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特許7410596エレクトロルミネセンス素子の製造方法、エレクトロルミネセンス素子、および表示装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-26
(45)【発行日】2024-01-10
(54)【発明の名称】エレクトロルミネセンス素子の製造方法、エレクトロルミネセンス素子、および表示装置
(51)【国際特許分類】
H10K 50/165 20230101AFI20231227BHJP
H10K 59/122 20230101ALI20231227BHJP
H10K 50/828 20230101ALI20231227BHJP
H10K 71/60 20230101ALI20231227BHJP
G09F 9/30 20060101ALI20231227BHJP
H10K 50/17 20230101ALI20231227BHJP
H10K 50/18 20230101ALI20231227BHJP
H10K 50/84 20230101ALI20231227BHJP
H10K 50/88 20230101ALI20231227BHJP
H10K 59/82 20230101ALI20231227BHJP
H10K 71/15 20230101ALI20231227BHJP
H10K 85/00 20230101ALI20231227BHJP
【ＦＩ】
H10K50/165
H10K59/122
H10K50/828
H10K71/60
G09F9/30 365
G09F9/30 338
G09F9/30 348A
H10K50/17
H10K50/18
H10K50/84
H10K50/88
H10K59/82
H10K71/15
H10K85/00
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2022532499
(86)(22)【出願日】2021-06-22
(86)【国際出願番号】 JP2021023638
(87)【国際公開番号】W WO2021261493
(87)【国際公開日】2021-12-30
【審査請求日】2022-12-16
(31)【優先権主張番号】P 2020107890
(32)【優先日】2020-06-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】501232056
【氏名又は名称】三国電子有限会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141586
【弁理士】
【氏名又は名称】沖中 仁
(72)【発明者】
【氏名】田中 栄
【審査官】藤岡 善行
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２１３０５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３５９４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０５７２８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２９１５８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２０６８２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０８４６５５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｋ ５０／１６
Ｈ１０Ｋ ５０／１７
Ｈ１０Ｋ ５０／１８
Ｈ１０Ｋ ５０／８２８
Ｈ１０Ｋ ５０／８４
Ｈ１０Ｋ ５０／８８
Ｈ１０Ｋ ５９／１２２
Ｈ１０Ｋ ５９／８２
Ｈ１０Ｋ ７１／１５
Ｈ１０Ｋ ７１／６０
Ｈ１０Ｋ ８５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に第１電極を形成し、前記第１電極と接する第１電子輸送層を形成し、
前記第１電極と重なる領域に開口部を有する第１絶縁層を形成し、
前記開口部に、有機２族金属化合物と有機３族金属化合物とが有機溶媒に溶解されている組成物を塗布し、塗布後に溶媒を除去して金属酸化物半導体からなる第２電子輸送層を形成し、
前記第２電子輸送層と重なり、エレクトロルミネセンス材料を含む発光層を形成し、
前記発光層と重なる領域に、第２電極を形成すること、を含むエレクトロルミネセンス素子の製造方法。
【請求項2】
基板上に第１電極を形成し、
前記第１電極と接する第１電子輸送層を形成し、
前記第１電極と重なる領域に開口部を有する第１絶縁層を形成し、
前記開口部に、２価のＺｎ及びＭｇ、３価のＩｎ及びＧａ、並びに４価のＳｎからなる群から選択される少なくとも１つをドーピングした無機酸塩と第１アミドと溶媒とを含む組成物を塗布し、塗布後に溶媒を除去して無機透明酸化物半導体からなる第２電子輸送層を形成し、
前記第２電子輸送層と重なり、エレクトロルミネセンス材料を含む発光層を形成し、
前記発光層と重なる領域に、第２電極を形成すること、を含むエレクトロルミネセンス素子の製造方法。
【請求項3】
前記第１電極は陰極であり、
前記第２電極は陽極であり、
前記エレクトロルミネセンス素子は逆積み構造である請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項4】
第１電極と、前記第１電極と対向する領域を有する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間の第１絶縁層と、
前記第１電極と電気的に接続する電子輸送層と、
前記電子輸送層と前記第２電極との間のエレクトロルミネセンス材料を含む発光層と、
を有し、
前記第１絶縁層は開口部を有し、
前記開口部において、前記第２電極、前記発光層、前記電子輸送層、及び前記第１電極が重なる重畳領域を有し、
前記電子輸送層は、前記第１電極と接する第１電子輸送層と、前記開口部に配置され、前記第１電子輸送層と接する第２電子輸送層と、を有し、
前記第２電子輸送層は無機透明酸化物半導体からなり、前記開口部の中心部に比べ端部の膜厚が大きく、前記開口部の側面に接し、前記側面に沿ってせり上がり、前記第１絶縁層の前記開口部を超えず、前記端部は前記開口部内に配置されているエレクトロルミネセンス素子。
【請求項5】
前記第２電子輸送層は、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲の膜厚で設けられる、請求項４に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項6】
前記第１電子輸送層の電子移動度は、前記第２電子輸送層の電子移動度より高い、請求項４に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項7】
前記第１電子輸送層のキャリア濃度は、前記第２電子輸送層のキャリア濃度より高い、請求項６に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項8】
前記第１電子輸送層のバンドギャップは３．０ｅＶ以上であり、前記第２電子輸送層のバンドギャップは３．０ｅＶ以上である、請求項６に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項9】
前記第１電子輸送層及び前記第２電子輸送層は酸化物半導体を含み、かつ前記第１電子輸送層の厚みより前記第２電子輸送層の厚みの方が大きい、請求項６に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項10】
前記第１電子輸送層は、酸化スズ及び酸化インジウムと、酸化ガリウム、酸化タングステン、酸化アルミニウム及び酸化シリコンから選ばれた少なくとも一種を含み、前記第２電子輸送層は、酸化亜鉛と、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム及び酸化ガリウムから選ばれた少なくとも一種を含む、請求項９に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項11】
前記第２電子輸送層の比抵抗値は、１０ 2Ω・ｃｍ～１０ 6Ω・ｃｍの範囲である、請求項９に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項12】
前記第２電子輸送層の仕事関数の値は３．８ｅＶ以下である、請求項４に記載のエレクトロルミネセンス素子。
【請求項13】
基板上に、請求項４乃至１２のいずれか一項に記載のエレクトロルミネセンス素子と、前記エレクトロルミネセンス素子と接続される駆動トランジスタと、を含む画素を有し、前記駆動トランジスタは、
酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の下に配置される第１絶縁層と、
前記酸化物半導体層と重なる領域を有し、前記第１絶縁層を介して前記酸化物半導体層の前記基板側に配置された第１ゲート電極と、
前記酸化物半導体層及び前記第１ゲート電極と重なる領域を有し、前記酸化物半導体層の前記基板側とは反対に配置された第２ゲート電極と、を有し、
前記第１電極は前記酸化物半導体層と電気的に接続することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一実施形態は、エレクトロルミネセンス材料を用いたエレクトロルミネセンス素子（以下、「ＥＬ素子」ともいう。）の素子構造と材料に関する。本明細書で開示される発明の一実施形態は、発光層へ電子を輸送する層に塗布型無機透明酸化物半導体材料を用いる逆構造エレクトロルミネセンス素子に関する。
【背景技術】
【0002】
ＥＬ素子は、陽極及び陰極と呼ばれる一対の電極を有し、この一対の電極間に発光層が配置された構造を有する。ＥＬ素子の電極に電位を印加すると、発光層には、陰極から電子が注入され、陽極から正孔が注入される。電子と正孔は、発光層のホスト分子上で再結合する。これにより放出されるエネルギーによって発光層中の発光分子が励起し、その後、基底状態に戻ることによって発光する。
【0003】
ここで電子が発光層に入るためには、発光層の電子親和力と陰極の仕事関数の差が作るエネルギー障壁を乗り越える必要がある。また正孔が発光層に入るためには、発光層のイオン化エネルギーと陽極の仕事関数の差が作る障壁を乗り越える必要がある。効率よく発光を起こさせるためには、このエネルギー障壁を小さくする必要がある。このため陰極と発光層の間に電子輸送層、陽極と発光層の間に正孔輸送層を挿入してもよい。例えば、電子輸送層としては、その電子親和力が陰極の仕事関数と発光層の電子親和力の中間であるとよい。
【0004】
一方で、ＥＬ素子は２端子型の素子を基本構造とするが、さらに、第３の電極が付加された３端子型のＥＬ素子が開示されている。例えば、陽極と、発光材料層と呼ばれる有機エレクトロルミネセンス材料で形成される層と、陰極と、陰極及び発光材料層に対して絶縁層を介して補助電極が設けられた有機ＥＬ素子が開示されている（特許文献１参照）。また、陽極と陰極との間に、陽極側から正孔注入層、キャリア分散層、正孔輸送層、発光層が積層された構造を有し、陽極に対し絶縁膜を介して補助電極が設けられた発光型トランジスタが開示されている（特許文献２参照）。
【0005】
また、補助電極と、補助電極上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に所定の大きさで設けられた第１電極と、第１電極上の電荷注入抑制層と、第１電極が設けられていない絶縁膜上に設けられた電荷注入層と、電荷注入抑制層及び電荷注入層上又は電荷注入層上に設けられた発光層と、発光層上に設けられた第２電極とを有するように構成された有機発光トランジスタ素子が開示されている（特許文献３、４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００２－３４３５７８号公報
【文献】国際公開第２００７／０４３６９７号
【文献】特開２００７－１４９９２２号公報
【文献】特開２００７－１５７８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１で開示された有機ＥＬ素子は、発光材料層における電子移動度が低いため、陰極からの電子注入量は陽極と陰極との間の電位差でほぼ決まってしまい、補助電極から印加されるバイアス電圧はキャリア注入にほとんど影響を与えないという問題がある。発光材料層は電子移動度が低く高抵抗であるため、発光材料層への電子の注入はもっぱら陰極近傍に集中してしまい、補助電極に印加されるバイアス電圧は電子の注入量に影響を与えないという問題がある。
【0008】
特許文献２に記載の発光型トランジスタは、補助電極が発光／非発光の状態を制御するため、発光層に注入される異なる極性のキャリア（電子、正孔）の量を、外部回路を使用しても個々に独立して制御することができないという問題がある。さらに、特許文献１に記載の発光型トランジスタは、発光層内で電子と正孔が再結合する領域、すなわち発光領域の位置を制御することができないという問題がある。
【0009】
また、特許文献３、４に記載の有機発光トランジスタ素子では、有機材料で形成される電子輸送層のキャリア（電子）移動度が低いため、表示パネルの大画面化と高精細化を実現できないという問題がある。
【0010】
電子輸送層として、移動度が十分に大きく、且つ透明な材料がないことから、その厚さを大きくすることができないという問題がある。スパッタ法やＣＶＤ法により電子輸送層を形成する場合、基板の大型化にコストがかかり、工程が煩雑で生産性に問題がある。また、これらの方法では高温での処理が必要になるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一実施形態に係るエレクトロルミネセンス素子の製造方法は、基板上に第１電極を形成し、第１電極を覆う第１絶縁層を形成し、第１絶縁層上に配置され、第１電極と重なる領域を有する第２電極を形成し、第２電極と接する第１電子輸送層を形成し、第２電極と重なる領域を覆い、第１電極と重なる領域に開口部を有する第２絶縁層を形成し、開口部に、金属酸化物材料と溶媒を含む液状の組成物を塗布し、塗布後に溶媒を除去して第２電子輸送層を形成し、第２電子輸送層と重なり、エレクトロルミネセンス材料を含む発光層を形成し、発光層と重なる領域に、第３電極を形成すること、を含む。
【0012】
本発明の一実施形態に係るエレクトロルミネセンス素子は、第１電極と、第１電極と対向する領域を有する第３電極と、第１電極と第３電極との間の第１絶縁層と、第１絶縁層と第３電極との間の第２絶縁層と、第１絶縁層と第３電極との間の電子輸送層と、電子輸送層と第３電極との間のエレクトロルミネセンス材料を含む発光層と、第１絶縁層と第２絶縁層との間に配置され、電子輸送層と電気的に接続される第２電極と、を有し、第２絶縁層は開口部を有し、開口部において、第３電極、発光層、電子輸送層、第１絶縁層、及び第１電極が重なる重畳領域を有し、第２電極は、重畳領域の外側に配置され、電子輸送層は、第１絶縁層と接する第１電子輸送層と、開口部に配置され、第１電子輸送層と接する第２電子輸送層と、を有し、第１電子輸送層は、第２絶縁層の開口部の外側領域で第２電極と接し、第２電子輸送層は、開口部の中心部に比べ端部の膜厚が大きい。
【0013】
本発明の一実施形態に係る表示装置は、第１電極と、第１電極と対向する領域を有する第３電極と、第１電極と第３電極との間の第１絶縁層と、第１絶縁層と第３電極との間の第２絶縁層と、第１絶縁層と第３電極との間の電子輸送層と、電子輸送層と第３電極との間のエレクトロルミネセンス材料を含む発光層と、第１絶縁層と第２絶縁層との間に配置され、電子輸送層と電気的に接続される第２電極と、を有し、第２絶縁層は開口部を有し、開口部において、第３電極、発光層、電子輸送層、第１絶縁層、及び第１電極が重なる重畳領域を有し、第２電極は、重畳領域の外側に配置され、電子輸送層は、第１絶縁層と接する第１電子輸送層と、開口部に配置され、第１電子輸送層と接する第２電子輸送層と、を有し、第１電子輸送層は、第２絶縁層の開口部の外側領域で第２電極と接し、第２電子輸送層は、開口部の中心部に比べ端部の膜厚が大きいエレクトロルミネセンス素子と、エレクトロルミネセンス素子と接続される駆動トランジスタと、を含む画素を有し、駆動トランジスタは、酸化物半導体層と、酸化物半導体層と重なる領域を有し、第１絶縁層を介して酸化物半導体層の基板側に配置された第１ゲート電極と、酸化物半導体層及び第１ゲート電極と重なる領域を有し、第２絶縁層を介して酸化物半導体層の基板側とは反対に配置された第２ゲート電極と、酸化物半導体層と第１絶縁層との間に配置され、酸化物半導体層と接する領域を含む第１透明導電層及び第２透明導電層と、を有する。
【発明の効果】
【0014】
本発明の一実施形態に係るエレクトロルミネセンス素子は、電子輸送層を塗布型酸化物半導体で形成することで、十分な厚さの緻密で平坦な膜を形成することができ、生産性を向上することができる。
【0015】
本発明の一実施形態に係るエレクトロルミネセンス素子は、絶縁層を介して電子輸送層と重なる第３の電極を設けることで、発光層へのキャリア注入量を制御することができる。この場合において、エレクトロルミネセンス素子の電子輸送層を塗布型酸化物半導体で形成することでも、キャリアの輸送特性を改善し、均一な発光を得ることができる。
【0016】
本発明の一実施形態に係るエレクトロルミネセンス素子は、発光層へのキャリア注入量を制御する電極を設けることで、正孔と電子のキャリアバランスを制御することができ、発光効率を向上させ、寿命時間を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の動作を説明する図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の動作を説明する図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の動作を説明する図である。
【図6】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の動作特性の一例を説明するグラフを示す。
【図7】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の作製方法を説明する図である。
【図8】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の作製方法を説明する図である。
【図9】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の作製方法を説明する図である。
【図10】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を含む表示装置における画素の等価回路の一例を示す図である。
【図11】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す平面図である。
【図12】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す断面図である。
【図13】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図14】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図15】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図16】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図17】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図18】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を含む表示装置における画素の等価回路の一例を示す図である。
【図19】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す平面図である。
【図20】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す断面図である。
【図21】本発明の一実施形態に係る酸化物半導体層のエネルギーバンド図である。
【図22】本発明の一実施形態に係るトランジスタの電気的特性と成膜時の酸素分圧の関係を示す図である。
【図23】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図24】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図25】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す断面図である。
【図26】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子を用いた表示装置における画素の構成を示す平面図である。
【図27】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図28】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図29】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図30】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図31】本発明の一実施形態に係る逆構造ＥＬ素子のバンド図である。
【図32】本発明の一実施形態に係る逆構造ＥＬ素子のバンド図である。
【図33】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子のキャリア注入量制御電極に印加される電圧波形を示す図である。
【図34】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子のキャリア注入量制御電極に印加される電圧と発光強度の関係を示す図である。
【図35】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図36】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図37】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図38】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図39】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図40】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【図41】本発明の変形例に係るＥＬ素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様を含み、以下に例示する実施形態に限定して解釈されるものではない。本明細書に添付される図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、それはあくまで一例であって、本発明の内容を必ずしも限定するものではない。また、本発明において、ある図面に記載された特定の要素と、他の図面に記載された特定の要素とが同一又は対応する関係にあるときは、同一の符号（又は符号として記載された数字の後にａ、ｂなどを付した符号）を付して、繰り返しの説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有さない。
【0019】
本明細書において、ある部材又は領域が他の部材又は領域の「上に（又は下に）」あるとする場合、特段の限定がない限りこれは他の部材又は領域の直上（又は直下）にある場合のみでなく他の部材又は領域の上方（又は下方）にある場合を含む。すなわち、他の部材又は領域の上方（又は下方）においてある部材又は領域との間に別の構成要素が含まれている場合も含む。
【0020】
＜第１実施形態＞
１．ＥＬ素子の構造
ＥＬ素子の構造は光の出射方向に基づいて、基板を通して光を出射するボトムエミッション型と、基板とは反対側に光を出射するトップエミッション型に分類される。また、ＥＬ素子の構造は製造工程における積層順に基づいて、基板側から陽極、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、陰極の順に積層された順積み構造と、その逆の順に積層された逆積み構造に分類される。本実施形態に係るＥＬ素子は、逆積み構造に分類され、ボトムエミッション型及びトップエミッション型の双方に適用することができる。
１．ＥＬ素子の構造
ＥＬ素子の構造は光の出射方向に基づいて、基板を通して光を出射するボトムエミッション型と、基板とは反対側に光を出射するトップエミッション型に分類される。また、ＥＬ素子の構造は製造工程における積層順に基づいて、基板側から陽極、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、陰極の順に積層された順積み構造と、その逆の順に積層された逆積み構造に分類される。本実施形態に係るＥＬ素子は、逆積み構造に分類され、ボトムエミッション型及びトップエミッション型の双方に適用することができる。
【0021】
１－１．ボトムエミッション型ＥＬ素子
図１は、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子２００ａの断面構造を示す。図１に示すＥＬ素子２００ａは、ボトムエミッション型であり、逆積み構造を有する。すなわち、ＥＬ素子２００ａは、基板１００側から、第１電極１０２、第１絶縁層１０４、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）、発光層１１２、第３電極１１８が積層された構造を有する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子２００ａの断面構造を示す。図１に示すＥＬ素子２００ａは、ボトムエミッション型であり、逆積み構造を有する。すなわち、ＥＬ素子２００ａは、基板１００側から、第１電極１０２、第１絶縁層１０４、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）、発光層１１２、第３電極１１８が積層された構造を有する。
【0022】
図１は、さらに発光層１１２と第３電極１１８との間に正孔輸送層１１４及び正孔注入層１１６が配置された構成を示す。ＥＬ素子２００ａは、正孔注入層１１６及び正孔輸送層１１４の一方が省略されてもよいし、正孔注入及び正孔輸送の双方の機能を兼ね備えた正孔注入輸送層で置換えられてもよい。また、図１には示されないが、電子注入層１１０と発光層１１２との間に正孔ブロック層が配置されていてもよいし、発光層１１２と正孔輸送層１１４との間に電子ブロック層が配置されていてもよい。
【0023】
図１に示すＥＬ素子２００ａは、第１電極１０２、第１絶縁層１０４、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８が縦方向に重なって配置されている。一方、第２電極１０８は、これらの層が重なる領域（重畳領域）の外側に配置され、かつ第１電子輸送層１０６ａと電気的に接続されるように配置される。すなわち、第１電子輸送層１０６ａは第１電極１０２より幅広に設けられる。第１電子輸送層１０６ａの少なくとも一部の外端部は、第１電極１０２の外側に配置される。これにより、第１電子輸送層１０６ａは、第１絶縁層１０４を介して第１電極１０２と重なる領域を含み、さらにその領域の外側に、第１電極１０２と重ならない領域を含む。第２電極１０８は、重畳領域の外側において第１電子輸送層１０６ａの少なくとも一部と接するように設けられる。例えば、第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａと第１絶縁層１０４の間に挟まれるように配置されてもよい。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａの外周を囲むように設けることが好ましい。このような第２電極１０８の配置により、第１電子輸送層１０６ａの中央領域から第２電極１０８までの長さを全周に亘って均等にすることができる。しかしながら、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子２００ａは、このような配置に限定されず、第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａの周縁部において、一部の領域に設けられていればよい。さらに、第２電極１０８に接して配線１１１が一部の領域に設けられてもよい。配線１１１は第２電極１０８と第１電子輸送層１０６ａとの間に挟まれるように配置されてもよい。
【0024】
ＥＬ素子２００ａは、第２電極１０８の上面が第１電子輸送層１０６ａと接触して設けられることで、接触面積を大きくすることができる。これにより、ＥＬ素子２００ａは直列抵抗成分が低減され駆動電圧を低くすることができる。また、ＥＬ素子２００ａは、第２電極１０８に流れ込む電流密度を低くすることができる。さらに、ＥＬ素子２００ａは、第２電極１０８が先に形成されていることにより、第１電子輸送層１０６ａの表面欠陥が少ない領域で第２電極１０８と接触することができる。
【0025】
図１において、第３電極１１８は正孔注入層１１６に正孔を注入する機能を有し、「陽極」又は「アノード」とも呼ばれる電極である。第２電極１０８は電子輸送層１０６に電子を注入する機能を有し、「陰極」又は「カソード」とも呼ばれる電極である。第１電極１０２は、発光層１１２へのキャリア（電子）注入量を制御する機能を有し、「キャリア注入量制御電極」とも呼ばれる。
【0026】
ＥＬ素子２００ａは、電子輸送層１０６が、第１電子輸送層１０６ａ及び第２電子輸送層１０６ｂの、区別される２つの層で示される。電子輸送層１０６の詳細は後述されるが、第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂとは、第２電極１０８から注入された電子を発光層１１２へ輸送する機能において共通する。一方、第２電極１０８と接する第１電子輸送層１０６ａと、発光層１１２に近い側に配置される第２電子輸送層１０６ｂとでは、電子濃度及び電子移動度が異なっている。例えば、第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度（電子濃度）は、発光層のエキシトンの失活を防ぐために、第１電子輸送層１０６ａのキャリア濃度（電子濃度）に対して相対的に低いことが好ましい。さらに、第２電子輸送層１０６ｂの膜厚は第１電子輸送層１０６ａの膜厚よりも厚い方が好ましい。
【0027】
なお、第１電子輸送層１０６ａ及び第２電子輸送層１０６ｂは、第２電極１０８から注入された電子を発光層１１２へ輸送するという共通する機能から、一つの層としてみなすこともできる。
【0028】
ＥＬ素子２００ａは、第１電子輸送層１０６ａと電子注入層１１０との間に配置される第２絶縁層１２０を含む。第２絶縁層１２０は、第１電子輸送層１０６ａの周縁部を覆い、上面を露出させる開口部１２４を有する。第２絶縁層１２０の開口部１２４には、第２電子輸送層１０６ｂが配置される。第２電子輸送層１０６ｂが配置される領域の面積は、第１電子輸送層１０６ａが配置される領域の面積より小さい。第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂとは、第２絶縁層１２０の開口部１２４で相互に接触する。この開口部１２４が配置される領域１２４ａは、第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８が積層される。これらの層が積層される領域がＥＬ素子２００ａの発光領域となる。別言すれば、第２絶縁層１２０の開口部１２４によって、ＥＬ素子２００ａの発光領域が画定される。
【0029】
第２電子輸送層１０６ｂは、第２絶縁層１２０の開口部１２４に配置される。第２電子輸送層１０６ｂの膜厚は、第２絶縁層１２０の膜厚より小さい。すなわち、第２電子輸送層１０６ｂの上面（基板１００とは反対側の面）は、第２絶縁層１２０の上面（基板１００とは反対側の面）より低い（基板１００側）。第２電子輸送層１０６ｂは、開口部１２４の端部に比べ中心部における膜厚が小さい凹面形状を有する。ここで第２電子輸送層１０６ｂの膜厚とは、積層方向（基板１００の上面と直交する方向）における開口部１２４の底部からの距離を示す。第２電子輸送層１０６ｂの凹面形状は、第２絶縁層１２０の開口部１２４内に配置される。第２電子輸送層１０６ｂ上面の凹面形状はとくに限定しないが、第２絶縁層１２０の側壁近傍では、連続した１つの凹面形状であって、丸みを帯びていることが好ましい。第２電子輸送層１０６ｂの上面は、他の成膜法と比べて凹凸構造が少なくより平坦に成膜することができる。発光層のエキシトンの失活を防ぐためには、第２電子輸送層１０６ｂの膜厚は１５０ｎｍ以上が必要となる。好ましくは２００ｎｍ以上の膜厚に形成するとよい。
【0030】
第２電子輸送層１０６ｂがこのように構成されることで、第２電子輸送層１０６ｂと第２絶縁層１２０との接着面積が増大し、密着性が向上する。また、第２電子輸送層１０６ｂは、端部において中心部より大きい膜厚を有することで、第３電極１１８と第２電極１０８の端部に電界が集中することを抑制することができ、耐電圧性を向上することができるのと、開口部１２４が配置される領域１２４ａの周辺部に発光が集中するのを防止でき、素子の発光寿命を延ばすことができる。
【0031】
また、開口部１２４における第２絶縁層１２０の側面は、上方に開くように傾斜していることが好ましい。このような開口部１２４の断面形状により、段差の急峻性を緩和することができる。それにより、開口部１２４に重ねて発光層１１２、及び第３電極１１８等を設ける場合、段差部に沿って各層を形成することが可能となる。別言すれば、発光層１１２、及び第３電極１１８等にクラックが入り、所謂段切れをすることを防止することができる。
【0032】
第２電極１０８は第１絶縁層１０４と第２絶縁層１２０とに挟まれて配置される。第２電極１０８は、第１絶縁層１０４と第２絶縁層１２０とに挟まれることにより、開口部１２４から露出しない位置に配置される。第２電極１０８は、絶縁層を挟んで第３電極１１８と重なるように設けられる。第２電極１０８の端部は、第２絶縁層１２０の開口部１２４に露出しないので、発光領域において第３電極１１８と第２電極１０８との間に電界集中が生じないように構成される。ＥＬ素子２００ａは、第２電極１０８が第２絶縁層１２０の開口部１２４に露出しないようにオフセット領域１２６が設けられている。オフセット領域１２６は、開口部１２４の端部から第２電極１０８の端部までの領域であり、第１電子輸送層１０６ａが第１絶縁層１０４と第２絶縁層１２０とに挟まれた領域に相当する。オフセット領域１２６の長さ（キャリア（電子）が流れる方向）は、電界集中を防ぐという目的において、電子輸送層１０６、電子注入層１１０、発光層１１２、正孔輸送層１１４、正孔注入層１１６等の合計膜厚が１００ｎｍ～１０００ｎｍであるとすると、合計膜厚の１０倍以上の長さとして、１μｍ～２０μｍ程度、例えば、２μｍ～１０μｍであることが好ましい。
【0033】
このように、本実施形態に係るＥＬ素子２００ａは、第２電極１０８が第１絶縁層１０４及び第２絶縁層１２０に挟まれると共に、第２電極１０８の端部が第２絶縁層１２０の開口部１２４が配置される領域１２４ａより外側に配置されることで、ＥＬ素子２００ａの耐圧を高め、発光領域における発光強度の均一性を高めている。第２絶縁層１２０を設けることで、第３電極１１８と第２電極１０８との間隔を広げることができ、寄生容量を低減することができる。
【0034】
第１電極１０２は、第２絶縁層１２０の開口部１２４が配置される領域１２４ａと重畳するように配置され、第１絶縁層１０４を介して第１電子輸送層１０６ａと重畳するように配置される。第１電極１０２は、第１絶縁層１０４によって第１電子輸送層１０６ａと絶縁される。第１電極１０２と第１電子輸送層１０６ａとの間にキャリアの授受はないが、第１電子輸送層１０６ａは、第１電極１０２に電圧が印加されると、それにより発生する電界の影響を受ける。
【0035】
第１電子輸送層１０６ａは、第１電極１０２によって形成される電界の作用を受ける。電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）から発光層１１２に輸送されるキャリア（電子）の量は、第１電極１０２の電界強度によって制御することが可能である。第１電極１０２に印加される電圧が大きくなると、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）に作用する電界も大きくなる。第１電極１０２に正電圧が印加されることで生成された電界は、第２電極１０８から第１電子輸送層１０６ａにキャリア（電子）を引き込むように作用するので、発光層１１２へ輸送されるキャリア（電子）の量を増加させることが可能となる。すなわち、第１電極１０２に印加する電圧の大きさにより、第１電子輸送層１０６ａから発光層１１２へ輸送されるキャリア（電子）の量を制御することができる。別言すれば、第１電極１０２に印加する電圧を制御することで、第２電極１０８から注入される電子の量と、第３電極１１８から注入される正孔の量とのバランス（キャリアバランス）を調整することが可能となる。
【0036】
第１電極１０２は、第１電子輸送層１０６ａのオフセット領域１２６と重なるように配置されることが好ましい。このような配置により第１電極１０２は、オフセット領域１２６に電界を作用させることができる。第１電極１０２に正電圧を印加すると、オフセット領域１２６を形成する第１電子輸送層１０６ａにはキャリア（電子）が誘起され、オフセット領域１２６の高抵抗化を防ぐことが可能となる。オフセット領域１２６の長さは、２μｍ～１０μｍ程度であれば第１電極１０２がアース電位に接続されたとき、第２電極１０８から第１電子輸送層１０６ａに電子が流れ込むことを防止することができる。つまり、オフセット領域１２６が第１電極１０２をボトムゲートとする薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）として動作するからである。
【0037】
図１に示すＥＬ素子２００ａはボトムエミッション型であるため、第１電極１０２は透光性を有する。例えば、第１電極１０２は透明導電膜で形成される。一方、第３電極１１８は、発光層１１２から放射される光を反射させるための光反射面を有する。第３電極１１８は、正孔注入層１１６へ正孔を注入するため仕事関数の大きい材料で形成することが好ましい。第３電極１１８は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）のような透明導電膜で形成される。第３電極１１８の光反射面は、例えば、透明導電膜にアルミニウム合金等の金属膜を積層することで形成することができる。
【0038】
後述されるように、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）は、透光性を有する酸化物半導体で形成される。透光性を有する酸化物半導体は無機材料であり、しかも酸化物であるため熱的に安定である。ＥＬ素子２００ａは、電子輸送層１０６を酸化物半導体で形成することにより、逆積み構造であっても特性劣化のない安定した発光を実現することができる。
【0039】
１－２．トップエミッション型ＥＬ素子
図２は、トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂを示す。トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂは、第３電極１１８と第１電極１０２の構成が異なる他は、図１に示すボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａと構造は同じである。ＥＬ素子２００ｂがトップエミッション型である場合、第１電極１０２は、光反射面が形成されるように金属膜で形成され、第３電極１１８は発光層１１２から放射される光が透過するように透明導電膜で形成される。第２電極１０８は発光領域の外側に配置されるため、構造及び構成材料を特段変更する必要がない。第３電極１１８の上層には、通常、薄膜封止層としてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法又はスパッタリング法で作製された窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）、酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３膜）などが形成されるが、この図では省略する。
図２は、トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂを示す。トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂは、第３電極１１８と第１電極１０２の構成が異なる他は、図１に示すボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａと構造は同じである。ＥＬ素子２００ｂがトップエミッション型である場合、第１電極１０２は、光反射面が形成されるように金属膜で形成され、第３電極１１８は発光層１１２から放射される光が透過するように透明導電膜で形成される。第２電極１０８は発光領域の外側に配置されるため、構造及び構成材料を特段変更する必要がない。第３電極１１８の上層には、通常、薄膜封止層としてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法又はスパッタリング法で作製された窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）、酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３膜）などが形成されるが、この図では省略する。
【0040】
第１電極１０２は金属膜で形成されるため、ＥＬ素子２００ｂの中で光反射板としての機能を有する。電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）は、透光性を有する酸化物半導体膜から形成されるため、第１電極１０２で反射される光の減衰を防ぐことができ、光取り出し効率（外部量子効率）を高めることができる。
【0041】
トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂは、ボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａと、第３電極１１８及び第１電極１０２の構成が相違するのみである。すなわち、本実施形態に係るＥＬ素子は、逆積み型の構造を共通としつつ、僅かな変更でボトムエミッション型及びトップエミッション型の双方を実現することができる。
【0042】
図１に示すボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａ、及び図２に示すトップエミッション型のＥＬ素子２００ｂは、電子輸送層１０６、電子注入層１１０、発光層１１２、第３電極１１８が少なくとも縦方向に積層され、さらに第１絶縁層１０４を挟んで電子輸送層１０６と近接するように第１電極１０２が設けられ、第２電極１０８は開口部１２４が配置される領域１２４ａの外周領域に配置された構造を有する。ＥＬ素子２００は、第３電極１１８及び第２電極１０８から独立して、第１電極１０２の電位が制御されることにより、電子輸送層１０６から発光層１１２へ輸送されるキャリア（電子）の量を制御することが可能となる。そして、ＥＬ素子２００は、第１電極１０２と第３電極１１８の材料を適宜選択することで、ボトムエミッション型及びトップエミッション型の双方の構造を実現することを可能としている。
【0043】
２．ＥＬ素子の構成部材
２－１．第１電極（キャリア注入量制御電極）
第１電極１０２は、金属材料、導電性を有する金属酸化物材料、金属窒化物材料又は金属酸窒化物材料を用いて形成される。金属材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）等の金属材料、又はこれらの金属を用いた合金材料や積層金属で形成される。金属酸化物材料としては、例えば、酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３・ＺｎＯ：ＩＺＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。さらに、金属酸化物材料として、ニオブ（Ｎｂ）をドープした酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｎｂ）等を用いることができる。金属窒化物材料としては、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮｘ）等を用いることができる。金属酸窒化物材料としては、酸窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）、酸窒化タンタル（ＴａＯｘＮｙ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯｘＮｙ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯｘＮｙ）等を用いることができる。これらの金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料に対して、導電性を向上させる微量の金属元素が添加されていてもよい。例えば、タンタル（Ｔａ）がドープされた酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｔａ）を用いてもよい。
２－１．第１電極（キャリア注入量制御電極）
第１電極１０２は、金属材料、導電性を有する金属酸化物材料、金属窒化物材料又は金属酸窒化物材料を用いて形成される。金属材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）等の金属材料、又はこれらの金属を用いた合金材料や積層金属で形成される。金属酸化物材料としては、例えば、酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３・ＺｎＯ：ＩＺＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。さらに、金属酸化物材料として、ニオブ（Ｎｂ）をドープした酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｎｂ）等を用いることができる。金属窒化物材料としては、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮｘ）等を用いることができる。金属酸窒化物材料としては、酸窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）、酸窒化タンタル（ＴａＯｘＮｙ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯｘＮｙ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯｘＮｙ）等を用いることができる。これらの金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料に対して、導電性を向上させる微量の金属元素が添加されていてもよい。例えば、タンタル（Ｔａ）がドープされた酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｔａ）を用いてもよい。
【0044】
第１電極１０２を形成する材料は、ＥＬ素子２００がトップエミッション型であるか、ボトムエミッション型であるかによっても適宜選択される。ボトムエミッション型の場合、第１電極１０２が導電性を有し、かつ透光性を有する金属酸化物材料、金属窒化物材料又は金属酸窒化物材料で形成される。これにより、ＥＬ素子２００ａは、発光層１１２で発光した光を、第１電極１０２を透過させて出射することができる。一方、トップエミッション型の場合、第１電極１０２は可視光に対する反射率が高い金属材料で形成される。ＥＬ素子２００ｂは、第１電極１０２が金属材料で形成されることで、発光層１１２で発光した光を反射させ、第３電極１１８から出射することができる。
【0045】
２－２．第１絶縁層
第１絶縁層１０４は、無機絶縁材料を用いて形成される。無機絶縁材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等を選択することができる。第１絶縁層１０４は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法等を用いて形成される。第１絶縁層１０４は、５０ｎｍ～９００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～６００ｎｍの膜厚で形成される。第１絶縁層１０４の膜厚を上記範囲とすることで、第１電極１０２によって生成される電界を電子輸送層１０６に作用させることができ、バイアス電圧を高くした場合においてもトンネル効果によって第１電極１０２から電子輸送層１０６にトンネル電流が流れることを防止することができる。
第１絶縁層１０４は、無機絶縁材料を用いて形成される。無機絶縁材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等を選択することができる。第１絶縁層１０４は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法等を用いて形成される。第１絶縁層１０４は、５０ｎｍ～９００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～６００ｎｍの膜厚で形成される。第１絶縁層１０４の膜厚を上記範囲とすることで、第１電極１０２によって生成される電界を電子輸送層１０６に作用させることができ、バイアス電圧を高くした場合においてもトンネル効果によって第１電極１０２から電子輸送層１０６にトンネル電流が流れることを防止することができる。
【0046】
第１絶縁層１０４は、このような絶縁材料が用いられることで、絶縁性と透明性を兼ね備えることができる。それにより、ボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａ及びトップエミッション型のＥＬ素子２００ｂの双方に適用することができる。また、第１電極１０２と電子輸送層１０６との間、及び第１電極１０２と第２電極１０８とを絶縁することができる。
【0047】
２－３．第２絶縁層
本実施形態において、第２絶縁層１２０は、極性を有する有機絶縁材料で形成される。第２絶縁層１２０は、例えば、直鎖系フッ素有機材料が用いられてもよい。直鎖系フッ素有機材料としては、例えば、フルオロアルキルシラン（ＦＡＳ）系材料が用いられる。フルオロアルキルシラン（ＦＡＳ）系材料としては、例えば、Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ペルフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）、トリデカフルオロ－１，１，２，２－テトラヒドロオクチルトリクロロシラン（ＦＯＴＳ）等が用いられる。
本実施形態において、第２絶縁層１２０は、極性を有する有機絶縁材料で形成される。第２絶縁層１２０は、例えば、直鎖系フッ素有機材料が用いられてもよい。直鎖系フッ素有機材料としては、例えば、フルオロアルキルシラン（ＦＡＳ）系材料が用いられる。フルオロアルキルシラン（ＦＡＳ）系材料としては、例えば、Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ペルフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）、トリデカフルオロ－１，１，２，２－テトラヒドロオクチルトリクロロシラン（ＦＯＴＳ）等が用いられる。
【0048】
また、第２絶縁層１２０は、例えば、感光性樹脂材料にフッ素系撥液剤が含まれてもよい。直鎖系フッ素有機材料を主体とするポジ型感光性樹脂組成物やネガ型感光性樹脂組成物がすでに市販されており、これらの感光性樹脂組成物にフッ素系撥液剤を適量混合し、撥液性能を調整することが可能である。
【0049】
第２絶縁層１２０は、直鎖系フッ素有機材料を用いて形成されることで、濡れ性が悪く撥液性が高い表面が形成される。別言すれば、双極性を有する分子や側鎖を含む第２絶縁層１２０を形成することで、ミクロ相分離現象によって、第２絶縁層１２０の上面にマイナスの電荷が表れるようになる。後述するように、第２絶縁層１２０には第１電子輸送層１０６ａを露出させる開口部１２４が形成され、その後、第２絶縁層１２０の開口部１２４に第２電子輸送層１０６ｂが形成される。開口部１２４における第２絶縁層１２０の側面は、濡れ性が高く、親液性が高い。第２絶縁層１２０上面の撥液性および開口部側面の親液性を利用することで、第２電子輸送層１０６ｂを第２絶縁層１２０の開口部１２４に効率よく配置することができる。
【0050】
また、第２絶縁層１２０には、ポリイミド、アクリル、エポキシ等の有機絶縁材料が用いられてもよい。この場合、第２絶縁層１２０上面は、例えばフッ素系プラズマ処理によって撥液性を向上してもよい。
【0051】
一方で、第２絶縁層１２０を有機絶縁材料で形成することで、開口部１２４の断面形状を制御することが容易となる。第２絶縁層１２０の開口部１２４はテーパー状に傾斜していることが好ましいが、感光性の有機絶縁材料を用いることで開口部１２４の断面形状をテーパー状に成形することができる。第２絶縁層１２０の膜厚は特段限定されないが、例えば、２００ｎｍ～５０００ｎｍの厚さで形成されてもよい。第２絶縁層１２０に平坦化膜としての機能を持たせる場合には、膜厚を２μｍ～５μｍ程度まで厚くすると良い。
【0052】
２－４．電子輸送層
電子輸送層１０６は、第２電極１０８から注入されるキャリア（電子）を、ＥＬ素子２００の発光領域の面内に輸送するために、電子移動度が高い材料で形成されることが好ましい。また、電子輸送層１０６は、ボトムエミッション型の場合、発光層よりも光出射側に配置されるので、良好な可視光透光性を有する材料で形成されることが好ましい。また、第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂとの間でキャリア濃度を異ならせるために、キャリア濃度の制御が容易である材料で形成されることが好ましい。
電子輸送層１０６は、第２電極１０８から注入されるキャリア（電子）を、ＥＬ素子２００の発光領域の面内に輸送するために、電子移動度が高い材料で形成されることが好ましい。また、電子輸送層１０６は、ボトムエミッション型の場合、発光層よりも光出射側に配置されるので、良好な可視光透光性を有する材料で形成されることが好ましい。また、第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂとの間でキャリア濃度を異ならせるために、キャリア濃度の制御が容易である材料で形成されることが好ましい。
【0053】
本実施形態において、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）は金属酸化物材料が用いられる。金属酸化物材料としては、バンドギャップが２．８ｅＶ以上、好ましくは３．０ｅＶ以上であり、電子移動度が高い酸化物半導体材料を用いることが好ましい。このような酸化物半導体材料は、薄膜を形成した場合でも半導体特性を有し、可視光に対して透明であり、ｎ型の電気伝導性を有する。
【0054】
電子輸送層１０６に適用される酸化物半導体材料としては、四元系酸化物材料、三元系酸化物材料、二元系酸化物材料、および一元系酸化物材料が例示される。ここで例示される金属酸化物材料は、バンドギャップが２．８ｅＶ以上であり、ｎ型の導電性を示し、酸素欠損等によりドナー濃度を制御することができることから、酸化物半導体に分類される。
【0055】
四元系酸化物材料として、Ｉｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、三元系酸化物材料としてＩｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｍＯｘ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、ＳｎＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、二元系酸化物材料としてＩｎ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＷＯ３系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料、ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＭｇＯ系酸化物材料、ＭｇＯ－ＺｎＯ系酸化物材料、ＳｎＯ２－ＭｇＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＭｇＯ系酸化物材料、一元系酸化物材料として、Ｉｎ２Ｏ３系金属酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３系金属酸化物材料、ＳｎＯ２系金属酸化物材料、ＺｎＯ系金属酸化物材料等を用いることができる。
【0056】
また、上記金属酸化物材料にシリコン（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）が含まれていてもよい。なお、例えば、上記で示すＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物材料は、少なくともＩｎとＧａとＺｎを含む金属酸化物材料であり、その組成比に特に制限はない。また、他の表現をすれば、第１電子輸送層１０６ａ及び第２電子輸送層１０６ｂは、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、ＨｆおよびＳｉから選ばれた一つ又は複数の金属元素を示す。なお、上記の四元系酸化物材料、三元系酸化物材料、二元系酸化物材料、一元系酸化物材料は、含まれる酸化物が化学量論的組成のものに限定されず、化学量論的組成からずれた組成を有する酸化物材料によって構成されてもよい。また、電子輸送層１０６としての酸化物半導体層は、アモルファス相を有していても良く、結晶性を有していても良く、またはアモルファス相と結晶相が混合していても良い。
【0057】
第１電子輸送層１０６ａ及び第２電子輸送層１０６ｂは、それぞれ組成が異なる酸化物半導体材料で形成されることが好ましい。例えば、第１電子輸送層１０６ａは、高い電子移動度と高いＰＢＴＳ信頼性評価が得られるスズ（Ｓｎ）系の酸化物半導体（ＩｎＧａＳｎＯｘ、ＩｎＷＳｎＯｘ、ＩｎＡｌＳｎＯｘ、ＩｎＳｉＳｎＯｘ）で形成されることが好ましい。第２電子輸送層１０６ｂは、大粒径結晶化しにくく、アモルファス膜やナノ微結晶膜を形成しやすい亜鉛（Ｚｎ）系の酸化物半導体（ＺｎＳｉＯｘ、ＺｎＭｇＯｘ、ＺｎＡｌＯｘ、ＺｎＩｎ、ＺｎＧａＯｘ等）で形成されることが好ましい。別言すれば、第１電子輸送層１０６ａは、酸化スズと、酸化インジウムを主成分とし、酸化ガリウム、酸化タングステン、酸化アルミニウム及び酸化シリコンから選ばれた少なくとも一種とを含む金属酸化物であることが好ましく、第２電子輸送層１０６ｂは、酸化亜鉛を主成分とし、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム及び酸化ガリウムから選ばれた少なくとも一種とを含む金属酸化物であることが好ましい。第２電子輸送層１０６ｂとして、大粒径結晶化しにくく、アモルファス膜やナノ微結晶膜を形成しやすい材料を選択することで、空間電荷制限電流を流すことが可能となり寿命の長いＥＬ素子を形成することができる。
【0058】
このように組成の異なる酸化物半導体材料を選択することにより、第１電子輸送層１０６ａ及び第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップを最適化することができる。例えば、第１電子輸送層１０６ａのバンドギャップに対し、第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップを大きくすることができる。具体的には、第１電子輸送層１０６ａのバンドギャップを３．０ｅＶ以上とし、第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップを第１電子輸送層１０６ａのバッドギャップ以上とすることができる。第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップは３．４ｅＶ以上とすることが好ましい。第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップを３．４ｅＶ以上とすることで、青色光の吸収を減少させ、信頼性を向上させることができる。
【0059】
また、電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）として、酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３・ＺｎＯ：ＩＺＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）酸化チタン（ＴｉＯｘ）等が用いられる。金属窒化物材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＧａＡｌＮｘ）等が用いられる。金属酸窒化物材料としては、酸窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）、酸窒化タンタル（ＴａＯｘＮｙ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯｘＮｙ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯｘＮｙ）等が用いられる。これらの金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料に対して、導電性を向上させる微量の金属元素が添加されていてもよい。例えば、ニオブがドープされた酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｎｂ）を用いてもよい。これらの金属化合物のバンドギャップを少なくとも２．８ｅＶ以上にするには、酸素含有量又は窒素含有量を調整すればよい。
【0060】
酸化物半導体材料で形成される第１電子輸送層１０６ａは、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等により形成することができる。酸化物半導体材料で形成される第２電子輸送層１０６ｂは、塗布法により形成することができる。第１電子輸送層１０６ａは、１０ｎｍ～７０ｎｍの膜厚を有し、第２電子輸送層１０６ｂは、１５０ｎｍ～９００ｎｍの膜厚で形成されることが好ましい。異物やパーティクルによる耐電圧低下やブレイクダウンを防止するためには、第２電子輸送層１０６ｂは、できるだけ膜厚を厚くした方がよい。
【0061】
第１電子輸送層１０６ａのキャリア濃度は、第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度と比べて１０倍以上、好ましくは１００倍以上高いことが好ましい。例えば、第１電子輸送層１０６ａのキャリア濃度（電子濃度）は１０１４／ｃｍ３～１０１９／ｃｍ３の範囲にあり、第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度（電子濃度）は１０１１／ｃｍ３～１０１７／ｃｍ３の範囲にあり、双方のキャリア濃度の差は上述のように１桁以上、好ましくは２桁以上差があることが好ましい。
【0062】
また、第１電子輸送層１０６ａの電子移動度に対し、第２電子輸送層１０６ｂの電子移動度は、１０分の１以下であることが好ましい。例えば、第１電子輸送層１０６ａの電子移動度は１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ～２００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであることが好ましく、第２電子輸送層１０６ｂの電子移動度は０．００１ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ～１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであることが好ましい。
【0063】
第１電子輸送層１０６ａは、上述のような高いキャリア濃度及び高い電子移動度を有することで、第１電極１０２にプラスの電圧が印加されたときに、短時間で低抵抗化を図ることができる。第１電子輸送層１０６ａは、このような物性を有することにより、第２電極１０８から注入された電子の面内分布を均一化することができる。別言すれば、第２電極１０８によって、第１電子輸送層１０６ａの周辺部から注入されたキャリア（電子）を、中央方向に輸送して、発光領域における電子濃度の均一化を図ることができる。これにより、ＥＬ素子２００の発光強度の面内均一化を図ることができる。また、電子移動度が高い第１電子輸送層１０６ａを用いることで、第２電極１０８から注入されたキャリア（電子）を、第１電極１０２の電界が作用する領域に短時間で輸送することができる。
【0064】
第２電子輸送層１０６ｂは発光層１１２と近接して配置される。そのため第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度（電子濃度）が１０２０／ｃｍ３以上であると、発光層１１２における励起状態が失活して発光効率を低下させてしまう。一方、第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度（電子濃度）が１０１１／ｃｍ３以下であると、発光層１１２に供給されるキャリアが減少し十分な輝度を得ることができない。このように、第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂのキャリア濃度及び電子移動度を異ならせることで、ＥＬ素子２００の発光効率を高め、発光強度の面内均一化を図ることができる。第２電子輸送層１０６ｂに流れる電流は、空間電荷制限電流であることが均一発光強度を得るために必要となる。
【0065】
２－５．第２電極（陰極）
ＥＬ素子の陰極材料としては、従来、アルミニウム・リチウム合金（ＡｌＬｉ）、マグネシウム・銀合金（ＭｇＡｇ）等の材料が用いられている。しかし、これらの材料は、大気中の酸素や水分の影響を受けて劣化しやすく、取扱が困難な材料である。また、これらの材料は金属又はアルカリ金属であり、透光性を持たせるためには薄膜化して半透過膜とする必要がある。しかし、陰極を薄膜化するとシート抵抗が高くなってしまうことが問題となる。電極の抵抗はＥＬ素子の中で直列抵抗成分として作用するので、陰極の薄膜化は駆動電圧を高め、消費電力を増加させる要因となる。さらに、ＥＬ素子の発光領域の面内で、発光強度（輝度）の不均一性の原因ともなる。
ＥＬ素子の陰極材料としては、従来、アルミニウム・リチウム合金（ＡｌＬｉ）、マグネシウム・銀合金（ＭｇＡｇ）等の材料が用いられている。しかし、これらの材料は、大気中の酸素や水分の影響を受けて劣化しやすく、取扱が困難な材料である。また、これらの材料は金属又はアルカリ金属であり、透光性を持たせるためには薄膜化して半透過膜とする必要がある。しかし、陰極を薄膜化するとシート抵抗が高くなってしまうことが問題となる。電極の抵抗はＥＬ素子の中で直列抵抗成分として作用するので、陰極の薄膜化は駆動電圧を高め、消費電力を増加させる要因となる。さらに、ＥＬ素子の発光領域の面内で、発光強度（輝度）の不均一性の原因ともなる。
【0066】
本実施形態に係るＥＬ素子２００は、第２電極１０８が導電性を有する金属酸化物材料、金属窒化物材料又は金属酸窒化物材料から形成される。別言すれば、第２電極１０８は、低抵抗酸化物導電体膜によって形成される。金属酸化物導電体材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＩＴＯ）、酸化インジウムスズ亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２・ＺｎＯ：ＩＴＺＯ）、酸化インジウムスズシリコン（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２・ＳｉＯ２：ＩＴＳＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化アルミニウム亜鉛スズ（Ａｌ２Ｏ３・ＺｎＯ・ＳｎＯ２：ＡＺＴＯ）、酸化ガリウム亜鉛スズ（Ｇａ２Ｏ３・ＺｎＯ・ＳｎＯ２：ＧＺＴＯ）、酸化亜鉛スズ（ＺｎＯ・ＳｎＯ２：ＺＴＯ）、酸化ガリウムスズ（Ｇａ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＧＴＯ）などを用いることができる。このような金属酸化物材料は、第１電子輸送層１０６ａと良好なオーミック接触を形成することができる。
【0067】
また、第２電極１０８は、金属酸化物材料として、ニオブ（Ｎｂ）がドープされた酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｎｂ）等を適用することができ、金属窒化物材料としては、窒化チタン（ＴｉＮｘ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮｘ）等を適用することができ、金属酸窒化物材料としては、酸窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）、酸窒化タンタル（ＴａＯｘＮｙ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯｘＮｙ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯｘＮｙ）等を適用することができる。また、これらの金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料に、導電性を向上させる微量の金属元素が添加されていてもよい。例えば、タンタルがドープされた酸化チタン（ＴｉＯｘ：Ｔａ）を用いてもよい。ＴｉＳｉＯｘなどの高融点金属シリサイド酸化物を用いてもよい。このようなｎ型電気伝導性を示す金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料を用いることで、配線１１１と接触させた場合でも接合の安定性を確保することができる。すなわち、このような金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料を用いることで、卑な電位を持つアルミニウム（Ａｌ）との酸化還元反応（局所的な電池反応）を防止することができる。
【0068】
第２電極１０８のキャリア濃度は、１０２０／ｃｍ３～１０２１／ｃｍ３であることが好ましい。第２電極１０８は、このようなキャリア濃度を有することで、低抵抗化を図り、直列抵抗損失を抑制することができる。それにより、ＥＬ素子２００の消費電力を低減し、電流効率を高めることができる。
【0069】
２－６．電子注入層
ＥＬ素子において、電子注入層は、陰極から電子輸送材料へ電子を注入するためのエネルギー障壁を小さくするために用いられる。本実施形態に係るＥＬ素子２００は、酸化物半導体で形成される電子輸送層１０６から発光層１１２へ電子が注入されやすくするために、電子注入層１１０が設けられることが好ましい。電子注入層１１０は、電子輸送層１０６と発光層１１２との間に設けられる。図１および図２に示すように、電子注入層１１０は、表示領域全面に形成されることが歩留まり向上と信頼性向上のためには重要である。
ＥＬ素子において、電子注入層は、陰極から電子輸送材料へ電子を注入するためのエネルギー障壁を小さくするために用いられる。本実施形態に係るＥＬ素子２００は、酸化物半導体で形成される電子輸送層１０６から発光層１１２へ電子が注入されやすくするために、電子注入層１１０が設けられることが好ましい。電子注入層１１０は、電子輸送層１０６と発光層１１２との間に設けられる。図１および図２に示すように、電子注入層１１０は、表示領域全面に形成されることが歩留まり向上と信頼性向上のためには重要である。
【0070】
電子注入層１１０は、エレクトロルミネセンス材料を含んで形成される発光層１１２に電子を注入するために、仕事関数が小さな材料を用いて形成されることが望ましい。電子注入層１１０は、カルシウム（Ｃａ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物を含んで構成される。電子注入層１１０としては、例えば、Ｃ１２Ａ７（１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３）エレクトライドを用いることが好ましい。Ｃ１２Ａ７エレクトライドは半導体特性を有し、高抵抗から低抵抗まで制御することが可能であり、仕事関数も２．４ｅＶ～３．２ｅＶとアルカリ金属と同程度であるので、電子注入層１１０として好適に用いることができる。
【0071】
Ｃ１２Ａ７エレクトライドによる電子注入層１１０は、Ｃ１２Ａ７電子化物の多結晶体をターゲットとしてスパッタリング法で作製される。Ｃ１２Ａ７エレクトライドは半導体特性を有するので、電子注入層１１０の膜厚は１ｎｍ～１０ｎｍの範囲とすることができる。なお、Ｃ１２Ａ７エレクトライドは、Ｃａ：Ａｌのモル比が１３：１３～１１：１６の範囲にあることが好ましい。Ｃ１２Ａ７エレクトライドを用いた電子注入層１１０は、スパッタリング法を用いて形成することができる。Ｃ１２Ａ７エレクトライドで形成される電子注入層１１０は、アモルファスであることが好ましいが、結晶性を有していてもよい。
【0072】
Ｃ１２Ａ７エレクトライドは、大気中で安定であるので、従来から電子注入層として用いられているフッ化リチウム（ＬｉＦ）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）等のアルカリ金属化合物と比較して取り扱いが簡便であるという利点を有する。これにより、ＥＬ素子２００の製造工程において、乾燥空気又は不活性気体中で作業をする必要がなくなり、製造条件の制限が緩和されることとなる。
【0073】
また、Ｃ１２Ａ７エレクトライドは、イオン化ポテンシャルが大きいため、発光層１１２を挟んで正孔輸送層１１４と反対側に配置することで、正孔ブロック層として用いることができる。すなわち、電子輸送層１０６と発光層１１２との間に、Ｃ１２Ａ７エレクトライドで形成される電子注入層１１０を設けることで、発光層１１２に注入された正孔が第２電極１０８側に突き抜けることを抑制し、発光効率を高めることができる。また、酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇｘＺｎｙＯ、例えば、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ）やＺｎ０．７５Ｓｉ０．２５Ｏｘ、ＬａＭｇＯｘ、ＭｇＳｉＯｘなども仕事関数が３．１ｅＶと小さく大気中の安定性も高いので、同様に電子注入層として使用することができる。これらの膜厚も、Ｃ１２Ａ７と同様に１ｎｍ～１０ｎｍの範囲であれば良好な電子注入層として使用可能である。Ｚｎ０．７Ｍｇ0.3ＯｘやＺｎ０．７５Ｓｉ０．２５Ｏｘなどのバンドギャップは、３．９ｅＶ～４．１ｅＶと大きいので、発光層１１２からの正孔注入を阻止することが可能である。Ｚｎ０．７Ｍｇ0.3ＯｘとＺｎ０．７５Ｓｉ０．２５Ｏｘとを１：４～１：１０の範囲で混合した３元系金属酸化物半導体材料でも電子注入層として使用可能である。電子注入層はスパッタ成膜法で成膜するのでＡｒとＯ２の混合ガスの酸素分圧を調整することで膜厚１０ｎｍの時に１０７Ω・ｃｍ以上の比抵抗値になるようにすれば、隣の画素とのクロストークを防止できる。
【0074】
２－７．発光層
発光層１１２はエレクトロルミネセンス材料を用いて形成される。エレクトロルミネセンス材料としては、例えば、蛍光を発光する蛍光性化合物材料、燐光を発光する燐光性化合物材料、又は熱活性化遅延蛍光材料（Thermally activated delayed fluorescence：ＴＡＤＦ）を用いることができる。
発光層１１２はエレクトロルミネセンス材料を用いて形成される。エレクトロルミネセンス材料としては、例えば、蛍光を発光する蛍光性化合物材料、燐光を発光する燐光性化合物材料、又は熱活性化遅延蛍光材料（Thermally activated delayed fluorescence：ＴＡＤＦ）を用いることができる。
【0075】
例えば、青色系の発光材料として、Ｎ，Ｎ’－ビス［４－（９Ｈ－カルバゾール－９－イル）フェニル］－Ｎ，Ｎ’－ジフェニルスチルベン－４，４’－ジアミン（ＹＧＡ２Ｓ）、４－（９Ｈ－カルバゾール－９－イル）－４’－（１０－フェニル－９－アントリル）トリフェニルアミン（ＹＧＡＰＡ）等を用いることができる。緑色系の発光材料としては、Ｎ－（９，１０－ジフェニル－２－アントリル）－Ｎ，９－ジフェニル－９Ｈ－カルバゾール－３－アミン（２ＰＣＡＰＡ）、Ｎ－［９，１０－ビス（１，１’－ビフェニル－２－イル）－２－アントリル］－Ｎ，９－ジフェニル－９Ｈ－カルバゾール－３－アミン（２ＰＣＡＢＰｈＡ）、Ｎ－（９，１０－ジフェニル－２－アントリル）－Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－トリフェニル－１，４－フェニレンジアミン（２ＤＰＡＰＡ）、Ｎ－［９，１０－ビス（１，１’－ビフェニル－２－イル）－２－アントリル］－Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－トリフェニル－１，４－フェニレンジアミン（２ＤＰＡＢＰｈＡ）、Ｎ－［９，１０－ビス（１，１’－ビフェニル－２－イル）］－Ｎ－［４－（９Ｈ－カルバゾール－９－イル）フェニル］－Ｎ－フェニルアントラセン－２－アミン（２ＹＧＡＢＰｈＡ）、Ｎ，Ｎ，９－トリフェニルアントラセン－９－アミン（ＤＰｈＡＰｈＡ）等を用いることができる。赤色系の発光材料としては、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラキス（４－メチルフェニル）テトラセン－５，１１－ジアミン（ｐ－ｍＰｈＴＤ）、７，１３－ジフェニル－Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラキス（４－メチルフェニル）アセナフト［１，２－ａ］フルオランテン－３，１０－ジアミン（ｐ－ｍＰｈＡＦＤ）等を用いることができる。また、ビス［２－（２’－ベンゾ［４，５－α］チエニル）ピリジナトーＮ，Ｃ３’］イリジウム（ＩＩＩ）アセチルアセトナート（Ｉｒ（ｂｔｐ）２（ａｃａｃ））のような燐光材料を用いることができる。
【0076】
この他にも、発光層１１２として、量子ドット（Quantum dot：ＱＤ）やペロブスカイト系無機発光材料、ペロブスカイト系無機有機ハイブリット発光材料等の公知の各種材料を使用することができる。発光層１１２は、蒸着法、転写法、スピンコート法、スプレーコート法、印刷法（インクジェット印刷法、グラビア印刷法）等により作製することができる。発光層１１２の膜厚は適宜選択されればよいが、例えば、１０ｎｍ～１００ｎｍの範囲で設けられる。
【0077】
なお、図１及び図２では、発光層１１２がＥＬ素子ごとに分離している例を示すが、複数のＥＬ素子が同一平面上に配列される場合、発光層１１２は複数の発光素子に亘って連続するように設けられてもよい。発光層１１２と正孔輸送層１１４の間に電子阻止層を全面に形成してもよいが、図１および２では省略する。
【0078】
２－８．正孔輸送層
正孔輸送層１１４は、正孔輸送性を有する材料を用いて形成される。正孔輸送層１１４は、例えば、アリールアミン系化合物、カルバゾール基を含むアミン化合物、およびフルオレン誘導体を含むアミン化合物などであっても良い。正孔輸送層１１４は、例えば、４，４’－ビス［Ｎ－（ナフチル）－Ｎ－フェニル－アミノ］ビフェニル（α－ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’－ビス（３－メチルフェニル）－（１，１’－ビフェニル）－４，４’－ジアミン（ＴＰＤ）、２－ＴＮＡＴＡ、４，４’，４”－トリス（Ｎ－（３－メチルフェニル）Ｎ－フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’－Ｎ，Ｎ’－ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）、４，４’－ビス［Ｎ－（９，９－ジメチルフルオレン－２－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］ビフェニル（ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’－ビス［Ｎ－（スピロ－９，９’－ビフルオレン－２－イル）－Ｎ―フェニルアミノ］ビフェニル（ＢＳＰＢ）、スピロ－ＮＰＤ、スピロ－ＴＰＤ、スピロ－ＴＡＤ、ＴＮＢ等の有機材料が用いられる。
正孔輸送層１１４は、正孔輸送性を有する材料を用いて形成される。正孔輸送層１１４は、例えば、アリールアミン系化合物、カルバゾール基を含むアミン化合物、およびフルオレン誘導体を含むアミン化合物などであっても良い。正孔輸送層１１４は、例えば、４，４’－ビス［Ｎ－（ナフチル）－Ｎ－フェニル－アミノ］ビフェニル（α－ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’－ビス（３－メチルフェニル）－（１，１’－ビフェニル）－４，４’－ジアミン（ＴＰＤ）、２－ＴＮＡＴＡ、４，４’，４”－トリス（Ｎ－（３－メチルフェニル）Ｎ－フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’－Ｎ，Ｎ’－ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）、４，４’－ビス［Ｎ－（９，９－ジメチルフルオレン－２－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］ビフェニル（ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’－ビス［Ｎ－（スピロ－９，９’－ビフルオレン－２－イル）－Ｎ―フェニルアミノ］ビフェニル（ＢＳＰＢ）、スピロ－ＮＰＤ、スピロ－ＴＰＤ、スピロ－ＴＡＤ、ＴＮＢ等の有機材料が用いられる。
【0079】
正孔輸送層１１４は、真空蒸着法、塗布法など一般的な成膜方法によって作製される。正孔輸送層１１４は、１０ｎｍ～５００ｎｍの膜厚で作製される。
【0080】
２－９．正孔注入層
正孔注入層１１６は、有機層に対して正孔注入性の高い物質を含む。正孔注入性の高い物質としては、モリブデン酸化物やバナジウム酸化物、ルテニウム酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、銅（ＩＩ）フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶＯＰｃ）、４，４’，４’’－トリス（Ｎ，Ｎ－ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’－トリス［Ｎ－（３－メチルフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’－ビス［Ｎ－（４－ジフェニルアミノフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］ビフェニル（ＤＰＡＢ）、４，４’－ビス（Ｎ－｛４－［Ｎ’－（３－メチルフェニル）－Ｎ’－フェニルアミノ］フェニル｝－Ｎ－フェニルアミノ）ビフェニル（ＤＮＴＰＤ）、１，３，５－トリス［Ｎ－（４－ジフェニルアミノフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］ベンゼン（ＤＰＡ３Ｂ）、３－［Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＡ１）、３，６－ビス［Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＡ２）、３－［Ｎ－（１－ナフチル）－Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）アミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＮ１）、２，３，６，７，１０，１１－ヘキサシアノ－１，４，５，８，９，１２－ヘキサアザトリフェニレン（ＨＡＴ－ＣＮ）等の有機化合物を用いることができる。
正孔注入層１１６は、有機層に対して正孔注入性の高い物質を含む。正孔注入性の高い物質としては、モリブデン酸化物やバナジウム酸化物、ルテニウム酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、銅（ＩＩ）フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶＯＰｃ）、４，４’，４’’－トリス（Ｎ，Ｎ－ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’－トリス［Ｎ－（３－メチルフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’－ビス［Ｎ－（４－ジフェニルアミノフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］ビフェニル（ＤＰＡＢ）、４，４’－ビス（Ｎ－｛４－［Ｎ’－（３－メチルフェニル）－Ｎ’－フェニルアミノ］フェニル｝－Ｎ－フェニルアミノ）ビフェニル（ＤＮＴＰＤ）、１，３，５－トリス［Ｎ－（４－ジフェニルアミノフェニル）－Ｎ－フェニルアミノ］ベンゼン（ＤＰＡ３Ｂ）、３－［Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＡ１）、３，６－ビス［Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）－Ｎ－フェニルアミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＡ２）、３－［Ｎ－（１－ナフチル）－Ｎ－（９－フェニルカルバゾール－３－イル）アミノ］－９－フェニルカルバゾール（ＰＣｚＰＣＮ１）、２，３，６，７，１０，１１－ヘキサシアノ－１，４，５，８，９，１２－ヘキサアザトリフェニレン（ＨＡＴ－ＣＮ）等の有機化合物を用いることができる。
【0081】
このような正孔注入層１１６は、真空蒸着法、塗布法など一般的な成膜方法によって作製される。正孔注入層１１６は、１ｎｍ～１００ｎｍの膜厚で作製される。
【0082】
２－１０．第３電極（陽極）
第３電極１１８としては、仕事関数の大きい（具体的には４．０ｅＶ以上）金属、合金、導電性化合物で作製される。第３電極１１８には、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）などが用いられる。これらの導電性金属酸化物材料が用いられる第３電極１１８は、真空蒸着法、スパッタリング法により作製される。
第３電極１１８としては、仕事関数の大きい（具体的には４．０ｅＶ以上）金属、合金、導電性化合物で作製される。第３電極１１８には、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）などが用いられる。これらの導電性金属酸化物材料が用いられる第３電極１１８は、真空蒸着法、スパッタリング法により作製される。
【0083】
図１を参照して説明したように、ボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａの場合、第３電極１１８は出射面の裏面に位置するため、光反射面を有することが好ましい。この場合、第３電極１１８は透明導電膜の上に金属膜が積層されていることが好ましい。一方、図２を参照して説明したように、トップエミッション型のＥＬ素子２００ｂの場合、第３電極１１８は、上述のような透明導電膜を用いて形成することができる。
【0084】
２－１１．配線
配線１１１は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の導電率の高い金属材料が用いられる。例えば、配線１１１は、アルミニウム合金、銅合金、または銀合金を用いて作製される。アルミニウム合金としては、アルミニウム・ネオジム合金（Ａｌ－Ｎｄ）、アルミニウム・チタン合金（Ａｌ－Ｔｉ）、アルミニウム・シリコン合金（Ａｌ－Ｓｉ）、アルミニウム・ネオジム・ニッケル合金（Ａｌ－Ｎｄ－Ｎｉ）、アルミニウム・カーボン・ニッケル合金（Ａｌ－Ｃ－Ｎｉ）、銅・ニッケル合金（Ｃｕ－Ｎｉ）等を適用することができる。このような金属材料を用いれば、耐熱性を有すると共に、配線抵抗を低減することができる。また、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏなどの３層積層構造の電極も有効である。すなわち、上述する金属材料をモリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、またはこれらの合金材料を含む酸化防止層で挟んだ３層積層構造を適用することもできる。
配線１１１は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の導電率の高い金属材料が用いられる。例えば、配線１１１は、アルミニウム合金、銅合金、または銀合金を用いて作製される。アルミニウム合金としては、アルミニウム・ネオジム合金（Ａｌ－Ｎｄ）、アルミニウム・チタン合金（Ａｌ－Ｔｉ）、アルミニウム・シリコン合金（Ａｌ－Ｓｉ）、アルミニウム・ネオジム・ニッケル合金（Ａｌ－Ｎｄ－Ｎｉ）、アルミニウム・カーボン・ニッケル合金（Ａｌ－Ｃ－Ｎｉ）、銅・ニッケル合金（Ｃｕ－Ｎｉ）等を適用することができる。このような金属材料を用いれば、耐熱性を有すると共に、配線抵抗を低減することができる。また、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏなどの３層積層構造の電極も有効である。すなわち、上述する金属材料をモリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、またはこれらの合金材料を含む酸化防止層で挟んだ３層積層構造を適用することもできる。
【0085】
【0086】
３－１．発光および非発光の動作
図３は、本実施形態に係るＥＬ素子２００の構成を模式的に示す。図３は、ＥＬ素子２００を構成する部材として、第２電極１０８、電子輸送層１０６、電子注入層１１０、発光層１１２、正孔輸送層１１４、正孔注入層１１６、第３電極１１８、第１絶縁層１０４、及び第１電極１０２が設けられた構造を示す。
図３は、本実施形態に係るＥＬ素子２００の構成を模式的に示す。図３は、ＥＬ素子２００を構成する部材として、第２電極１０８、電子輸送層１０６、電子注入層１１０、発光層１１２、正孔輸送層１１４、正孔注入層１１６、第３電極１１８、第１絶縁層１０４、及び第１電極１０２が設けられた構造を示す。
【0087】
ＥＬ素子２００は、発光ダイオードの一種であり、第３電極（陽極）１１８と第２電極（陰極）１０８との間に順方向電流を流すことで発光する。図３は、第３電極１１８と接地（アース）との間に第３電源１２８ｃが接続され、第２電極１０８と接地（アース）との間に第２電源１２８ｂが接続され、第１電極１０２と第１電源１２８ａとの間に第２スイッチ１３０ｂが直列に接続され、第１電極１０２と接地（アース）との間に第１スイッチ１３０ａが接続された態様を示す。図３は、スイッチ１３０において、第１スイッチ１３０ａ及び第２スイッチ１３０ｂがオフであり、第１電極１０２にバイアスが印加されない状態を示す。
【0088】
すなわち、図３は、第１電極１０２と接地（アース）との間の導通状態を制御する第１スイッチ１３０ａがオフ、第１電極１０２と第１電源１２８ａとの間の接続を制御する第２スイッチ１３０ｂがオフの状態を示す。この状態では、ＥＬ素子２００は順方向にバイアスされるので、バイアス電圧が発光開始電圧以上であれば、第３電極１１８から正孔が注入され、第２電極１０８から電子が注入される状態にある。ＥＬ素子２００は、第３電源１２８ｃにより第３電極１１８と、第２電極１０８との間に正電圧が印加される。発光強度は、ＥＬ素子２００に流れる順方向電流の大きさで制御することができる。
【0089】
しかし、第１絶縁層１０４の上で電子輸送層１０６と第３電極１１８とが発光層１１２を挟んで対向配置され、第２電極１０８が第１電子輸送層１０６ａの周縁部で接続された構造では、発光領域（電子輸送層１０６、電子注入層１１０、発光層１１２、第３電極１１８が重畳する領域）で均一に発光することができない。この場合、第３電極１１８と第２電極１０８との間に生じる電界分布は発光領域で均一とならず、第２絶縁層１２０と第２電極１０８の端部に電界は集中する。第１スイッチ１３０ａと第２スイッチ１３０ｂとの両方がオフの状態では、第２電極１０８から注入されるキャリア（電子）は、第１電子輸送層１０６ａの面内で均一には分布せず、第２電子輸送層１０６ｂの端部に注入される。本実施形態に係る第２電子輸送層１０６ｂは端部における膜厚が中心部における膜厚より大きいことから、第２電子輸送層１０６ｂの端部における電界集中が緩和される。このため、オフセット領域１２６を短くすることができ、その分、発光領域の面積を大きくすることができる。
【0090】
しかしながら図３は、第１スイッチ１３０ａ及び第２スイッチ１３０ｂがオフであるため、第１電極１０２には第２電源１２８ｂから電圧が印加されない。第２電極１０８から第１電子輸送層１０６ａに注入されたキャリア（電子）は、第１電極１０２の影響を受けないので、第１電子輸送層１０６ａの中央領域に広がらない。すなわち、第１電子輸送層１０６ａの周縁部に注入されたキャリア（電子）は、第１電極１０２に電圧が印加されないことによりドリフトされないので、第１電子輸送層１０６ａの中央領域全体には広がらない。したがって、図３に示すバイアス状態では、ＥＬ素子２００は発光領域の中央部が暗く、周縁部のみが明るく発光する。
【0091】
図４は、スイッチ１３０において、第１スイッチ１３０ａがオンとなり、第１電極１０２の電位が接地電位となった状態を示す。この状態では、第１電子輸送層１０６ａにはキャリア（電子）が存在せず、第１電子輸送層１０６ａは絶縁状態となる。その結果、ＥＬ素子２００には電流が流れず、発光しない状態（非発光状態）となる。第１電極１０２がボトムゲートとして動作するため、オフセット領域１２６の第１電子輸送層１０６ａが空乏層化し電流が流れなくなるためである。
【0092】
図５に示すように、ＥＬ素子２００の第３電極１１８と第２電極１０８との間に順方向バイアスを印加し、さらに第２スイッチ１３０ｂをオンにすると、第１電極１０２によって形成される電界が第１電子輸送層１０６ａに作用する。第１電極１０２に正電圧が印加されているため、第２電極１０８から第１電子輸送層１０６ａに注入されたキャリア（電子）は、第１電子輸送層１０６ａの中央領域へドリフトされる。それによって、キャリア（電子）は、第１電子輸送層１０６ａの周縁部から、第１電子輸送層１０６ａの中央領域へ輸送される。正電圧が印加された第１電極１０２により生成される電界は、第２電極１０８から注入されたキャリア（電子）を第１電子輸送層１０６ａの面内全体に広げるように作用する。
【0093】
ＥＬ素子２００は順方向にバイアスされていることから、第１電子輸送層１０６ａの中央領域に輸送されたキャリア（電子）は、第１電子輸送層１０６ａから発光層１１２の方向に移動する。第３電極１１８から注入されたキャリア（正孔）と、第２電極１０８から注入されたキャリア（電子）とは、発光層１１２で再結合することにより励起子が生成され、励起状態の励起子が基底状態に遷移するときにフォトンが放出され発光として観察される。
【0094】
図５に示すバイアス状態において、第１電子輸送層１０６ａに注入されるキャリア（電子）の量は、第２電極１０８の電圧によって制御することができる。第２電極１０８の電圧を大きくすることで、第１電子輸送層１０６ａへのキャリア（電子）注入量を増加させることができる。第１電子輸送層１０６ａから発光層１１２に注入されるキャリア（電子）の量は、第１電極１０２の電圧によって制御することができる。第１電極１０２の電圧を大きくすることで、第２電極１０８から注入されたキャリア（電子）を、第１電子輸送層１０６ａの中央領域に多く引き込み、発光層１１２へのキャリア注入量を増加させることができる。
【0095】
発光層１１２が、全面略均一に発光するには、第２電子輸送層１０６ｂに流れる電子が空間電荷制限電流を形成することが好ましい。そのため第２電子輸送層１０６ｂは、アモルファス状態、ナノサイズの微結晶状態、又はこれらの混合状態であることが好ましい。第１電子輸送層１０６ａは、ナノサイズの微結晶を含み、密度の高い膜であることが好ましい。
【0096】
このように、本実施形態に係るＥＬ素子２００は、第３電極１１８及び第２電極１０８に加え、第１電極１０２を有することで、発光層１１２に注入されるキャリアの濃度を制御することができる。
【0097】
さらに本実施形態に係る第２電子輸送層１０６ｂは中心部に比べ端部における膜厚が大きい。このため、第２電子輸送層１０６ｂの端部に電界が集中することを抑制することができ、耐電圧性を向上することができる。さらに、第２電子輸送層１０６ｂ側壁からのリークを抑制し、信頼性を向上させるには、図１７に示すように第３絶縁層１２２を第２絶縁層１２０の下層に積層するとよい。
【0098】
なお、図５は、第２電極１０８側に第１電極１０２が配置される例を示すが、第１電極１０２の配置を置換して第３電極１１８の側に設けることもできる。また、第１電極１０２に加え、第３電極１１８の側にキャリア（正孔）の注入量を制御する電極を、さらに設けてもよい。
【0099】
３－２．キャリアバランスの制御
ＥＬ素子が発光するには、陽極から正孔が注入され、陰極から電子が注入される必要がある。そして、ＥＬ素子の電流効率（発光効率）を高めるには、陽極から発光層に輸送される正孔の量と陰極から発光層に輸送される電子の量とが一致するようにバランスをとる必要がある（以下、「キャリアバランス」ともいう）。ＥＬ素子は、キャリアバランスをとることで電流効率を高めることができる。
ＥＬ素子が発光するには、陽極から正孔が注入され、陰極から電子が注入される必要がある。そして、ＥＬ素子の電流効率（発光効率）を高めるには、陽極から発光層に輸送される正孔の量と陰極から発光層に輸送される電子の量とが一致するようにバランスをとる必要がある（以下、「キャリアバランス」ともいう）。ＥＬ素子は、キャリアバランスをとることで電流効率を高めることができる。
【0100】
しかし、従来のＥＬ素子は、発光層の正孔移動度に対して電子移動度が低いため、キャリアバランスが崩れ、発光効率が低下するという課題を有している。また、ＥＬ素子は、キャリアバランスが崩れて発光層で正孔の数が過剰になると、発光層と電子輸送層との界面に正孔が蓄積され、電流効率（発光効率）の劣化を促進させる要因になるという課題を有している。そこで、正孔輸送層及び電子輸送層の材質や膜厚を調整して、発光層に注入される正孔と電子のバランスを図る試みがなされている。しかし、ＥＬ素子の素子構造自体を調整しても、発光特性の経時変化や温度変化に追従できないという問題がある。
【0101】
これに対し、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子２００は、第１電極１０２によってキャリアバランスを制御することができる。すなわち、電子輸送層１０６側に設けられた第１電極１０２によって、発光層１１２へのキャリア（電子）の輸送量を制御することでキャリアバランスの制御を可能としている。すなわち、第３電極１１８から発光層１１２に輸送される正孔の量に対して、第２電極１０８から発光層１１２に輸送される電子の量が不足しないように、第１電極１０２によって電子の輸送量を増加させることで、発光層１１２における正孔と電子の数が同じとなるように制御することができる。別言すれば、本実施形態に係るＥＬ素子２００は、図３２に示すように正孔輸送層１１４から発光層１１２に注入される正孔電流に対し、電子注入層１１０から発光層１１２に注入される電子電流の大きさが同じになるように、第１電極１０２によって当該電子電流を増加させることで、発光層１１２におけるキャリアバランスを一定に保つことを可能としている。
【0102】
図６は、ＥＬ素子２００の第３電極１１８と第２電極１０８との間に印加する電圧（Ｖａｃ）を一定とし、第１電極１０２に印加する電圧（Ｖｇ）を変化させたときに第３電極１１８と第２電極１０８との間に流れる電流（Ｉｅ）の関係を模式的に示すグラフである。図６に示すように、第１電極１０２に印加する電圧（Ｖｇ）が０Ｖである場合、電子電流（Ｉｅ）は小さく、ＥＬ素子２００の全面での発光は観測されない状態となる。この状態から第１電極１０２の電圧を大きくしていくと、第２電極１０８から電子輸送層１０６に注入されたキャリア（電子）は、電子電流（Ｉｅ）となり第１電子輸送層１０６ａから発光層１１２に向けて流れる。このとき電子電流（Ｉｅ）は、ダイオードの順方向電流のように指数関数的に増加する（図６に示す「Ｉ領域」）。
【0103】
第１電極１０２に印加する電圧（Ｖｇ）をさらに大きくすると、電圧（Ｖｇ）の変化量に対する電子電流（Ｉｅ）の増加量が飽和する傾向となり、Ｉｅ対Ｖｇ特性の曲線の勾配は緩やかになる（図６に示す「ＩＩ領域」）。領域Ｂで第１電極１０２に印加する電圧（Ｖｇ）の大きさを、第１電圧（Ｖｇ１）と第２電圧（Ｖｇ２）の間で変化させると、電子電流（Ｉｅ）は第１電流（Ｉｅ１）と第２電流（Ｉｅ２）の間で変化する。第１電極１０２の電圧（Ｖｇ）が、第１電圧（Ｖｇ１）から第２電圧（Ｖｇ２）の範囲で変化する領域は、電子電流（Ｉｅ）が急激に変化しない領域であり、ＥＬ素子２００の発光強度は飽和しつつある領域となる。
【0104】
電子電流（Ｉｅ）の変化は、発光層１１２に注入される正孔と電子の量の増減を意味する。第１電極１０２の電圧（Ｖｇ）を、第１電圧（Ｖｇ１）と第２電圧（Ｖｇ２）の間で変化させると発光層１１２に注入される電子の量が変化する。すなわち、第１電極１０２の電圧（Ｖｇ）を変化させることで、発光層１１２内における電子と正孔のキャリアバランスを制御することができる。発光層１１２に注入される電子の量を変化させると、図３４に示すように、電子と正孔が再結合する領域の中心位置（発光層１１２の厚さ方向における発光領域の位置）をシフトさせることができる。例えば、図３４（Ａ）においては、第１電極１０２が第１電圧（Ｖ１０２＝Ｖｇ１）であるとき、電子電流が正孔電流に比べて相対的に小さくなり、発光層１１２における発光領域の位置は、陰極側（ＥＬ（ｂ）、図６に示す「Ａ」側）となる。一方、図３４（Ｃ）においては、第１電極１０２が第２電圧（Ｖ１０２＝Ｖｇ２）であるとき、電子電流が正孔電流に比べて相対的に大きくなり、発光層１１２における発光領域の位置は陽極側（ＥＬ（ｔ）、図６に示す「Ｂ」側）にシフトする。図３４（Ｂ）においては、第１電極１０２が第２電圧（Ｖ１０２＝（Ｖｇ１＋Ｖｇ２）／２）であるとき、電子電流と正孔電流とが同等になり、発光層１１２における発光領域の位置は中央部（ＥＬ（ｍ））にシフトする。
【0105】
このようにＥＬ素子２００は、第１電極１０２の電圧により、発光層１１２における発光領域の厚さ方向の位置を制御することが可能となる。例えば、第１電極１０２の電圧を第１電圧（Ｖｇ１）と第２電圧（Ｖｇ２）の間で変化させると、発光層１１２における発光領域の位置を陰極側Ａと陽極側Ｂとの間で揺動させることができる。第１電極１０２の電圧を制御することにより、発光層１１２の全体を発光領域として利用することができる。そうすると、発光層１１２の全域を発光領域としてまんべんなく使用することができるので、輝度劣化の寿命時間（例えば、初期輝度が７０％まで低下する時間）を延ばすことができる。第１電極１０２の電圧は、図６に示すＶｇ１とＶｇ２との間で変動するようにし、輝度の強さは第２電極１０８と第３電極１１８との電位差（電圧）で制御することができる。
【0106】
このように、本実施形態に係るＥＬ素子は、酸化物半導体層により電子輸送層が形成され、当該電子輸送層に対し絶縁層を挟んでキャリア注入量を制御する第１電極が配置され、当該第１電極を陽極である第３電極１１８と対向配置することで、発光層への電子注入量を制御することができる。本実施形態に係るＥＬ素子は、キャリア注入量を制御する第１電極の作用により、発光層における電子と正孔のキャリアバランスを制御することができる。それにより、ＥＬ素子の電流効率を高め、寿命時間を延ばすことができる。
【0107】
従来のＥＬ素子の構造では、発光層の厚さ方向全体が均一に劣化することはなく、発光層が不均一に劣化するため輝度劣化を抑制することが困難で、ＥＬ素子の寿命時間を延ばすことができなかった。しかしながら、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子２００は、第１電極１０２の電圧を制御することにより、発光層１１２の全体を発光領域とすることができ、それにより発光層１１２の厚さ方向全体を均一に劣化させることができるので、輝度劣化に対する寿命時間を延ばすことが可能となる。これにより、発光層１１２の厚さを、従来の厚み（例えば、３０ｎｍ）から１．５倍～３．０倍である４５ｎｍ～９０ｎｍに増加させても発光層１１２の厚さ方向全領域を発光させることができるので、ＥＬ素子２００の寿命をさらに長くすることができる。図３３に示すように、第１電極１０２に印加される電圧Ｖ１０２の波形は、（Ａ）正弦波形、（Ｂ）矩形階段波形、（Ｃ）台形階段波形、（Ｄ）三角波形などが適用可能であるが、回路システムに応じて、最適な波形を選択することができる。１フィールド期間で何回繰り返すかの制限はない。発光寿命を最大限に延ばすためには、中央部発光領域の発光時間比率を大きくするとよい。図３３の矩形階段波や台形階段波が電圧波形としては好ましい。
【0108】
４．ＥＬ素子の作製方法
本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の作製方法の一例を、図７、図８、及び図９を参照して説明する。以下においては、図１に示すボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａの作製方法について説明する。
本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の作製方法の一例を、図７、図８、及び図９を参照して説明する。以下においては、図１に示すボトムエミッション型のＥＬ素子２００ａの作製方法について説明する。
【0109】
図７は、基板１００の上に第１電極１０２、第１絶縁層１０４、第２電極１０８、及び配線１１１を形成する段階を示す。基板１００としては、例えば、透明絶縁基板が用いられる。透明絶縁基板としては、アルミノケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス等で例示される無アルカリガラス基板、石英基板が用いられる。また、透明絶縁基板として、ポリイミド、パラ系アラミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂基板を用いることができる。
【0110】
第１電極１０２は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の透明導電膜で形成される。透明導電膜はスパッタリング法を用いて３０ｎｍ～２００ｎｍの厚さで形成される。第１電極１０２は、基板１００の第１面に形成された透明導電膜に対し、フォトリソグラフィ工程によってレジストマスクを形成し、エッチングを行うことで形成される。第１電極１０２は、断面視において端面がテーパー状に成形されていることが好ましい。
【0111】
第１絶縁層１０４は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜等の無機透明絶縁膜で形成される。無機透明絶縁膜としては、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法又はスパッタリング法を用いて形成される。第１絶縁層１０４の膜厚は、１００ｎｍ～５００ｎｍ程度の厚さに形成される。第１絶縁層１０４は、第１電極１０２を埋設するように形成される。このとき、第１電極１０２の端面がテーパー状に形成されていることで、段差部を含めて第１電極１０２を確実に覆うことができる。
【0112】
第２電極１０８は、導電性を有する金属酸化物材料、金属窒化物材料、金属酸窒化物材料、または高融点金属シリサイド酸化物材料の被膜をスパッタリングすることで形成される。例えば、第２電極１０８を形成する第２導電膜１０７は、３０ｎｍ～２００ｎｍの膜厚を有する導電性を有する金属酸化物材料の膜で作製される。また、配線１１１を形成する第３導電膜１０９は、金属材料又は合金材料の膜をスパッタリングすることで形成される。配線１１１を形成する第３導電膜１０９は、低抵抗化を図るため、２００ｎｍ～２０００ｎｍの金属膜により作製される。
【0113】
図８は、第２電極１０８および配線１１１を成形するリソグラフィ工程を示す。ここでは、多階調露光法（ハーフトーン露光法）が適用され、１枚のフォトマスクにより、第２電極１０８および配線１１１のパターンが形成される。
【0114】
図８（Ａ）に示すように、第３導電膜１０９の上にポジ型のフォトレジスト膜２０５を形成する。フォトレジスト膜２０５の露光には多階調マスク２０１を用いる。多階調マスク２０１には、多階調マスクパターンとして、露光機の解像度以下のスリットを設け、そのスリット部が光の一部を遮って中間露光を実現するグレイトーンマスクと、半透過膜を利用して中間露光を実現するハーフトーンマスクが知られるが、本実施形態においては双方の多階調マスク２０１を使用することができる。多階調マスク２０１の光透過領域、半透過領域２０２、非透過領域２０３を介して露光することで、フォトレジスト膜２０５には露光部分、中間露光部分、未露光部分の３種類の部分が形成される。
【0115】
その後、フォトレジスト膜２０５を現像することで、図８（Ａ）に示すように、厚さの異なる領域を有するレジストマスク２０７ａが形成される。図８（Ａ）では、レジストマスク２０７ａが、配線１１１が形成される領域に対応する部分の膜厚が厚くなり、第２電極１０８が形成される領域に対応する部分の膜厚が相対的に薄くなるように形成された態様を示す。
【0116】
レジストマスク２０７ａを使用して第３導電膜１０９及び第２導電膜１０７がエッチングされる。エッチングの条件に限定はないが、例えば、金属材料で形成される第３導電膜１０９が混酸エッチング液を用いたウェットエッチングで行われ、金属酸化物材料等で形成される第２導電膜１０７が塩素系ガスを用いたドライエッチングやシュウ酸系のウェットエッチングで行われる。この段階で、第２電極１０８が形成される。このエッチングの後、アッシング処理により、レジストマスク２０７ａの膜厚が薄い領域を除去して、第３導電膜１０９の表面を露出させる処理が行われる。図８（Ｂ）は、アッシング処理が行われた後のレジストマスク２０７ｂを示す。レジストマスク２０７ｂは、第３導電膜１０９の上に残存している状態となる。
【0117】
次に、露出した第３導電膜１０９のエッチングが行われる。このエッチングは、例えば、混酸エッチング液を用いたウェットエッチングで行われる。金属酸化物等で形成される第２導電膜１０７は、スズ（Ｓｎ）が１０ａｔｍ％以上含有されていれば、混酸エッチング液によりエッチングされにくいので、選択比は比較的高くとれる。そのため、下層の第２電極１０８の形状は保持される。図８（Ｃ）は、第３導電膜１０９がエッチングされ、配線１１１が形成された段階を示す。なお、第３導電膜１０９をエッチングした後、レジストマスク２０７ｂはレジスト剥離液やアッシングにより除去される。
【0118】
レジスト剥離液やアッシング処理により、既に形成されている第２電極１０８の表面は酸素プラズマに晒されることになる。しかし、第２電極１０８の成分として含まれるスズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）は、酸化物となってもキャリア（電子）をトラップする欠陥を生成せず、キャリア（電子）キラーの役割を発現しないでｎ型酸化物半導体となる。そのため、酸素プラズマに晒されたとしても、後の工程で作製される第１電子輸送層１０６ａと良好なオーミックコンタクトを形成することができる。
【0119】
図７（Ｂ）は、第１電子輸送層１０６ａを形成する段階を示す。第１電子輸送層１０６ａは、第２電極１０８、配線１１１を覆うように基板１００の略全面に形成される。第１電子輸送層１０６ａは、金属酸化物を焼結したスパッタリングターゲットを用いるスパッタリング法、原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法、ミストＣＶＤ（Mist Chemical Vapor Deposition）法により作製することができる。第１電子輸送層１０６ａは、１０ｎｍ～２００ｎｍの厚さ、例えば、３０ｎｍ～５０ｎｍの厚さで形成される。
【0120】
第１電子輸送層１０６ａは金属酸化物材料で形成されるが、前述のように、高い電子移動度と高いＰＢＴＳ（Positive Bias temperature Stress）信頼性評価が得られる錫（Ｓｎ）系の酸化物半導体（ＩｎＧａＳｎＯｘ、ＩｎＷＳｎＯｘ、ＩｎＳｉＳｎＯｘ、ＩｎＧａＳｎＳｍＯｘ）で形成することが好ましい。なお、スズ（Ｓｎ）系の酸化物半導体において、スズ（Ｓｎ）が１０ａｔｍ％以上含有されていれば、亜鉛（Ｚｎ）が含有されていても、プロセス中での亜鉛（Ｚｎ）の組成変化は小さくなるので、亜鉛（Ｚｎ）の含有を完全に否定するものではない。
【0121】
図７（Ｃ）は、第１電子輸送層１０６ａの上に、第２絶縁層１２０を形成する段階を示す。第２絶縁層１２０は、例えば、直鎖系フッ素有機材料を用いて形成される。第２絶縁層１２０に直鎖系フッ素有機材料を用いて形成することで、濡れ性が悪く撥液性が高い表面が形成される。また、第２絶縁層１２０は、ポリイミド、アクリル、エポキシシロキサン等の有機絶縁材料で形成することもできる。この場合、第２絶縁層１２０上面は、例えば、フッ素系プラズマ処理によって撥水性を向上してもよい。第２絶縁層１２０は、１００ｎｍ～５０００ｎｍの厚さで形成される。例えば、平坦化処理を行う場合には、は２０００ｎｍ～５０００ｎｍの厚さで形成することが好ましい。これにより、第２絶縁層１２０は、濡れ性が悪く撥液性が高い表面が形成される。
【0122】
図９（Ａ）は、第２絶縁層１２０に開口部１２４を形成する段階を示す。開口部１２４は、第２絶縁層１２０をエッチング加工することで形成することができる。第２絶縁層１２０を感光性の有機樹脂材料で形成する場合には、フォトマスクを用いて露光し、現像することにより、開口部１２４を形成することができる。いずれの場合においても、ＥＬ素子２００ａを形成するために、開口部１２４は、内壁面がテーパー形状となるように加工することが好ましい。これにより、開口部１２４は、撥液性の高い第２絶縁層１２０の上面が除去され、濡れ性が高く親液性が高い側面が形成される。
【0123】
図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、第２電子輸送層１０６ｂを形成する段階を示す。本実施形態に係る第２電子輸送層１０６ｂは金属酸化物材料１０６ｂ’として、金属塩と第一アミドと溶媒とを含む組成物を用いる塗布法により作製される。第２電子輸送層１０６ｂの金属酸化物材料１０６ｂ’は、スピンコート、ディップコート、インクジェット塗布法、フレキソ印刷法、ロールコート、ダイコート法、転写印刷法、スプレー法及びスリットコート法などのいずれかの方法を用いることで塗布することができる。
【0124】
金属酸化物材料１０６ｂ’は、前述のように、大粒径結晶化しにくく、アモルファス膜やナノ微結晶膜を形成しやすい亜鉛（Ｚｎ）系の酸化物半導体（ＺｎＳｉＯｘ、ＺｎＭｇＯｘ、ＩｎＺｎＳｉＯｘ、ＩｎＺｎＧｅＯｘ、ＩｎＺｎＭｇＯｘ、ＩｎＺｎＭｇＧａＯｘ、ＩｎＺｎＧａＯｘ、ＩｎＧａＳｎＺｎＯｘ等）を含むことが好ましい。すなわち、金属酸化物材料１０６ｂ’は、酸化亜鉛と、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化マグネシウム、酸化インジウム、酸化スズ、及び酸化ガリウムから選ばれた少なくとも一種とを含むことが好ましい。２価のＺｎやＭｇに、３価のＩｎやＧａ、４価のＳｎをドーピングすることで酸化物のキャリア濃度を調整することが可能である。
【0125】
金属酸化物薄膜形成用塗布液である金属酸化物材料１０６ｂ’中のインジウムイオンの数（Ａ）と、マグネシウムイオンの数と亜鉛イオンの数の和（Ｂ）との比（Ｂ／（Ａ＋Ｂ））を調整することで、キャリア密度ｎとキャリア移動度μを変化させ、第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値ρ（Ω・ｃｍ）を制御することができる。Ｂ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．３５～０．６５の範囲で調整することで、第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値を１０２Ω・ｃｍ～１０６Ω・ｃｍの範囲で制御することができる。第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値は１０３Ω・ｃｍ～１０５Ω・ｃｍの範囲で制御することがより好ましい。第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が２００ｎｍと薄い場合には、比抵抗値は１０５Ω・ｃｍ程度に調整し、第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が２０００ｎｍと厚い場合には、比抵抗値は１０３Ω・ｃｍ程度に調整することが好ましい。歩留まりを向上させるためには、第２電子輸送層１０６ｂの膜厚を厚くすることが好ましい。第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が５００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲であれば、パーティクルが原因の上下ショートも抑制することができる。第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が５００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲であれば、第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値は１０４Ω・ｃｍ程度で発光に必要となる電圧を十分に低減させることができる。図３１のように第２電子輸送層１０６ｂを２層以上に多層化し、バンドギャップを階段状に拡大し、仕事関数を小さくすることで、第２電子輸送層１０６ｂの機能を向上することができる。第２電子輸送層１０６ｂのバンドギャップは少なくとも３．０ｅＶ以上、好ましくは３．４ｅＶ以上の範囲が好ましい。第２電子輸送層１０６ｂの仕事関数の値も３．８ｅＶ～３．３ｅＶへと発光層に近づくにつれて仕事関数の値が徐々に小さくなるように材料を選定することで良好な電子輸送が行える。これにより発光させるための印加電圧を低下させることができ、発熱をおさえることで長寿命化を実現することができる。
【0126】
また、金属酸化物材料１０６ｂ’に含まれる金属塩は上記に挙げた金属の無機酸塩であることが好ましい。無機酸塩としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、ホウ酸塩、塩酸塩及びフッ化水素酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。また、塗布後の加熱処理をより低温で行うためには、無機酸塩としては塩酸塩、硝酸塩が好ましい。
【0127】
金属酸化物材料１０６ｂ’に含まれる第一アミドとしては、下記化学式（１）で表される化合物が挙げられる。
【0128】
【化1】
【0129】
（式（Ｉ）中、Ｒ１は水素原子、炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基、水素原子、炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基が結合した酸素原子、又は、水素原子、酸素原子、炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基が結合した窒素原子を表す。）
【0130】
なお、水素原子、炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基が結合した酸素原子とは、－ＯＨ又は－ＯＲ２（Ｒ２は炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基）である。また、水素原子、酸素原子、炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基が結合した窒素原子とは、例えば、－ＮＨ２、－ＮＨＲ３や、－ＮＲ４Ｒ５（Ｒ３、Ｒ４及びＲ５はそれぞれ独立に炭素原子数１～６の分岐若しくは直鎖のアルキル基である）である。
【0131】
第一アミドの具体例としては、アセトアミド、アセチル尿素、アクリルアミド、アジポアミド、アセトアルデヒド セミカルバゾン、アゾジカルボンアミド、４－アミノ－２，３，５，６－テトラフルオロベンズアミド、β－アラニンアミド塩酸塩、Ｌ－アラニンアミド塩酸塩、ベンズアミド、ベンジル尿素、ビ尿素、ビュウレット、ブチルアミド、３－ブロモプロピオンアミド、ブチル尿素、３，５－ビス（トリフルオロメチル）ベンズアミド、カルバミン酸ｔｅｒｔ－ブチル、ヘキサンアミド、カルバミン酸アンモニウム、カルバミン酸エチル、２－クロロアセトアミド、２－クロロエチル尿素、クロトンアミド、２－シアノアセトアミド、カルバミン酸ブチル、カルバミン酸イソプロピル、カルバミン酸メチル、シアノアセチル尿素、シクロプロパンカルボキサミド、シクロヘキシル尿素、２，２－ジクロロアセトアミド、リン酸ジシアンジアミジン、グアニル尿素硫酸塩、１，１－ジメチル尿素、２，２－ジメトキシプロピオンアミド、エチル尿素、フルオロアセトアミド、ホルムアミド、フマルアミド、グリシンアミド塩酸塩、ヒドロキシ尿素、ヒダントイン酸、２－ヒドロキシエチル尿素、ヘプタフルオロブチルアミド、２－ヒドロキシイソブチルアミド、イソ酪酸アミド、乳酸アミド、マレアミド、マロンアミド、１－メチル尿素、ニトロ尿素、オキサミン酸、オキサミン酸エチル、オキサミド、オキサミン酸ヒドラジド、オキサミン酸ブチル、フェニル尿素、フタルアミド、プロピオン酸アミド、ピバル酸アミド、ペンタフルオロベンズアミド、ペンタフルオロプロピオンアミド、セミカルバジド塩酸塩、こはく酸アミド、トリクロロアセトアミド、トリフルオロアセトアミド、硝酸尿素、尿素、バレルアミド等が挙げられる。中でもホルムアミド、尿素、カルバミン酸アンモニウムが好ましい。これらは１種を用いても、２種以上を組み合わせて用いても良い。
【0132】
金属酸化物材料１０６ｂ’に含まれる溶媒としては、水を主体とするものである。すなわち、溶媒の５０質量％以上が水という意味である。水を主体としていればよく、水のみを溶媒として用いても、水と有機溶媒との混合溶媒を用いてもよい。水以外に含まれる有機溶媒の具体例としては、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、乳酸エチル、シクロヘキサノン、γ－ブチロラクトン、Ｎ－メチルピロリドン、ホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチル－２－２－ピロリドン、Ｎ－メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、１－プロパノール、イソプロパノール、ｎ－ブタノール、２－ブタノール、ｔｅｒｔ－ブタノール、１－ペンタノール、２－ペンタノール、３－ペンタノール、ｎ－ヘキサノール、シクロヘキサノール、２－メチル－２－ブタノール、３－メチル－２－ブタノール、２－メチル－１－ブタノール、３－メチル－１－ブタノール、２－メチル－１－ペンタノール、２－メチル－２－ペンタノール、２－メチル－３－ペンタノール、３－メチル－１－ペンタノール、３－メチル－２－ペンタノール、３－メチル－３－ペンタノール、４－メチル－１－ペンタノール、４－メチル－２－ペンタノール、２，２－ジメチル－３－ペンタノール、２，３－ジメチル－３－ペンタノール、２，４－ジメチル－３－ペンタノール、４，４－ジメチル－２－ペンタノール、３－エチル－３－ペンタノール、１－ヘプタノール、２－ヘプタノール、３－ヘプタノール、２－メチル－２－ヘキサノール、２－メチル－３－ヘキサノール、５－メチル－１－ヘキサノール、５－メチル－２－ヘキサノール、２－エチル－１－ヘキサノール、４－メチル－３－ヘプタノール、６－メチル－２－ヘプタノール、１－オクタノール、２－オクタノール、３－オクタノール、２－プロピル－１－ペンタノール、２，４，４－トリメチル－１－ペンタノール、２，６－ジメチル－４－ヘプタノール、３－エチル－２，２－ジメチル－ペンタノール、１－ノナノール、２－ノナノール、３，５，５－トリメチル－１－ヘキサノール、１－デカノール、２－デカノール、４－デカノール、３，７－ジメチル－１－オクタノール、３，７－ジメチル－３－オクタノール等が挙げられる。これらの有機溶媒は２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0133】
本実施形態において、第２電子輸送層１０６ｂを形成する金属酸化物材料１０６ｂ’に含まれる溶媒としてエチレングリコールモノメチルエーテル（沸点１２４℃）、プロピレングリコールモノメチルエーテル（沸点１２０℃）を挙げているが、塗布条件や乾燥条件、焼成条件によっては、ピンホールが発生したり、膜の表面の凹凸のラフネスが大きくなったりする場合がある。これは沸点が低いことに起因する。一方で、エチレングリコール（沸点１９８℃）のような高沸点溶媒を用いることで、ピンホールが発生しにくく、膜の表面の凹凸のラフネスを小さくすることができる。しかしながらこの場合、焼成後の膜内に残存しやすく、電子移動度の良い膜は得られない。
【0134】
このため、第２電子輸送層１０６ｂを形成する金属酸化物材料１０６ｂ’に含まれる溶媒としては、下記化学式（２）で表される化合物が好ましい。
【0135】
【化2】
【0136】
(式中、Ｒ２は炭素原子数２～３の直鎖又は分岐のアルキレン基、Ｒ３は炭素原子数１～３の直鎖又は分岐のアルキル基を表す。)
【0137】
化学式（２）で示される溶媒の好ましい例としては、ジプ口ピレングリコールモノメチルエーテル、ジプ口ピレングリコールモノエチルエーテル、ジプ口ピレングリコールモノプ口ピルエーテルが挙げられる。中でも、ジプ口ピレングリコールモノメチルエーテル（沸点１８８℃）が本実施形態に係る溶媒として特に好ましい。
【0138】
金属酸化物材料１０６ｂ’中の第一アミドの含有量は、金属塩に対して０．１～８０質量％であり、好ましくは５～５０質量％である。金属酸化物材料１０６ｂ’中の固形分濃度は０．１質量％以上であり、好ましくは０．３質量％以上であり、より好ましくは０．５質量％以上である。また、金属酸化物材料１０６ｂ’中の固形分濃度は３０．０質量％以下であり、好ましくは２０．０質量％以下であり、より好ましくは１５．０質量％以下である。なお、固形分濃度とは、金属塩と第一アミドの合計の濃度である。
【0139】
本実施形態に係る金属酸化物材料１０６ｂ’は酸性であることが好ましい。また、金属酸化物材料１０６ｂ’のｐＨは１～３であることが好ましい。ｐＨを酸性にするために、硝酸、硫酸、リン酸、炭酸、ホウ酸、塩酸及びフッ化水素酸からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。このため、本実施形態の第１電子輸送層１０６ａは耐酸性の優れた錫（Ｓｎ）系の酸化物半導体材料を採用している。錫（Ｓｎ）の含有量は１０ａｔｍ％以上あれば上記の酸性液体によって第１電子輸送層１０６ａは腐食されない。さらに第１電子輸送層１０６ａは、電子移動度とＰＢＴＳ信頼性を考慮すると２０ａｔｍ％以上の錫（Ｓｎ）の含有量が望ましい。
【0140】
第２電子輸送層１０６ｂを形成する温度を２００℃以下に低温化する場合には、下記化学式（３）で表される有機２族金属化合物と、下記化学式（４）で表される有機３族金属化合物とを有機溶媒に溶解させた金属酸化物半導体膜形成用組成物を用いることが好ましい。
【0141】
【化3】
（式中、Ｒ４はアルキル基を表す。Ｍ１は２族金属元素を表す。）
【0142】
【化4】
（式中、Ｒ５、Ｒ６及びＲ７は独立に、水素またはアルキル基を表す。Ｍ２は３族金属元素を表す。）
【0143】
化学式（３）で示される有機２族金属化合物としては、ジエチル亜鉛やジブチルマグネシウムが挙げられる。ジエチル亜鉛にジブチルマグネシウムを０重量％～４０重量％添加することによってバンドギャップを３．２ｅＶ～３．６ｅＶの範囲で制御することができる。ジエチル亜鉛にジブチルマグネシウムを添加することによって、仕事関数の値も３．２ｅＶ～３．８ｅＶの範囲で制御することができる。
【0144】
ジエチル亜鉛とジブチルマグネシウムとは大気中で発火性があり、保管並びに使用時には非常な注意を払う必要がある。このため、上記材料を希釈することなしに、通常、水（Ｈ２Ｏ）が存在する雰囲気中で、フレキソ印刷法やインクジェット印刷法、スリットコート法等で塗布することは困難となる。ジエチル亜鉛とジブチルマグネシウムとは有機溶媒に溶解することで、発火性等の危険性を低減することができる。しかしながら、アルコール系の有機溶媒に反応させながらジエチル亜鉛やジブチルマグネシウムを溶解させた塗布液を用いて薄膜形成するには、４００℃以上の高温加熱処理が必要となる。２００℃以下の低温加熱処理を実現するために、エーテル系の溶媒としてジイソプロピルエーテルが提案されていた。しかしながら、ジイソプロピルエーテルは沸点が６９℃と低く、インクジェット塗布法を用いた場合、インクジェットヘッドの目詰まりが生じやすい。また、引火点が－２８℃と低いために、量産工場で用いた場合、安全性の確保が困難である。
【0145】
本実施形態においては、沸点が１６２℃～１８９℃の範囲にあり、且つ引火点が５６℃以上のエーテル系の溶媒を用いることが好ましい。具体的には、例えば、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルを挙げることができる。これらのうち、塗布性を考慮した場合には、表面張力の小さいジプロピレングリコールジメチルエーテル、とジエチレングリコールジエチルエーテルが好ましい。
【0146】
ジエチル亜鉛にジブチルマグネシウムを添加して、バンドギャップを拡大し、仕事関数を小さくすると、形成される膜の比抵抗値は１０６Ω・ｃｍ以上になる。本実施形態に係る第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値は１０３Ω・ｃｍ～１０５Ω・ｃｍの範囲で制御することが好ましい。このため、化学式（４）で表される有機３族金属化合物を少量ドーピングすることで、比抵抗値を上記範囲に調整することができる。
【0147】
化学式（４）で示される有機３族金属化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムなどが挙げられる。トリエチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムなどを用いることで、第２電子輸送層１０６ｂの比抵抗値を制御することができる。ドーピングの量は、ジエチル亜鉛に対して１０－８～１０－４のモル比の範囲で調整することができる。第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が２００ｎｍと薄い場合には、ドーピング量は１０－８～１０－６程度に調整し、第２電子輸送層１０６ｂの膜厚が２０００ｎｍと厚い場合には、ドーピング量は１０－５～１０－４程度に調整することが好ましい。ドーピング材料は、上記の１種類だけでもよいし、２種類以上を混合して使用してもよい。第２電子輸送層１０６ｂを７００ｎｍ～２０００ｎｍと厚くした場合には、図３１のように第２電子輸送層１０６ｂを２層以上の多層構造とし、発光層に近接する層のほうのバンドギャップを拡大し、且つ仕事関数を小さくするように調整することが重要である。
【0148】
図９（Ｂ）は、金属酸化物材料１０６ｂ’を基板に塗布する段階を示す。金属酸化物材料１０６ｂ’は、第２絶縁層１２０の開口部１２４に塗布される。金属酸化物材料１０６ｂ’は、第２絶縁層１２０の開口部１２４において、金属酸化物材料１０６ｂ’の上面が第２絶縁層１２０の上面より高く形成される。溶媒を含む金属酸化物材料１０６ｂ’は、金属酸化物材料１０６ｂ’の表面張力によって、開口部１２４の端部に比べ中心部における膜厚が大きい凸面形状に形成することができる。第２絶縁層１２０は、撥液性の高い上面と、親液性が高い開口部１２４の側面を有することから、所望の位置に十分量の金属酸化物材料１０６ｂ’を開口部１２４に効率よく配置することができる。
【0149】
図９（Ｃ）は、金属酸化物材料１０６ｂ’を加熱処理する段階を示す。塗布した金属酸化物材料１０６ｂ’は、低温、例えば、１５０℃以上３００℃未満で加熱処理することにより平坦で緻密なアモルファス金属酸化物半導体層を製造することができる。金属酸化物材料１０６ｂ’を加熱処理する温度は、より好ましくは１５０℃以上２７５℃以下であるとよい。加熱処理時間は特に限定されないが、例えば、１０分～２時間であってもよい。なお、加熱処理工程の前に、残存溶媒を予め除去するために、５０℃以上１５０℃未満で前処理として乾燥工程を行うことが好ましい。このように加熱処理することにより、従来の方法よりも低い温度でアモルファス金属酸化物半導体層を形成することができ、ＥＬ素子２００の信頼性を向上することができる。
【0150】
第２電子輸送層１０６ｂは、５０ｎｍ～２０００ｎｍの厚さ、例えば、２００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さで形成される。第２電子輸送層１０６ｂは、溶媒を含む金属酸化物材料１０６ｂ’を加熱処理することで溶媒が揮発して体積が収縮し、第２電子輸送層１０６ｂの上面が第２絶縁層１２０の上面より低く形成される。第２電子輸送層１０６ｂは、溶媒を含む金属酸化物材料１０６ｂ’が開口部１２４の側面と接触しながら収縮することによる摩擦および金属酸化物材料１０６ｂ’と第２絶縁層１２０との界面張力によって、開口部１２４の中心部に比べ端部における膜厚が大きい連続した１つの凹面形状に形成することができる。このように形成することで、第２電子輸送層１０６ｂの上面は凹凸構造が少なく形成することができる。第２電子輸送層１０６ｂは、開口部１２４の端部において中心部より大きい膜厚を有することで、第３電極１１８と第２電極１０８の端部に電界が集中することを抑制することができ、耐電圧性を向上することができる。また、第２電子輸送層１０６ｂの上面が連続した１つの凹面形状を有することで、開口部１２４の側面と底面によって形成される角部が緩衝される。このため、第２電子輸送層１０６ｂの上に形成される電子注入層１１０、発光層１１２、正孔輸送層１１４、正孔注入層１１６、第３電極１１８の開口部における密着性を向上することができる。
【0151】
その後、電子注入層１１０、発光層１１２、正孔輸送層１１４、正孔注入層１１６、第３電極１１８を形成することで、図１に示すＥＬ素子２００ａが作製される。電子注入層１１０は、Ｃ１２Ａ７エレクトライドやＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏｘ、Ｚｎ０．７５Ｓｉ０．２５Ｏｘ、ＬａＭｇＯｘ、ＭｇＳｉＯｘなどのスパッタリングターゲットを用いた、スパッタリング法で形成することができる。電子注入層１１０は、開口部１２４を覆うように基板１００の略全面に形成される。発光層１１２は、真空蒸着法、印刷法を用いて形成される。発光層１１２は、図１及び図２に示すように、ＥＬ素子ごとに分離独立して形成されても良いし、同一平面に形成される複数のＥＬ素子に亘って連続して形成されてもよい。正孔輸送層１１４及び正孔注入層１１６は、真空蒸着法又は塗布法を用いて形成される。正孔輸送層１１４の厚みは、表面プラズモン損失を低減させるために２００ｎｍ以上に形成することが好ましい。ＥＬ素子２００ａはボトムエミッション型であるため、第３電極１１８は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明導電膜に、アルミニウム（Ａｌ）等の金属膜が積層されるように、スパッタリング法で成膜される。
【0152】
このように、本実施形態によれば、薄膜を積層することでＥＬ素子２００を形成することができる。本実施形態に係るＥＬ素子２００は、陰極側から膜を積層する逆積み構造であるが、電子輸送層１０６及び電子注入層１１０を金属酸化物で形成することで、製造工程の中でダメージを受けにくい構造を有する。特に、第２電子輸送層１０６ｂを塗布法で形成することで厚膜化を図ることができ、ＥＬ素子２００に短絡欠陥が生成されにくい構造とすることができる。また、第２電極１０８を、アルカリ金属を用いずに、電子輸送層１０６と良好なオーミックコンタクトを形成することで、製造工程の負担を減らし、素子として化学的に安定な構造とすることができる。特に、フレキシブルＥＬパネル用に使用される薄膜封止方法でも、十分な信頼性を確保することができる。
【0153】
＜第２実施形態＞
本実施形態は、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子で画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。
本実施形態は、本発明の一実施形態に係るＥＬ素子で画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。
【0154】
図１０は、本実施形態に係る表示装置に設けられる画素３０２の等価回路の一例を示す。画素３０２は、ＥＬ素子２００に加え、選択トランジスタ１３６、駆動トランジスタ１３８、容量素子１４０を含む。選択トランジスタ１３６はゲートが走査信号線１３２と電気的に接続され、ソースがデータ信号線１３４と電気的に接続され、ドレインが駆動トランジスタ１３８のゲートと電気的に接続される。駆動トランジスタ１３８は、ソースがコモン電位線１４４と電気的に接続され、ドレインがＥＬ素子２００の第２電極１０８と電気的に接続される。容量素子１４０は、駆動トランジスタ１３８のゲートとコモン電位線１４４との間に電気的に接続される。ＥＬ素子２００は、第１電極１０２がキャリア注入量制御信号線１４６と電気的に接続され、第３電極１１８が電源線１４２と電気的に接続される。図１０は、選択トランジスタ１３６及び駆動トランジスタ１３８がダブルゲート型である場合を示す。
【0155】
図１０に示す画素３０２の等価回路において、走査信号線１３２には走査信号が与えられ、データ信号線１３４にはデータ信号（ビデオ信号）が与えられる。電源線１４２には、電源電位（Ｖｄｄ）が与えられ、コモン電位線１４４には接地電位（アース電位）又は接地電位（アース電位）より低電位の電位（Ｖｓｓ）が印加される。キャリア注入量制御信号線１４６には、図６を参照して説明したように、発光層１１２へのキャリア注入量を制御する電圧（Ｖｇ）が印加される。キャリア注入量を制御する電圧（Ｖｇ）は一定の正電圧であっても良いし、図６や図３３に示すように所定の電圧Ｖｇ１とＶｇ２の間で変動する電圧であってもよい。変動電位波形は、正弦波形、階段波形、台形波形、三角波形などが用いられる。キャリア注入量制御信号電圧（Ｖｇ）の値をアース電位に近づけることでＥＬ素子２００の発光を停止させることも可能である。つまり発光期間を制御することもできる。すなわちキャリア注入量制御信号線１４６はＥＬ素子２００の発光（ＯＮ）と非発行（ＯＦＦ）とを制御するＥｎａｂｌｅ ｌｉｎｅとして機能させることが可能である。
【0156】
図１０に示す画素３０２において、駆動トランジスタ１３８のゲートには、選択トランジスタ１３６がオンになったとき、データ信号線１３４からデータ信号に基づく電圧が印加される。容量素子１４０は、駆動トランジスタ１３８のソース－ゲート間の電圧を保持する。駆動トランジスタ１３８のゲートがオンになると、ＥＬ素子２００には、電源線１４２から電流が流れ込み発光する。このとき第１電極１０２にキャリア注入量を制御する電圧（Ｖｇ）を印加すると、ＥＬ素子２００の発光強度を制御することのみならず、発光層１１２における電子と正孔が再結合する領域（別言すれば発光領域）の位置を制御することができる。すなわち、発光層１１２におけるキャリアバランスを制御することができる。
【0157】
本実施形態によれば、キャリア注入量制御電極（第１電極１０２）が設けられたＥＬ素子で画素３０２を形成すると共に、キャリア注入量制御信号線１４６を設け、当該キャリア注入量制御電極（第１電極１０２）と接続することで、ＥＬ素子の発光状態を制御することができる。すなわち、ＥＬ素子の発光を駆動トランジスタ１３８のみによって制御するのではなく、キャリア注入量制御電極（第１電極１０２）によって発光層１１２への電子注入量を制御することで、発光層１１２に注入された正孔と電子の再結合領域を発光層１１２の中央部領域に集中させることができる。これにより、ＥＬ素子の劣化を抑制することができ、ＥＬ表示装置の信頼性を高めることができる。
【0158】
図１１は、本実施形態に係る表示装置の画素３０２の平面図を示す。また、図１２（Ａ）は、図１１に示すＡ１－Ａ２線に沿った断面構造を示し、図１２（Ｂ）は、図１１に示すＢ１－Ｂ２線に沿った断面構造を示す。以下の説明においては、これらの図面を参照する。
【0159】
画素３０２は、選択トランジスタ１３６、駆動トランジスタ１３８、容量素子１４０、及びＥＬ素子２００が配置される。図１１に示す画素３０２の平面図においては、ＥＬ素子２００の構成要素として、第１電極１０２、第１電子輸送層１０６ａ、及び開口部１２４の配置が示されている。
【0160】
駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａ、第１ゲート電極１５４ａ、第２ゲート電極１５６ａを含んで構成される。第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとは、第１酸化物半導体層１５２ａを挟んで重なる領域を有するように配置される。第１酸化物半導体層１５２ａと基板１００との間には、第１絶縁層１０４が配置される。第１ゲート電極１５４ａは、第１絶縁層１０４と基板１００との間に配置される。また、第１酸化物半導体層１５２ａと第２ゲート電極１５６ａとの間には第３絶縁層１２２が配置される。別言すれば、第１酸化物半導体層１５２ａは、第１絶縁層１０４と第３絶縁層１２２とに挟まれて配置され、第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとの間には、第１絶縁層１０４、第１酸化物半導体層１５２ａ、及び第３絶縁層１２２が介在する。
【0161】
本実施形態において、駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａが、第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとで挟まれたダブルゲート構造を有する。駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａが、第１ゲート電極１５４ａ及び第２ゲート電極１５６ａの一方又は双方と重なる領域にチャネル領域が形成される。第１酸化物半導体層１５２ａにおいて、チャネル領域となる領域のキャリア濃度は１×１０１４～５×１０１８／ｃｍ３であることが好ましい。
【0162】
駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａと第１絶縁層１０４との間に、第２電極１０８ａと第２電極１０８ｂとが配置される。第２電極１０８ａと第２電極１０８ｂとは、互いに離間して配置される。第２電極１０８ａと第２電極１０８ｂとは、第１酸化物半導体層１５２ａと接するように設けられることで、ソース領域、ドレイン領域として機能する。また、第２電極１０８ａと第１酸化物半導体層１５２ａとの間には導電層１５０ａが配置され第２電極１０８ｂと第１酸化物半導体層１５２ａとの間には導電層１５０ｂが配置される。導電層１５０ａは第２電極１０８ａの端部に至らない内側に配置され、導電層１５０ｂは第２電極１０８ｂの端部に至らない内側に配置される。
【0163】
第２電極１０８ａと第２電極１０８ｂとが離間する領域に、第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとが重なるように配置される。第２電極１０８ａ及び第２電極１０８ｂは、一部の領域が第１ゲート電極１５４ａ及び第２ゲート電極１５６ａの一方又は双方と重なるように配置されていてもよい。第２電極１０８ａ及び１０８ｂの少なくとも一方が、第１酸化物半導体層１５２ａのチャネル領域に隣接するように第１ゲート電極１５４ａ及び第２ゲート電極１５６ａの一方又は双方と重畳して配置されることで、駆動トランジスタ１３８のドレイン電流を増加させることができる。なお、第１ゲート電極１５４ａは、コモン電位線１４４と同じ層構造で設けられる。
【0164】
図１２（Ｂ）に示すように、選択トランジスタ１３６は、駆動トランジスタ１３８と同様な構造を有する。すなわち、選択トランジスタ１３６は、第２酸化物半導体層１５２ｂ、第１ゲート電極１５４ｂ、及び第２ゲート電極１５６ｂを含む。また、第２酸化物半導体層１５２ｂに接して第２電極１０８ｃ及び導電層１５０ｃ、並びに第２電極１０８ｄ及び導電層１５０ｄを含む。第２電極１０８ｃと第２電極１０８ｄとは、互いに離間して配置される。第２電極１０８ｃと第２電極１０８ｄとは、第２酸化物半導体層１５２ｂと接するように設けられることで、ソース領域、ドレイン領域として機能する。導電層１５０ｃは、データ信号線１３４を形成する。
【0165】
容量素子１４０は、第２電極１０８ｄが、第１絶縁層１０４を介して容量電極１６２と重畳する領域に形成される。容量電極１６２は、コモン電位線１４４を兼ねて形成される。
【0166】
なお、本実施形態において、酸化物半導体層１５２は、第１実施形態で述べる第１電子輸送層１０６ａの酸化物半導体材料と同じ材料を用いることができる。また、第１絶縁層１０４及び第３絶縁層１２２は、無機絶縁材料が用いられる。無機絶縁材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等が用いられる。
【0167】
ＥＬ素子２００は、第１実施形態で示す構成と同様な構成を有する。ＥＬ素子２００は、駆動トランジスタ１３８と電気的に接続される。ＥＬ素子２００は、第２電極１０８に相当する領域が、駆動トランジスタ１３８から連続して形成される。このような構造により、配線の引き回しが簡略化され、画素３０２の開口率（一つの画素が占める面積に対する、ＥＬ素子が実際に発光する領域の割合）を高めることができる。
【0168】
なお、画素の開口率を高めるためには、第１電子輸送層１０６ａの電子移動度を高める必要がある。例えば、解像度が８Ｋ×４Ｋ（７６８０×４３２０ピクセル）、８５インチの表示パネルにおける画素ピッチは約２４４μｍとなる。ここで、長方形状の画素を想定した場合、長手方向の長さは約７３２μｍとなる。ＥＬ素子に電圧が印加されてから発光するまでの時間が約４～５μｓｅｃであるとし、長方形状の画素の長手方向の一端に第２電極１０８に相当する領域を設けた場合、第１電子輸送層１０６ａのキャリア（電子）移動度は１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上、好ましくは２０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上でないと、画素の長手方向の他端までキャリア（電子）を到達させることが困難となる。
【0169】
もちろん、長方形状の画素の四方を囲むように第２電極１０８に相当する領域を設ければ、キャリアは四方から中央に向かってドリフトされるので、キャリア（電子）移動度は２．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度あれば済むこととなる。しかしこの場合には、一つの画素当たりの有効発光領域が減少し、開口率が低下することが問題となる。
【0170】
このような状況において、本実施形態で例示されるような酸化物半導体材料であれば、要求されるキャリア（電子）移動度を実現することが可能となる。一方、特許文献３、４に記載されるような有機材料で形成される電子輸送層は、キャリア（電子）移動度が２．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以下であるため、表示パネルの大画面化と高精細化を実現できないという問題を有する。錫（Ｓｎ）系の酸化物半導体ＴＦＴであれば電子移動度は２０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上が得られるのでボトムエミッション型でも開口率を高めることができ、低消費電力化とＥＬ素子の寿命を長くすることができる。
【0171】
このように、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子を形成する電子輸送層として酸化物半導体層を用いることで、酸化物半導体層を用いて作製される駆動トランジスタ及び選択トランジスタ等の素子と同じ製造工程を通して作製することができる。また、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子にキャリア注入量制御電極を設けると共に、このキャリア注入量制御電極に対し絶縁層を介してキャリア（電子）移動度の高い電子輸送層を配置することで、画素面内の発光強度を均一化させ、高精細化に対応することができる。
【0172】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）は図１１に示す画素３０２の断面構造を示す。図１２（Ａ）は、図１１に示すＡ１－Ａ２線に沿った断面構造を示し、図１２（Ｂ）は、Ｂ１－Ｂ２線に沿った断面構造を示す。ＥＬ素子２００は、第１電子輸送層１０６ａの下層に第２電極１０８が接するように配置される。ＥＬ素子２００は、第２電極１０８に相当する領域が、駆動トランジスタ１３８から連続して形成される。駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６は、チャネルが形成される第１酸化物半導体層１５２ａ及び第２酸化物半導体層１５２ｂの下層に第２電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄが接するように配置されるボトムコンタクト構造を有している。駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６は、第１酸化物半導体層１５２ａ及び第２酸化物半導体層１５２ｂを挟むように第１ゲート電極１５４ａ、１５４ｂと第２ゲート電極１５６ａ、１５６ｂとが配置されるダブルゲート構造を有している。
【0173】
図１２（Ａ）に示すように、ＥＬ素子２００の第１電子輸送層１０６ａは駆動トランジスタ１３８の第１酸化物半導体層１５２ａから連続するように設けられていてもよい。第１電子輸送層１０６ａは酸化物半導体材料で形成することができるため、駆動トランジスタ１３８のために設けられる第１酸化物半導体層１５２ａと、同じ層を用いて形成することができる。なお、本実施形態は、図１２（Ａ）に示す構造に限定されず、第１電子輸送層１０６ａと第１酸化物半導体層１５２ａとは分離されていても良いし、異なる層で形成されていてもよい。
【0174】
図２３、２４の断面図では、第１電子輸送層１０６ａと第１酸化物半導体層１５２ａとは、完全に分離されており、異なる層に形成されている。図２３、２４のＥＬ素子は、図１３のＥＬ素子２００ｃに分類されるものである。図２３、２４のＥＬ素子の第１電極（キャリア注入量制御電極）１０２は、ＥＬ素子駆動用トランジスタ素子のソース電極とドレイン電極と同じ層に同じ材料で形成されている。第１電子輸送層１０６ａは、第３絶縁層１２２の上に形成されている。図２３、２４のＥＬ素子構造の第１電子輸送層１０６ａとＥＬ素子駆動用トランジスタ素子の第１酸化物半導体層１５２ａとは異なる材料を用いることが可能となり、それぞれに適した材料を自由に選択することができる。フォトリソグラフィ工程が１回増加するという欠点はあるが、ＥＬ素子の性能を向上させることができるという利点を有している。図２３、２４では、第２電極（陰極）１０８と駆動用トランジスタ素子の第２ゲート電極１５６ａとは、同じ材料で同じ層に同時に形成される。この図では表示されていないが、選択トランジスタ素子に接続されているデータ信号線１３４も、第２電極（陰極）１０８と駆動用トランジスタ素子の第２ゲート電極１５６ａと同じ材料で同じ層に同時に形成される。図２５（Ｂ）の断面図と同じ構造となる。
【0175】
図１２（Ａ）の駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６は、第３絶縁層１２２及び第２絶縁層１２０によって覆われる。ＥＬ素子２００が設けられる領域には、第２絶縁層１２０及び第３絶縁層１２２を貫通し、第１電子輸送層１０６ａを露出させる開口部１２４が設けられる。第２電子輸送層１０６ｂが塗布法により形成されるとき、駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６は第２絶縁層１２０及び第３絶縁層１２２によって覆われているため、塗膜が直接付着することが防止される。画素３０２は、このような構造を有することにより、駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６の製造工程における劣化を防止することができる。塗布法で形成された第２電子輸送層１０６ｂを加熱焼成するときに、同時に選択トランジスタ１３６と駆動トランジスタ１３８もアニール処理することができるので、プロセス工程を省略することができ、コスト低減することができる。
【0176】
このように本実施形態によれば、第１実施形態に示すＥＬ素子２００を用いた画素３０２を有する表示装置を得ることができる。さらに本実施形態によれば、ＥＬ素子２００は短絡欠陥が生成されにくい構造を有するため、画素欠陥が少ない品質の高い表示装置を提供することができる。
【0177】
＜第３実施形態＞
図１３及び図１４は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子を示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
図１３及び図１４は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子を示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0178】
図１３は、本実施形態の他の一形態に係るＥＬ素子２００ｃの断面構造を示す。ＥＬ素子２００ｃは、第１電子輸送層１０６ａの上層に第２電極１０８が接するように配置される点において第１実施形態で示すＥＬ素子と相違する。第１電子輸送層１０６ａは、開口部１２４を介して第２電子輸送層１０６ｂ、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８と重なる領域を含み、さらにその領域の外側に、第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域を含む。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａが第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域、すなわち、第１電子輸送層１０６ａの端部と第２電子輸送層１０６ｂの端部との間の領域に配置される。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａの第１絶縁層１０４側とは反対側の面上に配置される。さらに、第２電極１０８に接して配線１１１が設けられてもよい。配線１１１は、第２電極１０８と第２絶縁層１２０との間に配置されている。しかしながらこれに限定されず、図１４に示すように、配線１１１は第２電極１０８と第１電子輸送層１０６ａとの間に配置されてもよい。
【0179】
ＥＬ素子２００ｃは、第１電子輸送層１０６ａの表面に接して第２電極１０８を設けることで、接触面積を大きくすることができる。これにより、ＥＬ素子２００ｃは直列抵抗成分が低減され駆動電圧を低くすることができる。また、ＥＬ素子２００ｃは、第２電極１０８に流れ込む電流密度を低くすることができる。
【0180】
ＥＬ素子２００ｃは、第２電極１０８に相当する領域が駆動トランジスタ１３８から連続して形成される。すなわち図には示さなかったが、駆動トランジスタ１３８及び選択トランジスタ１３６は、チャネルが形成される第１酸化物半導体層１５２ａ及び第２酸化物半導体層１５２ｂの上層に第２電極１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び１０８ｄが接するように配置されるトップコンタクト構造を有していてもよい。
【0181】
ＥＬ素子２００ｃ及びＥＬ素子２００ｄは、第２電極１０８の構成がトップコンタクト構造を有している他は第１実施形態と同様であり、同様の作用効果を奏することができる。また、ＥＬ素子２００ｃ及びＥＬ素子２００ｄは、図１２（Ａ）に示すＥＬ素子２００と置き換えることができる。
【0182】
＜第４実施形態＞
図１５は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、第１電極がなく陰極の構成が異なるＥＬ素子を示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
図１５は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、第１電極がなく陰極の構成が異なるＥＬ素子を示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0183】
図１５（Ａ）は、本実施形態の他の一形態に係るＥＬ素子２００ｅの断面構造を示す。ＥＬ素子２００ｅは、第１電極１０２が設けらない点において第１実施形態で示すＥＬ素子と相違する。第１電子輸送層１０６ａは、第２電極１０８の上に設けられるが、配線１１１はなくてもよい。第１電子輸送層１０６ａは、第２絶縁層１２０の下層側に設けられ、第２絶縁層１２０の開口部１２４によって露出される。第２電子輸送層１０６ｂは、開口部１２４において第１電子輸送層１０６ａと接している。第１電子輸送層１０６ａの外端部は、第２絶縁層１２０の開口部１２４が配置される領域１２４ａの外側に配置される。これにより、第１電子輸送層１０６ａは、開口部１２４を介して第２電子輸送層１０６ｂ、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８と重なる領域を含み、さらにその領域の外側に、第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域を含む。第２電極１０８の端部は、第１電子輸送層１０６ａが第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域、すなわち、第１電子輸送層１０６ａの端部と第２電子輸送層１０６ｂの端部との間の領域に配置される。配線１１１は第２電極１０８と第１絶縁層１０４との間に配置されてもよい。配線１１１は開口部１２４が配置される領域１２４ａの周辺からオフセット領域１２６だけ離れた外周部に配置される。
【0184】
ＥＬ素子２００ｅは、第２電極１０８の表面に接して第１電子輸送層１０６ａを設けることで、接触面積を大きくすることができる。これにより、ＥＬ素子２００ｅは直列抵抗成分が低減され駆動電圧を低くすることができる。また、ＥＬ素子２００ｅは、第２電極１０８に流れ込む電流密度を低くすることができる。
【0185】
図１５（Ａ）に示すＥＬ素子２００ｅにおいて、第２電極１０８は酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３・ＳｎＯ２：ＩＴＯ）などによって形成される透明導電膜が用いられる。すなわち、ＥＬ素子２００ｅは、第１電子輸送層１０６ａが透明導電膜で形成される第２電極１０８と直接接する構造を有していてもよい。ＥＬ素子２００ｅは、第２電極１０８を透明導電膜に置き換えたとしても、電子輸送層１０６が第１電子輸送層１０６ａと第２電子輸送層１０６ｂとの２層積層構造で厚膜化されていることから、短絡を防止することができ、電気的に安定な構造とすることができる。
【0186】
図１５（Ａ）と同じ構造のＥＬ素子２００ｅを採用した場合の画素構造断面図が図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）であり、画素構造平面図が図２６である。図１、２、１２～１７、２０、２９、３０において第４絶縁層（パシベーション膜）１７０は省略されて記載されていないが、各素子の長期信頼性を向上させるためには、図２３～２５、２７、２８に示すように第４絶縁層（パシベーション膜）１７０は形成しておくことが好ましい。第４絶縁層（パシベーション膜）１７０は、シリコン窒化膜やアルミナ膜などが用いられる。
【0187】
図２５（Ａ）は、図１５（Ａ）のボトムエミッション型のＥＬ素子を採用しているが、図１５（Ｂ）のトップエミッション型のＥＬ素子を採用することも可能である。図２５（Ａ）でも、コモン電位線１４４を開口部１２４の全領域を覆うように形成配置することで、トップエミッション型のＥＬ素子を形成することができる。図２５（Ｂ）に示すように、データ信号線１３４と第２ゲート電極１５６とは、同層に同じ材料で同時に形成される。
【0188】
図１５（Ｂ）に示すＥＬ素子２００ｅにおいて、配線１１１を第２電極１０８と第１電子輸送層１０６ａで被覆することで、トップエミッション型のＥＬ素子も作ることができる。図１５（Ａ）におけるＥＬ素子２００ｅの第２電極（陰極）１０８を、駆動用トランジスタ素子のソース電極やドレイン電極とは完全に分離して異なる層に形成したＥＬ素子の断面図が図２７～図３０と図４０，図４１である。第２電極（陰極）１０８をＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電膜で形成することでボトムエミッション型のＥＬ素子となり、第２電極（陰極）１０８を可視光反射率の高い金属膜で形成することで、トップエミッション型のＥＬ素子となる。
【0189】
本実施形態に係るＥＬ素子２００ｅは、第１電極が省略され第２電極１０８の構成が相違する他は、図１に示すＥＬ素子２００ａと同様であり、同様の作用効果を奏することができる。また、ＥＬ素子２００ｅは、図１２（Ａ）に示すＥＬ素子２００と置き換えることができる。
【0190】
＜第５実施形態＞
第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子について示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子について示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0191】
図１６は、本実施形態の他の一形態に係るＥＬ素子２００ｆの断面構造を示す。ＥＬ素子２００ｆは、第１電子輸送層１０６ａの下層に配置される第２電極１０８が第１電子輸送層１０６ａの周縁部において、一部の領域にだけ設けられている点において第１実施形態で示すＥＬ素子と相違する。第１電子輸送層１０６ａは、開口部１２４を介して第２電子輸送層１０６ｂ、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８と重なる領域を含み、さらに開口部１２４が配置される領域１２４ａの外側に、第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域を含む。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａが第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域、すなわち、第１電子輸送層１０６ａの端部と第２電子輸送層１０６ｂの端部との間の領域に配置される。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａの外周を囲むように設けることが好ましい。しかしながら、図１６に示すように、本実施形態に係るＥＬ素子２００ｆは、第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａの周縁部において、一部の領域のみに設けられている。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａと第１絶縁層１０４との間に配置される。さらに、第２電極１０８に接して配線１１１が設けられてもよい。配線１１１は、第２電極１０８と第１電子輸送層１０６ａの間に配置されてもよい。図１６に示すように、配線１４６は第１電極１０２と第１絶縁層１０４との間に配置されてもよい。配線１４６は、基板１００と第１電極１０２との間に配置されてもよい。
【0192】
ＥＬ素子２００ｆは、第２電極１０８の構成が異なること以外は第１実施形態と同様であり、同様の作用効果を奏することができる。また、ＥＬ素子２００ｆは、図１２（Ａ）に示すＥＬ素子２００と置き換えることができる。
【0193】
＜第６実施形態＞
本実施形態は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子について示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態は、第１実施形態で示すＥＬ素子に対し、陰極の構成が異なるＥＬ素子について示す。以下の説明においては、第１実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0194】
図１７は、本実施形態に係るＥＬ素子２００ｇの断面構造を示す。ＥＬ素子２００ｇは、第１電子輸送層１０６ａの上に第３絶縁層１２２を介して第４電極１０５がさらに設けられている点において第１実施形態で示すＥＬ素子と相違する。第１電子輸送層１０６ａは、開口部１２４を介して第２電子輸送層１０６ｂ、電子注入層１１０、発光層１１２、及び第３電極１１８と重なる領域を含み、さらにその領域の外側に、第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域を含む。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａが第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域、すなわち、第１電子輸送層１０６ａの端部と第２電子輸送層１０６ｂの端部との間の領域に配置される。第２電極１０８は、第１電子輸送層１０６ａと第１絶縁層１０４との間に配置される。さらに、第２電極１０８に接して配線１１１が設けられてもよい。配線１１１は、第２電極１０８と第１電子輸送層１０６ａの間に配置されてもよい。第１電極１０２に接して配線１４６が設けられてもよい。図１７に示すように、配線１４６は第１電極１０２と第１絶縁層１０４との間に配置されてもよい。
【0195】
第４電極１０５は、第１電子輸送層１０６ａが第２電子輸送層１０６ｂと重ならない領域、すなわち、第１電子輸送層１０６ａの端部と第２電子輸送層１０６ｂの端部との間の領域に配置される。第４電極１０５は、第３絶縁層１２２、第１電子輸送層１０６ａ、および第１絶縁層１０４を挟んで第１電極１０２と重なるように設けられる。第４電極１０５は、第１電子輸送層１０６ａの上において、第３絶縁層１２２と第２絶縁層１２０との間に配置される。第４電極１０５は、第１電極１０２とコンタクトホールを介して電気的に接続されている。このような構造を有することで、第２電極１０８の末端部のみに電流が集中することを防止することができ、素子の信頼性を大きく向上することができる。第４電極１０５は、第２絶縁層１２０を挟んで第３電極１１８と重なるように設けられる。第４電極１０５の端部は、第２絶縁層１２０の開口部１２４に露出しないので、発光領域において第３電極１１８と第４電極１０５との間に電界集中が生じないように構成される。
【0196】
図１７に示すＥＬ素子２００ｇにおいて、第４電極１０５は、第１電子輸送層１０６ａを挟んで第１電極１０２と重なるように配置される。第４電極１０５は、好ましくは第１電極１０２と同電位となるように制御される。第４電極１０５及び第１電極１０２が同電位に制御されることで、第１電子輸送層１０６ａの表裏両面から電界を作用させ、ダブルゲート型のトランジスタと同様の原理で、発光層１１２へのキャリア（電子）注入量を制御することができる。電子輸送層１０６（第１電子輸送層１０６ａ、第２電子輸送層１０６ｂ）から発光層１１２に輸送されるキャリア（電子）の量は、第１電極１０２および第４電極１０５の電界強度によって制御することが可能である。第１電極１０２および第４電極１０５に印加される電圧が大きくなると、第１電子輸送層１０６ａに作用する電界も大きくなる。第１電極１０２および第４電極１０５に正電圧が印加されることで生成された電界は、第２電極１０８から第１電子輸送層１０６ａにキャリア（電子）を引き込むように作用するので、発光層１１２へ輸送されるキャリア（電子）の量をさらに増加させることが可能となる。すなわち、第１電極１０２および第４電極１０５に印加する電圧を制御することで、第２電極１０８から注入される電子の量と、第３電極１１８から注入される正孔の量とのバランス（キャリアバランス）を調整することが可能となる。一方で、第１電極１０２および第４電極１０５の電位がコモン電位（Ｖｓｓ）となることで、第１電子輸送層１０６ａにおけるキャリア（電子）のリークを抑制することができ、第１電子輸送層１０６ａは絶縁状態（空乏状態）となる。その結果、ＥＬ素子２００ｇには電流が流れず、発光しない状態（非発光状態）となる。
【0197】
ＥＬ素子２００ｇは、第４電極１０５を有すること以外は第１実施形態と同様であり、同様の作用効果を奏することができる。また、ＥＬ素子２００ｇは、図１２（Ａ）に示すＥＬ素子２００と置き換えることができる。
【0198】
＜第７実施形態＞
本実施形態に係るＥＬ素子２００ｇで画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。以下の説明においては、第２実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態に係るＥＬ素子２００ｇで画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。以下の説明においては、第２実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0199】
図１８は、本実施形態に係る表示装置に設けられる画素３０２ｇの等価回路の一例を示す。画素３０２ｇは、ＥＬ素子２００ｇに加え、選択トランジスタ１３６、駆動トランジスタ１３８、容量素子１４０を含む。選択トランジスタ１３６はゲートが走査信号線１３２と電気的に接続され、ソースがデータ信号線１３４と電気的に接続され、ドレインが駆動トランジスタ１３８のゲートと電気的に接続される。駆動トランジスタ１３８は、ソースがコモン電位線１４４と電気的に接続され、ドレインがＥＬ素子２００ｇの第２電極１０８と電気的に接続される。容量素子１４０は、駆動トランジスタ１３８のゲートとコモン電位線１４４との間に電気的に接続される。ＥＬ素子２００ｇは、第１電極１０２および第４電極１０５がキャリア注入量制御信号線１４６と電気的に接続され、第３電極１１８が電源線１４２と電気的に接続される。図１８は、ＥＬ素子２００ｇ、選択トランジスタ１３６及び駆動トランジスタ１３８がダブルゲート型である場合を示す。
【0200】
図１８に示す画素３０２ｇにおいて、駆動トランジスタ１３８のゲートには、選択トランジスタ１３６がオンになったとき、データ信号線１３４からデータ信号に基づく電圧が印加される。容量素子１４０は、駆動トランジスタ１３８のソース－ゲート間の電圧を保持する。駆動トランジスタ１３８のゲートがオンになると、ＥＬ素子２００ｇには、電源線１４２から電流が流れ込み発光する。このとき第１電極１０２および第４電極１０５にキャリア注入量を制御する電圧（Ｖｇ）を印加すると、ＥＬ素子２００ｇの発光強度を制御することのみならず、発光層１１２における電子と正孔が再結合する領域（別言すれば発光領域）の位置を制御することができる。すなわち、発光層１１２におけるキャリアバランスを制御することができる。
【0201】
本実施形態によれば、キャリア注入量制御電極（第１電極１０２および第４電極１０５）が設けられたＥＬ素子２００ｇで画素３０２ｇを形成すると共に、キャリア注入量制御信号線を設け、当該キャリア注入量制御電極（第１電極１０２および第４電極１０５）と接続することで、ＥＬ素子の発光状態を制御することができる。すなわち、ＥＬ素子の発光を駆動トランジスタのみによって制御するのではなく、キャリア注入量制御電極によって発光層１１２への電子注入量を制御することで、ＥＬ素子の劣化を抑制することができ、ＥＬ表示装置の信頼性をさらに高めることができる。
【0202】
図１９は、本実施形態に係る表示装置の画素３０２ｇの平面図を示す。画素３０２ｇは、選択トランジスタ１３６、駆動トランジスタ１３８、容量素子１４０、及びＥＬ素子２００ｇが配置される。図１９に示す画素３０２ｇの平面図においては、ＥＬ素子２００ｇの構成要素として、第１電極１０２、第４電極１０５、第１電子輸送層１０６ａ、及び開口部１２４の配置が示されている。
【0203】
駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａ、第１ゲート電極１５４ａ、第２ゲート電極１５６ａを含んで構成される。第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとは、第１酸化物半導体層１５２ａを挟んで重なる領域を有するように配置される。すなわち、駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａが、第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとで挟まれたダブルゲート構造を有する。
【0204】
選択トランジスタ１３６は、駆動トランジスタ１３８と同様な構造を有する。すなわち、選択トランジスタ１３６は、第２酸化物半導体層１５２ｂ、第１ゲート電極１５４ｂ、及び第２ゲート電極１５６ｂを含んで構成される。
【0205】
容量素子１４０は、第２電極１０８ｄが、第１絶縁層１０４を介して容量電極１６２と重畳する領域に形成される。容量電極１６２は、コモン電位線１４４を兼ねて形成される。
【0206】
ＥＬ素子２００ｇは、図１７に示すＥＬ素子２００ｇの構成と同様な構成を有する。ＥＬ素子２００ｇは、駆動トランジスタ１３８と電気的に接続される。ＥＬ素子２００ｇは、第２電極１０８に相当する領域が、駆動トランジスタ１３８から連続して形成される。このような構造により、配線の引き回しが簡略化され、画素３０２の開口率（一つの画素が占める面積に対する、ＥＬ素子が実際に発光する領域の割合）を高めることができる。
【0207】
なお、本実施形態において、酸化物半導体層１５２は、第１実施形態で述べる第１電子輸送層１０６ａの酸化物半導体材料と同じ材料を用いることができる。また、第１絶縁層１０４、第３絶縁層１２２及び第４絶縁層１１９は、無機絶縁材料が用いられる。無機絶縁材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等が用いられてもよい。第４電極１０５は、第２ゲート電極１５６ａと同じ材料を用いることができる。
【0208】
このように、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子を形成する電子輸送層として酸化物半導体層を用いることで、酸化物半導体層を用いて作製される駆動トランジスタ及び選択トランジスタ等の素子と同じ製造工程を通して作製することができる。また、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子にキャリア注入量制御電極を設けると共に、このキャリア注入量制御電極に対し絶縁層を介してキャリア（電子）移動度の高い電子輸送層を配置することで、画素面内の発光強度を均一化させ、高精細化に対応することができる。
【0209】
＜第８実施形態＞
本実施形態に係るＥＬ素子２００ｈで画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。以下の説明においては、第２実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態に係るＥＬ素子２００ｈで画素が構成された表示装置（ＥＬ表示装置）の一例について説明する。以下の説明においては、第２実施形態と相違する部分について説明し、共通する部分については説明を省略する。
【0210】
図２０は、本実施形態に係るＥＬ素子２００ｈで画素が構成された表示装置の断面図を示す。画素３０２は、選択トランジスタ１３６、駆動トランジスタ１３８、容量素子１４０、及びＥＬ素子２００ｈが配置される。
【0211】
駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａ、第１ゲート電極１５４ａ、第２ゲート電極１５６ａを含んで構成される。第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとは、第１酸化物半導体層１５２ａを挟んで重なる領域を有するように配置される。すなわち、駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａが、第１ゲート電極１５４ａと第２ゲート電極１５６ａとで挟まれたダブルゲート構造を有する。
【0212】
第１酸化物半導体層１５２ａは、元素として、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）から選ばれた一種又は複数種を含む透明酸化物半導体である。例えば、第１酸化物半導体層１５２ａを形成する酸化物半導体材料としては、半導体特性を示す、四元系酸化物材料、三元系酸化物材料、および二元系酸化物材料が適用される。例えば、四元系酸化物材料としてＩｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、三元系酸化物材料としてＩｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、ＳｎＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、二元系酸化物材料としてＩｎ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、ＳｎＯ２－ＺｎＯ系酸化物材料、Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、Ｇａ２Ｏ３－ＺｎＯ系酸化物材料、ＳｎＯ２－ＳｉＯ２系酸化物材料、Ｉｎ２Ｏ３－Ｗ２Ｏ３系酸化物材料等を用いることができ、特にＩｎ２Ｏ３－Ｇａ２Ｏ３－ＳｎＯ２系酸化物材料を用いることが好ましい。また、上記酸化物半導体にタンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ニッケル（Ｎｉ）、ランタン（Ｌａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イジトリウム（Ｙ）、チタン（Ｔｉ）、サマリウム（Ｓｍ）が含まれていてもよい。なお、例えば、上記で示すＩｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物材料は、少なくともＩｎとＧａとＳｎを含む酸化物材料であり、その組成比に特に制限はない。Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ｏ系酸化物材料の組成比は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎに対して、Ｉｎのａｔｍ％が５０～８０、Ｇａのａｔｍ％が１０～２５、Ｓｎのａｔｍ％が１０～３０であることがより好ましい。また、他の表現をすれば、第１酸化物半導体層１５２ａは、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、ＨｆおよびＳｉから選ばれた一つ、または複数の金属元素を示す。なお、上記の四元系酸化物材料、三元系酸化物材料、二元系酸化物材料は、含まれる酸化物が化学量論的組成のものに限定されず、化学量論的組成からずれた組成を有する酸化物材料によって構成されてもよい。
【0213】
本実施形態において第１酸化物半導体層１５２ａは、基板１００側から、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２とが積層された構造を有する。第１酸化物半導体層１５２ａは、第１領域１５２ａ１の膜厚が、第２領域１５２ａ２の膜厚より大きい。第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１の膜厚は、３０ｎｍ～１００ｎｍが好ましい。第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２の膜厚は、２ｎｍ～１０ｎｍが好ましい。しかしながらこれに限定されず、第１領域１５２ａ１および第２領域１５２ａ２を含む第１酸化物半導体層１５２ａの膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍ、例えば、３０ｎｍ～６０ｎｍであればよい。
【0214】
第１酸化物半導体層１５２ａは、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２のキャリア濃度（多数キャリアの濃度）が異なっている。第２領域１５２ａ２のキャリア濃度は、第１領域１５２ａ１のキャリア濃度よりも小さい値を有する。第１領域１５２ａ１のキャリア濃度は１×１０１５／ｃｍ３～５×１０１８／ｃｍ３程度であることが好ましく、第２領域１５２ａ２のキャリア濃度は１×１０１１／ｃｍ３～１×１０１５／ｃｍ３程度であることが好ましい。これに対応して、第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１は、比抵抗値が１０－１Ω・ｃｍ～１０３Ω・ｃｍ程度であることが望ましい。第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２は、比抵抗値が１０４Ω・ｃｍ～１０９Ω・ｃｍ程度であることが望ましい。また、第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２のキャリア移動度も、第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１のキャリア移動度よりも小さいことが好ましい。
【0215】
また、第１酸化物半導体層１５２ａは、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２とで、結晶性が異なっていてもよい。第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２の結晶化率は、第１領域１５２ａ１の結晶化率より高いことが好ましい。第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１はアモルファスの形態であっても良く、微結晶質相の形態でもよく、アモルファスとナノ微結晶質相の混合相の形態であっても良い。第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２はアモルファスの形態であっても良く、ナノ微結晶質相の形態であっても良く、アモルファスとナノ微結晶質相の混合相の形態であっても良い。この場合、第２領域１５２ａ２は、第１領域１５２ａ１より微結晶質相の混合比が高く、さらに多結晶質相との混合相の形態であっても良い。
【0216】
第１酸化物半導体層１５２ａはスパッタリング法で作製することができる。第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２とは、スパッタリング条件を変えることで作製することができる。例えば、第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１は、スパッタガスとしてＡｒ等の希ガスを用いて成膜され、第２領域１５２ａ２は、スパッタガスとしてＡｒ等の希ガスおよび酸素ガスを用いて成膜される。第１領域１５２ａ１に対し、第２領域１５２ａ２を成膜するときの酸素分圧を高めることで、第２領域１５２ａ２のドナー欠陥を低減することができ、結晶化率を向上させることができる。それにより、第１領域１５２ａ１に比べ、第２領域１５２ａ２のキャリア濃度を低くし、これに応じて比抵抗値を高くすることができる。
【0217】
第１酸化物半導体層１５２ａは、第１領域１５２ａ１及び第２領域１５２ａ２の組成を同一として、結晶化率が異なるように組み合わされてもよい。また、第１酸化物半導体層１５２ａは、第１領域１５２ａ１及び第２領域１５２ａ２に同種の金属酸化物を用い、組成が異なるように組み合わせてもよい。さらに、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２とに、異なる組成の金属酸化物を組み合わせてもよい。第１領域１５２ａ１及び第２領域１５２ａ２に対し、このような組み合わせを適用することで、キャリア濃度を異ならせ、また比抵抗値を異ならせることができる。
【0218】
図２１（Ａ）に示すように、同一の組成比の酸化物半導体ターゲット材料（例えば、ＩｎＧａＳｎＺｎＯｘ）を用いても、スパッタリングガスのＯ２／（Ａｒ＋Ｏ２）酸素分圧を変えることで結晶化率を変えることができ、それぞれの領域のキャリア濃度とバンドギャップを変化させることができる。例えば、アモルファスである第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１よりも、微結晶である第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２の結晶化率は高く、キャリア濃度は低く、バンドギャップは大きく、仕事関数値は小さい。このように形成することで、第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２の上に第３絶縁層１２２を形成するときに発生する水素ラジカルによる還元反応の問題を改善することができる。第３絶縁層１２２には、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを原料として、プラズマＣＶＤ法で成膜されるＰ－ＳｉＯ２膜が用いられる。原料のＳｉＨ４に存在する水素が水素ラジカルとなり、第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２の表面を還元してしまう問題が生じていた。第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２のキャリア濃度を低下させ、結晶化率を高めることで、水素ラジカルによる還元反応を生じにくくすることが可能であり、プラズマＣＶＤ法でＰ－ＳｉＯ２膜を形成するときのプロセスマージンを広げることができる。さらに、図２２に示すように、第２領域１５２a２の成膜時の酸素分圧を変化させることで、薄膜トランジスタ素子の閾値電圧（Ｖｔｈ）を精密にコントロールすることが可能となる。回路システムを簡略化して、コストダウンするには、薄膜トランジスタ素子のサブスレショールド電圧を０Ｖよりプラス側に移動させなければならない。図２２によれば、第２領域１５２ａ２の成膜時の酸素分圧は５％程度必要となることが理解できる。第２領域１５２ａ２の膜厚を厚くすれば、サブスレショールド電圧もプラス側に移動させることができるので、最適な膜厚を選定すればよい。
【0219】
図２１（Ｂ）にあるように、例えば、第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１にアモルファスＩｎＧａＳｎＯｘ膜を、第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２ａ２にアモルファスＧａＯｘ膜を用いることでも、図２１（Ａ）と同じ作用を得ることができる。アモルファスＧａＯｘ膜表面を水素（Ｈ２）プラズマ処理してもアモルファスＧａＯｘのキャリア濃度は１０１３レベルから１０１５レベルに増加するだけで、導体化することはない。アモルファスＧａＯｘは、通常のＰ－ＳｉＯ２成膜条件下では、水素ラジカルによる還元反応が生じにくいので、基板温度を２５０℃以上に高めてＰ－ＳｉＯ２膜を成膜することができ、信頼性の高い薄膜トランジスタ素子を製造することができる。アモルファスＧａＯｘを第２領域１５２ａ２に採用した場合でも、スパッタリング成膜時の酸素分圧を高めたり、アモルファスＧａＯｘの膜厚を厚くすることで、薄膜トランジスタ素子の閾値電圧（Ｖｔｈ）とサブスレショールド電圧をプラス側に移動させることができる。
【0220】
上記の薄膜トランジスタ素子の閾値電圧（Ｖｔｈ）とサブスレショールド電圧を制御するには、図２０のトランジスタ構造では、第３絶縁層１２２の膜厚を第１絶縁層１０４の膜厚よりも薄く形成しなければならない。具体的には、第３絶縁層１２２の膜厚を１５０ｎｍ～２５０ｎｍとし、第１絶縁層１０４の膜厚をその２倍以上の４００ｎｍ～６００ｎｍとすることが好ましい。すなわち、第１酸化物半導体１５２ａに作用する電界を、第２ゲート電極１５６側の方が第１ゲート電極１５４側よりも強くすることが好ましい。このような構造を有することで、図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）の第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２の接する界面では、コンダクションバンド側に０．３ｅＶ程度のバンドギャップが生じる。伝導帯の底のエネルギー（Ｅｃ）が、第１領域１５２ａ１に対して第２領域１５２ａ２の方が高くなることで、ゲート電圧がプラスに印加されると、キャリア（電子）はこの界面に集まってきて導体化する。すなわち、第３絶縁層１２２と第１酸化物半導体層１５２ａの第２領域１５２a２との界面が導体化するのではなく、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２の界面にキャリア（電子）が集中して電流が流れる。このため、埋め込みチャネル構造のトランジスタ素子動作をすることになる。埋め込みチャネル構造のトランジスタ素子の信頼性は非常に高く、ＰＢＴＳ評価試験でもほとんど閾値電圧（Ｖｔｈ）シフトが生じない。本発明で採用しているダブルゲート、ソース・ドレインボトムコンタクト型ＴＦＴでは、トップゲート側のゲート絶縁膜である第３絶縁層１２２の膜厚をボトムゲート側のゲート絶縁膜である第１絶縁層１０４の膜厚よりも薄くすることが非常に重要となる。トップゲート側のゲート絶縁膜である第３絶縁層１２２の膜厚をボトムゲート側のゲート絶縁膜である第１絶縁層１０４の膜厚の約１／２であることが好ましい。
【0221】
選択トランジスタ１３６は、駆動トランジスタ１３８と同様な構造を有する。すなわち、選択トランジスタ１３６は、第２酸化物半導体層１５２ｂ、第１ゲート電極１５４ｂ、及び第２ゲート電極１５６ｂを含んで構成される。本実施形態において第２酸化物半導体層１５２ｂは、基板１００側から、第１領域１５２ｂ１と第２領域１５２ｂ２とが積層された構造を有する。
【0222】
容量素子１４０は、第２電極１０８ｄが、第１絶縁層１０４を介して容量電極１６２と重畳する領域に形成される。容量電極１６２は、コモン電位線１４４を兼ねて形成される。
【0223】
ＥＬ素子２００ｈは、駆動トランジスタ１３８と電気的に接続される。ＥＬ素子２００ｈは、第２電極１０８に相当する領域が、駆動トランジスタ１３８から連続して形成される。このような構造により、配線の引き回しが簡略化され、画素３０２の開口率（一つの画素が占める面積に対する、ＥＬ素子が実際に発光する領域の割合）を高めることができる。
【0224】
ＥＬ素子２００ｈは、第１電子輸送層１０６ａに相当する領域が、駆動トランジスタ１３８と同じ構造で設けられる。図２０（Ａ）に示すように、第１電子輸送層１０６ａは、駆動トランジスタ１３８の領域から連続するように設けられていてもよい。本実施形態において第１電子輸送層１０６ａは、基板１００側から、第１領域１０６ａ１と第２領域１０６ａ２とが積層された構造を有する。第１電子輸送層１０６ａは、第１領域１０６ａ１と第２領域１０６ａ２のキャリア濃度（多数キャリアの濃度）が異なっている。第２領域１０６ａ２のキャリア濃度は、第１領域１０６ａ１のキャリア濃度よりも小さい値を有する。
【0225】
このように、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子を形成する電子輸送層として酸化物半導体層を用いることで、酸化物半導体層を用いて作製される駆動トランジスタ及び選択トランジスタ等の素子と同じ製造工程を通して作製することができる。また、本実施形態に係る表示装置は、ＥＬ素子にキャリア注入量制御電極を設けると共に、このキャリア注入量制御電極に対し絶縁層を介してキャリア（電子）移動度の高い電子輸送層を配置することで、画素面内の発光強度を均一化させ、高精細化に対応することができる。
【0226】
本実施形態において、駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａが、第１領域１５２ａ１と第２領域１５２ａ２とで構成されている。そして、第１領域１５２ａ１に対し、第２領域１５２ａ２のキャリア濃度が低くなるように構成されている。これにより、駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａにおいて、第３絶縁層１２２から離れた第１領域１５２ａ１にチャネルが形成される構造となる。本実施形態に係る駆動トランジスタ１３８は、第１酸化物半導体層１５２ａの第１領域１５２ａ１と第３絶縁層１２２との間に第２領域１５２ａ２を設けることで、電界効果移動度を向上することができる。また、駆動トランジスタ１３８の閾値電圧の変動を抑制することができ、安定した電気的特性により信頼性を向上することができる。さらに、駆動トランジスタ１３８はダブルゲート構造を有していることで電流駆動能力が向上する。そのため、ＥＬ素子を駆動するに当たって陽極となる第３電極１１８の電圧を小さくしても十分な電流を供給することができる。仮に、ＥＬ素子の動作点が変動したとしても、動作点の変動に応じて定電流駆動をすることができる。駆動トランジスタ１３８にダブルゲート構造を採用することで低消費電力化することができるため、ＥＬ表示装置を大型化した場合に顕在化する発熱問題を解決することができ、ＥＬ素子の長寿命化に効果がある。
【0227】
本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせることが可能である。
【0228】
図３５は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｉの断面構造を示す。図３５に示すＥＬ素子２００ｉは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図１に示すＥＬ素子２００ａと同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0229】
図３６は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｊの断面構造を示す。図３６に示すＥＬ素子２００ｊは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図２に示すＥＬ素子２００ｂと同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0230】
図３７は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｋの断面構造を示す。図３７に示すＥＬ素子２００ｋは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図１６に示すＥＬ素子２００ｆと同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0231】
図３８は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｌの断面構造を示す。図３８に示すＥＬ素子２００ｌは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図１７に示すＥＬ素子２００ｇと同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0232】
図３９は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｍの断面構造を示す。図３９に示すＥＬ素子２００ｍは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図１３に示すＥＬ素子２００ｃと同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0233】
図４０は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｎの断面構造を示す。図４０に示すＥＬ素子２００ｎは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図２９に示すＥＬ素子と同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0234】
図４１は、本発明の一変形例に係るＥＬ素子２００ｏの断面構造を示す。図４１に示すＥＬ素子２００ｏは、発光層１１２が略全面に配置されること以外、図３０に示すＥＬ素子と同じであることから、共通する部分については説明を省略する。
【0235】
図３５から図４１に係るＥＬ素子２００ｉ、２００ｊ、２００ｋ、２００ｌ、２００ｍ、２００ｎ、２００ｏは、発光層１１２が表示装置内の全ての画素で共通である場合に適用することができる。例えば、発光層１１２が白色光を出射するときには、図３５から図４１に示す構造を適用することができる。発光層１１２が共通であることで、同一の工程で形成することができる。すなわち発光層１１２を所定の色（材料）毎に塗り分ける必要がない。図３５から図４１の発光層１１２は単層で示すが、発光層１１２は発光波長が異なる複数の層が積層された構造であってもよい。
【符号の説明】
【0236】
１００・・・基板、１０２・・・第１電極（キャリア注入量制御電極）、１０４・・・第１絶縁層、１０６・・・電子輸送層、１０７・・・第２導電膜、１０８・・・第２電極（陰極）、１１０・・・電子注入層、１１２・・・発光層、１１４・・・正孔輸送層、１１６・・・正孔注入層、１１８・・・第３電極（陽極）、１２０・・・第２絶縁層、１２２・・・第３絶縁層、１２３・・・平坦化層、１２４・・・開口部、１２６・・・オフセット領域、１２８・・・電源、１３０・・・スイッチ、１３２・・・走査信号線、１３４・・・データ信号線、１３６・・・選択トランジスタ、１３８・・・駆動トランジスタ、１４０・・・容量素子、１４２・・・電源線、１４４・・・コモン電位線、１４６・・・キャリア注入量制御信号線、１５０・・・導電層、１５２・・・酸化物半導体層、１５４・・・第１ゲート電極、１５６・・・第２ゲート電極、１６２・・・容量電極、１７０・・・第４絶縁層（パシベーション膜）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】