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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolumineszenz-Anzeige,
die ein Dickfilm-Dielektrikum verwendet. Spezieller betrifft die
Erfindung die Verbesserung der Stabilität der unteren Elektroden in
einer derartigen Anzeigevorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Dicke
dielektrische Elektrolumineszenz-Anzeigen (TDEL) stellen einen großen Fortschritt
in der Flachbildschirmanzeigen-Technologie dar. TDEL-Anzeigen umfassen
eine Grundstruktur aus einem Substrat, auf dem ein elektrisch leitender
Film abgeschieden ist, der die erste Elektrode bildet. Eine Dickfilmschicht,
die aus einem ferroelektrischen Material besteht, wird dann auf
der elektrisch leitenden Filmschicht abgeschieden. Ein Phosphorfilm
wird auf der Dickfilmschicht abgeschieden, gefolgt von einem optisch
transparenten, aber elektrisch leitenden Film, der die zweite Elektrode
in der Struktur bildet.
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Verschiedene
Aspekte der Herstellung von TDEL-Anzeigen sind in Patentanmeldungen
des Anmelders:
US 20020081371 ,
US 20020094451 ,
US 20020180346 und
US 20020192418 sowie
im U.S. Patent Nr. 5,432,015 und in den internationalen Patentanmeldungen
PCT/CA01/01234 und PCT/CA00/00561 des Anmelders beschrieben. Die
Offenbarung dieser vorstehenden Anmeldungen und des herausgegebenen
Patents werden hiermit durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung
aufgenommen.
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TDEL-Anzeigen
liefern mehrere Vorteile gegenüber
anderen Arten von Flachbildschirm-Anzeigen, einschließlich Plasma-Anzeigen
(PDP), Flüssigkristall-Anzeigen (LCD), Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Anzeigen (TFEL),
Feldemissions- Anzeigen
(FED) und organischen Elektrolumineszenz-Vorrichtungen (OLED). Zum Beispiel
liefern TDEL-Anzeigen eine größere Leuchtkraft
und größere Beständigkeit
gegen einen dielektrischen Durchschlag sowie eine verringerte Betriebsspannung
im Vergleich zu TFEL-Anzeigen. Dies beruht hauptsächlich auf
der hohen Dielektrizitätskonstanten
der dielektrischen Dickfilm-Materialien, die in TDEL-Anzeigen verwendet
werden, was die Verwendung von dicken Schichten erleichtert, während immer
noch eine annehmbar niedrige Anzeigen-Betriebsspannung erleichtert
wird. Die dielektrische Dickfilm-Struktur kann, wenn sie auf einer
Keramik oder einem anderen hitzebeständigen Substrat abgeschieden
wird, höheren
Verarbeitungstemperaturen als TFEL-Vorrichtungen standhalten, welche
typisch auf Glassubstraten hergestellt werden. Die höhere Temperaturtoleranz
erleichtert das Tempern von anschließend abgeschiedenen Phosphorfilmen,
um deren Leuchtkraft und Stabilität zu verbessern.
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Bei
der Herstellung einer TDEL-Struktur werden Sulfid-Phosphore in einer
Schwefelwasserstoff-Atmosphäre
abgeschieden oder entwickeln Schwefelwasserstoff während der
Abscheidung oder anschließenden
thermischen Verarbeitung. Der Schwefelwasserstoff oder damit assoziierter
Wasserstoff kann chemisch mit den unteren Elektrodenfilmen (typisch
Gold) reagieren, was eine Verschlechterung durch Koaleszenz des Goldes
in Sphäroide
bei der Phosphor-Abscheidung
verursacht. Man nimmt an, dass die Koaleszenz durch die Zerstörung einer
Oxidschicht verursacht wird, welcher inhärent auf der Goldelektrode
vorliegt, wodurch die Oberflächenspannung
des Films erhöht
und die Koaleszenz verursacht wird. Weiter kann Schwefelwasserstoff die
Metalloxide der dielektrischen Dickschicht reduzieren, was zur Möglichkeit
der Legierungsbildung mit der unteren Goldelektrode in der Anzeige
führt.
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Es
ist deshalb wünschenswert,
die Stabilität
der in einer TDEL-Anzeige vorliegenden unteren Elektroden zu verbessern,
um jeglichen Abbau derselben zu minimieren, insbesondere während verschiedener Schritte,
die an der Produktion der Anzeigevorrichtung beteiligt sind, wie
Phosphor-Abscheidumg und thermische Verarbeitung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung der Stabilität von unteren
Elektroden, die in einer dielektrischen Dickfilm-Elektrolumineszenz-
(TDEL-) Anzeige vorliegen, welche ein Dickfilm-Dielektrikum verwendet.
Die Anzeigevorrichtung wird typisch auf einem starren wärmebeständigen Substrat
mittels eines Verfahrens aufgebaut, das zuerst die Abscheidung der
unteren Elektrodenstruktur, dann die Abscheidung der dicken dielektrischen
Struktur und schließlich
die Abscheidung einer Dünnfilm-Struktur,
die Phosphore enthält, und
eines oberen Leiters, der optisch transparent ist, gemäß den Verfahren,
die im U.S. Patent 6771019 (dessen Offenbarung hierin vollständig aufgenommen
wird) beschrieben sind, mit sich bringt. Die gesamte Struktur wird
mit einer Versiegelungsschicht bedeckt, welche die Dick- und Dünnfilmstrukturen
vor einem Abbau aufgrund von Feuchtigkeit oder anderen atmosphärischen
Verunreinigungen schützt.
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Die
Stabilisierung der unteren Elektroden in einer TDEL-Anzeige erleichtert
die Phosphor-Abscheidung und Wärmebehandlung
bei erhöhten
Temperaturen, während
jeglicher Schaden für
die untere Elektrodenstruktur minimiert wird. Dies liefert eine
verbesserte Phosphor-Leistung. Die Stabilisierung der unteren Elektroden
minimiert und verringert auch die Möglichkeit der Legierungsbildung
der unteren Metallelektrode mit reduzierten Metalloxiden des Dickfilm-Dielektrikums in
irgendeinem Ausmaß.
Weiter verringert eine Stabilisierung der unteren Elektrode die
Wahrscheinlichkeit, dass Schwefelwasserstoff die untere Goldelektrode permeiert
und das Gold während
der anschließenden
Phosphor-Abscheidung
zu Sphäroiden
koaleszieren lässt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt eine stabilisierte untere Elektrode innerhalb einer
TDEL-Anzeige vor.
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Ein
Verfahren und eine Zusammensetzung zur Minimierung des Abbaus von
unteren Elektroden in einer TDEL-Anzeige sind ebenfalls gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die untere Elektrode einer
TDEL-Anzeige auf einer oder beiden Seiten mit einer Schicht aus
Einkapselungsmaterial versehen, welches nicht den Bruchteil der über der
Phosphor-Struktur angelegten Spannung verringert.
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In
einem weiteren Aspekt weist das Einkapselungsmaterial eine größere Tendenz
auf, Sauerstoff an eine Oberfläche
der unteren Elektrode abzugeben, als Sauerstoff aus der Elektrode
abzufangen. Auf diese Weise minimiert die Einkapselungsschicht die
chemische Reduktion einer Oxidschicht auf der angrenzenden unteren
Elektrode, typisch Gold.
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In
noch einem weiteren Aspekt kann das Einkapselungsmaterial gemustert
werden.
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In
noch einem weiteren Aspekt ist das Einkapselungsmaterial elektrisch
leitend.
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In
noch einem weiteren Aspekt hat das Einkapselungsmaterial eine hohe
Dielektrizitätskonstante.
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In
einem weiteren Aspekt kann das Einkapselungsmaterial eine nicht-stöchiometrische
Verbindung umfassen, die über
einen Bereich des Atomverhältnisses
von Sauerstoff in der Verbindung vorliegen kann, sodass deren Kristallstruktur
und daher deren morphologische Stabilität und inniger Kontakt mit der
unteren Elektrodenschicht nicht aufgrund eines teilweisen Sauerstoff-Verlustes
zerstört
wird, welcher durch Reaktion mit einem Reduktionsmittel verursacht
wird.
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In
einem bevorzugten Aspekt umfasst das Einkapselungsmaterial ein Oxid.
Geeignete Oxide zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind
elektrisch leitende nicht-stöchiometrische
Oxide, vorausgesetzt, dass sie gut an der unteren Elektrode und
der darüberliegenden
dielektrischen Dickfilm-Struktur haften und nicht die Dielektrizitätskonstante
oder andere elektrischen Eigenschaften des dielektrischen Materials
beeinträchtigen.
Ein geeignetes Oxid unterliegt einer Reduktion in Anwesenheit von
Wasserstoff, Schwefelwasserstoff oder anderen reduzierenden Dämpfen, die
während
der Anzeigeverarbeitung oder des Anzeigebetriebs vorhanden sein
können,
nicht übermäßig in einem
solchen Ausmaß,
dass dieses seine Fähigkeit
verlieren kann, die Reduktion der Oxidschicht auf der Oberfläche des
Goldes zu verhindern.
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In
einem bevorzugtesten Aspekt der Erfindung umfasst das Einkapselungsmaterial
Indiumzinnoxid (ITO) und umfasst die Elektrode Gold. Das Indiumzinnoxid
minimiert jegliche Reduktion und Zerstörung der Oxidschicht, die auf
der Goldelektrode enthalten ist, und minimiert auch ein Dünnerwerden
der Goldelektrodenschicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Einkapselungsmaterial ein dielektrisches
Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten umfassen. Ein
bevorzugtes dielektrisches Material ist Bariumtitanat.
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Es
versteht sich, dass eine Kombination von Oxid und dielektrischem
Material verwendet werden kann, um die untere Goldelektrode in einer
TDEL-Anzeige einzukapseln.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der
Haftung zwischen der Goldelektrodenschicht und dem Substrat in einer
TDEL-Anzeige, wobei das Verfahren das Bereitstellen einer Schicht aus
Einkapselungsmaterial zwischen der Goldelektrodenschicht und dem
Substrat umfasst, wobei das Material nicht signifikant die elektrische
Leitfähigkeit
der Goldelektrodenschicht verringert.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der
Haftung zwischen der Goldelektrodenschicht und der dielektrischen
Dickfilmschicht in einer TDEL-Anzeige, wobei das Verfahren die Bereitstellung
einer Schicht aus Einkapselungsmaterial zwischen der Goldelektrodenschicht
und dem dielektrischen Dickfilm umfasst, wobei das Material die
elektrische Leitfähigkeit
der Goldelektrodenschicht nicht signifikant verringert.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Minimierung
der Diffusion von Gold in benachbartes Substrat und/oder eine benachbarte
dielektrische Dickfilmschicht in einer TDEL-Anzeige, wobei das Verfahren
die Bereitstellung einer Schicht aus Einkapselungsmaterial zwischen
der Goldelektrodenschicht und dem Substrat und auch zwischen der
Goldelektrodenschicht und der dielektrischen Dickfilmschicht umfasst.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine eingekapselte Elektrode
bereitgestellt, welche umfasst:
- – eine Elektrodenschicht,
die einen elektrisch leitenden Metallfilm umfasst;
- – ein
Einkapselungsmaterial, das auf einer oberen und/oder unteren Oberfläche der
Elektrodenschicht vorgesehen ist, wobei das Material das Risiko
verringert, dass die Elektrode diskontinuierlich wird und ihre elektrische
Leitfähigkeit
verliert; wobei die eingekapselte Elektrode in einer dielektrischen
Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige
vorliegt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische
Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige bereitgestellt, welche umfasst:
- – ein
starres wärmebeständiges Substrat;
- – eine
untere Elektrodenschicht, die direkt an das Substrat angrenzt, wobei
die untere Elektrodenschicht einen elektrisch leitenden Metallfilm
umfasst;
- – eine
Schicht aus Einkapselungsmaterial, die auf einer oberen und/oder
unteren Oberfläche
der Elektrodenschicht vorgesehen ist, wobei das Einkapselungsmaterial
das Risiko verringert, dass die Elektrode diskontinuierlich wird
und ihre elektrische Leitfähigkeit
verliert;
- – eine
dielektrische Dickfilmschicht, die an die elektrisch leitende Schicht
aus Einkapselungsmaterial angrenzt, welches auf einer oberen Oberfläche der
Elektrodenschicht vorgesehen ist;
- – einen
Phosphorfilm, der auf der dielektrischen Dickfilmschicht abgeschieden
ist; und
- – eine
obere Elektrodenschicht, die einen optisch transparenten elektrisch
leitenden Film umfasst.
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Noch
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine stabilisierte
Elektrode, welche umfasst:
- – eine elektrisch leitende
Goldfilmschicht mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, wobei der
Goldfilm eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1000 nm aufweist;
- – eine
Schicht aus Indiumzinnoxid, die auf der oberen Oberfläche der
Goldschicht vorgesehen ist, mit einer Dicke von etwa 20 nm bis etwa
500 nm; und
- – eine
Schicht aus Indiumzinnoxid, die auf der unteren Oberfläche der
Goldschicht vorgesehen ist, mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa
60 nm;
wobei die stabilisierte Elektrode in einer dielektrischen
Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige
vorliegt.
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Noch
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine stabilisierte
Elektrode, welche umfasst:
- – eine elektrisch leitende
Goldfilmschicht mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, wobei der
Goldfilm eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1000 nm aufweist;
- – eine
Schicht aus Bariumtitanat, die auf der oberen Oberfläche der
Goldschicht vorgesehen ist; und
- – eine
Schicht aus Bariumtitanat, die auf der unteren Oberfläche der
Goldschicht vorgesehen ist;
wobei die stabilisierte Elektrode
in einer dielektrischen Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige
vorliegt.
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Noch
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Stabilisierung einer Elektrode in einer dielektrischen Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige,
wobei das Verfahren umfasst:
- – Bereitstellen
einer Schicht aus Einkapselungsmaterial auf einer oberen und/oder
unteren Oberfläche
der Elektrode, wobei das Material das Risiko verringert, dass die
Elektrode diskontinuierlich wird und ihre elektrische Leitfähigkeit
verliert.
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Eine
eingekapselte Elektrode und eine Elektrolumineszenzanzeige gemäß der Erfindung
sind in den beigefügten
Ansprüchen
1 bzw. 30 definiert. Ein Verfahren zur Stabilisierung einer Elektrode
gemäß der Erfindung
ist im beigefügten
Anspruch 41 definiert. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in
den beigefügten Unteransprüchen 2–29, 31–40 und
42–66
definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der hierin angegebenen Beschreibung
und aus den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden, welche lediglich
zur Erläuterung
angegeben sind und den beabsichtigten Bereich der Erfindung nicht
beschränken.
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1 zeigt
einen Schnitt einer Anzeige mit einem Dickfilm-Elektrolumineszenzelement,
wobei der Schnitt die Lage der Einkapselungsschicht(en) der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 zeigt
ein binäres
Phasendiagramm für
Gold und Blei;
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3 zeigt
ein binäres
Phasendiagramm für
Gold und Bismut; und
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4 zeigt
ein binäres
Phasendiagramm für
Gold und Indium.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Einkapselung der unteren Elektrode
in einer dielektrischen Dickfilm-Elektrolumineszenz- (TDEL-) Anzeige,
die auf einem starren Substrat unter Verwendung eines Verfahrens aufgebaut
ist, bei dem die unteren Elektroden vor der Abscheidung des dielektrischen
Dickfilms oder der Phosphor-Struktur auf dem Substrat abgeschieden
werden.
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Spezieller
ist die Erfindung die Bereitstellung einer oder mehrerer Schichten
aus einem Einkapselungsmaterial für die untere Elektrodenstruktur
(typisch Goldfilm) einer Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeige. (Eine)
derartige Schichten) aus Einkapselungsmaterial wirken so, dass die
Elektrode geschützt
wird, und tragen so dazu bei, die Reduktion der Oberflächen-Oxidschicht
auf dem Goldfilm, die vorliegt, um die Oberflächenspannung des Golds zu verringern,
bis zu einem Punkt zu verhüten,
an dem der Goldfilm, der die Elektrodenstruktur umfasst, nicht in
sphäroidale
Teilchen aufbricht, so dass er mechanisch diskontinuierlich wird und
die elektrische Leitfähigkeit
verliert. Das Einkapselungsmaterial trägt auch dazu bei, jegliche
wesentliche Legierungsbildung irgendeines reduzierten Metalloxids,
das in der dicken dielektrischen Schicht vorliegt, mit der unteren
Goldelektrode zu verhindern.
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Die
Einkapselungsschicht(en) der vorliegenden Erfindung umfassen allgemein
ein Material mit zwei oder mehr der folgenden Eigenschaften:
- – verringert
nicht signifikant den Bruchteil der über der Phosphor-Struktur angelegten
Spannung (1);
- – minimiert
die Permeation von Schwefelwasserstoff und Sulfidhaltigen Dämpfen in
die Goldelektrodenschicht;
- – kann
gemustert werden;
- – weist
eine Kristallstruktur auf, die nicht in Anwesenheit von Reduktionsmitteln,
die bei der TDEL-Anzeigeverarbeitung anwesend sind, signifikant
nachteilig beeinflusst wird;
- – haftet
an der unteren Elektrodenstruktur sowie an der dielektrischen Dickfilmstruktur;
- – minimiert
die Reduktion der Oxidschicht der unteren Elektrode;
- – erleichtert
die Haftung der unteren Elektrode am Substrat;
- – erleichtert
die Haftung der unteren Elektrode an der darüberliegenden dielektrischen
Dickfilmstruktur; und
- – wirkt
als Barriere gegen ein Eindiffundieren von Spezies aus dem benachbarten
Substrat und/oder der benachbarten dielektrischen Dickfilm-Struktur.
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Es
ist wünschenswert,
dass das Einkapselungsmaterial für
die untere Elektrode ein dichtes kristallines Material ist, das
bezüglich
des Verhältnisses
von Sauerstoff zu Metallatomen in einem nicht-stöchiometrischen Zustand vorliegen
kann, während
eine im Wesentlichen unveränderte
Kristallstruktur aufrechterhalten wird. Insbesondere sollte Sauerstoff
des Materials dazu beitragen, eine Oxidschicht auf der Goldelektrodenschicht in
der Atmosphäre
eines Reduktionsmittels, wie Schwefelwasserstoff, das die Anzeigestruktur
bei der Anzeigeverarbeitung permeieren könnte, aufrechtzuerhalten. Die
Kristallstruktur der Sauerstoffdefizienten Einkapselungsschicht
sollte nicht in dem Ausmaß zerstört werden,
dass ihre Kontinuität
und Kristalldichte im Zusammenhang mit den funktionellen Erfordernissen
der Einkapselungsschicht nachteilig beeinflusst werden.
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Die
Schicht(en) aus Einkapselungsmaterial können eine nicht-stöchiometrische
Verbindung umfassen, die über
einen weiten Bereich des Atomverhältnisses von Sauerstoff in
der Verbindung vorliegen kann, so dass deren Kristallstruktur und
daher deren morphologische Stabilität und inniger Kontakt mit der
Goldschicht nicht aufgrund eines partiellen Verlusts an Sauerstoff
zerstört
wird, welcher durch die Reaktion mit einem Reduktionsmittel verursacht
wird. Das Material muss auch gemustert werden können, um benachbarte untere
Elektroden elektrisch zu isolieren.
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Da
das Einkapselungsmaterial so gewählt
wird, dass es eine chemische Reduktion einer Oxidschicht auf der
benachbarten Goldschicht minimiert, ist ein geeignetes Material
in einer Ausführungsform
der Erfindung ein Oxid mit einer größeren Tendenz, Sauerstoff an
die Oberfläche
des Goldfilms abzugeben, als Sauerstoff daraus abzufangen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein geeignetes Material für die Einkapselungsschicht
Indiumzinnoxid (ITO), von dem bekannt ist, dass es über einen
Bereich von Sauerstoff-Atomverhältnissen
vorliegt. Indiumzinnoxid ist elektrisch leitend mit einer Leitfähigkeit,
die ausreichend hoch ist, damit sich kein merklicher Spannungsabfall über einem
Dünnfilm
des Materials entwickelt, das in einer dielektrischen dicken Elektrolumineszenzanzeige
enthalten ist, wenn die Anzeige mit Spannungspulsen betrieben wird,
die typisch verwendet werden, um die Anzeige zu betreiben. Wie es
vom Fachmann verstanden wird, können
andere elektrisch leitende nicht-stöchiometrische Oxide ebenfalls
für die
vorliegende Erfindung geeignet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Einkapselungsmaterial ein dielektrisches
Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten sein. Ein derartiges
Material ist Bariumtitanat. Wie es der Fachmann versteht, können auch
andere dielektrische Materialien/Verbindungen in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, solange sie ebenfalls die oben erwähnten Eigenschaften
aufweisen, die für das
Einkapselungsmaterial beschrieben wurden.
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Der
Fachmann versteht, dass eine Kombination von geeignetem Oxid und
geeignetem dielektrischem Material gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine Schicht aus Indiumzinnoxid
verwendet werden, um die obere Oberfläche einer Goldelektrode einzukapseln,
und eine Schicht aus Bariumtitanat kann verwendet werden, um die
untere Oberfläche
der Goldelektrode einzukapseln. Alternativ kann dies umgeordnet
werden, so dass die Bariumtitanat-Einkapselungsschicht auf der oberen
Oberfläche
der Goldelektrode vorgesehen ist, und die Indiumzinnoxid-Einkapselungsschicht
kann auf der unteren Oberfläche
der Goldelektrode vorgesehen sein.
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Das
Einkapselungsmaterial der Erfindung kann verwendet werden, um die
obere und/oder untere Seite der Goldelektrode einzukapseln. Jedoch
ist es vorteilhaft, sowohl die obere als auch die untere Seite der Goldelektrodenschicht
einzukapseln, da reduzierende Dämpfe
von zwischen dem Gold und dem Substrat sowie von zwischen dem Gold
und der dielektrischen Dickschicht eindringen können.
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Der
Fachmann versteht weiter, dass das Einkapselungsmaterial, wenn es
auf der unteren Seite der Goldelektrode vorgesehen ist, kein Material
mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten
umfassen muss, da es das Problem eines Spannungsabfalls zwischen
der Substratschicht und der unteren Goldelektrodenschicht nicht
gibt.
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Die
Schicht(en) aus Einkapselungsmaterial können durch eine Vielfalt von
Verfahren, einschließlich, jedoch
ohne Beschränkung,
Sputtern, auf das Substrat oder die Goldelektrode der TDEL-Anzeige
aufgetragen werden.
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Die
Schichten) aus Einkapselungsmaterial müssen hinreichend dick sein,
um eine im Wesentlichen kontinuierliche Schicht bereitzustellen,
damit es keinen wesentlichen Kontakt zwischen der Goldschicht und den
benachbarten Schichten gibt, aber sie dürfen nicht zu dick sein, um
Schwierigkeiten mit mechanischer Spannung aufgrund des Unterschiedes
des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Einkapselungsmaterial und dem Substrat sowie den Dickfilm-Materialien zu vermeiden.
Die Dicke des elektrisch leitenden Materials der Einkapselungsschichten
kann im Bereich von etwa 10 nm bis 500 nm, bevorzugt von etwa 25
nm bis etwa 450 nm liegen. Bevorzugter kann die untere Schicht aus
elektrisch leitendem Material, das eine Einkapselungsschicht zwischen
dem Substrat und der Goldelektrodenschicht bildet, eine Dicke von
etwa 10 nm bis etwa 60 nm, bevorzugt etwa 30 nm bis 60 nm aufweisen.
Es wird bevorzugt, dass die obere Schicht aus elektrisch leitendem
Material auf der Goldelektrode, die eine Einkapselungsschicht bildet,
eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 500 nm, bevorzugt etwa 100 nm
bis etwa 450 nm aufweist.
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Die
Dicke der Goldschicht sollte typisch im Bereich von etwa 100 nm
bis etwa 1000 nm, bevorzugt etwa 150 nm bis etwa 250 nm liegen,
wobei die Dicke von den Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit der
Goldelektroden für
einen speziellen Anzeigeaufbau abhängt. Das Gold kann von einer
organometallischen Goldformulierung abstammen, die ein Oxid auf
der Oberfläche
des Golds schafft, wenn sie wärmebehandelt wird,
um einen metallischen Goldfilm zu bilden. Es kann auch unter Verwendung
von physikalischen Dampfabscheidungsverfahren abgeschieden werden,
vorausgesetzt, dass Mittel bereitgestellt werden, um eine Oxidschicht
zwischen dem Gold und den Einkapselungsschichten zu bilden, die
ausreichend ist, um die Oberflächenspannung
des Golds in Kontakt mit dem elektrisch leitenden Einkapselungsmaterial
zu modulieren, damit dieses als kontinuierlicher Dünnfilm aufrechterhalten
wird und keine diskontinuierlichen sphäroidalen Teilchen bildet, so
dass ein Verlust an elektrischer Leitfähigkeit entlang dem Film verursacht
wird.
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Während Bereiche
für die
Gesamtdicke des Einkapselungsmaterials bereitgestellt werden sowie
Bereiche unter und über
der Elektrode und bevorzugte Bereiche bereitgestellt werden, versteht
der Fachmann ohne weiteres, dass nicht nur diese Bereiche für die hier
beanspruchte Erfindung anwendbar sind, sondern auch Unterbereiche
davon. Während
beispielsweise der Bereich für
die Gesamtdicke des Einkapselungsmaterials als 10 nm bis 500 nm
bereitgestellt wird, kann der Fachmann die Verwendung von etwa 20
nm–450
nm, 30 nm–400
nm, 50 nm–350
nm und so weiter als repräsentative
Beispiele in Betracht ziehen. Ähnlich
wird die Elektrodendicke als etwa 100 nm bis etwa 1000 nm, bevorzugt
150 nm bis etwa 250 nm bereitgestellt. Jedoch kann die Dicke der
verwendeten Elektrode jeder Unterbereich davon sein, wie zum Beispiel
200 nm–250
nm oder 200 nm–800
nm und so weiter.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine erhöhte Stabilität der Goldelektroden,
die in einer TDEL-Struktur vorliegen, mittels einer Vielfalt von
Mechanismen.
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Erstens
ist die dicke dielektrische Struktur so ausgelegt, dass sie eine
hohe Beständigkeit
gegen einen dielektrischen Durchschlag bereitstellt, wenn die Anzeige
bei einer Spannung von mehr als 200 Volt betrieben wird, welche
erforderlich ist, um für
die erforderliche Anzeigehelligkeit zu sorgen. Sie weist auch eine
hohe Dielektrizitätskonstante
auf, um den Spannungsabfall über
die dielektrische Struktur zu minimieren und dadurch die Spannung über den
Phosphor bei einer gegebenen angelegten Spannung zu maximieren.
Allgemein liefert der Phosphor eine größere Helligkeit mit zunehmender
Spannung über
den Phosphor hinweg. Deshalb ist es wünschenswert, den Spannungsabfall über alle
zusätzlichen
Schichten zu minimieren, die zwischen der unteren und oberen Leiterschicht
in der Anzeige liegen können.
Dies kann bewerkstelligt werden, indem man die Dicke derartiger
Schichten minimiert oder Schichten mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten
einbaut. Die Stabilisierung der unteren Elektrode mit (einer) elektrisch
leitenden Indiumzinnoxid-Schicht(en) oder Bariumtitanat-Schicht(en) kann
dazu beitragen, jeglichen Spannungsabfall zwischen Schicht in der
Anzeige zu minimieren.
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Zweitens
trägt die
Bereitstellung von (einer) Einkapselungsschicht(en), welche die
unteren Elektroden in der TDEL-Anzeige umgeben, dazu bei, die Reduktion
der Oxidschicht auf der Goldelektrode zu verhüten. Zum Beispiel umfasst die
dicke dielektrische Struktur typisch ein gesintertes piezoelektrisches
Perowskit- oder ferroelektrisches Material, wie PMN-PT, mit einer
Dielektrizitätskonstanten
von mehreren tausend und einer Dicke von mehr als etwa 10 Mikrometern,
um einen dielektrischen Durchschlag zu verhüten. Diese Struktur ist in
einem geringen Maß für Dämpfe durchlässig, die
beispielsweise Schwefelwasserstoff enthalten und während der
Anzeigeverarbeitung und während
des Anzeigebetriebs vorliegen. Derartige Dämpfe können so wirken, dass die untere
Goldelektrode reduziert wird, sodass ein Verlust der Oxidschicht
auftritt. Die Oxidschicht auf dem Gold ist vorteilhaft, um eine
Koaleszenz des Goldes zu verhindern, welche zu einer elektrischen
Diskontinuität
führt.
Die dielektrischen Perowskit-Materialien können aufgrund einer hohen Dichte
von energiereichen Elektronen an der Oberfläche des Perowskit-Materials
selbst eine katalytische Wirkung auf benachbarte Materialien aufweisen,
wodurch die Geschwindigkeit erhöht
wird, mit der eine Reduktion des Oxids des Goldes stattfinden kann.
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Drittens
trägt die
Bereitstellung von (einer) Einkapselungsschicht(en), welche die
untere Goldelektrode umgeben, dazu bei, die Legierungsbildung des
Goldes mit Elementen aus dem in den Anzeigen verwendeten Dickfilm-Dielektrikum
zu verhindern. Eine derartige Legierungsbildung kann den Schmelzpunkt
des Goldes verringern, was so die maximale Temperatur verringert,
welcher die Anzeige bei anschließenden Verarbeitungsschritten
ausgesetzt werden kann. Typisch enthält das dielektrische Dickfilm-Material
Blei und kann Bismut und andere leicht reduzierbare Metalle enthalten.
Obwohl diese normalerweise als Oxide vorliegen, kann das Blei oder
Bismut teilweise zum Metall reduziert werden, wenn Reduktionsmittel
bei den Verfahrensschritten verwendet werden, welche bei der Herstellung
der Anzeigen eingesetzt werden. Der Schwefelwasserstoff, der üblicherweise
als Verfahrensgas bei der Abscheidung verwendet wird, reduziert
bekanntermaßen
Blei. Wenn die Metalle reduziert sind und insbesondere, wenn sie
einen merklichen Dampfdruck bei den verwendeten Verarbeitungstemperaturen
aufweisen, wie bei Blei, können
die Metalle mit dem Gold eine Legierung bilden. Die Reaktion dieser
Metalle mit dem Gold unter Bildung von Legierungen, intermetallischen
Verbindungen oder Verbundmaterialien derselben kann beträchtlich
sein, selbst wenn in dem Verfahren nur ein kleiner Teil der Metalle
durch Reduktionsmittel reduziert wird. Dies beruht auf dem relativ
großen
Verhältnis
der Dicke der dielektrischen Schicht zur Goldschicht (typisch 20:1
bis 50:1). Die 2 und 3 zeigen
binäre
Phasendiagramme für
das Gold-Blei- und Gold-Bismut-System. Aus den Figuren ist ersichtlich,
dass eine Schmelzpunktverringerung von 250°C bei etwa 20 Atomgewichtsprozent
Blei oder Bismut in Gold auftreten kann.
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Viertens
trägt die
Bereitstellung einer oder mehrerer Einkapselungsschichten dazu bei,
eine starke Bindung zwischen dem Gold und dem Substrat sowie zwischen
dem Gold und den darüberliegenden
Dickfilmschichten bereitzustellen. Typisch wird eine starke Bindung
erzielt, wenn etwas Eindiffusion von Spezies in den Schichten, welche
an das Gold angrenzen, in das Gold stattfindet, vorausgesetzt, dass
diese die elektrische Leitfähigkeit
des Goldes nicht deutlich verringern. Umgekehrt ist es wünschenswert,
die Diffusion von Gold in die angrenzenden Schichten zu minimieren,
um einen Abbau der dielektrischen Dickfilmschichten zu vermeiden
und eine Erhöhung
des elektrischen Widerstands des Goldes zu verhindern, welcher durch
ein Dünnerwerden
der Goldschicht und einen möglichen
gleichzeitigen Verlust der elektrischen Kontinuität verursacht wird. 4 zeigt
ein binäres
Phasendiagramm des Gold-Indium-Systems. Es ist aus der Figur ersichtlich,
dass sich Indium in Gold bis zu 5 Atomenprozent bei Temperaturen
bis zu etwa 900°C
löst, was
den Temperaturbereich einschließt,
auf den man bei der Herstellung der Dickfilm-Elektrolumineszenzanzeigen
trifft. Weiter ist ersichtlich, dass es keine signifikante Löslichkeit
von Gold in Indium gibt, eine Anzeige dafür, dass Gold in einer reduzierenden
Atmosphäre,
in welcher der Sauerstoffgehalt an der Gold-ITO-Grenzfläche signifikant
verringert werden kann, nicht in ITO eindiffundieren sollte.
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Letztlich
dient die vorliegende Erfindung auch dazu, eine Barriere für das Eindiffundieren
von Spezies aus den benachbarten Dickfilmschichten und auch dem
Substratmaterial bereitzustellen, um eine Zunahme des spezifischen
elektrischen Widerstands des Golds oder eine Abnahme des Schmelzpunkts
des Golds zu verhindern, wie es sich ereignen kann, wenn dieses
mit anderen chemischen Elementen legiert wird.
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Zusammenfassend
liefert die vorliegende Erfindung eine stabile TDEL-Anzeige hoher
Qualität,
in der die unteren Elektroden mit einer oder mehreren Schichten
aus einem Material eingekapselt sind, welches dazu beiträgt, die
Elektroden in einer derartigen Anzeige zu stabilisieren.
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Die
vorstehende Offenbarung beschreibt die vorliegende Erfindung allgemein.
Ein vollständigeres
Verständnis
kann mit Bezug auf die folgenden speziellen Beispiele erhalten werden.
Diese Beispiele werden lediglich für den Zweck der Erläuterung
beschrieben und sollen den Bereich der Erfindung nicht beschränken. Änderungen
der Form und Verwendung von Äquivalenten
werden in Betracht gezogen, wenn es die Umstände nahelegen könnten oder
ratsam machen. Obwohl spezielle Ausdrücke hierin verwendet worden
sind, sind derartige Ausdrücke
in einem beschreibenden Sinn und nicht für Zwecke der Beschränkung gedacht.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele beschreiben die Herstellung und Testergebnisse
von Elektrolumineszenzelementen, welche die unter Verwendung eines
Sputterverfahrens abgeschiedenen Einkapselungsschichten enthalten,
in Einzelheiten, aber der Fachmann versteht, dass derartige Schichten
durch jedes Mittel abgeschieden werden können, welches die Abscheidung
einer Schicht ermöglicht,
die während
des Herstellungsverfahrens wirksam eine Oxidbeschichtung auf dem
Gold stabilisiert, um zu verhindern, dass das Gold diskontinuierliche sphäroidale
Teilchen bildet.
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Beispiel 1
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Es
wurde eine Elektrolumineszenzanzeige auf einem 1,0 mm dicken 17
cm × 21
cm-Aluminiumoxidsubstrat hergestellt (1). Das
Substrat wurde unter Verwendung von Standardverfahren gereinigt,
welche auf dem Gebiet der Dickfilm-Hybridschaltkreise bekannt sind.
Ein Film aus Indiumzinnoxid (ITO) mit einer Dicke von 600 Angström wurde
dann in einem Ulvac Modell SMD-400 Sputtergerät auf das Aluminiumoxid-Substrat
gesputtert. Für
diese Abscheidung wurde das Substrat bei einer Temperatur von 150°C gehalten.
Die Abscheidung wurde in einer Argon/Sauerstoff-Atmosphäre bei einem
Druck von 0,333 Pa (2,5 Millitorr) vorgenommen. Die Argon-Flussgeschwindigkeit
betrug 75 scm3 und die Sauerstoff-Fließgeschwindigkeit
betrug 2,0 scm3. Die Sputtertarget-Zusammensetzung
war 9 Gewichtsteile Indiumoxid zu 1 Teil Zinnoxid. Während des Sputterprozesses
wurde das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 2,3 cm pro Minute
in insgesamt zwei Durchgängen
an dem Target vorbeigeführt.
Die durchschnittliche Filmwachstumsgeschwindigkeit betrug etwa 1
nm pro Sekunde.
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Auf
den ITO-Film wurde dann ein 170 nm-Goldfilm aufgesputtert. Die Goldfilmabscheidung
wurde mit dem Substrat bei etwa 22°C vorgenommen. Für diese
Abscheidung wurde das Sputtersystem vor der Abscheidung auf einen
Grunddruck von 8 × 10–5 Pa
(6 × 10–7 Torr)
evakuiert und die Abscheidung wurde unter einem Argondruck von 0,933
Pa (7 × 10–3 Torr)
durchgeführt.
Während
des Abscheidungsprozesses wurde das Substrat in einem einzigen Durchgang
an dem Target vorbei bewegt. Die durchschnittliche Filmwachstumsgeschwindigkeit
betrug etwa 170 nm pro Minute.
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Nach
der Goldfilm-Abscheidung wurde ein zweiter 430 nm dicker ITO-Film über der
Goldfilmschicht auf das Substrat aufgesputtert. Die Abscheidungsbedingungen
waren die gleichen wie bei der ersten ITO-Schicht, außer dass
das Substrat 20 mal am Target vorbeigeführt wurde, um die gewünschte Enddicke
zu erzielen.
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Um
die abgeschiedenen Schichten zu mustern, um einen Satz paralleler
Elektroden zu bilden, wurde eine Reihe von Photolithographieschritten
durchgeführt.
Zuerst wurde die obere ITO-Schicht unter Verwendung eines negativen
Resists (Arch Chemicals Ltd., Norwalk, CT) gemustert und unter Verwendung
von LCE-12TM-Ätzmittel bei einer Temperatur
von etwa 45°C
geätzt.
Das Ätzmittel
umfasste eine wässrige
Lösung von
18 Gew.-% Chlorwasserstoffsäure,
2 Gew.-% Salpetersäure,
10 Gew.-% Eisen(III)-chlorid, wobei der Rest Wasser war. Als nächstes wurde
das Gold, das unter dem entfernten ITO lag, unter Verwendung einer
wässrigen
Lösung
von 42 Gew.-% Kaliumiodid, 3 Gew.-% Iod, 1 Gew.-% Fisher Scientific
All Purpose Cleaner-Tensid,
wobei der Rest deionisiertes Wasser war, weggeätzt. Schließlich wurde das darunterliegende
ITO unter Verwendung des LCE-12TM-Ätzmittels
weggeätzt.
Nach der Musterung wurde das Substrat etwa 15 Minuten bei 850°C an Luft
in einem Bandofen wärmebehandelt.
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Eine
320 auf 240 Pixel-Elektrolumineszenzanzeige mit einer Diagonalen
von 22 cm und einer dielektrische Dickfilmschicht wurde auf dem
Substrat aufgebaut. Eine dielektrische Dickfilm-Verbundschicht,
die eine dielektrische Dickfilmschicht, welche unter Verwendung
einer Paste auf PMN-PT-Basis 98–42
von MRA (North Adams, MA, U.S.A.) oder CL-90-7239 von Heraeus (Conshocken,
PA, U.S.A.) siebgedruckt und wärmebehandelt
wurde, und zwei Schichten aus Bleizirconattitanat umfasste, die
unter Verwendung eines metallorganischen Abscheidungsverfahrens
durch schleuder aufgetragen und wärmebehandelt wurden, wurden
nacheinander auf dem gemusterten, zwischen ITO-eingeschlossenen
goldbe schichteten Substrat unter Verwendung der Verfahren abgeschieden,
die im U.S. Patent
US 6771019 des
Anmelders offenbart sind. Eine Bariumtitanat-Schicht wurde oben
auf der Dickfilmstruktur unter Verwendung des Verfahrens abgeschieden,
das in der mitanhängigen
U.S. Patentanmeldung
US 20020094451 beschrieben
ist (deren Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird).
Die Phosphor-Struktur der Anzeige enthielt einen etwa 0,4 Mikrometer
dicken Magnesiumbariumthioaluminat-Phosphorfilm, der gemäß den Verfahren
abgeschieden wurde, die in der mitanhängigen U.S. Patentanmeldung
US 20020122895 beschrieben
sind (deren Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird).
Während
der Phosphor-Abscheidung wurde das Substrat bei einer Temperatur
von etwa 400°C
bis etwa 550°C
gehalten und die Abscheidung wurde in einer Atmosphäre aus Schwefelwasserstoff
bei einem Druck von etwa 1,33 × 10
–5 Pa
(10
–4 Millitorr)
durchgeführt.
Der Phosphor wurde bei einer Spitzentemperatur von etwa 750°C unter Stickstoff
etwa 5 Minuten lang in einem Bandofen getempert. Eine dielektrische
Aluminiumoxid-Dünnfilmschicht
und eine transparente Indiumzinnoxid-Leiterschicht wurden auf der
Phosphorschicht abgeschieden, um die Vorrichtung zu vervollständigen.
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Die
elektrische Leitfähigkeit
einer der in Indiumzinnoxid eingekapselten Goldreihenelektroden
auf der Anzeige wurde unmittelbar nach der Abscheidung der eingekapselten
Goldschicht, nach Abscheidung und Wärmebehandlung der dielektrischen
Verbundstruktur, aber vor der Einwirkung von Schwefelwasserstoff
und der Phosphor-Abscheidung, und schließlich nach Vervollständigung
der Anzeige gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Beispiel 2
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Es
wurde eine Anzeige gebaut, wobei die untere, aus organometallischem
Gold aufgebaute Elektrode nicht zwischen ITO-Schichten eingekapselt
wure. Diese Anzeige war mit jener des vorstehenden Beispiels 1 identisch,
außer
dass die unteren Elektroden Gold umfassten, das unter Verwendung
einer organometallischen Paste abgeschieden worden war, wie in der
mitanhängigen
U.S. Patentanmeldung
US 20020122895 des
Anmelders offenbart (deren Offenbarung hierin in ihrer Gesamtheit
aufgenommen wird). Die Goldschicht war 450 nm dick und wiederum
nicht mit Indiumzinnoxid-Schichten eingekapselt. Wie bei der Anzeige
in Beispiel 1 wurde der elektrische Widerstand einer der Reihen
dieser Anzeigevorrichtung nach der Goldabscheidung, nach der Dickfilm-Abscheidung
und Wärmebehandlung
und nachdem die Anzeige vervollständigt war, gemessen.
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Diese
Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Die Ergebnisse demonstrieren,
dass die Anzeige, welche die mit ITO eingekapselte Goldschicht enthielt,
während
der Verarbeitung nur eine mäßige Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit
zeigte. Jedoch zeigte die Anzeige mit der nicht eingekapselten Goldschicht trotz
ihrer größeren Dicke
eine große
Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung hierin in Einzelheiten beschrieben wurden, versteht
der Fachmann, dass Abwandlungen derselben vorgenommen werden können, ohne
vom beanspruchten Bereich der Erfindung abzuweichen. Tabelle
Eins Relative
Leitfähigkeit
von Goldelektroden in verschiedenen Verfahrensstufen
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Legende der
Figuren
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Figure 1 – 1:
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- ITO transparent electrode – transparente ITO-Elektrode
- Thin film dielectric – Dünnfilm-Dielektrikum
- Phosphor layer – Phosphorschicht
- Thick dielectric layer-dicke dielektrische Schicht
- Encapsulating layer- Einkapselungsschicht
- Gold electrode – Goldelektrode
- Substrate – Substrat
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Figure 2 – 2:
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- Temperature – Temperatur
- Weight percent – Gewichtsprozent
- Crystal Structure Data – Kristallstrukturdaten
- Prototype – Prototyp
- Model – Modell
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Figure 3 – 3:
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- Temperature – Temperatur
- Weight percent – Gewichtsprozent
- Crystal Structure Data – Kristallstrukturdaten
- Prototype – Prototyp
- Model – Modell
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Figure 4 – 4:
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- Atomic Percent – Atomprozent
- Temperature – Temperatur
- Weight percent – Gewichtsprozent
