JPS593039B2 - 薄膜エレクトロルミネセンス素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明はＺｎＳ：Ｍｎ発光層を２層の絶縁膜でサンドイ
ッチ状に挾んでなる薄膜エレクトロルミネ１０ センス
素子の改良、更に詳しくは、ヒステリシス特性の改良さ
れた薄膜エレクトロルミネセンス素子及びその製造方法
に関するものである。

硫化亜鉛及びその製造方法に関するものである。硫化亜
（ＺｎＳ）を母体とし、これに発光中心を形成する１５
マンガン（Ｍｎ）及び希土類化合物等を添加した薄膜の
、両側あるいは片側に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等
の絶縁体薄膜層を設け、対向電極でサンドイッチ状に挾
持した薄膜ＥＬ素子は周知でぁり、対向電極間に交流電
圧を印加することによフ０ つて高輝度に発光し、しか
も分散型ＥＬ素子等の他の電界発光素子に比べて長寿命
であることがチ目られている。このような、ＺｎＳ：Ｍ
ｎ層を２層の絶縁層でサンドイッチ状に挾んでなる薄膜
エレクトロルミネク５ センス素子は、輝度一電圧特性
にヒステリシスが現われることが知られている。

この効果を活坩すれば、メモリ作用をもつた表示パネル
が実現できるばかりでなく、表示用、駆動回路系が簡単
になるという利点がある。ヲ０ このヒステリシス効果
は、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層内の電子が電界によつて絶縁層
−発光層界面に引き寄せられ、そこにとどまる結果、外
部電界が反転した時、それに重畳し内部電界を強める極
性に分極電界が形成されることによつて生ずろ現象であ
９５る。

したがつて絶縁体薄膜層内部に電子トラップが多く存在
したり、絶縁層の誘電損失が大きいと、界面に蓄積した
電子は絶縁層内部のトラップに捕獲されるか、また絶縁
層を通つて発光層外部へ流れ出てしまうので、ヒステリ
シス効果は不安定となるか、または全く現われない。以
上の点から安定なヒステリシス効果を有する素子を実現
するには、組成が化学量的組成を有し、電子トラツプと
なる欠陥が少なく低誘電損失の薄膜を絶縁層に用いるこ
とが望ましい。従来、上記薄膜エレクトロルミネセンス
素子の絶縁層には、電子ビーム蒸着法によつて形成した
酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ，
）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）あるいはスパツタ法
によつて形成したチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ，）、
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ，）等の薄膜が用いられていた
。

しかし電子ビーム蒸着法を用Ｃ）た場合は、蒸着物質が
高真空中で電子ビームで高温に加熱されるため、蒸発時
に熱解離が起り生成膜の組成は化学量論的組成からずれ
やすく、とくに酸化物薄膜の場合は酸素欠陥が出来てそ
れが電子トラツプとなるばかりでなく、誘電損失が増加
する原因となる。またＢａＴｉＯ，やＰｂＴｉＯ，は３
元化合物のため、電子ビーム蒸着法に比べると組成ずれ
のない膜が形成できるとされるスパツタ法を用いても、
前記絶縁薄膜は組成ずれを生じやすく、そのため誘電損
失が数％以上の損失の大きな膜しか得ることができない
。以上のような薄膜を絶縁層に用いていたため、従来安
定なヒステリシス特性を有する薄膜土レクトロルミネセ
ンス素子は実現しがたく、また絶縁層膜質のばらつきに
よつて、作製の歩留りが悪いという欠点があつた。

発明の概要 本発明はこのような現状に鑑みなされたものであり、そ
の目的は従来の欠点を解消し、安定したヒステリシス特
性を有する薄膜エレクトロルミネセンス素子を提供する
ことにある。

本発明の第２の目的は、絶縁膜劣化による輝度の低下、
すなわち高輝度の薄膜エレクトロルミネセンス素子を提
供することである。本発明の他の目的は、このような薄
膜エレクトロルミネセンス素子を歩留りよく、迅速に製
造する方法を提供することである。

したがつて、本発明による薄膜エレクトロルミネセンス
素子は、少なくとも一方が透明電極である一対の電極間
に、マンガンを添加した硫化亜鉛薄膜発光層と、該薄膜
発光層を挟持する形で２層の薄膜絶縁層を設けた構造を
成し、印加電圧と発光輝度の間にヒステリシス特性を呈
する薄膜エレクトロルミネセンス素子において、前記薄
膜絶縁層に酸素分圧中で形成した五酸化タンタルスパツ
タ薄膜を用いたことを特徴とするものである。

また本発明による薄膜エレクトロルミネセンス素子の製
造方法は基板上に順次透明電極層、第１の絶縁膜、Ｚｎ
Ｓ：Ｍｎ発光体薄膜層、第２の絶縁膜、電極を形成させ
る薄膜エレクトロルミネセンス素子の製造方法において
、前記第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜をＴａ２Ｏ，とし
、このＴａ，Ｏ５、微量の酸素雰囲気下で、スバツタ法
により形成させることを特徴とするものである。本発明
による薄膜エレクトロルミネセンス素子によれば、絶縁
膜として五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ，）を用いており、
前記絶縁膜は高誘電率低損失であり、かつ酸素欠陥が少
ないたへ高輝度で安定性の良好なヒステリシス効果を示
す。

また本発明による薄膜エレクトロルミネセンス素子の製
造方法によれば、前記のような良好な特性の薄膜エレク
トロルミネセンス素子を歩留り良く、かつ迅速に製造し
えると言う利点がある。発明の具体的説明本発明による
薄膜エレクトロルミネセンス素子は、たとえば、第１図
のような構成を有する。

この第１図において、１は基板、２は透明電極、３ａは
第１絶縁膜、４はＺｎＳ：Ｍｎ発光体薄膜層、５は電極
である。この第１図より明かなように、本発明による薄
膜エレクトロルミネセンス素子は、一般に基板１上に透
明電極２を生成せしめ、この透明電極２上に第１絶縁膜
３ａを形成させ、更にＺｎＳ：Ｍｎ発光体薄膜４を積層
させると共に、第２絶縁膜３ｂを介し、電極５を設けた
ものである。

このような本発明による薄膜エレクトロルミネセンス素
子に用いる基板１は従来この種の基板に用いる、耐熱性
があり、ある程度絶縁性のあるものであればいかなるも
のでもよい。

たとえばガラス基板、ケイ素単結晶基板であることがで
きる。また、この基板１上に形成させる透明電極２も本
発明において限定されるものではない。従来、この種の
素子に用いられる全ての材料を用いることができる。た
とえばＩｎ２Ｏ，、ＳｎＯ２、Ａｕ膜などであることが
できる。次に本発明において用いられる第１、第２の絶
縁膜３ａ，３ｂは酸素分圧中でスパツタ法により形成し
た五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ，？ある。

後述の実施例より明かなように、五酸化タンタルの絶縁
膜を用いることにより良好なヒステリシス特性の薄膜エ
レクトロルミネセンス素子が得られるからである。この
絶縁膜の膜厚は好ましくは２０００Ａ〜５０００λであ
る。

２０００Ｘ未満であると、ピンホール等を生ずるおそれ
が生じ、絶縁耐圧が低下する可能性を生じると共に、絶
縁膜の膜質が低下するおそれがある。

５０００λを超えると、素子の駆動電圧が上昇すると共
に製造上不利となると言う欠点を生ずる。

このＴａ２Ｏ，絶縁膜の比誘電率は、好ましくは、２０
〜４０である。

比誘電率が２０未満であると、素子の発光に大きな電圧
を必要とするようになりまた４０を超えて比誘電率を向
上せしめても、それ程効果の上昇は期待しえないからで
ある。このような絶縁膜３ａ，３ｂに挾持される発光体
層４は酸化亜鉛（ＺｎＳ）にマンガン（Ｍｎ）を添加し
たものである。Ｍｎの添加量は、好ましくは、０．５〜
１．０重量％である。０．５重量％未満であると、薄膜
エレクトロルミネセンス素子において、ヒステリシス効
果を持たせにくく、１．０重量％を超えると、輝度が急
激に減少するからである。

絶縁膜３ｂに形成される電極５は従来この種の素子に用
いられているものであればいかなるものでもよい。たと
えば、Ａｌ，Ａｕ，ＭＯ，Ｃｒ等の金属電極であること
ができる。次に本発明による薄膜エレクトロルミネセン
ス素子の製造方法について説明する。

本発明による方法は、前記絶縁膜のＴａ２Ｏ５層を微量
の酸素存在下に、スパッタ法により生成させることを特
徴としている。

すなわち、前記透明電極２上にＴａ２Ｏ５膜３ａ及びＺ
ｎＳ：Ｍｎ発光体４上にＴａ２Ｏ，膜３ｂをスパツタ法
により形成させる。

このときの生成系の全体のガス圧は、５×１０−３〜４
×１０−１Ｔ０ｒｒであるのが好ましい。この範囲を逸
脱すると、誘電率、誘電損失の望ましい薄膜が形成しに
くくなり、薄質も低下するからである。このガス雰囲気
中の酸素の割合は、酸素：他のガス＝５：５〜１：９で
あるのが好ましい。

酸素が多すぎると、放電が不安定となり製造上の困難を
生じ、また酸素が少ないξ、薄膜に酸素欠陥を生じるお
それがあるからである。また、このＴａ２Ｏ，膜の生成
速度は５０００λ／時以下であるのが好ましい。

薄膜に欠陥を生ずるおそれが出てくると共に、装置、電
圧などが大きくなり経済的ではないからである。また、
この際の基板温度は２００℃以下であるのが好ましい。

２００℃を超えると、発光層、基板等と熱歪により剥離
を生じるおそれがあるからである。

特に、第２絶縁層を生成するにあたつては、１００℃以
下であるのが好ましい。次に本発明の実施例について説
明する。

以下の実施例は、本発明の単なる例示であり、本発明を
限定するものではない。例 第１図は、前述のように本発明の一実施例を示す薄膜エ
レクトロルミネセンス素子の構成断面図であつて、１は
バイコールガラス基板、２は厚さ２０００Ｘの酸化イン
ジウム（Ｉｎ２Ｏ３誘明電極膜、３は厚さ３５００Ａの
五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）絶縁膜、４は硫化亜鉛（
ＺｎＳ）に発光中心物質としてマンガン（Ｍｎ）を０．
５〜１．０重量％添加した厚さ７０００Ｘの発光体薄膜
、５はアルミニウム（Ａｌ）からなる厚さ１０００Ａの
金属電極膜である。

まずガラス基板１上にＩｎ２Ｏ，透明電極層２を真空蒸
着法で形成し、その上にＴａ２Ｏ５膜を、ガス圧が１０
−１Ｔ０ｒｒ（酸素対アルゴン比が２対８の混合ガス使
用）、膜形成速度が２５００′Ｉｋ，／時で、基板温度
を室温とした条件で、高周波スパツタ法により形成した
。

次いでＭｎを添加したＺｎＳ焼結ペレツトを蒸発源材料
として、基板温度１８０℃、真空度１０−６Ｔ０ｒｒの
条件で、電子ビーム法によりＺｎＳ：Ｍｎ発光体薄膜層
４をＴａ２Ｏ５絶縁膜３上に形成し、さらに発光層膜の
結晶性の向上とＭｎの拡散を図るため、真空中４００゜
Ｃ１時間熱処理を行つた。しかるのちにＺｎＳ：Ｍｎ発
光層４上に、Ｔａ２Ｏ，絶縁層を上記と同じ条件で高周
波スパツタ法により形成し、次いでＡｌ金属電極５を真
空度３×１０−６Ｔ０ｒｒ程度の真空中で蒸着形成した
。この実施例で、絶縁層３１１Ｃ用いたＴａ２Ｏ，高周
波スパツタ薄膜は、厚さ３５００Ｘで比誘電率が２２〜
２５、誘電損失が０．１〜０．３．％と高誘電率低損失
の薄膜であり、しかも酸素雰囲気中で形成するので酸素
欠陥も少ないから、Ｔａ２Ｏ５高周波スｊくツメ薄膜を
絶縁層に用いて素子を構成すれば、長期安定性に富んだ
ヒステリシス効果を有する薄膜エレクトロルミネセンス
素子を再現性良く製造できる。

第２図は、本発明の実施例に基づいて製造した素子の輝
度一電圧特性を従来素子の特性と比較した図であつて、
曲線ａは第１図に示した本発明素子の特性曲線、曲線ｂ
は絶縁層にＹ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を用い第１図と同
じ構造にした従米素子の特性曲線、曲線Ｃは絶縁層にＳ
ｍ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を用い第１図の実施例と同じ
構造にした従来素子の特性曲線である。

図から明らかなように、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層４に添加し
たＭｎの添加量は互いに同じであるにもかかわらず、Ｓ
ｍ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を絶縁層に用いた素子では全
くヒステリシスが現われず、一方Ｔａ２Ｏ，スパツタ膜
およびＹ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を絶縁層に用いた素子
ではヒステリシス特性が現われる。すなわちヒステリシ
ス特性は絶縁膜材料に依存することがわかる。第３図は
本発明の素子と従来素子について、ヒステリシス特性の
安定性を比較した図であつて、曲線ｄは本発明素子の１
３７．５Ｖにおける輝度の時間変化を示す曲線、曲線ｅ
はＹ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を絶縁層に用いた従来素子
の１８７．５Ｖ１１Ｃおける輝度の時間変化を示す曲線
である。

なおこの図でＢＯは電圧下降時における電圧ＶＯのとき
の輝度、Ｂ♂は電圧上昇時における電圧ＶＯのときの輝
度である。第３図から明らかなように、Ｙ２Ｏ，電子ビ
ーム蒸着膜を用いた従来素子では、ヒステリシス幅が時
間とともに減少し、次第にメモリが消滅してしまうのに
対して、本発明の素子は１００分で３〜４％程度しか輝
度低下せず、本発明素子のヒステリシス効果は非常に長
期安定性が高いことがわかる。なお、本発明の薄膜エレ
クトロルミネセンス素子を構成するに使用する五酸化タ
ンタル薄膜は実施例に示した作製条件下において高周波
スパツタ法で形成するのが最適であるが、酸素−アルゴ
ン混合雰囲気中でのマグネトロンスパツタ法でも薄膜エ
レクトロルミネセンス素子の絶縁層膜に適した絶縁性の
良好な五酸化タンタル薄膜を形成できる。

以上説明したように、絶縁層に酸素分圧中で形成したＴ
ａ２Ｏ５スパツタ薄膜を用いて薄膜エレクトロルミネセ
ンス素子を構成すれば、上記絶縁膜は高誘電率低損失で
あり、かつ酸素欠陥の少ない薄膜であるから、絶縁層の
膜質劣化に起因した輝度の低下や不安定性を防止できる
ので、高輝度でかつ高安定なヒステリシス効果を有する
薄膜エレクトロルミネセンス素子を歩留りよく製造でき
る利点があり、メモリ効果を具備した表示パネルの構成
用素子として最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す薄膜エレクトロルミネ
センス素子の構成断面図、第２図は本発明による素子と
従来素子の輝度一電圧特性を比較した図、第３図は本発
明による素子と従来素子についてヒステリシス特性の安
定性を比較した図である。 １・・・・・・ガラス基板、２・・・・・・酸化インジ
ウム透明電極膜、３・・・・・・五酸化タンタル絶縁膜
、４・・・・・・ＺｎＳ：Ｍｎ発光層膜、５・・・・・
・アルミニウム電極膜、ａ・・・・・・本発明素子の輝
度一電圧特性、ｂ・・・・・・Ｙ２Ｏ３電子ビーム蒸着
膜を絶縁層に用いた従来素子の輝度一電圧特性、ｃ・・
・・・・Ｓｍ２Ｏ，電子ビーム蒸着膜を絶縁層に用いた
従来素子の輝度一電圧特性、ｄ・・・・・・本発明素子
のメモリ輝度の時間変化、Ｅ．・・・・・Ｙ２Ｏ，電子
ビーム蒸着膜を絶縁層に用いた従来素子のメモリ輝度の
時間変化。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも一方が透明電極である一対の電極間に、
   マンガンを添加した硫化亜鉛薄膜発光層と、該薄膜発光
   層を挾持する形で２層の薄膜絶縁層を設けた構造を成し
   、印加電圧と発光輝度の間にヒステリシス特性を呈する
   薄膜エレクトロルミネセンス素子において、前記薄膜絶
   縁層に酸素分圧中で形成した五酸化タンタルスパッタ薄
   膜を用いたことを特徴とする薄膜エレクトロルミネセン
   ス素子。 ２ 基板上に順次透明電極層、第１の絶縁膜、ＺｎＳ：
   Ｍｎ発光体薄膜層、第２の絶縁膜、電極を形相させる薄
   膜エレクトロルミネセンス素子の製造方法において、前
   記第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜を五酸化タンタルとし
   、この五酸化タンタルを微量の酸素雰囲気下で、スパッ
   タ法により形成させることを特徴とする薄膜エレクトロ
   ルミネセンス素子の製造方法。