JPS618895A - 電界発光表示素子 - 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】 産業上の利用分野 本発明は薄膜ＡＣエレクトロ・ルミネセント素子に関す
るものである。更に詳しくいえば、発光層として半絶縁
性単結晶膜を用いた低電圧駆動薄膜ＡＣエレクトロ・ル
ミネセント素子に関する。

従来の技術 薄膜ＡＣエレクトロ・ルミネセント（以下薄膜ＡＣ−Ｅ
Ｌと略記する）は、高輝度で多色化が可能なことから、
近年、平面型ディスプレイとして注目され、盛んな研究
がなされている。

第２図に、その代表的な二重絶縁型の薄膜ＡＣ−ＥＬを
概略的な断面図で示した。第２図から明らかなように、
この二重絶縁型の薄膜Ａ’（、−ＥＬはガラス基板１と
、その上に設けられた一対の電極２（透明電極）および
３（背面電極と、これら２つの電極２および３の間に、
上下２層の絶縁層４を介して挾まれた状態で設けられた
発光層５とで構成されている。

この二重絶縁型の薄膜ＡＣ−ＥＬは、２つの電極２と３
との間に交流電圧６を印加することにより、１次電子、
即ち発光層５内に予め存在する伝導電子もしくは界面か
ら注入された電子が加速され、この加速された１次電子
が発光中心に衝突しこれを励起し、この際に形成された
自由電子と自由正孔とが発光中心を介して再結合する際
に発光が起こる。この光は基板１側から取り出すとこが
できる。

このようなＡＣ−ＥＬは平面光源であって陰影のない照
明が可能であり、製作が比較的容易であることから、照
明用光源、大面積の固体表示素子等としての応用が期待
されていた。

しかしながら、この種のＡＣ−ＥＬの発光は、４　　　
　　　　　　発光層５に１０６Ｖ／ｃｍ程度の電界が印
加されたときに起こるが、第２図に示したような二重絶
縁型の素子では、電圧を印加すると、発光層以外の絶縁
層にも電界が印加されてしまうので、その分だけ余分な
電圧を印加しなければならない。

従って、駆動電圧は著しく高くなり、実際に、二重絶縁
構造の薄膜ＡＣ−ＥＬの駆動電圧は１００ｖ〜２００ｖ
とかなり高いものとなっている。

この二重絶縁構造の薄膜Δ（、−ＥＬ素子の駆動電圧が
高いとう問題を解決するために、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−３ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）
構造の薄膜ＡＣ−ＥＬ素子が開発された。その構造を第
３図に示す。

第３図に示したＭＩＳ構造の薄膜Ａ（、−ＥＬ素子は、
第２図に示した二重絶縁型素子から一方の絶縁層を取り
除いた構造を有しており、基板１０と、基板上に設けら
れた２つの電極１１および１２（夫々透明電極および背
面電極）と、これら２つの電極間に挟まれた状態で配置
された発光層１３と、絶縁層１４とで構成されている。

′−″”Ｓ　ｅｔ＆　（７）＊’Ｆ　Ｆ　ｌ“・Ｉｔ！
ａＲｍＭＢ”ｌｅ、ｍｃｖ　　　　　。

片側にのみ設けられているので、その分だけ前記二重絶
縁型素子よりも印加電圧を下げることが′でき、低電圧
駆動が可能となる。即ち、一般にＭＩＳ構造薄膜ＡＣ−
ＥＬの駆動電圧は数１０Ｖないし石数１０Ｖの範囲内に
あり、二重絶縁構造素子よりも低電圧駆動が可能である
。

しかしながら、ＭＩＳ構造の素子でも依然として高い駆
動電圧が必要である。

二重絶縁構造並びにＭＩＳ構造の両ＡＣ−ＥＬ素子の駆
動電圧を更に低いものとするために、これまで種々の研
究がなされ、報告されている。その１つとして、発光層
の結晶性を改善する方法が知られているが今までのとこ
ろ十分な成果を上げるに至っていない。

一般に、発光層はＥＬ発光層材料を蒸着法、スパッタ法
等によりガラス基板上に付着させて形成されるために、
多結晶で構成されている。その結果、電界によって加速
された電子がダレインバウンダリーに衝突してしまい、
加速電子の効果的な発光中心への衝突が妨害されること
になり、これが印加電圧を高いものとしているもう一つ
の原因となっている。

また、発光層の基板側の約１．０００人は、蒸着もしく
はスパッタ等の薄膜形成初期に形成されるので、一般に
結晶性が悪く、デッドレイヤー（ｄｅａｄ−Ｉａｙｅｒ
）と呼ばれ、発光には殆ど寄与していない。

そのために、このデッドレイヤーに掛かる電圧も余分に
印加しなければならず、これも印加電圧を高くしている
要因である。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように、従来の薄膜ＡＣ−ＥＬ素子で
は駆動電圧が著しく高く、この点を改善することは最近
の一般的傾向としての、小型化・軽量化かつＩＣ駆動の
実現、消費電力の節減等を　　　　　　′十分に満足す
る、平面表示装置を容易に提供することを可能とするの
で、このようなニーズの要求を満たすためにも低駆動電
圧化は表示素子の改良における重要な課題と思われる。

そこで、本発明の目的は低電圧駆動が可能な薄膜ＡＣ−
ＥＬを提供することにあり、またその製造方法を提供す
ることも本発明の目的の−っである。

問題点を解決するだめの手段 本発明者等は、既に述べたように薄膜ＡＣ−Ｅ−Ｌの駆
動低電圧が高いのは、発光層が蒸着法、スパッタ法等に
より形成される多結晶層であること、並びに基板近傍の
所定の厚さに亘る発光層が発光に寄与しないデッドレイ
ヤーであることに起因するものであるという事実に着目
し、該発光層の結晶性を改善することにより、薄膜ＡＣ
−ＥＬの低電圧駆動化を実現すべく種々検討、研究した
結果、従来の多結晶発光層をヘテロエピタキシャル成長
させた半絶縁性単結晶膜とすることが上記本発明の目的
を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明
を完成した。

即ち、本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬは導電性単結晶ｆ　　　
　　　　　基板と、該基板上にヘテロエピタキシャル成
長法により形成され、発光層を構成する半絶縁性単結晶
と、該発光層上に設けられた絶縁層と、該絶縁層上に設
けられた透明電極と、前記基板の裏面に設けられた背面
電極とを有することを特徴とする。

まず、本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬにおいて有用な基板材料
としては導電性のＳｌ、ＧａＡｓ、　ＧａＰ、　Ｇｅ、
ＧａＡｓ　Ｐ　４結晶からなる群から選ばれるものを使
用することができ、特に導電性Ｓ１、ＧａＡｓ、　Ｇａ
Ｐ単結晶の使用が好ましい。そのために、例えばＳｌで
はＡｓなどを混入させて導電性として使用する。

更に、本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬにおいて有利に応用でき
る半絶縁性単結晶膜材料としてはＺｎＳ。

（Ｚｎ、ｃｄ）　Ｓ　、　Ｚｎ（Ｓ　、’Ｓｅ）等に付
加剤としてＣｕを用いたＺｎＳ：［：ｕ系材料、例えば
２ｎ　：Ｃｕ、　Ａ　（Ａ−Ｃ１、Ａ１、Ｍｎなど）　
　；ＺｎＳ、　ＺｎＳｅなどを母体とし、これにＭｎを
添加したＺｎＳ：Ｍｎ系材料、例えばＺｎＳ：Ｍｎ　；
７ｎＳ、　ＺｎＳｅなどの母体に、希土類フッ化物を原
子または分子の形で添加した、例えばＺｎＳ：Ｄおよび
ＺｎＳｅ　：　Ｄ　（Ｄ　＝ＳｍＰ、、ＴｂＦ３、Ｐｒ
Ｆ３、ＴｍＦ、＋など）などのＺｎＳまたはＺｎＳｅ　
：希土類フッ化物系　　　　　　　　グ材料などを挙げ
ることができ、特にＺｎＳ：ＸおよびＺｎＳｅ　：　Ｘ
　（ただしＸ　−Ｍｎ、　ＴｂＦ３、ＳｍＦ３、ＴｍＰ
＋など）の使用が好ましい。

咋月 本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬの好ましい１態様を第１図に示
した。第１図から明らかな如く、本発明の薄膜ＡＣ−Ｅ
Ｌ素子では透明電極が最上層として設けられており、従
って光の取り出しはこの透明電極側から行われる。

一方、光の取り出しを透明電極側から行うので、基板は
必ずしも従来のように透明である必要はなく、発光層の
光に対して不透明な材料であってもさしつかえない。

第１図の本発明による薄膜ＡＣ−ＥＬについて説明する
と、導電性Ｓｉ単結晶などの基板２０には、その上面に
発光層材料の単結晶膜２１が設けられている。基板２０
は、発光層を単結晶膜とする必要から、単結晶でなけれ
ばならない。また、駆動電圧を下げるために導電性であ
ることが重要である。

また、単結晶膜２１はへテロエピタキシャル成長法によ
り形成され、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法
等の公知の方法により実施される。

一般には、ＩＩ−ＶＩ族化合物の多くが高い融点を有し
、その蒸気圧も高いので、結晶成長が困難で、そのため
に、従来法では多結晶膜が形成されたものと考えられる
。

単結晶膜２１上には絶縁層２２が設けられている。

この絶縁層は同様に基板と反対側から光が取り出される
ので、発光層からの光に対して透明でなければならない
。このような条件を満足する絶縁層２２の材料としては
Ｓｍ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２０５．５１３Ｎ４、Ｂａ
ＴｉＯ３などの公知の材料を使用でき、絶縁層２２の形
成は前記と同様に電子ビーム蒸着法、スパック法等で実
施できる。

この絶縁層の厚みは一般には０．３〜０．５　μｍ程度
である。この絶縁層は、発光層に積層することにより、
薄膜ＡＣ−ＥＬ素子の絶縁破壊を防止すると共に、発光
層に必要とされる均一な電界を安定に供給することを可
能とするので重要である。

更に、絶縁層２２の上には透明電極２３が設けられてい
る。透明電極２３用材料としてはΔｕＸＩｎ２０３．５
ｎ０２などを使用することができ、電極形成は例えば蒸
着法で行なうことができる。

また、基板２０の裏面にはもう一方の電極、即ち背面電
極２４が設けられており、透明電極２３と共に発光１ｍ
２１に交流電圧を印加し、発光させるのに役立つ。この
背面電極は例えばＡ１を蒸着することにより形成される
。この電極用の材料としてはＡ１の他、従来公知のもの
をいずれも使用できる。

以下、特にヘテロエピタキシャル成長法による発光層の
形成について説明すると、異種基板上に発光層材料のペ
レットをターゲットとして電子ビーム蒸着し、次いでア
ニールすることにより十分な単結晶の成長を行わせる。

また、一般に■−■族化合物は蒸気圧が高いので、成長
させたい結晶の粉末を原料とし、適当な反応ガスを輸送
ガスとして用いる輸送法の利用も可能である。例えば、
ＧａＡｓ基板上にＺｎＳｅをヘテロＩ　　　　　　　　
　エピクキシャル成長させる場合を例とすると、この例
ではＺｎＳｅ粉末を輸送ガスＨＣＩ　　Ｈ２Ａｒで輸送
する。この場合の反応は： ＺｎＳｅ（ｓ）＋２８ＣＩ（ｇ）　　−！　ＺｎＣ］□
（ｇ）十Ｈ２Ｓｅ（ｇ）に従い、ＺｎＳｅを高温に保つ
と反応は右方向に進行し、成分元素のＺｎおよびＳｅが
夫々ＺｎＣ］　２　（ｇ）およびＨ２Ｓｅ軸）の形で基
板上に供給される。一方基板を低温に保っておくと、該
基板上にＺｎＳｅ単結晶がヘテロエピタキシャル成長す
ることになる。ここで、ＧａＡｓ基板の代りにＺｎＳｅ
の格子定数によくマツチしているＧｅを使用することも
可能である。

実施例 以下、実施例により、本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬを更に具
体的に説明するが、本発明はこれらによって何等限定さ
れるものではない。

実施例ｌ ５ｉ（１１１）基板を希フッ酸によってエツチングした
後、基板温度を２２０℃に調節し、ＺｎＳ：Ｍｎペレッ
トをターゲットとして、電子ビーム蒸着により、　　　
　　　　を数Ａ／ｓｅｃなる蒸着速度で該基板上にＺｎ
Ｓ：Ｍｎ単　　　　　　　′□１結晶膜（厚さ２７００
人）をエビクキシャル成長させた。その後４００℃にて
１時間アニールした。次いで、該ＺｎＳ：Ｍｎ単結晶膜
上に、ＳｍＪ、＋ペレ、ノドをターゲットとして、同様
に電子ビーム蒸着法により絶縁層を厚さ５．０００人に
形成した。更に、該絶縁層上にＡｕを８０への厚さに蒸
着して透明電極を形成した。最後に、前記Ｓｉ基板の背
面に八ｌを厚さ１、０００　Ａに蒸着して、Ａｌ背面電
極を形成し、目的とする薄膜ＡＣ−ＥＬを得た。

また、比較のために、本発明の上記の如く作製した素子
と同じ膜厚を有する従来型のＺｎＳ：Ｍｎ多結晶膜を発
光層とするＭＩ’Ｓ構造のＥＬ素子をも作製した。

かくして作製した２種のＥＬ素子について、輝度−電圧
特性を調べ（５ＫＨｚおよびＩＫ）ｌｚ動作）、実効電
圧（Ｖｒｍｓ　）に対する輝度（ｎｔ　：ニト）の変化
をプロットした。その結果を第４図に示した。

第４図の測定結果から、本発明のＥＬ素子は従来のもの
と比較して、駆動電圧が約１５Ｖ低くなっていることを
理解することができる。

同様に、８１基板上にヘテロエピタキシャル成長させた
ＺｎＳ：Ｍｎ単結晶膜を発光層として用いた上記例の他
、ＧａＰ基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＺｎ
Ｓ：Ｍｎ単結晶膜を発光層として用いた場合並びにＧａ
Ａｓ基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＺｎＳｅ
　：　Ｍｎ単結晶膜を発光層として用いた場合について
も検討したが、いずれの場合にも駆動電圧の低下が観測
された。

かくして、本発明の薄膜ＥＬ素子における〜ように、発
光層を従来の多結晶型発光層から単結晶膜の発光層に変
えることにより、電子加速を妨げるグレインバウンダリ
ーがなくなり、しかも発光に何等寄与しないデッドレイ
ヤーがなくなるので、該ＥＬ素子の駆動電圧を大巾に低
減することが可能となる。

発明の効果 以上、詳しく述べたように、本発明の薄膜ＡＣ−ＥＬ素
子においては、従来蒸着、スノく・７り法等によりガラ
ス基板上に形成されていた多結晶型の発光層の代りに、
ヘテロエピタキシャル成長法に従って形成される単結晶
膜の発光層を用いたことに基き、従来の二重絶縁型構造
並びにＭＩＳ構造の薄膜Δ（、−ＥＬ素子においてみら
れた、グレインバランブリーの存在に基く電子加速の妨
害の問題、デッドレイヤーの存在に起因する問題等が効
果的に解消され、薄膜ＡＣ−ＥＬ素子の駆動電圧を大ｌ
］に低下させることが可能となる。

従って、本発明は電界発光表示素子の実用化に対し、極
めて大きな意義を有するものといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による薄膜ＡＣ−ＥＬ素子を模式的に断
面図として示した図であり、 第２図は従来の二重絶縁構造の薄膜ＡＣ，−ＥＬ素子を
説明するための同様な断面図であり、第３図は従来のＭ
ＩＳ構造の薄膜ＡＣ−ＥＬ素子を説明するための断面図
であり、 第４図は本発明のおよび従来のＭＩＳ構造の薄７　　　
　　　　　　膜ＡＣ−ＥＬ素子の輝度−電圧特性を比較
して示すグラフである。 （主な参照番号） １．１０．２０　　基板、　２．１１．２３　　透明電
極、３．１２．２４　　背面電極、　４．１４．２２　
　絶縁層、５．１３　　発光層、　２１　　単結晶膜特
許出願人　　日本電信電話公社 代　理　人　　弁理士　新居正形 ２０：基板 ２１：　　単結晶膜 ２２：　　絶縁１ ２３：　　透明″＃１暴 ２４：％Ｉｉ面を玲 第２図 １　：　か゛ラス基板 ２：班明′ｔＬ極 ３：　輌面電玲 ４：絶縁層 ５：尭光層 １０　：　力゛フヌＪ艮本反 １１　；　コミ！巴−明ＩＬ＆ １２；　背面電極 １３二　　尭九層 １４：　　絶縁層 第４図 ０５０１００　シ （Ｉ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性単結晶基板と、該基板上にヘテロエピタキ
   シャル成長法により形成され、発光層を構成する半絶縁
   性単結晶膜と、該発光層上に設けられた絶縁層と、該絶
   縁層上の透明電極と、該導電性単結晶基板裏面に設けら
   れた背面電極とを有することを特徴とする薄膜エレクト
   ロルミネセント素子。
2. （２）前記導電性結晶基板がＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰか
   らなる群から選ばれることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜エレクトロルミネセント素子。
3. （３）前記半絶緑性単結晶発光層がＺｎＳ：ＸおよびＺ
   ｎＳｅ：Ｘ（ただしＸはＭｎ、ＴｂＦ＿３、ＳｍＦ＿３
   またはＴｍＦ＿３を表す）からなる群から選ばれる１種
   で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の薄膜エレクトロルミネセント素
   子。