JPS61230296A - Ｅｌ素子とその製造方法 - 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】 （発明の利用分野） 本発明は平型ディスプレイや面光源に利用されるＥＬ（
エレクトロルミネセンス）素子とその製造方法に関する
ものである。

（従来技術とその問題点） 螢光体物質に電圧を印加することによ多発光を呈する、
所謂エレクトロルミネセンスが１９３６年に発見されて
以来、面光源や表示装置への応用を目的として多くの研
究開発が行なわれてきた。各種のＥＬ素子構成が提案検
討されてきたが、現時点では絶縁体薄膜を挿入した交流
駆動の薄膜ＥＬ素子が輝度特性、安定性に優れ、各種の
ディスプレイとして実用に供されている。第２図に代表
的な２重絶縁型薄膜ＥＬ素子の基本構造を示す（ニス・
アイ・ディ・７４・ダイジェスト・オン・テクニカル・
ペーパーズ　８４頁、５ＩＤ７４ｄｉａａｓｔ　ｏｆ　
ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｐｅｒｓ）　。透明ガラス基
板２１上にＩＴＯやネサ膜等の透明電極２２、薄膜第１
絶縁体層２３　、ＺｎＳ　：Ｍｎ等のエレクトロルミネ
センスを呈する螢光体薄膜からなる薄膜発光層２４、更
にその上に薄膜第２絶縁体層２５、Ａｊ薄膜等の背面電
極２６からなる多層薄膜構造を有している。第１及び第
２絶縁体層はＹ、　Ｏ，、Ｔａ＊Ｏ，。

ｋｌ＠Ｏ１，Ｓ　ｉ、　Ｎ４．　ＢａＴ１０１　、　Ｓ
　ｒＴｌｏ＠等の透明誘電体薄膜であシスバッタリング
や蒸着等によ）形成されている。このような絶縁体層は
発光層内を流れる電流を制限し、ＥＬ素子の動作の安定
性１発光特性の改善に寄与すると共に湿気や有害なイオ
ンの汚染から発光層を保護しＥＬ素子の信頼性を改善す
るものである。しかしながら、このような素子において
もいくつかの実用上の問題がある。

即ち、素子の絶縁破壊を広い面積にわたって皆無にする
ことが困難であシ歩出シが低いことや、絶縁体層に電圧
が分割印加されるために発光に必要な素子に印加する駆
動電圧が高くなることである。

前述の素子の絶縁破壊の問題に関しては絶縁耐圧特性の
良好な絶縁体層材料の採用が要求される。

また、発光駆動電圧に関しては絶縁体層への印加電圧の
分割分を少なくするためになるべく絶縁体層の容量を大
きくすることが好ましい。またこのような交流駆動型Ｅ
Ｌ素子の動作原理上、発光に寄与する発光層内を流れる
電流は絶縁体層の容量にほぼ比例する。従って絶縁体層
の容量を大きくすることは駆動電圧を低下させると共に
発光輝度を高くする点でも重要である。即ち、絶縁体層
としては、絶縁破壊耐圧が高く、容量の大きいものが求
められている。このような観点から絶縁体層材料の良好
さの指標として誘電率０×絶縁破壊電界（Ｅｂ、ｄ）が
広く採用されている。このε・Ｋｂ、ｄ。

値は最低でもＺｎＳ発光層のε・Ｅｂ、ｄ、値（約Ｌ３
μｃ７ｄ）の約３倍の値が実用的には必要である（アイ
・イー・イー・イー・トランザアクションズ・オン・エ
レクトロン・デバイスズ　Ｉ　ＥＥＫＴｒａｍｓ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｅｅ＋ｓ　　ＥＤ　　２４　ｅ
　ｐ９０３（１９７７））。Ｅｂ、ｄ、が非常に大きい
絶縁体物質であればｅが小さくても非常に薄い膜厚で使
用することＫよシ絶縁体層の大きな容量を実現可能であ
るが、現実的には表示装置や面光源として要求される広
い面積にわたって微小な汚れや微粒子の付着等の欠陥を
皆無にすることはきわめて困難であり、数１００Ｘ程度
以下の薄い絶縁体層の採用は不適である。このような観
点から高誘電率の薄膜を採用することが検討されている
。例えばスパッタ法により形成されたＰｂＴｌ０．膜を
絶縁体層とじて採用することにより低電圧駆動が試みら
れている。

（アイ・イー・イー・イー・トランザクシ璽ンズ・オン
・エレクトロン・デバイスズ、　Ｉ　ＢＥＥ　Ｔｒａｎ
ｓＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＥＤ−２８、ｐ
　６９８　（１９８１））ＰｂＴｓＯ，スパッタ膜は最
高１９０の比誘電率で０．５ＭＶ／ｍ　Ｏ絶縁耐圧を示
すが、ＰｂＴｔＯ，膜の成膜時の基板温度は６００℃程
度の高温が必要であシ実用的ではない。また、比較的良
好なｔ−Ｅｂ、ｄ、値を示す薄膜としてスパッタによる
５ｒＴｉＯ＊　膜が知られている（ジャパン・ディスプ
レイ・°８３゜Ｊａｐａｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ　−’８３
　、　ｐ７６　（１９８３）　）。５ｒＴｉＯ。

スパッタ膜の比誘電率は１４０．絶縁破壊電圧は１．５
〜２ＭＶ／ｃＭであシε−Ｅｂ、ｄ、値は１９〜２５μ
ｃ７ｍ”である。これはＰｂＴｉ０．のε・Ｅｂ、ｄ、
値・７μＣ／Ｉ？よシ優れている。しかし、５ｒＴｉＯ
，膜も成膜時に４００℃の高基板温度が要求され、また
スパッタ成膜中ＫＩＴＯ透明電極を還元して黒化させる
等の実用上の問題がある。また、ＺｎＳ発光層との密着
性が弱い欠点があるほかに、これらの比較的高い誘電率
の絶縁体層を採用した薄膜ＥＬ素子は、絶縁破壊が生じ
た場合、微少な破壊孔を残して破壊が完了する自己回復
型の破壊とはならず、実用的処は致命的である伝播型の
破壊となる傾向が強い。

以上のように誘電率、ε・Ｅｂ、ｄ、値の大きな絶縁体
薄膜層を採用し、低電圧駆動、高輝度１発光特性、絶縁
破壊に対する安定性を実現することは現実的には困難で
ある。

また、ＥＬ素子の安定性や特性改善のための熱処理工程
のためにガラス基板はアルカリ・フリ＋で且つ高い軟化
点の高価格なものを使用する必要があシ薄膜ＥＬ素子の
コスト高の原因にもなっている。仁のように高価なガラ
スを採用しても６００℃以下のプロセス温度に限定する
必要がある。また、透明電極として使用しているＩＴＯ
ＩＩＫの比抵抗が十分小さくなく、更ＫＩＴＯ＠を厚く
してもちいた場合にはエツジ部での絶縁破壊が発生しや
すくなるために０．２ミクロン程度以下の厚さにする必
要がｓｂ、電極抵抗を十分小さくすることができず、よ
シ大面積、大表示容量のディスプレイの実現の阻害要因
となっていた。

以上のように従来の薄膜ＥＬ素子は構成材料が高価でラ
シ、また歩出９が低く、更に高耐電圧の高価な駆動回路
が必要であシ表示装置として高価格なものにならざるを
得す、また大面積化も困難であった。

（発明の目的） 以上述べたように従来のガラス基板上に多層薄膜で形成
された薄膜ＥＬ素子の有する種々の欠点を解決した、高
信頼で且つ低電圧駆動で高輝度発光するＥＬ素子とその
製造方法を提供することが本発明の目的である。

（発明の構成） 本発明によればセラミックの基体と所定のパターンに形
成された厚膜電極と高誘電率セラミックの第１絶縁体層
が積層され九構造のグリーンシート法により製造された
積層セラミック構造体上にＺｎＳ　：Ｍｎ　、ＺｎＳ　
：ＴｂＦ、　、　ＺｎＳ　：ＳｍＦ、等の薄膜発光層、
薄膜の第２絶縁体層、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる透
明電極が積層された構造か、あるいは該構造において薄
膜の第２絶縁体層が省略された構造のＥＬ素子が得られ
る。また前記積層セラミック構造体が第１絶縁体層とし
てＰｂを含む複合ペロブスカイトからなｊｌ）　１００
０℃以下の低温焼成により製造されるＥＬ素子の製造方
法が得られる。

（構成の詳細な説ＦｊＩＪ） 本発明のＥＬ素子の基本構造を第１図に示す。

本発明のＥＬ素子はセラミック基体１１と厚膜第１電極
１２．高誘電率セラミック第１絶縁体層１３とからなる
積層セラミック構造体と真空蒸着、スパッタリング法、
ＣＶＤ法等で形成される薄膜発光層１４、薄膜第２絶縁
体層１５、透明第２電極１６からなる基本構造を有して
いる。尚、薄膜第２絶縁体層を省略した片絶縁構造とし
てもよい。

発光層や第２絶縁体層は通常の薄膜ＥＬ素子と同様であ
り、本発明のＥＬ素子は要するに基体、第１電極、第１
絶縁体層がグリーンシートを積層焼成して作成される積
層セラミック構造体であるとともに第１絶縁体層が高誘
電率材料で構成されていることを特徴としている。更に
、該第１絶縁体層をＰｂを含む複合ペロブスカイト材料
とするととにより低温焼成プロセスにより製造すること
を特徴とするものである。

尚、本発明のＢＬ素子はセラミック基板上に順次積層さ
れた透明電極側から表示を見て使用するものであル、通
常のガラス基板を使用するものと異なシセラミック製の
基体や第１電極、第１絶縁体層は透光性である必要はな
く、かえって表示のコントラストを上げる効果のために
濃く着色されている方が好ましい。

上記のような積層セラミック構造体は通常のグリーンシ
ートの積層技術により製造される。即ち基体となるセラ
ミック原料粉末にバインダ混合し泥漿、キャスティング
成膜し、グリーンシートを製造する。セラミックの内部
電極となる第１電極はグリーンシートにスクリーン印刷
法などくよシ印刷される。更に同様の工程によ）高誘電
率誘電体材料を原料とした第１絶縁体層となるグリーン
シートを作成する。尚、第１電極の厚膜印刷は該グリー
ンシートに印刷形成しても良い。以上の基体部及び第１
絶縁体層となるグリーンシートを厚膜電極面を埋設する
ように積層圧着後、焼成し積層セラミック構造部が作成
される。尚、基体部は第１絶縁体層ど同一の材料により
構成しても良いが材料コストや電極の容量を低減するた
めにアルミナ系やそれにガラス７リツトが混入された低
コストの低誘電率の絶縁体セラミックとする方が好まし
い。ＥＬ素子では第１電極と第２電極で画定された部分
で発光表示を行なうものであり、電極は電流供給の機能
と画素表示の機能を兼るものであり、各種の表示装置へ
の応用に応じて任意のパターンに形成されるものである
。第１電極のパターン形成は印刷法によ）容易に実現さ
れる。通常、ＥＬ素子の表示パネルにおいては極端に微
細な電極パターンが要求されることはほとんどなく、ス
クリーン印刷法で十分であり、大面積に低コストで電極
形成できる利点を有している。微細なパターンが要求さ
れる場合には７オトリゾグラフ技術を援用して厚膜電極
の微細パターンを形成しても良い。

以上述べたように１本発明のＥＬ素子は第１絶縁体層と
基体の間に電極が埋設された積層セラミック構造体上に
薄膜発光層が形成されるものであるが、交流型ＥＬ素子
の重要な構成要素である絶縁体層をセラミックで構成す
ること罠よって絶縁体層の大容量と高い絶縁破壊強度が
実現される。

従来の薄膜ＥＬ素子での絶縁体薄膜の比誘電率は一般的
な材料では５〜２５程度であり、厳しい製造条件で達成
されるＰｂ’ｒｔｏ、薄膜等においても１００〜２００
程度であるが、本発明のグリーンシートの焼成により得
られるセラミックでは適過な高誘電率材料の選定によ、
９１０，０００以上もの高い比誘電率さえ容易に実現す
ることが可能である。また誘電率がこのように大きいた
めＫ　（−Ｅｂ、ｄ、値も従来の薄膜絶縁体層に比較し
て数１０倍から１００倍もの値が実現される。従って、
例えば３０ミクロンの厚さで形成しても、との第１絶縁
体層の容量は通常の薄膜ＥＬ素子で採用されているｙ、
ｏ、　−８ｔ、Ｎ４．　Ｔａ、Ｏ，、Ａ１．０．等の一
般的な絶縁体層の容量よシ２桁も大きく、また薄膜絶縁
体層として前述のＰｂＴ１０ｍや５ｒＴｉＯ，薄膜と比
較しても１０倍程度の大容量が容易に実現される。また
、数１０ミクロンもの厚さで用いることができるので絶
縁破壊のない素子が実現される。従って、高誘電率セラ
ミックの絶縁体層の採用によ）絶縁破壊に安定な、且つ
大容量の絶縁体層が実現され、低電圧駆動で高輝度発光
特性が可能となる。

このような高誘電率の絶縁体セラミック層はグリーンシ
ート法により厚さの均一性よく低コストで大面積に製造
することができる。厚さは製造上の問題や素子としての
安定性の点で数ミクロン以上あることが好ましい。また
、厚くするととＫよシ局所的な絶縁破壊に対して安定性
は向上するが、当然厚さに反比例して容量が減少すると
共に、表示素子とじ九場合の隣接表示画素とのクロスト
ークの問題が生じるために３００ミクロン以下が好まし
い。本発明のＥＬ素子の利点を明確にする九めＫはとの
セラミック層の比誘電率は数１００以上とすることが好
ましいが、グリーンシート法によ、？１．０００〜２０
．　ＯＯＯ程度の高誘電率セラミック層は各種の材料組
成で製造可能である。しかし一般的には酸化雰囲気での
高い焼成温度が要求され第１電極としてＰｔ、Ａｕ、Ｐ
ｄ等の高価な貴金属ペーストを使用する必要がある。Ｂ
ａＴｉ０．系の特殊な材料では中性還元雰囲気中で焼結
できるものもラシ、この場合はニッケルを電極材料とし
て使用することも可能である。しかしながら製造容易さ
や特性の安定性の点でＰｂを含む複合ペロプスカイトを
代表とする低温焼成型の高誘電材料を使用することがも
っとも好ましく、低価格なＡｇ＋Ａ。

含有量の多いＡｇ−Ｐｄ合金を採用することができる。

以上説明した積層セラミック構造体の上に蒸着やスパッ
タ等の薄膜プロセスによ）発光層等を形成し本発明のＥ
Ｌ素子が得られる。表面状態を改良するために積層セラ
ミック表面を発光層の成膜前に研磨しても良いが、研磨
せずに直接発光層を形成しても特別な不都合は生じない
。

（実施例） アルミナとホクケイ酸鉛ガラスからなる粉末にバインダ
ー混合し、泥漿とした後キャスティング成膜により厚さ
０．７ｆｆのセラミック基体となるグリーンシートを作
成した。このセラミック生シート上にスクリーン印刷に
よりＡｇが８５原子パーセント、　　Ｐｄが１５原子パ
ーセントからなるＡｇ−Ｐａペーストを０．３３ミリ巾
、ピッチ０．５５ミリのストライプ状のパターンに形成
した。低温焼成用のＰｂ系複合ペロプスカイト材料とし
てＰｂ（Ｆ＠いＷｓ）。（Ｆ＠いＮｂい）、０□の予焼
粉末にバインダ混合、キャスティング成膜を行ない４０
ミクロン厚さの第１絶縁体層用のグリーンシートを作成
した。このグリーンシートを前述の電極パターンが印刷
された基体用のグリーンシート上に積層圧着し、端部の
不用部分を切断したのち９５０℃で焼成し積層セラミッ
ク構造体を作成した。この焼成により約１０％の収縮が
あったが、そシの発生はなかった。次にｚｎＳとＭｎの
共蒸着法によＪＺｎＳ：Ｍｎをα３ミクロンの厚さに真
空蒸着した。特性の改善のためにＡｒ中で６５０℃。

２時間の熱処理を行なった。この後、Ｔａ＠Ｏ＠とＡＩ
、０．の混合物からなるターゲットを使用してスパッタ
法によ１ＴａＡ１０絶縁体層を０．３ミクロン形成し第
２絶縁体層とした。次にスパッタ法によｊ５ＩＴｏ膜を
０．４ミクロンを形成し、前記のＡｇ−Ｐｄ厚膜ストラ
イプ電極と直交する配置で０．３１１ｆ巾、０．５Ｍピ
ッチにエツチングし透明ストライプ電極とした。尚、Ｉ
ＴＯ膜は０．４ミクロンと厚いために面積抵抗は約５オ
ームであシ低くできた。

このようにして作成したＥＬ素子はセラミックの第１絶
縁体層の容量が非常に大きいためにこの層での電圧降下
はほとんどなく、また、発光層の高温熱処理による結晶
性やＭｎの分布が改善され、更に電極抵抗が低いことも
加わって、交流パルス電圧印加による発光開始電圧は５
５ｖと低く、且つ発光輝度は８０Ｖ、５００Ｈｚで約５
００ゆ讐と良好な特性を示した。なお、薄膜の第２絶縁
体層を排除した片絶縁構造の場合は電流値が大きく発光
効率を悪くしていたが、発光開始電圧は４０ｖ程度と低
く、また発光輝度は同程度であった。本実施例の素子で
は２００ｖまでの電圧印加においても絶縁破壊は皆無で
あシ高い安定性を示した。

以上のような良好な発光特性と安定性はＺｎＳ：Ｍｎ以
外に緑色発光のＺｎＳ：ＴｂＦ、や赤色発光のＺｎＳ：
ＳｍＦ、等を発光層とした場合も同様であシ本発明のＥ
Ｌ素子構造の有効性が示された。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のＥＬ素子は高安定。

低電圧駆動、高輝度発光、高コントラストであり、電極
抵抗も低くできるためにセグメント表示から大表示容量
のドツトマトリックス表示まで可能とするものである。

また、絶縁破壊による素子の破壊がほとんどなく多血）
が改善され、また積層セラミックの採用や厚膜プロセス
は従来の高価格なガラス基板、薄膜プロセスの多用に比
較してコスト低減が実現されるものである。更に駆動電
圧の低電圧化によ）大巾な駆動回路部の低コスト化をも
もたらすものであシ本発明の工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＥＬ素子の断面を模式的に示したもの
である。第２図は従来°の薄膜ＥＬ素子の所間構造を示
したものである。 １１−セラミック基体、１２−厚膜第１電極、１３−高
誘電率セラミック第１絶縁体層、１４．２４−薄膜発光
層、１５．２５−薄膜第２絶縁体層、１６−透明第２電
極、２１−ガラス基板、２２−透明電極、２３−薄膜第
１絶縁体層、２６−背面電極 蝉丁　　　　　　・；・ 「か 第Ｚ図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 　（１）電気絶縁性の基板と所定のパターンに形成され
   た第１電極と第１絶縁体層とエレクトロルミネセンスを
   生じる発光層と第２の電極が順次積層された構造体か、
   あるいは該構造体の発光層と第２電極の間に第２の絶縁
   体層が介設されてなる構造体のＥＬ素子において、前記
   基板がセラミックであり，前記第１絶縁体層が高誘電率
   のセラミックであり、発光層及び第２絶縁体層が薄膜で
   あり、第２電極が透明電極であることを特徴とするＥＬ
   素子。
2. 　（２）特許請求範囲第１項記載のＥＬ素子において第
   １絶縁体層がＰｂを含む複合ペロブスカイトからなるセ
   ラミックであることを特徴とするＥＬ素子。
3. 　（３）主に酸化物からなる粉末原料にバインダーを混
   合し、泥漿とした後キャスティングにより第１のグリー
   ンシートを作成する工程と高誘電車酸化物粉末を主原料
   としバインダー混合し、泥漿とした後キャスティングに
   より第２のグリーンシートを作成する工程と第１のグリ
   ーンシートあるいは第２のグリーンシートあるいは両方
   のグリーンシートに電極を印刷する工程と第１のグリー
   ンシートと第２のグリーンシートを積層圧着し焼成する
   ことにより積層セラミック構造体を作成する工程と、該
   積層セラミック構造体上にＺｎＳ：ＭｎやＺｎＳ：Ｔｂ
   Ｆ＿３等のＥＬ発光層薄膜を形成する工程と透明電極と
   なる透明導電薄膜を形成する工程を含むことを特徴とす
   るＥＬ素子の製造方法。