JPH0325916B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、平面薄型デイスプレイ・デバイスと
して文字、記号及び図形等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、記号及び図形等の静止画像や動画像の表示手
段として利用される薄膜EL素子に関し、詳しく
はコントラストを向上させた薄膜EL素子に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の薄膜EL素子としては、第７図
ａ及びｂに示すものが紹介されており、同図にお
いて、１はガラス基板、２はIn₂O₃、SnO₂等から
なる透明電極、３はY₂O₃、Si₃N₄、Ta₂O₅等から
なる第１誘電体層、４は発光中心として0.1〜
2.0wt％Mn（又はTb、Sm、Cu、Al、Br等）をド
ープしたZnS（又はZnSe等）のEL発光層、５は
Y₂O₃、Si₃N₄、Ta₂O₅等からなる第２誘電体層、
６はAl等からなる背面電極、７はV₂O₃、BC₄等
からなる光吸収層、及び８はAl低級酸化物とAl
との多層膜からなる複合電極である。ここで、透
明電極２はガラス基板１上に複数帯状に平行配列
され、背面電極６と複合電極８は透明電極２と直
交する方向に複数帯状に平行配列されており、透
明電極２と背面電極６又は複合電極８とが平面図
的に見て交叉した位置がパネルの１絵素に相当す
る。そして、両電極２，６（又は８）間にAC電
圧を印加することにより、EL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
れて十分なエネルギーを得た電子が、直接Mn発
光中心を励起し、この励起されたMn発光中心が
基底状態に戻る際に橙黄色の発光を呈する。その
際、光吸収層７は、ガラス基板１側から入射した
外部光を吸収して、EL素子のコントラストを高
くすることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、第７図ａによる薄膜EL素子は、印加
電圧に対する発光輝度の立ち上りがゆるやかであ
り、発光輝度を高くするためには、印加電圧を相
当高くしなければならず、高電圧の印加に伴つて
絶縁破壊を起こしやすい欠点があつた。ここで、
印加電圧に対する発光輝度の立ち上りを急峻にす
るために、第７図ａに示す光吸収層７と第２誘電
体層５とを逆にして形成、すなわちEL発光層４
上に、第２誘電体層５を積層し、次に光吸収層７
を積層することも考えられる。ところが、前述し
たV₂O₃、BC₄等からなる従来の光吸収層は光吸
収効果が十分でないと共に、比抵抗が比較的小さ
い。そこで、光吸収量を多くするために、このよ
うな小さい比抵抗の光吸収層の膜厚を大きくした
場合、マトリツクス型の薄膜EL素子においては
クロストークが発生する欠点があつた。また、前
述した第７図ｂに示す薄膜EL素子においては、
単に背面電極をAlで形成したときよりも光吸収
効果はあるが、前述した同図ａの薄膜EL素子と
比較してコントラストは劣化することを余儀なく
される。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、コントラストを向上させ、印加
電圧−発光輝度特性を良好に維持し、クロストー
クを防止した薄膜EL素子を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

前述した目的を達成するために、本発明は、光
吸収層が、ゲルマニウムに酸素と窒素を含有して
いる層であることを特徴とする薄膜EL素子であ
る。

そして、本発明の実施態様としては、光吸収層
中の酸素と窒素の一方又は両方が実質的に均一に
分布していること、光吸収層中の酸素と窒素の一
方又は両方がEL発光層側から背面電極側に向つ
て連続的又は段階的に減少していること、EL発
光層上に誘電体層と、光吸収層と、誘電体層又は
半導体層と、背面電極とを順次積層したこと、及
びEL発光層上に誘電体層と、光吸収層と、背面
電極とを順次積層したことをそれぞれ特徴とする
薄膜EL素子である。

以下、本発明の実施例を図に基づき詳細に説明
する。

実施例 １ 本実施例を第１図に基づいて詳述する。

先ず、アルミノシリケートガラス（例えば、
HOYA(株)製のNA40）からなる透光性基板１の観
測表面９と対向する表面１０上に、スズ酸化物を
混入した酸化インジウムからなる透明導電膜（膜
厚：2000Å）を真空蒸着法により成膜した後、こ
の透明導電膜を、フオトリソ法によりエツチング
液として、塩酸と塩化第２鉄の混合溶液を用いて
複数帯状（第１図において左右方向）に配列し、
透明電極２を形成した。次に、金属タンタルをス
パツタターゲツトとして、酸素ガスを30％混入し
たArガス（分圧：６×10^-1Pa）のスパツタ装置
に導入し、高周波出力9W／cm²で反応性スパツタ
を行い、Ta₂O₅からなる第１誘電体層３（膜厚：
3000Å）を成膜した。次に、前記第１誘電体層３
上に、活性物質として0.5重量％のMnを添加した
ZnS：Mn焼結ペレツトを蒸着源として真空蒸着
法によりZnS：MnからなるEL発光層４（膜厚：
6000Å）を成膜し、次に前記第１誘電体層３と同
様に反応性スパツタリング法によりTa₂O₅からな
る第２誘電体層５（膜厚：3000Å）を成膜した。
次に、ゲルマニウムのスパツタターゲツトを用い
て、酸素ガス３％と窒素ガス30％を混入したAr
ガス（分圧：６×10^-1Pa）のスパツタ装置に導
入し、高周波出力6W／cm²にて反応性スパツタを
行い、ゲルマニウムに酸素と窒素を実質的に均一
に含有してなる光吸収層１１（膜厚：2000Å、比
抵抗：10⁵Ω・cm、成膜速度：120Å／分）を前記
第２誘電体層５上に積層した。次に、前述した第
１、第２誘電体層３，５と同様に反応性スパツタ
リング法によりTa₂O₅からなる第３誘電体層１２
（膜厚：1000Å）を成膜した。そして、この第３
誘電体層１２上に、Al膜（膜厚：3000Å）を真
空蒸着法により成膜した後、このAl膜を、フオ
トリソ法によりエツチング液として硝酸とリン酸
の混合溶液を用いて、複数帯状（第１図において
紙面垂直方向）に配列して背面電極６を形成し
た。したがつて、透明電極２と背面電極６とは、
従来と同様に互いに直交するように複数帯状に配
列している。

このようにして製作した本実施例の薄膜EL素
子は、透明電極２と背面電極６との間に交流電圧
（周波数100Hzの正弦液）を印加することにより、
ピーク波長580nｍで橙黄色に発光し、そのとき
の発光輝度は100cd／m²であつた。

以上、本実施例によれば、透光性基板１側から
入射した外部光は、光吸収層１１によりほとんど
吸収されて、背面電極６への到達が防止され、一
部到達して背面電極６から反射した戻り光があつ
ても、この光吸収層１１により同様に吸収され
る。その結果、透光性基板１から入射した外部光
の強さと、観測表面９から観測した入射光の戻り
光の強さとの比、すなわち透光性基板１の観測表
面９側の反射率特性は、第４図の曲線Ａに示すよ
うに低く、可視光領域（波長400〜700nｍ）にお
ける平均反射率は約９％であり、コントラストの
良好な薄膜EL素子が得られた。

第５図ａ及びｂは、それぞれArガス中の窒素
ガス混入率30％を一定にし、酸素ガス混入率を変
化した場合及びArガス中の酸素ガス混入率３％
を一定化にし、窒素ガス混入率を変化した場合に
おける、光吸収層１１の光学定数（ｎ：屈曲率、
Ｋ：消衰係数）を波長600nｍにおいて測定した
特性図である。ここで、第５図から言えること
は、反応性スパツタリング法において酸素ガスま
たは窒素ガスの混入率が高くなれば、膜中に含ま
れる酸素または窒素の含有量が増え、その結果、
特性が変化しているのであろうということであ
る。

なお、光吸収層の構造は、はつきりしたことは
言えないが、全てのゲルマニウムに酸素と窒素が
化学量論的に結合しているものではなく、不完全
な結合となつているようである。本実施例の光吸
収層１１の屈折率ｎ及び消衰係数Ｋは、酸素ガス
３％と窒素ガス30％の混入率であることから、波
長600nｍにおいてｎ＝3.2及びＫ＝0.4であり、第
２誘電体層５と光吸収層１１との界面における反
射率を後述する式(1)に準じて計算すると4.0％で
ある。なお、第２誘電体層５と光吸収層１１との
界面における反射を低減するために、本実施例の
光吸収層１１の可視光領域における平均屈折率ｎ
及び平均消衰係数ｋは、第２誘電体層５のTa₂O₅
やその他HfO₂、Si₃N₄及びY₂O₃等の誘電体の屈
折率が２前後であることから、ｎ≦４、ｋ≦１で
あることが望ましい。光吸収層１１の光学定数
は、薄膜EL素子の反射率特性が良好になるよう
に、前述した窒素ガス及び酸素ガスの各混入率と
成膜速度を適宜選定して設定される。

また、本実施例によれば、EL発光層４と光吸
収層１１との間に第２誘電体層５を設けているの
で、第６図の印加電圧−発光輝度特性図において
曲線Ｅで示すように（比較例として前述の第７図
ａで示した薄膜EL素子の特性を曲線Ｄで示す。）
発光輝度の立ち上りが急峻となり、かつ前述した
発光輝度100cd／m²を得るための印加電圧も低く
抑えることができ、絶縁破壊をも防止することが
できる。さらに、光吸収層１１の比抵抗は、光吸
収効果を得る膜厚（数百Å以上）のもとでは、一
般的に10³Ω・cm以上であれば、クロストークの
防止効果を奏する。したがつて、本実施例の光吸
収層１１の膜厚が2000Åであり、かつその比抵抗
が10⁵Ω・cmであることから、クロストークも十
分に防止することができる。さらに、本実施例の
光吸収層はゲルマニウムに酸素と窒素を含有させ
たことで耐薬品性に優れ、電界中における計時変
化が極めて少なく安定している。

光吸収層１１と背面電極６との間に挿入した第
３誘電体層１２（Ta₂O₅）は、背面電極６（Al）
を形成する湿式エツチング液である硝酸酸性液に
よつて、光吸収層１１が侵されることを防止する
のみならず、薄膜EL素子の絶縁破壊を防止する
上でも有効である。第２誘電体層５の膜厚を小さ
くして（例：3000Å→1000Å）、第３誘電体層１
２の膜厚を大きくしても（例：1000Å→3000Å）、
印加電圧−発光輝度特性及びコントラスト比は、
基本的には本実施例と同様である。第３誘電体層
１２の代わりにSi、SiC等の半導体層を使用して
も、本実施例と同様な効果を奏し、この半導体層
の比抵抗もクロストークを防止する上で、10³
Ω・cm以上であることが望ましい。

一方、本実施例の製造方法は、スパツタリング
法によつて、前記光吸収層１１を成膜しているの
で、膜質を緻密にし、かつ経時変化も抑えること
ができる。

実施例 ２ 本実施例を第２図に基づいて詳述する。

先ず、前述した透光性基板１の観測表面９と対
向する表面１０上に透明電極２、第１誘電体層
３、EL発光層４及び第２誘電体層５を前記実施
例１と同様に順次積層する。次に、ゲルマニウム
のスパツタターゲツトを用いて、酸素ガス10％と
窒素ガス30％を混入したArガス（分圧：６×
10^-1Pa）をスパツタ装置に導入し、高周波出力
6W／cm²にて反応性スパツタを行い、ゲルマニウ
ムに酸素と窒素を実質的に均一に含有してなる第
１光吸収層１３（膜厚：300Å、比抵抗：10⁶Ω・
cm、成膜速度110Å／分）を成膜し、引き続き、
酸素ガス３％と窒素ガス30％を混入したArガス
（分圧：６×10^-1Pa）をスパツタ装置内に導入
し、高周波出力6W／cm²にて反応性スパツタを行
い、ゲルマニウムに酸素（第１光吸収層中の酸素
と比較して少量である。）と窒素を実質的に均一
に含有してなる第２光吸収層１４（膜厚：1000
Å、比抵抗：10⁵Ω・cm、成膜速度125Å／分）を
成膜し、更に引き続いて、酸素ガスを排除して、
窒素ガス30％を混入したArガス（分圧：６×
10^-1Pa）をスパツタ装置内に導入し、高周波出
力6W／cm²にて反応性スパツタを行い、ゲルマニ
ウムに窒素を実質的に均一に含有してなる第３光
吸収層１５（膜厚：500Å、比抵抗：10⁴Ω・cm、
成膜速度125Å／分）を成膜する。したがつて、
前記第１光吸収層１３と前記第２光吸収層１４と
前記第３光吸収層１５とからなる光吸収層１６
は、後記する背面電極６側に向つて窒素の含有を
実質的に一定にし、酸素の含有を段階的に酸素含
有率を減少させている。

次に、第３誘電体層１２及び背面電極６を前記
実施例１と同様に成膜し形成した。

このようにして製作した本実施例の薄膜EL素
子は、前記実施例１と同様に電圧印加して、ピー
ク波長580nｍで橙黄色に発光し、通常の動作条
件で容易に100cd／m²の輝度が得られた。

本実施例によれば、透光性基板１の観測表面９
側の反射率特性は、第４図の曲線Ｂに示すように
低く、可視光領域における平均反射率は約８％で
あり、コントラストの良好な薄膜EL素子が得ら
れた。

このように本実施例の薄膜EL素子の平均反射
率が低いのは、第２誘電体層５の屈折率がn₅＝
2.2であり、第１光吸収層１３の光学定数が第５
図ａに示すとおり、屈折率n₁₃＝2.6、消衰係数
K₁₃＝0.2であることから、第２誘電体層５と第１
光吸収層１３との界面での反射率R_5・13は、次の
式(1)によりR_5・13＝0.9％となり、また、第１光
吸収層１３と第２光吸収層１４（n₁₄＝3.2、K₁₄
＝0.4）との界面の反射率R_13・14及び第２光吸収
層１４と第３光吸収層１５（n₁₅＝3.5、K₁₅＝0.6）
との界面の反射率R_14．15はそれぞれ、式(1)に準
じて近似計算すると、R_13・14≒1.5％及びR_14．15
≒1.0％となり、かつ、第１光吸収層１３（Ｋ＝
0.2）、第２光吸収層１４（Ｋ＝0.4）及び第３光
吸収層１５（Ｋ＝0.6）と消衰係数を段階的に増
大していることから、第１光吸収層１３内に入り
込んだ光がその第１光吸収層１３、更に第２光吸
収層１４及び第３光吸収層１５において有効に光
吸収されているからである。

R_5・13＝〔（n₅−n₁₃）² ＋k₁₃ ²〕／〔（n₅＋n₁₃）²＋K₁₃ ²〕 ……(1) 本実施例による印加電圧−発光輝度特性は、第
６図の曲線Ｆで示すように実施例１による曲線Ｅ
と同様、発光輝度の立ち上りが急峻となり、かつ
発光輝度100cd／m²を得るための印加電圧も低く
抑えることができ、絶縁破壊も十分防止すること
ができる。さらに、本実施例の光吸収層１６を構
成する第１光吸収層１３、第２光吸収層１４及び
第３光吸収層１５が十分に光吸収している比較的
薄い膜厚（それぞれ300Å、1000Å及び500Å）で
あり、かつそれぞれの比抵抗が約10³Ω・cmであ
る10⁶Ω・cm、10⁵Ω・cm及び10⁴Ω・cmであるこ
とから、クロストークも十分に防止することがで
きる。なお、光吸収層１６の表面抵抗は4.5×10⁹
Ω／□である。

その他、本発明の効果については、前記実施例
１のものと同様である。

実施例 ３ 本実施例を第３図に基づいて詳述する。

先ず、透光性基板１の観測表面９と対向する表
面１０上に透明電極２、第１誘電体層３、EL発
光層４及び第２誘電体層５を前記実施例１と同様
に順次積層する。次に、ゲルマニウムのスパツタ
ターゲツトを用い、流量制御装置を通して、最初
は、酸素ガス３％と、窒素ガス50％を混入した
Arガス（分圧：６×10^-1Pa）をスパツタ装置内
に導入し、高周波出力6W／cm²にて反応性スパツ
タを行い、ゲルマニウムに酸素と窒素を含有して
なる光吸収層１７を前記第２誘電体層５上に成膜
し始める。この光吸収層１７は、成膜開始と同時
に酸素ガスの混入率３％を一定に維持しながら、
窒素ガスの混入率を流量制御装置により徐々に下
げ、Arガスに対する窒素ガスの混入率を50％→
25％にし、ゲルマニウム中の窒素含有率の割合を
連続的にEL発光層４から後記する背面電極６側
の膜厚方向に沿つて減少させて成膜した（膜厚：
2000Å、比抵抗：約10⁷Ω・cm〜10⁴Ω・cm）。な
お、成膜速度は100Å／分→125Å／分に徐々に変
化させた。次に、前記光吸収層１７上に、前記実
施例１と同様にして背面電極６（膜厚：3000Å）
を積層し形成した。なお、本実施例においては、
前記実施例１、２と異なり、硝酸酸性に対して耐
酸性の第３誘電体層を光吸収層１７上に積層して
いないことから、背面電極６（Al）のストライ
プ化は、湿式エツチングにおいてKOH等のアル
カリ性溶液を使用することになる。

以上、本実施例によれば、窒素ガス混入率を変
化させると、前述した第５図で示すように、光吸
収層１７の屈折率n₁₇及び消衰係数K₁₇がそれぞ
れ、n₁₇＝2.5〜3.5及びK₁₇＝0.2〜0.6と連続的に増
大する。したがつて、第２誘電体層５（屈折率n₅
＝2.2）と光吸収層１７との界面での反射率は前
記実施例１及び２よりも小さくなり、かつ光吸収
層１７の屈折率n₁₇が連続的に変化していること
から、前記実施例２のような第１光吸収層１３と
第２光吸収層１４との界面等での反射が存在しな
いために、前記実施例２よりもコントラスト比が
一層向上する。また、第４図の曲線Ｃで示すよう
に可視光領域における平均反射率を約６％まで低
くすることができる。

また、本実施例によれば、前記実施例１及び２
と同様に、第６図の曲線Ｇで示すように、印加電
圧−発光輝度特性も良好で、クロストークも防止
することができる。なお、本実施例も光吸収層の
比抵抗が約10³Ω・cm以上であればよい。そして、
本実施例もスパツタリング法によつて光吸収層１
７を成膜しているので前記実施例１及び２と同様
の効果を奏する。

以上、実施例１、２及び３について詳述した
が、本発明はこれ等の実施例の材料、膜厚及び成
膜方法に限定されない。先ず、光吸収層について
は、酸素ガスの混入率を一定にして、窒素ガスの
混入率を段階的に減少しながら成膜し、若しくは
窒素ガスの混入率を一定にして、酸素ガスの混入
率を連続的に減少しながら成膜することにより、
それぞれ光吸収層中の窒素含有率をEL発光層側
から背面電極側に向つて段階的に減少し、又は酸
素と窒素の各含有率を共に段階的若しくは連続的
に減少してもよい。光吸収層形成のスパツタリン
グ法においてArガスの代わりにne、Kr、Xe等の
不活性ガスを使用してもよい。光吸収層の膜厚に
ついては酸素と窒素を含有するゲルマニウムの光
学定数と比抵抗及び製造工程を考慮して500〜
5000Åが望ましい。成膜方法についてはスパツタ
リング法の代わりに、活性化反応蒸着法、イオン
プレーテイング法及びCVD法等を使用してもよ
い。透光性基板についてはソーダライムガラス等
の多成分系ガラス又は石英ガラスでもよく、透光
性基板の観測表面にMgF₂等の反射防止膜を被着
してもよい。透明電極についてはIn₂O₃若しくは
これにＷを添加したもの又はSnO₂にSb、Ｆ等を
添加したものであつてもよい。第１、第２及び第
３誘電体層については、Al₂O₃、SrTiO₃、
BaTa₂O₆、Y₂O₃、HfO₂等の酸化物、Si₃N₄、シ
リコンオキシナイトライド又はこれらの複合物で
もよい。EL発光層については母材としてZnSe、
CaS又はSrS等、ドーパントとしてEu、Sm、
Tb、Tm等の希土類元素を使用してもよい。

さらに、背面電極については、Ta、Mo、Fe、
Ni、NiAl、NiCr等の金属を使用してもよい。透
明電極と背面電極のストライプ化手段として湿式
法の代わりに、CCl₄等のガスを主成分として用
いるドライエツチング法や、マスク蒸着法等を用
いて複数帯状に形成してもよい。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば、光吸収層がゲ
ルマニウムに酸素と窒素を含有している層である
ことから、コントラストを向上させることがで
き、印加電圧−発光輝度特性を良好に維持するこ
とができ、クロストークも防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図であ
る。第２図は本発明の他の実施例を示す断面図で
ある。第３図は本発明のもう一つの他の実施例を
示す断面図である。第４図は本発明の実施例によ
る反射率を示す特性図である。第５図ａ及びｂは
Arガス中の窒素ガス混入率を30％に一定にし、
酸素ガス混入率を変化した場合及びArガス中の
酸素ガス混入率を３％に一定にし、窒素ガス混入
率を変化した場合におけるそれぞれの光吸収層の
屈折率と消衰係数とを示す特性図である。第６図
は従来例と本発明の実施例による印加電圧−発光
輝度を示す特性図である。第７図ａ及びｂはそれ
ぞれ従来の薄膜EL素子を示す断面図である。 １……透光性基板、２……透明電極、３……第
１誘電体層、４……EL発光層、５……第２誘電
体層、６……背面電極、１１，１６，１７……光
吸収層、１２……第３誘電体層、１３……第１光
吸収層、１４……第２光吸収層、１５……第３光
吸収層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ EL発光層と、入射光を吸収する光吸収層と、
   誘電体層とを透明電極と背面電極との間に介在し
   てそれぞれ透光性基板上に積層し、両電極間に電
   圧印加することにより前記EL発光層からEL発光
   を呈する薄膜EL素子において、前記光吸収層が
   ゲルマニウムに酸素と窒素を含有している層であ
   ることを特徴とする薄膜EL素子。 ２ 光吸収層中の酸素の含有が実質的に均一に分
   布していることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の薄膜EL素子。 ３ 光吸収層中の窒素の含有が実質的に均一に分
   布していることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の薄膜EL素子。 ４ 光吸収層中の酸素と窒素の含有がそれぞれ実
   質的に均一に分布していることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の薄膜EL素子。 ５ 光吸収層中の酸素の含有がEL発光層側から
   背面電極側に向つて連続的又は段階的に減少して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の薄膜EL素子。 ６ 光吸収層中の酸素の含有がEL発光層側から
   背面電極側に向つて連続的又は段階的に減少して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の薄膜EL素子。 ７ 光吸収層中の窒素の含有がEL発光層側から
   背面電極側に向つて連続的又は段階的に減少して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ２項又は第５項記載の薄膜EL素子。 ８ EL発光層上に、誘電体層と、光吸収層と、
   誘電体層又は半導体層と、背面電極とを順次積層
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ２項、第３項、第４項、第５項、第６項又は第７
   項記載の薄膜EL素子。 ９ EL発光層上に、誘電体層と、光吸収層と、
   背面電極とを順次積層したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第
   ５項、第６項又は第７項記載の薄膜EL素子。