JPS6320000B2

JPS6320000B2 -

Info

Publication number: JPS6320000B2
Application number: JP60248358A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tamura; Junichi Oowaki; Haruki Ozawaguchi; Bunjiro Tsujama
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-11-05
Filing date: 1985-11-05
Publication date: 1988-04-26
Also published as: JPS62108496A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は薄膜EL素子、さらに詳細には、発光
特性の優れた高輝度、高効率の薄膜EL素子に関
する。

〔発明の技術的背景〕

ガラスなどの基板上に形成した薄膜に電圧をか
けて発光させる薄膜エレクトロルミネセンス
（EL）素子は平面型表示デバイスとして有望であ
り、活発な研究開発がなされている。

従来より、この種の薄膜EL素子用発光層材料
としては、マンガンや希土類金属を添加した硫化
亜鉛（ZnS）薄膜が広く用いられている。しかし
ZnS薄膜を発光層とする薄膜EL素子では高輝度
の青色や赤色発光が得られにくいという問題があ
る。このような点に鑑み、最近高輝度青色、赤色
発光が期待できるセリウム（Ce）やユーロピウ
ム（Eu）を添加したアルカリ土類硫化物（SrS，
CaS，BaS等）の薄膜を発光層とする薄膜EL素
子が研究されている。これらの薄膜EL素子では、
いかに発光層の結晶性を上げるかが大きな課題で
ある。

この課題に対しては、これまでアルカリ土類硫
化物発光層材料を蒸着する際にイオウを共蒸着す
る試みがなされている。しかし、高真空蒸着装置
内でイオウを蒸着すると蒸着装置内に付着した蒸
気圧の高いイオウの再蒸発による真空度の低下や
蒸着装置部品として用いられている銅製品の腐食
が起きるなど蒸着装置が受けるダメージが大きい
という欠点があつた。

また、発光層と絶縁層との反応を防止するた
め、発光層と絶縁層との間に硫化亜鉛（ZnS）層
を形成する試みもなされているが、結晶性の悪い
硫化亜鉛層上に発光層を形成すると発光層それ自
体の結晶性も低下するという欠点があつた。

このような発光層の結晶性の低下は薄膜EL素
子としたとき、輝度低下および効率低下を招来
し、また発光層母材材料であるCaS，SrS，BaS
などのアルカリ土類硫化物の一種にEuまたはCe
を添加した場合、結晶性低下により発光波長の長
波長シフトおよび発光スペクトル幅の広がりを引
き起こすという欠点があつた。

〔発明の概要〕

本発明は上述の点に鑑みなされたものであり、
アルカリ土類硫化物薄膜を発光層に用いた薄膜
EL素子において、発光層の結晶性を向上させる
ことにより、発光波長の長波長シフトを防ぎ、発
光スペクトル幅を小さくし、かつ高輝度、高効率
の薄膜EL素子を提供することを目的とする。

したがつて本発明による薄膜EL素子は、少な
くとも一方が透明である一対の電極間に発光層あ
るいは発光層と絶縁膜を挟持した薄膜EL素子に
おいて、前記基板側に形成した電極と発光層ある
いは絶縁層と発光層との間に、（111）面からのＸ
線回析線の半値幅が0.3゜以下であるノンドープ硫
化亜鉛薄膜層を有し、かつ発光層がアルカリ土類
硫化物薄膜であることを特徴とするものである。

本発明によれば、（111）面からのＸ線回析線半
値幅が0.3゜以下である高結晶性の硫化亜鉛（ZnS）
層上にアルカリ土類硫化物薄膜発光層を形成する
ことにより、発光層の結晶性を向上せしめたこと
を特徴としている。

〔発明の具体的説明〕

第１図は本発明による薄膜EL素子の一構成例
の断面図であり、図中、１はガラスなどの基板、
２は透明電極、３および７は絶縁層、４は硫化亜
鉛（ZnS）膜、５は薄膜発光層、６は絶縁層とし
て酸化物を用いた場合に使用する発光層の酸化を
防止するための薄膜（酸化防止膜）、８は背面電
極を示す。

この第１図より明らかなように、本発明による
一構成例によれば、ガラスなどの基板１上に透明
電極２を設けるとともに、この透明電極２に絶縁
層３を形成し、この絶縁膜３上に発光層５の下地
となるZnS膜４を形成してある。そしてこのZnS
膜４を下地層として、アルカリ土類硫化物よりな
る薄膜発光層５を形成するとともに、絶縁層７が
酸化物のときには、第１図に示すように酸化防止
膜６を積層し、その後絶縁膜７を形成したのち、
背面電極８を設け、薄膜EL素子としている。

このような薄膜EL素子は素子構成に応じ、電
子ビーム蒸着法、スパツタ法などにより、順次基
板１上に透明電極２、絶縁膜層３、ZnS膜４、薄
膜発光層５、酸化防止膜６、絶縁層７、背面電極
８を積層することによつて、製造することができ
る。

本発明において、上記基板１、透明電極２、絶
縁層３および７、酸化防止膜６、背面電極８の材
料は基本的に限定されるものではなく、従来の薄
膜EL素子に用いられる材料を有効に用いること
ができる。たとえば、基板１としては、石英ガラ
スなどのガラスなどを有効に用いることができ
る。透明電極２としては、たとえば、In₂O₃、
SnO₂など、絶縁層３および７としてはY₂O₃、
Sm₂O₃、Ta₂O₅、Al₂O₃、Si₃N₄、BaTiO₃、
SrTiO₃などを用いることができる。また、酸化
防止膜６としてはZnS、ZnSe、Si₃、N₄などを有
効に用いることが可能である。

なお、絶縁膜３および７は、省略してもよく、
絶縁膜７の材料として酸化物以外のものを用いる
ときには酸化防止膜６を省略してもよいのは前述
の通りである。

このような薄膜EL素子において、本発明によ
る薄膜EL素子は薄膜発光層５の下地としてＸ線
回析線の（111）配向の回析線の半値幅が0.3以下
のノンドープZnS膜を用いている。

本発明において、前述のようにZnS膜４は
（111）面からのＸ線回析線半値幅が0.3゜以下であ
る高結晶性の硫化亜鉛（ZnS）を用いているが、
この半値幅が0.3゜を超えると、後述の実施例より
明らかなように、このZnS膜上に形成されるアル
カリ土類硫化物の結晶性が充分でなくなるからで
ある。

さらに、このようなZnS膜４は、製造法によつ
て好ましい厚さは変化するが、たとえば電子ビー
ム法によつて製造する場合、好ましくは100Å〜
1μmの厚さであるのがよい。このZnS膜４の厚さ
が100Å未満であると、前記ZnS膜が下地の作用
を営むのが困難になる虞を生じ、一方1μmを超え
ると、薄膜EL素子の駆動電圧が高くなりすぎて
実用的でなくなる虞がある。

前述のようなZnS膜４上に薄膜発光層５を形成
するものであるが、この薄膜発光層５は前述のよ
うにSrS、CaS、BaSなどのアルカリ土類硫化物
薄膜に発光中心としてCe、EuおよびCe、Euの化
合物を若干添加したものである。これらのアルカ
リ土類硫化物は前記のZnS膜４上に結晶性の良好
な薄膜を形成するために選択されたものである。

このような薄膜発光層４の厚さは好ましくは、
1.5μm以下であるのがよい。1.5μmを超えると、
素子としての駆動電圧が高くなりすぎて、実用的
ではないからである。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１第１図に示した薄膜EL素子を下記のように製
造した。

まず、ガラス（コーニング社製、＃7059）基板
１上に酸化インジウム（In₂O₃）と酸化錫
（SnO₂）との混合膜（ITO膜）よりなる透明電極
２、五酸化タンタル（Ta₂O₅）のスパッタ膜より
なる絶縁層３を順次形成した。この基板１を高真
空蒸着装置内に接地し、ZnS膜４を電子ビーム蒸
着法により形成した。このとき基板温度は200℃
であり、ZnS蒸着後、前記基板を400℃に加熱し
て１時間熱処理を施した。この熱処理はZnS膜４
の結晶性を向上させ、（111）配向を向上させたも
のである。

このようにして製造したZnS膜４をＸ線回析線
装置を用いて測定した結果、cub−ZnS（111）回
析線の半値幅は0.2゜で、（111）に強く配向してい
ることが確かめられた。

前記のように作製した（111）配向ZnS膜４上
に塩化セリウム添加硫化ストロンチウム（SrS）
膜を形成して薄膜発光層５とした。この薄膜発光
層５に、ZnS酸化防止膜６、Y₂O₃絶縁膜７およ
びAl背面電極８をそれぞれ電子ビーム真空蒸着
法により形成し、薄膜EL素子とした。

この薄膜EL素子を動作させるには、透明電極
２と背面電極８との間に交流電源を印加する。こ
れにより薄膜発光層５を発光させる。この発光は
透明ガラス基板１の表面側より観測することがで
きる。

第２図は本発明により製造された薄膜EL素子
のＸ線回析スペクトルを、従来のEL素子のそれ
とともに示した図である。図中、Ａは本発明によ
る実施例で製造された発光層のＸ線回析スペクト
ルであり、Ｂは下地ZnS薄膜の（111）配向のＸ
線回析線の半値幅が0.35゜の本発明の範囲外の薄
膜EL素子のＸ線回析スペクトルを示している。
この第２図より明らかなように、SrS（111）配向
のＸ線回析強度は、本発明を用いないものの5.8
倍であつた。

（111）配向を示す指数として、従来（111）配
向のＸ線回析強度Ｉ（111）と（220）配向のＸ線
回析強度Ｉ（220）との比Ｉ（111）／Ｉ（220）が用
いられている。すなわち、Ｉ（111）／Ｉ（220）＞
１の場合には、（111）配向が（220）配向に比較
して強いことを示している。このＩ（111）／Ｉ
（220）も、本発明の実施例の薄膜EL素子は5.2あ
り、本発明の範囲外の薄膜EL素子の0.6に比較し
て８倍以上大きかつた。このことは、強い（111）
配向ZnS膜４上に蒸着したSrS発光層は強く
（111）配向を示し、その結晶性が高いことを示す
ものである。

第３図は、発光層配向性をZnS層の結晶性に対
して表したものであり、ZnS膜の（111）配向の
Ｘ線回析線半値幅Δ2Θが0.3゜以下であると、Ｉ
（111）／Ｉ（220）が１以上になつており、（111）
配向が得られるが、Δ2Θが0.3゜より大きいと、Ｉ
（111）／Ｉ（220）が１以下となり、（111）配向が
得られない。すなわち、本発明による薄膜EL素
子では、強く（111）配向をしていることを示し
ている。

第４図は塩化セリウム添加SrS薄膜の紫外線励
起ホトルミネセンススペクトルを示したものであ
る。図中、Ｃは本発明による薄膜EL素子を用い
たものであり、Ｄは従来の薄膜EL素子を用いた
ものである。この図より明らかなように、本発明
による発光層薄膜として5d（²D）→4f（²F₅／₂遷移
（470〜480nm付近）の遷移強度が強く、かつ同遷
移の中心波長は475nmであり、本発明の範囲を逸
脱する薄膜EL素子の場合の480nmに比較して、
短波長にシフトしている。このことは本発明によ
る薄膜EL素子は色純度の高い青色発光が得られ
ることを示している。

第５図は薄膜EL素子の輝度−電圧特性を示し
たものであり、図中、Ｅが本発明による薄膜EL
素子、Ｆが従来の薄膜EL素子の輝度−電圧特性
を示している。この第５図より明らかなように、
本発明による薄膜EL素子は発光輝度が３倍以上
向上し、1000nt以上の高輝度青色発光EL素子で
あることがわかつた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による薄膜EL素
子によれば、薄膜発光層の直下に下地層として結
晶性の良好なZnS薄膜を用い、このZnS薄膜上に
アルカリ土類硫化物発光層を形成しているので、
前記発光層の結晶性が改良され、その結果薄膜
EL素子の特性が向上するという利点がある。ま
た発光層の発光中心としてCe、Euを用いた場合
には前記発光層の結晶性の向上によつて発光色の
純色化、短波長化が図れるという利点があり、特
にCe添加SrS発光層を用いた青色EL素子におい
ては純色に近い青色発光が得られるという点で優
れている。

また、発光層形成時にイオウを共蒸着すること
なく、発光層の結晶性を向上させることができる
ため、イオウによる薄膜形成装置へのダメージを
除去できるという利点も生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄膜EL素子の構成を示す断面図、第
２図は発光層薄膜のＸ線回析スペクトル、例の薄
膜EL素子の断面図、第３図は発光層薄膜の
（111）配向性を示す指数Ｉ（111）／Ｉ（220）を
ZnS層のCub（111）配向のＸ線回析線半値幅Δ2Θ
に対して表した図、第４図は発光層薄膜のPLス
ペクトル、第５図は薄膜EL素子に5KHzの交流電
圧を印加したときの発光輝度−印加電圧特性を示
す図である。１……基板、２……透明電極、３，７……絶縁
層、４……ZnS膜、５……薄膜発光層、６……酸
化防止膜、８……背面電極。

Claims

【特許請求の範囲】

１少なくとも一方が透明である一対の電極間に
発光層あるいは発光層と絶縁膜を挟持した薄膜
EL素子において、前記基板側に形成した電極と
発光層あるいは絶縁層と発光層との間に、（111）
面からのＸ線回析線の半値幅が0.3゜以下であるノ
ンドープ硫化亜鉛薄膜層を有し、かつ発光層がア
ルカリ土類硫化物薄膜であることを特徴とする薄
膜EL素子。