JPS63261696A - 薄膜エレクトロルミネツセンス素子 - 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、薄膜エレクトロルミネッセンス（以下ＥＬと
いう）素子に係わり、特に誘電体層の改良を図って低電
圧駆動を可能にした薄膜ＥＬ素子に関するものである。

〔従来の技術〕

交流電界の印加により発光する薄膜ＥＬ素子は。

一般に第１図に示すような構造をとる。すなわち、ガラ
ス等の透明な絶縁材料からなる基板１０１の上に、Ｉ　
Ｔ　Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄａ）などの透
明電極１０２を被着させる。その上に誘電体層１０３、
ＣａＳ。

ＳｒＳ、ＺｎＳ及びＺｎ５ｅ等の母体にＭｎ、希土類化
合物を添加した蛍光体からなる発光層１０４、第２ｖｉ
電体層１０５．　ＡＱ膜などからなる背面電極１０６を
順次積層被着した構造である。そして、透明電極１０２
及び背面電極１０６間に交流の駆動電圧Ｖａが印加され
る。

誘電体材料としては、Ｙ、Ｏ，、Ｓｉ、Ｎ、などが従来
用いられている。また、誘電体層は第１図に示すように
発光層を挟んだ二重構造とせず、誘電体層１０３．ある
いは誘電体層１０５のいずれか一方でもよい。

誘電体層が一層の場合は、発光輝度、絶縁破壊電圧の点
で、二層構造のものより多少劣るが、駆動電圧を低くで
きる。

ところで、上述したように薄ＩＰＪＥＬ素子は、一種の
コンデンサといえる。したがって、誘電体層１０３．１
０５を同一の誘電体材料で形成するものとしてその比誘
電率をεｄ、トータル厚みをＤｄ、発光層の比誘電率を
εｅ、その厚みをＤｅとすれば、第１図に示すＥＬ素子
に印加される電圧Ｖａと発光層にかかる。電圧Ｖｅの関
係は下式のようになる。

ところで１発光層１０４として例えばＺｎＳの場合では
比誘電率ｔｅは８〜９であることが知られている。また
、誘電体層１０３，１０５は前述した材料で比誘電率は
ａｄは４〜２５程度である。

一方、発光層１０４に対してＥＬ発光を生じさせるには
、　１０＠Ｖ／ａｍ以上の電界を加える必要があると言
われている。

したがって、第１図に示す構造のＥＬ素子において、誘
電体層１０３，１０５及び発光層１０４をそれぞれ５０
０ｎｍ程度と薄く形成し、かつこれらの比誘電率が等し
いとすれば、（１）式により Ｖａ＝３Ｖｅ となり１発光層には印加電圧の１／３シかかからないこ
とになり効率が悪い、また、少なくとも１５０ｖ以上の
高電圧が必要となる。このため現状では特別な高耐圧駆
動ＩＣが必要となり、コストアップにもつながっている
。

ところで、（１）式から明らかなように、駆動電圧を下
げるには、誘電体層１０３，１０５の厚みを薄くするか
、あるいはその比誘電率ｉｄの大きな材料を選定するこ
とが考えられる。

しかしながら、絶縁耐圧上の問題から、ｖＩｍ体層１０
３，１０５の膜厚を薄くすることは得策でなく、主とし
て比誘電率εｄの大きな材料を中心に、従来より誘電体
材料の検討が種々行なわれてきている。

例えば、特公昭５７−４１２００号においては、誘電体
層を強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で
形成する例が開示されており、特公昭５８−４９９９５
号では、チタン酸鉛（Ｐ　ｂ　Ｔ　ｘ　Ｏ３）で、特開
昭５９−２２８３９７号には、誘電体層をチタン酸スト
ロンチウム（Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏｚ　）で、特開昭５３
−８４４９８号には、チタン酸バリウム（Ｂ　ａ　Ｔ　
ｉ　Ｏ３）で形成する例が述べられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕　　　゛上述したよ
うに、ＥＬ素子の低電圧駆動化を０指して、主として強
誘電体を中心に誘電体層に適する材料の検討が種々行わ
れている。

しかしながら、ＰｂＴｉ０．、ＢａＴｉ０．等の誘電体
＊Ｂ％は、その作製条件が難しく、またＰＺＴなどでは
、絶縁耐圧が低いため、その膜厚を厚くしなけれななら
ないという問題゛があった。すなわち。

ＥＬ素子用の誘電体層は、その比誘電率が大きいことも
必要であるが、同時に絶縁耐圧が高く、また、第１図に
示すように透明電極１０２．側に介在させる場合は、光
学的に透明でなければならないという条件もある。

また、一般にこれら強誘電体はキュリ一温度（Ｔｃ）付
近に比誘電率の極大点を持ち籠から離れるに従い誘電率
は急激に低下す乞ことが知られて−）る、すなわち、Ｅ
Ｌ素子に使用する誘電体薄膜はＴｃが室温近傍にあるこ
とが求められる。

しかしながら、前述した強誘電体は１例えばＢ　ａ　Ｔ
　ｉ　Ｏ、ではＴｃ＝１２０℃、５ｒＴｉＯ，ではＴｃ
＝−１５０℃というようにどれもＴｃが室温近傍にはな
く、かならずしも十分な比誘電率を有しているとは言え
ない。

さらに、製造上、その成膜が容易であることも必要であ
り、これらの基本的条件を満たし、かつ比誘電率の大き
な誘電体層が求められている。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 したがるで本発明は、比誘電率が高く、しかも絶縁耐圧
も高く、成膜も容易なＥＬ用誘電体層を得ることを目的
としたものである。

この目的を達成するため１本発明者は、比誘電率が高く
、しかも絶縁耐圧がＥＬ発光に必要な１０＠Ｖ／ａｍ以
上ある材料を検討した結果、チタン酸バリウムとチタン
酸ストロンチウムの固溶体が、ＥＬ素子の誘電体層とし
て適することを見出し、本発明をなすに至ったものであ
る。

すなわち１本発明は、ＥＬ発光を生ずる発光層に接する
、あるいは発光層をサンドイッチ状にはさみこむ誘電体
層として、（Ｂａｓ−ｘｓｒｘ）ＴｉＯ，でＸ＝０．１
〜０．５５で表されるチタン酸化合物を用いた構成にな
るものである。

【作用〕

ここで、前述したように５ｒＴｉ○３はＴｃ＝−１５０
℃で、室温では常、誘電体であり、またＢ　ａ　Ｔ　ｉ
Ｏ３はＴｅ＝１２０℃で室温における比誘電率はＴｃに
おける比誘電率の約１／１０であることが知られている
。

本発明では、上記これらの固溶体薄膜を形成し、比誘電
率の高い組成を検討した結果、室温近傍にキュリ一点を
持つ１組成比Ｘ＝０．１〜０．５５の範囲となった。し
たがって１本発明のＥＬ素子は、発光層に接する誘電体
層として（Ｂａう５ｒｘ）ＴｉＯａでＸ＝０．１〜０．
５５で表されるチタン酸化合物を用いている。

このチタン酸化合物は比誘電率が１５０以上あり。

例えばＸ＝０．３では比誘電率が２００と高く、シかも
透明で成膜も容易である。絶縁破壊電圧も１．２×１０
’Ｖ／α以上あり、ＥＬ素子の誘電体層として十分に使
用できる絶縁耐圧を持っている。

したがって例えば、このＢａ、、Ｓｒ、Ｔｉｅ、を用い
て比誘電率εｅが８〜９のＺｎＳ：Ｍｎ発光層をサンド
イッチ状にはさんでＥＬ素子を形成した場合、各層の厚
さを５００ｎｍに設定すれば、外部印加電圧ＶａとＥＬ
発光層に分配される電圧Ｖｅとの関係は、前述した（１
）式により Ｖａ＝１１／１０Ｖｅ・・・・・・・・・（２）すなわ
ち、外部印加電圧の９０％以上を発光層に分配すること
が可能となる。したがって、低電圧駆動を行なうことが
できるようになるものである。

〔実施例〕

第１図に示すように、透明電極１０２が付与されたガラ
ス等の透明絶縁材料からなる基板上に、誘電体層１０３
として本発明の要旨となるチタン酸化合物のうちＢａ、
、５ｒｌＬ３Ｔｉｅ、をスパッタリング法で１１００ｎ
被着させた。スパッタリングガスはＡｒ：０２＝ｌ：１
の混合ガスを用い、そのガス圧は１．５×１０４ｔｏｒ
ｒでおこなった。スパッタリング用ターゲットはＳ　ｒ
　Ｔ　ｉ　ＯａとＢ　ａ　Ｔ　ｉ　Ｏ３粉末を所定量混
合したものを、ステンレス製シャーレにしきつめたもの
を使用した。なお、蒸着時の基板温度は３００〜５００
℃とした。

このようにした得られたＢ　ａＣＬｔ　Ｓ　ｒＱＪ　Ｔ
ｉｅ、誘電体７Ｉｌ膜は透明であり、その比誘電率εｄ
は２２０であった。また、絶縁破壊電圧は、　１．４　
Ｘ　１０’Ｖ／（１ｍである。

その上に蛍光体からなる発光層１０４を５００ｒｖ＋形
成した。この実施例では、ＺｎＳ：Ｍｎ蛍光体粉末をシ
ャーレにしきつめたものをターゲットとし、Ａｒガスを
用いて誘電体層１０３と同様にスパッタリング法により
蒸着した。

発光層１０３形成後、５００℃、１時間真空中でアニー
ルを行った後、第２誘電体層１０５をＹ２Ｏ３を用いて
ＥＢ蒸着法で２００ｎｍ形成した。この後、第２、ｙＩ
７ｔｔ体層１０５の上に背面電極１０６を被着し１本発
明によるＥＬ素子とした。

第２図に、上述して得られた本発明による簿膜ＥＬ素子
の電圧−輝度特性を示す。曲線ａが本発明による薄膜Ｅ
Ｌ素子の電圧−輝度特性であり。

曲線Ｃは誘電体層１０３に組成比Ｘ＝０の場合であるＢ
ａＴｉ０．を用い、実施例と同様に作製した薄膜ＥＬ索
子の電圧−輝度特性を参考に示したものである。駆動電
圧は１ｋＨｚの正弦波交流電圧であり、電圧値はピーク
波長で示しである。

この第２図から明らかなように９本発明によるＥＬ素子
は、６５Ｖ程度から発光を開始し、８５〜１００Ｖ程度
で十分な発光輝度が得られることがわかる。

これは、曲線Ｃで同時に示すＢ　ａ　Ｔ　ｉ　Ｏ３誘電
体層１０３を用いた薄膜ＥＬ素子と比較しても明らかで
あり、外部駆動電圧の大幅な低電圧が実現されたことに
なる。

ところで、（Ｂａ）ｘＳｒｘ）ＴｉＯ，で表されるチタ
ン酸化合物は、組成比Ｘにより比誘電率ｔｄが変化する
。そのうちＸ＝０．１．０．５５を用いた場合の特性を
以下に示す。

Ｘ＝０．１の場合（組成式Ｂａｏ、５ｓｒ６、Ｔｉｅ、
）このチタン酸化合物を上述と同様にして第１図に示す
透明電極１０２上に７００ｎｍの膜厚で被着した。

この膜は透明であり、比誘電率ｔｄは約１５０．絶縁破
壊電圧は１．４　Ｘ　１０”Ｖ／ａｍであった。したが
って、この（Ｂ　ａ６．ｇ　Ｓ　ｒ＆ｔ　Ｔ　ｘ　Ｏｓ
　）誘電体層上に第１図に示すと同様に発光層１０４．
第２誘電体層１０５、背面電極１０６を積層して薄膜Ｅ
Ｌ素子とした場合、第２図に示す曲線すのようになり、
曲線ａよりは若干高電圧であるが実用上問題ない特性が
得られた。

Ｘ＝０．５５の場合（組成式　Ｂ　ａｙ、４ｒ、　Ｓ　
ｒ６．ｙ５　Ｔ　ｉ　Ｏ２）この化合物も誘電体層とし
て透明であり、比誘電率ａｄは約１６０、絶縁破壊電圧
は１．３Ｘ１０“Ｖ／国であった。したがって、二のＢ
　ａＱ、４５　Ｓ　ｒ６．＆６　Ｔ　ｉ　Ｏ３誘電体層
上に第１図に示すと同様に発光層１０４、第２誘電体層
１０５．背面電極１０６を積層して薄膜ＥＬ素子とした
場合、第２図に示す曲線すの様になり。

曲線ａより若干高電圧であるが実用上問題ない特性が得
られた。

上述したように、組成比Ｘ＝０．１〜０．５５の範囲に
おいて、従来の物に比べ良好な特性をもつ薄膜ＥＬ素子
を得ることができた。ま九、上記以外の組成比では、第
２図の曲線Ｃに示す特性とほぼ同様となり低駆動電圧化
の効果は得られなかった。

〔効果〕

本発明による薄１１１ＥＬ素子は、（Ｂａｌ−ｘｓｒｘ
）Ｔｉｅ、但し、Ｘ　＝０．１〜０．５５テ表されるチ
タン酸化合物を誘電体層として用いた構造を有する。

このチタン酸化合物は、比誘電率が少なくとも１５０以
上あり、また膜質は透明である。さらに絶縁破壊電圧も
、少なくとも１０’Ｖ／ａ１以上と高い。

したがって、交流駆動形の薄１１％Ｅ　Ｌｍ子において
、発光層に接する誘電体層として用いれば、発光層側に
高い分配電圧を与えることができ、ＥＬ素子の低電圧駆
動化が可能となる効果がある。

また、チタン酸化合物は、通常のスパッタリング法で形
成でき、成膜化が容易であり、ＥＬ素子を量産化する上
で、優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、薄［ＥＬ素子の一般的な構造例を示す模式図
、第２図は、本発明による薄膜ＥＬ素子特性を従来の素
子と比較して示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　発光層の少なくとも一方の面側に誘電体層を積層する
   とともに、少なくとも一方が光透過性を有する２つの電
   極層を介して前記発光層に電圧を印加し発光させるよう
   にした薄膜エレクトロルミネッセンス素子において、前
   記誘電体層が、 （Ｂａ＿１＿−＿ｘＳｒｘ）ＴｉＯ＿３〔Ｘ＝０．１〜
   ０．５５〕で表されるチタン酸化合物を主成分とする薄
   膜からなることを特徴とする薄膜エレクトロルミネッセ
   ンス素子。