JPH0745368A

JPH0745368A - 薄膜エレクトロルミネッセント素子

Info

Publication number: JPH0745368A
Application number: JP5190569A
Authority: JP
Inventors: Morihiro Kawarasaki; 守弘河原▲崎▼; Takashi Ogura; 隆小倉; Koichi Tanaka; 康一田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動電圧を低減し、かつ発光特性の長期信頼
性を向上する。【構成】透光性基板２の表面２ａ上に、下部電極３、
下部絶縁層４、ＥＬ発光層５、上部絶縁層６および上部
電極７がこの順に積層される。絶縁層４，６は、ＥＬ発
光層５側から順に、ＥＬ発光層５への不純物の拡散を防
止する材料であるＳｉ₃Ｎ₄からなる第１絶縁層４ａ，６
ａ、高誘電率材料であるＳｒＴｉＯ₃あるいはＣａＴｉ
Ｏ₃からなる第２絶縁層４ｂ，６ｂ、および第３絶縁層
４ｃ，６ｃが積層される。第１絶縁層４ａ，６ａである
Ｓｉ₃Ｎ₄膜によってイオンの拡散が防止されるので、高
誘電率材料を第２絶縁層４ｂ，６ｂとして使用すること
が可能となり、駆動電圧が低減し、発光特性の低下が少
なくなって長期信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エレクトロルミネッセ
ント（以下、「ＥＬ」と省略する。）素子に関し、特に
薄膜ＥＬ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、本発明に比較的類似の従来のＥ
Ｌ素子１１の構成を示す断面図である。ＥＬ素子１１
は、透光性基板１２、下部電極１３、下部絶縁層１４、
ＥＬ発光層１５、上部絶縁層１６および上部電極１７を
含み、該ＥＬ素子１１は、いわゆる薄膜ＥＬ素子であ
る。たとえばガラスで実現される透光性基板１２の一方
表面１２ａ上に、たとえばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）
などの透明電極で実現される下部電極１３が形成され
る。下部電極１３は、複数の帯状に、かつ互いに平行に
形成される。下部電極１３が形成された基板１２の表面
１２ａ上には、下部絶縁層１４、ＥＬ発光層１５および
上部絶縁層１６がこの順に形成される。ＥＬ発光層１５
は、たとえばＺｎＳにＭｎなどの活性物質をドープした
もので実現される。上部絶縁層１６上には、たとえばＡ
ｌなどの金属電極で実現される上部電極１７が形成され
る。上部電極１７は、複数の帯状に、かつ前記下部電極
１３と直交する方向に形成される。

【０００３】前記下部絶縁層１４は、たとえばＥＬ発光
層側絶縁層１４ａと、下部電極側絶縁層１４ｂとからな
り、上部絶縁層１６は、たとえばＥＬ発光層側絶縁層１
６ａと、上部電極側絶縁層１６ｂとからなる。ＥＬ発光
層側絶縁層１４ａ，１６ａは、たとえばＳｉ₃Ｎ₄膜で実
現され、電極側絶縁層１４ｂ，１６ｂは、たとえばＳｉ
Ｏ₂膜、あるいはＡｌ₂Ｏ₃膜で実現される。

【０００４】上述した従来のＥＬ素子１１では、その駆
動電圧が比較的高い（たとえば、２００Ｖ以上）という
問題がある。このため、駆動用回路素子に高耐圧用のも
のが必要とされるなど、駆動回路の設計にあたり高耐圧
に対する配慮が必要となる。この対策として、絶縁層１
４，１６としてより誘電率の高い材料、たとえばＳｒＴ
ｉＯ₃やＣａＴｉＯ₃を用い、駆動電圧を低減させる検討
が行われている。また、絶縁耐圧を向上させるために、
下部絶縁層１４を、ＳｉＯ₂／高誘電率材料／ＳｉＯ₂と
いう３層構造にする検討が、特開平１−１０７４９５に
開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した駆動電圧を低
減させるために用いられる、たとえばＳｒＴｉＯ₃やＣ
ａＴｉＯ₃などの高誘電率材料は、単層で用いると絶縁
耐圧が低く、絶縁破壊を起こしやすい。また、前記高誘
電率材料が直接ＥＬ発光層１５に接すると、ＥＬ発光層
１５内にＳｒイオンやＣａイオンの拡散が起こるという
ことが、「’８５春季応用物理学会予稿集１ｐ−Ｙ−
４」に発表されている。ＥＬ発光層１５にＳｒイオンや
Ｃａイオンが拡散すると、ＥＬ発光層１５が劣化し、発
光特性が低下する。このため、高誘電率材料を用いる構
造は、現在実用化されていない。

【０００６】また、特開平１−１０７４９５に開示され
た高誘電率材料をＳｉＯ₂で挟み込む３層構造は、絶縁
耐圧の向上には効果的であるけれども、ＥＬ素子として
の長期信頼性に劣るという問題がある。これは、ＥＬ発
光層１５内に高誘電率材料として用いられるＳｒＴｉＯ
₃などのＳｒイオンが拡散するためと考えられる。

【０００７】本発明の目的は、駆動電圧が低く、かつ発
光特性の長期信頼性に優れた薄膜エレクトロルミネッセ
ント素子を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、透光性基板上
に、下部電極、下部絶縁層、ＥＬ発光層、上部絶縁層お
よび上部電極がこの順に積層され、前記上部および下部
絶縁層は、前記ＥＬ発光層側から順に、第１絶縁層、第
２絶縁層、第３絶縁層が積層される薄膜エレクトロルミ
ネッセント素子において、前記第１絶縁層材料として、
前記ＥＬ発光層への不純物の拡散を防止する材料が選ば
れ、前記第２絶縁層材料として、高誘電率材料が選ばれ
ることを特徴とする薄膜エレクトロルミネッセント素子
である。

【０００９】また本発明は、前記第１絶縁層材料とし
て、Ｓｉ₃Ｎ₄が用いられることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明に従えば、薄膜エレクトロルミネッセン
ト素子は、透光性基板上に下部電極、下部絶縁層、ＥＬ
発光層、上部絶縁層、および上部電極をこの順に積層し
て形成され、前記上部および下部絶縁層は、ＥＬ発光層
側から順に第１絶縁層、第２絶縁層および第３絶縁層が
積層される。前記第１絶縁層はＥＬ発光層への不純物の
拡散を防止する材料、すなわちＳｉ₃Ｎ₄で実現される。
前記第２絶縁層は高誘電率材料からなり、たとえばＳｒ
ＴｉＯ₃やＣａＴｉＯ₃で実現される。

【００１１】前記第２絶縁層は、高誘電率材料からなる
ので、比較的低電圧でＥＬ発光層を発光させることがで
きる。このため、薄膜エレクトロルミネッセント素子の
駆動電圧を低減することができる。また、ＥＬ発光層側
に配置される第１絶縁層は、第２絶縁層からのイオンな
ど、不純物がＥＬ発光層に拡散することを防止するの
で、ＥＬ発光層の劣化が低減し、発光特性の低下が減少
する。さらに、第２絶縁層を第１および第３絶縁層で挟
むことにより、絶縁層全体としての絶縁耐圧が向上す
る。

【００１２】したがって、駆動電圧が低く、かつ発光特
性の低下が少なくて長期信頼性に優れた薄膜エレクトロ
ルミネッセント素子が得られる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるＥＬ素子１
の構成を示す断面図である。ＥＬ素子１は透光性基板
２、下部電極３、下部絶縁層４、ＥＬ発光層５、上部絶
縁層６および上部電極７を含み、該ＥＬ素子１は、いわ
ゆる薄膜ＥＬ素子である。たとえばガラスで実現される
透光性基板２の一方表面２ａ上に、たとえばＩＴＯなど
の透明電極で実現される下部電極３が形成される。下部
電極３は、複数の帯状に、かつ互いに平行に形成され
る。下部電極３が形成された基板２の表面２ａ上には、
下部絶縁層４、ＥＬ発光層５および上部絶縁層６がこの
順に形成される。上部絶縁層６上には、たとえばＡｌな
どの金属電極で実現される上部電極７が形成される。上
部電極７は、複数の帯状に、かつ前記下部電極３と直交
する方向に形成される。

【００１４】前記ＥＬ発光層５は、たとえばＺｎＳなど
の母体中にＭｎなどの活性物質をドープしたもので実現
される。本実施例では、０．４ｗｔ％のＭｎをドープし
たＺｎＳを電子線蒸着法で形成した。

【００１５】前記下部絶縁層４は、ＥＬ発光層５側から
順に積層して配置される第１絶縁層４ａ、第２絶縁層４
ｂおよび第３絶縁層４ｃからなる。第１絶縁層４ａは、
ＥＬ発光層５への不純物の拡散を防止する材料からな
り、第２絶縁層４ｂは高誘電率材料からなる。本実施例
では、第１絶縁層４ａとして、４０ｎｍの膜厚のＳｉ₃
Ｎ₄膜を形成し、第２絶縁層４ｂとして３４５ｎｍの膜
厚のＳｒＴｉＯ₃膜あるいはＣａＴｉＯ₃膜を形成した。
また、第３絶縁層４ｃとしては、４０ｎｍの膜厚のＳｉ
Ｏ₂膜を形成した。なお、上記第１絶縁層４ａであるＳ
ｉ₃Ｎ₄膜は、Ｓｉをターゲットとし、スパッタガスとし
てＮ₂を用いたスパッタリング法によって形成した。上
記第２絶縁層４ｂであるＳｒＴｉＯ₃膜あるいはＣａＴ
ｉＯ₃膜は、ＳｒＴｉＯ₃あるいはＣａＴｉＯ₃の焼結体
をターゲットとし、スパッタガスとしてＡｒとＯ₂との
混合ガスを用いたスパッタリング法によって形成した。
上記第３絶縁層４ｃであるＳｉＯ₂膜は、Ｓｉをターゲ
ットとし、スパッタガスとしてＡｒとＯ₂の混合ガスを
用いたスパッタリング法によって形成した。また、第３
絶縁層４ｃ、第２絶縁層４ｂ、第１絶縁層４ａの順に形
成した。

【００１６】前記上部絶縁層６は、ＥＬ発光層５側から
順に積層して配置される、第１絶縁層６ａ、第２絶縁層
６ｂおよび第３絶縁層６ｃからなる。前記下部絶縁層４
と同様に、第１絶縁層６ａはＥＬ発光層５への不純物の
拡散を防止する材料からなり、第２絶縁層６ｂは高誘電
率材料からなる。本実施例では、第１絶縁層６ａとし
て、４０ｎｍの膜厚のＳｉ₃Ｎ₄膜を形成し、第２絶縁層
６ｂとして１９５ｎｍの膜厚のＳｒＴｉＯ₃膜あるいは
ＣａＴｉＯ₃膜を形成した。また、第３絶縁層６ｃとし
ては、３５ｎｍの膜厚のＳｉＯ₂膜を形成した。なお、
上記第１〜第３絶縁層６ａ〜６ｃは、前記第１〜第３絶
縁層４ａ〜４ｃと同様に、スパッタリング法によって第
１絶縁層６ａ、第２絶縁層６ｂ、第３絶縁層６ｃの順に
形成した。また、本実施例では第３絶縁層６ｃとしてＳ
ｉＯ₂膜を形成したけれども、たとえばＡｌで実現され
る上部電極７との密着性を考慮してＡｌ₂Ｏ₃膜を形成す
ることも本発明の範囲に属するものである。

【００１７】上述したＥＬ素子１の第２絶縁層４ｂ，６
ｂは、比較的高誘電率を有する材料で実現され、ＥＬ発
光層５を比較的低電圧で発光させることができる。ま
た、第２絶縁層４ｂ，６ｂを第１絶縁層４ａ，６ａと第
３絶縁層４ｃ，６ｃとによって挟むことにより、絶縁層
４，６全体としての絶縁耐圧が向上する。このため、絶
縁破壊が低減する。なお、第２絶縁層４ｂ，６ｂとされ
る高誘電率材料としては、ＳｒＴｉＯ₃やＣａＴｉＯ₃の
ほかに、ＰｂＴｉＯ₃やＢａＴｉＯ₃なども挙げられるけ
れども、本実施例では、比較的低い基板温度で高い誘電
率の膜が得られ、作成が容易であるＳｒＴｉＯ₃および
ＣａＴｉＯ₃を使用した。

【００１８】また、上述した第１絶縁層４ａ，６ａは、
ＥＬ発光層５への不純物、たとえば第２絶縁層４ｂ，６
ｂからのＳｒイオンあるいはＣａイオンの拡散を防止す
る材料であるＳｉ₃Ｎ₄で実現されるので、ＥＬ発光層５
の劣化が低減する。このため、発光特性の低下が減少す
る。前記Ｓｉ₃Ｎ₄膜は、たとえばガラス基板からのＮａ
イオンなどのアルカリ金属イオンの拡散を防止するため
に用いられているけれども、本実施例によってＳｉ₃Ｎ₄
膜はアルカリ金属イオンのみならずＳｒイオンやＣａイ
オンなどのアルカリ土類金属イオンの拡散をも防止する
ことが明らかになった。本実施例は、この様な特性を有
するＳｉ₃Ｎ₄膜を用いることによって実現されるもので
ある。

【００１９】さらに、上述した第３絶縁層４ｃ，６ｃ
は、透光性基板２、下部電極３および上部電極７との密
着性の高い材料で実現される。このため、第３絶縁層４
ｃとしては、透明電極などの下部電極３とガラスなどの
透光性基板２との密着性の高い材料、たとえばＳｉＯ₂
が選ばれ、第３絶縁層６ｃとしては、金属電極などの上
部電極７との密着性の高い材料、たとえばＡｌ₂Ｏ₃が選
ばれる。

【００２０】以上のようにして形成されるＥＬ素子１
は、電極３，７の交点に形成される複数の絵素が発光す
るものであり、電極３，７間に配置されるＥＬ発光層５
に印加される電圧が、予め定められる閾値電圧に満たな
いときには非発光状態であるけれども、前記閾値電圧以
上となると発光状態となる。このため、印加電圧を制御
することによって、前記絵素を発光させ、表示が行われ
る。

【００２１】図２は、印加電圧と輝度との関係を示すグ
ラフである。曲線Ｌ１は、ＥＬ素子１に後述する安定化
処理を施した直後の結果であり、曲線Ｌ２は、安定化処
理を施し、さらに後述する加速エージング処理を施した
ときの結果である。また、曲線Ｌ３は、図４に示される
従来のＥＬ素子１１に安定化処理を施した直後の結果で
ある。

【００２２】作成直後のＥＬ素子の電圧−輝度特性は、
一般に動作時間と共に変動する。また、この変動は時間
の経過とともに減少し、ある程度の時間が経過すると一
定状態となる。たとえば、安定化処理として、周囲温度
５５℃、駆動周波数５００Ｈｚ、閾値電圧＋４０Ｖの条
件でＥＬ素子を発光させ、発光状態のまま保持すると、
約２０時間で一定状態が得られる。このことから、前記
緩和現象は、おもに不均一に分布した電荷（あるいは可
動イオン）の再配分と均等化とによるものと考えられ
る。本実施例では、安定化処理として、上述した条件で
２０時間行った。

【００２３】また、加速エージング処理は、前記安定化
処理後に施されるものであり、ＥＬ素子の動作試験に対
応するものである。図２に示される曲線Ｌ２は、加速エ
ージング処理を１０００時間行った時の結果であり、実
駆動時間としては約５００００時間に対応する（約５０
倍加速される）。本実施例では、加速エージング処理と
して、上述した安定化処理と同じ条件でＥＬ素子１を発
光させ、発光状態で保持した。

【００２４】図２から、本実施例のＥＬ素子１は、従来
のＥＬ素子１１と比較して、低電圧で発光し始めること
がわかる。これは、第２絶縁層４ｂ，６ｂに高誘電率材
料を用いたためである。また、ＥＬ素子１は絶縁層４
ｂ，６ｂに高誘電率材料を用いているけれども、加速エ
ージング処理後においてもほとんど特性の変化が見られ
ない。これは、第１絶縁層４ａ，６ａとしてのＳｉ₃Ｎ₄
膜が、第２絶縁層４ｂ，６ｂからのＳｒイオンあるいは
ＣａイオンがＥＬ発光層５に拡散することを防止したた
めと考えられる。さらに、ＥＬ素子１の飽和輝度はＥＬ
素子１１と比較して高くなっていることがわかる。これ
は、第２絶縁層４ｂ，６ｂに高誘電率材料を用いたこと
によって、ＥＬ発光層５内を流れる移動電荷が増加した
ためと考えられる。

【００２５】図３は、第１絶縁層４ａ，６ａとして、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄膜に代わってＳｉＯ₂膜を用いたＥＬ素子の印加
電圧と輝度との関係を示すグラフである。曲線Ｌ４は、
安定化処理直後の結果であり、曲線Ｌ５は安定化処理を
施し、さらに加速エージング処理を施したときの結果で
ある。第１絶縁層４ａ，６ａとしてＳｉＯ₂膜を用いた
場合も低電圧で発光し始めるけれども、加速エージング
処理後において、たとえば１３０Ｖを印加したときに得
られる輝度が低下していることがわかる。これは、第２
絶縁層４ｂ，６ｂからのＳｒイオンあるいはＣａイオン
が、第１絶縁層４ａ，６ａであるＳｉＯ₂膜を通過して
ＥＬ発光層５に拡散してしまったためと考えられる。

【００２６】このように本実施例のＥＬ素子１は、従来
のＥＬ素子１１と比較して、低電圧で駆動することがで
き、さらに発光特性の低下の少ないものであった。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、第２絶縁
層材料として高誘電率材料が選ばれるので、比較的低電
圧でＥＬ発光層を発光させることができて駆動電圧が低
減するとともに、ＥＬ発光層内を流れる移動電荷が増加
して発光輝度が上昇する。また、第１絶縁層としてＥＬ
発光層への不純物の拡散を防止する材料、すなわちＳｉ
₃Ｎ₄が選ばれるのでＥＬ発光層の劣化が低減し、発光特
性の低下が減少する。さらに、前記第２絶縁層は、第１
および第３絶縁層によって挟持されるので、絶縁層全体
としての絶縁耐圧が向上し、絶縁破壊が低減する。した
がって、駆動電圧が低減し、かつ発光特性の低下が少な
くなって長期信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＥＬ素子１の構成を示
す断面図である。

【図２】前記ＥＬ素子１の印加電圧と輝度との関係を示
すグラフである。

【図３】第１絶縁層４ａ，６ａとしてＳｉＯ₂膜を用い
たＥＬ素子の印加電圧と輝度との関係を示すグラフであ
る。

【図４】従来のＥＬ素子１１の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ＥＬ素子２透光性基板３下部電極４下部絶縁層４ａ，６ａ第１絶縁層４ｂ，６ｂ第２絶縁層４ｃ，６ｃ第３絶縁層５ＥＬ発光層６上部絶縁層７上部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性基板上に、下部電極、下部絶縁
層、ＥＬ発光層、上部絶縁層および上部電極がこの順に
積層され、前記上部および下部絶縁層は、前記ＥＬ発光層側から順
に、第１絶縁層、第２絶縁層、第３絶縁層が積層される
薄膜エレクトロルミネッセント素子において、前記第１絶縁層材料として、前記ＥＬ発光層への不純物
の拡散を防止する材料が選ばれ、前記第２絶縁層材料として、高誘電率材料が選ばれるこ
とを特徴とする薄膜エレクトロルミネッセント素子。
【請求項２】前記第１絶縁層材料として、Ｓｉ₃Ｎ₄が
用いられることを特徴とする請求項１記載の薄膜エレク
トロルミネッセント素子。