JPH01130496A - 薄膜エレクトロルミネセンス素子 - 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　低駆動電圧で光輝度発光し、かつ信頼性の高
い薄膜エレクトロルミネセンス素子に関するものである
。

［従来の技術・発明が解決しようとする問題点」電界を
薄膜の両側に配置した一対の電極間に印加することによ
って発光する薄膜エレクトロルミネセンス素子は、原理
的には第３図に示すごとく、ガラス等の基板！上に発光
中心となるマンガン（Ｍｎ）や希土類金属（Ｔ　ｂ、　
Ｓ　ｍ、　Ｔ　ｍ、　Ｐ　ｒ、　Ｄ　ｙ。

Ｅｕ、Ｃｅ）を添加した硫化亜鉛（Ｚ　ｎＳ　）あるい
はセレン化亜鉛（Ｚ　ｎＳ　ｅ）、硫化ストロンチウム
（Ｓ　ｒＳ　）、硫化カルシウム（ＣａＳ　）等の発光
層膜２を透明電極膜３と金属電極膜４とで挟んだサンド
イッチ状に構成される。しかし発光を生ぜしむるに要す
る電界を発光層膜２に印加すると、発光に寄与する電子
の生成に伴って、発光層が低抵抗化するため、過大な電
流が流れジュール熱によって、発光層膜２が絶縁破壊し
易い。したがって、この絶縁破壊を防止しさらには発光
層膜２に有効な電界を印加するために、実際の薄膜エレ
クトロルミネセンス素子は第４図ないし第５図に示すご
とく、発光層膜２の両側あるいは片側に絶縁＠５を設け
た構造がとられる。

上記絶縁膜５の性質として要求されることは、絶縁耐圧
が大きいことのほか、素子に印加された電圧は、発光層
膜２と絶縁膜５にそれらの静電容量の値に反比例して分
圧されるから、素子全体にかかる電圧をなるべく低減す
るために高誘電率の物質を用いることが望ましい。さら
に電圧を印加した際、発光層膜２内に発生した電子を発
光層膜２内に閉じ込め、発光中心を有効に励起するため
に、絶縁膜５は純容量性即ち誘電損失が出来るだけ小さ
いことが望ましい。

さらに、薄膜内には、少なからずピンホール等の欠陥が
あるが、これを起点として微小領域において放電が生じ
た場合の絶縁膜の破壊モードが重要である。一般に絶縁
膜の絶縁破壊モードとして゛は一旦微小部で放電破壊が
生ずると、微小点の近傍が短絡状態になり、その結果発
熱→破壊→短絡部分の拡大−破壊部分の拡大という繰り
返しが次々と起きて破壊が広範囲に及び、かつ対向電極
が短絡してしまうため、電界が破壊近傍画素にかからな
くなるモード、すなわち伝播形破壊モードと、微細部で
破壊が生じたとき、その部分の絶縁膜と電極材料が吹き
飛び、開放状態になるため、破壊部分が拡大せず、破壊
が直径１００μｍ以下の微小領域に留まり電界らかかり
続けろ、いわゆる自己回復形破壊モードの２種類がある
。あらためて言うまでもなく、破壊が広範囲に拡大しな
い方が望ましいから薄膜ＥＬ素子用の絶縁膜材料として
は、自己回復形破壊モードの性質を持っている薄膜材料
が望ましい。

また、絶縁膜の電気的性質でみると、ＥＬ全発光は発光
層膜、絶縁膜界面のトラップが電子供給源としては重要
であるが、その電子を有効に発光層膜に注入するために
、絶縁膜内に深い電子トラップが存在しないことが望ま
しい。この観点からみると、酸化物絶縁膜を使用する場
合には、正にイオン化しやすい酸素欠陥がないもの、す
なわち化学量論的組成に合致した薄膜であることが望ま
しい。

従来、上記薄膜ＥＬ素子の絶縁膜には、電子ビーム蒸着
あるいはスパッタリング法によって形成した酸化シリコ
ン（Ｓｈｏｗ）、酸化イツトリウム（ＹｘＯ５）、窒化
シリコン（Ｓ１３Ｎ、）、チタン酸バリウム（Ｂ　ａＴ
　ｉｏ　３）、チタン酸鉛（Ｐｔ）↑１０３）、五酸化
タンタル（ＴａｔＯｓ）等の材料の単層あるいはこれら
の中のいくつかを組み合わせて複層構造にした形で用い
られていた。しかし５ｉｎｓ、Ｙ　ｔ　Ｏ３，５ｉｓＮ
＋等は比誘電率がＩＯ程度かそれ以下と小さく、これら
の材料を絶縁膜に用いた素子は、駆動電圧が２００Ｖ以
上と高くなること、またＢａＴｉ０ｔやＰｂＴｉ０ｚは
比誘電率が５０から２００と大きく、これらを用いて薄
膜ＥＬ素子を構成すれば、低電圧駆動化が図られるとい
う特徴はあるものの、３元化合物であるため、組成が一
定した薄膜を得ることに対して再現性が乏しく、かつ絶
縁破壊モードが伝播形であるため、Ａ５判以上の面積を
有した薄膜ＥＬ表示パネルに適用するには、均一性の高
いパネルを歩留り良く作製するという点で問題があった
。

これらの材料に比べると五酸化タンタル（ＴａｔＯｓ）
膜は、特願昭５６−５７０３０号に記されているがごと
く、比誘電率が２３〜２５と大きく、低電圧駆動化に適
した材料であること、また高周波スパッタリング法によ
って低損失（誘電損失が１％以下）の良質な薄膜が得ら
れるという利点があり、近年では、薄膜ＥＬ素子の絶縁
材料としては、中心的存在であり、各所で盛んにこの材
料を用いたＥＬパネル化が進められている。しかしなが
ら、ＴａｔＯｓ膜もＢａＴｉＯ３やＰ　ｂＴ　ｉｏ　。

はど深刻な問題はないものの、破壊モードか伝播形であ
り、かつ酸素欠陥が微妙に電気的特性に影響するため、
ＴａｔＯｓ膜を用いた薄膜ＥＬ素子は特性の再現性と歩
留りが今−歩不足しているという問題があった。

本発明は、上述のような従来の薄膜ＥＬ素子の絶縁膜材
料に起因した問題点を解決するためになされたものであ
る。すなわち、従来の薄膜Ｅ　Ｌ素子で問題のあった特
性の再現性と信頼性の欠如を、絶縁膜材料の組成安定化
、酸素欠陥の低減と絶縁破壊モードの改善によって解決
し、更に低駆動電圧で高輝度の薄膜ＥＬ素子を提供せん
とするものである。

「問題点を解決するための手段」 本発明は、発光層膜を少なくとも一方が透明導電膜であ
る一対の電極膜で挟み、上記発光層膜と上記電極膜のう
ち少なくとも一方の電極膜との間に絶縁膜を介在させた
薄膜エレクトロルミネセンス素子において、上記絶縁膜
に窒素を添加した五酸化タンタル（ＴａｔＯｓ）絶縁膜
を用いることを特徴としている。

「実施例」 第１図は本発明の一実施例を示す薄膜エレクトロルミネ
センス素子の断面構成図であって、６はコーニング７０
５９ガラス基板、７は厚さ２００ｎｍのスズ添加酸化イ
ンジウム（Ｉ　ｎｖｏ　３：Ｓ　ｎ）透明導電膜（電極
膜）、８は厚さ３５０ｎｍの窒素添加五酸化タンタル（
Ｔａｔｏｓ）絶縁膜、９は硫化亜鉛に発光中心物質とし
てマンガンを０．５モル％添加した厚さ６００ｎｍのＺ
ｎＳ：Ｍｎ発光層膜、１０はアルミニウム（Ａ　ｌ）か
らなる厚さ１１００ｎの金属電極膜（電極膜）である。

この素子を製造するには、まずガラス基板ｌ上にｒｎｔ
ｏａ＋Ｓｎ透明導電膜７を高周波スパッタ法で形成し、
その上に窒素添加ＴａｔＯｓ膜（Ｔ　ａｏ　Ｎ膜）を、
ＴａｔＯｓ焼結ターゲットを用い、パワー１．５ｋＷ、
ガス圧が５　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒの酸素、窒素混合ガ
ス雰囲気中（酸素二窒素ガス流量比＝３＝１）で、高周
波マグネトロンスパッタ法により形成した。次いでＭｎ
を添加したＺｎＳ焼結ペレットを蒸発源材料として、基
板温度１８０℃、真空度１０−’Ｔｏｒｒの条件で電子
ビーム蒸着法によりＺｎｓ：Ｍｎ発光層膜９を、Ｔａ０
Ｎ膜８上に形成し、更に発光層膜の結晶性の向上と、Ｍ
ｎの拡散を図るため、真空中で４００℃１時間熱処理を
行った。

しかるのちにＺｎＳ：Ｍｎ発光層膜９上に、Ｔａ０Ｎ絶
縁膜８を上記と同じ条件で、高周波マグネトロンスパッ
タ法により形成し、次いでＡＩ金属電極１０をアルゴン
雰囲気中での高周波マグネトロンスパッタ法によって形
成した。

第２図は第１図の本発明の実施例に基づいて作製した薄
膜エレクトロルミネセンス素子の発光輝度対電圧特性（
正弦波１ｋＨｚ駆動）を示す図であって、曲線ａは第１
図に示した本発明実施例の素子の特性曲線、曲線すは絶
縁層に酸化イツトリウム（ｙ　、ｏ　３）電子ビーム蒸
着膜を用い、第１図に示した本発明実施例の素子と同じ
構成にした従来素子の特性曲線である。図から明らかな
ように、本発明のＴａ０Ｎ　絶縁膜を用いた構成の素子
は、従来素子に比べ、５０Ｖ以上低い電圧で駆動でき、
しかも２倍以上の発光輝度が得られた。

さらに本発明素子の発光状態を詳細に調べたところ、従
来Ｔａｘｅｓ絶縁層使用素子にみられた微小点破壊発生
にともなう電極間短絡や伝播形破壊現象は観測されず、
絶縁破壊が生じても、直径１００μｍ以内の破壊孔発生
のみにとどまり、電極間は開放状態が保たれ、画素内の
非破壊部分は発光し続けることが確認された。また従来
ＴａｔＯｓ絶縁膜に関して問題となっていたＩｎ５Ｏａ
：Ｓｎ透明導電膜との反応性やＺｎＳ発光層膜との付着
性も、ＴａｙＯｓに窒素を添加した本発明のＴａ０Ｎ　
絶縁膜を用いることによって改善され、特別な処理の採
用や絶縁層を積層構造にする等の複雑なことをせずとも
、高い歩留りで素子が作製できることが分かった。

ところで、本発明の主要部分となる窒素添加ＴａｔＯｓ
膜の製造法について、さらに詳述すれば、本発明の効果
を十二分に発揮させるためには、窒素添加濃度が最重要
のポイントである。窒素添加濃度は３〜２０％の範囲が
望ましく、窒素添加量がこれより低ければ特性改善効果
がみられないし、またこの濃度範囲より窒素添加量が多
ければ、誘電損失が大きくなり絶縁耐圧が低下するので
薄膜エレクトロルミネセンス素子用の絶縁膜としては望
ましくない。なお上記最適窒素添加量範囲で作製したＴ
ａ０Ｎ膜の特性値は、比誘電率が２０〜２３、誘電損失
が１％以下であった。

この最適濃度範囲の窒素を添加したＴａｔＯｓ膜を得る
には、スパッタ時のガス組成とガス圧を制御することに
よって得られる。最適作製条件は、実施例中に記した条
件であるが、酸素と窒素の混合比が３：１−１：３の範
囲ならば、アルゴン、酸素、窒素の３種類混合ガスある
いは酸素と窒素の２種混合ガス中において、同時にガス
圧を調整してスパッタ法で作製すれば、ＴａｔＯｓ膜に
上記最適量範囲に窒素を添加した薄膜を形成することが
出来る。

なお本発明は、薄膜エレクトロルミネセンス素子の絶縁
膜に窒素添加したＴａｘｅｓ膜を用いたことを、その特
徴とするものであるから、素子の構造およびＴａ０Ｎ　
膜の作製方法がなんら実施例のみに限定されるものでな
いことは言うまでもない。

−たとえば薄膜エレクトロルミネセンス素子としては、
ＺｎＳにＴ　ｂ、　Ｓ　ｍ、　Ｔ　ｍ等の希土類金属を
添加“した薄膜を発光層膜としたもの、あるいはＳｒＳ
。

ＣａＳ　　等のアルカリ土類系材料の薄膜を発光層膜に
用いた素子においてもＴａ０Ｎ　膜を絶縁膜に用いるな
らば、実施例と同様な効果が得られるし、また絶縁膜を
Ｔａ０Ｎ　膜のみとした場合に限らず、Ｔａ０Ｎ　膜と
他の絶縁膜とを積層した構造としても良い。

また、Ｔａ０Ｎ　膜の成膜方法に関しては、実施例では
ＴａｔＯｓ焼結ターゲットを用いた高周波スパッタ法の
場合を述べたが、ターゲットに金属Ｔａを用いた反応性
スパッタ法や、窒素を添加する手＋、ｈ　　　Ｌ　　、
−１＋１．：　　　Ｊｐ＞　　′−ノ　−ｔ　　勢　ヱ
　ｍ　　揄Ｃ；？貴　Ｆｎ　ｉ　　血　１段を追加すれ
ば、これまでＴａ２０５薄膜の作製に成功している電子
ビーム蒸着法、陽極酸化法、化学気相成長法（ＣＶＤ）
も用いても良いことはいうまでもない。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明の薄膜エレクトロルミネセ
ンス素子は、絶縁膜に窒素を含有させた五酸化タンタル
（Ｔａｘｅｓ）膜を用いて構成し、これによ、り従来の
薄膜エレクトロルミネセンス素子で問題であった特性の
再現性と信頼性の欠如を解決したものであるから、本発
明の薄膜エレクトロルミネセンス素子を用いれば、信頼
性の高い発光形平面表示パネルを量産性良く生産し、提
供できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例として示した薄膜エレクトロ
ルミネセンス素子の断面図、第２図は本発明による薄膜
エレクトロルミネセンス素子の発光特性を従来素子の発
光特性と比較して示した図、第３図、第４図、第５図は
いずれも従来の薄膜エフ・・・・・・電極膜（透明導電
膜）、８・・・・・・絶縁膜、９・・・・・・発光層膜
、ＩＯ・・・・・・電極膜（金属電極膜）。 ＩＯ！電極緩 第２図 ｉｐ力ｎ　’Ｉｌｌ　　（ｙ（ｍｓ〕 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　少なくとも一方が透明導電膜である一対の電極膜間に
   サンドイッチ状に挾まれた発光層膜と上記電極膜のうち
   少なくとも一方の電極膜との間に絶縁膜を介在させた薄
   膜エレクトロルミネセンス素子において、該絶縁膜に窒
   素を添加した五酸化タンタル絶縁膜を用いることを特徴
   とする薄膜エレクトロルミネセンス素子。