JPH04366593A - 薄膜ｅｌ素子とその製造方法 - 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、カラー化を目的とした
薄膜ＥＬ素子とその製造方法に関し、特に希土類を発光
中心として添加したアルカリ土類硫化物を発光層とする
高輝度、高発光効率の薄膜ＥＬ素子とその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に薄膜ＥＬ素子の発光機構は、以下
のように考えられている。透明電極と背面電極の間に、
交流電界を印加することにより、絶縁層と発光層の界面
や発光層中のトラップから、電子が発光層の伝導帯中に
注入される。次にこの電子が電界により加速されて、十
分なエネルギーを得て発光中心を衝突励起する。励起さ
れた発光中心が基底状態に戻る際にＥＬ発光が起こる。

【０００３】硫化亜鉛（ＺｎＳ）　を母体材料とし、発
光センターとしてＭｎ　を添加した発光層の両面を絶縁
層で挟持し、更にその両側を少なくとも一方が透明な一
対の電極で挟んだいわゆる二重絶縁構造の薄膜ＥＬ素子
は、その高輝度、高視認性、長寿命を特徴として、薄型
、軽量のフラットディスプレイとして商品化に至ってい
る。しかし、商品化されているのは、　ＺｎＳに　Ｍｎ
　を添加した発光層を用いた黄橙色発光のみである。液
晶ディスプレイなど、他のフラットディスプレイのカラ
ー化が進む中で、薄膜ＥＬディスプレイのカラー化も急
務といえる。

【０００４】薄膜ＥＬ素子のカラー化については、例え
ば母体材料である硫化亜鉛に　Ｔｂ，　Ｔｍ，　Ｓｍ　
等の微量の希土類を添加した場合に、種々の発光色が得
られている。

【０００５】Ｔｂを添加した場合の緑色は、まだ発光効
率が低いものの、輝度としてはほぼ実用化レベルに達し
ている。しかし、他の希土類を添加したその他の発光色
のものについては、輝度、発光効率が低かったり、色純
度が悪かったりと、それぞれに欠点を持っており、実用
化には程遠い状況である。

【０００６】近年薄膜ＥＬのカラー化の材料として、Ｓ
ｒＳ　や　ＣａＳ等のアルカリ土類硫化物を母体材料と
し、これに　Ｃｅ　や　Ｅｕ　等の希土類を添加した発
光層の開発が進められている。例えば、　ＳｒＳ：Ｃｅ
　で青緑色、　ＣａＳ：Ｅｕ　で赤色が得られる。特に
ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　（Ｋ　は電荷補償として添加
される。）においては、３原色成分を含んだ白色発光が
得られることから注目されている。

【０００７】薄膜ＥＬ素子の輝度、発光効率等の発光特
性は、発光層の結晶性と関連していることが従来より知
られている。アルカリ土類硫化物の結晶配向は、例えば
　ＳｒＳ薄膜の場合、（１１１）　面に配向することが
多い。しかし、　ＳｒＳ薄膜を薄膜ＥＬ素子の発光層の
母体材料とした場合には、その結晶配向は（２００）　
面に配向している方が、発光特性が優れている。このこ
とは、例えば特開平１−２３１２９３号公報においても
開示されており、このような結晶配向をもった　ＳｒＳ
薄膜を得る方法として、成膜速度を上げたり、基板と発
光母材の原料の間に加熱ヒータを設けた装置での成膜が
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】基板と発光母材の原料
との間に加熱ヒータを設け、電子ビーム加熱方式で蒸発
した　ＳｒＳを加熱しながら基板に蒸着することによっ
て　（２００）面に強く配向させ、高輝度カラー薄膜Ｅ
Ｌ素子を得るようにした従来の方法では、成膜装置が複
雑になるほか、ヒータの高温により各部品が熱変形した
り、損傷したりするので、成膜装置の性能、寿命、メン
テナンス等の点で困難な問題がある。

【０００９】またアルカリ土類硫化物を母体材料とした
発光層は、硫化亜鉛を母体材料とした発光層に比べて、
加水分解しやすい。そのため発光層成膜後、その発光層
を直接大気に曝すと、大気中の水分により加水分解して
しまい、膜の剥離が発生したり、著しく発光特性の劣っ
たものとなったりする。同様に、アルカリ土類硫化物は
酸化物を形成しやすいために、例えばアルカリ土類硫化
物を母体材料とした発光層と酸化物が直接接する素子構
造とすると、酸素が発光層中に拡散して、硫化物中に酸
化物を若干含んだ混晶となり、発光特性が動作中に著し
く低下したりするという問題もある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明は、アルカリ土類硫化物発光層を、結晶化して
いない　ＺｎＳ層（以下、下部　ＺｎＳバリア層と称す
る）を下地として、その上に形成する。この下部　Ｚｎ
Ｓバリア層は、基板を常温にしておいて真空蒸着するこ
とを特徴とする。さらに、発光層上部にも　ＺｎＳ層（
以下、上部　ＺｎＳバリア層と称す）を形成する場合も
ある。下部　ＺｎＳバリア層および上部　ＺｎＳバリア
層は、発光層の成膜と連続して、素子を大気に曝さない
で同一チャンバー内で形成される。特に発光層を下部　
ＺｎＳバリア層および上部　ＺｎＳバリア層ではさんだ
構成の場合に於いては、その素子構成は、基板と電極を
除いて、発光層を中心として厚さ方向で材料、膜厚、成
膜方法（成膜装置）が対称となるように各層を形成する
。

【００１１】

【作用】上記の本発明によると、結晶化していない下部
　ＺｎＳバリア層上に発光層を形成するために、発光層
の配向が下地の影響を受けることなく、特定の結晶面に
配向成長し、このため高輝度、高発光効率の薄膜ＥＬ素
子が実現できる。

【００１２】また下部　ＺｎＳバリア層は、基板を常温
にして蒸着するといった大変容易な方法で、結晶化して
いないＺｎＳ　層を形成することができる。

【００１３】更に発光層上にも上部　ＺｎＳバリア層を
形成し、この上部，下部　ＺｎＳバリア層と発光層は大
気に曝すことなく連続して形成するため、発光層の形成
途中における、加水分解等による膜剥離などが発生しな
い。

【００１４】発光層の両側を下部，上部　ＺｎＳバリア
層で挟持する構造とするため、素子の動作中における酸
素の発光層中への拡散がなく、安定した動作特性を持っ
た薄膜ＥＬ素子が実現できる。

【００１５】第一，第二絶縁層、および下部，上部　Ｚ
ｎＳバリア層は、発光層を中心として、厚み方向で、材
料、膜厚、成膜方法共に対称としているために、薄膜Ｅ
Ｌ素子の製造プロセス、製造設備が簡略化でき、しかも
能率が向上し、ひいてはコスト低減を実現できる。

【００１６】

【実施例１】本発明について、図面を参照して説明する
。図１は、本発明に係る薄膜ＥＬ素子の要部拡大断面図
である。このような構造の薄膜ＥＬ素子は、次のように
して製造できる。ガラス基板１上に透明電極２（例えば
　ＩＴＯ）を真空蒸着やスパッタリングなどにより形成
し、所定のパターンにエッチングする。その上に第１絶
縁層として、ＳｉＯ２（３ａ）と　Ｓｉ３Ｎ４（４ａ）
の積層膜を形成する。この積層膜は、ポリシリコンをタ
ーゲットとして、反応性スパッタリングにより、導入ガ
スをアルゴンと酸素又はアルゴンと窒素の混合ガスとす
ることにより、同一チャンバー内で連続して形成する。 次にその上に、下部　ＺｎＳバリア層５ａを形成する。 下部ＺｎＳバリア層５ａは、　ＺｎＳ粉末をプレス成形
したペレットを蒸発材料として電子ビーム蒸着により、
基板が常温の状態で形成する。膜厚は、約１０００オン
グストロームに設定する。 続いて、作製途中の素子を大気に曝すこと無く、同一チ
ャンバー内で発光層６を形成する。発光層６である　Ｓ
ｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜は、　ＳｒＳ粉末に塩化セリ
ウム（　ＣｅＣｌ３　）　を　　０．１　ｍｏｌ％、塩
化カリウム（ＫＣｌ３　）　を　０．１　ｍｏｌ％　、
塩化ユウロピウム（　ＥｕＣｌ３　）　を０．０３　ｍ
ｏｌ％　混合しプレス成形したペレットを蒸発材料とし
て電子ビーム蒸着により、約　１００００オングストロ
ームの厚さに形成する。この時の基板温度は、概ね　５
００℃に保っており、更に、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　
膜中の硫黄の欠損を防いだり、チャンバー内の酸素分圧
を下げて、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　膜中に　ＳｒＳと
ＳｒＯ　の混晶が生成されるのを防ぐために、別の蒸発
源から硫黄を共蒸着する。更にこの作製途中の素子を大
気に曝さないように同一チャンバー内で、この発光層６
の形成前に形成した下部　ＺｎＳバリア層５ａと同じ条
件で、上部　ＺｎＳバリア層５ｂを発光層６上に形成す
る。

【００１７】発光層と接する材料は、発光層への酸素の
拡散を防ぐ意味から、酸化物は避けるべきであり、発光
層と同じ硫化物が望ましく　ＺｎＳが選ばれる。更に発
光層を被覆する上部層は、発光層を大気から保護するた
めにも必要である。そのため、発光層の両側に直接接す
るように形成される下部，上部　ＺｎＳバリア層５ａ，
５ｂは，同一チャンバー内で発光層が大気に曝されない
ように、真空を破らずに形成する必要があり、こうする
ことによって発光層中に酸化物が形成されたり、膜剥離
が発生したりする可能性は極めて低くなる。ここまで形
成した素子を、発光中心材料の　ＳｒＳ膜中の　Ｓｒ　
サイトへの置換を促進することを主な目的として、真空
中で　６５０℃、２時間の熱処理を施す。

【００１８】次に第２絶縁層として、Ｓｉ３Ｎ４　（４
ｂ）と　ＳｉＯ２　（３ｂ）の積層膜を、第１絶縁層と
積層順序を変えて形成する。その上に背面電極として、
Ａｌを約　２０００　オングストロームの厚さに電子ビ
ーム蒸着により形成し、所定の形状にパターン形成して
薄膜ＥＬ素子８が完成する。実用的な薄膜ＥＬパネルに
するためには、上記薄膜ＥＬ素子に防湿対策を施した上
で、電極リードを取付ける必要があるが、これについて
は本発明と直接関係がないので説明を省略する。

【００１９】次に、本発明による薄膜ＥＬ素子の特性に
ついて説明する。図２は結晶化していない下部　ＺｎＳ
バリア層上に形成した発光層である　ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ
，Ｅｕ薄膜のＸ線回折図である。図３は　（１１１）面
に配向した下部　ＺｎＳバリア層上に形成した　ＳｒＳ
：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜のＸ線回折図である。

【００２０】ＺｎＳ　層は基板温度が高い状態で成膜す
れば、殆どの場合、（１１１）　面に配向する。また一
般に薄膜形成において、その結晶配向性は下地の影響を
受けることが良く知られている。例えば、ＳＩＤ８６，
Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ３７〜４０に下地の　ＺｎＳ層が　（
１１１）面に配向した膜でその上に積層した　ＳｒＳ：
Ｃｅ　薄膜は、　（１１１）面に配向し、下地の　Ｚｎ
Ｓ層の結晶性が良い程、　ＳｒＳ：Ｃｅ　薄膜の結晶性
も良くなるといった報告がある。

【００２１】本発明者等の実験においても、図３に示す
ように、下部　ＺｎＳバリア層が　（１１１）面に配向
している場合、その上に積層した　ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，
Ｅｕ薄膜も　（１１１）面に配向することを確認した。 しかし本発明のように下部　ＺｎＳバリア層を基板が常
温の状態で蒸着した場合は、図２に示すように、　Ｚｎ
Ｓは結晶化していない状態となり、その上に積層した　
ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜は　（２００）面に配向す
ることも見い出した。

【００２２】この配向性の異なった各々の　ＳｒＳ：Ｃ
ｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜を発光層とする薄膜ＥＬ素子を作製し
、その特性を比較したところ、表１に示すように本発明
による　（２００）面に配向した　ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，
Ｅｕ薄膜を発光層とした素子の方が、輝度、発光効率共
に優れている。なお表１に示した輝度、発光効率は、　
５００　Ｈｚ　の両極性パルス電圧で素子を駆動した場
合のものである。

【表１】

【００２３】

【００２４】また本実施例に示したように、絶縁層は、
第１，第２共に、同一材料で構成されており、また絶縁
破壊特性の改善のために、第１，第２共に、２層複合膜
としているにもかかわらず、ポリシリコンを共通のター
ゲットとして、スパッタリングガスのみを変えて２層の
複合膜を形成しているために、絶縁層の形成に要する装
置、材料は実質的に１層の場合と変わらない。ＺｎＳ　
バリア層と発光層も連続したプロセスで形成されるため
に、３層構成であるにもかかわらず、１バッチで処理で
きる。すなわち本実施例に示した素子構成、製造方法に
よれば、両電極を除けば、合計７層で構成されているに
もかかわらず３バッチ、２台の成膜装置で製造できる。

【００２５】尚本実施例においては、発光層として　Ｓ
ｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜を例に説明したが、例えば、
発光層の母体材料は、　ＳｒＳに限るものではなく、　
ＣａＳ等の他のアルカリ土類硫化物でも同様で、更に、
発光中心材料においても、Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　に限定され
るものではなく、他の希土類を添加しても、本発明の効
果は同様であることは言うまでもない。また下部，上部
　ＺｎＳバリア層は、本発明の説明においては特別な名
称で区別したが、基本的な機能は絶縁層とみなせる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
輝度、発光効率の優れたカラー薄膜ＥＬ素子が実現でき
、更にこの素子は動作安定性も優れている。また素子作
製においても、簡単で生産性が優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例に係る薄膜ＥＬ素子の要
部拡大断面図

【図２】　　結晶化していない下部　ＺｎＳバリア層の
上に形成したＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　薄膜のＸ線回折
図

【図３】　　（１１１）　面に配向した下部　ＺｎＳ
バリア層の上に形成した　ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ薄膜
のＸ線回折図

【符号の説明】

１　　　　　　ガラス基板 ２　　　　　　透明電極 ３ａ　　　　第１絶縁層を構成する　ＳｉＯ２　層４ａ
　　　　第１絶縁層を構成する　Ｓｉ３Ｎ４層５ａ　　
　　下部　ＺｎＳバリア層 ６　　　　　　ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ，Ｅｕ　発光層５ｂ　
　　　上部　ＺｎＳバリア層 ４ｂ　　　　第２絶縁層を構成する　Ｓｉ３Ｎ４層３ｂ
　　　　第２絶縁層を構成する　ＳｉＯ２　層７　　　
　　　背面電極 ８　　　　　　薄膜ＥＬ素子

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に形成された第１の電極と、
   その上に形成された第１絶縁層と、その上に形成された
   発光層と、この発光層を閉囲する第２絶縁層と、この第
   ２絶縁層上に形成された第２の電極を有し、第１および
   第２の電極の少なくとも一方が透明な薄膜ＥＬ素子にお
   いて、前記第１絶縁層と発光層の間に、結晶化していな
   い硫化亜鉛からなる下部バリア層を介在させると共に、
   前記発光層が発光中心を添加したアルカリ土類硫化物で
   あることを特徴とする薄膜ＥＬ素子。
2. 【請求項２】請求項１の薄膜ＥＬ素子において、前記ア
   ルカリ土類硫化物が硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）であ
   ることを特徴とする薄膜ＥＬ素子。
3. 【請求項３】請求項１の薄膜ＥＬ素子において、前記ア
   ルカリ土類硫化物の発光層と前記第２絶縁層の間に、硫
   化亜鉛からなる上部バリア層を介在させることを特徴と
   する薄膜ＥＬ素子。
4. 【請求項４】請求項３の薄膜ＥＬ素子において、前記ア
   ルカリ土類硫化物が硫化ストロンチウムであることを特
   徴とする薄膜ＥＬ素子。
5. 【請求項５】請求項３の薄膜ＥＬ素子において、前記第
   １，第２絶縁層、前記下部，上部バリア層が、発光層を
   中心にして厚さ方向で対称配置されており、かつ前記第
   １，第２絶縁層が同一装置で成膜された同一材料，同一
   膜厚であり、及び前記下部，上部バリア層が同一装置で
   成膜された同一材料，同一膜厚であることを特徴とする
   薄膜ＥＬ素子。
6. 【請求項６】絶縁性基板上に、第１の電極を形成する工
   程と、その上に第１絶縁層を形成する工程と、その上に
   アルカリ土類硫化物に発光中心を添加した発光層を形成
   する工程と、その上に第２絶縁層を形成する工程と、そ
   の上に第２の電極を形成する工程を含む薄膜ＥＬ素子の
   製造方法において、前記下部バリア層を形成する工程が
   、硫化亜鉛を常温の基板に形成することを特徴とする薄
   膜ＥＬ素子の製造方法。
7. 【請求項７】請求項６の薄膜ＥＬ素子の製造方法におい
   て、前記下部バリア層を形成する工程と前記発光層を形
   成する工程が、大気に曝さないで同一チャンバー内で連
   続して行なわれることを特徴とする薄膜ＥＬ素子の製造
   方法。
8. 【請求項８】請求項６の薄膜ＥＬ素子の製造方法におい
   て、前記発光層を形成する工程と前記第２絶縁層を形成
   する工程の間に、硫化亜鉛からなる上部バリア層を形成
   する工程を含むと共に、前記下部バリア層と前記発光層
   と上部バリア層を形成する工程が大気にさらさないで同
   一チャンバー内で連続して行われることを特徴とする薄
   膜ＥＬ素子の製造方法。