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- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
電気絶縁性を有する基板と前記基板上にパターンを有する電極層と前記電極層上に誘電体層と発光層及び透明電極層が積層された構造を少なくとも有するEL素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
EL素子は液晶ディスプレイ(LCD)や時計のバックライトとして実用化されている。
【0003】
EL素子とは電界の印加によって物質が発光する現象、すなわち、エレクトロルミネセンス(EL)現象を応用した素子である。
【0004】
EL素子には、粉末発光体を有機物やホウロウに分散させ、上下に電極層を設けた構造を持つ分散型EL素子と、電気絶縁性の基板上に2つの電極層と2つの薄膜絶縁体の間に挟む形で形成した薄膜発光体を用いたEL素子がある。また、それぞれについて、駆動方式により直流電圧駆動型、交流電圧駆動型がある。分散型EL素子は古くから知られており、製造が容易であるという利点があるが、輝度が低く寿命も短いのでその利用は限られていた。一方、EL素子は、高輝度、長寿命という特性を持つことから近年広く利用されている。
【0005】
図2に従来のEL素子として代表的な2重絶縁型薄膜EL素子の構造を示す。この薄膜EL素子は、液晶ディスプレイやPDP等に用いられている青板ガラスなどの透明基板21上に、膜厚0.2μm〜1μm程度のITOなどからなり所定のストライプ状のパターンに形成された透明電極層22、薄膜透明第1絶縁体層23、膜厚0.2μm〜1μm程度の発光層24、薄膜透明第2絶縁体層25とが積層され、さらに前記透明電極層22と直交するようにストライプ状にパターニングされたAl薄膜等の金属電極層26が形成されている。そして、透明電極層22と金属電極層26とのマトリックスで選択された特定の発光体に電圧を選択的に印加することにより、特定画素の発光体を発光させ、その発光を基板21側から取り出す。このような薄膜絶縁体層23,25は、発光層24内を流れる電流を制限する機能を有し、薄膜EL素子の絶縁破壊を抑えることが可能であり、安定な発光特性が得られるように作用する。このため、この構造の薄膜EL素子は商業的にも広く実用化されている。
【0006】
上記の薄膜透明絶縁体層23,25は、通常Y2O3 ,Ta2O5 ,Al3N4,BaTiO3 等の透明誘電体薄膜が、スパッタリングや蒸着等により約0.1〜1μm程度の膜厚でそれぞれ形成されている。
【0007】
発光体材料としては黄橙色発光を示すMnを添加したZnSが、成膜のしやすさ、発光特性の観点から主に用いられてきた。カラーディスプレーを作製するには、赤色,緑色、青色の3原色に発光する発光体材料の採用が不可欠である。これらの材料としては青色発光のCeを添加したSrSやTmを添加したZnS、赤色発光のSmを添加したZnSやEuを添加したCaS、緑色発光のTbを添加したZnSやCeを添加したCaSなどが知られている。
【0008】
また、月刊ディスプレイ ’98 4月号「最近のディスプレイの技術動向」田中省作p1〜10には、赤色発光を得る材料として、ZnS、Mn/CdSSe等、緑色発光を得る材料として、ZnS:TbOF、ZnS:Tb等、青色発光を得るための材料として、SrS:Cr、(SrS:Ce/ZnS)n、Ca2Ga2S4:Ce、Sr2Ga2S4:Ce等をの発光材料が開示されている。また、白色発光を得るものとして、SrS:Ce/ZnS:Mn等の発光材料が開示されている。
【0009】
さらに、上記材料の内、SrS:Ceを青色発光層を有する薄膜EL素子に用いることがIDW(International Display Workshop)’97 X.Wu "Multicolor Thin-Film Ceramic Hybrid EL Displays" p593 to 596に開示されている。さらに、この文献にはSrS:Ceの発光層を形成する場合には、H2S雰囲気下、エレクトロンビーム蒸着法により形成すると、高純度の発光層を得ることが可能であることが開示されている。
【0010】
しかしながらこのような薄膜EL素子には、未だ解決すべき構造上の問題が残存していた。すなわち、絶縁体層は薄膜で形成されているため、大面積のディスプレーとしたとき、透明電極のパターンエッジの段差部や、製造工程で発生するゴミ等による薄膜絶縁体の欠陥を皆無にすることが難しく、局所的な絶縁耐圧の低下により発光層の破壊が生じるといった問題があった。このような欠陥は、ディスプレーデバイスとして致命的な問題となるため、薄膜EL素子は、液晶ディスプレーやプラズマディスプレーと比較して、大面積のディスプレーとして広く実用化するためには大きな障害となっていた。
【0011】
このような薄膜絶縁体の欠陥が生じるという問題を解決するため、特公平7−44072公報には、基板として電気絶縁性のセラミック基板を用い、発光体下部の薄膜絶縁体のかわりに厚膜誘電体を用いたEL素子が開示されている。この文献に開示されているEL素子は、従来の薄膜EL素子の構造とは異なり、発光体の発光を基板とは反対の上部側から取り出すため、透明電極層は上部に構成されている。
【0012】
また、このEL素子では厚膜誘電体層は数10〜数100μmと薄膜絶縁体層の数100〜数1000倍の厚さに形成される。そのため、電極の段差や製造工程のゴミ等によって形成されるピンホールに起因する絶縁破壊が非常に少なく、高い信頼性と製造時の高い歩留まりを得ることができるという利点を有している。ところで、このような厚膜誘電体層を用いることにより、発光層に印加される実効電圧が降下する問題を生じるが、例えば前記特公平7−44072公報では鉛を含む複合ペロブスカイト高誘電率材料を誘電体層に用いることによりこの問題を改善している。
【0013】
しかしながら、厚膜誘電体層上に形成される発光層は数100nmと厚膜誘電体層の1/100程度の厚さしかない。このため、厚膜誘電体層は発光層の厚み以下のレベルでその表面が平滑でなければならないが、通常の厚膜工程で作製された誘電体表面を十分平滑にすることは困難であった。
【0014】
すなわち、厚膜誘電体層は本質的に粉体原料を用いたセラミックスで構成されている。このため、緻密に焼結させると通常30〜40%程度の体積収縮を生じる。ところが、通常のセラミックスが焼結時に3次元的に体積収縮して緻密化するのに対し、基板上に形成された厚膜セラミックスは、基板に拘束されてているため、基板の面内方向には収縮できず、厚さ方向に1次元的にしか体積収縮出来ない。このため、厚膜誘電体層の焼結は不十分なまま本質的に多孔質体となってしまう。さらに厚膜の表面粗さは、多結晶焼結体の結晶粒サイズ以下にはならないため、その表面はサブミクロンサイズ以上のの凹凸形状になる。
【0015】
このような誘電体層の表面の欠陥、あるいは多孔質の膜質や、凹凸形状があると、その上に蒸着法やスパッタリング法等の気相堆積法で形成される発光層が、表面形状に追随して均一に形成する事が出来ない。このため、このような基板の非平坦部に形成された発光層部には効果的に電界を印加できず、有効発光面積が減少したり、膜厚の局所的な不均一性から発光層が部分的に絶縁破壊を生じ、発光輝度の低下を生じるといった問題があった。さらに、膜厚が局所的に大きく変動するため、発光層に印加される電界強度が局所的に大きくばらつき、明確な発光電圧しきい値が得られない問題があった。
【0016】
このような問題を解決するために、例えば特開平7−50197公報では、ニオブ酸鉛からなる厚膜誘電体表面に、ゾルゲル法によって形成されるチタン酸ジルコン酸鉛等の高誘電率層を積層し、表面の平坦性を改善する手法が開示されている。
【0017】
このように、セラミックス高誘電率誘電体厚膜を用いる事により、下部電極層のパターンエッジの段差部や、製造工程で発生するゴミ等による薄膜絶縁体の欠陥を回避し、局所的な絶縁耐圧の低下により発光層の破壊が生じるといった問題を解決する事が出来る。
【0018】
しかしながら、このような従来のセラミック高誘電率厚膜を用いたEL素子は、高誘電率厚膜層として、低温焼結が可能でかつ高誘電率、高耐圧といった特性を得るために鉛系誘電体層を使用する必要がある。ところが、誘電体層材料として鉛系誘電体材料を用いた場合に、誘電体層上に形成させる発光層が誘電体層の鉛成分と反応し、初期発光輝度の低下、輝度ムラや発光輝度の経時変化を生じ、実用上問題となっていた。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、鉛系誘電体材料を用いたEL素子の発光輝度の低下や輝度ムラ、発光輝度の経時変化を解決し、高コスト化することなく高い表示品質が得られるEL素子を提供することである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記(1)〜(6)のいずれかの構成により達成される。
(1)電気絶縁性を有する基板とこの基板上に電極層、誘電体層、発光層及び透明電極層が前記基板の側からこの順序で積層された構造を少なくとも有するEL素子であって、前記誘電体層は、前記電極層に一方面が当接した鉛系厚膜誘電体層、当該鉛系厚膜誘電体層の他方面に一方面が当接した強誘電体層及び当該強誘電体層の他方面に一方面が当接した非鉛系誘電体層からなり、前記鉛系厚膜誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体、複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体及びタングステンブロンズ型誘電体からなる群より選ばれる材料であって少なくともその組成に鉛を含有する材料により形成され、前記強誘電体層は、少なくともその組成に鉛を含有するペロブスカイト構造強誘電体により形成され、前記非鉛系誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体又はタングステンブロンズ型誘電体であって少なくともその組成中に鉛を含まない材料により形成されているEL素子。
(2)前記強誘電体層及び前記非鉛系誘電体層は、溶液塗布焼成法によって形成されている上記(1)のEL素子。
(3)前記強誘電体層は、溶液塗布焼成法によって形成され、前記非鉛系誘電体層はスパッタリング法で形成されている上記(1)のEL素子。
(4)前記非鉛系誘電体層の膜厚が0.2μm超である上記(1)〜(3)のいずれかの薄膜EL素子。
(5)電気絶縁性を有する基板とこの基板上に電極層、誘電体層、発光層及び透明電極層が前記基板の側からこの順序で積層された構造を少なくとも有するEL素子であって、前記誘電体層は、前記電極層に一方面が当接した鉛系厚膜誘電体層及び当該鉛系厚膜誘電体層の他方面に一方面が当接した非鉛系誘電体層からなり、前記鉛系厚膜誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体、複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体及びタングステンブロンズ型誘電体からなる群より選ばれる材料であって少なくともその組成に鉛を含有する材料により形成され、前記非鉛系誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体又はタングステンブロンズ型誘電体であって少なくともその組成中に鉛を含まない材料により形成されているEL素子。
(6)前記非鉛系誘電体層は、溶液塗布焼成法によって形成されている上記(5)のEL素子。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明のEL素子は、少なくとも、電気絶縁性を有する基板と、この基板上に電極層と誘電体層と発光層及び透明電極層が積層された構造を有するEL素子であって、前記誘電体層が、鉛系高誘電率厚膜セラミックス誘電体層からなる第1の誘電体層と、好ましくは厚膜セラミックス表面の平坦性を改善するために形成された溶液塗布焼成法により形成された第2の高誘電率層との積層構造を有し、前記第2の高誘電率層がさらに鉛系高誘電率膜と非鉛系高誘電率膜の積層構造によって構成されているか、前記第2の高誘電率層全体がその組成に鉛を含まない誘電体膜によって構成されている。
【0022】
ここで、鉛系誘電体とは組成に鉛を含有する誘電体であり、非鉛系(高誘電率)誘電体層とは組成に鉛を含有しない誘電体である。特に、非鉛系誘電体とはペロブスカイト形の結晶構造を有し、Aサイトに鉛以外の元素を有する誘電体材料をいう。
【0023】
本発明のEL素子の基本構造を図1に示す。本発明のEL素子は、例えば電気絶縁性を有する基板11上に、所定のパターンに形成された下部電極層12と、その上に鉛系厚膜セラミック誘電体層13と、さらにその表面に鉛系誘電体層14と非鉛系誘電体層15とが積層され、多層状誘電体層を構成している。
【0024】
さらに、前記積層誘電体層13,14,15上には薄膜絶縁体層16、発光層17、薄膜絶縁体層18、透明電極層19が積層されている。なお、薄膜絶縁体層16、18は省略しても良い。下部電極層12と上部透明電極層19は、それぞれ互いに直交する方向にストライプ状に形成されている。そして、任意の下部電極層12と上部透明電極層19をそれぞれ選択し、両電極の直交部の発光層に、交流電源・パルス電源20から選択的に電圧を印加することにより特定画素の発光を得ることができる。
【0025】
基板は電気絶縁性を有しその上に形成される下部電極層、誘電体層を汚染することなく、所定の耐熱強度を維持できるもので有れば特に限定されるものではない。
【0026】
具体的な材料としては、アルミナ(Al2O3)、石英ガラス(SiO2)、マグネシア(MgO)、フォルステライト(2MgO・SiO2)、ステアタイト(MgO・SiO2)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ベリリア(BeO)、ジルコニア(ZrO2)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)等のセラミック基板や結晶化ガラスや、高耐熱ガラス等を用いてもよく、またホウロウ処理を行った金属基板等も使用可能である。
【0027】
下部電極層は、単純マトリクスタイプの場合、複数のストライプ状のパターンを有するように形成される。また、その線幅が1画素の幅となり、ライン間のスペースは非発光領域となるため、極力ライン間のスペースを小さくしておくことが好ましい。具体的には、目的とするディスプレーの解像度にもよるが、例えば線幅200〜500μm、スペース20〜50μm程度が必要である。
【0028】
下部電極層の材料としては、高い導電性が得られ、かつ誘電体層形成時にダメージを受けず、さらに誘電体層や発光層と反応性が低い材料が好ましい。このような下部電極層材料としては、Au、Pt、Pd、Ir、Ag等の貴金属や、Au−Pd、Au−Pt、Ag−Pd,Ag−Pt等の貴金属合金や、Ag−Pd−Cu等の貴金属を主成分とし卑金属元素を添加した電極材料が誘電体層焼成時の酸化雰囲気に対する耐酸化性が容易に得られるため好ましい。また、ITOやSnO2(ネサ膜)、ZnO−Al等の酸化物導電性材料を用いてもよく、さらに、Ni,Cu等の卑金属を用い、誘電体層を焼成するときの酸素分圧をこれらの非金属が酸化されない範囲に設定して用いることもできる。下部電極層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、めっき法等の公知の技術を用いればよい。
【0029】
厚膜誘電体層は、高誘電率でかつ高耐圧であることが必要であり、さらに基板の耐熱性を考慮して低温焼成可能な物質であることが要求される。
【0030】
ここで、厚膜誘電体層とは、いわゆる厚膜法により、粉末状の絶縁体材料を焼成して形成されるセラミック層である。この厚膜誘電体層は、例えば下部電極層が形成された基板上に、粉末状の絶縁体材料に、バインダーと溶媒を混合して作製された絶縁体ペーストを印刷して焼成して形成することができる。また、絶縁体ペーストをキャスティング成膜することによりグリーンシートを形成し、積層して形成してもよい。
【0031】
焼成前に行なう脱バインダ処理の条件は、通常のものであってよい。
【0032】
焼成時の雰囲気は、厚膜誘電体層の種類に応じて適宜決定すればよいが、酸化性雰囲気中で焼成を行う場合、通常の大気中焼成を行えばよい。
【0033】
焼成時の保持温度は、誘電体層の種類に応じて適宜決定すればよいが、通常、700〜1200℃程度、好ましくは1000℃以下である。また、焼成時の温度保持時間は、0.05〜5時間、特に0.1〜3時間が好ましい。
【0034】
また、必要に応じてアニール処理を施してもよい。
【0035】
ここで、厚膜誘電体層と発光層の比誘電率をそれぞれe1、e2とし、膜厚をd1、d2とし、上部電極層と下部電極層間に電圧Voを印加した場合、発光層に印加される電圧V2は次式で示される。
【0036】
V2/Vo=(e1×d2)/(e1×d2+e2×d1)------(1)
【0037】
発光層の比誘電率をe2=10、膜厚をd2=1μmと仮定した場合、
【0038】
V2/Vo=e1/(e1+10×d1) ------- (2)
【0039】
発光層に実効的にかかる電圧は少なくとも印加電圧の50%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上であることから上式より
【0040】
50%以上の場合、e1≧10×d1 -------- (3)
80%以上の場合、e1≧40×d1 -------- (4)
90%以上の場合、e1≧90×d1 -------- (5)
【0041】
すなわち、誘電体層の比誘電率は少なくとも単位をμmで表したときの膜厚の少なくとも10倍以上、好ましくは40倍以上、より好ましくは90倍以上が必要となる。
【0042】
厚膜誘電体の膜厚は、電極の段差や製造工程のゴミ等によって形成されるピンホールを排除するため厚いことが必要とされ、少なくとも10μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上が必要となる。
【0043】
例えば、誘電体層の膜厚が20μmであれば、その比誘電率は200〜800〜1800以上が必要であり、誘電体層の膜厚が30μmであればその比誘電率は300〜1200〜2700が必要となる。
【0044】
このような高誘電率厚膜材料としては、各種の材料が考えられるが、基板材料の耐熱性の制約を考えると低温形成可能な高誘電率セラミックス組成である必要がある。
【0045】
その組成に鉛を含んだ誘電体材料は、酸化鉛の融点が888℃と低く、かつ酸化鉛と他の酸化物系材料、例えばSiO2 やCuO、Bi2O3 、Fe2O3 等との間で700℃から800℃程度の低温で液相が形成されるため低温で焼成が容易であり、かつ高誘電率を得やすいため好ましく、例えばPb(ZrxTi1-x)O3等のペロブスカイト構造誘電体材料や、Pb(Mg1/3Ni2/3)O3等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料や、PbNbO6等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料が好ましく用いられる。
【0046】
ペロブスカイト型材料としては、PZT(ジルコンチタン酸鉛)、PLZT(ジルコンチタン酸ランタン鉛)等のPb系ペロブスカイト化合物等があげられる。
【0047】
ペロブスカイト型材料のうち、Pb系ペロブスカイト化合物などは、一般に化学式ABO3 で表される。ここで、AおよびBは各々陽イオンを表す。AはPbであり、さらにその一部をBa、CaおよびSrの1種または2種以上で置換してもよい。Bは例えばTi、Zr、Hf、Ta、SnおよびNbから選ばれた1種または2種以上であることが好ましい。
【0048】
具体的には、Pbを含有するPZT、PLZT等のPb系ペロブスカイト化合物が挙げられる。また、これらのAサイト、およびBサイトを上記の元素で一部置換してもよい。なお、PZTは、PbZrO3 −PbTiO3 系の固溶体である。また、上記PLZTは、PZTにLaがドープされた化合物であり、ABO3 の表記に従えば、(Pb1-xLax )(Zr1-yTiy )O3 で示される。
【0049】
タングステンブロンズ型材料としては、ニオブ酸鉛、PBN(ニオブ酸鉛バリウム)、PbNb2O6 、PbTa2O5 、PbNb4O11 等のタングステンブロンズ型酸化物を挙げることができる。
【0050】
このようなタングステンブロンズ型材料は、強誘電体材料集のLandoit-Borenstein Vol. 16記載のタングステンブロンズ型材料が好ましい。タングステンブロンズ型材料は、一般に化学式AyB5O15 で表される。ここで、AおよびBは各々陽イオンを表す。AはPbであり、その一部をMg、Ca、Ba、Sr、Rb、Tl、希土類およびCdから選ばれた1種以上の元素で置換してもよい。BはTi、Zr、Ta、Nb、Mo、W、FeおよびNiから選ばれた1種以上であることが好ましい。
【0051】
具体的には、(Ba,Pb)Nb2O6 、PbNb2 O6 、PbTa2O6 、PbNb4O11、PbNb2O6 、ニオブ酸鉛、等のタングステンブロンズ型酸化物などおよびこれらの固溶体等が好ましい。
【0052】
複合ペロブスカイト型リラクサー強誘電材料としては、PFN:Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 、PFW:Pb(Fe1/3W2/3)O3 、PMN:Pb(Mg1/3Ni2/3)O3 、PNN:Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 、PMW:Pb(Mg1/2W1/2)O3 、PT:PbTiO3 、PZ:PbZrO3 、PZN:Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 、ジルコン酸チタン酸ランタン鉛PLZT等の強誘電体材料や、Proceedings of 1990 Ultrasonic Symposium 711-720ページのShroutその他の“Relaxor Ferroelectric Materials ”やJapanese Journal of Applied Physics, Vol. 28、No. 4 (1989年4月)の653-661 ページのPan その他の“Large Piezoelectric Effect Induced by Direct Current Bias in PMN: PT Relaxor Ferroelectric Ceramics ”に例示されている改質ニオブ酸マグネシウム鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3 (改質PMN あるいはPMN-PTとしても知られる)等のドーピングあるいは改質されたリラクサを用いることができる。
【0053】
これらの材料を用いれば、アルミナセラミックス等の通常のセラミックス基板の上限耐熱温度である800〜900℃の焼成温度で容易に比誘電率1000〜10000の誘電体層を形成することが出来る。
【0054】
厚膜誘電体層上に積層する高誘電率誘電体層は、その目的が厚膜誘電体層の表面平坦性改善にあるため、溶液塗布焼成法を用いることが必要となる。
【0055】
溶液塗布焼成法とは、ゾルゲル法やMOD法等の誘電体材料の前駆体溶液を基板に塗布し、焼成によって誘電体層を形成する方法を指す。
【0056】
ゾルゲル法とは、一般には溶媒に溶かした金属アルコキシドに所定量の水を加え、加水分解、重縮合反応させてできるM−O−M結合を持つゾルの前駆体溶液を基板に塗布し焼成させることによって膜形成をする方法である。また、MOD( Metallo-Organic Decomposition )法とは、M−O結合を持つカルボン酸の金属塩などを有機溶媒に溶かして前駆体溶液を形成し、基板に塗布し焼成させることによって膜形成をする方法である。ここで前駆体溶液とはゾルゲル法、MOD法などの膜形成法において原料化合物が溶媒に溶解されて生成する中間化合物を含む溶液を指す。
【0057】
ゾルゲル法とMOD法は、完全に別個の方法ではなく、相互に組み合わせて用いることが一般的である。例えばPZTの膜を形成する際、Pb源として酢酸鉛を用い、Ti,Zr源としてアルコキシドを用いて溶液を調整することが一般的である。また、ゾルゲル法とMOD法の二つの方法を総称してゾルゲル法と呼ぶ場合もあるが、いずれの場合も前駆体溶液を基板に塗布し、焼成する事によって膜を形成することから本明細書では溶液塗布焼成法とする。また、サブミクロンサイズの誘電体粒子と誘電体の前駆体溶液を混合した溶液であっても本発明の誘電体の前駆体溶液に含まれ、その溶液を基板に塗布焼成する場合であっても本発明の溶液塗布焼成法に含まれる。
【0058】
溶液塗布焼成法は、ゾルゲル法、MOD法いずれの場合も、誘電体を構成する元素がサブμm以下のオーダーで均一に混合されるため、厚膜法による誘電体形成のような本質的にセラミックス粉体焼結を用いた手法と比較して、極めて低温で緻密な誘電体を合成することが可能である点が特徴である。
【0059】
溶液塗布焼成法を用いる最大の目的は、この方法で形成された誘電体層の特徴として、前駆体溶液を塗布し焼成する工程をへて形成されるため、基板の凹み部には厚く、凸部には薄く層が形成されるため、基板表面の段差が平坦化される点にあり、EL素子の厚膜セラミックス誘電体層の表面平坦性を著しく改善し、この上に形成される薄膜発光層の均一性を大幅に改善することが出来ることにある。
【0060】
したがって溶液塗布焼成法によって形成する誘電体層の膜厚は厚膜表面の凹凸を十分に平坦化するためには好ましくは0.5μm以上、より好ましくは1μm以上、さらに好ましくは2μm以上が望まれる。
【0061】
ここで、この溶液塗布焼成法による誘電体層の積層化による誘電体層全体の比誘電率への影響に関して説明する。厚膜誘電体層と溶液塗布焼成法で形成される高誘電率誘電体層の比誘電率をそれぞれe3、e4とし、各層それぞれの総膜厚をd3、d4とした場合、積層された誘電体層全体の実効比誘電率e5は次式で示される。(但しここでは積層誘電体層全体の膜厚はd3のまま変化しないとして誘電率に換算する)
【0062】
e5=e3×1/[1+(e3/e4)×(d4/d3)] ------- (6)
【0063】
この式を変形すれば、
【0064】
e4/d4=e3×e5/(d3×(e3−e5)) ------- (7)
【0065】
溶液塗布焼成法によって形成された高誘電率誘電体層の付加による積層誘電体層全体の実効的な比誘電率は前記の議論から、厚膜層の膜厚を30μmとした場合、好ましくは1200〜2700以上であるから、例えば比誘電率4000の厚膜を用い、実効誘電率2700を得ようとした場合、溶液塗布焼成法によって形成する誘電体層の比誘電率と膜厚の比は277以上が必要となり、厚膜誘電体層の誘電率が3000であればその比は900となる。
【0066】
前記のように、溶液塗布焼成法によって形成される誘電体層の膜厚は少なくとも0.5μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上であるため、その比誘電率は少しでも高い方が望ましく、少なくとも250以上、好ましくは500以上である。
【0067】
このように、溶液塗布焼成法によって形成する高誘電率層は、膜厚が大きくかつ高誘電率であることが必要であり、鉛系厚膜誘電体層との整合性と低温合成を考慮して、従来主にPZT等のペロブスカイト構造を持った強誘電体材料が用いられる。
【0068】
ところで、鉛系誘電体セラミックス厚膜を合成する際に、その出発組成を鉛過剰組成とする必要があることは広く知られている。これは鉛系誘電体セラミックス厚膜を800℃〜900℃と低温で焼結させるためには、この温度で液相を形成するような焼結助剤を添加することが不可欠であり、前記のようにこのような焼結助剤は酸化鉛と他の酸化物系材料との低温液相形成反応を用いることと、焼結時に鉛成分が蒸発することがあるので、これを補うためである。
【0069】
また、溶液塗布焼成法でPZT等の鉛系ペロブスカイト構造をもつ誘電体層を形成する場合は、セラミックスの場合以上の鉛成分の過剰添加(5%〜20%程度)が必要があることが良く知られている。
【0070】
溶液塗布焼成法の場合、より過剰な鉛成分が必要な理由は、焼成時に鉛成分が蒸発し、鉛不足となり結晶成長を抑制する事を避ける効果以外に、鉛過剰成分が低融点組成部を構成するため結晶成長時の物質拡散を容易にし低温での反応を可能とする効果があること、及び通常のセラミックスと比較して低温で反応を行うため、セラミックスの場合と比較して成長した誘電体結晶粒内に過剰な鉛成分が取り込まれてしまう傾向があること、さらに過剰鉛成分の拡散距離が小さく結晶成長の各サイトで十分な鉛過剰状態を維持するためにより多くの鉛成分が必要とされること等と理解されている。
【0071】
このような理由で鉛成分を過剰添加された鉛系誘電体より形成される誘電体層は、その層内に結晶構造中に組み込まれた鉛分以外に酸化鉛の状態で多量の過剰鉛成分を含むことが特徴である。
【0072】
このような過剰な鉛成分は、誘電体層形成後の熱負荷、特に還元雰囲気下の熱負荷により容易に誘電体層内部から析出する。特に還元雰囲気下での熱負荷では酸化鉛の還元による金属鉛の生成が起こりやすく、このような誘電体層に直接後述するような発光層を形成すると、発光層との鉛成分の反応や発光層内への可動金属鉛イオンの汚染を引き起こし、発光輝度の低下や長期信頼性に著しい悪影響を与えてしまうことになる。
【0073】
特に金属鉛イオンはイオンマイグレーション性が高く、高電界が印加される発光層内で可動イオンとして発光特性に著しい影響を及ぼすため長期信頼性に特に大きな影響を及ぼす。
【0074】
また、特に還元雰囲気によって酸化鉛が金属鉛に還元されなくとも、発光層内部に酸化鉛成分が含まれてしまうと発光層内部の高電界による電子衝撃により酸化鉛が還元され金属イオンとして遊離し信頼性に悪影響を及ぼす。
【0075】
本発明のEL素子は、形成された鉛系誘電体層に加え、さらに少なくともその最表面層に非鉛系高誘電率誘電体層を有する。ここで、非鉛系誘電体層とは、Pbを実質的に含有しない誘電体材料により形成された誘電体層をいう。具体的には、ペロブスカイト型、タングステンブロンズ型などの誘電体材料であって、ペロブスカイト型の場合、Aサイトに鉛以外の、好ましくは1価以外の元素を有する誘電体材料である。具体的には、AサイトにBa,Sr,Ca,Cdの1種または2種以上を含有し、BサイトにTi,Zr,Sn,Hfの1種または2種以上を含有するものが挙げられる。
【0076】
より具体的には、例えば以下の材料および以下の材料の2種類以上の混合物が好適である。
【0077】
(A) ペロブスカイト型材料のうち、BaTiO3 やSrTiO3 などの化合物は、一般に化学式ABO3 で表される。ここで、AおよびBは各々陽イオンを表す。AはCa、Ba、SrおよびCdから選ばれた1種以上であることが好ましく、BはTi、ZrおよびHfから選ばれた1種以上であることが好ましい。
【0078】
具体的には、CaTiO3 、SrTiO3 、BaTiO3 ,BaZrO3 、CaZrO3 、SrZrO3 、CdHfO3 、CdZrO3 、SrSnO3 などおよびこれらの固溶体等が挙げられる。これらの化合物は、特性を調整するために、その組成の一部を上記元素で置換したり、微量の好ましくは3価の元素が添加されていてもよい。
【0079】
(B) タングステンブロンズ型材料としては、SBN(ニオブ酸ストロンチウムバリウム)を代表とするタングステンブロンズ型酸化物などおよびこれらの固溶体等が挙げられる。これらの化合物は、特性を調整するために、その組成の一部を上記元素で置換したり、微量の好ましくは3価の元素が添加されていてもよい。
【0080】
この非鉛系高誘電率誘電体層によって鉛系誘電体層から発光層への鉛成分の拡散を抑えることが可能となり、過剰鉛成分による発光層に生じる悪影響を防止することが可能となる。
【0081】
ここで、この非鉛系誘電体層を付加することによる誘電体層の比誘電率への影響に関して再度考察する。鉛系誘電体層と非鉛系誘電体層の比誘電率をそれぞれe6、e7とし、各層それぞれの総膜厚をd6、d7とした場合、鉛系誘電体層と非鉛系誘電体層全体の実効比誘電率e8は次式で示される。
【0082】
e8=e6×1/[1+(e6/e7)×(d7/d6)] ------- (8)
【0083】
非鉛系誘電体層の付加による鉛系誘電体層/非鉛系誘電体層複合層の実効的な比誘電率の低下は、前記の誘電体層と発光層との比誘電率と発光層に印加される実効電圧との関係から考えて、少ないことが必要であり、複合層の比誘電率は少なくとも誘電体層単独の場合の90%以上、好ましくは95%以上であることが好まれる。従って、(6)式より
【0084】
90%以上の場合、e6/d6≦1/9×e7/d7 -------- (9)
95%以上の場合、e6/d6≦1/19×e7/d7 --------(10)
【0085】
例えば鉛系誘電体層の比誘電率を2700、膜厚を30μmと仮定すると、非鉛誘電体層の比誘電率と膜厚の比率は、810以上、好ましくは1710以上となる。従って、非鉛誘電体層の膜厚を0.2μmと仮定すると、比誘電率は162〜342以上が必要となり、0.4μmと仮定すれば比誘電率は324〜684以上が必要となる。
【0086】
非鉛誘電体層の膜厚としては、鉛拡散を防止する目的から膜厚は厚い方が好ましく、本発明者の実験的検討では好ましくは0.2μm超、より好ましくは0.4μm以上が必要であり、実効比誘電率の低下の問題がなければさらに厚くても良い。
【0087】
非鉛誘電体層の膜厚が0.2μm以下の場合でもある程度の鉛拡散防止効果自体は得られるが、鉛系誘電体層の微小な表面欠陥や表面粗さ、製造工程に起因するごみ等の付着による局所的な表面粗さの影響を受けやすくなり、良好な拡散防止効果が得られにくく、局所的な鉛成分の拡散による発光層の部分的輝度低下や劣化の問題を生じる危険性がある。
【0088】
このため、非鉛誘電体層の膜厚は厚いことが好ましく、非鉛誘電体層に必要とされる比誘電率は少なくとも100以上、好ましくは200以上、より好ましくは400以上である。
【0089】
例えば、前記の例で、鉛系誘電体層の比誘電率が2700,膜厚が30μmの場合、比誘電率が約7であるSi3N4膜を0.4μm形成した場合を考えると(8)式より実効比誘電率は440となり、また比誘電率が約25であるTa2O5膜を0.4μm形成した場合でも実効比誘電率は1107となり大幅に低下し、発光層に印加される実効電圧が大幅に低下してしまうため、このような非鉛誘電体層を用いた場合、EL素子の駆動電圧が著しく増大し、実用性を大きく減じてしまう。
【0090】
これに対し、高誘電率材料、例えば比誘電率が約80であるTiO2膜を0.4μm形成した場合の実効比誘電率は1862と大幅に改善され、さらに比誘電率が200の物質を用いれば実効比誘電率は2288が得られ、さらに比誘電率が400の物質を用いた場合、実効比誘電率は2477とほぼ非鉛誘電体層がない場合の90%以上の特性を得ることが可能となる。
【0091】
比誘電率が約80であるTiO2を超える、比誘電率100〜1000以上が得られる非鉛系高誘電率誘電体材料としては、例えば上記のようにBaTiO3、SrTiO3、CaTiO3、BaSnO3、CdHfO3 等のペロブスカイト構造誘電体や、例えばBa1-xSrxTiO3のような、これらの材料間の固溶体が好ましい。
【0092】
このようにペロブスカイト構造非鉛誘電体層を用いることで、本発明の鉛成分の発光層への拡散防止効果が実効比誘電率の低下を最小限に抑えたまま得ることが容易に可能になる。
【0093】
ところで本発明者の検討によれば、このようなペロブスカイト構造非鉛系誘電体層を用いる上で、その組成をペロブスカイト構造のAサイト原子がBサイト原子に対し1以上の比率とすることが重要である。
【0094】
すなわち、前記したような、ペロブスカイト構造非鉛誘電体材料は、何れも結晶構造的にそのAサイトに鉛イオンを含むことが可能であり、例えばBaTiO3組成を例にとって説明すると、BaTiO3層を形成する際にその出発組成が、Ba1-xTiO3-xであるような、Aサイト原子であるBaがBサイト原子であるTiに対し不足している場合、BaTiO3層を形成する鉛系誘電体層に過剰な鉛成分があるため、容易にこのBaTiO3層のBa欠陥サイトに過剰鉛成分が置換し、(Ba1-xPbx)TiO3層を形成してしまう。このような状態で、BaTiO3層上に発光層を形成した場合、発光層が鉛成分に直接接してしまうため十分な鉛拡散防止効果が得られない。
【0095】
このために、ペロブスカイト構造非鉛系誘電体層の組成は少なくとも化学量論比組成からAサイト過剰側とすることが好ましい。また、この説明からも推察されるように、ペロブスカイト構造非鉛誘電体材料は結晶構造的に鉛成分の置換が可能であるため組成を化学量論比組成からAサイト過剰側としても、鉛系誘電体層との界面近傍部分は鉛成分と僅かながらも一部反応する可能性がある。このためにも非鉛誘電体層の膜厚はある一定以上であることが好ましく、本発明者の実験的検討ではこの膜厚は0.1μm以上、好ましくは0.2μm超である。
【0096】
また、SBN(Sr1-xBax )Nb2O6 に代表されるタングステンブロンズ型誘電体の場合もペロブスカイト型誘電体と同様に、その組成を一般に化学式AxB5O15 で表わした場合、AイオンとしてPbを置換することが可能であるため、Aに位置する陽イオンを化学量論比以上とすることが望ましい。
【0097】
このように、非鉛誘電体層を十分にその組成を制御して形成する方法としては、スパッタリング法もしくは溶液塗布焼成法を用いることがその組成の制御性が高く好ましい。
【0098】
スパッタリング法を用いて形成された非鉛系誘電体層は、ターゲット組成と同組成の薄膜を容易に形成でき、更に高密度でより鉛成分の拡散防止効果が期待できる緻密な薄膜を容易に形成できるために好ましい膜形成方法である。
【0099】
また、溶液塗布焼成法は前駆体溶液の調合比を制御することによりスパッタ法よりも更に厳密に組成制御がされた誘電体層が形成可能であり、さらに溶液塗布焼成法で形成された誘電体層の特徴である下地層の凹凸平坦化効果が得られる点が有利である。とくに下地に形成される溶液塗布焼成法によって形成された鉛系誘電体層と同等の高誘電率が得られるならば、この鉛系誘電体層を省き、溶液塗布焼成法によって形成される非鉛系誘電体層のみで鉛系厚膜セラミックス誘電体層の表面凹凸平坦化と鉛拡散防止効果を兼ねることが可能となり効果的である。
【0100】
本発明の鉛系厚膜セラミックス誘電体層上に形成される、鉛系誘電体層と非鉛系高誘電率誘電体層との積層の組み合わせは、その最表面が非鉛系高誘電率誘電体層であれば良いのであり、これらを交互に積層し、その最表層を非鉛系高誘電率誘電体層とすることもできる。このような構成を取れば、鉛系誘電体層中に存在する過剰な鉛成分が交互に積層された非鉛系高誘電率誘電体層によってそれぞれに効果的に拡散防止され、より最表面に位置する非鉛系高誘電率誘電体層の鉛成分拡散防止効果が良好になる。このような構成は、特にスパッタリング法を用いて非鉛系高誘電率誘電体層を形成する際に、スパッタリング法の問題である膜厚の厚い層を形成した際に膜表面の凹凸が激しくなる問題を回避するために有効である。
【0101】
発光層の材料としては特に限定されないが、前述したMnをドープしたZnS等の公知の材料が使用できる。これらの中でも、SrS:Ceや青色発光体であるバリウムチオアルミネート蛍光体層は優れた特性を得られることから特に好ましい。発光層の膜厚としては、特に制限されるものではないが、厚すぎると駆動電圧が上昇し、薄すぎると発光効率が低下する。具体的には、発光体材料にもよるが、好ましくは100〜2000nm程度である。
【0102】
発光層の形成方法は、気相堆積法を用いることが可能である。気相堆積法としては、スパッタ法や蒸着法等の物理的気相堆積法やCVD法等の化学的気相堆積法が好ましい。また、前述したように特にSrS:Ceの発光層を形成する場合には、H2S雰囲気下、エレクトロンビーム蒸着法により成膜中の基板温度を500℃〜600℃に保持して形成すると、高純度の発光層を得ることが可能である。
【0103】
発光層の形成後、好ましくは加熱処理を行う。加熱処理は、基板側から電極層、誘電体層、発光層と積層した後に行っても良いし、基板側から電極層、誘電体層、発光層、絶縁体層、あるいはこれに電極層を形成した後に加熱処理(キャップアニール)を行っても良い。熱処理の温度は形成する発光層によるが、SrS:Ceの場合、500℃〜600℃以上で、誘電体層の焼成温度以下、処理時間は10〜600分であることが好ましい。加熱処理時の雰囲気としては、Ar中が好ましい。
【0104】
このように、SrS:Ce等やバリウムチオアルミネート蛍光体等の優れた特性が得られる発光層を形成する条件は、真空中もしくは還元中雰囲気下で500℃以上といった高温での成膜と、その後の大気圧下での高温熱処理工程が必要であり、従来の技術では誘電体層の鉛成分と発光層の反応、拡散による問題が避けられないのに対し、本発明のEL素子では発光層に対する鉛成分による悪影響が完全に防止できるために特に効果が大きい。
【0105】
薄膜絶縁体層(16)および/または(18)は、前記したように省略しても良いがこれを有することが好ましい。
【0106】
この薄膜絶縁体層は、その機能として発光層と誘電体層との間の界面の電子状態を調節し発光層への電子注入を安定化、効率化する事と、この電子状態が発光層の両面で対象的に構成することにより交流駆動時の発光特性の正負対象性を改善することが主要な目的であり、発光層誘電体層の役割である絶縁耐圧を保持する機能を考慮する必要はないため膜厚は小さくて良い。
【0107】
この薄膜絶縁体層は、抵抗率として、108Ω・cm以上、特に1010〜1018Ω・cm程度が好ましい。また、比較的高い比誘電率を有する物質であることが好ましく、その比誘電率εとしては、好ましくはε=3以上である。この薄膜絶縁体層の構成材料としては、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化イットリウム(Y2O3)、ジルコニア(ZrO2)、シリコンオキシナイトライド(SiON)、アルミナ(Al2O3)、等を用いることができる。また、薄膜絶縁体層を形成する方法としては、スパッタ法や蒸着法、CVD法を用いることができる。また、薄膜絶縁体層の膜厚としては、好ましくは10〜1000nm、特に好ましくは20〜200nm程度である。
【0108】
透明電極層は、膜厚0.2μm 〜1μm のITOやSnO2(ネサ膜)、ZnO−Al等の酸化物導電性材料等が用いられる。透明電極層の形成方法としては、スパッタ法のほか蒸着法等の公知の技術を用いればよい。
【0109】
なお、上記したEL素子は単一発光層のみを有するが、本発明のEL素子は、このような構成に限定されるものではなく、膜厚方向に発光層を複数積層しても良いし、マトリックス状にそれぞれ種類の異なる発光層(画素)を組み合わせて平面的に配置するような構成としても良い。
【0110】
上記したように本発明のEL素子は、発光層が積層される誘電体層表面の平滑性が極めて良好であり、絶縁耐圧が高くかつ欠陥がなく、更に従来問題であった誘電体層の過剰鉛成分による発光層へのダメージを完全に防止することが可能なため、輝度が高くかつ輝度の長期信頼性が高く、高性能、高精細のディスプレイを容易に構成することもできる。また、製造工程が容易であり、製造コストを低く抑えることが可能である。
【0111】
【実施例】
以下に本発明の実施例を具体的に示しさらに詳細に説明する。
〔実施例1〕
99.6%純度のアルミナ基板上にスクリーン印刷法により市販のAg−Pdペーストを、基板全面に焼成後膜厚が3μmの厚さになるように印刷し、850℃で焼成を行った。この下部電極層をフォトエッチング法を用いて幅300μm、スペース30μmの多数のストライプ状にパターニングした。
【0112】
前記下部電極が形成された基板上に、さらにスクリーン印刷法により誘電体セラミックス厚膜を形成した。厚膜ペーストとしては、ESL社製4210C厚膜誘電体ペーストを用い、焼成後の膜厚が30μmになるようにスクリーン印刷、乾燥を繰り返した。
【0113】
同厚膜ペーストはPb(Mg1/3Nb2/3)O3 系ペロブスカイト誘電体組成を主体とし、焼結助剤として過剰の酸化鉛を含有する物である。
【0114】
印刷乾燥後、厚膜はベルト炉を用い、十分なAirを供給した雰囲気で850℃−20minの焼成を行った。この厚膜単独の誘電率は約4000であった。
【0115】
この基板に溶液塗布焼成法を用いて鉛系誘電体層であるPZT誘電体層を形成した。溶液塗布焼成法による誘電体層の形成方法として、以下の方法で作製したゾルゲル液を、PZT前駆体溶液として基板にスピンコーティング法にて塗布し、700℃で15分間焼成する作業を所定回繰り返した。
【0116】
基本的なゾルゲル液の作製方法は、8.49gの酢酸鉛三水和物と、4.17gの1.3プロパンジオールを約2時間、加熱攪拌し、透明な溶液を得た。これとは別に、3.70gのジルコニウム・ノルマルプロポキシド70wt%1−プロパノール溶液と、1.58gのアセチルアセトンを乾燥窒素雰囲気中で30分間加熱攪拌し、これに3.14gのチタニウム・ジイソプロポキシド・ビスアセチルアセトネート75wt%2−プロパノール溶液と、2.32gの1.3プロパンジオールを加え、更に2時間加熱攪拌した。これら2つの溶液を80℃で混合し、乾燥窒素雰囲気中で2時間加熱攪拌し、褐色透明な溶液を作製した。この溶液を130℃で数分間保持することにより副生成物を取り除き、更に3時間加熱攪拌することによりPZT前駆体溶液を作製した。
【0117】
この前駆体溶液をn−プロパノールを用いて希釈して濃度調整を行い、スピンコーティングによる塗布と焼成を複数回繰り返すことで前記厚膜上に膜厚2μm厚のPZT層を形成した。
【0118】
なお、この条件で形成されたPZT層は化学量論比組成に対し約10%過剰な鉛成分を含んでいた。また、このPZT膜単独の比誘電率は600であった。
【0119】
また、この厚膜セラミックス誘電体層と溶液塗布焼成法によるPZT層の積層構造での誘電率は、全体膜厚が30μmで変わらないと仮定した場合、約2800になった。
【0120】
次に、非鉛系高誘電率誘電体層として、鉛系誘電体層上に、溶液塗布焼成法によって形成されたBaTiO3 膜、スパッタリング法によって形成したBaTiO3 膜、及びSrTiO3 膜、TiO2 膜を、また比較例として非鉛系高誘電率誘電体層を有していない試料を作製した。
【0121】
BaTiO3薄膜の形成条件として、マグネトロンスパッタ装置を用い、BaTiO3セラミックスをターゲットとして、Arガス4Paの圧力で、13.56MHz、高周波電力密度2W/cm2 の条件で成膜を行った。このとき成膜速度は約5nm/min であり、スパッタリング時間を調整することで膜厚50nm〜400nmを得た。このとき形成されたBaTiO3 薄膜はアモルファス状態であり、この膜を700℃で熱処理したところ、比誘電率500の値が得られた。また、熱処理をしたBaTiO3 薄膜はペロブスカイト構造を有することがX線回折法により確認された。また、このBaTiO3 膜の組成は化学量論比組成に対しBaが5%過剰組成であった。
【0122】
SrTiO3薄膜の形成条件として、マグネトロンスパッタ装置を用い、SrTiO3 セラミックスをターゲットとして、Arガス4Paの圧力で、13.56MHz、高周波電力密度2W/cm2 の条件で成膜を行った。このとき成膜速度は約4nm/min であり、スパッタリング時間を調整することで膜厚400nmを得た。このとき形成されたSrTiO3 薄膜はアモルファス状態であり、700℃で熱処理したところ、比誘電率250の値が得られた。また、500℃以上の温度で熱処理をしたSrTiO3 薄膜はペロブスカイト構造を有することがX線回折法により確認された。また、このSrTiO3 薄膜の組成は化学量論比組成に対し、Srが3%過剰組成であった。
【0123】
また、TiO2 薄膜の形成条件として、マグネトロンスパッタ装置を用い、TiO2 セラミックスをターゲットとして、Arガス1Paの圧力で、13.56MHz、高周波電力密度2W/cm2 の条件で成膜を行った。このとき成膜速度は約2nm/min であり、スパッタリング時間を調整することで膜厚400nmを得た。この膜を600℃で熱処理したところ、比誘電率76の値が得られた。
【0124】
溶液塗布焼成法によるBaTiO3 膜の形成方法は、以下の方法で形成したゾルゲル液をBaTiO3 前駆体溶液として基板にスピンコーティング法にて塗布し、最高温度700℃まで200℃ごとにステップ状に昇温し、最高温度にて10分間焼成する事を所定回繰り返した。
【0125】
BaTiO3 前駆体溶液の作製方法としては、分子量63万のPVP(ポリビニルピロリドン)を2−プロパノールに完全に溶解し、酢酸及びチタンテトライソプロポキシドを攪拌しながら添加し、透明な溶液を得た。この溶液に純水と酢酸バリウムの混合溶液を攪拌しながら滴下し、この状態で攪拌を続けながら所定時間のエージングを行った。各出発原料の組成比は、酢酸バリウム:チタンテトライソプロポキシド:PVP:酢酸:純水:2−プロパノール=1:1:0.5:9:20:20である。これによりBaTiO3前駆体溶液が得られた。
【0126】
上記BaTiO3 前駆体溶液の塗布焼成を行うことにより、膜厚0.5μm及のBaTiO3 誘電体層を形成した。この膜の比誘電率は380であり、組成は化学量論比組成に一致した。
【0127】
このBaTiO3 膜は、溶液塗布焼成法のPZT膜の膜厚を2μm及び1.5μmとした物の上に形成すると共に、PZT膜を形成せず、直接厚膜セラミックス基板上に2μmの厚みで形成したものも作製した。
【0128】
以上のように形成された厚膜セラミックス誘電体層、鉛系誘電体層,非鉛系高誘電率誘電体層が積層された基板上に、SrS:Ceの発光層をエレクトロンビーム蒸着法によりH2S雰囲気下、成膜中の基板温度を500℃に保持して形成した。発光層形成後、真空中600℃で30分間の熱処理を行った。
【0129】
次に、絶縁体層としてSi3N4 薄膜と上部電極層としてITO薄膜をスパッタリング法により順次形成することによりEL素子とした。その際、上部電極層のITO薄膜はメタルマスクを成膜時に用いる事により幅1mmのストライプ状にパターニングした。発光特性は、得られた素子構造の下部電極、上部透明電極から電極を引き出し、1kHzのパルス幅50μsにて発光輝度が飽和するまでの電界を印加して測定した。
【0130】
評価項目としては、発光しきい値電圧、飽和輝度、及び100時間連続発光後の到達輝度の劣化を評価した。
【0131】
【表1】
【0132】
その結果、非鉛系高誘電率誘電体層を有していない比較例では劣化が55%と大きいが、本発明のスパッタリング法によって形成されたBaTiO3 層を有するものは、0.2μm以上の膜厚で到達輝度が1200cd/m2 前後となり、140V〜150Vの発光しきい値電圧が得られ、また劣化は小さかった。これに対し0.1μm以下では発光しきい値電圧が上昇すると共に到達輝度が低下し、更に著しい劣化を示した。SrTiO3 層の場合は、わずかに発光しきい値電圧が増加する以外、同膜厚のBaTiO3 層の場合とほぼ同様の特性が得られた。また、溶液塗布焼成法を用いたBaTiO3 層の場合もわずかな発光しきい値電圧の増加以外、ほぼスパッタ法で得られた結果と同様の特性が得られた。
【0133】
TiO2 膜の場合、同膜厚のBaTiO3 膜と比較してしきい値電圧の増大と輝度の低下が見られるとともに劣化が大きかった。
【0134】
また、比較例であるPZT単独の構造では発光しきい値電圧の増大と輝度の低下、劣化が大きく、更に到達輝度付近の印加電圧で絶縁破壊が発生しやすかった。
【0135】
これらの結果から明らかなように、非鉛高誘電率ペロブスカイト層を非鉛系高誘電率誘電体層として用いた構造では、膜厚が0.1μm以上からその効果が認められ、特に0.2μm以上では顕著な発光輝度の増加としきい値電圧の低下、信頼性の向上が認められた。
【0136】
これは、鉛系誘電体層中の鉛成分の発光層への拡散が効果的に抑制された事を示している。
【0137】
また、TiO2 層の場合、反応防止層としての効果は認められるが、ペロブスカイト層と比較して飽和輝度が低く、発光しきい値電圧が高く、劣化も大きかった。これはTiO2 膜がPZT層中の過剰鉛と反応し、部分的にPbTiO3 化したために反応防止層として完全に機能しなかったと推定される。
【0138】
〔実施例2〕
実施例1と同様に、前記下部電極を形成した基板上に、スクリーン印刷法により前記厚膜を形成し、前記PZT前駆体溶液をスピンコーティングにて塗布することで実施例1と同様の厚膜セラミックス誘電体層と溶液塗布焼成法によるPZT層の積層構造体を作製した。
【0139】
次に、非鉛系高誘電率誘電体層として、上記鉛系誘電体層上に、スパッタリング法によって形成した(Sr0.5Ba0.5)Nb2O6 薄膜、及び実施例1と同様の方法で作成したBaTiO3 膜、TiO2 膜を、また比較例として非鉛系高誘電率誘電体層を有していない試料を作製した。
【0140】
(Sr0.5Ba0.5)Nb2O6 薄膜の形成条件として、マグネトロンスパッタ装置を用い、(Sr0.5Ba0.5)Nb2O6 セラミックスをターゲットとして、Arガス4Paの圧力で、13.56MHz高周波電極密度2W/cm2 の条件で成膜を行った。成膜時の基板温度は750℃とした。このときの成膜速度は約6nm/min であり、スパッタリング時間を調整することで膜厚400nmを得た。形成された(Sr0.5Ba0.5)Nb2O6 薄膜はタングステンブロンズ型に結晶化していた。さらに誘電特性を向上させるため、この膜を750℃空気中で熱処理したところ、比誘電率200の値が得られた。膜の組成は化学量論比組成であった。
【0141】
次にこれらの誘電体基板上に青色発光体であるバリウムチオアルミネート蛍光体層を形成した。蛍光体層としてはEL素子として安定に発光させるため、Al2O3 膜、50nm/ZnS膜、200nm/バリウムチオアルミネート蛍光体薄膜、300nm/ZnS膜、200nm/Al2O3 膜、50nmの複合構造体を作製した。ここで、Al2O3 膜は酸化雰囲気アニール時の蛍光薄膜への酸素導入量を制御するキャップ層、ZnSは、予めイオウ過剰、または不足で形成することにより、蛍光薄膜中のイオウ量をアニール時に最適化するイオウ制御層として機能する。さらに、素子として形成された場合には、Al2O3 膜は、絶縁膜、誘電体層としての機能ではなく、主に発光層への電子注入層として機能する。また、ZnS層は、注入された電子を加速する注入増強層としても機能する。
【0142】
バリウムチオアルミネート蛍光体成膜には、Eガン1台と、抵抗加熱セル1台を用いた多元蒸着法を用いた。Euを5原子%添加したBaSペレットを入れたEB源、Al2S3 粉を入れたセルをH2Sを導入した真空槽内に設け、それぞれのEB源、セルより同時に蒸発させ、500℃に加熱し、回転させた基板上にバリウムチオアルミネート(BaAlOS):Eu層を形成した。各々の蒸発源の蒸発速度は、(BaAlOS):Euの成膜速度で1nm/sec になるように調節した。このときH2Sガスを20SCCM導入した。
【0143】
薄膜形成後750℃の大気中で20分間アニールし、300nm厚の蛍光体薄膜を得た。
【0144】
モニターとしてSi基板上に形成した、バリウムチオアルミネート(BaAlOS):Eu薄膜を蛍光X線分析により組成分析した結果、原子比でBa:Al:O:S:Eu=7.71:17.68:8.23:51.4:0.40であった。
【0145】
さらに、得られた構造体上にITO酸化物ターゲットを用いRFマグネトロンスパッタリング法により、基板温度250℃で、膜厚200nmのITO透明電極を形成し、EL素子を完成した。
【0146】
このEL素子の発光特性を評価した。得られたEL構造のITO上部電極、Pd上部電極から電極を引き出し、1kHzでパルス幅50μSの両極性電界を印加した。結果を表2に示す。
【0147】
【表2】
【0148】
表2から明らかなように、本発明の、BaTiO3 非鉛誘電体層を用いたEL素子は、特に膜厚が300nmで輝度250cd/m2 、膜厚400nmで1460cd/m2 と著しい高輝度が得られている。これに対し、膜厚200nmでは96cd/m2 、膜厚100nmでは75cd/m2 と輝度は減少するが、その効果は認められた。
【0149】
また、本発明のSBN薄膜を用いた場合も720cd/m2 とBaTiO3 誘電体層を用いた場合よりは小さいが、その効果は認められた。
【0150】
さらにTiO2 薄膜を形成した場合も、膜厚200nmでは40cd/m2 であるが、膜厚400nmで870cd/m2 と輝度はBaTiO3 の場合と比較して低下するが比較的高輝度が得られている。これは、実施例1と同様に、TiO2 薄膜を用いた場合、反応防止層としての効果は認められるが、PZT層中の過剰鉛と反応し、部分的にPbTiO3 化したために反応防止層として完全に機能しなかったことと、誘電率が約80と他の非鉛誘電体層と比較して小さいために、十分な発光が得られなかったためと推定される。
【0151】
これに対し、比較例として、非鉛誘電体層を用いない以外全く同条件で作製したEL素子では、1cd/m2 とBaTiO3 非鉛誘電体層を用いた場合と比較して全く輝度が得られておらず、本発明の非鉛誘電体層を積層したEL素子の効果は明らかである。
【0152】
なお、本実施例で作成したEL素子の、青色発光は、CIE1931色座標(0.1285、0.1350)、発光スペクトルのピーク波長は473nmであり、極めて良好な青色発光であった。
【0153】
また、この実施例と比較例の試料をオージェ分析法により、膜の厚さ方向に不純物分析を行ったところ、比較例では、蛍光体薄膜領域からPb元素が検出された。これは、多層の溶液塗布焼成法によって形成したPZT誘電体層中のPb元素が拡散したためと考えられる。これに対し、実施例では、蛍光体薄膜領域からはPb元素は検出されなかった。
【0154】
これらの結果は、本発明の作用で述べた効果により、飛躍的にEL素子の輝度が向上したものであり、本発明の効果は明らかである。
【0155】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来のEL素子において問題とされた誘電体層に生じる欠陥を解決し、特に鉛系誘電体材料を用いた誘電体層を形成したEL素子の発光輝度の低下や輝度ムラ、発光輝度の経時変化を生じる問題を解決し、高い表示品質が得られるEL素子を高コスト化することなく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のEL素子の基本構成を示した一部概略断面図である。
【図2】従来の薄膜EL素子の基本構成を示した一部概略断面図である。
【符号の説明】
11 基板
12 下部電極
13 鉛系厚膜誘電体層
14 鉛系誘電体層
15 非鉛系誘電体層
16 薄膜絶縁体層
17 発光層
18 薄膜絶縁体層
19 透明電極層
20 交流電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an EL element having at least a structure in which an electrically insulating substrate, an electrode layer having a pattern on the substrate, and a dielectric layer, a light emitting layer, and a transparent electrode layer are stacked on the electrode layer.
[0002]
[Prior art]
EL elements have been put into practical use as backlights for liquid crystal displays (LCDs) and watches.
[0003]
An EL element is an element that applies a phenomenon in which a substance emits light when an electric field is applied, that is, an electroluminescence (EL) phenomenon.
[0004]
The EL element includes a dispersed EL element having a structure in which a powder luminescent material is dispersed in an organic substance or a hollow and electrode layers are provided on the upper and lower sides, two electrode layers and two thin film insulators on an electrically insulating substrate. There is an EL element using a thin film light emitter formed in a sandwiched manner. Further, there are a DC voltage driving type and an AC voltage driving type for each driving method. Dispersion EL elements have been known for a long time and have the advantage of being easy to manufacture, but their use has been limited because of their low brightness and short lifetime. On the other hand, EL elements have been widely used in recent years because they have characteristics of high luminance and long life.
[0005]
FIG. 2 shows a structure of a typical double-insulated thin film EL element as a conventional EL element. This thin-film EL element is a transparent film formed in a predetermined stripe pattern made of ITO having a film thickness of about 0.2 μm to 1 μm on a
[0006]
The thin film
[0007]
As a light emitting material, ZnS added with Mn which emits yellow-orange light has been mainly used from the viewpoint of easiness of film formation and light emission characteristics. In order to produce a color display, it is indispensable to use a luminescent material that emits light in three primary colors of red, green, and blue. These materials include SrS added with blue light emitting Ce and ZnS added with Tm, ZnS added with red light emitting Sm and CaS added with Eu, ZnS added with green light emitting Tb, and CaS added with Ce. It has been known.
[0008]
In addition, the monthly display '98 April issue “Recent display technology trends”, Tanaka, p1-10, ZnS: TbOF as materials for obtaining green light emission, such as ZnS, Mn / CdSSe, etc. As a material for obtaining blue light emission, such as ZnS: Tb, SrS: Cr, (SrS: Ce / ZnS) n, Ca2Ga2SFour: Ce, Sr2Ga2SFourA light emitting material such as Ce is disclosed. In addition, light-emitting materials such as SrS: Ce / ZnS: Mn are disclosed as materials that obtain white light emission.
[0009]
Further, among the above materials, SrS: Ce is disclosed in IDW (International Display Workshop) '97 X.Wu "Multicolor Thin-Film Ceramic Hybrid EL Displays" p593 to 596, which is used for a thin film EL element having a blue light emitting layer. ing. Further, in this document, when a light emitting layer of SrS: Ce is formed, H2It is disclosed that a high-purity light-emitting layer can be obtained when formed by an electron beam evaporation method in an S atmosphere.
[0010]
However, such a thin film EL element still has structural problems to be solved. In other words, since the insulator layer is formed of a thin film, there is no defect in the thin film insulator due to the stepped portion of the pattern edge of the transparent electrode or dust generated in the manufacturing process when the display is a large area. However, there is a problem that the light emitting layer is destroyed due to a local decrease in the withstand voltage. Since such defects become a fatal problem as a display device, the thin-film EL element has been a major obstacle to practical application as a large-area display compared to a liquid crystal display or a plasma display. .
[0011]
In order to solve the problem that such a thin-film insulator defect occurs, Japanese Examined Patent Publication No. 7-44072 uses an electrically insulating ceramic substrate as a substrate and uses a thick-film dielectric instead of the thin-film insulator under the light emitter. An EL element using a body is disclosed. Unlike the structure of the conventional thin film EL element, the EL element disclosed in this document takes out light emitted from the light emitter from the upper side opposite to the substrate, and therefore the transparent electrode layer is formed on the upper part.
[0012]
In this EL element, the thick film dielectric layer is formed to have a thickness of several tens to several hundreds of micrometers, which is several hundreds to several thousand times that of the thin film insulator layer. For this reason, there are very few dielectric breakdowns caused by pinholes formed by steps of electrodes or dust in the manufacturing process, and there is an advantage that high reliability and high yield in manufacturing can be obtained. By the way, the use of such a thick film dielectric layer causes a problem that the effective voltage applied to the light emitting layer drops. For example, in the above Japanese Patent Publication No. 7-44072, a composite perovskite high dielectric constant material containing lead is used. This problem is improved by using the dielectric layer.
[0013]
However, the light emitting layer formed on the thick dielectric layer is only a few hundreds of nanometers, which is about 1/100 of the thick dielectric layer. For this reason, the surface of a thick film dielectric layer must be smooth at a level below the thickness of the light emitting layer, but it has been difficult to sufficiently smooth the dielectric surface produced by the normal thick film process. .
[0014]
That is, the thick film dielectric layer is essentially composed of ceramics using a powder raw material. For this reason, when it sinters densely, volume contraction of about 30 to 40% is usually generated. However, while ordinary ceramics shrink in volume three-dimensionally and become dense during sintering, thick film ceramics formed on the substrate are constrained by the substrate, and therefore in the in-plane direction of the substrate. Cannot shrink, and can shrink volume only one-dimensionally in the thickness direction. For this reason, sintering of the thick dielectric layer becomes essentially porous without being sufficient. Furthermore, since the surface roughness of the thick film does not become less than the crystal grain size of the polycrystalline sintered body, the surface has an uneven shape of submicron size or more.
[0015]
If there are defects on the surface of the dielectric layer, porous film quality, or uneven shape, the light-emitting layer formed by vapor deposition such as vapor deposition or sputtering will follow the surface shape. And cannot be formed uniformly. For this reason, an electric field cannot be effectively applied to the light-emitting layer portion formed on the non-flat portion of the substrate, and the effective light-emitting area is reduced or the light-emitting layer is formed due to local nonuniformity of the film thickness. There was a problem that dielectric breakdown partially occurred and the luminance of light emission was lowered. Further, since the film thickness varies greatly locally, the electric field strength applied to the light emitting layer varies greatly locally, and there is a problem that a clear light emission voltage threshold cannot be obtained.
[0016]
In order to solve such problems, for example, in JP-A-7-50197, a high dielectric constant layer such as lead zirconate titanate formed by a sol-gel method is laminated on the surface of a thick film dielectric made of lead niobate. A technique for improving the flatness of the surface is disclosed.
[0017]
In this way, by using a ceramic high dielectric constant dielectric thick film, it is possible to avoid defects in the thin film insulator due to stepped portions of the pattern edge of the lower electrode layer and dust generated in the manufacturing process, and local dielectric strength It is possible to solve the problem that the light emitting layer is destroyed due to the decrease in the thickness.
[0018]
However, EL devices using such a conventional ceramic high dielectric constant thick film can be sintered at low temperature as a high dielectric constant thick film layer, and lead-based dielectrics in order to obtain characteristics such as high dielectric constant and high breakdown voltage. It is necessary to use a body layer. However, when a lead-based dielectric material is used as the dielectric layer material, the light emitting layer formed on the dielectric layer reacts with the lead component of the dielectric layer, resulting in a decrease in initial light emission luminance, luminance unevenness and light emission luminance. Changes over time have caused practical problems.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an EL element that solves a decrease in light emission luminance, uneven luminance, and changes with time of an EL element using a lead-based dielectric material, and can provide high display quality without increasing costs. It is to be.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
Such purposes are as follows (1) to (6).
(1) Electrically insulating substrate and electrode layer on this substrate,Dielectric layer,Light emitting layer and transparent electrode layerIn this order from the side of the boardAn EL device having at least a laminated structure, wherein the dielectric layer isA lead-based thick film dielectric layer whose one surface is in contact with the electrode layer, a ferroelectric layer whose one surface is in contact with the other surface of the lead-based thick film dielectric layer, and a second surface of the ferroelectric layer; The lead-based thick film dielectric layer is composed of a lead-free dielectric layer in contact with one surface, and the lead-based thick film dielectric layer is a material selected from the group consisting of a perovskite structure dielectric, a composite perovskite relaxor ferroelectric, and a tungsten bronze dielectric The ferroelectric layer is formed of a perovskite structure ferroelectric containing at least lead in its composition, and the non-lead-based dielectric layer is formed of perovskite. A structural dielectric or a tungsten bronze dielectric, formed of a material that does not contain lead at least in its compositionEL element.
(2)Ferroelectric layer and the lead-free dielectric layerIs formed by the solution coating firing method above (1EL element.
(3)Ferroelectric layerIs formed by a solution coating and baking method,Lead-free dielectric layerIs formed by sputtering method(1)EL element.
(4)Lead-free dielectric layer(1) to (1) in which the film thickness is more than 0.2 μm3The thin film EL element of any one of
(5) Electrically insulating substrate and electrode layer on this substrate,Dielectric layer,Light emitting layer and transparent electrode layerIn this order from the side of the boardAn EL element having at least a laminated structure,The dielectric layer is composed of a lead-based thick film dielectric layer whose one surface is in contact with the electrode layer and a non-lead-based dielectric layer whose one surface is in contact with the other surface of the lead-based thick film dielectric layer. The lead-based thick film dielectric layer is formed of a material selected from the group consisting of a perovskite structure dielectric, a composite perovskite relaxor type ferroelectric, and a tungsten bronze type dielectric, and at least the composition thereof contains lead. The non-lead-based dielectric layer is a perovskite structure dielectric or a tungsten bronze dielectric, and is formed of a material that does not contain lead at least in its composition.
(6)Lead-free dielectric layerIs formed by the solution coating firing method above (5EL element.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The EL element of the present invention is an EL element having a structure in which at least a substrate having electrical insulation and an electrode layer, a dielectric layer, a light emitting layer, and a transparent electrode layer are laminated on the substrate, The layer is formed by a first dielectric layer composed of a lead-based high dielectric constant thick film ceramic dielectric layer and a solution coating and firing method preferably formed to improve the flatness of the surface of the thick film ceramic. Or the second high dielectric constant layer is further constituted by a laminated structure of a lead-based high dielectric constant film and a lead-free high dielectric constant film, or the second The entire high dielectric constant layer is composed of a dielectric film containing no lead in its composition.
[0022]
Here, the lead-based dielectric is a dielectric containing lead in the composition, and the non-lead-based (high dielectric constant) dielectric layer is a dielectric not containing lead in the composition. In particular, the non-lead-based dielectric means a dielectric material having a perovskite crystal structure and having an element other than lead at the A site.
[0023]
The basic structure of the EL element of the present invention is shown in FIG. The EL element of the present invention includes, for example, a
[0024]
Further, a thin
[0025]
The substrate is not particularly limited as long as it has electrical insulation and can maintain a predetermined heat resistance without contaminating the lower electrode layer and the dielectric layer formed thereon.
[0026]
Specific materials include alumina (Al2OThree), Quartz glass (SiO2), Magnesia (MgO), forsterite (2MgO · SiO)2), Steatite (MgO.SiO)2), Mullite (3Al2OThree・ 2SiO2), Beryllia (BeO), zirconia (ZrO)2), Aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), ceramic substrate such as silicon carbide (SiC), crystallized glass, high heat-resistant glass, etc., and metal substrates that have been subjected to a brazing treatment are also used. Is possible.
[0027]
In the case of a simple matrix type, the lower electrode layer is formed so as to have a plurality of stripe patterns. Further, since the line width is one pixel and the space between the lines is a non-light emitting region, it is preferable to make the space between the lines as small as possible. Specifically, although it depends on the resolution of the target display, for example, a line width of 200 to 500 μm and a space of about 20 to 50 μm are required.
[0028]
A material for the lower electrode layer is preferably a material that has high conductivity, is not damaged when the dielectric layer is formed, and has low reactivity with the dielectric layer and the light emitting layer. Such lower electrode layer materials include noble metals such as Au, Pt, Pd, Ir, and Ag, noble metal alloys such as Au—Pd, Au—Pt, Ag—Pd, and Ag—Pt, and Ag—Pd—Cu. An electrode material having a precious metal such as a main component and a base metal element added is preferable because oxidation resistance to an oxidizing atmosphere during firing of the dielectric layer can be easily obtained. ITO and SnO2(Nesa film), oxide conductive materials such as ZnO-Al may be used, and further, base metals such as Ni and Cu are used, and these non-metals oxidize the partial pressure of oxygen when firing the dielectric layer. It can also be set and used in a range that is not. As a method for forming the lower electrode layer, a known technique such as sputtering, vapor deposition, or plating may be used.
[0029]
The thick film dielectric layer needs to have a high dielectric constant and a high withstand voltage, and is required to be a material that can be fired at a low temperature in consideration of the heat resistance of the substrate.
[0030]
Here, the thick film dielectric layer is a ceramic layer formed by firing a powdery insulator material by a so-called thick film method. The thick film dielectric layer is formed, for example, by printing and baking an insulator paste prepared by mixing a binder and a solvent in a powdery insulator material on a substrate on which a lower electrode layer is formed. be able to. Alternatively, a green sheet may be formed by casting an insulator paste and then stacked.
[0031]
The conditions for the binder removal treatment performed before firing may be normal.
[0032]
The firing atmosphere may be appropriately determined according to the type of the thick dielectric layer, but when firing in an oxidizing atmosphere, ordinary firing may be performed.
[0033]
The holding temperature during firing may be appropriately determined according to the type of the dielectric layer, but is usually about 700 to 1200 ° C., preferably 1000 ° C. or less. The temperature holding time during firing is preferably 0.05 to 5 hours, particularly preferably 0.1 to 3 hours.
[0034]
Moreover, you may anneal-treat as needed.
[0035]
Here, when the relative dielectric constants of the thick dielectric layer and the light emitting layer are e1 and e2, the film thicknesses are d1 and d2, and the voltage Vo is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer, the dielectric layer is applied to the light emitting layer. The voltage V2 is expressed by the following equation.
[0036]
V2 / Vo = (e1 * d2) / (e1 * d2 + e2 * d1) ------ (1)
[0037]
Assuming that the relative dielectric constant of the light emitting layer is e2 = 10 and the film thickness is d2 = 1 μm,
[0038]
V2 / Vo = e1 / (e1 + 10 × d1) ------- (2)
[0039]
Since the voltage effectively applied to the light emitting layer is at least 50% or more of the applied voltage, preferably 80% or more, more preferably 90% or more,
[0040]
In the case of 50% or more, e1 ≧ 10 × d1 -------- (3)
In the case of 80% or more, e1 ≧ 40 × d1 -------- (4)
In the case of 90% or more, e1 ≧ 90 × d1 -------- (5)
[0041]
That is, the relative dielectric constant of the dielectric layer needs to be at least 10 times, preferably 40 times or more, more preferably 90 times or more of the film thickness when the unit is expressed in μm.
[0042]
The film thickness of the thick film dielectric is required to be thick in order to eliminate pinholes formed by electrode steps or dust in the manufacturing process, and is at least 10 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more. Necessary.
[0043]
For example, when the thickness of the dielectric layer is 20 μm, the relative dielectric constant needs to be 200 to 800 to 1800 or more, and when the thickness of the dielectric layer is 30 μm, the relative dielectric constant is 300 to 1200. 2700 is required.
[0044]
Various materials are conceivable as such a high dielectric constant thick film material, but it is necessary to have a high dielectric constant ceramic composition that can be formed at a low temperature in consideration of the heat resistance limitation of the substrate material.
[0045]
The dielectric material containing lead in its composition has a low melting point of lead oxide as low as 888 ° C., and lead oxide and other oxide materials such as SiO 22 And CuO, Bi2OThree , Fe2OThree Since a liquid phase is formed at a low temperature of about 700 ° C. to 800 ° C. between them, etc., firing is easy at a low temperature and a high dielectric constant is easily obtained.xTi1-x) OThreePerovskite structure dielectric materials such as Pb (Mg1/3Ni2/3) OThreeComposite perovskite relaxor type ferroelectric materials represented by PbNbO6A tungsten bronze type ferroelectric material represented by the above is preferably used.
[0046]
Examples of the perovskite type material include Pb-based perovskite compounds such as PZT (lead zircon titanate) and PLZT (lead lanthanum zirconate titanate).
[0047]
Of the perovskite materials, Pb-based perovskite compounds are generally represented by the chemical formula ABO.Three It is represented by Here, A and B each represent a cation. A is Pb, and a part thereof may be substituted with one or more of Ba, Ca and Sr. B is preferably one or more selected from, for example, Ti, Zr, Hf, Ta, Sn and Nb.
[0048]
Specific examples include Pb-based perovskite compounds such as PZT and PLZT containing Pb. Further, these A site and B site may be partially substituted with the above elements. PZT is PbZrO.Three -PbTiOThree It is a solid solution of the system. The PLZT is a compound in which La is doped into PZT, and ABOThree (Pb1-xLax ) (Zr1-yTiy ) OThree Indicated by
[0049]
Tungsten bronze type materials include lead niobate, PBN (lead barium niobate), PbNb2O6 , PbTa2OFive , PbNbFourO11 Examples thereof include tungsten bronze type oxides.
[0050]
Such a tungsten bronze type material is preferably a tungsten bronze type material described in Landoit-Borenstein Vol. 16 of the ferroelectric material collection. Tungsten bronze type materials generally have the chemical formula AyBFiveO15 It is represented by Here, A and B each represent a cation. A is Pb, and a part thereof may be substituted with one or more elements selected from Mg, Ca, Ba, Sr, Rb, Tl, rare earth and Cd. B is preferably at least one selected from Ti, Zr, Ta, Nb, Mo, W, Fe and Ni.
[0051]
Specifically, (Ba, Pb) Nb2O6 , PbNb2 O6 , PbTa2O6 , PbNbFourO11, PbNb2O6 Tungsten bronze oxides such as lead niobate and the like, and solid solutions thereof are preferable.
[0052]
As a composite perovskite relaxor ferroelectric material, PFN: Pb (Fe1/2Nb1/2) OThree , PFW: Pb (Fe1/3W2/3) OThree , PMN: Pb (Mg1/3Ni2/3) OThree , PNN: Pb (Ni1/3Nb2/3) OThree , PMW: Pb (Mg1/2W1/2) OThree , PT: PbTiOThree , PZ: PbZrOThree , PZN: Pb (Zn1/3Nb2/3) OThree , Ferroelectric materials such as lead lanthanum zirconate titanate PLZT, Proceedings of 1990 Ultrasonic Symposium 711-720 pages Shrout and other “Relaxor Ferroelectric Materials” and Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28, No. 4 (1989) Pp. 653-661, April 1994) Other modified “Large Piezoelectric Effect Induced by Direct Current Bias in PMN: PT Relaxor Ferroelectric Ceramics” modified lead magnesium niobate Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree-PbTiOThree Doped or modified relaxors such as modified PMN or PMN-PT can be used.
[0053]
If these materials are used, a dielectric layer having a relative dielectric constant of 1000 to 10000 can be easily formed at a firing temperature of 800 to 900 ° C., which is the upper limit heat resistance temperature of a normal ceramic substrate such as alumina ceramics.
[0054]
Since the purpose of the high dielectric constant dielectric layer laminated on the thick film dielectric layer is to improve the surface flatness of the thick film dielectric layer, it is necessary to use a solution coating firing method.
[0055]
The solution coating and firing method refers to a method in which a dielectric material precursor solution such as a sol-gel method or a MOD method is applied to a substrate and a dielectric layer is formed by firing.
[0056]
In the sol-gel method, generally, a predetermined amount of water is added to a metal alkoxide dissolved in a solvent, and a precursor solution of a sol having an MOM bond formed by hydrolysis and polycondensation reaction is applied to a substrate and baked. This is a method for forming a film. The MOD (Metal-Organic Decomposition) method forms a precursor solution by dissolving a metal salt of a carboxylic acid having an MO bond in an organic solvent, coating the substrate, and baking it. Is the method. Here, the precursor solution refers to a solution containing an intermediate compound produced by dissolving a raw material compound in a solvent in a film forming method such as a sol-gel method or a MOD method.
[0057]
The sol-gel method and the MOD method are not completely separate methods and are generally used in combination with each other. For example, when forming a PZT film, it is common to use lead acetate as the Pb source and adjust the solution using the alkoxide as the Ti and Zr sources. In addition, the two methods of the sol-gel method and the MOD method may be collectively referred to as the sol-gel method, but in any case, a film is formed by applying a precursor solution to a substrate and baking it. Then, it is set as the solution application baking method. Moreover, even if the solution is a mixture of submicron-sized dielectric particles and a dielectric precursor solution, it is included in the dielectric precursor solution of the present invention, and the solution is applied to a substrate and fired. It is included in the solution coating firing method of the present invention.
[0058]
In the solution coating and firing method, in both the sol-gel method and the MOD method, the elements constituting the dielectric are uniformly mixed in the order of sub-μm or less. Compared with the method using powder sintering, it is characterized in that a dense dielectric can be synthesized at an extremely low temperature.
[0059]
The main purpose of using the solution coating and baking method is that the dielectric layer formed by this method is formed through the step of applying and baking the precursor solution. Since a thin layer is formed on the surface, the step on the substrate surface is flattened, and the surface flatness of the thick ceramic dielectric layer of the EL element is remarkably improved, and the thin film light emission formed thereon The layer uniformity can be greatly improved.
[0060]
Therefore, the thickness of the dielectric layer formed by the solution coating and firing method is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and further preferably 2 μm or more in order to sufficiently flatten the unevenness of the thick film surface. .
[0061]
Here, the influence on the relative dielectric constant of the entire dielectric layer due to the lamination of the dielectric layers by this solution coating and firing method will be described. When the relative dielectric constants of the thick dielectric layer and the high dielectric constant dielectric layer formed by the solution coating firing method are e3 and e4, respectively, and the total film thickness of each layer is d3 and d4, the laminated dielectric The effective relative dielectric constant e5 of the entire layer is expressed by the following equation. (Here, the film thickness of the entire laminated dielectric layer is converted into a dielectric constant assuming that it does not change as d3)
[0062]
e5 = e3 × 1 / [1+ (e3 / e4) × (d4 / d3)] ------- (6)
[0063]
If this equation is transformed,
[0064]
e4 / d4 = e3 * e5 / (d3 * (e3-e5)) ------- (7)
[0065]
From the above discussion, the effective relative dielectric constant of the entire laminated dielectric layer by adding the high dielectric constant dielectric layer formed by the solution coating and firing method is preferably 1200 when the thickness of the thick film layer is 30 μm. For example, when a thick film having a relative dielectric constant of 4000 is used to obtain an effective dielectric constant of 2700, the ratio of the relative dielectric constant to the film thickness of the dielectric layer formed by the solution coating firing method is 277. The above is necessary, and if the dielectric constant of the thick film dielectric layer is 3000, the ratio is 900.
[0066]
As described above, the film thickness of the dielectric layer formed by the solution coating firing method is at least 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more. Desirably, at least 250 or more, preferably 500 or more.
[0067]
As described above, the high dielectric constant layer formed by the solution coating and baking method needs to have a large film thickness and a high dielectric constant. In consideration of consistency with the lead-based thick film dielectric layer and low-temperature synthesis. Conventionally, a ferroelectric material having a perovskite structure such as PZT is mainly used.
[0068]
By the way, when synthesizing a lead-based dielectric ceramic thick film, it is widely known that the starting composition needs to be a lead-excess composition. In order to sinter lead-based dielectric ceramic thick film at a low temperature of 800 ° C. to 900 ° C., it is essential to add a sintering aid that forms a liquid phase at this temperature, As described above, the sintering aid uses a low-temperature liquid phase formation reaction between lead oxide and other oxide-based materials, and the lead component may evaporate during sintering. .
[0069]
In addition, when forming a dielectric layer having a lead-based perovskite structure such as PZT by a solution coating firing method, it is often necessary to add an excessive amount of lead component (about 5% to 20%) more than in the case of ceramics. Are known.
[0070]
In the case of the solution coating firing method, the reason why a more excessive lead component is necessary is that the lead component evaporates during firing, and in addition to the effect of preventing lead from becoming insufficient and suppressing crystal growth, the lead excess component has a low melting point composition part. Because of its structure, it has the effect of facilitating material diffusion during crystal growth and enabling reaction at a low temperature, and because it reacts at a low temperature compared to ordinary ceramics, it grows dielectric compared with ceramics. There is a tendency for excessive lead components to be incorporated into the body crystal grains, and the diffusion distance of excess lead components is small, and more lead components are necessary to maintain a sufficient lead excess state at each site of crystal growth It is understood that
[0071]
For this reason, a dielectric layer formed of a lead-based dielectric with an excessive amount of lead component added contains a large amount of excess lead component in the state of lead oxide in addition to the lead component incorporated in the crystal structure in the layer. It is the feature that contains.
[0072]
Such an excessive lead component easily deposits from the inside of the dielectric layer due to a heat load after the formation of the dielectric layer, particularly a heat load in a reducing atmosphere. In particular, the formation of metallic lead due to reduction of lead oxide tends to occur under a heat load in a reducing atmosphere. When a light emitting layer as described later is formed directly on such a dielectric layer, reaction of the lead component with the light emitting layer and light emission. This leads to contamination of the movable metal lead ions in the layer, and has a significant adverse effect on the decrease in light emission luminance and long-term reliability.
[0073]
In particular, metallic lead ions have a high ion migration property, and as a mobile ion within the light emitting layer to which a high electric field is applied, have a significant effect on the light emission characteristics, and thus have a particularly large effect on long-term reliability.
[0074]
In addition, even if lead oxide is not reduced to metallic lead by a reducing atmosphere in particular, if a lead oxide component is contained inside the light emitting layer, lead oxide is reduced and released as metal ions by electron impact due to a high electric field inside the light emitting layer. It adversely affects reliability.
[0075]
In addition to the formed lead-based dielectric layer, the EL device of the present invention further has a non-lead-based high dielectric constant dielectric layer at least on the outermost surface layer. Here, the lead-free dielectric layer refers to a dielectric layer formed of a dielectric material that does not substantially contain Pb. Specifically, it is a dielectric material such as a perovskite type or a tungsten bronze type, and in the case of the perovskite type, it is a dielectric material having an element other than lead, preferably other than monovalent, at the A site. Specifically, the A site contains one or more of Ba, Sr, Ca, and Cd, and the B site contains one or more of Ti, Zr, Sn, and Hf. .
[0076]
More specifically, for example, the following materials and a mixture of two or more of the following materials are suitable.
[0077]
(A) Of the perovskite materials, BaTiOThree And SrTiOThree Compounds such as are generally represented by the chemical formula ABOThree It is represented by Here, A and B each represent a cation. A is preferably one or more selected from Ca, Ba, Sr and Cd, and B is preferably one or more selected from Ti, Zr and Hf.
[0078]
Specifically, CaTiOThree , SrTiOThree , BaTiOThree , BaZrOThree , CaZrOThree , SrZrOThree , CdHfOThree , CdZrOThree , SrSnOThree And solid solutions thereof. In order to adjust the characteristics of these compounds, a part of the composition thereof may be substituted with the above elements, or a trace amount of preferably a trivalent element may be added.
[0079]
(B) Tungsten bronze type materials include tungsten bronze type oxides represented by SBN (strontium barium niobate), and solid solutions thereof. In order to adjust the characteristics of these compounds, a part of the composition thereof may be substituted with the above elements, or a trace amount of preferably a trivalent element may be added.
[0080]
This lead-free high dielectric constant dielectric layer can suppress the diffusion of the lead component from the lead-based dielectric layer to the light emitting layer, and can prevent the adverse effects that occur in the light emitting layer due to the excess lead component.
[0081]
Here, the influence on the dielectric constant of the dielectric layer by adding this lead-free dielectric layer will be considered again. When the relative dielectric constants of the lead-based dielectric layer and the lead-free dielectric layer are e6 and e7, respectively, and the total film thickness of each layer is d6 and d7, the lead-based dielectric layer and the lead-free dielectric layer as a whole The effective relative dielectric constant e8 of is expressed by the following equation.
[0082]
e8 = e6 × 1 / [1+ (e6 / e7) × (d7 / d6)] ------- (8)
[0083]
The effective relative dielectric constant of the lead-based dielectric layer / lead-free dielectric layer composite layer due to the addition of the lead-free dielectric layer is reduced by the relative dielectric constant between the dielectric layer and the light-emitting layer. In view of the relationship with the effective voltage applied to the dielectric layer, it is necessary that it be small, and it is preferable that the relative dielectric constant of the composite layer is at least 90%, preferably 95% or more of the dielectric layer alone. . Therefore, from equation (6)
[0084]
In the case of 90% or more, e6 / d6 ≦ 1/9 × e7 / d7 -------- (9)
When 95% or more, e6 / d6 ≦ 1/19 × e7 / d7 -------- (10)
[0085]
For example, assuming that the relative dielectric constant of the lead-based dielectric layer is 2700 and the film thickness is 30 μm, the ratio of the relative dielectric constant to the film thickness of the non-lead dielectric layer is 810 or more, preferably 1710 or more. Therefore, assuming that the film thickness of the lead-free dielectric layer is 0.2 μm, the relative dielectric constant needs to be 162 to 342 or more, and if it is assumed to be 0.4 μm, the relative dielectric constant needs to be 324 to 684 or more.
[0086]
The thickness of the lead-free dielectric layer is preferably larger for the purpose of preventing lead diffusion, and is preferably more than 0.2 μm, more preferably 0.4 μm or more in the experimental study by the present inventor. If there is no problem of a decrease in effective relative dielectric constant, it may be thicker.
[0087]
Even if the thickness of the lead-free dielectric layer is 0.2 μm or less, a certain degree of lead diffusion prevention effect can be obtained, but minute surface defects and surface roughness of the lead-based dielectric layer, dust caused by the manufacturing process, etc. It is easily affected by local surface roughness due to adhesion, and it is difficult to obtain a good anti-diffusion effect, and there is a risk of causing a partial decrease in luminance or deterioration of the light emitting layer due to local diffusion of lead components. is there.
[0088]
For this reason, it is preferable that the lead-free dielectric layer is thick, and the relative dielectric constant required for the lead-free dielectric layer is at least 100, preferably 200 or more, more preferably 400 or more.
[0089]
For example, in the above example, when the relative dielectric constant of the lead-based dielectric layer is 2700 and the film thickness is 30 μm, the relative dielectric constant is about 7.ThreeNFourConsidering the case where the film is formed to have a thickness of 0.4 μm, the effective relative dielectric constant is 440 from the equation (8), and the relative dielectric constant is about 25 Ta.2OFiveEven when the film is formed to have a thickness of 0.4 μm, the effective relative dielectric constant is significantly reduced to 1107, and the effective voltage applied to the light emitting layer is greatly reduced. Therefore, when such a lead-free dielectric layer is used As a result, the driving voltage of the EL element is remarkably increased and the practicality is greatly reduced.
[0090]
In contrast, high dielectric constant materials, such as TiO with a relative dielectric constant of about 802When the film is formed to have a thickness of 0.4 μm, the effective relative permittivity is greatly improved to 1862. Further, when a material having a relative permittivity of 200 is used, an effective relative permittivity of 2288 is obtained, and a material having a relative permittivity of 400 is further obtained. Is used, the effective relative permittivity is 2477, which can obtain characteristics of 90% or more when there is almost no lead-free dielectric layer.
[0091]
TiO with a relative dielectric constant of about 802As a lead-free high dielectric constant dielectric material with a relative dielectric constant exceeding 100 to 1000 or more, for example, as described above, BaTiOThree, SrTiOThree, CaTiOThree, BaSnOThree, CdHfOThree Perovskite structure dielectrics such as Ba1-xSrxTiOThreeA solid solution between these materials is preferred.
[0092]
By using the lead-free dielectric layer having the perovskite structure in this way, it becomes possible to easily obtain the effect of preventing diffusion of the lead component of the present invention into the light emitting layer while minimizing the decrease in effective dielectric constant. .
[0093]
By the way, according to the study by the present inventor, when using such a perovskite structure lead-free dielectric layer, it is important that the composition has a ratio of A site atoms of the perovskite structure to 1 or more with respect to B site atoms. It is.
[0094]
That is, as described above, the perovskite structure lead-free dielectric material can contain lead ions at the A site in terms of crystal structure, for example, BaTiO.ThreeTaking the composition as an example, BaTiOThreeWhen the layer is formed, the starting composition is Ba1-xTiO3-xWhen Ba, which is an A-site atom, is deficient with respect to Ti, which is a B-site atom, BaTiOThreeThe lead-based dielectric layer forming the layer has an excessive lead component, so this BaTiOThreeThe excess lead component replaces the Ba defect site of the layer, and (Ba1-xPbx) TiOThreeWill form a layer. In this state, BaTiOThreeWhen the light emitting layer is formed on the layer, since the light emitting layer is in direct contact with the lead component, a sufficient lead diffusion preventing effect cannot be obtained.
[0095]
For this reason, the composition of the perovskite structure lead-free dielectric layer is preferably at least on the A site side from the stoichiometric composition. In addition, as can be inferred from this explanation, since the lead-free dielectric material of perovskite structure can replace the lead component in the crystal structure, even if the composition is changed from the stoichiometric composition to the A-site excess side, the lead-based material A portion near the interface with the dielectric layer may slightly react with the lead component. For this reason, it is preferable that the film thickness of the lead-free dielectric layer is not less than a certain value, and this film thickness is 0.1 [mu] m or more, preferably more than 0.2 [mu] m, according to an experimental study by the inventors.
[0096]
Also, SBN (Sr1-xBax Nb2O6 In the case of a tungsten bronze type dielectric represented by the same formula as in the case of the perovskite type dielectric, its composition is generally expressed by the chemical formula AxBFiveO15 Since it is possible to substitute Pb as the A ion, it is desirable that the cation located at A be equal to or higher than the stoichiometric ratio.
[0097]
Thus, as a method for forming the lead-free dielectric layer by sufficiently controlling its composition, it is preferable to use a sputtering method or a solution coating firing method because of its high controllability of the composition.
[0098]
The lead-free dielectric layer formed by sputtering can easily form a thin film with the same composition as the target composition, and it can easily form a dense thin film that can be expected to prevent diffusion of lead components at a higher density. This is a preferable film forming method because it can be used.
[0099]
In addition, the solution coating and baking method can form a dielectric layer whose composition is controlled more strictly than the sputtering method by controlling the preparation ratio of the precursor solution, and the dielectric formed by the solution coating and baking method. It is advantageous that the effect of planarizing the unevenness of the underlayer, which is a characteristic of the layer, can be obtained. In particular, if a high dielectric constant equivalent to that of a lead-based dielectric layer formed by a solution-coating and firing method formed on a base can be obtained, this lead-based dielectric layer is omitted, and a non-lead formed by a solution-coating and firing method. It is effective that only the lead-based dielectric layer can serve as both a flat surface unevenness of the lead-based thick film ceramic dielectric layer and a lead diffusion preventing effect.
[0100]
The combination of the lamination of the lead-based dielectric layer and the non-lead-based high dielectric constant dielectric layer formed on the lead-based thick film ceramic dielectric layer of the present invention has a lead-free high dielectric constant dielectric on the outermost surface. Any body layer may be used, and these layers may be alternately stacked, and the outermost layer may be a lead-free high dielectric constant dielectric layer. If such a configuration is adopted, the lead-free dielectric layer in which the excessive lead component existing in the lead-based dielectric layer is alternately laminated can be effectively prevented from diffusing to each other, and the outermost surface can be further improved. The lead component diffusion preventing effect of the located lead-free high dielectric constant dielectric layer is improved. With such a configuration, when forming a lead-free high dielectric constant dielectric layer using a sputtering method, the film surface becomes uneven when a thick layer, which is a problem with the sputtering method, is formed. It is effective to avoid the problem.
[0101]
Although it does not specifically limit as a material of a light emitting layer, Well-known materials, such as ZnS which doped Mn mentioned above, can be used. Among these, SrS: Ce and a barium thioaluminate phosphor layer which is a blue light emitter are particularly preferable because excellent characteristics can be obtained. The thickness of the light emitting layer is not particularly limited, but if it is too thick, the driving voltage increases, and if it is too thin, the light emission efficiency decreases. Specifically, although it depends on the light emitting material, it is preferably about 100 to 2000 nm.
[0102]
As a method for forming the light emitting layer, a vapor deposition method can be used. As the vapor deposition method, a physical vapor deposition method such as sputtering or vapor deposition or a chemical vapor deposition method such as CVD is preferable. Further, as described above, particularly when a light emitting layer of SrS: Ce is formed, H2When the substrate temperature during film formation is maintained at 500 ° C. to 600 ° C. by an electron beam evaporation method in an S atmosphere, a high-purity light emitting layer can be obtained.
[0103]
After the light emitting layer is formed, heat treatment is preferably performed. Heat treatment may be performed after laminating the electrode layer, dielectric layer, and light emitting layer from the substrate side, or the electrode layer, dielectric layer, light emitting layer, insulator layer, or electrode layer is formed on the substrate side from the substrate side. Then, heat treatment (cap annealing) may be performed. The temperature of the heat treatment depends on the light emitting layer to be formed, but in the case of SrS: Ce, it is preferably 500 ° C. to 600 ° C. or higher, lower than the firing temperature of the dielectric layer, and the processing time is 10 to 600 minutes. The atmosphere during the heat treatment is preferably in Ar.
[0104]
As described above, the conditions for forming a light emitting layer capable of obtaining excellent characteristics such as SrS: Ce and barium thioaluminate phosphors are film formation at a high temperature of 500 ° C. or higher in a vacuum or in a reducing atmosphere, A subsequent high-temperature heat treatment step under atmospheric pressure is required, and in the conventional technology, problems due to reaction and diffusion between the lead component of the dielectric layer and the light-emitting layer cannot be avoided, whereas in the EL device of the present invention, the light-emitting layer This is particularly effective because it can completely prevent the adverse effects caused by the lead component.
[0105]
The thin-film insulator layer (16) and / or (18) may be omitted as described above, but preferably has this.
[0106]
This thin-film insulator layer functions as a function of adjusting the electronic state of the interface between the light emitting layer and the dielectric layer to stabilize and improve electron injection into the light emitting layer, and this electronic state is The main purpose is to improve the positive / negative objectivity of the light emission characteristics during AC drive by constructing it on both sides, and it is necessary to consider the function of maintaining the dielectric strength that is the role of the light emitting dielectric layer The film thickness may be small because there is no such film.
[0107]
This thin-film insulator layer has a resistivity of 108Ω · cm or more, especially 10Ten-1018About Ω · cm is preferable. Further, it is preferably a substance having a relatively high relative dielectric constant, and the relative dielectric constant ε is preferably ε = 3 or more. As a constituent material of the thin film insulator layer, for example, silicon oxide (SiO 22), Silicon nitride (SiN), tantalum oxide (Ta2OFive), Yttrium oxide (Y2OThree), Zirconia (ZrO2), Silicon oxynitride (SiON), alumina (Al2OThree), Etc. can be used. As a method for forming the thin film insulator layer, a sputtering method, a vapor deposition method, or a CVD method can be used. The film thickness of the thin film insulator layer is preferably about 10 to 1000 nm, particularly preferably about 20 to 200 nm.
[0108]
The transparent electrode layer is made of ITO or SnO having a thickness of 0.2 μm to 1 μm.2(Nesa film), oxide conductive materials such as ZnO-Al, and the like are used. As a method for forming the transparent electrode layer, a known technique such as vapor deposition as well as sputtering may be used.
[0109]
Although the above-described EL element has only a single light emitting layer, the EL element of the present invention is not limited to such a configuration, and a plurality of light emitting layers may be stacked in the film thickness direction, A configuration may be adopted in which different types of light emitting layers (pixels) are combined and arranged in a matrix.
[0110]
As described above, the EL element of the present invention has extremely good smoothness on the surface of the dielectric layer on which the light emitting layer is laminated, has high withstand voltage, is free from defects, and has excessive dielectric layers, which has been a problem in the past. Since damage to the light-emitting layer due to the lead component can be completely prevented, a high-performance and high-definition display can be easily configured with high luminance and high luminance long-term reliability. Further, the manufacturing process is easy and the manufacturing cost can be kept low.
[0111]
【Example】
Examples of the present invention are specifically shown below and described in more detail.
[Example 1]
A commercially available Ag—Pd paste was printed on a 99.6% purity alumina substrate by screen printing so that the film thickness after firing was 3 μm and fired at 850 ° C. This lower electrode layer was patterned into a large number of stripes having a width of 300 μm and a space of 30 μm by using a photoetching method.
[0112]
A dielectric ceramic thick film was further formed on the substrate on which the lower electrode was formed by screen printing. As the thick film paste, ESL 4210C thick film dielectric paste was used, and screen printing and drying were repeated so that the film thickness after firing was 30 μm.
[0113]
The thick film paste is Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree It is based on a perovskite-based dielectric composition and contains excess lead oxide as a sintering aid.
[0114]
After printing and drying, the thick film was baked at 850 ° C. for 20 minutes in an atmosphere supplied with sufficient air using a belt furnace. The dielectric constant of this thick film alone was about 4000.
[0115]
A PZT dielectric layer, which is a lead-based dielectric layer, was formed on this substrate using a solution coating firing method. As a method for forming a dielectric layer by a solution coating and baking method, a sol-gel solution produced by the following method is applied as a PZT precursor solution to a substrate by a spin coating method, and baking at 700 ° C. for 15 minutes is repeated a predetermined number of times. It was.
[0116]
The basic sol-gel solution was prepared by heating and stirring 8.49 g of lead acetate trihydrate and 4.17 g of 1.3 propanediol for about 2 hours to obtain a transparent solution. Separately, 3.70 g of zirconium normal propoxide 70 wt% 1-propanol solution and 1.58 g of acetylacetone were heated and stirred in a dry nitrogen atmosphere for 30 minutes, and 3.14 g of titanium diisopropoxy was added thereto. A 75 wt% 2-propanol solution of de bisacetylacetonate and 2.32 g of 1.3 propanediol were added, and the mixture was further heated and stirred for 2 hours. These two solutions were mixed at 80 ° C. and heated and stirred in a dry nitrogen atmosphere for 2 hours to prepare a brown transparent solution. By keeping this solution at 130 ° C. for several minutes, by-products were removed, and the mixture was further heated and stirred for 3 hours to prepare a PZT precursor solution.
[0117]
This precursor solution was diluted with n-propanol to adjust the concentration, and a PZT layer having a thickness of 2 μm was formed on the thick film by repeating application and baking by spin coating a plurality of times.
[0118]
The PZT layer formed under these conditions contained a lead component in excess of about 10% with respect to the stoichiometric composition. The relative dielectric constant of this PZT film alone was 600.
[0119]
Further, the dielectric constant in the laminated structure of the thick ceramic dielectric layer and the PZT layer formed by the solution coating and firing method was about 2800 when it was assumed that the total film thickness did not change at 30 μm.
[0120]
Next, as a lead-free high dielectric constant dielectric layer, BaTiO formed on the lead dielectric layer by a solution coating and firing methodThree Film, BaTiO formed by sputtering methodThree Film and SrTiOThree Film, TiO2 As a comparative example, a sample having no lead-free high dielectric constant dielectric layer was prepared.
[0121]
BaTiOThreeAs a thin film formation condition, a magnetron sputtering apparatus was used, and BaTiO 3 was used.ThreeUsing ceramics as a target, with Ar gas pressure of 4 Pa, 13.56 MHz, high frequency power density 2 W / cm2 Film formation was performed under the conditions of: At this time, the film formation rate was about 5 nm / min, and the film thickness of 50 nm to 400 nm was obtained by adjusting the sputtering time. BaTiO formed at this timeThree The thin film was in an amorphous state, and when this film was heat-treated at 700 ° C., a value of a relative dielectric constant of 500 was obtained. In addition, heat-treated BaTiOThree It was confirmed by X-ray diffraction that the thin film had a perovskite structure. This BaTiOThree The composition of the film was a 5% excess composition of Ba with respect to the stoichiometric composition.
[0122]
SrTiOThreeAs a thin film formation condition, a magnetron sputtering apparatus is used, and SrTiO is used.Three Using ceramics as a target, with Ar gas pressure of 4 Pa, 13.56 MHz, high frequency power density 2 W / cm2 Film formation was performed under the conditions of: At this time, the deposition rate was about 4 nm / min, and a film thickness of 400 nm was obtained by adjusting the sputtering time. SrTiO formed at this timeThree The thin film was in an amorphous state, and when it was heat-treated at 700 ° C., a value of a relative dielectric constant of 250 was obtained. Also, SrTiO that has been heat-treated at a temperature of 500 ° C. or higher.Three It was confirmed by X-ray diffraction that the thin film had a perovskite structure. In addition, this SrTiOThree The composition of the thin film was a 3% excess composition with respect to the stoichiometric composition.
[0123]
TiO2 As a thin film formation condition, a magnetron sputtering apparatus is used and TiO 2 is used.2 Using ceramics as a target, Ar gas at 1 Pa pressure, 13.56 MHz, high frequency power density 2 W / cm2 Film formation was performed under the conditions of: At this time, the deposition rate was about 2 nm / min, and a film thickness of 400 nm was obtained by adjusting the sputtering time. When this film was heat-treated at 600 ° C., a relative dielectric constant of 76 was obtained.
[0124]
BaTiO by solution coating and baking methodThree The film is formed by using a sol-gel solution formed by the following method with BaTiOThree The precursor solution was applied to the substrate by a spin coating method, the temperature was increased stepwise every 200 ° C. up to a maximum temperature of 700 ° C., and firing for 10 minutes at the maximum temperature was repeated a predetermined number of times.
[0125]
BaTiOThree As a method for preparing the precursor solution, PVP (polyvinylpyrrolidone) having a molecular weight of 630,000 was completely dissolved in 2-propanol, and acetic acid and titanium tetraisopropoxide were added with stirring to obtain a transparent solution. A mixed solution of pure water and barium acetate was added dropwise to this solution while stirring, and aging was performed for a predetermined time while stirring was continued in this state. The composition ratio of each starting material is barium acetate: titanium tetraisopropoxide: PVP: acetic acid: pure water: 2-propanol = 1: 1: 0.5: 9: 20: 20. As a result, BaTiOThreeA precursor solution was obtained.
[0126]
BaTiOThree By applying and baking the precursor solution, a BaTiO film with a thickness of 0.5 μm is obtained.Three A dielectric layer was formed. The relative dielectric constant of this film was 380, and the composition matched the stoichiometric composition.
[0127]
This BaTiOThree The film is formed on a PZT film with a thickness of 2 μm and 1.5 μm formed by the solution coating and baking method, and is formed directly on the thick film ceramic substrate with a thickness of 2 μm without forming the PZT film. Also made.
[0128]
On the substrate on which the thick ceramic dielectric layer, the lead-based dielectric layer, and the lead-free high-dielectric-constant dielectric layer formed as described above are stacked, a light-emitting layer of SrS: Ce is formed by an electron beam evaporation method.2In the S atmosphere, the substrate temperature during film formation was maintained at 500 ° C. After forming the light emitting layer, heat treatment was performed in vacuum at 600 ° C. for 30 minutes.
[0129]
Next, Si as an insulator layerThreeNFour An ITO thin film was sequentially formed as a thin film and an upper electrode layer by a sputtering method to obtain an EL element. At that time, the ITO thin film of the upper electrode layer was patterned into a 1 mm wide stripe by using a metal mask during film formation. The light emission characteristics were measured by extracting an electrode from the lower electrode and the upper transparent electrode of the obtained element structure and applying an electric field until the light emission luminance was saturated at a 1 kHz pulse width of 50 μs.
[0130]
As evaluation items, emission threshold voltage, saturation luminance, and deterioration of luminance reached after 100 hours of continuous emission were evaluated.
[0131]
[Table 1]
[0132]
As a result, in the comparative example having no lead-free high dielectric constant dielectric layer, the deterioration is as large as 55%, but the BaTiO formed by the sputtering method of the present inventionThree Those having a layer have a film thickness of 0.2 μm or more and an ultimate luminance of 1200 cd / m.2 The emission threshold voltage of 140V to 150V was obtained, and the deterioration was small. On the other hand, when the thickness is 0.1 μm or less, the emission threshold voltage is increased and the luminance reached is lowered, and further remarkable deterioration is shown. SrTiOThree In the case of the layer, except that the emission threshold voltage slightly increases, the BaTiO of the same film thicknessThree Almost the same characteristics as in the case of the layer were obtained. In addition, BaTiO using a solution coating firing methodThree In the case of the layer, the same characteristics as those obtained by the sputtering method were obtained except for a slight increase in the light emission threshold voltage.
[0133]
TiO2 In the case of a film, the same thickness of BaTiOThree Compared with the film, an increase in threshold voltage and a decrease in luminance were observed and the deterioration was large.
[0134]
In addition, in the structure of PZT alone as a comparative example, the emission threshold voltage is increased, the luminance is decreased, and the deterioration is large. Furthermore, dielectric breakdown is likely to occur at an applied voltage near the ultimate luminance.
[0135]
As is clear from these results, in the structure using the lead-free high-permittivity perovskite layer as the lead-free high-permittivity dielectric layer, the effect is recognized from a thickness of 0.1 μm or more, particularly 0.2 μm. As described above, a remarkable increase in emission luminance, a decrease in threshold voltage, and an improvement in reliability were observed.
[0136]
This indicates that the diffusion of the lead component in the lead-based dielectric layer to the light emitting layer was effectively suppressed.
[0137]
TiO2 In the case of the layer, the effect as the reaction preventing layer was recognized, but the saturation luminance was low, the emission threshold voltage was high, and the deterioration was large as compared with the perovskite layer. This is TiO2 The film reacts with excess lead in the PZT layer and partially PbTiOThree It is presumed that it did not function completely as a reaction preventing layer because
[0138]
[Example 2]
As in Example 1, the thick film is formed on the substrate on which the lower electrode has been formed by screen printing, and the PZT precursor solution is applied by spin coating, which is the same as in Example 1. A laminated structure of a ceramic dielectric layer and a PZT layer by a solution coating firing method was produced.
[0139]
Next, a lead-free high dielectric constant dielectric layer was formed on the lead-based dielectric layer by sputtering (Sr0.5Ba0.5Nb2O6 Thin film and BaTiO prepared by the same method as in Example 1Three Film, TiO2 As a comparative example, a sample having no lead-free high dielectric constant dielectric layer was prepared.
[0140]
(Sr0.5Ba0.5Nb2O6 As a thin film formation condition, a magnetron sputtering apparatus is used, and (Sr0.5Ba0.5Nb2O6 Using ceramics as the target, Ar gas at 4 Pa pressure, 13.56 MHz high-frequency electrode density 2 W / cm2 Film formation was performed under the conditions of: The substrate temperature during film formation was set to 750 ° C. The film formation rate at this time was about 6 nm / min, and a film thickness of 400 nm was obtained by adjusting the sputtering time. Formed (Sr0.5Ba0.5Nb2O6 The thin film was crystallized into a tungsten bronze type. Further, when this film was heat-treated in air at 750 ° C. in order to improve the dielectric characteristics, a value of a relative dielectric constant of 200 was obtained. The composition of the film was a stoichiometric composition.
[0141]
Next, a barium thioaluminate phosphor layer as a blue light emitter was formed on these dielectric substrates. As a phosphor layer, in order to emit light stably as an EL element, Al2OThree Film, 50 nm / ZnS film, 200 nm / barium thioaluminate phosphor thin film, 300 nm / ZnS film, 200 nm / Al2OThree A film, 50 nm composite structure was prepared. Where Al2OThree The film is a cap layer that controls the amount of oxygen introduced into the fluorescent thin film during annealing in an oxidizing atmosphere, and the sulfur control layer that optimizes the amount of sulfur in the fluorescent thin film during annealing by forming ZnS in advance in the presence or absence of excess or insufficient sulfur. Function as. Further, when formed as an element, Al2OThree The film mainly functions as an electron injection layer into the light emitting layer, not as an insulating film or a dielectric layer. The ZnS layer also functions as an injection enhancement layer that accelerates injected electrons.
[0142]
For the deposition of the barium thioaluminate phosphor, a multi-source deposition method using one E gun and one resistance heating cell was used. EB source containing BaS pellets with 5% Eu added, Al2SThree H with powdered cell2A barium thioaluminate (BaAlOS): Eu layer was formed on a substrate which was provided in a vacuum chamber into which S was introduced and was simultaneously evaporated from each EB source and cell, heated to 500 ° C., and rotated. The evaporation rate of each evaporation source was adjusted to be 1 nm / sec at the deposition rate of (BaAlOS): Eu. At this
[0143]
After forming the thin film, it was annealed in the atmosphere at 750 ° C. for 20 minutes to obtain a phosphor thin film having a thickness of 300 nm.
[0144]
The composition of barium thioaluminate (BaAlOS): Eu thin film formed on a Si substrate as a monitor was analyzed by X-ray fluorescence analysis. As a result, Ba: Al: O: S: Eu = 7.71: 17.68 in atomic ratio. : 8.23: 51.4: 0.40.
[0145]
Further, an ITO transparent electrode having a film thickness of 200 nm was formed at a substrate temperature of 250 ° C. by an RF magnetron sputtering method using an ITO oxide target on the obtained structure, thereby completing an EL element.
[0146]
The light emission characteristics of this EL element were evaluated. Electrodes were drawn from the obtained ITO upper electrode and Pd upper electrode of EL structure, and a bipolar electric field with a pulse width of 50 μS was applied at 1 kHz. The results are shown in Table 2.
[0147]
[Table 2]
[0148]
As is apparent from Table 2, the BaTiO of the present invention.Three An EL element using a lead-free dielectric layer has a film thickness of 300 nm and a luminance of 250 cd / m.2 1460cd / m at 400nm thickness2 A remarkably high brightness is obtained. In contrast, at a film thickness of 200 nm, it is 96 cd / m.2 , 75cd / m at 100nm thickness2 The brightness decreased, but the effect was recognized.
[0149]
Further, when the SBN thin film of the present invention is used, it is 720 cd / m.2 And BaTiOThree The effect was observed although it was smaller than when the dielectric layer was used.
[0150]
TiO2 Even when a thin film is formed, it is 40 cd / m at a film thickness of 200 nm.2 However, 870 cd / m at a film thickness of 400 nm2 And the brightness is BaTiOThree As compared with the case of, a relatively high luminance is obtained. This is similar to Example 1 in that TiO2 When a thin film is used, the effect as a reaction preventing layer is recognized, but it reacts with excess lead in the PZT layer and partially PbTiO.Three This is presumably because the layer did not function completely as an anti-reaction layer because of the formation of a sufficient amount of light, and because it had a dielectric constant of about 80 compared with other lead-free dielectric layers, sufficient light emission could not be obtained.
[0151]
On the other hand, as a comparative example, in an EL device manufactured under exactly the same conditions except that no lead-free dielectric layer is used, 1 cd / m2 And BaTiOThree Luminance is not obtained at all as compared with the case of using the lead-free dielectric layer, and the effect of the EL element in which the lead-free dielectric layer of the present invention is laminated is clear.
[0152]
Note that the EL device produced in this example had blue light emission of CIE1931 color coordinates (0.1285, 0.1350) and a peak wavelength of the emission spectrum of 473 nm, which was very good blue light emission.
[0153]
Further, when the samples of this example and the comparative example were subjected to impurity analysis in the film thickness direction by Auger analysis, in the comparative example, Pb element was detected from the phosphor thin film region. This is presumably because the Pb element in the PZT dielectric layer formed by the multilayer solution coating firing method diffused. In contrast, in the examples, no Pb element was detected from the phosphor thin film region.
[0154]
These results show that the luminance of the EL element is drastically improved by the effect described in the operation of the present invention, and the effect of the present invention is clear.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the defects generated in the dielectric layer, which is a problem in the conventional EL element, are solved, and in particular, the light emission luminance of the EL element in which the dielectric layer using the lead-based dielectric material is formed. Can be provided without increasing the cost, by solving the problems that cause deterioration of brightness, uneven brightness, and changes in emission brightness over time, and providing high display quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial schematic cross-sectional view showing a basic configuration of an EL element of the present invention.
FIG. 2 is a partial schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a conventional thin film EL element.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12 Lower electrode
13 Lead-based thick film dielectric layer
14 Lead-based dielectric layer
15 Lead-free dielectric layer
16 Thin insulator layer
17 Light emitting layer
18 Thin film insulator layer
19 Transparent electrode layer
20 AC power supply
Claims (6)
前記誘電体層は、前記電極層に一方面が当接した鉛系厚膜誘電体層、当該鉛系厚膜誘電体層の他方面に一方面が当接した強誘電体層及び当該強誘電体層の他方面に一方面が当接した非鉛系誘電体層からなり、
前記鉛系厚膜誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体、複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体及びタングステンブロンズ型誘電体からなる群より選ばれる材料であって少なくともその組成に鉛を含有する材料により形成され、
前記強誘電体層は、少なくともその組成に鉛を含有するペロブスカイト構造強誘電体により形成され、
前記非鉛系誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体又はタングステンブロンズ型誘電体であって少なくともその組成中に鉛を含まない材料により形成されているEL素子。An EL element having at least a structure in which an electrically insulating substrate and an electrode layer , a dielectric layer , a light emitting layer, and a transparent electrode layer are laminated on the substrate in this order from the substrate side ;
The dielectric layer includes a lead-based thick film dielectric layer whose one surface is in contact with the electrode layer , a ferroelectric layer whose one surface is in contact with the other surface of the lead-based thick film dielectric layer, and the ferroelectric Consisting of a lead-free dielectric layer with one surface in contact with the other surface of the body layer,
The lead-based thick film dielectric layer is formed of a material selected from the group consisting of a perovskite structure dielectric, a composite perovskite relaxor type ferroelectric, and a tungsten bronze type dielectric, and at least a composition thereof containing lead. ,
The ferroelectric layer is formed of a perovskite structure ferroelectric containing at least lead in its composition,
The EL element in which the non-lead-based dielectric layer is a perovskite structure dielectric or a tungsten bronze type dielectric and does not contain lead at least in its composition .
前記誘電体層は、前記電極層に一方面が当接した鉛系厚膜誘電体層と、非鉛系誘電体層との積層体であり、
前記鉛系厚膜誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体、複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体及びタングステンブロンズ型誘電体からなる群より選ばれる材料であって少なくともその組成に鉛を含有する材料により形成され、
前記非鉛系誘電体層は、ペロブスカイト構造誘電体又はタングステンブロンズ型誘電体であって少なくともその組成中に鉛を含まない材料により形成されているEL素子。An EL element having at least a structure in which an electrically insulating substrate and an electrode layer , a dielectric layer , a light emitting layer, and a transparent electrode layer are laminated on the substrate in this order from the substrate side ;
The dielectric layer is a laminate of a lead-based thick film dielectric layer whose one surface is in contact with the electrode layer and a non-lead-based dielectric layer,
The lead-based thick film dielectric layer is formed of a material selected from the group consisting of a perovskite structure dielectric, a composite perovskite relaxor type ferroelectric, and a tungsten bronze type dielectric, and at least a composition thereof containing lead. ,
The EL element in which the non-lead-based dielectric layer is a perovskite structure dielectric or a tungsten bronze type dielectric and does not contain lead at least in its composition .
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