JPS5871589A - 薄膜ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は交流″電界の印加に依ってＥ　Ｌ　（Ｅｌｅｃ
ｔｒ。

Ｌ　ｕｍ　１ｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光を呈する薄膜ＥＬ
素子に関し、特に発光−に重畳される誘電膜に新規な技
ｆｋｊを駆使するととにより、良好な素子特性を得る薄
膜ＥＬ素子の積帝構造に関するものである。

従来、交流動作の薄膜ＥＬ素子に関して、発光製に規則
的に高い電界（１０６ｖｈ稈度）を印加し絶縁耐「１−
１発光効率及び動作の安定性等を高めるために、Ｏ，Ｉ
　〜２．０　ｗｔ　％の八（ｎをドープしたＺｎＳ。

Ｚｎ　Ｓｅ等の半導体発光りをＹ２Ｏ３，ＴｉＯ２等の
誘電体薄膜でサンドインチした三層構造ＺｎＳ：Ｍｎ（
又はＺｎ５ｅ：Ｍｎ）ＥＬ素子が開発され、発光緒特性
の向上が確かめられている。この薄膜ＥＬ素子は数ＫＨ
ｚの交流電界印加によって高輝度発光［２、しかも長寿
命であるという特徴を有している。

薄膜ＥＬ素子の１例としてＺｎＳ：Ｍｎ薄模ＥＬ素子の
基本的構造を第１図に示す。

第１図に基いて薄膜ＥＬ素子の構造を具体的に説明する
と、ガラス基板Ｌ１−にＩｎｚ０３．５ｎ０２等の透明
電極２、さらにその上に積蕾してＹ２Ｏ３５Ｇｅ０２’
、　Ｔａ２０５．　ＴｉＯ２、Ｓ　ｉ　０２等からなる
第１の誘電体層３がスパッタあるいは電子ビーム蒸着法
等により重畳形成されている。第１の誘電体層３北には
ＺｎＳ：Ｍｎ焼結ペレットを′重子ビーム蒸着すること
により得られるＺｎＳ発光智４が形成されている。この
時蒸着用のＺｎＳ：Ｍｎ焼結ベレットには活性Ｓ質とな
るＭ　ｎが目的に応じた濃度に設定されたベレ７）が使
用される。ＺｎＳ発光り４」二には第１の誘電体＠３と
同様のＭ質から成る第２の誘電体−５が積りされ、更に
その上にＡ／等から成る背面電極６が蒸着形成されてい
る。透明電極２と背面重版６は交流型ｔＩｇ　７に接続
され、薄膜ＥＬ素子が駆動される。

”１ｆｉＩｌｊ＜２．６間にＡＣ電圧を印加すると、Ｚ
ｎＳ発光り４の両側の誘電体脣３，５間に上記ＡＣ電圧
が印加されることになり、従へてＺｎＳ９光層４内に誘
起された電界によって伝導帯に励起さね、かつ加速され
て充分なエネルギーを得た電子が自由電子となってＺｎ
Ｓ発光り界面へ誘引すれ、この誘引過程で直接Ｍ　ｎ発
光センターを励起し、励起されたＭｎ発光センターが基
底状態に戻る際に黄色のＥＬ光発光放射する。即ち、高
電咋で加速された電子がＺｎＳ発光響４内に誘起された
電界の成性に応じて界面から他方の界面へ高速移動１゜
ながらＺｎＳ発光＠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７、励起された電子
が基底状態に落ちる時略’ｒ５８５０Ａをピークに幅広
い波長領域で、強い発光をすする。

活性物質としてＭ　ｎ以外に希土類の弗化物を用いた場
合にはこの希土類に特有の発光色が得られる。

上記構造の薄膜ＥＬ素子に使用される誘電体層３．５は
ＺｎＳ発光響４の有効電界強度を大きくする必要上、振
力比誘電率の高い材料が望ましいが現在では薄膜生成技
術上の制約からＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法あるいはス
パッタリング法によるＳ　ｉｏ、Ｓ　ｉ０２　、　Ｔｉ
Ｏ２、ＧｅＯ２、Ｙ２Ｏ３＋　Ａ　Ｉ！２　ｏ３１　Ｔ
　ａ２０５等の金属酸化膜が実施に供されている。しか
し、これ等の薄嘆け、一般に生成条件によって誘電特性
が大きく変化する。

即ち結晶性が強いため、ピンホールの発生が増大し、ま
た誘電体す上に積りされる膜の成長に際（７、結晶粒に
帰因する悪影響を与えるため素子耐圧が悪くなり、発光
面の輝度も不均一と々る。その他組成スれ、充′填密度
の低下、マイクロクランクの発生等、物理的化学的に多
くの不安定要素を内包するものである。これらの問題点
を解決するため、非晶質の薄膜として知られている窒化
シリコン膜が近年使用されるようになってきた。誘電体
−としての窒化シリコン嘆は通常スパッタリング法で形
成され、素子の劣下要因となる湿俄の侵透性が摩めて低
く耐圧も良好であるところから薄膜ＥＬ素子に量も適［
また誘電喚の１つであると評されている。しかしながら
この窒化シリコン模にもいくつかの解決すべき問題点が
残されている。その１つは密着力が弱いことであり、他
の１つは界面準位が形成され易い性質を有しているとい
うことである。密着力の問題に関しては、金属酸化膜の
如く電子的な結合力をもつ酸素のような原子を含まない
ため、異質な膜との結合状態は電子的結合によらず、も
っばらファンデルワールス力に依存して密着しているに
過ぎないということに帰因すると考えられる。そのため
界面に汚れ、ピンホール、不純物等が介在すると、その
部分から剥離を引き起こす結果となる。またわずかの基
板表面状態の相違により、界面に不規則な電子準位を形
成１２、そのため発光開始電圧が発光面内で不規則とな
り、素子耐圧の不安定な状態を呈することとなる１゜上
記問題点を有するため、窒化シリコン膜を形成する基板
表面は非常に高度な清浄度及び平滑度を必要とするが、
この清浄度、平滑度を高めることは工業的規模での生産
形態に対する阻害要因となり、設備機器、コスト面等に
於いても不利な結果を招来する。

本発明は上記現状に鑑み、薄膜ＥＬ素子の素子構造に技
術的手段を駆使することにより、素子耐圧を向上させ、
安定な動作特性を得ることのできる量産に適した新規有
用な薄膜ＥＬ素子の構造を提供することを目的とするも
のである。

以下、本発明を実施例に従って図面を参照しな、がら詳
説する。

薄膜ＥＬ素子の信頼性を左右する要因として素子耐圧は
非常に重要な要素である。特に透明電極と背面電極を互
いに直交する帯状電極として配列したＸＹマトリックス
電極型の薄膜ＥＬ素子に於いては、その駆動原理上、薄
１１ｉｊｔｉＥＬ素子を非対称パルスで動作させること
が望ましい。このため、素子のＤＣＣ正圧特に重要とな
る。゛薄膜ＥＬ素子にＤＣ電圧を印加するとある電圧で
放電破壊を起こす。この破壊電圧（ＶＤ）は窒化シリコ
ン膜と電極との界面に酸化シリコン膜や酸化アルミニウ
ム膜を形成することにより高くなることが実験の結果明
らかとなった。

第２図は本発明の１実施例を示すマトリックス電極型薄
膜ＥＬ素子の断面構成図である。

ガラス基板ＩＬに５ｎ０２．Ｉｎ２Ｏ３等から代る帯状
にエツチング成形された透明電極２、さらにその上に積
＠１７て１００〜８００Ａの膜厚のＳｉＯ膜等の金属酸
化膜８とＳｉ３Ｎ、から成る非晶質の誘電体１９が第１
の誘電体饗として重畳形成されている。更に第１の誘電
体１に積りして０１〜２．０ｗｔ形のＭｎがドープされ
たＺｎＳ発光す４が電子ビームにより厚さ５０００〜９
０ｎＯＡに蒸着形成されている。ＺｎＳ発光＠４の形成
は１０−７〜１０　ｔｏｒｒ程度の真空中で、前述した
如上、ＺｎＳ　：Ｍｎ焼結ベレットを電子ビーム蒸着す
ることにより得られる。この時薄膜ＥＬ素子にヒステリ
シスメモリー特性を付学するためにはＺｎＳ発光帝１ｌ
中のドーパント濃度、即ちＭｎａ度を適当に制御する必
要がある。実験結果によればＺｎＳ発光１４作製時に使
用する蒸着用ベレフトのＭｎ濃度が０．５ｗｔ形程度以
上になるとメモリ現象が起こり始め、Ｍ　ｎ濃度が増加
するにつれてその効果が顕著になることが判明、した。

即ち薄膜ＥＬ素子の発光層中のＭｎ濃度が低い場合はＭ
ｎの働きは単なる発光センターであるが０．５ｗｔ％以
上の濃度でＺｎＳ中に存在する場合は、Ｚｎ５Ｉｌと絶
縁嘆である誘電体すの界面やＺｎ５Ｉｔｉの粒界に析出
１２、電子を捕獲する比較的深い電子準位を作り、印加
電圧対発光輝度変化にヒスプリシス特性を有するメモリ
ー現象の原因となると考えられる。ＺｎＳ発光１４上に
はＳｉ３Ｎ４　から成る非晶質の誘電体１ｉ１１０と１
００〜８００Ａの膜厚のＳｉＯ膜、ＡＡ’＋０３膜等の
金属酸化膜１１が積層されさらにその上にＡｆｆ等から
成る背面電極６が帯状にパターン形成されている。捷た
透明電極２及び背面電極６は第１図同様交流電源７に接
続されている。

上記構造から成る薄１［ＥＬ素子に於いて、ガラス基板
１は７０５９パイレツクスガラスを用い第１及び第２の
誘電体りを構成する非晶質誘電体１９．１０の窒化シリ
コン膜（Ｓｉ：＋Ｎ＜）ｌｄスパッタリング、プラズマ
ＣＶＤ法等で１０００〜３０００′Ａの膜厚に１設する
。また金属酸化膜８゜１１は電子ビーム蒸着、スパッタ
リング、ＣＶＤ法等で形成される。

尚、上記実施例に於いて非晶質誘電体ＩＮ）９．Ｉｎと
しては、Ｓｉ３Ｎ４以外にシリコンオキシナイトライド
膜を用いることも可能である。

第３図、第４図及び第５図は上記実施例に示す構造の薄
膜ＥＬ素子に於ける金属酸化膜８．１１の膜厚と電気的
特性を説明する実験データのグラフである。発光開始電
圧（Ｖｔｈ）を、周波数１００Ｈｚパルス幅４０μｓｅ
ｃの交流パルスで駆動したとき１ｆｔ−Ｌの輝度となる
電圧値で定義し、耐圧の評価としてＶＤ／　Ｖｔ’ｈを
用いると、Ｖ　ｎ／Ｖ　ｔ　ｈの値が大なる程耐圧が高
いことになる。

第３図は、第２図に示す構造の薄膜ＥＬ素子において透
明電極（ＩＴＯ模）２と非晶質誘電体す９の間の酸化シ
リコン膜８の膜厚と素子耐圧の関係を示したものである
。ここで非晶質誘電体す８である窒化シリコン嘆の膜厚
は２，０００　Ａ、　ＺｎＳ発光層４の膜厚は７．００
０　Ａ、」二部非晶質誘電体す１０である窒化シリコン
膜の膜厚は１，５００Ａに設定し、−Ｅ部金属酸化膜１
１としては膜厚４００Ａの酸化アルミニウム噂を用い背
面電極６はＡ／？で形成している。他の膜構成を変化さ
せずに酸化シリコン（ＳｉＯ□）膜８の膜厚のみ変化さ
せたとき、３００Ａ付近でＶＤ／ｙｔｈは最大となる。

５ｉ０２膜８の厚さがＯのとき、即ち第１の誘電体りが
窒化シリコン膜のみの場合は耐圧が低く、また逆に５ｉ
ｏ２ｓｓの膜厚が厚くなりすぎても耐圧は低トする。Ｖ
Ｄ、／Ｖ　ｔ　１１が１．７以上であれば実用上問題が
々く、酸化シリコン嘆８の膜厚としては１００〜８００
Ａが適当である。

第４図は＠２図に示す構造の薄膜ＥＬ素子で、酸化シリ
コン膜８を３００λとし、」二部金属酸化膜１１である
酸化アルミニウム膜の膜厚を変化させたときの耐圧変化
を示す。他の構成は第３図の場合と同一である。背面電
極６と窒化シリコン模の間に酸化アルシミニウム暎を形
成することによって耐圧は向上し、その膜厚は１００〜
８００Ａの範囲が適当であることが理解される。しかし
、耐圧に対する効果は、透明電極２界面の酸化シリコン
膜に比較して若干劣る。

第５図は、第４図に於いて酸化アルミニウム嘆を酸化シ
リコン膜に変更１．た場合のデータである。

この場合も同様の結果が得られた。

以−Ｆの如く、窒化シリコン膜と電極の各界面に膜厚１
００〜８００Ａの酸化シリコン模又は酸化アルミニウム
膜等の金属酸化膜８．１１を形成することにより素子耐
圧がより一饗向−トし、信頼性の高い薄膜ＥＬ素子と々
る。結晶性の高い酸化模と非晶質な窒化膜を積饗するこ
とにより、密着性が向にするとともに、誘電体膜中のピ
ンホー１１マイクロクランク等の欠陥が相互に、重なり
合う確率も少なくなって素子の絶縁耐圧が向上するもの
と考えられる。又、金属酸化膜の膜厚が厚くなりすぎる
と耐圧が低下するのは、密着性の向りによる耐圧のＦ昇
よりも結晶性が高くなることによる耐圧低下の方が大き
くカるためと考えられる。

以北の様に、二重絶縁嘆構造の薄膜ＥＬ素子において第
一の誘電体層を膜厚が薄く設定されて結晶性が低く抑え
られた金属酸化膜と窒化シリコン膜等の非晶質薄膜を積
＠（７て形成１２、第三の誘電体層も同様に非晶質薄膜
と結晶性の低い金属酸化膜を積り１．て形成した複合誘
電体製とすることにより、隣接−間の密着性７５５高く
高絶縁耐圧特性を有し信頼性のある薄膜ＥＬ素子を構成
することができろ。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄膜ＥＬ素子の基本的構造を示す構成図である
。 第２図は本発明の１実施例を示す薄ｌｌψＥＬ素了の構
成図である。 第３図、第４図及び第５図は第２図に示す薄膜ＥＬ素子
の絶縁耐圧特性を説明する説明図である。 ２・・・透明型棒　　４・・・ＺｎＳ発光−６・・・背
面直％８．Ｉ＋・・・金属酸化膜　　９．１０・・・非
晶質誘電体１ 代理人　弁理士　　福　七　愛　彦 Ｍ２ｏ３１１１ｊｉｉ４ 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ）　交流電圧の印加に応答してＥＬＱｔを甲する発光−
   の両主面を誘電体−で被覆して成る薄膜ＥＬ素子に於い
   て、前記誘電体層け、前記発光―の両主面に接する非晶
   質層と、該非晶質りに重畳し膜厚を薄く設定することに
   より結晶性が低く抑えられた金属酸化嘆饗とで構成され
   ていることを特徴とする薄膜ＥＬ素子。