JPH08171990A

JPH08171990A - 薄膜エレクトロルミネッセンス素子

Info

Publication number: JPH08171990A
Application number: JP6333882A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miura; 博三浦
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【構成】支持基板上１０１に、下部電極と発光層の結
晶性の制御層を兼ねる薄膜を形成し、この薄膜１０２と
接して下部絶縁層１０３を形成し、下部絶縁層１０３と
上部絶縁層１０５とで挾んだ構成で発光層１０４を形成
し、上部絶縁層１０５上に上部電極１０６を形成してな
る薄膜エレクトロルミネッセンス素子において、下部電
極と発光層の結晶性の制御を兼ねる層１０２は、基板と
平行方向の結晶配向面が少なくても二種類存在する溶融
再結晶化法で形成したシリコン薄膜である薄膜エレクト
ロルミネッセンス素子。【効果】本発明に係るＥＬ素子は、デットレイヤーが
存在しないので、従来の多結晶材料で構成されるＥＬ素
子と比較して、駆動電圧の低電圧化が可能となり、また
発光輝度の持続性に優れる。また、このＥＬ素子は、支
持基板にガラス基板が使用できることから、大面積化に
も有利である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光特性の改善された
薄膜エレクトロルミネッセンス発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜エレクトロルミネッセンス素子（以
下、ＥＬ素子という）は、平面型ディスプレーの有力な
候補として注目されている可視発光素子である。特にＭ
ｎを発光中心としたＺｎＳ：Ｍｎ薄膜によるＥＬ素子
は、現在実用化素子の地位を得ている。現在開発がすす
んでいる一般的なＥＬ素子の構成図を図１に示す。

【０００３】このＥＬ素子は、下地基板（１０１）上に
透明電極（１０２）を形成し、その上に絶縁層（１０
３）、発光層（１０４）、絶縁層（１０５）、上部電極
（１０６）を形成した二重絶縁構造により構成され、各
層には多結晶材料が用いられている。発光層が多結晶材
料である場合には、成膜初期の絶縁層と発光層の界面に
結晶性が極端に低下した層いわゆるデットレイヤーが形
成される。このデットレイヤーは発光に寄与しないた
め、発光輝度を高輝度化するには結晶性を回復する手段
が必要である。しかし、通常の方法の場合は、発光層を
厚くして薄膜の高配向性を利用する以外に方法はない。
この結果、発光層の膜厚が増加し、ＥＬ素子の駆動電圧
が高電圧化する。現在、マルチカラー化を達成するため
に、ＺｎＳ以外にＣａＳもしくはＳｒＳを発光層とした
薄膜素子が検討されている。これらの材料は、ＺｎＳよ
りも高配向膜を得にくいため、結晶性の特性への影響が
さらに大きくなる。

【０００４】ところで、デットレイヤーの膜厚は、薄膜
の形成方法の工夫により薄くは出来るが、多結晶材料を
使用する限り完全に除去することは不可能である。そこ
で、特開平２−５６８９５号、特開平２−６００９０
号、特開平２−９０４９３号には、ヘテロエピタキシャ
ル成長法により単結晶Ｓｉ基板上に下部絶縁層および発
光層をエピタキシャル成長し、発光層を単結晶化した二
重絶縁構造ＥＬ素子が提案されている。これらの提案
は、単結晶絶縁層上に発光層をエピタキシャル成長する
ことで、デットレイヤーを完全に除去しようとするもの
である。しかしながら、これらの提案によるＥＬ素子は
デットレイヤーは除去できるので、低電圧駆動が可能と
なるものの、発光輝度、発光効率が充分でなく、また長
寿命のＥＬ素子が得られないという欠点がある。その理
由は以下の通りである。

【０００５】ＥＬ発光は、絶縁層と発光層の界面準位か
ら放出された電子が電界により加速され、その放出電子
が初期電子となり、なだれ増倍を起こし、発光中心を励
起することによって起こると考えられている。ここで、
絶縁層と発光層界面の界面準位は、末結合手やデットレ
イヤー等の欠陥により形成される。従って、絶縁層と発
光層界面がヘテロ接合により連続的に変化する単結晶材
料で構成されるＥＬ素子では、多結晶材料による素子よ
りも界面準位が極端に減少する。この結果、発光中心を
励起するキャリアが減少し発光輝度が低下する。また、
先に記載した様にＥＬ素子の発光には、なだれ降伏が関
与する。なだれ降伏が起こると、発光層に印加される電
圧は一定値にクランプされ、発光輝度は飽和する。この
クランプ電圧は発光層の結晶性により異なり、発光層を
単結晶化した素子では粒界等の結晶欠陥が減少する為に
なだれ降伏が起きやすくなり、多結晶材料の場合よりも
クランプ電圧が低下する。この結果、高エネルギーのキ
ャリアが生成出来ず、発光輝度が低下する。

【０００６】以上の様に、多結晶ＥＬ素子と比較して単
結晶化ＥＬ素子は、界面にデットレイヤーが存在しな
い、もしくは結晶欠陥等のキャリアの散乱原因が膜中に
存在しないため、低電圧駆動が可能で信頼性が向上する
ものの、その反面、キャリア発生源の減少やクランプ電
圧の低下等により発光輝度が低下するという問題があ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、
デットレイヤーがなく、低電圧で駆動できると共に発光
輝度、発光効率の高められた薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子を提供することを目的とする。

【０００８】本発明によれば、支持基板上に、下部電極
と発光層の結晶性の制御層を兼ねる薄膜層を形成し、こ
の薄膜層と接して下部絶縁層を形成し、下部絶縁層と上
部絶縁層とで挾んだ構成で発光層を形成し、上部絶縁層
上に上部電極を形成してなる薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子において、下部電極と発光層の結晶性の制御を
兼ねる薄膜層は、基板と平行方向の結晶配向面が少なく
ても二種類存在する溶融再結晶化法で形成したシリコン
薄膜であることを特徴とする薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子が提供され、また、下部電極と発光層の結晶性
の制御を兼ねる薄膜層は、双晶の関係にある複数の結晶
配向面が存在する溶融再結晶化法で形成したシリコン薄
膜であることを特徴とする上記薄膜エレクトロルミネッ
センス素子が提供される。更に、本発明によれば、支持
基板上に、下部電極と発光層の結晶性の制御層を兼ねる
薄膜層を形成し、この薄膜と接して下部絶縁層を形成
し、下部絶縁層と上部絶縁層とで挾んだ構成で発光層を
形成し、上部絶縁層上に上部電極を形成してなる薄膜エ
レクトロルミネッセンス素子において、下部電極と発光
層の結晶性の制御層を兼ねる薄膜層は、粒界が存在する
単一の結晶配向で構成される溶融再結晶化法で形成した
シリコン薄膜であることを特徴とする薄膜エレクトロル
ミネッセンス素子が提供され、また、下部電極と発光層
の結晶性の制御を兼ねるシリコン薄膜層は、粒界の発生
密度が基板面内で周期的に変化し、高密度発生部分には
シリコン薄膜トランジスタからなる駆動素子が形成され
ていることを特徴とする上記薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子が提供される。

【０００９】以下、図２に沿って本発明に係るＥＬ素子
の構成及び動作について説明する。本発明に係るＥＬ素
子は、支持基板（２０１）上に下部電極と発光層の結晶
性の制御層を兼ねる薄膜層（以下、溶融再結晶化膜とも
いう）（２０２）とその上にヘテロエピタキシャル成長
法で形成した単結晶絶縁膜（２０３）及び単結晶発光層
（２０４）、上部絶縁層（２０５）、上部電極（２０
６）により構成される。本発明においては、溶融再結晶
化膜（２０２）として、支持基板上（２０１）に溶融再
結晶化法で形成した単結晶シリコン薄膜を用いる。

【００１０】図３は、ガラス基板上に形成した溶融再結
晶化膜をエッチング処理し各種欠陥を強調した表面の電
子顕微鏡写真の説明図（スケッチ図）である。図３
（ａ）の溶融再結晶化膜には双晶欠陥（３０１）が存在
し、図３（ｂ）の膜には亜粒界（３０２）が存在してい
ることが判る。この様な結晶欠陥は、溶融再結晶化膜に
特有なものであり、再結晶化方法により欠陥の種類や発
生位置を制御することが可能である。そして、この状態
の溶融再結晶化膜上にヘテロエピタキシャル成長により
形成した発光層には、双晶もしくは亜粒界等の結晶情報
も反映される。従って、溶融再結晶化膜を単結晶ＥＬ素
子形成用の下地基板にすることで、通常の単結晶シリコ
ン基板では不可能な発光層への双晶もしくは亜粒界等の
結晶欠陥の導入が可能になる。この結果、本発明のＥＬ
素子は次のような特徴を有する。１．デットレイヤーが絶縁層／発光層界面に存在しな
い。２．発光層中の膜厚方向に結晶欠陥（未結合手）が存在
する。３．ＥＬ素子の電圧印加方向に結晶格子の不連続部分
（双晶帯）が存在する。

【００１１】次に、上記構成の本発明のＥＬ素子の動作
について説明する。本発明に係るＥＬ素子は、デットレ
イヤーが存在しないために従来の単結晶素子と同様に駆
動電圧の低電圧化が可能である。また、発光層中に存在
する結晶欠陥は、発光中心を励起する電子の供給源にな
る。図４は、下地基板（４０１）上に溶融再結晶化膜
（４０２）、下部絶縁層（４０３）を介して形成した発
光層中（４０４）に形成される双晶帯（４０６）の方向
を示す。図４に示されるように、母結晶（４０５）が配
向（１００）を有するＥＬ素子（４０８）の場合には、
双晶帯は電圧印加方向（４０７）を横切る方向に形成さ
れる。この様な状態を発光層に形成することにより、な
だれ降伏が起こる電圧が制御でき、従来の単結晶素子で
問題となっていたクランプ電圧の低電圧化が解決でき
る。以上の様に、本発明のＥＬ素子は、低電圧駆動で高
輝度発光が実現できる。

【００１２】次に本発明のＥＬ素子を構成する材料及び
その形成方法について図２に沿って説明する。支持基板
（２０１）には、大面積化が可能な石英ガラス、ガラ
ス、セラミックス材料等の透明もしくは不透明基板が使
用できる。この絶縁性基板上に形成される溶融再結晶化
膜（２０２）は、ストリップヒーター法、高周波誘導加
熱法、ランプ加熱法、レーザー加熱法等の溶融再結晶化
法により、上記支持基板（２０１）上に形成される。こ
の場合、溶融再結晶化条件を制御することで単結晶Ｓｉ
の成長状態が制御でき、（１００）、（１１１）、（１
１０）等の面方位を任意の位置に形成できる。さらに、
上記方法で作成した溶融再結晶化膜（２０２）上に、単
結晶Ｓｉもしくは単結晶ＧｅをＬＰＣＶＤ法、ＭＯ−Ｃ
ＶＤ法（有機金属熱分解法）、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕ
ｌａｒ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＡＬＥ法（Ａｔ
ｏｍｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｅｐｉｔａｘｙ）、エレクトロ
ンビーム蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法
等の薄膜成長法を用いてエピタキシャル成長し単結晶半
導体層を多層構成としてもよい。

【００１３】この場合、溶融再結晶化膜上に成長した単
結晶ＳｉもしくはＧｅ層は、表面性の向上や、溶融再結
晶化膜上に成長する単結晶絶縁物層との格子ミスマッチ
を緩和する作用を有する。

【００１４】また、本発明においては、溶融再結晶化膜
は電極としても使用するため、その抵抗率は１０^-4（Ω
・ｃｍ）〜１０²（Ω・ｃｍ）の範囲にすることが望ま
しい。上記方法により作成した溶融再結晶化膜（２０
２）上に、単結晶絶縁物層（２０３）としＰｂＴｉ
Ｏ₃、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、
Ｙ₂Ｏ₃、ＹＳＺ、Ｔａ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｍｇ
Ｏ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物材料や、ＣａＦ₂、Ｂａ
Ｆ₂、ＳｒＦ₂等のフッ化物材料を、炭層もしくは多層構
成でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長の
手段としては、ＭＯ−ＣＶＤ法（有機金属熱分解法）、
ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）、ＡＬＥ法（Ａｔｏｍｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｅｐｉ
ｔａｘｙ）、エレクトロンビーム蒸着法、スパッタリン
グ法、プラズマＣＶＤ法等の成長方法が挙げられ、これ
らの方法は単独あるいは二種以上併用して用いられる。

【００１５】上記単結晶絶縁層（２０３）上にエピタキ
シャル成長する単結晶発光層（２０４）としては、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳｘＳｅｘ−１等を母材とし、発光
中心としてＭｎを添加したＺｎＳ：Ｍｎ系材料、もしく
は上記母材にＣｕを添加したＺｎＳ：Ｃｕ系材料、もし
くは上記母材に希土類フッ化物（ＴｂＦ₃、ＥｒＦ₃、Ｎ
ｄＦ₃、ＴｍＦ₃、ＰｒＦ₃、ＳｍＦ₃、ＤｙＦ₃、ＨｏＦ₃
等）を添加した材料系等が用いられる。また、ＳｒＳを
母材とし発光中心にＣｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｐｒ、Ｍｎ等を添加した材料や、ＣａＳを母材とし
発光中心にＥｒ等を添加した材料も発光層として用いて
もよい。

【００１６】上記発光層材料を、単結晶絶縁層（２０
３）上に単層もしくは、多層構成でエピタキシャル成長
させる。エピタキシャル成長の手段としては、ＭＯ−Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＥＢ蒸着法、スパッタリ
ング法、プラズマＣＶＤ法等の成長方法が単独もしくは
併用して使用される。上記方法により溶融再結晶化膜
（２０２）上にヘテロエピタキシャル成長する、単結晶
絶縁層（２０３）及び単結晶発光層（２０４）は、各層
の結晶構造、格子間隔の整合性、熱膨張係数差等を考慮
して最適材料を選択して、各層上に順次エピタキシャル
成長していく。その結果、単結晶絶縁層（２０３）、単
結晶発光層（２０４）の面方位は溶融再結晶化膜層（２
０２）の面方位を反映したものとなる。

【００１７】次に溶融再結晶化膜上にヘテロエピタキシ
ャル成長した単結晶発光層（２０４）上に、単結晶もし
くは多結晶の酸化物、フッ化物、窒化物等の絶縁物材料
からなる上部絶縁層（２０５）を形成する。単結晶もし
くは多結晶の酸化物材料としては、ＰｂＴｉＯ₃、ＰＬ
Ｔ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙ
ＳＺｒ、Ｔａ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ａｌ ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＺｎＯ等の材料が使用
でき、単結晶もしくは多結晶のフッ化物材料としては、
ＣａＦ₂、ＢａＦ₂等の材料が使用できる。また、単結晶
もしくは多結晶の窒化物材料としては、Ｓｉ₃Ｎ₄等が使
用できる。上記絶縁物材料の成長方法としては、ＭＯ−
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、スパッタリング法、プ
ラズマＣＶＤ法、エレクトロンビーム蒸着法等が用いら
れる。

【００１８】最後に、上記上部絶縁層（２０５）上に、
透明導電膜（２０６）としてＡｕ、ＩＴＯ、ぃ₂Ｏ₃、Ｓ
ｎＯ₂、ＺｎＯ：Ａｌ等をＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、
ＡＬＥ法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、エレ
クトロンビーム蒸着法等を用いて形成すれば、本発明に
係る二重絶縁構造ＥＬ素子が得られる。

【００１９】

【実施例】次に実施例により本発明について具体的に説
明する。

【００２０】実施例１まず、図５に示される本発明のＥＬ素子について説明す
る。本ＥＬ素子は、ガラス基板（５０１）上にレーザー
ビームを熱源に用いて形成した溶融再結晶化膜（単結晶
Ｓｉ：薄膜）（５０２）と、その上にＭＢＥ法によりエ
ピタキシャル成長したＣａＦ₂薄膜（５０３）、ＭＯ−
ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長したＺｎＳ：Ｍｎ薄
膜（５０４）、スパッタリング法により形成したＳｉ₃
Ｎ₄薄膜（５０５）、ＩＴＯ薄膜（５０６）により構成
される二重絶縁構造素子である。ここで、レーザービー
ムを溶融再結晶化の加熱源に用いた場合、ビーム形状を
制御することで任意の温度プロファイルが形成できる。
その結果、単結晶Ｓｉ薄膜の溶融再結晶化過程が領域毎
に変化し、同一基板で配向状態が異なる結晶が形成でき
る。図６は、この方法で形成した溶融再結晶化膜のＸ線
回折結果である。回折パターンには、（１１１）配向
（６０１）と（１００）配向（６０２）によるピークが
観察されている。これは、図７のようなＳｉ薄膜の状態
を反映するものである。図７において、７０２は溶融再
結晶膜、７０３は（１００）配向部、７０４は（１１
１）配向部である。この溶融再結晶化膜を下地基板とし
てヘテロエピタキシャル成長したＺｎＳ：Ｍｎ薄膜（５
０４）も同様の配向状態になり、配向状態が異なる領域
間はグレインバンダリーにより分離される。よて、図５
のＥＬ素子は、デットレイヤーが存在せず、しかも、発
光層中にグレインバンダリーが導入された構造をとる。
図８は、本ＥＬ素子（８０１）の発光輝度電圧特性につ
いて、各層が多結晶材料で構成される従来の二重絶縁構
造素子（８０２）と比較した結果である。この結果か
ら、本実施例によるＥＬ素子は、従来の多結晶材料を発
光層とするＥＬ素子と比較して、低電圧で発光すること
が判る。また、本ＥＬ素子では、発光開始後の輝度の立
上りに従来素子とは異なる特性が見られる。つまり、従
来のＥＬ素子では、発光開始後に発光輝度が急激に増加
するのに対して、本ＥＬ素子での輝度の立上りは発光開
始直後には緩やかな特性を示す。これは、ＺｎＳ：Ｍｎ
薄膜の配向面により発光閾電圧及び輝度電圧特性が異な
ることによる。本ＥＬ素子では（１００）と（１１１）
配向面が素子内に共存し、低電圧印加状態では、（１０
０）配向部分のみで発光が起こり、高電圧印加状態では
いずれの配向部分でも発光が起こる。その結果、従来の
ＥＬ素子とは異なり、発光輝度の持続性に優れたものと
なる。

【００２１】実施例２次に図９に示されるＳｒＳ：Ｃｅ薄膜を発光層に用いた
青色発光素子について説明する。このＥＬ素子は低電圧
駆動、高輝度発光を実現するものである。本ＥＬ素子
は、ガラス基板（９０１）上の溶融再結晶化膜（９０
２）上にヘテロエピタキシャル成長法により形成した下
部絶縁層であるＳｒＦ₂薄膜（９０３）、発光層である
ＳｒＳ：Ｃｅ薄膜（９０４）、その上に上部絶縁層とし
て形成したＳｉ₃Ｎ₄薄膜（９０５）、透明電極に用いる
ＩＴＯ薄膜（９０６）により構成される。ここで、各薄
膜を形成する基板になる溶融再結晶化膜は、溶融再結晶
化前のｐｏｌｙ−Ｓｉを幅１００μｍのストライプ形状
に加工した後に再結晶化し形成する。この方法で形成し
た溶融再結晶化膜は、溶融した後に凝固する過程でスト
ライプと直交方向に応力が加わり、双晶欠陥がストライ
プに対して平行方向に導入される（図３）。溶融再結晶
化膜上に成長した発光層には、同様の双晶欠陥が導入さ
れる。図１０は、本実施例に係るＥＬ素子（１００１）
の輝度電圧特性について、従来の単結晶Ｓｉ基板上に形
成した同様構成のＥＬ素子（１００２）と比較した結果
を示したものである。この結果から、本実施例に係るＥ
Ｌ素子では、単結晶Ｓｉ基板上に形成したＥＬ素子より
も輝度電圧特性に現れる飽和領域での発光輝度が高いこ
とが判る。図４に示す様に、双晶帯（４０６）は、母結
晶（４０５）が（１００）配向の場合には電圧印加方向
を横切る方向に導入される。この結果、本ＥＬ素子では
従来の単結晶ＥＬ素子と比較して、なだれ降伏がより高
電圧で起こるようになる。つまり、単結晶ＥＬ素子と同
じ電圧を印加した場合には、本ＥＬ素子の場合が発光層
にかかる電圧が高くなる。よって、図示の様により高い
飽和輝度が得られるものと推察される。

【００２２】実施例３本実施例は、駆動電圧がより低電圧化されたＥＬ素子を
説明するものである。溶融再結晶化膜には、一般に図３
に示した亜粒界（サブグレインバンダリ）が存在する。
亜粒界は、転移の集合体であり未結合手等の結晶欠陥が
存在する。この溶融再結晶化膜上にエピタキシャル成長
した発光層には、同様の欠陥が形成される。この様な欠
陥が発光層中に存在すると、より低電圧で発光に寄与す
るキャリアが発生し、従来の単結晶ＥＬ素子よりもさら
に低電圧発光が可能である。図１１は、上記溶融再結晶
化膜上（１１０１）及び単結晶Ｓｉ基板上（１１０２）
に同様の二重絶縁構造素子を形成し輝度電圧特性を比較
した結果を示したものである。ここで形成した素子構成
は次の通りである。下部絶縁層には、Ｓｉ上にＭＥＢ法
により膜厚１５００（Å）でエピタキシャル成長したＣ
ａＦ₂薄膜を用いた。また、発光層にはＣａＦ₂薄膜上に
ＭＯ−ＣＶＤ法により膜厚３０００（Å）及び１００
（Å）で形成したＳｉ₂Ｎ₄及びＳｉＯＮ積層膜を用い
た。また、透明電極には真空蒸着法により形成したＡｕ
薄膜を用いた。各基板上に形成した素子は、５ｋＨｚ正
弦波で駆動した。図１１から、上記方法で溶融再結晶化
膜上に形成したＥＬ素子では、発光開始電圧を従来の単
結晶素子よりも約５０（Ｖ）低電圧化することが確認で
きた。以上の結果は、発光層への亜粒界の導入が素子駆
動電圧の低電圧化に有効であることを示している。

【００２３】実施例４本実施例は、溶融再結晶化法により形成したガラス基板
上の単結晶Ｓｉ薄膜上にＥＬ素子とその駆動素子とが集
積化されたＥＬ素子を説明するものである。ＥＬ素子を
発光素子としたディスプレーパネルを形成する場合、Ｅ
Ｌ素子への要求は駆動電圧の低電圧化であり、画素コン
トロール用の薄膜トランジスタへの要求はスイッチング
速度の高速化である。一般に、スイッチング素子には、
大面積化が容易な非晶質もしくは多結晶シリコンが用い
られる。しかし、これらの材料は電界効果移動度が小さ
く、スイッチング速度が遅いという問題点がある。これ
に対して、溶融再結晶化膜は、バルクＳｉと同程度の移
動度が得られ、かつ大面積化が可能なため、ディスプレ
ーのスイッチング素子には最も望ましい材料である。と
ころで、実施例３は、発光層への亜粒界の導入が素子の
低電圧に有効であることが示されている。しかし、薄膜
トランジスタのようなキャリアが膜面と平行方向に移動
する素子では、この種の欠陥は時により悪影響を及ぼし
デバイス特性の不良やバラツキ等の原因になる。従っ
て、溶融再結晶化膜を用いて高性能のトランジスタを形
成する場合には、膜中の亜粒界の密度を極力低減しなけ
ればならない。この様に、結晶欠陥が特性に及ぼす影響
が異なる素子を同一基板上に形成する場合には、以下に
示す様に結晶欠陥の発生位置を制御することで対応出来
る。図１２は、亜粒界の発生位置を１５０μｍ周期の領
域に制御した溶融再結晶化膜の表面の電子顕微鏡写真の
説明図（スケッチ図）である。図１２から明らかな様
に、亜粒界が多数存在する領域（１２０１）はストライ
プ状に形成され、その間の領域（１２０２）には亜粒界
はほとんど存在しない。そして、本実施例のＥＬ素子は
図１３に示すように、亜粒界が存在する部分（１３０
５）にはＥＬ素子（１３０４）を形成し、亜粒界が存在
しない部分（１３０３）には薄膜トランジスタを形成し
たものである。この本発明のＥＬ素子は、実施例３のＥ
Ｌ素子と同様に亜粒界部分に形成したＥＬ素子における
駆動電圧の低電圧化が可能となり、また、亜粒界が存在
しない部分に形成したＭＯＳ−ＴＦＴ（ｎ−ｃｈ）の電
界効果移動度（μFE）は９２０（ｃｍ²／Ｖ・ｓ）を示
し、このため高移動度化が図れるものである。以上、本
実施例のＥＬ素子は、発光素子とその駆動素子とは同一
基板上に集積されたものであるが、この場合、結晶欠陥
（亜粒界）の発生位置を制御することにより、低電圧で
駆動可能なＥＬ素子とバルクＳｉと同程度の移動度を有
する薄膜トランジスタを同一基板上に容易に形成するこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】

（１）請求項１に対応する作用効果実施例１に記載したように、請求項１のＥＬ素子は、デ
ットレイヤーが存在しないので従来の多結晶材料で構成
されるＥＬ素子と比較して、駆動電圧の低電圧化が可能
となり、また発光輝度の持続性に優れる。また、このＥ
Ｌ素子は、支持基板にガラス基板が使用できることか
ら、大面積化にも有利である。（２）請求項２に対応する作用効果実施例２に記載したように、請求項２のＥＬ素子は、双
晶欠陥が存在する結晶性材料からなる発光層が形成され
ているので、従来の単結晶材料で構成されるＥＬ素子と
比較して、高められた発光輝度を示す。またこのＥＬ素
子は高配向膜が得にくい、ＳｒＳやＣａＳを発光層の材
料とすることができるため、材料選択の自由度が極めて
高いものである。（３）請求項３に対応する作用効果実施例３に記載したように、請求項３のＥＬ素子は、亜
粒界が存在する結晶性材料からなる発光層が形成されて
いるので、従来の単結晶材料で構成されるＥＬ素子と比
較して、駆動電圧を低電圧化することが可能となり、ま
た、溶融再結晶化膜中の亜粒界の発生密度は、溶融再結
晶化方法により制御できるのでその生産性も良好なもの
である。（４）請求項４に対応する作用効果実施例４に記載したように請求項４のＥＬ素子は、低電
圧駆動のＥＬ素子と、高速動作が可能なその駆動素子を
同一支持基板上に形成することができるので、薄膜ディ
スプレーとして有効に利用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の多結晶材料による二重絶縁構造ＥＬ素子
の断面図

【図２】本発明に係る二重絶縁構造ＥＬ素子の断面図

【図３】溶融再結晶化膜の表面の電子顕微鏡写真（欠陥
を強調するエッチング処理後）の説明図（ａ）亜粒界を形成した溶融再結晶化膜（ｂ）双晶欠陥を形成した溶融再結晶化膜

【図４】発光層に導入される双晶帯の方向の電圧印加方
向の関係を表わした図

【図５】実施例１におけるＥＬ素子の断面図

【図６】溶融再結晶化膜のＸ線回折結果の説明図

【図７】溶融再結晶化膜の配向状態の概略図

【図８】実施例１に係るＥＬ素子の発光輝度と電圧特性
の関係図

【図９】実施例２に係るＥＬ素子断の面図

【図１０】実施例２に係るＥＬ素子の発光輝度と電圧特
性の関係図

【図１１】実施例３に係るＥＬ素子の断面図

【図１２】亜粒界の発生位置を制御した溶融再結晶化膜
の表面の電子顕微鏡写真（欠陥を強調するエッチング処
理後）の説明図

【図１３】駆動素子一体型ＥＬ素子の作成方法の概略図

【符号の説明】

１０１支持基板１０２下部電極１０３下部絶縁層１０４発光層１０５上部絶縁層１０６上部透明電極２０１支持基板２０２溶融再結晶化膜層２０３単結晶絶縁層（下部絶縁層）２０４単結晶発光層２０５上部絶縁層２０６上部透明電極３０１亜粒界３０２双晶欠陥４０１支持基板４０２溶融再結晶化膜４０３下部絶縁層４０４発光層４０５母結晶４０６双晶帯４０７電圧印加方向４０８結晶軸の方向５０１ガラス基板５０２Ｓｉ薄膜５０３ＣａＦ₂薄膜５０４ＺｎＳ：Ｍｎ薄膜５０５Ｓｉ₃Ｎ₄薄膜５０６ＩＴＯ薄膜６０１（１１１）配向部からの回折ピーク６０２（１００）配向部からの回折ピーク７０１ガラス基板７０２溶融再結晶化膜７０３（１００）配向部７０４（１１１）配向部８０１本実施例によるＥＬ素子８０２従来の多結晶ＥＬ素子９０１ガラス基板９０２Ｓｉ薄膜９０３ＳｒＦ₂薄膜９０４ＳｒＳ：Ｃｅ薄膜９０５Ｓｉ₃Ｎ₄薄膜９０６ＩＴＯ薄膜１００１実施例２に係るＥＬ素子１００２従来の単結晶ＥＬ素子１１０１実施例３に係るＥＬ素子１１０２従来の単結晶ＥＬ素子１２０１高密度発生部分１２０２低密度発生部分１３０１支持基板１３０２溶融再結晶化膜１３０３駆動素子形成領域１３０４ＥＬ素子１３０５亜粒界高密度発生領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板上に、下部電極と発光層の結晶
性の制御層を兼ねる薄膜層を形成し、この薄膜層と接し
て下部絶縁層を形成し、下部絶縁層と上部絶縁層とで挾
んだ構成で発光層を形成し、上部絶縁層上に上部電極を
形成してなる薄膜エレクトロルミネッセンス素子におい
て、下部電極と発光層の結晶性の制御を兼ねる薄膜層
は、基板と平行方向の結晶配向面が少なくても二種類存
在する溶融再結晶化法で形成したシリコン薄膜であるこ
とを特徴とする薄膜エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】下部電極と発光層の結晶性の制御を兼ね
る薄膜層は、双晶の関係にある複数の結晶配向面が存在
する溶融再結晶化法で形成したシリコン薄膜であること
を特徴とする請求項１記載の薄膜エレクトロルミネッセ
ンス素子。
【請求項３】支持基板上に、下部電極と発光層の結晶
性の制御層を兼ねる薄膜層を形成し、この薄膜層と接し
て下部絶縁層を形成し、下部絶縁層と上部絶縁層とで挾
んだ構成で発光層を形成し、上部絶縁層上に上部電極を
形成してなる薄膜エレクトロルミネッセンス素子におい
て、下部電極と発光層の結晶性を兼ねる薄膜層は、粒界
が存在する単一の結晶配向で構成される溶融再結晶化法
で形成したシリコン薄膜であることを特徴とする薄膜エ
レクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】下部電極と発光層の結晶性の制御を兼ね
るシリコン薄膜層は、粒界の発生密度が基板面内で周期
的に変化し、高密度発生部分にはシリコン薄膜トランジ
スタからなる駆動素子を形成することを特徴とする請求
項３記載の薄膜エレクトロルミネッセンス素子。