JP3446542B2 - 薄膜el素子 - Google Patents

薄膜el素子

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、計器類の自発光型
のセグメント表示やマトリクス表示等に用いられるEL
素子(エレクトロルミネセンス素子)に関する。 【0002】 【従来の技術】従来、CRT用蛍光体材料においては、
鉄族元素がキラー中心として働き、発光輝度を低下させ
る現象(キラー効果)が知られている。EL素子におい
ても、発光層中に鉄族元素が存在すると、発光輝度が低
下するため、発光層中の鉄族元素の濃度を低く抑えるも
のが提案されている(特開平2−82494号公報、特
開平7−240278号公報参照)。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等が鋭意検討した結果、鉄族元素濃度が同じであって
も発光輝度が大きく相違し、単に発光層中の鉄族元素の
濃度を低くするだけでは、安定して高い発光輝度を得る
ことが困難であることが判明した。本発明は上記問題に
鑑みたもので、EL素子の発光輝度を安定して高くする
ことを目的とする。 【0004】 【課題を解決するための手段】鉄族元素による発光輝度
低下効果(キラー効果)のメカニズムとしては次の2つ
が考えられる。第1に、鉄族元素イオンが禁止帯に深い
準位を形成し、伝導帯の電子の一部がこれに捕らえら
れ、価電子帯の正孔と非ふく射的に再結合する。第2
に、発光中心に吸収された励起エネルギーの一部が非ふ
く射的に鉄族元素イオンに伝達され、その結果、発光が
消滅する。 【0005】本発明者等は、これらのメカニズムを踏ま
え、鉄族元素濃度が同じでも発光輝度が大きく相違する
原因を鋭意研究した結果、発光中心元素の濃度によっ
て、発光輝度の低下が生ずる鉄族元素の濃度が異なるこ
とを見い出した。すなわち、EL素子におけるキラー効
果は、主に上述した第2のメカニズムによって生じると
考えられ、発光輝度低下は、発光中心元素の濃度に対す
る鉄族元素の濃度に依存することを見い出した。 【0006】本発明はこのような検討のもとになされた
もので、後述する実験結果に示すように、ZnS(硫化
亜鉛)を母体材料とする発光層の場合に、発光層中の発
光中心元素に対するFeの原子比を0.001以下にし
たことを特徴とする。このようにすることにより、キラ
ー効果の発生を低減し、発光輝度を安定して向上させる
ことができる。 【0007】なお、発光中心元素としては、Mn(マン
ガン)あるいはTb(テルビウム)を用いることができ
る。 【0008】 【発明の実施の形態】 (第1実施形態)図1に、本発明の第1実施形態に係る
薄膜EL素子の模式的な断面構成を示す。薄膜EL素子
は、絶縁性基板であるガラス基板1上に、第1透明電極
(第1電極)2、第1絶縁層3、発光層4、第2絶縁層
5、第2透明電極(第2電極)6を順次積層し、図に示
すように両側から光を取り出す透明EL素子として構成
されている。 【0009】第1、第2透明電極2、6は、光学的に透
明なZnO(酸化亜鉛)からなり、第1、第2絶縁層
3、5は、光学的に透明なTa2 O5 (五酸化タンタ
ル)からなる。また、発光層4は、ZnSを母体材料と
し発光中心元素としてMnを添加したZnS:Mn発光
層である。各層の膜は、第1透明電極2、第2透明電
極6がそれぞれ300nm、第1絶縁層3、第2絶縁層
5が400nm、発光層4が500nmである。なお、
これらの各層の膜厚は、ガラス基板1の中央の部分を基
準としている。 【0010】次に、上述の薄膜EL素子の製造方法につ
いて説明する。まず、ガラス基板1上に第1透明電極2
を成膜する。蒸着材料としては、ZnO粉末にGa2
3 (酸化ガリウム)を加えて混合し、ペレット状に成形
したものを用い、成膜装置としてはイオンプレーティン
グ装置を用いる。具体的には、ガラス基板1の温度を一
定に保持したままイオンプレーティング装置内を真空に
排気する。その後、Ar(アルゴン)ガスを導入して圧
力を一定に保ち、成膜速度が6〜18nm/minの範
囲となるようビーム電力及び高周波電力を調整する。 【0011】次に、第1透明電極2上に、Ta2 5
らなる第1絶縁層3をスパッタ法により形成する。具体
的には、ガラス基板1の温度を一定に保持し、スパッタ
装置内にArとO2 (酸素)の混合ガスを導入し、高周
波電力で成膜を行う。そして、第1絶縁膜3上に、Zn
Sを母体材料とし発光中心元素としてMnを添加したZ
nS:Mn発光層4を、電子ビーム蒸着法により形成す
る。蒸着源としては、ZnS粉末とMn粉末を混合焼成
したペレットを用いる。そして、電子ビーム蒸着装置内
を10-4Pa台に真空引きし、ガラス基板温度を230
℃とする。その後、6.5KVで加速した電子ビームを
ペレットに照射し、ZnS:Mn発光層を成膜する。 【0012】次に、発光層4上に、Ta2 5 からなる
第2絶縁層5を、上述の第1絶縁層3と同様の方法で形
成する。そして、ZnO膜からなる第2透明電極6を、
上述の第1透明電極2と同様の方法により、第2絶縁層
5上に形成する。このようにして図1に示すEL素子を
製造することができる。そして、上述した製造方法を用
いて、ZnS:Mn発光層4中のMn濃度およびFe濃
度を変化させたEL素子を作製した。この場合、ZnS
粉末とMn粉末を混合焼成したペレットとして、発光層
中のMn濃度が、0.2at%、0.5at%、1.0
at%になるように、Mnの添加量を3水準とし、ま
た、それぞれに対し発光層中のFe濃度が、1ppm、
2ppm、5ppm、10ppm、20ppmになるよ
うに、Feを5水準添加し、合計15水準のペレットを
作製し、それぞれについてEL素子を作製した。 【0013】そして、このようにして作製された15水
準のEL素子について発光輝度を測定した。この発光輝
度の測定においては、EL素子を480Hzの交流パル
ス波にて駆動し、発光開始電圧を40V超過した電圧に
対応する発光輝度(L40)について測定を行った。図
2に、発光輝度(L40)とFe濃度との関係を示す。 【0014】この図2より、発光層中のMn濃度によっ
て、発光輝度が向上するFe濃度が異なることがわか
る。すなわち、Mn濃度が0.2at%の場合、Fe濃
度が2ppm以下で発光輝度が向上し、Mn濃度が0.
5at%の場合、Fe濃度が5ppm以下で発光輝度が
向上し、Mn濃度が1.0at%の場合、Fe濃度が1
0ppm以下で発光輝度が向上する。このように、発光
輝度が向上するFe濃度が異なっているため、発光層中
のFe濃度のみを制御しても、発光輝度の高いEL素子
を安定して得ることはできない。 【0015】図3に、発光輝度(L40)と、発光層中
のMn濃度に対するFe濃度の比(Fe濃度/Mn濃
度)の関係を示す。この図3からわかるように、発光層
中のMn濃度に対するFe濃度の比、すなわちMnに対
するFeの原子比を、0.001以下にすることにより
発光輝度を向上させることができる。 (第2実施形態)図1に示すEL素子の発光層をZn
S:TbOF発光層としてEL素子を作製した。発光層
以外の製造方法は第1実施形態と同様であるのでZn
S:TbOF発光層の製造方法についてのみ説明する。 【0016】ZnSを母体材料とし、発光中心としてT
b、F(フッ素)さらにO(酸素)を添加したZnS:
TbOF発光層4を、RFマグネトロンパッタリング法
により形成する。具体的には、成膜室を10-5Pa以上
に高真空引きした後、Ar、He(ヘリウム)の混合ガ
スを導入し、スパッタ圧力を3Paに調節する。高周波
電力を2.3(W/cm2 )、ガラス基板温度を250
℃として、RFマグネトロンスパッタリング法によりZ
nS:TbOF発光層を形成する。 【0017】このスパッタリングに使用するターゲット
としては、酸化テルビウムと弗化テルビウムを混合焼製
することにより作製した発光中心を添加したZnS:T
bOFをホットプレスにより焼き固めたものを用いる。
ここで、そのターゲットとして、発光層中のTb濃度が
1at%、2at%となるように、Tb添加量を2水準
とし、また、それぞれに対し発光層中のFe濃度が5p
pm、10ppm、20ppm、50ppmとなるよう
に、Feを4水準添加し、合計8水準のターゲットを作
製し、それぞれについてEL素子を作製した。 【0018】そして、このようにして作製された8水準
のEL素子について発光輝度を測定した。図4に、発光
輝度(L40)とFe濃度との関係を示す。この図4よ
り、発光層中のTb濃度によって、発光輝度が向上する
Fe濃度が異なることがわかる。すなわち、Tb濃度が
1at%の場合、Fe濃度が10ppm以下で発光輝度
が向上し、Tb濃度が2at%の場合、Fe濃度が20
ppm以下で発光輝度が向上している。従って、Zn
S:TbOF発光層の場合においても、発光層中のFe
濃度のみの制御では、発光輝度の高いEL素子を安定し
て得ることはできない。 【0019】図5に、発光輝度(L40)と、発光層中
のMn濃度に対するTb濃度の比(Fe濃度/Tb濃
度)の関係を示す。この図5からわかるように、発光層
中のTb濃度に対するFe濃度の比、すなわちTbに対
するFeの原子比を、0.001以下にすることにより
発光輝度を向上させることができる。 【0020】なお、発光層中のZn、S、Mn、Tbの
濃度はEPMA(電子線微量分析法)あるいはSIMS
(2次イオン質量分析法)により求めることができる。
その場合、通常、その測定には多少のばらつきが生じて
おり、上記した数値自体もその多少のばらつきを含んで
いる。また、本発明は、上記実施形態に示す透明EL素
子に限らず、第1、第2電極の一方を金属電極として一
方の側からのみ光を取り出すEL素子にも同様に適用す
ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の第1実施形態に係るEL素子(Zn
S:Mn発光層を有するもの)の模式的な断面図であ
る。 【図2】図1に示すEL素子において、発光輝度(L4
0)とFe濃度との関係を示す図である。 【図3】図1に示すEL素子において、発光輝度(L4
0)とFe濃度/Mn濃度の関係を示す図である。 【図4】本発明の第2実施形態に係るEL素子(Zn
S:Tb発光層を有するもの)において、発光輝度(L
40)とFe濃度との関係を示す図である。 【図5】本発明の第2実施形態に係るEL素子におい
て、発光輝度(L40)とFe濃度/Mn濃度の関係を
示す図である。 【符号の説明】 1…ガラス基板、2…第1透明電極、3…第1絶縁層、
4…発光層 5…第2絶縁層、6…第2透明電極。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−240278(JP,A) 特開 平2−82494(JP,A) 特公 平5−32878(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05B 33/00 - 33/28

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 絶縁性基板(1)上に第1電極(2)、
    第1絶縁層(3)、発光層(4)、第2絶縁層(5)、
    第2電極(6)を順次積層し、少なくとも光取り出し側
    を光学的に透明な材料により構成してなる薄膜EL素子
    において、 前記発光層は、ZnSを母体材料とするものであり、 前記発光層中の発光中心元素に対するFeの原子比が
    0.001以下になっていることを特徴とする薄膜EL
    素子。
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