JPS6345797A

JPS6345797A - 薄膜発光素子

Info

Publication number: JPS6345797A
Application number: JP61188487A
Authority: JP
Inventors: 盛明府山; 田村　克; 田口　和夫; 賢一鬼沢; 明佐藤; 健一橋本; 隆博中山; 良夫阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-13
Filing date: 1986-08-13
Publication date: 1988-02-26
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: JPH0740515B2

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〕本発明は薄膜発光素子に係り、特に絶縁層の構造を改良
することにより、低電圧、高信頼性を達成した薄膜発光
素子に関する。

なお、薄膜発光素子を以下、薄ＰＩＡＥＬ素子ともいう
。

〔従来の技術〕

従来の薄膜ＥＬ素子の基本的な断面構造を第２図に示す
、第２図に基づいて薄膜ＥＬ素子の構造を具体的に説明
すると、ガラス基板１上にインジウム酸化物（Ｉ　ｎｚ
ｏａ　）＊すず酸化物（Ｓｎｏｗ）。

等の透明電極２、さらにその上にイツトリウム酸化物（
Ｙ２Ｏ５）、窒化けい素（ＳｉａＮａ）−二酸化けい素
（ＳｉＯｚ）等からなる第一電気絶縁層３がスパッタリ
ングあるいは電子ビーム蒸着法等により形成される。第
一電気絶縁層３の上には発光層４が形成される。この発
光層は、黄橙色の発光の場合にはたとえば亜鉛と硫黄の
化合物（ＺｎＳ）中に付活剤としてマンガン（Ｍｎ）を
ドープした焼結ペレットを電子ビームあるいはスパッタ
リングすることにより形成される。その他に、発光層を
形成するための焼結ペレットとしては、緑色の発光の場
合にはたとえばＺｎＳ中に付活剤としてテルビウムのふ
つ化物（ＴｂＦａ）、戒はテルビウムとりんの化合物（
ＴｂＰ）をドープしたもの。

赤色発光の場合にはサマリウムのふつ化物（Ｓａ＋Ｆ♂
）をドープしたもの、青色発光の場合にはツリウムのふ
つ化物（ＴｍＦａ）をドープしたものなどがある。発光
層４上には第一電気絶縁層３と同様な材質から成る第二
電気絶縁層５が積層され、更にその上にアルミニウム（
ＡＱ）、金（Ａ　ｕ　）等から成る背面電極６が蒸着形
成される。透明電極２と背面電極６との間に交流電圧が
接続され、薄膜ＥＬ素子が駆動される。このように発光
層の両面に電気絶縁層を設けた構造の薄膜ＥＬ素子は、
特開昭６０−１３４２７７号公報、特開昭５４−５５１
９０号公報等に記載されている。

第一電気絶縁ＷＩ或は第二電気絶縁層を異種材料よりな
る２層構造とすることも行なわれており、たとえば特開
昭５２−１２９２６６号公報、特開昭５９−１１４７９
１号公報等に記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

発光層の両面に電気絶縁層を設けた構造の薄膜ＥＬ素子
全般に共通する問題点として、発光輝度が低い、駆動電
圧が高い、発光効率が低い、素子の信頼性が低いことな
どがある。このため高輝度化、低電圧化、高効率化及び
高信頼化などの発光諸特性の向上を目標に、精力的に研
究開発がなされているのが現状である。

薄膜ＥＬ素子の特性を向上させる一つの有効な手段は、
いかに高品質な電気絶縁層を作製子るが、或いはいかに
最適な絶縁層構成を選定するかにある。何故ならば、薄
膜ＥＬ素子の発光は、発光層に約１０’Ｖ／ｃｍの電界
が印加されることにより起り、電気絶縁層にはそれ以上
の絶縁破壊強度を有することが要求され、これは絶縁層
の材料或は層構成によって著しく影響されるからである
。

電気絶縁層材料としては、従来Ｓ　ｉ　Ｏ、５ｉ０２゜
Ｙ２Ｏ５，ＡＱｚ○ｓ、５ｉａＮ番等が用いられている
が、これらの絶縁層材料は比誘電率が低いために。

絶縁層にかかる印加電圧の分圧分が極めて大きくなる。

したがって、発光層を発光させるためには極めて高い駆
動電圧が必要となる。駆動電圧を下げる方法として、５
ｉｎｓよりも比誘電率が高いＴａｘｅＢ、ＰｂＴｉ０ａ
、Ｓ　ｒＴｉｏｓ、ＢａＴａｘＯａ等の絶縁層材料を用
いることが検討されているが、発光前のエージング処理
（ＺｎＳ中に付加剤、例えばＥｕＳ、ＴｂＦａ、ＳｍＦ
ａ、ＴｍＦａなどを均一拡散させるための工程）で、絶
縁破壊が起こりやすく、画素が破壊してしまう問題があ
る。

本発明の目的は、絶縁破壊や画素の破壊を起こすことな
く、駆動電圧を低減し得る薄膜ＥＬ素子を提供するにあ
る。

Ｃ問題点を解決するための手段〕本発明は、電気絶縁性基板上に透明電極、第一電気絶縁
層２発光層、第二電気絶縁層および背面電極を順次有す
る薄膜ＥＬ素子において、前記第−電気絶ａＭおよび前
記第二電気絶縁層の一方または両方を、超薄膜を４層以
上積層した多層構造とし、一層当りの厚さを２０〜１０
００人とし、且つ異種材料よりなる超薄膜が隣接するよ
うにしたものである。

超薄膜の材料は、比誘電率が低いＳｉｎ。

ＳｉＯｘ、Ｙ２Ｏ５、ＡＱｚＯｓ、Ｓ　１ａＮ４から選
ばれたものと、比誘電率が高いＴａｚＯＩＳ、ＰｂＴｉ
０ａ＊５ｒＴｉＯｓ、ＢａＴａｚＯｇから選ばれたもの
とを組み合せることが好ましい、その組み合せ方は。

比誘電率が高い群から選ばれた超薄膜と比誘電率が低い
群から選ばれた超薄膜とを交互に積層することが最も好
ましいが、必しも交互に積層しなくてもこれらの両方が
含まれていれば効果はある。

超薄膜を積層した場合に１発光層に接する面は比誘電率
が高い群から選ばれた材料により構成し。

電極に接する面は比誘電率が低い群から選ばれた材料に
より構成することが高輝度を得るうえから望ましい。

ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５層とを交互に合計４層以上積層
した電気絶縁膜は非常に効果があることを確認した。合
計で４〜８層積層した実験では、多層になるほど低電圧
化の効果があった。

超薄膜のｆ！を層数は、合計で６層以上とすることが望
ましく、２層のときにくらべて駆動電圧の低減効果が顕
著に現れる。３層では、２層のときにくらべて駆＠電圧
の低減効果が殆どない。

超薄膜の一層当りの厚さは、２０人〜ｚＯｏＯ人とする
。２０人よりも薄いと多層構造でなく、混合膜になりや
すい、２０００人よりも厚いと駆動電圧の低減効果が乏
しい。

超薄膜を積層したときの合計の厚さは、１００００Å以
下にすることが好まし、これ以上になると駆動電圧の低
減効果が乏しい。

〔作用〕

電気絶縁層の厚さを薄くすると電子の数比が活発になり
、駆動電圧を低くすることができるようになる。しかし
、絶縁層の厚さを薄くすることにより、ピンホールが多
くなると同時に絶縁耐圧が低くなることから、画素破壊
が生じやすくなる。

その他の低電圧化の方法としては、絶縁層材料に比誘電
率が大きい材料を用いる方法が考えられるが、比誘電率
が大きくなればなるほど絶縁耐圧が小さくなる傾向があ
り、信頼性がとぼしくなる。

電気絶縁層を多層構造にすることにより、単層膜に比較
して、ピンホールは少なくなり、絶縁耐圧も向上する。

しかし、２層構造ではＥＬ素子の駆動電圧を低くするに
いたらなかった。４層以上積層することによって顕著な
効果を得た。

異種絶縁材料を合計４層以上積層した多層絶縁層構造と
することにより、ピンホールをほぼ、完全になくすこと
ができた。

さらに、絶縁膜の界面が実質的に多くなることから、発
光層への電子の注入が多くなった。

これらが密接に結びついて、駆ａ電圧を低減できたもの
と思われる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す１ａ膜ＥＬ素子の断面
構成図である。以下第１図の工程順に従って説明する。

ガラス基板１（コーニング３７０３９）上に。

５ｎＯｚ及びＩｎ２Ｏ５等から成る透明電極２を膜厚２
０００人程度で、面積抵抗が１０〜２０Ω／口になるよ
うに形成した。形成方法としては、スパッタリング法あ
るいは電子ビーム蒸着法が最適であり１本実施例ではス
パッタリング法を適用した。スパッタリング法で形成す
る場合の条件としては、反応ガスとしてＡｒと１０重量
％Ｑ２の混合ガスを用い、ターゲットにＳｎあるいはＩ
ｎを用いてリアクティブスパッタリングすればよい。

次に、ＥＬ素子に必要な所定の電極パターンにするため
、透明電極２をフォトエツチング技術を用いて、帯状に
平行配列にエツチングした。その際の透明電極のエツチ
ング液としては、ＨＣＱ−ＨＮ○δ系エツチング液を用
いた。

上記透明電極２の上に、本発明の第一超薄膜多層絶縁層
７を形成した。この第一超薄膜多層絶縁層７の形成方法
としては、スパッタリング法を採用した。具体的には、
同一真空室内に、２つのターゲットを有するスパッタリ
ング装置により、ターゲット材料としてＴａｚＯδと５
ｉＯｚを用いて、交互にスパッタリングすることにより
、ＴａｘｅｓとＳｉＯｘとを交互に積層した。その時の
Ｔａ２ｅｓトＳ　ｉ　Ｏ２（７）　膜ＦＪハ、Ｔａ２Ｏ
５５００人、５ｉ０１５００人であり１合計の膜厚は０
．４μｍとした。

したがって、絶縁膜としては８層構造となる。この際の
膜厚制御法としては、あらがじめＴ　ａ　２０　ｓ　ｔ
Ｓｉｆｔの単独の付着速度を求めておき、付着時間で制
御する方法を採用した。

引き続いて、ＺｎＳ中にＭｎをドープした焼結体を用い
て電子ビーム蒸着することにより１発光層４を０．５　
　μｍ厚さに形成した。その後基板温度を５５０℃に上
げて真空熱処理をした。この熱処理により、ＺｎＳ中に
付活剤であるＭｎを均一に拡散させた。発光層４の上に
第二超薄膜多層絶縁層８を第−超薄膜多層絶縁層７と同
じ方法を用いて形成した。更にその上に、背面電極６を
電子ビーム蒸着法で形成した。背面電極としては、ＡＱ
を用いたが、Ａｕ或は透明導電膜でもよい。

背面電極の膜厚は０．２　μｍとした。

以上のようにして得られた本発明のＥＬ素子に。

５００　Ｋ　Ｈｚ正弦波の電圧を印加することにより、
十分なエージング処理を行なった後、輝度特性を調べた
。その結果を第３図に示す。第３図では、５ｉＯｚとＴ
ａ２ｅｓよりなる２層絶縁膜を用いて作製したＥＬ素子
と比較して本発明を示しである。

なお、絶縁膜の比誘電率及び膜厚は一定にしである。

第３図から明らかなように、本発明のＥＬ素子の発光開
始電圧Ｖｉｈ（輝度５ｃｄ／−になる電圧をＶ　ｔ　ｈ
とする）は従来技術のＥＬ素子のそれに比較して約５０
Ｖと低いことがわかる。

第４図は従来技術による５ｉｆｔとＴａｘｅｓよりなる
２層絶縁膜の膜厚の比を変化させて作製したＥＬ素子、
本発明のＥＬ素子について、発光開始電圧Ｖ　ｔ　ｈと
ｄｒｔ、／εｒＬ（ｄｔｔ、：絶縁層の全膜厚、ｉｒｔ
、：絶縁膜の比誘電率）との関係を整理したものである
。

第４図から明らかなように、本発明のＥＬ素子のＶｉｈ
は従来技術のそれよりも、一段と低いところにあること
がわがる０画素の破壊や絶縁破壊は生じなかった。

実施例　２実施例１において、５ｉＯｚ膜とＴａｘｅ１１膜を合計
で３層、４層及び６層積層し、各膜の厚さを変えた。そ
して発光開始電圧とｄ　ｒｔ、／ξ！Ｌとの関係を整理
した。第４図に結果を示す。４層以上の積層により低電
圧化の効果が顕著に見られた。

、　実施例　３実施例１においては、本発明の超薄膜多層絶縁層を発光
層の両側に配置したので、今回の実施例２では第１電気
絶縁層のみを超薄膜多層絶縁層とした。

素子構造を第５図に示す、基本的な素子構造は実施例１
の第１図と同じである。

このようにして作製したＥＬ素子は実施例１と同じよう
に、従来技術で作製されたＥＬ素子に比較して、低電圧
化が可能であることを確認した。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、絶縁破壊や画素の破
壊を生ずることなく駆動電圧を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は従来
のＭ膜ＥＬ素子の断面図、第３図は本発明のＥＬ素子の
輝度と駆動電圧との関係を示す特性図、第４図は本発明
のＥＬ素子のＶ＝ｈ（発光開始電圧）とｄ　ＩＬ／εｘ
Ｌ（絶縁層膜厚／絶縁層の比誘電率）との関係を示す特
性図、第５図は本発明の他の実施例を示す断面図である
。１・・・ガラス基板、２・・透明電極、３・・・第１？
！！気絶縁層、４・・・発光層、５・・・第２電気絶縁
層、６・・・背面電極、７・・・第一超薄膜多層絶縁層
、８・・・第二超薄膜多層絶縁層。　　　　　　　　　
　　　　　　　　、−７１、代理人　弁理士　小川勝馬
　、　　゛馬乙初電圧（Ｖ）ｄ＋Ｌ／εＩＬ

Claims

【特許請求の範囲】

１．　電気絶縁性基板上に透明電極、第一電気絶縁層、
発光層、第二電気絶縁層および背面電極を順次有する薄
膜発光素子において、前記第一電気絶縁層および前記第
二電気絶縁層の少なくとも一方が、厚さ２０〜１０００
Åの超薄膜を４層以上積層し且つ異種材料を隣接させた
多層構造よりなることを特徴とする薄膜発光素子。
２．　特許請求の範囲第１項において、前記超薄膜の多
層構造が、ＳｉＯ，ＳｉＯ＿２，Ｙ＿２Ｏ＿３，Ａｌ＿
２Ｏ＿３，Ｓｉ＿３Ｎ＿４から選ばれた少なくとも１つ
と、Ｔａ＿２Ｏ＿５，ＰｂＴｉＯ＿３，ＳｒＴｉＯ＿３
，ＢａＴａ＿２Ｏ＿６から選ばれた少なくとも１つを含
むことを特徴とする薄膜発光素子。
３．　特許請求の範囲第２項において、前記ＳｉＯ，Ｓ
ｉＯ＿２，Ｙ＿２Ｏ＿３，Ａｌ＿２Ｏ＿３，Ｓｉ＿３Ｎ
＿４から選ばれた少なくとも１つの超薄膜と、Ｔａ＿２
Ｏ＿５，ＰｂＴｉＯ＿３，ＳｒＴｉＯ＿３，ＢａＴａ＿
２Ｏ＿６から選ばれた少なくとも１つの超薄膜とを、交
互に有することを特徴とする薄膜発光素子。
４．　特許請求の範囲第１項において、前記超薄膜の多
層構造がＳｉＯ＿２膜とＴａ＿２Ｏ＿５膜とからなるこ
とを特徴とする薄膜発光素子。
５．　特許請求の範囲第１項において、前記超薄膜の多
層構造よりなる電気絶縁層のうちで前記発光層と接する
面がＴａ＿２Ｏ＿５，ＰｂＴｉＯ＿３，ＳｒＴｉＯ＿３
，ＢａＴａ＿２Ｏ＿６から選ばれた少なくとも１つによ
り構成されていることを特徴とする薄膜発光素子。
６．　特許請求の範囲第１項において、前記超薄膜の多
層構造よりなる電気絶縁層のうちで電極と接する面がＳ
ｉＯ，ＳｉＯ＿２，Ｙ＿２Ｏ＿３，Ａｌ＿２Ｏ＿３，Ｓ
ｉ＿３Ｎ＿４から選ばれた少なくとも１つにより構成さ
れていることを特徴とする薄膜発光素子。
７．　特許請求の範囲第１項において、前記超薄膜の多
層構造よりなる電気絶縁層の全体の厚さが１００００Å
以下であることを特徴とする薄膜発光素子。