JPH04357696A - 薄膜型エレクトロルミネッセンス素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜型エレクトロルミネ
ッセンス素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜型エレクトロルミネッセンス素子は
、自発光型のディスプレイとして有望であるが、約２０
０Ｖ程度の高電圧で駆動しなければ所望とする輝度が得
られないという問題がある。

【０００３】そこで、従来使用のＳｉＯ２　、Ａｌ２　
Ｏ３　、Ｔａ２　Ｏ５　、Ｓｉ３　Ｎ４　などに代えて
、ＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚｎ、Ｔｉ酸化物）、ＢａＴｉＯ３　
、ＰｂＴｉＯ３　などの高誘電率の物質を絶縁層に使用
することによって駆動電圧を下げることが検討されてい
る（例えば特公昭５７−４１２００号公報、特開昭５３
−８４４９８号公報、特開昭５７−１２１１９４号公報
など）。

【０００４】しかし、これらの高誘電物質を絶縁層に使
用する方法は、それぞれ特有の欠点を伴うため、満足す
べき結果が得られない。例えば、ＰｂＴｉＯ３　を絶縁
層に用いた場合、電圧印加時にＰｂＴｉＯ３　が破壊し
やすく、しかも伝播型の破壊が生じやすいため、素子の
寿命が短くなるという問題がある。

【０００５】また、発光層を構成する蛍光体の母体とし
てＣａＳやＳｒＳを用いた場合には、絶縁層から移動し
てきた酸素が蛍光体を劣化させるため、この面からも、
素子の寿命が短くなるという問題もあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の薄膜
型エレクトロルミネッセンス素子が持っていた高電圧で
駆動しなければならないという問題点や、それを解決す
るための高誘電物質の使用に基づくエレクトロルミネッ
センス特性の低下を解消し、低電圧でも駆動することが
でき、かつ高輝度の薄膜型エレクトロルミネッセンス素
子を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、発光層の少な
くとも一方の面に、ＩＩ−ＶＩ族化合物の超格子層と、
上記発光層と超格子層との間に介在するＩＩ−ＶＩ族化
合物の界面層を設けることによって、上記目的を達成し
たものである。

【０００８】本発明において、ＩＩ−ＶＩ族化合物の超
格子層とは、ＩＩ−ＶＩ族化合物からなる超格子構造の
層を意味するが、発光層の少なくとも一方の面に上記超
格子層を設けておくと、高誘電物質の絶縁層を設けてい
なくても、低電圧でキャリアが発生しやすくなって、低
電圧での駆動が可能になる。

【０００９】また、上記超格子層と発光層との間にＩＩ
−ＶＩ族化合物の界面層が介在することによって、発光
層へのエネルギーが高められ、高輝度を呈し得るのであ
る。 また、超格子層や界面層が酸素原子を含まないので、発
光層への酸素の移動がなく、したがって酸素の移動に基
づく素子の寿命低下も防止することができる。

【００１０】上記超格子層を構成する超格子層構造のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物におけるＩＩ族元素としてはＺｎ、Ｃ
ｄ、Ｃａ、Ｓｒなどがあり、ＶＩ族元素としてはＳ、Ｓ
ｅ、Ｔｅがある。このような元素の例示からも明らかな
ように、ＩＩ族とか、ＶＩ族とは、周期律表のＩＩ族や
ＶＩ族をいう。

【００１１】また、上記発光層と超格子層との間に介在
するＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層のＩＩ族元素やＶＩ族
元素も、上記超格子層のＩＩ族元素やＶＩ族元素の場合
と同様のものである。

【００１２】本発明において、発光層と超格子層との間
に介在するＩＩ−ＶＩ族化合物の層を界面層と表現して
いるが、これはこの層を発光層と超格子層との間の界面
に設けるので、界面層と表現しているだけであって、超
格子層のような特定の構造を持つものではない。要する
に、この界面層はＩＩ−ＶＩ族化合物、すなわち、ＩＩ
族元素とＶＩ族元素との化合物で構成されていればよい
。

【００１３】つぎに、図面を参照しつつ本発明の薄膜型
エレクトロルミネッセンス素子を説明する。

【００１４】図１は本発明の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の一例を示すものであり、この薄膜型エレク
トロルミネッセンス素子は、透明ガラス板などからなる
透明基板１上にＩＴＯ膜、ＳｎＯ２　膜などの透明導電
膜からなる透明電極２が形成され、その上にＩＩ−ＶＩ
族化合物の第１の超格子層３が設けられている。

【００１５】この超格子層３については、後に詳しく説
明するが、この第１の超格子層３上にはＩＩ−ＶＩ族化
合物の界面層４が設けられ、該ＩＩ−ＶＩ族化合物の界
面層４上に発光層５が形成されている。

【００１６】上記発光層５は、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：
Ｔｂ，Ｆ、ＺｎＳ：Ｓｎ、ＧａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｃｅ
、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｃｌなどの蛍光体をスパッタ法、ＭＯ
ＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エ
ピタキシー法）、ＭＯＭＢＥ法（有機金属分子線エピタ
キシー法）、ホットウォール法、ＣＶＤ法（ケミカルベ
ーパーディポジション法）などで成膜することによって
形成され、その厚みは、通常、３０〜１００，０００Å
（３〜１０，０００ｎｍ）である。

【００１７】上記発光層５上には、ＩＩ−ＶＩ族化合物
の第２の超格子層３が形成され、さらに上記第２の超格
子層３上にアルミニウム蒸着膜などからなる背面電極６
が形成されている。

【００１８】この背面電極６の形成は、真空蒸着法、ス
パッタ法などによって行われ、背面電極６の厚みは、通
常、５００〜５，０００Åである。この背面電極６の形
成にあたって、そのパターンが粗い場合にはマスク蒸着
を用いてもよいし、またパターンが密な場合にはエッチ
ングによりパターンを形成すればよい。そして、透明電
極２と背面電極６は電源７に接続され、素子が駆動でき
るようになっている。

【００１９】上記超格子層３を構成する超格子構造のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物において、ＩＩ族元素としてはＺｎ、
Ｃｄ、Ｃａ、Ｓｒなどがあり、ＶＩ族元素としてはＳ、
Ｓｅ、Ｔｅなどがあるが、この例に示すものでは、ＩＩ
−ＶＩ族化合物としてＺｎＳとＺｎＴｅとを用いて、超
格子構造を形成させている。

【００２０】この超格子層の断面構造は、図２に模式的
に示すように、ＺｎＴｅ１２上にＺｎＳ１１が配置して
超格子を形成し、これらＺｎＴｅ１２とＺｎＳ１１は極
薄膜状で、所望の厚みになるまで必要な周期繰り返して
成膜され、超格子層として仕上げられる。なお、本発明
における超格子層は、完全な超格子構造を持つものが適
しているが、厚みが１００Å以下で、完全な超格子構造
に類似した構造の多重層であってもよい。

【００２１】そして、その超格子の価電子帯と伝導帯の
エネルギー構造を示す原理図は図３および図４の通りで
ある。

【００２２】図３において、Ｅｖは価電子帯のエネルギ
ー上端で、Ｅｃは伝導帯のエネルギー下端を示すが、こ
の図３に示すものでは、Ｅｖ、Ｅｃとも、ＺｎＴｅの方
がＺｎＳより高い値を示している。

【００２３】この図３に示すような価電子帯と伝導帯の
エネルギー状態（タイプＩ´と呼ばれている）をとるも
のとしては、上記ＺｎＴｅとＺｎＳの組み合わせ（Ｚｎ
Ｔｅ／ＺｎＳ）以外にも、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＺｎＴ
ｅ／ＣｄＳ、ＺｎＳｅ／ＣｄＳ、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、Ｓ
ｒＳｅ／ＺｎＳ、ＺｎＳ／ＳｒＴｅなどがある。

【００２４】また、上記図３に示すエネルギーバンド状
態のものとは別に、図４に示すＺｎＳ／ＣｄＳのように
、ＥｖはＣｄＳの方がＺｎＳより高いが、ＥｃはＺｎＳ
の方がＣｄＳより高いエネルギーバンド状態（タイプＩ
と呼ばれる）をとるものがある。

【００２５】このような図４に示すエネルギーバンド状
態をとるものとしては、上記ＺｎＳ／ＣｄＳ以外にも、
ＺｎＳ／ＺｎＳｅ、ＳｒＳｅ／ＣｄＳｅ、ＳｒＳ／Ｚｎ
Ｓｅ、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅなどがある。

【００２６】このように、図３に示すエネルギーバンド
状態をとるものと、図４に示すエネルギーバンド状態を
とるものの両方があるが、本発明では、図３に示すエネ
ルギーバンド状態（タイプＩ´）をとるものの方が、電
子、正孔のキャリアの空間分離を生じるため、特に低電
圧での駆動が可能になるので好ましい。ただし、図４に
示すエネルギーバンド状態（タイプＩ）をとるものは、
高輝度が得られやすいと考えられる。

【００２７】これらの超格子層３におけるＺｎＳ、Ｚｎ
Ｔｅなどの超格子材料の厚みは３〜１００Åの範囲、特
に５〜５０Åの範囲が好ましく、また、超格子層３の厚
みは、３０〜１０，０００Åの範囲、特に１００〜５０
，０００Åの範囲が好ましい。

【００２８】すなわち、ＺｎＳ、ＺｎＴｅなどの超格子
材料の厚みが３Åより薄い場合はエネルギー的に高くな
るため所望の特性が得られず、また１００Åより厚くな
ると超格子構造になりにくくなる。

【００２９】また、超格子層３は、超格子構造の層が１
層でもあればよいが、厚みが３０Åより薄くなると、そ
のような超格子構造の層が得られにくくなり、そのため
、超格子層３による効果が得られにくくなり、超格子層
３の厚みが１００，０００Åより厚くなると駆動電圧が
高くなりすぎるので好ましくない。

【００３０】上記第１の超格子層３と発光層５との間の
ＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層４を構成するＩＩ−ＶＩ族
化合物としては、第１の超格子層３と同様のＩＩ−ＶＩ
族化合物があるが、この例に示すものではＺｎＳが用い
られている。

【００３１】そして、このＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層
４の厚さとしては、５０〜５００Åが適しており、特に
１００〜３００Åが好ましい。ＩＩ−ＶＩ族化合物の界
面層の厚みが５０Åより薄くても、また５００Åより厚
くても輝度の向上が得られない。

【００３２】上記図１に図示のものは発光層５の両面に
超格子層３を設けているが、超格子層３と界面層４は発
光層５の少なくとも一方の面に設ければよい。例えば、
発光層５を２層形成し、その２層の発光層５、５間に超
格子層３と界面層４とを、界面層４が超格子層３の両面
に配置するようにして設けてもよい。

【００３３】超格子層３を発光層５の両面に設けるなど
、超格子層３を２層以上設ける場合においては、それら
は同一のＩＩ−ＶＩ族化合物で形成されているのが好ま
しいが、異なるＩＩ−ＶＩ族化合物で形成されていても
よい。

【００３４】また、第１の超格子層３、界面層４、発光
層５を順次形層した後に、さらにその上に超格子層３、
界面層４、発光層５を再度形成してもよい。

【００３５】

【実施例】つぎに実施例をあげて本発明をより具体的に
説明する。

【００３６】実施例１ 下記に示すようにして図１に示す構造の薄膜型エレクト
ロルミネッセンス素子を作製した。透明ガラス板からな
る透明基板１上にスパッタ法によりＩＴＯからなる透明
導電膜を膜厚２，０００Åで全面に形成した後、フォト
リソグラフィのエッチングにより透明導電膜を部分的に
除去し、透明導電膜が横方向に多数帯状に平行配列する
ようにして透明電極２を形成した。

【００３７】つぎに、上記透明電極２上にホットウォー
ル法でＺｎＴｅ（厚み１０Å）−ＺｎＳ（厚み３０Å）
からなる超格子を５０周期（全体の膜厚としては２，０
００Å）で成膜して、第１の超格子層３を形成した。Ｚ
ｎＴｅ、ＺｎＳは、それぞれ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳをソー
スとしたホットウォール炉を準備し、それぞれの薄膜を
交互に繰り返し成膜した。

【００３８】上記第１の超格子層３上にＺｎＳを電子ビ
ーム蒸着法により１５０Åの厚さに成膜して界面層４を
形成し、ついで、ＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム蒸着法によ
り４，０００Åの厚さに成膜して発光層５を形成した。

【００３９】つぎに、上記発光層５上に前記と同様にホ
ットウォール法によりＺｎＴｅ（厚み１０Å）−ＺｎＳ
（厚み３０Å）を５０周期（全体の膜厚として２，００
０Å）で成膜して、第２の超格子層３を形成した。

【００４０】さらに、上記第２の超格子層３上に抵抗加
熱法により厚さ２，０００Åのアルミニウムの蒸着膜を
形成し、フォトリソグラフィのエッチングにより上記ア
ルミニウム蒸着膜を部分的に除去して、前記透明電極２
と相互に直交する帯状の背面電極６を形成し、透明電極
２と背面電極６とを電源７に接続して、図１に示す構造
の薄膜型エレクトロルミネッセンス素子を作製した。

【００４１】実施例２ 実施例１の第１および第２の超格子層３におけるＺｎＴ
ｅ／ＺｎＳに代えて、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ、ＺｎＴｅ／
ＣｄＳ、ＳｒＳｅ／ＺｎＳ、ＺｎＳ／ＺｎＳｅ、ＺｎＳ
／ＣｄＳ、ＳｒＳ／ＣｄＳ、ＣａＳ／ＣｄＳの組み合わ
せで、それぞれ、第１および第２の超格子層３を形成し
たほかは、実施例１と同様にして薄膜型エレクトロルミ
ネッセンス素子を作製した。

【００４２】実施例３ 実施例１の界面層４におけるＺｎＳに代えて、ＺｎＴｅ
、ＳｒＳ、ＣｄＳ、ＣａＳ、ＺｎＳｅでそれぞれ界面層
４を形成したほかは、実施例１と同様にして薄膜型エレ
クトロルミネッセンス素子を作製した。

【００４３】実施例４ 第２の超格子層３上に高周波スパッタ法により、ＳｉＯ
２　、Ａｌ２　Ｏ３　、Ｓｉ３　Ｎ４　、Ｔａ２　Ｏ５
　をそれぞれ後記表３の実施例４−１〜４−５に示す仕
様で成膜して絶縁層を形成した後、その上にアルミニウ
ム蒸着膜からなる背面電極を形成したほかは、実施例１
と同様にして薄膜型エレクトロルミネッセンス素子を作
製した。

【００４４】この実施例４の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の断面構造は図５に示す通りである。

【００４５】図５において、８は絶縁層であり、第２の
超格子層３上に形成されている。この実施例４の薄膜型
エレクトロルミネッセンス素子は、上記絶縁層８を除く
と、図１に示す実施例１の薄膜型エレクトロルミネッセ
ンス素子と同様の構造を有するものである。

【００４６】実施例５ 実施例１の発光層５におけるＺｎＳ：Ｍｎに代えて、Ｚ
ｎＳ：Ｔｂ，Ｆで発光層５を形成したほかは、実施例１
と同様にして薄膜型エレクトロルミネッセンス素子を作
製した。

【００４７】実施例６ 発光層５をＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆで形成し、かつ第２の超格
子層３上に高周波スパッタ法によりＳｉ３　Ｎ４　を２
００Åの厚さに成膜して絶縁層を形成したほかは、実施
例１と同様にして薄膜型エレクトロルミネッセンス素子
を作製した。

【００４８】この実施例６の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の断面構造は、実施例４の薄膜型エレクトロ
ルミネッセンス素子の場合と同様に、図５に示す通りで
ある。つまり、この実施例６の薄膜型エレクトロルミネ
ッセンス素子は、図５に示すように、第２の超格子層３
上に絶縁層８が形成されているが、この絶縁層８を除く
と、図１に示す実施例１の薄膜型エレクトロルミネッセ
ンス素子と同様の構造を有するものである。

【００４９】比較例１ 第１の超格子層３、界面層４および第２の超格子層３を
形成することなく、発光層５の上下にＳｉ３　Ｎ４　を
それぞれ１，０００Åの厚さに成膜して絶縁層８を形成
したほかは、実施例１と同様にして薄膜型エレクトロル
ミネッセンス素子を作製した。

【００５０】この比較例１の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子は従来構造の薄膜型エレクトロルミネッセン
ス素子に相当するものであり、その断面構造は図６に示
す通りである。

【００５１】この比較例１の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子では図６に示すように、発光層５の上下にそ
れぞれ絶縁層８、８を形成していて、第１の超格子層３
、界面層４、第２の超格子層３などは設けていない。

【００５２】比較例２ 発光層５をＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆで形成し、第１の超格子層
３、界面層４および第２の超格子層３を形成することな
く、発光層５の上下にＳｉ３　Ｎ４をそれぞれ１，００
０Åの厚さに成膜して絶縁層を形成したほかは、実施例
１と同様にして薄膜型エレクトロルミネッセンス素子を
作製した。

【００５３】この比較例２の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の断面構造は、比較例１の薄膜型エレクトロ
ルミネッセンス素子の場合と同様に、図６に示す通りで
ある。つまり、この比較例２の薄膜型エレクトロルミネ
ッセンス素子では、図６に示すように、発光層５の上下
に絶縁層８、８を形成していて、第１の超格子層３、界
面層４、第２の超格子層３などは形成していない。

【００５４】比較例３ 界面層４を形成しなかったほかは、実施例１と同様にし
て薄膜型エレクトロルミネッセンス素子を作製した。

【００５５】この比較例３の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の断面構造は図７に示す通りである。

【００５６】この比較例３の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子では、図１に示す実施例１の薄膜型エレクト
ロルミネッセンス素子におけるような界面層４を形成し
ていないので、図７に示すように、第１の超格子層３と
発光層５とが接触している。

【００５７】比較例４ 発光層５をＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆで形成し、界面層４を形成
しなかったほかは、実施例１と同様にして薄膜型エレク
トロルミネッセンス素子を作製した。

【００５８】この比較例４の薄膜型エレクトロルミネッ
センス素子の断面構造は、比較例３の薄膜型エレクトロ
ルミネッセンス素子の場合と同様に、図７に示す通りで
ある。つまり、この比較例４の薄膜型エレクトロルミネ
ッセンス素子では、図１に示す実施例１の薄膜型エレク
トロルミネッセンス素子におけるような界面層４を形成
していないので、図７に示すように、第１の超格子層３
と発光層５とが接触している。

【００５９】つぎに、上記のように作製した実施例１〜
６および比較例１〜４の薄膜型エレクトロルミネッセン
ス素子に、２０℃で１ｋＨｚの正弦波を印加し、発光開
始電圧および発光開始電圧より３０Ｖ高い電圧での輝度
を測定した。

【００６０】実施例１〜３の超格子材料（超格子層３の
構成材料）および界面層材料（界面層４の形成材料）を
表１に示す。実施例４〜６および比較例１〜４の超格子
材料および界面層材料を表２に示す。また、実施例４〜
６および比較例１〜４の絶縁層材料（絶縁層８の形成材
料）および絶縁層の厚みを表３に示す。なお、表２およ
び表３においては、超格子層３、界面層４、絶縁層８を
形成しているものについてのみ、それらの材料、厚み（
ただし、絶縁層のみ）を示している。

【００６１】実施例１〜３の発光開始電圧および輝度を
表４に示す。実施例４〜６および比較例１〜４の発光開
始電圧および輝度を表５に示す。

【００６２】

【表１】

【００６３】

【表２】

【００６４】

【表３】

【００６５】

【表４】

【００６６】

【表５】

【００６７】表１〜表５に示す結果を要約すると、次の
通りである。

【００６８】まず、発光層の上下に絶縁層８を設けた比
較例１〜２と、絶縁層８に代えて超格子層３を設けた実
施例１〜６とを比較すると、実施例１〜６の方が比較例
１〜２より発光開始電圧が低く、輝度が高い。

【００６９】この結果から、絶縁層８に代えて超格子層
３を設けることにより、発光開始電圧が低くなり、低電
圧で駆動できるようになることがわかる。

【００７０】つぎに、実施例１〜６と比較例３〜４とを
比較すると、実施例１〜６の方が比較例３〜４より輝度
が高い。

【００７１】この結果から、超格子層３を設けた場合で
も、実施例１〜６のように発光層５と超格子層３との間
にＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層４を設けた場合には、輝
度がより高くなることがわかる。

【００７２】また、比較例１〜２と比較例３〜４とを比
較すると、比較例３〜４の方が比較例１〜２より輝度が
高いので、絶縁層８に代えて、超格子層３を設けること
が輝度の向上にも寄与していることがわかる。

【００７３】なお、実施例４〜１〜４−５および実施例
６では、超格子層３および界面層４に加えて絶縁層８を
形成している。これらは比較例１〜４に比べると発光開
始電圧が低く、かつ輝度が高いものの、実施例１〜３や
実施例５に比べると発光開始電圧が若干高い。

【００７４】このように、超格子層３および界面層４に
加えて絶縁層８を設けると、発光開始電圧が若干増加す
るものが、絶縁層８によって寿命が向上するものと期待
できる。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、発光
層５の少なくとも一方の面に、ＩＩ−ＶＩ族化合物の超
格子層３と、上記発光層５と超格子層３との間に介在す
るＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層４を設けることによって
、低電圧で駆動することができ、かつ高輝度の薄膜型エ
レクトロルミネッセンス素子を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜型エレクトロルミネッセンス
素子の一例を示す要部断面図である。

【図２】超格子層の断面構造を模式的に示す図である。

【図３】超格子の価電子帯と伝導帯のエネルギー構造を
示す原理図である。

【図４】超格子の価電子帯と伝導帯のエネルギー構造を
示す原理図である。

【図５】本発明の薄膜型エレクトロルミネッセンス素子
の他の例を示す要部断面図である。

【図６】従来の薄膜型エレクトロルミネッセンス素子の
一例を示す要部断面図である。

【図７】本発明外の薄膜型エレクトロルミネッセンス素
子の一例を示す要部断面図である。

【符号の説明】

２　　透明電極 ３　　超格子層 ４　　界面層 ５　　発光層 ６　　背面電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　透明電極２と背面電極６との間に、発
   光層５と、ＩＩ−ＶＩ族化合物の超格子層３と、上記発
   光層５と超格子層３との間に介在するＩＩ−ＶＩ族化合
   物の界面層４を設けたことを特徴とする薄膜型エレクト
   ロルミネッセンス素子。
2. 【請求項２】　　ＩＩ−ＶＩ族化合物の界面層４の厚み
   が５０〜５００Åである請求項１記載の薄膜型エレクト
   ロルミネッセンス素子。