JP2004265740A

JP2004265740A - Ｅｌ機能膜及びｅｌ素子

Info

Publication number: JP2004265740A
Application number: JP2003055040A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takahashi; 聖樹高橋; Yoshihiko Yano; 義彦矢野; Tomoyuki Oike; 智之大池; Shigeki Kataoka; 成樹片岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Also published as: WO2004077887A1; CN100456903C; CA2517479A1; KR20050111335A; US8466615B2; US20070013300A1; CN1754408A

Abstract

【課題】低電圧駆動が可能であり、発光輝度が極めて向上し、更に素子構造の簡略化ＥＬ機能膜及びＥＬ素子を提供する。
【解決手段】ＥＬ素子１は、下部電極４が形成された基板２上に設けられた厚膜絶縁体層１６と上部電極１２との間に、Ｇａ_２Ｏ_３：Ｅｕから成るＥＬ機能層６，１０及びそれらの間に形成されたＭｇＧａ_２Ｏ_４から成る発光体層８が設けられたものである。ＥＬ機能層６，１０は絶縁層及び電子注入層としての両機能を発現するものであり、これにより、ＥＬ素子１の低電圧駆動及び高発光輝度が達成されると共に、ＥＬ素子１の構造が簡略化される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＬ機能膜及びＥＬ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界発光（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；本発明において「ＥＬ」と表記する。）素子は、発光体の構成材料の相違により無機ＥＬ素子と有機ＥＬ素子とに大別される。発光体に無機材料を用いる無機ＥＬ素子は、発光体に有機材料を用いる有機ＥＬ素子と比較して発光寿命が長いという特性を有しており、車載用モニタやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や時計のバックライト等、高い耐久性が必要とされる用途を中心に実用化されている。
【０００３】
図３は、従来の無機ＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す斜視図である。ＥＬ素子２０は、二重絶縁型薄膜ＥＬ素子であり、電気絶縁性を有する透明基板２１上に、ストライプ状に設けられた下部電極２２、下部絶縁体層２４、発光体層２６、上部絶縁体層２８、及びストライプ状に設けられた上部電極３０がこの順に積層されたものである。
【０００４】
透明基板２１としては、一般にＬＣＤやＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）等に用いられている青板ガラス等の透明基板が採用されている。また、下部電極２２は、通常、膜厚０．１〜１μｍ程度のＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）から構成される。一方、上部電極３０は、Ａｌ等の金属から構成される。下部絶縁体層２４及び上部絶縁体層２８は、スパッタリングや蒸着等により形成された厚さ０．１〜１μｍ程度の薄膜であり、通常、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮ、ＢａＴｉＯ_３等から成る。発光体層２６は、一般に、発光中心となるドーパントを含む発光体から成り、その膜厚は通常０．０５〜１μｍ程度である。
【０００５】
かかる構成の従来のＥＬ素子では、下部電極２２及び上部電極３０の一方が行電極、他方が列電極とされ、両者の延在方向が互い直交するように配置されている。すなわち、両電極２２，３０によりマトリックス電極が構成され、行電極と列電極との交差部における発光体層２６が画素となる。このマトリックス電極によって構成される各画素に交流電源３２から交流電圧又はパルス電圧が選択的に印加されることにより、発光体層２６が電界発光し、その出射光が透明基板２１側から取り出される。
【０００６】
このような構成を有する無機ＥＬ素子をパソコン、テレビ等のディスプレイ用途に用いるためにはカラー化が必然的に要求される。そのためには、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色に対応して発光する発光体が必要となる。各色の発光が可能な発光体としては、青色発光発光体として、母体材料がＳｒＳ、発光中心がＣｅである発光体（以下、「ＳｒＳ：Ｃｅ」のように表記する。）、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：ＣｅやＺｎＳ：Ｔｍ、赤色発光発光体として、ＺｎＳ：ＳｍやＣａＳ：Ｅｕ、緑色発光発光体としてＺｎＳ：Ｔｂ、ＣａＳ：Ｃｅ等が知られている。しかし、これらの発光体には発光輝度及び色純度の両特性を同時に満足するものがなく、ＲＧＢそれぞれの純色の発光を得るためにはカラーフィルターを介在させる必要があった。よって、かかる従来の無機ＥＬ素子を、例えばディスプレイ用途に用いるには、発光の強度（輝度）が不充分であった。
【０００７】
このような不都合を解消して発光強度の向上を図るべく、発光体層と絶縁体層との間にキャリア注入層を設けた５層構造を有する無機ＥＬ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図４は、キャリア注入層が設けられた無機ＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す模式断面図である。ＥＬ素子４０は、ＥＬ素子２０と同様に二重絶縁型薄膜ＥＬ素子であり、ガラス基板４１上に、透明電極４２、Ａｌ_２Ｏ_３下部絶縁体層４４、ＺｎＳ層４６、ＳｒＳ：ＣｅＦ_３発光体層４８、ＺｎＳ層５０、Ａｌ_２Ｏ_３上部絶縁体層５２、及びアルミニウム上部電極５４がこの順に積層されたものである。また、透明電極４２及びアルミニウム上部電極５４には、交流電源５６が接続されている。
【０００８】
このような構成のＥＬ素子４０においては、ＺｎＳ層４６，５０は、各絶縁体層４４，５２と発光体層４８との間に介在するバッファ層であり、キャリア注入層としての役割を果たしている。これにより、発光体層４８への電子注入が増強され、その結果、無機ＥＬ素子の発光輝度及び発光効率が向上される。また、電子注入が容易になることから、有効な発光を生じるための電圧（輝度−電圧特性を示す曲線（Ｌ−Ｖカーブ）における発光しきい電圧）が低下し、且つ、その特性曲線の急峻性が高められるので、駆動回路素子の負荷が低減されると共に電力消費が低減され得る。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許４７５１４２７号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ディスプレイに対して、近時、更なる高輝度化、高コントラスト化、高詳細化、及び低消費電力化並びに信頼性の向上が切望されており、上記従来の５層構造の発光体を有する無機ＥＬ素子であっても、その要求を充分に満足するものではない。また、バッファ層を採用すると、ＥＬ素子の製造工程数が増えてしまい、経済性の観点からは、構造を極力簡素化するのが好ましい。
【００１１】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来に比して、更なる低電圧駆動が可能であり、しかも発光輝度を向上させることができると共に、素子構造を簡素化し得るＥＬ機能膜及びＥＬ素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意研究を行った結果、絶縁性を有する特定の膜を被着せしめることにより、発光体層と当該膜との界面準位に捕獲された電子の励起・放出効果が高められ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明によるＥＬ機能膜は、複数の電極層と、この電極層間に設けられ、且つ、第１の金属酸化物及び金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料中に発光中心がドープされた発光体層とを備えるＥＬ素子に用いられるＥＬ機能膜であって、電極層間に配置され、発光体層の少なくとも一側に設けられ、且つ、主成分として第２の金属酸化物を含むことを特徴とする。
【００１４】
このように構成されたＥＬ機能膜は、上述した従来の無機ＥＬ素子における絶縁体層４４，５２及びキャリア注入層であるＺｎＳ層４６，５０の双方の機能を同時に発現するものである。すなわち、本発明のＥＬ機能膜は、電極層と発光体層との間に配置された単なる絶縁膜ではなく、第２の金属酸化物によって発光体層への電子注入が促進されることが確認された。この機構の詳細は未だ充分に解明されてはいないものの、電子の熱的励起による注入効率が高められるように発光体層とＥＬ機能膜との界面に形成される捕獲準位の分布及びその密度が変化すること、電界効果による障壁エネルギーの低下率が増大されること、或いは電界放出による電子のトンネリング確率が増大されること等が要因の一つと推定される。ただし、作用はこれらに限定されない。
【００１５】
よって、ＥＬ機能膜により、従来と同等の印加電圧でも発光体層への電子注入効率が高められる。さらに、絶縁とキャリア注入とを一層で担うことができるので、その場合には、従来の５層構造の無機ＥＬ素子の積層構造が簡素化され、これにより、例えば絶縁体層４４，５２に起因する電圧損失による電界の減弱が抑制される。またさらに、発光体層がＥＬ機能膜と同等に主として酸化物で形成される場合は、両者の被着性が高められ得る。さらにまた、ＺｎＳ層４６，５０をキャリア注入層に用いる場合に比して耐候性が向上され得る。
【００１６】
また、ＥＬ機能膜に含まれる上記第２の金属酸化物は、第１の金属酸化物又は金属硫化物を構成する金属元素のうち少なくとも１種と同一の金属元素を含むことが好ましい。これにより、ＥＬ機能膜及び発光体層間の結晶整合性又は組成整合性を向上させ得るので、双方の密着性が更に高められる。ただし、作用はこれに限定されない。
【００１７】
より具体的には、第２の金属酸化物としてＧａ酸化物、希土類金属酸化物、Ｚｎ酸化物又はＡｌ酸化物を好ましく用いることができ、後述するように、これらの中では、Ｇａ酸化物が更に好ましく、化学量論的にはＧａ_２Ｏ_３又はこれに近いストイキオメトリーを有するものが特に有用である。
【００１８】
さらに、第２の金属酸化物中に金属元素がドープされているとより好ましい。こうすれば、ＥＬ機能膜中の電子の移動が円滑となり、発光体層への電子注入が促進され、発光効率が向上する。またさらに、ドープされる金属元素が、発光体層において発光中心として含まれる金属元素と同一の金属元素であると一層好ましい。この場合、ＥＬ機能膜において電界発光が生じても、その発光色は発光体層におけるのと同系色となる。よって、色純度の劣化が抑えられる。
【００１９】
さらに、第１の金属酸化物（発光体層の母体材料）としては、Ｍｇ原子、Ｇａ原子及びＯ原子を含むものが好ましく、Ｍｇ_ｘＧａ_ｙＯ_ｚ（マグネシウムガレート）がより好ましく、ＭｇＧａ_２Ｏ_４又はこれに近い三元組成を有するものが特に好ましい。かかる金属酸化物を用いた発光体層は、硫化物系の発光体に比して大きな発光輝度が得られるばかりでなく、電圧を印加してから発光が安定するまでの時間（応答時間）が比較的短いという特性を有する。このような発光体層に本発明のＥＬ機能膜を組み合わせると、電子注入効果が特異的に高められることが確認された。
【００２０】
加えて、第１の金属酸化物及び金属硫化物から構成される母体材料中にドープされる発光中心がＥｕである発光体層の場合、電子注入効果が飛躍的に高められることが判明した。特に、発光体層がＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕのときに、その効果が一層顕著となることが確認された。
【００２１】
そして、第２の金属酸化物がＧａ酸化物（Ｇａ_２Ｏ_３等）であり、第２の金属酸化物中にドープされる金属元素がＥｕであるもの、つまりＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕが本発明のＥＬ機能膜として特に好ましい。かかる構成を有するＥＬ機能膜は、上述の如くＥｕを発光中心とする発光体層、特に赤色発光する発光体層と組み合わせて用いると最も好ましいことが現時点で確認されている。
【００２２】
また、本発明によるＥＬ素子は、本発明のＥＬ機能膜を用いて好適なものであり、第１の電極層と、この第１の電極層に対向して設けられた第２の電極層と、第１及び第２の電極層間に配置され、第１の金属酸化物及び金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料に発光中心がドープされた発光体層と、第１及び第２の電極層間に配置され、発光体層の少なくとも一側に形成されており、且つ、主成分として第２の金属酸化物を含むＥＬ機能膜から構成されるＥＬ機能層とを備えることを特徴とする。
【００２３】
好ましくは、第２の金属酸化物がＧａ酸化物、希土類金属酸化物、Ｚｎ酸化物、Ａｌ酸化物とされ、これらの中ではＧａ酸化物がより好ましい。さらに、第２の金属酸化物中にＥｕがドープされて成るものであると殊に有用である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、図面の位置関係に基づくものとする。
【００２５】
図１は、本発明によるＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面の要部を示す模式断面図である。ＥＬ素子１は、トップエミッションタイプの二重絶縁型の薄膜無機ＥＬ素子であり、基板２上に、下部電極４（第１の電極層）、厚膜絶縁体層１６、ＥＬ機能層６（ＥＬ機能膜）、発光体層８、ＥＬ機能層１０（ＥＬ機能膜）及び上部電極１２（第２の電極層）がこの順に積層されている。また、下部電極４及び上部電極１２には、交流電源１４が接続されるようになっている。
【００２６】
（基板２）
基板２は、上部にＥＬ素子１における各層を形成可能であり、また上方に形成されたＥＬ機能層６を汚染するおそれがないものであれば特に限定されず、ＥＬ素子１の形成の際に行われるアニール処理におけるアニール温度に耐え得る耐熱性を有していることが好ましい。
【００２７】
具体的には、耐熱温度又は融点が、好ましくは６００℃以上、より好ましくは７００℃以上、更に好ましくは８００℃以上とされる。このような特性を有する基板用の材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）チッ化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等を主成分とするセラミックス基板やこれらセラミックス材料粉末をフィラーとしてガラス粉末を混合焼結させたガラスセラミックス基板、アルカリ土類結晶化成分を含む結晶化ガラス基板等が挙げられる。
【００２８】
（下部電極４）
下部電極４は、複数の帯状電極が一定間隔でストライプ状に一定方向に延在するように、基板２上に配設されて成っている。この下部電極４は、所定の高導電性を発現するものであり、アニール処理の際の高温や酸化性雰囲気によって損傷を受け難いものであると好ましく、更に上方に形成されるＥＬ機能層６及び発光体層８との反応性が極力低いものであるとより好ましい。
【００２９】
具体的には、下部電極４を構成する材料としては、金属材料が好ましく、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｇ等の貴金属、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｕ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ等の貴金属合金、Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ等の貴金属を主成分とし卑金属元素が添加された合金が好ましい例として挙げられる。これらの金属材料を用いることにより、高温又は酸化性雰囲気に対する耐性が充分に高められる。
【００３０】
（厚膜絶縁体層１６）
厚膜絶縁体層１６は、下部電極４が形成された基板２上に形成されている。かかる厚膜絶縁体層を構成する材料としては、好ましくはセラミックス材料を構成材料とするものであり、具体的にはＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ_ｘＣａ_１−ｘ）ＴｉＯ_３、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）ＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のペロブスカイト構造を持った（強）誘電体材料や、ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３）等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９等に代表されるビスマス層状化合物、（Ｓｒ_ｘＢａ_１−ｘ）Ｎｂ_２Ｏ_６、ＰｂＮｂ_２Ｏ_６等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料等が挙げられる。なお、「ＰＺＴ」とは、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３を示す。
【００３１】
これらの中では、ＢａＴｉＯ_３やＰＺＴ、ＰＭＮ等のペロブスカイト構造のものが、絶縁体層形成時に行う焼成工程が比較的容易となるため好ましい。このように、下部電極４が形成された基板２上に厚膜絶縁体層１６が形成されていることにより、基板表面の有する凹凸又は下部電極４による凹凸が被覆されて後述のＥＬ機能層６，１０との接触面は平坦化され、かかる凹凸に起因して生じる局所的な発光特性の異常や耐圧欠陥の発生等が充分に低減される。
【００３２】
（ＥＬ機能層６，１０）
ＥＬ機能層６，１０は、図示の如く、下部電極４と上部電極１２との間に配置され、且つ、それぞれ発光体層８に被着されている。ＥＬ機能層６，１０は、主成分として金属酸化物（第２の金属酸化物）を含むＥＬ機能膜から構成されるものである。金属酸化物としては、Ｇａ酸化物、希土類金属酸化物、Ｚｎ酸化物又はＡｌ酸化物を好ましく用いることができ、それぞれＧａ_２Ｏ_３、Ｌｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ及びＡｌ_２Ｏ_３で表される化学組成を有する酸化物であるとより好ましい。これらの中では、Ｇａ酸化物又はＺｎ酸化物がより好ましく、Ｇａ酸化物が特に好ましい。
【００３３】
また、上記金属酸化物は、後述する発光体層８の母体材料（マトリックス）を構成する金属酸化物（第１の金属酸化物）又は金属硫化物を構成する金属元素のうち少なくとも１種と同一の金属元素を含むことが好ましい。具体的には、例えば、発光体層８を構成する母体材料がＭｇ原子、Ｇａ原子及びＯ原子を含む金属酸化物、特にマグネシウムガレートである場合、ＥＬ機能層６，１０がＧａ酸化物であると好適である。
【００３４】
さらに、ＥＬ機能層６，１０は、金属元素がドープされたものであることが好ましい。このドーパント元素としては、従来一般に用いられるものが挙げられ、具体的には、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙｂ等の希土類元素や、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃｒ等の遷移金属元素を例示できる。
【００３５】
さらに、かかる金属元素としては、ＥＬ素子１の発光の色純度が低下することを防止する観点から、発光体層８の発光色と同系色の発光を呈するものが好ましく、特に発光体層８に含まれる発光中心を形成する金属元素と同一であることが望ましい。具体的には、発光体層８が青色発光体の場合には、例えばＴｍ又はＣｅが、緑色発光体の場合には、例えばＴｂ又はＨｏが、赤色発光体の場合には、例えばＣｒ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｙｂ又はＮｄが好ましい。なお、これらの金属元素は必ずしも上記の組み合わせに限定されるものではなく、他の条件に応じて適宜変更することが可能であり、また２種以上の金属元素を組み合わせて用いることもできる。これらの母体材料とドーパント元素との組み合わせの中では、ＥＬ機能層６，１０がＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕであるととりわけ好ましい。
【００３６】
ここで、ＥＬ機能層６，１０の厚さは、好ましくは１〜１００ｎｍであり、より好ましくは３〜６０ｎｍであり、更に好ましくは５〜３０ｎｍであり、特に好ましくは１０ｎｍ程度である。ＥＬ機能層６，１０の厚さが１ｎｍ未満であると、電子注入効果が得られ難くなる傾向にあり、１００ｎｍを超えると駆動のための電圧が高くなる傾向にある。
【００３７】
（発光体層８）
発光体層８は、金属酸化物（第１の金属酸化物）及び金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料中に発光中心となる元素がドープされたものである。母体材料に用いる金属酸化物及び金属硫化物のうち少なくとも１種としては、発光体材料として一般に用いられるものを適用可能である。例えば、金属硫化物としてはＺｎ硫化物やＳｒ硫化物が挙げられ、ＺｎＳ等の２元系の金属硫化物やＢａＡｌＳ等の複合金属硫化物を用いることができる。複合金属硫化物としてＢａＡｌＳを用いる場合、Ｂａ原子がＭｇ等の他の金属原子で一部置換されていてもよく、また、Ｓ原子が酸素原子で一部置換されていてもよい。Ｍｇの置換が過剰である場合には、ＢａＡｌＳとＭｇＳとが２層分離した状態であっても構わない。金属酸化物としては２元系の金属酸化物や複合金属酸化物を用いることができる。２元系の金属酸化物としては、Ｇａ酸化物（Ｇａ_２Ｏ_３又はＧａＯ）、希土類金属酸化物（Ｌｎ_２Ｏ_３）、Ｇｅ酸化物（ＧｅＯ_２）、Ｓｎ酸化物（ＳｎＯ_２）等を例示できる。なお、括弧内はそれぞれの金属酸化物の代表的な化学組成を示すものであり、その組成は必ずしもこれらに限定されない。
【００３８】
また、複合金属酸化物としては、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ又はＺｎと、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ又はＩｎとを含む酸化物が挙げられる。これらの中ではＭｇ及びＧａを必須成分として含むことがより好ましく、Ｍｇ_ｘＧａ_ｙＯ_ｚで表されるマグネシウムガレートが特に好ましい。
【００３９】
発光体層８の母体材料がマグネシウムガレートである場合、Ｇａ原子とＭｇ原子のモル比（Ｇａ／Ｍｇ）が、１〜３であると好ましく、１．１〜２．５であるとより好ましく、１．２〜２．２であると更に好ましく、１．６程度であると特に好ましい。このＧａ／Ｍｇ比が１未満であるか又は３を超えると、発光輝度が低下する傾向にある。そして、マグネシウムガレートの中でも、ＭｇＧａ_２Ｏ_４又はそれに近い化学組成を有するものが特に望ましい。
【００４０】
また、発光中心を形成する金属元素としては、従来のＥＬ素子において発光中心として用いられる希土類元素又は遷移金属元素を特に制限なく用いることができ、上述したＥＬ機能層６，１０に含まれ得るドーパント元素と同様のものを目的とする発光色に応じて適宜選択して用いることができる。なお、発光中心としては、２種以上の金属元素を組み合わせて用いても構わない。
【００４１】
母体材料を構成する金属酸化物が上述したマグネシウムガレートのようなＭｇ−Ｇａ−Ｏ系酸化物である場合、ドーパント元素としては、好ましくはＥｕ又はＴｂであり、より好ましくはＥｕである。Ｍｇ−Ｇａ−Ｏ系酸化物は、特にＥｕ^３＋のホストとして優れており、かかる組み合わせにより高輝度及び高純度の赤色発光を得ることが可能となる。なお、これらのドーパントの含有量は、母体材料である金属酸化物に含まれる金属元素の合計モル量に対して０．１〜１０ｍｏｌ％であることが好ましい。この含有量が０．１ｍｏｌ％未満であると発光中心が少ないため、充分な発光輝度が得られなくなる傾向にあり、１０ｍｏｌ％を超えると発光中心自身による濃度消光が生じ、発光輝度が低下する傾向にある。
【００４２】
ここで、発光体層８の厚さは、５０〜７００ｎｍであると好ましく、１００〜３００ｎｍであるとより好ましく、１００〜２００ｎｍであると更に好ましく、１５０ｎｍ程度であると特に好ましい。この厚さが５０ｎｍ未満であると、発光輝度が不都合な程に低下してしまうおそれがあり、７００ｎｍを超えると、発光しきい電圧が過度に上昇してしまう傾向にある。
【００４３】
（上部電極１２）
上部電極１２は、複数の帯状電極が一定間隔でストライプ状に下部電極４の延在方向と直交する平面方向に延在するように、ＥＬ機能層１０上に配設されて成っている。この上部電極１２は、ＥＬ素子１がトップエミッションタイプであるため、透明導電材料から構成される。かかる透明導電材料としては、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ又はＺｎＯ−Ａｌといった酸化物導電性材料等を用いることができる。上部電極１２の厚さは、通常０．２〜１μｍとされる。
【００４４】
このように構成されたＥＬ素子１を製造する方法の一例について以下に説明する。まず、セラミックス基板、ガラスセラミックス基板及び結晶化ガラス基板等から成る基板２を準備する。次に、この基板２上にストライプ状に下部電極４を形成する。その方法は特に制限されず、例えば、粉末金属ペースト、有機金属ペースト（レジネート金属ペースト）を用いた印刷法、或いは一般に用いられるエッチプロセス等を用いて形成できる。
【００４５】
次に、下部電極４が形成された基板２上に厚膜絶縁体層１６を形成させる。具体的な方法としては、予めセラミック材料粉末にバインダーや分散剤、溶剤等を混合した厚膜ペーストを、基板２上に塗布し、乾燥させて厚膜グリーンとし、次いでこの厚膜グリーンを所定の温度で焼成して絶縁体層を形成する方法や、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌｌｏ−ＯｒｇａｎｉｃＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の溶液塗布焼成法等が挙げられる。
【００４６】
次いで、ＥＬ機能層６を構成する材料（金属酸化物等）をペレット状に加工したものをターゲットとして用いたＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着又はスパッタリングにより、厚膜絶縁体層１６上にＥＬ機能層６を形成する。具体的には、例えば、ＥＢ蒸着によりＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕから成るＥＬ機能層６を形成させる場合、Ｇａ酸化物のペレット及びＥｕ酸化物の各ペレットを作製し、Ｏ_２ガスを導入したチャンバ内でこの２つのペレットをターゲットとして用い、基板２上にＥＢ蒸着する。なお、この場合、ドープさせるＥｕは必ずしも酸化物の形態である必要はなく、金属、フッ化物又は硫化物等の形態で適宜用いても構わない。
【００４７】
ＥＢ蒸着時の基板温度は、通常室温〜６００℃、好ましくは１５０〜３００℃とされ、また、蒸着時のチャンバ内圧力は通常１．３３×１０^−４〜１．３３〜１０^−１Ｐａ、好ましくは６，６５×１０^−３〜６．６５〜１０^−２Ｐａとされる。また、膜組成を均一にし、また膜厚の分布のばらつきを少なくする観点から、蒸着時に基板２を移動又は回転させると好ましい。
【００４８】
次に、発光体層８を構成する材料（金属酸化物及びドーパント元素等）をペレット状に加工したものをターゲットとして用い、ＥＢ蒸着又はスパッタリングによりＥＬ機能層６上に発光体層８を形成する。具体的には、例えば、ＥＢ蒸着によりＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕから成る発光体層８を形成させる場合には、Ｇａ酸化物及びＥｕを添加したＭｇ酸化物の各ペレットを作製し、Ｏ_２ガスを導入したチャンバ内でこの２つのペレットをターゲットとして用い、ＥＬ機能層６上にＥＢ蒸着する。添加するＥｕは、金属、酸化物、フッ化物及び硫化物の形態のいずれであってもよい。なお、蒸着時の基板温度及びチャンバ内圧力は上述のＥＬ機能層６におけるのと同様の条件で行うことができる。
【００４９】
また、このように発光体層８を形成した後、アニール処理を施すことが好ましい。アニール処理は、発光体層８の形成直後、つまり発光体層８が露出した状態で行ってもよく、ＥＬ機能層１０を形成した後、或いは、上部電極１２を形成した後に実施してもよい。アニール処理は、大気中、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下、硫黄蒸気雰囲気下、硫化水素雰囲気下又は酸素雰囲気下で実施することができ、酸化性雰囲気中で実施することが好ましい。この際の周囲圧力は、高真空〜大気圧で適宜選択される。
【００５０】
ここで、酸化性雰囲気とは、空気と同等又はそれより高い酸素濃度である状態をいう。酸化性雰囲気中でアニールを実施することにより、発光体層８の結晶化が促進され、発光輝度を更に向上させることができる。また、アニール温度は、通常５００〜１０００℃の範囲とされ、６００〜８００℃の範囲とすることが好ましい。さらに、アニール時間は通常１〜６０分程度であり、５〜３０分とすることが好ましい。アニール温度が５００℃より低いか又はアニール時間が１分未満である場合には、発光輝度を充分に向上させ難い傾向にあり、アニール温度が１０００℃より高いか又はアニール時間が６０分を超える場合には、ＥＬ素子１における発光体層８以外の構成部材が損傷してしまうおそれがある。
【００５１】
次いで、発光体層８上にＥＬ機能層６の形成と同様にしてＥＬ機能層１０を形成させた後、その上にストライプ状の上部電極１２を蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、印刷焼成法等の公知の方法により形成してＥＬ素子１を得る。
【００５２】
このように構成されたＥＬ素子１、例えば、ＥＬ機能層６，１０にＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕを用い、且つ発光体層８にＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕを用いたものを例にとると、発光体層８にＥＬ機能層６，１０が被着して設けられていることにより発光体層８とＥＬ機能層６，１０との各界面に形成される捕獲準位の分布及びその密度変化、電界効果による障壁エネルギーの低下率の増加、又は、概念的には障壁ポテンシャルがこれまで以上に狭小化されることによる電子のトンネリング確率の増大等が生じ、発光体層８への電子注入が促進される。特に、Ｇａ_２Ｏ_３を含むＥＬ機能層６，１０は、電子のトンネリング確率の増大効果が著しいため、発光体層８への電子注入効率が顕著に増大する。
【００５３】
また、発光体層８及びＥＬ機能層６，１０は、どちらもＧａを含む金属酸化物から構成されているため、結晶整合性及び組成整合性が良好であり、これにより両層の被着性が高められて剥離等の発生が低減されると共に、耐候性も向上するようになる。さらに、ＥＬ機能層６，１０がそれぞれ下部絶縁体層及び上部絶縁体層を兼ねるので、素子構造の簡略化が図られる。
【００５４】
よって、このようなＥＬ素子１によれば、キャリア注入層を設けた従来のＥＬ素子と比較して、更なる低電圧駆動が可能となり、また良好な発光輝度が得られるばかりでなく、素子寿命が極めて向上し、しかも素子構造の簡素化による微細化及び軽薄化並びに工程短縮が可能となる。したがって、このようなＥＬ素子１を搭載したディスプレイ等の更なる高輝度、高精細化、高コントラスト化を実現でき、視認性を向上できる。また、製造コストの削減及び低消費電力化による経済性の向上を図ることができると共に、信頼性をも向上させることが可能となる。
【００５５】
なお、本発明によるＥＬ素子は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、下部電極４とＥＬ機能層６との間、及び／又は上部電極１２とＥＬ機能層１０との間に、他の絶縁体層が設けられていてもよい。かかる他の絶縁体層は薄膜状とすることが好ましい。こうすれば、発光体層８内の電流を制限する効果が更に向上し、ＥＬ素子の耐電圧特性が良好となる。
【００５６】
このような他の絶縁体層を構成する材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。これらの絶縁体層は、スパッタリング法、蒸着法、或いはＣＶＤ法等の気相堆積法により形成することができる。ただし、ＥＬ素子１の構造及び製造工程を簡略化する観点からは、下部電極４及び発光体層８間、並びに、発光体層８及び上部電極１２間において、それぞれＥＬ機能層６，１０のみを設けることが望ましい。
【００５７】
さらに、ＥＬ機能層６，１０の少なくともいずれか一方と、酸化物を母体（マトリックス）材料とする発光体層８との間に、例えばＺｎＳ層等の他のキャリア注入層が設けられていてもよく、特にＥＬ機能層６，１０がＧａ酸化物であるときに有用である。この場合、ＥＬ機能層６，１０及び他のキャリア注入層によるそれぞれの電子注入効果が重畳して奏され、その結果、発光しきい電圧の低下及び発光輝度の増大を一層促進できることがある。なお、ＥＬ機能層６，１０と他のキャリア注入層との積層順はいずれが発光体層８側に位置するようにしてもよいが、通常、各ＥＬ機能層６，１０と発光体層８との間に他のキャリア注入層を設けるとより好ましい。
【００５８】
加えて、上部電極１２上に複数のＲＧＢセルを有するカラーフィルター層を設けてもよい。こうすれば、発光体層８が白色発光体のときにフルカラー化を達成し易い。また、上部電極１２上に複数の色変換体セルを有する色変換体層を設けてもよい。こうすれば、発光体層８がＲＧＢいずれかの単色発光体の場合にフルカラー化を達成し易くなる。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６０】
（実施例１）
まず、基板材料としてＡｌ_２Ｏ_３を用い、これをシート状に加工して基板２とした。次に、この基板２上にＡｕを粉末金属ペースト状としたものをスクリーン印刷した後に焼成して下部電極４を形成させた。次いで、厚膜絶縁体層材料としてＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を用い、これを粉末状とした後、バインダー、分散剤及び溶剤を添加して厚膜ペーストとし、下部電極４が形成された基板２上に塗布した後に乾燥させ、更に焼成を行って厚膜絶縁体層１６を形成させた。
【００６１】
次に、Ａｌ_２Ｏ_３ペレットを用いた蒸着法により厚膜絶縁体層１６上にＡｌ_２Ｏ_３からなるＥＬ機能層６を形成させた後、その上にＺｎＳペレットを用いた蒸着法によってＺｎＳから成る他のキャリア注入層を形成させた。さらに、Ｇａ_２Ｏ_３ペレットを入れたＥＢ（エレクトンビーム）源とＥｕを１５ｍｏｌ％添加したＭｇＯペレットを入れたＥＢ源とを有するチャンバ内に、上述の下部ＥＬ機能層が形成された後の積層体を配置した。次に、チャンバ内にＯ_２ガス（流量１０ｓｃｃｍ）を導入し、各ＥＢ源から原料となる反応ガスを同時に蒸発させ、１５０℃に加熱したＥＬ機能層６形成後の積層体を回転させながら、ＥＬ機能層６上にＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕから成る発光体層８を形成させた。なお、発光体層８の成膜速度が１ｎｍ／ｓとなるようにＥＢ蒸着条件を調節した。
【００６２】
次いで、ＥＬ機能層６と同様にして発光体層８上にＥＬ機能層１０を形成させた後、得られた積層体に対して、６５０℃の空気中で１０分間のアニール処理を行った。そして、アニール処理後のＥＬ機能層１０上に、ＩＴＯターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタリング法により上部電極１２を形成して、更に下部電極４及び上部電極１２にリード線を接続して本発明のＥＬ素子を得た。
【００６３】
なお、Ａｌ_２Ｏ_３から成るＥＬ機能層６，１０の厚さが５〜１００ｎｍ、ＺｎＳから成る他のキャリア注入層の厚さが５０〜２００ｎｍ、発光体層８の厚さが１００〜２００ｎｍの範囲内で異なる値となるように各成膜時間を適宜変化させ、種々の複数のＥＬ素子を作製し、実施例１のＥＬ素子とした。
【００６４】
（実施例２）
ＥＬ機能層６，１０を以下のようにしてＧａ_２Ｏ_３から成る層としたこと、及びＺｎＳから成る他のキャリア注入層を設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして本発明による種々の複数のＥＬ素子を得た。すなわち、Ｇａ_２Ｏ_３ペレットを入れたＥＢ源を有するチャンバ内で、Ｏ_２ガス（流量１０ｓｃｃｍ）を導入しながら、ＥＢ源から原料となる反応ガスを蒸発させ、１５０℃に加熱した積層体（厚膜絶縁体層１６が形成された後の積層体又は発光体層８が形成された後の積層体）を回転させながら、厚膜絶縁体層１６上又は発光体層８上にＧａ_２Ｏ_３から成るＥＬ機能層６，１０を形成させた。
【００６５】
（実施例３）
ＥＬ機能層６，１０を以下のようにしてＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕから成る層としたこと以外は、実施例２と同様にしてＥＬ素子を得た。すなわち、Ｇａ_２Ｏ_３ペレットを入れたＥＢ源とＥｕ_２Ｏ_３ペレットを入れたＥＢ源とを有するチャンバ内で、Ｏ_２ガス（流量１０ｓｃｃｍ）を導入しながら、各ＥＢ源から原料となる反応ガスを同時に蒸発させ、１５０℃に加熱した積層体（厚膜絶縁体層１６が形成された後の積層体又は発光体層８が形成された後の積層体）を回転させながら、厚膜絶縁体層１６上又は発光体層８上にＥＬ機能層６，１０を形成させた。
【００６６】
［発光しきい電圧及び相対輝度の測定］
評価用サンプル（１）として、実施例１のＥＬ素子のうちＡｌ_２Ｏ_３から成るＥＬ機能層６，１０の厚さがそれぞれ３０，７０ｎｍ、ＺｎＳから成る他のキャリア注入層の厚さが１００ｎｍ、ＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕから成る発光体層８の膜厚が１５０ｎｍ、その発光体層８のＥｕ含有量が２．３８ｍｏｌ％、且つＧａ／Ｍｇ原子組成比が１．６１のものを選定した。
【００６７】
評価用サンプル（２）として、実施例２のＥＬ素子のうちＧａ_２Ｏ_３から成るＥＬ機能層６，１０の厚さが１０ｎｍ、ＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕから成る発光体層８の膜厚が１５０ｎｍ、その発光体層８のＥｕ含有量が２．３８ｍｏｌ％、且つＧａ／Ｍｇ原子組成比が１．６１のものを選定した。
【００６８】
評価用サンプル（３）として、実施例２のＥＬ素子のうちＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕから成るＥＬ機能層６，１０の厚さが１０ｎｍ、各ＥＬ機能層６，１０のＥｕ含有量が７．５７ｍｏｌ％、ＭｇＧａ_２Ｏ_４：Ｅｕから成る発光体層８の膜厚が１５０ｎｍ、その発光体層８のＥｕ含有量が２．３８ｍｏｌ％、且つＧａ／Ｍｇ原子組成比が１．６１のものを選定した。
【００６９】
次に、それらの評価用サンプル（１）〜（３）の下部電極４及び上部電極１２にリード線を接続した。それから、リード線を介して両電極４，１２に、変調電圧：Ｌ６０、駆動周波数：１ｋＨｚ、印加電圧波形：パルス（パルス幅：５０μｓ）、測定環境温度：２５℃の条件で交流電圧を印加した。この際、各評価用サンプルのＥＬ素子において１ｃｄ／ｍ^２の発光が得られる電圧を「発光しきい電圧」とし、また、発光しきい電圧に更に６０Ｖ印加して測定された発光輝度を測定輝度とした。得られた結果をまとめて表１に示す。
【００７０】
【表１】

【００７１】
これらの結果より、ＥＬ機能層６，１０を設けたＥＬ素子は、発光しきい電圧が十分に低く、また相対輝度も十分に高いことが確認された。特に、Ｇａ_２Ｏ_３及びＧａ_２Ｏ_３：Ｅｕから成るＥＬ機能層６，１０を備えるもの（実施例２，３）は、１００Ｖ以下と極めて低い発光しきい電圧を示し、また、発光輝度も極めて高められることが判明した。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＥＬ機能膜及びこれを備えたＥＬ素子によれば、従来に比して低電圧駆動が可能であり、発光輝度及び発光効率を極めて高めることができると共に、素子構造の簡略化が可能となって経済性を向上できる。そして、これらにより本発明のＥＬ素子を備えるディスプレイの視認性、及び信頼性が高められると共に、消費電力を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面の要部を示す模式断面図である。
【図３】従来の無機ＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す斜視図である。
【図４】電子注入層が設けられた無機ＥＬ素子の代表的な構成の要部を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１…ＥＬ素子、２…基板、４…下部電極、６…ＥＬ機能層（ＥＬ機能膜）、８…発光体層、１０…ＥＬ機能層（ＥＬ機能膜）、１２…上部電極、１４…交流電源、１６…厚膜絶縁体層。

Claims

複数の電極層と、該電極層間に設けられ、且つ、第１の金属酸化物及び金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料中に発光中心がドープされた発光体層とを備えるＥＬ素子に用いられるＥＬ機能膜であって、
前記電極層間に配置され、前記発光体層の少なくとも一側に設けられ、且つ、主成分として第２の金属酸化物を含むものである、ＥＬ機能膜。
前記第２の金属酸化物は、前記第１の金属酸化物又は前記金属硫化物を構成する金属元素のうち少なくとも１種と同一の金属元素を含む、請求項１記載のＥＬ機能膜。
前記第２の金属酸化物がガリウム酸化物、希土類金属酸化物、亜鉛酸化物又はアルミニウム酸化物である、請求項１又は２記載のＥＬ機能膜。
前記第２の金属酸化物中に金属元素がドープされて成る、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＥＬ機能膜。
前記第２の金属酸化物中にドープされる金属元素が、前記発光中心を形成する金属元素と同一の金属元素である、請求項４記載のＥＬ機能膜。
前記第１の金属酸化物がマグネシウム原子、ガリウム原子及び酸素原子を含むものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＥＬ機能膜。
前記第１の金属酸化物及び前記金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料にドープされる発光中心がユーロピウムである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＥＬ機能膜。
前記第２の金属酸化物がガリウム酸化物であり、前記第２の金属酸化物中にドープされる金属元素がユーロピウムである、請求項４〜７のいずれか一項に記載のＥＬ機能膜。
当該ＥＬ機能膜は、前記電極層と前記発光体層との間に単一層として設けられるものである、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＥＬ機能膜。
第１の電極層と、
前記第１の電極層に対向して設けられた第２の電極層と、
前記第１及び第２の電極層間に配置され、第１の金属酸化物及び金属硫化物のうち少なくとも１種から構成される母体材料に発光中心がドープされた発光体層と、
前記第１及び第２の電極層間に配置され、前記発光体層の少なくとも一側に形成されており、且つ、主成分として第２の金属酸化物を含むＥＬ機能膜から構成されるＥＬ機能層と、
を備えるＥＬ素子。
前記第２の金属酸化物がガリウム酸化物である、請求項１０記載のＥＬ素子。
前記第２の金属酸化物中にユーロピウムがドープされて成る、請求項１０又は１１記載のＥＬ素子。