JP2002313568A - 薄膜無機発光ダイオードの製造 - Google Patents

薄膜無機発光ダイオードの製造

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JP2002313568A JP2002028059A JP2002028059A JP2002313568A JP 2002313568 A JP2002313568 A JP 2002313568A JP 2002028059 A JP2002028059 A JP 2002028059A JP 2002028059 A JP2002028059 A JP 2002028059A JP 2002313568 A JP2002313568 A JP 2002313568A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流の影響下で発光可能な薄膜無機発光ダイ
オードデバイスの製造のための容易で且つ経済的な方法
を提供すること。 【解決手段】 ルミネセント中心でドーピングされたZ
nSのおよびCuxSの分散液を水溶液からの沈澱によ
り一緒にまたは別個に製造する。そのような分散液を伝
導性電極間にコーテイングすると、薄膜無機発光ダイオ
ードデバイスが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜無機発光ダイオ
ードの製造に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、数種の薄膜エレクトロルミネセン
トデバイス(thin film electroluminescent devices)
(ELD)が存在するかまたはまだ開発中である。それ
らは全て、2つの電極間に挟まれた1つ(もしくはそれ
以上)のエレクトロルミネセント活性層により特徴づけ
られる。場合により、誘電層が存在してもよい。基質は
プラスチックまたはガラスでありうる。
【0003】薄膜ELDは、有機および無機をベースと
するELDに分類することができる。有機をベースとす
る薄膜ELD(1)は、有機分子またはオリゴマー発光ダ
イオード(OLED)および重合体発光ダイオード(P
LED)にさらに分類される。他方、無機ELDは高電
圧交流(HV−AC)ELDおよび低電圧直流(LV−
DC)ELDにさらに分類することができる。HV−A
C ELDの中では、薄膜エレクトロルミネセントデバ
イス(TFELデバイスまたはEFELD)および粉末
ELD(PELデバイスまたはPELD)を特筆するこ
とができる。LV−DC ELDの中では、粉末ELD
(DC−PELデバイスまたはDC−PELD)および
以下で薄膜無機発光ダイオード(ILED)と称する薄
膜DC−ELDを特筆することができる。
【0004】有機ELD(PLEDおよびOLED)の
基本的構造は下記の層配置を含んでなる:透明な基質
(ガラスまたは柔軟性プラスチック)、透明な伝導体、
例えば酸化錫インジウム(ITO)、孔輸送(hole tran
sporting)層、ルミネセント層、および第二の電極、例
えばCa、Mg/AgまたはAl/Li電極。OLED
に関しては、孔輸送層およびルミネセント層は10−5
0nmの厚さでありそして真空蒸着により適用され、P
LEDに関しては孔輸送層は40nmの厚さであり且つ
ルミネセント層は100nmでありそしてスピンコーテ
イングにより適用される。2つの電極間に、5−10V
の直流電圧が適用される。
【0005】OLEDに関して、孔輸送層およびエレク
トロルミネセント層は、オリゴマー類を包含する低分子
量有機化合物から構成される。例えば、N,N′−ジフ
ェニル−1,1′−ビフェニル−4,4′−ジアミン(T
PD)を孔輸送体として使用することができ、そしてエ
レクトロルミネセント化合物としてアルミニウム(II
I)8−ヒドロキシキノリン錯体(Alq3)、多核芳香
族(アントラセン誘導体、ペリレン誘導体およびスチル
ベン誘導体)並びにポリヘテロ−芳香族(オキサゾール
類、オキサジアゾール類、チアゾール類など)を使用す
ることができる。これらの低分子量OLEDの主な利点
には、高い蛍光量子収率、高い精製および結晶成長能力
並びに材料計画の広い選択性が包含される。最初は非晶
質のサンプルの結晶化、他の物質との励起錯体の生成、
およびしばしば高い化学的反応性が、安定なELシステ
ムに対するそれらの適用において重要な問題を生ずる。
さらに、層は真空蒸着技術を用いることにより適用さ
れ、それらはしばしば面倒であり且つ費用がかる。しか
しながら、この原理に基づく単色ディスプレイが開発者
により最近市場に送り出されている(3)
【0006】他方、PLED中で使用できるエレクトロ
ルミネセント化合物は非−共役ポリビニルカルバゾール
誘導体(PVK)のような重合体またはポリ(p−フェ
ニレンビニレン類(PPV)、ポリ(3−アルキロチオ
フェン、ポリ(p−フェニレンエチニレン類)などのよ
うな共役重合体である。これらの高分子量物質は注型成
形による薄膜の容易な製造を可能にし、そして高い耐結
晶化性を示す。精製工程(およびその結果としての再現
性)における困難、並びに、多くは、複雑な構造並びに
酸素および水分に対する高い感度に加えて、低い蛍光量
子収率が有機ELDに対するそれらの適用における重要
な欠点である。
【0007】上記のように、現在では、2種のHV−A
C無機ベースELD、すなわちPELDおよびTFEL
Dが存在する(2)。PELデバイスは主として背面光お
よび低情報内容ディスプレイ用に使用されそして柔軟性
基質上で製作することができる。TFELデバイスは高
情報内容マトリックスディスプレイのために使用されそ
して、要求される高い加工温度のためにガラス基質上で
のみ製造できる。それらの基本的構造は本質的に同じで
ある。PELDは、透明な基質、透明な伝導体(IT
O)、ドーピングされたZnSのルミネセント層(50
μm)、絶縁体/反射体層(50μm)、および上部電
極、例えばAg−ペーストから構成される。2つの電極
間に、110Vおよび400Hzの交流電圧が適用され
る。TFELデバイスは、透明な基質、透明な伝導体、
および2つの水分保護絶縁体層(0.6μm)の間のル
ミネセント燐層(0.6μm)、および上部電極、例え
ば蒸発させた金属から構成される。2つの電極間に、2
00Vおよび400Hzの交流電圧が適用される。
【0008】両方のデバイスに関して、ドーピングされ
たZnSが活性ルミネセント層として使用される。ドー
ピング中心(例えば、Mn2+、Cu+)は高電場を用い
て射出させた電子の衝撃によりまたはエレクトロルミネ
セント中心に向かう再結合エネルギーの移動により励起
させうる。これらの励起した中心はルミネセンス法によ
り基底状態に緩和する。エレクトロルミネセンス法に関
する数種の機構が提唱されている(4)。PELD用の絶
縁層(捺染印刷したBaTiO3−粉末+結合剤)は3
つの機能を果す:(1)それは破滅的な降伏を防止し、
(2)高い誘電定数によって、電場は優先的にZnS層
上に集束され、そして(3)それは拡散光反射体として
作用して光出力を高めるであろう。TFELデバイスに
関して、真空蒸着されたAl23は、また、破滅的な降
伏を防止しそしてそれは電子射出のためのトンネル化バ
リアーとして機能する。構造は2つの電極により仕上げ
られ、それらの1つは透明でなければならない。
【0009】PELデバイスに関して、ZnS層はポリ
ビニリデンフルオリドまたはある種のシアノ樹脂のよう
な高い誘電定数を有する有機結合剤に混入された銅イオ
ン並びに可能なら塩素およびマンガンのような他の元素
でドーピングされたZnS粉末を含んでなる。ドーパン
トのZnS結晶マトリックス中への拡散および冷却後の
ZnS格子内外のCuxSに富んだ針状結晶の集成(inte
gration)を可能にするために、粉末は高温焼結法(>7
00℃)により製造される。HV−AC PELDに関
して、表面におけるCuxS−針状結晶はシアニドイオ
ンを用いるエッチングにより化学的に除去される。これ
が、電気的に単離している粒子を確保する。その後、燐
の寿命を延長させるために、粒子にAl23またはNC
(窒化炭素)のような水分保護層を付与する。これらの
粉末の粒子寸法は2−20μmの間で変動する。この粉
末の分散液を、それらを50−100μmの厚さを有す
るエレクトロルミネセント層内に適用するために、スク
リーン印刷法で使用することができる。
【0010】電場を燐粒子上に適用すると、電荷(例え
ば電子)が粒子の内側でZnS格子中および/またはC
xS針状結晶中の積層欠陥場所で発生する。これらの
電荷は適用される場(AC)の方向に応じて移動しう
る。この方法により、再結合工程が起きることができ、
それにより再結合エネルギーをエレクトロルミネセント
中心(例えばCu+またはMn2+)に移動させることが
できる。電子の運動エネルギーが充分高い(約4−5e
V)場合には、ルミネセンス中心の直接衝撃励起も起き
うる。これらの工程がエレクトロルミネセンスを生じう
る。
【0011】エレクトロルミネセンスは通常は1−2M
V/cm程度の場の強さで起きる。100μmの層厚さ
に関して、110Vの適用が50kV/cmの場の強さ
の平均値を与える。ZnS−粒子内部におけるCux
針状結晶が電場の強さを50〜100の因子だけ局部的
に高めて1MV/cmまでの場の強さ値を生じ、それに
よりエレクトロルミネセンスを可能にさせる。厚い層は
ゆっくりした輝度−電圧応答を引き起こして、PELデ
バイスをディスプレイ用途に適さないようにさせる。
【0012】これらのPELDの一般的な欠点は価格
(多数の要求される製品(1平方メートル当たり150
gの燐)、高価なBaTiO3層、高い駆動電圧(約1
10V))およびそれらに固有な不安定性である。後者
は電場を適用することによる結晶積層欠陥およびCux
S針状結晶数のゆっくりした減少により引き起こされる
(再結晶化)。積層欠陥またはCuxS針状結晶が少な
ければ少ないほど、より少ない電荷(電子)を発生させ
ることができそしてその結果として光出力における減少
を期待することができる。
【0013】TFELデバイスに関して、ドーピングさ
れたZnS層は好ましくは原子層エピタキシー(Atomic
Layer Epitaxy)技術(プラナール・インターナショナル
(Planar International))を用いることにより蒸着さ
れ、それも高温焼結段階を必要とし、そのため、基質は
ガラス基質に限定される。製造されるドーピングされた
ZnS−層は結晶性である。この層を2つの薄い単離し
ているAl23層の間に挟む。典型的には150−20
0Vの間の高電圧を適用すると、電子のトンネル化がこ
れらのAl23層を通して起きる。ZnS層の高い結晶
性のために、電子は適用された電場の影響下でこのドー
ピングされたZnS層中で自由に移動することができ、
それにより運動エネルギーを集積する。約4−5eVの
集積値では、ドーパントの衝撃励起が起きてエレクトロ
ルミネセンスを生じうる。薄いエレクトロルミネセント
層(1−1.5μm)はルミネセンス−電圧曲線のしき
い値性能を示し、このTFELデバイスをディスプレイ
用途に適するようにさせる。
【0014】このシステムの一般的欠点は、ゆっくりし
た費用のかかる製造方法および周囲湿度に対する完全な
保護の必要性である。
【0015】低電圧DC PELデバイスは Vecht 他に
より開発された(5)。それらはAC−PELD用と同じ
燐粒子を使用したが、表面における伝導性CuxS−針
状結晶は除去されない。一般的な構造は、透明な基質、
透明な伝導体(ITO)、ドーピングされたZnS燐層
(20μm)、および上部電極(蒸発させたAlu)か
ら構成される。
【0016】燐層はドクターブレード技術またはスクリ
ーン印刷によりITO伝導層の上に適用される。引き続
き、Alu電極を蒸発させる。数ボルトの直流電圧(I
TO陽性)を適用すると、p−伝導性CuxSがAlu
電極に向かって移動し、それによりITO層の隣に絶縁
領域(厚さ約1μm)が1分以内もしくはそれ以上で生
成する。これが、発光の開始を伴う電流低下をもたら
す。この方法はフォーミング法(forming process)と称
された。この生成された薄い高抵抗性燐層では、高い電
場が起きそしてエレクトロルミネセンスはすでに(典型
的には10〜30ブレードの間の)低い電圧においてす
でに可能である。
【0017】このシステムの主な欠点は、フォーミング
法の非再現性および水分に対する完全な気密化の必要性
である。燐粒子の製造も高い焼結温度を必要とする。こ
の原理に基づく商業用デバイスは現在市販されている。
【0018】最近、いくつかの研究グループが無機半導
性ナノ粒子からの光−(7-13)およびエレクトロルミネセ
ンス(14-18)を報告した。
【0019】Colvin ら(14)はヘキサンジチオールによ
り安定化させたCdSeナノ粒子のエレクトロルミネセ
ンスに関して報告した。彼らはITO上でCdSeおよ
びPPVのスピンコーテイングさせた二重層を含んでな
りそしてそれを蒸発させたMg電極で被覆した2つのデ
バイスに関するELを示した。電圧によって、彼らはC
dSe(比較的低い電圧)からのまたはPPV(比較的
高い電圧)からの発生を観察した。
【0020】CdSe量子−ドット/重合体複合体のエ
レクトロルミネセンスは Dabbousiらによっても報告さ
れた(15)。彼らはITO上にトリオクチルホスフィンオ
キシドで安定化されそして重合体状の孔輸送体(PV
K)および電子輸送種(PVKのオキサジアゾール誘導
体、t−Bu−PBD)と混合されたCdSeナノ粒子
の1つの単一層をスピンコーテイングした。アルミニウ
ム電極を引き続き蒸発させた。このシステムは逆斜線方
向にエレクトロルミネセンスを示し、そして適用される
電圧によりCdSe量子ドットまたはPVKの発生スペ
クトルが観察された。
【0021】Gao ら(16)はPPVおよびCdSeナノ粒
子の自己集合フィルムのエレクトロルミネセンスに関し
て報告した。彼らはCdSe粒子からおよび/またはP
PVから、適用される電圧に依存して、エレクトロルミ
ネセンスを観察することができる。
【0022】これらの例は、OLEDと同様に、発光ダ
イオードとして半導体性質を有する無機ナノ粒子(IL
ED)の考えられる使用を示す。しかしながら、Cd−
またはSe−化合物の使用は予測されうる環境問題のた
めに推奨することはできない。
【0023】Huang ら(17)は、ITO基質上にスピンコ
ーテイングさせそしてアルミニウム電極で蒸発させたZ
nS:Cuナノ結晶の単一層の光−およびエレクトロル
ミネセンスを報告した。ZnSおよびCuxSはCdS
eと比べてはるかに環境的に優しい。有機PELD中で
知られるような安定性の問題を引き起こしうる有機性の
孔または電子輸送体の必要もない。それらのシステムの
欠点は、ZnS:Cu粒子の合成が極めて面倒であり且
つ低収率をもたらすことである。ポリスチレンスルホン
酸が高分子電解質として使用され、その上にZnおよび
Cuイオンが結合する。引き続き、この高分子電解質を
ジメチルホルムアミド中に溶解しそしてH2Sと反応さ
せる。この方法により、ZnS:CuxS粒子が製造さ
れる。
【0024】Que ら(18)は、銅がドーピングされたZn
Sナノ結晶/重合体複合体からの光−およびエレクトロ
ルミネセンスを報告した。ナノ粒子の合成は逆マイクロ
エマルション法を使用することにより行われた。洗浄し
そして乾燥した後に、ZnS:Cu粉末を結合剤として
PMMAを用いてMEKの中に再分散させそしてITO
上にスピンコーテイングしそしてアルミニウム電極で蒸
発させた。緑色エレクトロルミネセンスが2つの斜線方
向で5Vにおいて観察された。このデバイスの製作の欠
点は得られうるZnS:Cu分散液の低濃度(約10-3
M)である。さらに、それは明確な二相系(石鹸/水)
を必要とする。また溶媒をベースとしたスピンコーテイ
ング分散液も欠点でありえた。
【0025】参考文献 (1)Kalinowski J.; J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1
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【0026】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、直流
の影響下で発光可能な薄膜無機発光ダイオードデバイス
の製造のための容易で且つ経済的な方法を提供すること
である。
【0027】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、(1)
ルミネセント中心でドーピングされたZnS(n−タイ
プ半導体)およびCuxS(p−タイプ半導体)を一緒
に含んでなるナノ粒子分散液を、各イオンの適当な水溶
液からの沈澱により製造するか、或いは(1′)ルミネ
セント中心でドーピングされたZnS(n−タイプ半導
体)の第一の別個のナノ粒子分散液およびCuxS(p
−タイプ半導体)の第二の別個のナノ粒子分散液を、両
者とも各イオンの適当な水溶液からの沈澱により製造
し、(2)(1)に従い製造された分散液または
(1′)に従い製造された両分散液を洗浄して、沈澱し
なかったイオンを除去し、(3)第一の伝導性電極上
に、段階(1)および(2)から生ずる分散液もしくは
段階(1′)および(2)から生ずる分散液の混合物を
1つの同じ層内で、または段階(1′)および(2)か
ら生ずる別個の分散液を2つの別個の層内でコーテイン
グし、(4)段階(3)から生ずる1つもしくは複数の
該コーテイング層の上部に第二の伝導性電極を適用する
段階を含んでなり、但し該第一および第二の電極の少な
くとも1つが透明である、薄膜無機発光ダイオードデバ
イスの製造方法を提供することにより達成することがで
きる。
【0028】本発明を次にその好ましい態様によりさら
に詳細に論ずる。
【0029】
【発明の実施の形態】第一の好ましい態様では、Zn
(Cu)S分散液を製造するために、亜鉛イオン、銅イオ
ンおよび硫化物イオンを水溶液から一緒に混合する。3
種の溶液を製造し、第一はZn2+塩、例えばZnCl2.
2H2Oの溶液であり、第二は硫化物、例えばNa2S.
9H2Oの溶液であり、第三はCu2+塩、例えばCuC
2の溶液である。0.2〜2Mの間の濃度が好ましい。
3種の溶液を好ましくはダブルジェット原理に従い混合
する。少量の硫化ナトリウム溶液を塩化銅溶液に加えそ
して次に塩化亜鉛溶液および硫化ナトリウム溶液を同時
に時間および流速の調節された条件下で塩化銅溶液に加
える。実用的には、銅イオンの量は亜鉛イオンの量に対
して約1%〜約20%に変動しうる。
【0030】生ずるナノ粒子分散液または実施例で称さ
れるような予備分散液は洗浄しそして濃縮しなければな
らない。これは好ましくは透析処理により行われる。透
析は好ましくはナノ粒子のアグロメレーションを防止し
うる化合物の存在下で行われる。この化合物の性質は特
定の化学種に限定されず、種々の化学タイプから選択で
きる。好ましい化合物はポリ燐酸またはポリ燐酸塩、例
えばポリ燐酸ナトリウム、ヘキサメタ燐酸塩、例えばヘ
キサメタ燐酸ナトリウム、およびチオグリセロールであ
る。
【0031】次の段階で、界面活性剤を濃縮された分散
液に加えてもよい。多数の既知の界面活性剤のいずれも
使用できるが、好ましい製品は市販のサポニンである。
【0032】生ずるナノ粒子分散液は二相の混合物であ
り、一方は銅イオンでドーピングされた硫化亜鉛(Zn
S:Cu)の分散液であり、そして他方はCuxSより
なる別の相である。二相の共存は固体ZnS中の銅イオ
ンの低い溶解度(0.04%)による。ZnS:Cu相
はn−タイプ半導体であるが、CuxSはp−タイプ半
導体である。
【0033】コーテイング用の分散液を製造するため
に、結合剤を加えてもよい。好ましい結合剤は、ポリビ
ニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン(P
VP)、ポリスチレンスルホン酸(PSSH)およびポ
リ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレ
ンスルホン酸の錯体(PEDOT/PSSH)の水溶液
である。これらの結合剤の添加はナノ粒子分散液の安定
性を改良する。
【0034】このようにして製造されるナノ粒子分散液
を2つの伝導性電極間に導入する場合、いわゆる薄膜無
機発光ダイオード(ILED)が製造される。これを次
にさらに詳細に説明する。
【0035】分散液をパターン化された(実施例部分の
図1参照)第一の伝導性電極上にコーテイングする。1
つの好ましい態様では、この伝導性電極はITO(酸化
錫インジウム)電極である。蒸発させたAg、A
u、...の薄い透明な電極を使用することもできる。透
明な電極は好ましくはプラスチック基質、例えばポリエ
チレンテレフタレート基質のようなポリエステル基質の
上部に適用されるが、ガラス基質を使用することもでき
る。上部−電極(第二の電極)が透明である場合には、
ガラスまたはプラスチック上の不透明な電極(例えばA
l、Ca、Ag、Mg、Auなど)を第一の電極として
使用することもできる。
【0036】好ましい別の態様では、第一の伝導性電極
はポリチオフェン/ポリアニオン伝導性錯体を含んでな
る箔である。好ましくは、この錯体はポリ(3,4−エチ
レンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホネート
錯体である。そのような伝導性錯体を含んでなる箔はオ
ルガコン(ORGACON)(アグファ−ゲヴェルトN.V.(Agfa
-Gevaert N.V.)の登録商標)として市販されている。
【0037】コーテイングしようとする分散液を第一の
電極の上部に任意の適当なコーテイング技術により適用
することができる。小規模原型(small prototype)の製
造にはスピンコーテイングが最も好ましいが、より大き
い面積のドクターブレードコーテイングまたは空気ナイ
フコーテイングまたはカーテンコーテイングのような例
えば写真乳剤コーテイングで使用されている連続的コー
テイング技術を使用することもできる。分散液層の得ら
れる厚さは結合剤の性質および濃度並びにコーテイング
条件に依存する。この厚さは好ましくは50〜1000
nmの間である。
【0038】最後に、第二の伝導性電極がコーテイング
された層の上部に適用される。伝導性電極の少なくとも
1つは透明でなければならない。好ましい態様では、第
二の伝導性電極は真空蒸着により適用されるアルミニウ
ム電極(陰極)である。Ca、Mg、LiF/Al、A
gを使用することもできる。使用される底電極が不透明
である(Al、Ag、...)場合には、透明な電極をス
ピンコーテイングされたZnS:CuxS層の上部に適
用すべきである。これは、PEDOT/PSS分散液を
スピンコーテイングすることにより、またはITO層を
その上部にスパッタリングすることにより、または薄く
且つ透明なAl、Ag、Au、...のような伝導性金属
層の蒸発により行うことができる。
【0039】生ずるデバイスが異なる直流バイアス電圧
で駆動される場合には、515nmにおける緑色エレク
トロルミネセンスは、一般的には4Vからの、あるター
ンオン電圧から出発して観察することができる。ある場
合には、実施例によりさらに示されているように、ダイ
オード性能は2つの斜線方向におけるエレクトロルミネ
センスと一緒に観察される。
【0040】別の態様では、n−タイプZnS:Cu分
散液およびt−タイプCuxS分散液は一緒にではな
く、適当なイオン溶液から別個に沈澱する。2つの別個
の分散液を次にコーテイング段階の前に、例えば別個の
透析処理後に、または2つの分散液に対する結合剤の別
個の添加後に、混合してもよい。さらに別の態様では、
2つの別個に製造された分散液は全く混合されず、2つ
の別個の層内で互いの上部に二重層集合体内でコーテイ
ングされる。これらの別の態様でも、緑色ルミネセンス
を発生させることができた。
【0041】本発明に従う別の好ましい態様では、マン
ガン(および可能なら、沈澱条件に依存して、銅イオ
ン)でドーピングされた硫化亜鉛とCuxS相との混合
物を含有する分散液が好ましい。ここでも、沈澱は好ま
しくはダブルジェット原理に従い行われる。例えば、少
量の硫化ナトリウム溶液を塩化銅(II)溶液に加える。
次に、塩化亜鉛および酢酸マンガンの両者を含有する溶
液並びに硫化ナトリウ溶液を同時に調節された条件下で
塩化銅(II)溶液に加える。Zn:Mn、CuおよびC
xS分散液の混合物が得られる。分散液のその後の製
造段階および無機発光ダイオード中への導入は第一の態
様と同様にして進行する。ここでも、別の態様に従い、
別個のZnS:Mn、CuまたはZnS:Mn分散液、
および別個のCuxS分散液を製造することもできる。
分散液をコーテイング前に混合することができ、または
それらを二重層集合体に従い別個の層内でコーテイング
することもできる。マンガンが導入される全てのこれら
の態様では、適切なターンオン電圧が適用される場合に
は橙黄色エレクトロルミネセンスを発生することができ
る。
【0042】ZnSにAg、Eu、Tb、Au、などで
あるようなルミネセント中心を生ずるいずれのイオンで
もドーピングできることは明らかであるはずである。
【0043】本発明を次に以下の実施例で説明するが、
それらに限定されるものではない。
【0044】
【実施例】1. 緑色発生単一層ILED1.1. Zn(Cu(1%))S−分散液の製造: 下記の溶液を製造した:
【0045】
【表1】
【0046】ZnS:Cu分散液を下記の通りにして製
造した:1500rpmで室温において撹拌されている
溶液3に、最初に0.5mlの溶液2を加えた。引き続
き、両者とも室温に保たれている溶液1および2を同時
に500ml/分の流速で溶液3に加えた。これがZn
S:Cu−粒子を含んでなる予備分散液Aである。1.2. Zn(Cu)S−分散液の洗浄: 1000mlの
予備分散液Aに、1000mlの2%ポリ燐酸Na水溶
液を加えそしてこの分散液をフレゼニウス(Fresenius)
F60カートリッジを通して透析した。分散液を100
0mlに濃縮しそしてこの水準で6000mlの2%ポ
リ燐酸Na水溶液を使用することにより洗浄した。
【0047】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
35gのZnS/lの濃度まで濃縮した。引き続き、2
0mlの分散液当たり1mlのサポニン・キラヤ(Sapon
ineQuillaya)(シュミットマン(Schmittmann))の12.
5%水/エタノール(80/20)中溶液を加えた。こ
れが分散液Aである。
【0048】分散液をその粒子寸法分布(重量平均
wa)に関してディスク遠心光沈降計(Disc Centrifuge
Photosedimentometer)であるブルックハーベン(Brookh
aven)BI−DCPを用いて分析した。約105nmの
重量平均粒子寸法直径が得られた。
【0049】粒子寸法はDCPで測定できたが、電子顕
微鏡(SEM、TEM)によりはっきりした粒子は見ら
れなかった。測定された粒子寸法は多分(EEM像によ
り示されるように)ナノ−サイズ粒子(6)の集合による
ものである。これはさらに、DCP測定前の超音波処理
が得られる粒子寸法分布に明らかに影響する事実によっ
ても確認される。超音波処理とDCP−測定との間の時
間が長くなればなるほど、重量平均粒子寸法に関して得
られる値は大きくなる。多分散性も増加する。
【0050】XRD−測定は低い結晶性ZnSを示す
が、得られた回折信号をデバイ−シェルレル(Debye-Sch
errer)式で使用して結晶粒子寸法を計算した。沈澱条件
によるが、1.5〜5nmの間の粒子寸法が見いだされ
た。
【0051】主要粒子がDCP−測定により示されるよ
うに実際ははるかに小さいという別の指摘は、塊状Zn
S(〜330nm)と比べてより短い波長へZnS−分
散および/または層の吸収端部が移行することである。
これは量子ドットにおける既知の現象である(7)。沈澱
条件によるが、275〜310nmの間の分散液または
層に関する吸収端部の値が見いだされ、それはブルス(B
rus)式(19)によると1.5〜5nmの間の粒子寸法を示
す。
【0052】DCP技術は真のナノ粒子分散液の場合に
は10−20nmより小さい粒子に関する情報を与えな
いが、この技術は分散液中に存在する最大アグリゲート
に関する重要な情報を与える。層厚さを約200−40
0nmのスピンコーテイングにより適用することによ
り、スピンコーテイング前にも使用される超音波処理後
のDCPにより見いだされたような重量平均粒子寸法直
径は滑らかな層を得るためには150nmより小さいま
までありそしてより好ましくは100nmより小さいま
まであることが重要である。1.3. コーテイング分散液の製造: 分散液をさらに安
定化させそして均質なコーテイングを可能にするため
に、分散液Aに、結合剤を表Iに従い加えた。
【0053】
【表2】
【0054】1.4. ITO上の薄膜無機発光ダイオー
ドの製造:デバイス構造は図1に示されている。図1a
は層集合体である。約80Ohm/Sqの表面伝導度を
有するPET基質(20)(6cm×6cm×175μ
m)上のITO(21)をHNO3を用いることにより
パターン化した。伝導度を無にするために約1.5cm
の2つの境界をHNO3で処理した。生じた材料は6c
m×3cmの寸法を有する材料の中央に伝導性領域を含
んでなる。引き続き、コーテイング分散液をこの基質上
にスピンコーテイングした。乾燥層(22)の厚さは、
結合剤およびスピンコーターのスピン回数により、15
0〜400nmの間で変動した。300nm厚さのアル
ミニウム電極(23)(陰極)をスピンコーテイングさ
せたZnS:Cu/結合剤層の上に10-6トールにおい
てマスクを通して真空蒸着させた。発生面積は25mm
2であった。図1b、1cおよび1dは異なる層のパタ
ーン化を別個に示し、そして図1eは完全にパターン化
されたILEDの上部図を示す。
【0055】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表IIは、515nmにおいて緑色エレクトロル
ミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。エレク
トロルミネセンススペクトルの一例は図2に示されてい
る。5−15mAの電流に達したらすぐにエレクトロル
ミネセンスが始まった。この電流は、図3および4に例
示されているように、I/V−曲線の指数的な残留偏差
(ダイオード性能)に相当する。ある場合には、2つの
斜線方向でエレクトロルミネセンスと一緒になったダイ
オード性能が観察された。寿命はより定量的に示され、
AはEL光が5秒間より短くだけ観察されたことを意味
し、Bはそれが5秒間〜3分間の間に観察されたことを
意味し、そしてCはエレクトロルミネセンスが3分間よ
り長く観察できたことを意味する。
【0056】
【表3】
【0057】1.5. オルガコンTM上の薄膜無機発光ダ
イオードの製造:ITOの代わりに、Agfa−Gev
aertの商標である透明な伝導性膜オルガコン(PE
T基質上のコーテイングされたポリ(3,4−エチレンジ
オキシチオフェン)/ポリスチレンスルホン酸錯体)を
デバイス構造用に使用した。デバイス構造は図1に示さ
れたものと同様であり、ITOの代わりにオルガコンTM
を使用した。
【0058】オルガコン箔を6cm×6cmサンプルに
切断した。引き続き、抵抗AZ7217(クラリアント
(Clariant))をサンプル上にスピンコーテイングしそし
て30分間にわたり90℃においてベークした。乾燥層
厚さは約2−3μmであった。この処理後に、抵抗の中
央部分(6cm×3cm)を照明するために、図1のI
TOパターンに従いマスクを通して紫外線露光した(4
mW/cm2において約1分間)。サンプルを次に45
秒間にわたり110℃においてプレベークしそしてAZ
351B現像液(クラリアント)中での40秒間にわた
る現像段階にかけた。良好な付着性を得るために、11
0℃における30分間にわたる前露光ベークが行われ
た。引き続き、サンプルを1%NaClO溶液中に20
秒間にわたり浸漬することにより2つの境界における保
護されていない領域を不活性化させた。この段階後に、
水によるすすぎおよび乾燥を行った。次に、1分間にわ
たる4mW/cm2における全面露光を行い、そしてイ
ソプロパノール中で90秒間にわたり現像することによ
り抵抗を除去した。引き続き、サンプルを水で洗浄しそ
して乾燥した。生じた材料は、ITOサンプルに関して
図1に示されているものと同様に、寸法6cm×3cm
の材料の中央にある伝導性領域(約1500Ohm/S
q)を含んでなる。
【0059】引き続き、コーテイング分散液をこの基質
上でスピンコーテイングした。乾燥層厚さは、結合剤お
よびスピンコーターのスピン回数により、150〜40
0nmの間で変動した。300nm厚さのアルミニウム
電極(陰極)をスピンコーテイングさせたZnS:Cu
/結合剤層の上に10-6トールにおいてマスクを通して
真空蒸着させた。発生面積は25mm2であった。
【0060】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表IIIは、515nmにおいて緑色エレクトロ
ルミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。5−
15mAの電流に達したらすぐにエレクトロルミネセン
スが始まった。この電流はI/V−曲線の指数的な残留
偏差(ダイオード性能)に相当する。寿命はより定量的
に示され、AはEL光が5秒間より短くだけ観察された
ことを意味し、Bはそれが5秒間〜3分間の間に観察さ
れたことを意味し、そしてCはエレクトロルミネセンス
が3分間より長く観察できたことを意味する。
【0061】
【表4】
【0062】2. 緑色発生単一層ILED2.1. Zn(Cu(10%))S−分散液の製造:
記の溶液を製造した:
【0063】
【表5】
【0064】ZnS:Cu分散液を下記の通りにして製
造した:1500rpmで室温において撹拌されている
溶液5に、最初に4.5mlの溶液4を加えた。引き続
き、両者とも室温に保たれている溶液1および4を同時
に500ml/分の流速で溶液5に加えた。これがZn
S:Cu−粒子を含んでなる予備分散液Bである。2.2. Zn(Cu)S−分散液の洗浄: 1000mlの
予備分散液Bに、1000mlの2%ポリ燐酸Na水溶
液を加えそしてこの分散液をフレゼニウスF60カート
リッジを通して透析した。分散液を1000mlに濃縮
しそしてこの水準で6000mlの2%ポリ燐酸Na水
溶液を使用することにより洗浄した。
【0065】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
35gのZnS/lの濃度まで濃縮した。引き続き、2
0mlの分散液当たり1mlのサポニン・キラヤ(シュ
ミットマン)の12.5%水/エタノール(80/2
0)中溶液を加えた。これが分散液Bである。
【0066】分散液をその粒子寸法分布(重量平均
wa)に関してディスク遠心光沈降計であるブルックハ
ーベンBI−DCPを用いて分析した。約112nmの
重量平均粒子寸法直径が得られた。2.3. コーテイング分散液の製造: 分散液をさらに安
定化させそして均質なコーテイングを可能にするため
に、分散液Bに、結合剤を表IVに従い加えた。
【0067】
【表6】
【0068】2.4. 薄膜無機発光ダイオードの製造:
約80Ohm/Sqの表面伝導度を有するPET基質
(175μm)上のITOを実施例1に記載されている
通りにしてパターン化した。引き続き、コーテイング分
散液をこの基質上にスピンコーテイングした。乾燥層の
厚さは、結合剤およびスピンコーターのスピン回数によ
り、150〜400nmの間で変動した。300nm厚
さのアルミニウム電極(陰極)をスピンコーテイングさ
れたZnS:Cu/結合剤層の上に10-6トールにおい
てマスクを通して真空蒸着させた。発生面積は25mm
2であった。
【0069】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表Vは、515nmにおいて緑色エレクトロル
ミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。
【0070】
【表7】
【0071】3. 緑色発生単一層ILED3.1. Zn(Cu(20%))S−分散液の製造:
記の溶液を製造した:
【0072】
【表8】
【0073】ZnS:Cu分散液を下記の通りにして製
造した:1500rpmで室温において撹拌されている
溶液7に、最初に0.66mlの溶液6を加えた。引き
続き、両者とも室温に保たれている溶液1および6を同
時に500ml/分の流速で溶液7に加えた。これがZ
nS:Cu−粒子を含んでなる予備分散液Cである。3.2. Zn(Cu)S−分散液の洗浄: 1000mlの
予備分散液Cに、1000mlの2%ポリ燐酸Na水溶
液を加えそしてこの分散液をフレゼニウスF60カート
リッジを通して透析した。分散液を1000mlに濃縮
しそしてこの水準で6000mlの2%ポリ燐酸Na水
溶液を使用することにより洗浄した。
【0074】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
35gのZnS/lの濃度まで濃縮した。引き続き、2
0mlの分散液当たり1mlのサポニン・キラヤ(シュ
ミットマン)の12.5%水/エタノール(80/2
0)中溶液を加えた。これが分散液Cである。
【0075】分散液をその粒子寸法分布(重量平均
wa)に関してディスク遠心光沈降計であるブルックハ
ーベンBI−DCPを用いて分析した。約138nmの
重量平均粒子寸法直径が得られた。3.3. コーテイング分散液の製造: 分散液をさらに安
定化させそして均質なコーテイングを可能にするため
に、18.96mlの分散液Cに1.04mlの5%ポリ
ビニルアルコール(ポリビオール(POLYVIOL)W40、ワ
ッカー・ヘミー(Wacker Chemie))水溶液を加えた。3.4. 薄膜無機発光ダイオードの製造: 約80Ohm
/Sqの表面伝導度を有するPET基質(175μm)
上のITOをパターン化した。引き続き、コーテイング
分散液をこの基質上にスピンコーテイングした。乾燥層
の厚さは、結合剤およびスピンコーターのスピン回数に
より、150〜400nmの間で変動した。300nm
厚さのアルミニウム電極(陰極)をスピンコーテイング
させたZnS:Cu/結合剤層の上に10-6トールにお
いてマスクを通して真空蒸着させた。発生面積は25m
2であった。
【0076】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表VIは、515nmにおいて緑色エレクトロル
ミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。
【0077】
【表9】
【0078】4. 橙黄色単一層ILED4.1. ZnS:Mn、Cu分散液の製造: 下記の溶液
を製造した:
【0079】
【表10】
【0080】ZnS:Mn,Cu分散液を下記の通りに
して製造した:1500rpmで室温において撹拌され
ている溶液10に、最初に0.5mlの溶液9を加え
た。引き続き、両者とも室温に保たれている溶液8およ
び9を同時に500ml/分の流速で溶液10に加え
た。これがZn−S:Mn、Cu粒子を含んでなる予備
分散液Dである。4.2. ZnS:Mn、Cu−分散液の洗浄: 1000
mlの予備分散液Dに、1000mlの2%ポリ燐酸N
a水溶液を加えそしてこの分散液をフレゼニウスF60
カートリッジを通して透析した。分散液を1000ml
に濃縮しそしてこの水準で6000mlの2%ポリ燐酸
Na水溶液を使用することにより洗浄した。
【0081】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
35gのZn(Mn、Cu)S/lの濃度まで濃縮した。
引き続き、20mlの分散液当たり1mlのサポニン・
キラヤ(シュミットマン)の12.5%水/エタノール
(80/20)中溶液を加えた。これが分散液Dであ
る。
【0082】分散液をその粒子寸法分布(重量平均
wa)に関してディスク遠心光沈降計であるブルックハ
ーベンBI−DCPを用いて分析した。約100nmの
重量平均粒子寸法直径が得られた。4.3. コーテイング分散液の製造: 分散液をさらに安
定化させそして均質なコーテイングを可能にするため
に、分散液Dに、結合剤を表VIIに従い加えた。
【0083】
【表11】
【0084】4.4. ITO上の薄膜発光ダイオードの
製造:約80Ohm/Sqの表面伝導度を有するPET
基質(175μm)上のITOをパターン化した。引き
続き、コーテイング分散液をこの基質上にスピンコーテ
イングした。乾燥層の厚さは、結合剤およびスピンコー
ターのスピン回数により、150〜400nmの間で変
動した。300nm厚さのアルミニウム電極(陰極)を
スピンコーテイングさせたZnS:Mn、Cu/結合剤
層の上に10-6トールにおいてマスクを通して真空蒸着
させた。発生面積は25mm2であった。
【0085】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表VIIは、590nmにおいて橙黄色エレクト
ロルミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。図
5はサンプルD5のI/V曲線を示す。
【0086】
【表12】
【0087】4.5. オルガコンTM上の薄膜発光ダイオ
ードの製造:約80Ohm/Sqの表面伝導度を有する
オルガコンTMサンプルを実施例1に記載されている通り
にしてパターン化した。引き続き、コーテイング分散液
をこの基質上でスピンコーテイングした。乾燥層厚さ
は、結合剤およびスピンコーターのスピン回数により、
150〜400nmの間で変動した。300nm厚さの
アルミニウム電極(陰極)をスピンコーテイングさせた
ZnS:Mn、Cu/結合剤層の上に10-6トールにお
いてマスクを通して真空蒸着させた。発生面積は25m
2であった。
【0088】デバイスは異なる直流バイアス電圧で駆動
された。表IXは、590nmにおいて緑色エレクトロル
ミネセンスが観察されたターンオン電圧を示す。
【0089】
【表13】
【0090】5. 橙黄色および緑色発生二重層ILE
5.1. CuxS−およびZnS−、ZnS:Mnおよ
びZnS:Cu分散液の製造: 下記の溶液を製造した:
【0091】
【表14】
【0092】
【表15】
【0093】ZnS−分散液を下記の通りにして製造し
た:1500rpmで室温において撹拌されている溶液
11に、両者とも室温に保たれている溶液1および2を
同時に500ml/分の流速で加えた。これがZn−S
粒子を含んでなる予備分散液Eである。
【0094】CuxS−分散液を下記の通りにして製造
した:1500rpmで室温において撹拌されている溶
液13に、両者とも室温に保たれている溶液2および1
2を同時に500ml/分の流速で加えた。これがCu
xS−粒子を含んでなる予備分散液Fである。
【0095】ZnS:Mn−分散液を下記の通りにして
製造した:1500rpmで80℃において撹拌されて
いる溶液15に、両者とも室温に保たれている溶液2お
よび14を同時に500ml/分の流速で加えた。これ
がZnS:Mn−粒子を含んでなる予備分散液Gであ
る。
【0096】ZnS:Cu(0.05%)分散液を下記
の通りにして製造した:1500rpmで室温において
撹拌されている溶液18に、両者とも室温に保たれてい
る溶液16および17を同時に500ml/分の流速で
加えた。これがZnS:Cu−粒子を含んでなる予備分
散液Hである。5.2. ZnS−、CuxS−、ZnS:MnおよびZ
nS:Cu−分散液の洗浄: 1000mlの予備分散液
E、GおよびHに、1000mlの2%ポリ燐酸Na水
溶液を加えそしてこの分散液をフレゼニウスF60カー
トリッジを通して透析した。分散液を1000mlに濃
縮しそしてこの水準で5000mlの2%ポリ燐酸Na
水溶液を使用することにより洗浄した。
【0097】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
40gのZnS/lの濃度まで濃縮した。引き続き、2
0mlの分散液当たり1mlのサポニン・キラヤ(シュ
ミットマン)の12.5%水/エタノール(80/2
0)中溶液を加えた。これらが分散液E、GおよびHで
ある。
【0098】1000mlの予備分散液Fに、1000
mlの2%ポリ燐酸Na水溶液を加えそしてこの分散液
をフレゼニウスF60カートリッジを通して透析した。
分散液を1000mlに濃縮しそしてこの水準で500
0mlの2%ポリ燐酸Na水溶液を使用することにより
洗浄した。
【0099】洗浄後に、この分散液を透析設定により約
40gのCuxS/lの濃度まで濃縮した。引き続き、
20mlの分散液当たり1mlのサポニン・キラヤ(シ
ュミットマン)の12.5%水/エタノール(80/2
0)中溶液を加えた。これらが分散液Fである。
【0100】分散液をそれらの粒子寸法分布に関してデ
ィスク遠心光沈降計であるブルックハーベンBI−DC
Pを用いて分析した。100nmより小さい重量平均粒
子寸法直径が全ての分散液に関して得られた。5.3. 薄膜無機発光ダイオードの製造: 約80Ohm
/Sqの表面伝導度を有するPET基質(175μm)
上のITOをパターン化した。引き続き、分散液Fをこ
の基質上に2回1000rpmでスピンコーテイングし
た。3個のサンプルを製造した。引き続き、これらのサ
ンプル上でに、分散液E、HおよびGを上部に2回これ
も1000rpmでスピンコーテイングした。全ての分
散液を、結合剤を添加せずに、適用した。300nm厚
さのアルミニウム電極(陰極)をスピンコーテイングさ
せた二重層の上に10-6トールにおいてマスクを通して
真空蒸着させた。発生面積は25mm2であった。
【0101】表Xはこれらの二重層ダイオードの結果を
示す。図6はサンプルE3のI/V曲線を示す。サンプ
ルE1(CuxS+ZnS)は良好なダイオード性能を
示したが、エレクトロルミネセンスは観察できなかっ
た。
【0102】
【表16】
【0103】6. 橙黄色および緑色発生単一層ILE
D 16.4mlの分散液E、F、GおよびHに、それぞれ
3.6mlの5%ポリビニルピロリドン(ルビスコル(LU
VISKOL)K−90、BASF)を加えた。これらは分散
液E′、F′、G′およびH′である。
【0104】分散液F′を引き続き表XIに従い分散液
E′、G′およびH′と混合し、そしてデバイスを実施
例1(1.4)の記述に従い製造した。
【0105】
【表17】
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1.4(以上参照)に従うILEDデバ
イスの構造を示す。図1aは層配置を示す。それはPE
T基質20、第一の伝導性ITO層21、ルミネセント
層22、および蒸発させたアルミニウムの第二の電極層
23を含んでなる。図1b、1cおよび1dは別個にそ
れぞれ層21、22、および23のパターン化を示す。
図1eは完全にパターン化されたILEDの上部図を示
す。31は接触点32および33を介してITO電極お
よびアルミニウム電極に連結されている直流−電圧源
(I/V源)を示す。
【図2】実施例1のサンプルA3を用いて構成されたI
LEDで得られた6ボルトにおけるエレクトロルミネセ
ンススペクトルを示す。
【図3】実施例1のサンプルA3を用いて構成されたI
LEDで得られた直流−電圧曲線(I/V曲線)を示
す。
【図4】実施例1のサンプルA5を用いて構成されたI
LEDで得られたI/V曲線を示す。
【図5】実施例4のサンプルD5を用いて構成されたI
LEDで得られたI/V曲線を示す。
【図6】実施例5のサンプルE3を用いて構成されたI
LEDで得られたI/V曲線を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3K007 AB06 AB11 AB18 DA01 DB02 DC01 DC02 FA00

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)ルミネセント中心でドーピングさ
    れたZnS(n−タイプ半導体)およびCuxS(p−
    タイプ半導体)を一緒に含んでなるナノ粒子分散液を、
    各イオンの適当な水溶液からの沈澱により製造するか、
    或いは(1′)ルミネセント中心でドーピングされたZ
    nS(n−タイプ半導体)の第一の別個のナノ粒子分散
    液およびCuxS(p−タイプ半導体)の第二の別個の
    ナノ粒子分散液を、両者とも各イオンの適当な水溶液か
    らの沈澱により製造し、(2)(1)に従い製造された
    分散液または(1′)に従い製造された両分散液を洗浄
    して、沈澱しなかったイオンを除去し、(3)第一の伝
    導性電極上に、段階(1)および(2)から生ずる分散
    液もしくは段階(1′)および(2)から生ずる分散液
    の混合物を1つの同じ層内で、または段階(1′)およ
    び(2)から生ずる別個の分散液を2つの別個の層内で
    コーテイングし、(4)段階(3)から生ずる1つもし
    くは複数の該コーテイング層の上部に第二の伝導性電極
    を適用する段階を含んでなり、但し該第一および第二の
    電極の少なくとも1つが透明である、薄膜無機発光ダイ
    オードデバイスの製造方法。
  2. 【請求項2】 ドーピングされたZnS中の該ルミネセ
    ント中心がCuである請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 ドーピングされたZnS中の該ルミネセ
    ント中心がMnである請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかの方法に従い製
    造される薄膜無機発光ダイオードデバイス。
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