JPH06283269A

JPH06283269A - 電気発光面光源素子

Info

Publication number: JPH06283269A
Application number: JP5068892A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mihara; 孝士三原
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】補助的光源を必要とせず、視野角が広く、かつ
時間応答性に優れ、低電圧駆動が可能な電気発光面光源
素子を提供する。【構成】厚さが５０ｎｍ〜２μｍの強誘電体薄膜１２
と、この強誘電体薄膜を挟んで設けられた下部並びに上
部電極１１，１３とで、上部電極側に上部電極に形成さ
れた開口１３ａを介して電子を射出可能な強誘電体キャ
パシタ部２１が形成されている。また、上部電極上に
は、電子なだれ現象により電子を増倍する増倍層１４
と、この上に順次積層された発光層１５透明電極１７と
により構成され、前記電子が注入されてＥＬ発光する電
気発光部２２が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気発光（Ｅｌｅｃｔ
ｒｉｃＬｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）素子（以下にＥＬ素
子という）を使用した電気発光面光源素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ワードプロセッサ、ノート型パー
ソナルコンピュータ、携帯型ゲームの旺盛な需要に支え
られて、固体画像表示素子の生産、販売が急激に伸びて
いる。このような用途にデスプレイとして使用される固
体画像表示素子の代表的なものとして、液晶を利用した
ものが、消費電力で低いので知られている。

【０００３】また、本出願人は特開平２−１９９７９４
号に示したようなＥＬ素子を用いた表示素子を既に出願
している。

【０００４】このＥＬ素子では、蛍光（発光）膜と厚い
絶縁膜との間の蛍光（発光）膜側に薄い絶縁膜が、また
厚い絶縁膜側に中間電極が挿入されている。なお、この
中間電極としては、Ａｌ、Ａｕ等の金属やＩＴＰ（Ｉｎ
ｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明電極、さらに
は非常に高濃度にドナーをドープしたｎ型半導体でも良
い。ただし、金属や半導体を用いる場合には、光を取り
出す側の中間電極は少なくとも光が通過する程度に充分
薄くしなければなよない。

【０００５】このような構造において、背面電極と透明
電極との間に電圧を印加し、蛍光（発光）膜に電界を印
加すると、中間電極から電子が薄い絶縁膜をトンネリン
グして蛍光（発光）膜中に注入去れる。この注入電子は
蛍光（発光）膜内に生じている電界によって加速され、
蛍光（発光）膜中の発光中心に衝突し、発光中心を励起
する。

【０００６】前記中間電極がない場合、蛍光（発光）膜
に注入される電子は、絶縁膜と蛍光（発光）膜との間の
界面に存在する準位（トラップ）から供給される。従っ
て、同一電界において、中間電極がある場合の方が電子
注入が多くなり、発光輝度も増加する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような液
晶ディスプレイにおいては、これは自己発光型ではない
ために、バックライトＥＬやバックライト蛍光管等のバ
ックライトが別個に必要とであり、このために、装置全
体が大型となり、またバックライトの寿命や消費電力の
問題もある。さらに、視野角が約３０°と非常に狭く、
また時間応答性も悪いという問題もある。そして、特に
アクティブマトリックスタイプのものでは、製造工程が
複雑で製造コストが高いという問題がある。

【０００８】また、前記特開平２−１９９７９４号に示
したＥＬ素子では、キャリアの供給が高電界中にトラッ
プサイト又はスペースチャージ領域を置くことによって
行われている。しかし、このような電界のみでキャリア
を得るためには、数ＭＶ／ｃｍの電界を印加して、キャ
リアをトンネル現象により引き出すか、ホットキャリア
化する必要がある。このように、トンネル現象やホット
キャリア化により、キャリアを引き出すことは従来非常
に困難であり、また駆動電圧が１００Ｖ前後と極めて高
いため、液晶ディスプレイに代わるような実用レベルに
は達していなかった。

【０００９】従って、本発明の目的は、バックライト等
の補助的光源を必要とせず、視野角が広く、かつ時間応
答性に優れ、低電圧駆動が可能な電気発光面光源素子を
提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電気発光面光源素子は、下部電極と、この
上に形成された強誘電体薄膜と、この上に形成され開口
を有する上部電極と、この上に形成され、上部電極の開
口を介して一部が前記強誘電体薄膜と接触し、強誘電体
薄膜から供給される電子を電子なだれ現象により増倍す
る増倍層と、この上に形成され増倍された電子が注入さ
れて発光する電気発光層とを具備することを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】上部電極と下部電極との間に印加されている電
圧の極性を反転すると残留分極量の約２倍のキヤリア、
即ち電子、が強誘電体薄膜中に誘起されて上部電極の開
口の所から増倍層に入り、ここで増倍されて電気発光層
に注入される。この結果、電気発光層は注入された電子
によりＥＬ発光する。

【００１２】

【実施例】以下にこの発明の第１の実施例に関わる電気
発光面光源素子を、図１並びに図２を参照して説明す
る。

【００１３】図１中、符号１０はディスプレイの基板を
示し、この基板上には多数の電気発光面光源素子２０が
マトリックス状に配置されている（図では代表的に１個
のみを示す）この基板１０は絶縁体で形成されている
か、上面に絶縁膜が形成され、各電気発光面光源素子が
電気的に分離されている。この光源素子２０は、基板１
０上に直接形成された下部電極１１と、この下部電極１
１上に形成された強誘電体薄膜１２と、この上に形成さ
れた上部電極１３とからなる強誘電体キヤパシタ部２１
を有する。この誘電体薄膜１２は、非常に薄く、好まし
くは５０ｎｍ〜２μｍの範囲内が望ましい。また、前記
上部電極１３には、その中心に円形の開口１３ａが形成
されており、この開口の所で前記誘電体薄膜１２の上面
の一部が露呈している。このキヤパシタ部２１の上に
は、電気発光部２２が形成されている。この電気発光部
２２は、前記上部電極１３上に形成され、下部中心部が
前記開口１３ａを介して誘電体薄膜１２と接触するキヤ
リア増倍層１４と、この上に順次積層された発光層１５
と、透明電極１７とにより構成されている。前記誘電体
薄膜１２は３〜４ｅＶ程度の強誘電体で、キヤリア増倍
層１４は化合物半導体で、そして発光層１５はバンドギ
ャップが発光波長に調整されるかまたは内部の不純物が
発光過程に応じて適当に加えられた化合物半導体で夫々
形成されている。

【００１４】上記構成の電気発光面光源素子は、図２
（ｂ）に示すような電子エネルギーの高さ分布を有して
いる。即ち、電子エネルギーは、誘電体薄膜１２が、一
番高く、発光層１５に向かうのに従って低くなってい
る。この実施例では、誘電体薄膜１２の誘電率は１００
〜１５００と極めて高く、一方、キヤリア増倍層１４並
びに発光層１５は約１０のオーダと低くなっている。こ
の結果、下部電極１１に“−”の電圧を、そして透明電
極１７に“＋”の電圧を印加すると電圧の９０％はキヤ
リア増倍層１４並びに発光層１５印加されることにな
る。

【００１５】前記誘電体薄膜１２は内部に自発分極Ｐを
持ち、この分極が同一方向を向いた分子配列の結晶で電
極域のドメインをつくっている。この誘電体薄膜１２に
電圧が印加されると、この分極Ｐが同一方向を向きドメ
インが固定される。一方このＰによる電束密度Ｄは、誘
電率をε₀、そして電界をＥ_fとすると次式によりあら
わされる。

【００１６】Ｄ＝ ε₀Ｅ_f ＋Ｐここで、ドメインが安定に存在するためには、電界Ｅ_f
を誘電体薄膜１２の内部で充分に小さくする必要があ
り、このためには電束密度Ｄを補償するような過剰チヤ
ージρ₀が次式のガウスの法則を満足するように発生す
る必要がある。

【００１７】ρ₀ ＝ ∫ _sＤ・ｄＡ通常、金属の電極では内部の自由キヤリアでこれが行わ
れる。前記キヤリア増倍層１４は半導体で形成されてい
るので、キヤリア増倍層１４内でキヤリアが僅かに存在
している。このため、過剰チヤージρ₀をキヤリア増倍
層１４内で発生させるためにエネルギーバンドが図２
（ｂ）に示すように非常に低くなる。

【００１８】この後、下部電極１１と上部電極１３との
間の印加電圧パルスを反転させることにより、分極Ｐを
−Ｐに変化させる。このときに、キヤリア増倍層１４内
の過剰チヤージρ₀は電子から正孔へと変わり、ρ₀−
（−ρ₀）＝２ρ₀のキヤリアが発生する。

【００１９】この発生するキヤリアの量は、１回の極性
の反転の毎に２ρ₀で、分極Ｐは２ρ₀ ＝２Ｐとな
って、過剰チヤージρ₀によって完全に補償される場
合、即ち、Ｅ_f がほぼ０の場合には、Ｐの２倍、即
ち、スイッチング・チヤージＱ_SW（＝２ρ₀）に相当
する。このスイッチング・チヤージＱ_SWは数十μＣ／ｃ
ｍ²であり、この電流は数十ＫＡ／ｃｍ²となり、非常
に大きくなる。このようなキヤリアの発光過程を図３の
（ａ）（ｂ）に示す。

【００２０】このようにして発生したキヤリアはキヤリ
ア増倍層１４で加速されて発光層１５に注入される。こ
のキヤリア増倍層１４は、誘電率が比較的小さく発光層
１５でより射出される発光（ｈν）の波長を吸収しない
ようにバンドギャップが大きい材質で形成されている。
このキヤリア増倍層１４への不純物のドーピングは、全
くしないか、僅かにすることが望ましい。このキヤリア
増倍層１４は、ここでの電子の加速は数百ｋＶ／ｃｍか
ら数十ＭＶ／ｃｍもしくはこれ以上となるように設定さ
れている。また、この加速中に多重イオン化散乱により
電子の増倍が生じても、また生じなくても良い。

【００２１】発光層１５では、加速されて注入された電
子とバンドと間の直接遷移過程、またはフォトンを介し
た遷移過程および不純物による浅い又は深いレベルによ
る遷移、量子井戸等の不純物回りの閉じ込められたキヤ
リアにより励起順位、または原子内イオン化により光が
発生される。このような発光メカナズムは図３（ａ）に
示すようになり、また、その電流−電圧特性は図３
（ｂ）に示すように印加電圧が所定の電圧以上になると
急激に電子の増倍がキヤリア増倍層１４で生じる前記下
部電極１１，上部電極１３は、特に限定されるものでは
ないが、Ｐｔ，Ｐｔとバッファー層との組合わせ、例え
ばＰｔ／Ｔｉ，Ｐｔ／Ｔａ，Ｐｔ／ＴｉＮ，Ｐｔ／Ｔｉ
Ｗ，貴金属、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｐｄ、Ｎｉ合金、高融
点金属、例えばＮｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，ＴｉＮ，もしく
はＴｉＷ等で形成され得る。

【００２２】また、誘電体薄膜１２は、ペロブスカイト
系、チタン酸塩系、例えばＢａＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃（ＰＴ）、
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）
（ＺｒＴｉ）Ｏ₃、ニオブ酸塩系、例えばＰｂ（Ｍｇ
_1/3，Ｎｂ_2/3）Ｏ₃，ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₃，
ＫＮｂＯ₃，Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ₃，タングステン・ブ
ロンス系、例えば（Ｓｖ，Ｂａ）Ｎｂ₂Ｏ₆，（Ｓｖ，
Ｂａ）_0.8ＲｘＮａ_0.4Ｎｂ₂Ｏ₆，（Ｐｂ，ＢＡ）Ｎ
ｂ₂Ｏ₆，（Ｋ，Ｓｒ）Ｎｂ₂Ｏ₆，（Ｐｂ，Ｋ）Ｎｂ
₂Ｏ₆，Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅ＰＢＮ，ＫＳＮ，ＰＫ
Ｎ，ＢＮＮ，もしくはＢｉ系レイヤードプロブスカイト
系で形成され得る。

【００２３】そして、キヤリア増倍層１４並びに発光層
１５は化合物半導体で、特に、発光層をベースとした材
料により形成され得る。例えば、ＺｎＳ系、ＺｎＳｅ
系、ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ系、ＳｉＣ系、ＺｎＯ
系、ａ−Ｓｉ（アモルファス・シリコン）、ａ−Ｇｅ：
Ｈ（水素含有アモルファス・ゲルマニュム）、ａ−Ｓｉ
_1- _xＮ_x：Ｈ，ａ−Ｓｉ_1-xＣｘ：Ｈ，ａ−Ｓｉ_1-xＯ
_x、酸化物系、例えばＺｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃（Ｐ
Ｏ₄）₂、Ｚw-x Ｏ、Ｃｄ_1-2Ｏ、Ｚｎ_xＣｄ_1-2Ｏ、
ＮｉＯ，ＣｏＯ，Ｃｕ₂Ｏ、サルコパイライト系、例え
ばＣｕＣａＳ₂，ＣｕＡｌＳｅ₂、ＣｕＡｌＳ₂、Ａｇ
ＧａＳ₂、ＺｎＣｄＳが使用され得る。また、Ｉ−III
−Ｖ₂族カルコパイライト系、または単結晶、微結晶、
アモルファス状態の上記材質もしくはそれ以外のもので
も形成され得る。

【００２４】また、透明電極１７は、ＩＴＯ等により形
成される。

【００２５】次に、第２の実施例を図４を参照して説明
する。

【００２６】この実施例では、キヤリア増倍層１４中に
グリッド層１６が形成され、キヤリア増倍層１４が上層
と下層に分離されている。このグリッド層１６は中央に
開口１６ａを有する導電体層で形成され、下層から上層
に移動する電子を開口のところで制御するように加速電
界を制御可能となっている次に、上記構成の電気発光面
光源素子をマトリックス状には配設して画素とした場合
のディスプレイを図５を参照して説明する。

【００２７】図中、符号３０はＰ導電型のシリコン基板
を示し、この上にはマトリックス状に配列された多数の
電気発光面光源素子２０と、各素子に対応するように配
設されたｎ−ＭＯＳトランジスタ３１とが形成されてい
る。このシリコン基板３０の上面はトランジスタ３１が
形成されている部分を除いてフイールド酸化膜３２で覆
われており、この酸化膜３２とシリコン基板３０とで前
記基板１０を構成している。この酸化膜３２の上に前記
下部電極１１が形成されているとともに、これら下部電
極１１間を電気的に絶縁するようにして絶縁膜３３が形
成されている。

【００２８】一方、前記シリコン基板３０の露出した上
面にはＮ導電型のソース領域３４並びにドレイン領域３
５が形成されている。そして、これら領域間のチヤンネ
ル上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極３６が形成さ
れている。また、ドレイン領域３５と上部電極１３とは
ドレイン電極３７により電気的に接続されている。

【００２９】この例では、基板３０にソース領域３４，
ドレイン領域３５，ゲート電極３６を形成した状態で電
気発光面光源素子２０を形成し、そして基板３３を形成
した後に、この基板３３の上部電極１３上に位置する部
分にコンタクトホールを形成してからドレイン電極３７
を沈着、パターンニングして上部電極１３とドレイン領
域３５とを電気的に接続している。

【００３０】図６は、本発明の電気発光面光源素子と、
アクティブ素子としてＭＯＳトランジスターとを組合わ
せたときの駆動方式の例を示す。

【００３１】（ａ）では、図２に示す電気発光面光源素
子を用いており、キヤパシタ部２１と発光部２２とには
ワードラインからトランジスター３１を介して常時電圧
が印加されており、ドライブラインからトランジスター
３１への信号により、電気発光面光源素子は選択的に駆
動されて発光するようになっている。

【００３２】（ｂ）では、図３に示す電気発光面光源素
子を用いており、グリッド層１６の電圧のみをと外部か
らディスプレイ全体で制御するようになっている。

【００３３】（Ｃ）では、図３に示す電気発光面光源素
子を用いており、グリッド層１６がトランジスター３１
のドレイン電極に接続されており、キヤパシタ部２１に
は常時電圧が印加されている。従って、グリッド層をト
ランジスター３１で駆動するようになっている。

【００３４】図７は、本発明の電気発光面光源素子をカ
ラーデスプレイに使用した場合の配置例を示す。

【００３５】（ａ）は赤色光（Ｒ）を射出する電気発光
面光源素子２０Ｒと、緑色光（Ｇ）を射出すると電気発
光面光源素子２０Ｇと、青色光（Ｂ）を射出する電気発
光面光源素子２０Ｂとを準備し、夫々をアドレス回路５
４，５５によりＭＯＳトランジスター３１を介して、電
気発光面光源素子を夫々単独で発光させるようにしてい
る。

【００３６】（ｂ）は白色光を射出する電気発光面光源
素子２０のみを用意し、この射出側に３原色のフイルタ
ーを、夫々配置し、白色射出光を色フイルターで夫々の
色に着色している。

【００３７】図２並びに図３に示す実施例では、誘電体
薄膜１２と上部電極１３とを直接接触させているが、こ
れらの界面に半導体層を形成しても良い。図８を参照し
てその例を説明する。

【００３８】（ａ）は、誘電体薄膜１２を熱処理すると
きに露出面に形成される半導体層４０をそのまま残して
おいた例を示す。この例では、半導体層４０を形成した
後に上部電極１３を形成し、さらにリフト・オフやウエ
ット・エッチ等のエッチングにより開口１３ａを形成し
ている。

【００３９】（ｂ）は、誘電体薄膜１２の上に上部電極
１３を形成したのちに半導体層４０を開口１３ａからの
露出面に形成した例を示す。この例では開口１３ａを反
応エッチング、スパッター・エッチング、イオンミーリ
ング等で形成した後に、再熱処理して半導体層４０を形
成している。

【００４０】（ｃ）は、誘電体薄膜１２上に上部電極１
３を形成し、さらに開口１３ａを形成した後に、半導体
材料を誘電体薄膜１２並びに上部電極１３上に沈着して
半導体層４０を形成している。

【００４１】以下に、図９を参照して発光部２２の変形
例を説明する。

【００４２】（ａ）は、キヤリア増倍層１４と透明電極
１７との間にブロック層４２を介在させた例を示す。こ
のブロック層４２は、発光層１５よりもΔｎ及び／又は
バンド・ギャップを大きくして無効電流の低減やそれを
閉じ込める機能を果たしている。このブロック層４２は
化合物半導体等で形成され得る。

【００４３】（ｂ）は、上部電極１３とキヤリア増倍層
１４との間にキヤリア緩和層４３を介在させた例を示
す。高密度で高エネルギーの電子が直接キヤリア増倍層
１４内に注入されると、インパクト電離によってこのキ
ヤリア増倍層１４が劣化してしまう恐れがある。このた
めに緩和層４３を上部電極１３とキヤリア増倍層１４と
の間に介在させて、このキヤリア増倍層１４の劣化を防
止している。この緩和層４３は、ブロック層４２と同じ
く、発光層１５よりもΔｎ及び／又はバンド・ギャップ
を大きするか、もしくは同じでもドーピングしない材料
で形成することが望ましい。

【００４４】前記各実施例において、キヤリア増倍層１
４は、一種類の材料の単一層でも良いし、また複数の材
料の複合層でも良い。例えば、沈着により下層を形成
し、この上に、これと同じ材料か異なる材料の単結晶の
上層を形成した複合層でも良い。

【００４５】

【発明の効果】本発明の電気発光面光源素子において
は、強誘電体の分極反転による電子の注入により、ＥＬ
発光をさせたことにより、バックライト等の補助的光源
を必要とせず、視野角が広く、かつ時間応答性に優れ、
低電圧駆動が可能な電気発光面光源素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる電気発光面光源素子
の斜視図である。

【図２】（ａ）は図１に示す素子の断面図、（ｂ）は素
子の各層間の電子エネルギーを示す線図である。

【図３】本発明の電気発光面光源素子の発光メカニズム
を説明するための図で、（ａ）は増倍層内で電子が増倍
されて光が発光される状態を示す図、また（ｂ）は印加
電圧と電流との関係を示す線図である。

【図４】（ａ）は本発明の第２の実施例に係わる電気発
光面光源素子を示す断面図、そして（ｂ）は素子の各層
間の電子エネルギーを示す線図である。

【図５】本発明の電気発光面光源素子とＭＯＳトランジ
スタとを組合わせたデスプレイの一部を示す断面図であ
る。

【図６】電気発光面光源素子の夫々異なる駆動方式を説
明するための図である。

【図７】電気発光面光源素子をＭＯＳトランジスターと
組合わせてカラーディスプレイを構成する異なる方法を
説明するための概略図である。

【図８】夫々キヤパシタ部の変形例を説明するための図
である。

【図９】夫々発光部の変形例を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１０…基板、１１…下部電極、１２…強誘電体薄膜、１
３…上部電極、１３ａ…開口、１４…キヤリア増倍層、
１５…発光層、１６…グリッド電極、１７…透明電極、
２１…キヤパシタ部、２２…電気発光部。４０…半導体
層、４２…ブロック層、４３…緩和層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部電極と、この上に形成された強誘電
体薄膜と、この上に形成され開口を有する上部電極と、
この上に形成され、上部電極の開口を介して一部が前記
強誘電体薄膜と接触し、強誘電体薄膜から供給される電
子を電子なだれ現象により増倍する層と、この上に形成
され増倍された電子が注入されて発光する電気発光層と
を具備する電気発光面光源素子。