JPH04332493A - 電界発光素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界発光素子、すなわち
、エレクトロルミネッセンス発光素子（以下ＥＬ素子と
記す）に関するもので、フラットパネルディスプレー、
照明用光源や光演算素子等として利用できるものである
。

【従来の技術】現在開発が進んでいる薄膜ＥＬ素子の構
成図を図３に示す。ＥＬ素子の構成は、発光層３０４を
絶縁層３０３，４０５で挾んだ二重絶縁構造になってい
る。ＺｎＳ：Ｍｎを発光層に用いた二重絶縁構造ＥＬ素
子においては、最大１００００（ｃｄ／ｍ２）の発光輝
度が得られている。しかし、この二重絶縁構造のＥＬ素
子は駆動電圧が１００Ｖ〜２００Ｖという高さのため、
駆動回路が複雑となり、小型化が困難でかつコスト高に
なるという欠点を有している。そのために、低電圧駆動
、高輝度発光を実現するＥＬ素子の開発が望まれている
。

【０００２】特開昭５８−１７５２９３、６１−８８９
５、６３−８０４９９及び、ＪＪＡＰ　　Ｖｏｌ．２７
　　Ｎｏ．５　　Ｍａｙ　　１９８８　　ｐｐ．Ｌ８７
６−Ｌ８７９においては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｇａ
Ｐ、ＢａＴｉＯ３等の単結晶基板を用いて発光層をエピ
タキシャル的に成長させ、その発光層上に絶縁層を形成
した片側絶縁構造（ＭＩＳ構造）により低電圧化を実現
している。 また、ＡＰＣ　　Ｊｏｎｅｓ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ　　Ｓ
ｃｉ　　Ｔｅｃｈｎｏｌ．２（１９８７）６２１−６２
４，Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ　　Ｏｈｔａ（ＪＡＰＡＮ　　
ＤＩＳＰＬＡＹ’８３　　５６６−５６９）にはエピタ
キシャル成長層を発光層としたＥＬ素子を直流駆動する
ことにより低電圧化を実現している。ＥＬ発光素子の発
光層は通常、真空蒸着法、スパッタ法等で形成された多
結晶膜となっている。この場合、電界によって加速され
た電子がグレインバンダリーに衝突してしまい、加速電
子の効果的な発光中心への衝突が不可能となる。更に、
衝突励起された発光中心が基底状態に戻る過程で他の準
位に捕獲されてしまい発光効率の低下につながっている
。このため、多結晶膜を発光層としたＥＬ素子では、十
分な発光輝度を得るには高い印加電圧が必要となってく
る。

【０００３】また、多結晶膜を発光層としたＡＣ駆動Ｅ
Ｌ素子は、発光層に２ＭＶ／ｃｍ程度の電界が印加され
たときに発光が起こるが、二重絶縁構造のＥＬ素子の場
合には発光層以外の絶縁層に印加される電圧分も印加電
圧に加味される。よって、二重絶縁構造薄膜ＥＬ素子の
駆動電圧は１００Ｖ〜２００Ｖとかなり高くなっている
。特開昭５８−１７５２９３、６１−８８９５は上記Ｅ
Ｌ素子の問題点を解決するために、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ
−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
構造のＡＣ駆動型ＥＬ素子を提供している。図２にＭＩ
Ｓ構造のＥＬ素子の構成図を示す。図示のごとくＭＩＳ
構造のＥＬ素子は二重絶縁構造の片方の絶縁層を取り除
いた構成で、基板上方から発光が観察される。ＭＩＳ構
造の素子は絶縁層が発光層の片側のみに設けられている
ために、二重絶縁構造の素子よりも印加電圧を下げるこ
とができている。更に上記特開昭５８−１７５２９３、
６１−８８９５においては、発光層を形成する基板２０
１にＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の単結晶材料を用
いることにより、発光層の結晶性を向上させている。そ
の結果、加速電子の発光中心への衝突を妨げるグレーン
バンダリーがなくなり、大幅に駆動電圧を低減すること
が可能となっている。

【０００４】上記ＭＩＳ構造のＥＬ素子では、絶縁層に
電界が集中するために絶縁層の絶縁耐圧が素子特性に非
常に大きな影響を及ぼす。さらに、発光中心を励起する
電子を効率よく加速するためには、誘電率の大きな薄膜
を薄く積層する必要がある。従って、ＭＩＳ構造素子で
は絶縁層の膜質が素子特性を大きく左右する。また、絶
縁層の薄層化が長期信頼性の妨げとする等の欠点も有し
ている。さらに、上記ＭＩＳ構造素子の場合、発光層と
単結晶基板界面に形成されているショットキーバリアが
、高電界でＥＬ素子を動作させた場合に壊れやすく動作
が不安定になるという問題も有している。また、Ｓｈｉ
ｎ−ｉｃｈｉ　　Ｏｈｔａ（ＪＡＰＡＮ　　ＤＩＳＰＬ
ＡＹ’８３５６６−５６９），ＡＰＣ　　Ｊｏｎｅｓｔ
（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２（１
９８７）６２１−６２４）らは、単結晶発光層ＥＬ素子
を直流駆動することにより低電圧駆動を実現している。 直流駆動素子は、絶縁層を設けずに薄膜層に外部よりキ
ャリアを注入し、注入したキャリアを結晶性の良い発光
層中で加速して発光中心を励起する。このために、ＭＩ
Ｓ構造素子より遥かに低電圧駆動が実現できる。しかし
、上記直流駆動素子は素子内を流れる電流値が大きいた
め、素子が発熱し発光層や電極がダメージを受け安定動
作が実現できていない。さらに上記素子では、駆動中に
キャリアが発光層と電極、もしくは発光層と基板の界面
に蓄積するために発光特性が経時変化する欠点も有して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の各種欠点を解決するためになされたものであり、長
期信頼性に優れた低電圧駆動ＥＬ素子を提供するもので
ある。

【課題を解決するための手段】本発明におけるＥＬ素子
の構成を図１に示す。単結晶半導体１０１上に単結晶発
光層１０２をエピタキシャル成長し、単結晶発光層上に
抵抗率が１０４〜１０１２（Ω・ｃｍ）の範囲にある半
絶縁成膜１０３を形成し、半絶縁成膜上に形成した透光
性導電膜１０４よりなる片絶縁構造のＥＬ素子である。 通常、電子デバイスの絶縁物層に用いられるＳｉＯ２、
Ｓｉ３Ｎ４等の材料は、１０１５〜１０１８（Ω・ｃｍ
）の抵抗率である。本発明のＥＬ素子は、絶縁物材料の
抵抗率を制御した半絶縁物材料を単結晶発光層上に設け
たことを特徴とする。本発明の素子構成とすることで、
単結晶発光層中に注入するキャリア量が制御でき安定な
注入型発光が実現できた。さらに、上記注入型発光素子
を交流駆動することで、界面へのキャリアの蓄積を防ぎ
発光特性の経時変化を抑えている。

【０００６】単結晶半導体基板１０１としては、Ｓｉ、
Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の材料が
使用できる。さらに、上記単結晶半導体基板上に単結晶
半導体基板と同一材料もしくは異種材料の単結晶半導体
層をエピタキシャル成長し、単結晶半導体を多層構成と
しても良い。例えば、単結晶Ｓｉ基板上に、単結晶Ｇｅ
層をＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属熱分解法）
、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉｔ
ａｘｙ）、ＡＬＥ法（Ａｔｏｍｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｅｐ
ｉｔａｘｙ）、エレクトロンビーム蒸着法、高周波スパ
ッタリング法、プラズマＣＶＤ法等の薄膜成長法を用い
てエピタキシャル成長し、単結晶半導体層を多層構成と
してもよい。この場合、単結晶Ｓｉ基板上にエピタキシ
ャル成長した単結晶Ｇｅ層は、単結晶発光層をエピタキ
シャル成長する際に、発光層材料と基板材料との格子ミ
スマッチや熱膨張係数等により発生する歪みを緩和する
目的で使用する。また、上記単結晶半導体基板は電極と
して使用する場合もあるため、その抵抗率は１０−４〜
１０２（Ω・ｃｍ）の範囲にあることが望ましい。上記
単結晶半導体基板上に、エピタキシャル成長する単結晶
発光層１０２としては、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳｘＳ
ｅ１−ｘ等を母材とし、発光中心としてＭｎを添加した
ＺｎＳ：Ｍｎ系材料、もしくは上記母材にＣｕを添加し
たＺｎＳ：Ｃｕ系材料、もしくは上記母材に希土類フッ
化物（ＴｂＦ３、ＥｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｍＦ３、Ｐｒ
Ｆ３、ＳｍＦ３、ＤｙＦ３、ＨｏＦ３等）を添加した材
料系等が用いられる。また、ＳｒＳを母材とし発光中心
にＣｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｍｎ等
を添加した材料や、ＣａＳを母材とし発光中心にＥｒ等
を添加した材料も発光層として用いられる。上記発光層
材料を、ＳＯＩ基板上に成長した単結晶絶縁層上に単層
もしくは、多層構成でエピタキシャル成長させる。エピ
タキシャル成長の手段としては、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法、ＡＬＥ法、ＥＢ蒸着法、スパッタリング法、プラ
ズマＣＶＤ法等の成長方法を単独もしくは併用し使用す
る。

【０００７】上記方法により単結晶半導体基板上にヘテ
ロエピタキシャル成長する単結晶発光層は、各層の結晶
構造、格子間隔の整合性、熱膨張係数差等を考慮して最
適材料を選択して各層上に順次エピタキシャル成長して
いく。その結果、単結晶絶縁層、単結晶発光層の面方位
は単結晶Ｓｉ基板等の単結晶半導体基板の面方位を反映
したものとなる。所望の発光色は発光層材料を選択する
ことにより得られ、さらに発光層を多層構成にすること
により多くの発光色に対応できる。

【０００８】上記方法で単結晶半導体基板上にヘテロエ
ピタキシャル成長した単結晶発光層１０２上に、発光層
１０２へのキャリア注入量を制限する半絶縁層１０３を
形成する。半絶縁層の材料として単結晶もしくは多結晶
の酸化物、フッ化物、窒化物、炭化物等の絶縁物材料が
使用でき、膜形成時もしくは形成後に不純物を最適量膜
中に添加するか、上記材料形成時に構成元素の組成比を
制御することで、所望の抵抗率とする。例えば、窒化物
材料であるＳｉ３Ｎ４の場合は、ＳｉとＮの組成比を制
御してＳｉＮｘ　構造とするか、もしくは不純物材料を
ドーピングする等の方法により低抵抗化し半絶縁物層と
する。単結晶もしくは多結晶の酸化物材料としては、Ｐ
ｂＴｉＯ３、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴ
ｉＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＹＳＺｒ、Ｔａ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３
、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓ
ｉＯＮ、ＺｎＯ等の材料が使用でき、単結晶もしくは多
結晶のフッ化物材料としては、ＣａＦ２、ＢａＦ２等の
材料が使用でき、単結晶もしくは多結晶の窒化物材料と
しては、Ｓｉ３Ｎ４等が使用でき、単結晶もしくは多結
晶の炭化物材料としてはＳｉＣ等の材料が使用できる。 さらに、上記各材料を多層構造として使用しても構わな
い。上記絶縁物材料の成長方法としては、ＭＯ−ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、スパッタリング法、プラズマ
ＣＶＤ法、エレクトロンビーム蒸着法等が用いられる。 また、絶縁物材料中への不純物の添加は、上記各成長方
法を用いて絶縁物材料を成膜する過程で行っても良く、
成膜後にイオン注入法や熱拡散法を用いて行っても良い
。上記半絶縁層１０３上に、透明導電膜１０４としてＡ
ｕ、ＩＴＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ：Ａｌ等を
ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、スパッタリング
法、プラズマＣＶＤ法、エレクトロンビーム蒸着法等を
用いて形成して本発明による注入型ＭＩＳ構造ＥＬ素子
を完成する。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明におけるＥＬ素子について実
施例を用いて更に具体的に説明する。 実施例１ 図４によって本発明における実施例について説明する。 抵抗率が１０−２（Ω・ｃｍ）であるＮ型単結晶Ｓｉ＜
１００＞基板４０１を用い、このＳｉ基板をＥＬ素子の
下部電極とする。上記単結晶Ｓｉ＜１００＞基板上に、
ＭＢＥ法を用いてダイヤモンド構造＜１００＞の成長方
位でＧｅ４０５を２０００Åの厚さでエピタキシャル成
長し、Ｇｅ／Ｓｉ１００の二層構造の単結晶半導体層と
する。次に上記単結晶半導体層上ＭＢＥ法とＭＯ−ＣＶ
Ｄ法を併用して発光層４０２を形成する。発光層の成長
初期の１００Åは、ＭＢＥ法を用いてジンクブレンド構
造＜１００＞の成長方位でＺｎＳをエピタキシャル成長
する。その後真空中を別成長室に搬送し、ＭＯ−ＣＶＤ
法で発光中心となるＭｎを０．５ａｔ％添加しジンクブ
レンド構造＜１００＞の成長方位でＺｎＳ：Ｍｎを３０
００Åエピタキシャル成長する。

【００１０】上記発光層４０２上に、ＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ法を用いて半絶縁層４０３となるＳｉ３Ｎ４を３０
００Åの膜厚で成膜する。成膜過程でＳｉＨ４とＮ２の
原料ガスの他にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：Ａｌ
（ＣＨ３）３）を微量供給しＳｉ３Ｎ４中にＡｌを添加
して低抵抗化する。ここで、ＴＭＡの供給量を制御して
Ｓｉ３Ｎ４膜の抵抗率が１×１０４（Ω・ｃｍ）〜５×
１０１３（Ω・ｃｍ）の範囲にある素子を数種類作成し
た。最後に各素子の上部絶縁層上に透明導電膜４０４と
なるＩＴＯをスパッタリング法を用いて２０００Åの膜
厚で成膜し、本発明によるＥＬ素子を完成する。上記方
法で作成したＥＬ素子の透明導電膜であるＩＴＯ４０４
と、Ｎ型単結晶Ｓｉ基板との間に５ｋＨｚもしくは５０
Ｈｚの正弦波を印加した状態で、発光の様子をＩＴＯ側
から観察した。半絶縁物層であるＳｉＮ膜の抵抗率が１
×１０７（Ω・ｃｍ）である素子の輝度−電圧特性を図
５に示す。この素子の発光開始電圧は、正弦波５ｋＨｚ
印加状態で３０Ｖであり、１００Ｖ印加状態で５０００
ｃｄ／ｍ２の発光輝度が得られている。この発光開始電
圧は、通常のＭＩＳ構造ＥＬ素子の発光開始電圧の約１
／２以下の値となっている。また、正弦波５０Ｈｚ、１
００Ｖ印加状態で上記ＥＬ素子を１０００時間駆動した
場合の発光輝度の変化の様子を図６に示す。１０００時
間後の発光輝度は初期値の８０％の値を示しており、素
子の損傷は観察されなかった。

【００１１】また、半絶縁物層であるＳｉ３Ｎ４の抵抗
率とＶｔｈ：１（ｃｄ／ｍ２）の発光輝度が得られる印
加電圧の関係を図９に示す。Ｓｉ３Ｎ４の抵抗率が低く
なるに従って、Ｖｔｈが低電圧側へシフトする傾向が見
られている。以上のように本発明による１実施例のＥＬ
素子は、低電圧駆動が可能であり、長期安定性に優れて
いる。この結果はヘテロエピタキシャル成長法により結
晶性の良い発光層を形成し、さらに発光層に注入するキ
ャリア量を発光層上に設けた半絶縁層で制御する素子構
成を実現した結果得られたものである。 実施例２ 図７を用いて本発明における実施例について説明する。 抵抗率が５×１０３（Ω・ｃｍ）であるＮ型単結晶Ｇｅ
＜１００＞基板８０１を用い、この単結晶Ｇｅ基板をＥ
Ｌ素子の下部電極とする。次に上記単結晶Ｇｅ基板上に
ＭＯ−ＣＶＤ法を用いて発光層であるＺｎＳ：Ｍｎ７０
２を形成する。Ｇｅ基板上にＺｎＳ：Ｍｎを成長した場
合、ＧｅとＺｎＳ：Ｍｎの格子不整合が約４％と大きい
ため良好な結晶成長が行えない。そこで、まずＧｅ上に
ＭＯ−ＣＶＤ法によりＺｎＳｅ７０５を２００Å成長し
、その後ＺｎＳ：Ｍｎを３０００Å成長する。ここでＺ
ｎＳｅは格子歪緩和層となっている。

【００１２】上記発光層上に減圧−ＣＶＤ法を用いて半
絶縁層７０３となるＴａＯｘ　を３０００Åの膜厚で成
膜する。ＴａＯｘ　の成膜には、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５
：エトキシタンタル、ＣＯ２、Ｈ２を用い成膜条件を制
御してＴａリッチなＴａＯｘ　膜とする。この場合のＴ
ａＯｘ　膜の抵抗率は２×１０８（Ω・ｃｍ）である。 最後に上部絶縁層上に透明導電膜７０４となるＩＴＯを
スパッタリング法を用いて２０００Åの膜厚で成膜し、
本発明によるＥＬ素子を完成する。上記方法で作成した
ＥＬ素子の透明導電膜であるＩＴＯ７０４と、Ｎ型単結
晶Ｇｅ基板との間に５０Ｈｚの正弦波を印加した状態で
、発光の様子をＩＴＯ側から観察した。この場合の輝度
電圧特性を図８に示す。ＥＬ素子の発光開始電圧は２５
Ｖであり、１００Ｖ印加状態で２０００ｃｄ／ｍ２の発
光輝度が得られている。

【００１３】

【発明の効果】以上のように、本発明によるＥＬ発光素
子は、ヘテロエピタキシャル法により形成した単結晶発
光層と半絶縁層からなる片側絶縁構造素子であり、発光
層に注入したキャリアで発光中心を励起し発光するもの
である。上記ＥＬ素子では発光層中に結晶欠陥やグレイ
ンバンダリーが存在しないため注入したキャリアを効率
良く加速することができ、その結果低電圧駆動が可能と
なった。また、発光層に注入するキャリア量を、発光層
上に設けた半絶縁層で制御できることから発熱等による
素子劣化がなく、長期安定性に優れたＥＬ素子が実現で
きた。本発明におけるＥＬ素子は基板面全体で発光する
面発光素子や、もしくは素子分離して個別動作する素子
とすることが可能である。ＥＬ素子を個別駆動する場合
は、駆動方法としてマトリクス駆動もしくはトランジス
ターを用いたアクティブマトリクス駆動等が可能である
。アクティブマトリクス駆動の場合に用いるトランジス
ターとしては、ＥＬ素子の発光層に用いている材料と同
一材料で形成した薄膜でも良く、単結晶半導体基板もし
くは、基板上にエピタキシャル成長した単結晶半導体層
上に形成したトランジスターでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＥＬ発光素子の構成図

【図２】Ｍ
ＩＳ構造のＥＬ発光素子の構成図

【図３】従来の二重絶
縁構造のＥＬ発光素子の構成図

【図４】実施例１のＥＬ
発光素子の構成図

【図５】実施例１のＥＬ発光素子の輝
度電圧特性を示すグラフ

【図６】実施例１のＥＬ発光素子の駆動時間と発光輝度
の関係を示すグラフ

【図７】実施例２のＥＬ発光素子の構成図

【図８】実施
例２のＥＬ発光素子の輝度電圧特性を示すグラフ

【図９】実施例１のＥＬ発光素子の半絶縁物層の抵抗率
とＶｔｈとの関係を示すグラフ

【符号の説明】

１０１　　単結晶半導体基板 １０２　　単結晶発光層 １０３　　半絶縁層 １０４　　透明電極 ２０１　　単結晶基板 ２０２　　発光層 ２０３　　絶縁層 ２０４　　透明電極 ３０１　　ガラス基板 ３０２　　透明電極 ３０３および３０５　　絶縁層 ３０４　　発光層 ３０６　　上部電極 ４０１　　単結晶Ｓｉ基板＜ｈｋｌ＞＝＜１００＞４０
２　　ＺｎＳ：Ｍｎ／ＺｎＳ，Ｚ．Ｂ．＜１００＞４０
３　　Ｓｉ３Ｎ４ 　　４０４　　ＩＴＯ ４０５　　Ｇｅ ７０１　　単結晶Ｇｅ基板＜ｈｋｌ＞＝＜１００＞７０
２　　ＺｎＳ：Ｍｎ，Ｚ．Ｂ．＜１００＞７０３　　Ｔ
ａＯｘ ７０４　　ＩＴＯ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｓｉ原子またはＧｅ原子の少なくても
   一方を含有する単結晶半導体基板上に、エピタキシャル
   成長法により形成した単結晶電界発光層と、その単結晶
   電界発光層上に設けられた半絶縁物層と、半絶縁層上に
   形成した透光性電極より形成されることを特徴とする電
   界発光素子。
2. 【請求項２】　　単結晶電解発光層上に設けられた半絶
   縁物層の抵抗率が１０４〜１０１２（Ω・ｃｍ）の範囲
   にあることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子
   。