JP2004006288A - Thin-film el element and composite substrate - Google Patents

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JP2004006288A
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Yukihiko Shirakawa
白川 幸彦
Masatoshi Takizawa
瀧澤 正利
Minoru Okoba
大古場 稔
Shiro Otsuki
大槻 史朗
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film EL element having high display quality at a low cost by obtaining an excellent luminescent characteristic without using an expensive high-melting-point noble metal for a lower electrode layer even if a lower insulation layer contains a lead-based dielectric material or increasing the thickness of the lower electrode layer, in a thin-film EL element having the lower electrode layer, the lower insulation layer, a luminescent layer and an upper electrode layer in that order. <P>SOLUTION: This thin-film EL element has, on a substrate having an electric insulation property, at least the lower electrode layer, a barrier layer containing a conductive inorganic compound, the lower insulation layer, the luminescent layer and the upper electrode layer in that order. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性を有する基板上に、所定のパターンをもつ下部電極層、下部絶縁体層、発光層および透明導電材料からなる上部電極層が積層された構造を少なくとも有する薄膜EL素子と、薄膜EL素子などの各種表示素子に用いられる複合基板とに関する。
【0002】
【従来の技術】
EL素子は液晶ディスプレイ(LCD)や時計のバックライトとして実用化されている。
【0003】
EL素子とは電界の印加によって物質が発光する現象、すなわち、エレクトロルミネセンス(EL)現象を応用した素子である。
【0004】
無機物からなる蛍光体を使うEL素子には、粉末蛍光体を有機物やホウロウに分散させ、上下に電極層を設けた構造を持つ分散型EL素子と、薄膜発光体を一対の薄膜絶縁体で挟み、さらにこれを一対の電極層で挟んでなる積層体を電気絶縁性の基板上に設けた薄膜EL素子とがある。また、それぞれについて、駆動方式により直流電圧駆動型、交流電圧駆動型がある。分散型EL素子は古くから知られており、製造が容易であるという利点があるが、輝度が低く寿命も短いのでその利用は限られていた。一方、薄膜EL素子は、高輝度、長寿命という特性を持つことから近年広く利用されている。
【0005】
図2に、従来のEL素子として代表的な2重絶縁型薄膜EL素子の構造を示す。この薄膜EL素子は、電気絶縁性をもつ基板2上に、下部電極層3、下部絶縁体層4、発光層5、上部絶縁体層6および上部電極層7をこの順で積層した構造をもつ。基板2は透明であり、液晶ディスプレイやPDP等に用いられている青板ガラスなどから構成される。下部電極層3は、膜厚0.2〜1μm程度のITO(Indium Tin Oxide)層である。下部絶縁体層4および上部絶縁体層6は、スパッタリングや蒸着等により形成された厚さ0.1〜1μm程度の薄膜であり、通常、Y、Ta、Ai、BaTiOなどから構成される。発光層5は、膜厚0.2〜1μm程度である。上部電極層7は、Al等の金属から構成される。下部電極層3および上部電極層7は、一方が行電極、他方が列電極となるようにいずれもストライプ状にパターニングされて互いに直交して配置されている。行電極と列電極との交差部が画素を構成し、このマトリックス電極により特定の画素に選択的に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより発光体を発光させ、その発光を基板2側から取り出す。
【0006】
この薄膜EL素子において、下部絶縁体層4および上部絶縁体層6は発光層5内を流れる電流を制限する機能を有し、薄膜EL素子の絶縁破壊を抑えることが可能であり、安定な発光特性が得られるように作用する。そのため、この構造の薄膜EL素子は商業的にも広く実用化されている。
【0007】
発光層5を構成する蛍光体材料としては、黄橙色発光を示すMnを添加したZnSが、成膜のしやすさ、発光特性の観点から主に用いられてきた。カラーディスプレーを作製するには、赤色、緑色、青色の3原色に発光する発光体材料の採用が不可欠である。これらの材料としては、青色発光のCeを添加したSrSやTmを添加したZnS、赤色発光のSmを添加したZnSやEuを添加したCaS、緑色発光のTbを添加したZnSやCeを添加したCaSなどが知られている。
【0008】
また、非特許文献1(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等、青色発光を得るための材料として、SrS:Cr、(SrS:Ce/ZnS)n、CaGa:Ce、SrGa:Ce等の発光材料が開示されている。また、白色発光を得るものとして、SrS:Ce/ZnS:Mn等の発光材料が開示されている。
【0009】
さらに、上記材料の内、SrS:Ceを青色発光層を有する薄膜EL素子に用いることが非特許文献2(IDW(International Display Workshop)’97 X.Wu ”Multicolor Thin−Film Ceramic Hybrid EL Displays” p593 to 596)に開示されている。さらに、この文献にはSrS:Ceの発光層を形成する場合には、HS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可能であることが開示されている。
【0010】
しかしながらこのような薄膜EL素子には、解決すべき構造上の問題が未だ残存していた。すなわち、下部絶縁体層4が薄膜であるため、大面積のディスプレーとしたとき、下部電極層3のパターンエッジの段差部や、製造工程で発生するゴミ等による下部絶縁体層4の欠陥を皆無にすることが難しく、局所的な絶縁耐圧の低下により発光層5の破壊が生じるといった問題があった。このような問題はディスプレーデバイスとして致命的であるため、薄膜EL素子は、液晶ディスプレーやプラズマディスプレーと比較して、大面積のディスプレーとして広く実用化するためには大きな障害を抱えていた。
【0011】
薄膜絶縁体層に欠陥が生じやすいという問題を解決するため、特許文献1(特公平7−44072号公報)には、基板2として電気絶縁性のセラミック基板を用い、下部絶縁体層3として薄膜絶縁体層の替わりに厚膜誘電体層を用いたEL素子が開示されている。この文献に開示されているEL素子は、従来の薄膜EL素子の構造とは異なり、発光体層5の発光を基板2とは反対側から取り出すため、上部電極7が透明電極層となっている。
【0012】
厚膜誘電体層は数十から数百マイクロメートルと薄膜絶縁体層の数百から数千倍の厚さに形成される。そのため、下部電極層3の段差や製造工程のゴミ等によって形成されるピンホールに起因する絶縁破壊が非常に少なく、高い信頼性と製造時の高い歩留まりとを得ることができるという利点を有している。ところで、このような厚膜誘電体層を用いることにより、発光層5に印加される実効電圧が降下する問題を生じるが、例えば前記特許文献1(特公平7−44072号公報)では鉛を含む複合ペロブスカイト高誘電率材料から厚膜誘電体層を構成することにより、この問題を改善している。
【0013】
しかしながら、厚膜誘電体層上に形成される発光層は数百ナノメートルと厚膜誘電体層の1/100程度の厚さしかない。このため、厚膜誘電体層は発光層の厚さ以下のレベルでその表面が平滑でなければならないが、以下に説明するように、通常の厚膜形成工程により作製される誘電体層表面を十分に平滑にすることは困難であった。
【0014】
すなわち、厚膜誘電体層は、粉体原料を焼結したセラミックスで構成されている。このため、緻密に焼結させると通常30〜40%程度の体積収縮を生じる。ところが、通常のセラミックスが焼結時に3次元的に体積収縮して緻密化するのに対し、基板上に形成された厚膜セラミックスは基板に拘束されているため、基板の面内方向には収縮できず、厚さ方向に1次元的にしか体積収縮できない。このため、厚膜誘電体層は焼結が不十分なまま本質的に多孔質体となってしまう。さらに厚膜の表面粗さは、多結晶焼結体の結晶粒サイズ以下にはならないため、その表面はサブミクロンサイズ以上の凹凸形状になる。
【0015】
厚膜誘電体層は上記のように多孔質であったり表面が凹凸形状であったりするため、その上に蒸着法やスパッタリング法等の気相堆積法で発光層を形成すると、発光層は厚膜誘電体層の表面形状に追随できないため、均一な薄膜として形成されない。そのため、厚膜誘電体層の非平坦部では発光層に効果的に電界を印加できず、有効発光面積が減少したり、膜厚の局所的な不均一性から発光層が部分的に絶縁破壊を生じ、発光輝度の低下を生じるといった問題があった。さらに、膜厚が局所的に大きく変動するため、発光層に印加される電界強度が局所的に大きくばらつき、明確な発光電圧しきい値が得られない問題があった。
【0016】
このような問題を解決するために、例えば特許文献2(特開平7−50197号公報)では、ニオブ酸鉛からなる厚膜誘電体層表面に、ゾルゲル法によって形成されるチタン酸ジルコン酸鉛等の高誘電率層を積層し、表面の平坦性を改善する手法が開示されている。
【0017】
上述したように、高誘電率の厚膜誘電体層を用いることにより、下部電極層のパターンエッジの段差部や、製造工程で発生するゴミ等による薄膜絶縁体層の欠陥を回避し、局所的な絶縁耐圧の低下により発光層の破壊が生じるといった問題を解決することができる。
【0018】
厚膜誘電体層には、低温焼結が可能でかつ高誘電率、高耐圧といった特性を得るために、通常、鉛系誘電体を使用する。しかし、鉛系誘電体材料を用いても焼結温度は少なくとも700℃以上、通常は800℃以上が最低限必要である。さらに、厚膜誘電体層の焼成は、一般に高温酸化性雰囲気で行われるため、厚膜誘電体層より前に形成される下部電極層は、耐熱性と耐酸化性とを兼ね備える必要がある。また、厚膜誘電体層を鉛系誘電体から構成する場合、その構成化合物である酸化鉛の反応性が極めて高いため、下部電極層構成材料には、通常の耐熱、耐酸化性に加え、高温での酸化鉛との反応性が低いことが必要である。また、下部電極層はパターニングして用いられるため、膜厚が大きいと厚膜誘電体層表面に電極パターンに起因する段差が発生し、ディスプレイとしての表示品位が悪くなるため、下部電極層の膜厚は薄いほうが好ましい。従って、下部電極層には、薄くても十分な導電性が得られる材料から構成する必要がある。
【0019】
このような要求特性を満たすために、従来、下部電極層構成材料には高融点の貴金属を用いることが一般的であった。貴金属電極材料中、AgはAu、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh等の他の貴金属と比較して材料コストが著しく低く、かつ全金属中で最も電気抵抗が低いため、高導電性低コスト電極材料として非常に魅力的である。ただし、Agは他の貴金属と比較して融点が低く耐熱性が劣ることから単独で用いることは難しいため、例えば前記特許文献1(特公平7−44072号公報)や前記特許文献2(特開平7−50197号公報)に記載されているAg−PdやAg−Ptのように合金として用いられ、特にAg−Pd合金(Pd含有量10〜70%)として用いられるのが一般的である。
【0020】
しかしながらPdは極めて高価な貴金属であり、Ag−Pd合金として使用してもAg単独と比較して非常に高価な材料となってしまう。また、Ag−Pd合金やAg−Pt合金等のAgを含む貴金属合金電極層は、薄くした場合に耐熱性が著しく低くなるので、PdやPt等の高融点貴金属の含有率を高めて耐熱性を上げる必要があるため、高コストになり問題である。さらに、PdやPt等でAgと合金を形成すると、PdやPtの含有量が増えるに従って電気抵抗が上がり、電極としての性能が低下してしまう問題があった。この場合、低抵抗の電極を形成するためには膜厚をより厚くする必要があるため、材料の使用量が増大し電極の製造コストが増大するため高コスト化すると共に、ディスプレイとしての表示品位が低下し問題である。
【0021】
また、Agは鉛系誘電体材料との反応性が極めて高く、上記理由から単独での使用が困難なだけでなく、他の高融点貴金属と合金化しても、電極中のAg成分が鉛系誘電体材料の焼成時に反応してしまい、電極抵抗の著しい増大や、場合によっては断線が発生してしまうため、特に1μm以下の薄い膜厚で使用することは非常に困難であった。
【0022】
また、たとえPtやPdのような高融点の貴金属を単独に電極として用いても、基板としてアルミナ等のセラミックス基板を用いた場合、基板表面が平坦でないため、膜厚が1μm以下になると電極層の耐熱性が劣化し、誘電体層形成時の高温プロセスにより電極抵抗増大を生じてしまう問題があった。
【0023】
【特許文献1】
特公平7−44072号公報
【特許文献2】
特開平7−50197号公報
【非特許文献1】
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
【非特許文献2】
IDW(International Display Workshop)’97 X.Wu ”Multicolor Thin−Film Ceramic Hybrid EL Displays” p593 to 596
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、基板上に、下部電極層、下部絶縁体層、発光層および上部電極層をこの順で有する薄膜EL素子において、下部絶縁体層が鉛系誘電体材料を含有する場合でも、下部電極層に高価な高融点貴金属を用いることなく、また、下部電極層を厚くすることになく良好な発光特性を得ることにより、表示品質の高い薄膜EL素子を低コストで実現することである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の本発明により達成される。
本発明のEL素子は、電気絶縁性を有する基板上に、少なくとも、下部電極層、導電性無機化合物を含有するバリア層、下部絶縁体層、発光層および上部電極層をこの順で有する。前記導電性無機化合物は、酸化物、特にインジウムおよび/またはスズを含む酸化物であることが好ましい。前記下部電極層は、Agを含有する金属電極であることが好ましい。前記下部絶縁体層は、鉛を含む酸化物誘電体を含有することが好ましい。前記バリア層は、比抵抗が100Ω・cm以下であることが好ましい。前記バリア層は、通常、比抵抗が10−4Ω・cm以上となる。前記下部電極層は、比抵抗が2×10−5Ω・cm以下であることが好ましい。前記バリア層は、厚さが0.02〜0.5μm、特に0.02〜0.2μmであることが好ましい。
本発明の複合基板は、電気絶縁性を有する基板上に、Agを含有する電極層および導電性無機化合物を含有するバリア層をこの順で設けたものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明の薄膜EL素子の構成例を図1に示す。この薄膜EL素子は、電気絶縁性を有する基板2上に、下部電極層3、下部絶縁体層4、発光層5、上部絶縁体層6および上部電極層7をこの順で有し、下部電極層3と下部絶縁体層4との間にバリア層10を有する。下部絶縁体層4は、厚膜誘電体層41、表面平坦化層42および薄膜絶縁体層43を積層したものである。
【0027】
このEL素子において、下部電極層3および上部電極層7は前記した図2に示すEL素子と同様にストライプ状にパターニングされ、同様に駆動される。
【0028】
図示する薄膜EL素子は発光層5が単層構造であるが、本発明はこのような素子に限らず、例えば膜厚方向に発光層を複数積層した構造の素子にも適用でき、また、種類の相異なる発光層(画素)を平面的にマトリックス状に配置した構造の素子にも適用できる。
【0029】
薄膜EL素子の主要部は、外気、特に湿気による発光層5の劣化を防ぐために、パネル前面保護ガラス8および封止材9を用いて気密封止される。
【0030】
下部電極層3の端部は、素子外部と電気的に接続するためのリード部31となっている。リード部31は、例えば異方性導電樹脂層11を介してフレキシブルプリント基板12に電気的に接続され、さらに、図示しない外部の駆動回路へと電気的に接続される。
【0031】
以下、本発明の薄膜EL素子の各部の構成を、図面に基づいて説明する。
【0032】
バリア層10
本発明の特徴は、下部電極層3と下部絶縁体層4との間に、導電性無機化合物を含有するバリア層10を設けたことである。
【0033】
本発明者らは、上述したような下部電極層3の耐熱性、特に下部電極層3上に積層される下部絶縁体層4が鉛を含む場合の耐熱性の問題を種々検討した結果、以下の結果を得た。
【0034】
金属薄膜をその融点に近い高温に加熱すると、金属の結晶粒成長により金属薄膜が凝集し島状構造の不連続膜化することで電極としての機能を失う。とくにこの現象は、金属薄膜の膜厚が薄い場合や、金属薄膜形成時の下地となる基板がアルミナ等のセラミックス基板のように凹凸があり、その凹凸が金属薄膜の膜厚に対し無視できない寸法である場合、より低温で発生することがわかった。
【0035】
さらに、Pbは、Au、Pt、Pd、Ag等殆どの貴金属元素と反応し低融点合金を形成するため、このような元素を含む金属薄膜電極上に鉛を含む誘電体材料を積層し高温の熱プロセスを経て厚膜絶縁体層を形成した場合、上記現象がより低温で生じ、特にAgに対しては著しい反応が発生することがわかった。これは、酸化鉛から遊離したPb原子が金属薄膜電極と反応し、上記の現象をより低温で発生させるため、金属薄膜電極の著しい耐熱性の低下現象を生じたものと推定される。
【0036】
さらに、金属薄膜電極の下地となる基板に、SiO等のPbOと低融点酸化物を形成しやすい物質が含有されていると、上記現象が発生しやすいこともわかった。この現象は、おそらく厚膜誘電体層焼成時にその中のPb成分が基板側に金属薄膜電極の欠陥を介して拡散して基板内で低融点酸化物を形成し、この低融点酸化物が金属薄膜電極の基板側界面と相互作用するためであると推定される。SiOは、例えばガラス基板やフォルステライト(2MgO・SiO)、ステアタイト(MgO・SiO)、ムライト(3Al・2SiO)等のセラミックス基板材料、またアルミナセラミックス基板の焼結助剤材料として幅広く用いられているため、実質上殆どの耐熱性絶縁基板において上記問題が発生する。
【0037】
本発明者はこれらの現象の解析に基づき、下部電極層3に密着して、導電性無機化合物を含有するバリア層10を設ける構造とした。下部電極層3と比較して高融点でかつリジッドなバリア層10を下部電極層3上に形成することで、下部電極層3との界面での相互作用により下部電極層3の高温での凝集現象を抑えることができる。
【0038】
また、下部電極層3がAgを含有し、厚膜誘電体層41が鉛を含有する場合、酸化鉛との反応性が低く、また、鉛拡散に対するバリア効果の高いバリア層10を積層することで、厚膜誘電体層41を形成する際に下部電極層3の耐熱性を低下させる酸化鉛の拡散を防止し、下部電極層3の電極としての機能を維持させる。すなわち、下部電極層3や基板2構成材料と誘電体材料中の鉛成分との反応が防止されるので、下部電極層3に、より高い耐熱性を与えることができる。
【0039】
また、本発明においてバリア層10を設けることは、下部電極層3の硫化および酸化を防止するために有効である。ここで、本発明の薄膜EL素子を製造する方法の一例を説明する。まず、基板2上に、リフトオフ法などによって所定パターンの下部電極層3およびバリア層10を形成する。次いで、スクリーン印刷法などによって所定パターンの下部絶縁体層4を形成する。次いで、マスクを用いた真空蒸着法やスパッタリング法などによって、所定パターンの発光層5および上部絶縁体層6を形成する。次いで、リフトオフ法などによって所定パターンの上部電極層7を形成する。下部電極層3および/または上部電極層7の形成にリフトオフ法を用い、かつ、その際のレジスト残渣の除去に酸素プラズマによるアッシングを利用する場合、バリア層10が存在しないと、下部電極層3のうち露出しているリード部31が酸素プラズマの照射を受ける。電極がAgまたはその合金である場合、酸素プラズマ照射により酸化されて導電性が低下し、電極機能を失ってしまう。また、硫化物を含有する発光層5を形成する際に、硫化水素ガスや硫黄蒸気等の硫黄含有ガス中での蒸着法を用いる場合、バリア層10が存在しないと、リード部31が硫黄含有ガスにさらされる。電極がAgまたはその合金である場合、硫黄含有ガスにより硫化されて導電性が低下し、電極機能を失ってしまう。このように、リード部31を含む下部電極層3の全面を被覆するバリア層10を設けることにより、下部電極層3の酸化、硫化などによる変質を防ぐことができる。また、薄膜EL素子製造後に、発光層5中の硫黄原子が経時的に拡散して下部電極層3に到達し、下部電極層3を変質させることがあるが、バリア層10はこれも防ぐことができる。従って、バリア層10を設けることにより、薄膜EL素子の信頼性も向上する。
【0040】
バリア層10は、下部絶縁体層4の容量減少を引き起こさないために導電性であることが必要であるが、電極としての機能は下部電極層3が担えばよいため、その導電性は単体で電極として用いられる場合と比較して低くてよい。
【0041】
まず、ELディスプレイの電極に要求される電気抵抗について考える。列電極として例えば幅300μmで長さ20cmのものを想定すると、この列電極が厚さ0.5μmのときの電極抵抗は、電極の比抵抗が2×10−6Ω・cmの場合で約27Ω、2×10−5Ω・cmの場合で267Ωとなり、無視し得ない抵抗値になる。従って、電極の比抵抗は少なくとも2×10−5Ω・cm以下、好ましくは1×10−5Ω・cm以下である必要がある。
【0042】
しかし、本発明では電極としての機能は下部電極層3が担うため、バリア層10の導電性は、下部電極層3に接する下部絶縁体層4の容量減少を引き起こさない範囲であればよい。例えば、誘電率2000、膜厚20μmの下部絶縁体層4と下部電極層3との間にバリア層10を挿入することを考える。バリア層10がない場合の下部絶縁体層4の厚み方向のインピーダンスは、周波数をFとして、1/F×1.8×10Ω/cmとなる。通常のELディスプレイの場合、個別画素を構成するEL素子の駆動周波数は通常30kHzを超えないため、下部絶縁体層4のインピーダンスは60Ω以上と考えてよい。バリア層10の挿入による下部絶縁体層4への影響は、このインピーダンスに対し1%(0.6Ω)以下であればほぼ無視できると考えられるため、例えばバリア層10の膜厚を0.5μmと仮定すると、バリア層10の比抵抗は12000Ω・cm以下であればよい。さらに下部電極層3とバリア層10との積層体を介した外部への電気的接続を考えると、下部電極層3のリード部31のうち素子外部との接続に使用される部分の面積(異方性導電樹脂層11の面積)を300μm×1mmと仮定して、接点部の抵抗を1Ω以下とすれば、バリア層10の比抵抗は60Ω・cm以下であればよい。従って、バリア層10の比抵抗は、その膜厚にもよるが、概ね100Ω・cm以下、好ましくは10Ω・cm以下である。
【0043】
このようにバリア層10には、下部電極層3の耐熱性を向上させる機能が必要とされ、また、比抵抗がある程度低い必要がある。さらに、下部絶縁体層4に鉛含有化合物を用いる場合には、鉛拡散に対するバリア機能もあることが好ましい。本発明者らは、このような要求を満足する導電性無機化合物を探索した結果、それぞれ導電性をもつ酸化物および/または窒化物、より具体的には、インジウムおよび/またはスズを含む酸化物、酸化亜鉛、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウムおよび窒化ハフニウムが好ましいことを見いだした。従って、本発明では、これらの導電性無機化合物の少なくとも1種を含有するバリア層、好ましくは実質的にこれらの導電性無機化合物の少なくとも1種から構成されるバリア層を設ける。これらの導電性無機化合物のなかでは、高温酸化性雰囲気における耐熱性が良好であることから酸化物が好ましく、特にインジウムおよび/またはスズを含む酸化物が好ましい。このようなバリア層10は、特に、Agを含む下部電極層3と組み合わせた場合に極めて有効である。また、下部絶縁体層4に鉛含有化合物を用いる場合には、導電性無機化合物としてインジウムおよび/またはスズを含む酸化物を用いると特に有効である。
【0044】
インジウムおよび/またはスズを含む酸化物としては、酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)およびITO(Indium Tin Oxide)が挙げられ、これらは例えば上部電極層7のような透明電極を構成するための材料として知られている。InおよびSnOは酸素欠陥型N型半導体と考えられ、これらの薄膜は、通常、スパッタリング法等で形成される。電極層として用いる場合は、膜形成条件を制御して酸素欠陥を作り込むことにより10−1〜10−3Ω・cm程度まで比抵抗を低くできることが知られているが、金属電極と比較すると非常に比抵抗が大きいため、より低抵抗を得るために、InにSnOをドープしたITOとして、またSnOに対してSbもしくはFをドープした形で用いられ、この場合は比抵抗を10−3〜10−4Ω・cm程度まで減少させることが可能である。
【0045】
しかしながら、これらの導電性酸化物は、いずれも酸化雰囲気中で600℃以上の高温処理を行うと比抵抗が増大してしまうことが知られている。そのため、酸化性雰囲気中での高温処理によって焼結される厚膜誘電体層の下側に設ける下部電極層の構成材料としてこれらの導電性酸化物を用いることは、非常に小型のディスプレイを構成する場合等、特別な場合を除いては困難である。
【0046】
これに対し本発明の薄膜EL素子の場合、バリア層の比抵抗は低いほうが好ましいものの、このことは前述したように本質的ではなく、バリア層としての比抵抗は概ね100Ω・cm以下、好ましくは10Ω・cm以下であればよい。そのため、厚膜誘電体層形成時の酸化性雰囲気中での高温処理によって特性劣化(比抵抗上昇)が生じても、問題はない。また、バリア層を単独で電極として使用する場合と異なり、特別にドーパント等を導入しなくとも使用することが可能である。また、ITOを用いる場合、ITO中におけるSnO含有量も限定されず、0〜100質量%の間のいずれであってもよい。ただし、比抵抗を低くするためには、ITO中のSnO含有量を好ましくは1〜20質量%、より好ましくは5〜12質量%とする。
【0047】
酸化亜鉛、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウムおよび窒化ハフニウムは、必要とされる導電性をもつものであれば、化学量論組成であっても、原子比(金属/窒素など)が化学量論組成から外れた組成であってもよい。
【0048】
なお、バリア層は、十分な導電性を得るため、また、鉛に対する反応性をもたせないために、上記した導電性化合物以外を含まないことが好ましいが、不可避的不純物または微量添加物として他の元素を含んでいてもよい。ただし、他の元素は、バリア層の10原子%以下であることが好ましい。
【0049】
バリア層10の膜厚が薄すぎると、下部電極層3の高温での凝集現象を抑える効果が不十分となるほか、鉛拡散バリア効果ならびに下部電極層3の硫化および酸化を防止する効果が十分には得られず、特に、基板2としてセラミックス等の表面凹凸があるものを使用する場合は、バリア層10による下部電極層3の被覆が不完全になり、バリア層10のピンホール等を通して厚膜誘電体層41から鉛系誘電体材料が侵入して下部電極層3との反応が発生する可能性があるので、好ましくない。本発明者らの実験的検討では、バリア層10の厚さが0.02μm以上、特に0.1μm以上あれば、十分な鉛拡散バリア効果ならびに硫化および酸化を防止する効果が得られることがわかった。
【0050】
一方、バリア層10の膜厚が厚すぎると、特にディスプレイに用いる場合には好ましくない。すなわち、下部電極層3はストライプ状等にパターニングされ、バリア層10も短絡を防ぐために下部電極層3と同様にパターニングされている必要があるため、パターンのエッジにおいて下部電極層3とバリア層10との合計厚さに相当する段差が形成され、この上に形成される各層の表面性がこの段差に影響され、最終的にELパネル表面に段差による凹凸が生じて、ディスプレイとしての表示品位を著しく損ねる。そのため下部電極層3とバリア層10との合計厚さはできるだけ薄いことが望まれ、具体的には、合計厚さは好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下である。
したがって、合計厚さがこの範囲内に収まるように、下部電極層3の厚さを考慮してバリア層10の厚さを決定することが好ましい。なお、下部電極層3の膜厚は、その比抵抗から考えて0.3μm以上であることが好ましい。また、アルミナの焼結基板のように基板2表面に凹凸が存在する場合には、下部電極層3が薄いとその耐熱性が著しく低くなってしまうが、下部電極層3の厚さが0.3μm以上であれば、そのような問題は発生しにくい。
【0051】
また、前述したようなバリア層10を介した外部への電気的接続において、十分な導電性性を得るためには、バリア層10は薄いほうが好ましく、具体的には、0.5μm以下、特に0.2μm以下であることが好ましい。
【0052】
バリア層10の形成方法としては、透明導電膜を形成する公知の成膜法、例えばイオンプレーティング法やスパッタリング法等のPVD法(物理的気相堆積法)、溶液塗布焼成法(ゾルゲル法、MOD法)、スプレー熱分解法を用いることができる。
【0053】
PVD法を用いれば高密度の薄膜が形成可能であり、そのため、薄い膜厚で鉛拡散バリア効果ならびに酸化および硫化を防ぐ効果の高いバリア層を形成することができるので、PVD法は、特に、平坦な基板上に形成された下部電極層3上にバリア層10を形成する場合に好適である。
【0054】
一方、溶液塗布焼成法やスプレー熱分解法は透明導電膜を低コストで形成できる方法として知られている。これらの方法で形成された透明導電膜は、PVD法で形成された透明導電膜と比較して比抵抗が1桁程度高いため、従来、電極として用いることが困難である場合があった。しかしながら本発明の薄膜EL素子におけるバリア層10は、前記したように比較的高い比抵抗であっても全く問題が生じない。また、これらの方法、特に溶液塗布焼成法は、凹凸や段差のある下地に欠陥なく塗膜を形成することが容易なので、表面に凹凸があるセラミックス基板上に形成された下部電極層3の上にバリア層10を形成する方法として優れる。
【0055】
下部電極層3
下部電極層3の構成材料は、金属(半金属を含む)またはその合金(金属間化合物を含む)であり、高い導電性が得られ、かつ厚膜誘電体層41形成時の高温酸化性雰囲気によってダメージを受けない必要がある。このような材料としては、Pt、Pd、Ir等の高融点貴金属、Au、Ag等の他の貴金属、Au−Pd、Au−Pt、Ag−Pd、Ag−Pt等の貴金属同士の合金、Ag−Pd−Cu等の貴金属を主成分とし卑金属元素を添加した合金、チタンシリサイド等の金属シリサイドが挙げられる。
【0056】
下部電極層3の膜厚を厚くすることで、電極抵抗が下がると共に下部電極層3の耐熱性も向上する。しかし、前述したように、パターニングされた下部電極層3が厚いと、ディスプレイとしての表示品位を著しく損ねるため好ましくないので、下部電極層3の膜厚はできるだけ薄いことが望まれる。また、下部電極層3を厚くすることは、成膜コストおよび材料コスト上も好ましくなく、特に材料コストの大きい貴金属を用いる場合には直接のコストアップとなるため、この点でも下部電極層3を薄くすることが望まれる。
【0057】
これらの点から、下部電極層3は、膜厚が薄くても低い電極抵抗が得られ、かつ他の貴金属に対し大幅に低コストであるAgを含有することが好ましく、特に、下部電極層3をAg単体から構成することが可能であればその利点は大きい。
【0058】
本発明の薄膜EL素子では、下部電極層3上にバリア層10を有するため、下部電極層3の膜厚が薄くても、厚膜誘電体層41形成時に下部電極層3が島状構造となることがなく均一な連続構造が維持される。また、バリア層10がインジウムおよび/またはスズを含む酸化物を含有する場合には、鉛拡散に対するバリア効果が高いため、厚膜誘電体層41に鉛系誘電体材料を用いた場合でも、酸化鉛との反応性が高いために従来使用が困難であった純AgまたはAgを含む低コストな金属材料から下部電極層3を構成することが可能となる。具体的には、貴金属中最も融点の低い純Ag電極を用いた場合でも、下部電極層3の膜厚を1μm以下、さらには0.5μm以下とすることが可能である。このため、EL素子を用いたディスプレイの表示品位向上と製造コスト低減とに関し、大きな効果が得られる。なお、上記金属シリサイドも鉛との反応性が高いため、金属シリサイド電極を設ける場合も本発明は高い効果を示す。
【0059】
下部電極層3の形成方法は特に限定されず、例えばスパッタ法、蒸着法、めっき法、有機金属ペースト(レジネート金属ペースト)を用いた印刷法等の公知の技術を用いることができる。
【0060】
下部電極層3は、単純マトリクスタイプの場合、多数の線状電極からなるストライプ状パターンとされる。その場合、各電極の幅が1画素の幅となり、隣り合う2本の電極間のスペースは非発光領域となるため、電極間スペースを極力小さくすることが好ましい。具体的には、目的とするディスプレーの解像度にもよるが、例えば電極幅200〜500μm、スペース幅20〜50μm程度が必要である。
【0061】
基板2
基板2は、電気絶縁性を有し、かつ、その上に形成される下部電極層3および厚膜誘電体層41を汚染することがなく、かつ、所定の耐熱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。本発明のEL素子では、上記したように基板の組成中にSiOやB等の酸化鉛との反応性が高い化合物が含まれている場合でも下部電極層3の耐熱性が維持可能であるため、基板2構成材料を広範囲から選択することが可能である。
【0062】
具体的な材料としては、例えばアルミナ(Al)、石英ガラス(SiO)、マグネシア(MgO)、フォルステライト(2MgO・SiO)、ステアタイト(MgO・SiO)、ムライト(3Al・2SiO)、ベリリア(BeO)、ジルコニア(ZrO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)等のセラミックや、結晶化ガラス、高耐熱ガラスが挙げられ、このほか、ホウロウ処理を行った金属基板も使用可能である。
【0063】
厚膜誘電体層41
下部絶縁体層4は、高誘電率でかつ高耐圧であることが必要である。下部絶縁体層4の大部分を厚膜誘電体層41から構成することにより、薄膜誘電体層を用いた場合と比較して100倍以上の高誘電率を達成できる。
【0064】
ここで、厚膜誘電体層とは、いわゆる厚膜法により形成される誘電体層、すなわち、粉末状の絶縁体材料を焼成して形成されるセラミック層である。厚膜誘電体層41は、例えば、下部電極層3が形成された基板2上に、粉末状の絶縁体材料、バインダおよび溶媒を混合した絶縁体ペーストを印刷して焼成することにより形成できる。また、絶縁体ペーストをキャスティング成膜することによりグリーンシートを形成し、これを下部電極層3が形成された基板2上に積層して焼成することによっても形成できる。
【0065】
厚膜誘電体層41の構成材料は特に限定されないが、例えば、BaTiO、(BaCa1−x)TiO、(BaSr1−x)TiO、PbTiO、PZT等のペロブスカイト構造を持った(強)誘電体材料や、Pb(Mg1/3Nb2/3)O等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料、BiTi12、SrBiTa等に代表されるビスマス層状化合物、(SrBa1−x)Nb、PbNbO等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料が好ましい。なお、PZTとは、Pb(ZrTi1−xである。これらの中でも、BaTiOやPZT等のペロブスカイト構造を持った強誘電体材料が、誘電率が高く焼成が容易なため好ましい。
【0066】
特に、その組成に鉛を含んだ誘電体材料は、酸化鉛の融点が888℃と低く、かつ酸化鉛と他の酸化物系材料、例えばSiOやCuO、Bi、Fe等との間で700℃から800℃程度の低温で液相が形成されるため低温で焼成が容易であり、かつ高誘電率を得やすいため好ましい。鉛を含む誘電体材料としては、例えばPZTやPLZT(Laを添加したPbZrO−PbTiO固溶体)等のペロブスカイト構造誘電体材料や、Pb(Mg1/3Nb2/3)O等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料や、PbNbO等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料が好ましい。これらの中でも特に、Pb(Mg1/3Nb2/3)O等に代表される鉛を含んだ複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料は、700〜900℃の焼成温度で容易に比誘電率1000〜10000の誘電体層を形成することができるため好ましい。
【0067】
厚膜誘電体層41の膜厚は、電極の段差や製造工程のゴミ等によって形成されるピンホールを排除するために厚いことが必要とされ、少なくとも10μm以上、好ましくは20μm以上である。ただし、発光しきい電圧の上昇を防ぐためには、厚膜誘電体層41と表面平坦化層42との合計厚さを100μm以下とすることが好ましい。
【0068】
表面平坦化層42
表面平坦化層42は、厚膜誘電体層41の表面凹凸による下部絶縁体層4の表面性悪化を軽減することを目的として設けられるため、表面平坦化層42の形成には溶液塗布焼成法を用いることが必要である。
【0069】
溶液塗布焼成法とは、誘電体材料の前駆体溶液を基板に塗布し、焼成によって誘電体層を形成する方法を指し、例えばゾルゲル法やMOD(Metallo−Organic Decomposition)法が知られている。
【0070】
ゾルゲル法とは、一般には溶媒に溶かした金属アルコキシドに所定量の水を加え、加水分解、重縮合反応させてできるM−O−M結合を持つゾルの前駆体溶液を基板に塗布し、焼成することによって膜を形成する方法である。また、MOD法とは、M−O結合を持つカルボン酸の金属塩などを有機溶媒に溶かして前駆体溶液を形成し、基板に塗布し焼成することによって膜を形成する方法である。ここで前駆体溶液とは、ゾルゲル法、MOD法などの膜形成法において原料化合物が溶媒に溶解して生成する中間化合物を含む溶液を指す。
【0071】
ゾルゲル法とMOD法は完全に別個の方法ではなく、相互に組み合わせて用いることが一般的である。例えばPZTの膜を形成する際、Pb源として酢酸鉛を用い、Ti、Zr源としてアルコキシドを用いて溶液を調製することが一般的である。また、ゾルゲル法とMOD法の二つの方法を総称してゾルゲル法と呼ぶ場合もあるが、いずれの場合も前駆体溶液を基板に塗布し、焼成することによって膜を形成することから、本明細書ではこれらを総称して溶液塗布焼成法という。また、サブミクロンサイズの誘電体粒子と誘電体の前駆体溶液とを混合した溶液も本明細書では前駆体溶液と呼び、その溶液を基板に塗布して焼成する場合も溶液塗布焼成法と称する。
【0072】
溶液塗布焼成法は、ゾルゲル法、MOD法いずれの場合も、誘電体を構成する化合物がサブミクロン以下のオーダーで均一に混合されるため、厚膜法のような本質的にセラミックス粉体焼結を用いた手法と比較して、極めて低温で緻密な誘電体を合成することが可能である点が特徴である。溶液塗布焼成法を用いる最大の理由は、前駆体溶液を塗布し焼成する工程を経るので、下地の凹み部には厚く凸部には薄く膜が形成され、その結果、この膜の表面に下地表面の凹凸や段差が反映されず、表面が平坦な膜が得られる点にある。従って、溶液塗布焼成法を用いて表面平坦化層42を形成することにより、厚膜誘電体層41表面の粗さが下部絶縁体層4の表面性に反映しなくなり、下部絶縁体層4上に形成される発光層5の均一性を大幅に改善することができる。
【0073】
表面平坦化層42の膜厚は、厚膜誘電体層41表面の凹凸を十分に埋めることができるように決定すればよいが、通常、0.5μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上とすればよい。なお、厚膜誘電体層41表面の凹凸を埋めることを目的とする場合には、表面平坦化層42の膜厚は10μmを超える必要はない。
【0074】
表面平坦化層42の比誘電率は少しでも高い方が望ましく、好ましくは100以上、より好ましくは500以上である。このような高誘電率が得られる誘電体材料としては、例えば、BaTiO、(BaCa1−x)TiO、(BaSr1−x)TiO、PbTiO、PZT、PLZT等のペロブスカイト構造を持った(強)誘電体材料や、Pb(Mg1/3Nb2/3)O等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料や、BiTi12、SrBiTa等に代表されるビスマス層状化合物、(SrBa1−x)Nb、PbNbO等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料が好ましく、この中でも特にその基本組成に酸化鉛を含む、例えばPZTやPLZT等の鉛系複合ペロブスカイト構造を持った強誘電体材料が、誘電率が高くかつ700℃以下の比較的低温での合成が容易であるため好ましい。
【0075】
なお、図1に示す構成例は、溶液塗布焼成法による表面平坦化層42を厚膜誘電体層41上に積層した構成であるが、本発明のEL素子では、厚膜誘電体層を設けず、溶液塗布焼成法により形成した誘電体層だけを設けてもよい。溶液塗布焼成法にも厚膜法と同様に酸化性雰囲気中での加熱プロセスが存在するため、バリア層を設けることによる効果は、溶液塗布焼成法による誘電体層だけを設けた場合でも実現する。
【0076】
薄膜絶縁体層43および上部絶縁体層6
発光層5に接してこれを挟むように存在する薄膜絶縁体層43および上部絶縁体層6は、設けることは必須ではないが設けることが好ましい。
【0077】
これらの絶縁体層を設けることにより、これらの絶縁体層と発光層5との界面の電子状態を制御することができるので、発光層5への電子注入を安定化、効率化することができる。また、発光層5を中央としてその両側にこれらの絶縁体層を対称的に設けることにより、前記電子状態が発光層5の両界面で対称的となるので、交流駆動時の発光特性の正負対称性を改善することができる。これらの絶縁体層は、絶縁耐圧を保持する機能をもつ必要はないため、膜厚は薄くてよく、好ましくは10〜1000nm、より好ましくは20〜200nm程度とすればよい。
【0078】
これらの絶縁体層の比抵抗は、10Ω・cm以上、特に1010〜1018Ω・cm程度であることが好ましい。また、比較的高い比誘電率を有する物質、具体的には比誘電率が好ましくは3以上の物質から構成されることが好ましい。これらの絶縁体層の構成材料としては、例えば酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(Si)、酸化タンタル(Ta)、酸化イットリウム(Y)、ジルコニア(ZrO)、シリコンオキシナイトライド(SiON)、アルミナ(Al)等を用いることができる。これらの絶縁体層の形成には、スパッタ法や蒸着法、CVD法を用いることができる。
【0079】
発光層5
本発明の効果は発光層5の構成材料によらず実現する。従って、発光層5を構成する蛍光体材料は特に限定されず、前記したMnドープZnSなどのいずれの蛍光体材料を用いてもよい。発光層の膜厚は、特に制限されないが、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、発光体材料にもよるが、好ましくは100〜2000nm程度である。
【0080】
発光層5の形成には、気相堆積法を用いることができる。気相堆積法としては、スパッタ法や蒸着法等のPVD法やCVD法(化学的気相堆積法)が好ましい。また、前述したようにSrS:Ceからなる発光層を形成する場合には、HS雰囲気下、エレクトロンビーム蒸着法により成膜中の基板温度を500〜600℃に保持して形成すると、高純度の発光層を得ることが可能である。
【0081】
発光層5を形成後、アニールを施すことが好ましい。アニールは、発光層5が露出した状態で行ってもよく、キャップアニールとして、発光層5上に上部絶縁体層6を形成した後、あるいはさらに上部電極層7を形成した後に行ってもよい。最適なアニール温度は発光層構成材料によって異なるが、SrS:Ceの場合、アニール温度は500℃以上、特に600℃以上かつ厚膜誘電体層41の焼成温度以下とし、処理時間は10〜600分とすることが好ましい。アニールはAr雰囲気中で行うことが好ましい。
【0082】
上部電極層7
本発明の薄膜EL素子では、上部電極層7側から発光を取り出すため、上部電極層7は透明導電材料から構成される。透明導電材料としては、バリア層10に用いられるIn、SnOおよびITOのほか、ZnO−Al等の酸化物導電性材料等を用いることができる。上部電極層7は、スパッタ法や蒸着法等の公知の技術を用いればよい。上部電極層7の膜厚は、0.2〜1μmとすればよい。
【0083】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。
【0084】
実施例1
図1に示す構成において、基板2上に厚膜誘電体層41までの各層を以下の手順で形成して、評価用サンプルを得た。
【0085】
市販の96%純度のアルミナ基板(焼結助剤としてSiO/MgOを4%含む)または高歪み点耐熱ガラス基板(軟化点850℃)を基板2として用い、この基板2上に、ポジレジストを用いてリフトオフパターニング用のレジスト膜を形成した。
【0086】
次に、下部電極層3として、Ag薄膜またはAu薄膜を形成した。次に、バリア層10として、ITO薄膜またはSnO薄膜を形成した。また、比較例として、バリア層10を設けないサンプルを作製した。下部電極層3およびバリア層10の構成を、表1に示す。各薄膜は以下の条件で形成した。
【0087】
Ag薄膜およびAu薄膜は、マグネトロンスパッタ装置を用い、Agをターゲットとして、圧力0.5PaのArガス雰囲気中で、周波数13.56MHz、高周波電力密度3W/cmの条件で形成した。成膜速度は、Ag薄膜が約50nm/min、Au薄膜が約33nm/minであり、スパッタリング時間を調整することで表1に示す厚さの膜とした。比抵抗は、Ag薄膜が2×10−6Ω・cm程度であり、Au薄膜が3×10−6Ω・cm程度であった。
【0088】
ITO薄膜は、マグネトロンスパッタ装置を用い、ITO(SnO10質量%)セラミックスをターゲットとして、圧力1PaのArガス雰囲気中で、周波数13.56MHz、高周波電力密度4W/cmの条件で形成した。成膜速度は約15nm/minであり、スパッタリング時間を調整することで表1に示す厚さの膜とした。ITO薄膜の比抵抗は、10−3Ω・cm程度であった。SnO薄膜は、マグネトロンスパッタ装置を用い、Sn+Sb1%合金をターゲットとして、圧力1PaのAr+O(20%)ガス雰囲気中で、周波数13.56MHz、高周波電力密度4W/cmの条件で形成した。成膜速度は約30nm/minであり、スパッタリング時間を調整することで表1に示す厚さの膜とした。SnO薄膜の比抵抗は、10−2Ω・cm程度であった。
【0089】
次いで、下部電極層3およびバリア層10の不要部分をリフトオフ法にて剥離することによりパターニングし、平面寸法1mm×50mmの電極が多数並ぶストライプ状の電極層とした。
【0090】
次に、ESL社製4210C厚膜誘電体ペーストを用いて、バリア層10までを形成した基板2上に厚膜誘電体層41をスクリーン印刷法により形成した。この厚膜誘電体ペーストは、Pb(Mg1/3Nb2/3)O系ペロブスカイト誘電体組成物を主体とし、焼結助剤として過剰の酸化鉛を含有するものである。スクリーン印刷に際しては、塗布して乾燥する作業を、塗膜の全厚が焼成後の膜厚で20μmとなるまで繰り返し行った。なお、抵抗値測定のために、ストライプ状のバリア層10の両端5mmの領域は、ペーストを塗布せずに露出させた。塗膜形成後、ベルト炉を用い、十分な空気を供給した雰囲気下で650〜800℃の温度で30分間焼成した。各サンプルにおける焼成温度を表1に示す。
【0091】
このようにして得られた各サンプルについて、下部電極層3とバリア層10とからなる積層体の電気抵抗値を測定した。この電気抵抗値を電極抵抗として表1に示す。なお、表1に示す電極抵抗は、厚膜誘電体層41形成前における各サンプルの電極抵抗を1としたときの相対値である。
【0092】
【表1】

Figure 2004006288
【0093】
表1から、本発明の効果が明らかである。すなわち、厚さ500nmのAg薄膜からなる下部電極層3は、その上に厚さ500nmのITO薄膜からなるバリア層10を設けた場合、厚膜誘電体層41を焼成温度800℃という高温で形成しても、それによる抵抗増大が2倍程度に収まり、電極としての機能が十分に維持されていることがわかる。また、下部電極層3をAuから構成した場合、さらに優れた効果が得られている。また、バリア層10としてSnO薄膜を設けた場合でも、ITO薄膜を設けた場合と同等の特性が得られることがわかる。
【0094】
これに対しバリア層10を設けずAg電極単独とした場合には、焼成温度650℃以上で電極が断線し、電極として機能が全く失われた。また、Au電極単独の場合も焼成温度800℃では断線が発生し、電極としての機能が失われた。
【0095】
ITO薄膜の厚さを25nmとしたサンプルでは、膜厚500nmの場合と比較して抵抗値変化は大きくなるが、断線は生じていない。バリア層10を薄くした場合に抵抗変化が大きくなったのは、基板2の表面がアルミナセラミックスの焼き上げ面であるため凹凸が激しく、この上に下部電極層3を介して形成するバリア層10の膜厚が薄い場合には、スパッタリング時にステップカバレッジが不十分となり、下部電極層3表面に局所的にバリア層10に覆われていない部分が発生したためと考えられる。
【0096】
実施例2
実施例1で用いたアルミナ基板2を用い、厚膜誘電体層41をチタン酸バリウム(BaTiO)から構成したほかは実施例1と同様にして、評価用サンプルを得た。厚膜誘電体層41形成時の焼成温度は900℃とした。この評価用サンプルについて、実施例1と同様な測定を行った。結果を表2に示す。
【0097】
【表2】
Figure 2004006288
【0098】
表2から、下部絶縁体層4に鉛系化合物が含有されない場合でも、バリア層10が有効であることが明らかである。
【0099】
なお、厚膜誘電体層41形成時に900℃まで加熱したため、バリア層(ITO)の比抵抗が100Ω・cmまで上昇した。しかし、表2に示されるように、バリア層は薄くても(厚さ200nmでも)十分な効果を示しており、この程度の厚さであれば、厚さ方向におけるバリア層の電気抵抗値は許容範囲にある。
【0100】
実施例3
以下の手順で図1に示す構成のEL素子を作製した。ただし、薄膜絶縁体層43は形成しなかった。
【0101】
まず、実施例1と同様にして、アルミナからなる基板2上に下部電極層3、バリア層10および厚膜誘電体層41を形成した。ただし、下部電極層3を構成する各電極の平面寸法は1mm×100mmとし、また、厚膜誘電体層41の焼成は750℃で20分間行った。厚膜誘電体層41の誘電率は約2500であった。下部電極層3およびバリア層10の構成を、表3に示す。
【0102】
次に、溶液塗布焼成法を用いて表面平坦化層42を形成した。この溶液塗布焼成法では、PZTのゾルゲル液を前駆体溶液として用いた。この前駆体溶液を、厚膜誘電体層41の表面にスピンコーティング法にて塗布し、700℃で10分間焼成することを繰り返すことにより、膜厚が約3μmの表面平坦化層42を形成した。
【0103】
前駆体溶液は、以下の手順で調製した。まず、8.49gの酢酸鉛三水和物と4.17gの1,3−プロパンジオールとを混合して約2時間加熱攪拌し、透明な溶液を得た。また、これとは別に3.70gのジルコニウム・ノルマルプロポキシド70質量%1−プロパノール溶液と1.58gのアセチルアセトンとを乾燥窒素雰囲気中で30分間加熱攪拌し、これに3.14gのチタニウム・ジイソプロポキシド・ビスアセチルアセトネート75質量%2−プロパノール溶液と2.32gの1,3プロパンジオールとを加え、さらに2時間加熱攪拌して溶液を調製した。この溶液と前記透明な溶液とを80℃で混合し、乾燥窒素雰囲気中で2時間加熱攪拌し、褐色透明な溶液を作製した。この溶液を130℃で数分間保持することにより副生成物を取り除き、さらに3時間加熱攪拌することにより前駆体溶液を得た。前駆体溶液の粘度調整は、n−プロパノールを用いて希釈することにより行った。
【0104】
次に、基板を200℃に加熱した状態で、MnをドープしたZnS蒸着源を用い、ZnS:Mnからなる厚さ0.8μmの発光層5を蒸着法により形成した後、真空中において500℃で10分間熱処理した。
【0105】
次に、上部絶縁体層6としてSi薄膜を、上部電極層7としてITO薄膜をそれぞれスパッタリング法により順次形成することにより、薄膜EL素子サンプルを得た。上部電極層7は、メタルマスクを成膜時に用いることにより、幅1mmのライン状電極が並ぶストライプ状にパターニングした。
【0106】
これらのサンプルについて、下部電極層3および上部電極層7からそれぞれ電極を引き出して、1kHz、パルス幅50μsの電界を発光輝度が飽和する強度で印加し、飽和輝度および発光面の面内における発光の均一性を調べた。結果を表3に示す。
【0107】
【表3】
Figure 2004006288
【0108】
表3から明らかなように、下部電極層3上にバリア層10を積層した構造を有する本発明サンプルは、高輝度でかつムラのない発光特性を示している。
【0109】
これに対し、バリア層を設けず下部電極層3をAg薄膜から構成した比較サンプルは、全く発光しなかった。これは、下部電極層3が厚膜誘電体層41焼成時に断線し、電極としての機能を失ったためと考えられる。
【0110】
一方、バリア層を設けず下部電極層3をAu薄膜から構成した比較サンプルは、飽和輝度は本発明サンプルとほぼ同等であるが、目視でも発光面の均一性が悪いことが認められ、光学顕微鏡を用いて数十μmオーダーで観察すると、部分的に発光が弱い領域と強い領域とが混在していた。この不均一性は、バリア層を設けないためにAu薄膜の耐熱性が不足し、部分的に電極としての機能が失われていること、および、厚膜誘電体層41焼成時にアルミナ基板2中のSiO系焼結助剤と鉛系の厚膜誘電体層41とが部分的に反応し、厚膜誘電体層41の特性に分布ができたこと、によるものと推定される。
【0111】
実施例4
下部電極層3をAgから構成し、下部電極層3をリフトオフ法によりパターニングする際にレジスト残渣除去のために酸素プラズマによるアッシングを利用したほかは実施例3と同様な手順で、比較用のEL素子サンプルNo.1を作製した。この比較サンプルNo.1では、Agからなる下部電極層3のリード部31が、リフトオフ工程において酸素プラズマによって酸化されて黒化したため、表面の導電性が低下して電極構成材としての機能を失った。
【0112】
また、下部電極層3形成時に酸素プラズマによるアッシングを行わず、発光層5をHSガス雰囲気中での蒸着法により形成したSrS:Ce層から構成したほかは上記比較サンプルNo.1と同様にして、比較サンプルNo.2を作製した。この比較サンプルNo.2では、Agからなる下部電極層3のリード部31が、発光層5形成の際にHSガスによって硫化されて黒化したため、表面の導電性が低下して電極構成材としての機能を失った。
【0113】
また、下部電極層3の全面を、ITOからなる厚さ100nmのバリア層10で被覆し、下部電極層3形成時に酸素プラズマによるアッシングを行ったほかは上記比較サンプルNo.2と同様にして、実施例サンプルNo.3を作製した。この実施例サンプルNo.3では、下部電極層3のリード部31がバリア層10で被覆されていたため、酸素プラズマおよびHSガスによるリード部31の酸化および硫化が生じなかった。
【0114】
【発明の効果】
従来の薄膜EL素子では、下部電極層が薄いと、その上の下部絶縁体層を厚膜法で形成する際の加熱によって下部電極層が島状構造の不連続膜となってしまうため、高価な貴金属を含有する下部電極層を厚くせざるを得なかった。そのため、材料コストが高くなり、また、下部電極層のパターンエッジに起因してELパネル表面に現れる段差が大きくなって表示品位を著しく低下させていた。
【0115】
これに対し本発明の薄膜EL素子では、下部電極層上にバリア層を積層した構造とするので、その上に厚膜法や溶液塗布焼成法により下部絶縁体層を形成する際に加熱されても、下部電極層が島状構造となりにくい。そのため、本発明の素子では下部電極層を薄くすることができ、その結果、材料コストの低減と表示品位の向上とが実現する。
【0116】
酸化鉛を含有する誘電体材料は、低温焼成が可能で誘電率も高いことから、下部絶縁体層構成材料として優れている。また、純AgまたはAgを含む金属材料は、導電性が高いため電極層を薄くでき、しかも材料コストが低いため、下部電極層構成材料として適している。しかし、Agは酸化鉛との反応性が高いため、下部絶縁体層形成時にその中の酸化鉛と下部電極層中のAgとが反応し、下部電極層の抵抗増大や断線を引き起こす。
【0117】
これに対し本発明で設けるバリア層は、鉛拡散に対し強固なバリア性を示す。そのため本発明では、鉛系誘電体を含有する下部絶縁体層とAg系材料を含有する下部電極層とを組み合わせることができるので、発光特性および表示品位が良好なEL素子を低コストで実現することができる。また、バリア層は、Ag系材料からなる下部電極の酸化および硫化を防ぐことができる。
【0118】
また、基板上に、本発明のEL素子における下部電極層およびバリア層と同様に電極層およびバリア層を設けた複合基板は、EL素子用としてはもちろん、他の各種表示素子にも好適である。すなわち、この複合基板では電極層の耐熱性が良好なので、形成時および/または形成後に加熱が必要な様々な層を電極層上に設ける場合に、EL素子に適用した場合と同様な効果が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜EL素子の構成例を示す断面図である。
【図2】2重絶縁型構造の薄膜EL素子の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
2 基板
3 下部電極層
31 リード部
4 下部絶縁体層
41 厚膜誘電体層
42 表面平坦化層
43 薄膜絶縁体層
5 発光層
6 上部絶縁体層
7 上部電極層
8 前面保護ガラス
9 封止材
10 バリア層
11 異方性導電樹脂層
12 フレキシブルプリント基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a thin-film EL device having at least a structure in which a lower electrode layer having a predetermined pattern, a lower insulator layer, a light-emitting layer, and an upper electrode layer made of a transparent conductive material are stacked on a substrate having electrical insulation. And a composite substrate used for various display elements such as a thin film EL element.
[0002]
[Prior art]
EL elements have been put to practical use as backlights for liquid crystal displays (LCDs) and watches.
[0003]
An EL element is an element to which a phenomenon in which a substance emits light by application of an electric field, that is, an electroluminescence (EL) phenomenon is applied.
[0004]
An EL element using a phosphor made of an inorganic substance includes a dispersion type EL element having a structure in which a powdered phosphor is dispersed in an organic substance or an enamel and an electrode layer is provided above and below, and a thin film light emitting body is sandwiched between a pair of thin film insulators. Further, there is a thin-film EL element in which a laminate obtained by sandwiching this between a pair of electrode layers is provided on an electrically insulating substrate. Further, each of them has a DC voltage driving type and an AC voltage driving type depending on the driving method. Dispersion type EL elements have been known for a long time and have an advantage that they are easy to manufacture, but their use is limited because of their low luminance and short life. On the other hand, thin film EL elements have been widely used in recent years because of their characteristics of high luminance and long life.
[0005]
FIG. 2 shows the structure of a typical double-insulation thin-film EL element as a conventional EL element. This thin film EL element has a structure in which a lower electrode layer 3, a lower insulator layer 4, a light emitting layer 5, an upper insulator layer 6, and an upper electrode layer 7 are laminated in this order on a substrate 2 having electrical insulation. . The substrate 2 is transparent and is made of blue plate glass used for a liquid crystal display, a PDP, or the like. The lower electrode layer 3 is an ITO (Indium Tin Oxide) layer having a thickness of about 0.2 to 1 μm. The lower insulator layer 4 and the upper insulator layer 6 are thin films having a thickness of about 0.1 to 1 μm formed by sputtering, vapor deposition, or the like.2O3, Ta2O5, Ai3N4, BaTiO3Etc. The light emitting layer 5 has a thickness of about 0.2 to 1 μm. The upper electrode layer 7 is made of a metal such as Al. Each of the lower electrode layer 3 and the upper electrode layer 7 is patterned in a stripe shape such that one is a row electrode and the other is a column electrode, and is arranged orthogonal to each other. The intersection of the row electrode and the column electrode forms a pixel, and the matrix electrode selectively applies an AC voltage or a pulse voltage to a specific pixel to emit light, and the light is extracted from the substrate 2 side. .
[0006]
In this thin-film EL device, the lower insulator layer 4 and the upper insulator layer 6 have a function of limiting the current flowing in the light-emitting layer 5, and can suppress the dielectric breakdown of the thin-film EL device, and provide stable light emission. It works so that characteristics are obtained. For this reason, the thin film EL device having this structure has been widely used commercially.
[0007]
As a phosphor material constituting the light-emitting layer 5, ZnS to which Mn exhibiting yellow-orange emission is added has been mainly used from the viewpoint of ease of film formation and light emission characteristics. In order to produce a color display, it is indispensable to use a luminescent material that emits light in three primary colors of red, green and blue. Examples of these materials include ZnS to which SrS or Tm to which Ce emitting blue light is added, ZnS or CaS to which Sm to which red light emission is added, and CaS to which ZnS or Ce to which green light emitting Tb is added. Etc. are known.
[0008]
Non-Patent Document 1 (Monthly Display '98 April, “Recent Display Technology Trends”, Tasaku Tanaka, pp. 1-10) states that as a material for emitting red light, green light such as ZnS or Mn / CdSSe is obtained. Materials for obtaining blue light emission, such as ZnS: TbOF and ZnS: Tb, are SrS: Cr, (SrS: Ce / ZnS) n, and CaGa.2S4: Ce, SrGa2S4: A light emitting material such as Ce is disclosed. In addition, a light-emitting material such as SrS: Ce / ZnS: Mn is disclosed as a device for obtaining white light emission.
[0009]
Further, among the above materials, SrS: Ce is used for a thin film EL device having a blue light emitting layer in Non-Patent Document 2 (IDW (International Display Workshop) '97 XW. to $ 596). Further, in this document, when a light emitting layer of SrS: Ce is formed, H2It is disclosed that when formed by an electron beam evaporation method in an S atmosphere, a high-purity light-emitting layer can be obtained.
[0010]
However, such a thin film EL device still has a structural problem to be solved. That is, since the lower insulator layer 4 is a thin film, when the display has a large area, there is no defect of the lower insulator layer 4 due to a step portion of the pattern edge of the lower electrode layer 3 or dust generated in a manufacturing process. However, there is a problem that the light-emitting layer 5 is broken due to a local decrease in withstand voltage. Since such a problem is fatal as a display device, the thin-film EL element has a great obstacle to its practical use as a large-area display as compared with a liquid crystal display or a plasma display.
[0011]
In order to solve the problem that defects are likely to occur in the thin-film insulator layer, Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 7-44072) discloses that an electrically insulating ceramic substrate is used as the substrate 2 and a thin film is used as the lower insulator layer 3. An EL device using a thick-film dielectric layer instead of an insulator layer is disclosed. The EL element disclosed in this document differs from the structure of a conventional thin film EL element in that the upper electrode 7 is a transparent electrode layer in order to extract light emitted from the light emitting layer 5 from the side opposite to the substrate 2. .
[0012]
Thick film dielectric layers are formed in thicknesses of tens to hundreds of micrometers, hundreds to thousands times the thickness of thin film insulator layers. Therefore, there is an advantage that dielectric breakdown due to a step formed in the lower electrode layer 3 or a pinhole formed by dust or the like in a manufacturing process is extremely small, and high reliability and high yield in manufacturing can be obtained. ing. By the way, the use of such a thick-film dielectric layer causes a problem that the effective voltage applied to the light-emitting layer 5 drops. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 7-44072) contains lead. This problem has been remedied by constructing the thick film dielectric layer from a composite perovskite high dielectric constant material.
[0013]
However, the light emitting layer formed on the thick dielectric layer has a thickness of only several hundred nanometers, which is about 1/100 of the thickness of the thick dielectric layer. For this reason, the thick-film dielectric layer must have a smooth surface at a level equal to or less than the thickness of the light-emitting layer. However, as described below, the surface of the dielectric layer produced by a normal thick-film forming process is It was difficult to make it sufficiently smooth.
[0014]
That is, the thick-film dielectric layer is composed of ceramics obtained by sintering a powder material. For this reason, dense sintering usually causes a volume shrinkage of about 30 to 40%. However, while ordinary ceramics shrink in volume by three-dimensional shrinkage during sintering, the thick-film ceramics formed on the substrate are constrained by the substrate and shrink in the in-plane direction of the substrate. It is not possible to perform volume contraction only one-dimensionally in the thickness direction. For this reason, the thick film dielectric layer becomes essentially porous with insufficient sintering. Further, since the surface roughness of the thick film does not become smaller than the crystal grain size of the polycrystalline sintered body, the surface thereof has an irregular shape of a submicron size or more.
[0015]
Since the thick-film dielectric layer is porous or has an uneven surface as described above, when a light-emitting layer is formed thereon by a vapor deposition method such as an evaporation method or a sputtering method, the light-emitting layer becomes thicker. Since it cannot follow the surface shape of the film dielectric layer, it is not formed as a uniform thin film. Therefore, an electric field cannot be effectively applied to the light emitting layer in the uneven portion of the thick dielectric layer, and the effective light emitting area is reduced, and the light emitting layer is partially broken down due to local unevenness of the film thickness. This causes a problem that light emission luminance is lowered. Furthermore, since the film thickness locally largely fluctuates, the intensity of the electric field applied to the light emitting layer is locally largely fluctuated, so that a clear light emission voltage threshold cannot be obtained.
[0016]
In order to solve such a problem, for example, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-50197), lead zirconate titanate or the like formed on a surface of a thick dielectric layer made of lead niobate by a sol-gel method is disclosed. For improving the surface flatness by stacking high dielectric constant layers.
[0017]
As described above, by using a thick dielectric layer having a high dielectric constant, it is possible to avoid a step of a pattern edge of the lower electrode layer and a defect of the thin film insulator layer due to dust or the like generated in a manufacturing process. It is possible to solve the problem that the light emitting layer is destroyed due to a large decrease in dielectric strength.
[0018]
For the thick-film dielectric layer, a lead-based dielectric is usually used in order to enable sintering at a low temperature and obtain characteristics such as high dielectric constant and high withstand voltage. However, even if a lead-based dielectric material is used, the sintering temperature must be at least 700 ° C. or higher, usually 800 ° C. or higher. Further, since the firing of the thick-film dielectric layer is generally performed in a high-temperature oxidizing atmosphere, the lower electrode layer formed before the thick-film dielectric layer needs to have both heat resistance and oxidation resistance. Further, when the thick film dielectric layer is composed of a lead-based dielectric, the reactivity of lead oxide, which is a constituent compound thereof, is extremely high. Low reactivity with lead oxide at high temperatures is required. In addition, since the lower electrode layer is used after being patterned, if the film thickness is large, a step due to the electrode pattern occurs on the surface of the thick dielectric layer, and the display quality as a display deteriorates. The thickness is preferably smaller. Therefore, it is necessary that the lower electrode layer be made of a material that can provide sufficient conductivity even if it is thin.
[0019]
In order to satisfy such required characteristics, conventionally, it has been general to use a noble metal having a high melting point as a constituent material of the lower electrode layer. Among the noble metal electrode materials, Ag is remarkably low in material cost as compared with other noble metals such as Au, Pt, Pd, Ir, Ru, and Rh, and has the lowest electric resistance among all metals, and therefore has high conductivity and low cost. Very attractive as an electrode material. However, Ag is difficult to use alone because it has a lower melting point and lower heat resistance than other noble metals. Therefore, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 7-44072) and Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. It is used as an alloy like Ag-Pd and Ag-Pt described in JP-A-7-50197), and is particularly generally used as an Ag-Pd alloy (Pd content: 10 to 70%).
[0020]
However, Pd is a very expensive noble metal, and even if used as an Ag-Pd alloy, it becomes a very expensive material as compared with Ag alone. In addition, a noble metal alloy electrode layer containing Ag such as an Ag-Pd alloy or an Ag-Pt alloy has remarkably low heat resistance when thinned, so that the content of a high melting point noble metal such as Pd or Pt is increased to increase the heat resistance. It is necessary to increase the cost, which increases the cost and is a problem. Further, when an alloy is formed with Ag using Pd, Pt, or the like, there is a problem in that as the content of Pd or Pt increases, the electric resistance increases, and the performance as an electrode decreases. In this case, it is necessary to increase the film thickness in order to form a low-resistance electrode, so that the amount of material used increases and the manufacturing cost of the electrode increases, resulting in higher cost and display quality as a display. Is a problem.
[0021]
Further, Ag has a very high reactivity with a lead-based dielectric material, and is not only difficult to use alone for the above-mentioned reason, but also when the Ag component in the electrode is alloyed with other high melting point noble metal, the Ag component in the electrode becomes lead-based. It reacts when the dielectric material is fired, causing a remarkable increase in the electrode resistance and, in some cases, disconnection. Therefore, it has been very difficult to use a thin film having a thickness of 1 μm or less.
[0022]
Even when a high melting point noble metal such as Pt or Pd is used alone as an electrode, when a ceramic substrate such as alumina is used as the substrate, the substrate surface is not flat. However, there is a problem that the heat resistance is deteriorated and the electrode resistance is increased by a high-temperature process at the time of forming the dielectric layer.
[0023]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-44072
[Patent Document 2]
JP-A-7-50197
[Non-patent document 1]
Monthly Display '98 April, “Recent Display Technology Trends”, Tanaka Shosaku, p1-10
[Non-patent document 2]
IDW (International Display Workshop) '97 {X. Wu “Multicolor Thin-Film Ceramic Hybrid EL Display” p593 to 596
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a thin-film EL device having a lower electrode layer, a lower insulator layer, a light-emitting layer, and an upper electrode layer in this order on a substrate, even when the lower insulator layer contains a lead-based dielectric material. By using a high-melting precious metal that is not expensive for the lower electrode layer and obtaining good light-emitting characteristics without increasing the thickness of the lower electrode layer, a thin-film EL element with high display quality can be realized at low cost. is there.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the present invention described below.
The EL element of the present invention has at least a lower electrode layer, a barrier layer containing a conductive inorganic compound, a lower insulator layer, a light emitting layer, and an upper electrode layer in this order on a substrate having electrical insulation. The conductive inorganic compound is preferably an oxide, particularly an oxide containing indium and / or tin. The lower electrode layer is preferably a metal electrode containing Ag. The lower insulator layer preferably contains an oxide dielectric containing lead. The barrier layer preferably has a specific resistance of 100 Ω · cm or less. The barrier layer usually has a specific resistance of 10-4Ω · cm or more. The lower electrode layer has a specific resistance of 2 × 10-5It is preferably Ω · cm or less. The barrier layer preferably has a thickness of 0.02 to 0.5 μm, particularly preferably 0.02 to 0.2 μm.
The composite substrate of the present invention is obtained by providing an electrode layer containing Ag and a barrier layer containing a conductive inorganic compound in this order on a substrate having electrical insulation.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration example of the thin film EL element of the present invention. This thin-film EL element has a lower electrode layer 3, a lower insulator layer 4, a light-emitting layer 5, an upper insulator layer 6, and an upper electrode layer 7 in this order on a substrate 2 having electrical insulation. A barrier layer 10 is provided between the layer 3 and the lower insulator layer 4. The lower insulator layer 4 is formed by laminating a thick film dielectric layer 41, a surface flattening layer 42, and a thin film insulator layer 43.
[0027]
In this EL element, the lower electrode layer 3 and the upper electrode layer 7 are patterned in a stripe shape similarly to the EL element shown in FIG. 2, and are driven similarly.
[0028]
Although the light emitting layer 5 has a single-layer structure in the illustrated thin film EL element, the present invention is not limited to such an element, and can be applied to, for example, an element having a structure in which a plurality of light emitting layers are stacked in the film thickness direction. Can be applied to an element having a structure in which different light emitting layers (pixels) are arranged in a matrix in a plane.
[0029]
The main part of the thin film EL element is hermetically sealed using a panel front protective glass 8 and a sealing material 9 in order to prevent deterioration of the light emitting layer 5 due to outside air, particularly moisture.
[0030]
An end portion of the lower electrode layer 3 is a lead portion 31 for electrically connecting to the outside of the element. The lead portion 31 is electrically connected to the flexible printed circuit board 12 via, for example, the anisotropic conductive resin layer 11 and further to an external drive circuit (not shown).
[0031]
Hereinafter, the configuration of each part of the thin film EL element of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
Barrier layer 10
A feature of the present invention is that a barrier layer 10 containing a conductive inorganic compound is provided between the lower electrode layer 3 and the lower insulator layer 4.
[0033]
The present inventors have conducted various studies on the heat resistance of the lower electrode layer 3 as described above, particularly when the lower insulator layer 4 laminated on the lower electrode layer 3 contains lead. Was obtained.
[0034]
When a metal thin film is heated to a high temperature close to its melting point, the metal thin film aggregates due to the growth of crystal grains of the metal and becomes a discontinuous film having an island structure, thereby losing the function as an electrode. In particular, this phenomenon occurs when the thickness of the metal thin film is small, or when the substrate used as the base for forming the metal thin film has irregularities like a ceramic substrate such as alumina, and the irregularities cannot be ignored with respect to the thickness of the metal thin film. , It was found to occur at lower temperatures.
[0035]
Further, Pb reacts with most noble metal elements such as Au, Pt, Pd, and Ag to form a low melting point alloy. Therefore, a dielectric material containing lead is laminated on a metal thin film electrode containing such an element to form a high-temperature alloy. It has been found that when the thick insulator layer is formed through a thermal process, the above phenomenon occurs at a lower temperature, and particularly a remarkable reaction occurs with Ag. This is presumably because Pb atoms released from the lead oxide react with the metal thin-film electrode to cause the above phenomenon at a lower temperature, resulting in a remarkable decrease in the heat resistance of the metal thin-film electrode.
[0036]
Further, a substrate serving as a base for the metal thin-film electrode is coated with SiO 2.2It has also been found that the above-described phenomenon is likely to occur when a substance which easily forms a low melting point oxide with PbO is contained. This phenomenon is probably due to the fact that the Pb component in the thick-film dielectric layer diffuses through the defects of the metal thin-film electrode during baking to form a low-melting oxide in the substrate, and this low-melting oxide is This is presumed to be due to interaction with the substrate-side interface of the thin film electrode. SiO2Is, for example, a glass substrate or forsterite (2MgO.SiO2), Steatite (MgO.SiO)2), Mullite (3Al2O3・ 2SiO2), Etc., and as a sintering aid material for alumina ceramic substrates, the above problem occurs in practically most heat-resistant insulating substrates.
[0037]
Based on the analysis of these phenomena, the present inventors have adopted a structure in which a barrier layer 10 containing a conductive inorganic compound is provided in close contact with the lower electrode layer 3. By forming the barrier layer 10 having a higher melting point and a higher rigidity than the lower electrode layer 3 on the lower electrode layer 3, the lower electrode layer 3 aggregates at a high temperature due to the interaction at the interface with the lower electrode layer 3. The phenomenon can be suppressed.
[0038]
When the lower electrode layer 3 contains Ag and the thick-film dielectric layer 41 contains lead, the barrier layer 10 having low reactivity with lead oxide and having a high barrier effect against lead diffusion is laminated. Thus, when the thick dielectric layer 41 is formed, diffusion of lead oxide, which lowers the heat resistance of the lower electrode layer 3, is prevented, and the function of the lower electrode layer 3 as an electrode is maintained. That is, since the reaction between the constituent material of the lower electrode layer 3 or the substrate 2 and the lead component in the dielectric material is prevented, higher heat resistance can be given to the lower electrode layer 3.
[0039]
In the present invention, providing the barrier layer 10 is effective for preventing the lower electrode layer 3 from being sulfurized and oxidized. Here, an example of a method for manufacturing the thin film EL device of the present invention will be described. First, the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10 having a predetermined pattern are formed on the substrate 2 by a lift-off method or the like. Next, the lower insulator layer 4 having a predetermined pattern is formed by a screen printing method or the like. Next, the light emitting layer 5 and the upper insulator layer 6 having a predetermined pattern are formed by a vacuum evaporation method or a sputtering method using a mask. Next, the upper electrode layer 7 having a predetermined pattern is formed by a lift-off method or the like. When the lift-off method is used to form the lower electrode layer 3 and / or the upper electrode layer 7 and ashing with oxygen plasma is used to remove the resist residue at that time, if the barrier layer 10 is not present, the lower electrode layer 3 The exposed lead portion 31 is irradiated with oxygen plasma. When the electrode is made of Ag or an alloy thereof, the electrode is oxidized by irradiation with oxygen plasma, the conductivity is reduced, and the electrode function is lost. In addition, when the luminescent layer 5 containing sulfide is formed by using a vapor deposition method in a sulfur-containing gas such as hydrogen sulfide gas or sulfur vapor, if the barrier layer 10 is not present, the lead portion 31 may not contain sulfur. Exposure to gas. When the electrode is made of Ag or an alloy thereof, the electrode is sulfided by the sulfur-containing gas, the conductivity is reduced, and the electrode function is lost. As described above, by providing the barrier layer 10 covering the entire surface of the lower electrode layer 3 including the lead portion 31, it is possible to prevent the lower electrode layer 3 from being deteriorated due to oxidation, sulfurization, and the like. Also, after the thin-film EL element is manufactured, the sulfur atoms in the light emitting layer 5 may diffuse with time and reach the lower electrode layer 3 to deteriorate the lower electrode layer 3. Can be. Therefore, by providing the barrier layer 10, the reliability of the thin film EL element is also improved.
[0040]
The barrier layer 10 needs to be conductive so as not to cause a decrease in the capacity of the lower insulator layer 4, but since the lower electrode layer 3 only has to function as an electrode, the conductivity is a single. It may be lower than when used as an electrode.
[0041]
First, consider the electrical resistance required for the electrodes of the EL display. Assuming that the column electrode has a width of, for example, 300 μm and a length of 20 cm, the electrode resistance when the column electrode has a thickness of 0.5 μm is 2 × 10 2-6Ω · cm, about 27Ω, 2 × 10-5In the case of Ω · cm, it is 267Ω, which is a resistance value that cannot be ignored. Therefore, the specific resistance of the electrode is at least 2 × 10-5Ω · cm or less, preferably 1 × 10-5Ω · cm or less.
[0042]
However, in the present invention, since the lower electrode layer 3 functions as an electrode, the conductivity of the barrier layer 10 may be within a range that does not cause a decrease in the capacity of the lower insulator layer 4 in contact with the lower electrode layer 3. For example, it is considered that the barrier layer 10 is inserted between the lower insulator layer 4 having a dielectric constant of 2000 and a film thickness of 20 μm and the lower electrode layer 3. The impedance in the thickness direction of the lower insulator layer 4 without the barrier layer 10 is 1 / F × 1.8 × 106Ω / cm2It becomes. In the case of a normal EL display, since the driving frequency of the EL element forming the individual pixel does not usually exceed 30 kHz, the impedance of the lower insulator layer 4 may be considered to be 60Ω or more. The effect on the lower insulator layer 4 due to the insertion of the barrier layer 10 is considered to be almost negligible if the impedance is 1% (0.6Ω) or less. For example, the thickness of the barrier layer 10 is set to 0.5 μm. Assuming that, the specific resistance of the barrier layer 10 may be 12000 Ω · cm or less. Further, considering the electrical connection to the outside through the laminate of the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10, the area of the portion of the lead portion 31 of the lower electrode layer 3 used for connection to the outside of the element (differing). Assuming that the area of the isotropic conductive resin layer 11 is 300 μm × 1 mm and the resistance of the contact portion is 1 Ω or less, the specific resistance of the barrier layer 10 may be 60 Ω · cm or less. Therefore, the specific resistance of the barrier layer 10 is generally 100 Ω · cm or less, preferably 10 Ω · cm or less, although it depends on the film thickness.
[0043]
As described above, the barrier layer 10 needs to have a function of improving the heat resistance of the lower electrode layer 3 and needs to have a specific resistance that is low to some extent. Further, when a lead-containing compound is used for the lower insulator layer 4, it is preferable to have a barrier function against lead diffusion. The present inventors have searched for a conductive inorganic compound that satisfies such requirements, and as a result, have found that each of the oxides and / or nitrides has a conductivity, more specifically, an oxide containing indium and / or tin. , Zinc oxide, aluminum-doped zinc oxide, titanium nitride, chromium nitride, zirconium nitride and hafnium nitride. Therefore, in the present invention, a barrier layer containing at least one of these conductive inorganic compounds, preferably a barrier layer substantially composed of at least one of these conductive inorganic compounds, is provided. Among these conductive inorganic compounds, oxides are preferable because of good heat resistance in a high-temperature oxidizing atmosphere, and oxides containing indium and / or tin are particularly preferable. Such a barrier layer 10 is particularly effective when combined with the lower electrode layer 3 containing Ag. When a lead-containing compound is used for the lower insulator layer 4, it is particularly effective to use an oxide containing indium and / or tin as the conductive inorganic compound.
[0044]
Examples of the oxide containing indium and / or tin include indium oxide (In).2O3), Tin oxide (SnO)2) And ITO (Indium Tin Oxide), which are known as materials for forming a transparent electrode such as the upper electrode layer 7, for example. In2O3And SnO2Are considered to be oxygen-defective N-type semiconductors, and these thin films are usually formed by a sputtering method or the like. When used as an electrode layer, by controlling the film formation conditions to create oxygen vacancies,-1-10-3It is known that the specific resistance can be reduced to about Ω · cm, but since the specific resistance is extremely large as compared with the metal electrode, in order to obtain a lower resistance,2O3SnO2Doped with ITO and SnO2Is used in a form doped with Sb or F. In this case, the specific resistance is 10-3-10-4It can be reduced to about Ω · cm.
[0045]
However, it is known that the resistivity of any of these conductive oxides increases when a high-temperature treatment at 600 ° C. or higher is performed in an oxidizing atmosphere. Therefore, using these conductive oxides as the constituent material of the lower electrode layer provided below the thick film dielectric layer sintered by high-temperature treatment in an oxidizing atmosphere constitutes a very small display. It is difficult except in special cases.
[0046]
On the other hand, in the case of the thin-film EL device of the present invention, although it is preferable that the specific resistance of the barrier layer is low, this is not essential as described above, and the specific resistance of the barrier layer is generally 100 Ω · cm or less, preferably It may be 10 Ω · cm or less. Therefore, there is no problem even if characteristic deterioration (specific resistance rise) occurs due to high temperature treatment in an oxidizing atmosphere at the time of forming the thick film dielectric layer. Further, unlike the case where the barrier layer is used alone as an electrode, the barrier layer can be used without introducing a special dopant or the like. When ITO is used, SnO in ITO is used.2The content is not limited, and may be any value between 0 and 100% by mass. However, in order to lower the specific resistance, SnO in ITO should be used.2The content is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 5 to 12% by mass.
[0047]
Zinc oxide, titanium nitride, chromium nitride, zirconium nitride, and hafnium have a stoichiometric atomic ratio (metal / nitrogen, etc.) even if they have the required conductivity, even if they have the stoichiometric composition. The composition may deviate from the composition.
[0048]
Note that the barrier layer preferably does not contain any other than the above-described conductive compound in order to obtain sufficient conductivity, and in order not to have reactivity with lead, but other barriers may be included as unavoidable impurities or trace additives. It may contain an element. However, it is preferable that other elements be 10 atomic% or less of the barrier layer.
[0049]
If the thickness of the barrier layer 10 is too small, the effect of suppressing the aggregation phenomenon of the lower electrode layer 3 at a high temperature is insufficient, and the lead diffusion barrier effect and the effect of preventing sulfuration and oxidation of the lower electrode layer 3 are sufficient. In particular, when a substrate 2 having a surface irregularity such as ceramics is used as the substrate 2, the coating of the lower electrode layer 3 with the barrier layer 10 becomes incomplete, and This is not preferable because lead-based dielectric material may enter the film dielectric layer 41 and react with the lower electrode layer 3. The inventors' experimental studies show that if the thickness of the barrier layer 10 is 0.02 μm or more, particularly 0.1 μm or more, a sufficient lead diffusion barrier effect and an effect of preventing sulfuration and oxidation can be obtained. Was.
[0050]
On the other hand, if the thickness of the barrier layer 10 is too large, it is not preferable particularly when used for a display. That is, the lower electrode layer 3 is patterned in a stripe shape or the like, and the barrier layer 10 needs to be patterned in the same manner as the lower electrode layer 3 in order to prevent a short circuit. Is formed, and the surface property of each layer formed thereon is affected by this step, and finally the unevenness due to the step occurs on the EL panel surface, and the display quality as a display is reduced. Significant damage. Therefore, it is desired that the total thickness of the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10 is as small as possible. Specifically, the total thickness is preferably 2 μm or less, more preferably 1 μm or less, and still more preferably 0.5 μm or less. is there.
Therefore, it is preferable to determine the thickness of the barrier layer 10 in consideration of the thickness of the lower electrode layer 3 so that the total thickness falls within this range. The thickness of the lower electrode layer 3 is preferably 0.3 μm or more in view of its specific resistance. When the surface of the substrate 2 has irregularities, such as a sintered substrate of alumina, if the lower electrode layer 3 is thin, its heat resistance is significantly reduced. If it is 3 μm or more, such a problem hardly occurs.
[0051]
In the above-described electrical connection to the outside via the barrier layer 10, in order to obtain sufficient conductivity, the barrier layer 10 is preferably thinner, specifically, 0.5 μm or less, particularly, 0.5 μm or less. Preferably it is 0.2 μm or less.
[0052]
As a method for forming the barrier layer 10, a known film forming method for forming a transparent conductive film, for example, a PVD method (physical vapor deposition method) such as an ion plating method or a sputtering method, a solution coating baking method (a sol-gel method, MOD method) and spray pyrolysis method.
[0053]
By using the PVD method, a high-density thin film can be formed. Therefore, a barrier layer having a high lead diffusion barrier effect and a high effect of preventing oxidation and sulfidation can be formed with a small film thickness. This is suitable when the barrier layer 10 is formed on the lower electrode layer 3 formed on a flat substrate.
[0054]
On the other hand, a solution coating baking method and a spray pyrolysis method are known as methods capable of forming a transparent conductive film at low cost. Conventionally, the transparent conductive film formed by these methods has a specific resistance about one digit higher than that of the transparent conductive film formed by the PVD method. However, even if the barrier layer 10 in the thin film EL device of the present invention has a relatively high specific resistance as described above, no problem occurs. In addition, these methods, particularly the solution coating and baking method, make it easy to form a coating film without any defect on a base having irregularities or steps, so that the lower electrode layer 3 formed on a ceramic substrate having irregularities on the surface can be easily formed. This is an excellent method for forming the barrier layer 10 on the substrate.
[0055]
Lower electrode layer 3
The constituent material of the lower electrode layer 3 is a metal (including a semi-metal) or an alloy thereof (including an intermetallic compound), provides high conductivity, and has a high-temperature oxidizing atmosphere when the thick-film dielectric layer 41 is formed. Must not be damaged by Examples of such materials include high melting point noble metals such as Pt, Pd, and Ir; other noble metals such as Au and Ag; alloys of noble metals such as Au-Pd, Au-Pt, Ag-Pd, and Ag-Pt; An alloy containing a noble metal such as -Pd-Cu as a main component and a base metal element added thereto, and a metal silicide such as titanium silicide can be used.
[0056]
By increasing the thickness of the lower electrode layer 3, the electrode resistance is reduced and the heat resistance of the lower electrode layer 3 is also improved. However, as described above, if the patterned lower electrode layer 3 is thick, the display quality as a display is significantly impaired, which is not preferable. Therefore, it is desirable that the thickness of the lower electrode layer 3 be as small as possible. Also, increasing the thickness of the lower electrode layer 3 is not preferable in terms of film formation cost and material cost, and directly increases the cost particularly when a noble metal having a large material cost is used. It is desirable to make it thin.
[0057]
From these points, it is preferable that the lower electrode layer 3 contains Ag, which can provide a low electrode resistance even if the film thickness is small and which is significantly lower in cost than other noble metals. Is advantageous if it can be composed of Ag alone.
[0058]
In the thin-film EL device of the present invention, since the barrier layer 10 is provided on the lower electrode layer 3, even when the lower electrode layer 3 is thin, the lower electrode layer 3 has an island structure when the thick dielectric layer 41 is formed. A uniform continuous structure is maintained without becoming. When the barrier layer 10 contains an oxide containing indium and / or tin, the barrier effect against the diffusion of lead is high. Therefore, even when a lead-based dielectric material is used for the thick The lower electrode layer 3 can be made of pure Ag or a low-cost metal material containing Ag, which has been conventionally difficult to use because of its high reactivity with lead. Specifically, even when a pure Ag electrode having the lowest melting point among the noble metals is used, the thickness of the lower electrode layer 3 can be set to 1 μm or less, and more preferably 0.5 μm or less. Therefore, a great effect can be obtained with respect to the improvement of the display quality of the display using the EL element and the reduction of the manufacturing cost. Since the metal silicide also has high reactivity with lead, the present invention exhibits a high effect even when a metal silicide electrode is provided.
[0059]
The method for forming the lower electrode layer 3 is not particularly limited, and a known technique such as a sputtering method, an evaporation method, a plating method, and a printing method using an organic metal paste (resinate metal paste) can be used.
[0060]
In the case of a simple matrix type, the lower electrode layer 3 has a stripe pattern composed of a large number of linear electrodes. In that case, the width of each electrode is the width of one pixel, and the space between two adjacent electrodes is a non-light emitting region. Therefore, it is preferable to minimize the space between the electrodes. Specifically, depending on the intended resolution of the display, for example, an electrode width of about 200 to 500 μm and a space width of about 20 to 50 μm are required.
[0061]
Substrate 2
The substrate 2 has an electrical insulating property, does not contaminate the lower electrode layer 3 and the thick dielectric layer 41 formed thereon, and can maintain a predetermined heat-resistant strength. There is no particular limitation. In the EL device of the present invention, as described above, SiO 2 is contained in the composition of the substrate.2And B2O3Since the heat resistance of the lower electrode layer 3 can be maintained even when a compound having a high reactivity with lead oxide is contained, the constituent material of the substrate 2 can be selected from a wide range.
[0062]
As a specific material, for example, alumina (Al2O3), Quartz glass (SiO2), Magnesia (MgO), forsterite (2MgO.SiO)2), Steatite (MgO.SiO)2), Mullite (3Al2O3・ 2SiO2), Beryllia (BeO), zirconia (ZrO)2), Aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si3N4), Ceramics such as silicon carbide (SiC), crystallized glass, and high heat-resistant glass. In addition, a metal substrate that has been subjected to an enamel treatment can also be used.
[0063]
Thick dielectric layer 41
The lower insulator layer 4 needs to have a high dielectric constant and a high withstand voltage. By forming most of the lower insulating layer 4 from the thick-film dielectric layer 41, a high dielectric constant 100 times or more as compared with the case of using the thin-film dielectric layer can be achieved.
[0064]
Here, the thick film dielectric layer is a dielectric layer formed by a so-called thick film method, that is, a ceramic layer formed by firing a powdery insulating material. The thick film dielectric layer 41 can be formed, for example, by printing and firing an insulating paste in which a powdery insulating material, a binder and a solvent are mixed, on the substrate 2 on which the lower electrode layer 3 is formed. Alternatively, it can be formed by forming a green sheet by casting a film of an insulator paste, laminating the green sheet on the substrate 2 on which the lower electrode layer 3 is formed, and firing.
[0065]
The constituent material of the thick film dielectric layer 41 is not particularly limited.3, (BaxCa1-x) TiO3, (BaxSr1-x) TiO3, PbTiO3(Ferroelectric) material having a perovskite structure, such as PZT, PZT, or Pb (Mg1/3Nb2/3) O3Perovskite relaxor type ferroelectric material represented by4Ti3O12, SrBi2Ta2O9Bismuth layered compound represented by (SrxBa1-x) Nb2O6, PbNbO6And the like are preferable. Note that PZT is Pb (ZrxTi1-x)3It is. Among them, BaTiO3A ferroelectric material having a perovskite structure such as PZT or PZT is preferable because of its high dielectric constant and easy firing.
[0066]
In particular, a dielectric material containing lead in its composition has a low melting point of lead oxide of 888 ° C., and contains lead oxide and another oxide-based material such as SiO 2.2And CuO, Bi2O3, Fe2O3Since a liquid phase is formed at a low temperature of about 700 ° C. to 800 ° C. between them and the like, baking is easy at a low temperature and a high dielectric constant is easily obtained, which is preferable. Examples of the dielectric material containing lead include PZT and PLZT (PbZrO to which La is added).3-PbTiO3Perovskite structure dielectric material such as solid solution), Pb (Mg1/3Nb2/3) O3Perovskite relaxer type ferroelectric material represented by PbNbO6And the like are preferable. Among these, Pb (Mg1/3Nb2/3) O3A lead-containing composite perovskite relaxor-type ferroelectric material represented by, for example, is preferable because a dielectric layer having a relative dielectric constant of 1000 to 10000 can be easily formed at a firing temperature of 700 to 900 ° C.
[0067]
The thickness of the thick dielectric layer 41 is required to be large in order to eliminate pinholes formed by steps of the electrodes and dusts in the manufacturing process, and is at least 10 μm or more, preferably 20 μm or more. However, in order to prevent an increase in the light emission threshold voltage, the total thickness of the thick film dielectric layer 41 and the surface flattening layer 42 is preferably set to 100 μm or less.
[0068]
Surface flattening layer 42
Since the surface flattening layer 42 is provided for the purpose of reducing the deterioration of the surface properties of the lower insulating layer 4 due to the surface unevenness of the thick film dielectric layer 41, the solution flattening method is used for forming the surface flattening layer 42. It is necessary to use
[0069]
The solution coating and sintering method refers to a method in which a precursor solution of a dielectric material is applied to a substrate and a dielectric layer is formed by sintering. For example, a sol-gel method and a MOD (Metallo-Organic Decomposition) method are known.
[0070]
The sol-gel method is generally a method in which a predetermined amount of water is added to a metal alkoxide dissolved in a solvent, and a precursor solution of a sol having an M-O-M bond formed by hydrolysis and polycondensation reaction is applied to a substrate and baked. This is a method of forming a film. The MOD method is a method in which a metal salt of a carboxylic acid having an MO bond or the like is dissolved in an organic solvent to form a precursor solution, which is applied to a substrate and baked to form a film. Here, the precursor solution refers to a solution containing an intermediate compound generated by dissolving a raw material compound in a solvent in a film forming method such as a sol-gel method or a MOD method.
[0071]
The sol-gel method and the MOD method are not completely separate methods, but are generally used in combination with each other. For example, when forming a PZT film, it is common to prepare a solution using lead acetate as a Pb source and alkoxides as Ti and Zr sources. In addition, the sol-gel method and the MOD method may be collectively referred to as a sol-gel method, but in any case, a precursor solution is applied to a substrate and baked to form a film. In the book, these are collectively referred to as a solution coating firing method. In addition, a solution obtained by mixing a submicron-sized dielectric particle and a precursor solution of a dielectric is also referred to as a precursor solution in the present specification, and a case where the solution is applied to a substrate and fired is also referred to as a solution coating firing method. .
[0072]
In both the sol-gel method and the MOD method, the solution coating and baking method involves the uniform mixing of the compounds composing the dielectric material on the order of submicron or less. The feature is that a dense dielectric can be synthesized at an extremely low temperature, as compared with the method using. The main reason for using the solution coating baking method is that the precursor solution is applied and baked, so that a thick film is formed on the concave portion of the base and a thin film is formed on the convex portion. The point is that unevenness and steps on the surface are not reflected, and a film having a flat surface is obtained. Therefore, by forming the surface flattening layer 42 using the solution coating and baking method, the surface roughness of the thick dielectric layer 41 is not reflected on the surface properties of the lower insulating layer 4, and The uniformity of the light emitting layer 5 formed on the substrate can be greatly improved.
[0073]
The thickness of the surface flattening layer 42 may be determined so as to sufficiently fill the irregularities on the surface of the thick dielectric layer 41, but is usually 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm. That is all. When the purpose is to fill irregularities on the surface of the thick film dielectric layer 41, the thickness of the surface flattening layer 42 does not need to exceed 10 μm.
[0074]
The relative permittivity of the surface flattening layer 42 is desirably as high as possible, preferably 100 or more, and more preferably 500 or more. As a dielectric material that can provide such a high dielectric constant, for example, BaTiO3, (BaxCa1-x) TiO3, (BaxSr1-x) TiO3, PbTiO3(Ferroelectric) material having a perovskite structure, such as PZT, PZT, PLZT, or Pb (Mg1/3Nb2/3) O3Perovskite relaxor-type ferroelectric material represented by4Ti3O12, SrBi2Ta2O9Bismuth layered compound represented by (SrxBa1-x) Nb2O6, PbNbO6Tungsten bronze-type ferroelectric materials represented by, for example, are preferable. Among them, a ferroelectric material having a lead-based composite perovskite structure such as PZT or PLZT, particularly containing lead oxide in its basic composition, has a dielectric constant of It is preferable because the synthesis at a high temperature and a relatively low temperature of 700 ° C. or less is easy.
[0075]
The configuration example shown in FIG. 1 is a configuration in which a surface flattening layer 42 formed by a solution coating baking method is laminated on a thick film dielectric layer 41. In the EL device of the present invention, a thick film dielectric layer is provided. Instead, only the dielectric layer formed by the solution coating baking method may be provided. Since the heating process in an oxidizing atmosphere also exists in the solution coating and baking method as in the thick film method, the effect of providing the barrier layer can be realized even when only the dielectric layer is provided by the solution coating and baking method. .
[0076]
Thin-film insulator layer 43 and upper insulator layer 6
The thin-film insulator layer 43 and the upper insulator layer 6 that are in contact with and sandwich the light-emitting layer 5 are not necessarily provided, but are preferably provided.
[0077]
By providing these insulator layers, the electronic state at the interface between these insulator layers and the light emitting layer 5 can be controlled, so that the electron injection into the light emitting layer 5 can be stabilized and the efficiency can be improved. . Further, by providing these insulator layers symmetrically on both sides of the light emitting layer 5 with the light emitting layer 5 as a center, the electronic state becomes symmetric at both interfaces of the light emitting layer 5, so that the light emission characteristics during AC driving are symmetrical. Performance can be improved. These insulator layers do not need to have a function of maintaining dielectric strength, and thus may have a small thickness, preferably 10 to 1000 nm, more preferably about 20 to 200 nm.
[0078]
The specific resistance of these insulator layers is 108Ω · cm or more, especially 1010-1018It is preferably about Ω · cm. Further, it is preferable that the material be composed of a substance having a relatively high relative permittivity, specifically, a substance having a relative permittivity of preferably 3 or more. As a constituent material of these insulator layers, for example, silicon oxide (SiO 2)2), Silicon nitride (Si3N4), Tantalum oxide (Ta)2O5), Yttrium oxide (Y2O3), Zirconia (ZrO)2), Silicon oxynitride (SiON), alumina (Al2O3) Etc. can be used. These insulator layers can be formed by a sputtering method, an evaporation method, or a CVD method.
[0079]
Light emitting layer 5
The effect of the present invention is realized irrespective of the constituent material of the light emitting layer 5. Therefore, the phosphor material constituting the light emitting layer 5 is not particularly limited, and any phosphor material such as the above-described Mn-doped ZnS may be used. The thickness of the light emitting layer is not particularly limited, but if it is too thick, the driving voltage increases, and if it is too thin, the luminous efficiency decreases. Specifically, the thickness is preferably about 100 to 2000 nm, though it depends on the luminescent material.
[0080]
The light emitting layer 5 can be formed by a vapor deposition method. As the vapor deposition method, a PVD method such as a sputtering method or a vapor deposition method or a CVD method (chemical vapor deposition method) is preferable. As described above, when forming the light emitting layer composed of SrS: Ce, H2When the substrate is formed at a temperature of 500 to 600 ° C. during film formation by an electron beam evaporation method in an S atmosphere, a high-purity light-emitting layer can be obtained.
[0081]
After forming the light emitting layer 5, it is preferable to perform annealing. The annealing may be performed in a state where the light emitting layer 5 is exposed, or the cap annealing may be performed after forming the upper insulator layer 6 on the light emitting layer 5 or after forming the upper electrode layer 7. The optimum annealing temperature varies depending on the constituent materials of the light emitting layer. In the case of SrS: Ce, the annealing temperature is 500 ° C. or more, particularly 600 ° C. or more and the firing temperature of the thick film dielectric layer 41, and the processing time is 10 to 600 minutes. It is preferable that Annealing is preferably performed in an Ar atmosphere.
[0082]
Upper electrode layer 7
In the thin-film EL device of the present invention, since light is extracted from the upper electrode layer 7 side, the upper electrode layer 7 is made of a transparent conductive material. As the transparent conductive material, In used in the barrier layer 102O3, SnO2In addition to ITO and ITO, an oxide conductive material such as ZnO-Al can be used. For the upper electrode layer 7, a known technique such as a sputtering method or a vapor deposition method may be used. The thickness of the upper electrode layer 7 may be 0.2 to 1 μm.
[0083]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention.
[0084]
Example 1
In the configuration shown in FIG. 1, each layer up to the thick film dielectric layer 41 was formed on the substrate 2 by the following procedure to obtain a sample for evaluation.
[0085]
Commercially available 96% purity alumina substrate (SiO 2 as sintering aid)2/ MgO containing 4%) or a high strain point heat-resistant glass substrate (softening point: 850 ° C.) was used as the substrate 2, and a resist film for lift-off patterning was formed on the substrate 2 using a positive resist.
[0086]
Next, an Ag thin film or an Au thin film was formed as the lower electrode layer 3. Next, as the barrier layer 10, an ITO thin film or SnO2A thin film was formed. As a comparative example, a sample without the barrier layer 10 was manufactured. Table 1 shows the configurations of the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10. Each thin film was formed under the following conditions.
[0087]
The Ag thin film and the Au thin film were formed using a magnetron sputtering apparatus, using Ag as a target, in an Ar gas atmosphere at a pressure of 0.5 Pa, at a frequency of 13.56 MHz, and a high frequency power density of 3 W / cm.2Under the following conditions. The film formation rate was about 50 nm / min for the Ag thin film and about 33 nm / min for the Au thin film, and the thickness was as shown in Table 1 by adjusting the sputtering time. The specific resistance of the Ag thin film is 2 × 10-6Ω · cm and Au thin film is 3 × 10-6It was about Ω · cm.
[0088]
ITO (SnO) is deposited on the ITO thin film using a magnetron sputtering device.210% by mass) Using a ceramic as a target, a frequency of 13.56 MHz and a high-frequency power density of 4 W / cm in an Ar gas atmosphere at a pressure of 1 Pa2Under the following conditions. The film formation rate was about 15 nm / min, and a film having the thickness shown in Table 1 was obtained by adjusting the sputtering time. The specific resistance of the ITO thin film is 10-3It was about Ω · cm. SnO2The thin film was formed by using a magnetron sputtering apparatus, targeting a Sn + Sb1% alloy as a target and Ar + O at a pressure of 1 Pa.2(20%) In a gas atmosphere, frequency 13.56 MHz, high frequency power density 4 W / cm2Under the following conditions. The film formation rate was about 30 nm / min, and a film having the thickness shown in Table 1 was obtained by adjusting the sputtering time. SnO2The specific resistance of the thin film is 10-2It was about Ω · cm.
[0089]
Next, unnecessary portions of the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10 were separated by a lift-off method to be patterned to form a striped electrode layer in which a large number of electrodes having a plane dimension of 1 mm × 50 mm were arranged.
[0090]
Next, using a 4210C thick film dielectric paste manufactured by ESL, a thick film dielectric layer 41 was formed on the substrate 2 on which the barrier layer 10 was formed by a screen printing method. This thick film dielectric paste is composed of Pb (Mg1/3Nb2/3) O3It is mainly composed of a perovskite-based dielectric composition and contains excess lead oxide as a sintering aid. At the time of screen printing, the operation of coating and drying was repeated until the total thickness of the coating film became 20 μm in the fired film thickness. Note that, for the measurement of the resistance value, regions of 5 mm at both ends of the striped barrier layer 10 were exposed without applying paste. After forming the coating film, the film was fired at 650 to 800 ° C. for 30 minutes in a belt furnace under an atmosphere supplied with sufficient air. Table 1 shows the firing temperature for each sample.
[0091]
With respect to each of the samples thus obtained, the electric resistance value of the laminate including the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10 was measured. This electric resistance value is shown in Table 1 as an electrode resistance. The electrode resistance shown in Table 1 is a relative value when the electrode resistance of each sample before forming the thick film dielectric layer 41 is 1.
[0092]
[Table 1]
Figure 2004006288
[0093]
Table 1 clearly shows the effect of the present invention. That is, when the lower electrode layer 3 made of an Ag thin film having a thickness of 500 nm is provided thereon and the barrier layer 10 made of an ITO thin film having a thickness of 500 nm is provided thereon, the thick film dielectric layer 41 is formed at a high firing temperature of 800 ° C. Even so, it can be seen that the increase in resistance due to this is about twice, and the function as an electrode is sufficiently maintained. Further, when the lower electrode layer 3 is made of Au, more excellent effects are obtained. In addition, as the barrier layer 10, SnO2It can be seen that even when the thin film is provided, the same characteristics as when the ITO thin film is provided can be obtained.
[0094]
In contrast, when the Ag electrode was used alone without the barrier layer 10, the electrode was broken at a firing temperature of 650 ° C. or higher, and the function as an electrode was completely lost. Also, in the case of the Au electrode alone, disconnection occurred at a firing temperature of 800 ° C., and the function as an electrode was lost.
[0095]
In the sample in which the thickness of the ITO thin film was 25 nm, the change in the resistance value was larger than that in the case of the film thickness of 500 nm, but no disconnection occurred. The reason why the resistance change was increased when the barrier layer 10 was made thinner was that the surface of the substrate 2 was a baked surface of alumina ceramics, so that the surface of the substrate 2 was very uneven, and the barrier layer 10 formed thereover with the lower electrode layer 3 interposed therebetween. If the film thickness is small, it is considered that step coverage becomes insufficient during sputtering, and a portion not covered by the barrier layer 10 locally occurs on the surface of the lower electrode layer 3.
[0096]
Example 2
Using the alumina substrate 2 used in Example 1, the thick film dielectric layer 41 was formed of barium titanate (BaTiO 3).3) Was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sample for evaluation was used. The firing temperature at the time of forming the thick film dielectric layer 41 was 900 ° C. For this evaluation sample, the same measurement as in Example 1 was performed. Table 2 shows the results.
[0097]
[Table 2]
Figure 2004006288
[0098]
From Table 2, it is clear that the barrier layer 10 is effective even when the lower insulating layer 4 does not contain a lead-based compound.
[0099]
In addition, since it heated to 900 degreeC at the time of formation of the thick film dielectric layer 41, the specific resistance of the barrier layer (ITO) rose to 100 ohm * cm. However, as shown in Table 2, even if the barrier layer is thin (even at a thickness of 200 nm), the barrier layer has a sufficient effect, and if the barrier layer has such a thickness, the electric resistance value of the barrier layer in the thickness direction becomes large. It is acceptable.
[0100]
Example 3
An EL device having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured by the following procedure. However, the thin film insulator layer 43 was not formed.
[0101]
First, a lower electrode layer 3, a barrier layer 10, and a thick dielectric layer 41 were formed on a substrate 2 made of alumina in the same manner as in Example 1. However, the planar dimensions of each electrode constituting the lower electrode layer 3 were 1 mm × 100 mm, and the baking of the thick film dielectric layer 41 was performed at 750 ° C. for 20 minutes. The dielectric constant of the thick dielectric layer 41 was about 2500. Table 3 shows the configurations of the lower electrode layer 3 and the barrier layer 10.
[0102]
Next, the surface flattening layer 42 was formed by using a solution coating baking method. In this solution coating and firing method, a sol-gel solution of PZT was used as a precursor solution. This precursor solution was applied to the surface of the thick-film dielectric layer 41 by spin coating, and repeatedly baked at 700 ° C. for 10 minutes to form a surface flattening layer 42 having a thickness of about 3 μm. .
[0103]
The precursor solution was prepared according to the following procedure. First, 8.49 g of lead acetate trihydrate and 4.17 g of 1,3-propanediol were mixed and heated and stirred for about 2 hours to obtain a transparent solution. Separately, 3.70 g of a zirconium normal propoxide 70% by mass 1-propanol solution and 1.58 g of acetylacetone were heated and stirred in a dry nitrogen atmosphere for 30 minutes. A solution of isopropoxide bisacetylacetonate 75 mass% in 2-propanol and 2.32 g of 1,3 propanediol were added, and the mixture was further heated and stirred for 2 hours to prepare a solution. This solution and the transparent solution were mixed at 80 ° C., and heated and stirred in a dry nitrogen atmosphere for 2 hours to produce a brown transparent solution. This solution was kept at 130 ° C. for several minutes to remove by-products, and further heated and stirred for 3 hours to obtain a precursor solution. The viscosity of the precursor solution was adjusted by diluting with n-propanol.
[0104]
Next, while the substrate is heated to 200 ° C., a 0.8 μm-thick luminescent layer 5 made of ZnS: Mn is formed by an evaporation method using a Mn-doped ZnS evaporation source, and then 500 ° C. in vacuum. For 10 minutes.
[0105]
Next, Si is used as the upper insulator layer 6.3N4A thin film EL element sample was obtained by sequentially forming an ITO thin film as the upper electrode layer 7 by a sputtering method. The upper electrode layer 7 was patterned into a stripe shape in which linear electrodes having a width of 1 mm were arranged by using a metal mask during film formation.
[0106]
With respect to these samples, electrodes were respectively extracted from the lower electrode layer 3 and the upper electrode layer 7, and an electric field of 1 kHz and a pulse width of 50 μs was applied at an intensity at which the emission luminance was saturated, and the saturation luminance and the emission of light in the plane of the emission surface were measured. The uniformity was investigated. Table 3 shows the results.
[0107]
[Table 3]
Figure 2004006288
[0108]
As is clear from Table 3, the sample of the present invention having the structure in which the barrier layer 10 is laminated on the lower electrode layer 3 has high luminance and uniform light emission characteristics.
[0109]
On the other hand, the comparative sample in which the lower electrode layer 3 was formed of an Ag thin film without providing a barrier layer did not emit light at all. This is presumably because the lower electrode layer 3 was disconnected during firing of the thick dielectric layer 41 and lost its function as an electrode.
[0110]
On the other hand, the comparative sample in which the lower electrode layer 3 was made of an Au thin film without a barrier layer had almost the same saturation luminance as that of the sample of the present invention, but was visually observed to have poor uniformity of the light emitting surface. When observed on the order of several tens of μm using, a region where light emission was weak and a region where light emission was strong were mixed partially. This non-uniformity is due to the lack of heat resistance of the Au thin film due to the absence of the barrier layer, the partial loss of the function as an electrode, and the fact that the alumina thin film 2 SiO2It is presumed that this is because the system-based sintering aid partially reacted with the lead-based thick film dielectric layer 41, and the characteristics of the thick film dielectric layer 41 were distributed.
[0111]
Example 4
The lower electrode layer 3 was made of Ag, and the lower electrode layer 3 was patterned by the lift-off method, except that ashing with oxygen plasma was used to remove the resist residue when removing the resist residue. Element sample No. 1 was produced. This comparative sample No. In No. 1, the lead portion 31 of the lower electrode layer 3 made of Ag was oxidized by the oxygen plasma in the lift-off process and was blackened, so that the conductivity of the surface was lowered and the function as an electrode constituent material was lost.
[0112]
Further, when the lower electrode layer 3 is formed, ashing with oxygen plasma is not performed, and2The comparative sample No. 1 was composed of a SrS: Ce layer formed by a vapor deposition method in an S gas atmosphere. In the same manner as in Comparative Sample No. 1, 2 was produced. This comparative sample No. 2, the lead portion 31 of the lower electrode layer 3 made of Ag is2Since it was sulfided and blackened by the S gas, the conductivity of the surface was reduced and the function as an electrode constituent material was lost.
[0113]
Further, except that the entire surface of the lower electrode layer 3 was covered with a barrier layer 10 made of ITO and having a thickness of 100 nm, and the lower electrode layer 3 was formed, ashing by oxygen plasma was performed. In the same manner as in Example 2, 3 was produced. In this example sample no. 3, since the lead portion 31 of the lower electrode layer 3 was covered with the barrier layer 10, oxygen plasma and H2Oxidation and sulfidation of the lead portion 31 by S gas did not occur.
[0114]
【The invention's effect】
In a conventional thin film EL element, if the lower electrode layer is thin, the lower electrode layer becomes a discontinuous film having an island-like structure due to heating when forming the lower insulator layer thereover by a thick film method, which is expensive. The lower electrode layer containing the noble metal had to be thickened. As a result, the material cost is increased, and a step appearing on the EL panel surface due to the pattern edge of the lower electrode layer is increased, thereby significantly lowering the display quality.
[0115]
On the other hand, the thin-film EL device of the present invention has a structure in which the barrier layer is laminated on the lower electrode layer, so that it is heated when the lower insulator layer is formed thereon by a thick film method or a solution coating baking method. Also, it is difficult for the lower electrode layer to have an island structure. Therefore, in the device of the present invention, the thickness of the lower electrode layer can be reduced, and as a result, reduction in material cost and improvement in display quality can be realized.
[0116]
A dielectric material containing lead oxide can be fired at a low temperature and has a high dielectric constant. In addition, pure Ag or a metal material containing Ag is suitable as a lower electrode layer constituent material because the electrode layer is thin because of high conductivity and the material cost is low. However, since Ag has high reactivity with lead oxide, the lead oxide in the lower insulator layer reacts with Ag in the lower electrode layer when the lower insulator layer is formed, which causes an increase in resistance and disconnection of the lower electrode layer.
[0117]
On the other hand, the barrier layer provided in the present invention exhibits a strong barrier property against lead diffusion. Therefore, in the present invention, a lower insulator layer containing a lead-based dielectric and a lower electrode layer containing an Ag-based material can be combined, thereby realizing an EL element having good emission characteristics and display quality at low cost. be able to. Further, the barrier layer can prevent oxidation and sulfidation of the lower electrode made of the Ag-based material.
[0118]
A composite substrate in which an electrode layer and a barrier layer are provided on a substrate in the same manner as the lower electrode layer and the barrier layer in the EL element of the present invention is suitable not only for an EL element but also for various other display elements. . That is, since the heat resistance of the electrode layer is good in this composite substrate, when various layers requiring heating at the time of formation and / or after the formation are provided on the electrode layer, the same effect as when applied to the EL element is realized. I do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a thin-film EL device of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of a thin-film EL element having a double insulation structure.
[Explanation of symbols]
2 substrate
3 Lower electrode layer
31mm lead
4 Lower insulator layer
41 thick dielectric layer
42 surface flattening layer
43 thin film insulator layer
5 Light emitting layer
6 Upper insulator layer
7 Upper electrode layer
8 mm front protective glass
9 Sealant
10 barrier layer
11 anisotropic conductive resin layer
12mm flexible printed circuit board

Claims (6)

電気絶縁性を有する基板上に、少なくとも、下部電極層、導電性無機化合物を含有するバリア層、下部絶縁体層、発光層および上部電極層をこの順で有する薄膜EL素子。A thin-film EL element having at least a lower electrode layer, a barrier layer containing a conductive inorganic compound, a lower insulator layer, a light-emitting layer, and an upper electrode layer in this order on an electrically insulating substrate. 前記導電性無機化合物が酸化物である請求項1の薄膜EL素子。2. The thin film EL device according to claim 1, wherein the conductive inorganic compound is an oxide. 前記導電性無機化合物が、インジウムおよび/またはスズを含む酸化物である請求項1の薄膜EL素子。2. The thin-film EL device according to claim 1, wherein the conductive inorganic compound is an oxide containing indium and / or tin. 前記下部電極層がAgを含有する請求項1〜3のいずれかの薄膜EL素子。4. The thin film EL device according to claim 1, wherein said lower electrode layer contains Ag. 前記下部絶縁体層が、鉛を含む酸化物誘電体を含有する請求項1〜4のいずれかの薄膜EL素子。5. The thin-film EL device according to claim 1, wherein said lower insulator layer contains an oxide dielectric containing lead. 電気絶縁性を有する基板上に、Agを含有する電極層および導電性無機化合物を含有するバリア層をこの順で有する複合基板。A composite substrate having, in this order, an electrode layer containing Ag and a barrier layer containing a conductive inorganic compound on a substrate having electrical insulation.
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