CN1225800C - 发光器件和电器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种明亮的并具有低功耗和高可靠性的发光器件。电连接到电流控制TFT 102的三重态EL元件203，被提供在象素部分201中。用于三重态EL元件203的发光材料的特点是由三重态激发获得EL，并在比现有技术低的工作电压下呈现高的发光效率。因此，能够在低的工作电压下运行，从而能够获得明亮的并具有低功耗和高可靠性的发光器件。

Description

发光器件和电器
技术领域
本发明涉及到发光器件，它包括其中由能够产生电致发光(以下缩写为EL)的发光材料制成的薄膜(以下称为EL膜)夹在一对电极之间的元件(以下称为EL元件)。顺便说一下，在本说明书中，利用单重态激发获得EL的发光材料的EL元件，被称为单重态EL元件，而利用三重态激发获得EL的发光材料的EL元件，被称为三重态EL元件。
背景技术
近年来，已经开发了使用有机EL膜作为发光层的EL元件，并提出了使用各种有机EL膜的EL元件。已经试图借助于使用这种EL元件作为发光元件来实现平板显示器。
作为使用EL元件的发光器件，已知有无源矩阵型和有源矩阵型。无源矩阵型是一种采用由条形阳极和阴极被制作成彼此以直角交叉而EL膜被夹在其间的结构构成的EL元件的发光器件。有源矩阵是一种***，其中为每个象素提供一个半导体元件，且EL元件的阳极和阴极之一被连接到此半导体元件，使流过EL元件的电流受到半导体元件的控制。
然而，在无源矩阵型发光器件和有源矩阵型发光器件二者中，由于EL元件的发光性能受到EL膜本身的物理性质的巨大影响，故明亮的具有高可靠性的EL元件的开发归根到底就是发光材料的开发。
虽然开发了从低分子材料到高分子材料的各种各样的发光材料，但发光效率的理论上限一直是一个问题。特别是对于内量子效率，已经认为单重态激发的产生效率对三重态激发的产生效率的比率是1∶3，且仅仅单重态激发对发光有贡献(荧光发射)。
于是，即使所有的载流子(电子和空穴)被复合，也只有总体的25％对发光有贡献，而若向元件外部的提取效率为20％，则外量子效率总共为5％。亦即，根据计算，仅仅5％的消耗能量能够被提取。
然而，最近提出了一种利用三重态激发而发光(磷光发射)的材料，其高的发光效率吸引了公众注意。作为使用三重态激发且改进了外量子效率的例子，有下列报道。
(1)T.Tsutsui，C.Adachi，S.Saito，Photochemical Processesin 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，Nature 395(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。
上述论文提出的发光材料是一些例子，其中借助于从三重态激发获得磷光而改进了外量子效率。
发明内容
本发明的目的是利用具有高发光效率的EL元件，来提供一种明亮的功耗低的发光器件。
本发明的另一目的是利用此发光器件，来提供一种具有明亮显示部分和低功耗的电器。
本发明的再一目的是利用本发明的发光器件作为光源(典型为后照光)，来提供一种功耗低的电器。
本发明的发光器件的特征是，三重态EL元件被电连接到半导体元件并受到控制。亦即，本发明的特征是，利用三重态EL元件作为有源矩阵型发光器件中的发光元件。可以采用场效应晶体管(FET)，最好是薄膜晶体管(TFT)作为半导体元件。
首先来描述本发明的工艺。当在EL元件的阳极与阴极之间施加一电压时，载流子(电子或空穴)被注入到EL膜中，并由于复合而产生发光。于是在流过EL元件的电流密度与发光亮度之间得到比例关系。顺便说一下，在本说明书中，施加到EL元件的电压被称为EL元件的工作电压。
图3的曲线示意地示出了这一关系。图3示出了流过EL元件的电流密度与发光亮度之间的关系。参考号301表示采用单重态激发的常规EL元件(单重态EL元件)的特性；而302表示采用三重态激发的EL元件(三重态EL元件)的特性。
301所示的单重态EL元件的特性是，虽然当电流密度低时得到了比例关系(线性关系)，但当电流密度升高时，斜率变小。亦即，即使提高电流密度，发光亮度也变得难以提高到某一点以上。在302所示的三重态EL元件的特性的情况下，这一倾向是明显的。当电流密度低时，它具有比例关系，相对于发光亮度，其斜率比单重态EL元件大。然而，当电流密度提高时，斜率变得极端小，且出现即使提高电流密度也难以改变发光亮度的情况。
从图3的曲线可以理解，虽然当三重态EL元件在小电流密度工作区内发光时其发光亮度几倍于单重态EL元件的发光亮度，但在大电流密度的工作区内，其发光亮度变得几乎与单重态EL元件的发光亮度相等。
图4示出了EL元件的工作电压与其发光效率之间的关系。参考号401表示单重态EL的特性；而402表示三重态EL元件的特性。工作电压“a”表示单重态EL元件的发光效率最高时的工作电压(8-12V)，而工作电压“b”表示三重态EL元件的发光效率最高时的工作电压(3-5V)。
此时，如图4的曲线所示，三重态EL元件的特点是当工作电压低于单重态EL元件时，其发光效率变得最高。亦即，在低电流密度的工作区中，三重态EL元件显现比单重态EL元件更高的发光效率。这与图3的曲线不矛盾，在图3曲线中，在低电流密度工作区中，三重态EL元件显现比单重态EL元件更高的发光亮度。
此处，可以从图3和4曲线所示的三重态EL元件的特性，示意地推导出图5和6中的关系。图5的曲线示出了三重态EL元件中的功耗与发光效率之间的关系，从而可以理解，在高功耗的工作区中，发光效率变低。图6的曲线示出了三重态EL元件中的功耗与发光亮度之间的关系，从而可以理解，在高功耗的工作区中，发光亮度的提高速率变低。
从上面所述，本发明人认为使三重态EL元件在低电流密度工作区中，亦即在低工作电压的工作区中发光是可取的。
此处，无源矩阵型发光器件的驱动原理成了问题。在无源矩阵型发光器件的情况下，由于仅仅一个被选定的象素发光，故用象素数目除一个帧周期(通常为1/60秒)得到的时间就成为发光时间。亦即，随着象素数目增大且精度提高，每个象素的发光时间变短。于是，为了能够得到明亮而高精细的图象显示，就要提高每个象素的发光亮度，从而必须使高密度电流瞬时流动。
因此，在三重态EL元件被用于无源型发光器件的情况下，在图3中的大电流密度工作区中，亦即，利用高于图4中工作电压“b”的工作电压，使之发光，并在发光效率低的工作区中进行发光。因此，为了得到高的发光亮度，必须流动更大的电流，其结果是功耗增大且EL膜退化。
从上面所述，本发明人认为无源矩阵型发光器件对于三重态EL元件的发光是有缺点的，并发现有源矩阵型发光器件最适合于三重态EL元件。这是因为能够用有源矩阵型发光器件中的半导体元件来控制发光时间，致使能够大幅度抑制流过三重态EL元件的电流的密度。
因此，本发明人认为本发明的创新性在于，考虑到三重态EL元件的电学特性，三重态EL元件与有源矩阵型发光器件被组合成为最适合的发光器件。
在使用根据本发明的三重态EL元件的有源矩阵型发光器件中，当EL元件的工作电压低时，获得了高的发光效率，致使有可能进行具有高发光亮度的明亮图象显示。因此，工作电压可以设定为10V或更低，优选为7.5V，5V或更低则更好。此外，由于今后还可望开发一些材料，故工作电压变为2.5-10V是可能的。
此外，在有源矩阵型发光器件中，由于EL元件的发光时间能够被设定得长，故当与无源矩阵型发光器件相同的亮度被获得时，能够将EL元件的工作电压设定得低。亦即，比之无源矩阵型发光器件，能够抑制功耗。
图7A和7B中示意地示出了这一点。在图7A中，横轴表示包括在象素部分中的象素的数目，而纵轴表示任意象素中的发光时间。顺便说一下，一个任意象素中的发光时间，是当任意一个象素连续发光的时间，此处，在有源矩阵型的情况下(701所示)和无源矩阵型情况下(702所示)，为了获得相同的发光亮度所需的时间被认为是发光时间。
图7A的曲线示出了当象素数目增大(变成高精细度)时，为获得相同的发光亮度所需的各个发光时间在无源矩阵型和有源矩阵型之间是彼此不同的。亦即，由于在有源矩阵型中能够用半导体元件来控制发光时间，故不管象素的数目如何，都能够获得几乎相同的发光时间。但在无源矩阵型中，当象素数目增大时，发光时间缩短。
于是，为了获得相同的发光亮度，象素数目与电流密度之间的关系变成图7B所示。亦即，在有源矩阵型的情况下(703所示)，即使象素的数目增大，电流密度也可以几乎恒定而小。然而，在无源矩阵型的情况下(704所示)，当象素数目增大时，为获得此发光亮度所需的电流密度大幅度提高。
因此，当象素的数目增大并达到高精细度时，考虑到功耗相对于无源矩阵型发光器件得到了抑制，电流密度可以低的有源矩阵型发光器件，就变得有优点。
因此，由于三重态EL元件能够在低工作电压区中获得最有效的发光，故当与有源矩阵型发光器件组合时，有可能实现具有低功耗并能够得到明亮显示的发光器件。而且，由于EL元件的工作电压低，故流过EL元件的电流的密度可以低，致使能够获得具有长寿命(高可靠性)的发光器件。
附图说明
在附图中：
图1示出了发光器件的剖面结构；
图2A-2B示出了发光器件的上部结构和剖面结构；
图3示出了电流密度与发光亮度之间的关系；
图4示出了工作电压与发光效率之间的关系；
图5示出了功耗与发光效率之间的关系；
图6示出了功耗与发光亮度之间的关系；
图7A和7B示出了象素数目与发光时间之间的关系以及象素数目与电流密度之间的关系；
图8A和8B示出了发光器件的电路结构和象素结构；
图9用来解释利用时分方法的灰度显示操作；
图10示出了发光器件的象素结构；
图11示出了发光器件的象素结构；
图12A和12B示出了输入到栅引线的信号的时间图；
图13A-13F示出了电器的特例；
图14A和14B示出了电器的特例；
图15剖面图示出了有源矩阵型发光器件的一个例子；
图16俯视图示出了有源矩阵型发光器件的象素部分的结构；
图17是有源矩阵型发光器件象素部分的等效电路图；
图18的曲线示出了三重态EL元件和单重态EL元件中的电流密度对亮度的特性；
图19的曲线示出了三重态EL元件和单重态EL元件中的电压对发光效率的特性；
图20的曲线示出了三重态EL元件和单重态EL元件中的功耗对亮度的特性；
图21的曲线示出了本发明的TFT的寿命；以及
图22的曲线示出了本发明的10年保证电压对TFT沟道长度的特性。
具体实施方式
[实施方案模式1]
下面参照图1来描述本发明的实施方案模式。图1是采用根据本发明的三重态EL元件的有源矩阵型发光器件的剖面图。虽然此处使用一个TFT作为半导体元件，但包括在一个象素中的TFT的数目不受限制。
在图1中，参考号101表示衬底，且此处使用对可见光透明的衬底。具体地说，可以使用玻璃衬底、石英衬底、晶化玻璃衬底、或塑料衬底(包括塑料膜)。顺便说一下，衬底101还包括制作在衬底表面上的绝缘膜。
象素部分201和驱动电路202被提供在衬底101上。首先描述象素部分201。
象素部分201是进行图象显示的区域，且包括多个象素。用来控制流过EL元件的电流的TFT(以下称为电流控制TFT)102以及三重态EL元件203，被提供在各个象素中。虽然此处仅仅示出了电流控制TFT 102，但也提供了用来控制施加到电流控制TFT栅极的电压的TFT(以下称为开关TFT)。
此外，最好用p沟道TFT作为电流控制TFT 102。虽然可以使用n沟道TFT，但在如图1结构中那样将电流控制TFT连接到EL元件的阳极的情况下，当采用p沟道TFT时，能够抑制功耗。然而，开关TFT(未示出)可以是n沟道TFT或p沟道TFT。
象素电极103被电连接到电流控制TFT 102的漏。此处，由于功函数为4.5-5.5eV的导电材料被用作象素电极103的材料，故象素电极103起三重态EL元件203的阳极的作用。通常可以采用氧化铟、氧化锡、氧化锌、或它们的化合物作为象素电极103。
在象素电极103上制作EL层104。顺便说一下，在本说明书中，EL层通常表示其中作为空穴注入层、空穴输运层、空穴阻挡层、电子注入层、电子输运层、或电子阻挡层的有机材料被层叠在EL层(发光层)上的层。但EL层还包括EL膜被单层使用的情况。
本发明的特征是，借助于三重态激发而发光的发光材料组成的薄膜被用作发光层。可以采用现有技术论文所指出的发光材料作为这种发光材料。此外，可以采用现有技术论文所指出的层结构作为EL层104的层结构。
此外，本发明人认为，除了上述论文列举的发光材料之外，还可以采用下列分子式表示的发光材料(具体地说是金属络合物或金属有机化合物)。
[分子式1]
Figure C0111950200121
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表示属于周期表8-10族的一种元素。在上述论文中，采用铂或铱。但本发明人认为最好是铁、镍、钴、或钯。由于铁、镍、钴、和钯比铂和铱便宜，能够降低发光器件的制造成本。特别是镍，由于容易形成络合物且产率高而较好。
接着，在EL层104上提供阴极105。功函数为2.5-3.5eV的导电材料被用作阴极105的材料。可以采用通常包含属于周期表I族或II族的元素的导电膜作为阴极105。
用保护膜106覆盖由象素电极103、EL层104、和阴极105构成的三重态EL元件203。保护膜106被用来保护三重态EL元件203不受氧和水的影响。采用氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氧化钽膜、或碳膜(具体地说是类金刚石碳膜)作为保护膜106的材料。
下面描述驱动电路202。驱动电路202是用来控制传输到象素部分201的信号(栅极信号和数据信号)的时间的区域，并配备有移位寄存器、缓冲器、锁存器、模拟开关(传送门)、或电平移位器。此处，由n沟道TFT 107和p沟道TFT 108构成的CMOS电路被示为这些电路的基本单元。
移位寄存器、缓冲器、锁存器、模拟开关(传送门)或电平移位器的电路结构，可以是众所周知的那种。在图1中，虽然象素部分201和驱动电路202被提供在同一个衬底上，但也有可能连接IC或LSI而无须提供驱动电路202。
在图1所示有源矩阵型发光器件中，虽然顶部栅极型TFT(具体地说是平面型TFT)被指出作为TFT的例子，但也可以使用底部栅极型TFT(具体地说是反交错型TFT)。
此处，虽然三重态EL元件203的阳极被电连接到电流控制TFT102，但也可以采用三重态EL元件的阴极被电连接到电流控制TFT的结构。在此情况下，象素电极由阴极105中所用的材料组成，而阴极由象素电极103中所用的材料组成。在此情况下，电流控制TFT最好被制作成n沟道TFT。
此处，图1所示的有源矩阵型发光器件的整个结构被示于图2A和2B中。图2A是俯视图，图2B是沿图2A中A-A’的剖面图。此外，使用了图1中的参考号。
在图2A中，参考号211表示象素部分；212表示栅信号侧驱动电路；而213表示数据信号侧驱动电路。传输到栅信号侧驱动电路212和数据信号侧驱动电路213的信号，从FPC(柔性印刷电路)215通过输入引线214被输入。
此时，参考号216表示提供在图1所示三重态EL元件203上的覆盖元件，并被树脂制成的密封元件217键合。任何材料只要不渗透氧和水，就可以用作覆盖材料216。此处，如图2B所示，覆盖元件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(具体地说是类金刚石碳膜)216b和216c构成。
而且，如图2B所示，用树脂制成的包封元件218覆盖密封元件217，三重态EL元件203于是被完全密封在气密性空间219中。此时，可以用惰性气体(典型为氮气或稀有气体)、树脂、或惰性液体(典型为以全氟烷为代表的液体碳氟化合物)填充气密性空间219。而且，提供吸潮剂或除氧剂也是有效的。
本实施方案模式所示的有源矩阵型发光器件具有能够用三重态EL元件作为发光元件来获得低功耗的明亮图象显示的特点。由于三重态EL元件必须的工作电压低，故此器件还具有EL膜寿命长和可靠性高的特点。
[实施方案模式2]
在此实施方案模式中，将描述以数字驱动来运行根据本发明的使用三重态EL元件的有源矩阵型发光器件的情况。顺便说一下，数字驱动是一种利用数字信号来进行图象显示的驱动方法。
此外，此处将描述时分方法(时间共享方法)被用作进行灰度显示的方法的例子。时分方法是一种利用发光时间组合来直观地启动多个灰度显示的技术。
此处，在此实施方案模式中，当执行数字驱动时，采用图8A所示电路结构的有源矩阵型发光器件。在图8A中，参考号801表示象素部分；802表示数据信号侧驱动电路；而803表示栅信号侧驱动电路。数据信号侧驱动电路802包括移位寄存器802a、第一级锁存器802b、和第二级锁存器802c。
此外，多个象素804被制作在象素部分801中。图8B是象素804的放大图。参考号805表示栅极引线；806表示数据引线；807表示开关TFT；808表示电流控制TFT；809表示三重态EL元件；810表示电容器；而811表示电流馈线。顺便说一下，开关TFT 807和电流控制TFT 808可以分别制作成具有多栅结构，其中多个沟道形成区被提供在源区和漏区之间。考虑到关态电流(TFT处于关态时的漏电流)的抑制，将开关TFT 807制作成具有多栅结构特别有效。
在上述结构的象素中，当开关TFT 807的栅被开启时，传输到数据引线806的数据信号在电容器810中被充电。此外，这一数据信号被施加到电流控制TFT 808的栅，且当电流控制TFT 808的栅开启时，传输到电流馈线811的信号被施加到EL元件809。以这种方式，预定的电压被施加到EL元件809，从而出现发光。
下面描述用时分方法进行灰度显示的例子。此处将描述用8位数字驱动***进行256灰度(1677万种颜色)的全色显示的例子。
首先，一帧图象被分成8场。顺便说一下，数据输入到显示部分的所有象素的时间被称为一帧，而在正常EL显示中，振荡频率为60Hz，亦即，在1秒钟内形成60帧。而且，将一帧再分成多个部分所得到的帧被称为一场。
一场被分成寻址周期(Ta)和保持周期(Ts)。寻址周期表示在一场周期内将数据输入到所有象素所需的总时间，而保持周期(也可以称为点亮周期)表示使EL发光的周期。
此处，第一场被称为F1，而随后的第二场到第八场被称为F2-F8。F1-F8的寻址周期(Ta)是恒定的。另一方面，F1-F8的保持周期(Ts)分别被设定为Ts1-Ts8。
此时，保持周期被设定为使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的出现次序可以是随机的。借助于组合各个保持周期，能够进行256灰度的所希望的灰度显示。
首先，在电压未施加(选择)到不连接于TFT的一侧处的EL元件的电极的情况下，数据信号被输入到各个象素而不使EL元件发光。此周期是寻址周期。当数据被输入到所有象素时，寻址周期结束，电压被施加(选择)到电极，同时使EL元件发光。此周期是保持周期。发光(象素被点亮)周期是周期Ts1-Ts8中的任何一个。此处假设预定的象素在周期Ts8被点亮。
接着，再次在寻址周期内，数据信号被输入到所有象素，然后开始保持周期。此时，周期Ts1-Ts7中的任何一个成为保持周期。此处假设预定象素在周期Ts7中被点亮。
随后，对其余的6场重复相似的操作，并假设保持周期被相继设定为Ts6、Ts5、…、Ts1，且预定象素在各个场中被点亮。
当出现8场时，一帧就结束。此时，借助于各个保持周期的组合来控制象素的灰度。例如，在Ts1和Ts2被选择的情况下，当使总点亮为100％时，能够表示75％的亮度，而在Ts3、Ts5和Ts8被选择的情况系，能够表示16％的亮度。
虽然已经描述了256灰度的情况，但也能够进行其它灰度显示。下面参照图9来描述进行n位灰度显示的情况。
在进行n位(n是2或以上的整数)灰度(2n灰度)显示的情况下，首先，使一帧对应于n位灰度，并被分成n场(由F1、F2、F3、…、F(n-1)、F(n)表示)。随着灰度数目增大，一帧的分割数目也增大，驱动电路从而必须以高的频率被驱动。
而且，这些n个场的每一个被分成寻址周期(Ta)和保持周期(Ts)。亦即，借助于选择是否将电压施加到对所有EL电极公共的电极(不被连接到TFT那一侧处的电极)，而选择寻址周期和保持周期。
然后，各个n场的保持周期(对应于F1、F2、F3、…、F(n-1)、F(n)的保持周期被分别表示为Ts1、Ts2、Ts3、…、Ts(n-1)、Ts(n))被处理成使Ts1∶Ts2∶Ts3∶…∶Ts(n-1)∶Ts(n)＝20∶2-1∶2-2∶…∶2-(n-2)∶2-(n-1)。
在这种情况下，在任一场中，象素被相继选择(严格地说是各个象素的开关TFT被选择)，且预定的栅极电压(相当于数据信号)被加到电流控制TFT的栅极。此时，其中被输入了使电流控制TFT具有导电状态的数据信号的象素的EL元件，仅仅在分配给寻址周期结束之后的场的保持周期内发光，亦即预定的象素被点亮。
对所有的n场重复这一操作，各个象素的灰度从而被各个保持周期的组合控制。因此，当注意一个任意象素时，一个象素的灰度就根据象素在各个场中被点亮多长时间(通过多少个保持周期)而受到控制。
利用上述的技术，时分灰度显示成为可能。为了用时分方法进行灰度显示，数字驱动是可取的。由于EL元件具有对电信号的高的响应能力，故当使用时分方法时，是有优点的。
然而，本发明不局限于上述的驱动方法，而是也可以采用模拟驱动(使用模拟信号的驱动方法)。且除了时分方法之外，可以利用域分方法(也称为区域灰度)来进行灰度显示。在模拟驱动的情况下，可以采用用模拟信号的电压灰度方法。
本发明这一实施方案模式描述的驱动方法，可以用作实施方案模式1所述发光器件的驱动方法。
[实施方案模式3]
在这一实施方案模式中，参照图10来描述本发明用于具有3个半导体元件被提供在一个象素中的象素结构的有源矩阵型发光器件的例子。
在图10中，参考号1001表示开关TFT 1002的源引线；1003表示开关TFT 1002的栅引线；1004表示电流控制TFT；1005表示电容器(可以略去)；1006表示电流馈线；1007表示擦除TFT；1008表示擦除栅引线；而1009表示三重态EL元件。顺便说一下，关于擦除TFT 1007的运行和象素结构，可查阅日本专利申请No.Hei.11-338786。
擦除TFT 1007的漏被连接到电流控制TFT 1004的栅，而电流控制TFT 1004的栅电压可以被强迫改变。虽然擦除TFT 1007可以是n沟道TFT或p沟道TFT，但希望使擦除TFT 1007具有与开关TFT 1002相同的结构，以便使关态电流低。
此外，在图10中，还有一个特点，即电流馈线1006被制作成二个象素共用。亦即，二个象素被制作成相对于电流馈线1006轴对称。在这种情况下，由于能够减少电流馈线的数目，故能够将象素部分做得更精细。
顺便说一下，本实施方案模式可以结合实施方案模式1或实施方案模式2进行。
[实施方案模式4]
在这一实施方案模式中，参照图11来描述本发明用于具有4个半导体元件被提供给一个象素的象素结构的有源矩阵型发光器件的例子。
在图11中，参考号1101表示第一开关TFT 1102的源引线；而1103表示串联连接到第一开关TFT 1102(连接到漏)的第二开关TFT。参考号1104表示连接到开关TFT 1102的栅的第(i+1)个栅引线；而1105表示连接到开关TFT 1103的栅的第i个栅引线。
参考号1106表示擦除TFT。擦除TFT 1106的源被连接到电流馈线1107，而电流控制TFT 1008的栅被连接到第二开关TFT 1103的漏。擦除TFT 1106的栅被连接到第(i-1)个栅引线1109。电流控制TFT 1108的源被连接到电流馈线1107，而其漏被连接到三重态EL元件1110。
此时，擦除TFT 1106的漏被连接到电流控制TFT 1108的栅，致使能够强迫改变电流控制TFT 1108的栅电压。擦除TFT 1106可以是n沟道TFT或p沟道TFT。
与实施方案模式3所述的日本专利申请No.Hei.11-338786的象素结构的不同之处在于，开关TFT被分成第一开关TFT 1102和第二开关TFT 1103，且第一开关TFT1102的栅被连接到相邻下一行的栅引线，亦即第(i+1)栅引线，以及在于擦除TFT 1106的栅被连接到相邻前一行的栅引线，亦即第(i-1)栅引线。
在采用图11的象素结构的情况下，借助于设法将栅信号输入到第(i-1)栅引线、第i栅引线、和第(i+1)栅引线，能够得到与日本专利申请No.Hei.11-338786所述相似的对象素结构的影响。此处，图12A是数据信号被写入象素时的栅信号时间图，而图12B是数据信号从象素被擦除时的栅信号时间图。
根据本发明的这一实施方案模式，由于可以略去图10所示的擦除栅引线1108，故能够增大象素的有效发光区，并能够略去用来驱动擦除栅引线1008的驱动电路，致使可望得到改进制造成品率的效果。
顺便说一下，本发明的这一实施方案模式可以结合实施方案模式1或实施方案模式2进行。
[实施方案模式5]
在本发明的发光器件的结构中，一个象素中的TFT的数目可以是任意的。虽然实施方案模式3示出了其中提供3个TFT的例子，且实施方案模式4示出了其中提供4个TFT的例子，但也可以采用其中提供更多的TFT的象素结构。
顺便说一下，本发明的这一实施方案模式可以结合实施方案模式1或实施方案模式2进行。
[实施方案模式6]
由于本发明的发光器件具有明亮、低功耗、和高可靠性的优点，故能够被用作各种各样电器的光源。
典型地说，此器件能够被用作液晶显示器的后照光或前照光的光源，或者用作照明设备的光源。
顺便说一下，本发明的这一实施方案模式可以结合实施方案模式1到实施方案模式5的任何结构进行。
实施方案
[实施方案1]
在本实施方案中，参照图15来描述采用三重态EL元件的有源矩阵型发光器件的例子。图15所示的有源矩阵型发光器件由象素部分585和将信号输出到象素部分的驱动电路584组成。在象素部分585中提供有开关TFT 582和驱动TFT 583，而在驱动电路中提供有p沟道TFT 580和n沟道TFT 581。
在象素部分585中，开关TFT 582的半导体层具有作为n型杂质区的源区560和漏区561及568以及LDD区562-565。此TFT具有多栅结构，并由沟道形成区566和567通过栅绝缘膜510上的栅电极513组成。而且，LDD区562-565被制作在不与栅电极513重叠的位置，是一种用来降低TFT关态电流的结构。
驱动电路584的n沟道TFT 581具有源区591、漏区592、沟道形成区594，并在漏区侧592上制作LDD区593。LDD区593被提供在覆盖栅电极512的位置，是一种抑制热载流子效应造成的退化的结构。此n沟道TFT 581不必过多考虑关态电流，而是在设计时更重要的是关注运行速度。而且，为了提高电流驱动能力，LDD区593与栅电极512完全重叠，使串联电阻尽可能被抑制。另一方面，p沟道TFT580基本上可以忽略热载流子效应造成的退化，致使不必特别提供LDD区，因此采用单漏结构。
利用由厚度为50nm的氮化硅膜561和厚度为1000nm的丙烯酸树脂562组成的叠层结构，在层间绝缘膜上制作三重态EL元件。此氮化硅膜被用来防止离子性杂质从外部混入到半导体层中。丙烯酸树脂被用来整平，并在适当的地方可以使用诸如聚酰胺、聚酰亚胺、和BCB(苯并环丁烯)之类的热硬化或光硬化的其它有机树脂材料。诸如丙烯酸之类的有机树脂是吸湿性的，故最好用等离子体处理方法使其表面重构，使之致密。而且，利用这一处理，可望得到防止诸如用作EL元件阴极材料的锂之类的碱金属材料在半导体层中散布。
三重态EL元件的阳极555由氧化铟锡(ITO)组成。阳极555被连接到驱动TFT 583的漏引线544。借助于在阳极555和丙烯酸562上形成光敏丙烯酸，以及根据阳极555的位置形成窗口，制作分隔相邻象素的带556。此带556覆盖阳极555的端部，并被制作成侧面倾斜30度或以上，最好是45度。而且，利用制作在阳极555和驱动TFT583的漏引线544所连接到的部分上的带556，防止了出现在接触孔部分中的台阶所造成的EL层557的发光失效。注意，借助于将树脂等混合到形成带556的树脂材料中，带556也可以被用作光屏蔽膜。
然后，用真空蒸发方法，制作实施方案模式1所示的包括由三重态激发而发光的发光材料的EL层557，并用真空蒸发方法制作阴极(MgAg或AlLi电极)558。这二层最好连续制作而不暴露于大气。注意，EL层557的厚度为80-200nm(典型为100-120nm)，而阴极558的厚度为180-300nm(典型为200-250nm)。注意，在本实施方案中，仅仅示出了一个象素，但同时制作了发射红光的EL层、发射绿光的EL层、和发射蓝光的EL层。
注意，在本实施方案中，EL层557可以是仅仅由发光层构成的单层结构，或除了发光层之外，还可以配备有诸如空穴输运层、空穴注入层、电子输运层、电子注入层之类。在各种各样的例子中已经报道了这种组合，可以使用任何一种结构。
而且，在制作阴极557之后，制作DLC(类金刚石碳)或氮化硅膜作为钝化膜559。
图15所示有源矩阵型发光器件还是高度气密性的，以便不暴露于外部空气，并用出气很小的透明密封元件或保护膜(叠层膜、紫外固化树脂膜之类)封装(密封)。此时，当密封元件内部被放置惰性气体或吸湿性材料(例如氧化钡)时，EL元件的可靠性就得到了改善。
而且，当借助于封装之类的工艺提高了气密性时，用来将从元件或制作在衬底上的电路伸出的端子引线连接到外部信号端子的连接件(柔性印刷电路FPC)被安装，从而完成产品。在本说明书中，将直至发货的这种状态称为EL显示器(EL模块)。
[实施方案2]
图16示出了有源矩阵型发光器件的象素的电路图。参考号1107表示开关TFT，参考号1108表示驱动TFT，参考号1109表示擦除TFT，参考号1110表示EL元件，参考号1111表示反电源，而参考号1112是电容器。驱动TFT 1108是其中二个EL驱动TFT(第一EL驱动TFT和第二EL驱动TFT)并联连接的驱动TFT。第一EL驱动TFT和第二EL驱动TFT被组合，并在本说明书中被称为驱动TFT。
开关TFT的栅电极被连接到写入栅信号线Ga(写入栅信号线Gal-Gay之一)。开关TFT 1107的源区和漏区之一被连接到源信号线S(源信号线Sl-Sx之一)，而另一个被连接到驱动TFT 1108的栅电极，到每个象素的电容器1112，以及到擦除TFT 1109的源区或漏区。
电容器1112被用来在开关TFT 1107处于非选取状态(关态)时保持驱动TFT 1108的栅电压。虽然在本实施方案中示出了其中提供电容器1112的结构，但本发明不局限于此，也可以采用其中不提供电容器1112的结构。
驱动TFT 1108的一个源区被连接到电源馈线V(Vl-Vx中的任何一个)，而漏区被连接到EL元件1110。电源馈线V被连接到电容器1112。
在擦除TFT 1109的源区和漏区之中，未被连接到驱动TFT 1108的栅电极的那个，被连接到电源馈线V。擦除TFT 1109的栅电极被连接到擦除栅信号线Ge(Ge1-Gey中的任何一个)。
EL元件1110包括阳极、阴极、和制作在阳极与阴极之间的EL层。在阳极被连接到驱动TFT 1108的漏区的情况下，阳极用作象素电极，而阴极用作反电极。相反，在阴极被连接到驱动TFT 1108的漏区的情况下，阴极用作象素电极，而阳极用作反电极。
EL元件1110的反电极被连接到制作在具有象素部分101的衬底外面的反电源1111，且一直施加反电位。而且，电源馈线V被连接到制作在具有象素部分101的衬底外面的电源(图中未示出)，且一直施加电源电位。反电位和电源电位一直保持在使EL元件在电源电位施加到象素电极时发光的电位差。
对于采用三重态EL元件的EL显示器，在象素部分单位面积的光量为200cd/m2的情况下，象素部分单位面积需要大约0.5-1mA/cm2电流。因此，当象素部分的尺寸增大时，用开关来控制从电源施加到电源馈线的电位就变得困难了。但在本发明中，电源电位和反电位总是保持恒定。因此，由于不需要用开关来控制从提供在IC中的电源施加的电位水平，故本发明能够实现大屏幕尺寸的平板。
开关TFT 1107、驱动TFT 1108、和擦除TFT 1109可以采用n沟道TFT和p沟道TFT二者。但第一驱动TFT和第二驱动TFT必须具有相同的极性。对于EL元件1110的阳极是象素电极，而阴极是反电极的情况，驱动TFT最好是p沟道TFT。相反，当EL元件1110的阳极是反电极，而阴极是象素电极时，驱动TFT 1108最好是n沟道TFT。
而且，开关TFT 1107、驱动TFT 1108、和擦除TFT 1109，除了单栅结构之外，还可以具有诸如双栅结构或三栅结构之类的多栅结构。
参照图17来描述本发明的图16所示的EL显示器的象素的顶部表面图。在图16和图17中使用了共同的参考号。
在图16中，具有各一个源信号线(S)、电源馈线(V)、写入栅信号线(Ga)、和擦除栅信号线(Ge)的区域1105，是一个象素。象素1105具有开关TFT 1107、驱动TFT 1108、和擦除TFT 1109。驱动TFT 1108具有第一和第二EL驱动TFT，且第一和第二EL驱动TFT被并联连接。
开关TFT 1107具有半导体层1107a和作为写入栅信号线(Ga)的一部分的栅电极1107b。驱动TFT 1108具有半导体层1108a和作为栅引线1121的一部分的栅电极1108b。擦除TFT 1109具有半导体层1109a和作为写入栅信号线(Ge)的一部分的栅电极1109b。
开关TFT 1107的半导体层1107a的源区和漏区之一，被连接到源信号线，而源区和漏区中的另一个，通过连接引线1113被连接到栅引线1121。注意，依赖于源信号线(S)的电位，连接引线1113被称为源引线和漏引线。
擦除TFT 1109的半导体层1109a的源区和漏区之一，被连接到源信号线，而源区和漏区中的另一个，通过连接引线1115被连接到栅引线1121。注意，依赖于电源馈线的电源电位，连接引线1113被称为源引线和漏引线。
驱动TFT 1108的半导体层1108a的源区和漏区，分别被连接到电源馈线V和漏引线1114。漏引线1114被连接到阳极1117。
电容器引线1116由半导体膜组成。电容器1112由电连接到电源馈线(V)并位于与栅绝缘膜相同层上的绝缘膜(图中未示出)与栅引线1121之间的电容器引线1116组成。而且，也有可能采用由栅引线1121、与第一层间绝缘膜相同的层(图中未示出)、以及电源馈线(V)组成的电容器。
注意，借助于腐蚀有机树脂膜，在阳极1117上制作具有窗口1131的带。然后按顺序在象素电极1117上层叠EL层和反电极，虽然在图中未示出。阳极1105与EL层在带的窗口1131中接触，而EL层仅仅在夹于接触反电极与象素电极之间的部分发光。
注意，本发明的EL显示器的象素部分不局限于图16所示的结构。
[实施方案3]
三重态EL元件相对于单重态EL元件的优越性在于能够以低的电压获得高精度。此处示出了将EL元件应用于有源矩阵型发光器件的一个实验例子。
为了制造样品，相继层叠酞花青铜(以下称为CuPc)、作为芳香胺材料的4，4’，4”-三(N-3-甲基苯基-N-苯基-胺)三苯胺(以下称为mTDATA)、4，4’-二[N-萘基-N苯胺]联苯(以下称为α-NPD)、掺有三-(2-苯基-吡啶和铱(以下称为Ir(ppy)3)的4，4’N，N’-二咔唑(dicaribazole)-联苯(以下称为CBP)、浴铜灵(以下称为BCP)、吡喃的铝络合物(以下称为Alq3)，作为三重态EL元件和阳极。掺有Ir(ppy)3的CBP是一种可以从三重激发态得到发光(荧光)的有机化合物。
作为比较例，在ITO组成的阳极上，制作了单重态EL元件，它是由CuPc构成的空穴注入层、mTDATA和α-NPD构成的空穴输运层、以及Alq3构成的电子注入层和发光层组成的。
图18的曲线示出了电流密度与发光亮度的特性。三重态EL元件从低电流密度获得了高的发光亮度，相比之下，在相同的电流密度下具有5-10倍的亮度。在低电流密度区，这一倾向特别重要。而且，在此处测量的范围内，亮度几乎随电流密度的增大直线上升。
图19示出了外加电压与发光效率的关系曲线。在4-6V的范围内，三重态EL元件获得了9％的发光效率。相反，在4-6V的范围内，单重态EL元件仅仅获得了1-2％的发光效率，而且有可能使三重态EL元件发射更加明亮的光。
注意，发光效率η(ext)具有下式的值。
η ( ext ) = πLe KmhcJ ∫ λL λU F ( λ ) λ dλ ∫ λL λU F ( λ ) λ y ( λ ) dλ
此处，πL是总光通量(lm/m2)，e是电荷。Km是最大光谱发光效率(680lm/W)，J是电流密度(A/m2)，F(λ)是实际测量的发光谱，而y(λ)是标准光谱发光效率曲线。
图20示出了功耗与发光效率的特性。发光效率不随功耗增加，但在具有高功耗的工作区中，发光效率降低。然而，三重态EL元件具有高得多的发光效率，因而从功耗的观点看，三重态EL元件显示出比单重态EL元件更优越。
另一方面，图21示出了有关单漏结构的TFT(n沟道)的寿命数据。在曲线中，作为栅电压的恒定2V和从漏电压被稳定施加直到漏电流降低10％的时间，被计算并绘于其上。改变漏电压以找出时间，且直线连接各个曲线，而与3.15×108秒(10年)相交处的电压被定义为10年保质电压。
图22示出了当沟道长度(Li)被改变到2.8-9.8μm时的10年保质电压。例如，沟道长度为3μm的单漏结构的TFT被示为具有大约7V的10年保质电压。亦即，当被低于此值的漏电压驱动时，它显示出实际上没有问题。
利用上述数据，在有源矩阵型发光器件中，利用三重态EL元件可以使TFT的驱动电压更低。如图19所示，若采用本实施方案所示的三重态EL元件，则驱动电压可以设定在4-6V范围。用这一电压驱动的TFT几乎可以忽略热载流子效应造成的退化。因此，没有必要特别提供诸如LDD，从而有可能减少制造步骤和降低制造成本。
如本发明所示，利用三重态EL元件降低了TFT的驱动电压，并有可能获得明亮的显示器件以及降低功耗。
[实施方案4]
本发明的发光显示器件由于是自发光型，因而比之液晶显示器件，在明亮处具有优异的可见度，并具有宽广的视角。因此，能够用作各种各样电子设备的显示部分。
本发明的电子设备有下列各种：摄象机；数码相机；风镜式显示器(头戴显示器)；导航***；音响装置；笔记本个人计算机；游戏装置；无线便携信息终端(诸如移动计算机、蜂窝电话、便携游戏机、或电子记事本)；以及配备有记录媒质的放象设备。图13和14示出了这些电子设备的具体例子。
图13A是一种EL显示器，它包含框架2001、支座2002、和显示部分2003。本发明的发光器件可以用于显示部分2003。此EL显示器是自发光型的，故无需后照光。且显示部分能够制得比液晶显示器更薄。
图13B是一种录象机，包含主体2101、显示部分2102、声音输入部分2103、操作开关2104、电池2105、和图象接收部分2106。本发明的发光器件可以用于显示部分2102。
图13C是一种数码相机，包含主体2201、显示部分2202、光学***2203、操作开关2204。本发明的发光器件可用于显示部分2202。
图13D是一种配备有记录媒质的放象机，包含主体2301、记录媒质(诸如CD、LD、或DVD)2302、操作开关2303、显示部分(a)2304、和显示部分(b)2305等。显示部分(a)主要用来显示图象信息，而显示部分(b)主要用来显示字符信息，且本发明的发光器件可以用于显示部分(a)和显示部分(b)。注意，配备有记录媒质的放象机包括诸如CD重放装置和游戏机之类的装置。
图13E是一种便携式(移动)计算机，包含主体2401、显示部分2402、图象接收部分2403、操作开关2404、以及存储器插口。本发明的电光器件可用于显示器2402。这种便携式计算机用快速存储器或易失存储器将信息记录在聚集的记录媒质上，并能够重放这些记录。
图13F是一种个人计算机，包含主体2501、框架2502、显示部分2503、和键盘2504。本发明的发光器件可以用于显示部分2503。
注意，若EL材料发射的光的亮度将来提高了，则有可能用于正面型或背投型投影仪中，以便用透镜之类扩展和投射含有输出图象信息的光。
而且，上述各种电器常常显示通过诸如互连网和CATV(有线电视)之类的电子通信网络以及诸如无线电波之类的无线电通信传播的信息，特别是电器显示动态图象信息的机会越来越多。由于EL材料的响应速度非常高，故EL显示器件适合于动态图象显示。
此外，由于发光器件在发光部分消耗功率，故最好用EL显示器件来显示信息，以便使发光部分尽可能小。因此，当使用主要用于字符信息的显示部分中的发光器件时，诸如便携式信息终端，特别是蜂窝电话或声音重放装置时，最好将发光器件驱动成由发光部分形成字符信息，而将不发光部分设定为背景。
图14A是一种蜂窝电话，包括主体2601、声音输出部分2602、声音输入部分2603、显示部分2604、操作开关2605、以及天线2606。本发明的发光器件可以用于显示部分2604。注意，借助于在黑色背景上显示白色字符，显示部分2604能够抑制蜂窝电话的功耗。
图14B是一种声音重放装置，(特别是车辆音响***)，包括主体2701、显示部分2702、以及操作开关2703和2704。本发明的发光器件能够用于显示部分2702。而且，在本实施方案中示出了车辆音响***，但本发明的EL显示器件也能够用于家庭音响***。注意，借助于在黑色背景上显示白色字符，显示部分2704能够抑制功耗。
而且，可以组合光传感器，来提供探测待要使用的环境的亮度的装置，以便用它来根据待要使用的环境的亮度而调制发光亮度。若用户可以保持亮度有比之所用环境亮度的100-150的反差比，则在识别图象或字符信息方面不存在问题。亦即，当待要使用的环境明亮时，图象的亮度被提高，故容易看见，而当待要使用的环境阴暗时，图象的亮度可以被抑制，从而抑制功耗。
注意，本发明的实施方案可以利用实施方案模式1-5以及实施方案1-3的任何结构来加以实施。
借助于实施本发明，能够获得明亮并具有低功耗的有源矩阵型发光器件，并能够获得高可靠性。而且，借助于采用这种发光器件作为光源或显示部分，能够获得具有明亮显示部分和低功耗的电器。

Claims (39)

1.一种有源阵列型发光器件，包含：
采用其中由三重态激发得到电致发光的发光材料的电致发光元件；以及
电连接到电致发光元件的半导体元件，和
其中发光元件由数字驱动操作。
2.根据权利要求1的器件，其特征在于，其中的半导体元件是TFT。
3.一种采用根据权利要求1的发光器件的电器。
4.一种采用根据权利要求1的发光器件的便携式电话。
5.一种采用根据权利要求1的发光器件的数码相机。
6.一种采用根据权利要求1的发光器件的音响设备。
7.一种采用根据权利要求1的发光器件的无线便携设备。
8.根据权利要求1的有源阵列型发光器件
其中的电致发光元件包括了包含由下面分子式表示的发光材料的薄膜：
Figure C011195020002C1
其中Et代表乙基；M代表属于周期表中8-10族的元素。
9.根据权利要求8的器件，其特征在于，其中所述M是选自镍、钴、和钯的元素。
10.根据权利要求8的器件，其特征在于，其中的发光材料是含有选自镍、钴、和钯的元素的有机化合物。
11.根据权利要求10的器件，其特征在于，其中的发光材料是含有选自镍、钴、和钯的元素的金属络合物。
12.根据权利要求8的器件，其特征在于，其中的半导体元件是TFT。
13.一种采用根据权利要求8的发光器件的电器。
14.一种采用根据权利要求8的发光器件的便携式电话。
15.一种采用根据权利要求8的发光器件的数码相机。
16.一种采用根据权利要求8的发光器件的音响设备。
17.一种采用根据权利要求8的发光器件的无线便携设备。
18.根据权利要求1的有源阵列型发光器件
其中的电致发光元件包括由下面分子式表示的发光材料制成的薄膜：
Figure C011195020003C1
其中M代表属于周期表中8-10族的元素。
19.根据权利要求18的器件，其特征在于，其中所述M是选自镍、钴、和钯的元素。
20.根据权利要求18的器件，其特征在于，其中的发光材料是含有选自镍、钴、和钯的元素的有机化合物。
21.根据权利要求20的器件，其特征在于，其中的发光材料是含有选自镍、钴、和钯的元素的金属络合物。
22.根据权利要求18的器件，其特征在于，其中的半导体元件是TFT。
23.一种采用根据权利要求18的发光器件的电器。
24.一种采用根据权利要求18的发光器件的便携式电话。
25.一种采用根据权利要求18的发光器件的数码相机。
26.一种采用根据权利要求18的发光器件的音响设备。
27.一种采用根据权利要求18的发光器件的无线便携设备。
28.根据权利要求1的有源阵列型发光器件
其中半导体元件包括电连接到电致发光元件的薄膜晶体管，
其中通过薄膜晶体管施加到电致发光元件的电压为4-6V，和
其中在象素部分单位面积的光量为200cd/m2的情况下，象素部分单位面积需要的电流是0.5-1mA/cm2。
29.一种采用根据权利要求28的发光器件的电器。
30.一种采用根据权利要求28的发光器件的便携式电话。
31.一种采用根据权利要求28的发光器件的数码相机。
32.一种采用根据权利要求28的发光器件的音响设备。
33.一种采用根据权利要求28的发光器件的无线便携设备。
34.根据权利要求1的有源阵列型发光器件
其中半导体元件包括电连接到电致发光元件的薄膜晶体管；
其中薄膜晶体管的源侧连接到电源线，以及
其中当电源线的电压为4-6V时，电致发光元件的发光效率是9％。
35.一种采用根据权利要求34的发光器件的电器。
36.一种采用根据权利要求34的发光器件的便携式电话。
37.一种采用根据权利要求34的发光器件的数码相机。
38.一种采用根据权利要求34的发光器件的音响设备。
39.一种采用根据权利要求34的发光器件的无线便携设备。
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