JP2005353578A - Light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無機発光体に電圧を印加して発光させる発光素子及び発光素子を用いた表示装置に関する。 The present invention relates to a light emitting element that emits light by applying a voltage to an inorganic light emitter, and a display device using the light emitting element.
発光体として硫化亜鉛などの無機蛍光体を用いた発光素子(以下、EL素子と言う)は、自発発光性を有し、視認性に優れ、視野角が広く、応答速度が速いことから、テレビ用ディスプレイ・パソコン用ディスプレイなどの表示装置への応用が期待されている。このような背景から、発光輝度が高くしかも安価なEL素子の実用化を目指した様々な提案がなされている。 A light-emitting element using an inorganic phosphor such as zinc sulfide as a light-emitting body (hereinafter referred to as an EL element) has spontaneous emission, excellent visibility, a wide viewing angle, and a high response speed. Application to display devices such as displays for computers and displays for personal computers is expected. Against this background, various proposals have been made with the aim of putting EL elements having high emission luminance and low cost into practical use.
基板の上に、第1電極と、誘電体層と無機発光体層とからなる発光層と、第2電極とを順次積層した構成のEL素子が、一般によく知られている。この種のEL素子は、発光体層に印加する電圧に比例して発光輝度が高くなる。したがって、印加電圧を上げて発光輝度を高くするためには、以下に説明するように誘電体層の絶縁耐圧特性が重要になる。 An EL element having a configuration in which a first electrode, a light emitting layer composed of a dielectric layer and an inorganic light emitting layer, and a second electrode are sequentially laminated on a substrate is generally well known. This type of EL element has higher emission luminance in proportion to the voltage applied to the light emitter layer. Therefore, in order to increase the emission luminance by increasing the applied voltage, the dielectric strength characteristics of the dielectric layer are important as described below.
第1電極と第2電極との間に発光駆動電圧Vaを印加すると、発光体層に印加される電圧Vpおよび誘電体層に印加される電圧Viは、下記式(1)で表されることが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
Vp=εi・dp/(εidp+εpdi)・Va (1)
Vi=εp・di/(εpdi+εidp)・Va
但し、εiは誘電体層の比誘電率、εpは発光体層の比誘電率、diは誘電体層の層厚、dpは発光体層の層厚である。
When the light emission driving voltage Va is applied between the first electrode and the second electrode, the voltage Vp applied to the light emitter layer and the voltage Vi applied to the dielectric layer are expressed by the following formula (1). Is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
Vp = εi · dp / (εidp + εpdi) · Va (1)
Vi = εp · di / (εpdi + εidp) · Va
Where εi is the relative dielectric constant of the dielectric layer, εp is the relative dielectric constant of the phosphor layer, di is the thickness of the dielectric layer, and dp is the layer thickness of the phosphor layer.
上記式(1)から分るように、発光体層にかかる電圧Vpを大きくして発光輝度を高くするためには、誘電体層の比誘電率εiを大きくし、かつ層厚diを薄くすると共に、誘電体層の絶縁耐圧を電圧Vi以上にする必要がある。誘電体層の薄層化と高絶縁耐圧化とを同時に実現させることが、高輝度化に対する誘電体層に要求される重要な技術課題である。 As can be seen from the above equation (1), in order to increase the voltage Vp applied to the light emitting layer and increase the light emission luminance, the dielectric constant εi of the dielectric layer is increased and the layer thickness di is decreased. At the same time, the dielectric breakdown voltage of the dielectric layer needs to be equal to or higher than the voltage Vi. Realizing both the thinning of the dielectric layer and the high withstand voltage is an important technical problem required of the dielectric layer for high luminance.
この課題を解決するために、誘電体層をスパッタ法などの薄膜形成法で形成する提案が数多くなされている。しかし、薄膜形成法で形成した誘電体層は、誘電体結晶の緻密性(以下、密度と言う)が小さいため絶縁耐圧が低い(例えば、特許文献1参照。)。したがって、高電圧を発光体層に印加すると誘電体層が絶縁破壊してしまうため、発光輝度を高くすることができなかった。そこで、特開2001−196184号公報では、誘電体層の密度を大きくして絶縁耐圧を高くするために、誘電体層を厚膜法で形成することを提案している。 In order to solve this problem, many proposals for forming a dielectric layer by a thin film forming method such as a sputtering method have been made. However, the dielectric layer formed by the thin film formation method has a low dielectric strength because the denseness (hereinafter referred to as density) of the dielectric crystal is small (see, for example, Patent Document 1). Therefore, when a high voltage is applied to the light emitting layer, the dielectric layer breaks down, so that the light emission luminance cannot be increased. In view of this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-196184 proposes forming the dielectric layer by a thick film method in order to increase the density of the dielectric layer and increase the withstand voltage.
すなわち、Ba2AgNbO15粉体をバインダ樹脂に分散した誘電体ペーストをアルミナ基板にスクリーン印刷した後、1100℃で焼成して高密度な誘電体層を形成する。このとき、誘電体層の表面には1μm以上の凹凸が発生する。1μm以上の凹凸のある誘電体層の上に発光体層を積層すると、発光駆動電圧を印加したときに発光体層が絶縁破壊を起こすため、誘電体層の表面を研磨して表面の凹凸を1μm以下に平坦化する必要がある。以上のような構成にして高輝度化を図っている。 That is, a dielectric paste in which Ba 2 AgNbO 15 powder is dispersed in a binder resin is screen-printed on an alumina substrate and then baked at 1100 ° C. to form a high-density dielectric layer. At this time, unevenness of 1 μm or more is generated on the surface of the dielectric layer. When a light emitting layer is laminated on a dielectric layer with unevenness of 1 μm or more, the light emitting layer causes dielectric breakdown when a light emission driving voltage is applied. Therefore, the surface of the dielectric layer is polished to reduce the surface unevenness. It is necessary to planarize to 1 μm or less. The above configuration is used to increase the brightness.
しかし、特開2001−196184号公報に開示されている従来のEL素子は、1100℃で焼成した誘電体を用いるため、耐熱温度の高い特殊な基板を用いなければならなかった。このため、材料コストが高くなるという問題点があった。また、焼成後の誘電体層の表面を平坦化する工程が必要になる。したがって、工数が増えるため製造コストが高くなるという問題点があった。 However, since the conventional EL element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196184 uses a dielectric fired at 1100 ° C., a special substrate having a high heat resistance temperature must be used. For this reason, there existed a problem that material cost became high. Further, a step of flattening the surface of the dielectric layer after firing is required. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost increases because the number of man-hours increases.
そこで、本発明は、従来の問題点を解決して、高輝度化と低価格化とを同時に実現したEL素子及び該EL素子を用いた表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an EL element that solves the conventional problems and realizes high luminance and low price at the same time, and a display device using the EL element.
本発明に係るEL素子は、発光体層と誘電体層とが積層されてなる発光層と、前記発光層に電場を印加する一対の電極とを有する発光素子であって、
前記誘電体層はペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体は、X線回折法で求めたa軸の格子定数よりc軸の格子定数が大きいことを特徴とする。これによって、高輝度化と低価格化とを同時に解決した。
An EL device according to the present invention is a light emitting device having a light emitting layer in which a light emitting layer and a dielectric layer are laminated, and a pair of electrodes for applying an electric field to the light emitting layer,
The dielectric layer is composed of a dielectric made of a crystal having a perovskite structure, and the crystal has a c-axis lattice constant larger than an a-axis lattice constant determined by an X-ray diffraction method. . As a result, high brightness and low price were solved at the same time.
また本発明の表示装置は、
基板の上に、ストライプ状の第1電極と、誘電体層と、発光体層と、前記第1電極と直交するストライプ状の第2電極とが順次積層された発光素子と、
前記第1及び第2電極の間に駆動電圧を印加して前記発光体層を発光させる駆動回路と
を有する単純マトリクス方式の表示装置であって、
前記誘電体層は、ペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体のX線回折法で求めたa軸の格子定数よりc軸の格子定数が大きいことを特徴とする。これによって、高輝度化と低価格化とを同時に解決した。
Moreover, the display device of the present invention includes:
A light emitting device in which a stripe-shaped first electrode, a dielectric layer, a light-emitting layer, and a stripe-shaped second electrode orthogonal to the first electrode are sequentially stacked on a substrate;
A simple matrix type display device having a drive circuit that applies a drive voltage between the first and second electrodes to cause the light emitting layer to emit light,
The dielectric layer is made of a dielectric made of a crystal having a perovskite structure, and has a c-axis lattice constant larger than an a-axis lattice constant obtained by an X-ray diffraction method of the crystal. . As a result, high brightness and low price were solved at the same time.
本発明によるEL素子およびその表示装置によれば、誘電体層の絶縁耐圧が高いため発光輝度が高く、また汎用性の安価なガラス基板を用いることができるため低価格化が図れる。したがって、テレビなどのディスプレイに適用可能な高輝度化と低価格化とを同時に実現できる効果が得られる。 According to the EL element and the display device of the present invention, the dielectric breakdown voltage of the dielectric layer is high, so that the emission luminance is high, and a versatile and inexpensive glass substrate can be used, so that the price can be reduced. Therefore, it is possible to obtain an effect of simultaneously realizing high brightness and low price applicable to a display such as a television.
本発明の実施の形態について添付図面を用いて説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るEL素子の断面を模式的に示す断面図である。このEL素子16は、基板11の上に、第1電極であるストライプ状の背面電極12と、誘電体を薄膜形成法で成膜した誘電体層13と、無機発光体からなる発光体層14と、第2電極であるストライプ状の透明な前面電極15とが順に積層されている。背面電極12と前面電極15は、それぞれのストライプの延びる方向が互いに直交するように配置されている。そして、背面電極12と前面電極15との間に電圧を印加すると、背面電極12と前面電極15の交差部の発光体層12から発光した光17が前面電極15を透過して放射される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of an EL element according to
以下にEL素子16の各構成部材について説明する。
基板11としては、セラミック基板、耐熱処理を施した高耐熱性プラスチック基板、ガラス基板など、通常のEL素子に用いられている基板であればいずれでも適用できる。特に、無アルカリガラスなどのガラス基板は、機械的強度が強くしかも材料コストが安価になる点で好ましい。
Hereinafter, each component of the
As the
背面電極12としては、Pt、Pd、Au、Ir、Rh、Niなどの導電体であればいずれでも適用できる。また必要に応じて、これらの導電体を積層したもの、あるいはこれらの導電体を混合したものでもよい。また目的に応じて、以下に述べる透明導電体を用いてもよい。
As the
前面電極15としては、ITO(In2O3にSnO2をドープしたもの)、InZnO、酸化錫など一般に良く知られている光透過性の透明導電体であればいずれでも適用できる。尚、基板11側から光を取り出す場合は、背面電極12および前面電極15で説明した電極材料を入れ替えればよい。
As the
誘電体層13を構成する誘電体としては、図2に示すようなABO3で表されるペロブスカイト構造をした結晶性の誘電体であればいずれでも適用できる。特に、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム((Ba,Sr)TiO3)、チタン酸ビスマス(BiTiO3、但しBi:Ti=4:3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸ビスマスランタン((Bi,La)TiO3、但しBi:La:Ti=3.35:0.75:3)は誘電特性、絶縁耐圧特性、成膜特性などに優れる点で好ましい。また、これらの誘電体にCa、Mg、Bi、Zrのいずれかを2〜20原子%ドープしたものは、環境温度変化に対する発光輝度の変動が小さくなる点で好ましい。図3は、BaTiO3にCa、Mg、Bi、Zrのそれぞれを約5原子%ドープした誘電体を用いたEL素子の環境温度と発光輝度との関係を示した図である。この図から明らかなように、ドープした誘電体はいずれも、ドープしないBaTiO3と比較して環境温度変化に対する発光輝度の変動が小さくなっている。
As the dielectric constituting the
誘電体層13は、スパッタ法・CVD法(化学気相法)・MOCVD(有機金属化学気相法)などの薄膜形成法で形成したものが良い。その理由としては、次の3つが挙げられる。
イ)誘電体層13の密度が高くなるため絶縁耐圧特性および誘電特性が良好になる。
ロ)600℃以下の低温で成膜できるため耐熱温度の低い安価なガラス基板の使用が可能になる。
ハ)誘電体層13の表面粗さが小さく平坦性に優れた層が形成できるため誘電体層13の表面平坦化工程が不要になる。
The
B) Since the density of the
B) Since a film can be formed at a low temperature of 600 ° C. or lower, it is possible to use an inexpensive glass substrate having a low heat-resistant temperature.
C) Since the surface roughness of the
発明者等は、実験によって、誘電体層13の誘電特性および絶縁耐圧特性は、層を形成している誘電体の微視的な結晶構造および結晶配向と大きな相関があることを見出した。そこで以下に、誘電体層13の好ましい結晶構造および結晶配向の形態について説明する。
The inventors have found through experiments that the dielectric characteristics and dielectric strength characteristics of the
結晶構造および結晶配向の評価はX線回折法を用いて行った。図4は、X線回折法で測定して得られた回折パターンの一例である。回折パターンのピーク位置は、誘電体結晶の各結晶面の面間隔に対応して現れる。この回折パターンからa軸およびc軸の格子定数を求め、c軸の格子定数とa軸の格子定数の比c/a(以下、c/aと言う)を結晶構造の評価指標にして、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、BiTiO3、SrTiO3、(Bi,La)TiO3のc/aと発光輝度との相関について調べた。その結果、本発明者は、a軸の格子定数よりc軸の格子定数の方が大きい結晶構造が好ましいことを見出した。図5に、(Ba,Sr)TiO3の結晶体の格子定数の比c/aと発光輝度との関係を示す。図5を参照すると、格子定数の比c/aが1より大きいと発光が得られ、1.004から急激に発光輝度が高くなり、1.006以上になると発光輝度が300cd/m2以上になることがわかる。他の誘電体についても調べたが同様の結果が得られた。一般的には、携帯電話のバックライト用途としては150cd/m2以上、パソコン用ディスプレイ用途としては300cd/m2以上、また、TV用途としては500cd/m2以上の発光輝度が必要といわれている。したがって、誘電体層13の結晶構造において、発光を生じ始めて一定の発光輝度を得るために、格子定数比c/aは1.004以上が必要である。さらに発光輝度150cd/cm2以上を得るために、格子定数比c/aは1.005以上が好ましい。またさらに発光輝度300cd/cm2以上を得るために、格子定数比c/aは1.006以上がより好ましい。
The crystal structure and crystal orientation were evaluated using an X-ray diffraction method. FIG. 4 is an example of a diffraction pattern obtained by measurement by the X-ray diffraction method. The peak position of the diffraction pattern appears corresponding to the spacing between the crystal faces of the dielectric crystal. From this diffraction pattern, the a-axis and c-axis lattice constants are obtained, and the ratio c / a (hereinafter referred to as c / a) of the c-axis lattice constant to the a-axis lattice constant is used as an evaluation index of the crystal structure. 3 , (Ba, Sr) TiO 3 , BiTiO 3 , SrTiO 3 , (Bi, La) TiO 3 c / a and the correlation between the emission luminance was examined. As a result, the present inventors have found that a crystal structure in which the c-axis lattice constant is larger than the a-axis lattice constant is preferable. FIG. 5 shows the relationship between the lattice constant ratio c / a of the (Ba, Sr) TiO 3 crystal and the light emission luminance. Referring to FIG. 5, when the lattice constant ratio c / a is greater than 1, light emission is obtained, and the light emission luminance suddenly increases from 1.004, and when it exceeds 1.006, the light emission luminance increases to 300 cd / m 2 or more. I understand that Although other dielectrics were examined, similar results were obtained. In general, the backlight applications of the
つぎに、図6に示したように、a軸に垂直な面すなわち(200)面からのX線回折強度Iaと、c軸に垂直な面すなわち(002)面からのX線回折強度Icとの比(以下、Ic/Iaと言う)を結晶配向の評価指標にして、Ic/Iaと発光輝度との相関について調べた。その結果、c軸を基板面と略平行な誘電体層面に対して垂直に配向させると誘電率が高くなる点で好ましいことが判った。一例として、(Ba,Sr)TiO3の回折強度比Ic/Iaと発光輝度との関係を図7に示す。ここで、化学式(Ba,Sr)TiO3は、BaTiO3とSrTiO3との固溶体を意味している。詳細には(Ba1−xSrx)TiO3である。 Next, as shown in FIG. 6, the X-ray diffraction intensity Ia from the plane perpendicular to the a-axis, ie, (200) plane, and the X-ray diffraction intensity Ic from the plane perpendicular to the c-axis, ie, (002) plane, The correlation between Ic / Ia and emission luminance was examined using the ratio of the above (hereinafter referred to as Ic / Ia) as an evaluation index of crystal orientation. As a result, it has been found that it is preferable that the c-axis be oriented perpendicularly to the dielectric layer surface substantially parallel to the substrate surface in that the dielectric constant increases. As an example, FIG. 7 shows the relationship between the diffraction intensity ratio Ic / Ia of (Ba, Sr) TiO 3 and the light emission luminance. Here, the chemical formula (Ba, Sr) TiO 3 means a solid solution of BaTiO 3 and SrTiO 3 . Specifically, it is (Ba 1-x Sr x ) TiO 3 .
図7から、X線回折強度比Ic/Ia=0.4から急激に発光輝度が高くなっていることがわかる。他の誘電体についても調べたが同様の結果が得られた。したがって、誘電体層13を構成する誘電体の結晶配向は、c軸を基板面と略平行な誘電体層面に対して垂直に配向させ、かつX線回折強度比Ic/Iaを0.4以上にするのが好ましい。なお、ペロブスカイト構造の代表的な材料であるBaTiO3の場合、バルク材の粉末回折法によるデータでは結晶体の(002)面からのX線回折強度Icが12.0であり、(200)面からのX線回折強度Iaが37.0であり、その強度比はIc/Ia=0.32となる。更に、(Ba0.77Sr0.23TiO3ではIc/Ia=0.07、Ba0.5Sr0.5TiO3の場合、バルクでは立方晶であるため、c=aであり、2つの面のX線回折ピークは重なるのでIc/Iaは1である。
From FIG. 7, it can be seen that the emission luminance increases rapidly from the X-ray diffraction intensity ratio Ic / Ia = 0.4. Although other dielectrics were examined, similar results were obtained. Therefore, the crystal orientation of the dielectric constituting the
以上に説明した結晶体の格子定数の比c/aおよびX線回折強度比Ic/Iaは、理学電機製の「X線回折装置」で測定した数値である。測定条件を以下に示す。X線はCu−Kα線を使用した。X線の出力は60kV、40mA、X線のスキャン速度は0.2°/分、検出用の平行スリットおよび発散スリット幅は1°、受光スリット幅は0.30mmである。なお、X線回折強度比の算出時には、それぞれの回折ピークの強度からベースラインを差し引いた回折強度の比を得ている。 The crystal constant lattice constant ratio c / a and the X-ray diffraction intensity ratio Ic / Ia described above are values measured by an “X-ray diffractometer” manufactured by Rigaku Corporation. The measurement conditions are shown below. X-rays were Cu-Kα rays. The X-ray output is 60 kV, 40 mA, the X-ray scan speed is 0.2 ° / min, the detection parallel slit and diverging slit width is 1 °, and the light receiving slit width is 0.30 mm. When calculating the X-ray diffraction intensity ratio, the diffraction intensity ratio obtained by subtracting the base line from the intensity of each diffraction peak is obtained.
図8は、誘電体層13の層厚と発光輝度との相関について調べた実験結果である。図8から、誘電体層13の層厚が1μm以上になると急激に発光輝度が高くなり、9μmより厚くなると逆に発光輝度が低くなることがわかった。これは、1μmより薄くすると、絶縁耐圧が低くなって、誘電体層13に十分な電圧を印加することができないため発光輝度が低下するためである。一方、9μmより厚くすると、発光体層14に印加される電圧が低くなるため発光輝度が低下するからである。したがって、誘電体層13の層厚は、300cd/m2以上の高輝度が得られる点で1〜9μmの範囲が好ましい。
FIG. 8 shows the experimental results of examining the correlation between the thickness of the
表1に、試料No.1〜19までの試料について、各種の誘電体層13の層厚と発光輝度の関係を示した。
In Table 1, Sample No. For the
図9は、発光体層14と隣接する誘電体層13の平均表面粗さ(以下、表面粗さと言う)と発光輝度との関係について調べた実験結果である。図9から、表面粗さが0.4μm以下と小さくなると発光輝度が大きくなり、およそ表面粗さが0.3μmで発光輝度300cd/m2が得られ、表面粗さ0.2μmで発光輝度500cd/m2が得られるが、それ以下の表面粗さでは発光輝度はほぼ一定となることがわかる。一方、表面粗さが0.4μmより大きいと発光輝度がほとんど得られない。これは、誘電体層13の表面粗さが大きいと発光体層14の絶縁耐圧が低くなって絶縁破壊されるため高電圧を印加することができないためである。したがって、発光輝度を300cd/m2以上にするためには表面粗さ0.3μm以下が好ましい。また、発光輝度を500cd/m2以上にするには0.2μm以下が好ましい。
FIG. 9 shows the experimental results of investigating the relationship between the average surface roughness (hereinafter referred to as “surface roughness”) of the
なお、誘電体層の表面粗さ等の測定は、触針式表面粗さ計(例えば、Dektak(日本真空製))を用いて測定した。また、核付け層やバッファ層のように0.1μm未満の厚さは、断面SEMや断面TEMにより測定した。さらに、EL素子の各層の0.1μm〜0.5μmの範囲の層厚も上記触針式表面粗さ計を用いて測定できる。 The surface roughness and the like of the dielectric layer were measured using a stylus type surface roughness meter (for example, Dektak (manufactured by Nippon Vacuum)). Further, the thickness of less than 0.1 μm, such as the nucleation layer and the buffer layer, was measured by a cross-sectional SEM and a cross-sectional TEM. Furthermore, the layer thickness in the range of 0.1 μm to 0.5 μm of each layer of the EL element can also be measured using the stylus type surface roughness meter.
また、本発明者は、誘電体層13の表面近傍を非晶質化すると、表面粗さのバラツキがより小さくなり信頼性が飛躍的に向上することを見出した。誘電体層13の表層部を非晶質化する方法としては、誘電体層13を成膜した後に逆スパッタする方法、あるいは成膜の最終段階に高周波バイアスを再び基板11に印加する方法等がある。なお、非晶質化された表層部の確認は、次のようにして行うことができる。例えば、面の深さ方向に垂直な断面について分析電子顕微鏡により表層部だけに電子線を照射して、スポット(spot)ではなく、ハロー(halo)が得られることによって非晶質化の箇所を確認できる。
Further, the present inventor has found that when the vicinity of the surface of the
次に、誘電体層13をスパッタ法で形成する製造方法について説明する。
成膜の初期に高周波バイアスを基板11に印加して、誘電体の結晶体の種晶(seed crystal)すなわち結晶核を基板11上に核付けした後、高周波バイアスを切って所望の層厚に成膜する。このように核付けしてから成膜すると、誘電体の結晶が成長しやすくなるため密度の高いしかも表面粗さが0.3μm以下の良好な誘電体層13が得られる。なお、初期段階だけではなく成膜の途中で核付けを繰り返すと、より密度の均一な層が得られる。特に層厚を厚くする場合に適用すると極めて効果的である。
Next, a manufacturing method for forming the
A high-frequency bias is applied to the
表2は、試料No.20〜31までの試料について、核付け層(seed crystal layer)の膜厚と発光輝度との関係について調べた実験結果である。この表から、核付けする(forming seed crystal)と、核付けしないものと比較していずれも発光輝度が高いことが判る。これは、核付けすることによって誘電体層13の密度が高くなり、絶縁耐圧が高くなるからである。核付けの膜層を1nmより薄くすると、核付けの効果が小さく発光輝度が低くなるため好ましくない。一方、100nmより厚くすると、膜の内部応力が大きくなって誘電体層13が基板11から剥離する問題が発生するため好ましくない。したがって、核付けの膜厚は1nm〜100nmの範囲が好ましい。
Table 2 shows Sample No. It is the experimental result which investigated about the sample to 20-31 about the relationship between the film thickness of a seed crystal | crystallization layer (seed crystal layer), and light-emitting luminance. From this table, it can be seen that both the forming seed crystal and the emission luminance are higher than those without nucleation. This is because nucleation increases the density of the
誘電体層13をCVD法あるいはMOCVD法で形成する場合は、以下に示す原材料を用いてBaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、BiTiO3、SrTiO3、(Bi,La)TiO3を形成する。尚、核付けはスパッタ法で行なうことができる。
When the
誘電体層の原料としては、以下のものが挙げられる。すなわち、Ti(OiC3H7)4、Ba(OCH3)2、Ta(OiC2H5)5、Sr(OCH3)2、La(OiC3H7)3、Zr(OiC3H7)4などのアルコラート、あるいはBa(METHD)2、Ba(THD)2、Sr(METHD)2、Sr(THD)2、Ti(MPD)(THD)2、Ti(MPD)(METHD)2、Ti(THD)2(OiPr)2、BiPh3、Bi(MMP)3、Bi(Ot-Am)3、La(EDMDD)3、Pb(METHD)2、Pb(THD)2、Zr(METHD)4、Zr(THD)2、Zr(MTHD)4、Zr(Ot-Bu)4、Zr(MMP)4、2−エチルヘキサン酸Zr,Ti,Ba,Srなどを用いる。ここで、METHDは1-(2-)2,2,6,6-テトラメチル-3,5−ヘプタンジオナト、MTHDは1-メトキシ-2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオナト、THDは2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタネジオナト、MPDは2-メチル-2,4-ペンタネジオキシド、MMPは1-メトキシ-2-メチル-2-プロポキシド、EDMDDは6-エチル-2,2-ジメチル-3,5-デカンジオナト、ODは2,4-オクタンジオナト、NDは2,4-ノナンジオナト、Ti(THD)2(OiPr)2は、Ti(THD)2(OiC3H7)2、BiPh3はトリフェニルビスマス、Bi(Ot-Am)3はBi(OtC5H11)3、Zr(Ot-Bu)4はZr(OtC4H9)4である。 Examples of the raw material for the dielectric layer include the following. That is, Ti (OiC 3 H 7 ) 4 , Ba (OCH 3 ) 2 , Ta (OiC 2 H 5 ) 5 , Sr (OCH 3 ) 2 , La (OiC 3 H 7 ) 3 , Zr (OiC 3 H 7 ) 4 or alcohol (Ba (METHD) 2 , Ba (THD) 2 , Sr (METHD) 2 , Sr (THD) 2 , Ti (MPD) (THD) 2 , Ti (MPD) (METHD) 2 , Ti ( THD) 2 (OiPr) 2 , BiPh 3 , Bi (MMP) 3 , Bi (Ot-Am) 3 , La (EDMDD) 3 , Pb (METHD) 2 , Pb (THD) 2 , Zr (METHD) 4 , Zr (THD) 2 , Zr (MTHD) 4 , Zr (Ot-Bu) 4 , Zr (MMP) 4 , 2-ethylhexanoic acid Zr, Ti, Ba, Sr, or the like is used. Here, METHD is 1- (2-) 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate, MTHD is 1-methoxy-2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate , THD is 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptaneconate, MPD is 2-methyl-2,4-pentanedioxide, MMP is 1-methoxy-2-methyl-2-propoxide, EMDDD Is 6-ethyl-2,2-dimethyl-3,5-decanedionato, OD is 2,4-octandionato, ND is 2,4-nonandionato, Ti (THD) 2 (OiPr) 2 is Ti (THD) 2 (OiC 3 H 7 ) 2 , BiPh 3 is triphenylbismuth, Bi (Ot—Am) 3 is Bi (OtC 5 H 11 ) 3 , Zr (Ot—Bu) 4 is Zr (OtC 4 H 9 ) 4 is there.
以上に説明した誘電体層13をEL素子に用いると、高電圧を発光体層14に印加することが可能になるため、発光輝度が高くなる点で好ましい。また、誘電体層13の上に直接に発光体層14を形成することができる。したがって、誘電体層の表面を研磨するなどの平坦化工程が不要になるため、製造コストが安くなる点で好ましい。
When the
図15は、本発明における誘電体層13の膜厚方向の酸素濃度プロファイルである。誘電体層として(Ba,Sr)TiO3の場合の膜表面から基板までの膜中の酸素量を表す。酸素量の評価は、オ−ジェ分光法で行ったが、酸素量の評価方法はこれに限られず、膜面からエッチングを行いながら酸素量を測定する方法であれば評価することができる。図15を参照すると、本発明の誘電体層は、比較例と比べて基板界面での酸素量が多いことがわかる。これは核付けを行ったために取り込まれる酸素量が多くなったためと思われる。ここで、比較例は核付けを行わないで同条件で形成した誘電体層である。また本発明の誘電体膜中の酸素量も比較例と比べて多くなった。本実施例の核付けを行った場合の基板境界の酸素濃度をIn、核付けを行わない場合の基板境界の酸素濃度をIoとすると、In/Io≧1.1にすることにより、高い輝度、高い耐電圧の膜を得ることができる。また、膜中の酸素濃度では、本実施例の核付けを行った場合の膜中の酸素濃度をIbn、核付けを行わない場合の膜中の酸素濃度をIboとすると、Ibn/Ibo≧1.05にすることにより高い輝度、高い耐電圧の膜を得ることができる。したがって、この酸素量も前記結晶性に影響を及ぼし、高輝度や高い絶縁耐圧が得られる要因となりうる。
FIG. 15 is an oxygen concentration profile in the film thickness direction of the
本発明に適用できる発光体としては、ZnS:Mn、Cu、SrS、BaAl2S4、CaSなどの硫化物、あるいはZnO、Y2O3、ZnSiO4などの酸化物にMn、Crなどの遷移金属あるいはEuあるいはCeなどの希土類金属等の発光中心を添加したものなど、一般に良く知られているものであればいずれでも適用できる。具体的な発光体の一例を下記に示す。 Examples of the light emitter applicable to the present invention include sulfides such as ZnS: Mn, Cu, SrS, BaAl 2 S 4 , and CaS, or transitions such as Mn and Cr in oxides such as ZnO, Y 2 O 3 , and ZnSiO 4. Any generally known material such as a metal or a material added with an emission center such as a rare earth metal such as Eu or Ce can be applied. An example of a specific light emitter is shown below.
青色発光体としては、SrS:Cu、SrS:Cu,Ag、ZnS:Tm、BaAlS4:Eu、CaGa2S4:Ce等がある。青緑発光体としては、ZnS:Cu,SrS:Ce等である。緑色発光体としては、ZnS:Tb,F,ZnS:Tb,ZnS:TbOFなどがある。また赤色発光体としては、CaS:Eu,CaSSe:Eu,ZnS:Mnがある。また、白色発光体としては、上述した青、緑、赤の発光体を積層したものがある。 Blue light emitters include SrS: Cu, SrS: Cu, Ag, ZnS: Tm, BaAlS 4 : Eu, CaGa 2 S 4 : Ce, and the like. Examples of blue-green light emitters include ZnS: Cu, SrS: Ce, and the like. Examples of the green light emitter include ZnS: Tb, F, ZnS: Tb, ZnS: TbOF. In addition, red light emitters include CaS: Eu, CaSSe: Eu, and ZnS: Mn. Moreover, as a white light-emitting body, there exists what laminated | stacked the blue, green, and red light-emitting body mentioned above.
(実施の形態2)
図10は、本発明による他のEL素子102の断面を模式的に示した断面構成図である。背面電極12と誘電体層13との間にバッファ層101を設けた以外は、図1で説明した構成と同じである。尚、図1で説明した構成要素と同じものには同一の符号を付与した。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a cross-sectional configuration diagram schematically showing a cross section of another
バッファ層101としては、化学式MgxSi1−xO2−x(0.9≦x≦1)で表せる組成物を用いる。この組成物からなるバッファ層101の上に誘電体層13を形成すると、誘電体の結晶性および結晶配向性が良好になる。この範囲外の組成物は、MgOの基本構造である面心立方型(fcc型)またはNaCl型の結晶構造が乱れ、結晶配向性が悪くなるため不適である。
As the
表3は、試料No.32〜51までの試料について、バッファ層101の層厚と発光輝度の関係を調べた実験結果である。バッファ層101の層厚は、1nm〜100nmの範囲が好ましい。バッファ層の層厚が1nm未満の場合は、結晶成長を促進させる効果が小さいため発光輝度が低い。一方、100nmより厚くすると発光輝度が低下する。したがって、バッファ層101の層厚を1nm〜100nmの範囲にすると、300cd/m2以上の高輝度が得られる。なお、バッファ層101は、スパッタ法など通常の薄膜形成法で形成できる。
Table 3 shows Sample No. It is the experimental result which investigated the relationship between the layer thickness of the
(実施の形態3)
図11は、本発明の実施の形態3に係るEL素子112の断面を模式的に示した断面図である。このEL素子は、実施の形態1及び2のEL素子と比べると、Pt、Pd、Au、Ir、Rh、Niのいずれかを含む導電体からなる背面電極12とガラス基板11との間に下地層111を設けた点で相違する以外は、図1あるいは図10で説明した構成と同じである。
(Embodiment 3)
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the
下地層111は、Ti、Co、Niのいずれかを含む厚さ5〜50nmの層から構成されている。この下地層111を設けることにより、ガラス基板11と背面電極12との密着性が向上する。
The
(実施の形態4)
図12は、本発明の実施の形態4に係るEL素子を用いた表示装置の要部を模式的に示した斜視図である。この表示装置121は、単純マトリクス駆動方式によるものであって、実施の形態1〜3で説明したEL素子122が2次元マトリクス状に配置されており、データ信号駆動回路123と、操作信号駆動回路124とを備える。ストライプ状の背面電極12は、操作信号駆動回路124に接続され、背面電極12と直交するストライプ状の前面電極15は、データ駆動回路123に接続されている。背面電極12と前面電極15とが交差する部分に、データ信号駆動回路123から出力されたデータ信号電圧と、操作信号駆動回路124から出力された操作信号電圧とを印加して、EL素子122を発光させる。
(Embodiment 4)
FIG. 12 is a perspective view schematically showing a main part of a display device using an EL element according to Embodiment 4 of the present invention. The
なお、図13に示すように、前面電極15の上に色変換層131を設けたEL素子を用いることにより、緑から赤までの色を表示する表示装置が得られる。また、白色光を発光するEL素子を用い、図14に示すように赤、青、緑のカラーフィルタ141を前面電極15の上に設けることにより、フルカラーを表示する表示装置が得られる。
以上のような構成にすることによって、テレビなどのディスプレイに適用可能な高輝度化と、装置の低価格化とを同時に実現できる。
As shown in FIG. 13, by using an EL element in which a
With the above-described configuration, it is possible to simultaneously realize high brightness applicable to a display such as a television and low price of the device.
つぎに、具体的な実施例に基づいてさらに詳しく説明する。 Next, a more detailed description will be given based on specific examples.
(実施例1)
本発明の実施例1に係るEL素子について説明する。このEL素子は、図1に示す構成を有する。このEL素子16は、以下に述べる製造方法によって作成した。
(a)基板11としては、市販されている1インチ角、厚さ0.635mmの無アルカリガラス基板(以下、ガラス基板と言う)を用いた。
(b)次に、ガラス基板11の上にTa層とPt層とをこの順にスパッタ法により積層して背面電極12を形成した。下地層としてのTa層の層厚は30nmであり、Pt層の層厚は200nmであった。
(c)次いで、スパッタターゲットとして誘電体の(Ba,Sr)TiO3を用い、ガラス基板11に高周波バイアスを印加しながら100秒間スパッタして核付けした後(forming seed crystal)、高周波バイアスを停止して、さらに60分間スパッタして誘電体層を成膜した。
(d)そして、再びガラス基板11に高周波バイアスを印加しながら100秒間スパッタして誘電体層の表面を非晶質化した。これによって、背面電極12上に層厚3μmの誘電体層13を形成した。
(Example 1)
An EL device according to Example 1 of the present invention will be described. This EL element has the configuration shown in FIG. This
(A) As the
(B) Next, a Ta layer and a Pt layer were laminated on the
(C) Next, dielectric (Ba, Sr) TiO 3 was used as a sputtering target, and after sputtering for 100 seconds while applying a high frequency bias to the glass substrate 11 (forming seed crystal), the high frequency bias was stopped. Then, a dielectric layer was formed by sputtering for another 60 minutes.
(D) Then, the surface of the dielectric layer was made amorphous by sputtering for 100 seconds while applying a high frequency bias to the
以下に誘電体層の形成時のスパッタ条件を示す。スパッタガスとしては、ガス流量比がアルゴンガス25に対して酸素ガス0.5の混合ガスを用いた。スパッタ圧力は約1.6Pa(12mTorr)であった。核付け時のスパッタパワーは500Wであり、成膜時のスパッタパワーは2kWであった。また、高周波バイアスは300W、基板温度は500℃であった。 The sputtering conditions for forming the dielectric layer are shown below. As the sputtering gas, a mixed gas having a gas flow ratio of 0.5 oxygen gas to argon gas 25 was used. The sputtering pressure was about 1.6 Pa (12 mTorr). The sputter power at the time of nucleation was 500 W, and the sputter power at the time of film formation was 2 kW. The high frequency bias was 300 W and the substrate temperature was 500 ° C.
その結果、核付け層(seed crystal layer)の層厚が約10nm、比誘電率が510、絶縁耐圧が3×106V/cm、平均表面粗さ:0.08μmの誘電体層13が得られた。
As a result, a
また、誘電体層を構成する結晶体の格子定数の比c/aは1、007であり、結晶体の(002)面と(200)面とのX線回折強度比Ic/Iaは0.7であった。
(e)次に、スパッタターゲットとして発光体のSrS:Ce(Ce添加量は約1.5モル%)を用い、高周波マグネトロンスパッタ法により誘電体層13の上にスパッタして、約500nm厚の発光体層14を形成した。このときの、スパッタガスはアルゴンガスであり、スパッタ圧力は0.53Pa(4mTorr)であり、ガラス基板温度は300℃であった。
(f)次いで、発光体層14の上にITO膜をスパッタリング法によってスパッタしてITO膜からなる前面電極15を形成してEL素子16を作成した。
以上のようにして作製したEL素子16に、200V、1kHzのパルス幅50μ秒の交流電圧を印加して発光輝度を測定したところ、500cd/m2の発光輝度が得られた。また、300Vの電圧を印加しても絶縁破壊は起こらなかった。
The ratio c / a of the crystal constants of the crystal constituting the dielectric layer is 1,007, and the X-ray diffraction intensity ratio Ic / Ia between the (002) plane and the (200) plane of the crystal is 0. 0. 7.
(E) Next, using SrS: Ce (the amount of Ce added is about 1.5 mol%) as a sputtering target, sputtering is performed on the
(F) Next, an ITO film was sputtered on the
When the
(実施例2)
以下に述べる製造方法によって図10に示した構成のEL発光素子を作成した。バッファ層101以外の構成要素は実施例1と同じ方法で作成した。
バッファ層101は、スパッタ法により化学式Mg0.98Si0.02O1.02の組成物を背面電極12の上にスパッタして形成した。その結果、以上のようにして作製したEL素子16に、200V、1kHzのパルス幅50μ秒の交流電圧を印加して発光輝度を測定したところ、発光輝度は524cd/m2であった。
(Example 2)
An EL light emitting device having the configuration shown in FIG. 10 was produced by the manufacturing method described below. The components other than the
The
本発明に係る発光素子は、発光輝度が高くしかも安価に作製できるため、デジタルカメラ、携帯電話、情報携帯端末、パソコン、テレビ、自動車などに搭載する表示装置および液晶ディスプレイのバックライトなどの面発光源に適用できる。 Since the light-emitting element according to the present invention has high emission luminance and can be manufactured at low cost, surface light emission of a display device mounted on a digital camera, a mobile phone, a portable information terminal, a personal computer, a TV, an automobile, and the like and a backlight of a liquid crystal display Applicable to source.
上述の通り、本発明は好ましい実施形態により詳細に説明されているが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲内において多くの好ましい変形例及び修正例が可能であることは当業者にとって自明なことであろう。 As described above, the present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiments. However, the present invention is not limited thereto, and many preferred embodiments are within the technical scope of the present invention described in the claims. It will be apparent to those skilled in the art that variations and modifications are possible.
11 基板、12 背面電極、13 誘電体層、14 発光体層、15 前面電極、16、102、112、122 EL素子、17 光、101 バッファ層、111 下地層、121 表示装置、123 データ信号駆動回路、124 操作信号駆動回路、131 色変換層、141 カラーフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記発光層に電場を印加する一対の電極と
を備え、
前記誘電体層は、ペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体は、a軸の格子定数よりc軸の格子定数が大きいことを特徴とする発光素子。 A light emitting layer formed by laminating a light emitting layer and a dielectric layer;
A pair of electrodes for applying an electric field to the light emitting layer,
The light emitting element, wherein the dielectric layer is made of a dielectric made of a crystal having a perovskite structure, and the crystal has a larger c-axis lattice constant than an a-axis lattice constant.
前記一対の電極のうち背面電極は、前記基板の上に形成され、前記発光層は、前記背面電極の上に形成され、前記下地層は、前記基板と前記背面電極との間に形成されることを特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載の発光素子。 A substrate and an underlayer;
The back electrode of the pair of electrodes is formed on the substrate, the light emitting layer is formed on the back electrode, and the base layer is formed between the substrate and the back electrode. The light-emitting element according to claim 1, wherein the light-emitting element is a light-emitting element.
21. The light emitting device according to claim 1, further comprising a glass substrate on which the light emitting layer and a pair of electrodes are formed.
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