JP2007250984A - 酸化物半導体薄膜トランジスタを用いた発光素子及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満の酸化物を用いたＴＦＴを有し、安定的に動作する発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、基板１０１上に青、緑、及び赤の光の３原色に対応する青色画素領域ａ１、緑色画素領域ａ３、及び赤色画素領域ａ２を有する画素領域を備える。この画素領域に、ソース電極１０５、ドレイン電極１００、ゲート電極１０４、ゲート絶縁膜１０３、及び活性層１０２を有するＴＦＴ１１と、発光層１０８と、この発光層１０８を挟む下部電極１０７及び対向電極１０９とを有する。活性層１０８は、酸化物で構成される。ドレイン電極１００は、下部電極１０７を介して発光層１０８の一部に電気的に接続される。ＴＦＴ１１は、基板１０１上の青色画素領域ａ１を除く領域、例えば赤色画素領域ａ２に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物半導体薄膜トランジスタを用いた発光素子に係り、特に発光層に有機ＥＬ素子又は無機ＥＬ素子を用いたトップエミッション型、ボトムエミッション型もしくは両面発光型の発光素子及びこれを用いた画像表示装置に関する。

近年、インジウム、ガリウム、亜鉛、及び酸素からなる透明アモルファス酸化物半導体膜をＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）のチャネル層（活性層、能動層とも言う）に用いる技術が開発されている（特許文献１、非特許文献１参照）。この透明アモルファス酸化物半導体膜は、低温で成膜でき、かつ可視光に透明であるため、プラスチック板やフィルムなどの基板上にフレキシブルな透明ＴＦＴを形成することが可能であるとされている。

非特許文献１によれば、蛍光Ｘ線分析法による組成比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．１：１．１：０．９である透明アモルファス酸化物半導体膜は、可視光に対して透過率が約８０％以上であることが示されている。そして、透明なＴＦＴを形成することが可能であるとされている。同様に、ＺｎＯを主成分として用いた透明伝導性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いたＴＦＴの開発も活発に行われている（特許文献２参照）。

また、近年では有機ＥＬ（electroluminescence）の発光素子の研究開発が活発であるが、この有機ＥＬをディスプレイに応用する場合には、アクティブマトリックス型で駆動されるのが主流である。このアクティブマトリックス駆動には、通常アモルファスシリコンもしくはポリシリコンを用いたＴＦＴが利用されている。

また、アクティブマトリックスの有機ＥＬディスプレイにおいて、駆動素子の劣化を阻止し、かつ、テレビジョン映像表示を可能にする高画質・高輝度ディスプレイを提供することを目的としたものが開示されている。これは、単結晶シリコンを活性層に用いたＭＯＳ電界効果トランジスタを二つ用いることで、高画質で駆動素子の劣化を阻止した有機ＥＬディスプレイである（特許文献３参照）。
国際公開第２００５／０８８７２６号パンフレット 特開２００２−７６３５６号公報 特開平０９−１１４３９８号公報 Ｎａｔｕｒｅ、４８８−４９２頁、４３２巻、２００４年

本発明者らは、透明アモルファス酸化物半導体膜を用いて透明な電界効果型トランジスタを作製すべく、検討を行っていたところ、偶然にも、ある波長の可視光の下では、電気伝導度が変化するという現象を発見した。

そして、本発明者らは、この現象を精査すべく、後述するように分光光照射下における電気伝導度を測定する実験（分光感度測定実験）を行った。その結果、可視光の短波長側領域において、光吸収により電気伝導度が変化（増加）することを観測した（図８参照）。

図８に示した結果は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に可視光が照射された場合に、ＴＦＴのオフ電流は、特に、短波長側の光の照射強度に応じて大きく変化することを意味する。このような変化は、ＴＦＴの安定動作に影響を及ぼす。即ち、可視光に対して透明であるとされている透明アモルファス酸化物が、実際には、可視光領域において、光誘起の電気伝導度変化、即ちフォトキャリアが発生することが、初めて見出された。

本発明者らは、一般に透明な酸化物と呼ばれている材料をＴＦＴの活性層に用いる場合であっても、それを発光素子と組み合わせて動作させると発光素子の短波長光の影響で不安定な動作になる課題を発見した。

そこで、本発明の目的は、透明といわれている酸化物半導体薄膜トランジスタを用いた発光素子において、遮光手段を用いること無く安定的に動作する発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る発光素子は、基板上に青、緑、及び赤の光の３原色に対応する青色画素領域、緑色画素領域、及び赤色画素領域を有する画素領域を備え、前記画素領域に、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び活性層を有する薄膜トランジスタと、発光層と、この発光層を挟む下部電極及び対向電極とを有する発光素子において、前記活性層が酸化物で構成され、前記ドレイン電極が前記発光層の一部に電気的に接続され、前記薄膜トランジスタが前記基板上の前記青色画素領域を除く領域に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る発光素子において、前記薄膜トランジスタが前記緑色画素領域及び前記赤色画素領域の少なくとも一方に配置されることが望ましい。前記活性層が４００ｎｍから８００ｎｍの波長域の光に対して、７０％以上の透過率を有する酸化物を含んでもよい。前記活性層を構成する酸化物が、ＩｎとＧａとＺｎを含み、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満であり、且つ少なくとも一部が非晶質の酸化物で構成されてもよい。

本発明に係る発光素子において、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極の少なくとも１つが透明導電性酸化物で構成されてもよい。前記下部電極が透明導電性酸化物で構成されてもよい。前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記ゲート電極、及び前記下部電極の少なくとも１つが、ＩｎとＧａとＺｎを含み、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３以上であり、且つ少なくとも一部が非晶質の酸化物で構成されてもよい。前記発光層が有機ＥＬ素子で構成されてもよい。

本発明に係る画像表示装置は、上記いずれかの発光素子を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、透明といわれている酸化物半導体薄膜トランジスタを用いた発光素子において、遮光手段を用いること無く安定的に動作する発光素子の提供が可能となる。

以下、本発明に係る発光素子の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の実施の形態は、前述した透明膜を用いた発光素子に適用される。具体的には、前述した透明膜である半導体を用いたＴＦＴにより駆動される発光素子であり、特に有機ＥＬを駆動して発光させる光源やディスプレイで用いる３原色画素によるカラー表示用の有機ＥＬ発光素子に適用される。

一般に、可視光とは、４００ｎｍ程度の波長から８００ｎｍ程度までの波長を指し、また、物質が透明という場合には、一般に、その物質の透過率は７０％以上であると考えられる。前述した非特許文献１（Figure 2参照）においても、少なくとも、本実施の形態で用いる酸化物が、７０％以上の透過率を有することが示されている。

従って、本実施の形態においては、透明な酸化物とは、４００ｎｍから８００ｎｍの波長域の光（可視光）に対して、７０％以上の光透過率を有する酸化物であると定義する。本実施の形態における透明な酸化物には、前述した波長域の全域において、７０％以上の光透過率を有する酸化物は勿論、前述した波長域の一部の波長において、７０％以上の光透過率を有する酸化物も当然に含まれる。

なお、前述の波長域の光に対して、透明性が高いという点では、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上の透過率を有することである。

図１は、本実施の形態に係る発光素子の基本的構成の一例を示す。この発光素子は、基板上の画素領域に青、緑、赤の光の３原色画素（青色画素、緑色画素、赤色画素）を含むボトムエミッション型の発光素子に適用したものである。

図中、１００はドレイン電極、１０１は基板（ガラス基板）、１０２は本発明特有の半導体材料からなる活性層（チャネル層）、１０３はゲート絶縁層、１０４はゲート電極、１０５はソース電極である。基板１０１上には、活性層１０２、ドレイン電極１００、ソース電極１０５、ゲート絶縁膜１０３、ゲート電極１０４が形成され、これらにより発光素子の画素領域（画素部領域）に配置されるＴＦＴ（画素領域透明酸化物ＴＦＴ）１１が構成される。このＴＦＴ１１において、活性層１０１には、ソース電極１０５とドレイン電極１００が直接接合される。この活性層１０１のソース電極１０５とドレイン電極１００との間を流れるドレイン電流が、ゲート絶縁層１０３を介してゲート電極１０４に印加されるゲート電圧で制御される。

また、１０６は層間絶縁層、１０７は下部電極、１０８は有機ＥＬ発光層、１０９は対向電極、１１０は平坦化膜、１１１は素子分離膜、１１２はパッシベーション膜である。ＴＦＴ１１上には、層間絶縁層１０６と平坦化膜１１０を介して、下部電極１０７、有機ＥＬ発光層１０８、対向電極１０９が配置される。有機ＥＬ発光層１０８の下部（基板側）には、下部電極１０７が配置される。下部電極１０７は、ＴＦＴ１１のドレイン電極１００へコンタクトホールを通って接続されている。下部電極１０７とＴＦＴ１１のドレイン電極１００以外の部分とは、層間絶縁層１０６と平坦化膜１１０を介して電気的に絶縁されている。有機ＥＬ発光層１０８の上部には、対向電極１０９が配置される。ＴＦＴがＯＮ状態の時には、下部電極１０７及び対向電極１０９間に位置する有機ＥＬ発光層１０８に電圧が印加されて発光に至る。

有機ＥＬ発光層１０８は、ガラス基板１０１上の画素領域を構成する青色画素領域ａ１、赤色画素領域ａ２、緑色画素領域ｂ３にそれぞれ配置される青色発光層１０８ａ、赤色発光層１０８ｂ、緑色発光層１０８ｃから構成される。これら発光層１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、互いに素子分離膜１１１を介して隣接して配置される。

図１において、ガラス基板１０１上の画素領域に配置されるＴＦＴ１１の活性層は、透明な酸化物である。本実施の形態でいう透明な酸化物（例えば、透明アモルファス酸化物）は、可視光の短波長域にフォトキャリアを発生する現象がある。例えば、酸化物透明アモルファス酸化物では、光学バンドギャップ中にアモルファス構造による乱れ、もしくは欠陥準位によると考えられる裾吸収が現れる。また、結晶構造のＺｎＯ（光学バンドギャップ３．３５ｅＶ：３７０ｎｍ）などを用いても、一般的な多結晶では、結晶粒界や欠陥準位による吸収が４００ｎｍ以上の可視光波長領域に現れる場合がある。

そのため、本実施の形態では、少なくとも４００ｎｍから５００ｎｍの波長域の光が照射される青色画素（理想的な青色発光ピ−クは４７０ｎｍ）領域ａ１を避けて、緑色画素領域ａ３もしくは赤色画素領域ａ２に配置される有機ＥＬ発光層１０８の上部または下部にＴＦＴ１１を形成する配置とする。

図１の例では、ＴＦＴ１１は、赤色画素領域ａ２に配置される赤色発光層１０８ｂの下部に配置される。図中のｂ１は青色画素用ＴＦＴ、ｂ２は赤色画素用ＴＦＴ、ｂ３は緑色画素ＴＦＴを示す。これらＴＦＴｂ１〜ｂ３の全てが赤色画素領域ａ２に配置される。

なお、図１の例ではＴＦＴ１１の上面に有機ＥＬ発光層１０８の赤色発光層１０８ｂが存在する場合を示したが、ＴＦＴ１１の上面には、赤色発光層１０８ｂ及び緑色発光層１０８ｃの有機ＥＬ発光層１０８を形成する場合でも構わない。要するに、ＴＦＴ１１の上面に有機ＥＬ発光層１０８の青色発光層１０８ａが存在しない形態であればよい。

ここで、各色画素領域へのＴＦＴ１１の配置の模式図を図２及び図３に示す。図２及び図３は、３原色画素によるカラー表示発光素子の画素領域ＴＦＴの配置を示す。

図２は、赤色画素領域ａ２のみに透明酸化物ＴＦＴ１１を配置した例を示す。この例では、赤色画素領域ａ２に、赤色画素用ＴＦＴｂ２のほか、青色画素用ＴＦＴｂ１および緑色画素ＴＦＴｂ３が配置されている。

図３は、赤色画素領域ａ２及び緑色画素領域ａ３に透明酸化物ＴＦＴ１１を配置した例を示す。この例では、赤色画素領域ａ２に、赤色画素用ＴＦＴｂ２のほか、青色画素用ＴＦＴｂ１が配置される一方、緑色画素領域ａ３に、緑色画素ＴＦＴｂ３が配置されている。

その他、緑色画素領域ａ３のみに透明酸化物ＴＦＴ１１を配置してもよい。この場合、緑色画素領域ａ３に、緑色画素ＴＦＴｂ３のほか、青色画素用ＴＦＴｂ１および赤色画素用ＴＦＴｂ２が配置される。要するに、青色画素領域ａ１を除く領域に透明酸化物ＴＦＴ１１を配置する形態であれば、いずれのＴＦＴ配置でも適用可能である。

従って、本実施の形態によれば、このような構成をとることにより、遮光手段を用いること無く、青色画素からの発光強度変化によるＴＦＴの動作不安定性を排除し、安定な動作をする発光素子とすることができる。また、プラスチック基板の様な軽量で割れ難い基板、もしくは可撓性のある基板を用いた発光素子やボトムエミッション型に対しても開口率を下げない構成もしくは両面発光可能な構成の発光素子の提供が可能となる。

なお、本実施の形態では、ＴＦＴ１１の上部に有機ＥＬ発光層１０８を用いた例を示しているが、図１の構成を上下逆にした構成を採用して、赤色発光層１０８ｂ及び緑色発光層１０８ｃの上にＴＦＴ１１を形成しても良い。この場合、有機ＥＬ発光層１０８に隣接する下部電極１０７は、見かけ上は上部に位置することになるが、機能上、ドレイン電極１００と接続されていれば同じことである。また、平坦化膜１１０は省略することができるため、発光素子の製造コストで有利となる。

また、ドレイン電極１００の下部に位置する活性層１０２（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜）のキャリア密度を１０^１８／ｃｍ^３以上として、ドレイン電極１００と下部電極１０７を兼ね備えることが可能である。この場合には、活性層１０２を構成するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜は、ホール注入層として機能し、有機ＥＬ発光層１０８の陽極部分を接合されるのが好ましい。

次に、この発光素子の各構成要素について詳しく説明する。
１．基板
一般的に発光素子にはガラス基板が用いられている。本実施の形態でも、ガラス基板を用いているが、本発明で用いる基板としては、これに限らず基本的には平坦性があれば構わない。本発明で用いているＴＦＴは低温で形成可能であるので、一般的にはアクティブマトリックスでは使用が困難であるプラスチック基板が使用可能である。これにより軽量で壊れにくい発光素子が得られるが、ある程度ならば曲げることも可能になる。これ以外にも、勿論Ｓｉの様な半導体基板やセラミックス基板も利用可能である。また平坦であれば金属基板上に絶縁層を設けた基板も利用可能である。
２．ＴＦＴ
ＴＦＴは、ゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた３端子素子である。これは、セラミックス、ガラス、又はプラスチックなどの絶縁基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールが移動する活性層（チャネル層）として用いている。そして、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクティブ素子である。

ＴＦＴの構成には、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、スタガ（トップゲート）型ＴＦＴ（図４（ａ））、逆スタガ（ボトムゲート）型ＴＦＴ（図４（ｂ））、コプラナー型ＴＦＴ（図４（ｃ））、逆コプラナー型ＴＦＴ（図４（ｄ））のいずれでも適用可能である。なお、図中、１は基板、２は活性層（チャネル層）、３はソース端子（ソース電極）、４はドレイン端子（ドレイン電極）、５はゲート絶縁膜、６はゲート端子（ゲート電極）である。

また、透明な酸化物としては、単結晶酸化物、多結晶酸化物、アモルファス酸化物、あるいはこれらの混合物のいずれも適用可能である。多結晶酸化物としては、例えば、ＺｎＯやＺｎＧａＯなどである。また、アモルファス酸化物については、前述の特許文献１に詳しい記載がある。

本実施の形態では、活性層の材料にアモルファス酸化物を適用する場合について述べる。ノーマリーオフ型のＴＦＴの活性層としては、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満の酸化物膜がよい。この酸化物膜とは、具体的には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを含み構成され、結晶状態における組成がＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは６未満の自然数）で表される。または、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏを含み構成され、結晶状態の組成がＩｎＧａＯ_３（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）_ｍ（ｍは６未満の自然数、０＜ｘ≦１）で表される。

また、上記酸化物材料は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなることを特徴とする。ＴＦＴを形成する基板としては、ガラス基板、樹脂製プラスチック基板又はプラスチックフィルムなどを用いることができる。さらに、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎのうち、少なくとも１種類の元素の酸化物からなるアモルファス酸化物で、電子キャリア濃度が小さく、かつ電子移動度が大きいアモルファス酸化物膜を作成することができる。また、このアモルファス酸化物膜は、伝導電子数の増加と共に、電子移動度が大きくなるという特異な特性を有する。その膜を用いてＴＦＴを作成し、オン・オフ比、ピンチオフ状態での飽和電流、スイッチ速度などのトランジスタ特性に優れたノーマリーオフ型のＴＦＴを作製できる。

半導体層は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｎの少なくとも１種類の元素を含み構成されるアモルファス酸化物を用いることが可能である。更に、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＳｎを選択する場合、Ｓｎを、Ｓｎ_１−ｘＭ４_ｘ（０＜ｘ＜１、Ｍ４は、Ｓｎより原子番号の小さい４族元素のＳｉ、ＧｅあるいはＺｒから選ばれる。）に置換することもできる。また、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＩｎを選択する場合、Ｉｎを、Ｉｎ_１−ｙＭ３_ｙ（０＜ｙ＜１、Ｍ３は、Ｌｕ、またはＩｎより原子番号の小さい３族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、あるいはＹから選ばれる。）に置換することもできる。また、アモルファス酸化物の構成元素の少なくとも一部にＺｎを選択する場合、Ｚｎを、Ｚｎ_１−ｚＭ２_ｚ（０＜ｚ＜１、Ｍ２は、Ｚｎより原子番号の小さい２族元素のＭｇあるいはＣａから選ばれる。）に置換することもできる。

アモルファス材料は、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｇａ酸化物、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ酸化物などが適用可能である。勿論、構成材料の組成比は必ずしも１：１である必要は無い。ＺｎやＳｎは、単独ではアモルファスを形成し難い場合があるが、Ｉｎを含ませることによりアモルファス相が形成され易くなる。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが約２０原子％以上含まれる組成にするのがよい。Ｓｎ−Ｉｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが約８０原子％以上含まれる組成にするのがよい。Ｓｎ−Ｉｎ−Ｚｎ系の場合は、酸素を除く原子数割合が、Ｉｎが約１５原子％以上含まれる組成にするのがよい。

アモルファスは、測定対象薄膜に、入射角度０．５度程度の低入射角によるＸ線回折を行った場合に明瞭な回折ピークが検出されない（即ち、ハローパターンが観測される）ことで確認できる。本実施の形態において、上記した材料を薄膜トランジスタのチャネル層に用いる場合に、当該チャネル層が微結晶状態の構成材料を含むことを除外するものではない。アモルファス酸化物中への微結晶の存在は、例えば透過型電子顕微鏡観察等により確認できる。

上記した透明酸化物膜を用いた薄膜トランジスタにおいて、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、又はそれらの化合物を少なくとも二つ以上含む混晶化合物をゲート絶縁膜とすることが好ましい。ゲート絶縁薄膜とチャネル層薄膜との界面に欠陥が存在すると、電子移動度の低下及びトランジスタ特性にヒステリシスが生じる。また、ゲート絶縁膜の種類により、リーク電流が大きく異なる。このために、チャネル層に適合したゲート絶縁膜を選定する必要がある。Ａｌ_２Ｏ_３膜を用いれば、リーク電流を低減できる。また、Ｙ_２Ｏ_３膜を用いれば、ヒステリシスを小さくできる。さらに、高誘電率のＨｆＯ_２膜を用いれば、電子移動度を大きくすることができる。これらの膜の混晶を用いると、リーク電流、ヒステリシスが小さく、電子移動度の大きなＴＦＴを形成できる。ゲート絶縁膜形成プロセス及びチャネル層形成プロセスは、室温で行うことができるので、ＴＦＴ構造として、スタガ構造及び逆スタガ構造のいずれも形成することができる。
３．層間絶縁層
下部電極の下地となる絶縁層には、ゲート絶縁層の素材をそのまま用いることが可能である。勿論平坦化の為にそれ以外の絶縁層も形成可能である。例えばポリイミド膜をスピンコートにより形成することや、酸化シリコンをプラズマＣＶＤ法やＰＥＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、もしくはアルコキシド等の塗布焼成でも形成可能である。層間絶縁層には、ソースやドレインを接続するためのコンタクトホールを形成することが適宜必要になる。
４．下部電極
下部電極は、ＴＦＴのドレイン電極と接続されているが、同じ組成でも異なる組成でも構わない。発光層が有機ＥＬに代表される電流注入型のものの場合には、その構成により好ましい下部電極がある。例えば、下部電極に接続される発光層が陽極の場合には仕事関数の大きな金属であることが好ましい。例としてはＩＴＯや導電性酸化スズ、導電性ＺｎＯ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｐｔ合金、Ａｕ合金などが挙げられる。また、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系も利用可能である。この場合にはＴＦＴの場合とは異なりキャリア濃度は多いほど、例えば１０^１９／ｃｍ^３以上が好ましい。ＴＦＴのドレイン部分と直接接合する場合には特にＩＴＯや上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系（高キャリア濃度）、Ａｕ合金が特に好ましい。

また、下部電極をＩＴＯやＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系（高キャリア濃度）にした場合には透明となるためボトムエミッションタイプでも開口率を高くとることが可能である。

逆に下部電極に接続される発光層が陰極の場合には仕事関数の小さな金属であることが好ましい。例としてはＡｇ添加Ｍｇ、Ｌｉ添加Ａｌ、シリサイド、ホウ化物、窒化物などが挙げられる。この場合にはＴＦＴのドレイン部分と直接接合する場合よりも配線を介して接合した方が好都合である。

前述したドレイン電極を下部電極を直接接合する場合には下部電極はホール注入型である方が好ましい。特に下部電極としてＩＴＯやＡｌやＧａがドープされたＺｎＯ、キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系が好ましい。特にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の場合には活性層のキャリア濃度を酸素欠損導入などの手法により増加させることにより形成可能であるので、構成が単純になり効果的である。この場合には、一見、活性層上にホール輸送層やホール注入層が形成されている様に見られる。この場合にも本発明の構成の範囲内であるとする。即ち、下部電極とドレイン電極が活性層の一部と一体となった状況である。
５．発光層
発光層としては、透明酸化物ＴＦＴで駆動できるものであれば、限定されるものではないが、特に有機ＥＬが好都合である。本実施の形態に用いる有機ＥＬ発光層は、単層である場合は少なく、一般的には、
ホール輸送層／発光層＋電子輸送層（電子輸送機能を有する発光層の意味）、
ホール輸送層／発光層／電子輸送層、
ホール注入層／ホール輸送層／発光層／電子輸送層、
ホール注入層／ホール輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層
などの複数層の構成となっている。その他、電子障壁層や付着改善層なども挿入する場合がある。

発光層部分には蛍光とりん光を用いる場合があるが発光効率からりん光を用いるのが有効である。りん光材料としてはイリジウム錯体が有用である。また、用いる分子としては低分子系、高分子系双方利用であり、低分子系では一般的に蒸着で、高分子系はインクジェットや印刷で形成可能である。例としては低分子系ではアミン錯体、アントラセン類、希土類錯体、貴金属錯体、高分子系としてはπ共役系と色素含有ポリマーが挙げられる。

電子注入層としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属及びそれらの化合物やアルカリ金属をドープした有機層などが挙げられる。また電子輸送層としてはアルミ錯体やオキサジアゾール、トリアゾール類、フェナントロリン類などが挙げられる。

ホール注入層としては、アリールアミン類、フタロシアニン類、ルイス酸ドープ有機層が挙げられ、ホール輸送層としてはアリールアミン類が挙げられる。
６．対向電極
対向電極は、トップエミッションタイプかボトムエミッションタイプか、及び陰極や陽極かで好ましい材料が異なってくる。

例えば、トップエミッションタイプでは、対向電極は透明であることが必要である。対向電極が陽極である場合には、上記した透明導電性酸化物であるＩＴＯ（indium tin oxide）や導電性酸化スズ、導電性ＺｎＯ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系も利用可能である。対向電極が陰極の場合には、アルカリ金属やアルカリ土類金属をドープした合金を数１０ｎｍ以下に形成して、その上部に透明導電性酸化物を形成することにより対向電極とすることができる。

ボトムエミッションタイプの場合には、透明である必要がないので陽極の場合にはＡｕ合金やＰｔ合金等が、陰極の場合にはＡｇ添加Ｍｇ、Ｌｉ添加Ａｌ、シリサイド、ホウ化物、窒化物などが利用可能である。
７．その他電極線
ゲート電極線である走査電極線や信号電極線等の電極線としては、ＡｌやＣｒ、Ｗなどの金属やＡｌ合金、ＷＳｉ等のシリサイドなどが利用可能である。

次に、上記の発光素子をディスプレイに応用した場合の構成例を図５を用いて説明する。

図中、４１は有機ＥＬ層４４を駆動する第１トランジスタ（駆動トランジスタ又はスイッチングトランジスタ）であり、４２は画素を選択する第２トランジスタ（画素選択トランジスタ）である。また、コンデンサ４３は、選択された状態を保持するためのものであり、共通電極線４７と第２トランジスタ２のソース電極との間に電荷を蓄え、第１トランジスタのゲート電極の信号を保持している。画素選択は、走査電極線４５と信号電極線４６により決定される。

より具体的に説明すると、画像信号がドライバ回路（不図示）から走査電極４５を通して第２トランジスタ４２のゲート電極へパルス信号が印加される。これと同時に、別のドライバ回路（不図示）から信号電極４６を通して信号が第２トランジスタ４２のドレイン電極へと印加される。これにより、画素が選択される。そのとき、第２トランジスタ４２がＯＮとなり、信号電極線４６と第２トランジスタ４２のソース電極の間にあるコンデンサ４３に電荷が蓄積される。これにより、第１トランジスタ４１のゲート電圧が所望の電圧に保持され、第１トランジスタ４１はＯＮになる。この状態は、次の信号を受け取るまで保持される。第１トランジスタ４１がＯＮ状態の間、有機ＥＬ層４４には、電圧、電流が供給され続け発光が維持されることになる。

図５の例では、１画素に２個のトランジスタと１個のコンデンサの構成であるが、性能を向上させるために更に多くのトランジスタ等を組み込んでも構わない。本発明の本質は、低温で形成でき透明のＴＦＴである酸化物ＴＦＴを青色画素領域を除く領域、例えば赤色発光層及び緑色発光層の画素領域に配置することにより、有効な発光素子が得られることにある。

以上説明したように、本実施の形態によれば、透明といわれている酸化物半導体薄膜トランジスタを用いた発光素子において、遮光手段を用いること無く安定的に動作する発光素子を提供することができる。また、プラスチック基板の様な軽量で割れ難い基板、もしくは可撓性のある基板を用いた発光素子を提供することができる。さらに、ボトムエミッション型に対しても開口率を下げない構成もしくは両面発光可能な構成の発光素子を提供することができる。

なお、本実施の形態では、有機ＥＬ素子の構成例を示しているが、無機ＥＬでも同様な構成が可能である。

次に、本発明の実施例について説明する。

本実施例では、本発明で用いるアモルファス酸化物に対する分光感度測定の実験を行った。

まず、基板上にスパッタ法によるアモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎからなる酸化物の形成を行った。具体的には、酸素とアルゴンの混合ガスを雰囲気とした高周波スパッタ法により、ガラス基板（コーニング社製１７３７）上に、前記アモルファス酸化物を５０ｎｍ堆積させた。なお、ターゲット材としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の焼結体を用いた。なお、成長室内の到達真空は、８×１０^−４Ｐａであり、酸素とアルゴンの全圧は、５．３×１０^−１Ｐａであり、酸素分圧は１．８×１０^−２Ｐａであった。

成膜の際の基板温度は、特に加温しないで行った。なお、成膜の際の室温は約３０度（２５）であった。得られた膜に関し、膜面に対して入射角０．５度でＸ線を入射させ、（薄膜法）Ｘ線回折を行った。その結果、明瞭な回折ピークは検出されず、作製したＩｎ−Ｚｎ−Ｇａ−Ｏ膜は、いずれもアモルファス膜であることが確認された。

さらに、Ｘ線反射率測定を行い、パターンの解析を行った結果、薄膜の平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）は約０．５ｎｍであり、膜厚は約５０ｎｍであることを確認した。

また、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析の結果、薄膜の金属組成比はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．００：０．９４：０．６５であった。光吸収スペクトルの解析から、作製したアモルファス薄膜の禁制帯エネルギー幅は、約３．１ｅＶであった。

こうして得られたアモルファス酸化物膜上に、直径１ｍｍφの電極を形成した。具体的には、Ａｕ（４０ｎｍ）とＴｉ（５ｎｍ）からなる金属積層電極を２ｍｍ間隔で、マスク蒸着し、測定用の試料とした。なお、積層電極の最表面側がＡｕである。

用意した試料に、分光（１０ｎｍ間隔）された、一定光強度（２．５ｍＷ／ｃｍ^２）の下で、バイアス電圧は１０Ｖとして、電気伝導度の測定（分光感度特性評価）を行った。測定は、ＣＥＰ−２０００型分光感度測定装置を使用した。その結果を図６に示す。

図６に示す結果より、作成されたアモルファス膜が、禁制帯エネルギー幅である約３．１ｅＶよりも小さなエネルギーにあたる４５０ｎｍ（約２．８ｅＶ）程度の短波長領域から光誘起キャリア生成、及び導電率上昇を起こしていることがわかる。なお、分光感度特性評価による光誘起キャリア生成量は、照射光強度に依存していた。

本実施例では、図７に示すように、スタガ（トップゲート）型ＭＩＳＦＥＴ（metal insulator semiconductor field effect transistor）素子を作製した。

まず、ガラス基板１上に金膜を３０ｎｍ積層し、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ドレイン端子４及びソース端子３を形成した。さらにその上に、スパッタ法で、チャンネル層（活性層）２として用いる、厚さ３０ｎｍで、金属組成比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１．００：０．９４：０．６５のアモルファス膜（ＩＧＺＯ）を形成した。なお、アモルファス酸化物の成膜条件は、上記評価実験における条件と同様とした。最後にゲート絶縁膜５として用いるＹ_２Ｏ_３膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、その上に金（Ａｕ）を成膜して、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法により、ゲート端子６を形成した。

このＭＩＳＦＥＴ素子について、波長３００ｎｍから８００ｎｍの分光（１０ｎｍ間隔）された一定光強度（０．１ｍＷ／ｃｍ^２）照射下で、Ｉ−Ｖ特性特性評価を行い、ＯＮ電流及びＯＦＦ電流を測定した。その結果を図８及び図９に示す。

図８は、ＭＩＳＦＥＴ素子のＩ−Ｖ特性評価結果、図９は、そのＯＮ電流及びＯＦＦ電流の測定結果をそれぞれ示す。この結果から、このアモルファス酸化物ＭＩＳＦＥＴ素子は、波長４５０ｎｍ以下の光照射下では、ＯＦＦ電流並びにＯＮ電流の増大が見られ、青色発光素子の発光が照射される領域ではスイッチング素子としての機能が低下することが確認された。

このことを具体的に、前述した図５に示すディスプレイの場合を例に挙げて説明する。発光素子の第１トランジスタ（スイッチングトランジスタ）４１のゲート電圧が所望の電圧に保持され、ＯＮ状態になる。この状態は、次の信号を受け取るまで保持され無ければならないが、波長４５０ｎｍ以下の青色光照射によりＯＦＦ電流が増加すると、所望の電圧が保持できなくなり発光を維持できなくなる。また、ディスプレイとして用いる場合、青色画素の発光強度変化により第１トランジスタ４１のＯＮ電流も変化するため発光強度が不安定になる。

本実施例では、前述した赤色画素領域にＴＦＴを配置する場合の発光素子を作製した。

まず、実施例２の方法とほぼ同じ方法でＭＩＳＦＥＴ素子を形成した。一連のプロセスにおいてフォトリソグラフィー法とリフトオフ法により各々の層を所望のサイズに形成した。その際、ＴＦＴの配置は、前述の図２の通り赤色画素領域とした。さらに絶縁層を同様の方法で成膜した。その際にドレイン電極用のコンタクトホールを形成した。

その後にＩＴＯをスパッタリング法により３００ｎｍ形成して下部電極とした。その際にドレイン電極と下部電極をコンタクトホールを介して接合し、この部分を配線とした。次に抵抗蒸発法によりホール注入層を６０ｎｍ形成し、更にその上にホール輸送層を２０ｎｍ成膜した。その上に赤、青、緑の各発光層をマスク蒸着法により４０ｎｍ成膜した。さらに電子輸送層を２０ｎｍ成膜し、全体で有機ＥＬ発光層とした。最後に２元蒸着法によりＡｌとＡｇの合金を５０ｎｍ、Ａｌを５０ｎｍ成膜して対向電極とした。

上記のように作製された素子にプローブを当てて駆動すると、基板裏側から、即ちボトムエミッションタイプで発光が得られた。このようにして得られた発光素子では、安定した発光の維持とカラー表示が可能であった。

なお、本実施例は、有機ＥＬ発光層を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されず、同様の効果は、無機ＥＬ発光層など発光波長域を分割した発光素子を用いた場合でも発現させることが可能である。

本実施例では、実施例３と同様の方法を用いて、有機ＥＬを用いた場合の発光素子を作製した。その際、トランジスタ形成時に、前述した図３の通り、赤色画素領域と緑色画素領域にＴＦＴを配置した。その他の方法は、実施例３と同様である。その結果、本実施例においても、得られた発光素子では、安定した発光の維持とカラー表示が可能であった。

本実施例では、有機ＥＬを用いた場合の両面発光タイプの発光素子を作製した。

まず、実施例２とほぼ同じ方法でＭＩＳＦＥＴ素子を形成した。その後、実施例３と同じ方法で発光素子を形成した。その際、上部電極形成時にスパッタ法により透明電極（ここではＩＴＯ使用）を２０ｎｍ形成し、上部透明電極とした。これにより全体で両面発光する有機ＥＬ発光層とした。その結果、本実施例においても、得られた発光素子では、両面からの安定した発光の維持とカラー表示が可能であった。

以上、本発明の各実施例を詳細に説明したが、本発明は、代表的に例示した上述の各実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲の記載内容に基づき、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の態様に変形、変更することができる。これらの変形例や変更例も本発明の権利範囲に属するものである。

本発明に係る発光素子は、プラスチックフィルムをはじめとするフレキシブル素材に半導体の薄膜を形成し、フレキシブル・ディスプレイをはじめ、ＩＣカードやＩＤタグなどに幅広く応用できる。

本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光素子の赤色画素領域にＴＦＴを配置した場合の模式図である。 本発明の実施の形態に係る発光素子の赤色画素領域及び緑色画素領域にＴＦＴを配置した場合の模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態で用いる薄膜トランジスタを示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光素子をディスプレイとして用いる場合の回路図である。 本発明の実施例１で作成したアモルファス酸化物に対する分光感度測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例２で作製したトップゲート型ＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す模式図である。 本発明の実施例２で作製したトップゲート型ＭＩＳＦＥＴ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。 本発明の実施例２で作製したトップゲート型ＭＩＳＦＥＴ素子のＯＮ電流及びＯＦＦ電流の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ 活性層（半導体層、チャネル層）
３ ゲート絶縁膜
４ ゲート電極（ゲート端子）
５ ドレイン電極（ドレイン端子）
６ ソース電極（ソース端子）
４１ 第１トランジスタ（駆動トランジスタ又はスイッチングトランジスタ）
４２ 第２トランジスタ（画素選択トランジスタ）
４３ コンデンサ（保持容量）
４４ 有機ＥＬ層
４５ 走査電極線
４６ 信号電極線
４７ 共通電極線
１００ ドレイン電極
１０１ 基板
１０２ 活性層
１０３ ゲート絶縁層
１０４ ゲート電極
１０５ ソース電極
１０６ 層間絶縁層
１０７ 下部電極
１０８ 有機ＥＬ層（発光層）
１０９ 対向電極
１１０ 平坦化膜
１１１ 素子分離膜
１１２ パッシベーション膜

Claims (9)

1. 基板上に青、緑、及び赤の光の３原色に対応する青色画素領域、緑色画素領域、及び赤色画素領域を有する画素領域を備え、前記画素領域に、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜、及び活性層を有する薄膜トランジスタと、発光層と、この発光層を挟む下部電極及び対向電極とを有する発光素子において、
   前記活性層が酸化物で構成され、
   前記ドレイン電極が前記発光層の一部に電気的に接続され、
   前記薄膜トランジスタが前記基板上の前記青色画素領域を除く領域に配置されていることを特徴とする発光素子。
2. 請求項１記載の発光素子において、
   前記薄膜トランジスタが前記緑色画素領域及び前記赤色画素領域の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする発光素子。
3. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記活性層が４００ｎｍから８００ｎｍの波長域の光に対して７０％以上の透過率を有する酸化物を含むことを特徴とする発光素子。
4. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記活性層を構成する酸化物が、ＩｎとＧａとＺｎを含み、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満であり、且つ少なくとも一部が非晶質の酸化物で構成されることを特徴とする発光素子。
5. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極の少なくとも１つが透明導電性酸化物で構成されることを特徴とする発光素子。
6. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記下部電極が透明導電性酸化物で構成されることを特徴とする発光素子。
7. 請求項５又は６に記載の発光素子において、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記ゲート電極、前記下部電極の少なくとも１つが、ＩｎとＧａとＺｎを含み、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３以上であり、且つ少なくとも一部が非晶質の酸化物で構成されることを特徴とする発光素子。
8. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記発光層が有機ＥＬ素子で構成されることを特徴とする発光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子を用いたことを特徴とする画像表示装置。