(57)【要約】【課題】従来の分散型交流駆動エレクトロルミネッセンス素子では、２００Ｖから４００Ｖという高い交流電圧が必要で消費電力が大きく、さらに駆動電圧により発光色が変化し色再現が不安定になるという課題があった。【解決手段】ガラス基板上に陰極として透明電極を設け、透明電極上にＡｌを添加したＺｎＯ層を設け、ＺｎＯ層上にＣｕとＡｌを添加したＺｎＳ層設け、ＺｎＳ層上にイオン化ポテンシャルが５．３ｅＶ以上かつ、５．６ｅＶ以下の正孔輸送層を設け、正孔輸送層上に陽極を設けた積層構造とすることで直流駆動が可能となり、ＺｎＳ層をキャリア注入によるドナー・アクセプタペア発光させることで電圧に対して安定な単色発光を行うことが可能となる。また、直流駆動であるため駆動時に無効電力が発生することがないため、駆動回路を簡素化でき消費電力を低減することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に陰極として透明電極を設け、前記透明電極上にＡｌを添加したＺｎＯ層を設け、前記ＺｎＯ層上にＣｕおよびＡｌを添加したＺｎＳ層を設け、前記ＺｎＳ層上にイオン化ポテンシャルが５．３ｅＶ以上かつ、５．６ｅＶ以下の正孔輸送層を設け、前記正孔輸送層上に陽極を設けた積層構造を特徴とする直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種光源、ディスプレイなどに用いられる電気的発光素子であるエレクトロルミネッセンス素子、特に直流により駆動する薄膜エレクトロルミネッセンス素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロルミネッセンス素子とは固体蛍光性物質などの電界発光を利用した発光デバイスであり、無機物、あるいは有機物で構成したエレクトロルミネッセンス素子が実用化され、液晶ディスプレイのバックライトやフラットディスプレイなどへの応用展開が一部で図られている。
【０００３】
図５は従来のエレクトロルミネッセンス素子の構造を示す断面図である。以降図５を用いて従来のエレクトロルミネッセンス素子の構造について説明する。
【０００４】
図５に示すエレクトロルミネッセンス素子は、いわゆる分散型交流動作エレクトロルミネッセンス素子に分類されるものである。
【０００５】
このエレクトロルミネッセンス素子は、図５に示すように、ガラス基板２０１上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電性材料によって構成された透明電極２０２と、透明電極２０２上に発光中心としてＭｎ、Ｅｕ等の遷移金属を添加した粒径が０．５〜１μｍ程度のＺｎＳ蛍光体粒子とバインダから構成された発光層２０３と、発光層２０３上にチタン酸バリウム等の誘電率の高いセラミクス粒子とバインダから構成された誘電体層２０４と、誘電体層２０４上に金属薄膜で構成された電極２０５とで構成されている。
【０００６】
この従来技術では、比誘電率εｒが１２００から１５００と高い誘電率を持つチタン酸バリウム等からなる誘電体層を使用し、２００Ｖから４００Ｖの交流電圧を印加することで発光層に高電界を印加し、発光中心となるＭｎ等の遷移金属の内殻電子を電界によって加速された電子との衝突により励起することで発光することが知られている。
【０００７】
また近年、非特許文献１に示すようにＭｎを添加したＺｎＳ発光層（以下ＺｎＳ：Ｍｎと略す）上に有機エレクトロルミネッセンス材料であるポリフェニレンビニレン（以下ＰＰＶと略す）を積層した構造を有する薄膜エレクトロルミネッセンス素子も報告されている。
【非特許文献１】Ｘ．Ｙａｎｇ、Ｘ．Ｘｕ「アプライドフィジックスレター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）」（米国） 第７７巻、２０００年、ｐ．７９７−７９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術や非特許文献１に開示された無機エレクトロルミネッセンス素子に関する技術は、エレクトロルミネッセンス素子を駆動する際に高電圧の交流印加を必要とし、薄型ディスプレイなどのアプリケーションに使用する際に、高電圧交流駆動を行う為に無効電力が大きく消費電力が大きいという課題を有する。この無効電力を軽減させる手段として電極間の静電容量ＣにコイルＬを接続しＬＣ直列共振駆動回路を応用した電力回収回路などが提案されているが、複雑な回路が必要である。
【０００９】
また、非特許文献１に開示されたエレクトロルミネッセンス素子は、ＺｎＳ：Ｍｎ層とＰＰＶ層の両方から発光が発生し、波長が５８６ｎｍのＺｎＳ：Ｍｎの発光ピークに５０８ｎｍのＰＰＶの発光ピークが重なっており、印加電圧を増加させることによって５０８ｎｍのＰＰＶの発光ピークが増加している。このため、印加電圧によって発光色が青色方向に変化することを示している。これは、ディスプレイとして利用する際には印加電圧によって発光色と輝度が同時に変化することを示し、駆動時に電圧の変動によって赤色、緑色、青色の色バランスが崩れ、表示する画像の色合いが変動するという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、ディスプレイなどの表示装置に用いられ、安定に動作し、且つ色再現性に優れたエレクトロルミネッセンス素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子は、ガラス基板上に陰極として透明電極を設け、前記透明電極上にＡｌを添加したＺｎＯ層を設け、前記ＺｎＯ層上にＣｕとＡｌを添加したＺｎＳ層を設け、前記ＺｎＳ層上にイオン化ポテンシャルが５．３ｅＶ以上かつ、５．６ｅＶ以下の正孔輸送層を設け、前記正孔輸送層上に陽極を設けた積層構造とする。
【００１２】
本構成によって、ＺｎＳを発光層として用いた場合であっても、キャリア注入による直流型のエレクトロルミネッセンス素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子によれば、抵抗率が非常に高いＺｎＳを発光層に用いた場合であっても電子注入層から電子を、正孔輸送層から正孔を発光層に注入することが可能となるこのため発光層のＡｌドナーとＣｕアクセプター間で電子−正孔再結合することにより、ドナー・アクセプタペア発光による色純度の良い緑色の単色発光させることができる。また、直流駆動であるため、従来の交流型エレクトロルミネッセンス素子のように駆動時に無効電力が発生することがないため、駆動回路を簡素化でき消費電力を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的な内容について実施例を用いて説明する。
【００１５】
（実施例）
図１は、本発明の実施例における直流型薄膜のエレクトロルミネッセンス素子１０７の構造を示す断面図である。
【００１６】
図１において、ガラス基板１０１上に、陰極として用いるＩＴＯから構成される透明電極１０２上に可視光域において透明なＡｌを添加したＺｎＯ層（以下ＺｎＯ：Ａｌ層と略す）を電子注入層１０３として設け、電子注入層１０３上に発光層１０４としてＣｕおよびＡｌを添加したＺｎＳ層（以下ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ層と略す）を設ける。このとき発光層１０４内でＣｕ原子はアクセプターを構成しＡｌはドナーを構成する。発光層１０４上に正孔輸送層１０５としてトリフェニルアミン誘導体を主成分とする有機正孔輸送層を設ける。そして、正孔輸送層１０５上に陽極１０６としてＡｕ電極を設けた薄膜素子構造とする。この構成とすることによりＺｎＳを発光層に用いた場合であっても、電子注入層１０３から電子を、正孔輸送層１０５から正孔を発光層１０４に注入することが可能となる。このため発光層１０４内のＡｌドナーとＣｕアクセプター間で電子と正孔が再結合してドナー・アクセプタペア発光による色純度の良い緑色の単色発光させることができる。
【００１７】
チャンバー内には４インチサイズのターゲットを２箇所に設置でき、Ｃｕ製のターゲット皿（直径４インチ、深さ２ｍｍ）にＺｎＯ：Ａｌ層およびＺｎＳ:Ｃｕ，Ａｌ層を作製するためのターゲット粉末をそれぞれ入れ、プレス成型し表面を均した後スパッタ装置に設置した。スパッタガスはＡｒガスのみを使用しガス圧１×１０2Ｐａにて成膜を行った。電子注入層１０３を成膜した後、連続的に発光層１０４を成膜することで、界面の汚染を抑制し汚染による非発光遷移過程の増加を抑制できる。
【００１８】
一般にＺｎＳやＺｎＳｅ等ＩＩ-ＩＶ族の半導体材料は、ＶＩ族元素の電気陰性度が高いためｎ型になり易く、結晶自体のイオン結合性が高いためアクセプターとなる元素をドープしても電荷補償によりキャリアが生成されない為、ｐ型を作ることが非常に困難である。このため正孔輸送材料として約５．３ｅＶから約５．６ｅＶのイオン化ポテンシャルを有するトリフェニルアミン誘導体を主成分とする有機正孔輸送材料（(株)高砂ケミカル製：Ｔ−７７０）を使用した。有機正孔輸送材料の粉末をタングステンボートに乗せ抵抗加熱蒸着装置を使用して、水晶振動子膜厚計で膜厚をモニターしながら真空加熱蒸着を行い、膜厚２００ｎｍの正孔輸送層１０５を作製した。
【００１９】
陽極１０６は、正孔輸送層１０５に正孔を供給するために仕事関数が大きい金属を用いることが望ましい。このため、仕事関数が５．１ｅＶと大きく抵抗が低いＡｕを電極材料として用いた。成膜には、ＵＬＶＡＣ製ＥＢ蒸着装置（ＥＢＶ-６ＤＨ）を使用し水晶振動子膜厚計で膜厚をモニターしながら蒸着を行い、膜厚１５０ｎｍの陽極１０６を作製した。
【００２０】
電子注入層１０３の電気特性は、石英基板上に作製したＺｎＯ：Ａｌ層を用いて４端子法による抵抗率（伝導率）測定ならびにホール測定（アクセントテクノロジー製  ＨＬ５５００ ）を行った。
【００２１】
作製した素子の電気特性を評価するためにプローバーを使用し基板側の下部電極となる透明電極１０２の表面と陽極１０６のＡｕ電極表面にプローバーの針を接触させて電気的コンタクトを取った。
【００２２】
電流値測定は、高電圧ソース測定ユニット（ＫＥＩＴＨＬＥＹ  ２３７）をＧＰＩＢでパソコンに接続し制御を行った。
【００２３】
輝度は、ミノルタ製輝度計ＬＳ−１１０にクローズアップレンズ（Ｎｏ．１２２）を装着し、測定を行った。
【００２４】
発光スペクトルは、オーシャン・オプティクス製超高感度ファイバマルチチャンネル分光器ＱＥ６５０００を使用し、光ファイバをプローブの先端付近に固定し、エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと略す）発光の測定を行った。
【００２５】
図２に上記方法によって作製した直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７の電流−電圧特性のグラフを示す。透明電極１０２に負電位を陽極１０６に正電位（これを順方向と呼ぶ）の直流電圧を印加した際、直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７を流れる電流は約２０Ｖから立ち上がり、３９Ｖ以上において緑色発光が観測された。また、直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７に順方向と逆方向に直流電圧を印加した場合は、−４０Ｖまで電流が流れることは無く、良好な整流特性が得られた。これは、正孔輸送層１０５に用いた有機正孔輸送材料（Ｔ−７７０）が正孔輸送材料としての機能のみならず電子ブロック層としても機能しているためであると考えられる。そしてこれによって、透明電極１０２から注入された電子が発光層１０４内に滞留して正孔との再結合確率が向上することが考えられる。
【００２６】
（表１）に、電子注入層１０３と正孔輸送層１０５の有無による駆動時の発光の状態を示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
この表から明らかなように、電子注入層１０３と正孔輸送層１０５のどちらか一方がない場合は、発光が得られなかった。このため、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ層を発光層１０４に用いた場合、電子注入層１０３と正孔輸送層１０５の両方ともが必要であった。
【００２９】
図３に発光層１０４として用いたＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ層のＨｅ−Ｃｄレーザー光励起によるフォトルミネッセンス（以下、ＰＬと略す）スペクトルを、図４に直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７のＥＬスペクトルを示す。図３において、５３０ｎｍ付近にＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ層のドナー・アクセプタペア発光特有の発光ピークが見られ、図４においても同様の波長域に発光ピークが見られ緑色の発光が確認できた。このことから、キャリア注入によるドナー・アクセプタペア発光が実現していると考えられる。直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７に順方向電圧５１Ｖを印加して、２８９μＡの電流が流れた時、得られた輝度は、２．０ｃｄ／ｍ2であった。
【００３０】
以上の結果から、本発明に係る直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子１０７は、発光スペクトルが単一であり単色性に優れ、無効電力が発生しないためディスプレイ用の発光素子として優れた特性を実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子は、キャリア注入によるドナー・アクセプタペア発光を有し、発光スペクトルが単一であるため単色性に優れ、スパッタリング法および蒸着法という簡便な製造方法によって作製可能である為、薄型自発光ディスプレイ用の発光素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例における本発明の実施の形態１における直流型薄膜のエレクトロルミネッセンス素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の実施例における直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子の電流−電圧特性グラフ
【図３】本発明の実施例におけるＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ薄膜発光層のＰＬスペクトルのグラフ
【図４】本発明の実施例における直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子のＥＬスペクトルのグラフ
【図５】従来の分散型交流駆動エレクトロルミネッセンス素子の構造を示す断面図
【符号の説明】
【００３３】
１０１  ガラス基板
１０２  透明電極
１０３  電子注入層
１０４  発光層
１０５  正孔輸送層
１０６  陽極
１０７  直流型薄膜エレクトロルミネッセンス素子
２０１  ガラス基板
２０２  透明電極
２０３  発光層
２０４  誘電体層
２０５  電極
【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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