JPH01124998A - 薄膜ｅｌ素子 - 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、多層構造からなる薄膜ＥＬ素子に係り、特に
該多層構造の一構成材となる絶縁層の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来の薄膜ＥＬ素子は、たとえば第８図に示すように構
成されていた。

ガライ基板１上にＩｎｚＯａ＊５ｎＣ）ｚの透明電極２
、さらにその上に積層して、ＹｚＯａ、Ｓ　ｉｓＮ＋。

５ｉ０２等からなる第１絶縁層３がスパッタリングある
いは電子ビーム蒸着法により形成される。

第１絶縁層３の上には発光層４が形成される。この発光
層は、黄橙色発光の場合には、ＺｎＳ中に発光中心とし
てＭｎをドープとたちの、また、ＺｎＳ中に発光中心と
してＴｂＦａ　、ＴｂＰ　（発光色：緑）、ＳｍＦａ（
発光色：赤）、ＴｍＦｓ（発光色：青）をドープしたも
のなどがある。発光層４上には第１絶縁層３と同様な材
質がら成る第２絶縁層５が積層され、更にその上にＡＱ
、Ａｕ等から成る背面電極６が蒸着形成される。透明電
極２と背面電極６との間には交流電圧が印加され、薄膜
ＥＬ素子が駆動される。

このような２重絶縁構造薄膜ＥＬは、現在既に一部では
市販されているが、まだ発光輝度が低い、駆動電圧が高
い、発光効率が低い、さらに素子の信頼性が低いなどの
問題がある。このため、高輝度化、低電圧化、高効率及
び高信頼化などの発光諸特性向上を目標に、精力的に研
究開発がなされているのが現状である。

特にこのφで、薄膜ＥＬ素子の低電圧化は最大の開発課
題である。低電圧化を達成する方法としては、いかに高
品質な絶縁層を作製するか、或いはいかに最適な絶縁膜
構成を選定するかにある。

何故ならば、薄膜ＥＬ素子の発光は、発光層に約１０’
Ｖ／ａｍの電界が印加されることにより起こるものであ
り、そのためにはそれ以上の絶縁破壊電界強度を有する
絶縁層を必要とするからである。

ところで、上記絶縁材料としては従来５ｉＯｚ。

ＹｚＯａ、ＡＱｚｏａ、Ｓ　ｉａＮ番等が用いられてい
るが、これらの絶縁層材料は比誘電率εｒが小さｔまた
め、絶縁層にかかる印加電圧の分圧分が極めて大きくな
る。したがって、発光層を発光さすためには極めて高い
駆動電圧が必要となる欠点がある。

そこで、駆動電圧を下げる方法としては、比誘電率ｆｒ
の大きい材料、例えばＳ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏａ、ＰｂＴｉ
０ａなどの膜を用いたＥＬ素子が開発され、例えば特開
昭６１−２６９８９４号公報、特開昭６１−２７７１９
４号公報に記載されている。

（発明が解決しようとする問題点〕 しかし、上記公報に示される薄膜ＥＬ素子の絶縁層は比
誘電率のみ大きい材料を用いていることから、低電圧化
は可能であるが、破壊電圧が小さいことから１画素破壊
が起こりやすい。

たとえば、電圧をかけた状態の発光前のエージング処理
（発光層がＺｎＳ：Ｍｎの場合、ＺｎＳ中にＭｎを均一
拡散する過程、発光層を安定にする過程）で絶縁破壊が
起こりやすく、画素が破壊してしまう。

さらに、その破壊が一画素についての伝播型モードであ
ることから、画素が完全につぶれてしまう。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、
その目的とするところは、絶縁層を改良し、信頼性の高
い薄膜ＥＬ素子を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、従来の薄膜ＥＬ素子の絶縁層の問題点を
解決すべく検討した結果、低電圧及び信頼性の高い薄膜
ＥＬ素子を得るためには、絶縁層材料として、比誘電率
の大小を組合せ、その組合せの最適膜厚を明らかにする
ことにより、達成できること見出した。

まず、本発明者らは絶縁層材料の比誘電率が３０を境界
にして３０以上になると絶縁破壊モードが伝播型、３０
以下であると絶縁破壊モードが自己回復型になることに
注目し、比誘電率が１２０と大きい５ｒＴｉＯａ、比誘
電率が２５と小さいＴａｘ○５を選定し、この組合せに
ついて検討した。

そこで、比誘電率が１２０と大きいＳ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ
ｓ膜の絶縁破壊電圧Ｅａｏ及び素子化した場合の光学特
性について調べた。５ｒＴｉＯａ膜の形成方法としては
、スパッタリング法を採用し１反応ガスにＡ　ｒ　＋　
０２系ガスを用いて形成した。得られた５ｒＴｉＯｓ膜
のＥａｏと膜厚との関係を第３図に示す。これから明ら
かなように、ＥＢＤは膜厚の増加とともに大きくなり、
膜厚が０．４　　μｍ以上であれば約２　Ｍ　Ｖ　／　
ｃｎとほぼ一定になることがわかった。また、得られた
５ｒＴｉＯａ膜の比誘電率εｒを求めた結果を第４図に
示すが、膜厚が０．２μｍ以上あれば１５０程度あるこ
とがわかった。

そこで、次に５ｒＴｉＯａ膜を絶縁層に用いた薄膜ＥＬ
素子を作製した。なお、５ｒＴｉＯａの膜厚は第４図の
結果から、０．５μｍを用いた。その結果、薄膜ＥＬ素
子のしきい値電圧Ｖｔｈ（発光開始電圧）は１００■程
度になり、今までの素子（Ｖｃｈ＝　２００　Ｖ）に比
較して低くなることがわかった。しかし、エージング処
理中に画素の破壊が著しいことがわかった。このことは
、εｒが大きい材料は駆動電圧の低下は期待されるが、
ＥＢＤが小さいために素子の信頼性を低下することを確
認した。

そこで、本発明らは絶縁層としてεｒが大きい材料と小
さい材料すなわち、ＥＢＤの大小を積層した２層膜にす
ることにより、εｒを小さくすることなくそれぞれの特
徴を生かせるのではないかと推定した。さらに、本発明
者らは、２層膜にした吻合にＥＢＤに対して各単層膜の
最適膜厚があるのではないかと考えた。

その結果を、第５図、第６図に示す。単層膜としては、
５ｒＴｉＯａ膜とＴａｘｅｓ膜を用いて検討した。Ｔａ
ｘｅｓの形成は、５ｒＴｉＯｓと同じスペッタリング法
を採用し、反応ガスにＡｒ＋Ｏｚを用いた。第５図は、
５ｒＴｉＯａの膜厚を０．５μｍと一定にしてその上に
積層するＴａｘｅｓの膜厚を変化させ、ＴａｚＯｓ／Ｓ
　ｒＴｉｏａ　２層膜のＥＢＤとの関係を調べた結果で
ある。これから明らかなように、５ｒＴｉＯａ上に積層
するＴａｘｅＢの膜厚が厚くなるほどＥａｏは大きくな
り、Ｔａｘｅｓの膜厚が０．２〜０．３μｍの範囲で約
４ＭＶ’　／ｅ１ｍと最大を示すことがわかった。この
結果から、２層膜のＥａｏは単層膜を積層することによ
り大きくなる、傾向が認められているが、５ｒＴｉＯａ
単層膜のそれより大きくなるＴ　ａ　２０６とＳｒＴｉ
Ｏ３の膜厚比ＴａｚＯｓ／５ｒＴｉＯａは０．１〜０．
５　の範囲であることがわかった。第６図はＴａ２ｅ５
／５ｒＴｉＯａ２層膜のεｒを求めたものであり、５ｒ
ＴｉＯｓ膜０．５μｍ上にＴａｚＯ！Ｉ膜を０．０５〜
０．２５　μｍ積層した２層膜のＥｒは８０〜６０であ
ることがわかった。そこで、次に絶縁層としてＴ　ａ　
ｗｏｎ／　Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ、ｏｓ　２層膜を用い薄膜Ｅ
Ｌ素子を作製した。その際の膜厚としては、５ｒＴｉＯ
３０，５層ｍ、ＴａｚＯｓｏ、１層ｍである。その結果
、作製した薄膜ＥＬ素子のしきい値電圧Ｖｔｈは１２０
Ｖと、５ｒＴｉＯａ単層膜のそれに比較して２０Ｖ程度
高い、しかし、エージング処理中の画素破壊はまったく
認められなかった。

以上の結果から、５ｒＴｉＯｓとＴａ２０５膜を積層し
た２層膜のＥｎｏは、積層する膜厚比に左右され、Ｔａ
ｚＯｓ／Ｓ　ｒＴｉｏａ　＝０．１〜０．５の範囲で最
大が得られることを明らかにした。

また、比誘電率が１５０と大きいＰ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏａ
と比誘電率が８であるＡＱｘＯｓとの２層について検討
した結果、ＥＢＤは膜厚比がＡ　Ｑ　２０　ｓ　／　Ｐ
ｂＴｉ０　ａ＝０．１〜０．５の範囲で最大を示すこと
を確認した。

すなわち、本発明は、絶縁基板上に透明電極、第１絶縁
層９発光層、第２絶縁層及び背面電極を順次積層してな
る薄膜ＥＬ素子において、前記第１絶縁層と第２絶縁層
のうち少なくとも一方が高誘電率材料ε１と低誘電率材
料Ｅ２の２層積層膜から構成され、前記高誘電率材料Ｅ
１の膜厚が０．４〜１．０μｍの範囲内にあり、かつ低
誘電率材料Ｅ２と高誘電率材料ε１との膜厚比が０．１
〜０．５であるようにしたものである。

ここで、前記高誘電率材料は、その比誘電率εｒが３０
以上で、たとえばＳ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３，ＰｂＴｉ０ａ
。

ＢａＴｉＯｓ、ＰｂＮｂｚＯｅ、５ｒＺｒＴｉＯａ等で
ある。

また、前記低誘電率材料は、その比誘電率Ｅｒが３０以
下で、たとえば、Ｔ　ａ　２０ＩＳ、　ＢａＴａｚＯｅ
。

５ｉａＮａｅ　ＹｚＯａ、ＡＱｚＯｓ、Ｓ　ｉＯ２等で
ある。

〔作用〕

このように、絶縁層を高誘電率材料と低誘電率材料を積
層して構成し、積層する単層膜の最適膜厚に選定するこ
とによって、画素破壊が防止され、信頼性の高い薄膜Ｅ
Ｌ素子を提供できる。

すなわち、例えば、絶縁層がＴ　ａ　２０　ｂ　−５ｒ
ＴｉＯａ２層膜の場合は、破壊モードが自己回復型にな
るのはＴａｚＯ６の特徴、比誘電率がある程度大きく保
たれるのは５ｒＴｉＯａの特徴を有するためであり、か
つＥＢＤがそれぞれの単層膜より大きくなるのは積層効
果で、かつ最適膜厚を選定したところにある。

〔実施例〕

第１図は、本発明による薄膜ＥＬ素子の一実施例を示す
構成図である。同図において、コーニングボッ０５９ガ
ラス基板１上に、５ｎＯｚ及びＩｎｚＯａ等から成る透
明電極２を膜厚２０００人、面積抵抗１０−２０Ω／口
、透過率８０％以上になるように形成する。形成方法と
しては、スパッタリング法あるいは電子ビーム蒸着法が
最適である。次に、ＥＬ素子に必要な所定の電極パター
ンにするには、透明電極をフォトエツチング技術を用い
て、帯状に平行配列にエツチングする。その際の透明電
極のエツチング液としては、ＨＣＱ−ＨＮ○３系エツチ
ング液などを用いればよい。

上記透明電極２の上に、ＴａｚＯａ／５ｒＴｉＯａ２層
膜の第１絶縁層３を形成する。ＴａｚＯｓ／５ｒＴｉＯ
ａ２層膜の形成は、まず５ｒＴｉＯａ膜３−１を０．５
　μｍ形成し、その上にＴａｘｅｓ膜３−２を０．１μ
ｍ形成した。形成方法としては、スパッタリング法を採
用し、反応ガスにＡｒ＋　Ｏｚを用いた。引き続いて、
発光層４であるＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム蒸着法を用い
て０．５μｍ形成し、続いて真空中で５５０℃で熱処理
をするこの熱処理により、ＺｎＳ中に付活剤であるＭｎ
を均一に拡散させる６発光層４の上に第２絶縁層５を第
１絶縁層３と同じ方法を用いて形成する。第２絶縁層５
は、まずＴａ２ｅｓ膜５−２を０．１μｍ形成し、その
上に５ｒＴｉＯａ膜５−１を０．５μｍ積層した。した
がって、第１，２絶縁層のＴａｘｅＩＳと５ｒＴｉＯａ
との膜厚構成比ＴａｚＯ１１／５ｒＴｉＯａ＝０．２と
なっており、本発明の最適膜厚範囲に入っている。更に
その上に背面ｆＩｌｔ１ｉ６を抵抗加熱及び電子ビーム
蒸着法で形成する。

背面電極６としては、Ａｆｆｉ、Ａｕ及び透明導電極で
よく、その膜厚は０．２μｍとした。

以上のようにして作製された本実施例の薄膜ＥＬ素子に
、ＩＫＨｚ正弦波の電圧を加えることにより、十分なエ
ージング処理を行なった後、寿　　−全特性を調べた。

その結果を第７図に示す。第７図は連続動作時間と有効
画素率（破壊しない画素）を調べたものであり、図中の
（ｂ）は第１，２絶縁層に５ｒＴｉＯａ０．６μｍを用
いた従来の薄膜ＥＬ素子を比較のために共に示した。こ
れから明らかなように、本実施例の薄膜ＥＬ素子は画素
破壊率が小さく、高信頼性、長寿命化を達成しているこ
とがわかる。

次に、本発明による薄膜ＥＬ素子の他の実施例を第２図
を用いて説明する。同図において、透明電極、背面電極
及び発光層は上述した実施例と同じである。第１絶縁層
３は、まず透明電極２上にＴａｚＯｓ膜３−２を形成し
、さらにその上に５ｒＴｉＯａ膜３−１を形成する。第
２絶縁暦５は１発光層４上にＳｒＴｉＯ３膜５−１を形
成し、さらにその上にＴａｘｅｓ膜５−２を形成する。

このようにして作製された薄膜ＥＬ素子は上述の実施例
と同じ寿命特性を示し、従来のものに比較して高信頼性
が得られることを確認した。

また、上述した実施例は、Ｔａ２ｅ！Ｉと５ｒＴｉＯａ
を積層し、膜厚比ＴａｚＯａ／５ｒＴｉＯａ＝０．１〜
０．５であった。したがって、この膜厚比を容積比（ｖ
ｏＱ％）に概算すると９〜３３％になる。

そこで、ＴａｚＯｓと５ｒＴｉＯａ混合・焼結し、かつ
２層膜と同じ効果がある、Ｓ　ｒ　ｚ（Ｔａ４ｉ）　Ｏ
ｓ。

つまり、チタン・タンタル酸ストロンチウムという３元
系化合物が作製可能ならば、この５ｒｚ（Ｔａ・Ｔ　ｊ
、　）　Ｏｓ単層膜が最適である。

このＳ　ｔｚ　（Ｔａ−Ｔｉ）ＯＢ膜を絶縁層とじて用
いれば、本発明よりＥＬ素子のコストは低下し。

非常に有利となる。

さらに、絶縁層としてＴ　ａｚｏ５／　Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ
　０３＝０．１〜０．５にして２層膜であったが、この
膜厚比を一定にして、４層膜にしてもよい。つまり、Ｔ
ａ、ｚ○ｓｏ、０５μｍ／Ｓ　ｒＴｉｏａｏ、２５μｍ
／Ｔａ１ｌｓ　０．０５ｐｍ／５ｒＴｉＯａ　Ｏ，２５
μｍ４層膜である。これを用いたＥＬ素子を第９図に示
す。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように、本発明による薄
膜ＥＬ素子によれば、絶縁層を改良することにより、信
頼性の高いものが得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による薄膜ＥＬ素子の一実施例を示す
構成図、第２図は１本発明による薄膜ＥＬ素子の他の実
施例を示す構成図、第３図は、５ｒＴｉＯａ膜厚に対す
る絶縁破壊電圧Ｅａｏの特性を示すグラフ、第４図は、
５ｒＴｉｏ３膜厚に対する比誘電率Ｅ、を示すグラフ、
第５図はＴａ２０ａ／Ｓ　ｒＴｉｏａの２層膜に対する
絶縁破壊電圧ＥＢＤの特性を示すグラフ、第６図は、Ｔ
ａｚＯ５／５ｒＴｉＯａの２Ｍ膜に対する比誘電率ｔｒ
　を示すグラフ、第７図は、本発明による薄膜ＥＬ素子
の寿命特性図、第８図は、従来の薄膜ＥＬ素子の一例を
示す構成図、第９図は本発明の他の実施例を示す構成図
である。 １・・・基板、２・・・透明電極、３・・・第１絶縁層
、３−１−８ｒＴｉＯａ膜、３−２＝ＴａｚＯｓ膜、４
−・・発光層、５・・・第２絶縁層、５−１・・・５ｒ
ＴｉＯａ膜５−２・・・ＴａｚＯ１１膜、６・・・背型
電極。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．　絶縁基板上に透明電極、第１絶縁層，発光層，第
   ２絶縁層及び背面電極を順次積層してなる薄膜ＥＬ素子
   において、前記第１絶縁層と第２絶縁層のうち少なくと
   も一方が高誘電率材料ε＿１と低誘電率材料ε＿２の２
   層積層膜から構成され、前記高誘電率材料ε＿１の膜厚
   が０．４〜１．０μｍの範囲内にあり、かつ低誘電率材
   料ε＿２と高誘電率材料ε＿１との膜厚比が０．１〜０
   ．５であることを特徴とする薄膜ＥＬ素子。
2. ２．　前記高誘電率材料はその比誘電率ε＿ｒが３０以
   上で、ＳｉＴｉＯ＿３，ＰｂＴｉＯ＿３，ＢａＴｉＯ＿
   ３，ＰｂＮｂ＿２Ｏ＿８，ＳｒＺｒＴｉＯ＿３等である
   特許請求の範囲第１項記載の薄膜ＥＬ素子。
3. ３．　前記低誘電率材料はその比誘電率ε＿ｒが３０以
   下で、Ｔａ＿２Ｏ＿５，ＢａＴａ＿２Ｏ＿６，Ｓｉ＿３
   Ｎ＿４，Ｙ＿２Ｏ＿３，Ａｌ＿２Ｏ＿３，ＳｉＯ＿２等
   である特許請求の範囲第１項記載の薄膜ＥＬ素子。