JP2000173775A

JP2000173775A - 紫外発光エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000173775A
Application number: JP10344358A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Mitamura; 聡三田村; Hirotaka Akao; 裕隆赤尾; Sakuya Tamada; 作哉玉田; Shunichi Hashimoto; 俊一橋本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】波長４００ｎｍ以下の電磁波を長期的に安定
した輝度で放射する。【解決手段】３Ｂ族元素の窒化物によって形成された
紫外発光膜４と、この紫外発光膜４を挟んで両面に形成
された一対の導電膜３，５とを備える。一対の導電膜
３，５に電界を印加することによって、紫外発光膜４が
波長４００ｎｍ以下の電磁波を放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外波長域で発光
する紫外発光エレクトロルミネッセンス素子に関する。
また、本発明は、紫外波長域で発光する紫外発光エレク
トロルミネッセンス素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロルミネッセンス素子（以下、
ＥＬ素子と称する。）は、物質に電界を印加することに
よって生じる発光現象を利用した発光素子である。ＥＬ
素子は、高輝度であり、薄型軽量であることから、例え
ばフラットパネルディスプレイの発光部材としての利用
が注目されている。

【０００３】ＥＬ素子を画素として利用した薄膜ＥＬデ
ィスプレイは、高輝度且つ高速応答であり、視野角依存
性がなく、コントラスト比も高いために、優れた表示品
質を示す。さらに、薄膜ＥＬディスプレイは、高解像度
化・大画面化が容易であるために、次世代のフラットパ
ネルディスプレイとして有望視されている。

【０００４】そのため、この薄膜ＥＬディスプレイは、
フルカラーディスプレイとしての実用化に向けて、多色
化に関する様々な研究が行われており、青色発光色の色
純度を除けば、ほぼ実用レベルの特性が得られている。

【０００５】ＥＬ素子は、その母体材料として、一般
に、硫化物、特に硫化亜鉛が用いられる。ＥＬ素子は、
この硫化亜鉛に代表される硫化物を母体材料に用いた場
合に、空気中での電界印加時において酸化が進行して変
質してしまい、輝度の経時変化が生じてしまう。また、
ＥＬ素子は、紫外光を照射した場合においても同様に、
輝度の経時変化が生じてしまう。

【０００６】そこで、ＥＬ素子においては、この輝度の
経時変化を防止するために、母体材料である硫化物を含
む発光膜を２層の誘電体絶縁膜によって挟持し、空気中
から隔離するという提案が１９７４年になされた（T.In
oguchi et al., Digest of 1974 SID International Sy
mposium, p84 (1974).）。

【０００７】斯かるＥＬ素子は、発光膜を２層の誘電体
絶縁膜で挟持する二重絶縁構造とされることによって、
安定して発光するように構成される。具体的には、ガラ
ス等の透明基板上に、Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，酸化インジ
ウム錫（ＩＴＯ）等により形成した透明導電膜と、Ｓｉ
Ｏ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｔｉ
Ｏ₂，Ｙ₂Ｏ₃等により形成した下部絶縁膜と、ＺｎＳ，
ＳｒＳ，ＣａＳ等の母体材料中に発光中心元素を添加し
た発光膜と、下部絶縁膜と同様に形成された上部絶縁膜
と、Ａｌ，Ｍｏ等の金属からなる背面導電膜とを順次積
層した構造とされる。

【０００８】この場合に、発光中心元素としては、遷移
金属であるＭｎのイオン（Ｍｎ²⁺）や希土類元素のイオ
ン等が用いられている。Ｍｎ²⁺は、（３ｄ）５禁制遷移
による黄橙色の発光を示す。また、希土類元素のイオン
は、４ｆ禁制遷移による発光、又は４ｆ−５ｄ許容遷移
による発光を示す。４ｆ禁制遷移による発光中心元素と
しては、Ｔｍ³⁺（青色），Ｔｂ³⁺（緑色），Ｓｍ³⁺（赤
色）等がある。許容遷移による発光中心元素としては、
Ｃｅ³⁺，Ｅｕ²⁺等がある。

【０００９】ＥＬ素子においては、さらに長期的に安定
して発光させるために、上述した２層の誘電体絶縁膜と
してＳｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ，ＢＮ等のような窒化物を用いた
素子構造が、特開昭６２−５５９６公報に記載されてい
る。

【００１０】一方、ＥＬ素子においては、可視光波長域
での発光現象だけでなく、紫外・近紫外波長域での発光
現象も古くから知られている。この紫外・近紫外波長域
での発光現象は、発光膜の母体材料又は発光中心元素の
禁制遷移に起因している（N.Miura et al., Jpn. J. Ap
pl. Phys.,30,L1815 (1991).）。そして、ＥＬ素子にお
いては、紫外・近紫外波長域での発光を蛍光体の励起エ
ネルギーとして利用することによって、可視光領域へ波
長変換する試みもなされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ＥＬ
素子においては、様々な試みがなされているものの、薄
型のディスプレイとして実用的に十分な性能を備えるも
のは未だ実現されていない。

【００１２】上述した二重絶縁膜構造とされたＥＬ素子
は、発光膜の母体材料がＳｒＳやＣａＳである場合にお
いて、十分に実用的な輝度寿命が得られないといった問
題がある。このことは、ＳｒＳやＣａＳが大気中の水分
や二酸化炭素等と反応してしまい、部分的に酸化物ある
いは炭酸塩を生じて経時変化してしまうためである。し
たがって、従来のＥＬ素子は、上述したように薄膜ＥＬ
ディスプレイの画素として利用して実用化されることが
未だ困難である。

【００１３】また、ＥＬ素子は、上述したように、紫外
・近紫外発光させて用いる場合に、紫外・近紫外波長域
での発光現象とともに、母体材料の許容遷移に起因する
可視光領域での発光現象も同時に観測されてしまう。こ
の場合に、紫外・近紫外波長域での発光は、可視光波長
域での発光と比較して輝度が極めて低いために、蛍光体
の励起エネルギーとして実用的に利用するには十分でな
い。また、従来のＥＬ素子は、自身の発光する紫外光に
よって母体材料が変質してしまうことがある。したがっ
て、ＥＬ素子は、紫外・近紫外波長域での発光現象を実
際の製品に応用して、キーデバイスとして利用すること
は困難である。

【００１４】そこで、本発明は、波長４００ｎｍ以下の
電磁波を放射し、且つ、長期的に安定した輝度を維持す
ることができる母体材料によって構成された紫外発光エ
レクトロルミネッセンス素子及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明に係る紫外発光エレクトロルミネッセン
ス素子は、３Ｂ族元素の窒化物によって形成された紫外
発光膜と、上記紫外発光膜を挟んで両面に形成された一
対の導電膜とを備え、上記一対の導電膜のうち少なくと
も一方は透光性を有し、上記紫外発光膜は、波長４００
ｎｍ以下の電磁波を放射してなる。

【００１６】以上のように構成された紫外発光エレクト
ロルミネッセンス素子は、３Ｂ族元素の窒化物が化学的
に安定した化合物であるために、強電界下や紫外光暴露
下においても、大気中の水分や二酸化炭素等で変質して
しまうことがなく、輝度が長期的に安定する。

【００１７】また、上述した目的を達成するために、本
発明に係る紫外エレクトロルミネッセンス素子の製造方
法は、基板上に第１の導電膜を形成する第１の導電膜形
成工程と、上記第１の導電膜上に、波長４００ｎｍ以下
の電磁波を放射する紫外発光膜を、３Ｂ族元素の窒化物
によって形成する紫外発光膜形成工程と、上記紫外発光
膜上に第２の導電膜を形成する第２の導電膜形成工程と
を有し、上記紫外発光膜形成工程においては、ＰＶＤ法
を用いてなる。

【００１８】したがって、斯かる紫外エレクトロルミネ
ッセンス素子の製造方法によれば、大面積に対して均一
且つ低コストで紫外発光膜を形成することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明に
おいては、図１に示すような紫外発光ＥＬ素子１につい
て説明することとする。なお、以下の説明においては、
紫外発光ＥＬ素子１を構成する各部材並びにその材料、
大きさ、膜厚及び成膜方法等について具体的な例を挙げ
るが、本発明は以下の例に限定されるものではない。

【００２０】紫外発光ＥＬ素子１は、基板２上に、第１
の導電膜３と、紫外発光膜４と、第２の導電膜５とがこ
の順に形成されており、積層構造を呈している。

【００２１】基板２は、硬質材料によって略平板状に形
成されている。また、基板２は、非導電性を有する材料
によって形成されることが望ましい。これにより、第１
の導電膜３に印加される電圧が短絡してしまうことがな
い。基板２は、大きさ、厚み、形状等を限定されるもの
ではなく、目的に応じた所定の強度を備える厚みに形成
されていればよい。

【００２２】また、基板２は、例えば合成石英ガラスや
透明プラスチック等の透光性を有する非導電性硬質材料
によって形成されてもよい。これにより、紫外発光ＥＬ
素子１は、紫外発光膜４により発光された紫外光、又は
この紫外光が波長変換された可視光が基板２を透過する
構成とすることができる。

【００２３】第１の導電膜３は、導電性を有する材料に
よって、略平板状に形成されている。第１の導電膜３
は、例えば、Ｍｏ，Ａｌ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐ
ｔ，Ｃｕ，Ｎｉ等の材料によって形成されている。ま
た、第１の導電膜３は、Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＺｎＯ，
酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の導電性を有し、且つ透
光性を有する材料によって形成されてもよい。これによ
り、紫外発光ＥＬ素子１は、紫外発光膜４により発光さ
れた紫外光、又はこの紫外光が波長変換された可視光が
第１の導電膜３を透過する構成とすることができる。

【００２４】第２の導電膜５は、第１の導電膜３と同様
に、導電性を有する材料によって、略平板状に形成され
ており、第１の導電膜３とほぼ同じ大きさに形成されて
いる。また、第２の導電膜５は、第１の導電膜３と同様
に、導電性を有し、且つ透光性を有する材料によって形
成されてもよい。これにより、紫外発光ＥＬ素子１は、
紫外発光膜４により発光された紫外光、又はこの紫外光
が波長変換された可視光が第２の導電膜５を透過する構
成とすることができる。

【００２５】紫外発光ＥＬ素子１において、第１の導電
膜３と第２の導電膜５とのうち少なくとも一方は、上述
したように透光性を有する。これにより、紫外発光ＥＬ
素子１は、紫外発光膜４が紫外光を放射した際に、この
紫外光を第１の導電膜３と第２の導電膜５とのうち少な
くとも一方から透過させることができる。

【００２６】紫外発光膜４は、３Ｂ族元素の窒化物によ
って略平板状に形成されており、第１の導電膜３とほぼ
同じ大きさに形成されている。また、紫外発光膜４は、
第１の導電膜３と第２の導電膜５との間に挟まれて形成
されており、これら第１の導電膜３と第２の導電膜５と
の間に電界を印加されることによって紫外光を放射す
る。なお、紫外光とは、波長４００ｎｍ以下の電磁波の
ことをいう。

【００２７】紫外発光膜４は、３Ｂ族元素が化学的に安
定した化合物であるために、強電界下や紫外発光下にお
いても、大気中の水分や二酸化炭素等によって酸化して
しまうことがなく、輝度が長期的に安定する。したがっ
て、例えば、紫外発光ＥＬ素子１を蛍光体の励起光源と
して利用して、高輝度且つ輝度寿命が長いフラットパネ
ルディスプレイを具現化することができる。また、この
場合に、従来からＣＲＴ（Cathode Ray Tube）で用いら
れているような色再現性に優れた蛍光体を利用すること
によって、色再現性に優れたフラットパネルディスプレ
イを具現化することが容易にできる。

【００２８】また、紫外発光膜４は、３Ｂ族元素の窒化
物として、ＢＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮ，Ｉｎ−Ｇａ
−Ａｌ−Ｎ等の、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎから選ばれる少
なくとも１種の元素の窒化物によって形成されることが
望ましい。これにより、紫外発光膜４は、電界を印加さ
れることによって紫外光を放射する。

【００２９】紫外発光膜４は、その紫外発光メカニズム
として、いわゆる電圧励起型である第１のメカニズム
と、いわゆる電流注入型である第２のメカニズムとのい
ずれの構成としてもよい。

【００３０】第１のメカニズムは、母体材料中に添加さ
れた発光中心元素によるホットエレクトロンの衝突励起
発光によって、紫外発光膜４が紫外光を放射するもので
ある。この場合、紫外発光膜４は、３Ｂ族元素の窒化物
を母体材料とし、希土類元素を発光中心元素とすること
が望ましい。すなわち、紫外発光膜４は、発光中心元素
として、例えばＧｄ，Ｃｅ，Ｔｍ等に代表される希土類
元素を含有することが望ましい。これにより、紫外発光
ＥＬ素子１は、この第１のメカニズムによって紫外光を
放射する構成となる。

【００３１】発光中心元素としての希土類元素は、特に
Ｇｄであることが望ましい。Ｇｄは、ランタニド系列の
希土類元素の中でも４ｆ最低励起エネルギー準位（⁶Ｐ
_7/2）が高く、このエネルギー準位から基底状態の準位
（⁸Ｓ_7/2）までのエネルギーを波長換算すると、約３１
５ｎｍとなる。すなわち、発光中心元素としてＧｄを用
いることによって、紫外発光が期待される。

【００３２】また、上述した希土類元素は、母体材料中
において、単体で存在してもよいし、例えばハロゲン化
物等の化合物であってもよい。具体的には、例えばＧｄ
元素を母体材料中に含有する場合に、単体Ｇｄ金属，フ
ッ化ガドリニウム，塩化ガドリニウム，臭化ガドリニウ
ム，ヨウ化ガドリニウム，酸化ガドリニウム，窒化ガド
リニウム等を含有してもよい。

【００３３】第２のメカニズムは、母体材料によって多
層構造とされて、ＰＮ型半導体接合界面の形成に基づく
Ｄ−Ａ再結合発光によって、紫外発光膜４が紫外光を放
射するものである。この場合、紫外発光膜４は、量子井
戸層と、この量子井戸層と比較して禁制帯幅エネルギー
が大きいバリア層とを少なくとも１周期以上積層した構
造とされる。そして、紫外発光膜４は、量子井戸層にド
ナー不純物が添加され、バリア層にドナー不純物又はア
クセプター不純物が添加されることが望ましい。これに
より、紫外発光ＥＬ素子１は、この第２のメカニズムに
よって紫外光を放射する構成となる。

【００３４】また、上述した量子井戸層とバリア層と
は、半導体形成の目的で添加される不純物元素を特に限
定されるものではなく、一般的にＰＮ型半導体の形成に
用いられる不純物元素を添加されればよい。

【００３５】以上のように構成された紫外発光ＥＬ素子
１は、第１の導電膜３と第２の導電膜５とを介して、紫
外発光膜４に所定の電界を印加される。これにより、紫
外発光ＥＬ素子１においては、紫外発光膜４が波長４０
０ｎｍ以下の電磁波である紫外光を放射してなる。

【００３６】なお、紫外発光ＥＬ素子１は、第１の導電
膜３と第２の導電膜５との間に、必要に応じて誘電体膜
を１層以上設けた構成としてもよい。紫外発光ＥＬ素子
１は、紫外発光膜４を紫外発光させるために第１の導電
膜３と第２の導電膜５とに電界が印加されるに際して、
誘電体膜を備えることによって、この電界の強度を増大
させることができる。また、紫外発光ＥＬ素子１は、誘
電体膜を備えることによって、紫外発光膜４に過大な電
圧を印加した際に微細欠陥が形成されることによる電気
的短絡（ブレイクダウンモード）を防止することができ
る。

【００３７】誘電体膜は、例えば、ＳｉＯ₂，Ｓｉ
₃Ｎ₄，ＳｉＯＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＡｌＯＮ，ＢａＴｉＯ
₃，ＳｒＴｉＯ₃，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｓｍ₂Ｏ₃，ＢａＴａ₂Ｏ₆，
ＴｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃等の大きな誘電率を有する材料によっ
て薄膜状に形成されてなる。

【００３８】紫外発光ＥＬ素子１は、例えば蛍光体の励
起エネルギー源として使用される場合に、第１の導電膜
３及び／又は第２の導電膜５の周囲に蛍光体を配設され
る。そして、紫外発光膜４から放射される紫外光は、蛍
光体に入射することによって波長変換されて可視光とな
る。

【００３９】紫外発光ＥＬ素子１は、その利用形態、利
用目的に応じて、紫外光及び／又はこの紫外光が波長変
換された可視光の放射方向を適宜定められればよい。し
たがって、紫外発光ＥＬ素子１においては、基板２、第
１の導電膜３及び第２の導電膜４のうち、必要とされる
部材が透光性を備えればよい。

【００４０】次に、本発明に係る紫外発光エレクトロル
ミネッセンス素子の製造方法について説明する。なお、
以下では、上述した紫外発光ＥＬ素子１を製造する方法
について説明することとする。

【００４１】先ず、石英ガラス等の硬質材料によって略
平板状に形成された基板２上に、第１の導電膜３を形成
する。第１の導電膜３は、例えば、Ｍｏ，Ａｌ，Ｔａ，
Ｗ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ
₂，ＺｎＯ，酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等を用いて、
例えば、真空蒸着法、電子線蒸着法、スパッタ法、イオ
ンプレーティング法、分子線エキタピシー法に代表され
る各種のＰＶＤ法によって形成する。

【００４２】第１の導電膜３は、薄膜状に形成し、その
膜厚を０．０２μｍ〜０．５μｍとすることが望まし
く、０．０５μｍ〜０．２μｍとすることがさらに望ま
しい。これにより、第１の導電膜３の形成時に導電パタ
ーンが分断されてしまうことを防止することができると
ともに、紫外発光ＥＬ素子１を薄く形成することができ
る。また、紫外発光ＥＬ素子１において、紫外発光膜４
から放射される紫外光及び／又はこの紫外光を波長変換
した可視光を基板２側に透過させる構成とする際に、第
１の導電膜３は、０．５μｍ以下の厚みで形成されるこ
とによって、これら紫外光及び／又は可視光を吸収して
しまうことを防止することができる。

【００４３】次に、第１の導電膜３上に、紫外発光膜４
を形成する。紫外発光膜４は、３Ｂ族元素又はその窒化
物を用いて、例えば、真空蒸着法、電子線蒸着法、スパ
ッタ法、反応性スパッタ法、電子サイクロトロン共鳴プ
ラズマスパッタ法、イオンプレーティング法、分子線エ
ピタキシー法に代表される各種のＰＶＤ法によって略平
板状に形成する。

【００４４】この紫外発光膜形成工程においては、紫外
発光膜４を形成する際にＰＶＤ法を用いることによっ
て、均一な膜を大面積に対しても短時間で形成すること
ができる。これにより、例えば、紫外発光ＥＬ素子１を
基板２上に同時に多数形成することによって生産効率の
向上を図る場合においても、均一な膜を短時間で形成す
ることができるために、高品質な紫外発光ＥＬ素子１を
低コストで製造することができる。

【００４５】紫外発光膜４は、薄膜状に形成し、その膜
厚を０．０２μｍ〜１．０μｍとすることが望ましく、
０．０５〜０．２μｍとすることがさらに望ましい。紫
外発光膜４は、その膜厚が０．０２μｍ未満である場合
に、例えば、蛍光体の励起エネルギー源として十分に利
用可能な量の紫外光を放射することが困難となる。ま
た、紫外発光膜４は、その膜厚が１．０μｍを超える場
合に、効率よく紫外光を発生させること、又はその紫外
光を効果的に外部に放射することが困難となる。

【００４６】また、紫外発光膜４は、第１の導電膜３側
の全面及び第２の導電膜５側の全面で、これら第１の導
電膜３と第２の導電膜５と接するように形成されること
が望ましい。これにより、紫外発光膜４は、電界を印加
される面積が増加し、膜全体で効率よく紫外光を発光す
ることができる。

【００４７】紫外発光膜４は、上述した第１のメカニズ
ムによって発光する構成とする場合に、３Ｂ族元素の窒
化物によって形成する母体材料中に、発光中心元素とし
て、例えばＧｄ，Ｃｅ，Ｔｍ等に代表される希土類元素
を添加して形成する。

【００４８】また、紫外発光膜４は、上述した第２のメ
カニズムによって発光する構成とする場合に、３Ｂ族元
素の窒化物によって形成する母体材料を、量子井戸層
と、この量子井戸層と比較して禁制帯幅エネルギーが大
きいバリア層とを少なくとも１周期以上積層した多層構
造に形成してもよい。そして、紫外発光膜４は、量子井
戸層にドナー添加物を添加し、バリア層にドナー不純物
又はアクセプター不純物を添加して形成する。

【００４９】また、この紫外発光膜形成工程において
は、電子サイクロトロン共鳴プラズマスパッタ法（以
下、ＥＣＲプラズマスパッタ法と称する。）を用いて紫
外発光膜４を形成することが望ましい。ＥＣＲプラズマ
スパッタ法は、ＥＣＲプラズマによって生成される高密
度な窒素分子ラジカル及び窒素原子ラジカルが窒化反応
を促進する。したがって、ＥＣＲプラズマスパッタ法に
よれば、化学量論的組成に近い高品質な紫外発光膜４を
形成することができる。また、ＥＣＲプラズマスパッタ
法によれば、分子線エピタキシー法やＭＯＣＶＤ法等と
比較して、低温で紫外発光膜４を形成することができ、
大面積に対して紫外発光膜４を形成することができる。

【００５０】さらに、この紫外発光膜形成工程において
は、ＥＣＲプラズマスパッタ法を用いた場合に、基板２
とターゲットとの間に配設されたグリッド、又は基板２
を保持する基板ホルダに対して正バイアス電圧を印加す
ることが望ましい。これにより、ＥＣＲプラズマによっ
て生成された運動エネルギーの高いイオンが基板２に衝
突することを防止することができる。したがって、イオ
ンが衝突することによる紫外発光膜４の劣化を防止する
ことができ、膜表面モフォロジー、電気特性及び光学的
特性の優れた高品質な紫外発光膜４を形成することがで
きる。

【００５１】さらにまた、この紫外発光膜形成工程にお
いては、基板２と上記ターゲットとの間に配設されたド
ーピング元素ターゲットに対して、直流バイアス電圧を
印加することによってスパッタドーピングを行うことが
望ましい。これにより、紫外発光膜４を多層構造とする
場合に、母体材料中に添加するドナー不純物及びアクセ
プター不純物となるドーピング元素の添加量を自由に調
整することができる。

【００５２】ドナー不純物及びアクセプター不純物は、
例えば、母体材料の焼結体ターゲットに予め混合してお
き、この焼結体ターゲットを用いることによって母体材
料中に添加してもよいが、この場合は、各不純物の材料
や添加量を調整するためには焼結体ターゲット全体を交
換する必要が生じてしまう。ところが、直流バイアス電
圧を印加することによってスパッタドーピングを行う場
合は、この直流バイアス電圧の電圧値を変えるだけで各
不純物の添加量を調整することができる。

【００５３】次に、紫外発光膜４上に、第２の導電膜５
を形成する。第２の導電膜５は、例えば、Ｍｏ，Ａｌ，
Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｉｎ₂Ｏ₃，
ＳｎＯ₂，ＺｎＯ，酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等を用
いて、例えば、真空蒸着法、電子線蒸着法、スパッタ
法、イオンプレーティング法、分子線エキタピシー法に
代表される各種のＰＶＤ法によって形成する。

【００５４】第２の導電膜５は、薄膜上に形成し、その
膜厚を０．０２μｍ〜０．３μｍとすることが望まし
く、０．０５μｍ〜０．１５μｍとすることがさらに望
ましい。これにより、第２の導電膜５の形成時に導電パ
ターンが分断されてしまうことを防止することができる
とともに、紫外発光ＥＬ素子１を薄く形成することがで
きる。また、紫外発光ＥＬ素子１において、紫外発光膜
４から放射される紫外光及び／又はこの紫外光を波長変
換した可視光を第２の導電膜５側に透過させる構成とす
る際に、第２の導電膜５は、０．３μｍ以下の厚みで形
成されることによって、これら紫外光及び／又は可視光
を吸収してしまうことを防止することができる。

【００５５】以上説明したように、本発明に係る紫外発
光エレクトロルミネッセンス素子の製造方法によれば、
紫外発光膜４を大面積に対して均一且つ低コストで形成
することができる。

【００５６】なお、紫外発光ＥＬ素子１を、上述したよ
うに誘電体膜を備えて製造する際には、第１の導電膜３
及び／又は紫外発光膜４の形成後に、誘電体膜の形成工
程を設けてもよい。

【００５７】誘電体膜は、第１の導電膜３及び／又は紫
外発光膜４の上に形成し、その膜厚を例えば、０．０２
μｍ〜０．５μｍ、好ましくは０．０５μｍ〜０．３μ
ｍとする。誘電体膜は、例えば、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，
ＳｉＯＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＡｌＯＮ，ＢａＴｉＯ₃，Ｓ
ｒＴｉＯ₃，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｓｍ₂Ｏ₃，ＢａＴａ₂Ｏ₆，Ｔｉ
Ｏ₂，Ｙ₂Ｏ₃等の大きな誘電率を有する材料を用いて、
例えば、電子線蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法
に代表される各種のＰＶＤ法によって薄膜状に形成す
る。

【００５８】以下では、本発明に係る紫外発光エレクト
ロルミネッセンス素子の製造方法に基づいて、第１の紫
外発光ＥＬ素子と第２の紫外発光ＥＬ素子とを作製した
場合について説明する。

【００５９】先ず、第１の紫外発光ＥＬ素子を作製する
に際しては、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、高さ１ｍｍの寸法を
有する合成石英製の基板を用意し、この基板に対して中
性洗剤及び有機溶剤等で超音波洗浄を施した。

【００６０】次に、第１の導電膜として、基板上に、Ｍ
ｏ金属薄膜を以下の条件の下で０．４μｍの厚みで形成
した。

【００６１】Ｍｏ金属薄膜の形成条件薄膜形成方法：ＲＦスパッタ法ターゲット：円板形状Ｍｏ金属（直径４inch，厚さ５mm）到達圧力：１．５×１０^-6Ｔｏｒｒ基板温度：３０℃ 放電ガス流量：Ａｒガス３０ｓｃｃｍ放電ガス圧：５ｍＴｏｒｒ基板−ターゲット間距離：７５ｍｍＲＦ投入電力：１００Ｗスパッタ時間：１５ｍｉｎ次に、誘電体として、Ｍｏ金属薄膜上に、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜
を以下の条件の下で０．２５μｍの厚みで形成した。

【００６２】Ｔａ₂Ｏ₅薄膜の形成条件薄膜形成方法：ＤＣスパッタ法ターゲット：円板形状Ｔａ金属（直径３inch，厚さ５mm）到達圧力：４．５×１０^-7Ｔｏｒｒ（常温時）基板温度：５００℃ 放電ガス流量：Ａｒガス１５ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス１５ｓｃｃｍ放電ガス圧：３ｍＴｏｒｒ基板−ターゲット間距離：４４ｍｍＲＦ投入電力：５０Ｗスパッタ時間：３０ｍｉｎ次に、紫外発光膜として、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜上に、Ｇｄを添
加したＡｌＮ薄膜を以下の条件の下で０．４μｍの厚み
で形成した。

【００６３】Ｇｄを添加したＡｌＮ薄膜の形成条件薄膜形成方法：電子サイクロトロン共鳴型ＲＦスパッタ法ターゲット：Ｇｄチップ＋円筒形状Ａｌ金属（直径５inch，厚さ５mm）到達圧力：１．０×１０^-7Ｔｏｒｒ（５５０℃）基板温度：５５０℃ 放電ガス流量：Ａｒガス２０ｓｃｃｍ，Ｎ₂ガス２０ｓｃｃｍ放電ガス圧：１．２ｍＴｏｒｒ基板−ターゲット間距離：１００ｍｍＥＣＲ投入電力：３００ＷＲＦ投入電力：３００Ｗスパッタ時間：６５ｍｉｎ次に、第２の導電膜として、Ｇｄを添加したＡｌＮ薄膜
上に、ＩＴＯ酸化物薄膜を以下の条件の下で０．１μｍ
の厚みで形成した。なお、このＩＴＯ酸化物薄膜の比抵
抗は、４．０×１０^-4Ω・ｃｍとなった。

【００６４】ＩＴＯ酸化物薄膜の形成条件薄膜形成方法：ＲＦスパッタ法ターゲット：円板形状ＩＴＯ酸化物（直径４inch，厚さ５mm）（Ｓｎ含有量５重量％）到達圧力：２．０×１０^-6Ｔｏｒｒ（２５０℃）基板温度：２５０℃ 放電ガス流量：Ａｒガス８０ｓｃｃｍ放電ガス圧：４０ｍＴｏｒｒ基板−ターゲット間距離：１００ｍｍＲＦ投入電力：４０Ｗスパッタ時間：１６ｍｉｎ以上のように作製した第１の紫外発光ＥＬ素子に対し
て、駆動波形が鋸形で駆動周波数が１ｋＨｚの交流パル
ス電圧を、第１の導電膜と第２の導電膜とに印加し、そ
のＥＬ発光スペクトルを測定した。その結果、３５０Ｖ
の印加電圧の下では、図２に示すように、波長３１７ｎ
ｍで強い発光ピークが確認された。

【００６５】この第１の紫外発光ＥＬ素子の発光メカニ
ズムは、次のように説明される。先ず、第１の導電膜と
ＡｌＮ薄膜との界面近傍におけるエレクトロンが強電場
により加速されて高いエネルギーを持つようになる。こ
のように高いエネルギーを持ったエレクトロンをホット
エレクトロンと称する。そして、このホットエレクトロ
ンは、ＡｌＮ膜中でＧｄの４ｆ電子と衝突し、このＧｄ
の４ｆ電子を励起する。この時、Ｇｄの励起された内殻
電子は、基底状態に戻る際に、そのエネルギーギャップ
に相当する波長のＥＬ発光（禁制遷移発光）を行う。

【００６６】なお、第１の紫外発光ＥＬ素子は、室温２
３℃、相対湿度６０％ＲＨのクリーンルーム内で１０時
間連続点灯させたところ、輝度に変化はみられなかっ
た。

【００６７】以上のように、第１の紫外発光ＥＬ素子の
ＥＬ発光スペクトルの測定結果から、母体材料をＡｌＮ
とした紫外発光ＥＬ素子は、波長３１７ｎｍの紫外領域
でＥＬ発光を実現することがわかった。

【００６８】次に、第２の紫外発光ＥＬ素子を作製した
場合について説明する。第２の紫外発光ＥＬ素子は、上
述した第１の紫外発光ＥＬ素子との相違点が、紫外発光
膜の構成のみである。したがって、以下の説明において
は、紫外発光膜の形成工程についてのみ説明することと
する。

【００６９】第２の紫外発光ＥＬ素子を作製するに際し
ては、紫外発光膜として、基板上に形成されたＭｏ金属
薄膜上に、誘電体膜を介して、Ｇｄを添加したＩｎＮ薄
膜を以下の条件の下で０．３５μｍの厚みで形成した。

【００７０】Ｇｄを添加したＩｎＮ薄膜の形成条件薄膜形成方法：電子サイクロトロン共鳴型ＲＦスパッタ法ターゲット：Ｇｄチップ＋円筒形状Ｉｎ金属（直径５inch，厚さ５mm）到達圧力：６．０×１０^-8Ｔｏｒｒ（２００℃）基板温度：２００℃ 放電ガス流量：Ａｒガス１０ｓｃｃｍ，Ｎ₂ガス４０ｓｃｃｍ放電ガス圧：０．８ｍＴｏｒｒ基板−ターゲット間距離：１００ｍｍＥＣＲ投入電力：３００ＷＲＦ投入電力：３５０Ｗスパッタ時間：８０ｍｉｎ次に、第２の導電膜として、Ｇｄを添加したＩｎＮ薄膜
上に、第１の紫外発光ＥＬ素子と同様に、ＩＴＯ酸化物
薄膜を形成した。

【００７１】以上のように作製した第２の紫外発光ＥＬ
素子に対して、駆動波形が鋸形で駆動周波数が１ｋＨｚ
の交流パルス電圧を、第１の導電膜と第２の導電膜とに
印加し、そのＥＬ発光スペクトルを測定した。その結
果、３００Ｖの印加電圧の下では、波長３１７ｎｍで発
光ピークが確認された。

【００７２】ただし、第２の紫外発光ＥＬ素子は、第１
の紫外発光ＥＬ素子と比較して、発光ピークの強度が小
さかった。この理由としては、ＩｎＮの禁制遷移エネル
ギーが理論上１．９５ｅＶであるため、Ｇｄからの紫外
発光が吸収されてしまったことによると考えられる。ま
た、第２の紫外発光ＥＬ素子は、発光ピークの半値幅が
小さくシャープである点から、第１の紫外発光ＥＬ素子
と同様に、禁制遷移発光によって紫外発光したと考えら
れる。

【００７３】なお、第２の紫外発光ＥＬ素子は、室温２
３℃、相対湿度６０％ＲＨのクリーンルーム内で１０時
間点灯させたところ、輝度に変化はみられなかった。

【００７４】以上のように、第２の紫外発光ＥＬ素子の
ＥＬ発光スペクトルの測定結果から、母体材料をＩｎＮ
とした紫外発光ＥＬ素子は、波長３１７ｎｍの紫外領域
でＥＬ発光を実現することがわかった。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る紫外
発光エレクトロルミネッセンス素子は、紫外発光膜に母
体材料として用いる３Ｂ族元素の窒化物が化学的に安定
した化合物であるために、強電界下や紫外光暴露下にお
いても、大気中の水分、二酸化炭素等によって劣化する
ことがなく、長期的に安定した輝度を維持することがで
きる。したがって、斯かる紫外発光エレクトロルミネッ
センス素子は、例えば蛍光体の励起エネルギー源として
利用する場合に、十分に実用的な輝度寿命を得ることが
できる。

【００７６】また、本発明に係る紫外発光エレクトロル
ミネッセンス素子の製造方法によれば、紫外発光膜をＰ
ＶＤ法を用いて形成することによって、均一な膜を大面
積に対しても短時間で形成することができる。したがっ
て、斯かる製造方法によれば、例えば、紫外発光エレク
トロルミネッセンス素子を基板上に同時に多数形成する
ことによって生産効率の向上を図る場合においても、均
一な膜を短時間で形成することができる。そのため、斯
かる製造方法によれば、高品質な紫外発光エレクトロル
ミネッセンス素子を低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る紫外発光ＥＬ素子を示す概略断面
図である。

【図２】本発明に基づいて作製した第１の紫外発光ＥＬ
素子の発光スペクトルを示す図である。

【符号の説明】

１紫外発光ＥＬ素子、２基板、３第１の導電膜、
４紫外発光膜、５第２の導電膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玉田作哉東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者橋本俊一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 3K007 AB00 AB02 CA01 CA02 CA05 CB01 DA02 DB00 DC02 DC04 EC01 EC02 EC03 EC04 FA01 FA03 4H001 XA05 XA07 XA13 XA31 XA49 YA64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３Ｂ族元素の窒化物によって形成された
紫外発光膜と、上記紫外発光膜を挟んで両面に形成された一対の導電膜
とを備え、上記一対の導電膜のうち少なくとも一方は透光性を有
し、上記紫外発光膜は、波長４００ｎｍ以下の電磁波を放射
することを特徴とする紫外発光エレクトロルミネッセン
ス素子。
【請求項２】上記紫外発光膜は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎから選ばれる少なくとも１種の元素の窒化物によって
形成されたことを特徴とする請求項１記載の紫外発光エ
レクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】上記紫外発光膜は、希土類元素を含有す
ることを特徴とする請求項１記載の紫外発光エレクトロ
ルミネッセンス素子。
【請求項４】上記希土類元素は、Ｇｄであることを特
徴とする請求項３記載の紫外発光エレクトロルミネッセ
ンス素子。
【請求項５】上記紫外発光膜は、量子井戸層と、この
量子井戸層と比較して禁制帯幅エネルギーが大きいバリ
ア層とを少なくとも１周期以上積層した構造とされ、上記量子井戸層には、ドナー不純物が添加され、上記バリア層には、ドナー不純物又はアクセプター不純
物が添加されたことを特徴とする請求項１記載の紫外発
光エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】基板上に第１の導電膜を形成する第１の
導電膜形成工程と、上記第１の導電膜上に、波長４００ｎｍ以下の電磁波を
放射する紫外発光膜を、３Ｂ族元素の窒化物によって形
成する紫外発光膜形成工程と、上記紫外発光膜上に第２の導電膜を形成する第２の導電
膜形成工程とを有し、上記紫外発光膜形成工程においては、ＰＶＤ法を用いる
ことを特徴とする紫外発光エレクトロルミネッセンス素
子の製造方法。
【請求項７】上記紫外発光膜形成工程においては、電
子サイクロトロン共鳴プラズマスパッタ法を用いること
を特徴とする請求項６記載の紫外発光エレクトロルミネ
ッセンス素子の製造方法。
【請求項８】上記紫外発光膜形成工程においては、上
記基板とターゲットとの間に配設されたグリッドに対し
て正バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項７
記載の紫外発光エレクトロルミネッセンス素子の製造方
法。
【請求項９】上記紫外発光膜形成工程においては、上
記基板を保持する基板ホルダに対して正バイアス電圧を
印加することを特徴とする請求項７記載の紫外発光エレ
クトロルミネッセンス素子の製造方法。
【請求項１０】上記紫外発光膜形成工程においては、
上記基板とターゲットとの間に配設されたドーピング元
素ターゲットに対して直流バイアス電圧を印加すること
によってスパッタドーピングを行うことを特徴とする請
求項７記載の紫外発光エレクトロルミネッセンス素子の
製造方法。