JPH04276668A - 電荷注入型エレクトロルミネッセンス素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電場を印加することに
より発光する電荷注入型エレクトロルミネッセンス（以
下ＥＬと略す）素子のうち、過電流による破壊が生じに
くい安定性の高い電荷注入型ＥＬ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電荷注入型ＥＬ素子としては、発光ダイ
オード（以下ＬＥＤと略す）と有機ＥＬの２種の発光素
子が知られている。これらは、いずれも電子と正孔とが
再結合する際に発生するエネルギーを利用して発光する
という点で共通のメカニズムを有する素子であるが、構
造や発光メカニズムに違いがある。図４は、ＬＥＤの構
造の一例を示したものである。図４によりＬＥＤの構造
と発光メカニズムを説明する。ｎ−ＧａＰ：Ｓから成る
Ｎ型基板１上には、Ｎ型半導体層２としてｎ−ＧａＰ：
Ｔｅを液層でエピタキシャル成長させ、その上にＰ型半
導体層３としてｐ−ＧａＰ：Ｚｎ，Ｏを液層でエピタキ
シャル成長させる。電極は、陰極４を前記の半導体膜を
成長させたのとは反対側の基板上に形成し、陽極５はＰ
型のｐ−ＧａＰ：Ｚｎ，Ｏ上に形成する。

【０００３】このようにして作製されたＬＥＤは、Ｎ型
半導体層２とＰ型半導体層３とで形成されたＰＮ接合面
にＰ側が正になるように数ボルトの電圧を印加すると、
正孔が多数存在するＰ型半導体層内にＮ型半導体層２よ
り電子が注入される。それらの電子や正孔は、Ｐ型半導
体層３中のＺｎ，Ｏの働きにより励起子を形成し、それ
が再結合する時に赤色の発光が得られる。最近では、こ
のようなＬＥＤを基板上にいくつも平面的に形成し、平
板ディスプレイを作製する研究が進んでいる。

【０００４】また、ＬＥＤのひとつのタイプとして最近
注目されているものに量子井戸型発光素子（以下ＱＷＤ
と略す）が挙げられる。これはバンドギャップの異なっ
た複数の半導体の極めて薄い薄膜によって周期構造を形
成し、電荷を注入する時のバンドの傾きに応じて電子と
正孔のそれぞれの波動関数の局在した空間が重なるよう
に構成して有効にキャリアーが再結合することを期待し
たものである。図５はＱＷＤの構造の一例を示したもの
である。図５を用いてＱＷＤの構造と発光メカニズムを
説明する。

【０００５】Ｎ型のＧａＡｓ基板６上に、基板温度を２
００〜３００℃に保ってＮ型半導体層として５〜５０オ
ングストロームの厚みのＺｎＳｅ層７を電子線加熱蒸着
法により成膜する。その上にＰ型半導体層としてＺｎＴ
ｅ層８を形成するためにＺｎＴｅとＬｉ３　Ｐを同時に
加熱して蒸発させ、ｐ−ＺｎＴｅ；Ｌｉ，Ｐ薄膜を５〜
５０オングストローム成膜する。これを複数回（例えば
１００回）繰り返して膜厚約１０００〜１００００オン
グストロームの多層薄膜積層体量子井戸発光層９とする
。 陰極１０を半導体膜を成長させたのとは反対側の基板上
に形成し、陽極１１は多層薄膜積層体量子井戸発光層９
上に形成する。この素子においては多層薄膜積層体のＧ
ａＡｓ基板６に接するＺｎＳｅ層７が電子注入層として
、また、陽極１１と接するｐ−ＺｎＴｅ；Ｌｉ，Ｐ層が
正孔注入層として機能する。

【０００６】このようにして作製されたＱＷＤは、電圧
を印加すると陰極から注入された電子の波動関数はｎ−
ＺｎＳｅ層内の導電帯の底付近に局在化し、陽極から注
入された正孔の波動関数はｐ−ＺｎＴｅ；Ｌｉ，Ｐ層内
の価電子帯の頂付近に局在化する。この量子井戸構造は
タイプ１’なので電界のかかっていない状態ではｎ−Ｚ
ｎＳｅ層内の導電帯の底とｐ−ＺｎＴｅ；Ｌｉ，Ｐ層内
の価電子帯の頂は空間的には重なっていないが、電界の
かかっている状態では図７に模式的に示すように、波動
関数はよりエネルギーの低い部分に局在化していくので
空間的に同一の位置を占めるようになる。そしてそれら
が再結合する時に青色の発光が得られる。

【０００７】一方、図６は、有機ＥＬ素子の代表的な構
成を示している。図６を用いて有機ＥＬ素子の基本構造
、製造方法および動作メカニズムを説明する。図６にお
いてガラス基板１２上に、透明電極１３としてＩＴＯな
どの透明電極材料をスパッタ、真空蒸着法により成膜し
た後に、フォトリソグラフィの方法を用いて所定の形状
にパターニングする。その上に正孔輸送層１４として、
ＴＡＤなどの正孔に対し導電性の良い材料をキャスティ
ング法、印刷法、蒸着法、ラングミュアーブロジェット
法などを用いて成膜する。その上に発光層１５として、

【０００８】

【化１】 で表せるＰＥや

【０００９】

【化２】 で表せるＮＳＤや

【００１０】

【化３】 で表せるＤＡＮなどの蛍光体を正孔輸送層と同様の方法
を用いて形成する。続いて発光層１５の上に、電子輸送
層１６として、

【００１１】

【化４】 で表せるＰＢＤなどを正孔輸送層と同様な方法で成膜す
る。その上にＭｇＡｌ（マグネシウムアルミニウム）な
どにより上部電極１７を真空蒸着法などを用いて成膜し
、さらにフォトリソグラフィ法によってパターニングす
ることによりドットマトリックス型あるいはセグメント
型の有機ＥＬ素子が完成する。

【００１２】駆動は、通常、透明電極を陽極、上部電極
を陰極とし、直流のパルス電圧を印加させることによっ
て行う。電子は上部電極から電子輸送層を通って、また
、正孔は透明電極から正孔輸送層を通って、いずれも発
光層に注入され、そこで励起子を生成する。励起子は、
発光層内の再結合中心を介して再結合し、発光が得られ
る。電子輸送層は正孔を、正孔輸送層は電子を通さない
性質を持つ方が、キャリアが発光層内に閉じ込められる
ため発光効率が良くなる。この有機ＥＬでは、発光効率
０．５１ｍ／Ｗ程度の高発光効率の素子が報告されてい
る。

【００１３】このような有機ＥＬは、一般にアモルファ
ス状態での素子を形成するため、大面積の平板型ディス
プレイへの応用が容易であり、しかも、衝突励起型ＥＬ
素子と比べて、低電圧で動作し、しかも高効率の蛍光体
の種類が豊富でカラー化も容易であるという特徴がある
ことから、新タイプの平板型ディスプレイとしての応用
が期待されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電荷注入型ＥＬ素子は、ピンホールなどの膜の欠陥があ
るとそこに電流が集中し、その際発生するジュール熱に
より素子が破壊を起こすという重大な欠点があった。こ
れは、特にディスプレイ等のように大きい面積の素子を
製造する場合は非常に重要な問題となる。単に歩留が悪
くコストアップの要因になるだけではなく、素子の信頼
性を低下させることにもつながる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点を
解決するためになされたものであって、発光領域と陰極
側電極との間にＮ型半導体層または電子輸送層を有し、
前記発光領域と陽極側電極との間にＰ型半導体層または
正孔輸送層を有し、前記陽極と前記陰極との間に直流電
圧を印加することにより発光領域に電子と正孔を注入し
、前記電子と前記正孔とが再結合する際に放出されるエ
ネルギーを利用して発光する電荷注入型エレクトロルミ
ネッセンス素子であって、前記Ｎ型半導体層または電子
輸送層と前記陰極側電極との間、または前記Ｐ型半導体
層または正孔輸送層と前記陽極側電極との間のいずれか
一方に、導電性微粉末をバインダーで固定した電流制限
層を挿入したことを特徴とする電荷注入型エレクトロル
ミネッセンス素子である。

【００１６】前記電流制限層としては、３×１０３　Ω
・ｃｍから１×１０６　Ω・ｃｍの抵抗率を有する導電
性微粉末をバインダー樹脂等を用いて固められる。ゴミ
やほこりなどの混入によりピンホール等の欠陥を生じに
くくし、また、抵抗体が無数の点接触の集まりから成る
ようにするために１μｍ以上の膜厚に固めるのが好まし
い。また、厚みの上限は２００μｍ以下とするのが好ま
しい。

【００１７】導電性微粉末としては、Ｃｕをコートした
ＺｎＳ、ＭｎＯ２、ＰｂＳ，ＣｕＯ，ＰｂＯ，Ｔｂ４　
Ｏ７　，Ｅｕ２　Ｏ３　，ＰｒＯ２　、カーボン、チタ
ン酸バリウムなどが、単体、あるいは、混合物の形で用
いられる。 コントラストを上げるために、黒色または暗色の物質が
好んで使われる。導電性微粉末の粒径は、１μｍ以下が
好ましく、さらに望ましくは０．２μｍ以下であると良
い。

【００１８】バインダーには、例えば、ビニル系樹脂、
ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、セルロース系
樹脂、ポリウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン
系樹脂、シリコーン系樹脂、尿素系樹脂などが挙げられ
るが、特に水酸基、カルボキシル基、スルホニル基、ニ
トロ基などの極性基や、エポキシ基、イソシアヌル基、
シラノール基などの反応性基を有した樹脂が好適に用い
られる。また、粉体とバインダーとして用いられる樹脂
の体積混合比率は、粉体：バインダー樹脂で、２：８〜
６：４の範囲にあることが好ましい。対象となる電荷注
入型ＥＬ素子としては、ＬＥＤ、ＱＷＤ、有機ＥＬ等と
くに限定されるものではない。

【００１９】

【作用】微粉末をバインダーで固定した電流制限層は、
膜が厚いのでゴミやほこりなどの混入によりピンホール
等の欠陥が生じにくく、また、その層の中の抵抗体は無
数の点接触の集まりから成っている。そのためピンホー
ル等の欠陥が本発明にかかる電流制限層では生じにくい
。また、電流制限層の下の素子部分に欠陥があり、その
領域に相当する電流制限層部分に局所的に電流が集中し
ても、まず、一番抵抗の高い点接触部分が発熱し、その
周辺のバインダーが膨脹あるいは分解とガス化を起こし
、点接触部分での微粉末同士の接触が離れることにより
その部分の抵抗が大きくなり、電流を減少させ、ジュー
ル熱による破壊を未然に防ぐ作用がある。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。図１
、図２、図３は、それぞれ本発明の電荷注入型エレクト
ロルミネッセンス素子の実施例１、２、３の一部断面図
で、図４、図５、図６は従来の技術の電荷注入型エレク
トロルミネッセンス素子の一部断面図である。 実施例１ ｐ−ＧａＮから成るＮ型基板２４上に、ジメチルＺｎと
セレン化水素を種原料に用いて、有機金属化合物の熱分
解反応を利用したｍｅｔａｌ　　ｏｒｇａｎｉｃｃｈｅ
ｍｉｃａｌ　　ｖａｐｏｒ　　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法
（以下ＭＯＣＶＤ法と略す）によりＰ型半導体層として
ｐ−ＺｎＳｅ：Ｌｉ層２５を５０ｎｍ、続いてその上に
Ｎ型半導体層としてｎ−ＺｎＳｅ：Ｉ層２６を５０ｎｍ
の膜厚でエピタキシャル成長させた。続いて、ＭｎＯ２
粉末を樹脂とシンナーからなる混合液に分散させた塗料
をスプレイー法を用いて塗布、乾燥させ、抵抗率が１．
５×１０５　Ω・ｃｍで膜厚が２０μｍの電流制限層２
９を形成し、その上に陽極側電極として、ＡｕＺｎ（金
亜鉛）層２８を電子ビーム蒸着法で１００ｎｍの膜厚で
成膜した。最後に陰極側電極として、ＡｕＳｉ（金シリ
コン）層２７を半導体膜を成長させたのとは反対側の基
板上に形成した。 このようにして作製されたＬＥＤは、Ｎ型半導体層とＰ
型半導体層とで形成されたＰＮ接合面に数十Ｖの電圧を
印加すると、Ｐ型半導体層内に多数存在する正孔にＮ型
半導体層より電子が注入され、それらが再結合する時に
、青色の発光が得られる。作製したｎ−ＺｎＳｅ：Ｉ層
２６の抵抗率は１０２　Ω・ｃｍ程度であり、抵抗が大
きいためこのＮ型半導体層には大きな電界がかかる。従
来の電流制限層がない場合には、Ｎ型半導体層の部分に
存在する微少な欠陥が引金となって破壊を起こすことが
多かったが、本実施例では、電流制限層の効果により、
全く破壊が起こらなかった。

【００２１】実施例２ 透明なガラス基板３０（商品名ｃｏｒｎｉｎｇ　　７０
５９ガラス）上に、透明電極３１としてＩＴＯ（錫ドー
プ酸化インジウム）を反応性スパッタ法を用いて約５０
０ｎｍの厚さに成膜した後、フォトリソグラフィ法によ
り１ｍｍ当り５本のピッチでストライプ状にパターニン
グした。次に基板温度を２８０℃に保ってＰ型半導体層
３２としてＺｎＴｅとＬｉ３　Ｐを同時に加熱して蒸発
させ、ｐ−ＺｎＴｅ：Ｌｉ，Ｐ薄膜を１０オングストロ
ーム成膜した。さらにＮ型半導体層３３としてＺｎＳｅ
を電子線加熱によって蒸発させ、ｎ−ＺｎＳｅ薄膜を１
０オングストローム成膜した。これを２５０回繰り返し
て膜厚約５０００オングストロームの多層薄膜積層体量
子井戸発光層３４を形成した。続いて、ＭｎＯ２粉末を
樹脂とシンナーとの混合液に分散させた塗料をスプレイ
ー法を用いて塗布、乾燥させ、抵抗率が１．５×１０５
　Ω・ｃｍで膜厚が２０μｍの電流制限層２９を形成し
、その上に陰極側電極３５として、Ａｌ（アルミニウム
）を電子ビーム蒸着法で１μｍの膜厚で成膜した。この
ようにして作製されたＱＷＤは、ＩＴＯを陽極側電極、
Ａｌを陰極側電極にして電圧を印加すると、緑色の発光
が得られた。従来の電流制限層がないＱＷＤの場合には
、接合構造が多数存在するので高電界で発光させねばな
らず、その様な高電界下では破壊を起こすことが多かっ
たが、本実施例では、電流制限層の効果により、全く破
壊が起こらなかった。

【００２２】実施例３ 透明なガラス基板（商品名ｃｏｒｎｉｎｇ　　７０５９
ガラス）３０上に、透明電極３１としてＩＴＯを反応性
スパッタ法を用いて約５００ｎｍの厚さに成膜した後、
フォトリソグラフィ法により１ｍｍ当り５本のピッチで
ストライプ状にパターニングした。その上に前記ＴＡＤ
からなる正孔輸送層３２を蒸着法により成膜した。その
後正孔輸送層３２の上に、ＰＥとＮＳＤとＡＮの蛍光体
の混合物からなる発光層３３を蒸着法により形成した。 さらにその上にＰＢＤからなる電子輸送層３４を蒸着法
により成膜した。続いて、ＭｎＯ２粉末を樹脂とシンナ
ーとの混合液に分散させた塗料をスプレイー法を用いて
塗布し、乾燥させ、抵抗率が１．５×１０５　Ω・ｃｍ
で膜厚が１０μｍの電流制限層２９を形成し、最後に陰
極側電極として、ＭｇＡｌ（マグネシウムアルミニウム
合金）電極３５を電子ビーム蒸着法で１μｍの膜厚で成
膜し、さらにフォトリソグラフィ法によってパターニン
グすることによってドットマトリックス型の有機ＥＬ素
子を作成した。駆動は、通常、透明電極３１を陽極、Ｍ
ｇＡｌ電極３５を陰極とし、直流のパルス電圧を印加さ
せることによって行う。電子はＭｇＡｌ電極から電子輸
送層を通って、また、正孔は、透明電極から正孔輸送層
を通って、いずれも発光層に注入され、発光層内で励起
子を生成する。発生した励起子は、さらに発光層内の再
結合中心を介して再結合し発光が生ずる。この有機ＥＬ
では従来の技術では生じていた破壊が全く生じなかった
。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、電流集中による破壊現
象を防ぐことが出来る。そのため発光素子としての信頼
性が高くなる。また発光素子の製作歩留が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で示されるＬＥＤの一部断面
図

【図２】本発明の実施例２で示されるＱＷＤの一部断面
図

【図３】本発明の実施例３で示される有機ＥＬの一部断
面図

【図４】従来技術のＬＥＤの一部断面図

【図５】従来技
術のＱＷＤの一部断面図

【図６】従来技術の有機ＥＬの
一部断面図

【図７】ＱＷＤの多層薄膜周期構造に電界が
かかっている場合のエネルギー準位と波動関数が局在化
した様子を説明する図

【符号の説明】

１　　　　ｎ−ＧａＰ：ＳからなるＮ型基板２　　　　
Ｎ型半導体層ｎ−ＧａＰ：Ｔｅ３　　　　Ｐ型半導体層
ｐ−ＧａＰ：Ｚｎ，Ｏ４　　　　陰極 ５　　　　陽極 ６　　　　ＧａＡｓ基板 ７　　　　ＺｎＳｅ層 ８　　　　ＺｎＴｅ層 ９　　　　多層薄膜積層体量子井戸発光層１０　　　　
陰極 １１　　　　陽極 １２　　　　ガラス基板 １３　　　　透明電極 １４　　　　正孔輸送層 １５　　　　発光層 １６　　　　電子輸送層 １７　　　　上部電極 １８　　　　価電子帯の頂 １９　　　　仮想の価電子帯頂 ２０　　　　正孔の波動関数 ２１　　　　導電帯の底 ２２　　　　仮想の導電帯底 ２３　　　　電子の波動関数 ２４　　　　ｐ−ＧａＮからなるＮ型基板２５　　　　
ｐ−ＺｎＳｅ：Ｌｉ層 ２６　　　　ｎ−ＺｎＳｅ：Ｉ層 ２７　　　　ＡｕＳｉ層 ２８　　　　ＡｕＺｎ層 ２９　　　　電流制限層 ３０　　　　ガラス基板 ３１　　　　透明電極 ３２　　　　ＴＡＤからなる正孔輸送層３３　　　　Ｐ
ＥとＮＳＤとＡＮとからなる発光層３４　　　　ＰＢＤ
からなる電子輸送層３５　　　　ＭｇＡｌ電極

【化５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発光領域と陰極側電極との間にＮ型半
   導体層または電子輸送層を有し、前記発光領域と陽極側
   電極との間にＰ型半導体層または正孔輸送層を有し、前
   記陽極と前記陰極との間に直流電圧を印加することによ
   り発光領域に電子と正孔を注入し、前記電子と前記正孔
   とが再結合する際に放出されるエネルギーを利用して発
   光する電荷注入型エレクトロルミネッセンス素子におい
   て、前記Ｎ型半導体層または電子輸送層と前記陰極側電
   極との間、または前記Ｐ型半導体層または正孔輸送層と
   前記陽極側電極との間のいずれか一方に、導電性微粉末
   をバインダーで固定した電流制限層を挿入したことを特
   徴とする電荷注入型エレクトロルミネッセンス素子。