(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＥＬ蛍光体積層薄膜であって、
前記基板側から、母体材料と発光中心とを含有する蛍光体薄膜と、硫化物を含有し、厚さが３０〜３００nmであるバッファ薄膜と、酸化物を含有し、厚さが５〜１５０nmであるバリア薄膜とがこの順で積層されており、
バリア薄膜に含有される酸化物における酸素の原子比が、化学量論組成のその酸化物における酸素の原子比に対し９４％超１００％未満であるＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項２】
バリア薄膜に含有される酸化物における酸素の原子比が、化学量論組成のその酸化物における酸素の原子比に対し９４．３〜９９．９％である請求項１のＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項３】
前記基板と前記蛍光体薄膜との間に、第２のバッファ薄膜が設けられている請求項１または２のＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項４】
前記基板と前記第２のバッファ薄膜との間に、第２のバリア薄膜が設けられている請求項３のＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項５】
前記バッファ薄膜に含有される硫化物が硫化亜鉛である請求項１〜４のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項６】
前記バリア薄膜に含有される酸化物が酸化アルミニウムである請求項１〜５のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項７】
前記母体材料が、アルカリ土類チオアルミネート、アルカリ土類チオガレートおよびアルカリ土類チオインデートから選ばれた少なくとも１種の化合物の硫黄の一部を酸素で置換したオキシサルファイドを主成分とするものであり、前記発光中心が希土類元素である請求項１〜６のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項８】
前記蛍光体薄膜に含有される母体材料および発光中心が、下記組成式で表される組成をもつ請求項１〜７のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
組成式  ＡxＢyＯzＳw：Ｍ
［前記組成式において、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａおよび希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｂは、Ａｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれた少なくとも１種の元素であり、ｘ、ｙ、ｚおよびｗは原子比を表し、
ｘ＝１〜５、
ｙ＝１〜１５、
ｚ＝０〜３０（０を除く）、
ｗ＝０〜３０（０を除く）
であり、Ｍは、発光中心となる元素を表す］
【請求項９】
前記組成式において、ｚとｗとの関係が
ｚ／（ｚ＋ｗ）＝０．０１〜０．８５
である請求項８のＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項１０】
前記組成式において、ｘとｙとの関係が
ｙ／ｘ＝２．１〜３．０
である請求項８または９のＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項１１】
前記発光中心がＥｕである請求項１〜１０のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかの前記ＥＬ蛍光体積層薄膜を有する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、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子およびこれに用いられるＥＬ蛍光体、特にＥＬ蛍光体の薄膜積層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小型または、大型軽量のフラットディスプレイパネルとして、薄膜ＥＬ素子が盛んに研究されている。黄橙色発光のマンガン添加硫化亜鉛からなる蛍光体薄膜を用いたモノクロ薄膜ＥＬディスプレイは、図５に示すような薄膜の絶縁層４Ａ、４Ｂを用いた２重絶縁型構造で既に実用化されている。図５において、ガラスからなる基板２の上には所定パターンの下部電極３Ａが形成されており、この下部電極３Ａ上に下部絶縁層４Ａとして誘電体薄膜が形成されている。また、この下部絶縁層４Ａ上には、蛍光体薄膜からなる発光層５、上部絶縁層４Ｂが順次形成されるとともに、上部絶縁層４Ｂ上に前記下部電極３Ａとマトリクスを構成するように上部電極３Ｂが所定パターンで形成されている。蛍光体薄膜は、輝度向上のため、ガラスからなる基板２の歪み点以下でのアニールを行うのが普通である。
【０００３】
また、最近では基板２をセラミックスから構成し、下部絶縁層４Ａに厚膜誘電体層を用いた構造が提案されている。さらに基板に高誘電率のＢａＴｉＯ3薄板を用い、基板の裏側に電極を形成し、前記薄板を絶縁層兼基板として用いる素子構造も提案されている。これらの構造では、基板として酸化アルミニウム、ＢａＴｉＯ3などのセラミックスを用いているため蛍光体薄膜の高温アニールが可能なので、高輝度化が可能である。また、絶縁層に厚膜または薄板の誘電体層を用いているため、絶縁層に薄膜を用いたＥＬ素子に較べて、絶縁破壊に強く、信頼性に強い素子ができることが特徴である。また、２重絶縁型構造のように蛍光体薄膜をサンドイッチにする構造は、必ずしも必要ではない。絶縁層は、厚膜または薄板誘電体層のみの片側のみでもよい。
【０００４】
ディスプレイとしてパソコン用、ＴＶ用、その他表示用に対応するためにはカラー化が必要不可欠である。硫化物蛍光体薄膜を用いた薄膜ＥＬディスプレイは、信頼性、耐環境性に優れているが、現在のところ、赤色、緑色、青色の３原色に発光するＥＬ用蛍光体の特性が十分でないため、カラー用には不適当とされている。青色発光蛍光体は、母体材料としてＳｒＳ、発光中心としてＣｅを用いたＳｒＳ：ＣｅやＳｒＧａ2Ｓ4：Ｃｅ、ＺｎＳ：Ｔｍ、赤色発光蛍光体としてはＺｎＳ：Ｓｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、緑色発光蛍光体としてはＺｎＳ：Ｔｂ、ＣａＳ：Ｃｅなどが候補であり研究が続けられている。
【０００５】
これらの赤色、緑色、青色の３原色に発光する蛍光体薄膜は発光輝度、効率、色純度が不足しており、現在、カラーＥＬパネルの実用化には至っていない。特に、青色は、ＳｒＳ：Ｃｅを用いて、比較的高輝度が得られてはいるが、フルカラーディスプレー用の青色としては、色純度が緑側にシフトしているため、さらによい青色発光層の開発が望まれている。
【０００６】
これらの課題を解決するため、特開平７−１２２３６４号公報、特開平８−１３４４４０号公報、信学技報EID98-113、19-24ページ、およびJpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.L1291-1292に述べられているように、ＳｒＧａ2Ｓ4 ：Ｃｅ、ＣａＧａ2Ｓ4 ：ＣｅやＢａＡｌ2Ｓ4 ：Ｅｕなどのチオガレートまたはチオアルミネート系の輝度、色純度に優れる青色蛍光体が開発されつつある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状の中、高輝度、高品質のフルカラーＥＬ素子を再現性よく製造するためには、蛍光体薄膜のさらなる改善も必要であるが、蛍光体薄膜および絶縁膜を含む薄膜積層構造も発光輝度と密接に関係するため、その最適化も不可欠であると考えられる。特に、チオアルミネート系、チオガレート系の蛍光体薄膜のように、形成後に高温アニールが必要とされるものを用いる場合には、高温アニールの際に、基板や絶縁層から蛍光体薄膜への元素拡散が生じやすいこと、隣接層間の平坦性が低下しやすいこと、隣接層間で剥離が生じやすいこと、などの問題があり、これにより輝度特性の再現性や素子寿命が悪影響を受けることがある。
【０００８】
本発明の目的は、安定して高輝度が得られ、かつ長寿命であり、フルカラーＥＬパネルに適したＥＬ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記（１）〜（１２）の本発明により達成される。
（１）  基板上に形成されたＥＬ蛍光体積層薄膜であって、
前記基板側から、母体材料と発光中心とを含有する蛍光体薄膜と、硫化物を含有し、厚さが３０〜３００nmであるバッファ薄膜と、酸化物を含有し、厚さが５〜１５０nmであるバリア薄膜とがこの順で積層されており、
バリア薄膜に含有される酸化物における酸素の原子比が、化学量論組成のその酸化物における酸素の原子比に対し９４％超１００％未満であるＥＬ蛍光体積層薄膜。
（２）  バリア薄膜に含有される酸化物における酸素の原子比が、化学量論組成のその酸化物における酸素の原子比に対し９４．３〜９９．９％である上記（１）のＥＬ蛍光体積層薄膜。
（３）  前記基板と前記蛍光体薄膜との間に、第２のバッファ薄膜が設けられている上記（１）または（２）のＥＬ蛍光体積層薄膜。
（４）  前記基板と前記第２のバッファ薄膜との間に、第２のバリア薄膜が設けられている上記（３）のＥＬ蛍光体積層薄膜。
（５）  前記バッファ薄膜に含有される硫化物が硫化亜鉛である上記（１）〜（４）のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
（６）  前記バリア薄膜に含有される酸化物が酸化アルミニウムである上記（１）〜（５）のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
（７）  前記母体材料が、アルカリ土類チオアルミネート、アルカリ土類チオガレートおよびアルカリ土類チオインデートから選ばれた少なくとも１種の化合物の硫黄の一部を酸素で置換したオキシサルファイドを主成分とするものであり、前記発光中心が希土類元素である上記（１）〜（６）のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
（８）  前記蛍光体薄膜に含有される母体材料および発光中心が、下記組成式で表される組成をもつ上記（１）〜（７）のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
組成式  ＡxＢyＯzＳw：Ｍ
［前記組成式において、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａおよび希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｂは、Ａｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれた少なくとも１種の元素であり、ｘ、ｙ、ｚおよびｗは原子比を表し、
ｘ＝１〜５、
ｙ＝１〜１５、
ｚ＝０〜３０（０を除く）、
ｗ＝０〜３０（０を除く）
であり、Ｍは、発光中心となる元素を表す］
（９）  前記組成式において、ｚとｗとの関係が
ｚ／（ｚ＋ｗ）＝０．０１〜０．８５
である上記（８）のＥＬ蛍光体積層薄膜。
（１０）  前記組成式において、ｘとｙとの関係が
ｙ／ｘ＝２．１〜３．０
である上記（８）または（９）のＥＬ蛍光体積層薄膜。
（１１）  前記発光中心がＥｕである上記（１）〜（１０）のいずれかのＥＬ蛍光体積層薄膜。
（１２）  上記（１）〜（１１）のいずれかの前記ＥＬ蛍光体積層薄膜を有するＥＬ素子。
【００１０】
【作用および効果】
本発明のＥＬ素子は、蛍光体薄膜と、これに隣り合い、硫化亜鉛等の硫化物を含有するバッファ薄膜と、このバッファ薄膜に隣り合い、酸化アルミニウム等の酸化物を含有するバリア薄膜とを含むＥＬ蛍光体積層薄膜を有する。このような積層構造とすることにより、本発明のＥＬ素子では従来に比べ著しく高い輝度が実現する。
【００１１】
さらに本発明では、バリア薄膜に含有される酸化物の酸素含有量を最適化することにより、高温アニールの際にもバリア薄膜が安定な状態に保たれるようにする。その結果、高温アニール時に、バリア薄膜と蛍光体薄膜との間、バリア薄膜とバッファ薄膜との間、およびバリア薄膜と下部絶縁層との間における相互作用が抑制されるので、本発明では高輝度かつ長寿命のＥＬ素子が再現性よく得られる。
【００１２】
本発明を適用することにより、青原色、緑原色、赤原色をこれまでにない高輝度で発光し、かつ、発光寿命が長いＥＬ素子が安定して得られるので、これらを用いればディスプレイ用のフルカラーパネルを実現することが可能である。
【００１３】
以下、本発明者らが本発明に至った経過を説明する。
【００１４】
本発明者らは、まず、青色ＥＬ材料として優れているＢａＡｌ2Ｓ4：Ｅｕからなる蛍光体薄膜と、硫化亜鉛からなるバッファ薄膜と、酸化アルミニウムからなるバリア薄膜とからなるＥＬ蛍光体積層薄膜を有するＥＬ素子を、製造条件を同一に設定して１０個作製した。ＥＬ蛍光体積層薄膜には、空気中において７００℃でアニールを施した。これらの素子について輝度特性を評価したところ、輝度−電圧（Ｌ−Ｖ）特性にばらつきが認められ、同一電圧で比較した場合に輝度に数倍もの違いが生じたものがあった。その原因は、各薄膜を真空槽内で形成する際に、膜形成条件に微小なばらつきが生じたり、真空槽内に残留するＨ2Ｏ、Ｏ2等のガス量に微小なばらつきがあったりして、これによりＥＬ蛍光体積層薄膜の発光特性の再現性が影響を受けたためと推察された。
【００１５】
そこで、真空槽内の残留ガスを厳密に管理した上で膜形成条件を厳密に管理することにより、各薄膜の組成を意図的に変更して輝度特性を調べた結果、バリア薄膜の組成、特にその酸素含有量が、輝度特性に密接に関連していることがわかった。具体的には、バリア薄膜に含有される酸化物の酸素量を、化学量論組成のその酸化物の酸素量よりも所定量少なくすることにより、高輝度が得られることを見いだした。そして、酸素含有量がこの範囲内となるようにバリア薄膜の形成条件を制御すれば、それぞれ高温アニールが必要なチオアルミネート系またはチオガレート系の蛍光体材料を用いた場合でも、高輝度かつ発光寿命の長いＥＬ蛍光体積層薄膜が再現性よく得られることがわかった。
【００１６】
一般に、酸化物に限らず多くの化合物は、化学量論組成である場合に安定性が高いと考えられている。しかし、このことは、単結晶や多結晶など結晶構造が組み込まれたバルク状材料について当てはまるものであり、非晶質であったり、結晶相が存在していても薄膜であったりする場合、特に、ＥＬ素子のように他の薄膜と積層された構造である場合には、化学量論組成が安定であるとは必ずしもいえないと考えられる。
【００１７】
本発明において、バリア薄膜に含有される酸化物を酸素欠損状態とすることにより、高輝度および長寿命が実現する理由は明確ではないが、ＥＬ素子形成過程を模した下記実験において、以下のような現象が観察された。
【００１８】
この実験では、まず、形成条件を制御することにより酸素含有量を制御した酸化アルミニウムからなるバリア薄膜を単独で基板上に形成した。これらのバリア薄膜において、酸素含有量を表す原子比Ｏ／Ａｌは、およそ１．４〜１．７の範囲内に設定した。なお、バリア薄膜が化学量論組成の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）から構成されている場合、原子比Ｏ／Ａｌは１．５である。したがって、バリア薄膜における原子比Ｏ／Ａｌは、化学量論組成であるＡｌ2Ｏ3におけるＯ／Ａｌの９３．３３〜１１３．３３％である。次いで、実際のＥＬ素子と同様に、空気中において７００℃でアニールを施した。
【００１９】
アニールの前後において、バリア薄膜の組成を蛍光Ｘ線分析により測定したところ、バリア薄膜の酸素含有量に応じて、バリア薄膜の組成安定性が異なる結果となった。具体的には、アニール後の原子比Ｏ／Ａｌが本発明で限定する範囲を外れているものでは、アニールによる原子比Ｏ／Ａｌの変化が大きかった。これに対し、アニール後の原子比Ｏ／Ａｌが本発明で限定する範囲内であったものでは、アニール前後で原子比Ｏ／Ａｌの変化はほとんど認められなかった。
【００２０】
この結果から、実際のＥＬ素子中においてバリア薄膜の酸素含有量が与える影響を推察すると、本発明で限定する範囲より酸素含有量が多いバリア薄膜、たとえば化学量論組成と同じ酸素含有量のバリア薄膜では、高温アニールによって活性化されたときに不安定となる結果、より安定となるために酸素を放出する。その際に、近傍のバッファ薄膜および蛍光体薄膜が酸化され、輝度特性および発光寿命を悪化させると考えられる。一方、本発明で限定する範囲より酸素含有量が少ないバリア薄膜は安定性が低いので、高温アニールによって活性化されたときに、近傍の薄膜から酸素等の各種元素を取り込もうとし、その結果、近傍の薄膜の組成に影響を与え、輝度特性および発光寿命を悪化させると考えられる。また、アニール時にバリア薄膜に元素の出入りがあると、バリア薄膜がバッファ薄膜と反応して、両薄膜の界面の平坦性が損なわれると考えられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
チオアルミネート、チオガレートまたはチオインデート系のＥＬ蛍光体薄膜の発光メカニズムについては、依然不明な点が多い。
【００２３】
日本学術振興会光電相互変換第１２５委員会ＥＬ分科会第２２回研究会資料ｐ１６〜ｐ２１で、青色発光ＢａＡｌ2Ｓ4：Ｅｕ薄膜についての解析が行われている。ここでは、ＢａＡｌ2Ｓ4は、膜厚方向で発光する領域が異なり膜表面に近い所で強く発光していること、膜厚方向に組成の分布があること、多量の酸素が含まれていること、などが述べられているが、強く発光するメカニズムは、明らかになっていない。
【００２４】
アルカリ土類チオアルミネート、アルカリ土類チオガレートおよびアルカリ土類チオインデートなどの三元系化合物は、ＺｎＳ、ＳｒＳなどの二元系化合物に比べ、通常、結晶化温度が高いため、膜形成温度を５００℃以上にする高温プロセスでの形成や、酸化性雰囲気中において７００℃以上の高温アニールを施すアニール酸素化プロセスが必要である。このようなプロセスにおいて、ＢａＡｌ2Ｓ4：Ｅｕ薄膜は、適当な条件のもとで、ＥＬ母体材料と発光中心、薄膜構造が最適となり、強い発光が得られると考えられる。
【００２５】
酸化性雰囲気中でアニールを行うアニール酸素化プロセスは、蛍光体薄膜のＥＬ発光輝度を飛躍的に高める効果がある。前記三元系化合物を母体材料として含有する薄膜が酸素を含有する場合、この母体材料の成膜時または成膜後のアニール等の後処理時に結晶化が促進され、薄膜に添加された発光中心（希土類元素）が化合物結晶場内で有効な遷移を有し、高輝度な発光が得られるものと考えられる。
【００２６】
発光素子には、発光時間の経過と共に輝度が劣化する寿命が存在する。酸素と硫黄とが混在する組成は、寿命特性を向上させ、輝度の劣化を防止する。母体材料が純粋な硫化物である場合と比較して、酸素との化合物が混在することにより空気中で安定になる。これは、膜中の硫化物成分を安定な酸化物成分が空気から保護するためと考えられる。したがって、発明者らの検討によれば、硫化物と酸化物との比率には、後で述べる最適値が存在する。
【００２７】
母体材料中の硫黄と酸素の含有量は、原料組成で調整してもよいが、前述したように、特に薄膜形成後に酸化性雰囲気中でアニール処理を行い、このアニール処理の条件を制御することによって調整することが好ましい。本発明では、蛍光体薄膜と、硫化物を含有するバッファ薄膜と、酸化物を含有するバリア薄膜とが積層された構造のＥＬ蛍光体積層薄膜とし、この積層薄膜に酸化性雰囲気中でのアニールを施すことにより、アニールの際に蛍光体薄膜の硫黄および酸素の量を容易に制御できる。その結果、本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜を用いることにより、これまでにない高輝度が再現性よく得られ、かつ輝度劣化が少ないＥＬ素子を実現することができる。
【００２８】
バリア薄膜は、酸化性雰囲気中でのアニール時に、雰囲気中からの蛍光体薄膜への酸素導入量を制御するキャップ層として機能する。具体的には、アニール時に蛍光体薄膜を適度に酸化させ、過度の酸化を防ぐ。また、バリア薄膜は、アニール時に蛍光体薄膜からの硫黄流出を防ぐ。一方、バッファ薄膜は、蛍光体薄膜中の硫黄量をアニール時に最適化する硫黄制御層として機能する。また、バッファ薄膜は、以下に記述する効果も併せ持っている。
【００２９】
これらの機能に加え、バリア薄膜では、５０nm程度と比較的薄い場合には、バッファ薄膜と組み合わせて設けることにより、主に高輝度に発光させるための、蛍光体薄膜への電子の注入層としても機能する。バッファ薄膜は、注入された電子をさらに加速して、蛍光体薄膜に注入する電子注入増強層として機能する。
【００３０】
本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜の構成例を、図３に示す。図３では、下部絶縁層４Ａ上にＥＬ蛍光体積層薄膜５０を設けた構成において、下部絶縁層４Ａ側から蛍光体薄膜５１、バッファ薄膜５２、バリア薄膜５３の順で積層している。すなわち、本発明では、ＥＬ蛍光体積層薄膜５０の基板２とは反対側の表面がバリア薄膜５３で構成されるように各薄膜を積層し、この状態で酸化性雰囲気中でのアニールを施せばよい。
【００３１】
ただし、蛍光体薄膜５１の酸素量および硫黄量の制御を容易にするためには、図３に示す構造において、蛍光体薄膜５１の基板２側に第２のバッファ薄膜を設け、蛍光体薄膜をバッファ薄膜で挟む構造とすることが好ましい。この構造を図２に示す。図２におけるＥＬ蛍光体積層薄膜５０は、下部バッファ薄膜５２Ａ、蛍光体薄膜５１、上部バッファ薄膜５２Ｂ、バリア薄膜５３の順で積層された構造をもつ。さらに好ましくは、前記第２のバッファ薄膜の基板側に第２のバリア薄膜を設けることが好ましい。すなわち図１に示すように、ＥＬ蛍光体積層薄膜５０を、下部バリア薄膜５３Ａ、下部バッファ薄膜５２Ａ、蛍光体薄膜５１、上部バッファ薄膜５２Ｂ、上部バリア薄膜５３Ｂの順で積層された構造とすれば、すなわち、蛍光体薄膜を挟んで両側にバッファ薄膜を設け、さらにその両側にバリア薄膜を設ければ、より高い輝度が得られる。なお、蛍光体薄膜とバッファ薄膜とは接して設けることが好ましく、また、バッファ薄膜とバリア薄膜とは接して設けることが好ましい。
【００３２】
バリア薄膜およびバッファ薄膜の機能を発揮させるためには、これらの薄膜の膜厚制御が必要である。
【００３３】
バリア薄膜の厚さは、５〜１５０nm、好ましくは１０〜１００nmとし、具体的には、この範囲内で成膜条件、アニール条件に応じて適宜決定すればよい。バリア薄膜が薄すぎると、酸化性雰囲気中でのアニールの際に蛍光体薄膜の酸化が進みすぎ、また、蛍光体薄膜からの硫黄流出が多くなるため、高輝度が得られなくなる。一方、バリア薄膜が厚すぎると、蛍光体薄膜の酸化が不十分となるため、高輝度が得られず、また、輝度劣化が生じやすくなる。
【００３４】
バッファ薄膜の厚さは、３０〜３００nm、好ましくは５０nm〜２００nmとし、具体的には、この範囲内で成膜条件、アニール条件に応じて適宜決定すればよい。バッファ薄膜が薄すぎると蛍光体薄膜中の硫黄量が不足しやすくなり、バッファ薄膜が厚すぎると蛍光体薄膜中の酸素量が不足しやすくなる。また、バッファ薄膜が薄すぎると、前述した電子注入増強層としての機能が低くなってしまう。具体的には、発光開始電圧（閾電圧）が上昇して、ＥＬ素子を発光駆動させるための電圧が高くなってしまう。また、バッファ薄膜は絶縁体であるため、バッファ薄膜が厚いとＥＬ蛍光体積層薄膜のキャパシタンスが実効的に上がるため、発光開始電圧（閾電圧）が上昇してしまう。
【００３５】
本発明において、バリア薄膜およびバッファ薄膜の最も好ましい膜厚範囲は、下部バリア薄膜（０〜５０nm）／下部バッファ薄膜（５０〜２００nm）／蛍光体薄膜／上部バッファ薄膜（５０〜２００nm）／上部バリア薄膜（３０〜７０nm）である。
【００３６】
バリア薄膜は、酸化物を含有する薄膜であり、微量の不純物元素を除き、実質的に酸化物から構成されることが好ましい。この酸化物は、金属元素および／または半金属元素を１種だけ含むものであってもよく、２種以上含むものであってもよい。バリア薄膜に使用可能な酸化物としては、例えば、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）などの希土類酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3とＰｂＴｉＯ3との混合物ないし複酸化物（ＰＭＮ−ＰＴ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が挙げられる。これらのうち、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）などの希土類酸化物、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）が蛍光体薄膜への注入特性がよいため好ましく、特に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）が好ましい。なお、この説明においては、酸化物を化学量論組成の化合物として表示してあるが、バリア薄膜中に実際に含有される酸化物には、所定量の酸素欠損が存在する。
【００３７】
バリア薄膜は、組成の相異なる２層以上の薄膜を積層した多層構造であってもよい。いずれの場合でも、ＥＬ蛍光体積層薄膜を酸化性雰囲気中でアニールする際に、ＥＬ蛍光体積層薄膜の最上層に、前記所定厚さのバリア薄膜が存在すればよい。
【００３８】
本発明において、バリア薄膜に含有される酸化物は、化学量論組成に比べ酸素が欠損した状態にある。バリア薄膜における酸素の原子比が化学量論組成における酸素の原子比以上であると、酸化性雰囲気中での高温アニールによってＥＬ蛍光体積層薄膜の特性が劣化してしまう。ただし、バリア薄膜における酸素の原子比が小さすぎても、酸化性雰囲気中での高温アニールによってＥＬ蛍光体積層薄膜の特性が劣化してしまう。そのため本発明では、バリア薄膜に含有される酸化物における酸素の原子比を、化学量論組成のその酸化物における酸素の原子比に対し９４％超１００％未満、好ましくは９４．３〜９９．９％とする。本発明で限定する酸素含有量（酸素の原子比）は、ＥＬ蛍光体積層薄膜に含まれるすべてのバリア薄膜において満足される必要がある。
【００３９】
本明細書において酸化物中の酸素の原子比は、その酸化物に含有される金属元素および半金属元素をともにＭｅで表し、酸素をＯで表したとき、Ｏ／Ｍｅで表される。たとえば、その酸化物が酸化アルミニウムである場合、化学量論組成の化合物はＡｌ2Ｏ3であり、その原子比Ｏ／Ａｌは１．５である。これに対し、バリア薄膜を構成する酸素欠損組成の酸化物がＡｌ2Ｏ2.88である場合、その原子比Ｏ／Ａｌは１．４４である。このとき、化学量論組成における酸素の原子比に対するバリア薄膜における酸素の原子比の比率は、
１００×１．４４／１．５＝９６  （％）
である。酸化物が金属元素および／または半金属元素を２種以上含有する複酸化物である場合、含有されるすべての金属元素と半金属元素とをＭｅとして、原子比Ｏ／Ｍｅを算出する。
【００４０】
バリア薄膜における酸素の原子比は、電子線プローブマイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、Ｘ線光電子分析（ＸＰＳ）、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ）などにより確認することができる。
【００４１】
バッファ薄膜は、硫化物を含有する薄膜、特に硫化物からなる薄膜であることが好ましい。硫化物としては、例えば、硫化イットリウム（Ｙ2Ｓ3）などの希土類硫化物、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化マグネシウム（ＭｇＳ）、硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）、硫化バリウム（ＢａＳ）が挙げられる。これらのうち、ＺｎＳが蛍光体薄膜への注入加速層として好ましい。
【００４２】
バッファ薄膜は、これらの化合物の１種だけを含有していてもよく、２種以上を含有していてもよい。また、バッファ薄膜は、組成の相異なる２層以上の薄膜を積層した多層構造であってもよい。
【００４３】
バリア薄膜およびバッファ薄膜の形成には、スパッタ法、電子ビーム加熱による蒸着法、抵抗加熱による蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、ゾル−ゲル法によるコーティング法等の既存の各種方法を用いることができるが、特に蒸着法を用いることが好ましい。
【００４４】
バリア薄膜の形成に際しては、本発明で限定する酸素欠損量を満たす酸化物薄膜が形成できるように、形成条件を制御すればよい。以下、代表的な方法について、制御対象の形成条件を説明する。
【００４５】
スパッタ法は、原料となるスパッタターゲットを真空槽内においてＡｒガス等のスパッタガス中でスパッタリングし、薄膜を形成する方法である。酸化物からなるスパッタターゲットを用いる場合、ターゲット使用開始初期はターゲットと同一組成の薄膜が得られるものの、使用時間が長くなるにつれてターゲット表面の酸素が抜けるため、得られる薄膜も酸素欠損した状態になる。そのため、化学量論組成の酸化物薄膜を再現性よく安定して得るために、成膜中に流すスパッタガスとして、Ａｒガスだけでなく、Ａｒガスに酸素ガスを１〜５体積％程度添加した混合ガスを用いることが一般的に行われている。本発明では、酸素欠損酸化物からなるバリア薄膜を形成するため、真空槽内の残留ガスを極力排除し、好ましくは真空槽内圧力を１×１０-4Pa以下とした後、Ａｒガスに０．０５〜０．５体積％の酸素ガスを添加した混合ガスをスパッタガスとして流しながらスパッタを行うことが好ましい。これにより、本発明で限定する酸素欠損状態を容易に実現することができる。
【００４６】
電子ビーム加熱による蒸着法は、真空槽内において金属製るつぼ等に入った蒸発源に加速された電子をあて加熱することにより蒸発させ、基板上に薄膜を形成する方法である。
【００４７】
薄膜を形成する際の真空槽内真空度は、スパッタ法では０．３〜５Pa程度であるのに対し、電子ビーム加熱による蒸着法では５×１０-5〜１×１０-2Pa程度であり、両者は大きく異なる。そのため蒸着法では、蒸発源が蒸発してから基板に付着して薄膜となるまでに様々な要因が絡み合って、得られる薄膜の特性に影響を及ぼす。様々な要因としては、たとえば基板温度、蒸着速度、真空槽内の残留ガス、電子ビームの加速パワーであり、成膜雰囲気を制御する場合は雰囲気ガスの種類および流量が挙げられる。本発明においてバリア薄膜を形成する際に酸素欠損を制御するためには、これらの要因を制御すればよい。具体的には、蒸発源として化学量論組成の酸化物を用いた場合には、基板温度が高いほど、蒸着速度が速いほど、残留ガス（特にＨ2Ｏ成分）が少ないほど、雰囲気ガス（酸化物では酸素ガス）流量が少ないほど、電子ビームのパワーが高いほど酸素欠損量の多い酸化物薄膜が得られる。一方、これらの要因を逆の方向に変化させれば、酸素欠損量の少ない、あるいは酸素過剰の酸化物薄膜が得られる。電子ビーム加熱による蒸着法では、上記各要因を十分に管理・制御して初めて、目的組成の酸化物薄膜が再現性よく得られる。
【００４８】
なお、図１に示す構造のＥＬ素子を形成する際に、下部バリア薄膜５３Ａおよび下部バッファ薄膜５２Ａを形成した後、蛍光体薄膜５１を形成する前に、アニールを施してもよい。このアニールを施すことにより、酸化物からなる下部バリア薄膜５３Ａをより安定な状態に保つことができる。このアニールの条件は、後述する蛍光体薄膜のアニール条件と同様とすればよい。ただし、このアニールは酸化性雰囲気中で行っても真空中で行ってもよい。
【００４９】
本発明におけるバッファ薄膜およびバリア薄膜は、図５に示した既に実用化されている２重絶縁型構造における絶縁層、すなわち電荷をブロッキングする層とは機能が全く異なる。また、それぞれ本発明で限定する厚さをもつバリア薄膜およびバッファ薄膜を有するＥＬ蛍光体積層薄膜は、従来、知られていない。
【００５０】
前記した日本学術振興会光電相互変換第１２５委員会ＥＬ分科会第２２回研究会資料ｐ１６〜ｐ２１には、ガラス基板上に、Ｔａ2Ｏ5絶縁層（２７０nm）、ＺｎＳバッファ層（９０〜３６０nm）、ＢａＡｌ2Ｓ4：Ｅｕ2+発光層（４００nm）、ＺｎＳキャップ層（４０nm）を積層した構造をもつ試料が記載されている。この試料において、Ｔａ2Ｏ5絶縁層は本発明におけるバリア薄膜に類似し、ＺｎＳバッファ層およびＺｎＳキャップ層は本発明におけるバッファ薄膜に類似する。しかし、この試料において、ＺｎＳキャップ層の上にバリア薄膜に相当する薄膜は存在しない。しかも、この試料に対する熱処理は、ＢａＡｌ2Ｓ4：Ｅｕ2+発光層中からの硫黄の離脱を防ぐためのものであり、ＺｎＳキャップ層形成後にＡｒ雰囲気中において８００〜１０００℃で２分間行われている。これに対し本発明では、酸化性雰囲気中における熱処理の際に、蛍光体薄膜中の酸素量および硫黄量を制御するためにバリア薄膜およびバッファ薄膜の両者を利用する必要がある。したがって、前記試料は本発明のＥＬ素子とは異なり、本発明による効果は実現しない。
【００５１】
また、特開平１−２０６５９４号公報には、ガラス基板上に、透明電極、厚さ０．５μmの第１の誘電体層（Ｔａ2Ｏ5）、ＺｎＳバッファ層、ＣａＳ：Ｅｕ発光層、厚さ０．５μmの第２の誘電体層（Ｔａ2Ｏ5）および背面電極を積層した薄膜ＥＬ素子が記載されている。この薄膜ＥＬ素子において、発光層の組成は本発明で限定する組成と異なり、また、第２の誘電層の厚さは本発明におけるバリア薄膜の厚さより厚く、また、発光層の上側にＺｎＳバッファ層は存在せず、また、酸化性雰囲気中でのアニールも行われていない。したがって、この薄膜ＥＬ素子は本発明のＥＬ素子とは異なり、本発明による効果は実現しない。
【００５２】
本発明において蛍光体薄膜は、母体材料と発光中心とを含有する。母体材料および発光中心は、
組成式  ＡxＢyＯzＳw：Ｍ
で表されるものであることが好ましい。前記組成式において、Ａは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａおよび希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素であり、Ｂは、Ａｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれた少なくとも１種の元素であり、Ｍは、発光中心となる元素を表す。また、ｘ、ｙ、ｚおよびｗは原子比を表し、
ｘ＝１〜５、
ｙ＝１〜１５、
ｚ＝０〜３０（０を除く）、
ｗ＝０〜３０（０を除く）
であり、好ましくは
ｘ＝１〜５、
ｙ＝１〜１５、
ｚ＝３〜３０、
ｗ＝３〜３０
である。
【００５３】
前記組成式で表される母体材料は、アルカリ土類チオアルミネート、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類チオインデート、希土類チオアルミネート、希土類チオガレート、希土類チオインデートまたはこれらの２種以上が含まれる混合物からなる硫化物において、硫黄の一部を酸素で置換したオキシサルファイドである。なお、本明細書においてアルカリ土類元素とは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａである。
【００５４】
前記硫化物としては、アルカリ土類チオアルミネート、アルカリ土類チオガレートおよびアルカリ土類チオインデートの少なくとも１種が好ましく、特に、バリウムチオアルミネートおよびストロンチウムチオガレートの少なくとも１種が好ましい。これらは結晶化温度が高いため、本発明を適用するのに好ましく、特に、バリウムチオアルミネートに発光中心としてＥｕを添加したもの、および、ストロンチウムチオガレートに発光中心としてＥｕを添加したものが最も好ましく、これらの組み合わせは、それぞれ色純度の高い青色および緑色を高輝度で発光させるために有効である。また、これら好ましい硫化物において、アルカリ土類元素の一部を希土類元素で置換したものも好ましい。
【００５５】
以下、元素Ａとして主としてアルカリ土類元素を用いる場合について詳細に説明する。
【００５６】
蛍光体薄膜は、結晶化していることが好ましいが、明確な結晶構造を有しない非晶質状態であってもよい。
【００５７】
蛍光体薄膜に含まれる結晶としては、Ａ5Ｂ2Ｓ8 、Ａ4Ｂ2Ｓ7 、Ａ2Ｂ2Ｓ5 、ＡＢ2Ｓ4 、ＡＢ4Ｓ7 、Ａ4Ｂ14Ｓ25 、ＡＢ8Ｓ13 、ＡＢ12Ｓ19 の１種または２種以上であることが好ましく、特にＡＢ2Ｓ4結晶が含まれることが好ましい。蛍光体薄膜中では、結晶中のＳの一部をＯが置換していてもよい。
【００５８】
なお、ＡxＢyＯzＳwが化学量論組成の化合物であるとき、この化合物はｘ｛Ａ（Ｏ，Ｓ）｝と（ｙ／２）｛Ｂ2（Ｏ，Ｓ）3｝とからなると考えることができる。したがって、ｚ＋ｗ＝ｘ＋３ｙ／２のときがほぼ化学量論組成である。高輝度の発光を得るためには蛍光体薄膜の組成が化学量論組成付近であることが好ましく、具体的には
０．９≦（ｘ＋３ｙ／２）／（ｚ＋ｗ）≦１．１
であることが好ましい。
【００５９】
発光中心として添加する元素Ｍは、希土類元素であることが好ましい。希土類元素は、少なくともＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙｂから選択される。バリウムチオアルミネート母体材料と組み合わせる発光中心は、青色蛍光体とするためにはＥｕ、緑色蛍光体とするためにはＣｅ、Ｔｂ、Ｈｏ、赤色蛍光体とするためにはＳｍ、Ｙｂ、Ｎｄが好ましく、このうち、Ｅｕを用いて青色蛍光体とすることが最も好ましい。また、ストロンチウムチオガレート母体材料とＥｕとを組み合わせれば緑色蛍光体となり、ストロンチウムチオインデート母体材料またはバリウムチオインデート母体材料とＥｕとを組み合わせれば赤色蛍光体となる。発光中心となる元素の添加量は、前記組成式における元素Ａに対して０．５〜１０原子%であることが好ましい。
【００６０】
前述したように、酸素と硫黄とが混在する組成は、輝度特性、寿命特性を向上させ、輝度の劣化を防止する。母体材料が純粋な硫化物である場合と比較して、酸素との化合物が混在することにより空気中で安定になる。また、母体材料の組成は、化学量論的組成に対し元素Ｂが過剰であることが好ましい。例えば母体材料をＢａＡｌ2Ｓ4、すなわちＢａＳ−Ａｌ2Ｓ3付近の組成とする場合には、Ａｌ／Ｂａ＞２とすることが好ましい。過剰なＡｌ2Ｓ3は水分に対して不安定であるが、この過剰Ａｌに対し酸素を導入することにより、不安定な硫化物成分としてでなく安定な酸化物成分となる。そして、この酸化物成分が空気から発光部を保護することになる。高輝度かつ長寿命を実現するためには、前記組成式において好ましくは
ｚ／（ｚ＋ｗ）＝０．０１〜０．８５
となるように母体材料中の酸素量を調整し、また、前記組成式において好ましくは
ｙ／ｘ＝２．１〜３．０、より好ましくは
ｙ／ｘ＝２．３〜２．９
とすることが望ましい。特に高輝度かつ長寿命を得るためには、
ｚ／（ｚ＋ｗ）＝０．１〜０．３かつ
ｙ／ｘ＝２．６〜２．８
とすることが望ましい。
【００６１】
蛍光体薄膜の組成は、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、Ｘ線光電子分析（ＸＰＳ）、ＴＥＭ−ＥＤＳ（Transmission Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）等により確認することができる。
【００６２】
蛍光体薄膜の膜厚は、特に制限されるものではないが、厚すぎると駆動電圧が上昇し、薄すぎると発光効率が低下する。具体的には、蛍光材料にもよるが、好ましくは１００〜２０００nm、より好ましくは１５０〜７００nm程度である。
【００６３】
蛍光体薄膜を得るには、例えば、以下の反応性蒸着法によることが好ましい。ここでは、バリウムチオアルミネート：Ｅｕ蛍光体薄膜を例にとり説明する。
【００６４】
バリウムチオアルミネート：Ｅｕ蛍光体薄膜を形成するには、Ｅｕを添加したバリウムチオアルミネートペレットを作製し、Ｈ2Ｓガスを導入した真空槽内でこのペレットを蒸発源としてＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着すればよい。ここでＨ2Ｓガスは、硫黄不足を補うため用いる。
【００６５】
その他、多元反応性蒸着法を用いる方法も利用可能である。その場合、例えば、Ｅｕを添加した硫化バリウムペレット、硫化アルミニウムペレットおよびＨ2Ｓガスを用いる２元反応性蒸着法が好ましい。
【００６６】
発光中心のＥｕは、金属、フッ化物、酸化物または硫化物の形で蒸発源に添加する。蒸発源のＥｕ含有量と、その蒸発源を用いて形成された薄膜中のＥｕ含有量とは異なるので、薄膜中において所望の含有量となるように蒸発源中のＥｕ含有量を調整する。
【００６７】
蒸着中の基板温度は、好ましくは室温〜７００℃、より好ましくは４００〜５５０℃とする。基板温度が低すぎると、蛍光体薄膜とその下に位置するバッファ薄膜およびバリア薄膜との相互作用をうまく引き出せないばかりか、蛍光体薄膜の結晶性も悪くなる。一方、基板温度が高すぎると、蛍光体薄膜とその下に位置するバッファ薄膜との界面が劣化したり、蛍光体薄膜表面の凹凸が激しくなったり、薄膜中にピンホールが発生してＥＬ素子に電流リークの問題が発生したりしやすくなる。また、薄膜が褐色に色づくこともある。
【００６８】
成膜後には、酸化性雰囲気中においてアニール処理を行う。このアニールにより、蛍光体薄膜の母体材料を、酸素含有量が適切に制御されたオキシサルファイドとすることができ、また、蛍光体薄膜の結晶性を著しく向上させることができる。アニール温度は、好ましくは５００〜１０００℃、特に６５０〜８００℃である。アニールは、空気中または空気より酸素濃度の高い雰囲気中で行うことが好ましい。アニール時間は、通常、１〜６０分間、好ましくは５〜３０分間である。アニール時間が短すぎると、アニールによる効果が十分に実現しない。一方、アニール時間を著しく長くしてもアニールによる効果は顕著には増大しないほか、蛍光体薄膜以外の構成要素（電極や基板など）が長時間の加熱によりダメージを受けてしまうことがあり、好ましくない。
【００６９】
形成された蛍光体薄膜は、高結晶性の薄膜であることが好ましい。結晶性の評価は、例えばＸ線回折により行うことができる。結晶性を上げるためには、できるだけ基板温度を高温にする。また、上述したアニールも効果的である。
【００７０】
蛍光体薄膜蒸着時の圧力は、好ましくは１．３３×１０-4〜１．３３×１０-1Paである。特に、硫黄を補償するためのＨ2Ｓガスの導入量を調整することにより、圧力を６．６５×１０-3〜６．６５×１０-2Paとするとよい。圧力がこれより高くなると、Ｅガンの動作が不安定となり、組成制御が極めて困難になってくる。Ｈ2Ｓガスの導入量としては、真空系の能力にもよるが５〜２００SCCM、特に１０〜３０SCCMが好ましい。
【００７１】
また、必要により蒸着時に基板を移動または回転させてもよい。基板を移動、回転させることにより、膜組成が均一となり、膜厚分布のバラツキが少なくなる。
【００７２】
基板を回転させる場合、基板の回転速度としては、好ましくは１０回／min 以上、より好ましくは１０〜５０回／min 、特に１０〜３０回／min 程度である。基板の回転速度をこれ以上速くしようとすると、真空槽の気密を保つためのシールが難しくなる。また、回転速度が遅すぎると槽内の膜厚方向に組成ムラが生じ、作製した発光層の特性が低下してくる。基板を回転させる回転手段は、モータ、油圧回転機構等の動力源と、ギア、ベルト、プーリー等とを組み合わせた動力伝達機構・減速機構等を用いた公知の回転機構により構成することができる。
【００７３】
蒸発源や基板を加熱する加熱手段は、所定の熱容量、反応性等を備えたものであればよく、例えばタンタル線ヒータ、シースヒータ、カーボンヒータ等が挙げられる。加熱手段による加熱温度は、好ましくは１００〜１４００℃程度、温度制御の精度は、好ましくは１０００℃で±１℃、より好ましくは±０．５℃程度である。
【００７４】
本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜をＥＬ素子とするためには、図５に示す２重絶縁型構造中の発光層５として、図１〜図３に示すような本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜５０を用いるか、または、前述したような厚膜または薄板の誘電体層からなる絶縁層を片側のみに設けた構造において、発光層に本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜を用いる。後者の場合、例えば、図４に示すような構造とすればよい。図４では、基板２上に、下部電極３Ａ、厚膜誘電体層からなる絶縁層４、発光層５（ＥＬ蛍光体積層薄膜５０）および上部電極３Ｂが形成されている。なお、図４および図５にそれぞれ示すＥＬ素子において、絶縁層、発光層、電極等の隣り合う各層の間には、密着を上げるための層、応力を緩和するための層、反応を制御する層などの中間層を設けてもよい。また、厚膜表面は、研磨したり平坦化層を用いるなどして平坦性を向上させてもよい。
【００７５】
基板として用いる材料は、ＥＬ素子の各層の形成温度、ＥＬ素子のアニール温度に耐えうるように、耐熱温度または融点が好ましくは６００℃以上、より好ましくは７００℃以上、さらに好ましくは８００℃以上のものであり、かつ、その上に形成される発光層等の機能性薄膜によりＥＬ素子が形成でき、所定の強度を維持できるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、ガラスまたは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ＋ＢｅＯ）等のセラミック基板、結晶化ガラスなど耐熱性ガラス基板を挙げることができる。これらのなかでも特に酸化アルミニウム基板、結晶化ガラスの耐熱温度はいずれも１０００℃程度以上であり好ましく、熱伝導性が必要な場合には酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素等が好ましい。また、このほかに、石英、熱酸化シリコンウエハー等、チタン、ステンレス、インコネル、鉄系などの金属基板を用いることもできる。金属等の導電性基板を用いる場合には、基板上に内部に電極を有した厚膜を形成した構造が好ましい。
【００７６】
誘電体厚膜（下部絶縁層）の材料としては、公知の誘電体厚膜材料を用いることができる。この材料は、比較的比誘電率が大きいことが好ましく、例えばチタン酸鉛系、ニオブ酸鉛系、チタン酸バリウム系等の材料が好ましい。誘電体厚膜の抵抗率としては、１０8Ω・cm以上、特に１０10〜１０18Ω・cm程度である。また比較的高い比誘電率を有する物質であることが好ましく、その比誘電率εとしては、好ましくはε＝１００〜１００００程度である。膜厚としては、５〜５０μmが好ましく、１０〜３０μmが特に好ましい。誘電体厚膜の形成方法は、所定厚さの膜が比較的容易に得られる方法であれば特に限定されないが、ゾルゲル法、印刷焼成法などが好ましい。印刷焼成法を用いる場合、材料の粒度を適当に揃え、バインダと混合し、適当な粘度のペーストとする。このペーストを基板上にスクリーン印刷法により形成して乾燥させ、グリーンシートとする。このグリーンシートを適当な温度で焼成し、厚膜を得る。
【００７７】
薄膜絶縁層（上部絶縁層）の構成材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ニオブ酸鉛、ＰＭＮ−ＰＴが好ましい。薄膜誘電体層は、これらの少なくとも１種を含有する層の単層または多層からなる構造とすればよい。これらの材料で絶縁層を形成する方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法など既存の方法を用いればよい。この場合の絶縁層の膜厚としては、好ましくは５０〜１０００nm、特に１００〜５００nm程度である。なお、前述したように、上部絶縁層は設けなくてもよい。
【００７８】
下部電極は、基板と下部絶縁層との間または下部絶縁層内に形成される。下部電極は、発光層のアニール時に高温にさらされ、また、下部絶縁層を厚膜から構成する場合には、下部絶縁層形成時にも高温にさらされる。したがって下部電極は、耐熱性に優れることが好ましく、具体的には金属電極であることが好ましい。金属電極としては、主成分としてパラジウム、ロジウム、イリジウム、レニウム、ルテニウム、白金、銀、タンタル、ニッケル、クロム、チタン等の１種または２種以上を含有する、通常用いられている金属電極であってよい。
【００７９】
一方、上部電極は、通常、発光を基板とは反対側から取り出すため、所定の発光波長域において透光性を有する電極、例えばＺｎＯ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどからなる透明電極であることが好ましい。ＩＴＯは、通常Ｉｎ2Ｏ3とＳｎＯとを化学量論組成で含有するが、Ｏ量は多少これから偏倚していてもよい。Ｉｎ2Ｏ3に対するＳｎＯ2の混合比は、好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは５〜１２質量％である。また、ＩＺＯでのＩｎ2Ｏ3に対するＺｎＯの混合比は、通常、１２〜３２質量％程度である。なお、透明基板を用いて発光光を基板側から取り出す場合には、下部電極を透明電極とする。
【００８０】
また、電極は、シリコンを主成分として含有するものでもよい。このシリコン電極は、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）であってもアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）であってもよく、必要により単結晶シリコンであってもよい。シリコン電極は、導電性を確保するため不純物をドーピングする。不純物として用いられるドーパントは、所定の導電性を確保しうるものであればよく、シリコン半導体に用いられている通常のドーパントを用いることができる。具体的には、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＡｌが好ましい。ドーパントの濃度は、０．００１〜５原子％程度が好ましい。
【００８１】
電極形成方法は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、印刷焼成法などの既存の方法から適宜選択すればよいが、特に、内部に電極を含む誘電体厚膜を設けた構造とする場合、電極も誘電体厚膜と同じ方法で形成することが好ましい。
【００８２】
電極の抵抗率は、発光層に効率よく電界を付与するため、好ましくは１×１０-2Ω・cm以下、より好ましくは５×１０-5〜１×１０-3Ω・cmである。電極の膜厚は、電極構成材料によっても異なるが、好ましくは５０〜２０００nm、より好ましくは１００〜１０００nm程度である。
【００８３】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００８４】
本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜を用いたＥＬ素子を作製した。ＥＬ素子は既に説明した図４の構成である。
【００８５】
基板２および絶縁層４を、ともにＢａＴｉＯ3−ＰｂＴｉＯ3系の誘電体材料（比誘電率２０００）から構成し、下部電極３ＡをＰｄから構成した。まず、基板２となるシートを作製し、この上に下部電極３Ａおよび絶縁層４となるペーストをスクリーン印刷してグリーンシートとし、これらを同時に焼成した。絶縁層４表面は研磨し、さらに平坦性を向上させるため、表面に厚さ４００nmのＢａＴｉＯ3膜をスパッタリングにより形成した。その後、７００℃の空気中でアニールして、３０μm厚の厚膜絶縁層付き基板を得た。
【００８６】
この厚膜絶縁層付き基板上に、図１に示すように、下部バリア薄膜５３Ａ（３０nm）／下部バッファ薄膜５２Ａ（１００nm）／蛍光体薄膜５１（２００nm）／上部バッファ薄膜５２Ｂ（１００nm）／上部バリア薄膜５３Ｂ（７０nm）構造からなるＥＬ蛍光体積層薄膜５０を形成した。なお、カッコ内の数値は厚さである。バリア薄膜はＡｌ2Ｏ3ペレットを用いたＥＢ蒸着法により、バッファ薄膜はＺｎＳペレットを用いたＥＢ蒸着法によりそれぞれ形成した。バリア薄膜の形成に際しては、真空槽内を１×１０-4Pa以下の圧力となるまで排気した後、基板温度、成膜速度および成膜中の酸素ガス流量を表１に示す値として、蒸着を行った。
【００８７】
蛍光体薄膜は、バリウムチオアルミネートを母体材料として用い、Ｅｕを発光中心として用いたものであり、Ｅガン２台を用いた多元蒸着法により形成した。まず、Ｅｕを５原子％添加したＢａＳ粉を入れたＥＢ蒸発源およびＡｌ2Ｓ3粉を入れたＥＢ蒸発源を、Ｈ2Ｓを導入した真空槽内に設け、それぞれのＥＢ蒸発源から同時に蒸発させることにより、４００℃に加熱して回転させた基板上に蛍光体薄膜を形成した。各々の蒸発源の蒸発速度は、蛍光体薄膜の成膜速度が１nm/sとなるように調節した。Ｈ2Ｓガスの流量は１０SCCMとした。
【００８８】
上部バリア薄膜形成後に、７００℃の空気中で２０分間アニールすることにより、ＥＬ蛍光体積層薄膜を得た。
【００８９】
アニール後、ＥＬ蛍光体積層薄膜の断面をＥＰＭＡにより組成分析して、下部バリア薄膜および上部バリア薄膜の組成を調べた。各薄膜の原子比Ｏ／Ａｌを表１に示す。また、化学量論組成の酸化アルミニウムにおける原子比Ｏ／Ａｌ（＝１．５）に対する各薄膜のＯ／Ａｌの比を、Ｏ原子量として表１に示す。
【００９０】
また、モニターとして、上記真空槽内において、同時にＳｉ基板上にも前記ＥＬ蛍光体積層薄膜を形成した後、同時にアニールを行った。この積層薄膜中の蛍光体薄膜を、蛍光Ｘ線分析により組成分析した結果、この薄膜中における原子比（任意単位）は、
Ｂａ：  ８．３６、
Ａｌ：１７．８１、
Ｏ  ：  ３．３８、
Ｓ  ：３１．１５、
Ｅｕ：  ０．４１
であった。すなわち、ＢａxＡｌyＯzＳw ：Ｅｕにおける原子比は、
Ａｌ／Ｂａ＝ｙ／ｘ＝２．１３、
Ｏ／（Ｓ＋Ｏ）＝ｚ／（ｗ＋ｚ）＝０．１０、
（ｘ＋３ｙ／２）／（ｚ＋ｗ）＝１．０２
であった。なお、Ｓｉ基板上とＥＬ素子中とで、ＢａxＡｌyＯzＳw：Ｅｕ薄膜の組成が同じとなることは、あらかじめ確認してある。
【００９１】
次に、このＥＬ蛍光体積層薄膜上に、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、基板温度２５０℃で膜厚２００nmのＩＴＯ透明電極（上部電極３Ｂ）を形成し、ＥＬ素子を完成した。
【００９２】
このＥＬ素子の上部電極および下部電極から電極を引き出し、１kHzでパルス幅５０μsの両極性電界を印加して発光特性を測定した。結果を表１に示す。
【００９３】
【表１】
0004212300.tif 000002
【００９４】
表１から本発明の効果が明らかである。すなわち、バリア薄膜中のＯ原子量が本発明で限定する範囲内である本発明のＥＬ素子では、化学量論組成とほぼ一致する酸化物からなるバリア薄膜を有するＥＬ素子に比べ、著しく高い輝度が得られている。
【００９５】
また、比較のために、上記ＥＬ蛍光体積層薄膜に替えて、上記蛍光体薄膜を単独で形成したほかは上記と同様にしてＥＬ素子を作製し、発光特性を評価したところ、輝度は５cd/m2にすぎず、本発明に従ってバッファ薄膜およびバリア薄膜を設けることによりＥＬ素子の輝度を飛躍的に向上できることが確認できた。
【００９６】
なお、本発明のＥＬ素子に対し、加速試験により輝度半減寿命を評価したところ、３００００時間であった。これに対し、上部バッファ薄膜の厚さを４００nmとしたほかは上記本発明のＥＬ素子と同じ構成のＥＬ素子についても同様な評価を行ったところ、輝度半減寿命は２０００時間であった。また、本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜に替えて蛍光体薄膜を単独で形成したＥＬ素子では、輝度半減寿命が数十分にすぎなかった。この結果から、本発明により寿命特性が著しく改善できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜の他の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明のＥＬ蛍光体積層薄膜の他の構成例を示す断面図である。
【図４】ＥＬ素子の一部を切り出して示す斜視図である。
【図５】２重絶縁型構造のＥＬ素子の一部を切り出して示す斜視図である。
【符号の説明】
２  基板
３Ａ  下部電極
３Ｂ  上部電極
４  絶縁層
４Ａ  下部絶縁層
４Ｂ  上部絶縁層
５  発光層
５０  ＥＬ蛍光体積層薄膜
５１  蛍光体薄膜
５２  バッファ薄膜
５２Ａ  下部バッファ薄膜
５２Ｂ  上部バッファ薄膜
５３  バリア薄膜
５３Ａ  下部バリア薄膜
５３Ｂ  上部バリア薄膜
【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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