DE4042389C2 - Dünnfilm-Elektrolumineszenzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dünnfilm-Elektrolumineszenzvorrichtung, d. h. ein sogenanntes Elektrolumineszenzdisplay (ELD), das eine dünne Elektrolumineszenzschicht zwischen dielektrischen Schichten aufweist gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges Dünnfilm-ELD wird nun anhand von Fig. 1 erläutert. Ein Dünnfilm-ELD mit denselben Merkmalen ist aus der Offenlegungsschrift DE 28 12 592 A1 bekannt. Auf einem Glassubstrat 1 sind streifenförmige transparente Elektroden 2 und eine untere dielektrische Schichtfolge aufgebracht, die aus einem SiO₂-Film 13 und einem SiN- Film 14 besteht. Es folgt eine Lumineszenzschicht 5, die auf der unteren dielektrischen Schichtfolge durch ein Elektronenstrahl- Abscheideverfahren aufgebracht ist. Darüber ist eine obere dielektrische Schichtfolge aus einem Si₃N₄-Film 16 und einem Al₂O₃-Film 17 angeordnet. Streifenförmige Rückelektroden 8 aus Al sind auf der oberen dielektrischen Schichtfolge so ausgebildet, daß sie die unteren durchsichtigen Elektroden 2 kreuzen. Die beiden dielektrischen Schichtfolgen sind durch Sputtern hergestellt. Spannung wird zwischen die transparenten Elektroden 2 und die Rückelektroden 8 angelegt, um die Lumineszenzschicht 5 zur Lichtabgabe durch das Glassubstrat 1 anzuregen. Dünnfilm-ELDs mit ähnlichen Schichtfolgen sind in DE 28 12 592 A1 beschrieben.

Da beim Display gemäß Fig. 1 die obere dielektrische Schichtfolge 16, 17 durchsichtig ist und die Rückelektroden 8 aus Al sind, trifft Licht auf die Rückelektroden und wird von diesen in Richtung zum Glassubstrat 1 reflektiert. Dies verschlechtert den Kontrast. Um diesen Nachteil zu umgehen, wurde versucht, in der oberen dielektrischen Schichtfolge einen Film aus braunem amorphem Silizium (a-Si) einzusetzen. Hierdurch wurde jedoch die Durchschlagsspannung heruntergesetzt, und der Zusammenhang zwischen Helligkeit und Spannung verschlechterte sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dünnfilm-ELD mit verbessertem Kontrast anzugeben.

Beim erfindungsgemäßen Dünnfilm-ELD wird in der oberen dielektrischen Schichtfolge ein a-Si-Film verwendet, der zwischen einem ersten und einem zweiten dielektrischen Film angeordnet ist.

Da der a-Si-Film braun ist, wird in ihm Licht absorbiert, das zu den Rückelektroden gestrahlt wird. Dadurch tritt kein reflektiertes Licht duch das Substrat 1 aus.

Dadurch, daß der amorphe Siliziumfilm zwischen den dielektrischen Filmen liegt, wird ein Erniedrigen der Durchschlagsspannung gegenüber demjenigen Fall vermieden, in dem kein amorpher Siliziumfilm verwendet wird. Die dielektrischen Filme bestehen vorzugsweise aus Si₃N₄ und SiON. Diese Filme lassen sich leicht durch ein Plasma-CVD-Verfahren herstellen.

Der amorphe Siliziumfilm führt aber nicht nur zum Verbessern des Kontrastes, sondern er verbessert auch die Schwellencharakteristik beim Einschalten, was durch Fig. 4 veranschaulicht ist. Da der Film hohe Fotoleitfähigkeit aufweist, steigt die effektive Feldstärke für die Lumineszenzschicht, sobald diese Licht emittiert und sei es auch nur eine geringe Menge. Infolgedessen steigt die Lichtemission nach dem Überwinden einer Schwelle steil an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines von durch Fig. 2-4 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Teilquerschnitt durch ein bekanntes Dünnfilm-ELD;

Fig. 2 Teilquerschnitt durch ein ELD mit einer dielektrischen Schichtfolge mit eingebettetem amorphem Siliziumfilm;

Fig. 3 Diagramm betreffend den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Herstellbedingungen eines amorphen Siliziumfilms und

Fig. 4 Diagramm betreffend den Zusammenhang zwischen Helligkeit und Spannung, die an ein ELD gelegt wird (A: für ein bekanntes ELD, B: für ein ELD gemäß Fig. 2B).

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist die grobe Folge von Schichten auf, wie anhand von Fig. 1 erläutert. Die untere dielektrische Schichtfolge besteht dabei aus einem SiO₂-Film 23 und einem Si₃N₄-Film 24 (SiN : H-Film). Die obere dielektrische Schichtfolge zeichnet sich dadurch aus, daß sie zwischen zwei dielektrischen Filmen einen a-Si-Film 27 aufweist. Der dielektrische Film, der an die Lumineszenzschicht 5 anschließt, ist ein Si₃N₄-Film 26 (SiN : H-Film), während der über dem Film aus amorphem Silizium liegende Film ein SiON-Film 29 ist.

Der Si₃N₄-Film 26, der a-Si-Film 27 und der SiON-Film 29 werden durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter den folgenden Bedingungen hergestellt.

Zunächst wird der Si₃N₄-Film 26 durch Verwenden von SiH₄ und N₂ als Reaktionsgase bei einer Konzentration von 2% SiH₄ hergestellt. Der a-Si-Film 27 wird durch ausschließliches Verwenden von SiH₄ als Reaktionsgas hergestellt. Als Reaktionsgase zum Aufbringen des SiON-Films 29 werden SiH₄, N₂ und N₂O mit einer Konzentration von 2% SiH₄ und 2% N₂O verwendet. Diese drei Filme können kontinuierlich auf einfache Weise hergestellt werden. Der Si₃N₄-Film 26 und der SiON-Film 29 wurden so hergestellt, daß eine Leitfähigkeit im Bereich von 10⁻¹³-10⁻¹⁵ Ohm⁻¹ · cm⁻¹ erzielt wurde. Der a-Si-Film 27 wies bei fehlender Lichtemission, also im Dunkeln, eine Leitfähigkeit σd im Bereich von 10⁻⁹-10⁻¹⁰ Ohm⁻¹ · cm⁻¹ auf; bei Lichtemission ist die Leitfähigkeit σph etwa 10⁻⁵ Ohm⁻¹ · cm⁻¹. Aus Fig. 3 geht hervor, daß derartige Werte in einem breiten Bereich des Verhältnisses N₂/SiH₄ erzielt werden. In Fig. 3 ist der Bereich von 0-10⁻² für das genannte Verhältnis dargestellt.

Es wurden mehrere Dünnfilm-ELDs mit dem genannten Aufbau in bezug auf Kontrast, Abhängigkeit der Helligkeit von der Spannung und dielektrische Durchschlagsfestigkeit untersucht, wobei die Dicke des oberen Si₃N₄-Films 26 auf 30- 40 nm gehalten wurde und die Dicken des a-Si-Films 27 und des SiON-Films 29 variiert wurden. Es ergab sich, daß die optimale Dicke für den a-Si-Film 26 etwa 100 nm und die optimale Dicke für den SiON-Film 29 etwa 150-160 nm ist.

Der a-Si-Film 27 weist eine Energielücke von etwa 1.7-2.0 eV auf. Seine Farbe ist hell- bis dunkelbraun. Daher wird im a-Si-Film 27 Licht absorbiert, das aus der Lumineszenzschicht 5 zu den Rückelektroden 8 strahlt. An den Rückelektroden 8 reflektiertes Licht gelangt daher nicht mehr zum Glassubstrat 1, wodurch ein guter Kontrast erzielt wird.

Von allen Lichtkomponenten, die eine Lumineszenzschicht 25 aus ZnS : Mn emittiert, hat die Komponente, die einer Bandlücke von 2.1 eV zugeordnet ist, die größte Intensität. Dieses Licht wird vom a-Si-Film 27 gut absorbiert, unabhängig davon, wie schwach die Strahlung ist. Beim Absorbieren erhöht sich die Leitfähigkeit des Films und damit die effektive Feldstärke, die an der Lumineszenzschicht 5 anliegt. Daher steigt die Helligkeitskurve bei einem ELD mit einer amorphen Siliziumschicht in der oberen dielektrischen Schichtfolge beim Überschreiten der Emissionsschwellenspannung viel stärker an (Kurve B in Fig. 4) als bei einem bekannten ELD (Kurve A).

Die Durchschlagsfestigkeit des ELD hängt von der Dicke des SiON-Films, dem Sauerstoffgehalt in diesem Film und der Dicke des a-Si-Films ab. Gute Durchschlagseigenschaften wurden bei einer Dicke des a-Si-Films von 100 nm und des SiON- Films von 150-160 nm erzielt.

Die Helligkeitseigenschaften und das Verhalten der Emissionsschwellenspannung hängen stark von den Bedingungen beim Herstellen des Si₃N₄-Films 26 auf der Lumineszenzschicht 5 ab. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde eine Gaskonzentration von 2% SiH₄ verwendet, und der Si₃N₄-Film wurde mit einer Dicke von 30-40 nm ausgeführt, wie bereits vorstehend angegeben.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel weist jeder Film der oberen dielektrischen Schichtfolge durchgehend dieselbe Zusammensetzung auf. Beim Ausbilden der Filme können jedoch die Mischungsverhältnisse von SiH₄, N₂ und N₂O allmählich geändert werden, so daß der Si₃N₄-Film 26 kontinuierlich in den a-Si-Film 27 und dieser kontinuierlich in den SiON-Film 29 übergeht.

Claims (2)

1. Dünnfilm-Elektrolumineszenzvorrichtung mit unteren Elektroden, einer unteren dielektrischen Schichtfolge (23, 24), einer Lumineszenzschicht (5), einer oberen dielektrischen Schichtfolge (26, 27, 29) und oberen Elektroden (8), dadurch gekennzeichnet, daß die obere dielektrische Schichtfolge eine amorphe Siliziumschicht (27) aufweist, die zwischen zwei dielektrischen Schichten (26, 29) eingebettet ist.

2. Elektrolumineszenzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Lumineszenzschicht (5) angrenzende dielektrische Schicht (26) eine Siliziumnitridschicht und die andere dielektrische Schicht (29) eine Siliziumoxynitridschicht ist und daß alle drei Schichten der oberen dielektrischen Schichtfolge durch ein Plasma-CVD-Verfahren hergestellt sind.