JPH01102894A - 電界発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、照明、デイスプレィあるいはＯＡ機器用等の
光源に応用される電界発光素子に関する。

〔従来の技術〕

蛍光体に交流電界を印加した時に発光するエレクトロル
ミネッセンスを応用した電界発光素子（ＥＬ素子）は、
低温面発光体として表示素子等への応用が期待され、一
部実用化もされている。ＥＬ素子は、ガラス等の透明基
体上に透明電極を形成し、その上に第１絶縁層、発光層
、第２絶縁層、電極層を順次積層することにより構成さ
れる。

従来、ＥＬ素子の発光層として、水素を含む非単結晶Ｓ
ｉやＳｉＣなどのＩＶ族元素からなる材料を使用した例
が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような材料は、成膜しやすい等の製造上の利点があ
るものの、この材料を用いたＥＬ素子は、駆動に高電圧
が必要であったり、輝度が不充分であったり、発光寿命
が短いといった欠点があった。

そこで本発明の目的は、前述した従来技術の欠点を克服
した電界発光素子を提供するものであって、製造が容易
であり、しかも高輝度で発光強度の大きな新規の電界発
光素子を提供することにある。

更に本発明の目的は、低電圧で駆動し、発光寿命が十分
長い電界発光素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕上記の目的は
、以下の本発明によって達成される。

゛　　即ち本発明は、少なくとも１対の電極と発光層と
を有する電界発光素子に於いて、前記発光層がＩＶ族元
素を主体とする微粒子を含むことを特徴とする電界発光
素子である。

本発明のＥＬ素子は、発光層がＣ，Ｓｉ、　Ｇｅを代表
とするＩＶ族元素を主とする微粒子を含有する層あるい
は微粒子を層状に堆積した微粒子膜で構成される。さら
には前記微粒子あるいは微粒子膜はその一部が酸化され
た発光層で構成されるＥＬ素子である。

以下、第１図の構成図を用い、本発明のＥＬ素子を説明
する。基板１としてはガラス、ポリエステル、ポリカー
ボネイト等光を透過する電気絶縁材料が用いられる。発
光を基板側から放射しない構成のＥＬ素子においては不
透明なセラミック等も利用可能である。基板１上に形成
される透明電極２はＩＴＯのスパッタ蒸着膜などである
。第１絶縁層３および第２絶縁層５はＳｉ３　Ｎ４　、
　　Ｙ２０３　、５ｉ０２　。

５ｒＴｉ０３　、　ＢａＴａ２０３等の誘電率が大きく
、絶縁耐圧の大きい誘電体材料であり、スパッタ蒸着。

ＣＶＤ法等の薄膜堆積層で形成される。第１絶縁層３と
第２絶縁層５は各々別の材料でも、また複数の材料の積
層膜でも良い。第２絶縁層５上にはＡ１等の金属導電材
料からなる上部電極６が形成される。

本発明のＥＬ素子の発光層４を構成する微粒子あるいは
微粒子膜は主としてＩＶ族元素からなり、その大きさが
発光波長と同程度またはそれ以下のものであれば良い。

可視光の発光の場合には大体１μｍ以下、望ましくは０
．１μｍ以下、さらに望ましくは５００Å以下である。

我々は鋭意研究の結果、発光層を上記の様な微粒子又は
微粒子の集合体とする事により、その発光強度を増大さ
せる事が出来る事を見出した。上記の微粒子の形は特に
重要ではなく何でも良いが、比較的球に近く、大きさの
そろったものを用いる場合の方が効果的である。大きさ
の下限は不明であるが、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び
電界放射型走査電子顕微鏡による観察結果によれば１０
０Å以下、数１０人の平均粒径を持つ超微粒子であって
も効果が認められる。

本発明に係る発光層を製造する装置としては、例えは第
２図に示す装置を使用する事が出来る。第２図の中で７
は縮小拡大ノズル、８はノズルののど部、９は磁気コイ
ル、１０は下流室、１１は空胴共振器、１２は基体ホル
ダー、１３は基体、１４はマイクロ波投入窓、１５はマ
イクロ波の導波管、１６はガス導電 入口である。反応ガスを１６から空刺共振器内１２へ導
入した時、反応は１２の中で起き、１２は反応室として
働く。

例えばＡ−８ｉの粒子膜をつくる場合にはガス導入口１
６よりＳｉＨ４ガスと、必要ならばＨ２ガスを送り込み
、反応室内でプラズマを発生させて、ガスを分解して反
応させ、微粒子を形成させる。そしてこれを一部未反応
の気体状の活性種とともにノズル７から吹き出させ基体
１３の上に吹きつけて固定する。プラズマにエネルギー
を与える手段としてはマイクロ波や紫外線あるいはＲＦ
などの高周波などの電磁波や低周波や直流などの電場印
加などが使える。実用上置も使い易いのは紫外線又はマ
イクロ波であり、この時は反応室の形状を工夫する必要
はあるが、反応室内に電極などの構造物を置（必要はな
く、エネルギー投入用の窓があれば良い。マイクロ波プ
ラズマを用いる場合にも色々なやり方があ切、同軸管を
用いる方法（ＪａｐａｎｅｓｅＪ、Ａ、Ｐ　２１　（８
）　１４７０　（１９８２））や（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
、　　Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　　５ｏｌｉｄ
ｓ　　チヲ６」８１３　（１９８５））に見られる方法
などがあるが、効率的な微粒子形成を行う立場からみれ
ば、反応室日をマイクロ波の空胴共振器とする方法が非
常に有効である。

プラズマ励起手段がマイクロ波であろうとそれ以外の方
法であろうと、投入パワーは基体上に堆積させた微粒子
膜の発光強度をある程度左右する。

強い発光を得るためにはプラズマ中の発光種Ｈａの６５
６ｎｍ付近の発光の発光強度ＩＨとＳｉＨの４１４ｎｍ
付近の発光の発光強度Ｉｓとの比Ｉ　ｓ　／　Ｉ　Ｈが
０．２以下となる様な大きなパワー投入をすると効果が
ある。反応室内の圧力を１．０Ｔｏｒｒ以上にすれば１
μ／　ｓｅｃ程度の高速堆積も可能である。ノズルはプ
ラズマ内で出来た微粒子を一部の活性種とともに高速で
吹き出し、基体に吹きつけて固定化するために設けであ
る。ノズルの形状は一般的には何でも良いが、微粒子の
基体への付着力を高め、また微粒子をビーム化して基体
上に効率的に集めるためには、上流側から下流側へ、い
わゆる縮少拡大型の口径変化をもつ超音速ノズルを使用
する事が望ましい。その断面形状は円形だけでなく特開
昭６１−２２１３７７号公報に示されている様な様々な
変形が目的に応じて使用可能である。ノズルより下流側
の基体室付近は通常１０−８Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ以下程度に
圧力を比 下げて使用する。ノズル上流と下流との圧力停は数１０
位から１００位程度ある事が望ましい。

微粒子堆積中に基体の加熱をすれば発光は若干増加する
が、２００℃以上の加熱では逆に強度が弱まる事がある
ので、基体の温度を高くし過ぎる事は必ずしも望ましく
ない。

このようにして形成された微粒子膜は、ＥＳＲで測定し
たスピン密度が１０−１７ｃ　ｍ−”以下となり、発光
は室内灯の下で肉眼で確認出来る。粒径は条件にもよる
が１００〜２００人程度が普通である。

上述の微粒子生成装置を用いて作製した微粒子はポリシ
ランもしくはアモルファスＳｉである。ＥＬ。

素子を使用する場合、アモルファスＳｉの方がより強（
発光するために望ましい。また作製した微粒子あるいは
微粒子膜をそのまま使用するより、酸素あるいは水蒸気
雰囲気中で加熱する等の酸化処理を施こした微粒子ある
いは微粒子膜を使用するとより強い発光輝度のＥＬ素子
が得られる。

またＳｉＨ４だけでな（通常Ａ−Ｓｉ成膜に使われるシ
ラン誘導体例えばＳｉ２　Ｈ６やＳｉＦ４なども使用可
能である。さらに他のＩＶ族系のガス、例えばＣＨ４，
ＣＨ３０Ｈ，Ｃ２Ｈ６その他の炭化水素系ガスを用いれ
ばアモルファスの炭素膜ができるし、ＧｅＨ４などによ
りＡ−Ｇｅ膜も全く同様の装置を用いて微粒子構造の発
光層が形成出来る。

またＳｉ系ガスとＣ系のガス、Ｓｉ系のガスとＧｅ系の
ガスの様に２種、３種のガスを混合して使用することも
可能である。

〔実施例〕

次に実施例によりさらに具体的に本発明を説明する。

実施例１ ガラス基板上に透明電極としてＩＴＯを０．２μｍ１第
１絶縁層としてＳｉ３　Ｎ４を０．３μｍそれぞれスパ
ッタ法およびＣＶＤで形成した。その上に第２図に示す
微粒子形成装置を用い、原料ガスとしてＳｉＨ４をＨ２
で３％に稀釈した混合ガスより微粒子膜を０．２５μｍ
形成した。この微粒子膜の形成条件は、マイクロ波出力
が１５０Ｗ、空胴共振器の圧力は０．４Ｔｏｒｒｓ下流
室の圧力は４．５ｍＴｏｒｒであった。この時のガス流
量は約１１００８ＣＣである。

また、ガラス基体を取り付けた基体ホルダーは水冷した
。この様に形成した微粒子の粒径は１００〜２００人の
範囲にあった。赤外分光分析の結果１！ ２０９０ｃｍ”強いヒータがみられ、この微粒子が主と
してＳｉＨ２からなることが推測される。上述の作製法
で形成した素子を１００℃、３時間酸化処理したのち、
第２絶縁層としてＳｉ３　Ｎ４を０．３μｍ１ＡＩ！の
上部電極を０．５μｍ積層し、ＥＬ素子を作製した。

比較のために発光層をＣＶＤ法で形成したアモルファス
ＳｉＣ膜とした他は実施例１と同一材料と同一構成のＥ
Ｌ嵜子を作製した。このＳｉＣ膜表面を実施例１と同様
ＦＥ−３ＥＭで観察したが、実施例１に見られた微粒子
構造はみられなかった。

前述の実施例１のＥＬ素子と比較例のＥＬ素子をＩＫＨ
ｚで駆動した時の発光スペクトル１８．１９を第３図に
示す。

第３図に示す如く、本発明のＥＬ素子は、比較例のもの
より発光強度が格段に大きいことがわかる。

実施例２ 発光層形成の原料ガスとしてＳｉＨ４とＣＨ４を１：ｌ
に混合したガスを使用した他は実施例１と同一の材料お
よび作製法でＥＬ素子を作製した。このＥＬ素子も実施
例１と同様に明るく発光したが、ビーり波長は実施例１
よりも短波長側にシフトし、白・色に近い光を発した。

実施例３ 発光層形成の原料ガスとしてＳｉＨ４とＧｅＨ４を２：
１に混合したガスを使用した他は実施例１と同一構成の
ＥＬ素子を作製した。このＥＬ素子も実施例１と同様に
明る（発光したが、発光波長ピークは実施例１よりも長
波長側にシフトし、赤色の発光を示した。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によればＣ，Ｓｉ、　Ｇｅ等
ＩＶ族元素を主成分とする微粒子あるいは微粒子膜を発
光層とすることにより、低駆動電圧で高輝度の発光が可
能となる。

また本発明によれば、ショットキー結合型の構造のＥＬ
素子にも適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電界発光素子の断面構造を示す図、 第２−図は本発明電界発光素子の発光層形成のための製
造装置の概略図、 第３図は本発明実施例１および比較例の電界発光素子の
発光スペクトルを表わす図である。 １・・・基体　　　　　　２・・・透明電極計・・第１
絶縁層　　　４・・・発光層重・・第２絶縁層　　　６
・・・上部電極７・・・ノズル　　　　　８・・・ノズ
ルのど部９・・・磁気コイル　　　ｌＯ・・・下流室１
１・・・空胴共振器　　　１２・・・基体ホルダ１３・
・・基体 １４・・・マイクロ波投入窓 １５・・・マイクロ波導波管 １６・・・ガス導入管 １７・・・排気系

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１対の電極と発光層とを有する電界発
   光素子に於いて、前記発光層がIV族元素を主体とする微
   粒子を含むことを特徴とする電界発光素子。
2. （２）前記発光層が、微粒子を層状に堆積した微粒子膜
   を含む特許請求の範囲第１項記載の電界発光素子。
3. （３）前記微粒子の少なくとも１部が酸化されている特
   許請求の範囲第１項記載の電界発光素子。
4. （４）前記微粒子がアモルフアス構造をなす特許請求の
   範囲第１項記載の電界発光素子。