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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば計器類の自発光型のセグメント表示やマトリックス表示、或いは各種情報端末機器のディスプレイなどに使用されるEL(Electroluminescence)素子に関するもので、特に、青色系の発光を行うEL素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、青色系の発光を行うEL素子としては、例えば、1993年ディスプレイ情報学会国際会議技術論文ダイジェストp761〜764に記載のものがある。これは、基板上に、周期表の2族−13族−16族化合物半導体であるアルカリ土類金属チオガレート(MGa2 S4 、M=Ga、Sr、Ba)を発光素子の母材とし、発光中心元素としてセリウム(Ce)を添加した発光層を、上下一対の電極間に挟んで形成してなるEL素子である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来EL素子では、青色系統の発光を行うEL素子を得ることはできるが、十分な青色の発光輝度が得られないという問題がある。
この青色の発光輝度の問題に対して、特開平8−162273号公報に示されているように、Sr2 Ga2 S5 :Ce薄膜とZnS薄膜を複数層積層した発光層を用いることにより、高輝度化が達成できるとの記載があるが、本発明者等の検討によれば、良好なフルカラー化の実現等のためには発光輝度が未だ不十分であり、より高輝度化が望まれる。
【0004】
本発明は上記問題点に鑑みて、基板上に発光層を一対の電極間に挟んで形成してなるEL素子において、青色発光の高輝度化を図ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、基板上に発光層を一対の電極間に挟んで形成してなるEL素子において、母材として青色発光を行うアルカリ土類金属チオガレートを用い且つ高輝度化のために複数層が積層されてなる発光層について、鋭意検討を行った。その結果、この発光層に異種元素を存在させた構成とし、電圧を印加した際にこの異種元素が移動することで、発光層中にホール(正孔)等を発生させ、電荷の移動を促進させれば、輝度が向上するのではないかと考えた。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【0006】
すなわち、本発明においては、発光層(14)を、アルカリ土類金属チオガレートを母材とし発光に寄与する第1の層(141、143)と、この第1の層(141、143)とは異なる母材とした第2の層(142、144)とを複数層積層したものとし、第1の層(141、143)の少なくとも1層に発光中心となる元素を添加した上で、更に、第1の層(141、143)に、第2の層(142、144)を構成する少なくとも1種以上の元素を含ませたことを特徴としている。
【0007】
それによって、第1の層(141、143)の一部若しくは全体に添加された第2の層(142、144)を構成する少なくとも1種以上の元素(添加元素)、すなわち第1の層(141、143)の構成元素に対する異種元素としての添加元素によって、電荷の移動が促進されるため、青色発光の高輝度化が実現できる。
【0008】
なお、請求項1記載の発明では、基板(11)側に位置する第1の層(141、143)の厚さd1と、基板(11)より遠方側に位置する第1の層(141、143)の厚さd2との厚さ比d2/d1は、3以上12以下であることを特徴としている。また、請求項2、4記載の発明では、アルカリ土類金属チオガレートとして、特に化学式MGaαSβ(ここで、Mは周期表第2族から選択される元素であり、1.5<α<2.0、3.0<β<4.0である)で表されるものを用いることを特徴している。このことにより、良好な青色発光輝度を実現できる。ここで、周期表第2族元素は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raが挙げられる。なお、MGaαSβは、CaGaαSβ及びSrGaαSβ若しくはこれらの複合体であることが好ましい。なお、上記添加元素の混合は、第1の層(141、143)と第2の層(142、144)とをMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等により積層成膜した後熱処理を行い、第2の層(142、144)から第1の層(141、143)へ拡散させるか、又は、第1の層(141、143)を形成する際に、原料中に予め混合したものを用いて成膜する等の手法を用いて行うことができる。
【0009】
また、上記添加元素の混合において上記手法を用いるため、製造上のばらつき等によって、請求項3記載の発明のように、添加元素は第1の層(141、143)中で濃度分布を持つ。また、請求項4記載の発明においては、上記添加元素は、第1の層(141、143)の厚み方向において、中央部よりも、隣接する第2の層(142、144)との界面近傍の方が濃度が高くなるように分布していることを特徴としている。この構成は、上記熱処理による拡散の手法等により、実現できる。
【0010】
本発明は、換言すれば、第1の層(141、143)と第2の層(142、144)の間に、第1の層(141、143)と第2の層(142、144)を構成する元素が混在する第3の層が擬似的に存在した形となる。それによって、EL素子において移動電荷量が著しく増加し、同じ発光効率であっても、高い発光輝度が得られる。
【0015】
また、請求項5及び請求項6記載の発明のように、第2の層(142、144)の母材として、ZnS(硫化亜鉛)等の遷移金属の硫化物を用いることができる。また、請求項7記載の発明のように、発光中心となる元素は、希土類元素の中から選択された1種または2種以上の元素を用いることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は本第1実施形態に係る薄膜EL(エレクトロルミネッセンス)素子(以下、EL素子という)100の断面構成を示す模式図である。このEL素子100は、例えば計器類の自発光型のセグメント表示やマトリックス表示、或いは各種情報端末機器のディスプレイなどに使用される。
【0017】
EL素子100は、絶縁性基板である透明なガラス基板(基板)11上に、順次以下の薄膜が積層形成されて構成されている。
ガラス基板11上には、光学的に透明な錫添加の酸化インジウム(ITO)から成る第1透明電極(第1電極)12が形成され、その上面には光学的に透明な酸化窒化シリコン(SiON)から成る第1絶縁層13、発光中心としてセリウムを添加したカルシウムチオガレートから成る発光層14、光学的に透明な酸化窒化シリコン(SiON)および五酸化タンタル(Ta2 O5 )から成る第2絶縁層15、光学的に透明な酸化亜鉛から成る第2透明電極(第2電極)16が形成されている。
【0018】
ここで、EL素子100は、ガラス基板11の薄膜形成面及びこれと反対面の両面から、光取出しが可能となっている。なお、どちらか一方の電極を金属電極にして、他方の透明な電極側から光を取出すようにしてもよい。
なお、第1及び第2透明電極12、16は、ストライプ状の電極をなし、両者が互いに直交したマトリクス電極を形成している。従って、第1及び第2透明電極12、16は、ガラス基板11上において、両絶縁層13、15を介して発光層14を挟む一対の電極として構成されている。
【0019】
発光層14は、所定組成範囲を有するアルカリ土類金属チオガレートMGaαSβ(ここで、Mは周期表第2族から選択される元素であり、1.5<α<2.0、3.0<β<4.0である)を母材としてなる発光に寄与する第1の層141、143と、第1の層141、143とは異なる母材からなる第2の層142、144とが複数層積層されて構成されている。
【0020】
具体的には、第1絶縁層13から第2絶縁層15に向かって、第1の層(第1発光層)141、第2の層142、第1の層(第2発光層)143、第2の層144の順に、順次積層されている。
ここで、アルカリ土類金属チオガレートMGaαSβの上記所定組成範囲は、例えば図2に示す様に、本発明者等が青色発光輝度について検討した結果求めたものである。図2では、MとしてCaを用い、横軸にCa/Ga組成比(つまりα)、縦軸に青色発光輝度(任意単位)を示す。
【0021】
Ca/Ga組成比が1.5よりも大きく2.0未満の範囲で良好な青色発光輝度を示す。Sの組成比βについては、αが決まれば化学量論比から計算して求めることができ、3.0<β<4.0が好ましい。MがSr等の他の周期表第2族元素(アルカリ土類金属元素)である場合にも同様の結果が得られた。
本例では、第1の層141、143の母材としてカルシウムチオガレートCaGa1.8 S3.7 (つまり、M=Ca、α=1.8、β=3.7)、また、第2の層142、144の母材として遷移金属の硫化物であるZnS(硫化亜鉛)を用いている。
【0022】
また、両第1の層141、143には、希土類元素であって発光中心となる元素(本例ではCe(セリウム))が添加されている。ここで、ガラス基板11よりも遠くに位置する第1の層143に発光中心となる元素が添加されていることが好ましい。
そして、両第1の層141、143には、第2の層142、144を構成する元素であるZn(亜鉛)が添加されている。この添加亜鉛は第1の層141、143において、電圧印加の際に自身が移動してホール(正孔)等を発生すると考えられ、電荷の移動を促進し、輝度向上に寄与する。
【0023】
その添加濃度は、後述の図3に示す様に、第1の層141、143の厚み方向において、中央部よりも、隣接する第2の層142、144との界面近傍の方が濃度が高くなるように分布している。それによって、上記界面付近での電荷移動が促進されるため、良好な発光効率及び高い発光輝度が得られるとともに、中央部に異種元素であるZnが少ないため、発光に寄与する第1の層の結晶性が良好に維持される。
【0024】
このように、本例では、発光層14は、カルシウムチオガレートCaGa1.8 S3.7 を母体材料とし発光中心としてセリウムを添加したカルシウムチオガレート:セリウム発光層としての第1の層141、143と、硫化亜鉛薄膜としての第2の層142、144とから構成され、第1の層141、143の中に、亜鉛が添加された形となっている。
【0025】
次に、EL素子100の製造方法について述べる。
まず、ガラス基板11上に第1透明電極12をスパッタ法により形成する。具体的には、ガラス基板11の温度を一定に保持し、アルゴンと酸素の混合ガスを用い、高周波電力を印加して成膜を行った(第1電極形成工程)。
次に、上記第1透明電極12上に、酸化窒化シリコンからなる第1絶縁層13をスパッタ法により形成する。具体的には、ガラス基板11の温度を一定に保持し、アルゴン、酵素および窒素の混合ガス中にて、1kWの高周波電力で成膜を行った(第1絶縁層形成工程)。
【0026】
続いて、第1絶縁層13上に、発光層14を有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、上記積層順に形成する(発光層形成工程)。以下に、その形成方法を具体的に述べる。
まず、反応炉内に、成膜するためのガラス基板11をセットし、ターボ分子ポンプ等を使用して1×10-6Torr以下になるように真空引きを行った。次にガラス基板11を550℃の一定温度に保持し、反応炉内を50Torrの減圧雰囲気なるように自動圧力制御装置にて調節した。
【0027】
カルシウム原料は、塩化物やフッ化物より昇華若しくは気化温度が低く、温度制御し易いことから、ビスジピバロイルメタン化カルシウム(Ca(C11H19O2 )2 )を用いた。そして、この原料を充填した原料容器を、230±1℃以内の精度で一定温度に保持した。
ガス化したビスジピバロイルメタン化カルシウムを反応炉に輸送するためには、アルゴンガスを用いた。アルゴンガスは、同原料を充填した原料容器内に導入される直前に、脱水フィルターにて十分に水分を除去し、水分除去されたアルゴンガスにてビスジピバロイルメタン化カルシウムを反応炉内に導入した。
【0028】
周期表第13族元素であるガリウム(Ga)については、原料であるトリエチルガリウム(Ga(C2 H5 )3 )を充填した原料容器を18℃に保温し、得られた原料ガスをアルゴンキャリアガスを用いて反応炉内に導入した。なお、13族元素原料であるガリウムの供給ガスとしては、上記トリエチルガリウム以外にトリメチルガリウム(Ga(CH3 )3 )、トリブチルガリウム(Ga(C3 H7 )3 )、トリジピバロイルメタン化ガリウム(Ga(C11H19O2 )3 )等有機化合物を用いて、それら原料温度を調節することにより同様に形成することが可能である。
【0029】
周期表第16族元素である硫黄(S)は、アルゴンガスで希釈した硫化水素(H2 S)を原料ガスとし、反応炉に導入した。16族元素原料である硫黄の供給ガスとしては、硫化水素以外に、ジメチル硫黄(S(CH3 )2 )、ジエチル硫黄(S(C2 H5 )2 )やメチルメルカプタン(S(CH3 )H)、エチルメルカプタン(S(C2 H5 )H)を用いても良い。
【0030】
更に、発光中心元素を添加するために、原料としてトリジピバイロイルメタン化セリウム(Ce(C11H19O2 )3 )を用いた。まず、トリジピバロイルメタン化セリウムを専用の原料容器に充填し、この原料容器を175℃の一定温度に保温維持し、原料を昇華させガス化した。ガス化したトリドジピバロイルメタン化セリウムをアルゴンキャリアガスにて輸送し、これを反応炉に供給した。
【0031】
上記原料ガスを硫化水素、トリエチルガリウム、ビスジピバロイルメタン化カルシウム、発光中心元素であるセリウムの原料であるトリジピバロイルメタン化セリウムの順序で反応炉内に導入し、反応及び熱分解させることによって、カルシウムチオガレート:セリウム発光層としての第1の層141を90nm形成した(第1発光層形成工程)。
【0032】
次に、第1の層141上に、硫化亜鉛(ZnS)薄膜である第2の層142を20nm堆積した。具体的には、硫化亜鉛を堆積するために用いる亜鉛(Zn)の原料として、ジエチル亜鉛(Zn(C2 H5 )2 )を用い、これを17℃に保温し、50cc/minのアルゴンキャリアガスにて原料ガスを反応炉内に導入した。
【0033】
また、硫黄(S)原料には水素で希釈した硫化水素(H2 S)ガスを、50cc/minの速度で反応炉内に導入した。硫化亜鉛の堆積は、2Torrの反応炉内圧力下にて450℃に加熱したガラス基板11に対して、前記原料ガスを供給することにより行った(第1硫化亜鉛薄膜形成工程)。
上記第2の層142を堆積後、再びカルシウムチオガレート:セリウム発光層としての第1の層143を390nm堆積した(第2発光層形成工程)。具体的な堆積方法は、上記第1の層141と同様であるため、省略する。
【0034】
さらに上記第1の層143上に、硫化亜鉛薄膜である第2の層144を50nm堆積した(第2硫化亜鉛薄膜形成工程)。上記同様に具体的な堆積方法については、硫化亜鉛14−2と同様であるため、省略する。
そして、第2の層144上、すなわち発光層14上に、酸化窒化シリコンから成る第2絶縁層15を形成する(第2絶縁層形成工程)。本例では、第2絶縁層15は2層の絶縁層151及び152とから構成される。第2絶縁層15は、上述の第1絶縁層13と同様の方法で形成できる。
【0035】
まず、第2絶縁層151を上述の第1絶縁層13と同様の方法で形成後、発光層を結晶化させ、更に第2の層142、144から第1の層141、143へZnを拡散させるための熱処理を施す(熱処理工程)。
具体的には、第2絶縁層151まで形成したガラス基板11を、十分にアルゴンガスにて置換された熱処理炉内に設置した。これを10-5Torr以下になるまで真空引きし、この中に0.2cc/minの速度でアルゴン希釈された硫化水素ガスを導入し、圧力調節器にて熱処理炉内の圧力を0.01から0.05Torrの範囲になるように調節した。
【0036】
次に、500℃まで100℃/minの速度で昇温し、さらに60℃/minの昇温速度にて650℃まで温度を上げ、熱処理を行った。また650℃に到達後は、直ちに降温した。こうして、両第1の層141、143に亜鉛が拡散して添加される。
熱処理を終えたガラス基板11上に、スパッタ法で錫添加の酸化タンタルからなる第2絶縁層152を形成する。具体的には、ガラス基板11の温度を一定に保持し、スパッタ装置内にアルゴンと酸素の混合ガスを導入し、1kWの高周波電力で成膜を行った。
【0037】
最後に、ガリウム添加の酸化亜鉛膜から成る第2透明電極16を、第2絶縁層15上に形成する。具体的には、蒸着材料として、酸化亜鉛(ZnO)粉末に酸化ガリウム(Ga2O3)を加えて混合し、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。そして、ガラス基板11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に排気した。その後、アルゴンガスを導入して、圧力を一定に保ち、成膜速度が6〜18nm/minの範囲になるようにビーム電力および高周波電力を調節した。
【0038】
各層の膜厚は、第1透明電極12が200nm、第2透明電極が500nm、第1絶縁層13が150nm、第2絶縁層の内、酸化窒化シリコンが100nm、五酸化タンタルが200nmである。また発光層全体の膜厚は、550nmである。なお、以上の各層の膜厚はその中央の部分を基準として述べてある。
本例によるEL素子100について、発光層14中のカルシウム、ガリウム、亜鉛、硫黄それぞれの量を、2次イオン質量分析計(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometer)にて測定した結果を図3に示す。これは、素子表面からの深さ方向に対するカルシウム、ガリウム、亜鉛、硫黄原子(イオン)の存在量を示したものである。
【0039】
図3からわかるように、セリウム添加のカルシウムチオガレート発光層である第1の層141、143中に亜鉛が添加されており、その添加状態は、第1の層141、143の中心から隣接する第2の層142、144との界面に向かって、亜鉛濃度が高くなっている。ちなみに、上記Zn拡散のための熱処理工程を行わないと、第1の層141、143中に亜鉛は添加されなかった。
【0040】
また、発光層14において、第1の層141、143中のカルシウム、ガリウム、硫黄の組成比をEPMA(Electron Probe Micro Anaysis)にて測定した結果、カルシウムの存在量を1とすると、ガリウムの存在量は1.8であった。またカルシウムの存在量を1とする硫黄の存在量は、3.7であった。従って、本例の第1の層141、143の母材はカルシウムチオガレートCaGa1.8 S3.7 となっていることが確認される。
ここで、比較例として図4に示すEL素子200を作製した。このEL素子200は、絶縁性基板であるガラス基板1上に、光学的に透明なITO膜から成る第1電極2、五酸化タンタル(Ta2 O5 )等から成る第1絶縁層3、発光層4、第2絶縁層5及びITO膜から成る第2電極6を順次積層して形成されている。そして、発光層4は、セリウムを添加したカルシウムチオガレート(組成比は本例と同様である)薄膜42の上下に硫化亜鉛膜41、43を形成したものであり、薄膜42には硫化亜鉛膜41、43の構成元素は添加されていない。
【0041】
つまり、比較例のEL素子200は、第1の層に相当する薄膜42の中に、第2の層に相当する硫化亜鉛膜41、43の亜鉛(Zn)が添加されていないことが、本実施形態のEL素子100と異なり、従来技術に相当するものである。
この比較例のEL素子200と本実施形態のEL素子100の発光輝度と、印加電圧に対する発光輝度(青色発光輝度)を比較したものを図5に示す。なお、図5に示す印加電圧−発光輝度特性は、一対の透明電極12及び16間、又は電極2及び6間に、駆動周波数60Hzの交流パルス電圧を印加したときに得られた発光輝度である。
【0042】
実用上の発光輝度として、しきい値プラス40V(約235V)の印加電圧における発光輝度をみると、本実施形態のEL素子100は、従来構造のEL素子200に比べて約1.5倍の発光輝度が得られることが確認できた。
次に、本実施形態のEL素子100の発光色と、比較例のEL素子200の発光色と比較したものを図6に示す。図6では、CIE(国際照明委員会:Commission Internationale de I’Eclairage)色度座標図として示す。本実施形態のEL素子100の発光色を白丸、比較例のEL素子200を黒丸にて示す。
【0043】
比較例のEL素子200の発光色が(X、Y)=(0.16、0.19)であるのに対して、本実施形態のEL素子100の発光色は、(X、Y)=(0.15、0.17)であり、従来レベルの良好な青色純度を維持している。このように、本実施形態のEL素子100を用いることにより、青色純度の良い、高い発光輝度が得られることを確認した。
【0044】
以上、母材としてのカルシウムチオガレートCaGa1.8 S3.7 にCe添加及びZn拡散が施された第1の層141、143と、ZnSからなる第2の層144とから構成される発光層14について、主として述べてきたが、第1の層141、143の母材は、上記所定組成範囲にあるアルカリ土類金属チオガレートMGaαSβであれば、同様に良好な青色純度と高輝度の両立を実現できる。
【0045】
また、第2の層の母材としては、ZnS以外にも、例えば遷移金属の硫化物としてCdSを用い、第1の層にCdを拡散する等の構成としてもよい。
次に、本実施形態のEL素子100において、第1の層141及び143の各層の膜厚を変えた場合、発光輝度に与える影響について調べた。その結果を図7に示す。ここで、両第1の層141及び143の合計膜厚(厚さ)は同一とした。何故ならば、合計膜厚は、あまりに厚いと印加電圧のしきい値も過大となって実用上好ましくないという制約があるためである。
【0046】
図7の横軸は、ガラス基板11近傍の第1の層141の膜厚d1とガラス基板11遠方の第1の層143の膜厚d2との膜厚比d2/d1を示す。縦軸は発光輝度を表し、発光閾値電圧を40V超過した電圧における発光輝度をプロットしたものである。
図7に表されるように、上記膜厚比が1(両第1の層141、143の膜厚が同一)の素子より、膜厚比が1を越えるものの方が発光輝度が高く、逆に膜厚比が1未満の素子は、膜厚比1の素子より発光輝度が低い。このうち、発光輝度の高い素子の構成は、好ましくは膜厚比3以上12以下であり、更に好ましくは膜厚比4〜5の素子である。
【0047】
このように、各第1の層141、143の膜厚比によって輝度が変化し、その発光輝度は第1発光と第2発光層の膜厚比が1を越え15未満の構造であれば、膜厚比が同じ又は1未満の素子若しくは15以上の素子に比べて、高い輝度が得られる。
ここで上記膜厚比が最適範囲を有する理由は次のように考えられる。上記の制約上、合計膜厚は、あまりに厚くできない。そのため、上記膜厚比が大きすぎるとガラス基板11側の第1の層141の膜厚が薄くなり発光輝度を確保できなくなってしまう。また、逆にガラス基板11遠方の第1の層143は、余り薄いとやはり発光輝度を確保できない。そのために、最適範囲を有すると考えられる。
【0048】
ところで、図7の結果は、図1のEL素子100において検討したものであるが、第1の層141、143に第2の層142、144の亜鉛が添加されていないものにおいても、図7と同様の傾向が得られている。
このように、第1の層141及び143の各層の膜厚と発光輝度との関係を検討した結果、基板11近傍側に位置する第1の層141の厚さよりも、基板11遠方側に位置する第1の層143の厚さの方が厚いと、高輝度化のためには好ましいことがわかった。
【0049】
ところで、本実施形態では、上記各効果に加え、発光層14のうち、ガラス基板11から最も遠い部位に位置する層を第2の層144としているため、この第2の層144によって発光に寄与する第1の層143の剥離防止を行うことができ、信頼性に優れたEL素子100を提供できる。
なお、課題の欄に示した上記公報においては、複数層積層されてなる発光層中に中間絶縁層を介在させて発光輝度を向上させているが、本実施形態では、このような余分な中間絶縁層を介在させる必要がないため、例えば、発光層の厚さを増加させる等の問題がなく発光輝度を向上できる。
【0050】
(他の実施形態)
なお、第1の層141、143を形成するときに、原料中に予め第2の層142、144を構成する元素である亜鉛を混合させる形で成膜を行ってもよい。
また、上記各実施形態では発光層14は、第1の層と第2の層を1組の層として、2層積層された構造としているが、3層以上の積層構造であってもよい。
【0051】
また、上記EL素子100においても、課題の欄に示した上記公報に示される中間絶縁層を介在させた構成とすれば、よりいっそうの高輝度化が実現できる。
なお、本明細書中、周期表第2族、13族、16族は、それぞれ旧族でいうと、2A族、3A族、6B族に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る薄膜EL素子の断面構成を示す模式図である。
【図2】アルカリ土類金属チオガレートの組成比と青色発光輝度との関係を示す図である。
【図3】上記実施形態の発光層における各元素の分布状態を示す図である。
【図4】本発明の比較例としての薄膜EL素子の断面構成を示す模式図である。
【図5】薄膜EL素子の発光特性と印加電圧との関係を示す図である。
【図6】上記実施形態及び上記比較例の発光色を示すCIE色度座標図である。
【図7】上記実施形態の発光層における第1の層の膜厚比と発光輝度の関係を示す図である。
【符号の説明】
11…ガラス基板、12…第1の透明電極、14…発光層、
16…第2の透明電極、141、143…第1の層、
142、144…第2の層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an EL (Electroluminescence) element used for, for example, a self-luminous segment display or matrix display of instruments, or a display of various information terminal devices, and more particularly to an EL element that emits blue light. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as EL elements that emit blue light, for example, there are those described in the 1993 International Conference on Display Information Technology Digest p761-764. This is because an alkaline earth metal thiogallate (MGa) which is a group 2-13 group-16 compound semiconductor of the periodic table is formed on a substrate. 2 S Four , M = Ga, Sr, Ba), and an EL element formed by sandwiching a light emitting layer to which cerium (Ce) is added as a light emitting central element between a pair of upper and lower electrodes.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, with the conventional EL element, an EL element that emits blue light can be obtained, but there is a problem that sufficient blue light emission luminance cannot be obtained.
As shown in Japanese Patent Laid-Open No. 8-162273, Sr 2 Ga 2 S Five : Although there is a description that high luminance can be achieved by using a light emitting layer in which a plurality of Ce thin films and ZnS thin films are laminated, according to the study by the present inventors, for the realization of good full color, etc. However, the light emission luminance is still insufficient, and higher luminance is desired.
[0004]
In view of the above problems, an object of the present invention is to increase the luminance of blue light emission in an EL element in which a light emitting layer is sandwiched between a pair of electrodes on a substrate.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors use an alkaline earth metal thiogallate that emits blue light as a base material in an EL element in which a light emitting layer is sandwiched between a pair of electrodes on a substrate, and a plurality of layers for high brightness. The luminescent layer formed by laminating was studied earnestly. As a result, this light emitting layer has a different element present, and when the voltage is applied, this different element moves, generating holes (holes) in the light emitting layer and promoting the movement of charges. I thought that the brightness would be improved. Book The invention has been made based on this finding.
[0006]
That is, Book In the present invention, the light emitting layer (14) is composed of a first layer (141, 143) that contributes to light emission using an alkaline earth metal thiogallate as a base material, and a base material different from the first layer (141, 143). A plurality of second layers (142, 144) are stacked, and an element serving as a light emission center is added to at least one of the first layers (141, 143). The layer (141, 143) includes at least one element constituting the second layer (142, 144).
[0007]
Accordingly, at least one element (addition element) constituting the second layer (142, 144) added to a part or the whole of the first layer (141, 143), that is, the first layer ( 141, 143) The additive element as a different element with respect to the
[0008]
In the first aspect of the invention, the thickness d1 of the first layer (141, 143) located on the substrate (11) side and the first layer (141, 141) located on the far side from the substrate (11). The thickness ratio d2 / d1 with respect to the thickness d2 of 143) is 3 or more and 12 or less.
[0009]
In addition, since the above method is used in mixing the additive element, due to manufacturing variations, etc. 3 As in the described invention, the additive element has a concentration distribution in the first layer (141, 143). Claims 4 In the described invention, the concentration of the additive element is higher in the vicinity of the interface with the adjacent second layer (142, 144) than in the center in the thickness direction of the first layer (141, 143). It is characterized by high distribution. This configuration can be realized by the diffusion method using the heat treatment.
[0010]
In other words, the present invention is arranged between the first layer (141, 143) and the second layer (142, 144), between the first layer (141, 143) and the second layer (142, 144). The third layer in which elements constituting the element are mixed is in a pseudo form. As a result, the amount of mobile charge in the EL element is remarkably increased, and high luminance can be obtained even with the same luminous efficiency.
[0015]
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a thin film EL (electroluminescence) element (hereinafter referred to as an EL element) 100 according to the first embodiment. The
[0017]
The
A first transparent electrode (first electrode) 12 made of optically transparent tin-added indium oxide (ITO) is formed on the
[0018]
Here, the
Note that the first and second
[0019]
The
[0020]
Specifically, from the first insulating
Here, the predetermined composition range of the alkaline earth metal thiogallate MGaαSβ is obtained, for example, as shown in FIG. In FIG. 2, Ca is used as M, the Ca / Ga composition ratio (that is, α) is shown on the horizontal axis, and the blue light emission luminance (arbitrary unit) is shown on the vertical axis.
[0021]
Good blue light emission luminance is exhibited when the Ca / Ga composition ratio is greater than 1.5 and less than 2.0. The composition ratio β of S can be calculated from the stoichiometric ratio if α is determined, and 3.0 <β <4.0 is preferable. Similar results were obtained when M was another
In this example, calcium thiogallate CaGa1.8 S3.7 (that is, M = Ca, α = 1.8, β = 3.7) as the base material of the
[0022]
In addition, an element which is a rare earth element and serves as a light emission center (Ce (cerium) in this example) is added to both the
In addition, Zn (zinc) which is an element constituting the
[0023]
As shown in FIG. 3 to be described later, the concentration of the additive is higher in the vicinity of the interface with the adjacent
[0024]
Thus, in this example, the light-emitting
[0025]
Next, a method for manufacturing the
First, the first
Next, a first insulating
[0026]
Subsequently, the
First, a
[0027]
The calcium raw material has a sublimation or vaporization temperature lower than that of chloride or fluoride, and is easy to control the temperature, so that bisdipivaloyl methanated calcium (Ca (C 11 H 19 O 2 ) 2 ) Was used. And the raw material container filled with this raw material was hold | maintained at the fixed temperature with the precision within 230 +/- 1 degreeC.
Argon gas was used to transport the gasified calcium bisdipivaloyl methanate to the reactor. Just before the argon gas is introduced into the raw material container filled with the same raw material, the water is sufficiently removed by a dehydration filter, and the bisdipivaloyl methanated calcium is removed from the reactor with the argon gas from which water has been removed. Introduced.
[0028]
For gallium (Ga), a
[0029]
Sulfur (S), a
[0030]
Furthermore, in order to add a luminescent center element, tridipypyroyl methanide (Ce (C 11 H 19 O 2 ) Three ) Was used. First, tridipivaloyl methanated cerium was filled in a dedicated raw material container, and this raw material container was maintained at a constant temperature of 175 ° C., and the raw material was sublimated and gasified. The gasified tridodipivaloyl methanated cerium was transported with an argon carrier gas and supplied to the reactor.
[0031]
The above raw material gases are introduced into the reactor in the order of hydrogen sulfide, triethylgallium, calcium bisdipivaloylmethanated, and cerium, which is a luminescent center element, and are reacted and pyrolyzed. As a result, a
[0032]
Next, a
[0033]
In addition, sulfur (S) raw material is hydrogen sulfide diluted with hydrogen (H 2 S) Gas was introduced into the reactor at a rate of 50 cc / min. Zinc sulfide was deposited by supplying the raw material gas to the
After the
[0034]
Further, a 50 nm thick
Then, the second insulating
[0035]
First, after forming the second insulating
Specifically, the
[0036]
Next, the temperature was raised to 500 ° C. at a rate of 100 ° C./min, and the temperature was further raised to 650 ° C. at a rate of 60 ° C./min to perform heat treatment. Further, after reaching 650 ° C., the temperature was immediately lowered. Thus, zinc is diffused and added to both
A second insulating
[0037]
Finally, a second
[0038]
The thickness of each layer is 200 nm for the first
FIG. 3 shows the results obtained by measuring the amounts of calcium, gallium, zinc, and sulfur in the
[0039]
As can be seen from FIG. 3, zinc is added to the
[0040]
In addition, in the light-emitting
Here, an
[0041]
That is, in the
FIG. 5 shows a comparison between the emission luminance of the
[0042]
When the light emission luminance at an applied voltage of a threshold value plus 40 V (about 235 V) is seen as practical light emission luminance, the
Next, FIG. 6 shows a comparison between the emission color of the
[0043]
The emission color of the
[0044]
As described above, the
[0045]
Further, as the base material of the second layer, other than ZnS, for example, CdS may be used as a transition metal sulfide, and Cd may be diffused in the first layer.
Next, in the
[0046]
The horizontal axis of FIG. 7 indicates the film thickness ratio d2 / d1 between the film thickness d1 of the
As shown in FIG. 7, the light emission luminance is higher when the film thickness ratio exceeds 1 than when the film thickness ratio is 1 (the film thickness of both the
[0047]
As described above, the luminance varies depending on the film thickness ratio of each of the
Here, the reason why the film thickness ratio has the optimum range is considered as follows. Due to the above restrictions, the total film thickness cannot be made too thick. Therefore, if the film thickness ratio is too large, the film thickness of the
[0048]
By the way, although the result of FIG. 7 was examined in the
Thus, as a result of examining the relationship between the film thicknesses of the respective layers of the
[0049]
By the way, in the present embodiment, in addition to the above effects, the
In the above-mentioned publication shown in the problem column, the light emitting luminance is improved by interposing an intermediate insulating layer in the light emitting layer formed by laminating a plurality of layers. Since there is no need to interpose an insulating layer, for example, there is no problem of increasing the thickness of the light emitting layer, and the light emission luminance can be improved.
[0050]
(Other embodiments)
Note that when the
In each of the above embodiments, the
[0051]
Further, even in the
In addition, in this specification, the 2nd group, 13th group, and 16th group of the periodic table correspond to the 2A group, the 3A group, and the 6B group, respectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a thin film EL element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the composition ratio of alkaline earth metal thiogallate and blue light emission luminance.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution state of each element in the light emitting layer of the embodiment.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a thin film EL element as a comparative example of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between light emission characteristics of a thin film EL element and applied voltage.
FIG. 6 is a CIE chromaticity coordinate diagram showing emission colors of the embodiment and the comparative example.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the film thickness ratio of the first layer and the light emission luminance in the light emitting layer of the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
16 ... 2nd transparent electrode, 141, 143 ... 1st layer,
142, 144, second layer.
Claims (7)
前記発光層(14)は、アルカリ土類金属チオガレートを母材としてなる発光に寄与する第1の層(141、143)と、この第1の層(141、143)とは異なる母材からなる第2の層(142、144)とが、交互にしかも直接接触して複数層積層されたものであり、
前記第1の層(141、143)の少なくとも1層に発光中心となる元素が添加されており、
前記第1の層(141、143)に、前記第2の層(142、144)を構成する少なくとも1種以上の元素が含まれており、
前記基板(11)側に位置する前記第1の層(141)の厚さd1と、前記基板(11)より遠方側に位置する前記第1の層(143)の厚さd2との厚さ比d2/d1は、3以上12以下であることを特徴とするEL素子。In an EL element formed by sandwiching a light emitting layer (14) between a pair of electrodes (12, 16) on a substrate (11),
The light emitting layer (14) includes a first layer (141, 143) that contributes to light emission using alkaline earth metal thiogallate as a base material, and a base material different from the first layer (141, 143). The second layers (142, 144) are alternately and in direct contact with each other, and a plurality of layers are laminated.
An element serving as an emission center is added to at least one of the first layers (141, 143);
The first layer (141, 143) contains at least one element constituting the second layer (142, 144),
A thickness d1 of the first layer (141) located on the substrate (11) side and a thickness d2 of the first layer (143) located on the far side from the substrate (11) The ratio d2 / d1 is 3 or more and 12 or less, and the EL element.
前記発光層(14)は、化学式MGaαSβ(ここで、Mは周期表第2族から選択される元素であり、1.5<α<2.0、3.0<β<4.0である)で表される、アルカリ土類金属チオガレートを母材としてなる発光に寄与する第1の層(141、143)と、この第1の層(141、143)とは異なる母材からなる第2の層(142、144)とが、交互にしかも直接接触して複数層積層されたものであり、
前記第1の層(141、143)の少なくとも1層に発光中心となる元素が添加されており、
前記第1の層(141、143)に、前記第2の層(142、144)を構成する少なくとも1種以上の元素が含まれており、
前記第1の層(141、143)に含まれている前記第2の層(142、144)を構成する元素は、前記第1の層(141、143)の厚み方向において、中央部よりも、隣接する前記第2の層(142、144)との界面近傍の方が濃度が高くなるように分布していることを特徴とするEL素子。In an EL element formed by sandwiching a light emitting layer (14) between a pair of electrodes (12, 16) on a substrate (11),
The light emitting layer (14) has the chemical formula MGaαSβ (where M is an element selected from Group 2 of the periodic table, and 1.5 <α <2.0 and 3.0 <β <4.0). ), The first layer (141, 143) that contributes to light emission using alkaline earth metal thiogallate as a base material, and the first layer (141, 143) is a second layer made of a different base material. The layers (142, 144) are alternately and in direct contact with each other, and a plurality of layers are laminated.
An element serving as an emission center is added to at least one of the first layers (141, 143);
The first layer (141, 143) contains at least one element constituting the second layer (142, 144),
The elements constituting the second layers (142, 144) contained in the first layers (141, 143) are more in the thickness direction of the first layers (141, 143) than in the central portion. The EL device is characterized in that the concentration is higher in the vicinity of the interface with the adjacent second layers (142, 144) .
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