JPH05159879A - 蛍光体薄膜とそれを用いた薄膜ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蛍光体の発光中心となり得る元素を含む化合
物を添加しない化合物半導体薄膜と、発光中心となり得
る元素を含む化合物を添加した化合物半導体薄膜との積
層膜からなる蛍光体薄膜を薄膜ＥＬ素子に用いることに
よって高効率の発光を得る。 【構成】 ガラス基板１の上に透明電極２、絶縁膜３を
順次堆積した基板上に、５０〜２００ｎｍの厚みの、発
光中心となり得る元素を含む化合物を添加しない化合物
半導体薄膜４と、２０〜５０ｎｍの厚みの、発光中心と
なり得る元素を含む化合物を添加した化合物半導体薄膜
５を交互に堆積して６００〜８００ｎｍの厚みの蛍光体
薄膜を形成した後、絶縁膜３、背面電極６を堆積して薄
膜ＥＬ素子とする。電極間に両極性の電圧を印加するこ
とによって、蛍光体薄膜から高効率の発光を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄型で表示の視認性が
優れ、ＯＡ機器等の端末ディスプレイとして最適である
薄膜ＥＬ素子の高輝度蛍光体薄膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜ＥＬ素子の蛍光体薄膜の母体
材料として、硫化亜鉛、硫化カルシウム、硫化ストロン
チウム、セレン化亜鉛、セレン化ストロンチウム等のII
−VI族化合物半導体が、母体材料に添加する発光中心と
なる元素として、マンガンやテルビウム、サマリウム、
ツリウム、ユーロピウム、セリウム等の希土類元素が知
られている。

【０００３】蛍光体薄膜より高い発光効率を得るために
は高純度の化合物半導体母体を結晶性や薄膜組成を損ね
る事なく、一般的にはアモルファス構造を有する絶縁体
薄膜の上に堆積させるとともに、発光中心となる元素あ
るいは分子を高濃度に母体薄膜中に添加する必要があ
る。

【０００４】発光中心となる元素あるいは分子の添加状
態が蛍光体薄膜の発光特性に及ぼす影響は大きく、発光
中心の添加量が多くなると、発光中心同士の相互作用、
および、発光中心のクラスター化や格子欠陥の発生によ
る化合物半導体母体薄膜の結晶性の劣化によって発光効
率が著しく低下する問題がある。このため、蛍光体薄膜
より高効率の発光特性を得るためには、母体となる化合
物半導体中で発光中心を均質に添加することが必要とさ
れてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、母体と
なる化合物半導体中に発光中心を均質に添加した従来の
蛍光体薄膜を用いた薄膜ＥＬ素子では、蛍光体薄膜中の
発光中心の分布が電界のかかる方向、すなわち、膜厚の
方向に対して均質であるために、発光中心を添加した蛍
光体薄膜と蛍光体薄膜に接する絶縁膜との界面の状態に
よって決定される化合物半導体の伝導帯に供給される電
子の数、電界を印加することによって伝導帯に供給され
た電子に与えられるエネルギーの大きさ、蛍光体薄膜の
結晶性によって決定される発光中心へのエネルギーの供
給効率が、発光中心の添加によって蛍光体薄膜の諸特性
が変化するために、発光中心の添加量の影響を受け、化
合物半導体中に添加した発光中心に高いエネルギーを持
つ電子を数多く高い効率で衝突させることが困難とな
り、高い発光効率を得ることが困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜ＥＬ素子
の蛍光体薄膜の構造を、電界方向、すなわち、膜厚方向
に対して制御するものであって、発光中心となり得る元
素を持つ化合物を添加しない化合物半導体薄膜と発光中
心となり得る元素を持つ化合物を高濃度添加した化合物
半導体薄膜との多層構造として、前記蛍光体薄膜を形成
する。

【０００７】

【作用】本発明は、蛍光体薄膜を、蛍光体の発光中心と
なり得る元素を含む化合物を添加した化合物半導体薄膜
と、蛍光体の発光中心となり得る元素を含む化合物を添
加しない化合物半導体薄膜との積層膜とすることによっ
て、高濃度の発光中心を添加した化合物半導体薄膜の結
晶性を良好にし、結晶性に優れる高濃度の発光中心元素
が添加された良質の蛍光体薄膜の形成を可能にし、発光
中心元素へのエネルギーの供給効率を改善するととも
に、発光中心元素に供給する電子の量とエネルギーの大
きさの独立な制御も可能にし、高輝度、高効率の薄膜Ｅ
Ｌ素子を製造することができる。

【０００８】

【実施例】（実施例）以下に、本発明の実施例について
図面を参照しながら説明する。

【０００９】（図１）は本発明にかかる薄膜ＥＬ素子の
一実施例に用いられる構造を示す図である。

【００１０】ガラス１上に、錫を添加した酸化インジウ
ム透明電極（ＩＴＯ）２、酸窒化珪素絶縁膜（ＳｉＯ
Ｎ）３を高周波スパッタ法を用いて順次堆積させてＥＬ
素子用の基板とした。基板上に、蛍光体の発光中心とな
り得る元素を含む化合物を添加しない化合物半導体薄膜
４と、蛍光体の発光中心となり得る元素を含む化合物を
添加した化合物半導体薄膜５を各々５０〜２００ｎｍ、
２０〜５０ｎｍの厚みで交互に積層して全厚みを６００
〜８００ｎｍとして蛍光体薄膜とした。

【００１１】蛍光体薄膜上に、ＳｉＯＮ絶縁膜３を高周
波スパッタ法を用いて堆積させた後、アルミニウム背面
電極（Ａｌ）６を電子線加熱蒸着法で堆積して、薄膜Ｅ
Ｌ素子とした。

【００１２】以下、蛍光体薄膜の形成方法を説明する。
蛍光体の発光中心となり得る元素を含む化合物を添加し
ない化合物半導体薄膜として硫化亜鉛（ＺｎＳ）を、蛍
光体の発光中心となり得るテルビウム（Ｔｂ）元素を含
む化合物として弗化酸化テルビウム（ＴｂＯＦ）を、Ｔ
ｂＯＦ化合物を添加する化合物半導体薄膜としてＺｎＳ
を選んだ。

【００１３】ＺｎＳセラミクス、ＴｂＯＦセラミクスを
スパッタターゲット、スパッタガスをアルゴン（Ａｒ）
とし、各々のターゲットに高周波電力を独立に印加でき
る多元スパッタ法を用いて蛍光体薄膜を製造した。

【００１４】同心円上に配置された各ターゲット上を、
基板ホルダーに固定した前記基板を任意の速度で通過さ
せることによって、各ターゲット材料からのスパッタ粒
子を任意の割合で基板上に堆積させることができた。ま
た、ターゲット上に配置したシャッターを開閉すること
によって、各ターゲットからのスパッタ粒子の基板上へ
の到達を制御することができた。

【００１５】ＺｎＳターゲットに印加する高周波電力を
５０〜２００Ｗとし、ＴｂＯＦターゲットに印加する高
周波電力を２〜１００Ｗとして、基板を４〜１００回転
／分の回転速度でターゲット上を回転させて各ターゲッ
ト材料のスパッタを開始した。基板温度を１００〜４０
０℃、スパッタガス圧を０．５〜５Ｐａとした。

【００１６】まず初めに、ＴｂＯＦターゲット上に配置
したシャッタを閉じ、ＺｎＳターゲット上に配置したシ
ャッターを開けて、基板上に蛍光体の発光中心となり得
るＴｂ元素を含むＴｂＯＦ化合物半導体を添加しない５
０〜２００ｎｍの厚みのＺｎＳ化合物半導体薄膜を堆積
した。

【００１７】次に、ＺｎＳターゲットのシャッターを開
けたまま、ＴｂＯＦターゲットのシャッターも開けて、
蛍光体の発光中心となり得るＴｂ元素を含むＴｂＯＣｌ
化合物半導体を添加した２０〜５０ｎｍの厚みのＺｎＳ
化合物半導体薄膜を堆積した。

【００１８】ＴｂＯＦターゲットのシャッターを開閉す
ることによって、基板上に、ＴｂＯＦ化合物を添加しな
い５０〜２００ｎｍの厚みのＺｎＳ化合物半導体薄膜と
ＴｂＯＦ化合物を添加した２０〜５０ｎｍの厚みのＺｎ
Ｓ化合物半導体薄膜との積層膜からなる蛍光体薄膜を形
成できた。

【００１９】ＺｎＳ、ＴｂＯＦターゲットに印加する高
周波電力を変えることによって、ＺｎＳ薄膜中のＴｂ発
光中心元素の添加量を制御することができた。

【００２０】ＴｂＯＦターゲットのシャッターの開閉を
行わないことによって、従来の発光中心を均一に添加し
た比較用の蛍光体薄膜を形成した。

【００２１】本発明の（実施例１）にかかる上記薄膜Ｅ
Ｌ素子に於て、まず蛍光体薄膜の結晶性を調べた。Ｘ線
回折法によって、配向性と結晶粒径の大きさが推察でき
る回折線の半値幅を調べた。その結果を（図２）に示
す。

【００２２】双方ともジンクブレンド構造の（１１１）
面と考えられる方向への強い配向を示した。従来の蛍光
体薄膜に比較して、本発明による蛍光体薄膜では、配向
性がより強く、回折線の半値幅がより狭くなっており、
結晶性の優れた薄膜が形成されたことを示している。

【００２３】結晶性の優れた薄膜が形成できた理由は、
発光中心であるＴｂ元素をＴｂＯＦ化合物の形状で比較
的高い濃度添加したために、ＴｂＯＦ化合物の結晶構造
がＺｎＳ化合物半導体の膜成長のメカニズムに好ましい
影響を与え、ＴｂＯＦ化合物を添加したＺｎＳ化合物半
導体薄膜の結晶性が向上し、ＴｂＯＦ化合物を添加ない
ＺｎＳ化合物半導体薄膜の結晶性も下地となるＴｂＯＦ
化合物を添加したＺｎＳ化合物半導体薄膜の結晶性の影
響を受けて良質になり、この結果、蛍光体薄膜全体に渡
って良質の薄膜が形成されたためであると考えられる。

【００２４】次に、上記薄膜ＥＬ素子の発光特性を調べ
た。周波数１ｋＨｚ、パルス幅３０μｓの対称パルス電
圧を上記ＥＬ素子に印加し、発光輝度並びに発光効率を
調べた。その結果を（図３）に示した。

【００２５】２０００ｃｄ／ｍ²、１．０ｌｍ／Ｗ以上
の高輝度、高効率を得ることができた。さらに、電圧に
対する輝度特性の曲線の傾きも従来の蛍光体薄膜を用い
たＥＬ素子に比較して急峻であり、発光が開始する電圧
も低電圧となり、エレクトロルミネッセンスディスプレ
イパネルへの適用に対して好ましい結果となった。

【００２６】上記の好ましい結果が得られたことは、化
合物半導体中に添加したＴｂ発光中心元素に高いエネル
ギーを持つ電子を数多く高い効率で衝突させることがで
きたことを示している。

【００２７】（実施例２）（実施例１）と全く同じ手法
でＥＬ素子を製作した。但し、ＴｂＯＦ化合物を添加す
る化合物半導体薄膜材料をセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）と
した。ＺｎＳ、ＴｂＯＦターゲットに加えて、ＺｎＳｅ
ターゲットを多元スパッタ装置に配置して、（実施例
１）と同じくターゲット上に配置したシャッターを開閉
して、基板上に５０〜２００ｎｍの厚みのＺｎＳ薄膜
と、ＴｂＯＦ化合物を添加した２０〜５０ｎｍの厚みの
ＺｎＳｅ薄膜とを交互に堆積して、６００〜８００ｎｍ
の厚みの蛍光体薄膜を形成した。

【００２８】ＴｂＯＦ化合物を添加しない化合物半導体
薄膜をＺｎＳ化合物半導体とし、ＴｂＯＦ化合物を添加
した化合物半導体薄膜をＺｎＳとは異なるＺｎＳｅ化合
物半導体として形成した蛍光体薄膜を有する薄膜ＥＬ素
子の発光特性を調べた。（実施例１）と同じ条件のもと
で調べた結果を（図４）に示した。

【００２９】（実施例１）と同様の高輝度、高効率、電
圧に対する輝度特性の曲線の傾きの急峻さを保ちなが
ら、さらに発光が開始する電圧がより低電圧側になり、
エレクトロルミネッセンスディスプレイパネルへの適用
に対してより好ましい結果となった。

【００３０】上記の好ましい結果が得られた理由は、Ｚ
ｎＳｅ化合物半導体中に添加したＴｂ発光中心元素に、
より数多くの高いエネルギーを持つ電子を高い効率で衝
突させることができたためであると考えられる。

【００３１】以上の実施例では、発光中心となり得る元
素を含む化合物を添加しない化合物半導体薄膜材料をＺ
ｎＳ、発光中心となり得る元素を含む化合物を添加する
化合物半導体薄膜材料をＺｎＳおよびＺｎＳｅ、発光中
心となり得る元素を含む化合物をＴｂＯＦとし、多元ス
パッタ法を用いて積層膜からなる蛍光体薄膜を形成した
薄膜ＥＬ素子の場合について記述したが、本発明は、薄
膜ＥＬ素子の蛍光体薄膜において、蛍光体の発光中心と
なり得る元素を含む化合物を添加しない化合物半導体薄
膜と、蛍光体の母体となり得る元素を含む化合物を添加
した化合物半導体薄膜との積層膜からなる蛍光体薄膜を
用いることを特徴とした薄膜ＥＬ素子に関する。

【００３２】従って、発光中心となり得る元素を含む化
合物を添加しない化合物半導体薄膜と、発光中心となり
得る元素を含む化合物を添加した化合物半導体薄膜とが
交互に積層された蛍光体薄膜の構造であれば良く、化合
物半導体材料や発光中心元素、発光中心となり得る元素
を含む化合物材料、さらには、薄膜の形成原理や、発光
中心となり得る元素を含む化合物材料の形成方法や添加
方法について特に制限されるものではない。

【００３３】例えば、上記方法において発光中心となり
得る元素を含む化合物材料を、ＴｂＯＦ化合物にかえて
希土類元素のハロゲンカルコゲン化物や燐化物や硫化物
あるいはマンガンの硫化物、発光中心となり得る元素を
含む化合物を添加あるいは添加しない化合物半導体薄膜
材料を、ＺｎＳやＺｎＳｅにかえて硫化カルシウム（Ｃ
ａＳ）やセレン化ストロンチウム（ＳｒＳｅ）等のアル
カリ土類金属のカルコゲン化合物、さらには、弗化亜鉛
（ＺｎＦ₂）や弗化カルシウム（ＣａＦ₂）等のハロゲン
化物や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化イットリウム（Ｙ₂
Ｏ₃）等のカルコゲン化合物にかえても同様に多層構造
を有する蛍光体薄膜を構成できることは言うまでもな
い。

【００３４】上記発光中心となり得る元素を含む化合物
の化合物半導体薄膜への添加を１種類以上とすることに
よっても多層構造を有する蛍光体薄膜を構成できる。さ
らに、形成原理を多元スパッタ法にかえて、多元蒸着法
や化学的気相成長法を用いることによっても上記多層構
造を有する蛍光体薄膜を構成できる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、結晶性に
優れる高濃度の発光中心元素が添加された良質の蛍光体
薄膜の形成が可能であり、発光中心元素へのエネルギー
の供給効率を改善できるとともに、発光中心元素に供給
する電子の量とエネルギーの大きさの独立な制御も可能
であり、高輝度、高効率の薄膜ＥＬ素子を製造すること
ができ、実用的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における薄膜ＥＬ素子の構成
図である。

【図２】本発明の一実施例における蛍光体薄膜の結晶性
を評価したグラフである。

【図３】本発明の一実施例における発光特性図である。

【図４】本発明の一実施例における発光特性図である。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ 透明電極 ３ 絶縁膜 ４ 発光中心となり得る元素を含む化合物を添加しない
化合物半導体薄膜 ５ 発光中心となり得る元素を含む化合物を添加した化
合物半導体薄膜 ６ 背面電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蛍光体の発光中心となり得る元素を含む
   化合物を添加しない化合物半導体薄膜と蛍光体の発光中
   心となり得る元素を含む化合物を添加した化合物半導体
   薄膜との積層膜からなることを特徴とする蛍光体薄膜。
2. 【請求項２】 蛍光体の発光中心となり得る元素を含む
   化合物を希土類元素のハロゲンカルコゲン化物としたこ
   とを特徴とする請求項１記載の蛍光体薄膜。
3. 【請求項３】 蛍光体の発光中心となり得る元素をテル
   ビウムとしたことを特徴とする請求項２記載の蛍光体薄
   膜。
4. 【請求項４】 化合物半導体薄膜をＺｎＳ、ＺｎＳｅ、
   ＺｎＯ、ＣａＳ、ＳｒＳ、ＢａＳ、ＣａＳｅ、ＳｒＳ
   ｅ、ＢａＳｅのうちの少なくとも一種類以上としたこと
   を特徴とする請求項１記載の蛍光体薄膜。
5. 【請求項５】 請求項１記載の蛍光体薄膜を用いた事を
   特徴とする薄膜ＥＬ素子。