JP2003229281A

JP2003229281A - Ｅｌ素子およびその製造方法

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Publication number: JP2003229281A
Application number: JP2002025754A
Authority: JP
Inventors: Masato Usuda; 真人薄田; Etsuo Mihashi; 悦央三橋
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP3966732B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低い電圧で駆動可能な高輝度かつ高い信頼性
を有するＥＬディスプレイを実現する。【解決手段】粉体焼成法により形成された厚膜誘電体
層３と、薄膜誘電体層６と、これらの誘電体層３，６間
に蛍光体薄膜５を有するＥＬ素子であって、前記薄膜誘
電体６と透明電極８の間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分
とするバッファ層７を有する構成のＥＬ素子およびその
製造方法とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄型でかつ平板状
の表示手段として好適に用いられるＥＬ（エレクトロル
ミネセンス）素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロルミネセンス（電界効果）と
いう現象を応用した無機物質からなる発光層を有する薄
膜ＥＬ素子は、発光デバイスとして平面薄型ディスプレ
イに用いられている。

【０００３】薄膜ＥＬ素子の発光色は、その素子のもつ
発光層の材料によって定まる。従来から、発光層の材料
として、母体材料にはＺｎＳ、ＣａＳ、ＳｒＳ等が選ば
れ、発光中心材料には、例えば遷移金属元素群の中から
選ばれている。

【０００４】これらの組み合わせにより、ＺｎＳ：Ｍｎ
等を用いた黄色発光素子、ＺｎＳ：Ｔｂ等を用いた緑色
発光素子、ＣａＳ：ＥｕあるいはＺｎＳ：Ｓｍ等を用い
た赤色発光素子、およびＳｒＳ：Ｃｅ或いはＺｎＳ：Ｔ
ｍ等を用いた青色発光素子等が知られている。

【０００５】また、白色発光素子としては、ＳｒＳ：Ｃ
ｅ，ＥｕあるいはＺｎＳ：Ｐｒ等の単膜発光層や、Ｓｒ
Ｓ：Ｃｅ／ＣａＳ：Ｅｕ、あるいは特開昭６２−７４９
８６号公報に開示されているＳｒＳ：Ｃｅ／ＺｎＳ：Ｍ
ｎ等の積層発光層等が知られている。

【０００６】しかしながら、上述の発光素子のうち、実
用化されているものはＺｎＳ：Ｍｎを用いた黄色発光素
子程度であり、他の発光素子については十分な発光輝度
が得られておらず、特に青色発光素子では未だ実用化に
は至っていないのが現状である。

【０００７】ＥＬディスプレイの発展を妨げているの
は、高輝度で色純度の高い青色発光素子ないし白色発光
素子が見つかっていない点にある。

【０００８】フルカラーディスプレイや、現在実用化さ
れているＺｎＳ：Ｍｎを用いた黄色発光素子を利用して
白色発光素子を得ようとすると、３元色の１つであり、
黄色発光の補色である青色発光素子の高性能化が必要に
なってくる。

【０００９】上述の特開昭６２−７４９８６号公報に開
示された白色発光素子は、ＳｒＳ：Ｃｅの性能が劣って
おり、やや緑がかった青色を呈するので、全体的にも緑
がかった白色を呈してしまう。

【００１０】高性能の青色発光素子が実現すれば、Ｚｎ
Ｓ：Ｍｎを用いた黄色発光素子と組み合わせることによ
り、高性能の白色発光素子も実現できる。

【００１１】青色発光のための有望な蛍光物質として、
ＳｒＳが知られている。ＩＤＷ(International Display
Workshop)1997 X.Wu "Multicolor Thin-Film Ceramic
Hybrid EL Displays" p593 to 596 には、ＳｒＳを用い
たＥＬディスプレイについての検討がなされている。

【００１２】この文献では、ＳｒＳにＣｅをドープして
安定性を向上させると共に、ＳｒＳの劣化を防止する有
効な手段として酸素からの汚染を防止し、高純度のＳｒ
Ｓ発光層を形成するために、Ｈ₂Ｓ雰囲気下で電子ビー
ム蒸着法により発光層を形成する手法が有効である旨記
載されている。また、形成された発光層を、窒素雰囲気
下、６００℃以上の温度でアニールすることにより、良
好な発光特性が得られる旨記載されてる。

【００１３】しかし一般的なＥＬ素子ではガラス基板、
ＩＴＯ薄膜上に誘電体層、発光層が形成されるため、６
００℃以上での高温アニールはガラス基板、ＩＴＯ薄膜
の耐熱性が不充分であるため、実用化には至っていな
い。

【００１４】そこで、特開平７−５０１９７号公報のＥ
Ｌディスプレイでは、耐熱性セラミック基板上に、銀／
プラチナ等の厚膜導体ペーストを印刷、焼成した後Ｐｂ
ＮｂＯ₃ 、ＢａＴｌＯ₃ 、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｌＯ₃
等の厚膜誘電体ペーストを印刷、焼成することにより発
光層の下地を形成している。これらの厚膜焼成導体およ
び誘電体は８５０℃から１０００℃以上の高温で焼成さ
れるため、その後の発熱体形成および高温熱処理に充分
耐え得る耐熱性を有する。

【００１５】また、上記公報では厚膜焼成誘電体の表面
を平坦化し、その後に続く薄膜プロセスで形成される発
光層および上部誘電体層の絶縁耐圧を確保する方法が開
示されている。

【００１６】通常の焼成後の厚膜セラミックの表面は１
μm 以上の表面粗さを有し、その上に１μm 程度以下の
厚さを有する薄膜を形成しても、均一にその表面を被覆
することは困難であり、膜厚方向に電界が印加されると
低電界でも絶縁破壊にいたる場合が多い。充分な絶縁耐
圧を得るためにほ薄膜の膜厚を下地の表面粗さ以上に充
分厚くするか、あるいは下地の表面を平坦化することが
必要である。上記ＥＬディスプレイでは焼成後の誘電体
セラミック表面に、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むゾルをスピ
ンコーティング等の手法により塗布した後、空気中で６
００℃、３０分の加熱をすることにより、２〜３μm の
ＰＺＴ層を形成している。そのＰＺＴ層の表面は、スク
リーン印刷されて焼結された第１誘電体層の表面よりも
著しく滑らかであることが観察されたと記されている。

【００１７】上記第１誘電体層上に第２誘電体層を重ね
て形成した厚膜誘電体層の合成誘電率は、約２０００と
従来のＴＦＥＬに採用されている薄膜誘電体層と比較す
ると２桁以上高い。上記厚膜誘電体層上に比誘電率１０
の蛍光体層および上部薄膜誘電体層を形成し、二重絶縁
型ＥＬ素子を作製する場合には、厚膜誘電体層、蛍光体
層および上部薄膜誘電体層の膜厚構成は、各層の誘電率
と駆動電圧を考慮して設計する必要がある。

【００１８】例えば図８に示すように、厚膜誘電体層、
蛍光体層および上部薄膜誘電体層を直列に接続されたキ
ヤパシタＣLD，ＣP ，ＣUDと仮定すると、３つのキヤパ
シタ全体に加わる電圧Ｖは式（１）により定められる。Ｖ＝Ｅ1 ×ｄ1 ＋Ｅ2 ×ｄ2 ＋Ｅ3 ×ｄ3 （１）この揚合、Ｅ1 は厚膜誘電体層内の電界、Ｅ2 は蛍光体
層内の電界、Ｅ3 は上部薄膜誘電体層内の電界、ｄ1 は
厚膜誘電体層の厚さ、ｄ2 は蛍光体層の厚さ、ｄ3 は上
部薄膜誘電体層の厚さである。ただし式１は蛍光体が発
光を開始する電圧Ｖthよりも低い電圧において成り立つ
が、例えば図９に示すように、しきい値電圧Ｖthよりも
高い電圧においては蛍光体がブレークダウンし、電流が
過渡的に流れるため式（１）は成り立たない。なお、図
９はＥＬ素子に加える電圧と電流の関係を示したもので
ある。

【００１９】また、異なる誘電率を有するキャパシタが
直列に接続された場合、式（２）の関係が成り立つこと
が知られている。ｋ1 ×Ｅ1 ＝ｋ2 ×Ｅ2 ＝ｋ3 ×Ｅ3 （２）ここで、ｋ1 は厚膜誘電体層の誘電率、ｋ2 は蛍光体層
の誘電率、ｋ3 は上部薄膜誘電体層の誘電率をそれぞれ
示している。

【００２０】二重絶縁型ＥＬ素子の発光機構として、一
般的に認められている過程を簡単に説明する。蛍光体層
と誘電体層の界面に蓄積された電子が１ＭＶ／cm程度の
高電界で蛍光体層内部へ注入され、電界から高い運動エ
ネルギを獲得して加速され、発光中心と直接に衝突して
エネルギを与える。発光中心はこのエネルギにより励起
あるいは電離されて高いエネルギ状態へ遷移し、一定寿
命の後の緩和過程の際、そのエネルギを発光の形で外部
に放出する。

【００２１】したがって、ＥＬ素子の発光には１ＭＶ／
cmの電界が蛍光体層に印加されることが必要である。

【００２２】式（２）において、Ｅ2 をＥＬ発光に必要
な電界１×１０⁶ V／cmとし、ｋ1、ｋ2 、ｋ3 にそれぞ
れ１０００、１０、５を代入した場合、Ｅ1 およびＥ3
は、それぞれ１×１０⁴ V／cm、２×１０⁶ V／cmとな
り、厚膜誘電体層には蛍光体層、上部薄膜誘電体層と比
較すると１／１００の電界しか印加されないことがわか
る。

【００２３】また式（１）において厚膜誘電体層の厚さ
を３０μm 、蛍光体層の厚さを１．０μm 、上部薄膜誘
電体層の厚さを０．１μm とした場合、発光開始にかか
る電圧Ｖthは１５０Ｖとなる。前述した通り、各層の膜
厚構成は、各層の誘電率と、所望するＶth（通常はロウ
側ドライバーＩＣの性能で制限される）および各層の絶
縁耐圧等を考慮して設計することが可能である。通常、
ＥＬディスプレイに使用されるドライバーＩＣではＶth
は１８０Ｖ以下を想定されており、消費電力の面でも駆
動電圧は低い方が望ましい。

【００２４】一方、高輝度ＥＬ発光を得るためには、前
述したとおり蛍光体薄膜を成膜した後に大気中で６００
℃程度の高温熱処理が必要である。ところが、高温熱処
理により、硫化物である蛍光体が酸化されると硫酸塩が
生成し、イオン化されやすい構造となる。酸化された硫
化物蛍光体ＥＬ素子を高電圧で駆動させると、硫酸系の
ガス等が発生し輝度の低下をはじめ薄膜の剥離等の不具
合を引き起こすことが確認されている。

【００２５】熱処理時の酸化を防止するためには、蛍光
体上に０．３μm よりも厚い上部薄膜誘電体を形成した
後に熱処理を施すことが有効であり、上述した不具合の
発生を抑制することは可能である。しかし、比誘電率５
の上部誘電体の膜厚を０．１μm から０．３μm に増や
すことにより、発光開始電圧Ｖthは１５０Ｖから１９０
Ｖに増大し、通常のドライバーＩＣでは駆動できないと
いう問題が発生する。

【００２６】さらに、蛍光体層に注入される電荷量は厚
膜誘電体層と上部薄膜誘電体層の合成容量に比例するの
で、誘電率の低い上部薄膜誘電体層を厚くすると合成容
量が小さくなるため輝度は著しく低下する。

【００２７】したがって、高誘電率厚膜誘電体と低誘電
率上部薄膜誘電体とで蛍光体を扶持してなるＥＬディス
プレイでは、低電圧駆動下で高輝度発光を得るためには
上部薄膜誘電体を極力薄くすることが望ましいが、高い
信頼性を得るためには上部薄膜誘電体層を厚くすること
が必要になるため、輝度と信頼性を両立することが著し
く困難であった。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低い
電圧で駆動可能な高輝度かつ高い信頼性を有するＥＬデ
ィスプレイを実現することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記目的は以
下の構成により達成される。（１）粉体焼成法により形成された厚膜誘電体層と、
薄膜誘電体層と、これらの誘電体層間に蛍光体薄膜を有
するＥＬ素子であって、前記薄膜誘電体と透明電極の間
に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とするバッファ層を有す
るＥＬ素子。（２）前記薄膜誘電体層と酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成
分とする薄膜とを合わせた厚さが、０．３μm 以上であ
る上記（１）のＥＬ素子。（３）前記蛍光体薄膜が熱処理されている上記（１）
または（２）のＥＬ素子。（４）粉体焼成法により形成された厚膜誘電体層と、
薄膜誘電体層と、これらの誘電体層間に蛍光体薄膜を有
するＥＬ素子の製造方法であって、前記薄膜誘電体と透
明電極の間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とするバッフ
ァ層を有し、このバッファ層を形成した後に蛍光体薄膜
を熱処理するＥＬ素子の製造方法。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明のＥＬ素子は、少なくとも
耐熱性基板上に導体層、厚膜誘電体層、蛍光体層、上部
薄膜誘電体層、透明電極層が順次形成されているＥＬ素
子であって、上部薄膜誘電体層と透明電極層との間に酸
化亜鉛を主成分とする薄膜が形成されているものであ
る。

【００３１】このような酸化亜鉛を主成分とするバッフ
ァー層を設けることにより、発光層の酸化、輝度低下を
防止し、上部誘電体層、電極層の剥離を防止して、高輝
度で信頼性の高い素子が得られる。

【００３２】バッファー層の主成分である酸化亜鉛は、
通常、ＺｎＯの化学量論組成で存在するが、Ｏ量は多少
偏倚していてもよい。

【００３３】また、副成分としてＡｌ等の金属元素がド
ーピングされていてもよい。Ａｌは、ＺｎＯのＺｎサイ
トに置換する形で取り込まれている。Ａｌ等の金属元素
をドープすることにより、Ａｌがドナーとなり、比抵抗
を低減させることができる。

【００３４】Ａｌ等の金属元素のドーピング量として
は、ＺｎＯに対して好ましくは１〜５原子％、より好ま
しくは１．５〜３原子％程度である。

【００３５】ＺｎＯバッファー層は、スパッタ法、ＥＢ
蒸着法等により形成することができるが、良好な被覆性
が得られること等の点からスパッタ法が好ましい。

【００３６】また、ＺｎＯにＡｌをドーピングする方法
としては、ＺｎＯ粉体とＡｌ₂Ｏ₃粉体の混合物の圧縮焼
結体ターゲット（あるいは蒸着ソース）を使用等すれば
よい。

【００３７】バッファ層の膜厚としては、薄すぎると発
光層の保護効果が得られず、厚すぎると発光効率が低下
することから、好ましくは５０〜５００nm、特に１００
〜３００nm程度がよい。

【００３８】なお、バッファ層は、少なくとも発光層の
発光に直接寄与する領域を保護すればよい。このため、
少なくとも発光層の画素となる領域の上に製膜されてい
ることが必要である。

【００３９】基板としては、絶縁性を有し、その上に形
成される導体層、厚膜誘電体層を汚染することなく、所
定の強度を維持できるものであれば特に限定されるもの
ではない。具体的には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、フォル
ステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ステアタイト（Ｍ
ｇＯ・ＳｉＯ₂）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ
＋ＢｅＯ）等のセラミック基板を挙げることができる。
これらの耐熱温度はいずれも１０００℃以上である。こ
れらのなかでも特にアルミナ基板が好ましく、熱伝導性
が必要な場合にはベリリア、窒化アルミニウム、炭化シ
リコン等が好ましい。またガラスとセラミックの複合材
料であるガラス／セラミクス（結晶化ガラス）を用いる
こともできる。

【００４０】基板として用いる材料は、ＥＬ素子の各層
の形成温度、ＥＬ素子のアニール温度に耐えうる耐熱温
度ないし融点が６００℃以上、好ましくは７００℃以
上、特に８００℃以上のものが好ましい。

【００４１】また、このほかに、石英、熱酸化シリコン
ウエハー等、チタン、ステンレス、インコネル、鉄系な
どの金属基板を用いることもできる。金属等の導電性基
板を用いる場合には、基板上に内部に電極を有した厚膜
を形成した構造が好ましい。

【００４２】導体層は、少なくとも基板側に形成され、
その後に続く厚膜誘電体焼成、平坦化処理、発光層形成
等の高温プロセスを経ても充分な導電性と、基板との密
着強度を有し、かつ高温で厚膜誘電体層との反応（相互
拡散）が生じ難い材料が好ましい。

【００４３】導体層は、具体的には主成分としてパラジ
ウム、ロジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、
白金、銀、金、タンタル、ニッケル、クロム、チタン等
の通常用いられている金属電極を用いればよい。特に、
一般的にチップコンデンサの電極に使用されているよう
な耐熱性金属材料、たとえばＡｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、
Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄ／Ｃｕ、Ａｕ等の薄膜、厚膜を使用す
ることができる。

【００４４】導体層の厚さは下地の基板の表面粗さ、誘
電体の焼成温度によって最低膜厚が決まる。すなわち基
板の表面の凹凸に追随して、連続的に被覆できる膜厚が
必要であり、また誘電体焼成時に誘電体との反応により
高抵抗化がおこらないだけの膜厚が必要である。

【００４５】次に、厚膜誘電体層を形成する。この工程
では上述したように基板材料との熱膨張係数差による、
クラックが発生しない高誘電率厚膜材料を選択する必要
がある。

【００４６】アルミナ基板を使用する場合にはＰｂＮｂ
Ｏ₃ ，ＰｂＴｉＯ₃ ，ＰＭＮ−ＰＴ等の材料の中から選
択することができる。一般的なチップコンデンサーに使
用されているようなペーストを使用し、スクリーン印刷
等の手法で塗布、乾燥を複数回行った後に大気中で８５
０℃で焼成することにより所定の厚さの厚膜誘電体層を
形成することが可能である。

【００４７】厚膜誘電体層の抵抗率としては、１０⁸ Ω
・cm以上、特に１０¹⁰ 〜１０¹⁸ Ω・cm程度である。ま
た比較的高い誘電率を有する物質であることが好まし
く、その誘電率εとしては、好ましくはε＝１００〜１
００００程度である。膜厚としては、５〜５０μm が好
ましく、１０〜３０μm が特に好ましい。

【００４８】さらに必要に応じて厚膜誘電体層表面の微
細なポアや凹凸を埋めて、平坦化するためにＰＺＴ系も
しくはＢＴＯ系の溶液を塗布、焼成し厚膜誘電体層の表
面に平坦化処理を施すことが望ましい。

【００４９】次に、厚膜誘電体層が形成された基板上に
蛍光体層を形成する。蛍光体層は、ＥＢ−蒸着法などに
より形成することができる。

【００５０】発光層の材料としては、例えば、月刊ディ
スプレイ ’９８４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、Ｚｎ
Ｓ：Ｔｂ等、青色発光を得るための材料として、Ｓｒ
Ｓ：Ｃｅ、（ＳｒＳ：Ｃｅ／ＺｎＳ）ｎ、ＣａＧａ
₂Ｓ₄：Ｃｅ、Ｓｒ₂Ｇａ₂Ｓ₅：Ｃｅ等を挙げることがで
きる。

【００５１】また、白色発光を得るものとして、Ｓｒ
Ｓ：Ｃｅ／ＺｎＳ：Ｍｎ等が知られている。

【００５２】これらのなかでも、上記ＩＤＷ(Internati
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。

【００５３】蛍光体層の膜厚としては、特に制限される
ものではないが、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、蛍光体材料にも
よるが、好ましくは１００〜１０００nm、特に３００〜
８００nm程度である。

【００５４】蛍光体層の形成方法は、上記ＩＤＷに記載
されているように、ＺｎＳ：Ｍｎの蛍光体層を形成する
場合には、エレクトロンビーム蒸着法により形成する
と、高輝度の発光を得ることができる。

【００５５】蛍光体層の形成後、上部薄膜誘電体層を形
成する。薄膜誘電体（絶縁）層（第２の絶縁層）の構成
材料としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）、窒化
シリコン（ＳｉＮ）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅ ）、チ
タン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃ ）、酸化イットリ
ウム（Ｙ₂Ｏ₃ ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ
₃ ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃ ）、ＰＺＴ、ジルコニ
ア（ＺｒＯ₂ ）、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯ
Ｎ）、アルミナ（Ａｌ ₂Ｏ₃ ）、サイアロン（ＳｉＡｌ
ＯＮ）、ニオブ酸鉛、ＰＭＮ−ＰＴ系材料等およびこれ
らの多層または混合薄膜を挙げることができる。特にＳ
ｉＯＮ、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＡＴＯ（ＡｌＴｉＯ）、ＳｉＡｌ
ＯＮの単層もしくは多層膜を採用することがプロセス、
安定性、絶縁耐圧特性、密着性の面で好ましい。

【００５６】これらの材料で絶縁層を形成する方法とし
ては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、印
刷焼成法など既存の方法を用いればよい。この場合の絶
縁層の膜厚としては、好ましくは５０〜１０００nm、特
に１００〜５００nm程度である。

【００５７】発光効率を向上させるためには、蛍光体を
熱処理、つまり熱アニールすることが必要である。熱処
理温度は蛍光体材料にもよるが、好ましくは４５０℃以
上６５０℃以下である。熱処理雰囲気は不活性ガス雰囲
気でも良いが、厚膜誘電体の還元を避けるためには空気
中での熱処理が好ましい。上部薄膜誘電体形成後に空気
中で熱処理を行うことにより、蛍光体層の著しい酸化は
抑制されるので、高輝度発光は得られるが、蛍光体層は
わずかながらも酸化されるため、長期間高電圧を印加し
発光させると、上述した輝度低下や薄膜の剥離等の不具
合が発生する。

【００５８】この問題を解消するためには、上述したよ
うにＺｎＯを主成分とする導電性薄膜を形成した後に熱
処理を施すことが好ましい。ＺｎＯを主成分とする導電
性薄膜だけでディスプレイに要求される抵抗値が得られ
ない場合には、さらにその上にＩＴＯ薄膜を形成し、透
明電極層とすれば良い。

【００５９】次いで、ホトリソグラフィーの手法を用
い、透明電極層を所望するパターンに加工し、さらに必
要に応じて透明電極層とパッド電極とを接続する配線を
形成することによりＥＬディスプレイパネルが完成す
る。

【００６０】なお、上記例では、単一発光層のみの場合
を例示して説明したが、本発明のＥＬ素子はこのような
構成に限定されるものではなく、膜厚方向に発光層を榎
数積層してもよいし、マトリクス状にそれぞれ種類の異
なる発光層（画素）を組み合わせて平面的に配置するよ
うな構成としてもよい。

【００６１】次に本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工程につ
いて、図を参照しつつ説明する。

【００６２】先ず、図２に示すように、所定の耐熱性お
よび機械的強度を有する基板１の上に、Ａｕ系厚膜電極
ペーストを、スクリーン印刷法等により塗布する。電極
ペースト塗布後、１００〜１５０℃程度の温度、空気雰
囲気中で１０〜６０分間の乾燥を行い、更にベルト炉を
用いて８００〜９００℃の温度、空気中で５〜３０分間
の焼成を行うことにより下部電極層２を形成する。次い
で、下部電極層２を通常のフォトリソグラフィーとウェ
ットエッチング法等により、所定の幅と、スペースのラ
イン状に加工し、ロウラインおよび取り出し電極パッド
を形成する。

【００６３】次いで図２、３に示すように、同様のスク
リーン印刷法によりニオブ酸鉛系厚膜ペースト（例えば
ＥＳＬ社製４２１０−Ｃ）を所定の厚さに印刷する。こ
の時下部電極層２は、外部駆動回路に接続するための部
分以外はこのパターンに覆われるように設計されてい
る。

【００６４】塗布後、下部電極層２と同様に大気中、１
００〜１５０℃で乾燥した後、ベルト炉にて大気中、８
００〜９００℃の温度で５〜３０分間焼成し、厚膜誘電
体層３を形成する。

【００６５】焼成後の厚膜誘電体層３の表面は結晶粒径
と同程度（〜１μm ）の粗さを有するため、その上に直
接薄膜を積層しても、厚膜誘電体層３の表面を完全に被
覆することは困難であり、膜厚方向に電界を印加する
と、比較的低い電界強度でも絶縁破壊が起こってしま
う。

【００６６】そこで本発明においては、これらの表面粗
さや段差による性能低下を回避するために次の工程を設
けることが好ましい。

【００６７】図４に示すように、ＰＺＴ系溶液材料４を
塗布、焼成し、下部電極層２の厚膜誘電体層３の全面に
わたって所定の厚さに形成する。塗布は通常のスピンコ
ーティング法を使用し、通常のベルト炉で空気雰囲気中
６００〜８００℃程度で焼成する。この平坦化処理によ
り表面の粗さを０．１μm 以下、特に０．０５μm 以下
とすることが可能となる。

【００６８】次いで、図５に示すようにＺｎＳ：Ｍｎ発
光層５をＥＢ蒸着法により、６００nmの膜厚に形成す
る。この際ＺｎＳ：Ｍｎは、発光が必要な領域にのみマ
スク蒸着法により成膜する。

【００６９】次いで、図６に示すように、同様のＥＢ蒸
着法により、Ａｌ₂Ｏ₃ 薄膜を図５に示した発光層５と
同じ領域に、所定の厚さにマスク蒸着し、図６に示す上
部誘電体層６を形成する。

【００７０】その後、図７に示すようにＤＣスパッタ装
置を使用し、ＺｎＯ：Ａｌをターゲットとして、Ｚｎ
Ｏ：Ａｌバッファー層７を所定の膜厚に形成する。その
後、通常のベルト炉を使用し、バッファー層７までが形
成されたパネルを空気雰囲気中６００〜７００℃、１０
〜６０分熱処理する。

【００７１】さらにその後、図１に示すようにＤＣスパ
ッタ装置等を使用し、ＩＴＯからなる透明電極層８を形
成する。

【００７２】透明電極層８およびバッファー層７を、ロ
ウラインを形成する下部電極層２と直交する、ライン状
パターンに加工するために、通常のフォトリソグラフィ
ーとウェットエッチング法等を使用し、所望の幅と、ス
ペースのカラムラインを形成する。

【００７３】また、図では示していないが、カラムライ
ンと電極パッドを接続するためのＡｌ／Ｃｒからなるメ
タル配線を形成する。

【００７４】その後、封止ガラスを表示面側の表面に樹
脂接着し、ＦＰＣにより外部駆動回路とパネルを電気的
に接続し、黄橙色に発光するモノカラーＥＬディスプレ
イが完成する。

【００７５】本発明の薄膜ＥＬ素子は、通常、パルス駆
動、交流駆動され、その印加電圧は８０〜２５０V 程度
である。

【００７６】

【実施例】＜実施例１＞次に本発明の薄膜ＥＬ素子につ
いて、実施例を挙げてより詳細に説明する。

【００７７】先ず、図２に示すように、所定の耐熱性お
よび機械的強度を有する（アルミナ、純度９６％：厚さ
１．０mm）基板１の上にスクリーン印刷法により、Ａｕ
系厚膜電極ペーストを塗布した。電極ペースト塗布後、
１２５℃の温度、空気雰囲気中で３０分間の乾燥を行
い、さらにベルト炉を用いて８５０℃の温度、空気中で
１５分間の焼成を行うことにより、下部電極層２を形成
した。次いで、下部電極層２を通常のフォトリソグラフ
ィーとウェットエッチング法により、幅２７０μm 、ス
ペース３０μm のライン状に加工し、ロウラインおよび
取り出し電極パッドを形成した。

【００７８】次いで図２、３に示すように、同様のスク
リーン印刷法によりニオブ酸鉛系厚膜ペースト（ＥＳＬ
社製４２１０−Ｃ）３を２０μm の厚さに印刷した。こ
の時、下部電極層２は、外部駆動回路に接続するための
部分以外はこのパターンに覆われるように設計されてい
る。

【００７９】塗布後、下部電極層２と同様に大気中、１
２５℃で乾燥した後、ベルト炉にて大気中、８５０℃の
温度で１５分間焼成し、厚膜誘電体層３を形成した。

【００８０】焼成後の厚膜誘電体層３の表面は、結晶粒
径と同程度（〜１μm ）の粗さを有するため、その上に
直接薄膜を積層しても、厚膜誘電体層３の表面を完全に
被覆することは困難であり、膜厚方向に電界を印加する
と、比較的低い電界強度でも絶縁破壊が起こってしま
う。

【００８１】そこで、本実施例においてはこれらの表面
粗さや段差による性能低下を回避するために次の工程を
設た。

【００８２】図４に示したように、ＰＺＴ系溶液材料４
を塗布、焼成し、下部電極層２の厚膜誘電体層３の全面
にわたって約１μm の厚さに形成した。塗布は通常のス
ピンコーティング法を使用し、通常のベルト炉で空気雰
囲気中７００℃で焼成した。この平坦化処理により表面
の粗さを０．１μm 以下とすることが可能となった。

【００８３】次いで、図５に示したようにＺｎＳ：Ｍｎ
発光層５をＥＢ蒸着法により、６００nmの膜厚に形成し
た。この際ＺｎＳ：Ｍｎは、Ｍｎを０．５wt％含む材料
を用い、図２に示した領域にのみマスク蒸着法により成
膜した。

【００８４】次いで、同様のＥＢ蒸着法により、Ａｌ₂
Ｏ₃ 薄膜を図２に示した発光層５と同じ領域に、５０nm
の厚さにマスク蒸着し、図６に示す上部誘電体層６を形
成した。

【００８５】その後、図７に示すようにＤＣスパッタ装
置を使用し、ＺｎＯ：Ａｌをターゲットとして、Ｚｎ
Ｏ：Ａｌバッファー層７を３００nmの膜厚に形成した。
また、比較サンプル１として、バッファー層を形成しな
いサンプル、比較サンプル２として、バッファー層を形
成しないでＡｌ₂Ｏ₃ 薄膜の膜厚を３００nmとしたサン
プルも作製した。その後、通常のベルト炉を使用し、バ
ッファー層７までが形成されたパネルを空気雰囲気中６
００℃で、３０分間熱処理した。

【００８６】また、比較サンプル１として、バッファー
層を形成しないサンプル、比較サンプル２として、バッ
ファー層を形成しないでＡｌ₂Ｏ₃ 薄膜の膜厚を３００n
mとしたサンプルも作製し、上記同様アニール処理し
た。

【００８７】さらにその後、図１に示すようにＤＣスパ
ッタ装置を使用し、ＩＴＯからなる透明電極層８を形成
した。

【００８８】透明電極層８およびバッファー層７を、ロ
ウラインを形成する下部電極層２と直交するライン状パ
ターンに加工するために、通常のフォトリソグラフィー
とウェットエッチング法を使用し、幅２７０μm 、スペ
ース３０μm のカラムラインを形成した。

【００８９】図では示していないが、カラムラインと電
極パッドを接続するためのＡｌ／Ｃｒからなるメタル配
線も形成した。

【００９０】その後、封止ガラスを表示面側の表面に樹
脂接着し、ＦＰＣにより外部駆動回路とパネルを電気的
に接続し、黄橙色に発光するモノカラーＥＬディスプレ
イが完成した。

【００９１】得られたＥＬディスプレイの発光開始電圧
Ｖthは１４５Ｖであり、通常のバッファー層７を形成し
ていないものとまったく変わらなかった。フレーム周波
数１２０Hz、電圧１８５Ｖで駆動した際の発光輝度も通
常のものと変わらず、１０００cd/m² 以上が得られた。

【００９２】本発明サンプルは、ＺｎＯ系バッファー層
７を形成せず、上部薄膜誘電体層６を形成した後に、熱
処理を施した比較サンプル１と、Ｖth、輝度等の初期特
性はほとんど同じである。本発明の最大の効果は図１０
に示すように、その輝度安定性の高さである。ここで、
図１０は、１０万時間駆動試験による輝度変化を示した
グラフであり、駆動電圧Ｖth＋５０Ｖ、フレーム周波数
２kHzでの加速条件下で行い、駆動時間を通常使用する
１５０Hzに換算して表示した。

【００９３】従来の、上部薄膜誘電体を１００nm形成し
た後に、熱処理を施して作製した比較サンプル１では、
１００００時間以上の動作で、急激に輝度が低下してい
るが、本発明サンプルでは１０００００時間動作後も初
期輝度の８割以上を維持している。

【００９４】従来の比較サンプル１の１００００時間以
降の輝度低下の主要因は非発光個所（ダークスポット）
の生成であることを観察し、確認した。非発光個所を解
析したところ、Ａｌ₂Ｏ₃ 上部薄膜誘電体近傍のＺｎ
Ｓ：Ｍｎ発光層の結晶性低下、イオウの脱離、Ａｌ₂Ｏ₃
との相互拡散等が起こり、最終的に膜剥離に至ってい
た。このダークスポットの生成は、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層
成膜時にＺｎＳ：Ｍｎ蒸着源ペレットからクラスター状
に飛散する粒が付着した部分にのみ観察され、時間経過
とともにその面積は増加する傾向が見られた。一方、本
発明サンプルでは非発光個所はまったく観察されなかっ
た。

【００９５】また、ＺｎＯバッファー層を形成せず、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ 上部薄膜誘電体層を３００nmにまで厚く形成し
た比較サンプル２においても同様の輝度安定性の改善効
果が観察されたが、Ｖthが１９０Ｖにまで増大し、輝度
も本発明を適用したＥＬ素子の６０％程度しか得られな
かった。Ｖthの増大は前述した通り、Ａｌ₂Ｏ₃ 層の厚
さの増加に伴う容量の低下に起因するものであり、輝度
の低下は厚膜誘電体層と上部薄膜誘電体層の合成容量の
低下に伴う、移動電荷量の減少に起因するものである。
一方素子の輝度安定性改善についてはＡｌ₂Ｏ₃ 膜厚を
厚くしたことにより、熱処理時の酸化が抑制されたため
であると考えられる。

【００９６】ＳＩＭＳによる酸素濃度分析を行ったとこ
ろ、本発明サンプル、およびＡｌ₂Ｏ₃ を３００nmにま
で厚くしたサンプル２の発光層の酸素濃度は、従来の比
較サンプル１の発光層の酸素濃度よりも２桁以上低いこ
とが判明した。

【００９７】ＺｎＯバッファー層７を形成せず、ＩＴＯ
からなる透明電極層８を形成した後に熱処理を施した比
較サンプル１でも、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層の酸化は抑制さ
れるが、インジウム元素の拡散による同様の輝度低下現
象が観察された。

【００９８】すなわち本発明を適用することにより、薄
い上部薄膜誘電体が被覆しきれない微小な凹凸部を、Ｚ
ｎＯ系導電膜で完全に被覆した後に熱処理を行うので、
発光層の酸化が防止され、１０００００時間以上の長時
間にわたって輝度が安定したＥＬ素子を得ることが可能
になる。また、発光開始電圧Ｖthを低く抑えることがで
きるので、通常のドライバーＩＣ等を用いることがで
き、装置のコスト上昇を抑制することもできる。

【００９９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、低い電圧
で駆動可能な高輝度かつ高い信頼性を有するＥＬディス
プレイを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜ＥＬ素子の基本構成を示した部分
断面図である。

【図２】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工程を示した部分
断面図である。

【図３】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工程を示した部分
上面図である。

【図４】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工程を示した部分
断面図である。

【図５】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工程を示した部分
断面図である。

【図６】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工捏を示した部分
断面図である。

【図７】本発明の薄膜ＥＬ素子の製造工捏を示した部分
断面図である。

【図８】本発明の薄膜ＥＬ素子の上下の誘電体層と、発
光層をキャパシタと見なしたときの等価回路図である。

【図９】ＥＬ素子に加えられる電圧と電流の関係を示し
た波形図である。

【図１０】１０万時間駆動試験による輝度変化を示した
グラフである。

【符号の説明】

１基板２下部電極層３厚膜誘電体層４平坦化層５発光層６上部薄膜誘電体層７バッファー層８上部透明電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K007 AB02 AB06 AB12 CB04 DA02 DB01 DB02 EA02 EC00 FA01 FA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粉体焼成法により形成された厚膜誘電体
層と、薄膜誘電体層と、これらの誘電体層間に蛍光体薄
膜を有するＥＬ素子であって、前記薄膜誘電体と透明電極の間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を
主成分とするバッファ層を有するＥＬ素子。
【請求項２】前記薄膜誘電体層と酸化亜鉛（ＺｎＯ）
を主成分とする薄膜とを合わせた厚さが、０．３μm 以上である請求項１のＥＬ素子。
【請求項３】前記蛍光体薄膜が熱処理されている請求
項１または２のＥＬ素子。
【請求項４】粉体焼成法により形成された厚膜誘電体
層と、薄膜誘電体層と、これらの誘電体層間に蛍光体薄
膜を有するＥＬ素子の製造方法であって、前記薄膜誘電体と透明電極の間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を
主成分とするバッファ層を有し、このバッファ層を形成した後に蛍光体薄膜を熱処理する
ＥＬ素子の製造方法。