JPH02173619A - 電界発光素子 - 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、平面型表示装置や一次元発光体を形成する薄
膜電界発光（ＥＬ：エレクトロ・ルミネッセンス）素子
に関するものである。

（従来の技術） 従来、薄膜ＥＬ素子として実用化されている発光層の母
結晶としては、ＺｎＳ、　Ｚｎ５ｅ、　ＣａＳ、　Ｓｒ
Ｓ等が知られている。又、発光中心材料としては、発光
色に応じて希土類、遷移金属、ハロゲン、アルカリ金属
、アルカリ土類金属或いはこれらを含む化合物等が知ら
れている。

（発明が解決しようとしている問題点）しかしながら、
薄膜型ＥＬ素子の発光層は、抵抗加熱、電子ビーム蒸着
或いはスパッタ法により生成するが、膜の構造欠陥等の
ため特に湿度に弱く、発光が不安定であったり、劣化す
るという欠点があり、素子端面をも包みこむ防湿１模を
必要とするという問題があった。

かかる耐湿性の問題を解決するために、発光層をダイヤ
モンド状炭素膜で形成したＥＬ素子が、＾ｐｐ１．　Ｐ
ｈｙｓ、　Ｌｃｔｔ、［５３（１９）　９Ｊ１　１９８
ｇ年１４［に開示されている。

かかるＥＬ素子は、従来材料を用いたＥＬ素子に比べ耐
湿性に優れたものであるが、印加電圧が高く、低輝度で
発光寿命も短いという欠点を有する。

そこで本発明の１−１的は、上記従来技術の問題点を解
決し、耐湿性に優れ、印加電圧でも高輝度、長寿命であ
り、しかもより短波長側に発光するＥＬ素子を提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

すなわち、本発明は、ダイヤモンド状炭素膜からなる発
光層が、酸素とそれ以外の元素を微量含有していること
を特徴とするＥＬｉ子である。

（作　　用） 本発明ではＥＬ素子の発光層としてダイヤモンド状炭素
膜を用い、該発光層に酸素とそれ以外の元素を微量含有
させたことにより、可視光全域を対象とした高輝度及び
長寿命のＥＬ素子を実現したものである。

（好ましい実施態様） 次に好ましい実施態様により本発明を更に詳しく説明す
る。

本発明に用いられるダイヤモンド状炭素膜（以下ＤＬＣ
膜）は、ＳＦ３　Ｍ４造の炭素を主体として含有してい
る炭素膜で、短距離的にはダイヤモンド構造を有するが
、長距離的には秩序が乱れアモルファス性が高いもので
ある。この様なり１．（：　ＩＩＱはダイヤモンドに近
い特性を有し、例えば、可視光に対し透明であったり、
抵抗率が１０＋２Ωｃｍ以上、硬度がビッカース硬度で
ｌｌｖ≧２０００にｇ／ｍｒｆである平滑な膜である。

ＤＬＣＩＩ’２の形成方法としては、公知のイオンビー
ムスパッタ法、イオンビーム蒸着法、ＲＦ−プラズマＣ
ＶＤ法、ＤＣグロー放電法、ＥＣＲ−プラズマＣＶＤ法
等が挙げられる。

特に、本発明に用いられるｏｃＬｌｌＱは、発光色に対
して透明であることが必要であり、可視光全域をカバー
するため、Ｅｇ　ｏｐＬ　（光学的バンド・ギャップ）
が１．５ｅＶ以上、好ましくは２．ＯｅＶ以上であるこ
とが必要である。

ここで、発光層に用いるＤＣＬ　［は、Ｅｇ　ｏｐＬ≧
２、ＯｅＶのものであり、発光中心となる原子或は化合
物の数を増加させ、多色発光を可能とすることができる
。又、抵抗率が１０’Ωｃｍ以上と大きく、発光中心を
励起する電子を十分加速することのできる絶縁耐圧を有
している。この結果、効率良く発光中心を励起すること
ができ、高輝度発光が得られる、また、　ＤＣＬ　ＩＩ
Ｑは、化学的に安定であり、特に温度や雰囲気の影響を
受けることなく長寿命の素子を得ることができる。

第１図及び第２図に本発明のＥＬ素子の断面図を示す。

第１図中１はＥＬ素子の基板で、ガラス、石英の様な透
明なものと、５ｉ（ｎ”）、Ｉｆ、　Ａｕ、Ａ１、Ｃｕ
、　Ｔｉ、　Ｏｒ、　Ｔａ、　Ｍｏ等の金属又は半導体
のバルク或いは膜である。この基板はＤ１□Ｃ膜を形成
する温度、例えば、室温乃ｑ５ｏｏ℃の温度で安定的に
存在出来るものでなければならない。金属又は半導体の
場合には、ＥＬ発先の反射層とＥＬ素子の電極層とを兼
ねることができる。第４図中２は透明導電膜である、Ｉ
ＴＯ，５ｎ０２、ＺｎＯ５Ｓｎ０２−５ｂ、　ＣｄｚＳ
ｎ０４等からなる。この透明導電膜は、真空蒸着法、イ
オンブレーティング法、スパッタ法、スプレィ法、ＣＶ
Ｄ法等により５００人乃至１．５００人程度の厚さで形
成される。第１図中３は絶縁層であり、可視領域で透明
で絶縁耐圧が高く且つ誘電率の大きい材料が通している
。この様な材料トシテ５ｉ０２、Ｙ２Ｏ，、Ｉｔ　ｆ　
Ｏ２、Ｓｉ、Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ，、ＰｂＴｉ
Ｏ３、ＢａＴａ、Ｏｎ、５ｒＴｉＯ＋等の誘電体が挙げ
られる。これらの材料も１１１述透明導電膜の形成方法
のいずれかにより、５００人乃至５．０００人の厚みの
範囲で形成される。第１図中４はＤＬＣ膜からなる発光
層で、前述の形成方法により０．１乃至２μｍの厚さに
形成される。

このとき使用するガスは含炭素ガスであるメタン、エタ
ン、プロパン、エチレン、ベンゼン、アセチレン等の炭
化水素、塩化メチレン、四塩化炭素、クロルフォルム、
トリクロルエタン等のハロゲン炭素、メチルアルコール
、エチルアルコール等のアルコール類、　ＣＯ，％ＣＯ
等のガスとＮ、、　Ｉ＋、、０□、１１２０、＾ｒ等の
ガスである。

ＤＥＣ膜に酸素を含有させる方法は、原料ガスにＣ＋１
３０１１、Ｃ，１１，０１１等のアルコール類、（ＣＩ
＋３）　２（：Ｏ。

（Ｃ６１１Ｓ）　ＧＯ等のケトン類やＣＯやＣＯ□等の
炭素と酸素元素を含有するガスを用いる方法、０２や１
１２０等の酸素を含有するガス雰囲気或いはプラズマ中
でＤＬに　ＩＩＱの生成を行なう方法、更には［ｌＬＣ
膜生成後、０２や１１２０雰囲気或いはプラズマ近傍で
酸化する方法がある。酸素含有績は５ａｔｏａ＋％以下
、好ましくは０．１ａｔｏｓ％以上が好ましく、５ａＬ
ｏｍ％を越えると構造が不安定となり、繰り返し耐久性
が低下し、又、含酸素ガスを混合して用いる場合は特に
成膜速度が低下し、一方、　Ｏ，ｌａｔｏｍ％以下では
発光強度が低下する。

更に、発光中心となる徴！１の元素を混入することによ
り、発光中心固有の発光色を１！ｌることが出来る。こ
の発光中心材料として、短波長側では、口、Ｔｅ、＾Ｓ
、＾ｕ、　Ｍｇ、　Ｐ、　Ｓｂ、　Ｓｉ、　Ｔａ、　Ｎ
　、長波長側では、Ｔ１、Ｂａ、　Ｌｉ、　（：ｄ、　
Ｃｓ、　Ｉｎ、　Ｒａ、　Ｓ、　Ｓｒ、Ｔｉ、　Ｚｎ、
　Ｃａ、　Ｃｅ、　Ｇｏ、　Ｇｒ、　Ｆｅ、　Ｇａ、に
、Ｍｎ、　Ｎｂ、Ｏｓ、　Ｐｂ、　ｌ（ｂ、　Ｒｈ、　
Ｓｃ％Ｔｈ、　Ｖ、　Ｌ　Ｙ、又、これら２つの中間波
長領域としては、Ａｇ、　ｎｅ、　Ｂｉ、　Ｃｕ、Ｇｅ
、ｌ１ｇ、　ＰＬ％Ｉｌｅ％Ｚｒ、ＡＩ、　　Ｉｒ、Ｎ
ｉ％Ｒｕ、　Ｓｎ、　Ｔｂが挙げられる。

又、これら元素のハロゲン化物、硫化物、酸化物であっ
てもよい。これらの発光中心材料はＤＬＣ膜の約０．１
乃至３重量％の割合でｏｔ、ｃ　ＩＩＱ中に含有させる
ことが好ましい、含有させる割合が０．１重量％未満で
あると発光が得られなかったり、輝度や効率が低いとい
う点で不十分であり、又、３ｆｆｌｆｆｉ％を越えると
逆に輝度、効率が低下する等の点で不十分となるので好
ましくない。

これらの発光中心を発光層中に含有させるには、前述Ｄ
１．Ｃ膜の形成時に同一真空槽中に併設される前記発光
中心となる元素若しくはその化合物又は混合物からなる
ターゲットをイオンビーム等によりスパッタすることに
より実現される。益述イオンビームは、公知のイオンガ
ンを用いることにより得られ、＾ｒ、ｌｌｃ、Ｎ２．０
３、Ｉ＋２等のガスを用いてイオンビームを形成する。

第１図中５は絶縁層であり第１図中３と同様である。第
１図中６は電極であり、＾１、＾Ｕ、Ａｇ、Ｐｔ、　Ｗ
、　Ｃｕ、　Ｔｉ、　Ｎｉ等の金属であり、コノ電極は
透明電極であり得る。電極は真空蒸着法、イオンブレー
ティング法、スパッタリング法、ｃｖＤ法、メツキ等に
より厚さ５００乃至１，５００人の厚みに形成される。

この結果電極間に交流電場をかけるとガラス側よりＥＬ
全発光得られる。

一方、第２図では、７は電極で、ＤＬＣ膜形成温度で安
定な金属或いは半導体である。８は絶縁層で、第１図中
３と同様である。９は発光層で第１図中４と同様で、１
０は第１図中５と同様である。１１は透明導電膜で第１
図中２と同様である。従って、第２図の構成によれば、
ＥＬ発先は図中上面より得られる。

尚、絶縁層は発光層をサンドイッチするだけでなく、発
光層の片側だけであってもよく、更に複合化することに
よりピンホール、局所的欠陥の成長を阻止する等の相乗
効率を１ｉｌることができる。

又、発光層をサンドイッチする絶縁層のＨさは、前述の
範囲であれば同じ厚さでも異なる厚さであってもよい。

尚、前述第１図及び２図のＥＬ構造より明らかな様に、
基体がガラスの様な透明体の場合にはこの上に透明導電
膜層／絶縁層／発光層／絶縁層／金属電極（反射層を兼
ねる）と、基体が金属又は半導体の場合には、この上に
絶縁層／発光層／絶縁層／透明導電膜層の２つの基本構
成が可能である。

すなわち、ＥＬ素子の電極は一方が透明導電膜であり、
もう一方が不透明な金属又は半導体電極であればよく、
発光の取り出し方向により構成位置が変わる。

（実施例） 以下実施例について図面を参照して詳細に説明する。

実施例１ 第３図に本実施例のＥＬ素子の断面図を示す。

先ず、図中１２の石英基体にＩＴＯ膜１３をイオンブレ
ーティング法により１，０００人の厚みに形成する。こ
の−Ｆに、１ｌｆ０２層１４を反応性蒸着法により、２
，０００人の厚みに形成する。次に第４図に示す成膜装
置によりＤＬＣ膜と発光中心のドーピングを同時に行っ
た。第４図中１８の成膜室に基体１９を設置し、プラズ
マ発生室２ｏにｅｌ＋４：　２５ＳＣＣＭ、ＩＩ２：　
２５　ＳＣＣＭの流ζｌでガス供給系２１より導入した
後、マイクロ波発ｉ器系２２より２．４５ＣＩＩＺのマ
イクロ波を２００Ｗで導入した。このとき、外部磁場２
３によりプラズマ室出口付近が８７５　Ｇａｕｓｓとな
るように磁場を配置した。このときプラズマ窒出［１に
ある引き出し電極２４より加速電圧５００ｖでイオンビ
ームを引き出し、基体上にＤＬＣ膜を形成した。このと
き基体の温度は３００℃とした。同時に＾ｒガスをカウ
フマン型イオン源２５に導入し、＾ｒイオンビームを生
成し、Ｔｅターゲット２６に照射しスパッタした。この
ときの真空槽の真空度は５×１０−’Ｔｏｒｒに保持し
た。Ｔｃ濃度は０．５ｗＬ％となるよう４Ａ整した。次
に、ＩＩｆ０２層１６を反応性蒸着法により２，０００
人の厚みに形成し、この上に、＾ｌ電極１７をφ５ＩＩ
１１の大きさで真空蒸着法により１，０００人の厚みに
形成した。

このＥＬ素子の電極１３−１７間に、周波数３にＨｚの
交流電場を印加したところ、１００Ｖより発光が開始し
、２００ｖで飽和した。このときの発光色は青白色であ
った。

更に３Ｋｌｌｚ、１００Ｖでこの素子を作動させたとこ
ろ、発光輝度は１０「して、半減寿命が５．０００時間
以上であった。

実施例２ 発光中心材料をＴｂとする以外は、実施例１と同様にし
てＥＬ素子を作成した。Ｔｂの濃度は０．３Ｗ［％とし
た。このＥＬ４子に周波数４にｌｌｚの交流電場を印加
したところ１２０ｖより発光が開始し、２００ｖで飽和
した。このときの発光色は緑色であった。この素子を２
００ｖで作動させたときの輝度は２００ｒ１．であり、
半減）、ｉ命は５．０００時間以」ニであった。

実施例３ 発光中心材料をＭｎとする以外は、実施例１と同様にし
てＥＬ素子を作成した。Ｍｎの濃度は０．５ａｔ％とし
た。このＥＬ素子に周波数５にｌｌｚの交流電場を印加
したところ１５０ｖより発光が開始し、２００ｖで飽和
した。このときの発光色は赤色であった。この素子を２
００ｖで作動させたときの輝度は１００ｆ１．であり、
半減寿命は５，０００時間以上であった。

（発明の効果） 以上説明したように、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜
）からなる発光層に、酸素とそれ以外の元素を微量含有
させることにより、可視光全域をカバーできる高輝度及
び長寿命のＥＬ素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＥＬ素子の断面図、 第２図は本発明のＥＬ素子の断面図、 第３図は本発明の実施例１のＥＬ素子の断面図、 第４図は本発明においてダイヤモンド状炭ｉ薄膜を形成
するために用いた成膜装置の概略図、 １−−−ＥＬ基体　２・−・−透明導電膜３・・・・・
・絶縁層 ４−−−−−−ダイヤモンド状炭素薄膜からなる発光層
５−−−−−−絶縁層　　　　　６−−−−−電　極７
・・・・・・金属又は半導体からなる電極層８．１０−
−−一絶縁層 ９−−−−−ダイヤモンド状炭素薄膜からなる発光層１
１−−−−−透明導電膜 １２−−−ＥＬ基体（石英） １３　・”−・ＳｎＯ□層　　　　１４．　１６＝＝ｌ
Ｉｆ０２層１５−−−−−ダイヤモンド状炭素薄膜から
なる発光層１７−−−−−−へ■電極 １Ｂ−−−−−成膜室　　　　１９−−−−−−基体２
０−−−−プラズマ発生室 ２１−−−−−ガス供給系 ２２−−−−−マイクロ波発振器系 ２３・・・・−外部磁場　　　２４−−−−−−引き出
し電極２５−−−−−−カウフマン型イオン源２６−−
−−・スパッタ・ターゲット 特許出願人　　キャノン株式会社 第１図 第２図 第３図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド状炭素膜からなる発光層が、酸素と
   それ以外の元素を微量含有しているいることを特徴とす
   る電界発光素子。