JP4722530B2

JP4722530B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP4722530B2
Application number: JP2005109909A
Authority: JP
Inventors: 昌吾那須; 雅行小野; 俊之青山; 優小田桐
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP2005353578A

Description

本発明は、無機発光体に電圧を印加して発光させる発光素子及び発光素子を用いた表示装置に関する。

発光体として硫化亜鉛などの無機蛍光体を用いた発光素子（以下、ＥＬ素子と言う）は、自発発光性を有し、視認性に優れ、視野角が広く、応答速度が速いことから、テレビ用ディスプレイ・パソコン用ディスプレイなどの表示装置への応用が期待されている。このような背景から、発光輝度が高くしかも安価なＥＬ素子の実用化を目指した様々な提案がなされている。

基板の上に、第１電極と、誘電体層と無機発光体層とからなる発光層と、第２電極とを順次積層した構成のＥＬ素子が、一般によく知られている。この種のＥＬ素子は、発光体層に印加する電圧に比例して発光輝度が高くなる。したがって、印加電圧を上げて発光輝度を高くするためには、以下に説明するように誘電体層の絶縁耐圧特性が重要になる。

第１電極と第２電極との間に発光駆動電圧Ｖａを印加すると、発光体層に印加される電圧Ｖｐおよび誘電体層に印加される電圧Ｖｉは、下記式（１）で表されることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
Ｖｐ＝εｉ・ｄｐ／（εｉｄｐ＋εｐｄｉ）・Ｖａ（１）
Ｖｉ＝εｐ・ｄｉ／（εｐｄｉ＋εｉｄｐ）・Ｖａ
但し、εｉは誘電体層の比誘電率、εｐは発光体層の比誘電率、ｄｉは誘電体層の層厚、ｄｐは発光体層の層厚である。

上記式（１）から分るように、発光体層にかかる電圧Ｖｐを大きくして発光輝度を高くするためには、誘電体層の比誘電率εｉを大きくし、かつ層厚ｄｉを薄くすると共に、誘電体層の絶縁耐圧を電圧Ｖｉ以上にする必要がある。誘電体層の薄層化と高絶縁耐圧化とを同時に実現させることが、高輝度化に対する誘電体層に要求される重要な技術課題である。

この課題を解決するために、誘電体層をスパッタ法などの薄膜形成法で形成する提案が数多くなされている。しかし、薄膜形成法で形成した誘電体層は、誘電体結晶の緻密性（以下、密度と言う）が小さいため絶縁耐圧が低い（例えば、特許文献１参照。）。したがって、高電圧を発光体層に印加すると誘電体層が絶縁破壊してしまうため、発光輝度を高くすることができなかった。そこで、特開２００１−１９６１８４号公報では、誘電体層の密度を大きくして絶縁耐圧を高くするために、誘電体層を厚膜法で形成することを提案している。

すなわち、Ｂａ_２ＡｇＮｂＯ_１５粉体をバインダ樹脂に分散した誘電体ペーストをアルミナ基板にスクリーン印刷した後、１１００℃で焼成して高密度な誘電体層を形成する。このとき、誘電体層の表面には１μｍ以上の凹凸が発生する。１μｍ以上の凹凸のある誘電体層の上に発光体層を積層すると、発光駆動電圧を印加したときに発光体層が絶縁破壊を起こすため、誘電体層の表面を研磨して表面の凹凸を１μｍ以下に平坦化する必要がある。以上のような構成にして高輝度化を図っている。

内田龍男、内池平樹監修「フラットパネルディスプレイ大辞典」、工業調査会出版、２００１年１２月２５日発行、３８６頁特開２００１−１９６１８４号公報

しかし、特開２００１−１９６１８４号公報に開示されている従来のＥＬ素子は、１１００℃で焼成した誘電体を用いるため、耐熱温度の高い特殊な基板を用いなければならなかった。このため、材料コストが高くなるという問題点があった。また、焼成後の誘電体層の表面を平坦化する工程が必要になる。したがって、工数が増えるため製造コストが高くなるという問題点があった。

そこで、本発明は、従来の問題点を解決して、高輝度化と低価格化とを同時に実現したＥＬ素子及び該ＥＬ素子を用いた表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＥＬ素子は、発光体層と誘電体層とが積層されてなる発光層と、前記発光層に電場を印加する一対の電極とを備え、前記発光層は、前記誘電体層の形成の間にそれぞれ積層された複数の核付け層を含み、前記誘電体層は、ペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体は、ａ軸の格子定数よりｃ軸の格子定数が大きいことを特徴とする。これによって、高輝度化と低価格化とを同時に解決した。

また本発明の表示装置は、
基板の上に、ストライプ状の第１電極と、誘電体層と、発光体層と、前記第１電極と直交するストライプ状の第２電極とが順次積層された発光素子と、
前記第１及び第２電極の間に駆動電圧を印加して前記発光体層を発光させる駆動回路と
を有する単純マトリクス方式の表示装置であって、
前記誘電体層は、ペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体のＸ線回折法で求めたａ軸の格子定数よりｃ軸の格子定数が大きいことを特徴とする。これによって、高輝度化と低価格化とを同時に解決した。

本発明によるＥＬ素子およびその表示装置によれば、誘電体層の絶縁耐圧が高いため発光輝度が高く、また汎用性の安価なガラス基板を用いることができるため低価格化が図れる。したがって、テレビなどのディスプレイに適用可能な高輝度化と低価格化とを同時に実現できる効果が得られる。

本発明の実施の形態について添付図面を用いて説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るＥＬ素子の断面を模式的に示す断面図である。このＥＬ素子１６は、基板１１の上に、第１電極であるストライプ状の背面電極１２と、誘電体を薄膜形成法で成膜した誘電体層１３と、無機発光体からなる発光体層１４と、第２電極であるストライプ状の透明な前面電極１５とが順に積層されている。背面電極１２と前面電極１５は、それぞれのストライプの延びる方向が互いに直交するように配置されている。そして、背面電極１２と前面電極１５との間に電圧を印加すると、背面電極１２と前面電極１５の交差部の発光体層１２から発光した光１７が前面電極１５を透過して放射される。

以下にＥＬ素子１６の各構成部材について説明する。
基板１１としては、セラミック基板、耐熱処理を施した高耐熱性プラスチック基板、ガラス基板など、通常のＥＬ素子に用いられている基板であればいずれでも適用できる。特に、無アルカリガラスなどのガラス基板は、機械的強度が強くしかも材料コストが安価になる点で好ましい。

背面電極１２としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｎｉなどの導電体であればいずれでも適用できる。また必要に応じて、これらの導電体を積層したもの、あるいはこれらの導電体を混合したものでもよい。また目的に応じて、以下に述べる透明導電体を用いてもよい。

前面電極１５としては、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３にＳｎＯ_２をドープしたもの）、ＩｎＺｎＯ、酸化錫など一般に良く知られている光透過性の透明導電体であればいずれでも適用できる。尚、基板１１側から光を取り出す場合は、背面電極１２および前面電極１５で説明した電極材料を入れ替えればよい。

誘電体層１３を構成する誘電体としては、図２に示すようなＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト構造をした結晶性の誘電体であればいずれでも適用できる。特に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマス（ＢｉＴｉＯ_３、但しＢｉ：Ｔｉ＝４：３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスランタン（（Ｂｉ，Ｌａ）ＴｉＯ_３、但しＢｉ：Ｌａ：Ｔｉ＝３．３５：０．７５：３）は誘電特性、絶縁耐圧特性、成膜特性などに優れる点で好ましい。また、これらの誘電体にＣａ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｒのいずれかを２〜２０原子％ドープしたものは、環境温度変化に対する発光輝度の変動が小さくなる点で好ましい。図３は、ＢａＴｉＯ_３にＣａ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｚｒのそれぞれを約５原子％ドープした誘電体を用いたＥＬ素子の環境温度と発光輝度との関係を示した図である。この図から明らかなように、ドープした誘電体はいずれも、ドープしないＢａＴｉＯ_３と比較して環境温度変化に対する発光輝度の変動が小さくなっている。

誘電体層１３は、スパッタ法・ＣＶＤ法（化学気相法）・ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相法）などの薄膜形成法で形成したものが良い。その理由としては、次の３つが挙げられる。
イ）誘電体層１３の密度が高くなるため絶縁耐圧特性および誘電特性が良好になる。
ロ）６００℃以下の低温で成膜できるため耐熱温度の低い安価なガラス基板の使用が可能になる。
ハ）誘電体層１３の表面粗さが小さく平坦性に優れた層が形成できるため誘電体層１３の表面平坦化工程が不要になる。

発明者等は、実験によって、誘電体層１３の誘電特性および絶縁耐圧特性は、層を形成している誘電体の微視的な結晶構造および結晶配向と大きな相関があることを見出した。そこで以下に、誘電体層１３の好ましい結晶構造および結晶配向の形態について説明する。

結晶構造および結晶配向の評価はＸ線回折法を用いて行った。図４は、Ｘ線回折法で測定して得られた回折パターンの一例である。回折パターンのピーク位置は、誘電体結晶の各結晶面の面間隔に対応して現れる。この回折パターンからａ軸およびｃ軸の格子定数を求め、ｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比ｃ／ａ（以下、ｃ／ａと言う）を結晶構造の評価指標にして、ＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢｉＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、（Ｂｉ，Ｌａ）ＴｉＯ_３のｃ／ａと発光輝度との相関について調べた。その結果、本発明者は、ａ軸の格子定数よりｃ軸の格子定数の方が大きい結晶構造が好ましいことを見出した。図５に、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３の結晶体の格子定数の比ｃ／ａと発光輝度との関係を示す。図５を参照すると、格子定数の比ｃ／ａが１より大きいと発光が得られ、１．００４から急激に発光輝度が高くなり、１．００６以上になると発光輝度が３００ｃｄ／ｍ^２以上になることがわかる。他の誘電体についても調べたが同様の結果が得られた。一般的には、携帯電話のバックライト用途としては１５０ｃｄ／ｍ^２以上、パソコン用ディスプレイ用途としては３００ｃｄ／ｍ^２以上、また、ＴＶ用途としては５００ｃｄ／ｍ^２以上の発光輝度が必要といわれている。したがって、誘電体層１３の結晶構造において、発光を生じ始めて一定の発光輝度を得るために、格子定数比ｃ／ａは１．００４以上が必要である。さらに発光輝度１５０ｃｄ／ｃｍ^２以上を得るために、格子定数比ｃ／ａは１．００５以上が好ましい。またさらに発光輝度３００ｃｄ／ｃｍ^２以上を得るために、格子定数比ｃ／ａは１．００６以上がより好ましい。

つぎに、図６に示したように、ａ軸に垂直な面すなわち（２００）面からのＸ線回折強度Ｉａと、ｃ軸に垂直な面すなわち（００２）面からのＸ線回折強度Ｉｃとの比（以下、Ｉｃ／Ｉａと言う）を結晶配向の評価指標にして、Ｉｃ／Ｉａと発光輝度との相関について調べた。その結果、ｃ軸を基板面と略平行な誘電体層面に対して垂直に配向させると誘電率が高くなる点で好ましいことが判った。一例として、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３の回折強度比Ｉｃ／Ｉａと発光輝度との関係を図７に示す。ここで、化学式（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３は、ＢａＴｉＯ_３とＳｒＴｉＯ_３との固溶体を意味している。詳細には（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘ）ＴｉＯ_３である。

図７から、Ｘ線回折強度比Ｉｃ／Ｉａ＝０．４から急激に発光輝度が高くなっていることがわかる。他の誘電体についても調べたが同様の結果が得られた。したがって、誘電体層１３を構成する誘電体の結晶配向は、ｃ軸を基板面と略平行な誘電体層面に対して垂直に配向させ、かつＸ線回折強度比Ｉｃ／Ｉａを０．４以上にするのが好ましい。なお、ペロブスカイト構造の代表的な材料であるＢａＴｉＯ_３の場合、バルク材の粉末回折法によるデータでは結晶体の（００２）面からのＸ線回折強度Ｉｃが１２．０であり、（２００）面からのＸ線回折強度Ｉａが３７．０であり、その強度比はＩｃ／Ｉａ＝０．３２となる。更に、（Ｂａ_０．７７Ｓｒ_０．２３ＴｉＯ_３ではＩｃ／Ｉａ＝０．０７、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３の場合、バルクでは立方晶であるため、ｃ＝ａであり、２つの面のＸ線回折ピークは重なるのでＩｃ／Ｉａは１である。

以上に説明した結晶体の格子定数の比ｃ／ａおよびＸ線回折強度比Ｉｃ／Ｉａは、理学電機製の「Ｘ線回折装置」で測定した数値である。測定条件を以下に示す。Ｘ線はＣｕ−Ｋα線を使用した。Ｘ線の出力は６０ｋＶ、４０ｍＡ、Ｘ線のスキャン速度は０．２°／分、検出用の平行スリットおよび発散スリット幅は１°、受光スリット幅は０．３０ｍｍである。なお、Ｘ線回折強度比の算出時には、それぞれの回折ピークの強度からベースラインを差し引いた回折強度の比を得ている。

図８は、誘電体層１３の層厚と発光輝度との相関について調べた実験結果である。図８から、誘電体層１３の層厚が１μｍ以上になると急激に発光輝度が高くなり、９μｍより厚くなると逆に発光輝度が低くなることがわかった。これは、１μｍより薄くすると、絶縁耐圧が低くなって、誘電体層１３に十分な電圧を印加することができないため発光輝度が低下するためである。一方、９μｍより厚くすると、発光体層１４に印加される電圧が低くなるため発光輝度が低下するからである。したがって、誘電体層１３の層厚は、３００ｃｄ／ｍ^２以上の高輝度が得られる点で１〜９μｍの範囲が好ましい。

表１に、試料Ｎｏ．１〜１９までの試料について、各種の誘電体層１３の層厚と発光輝度の関係を示した。

図９は、発光体層１４と隣接する誘電体層１３の平均表面粗さ（以下、表面粗さと言う）と発光輝度との関係について調べた実験結果である。図９から、表面粗さが０．４μｍ以下と小さくなると発光輝度が大きくなり、およそ表面粗さが０．３μｍで発光輝度３００ｃｄ／ｍ^２が得られ、表面粗さ０．２μｍで発光輝度５００ｃｄ／ｍ^２が得られるが、それ以下の表面粗さでは発光輝度はほぼ一定となることがわかる。一方、表面粗さが０．４μｍより大きいと発光輝度がほとんど得られない。これは、誘電体層１３の表面粗さが大きいと発光体層１４の絶縁耐圧が低くなって絶縁破壊されるため高電圧を印加することができないためである。したがって、発光輝度を３００ｃｄ／ｍ^２以上にするためには表面粗さ０．３μｍ以下が好ましい。また、発光輝度を５００ｃｄ／ｍ^２以上にするには０．２μｍ以下が好ましい。

なお、誘電体層の表面粗さ等の測定は、触針式表面粗さ計（例えば、Ｄｅｋｔａｋ（日本真空製））を用いて測定した。また、核付け層やバッファ層のように０．１μｍ未満の厚さは、断面ＳＥＭや断面ＴＥＭにより測定した。さらに、ＥＬ素子の各層の０．１μｍ〜０．５μｍの範囲の層厚も上記触針式表面粗さ計を用いて測定できる。

また、本発明者は、誘電体層１３の表面近傍を非晶質化すると、表面粗さのバラツキがより小さくなり信頼性が飛躍的に向上することを見出した。誘電体層１３の表層部を非晶質化する方法としては、誘電体層１３を成膜した後に逆スパッタする方法、あるいは成膜の最終段階に高周波バイアスを再び基板１１に印加する方法等がある。なお、非晶質化された表層部の確認は、次のようにして行うことができる。例えば、面の深さ方向に垂直な断面について分析電子顕微鏡により表層部だけに電子線を照射して、スポット（spot）ではなく、ハロー（halo）が得られることによって非晶質化の箇所を確認できる。

次に、誘電体層１３をスパッタ法で形成する製造方法について説明する。
成膜の初期に高周波バイアスを基板１１に印加して、誘電体の結晶体の種晶（ｓｅｅｄｃｒｙｓｔａｌ）すなわち結晶核を基板１１上に核付けした後、高周波バイアスを切って所望の層厚に成膜する。このように核付けしてから成膜すると、誘電体の結晶が成長しやすくなるため密度の高いしかも表面粗さが０．３μｍ以下の良好な誘電体層１３が得られる。なお、初期段階だけではなく成膜の途中で核付けを繰り返して複数の核付け層を形成すると、より密度の均一な層が得られる。特に層厚を厚くする場合に適用すると極めて効果的である。

表２は、試料Ｎｏ．２０〜３１までの試料について、核付け層(seed crystal layer)の膜厚と発光輝度との関係について調べた実験結果である。この表から、核付けする（forming seed crystal）と、核付けしないものと比較していずれも発光輝度が高いことが判る。これは、核付けすることによって誘電体層１３の密度が高くなり、絶縁耐圧が高くなるからである。核付けの膜層を１ｎｍより薄くすると、核付けの効果が小さく発光輝度が低くなるため好ましくない。一方、１００ｎｍより厚くすると、膜の内部応力が大きくなって誘電体層１３が基板１１から剥離する問題が発生するため好ましくない。したがって、核付けの膜厚は１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲が好ましい。

誘電体層１３をＣＶＤ法あるいはＭＯＣＶＤ法で形成する場合は、以下に示す原材料を用いてＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢｉＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、（Ｂｉ，Ｌａ）ＴｉＯ_３を形成する。尚、核付けはスパッタ法で行なうことができる。

誘電体層の原料としては、以下のものが挙げられる。すなわち、Ｔｉ（ＯiＣ_３Ｈ_７）_４、Ｂａ（ＯＣＨ_３）_２、Ｔａ（ＯiＣ_２Ｈ_５）_５、Ｓｒ（ＯＣＨ_３）_２、Ｌａ（ＯiＣ_３Ｈ_７）_３、Ｚｒ（ＯiＣ_３Ｈ_７）_４などのアルコラート、あるいはＢａ（ＭＥＴＨＤ）_２、Ｂａ（ＴＨＤ）_２、Ｓｒ（ＭＥＴＨＤ）_２、Ｓｒ（ＴＨＤ）_２、Ｔｉ（ＭＰＤ）（ＴＨＤ）_２、Ｔｉ（ＭＰＤ）（ＭＥＴＨＤ）_２、Ｔｉ（ＴＨＤ）_２（ＯiＰr）_２、ＢｉＰｈ_３、Ｂｉ（ＭＭＰ）_３、Ｂｉ（Ｏt-Ａｍ）_３、Ｌａ（ＥＤＭＤＤ）_３、Ｐｂ（ＭＥＴＨＤ）_２、Ｐｂ（ＴＨＤ）_２、Ｚｒ（ＭＥＴＨＤ）_４、Ｚｒ（ＴＨＤ）_２、Ｚｒ（ＭＴＨＤ）_４、Ｚｒ（Ｏt-Ｂｕ）_４、Ｚｒ（ＭＭＰ）_４、２−エチルヘキサン酸Ｚｒ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｓｒなどを用いる。ここで、ＭＥＴＨＤは1-（2-）2,2,6,6-テトラメチル-3,5−ヘプタンジオナト、ＭＴＨＤは1-メトキシ-2,2,6,6-テトラメチル-3，5-ヘプタンジオナト、ＴＨＤは2,2,6,6-テトラメチル-3，5-ヘプタネジオナト、ＭＰＤは2-メチル-2,4-ペンタネジオキシド、ＭＭＰは1-メトキシ-2-メチル-2-プロポキシド、ＥＤＭＤＤは6-エチル-2,2-ジメチル-3，5-デカンジオナト、ＯＤは2,4-オクタンジオナト、ＮＤは2,4-ノナンジオナト、Ｔｉ（ＴＨＤ）_２（ＯiＰr）_２は、Ｔｉ（ＴＨＤ）_２（ＯiＣ_３Ｈ_７）_２、ＢｉＰｈ_３はトリフェニルビスマス、Ｂｉ（Ｏt-Ａｍ）_３はＢｉ（ＯtＣ_５Ｈ_１１）_３、Ｚｒ（Ｏt-Ｂｕ）_４はＺｒ（ＯtＣ_４Ｈ_９）_４である。

以上に説明した誘電体層１３をＥＬ素子に用いると、高電圧を発光体層１４に印加することが可能になるため、発光輝度が高くなる点で好ましい。また、誘電体層１３の上に直接に発光体層１４を形成することができる。したがって、誘電体層の表面を研磨するなどの平坦化工程が不要になるため、製造コストが安くなる点で好ましい。

図１５は、本発明における誘電体層１３の膜厚方向の酸素濃度プロファイルである。誘電体層として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３の場合の膜表面から基板までの膜中の酸素量を表す。酸素量の評価は、オ−ジェ分光法で行ったが、酸素量の評価方法はこれに限られず、膜面からエッチングを行いながら酸素量を測定する方法であれば評価することができる。図１５を参照すると、本発明の誘電体層は、比較例と比べて基板界面での酸素量が多いことがわかる。これは核付けを行ったために取り込まれる酸素量が多くなったためと思われる。ここで、比較例は核付けを行わないで同条件で形成した誘電体層である。また本発明の誘電体膜中の酸素量も比較例と比べて多くなった。本実施例の核付けを行った場合の基板境界の酸素濃度をＩｎ、核付けを行わない場合の基板境界の酸素濃度をＩｏとすると、Ｉｎ／Ｉｏ≧１．１にすることにより、高い輝度、高い耐電圧の膜を得ることができる。また、膜中の酸素濃度では、本実施例の核付けを行った場合の膜中の酸素濃度をＩｂｎ、核付けを行わない場合の膜中の酸素濃度をＩｂｏとすると、Ｉｂｎ／Ｉｂｏ≧１．０５にすることにより高い輝度、高い耐電圧の膜を得ることができる。したがって、この酸素量も前記結晶性に影響を及ぼし、高輝度や高い絶縁耐圧が得られる要因となりうる。

本発明に適用できる発光体としては、ＺｎＳ：Ｍｎ、Ｃｕ、ＳｒＳ、ＢａＡｌ_２Ｓ_４、ＣａＳなどの硫化物、あるいはＺｎＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＳｉＯ_４などの酸化物にＭｎ、Ｃｒなどの遷移金属あるいはＥｕあるいはＣｅなどの希土類金属等の発光中心を添加したものなど、一般に良く知られているものであればいずれでも適用できる。具体的な発光体の一例を下記に示す。

青色発光体としては、ＳｒＳ：Ｃｕ、ＳｒＳ：Ｃｕ，Ａｇ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＢａＡｌＳ_４：Ｅｕ、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ等がある。青緑発光体としては、ＺｎＳ：Ｃｕ，ＳｒＳ：Ｃｅ等である。緑色発光体としては、ＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆ，ＺｎＳ：Ｔｂ，ＺｎＳ：ＴｂＯＦなどがある。また赤色発光体としては、ＣａＳ：Ｅｕ，ＣａＳＳｅ：Ｅｕ，ＺｎＳ：Ｍｎがある。また、白色発光体としては、上述した青、緑、赤の発光体を積層したものがある。

（実施の形態２）
図１０は、本発明による他のＥＬ素子１０２の断面を模式的に示した断面構成図である。背面電極１２と誘電体層１３との間にバッファ層１０１を設けた以外は、図１で説明した構成と同じである。尚、図１で説明した構成要素と同じものには同一の符号を付与した。

バッファ層１０１としては、化学式Ｍｇ_ｘＳｉ_１−ｘＯ_２−ｘ（０．９≦ｘ≦１）で表せる組成物を用いる。この組成物からなるバッファ層１０１の上に誘電体層１３を形成すると、誘電体の結晶性および結晶配向性が良好になる。この範囲外の組成物は、ＭｇＯの基本構造である面心立方型（ｆｃｃ型）またはＮａＣｌ型の結晶構造が乱れ、結晶配向性が悪くなるため不適である。

表３は、試料Ｎｏ．３２〜５１までの試料について、バッファ層１０１の層厚と発光輝度の関係を調べた実験結果である。バッファ層１０１の層厚は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲が好ましい。バッファ層の層厚が１ｎｍ未満の場合は、結晶成長を促進させる効果が小さいため発光輝度が低い。一方、１００ｎｍより厚くすると発光輝度が低下する。したがって、バッファ層１０１の層厚を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にすると、３００ｃｄ／ｍ^２以上の高輝度が得られる。なお、バッファ層１０１は、スパッタ法など通常の薄膜形成法で形成できる。

（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３に係るＥＬ素子１１２の断面を模式的に示した断面図である。このＥＬ素子は、実施の形態１及び２のＥＬ素子と比べると、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｎｉのいずれかを含む導電体からなる背面電極１２とガラス基板１１との間に下地層１１１を設けた点で相違する以外は、図１あるいは図１０で説明した構成と同じである。

下地層１１１は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかを含む厚さ５〜５０ｎｍの層から構成されている。この下地層１１１を設けることにより、ガラス基板１１と背面電極１２との密着性が向上する。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４に係るＥＬ素子を用いた表示装置の要部を模式的に示した斜視図である。この表示装置１２１は、単純マトリクス駆動方式によるものであって、実施の形態１〜３で説明したＥＬ素子１２２が２次元マトリクス状に配置されており、データ信号駆動回路１２３と、操作信号駆動回路１２４とを備える。ストライプ状の背面電極１２は、操作信号駆動回路１２４に接続され、背面電極１２と直交するストライプ状の前面電極１５は、データ駆動回路１２３に接続されている。背面電極１２と前面電極１５とが交差する部分に、データ信号駆動回路１２３から出力されたデータ信号電圧と、操作信号駆動回路１２４から出力された操作信号電圧とを印加して、ＥＬ素子１２２を発光させる。

なお、図１３に示すように、前面電極１５の上に色変換層１３１を設けたＥＬ素子を用いることにより、緑から赤までの色を表示する表示装置が得られる。また、白色光を発光するＥＬ素子を用い、図１４に示すように赤、青、緑のカラーフィルタ１４１を前面電極１５の上に設けることにより、フルカラーを表示する表示装置が得られる。
以上のような構成にすることによって、テレビなどのディスプレイに適用可能な高輝度化と、装置の低価格化とを同時に実現できる。

つぎに、具体的な実施例に基づいてさらに詳しく説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１に係るＥＬ素子について説明する。このＥＬ素子は、図１に示す構成を有する。このＥＬ素子１６は、以下に述べる製造方法によって作成した。
（ａ）基板１１としては、市販されている１インチ角、厚さ０．６３５ｍｍの無アルカリガラス基板（以下、ガラス基板と言う）を用いた。
（ｂ）次に、ガラス基板１１の上にＴａ層とＰｔ層とをこの順にスパッタ法により積層して背面電極１２を形成した。下地層としてのＴａ層の層厚は３０ｎｍであり、Ｐｔ層の層厚は２００ｎｍであった。
（ｃ）次いで、スパッタターゲットとして誘電体の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３を用い、ガラス基板１１に高周波バイアスを印加しながら１００秒間スパッタして核付けした後（forming seed crystal）、高周波バイアスを停止して、さらに６０分間スパッタして誘電体層を成膜した。
（ｄ）そして、再びガラス基板１１に高周波バイアスを印加しながら１００秒間スパッタして誘電体層の表面を非晶質化した。これによって、背面電極１２上に層厚３μｍの誘電体層１３を形成した。

以下に誘電体層の形成時のスパッタ条件を示す。スパッタガスとしては、ガス流量比がアルゴンガス２５に対して酸素ガス０．５の混合ガスを用いた。スパッタ圧力は約１．６Ｐａ（１２ｍＴｏｒｒ）であった。核付け時のスパッタパワーは５００Ｗであり、成膜時のスパッタパワーは２ｋＷであった。また、高周波バイアスは３００Ｗ、基板温度は５００℃であった。

その結果、核付け層(seed crystal layer)の層厚が約１０ｎｍ、比誘電率が５１０、絶縁耐圧が３×１０^６Ｖ／ｃｍ、平均表面粗さ：０．０８μｍの誘電体層１３が得られた。

また、誘電体層を構成する結晶体の格子定数の比ｃ／ａは１、００７であり、結晶体の（００２）面と（２００）面とのＸ線回折強度比Ｉｃ／Ｉａは０．７であった。
（ｅ）次に、スパッタターゲットとして発光体のＳｒＳ：Ｃｅ（Ｃｅ添加量は約１．５モル％）を用い、高周波マグネトロンスパッタ法により誘電体層１３の上にスパッタして、約５００ｎｍ厚の発光体層１４を形成した。このときの、スパッタガスはアルゴンガスであり、スパッタ圧力は０．５３Ｐａ（４ｍＴｏｒｒ）であり、ガラス基板温度は３００℃であった。
（ｆ）次いで、発光体層１４の上にＩＴＯ膜をスパッタリング法によってスパッタしてＩＴＯ膜からなる前面電極１５を形成してＥＬ素子１６を作成した。
以上のようにして作製したＥＬ素子１６に、２００Ｖ、１ｋＨｚのパルス幅５０μ秒の交流電圧を印加して発光輝度を測定したところ、５００ｃｄ／ｍ^２の発光輝度が得られた。また、３００Ｖの電圧を印加しても絶縁破壊は起こらなかった。

（実施例２）
以下に述べる製造方法によって図１０に示した構成のＥＬ発光素子を作成した。バッファ層１０１以外の構成要素は実施例１と同じ方法で作成した。
バッファ層１０１は、スパッタ法により化学式Ｍｇ_０．９８Ｓｉ_０．０２Ｏ_１．０２の組成物を背面電極１２の上にスパッタして形成した。その結果、以上のようにして作製したＥＬ素子１６に、２００Ｖ、１ｋＨｚのパルス幅５０μ秒の交流電圧を印加して発光輝度を測定したところ、発光輝度は５２４ｃｄ／ｍ^２であった。

本発明に係る発光素子は、発光輝度が高くしかも安価に作製できるため、デジタルカメラ、携帯電話、情報携帯端末、パソコン、テレビ、自動車などに搭載する表示装置および液晶ディスプレイのバックライトなどの面発光源に適用できる。

上述の通り、本発明は好ましい実施形態により詳細に説明されているが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲内において多くの好ましい変形例及び修正例が可能であることは当業者にとって自明なことであろう。

本発明に係るＥＬ素子の断面図である。本発明に用いる誘電体の結晶構造を示した模式図である。ＥＬ素子の環境温度と輝度との関係を示した図である。図３Ａの測定データである。誘電体層の部分的な角度範囲でのＸ線回折チャートである。誘電体層を構成する誘電体結晶の格子定数比ｃ／ａと発光輝度との関係を示した図であり、図５Ａの測定データである。誘電体層のＸ線回折チャートにおいて、指数付けされた面及びその回折強度を示す概略図である。誘電体層を構成する誘電体結晶の（００２）面と（２００）面とのＸ線回折強度比と発光輝度との関係を示した図である。図７Ａの測定データである。誘電体層の層厚と発光輝度との関係を示す図である。図８Ａの測定データである。本発明による誘電体層の表面粗さと発光輝度との関係を示した図である。図９Ａの測定データである。本発明の実施の形態２に係るＥＬ素子の断面図である。本発明の実施の形態３に係るＥＬ素子の断面図である。本発明の実施の形態４に係る表示装置の要部を模式的に示した概略図である。本発明の実施の形態４に係る別例の表示装置の断面図である。本発明の実施の形態４に係るさらに別例の表示装置の断面図である。誘電体層作成時の核付け層有のＥＬ素子と核付け層無のＥＬ素子の誘電体層の膜厚方向の酸素濃度プロファイルである。

符号の説明

１１基板、１２背面電極、１３誘電体層、１４発光体層、１５前面電極、１６、１０２、１１２、１２２ＥＬ素子、１７光、１０１バッファ層、１１１下地層、１２１表示装置、１２３データ信号駆動回路、１２４操作信号駆動回路、１３１色変換層、１４１カラーフィルタ

Claims

発光体層と誘電体層とが積層されてなる発光層と、前記発光層に電場を印加する一対の電極とを備え、
前記発光層は、前記誘電体層の形成の間にそれぞれ積層された複数の核付け層を含み、
前記誘電体層は、ペロブスカイト構造の結晶体からなる誘電体で構成され、且つ、前記結晶体は、ａ軸の格子定数よりｃ軸の格子定数が大きいことを特徴とする発光素子。