DE3228566C2

DE3228566C2 - Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element

Info

Publication number: DE3228566C2
Application number: DE3228566A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Endo; Kinichi Yamatokoriyama Nara Isaka; Masashi Nara Kawaguchi; Hiroshi Nara Kishishita
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1986-10-16
Also published as: GB2104726A; US4594282A; JPS6240836B2; DE3228566A1; JPS5823191A; GB2104726B

Abstract

Ein Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element umfaßt eine elektrolumineszente Dünnschicht, eine erste und eine zweite dielektrische Schicht zum Tragen der Elementenschicht, wobei die erste dielektrische Schicht auf einer glatten Oberfläche und die zweite dielektrische Schicht auf einer unebenen Oberfläche angeordnet ist und die erste dielektrische Schicht dicker ist als die zweite dielektrische Schicht, so daß die dielektrischen Eigenschaften des Elementes sichergestellt sind, und auf den dielektrischen Schichten angeordnete erste bzw. zweite Elektroden.

Description

erfüllen, wobei d\ die Dicke der ersten dielektrischen Schicht (8) und dl die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht (9) ist

3. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke von erster und zweiter dielektrischer Schicht (8 und 9) gleich oder kleiner als etwa 400 nm ist

4. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten dielektrischen Schicht (8) etwa 22 nm ist.

5. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht (9) etwa 180 nm ist

6. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise beide, der beiden dielektrischen Schichten (8 und 9) eine Doppelschicht ist.

7. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschicht eine SK^-Schicht und eine SiaN^Schicht oder eine Si3N4-Schicht und eine A^Oa-Schicht umfaßt.

Die Erfindung betrifft ein Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element mit einer Elektrolumineszenzschicht, die von einer ersten und einer zweiten dielektrischen Schicht umgeben ist, die sich auf einer glatten bzw. auf einer unebenen Oberfläche der Elektrolumineszenzschicht befinden und auf denen eine erste bzw. eine zweite Elektrode angeordnet sind.

Der Begriff Elektrolumineszenz wird im folgenden mit »EL« abgekürzt.

Ein derartiges EL-Element ist aus der DE-OS 12 592 und aus dem Buch »Electroluminescence« von J. I. Pankove, Springer-Verlag, 1977, Seiten 199 und 200, bekannt und in der F i g. 1 dargestellt.

Das bekannte EL-Element weist ein erstes transparentes Glassubstrat 1 auf, eine hierauf gebildete transparente Elektrode 2 aus Ιη2θ2, SnOj oder dergleichen, eine erste dielektrische Schicht 3 aus Y2O3, ΤΪΟ2, S13N4, S1O2 oder dergleichen, eine EL-Dünnschicht 4 aus ZnS : Mn und eine zweite dielektrische Schicht 5. die aus einem ähnlichen Material wie die erste dielektrische Schicht 3 besteht und gleiche Dicke wie die erste dielektrische Schicht 3 aufweist Eine Gegenelektrode 6 besteht aus Al und ist auf der zweiten dielektrischen Schicht 5 mittels Aufdampfungsmethoden aufgebracht. Die erste dielektrische Schicht 3 ist durch Zerstäubungoder Elektronenstrahlbündel-Verdampfungsmethoden erzeugt worden. Die EL-Dünnschicht 4 ist aus einer ZnS-Dünnschicht hergestellt, die mit Mangan in gewünschter Menge dotiert ist

Zur Aktivierung der EL-Dünnschicht 4 wird an die transparente Elektrode 2 und die Gegenelektrode 6 ein elektrisches Wechselfeld von einer Wechselstromquelle 7 angelegt

Die EL-Dünnschicht 4 wird hergestellt indem eine gesinterte ZnS-Tablette, dotiert mit Mn in einer bevorzugten Menge, mittels eines Elektronenstrahlbündels verdampft wird und indem sie dann in Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Mn dient als Lumineszenzzentrum in der EL-Dünnschicht 4. Das oben beschriebene EL-Element zeichnet sich dadurch aus, daß in die EL-Dünnschicht 4 nicht ein Leitungsstrom fließt sondern daß in der Dünnschicht 4 ein Verschiebungsstrom in Form einer Drift von freien Elektronen fließt, um Elektrolumineszenz von der Schicht 4 zu emittieren. Die dielektrischen Eigenschaften der ersten dielektrischen Schicht 3 und der zweiten dielektrischen Schicht 5, welche die Schicht 4 umgeben, sind sehr kritisch für die Zuverlässigkeit des EL-Elementes. Die dielektrischen Eigenschaften müssen dafür geeignet sein, einer hohen angelegten Spannung zu widerstehen.

Die beiden dielektrischen Schichten 3 und 5, zwischen welche die EL-Schicht 4 eingebettet ist, sollen sicherstellen, daß das EL-Element ohne Spannungsdurchbruch mit derart hoher Spannung betrieben werden kann, daß über der EL-Dünnschicht eine für das Auftreten von Lumineszenz ausreichende Feldstärke auftritt.

Die dielektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schichten, d. h„ die mit ihnen erreichbare Spannungsfestigkeit des EL-Elementes hängen von dem Material der dielektrischen Schichten und von deren Dicke ab. Hinsichtlich des Materials ist man im allgemeinen ziemlich festgelegt, um Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Reinheit sowie der Verträglichkeit mit und der Haftfestigkeit auf den restlichen Schichten des EL-Elementes zu erfüllen. Wenn man die dielektrische Festigkeit dieser Schichten erhöhen will, macht man sie daher dicker. Dies führt aber wiederum dazu, daß man eine höhere Betriebsspannung für das EL-Element benötigt. Mit zunehmender Dicke der dielektrischen Schichten wird jedoch die Helligkeit des EL-Elementes schlechter.

wie in F i g. 2 gezeigt ist. Dabei gehört die Kurve A zu einem EL-Element, bei dem die Dicke der dielektrischen Schichten geringer ist als bei dem zur Kurve h gehörenden EL-Element. Bei dem EL-Element mit den dünneren dielektrischen Schichten ergibt sich bei einer bestimmten Betriebsspannung nicht nur eine größere Lumineszenzhelligkeit sondern die Helligkeitszunahme mit zunehmender Betriebsspannung ist bei dem F.L-Elemcnt mit den dünneren dielektrischen Schichten auch größer als bei dem EL-Element mit den dickeren dielektrischen Schichten.

Um eine Erhöhung der Lumineszenzhelligkeit zu erreichen, müßte man also die Dicke der dielektrischen Schichten 3 und 5 verringern. Dann wäre aber die erfor-

dcrliche Spannungsfestigkeit des EL-Elementes nicht mehr sichergestellt.

Der l-rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element hinsichtlich seines ElektrolumineszenzverhaJtens zu verbessern, ohne seine dielektrischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, die erste dielektrische Schicht dicker zu machen als die zweite dielektrische Schicht

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nicht beide dielektrischen Schichten gleichermaßen an der insgesamt erreichten dielektrischen Festigkeit beteiligt sind, sondern daß diese dielektrische Festigkeit zum größten Teil von derjenigen dielektrischen Schicht bestimmt wird, die sich auf einer glatten Oberfläche befindet, während die andere dielektrische Schicht, die auf eine relativ unebene Schicht, nämlich die EL-Dünnschicht, aufgebracht ist, wesentlich weniger zur dielektrischen Festigkeit des EL-Elementes beiträgt

Die Oberfläche der transparenten Elektrode 2 ist sehr glatt, weil sie auf der sehr glatten Oberfläche des transparenten Glassubstrates 1 gebildet ist und eine geringe Dicke aufweist. Die EL-Dünnschicht 4 dagegen ist auf mehreren Schichten gebildet, so daß der Oberflächenzustand der EL-Dünnschicht 4 von den Oberflächenzuständen aller dieser Schichten insgesamt abhängt Ferner umfaßt die EL-Dünnschicht 4 eine polykristalline Schicht mit großen Korngrößen in einer großen Dicke und weist eine Vielzahl von Nadellöchern auf, die zu großer Unebenheit führen. Die Oberfläche der EL-Dünnschicht 4 ist daher nicht glatt, sondern zerklüftet. Wenn die dielektrischen Schichten 3 und 5 unter denselben Herstellungsbedingungen erzeugt werden, sind daher die dielektrischen Eigenschaften der zweiten dielektrischen Schicht 5 schlechter als diejenigen der ersten dielektrischen Schicht 3.

Geht man von einer bestimmten Gesamtdicke der beiden dielektrischen Schichten des bekannten EL-Elementes aus, kann man nun unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre entweder die Elektrolumineszenzhelligkeit dadurch enorm verbessern, daß man die Gesamtdicke der beiden dielektrischen Schichten verringert und den größeren Anteil an der verringerten Gesamtdicke der beiden dielektrischen Schichten der auf glatter Oberfläche aufgebrachten ersten dielektrischen Schicht zuteilt, und zwar zu Lasten der sich entsprechend verringernden Dicke der zweiten dielektrischen Schicht. Möchte man dagegen die Spannungsfestigkeit des bekannten EL-Elementes erhöhen, ohne dessen Elektrolumineszenzhelligkeit zu verschlechtern, kann man dies unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre einfach dadurch erreichen, daß man den Dikkenanteil der ersten dielektrischen Schicht an der unveränderten Gesamtdicke der beiden dielektrischen Schichten erhöht, unter entsprechender Verringerung der Dicke der zweiten dielektrischen Schicht.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen braucht man nun nicht mehr einen unbefriedigenden Kompromiß zwischen dielektrischer Festigkeit einer-Element mit Speichereffekt bekannt, bei dem eine Elektrolumineszenzschicht zwischen eine Doppel-Isolierschicht auf der einen Seite und eine Einzelisolierschicht auf der anderen Seite eingebettet ist Zum Erhalt des Speichereffektes ist die nicht an die EL-Schicht grenzende Schicht der Doppelisolierschicht in einem Oberflächenbereich durch Ionenimplantation dotiert Die an die EL-Schicht angrenzende Schicht der Doppelisolierschicht hat die Funktion einer Sperre gegenüber den während des Vorgangs der Ionenimplantation auftreffenden Ionen. Die einzelnen Schichten dieses bekannten Speicher-EL-Elementes haben andere Funktionen als die Schichten des erfindungsgemäßen EL-Elementes. Diese Veröffentlichung enthält keine Angaben über die Dicken oder Dickenverhältnisse der einzelnen Schich-

ten.

Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Dünnschicht-EL-Elementes,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Elektrolumineszenzhelligkeit und der Spannung, die an das in F i g. 1 gezeigte Dünnschicht-EL-Element angelegt wird, und

Fig.3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Dünnschicht-EL-Elementes.

F i g. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Dünnschicht-EL-Element. Gleichermaßen wie bei der Struktur nach F i g. 1 ist eine transparente Elektrode 2 aus Ιη2θ3, SnÜ2 etc. mit einer Dicke von etwa 140 nm gebildet Auf der Elektrode 2 ist eine erste dielektrische Schicht 8 mit einer Dicke von etwa 220 nm angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um eine Doppelschicht aus einer SiO2-Schicht und einer Si3N₄-Schicht handelt. Die Schicht 8 ist durch Aufstäuben oder Aufdampfen gebildet

Auf der Schicht 8 ist eine EL-Dünnschicht 4 mit einer Dicke von etwa 600 nm gebildet, und zwar durch Verdampfen eines gesinterten ZnS-Pellets, das mit Mn in einer bevorzugten Menge dotiert ist Das Mn dient als Lumineszenzzentrum in der EL-Dünnschicht 4. Auf der EL-Dünnschicht 4 ist eine zweite dielektrische Schicht 9 mit einer Dicke von etwa 180 nm vorgesehen, bei der es sich vorzugsweise um eine Doppelschicht aus einer Si3N4-Schicht und einer A^Os-Schicht handelt. Eine Gegenelektrode aus Al ist aufgedampft Auf diese Weise wird das EL-Element hergestellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man die dielektrischen Eigenschaften des EL-Elementes verbessern kann, indem man die erste dielektrische Schicht 8 dicker macht. Im Gegensatz dazu kann man die dielektrischen Eigenschaften des EL-Elementes kaum verbessern, indem man die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 9 vergrößert.

Während die Gesamtdicke von erster und zweiter dielektrischer Schicht 8 bzw. 9 gleich oder kleiner ist als ein oberer Grenzwert, vorzugsweise etwa 400 nm, wird die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 8 dicker gemacht, vorzugsweise etwa 220 nm, und wird die Dicke

CAitc \\nd I iiminoc^ianVhAtlicrlfFutOXZfarhaitAn gn^Ar^rcAifc rlor vuioiton riialaUtficokAn C/^hi^kt Ck ,

zu schließen. Mit anderen Worten, man braucht sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre eine Verbesserung in der einen Richtung, beispielsweise hinsichtlich der Lumineszenzhelligkeit, nicht mehr durch eine Verschlechterung in der anderen Richtung, nämlich der Spannungsfestigkeit, zu erkaufen.
Aus JP-Abstract 52-9 387 ist ein Elektrolumineszenzvorzugsweise etwa 180 nm.

Es wurde im Rahmen der Erfindung herausgefunden, daß dh dielektrischen Eigenschaften des EL-Elemenies im wesentlichen von den dielektrischen Eigenschaften der ersten dielektrischen Schicht 8 abhängen, die auf ein Substrat mit glatter Oberfläche geschichtet ist, daß aber die dielektrischen Eigenschaften des EL-Elementes nur

wenig von den dielektrischen Eigenschaften der zweiten dielektrischen Schicht 9 abhängen, die auf ein Substrat mit unebener Oberfläche geschichtet ist

Durch gute dielektrische Eigenschaften der ersten dielektrischen Schicht 8 können daher die dielektrischen Eigenschaften des EL-Elementes verbessert werden, um die Entstehung eines dielektrischen Durchbruchs zu verhindern.

Die erste dielektrische Schicht 8 wird so dick wie möglich gemacht, um die dielektrischen Eigenschaften der Schicht 8 zu verbessern, und die zweite dielektrische Schicht 9 wird so dünn wie möglich gemacht, und zwar im Hinblick auf die Anforderungen hinsichtlich des oberen Grenzwertes, so daß die dielektrischen Eigenschaften des EL-Elementes verbessert werden.

Die zweite dielektrische Schicht 9 sollte eine geeignete Dicke aufweisen, um einen für das Betreiben des EL-Elementes geeigneten Polarisationsaufrechterhaltungseffekt zu schaffen.

Vorzugsweise erfüllen die erste und die zweite dielektrische Schicht 8 bzw.9 folgende Beziehungen:

1 < -JY < ^{3 und} di + dl » 400 nm.

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Dabei bedeuten:

dl: die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 8; d 2: die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 9.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen (

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Claims

Patentansprüche:

1. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element mit einer Elektrolumineszenzschicht (4) die von einer ersten (8) und einer zweiten (9) dielektrischen Schicht umgeben ist, die sich auf einer glatten bzw. auf einer unebenen Oberfläche der Elektrolumineszenzschicht (4) befinden und auf denen eine erste (2) bzw. eine zweite (6) Elektrode angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste dielektrische Schicht (8) dicker ist als die zweite dielektrische Schicht (9).

2. Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dikken der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht (8,9) die Bedingung