JPH10308282A - 薄膜エレクトロルミネッセンス素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属からなる電極層の上にボイドがなく絶縁破
壊のない絶縁層を有し、画素欠陥や電極の断線の生じな
い薄膜ＥＬ素子およびその製造方法を提供する。 【解決手段】絶縁性基板11上に金属からなる第１の電極
層21、第１の絶縁層32、発光層4a、第２の絶縁層32、透
明電極22が順次積層された薄膜エレクトロルミネッセン
ス素子において、前記第１の絶縁層の相対密度（第１の
絶縁層の密度のこの層を構成する材料の単結晶の密度に
対する比）を９３％以上とする。また、第１の絶縁層を
熱化学気相成長により成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単色または多色発
光ディスプレイに用いられる薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フラットディスプレイ用の素子の１つで
ある薄膜エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと記
す）素子は、鮮明でコントラストが高く、視野角依存性
も小さいためコンピュータ端末の表示素子、車両への搭
載用表示素子等として研究開発が進められている。

【０００３】図２は従来の単色薄膜ＥＬ装置を示し、
（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断
面図である。ガラス基板１１の上に第１の電極層２１、
第１の絶縁層３１、発光層４、第２の絶縁層３２、第２
の電極層２２が順次積層された薄膜ＥＬ素子には封止部
材７を介して封止基板１２が被せられシリコーンオイル
６が内部に注入された後、気密封止される。両電極層に
駆動電源Ｅを接続し、両極性のパルス電圧を印加してＥ
Ｌ発光させる。矢印は光放射の方向である。

【０００４】薄膜ＥＬ素子は以下の作製プロセスに沿っ
て作製される。 （１）絶縁性基板１１としてガラス基板上に第１の電極
層２１を成膜し、フォトプロセスにより所定のパターン
（例えば短冊状）の第１の電極（本明細書では電極層と
その電極層がパターニングされた電極とを同じ符号で表
す）を形成する。第１の電極層２１はモリブデン（M
o）、タングステン（W ）等の金属層、または酸化イン
ジウムスズ（以下、ＩＴＯと記す）等の透明導電層であ
る。

【０００５】（２）第１の絶縁層３１を成膜する。第１
の絶縁層３１は酸化ケイ素（以下、SiO₂と記す）膜と窒
化ケイ素（以下、Si₃N₄ と記す）膜の順の積層膜であ
る。 （３）発光層４として黄橙色発光のZnS:Mnからなる蛍光
体層を成膜、熱処理する。 （４）第２の絶縁層６を成膜する。第１の絶縁層とは逆
順の積層膜である。

【０００６】（５）第２の電極７を成膜し、フォトプロ
セスにより所定のパターン（例えば第１の電極に直交す
る短冊状）を作成する。第２の電極層２２はＩＴＯ等の
透明導電層、またはアルミニウム（Al）の様な金属電極
である。 上記のZnS:Mnが用いられた単色発光の薄膜ＥＬディスプ
レイは既に実用化されているが、ディスプレイ内容の多
様化に伴いカラー化が不可欠となっている。

【０００７】カラー薄膜ＥＬ素子における発光層に用い
られる蛍光体としては、赤色用にはCaS:Eu、ZnS:Sm、Sr
S:Euなど、緑色用にはZnS:Tb、CaS:Ceなど、青色用には
SrS:Ceなど、また白色用にはSrS:CeとZnS:Mnとの積層膜
など、アルカリ土類硫化物が用いられる。白色発光材料
を用いてカラー発光させる場合は、白色薄膜ＥＬ素子
と、通常あらかじめカラーフィルターを形成した封止基
板とを重ね合わせ、封止基板側から３原色に分光された
光を放射させる（図１参照）。

【０００８】このように封止基板側から光を放射させ
る、いわゆる反転構造の場合、発光層から基板にに向か
って放射される光も有効利用するために、この光を第１
の電極で反射させるので、第１の電極には反射率の高い
金属材料を用いることが望ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１の電極
を被覆する第１の絶縁層として、従来スパッタにより形
成された絶縁膜が用いられているが、第１の電極が金属
材料である場合、次に述べるような問題点があり、カラ
ーＥＬディスプレイは実現されていない。第１の電極と
して金属電極を用いたＥＬ装置では、第１の電極と第２
の電極に電圧を印加したとき、第１の電極の金属電極周
縁部に目視可能な大きさの絶縁破壊部が生じ、欠陥画素
となることがある。さらにはこの絶縁破壊部に起因して
第２の電極が断線する場合もある。

【００１０】発明者らは、この絶縁破壊の原因の１つ
が、従来用いられるスパッタにより形成された第１の絶
縁膜では、特に第１の絶縁膜と第１電極層である金属膜
との界面に微少なボイドが多発するために、ボイドでは
第１の絶縁膜の電界は高くなり、絶縁破壊しやすいため
であることを見出した。本発明の目的は、金属からなる
電極層の上にボイドがなく絶縁破壊のない絶縁層を有
し、画素欠陥や電極の断線の生じない薄膜ＥＬ素子およ
びその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【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、絶縁性基板上に金属からなる第１の電極層、第１
の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、透明電極が順次積層
された薄膜エレクトロルミネッセンス素子において、前
記第１の絶縁層の相対密度（第１の絶縁層の体積密度の
この層を構成する材料の単結晶の体積密度に対する比）
は９３％以上であることとする。

【００１２】前記第１の絶縁層を構成する材料は酸化ア
ルミニウムまたは酸化タンタルのいずれかであると良
い。絶縁性基板上に金属からなる第１の電極層、第１の
絶縁層、発光層、第２の絶縁層、透明電極を順次積層す
る薄膜エレクトロルミネッセンス素子の製造方法におい
て、請求項１または２に記載の第１の絶縁層を熱化学気
相成長により成膜することとする。

【００１３】前記酸化アルミニウム膜をトリメチルアル
ミニウムガスまたは三塩化アルミニウムガスと水蒸気と
の混合ガスを用いて成膜すると良い。前記酸化アルミニ
ウム膜をと水蒸気との混合ガスを用いて成膜すると良
い。前記酸化タンタル膜を五塩化タンタルガスと水蒸気
との混合ガスを用いて成膜すると良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】発明者らは、第１の電極として金
属電極を用いたＥＬ装置において、欠陥画素や電極の断
線につながる絶縁破壊現象の詳細を明らかにした。従来
用いられるスパッタにより形成された第１の絶縁膜で
は、特に第１の絶縁膜と第１電極層である金属膜との界
面に微少なボイドが多発していたために、ボイドでは第
１の絶縁膜の電界は高くなり、絶縁破壊しやすい。さら
に、透明電極である第２電極層がＩＴＯあるいはZnO:Al
などからなり、従来のAl等の金属より融点が高く、機械
的強度の高い材料からなっているため、絶縁破壊時に第
２の電極層の絶縁破壊孔よりも、第２の電極層の下側の
多層膜の絶縁破壊孔の方が大きく、以降の電圧印加の度
に多層膜の孔の内側に沿って破壊が伝搬し、絶縁破壊孔
は大きくなり電極の断線や画素の欠陥に至る。

【００１５】本発明に係る第１絶縁層の相対密度は、体
積密度のこの層を構成する材料の単結晶の体積密度に対
する比と定義される。第１絶縁層も同じ結晶構造である
ので第１絶縁層の相対密度が１００% に近づくに従い、
第１の絶縁層中のボイドの数は減少する。さらに第１の
絶縁層は平滑性が良くなり、発光層の表面形状によらず
被覆が平滑であるため、第１の電極層と第１の電極層と
の界面にボイドは存在せず、絶縁破壊を防止できる。

【００１６】また、熱ＣＶＤによる成膜は、基板または
すでに堆積した膜上での表面反応であり、生成された分
子は１ないし数分子づつ堆積し、基板またはすでに堆積
した膜上の分子は移動可能であり、隙間が生じない。し
かるに、スパッタによる成膜では、巨大分子数の塊が堆
積するのでこの塊は移動しにくく、隙間すなわちボイド
は生じやすい。

【００１７】熱ＣＶＤにおいて、トリメチルアルミニウ
ムガスまたは三塩化アルミニウムガスは水蒸気と反応し
て、酸化アルミニウム以外には固形物を生成しないので
ボイドフリーの成膜ができる。五塩化タンタルガスと水
蒸気との混合ガスにおいても同様に、ボイドフリーの酸
化タンタル膜を成膜できる。図１は本発明に係る薄膜Ｅ
Ｌ素子を有する薄膜ＥＬ装置の断面図である。従来の単
色薄膜ＥＬ装置（図２）のＥＬ素子の層構成は第１の絶
縁層３１ａを除いて同じなので、ＥＬ装置構成の異なっ
ている点のみ説明する。第１の電極層２１と対向する第
２の電極層２２に駆動電源Ｅからパルス電圧を印加する
ことにより発光層４ａとしてSrS:Ce膜とZnS:Mn膜との積
層膜を用い、これからの白色発光を封止基板１２に形成
されているカラーフィルター５ｒ、５ｇ、５ｂで分光し
赤色、緑色および青色（Ｒ、Ｇ、Ｂと略記する）の３原
色を得ることができる。矢印は光放射の方向である。以
下に、本発明に係る薄膜ＥＬ素子を含む薄膜ＥＬ装置を
製造プロセスに沿って説明する。

【００１８】（１）無アルカリガラスの基板１１上に第
１の電極層２１としてタングステン膜（W ）を直流スパ
ッタにより膜厚２００nm成膜した後、CF₄ ガスによるド
ライエッチングによりW 膜を短冊状にパターニングし、
第１の電極とした。 （２）基板１１全面に、第１の絶縁層３１ａとして、本
発明に係る構成材料と熱気相化学成長により、相対密度
の高い絶縁膜の成膜を行った。これらについては実施例
で説明する。

【００１９】（３）発光層４ａとして、SrS:Ce膜を１０
００nm電子線蒸着により成膜した後、ZnS:Mn膜３００nm
を電子線蒸着により成膜した。この後、結晶性を向上し
高輝度化を図る目的で、硫化水素雰囲気中で６００℃、
３０分の熱処理を行った。 （４）第２の絶縁層３２として窒化ケイ素膜と酸化ケイ
素膜の積層膜を高周波反応性スパッタにより順に成膜し
た。それぞれの膜厚は、窒化ケイ素膜では２００nm、酸
化ケイ素膜では５０nmとした。

【００２０】（５）第２の電極層２２として、ＩＴＯ膜
を直流スパッタにより２００nm成膜し、ドライエッチン
グによりパターニングを行ない、第１の電極とは直交す
る短冊状の第２の電極を形成した。 （６）最後に、カラーフィルター５ｒ、５ｇ、５ｂの形
成されている封止基板１２を封止部材７を用いて対向固
定し、薄膜ＥＬ装置とした。ここで、ＥＬ素子基板１１
とカラーフィルター付き封止基板１２との間には、シリ
コーンオイル６を封入し、直径１０μm のスペーサー
（図示せず）を挿入し、ＥＬ素子とカラーフィルターと
の距離を一定とした。

【００２１】第１の絶縁層の種類がＥＬ装置の絶縁破壊
に及ぼす影響は、実際にＥＬ装置をを作製し、駆動した
時に生じた電極（画素でもある）の断線の本数を調べる
ことにより比較できる。表１に、以下に述べる実施例お
よび比較例における膜材質、成膜方法、成膜条件および
ＥＬ装置における欠陥画素数を示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から、ボイドを少なくして相対密度を
９３％以上とした酸化アルミニウム膜または酸化タンタ
ル膜を第１の絶縁素とした場合は、ＥＬ装置において、
発光させるための交流パルス電圧印加したときの絶縁破
壊に起因する欠陥画素数は減少することが判明した。 実施例１ 上記の製造プロセス（２）において、酸化アルミニウム
膜を第１の絶縁層とした場合について、次の３種の成膜
方法を実施した。

【００２４】第１の成膜方法は熱ＣＶＤであり、トリメ
チルアルミニウムを加熱気化したガスと水蒸気の混合ガ
ス中に、発光層まで成膜した基板を置いて３５０℃に保
持し、膜厚２５０nmの酸化アルミニウム膜を成膜した。
第２の成膜方法は熱ＣＶＤであり、三塩化アルミニウム
を加熱気化したガスと水蒸気の混合ガス中に、発光層ま
で成膜した基板を置いて５００℃に保持し、膜厚２５０
nmの酸化アルミニウム膜を成膜した。

【００２５】第３の成膜方法はスパッタであり、酸化ア
ルミニウム(Al₂O₃) のターゲットとガス圧１３３mPa の
Arを用い、２W/cm² の電力を投入し膜厚２５０nmの酸化
アルミニウム膜を成膜した。なお、第１の電極は幅０．
３３mm、総数８０本とし、第２の電極は幅０．１１mm、
総数２４０本とした。これらの全交点数すなわち画素数
は８０×２４０となる。

【００２６】同時に作製した第１の絶縁層の密度をラザ
フォード後方散乱測定から算出したところ、第１の成膜
方法で作製した熱ＣＶＤ絶縁層の密度は単結晶酸化アル
ミニウムのそれの９４% であり、第２の成膜方法で作製
した熱ＣＶＤ絶縁層の密度は単結晶酸化アルミニウムの
それの９７% であり、スパッタ絶縁層では８７% であっ
た。

【００２７】また、実際に作製したＥＬ装置を交流パル
ス駆動したところ、絶縁破壊により生じて容易に目視検
出可能な欠陥画素数は、第１の成膜方法では４個、第２
の成膜方法では３個、第３の成膜方法では４０個であっ
た。以上から、相対密度が９４% 以上の熱ＣＶＤにより
成膜された酸化アルミニウム膜は、スパッタ成膜された
相対密度８７% の酸化アルミニウム膜より、薄膜ＥＬ素
子においては良好な第１の絶縁層であることが判る。 実施例２ 実施例１と同様に、第１の絶縁層として酸化タンタル膜
について、２種の成膜方法を試みた。

【００２８】第１の成膜方法は熱ＣＶＤであり、五塩化
タンタルを加熱気化したガスと水蒸気の混合ガス中に、
発光層まで成膜した基板を置いて３５０℃に保持し、膜
厚２００nmの酸化タンタル膜を成膜した。第２の成膜方
法はスパッタであり、タンタル（Ta）のターゲットとガ
ス圧４０３mPa の３０％O₂を含むArを用い、４W/cm² の
電力を投入し膜厚２００nmの酸化タンタル膜を成膜し
た。

【００２９】実施例１と同様に、各膜の密度とＥＬ装置
の欠陥画素数を調べた結果、熱ＣＶＤ酸化タンタルとス
パッタ酸化タンタルの相対密度はそれぞれ、９３％、８
５％および５個、６３個であった。以上から、相対密度
が９３% 以上の熱ＣＶＤにより成膜された酸化タンタル
膜は、スパッタ成膜された相対密度８５% の酸化タンタ
ル膜より、薄膜ＥＬ素子においては良好な第１の絶縁層
であることが判る。 比較例 上記実施例と比較のために、スパッタにより成膜した窒
化ケイ素膜を第１の絶縁層として用いた場合である。

【００３０】窒化ケイ素は反応性スパッタにより、Ｓｉ
ターゲットを用いガス圧４００mPaのN2雰囲気で、２ W/
cm²の電力を投入して、膜厚２００nmの窒化ケイ素膜を
成膜した。基板温度は２００℃とした。実施例１と同様
に、密度とＥＬ装置としたときの欠陥画素数を調べた結
果、それぞれ８５％および４９個であった。欠陥画素は
多く、実用に供しえないレベルであることが判る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁性基板上に金属か
らなる第１の電極層、第１の絶縁層、発光層、第２の絶
縁層、透明電極が順次積層された薄膜エレクトロルミネ
ッセンス素子において、前記第１の絶縁層の相対密度
（第１の絶縁層の体積密度のこの層を構成する材料の単
結晶の体積密度に対する比）を９３％以上としたため、
ボイドは少なく、絶縁破壊の機会は少ないので、目視検
出可能な欠陥画素は生じない。従って、高品質で高信頼
性のＥＬ素子が得られ、同様なＥＬ装置を製造すること
ができる。

【００３２】また、酸化アルミニウムまたは酸化タンタ
ルなどの第１絶縁層を熱ＣＶＤによって成膜したので、
表面反応によって生成された分子は隙間無く堆積し、ボ
イドは生じないし、膜の相対密度は高くなり、上記のＥ
Ｌ素子に適した第１絶縁層が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜ＥＬ素子を有する薄膜ＥＬ装
置の断面図

【図２】従来の単色薄膜ＥＬ装置を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図

【符号の説明】

１１ ガラス基板 １２ 封止ガラス基板 ２１ 第１の電極 ３１ 第１の絶縁層 ３１ａ 相対密度の高い第１の絶縁層 ４ 発光層 ３２ 第２の絶縁層 ２２ 第２の電極 ５ カラーフィルター ５ｒ 赤色フィルター ５ｇ 緑色フィルター ５ｂ 青色フィルター ６ シリコーンオイル ７ 封止部材 Ｅ 駆動電源

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に金属からなる第１の電極
   層、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、透明電極が
   順次積層された薄膜エレクトロルミネッセンス素子にお
   いて、前記第１の絶縁層の相対密度（第１の絶縁層の密
   度のこの層を構成する材料の単結晶の密度に対する比）
   は９３％以上であることを特徴とする薄膜エレクトロル
   ミネッセンス素子。
2. 【請求項２】前記第１の絶縁層を構成する材料は酸化ア
   ルミニウムまたは酸化タンタルのいずれかであることを
   特徴とする請求項１に記載の薄膜エレクトロルミネッセ
   ンス素子。
3. 【請求項３】絶縁性基板上に金属からなる第１の電極
   層、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、透明電極を
   順次積層する薄膜エレクトロルミネッセンス素子の製造
   方法において、請求項１または２に記載の第１の絶縁層
   を熱化学気相成長により成膜することを特徴とする薄膜
   エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
4. 【請求項４】前記酸化アルミニウム膜をトリメチルアル
   ミニウムガスまたは三塩化アルミニウムガスと水蒸気と
   の混合ガスを用いて成膜することを特徴とする請求項３
   に記載の薄膜エレクトロルミネッセンス素子の製造方
   法。
5. 【請求項５】前記酸化タンタル膜を五塩化タンタルガス
   と水蒸気との混合ガスを用いて成膜することを特徴とす
   る請求項３に記載の薄膜エレクトロルミネッセンス素子
   の製造方法。