JP2004277612A - Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor - Google Patents

Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2004277612A
JP2004277612A JP2003072759A JP2003072759A JP2004277612A JP 2004277612 A JP2004277612 A JP 2004277612A JP 2003072759 A JP2003072759 A JP 2003072759A JP 2003072759 A JP2003072759 A JP 2003072759A JP 2004277612 A JP2004277612 A JP 2004277612A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
light
phosphor
emitting
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003072759A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Hamanaka
宏一 浜中
Akio Yamanaka
明生 山中
Hiroshi Horiuchi
大嗣 堀内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2003072759A priority Critical patent/JP2004277612A/en
Publication of JP2004277612A publication Critical patent/JP2004277612A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluorescent material thin film formed by doping a rare earth element ion as a light-emitting center into an Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>thin film as a mother crystal, that is excellent in controlling the composition and the concentration of the light-emitting center, and has a good color purity and a high brightness. <P>SOLUTION: This fluorescent material thin film comprises an Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>thin film as a mother crystal laminated on a heated substrate, and a CeO<SB>2</SB>thin film as a rare earth element oxide for a light-emitting center laminated thereon. It has a structure in which the light-emitting center is present as a component of a solid solution in the mother crystal of the Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>thin film. The Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>and CeO<SB>2</SB>thin films are formed by sputtering. The fluorescent material thin film prepared in an atmosphere of a gas mixture of argon and hydrogen emits a very strong blue light. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜エレクトロルミネッセンス素子、フィールドエミッション素子などの表示用装置に利用し、蛍光体薄膜の組成制御及び発光中心濃度制御に優れ、色純度が良好でかつ高輝度の蛍光体薄膜及び蛍光体薄膜の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
パソコン用、TV用その他の表示用のディスプレイに対応するための蛍光体はカラー化が必要不可欠である。現在は赤色発光体としてはZnS:Sm、CaS:Eu、緑色発光体としてはZnS:Tb、CaS:Ce、青色発光蛍光体としてはSrS:Ce、ZnS:Tmなどが使用されている。これらの赤色、緑色、青色の3原色に関する蛍光体薄膜は発光輝度、効率、色純度に解決すべき課題があり、研究が続けられている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
多くの蛍光体は母体結晶とよばれる物質に発光イオン(付活剤)を微量添加したものである。この付活剤イオンとして希土類イオンが多く利用されている。これまで母体結晶は、希土類イオンと置換できる同程度の大きさのイオン半径をもつ元素で構成される酸化物、硫化物、燐酸塩、ハロンゲン化物等であり、母体結晶の多くは複雑な組成となっている。このような多成分な母体結晶と発光センター材料が有する化学的或いは物理的な性質を制御して高品質の蛍光体薄膜を作るには困難性が潜在する。
例えば、問題の多い青色の色純度を著しく改善したSrGaS4:Ce、CaGaやBaAl:Euなど、チオガレート又はチオアルミネート系の青色蛍光体が開発されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらを薄膜化するには、多元組成であるため組成の均一な薄膜は得難い。また組成制御性が悪いため結晶性が悪い、或いは欠陥の発生等が問題となり、実用的な高い輝度を持つ蛍光体薄膜を形成することが未だ十分にできていない。
これらの課題を指摘するとともに、色純度の良好な蛍光体薄膜を有するELパネルの提案がされているが(例えば、特許文献3参照)、母体結晶がアルカリ土類硫化物の多元組成であり、組成制御に改善の余地がある。
また従来、付活剤イオンとして添加する希土類イオンは母体結晶を構成する元素のイオン半径と同程度のものを選択したもので、希土類イオンのイオン半径とは著しく異なるイオン半径を持つ単一元素の酸化物である母体結晶に希土類元素を添加した蛍光体薄膜はみられない。
さらに通常の蛍光体薄膜の形成に用いられている真空蒸着、スパッタリング、レーザ蒸着等でAlを母体結晶として蛍光体薄膜を作製した報告はない。
【0005】
【特許文献1】
特開2003−31369号公報(フロントページ、図2)
【特許文献2】
特開平08−134440号公報(フロントページ、第1図)
【特許文献3】
特開2003−45660号公報(フロントページ、〔0005〕)
【0006】
そこで、本発明はこのような課題を解決するものであり、添加する希土類イオンとは著しく異なるイオン半径を持つ単一元素の酸化物、特に、Alを母体結晶として、組成制御及び発光中心濃度制御に優れ、色純度が良く、高輝度の蛍光体薄膜及び蛍光体薄膜の作製方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の蛍光体薄膜のうち請求項1に記載の発明は、単一元素の酸化物薄膜と、単一元素の酸化物を構成する元素のイオン半径と比べて大きいイオン半径を持つとともに、単一元素の酸化物薄膜を母体結晶として発光中心を形成する希土類元素を添加した発光薄膜とを備えたものである。
請求項2記載の発明は、上記構成に加え、発光薄膜が単数及び複数のいずれかの希土類元素を含み、希土類元素の発光イオンを付活することにより単色及び多色のいずれか発光可能であることを特徴とする。
【0008】
請求項3記載の発明は、酸化物薄膜と発光薄膜の膜厚比率に基づいた希土類元素の添加濃度を有することを特徴とする。
請求項4記載の発明は、希土類元素のうち発光中心とならない非発光イオンを還元して発光中心となる発光イオンを有することを特徴とする。
請求項5記載の発明は、希土類元素イオンを還元した発光中心イオンに基づいて発光強度を大きくしたことを特徴とする。
請求項6記載の発明は、酸化物薄膜と発光薄膜とを交互に積層した構造を有することを特徴とする。
請求項7記載の発明は、酸化物薄膜と発光薄膜とが混層した構造を有していることを特徴とする。
【0009】
請求項8記載の発明は、酸化物薄膜の一部に発光薄膜を積層及び混層のいずれかを形成した構造を有することを特徴とする。
請求項9記載の発明は、酸化物薄膜が順次積層した構造に対応して、各酸化物薄膜の一部に発光薄膜を順次形成した構造であって、積層した酸化物薄膜の垂直方向面内に部分的に発光する層を有していることを特徴とする。
請求項10記載の発明は、酸化物薄膜及び発光薄膜のいずれもがスパッタリングにより形成されたことを特徴とする。
請求項11に記載の発明は、酸化物薄膜がAl薄膜であり、発光薄膜がCeO薄膜であって、Alに対するCe濃度が2〜7mol%に相当することを特徴とする。
請求項12に記載の発明は、酸化物薄膜がAl薄膜であり、発光薄膜がEu薄膜であって、Alに対するEu濃度が0.5〜2mol%に相当することを特徴とする。
【0010】
このような構成の蛍光体薄膜では、色純度が良く、高輝度である。
【0011】
また本発明の蛍光体薄膜の作製方法のうち請求項13に記載の発明は、加熱した基板上に単一元素の酸化物薄膜をスパッタリングにより成膜する第1工程と、単一元素の酸化物薄膜を母体結晶として発光中心を形成する希土類元素を添加した発光薄膜をスパッタリングにより成膜する第2工程とを備えるものである。
請求項14に記載の発明は、上記構成に加え、第1工程と第2工程とを交互に繰り返して蛍光体薄膜を積層することを特徴とする。
請求項15記載の発明は、第1工程と第2工程を同時に実施して混層した蛍光体薄膜を形成することを特徴とする。
【0012】
請求項16記載の発明は、第2工程において第1工程で形成された酸化物薄膜の一部に発光薄膜を形成することを特徴とする。
請求項17記載の発明は、第2工程において発光中心となる希土類元素のターゲットとして、希土類元素自体のターゲット、希土類元素酸化物、希土類元素硫化物及び希土類元素弗化物のいずれか、或いはこれらの組み合わせをスパッタリングして発光薄膜を成膜することを特徴とする。
請求項18記載の発明は、第2工程において複数の希土類元素のターゲットを同時にスパッタリングして複数の発光イオンを付活することにより多色で発光する蛍光体薄膜を形成することを特徴とする。
請求項19記載の発明は、第1工程及び第2工程のいずれか、或いは両方の工程が、不活性ガス雰囲気及び不活性ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気のいずれかのもとでスパッタリングして成膜することを特徴とする。
【0013】
請求項20記載の発明は、第1工程において成膜する単一元素の酸化物薄膜がAl薄膜であり、第2工程において成膜する発光薄膜がCeOであることを特徴とする。
請求項21記載の発明は、上記構成に加え、Al薄膜とCeO薄膜の膜厚比率が7〜30であることを特徴とする。
請求項22記載の発明は、第1工程において成膜する単一元素の酸化物薄膜がAl薄膜であり、第2工程において成膜する発光薄膜がEu薄膜であることを特徴とする。
請求項23記載の発明は、上記構成に加え、Al薄膜とEu薄膜の膜厚比率が25〜120であることを特徴とする。
【0014】
このような構成の蛍光体薄膜の作製方法では、単一の酸化物であるAl薄膜に希土類元素を添加する方法であるので、組成制御、結晶性が良く、再現性に優れた蛍光体薄膜を形成することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図4に基づき、この発明による好適な実施の形態を説明する。
本発明の蛍光体薄膜にかかる好適な実施の形態は、単一元素の酸化物であるAlを母体結晶として希土類元素を発光中心とする蛍光体薄膜であり、母体結晶を構成するAlのイオン半径と比べてイオン半径が大きく異なる希土類元素が添加されたものである。
【0016】
Alは価数が三価、配位数が6で、イオン半径が0.53Åである。添加されるのが希土類元素の場合、例えばCeは価数が三価、配位数が6で、イオン半径が1.01Å、Tbは価数が三価、配位数が6で、イオン半径が0.92Å、Euは価数が二価、配位数が6で、イオン半径が1.17で、Luは価数が三価、配位数が6で、イオン半径が0.86Åである。
したがって、添加された希土類元素のイオン半径は母体結晶を構成するAlのイオン半径と比べおよそ2倍大きく異なる。ここで本実施の形態においては、大きく異なるとは2倍程度異なることを意味する。
【0017】
本実施形態の蛍光体薄膜は、基板上に母体結晶として積層されたAl薄膜と、発光中心となる希土類元素の酸化物として積層されたCeO薄膜とを備え、Al薄膜母体結晶内に発光中心が固溶した構造を有する。このAl薄膜とCeO薄膜とはスパッタリングで作製された薄膜である。
基板は薄膜形成温度及び発光中心となる希土類イオンを活性化する温度に耐え得るものであればよく、耐熱温度として800℃以上が望ましい。例えば石英ガラス基板、アルミナ基板などがよい。
【0018】
Al薄膜母体結晶内における希土類イオンを適量、適度に付活添加するには各薄膜の堆積量と基板温度で決定される。例えば希土類イオンがCeの場合は基板温度を500℃〜800℃にすれば、Al薄膜母体結晶内に発光中心が固溶し、発光中心が均一に分布した蛍光体薄膜にできる。
またAl薄膜とCeO薄膜の膜厚比率は、発光イオンの均一分布、発光強度などから決定されるが、Al薄膜は50Å〜120Åの範囲が好ましく、このときCeO薄膜の厚さは4Å〜7Åが好ましい。
したがって、Al薄膜とCeO薄膜との膜厚比率では約7〜30で積層された薄膜にするのがよい。このときAlに対するCe濃度は約2〜7mol%に相当する。
【0019】
本実施形態は、600℃の加熱基板上に膜厚換算で70ÅのAl薄膜と、膜厚換算で4ÅのCeO薄膜とを積層した蛍光体薄膜である。
図1は本実施形態に係る蛍光体薄膜の発光スペクトルを示す図であり、縦軸は発光強度(相対強度)、横軸は発光波長を示し、(a)はアルゴンガス雰囲気で作製された蛍光体薄膜の発光スペクトル、(b)はアルゴンガスと水素ガスの混合ガス雰囲気で作製された蛍光体薄膜の発光スペクトルを示す。
なお、実施の形態は説明の便宜上、実施例における発光スペクトルを示す図と対応させた。
【0020】
図1(a)を参照すると、不活性ガスの例えばアルゴンガス雰囲気で作製した蛍光体薄膜では、励起光360nmに対してCe3+に相当する発光ピーク約460nmを持つ青色発光をする。
また図1(b)を参照して、アルゴンガスと水素ガスの混合ガス雰囲気で作製した蛍光体薄膜では、アルゴンガス雰囲気で作製した蛍光体薄膜の発光強度に比べて著しく発光強度が大きく、しかも発光ピーク約450nmをもつ色純度のよい青色発光をする。
【0021】
ところで、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスによるスパッタガス雰囲気では酸化雰囲気となり、発光中心となるCe3+ではなく非発光となるCe4+で母体結晶に添加されるため、形成された薄膜はフォトルミネッセンスが観測されない。しかし、アルゴンガス及びアルゴンガスと水素ガスの混合ガスでは還元雰囲気となり、Ce+3で付活することができ、図1に示すようにAl:Ce蛍光体薄膜でフォトルミネッセンスを観測できる。
【0022】
この発光ピークは図1(b)に示すように約450nmであり、昼光の中でも青色の強い発光をする。
一般的に結晶性の良い方が強く発光することから、水素ガス導入により局所的な結晶性の向上も考えられるが、Ce4+からCe3+として母体結晶に入るには還元作用が重要であり、水素による還元効果により発光イオンとなるCe3+として入る割合が増えたと考えられる。したがって、本実施形態では還元雰囲気で作製することにより、非発光のCe4+を発光中心となるように付活することも可能な蛍光体薄膜であり、発光イオンとなるCe3+として付活することができる。
【0023】
次に、他の実施形態を説明する。この実施形態は、800℃の基板上に膜厚換算で70ÅのAl薄膜と、膜厚換算で2ÅのEu薄膜とを積層した蛍光体薄膜である。
Al薄膜は50Å〜120Åの範囲が好ましく、発光イオン濃度はCeに比較して少なく、Eu薄膜の膜厚換算で1Å〜2Åのとき発光強度が大きい。したがって、Al薄膜とEu薄膜との膜厚比率では約25〜120で積層された薄膜とするのがよい。このときAlに対するEu濃度が約0.5〜2mol%に相当する。
【0024】
図2はアルゴンガス雰囲気で作製された他の実施形態に係るAl:Eu蛍光体薄膜の発光スペクトルを示し、(a)は励起光254nmに対してEu3+イオンに相当する発光スペクトルを、(b)は励起光365nmに対してEu2+イオンの発光スペクトルを示す。アルゴンガス雰囲気における他の実施形態では、図2(a)に示すようにEu3+イオンを発光中心とする既知のf−f遷移による610nm〜630nmの赤色領域の線状発光スペクトルと、図2(b)に示すようにEu2+イオン特有のd−f遷移によるブロードな発光スペクトルが観測される。すなわち、この他の実施形態はEu2+イオンとEu3+イオンの発光中心が混在している蛍光体薄膜である。
【0025】
図3はアルゴンと水素の混合ガス雰囲気で作製された他の実施形態にかかるAl:Eu蛍光体薄膜の発光スペクトルを示し、(a)は励起光254nmに対してEu3+イオンに相当する発光スペクトルを、(b)は励起光365nmに対してEu2+イオンの発光スペクトルを示す。図3に示すように、Eu3+に相当する発光スペクトルは小さく、Eu2+の発光中心による発光スペクトルが主となり、しかも発光強度が大きくなる。
したがって、アルゴンと水素の混合ガス雰囲気で作製した蛍光体薄膜は、水素還元作用の効果により、Eu3+の発光中心の大部分がEu2+の発光中心として母体結晶に付活されたものである。
【0026】
以上説明した実施の形態ではAlにCe,Euの付活による蛍光薄膜の例を示したが、発光中心として3価希土類元素12種(Ce、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)を添加した蛍光体薄膜としてもよい。
【0027】
また母体結晶となるAl薄膜と発光中心を形成する薄膜を積層した構造の蛍光体薄膜を例に挙げて説明したが、これらの薄膜を交互に積層した構造としてもよいし、積層ではなく混層とした構造としてもよい。
さらに発光中心を形成する薄膜が種類の異なる発光中心イオンを有する構造であってもよく、このとき積層でも混層でも形成可能である。
このような構成の蛍光体薄膜では複数の発光イオンを付活することにより多色で発光することができる。
【0028】
さらに母体結晶となるAlの膜厚を厚くして、積層した薄膜の一部のみに局所的に発光イオンが添加された構造とし、Al薄膜と発光中心を形成する薄膜とを繰り返した積層構造を有する蛍光体薄膜としてもよい。このような構成の蛍光体薄膜では、この蛍光体薄膜の垂直面内に部分的に発光する層があるので、垂直面内で部分的に発光することができる。
【0029】
次に、蛍光体薄膜の作製方法について説明する。
本発明に係る蛍光体薄膜の作製方法の好適な実施の形態は、成膜装置として無機酸化物の薄膜形成に多用されるマグネトロンスパッタ装置を用いるのがよい。図4はマグネトロンスパッタ装置の要部構成概念図である。図4を参照して、マグネトロンスパッタ装置10は、母体結晶の薄膜となるAlターゲット11と、発光中心イオンとなる希土類元素酸化物のターゲット12と、駆動回転してターゲット11,12の直上にくるように配設された加熱基板15と、各ターゲット11,12上であって各ターゲット11,12からのスパッタ粒子の堆積を制御するためのシャッター13,14とを備え、各々のターゲット11,12に高周波電力を独立に印加し、2元同時放電可能なようになっている。図4に示した例では、ターゲット及びシャッターは二組だけが示されているが、これらは適宜二以上であってもよい。
【0030】
発光中心イオンとなる希土類元素酸化物のターゲットに代えて、希土類元素自体のターゲット、希土類元素硫化物ターゲット及び希土類元素弗化物等の化合物ターゲットを用いて行ってもよい。
【0031】
このようなマグネトロンスパッタ装置10では、加熱された基板15がAlターゲット11上に来た時にシャッタ13が開き、印加電力と時間によりAlターゲット11のスパッタ粒子が加熱基板15に堆積する。
次に、CeOやEuなどの希土類元素の酸化物のターゲット12上に加熱基板15が移動し、印加電力と時間により希土類元素の酸化物のスパッタ粒子が加熱基板15上に堆積する。
【0032】
この動作を繰り返し薄膜を積層して蛍光体薄膜を作製する。この例では、シャッターにより制御されて各ターゲットからのスパッタ粒子が堆積するようになっているが、2元同時スパッタ法を用いることにより、母体結晶であるAl薄膜と発光中心イオンとなる希土類元素を同時に積層状或いは混層状に形成することも可能である。この混層に形成する場合であっても組成制御、発光中心の均一添加は極めて良好である。
【0033】
さらにシャッター制御によりAl薄膜の一部に発光中心イオンとなる希土類元素酸化物の薄膜を形成することも可能である。
また二つのターゲットによる層状形成において、母体結晶となるAl薄膜の厚さを厚くして、層状にした膜の一部のみを発光中心イオンが添加された構造を作製することにより、Al薄膜と蛍光体薄膜を繰り返した層状構造が形成可能であり、薄膜の垂直面内に部分的に発光する層状の蛍光体薄膜が形成できる。なお、スパッタガスについては、アルゴン(Ar)、水素(H)、酸素(O)の各々ガスラインから導入が可能であり、混合比を変えて薄膜を作製することができる。
【0034】
母体結晶内に希土類元素イオンを適量、適度に付活添加させるためには、各層の堆積量の制御と基板温度が重要な要因となる。2元ターゲット、必要ならば2以上のターゲットを用いることで、各々のターゲットが独立で制御できるために各層の堆積量を自由に設定できるとともに、複数の発光中心イオンを添加可能である。また、特定の基板温度に設定すればAl母体結晶内に発光センターが固溶し、均一に分布した蛍光体薄膜が得られる。
【0035】
このような蛍光体薄膜の作製方法では、単一元素の酸化物と希土類元素との組み合わせであるため、これまでの複雑な化合物を母体結晶とする蛍光体薄膜と比較して薄膜形成における組成制御及び発光センター濃度の制御等において優れている。
したがって、本発明に係る蛍光体薄膜の作製方法では、組成の均一な薄膜が得られ、結晶性がよく、実用的な高輝度の蛍光体薄膜を作製することができる。
【0036】
【実施例】
次に実施例について説明する。先ず第1実施例について説明する。
第1実施例として、CeOを希土類酸化物のターゲットとして使用した場合について説明する。
基板温度600℃、0.5PaのArガス雰囲気でAlを膜厚換算で70Å、CeOを膜厚換算で4Åで積層した。この積層膜で図1(a)の光励起による発光スペクトル(PL:フォトルミネッセンス)に示すように励起光360nmに対してCe3+に相当する発光ピーク約460nmをもつ青色蛍光薄膜を形成することができた。
本作製条件のうち、温度については200℃〜800℃の範囲である。300℃以上の温度からPLが観測されたが、好ましくは500℃以上である。温度は成膜中の温度で、それ以外の熱処理は行っていない。成長した時点で蛍光体薄膜が形成される。
【0037】
またAlの一層ごとの膜厚は、かなり厚くても(〜1500Å)PLが観測されたが、発光イオンの均一分布あるいは発光強度等から50Å〜120Åの範囲が好ましいものであった。発光イオンについても同様に高い発光中心濃度を実現できるが、均一分布、発光強度からは一層の厚さは4Å〜7Åが好適であった。したがって、AlとCeOの膜厚比率では、約7〜30(Alに対するCe濃度が約2〜7mol%に相当)で作製する薄膜を積層することで、高輝度な青色の蛍光体薄膜を作製することが可能である。
【0038】
Arと酸素(O)ガスの混合によるスパッタガス雰囲気では、酸化雰囲気となり、発光中心となるCe3+ではなく非発光となるCe4+で母体結晶に添加されるため、形成した薄膜はPLが観測されなかった。
ArおよびArとHの混合ガスでは還元雰囲気となり、Ce3+で付活することができ、Al:Ce薄膜でPLを観測した。
特にArとHの混合ガスで作製したAl:Ce薄膜は、図1の曲線(a)に示すArガス雰囲気で形成した薄膜のPL強度に比べて図1の曲線(b)に示すように著しくPL強度が大きかった。しかも、発光ピーク約450nmをもつ色純度の良い青色蛍光薄膜を得ることができた。
この蛍光体薄膜の結晶性をX線回折法によって調べたところ非晶質であった。この実施例で得られたAl:Ce薄膜は、非晶質でありながら昼光の中でも確認できるほど、青色の強い発光を示す。
【0039】
次に、第2実施例としてEuを希土類酸化物のターゲットと使用した場合について説明する。基板温度800℃、Alを70Å、Euを2Åで0.5PaのArガス雰囲気で積層したAl:Eu薄膜での発光スペクトル例を図2に示す。この場合に、Eu3+イオンを発光中心として既知のf−f遷移による610〜630nmの赤色領域の線状発光スペクトルとEu2+特有のd−f遷移によるブロードな発光スペクトルが観測された。すなわち、Eu2+イオンとEu3+イオンの発光中心が混在している蛍光体薄膜が形成された。
【0040】
本成膜条件のうち温度については200℃〜800℃の範囲で実験を行った。第1実施例と同様に300℃以上の温度から発光が確認されたが、好ましくは、500℃以上である。母体結晶のAlの膜厚は第1実施例と同様に50Å〜120Åの範囲が好ましく、発光イオン濃度は、Ceに比較して少なくEuの膜厚換算で1Å〜2Åで成膜した時に発光強度が大きい結果を得た。したがって、AlとEuの膜厚比率でいえば、約25〜120(Alに対するEu濃度が約0.5〜2mol%に相当)が良い結果を得た。
【0041】
この蛍光体薄膜の結晶性をX線回折法によって調べたところ、第1実施例と同様に非晶質状態であった。また、ArとH混合ガス雰囲気で作製した膜は、第1実施例と同様に水素還元作用の効果があり、Eu3+の発光中心の大部分がEu2+の発光中心で母体結晶に付活された。
Ar:Hの流量比を3:1として作製した薄膜の発光スペクトルを図3に示す。図3の曲線(a)は励起光254nmよって観測された発光スペクトルを、図3の曲線(b)h励起光365nmによって観測された発光スペクトルを示している。いずれの励起光に対してもEu3+に相当する発光スペクトルは少なく、Eu2+の発光中心による発光スペクトルが主となり、しかも発光強度も大きかった。第1実施例と同様、第2実施例でも、ArとHガスを混合してスパッタリングすることで、Alを母結晶として希土類元素を発光中心とする蛍光体薄膜が高品質化できることが確かめられた。
【0042】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の蛍光体薄膜では、色純度が良く、高輝度であるという効果を有する。
また本発明による蛍光体薄膜の作製方法は、単一の酸化物であるAl薄膜に希土類元素を添加する方法であるので、組成制御、結晶性がよく、再現性に優れた薄膜が形成できるという効果を有する。
したがって、従来考えられなかったAl薄膜を母体結晶とする蛍光体薄膜を作製することができ、表示用装置に用いられる蛍光体薄膜として幅広い用途が生み出せる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る蛍光体薄膜の発光スペクトルを示す図である。
【図2】アルゴンガス雰囲気で作製された他の実施形態に係るAl:Eu薄膜の発光スペクトルを示す。
【図3】アルゴンと水素の混合ガス雰囲気で作製された他の実施形態に係るAl:Eu蛍光体薄膜の光励起による発光スペクトルを示す。
【図4】マグネトロンスパッタ装置の要部構成概念図である。
【符号の説明】
10 マグネトロンスパッタ装置
11,12 ターゲット
13,14 シャッター
15 加熱基板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a display device such as a thin film electroluminescence element and a field emission element, and is excellent in controlling the composition of a phosphor thin film and in controlling the concentration of a luminescent center, and has good color purity and high brightness. The present invention relates to a method for producing a thin film.
[0002]
[Prior art]
It is indispensable to color the phosphor for use in displays for personal computers, TVs and other displays. At present, ZnS: Sm and CaS: Eu are used as red light emitters, ZnS: Tb and CaS: Ce as green light emitters, and SrS: Ce and ZnS: Tm are used as blue light emitting phosphors. The phosphor thin films related to the three primary colors of red, green and blue have problems to be solved in light emission luminance, efficiency and color purity, and research is being continued (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Many phosphors are obtained by adding a small amount of luminescent ions (activator) to a substance called a host crystal. Rare earth ions are often used as the activator ions. Until now, host crystals have been composed of oxides, sulfides, phosphates, halides, and the like composed of elements with the same ionic radius that can be replaced with rare earth ions.Many host crystals have complicated compositions and Has become. It is difficult to produce a high-quality phosphor thin film by controlling the chemical or physical properties of the multi-component host crystal and the luminescent center material.
For example, thiogallate- or thioaluminate-based blue phosphors such as SrGa 2 S 4: Ce, CaGa 2 O 3 and BaAl 2 S 4 : Eu having significantly improved problematic blue color purity have been developed (for example, Patent Document 2).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to make them thin, it is difficult to obtain a thin film having a uniform composition because of a multicomponent composition. Further, since the composition controllability is poor, the crystallinity is poor, or the occurrence of defects becomes a problem, and it has not been possible to form a phosphor thin film having practically high luminance yet.
In addition to pointing out these problems, an EL panel having a phosphor thin film with good color purity has been proposed (see, for example, Patent Document 3), but the host crystal has a multicomponent composition of alkaline earth sulfide, There is room for improvement in composition control.
Conventionally, rare earth ions to be added as activator ions are selected from those having the same ionic radius as those of the elements constituting the host crystal. There is no phosphor thin film in which a rare earth element is added to a host crystal as an oxide.
Furthermore, there has been no report on producing a phosphor thin film using Al 2 O 3 as a host crystal by vacuum evaporation, sputtering, laser evaporation, or the like, which is used for forming a normal phosphor thin film.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2003-31369 (front page, FIG. 2)
[Patent Document 2]
JP 08-134440 A (front page, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-2003-45660 (front page, [0005])
[0006]
Therefore, the present invention solves such a problem, and uses a single element oxide having an ionic radius remarkably different from the rare earth ion to be added, particularly Al 2 O 3 as a host crystal, to control composition and emit light. It is an object of the present invention to provide a phosphor thin film having excellent center density control, good color purity, and high luminance, and a method for producing the phosphor thin film.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the phosphor thin film of the present invention is characterized in that a single element oxide thin film is compared with an ionic radius of an element constituting a single element oxide. A light-emitting thin film having a large ionic radius and a rare-earth element added to form a light-emitting center using a single-element oxide thin film as a host crystal.
In the invention according to claim 2, in addition to the above configuration, the light-emitting thin film contains one or more rare-earth elements, and can emit either monochromatic or multicolor light by activating light-emitting ions of the rare-earth elements. It is characterized by the following.
[0008]
The invention according to claim 3 is characterized in that the concentration of the rare earth element is based on the thickness ratio of the oxide thin film and the light emitting thin film.
The invention according to claim 4 is characterized in that non-luminescent ions which do not become the luminescent center among the rare earth elements are reduced to have luminescent ions which become the luminescent center.
The invention according to claim 5 is characterized in that the emission intensity is increased based on the emission center ion obtained by reducing the rare earth element ion.
The invention according to claim 6 is characterized in that it has a structure in which oxide thin films and light emitting thin films are alternately stacked.
The invention according to claim 7 is characterized in that it has a structure in which an oxide thin film and a light emitting thin film are mixed.
[0009]
The invention according to claim 8 is characterized in that it has a structure in which a light-emitting thin film is formed on a part of an oxide thin film, either a stacked layer or a mixed layer.
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a structure in which a light-emitting thin film is sequentially formed on a part of each oxide thin film in correspondence with a structure in which the oxide thin films are sequentially stacked, and the vertical direction of the stacked oxide thin film Is characterized by having a layer that partially emits light.
The invention according to claim 10 is characterized in that both the oxide thin film and the light emitting thin film are formed by sputtering.
An eleventh aspect of the present invention is characterized in that the oxide thin film is an Al 2 O 3 thin film, the light emitting thin film is a CeO 2 thin film, and the Ce concentration with respect to Al 2 O 3 is equivalent to 2 to 7 mol%. I do.
According to a twelfth aspect of the present invention, the oxide thin film is an Al 2 O 3 thin film, the light emitting thin film is a Eu 2 O 3 thin film, and the Eu concentration with respect to Al 2 O 3 corresponds to 0.5 to 2 mol%. It is characterized by the following.
[0010]
The phosphor thin film having such a configuration has good color purity and high luminance.
[0011]
In the method for producing a phosphor thin film of the present invention, the invention according to claim 13 includes a first step of forming a single element oxide thin film on a heated substrate by sputtering, A second step of forming a light-emitting thin film to which a rare-earth element that forms a light-emitting center by using the thin film as a host crystal and forming a light-emitting center is formed by sputtering.
According to a fourteenth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the first step and the second step are alternately repeated to laminate the phosphor thin films.
The invention according to claim 15 is characterized in that the first step and the second step are simultaneously performed to form a mixed phosphor thin film.
[0012]
The invention according to claim 16 is characterized in that, in the second step, a light emitting thin film is formed on a part of the oxide thin film formed in the first step.
The invention according to claim 17 is that, as the target of the rare earth element which becomes the luminescence center in the second step, a target of the rare earth element itself, any one of a rare earth element oxide, a rare earth element sulfide and a rare earth element fluoride, or a combination thereof To form a light emitting thin film by sputtering.
The invention according to claim 18 is characterized in that in the second step, a plurality of targets of rare earth elements are simultaneously sputtered to activate a plurality of light-emitting ions, thereby forming a phosphor thin film which emits light in multiple colors.
The invention according to claim 19 is characterized in that either the first step or the second step, or both steps, are performed by sputtering under an inert gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of an inert gas and hydrogen gas. It is characterized by forming a film.
[0013]
The invention according to claim 20 is characterized in that the single element oxide thin film formed in the first step is an Al 2 O 3 thin film, and the light emitting thin film formed in the second step is CeO 2. .
The invention of claim 21, wherein, in addition to the structure described above, Al 2 O 3 thin film and CeO 2 film thickness ratio of the thin film is characterized in that 7 to 30.
The invention according to claim 22 is that the single element oxide thin film formed in the first step is an Al 2 O 3 thin film, and the light emitting thin film formed in the second step is an Eu 2 O 3 thin film. Features.
According to a twenty- third aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the thickness ratio of the Al 2 O 3 thin film to the Eu 2 O 3 thin film is 25 to 120.
[0014]
In the method of manufacturing a phosphor thin film having such a configuration, since a rare earth element is added to the Al 2 O 3 thin film, which is a single oxide, the fluorescence is excellent in composition control, crystallinity, and excellent reproducibility. A body thin film can be formed.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A preferred embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
A preferred embodiment according to the phosphor thin film of the present invention is a phosphor thin film in which a single element oxide, Al 2 O 3 , is used as a host crystal and a rare earth element is used as a luminescent center. A rare earth element whose ionic radius is significantly different from the ionic radius of the element is added.
[0016]
Al has a valence of trivalence, a coordination number of 6, and an ionic radius of 0.53 °. When a rare earth element is added, for example, Ce has a valence of 3, and a coordination number of 6, and has an ionic radius of 1.01 °. Tb has a valence of 3, and a coordination number of 6, and has an ionic radius of 1.01 °. Is 0.92Å, Eu is divalent, has a coordination number of 6, and has an ionic radius of 1.17, and Lu is trivalent, has a coordination number of 6, and has an ionic radius of 0.86Å. is there.
Therefore, the ionic radius of the added rare earth element is approximately twice as large as the ionic radius of Al constituting the host crystal. Here, in the present embodiment, a large difference means a difference of about twice.
[0017]
Phosphor thin film of the present embodiment is provided with Al 2 O 3 thin film is deposited as a host crystal onto the substrate, and a CeO 2 thin film which is laminated as an oxide of a rare earth element as an emission center, Al 2 O 3 thin film It has a structure in which the luminescent center is dissolved in the host crystal. The Al 2 O 3 thin film and the CeO 2 thin film are thin films produced by sputtering.
The substrate only needs to be able to withstand the temperature at which the thin film is formed and the temperature at which the rare-earth ions serving as the emission center are activated, and the heat-resistant temperature is desirably 800 ° C. or higher. For example, a quartz glass substrate, an alumina substrate, or the like is preferable.
[0018]
In order to add an appropriate amount and an appropriate amount of rare earth ions in the base crystal of the Al 2 O 3 thin film, the amount of each thin film deposited and the substrate temperature are determined. For example, when the rare earth ion is Ce, if the substrate temperature is set to 500 ° C. to 800 ° C., the luminescent centers are dissolved in the Al 2 O 3 thin film host crystal, and a phosphor thin film in which the luminescent centers are uniformly distributed can be obtained.
The Al 2 O 3 thin film and CeO 2 film thickness ratio of the thin film, uniform distribution of the luminescent ions, is determined from such emission intensity, Al 2 O 3 thin film is preferably in the range of 50A~120A, CeO 2 thin film at this time Is preferably 4 ° to 7 °.
Therefore, it is preferable that the Al 2 O 3 thin film and the CeO 2 thin film are stacked in a thickness ratio of about 7 to 30. At this time, the Ce concentration with respect to Al 2 O 3 corresponds to about 2 to 7 mol%.
[0019]
The present embodiment is a phosphor thin film in which an Al 2 O 3 thin film having a thickness of 70 ° and a CeO 2 thin film having a thickness of 4 ° are stacked on a heated substrate at 600 ° C.
FIG. 1 is a diagram showing an emission spectrum of the phosphor thin film according to the present embodiment, in which the vertical axis indicates the emission intensity (relative intensity), the horizontal axis indicates the emission wavelength, and (a) indicates the fluorescence produced in an argon gas atmosphere. (B) shows the emission spectrum of the phosphor thin film produced in a mixed gas atmosphere of argon gas and hydrogen gas.
Note that the embodiment corresponds to a diagram showing an emission spectrum in the example for convenience of explanation.
[0020]
Referring to FIG. 1A, a phosphor thin film formed in an atmosphere of an inert gas such as an argon gas emits blue light having an emission peak of about 460 nm corresponding to Ce 3+ with respect to excitation light of 360 nm.
Referring to FIG. 1 (b), the phosphor thin film formed in a mixed gas atmosphere of argon gas and hydrogen gas has a remarkably higher emission intensity than that of the phosphor thin film formed in an argon gas atmosphere. It emits blue light having an emission peak of about 450 nm and good color purity.
[0021]
By the way, in a sputtering gas atmosphere of a mixed gas of an argon gas and an oxygen gas, the atmosphere becomes an oxidizing atmosphere, and Ce 4+, which is non-luminous, is added to the base crystal instead of Ce 3+ , which serves as a luminescent center. Not observed. However, an argon gas or a mixed gas of an argon gas and a hydrogen gas forms a reducing atmosphere, and can be activated by Ce + 3. As shown in FIG. 1, photoluminescence can be observed in the Al 2 O 3 : Ce phosphor thin film.
[0022]
This emission peak is about 450 nm as shown in FIG. 1B, and emits strong blue light even in daylight.
Generally, the better the crystallinity, the stronger the light emission. Therefore, it is conceivable to locally improve the crystallinity by introducing hydrogen gas. However, a reduction action is important to enter Ce 3+ from Ce 4+ into the parent crystal. It is considered that the ratio of entering Ce 3+ as a light-emitting ion increased due to the reduction effect of hydrogen. Therefore, in this embodiment, the phosphor thin film which can be activated so that non-light-emitting Ce 4+ becomes a luminescent center by being manufactured in a reducing atmosphere, and is activated as Ce 3+ which becomes light-emitting ions. Can be.
[0023]
Next, another embodiment will be described. This embodiment is a phosphor thin film in which an Al 2 O 3 thin film having a thickness of 70 ° and a Eu 2 O 3 thin film having a thickness of 2 ° are stacked on a substrate at 800 ° C.
The Al 2 O 3 thin film preferably has a range of 50 ° to 120 °, the luminescent ion concentration is lower than that of Ce, and the luminous intensity is high when the thickness of the Eu 2 O 3 thin film is 1 ° to 2 °. Therefore, it is preferable that the thickness of the Al 2 O 3 thin film and the Eu 2 O 3 thin film is about 25 to 120. At this time, the Eu concentration with respect to Al 2 O 3 corresponds to about 0.5 to 2 mol%.
[0024]
FIG. 2 shows an emission spectrum of an Al 2 O 3 : Eu phosphor thin film according to another embodiment prepared in an argon gas atmosphere, and (a) shows an emission spectrum corresponding to Eu 3+ ions with respect to excitation light of 254 nm. (B) shows the emission spectrum of Eu 2+ ions with respect to the excitation light of 365 nm. In another embodiment in an argon gas atmosphere, as shown in FIG. 2A, a linear emission spectrum in a red region of 610 nm to 630 nm due to a known ff transition centered on Eu 3+ ions, and FIG. As shown in b), a broad emission spectrum due to the df transition characteristic of Eu 2+ ions is observed. That is, this other embodiment is a phosphor thin film in which the emission centers of Eu 2+ ions and Eu 3+ ions are mixed.
[0025]
FIG. 3 shows an emission spectrum of an Al 2 O 3 : Eu phosphor thin film according to another embodiment prepared in a mixed gas atmosphere of argon and hydrogen, and (a) corresponds to Eu 3+ ions with respect to excitation light of 254 nm. (B) shows the emission spectrum of Eu 2+ ion with respect to the excitation light of 365 nm. As shown in FIG. 3, the emission spectrum corresponding to Eu 3+ is small, the emission spectrum due to the emission center of Eu 2+ is mainly, and the emission intensity is large.
Therefore, in the phosphor thin film produced in a mixed gas atmosphere of argon and hydrogen, most of the luminescence centers of Eu 3+ are activated by the host crystal as luminescence centers of Eu 2+ due to the effect of hydrogen reduction.
[0026]
In the above-described embodiment, an example of a fluorescent thin film obtained by activating Ce and Eu on Al 2 O 3 has been described. However, 12 kinds of trivalent rare earth elements (Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) may be used as the phosphor thin film.
[0027]
In addition, although a phosphor thin film having a structure in which an Al 2 O 3 thin film serving as a host crystal and a thin film forming an emission center are stacked has been described as an example, a structure in which these thin films are alternately stacked may be employed. Alternatively, the structure may be a mixed layer.
Further, the thin film forming the emission center may have a structure having different types of emission center ions. At this time, the thin film may be formed as a stacked layer or a mixed layer.
The phosphor thin film having such a configuration can emit light in multiple colors by activating a plurality of light-emitting ions.
[0028]
Further by increasing the thickness of the Al 2 O 3 as a host crystal, and locally emission ions are added structure only part of the laminated film, and a thin film to form Al 2 O 3 thin film as an emission center A phosphor thin film having a layered structure obtained by repeating the above may be used. In the phosphor thin film having such a configuration, since a layer partially emits light in a vertical plane of the phosphor thin film, light can be partially emitted in the vertical plane.
[0029]
Next, a method for manufacturing a phosphor thin film will be described.
In a preferred embodiment of the method for producing a phosphor thin film according to the present invention, a magnetron sputtering apparatus that is frequently used for forming a thin film of an inorganic oxide is preferably used as a film forming apparatus. FIG. 4 is a conceptual diagram of a main part configuration of a magnetron sputtering apparatus. Referring to FIG. 4, magnetron sputtering apparatus 10 includes an Al 2 O 3 target 11 serving as a base crystal thin film, a rare earth element oxide target 12 serving as a luminescence center ion, and a target 11, 12 driven and rotated. A heating substrate 15 disposed directly above, and shutters 13 and 14 on each of the targets 11 and 12 for controlling deposition of sputter particles from each of the targets 11 and 12; High-frequency power is independently applied to 11 and 12, and binary simultaneous discharge is enabled. In the example shown in FIG. 4, only two sets of targets and shutters are shown, but these may be two or more as appropriate.
[0030]
In place of the target of the rare earth element oxide serving as the emission center ion, a target of a rare earth element itself, a target of a rare earth element sulfide, or a compound target of a rare earth element fluoride may be used.
[0031]
In such a magnetron sputtering apparatus 10, when the heated substrate 15 comes on the Al 2 O 3 target 11, the shutter 13 is opened, and the sputtered particles of the Al 2 O 3 target 11 are deposited on the heated substrate 15 by the applied power and time. accumulate.
Next, the heating substrate 15 moves onto the target 12 of an oxide of a rare earth element such as CeO 2 or Eu 2 O 3, and sputtered particles of the oxide of the rare earth element are deposited on the heating substrate 15 depending on the applied power and time. .
[0032]
This operation is repeated to form a phosphor thin film by laminating thin films. In this example, sputter particles from each target are deposited under the control of the shutter. However, by using the dual simultaneous sputtering method, the Al 2 O 3 thin film, which is the host crystal, and the emission center ions are formed. It is also possible to form a rare earth element simultaneously in a laminated or mixed layer form. Even when this mixed layer is formed, composition control and uniform addition of the luminescent center are extremely good.
[0033]
Further, it is also possible to form a thin film of a rare earth element oxide serving as a luminescence center ion on a part of the Al 2 O 3 thin film by shutter control.
In addition, in the layer formation using two targets, the thickness of the Al 2 O 3 thin film serving as a host crystal is increased, and only a part of the layered film is made to have a structure in which luminescence center ions are added. A layered structure in which a 2 O 3 thin film and a phosphor thin film are repeated can be formed, and a layered phosphor thin film that emits light partially in a vertical plane of the thin film can be formed. Note that a sputtering gas can be introduced from each of gas lines of argon (Ar), hydrogen (H 2 ), and oxygen (O 2 ), and a thin film can be formed by changing a mixing ratio.
[0034]
Controlling the deposition amount of each layer and substrate temperature are important factors in order to activate and add a proper amount of rare earth element ions into the host crystal. By using a binary target and, if necessary, two or more targets, each target can be controlled independently, so that the deposition amount of each layer can be freely set and a plurality of emission center ions can be added. If the temperature is set to a specific substrate temperature, the luminescent center is dissolved in the Al 2 O 3 host crystal, and a uniformly distributed phosphor thin film can be obtained.
[0035]
In such a method for producing a phosphor thin film, since a combination of a single element oxide and a rare earth element is used, the composition control in the thin film formation compared to the conventional phosphor thin film using a complex compound as a host crystal. It is excellent in controlling the concentration of the light emission center and the like.
Therefore, in the method for producing a phosphor thin film according to the present invention, a thin film having a uniform composition can be obtained, and a highly viable phosphor thin film having good crystallinity can be produced.
[0036]
【Example】
Next, examples will be described. First, a first embodiment will be described.
As a first embodiment, a case where CeO 2 is used as a target of a rare earth oxide will be described.
In an Ar gas atmosphere at a substrate temperature of 600 ° C. and 0.5 Pa, Al 2 O 3 was stacked at a thickness of 70 ° and CeO 2 at a thickness of 4 °. With this laminated film, a blue fluorescent thin film having an emission peak of about 460 nm corresponding to Ce 3+ with respect to the excitation light of 360 nm can be formed as shown in the emission spectrum (PL: photoluminescence) by the light excitation of FIG. Was.
In the present manufacturing conditions, the temperature is in the range of 200 ° C to 800 ° C. PL was observed from a temperature of 300 ° C. or higher, but preferably 500 ° C. or higher. The temperature was the temperature during film formation, and no other heat treatment was performed. At the time of growth, a phosphor thin film is formed.
[0037]
Although the thickness of each layer of Al 2 O 3 was observed to be PL even though it was quite thick (up to 1500 °), the range of 50 ° to 120 ° was preferable from the viewpoint of the uniform distribution of luminescent ions or luminous intensity. Similarly, a high emission center concentration can be realized for the luminescent ions, but from the viewpoint of uniform distribution and luminous intensity, the thickness is preferably 4 to 7 mm. Therefore, by stacking thin films formed with a thickness ratio of Al 2 O 3 and CeO 2 of about 7 to 30 (corresponding to a Ce concentration of about 2 to 7 mol% with respect to Al 2 O 3 ), a high-luminance blue Can be prepared.
[0038]
In a sputtering gas atmosphere formed by a mixture of Ar and oxygen (O 2 ) gas, an oxidizing atmosphere is formed, and Ce 4+ which becomes non-luminous instead of Ce 3+ which becomes a luminescence center is added to the host crystal, so PL is observed in the formed thin film. Was not done.
Ar and a mixed gas of Ar and H 2 resulted in a reducing atmosphere, which could be activated by Ce 3+ , and PL was observed in the Al 2 O 3 : Ce thin film.
In particular, the Al 2 O 3 : Ce thin film produced with a mixed gas of Ar and H 2 has a curve (b) in FIG. 1 which is different from the PL intensity of the thin film formed in an Ar gas atmosphere shown in the curve (a) in FIG. As shown, the PL intensity was remarkably large. In addition, a blue fluorescent thin film having an emission peak of about 450 nm and good color purity was obtained.
When the crystallinity of this phosphor thin film was examined by X-ray diffraction, it was found to be amorphous. The Al 2 O 3 : Ce thin film obtained in this example shows an intense blue emission as it can be confirmed even in daylight while being amorphous.
[0039]
Next, a case where Eu 2 O 3 is used as a rare-earth oxide target will be described as a second embodiment. FIG. 2 shows an example of an emission spectrum of an Al 2 O 3 : Eu thin film laminated at a substrate temperature of 800 ° C., Al 2 O 3 at 70 ° and Eu 2 O 3 at 2 ° in an Ar gas atmosphere of 0.5 Pa. In this case, a linear emission spectrum in the red region of 610 to 630 nm due to the known ff transition with the Eu 3+ ion as the emission center and a broad emission spectrum due to the df transition specific to Eu 2+ were observed. That is, a phosphor thin film in which the emission centers of Eu 2+ ions and Eu 3+ ions were mixed was formed.
[0040]
The experiment was performed at a temperature in the range of 200 ° C. to 800 ° C. in the film forming conditions. Although light emission was confirmed from a temperature of 300 ° C. or higher as in the first embodiment, it is preferably 500 ° C. or higher. The thickness of Al 2 O 3 of the host crystal is preferably in the range of 50 ° to 120 ° as in the first embodiment, and the luminous ion concentration is 1 ° to 2 ° in terms of Eu 2 O 3 film thickness, which is smaller than that of Ce. When the film was formed, the result was that the emission intensity was large. Therefore, in terms of the film thickness ratio of Al 2 O 3 and Eu 2 O 3, a good result was obtained at about 25 to 120 (the Eu concentration with respect to Al 2 O 3 was equivalent to about 0.5 to 2 mol%).
[0041]
When the crystallinity of this phosphor thin film was examined by an X-ray diffraction method, it was in an amorphous state as in the first embodiment. Further, the film formed in the mixed gas atmosphere of Ar and H 2 has the effect of the hydrogen reducing action similarly to the first embodiment, and most of the luminescence center of Eu 3+ is activated by the luminescence center of Eu 2+ to the host crystal. Was done.
FIG. 3 shows an emission spectrum of a thin film manufactured with a flow ratio of Ar: H 2 of 3: 1. The curve (a) in FIG. 3 shows the emission spectrum observed with the excitation light of 254 nm, and the curve (b) in FIG. 3 shows the emission spectrum observed with the excitation light of 365 nm. The emission spectrum corresponding to Eu 3+ was small for any of the excitation lights, the emission spectrum based on the emission center of Eu 2+ was dominant, and the emission intensity was high. As in the first embodiment, also in the second embodiment, by mixing and sputtering Ar and H 2 gas, it is possible to improve the quality of a phosphor thin film having Al 2 O 3 as a mother crystal and a rare earth element as a luminescent center. Was confirmed.
[0042]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, the phosphor thin film of the present invention has the effects of good color purity and high luminance.
Further, since the method for producing a phosphor thin film according to the present invention is a method in which a rare earth element is added to an Al 2 O 3 thin film that is a single oxide, a thin film having excellent composition control, good crystallinity, and excellent reproducibility can be obtained. It has the effect that it can be formed.
Therefore, a phosphor thin film using an Al 2 O 3 thin film as a host crystal, which has not been considered conventionally, can be produced, and a wide range of applications can be produced as a phosphor thin film used for a display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an emission spectrum of a phosphor thin film according to the present embodiment.
FIG. 2 shows an emission spectrum of an Al 2 O 3 : Eu thin film according to another embodiment manufactured in an argon gas atmosphere.
FIG. 3 shows an emission spectrum by photoexcitation of an Al 2 O 3 : Eu phosphor thin film according to another embodiment produced in a mixed gas atmosphere of argon and hydrogen.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a main part configuration of a magnetron sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 magnetron sputtering apparatus 11, 12 target 13, 14 shutter 15 heated substrate

Claims (23)

単一元素の酸化物薄膜と、この単一元素の酸化物を構成する元素のイオン半径と比べて大きいイオン半径を持つとともに、この単一元素の酸化物薄膜を母体結晶として発光中心を形成する希土類元素を添加した発光薄膜とを備えた蛍光体薄膜。A single-element oxide thin film has an ionic radius larger than the ionic radius of the element constituting the single-element oxide, and the single-element oxide thin film is used as a host crystal to form an emission center. A phosphor thin film comprising a light emitting thin film to which a rare earth element is added. 前記発光薄膜が単数及び複数のいずれかの希土類元素を含み、この希土類元素の発光イオンを付活することにより単色及び多色のいずれか発光可能であることを特徴とする、請求項1に記載の蛍光体薄膜。2. The light-emitting thin film according to claim 1, wherein the light-emitting thin film contains one or more rare-earth elements, and can emit either monochromatic or multicolor light by activating light-emitting ions of the rare-earth elements. 3. Phosphor thin film. 前記酸化物薄膜と前記発光薄膜の膜厚比率に基づいた希土類元素の添加濃度を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to claim 1, wherein the phosphor thin film has an addition concentration of a rare earth element based on a thickness ratio of the oxide thin film and the light emitting thin film. 前記希土類元素のうち発光中心とならない非発光イオンを還元して発光中心となる発光イオンを有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 3, further comprising a light-emitting ion that becomes a light-emitting center by reducing non-light-emitting ions that do not become a light-emitting center among the rare earth elements. 前記希土類元素イオンを還元した発光中心イオンに基づいて発光強度を大きくしたことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein a light emission intensity is increased based on a light emission center ion obtained by reducing the rare earth element ion. 前記酸化物薄膜と前記発光薄膜とを交互に積層した構造を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the phosphor thin film has a structure in which the oxide thin film and the light emitting thin film are alternately stacked. 前記酸化物薄膜と前記発光薄膜とが混層した構造を有していることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the phosphor thin film has a structure in which the oxide thin film and the light emitting thin film are mixed. 前記酸化物薄膜の一部に前記発光薄膜を積層及び混層のいずれかを形成した構造を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the phosphor thin film has a structure in which one of the light emitting thin film is laminated and a mixed layer is formed on a part of the oxide thin film. 前記酸化物薄膜が順次積層した構造に対応して、各酸化物薄膜の一部に前記発光薄膜を順次形成した構造であって、積層した酸化物薄膜の垂直方向面内に部分的に発光する層を有していることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の蛍光体薄膜。Corresponding to the structure in which the oxide thin films are sequentially stacked, the light emitting thin film is sequentially formed on a part of each oxide thin film, and light is partially emitted in a vertical plane of the stacked oxide thin films. The phosphor thin film according to claim 1, further comprising a layer. 前記酸化物薄膜及び前記発光薄膜のいずれもがスパッタリングにより形成されたことを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The phosphor thin film according to any one of claims 1 to 9, wherein both the oxide thin film and the light emitting thin film are formed by sputtering. 前記酸化物薄膜がAl薄膜であり、前記発光薄膜がCeO薄膜であって、Alに対するCe濃度が2〜7mol%に相当することを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の蛍光体薄膜。Wherein an oxide thin film Al 2 O 3 thin film, the light-emitting thin film is a CeO 2 film, Ce concentration with respect to Al 2 O 3 is equal to or equivalent to 2~7Mol%, claims 1 to 10 The phosphor thin film according to any one of the above. 前記酸化物薄膜がAl薄膜であり、前記発光薄膜がEu薄膜であって、Alに対するEu濃度が0.5〜2mol%に相当することを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の蛍光体薄膜。The oxide thin film is a Al 2 O 3 thin film, the light-emitting thin film is an Eu 2 O 3 thin film, Eu concentration against Al 2 O 3 is equal to or equivalent to 0.5 to 2 mol%, wherein Item 11. The phosphor thin film according to any one of Items 1 to 10. 加熱した基板上に単一元素の酸化物薄膜をスパッタリングにより成膜する第1工程と、この単一元素の酸化物薄膜を母体結晶として発光中心を形成する希土類元素を添加した発光薄膜をスパッタリングにより成膜する第2工程とを備える蛍光体薄膜の作製方法。A first step of forming a single-element oxide thin film on a heated substrate by sputtering, and a step of forming a light-emitting thin film to which a rare-earth element that forms a luminescence center using the single-element oxide thin film as a host crystal by sputtering; And a second step of forming a film. 前記第1工程と前記第2工程とを交互に繰り返して積層した蛍光体薄膜を形成したことを特徴とする、請求項13に記載の蛍光体薄膜の作製方法。14. The method according to claim 13, wherein the first step and the second step are alternately repeated to form a laminated phosphor thin film. 前記第1工程と前記第2工程を同時に実施して混層した蛍光体薄膜を形成したことを特徴とする、請求項13又は14に記載の蛍光体薄膜の作製方法。15. The method for producing a phosphor thin film according to claim 13, wherein the first step and the second step are performed simultaneously to form a mixed phosphor thin film. 前記第2工程において前記第1工程で形成された酸化物薄膜の一部に前記発光薄膜を形成したことを特徴とする、請求項13〜16のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。17. The method according to claim 13, wherein the light emitting thin film is formed on a part of the oxide thin film formed in the first step in the second step. 前記第2工程において発光中心となる希土類元素のターゲットとして、希土類元素自体のターゲット、希土類元素酸化物、希土類元素硫化物及び希土類元素弗化物のいずれか、或いはこれらの組み合わせをスパッタリングして発光薄膜を成膜したことを特徴とする、請求項13〜16のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。In the second step, as the target of the rare earth element serving as the emission center in the second step, a target of the rare earth element itself, a rare earth element oxide, a rare earth element sulfide and a rare earth element fluoride, or a combination thereof is sputtered to form a light emitting thin film. The method for producing a phosphor thin film according to claim 13, wherein the phosphor thin film is formed. 前記第2工程において複数の希土類元素のターゲットを同時にスパッタリングして複数の発光イオンを付活することにより多色で発光する蛍光体薄膜を形成したことを特徴とする、請求項13〜17のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。18. The phosphor thin film according to claim 13, wherein a plurality of targets of rare earth elements are simultaneously sputtered in the second step to activate a plurality of light-emitting ions to form a phosphor thin film that emits light in multiple colors. A method for producing a phosphor thin film according to any one of the above. 前記第1工程及び第2工程のいずれか、或いは両方の工程が、不活性ガス雰囲気及び不活性ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気のいずれかのもとでスパッタリングして成膜したことを特徴とする、請求項13〜18のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。Either the first step or the second step, or both steps, are formed by sputtering under an inert gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of an inert gas and a hydrogen gas. The method for producing a phosphor thin film according to any one of claims 13 to 18. 前記第1工程において成膜する単一元素の酸化物薄膜がAl薄膜であり、前記第2工程において成膜する発光薄膜がCeOであることを特徴とする請求項13〜19のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。Oxide thin film of a single element of depositing in said first step is Al 2 O 3 thin film, the light-emitting thin film to be formed in the second step of claim 13 to 19, characterized in that the CeO 2 A method for producing a phosphor thin film according to any one of the above. 前記Al薄膜と前記CeO薄膜の膜厚比率が7〜30であることを特徴とする、請求項20に記載の蛍光体薄膜の作製方法。Characterized in that the Al 2 O 3 thin film with a thickness ratio of the CeO 2 thin film is 7 to 30, a method for manufacturing a phosphor thin film according to claim 20. 前記第1工程において成膜する単一元素の酸化物薄膜がAl薄膜であり、前記第2工程において成膜する発光薄膜がEu薄膜であることを特徴とする、請求項13〜20のいずれかに記載の蛍光体薄膜の作製方法。The oxide thin film of a single element formed in the first step is an Al 2 O 3 thin film, and the light emitting thin film formed in the second step is a Eu 2 O 3 thin film. 21. The method for producing a phosphor thin film according to any one of 13 to 20. 前記Al薄膜と前記Eu薄膜の膜厚比率が25〜120であることを特徴とする請求項22に記載の蛍光体薄膜の作製方法。The method for manufacturing a phosphor thin film according to claim 22, wherein the Al 2 O 3 thin film and the Eu 2 O 3 ratio of the thickness of the thin film is characterized by a 25 to 120.
JP2003072759A 2003-03-17 2003-03-17 Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor Pending JP2004277612A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003072759A JP2004277612A (en) 2003-03-17 2003-03-17 Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003072759A JP2004277612A (en) 2003-03-17 2003-03-17 Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004277612A true JP2004277612A (en) 2004-10-07

Family

ID=33288865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003072759A Pending JP2004277612A (en) 2003-03-17 2003-03-17 Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004277612A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8174678B2 (en) 2007-12-17 2012-05-08 Asml Netherlands B.V. Lithographic apparatus with adjusted exposure slit shape enabling reduction of focus errors due to substrate topology and device manufacturing method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8174678B2 (en) 2007-12-17 2012-05-08 Asml Netherlands B.V. Lithographic apparatus with adjusted exposure slit shape enabling reduction of focus errors due to substrate topology and device manufacturing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0740490B1 (en) Thin-film electroluminescent element
JP2840185B2 (en) Phosphor thin film and thin film EL panel using the same
JP2003045660A (en) El panel
JP2003238953A (en) Phosphor and el panel
JP2002180038A (en) Phosphor thin film and method for producing the same, and el panel
TW528791B (en) Phosphor multilayer and EL panel
CA2282193A1 (en) Electroluminescent phosphor thin films
JP2004277612A (en) Fluorescent material thin film and manufacturing method therefor
WO2004075237A1 (en) Plasma display device and method for preparing phosphor
JP2003155480A (en) Oxide phosphor, electroluminescence element and manufacturing method for the element
JPH0935869A (en) Manufacture of electroluminescence element
JP4944408B2 (en) Oxide phosphor, light emitting element, and display device
JP4994678B2 (en) Green phosphor and method for producing the same
JP2006351357A (en) Red el element
JP4125108B2 (en) Thin film electroluminescent device
US20110008584A1 (en) Fluorescent material, fluorescent substance, display, and process for preparing fluorescent substance
JP3501742B2 (en) Multilayer phosphor and EL panel
JP5192854B2 (en) Phosphor and display panel using the same
JP3726134B2 (en) Electroluminescent light emitting layer thin film, inorganic thin film electroluminescent element, and method for producing light emitting layer thin film
JP4249571B2 (en) Fluorescent light emitting device and manufacturing method thereof
JP4249572B2 (en) Fluorescent light emitting device and manufacturing method thereof
JP2828019B2 (en) ELECTROLUMINESCENT ELEMENT AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP2004307808A (en) Gadolinium oxide-vanadium oxide multicomponent oxide white luminous fluorescent material
JP2753723B2 (en) Red EL element
JP2006219641A (en) Light-emitting material and light-emitting element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050510

A977 Report on retrieval

Effective date: 20080123

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20080205

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A02 Decision of refusal

Effective date: 20080610

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02