT和p溝道TFT二者。但第一驅動TFT和第二驅動TFT必須具有相同的極性。對於EL元件1110的陽極是象素電極，而陰極是反電極的情況，驅動TFT最好是p溝道TFT。相反，當EL元件1110的陽極是反電極，而陰極是象素電極時，驅動TFT1108最好是n溝道TFT。
而且，開關TFT1107、驅動TFT1108、和擦除TFT1109，除了單柵結構之外，還可以具有諸如雙柵結構或三柵結構之類的多柵結構。
參照圖17來描述本發明的圖16所示的EL顯示器的象素的頂部表面圖。在圖16和圖17中使用了共同的參考號。
在圖16中，具有各一個源信號線(S)、電源饋線(V)、寫入柵信號線(Ga)、和擦除柵信號線(Ge)的區域1105，是一個象素。象素1105具有開關TFT1107、驅動TFT1108、和擦除TFT1109。驅動TFT1108具有第一和第二EL驅動TFT，且第一和第二EL驅動TFT被並聯連接。
開關TFT1107具有半導體層1107a和作為寫入柵信號線(Ga)的一部分的柵電極1107b。驅動TFT1108具有半導體層1108a和作為柵引線1121的一部分的柵電極1108b。擦除TFT1109具有半導體層1109a和作為寫入柵信號線(Ge)的一部分的柵電極1109b。
開關TFT1107的半導體層1107a的源區和漏區之一，被連接到源信號線，而源區和漏區中的另一個，通過連接引線1113被連接到柵引線1121。注意，依賴於源信號線(S)的電位，連接引線1113被稱為源引線和漏引線。
擦除TFT1109的半導體層1109a的源區和漏區之一，被連接到源信號線，而源區和漏區中的另一個，通過連接引線1115被連接到柵引線1121。注意，依賴於電源饋線的電源電位，連接引線1113被稱為源引線和漏引線。
驅動TFT1108的半導體層1108a的源區和漏區，分別被連接到電源饋線V和漏引線1114。漏引線1114被連接到陽極1117。
電容器引線1116由半導體膜組成。電容器1112由電連接到電源饋線(V)並位於與柵絕緣膜相同層上的絕緣膜(圖中未示出)與柵引線1121之間的電容器引線1116組成。而且，也有可能採用由柵引線1121、與第一層間絕緣膜相同的層(圖中未示出)、以及電源饋線(V)組成的電容器。
注意，藉助於腐蝕有機樹脂膜，在陽極1117上製作具有窗口1131的帶。然後按順序在象素電極1117上層疊EL層和反電極，雖然在圖中未示出。陽極1105與EL層在帶的窗口1131中接觸，而EL層僅僅在夾於接觸反電極與象素電極之間的部分發光。
注意，本發明的EL顯示器的象素部分不局限於圖16所示的結構。三重態EL元件相對於單重態EL元件的優越性在於能夠以低的電壓獲得高精度。此處示出了將EL元件應用於有源矩陣型發光器件的一個實驗例子。
為了製造樣品，相繼層疊酞花青銅(以下稱為CuPc)、作為芳香胺材料的4,4』,4」-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-胺)三苯胺(以下稱為mTDATA)、4,4』-二[N-萘基-N苯胺]聯苯(以下稱為α-NPD)、摻有三-(2-苯基-吡啶和銥(以下稱為Ir(ppy)3)的4,4』N,N』-二咔唑(dicaribazole)-聯苯(以下稱為CBP)、浴銅靈(以下稱為BCP)、吡喃的鋁絡合物(以下稱為Alq3)，作為三重態EL元件和陽極。摻有Ir(ppy)3的CBP是一種可以從三重激發態得到發光(螢光)的有機化合物。
作為比較例，在ITO組成的陽極上，製作了單重態EL元件，它是由CuPc構成的空穴注入層、mTDATA和α-NPD構成的空穴輸運層、以及Alq3構成的電子注入層和發光層組成的。
圖18的曲線示出了電流密度與發光亮度的特性。三重態EL元件從低電流密度獲得了高的發光亮度，相比之下，在相同的電流密度下具有5-10倍的亮度。在低電流密度區，這一傾向特別重要。而且，在此處測量的範圍內，亮度幾乎隨電流密度的增大直線上升。
圖19示出了外加電壓與發光效率的關係曲線。在4-6V的範圍內，三重態EL元件獲得了9％的發光效率。相反，在4-6V的範圍內，單重態EL元件僅僅獲得了1-2％的發光效率，而且有可能使三重態EL元件發射更加明亮的光。
注意，發光效率η(ext)具有下式的值。(ext)=LeKmhcJLUFdLUFyd]]>此處，πL是總光通量(lm/m2),e是電荷。Km是最大光譜發光效率(680lm/W),J是電流密度(A/m2),F(λ)是實際測量的發光譜，而y(λ)是標準光譜發光效率曲線。
圖20示出了功耗與發光效率的特性。發光效率不隨功耗增加，但在具有高功耗的工作區中，發光效率降低。然而，三重態EL元件具有高得多的發光效率，因而從功耗的觀點看，三重態EL元件顯示出比單重態EL元件更優越。
另一方面，圖21示出了有關單漏結構的TFT(n溝道)的壽命數據。在曲線中，作為柵電壓的恆定2V和從漏電壓被穩定施加直到漏電流降低10％的時間，被計算並繪於其上。改變漏電壓以找出時間，且直線連接各個曲線，而與3.15×108秒(10年)相交處的電壓被定義為10年保質電壓。
圖22示出了當溝道長度(Li)被改變到2.8-9.8μm時的10年保質電壓。例如，溝道長度為3μm的單漏結構的TFT被示為具有大約7V的10年保質電壓。亦即，當被低於此值的漏電壓驅動時，它顯示出實際上沒有問題。
利用上述數據，在有源矩陣型發光器件中，利用三重態EL元件可以使TFT的驅動電壓更低。如圖19所示，若採用本實施方案所示的三重態EL元件，則驅動電壓可以設定在4-6V範圍。用這一電壓驅動的TFT幾乎可以忽略熱載流子效應造成的退化。因此，沒有必要特別提供諸如LDD，從而有可能減少製造步驟和降低製造成本。
如本發明所示，利用三重態EL元件降低了TFT的驅動電壓，並有可能獲得明亮的顯示器件以及降低功耗。本發明的發光顯示器件由於是自發光型，因而比之液晶顯示器件，在明亮處具有優異的可見度，並具有寬廣的視角。因此，能夠用作各種各樣電子設備的顯示部分。
本發明的電子設備有下列各種攝象機；數位相機；風鏡式顯示器(頭戴顯示器)；導航系統；音響裝置；筆記本個人計算機；遊戲裝置；無線便攜信息終端(諸如移動計算機、蜂窩電話、便攜遊戲機、或電子記事本)；以及配備有記錄媒質的放象設備。圖13和14示出了這些電子設備的具體例子。
圖13A是一種EL顯示器，它包含框架2001、支座2002、和顯示部分2003。本發明的發光器件可以用於顯示部分2003。此EL顯示器是自發光型的，故無需後照光。且顯示部分能夠製得比液晶顯示器更薄。
圖13B是一種錄象機，包含主體2101、顯示部分2102、聲音輸入部分2103、操作開關2104、電池2105、和圖象接收部分2106。本發明的發光器件可以用於顯示部分2102。
圖13C是一種數位相機，包含主體2201、顯示部分2202、光學系統2203、操作開關2204。本發明的發光器件可用於顯示部分2202。
圖13D是一種配備有記錄媒質的放象機，包含主體2301、記錄媒質(諸如CD、LD、或DVD)2302、操作開關2303、顯示部分(a)2304、和顯示部分(b)2305等。顯示部分(a)主要用來顯示圖象信息，而顯示部分(b)主要用來顯示字符信息，且本發明的發光器件可以用於顯示部分(a)和顯示部分(b)。注意，配備有記錄媒質的放象機包括諸如CD重放裝置和遊戲機之類的裝置。
圖13E是一種可攜式(移動)計算機，包含主體2401、顯示部分2402、圖象接收部分2403、操作開關2404、以及存儲器插口。本發明的電光器件可用於顯示器2402。這種可攜式計算機用快速存儲器或易失存儲器將信息記錄在聚集的記錄媒質上，並能夠重放這些記錄。
圖13F是一種個人計算機，包含主體2501、框架2502、顯示部分2503、和鍵盤2504。本發明的發光器件可以用於顯示部分2503。
注意，若EL材料發射的光的亮度將來提高了，則有可能用於正面型或背投型投影儀中，以便用透鏡之類擴展和投射含有輸出圖象信息的光。
而且，上述各種電器常常顯示通過諸如互連網和CATV(有線電視)之類的電子通信網絡以及諸如無線電波之類的無線電通信傳播的信息，特別是電器顯示動態圖象信息的機會越來越多。由於EL材料的響應速度非常高，故EL顯示器件適合於動態圖象顯示。
此外，由於發光器件在發光部分消耗功率，故最好用EL顯示器件來顯示信息，以便使發光部分儘可能小。因此，當使用主要用於字符信息的顯示部分中的發光器件時，諸如可攜式信息終端，特別是蜂窩電話或聲音重放裝置時，最好將發光器件驅動成由發光部分形成字符信息，而將不發光部分設定為背景。
圖14A是一種蜂窩電話，包括主體2601、聲音輸出部分2602、聲音輸入部分2603、顯示部分2604、操作開關2605、以及天線2606。本發明的發光器件可以用於顯示部分2604。注意，藉助於在黑色背景上顯示白色字符，顯示部分2604能夠抑制蜂窩電話的功耗。
圖14B是一種聲音重放裝置，(特別是車輛音響系統)，包括主體2701、顯示部分2702、以及操作開關2703和2704。本發明的發光器件能夠用於顯示部分2702。而且，在本實施方案中示出了車輛音響系統，但本發明的EL顯示器件也能夠用於家庭音響系統。注意，藉助於在黑色背景上顯示白色字符，顯示部分2704能夠抑制功耗。
而且，可以組合光傳感器，來提供探測待要使用的環境的亮度的裝置，以便用它來根據待要使用的環境的亮度而調製發光亮度。若用戶可以保持亮度有比之所用環境亮度的100-150的反差比，則在識別圖象或字符信息方面不存在問題。亦即，當待要使用的環境明亮時，圖象的亮度被提高，故容易看見，而當待要使用的環境陰暗時，圖象的亮度可以被抑制，從而抑制功耗。
注意，本發明的實施方案可以利用實施方案模式1-5以及實施方案1-3的任何結構來加以實施。
藉助於實施本發明，能夠獲得明亮並具有低功耗的有源矩陣型發光器件，並能夠獲得高可靠性。而且，藉助於採用這種發光器件作為光源或顯示部分，能夠獲得具有明亮顯示部分和低功耗的電器。
權利要求
1．一種發光器件，包含採用其中由三重態激發得到電致發光的發光材料的電致發光元件；以及電連接到電致發光元件的半導體元件。
2．根據權利要求1的器件，其特徵在於，其中的半導體元件是TFT。
3．一種採用根據權利要求1的發光器件的電器。
4．一種採用根據權利要求1的發光器件的可攜式電話。
5．一種採用根據權利要求1的發光器件的數位相機。
6．一種採用根據權利要求1的發光器件的音響設備。
7．一種採用根據權利要求1的發光器件的無線便攜設備。
8．一種發光器件，包含半導體元件；以及電連接到半導體元件的電致發光元件，其中的電致發光元件包括由下面分子式表示的發光材料製成的薄膜 其中Et代表乙基；M代表屬於周期表中8-10族的元素。
9．根據權利要求8的器件，其特徵在於，其中所述M是選自鎳、鈷、和鈀的元素。
10．根據權利要求8的器件，其特徵在於，其中的發光材料是含有選自鎳、鈷、和鈀的元素的金屬絡合物。
11．根據權利要求8的器件，其特徵在於，其中的發光材料是含有選自鎳、鈷、和鈀的元素的有機化合物。
12．根據權利要求8的器件，其特徵在於，其中的半導體元件是TFT。
13．一種採用根據權利要求8的發光器件的電器。
14．一種採用根據權利要求8的發光器件的可攜式電話。
15．一種採用根據權利要求8的發光器件的數位相機。
16．一種採用根據權利要求8的發光器件的音響設備。
17．一種採用根據權利要求8的發光器件的無線便攜設備。
18．一種發光器件，包含半導體元件；以及電連接到半導體元件的電致發光元件，其中的電致發光元件包括由下面分子式表示的發光材料製成的薄膜 其中Et代表乙基；M代表屬於周期表中8-10族的元素。
19．根據權利要求18的器件，其特徵在於，其中所述M是選自鎳、鈷、和鈀的元素。
20．根據權利要求18的器件，其特徵在於，其中的發光材料是含有選自鎳、鈷、和鈀的元素的金屬絡合物。
21．根據權利要求18的器件，其特徵在於，其中的發光材料是含有選自鎳、鈷、和鈀的元素的有機化合物。
22．根據權利要求18的器件，其特徵在於，其中的半導體元件是TFT。
23．一種採用根據權利要求18的發光器件的電器。
24．一種採用根據權利要求18的發光器件的可攜式電話。
25．一種採用根據權利要求18的發光器件的數位相機。
26．一種採用根據權利要求18的發光器件的音響設備。
27．一種採用根據權利要求18的發光器件的無線便攜設備。
28．一種發光器件，包含採用其中由三重態激發獲得電致發光的發光材料的電致發光元件；以及電連接到電致發光元件的薄膜電晶體，其中通過薄膜電晶體施加到電致發光元件的電壓為4-6V。
29．一種採用根據權利要求28的發光器件的電器。
30．一種採用根據權利要求28的發光器件的可攜式電話。
31．一種採用根據權利要求28的發光器件的數位相機。
32．一種採用根據權利要求28的發光器件的音響設備。
33．一種採用根據權利要求28的發光器件的無線便攜設備。
34．一種發光器件，包含採用其中由三重態激發獲得電致發光的發光材料的電致發光元件；電連接到電致發光元件的薄膜電晶體；源信號線；以及連接到薄膜電晶體的源側的電源線，其中電源線的電壓為4-6V。
35．一種採用根據權利要求34的發光器件的電器。
36．一種採用根據權利要求34的發光器件的可攜式電話。
37．一種採用根據權利要求34的發光器件的數位相機。
38．一種採用根據權利要求34的發光器件的音響設備。
39．一種採用根據權利要求34的發光器件的無線便攜設備。
全文摘要
提供了一種明亮的並具有低功耗和高可靠性的發光器件。電連接到電流控制TFT 102的三重態EL元件203,被提供在象素部分201中。用於三重態EL元件203的發光材料的特點是由三重態激發獲得EL,並在比現有技術低的工作電壓下呈現高的發光效率。因此,能夠在低的工作電壓下運行,從而能夠獲得明亮的並具有低功耗和高可靠性的發光器件。
文檔編號H01L51/00GK1325143SQ0111950
公開日2001年12月5日 申請日期2001年5月22日 優先權日2000年5月22日
發明者山崎舜平, 犬飼和隆 申請人:株式會社半導體能源研究所