JPH06333675A

JPH06333675A - 電気発光面光源素子

Info

Publication number: JPH06333675A
Application number: JP18838393A
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: 1993-07-29
Publication date: 1994-12-02

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、キヤリア加速層１４と、この上に順次積
層された発光層１５、ブロック層１６、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ィ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。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（Ｉｎｄ
ｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】

【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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】

【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、強誘電体薄膜とこ
の強誘電体薄膜を挟んで設けられた１対の電極とを有
し、一方の電極側に電子を射出可能な強誘電体キャパシ
タ部と、この一方の電極側に設けられ、前記電子が注入
されて発光する電気発光部とを具備することを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】強誘電体薄膜の両側に設けられた１対の電極に
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、が誘起されて電気発光部に
注入される。この結果、電気発光部は注入された電子に
よりＥＬ発光する。

【００１１】

【実施例】以下にこの発明の一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。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１０上に直接形成さ
れた下部電極１１と、この下部電極１１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
とらなる強誘電体キヤパシタ部２１を有する。この強誘
電体薄膜１２は、非常に薄く、好ましくは５０ｎｍ〜２
μｍ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
の開口の所で前記強誘電体薄膜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
を介して強誘電体薄膜１２と接触するキヤリア加速層１
４と、この上に順次積層された発光層１５、ブロック層
１６、透明電極１７とにより構成されている。前記強誘
電体薄膜１２は３〜４ｅＶ程度の強誘電体で、キヤリア
加速層１４並びにブロック層１６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。

【００１２】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、強誘電体薄膜１２が、
一番高く、ブロック層１６に向かうのに従って低くなっ
ている。この実施例では、強誘電体薄膜１２の誘電率は
１００〜１５００と極めて高く、一方キヤリア加速層１
４，発光層１５並びにブロック層１６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％はキヤリア加速層１４，発光層１５並び
にブロック層１６に印加されることになる。

【００１３】前記強誘電体薄膜１２は内部に自発分極Ｐ
を持ち、この分極が同一方向を無板分子の結晶で電極域
のドメインをつくっている。この強誘電体薄膜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。

【００１４】Ｄ＝ ε₀ Ｅ_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
を強誘電体薄膜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。

【００１５】ρ₀ ＝ ∫_s Ｄ・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。前記キヤリア加速層１４は半導体で形成されてい
るので、キヤリア加速層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 をキヤリア加速
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。

【００１６】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、キヤリア加速層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。

【００１７】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。

【００１８】このようにして発生したキヤリアはキヤリ
ア加速層１４で加速されて発光層１５に注入される。こ
のキヤリア加速層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。
このキヤリア加速層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
加速層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。

【００１９】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。

【００２０】前記ブロック層１６は、電子の流れを発光
層１５で止めて、無効電流が透明電極１７に流れ込まな
いようにするためと、発光層１５で発光した光をブロッ
ク層１６の障壁Δｎで閉じ込めて透明電極１７内で吸収
されるのを防止するために使用している。

【００２１】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／ＴｉＷ，貴金属、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｐ
ｄ、Ｎｉ合金、高融点金属、例えばＮｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃ
ｒ，ＴｉＮ，もしくはＴｉＷ等で形成され得る。

【００２２】また、強誘電体薄膜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）Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｓｖ，
Ｂａ）_0.8 ＲｘＮａ_0.4 Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｐｂ，ＢＡ）Ｎ
ｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｋ，Ｓｒ）Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｐｂ，Ｋ）Ｎｂ
₂ Ｏ₆ ，Ｂａ₂ ＮａＮｂ₅ Ｏ₁₅ＰＢＮ，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、キヤリア加速層１４，発光層１
５，ブロック層１６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-x Ｎ_x ：Ｈ，ａ−Ｓｉ_1-x Ｃｘ：Ｈ，
ａ−Ｓｉ_1-x Ｏ_x 、酸化物系、例えばＺｎ₂ ＳｉＯ₄ 、
Ｚｎ₃ （ＰＯ₄ ）₂ 、Ｚw-x Ｏ、Ｃｄ_1-2 Ｏ、Ｚｎ_xＣ
ｄ_1-2 Ｏ、ＮｉＯ，ＣｏＯ，Ｃｕ₂ Ｏ、カルコパイライ
ト系、例えばＣｕＣａＳ₂ ，ＣｕＡｌＳｅ₂ 、ＣｕＡｌ
Ｓ₂ 、ＡｇＧａＳ₂ 、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、透明電極は１７は、ＩＴＯ等により
形成される。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４を参照して説明する。図４にて（ａ）はアクテ
イブ素子としてのｎ−ＭＯＳトランジスタと電気発光面
光源素子との組合わせを代表的に１つ示した構造の断面
図であり、（ｂ）はその等価回路図である。

【００２５】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上には前記絶縁基板１０と
しての機能を果たすリンガラス膜が形成されている。そ
して、このリンガラス膜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。

【００２６】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。

【００２７】この例では、ドレイン電極３７をドレイン
領域３５と上部電極１３とを接続するようにパターン形
成した後に、キヤリア加速層１４をこれらの上に、例え
ばＭｏのＣＶＤにより形成している。

【００２８】各トランジスタ３１のゲート電極はアドレ
ス回路３８に、またソース電極はドライブ回路３９に、
夫々図４（ｂ）に示すように接続されている。上記のよ
うな構成のディスプレイにおいては、アドレス回路３８
とドライブ回路３９とからの画像情報にもとずく駆動信
号により選択的にトランジスタ３１をスイッチングさせ
て電気発光面光源素子を駆動し所定の画像を出力するこ
とができる。

【００２９】図５に、この装置の発光方式を示す。この
図にて、Ｗｉはアドレス回路３８からアドレスラインに
供給される信号を、またＤｊはドライブ回路３９からド
ライブラインに供給される信号を、それぞれ示す。
（ａ）はドライブ信号（Ｄｊ）がパルス信号の場合であ
り、画素（ｉｊ）は単一発光となる。（ｂ）はドライブ
信号（Ｄｊ）がサイン波形信号の場合であり、発光量を
調節する階調はこのパルス数で決めても良い。図６は図
４に示す装置の変形例を示す。

【００３０】この装置では、電気発光面光源素子２０を
シリコン基板３０上に形成した後に、電気発光部２２の
一部をイオンミーリングや反応性イオンエッチング技術
を使用して除去して上部電極１３の一部を露出してか
ら、ドレイン電極３７を形成している。

【００３１】次に、他の実施例を順次、関連した図面を
参照して説明する。これら実施例にて前記実施例と実質
的に同一部材は同一符号を付して説明を省略する。図７
に示す電気発光面光源素子は、上部電極１３の開口１３
ａ内で、強誘電体薄膜１２とキヤリア加速層１４との接
触界面に形成された半導体層４０を有する。この半導体
層４０は、好ましくは、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有
し、強誘電体薄膜１２の表面を加熱することにより、こ
の表面に形成しても、また半導体を強誘電体薄膜１２の
表面に付加することにより形成しても良い。例えば、強
誘電体薄膜１２上に沈着した上部電極１３にイオンミー
リングにより開口１３ａを形成するときに、強誘電体薄
膜１２の表面も少しエッチングされるので、このエッチ
ング面を、例えば、酸素雰囲気中で熱処理することによ
り、この表面にｎ導電型の半導体層４０を形成すること
ができる。このような半導体層４０を設けると、強誘電
体薄膜１２とキヤリア加速層１４との間で電子エネルギ
ーが（ｂ）に示すように高くなり、このキヤリア、即ち
電子の発生効率が向上する効果が得られる。

【００３２】図８に示す電気発光面光源素子は発光層１
５と透明電極１７との間に前記実施例では設けられてい
るブロック層１６を無くし、発光層１５の上に直接透明
電極１７を形成している。これは、原子間遷移による発
光の場合には、キヤリア加速層１４と発光層１５との界
面にヘテロ接合により形成されるブロックステップによ
るだけで、ブロック機能が充分なためである。

【００３３】図９に示す電気発光面光源素子は、図７に
示すものと同様にブロック層１６を無くし、かつ半導体
層４０を強誘電体薄膜１２並びに上部電極１３とキヤリ
ア加速層１４との界面にヘテロ接合的に形成している。
この実施例では、ブロック層を設ける必要が無くて、発
光効率の向上が図れる。勿論、半導体層４０は強誘電体
薄膜１２とキヤリア加速層１４の界面のみに形成しても
良い。

【００３４】

【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
を説明するための電子エネルギーを示す線図で、（ａ）
は印加電圧が反転される前の状態を、また（ｂ）は印加
電圧が反転されたときの状態を夫々示す。

【図４】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を示し、（ａ）は構造の
一部を示す断面図であり、（ｂ）はその等価回路図であ
る。

【図５】図４に示す装置の発光方式を示し（ａ）は単発
光の場合を、そして（ｂ）は複数発光の場合を、夫々示
す。

【図６】図４（ａ）に示す装置の変形例を示す断面図で
ある。

【図７】（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８】（ａ）は本発明の第３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９】（ａ）は本発明の第４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。

【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、１４…キヤリア加速層、１５…発光層、
１６…ブロック層、１７…透明電極、２１…キヤパシタ
部、２２…電気発光部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電体薄膜とこの強誘電体薄膜を挟ん
で設けられた１対の電極とを有し、一方の電極側に電子
を射出可能な強誘電体キャパシタ部と、この一方の電極
側に設けられ、前記電子が注入されて発光する電気発光
部とを具備する電気発光面光源素子。