JP2000294381A - El素子 - Google Patents
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Abstract
得られるEL素子を得る。 【解決手段】 第1絶縁体層13及び第2絶縁体層15
の少なくとも一方が、主成分としてチタン酸バリウム
を、副成分として酸化マグネシウムと、酸化マンガン
と、酸化イットリウムと、酸化バリウムおよび酸化カル
シウムから選択される少なくとも1種と、酸化ケイ素と
を含有し、チタン酸バリウムをBaTiO3に、酸化マ
グネシウムをMgOに、酸化マンガンをMnOに、酸化
イットリウムをY2O3に、酸化バリウムをBaOに、酸
化カルシウムをCaOに、酸化ケイ素をSiO2にそれ
ぞれ換算したとき、BaTiO3100モルに対する比
率が、MgO:0.1〜3モル、MnO:0.05〜
1.0モル、Y2O3:1モル以下、BaO+CaO:2
〜12モル、SiO2:2〜12モルであるEL素子と
した。
Description
の表示手段として好適に用いられるEL素子に関するも
のである。
なる発光層を設けて交流で駆動するEL素子は、輝度特
性、安定性に優れ、各種のディスプレーとして、全工程
を薄膜プロセスで製造されたものが実用化されている。
図2にこの種の発光素子の基本構造を示す。
2、薄膜第1絶縁体層23、ZnS:Mn等のエレクト
ロルミネセンスを生じる蛍光体物質からなる薄膜発光層
24、更にその上に薄膜第2絶縁体層25、Al薄膜等
の背面電極26からなる多層薄膜構造を有しており、透
明なガラス基板側から発せられる光を利用するものであ
る。
2O5、Al2O3、Si3N4、BaTiO3、SrTiO3
等の透明誘電体薄膜であり、スパッタリングや蒸着法に
より形成されている。
を制限し、薄膜EL素子の動作の安定性、発光特性の改
善に寄与すると共に湿気や有害なイオンの汚染から発光
層を保護し薄膜EL素子の信頼性を改善する重要な機能
を果たす。
上の問題点もある。すなわち、素子の絶縁破壊を広い面
積にわたって皆無にすることが困難であり歩留まりが低
いことや、絶縁体層に電圧が分割印加されるために発光
に必要な素子に印加する駆動電圧が高くなることであ
る。
の良好な絶縁体材料を用いることが望ましい。また、発
光駆動電圧に関しては絶縁体層への印加電圧の分割分を
少なくするために絶縁体層の容量を大きくすることが好
ましい。またこのような交流駆動型薄膜EL素子の動作
原理上、発光に寄与する発光層内を流れる電流は絶縁体
層の容量にほぼ比例する。従って絶縁体層の容量を大き
くすることは駆動電圧を低下させると共に発光輝度を高
くする点でも重要である。
率の強誘電体PbTiO3膜を絶縁体層として採用する
ことにより低電圧駆動が試みられている。このPbTi
O3スパッタ膜は最高190の比誘電率で0.5MV/c
mの絶縁耐圧を示すが、PbTiO3膜の成膜時の基板温
度は600℃程度の高温が必要であり、ガラス基板を使
った従来の薄膜EL素子では製造が難しい。このほか、
強誘電体膜としてスパッタ法によるSrTiO3膜も知
られている。SrTiO3スパッタ膜の比誘電率は14
0、絶縁破壊電圧は1.5〜2MV/cmである。この膜
は、成膜温度は400℃であるが、またスパッタ成膜中
にITO透明電極を還元して黒化させるので、ガラス基
板を使った薄膜型の薄膜EL素子での実用化には問題が
あった。
ラス基板に高い軟化点を有し、高温で処理できるものを
採用することも考えられるが、この場合、基板の価格が
高価になるとともに、この場合でも処理温度は600℃
が上限であった。
して用いると、絶縁耐圧が十分でなかったので、ITO
膜のエッジ部で絶縁破壊が生じやすくなり、大面積、大
表示容量のディスプレイの実現の阻害要因となってい
た。
動電圧が要求され、このため高耐電圧の高価な駆動回路
が必要であったし、表示装置として高価格なものになら
ざるを得ず、また大面積化も困難であった。
セラミック基板31と、厚膜第1電極32と、高誘電率
セラミック第1絶縁体層33からなる積層セラミック構
造体の上に、薄膜発光層34と薄膜第2絶縁体層35と
透明第2電極36を設けたEL素子が知られている。
縁体層に低温焼結用のPb系ペロブスカイト系の材料を
用いており、絶縁耐圧が十分でないために層厚を厚くし
て用いる必要があった。このため、発光開始電圧を十分
低く押さえることはできなかった。
耐圧と、比誘電率が大きく、かつそれらの経時変化の小
さい絶縁体層を使って、発光開始電圧や発光駆動電圧が
低く、安定した発光が得られるEL素子を提供すること
である。
(1)〜(4)の本発明によって達成される。 (1) 電気絶縁性基板と、所定のパターンに形成され
た第1電極と、第1絶縁体層と、エレクトロルミネセン
スを生じる発光層と、第2絶縁体層と、第2電極層が順
次積層された構造体のEL素子において、前記第1絶縁
体層および前記第2絶縁体層の少なくとも一方が、主成
分としてチタン酸バリウムを、副成分として酸化マグネ
シウムと、酸化マンガンと、酸化イットリウムと、酸化
バリウムおよび酸化カルシウムから選択される少なくと
も1種と、酸化ケイ素とを含有し、チタン酸バリウムを
BaTiO3に、酸化マグネシウムをMgOに、酸化マ
ンガンをMnOに、酸化イットリウムをY2O3に、酸化
バリウムをBaOに、酸化カルシウムをCaOに、酸化
ケイ素をSiO2にそれぞれ換算したとき、BaTiO3
100モルに対する比率が、 MgO:0.1〜3モル、 MnO:0.05〜1.0モル、 Y2O3:1モル以下、 BaO+CaO:2〜12モル、 SiO2:2〜12モル であるEL素子。 (2) 前記電気絶縁性基板および前記第1絶縁体層
は、セラミック材で形成されている上記(1)のEL素
子。 (3) BaTiO3、MgO、MnOおよびY2O3の
合計に対し、BaO、CaOおよびSiO2が(BaxC
a1-xO)y・SiO2(ただし、0.3≦x≦0.7、
0.95≦y≦1.05である。)として1〜10重量
%含有される上記(1)または(2)のEL素子。 (4) 前記第1電極が、Ni、Cu、W、Moのいず
れか1種またはこれらのいずれか1種以上を主成分とす
る合金である上記(2)または(3)のEL素子。
て詳細に説明する。本発明のEL素子の基本構成例を図
1に示す。本発明のEL素子は、電気絶縁性基板11と
所定のパターンに形成された第1電極12と第1絶縁体
層13とからなる構造体と、さらにその上に設けられた
真空蒸着、スパッタリング法、CVD法等で形成される
エレクトロルミネセンスを生じる発光層14と第2絶縁
体層15と、好ましくは透明電極からなる第2電極層1
6とを有する基本構造を有し、第1絶縁体層13および
第2絶縁体層15の少なくとも一方の材質が、次ぎに詳
細に説明するような特定組成物であることを特徴として
いる。
り、第2電極16は通常の薄膜プロセスを使って設けら
れるITO膜等を用いる。
月刊ディスプレイ ’98 4月号最近のディスプレイ
の技術動向 田中省作 p1〜10に記載されているような
材料を挙げることができる。具体的には、赤色発光を得
る材料として、ZnS、Mn/CdSSe等、緑色発光
を得る材料として、ZnS:TbOF、ZnS:Tb、
ZnS:Tb等、青色発光を得るための材料として、S
rS:Ce、(SrS:Ce/ZnS)n、CaCa2
S4:Ce、Sr2Ga2S5:Ce等を挙げることができ
る。
S:Ce/ZnS:Mn等が知られている。
onal Display Workshop)’97 X.Wu"Multicolor Thin-Fi
lm Ceramic Hybrid EL Displays" p593 to 596 で検討
されている、SrS:Ceの青色発光層を有するELに
本発明を適用することにより特に好ましい結果を得るこ
とができる。
のではないが、厚すぎると駆動電圧が上昇し、薄すぎる
と発光効率が低下する。具体的には、蛍光材料にもよる
が、好ましくは100〜1000nm、特に150〜50
0nm程度である。
ことができる。気相堆積法としては、スパッタ法や蒸着
法等の物理的気相堆積法や、CVD法等の化学的気相堆
積法を挙げることができる。これらのなかでもCVD法
等の化学的気相堆積法が好ましい。
うに、SrS:Ceの発光層を形成する場合には、H2
S雰囲気下、エレクトロンビーム蒸着法により形成する
と、高純度の発光層を得ることができる。
う。加熱処理は、基板側から電極層、絶縁層、発光層と
積層した後に行ってもよいし、基板側から電極層、絶縁
層、発光層、絶縁層、あるいはこれに電極層を形成した
後にキャップアニールしてもよい。通常、キャップアニ
ール法を用いることが好ましい。熱処理の温度は、好ま
しくは600〜基板の焼結温度、より好ましくは600
〜1300℃、特に800〜1200℃程度、処理時間
は10 〜600分、特に30〜180分程度である。
アニール処理時の雰囲気としては、N2 、Ar、Heま
たはN2 中にO 2 が0.1%以下の雰囲気が好ましい。
るため、比較的低抵抗の物質が好ましい。具体的には、
錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化イ
ンジウム(IZO)、酸化インジウム(In2O3 )、
酸化スズ(SnO2 )および酸化亜鉛(ZnO)のいず
れかを主組成としたものが好ましい。これらの酸化物は
その化学量論組成から多少偏倚していてもよい。In2
O3 に対するSnO2の混合比は、1〜20wt%、さら
には5〜12wt%が好ましい。また、IZOでのIn2
O3 に対するZnOの混合比は、通常、12〜32wt%
程度である。
組成の強誘電体材料を用いる場合、基板、第1電極、第
1絶縁体層が積層セラミック構造体であることが好まし
い。この場合、第1絶縁体層と基板に同一の材料または
同一の材料系を用いることができる。
誘電体からなり、主成分としてチタン酸バリウム、副成
分として酸化マグネシウムと、酸化マンガンと、酸化バ
リウムおよび酸化カルシウムから選択されるすくなくと
も1種と、酸化ケイ素とを含有する。チタン酸バリウム
をBaTiO3に、酸化マグネシウムをMgOに、酸化
マンガンをMnOに酸化バリウムをBaOに酸化カルシ
ウムをCaOに、酸化ケイ素をSiO2 にそれぞれ換算
したとき、絶縁体層中における各化合物の比率は、Ba
TiO3100モルに対しMgO:0.1〜3モル、好
ましくは0.5〜1.5モル、MnO:0.05〜1.
0モル、好ましくは0.2〜0.4モル、BaO+Ca
O:2〜12モル、SiO2:2〜12モルである。
されないが、通常、0.9〜1.1とすることが好まし
い。BaO、CaO、SiO2は、(BaxCa1-xO)y
・SiO2として含まれていてもよい。この場合、緻密
な焼結体を得るためには、0.3≦x≦0.7、0.9
5≦y≦1.05とすることが好ましい。
は、BaTiO3、MgOおよびMnOの合計に対し、
好ましくは、1〜10重量%、より好ましくは4〜6重
量%である。
ず、各酸化物を構成する金属元素の含有量が上記範囲で
あればよい。
たチタン酸バリウム100モルに対し、Y2O3に換算し
て1モル以下の酸化イットリウムが副成分として含まれ
ることが好ましい。Y2O3含有量の下限は特にないが、
十分な効果を実現するためには、0.1モル以上含まれ
ることが好ましい。酸化イットリウムを含む場合、(B
axCa1-xO)y・SiO2の含有量は、BaTiO3、
MgO、MnOおよびY2O3の合計に対し、好ましく
は、1〜10重量%、より好ましくは4〜6重量%であ
る。
れてもよいが、酸化コバルトは容量変化を増大させるの
で実質的に含まれないことが好ましい。
ある。酸化マグネシウムの含有量が前記範囲未満である
と、容量の温度特性が劣化する。酸化マグネシウムの含
有量が前記範囲を越えると、焼結性が急激に悪化し、緻
密化が不十分となって絶縁耐圧の経時変化が大きくな
り、薄い膜厚で使うことが難しくなる。
ると、良好な耐還元性が得られず、第1電極に酸化され
やすいNiを使ったときに、絶縁耐圧の経時変化が大き
くなり、薄い膜厚で使うことが難しくなる。酸化マンガ
ンの含有量が前記範囲を越えていると、容量の経時変化
が大きくなり、発光素子の発光輝度の経時変化が大きく
なる。
1-xO)y・SiO2の含有量が少なすぎると容量の経時
変化が大きくなり、発光素子の発光輝度の経時変化が大
きくなる。含有量が多すぎると誘電率が急激に低下し、
発光開始電圧が上昇し、また輝度が低下する。
向上させる。 酸化イットリウムの含有量が前記範囲を
越えると、容量が減少し、また、焼結性が低下して緻密
化が不十分となることがある。
ムが含有されていてもよい。酸化アルミニウムの添加
は、焼結温度を低下させることができる。Al2O3に換
算したときの酸化アルミニウムの含有量は、第1絶縁体
層材料全体の1重量%以下が好ましい。酸化アルミニウ
ムの含有量が多すぎると、逆に第1絶縁体層の焼結を阻
害する。
されるものではないが、上記組成とすることにより、微
細な結晶が得られる。通常、平均結晶粒径は0.2〜
0.7μm 程度である。
の第1電極層の導電材料は、特に限定されないが、主成
分としてAg、Au、Ni、Pd、Pt、Cu、Fe、
Co、Mo、W等の金属の1種または2種以上や、これ
らの合金等を用いることができる。
体を用いる場合、特に限定されないが、Al2O3、及び
Al2O3に種々の目的、例えば焼成温度を調整する目的
等でSiO2、MgO、CaO等添加したものを等を用
いる。積層セラミック構造体を用いない場合には、通常
のEL素子で使われているガラス基板を用いることがで
きるが、より高温での処理が可能な高融点ガラスが好ま
しい。
載方法により製造される。即ち基板となるセラミック原
料粉末にバインダー混合してペーストを作り、キャステ
ィング成膜し、グリーンシートを製造する。セラミック
の内部電極となる第1電極は、グリーンシート上にスク
リーン印刷法等により印刷される。
そのうえに、高誘電体材料粉末にバインダーを混合して
作製されたペーストをスクリーン印刷法等で印刷して、
焼成し積層セラミック構造体が作製される。
1200〜1400℃、好ましくは1250〜1300
℃で数十〜数時間行う。
-12気圧とすることが好ましい。この条件下では第1絶
縁体層が還元雰囲気であるため、電極に安価な卑金属、
例えばNi、Cu、W、Moのいずれか1種またはこれ
らのいずれか1種以上を主成分とする合金等を使用する
ことができる。この場合、必要に応じて、グリーンシー
トと第1電極のパターンの間に酸素の拡散防止層、例え
ば第1絶縁体層と同じ層を設けて焼成することができ
る。
にはアニールを施すことが好ましい。アニールは、第1
絶縁体層を再酸化するための処理であり、これにより絶
縁耐圧の経時変化を小さくすることができる。
圧以上、特に10-5〜10-4気圧とすることが好まし
い。酸素分圧が前記範囲未満であると絶縁体層または誘
電体層の再酸化が困難であり、前記範囲を超えると内部
導体が酸化する傾向にある。
下、特に500〜1000℃とすることが好ましい。保
持温度が前記範囲未満であると絶縁体層または誘電体層
の酸化が不十分となって寿命が短くなる傾向にあり、前
記範囲を超えると電極層が酸化し、容量が低下するだけ
でなく、絶縁体素地、誘電体素地と反応してしまい、寿
命も短くなる傾向にある。
から構成してもよい。この場合、温度保持時間は零であ
り、保持温度は最高温度と同義である。また、温度保持
時間は、0〜20時間、特に2〜10時間が好ましい。
雰囲気用ガスには、加湿したN2 ガス等を用いることが
好ましい。
にも種々の方法を採用することができる。例えば、
し、その上に第1絶縁体層用の所定の誘電体材料を含む
ペーストを印刷法等で全面に印刷し、その上に第1電極
用の導電材料を含むペーストのパターンをスクリーン印
刷法等で形成し、その上に基板用のアルミナその他の添
加物等含むペーストからなるグリーンシートを形成した
積層体を作り、フィルムシートからはずして、焼結す
る。この場合には、フィルムシートと接していた面に発
光層等を設けることになるが、この方法では、非常に平
坦な面が得られるのが特徴である。
ック基板を用意し、基板面に第1電極用の導電材料を含
むペーストのパターンを印刷法等で形成し、その上に第
1絶縁体層用の所定の誘電体材料を含むペーストをスク
リーン印刷等で全面に印刷し、基板ごと焼結する方法等
を採用することができる。
第2電極で画定された部分で発光表示を行うものであ
り、電極は電流供給の機能と画素表示の機能を兼ねるも
のであり、必要に応じて任意のパターンに形成される。
ミック構造体として作製する場合、第1電極のパターン
はスクリーン印刷法により容易に形成できる。通常、E
L素子のディスプレイにおいては極端に微細な電極パタ
ーンが要求されることはほとんどなく、スクリーン印刷
法で十分であり、大面積に低コストで電極形成できる利
点を有している。微細な電極パターンが要求される場合
にはフォトリソグラフ技術を用いることもできる。
流型EL素子の重要な構成要素である第1絶縁体層およ
び第2絶縁体層の少なくとも一方に、特定組成のセラミ
ックを採用する。このセラミックは、比誘電率が200
0以上で、絶縁耐圧が150MV/mであり、EL素子
の絶縁体層として好ましいものである。
EL素子では、第1絶縁体層の破壊を防ぐため、第1絶
縁体層として30〜40μmの厚さが必要であったが、
本発明では第1絶縁体層の厚みを10μm以下、特に2
〜5μmまで下げることができ、EL素子の発光駆動電
圧を低くすることができる。このことは、同じ発光輝度
で用いる場合には、低い駆動電圧で駆動できることを現
しており、駆動回路の設計上極めて有効である。
を印加したときの比誘電率の経時変化に優れるので、長
時間安定した発光が得られる。
に、蒸着やスパッタ等の薄膜プロセスにより、発光層等
を形成し本発明のEL素子が得られる。
O、CaOの各粉末とを混合したものにバインダーを加
えて混合し、ペーストとしたのちキャスティング成膜に
より厚さ1mmのセラミック基板となるグリーンシートを
作製した。このセラミック前駆体上にスクリーン印刷に
よりNiペーストを0.3mm幅、ピッチ:0.5mm
のストライプ状のパターンを、膜厚:1μm に形成し
た。第1絶縁体層用の材料として、表1の組成を有する
予焼粉末を含むペーストを作製し、これを電極パターン
の形成されたグリーンシートのうえに全面に印刷した。
この印刷の厚さは、焼成後に4μmになるようにした。
インダー処理を行った後、加湿したN2とH2の混合ガス
雰囲気(酸素分圧:10-9)で1250℃に一定時間保
持して焼成し、上記の酸化処理を行い積層セラミック構
造体を作製した。
S:Mnを0.3μmの厚さに真空蒸着した。特性の改
善のためにAr中で650〜750℃、2時間のアニー
ルを行った。この後、Ta2O3とAl2O3の混合物から
なるターゲットを用いてスパッタ法でTaAlO絶縁体
層を0.3μm形成し、第2絶縁体層とした。次ぎにス
パッタ法により、ITO膜を0.4μm形成し、前記の
Ni厚膜ストライプ電極と直交する配置で0.3mm
幅、0.5mmピッチにエッチングし、透明ストライプ
電極とした。
同様にして別途作製した第1絶縁体層の比誘電率と絶縁
破壊電圧を表1に示す。また、比較例として添加物(M
nO等)を添加しないBaTiO3 厚膜を用いたときの
特性も示す。この場合、第1絶縁体層の絶縁破壊電圧が
低いため、膜厚を100μm となるように形成した。
絶縁体層に本発明で用いる特定組成BaTiO3系強誘
電体膜を設ける場合には、分子線エピタキシーを用いた
共蒸着やイオンアシスト付のイオンビームスパッタ等を
用いることができ、この場合にも、耐熱性のある基板を
用いることにより、上述の積層セラミック構造体を使っ
たEL素子と同様の効果が得られる。
1電極層と第1絶縁体層とを有する積層セラミック構造
体の、第1絶縁体層として、特定組成のBaTiO3系
の誘電体材料を用いたことにより、低電圧駆動が可能
で、高電圧が印加されても絶縁破壊が生じ難く、長時間
安定した発光が得られるEL素子を得ることができる。
ため、発光層を焼成温度以下の高温で熱処理することが
できるので、発光の安定化と輝度を高めることができ
る。
である。
のである。
の断面を模式的に示したものである。
Claims (4)
- 【請求項1】 電気絶縁性基板と、 所定のパターンに形成された第1電極と、 第1絶縁体層と、 エレクトロルミネセンスを生じる発光層と、 第2絶縁体層と、 第2電極層が順次積層された構造体のEL素子におい
て、 前記第1絶縁体層および前記第2絶縁体層の少なくとも
一方が、主成分としてチタン酸バリウムを、副成分とし
て酸化マグネシウムと、酸化マンガンと、酸化イットリ
ウムと、酸化バリウムおよび酸化カルシウムから選択さ
れる少なくとも1種と、酸化ケイ素とを含有し、 チタン酸バリウムをBaTiO3に、酸化マグネシウム
をMgOに、酸化マンガンをMnOに、酸化イットリウ
ムをY2O3に、酸化バリウムをBaOに、酸化カルシウ
ムをCaOに、酸化ケイ素をSiO2にそれぞれ換算し
たとき、BaTiO3100モルに対する比率が、 MgO:0.1〜3モル、 MnO:0.05〜1.0モル、 Y2O3:1モル以下、 BaO+CaO:2〜12モル、 SiO2:2〜12モル であるEL素子。 - 【請求項2】 前記電気絶縁性基板および前記第1絶縁
体層は、セラミック材で形成されている請求項1のEL
素子。 - 【請求項3】 BaTiO3、MgO、MnOおよびY2
O3の合計に対し、BaO、CaOおよびSiO2が(B
axCa1-xO)y・SiO2(ただし、0.3≦x≦0.
7、0.95≦y≦1.05である。)として1〜10
重量%含有される請求項1または2のEL素子。 - 【請求項4】 前記第1電極が、Ni、Cu、W、Mo
のいずれか1種またはこれらのいずれか1種以上を主成
分とする合金である請求項2または3のEL素子。
Priority Applications (9)
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