JPH09134785A - 薄膜エレクトロルミネセンス素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＳｒＳ発光層形成中に生ずるＳｒ空孔を補償
し、かつ結晶性を損なわないで、発光輝度および寿命特
性のすぐれた薄膜ＥＬ素子を得る。 【解決手段】Ｓｒと同じく長周期型周期表２Ａ族に属
し、かつ２価のイオン半径がＳｒより小さいＢｅ、Ｍ
ｇ、Ｃａを添加することにより、これらの元素が基板上
で動きやすいため、Ｓｒ空孔に入り込む。しかも同じ２
Ａ族に属するため結晶性を損なうことが少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレー等に
用いられる薄膜エレクトロルミネセンス素子（以下ＥＬ
素子と略す）およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧印加によりエレクトロルミネッセン
ス（ＥＬ）を呈する薄膜ＥＬ素子は、高輝度発光、高応
答速度、広視野角、薄型軽量、高解像度などの多くの優
れた特徴を有することから、フラットパネルディスプレ
イ用として注目されている。薄膜ＥＬ素子の発光色は、
発光層を構成する硫化亜鉛（ＺｎＳ）や硫化ストロンチ
ウム（ＳｒＳ）等の半導体と、添加される発光中心の組
合せで決まる。しかしながら、現在実用レベル輝度に達
しているものは、硫化亜鉛（ＺｎＳ）にマンガン（Ｍ
ｎ）をドープしたＺｎＳ：Ｍｎによる黄橙色発光のモノ
カラーディスプレイのみである。このため、マルチカラ
ーまたはフルカラー用の薄膜ＥＬ素子の開発が強く望ま
れている。アルカリ土類金属硫化物、なかでも硫化スト
ロンチウム（ＳｒＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）は母
体材料として有望であり、発光中心として希土類である
セリウム（Ｃｅ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、プラセオジ
ム（Ｐｒ）を添加することにより、青緑色（ＳｒＳ：Ｃ
ｅ）、赤色（ＣａＳ：Ｅｕ）、白色（ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｅ
ｕ）、白色（ＳｒＳ：Ｐｒ）に発光することが知られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】アルカリ土類金属硫化
物は、結晶性を向上させるために高温成膜が必要であ
り、ＳｒＳは蒸着中に蒸気圧の高い硫黄元素が膜中から
抜けることによる硫黄空孔や、Ｓｒが基板上で動きにく
いことによるＳｒ空孔などの結晶欠陥ができやすい。こ
れらの欠陥が発光層中にあると、電子の加速が阻害され
て薄膜ＥＬ素子の輝度が低下する。またこのような薄膜
ＥＬ素子は寿命特性も実用に満たないものとなる。

【０００４】このような結晶欠陥を少なくし、輝度およ
び寿命特性の向上した薄膜ＥＬ素子を得るためには、基
板上で動きやすい陽イオンを形成するＺｎあるいはＭｎ
をドープしてＳｒ空孔を補償することが有効であること
は、Ｒ、Ｈ、ＭauchらによりＳＩＤ（Society for lnfo
rmation Display)95 Digest, p720 に記載されてる。本
発明の目的は、このような基板上で動きやすい陽イオン
を補給するという思想は同一であるが、さらに輝度およ
び寿命特性の良好な薄膜ＥＬ素子およびその製造方法を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は発光中心が添加される発光層母体材料が
ＳｒＳである薄膜ＥＬ素子において、母体材料中に、長
周期型周期表の２Ａ族に属し、２価のイオン半径がＳｒ
より小さい元素を含むものとする。イオン半径がＳｒよ
り小さい２価イオンは、Ｓｒよりも基板上で動きやすい
ため、その元素はＳｒの空孔に入り、結晶欠陥を補う。
そして、この元素がＳｒと同じく長周期型周期表の２Ａ
族に属することにより、Ｓｒの空孔に入ったときに結晶
性を損なうことが少ない。発光層中の２Ａ族元素の濃度
が０．２〜４．０ａｔ．％の範囲にあることが望まし
い。０．２ａｔ．％未満ではＳｒ空孔補償の効果がな
く、４．０ａｔ．％を超えると結晶性が低下するおそれ
がある。このような薄膜ＥＬ素子の製造方法は、２Ａ族
元素の原料として元素単体を用いるか、硫化物を用いる
ものとする。硫化物を用いる場合は、硫黄原子を補給す
る効果がある。それらの場合、２Ａ族元素の蒸発源をそ
れ以外の発光層母体材料の蒸発源と別個にして共蒸着を
行って発光層を形成することも、２Ａ族元素を添加した
発光層母体材料の蒸発源を用いて蒸着を行って発光層を
形成することもよい。そして、無アルカリ基板を用いて
基板温度３００〜６５０℃の範囲で基板上に蒸着を行う
ことが有効である。基板温度を３００℃以上とすると、
供給される２Ａ族元素あるいはその硫化物が基板上に折
出しない。すなわち、ＳｒＳ発光層と２Ａ族元素硫化物
の混晶る生成することがなく、Ｓｒの空孔補償あるいは
それとＳの空孔補償のみが行われる。しかし、無アルカ
リガラス基板を用いた場合、基板の耐熱性の点から基板
温度は６５０℃以下に抑える。

【０００６】

【発明の実施の形態】発光層母体材料に添加される２Ａ
族元素としては、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム
（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）のいずれかを用いる。岩
波書店刊行（１９８７年）理化学辞典によれば、Ｓｒよ
り原子番号の小さいＢｅ，Ｍｇ，Ｃａの２価イオンのイ
オン半径は、それぞれ０．５５Å、１．００Å、１．２
Åであり、Ｓｒの１．４６Åより小さい。同じ２Ａ族に
属するＢａ、Ｒの２価イオンのイオン半径は、それぞれ
１．６３Å、１．６２ÅでＳｒのそれより大きい。発光
層に添加する発光中心としては、セリウム（Ｃｅ）、ユ
ーロピウム（Ｅａ）、プラセオジム（Ｐｒ）が用いられ
る。発光層の両面に接して形成する絶縁層は、Ｓｉ
Ｏ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯＮ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 、ＨｆＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＢａＴａ₂ Ｏ₆ 、Ｓ
ｒＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｉＯ₃ 、ＢａＴｉＯ₃ 、ＺｒＯ₂ 等
のいずれかの膜あるいはこれらの混合膜または積層膜も
用いられる。

【０００７】

【実施例】以下、図を引用して本発明の実施例について
述べる。図１は、本発明の一実施例の薄膜ＥＬ素子の構
造を示す。この素子は、図に示すようにガラス基板１の
上に平行条状の透明な第一電極２を介して、第一絶縁層
３、発光層４、第二絶縁層５を積層した二重絶縁構造を
有し、上面に上部電極としての条状第二電極６が設置さ
れている。そして、第一電極２と第二電極６との間に電
源７により交流電界を印加することにより発光する。こ
の薄膜ＥＬ素子は次のようにして製造した。

【０００８】まず、無アルカリガラス基板１上にスパッ
タ法で膜厚２００ｎｍの膜を成膜し、それをパターニン
グしてＩＴＯ透明第一電極２とし、その上に膜厚３０ｎ
ｍのＳｉＯ₂ 膜と膜厚１８０ｎｍのＳｉ₃ Ｎ₄ をスパッ
タ法で積層してなる第一絶縁層３を形成した。そして、
図２の蒸着装置を用いる電子ビーム蒸着法により発光層
４を成膜した。図２の装置は多元蒸着法に用いられる装
置で、排気口１２を有する真空槽１１の上部に背後にヒ
ータ１３を備えた基板ホルダ１４が設置され、その下面
に支持されるガラス基板１に対向して、発光層母体材料
ペレット１５を収容する容器１６と、発光層添加材料ペ
レット１７を収容する容器１８が配置されている。この
装置の基板ホルダ１４に第一絶縁層３まで形成したガラ
ス基板１を装着した。そして、ヒータ１３により基板１
を５００℃に加熱し、真空槽１１を所定の真空度に維持
した。容器１６に収容されるペレット１５の発光層母体
材料には、ＳｒＳに０．２ｍｏｌ％のＣｅをドープした
材料を用い、容器１８に収容されるペレット１７の発光
層添加材料には、ＭｇＳを用いた。このペレット１５、
１７に電子銃２１から出た電子ビーム２２を照射して多
元電子ビーム蒸着法を行い、膜厚１０００ｎｍの発光層
４を形成した。発光層４中のＭｇ濃度は０．３ａｔ．％
であった。そのあと、再びスパッタ法により厚さ１８０
ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄ と厚さ３０ｎｍのＳｉＯ₂ とを順次形
成し第二絶縁層５とした。最後に、Ａｌを電子ビーム蒸
着法により蒸着し、パターニングして第二電極６とし
た。

【０００９】図３は、本発明の異なる実施例の発光層４
の膜に用いた蒸着装置を示し、図２と共通の部分には同
一の符号が付されている。この装置では、蒸発源が１個
のみで、発光層材料ペレット１９を収容した容器２０が
基板１に対向して配置されている。ペレット１９には、
ＳｒＳ母体にＣｅを０．２ｍｏｌ％ドープし、さらにＳ
ｒＳに対して５０ｍｏｌ％のＭｇＳを混合したペレット
を作製して用いた。

【００１０】図４は、上記の二つの実施例によって得ら
れた薄膜ＥＬ素子およびＭｇＳを用いないで発光層成膜
中に硫黄ガスを外部より導入して硫黄を補充して製造し
た比較例の薄膜ＥＬ素子の、発光輝度の駆動電圧依存線
を示す。図中、線４１が図２の多元蒸着装置を用いた実
施例、線４２が図３の単元蒸着装置を用いた実施例、線
４３が上記比較例の薄膜ＥＬ素子の発光輝度特性であ
る。図５はエージング特性を示し、線５１は図２の多元
蒸着装置を用いた実施例、線５２は上記比較例の薄膜Ｅ
Ｌ素子の場合がある。図４、図５から、本発明の実施例
の薄膜ＥＬ素子の発光輝度および寿命特性のいずれも向
上していることがわかる。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、ＳｒＳ発光層形成中に
できるＳｒ空孔を補償するために、ＳｒＳと同族でイオ
ン半径の小さい元素を用いることにより、この元素がＳ
ｒ空孔に入り込み、格子欠陥が解消し、かつ結晶性のよ
い発光層が形成できた。その結果、発光輝度や寿命特性
の優れた薄膜ＥＬ素子の製造が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の薄膜ＥＬ素子の構造を示す断
面図

【図２】本発明の一実施例に用いた蒸着装置の断面図

【図３】本発明の別の実施例に用いた蒸着装置の断面図

【図４】本発明の実施例の薄膜ＥＬ素子における発光輝
度と駆動電圧との関係線図

【図５】本発明の実施例の薄膜ＥＬ素子のエージング特
性線図

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ 第一電極 ３ 第一絶縁層 ４ 発光層 ５ 第二絶縁層 ６ 第二電極 １１ 真空槽 １２ 排気口 １３ ヒータ １４ 基板ホルダ １５ 発光層母体材料ペレット １７ 発光層添加材料ペレット １９ 発光層材料ペレット ２１ 電子銃 ２２ 電子ビーム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光中心が添加される発光層母体材料が硫
   化ストロンチウムである薄膜エレクトロルミネセンス素
   子において、母体材料中に、長周期型周期表の２Ａ族に
   属し、２価のイオン半径がストロンチウムより小さい元
   素を含むことを特徴とする薄膜エレクトロルミネセンス
   素子。
2. 【請求項２】発光層中の２Ａ族元素の濃度が０．２〜
   ４．０ａｔ．％の範囲にある請求項１記載の薄膜エレク
   トロルミネセンス素子。
3. 【請求項３】２Ａ族元素の原料として元素単体を用いる
   ことを特徴とする請求項１あるいは２記載の薄膜エレク
   トロルミネセンス素子の製造方法。
4. 【請求項４】２Ａ族元素の原料として硫化物を用いるこ
   とを特徴とする請求項１あるいは２記載の薄膜エレクト
   ロルミネセンス素子の製造方法。
5. 【請求項５】２Ａ族元素の蒸発源をそれ以外の発光層母
   体材料の蒸発源と別個にして共蒸着を行って発光層を形
   成する請求項３あるいは４記載の薄膜エレクトロルミネ
   センス素子の製造方法。
6. 【請求項６】２Ａ族元素を添加した発光層母体材料の蒸
   発源を用いて蒸着を行って発光層を形成する請求項３あ
   るいは４記載の薄膜エレクトロルミネセンス素子の製造
   方法。
7. 【請求項７】無アルカリガラス基板を用いて基板温度３
   ００〜６５０℃の範囲で基板上に蒸着を行う請求項５あ
   るいは６記載の薄膜エレクトロルミネセンス素子の製造
   方法。