JPS5910033B2 - 薄膜エレクトロルミネセンス素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、交流電界の印加によつてエレクトカルミネン
ス（ＥＬ）を呈する薄膜エレクトロルミネセンス素子（
以下、薄膜ＥＬ素子と言う）の製造方法に関するもので
ある。

■−■族化合物半導体、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）を母
体とし、これに発光中心を形成するマンガン（Ｍｎ）及
び希土類化合物等を添加した薄膜の、両側あるいは片側
に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等の絶縁体薄膜層を設
け、対向電極でサンドイッチ状に挾持した薄膜ＥＬ素子
は周知であり、対向電極間に交流電圧を印加することに
よつて高輝度に発光し、しかも分散型ＥＬ素子等の他の
電界発光素子に比べて長寿命であることが知られている
。

第１図は従来の薄膜ＥＬ素子の断面構成図であり、図中
、１はガラス基板、２は酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）
あるいは酸化スズ（ＳｎＯ２）等からなる透明電極層、
３は酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）あるいは窒化シリコ
ン（Ｓｉ３Ｎ４）等よりなる第１絶縁体層、４はＭｎあ
るいは希土類化合物を添加したＺｎＳ発光層、５は第２
絶縁体層、６はアルミニウム等よりなる背面電極、７は
交流電源である。この第１図より明かなように、このＥ
Ｌ素子はガラス基板１上に透明電極層２、第１絶縁体層
３、ＺｎＳ発光層４、第２絶縁体層５を順次積層状に、
真空蒸着法あるいはスパッタ法により形成し、更にその
上に背面電極６を設けたものである。

そしてこの透明電極層２と背面電極６との間には交流電
源Ｔが接続している。このような構造の薄膜ＥＬ素子は
、透明電極層２と背面電極６との間に交流電源７を接続
し、交流電界を印加することで発光するが、高輝度発光
を得るには、かなり高い電界（１０６Ｖ／ｃｍ程度）を
必要とするため、絶縁体層３、５の絶縁性が良く、耐圧
が高いことが要求される。

従来、絶縁体層３、５には、Ｙ２Ｏ３、酸化サマリウム
（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化
タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等Ｉ族、族あるいは族元素の酸
化物あるいはＳｉ３Ｎ４等の窒化物の薄膜を真空蒸着法
またはスパツタ２法で形成し用いられている。

しかし酸化物を蒸着法で形成すると、低い基板温度で形
成した場合は膜の結晶性が悪く、積層して発光層４を形
成した場合、形成時に発生する熱歪み等によつて絶縁体
層３にクラツクが入りやすいこと、一方高い基板温度で
形成した場合は結晶性の良い膜が出来る反面、酸素欠損
状態の、組成がずれた酸化物膜が出来、絶縁性の悪い薄
膜層しか得られないという欠点があつた。また、スパツ
タ法で前記絶縁体層３，５を形成した場合は、形成時の
真空度が低いことおよびＺｎＳ発光層４は真空蒸着法で
形成されるため、絶縁体層３，５と発光層４を同一の真
空装置で製造出来ず、各層の作製のたびに真空を破り、
装置をかえる必要があることから、絶縁層一発光層界面
に不純物が吸着し、その結果発光特性に悪影響を及ぼす
界面準位が形成されやすいという欠点があつた。本発明
は前述の欠点を除去することを目的とする。

詳しくは絶縁体層の結晶性が良好で、熱歪み等によるク
ラツクのおそれがなく、更に酸素欠損状態による組成の
異つた酸化物層を形成することのないＥＬ素子の製造方
法を提供すること、即ち、良好な発光特性、耐久性の高
輝度ＥＬ素子を容易に製造しえる薄膜ＥＬ素子の製造方
法を提供することを目的とする。したがつて、本発明に
よる薄膜ＥＬ素子の製造方法は、発光層の両側に絶縁体
層を設け、該絶縁体層を介して前記発光層に電界を印加
する電極手段が形成されている薄膜エレクトロルミネセ
ンス素子の製造方法において、前記絶縁層は、Ｉ族、族
あるいは族の酸化物層を真空蒸着によつて形成し、次い
で１０−４〜５×１０−６Ｔ０ｒｒの真空中、４００〜
６００℃の温度で、１〜２．５時間熱処理を行うことを
特徴とするものである。

本発明による薄膜ＥＬ素子の製造方法によれば、絶縁層
を形成させた後、低真空度雰囲気中で熱処理を行なうた
め、絶縁体層の酸素欠損状態が補われる。

このため、結晶性が良好で、かつ酸素欠損のない優秀な
絶縁体層を製造しえる。更に、真空蒸着法により層形成
がなされるため、同一装置内で発光層をも製造しえ、こ
のため、絶縁層一発光層界面に不純物が吸着せず、発光
特性に悪影響を及ぼす界面準位が形成されないと共に、
製造が容易となると言う利点がある。本発明を更に詳し
く説明すると、本発明による薄膜ＥＬ素子の製造方法は
、まず、基板上に透明電極層を真空蒸着などの方法によ
り形成させた後、真空蒸着により基板上に絶縁体層を積
層せしめる。

絶縁体層はｌ族、族あるいは族酸化物層であるが、これ
らの酸化物はＥＬ発光素子の絶縁体層として良好な性能
を有するからである。この絶縁体層としては、たとえば
酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）酸化サマリウム（Ｓｍ２
Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル
（Ｔａ２Ｏ５）などを良好に用いることができる。これ
らの絶縁体層を形成せしめるに際し、基板温度は好まし
くは４００〜６００℃であるのがよい。

４００℃未満であると、絶縁体層の結晶性が劣悪となり
、６００℃を超えると、ガラス基板が軟化するおそれが
生ずるからである。

またこのときの真空度は１０−６〜５×１０−６程度が
好ましい。

このように形成した絶縁体層を真空度１０−４〜５×１
０−６Ｔ０ｒｒ中で１〜２．５時間熱処理を行なう。

真空度が１０−４Ｔ０ｒｒ未満であると、装置に欠陥を
発生させたりする等操作に困難性を生じ、また発光層が
変質するおそれを生じ、また５×１０−６Ｔ０ｒｒを超
えると、酸素の解離が激しくなり、酸素欠損状態を補う
のが困難になると言う欠点を生ずるからである。さらに
熱処理時間が１時間未満であると、熱処理の効果が表わ
れず、２．５時間を超えると、酸素が解離しはじめ、酸
素欠損を補うための熱処理が無駄となるおそれが生ずる
からである。熱処理の温度は４００〜６００℃である。

４００℃未満であると熱処理の効果があまりなく、６０
０℃を超えると、ガラス基板が軟化すると言う欠点を生
じるおそれがあるからである。

次いで、この絶縁体層上に発光層を形成せしめるわけで
あるが、このときの真空度は１０−６〜５×１０−６Ｔ
０ｒｒ程度が好ましい。

本発明による薄膜ＥＬ素子の製造方法によれば、この発
光層上に直接背面電極を形成せしめてもよく、この発光
層に、更に絶縁体層を、好ましくは前述の方法により形
成し、熱処理して設け、この第２の絶縁体層に背面電極
を形成せしめてもよい。

次に本発明による実施例を説明する。実施例 第２図は本発明による方法により製造した薄膜ＥＬ素子
の断面概略図であり、図中、８はガラス基板、９は透明
電極層、１０は第１絶縁体層、１１は発光層、１２は第
２絶縁体層、１３は背面電極、１４は交流電源である。

第２図より明かなように、この薄膜ＥＬ素子は第１図の
ＥＬ素子とほぼ同様な構成を有している。

この薄膜ＥＬ素子の製造にあたつては、まずガラス基板
８上に酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）の透明電極層９を
真空蒸着で形成し、その上に酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ
３）から成る第１の絶縁体層１０を基板温度３００℃、
真空度１０−６〜５Ｘ１０−６Ｔ０ｒｒ程度の条件下で
、電子ビーム蒸着法により積層した。そののちＳｍ２Ｏ
３絶縁体層１０の酸素欠損状態を補うため、１０−５Ｔ
０ｒｒ程度の低真空中で４５０℃、１〜２時間程度熱処
理を行なつた。次いでＭｎを０．３〜０．５ｗｔ％程度
添加したＺｎＳ粉末をペレツト状に成形した後、焼成（
アルゴン雰囲気中１１００℃、２時間）して作製したＺ
ｎＳ：Ｍｎ焼結ベレツトを用いて１０−６Ｔ０ｒｒ程度
の真空中で、電子ビーム蒸着法によりＺｎＳ：Ｍｎ発光
層１１を形成し、さらに発光層１１の結晶性の向上とＭ
ｎの拡散を図るため、１０−６〜５×１０−６Ｔ０ｒｒ
程度の真空中で４００〜５００℃、約１時間熱処理を行
なつた。しかるのちに第１絶縁体層１０を形成し、熱処
理した時と同じ方法で、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層１１上に第
２絶縁層１２を形成し、さらにＡｌからなる背面電極１
３を真空蒸着法により形成した。このように、絶縁層蒸
着後低真空中で熱処理を行うことによつて、薄膜形成直
後は褐色化し、酸素抜けが起き組成がＳｍ２Ｏ３−、と
なつていた絶縁体層１０，１２の透光性が向上し、本来
のＳｍ２Ｏ３薄膜となつた。

また第１絶縁体層１０を、従来より高い基板温度で形成
したことから、ＺｎＳ：Ｍｎ発光層１１を積層形成する
際にクラツクが入ることはなかつた。さらに本発明の製
造方法では、第１絶縁層１０、発光層１１、第２絶縁層
１２はいずれも電子ビーム蒸着法で形成したから、熱処
理工程も含め製造工程を同一の装置で連続して行なえ、
大気中に界面をさらすことがないので、素子ノ特性に悪
影響を及ぼす界面準位の生成をかなり抑えることができ
た。

第３図は第２図に示す構造の本発明による方法で製造し
た薄膜ＥＬ素子の発光輝度一電圧特性図であつて、曲線
Ａは本発明の方法により製造した薄膜ＥＬ素子の特性を
示し、曲線Ｂは従来の方法によつて製造した薄膜ＥＬ素
子の特性である。

両ＥＬ素子の膜厚は絶縁層、発光層とも、たがいにほぼ
等しいにもかかわらず、本発明の方法によつて製造した
ＥＬ素子は従来法のＥＬ素子に比べて、輝度と耐圧がと
もに向上していた。第４図は三層構造（第１絶縁体層一
発光層一第２絶縁体層）の薄膜ＥＬ素子の発光強度の時
間変化いわゆる発光波形を示す図であつて、曲線ＣはＥ
Ｌ素子に交流電源を接続したとき、背面電極に印加され
る電圧波形であり、曲線Ｄは本発明の方法によつて製造
されたＥＬ素子の発光波形、曲線Ｅは従来法によつて製
造されたＥＬ素子の発光波形である。

この第４図から明らかなように、従来のＥＬ素子は背面
電極の電位が負のときはほとんど発光せず、発光波形が
印加電圧の極性に対して非対称であるのに対し、本発明
の方法によつて製造されたＥＬ素子は電圧の極性によら
ず、印加電界の半周期ごとに同程度の強度で発光し、発
光波形が対称である。したがつて、第３図に示す発光輝
度一電圧特性において、本発明の方法によつて製造され
たＥＬ素子と従来のＥＬ素子とでは、最高輝度が大きく
異なるのは両ＥＬ素子の発光波形の違いから生ずること
は明らかである。第５図は、第２絶縁層１２をはぶいた
二層構造（第１絶縁層一発光層）の薄膜ＥＬ素子の断面
概略図であつて、第２図と同一符号のものは同一のもの
を示すものとする。

第６図は第５図のＥＬ素子の発光波形を示す図であつて
、図中、曲線Ｃは背面電極１３に印加される交流電圧波
形、曲線Ｆは薄膜ＥＬ素子の発光波形である。

この第６図から明らかなように、発光波形は電圧極性に
対して非対称であり、しかも第４図に示す曲線Ｅの従来
の薄膜ＥＬ素子の発光波形に類似している。したがつて
このことから、三層構造の薄膜ＥＬ素子を従来法で製造
した場合、第２絶縁体層５は絶縁性が悪く、絶縁体とし
て機能しないが、本発明の方法によつて薄膜ＥＬ素子を
製造すれば、絶縁体層の絶縁性が良くなることが明らか
である、なお従来法によつても第１絶縁体層３は、かな
り絶縁性が良好なのは、従来からＺｎＳ：Ｍｎ発光層４
を形成後、主に発光層の膜質向上の目的で、真空中熱処
理を行つており、この熱処理時に第１絶縁層３の酸素欠
損状態も同時に補われるためである。以上説明したよう
に、薄膜ＥＬ素子を本発明の方法によつて製造すれば、
高輝度、高耐圧のＥＬ素子を得ることができ、また素子
の一連の製造工程が同一の蒸着装置で連続して行えるの
で、絶縁層一発光層界面が清浄な素子となるから、本発
明の方法は発光特性の安定した長寿命の高輝度薄膜ＥＬ
素子を製造する上で有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の薄膜ＥＬ素子の断面構成図、第２図は本
発明の一実施例で製造された薄膜ＥＬ素子の断面概略図
、第３図は薄膜ＥＬ素子の発光輝度一電圧特性図、第４
図は三層構造の薄膜ＥＬ素子の発光波形を示す図、第５
図は二層構造の薄膜ＥＬ素子の断面概略図、第６図は第
５図の素子の発光波形を示す図である。 １，８・・・・・・ガラス基板、２，９・・・・・・透
明電極層、３，１０・・・・・・第１絶縁体層、４，１
１・・・・・・発光層、５，１２・・・・・・第２絶縁
層、６，１３・・・・・・背面電極、１４・・・・・・
交流電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発光層の両側に絶縁体層を設け、該絶縁体層を介し
   て前記発光層に電界を印加する電極手段が形成されてい
   る薄膜エレクトロルミネセンス素子の製造方法において
   、前記絶縁層は、III族、IV族あるいはＶ族の酸化物層
   を真空蒸着によつて形成し、次いで１０＾−＾４〜５×
   １０＾−＾６Ｔｏｒｒの真空中、４００〜６００℃の温
   度で、１〜２．５時間熱処理を行うことを特徴とする薄
   膜エレクトロルミネセンス素子の製造方法。