JP2614098B2 - 電界発光素子 - Google Patents

電界発光素子

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、平面型表示装置や一次元発光体を形成する
薄膜電界発光(EL:エレクトロ・ルミネッセンス)素子
に関するものである。
(従来の技術) 従来、薄膜EL素子として実用化されている発光層の母
結晶としては、ZnS、ZnSe、CaS、SrS等が知られてい
る。又、発光中心材料としては、発光色に応じて希土
類、遷移金属、ハロゲン、アルカリ金属、アルカリ土類
金属或いはこれらを含む化合物等が知られている。
(発明が解決しようとしている問題点) しかしながら、薄膜型EL素子の発光層は、抵抗加熱、
電子ビーム蒸着或いはスパッタ法により生成するが、膜
の構造欠陥等のため特に湿度に弱く、発光が不安定であ
ったり、劣化するという欠点があり、素子端面をも包み
こむ防湿膜を必要とするという問題があった。
かかる耐湿性の問題を解決するために、発光層をダイ
ヤモンド状炭素膜で形成したEL素子が、Appl.Phys.Let
t.[53(19)9月1988年]年に開示されている。
かかるEL素子は、従来材料を用いたEL素子に比べ耐湿
性に優れたものであるが、印加電圧が高く、低輝度で発
光寿命も短いという欠点を有する。
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、耐湿性に優れ、印加電圧でも高輝度、長寿命であ
り、しかもより短波長側に発光するEL素子を提供するこ
とにある。
(問題点を解決するための手段) 上記目的は以下の本発明によって達成される。
すなわち、本発明は、ダイヤモンド状炭素膜からなる
発光層が、酸素とそれ以外の元素を微量含有しているこ
とを特徴とするEL素子である。
(作用) 本発明ではEL素子の発光層としてダイヤモンド状炭素
膜を用い、該発光層に酸素とそれ以外の元素を微量含有
させたことにより、可視光全域を対象とした高輝度及び
長寿命のEL素子を実現したものである。
(好ましい実施態様) 次に好ましい実施態様により本発明を更に詳しく説明
する。
本発明に用いられるダイヤモンド状炭素膜(以下DLC
膜)は、SP3構造の炭素を主体として含有している炭素
膜で、短距離的にはダイヤモンド構造を有するが、長距
離的には秩序が乱れアモルファス性が高いものである。
この様なDLC膜はダイヤモンドに近い特性を有し、例え
ば、可視光に対し透明であったり、抵抗率が1012Ωcm以
上、硬度がビッカース硬度でHv≧2000Kg/mm2である平滑
な膜である。DLC膜の形成方法としては、公知のイオン
ビームスパッタ法、イオンビーム蒸着法、RF−プラズマ
CVD法、DCグロー放電法、ECR−プラズマCVD法等が挙げ
られる。
特に、本発明に用いられるDLC膜は、発光色に対して
透明であることが必要であり、可視光全域をカバーする
ため、Eg opt(光学的バンド・ギャップ)が1.5eV以
上、好ましくは2.0eV以上であることが必要である。
ここで、発光層に用いるDCL膜は、Eg opt≧2.0eVのも
のであり、発光中心となる原子或は化合物の数を増加さ
せ、多色発光を可能とすることができる。又、抵抗率が
109Ωcm以上と大きく、発光中心を励起する電子を十分
加速することのできる絶縁耐圧を有している。この結
果、効率良く発光中心を励起することができ、高輝度発
光が得られる。また、DCL膜は、化学的に安定であり、
特に温度や雰囲気の影響を受けることなく長寿命の素子
を得ることができる。
第1図及び第2図に本発明のEL素子の断面図を示す。
第1図中1はEL素子の基板で、ガラス、石英の様な透明
なものと、Si(n+)、W、Au、Al、Cu、Ti、Cr、Ta、Mo
等の金属又は半導体のバルク或いは膜である。この基板
はDLC膜を形成する温度、例えば、室温乃至500℃の温度
で安定的に存在出来るものでなければならない。金属又
は半導体の場合には、EL発光の反射層とEL素子の電極層
とを兼ねることができる。第1図中2は透明導電膜であ
る、ITO、SnO2、ZnO、SnO2−Sb、Cd2SnO4等からなる。
この透明導電膜は、真空蒸着法、イオンプレーティング
法、スパッタ法、スプレイ法、CVD法等により500Å乃至
1,500Å程度の厚さで形成される。第1図中3は絶縁層
であり、可視領域で透明で絶縁耐圧が高く且つ誘電率の
大きい材料が適している。この様な材料としてSiO2、Y2
O3、HfO2、Si3N4、Al2O3、Ta2O5、PbTiO3、BaTa2O6、Sr
TiO3等の誘電体が挙げられる。これらの材料も前述透明
導電膜の形成方法のいずれかにより、500Å乃至5,000Å
の厚みの範囲で形成される。第1図中4はDLC膜からな
る発光層で、前述の形成方法により0.1乃至2μmの厚
さに形成される。
このとき使用するガスは含炭素ガスであるメタン、エ
タン、プロパン、エチレン、ベンゼン、アセチレン等の
炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素、クロルフォル
ム、トリクロルエタン等のハロゲン炭素、メチルアルコ
ール、エチルアルコール等のアルコール類、CO2、CO等
のガスとN2、H2、O2、H2O、Ar等のガスである。
DLC膜に酸素を含有させる方法は、原料ガスにCH3OH、
C2H5OH等のアルコール類、(CH32CO、(C6H5)CO等の
ケトン類やCOやCO2等の炭素と酸素元素を含有するガス
を用いる方法、O2やH2O等の酸素を含有するガス雰囲気
或いはプラズマ中でDLC膜の生成を行なう方法、更にはD
LC膜生成後、O2やH2O雰囲気或いはプラズマ近傍で酸化
する方法がある。酸素含有量は5atom%以下、好ましく
は0.1atom%以上が好ましく、5atom%を越えると構造が
不安定となり、繰り返し耐久性が低下し、又、含酸素ガ
スを混合して用いる場合は特に成膜速度が低下し、一
方、0.1atom%以下では発光強度が低下する。
更に、発光中心となる微量の元素を混入することによ
り、発光中心固有の発光色を得ることが出来る。この発
光中心材料として、短波長側では、B、Te、As、Au、M
g、P、Sb、Si、Ta、N、長波長側では、Tl、Ba、Li、C
d、Cs、In、Ra、S、Sr、Ti、Zn、Ca、Ce、Co、Cr、F
e、Ga、K、Mn、Nb、Os、Pb、Rb、Rh、Sc、Th、V、
W、Y、又、これら2つの中間波長領域としては、Ag、
Be、Bi、Cu、Ge、Hg、Pt、Re、Zr、Al、Ir、Ni、Ru、S
n、Tbが挙げられる。
又、これら元素のハロゲン化物、硫化物、酸化物であ
ってもよい。これらの発光中心材料はDLC膜の約0.1乃至
3重量%の割合でDLC膜中に含有させることが好まし
い。含有させる割合が0.1重量%未満であると発光が得
られなかったり、輝度や効率が低いという点で不十分で
あり、又、3重量%を越えると逆に輝度、効率が低下す
る等の点で不十分となるので好ましくない。
これらの発光中心を発光層中に含有させるには、前述
DLC膜の形成時に同一真空槽中に併設される前記発光中
心となる元素若しくはその化合物又は混合物からなるタ
ーゲットをイオンビーム等によりスパッタすることによ
り実現される。前述イオンビームは、公知のイオンガン
を用いることにより得られ、Ar、He、N2、O2、H2等のガ
スを用いてイオンビームを形成する。
第1図中5は絶縁層であり第1図中3と同様である。
第1図中6は電極であり、Al、Au、Ag、Pt、W、Cu、T
i、Ni等の金属であり、この電極は透明電極であり得
る。電極は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパ
ッタリング法、CVD法、メッキ等により厚さ500乃至1,50
0Åの厚みに形成される。この結果電極間に交流電場を
かけるとガラス側よりEL発光が得られる。
一方、第2図では、7は電極で、DLC膜形成温度で安
定な金属或いは半導体である。8は絶縁層で、第1図中
3と同様である。9は発光層で第1図中4と同様で、10
は第1図中5と同様である。11は透明導電膜で第1図中
2と同様である。従って、第2図の構成によれば、EL発
光は図中上面より得られる。
尚、絶縁層は発光層をサンドイッチするだけでなく、
発光層の片側だけであってもよく、更に複合化すること
によりピンホール、局所的欠陥の成長を阻止する等の相
乗効率を得ることができる。又、発光層をサンドイッチ
する絶縁層の厚さは、前述の範囲であれば同じ厚さでも
異なる厚さであってもよい。尚、前述第1図及び2図の
EL構造より明らかな様に、基体がガラスの様な透明体の
場合にはこの上に透明導電膜層/絶縁層/発光層/絶縁
層/金属電極(反射層を兼ねる)と、基体が金属又は半
導体の場合には、この上に絶縁層/発光層/絶縁層/透
明導電膜層の2つの基体構成が可能である。
すなわち、EL素子の電極は一方が透明導電膜であり、
もう一方が不透明な金属又は半導体電極であればよく、
発光の取り出し方向により構成位置が変わる。
(実施例) 以下実施例について図面を参照して詳細に説明する。
実施例1 第3図に本実施例のEL素子の断面図を示す。
先ず、図中12の石英基体にITO膜13をイオンプレーテ
ィング法により1,000Åの厚みに形成する。この上に、H
fO2層14を反応性蒸着法により、2,000Åの厚みに形成す
る。次に第4図に示す成膜装置によりDLC膜と発光中心
のドーピングを同時に行った。第4図中18の成膜室に基
体19を設置し、プラズマ発生室20にCH4:25SCCM、H2:25S
SCMの流量でガス供給系21より導入した後、マイクロ波
発振器系22より2.45GHzのマイクロ波を200Wで導入し
た。このとき、外部磁場23によりプラズマ室出口付近が
875Gaussとなるように磁場を配置した。このときプラズ
マ室出口にある引き出し電極24より加速電圧500Vでイオ
ンビームを引き出し、基体上にDLC膜を形成した。この
とき基体の温度は300℃とした。同時にArガスをカウフ
マン型イオン源25に導入し、Arイオンビームを生成し、
Teターゲット26に照射しスパッタした。このときの真空
槽の真空度は5×10-4Torrに保持した。Te濃度は0.5wt
%となるよう調整した。次に、HfO2層16を反応性蒸着法
により2,000Åの厚みに形成し、この上に、Al電極17を
φ5mmの大きさで真空蒸着法により1,000Åの厚みに形成
した。
このEL素子の電極13−17間に、周波数3KHzの交流電場
を印加したところ、100Vより発光が開始し、200Vで飽和
した。このときの発光色は青白色であった。
更に3KHz、100Vでこの素子を作動させたところ、発光
輝度は10fLで、半減寿命が5,000時間以上であった。
実施例2 発光中心材料をTbとする以外は、実施例1と同様にし
てEL素子を作成した。Tbの濃度は0.3Wt%とした。このE
L素子に周波数4KHzの交流電場を印加したところ120Vよ
り発光が開始し、200Vで飽和した。このときの発光色は
緑色であった。この素子を200Vで作動させたときの輝度
は200fLであり、半減寿命は5,000時間以上であった。
実施例3 発光中心材料をMnとする以外は、実施例1と同様にし
てEL素子を作成した。Mnの濃度は0.5Wt%とした。このE
L素子に周波数5KHzの交流電場を印加したところ150Vよ
り発光が開始し、200Vで飽和した。このときの発光色は
赤色であった。この素子を200Vで作動させたときの輝度
は100fLであり、半減寿命は5,000時間以上であった。
(発明の効果) 以上説明したように、ダイヤモンド状炭素膜(DLC
膜)からなる発光層に、酸素とそれ以外の元素を微量含
有させることにより、可視光全域をカバーできる高輝度
及び長寿命のEL素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のEL素子の断面図、 第2図は本発明のEL素子の断面図、 第3図は本発明の実施例1のEL素子の断面図、 第4図は本発明においてダイヤモンド状炭素薄膜を形成
するために用いた成膜装置の概略図、 1……EL基体、2……透明導電膜 3……絶縁層 4……ダイヤモンド状炭素薄膜からなる発光層 5……絶縁層、6……電極 7……金属又は半導体からなる電極層 8,10……絶縁層 9……ダイヤモンド状炭素薄膜からなる発光層 11…透明導電膜 12……EL基体(石英) 13……SnO2層、14,16……HfO2層 15……ダイヤモンド状炭素薄膜からなる発光層 17……Al電極 18……成膜室、19……基体 20……プラズマ発生室 21……ガス供給系 22……マイクロ波発振器系 23……外部磁場、24……引き出し電極 25……カウフマン型イオン源 26……スパッタ・ターゲット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗原 紀子 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−102893(JP,A) Appl.Phys.Lett.53 [19](1988)P.1880−1881

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ダイヤモンド状炭素膜からなる発光層が、
    酸素とそれ以外の元素を微量含有しているいることを特
    徴とする電界発光素子。
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