JPH01206594A - 薄膜ｅｌ素子およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、薄膜ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）素
子に係り、特に、高輝度・低電圧駆動の薄膜ＥＬ素子に
関する。

（従来技術およびその問題点） 輝度の面で問題が多く、照明用光源としての開発を断熱
せざるを得なかった。硫化亜鉛（Ｚｎｓ）系蛍光体粉末
を用いた分散型ＥＬ素子に代わって、Ｆｉｇ膜蛍膜体光
体層いた薄膜型ＥＬ素子が高輝度を得られることから近
年注目されてきている。

薄膜ＥＬ素子は１発光層が透明な′ｉｉ！膜で構成され
ていて、外部から入射する光および発光層内部で発光し
た光が散乱されてハレーションやにじみを生じることが
少なく、鮮明でコントラストが高いことから、車両への
搭載用、コンビューク端末等の表示装置あるいは照明用
とじて脚光を浴びている。

例えば、マンガン（Ｍｎ）を、ＺｎＳ中の発光中心とし
て用いた薄膜ＥＬ素子の基本構造は透光性の基板上に、
酸化′錫（ＳｎＯ，）層等からなる透明電極と、第１の
誘電体層と、母材をＺｎＳ、発光中心不純物をＭｎとし
た結晶Ｆ４膜すなわちＺｎＳ：Ｍｎｌ膜からなる発光層
と。

第２の誘電体層、アルミニウム（ＡＩ）層等からなる背
面電極とが順次積層せしめられた２重誘電体構造をなし
ている（第１０図）。

そして１発光の過程は、以下に示す如くである。前記透
明電極と前記背面電極との間に電圧を印加すると１発光
層内に誘起された電界によって界面準位にトラップされ
ていた電子が引き出されて加速され充分なエネルギーを
得、この電子がＭｎ（発光中心）の軌道電子に衝突しこ
れを励起する。そしてこの励起された発光中心が基底状
態に戻る際に発光を行なう。

従来、このような薄膜ＥＬ素子では１通常上述を除きＺ
　ｎ　Ｓ　：　Ｍ　ｎ等の発光層の形成に際し。

電子ビーム蒸着法が用いられていた（特公昭５３−１０
３５８号公報、特公昭５４−８０８０号公報参照）。

これは、第８図に示す如く、真空槽ｌ内で。

ＺｎＳと０．１〜１％のマンガン（Ｍｎ）とを混ぜ合せ
焼結せしめて形成されるペレット２を電子銃３からの電
子ビーム４で照射することにより該ペレットを加熱せし
め、蒸発させてこれを基板５上に堆積させるものである
。

この方法によると９発光層の母材の蒸気圧。

母材を構成する元祖の蒸気圧、並びに発光中心不純物の
蒸気圧（例えばＰＺｎＳ、ＰＺｎ、ＰＳ、ＰＭｎ）が大
きく異なる（ＰＺｎＳ＜ＰＭｎ＜ＰＺｎ＜ＰＳ）ため、
蒸発の仕方が均一でなかったり、−旦基板に付着した元
素が再蒸発したりすることにより、成膜される発光層の
母材が化学量論的組成からずれ、結晶性が悪くなったり
発光中心不純物の分布が不均一となる等の不都合があっ
た（なお、Ｐ　Ｚ　ｎ　Ｓ、ＰＭｎ。

ＰＺｎ、ＰＳは夫々ＺｎＳ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｓの蒸気圧を
示すものとする）。

従って、電子ビーム蒸着法によって、成膜された発光層
は第９図に示す如く１粒状の多結晶構造あるいは成長の
初期段階に小さな結晶粒がたくさんできる。いわゆるデ
ッドレイヤーが存在する構造であった。

このような発光層を用いた薄膜ＥＬ素子では。

外部から印加された電界によって加速される発光層中の
電子Ｅが発光中心不純物１ｍに衝突して発光に寄与する
前に結晶粒界面Ｂによって散乱されるため、外部から印
加された電界が有効に発光に寄与しない。

従って、かかる構造の薄膜ＥＬ素子では、実用に供し得
る程度の輝度（２０ｆｔ−Ｌ）を得ためには２００ｖ程
度の高い電圧が必要であった。

本発明は、前記実情に漏みてなされたもので。

高輝度、低電圧駆動の薄膜ＥＬ素子を提供することを目
的とする。

（問題点を解決するための手段） そこで本発明では１発光層に柱状多結晶薄膜を用いるよ
うにしている。

また１発光層の形成に際しては１発光層の母材あるいは
母材の構成元素と発光中心不純物とを夫々別の蒸発源す
なわち多元から蒸発せしめ。

基板上のバッファ層上で結合させる。いわば多元蒸着法
を用いるようにしている。

（作用） すなわち、第１図に示す如く、柱状多結晶を発光層とし
て用いることにより、外部から電界を加えると発光層中
の電子Ｅが加速され２発光中心不純物Ｉｎに衝突し、有
効に発光する。

バッファ層の形成に際しては第２図に示すごと（１例え
ば１０−３〜１０−１程度の真空度に設定された真空槽
１１内に、バッファ層の構成元素（Ｚｎ、Ｓ、Ｚｎ５）
を別々のルツボ１２゜１３（ＺｎＳの時は一つのルツボ
で良い）に入れ、各々を独立に温度コントロールしつつ
加熱し、形成されたバッファ層が化学量論的組成になる
よう各々の蒸発量を制限することにより均一な柱状結晶
を基板１４に析出する。

次に発光層の形成に際しては、バッファ層と同様に第３
図に示すごと＜１０−’〜１０−７程度の真空度に設定
された真空槽１９内に１発光層の母材であるＣａＳの構
成元素と発光中心不純物Ｅｕ（例えばＣａとＳとＥｕ）
を別々のルツボ１５，１６．１７に入れ、各々を独立に
温度コントロールしつつ加熱し、形成された発光層が化
学量論的組成になるように各々の蒸発量を制御すること
によって１発光中心不純物の分布が均一な柱状結晶をバ
ッファ層１８上に析出せしめることができる。

これは９次に示すような成長過程をたどることによる。

例えば物質Ａと物質Ｂを別々のルツボに入れ。

独立した蒸発源とした多元蒸着法により基板上に物質Ａ
Ｂを形成する場合を想定する。

ある温度ＴＡにおける物質への蒸気圧をＰＡとすると、
真空槽内の真空度（圧力）ＰｏがＰｏ〈Ｐ、であるとき
、基板温度Ｔ、をＴ，Ｋおける物質Ａの蒸気圧ｐａｓが
ＰＡｓ＞ＰａとなるようにＴ。

＞Ｔ、とすることにより、ＰＡｓ＞Ｐｏとなり、Ａ単体
を蒸発させて基板上に付着させようとしても基板上には
ほとんど付着しない。

このとき、他物質Ｂと前記物質Ａとの化合物ＡＢの温度
Ｔ３における蒸気圧Ｐ□、がｐＡｌｓ＜Ｐｏとなるよう
にＴｓを設定すれば、基板上に物質Ｂがあれば（Ｐａ３
＜Ｐａ　とする）基板上で物質Ａと物ｆＢとが反応し、
化合物結晶ＡＢが成長していく。このとき基板上に存在
する元素Ｂ（あるいはＡ）と飛来してきた元素Ａ（ある
いはＢ）とが結合するとき、！ｌもポテンシャルの低い
位置に元素がおさまるため、結果的にある結晶面だけが
成長していき柱状結晶をなすように成膜していく。

この結晶面の成長において、基板上に多元蒸着法による
柱状結晶の硫化亜鉛を蒸着させ、その上に発光層を多元
萎着法により蒸着させるため９発光層の柱状結晶化が容
易に行なわれる。

（実施例） 以下９本発明の実施例について９図面を参照しつつ詳細
に説明する。

この薄膜ＥＬ素子は、第４図に示す如く、二重誘電体構
造をなすもので発光層２１を、母材としてのＣａＳ中に
１発光中心不純物としての１、　ｏ％のＥｕを含有せし
めた膜厚５０００Ａ’の柱状多結晶構造の薄膜層（以下
ＣａＳ：１．０％Ｅｕというように表現するものとする
）にし。

ＺｎＳより成るバッファ層２２の上に蒸着するよう構成
している。

すなわち、厚さｌｌ１ｍの透光性のガラス基板２３上に
膜厚０．３μｍの酸化錫（ＳｎＯ□）層等からなる透明
電極２４．膜厚０．５μｍから酸化タンタル（Ｔａｘｅ
ｓ）層からなる第１の誘電体層２５．前記バッファ層２
２．前記発光層２１゜膜厚０．５μｍの酸化タンタル（
Ｔａｚｏｓ）層からなる第２の誘電体層２６．膜厚０．
５μｍのアルミニウム薄膜からなる背面電極２７とが順
次積層せしめられて構成されている。

次に１本発明実施例の薄膜ＥＬ素子の製造方法について
説明する。

まず、第５図（ａ）に示す如く、透光性のガラスミｔ反
２３上に、スパッタリング法によりＳｎｏ！層からなる
透明電極２４を形成する。

次いで、第５図（ｂ）に示す如く、スパッタリング法に
より酸化タンタル層からなる第１の誘電体層２５を形成
する。

続いて、第５図に示したような蒸着装置を使用し、Ｚｎ
、Ｓを夫々別のルツボに入れ、真空槽内の蒸気圧を１０
−６Ｔｏｒｒに設定した後。

２つのルツボを、形成される発光層が化学量論的組成と
なるように独立的に温度コントロールしながら前記Ｚｎ
、Ｓを加熱蒸発せしめると共に、該ガラス基板の温度Ｔ
、を１００〜１０００°Ｃの適切な範囲に設定すること
により、均一に分布するＺｎＳ柱状多結晶からなるバッ
ファ槽２２が析出する（第５図（Ｃ））。

次に発光槽２１は第３図に示したような蒸着装置を使用
し、Ｃａ、Ｓ、Ｅｕを夫々別のルツボに入れ、真空槽内
の蒸気圧を１０−６Ｔｏｒｒに設定した後、３つのルツ
ボを、形成される発光層が化学量論的組成となるように
独立的に温度コントロールしながら前記Ｃａ、Ｓ、Ｅｕ
を加熱蒸発せしめると共に１．バッファ層を芸着した該
ガラス基板の温度Ｔ、を１００〜１０００℃の適切な範
囲に設定することにより１発光中心不純物Ｅｕの均一に
分布するＣａＳ柱状多結晶からなる発光層２１が析出す
る（第５図（ｄ））。

更に、第５図（ｅ）に示す如く、スパッタリング法によ
り、酸化タンタル層からなる第２の誘電体層２６を形成
する。

そして最後に、第５図（ｆ）に示す如く、真空蒸着法に
より、アルミニウム薄膜を成膜した後。

フォトリソエツチング法によりパターニングし背面電極
２７を形成する。

このようにして形成されたＦｉｉ膜ＥＬ素子の発光層は
、第６図（ａ）にそのＸ線回折の結果を示す如く、極め
て結晶性の良いものとなっている。

比較のために、従来の電子ビーム蒸着法によって形成し
たＣａＳ：Ｅｕ層（発光層）のＸ線回折の結果を第６図
（ｂ）に示す。これらの比較からも明らかなように１本
発明の方法によって形成した発光層は結晶性のより良い
ものとなっていることがわかる。

また、この薄膜ＥＬ素子は、透明電極と背面電極との間
に交番電界を加えることによって駆動されるが、その電
圧−輝度特性曲線ａを従来例の薄膜ＥＬ素子の電圧−輝
度特性曲線すと共に第　閣に示す。これらの比較からも
９本発明の薄膜ＥＬ素子は、従来例の薄膜ＥＬ素子の約
１／２の電圧で同一の輝度を得ることができ。

低電圧で高輝度特性を有するものであることがわかる。

さらに電圧−発光効率曲線（ａ）を従来例のＷｌ薄膜Ｅ
Ｌ素子電圧−発光効率曲線（ｂ）と共に第７図に示す。

これらの比較からも３本発明の１１　Ｉｌｌ　ＥＬ素子
は、従来例の薄膜ＥＬ素子の約２倍の発光効率を得るこ
とが出来る。

このように１本発明実施例の薄膜ＥＬ素子によれば、約
２Ｑｆｔ−Ｌ（フットランバート）の輝度を得るのに約
１００Ｖ以下の低電圧でよ＜、ｐｉｉめて実用的なもの
となっている。

なお、実施例については、ＣａＳ：Ｅｕ薄膜を発光層に
用いた場合について説明したが、これに限定されること
なく、母材をＳｒＳとして。

発光中心不純物のみをフッ化セリウム（ＣｅＦｚ）塩化
カリウム（Ｋ）等で置き喚えたＳｒＳ：０．１〜Ｉ　Ｃ
ｅ　Ｆ　、　、　Ｓ　ｒ　Ｓ　：　０．１〜１％Ｅｕ等
の柱状多結晶でもよいことはいうまでもない。

また、実施例においては、ＣａＳ：Ｅｕの柱状多結晶薄
膜を成膜するのに、夫々Ｃａ、Ｓ。

Ｅｕの入った３つのルツボを蒸着源として用いたが、Ｃ
ａｂ、Ｓ、Ｅｕの３つあるいは、ＣａＳ、Ｓ、ＥｕＳの
３つあるいは、Ｃａ、Ｓ、ＣａＳ、Ｅｕ等、適宜調整可
能である。

加えて、この薄膜ＥＬ素子は１表示装置以外にも照明用
として、光記録媒体への信号の書き込み、読み出し、消
去用の光源としても使用可能である。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の薄膜ＥＬ素子によれば１発光
層を複数個の蒸発源を独立的に温度コントロールしつつ
蒸着せしめた柱状多結晶で構成し、かつ基板層と発光層
の間にバッファ層を入れたため低い駆動電圧で高輝度、
高効率を得られるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜ＥＬ素子の発光層の結晶構造を示
す図、第２図は本発明に基づくバッファ層の形成方法の
原理図、第３図は本発明に基づく発光層の形成方法の原
理図、第４図は本発明実施例の薄膜ＥＬ素子を示す図、
第５図（ａ）乃至（ｆ）は同素子の製造工程閲、第６図
（ａ）および（ｂ）は夫々２本発明および従来例の薄１
ｌＩＥＬ素子の発光層のＸ線回折の結果を示す図、第７
図は本発明および従来例のＦｉ　ＩＩＧＩ　Ｅ　Ｌ素子
の電圧−輝度特性の比較図、第８図（ａ）および（ｂ）
は本発明および従来例の薄膜ＥＬ素子の電圧−発光効率
の比較図、第９図は従来例のＦＡ膜ＥＬ素子の発光層の
形成方法の原理を示す図、第１０図は従来例の発光層の
結晶構造を示す図、第１１図は従来例の薄膜ＥＬ素子を
示す図である。 １、１１．１８・・・真空Ｎ　　２・・・ペレット３・
・・電子銃　　　　　　４・・・電子ビーム１４・・・
基板　　　　　　　Ｅ・・・電子１ｍ・・・発光中心不
純物　Ｂ・・・結晶粒界面１２、１３．１５．１６．１
７・・・ルツボ２１・・・発光層　　　　　　２２・・
・バッファ層２３・・・ガラス基板　　　　２４・・・
透明電極２５・・・第１の誘電体層　　２６・・・第２
の誘電体層２７・・・背面電極 特許用１０１人　株式会社小松製作所 代理人　（弁理士）岡　１）和　喜 第１図 第２図 第３図 （ｄ）２６ （ｅ）　　　　　　２７ 第５図 ４寸孫の発光層の結晶性 ３０　　　　　４０　　　　　５０　　　　□、（・）
第６図　（ａ） 従来の結晶性 ２θ（°） 第６図　（ｂ） ５０　１００　１５０　ト（ｙ＞ 第７図 第９図 第１０図 手続補正書　く方式） ％式％ ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　　　　　東京都港区赤坂二丁目３番６号４、
代理人 ７、補正の内容 ３頁３行目の「３３発明の名称」の記載を「３、発明の
詳細な説明」と補正する。 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示　　　昭和６２年特許願第２［１０２０
３号２、発明の名称 薄膜ＥＬ素子およびその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所（居所）　東京都港区赤坂２丁目３番６号電話（０
３）５８４−７１１１　（代）４、補正命令の日付（発
送口） 平成　１年　３月　７日 ５、補正の対象 明細書の図面の簡単な説明の欄 ６、補正の内容 （１５）頁の１７行から１９行を次の通りに補正する。 「第８図（ａ）および（ｂ）は本発明および従来例の薄
膜ＥＩ、素子の電圧−発光効率の比較図」を［第８図は
本発明（ａ）および従来例（ｂ）の薄膜ＥＬ累子の電圧
−発光効率の比較図」に補正する。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　発光層が柱状多結晶材料から構成され，かつ発
   光層はII−Ｖ族化合物に発光中心を構成する元素又は化
   合物を添加した材料からなる柱状多結晶の薄膜ＥＬ素子
   において，発光層と基板の間にバッファ層を設けたこと
   を特徴とする薄膜ＥＬ素子。
2. （２）　前記発光層は硫化カルシウム（ＣａＳ）にユウ
   ロピウム（Ｅｕ）を添加してなる柱状多結晶から成り，
   バッファ層は硫化亜鉛（ＺｎＳ）より成る特許請求の範
   囲第（１）項記載の薄膜ＥＬ素子。
3. （３）　透明電極と誘電体層と発光層と，背圧電極とを
   具えた薄膜ＥＬ素子の製造方法において，発光層の形成
   工程が，発光層の母材あるいは母材の構成元素と発光中
   心不純物とを夫々別の蒸発源すなわち多元から蒸発せし
   め，基板上に設けたバッファ層上で結合させる多元蒸着
   工程であることを特徴とする薄膜ＥＬ素子の製造方法。
4. （４）　前記多元蒸着工程は１０＾−＾３Ｔｏｒｒ乃至
   １０＾−＾６Ｔｏｒｒの真空中で行なうことを特徴とす
   る特許請求の範囲第（４）項記載の薄膜ＥＬ素子の製造
   方法。
5. （５）　前記多元蒸発工程は，カルシウム（Ｃａ）又は
   硫化カルシウム（ＣａＳ）とイオウ（Ｓ）とユウロピウ
   ム（Ｅｕ）又は硫化ユウロピウム（ＥｕＳ）とからなる
   蒸発源から組み合わされて，ＣａＳ：Ｅｕ発光層を形成
   する工程であることを特徴とする特許請求の範囲第（３
   ）項記載の薄膜ＥＬ素子の製造方法。
6. （６）　前記多元蒸着工程は前記蒸着源がストロンチウ
   ム（Ｓｒ）又は硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）とイオウ
   （Ｓ）とフッ化セリウム（ＣｅＦ＿３）および塩化カリ
   ウム（ＫＣｌ）とからなる蒸発源から組み合わされて，
   ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｋ発光層を形成する工程であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の薄膜ＥＬ素子
   の製造方法。