JP4337171B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子等の、電流によって輝度が制御される発光素子を各画素毎に備えた表示装置に関する。より詳しくは、各画素内に設けられた電界効果型薄膜トランジスタ等の能動素子によって発光素子に供給する電流が制御される、所謂アクティブマトリクス型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アクティブマトリクス型の表示装置では、多数の画素をマトリクス状に並べ、表示すべき画像情報に応じて画素毎に光強度を制御することによって画像を表示する。電気光学物質として液晶を用いた場合には、各画素に書き込まれる電圧に応じて画素の透過率が変化する。電気光学物質として有機エレクトロルミネッセンス材料を用いたアクティブマトリクス型の表示装置でも、基本的な動作は液晶を用いた場合と同様である。しかし、液晶ディスプレイと異なり、有機ＥＬディスプレイは各画素に発光素子を有する、所謂自発光型であり、液晶ディスプレイに比べて画像の視認性が高い、バックライトが不要、応答速度が早い等の利点を有する。個々の発光素子の輝度は電流量によって制御される。即ち、発光素子が電流駆動型或いは電流制御型であるという点で、液晶ディスプレイ等とは大きく異なる。
【０００３】
液晶ディスプレイと同様、有機ＥＬディスプレイもその駆動方式として単純マトリクス方式とアクティブマトリクス方式とが可能である。前者は構造が単純であるものの、大型、且つ、高精細のディスプレイの実現が困難であるため、アクティブマトリクス方式の開発が盛んに行なわれている。アクティブマトリクス方式では、各画素内に設けた発光素子に流れる電流を、画素内部に設けた能動素子（一般には薄膜トランジスタ、ＴＦＴ）によって制御する。このアクティブマトリクス方式の有機ＥＬディスプレイは、例えば特開平８−２３４６８３号公報に開示されており、その概要を図６に示す。図示するように、表示装置は、ガラス基板１の上に形成されており、互いに交差する走査線Ｘ及び信号線Ｙと、これらの交差部に配された画素ＰＸＬ等から成る。画素ＰＸＬは、供給される電流に応じて発光する電流駆動型の発光部と、走査線Ｘ及び信号線Ｙからの信号に応じて動作し、発光部に電流を供給する回路部ＣＫＴとから成る。発光部は、画素電極１０と対向電極１２との間に挟まれた有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）層１１から成る。
【０００４】
図７は、図６に示した画素ＰＸＬ１個分の等価回路図であり、特に回路部ＣＫＴの構成例を模式的に表している。回路部ＣＫＴは、第１の薄膜トランジスタＴＦＴ１、第２の薄膜トランジスタＴＦＴ２、及び、保持容量Ｃｓから成る。各薄膜トランジスタＴＦＴ１，ＴＦＴ２は、図示するように、ゲートＧ、ソースＳ及びドレインＤを備えている。発光部は有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子である。有機ＥＬ素子は、多くの場合、整流性があるため、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）と呼ばれることがあり、図では発光素子としてダイオードの記号を用いている。但し、発光素子は必ずしもＯＬＥＤに限るものではなく、素子に流れる電流量によって輝度が制御されるものであれば良い。又、発光素子に必ずしも整流性が要求されるものではない。図示の例では、ＴＦＴ２のソースＳを基準電位（接地電位）とし、発光素子ＯＬＥＤのアノードＡ（陽極）はＶ _dd （一定の正電位）に接続される一方、カソードＫ（陰極）はＴＦＴ２のドレインＤに接続されている。図６と図７を比較すれば明らかなように、ＯＬＥＤのアノードＡが対向電極１２に対応し、カソードＫが画素電極１０に対応している。但し、接続関係はこれに限られるものではなく、例えば、カソードＫとアノードＡを逆にする場合も有る。
【０００５】
図７に示した画素回路部ＣＫＴの動作は次の通りである。まず、走査線Ｘを選択状態（ここでは高レベル）とし、信号線Ｙにデータ電位を印加すると、ＴＦＴ１が導通し、保持容量Ｃｓが充電又は放電され、ＴＦＴ２のゲート電位はデータ電位に一致する。走査線Ｘを非選択状態（ここでは低レベル）とするとＴＦＴ１がオフになり、ＴＦＴ２は電気的にデータ線Ｙから切り離されるが、ＴＦＴ２のゲート電位は保持容量Ｃｓによって安定に保持される。ＴＦＴ２を介して発光素子ＯＬＥＤに流れる電流は、ＴＦＴ２のゲート／ソース及びドレインに印加された電圧に応じた値となり、発光素子ＯＬＥＤは、その電流量に応じた輝度で発光し続ける。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
有機ＥＬ素子は電流駆動型であるので、ディスプレイの色むらを低減し、正確な階調を出すためには、電流量のばらつきを抑制することが重要である。電流駆動型の発光素子に駆動電流を供給する薄膜トランジスタには、ボトムゲート構造とトップゲート構造がある。ボトムゲート構造の薄膜トランジスタは、ゲート電極と、その上面に重ねられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜を介してゲート電極の上方に重ねられた半導体薄膜とから成る。一方、トップゲート構造の薄膜トランジスタは、半導体薄膜と、その上面に重ねられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜を介して半導体薄膜の上方に重ねられたゲート電極とから成る。ここで、発光素子の回路部としてボトムゲート構造の薄膜トランジスタを採用した場合、バックチャネル現象や短チャネル効果のため、発光素子に供給されるドレイン電流が変動するという課題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題を解決するために、以下の手段を講じた。即ち、本発明に係る表示装置は、互いに交差する走査線及び信号線と、これらの交差部に配された画素とからなる。前記画素は、供給される電流に応じて発光する電流駆動型の発光部と、該走査線及び該信号線からの信号に応じて動作し該発光部に電流を供給する回路部とからなる。前記回路部は、ゲート電極とその上面に重ねられたゲート絶縁膜と該ゲート絶縁膜を介して該ゲート電極の上方に重ねられた半導体薄膜とからなる薄膜トランジスタを含む。前記薄膜トランジスタは、該発光部に供給される電流の通路となるソース、チャネル及びドレインを該半導体薄膜に備える。前記チャネルは、該ゲート電極に印加される信号に応じて該通路を流れる電流を制御し、該制御された電流を該ドレインを介し該発光部に供給する。特徴事項として、前記薄膜トランジスタは、該ドレインから該発光部にかけて発生する電界の影響を遮断する為に、該チャネルの上方にシールド用の導体膜が配され、かつ該導体膜の上方に該発光部の画素電極が配されており、該発光部に供給される電流を安定化する。好ましくは、前記導体膜は、該信号線又は走査線を構成する導体膜と同一の材料で形成されている。前記導体膜は、定電位に保持されている。或いは、前記導体膜は、該ゲート電極と同電位に保持されている。好ましくは、前記薄膜トランジスタは、該ドレインの電圧上昇に伴う該チャネルの実効長の短縮化を抑制する為に充分な不純物が該チャネルに注入されており、これにより更に該発光部に供給される電流を安定化する。好ましくは、前記発光部は、電流に応じて発光する有機エレクトロルミネッセンス素子からなる。
【０００８】
本発明によれば、各画素に集積形成された回路部は、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタを含んでいる。この薄膜トランジスタのチャネル上に導体膜を設けることにより、外部電界を遮断して、バックチャネル現象を抑制する。特に、薄膜トランジスタの動作特性上で、飽和領域におけるドレイン電圧の増大に伴うドレイン電流の増加を防いでいる。又、チャネル領域に必要な濃度の不純物を導入することで、短チャネル効果の発生を抑制し、以て、飽和領域におけるドレイン電圧の増大に伴うドレイン電流の漸増を防いでいる。かかるドレイン電流の抑制手段を講ずることにより、有機ＥＬ素子等の電流駆動型発光素子を集積形成した表示装置の色むらを低減し、正確な階調を出すことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる表示装置の実施形態の一例を示す模式的な部分断面図であり、一画素分のみを表している。尚、本表示装置の全体的な構成は、図６及び図７に示した表示装置と基本的には同様である。即ち、本発明にかかる表示装置は、ガラス板等から成る基板１を用いて作製されており、その上には、互いに交差する走査線及び信号線と、これらの交差部に配された画素とが集積的に形成されている。画素は、供給される電流に応じて発光する電流駆動型の発光部と、走査線及び信号線からの信号に応じて動作し、発光部に電流を供給する回路部とから成る。本実施形態では、発光部は、電流に応じて発光する有機ＥＬ素子ＯＬＥＤから成る。このＯＬＥＤは、画素電極１０、有機ＥＬ層１１及び対向電極１２を順に重ねたものである。画素電極１０は、ＯＬＥＤのカソードＫとして機能し、例えば、金属アルミニウムから成る。対向電極１２は、ＯＬＥＤのアノードＡとして機能し、例えば、ＩＴＯ等の透明導電材料から成る。画素電極１０は画素毎に細分化されている一方、対向電極１２は全ての画素について共通に形成されている。有機ＥＬ層１１は、例えば、正孔輸送層と電子輸送層とを重ねた複合膜となっている。例えば、カソードＫ（電子注入電極）として機能する画素電極１０の上に電子輸送層としてＡｌｑ３を蒸着し、その上に正孔輸送層としてＤｉａｍｉｎｅを蒸着し、その上にアノードＡ（正孔注入電極）として機能する対向電極１２を成膜する。尚、Ａｌｑ３は、８−ｈｙｄｒｏｘｙ ｑｕｉｎｏｌｉｎｅ ａｌｕｍｉｎｕｍを表している。このような積層構造を有するＯＬＥＤは一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。かかる構成を有するＯＬＥＤのアノード／カソード間に順方向の電圧（１０Ｖ程度）を印加すると、電子や正孔等キャリアの注入が起こり、発光が観測される。ＯＬＥＤの動作は、正孔輸送層から注入された正孔と電子輸送層から注入された電子より形成された励起子による発光と考えられる。
【００１０】
ＯＬＥＤを駆動するために画素毎に設けられた回路部は、図示するようにボトムゲート構造のＴＦＴを含んでいる。このＴＦＴは、基板１の上に形成されたゲート電極２と、その上面に重ねられたゲート絶縁膜３と、このゲート絶縁膜３を介してゲート電極２の上方に重ねられた半導体薄膜４とから成る。この半導体薄膜４は、例えば、多結晶シリコン薄膜から成る。ＴＦＴは、ＯＬＥＤに供給される電流の通路となるソースＳ、チャネルＣｈ及びドレインＤを備えている。チャネルＣｈは、丁度、ゲート電極２の直上に位置する。このボトムゲート構造のＴＦＴは層間絶縁膜５により被覆されており、その上にはソース電極６及びドレイン電極７が形成されている。これら回路部の配線となるソース電極６及びドレイン電極７の上には平坦化膜９を介してＯＬＥＤが成膜されている。ここで、チャネルＣｈはゲート電極２に印加される信号に応じて上述した通路を流れる電流を制御し、これをドレインＤ及びドレイン電極７を介してＯＬＥＤに供給する。
【００１１】
本発明の特徴事項として、薄膜トランジスタＴＦＴにおいては、ドレインＤ及びこれと同電位のドレイン電極７や画素電極１０から発生する電界の影響を遮断するために、チャネルＣｈの上方に層間絶縁膜５を介してシールド用の導体膜８が配されている。この導体膜８によりＴＦＴのバックチャネル現象を抑制し、以て、ＯＬＥＤに供給されるドレイン電流を安定化する。本実施形態では、導体膜８は、信号線（図示せず）やソース電極６、ドレイン電極７を構成する導体膜と同一の材料で形成されている。場合によっては、走査線（図示せず）やゲート電極２を構成する導体膜と同一の材料で形成してもよい。本実施形態では、導体膜８はゲート電極２と同電位に保持されている。場合によっては、導体膜８を、接地電位若しくは電源電位（Ｖ _dd ）等の定電位に保持してもよい。
【００１２】
又、本発明の他の特徴として、薄膜トランジスタＴＦＴにおいては、ドレインＤの電圧上昇に伴うチャネルＣｈの実効長の短縮化（短チャネル効果）を抑制するために、十分な不純物が半導体薄膜４のチャネルＣｈに注入されており、ＯＬＥＤに供給されるドレイン電流を安定化する。ドレインＤの電圧上昇に伴う短チャネル効果を抑制するに十分な濃度で、チャネルＣｈの閾値電圧を調整するために不純物が、チャネルＣｈに注入されている。換言すると、ＴＦＴの閾値電圧調整用に注入される不純物の濃度を通常に比べ多めに制御することで、短チャネル効果を抑制している。ドーズ量としては１×１０¹⁴／ｃｍ²以下が好ましい。このドーズ量を越えるとＴＦＴの耐圧に問題が生じる場合がある。又、このドーズ量を越えるとＴＦＴの閾値電圧も動作に不適切な範囲に入る場合がある。
【００１３】
図２は、本発明の原理的な説明に供する模式図であり、ＴＦＴの参考例を表している。この参考例は、基本的には図１に示した実施形態と同様であり、対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。但し、この参考例は、実施形態と異なり、シールド用の導体膜がない通常のボトムゲート構造となっている。そこで、ＴＦＴのドレインＤに加わる電圧を増加していくと、電気力線が層間絶縁膜５を通して多結晶シリコン等から成る半導体薄膜４に印加される。この電気力線による電界は、ドレイン電圧の上昇と共に増加するため、バックチャネル現象が発生し、結果的にチャネルＣｈを流れる電流は増加していく。
【００１４】
図３は、図２に示した薄膜トランジスタＴＦＴのドレイン電圧Ｖ _d ／ドレイン電流Ｉ _d の関係を示すグラフである。ＯＬＥＤを駆動するためには、Ｖ _d ／Ｉ _d 特性の飽和領域で、ドレイン電流Ｉ _d はほぼ一定であることが好ましい。これにより、安定した画像輝度が得られる。しかし、図２に示した参考例では、バックチャネル現象のためＶ _d ／Ｉ _d 特性は飽和領域で平坦とならず、カーブａで示すようにＶ _d の上昇と共にＩ _d が漸増している。
【００１５】
図４は、図１に示した実施形態の要部を表したものであり、図２の参考例との比較が容易となるように描いてある。ドレインＤに印加される電圧による電界を防ぐためには、図示するように、ソース電極６及びドレイン電極７を構成する層と同じ導電材で、チャネルＣｈを構成する半導体薄膜４の上に層間絶縁膜５を介して導体膜８を設ける。このようにすれば、ドレイン電圧による電界はシールドされることになり、チャネルＣｈに悪影響を与えない。この結果、図４のＴＦＴのＶ _d ／Ｉ _d 特性は図３のカーブｂのようになり、飽和領域における電流値の変動を抑制することが可能である。
【００１６】
図５は、本発明の他の特徴の原理的な説明に供する模式図である。図示するように、ＴＦＴは予め必要な電流駆動能力に見合ったチャネルＣｈの長さ寸法Ｌを有している。しかし、ドレイン電圧の増大と共に、空乏層がドレイン端からソース端に向って伸びていく。空乏層の長さ寸法をΔＬとすると、実効チャネル長がＬ−ΔＬとなり、短くなってくる。このようなドレイン電圧の増大に伴う短チャネル効果が発生すると、当然、ドレイン電流Ｉ _d が漸増してくるため、ＴＦＴのＶ _d ／Ｉ _d 特性は図３のカーブａのようになる。ここで、空乏層の長さΔＬはチャネルＣｈに注入された不純物濃度が低いほど、長くなる。従って、ドレイン電圧の影響による短チャネル効果を抑制するために必要な程度の濃度で、チャネルに不純物を注入すればよい。具体的には、空乏層の伸びを防止するため、必要な濃度で予め半導体薄膜４に閾値調整を兼ねたイオンインプランテーションを行なっている。これにより、ＴＦＴのＶ _d ／Ｉ _d 特性を、図３のカーブｂのようにすることが可能である。ＯＬＥＤは電流駆動型であるので、ドレイン電流のばらつきを抑制することは重要である。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と電流駆動型発光素子とを組み合わせたアクティブマトリクス型表示装置において、ボトムゲート構造のＴＦＴの上にシールド用の導体膜を設けることにより、ＴＦＴ動作特性上、飽和領域におけるドレイン電流の漸増を抑制することが可能である。又、チャネルに不純物を注入することで、ドレイン端からの空乏層の伸びを抑制して、ドレイン電流の漸増を防ぐ。このようなシールド用の導体膜とチャネルドーピングとを組み合わせて、飽和領域におけるドレイン電流の漸増を抑える。これにより、電流駆動で発光する有機ＥＬ素子等を用いた表示装置の表示むらの低減化が達成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる表示装置の実施形態を示す模式的な部分断面図である。
【図２】 本発明の原理説明に供する参考図である。
【図３】 同じく原理説明に供する薄膜トランジスタの特性図である。
【図４】 本発明にかかる表示装置の要部断面図である。
【図５】 同じく本発明にかかる表示装置の要部断面図である。
【図６】 従来の表示装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図７】 従来の表示装置の一例を示す等価回路図である。
【符号の説明】
１・・・基板、２・・・ゲート電極、３・・・ゲート絶縁膜、４・・・半導体薄膜、５・・・層間絶縁膜、８・・・導体膜、９・・・平坦化膜、１０・・・画素電極、１１・・・有機ＥＬ層、１２・・・対向電極、ＴＦＴ・・・薄膜トランジスタ、Ｃｈ・・・チャネル、Ｓ・・・ソース、Ｄ・・・ドレイン、ＯＬＥＤ・・・有機発光ダイオード

Claims (5)

1. 互いに交差する走査線及び信号線と、これらの交差部に配された画素とから成り、
   前記画素は、供給される電流に応じて発光する電流駆動型の発光部と、該走査線及び該信号線からの信号に応じて動作し、該発光部に電流を供給する回路部とから成り、
   前記回路部は、ゲート電極と、その上面に重ねられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して該ゲート電極の上方に重ねられた半導体薄膜とから成る薄膜トランジスタを含み、
   前記薄膜トランジスタは、該発光部に供給される電流の通路となるソース、チャネル及びドレインを該半導体薄膜に備え、
   前記チャネルは、該ゲート電極に印加される信号に応じて該通路を流れる電流を制御し、該制御された電流を該ドレインを介し該発光部に供給する表示装置であって、
   前記発光部は、電流に応じて発光する有機エレクトロルミネッセンス素子から成り、
   前記薄膜トランジスタを覆うように、前記薄膜トランジスタの上方には発光部の画素電極が配されており、
   前記薄膜トランジスタと前記画素電極との間であって、該チャネルの上方には、ドレイン及び画素電極から発生する電界に起因して飽和領域におけるドレイン電圧の増大に伴うドレイン電流の増加を防ぐためのシールド用の導体膜が配されている表示装置。
2. 前記導体膜は、該信号線又は走査線を構成する導体膜と同一の材料で形成されている請求項１に記載の表示装置。
3. 前記導体膜は、定電位に保持されている請求項１に記載の表示装置。
4. 前記導体膜は、該ゲート電極と同電位に保持されている請求項１に記載の表示装置。
5. 該ドレインの電圧上昇に伴う該チャネルの実効長の短縮化を抑制する為に充分な不純物が該チャネルに注入されており、これにより、更に該発光部に供給される電流を安定化する請求項１に記載の表示装置。

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