CN102440072B - 直流驱动的无机电致发光组件及其发光方法 - Google Patents

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Abstract

直流驱动的无机电致发光组件及其发光方法，所述无机电致发光组件可通过在无机物荧光体物质上外加直流电压使之发光，并通过改变分散在荧光体层中的发光中心或荧光体的种类，可适当改变发光颜色。在直流驱动发光组件的内部形成NPN型半导体的结构，再蒸镀与该结构相邻的荧光体物质层后，用第1个电极和第2个电极将它们夹在中间即可制作成无机电致发光组件。利用这种结构，在阴极侧的PN结上施加顺向电压，向P型半导体层内注入电子。然后，通过在P型半导体层与N型半导体即加速层所形成的PN结上施加反向偏压，利用分布在该加速层内部的空间电荷层的电场，可加速电子，使电子撞击发光中心或荧光体，从而可获得发光的方法。

Description

直流驱动的无机电致发光组件及其发光方法
技术领域
本发明是关于″利用一种被称为无机电致发光的现象，以无机物为发光材料，将电转换为光的无机电致发光组件、采用该组件的无机发光装置和发光方法”的发明。
背景技术
作为可获得面状发光的发光组件，具有代表性的有有机电致发光组件(以下有时简称为有机EL组件)和无机电致发光组件(以下有时简称为无机EL组件)。
有机EL组件由于在有机物中通过电流，因此存在寿命短以及耐高温能力差的问题。
相反，无机EL组件拥有可在很宽的温度范围内正常工作、寿命长等有利特征，为了促进其实用化，已经做了很多研究工作，但这些研究大多数都是通过交流电源激发发光。因此，为了回避交流驱动EL组件的缺点，迫切需要一种可通过直流驱动获得发光的组件。
无机EL组件大多采用硫化物类的荧光体材料，这些组件的激发方法几乎都是交流电源或具有两极特性的脉冲电压。这种无机EL组件，如图14所示，是一种“利用蒸镀法让荧光体材料在玻璃基板21上制成薄膜形成荧光体层23，并用绝缘层25上下夹住该荧光体层，然后再用下部的透明电极22和上部的背面电极24将它们加在中间”的结构。因此，在没有直流电流流过的情况下，即可利用交流电源26向组件施加100Hz～10kHz左右的交流电压，从而使其发光。
在外加电压的最初半个周期，使荧光体内部的电子加速，撞击发光中心而发光，在接下来相反的半个周期，再反向加速电子并使之发生撞击，从而再次发光。像这样利用交流电压激发的发光，每个周期会引起2次发光，但不是连续发光。
如果能够使之连续发生这种EL现象，就能提高发光效率，获得更强的发光。根据这种设想，为了获得定常发光，必须用直流电源激发发光组件，使之连续提供电子。
直流驱动的无机EL组件作为分散型EL组件，早在1968年就被发表，并在1970年前后利用真空蒸镀法，开始了薄膜型直流驱动EL组件的研究。这种直流驱动的EL组件虽然被研究得很多，但由于发光弱、寿命短，到目前为止尚未被开发作为具有实用价值的组件。
过去的直流驱动EL组件的基本结构是在透明电极与背面金属电极之间直接夹入荧光体。这种结构由于直流电流从荧光体内部流过，因此必须从电极直接向荧光体注入电荷，故而荧光体与电极是直接接触的。然而该结构中，流过的电流不稳定，当电压升高到一定值以上时，会突然有较大的电流流过，具有容易导致组件破坏的特性。
为此，过去的直流驱动无机EL组件在结构上进行了如图15所示的改进(非专利文献1)。如图15所示的直流驱动无机EL组件，其构造为：向设置在玻璃基板21上的下部透明电极22和上部背面电极24连接直流电源28，并在荧光体层23与上部背面电极24之间插入稳定层27。通过设置这种稳定层27来限制流过的电流，以提高组件的稳定性。
然而，在这种结构中，为了将电流控制在适当的范围，必须将膜厚控制在数μm～数十μm左右。因此在制造过程中，会发生薄膜脱落等问题，使得可使用的材料受到限制。
为此，人们探讨了将Ta2O5或SiO2等绝缘材料通过蒸镀形成数十nm～数μm厚的薄膜，并通过该薄膜使电流流过的方式。(非专利文献2、3)。
通过这种方式，虽然可制作出发光亮度非常高的直流E L组件，但是组件的稳定性和寿命仍未达到实用水平。
另外，有人提出了“在介质绝缘材料中分散金属杂质，并将它作为薄膜材料，通过调节金属杂质水平来控制电流的流过，从而提高组件稳定性”的方案。(专利文献1)
该方案就是在BaTiO3介质绝缘材料中分散混入钇(Y)，并将它作为电阻使用。但即便如此，还是存在稳定性和寿命问题。
另一方面，还有一种发明是利用与有机E L组件相同发光原理的无机EL组件。(专利文献2、3)。
这些发明提供的组件，可用直流电源进行激发，从正极通过电荷输送层向荧光体层内部注入正孔(正电荷)，而从负极通过电子注入层向荧光体层内部注入电子。这里使用的荧光体采用复合型材料，通过控制荧光体内部杂质的水平，使正孔和电子在发光层内进行再结合，从而获得发光。
另外，利用另一个薄膜EL组件，通过P型半导体向荧光体内部注入正孔，通过N型半导体向荧光体内部注入电子。这样，通过让正孔和电子在荧光体内部进行再结合也可获得发光。(专利文献4)
这些专利文献2、3、4所公开的组件都是可用直流电源激发的无机EL元电荷注入型EL组件。其原理都是通过向荧光体内部注入电子和正孔并使之再结合而发光。其荧光体采用复合型荧光体，在控制调节荧光体内部杂质水平的基础上，利用电子与正孔再结合时的发光。然而，它仍然存在发光效率和寿命问题有待解决。
作为分散型直流驱动的无机EL组件，还有人提出了“在以硫化锌为母体的荧光体中分散混入金属粉末，并用两个电极夹住该荧光体形成EL组件”的方案。(专利文献5)
该专利文献5中所公开的组件，是一种从电极直接向荧光体的粉末中注入电荷的组件，在本质上就是过去就存在的分散型EL组件。
前文涉及技术文献
专利文献
专利文献1：专利公开1993-74572号公报
专利文献2：专利公开2006-4658号公报
专利文献3：专利公开2007-123220号公报
专利文献4：专利公开2009-224136号公报
专利文献5：专利公开2008-7755号公报
非专利文献
非专利文献1：M.Higton：Digest of 1984SID International Symposium(1984)29
非专利文献2：H.Matsumoto et al.：Jpn J.Appl Phys.l7(1978)1543
非专利文献3：J.I.Pankove：J.Lumin.40&41(1988)97
发明内容
本发明试图解决的课题
如上所述，在薄膜无机组件中利用交流电源激发的发光，每个周期仅发光2次，不能连续发光，而且交流驱动的外部电路非常复杂。另外，由于交流驱动发光每个周期仅发光2次，存在无法获得很高发光效率的缺点。
如果能够使这种EL现象连续发生，就很可能获得更强的发光。根据这种设想，为了获得定常发光，必须用直流电源激发发光组件，从而一直连续向荧光体内提供电子。
本发明的目的是，解决过去以来一直存在的课题，使获得稳定、较强的发光成为可能，提供可用直流电源激发的撞击激发型无机EL组件及发光方法。
解决课题的手段
为了达到上述目的，权利要求1中记述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是一种在绝缘玻璃基板上形成的阴极即第1电极与相对第1电极而设置的阳极即第2电极之间，夹入由无机材料构成的荧光体层而制成的无机电致发光组件，其特征是，在上述第1电极即阴极与上述荧光体层之间，具有用无机半导体材料构成的N型半导体和P型半导体结成的NPN型半导体结构。
在具有上述结构的直流驱动无机电致发光组件中，在阴极侧的N型半导体与P型半导体所结成PN结上施加顺向电压，就具有向P型半导体内部注入电子的作用。另外，在荧光体层一侧的N型半导体与前述P型半导体所结成的PN结上施加反向偏压，可促使形成空间电荷层，具有加速电子移动的作用。荧光体层在受到被加速电子的撞击后，具有激发发光的作用。
其次，权利要求2中所述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是在权利要求1所述发明的基础上，上述荧光体层是由在上述N型半导体材料中分散、混入发光中心或荧光物质后形成的薄膜所构成的。
这样所构成的直流驱动无机电致发光组件，也具有与权利要求1所述发明同样的作用。
权利要求3中所述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是在权利要求1或权利要求2所述发明的基础上，上述结合成NPN型半导体结构的阴极侧N型半导体材料采用Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd的氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或这些物质的混合物中的任一种。
这样所构成的直流驱动无机电致发光组件，也具有与权利要求1同样的作用。
权利要求4中所述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是在权利要求1至权利要求3所述任何一项发明的基础上，上述结合成NPN型半导体结构的中间的P型半导体材料采用Ni、Mn、Cr、Co、Cu、Ag、La、Pr、Al、Sr、Ba、Ga、Sn的氧化物、硫化物、硒化物或这些物质的混合物中的任一种。另外，还可在ZnO、ZnS等化合物半导体中掺入杂质使之P型化后再使用。蒸镀的薄膜作为半导体如果具有P型的性质，该组件就能满足性能要求。
这样所构成的直流驱动无机电致发光组件，也具有与权利要求1同样的作用。
另外，权利要求5所述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是在权利要求1至4所述任何一项发明的基础上，上述结成NPN型的半导体结构中与荧光体层相邻的N型半导体材料采用Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd的氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或这些物质的混合物。
这样所构成的直流驱动无机电致发光组件，也具有与权利要求1同样的作用。
权利要求6所述的发明即直流驱动无机电致发光组件，是在权利要求1至5所述任何一项发明的基础上，在上述第1电极和上述第2电极之间，设置有以电阻材料(其中含有由Ta、Hf、Ti、Nd、Mo、Sn、Zn、Si、Al、B中至少一种元素组成的无机化合物)作为薄膜的分散电阻层。
这样构成的直流驱动无机电致发光组件，具有在第1电极和第2电极之间通过分散电阻层分散电流的作用，并具有赋予无机电致发光组件表面均匀电场的作用。
权利要求7所述的发明即直流驱动无机电致发光组件的发光方法，其特征就是在组件内部，利用第1个和第2个N型半导体与P型半导体结成NPN型三层结构，在该NPN型的三层结构中，通过向阴极侧的上述第1个N型半导体与P型半导体结成的PN结部分施加顺向电压，向上述P型半导体内部注入电子，同时通过向上述P型半导体与上述第2个N型半导体结成的PN结部分施加反向偏压，让PN结部分形成空间电荷层，利用该空间电荷层的电场，使通过上述P半导体注入的电子加速，被加速的电子将与分散、混合在上述第2个N型半导体相邻的荧光体层中的发光中心或荧光物质碰撞，从而使之发光。
这样构成的直流驱动无机电致发光组件的发光方法，也具有与权利要求1、2所述发明同样的作用。
发明效果
本发明中的直流驱动无机电致发光组件及发光方法，即使连接直流电源，因为具有结成的NPN型半导体结构，因此可以加速电子，激发荧光体层并使之发光。另外，通过采用由无机物组成的材料，还可提高直流驱动无机电致发光组件的寿命。
附图说明
[图1]这是本发明第1种实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件的截面结构图。
[图2]这是本发明第1种实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件在不工作时的能量带示意图。
[图3]这是本发明第1种实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件在工作时的能量带示意图。
[图4]这是本发明第2种实施形态(实施例1)中的直流驱动无机电致发光组件的截面结构图。
[图5]这是本发明的实施例1中的直流驱动无机电致发光组件的等效电路。
[图6]这是本发明的实施例4中的直流驱动无机电致发光组件的等效电路。
[图7]这是本发明的实施例1中的直流驱动无机电致发光组件的代表性外加电压-发光亮度特性关系图。
[图8]这是本发明的实施例1中的直流驱动无机电致发光组件的发光光谱图。
[图9]这是本发明的实施例2中的直流驱动无机电致发光组件的截面结构图。
[图10]这是本发明的实施例3中的直流驱动无机电致发光组件的截面结构图。
[图11]这是本发明的实施例4中的直流驱动无机电致发光组件的截面结构图。
[图12]这是本发明的实施例4中的直流驱动无机电致发光组件的代表性外加电压-发光亮度特性关系图。
[图13]这是本发明的实施例4中的直流驱动无机电致发光组件的发光光谱图。
[图14]这是已经实用化的过去的交流驱动薄膜EL组件的截面结构图。
[图15]这是过去的直流驱动薄膜EL组件的截面结构图。
其中：
1a～1e，无机电致发光组件
2a～2e，无机电致发光组件的发光装置
3，玻璃基板
4，下部透明电极
5，荧光体层
6，6a，6b，上部背面电极
7，加速层(N型半导体层)
8，P型半导体层
9，P型半导体层
10，直流电源
11，发光
12，阴极(Cathode)
13，阳极(Anode)
14，电子
15，发光中心
16，下部金属电极
17，上部透明电极
21，玻璃基板
22，下部透明电极
23，荧光体层
24，上部背面电极
25，绝缘层
26，交流电源
27，稳定化层
28，直流电源
29，注入层
30，分散电阻层
具体实施方式
以下将参考图1说明本发明中的直流驱动无机电致发光组件及发光方法的第1种实施形态。
图1所示是该实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件的结构图。在图1中，无机电致发光组件2a中配置了设置在玻璃基板3上的无机电致发光组件1a和与之连接的直流电源10。
直流驱动无机电致发光组件1a由设置在玻璃基板3上的下部阳极13、设置在该下部阳极13上面的荧光体层5、在该荧光体层5上面构成的加速层7(N型半导体层)、P型半导体层8、N型半导体层9以及在该N型半导体层9上面形成的上部阴极12构成。
另外，在无机电致发光组件1a的下部阳极13和上部阴极12上连接直流电源10，并在下部阳极13和上部阴极12上分别连接直流电源10的负极和正极。
图1所示的无机电致发光组件1a中，在该电致发光组件内部，拥有由加速层7、P型半导体层8和N型半导体层9结成的NPN结这样的结构，并在其下部，通过蒸镀荧光体物质形成荧光体层5，最终制成电致发光组件。利用这种结构，只要在直流电源10正极侧的N型半导体层9与P型半导体层8所结成的PN结上外加顺向电压，即可通过N型半导体层9，从上部阴极12向P型半导体层8内部注入电子。另外，通过在P型半导体层8与N型半导体即加速层7所形成的PN结上施加反向偏压，利用分布在该PN结上的空间电荷层的电场，可加速电子，使电子撞击荧光体层5的发光中心或荧光体，从而可获得发光11。
本申请中的发明，通过探讨向荧光体物质中注入电子的方法和加速电子的方法，可提供拥有全新结构的发光组件。
无机电致发光组件1a的结构如图1所示，在形成下部阳极13的玻璃基板3上蒸镀100nm～10μm的荧光体，构成荧光体层5。在该镀膜上面，再追加与荧光体层5的荧光体属同一母体物质的纯母体材料形成N型半导体加速层7，该加速层厚度为100nm～10μm。
然后再蒸镀10nm～1μm的P型半导体物质形成P型半导体层8，与加速层7的母体材料之间构成PN结。接着在这上面蒸镀100nm～10μm的N型半导体物质形成N型半导体层9，这样加速层7、P型半导体层8和N型半导体层9共同构成NPN型结构。最后真空蒸镀上部阴极12，即制成无机电致发光组件1a。以上就是本发明申请的基本实施形态。
一般情况下，作为化合物半导体的荧光体物质，在形成薄膜时，都会发现其具有N型半导体的性质，因此，与荧光体同一母体的薄膜，形成后一般都可成为N型半导体。结果，接下来蒸镀的位于上面的P型半导体层8与N型母体薄膜(加速层7)之间可形成PN结。
只要在该PN结上反向施加偏压，即可在该加速层7和P型半导体层8内部分布空间电荷层。在该状态下，如果注入电子，利用内部空间电荷层的电场对电子进行加速，使电子与荧光体层5内部所含发光中心发生碰撞，即可获得发光11。
这里，向空间电荷层注入电子的方法，就是在上述P型半导体层8与位于其上面的N型半导体层9之间形成的PN结上外加顺向电压，将产生顺向电流，于是即可向P型半导体层8内注入电子。该电子将在P型半导体层8内部扩散，结果，即可向带反向偏压的空间电荷层内部的电场内注入电子。然后，电子在内部电场内被加速，与荧光体层5的发光中心碰撞，从而导致激发发光。在上部阴极12施加负电位电压，在下部阳极13施加正电位电压，即可获得发光。
关于PN结，过去以来已经有很多研究。在直流EL组件中积极利用PN结的特性，使之能产生定常动作，就是本发明的实质。
利用本发明，可获得稳定、长寿命的发光，而且发光效率比过去的方法提高了十倍以上，可获得稳定、明亮的发光。
图2所示是本实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件1a在未施加外加电压状态时的能量带示意图。图的左侧为阴极(Cathode)12，右侧为阳极(Anode)13，在两极之间是由包含发光中心15的荧光体层5、加速层7、P型半导体层8和N型半导体层9构成的结构。由于外部施加的外加电压为0，因此整体的费米能级EF是一定的，电子14处于热平衡状态。
图3是本实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件1a在工作时的能量带示意图。图的左侧是阴极(Cathode)12，右侧是阳极(Anode)13，无机电致发光组件1a从整体看，该半导体呈NPN型结构。阴极侧的N型半导体层9与紧邻的P型半导体层8形成PN结，而外加电压VB，将形成顺向偏压。利用该顺向电流，从阴极12的电子14将通过N型半导体层9向P型半导体层8内注入，并在P型半导体层8内扩散。结果，利用电场的平衡可适当限制注入到与之相邻的N型半导体即加速层7内的电子14的量，从而可将它控制在发光所必需的量。
另外，对于接下来的PN结部分(P型半导体层8及加速层7)，外部电压为反向偏压，外部电压VB的大部分将分配在该部分。结果，在该PN结部分会分布空间电荷层。通过P型半导体层8注入的电子14，在该空间电荷层内被加速，将生成热电子。这些获得很高能量的电子14，与位于荧光体层5内的发光中心15碰撞，激发发光中心而获得发光11。这就是直流发光的机理。
图3的VNP定性地表示外部电压分配在N型半导体层9与P型半导体层8之间的电压；而VPN则表示外部电压分配在P型半导体层8与N型半导体即加速层7之间的电压。
这样一来，外部施加的电场能量的大部分将会施加在空间电荷层，因此可高效地向电子14传递能量，从而提高发光效率。
本实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件，是一种在半导体固体物质中实现显像管发光机构的组件，是实现电子14的注入、加速、碰撞、发光中心的激发、发光等一系列过程的组件。
以下将参考图4说明作为本发明实用结构的第2种实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件、采用该组件的发光装置和发光方法。
在图4所示的本实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件1b以及采用该无机电致发光组件的无机发光装置2b中，首先在玻璃基板3上制作下部透明电极4。这是具有导电性的电极，为了让光透射到外部，必须将上部或下部电极中的一方制成透明的。作为构成该下部透明电极4的材料，可考虑ITO、ZnO、AZO、TiO2、SnO2、In2O3、ZnSnO3、AgInO2、Zn2In2O5、Zn2Ga2O4等材料。这些材料本身都是已知材料，任何一种作为构成透明电极的材料，在本发明申请提交时已是众所周知的事实，因此在本申请的实施形态中，认为不需要分别用这些材料进行制作并验证其效果，因此没有分别实施制作和验证。
其次，作为N型半导体层9，当制成薄膜时，是一种N型半导体，当蒸镀了无机化合物时，可认为是一种具有N型半导体性质的结构。具体而言，就是用Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd等氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或这些化合物的混合物，例如ZnO、BaO、SrO、CdO、In2O3、Ga2O、SnO2、TiO、ZnS、BaS、SrS、CdS、GdIn2O4、GaInO3、ZnSnO3、InP、GaP、AlP、InN、AlN、GaN、SrSe、ZnSe、GaAlS、MgAl2S4、MgGa2S4、SrAl2S4、SrGa2S4、BaAl2S4、BaIn2S4等材料制成薄膜。另外，这里的N型半导体层9的材料与上述透明电极所使用的材料相似，因此，也可将这部分兼做透明电极的结构。这些N型半导体层9的材料，在本发明申请提交时已是众所周知的材料，因此在本申请的实施形态中，认为不需要分别用这些材料进行制作并验证其效果，因此没有分别实施制作和验证。
另外，位于NPN型层中间的P型半导体层8，是一种用Ni、Mn、Cr、Co、Cu、Ag、La、Pr、Al、Ga、Sr、Ba、Sn等物质的氧化物、硫化物、硒化物或这些物质的混合物制成薄膜时具有P型性质的半导体。例如，NiO、NiO:Li、MnO、Cr2O3、CoO、Ag2O、Pr2O3、SnO、Cu2O、CuInO2、SrCu2O2、CuAlO2、BaCu2O2、CuGaO2、LaCuOS、LaCuOSe等物质都可使用。另外，在ZnO等化合物半导体中掺入氮元素(N)等杂质，使之P型化后也可使用。这些P型半导体层8的材料，在本发明申请提交时已是众所周知的材料，因此在本申请的实施形态中，认为不需要分别用这些材料进行制作并验证其效果，因此没有分别实施制作和验证。
接下来的N型半导体即加速层7是与荧光体层5相关的部分，采用与荧光体层5相同的母体材料。利用该部分可形成用来加速电子的加速层7。作为上述N型半导体层9的材料，可使用所列举的物质。具体而言，蒸镀无机化合物时，可使用具有N型半导体特征的物质即Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd等物质的氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或者这些物质的混合物，例如ZnO、BaO、SrO、CdO、In2O3、Ga2O、SnO2、TiO、ZnS、BaS、SrS、CdS、GdIn2O4、GaInO3、ZnSnO3、InP、GaP、AlP、InN、AlN、GaN、SrSe、ZnSe、GaAlS、MgAl2S4、MgGa2S4、SrAl2S4、SrGa2S4、BaAl2S4、BaIn2S4等。本申请未用这些物质进行验证，具体理由如前所述。
该加速层7是用来高效加速通过P型半导体层8注入的电子14的，因此必须尽可能将它制成缺陷少、结晶性良好的N型半导体薄膜。该部分将作为电子14的加速层来发挥作用，即通过上述P型半导体层8与该N型半导体层(加速层7)之间形成的内部电场，高效加速通过P型半导体层8注入的电子14，从而向电子传递较大的能量。
其次，荧光体层5在与加速用的N型半导体(加速层7)相同的物质中以细微的形态分散掺入了荧光体或发光中心15。作为荧光体或发光中心的例子，可列举ZnS:Mn、ZnS:Tb、Zn S:Sm、ZnS:Pr、ZnS:Dy、ZnS:Eu、ZnS:Cu、Cl、Zn S:Ag、Cl、Zn S:Pr、Ir、Sr S:Ce、SrS:Mn、ZnF:Gd、ZnO:Zn、ZnO:Sm、ZnO:Pr、ZnO:Dy、ZnO:Eu、Y2O3:Eu、Y2O3:Mn、GaO3:Eu、Ga2O3:Mn、Y2GeO5:Mn、CaGa2O4:Mn、Zn2SiO4:Mn、BaAl2S4:Eu、SrGa2S4:Ce、ZnMgS:Mn、GaS:Eu、TbF3、SmF3、PrF3、MnF3等荧光体物质。作为荧光体层，在N型半导体中分散有这些发光中心或荧光体。这些只是部分例子，并不限于这里列举的荧光体，为了获得所需要的发光色，也可使用其它的荧光体。另外，在上述荧光体的分子式中，冒号(：)左侧的物质为结晶母体(母体材料)，右侧的物质为活化剂。
最后，作为设置在上部的上部背面电极6，蒸镀Al、Au、Cu、Ag、Ni、Pt等金属后，即制成无机电致发光组件1b。
此时，若要将无机电致发光组件1b整体做成透明组件，只要将上部背面电极6的物质用透明物质ITO、ZnO、AZO、Zn2In2O5、In2O3、TiO2、SnO2等替代金属物质即可；若要制成高对比度的组件，则可蒸镀Mo、Ta、Ti等物质的氧化物，并将上部背面电极6最后加工成黑色电极即可。
在这样制成的无机电致发光组件1b的上部背面电极6上施加正电位，并在其下部透明电极4上施加负电位，即可从荧光体层5获得发光。
本发明所提供的直流驱动无机电致发光组件及其发光方法，由于采用直流电源激发得到发光，激发装置变得更简单，就可以降低显示器装置等整体的生产价格。
另外，无机电致发光组件整体由固体构成，抗机械性外力强度很高。而且该无机电致发光组件全部由无机物构成，与有机E L组件相比，即使周围温度很高也能正常工作。
因为没有使用昂贵的材料，所以可将材料费控制在较低水平，而且无机电致发光组件的生产中不需要任何特殊装置和特别技术，生产设备也较便宜，用现有的生产技术就能制成。
该自发光型无机电致发光组件整体厚度仅数十μm，不仅可制作成很薄的显示装置，而且作为显示装置使用时，像液晶一样，不需要背景光、偏光板等，不仅结构简单，而且在价格上也比较有利。
因为发光原理是碰撞激发型无机E L组件，因此通过改变发光中心或荧光体物质，就可适当调整发光颜色。
如上所述，本发明的无机电致发光组件拥有多项优点，将来不仅可用于显示器装置，而且还可用于照明等，特别是作为平面光源存在潜在应用前景。
如上述说明的那样，本实施形态所对应的无机电致发光组件，通过在无机电致发光组件内部引进半导体的NPN结构，可提供能用直流电源激发、发光效率很高的自发光组件。
另外，目前有许多现有的自发光荧光体可用作其发光材料，可根据需要自由控制发光颜色。
下面，将参考图5、图6及图11，说明本发明的第3种实施形态对应的直流驱动无机电致发光组件。本发明所提供的无机电致发光组件，利用从外部施加的电场，在加速层内部让电子加速后使之与发光中心碰撞，从而获得发光。
由阴极侧提供的电子，通过内部电场在阳极侧被加速，获得发光所必需的能量后与发光中心碰撞，产生激发作用而发光。
如上所述，无机电致发光组件利用外部施加给内部的电场使电子加速，并使之与发光中心碰撞。施加的外加电压越大，电子获得的能量越大，向外部发出的光也越强。为此，必须施加更高的外加电压。
然而，该无机电致发光组件的荧光体层采用半导体材料，形成NPN型的内部结构，因此随着外加电压的升高，达到某个临界电压时，会突然开始出现电流，而且该电流会随着外加电压的增大而增大。换言之，它对电压的变动非常敏感，流过内部的电流会出现很大的变化。
另外，在制作无机电致发光组件时，一般使用喷涂装置或蒸镀装置等，构成薄膜化的组件结构。因此，在制造过程中，薄膜中出现膜厚不均、有杂质等缺陷的可能性很高，而且局部还会出现尖凸部分。在这种状态下，如果附上电极并施加较高的外加电压时，对电冲击较弱的部分将首先破坏，并从该部分开始产生连锁反应，致使破坏部分逐渐扩大。特别是电压激发型的无机EL组件出现这种可能性更高。
薄膜型无机电致发光组件的第1个缺点是，在制作组件时，尤其是制作面积较大的组件时，组件中央部分和边缘部分的膜厚很容易产生差异。特别是电压激发型组件，膜厚差异对内部电场强度具有很大的影响，从而对发光强度也会产生很大的影响。
其次，第2个问题是，电压激发型的这种电致发光组件还具有如下性质：金属电极或具有导电性的透明电极的端部，特别是尖端部分容易产生电场集中，这部分的绝缘很容易被破坏。
这些现象对电压激发型组件而言都是不利现象，表现为发光亮度不均匀。这种现象是物理上的基本问题，是无法避免的现象，另外，随着外加电压的增高，这部分还容易产生破坏。
第1个膜厚问题通过生产装置可在一定程度上进行改进，但第2个问题毕竟是物理上的基本现象，彻底消除该问题异常困难。
作为第3个问题，实质上是在制作内部化合物半导体或绝缘物等过程中，由于需要使用真空蒸镀装置或喷涂装置来实现薄膜化，因此在薄膜中含有杂质或缺陷的可能性很高。另外，有时还会出现局部尖凸部分。
在这种状态下如果附上电极并施加较高的外加电压时，对电冲击较弱的部分将首先破坏，并从该部分开始产生连锁反应，致使破坏部分逐渐扩大。
另外，在这些杂质或尖凸部分所造成的缺陷处，外加电压所产生的电场很容易集中，产生局部高电场区域。因此就会产生局部很亮部分和局部很暗部分。亮度的不均匀对面光源而言并不是好事。与此同时，这部分容易成为抗电冲击能力较弱的部分，导致组件的破坏电压下降。
无机电致发光组件的场合，为了使它大面积发光而施加电压时，膜厚较薄的部分、含杂质等缺陷部分会比其它部分更早地出现破坏，该部分的破坏又会向其它部分扩展。
像这样首先在较弱的部分产生的局部破坏，具有通过连锁反应向其它部分扩展的倾向，因此一旦开始出现破坏，就会导致整个组件的毁灭性破坏，进入无法再启动的状态。
换言之，整个组件的破坏电压，是由这种局部最低破坏电压决定的。
如果用等效电路说明这种状态，可表示为最基本的面发光无机电致发光组件相对激发电源有多个电致发光单元部分并联的状态，即如图5所示的状态。
这与齐纳二极管并联成一列的状态相同。在该状态下，如果哪一部分的齐纳电压Vz较低时，电流就会集中在该部分，从而导致组件的破坏。
并联排列的电致发光单元部分，与局部的部分相比，当然整体的均匀性比局部差。但是外部施加的外加电压对并联的各部分都施加相同的电压，随着外加电压的增加，齐纳电压相对较低的部分(与图5所示的Vz3相当的部分)，将会开始出现电流的集中。结果，相对较弱的部分就会发热，由于半导体的性质，这会导致更多电流集中到这里。最终，会从该部分开始破坏。
为此，为了避免该问题，在本发明的第3种实施形态对应的直流驱动无机电致发光组件中，为了让电流分散在电致发光单元部分(荧光体层5及NPN型半导体部分(7～9))与电极之间，即为了让电场均匀地分布在宽广的面上，如图11所示，在阴极与电致发光单元之间插入了电阻层。以下将该电阻层称为分散电阻层30。这里虽然插入到阴极侧，但插入阳极侧也有同样的效果。
当局部产生电流集中时，在该分散电阻层30上的电压降就会变大，外加电压分配到该局部的电致发光单元部分的电压将会降低。结果，面积很大的无机电致发光组件内部不均匀部分的电压集中就会减轻，就相当于在整个组件上施加了相对均匀的外加电压。
如果定性地用等效电路来说明，则如图6所示，利用与电致发光单元部分串联的电阻群，使得来自电源的外加电压，根据各种特性的缺陷或不均匀程度得到了重新分配。该电阻群就相当于分散电阻层30，这也正是设置本实施形态所对应的直流驱动无机电致发光组件的分散电阻层30的目的。
本申请的实施形态对应的直流驱动无机电致发光组件虽然是利用喷涂装置、EB蒸镀装置等制成的薄膜组件，但是要制造完全没有膜厚差异，电气特性均匀的组件在技术上几乎是不可能的。
如果将这种存在差异的二极管并联后进行激发，会产生局部集中，使用半导体的场合，则会导致部分电流集中。其结果会产生局部加热，引起热失控，并最终导致破坏。对无机电致发光组件而言，局部破坏会向整体扩展，最终会导致整个组件丧失功能。
为解决该问题，如上述图11所示，通过串联插入分散电阻层30而构成该实施形态。利用该分散电阻层30，可防止电流的集中，从而可稳定地激发无机电致发光组件。
当局部产生较大的电流时，在该分散电阻层30上的电压降就会变大，外加电压分配到该局部的电致发光单元部分的电压会降低，从而起到保护作用。因此，分散电阻层的电阻值越大越好，但由于是以薄膜形式构成的，因蒸镀条件等因素，会受到一定的条件限制。如果薄膜太厚，薄膜容易脱落，薄膜本身会变得不稳定。
为了以尽可能小的膜厚获得一定的电阻值，必须插入接近绝缘物质的高电阻率物质，以获得较大的电阻值。为此，在这里可使用TaN、SiO2、Al2O3等。这些材料在一定条件下制作时，就可制作成电阻组件，因此用它们作为分散电阻的材料。
只要是具有作为电子组件性质的物质，都是可以使用的材料，因此，Ta、Hf、Ti、Nd、Mo、Zn、Sn、Si、Al、B的氧化物、氮化物或这些物质的混合物都是可使用的物质。例如，TaN、SiO2:Pd、Al2O3:Zn、AlN、BN、BO、MoO、Hf2O5、Ti2O3或Ta2O5的阳极氧化膜、厚膜型电子材料等，都可作为分散电阻层30来使用。
通过将这些物质导入分散电阻层30，将减少因组件发热对发光造成的影响，与此同时，还可获得稳定、均匀的发光。
对于无机电致发光组件而言，发光强度与流经荧光体层的电流成正比，利用分散电阻层30的作用，使电流适当分散，可使组件的发光调节得更均匀。
以下将通过实施例1至实施例4来说明本申请的发明人实际制作的无机电致发光组件以及采用该组件的发光装置和发光方法。
实施例1
关于本发明的实施例1所对应的直流驱动无机电致发光组件1b、采用无机电致发光组件的发光装置2b以及使用无机电致发光组件1b的发光方法，将参考此前已说明的图4来进行说明。
如图4所示，在无机电致发光组件1b的下部透明电极4的带ITO的玻璃基板3上，用ZnO层形成N型半导体层9。该层是使用Zn金属，用活性喷涂法，在氩气和微量氧气的环境中制成的。
接下来的P型半导体层8，是利用Cu和Al两种金属作为目标物质，在氩气和微量氧气的环境中用活性喷涂法形成的CuAlO2层。
加速层7即N型半导体层，使用电子束蒸镀法(以下称为EB法)蒸镀纯ZnS的烧结粉末而制成的。在蒸镀过程中，作为发光中心，同时从另一个蒸镀源蒸镀TbF3粉末。在部分ZnS层中分散混入发光中心TbF3，并将这部分作为荧光体层5使用。然后在最上面真空蒸镀Al金属，作为上部背面电极6。
对于采用所述过程制作的无机电致发光组件1b的无机电致发光装置2b，在Al电极(上部背面电极6)上施加正电压，在下部ITO电极(下部透明电极4)上施加负电压，电压达到30V左右时即可获得绿色的发光。
图7所示是从实施例1所对应的直流驱动无机电致发光组件1b得到的直流外加电压与发光强度(发光亮度)的特性。
关于该特性，我们用稳压电源在本发明的实施例1所对应的直流驱动无机发光组件上施加直流电压的条件下，用株式会社Topcon Techno House生产的亮度计(SR-3)对其发光进行了测量。
随着构成无机电致发光组件的材料、成分、各层膜厚的不同，开始发光的电压、最大发光强度也随之变化，图7表示了本发明的实施例1所对应的无机电致发光组件的代表性特性。
另外，图8所示为发光的光谱图。构成该无机电致发光组件1b的荧光体层5的母体材料是ZnS，从分散混入其中的TbF3所发出的光，在540～550nm附近显示出很强的峰值。
实施例2
其次，关于本发明的实施例2所对应的直流驱动无机电致发光组件1d、采用无机电致发光组件的无机发光装置2d以及使用无机电致发光组件1d的发光方法，将参考此前已说明的图9来进行说明。本实施例所对应的无机电致发光组件1d是一种被称为顶部发光型的组件。
如图9所示，本实施例所对应的直流驱动无机电致发光组件1d，是在石英玻璃基板3上，用Ti金属作为目标物质，使用DC喷涂法制成下部金属电极16。
这里，因为必须对荧光体进行高温处理，因此使用了高熔点物质Ti，但其它物质如W、Mo、Ta、Pt、Ir、Pd等也可使用。
接下来，以Zn金属作为目标物质，在氩气和微量氧气环境中用活性喷涂法，制作形成ZnO材质的N型半导体层9。
在此之上，作为P型半导体层8，用NiO和Li2O的烧结粉末作为目标物质，在氩气和微量氧气的混合气体环境中，使用RF磁控管喷涂法制作NiO:Li薄膜。
关于N型半导体加速层7和荧光体层5，则准备了ZnS和ZnS:TbF3的烧结粉末两种物质，首先用EB法和ZnS的粉末蒸镀纯ZnS组成的薄膜作为加速层7。该工序后，再切换为ZnS:TbF3制作荧光体层5。蒸镀结束后时，将真空槽内抽成高真空，在400℃温度条件下进行10分钟的热处理。
最后，用Zn O和Al2O3的烧结粉末作为目标物质，在微量氧气环境中，作为上部透明电极17，用RF磁控管喷涂法制成ZnO:Al组成的薄膜，至此完成了顶部发光型无机EL组件1d的制作。
对于采用按照上述过程制作的无机电致发光组件1d的无机发光装置2d，为了从上部获得所发出的光，其背部电极(上部透明电极17)必须是透明的。将40V左右的直流电压反向加在下部金属电极16上，并正向加在上部透明电极17上，即可从发光中心TbF3得到绿色的发光。
实施例3
关于本发明的实施例3所对应的直流驱动无机电致发光组件1c、采用该无机电致发光组件的无机发光装置2c以及使用无机电致发光组件1c的发光方法，将参考此前已说明的图10来进行说明。
二者的电极都是金属时，为了让内部的发光照射到外部，如图10所示，必须制作成横向的无机电致发光组件1c。
首先在玻璃基板3上使用金属Zn作为目标物质，在Ar和O2的混合气体环境中用RF磁控管喷涂法制成ZnO材质的薄膜作为N型半导体层9。
然后作为P型半导体层8，用SrO和Cu2O两种烧结粉末作为目标物质，用EB蒸镀法制成SrCu2O2膜。注入层(将与上部背面电极6b相连的部分(符号29)特别称作注入层)和加速层7的部分，则使用纯ZnS粉末和EB法来制作。荧光体层5的一部分用金属材质的屏蔽层覆盖，局部用ZnS:Mn粉末作为目标物质，采用E B法蒸镀形成薄膜。
在该膜上面，作为上部背面电极6a、6b，用电阻加热蒸镀法在2处蒸镀Al。在该无机电致发光组件1c中，存在ZnS:Mn荧光体层5薄膜的一侧为正极，与纯ZnS膜相连的一侧为负极。向采用无机电致发光组件1c的无机发光装置2c施加100V左右的外加直流电压，可从该组件获得橙色的发光。
实施例4
关于本发明的实施例4所对应的直流驱动无机电致发光组件1e、采用该无机电致发光组件的无机发光装置2e以及使用无机电致发光组件1e的发光方法，将参考此前已说明的图11至图13来进行说明。
本实施例所对应的无机电致发光组件1e，虽然与实施例2的无机电致发光组件1d一样，都是顶部发光型组件，但该组件采用在内部设置分散电阻层30的结构。
首先，在玻璃基板上用金属Ta作为目标物质，在氩气环境中用喷涂法制作薄膜形成下部金属电极16。
另外，在该喷涂中途导入氮气，在Ta电极表面形成TaN薄膜。该薄膜将作为分散电阻层30发挥作用。
然后，以金属Zn作为目标物质，在氩气和微量氧气环境中用喷涂法，制作形成ZnO材质的N型半导体层9。
接着，在该薄膜上面，作为P型半导体8，与实施例1一样，利用Cu和Al两种金属目标，在氩气和微量氧气的环境中用活性喷涂法形成的CuAlO2层。
关于N型半导体加速层7和荧光体层5的形成，我们准备了ZnS和ZnS:Mn两种粉末，首先用EB法和ZnS的粉末蒸镀ZnS膜形成加速层7。该工序后，再切换为ZnS:M n制作荧光体层5。
最后，作为上部透明电极17，用电阻加热蒸镀法形成Au的半透明膜，至此完成了顶部发光型无机电致发光组件1e的制作。
在该组件的上部透明电极17上外加正向电压，在下部金属电极16上外加反向电压，即可获得如图12所示的外加电压与发光强度的关系。
此时的发光颜色为从Mn发出的光，如图13所示，可获得在峰值位于570～600nm附近、橙色色调的发光。
另外，在上述4种实施例中，作为N型半导体层9，采用了ZnO、ZnS，作为P型半导体层8，采用了CuAlO2、NiO:Li、SrCu2O2，作为加速层7即N型半导体层，采用了ZnS。
这些仅是此前叙述的所有材料(物质)中的一部分，此前叙述的材料(物质)每种都是已知的材料(物质)，即使这些材料组合实施制作和验证，也应该完全成立。
产业应用的可能性
正如以上说明的那样，本发明的权利要求1至权利要求7中所记述的发明，作为直流驱动无机电致发光组件和发光方法，包括液晶的背景光装置、用于手机、计算机或电视、显示屏中的显示器装置在内，有可能广泛用作各种产业或一般家庭的照明装置。另外，特别值得一提的是，这些采用了长寿命无机物的电致发光组件及发光装置，在要求降低更换频度、工作条件苛刻的产业中可能存在应用前景。

Claims (7)

1.一种直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，是一种在绝缘性玻璃基板上形成的阴极即第1电极(4，6b，12，16)和与该第1电极(4，6b，12，16)相对设置的阳极即第2电极(6，6a，13，17)之间夹入无机物构成的荧光体层(5)而制成的无机电致发光组件(1a-1e)，其特征在于在所述第1电极(4，6b，12，16)即阴极与所述荧光体层(5)之间，具有由无机物半导体材料构成的N型半导体(7，9)与P型半导体(8)结成的NPN型半导体结构(7～9)，在所述第1电极(4，6b，12，16)上依次结成所述NPN型半导体结构(7～9)、所述荧光体层(5)、所述第2电极(6，6a，13，17)。
2.权利要求1所述的直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，其特征在于所述的荧光体层(5)是通过在前述N型半导体材料中分散、混入发光中心或荧光物质并制成膜而形成的。
3.权利要求1或2所述的直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，其特征在于所述的结成的NPN型半导体结构(7～9)中阴极侧的N型半导体(9)的材料是由Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd的氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或这些物质的混合物组成的。
4.权利要求1或2所述的直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，其特征在于所述的位于前述结成的NPN型半导体结构(7～9)中间的P型半导体(8)的材料是由Ni、Mn、Cr、Co、Cu、Ag、La、Pr、Al、Sr、Ga、Ba、Sn的氧化物、硫化物、硒化物或这些物质的混合物组成的。
5.权利要求1或2所述的直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，其特征在于所述的结成的NPN型半导体结构(7～9)中的与荧光体层(5)相邻的N型半导体(7)的材料是由Zn、Ba、Sr、Cd、Ga、Sn、In、Ti、Al、Mg、Gd的氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、硒化物或这些物质的混合物组成的。
6.权利要求1或2所述的直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)，其特征在于所述的第1电极(16)和第2电极(17)之间，设置有以电阻材料作为薄膜的分散电阻层30，其中所述的电阻材料含有由Ta、Hf、Ti、Nd、Mo、Sn、Zn、Si、Al、B中至少一种元素组成的无机化合物。
7.一种直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)的发光方法，其特征在于是在前述直流驱动无机电致发光组件(1a～1e)的内部，利用第1及第2个N型半导体(7，9)及P型半导体(8)结成NPN型的三层结构(7～9)，通过在该NPN型三层结构(7～9)中，在位于阴极侧的前述第1个N型半导体(9)与P型半导体(8)结成的PN结上施加顺向电压，向前述P型半导体(8)内注入电子，同时在前述P型半导体(8)与前述第2个N型半导体(7)结成的PN结上施加反向偏压，在该PN结部分形成空间电荷层，利用该空间电荷层的电场，使通过前述P型半导体(8)注入的电子加速，并加速后的电子与分散混入到与前述第2个N型半导体(7)相邻的荧光体层(5)内的发光中心或荧光物质，从而使之发光。
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