JPH08148282A

JPH08148282A - 薄膜ｅｌ素子

Info

Publication number: JPH08148282A
Application number: JP6283447A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Terada; 幸祐寺田; Akiyoshi Mikami; 明義三上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】ヒステリシス特性を付加してメモリ駆動を行
い、高い発光輝度を得る。【構成】透光性基板２の一方表面２ａ上に透明電極
３、第１絶縁層４、ＥＬ発光層５、遮光層６、電荷蓄積
層７、第２絶縁層８および金属電極９がこの順に積層さ
れる。電極３，９間に電圧を印加したときに、加速され
て高エネルギを持つようになった電子がＥＬ発光層５の
発光中心と衝突して、ＥＬ発光を発生するとともに、前
記電子は電荷蓄積層７に蓄積される。したがって、電圧
を除去したときにも電圧印加状態を維持することができ
る。このような薄膜ＥＬ素子１をメモリ駆動することに
よって、印加される高い周波数の電圧によって高い発光
輝度が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電界の印加に伴っ
てエレクトロルミネセンス（電界発光）を生じる薄膜Ｅ
Ｌ素子に関し、特に印加電圧に対する発光輝度特性にヒ
ステリシスを有する薄膜ＥＬ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜ＥＬ（エレクトロルミネセント）素
子は、自発光型であり、平面・薄型の表示手段が実現で
きることから、たとえばラップトップ型のワードプロセ
ッサやパーソナルコンピュータなどの表示手段としての
利用が検討されている。薄膜ＥＬ素子は、少なくともい
ずれか一方が透光性を有する一対の電極間に、母材と当
該母材中に添加される発光中心とを含むＥＬ発光層を配
置して構成され、用いるＥＬ発光層材料によって発光色
が選ばれる。たとえばＺｎＳ：Ｍｎを用いた場合には黄
色、ＺｎＳ：ＳｍおよびＣａＳ：Ｅｕを用いた場合には
赤色、ＺｎＳ：ＴｂおよびＣａＳ：Ｃｅを用いた場合に
は緑色、ＺｎＳ：ＴｍおよびＳｒＳ：Ｃｅを用いた場合
には青色の発光色がそれぞれ得られる。

【０００３】上述したＥＬ発光層材料の中で現在実用化
されている材料は、高輝度な発光が得られるＺｎＳ：Ｍ
ｎのみである。各種発光色の薄膜ＥＬ素子を実現するた
めには、発光輝度の向上が必要であり、充分に高い発光
輝度が得られれば、複数の発光色を組合わせたカラー表
示が可能となる。

【０００４】また、薄膜ＥＬ素子の発光に関しては、印
加電圧を昇圧してゆく過程と高電圧側から降圧してゆく
過程とで、同じ印加電圧に対して発光輝度が異なるとい
ったヒステリシス特性を有していることが発見され、こ
のヒステリシス特性を有する薄膜ＥＬ素子に印加電圧を
昇圧する過程において、光、電界および熱などが付与さ
れると薄膜ＥＬ素子は付与した光、電界または熱の強度
に対応した発光輝度の状態に励起され、光、電界および
熱などを除去してもとの状態に戻しても発光輝度は高く
なった状態で維持される、いわゆるメモリ機能が発生す
る。

【０００５】図６は、ヒステリシス特性を有する薄膜Ｅ
Ｌ素子の印加電圧−発光輝度特性を示すグラフである。
交流電圧の印加に応答してＥＬ発光層内に電界が誘起さ
れる。この誘起された電界によって導電体に励起されか
つ加速されて充分なエネルギを得た電子が、自由電子と
なってＥＬ発光層界面へ誘引され、この界面で蓄積され
て内部分極を形成する。このときに高速移動する自由電
子が直接Ｍｎなどの発光中心を励起し、励起された発光
中心が基底状態に戻る際にＥＬ発光が生じる。発光を開
始する立上り時の閾値電圧Ｖｔｈ以上の高電圧の書込電
圧を印加すると、ＥＬ発光は図示される曲線に従って高
輝度発光状態となる。次に印加電圧を降圧して維持電圧
Ｖｓとすると、書込電圧の印加によって形成された高電
界の内部分極が維持され、高輝度発光状態が持続され
る。さらに印加電圧を降圧して消去電圧Ｖｅとすると、
ＥＬ発光層内で維持されていた内部分極は急激に消滅
し、ＥＬ発光が消去状態となる。したがってこの消去状
態で再び維持電圧Ｖｓを印加してもＥＬ発光は得られな
い。前記維持電圧Ｖｓ、書込電圧および消去電圧Ｖｅを
適宜選択することによって、前述したヒステリシス特性
を利用したＥＬ発光のメモリ効果を得ることができる。
印加電圧の昇圧時と降圧時における特性曲線間の電位差
はメモリ幅Ｖｍと称される。

【０００６】上述したようなヒステリシス特性は、ＥＬ
発光層材料によって顕著に発現する場合と発現しない場
合とがあり、たとえばＺｎＳ：Ｍｎ、ＣａＳ：Ｅｕ、Ｓ
ｒＳ：Ｃｅなどの材料を用いたときに、ヒステリシス特
性が発現する例が知られている。特開昭６０−２０５９
９０号公報および特開平２−１２９８９６号公報には、
ＺｎＳ：Ｍｎを用いてヒステリシス特性が発現した例が
開示されている。

【０００７】前記ヒステリシス特性を利用したメモリ駆
動を実施する場合、メモリ駆動を行わない場合と比較し
て周波数の高い電圧が印加される。したがって、電子が
発光中心に衝突する回数が増し、単位時間内の発光回数
が増加して、発光輝度が上昇することとなる。このこと
は、前述したような発光輝度の比較的低い薄膜ＥＬ素子
の発光輝度の向上に対して大いに有効である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記ヒステリシス特性
は、駆動時における、たとえばメモリ幅Ｖｍの安定性が
悪く、また比較的高い発光輝度が得られるＥＬ発光層材
料においてはヒステリシスを示さないものが多い。した
がって、高い発光輝度が安定して得られないという問題
が生じる。このため、複数の発光色を組合わせたカラー
表示を行っても、各発光色が安定して得られないので、
カラー表示を実現することができない。また、複数の発
光色を組合わせたカラー表示を行う場合には、各ＥＬ発
光層の駆動電圧が同じであることが好ましい。各ＥＬ発
光層の駆動電圧を同じにするためには、各ＥＬ発光層の
ヒステリシス特性、たとえばメモリ幅、閾値電圧をほぼ
同じにする必要がある。しかしながら、限られた発光色
の材料の中から所望とするヒステリシス特性を有する材
料を選ぶことは困難である。

【０００９】本発明の目的は、安定したヒステリシス特
性を有し、メモリ駆動を行うことによって高い発光輝度
が得られる薄膜ＥＬ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】本発明は、少なくともい
ずれか一方が透光性を有する一対の電極と、前記一対の
電極間に配置され、母材と当該母材中に添加される発光
中心とを含むＥＬ発光層と、前記ＥＬ発光層と少なくと
もいずれか一方の電極との間に配置され、電圧印加時に
おける蓄積電荷量の履歴が、昇圧時と降圧時とで異なる
電荷蓄積層とを含むことを特徴とする薄膜ＥＬ素子であ
る。また本発明は、前記電荷蓄積層が、Ｃｅを含むＳｒＳか
ら成ることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、少なくともいずれか一方が透
光性を有する一対の電極間にＥＬ発光層が配置され、さ
らに当該ＥＬ発光層と少なくともいずれか一方の電極と
の間に、電圧印加時における蓄積電荷量の履歴が昇圧時
と降圧時とで異なる電荷蓄積層が配置されて、薄膜ＥＬ
素子が構成される。一般にＥＬ発光は、前記一対の電極
間に電圧を印加したときに、加速されて高エネルギを持
つようになった電子がＥＬ発光層の発光中心に衝突し、
これによって励起された発光中心が基底状態に戻ること
によって生じる。

【００１２】薄膜ＥＬ素子に、印加電圧を昇圧してゆく
過程と降圧してゆく過程とで発光輝度の履歴が異なるヒ
ステリシス特性を付加するには、前記加速されて高エネ
ルギを持つようになった電子を蓄積する機能を与えれば
よく、前記電荷蓄積層はこのような電子の蓄積機能を持
つ層である。電荷蓄積層をＥＬ発光層と電極との間に配
置することによって、薄膜ＥＬ素子にヒステリシス特性
を付加することができ、電圧を印加したときの高エネル
ギを持つ電子が前記電荷蓄積層に蓄積されて、電圧を除
去したときにも前記蓄積された電子によって電圧印加状
態が維持される。

【００１３】このように電荷蓄積層を設けることによっ
て、ヒステリシス特性を有する薄膜ＥＬ素子を容易に実
現することができ、ヒステリシス特性を利用したメモリ
駆動時においては、比較的高い周波数の電圧が印加され
るので、高い発光輝度が得られる。また、電荷蓄積層は
発光する必要はなく、したがって材料を発光色にこだわ
ることなく、多くの材料の中から選んで選択することが
できる。このため、たとえばメモリ幅などの安定性に優
れる材料を用いることができ、薄膜ＥＬ素子の発光特性
の信頼性が向上する。このような電荷蓄積層を付加する
ことは、たとえば複数の発光色の組合わせによるカラー
表示を行う場合、印加電圧などの駆動条件を各ＥＬ発光
層で同じにすることができ、駆動時の制御が容易とな
る。

【００１４】また好ましくは、前記電荷蓄積層は、Ｃｅ
を含むＳｒＳから成る。このような材料を用いることに
よって、薄膜ＥＬ素子にヒステリシス特性を付加するこ
とができた。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である薄膜ＥＬ素
子１の構成を示す断面図である。薄膜ＥＬ素子１は、透
光性基板２、透明電極３、第１絶縁層４、ＥＬ発光層
５、遮光層６、電荷蓄積層７、第２絶縁層８および金属
電極９を含んで構成される。透光性基板２は、たとえば
ガラスで実現され、その一方表面２ａには透明電極３が
形成される。透明電極３は、たとえばＩＴＯ（インジウ
ム錫酸化物）で実現され、高周波スパッタリング法によ
って２００ｎｍの厚さで互いに平行な帯状に形成され
る。第１絶縁層４は、前記透明電極３を覆って透光性基
板２の一方表面２ａに形成され、たとえばＳｉＯ₂膜お
よびＳｉ₃Ｎ₄膜をこの順に積層して実現される。各膜
は、高周波スパッタリング法によって５０ｎｍおよび１
５０ｎｍの厚さにそれぞれ形成される。

【００１６】ＥＬ発光層５は、前記第１絶縁層４上に形
成され、たとえば赤色発光を得る場合にはＺｎＳ：Ｓｍ
が用いられ、緑色発光を得る場合にはＺｎＳ：Ｔｂが用
いられ、青色発光を得る場合にはＺｎＳ：Ｔｍが用いら
れる。またこれ以外の材料を用いることも可能である。
たとえばＺｎＳ：ＳｍはＳｍを含むＺｎＳのペレットを
作成し、当該ペレットを用いて周知のＥＢ（エレクトロ
ンビーム）蒸着法によって３００ｎｍ〜８００ｎｍの厚
さに形成される。他の材料についても同様である。

【００１７】遮光層６は、前記ＥＬ発光層５を覆って第
１絶縁層４上に形成される。たとえばタンタルの不完全
酸化物を用いた黒色膜で実現され、１００ｎｍの厚さに
形成される。これは、後述する電荷蓄積層７が発光を伴
う場合に設けられるものであり、電荷蓄積層７の発光が
本来のＥＬ発光層５からの発光に悪影響を及ぼさないよ
うに設けられる。電荷蓄積層７が発光を伴わない場合に
は遮光層６は不要である。なお前記タンタルの不完全酸
化物が黒色膜となることは、たとえば「応用物理学会平
成２年秋季学術講演会予稿集２７ｐ−ＺＨ−１０」に示
されている。

【００１８】電荷蓄積層７は、前記遮光層６上に形成さ
れ、ＳｒＳ：Ｃｅで実現される。本実施例では、電荷蓄
積層７を以下の条件のＥＢ蒸着法によって、１０００ｎ
ｍの厚さに形成した。すなわち、電荷蓄積層７を形成す
べき基板の温度を５００℃とし、０．５×１０^-4ｔｏｒ
ｒ〜１．５×１０^-4ｔｏｒｒの硫化水素雰囲気中で作成
した。なお、ＳｒＳ：Ｃｅで実現される電荷蓄積層７
は、作成条件によってヒステリシスを示す場合と示さな
い場合とがある。

【００１９】第２絶縁層８は、前記電荷蓄積層７上に形
成され、たとえばＳｉ₃Ｎ₄膜およびＡｌ₂Ｏ₃膜をこの順
に積層して実現される。各膜は、高周波スパッタリング
法によって１００ｎｍおよび６０ｎｍの厚さにそれぞれ
形成される。第２絶縁層８を形成した後、６３０℃の真
空雰囲気中で１時間熱処理をした後、金属電極９が形成
される。金属電極９は、第２絶縁層８上に前記透明電極
３と直交する方向に帯状に形成され、たとえばＡｌ膜で
実現される。金属電極９は、真空蒸着法によってたとえ
ば２００ｎｍの厚さに形成される。

【００２０】図２は、前記電荷蓄積層７の印加電界（Ｍ
Ｖ／ｃｍ）と蓄積電荷量（μＣ／ｃｍ²）との関係を示
すグラフである。曲線１０ａは昇圧時の履歴を、曲線１
０ｂは降圧時の履歴をそれぞれ示している。このグラフ
から、電荷蓄積層７は、たとえば０．７ＭＶ／ｃｍの電
界に注目すると、昇圧時の蓄積電荷量よりも降圧時の蓄
積電荷量の多いことがわかる。

【００２１】図３は、前記薄膜ＥＬ素子１の印加電圧
（Ｖ）と発光輝度（任意単位）との関係を示すグラフで
ある。また、図４は従来の薄膜ＥＬ素子の印加電圧
（Ｖ）と発光輝度（任意単位）との関係を示すグラフで
ある。従来技術の薄膜ＥＬ素子とは、前記遮光層６およ
び電荷蓄積層７を有さないものである。曲線１１はＥＬ
発光層材料としてＺｎＳ：Ｓｍを用いた場合を、曲線１
２はＺｎＳ：Ｔｂを用いた場合を、曲線１３はＺｎＳ：
Ｔｍを用いた場合をそれぞれ示し、曲線１１ａ，１２
ａ，１３ａは昇圧時を、曲線１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは
降圧時をそれぞれ示す。

【００２２】前述した３種類のＥＬ発光層材料は、図４
から明らかなようにヒステリシスを示さないものであ
る。本実施例のように電荷蓄積層７を設けることによっ
て、図３に示されるように、昇圧時と降圧時とにおいて
発光輝度の履歴が異なるヒステリシスを示すようになる
ことがわかる。たとえばこの場合、維持電圧Ｖｓを２１
５Ｖとし、書込電圧Ｖｏｎを２４０Ｖとし、消去電圧Ｖ
ｏｆｆを２００Ｖとしてメモリ駆動を実現することがで
きる。

【００２３】なお、ＥＬ発光層５が発光を開始する立上
がり時の閾値電圧と、電荷蓄積層７が電子を蓄積し始め
る立上がり時の閾値電圧とは、等しくする、または電荷
蓄積層７の方を低くすることが必須である。すなわち、
ＥＬ発光層５が発光状態にあるときに電荷蓄積層７が電
子を蓄積しなければ、充分にヒステリシス特性を付加す
ることができないためである。本実施例の場合、電荷蓄
積層７は蓄積電荷量が０．５μＣ／ｃｍ²以上のところ
に閾値電圧があり、ＥＬ発光層５は蓄積電荷量が０．８
μＣ／ｃｍ²以上のところに閾値電圧がある。ＥＬ発光
層５および電荷蓄積層７には同時に電圧が印加され、互
いに直列に接続されるＥＬ発光層５および電荷蓄積層７
に蓄積される電荷量は等しくなるので、電荷蓄積層７が
先に電子を蓄積し始める。

【００２４】図５は、本発明の他の実施例である薄膜Ｅ
Ｌ素子２１を示す断面図である。薄膜ＥＬ素子２１は、
前記薄膜ＥＬ素子１のＥＬ発光層５に代わってＥＬ発光
層２２，２３，２４を設けたものである。ＥＬ発光層２
２〜２４は、前述した３種類のＥＬ発光層材料でそれぞ
れ実現される。したがって、薄膜ＥＬ素子２１は赤、
緑、青の組合せによるカラー表示を行うものである。Ｅ
Ｌ発光層２２〜２４は、電極３，９が交差する絵素領域
に対応して形成される。薄膜ＥＬ素子２１は、前記駆動
条件でＥＬ発光層２２〜２４をともに駆動することがで
きる。したがって駆動の制御が容易となる。なお、図５
において前記薄膜ＥＬ素子１と同様の部材には同じ参照
符を付して示す。

【００２５】以上のように本実施例によれば、ヒステリ
シスを示さないＥＬ発光層を用いた場合であっても、電
荷蓄積層７を設けることによって、ヒステリシス特性を
有する薄膜ＥＬ素子１，２１を実現することが可能とな
る。ヒステリシス特性を利用したメモリ駆動時には比較
的高い周波数の電圧が印加されるので、高い発光輝度が
得られる。また、電荷蓄積層７は発光する必要がなく、
発光色にこだわらずに材料を選択することができる。こ
のためメモリ幅などの安定性に優れた材料を選択して用
いることが容易となる。したがって、発光特性の信頼性
が向上する。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電荷蓄積
層、好ましくはＳｒＳ：Ｃｅで実現される電荷蓄積層を
設けることによって、薄膜ＥＬ素子にヒステリシス特性
を付加することができる。ヒステリシス特性を利用した
メモリ駆動時には高周波数の電圧が印加されるので高輝
度が得られる。また、安定したヒステリシス特性を示す
電荷蓄積層材料を選択することが容易であり、このよう
な材料を用いることによって発光特性の信頼性が向上す
る。さらに、複数の異なる発光色のＥＬ発光層を用いて
カラー表示を行う場合、駆動条件が各ＥＬ発光層で同じ
となり、駆動の制御が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である薄膜ＥＬ素子１の構成
を示す断面図である。

【図２】電荷蓄積層７の印加電界と蓄積電荷量との関係
を示すグラフである。

【図３】薄膜ＥＬ素子１の印加電圧と発光輝度との関係
を示すグラフである。

【図４】従来の薄膜ＥＬ素子の印加電圧と発光輝度との
関係を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例である薄膜ＥＬ素子２１の
構成を示す断面図である。

【図６】ヒステリシス特性を有する薄膜ＥＬ素子の印加
電圧と発光輝度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１，２１薄膜ＥＬ素子３透明電極５，２２〜２４ＥＬ発光層６遮光層７電荷蓄積層９金属電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともいずれか一方が透光性を有す
る一対の電極と、前記一対の電極間に配置され、母材と当該母材中に添加
される発光中心とを含むＥＬ発光層と、前記ＥＬ発光層と少なくともいずれか一方の電極との間
に配置され、電圧印加時における蓄積電荷量の履歴が、
昇圧時と降圧時とで異なる電荷蓄積層とを含むことを特
徴とする薄膜ＥＬ素子。
【請求項２】前記電荷蓄積層が、Ｃｅを含むＳｒＳか
ら成ることを特徴とする請求項１記載の薄膜ＥＬ素子。