(57)【要約】【課題】ＥＬ素子において、絶縁層を薄膜化して絶縁層の容量を大きくしても、同時に絶縁層の絶縁耐圧を確保する。【解決手段】第１の電極２、第１の絶縁層３、発光層４、第２の絶縁層５、第２の電極６が順次積層されてなるＥＬ素子において、第１および第２の絶縁層３、５の少なくとも一方が、Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜とを交互に積層してなるＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜からなり、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対するＴｉＯ２膜の総膜厚の比が２以上である。【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（２）、第１の絶縁層（３）、発光層（４）、第２の絶縁層（５）、第２の電極（６）が順次積層されてなるＥＬ素子において、
前記第１および第２の絶縁層の少なくとも一方が、Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜とを交互に積層してなるＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜からなり、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対するＴｉＯ２膜の総膜厚の比が２以上であることを特徴とするＥＬ素子。
【請求項２】
前記Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚が２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
【請求項３】
前記Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚とＴｉＯ２膜の総膜厚との合計が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＥＬ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光層が絶縁層を介して電極間に挟み込まれてなるＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のＥＬ素子は、一般的に、第１の電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の電極が順次積層されてなり、第１および第２の電極間に電圧を印加させることにより発光層を発光させるものである。
【０００３】
ここで、ＥＬ素子に電圧を印加すると、発光層と絶縁層にはそれぞれの容量の逆比の分圧がかかる。例えば、発光層の容量をＣ１、絶縁層の容量をＣ２とし、発光層にかかる電圧をＶ１、絶縁層にかかる電圧をＶ２とすると、Ｖ１：Ｖ２＝Ｃ２：Ｃ１となる。
【０００４】
ここで、従来では、絶縁層として比誘電率の高い誘電体を用いることで絶縁層の容量を大きくし、絶縁層の分圧を下げることで、発光層に効率よく電圧を印加し低電圧化するようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−１０７４９５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平２−１８８９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、絶縁層の容量を大きくする方法としては、上述した絶縁層材料の比誘電率を大きくすること以外にも、絶縁層の膜厚を薄くすることが考えられる。しかしながら、単純に絶縁層の膜厚を薄くしても、絶縁耐圧が低くなり、ＥＬ素子として駆動するには不十分になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ＥＬ素子において、絶縁層を薄膜化して絶縁層の容量を大きくしても、同時に絶縁層の絶縁耐圧を確保できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため、絶縁層としてＡｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜とを交互に積層してなるＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜（以下、ＡＴＯ膜という）について検討を行った。
【００１０】
このＡＴＯ膜は、原子層成長法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＡＬＥ法）によって比較的薄く、被覆性が良く且つ欠陥のない膜質を実現できるため、種々の絶縁膜のなかでもＥＬ素子に用いて好適なものである。
【００１１】
そして、このＡＴＯ膜について、ＡＴＯ膜の容量を大きくするためにＡｌ２Ｏ３膜厚を薄膜化し、ＡＴＯ膜の絶縁耐圧を向上させるためにＴｉＯ２膜厚を厚くすることを考え、実験検討を行った。本発明はその検討結果に基づいて創出されたものである。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、第１の電極（２）、第１の絶縁層（３）、発光層（４）、第２の絶縁層（５）、第２の電極（６）が順次積層されてなるＥＬ素子において、第１および第２の絶縁層の少なくとも一方が、Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜とを交互に積層してなるＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜からなり、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対するＴｉＯ２膜の総膜厚の比が２以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のように、絶縁層としてＡＴＯ膜を用い、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対してＴｉＯ２膜の総膜厚を２倍以上とすれば、絶縁層を薄くしても実用レベルの絶縁耐圧を確保できることを実験的に確認した（図２参照）。
【００１４】
よって、本発明によれば、ＥＬ素子において、ＡＴＯ膜からなる絶縁層、特にＡｌ２Ｏ３膜を薄膜化して絶縁層の容量を大きくしても、同時に絶縁層の絶縁耐圧を確保することができる。そして、絶縁層を薄膜化して絶縁層の容量を大きくすることによって低電圧で駆動可能なＥＬ素子が提供される。
【００１５】
ここで、従来では通常、ガラス基板上にＡＴＯ膜を形成する場合、Ａｌ２Ｏ３の総膜厚に対するＴｉＯ２の総膜厚の比は１程度であり、Ａｌ２Ｏ３膜厚は最大２００ｎｍ程度である。
【００１６】
そこで、請求項２に記載の発明のように、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚を２００ｎｍ以下と薄くすれば、従来よりも、絶縁層の容量を大きくすることが適切に行われ、好ましい。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明のように、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚とＴｉＯ２膜の総膜厚との合計すなわちＡＴＯ膜の総膜厚を４００ｎｍ以下とすれば、過大な膜応力を抑制してクラックを生じにくくすることができ、好ましい。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【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。図１は本発明の実施形態に係るＥＬ素子Ｓ１の概略断面構成を示す図である。
【００２０】
ＥＬ素子Ｓ１は、絶縁性基板であるガラス基板１の一面上に第１の電極２、第１の絶縁層３、発光層４、第２の絶縁層５、第２の電極６を順次積層して構成されており、第１の電極２、第１の絶縁層３、第２の絶縁層５、第２の電極６のうち少なくとも光取出し側が透光性を有する材料によって構成されている。
【００２１】
第１の電極２と第２の電極６は、本例ではストライプ状をなし、互いに直交しているもので、透明なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）膜にて構成されている。
【００２２】
この第１の電極２と第２の電極６とが直交した部分が、両電極２、６間に挟まれている第１の絶縁層３、第２の絶縁層５および発光層４とともに画素を構成している。
【００２３】
そして、第１の電極２、第２の電極６間に電圧を印加することで、この画素において発光層４が発光する。本例では、発光層４の光が第１の絶縁層３、第１の電極２およびガラス基板１を透過して、ガラス基板１の他面から取り出されるようになっている。
【００２４】
発光層４は例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等の半導体材料にて構成されており、発光中心としては、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ等を用いることができる。なお、発光中心にＭｎを用いた場合では黄橙色、Ｔｂを用いた場合では緑色、Ｓｍを用いた場合では、赤色の発光を生じる。本例では、発光層４はＺｎＳ：Ｍｎ膜としている。
【００２５】
また、第１の絶縁層３および第２の絶縁層５は、ＡＴＯ膜（Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜とを交互に積層してなるＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜）、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の誘電体により構成された透明な膜であり、両絶縁層３、５の少なくとも一方がＡＴＯ膜からなる。
【００２６】
本例では、第１および第２の絶縁層３、５はともに、ＡＴＯ膜からなる。このＡＴＯ膜は、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対するＴｉＯ２膜の総膜厚の比が２以上である。言い換えれば、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対してＴｉＯ２膜の総膜厚が２倍以上である。以下、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対するＴｉＯ２膜の総膜厚の比をＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比という。
【００２７】
ここで、好ましくは、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚は２００ｎｍ以下であり、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚とＴｉＯ２膜の総膜厚との合計すなわちＡＴＯ膜の総膜厚は４００ｎｍ以下である。
【００２８】
具体的には、Ａｌ２Ｏ３膜の１層当たりの厚さを３．５ｎｍ、ＴｉＯ２膜の１層当たりの厚さを３０ｎｍとし、最下部と最上部の膜をＡｌ２Ｏ３膜としてＡｌ２Ｏ３とＴｉＯ２とを交互に積層している。層の数はＡｌ２Ｏ３膜が８層、ＴｉＯ２膜が７層とできる。
【００２９】
この場合、Ａｌ２Ｏ３の総膜厚は２８ｎｍ、ＴｉＯ２の総膜厚は２１０ｎｍであり、ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比は７．５、ＡＴＯ膜の総膜厚は２３８ｎｍである。なお、このようなＡＴＯ膜の最初の層と最後の層は、Ａｌ２Ｏ３膜とＴｉＯ２膜のいずれであってもよい。
【００３０】
また、このＡＴＯ膜を原子層成長法（ＡＬＥ法）を用いて原子層オーダで形成する場合を考えると、積層構造膜の１層当たりの膜厚は０．５ｎｍから１００ｎｍとするのがよい。当該１層当たりの膜厚が０．５ｎｍよりも薄い膜では絶縁体として機能せず、１００ｎｍよりも厚い場合には、積層構造による耐電圧の向上効果が低下してしまうためである。
【００３１】
次に、上記例に基づき、ＥＬ素子Ｓ１の製造方法について述べる。まず、ガラス基板１の一面上に、第１の電極２として光学的に透明であるＩＴＯ膜をスパッタ法やフォトリソグラフ技術を用いてパターニング形成する。
【００３２】
その上に、第１の絶縁層３として、ＡＴＯ膜をＡＬＥ法によって形成する。具体的な形成方法について以下説明する。
【００３３】
まず、第１のステップとして、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、酸素（Ｏ）の原料ガスとして水（Ｈ２Ｏ）を用いて、Ａｌ２Ｏ３層を形成する。ＡＬＥ法では１原子層ずつ膜を形成していくために、原料ガスを交互に供給する。
【００３４】
したがって、この場合には、ＡｌＣｌ３をアルゴン（Ａｒ）のキャリアガスで反応炉に１秒導入した後に、反応炉内のＡｌＣｌ３ガスを排気するのに十分なパージを行う。
【００３５】
次に、Ｈ２Ｏを同様にＡｒキャリアガスで反応炉に１秒導入した後に、反応炉内のＨ２Ｏを排気するのに十分なパージを行う。このサイクルを繰り返して所定の膜厚のＡｌ２Ｏ３層を形成する。
【００３６】
第２のステップとして、Ｔｉの原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、酸素の原料ガスとしてＨ２Ｏを用いて、ＴｉＯ２層を形成する。具体的には、第１のステップと同様にＴｉＣｌ４をＡｒキャリアガスで反応炉に１秒導入した後に、反応炉内のＴｉＣｌ４を排気するのに十分なパージを行う。
【００３７】
次に、Ｈ２Ｏを同様にＡｒキャリアガスで反応炉に１秒導入した後に、反応炉内のＨ２Ｏを排気するのに十分なパージを行う。このサイクルを繰り返して所定の膜厚のＴｉＯ２層を形成する。そして、上述した第１のステップと第２のステップを繰り返し、所定膜厚のＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２積層構造膜を形成する。
【００３８】
次に、第１の絶縁層３の上に、ＺｎＳを母体材料とし、発光中心としてＭｎを添加した硫化亜鉛：マンガン（ＺｎＳ：Ｍｎ）からなる発光層４を蒸着法により形成する。
【００３９】
発光層４の膜厚は、５００〜２０００ｎｍにすることができる。これは、５００ｎｍより薄くなると、発光に寄与しない領域が多くなり発光効率が極端に低下し、２０００ｎｍより厚くすれば駆動電圧が高くなってしまうためである。
【００４０】
次に、上述したのと同じ方法で、第２の絶縁層５としてのＡＴＯ膜をＡＬＥ法で成膜する。最後に、第２の電極６としてＩＴＯ膜をスパッタ法やフォトリソグラフ技術を用いてパターニング形成する。このようにして、ＥＬ素子Ｓ１を作製することができる。
【００４１】
ところで、本実施形態によれば、絶縁層３、５としてＡＴＯ膜を用いるとともに、そのＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚に対してＴｉＯ２膜の総膜厚を２倍以上とすることにより、絶縁層３、５を薄くしても実用レベルの絶縁耐圧を確保できる。この根拠は次に述べるような検討結果に基づくものである。
【００４２】
ガラス基板１の上に第１の電極２、ＡＬＥ法にて成膜されたＡＴＯ膜、第２の電極６を順に積層した構成において、両電極２、６間にＤＣ電圧を印加することによりＡＴＯ膜の絶縁耐圧を調べた。
【００４３】
図２は、上記具体例（Ａｌ２Ｏ３の総膜厚：２８ｎｍ、ＴｉＯ２の総膜厚：２１０ｎｍ、ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比：７．５）に対して、Ａｌ２Ｏ３膜厚を同じとし、ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比を変えた場合のＡＴＯ膜の絶縁耐圧の結果である。
【００４４】
図２からわかるように、ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比を大きくすることで絶縁耐圧が向上していく。また、ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比がおおよそ２以上であれば、実用レベルの絶縁耐圧である４０Ｖを確保できることがわかる。
【００４５】
よって、本実施形態のＥＬ素子Ｓ１によれば、ＡＴＯ膜からなる絶縁層３、５、特にＡｌ２Ｏ３膜を薄膜化して絶縁層３、５の容量を大きくしても、同時に絶縁層３、５の絶縁耐圧を確保することができる。
【００４６】
そして、このＥＬ素子Ｓ１においては、絶縁層３、５であるＡＴＯ膜の容量が大きくなり、当該ＡＴＯ膜（絶縁層３、５）にかかる分圧が下がる。その結果、発光層４にかかる分圧が大きくなり、輝度が１ｃｄ／ｍ２となる電圧を低下させることができる。なお、この輝度が１ｃｄ／ｍ２となる電圧は、表示素子の分野では発光閾値電圧という。
【００４７】
また、ＡＴＯ膜の容量が大きくなることで外部印加電圧の変化に対する内部電界の変化が大きくなるため、輝度−電圧特性の立上りが従来に比べて急峻になる。これにより、発光閾値電圧からの印加電圧が同じであれば輝度は向上する。また、同じ輝度を得るための発光閾値電圧からの印加電圧は低くなるため、駆動電圧を下げることもできる。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、絶縁層３、５を薄膜化して絶縁層３、５の容量を大きくすることによって低電圧で駆動可能なＥＬ素子Ｓ１を提供することができる。
【００４９】
さらに、このＥＬ素子Ｓ１を用いたＥＬパネルは駆動電圧が低いため発熱が抑制され、温度特性を有するＥＬパネルの信頼性が向上することが期待される。また、駆動回路を低耐圧の部品で構成できるようになり、駆動回路を安価に提供できる。さらに、ＥＬパネルおよび駆動回路ともに消費電力を抑制できる。
【００５０】
ここで、従来では通常、ガラス基板上にＡＴＯ膜を形成する場合、Ａｌ２Ｏ３の総膜厚に対するＴｉＯ２の総膜厚の比は１程度であり、Ａｌ２Ｏ３膜厚は最大２００ｎｍ程度である。
【００５１】
そこで、上述したように、本実施形態の絶縁層３、５としてのＡＴＯ膜においてＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚を２００ｎｍ以下と薄くすれば、従来よりも、絶縁層３、５の容量を大きくすることが適切に行われ、好ましい。
【００５２】
また、Ａｌ２Ｏ３膜の総膜厚とＴｉＯ２膜の総膜厚との合計すなわちＡＴＯ膜の総膜厚を４００ｎｍ以下とすれば、過大な膜応力を抑制してクラックを生じにくくすることができ、好ましい。ちなみに、従来においても、ＡＴＯ膜厚を４００ｎｍ以上とするとクラックが生じやすかった。
【００５３】
また、上記具体例に示した本実施形態のＥＬ素子Ｓ１と、絶縁層３、５をＡｌ２Ｏ３膜の総膜厚が２００ｎｍ、ＴｉＯ２膜の総膜厚が２００ｎｍのＡＴＯ膜とした従来のＥＬ素子とを比べた場合、発光閾値電圧は本実施形態の方が６０Ｖ程度低減することができた。
【００５４】
また、電圧−輝度特性の立上りも、本実施形態の方が急峻になり、輝度は２０％程度向上した。また、同じ輝度を得るための発光閾値電圧からの印加電圧も本実施形態の方が６０％程度低減することができた。
【００５５】
なお、上記ＥＬ素子Ｓ１において、第１および第２の絶縁層３、５の片方側のみ上記ＴｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３膜比の関係を有するＡＴＯ膜を用い、他方は従来のＡＴＯ膜または他の絶縁膜を採用した構成でも良い。
【００５６】
また、電極２、６や発光層４の構成も上記形態に限定されるものではなく、適宜設計変更して良いことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＥＬ素子の縦断面構造を示す図である。
【図２】Ａｌ２Ｏ３膜厚が同じＡＴＯ膜について、横軸にＡｌ２Ｏ３膜厚に対するＴｉＯ２膜厚の比を、縦軸にＡＴＯ膜の絶縁耐圧をとった図である。
【符号の説明】
２…第１の電極、３…第１の絶縁層、４…発光層、５…第２の絶縁層、
６…第２の電極。
【図１】
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【図２】
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