DE69117781T2 - Licht-emittierender Dünnfilm und elektrolumineszente Dünnfilmvorrichtung - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft lichtemittierende Dünnfilme, die beispielsweise rotes, grünes oder blaues Licht emittieren, und sie betrifft Dünnfilm-Elektrolumineszenz(vorliegend als EL abgekürzt)elemente unter Verwendung dieser Filme.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
• In den unmittelbar zurückliegenden Jahren sind für die beispielsweise in Computer-Terminaldisplays verwendeten Flachdisplayvorrichtungen Dünnfilm-EL-Elemente intensiv erforscht und entwickelt worden. Insbesondere sind einfarbige (gelblich orange) Dünnfilm-EL-Displays unter Verwendung eines Leuchtstoffdünnfilms, der ein Zinksulfid umfaßt, dem Mangan zugesetzt ist, bereits in tatsächlichen Anwendungen realisiert worden.
• Ferner wird als unvermeidlich erachtet, daß der allgemeine Entwicklungstrend dieses einfarbigen Displays nunmehr auf das Farbdisplay gerichtet ist. Deshalb sind bereits große Anstrengungen unternommen worden, Leuchtstoffmaterialien zur EL-Verwendung zu entwickeln, die in der Lage sind, die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau zu emittieren. Unter diesen wurden intensive Forschungen für ZnS:Tm oder SrS:Ce oder dergleichen als blaues Leuchtstoffmaterial, ZnS:Sm oder CaS:Eu oder dergleichen als rotes Leuchtstoffmaterial, und ZnS:Tb oder CaS:Ce oder dergleichen als grünes Leuchtstoffmaterial durchgeführt.
• Andererseits sind auf dem Gebiet der lichtemittierenden Dioden (LED) unter Anstrebung des Vollfarbendisplays Forschungsanstrengungen aktiv unternommen worden, die LEDs auf einen kürzeren Wellenlängenbereich zu bringen. Außerdem sind Versuche durchgeführt worden, eine blaue LED hoher Helligkeit durch Bilden eines PN-Übergangs oder eines MIS-Übergangs unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit breiten Bandlücken zu bilden, wie beispielsweise SiC, GaN, ZnS, ZnSe oder anderen.
• Bislang bestanden jedoch in solchen Dünnfilmen, die Licht mit den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau emittieren, noch Probleme hinsichtlich ihrer Helligkeit und ihres Wirkungsgrads für Rot und Grün, während ein weiteres Problem für die Farbreinheit von Blau besteht. Diese Probleme verhindern, daß diese Dünnfilme in tatsächlichen Farb-EL-Tafeln verwendet werden. Deshalb ist bis heute keine Farb-EL-Tafel in einer tatsächlichen Anwendungsform realisiert worden.
• Für die LEDs für rote Farbe sind jedoch zwischenzeitlich lichtemittierende Elemente mit ausreichend hoher Helligkeit in tatsächlichen Anwendungsformen realisiert worden; für Grün und Blau sind sie jedoch für tatsächliche Anwendungen noch unzureichend.
• Außerdem ist bislang noch kein lichtemittierendes Festkörperelement realisiert worden, dessen Emissionswellenbereich in einem noch kürzeren Wellenlängenbereich liegt, d.h. im UV-Bereich. Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme der herkömmlichen lichtemittierenden Dünnfilme und Dünnfilm-EL-Elemente gemäß dem Stand der Technik gemacht worden, und sie zielt darauf ab, einen lichtemittierenden Dünnfilm mit hoher Helligkeit und einem hohen Wirkungsgrad und Dünnfilm-EL-Elemente bereitzustellen, die in der Lage sind, Licht eines kürzeren Wellenlängenbereichs zu emittieren.
• Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen lichtemittierenden Dünnfilm, in welchem eine große Anzahl von Verbundstrukturen übereinandergeschichtet sind.
• Ein lichtemittierender Dünnfilm gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch den Anspruch 1 festgelegt.
• Aufgrund dieser Struktur bzw. dieses Aufbaus sind Elektronen und Löcher, die mit einem hohen elektrischen Feld injiziert oder erzeugt werden, in dem Leuchtstoffdünnfilm eingeschlossen. Infolge dieses Einschlusses rekombinieren Elektronen und Löcher direkt oder durch Rekombinationszentren innerhalb des Leuchtstoffdünnfilms effizient bzw. wirksam. Deshalb können Leuchtstoffmaterialien, die für CRT-Bildschirme oder für Fluoreszenzlampen weit verbreitet verwendet wurden, als Materialien für die Leuchtstoffdünnfilme verwendet werden, wodurch wir in die Lage versetzt werden, einen lichtemittierenden Dünnfilm zu bilden, der eine hohe Lichtemissionshelligkeit und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
• Ebenfalls aufgrund dieser Struktur kann für den Leuchtstoffdünnfilm ein Material verwendet werden, das eine ausreichend breite Bandlücke aufweist, um Licht in einem kürzeren Wellenlängenbereich zu emittieren. Dies ist durch Verwendung von Barrierenschichten mit größeren Energiebandlücken möglich als diejenige des Leuchtstoffdünnfilms. Das Barrierenschichtmaterial kann als einen Hauptbestandteil wenigstens eine Verbindung enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zink, Cadmium, Mangan oder Alkalierdmetallen und einem Element der Gruppe VI A besteht, oder aus derartigen Materialien, die Fluoride von Alkalierdmetallen enthalten. Dies ist deshalb der Fall, weil sämtliche dieser Verbindungen und Materialien eine breitere Bandlücke aufweisen als diejenige des Leuchtstoffdünnfilms. Deshalb werden Elektronen und Löcher innerhalb des vorstehend genannten Leuchtstoffdünnfilms ausreichend eingeschlossen, wodurch Elektronen und Löcher wirksam zum Rekombinieren gebracht werden. Dadurch wird es möglich, ein lichtemittierendes Element kurzer Wellenlänge zu realisieren, das eine hohe Lichtemissionshelligkeit und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
• Durch Verwendung von Materialien, welche die identische Kristallstruktur sowohl für den vorstehend genannten Leuchtstoffdünnfilm wie für die Barrierenschichten aufweisen, werden derartige Kristallgitterfehler reduziert, wie beispielsweise als nicht strahlende Zentren wirkende Schlenkerbindungen, die auf Grenzflächen über diese Dünnfilme und Barrierenschichten auftreten können. Deshalb wird die Rate für eine nicht strahlende Rekombination zwischen erzeugten Elektronen und Löchern abgesenkt, wodurch die Lichtemissionshelligkeit ebenso wie der Wirkungsgrad erhöht werden.
• Experimente zeigen, daß dann, wenn eine große Anzahl von Leuchtstoffdünnfilmen in der geschichteten lichtemittierenden Schicht verwendet werden, die Lichtemission stark war, während dann, wenn ein einschichtiger Leuchtstoffdünnfilm als die Lichtemissionsschicht verwendet wurde, die Intensität der Lichtemission geringer war als im vorstehend genannten Fall bei der Verwendung der großen Anzahl von Leuchtstoffdünnfilmen, obwohl die Lichtemission bei niedrigerer Spannung begonnen hatte.
• Ferner zeigen Experimente, daß dann, wenn die Dicke des Leuchtstoffdünnfilms dicker als 50 nm war, die Einschlußwirkung für die Elektronen und Löcher unzureichend wurde und die Lichtemissionsintensität abgesenkt wurde, während dann, wenn die Dicke des Leuchtstoffdünnfilms dünner als 1 nm war, die Gitterfehler zunahmen und die Dichte an Lichtemissionszentren oder Rekombinationszentren abnahm, wodurch die Lichtemissionsintensität abgesenkt wurde. Außerdem zeigten die Experimente, daß dann, wenn der Leuchtstoffdünnfilm und die Barrierenschicht dieselbe Kristallstruktur aufweisen, bessere Lichtemissionseigenschaften beobachtet werden konnten, als in den Fällen, wenn sie eine unterschiedliche Kristallstruktur aufweisen. Dies traf nicht nur für die Fälle zu, wenn die Kristallstrukturen des Leuchtstoffdünnfilms und der Barrierenschicht Zinkblende waren, sondern auch für die Fälle, daß sie vom Steinsalz-Typ waren. Für die Barrierenschichten und die Leuchtstoffdünnfilme können zumindest epitaxiale Filme bessere Lichtemissionseigenschaften bereitstellen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Es wird bemerkt, daß einige oder sämtliche der Figuren schematische Darstellungen zum Zweck der Illustration sind und nicht notwendigerweise die tatsächlichen Relativgrößen oder Stellungen der gezeigten Elemente wiedergeben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen erläutert, die in Bezug auf die Zeichnungen nachfolgend beschrieben sind.
• Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Auf einem GaAs-Substrat 1 wird eine Barrierenschicht 2a, die aus einem CaS-Dünnfilm einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch epitaxiales Aufwachsen unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahrens gebildet. Unter Verwendung von drei Knudsen-Zellen, die jeweils ZnS, CdS und Ag enthalten, wird ein Leuchtstoffdünnfilm 3a, der aus Zn0,7Cd0,3S:Ag zusammengesetzt ist, mit einer Dicke von 20 nm darüber gebildet. Ferner werden darüber eine Barrierenschicht 2b, die aus CaS einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, ein Leuchtstoffdünnfilm 3b, der aus Zn0,7Cd0,3S:Ag einer Dicke von 20 nm zusammengesetzt ist, eine Barrierenschicht 2c, die aus CaS einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, ein Leuchtstoffdünnfilm 3c, der aus Zn0,7Cd0,3S:Ag einer Dicke von 20 nm zusammengesetzt ist, und eine Barrierenschicht 2d, die aus CaS einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das epitaxiale Aufwachsen aufeinanderfolgend aufgewachsen. Dadurch wird eine geschichtete lichtemittierende Schicht 4 als Schichtstruktur gebildet. Daraufhin wird darüber BaTa&sub2;O&sub6;-Keramik in einer Argonatmosphäre mit 10% Sauerstoff rf-gesputtert. Dadurch wird ein dielektrischer Dünnfilm 5 einer Dicke von 300 nm gebildet. Ferner wird darüber eine transparente Elektrode 6, die aus ITO einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren gebildet.
• Das erfindungsgemäße Dünnfilm-EL-Element wurde unter Anlegen einer Wechselspannung einer Impulsbreite von 30 µs, einer Wiederholungsfrequenz von 1 kHz und einer Spitzenspannung von 200 V über das Substrat 1 und die transparente Elektrode 6 betrieben, und es emittierte helles grünes Licht. Durch Ersetzen der Lumineszenzverunreinigung Ag durch Cu emittierte es helles rotes Licht.
[Zweite Ausführungsform]
• Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Auf einem Glassubstrat 7 wird eine transparente Elektrode 8, die aus einem ITO-Dünnfilm einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das Elektronenstrahl-Verdampfungsaufwachsen gebildet. Darüber wird ein dielektrischer Dünnfilm 9, der aus CaF&sub2; einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das Elektronenstrahl-Verdampfungsaufwachsen gebildet. Darüber werden dann Leuchtstoffdünnfilme 10, die aus ZnS:Tm einer Dicke von 10 nm zusammengesetzt sind, und Barrierenschichten 11, die aus CaF&sub2; einer Dicke von 20 nm zusammengesetzt sind, wobei beide durch Elektronenstrahl-Verdampfungsaufwachsen gebildet werden, abwechselnd zu 30 Schichten übereinander geschichtet, und dadurch wird eine geschichtete lichtemittierende Schicht 12 gebildet. Ferner wird darüber eine Hintergrundelektrode 13, die aus Aluminium einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das Elektronenstrahl-Verdampfungsaufwachsen gebildet.
• Das erfindungsgemäße Dünnfilm-EL-Element wurde durch Anlegen einer Wechselspannung einer Impulsbreite von 30 µs, einer Wiederholfrequenz von 1 kHz und einer Spitzenspannung von 200 V über die transparente Elektrode 8 und die Hintergrundelektrode 13 betrieben, und es emittierte helles blaues Licht.
• Als Material für den Leuchtstoffdünnfilm kommen neben dem in der vorstehend genannten Ausführungsform beschriebenen Zinksulfid als verwendbare Substanzen Cadmiumsulfid, Zinktellurid, Zinkselenid, Cadmium-Zinksulfid oder ein Material in Betracht, das einen gemischten Kristall der vorstehend genannten Materialien als einen Hauptbestandteil enthält. Sie können dieselbe Wirkung wie in Zinksulfid aufweisen, weil die Energielücke dieser Materialien, die für die Barrierenschichten verwendet werden, breit genug ist, um die Bandlücke des Materials zu übertreffen, das für den Leuchtstoffdünnfilm verwendet wird. Neben den ersten und zweiten Ausführungsformen, bei denen der Leuchtstoffdünnfilm eine Lumineszenzverunreinigung enthält, ist es auch, abhängig von der Notwendigkeit, möglich, einen Leuchtstoffdünnfilm zu verwenden, der keine Verunreinigung enthält. Für die Kombination der Materialien, die für den Leuchtstoffdünnfilm und für die Barrierenschichten verwendet werden, können Kombinationen von Materialien, welche nahezu dieselbe Gitterkonstante aufweisen, ein hervorragendes Ergebnis erbringen. Dies trifft in ähnlicher Weise für weitere Ausführungsformen zu. Beispielsweise für den Fall, daß ZnS als das Material für den Leuchtstoffdünnfilm 10, wie bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, nimmt die Lichtemissionsausbeute zu, wenn ein gemischter Kristall aus Strontium-Calciumfluorid mit einem Zusammensetzungsverhältnis, das hinsichtlich des Gitters mit dem vorstehend genannten Leuchtstoffdünnfilm übereinstimmt, für die Barrierenschichten 11 verwendet wird. Es ist dabei wünschenswert, daß die Differenz zwischen der Gitterkonstanten des vorstehend genannten Leuchtstoffdünnfilms und derjenigen der Grenzschichten innerhalb von 5% oder darunter liegt.
• Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines Dünnfilm-EL-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Auf einem Si-Substrat 14 niedrigen Widerstands wird ein dielektrischer Film 15, der aus einem CaF&sub2;-Dünnfilm einer Dicke von 150 nm zusammengesetzt ist, durch die Molekularstrahl-Epitaxial-Aufwuchstechnik epitaxial aufgewachsen. Darüber werden unter Verwendung von Knudsen-Zellen, die jeweils Ca und Mg enthalten und einer Wasserstoffsulfidgaszelle, eine Barrierenschicht 16 aus Ca0,6Mg0,4S einer Dicke von 70 nm gebildet. Auf den Barrierenschichten 16 wird ein Leuchtstoffdünnfilm 17, der aus ZnS einer Dicke von 10 nm zusammengesetzt ist, durch das epitaxiale Aufwachsen gebildet. In ähnlicher Weise werden darüber eine Barrierenschicht, die aus einem Ca0,5Mg0,4S zusammengesetzt ist, und ein Leuchtstoffdünnfilm, der aus ZnS zusammengesetzt ist, abwechselnd durch das epitaxiale Aufwachsen aufgewachsen, bis 10 Perioden (10 Wiederholungen oder Abfolgen) vollendet sind. Schließlich wird eine Barrierenschicht 16 durch das epitaxiale Aufwachsen gebildet. Dadurch wird eine geschichtete lichtemittierende Schicht 18 einer Dicke von 870 nm gebildet. Darüber wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ein dielektrischer Dünnfilm 5 gebildet, der aus BaTa&sub2;O&sub6; einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist. Ferner wird darüber eine transparente Elektrode 6, die aus ITO einer Dicke von 200 nm zusammengesetzt ist, durch das Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren gebildet. Dadurch ist das Dünnfilm-EL-Element vollendet.
• Neben der vorliegenden Ausführungsform, bei der ein dielektrischer Dünnfilm 5 sowie ein weiterer dielektrischer Dünnfilm 15 in einem Spalt zwischen dem Si-Substrat 14 und der geschichteten lichtemittierenden Schicht 18 bzw. in dem weiteren Spalt zwischen der geschichteten lichtemittierenden Schicht 18 und der transparenten Elektrode 6 gebildet sind, kann der dielektrische Dünnfilm lediglich in einem einzigen Spalt für denselben Zweck gebildet sein.
• Wenn das Dünnfilm-EL-Element der vorliegenden Ausführungsform durch Anlegen einer Wechselspannung einer Impulsbreite von 30 µs, einer Wiederholfrequenz von 1 kHz und einer Spitzenspannung von 150 V über dem Substrat 14 und der transparenten Elektrode 6 betrieben wurde, emittierte sie ultraviolettes Licht einer Wellenlänge von 350 nm bis 380 nm.
• Jedes Material, das einen gemischten Kristall aus Magnesiumsulfid und Sulfiden aus weiteren Alkalierdmetallen enthält, die durch Ca0,6Mg0,4S dargestellt sind, das als Barrierenschichtmaterial in der dritten Ausführungsform verwendet wurde, und ein Sulfid aus einem anderen Alkalierdmetall als sein Hauptbestandteil hat eine Bandlücke von typischerweise von 3,8 bis 5,4 eV, wobei die breiteste diejenige von MgS mit 5,4 eV ist. Da diese Bandlücken die Bandlücke von 3,5 eV von ZnS, das in dem Leuchtstoffdünnfilm verwendet wird, ausreichend breit übertreffen, können Träger in dem Leuchtstoffdünnfilm wirksam eingeschlossen werden. Durch die Verwendung einer Materialzusammensetzung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Gitteranpassung zwischen jeweiligen Schichten erzielbar. Dadurch kann der Gitterfehler, der einer von verschiedenen Ursachen zur Erzeugung nichtstrahlender Zentren ist, im Vergleich zu denjenigen Fällen reduziert werden, die eine Gitterfehlanpassung aufweisen. Dadurch wird die Lichtemissionsausbeute hoch. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ZnS als Leuchtstoffdünnfilm verwendet, und deshalb wurden Si und CaF&sub2;, die Gitterkonstanten nahe an denjenigen von ZnS aufweisen, für das Substratmaterial ebenso wie für den dielektrischen Dünnfilm 15 verwendet. Zum Erzielen der Gitteranpassung in Bezug auf das Barrierenschichtmaterial wurde ein gemischter Kristall aus MgS und CaS verwendet. Außerdem ist es möglich, den dielektrischen Dünnfilm 15 perfekt gitterangepaßt zum ZnS-Leuchtstoffdünnfilm auszubilden. In diesem Fall können ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform gemischte Kristalle aus Strontium-Calciumfluorid verwendet werden. Die Bandlücke von Calciummagnesiumsulfid im Fall einer Beibehaltung der Gitteranpassung mit dem ZnS- Leuchtstoffdünnfilm wird mit etwa 4,8 eV ausreichend breit. Dadurch werden sowohl Elektronen wie Löcher in dem Leuchtstoffdünnfilm eingeschlossen, und eine hochgradig effiziente Lichtemission wird erzielt.
• Neben der dritten Ausführungsform, bei der Si als Substratmaterial verwendet wurde, wurde dieselbe Wirkung durch Verwendung von beispielsweise GaP erreicht, das eine Gitterkonstante nahe an derjenigen von Si aufweist. Obwohl ein gemischter Kristall aus CaS und MgS als das Barrierenschichtmaterial verwendet wurde, ergibt auch die Verwendung eines gemischten Kristalls aus MgS und SrS oder aus MgS und BaS anstelle dieser Materialien dieselbe Wirkung, soweit sie ein Zusammensetzungsverhältnis aufwiesen, das die Gitteranpassungsbedingung erfüllt.
• In ähnlicher Weise kann für das Leuchtstoffdünnfilmmaterial ein Halbleitermaterial gewählt werden, wie beispielsweise dasjenige, das einen gemischten Kristall mit einem vorgeschriebenen Zusammensetzungsverhältnis von ZnS und einem weiteren IIb-VIA-Gruppen-Verbindungshalbleiter als seinen Hauptbestandteil aufweist. In diesen Fällen kann unter Verwendung des Barrierenschichtmaterials ein gemischter Kristall, der die Gitteranpassung an den Leuchtstoffdünnfilm beibehält, ein hochwirksames Kurzwellenlängen-Dünnfilm-EL- Element einer gewünschten Wellenlänge entsprechend der Bandlücke des Leuchtstoffdünnfilms in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform erhalten werden.
• Die Materialzusammensetzung einer vierten Ausführungsform ist nachfolgend in Bezug auf Fig. 4 erläutert. Das Merkmal der vorliegenden vierten Ausführungsform besteht darin, eine Verbindung zu verwenden, die aus Mangan und einem Element der Gruppe VIA für das Barrierenschichtmaterial besteht. Eine Barrierenschicht 19, die einen ZnMnSSe-Dünnfilm einer Dicke von 70 nm umfaßt, wurde auf einem GaAs-Substrat 1 durch das Molekularstrahl-Epitaxial-Verdampfungsverfahren aufgewachsen. Darüber wurde ein Leuchtstoffdünnfilm 20, der aus einem ZnSe-Dünnfilm 10 einer Dicke von 10 nm besteht, epitaxial aufgewachsen. Paare dieser Barrierenschicht 19 und des Leuchtstoffdünnfilms 20 wurden wiederholt 10 Mal übereinandergeschichtet und schließlich wurde eine Barrierenschicht 19 epitaxial aufgewachsen; dadurch war die geschichtete lichtemittierende Schicht 21 vollendet. Das Zusammensetzungsverhältnis dieser Barrierenschicht 19 wurde auf einen Wert eingestellt, mit dem das Gitter in Bezug auf ZnSe, das den Leuchtstoffdünnfilm 20 bildet, abgestimmt ist. Darüber wurde ein dielektrischer Dünnfilm 5 einer Dicke von 300 nm, der aus BaTa&sub2;O&sub6; zusammengesetzt ist, gebildet. Schließlich wurde eine transparente Elektrode 6, die aus ITO einer Dicke von 200 nm besteht, aufgetragen, wodurch ein Dünnfilm-EL-Element vollendet war. Das Dünnfilm-EL-Element gemäß der vorliegenden Erfindung emittierte blaues Licht, wenn es durch Anlegen einer Wechselspannung einer Impulsbreite von 30 µs, einer Wiederholfrequenz von 1 kHz und einer Spitzenspannung von 180 V über das Substrat 1 und die transparente Elektrode 6 betrieben wurde.
• Bei der vierten Ausführungsform ist es auch möglich, CdS:Ag für den Leuchtstoffdünnfilm 20 und für die Barrierenschicht ZnMnSe mit einem solchen Zusammensetzungsverhältnis zu verwenden, das mit dem Gitter von CdS abgestimmt ist, als modifiziertes Ausführungsbeispiel einer Kombination einer Verbindung von Mangan und einem Element der Gruppe VIA, die für die Barrierenschicht verwendet wird, mit einem Material für den Leuchtstoffdünnfilm. In diesem Fall wird InP mit einer Gitterkonstanten nahe zu der vorstehenden als das Substratmaterial verwendet. Von einem EL-Element gemäß der vorstehend erläuterten vorliegenden Ausführungsform konnte ein helles rotes Licht erzeugt werden.
• Als weiteres modifiziertes Ausführungsbeispiel wird ZnCdS:Ag anstelle des Leuchtstoffdünnfilms verwendet, der aus ZnSe gemäß der vierten Ausführungsform besteht, und jeweilige Schichten werden mit derartigen Zusammensetzungsverhältnissen gebildet, die zum Erzielen der Gitterabstimmung zwischen sowohl dem Substrat, der Barrierenschicht, wie dem Leuchtstoffdünnfilm geeignet sind. Ein Dünnfilm-EL-Element wurde dadurch hergestellt. Das resultierende Element lieferte ein helles bläulichgrünes Licht bei einer vorgeschriebenen Betriebsbedingung.
• Für das Leuchtstoffdünnfilmmaterial kann neben dem in der Ausführungsform gezeigten Beispiel eines Zusatzes von Ag als die Lumineszenzverunreinigung auch direkt ein nichtdotiertes ZnCdS oder der Zusatz einer anderen Lumineszenzverunreinigung verwendet werden.
• Unter Verwendung von GaAs, Si oder GaP als Substrat 1, unter Verwendung von MnS für die Barrierenschicht 19 und unter Verwendung von ZnCdS, das die Gitteranpassungsbedingung mit MnS als der Leuchtstoffdünnfilm 20 erfüllt, wurde dadurch ein Dünnfilm-EL-Element einer ähnlichen Zusammensetzung wie bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform gebildet. Dieses Element konnte ein helles blaues Licht unter der vorgeschriebenen Betriebsbedingung liefern.
• Als noch weiteres Ausführungsbeispiel wurde ein Dünnfilm-EL-Element mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie bei der vorstehend genannten Ausführungsform unter Verwendung von GaSb für das Substrat 1, ZnTe für den Leuchtstoffdünnfilm 20 und CdMnTe gebildet, das die Gitteranpassungsbedingung mit ZnTe für die Barrierenschicht erfüllt. Dieses Element konnte ein helles grünes Licht bei der vorgeschriebenen Betriebsbedingung liefern.
• Neben der vorstehend genannten Ausführungsform können durch Auswählen einer derartigen Kombination eines Leuchtstoffdünnfilms mit einer Barrierenschicht so, daß die Bandlücke des Leuchtstoffdünnfilms kleiner ist als diejenige der Barrierenschicht und ihre Gitterkonstanten nahe zueinander liegen, noch weitere Materialien, wie beispielsweise MnTe, MnSe, MnS oder gemischte Kristalle davon, mit Zn oder Cd verwendet werden, und dadurch kann eine ähnliche Wirkung wie bei der vorstehend genannten Ausführungsform erzielt werden.
• Die stabilste Kristallstruktur von Grundmaterialien von Verbindungen von Mn und einem Element der Gruppe VI ist die Steinsalz-Typ-Kristallstruktur, und sie ist von einem Typ, der sich von der Zinkblenden-Typ-Kristallstruktur der Verbindungshalbleiter von Elementen der Gruppe IIb-VIA unterscheidet, die den Leuchtstoffdünnfilm umfaßt, der bei den vorstehend genannten Ausführungsformen verwendet wird. Einige dieser Verbindungen nehmen jedoch die Zinkblenden-Typ-Kristallstruktur, bei der es sich um denselben Typ von Kristallstruktur wie denjenigen des Basiseinkristallsubstrats der Zinkblenden-Typ-Kristallstruktur handelt, als Ergebnis des Einnehmens eines Typs eines gemischten Kristalls mit Zn oder Cd oder durch Ausführen eines epitaxialen Aufwachsens auf einem (111)-Substrat ein. Die vierte Ausführungform zeigt ein Beispiel, bei dem die Barrierenschicht und der Leuchtstoffdünnfilm dieselbe Zinkblenden-Typ-Kristallstruktur aufweisen, und es hat eine bessere Lichtemissionseigenschaft im Vergleich zu dem Fall, daß die Kristallstruktur der vorstehend genannten Verbindung von Mn und einem Element der VIA-Gruppe sich von der Zinkblenden-Typ-Kristallstruktur unterscheidet. Der Grund dafür kann sein, daß aufgrund der Realisierung einer Heteroepitaxie zwischen Kristallen derselben Kristallstruktur die Eigenschaft des geschichteten Leuchtstoffdünnfilms als Kristall verbessert wird, wodurch die Dichte von Kristallfehlern, welche die nichtstrahlenden Zentren auf der Grenzfläche bilden, reduziert ist.
• Neben sämtlichen vorstehend genannten Ausführungsformen, bei denen Beispiele für ihre Barrierenschicht die Verbindungen von Alkalierdmetallen oder Mangan mit einem Element der Gruppe VIA oder gemischte Kristalle dieser Materialien verwenden, ist es auch möglich, diese Materialien für den Leuchtstoffdünnfilm abhängig von der Notwendigkeit zu verwenden. Beispielsweise können bei der zweiten Ausführungsform neben Zinksulfid mit Lumineszenzverunreinigungen für das Leuchtstoffdünnfilmmaterial modifizierte Leuchtstoffdünnfilme mit Calciumsulfid oder Strontiumsulfid als ihre Hauptzusammensetzung verwendet werden. Unter Verwendung dieser Materialien war es in dem Fall notwendig, Materialien zu verwenden, deren Bandlücken größer waren als diejenige der Leuchtstoffdünnfilme. Obwohl Beispiele, bei denen Verbindungen, umfassend Zink oder Cadmium und ein Element der Gruppe VIA oder gemischte Kristalle dieser Materialien für den Leuchtstoffdünnfilm verwendet wurden, ist es bei sämtlichen vorstehend erläuterten Ausführungsformen gleichermaßen möglich, diese Materialien für das Barrierenschichtmaterial zu verwenden. In diesen Fällen wurden ebenfalls ähnliche Wirkungen mit einer adäquaten Kombination erreicht, bei der die Bandlücke der Barrierenschicht größer war als diejenige des Leuchtstoffdünnfilms.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein stark lichtemittierender und mit hohem Wirkungsgrad lichtemittierender Dünnfilm geschaffen, der die drei Primärfarben emittieren kann.
• In dem Fall, daß ein Dünnfilm-EL-Element unter Verwendung des lichtemittierenden Dünnfilms gebildet ist, wird ein stark lichtemittierendes und einen hohen Wirkungsgrad aufweisendes Dünnfilm-EL-Element geschaffen.
• Die vorliegende Erfindung ist von besonderem Vorteil für lichtemittierende Elemente zum Emittieren von Licht kurzer Wellenlänge, für Mehrfarben-EL-Elemente oder für Vollfarben-EL-Elemente.
• Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, versteht es sich, daß diese Offenbarung nicht als beschränkend ausgelegt werden soll. Verschiedene Abweichungen und Modifikationen erschließen sich dem Fachmann ohne weiteres nach dem Studium der vorstehenden Offenbarung.

Claims (11)

1. Lichtemittierender Film mit mehrlagiger Struktur, umfassend

wenigstens eine Leuchtstoffilm-Sandwichanordnung (2a, 3a, 2b), wobei jede wenigstens eine Leuchtstoffilm-Sandwichanordnung, erste und zweite Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) umfaßt, die durch einen Leuchtstoffilm (3a; 10; 17; 20) getrennt und in Kontakt mit ihm sind,

wobei die Dicke des Leuchtstoffilms (2a; 10; 17; 20) weniger als 50 nm und größer als 1 nm ist und die Bandlücke der Barriereschichten (2a; 2b; 11; 16; 19) größer als derjenige des Leuchtstoffilms (3a; 10; 17; 20) ist, und

der Leuchtstoffilm (3a; 10; 17; 20) und die Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) wenigstens eine chemische Zusammensetzung enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus chemischen Zusammensetzungen von Zink, Cadmium, Mangan und Erdalkalimetallen zusammen mit Elementen aus der Gruppe VI A.

2. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1, wobei die mehrlagige Struktur wenigstens eine zusätzliche Leuchtstoffilm- Sandwichanordnung (2b, 3b, 2c; ...) umfaßt.

3. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) wenigstens eine chemische Zusammensetzung enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Fluoriden von Erdalkalimetallen.

4. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Leuchtstoffilm (3a; 10; 17; 20) und die Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) dieselbe Kristallstruktur aufweisen.

5. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens einer von dem Leuchtstoffilm (3a; 10; 17; 20) und den Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) die chemische Zusammensetzung von Magnesiumsulfid und wenigstens eine chemi sche Zusammensetzung enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus chemischen Zusammensetzungen anderer Sulfide von Erdalkalimetallen.

6. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1, bei dem die chemischen Zusammensetzungen von Mangan und Elementen der Gruppe VI A wenigstens eine chemische Zusammensetzung enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mangantellurid (MnTe), Manganselenid (MnSe) und Mangansulfid (MnS).

7. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1, bei dem die chemischen Zusammensetzungen, ausgewählt aus der Gruppe chemischer Zusammensetzungen von Mangan und einem der Elemente der Gruppe VI A, eine Zinkblendenkristallstruktur aufweisen.

8. Lichtemittierender Film nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Leuchtstoffilm (3a; 10; 17; 20) und Barriereschichten (2a, 2b; 11; 16; 19) Epitaxialfilme sind.

9. Lichtemittierender Film nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Anzahl von Leuchtstoffilm-Sandwichanordnungen (2a, 3a, 2b; ...) aufeinandergeschichtet angeordnet ist, derart, daß benachbarte Grenzschichten benachbarter Sandwichanordnungen eine gemeinsame Barriereschicht (2b, 2c, ...) teilen, die dazwischen angeordnet ist.

10. Dünnfilm-Elektrolumineszenzelement, umfassend einen lichtemittierenden Film (4; 18; 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Einrichtung (1; 6, 7; 6, 14; 6) zum Anlegen von Spannung an den lichtemittierenden Film (4; 18; 21).

11. Dünnfilm-Elektrolumineszenzelement nach Anspruch 10, bei dem ein dielektrischer Film (5) wenigstens auf einer Oberfläche des lichtemittierenden Films (18) gebildet ist und die Spannung durch den dielektrischen Film (5) an den lichtemittierenden Film (18) angelegt wird.