(57)【要約】【課題】  輝度を高めて発光効率を向上させ、低電圧駆動と両立させることのできる無機電界発光装置を提供すること。【解決手段】  基材１の凹凸面１０Ａの凹凸形状に追随した形状で、基材１に接した光反射性電極２、この光反射性電極２に接した第１の絶縁層３、この絶縁層３に接した無機ＥＬ（発光）層４、この無機ＥＬ層４に接した第２絶縁層５がそれぞれほぼ均一な厚さで順次積層され、更に透明電極６が絶縁層５上に積層され、特に、無機ＥＬ層４の上面が例えば円錐状の凸部１０ａ4を有する凹凸面１０Ｄに形成され、透明電極６の発光光を取り出す平坦な発光面８に対して傾斜面となっている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、絶縁層と、無機系の発光層と、第２の電極とが積層されてなる無機電界発光装置において、前記発光層の下層の表面が凹凸形状をなし、この凹凸面上に、前記凹凸形状に追随した凹凸形状に前記発光層が形成されていることを特徴とする無機電界発光装置。
【請求項２】
前記凹凸面上に前記発光層がほぼ均一な厚さに形成されている、請求項１に記載した無機電界発光装置。
【請求項３】
前記発光層の前記凹凸形状が断面ほぼ三角形の凸部と凹部との繰り返し連続形状からなり、前記凸部の頂角が３０度以上、９０度以下である、請求項１又は２に記載した無機電界発光装置。
【請求項４】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方が光反射性電極、他方が光透過性電極であり、発光光の取り出し方向において前記光反射性電極の光反射面と前記光透過性電極の光取り出し面との間に存在する各隣接層間の屈折率差Δｎが０．２以下である、請求項１又は２に記載した無機電界発光装置。
【請求項５】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方が光反射性電極、他方が光透過性電極であり、この光透過性電極の光取り出し面に光拡散処理が施されている、請求項１又は２に記載した無機電界発光装置。
【請求項６】
前記第１の電極の前記凹凸面上、又はこの第１の電極に接した第１の絶縁層の前記凹凸面上に、前記第１の絶縁層に接して前記発光層が形成され、前記凹凸形状に追随した形状の前記発光層の凹凸面上に第２の絶縁層及び前記第２の電極が順次形成されている、請求項１又は２に記載した無機電界発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自発光型のディスプレイ等の表示装置等として好適な無機電界発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無機電界発光装置（無機ＥＬデバイス）は、有機ＥＬデバイスに比べて安定性が高く、作製も容易であることから、以前より時計の文字盤のバックライト等に用いられ、現在も携帯電話のボタン照明等に用いられており、実用的にも有機ＥＬデバイスより優れている。
【０００３】
例えば、ＺｎＳを母材とし、発光中心となる物質を添加した発光材料を用いた無機ＥＬデバイスが後記の特許文献１や２に示されている。
【０００４】
図７は、特許文献１（特開平９−１２９３７４号公報）における薄膜無機ＥＬ素子の断面を示す模式図である。この無機ＥＬ素子によれば、絶縁性基板であるガラス基板３１上に、光学的に透明なＺｎＯ（酸化亜鉛）からなる第１透明電極（第１電極）３６が形成され、その上面には光学的に透明なＴａ2Ｏ5（五酸化タンタル）からなる第１絶縁層３５、発光中心としてＴｂフッ化物を添加したＺｎＳからなる発光層（無機ＥＬ層）３４、光学的に透明なＴａ2Ｏ5からなる第２絶縁層３３、光学的に透明なＺｎＯからなる第２透明電極（第２電極）３２が形成されている。
【０００５】
図８は、特許文献２（特開２００３−１５７９７２号公報）における薄膜無機ＥＬ素子の構成を模式的に示す断面図である。この無機ＥＬ素子では、ガラス基板等の透光性絶縁基板４１上にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなる透明電極膜で透明電極パターン４６が配線され、その上にＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｙ2Ｏ3及びＴａ2Ｏ5等からなる第１絶縁層４５がスパッタリング法によって形成され、第１絶縁層４５上に、ＺｎＳ：Ｍｎ等の材料からなる発光層（無機ＥＬ層）４４が形成され、その上に第１絶縁層４５と同種の材料からなる第２絶縁層４３が形成され、発光層を絶縁層で挟持するいわゆる二重絶縁構造が形成される。更に、第２絶縁層４３上に、金属電極膜からなる背面電極パターン４２が透明電極パターン４６と直交するように配置されており、両電極パターンの選択ライン間に挟まれた発光層に、絶縁層を通して交流電圧を印加することによって、選択ドットのみを発光させてドットマトリックス表示を実現している。
【０００６】
このような二重絶縁構造において、絶縁層４３、４５は、発光層４４に流れる電流を制限し、ＥＬ素子の動作の安定性や発光特性の改善をもたらし、また吸湿性材質である発光層４４をパッシベートすることによって素子の信頼性を付与する効果もある（これは、図７の従来例でも同様）。
【０００７】
なお、絶縁層材料としては、絶縁破壊電圧が高く、静電容量が大きいものが求められ、この点から、絶縁破壊電圧（ＥB）×比誘電率（ε）の値が材料の特性を決定する指標として採用されるが、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4やＴａ2Ｏ5等が実用的である。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１２９３７４号公報（第４欄３３〜４３行目、図１）
【特許文献２】特開平２００３−１５７９７２号公報（第２欄１８〜４７行目、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
無機ＥＬデバイスは、その発光に際して高電界を必要とする（１０6Ｖ／ｃｍ程度が必要とされている）が、輝度が低いといった問題がある。即ち、無機ＥＬデバイスは、電界で加速された電子のエネルギーにより母材を励起し、この励起された母材のエネルギーを発光中心である添加物質に伝達することにより発光するものであるが、この発光には電界のスレッショルド値が存在し、一般的には１０6Ｖ／ｃｍ程度が必要とされている。このため、発光層を薄く形成すると発光開始に必要な電圧を低く抑えることはできるが、他方では、発光層が薄くなるので、得られる輝度そのものが低くなってしまう、というトレードオフを生じる。
【００１０】
本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、輝度を高めて発光効率を向上させ、低電圧駆動と両立させることのできる無機電界発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、本発明は、第１の電極（例えば光反射性電極）と、絶縁層（例えば後記の第１の絶縁層及び第２の絶縁層）と、無機系の発光層（例えばＺｎＳを母材とし、発光中心となる物質を添加した無機ＥＬ層）と、第２の電極（例えば光透過性電極）とが積層されてなる無機電界発光装置（無機ＥＬデバイス又は素子）において、前記発光層の下層の表面が例えば断面ほぼ三角形の凹凸形状をなし、この凹凸面上に、前記凹凸形状に追随した凹凸形状に前記発光層が形成されていることを特徴とする無機電界発光装置に係るものである。
【００１２】
なお、本発明において、「無機電界発光装置」とは、上記積層からなる発光素子の集合体（面光源やディスプレイ等の製品デバイス）を意味するだけでなく、その発光素子のみからなるデバイスも包含するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安定性が高くて作製も容易であり、発光層と電極との間に存在する絶縁層によって絶縁破壊電圧（耐電圧）の向上及び発光層への電子の供給と発光層のパッシベーションによる信頼性の向上が可能である、という無機ＥＬデバイスの特長に加えて、発光層が下層の凹凸形状に追随した凹凸形状に形成されているので、この凹凸形状によって光取り出し面に対し発光層が傾斜した形状となり、光取り出し方向における発光層の厚さ（即ち、発光に寄与するみかけ上の実効厚さ）が発光層自体の厚さ（成膜厚さ）よりも大きくなる。この結果、発光層自体の厚さを従来と同等としたときには、発光に寄与するみかけ上の実効厚さが大きいために、同一電圧でも発光の輝度が増大し、また発光層自体の厚さをより小さくしたときには、比較的高い輝度を保持したまま発光に必要な電圧を低くすることができ、高輝度化と低電圧化とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明においては、上述した効果を確実かつ十分に発揮するには、前記凹凸面上に前記発光層がほぼ均一な厚さに形成されているのがよい。
【００１５】
また、前記発光層の前記凹凸形状が断面ほぼ三角形の凸部と凹部との繰り返し連続形状（例えば円錐や角錐形状）からなり、前記凸部の頂角が３０度以上であることが望ましい。また、前記凸部の高さは３００〜８００ｎｍ程度とするのがよい。
【００１６】
また、各層間での光反射による効率低下を抑えるには、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方が光反射性電極、他方が光透過性電極であり、発光光の取り出し方向において前記光反射性電極の光反射面と前記光透過性電極の光取り出し面との間に存在する各隣接層間の屈折差率Δｎが０．２以下であることが望ましい。
【００１７】
また、前記凸部付近で発生しがちな不均一な電界による輝度ムラを防ぐには、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方が光反射性電極、他方が光透過性電極であり、この光透過性電極の光取り出し面に光拡散処理が施されているのがよい。
【００１８】
更に、具体的には、前記第１の電極の前記凹凸面上、又はこの第１の電極に接した第１の絶縁層の前記凹凸面上に、前記第１の絶縁層に接して前記発光層が形成され、前記凹凸形状に追随した形状の前記発光層の凹凸面上に第２の絶縁層及び前記第２の電極が順次形成されている構造とするのがよい。
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態に基づく無機電界発光装置を図面参照下に説明する。
【００２０】
無機ＥＬ装置の構造例１
図１は、無機ＥＬ装置の構造例１の要部断面を示すものである。
【００２１】
この無機ＥＬ装置（又は素子）によれば、上面が断面ほぼ三角形に加工されることによって円錐状の凸部１０ａ1と凹部１０ｂ1との繰り返し形状の凹凸面１０Ａをなす基材１上に、この基材１の凹凸面１０Ａの凹凸形状に追随した形状で、基材１に接した第１の電極（下部電極）としての光反射性電極２、この光反射性電極２に接した第１の絶縁層３、この絶縁層３に接した無機ＥＬ（発光）層４、この無機ＥＬ層４に接した第２絶縁層５がそれぞれほぼ均一な厚さで順次積層され、更に第２の電極（上部電極）としての透明電極６が絶縁層５上に積層されている。透明電極６の上面は平坦であって発光光を取り出す発光面８となっており、この発光面８は光拡散処理が施され、例えば透明ビーズからなる光拡散材による光拡散構造体７が被着されている。
【００２２】
上記した積層構造においては、基材１の凹凸面１０Ａがそのまま上層にも保持され、各層の凹凸形状に追随して、光反射性電極２の上面は凸部１０ａ2及び凹部１０ｂ2による凹凸面１０Ｂに、絶縁層３の上面は凸部１０ａ3及び凹部１０ｂ3による凹凸面１０Ｃに、無機ＥＬ層４の上面は凸部１０ａ4及び凹部１０ｂ4による凹凸面１０Ｄに、絶縁層５の上面は凸部１０ａ5及び凹部１０ｂ5による凹凸面１０Ｅにそれぞれ形成されている。特に、後述するように、無機ＥＬ層４が、下層の凹凸形状に追随した凹凸形状でほぼ均一な厚さに形成されていることが重要である。
【００２３】
上記した積層構造の各層について詳しく説明すると、基材１の材質は特に限定されることはなく、ガラス、セラミックス、プラスチック板などの剛体をはじめ、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）といった可撓性のフィルムであってもよい。ただし、無機ＥＬ層４に対し結晶化のための加熱を必要とする場合には、基材１としては、耐熱性が十分であって熱膨張係数の低い材料を選ぶ必要がある。
【００２４】
下部電極２は、電圧を供給するとともに光線を前方へ反射する役割をなすが、このためにはＡｇやＡｇ化合物、Ａｌといった光反射率の高い材料が望ましい。この電極２には、後述するナノインプリントなどの手法により円錐状の凸部１０ａ2からなる凹凸構造が形成されている。電極２は、電極材料の真空蒸着やスパッタリングなどの手法によって形成することができる。
【００２５】
絶縁層３及び絶縁層５は、耐電圧を確保すると同時に、無機ＥＬ層４の母材に電子を供給する役割も果たす（既述の特許文献２参照）。いずれも、真空蒸着やスパッタリングにより形成することができ、材質としてＮｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＺｎＯなどを用いることができる。また、膜厚は１００ｎｍ〜１μｍ程度が一般的である。
【００２６】
無機ＥＬ層４は、ＺｎＳ又はＺｎＯを母材としてＭｎやＡｌ、Ｃｕ、ＴｂＦ3などの希土類フッ化物を発光中心として添加することができる。これらの材料は、上記の層と同様に真空蒸着やスパッタリングによって無機ＥＬ層４に成膜することができ、膜厚は５００ｎｍ以上が望ましい。また、この層４における凸部の高さｈは３００〜８００ｎｍとするのがよい（他の層の凸部も同様）。
【００２７】
上部電極６は、発光面８を形成するため、透明である必要があり、代表的な材料としてＩＴＯがふさわしいが、ＳｎＯ2やＺｎＯなども用いることができる。この上部電極６はまた、上記した円錐状の凸部を含む凹凸形状に構成された下層のＥＬ構造を埋める形で形成され、上面はできる限り平坦であることが望ましい。
【００２８】
また、この上部電極６の上面には、ガラスビーズやスチレンビーズ等といった光拡散材の塗布によって光拡散構造体７が被着されている。
【００２９】
この積層構造は、図４に示すナノインプリント法を用いて製造することができる。例えば、図示省略した基板にプラスチックを塗布し、加熱してプラスチック層を軟化させた状態で、上記した凹凸面１０Ａと逆パターンの凹凸転写面を有するモールドを接触させて加圧することにより、プラスチック層を変形させ、プレス状態を保ちつつ冷却してプラスチック層を硬化させる。そして、プラスチック層が十分硬化した後にモールドを分離して、モールドの凹凸をプラスチック層に転写し、図４（ａ）に示すように、凹凸面１０Ａを有するプラスチック層からなる基材１を成形する。
【００３０】
そして、この基材１の凹凸面１０Ａ上に、図４（ｂ）に示すように、光反射率の高いＡｌ等を真空蒸着又はスパッタリングによって均一膜厚に堆積させ、基板１の凹凸面１０Ａに追随した凸部１０ａ2及び凹部１０ｂ2からなる凹凸面１０Ｂを有する光反射性電極２を形成する。
【００３１】
この後は、上記した各層３、４及び５、更には電極６を順次真空蒸着又はスパッタリングによって堆積させる。このとき、層３、４及び５は均一膜厚に、電極６は十分な厚さに堆積させる。更に、電極６の平坦な発光面８上にガラスビーズ等の光拡散材を塗布して光拡散構造体７を被着する。
【００３２】
次に、図２について、上記した構造例１による無機ＥＬ装置が、高輝度と低電圧化とを両立させることのできる理由を説明する（ただし、図２では、凸部や凹部等の符号は省略している）。
【００３３】
上記したように、この構造によれば、発光面８に対して電極２−６間に例えば円錐状に傾いた構造が形成されており、電界Ｅはこの円錐面に垂直にかかる。他方、発光面８に対しての発光層（無機ＥＬ層）４の投影厚さｌは、発光層４の厚さをｄ、円錐の頂角をθとすると、
ｌ＝ｄ／ｓｉｎ（θ／２）
で表わすことができる。
【００３４】
このため、例えば頂角が９０度の場合には、見かけ上の発光層４の厚さｌは、ｌ＝ｄ／ｓｉｎ４５°≒１．４ｄ、即ち約１．４倍となり、これによって発光輝度も約１．４倍に向上する（このとき、発光層４の厚さｄを従来のものと同等とした）。
【００３５】
この場合、発光層４の厚さｄを薄くしても、ｌ＝ｄであった従来例と比べて、輝度を高くすることができ、例えばｄを４／５と小さくした場合にｌ≒１．４×（４／５）ｄ＝１．１２ｄとなり、輝度が１．１２倍となる。仮に、輝度を従来例と同等とする場合には、厚さｄをｄ／１．４≒０．７１ｄと数１０％も小さくすることができる。
【００３６】
このことから、この構造例１による無機ＥＬ装置は、輝度が向上すると共に、無機ＥＬ層の厚さを小さくしても高輝度を保持できることから、高輝度と低電圧化とを十分に両立させることができる。
【００３７】
この観点からみると、上記の頂角θは、無機ＥＬ層のみかけ上の厚さを大きく保持する上でできる限り小さくすることが望ましい。しかしながら、現実的な構成を考えた場合、光の取り出し側の電極材料として想定されるＩＴＯ、ＡＺＯなどの透明導電膜の屈折率は１．８〜２．１程度である。一方、その下層に位置する絶縁膜の屈折率範囲は１．４７〜２．３であるため、絶縁膜の屈折率として２．３の材料を選択すると、頂角が３０度以上でないと全反射条件により光の取り出し効率が著しく低下する恐れがある。このため、頂角の下限は３０度であることが望ましく、さらに、最大の屈折率差を想定すると、４０度が望ましい。また、頂角が９０度になると、本発明の効果は、［００３３］に示した式に基づくと、１．４倍となり、それ以上ではさらにその効果は薄くなる。このため、効果を１．４倍以上確保するためには、９０度以下とすることが望ましい。従って、以上の考察より、頂角範囲は３０度以上、９０度以下が望ましく、さらに最大の屈折率差を考慮すると４０度以上、９０度以下が適切である。
【００３８】
なお、特に無機ＥＬ層（発光層）４の凹凸形状については、図３に例示した種々の形状であってよい。同図（１）に示すように、円錐状の凸部１０ａ4を有する凹凸面１０Ｄとするのが望ましいが、同図（２）に示す正四角錐状、正六角錐状その他の種々の形状であってよく、或いは、凸部が島状に分布しておらず、同図（３）に示すように、断面が例えばほぼ三角形でストライプ状に延びる形状でもよい。
【００３９】
この構造例１の問題点をあえて挙げるとすれば、上記した凸部が例えば円錐状であるため、積層構造を構成する各層間の屈折率にミスマッチが存在すると、その界面での反射が大きくなり、場合によっては臨界角を超えてしまい、外部に出てくることのできない光が存在してしまうことである。
【００４０】
そこで、発光層４の母材となる例えばＺｎＳの屈折率は２．２程度であるため、下記のように、その他の層との屈折率差Δｎを０．２以下に抑えるように各層の材料を選択することによって、界面での正反射率を０．２％程度又はそれ以下に抑えることが可能となる。
【００４１】
また、例えば円錐状の凸部の頂点付近には、電界集中によりトンネル電流が多く流れる可能性が考えられる。このため、その付近での輝度ムラの発生が予想されるため、上部電極６の表面（発光面８）には、アクリルビーズやスチレンビーズ、ガラスビーズ等といった光拡散材が塗布され、輝度ムラを緩和若しくは分散する構造体７を形成するのがよい。ただし、上記の凸部の頂点を除去する処理を行えば、光拡散材の塗布は省略できることがある。
【００４２】
無機ＥＬ装置の構造例２
図５は、無機ＥＬ装置の構造例２の要部断面を示すが、上記した構造例１と比べて、光反射性電極１２が上記した基材１と同等の断面形状であって基材１１が平坦形状であることが異なり、他の構成部分は同一である。
【００４３】
この構造例２では、基材１１としてガラス板等のより剛性で平坦なものを使用できるが、光反射性電極１２はめっき法等で形成し、その後に基材１１を接着する手法を採用できる。その他の構成部分は構造例１と同一であるので、その説明は省略する。
【００４４】
無機ＥＬ装置の構造例３
図６は、無機ＥＬ装置の構造例３の要部断面を示すが、上記した構造例１と比べて、絶縁層２３が上記した基材１と同等の断面形状であって光反射性電極２２及び基材２１が平坦形状であることが異なり、他の構成部分は同一である。
【００４５】
この構造例３では、基材２１としてガラス板等のより剛性で平坦なものを使用でき、光反射性電極２２も平坦な膜として真空蒸着法等で形成することができ、その後に絶縁層２３を上記したモールドの凹凸の転写によって形成することができる。その他の構成部分は構造例１と同一であるので、その説明は省略する。
【００４６】
この構造例３においては、絶縁層２３の層厚を大きくできることから、耐電圧をより大きくできるという利点があるが、静電容量の減少によって耐電圧が低下するのを抑えるために、誘電率の大きな材料で絶縁層２３を形成して静電容量を大きく保持することが望ましい（既述の特許文献２参照）。
【００４７】
以上、本発明を実施の形態に基づいて種々例示したが、これらの例は本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能であることは言うまでもない。
【００４８】
例えば、上述した凹凸形状の種類やそのパターンをはじめ、層構成及びその材料、成膜又は形成方法等は種々に変更してよい。
【００４９】
また、上述した電極について、一方を光反射性電極、他方を光透過性電極（透明電極）とすればよく、従って発光光の取り出し方向も上述したものとは逆に基材側であってよい。或いは、両電極ともに光透過性電極として両面から光を取り出してもよい。
【００５０】
また、上述した各構造例は素子の要部について示したが、無機ＥＬ層の発光色又はその組み合せによっては、バックライトや照明、更には多数の素子を配列した単色又はカラーのディスプレイにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
高輝度、低電圧の無機電界発光装置として、照明装置や表示装置等の様々な分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に基づく無機電界発光装置の構造例１の要部断面図である。
【図２】同、性能及び物性を説明するための要部断面図である。
【図３】同、無機ＥＬ層の表面形状を各種示す平面図又は斜視図である。
【図４】同、製造例を工程順に示す要部断面図である。
【図５】本発明に基づく無機電界発光装置の構造例２の要部断面図である。
【図６】本発明に基づく無機電界発光装置の構造例３の要部断面図である。
【図７】従来例１の無機電界発光素子の断面図である。
【図８】従来例２の無機電界発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１１、２１…基材、２、１２、２２…（光反射性）電極、３、２３…絶縁層、
４…無機ＥＬ層、５…絶縁層、６…（透明）電極、７…光拡散構造体、８…発光面、
１０Ａ…凹凸面、１０ａ1…凸部、１０ａ2…凸部、１０ａ3…凸部、１０ａ4…凸部、
１０ａ5…凸部、１０Ｂ…凹凸面、１０Ｃ…凹凸面、１０Ｄ…凹凸面、１０Ｅ…凹凸面、Ｅ…電界方向、Ｌ…発光方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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