JPH027072B2 - - Google Patents

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JPH027072B2
JPH027072B2 JP55011362A JP1136280A JPH027072B2 JP H027072 B2 JPH027072 B2 JP H027072B2 JP 55011362 A JP55011362 A JP 55011362A JP 1136280 A JP1136280 A JP 1136280A JP H027072 B2 JPH027072 B2 JP H027072B2
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JP
Japan
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zns
light
layer
thin film
light emitting
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JP55011362A
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Japanese (ja)
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Takuro Yamashita
Toshio Inoguchi
Yoshinobu Kakihara
Masaru Yoshida
Koji Taniguchi
Koichi Tanaka
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Sharp Corp
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Sharp Corp
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は交流電界の印加に依つてEL(Electro
Luminescence)発光を呈する薄膜発光素子(薄
膜EL素子)の構造に関し、特に複数の発光層を
積層して混色発光を得る薄膜発光素子に関するも
のである。 従来、交流動作の薄膜EL素子に関して、発光
層に規則的に高い電界(106V/cm)を印加し、
絶縁耐圧、発光効率及び動作の安定性等を高める
ために、0.1〜2.0wt%のMn(あるいは、Cu、Al、
Br等)をドープしたZnS、ZnSe等の半導体発光
層をY2O3、TiO2等の誘電体薄膜でサンドイツチ
した三層構造ZnS:Mn(又はZnSe:Mn)EL素
子が開発され、発光諸特性の向上が確かめられて
いる。この薄膜EL素子は数KHzの交流電界印加
によつて高輝度発光し、しかも長寿命であるとい
う特徴を有している。またこの薄膜EL素子の発
光に関しては印加電圧を昇圧していく過程と高電
圧側より降圧していく過程で、同じ印加電圧に対
して発光輝度が異なるといつたヒステリシス特性
を有していることが発見され、そしてこのヒステ
リシス特性を有する薄膜EL素子に印加電圧を昇
圧する過程に於いて、光、電界、熱等が付与され
ると薄膜EL素子はその強度に対応した発光輝度
の状態に励起され、光、電界、熱等を除去して元
の状態に戻しても発光輝度は高くなつた状態で維
持される、いわゆるメモリー現象が表示技術の新
たな利用分野を開拓するに到つた。 薄膜EL素子の1例としてZnS:Mn薄膜EL素
子の基本的構造を第1図に示す。 添附図面に基いて薄膜EL素子の構造を具体的
に説明すると、ガラス基板1上にln2O3、SnO2
の透明電極2、さらにその上に積層してY2O3
TiO2、Al2O3、Si3N4、SiO2等からなる第1の誘
電体層3がスパツタあるいは電子ビーム蒸着法等
により重畳形成されている。第1の誘電体層3上
にはZnS:Mn焼結ペレツトを電子ビーム蒸着す
ることにより得られるZnS発光層4が形成されて
いる。この時蒸着用のZnS:Mn焼結ペレツトに
は活性物質となるMnが目的に応じた濃度に設定
されたペレツトが使用される。ZnS発光層4上に
は誘電体層3と同様の材質から成る第2の誘電体
層5が積層され、更にその上にAl等から成る背
面電極6が蒸着形成されている。透明電極2と背
面電極6は交流電源7に接続され、薄膜EL素子
が駆動される。 電極2,6間にAC電圧を印加すると、ZnS発
光層4の両側の誘電体層3,5間に上記AC電圧
が誘起されることになり、従つてZnS発光層4内
に発生した電界によつて伝導帯に励起されかつ加
速されて充分なエネルギーを得た電子が、直接
Mn発光センターを励起し、励起されたMn発光
センターが基底状態に戻る際に黄橙色の発光を行
なう。即ち高電界で加速された電子がZnS発光層
4中の発光センターであるZnサイトに入つたMn
原子の電子を励起し、基底状態に落ちる時、略々
5850Åをピークに幅広い波長領域で、強い発光を
呈する。活性物質としてMn以外に希土類の弗化
物を用いた場合にはこの希土類に特有の緑色その
他の発光色が得られる。 上記の如き構造を有する薄膜EL素子はスペー
ス・フアクタの利点を生かした平面薄型デイスプ
レイ・デバイスとして、文字及び図形を含むコン
ピユータの出力表示端末機器その他種々の表示装
置に文字、記号、静止画像、動画像等の表示手段
として利用することができる。平面薄型表示装置
としての薄膜ELパネルは従来のブラウン管
(CRT)と比較して動作電圧が低く、同じ平面型
デイスプレイ・デバイスであるブラズマデイスプ
レイパネル(PDP)と比較すれば重量や強度面
で優れており、液晶(LCD)に比べて動作可能
温度範囲が広く、応答速度が速い等多くの利点を
有している。また純固体マトリツクス型パネルと
して使用できるため動作寿命が長く、そのアドレ
スの正確さとともにコンピユータ等の入出力表示
手段として非常に有効なものである。 薄膜発光素子の発光色に関しては、ZnS、
ZnSe等の発光母体材料中に発光中心としてMnを
添加した場合は上述した如く黄橙色、TbF3を添
加した場合は緑色、TmF3を添加した場合は青色
のEL発光が得られることがすでに確かめられて
いる。 ところで、近年実用上の見地からは視感的に白
色に近いものが要求されている。白色発光薄膜
EL素子の開発により、表示品質の良い白黒表示
の平面薄型デイスプレイ(例えば、各種OA機器
及び計測機器等のデイスプレイ或は白黒表示壁掛
テレビなど)の実現が可能となる。 本発明は異なる発光色を有する発光層を積層
し、種々の色温度の白色発光を呈する薄膜発光素
子を提供することを目的とするものである。 第2図は本発明の1実施例を示す薄膜発光素子
の素子構成図である。図中第1図と同一符号は同
一内容を示し説明を省略する。 発光層はZnSにMnをドープした第1層4a、
ZnSにTbF3をドープした第2層4b、ZnSに
TmF3をドープした第3層4cの3層構造積層体
で構成される。 第3図は第2図の実施例を説明するCIE色度図
に色温度をプロツトしたものである。図中Aは第
1層4aを構成するZnS:Mn層、Bは第2層4
bを構成するZnS:TbF3層、Cは第3層4cを
構成するZnS:TmF3層の発光色度位置である。 ここで、第3図中の色度位置がaである薄膜発
光素子は第1層4a:第2層4b:第3層4cで
表される発光輝度比が20:10:1である。この白
色発光薄膜EL素子について、膜厚比及び不純物
濃度別に具体的な調整法を詳細に説明するが、本
発明はこれに限定されるものではない。 膜厚比による調整 第4図a〜cは発光センター濃度を最適にし
た場合の発光層の膜厚と発光輝度の関係を示す
ものであり、同図aはZnS:Mnの、同図bは
ZnS:TbF3の、同図cはZnS:TmF3の関係を
示す。これらの図から明らかなように膜厚と発
光輝度はほぼ比例関係にあり、膜厚を8000Åと
した場合の各層の発光輝度は、 ZnS:Mn 約2700cd/m2 ZnS:TbF3 約 600cd/m2 ZnS:TmF3 約 6cd/m2 となる。 したがつて、第3図での色度位置a、即ち第
1層4a:第2層4b:第3層4cで示される
発光輝度比が20:10:1である白色発光を実現
するためには次のような膜厚設計となる。
The present invention uses EL (Electro
The present invention relates to the structure of a thin film light emitting device (thin film EL device) that emits light (luminescence), and particularly relates to a thin film light emitting device that obtains mixed color light emission by laminating a plurality of light emitting layers. Conventionally, for AC-operated thin film EL devices, a high electric field (10 6 V/cm) is regularly applied to the light emitting layer.
In order to improve dielectric strength, luminous efficiency, and operation stability, 0.1 to 2.0 wt% of Mn (or Cu, Al,
A three-layer structure ZnS:Mn (or ZnSe:Mn) EL device was developed, in which a semiconductor light-emitting layer such as ZnS or ZnSe doped with Br, etc. was sandwiched with a dielectric thin film such as Y 2 O 3 or TiO 2 , and the light emitting properties were improved. It has been confirmed that the characteristics have improved. This thin film EL element emits high-intensity light when an alternating current electric field of several KHz is applied, and has a long lifespan. Furthermore, regarding the light emission of this thin film EL element, it has a hysteresis characteristic in which the light emission brightness differs for the same applied voltage in the process of increasing the applied voltage and in the process of decreasing the voltage from the high voltage side. was discovered, and in the process of increasing the applied voltage to a thin film EL element with this hysteresis characteristic, when light, electric field, heat, etc. are applied, the thin film EL element is excited to a state of luminance corresponding to the intensity. The so-called memory phenomenon, in which the luminance remains high even after light, electric field, heat, etc. are removed and the display returns to its original state, has opened up a new field of application for display technology. As an example of a thin film EL device, the basic structure of a ZnS:Mn thin film EL device is shown in FIG. The structure of the thin film EL device will be explained in detail based on the attached drawings. A transparent electrode 2 made of ln 2 O 3 , SnO 2 , etc. is placed on a glass substrate 1, and Y 2 O 3 , etc. is laminated thereon.
A first dielectric layer 3 made of TiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2 or the like is formed in an overlapping manner by sputtering or electron beam evaporation. A ZnS light emitting layer 4 is formed on the first dielectric layer 3 by electron beam evaporation of ZnS:Mn sintered pellets. At this time, the ZnS:Mn sintered pellets used for deposition are pellets in which the concentration of Mn, which is an active substance, is set to suit the purpose. A second dielectric layer 5 made of the same material as the dielectric layer 3 is laminated on the ZnS light emitting layer 4, and a back electrode 6 made of Al or the like is further deposited thereon. The transparent electrode 2 and the back electrode 6 are connected to an AC power source 7, and the thin film EL element is driven. When an AC voltage is applied between the electrodes 2 and 6, the above AC voltage is induced between the dielectric layers 3 and 5 on both sides of the ZnS luminescent layer 4, and therefore the electric field generated within the ZnS luminescent layer 4 Therefore, electrons that are excited and accelerated into the conduction band and have obtained sufficient energy can directly
The Mn luminescence center is excited, and when the excited Mn luminescence center returns to the ground state, it emits yellow-orange light. In other words, electrons accelerated by a high electric field enter the Zn site, which is the luminescent center in the ZnS luminescent layer 4.
When an atom's electrons are excited and fall to the ground state, approximately
It emits strong light in a wide wavelength range with a peak of 5850 Å. When a rare earth fluoride other than Mn is used as an active substance, green and other luminescent colors characteristic of this rare earth element can be obtained. The thin film EL element having the structure described above can be used as a flat thin display device that takes advantage of the space factor to display characters, symbols, still images, moving images, etc. on computer output display terminal equipment and various other display devices that contain characters and figures. It can be used as a means of displaying images, etc. Thin-film EL panels as flat flat display devices have a lower operating voltage than conventional cathode ray tubes (CRTs), and are superior in terms of weight and strength compared to plasma display panels (PDPs), which are the same flat display devices. It has many advantages over liquid crystals (LCDs), such as a wider operating temperature range and faster response speed. Furthermore, since it can be used as a pure solid matrix type panel, it has a long operating life, and its address accuracy makes it very effective as an input/output display means for computers and the like. Regarding the emission color of thin film light emitting devices, ZnS,
It has already been confirmed that when Mn is added as a luminescent center in a luminescent host material such as ZnSe, yellow-orange EL emission is obtained as mentioned above, when TbF 3 is added, green EL emission, and when TmF 3 is added, blue EL emission is obtained. It is being Incidentally, in recent years, from a practical standpoint, there has been a demand for something visually close to white. white light emitting thin film
The development of EL elements has made it possible to realize flat thin displays with black and white displays of good display quality (for example, displays for various office automation equipment and measuring instruments, black and white wall-mounted TVs, etc.). An object of the present invention is to provide a thin-film light-emitting element that emits white light at various color temperatures by stacking light-emitting layers having different emission colors. FIG. 2 is an element configuration diagram of a thin film light emitting element showing one embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same contents, and the explanation will be omitted. The light emitting layer is a first layer 4a of ZnS doped with Mn,
Second layer 4b of ZnS doped with TbF 3 , ZnS
It is composed of a three-layer stacked structure including a third layer 4c doped with TmF 3 . FIG. 3 is a CIE chromaticity diagram illustrating the embodiment of FIG. 2, in which color temperature is plotted. In the figure, A is the ZnS:Mn layer that constitutes the first layer 4a, and B is the second layer 4.
b is the three ZnS:TbF layers forming the third layer 4c, and C is the emission chromaticity position of the three ZnS:TmF layers forming the third layer 4c. Here, in the thin film light emitting element whose chromaticity position is a in FIG. 3, the luminance ratio expressed by the first layer 4a:second layer 4b:third layer 4c is 20:10:1. Regarding this white light emitting thin film EL element, specific adjustment methods will be explained in detail for each film thickness ratio and impurity concentration, but the present invention is not limited thereto. Adjustment by film thickness ratio Figures 4a to 4c show the relationship between the film thickness of the luminescent layer and the luminance when the luminescent center concentration is optimized.
Figure c shows the relationship between ZnS:TbF 3 and ZnS:TmF 3 . As is clear from these figures, there is a nearly proportional relationship between film thickness and luminance, and when the film thickness is 8000 Å, the luminance of each layer is: ZnS:Mn approximately 2700cd/m 2 ZnS:TbF 3 approximately 600cd/m 2 ZnS: TmF 3 is approximately 6 cd/m 2 . Therefore, in order to realize white light emission at chromaticity position a in FIG. 3, that is, the luminance ratio of the first layer 4a:second layer 4b:third layer 4c is 20:10:1. The film thickness design is as follows.

【表】 不純物濃度による調整 第5図a〜cは発光センターとなる不純物の
濃度と発光輝度の関係を示すものであり、同図
aはZnS:Mnの、同図bはZnS:TbF3の、同
図cはZnS:TmF3の関係を示す。この時、
ZnS:TmF3は最も発光輝度が低いため、予め
他の二層より膜厚を厚く設定する必要があり、
ここではZnS:TmF3を8000Åに、ZnS:Mn及
びZnS:TbF3をそれぞれ1000Åに設定した。 最も発光輝度の低いZnS:TmF3の不純物濃
度を最適濃度に選ぶのが、この場合好ましく、
第5図cよりTmF3濃度は約2mol%が最適で
あり、この時6cd/m2の輝度を有する青色発光
が得られる。 したがつて、第3図での色度位置a、即ち第
1層4a:第2層4b:第3層4cで示される
発光輝度比が20:10:1である白色発光を実現
するために、ZnS:Mn、及びZnS:TbF3の発
光輝度は120cd/m2、及び60cd/m2である必要
があり、不純物濃度設計は次のようになる。
[Table] Adjustment by impurity concentration Figures 5a to 5c show the relationship between the concentration of impurities that serve as luminescence centers and luminescence brightness . , Figure c shows the relationship between ZnS:TmF 3 . At this time,
ZnS:TmF 3 has the lowest luminance, so it is necessary to set the film thickness thicker than the other two layers in advance.
Here, ZnS:TmF 3 was set to 8000 Å, and ZnS:Mn and ZnS:TbF 3 were each set to 1000 Å. In this case, it is preferable to select the impurity concentration of ZnS:TmF 3 , which has the lowest luminance, as the optimum concentration.
From FIG. 5c, the optimal TmF 3 concentration is about 2 mol %, at which time blue light emission with a brightness of 6 cd/m 2 can be obtained. Therefore, in order to realize white light emission at chromaticity position a in FIG. 3, that is, the luminance ratio of the first layer 4a:second layer 4b:third layer 4c is 20:10:1. , ZnS:Mn, and ZnS:TbF 3 need to have luminances of 120 cd/m 2 and 60 cd/m 2 , and the impurity concentration design is as follows.

【表】 3種類の発光層4a,4b,4cの膜厚比、濃
度等を変化させることにより各発光層での発光輝
度比を調整することができ、第3図に示すA,
B,Cの3点を結ぶ三角形に囲まれた範囲で任意
の色度の発光色が得られることになる。各層の輝
度比と得られる発光色の色度を下表に示す。
[Table] By changing the film thickness ratio, concentration, etc. of the three types of light emitting layers 4a, 4b, 4c, the luminance brightness ratio of each light emitting layer can be adjusted.
Emission colors of arbitrary chromaticity can be obtained within the range surrounded by the triangle connecting the three points B and C. The brightness ratio of each layer and the chromaticity of the resulting luminescent color are shown in the table below.

【表】 本発明による薄膜発光素子は発光効率の最も低
いZnS:TmF3層の発光輝度が低くなつても他の
2層の発光輝度をZnS:TmF3層の発光輝度に適
合させることにより容易に白色領域の発光色が得
られ、しかも色温度の制御が自在に可能である。 また、ZnS:Mn層、ZnS:TbF3層、及び
ZnS:TmF3層と発光効率の高いものから順に積
層することにより、積層の上層ほど結晶性がよく
なつて発光効率の低い材料でも明るくなるという
ZnS膜の特性を活かすことが可能となる。
[Table] In the thin film light emitting device according to the present invention, even if the luminance of the ZnS:TmF 3 layer, which has the lowest luminous efficiency, becomes low, it is easy to adjust the luminance of the other two layers to the luminance of the ZnS:TmF 3 layer. Emission colors in the white range can be obtained, and the color temperature can be freely controlled. In addition, ZnS:Mn layer, ZnS:TbF 3 layer, and
By stacking ZnS:TmF three layers in order of luminance efficiency, the higher the layer, the better the crystallinity, making even materials with low luminance efficiency brighter.
This makes it possible to take advantage of the characteristics of ZnS films.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の薄膜発光素子の基本的構造を示
す構成図である。第2図は本発明の1実施例を示
す薄膜発光素子の構成図である。第3図は第2図
の実施例を説明するCIE色度図である。第4図a
〜cは発光層の膜厚と発光輝度の関係を示す図、
第5図a〜cは発光層の不純物濃度と発光輝度の
関係を示す図である。 4a……第1発光層、4b……第2発光層、4
c……第3発光層。
FIG. 1 is a block diagram showing the basic structure of a conventional thin film light emitting device. FIG. 2 is a configuration diagram of a thin film light emitting device showing one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a CIE chromaticity diagram illustrating the embodiment of FIG. 2. Figure 4a
~c is a diagram showing the relationship between the film thickness of the light emitting layer and the luminance,
FIGS. 5a to 5c are diagrams showing the relationship between the impurity concentration of the light emitting layer and the luminance. 4a...first light emitting layer, 4b...second light emitting layer, 4
c...Third light emitting layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ZnSを発光層とする薄膜発光素子であつて、
黄橙色のEL発光を得る不純物がドープされた第
1の発光層と、緑色のEL発光を得る不純物がド
ープされた第2の発光層と、青色のEL発光を得
る不純物がドープされた第3の発光層との三層構
造を上下一対の電極間に順次積層して成り、前記
各発光層より生起される発光輝度比の調整された
EL発光の混合色が色度図中のほぼ白色領域に位
置していることを特徴とする薄膜発光素子。
1 A thin film light-emitting device using ZnS as a light-emitting layer,
A first light-emitting layer doped with an impurity that produces yellow-orange EL light, a second light-emitting layer doped with an impurity that produces green EL light, and a third light-emitting layer doped with an impurity that produces blue EL light. A three-layer structure with a light-emitting layer of
A thin film light emitting device characterized in that the mixed color of EL light is located in a substantially white region on a chromaticity diagram.
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