JPH0794284A - エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】絶縁破壊を防止した高輝度、高信頼性を有し
た、安定かつ実用的なEL素子を提供すること。 【構成】 図１で、EL素子100 は、ガラス基板１上に、
まず透明な ITO膜の第一電極2 、その上に透明なTa₂O₅
等の第一絶縁層3,4 、Mn添加のZnS の発光層５、透明な
Ta₂O₅等の第二絶縁層6,7 、透明なITO の第二電極8 、
次いで同じくSiONの第三絶縁層９、その上に有機フィル
タ10が形成されている。第三絶縁層は、特に酸窒化珪素
(SiON)が良く、エージング時の点破壊も起こらず、また
第三絶縁層９の挿入で、第二電極8 と有機フィルタ10と
の直接の接触を避け、第三絶縁層の材料選択、膜厚の制
御等で自己修復不可能型の素子破壊モードを無くすこと
ができ、従来構造に劣らぬ性能で耐久性ある実用的なEL
素子を提供できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エレクトロルミネッセ
ンス素子（以下、EL素子と記す）に関し、特に、例えば
計器類のバックライト用の面発光源などに使用される、
薄膜EL素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】EL素子は、硫化亜鉛（ZnS)などの蛍光体
に電界をかけたときに発光する現象を利用したもので、
従来より自発光型の平面ディスプレイを構成するものと
して注目されている。EL素子の典型的な断面構造は、ガ
ラス基板上に、第一電極、第一絶縁層、発光層、第二絶
縁層及び第二電極が順次積層されたものである。第一電
極としてはITO 等の透明電極、第一絶縁層及び第二絶縁
層としては窒化珪素(SiN) 、五酸化タンタル(Ta₂O₅) 等
がスパッタ法などにより形成される。発光層としては、
ZnS を母体材料とし、Mn、Tb、Smなどが発光中心元素と
して添加され、真空蒸着やスパッタ法により形成され
る。発光中心元素の種類により、発光色としてそれぞ
れ、上記Mnでは黄橙色、Tbでは緑色、Smでは赤色が得ら
れる。発光層の上に第二絶縁層、第二電極が形成され、
EL素子が構成される。

【０００３】例えば通常、比較的実現しやすい赤色発光
を得るEL素子の発光層材料として、硫化亜鉛(ZnS）を母
材とし三フッ化サマリウム（SmF₃）を添加したもの、あ
るいは硫化カルシウム(CaS) 母材にユーロピウム（Eu）
を添加したもの等があるが、これらは発光輝度の水準が
低い。また主にZnS:SmF₃系では、色純度に問題があり、
CaS:Eu系では、色純度としては高水準にあるものの、吸
湿性があるため素子破壊を含めた信頼性に大きな疑問が
持たれている。そこで、黄橙色発光を呈するZnS:Mn系の
発光層から成るEL素子に、570nm 以下の光をカットする
フィルタを用いて赤色光を得る方法が提案されている。
このEL素子の発光は、元々の黄橙色発光の輝度が高く、
フィルタを介しても十分な発光輝度を確保することがで
きるため、提案されているものである。フィルタを採用
するにあたって、無機フィルタを用いる場合は、蒸着、
スパッタなどで、ガラス基板を加熱しながら各層を堆積
させ、薄膜ELディスプレイ素子を形成する製造工程中に
フィルタ層を形成する工程を挿入することが可能であ
る。

【０００４】また例えば、特開昭57-25692号公報等に記
載されているように、特定の波長を透過または遮断する
光学フィルタ等を用いて、これを介してEL素子の発光と
して特定色を得るという手段が取り入れられている。図
２に、フィルタを導入したEL素子の典型的例の断面構造
を示した。図２のEL素子２００は、ガラス基板１１上の
所定の位置に、特定の波長を透過、または遮断するフィ
ルタ（無機フィルタ）１２ａ、１２ｂを形成した後、透
明電極１３（第一電極）を積層し、次に第一絶縁層１
４、発光層１５、第二絶縁層１６、その上に第二電極１
７と順次積層して形成されている。図２の発光層１５と
しては、母材の硫化亜鉛(ZnS) に発光中心フッ化プラセ
オジム(PrF₃)を添加したものを用いている。従って、発
光ピーク波長は、青緑色と赤色領域に存在する。このフ
ィルタ１２ａ、１２ｂは、発光層１５の発光面と平行
（同一平面内）方向に内設してあり、発光層ZnS:PrF₃の
発光ピーク波長が二つあることを利用して発光色をフィ
ルタで分離し取り出している。つまり、図２中、の位
置にあるフィルタ１２ｂは、赤色発光成分を遮断し、青
緑色成分の発光を透過させる機能を有し、の位置に置
かれたフィルタ１２ａは、上記フィルタ１２ｂとは逆に
赤色成分を通過させる機能を有する。また、の位置に
はフィルタがなく青緑色と赤色の両成分が混合された白
色発光が得られる。使用されるフィルタ１２ａ、１２ｂ
は膜の屈折率と膜厚を制御することにより干渉効果を有
効に利用することにより実現されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、EL素子
をセグメントパターンで発光させる場合等において、積
層構造であっても、ＲＧＢ（赤、緑、青）のフィルタを
使用する色が２色以上ある場合、それぞれの原色及び、
これら３色の混合による多色の発光を別々に取り出すこ
とはできない。また、次のようなEL素子の応用にも上記
フィルタ構造は不向きである。即ち、少なくとも上述の
構造（図２）の、フィルタを同一平面内に並べて設置し
た構造では、共通電極内であるので、同時に発光する構
造であり、セグメントの同一位置から色を変えた発光を
取り出すことは不可能である。

【０００６】また、光学フィルタの形成位置として、例
えば実公平5-21278 号公報の様に、酸化インジウム（In
₂O₃)の上に直接色素入りカラーフィルタをスクリーン印
刷により形成したEL素子５００が提案されている（図
５）。この第二電極５８上に直接光学フィルタ５９を形
成した構造では、独立した色を選択して取り出すことが
できるが、エージング及び連続発光試験を行った結果、
EL素子の絶縁破壊（自己修復不可能型、後述）の率が極
めて高い状態であることが発明者らの確認で判明した。
即ち、図１における光学フィルタ１０と第二電極８、第
二絶縁層９との直接の接触により、自己修復不可能モー
ドの素子破壊が大きくなる欠点が見出された。

【０００７】このような、EL素子の実用的な安定性を左
右する重要な因子としての膜の絶縁破壊に注目する必要
性も提唱されている。表裏の電極に挟まれた誘電体薄膜
のある一点で絶縁破壊が起こったとき、破壊が隣接点に
伝播して次第に広範囲に破壊領域が拡大していく（自己
修復不可能型、あるいは伝播モードという）場合と、破
壊がその一点のみに留まる（点破壊、あるいは自己修復
モードという）場合との差異がある。特に自己修復不可
能型はEL素子に致命的であり、これらのモードは、電極
の材質や厚さにも依存していて種々の材料が試用されて
いるが、破壊のはっきりした原因はまだ解明されておら
ず、実用的に安定な素子を提供するに至っていない。そ
こで本発明は、自己修復不可能型の絶縁破壊を防止した
高輝度、高信頼性を有した、安定かつ実用的なEL素子を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、絶縁性基板上に第一電極、第一絶縁
層、発光層、第二絶縁層、及び第二電極が順次積層さ
れ、少なくとも光取り出し側が光学的に透明な材料にて
構成され、前記第二電極上の光取り出し側に光学フィル
タを有するエレクトロルミネッセンス素子であって、前
記第二電極と前記光学フィルタとの間に第三絶縁層を有
し、該第三絶縁層は前記第二電極と前記光学フィルタと
を完全に分離している構造となっていることである。ま
た、この関連発明の構成は、前記第三絶縁層が、窒化珪
素（SiN)、酸窒化珪素（SiON）、酸化タンタル（Ta
₂O₅)、酸化アルミニウム（Al₂O₃)、酸化珪素（SiO₂）の
いずれか１種類の膜、またはそれらのうちの複数の積層
膜より成ることである。

【０００９】

【作用及び発明の効果】第二電極と光学フィルタとの間
に、第三絶縁層の挿入を行い、第二電極と光学フィルタ
とを分離することで、EL素子の自己修復不可能型の破壊
は防止される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は、本発明に係わるEL素子の縦断面を示し
た模式図である。EL素子１００は、絶縁性基板であるガ
ラス基板１上に順次、以下の薄膜が積層形成されてい
る。ガラス基板１上には、光学的に透明な ITO (Indium
Tin Oxide) 膜からなる第一透明電極（第一電極）２が
形成され、その上面には、光学的に透明な五酸化タンタ
ル(Ta₂O₅) ほかから成る第一絶縁層３、４、マンガン
（Mn）が添加された硫化亜鉛（ZnS)から成る発光層５、
光学的に透明な Ta₂O₅等から成る第二絶縁層６、７、光
学的に透明なITO から成る第二透明電極（第二電極）
８、次いで同じく光学的に透明な酸窒化珪素(SiON)から
成る第三絶縁層９、その上面に有機顔料分散型フィルタ
（有機フィルタ）１０が形成されている。

【００１１】次に、上述のEL素子１００の製造方法を以
下に述べる。まず、ガラス基板１上に第一透明電極２を
成膜した。蒸着材料として酸化インジウム(In₂O₃) と酸
化錫(SnO₂)の混合粉末をペレット状に成形したものを用
い、成膜装置としてはイオンプレーティング装置を用い
た。具体的には、ガラス基板の温度を一定に保持したま
まイオンプレーティング装置内を真空まで排気し、その
後、アルゴン（Ar）ガスを導入して 6.5×10^-1Paに保
ち、成膜速度が所定の範囲となるようビーム電力及び、
高周波電力を調整した。

【００１２】次に、第一透明電極２上にSiONから成る第
一絶縁層３、Ta₂O₅ から成る４をスパッタにより形成し
た。具体的には、ガラス基板１の温度を 200℃に保持
し、スパッタ装置内を1.0Pa に保持し、装置内にアルゴ
ン（Ar）と酸素（O₂）の混合ガスを導入し、1KW の高周
波電力で堆積速度0.2nm/sec の条件で行った。上記第一
絶縁層上に、硫化亜鉛(ZnS) を母体材料とし、発光中心
としてマンガン（Mn）を添加したZnS:Mn発光層５を蒸着
により形成した。具体的にはガラス基板１の温度を一定
に保持し、スパッタ装置内を 5×10^-4Pa以下に維持し、
堆積速度 0.1〜0.3 nm/secの条件で電子ビーム蒸着を行
った。発光層に次いで、SiON、Ta₂O₅ の二層から成る第
二絶縁層６、７を、第一絶縁層３、４と同一の方法で形
成した。

【００１３】以上の各層をガラス基板上に形成後、真空
中 400〜600 ℃で熱処理を行った。熱処理後、第二絶縁
層６、７上にITO から成る第二透明電極８を第一透明電
極２と同一の方法で形成した。

【００１４】次に、第二透明電極８上に酸窒化珪素（Si
ON）から成る第三絶縁層９を、第一、第二絶縁層の酸窒
化珪素（SiON）と同一の方法で形成した。そして、上記
第三絶縁層９上に、有機顔料分散型の赤フィルタ１０を
形成した。具体的には、赤色有機顔料を既知の量分、EL
素子１００の第三絶縁層９上に滴下し、スピンナーによ
り数秒間レジストコートを行った。以降、露光現像、そ
して加熱炉でレジストベークによりエージングを行っ
た。従ってフィルタ層１０はレジスト膜から成る。なお
最終的には、EL素子１００の最上の有機フィルタ・レジ
スト層１０の上に、吸湿防止のため、シリコンオイルの
真空注入によりガラス板が組みつけられている。

【００１５】この実施例における各層の膜厚は、第一透
明電極200nm 、第一、第二、第三絶縁層がそれぞれ500n
m 、発光層が620nm 、第二透明電極８が450nm 、有機フ
ィルタ１０が3000nmである。なお、第三絶縁層９の厚さ
は、第二絶縁層７の上面を基準としたときの平均的な膜
厚を示し、成膜時の条件、即ち成膜量を意味する。第二
透明電極の形状等の状況によって違いはあるが、この成
膜量は概略200nm 〜1000nmが望ましい。200nm より少な
い膜厚では、直接フィルタ層を形成した場合に近づき、
前述の自己修復不可能型の破壊モードが観測されるよう
になることを確認している。

【００１６】また、第三絶縁層の材料としては、特に酸
窒化珪素（SiON）が好適で、エージング時の点破壊も起
こらず、極めて安定した素子を提供できることが確認で
きている。また、第三絶縁層９の挿入で、第二電極８よ
り下層への有機物等の混入防止、及び第二電極８がレジ
スト現象液に浸されて溶出するなどということが回避で
きる。さらに、第三絶縁層９は発光特性（輝度、色純
度、低電圧駆動化）には直接寄与しないため、膜厚の制
御が実施しやすく、実装上で調節機能をもたせることも
できる。

【００１７】また、第三絶縁層９は一層（単一材料）で
構成するものだけに限らず、二層以上（二種以上の材
料）での構成も可能で、前述同様、破壊モードの縮小と
いう面で多種多層の絶縁層構成も同様の効果があること
はいうまでもない。一例を挙げると、SiON/Ta₂O₅（酸窒
化珪素 100nm／五酸化タンタル 400nm）の二層構造など
や、請求項２に挙げた窒化珪素（SiN)、酸窒化珪素（Si
ON）、五酸化タンタル（Ta₂O₅)、酸化アルミニウム（Al
₂O₃)、酸化珪素（SiO₂）の二つ以上の組み合わせから成
る多層の第三絶縁層の構造をとることも可能である。

【００１８】図３は、第三絶縁層９の挿入の有無によ
る、EL素子の自己修復不可能型の破壊率等の比較を示し
た。ここでの破壊率は、EL素子の電極をセグメント型に
パターニングした表示器で、全点灯セグメント数に対す
る自己修復不可能型の破壊を起こしたセグメント数の割
合で示される。この図３から明らかなように、本発明に
よる構造では、発光輝度を劣化させることなく、また発
光しきい電圧もほとんど変化させることなく素子破壊率
を無くし、EL素子の寿命を増大させていることがわか
る。さらに上記実施例を採用することにより、第三絶縁
層は、破壊防止層として、下層の第二電極や第二絶縁層
等に影響を与えない材料で構成されるので、光学フィル
タからの影響を防ぐことができる。これは従来構造のEL
素子における、まだ解明されていない自己修復不可能型
の破壊の原因を本発明の第三絶縁層により防止できるこ
とを意味し、信頼性の高いEL素子が形成できる。

【００１９】（第二実施例）また、図１ではフィルタ層
１０はEL素子全体に構成された構成になっているが、図
４のように、第一透明電極と直交ねじれ位置関係に第二
透明電極を複数配設する、従来の図５と同様な構造のセ
グメント構成の場合でも、第二電極３本を１セグメント
として（もしくは、セグメント毎に第二電極を３本設け
て）、例えばＲＧＢの各フィルタをその各第二電極に対
応すれば、表示をカラー化することができる。

【００２０】本発明によるEL素子の構造、つまり第二電
極とフィルタとの直接の接触を避け、第三絶縁層の材料
選択や、その材料の膜厚の制御などで自己修復不可能型
の素子破壊モードを無くすことができ、従来構造に劣ら
ぬ性能で耐久性ある実用的なEL素子を提供できた。

【００２１】本発明は上記の実施例に限定されるもので
はなく、以下のような種々の変形が可能である。 （１）第一絶縁層３、４、第二絶縁層６、７は、５酸化
タンタル（Ta₂O₅)、酸窒化珪素(SiON)で構成したが、Al
₂O₃ 、Si₃N₄ 、SiO₂、PbTiO₃、Y₂O₃、およびそれらいく
つかの積層で構成しても良い。 （２）第一透明電極２、第二透明電極８は、ITO で構成
したが、酸化亜鉛(ZnO)、酸化すず(SnO₂)、CdO 、Cd₂Sn
O₄ 、ATO のいずれかの組み合わせで構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な一実施例に係わるEL素子の縦
断面を示した模式図。

【図２】同一平面に複数のフィルタを有する従来のEL素
子の縦断面を示した模式図。

【図３】第三絶縁層の有・無によるEL素子の破壊率比較
図。

【図４】フィルタと透明電極が分離したEL素子の縦断面
を示した模式図。

【図５】フィルタと透明電極が直接接触した従来のEL素
子の縦断面を示した模式図。

【符号の説明】

１００ フィルタを第二電極から分離した本発明による
EL素子 ２００ フィルタを用いた従来のEL素子 ４００ ＲＧＢのフィルタをもつ構造の本発明によるEL
素子 ５００ フィルタが第二電極に直接接触した従来のEL素
子 １、１１、４１、５１ ガラス基板 ２ 第一透明電極（ＩＴＯ） １３、４２、５２ 第一透明電極（第一電極） ３ 酸窒化珪素（第一絶縁層） ４ 五酸化タンタル（第一絶縁層） ５、１５、４４、５４ 発光層 ６ 酸窒化珪素（第二絶縁層） ７ 五酸化タンタル（第二絶縁層） ８ 第二透明電極（ＩＴＯ） １７、４６、５６ 第二透明電極（第二電極） ９、４８ 第三絶縁層 １０、４７、５７ 有機フィルタ １２ａ 無機フィルタ １２ｂ 無機フィルタ １４ 第一絶縁層 １６、４５、５５ 第二絶縁層

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 信衛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に第一電極、第一絶縁層、発
   光層、第二絶縁層、及び第二電極が順次積層され、少な
   くとも光取り出し側が光学的に透明な材料にて構成さ
   れ、前記第二電極上の光取り出し側に光学フィルタを有
   するエレクトロルミネッセンス素子であって、 前記第二電極と前記光学フィルタとの間に第三絶縁層を
   有し、 該第三絶縁層は前記第二電極と前記光学フィルタとを完
   全に分離している構造であることを特徴とするエレクト
   ロルミネッセンス素子。
2. 【請求項２】 前記第三絶縁層が、窒化珪素（SiN)、酸
   窒化珪素（SiON）、五酸化タンタル（Ta₂O₅)、酸化アル
   ミニウム（Al₂O₃)、酸化珪素（SiO₂）のいずれか１種類
   の膜またはそれらのうちの複数の積層膜より成ることを
   特徴とする請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス
   素子。