JP4483742B2

JP4483742B2 - Ｅｌ素子の製造方法

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Publication number: JP4483742B2
Application number: JP2005245517A
Authority: JP
Inventors: 元石原; 孝井上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2007059301A

Description

本発明は、発光層を一対の電極により挟んでなるＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子の製造方法に関し、特に、レーザ照射による輝度向上に関する。

ＥＬ素子は、基板上に下部電極、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の蛍光体からなる発光層、上部電極を、スパッタや蒸着などにより積層して形成されるものであり、通常は、各電極と発光層との間に絶縁層を介在させてなる。

このような構造のＥＬ素子においては、上下電極間に電圧を印加することにより、発光層を発光させるが、その発光輝度を向上させるために発光層にレーザ光を照射する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、基板上に、下部電極、発光層を形成した後、発光層側から発光層に対して、固体レーザやエキシマレーザなどを用いてレーザ照射を行うことにより、照射前に比べて発光輝度を向上させるものである。
特開平１１−２２４７７７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているレーザ照射方法では、発光層に直接レーザ光を照射するため、あまり大きな照射エネルギーとすることができない。たとえば、ある照射エネルギー以上になると、発光層が昇華してしまうなどの不具合が生じるため、この昇華を防止しつつ発光輝度を向上させる照射条件の範囲は極めて狭いものとなってしまう。

そこで、本発明者は、ＥＬ素子の積層構成を形成した後、すなわち発光層を一対の電極で挟んだ状態とした後にレーザ照射を行えば、発光層が電極で被覆された状態であるため、たとえば発光層の昇華などが生じないと考えた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、発光物質を含む発光層を一対の電極により挟んでなるＥＬ素子の製造方法において、一対の電極で発光層を挟んだ後、レーザ照射を行い輝度を向上できるようにすることを目的とする。

本発明者は、発光物質を含む発光層を一対の電極により挟んでなるＥＬ素子においては、発光層からの発光を取り出す構成である以上、一対の電極のうち一方もしくは両方の電極側から発光層へ、レーザ光が透過可能であることに着目した。

そこで、レーザ光が発光層まで透過可能な一方の電極側から、第１のレーザ光を発光層に対して照射するとともに、他方の電極側には第２のレーザ光を照射して当該他方の電極を加熱し、他方の電極から発光層への熱伝導によって発光層を熱処理すれば、輝度向上が図れると考えた。

そして、そのためには、第１のレーザ光の当該発光層での吸収率や、第２のレーザ光の他方の電極での吸収率が、ある程度大きくなければいけないと考え、各種の波長のレーザ光における上記吸収率を求め、輝度向上の効果を調査すればよいと考えた。

本発明は、このような考えに基づいて、実験検討を行った結果、得られたものであり、発光層（１３）を一対の電極（１１、１５）で挟んだ後、一方の電極側から発光層（１３）の単膜での吸収率が４０％以上である波長の第１のレーザ光（Ｌ１）を発光層（１３）に対して照射するとともに、一方の電極とは反対側の他方の電極側から当該他方の電極の単膜での吸収率が３０％以上である波長の第２のレーザ光（Ｌ２）を当該他方の電極に対して照射して、発光輝度を向上させる処理を行うことを特徴とする。

それによれば、後述する図５、図６に示されるように、一対の電極（１１、１５）で発光層（１３）を挟んだ後、レーザ照射を行い輝度を向上させることができる。

ここで、一対の電極（１１、１５）が同一の材料で形成されたものであって互いに膜厚が異なるものである場合、膜厚の薄い方の電極の方がレーザ光が透過しやすく、膜厚の厚い方の電極の方がレーザ光が吸収されやすいため、第１のレーザ光（Ｌ１）の照射は膜厚の薄い方の電極側から行い、第２のレーザ光（Ｌ２）の照射は膜厚の厚い方の電極側から行う。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＥＬ素子１００の概略断面構成を示す図である。ＥＬ素子１００は、絶縁性基板であるガラス基板１０上に、光学的に透明な第１電極１１、第１絶縁層１２、発光層１３、第２絶縁層１４及び光学的に透明な第２電極１５を順次積層して形成されている。

ここでは、第１電極１１と第２電極１５とは、互いに直交するストライプ状に配置された複数本のものである。そして、第１電極１１と第２電極１５との交点に所定の電圧が印加されると、その部分の発光層１３が発光するものである。このＥＬ素子１００の場合、発光層１３の発光は、上下電極１１、１５の両側から取り出し可能となっている。

ガラス基板１０としては、無アルカリガラスや低アルカリガラスが用いられ、第１、第２電極１１、１５としては、ＩＴＯ（インジウムチンオキサイド）膜が用いられる。

第１、第２絶縁層１２、１４としては、各種の透明絶縁膜が採用可能であるが、本例では、原子層成長法（ＡＬＤ、Ａｔｏｍｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて成膜されたＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂積層構造膜としている。これは、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂とが交互に積層された膜である。

また、発光層１３としては、希土類元素を添加したＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などが用いられ、具体的には、ＺｎＳ、ＳｒＳ、ＣａＳに発光中心としてＭｎやテルビウム（Ｔｂ）等を添加したものが使用される。本例では、ＺｎＳを母体材料とし、発光中心としてＭｎを添加した硫化亜鉛：マンガン（ＺｎＳ：Ｍｎ）を発光層１３としている。

次に、本例のＥＬ素子１００の製造方法について説明する。まず、ガラス基板１０上に、第１電極１１として光学的に透明であるＩＴＯ膜を６００ｎｍスパッタ法により形成する。

その上に、第１絶縁層１２として、Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂積層構造膜をＡＬＤ法で作製する。ＡＬＤ法は比較的公知であるため、詳細は省略するが、具体的には、ＡｌＣｌ₃、Ｈ₂Ｏを原料としてＡｌ₂Ｏ₃層を形成し、ＴｉＣｌ₄、Ｈ₂Ｏを原料としてＴｉＯ₂層を形成するという成膜工程を交互に繰り返すことで成膜がなされる。

それにより、本例では、Ａｌ₂Ｏ₃層、ＴｉＯ₂層とも、１層当たりの厚さを５ｎｍとし、それぞれ６層積層してなる総膜厚が６０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ₂積層構造膜としての第１絶縁層１２を形成する。

そして、第１絶縁層１２上に、ＺｎＳ：Ｍｎからなる厚さ３００ｎｍの発光層１３を蒸着法により形成する。その後、第２絶縁層１４を第１絶縁層１２と同様の構造および膜厚にて成膜し、最後に第２電極１５として第１電極１１と同様の方法で、２００ｎｍの膜厚のＩＴＯ膜を成膜する。

こうして、図１に示されるような発光層１３を一対の電極１１、１５で挟んでなるＥＬ素子１００の積層構造ができあがる。ここまでが、素子形成工程である。

次に、本例では、ＥＬ素子の製造工程の一環として、発光輝度を向上させるために素子にレーザ光を照射する工程を行う（レーザ照射工程）。

ここでは、図１に示されるように、発光層１３を一対の電極１１、１５で挟んだ状態で、第２電極１５側から第１のレーザ光Ｌ１を発光層１３に対して照射するとともに、第１電極１１側から第１のレーザ光Ｌ１とは異なる波長の第２のレーザ光Ｌ２を第１電極１１に対して照射して、発光輝度を向上させる処理を行う。

発光層１３に対して照射される発光層吸収側レーザ光としての第１のレーザ光Ｌ１は、発光層１３の単膜での吸収率が４０％以上である波長を持つものであり、図１では３５５ｎｍの波長としている。

また、第１電極１１に対して照射される電極吸収側レーザ光としての第２のレーザ光Ｌ２は、第１電極１１の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものであり、図１では５３２ｎｍの波長としている。

上述したように、ＥＬ素子においては、一対の電極１１、１５のうち一方もしくは両方の電極側から発光層１３へ、レーザ光が透過可能であるが、本例のＥＬ素子１００では、そのレーザ光の透過は両方の電極１１、１５側から可能である。

ここで、本例では、通常のＥＬ素子と同様に、一対の電極１１、１５が同一の材料すなわちＩＴＯで形成されたものであって互いに膜厚が異なる。このような場合、膜厚の薄い第２電極１５の方がレーザ光が透過しやすく、膜厚の厚い第１電極１１の方がレーザ光が吸収されやすい。また、本例の場合、第１のレーザ光Ｌ１の波長における膜厚の薄い第２電極１５及び第２絶縁層１４での吸収率は３０％以下であり、第１のレーザ光Ｌ１の７０％以上を発光層１３に吸収させることができる。

そのため、本例では、図１に示されるように、発光層１３にて吸収されるための第１のレーザ光Ｌ１の照射は、膜厚（２００ｎｍ）の薄い第２電極１５側から行い、第１電極１１にて吸収されるための第２のレーザ光Ｌ２の照射は、膜厚（６００ｎｍ）の厚い第１電極１１側すなわちガラス基板１０の外側から行う。

このレーザ照射工程におけるレーザ照射装置は、公知のものを採用することができるが、図２にその装置の一例を模式的な構成として示しておく。

本装置は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射するレーザ発振器２００、レーザ発振器２００から出てきたレーザ光Ｌ１、Ｌ２の波形を調整して最適化するホモジナイザ２０２、ホモジナイザ２０２からのレーザ光Ｌ１、Ｌ２をＥＬ素子１００に集光させる集光レンズ２０４、および、これら部材間に設けられレーザ光Ｌ１、Ｌ２を伝達する反射ミラー２０１、２０３を備えて構成されている。

レーザ発振器２００としては、一般的に使用されている半導体を用いた固体レーザやガスを用いたエキシマレーザを用いることができる。周知のように、レーザ発振器２００から出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２の波長を変えることは、レーザの種類を変えることにより実現される。

ここでは、１台のレーザ発振器２００から、３５５ｎｍの波長（第３高調波）を持つ第１のレーザ光Ｌ１と５３２ｎｍの波長（第２高調波）を持つ第２のレーザ光Ｌ２との両方の波長を有するレーザ光が出るようになっている。なお、図示しないが、３５５ｎｍの波長の第１のレーザ光Ｌ１が発振できる発振器と５３２ｎｍの波長の第２のレーザ光Ｌ２が発振できる発振器を２台使用してもかまわない。

そして、レーザ発振器２００の出射口から出てきた各レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、反射ミラー２０１を介してホモジナイザ２０２へ送られる。このホモジナイザ２０２で、各レーザ光Ｌ１、Ｌ２はトップハットのビーム形状に形成され、反射ミラー２０３を介して集光レンズ２０４によって集光され、所望のサイズのビーム径に成形されて、ＥＬ素子１００に同時に照射される。

本実施形態において、発光輝度を向上させるために、第１のレーザ光Ｌ１を、発光層１３の単膜での吸収率が４０％以上である波長を持つものとし、第２のレーザ光Ｌ２を、第１電極１１の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものとしたことの根拠について述べる。

本発明者は、上記した本例のＥＬ素子１００における発光層１３および第１電極１１について、それぞれ単膜状態でのレーザ光の吸収率を調査した。その結果を図３および図４に示す。

図３は、レーザ光の波長（単位：ｎｍ）と発光層１３の単膜での吸収率（％）との関係を示す図であり、図４は、レーザ光の波長（単位：ｎｍ）と第１電極１１の単膜での吸収率（％）との関係を示す図である。

これら図３、図４に示されるように、レーザ光の波長を変えることにより、各膜１１、１３における吸収率が変化する。レーザ照射による輝度向上については、従来より、詳細なメカニズムは不明であるが、レーザ光のエネルギーが被照射物である発光層に何らかの好影響を与えていると推定されている。

そこで、本発明者は、吸収率の大きな波長を持つレーザ光を用いれば、レーザ光のエネルギーが被照射物に多く与えられることから、各レーザ光Ｌ１、Ｌ２の吸収率を変えて、上記図１に示されるようにレーザ照射工程を行い、輝度向上の効果を調査した。

具体的には、発光層吸収側レーザ光すなわち第１のレーザ光Ｌ１の発光層１３での吸収率（％）、電極吸収側レーザ光すなわち第２のレーザ光Ｌ２の第１電極１１での吸収率（％）を変えたときの、輝度比を調査した。

その結果を図５、図６に示す。図５は、発光層吸収側レーザ光の発光層１３での吸収率を横軸、輝度比を縦軸にとったもので、図６は、電極吸収側レーザ光の第１電極１１での吸収率を横軸、輝度比を縦軸にとったものである。

ここで、輝度比は、同じ駆動条件でレーザ照射工程の前と後とで輝度を測定し、レーザ照射工程前の輝度を１と規格化したときのレーザ照射工程後の輝度を示すもので、輝度比が１より大きくなるほど、レーザ照射による輝度向上が図れていることになる。

また、図５および図６では、発光層吸収側レーザ光（第１のレーザ光）Ｌ１の発光層１３での吸収率を、３５％、４０％、４５％、９８％と変えているが、これら各吸収率に対応する波長は、上記図３に示される関係図から、それぞれ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、３５１ｎｍ、３０８ｎｍである。

一方、図５および図６では、電極吸収側レーザ光（第２のレーザ光）Ｌ２の第１電極１１での吸収率を、２５％、３０％、４０％、８０％と変えているが、これら各吸収率に対応する波長は、上記図４に示される関係図から、それぞれ、５１１、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、３０８ｎｍである。

これら図５、図６に示されるように、各レーザ光Ｌ１、Ｌ２の吸収率が大きくなるほど、輝度比が大きくなっており、当該吸収率が大きいほど輝度向上効果が大きくなる傾向が確認された。

そして、第１のレーザ光Ｌ１の発光層１３での吸収率が４０％以上であって且つ第２のレーザ光Ｌ２の第１電極１１での吸収率が３０％以上であれば、輝度比が１よりも大きくなり、輝度向上が確保されることが、わかった。

これは、図５、図６から、第１のレーザ光Ｌ１の発光層１３での吸収率が３５％の場合や第２のレーザ光Ｌ２の第１電極１１での吸収率が２５％の場合にも、多少の輝度向上が見られるが、製造上の誤差などを考慮して安定して輝度向上を確保するには、第１のレーザ光Ｌ１の発光層１３での吸収率が４０％以上であって且つ第２のレーザ光Ｌ２の第１電極１１での吸収率が３０％以上であることが望ましい。

これら図５、図６に示されるものと同様の傾向は、本実施形態の素子構成を持つものにおいて確認されている。そして、これを根拠として、本実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１を、発光層１３の単膜での吸収率が４０％以上である波長を持つものとし、第２のレーザ光Ｌ２を、第１電極１１の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものとしている。

そして、本実施形態では、このようなレーザ光Ｌ１、Ｌ２を用いてレーザ照射工程をおこなうことにより、一対の電極１１、１５で発光層１３を挟んだ後、レーザ照射を行い輝度を向上させることができる。

また、第１のレーザ光Ｌ１を、発光層１３の単膜での吸収率が４０％以上である波長を持つものとし、第２のレーザ光Ｌ２を、第１電極１１の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものとするが、厳密に４０％以上、３０％以上ということではなく、均等な範囲で多少幅を持っていてもよい。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係るＥＬ素子２００の概略的な断面構成を示す図である。

上記第１実施形態では、第１電極１１の方が第２電極１５よりも膜厚が厚いものであったが、本実施形態のＥＬ素子２００は、それとは逆に、第２電極１５の方が第１電極１１よりも膜厚が厚いものとしている。具体的には、第２電極１５の膜厚を６００ｎｍ、第１電極１１の膜厚を２００ｎｍとしている。

この場合、図７に示されるように、発光層１３にて吸収されるための第１のレーザ光Ｌ１の照射は、膜厚の薄い第１電極１１側から行い、第２のレーザ光Ｌ２の照射は、膜厚の厚い第２電極１５側から行う。そして、第２のレーザ光Ｌ２は、第２電極１５の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものとするが、その波長は上記図４から選択することができる。

これらのこと以外は、上記実施形態と同様であるため、本実施形態によっても上記実施形態と同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
なお、第１のレーザ光Ｌ１、第２のレーザ光Ｌ２は、それぞれ、発光層１３の単膜での吸収率が４０％以上である波長を持つもの、吸収されるべき電極１１、１５の単膜での吸収率が３０％以上である波長を持つものであるならば、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とは、波長が同じものであってもよい。

また、第１のレーザ光Ｌ１の照射と第２のレーザ光Ｌ２の照射とは同時に行うものでなくてもよく、一方の照射を行った後に、他方の照射を行うというように、順番に繰り返して行ってもよい。

また、上記実施形態では、一対の電極１１、１５の両方がＩＴＯからなるものであったが、一方の電極と他方の電極との材質が異なるものであってもよい。たとえば、図８に示されるように、第１電極１１をＩＴＯとし、第２電極１５をＡｌからなる金属電極としてもよい。

この場合、レーザ光は、ＩＴＯからなる第１電極１１からは発光層１３まで透過可能であるが、金属電極である第２電極１５からは発光層１３へは透過せず遮断される。

そこで、第１電極１１側から発光層１３へ第１のレーザ光Ｌ１を照射し、第２電極１５側から第２のレーザ光Ｌ２を照射し、第２電極１５に吸収させるようにすればよい。

なお、金属電極を用いた場合にも、上記したようなレーザ光の波長と金属電極の単膜での吸収率との関係を求めれば、金属電極に照射する第２のレーザ光Ｌ２の波長を決めることができる。

また、一対の電極１１、１５のうち少なくとも一方の電極側から発光層１３へ、レーザ光が透過可能であることが必要であり、その点では、一対の電極１１、１５が異なる材料で形成されている場合、どちらか一方の電極はＩＴＯであることが好ましい。

また、上述した各電極や発光層、絶縁層は、一実施形態を示すものであり、上記の例に限定されるものではない。

たとえば、発光層の母体材料としては、ＺｎＳ以外にも、ＳｒＳ、ＣａＳなどがあるが、通常、ＥＬに用いられる発光層材料は、成膜方法にもよるが、いずれもバンドギャップが同程度のものであるため、上記したレーザエネルギーの付与による輝度向上の効果は、同様に発揮されると考えられる。

また、上記レーザ照射方法を採用するＥＬ素子としては、無機ＥＬに限らず、可能ならば、有機材料を発光層として用いる有機ＥＬ素子であってもよい。この有機ＥＬ素子の断面構成の一例を図９に示しておく。

光取り出し側となる透明基板１０の上に、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる第１電極としての陽極１１が形成され、この陽極１１の上に、発光層としての有機層１３が形成されている。

実際には、有機層１３は、正孔輸送層、発光層、電子輸送層などが積層されてなる発光層を含む積層体である。そして、有機層１３の上にはＡｌなどの金属電極からなる第２電極としての陰極１５が形成されている。

また、このような有機ＥＬ素子は、基板１０上に、スパッタや蒸着により上記各膜１１、１３、１５を形成した後、これら各膜をガラスカバー２０で封止し、水分などの侵入による劣化を防止している。

そして、このような有機ＥＬ素子においては、ガラスカバー２０の組み付け後、透明な陽極１１側から発光層１３へ第１のレーザ光Ｌ１を照射し、ガラスカバー２０を通して陰極１５側から第２のレーザ光Ｌ２を照射し、これを陰極１５に吸収させるようにすればよい。

本発明の第１実施形態に係るＥＬ素子の概略断面図である。上記第１実施形態に係るレーザ照射装置の一構成例を模式的に示す図である。レーザ光の波長と発光層の単膜での吸収率との関係を示す図である。レーザ光の波長（単位：ｎｍ）と第１電極の単膜での吸収率（％）との関係を示す図である。第１のレーザ光の発光層の単膜での吸収率および第２のレーザ光の第１電極の単膜での吸収率を変えたときの、輝度比の変化を示す図である。第１のレーザ光の発光層の単膜での吸収率および第２のレーザ光の第１電極の単膜での吸収率を変えたときの、輝度比の変化を示す図である。本発明の第２実施形態に係るＥＬ素子の概略断面図である。本発明の他の実施形態として一対の電極の一方を金属電極としたＥＬ素子を示す概略断面図である。有機ＥＬ素子の概略断面図である。

符号の説明

１０…基板、１１…第１電極、１３…発光層、１５…第２電極、
Ｌ１…第１のレーザ光、Ｌ２…第２のレーザ光。

Claims

発光物質を含む発光層（１３）を、一対の電極（１１、１５）により挟んでなり、前記一対の電極（１１、１５）のうち少なくとも一方の電極側から前記発光層（１３）へレーザ光が透過するようになっているＥＬ素子の製造方法であって、
前記発光層（１３）を前記一対の電極（１１、１５）で挟んだ後、前記一方の電極側から前記発光層（１３）の単膜での吸収率が４０％以上である波長の第１のレーザ光（Ｌ１）を前記発光層（１３）に対して照射するとともに、前記一方の電極とは反対側の他方の前記電極側から当該他方の電極の単膜での吸収率が３０％以上である波長の第２のレーザ光（Ｌ２）を当該他方の電極に対して照射して、発光輝度を向上させる処理を行うことを特徴とするＥＬ素子の製造方法。
前記第１のレーザ光（Ｌ１）の照射と前記第２のレーザ光（Ｌ２）の照射とを同時に行うことを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子の製造方法。
前記一対の電極（１１、１５）は同一の材料で形成されたものであって互いに膜厚が異なるものであり、
前記第１のレーザ光（Ｌ１）の照射は膜厚の薄い方の前記電極から行い、前記第２のレーザ光（Ｌ２）の照射は膜厚の厚い方の前記電極から行うことを特徴とする請求項１または２に記載のＥＬ素子の製造方法。