JPH0666154B2 - 薄膜エレクトロルミネセンス素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、交流電圧を印加することによって高輝度に発
光が得られる薄膜エレクトロルミネセンス素子の改良に
関する。

〔従来の技術〕

薄膜エレクトロルミネセンス（以後ＥＬと称す）素子
は、発光センター（中心）を形成する活性物質としてＭ
ｎ、Ｃｕ、ＴｂＦ_３等の不純物をドープしたＺｎＳ、Ｚ
ｎＳｅ等からなる半導体発光層に、交流電界を印加して
ＥＬ発光を得るものである。この場合、高輝度発光をえ
るために発光層の両面にＹ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２
Ｏ_３、ＴｉＯ_２等の誘電体層で被覆した二重絶縁構造の
薄膜ＥＬ素子が一般的に知られている。この薄膜ＥＬ素
子の一例として、ＺｎＳ中に発光中心としてＭｎをドー
プした薄膜ＥＬ素子の基本構造を第５図に示す。

第５図に基いて薄膜ＥＬ素子の構造を説明すると、ガラ
ス基板１上にＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の透明電極２と、
さらにその上に積層してＹ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２
Ｏ_３、ＴｉＯ_２等からなる第１の誘電体層３とがスパッ
タ又は電子ビーム蒸着法等により重畳形成される。第１
の誘電体層３上には、Ｍｎを含むＺｎＳの焼結ペレット
を電子ビーム蒸着することにより、ＺｎＳ発光層４が形
成される。この時、蒸着ペレットであるＺｎＳｉＭｎ焼
結ペレットには、活性物質となって発光中心を形成する
Ｍｎが所定の濃度となるようにペレットが製作される。
ＺｎＳ発光体層４上には、さらに第１誘電体層３と同様
の材質から成る第２の誘電体層５が積層される。最後に
第２の誘電体層５の上にＡｌ等からなる背面電極６が蒸
着成形される。必要に応じて背面電極６は、パターンニ
ングされる。この薄膜ＥＬ素子は、透明電極２と背面電
極６の間に交流電源７が接続される。

透明電極２と背面電極６の間に交流電圧を印加するとＺ
ｎＳ発光層４の両側の誘電体層３、５間に上記交流電圧
が誘起されることになり、従ってＺｎＳ発光層４内に発
生した電界によって伝導帯に励起されかつ加速されて充
分なエネルギーを得た電子が、直接Ｍｎ発生センターを
励起し、励起されたＭｎ発生センターが基底状態に戻る
際にオレンジ色に発光を行う。即ち高電界で加速された
電子がＺｎＳ発光層４中の発光センターであるＺｎサイ
トに入ったＭｎ原子の電子を励起し、基底状態に落ちる
時、約５８００Åをピークに幅広い波長領域で強い発光
を行う。

上記の如く構造を有した薄膜ＥＬ素子は、平面薄型ディ
スプレイデバイスとして文字及び図形を含むコンピュー
タの出力表示端末機器その他種々の表示装置に文字、記
号、静止画像、動画像等の表示手段として利用すること
ができる。表示装置として用いられる薄膜ＥＬ素子にお
いては、透明電極２及び背面電極６が帯状に形成され、
互いに直交する様に配列されたマトリックス電極構造が
採用されており、透明電極２と背面電極６が平面図的に
見て交叉した位置が表示画面の１画素に相当する。

薄膜ＥＬ素子を使用した表示装置は、従来のブラウン管
（ＣＲＴ）と比較して動作電圧が低く、同じ平面型ディ
スプレスデバイスであるプラズマディスプレイパネル
（ＰＤＰ）と比較すれば重量や強度面で優れており、液
晶（ＬＣＤ）に比較して動作可能温度範囲が広く、応答
速度が速い等の多くの利点を有している。また純固体マ
トリックス型パネルであるため動作寿命が長いという優
れた特徴を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら発光体薄膜層は現在の技術水準では、蒸着
やスパッタ等の手段で成膜されるのが一般的であるが、
蒸着やスパッタの手段では一般に結晶性は悪く、厚みが
薄い場合にはこの傾向が著しい。このため、上記結晶性
の悪い部分は発光センターを励起するための電子の加速
が充分に行われず、発光センターの活性が低く、更に非
発光性欠陥が多い等の理由によりＥＬ発光の効率が悪
い。このことは一般に非結晶性や多結晶質の基板上に発
光層材料であるＺｎＳやＺｎＳｅ等を積層するために生
じる現象である。

また発光中心濃度は、発光輝度と密接な関係にあり、発
光中心濃度が増大するにつれて発光輝度は増大し、最適
濃度を経た後に逆に減少する。

これらの関係については、本発明者等が行った実験結果
の一例を第２図に示す。横軸は赤色を呈する発光中心で
あるＳｍＦ_３の添加量を重量％で示してある。発光層の
母材料はＺｎＳである。縦軸には、ＺｎＳ（１１１）面
の半値幅２θ、単位膜厚当りのＸ線強度Ｉ_１１１／ｄ、
最高輝度Ｂｍａｘがとってある。

この第２図からわかるように、発光中心濃度が0.１ｗｔ
％から１０ｗｔ％の範囲で増大するにつれて、単位膜厚
当りのＸ線強度Ｉ_１１１／ｄは減少し、半値幅２θは増
大する。このことは発光層ＺｎＳの結晶性が著しく低下
していることを示している。

一方最高輝度は１ｗｔ％付近にあり、その近傍では発光
輝度Ｂｍａｘは小さい。このことは、最適な発光中心濃
度は１ｗｔ％以上にある可能性があるにもかかわらず、
通常の成膜手段では発光中心濃度が１ｗｔ％以上に増大
すると結晶性が低下するため高輝度が得られないという
ことを示唆している。

そこで本発明は、従来の成膜方法では得られない結晶性
の良好な発光体薄膜を有し、より高輝度な輝度特性をも
つ薄膜ＥＬ素子の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は、上記目的を達成するためにガラス基板
と、該ガラス基板上に形成された透明電極と、該透明電
極上に形成され第１の誘電体層と、該第１の誘電体層上
の形成された結晶性の良好な発光体薄膜層と、該発光体
薄膜層及び前記第１の誘電体層の上に、前記発光体層を
被覆して形成された第２の誘電体層と、該第２の誘電体
層上に、背面電極を形成し、さらに、前記発光体薄膜層
が発光体中心を含まない第１の発光体薄膜層と発光体中
心を含んだ第２の発光体薄膜層から構成されており、し
かも前記第１の発光体薄膜層が、前記第１の誘電体層上
に形成され、また前記第２の発光体薄膜層が、前記第１
の発光体薄膜層と前記第２の誘電体層との間に形成され
るとともに、前記第２の発光体薄膜層の発光中心濃度
が、前記第１の発光体薄膜層と前記第２の発光体薄膜層
の界面から、前記第２の誘電体層と前記第２の発光体薄
膜層の界面に亘って、減少することなく増加した。濃度
勾配をもって形成されているという技術手段を採用す
る。

〔実施例〕

以下本発明を図示の実施例に基づいて説明する。第１図
中において第５図と同一符号は同一内容を示し、説明を
省略する。

本第１実施例の特徴は、第１の誘電体層３を形成した後
に、発光中心を含まない第１の発光体薄膜層４ａを形成
し、この第１の発光体薄膜層４ａの上に、高い最高輝度
が得られる濃度に設定された発光中心を含む第２の発光
体薄膜層４ｂを形成した点である。

このような構造にすることより、第１の誘電体層３との
境界部分には、発光中心が含まれていないため、非常に
規則正しい良好な結晶性が得られる。しかも第１の発光
体薄膜層４ａの上に形成される第２の発光体薄膜層４ｂ
は、第１の発光体薄膜層４ａと同じ母材（例えばＺｎ
Ｓ）であるため、発光中心の濃度にあまり影響を受ける
ことなく、良好な結晶性を保って形成できる。したがっ
て第２の発光体薄膜層４ｂ中に含まれる発光中心の濃度
は、第２図に示す濃度と最高輝度との関係から、最も高
い最高輝度が得られる濃度に設定することが可能とな
る。

次に、上記第１および第２の発光体薄膜層の形成方法に
ついて説明する。まずガラス基板１上に透明電極２、第
１の誘電体層３を順に通常の方法で成膜する。第１およ
び第２の発光体薄膜層４ａ，４ｂは、蒸着又はスパッタ
あるいはＣＶＤで成膜可能である。

例えば蒸着やスパッタを例にとれば発光中心を全く含ま
ない蒸着ペレット又はスパッタリングターゲットを使用
して成膜した後、発光中心を所定の濃度だけ含んだ蒸着
ペレット又はスパッタリングターゲットを使用して成膜
する。あるいは発光中心を全く含まない蒸着ペレット又
はスパッタリングターゲットと発光中心のみの蒸着ペレ
ット又はスパッタリングターゲットを別々に、又は同時
に成膜することによっても可能である。この場合、第２
の発光体薄膜層の濃度は以下に列挙する方法によって決
められる。まず、スパッタ法は、発光体ターゲットと発
光中心のターゲットを別々にスパッタし、その投入パワ
ーの比でもって制御する。

また、蒸着法の場合は、発光体蒸着ペレットと発光中心
蒸着ペレットを別々に蒸着し、その投入パワーの比でも
って制御する。また、ＣＶＤ法の場合は、発光体薄膜を
形成する材料ガスと発光中心を形成する材料ガスの化学
反応で成膜し、その供給量の比でもって制御する。

ここで、発光中心濃度の厚さ方向の濃度分布を第３図に
示す。曲線Ｓ_１は従来技術による発光中心濃度分布で、
発光体薄膜層の全膜厚に対して一定である。曲線Ｓ_２は
所定の膜厚まで発光中心を全く含まない発光体薄膜層４
ａを成膜した後、所定の発光中心濃度をもつ発光体薄膜
層４ｂを成膜する場合である。また曲線Ｓ_３は所定の膜
厚まで発光中心を全く含まない発光体薄膜層４ａを成膜
した後、所定の発光中心濃度になるまで徐々に発光中心
濃度を増大させた発光体薄膜層４ｂを成膜させた場合で
ある。

曲線Ｓ_２，Ｓ_３の場合はいずれも発光中心をもつ第２の
発光体薄膜層４ｂを成膜する前に発光中心を全く含まな
い第１の発光体薄膜層４ａを成膜するため、発光中心を
もつ発光体薄膜層４ｂの結晶性は、上述したようにＳ_１
の場合に比べて向上する。

第１図に示す構造の薄膜ＥＬ素子の輝度特性の代表例を
第４図に示す。図中においてＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の記号
は、第４図のＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の構造に対する輝度特性
を示す。第１および第２の誘電体層３，５はＹ_２Ｏ_３を
６０００Åの厚さに蒸着にて成膜している。発光体薄膜
層のうち、発光中心を含まない第１の発光体薄膜層４ａ
はＺｎＳを１０００Å、発光中心を含む第２の発光体薄
膜層４ｂはＺｎＳ：ＴｂＦ_３を６０００Åの厚さに蒸着
にて成膜している。発光中心濃度は５ｗｔ％とした。

この第４図から明らかなように、発光中心を含まない第
１の発光体薄膜層を成膜した後、発光中心を含む第２の
発光体薄膜層を成膜したＴ_２，Ｔ_３の場合は、初めから
発光中心を含む発光体薄膜層を成膜したＴ_１の場合に比
べて、結晶性が向上したため、輝度は増大し、発光開始
のしきい値電圧は低下している。

本発明による薄膜ＥＬ素子は上述の二重絶縁構造を有す
る薄膜ＥＬ素子に限定されることなく、ＭＩＳ構造と呼
ばれる発光体薄膜層の片側のみ誘電体層を持つ構造を有
する薄膜ＥＬ素子にも適用できることは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、誘電体層との境界
部分の発光体薄膜層の発光中心の濃度は中心部より非常
に低くできる構造であるため、発光体薄膜層全体の結晶
性を良好に保つことができる。しかも、良好な結晶性を
保ちつつ発光体薄膜層の中心部の濃度は、前記境界部よ
り濃くできるため、従来に比べて最高輝度を非常に向上
させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の薄膜エレクトロルミネセンス素子の
構成図、第２図は、発光中心濃度に対する半値幅、Ｘ線
強度、輝度の関係を表わす実験グラフ、第３図は、本発
明による発光体薄膜層の発光中心濃度分布を与える説明
図、第４図は、本発明による薄膜ＥＬ素子の電圧に対す
る輝度特性図、第５図は、従来の薄膜エレクトロルミネ
センス素子である。 １…ガラス基板，２…透明電極，３，５…誘電体層，４
…発光体薄膜層，４ａ…発光中心を含まない第１の発光
体薄膜層，４ｂ…発光中心を含む第２の発光体薄膜層，
６…背面電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−35496（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−138188（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−138892（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97295（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−19995（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−14517（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭57−41199（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラス基板と、該ガラス基板上に形成され
   た透明電極と、該透明電極上に形成された第１の誘電体
   層と、該第１の誘電体層上の形成された結晶性の良好な
   発光体薄膜層と、該発光体薄膜層及び前記第１の誘電体
   層の上に、前記発光体層を被覆して形成された第２の誘
   電体層と、該第２の誘電体層上に、背面電極を形成し、
   さらに、前記発光体薄膜層が発光体中心を含まない第１
   の発光従来薄膜層と発光体中心を含んだ第２の発光体薄
   膜層から構成されており、しかも前記第１の発光体薄膜
   層が前記第１の誘電体層上に形成され、また、前記第２
   の発光体薄膜層が前記第１の発光体薄膜層と前記第２の
   誘電体層との間に形成されるとともに、前記第２の発光
   体薄膜層の発光中心の濃度が、前記第１の発光体薄膜層
   と前記第２の発光体薄膜層の界面から、前記第２の誘電
   体層と前記第２の発光体薄膜層の界面に亘って、減少す
   ることなく増加した濃度勾配をもって形成されているこ
   とを特徴とする薄膜エレクトロルミネセンス素子。