JP4646347B2 - Composite substrate and EL device using the same - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘電体と電極を設けた複合基板、およびその複合基板を用いたエレクトロルミネセンス素子(EL素子)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電界の印加によって物質が発光する現象をエレクトロルミネセンス(EL)といい、この現象を用いた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素子には粉末蛍光体を有機物やホウロウに分散させ、上下に電極を設けた構造をもつ分散型素子と、電気絶縁性の基板上に2つの電極と2つの薄膜絶縁体の間に挟む形で形成した薄膜蛍光体を用いた薄膜型の素子がある。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、薄膜型EL素子は高輝度、長寿命という特性をもち、EL素子の実用範囲を大きく広げた。
【0004】
従来、薄膜型EL素子においては基板として液晶ディスプレイやPDPなどに用いられている青板ガラスを用い、かつ基板に接する電極をITOなどの透明電極とし、蛍光体で生じた発光を基板側から取り出す方式が主流であった。また蛍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。カラーディスプレイを作製するには、赤色、緑色、青色の3原色に発光する蛍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などが候補に上げられており、研究が続けられている。しかし現在までのところ、発光輝度、発光効率、色純度の点に問題があり、実用化にはいたっていない。
【0005】
これらの問題を解決する手段として、高温で成膜する方法や成膜後に高温で熱処理を行うことが有望であることが知られている。このような方法を用いた場合、基板として青板ガラスを用いることは耐熱性の観点から不可能である。耐熱性のある石英基板を用いることも検討されているが、石英基板は非常に高価であり、ディスプレーなどの大面積を必要とする用途には適さない。
【0006】
近年、特開平7−50197号公報や、特公平7−44072号公報に記載されているように、基板として電気絶縁性のセラミック基板を用い、蛍光体下部の薄膜絶縁体のかわりに厚膜誘電体を用いた素子の開発が報告された。
【0007】
この素子の基本的な構造を図2に示す。図2に示されるEL素子は、セラミックなどの基板11上に、下部電極12、厚膜誘電体層13、発光層14、薄膜絶縁体層15、上部電極16が順次形成された構造となっている。このように、従来の構造とは異なり、蛍光体の発光を基板とは反対側の上部から取り出すため、透明電極は上部に設けられている。
【0008】
この素子では厚膜誘電体は数10μm と薄膜絶縁体の数100〜数1000倍の厚さをもっている。そのためピンホールなどに起因する絶縁破壊が少なく、高い信頼性と高い製造時の歩留まりを得ることができるという利点を有している。
【0009】
厚い誘電体を用いることによる蛍光体層への電圧降下は高誘電率材料を誘電体層として用いることにより克服している。またセラミック基板と厚膜誘電体を用いることにより、熱処理温度を高めることができる。その結果、従来は結晶欠陥の存在により不可能であった高い発光特性を示す発光材料の成膜が可能となった。
【0010】
厚膜誘電体に用いられる誘電材料の条件として、高誘電率で絶縁抵抗、耐電圧が高いことが好ましい。しかし、基板材料として一般的に広く用いられているAl23 を用い、誘電材料として高誘電特性から広くキャパシター材料に用いられているBaTiO3 を用いると、Al23 とBaTiO3 の熱膨張率の違いにより焼成時に誘電体層にクラックが入り、EL素子としたときに十分な耐電圧が得られないといった問題が生じていた。
【0011】
厚膜誘電体に用いられる誘電材料の条件として、高誘電率で絶縁抵抗、耐電圧が高いことが好ましい。しかし、基板材料として一般的に広く用いられているAl23 を用い、誘電材料として高い誘電特性から広くキャパシター材料に用いられているBaTiO3 を用いると、焼成時にBaTiO3 誘電体層にクラックが入ってしまうという問題が生じていた。このクラックにより誘電体層の耐電圧が低くなるので、この複合基板を用いてEL素子を作製すると容易に素子が破壊してしまった。この原因は基板材料と誘電体の熱膨張率が違うとともに、誘電体を高温で焼成しなければならないので、熱膨張の差が大きく影響しているためであると考えられている。この問題と基板材料の誘電体材料の反応を最小限に抑える必要性から、特開平7−50197号公報や、特公平7−44072号公報等では誘電体材料として焼成温度の比較的低い鉛系の誘電材料が主に検討されてきた。
【0012】
しかし、人体に有害な鉛を原料に用いることは製造上および廃品回収コストを増大させるので好ましくない。また鉛系の誘電体材料は一般に焼成温度がBaTiO3 より低いゆえに、EL素子としたときの蛍光体層の熱処理温度を高めることができず、十分な発光特性を得ることができなかった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、基板と電極の間に作業温度が1300℃以下のガラスからなる中間層を設けることにより、種種の基板材料と誘電体材料の組み合わせにおいて、クラックのない厚膜誘電体をもつ複合基板、およびこれを用いたEL素子を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
(1) 基板上に厚膜法により形成された電極と誘電体層が順次形成されている複合基板であって、
前記基板と電極の間に作業温度が1300℃以下のガラスからなる中間層を有する複合基板。
(2) 前記中間層のガラスは結晶化ガラスである上記(1)の複合基板。
(3) 前記誘電体層はチタン酸バリウム(BaTiO3 )を主成分とするセラミック焼結体である上記(1)または(2)の複合基板。
(4) 前記誘電体層は、酸化マンガン(MnO),酸化マグネシウム(MgO),酸化タングステン(WO3 ),酸化カルシウム(CaO),酸化ジルコニウム(ZrO2 ),酸化ニオブ(Nb25 )および酸化コバルト(Co23 )から選択される1種または2種以上の酸化物を含有する上記(3)の複合基板。
(5) 前記誘電体層は、希土類元素(Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,YbおよびLu)から選択される元素の酸化物を1種または2種以上含有する上記(3)または(4)の複合基板。
(6) 前記誘電体層は、酸化シリコン(SiO2 )からなるガラス成分を含有する上記(3)〜(5)のいずれかの複合基板。
(7) 上記(1)〜(6)のいずれかの複合基板上に、少なくとも発光層と第2の電極を有するEL素子
(8) さらに発光層と第2の電極との間に第2の絶縁体層を有する上記(7)のEL素子。
【0015】
【作用】
本発明においては、基板と電極の間に作業温度が1300℃以下のガラスからなる中間層を設けることにより熱膨張率の異なる基板材料と誘電体材料を用いた場合にも、クラックがなく、誘電体層の耐電圧の高い複合基板を作製することができる。クラックは主に基板材料と誘電体材料の熱膨張率の差に起因して誘電体層の焼成時に発生するが、ガラスからなる中間層がある場合、中間層のガラスの作業温度が誘電体層の形成温度より低いと、誘電体層の焼成時にガラスの作業温度と誘電体層の形成温度の間では熱膨張率の差に起因する応力を中間層が吸収してしまう。このため、中間層のガラスの作業温度が誘電体層の形成温度より十分低いと、通常は焼成時に誘電体層表面に発生するクラックをなくすことができる。適当な組成のガラス成分をもつ中間層を設けることにより、一般に基板材料として広く用いられているAl23 と高い誘電特性と高信頼性から広くキャパシター材料として用いられているBaTiO3 の組み合わせのように、大きな熱膨張率の差と高い焼成温度から誘電体層のクラックの発生が不可避であった場合でも、クラックのない複合基板を作製できる。そのため、この複合基板を用いてエレクトロルミネセンス素子(EL素子)を作製すると、高い発光特性をもたらす高電圧駆動が可能となる。また、従来のように誘電体として焼成温度の低い鉛系の誘電材料を用いる必要がなく、環境汚染防止の観点からも有利である。
【0016】
さらに、このように焼成温度の高い複合基板を用いてEL素子を作製すると、蛍光体層の熱処理温度を上げることができるため、蛍光体層中の結晶欠陥を減らし、高い発光特性を得ることができる。この作用は、特に青色発光を生じるCeを添加したSrS蛍光体層を成膜する上で特に有効である。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の複合基板は、基板上に電極と誘電体層が順次形成されている複合基板であって、前記基板と電極の間に作業温度が1300℃以下のガラスからなる中間層を有するものである。
【0018】
好ましくは前記誘電体はチタン酸バリウム(BaTiO3 )を主成分とするセラミック焼結体である。そして、この誘電体層は、希土類酸化物、MnO,MgO,WO3 ,SiO2 ,CaO,ZrO2 ,Nb25 およびCo23 から選択される1種または2種以上を含有していてもよい。
【0019】
このように、基板と誘電体層との間に中間層を設けることにより、基板と誘電体層との間の応力が緩和され、誘電体層のクラックを抑制することができ、誘電体層の耐電圧を高くすることができる。その結果、この複合基板を用いたEL素子において、高い発光特性をもたらす高電圧駆動が可能となる。
【0020】
図1に、本発明の複合基板を用いたエレクトロルミネセンス素子(EL素子)の断面図を示す。複合基板は、電気絶縁性のセラミックまたは結晶化ガラス基板1上にガラスからなる中間層2と、所定のパターンにパターニング形成された厚膜電極(第1の電極)3、その上に厚膜法により形成された高誘電率セラミック焼結体からなる誘電体層(第1の誘電体層)4を有する積層セラミック構造体となっている。
【0021】
中間層2を構成するガラスの作業の温度が、誘電体層を形成する温度より十分低いことが好ましい。特に、ガラスの作業温度が誘電体層を形成する温度より50℃以上低く、さらに100℃以上低いことが好ましい。なお、作業温度の下限としては特に限定されるものではないが、通常室温以上である。ここで、作業温度とは、ガラスの粘度が104 ポアズ(P)となる温度をいい、誘電体層を形成する温度とは、誘電体層が形成されるために必要な、焼成、熱処理の温度をいう。
【0022】
複合基板を使用したEL素子は、例えば図1に示すように複合基板の誘電体層上に真空蒸者、スパッタ法、CVD法等で形成された薄膜発光層(蛍光層)5、薄膜絶縁層(第2の絶縁層)6、透明電極(第2の電極)7からなる基本構造を有している。また、薄膜絶縁層を省略した片絶縁構造としてもよい。
【0023】
本発明の複合基板およびそれを用いたEL素子は、中間層を採用することにより、基板材料と熱膨張率の異なる誘電材料でもクラック無しに基板上に厚膜形成できることを特徴としている。このとき、例えば高温で焼成を行うBaTiO3 などを用いれば、鉛を含んでいないので環境汚染防止の意味からも有効である。また複合基板は高温で焼成を行っているため、本発明の複合基板を用いてEL素子を作製すると、蛍光体層の熱処理温度を高めることができ、高い発光特性を得ることができる。
【0024】
中間層の材料としては、上記の熱膨張率を有し、基板や誘電体層との反応し難い材料であれば特に限定されるものではないが、結晶化ガラスを主成分とすることが好ましい。
【0025】
ここで、結晶化ガラスとは、一旦ガラスとして溶融、成型、徐冷したものを、再度加熱して結晶集合体(一種のセラミック)としたものをいう。具体的には、R2O−CaO−Al23−SiO2 系、MgO−CaO−SiO2 系、MgO−Al23−SiO2 系等が挙げられる。
【0026】
中間層には、結晶化ガラスの他、ホウケイ酸ガラス等を主成分のガラスとしていてもよい。
【0027】
これらの材料により形成されるガラス中間層の膜厚は、好ましくは1〜100μm 、特に5〜20μm 程度である。また、形成された中間層の熱膨張係数は、1〜14ppm/K-1程度、特に5〜12ppm/K-1程度が好ましい。
【0028】
基板として用いる材料は、厚膜形成温度、およびEL蛍光層の形成温度、EL素子のアニール温度に耐えうる耐熱温度ないし融点が600℃以上、好ましくは700℃以上、特に800℃以上の基板を用い、その上に形成されるEL素子が形成でき、所定の強度を維持できるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、アルミナ(Al23 )、フォルステライト(2MgO・SiO2 )、ステアタイト(MgO・SiO2 )、ムライト(3Al23 ・2SiO2 )、ベリリア(BeO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC+BeO)等のセラミック基板、結晶化ガラスなど耐熱性ガラス基板を挙げることができる。これらの耐熱温度はいずれも1000℃程度以上である。これらのなかでも特にアルミナ基板、結晶化ガラスが好ましく、熱伝導性が必要な場合にはベリリア、窒化アルミニウム、炭化シリコン等が好ましい。
【0029】
また、このほかに、石英、熱酸化シリコンウエハー等、チタン、ステンレス、インコネル、鉄系などの金属基板を用いることもできる。金属等の導電性基板を用いる場合には、絶縁処理を施すか基板上に内部に電極を有した厚膜を形成した構造が好ましい。
【0030】
第1の電極である下部電極層は、少なくとも絶縁処理された基板側に形成されるか、絶縁層内に形成される。絶縁層形成時、さらに発光層と共に熱処理の高温下にさらされる電極層は、主成分としてパラジウム、ロジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、白金、銀、金、タンタル、ニッケル、クロム、チタン等の通常用いられている金属電極を用いればよい。
【0031】
また、Pd,Pt,Au,Agやそれらの合金を用いた場合には大気中で焼成することができる。耐還元性をもたせたるよう調整されたBaTiO3 を用いた場合には還元雰囲気で焼成が行えるので、Niなどの卑金属を内部電極として用いることができる。
【0032】
また、第2の電極となる上部電極層は、所定の発光波長域で透光性を有する透明な電極が良い。この場合、ZnO、ITOなどの透明電極を用いることが特に好ましい。ITOは、通常In2 3 とSnOとを化学量論組成で含有するが、O量は多少これから偏倚していてもよい。In2 3 に対するSnO2 の混合比は、1〜20wt%、さらには5〜12wt%が好ましい。また、IZOでのIn2 3 に対するZnOの混合比は、通常、12〜32wt%程度である。
【0033】
また、電極層は、シリコンを有するものでも良い。このシリコン電極層は、多結晶シリコン(p−Si)であっても、アモルファス(a−Si)であってもよく、必要により単結晶シリコンであってもよい。
【0034】
電極層は、主成分のシリコンに加え、導電性を確保するため不純物をドーピングする。不純物として用いられるドーパントは、所定の導電性を確保しうるものであればよく、シリコン半導体に用いられている通常のドーパントを用いることができる。具体的には、B、P、As、Sb、Al等が挙げられ、これらのなかでも、特にB、P、As、SbおよびAlが好ましい。ドーパントの濃度としては0.001〜5at%程度が好ましい。
【0035】
これらの材料で電極層を形成する方法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法、印刷焼成法など既存の方法を用いればよいが、特に、基板上に内部に電極を有した厚膜を形成した構造を作製する場合、誘電体厚膜と同じ方法が好ましい。
【0036】
電極層の好ましい抵抗率としては、発光層に効率よく電界を付与するため、1Ω・cm以下、特に0.003〜0.1Ω・cmである。電極層の膜厚としては、形成する材料にもよるが、好ましくは50〜10000nm、特に100〜5000nm、さらには100〜3000nm程度である。
【0037】
誘電体厚膜材料(第1の絶縁層)としては、公知の誘電体厚膜材料を用いることができる。さらに比較的誘電率の大きな材料が好ましい。
【0038】
例えばチタン酸鉛系、ニオブ酸鉛系、チタン酸バリウム系等の材料を主成分として用いることができる。
【0039】
誘電体層は、さらに酸化マンガン(MnO),酸化マグネシウム(MgO),酸化タングステン(WO3 ),酸化カルシウム(CaO),酸化ジルコニウム(ZrO2 ),酸化ニオブ(Nb25 )および酸化コバルト(Co23 )から選択される1種または2種以上の酸化物か、希土類元素(Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,YbおよびLu)から選択される元素の酸化物を1種または2種以上を副成分として含有していてもよい。これらの副成分は、主成分、特にBaTiO3 に対し好ましくは50 mol%以下、より好ましくは0.004〜40 mol%、特に0.01〜30 mol%含有することが好ましい。
【0040】
また、誘電体層は酸化シリコン(SiO2 )からなるガラス成分を、好ましくは2wt%以下、特に0.05〜0.5wt%以下含有していてもよい。ガラス成分を含有することにより、焼結性の向上が図れる。
【0041】
また、以下の材料および以下の材料の2種類以上の混合物などが好適である。
【0042】
(A) ペロブスカイト型材料:PbTiO3 、希土類元素含有チタン酸鉛、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、NaNbO3 、KNbO3 、NaTaO3 、KTaO3 、CaTiO3 、SrTiO3 、BaTiO3 ,BaZrO3 、CaZrO3 、SrZrO3 、CdZrO3 、CdHfO3 、SrSnO3 、LaAlO3 、BiFeO3 、Bi系ペロブスカイト化合物など。以上のような単純、さらには金属元素を3種以上含有する複合ペロブスカイト化合物、複合、層状の各種ペロブスカイト化合物。
【0043】
(B) タングステンブロンズ型材料: ニオブ酸鉛、SBN(ニオブ酸ストロンチウムバリウム)、PBN(ニオブ酸鉛バリウム)、PbNb26 、PbTa26 、PbNb411 、Ba2KNb515 、Ba2LiNb515 、Ba2AgNb515 、Ba2RbNb515 、SrNb26 、Sr2NaNb515 、Sr2LiNb515 、Sr2KNb515 、Sr2RbNb515 、Ba3Nb1028 、Bi3Nd1747 、K3Li2Nb515 、K2RNb515 (R:Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho)、K2BiNb515 、Sr2TlNb515 、Ba2NaNb515 、Ba2KNb515 等のタングステンブロンズ型酸化物など。
【0044】
(C) YMnO3 系材料:希土類元素(ScおよびYを含む)とMnとOとを含み、六方晶系YMnO3 構造をもつ酸化物など。例えば、YMnO3 、HoMnO3等。
【0045】
これらの多くは、強誘電体である。以下、これらの材料について説明する。
【0046】
(A) ペロブスカイト型材料のうち、BaTiO3 やSr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Ca、Ba、Sr、Pb、K、Na、Li、La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、TaおよびNbから選ばれた1種以上であることが好ましい。
【0047】
こうしたペロブスカイト型化合物における比率A/Bは、好ましくは0.8〜1.3であり、より好ましくは0.9〜1.2である。
【0048】
A/Bをこのような範囲にすることによって、誘電体の絶縁性を確保することができ、また結晶性を改善することが可能になるため、誘電体特性または強誘電特性を改善することができる。これに対し、A/Bが0.8未満では結晶性の改善効果が望めなくなり、またA/Bが1.3をこえると均質な薄膜の形成が困難になってしまう。
【0049】
このようなA/Bは、成膜条件を制御することによって実現する。また、ABO3 におけるOの比率は、3に限定されるものではない。ペロブスカイト材料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で安定したペロブスカイト構造を組むものがあるので、ABOX において、xの値は、通常、2.7〜3.3程度である。なお、A/Bは、蛍光X線分析法から求めることができる。
【0050】
本発明で用いるABO3 型のペロブスカイト化合物としては、A1+5+3 、A2+4+3 、A3+3+3 、AX BO3 、A(B′0.67B″0.33)O3 、A(B′0.33B″0.67)O3 、A(B0.5 +30.5 +5 )O3 、A(B0.5 2+0.5 6 + )O3 、A(B0.5 1+0.5 7+ )O3 、A3+(B0.5 2+0.5 4+ )O3 、A(B0.25 1+0.75 5+)O3 、A(B0.5 3+0.5 4+ )O2.75、A(B0.5 2+0.5 5+ )O2.75等のいずれであってもよい。
【0051】
具体的には、PZT、PLZT等のPb系ペロブスカイト化合物、NaNbO3 、KNbO3 、NaTaO3 、KTaO3 ,CaTiO3 、SrTiO3 、BaTiO3 ,BaZrO3 、CaZrO3 、SrZrO3 、CdHfO3 、CdZrO3 、SrSnO3 、LaAlO3 、BiFeO3 、Bi系ペロブスカイト化合物などおよびこれらの固溶体等である。
【0052】
なお、上記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、(Pb0.890.91La0.110.09)(Zr0.65Ti0.35)O3 で示される。
【0053】
また、層状ペロブスカイト化合物のうちBi系層状化合物は、一般に
式 Bi2m-1m3m+3
で表わされる。上記式において、mは1〜5の整数、Aは、Bi、Ca、Sr、Ba、Pb、Na、Kおよび希土類元素(ScおよびYを含む)のいずれかであり、Bは、Ti、TaおよびNbのいずれかである。具体的には、Bi4 Ti312、SrBi2 Ta29 、SrBi2 Nb29 などが挙げられる。本発明では、これらの化合物のいずれを用いてもよく、これらの固溶体を用いてもよい。
【0054】
本発明に用いることが好ましいペロブスカイト型化合物は、誘電率が高いものが好ましく、NaNbO3 、KNbO3 、KTaO3 、CdHfO3 、CdZrO3 、BiFeO3 、Bi系ペロブスカイト化合物などであり、より好ましいものはCdHfO3 である。
【0055】
(B) タングステンブロンズ型材料としては、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Ay515 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Mg、Ca、Ba、Sr、Pb、K、Na、Li、Rb、Tl、Bi、希土類および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、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。
【0056】
こうしたタングステンブロンズ型化合物における比率O/Bは、15/5に限定されるものではない。タングステンブロンズ材料によっては、酸素欠陥または酸素過剰で安定したタングステンブロンズ構造を組むものがあるので、比率O/Bにおいては、通常、2.6〜3.4程度である。
【0057】
具体的には、(Ba,Pb)Nb26 、PbNb26 、PbTa26 、PbNb411、SBN(ニオブ酸ストロンチウムバリウム)、Ba2KNb515 、Ba2LiNb515 、Ba2AgNb515 、Ba2RbNb515 、SrNb26 、BaNb26 、Sr2NaNb515 、Sr2LiNb515 、Sr2KNb515 、Sr2RbNb515 、Ba3Nb1028 、Bi3Nd1747 、K3Li2Nb515 、K2RNb515 (R:Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho)、K2BiNb515 、Sr2TlNb515 、Ba2NaNb515 、Ba2KNb515 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く、特に、SBN〔(Ba,Sr)Nb26 〕やBa2KNb515 、Ba2LiNb515 、Ba2AgNb515 、Sr2NaNb515 、Sr2LiNb515 、Sr2KNb515 が好ましい。
【0058】
(C) YMnO3 系材料は、化学式RMnO3 で表せる。Rは希土類元素(ScおよびYを含む)から選ばれた1種以上であることが好ましい。YMnO3 系材料における比率R/Mnは、好ましくは0.8〜1.2であり、より好ましくは0.9〜1.1である。このような範囲にすることにより、絶縁性を確保することができ、また結晶性を改善することが可能になるため、強誘電特性を改善することができる。これに対し、比率R/Mnが0.8未満、1.2をこえる範囲では、結晶性が低下する傾向がある。また特に、比率R/Mnが1.2をこえる範囲では、強誘電性が得られず、常誘電的特性になる傾向があり、分極を利用した素子への応用が不可能になってくることがある。このようなR/Mnは、成膜条件を制御することによって実現する。なお、R/Mnは、蛍光X線分析法から求めることができる。
【0059】
本発明に用いることが好ましいYMnO3 系材料は、結晶構造が六方晶系のものである。YMnO3 系材料は、六方晶系の結晶構造を持つものと斜方晶系の結晶構造を持つものとが存在する。相転移の効果を得るためには、六方晶系の結晶材料が好ましい。具体的には、組成が実質的にYMnO3 、HoMnO3 、ErMnO3 、YbMnO3 、TmMnO3 、LuMnO3 であるものか、これらの固溶体などである。
【0060】
誘電体層厚膜の抵抗率としては、108 Ω・cm以上、特に1010〜1018 Ω・cm程度である。また比較的高い誘電率を有する物質であることが好ましく、その誘電率εとしては、好ましくはε=100〜10000程度である。膜厚としては、5〜50μmが好ましく、10〜30μmが特に好ましい。
【0061】
誘電体層厚膜の形成方法は、特に限定されず、10〜50μm厚の膜が比較的容易に得られる方法が良いが、ゾルゲル法、印刷焼成法などが好ましい。
【0062】
印刷焼成法による場合には、材料の粒度を適当に揃え、バインダーと混合し、適当な粘度のペーストとする。このペーストを基板上にスクリーン印刷法により形成し、乾燥させる。このグリーンシートを適当な温度で焼成し、厚膜を得る。
【0063】
得られた厚膜表面は、凹凸や穴が1μm以上と大きい場合、必要に応じ、研磨または、平坦化層をその上に形成して、平坦性を向上させることが好ましい。
【0064】
無機EL(エレクトロルミネッセンス)素子の発光層に用いられる材料としては、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:Ce、(SrS:Ce/ZnS)n、CaCa24:Ce、SrGa24:Ce等を挙げることができる。また、白色発光を得るものとして、SrS:Ce/ZnS:Mn多層膜等が知られている。
【0065】
本発明では、このようなEL素子の蛍光薄膜に用いれる材料として、II族−硫黄化合物、II族−III族−硫黄化合物または希土類硫化物とは、主にSrSに代表されるII−S系化合物または、主にSrGa24 に代表されるII−III2−S4系化合物(II=Zn、Cd、Ca、Mg、Be、Sr、Ba、希土類、III=B、Al、Ga、In、Tl)または、Y23などの希土類硫化物、およびこれらの化合物を用いた複数成分の組み合わせの混晶または混合化合物が好ましい。
【0066】
これらの化合物の組成比は厳密に上記した値をとるのではなく、それぞれの元素に関してある程度の固溶限を有している。従って、その範囲の組成比であればよい。
【0067】
通常、EL蛍光体薄膜は、母体材料に発光中心を添加する。発光中心は、既存の遷移金属、希土類を既存の量、添加すればよい。例えば、Ce,Euなどの希土類、Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Bi,Agなどを金属または硫化物の形で原料に添加する。添加量は、原料と形成される薄膜で異なるので、薄膜が既存の添加量となるように原料の組成を調整する。
【0068】
これらの材料でEL蛍光体薄膜を形成する方法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法、印刷焼成法など既存の方法を用いればよい。
【0069】
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、蛍光材料にもよるが、好ましくは100〜1000nm、特に150〜700nm程度である。
【0070】
高輝度の硫化物蛍光体薄膜を得るために、必要に応じて、形成しようとする組成の硫化物蛍光体を600℃以上の高い温度で形成したり、600℃以上の高い温度でアニールすることが好ましい。特に高輝度の青色蛍光体を得るためには、高温プロセスが有効である。本発明の無機EL用誘電体厚膜はこのような高温プロセスに耐えることができる。
【0071】
無機EL素子は、好ましくは上記電極層と蛍光薄膜(発光層)との間に、薄膜絶縁体層(第2の絶縁層)を有する。薄膜誘電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(Si34 )、酸化タンタル(Ta25)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化イットリウム(Y23)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、PZT、ジルコニア(ZrO2)、シリコンオキシナイトライド(SiON)、アルミナ(Al23)、ニオブ酸鉛、PMN−PT系材料等およびこれらの多層または混合薄膜を挙げることができ、これらの材料で絶縁層を形成する方法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法、印刷焼成法など既存の方法を用いればよい。この場合の絶縁層の膜厚としては、好ましくは50〜1000nm、特に100〜500nm程度である。
【0072】
また、必要により薄膜誘電体層(絶縁層)を形成した後、さらに他の材料を用いて薄膜誘電体層を2重に形成してもよい。
【0073】
さらに、好ましくはこの薄膜誘電体層上には、電極層(第2の電極)が形成される。電極層材料はすでに述べた電極材料が好ましい。
【0074】
このような方法により、本発明の複合基板を用い、EL素子を構成することができる。蛍光体薄膜の高温プロセスが可能になり、従来輝度が不足していた青色蛍光体の特性を大幅に向上できるため、フルカラーのELディスプレーが実現可能となる。さらに、本発明では、高密度でクラックの無い絶縁厚膜が得られるので、EL素子の絶縁破壊が起こりにくく、通常の薄膜2重絶縁構造より格段に安定性が増し、高輝度化、低電圧化が図れる。
【0075】
複合基板は、好ましくは通常の厚膜積層技術により製造される。すなわち、電気絶縁性の結晶化ガラス、またはAl23 などのセラミック基板上に、ガラス原料粉末にバインダを混合して作製されたペーストをスクリーン印刷法またはシート法などの厚膜形成法により形成し、その上にPdやPtのような導体粉末を原料とするペーストをスクリーン印刷法などによりパターン化して印刷する。さらにその上に、粉末状のBaTiO3 を原料として作製された誘電体ペーストを用い、厚膜を形成する。あるいは誘電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、これを電極上に積層圧着してもよい。また、誘電体のグリーンシート上に電極を印刷し、これを基板上の応力緩和層の上に圧着してもよい。
【0076】
さらには、中間層、電極、誘電体からなる積層グリーンシートを別に作製し、これを基板上に厚着してもよい。傾斜組成をもった応力緩和層は、組成をずらした層を順次積層させることにより作成することができる。以上の構造を中間層およぴ誘電体層に適した温度で焼成を行う。
【0077】
【実施例】
次に、実施例を示し本発明の複合基板、およびEL素子についてより具体的に説明する。
【0078】
99.6%Al23 基板上に結晶化ガラス(Heraeus製、商品名IP9117)を主成分とするペーストを印刷し、110℃で数分間乾操を行った。その上に電極としてPd粉末からなるペーストを幅:1.5mm、ギャップ:1.5mmのストライプ状のパターンに印刷し、110℃で数分間乾燥を行った。
【0079】
これらとは別に、BaTiO3 粉末にMnO,MgO,Y23 ,V25 ,(Ba,Ca)SiO3 ,Li2SiO3 を所定濃度添加し、水中で混合を行った。混合した粉末を乾燥した後、バインダーと混合し、誘電体ペーストを作製した。作製した誘電体ペーストを前記の電極のパターンを印刷した基板上に30μm の厚さとなるよう印刷し、乾燥を行い、大気中1200℃で2時間焼成を行った。焼成後の中間層の厚みは10μm 、誘電体層の厚みは10μm であった。
【0080】
誘電体層の電気特性を測定するため、前記誘電体ペーストの乾操を行った後に電極のパターンに直交するように1.5mm幅、ギャップ1.5mmのストライプ状のPd電極パターンを印刷・乾操し、前記の温度パターンで焼成を行ったサンプルを別に作製した。エレクトロルミネセンス素子は、複合基板を250℃に加熱した状態でMnをドープしたZnSターゲットを用い、ZnS蛍光体薄膜を厚さ0.7μm となるようスパッタ法により形成した後、真空中で10分間熱処理した。次に、第2絶縁層としてSi34 薄膜と第2電極としてITO薄膜をスパッタ法により順次形成することによりエレクトロルミネセンス素子とした。
【0081】
発光特性は、得られた素子構造の印刷焼成電極、ITO透明電極から電極を引き出し、1KHzのパルス幅50μs の電界を印加して測定した。
【0082】
以上のようにして作製した複合基板上の誘電体層の電気特性とこれらの複合基板を用いて作製したエレクトロルミネセンス素子の発光特性を表1に示す。
【0083】
【表1】

Figure 0004646347
【0084】
表1から明らかなように、中間層を設けず、下部電極と誘電体を直接基板上に形成した場合には誘電体表面のクラックによりエレクトロルミネセンス素子とした場合に、発光開始前に素子が破壊してしまった。しかしガラスからなる中間層を設けた場合には誘電体表面にクラックは見られず、発光を観測することができた。また、従来の鉛系の材料を誘電体に用いた場合に比べ、蛍光層の熱処理温度を高めることができるため、発光輝度向上と発光開始電圧の低下が見られた。
【0085】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基板と電極の間にガラスを主成分とする中間層を設けることにより、種種の基板材料と誘電体材料の組み合わせにおいて、クラックのない厚膜誘電体をもつ複合基板、およびこれを用いたEL素子を提供することでができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のEL素子の構成例を示す概略断面図である。
【図2】従来のEL素子の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 中間層
3 電極(下部電極)
4 誘電体層
5 発光層(蛍光層)
6 誘電体層
7 電極(上部電極)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite substrate provided with a dielectric and an electrode, and an electroluminescence element (EL element) using the composite substrate.
[0002]
[Prior art]
A phenomenon in which a substance emits light when an electric field is applied is called electroluminescence (EL), and an element using this phenomenon is put into practical use as a backlight of a liquid crystal display (LCD) or a watch.
[0003]
The EL element has a structure in which a powder phosphor is dispersed in an organic substance or a hollow and electrodes are provided on the upper and lower sides, and sandwiched between two electrodes and two thin film insulators on an electrically insulating substrate. There is a thin film type element using the thin film phosphor formed in (1). 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, the thin film type EL element has characteristics such as high luminance and long life, and has greatly expanded the practical range of the EL element.
[0004]
Conventionally, in thin-film EL devices, a blue plate glass used for liquid crystal displays and PDPs is used as a substrate, and an electrode in contact with the substrate is a transparent electrode such as ITO, and light emitted from the phosphor is extracted from the substrate side. Was the mainstream. As a phosphor material, ZnS added with Mn that 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 essential to employ phosphor materials that emit light in the three primary colors of red, green, and blue. These materials include SrS added with blue luminescence Ce and ZnS added with Tm, ZnS added with red luminescence Sm and CaS added with Eu, ZnS added with green luminescence Tb, and CaS added with Ce. Has been raised as a candidate and research continues. However, up to now, there are problems in light emission luminance, light emission efficiency, and color purity, and it has not been put into practical use.
[0005]
As means for solving these problems, it is known that a method of forming a film at a high temperature and a heat treatment at a high temperature after the film formation are promising. When such a method is used, it is impossible to use blue plate glass as the substrate from the viewpoint of heat resistance. Although the use of a heat-resistant quartz substrate has been studied, the quartz substrate is very expensive and is not suitable for applications requiring a large area such as a display.
[0006]
In recent years, as described in JP-A-7-50197 and JP-B-7-44072, an electrically insulating ceramic substrate is used as a substrate, and a thick film dielectric is used in place of a thin film insulator under the phosphor. Development of devices using the body was reported.
[0007]
The basic structure of this element is shown in FIG. The EL device shown in FIG. 2 has a structure in which a lower electrode 12, a thick film dielectric layer 13, a light emitting layer 14, a thin film insulator layer 15, and an upper electrode 16 are sequentially formed on a substrate 11 such as ceramic. Yes. Thus, unlike the conventional structure, the transparent electrode is provided on the upper part in order to take out the light emission of the phosphor from the upper part opposite to the substrate.
[0008]
In this element, the thick film dielectric has a thickness of several tens of μm, which is several hundred to several thousand times that of the thin film insulator. Therefore, there are few dielectric breakdowns caused by pinholes and the like, and there is an advantage that high reliability and high manufacturing yield can be obtained.
[0009]
The voltage drop to the phosphor layer due to the use of a thick dielectric is overcome by using a high dielectric constant material as the dielectric layer. Further, the heat treatment temperature can be increased by using a ceramic substrate and a thick film dielectric. As a result, it has become possible to form a light emitting material exhibiting high light emission characteristics, which was impossible in the past due to the presence of crystal defects.
[0010]
As a condition of the dielectric material used for the thick film dielectric, it is preferable that the dielectric constant and the withstand voltage are high with a high dielectric constant. However, Al, which is generally widely used as a substrate material2OThree As a dielectric material, BaTiO is widely used for capacitor materials because of its high dielectric properties.Three When using Al2OThree And BaTiOThree Due to the difference in coefficient of thermal expansion, the dielectric layer cracked during firing, and there was a problem that sufficient withstand voltage could not be obtained when an EL element was obtained.
[0011]
As a condition of the dielectric material used for the thick film dielectric, it is preferable that the dielectric constant and the withstand voltage are high with a high dielectric constant. However, Al, which is generally widely used as a substrate material2OThree BaTiO is widely used for capacitor materials because of its high dielectric properties.Three When BaTiO is used, BaTiOThree There has been a problem of cracks in the dielectric layer. Since the withstand voltage of the dielectric layer is lowered by this crack, when the EL element is manufactured using this composite substrate, the element is easily destroyed. This is considered to be because the difference in thermal expansion between the substrate material and the dielectric material is different, and the dielectric material must be fired at a high temperature. In view of this problem and the necessity of minimizing the reaction of the dielectric material of the substrate material, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-50197, Japanese Patent Publication No. 7-44072, etc., use a lead system having a relatively low firing temperature as a dielectric material. The dielectric materials have been mainly studied.
[0012]
However, it is not preferable to use lead harmful to the human body as a raw material because it increases the manufacturing cost and waste collection cost. Lead-based dielectric materials generally have a firing temperature of BaTiO.Three Since the temperature is lower, the heat treatment temperature of the phosphor layer when an EL element is formed cannot be increased, and sufficient light emission characteristics cannot be obtained.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an intermediate layer made of glass having a working temperature of 1300 ° C. or less between a substrate and an electrode, thereby having a thick film dielectric without cracks in various combinations of substrate materials and dielectric materials. To provide a composite substrate and an EL element using the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
(1) A composite substrate in which an electrode formed by a thick film method and a dielectric layer are sequentially formed on a substrate,
A composite substrate having an intermediate layer made of glass having a working temperature of 1300 ° C. or lower between the substrate and the electrode.
(2) The composite substrate according to (1), wherein the glass of the intermediate layer is crystallized glass.
(3) The dielectric layer is made of barium titanate (BaTiOThree The composite substrate according to (1) or (2), which is a ceramic sintered body containing as a main component.
(4) The dielectric layer includes manganese oxide (MnO), magnesium oxide (MgO), tungsten oxide (WOThree ), Calcium oxide (CaO), zirconium oxide (ZrO)2 ), Niobium oxide (Nb)2OFive ) And cobalt oxide (Co2OThree The composite substrate according to (3) above, containing one or more oxides selected from
(5) The dielectric layer is selected from rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu). The composite substrate according to (3) or (4) above, containing one or more elemental oxides.
(6) The dielectric layer is made of silicon oxide (SiO2 The composite substrate according to any one of (3) to (5), comprising a glass component comprising:
(7) An EL device having at least a light emitting layer and a second electrode on the composite substrate of any one of (1) to (6) above
(8) The EL device according to (7), further including a second insulator layer between the light emitting layer and the second electrode.
[0015]
[Action]
In the present invention, even when a substrate material and a dielectric material having different coefficients of thermal expansion are used by providing an intermediate layer made of glass having a working temperature of 1300 ° C. or less between the substrate and the electrode, there is no crack and dielectric A composite substrate having a high body layer withstand voltage can be manufactured. Cracks are generated mainly when the dielectric layer is fired due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate material and the dielectric material, but when there is an intermediate layer made of glass, the working temperature of the intermediate layer glass is the dielectric layer. If the temperature is lower than the formation temperature, the intermediate layer absorbs the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the glass working temperature and the dielectric layer formation temperature during firing of the dielectric layer. For this reason, if the working temperature of the glass of the intermediate layer is sufficiently lower than the formation temperature of the dielectric layer, it is possible to eliminate cracks that normally occur on the surface of the dielectric layer during firing. Al which is widely used as a substrate material in general by providing an intermediate layer with a glass component of an appropriate composition2OThree BaTiO is widely used as a capacitor material because of its high dielectric properties and high reliability.Three Even in the case where the occurrence of cracks in the dielectric layer is unavoidable due to the large difference in thermal expansion coefficient and the high firing temperature as in the combination, a composite substrate without cracks can be produced. Therefore, when an electroluminescent element (EL element) is manufactured using this composite substrate, high voltage driving that provides high light emission characteristics is possible. Further, it is not necessary to use a lead-based dielectric material having a low firing temperature as a dielectric as in the prior art, which is advantageous from the viewpoint of preventing environmental pollution.
[0016]
Further, when an EL element is manufactured using a composite substrate having a high firing temperature in this manner, the heat treatment temperature of the phosphor layer can be increased, so that crystal defects in the phosphor layer can be reduced and high emission characteristics can be obtained. it can. This action is particularly effective in forming a SrS phosphor layer to which Ce that generates blue light emission is added.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The composite substrate of the present invention is a composite substrate in which an electrode and a dielectric layer are sequentially formed on the substrate, and has an intermediate layer made of glass having an operating temperature of 1300 ° C. or less between the substrate and the electrode. is there.
[0018]
Preferably, the dielectric is barium titanate (BaTiOThree ) Is a ceramic sintered body containing as a main component. This dielectric layer is composed of rare earth oxides, MnO, MgO, WOThree , SiO2 , CaO, ZrO2 , Nb2OFive And Co2OThree 1 type (s) or 2 or more types selected from may be contained.
[0019]
Thus, by providing the intermediate layer between the substrate and the dielectric layer, the stress between the substrate and the dielectric layer is relieved, and cracks in the dielectric layer can be suppressed. The withstand voltage can be increased. As a result, an EL element using this composite substrate can be driven at a high voltage that provides high light emission characteristics.
[0020]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an electroluminescence element (EL element) using the composite substrate of the present invention. The composite substrate comprises an electrically insulating ceramic or crystallized glass substrate 1, an intermediate layer 2 made of glass, a thick film electrode (first electrode) 3 patterned in a predetermined pattern, and a thick film method thereon. Thus, a multilayer ceramic structure having a dielectric layer (first dielectric layer) 4 made of a high dielectric constant ceramic sintered body is formed.
[0021]
It is preferable that the working temperature of the glass constituting the intermediate layer 2 is sufficiently lower than the temperature at which the dielectric layer is formed. In particular, the working temperature of the glass is preferably 50 ° C. or more lower than the temperature at which the dielectric layer is formed, and more preferably 100 ° C. or less. In addition, although it does not specifically limit as a minimum of working temperature, Usually, it is more than room temperature. Here, the working temperature means that the viscosity of the glass is 10Four The temperature at which Poise (P) is formed, and the temperature at which the dielectric layer is formed refers to the temperature of firing and heat treatment necessary for forming the dielectric layer.
[0022]
For example, as shown in FIG. 1, the EL element using the composite substrate includes a thin film light emitting layer (fluorescent layer) 5 formed on the dielectric layer of the composite substrate by a vacuum steamer, a sputtering method, a CVD method, etc., a thin film insulating layer. It has a basic structure consisting of (second insulating layer) 6 and transparent electrode (second electrode) 7. Alternatively, a single insulating structure in which the thin film insulating layer is omitted may be employed.
[0023]
The composite substrate of the present invention and the EL element using the composite substrate are characterized in that a thick film can be formed on the substrate without cracking even by using a dielectric material having a coefficient of thermal expansion different from that of the substrate material by employing an intermediate layer. At this time, for example, BaTiO which is fired at a high temperatureThree If it is used, it does not contain lead and is effective from the viewpoint of preventing environmental pollution. In addition, since the composite substrate is baked at a high temperature, when an EL element is manufactured using the composite substrate of the present invention, the heat treatment temperature of the phosphor layer can be increased and high light emission characteristics can be obtained.
[0024]
The material of the intermediate layer is not particularly limited as long as it has the above-mentioned coefficient of thermal expansion and does not easily react with the substrate or the dielectric layer, but it is preferable to use crystallized glass as a main component. .
[0025]
Here, crystallized glass refers to a glass aggregate (a kind of ceramic) that has been once melted, molded, and slowly cooled as glass and then heated again. Specifically, R2O-CaO-Al2OThree-SiO2 , MgO-CaO-SiO2 Series, MgO-Al2OThree-SiO2 And the like.
[0026]
In addition to crystallized glass, the intermediate layer may be made of borosilicate glass or the like as a main component glass.
[0027]
The thickness of the glass intermediate layer formed of these materials is preferably about 1 to 100 μm, particularly about 5 to 20 μm. Further, the thermal expansion coefficient of the formed intermediate layer is 1 to 14 ppm / K.-1Degree, especially 5-12ppm / K-1The degree is preferred.
[0028]
As a material for the substrate, a substrate having a thick film forming temperature, an EL phosphor layer forming temperature, a heat-resistant temperature or a melting point that can withstand the annealing temperature of the EL element is 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, particularly 800 ° C. There is no particular limitation as long as an EL element formed thereon can be formed and a predetermined strength can be maintained. Specifically, alumina (Al2OThree ), Forsterite (2MgO · SiO2 ), Steatite (MgO.SiO)2 ), Mullite (3Al2OThree ・ 2SiO2 ), Beryllia (BeO), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), ceramic substrates such as silicon carbide (SiC + BeO), and heat resistant glass substrates such as crystallized glass. These heat-resistant temperatures are all about 1000 ° C. or higher. Among these, an alumina substrate and crystallized glass are particularly preferable, and beryllia, aluminum nitride, silicon carbide and the like are preferable when thermal conductivity is required.
[0029]
In addition, quartz, a thermally oxidized silicon wafer, etc., such as titanium, stainless steel, Inconel, and iron-based metal substrates can also be used. In the case of using a conductive substrate such as a metal, a structure in which an insulating process is performed or a thick film having electrodes inside is formed on the substrate is preferable.
[0030]
The lower electrode layer as the first electrode is formed on at least the insulated substrate side or in the insulating layer. The electrode layer exposed to the high temperature of the heat treatment together with the light emitting layer when forming the insulating layer is usually used as the main component such as palladium, rhodium, iridium, rhenium, ruthenium, platinum, silver, gold, tantalum, nickel, chromium, titanium, etc. What is necessary is just to use the metal electrode currently used.
[0031]
Further, when Pd, Pt, Au, Ag, or an alloy thereof is used, it can be fired in the atmosphere. BaTiO adjusted to have reduction resistanceThree When sinter is used, firing can be performed in a reducing atmosphere, so that a base metal such as Ni can be used as the internal electrode.
[0032]
The upper electrode layer serving as the second electrode is preferably a transparent electrode having translucency in a predetermined emission wavelength region. In this case, it is particularly preferable to use a transparent electrode such as ZnO or ITO. ITO is usually In2OThreeAnd SnO are contained in a stoichiometric composition, but the amount of O may be somewhat deviated from this. In2OThreeFor SnO2Is preferably 1 to 20 wt%, more preferably 5 to 12 wt%. Also, In at IZO2OThreeThe mixing ratio of ZnO to is usually about 12 to 32 wt%.
[0033]
Further, the electrode layer may include silicon. The silicon electrode layer may be polycrystalline silicon (p-Si), amorphous (a-Si), or single crystal silicon as necessary.
[0034]
The electrode layer is doped with impurities in order to ensure conductivity in addition to the main component silicon. The dopant used as an impurity may be any dopant that can ensure predetermined conductivity, and a normal dopant used in a silicon semiconductor can be used. Specifically, B, P, As, Sb, Al and the like can be mentioned, and among these, B, P, As, Sb and Al are particularly preferable. The dopant concentration is preferably about 0.001 to 5 at%.
[0035]
As a method for forming an electrode layer using these materials, an existing method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or a printing and firing method may be used. In the case of producing a structure in which a film is formed, the same method as the dielectric thick film is preferable.
[0036]
A preferable resistivity of the electrode layer is 1 Ω · cm or less, particularly 0.003 to 0.1 Ω · cm, in order to efficiently apply an electric field to the light emitting layer. The film thickness of the electrode layer depends on the material to be formed, but is preferably 50 to 10,000 nm, particularly 100 to 5000 nm, and more preferably about 100 to 3000 nm.
[0037]
As the dielectric thick film material (first insulating layer), a known dielectric thick film material can be used. Further, a material having a relatively large dielectric constant is preferable.
[0038]
For example, materials such as lead titanate, lead niobate, and barium titanate can be used as the main component.
[0039]
The dielectric layer further comprises manganese oxide (MnO), magnesium oxide (MgO), tungsten oxide (WOThree ), Calcium oxide (CaO), zirconium oxide (ZrO)2 ), Niobium oxide (Nb)2OFive ) And cobalt oxide (Co2OThree ) Or one or more oxides selected from the group consisting of rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) And an oxide of an element selected from Lu) may be contained as a subcomponent. These subcomponents are the main components, especially BaTiO.Three The content is preferably 50 mol% or less, more preferably 0.004 to 40 mol%, and particularly preferably 0.01 to 30 mol%.
[0040]
The dielectric layer is made of silicon oxide (SiO 22 The glass component may be 2 wt% or less, particularly 0.05 to 0.5 wt% or less. By containing a glass component, the sinterability can be improved.
[0041]
Moreover, the following materials and a mixture of two or more of the following materials are suitable.
[0042]
(A) Perovskite type material: PbTiOThree Pb-based perovskite compounds such as rare earth element-containing lead titanate, PZT (lead zircon titanate), PLZT (lead lanthanum zircon titanate), NaNbOThree , KNbOThree NaTaOThree , KTaOThree , CaTiOThree , SrTiOThree , BaTiOThree , BaZrOThree , CaZrOThree , SrZrOThree , CdZrOThree , CdHfOThree , SrSnOThree LaAlOThree , BiFeOThree Bi-based perovskite compounds, etc. Simple perovskite compounds as described above, and composite perovskite compounds containing three or more metal elements, and composite and layered perovskite compounds.
[0043]
(B) Tungsten bronze type material: lead niobate, SBN (strontium barium niobate), PBN (lead barium niobate), PbNb2O6 , PbTa2O6 , PbNbFourO11 , Ba2KNbFiveO15 , Ba2LiNbFiveO15 , Ba2AgNbFiveO15 , Ba2RbNbFiveO15 , SrNb2O6 , Sr2NaNbFiveO15 , Sr2LiNbFiveO15 , Sr2KNbFiveO15 , Sr2RbNbFiveO15 , BaThreeNbTenO28 , BiThreeNd17O47 , KThreeLi2NbFiveO15 , K2RNbFiveO15 (R: Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho), K2BiNbFiveO15 , Sr2TlNbFiveO15 , Ba2NaNbFiveO15 , Ba2KNbFiveO15 Such as tungsten bronze type oxide.
[0044]
(C) YMnOThree System material: Hexagonal system YMnO containing rare earth elements (including Sc and Y), Mn and OThree An oxide with a structure. For example, YMnOThree , HoMnOThreeetc.
[0045]
Many of these are ferroelectrics. Hereinafter, these materials will be described.
[0046]
(A) Of the perovskite materials, BaTiOThree And Sr-based perovskite compounds generally have 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, Pb, K, Na, Li, La and Cd, and B is one or more selected from Ti, Zr, Ta and Nb. It is preferable.
[0047]
The ratio A / B in such a perovskite type compound is preferably 0.8 to 1.3, more preferably 0.9 to 1.2.
[0048]
By setting A / B in such a range, it is possible to ensure the insulation of the dielectric, and it is possible to improve the crystallinity, so that the dielectric characteristics or the ferroelectric characteristics can be improved. it can. On the other hand, if A / B is less than 0.8, the effect of improving crystallinity cannot be expected, and if A / B exceeds 1.3, formation of a homogeneous thin film becomes difficult.
[0049]
Such A / B is realized by controlling the film forming conditions. ABOThree The ratio of O in is not limited to 3. Some perovskite materials have a stable perovskite structure due to oxygen defects or excess oxygen.X In this case, the value of x is usually about 2.7 to 3.3. A / B can be obtained from fluorescent X-ray analysis.
[0050]
ABO used in the present inventionThree As the type of perovskite compound, A1+B5+OThree , A2+B4+OThree , A3+B3+OThree , AX BOThree , A (B '0.67B ″0.33) OThree , A (B '0.33B ″0.67) OThree , A (B0.5 +3 B0.5 +5 ) OThree , A (B0.5 2+  B0.5 6 + ) OThree , A (B0.5 1+ B0.5 7+ ) OThree , A3+(B0.5 2+ B0.5 4+ ) OThree , A (B0.25 1+B0.75 5+) OThree , A (B0.5 3+ B0.5 4+ ) O2.75, A (B0.5 2+ B0.5 5+ ) O2.75Any of these may be used.
[0051]
Specifically, Pb-based perovskite compounds such as PZT and PLZT, NaNbOThree , KNbOThree NaTaOThree , KTaOThree , CaTiOThree , SrTiOThree , BaTiOThree , BaZrOThree , CaZrOThree , SrZrOThree , CdHfOThree , CdZrOThree , SrSnOThree LaAlOThree , BiFeOThree Bi-based perovskite compounds and their solid solutions.
[0052]
The 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 (Pb0.89~0.91La0.11~0.09) (Zr0.65Ti0.35) OThree Indicated by
[0053]
Of the layered perovskite compounds, Bi-based layered compounds are generally
Formula Bi2 Am-1 Bm O3m + 3
It is represented by In the above formula, m is an integer of 1 to 5, A is any one of Bi, Ca, Sr, Ba, Pb, Na, K and rare earth elements (including Sc and Y), and B is Ti, Ta And Nb. Specifically, BiFour TiThree O12, SrBi2 Ta2 O9 , SrBi2 Nb2 O9 Etc. In the present invention, any of these compounds may be used, and these solid solutions may be used.
[0054]
The perovskite type compound preferably used in the present invention is preferably a compound having a high dielectric constant, and NaNbOThree , KNbOThree , KTaOThree , CdHfOThree , CdZrOThree , BiFeOThree Bi-based perovskite compounds, etc., more preferably CdHfOThree It is.
[0055]
(B) As the tungsten bronze type material, a tungsten bronze type material described in Landoit-Borenstein Vol. 16 of the ferroelectric material collection is preferable. Tungsten bronze type materials generally have the chemical formula AyBFiveO15 It is represented by Here, A and B each represent a cation. A is preferably at least one selected from Mg, Ca, Ba, Sr, Pb, K, Na, Li, Rb, Tl, Bi, rare earth and Cd, and B is Ti, Zr, Ta, Nb, It is preferably at least one selected from Mo, W, Fe and Ni.
[0056]
The ratio O / B in such a tungsten bronze type compound is not limited to 15/5. Some tungsten bronze materials form a stable tungsten bronze structure with oxygen defects or excess oxygen, and the ratio O / B is usually about 2.6 to 3.4.
[0057]
Specifically, (Ba, Pb) Nb2O6 , PbNb2 O6 , PbTa2O6 , PbNbFourO11, SBN (Strontium barium niobate), Ba2KNbFiveO15 , Ba2LiNbFiveO15 , Ba2AgNbFiveO15 , Ba2RbNbFiveO15 , SrNb2O6 , BaNb2O6 , Sr2NaNbFiveO15 , Sr2LiNbFiveO15 , Sr2KNbFiveO15 , Sr2RbNbFiveO15 , BaThreeNbTenO28 , BiThreeNd17O47 , KThreeLi2NbFiveO15 , K2RNbFiveO15 (R: Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho), K2BiNbFiveO15 , Sr2TlNbFiveO15 , Ba2NaNbFiveO15 , Ba2KNbFiveO15 Tungsten bronze type oxides and the like and solid solutions thereof are preferred, and in particular, SBN [(Ba, Sr) Nb2 O6 ] Or Ba2KNbFiveO15 , Ba2LiNbFiveO15 , Ba2AgNbFiveO15 , Sr2NaNbFiveO15 , Sr2LiNbFiveO15 , Sr2KNbFiveO15 Is preferred.
[0058]
(C) YMnOThree System material is chemical formula RMnOThree It can be expressed as R is preferably at least one selected from rare earth elements (including Sc and Y). YMnOThree The ratio R / Mn in the system material is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1. By setting it in such a range, insulation can be ensured and crystallinity can be improved, so that the ferroelectric characteristics can be improved. On the other hand, in the range where the ratio R / Mn is less than 0.8 and exceeds 1.2, the crystallinity tends to decrease. In particular, in the range where the ratio R / Mn exceeds 1.2, ferroelectricity tends not to be obtained, and there is a tendency to have a paraelectric property, which makes it impossible to apply to an element using polarization. There is. Such R / Mn is realized by controlling the film forming conditions. In addition, R / Mn can be calculated | required from a fluorescent X ray analysis method.
[0059]
YMnO preferably used in the present inventionThree The system material has a hexagonal crystal structure. YMnOThree There are two types of materials, one having a hexagonal crystal structure and one having an orthorhombic crystal structure. In order to obtain the effect of phase transition, a hexagonal crystal material is preferable. Specifically, the composition is substantially YMnO.Three , HoMnOThree , ErMnOThree YbMnOThree , TmMnOThree , LuMnOThree Or a solid solution of these.
[0060]
The resistivity of the dielectric layer thick film is 108 Ω · cm or more, especially 10Ten-1018 It is about Ω · cm. A substance having a relatively high dielectric constant is preferable, and the dielectric constant ε is preferably about ε = 100 to 10,000. As a film thickness, 5-50 micrometers is preferable and 10-30 micrometers is especially preferable.
[0061]
The method of forming the dielectric layer thick film is not particularly limited, and a method by which a film having a thickness of 10 to 50 μm can be obtained relatively easily is preferable, but a sol-gel method, a printing firing method, and the like are preferable.
[0062]
In the case of the printing and baking method, the material has an appropriate particle size and is mixed with a binder to obtain a paste having an appropriate viscosity. This paste is formed on a substrate by a screen printing method and dried. The green sheet is fired at an appropriate temperature to obtain a thick film.
[0063]
When the obtained thick film surface has large irregularities and holes as large as 1 μm or more, it is preferable to improve the flatness by polishing or forming a flattening layer thereon if necessary.
[0064]
As a material used for a light emitting layer of an inorganic EL (electroluminescence) element, a material that obtains red light emission, such as ZnS, Mn / CdSSe, and a material that obtains green light emission, such as ZnS: TbOF, ZnS: Tb, emit blue light. As materials for obtaining, SrS: Ce, (SrS: Ce / ZnS) n, CaCa2SFour: Ce, SrGa2SFour: Ce and the like. In addition, SrS: Ce / ZnS: Mn multilayer films and the like are known as devices that obtain white light emission.
[0065]
In the present invention, as a material used for the fluorescent thin film of such an EL device, the II-S compound, the II-III-sulfur compound, or the rare earth sulfide is mainly an II-S system represented by SrS. Compound or mainly SrGa2SFour II-III represented by2−SFourCompound (II = Zn, Cd, Ca, Mg, Be, Sr, Ba, rare earth, III = B, Al, Ga, In, Tl) or Y2SThreeRare earth sulfides such as these, and mixed crystals or mixed compounds of a combination of a plurality of components using these compounds are preferred.
[0066]
The composition ratios of these compounds do not strictly take the above values, but have a certain solid solubility limit for each element. Therefore, the composition ratio may be within that range.
[0067]
Usually, in the EL phosphor thin film, a light emission center is added to a base material. The emission center may be added in an existing amount of an existing transition metal or rare earth. For example, rare earth such as Ce and Eu, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Bi, Ag and the like are added to the raw material in the form of metal or sulfide. Since the addition amount differs between the raw material and the thin film to be formed, the composition of the raw material is adjusted so that the thin film becomes the existing addition amount.
[0068]
As a method for forming an EL phosphor thin film using these materials, an existing method such as an evaporation method, a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or a printing and baking method may be used.
[0069]
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 fluorescent material, it is preferably 100 to 1000 nm, particularly about 150 to 700 nm.
[0070]
In order to obtain a high-intensity sulfide phosphor thin film, a sulfide phosphor having a composition to be formed is formed at a high temperature of 600 ° C. or higher or annealed at a high temperature of 600 ° C. or higher as necessary. Is preferred. In particular, a high temperature process is effective for obtaining a high-luminance blue phosphor. The inorganic EL dielectric thick film of the present invention can withstand such a high temperature process.
[0071]
The inorganic EL element preferably has a thin film insulator layer (second insulating layer) between the electrode layer and the fluorescent thin film (light emitting layer). As a constituent material of the thin film dielectric layer, for example, silicon oxide (SiO 22), Silicon nitride (SiThreeNFour ), Tantalum oxide (Ta2OFive), Strontium titanate (SrTiO)Three), Yttrium oxide (Y2OThree), Barium titanate (BaTiO)Three), Lead titanate (PbTiOThree), PZT, zirconia (ZrO2), Silicon oxynitride (SiON), alumina (Al2OThree), Lead niobate, PMN-PT-based materials, and the like, and multilayers or mixed thin films thereof. Methods for forming an insulating layer with these materials include vapor deposition, sputtering, CVD, sol-gel, An existing method such as a printing baking method may be used. In this case, the thickness of the insulating layer is preferably 50 to 1000 nm, particularly about 100 to 500 nm.
[0072]
Moreover, after forming a thin film dielectric layer (insulating layer) if necessary, the thin film dielectric layer may be formed in a double layer using another material.
[0073]
Furthermore, an electrode layer (second electrode) is preferably formed on the thin film dielectric layer. The electrode material described above is preferably the electrode material described above.
[0074]
By such a method, an EL element can be formed using the composite substrate of the present invention. A high-temperature process of the phosphor thin film becomes possible, and the characteristics of the blue phosphor that has been insufficient in luminance can be greatly improved, so that a full-color EL display can be realized. Furthermore, in the present invention, an insulating thick film having a high density and no cracks can be obtained, so that the dielectric breakdown of the EL element is less likely to occur, and the stability is significantly increased compared to a normal thin film double insulation structure, resulting in higher brightness and lower voltage. Can be achieved.
[0075]
The composite substrate is preferably manufactured by conventional thick film lamination techniques. That is, electrically insulating crystallized glass, or Al2OThree A paste made by mixing a glass raw material powder with a binder is formed on a ceramic substrate such as by a thick film forming method such as a screen printing method or a sheet method, and a conductive powder such as Pd or Pt is used as a raw material. The paste is printed as a pattern by screen printing or the like. In addition, powdered BaTiOThree A thick film is formed using a dielectric paste produced using as a raw material. Alternatively, a green sheet may be formed by casting a dielectric paste, and this may be laminated and pressure-bonded on the electrode. Alternatively, an electrode may be printed on a dielectric green sheet and pressed onto a stress relaxation layer on the substrate.
[0076]
Further, a laminated green sheet made of an intermediate layer, an electrode, and a dielectric may be separately manufactured and thickly deposited on the substrate. A stress relaxation layer having a gradient composition can be formed by sequentially laminating layers having different compositions. The above structure is fired at a temperature suitable for the intermediate layer and the dielectric layer.
[0077]
【Example】
Next, the composite substrate and the EL element of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0078]
99.6% Al2OThree A paste mainly composed of crystallized glass (product name: IP9117, manufactured by Heraeus) was printed on the substrate and dried at 110 ° C. for several minutes. On top of this, a paste made of Pd powder as an electrode was printed in a stripe pattern having a width of 1.5 mm and a gap of 1.5 mm, and dried at 110 ° C. for several minutes.
[0079]
Apart from these, BaTiOThree MnO, MgO, Y on powder2OThree , V2OFive , (Ba, Ca) SiOThree , Li2SiOThree Was added at a predetermined concentration and mixed in water. The mixed powder was dried and then mixed with a binder to prepare a dielectric paste. The produced dielectric paste was printed on the substrate printed with the electrode pattern to a thickness of 30 μm, dried, and baked at 1200 ° C. for 2 hours in the air. The thickness of the intermediate layer after firing was 10 μm, and the thickness of the dielectric layer was 10 μm.
[0080]
In order to measure the electrical properties of the dielectric layer, a stripe-shaped Pd electrode pattern having a width of 1.5 mm and a gap of 1.5 mm was printed and dried so as to be orthogonal to the electrode pattern after the dielectric paste was dried. A sample which was operated and baked with the above temperature pattern was prepared separately. The electroluminescence element is formed by sputtering a ZnS phosphor thin film with a thickness of 0.7 μm using a ZnS target doped with Mn with the composite substrate heated to 250 ° C., and then in vacuum for 10 minutes. Heat treated. Next, Si as the second insulating layerThreeNFour An electroluminescent device was formed by sequentially forming an ITO thin film as a thin film and a second electrode by sputtering.
[0081]
The light emission characteristics were measured by extracting an electrode from the printed and fired electrode and ITO transparent electrode of the obtained element structure and applying an electric field of 1 KHz pulse width 50 μs.
[0082]
Table 1 shows the electrical characteristics of the dielectric layer on the composite substrate manufactured as described above and the light emission characteristics of the electroluminescent device manufactured using these composite substrates.
[0083]
[Table 1]
Figure 0004646347
[0084]
As is apparent from Table 1, when the lower electrode and the dielectric are formed directly on the substrate without providing an intermediate layer, when the electroluminescent device is formed by cracks on the dielectric surface, the device is I destroyed it. However, when an intermediate layer made of glass was provided, no cracks were observed on the dielectric surface, and light emission could be observed. Further, since the heat treatment temperature of the fluorescent layer can be increased as compared with the case where a conventional lead-based material is used for the dielectric, the emission luminance is improved and the emission start voltage is reduced.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing an intermediate layer mainly composed of glass between a substrate and an electrode, a combination of various substrate materials and dielectric materials has a thick film dielectric without cracks. It is possible to provide a composite substrate and an EL element using the composite substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of an EL element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional EL element.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Middle layer
3 electrodes (lower electrode)
4 Dielectric layer
5 Light emitting layer (fluorescent layer)
6 Dielectric layer
7 electrode (upper electrode)

Claims (8)

基板上に電極と厚膜法により形成され誘電体層が順次形成されている複合基板であって、
前記基板と電極の間に作業温度が1300℃以下のガラスからなる中間層を有しており、
前記基板の耐熱温度ないし融点は、600℃以上であり、
前記ガラスの作業温度は、前記誘電層が形成される温度よりも低く、
前記誘電体層は、5μm〜50μmの膜厚を有する、複合基板。
A dielectric layer that will be formed by the electrode and the thick film technique on the substrate a composite substrate are sequentially formed,
The working temperature between the substrate and the electrodes are to have a middle layer consisting of 1300 ° C. or less of the glass,
The heat-resistant temperature or melting point of the substrate is 600 ° C. or higher,
The working temperature of the glass is lower than the temperature at which the dielectric layer is formed,
The dielectric layer is a composite substrate having a thickness of 5 μm to 50 μm .
前記中間層のガラスは結晶化ガラスである請求項1の複合基板。  The composite substrate according to claim 1, wherein the glass of the intermediate layer is crystallized glass. 前記誘電体層はチタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分とするセラミック焼結体である請求項1または2の複合基板。 3. The composite substrate according to claim 1, wherein the dielectric layer is a ceramic sintered body mainly composed of barium titanate (BaTiO 3 ). 前記誘電体層は、酸化マンガン(MnO),酸化マグネシウム(MgO),酸化タングステン(WO3),酸化カルシウム(CaO),酸化ジルコニウム(ZrO2),酸化ニオブ(Nb25)および酸化コバルト(Co23)から選択される1種または2種以上の酸化物を含有する請求項3の複合基板。The dielectric layer includes manganese oxide (MnO), magnesium oxide (MgO), tungsten oxide (WO 3 ), calcium oxide (CaO), zirconium oxide (ZrO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and cobalt oxide ( The composite substrate according to claim 3, which contains one or more oxides selected from Co 2 O 3 ). 前記誘電体層は、希土類元素(Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,YbおよびLu)から選択される元素の酸化物を1種または2種以上含有する請求項3または4の複合基板。  The dielectric layer is an oxidation of an element selected from rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu). The composite substrate according to claim 3 or 4, which contains one or more substances. 前記誘電体層は、酸化シリコン(SiO2)からなるガラス成分を含有する請求項3〜5のいずれかの複合基板。The composite substrate according to claim 3, wherein the dielectric layer contains a glass component made of silicon oxide (SiO 2 ). 請求項1〜6のいずれかの複合基板上に、少なくとも発光層と第2の電極を有するEL素子  An EL device having at least a light emitting layer and a second electrode on the composite substrate according to claim 1. さらに発光層と第2の電極との間に第2の絶縁体層を有する請求項7のEL素子。  The EL device according to claim 7, further comprising a second insulator layer between the light emitting layer and the second electrode.
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