JP5276360B2 - 表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＬ（ＥＬ： Electroluminescence）素子及びこれを用いた表示素子に関し、より詳細には、発光層（蛍光体薄膜）を用いた表示装置や光源、特に、エレクトロルミネッセントディスプレイ（ＥＬＤ）、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やフィールドエミッションランプ（ＦＥＬ）、又はブラウン管（ＣＲＴ）等、電子線を照射した発光（カソードルミネッセンス：ＣＬ）によるＥＬ素子及びこれを用いた表示素子に関する。

従来より、蛍光体を用いたディスプレイに関する研究開発が盛んである。熱電子源から放出される電子線を蛍光体に照射した場合の発光を用いるディスプレイの代表格はブラウン管（ＣＲＴ：Cathode Ray Tube）であった。

一方、最近、冷陰極電子源から放出される電子線を蛍光体に照射した際の発光を使用するディスプレイ用途としてフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ： Field Emission Display）が注目され、また、液晶バックライトや照明光源用途としてフィールドエミッションランプ（ＦＥＬ： Field Emission Lamp）が注目されるようになってきた。

これらＦＥＤやＦＥＬに使用する蛍光体は、ＣＲＴと同様、電子線を蛍光体に照射した際の発光（カソードルミネッセンス）を用いている。

また、高電界中で加速されたキャリアで蛍光体を発光させる方式としてエレクトロルミネッセンス（ＥＬ：
Electroluminescence）がある。このＥＬをディスプレイとして応用したものは、特に、エレクトロルミネッセントディスプレイ（ＥＬＤ: Electroluminescent Display）と総称されている。

このような蛍光体の材料として、硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）や硫化カルシウム（ＣａＳ）を母体にした蛍光体は、発光効率が高く、高輝度を得られることから精力的に研究開発が行われてきた（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平０８−１０２３５９号公報 特開平０９−２７４９９１号公報

ところで、蛍光体は、一般的にバンドギャップが大きく絶縁性を示すため、蛍光体を励起するためには高電圧を印加する必要がある。例えば、蛍光体薄膜を用いた固体ＥＬ素子であるＥＬＤにおいて、駆動電圧は一般的には３００Ｖ（Ｖｐｐ値（ピーク−ピーク電圧値））以上での高電圧を印加する必要があるため、駆動電圧の低減が強く求められている。

また、ＥＬＤを明るく発光させるためには、蛍光体に流すキャリアの量（移動電荷量）を増大させる必要があるが、そのための一つの手法として、高い誘電率を持つ絶縁層材料を用いる方法がある。

ところが、高い誘電率をもつ材料は、絶縁破壊が生じる電界強度（耐圧）が低い。

図７は、ＥＬＤに用いる絶縁層材料の誘電率と耐圧の関係を示している。図７に示す様に、ＥＬＤに用いる絶縁層材料において、高い誘電率と耐圧を両立することは困難である。

通常、ＥＬＤに使用する絶縁層材料は、大きく二つのグループに分けられる。一方は非晶質酸化物［（アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５），酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等）、あるいは窒化物（窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等）］を用いた群であり、他方は強誘電体［（チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等）］を用いた群である。

一般的に、前者は、絶縁破壊電界強度は高いが誘電率は低い。一方、後者は、その反対に絶縁破壊電界強度は低いが誘電率は高いことが判っている（例えば、非特許文献Y. A. Ono, Electroluminescent displays. (World Scientific,
Singapore, 1995) p. 65)。

絶縁層の性質で特に重要なのは、ＥＬＤが絶縁破壊を起こしたときの破壊の形態である。

一度破壊が起きると、その周辺から次々と新たな破壊が広がっていくモードがあり、これを伝播性破壊モードと呼ばれている。これに対して、一点の破壊点だけで収まるモードは、開放モード、又は自己修復性モードと呼ばれている。

通常、強誘電体（ＰｂＴｉＯ_３，ＳｒＴｉＯ_３等）は、伝播性破壊モードをもつ絶縁層材料であって、断線の欠陥率が高くリーク電流が発生しやすい。そこで、スクリーン印刷法を用いて、この強誘電率材料を厚さ１μｍ以上に形成した厚膜誘電体を用いることにより、伝搬性の破壊を克服し、耐圧を高める手法が提案されている（例えば、非特許文献: X. Wu, D. Carkner, H. Hamada, I. Yoshida, M. Kutsukake and K.
Dantani, SID2004 Digest, (Society for Information Display, Seattle, Washington,
2004), p.1146.)。

しかし、厚膜誘電体を用いるとＥＬＤの透過率が急激に下がり、ＥＬＤの大きな特徴である透明ディスプレイへの応用ができないことに加えて、厚膜にすると誘電体表面に凹凸が増えることにより、金属配線等の断線等の欠陥率が高くなり、高精細画像表示の実現が困難であるという課題があった。

また、絶縁層材料としては、絶縁破壊電界強度と誘電率との両方が高いことが望ましいが、現在までそのような絶縁層材料は開発されていない。例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４は、絶縁破壊の耐圧は高いが、誘電率は低いため、現状では発光層中で十分に移動電荷量を増やすことができていない。

特に、近年、三元系硫化物（ストロンチウムチオガレイト（ＳｒＧａ_２Ｓ_４），バリウムチオアルミネート（ＢａＡｌ_２Ｓ_４）等）は従来多用されてきた二元系硫化物（硫化亜鉛（ＺｎＳ），硫化カルシウム（ＣａＳ））より誘電率が高く、そのため、絶縁層材料の誘電率は、発光層の誘電率より高くないと十分な移動電荷量が得られない。

このため、Ｓｉ_３Ｎ_４等の誘電率が低い絶縁層材料用いた場合には、従来の二元系材料よりも格段に高い電圧を印加することにより、蛍光体を励起するキャリアの運動エネルギーを向上させないと十分な輝度を得ることが困難であるという課題があった
一方、発光層中を流れるキャリアは、通常、ＥＬＤでは絶縁層／発光層界面のトラップ準位から供給されている。しかし、通常、単純に同一の励起キャリア（電子またはホールのどちらか）で励起される発光層材料薄膜を単純に積層して発光層間の界面トラップ準位を増やしただけでは移動電荷量は増加せず、むしろ積層化により界面数を増やすと、積層化により新たに生じた界面準位でキャリアが失活してしまい、逆にリーク電流が増えるなどして輝度が低下し、効率の低下を招くという課題があった。

以上のように、蛍光体の輝度を維持しつつ、蛍光体の発光に必要な印加電圧（駆動電圧）を低減させることは、ＥＬＤのみならず、ＦＥＤ、ＦＥＬ、ＣＲＴ等の蛍光体を用いたＥＬ素子に共通の重要な課題である。

また、これらの蛍光体を用いたＥＬ素子に共通する性質として、少数キャリアの注入現象を利用して発光するＬＥＤのように、ただ単にＥＬ素子に流れる電流量の増加に単純に比例して輝度が増加する素子とは明らかに異なり、蛍光体においてはその蛍光体内部を移動するキャリアの運動エネルギーを維持したままでキャリアの数（移動電荷量）を増やさない限り、輝度を維持したままで駆動電圧の低減を図ることはできないという蛍光体特有の性質に由来する根本的な課題がある。

このため、蛍光体において、リーク電流を増やすのではなく、高い運動エネルギーを有するキャリアの数（移動電荷量）を増やすための新たな手法が求められていた。

そこで、本発明は、輝度の低減を招くことなく、駆動電圧の低減を実現することのできるＥＬ素子及びこれを用いた表示素子を提供することを目的とする。

本発明の一局面の表示素子は、透明電極と、前記透明電極の上に形成される第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に形成され、発光中心材料を含む第１発光層と、前記第１発光層の上に直接形成される金（Ａｕ）製の導電性薄膜と、前記導電性薄膜の上に直接形成され、発光中心材料を含む第２発光層と、前記第２発光層の上に形成される第２絶縁層と前記第２絶縁層の上に形成される金属電極とを有し、第１発光層、導電性薄膜、及び第２発光層はＥＬ素子を構成し、前記透明電極と前記金属電極との間には、前記導電性薄膜で生成されるキャリアが前記第１発光層及び前記第２発光層の内部でホットキャリアを生成する強電界を与える交流電圧が印加され、前記第１発光層又は前記第２発光層のうち電子によって励起される発光層は、Ｓｒ _ｘ Ｃａ _１−ｘ （Ｇａ _ｙ Ａｌ _１−ｙ ） _２ Ｓ _４ ：Ｃｅ，（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）、又はＺｎＳ：Ｍｎであり、正孔によって励起される発光層は、Ｓｒ _ｘ Ｃａ _１−ｘ （Ｇａ _ｙ Ａｌ _１−ｙ ） _２ Ｓ _４ ：Ｅｕ（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）、Ｅｕ（Ｇａ _ｘ Ａｌ _１−ｘ ） _２ Ｓ _４ （ｘ＝０〜１）、又はＢａ（Ｇａ _ｘ Ａｌ _１−ｘ ） _２ Ｓ _４ ：Ｅｕ（ｘ＝０〜１）である。

また、前記導電性薄膜は、厚さ１０Å以下の薄膜又は島状薄膜であってもよい。

また、前記強電界は、１０ ^８ （Ｖ／ｍ）であってもよい。

本発明によれば、輝度の低減を招くことなく、駆動電圧の低減を実現することのできるＥＬ素子及びこれを用いた表示素子を提供することができるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のＥＬ素子及びこれを用いた表示素子を適用した実施の形態について説明する。

本実施の形態のＥＬ素子は、無機蛍光体薄膜を用いており、特に、蛍光体薄膜中の移動電荷量を増大させることにより、従来のＥＬ素子よりも低い電圧での発光を可能とするものである。

本実施の形態における発光原理は、無機蛍光体薄膜を用いる発光表示装置や光源に適用することができ、特に、ＥＬＤやＦＥＤ、ＦＥＬ等の駆動電圧の低減に有効である。

本実施の形態では、蛍光体を励起するため印加電圧の低減する手法を提供する。この手法は、ＥＬＤにおいて特に有効であり、例えばＳｉ_３Ｎ_４等の耐圧は高いものの誘電率が低い絶縁層材料を用いた場合でも蛍光体薄膜中の移動電荷量を増やすことができるため、輝度低下を招くことなく印加電圧の低減を容易に実現することができる。

本実施の形態では、移動電荷量を増加させるために、特に蛍光体薄膜中に厚さ１０Å以下の金（Ａｕ）薄膜（Ａｕ層）を挿入し、このＡｕ層によりキャリアを発生させる。

図１は、本実施の形態によるＥＬＤの断面構造を示す図である。この図に示すように、ＩＴＯ製の透明電極１Ａが形成されたガラス基板１の上に第１絶縁層２を形成し、この第１絶縁層２の上に、第１発光層３、キャリア供給層４、及び第２発光層５を含む積層体を形成する。この積層体の上には第２絶縁層６と金属電極７が形成される。透明電極１Ａと金属電極７との間には交流電源８が接続されている。

ここで、ガラス基板１は、ＥＬＤの強度を確保するために、厚さ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度に設定される。また、透明電極１Ａは、厚さ約２０００ÅのＩＴＯ膜であり、透過率は約８０％である。第１絶縁層２は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成され、厚さは２０００Åに設定される。

第１発光層３は、電子で励起される電子励起層としての機能を担う層であり、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅに限られず、組成式Ｓｒ_ｘＣａ_１−ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_２Ｓ_４：Ｃｅ，（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）で表されるセリウムを添加した、チオガレイト（ｘ＝０〜１、ｙ＝１）、チオアルミネート（ｘ＝０〜１、ｙ＝０）、若しくはチオガレイトとチオアルミネートの固溶体、又はマンガンを添加した硫化亜鉛を用いることができる。この第１発光層３の厚さは約２５００Åに設定される。

キャリア供給層４は、厚さ１０Åに設定されるＡｕ層である。

第２発光層５は、正孔で励起される正孔励起層としての機能を担う層であり、ストロンチウムチオガレイト：ユウロピウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ）に限られず、組成式Ｓｒ_ｘＣａ_１−ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_２Ｓ_４：Ｅｕ（ｘ＝０〜１，ｙ＝０〜１）で表されるユウロピウムを添加したユウロピウムガレイト（ｘ＝０〜１，ｙ＝１）およびユウロピウムアルミネート（ｘ＝０〜１、ｙ＝０）若しくはチオガレイトとチオアルミネートの固溶体，ユウロピウムガレイトおよびユウロピウムアルミネート、組成式Ｂａ（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_２Ｓ_４：Ｅｕ（ｘ＝０〜１）で表されるユウロピウムを添加したバリウムガレイト（ｘ＝１）およびバリウムアルミネート（ｘ＝０）を用いてもよい。この第２発光層５の厚さは約２５００Åに設定される。

第２絶縁層６は、第１絶縁層２と同様に、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成され、厚さは２０００Åに設定される。金属電極７は、アルミニウム製の薄膜電極であり、厚さは約１０００Åに設定される。また、交流電源８は、周波数１ｋＨｚ、１０^８（Ｖ／ｍ）の交流電圧を発生する電源である。

なお、図１に示すＥＬＤは、表示装置としての１画素分に相当するものである。

この積層構造を有するＥＬＤに交流電圧を印加する際に、透明電極１Ａに正バイアス、金属電極７に負バイアスが印加されると、第１発光層３（電子励起層）と第２発光層５（正孔励起層）の界面領域に形成されたキャリア供給層４により電子・正孔対が発生する。発生した電子と正孔は、交流電源８によって印加される電界により、電子はキャリア供給層４側から第１発光層３内に向かって走行し、正孔はキャリア供給層４側から第２発光層５内に向かって走行する。

これら走行するキャリアは、第１発光層３（電子励起層）内、及び第２発光層５（正孔励起層）内における１０^８（Ｖ／ｍ）の強電界で加速され、それぞれホットキャリア（高速電子（hot electron）と高速正孔（hot hole））となる。

次いで、交流電源８から供給される１０^８（Ｖ／ｍ）の電圧が反転すると、第１発光層３内の電子がキャリア供給層４側に引き戻されるとともに、第２発光層５内の正孔もキャリア供給層４側に引き戻される。

この動作は１ｋＨｚの周波数で実現されるため、電子と正孔は、第１発光層３内と第２発光層５内を厚さ方向に往復移動するホットキャリアとなる。これにより、キャリアの移動電荷量が飛躍的に増大する。

このため、第１発光層３内では、高速電子が発光中心材料に衝突し、これによって蛍光体材料が励起され、発光が生じる。また、第２発光層５内では、高速正孔が発光中心材料に衝突し、これによって蛍光体材料が励起され、発光が生じる。これらの発光が重畳された発光は、ガラス基板１側において発光表示として表示される。

通常のＥＬＤでは、絶縁層と発光層界面にあるトラップに蓄積されたキャリアのみが発光に寄与するが、本実施の形態によるＥＬＤでは、従来の絶縁層と発光層の界面にあるトラップに蓄積されたキャリアに加えて、新たに第１発光層３（電子励起層）と第２発光層５（正孔励起層）の界面に挿入したＡｕ層から供給されるキャリアによっても発光中心材料の励起が行われる。

このように、キャリア供給層４がキャリアの供給源として機能し、放出されたキャリアが第１発光層３内、及び第２発光層５内において往復移動するため、移動電荷量を増大させることができる。このため、輝度低下を招くことなく、結果的にＥＬＤの駆動電圧を大幅に低減することが可能となる。

なお、図１に示す電子励起層である第１発光層３と、正孔励起層である第２発光層５との位置を入れ替えることも可能である。

また、本実施の形態のＥＬＤの発光層に使用する蛍光体薄膜が電子で励起される薄膜なのか、または正孔で励起される薄膜なのかは、片側絶縁層構造を特徴とする励起キャリア判定素子を作製し、その発光波形から容易に調べる事ができる。これは、文献:K. Tanaka and S. Okamoto: Applied Physics Letters 89, 203508(2006)に記載されている。

また、本実施の形態による蛍光体薄膜（第１発光層３、キャリア供給層４、及び第２発光層５）をＦＥＤやＦＥＬ、又はＣＲＴ等、電子線を蛍光体薄膜に照射して使用した際の発光（カソードルミネッセンス：ＣＬ）に適用する事も可能である。

図２は、本実施の形態によるＦＥＤの構造断面模式図を示す図である。この場合、特に電子線が入射する側に正孔励起層また陽極電極側に電子励起層を配置して積層化することにより、電子線の低い印加（加速）電圧による駆動が可能となる。

図２に示すように、ガラス基板１０の一方の面に形成された透明電極１０Ａには、第１発光層（電子励起層）１１、キャリア供給層（Ａｕ層）１２、及び第２発光層（正孔励起層）１３が積層されており、この積層体に対向するように電子放出源１４が配設されている。電子放出源１４には、図示しないカソードがマトリクス状に配列されており、各カソードに印加するための負バイアスが電源１５から印加される。

なお、ガラス基板１０、透明電極１０Ａ、第１発光層（電子励起層）１１、キャリア供給層（Ａｕ層）１２、及び第２発光層（正孔励起層）１３の材質や厚さは、図１に示すＥＬＤのものと略同一である。

このようなＦＥＤにおいて、電子放出源１４から高速電子を出射すると、キャリア供給層（Ａｕ層）１２により電子・正孔対が発生し、高速電子が衝突することにより、電子は第１発光層（電子励起層）１１内に放出され、正孔は第２発光層（正孔励起層）１３内に放出される。

これにより、第１発光層（電子励起層）１１内では発光中心材料が電子によって励起されて発光し、第２発光層（正孔励起層）１３内では発光中心材料が正孔によって励起されて発光が得られる。

これらの発光は、ガラス基板１０側から発光表示として表示される。

ここで、本実施の形態における発光層に含まれる蛍光体材料の表記については次のように定義する。蛍光体材料は、通常「母体材料：発光中心材料」で表記される。例えば、ストロンチウムチオガレイト：セリウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ）において、母体材料はストロンチウムチオガレイト（ＳｒＧａ_２Ｓ_４）であり、発光中心材料はセリウム（Ｃｅ）である。この場合、発光中心材料は通常イオンの形で母体材料中に存在し、この例の場合はセリウムイオン（Ｃｅ^３＋）として存在することになる。このような場合において、本実施の形態では、発光中心材料は全て元素名（この例ではＣｅ）で統一的に記述することとする。なお、これは、特許請求の範囲における表記においても同様である。

次に、本実施の形態のＥＬＤにおいて、第１発光層３と第２発光層５との材質を変更した場合の実施例１乃至３について説明する。

「実施例１」
実施例１では、第１発光層３の材料としてストロンチウムチオガレイト：セリウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ）を、第２発光層５の材料としてストロンチウムチオガレイト：ユウロピウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ）を用いて、ＥＬＤを作製する例について説明する。

なお、実施例１では、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅは電子励起層、またＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕは正孔励起層として機能する。

まず、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）製の透明電極１Ａが形成されたガラス基板１上に、第１絶縁層２としてＳｉ_３Ｎ_４薄膜を通常の高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて０．２μｍの薄膜を作製する。

ここでは、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅの作製法として、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置を用いた多源蒸着法の例を示す。表１は、本実施例の第１発光層の蛍光薄膜の作製条件である。

ＭＢＥ装置のクヌーセンセル（Knudsen Cell，以下、「Ｋセル」という）に充填された原料は、それぞれの温度で蒸発し、基板上では、以下の化学反応によりＳｒＧａ_２Ｓ_４母体結晶薄膜が成長する。

Ｓｒ＋２Ｇａ_２Ｓ_３ → ＳｒＧａ_２Ｓ_４＋２ＧａＳ（↑） （１）
なお、表１の基板温度を含む４００℃以上の温度に対してＺｎ成分は基板上で再蒸発してしまい、成長後の薄膜に残留することがない。同時にＣｅＣｌ_３のＫセルを加熱することにより、ＣｅがＳｒＧａ_２Ｓ_４中に取り込まれてＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ薄膜が成長する。膜厚０．２５μｍのＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ薄膜を作製する。

次に、通常の真空蒸着法を用いて、キャリア供給層４としてのＡｕ薄膜（Ａｕ層）を８Å成長する。Ａｕ薄膜は、８Åと大変薄いため、島状（ドット状）に堆積する。

次に、第２発光層５の材料としてＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ薄膜を成長する。成長条件を以下に示す。

表２の作製条件で成長すると、表１の場合と同様、ＥｕがＳｒＧａ_２Ｓ_４中に取り込まれてＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ薄膜が成長する。膜厚０．２５μｍのＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ薄膜を作製する。

さらに、第２絶縁層６として、Ｓｉ_３Ｎ_４薄膜を第１絶縁層２と同様に、高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて０．２μｍの薄膜を作製する。

この上にさらに、通常の真空蒸着法を用いて、金属電極７としてのＡｌ電極薄膜を０．２μｍの薄膜を作製する。

なお、透明ＥＬＤを作製する場合には、通常のＤＣスパッタリング装置を用いて透明電極（ＩＴＯ薄膜）１Ａを形成する。

図３は、実施例１のＥＬＤで得られた発光特性を示す図である。

実施例１のＥＬＤ素子に交流電圧波形を印加したところ、Ａｕ層の有無に関わらず、図３に示すように５３０ｎｍ付近にピーク波長を持つ色純度の良好な緑色発光が得られた。なお、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅは青色発光を示すが、図３に示されている様に、実施例１のＥＬＤでは、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕによる色純度の良好な緑色発光が得られた。これは、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕの励起帯が青色領域にあるためか、若しくはＣｅからＥｕへのエネルギー伝達が機能しているためと考えられる。

図４は、Ｓａｗｙｅｒ−Ｔｏｗｅｒ回路を用いて移動電荷量を測定した印加電圧−移動電荷量の測定結果を示す図である。

キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入することによって、印加電圧３００Ｖにおいて約２倍の移動電荷量が得られた。その結果、キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入することにより、輝度の低減を招くことなく、駆動電圧が６０Ｖ低減した。また、発光層がＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕの単一層で他の構造が同一の素子に比べても、Ａｕ層を挿入した素子では、同一輝度条件で駆動電圧を６５Ｖ低減することができた。

なお、以上では、第１発光層３を電子励起層とし、この電子励起層としてストロンチウムチオガレイト：セリウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ）を用いるとともに、第２発光層５を正孔励起層とし、この正孔励起層としてストロンチウムチオガレイト：ユウロピウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ）を用いる形態について説明した。

しかしながら、第１発光層３と第２発光層５の位置は入れ替わっても（すなわち、電子励起層と正孔励起層の位置が入れ替わっても）よい。

また、第１発光層３（電子励起層）はストロンチウムチオガレイト：セリウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ）に限られず、組成式Ｓｒ_ｘＣａ_１−ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_２Ｓ_４：Ｃｅ，（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）で表されるセリウムを添加した、チオガレイト（ｘ＝０〜１、ｙ＝１の場合）、チオアルミネート（ｘ＝０〜１、ｙ＝０の場合）、若しくはチオガレイトとチオアルミネートの固溶体（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１の場合）、又はマンガンを添加した硫化亜鉛を用いてもよい。

同様に、第２発光層５（正孔励起層）はストロンチウムチオガレイト：ユウロピウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ）に限られず、組成式Ｓｒ_ｘＣａ_１−ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_２Ｓ_４：Ｅｕ（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）で表されるユウロピウムを添加した、チオガレイト（ｘ＝０〜１、ｙ＝１の場合）、チオアルミネート（ｘ＝０〜１、ｙ＝０の場合）、若しくはチオガレイトとチオアルミネートの固溶体（ｘ＝０〜１、０＜ｙ＜１の場合）、組成式Ｅｕ（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_２Ｓ_４：Ｅｕ，（ｘ＝０〜１）で表されるユウロピウムを添加した、ユウロピウムガレイト（ｘ＝１の場合）、ユウロピウムアルミネート（ｘ＝０の場合）、ユウロピウムガレイトとユウロピウムアルミネートの固溶体（０＜ｘ＜１の場合）、組成式Ｂａ（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_２Ｓ_４：Ｅｕ（ｘ＝０〜１）で表されるユウロピウムを添加した、バリウムガレイト（ｘ＝１）、バリウムアルミネート（ｘ＝０）、若しくはバリウムガレイトおよびバリウムアルミネートの固溶体（０＜ｘ＜１の場合）を用いてもよい。

「実施例２」
実施例２では、第１発光層３の材料としてユウロピウムガレイト（ＥｕＧａ_２Ｓ_４）を用い、第２発光層５の材料として硫化亜鉛：マンガン（ＺｎＳ：Ｍｎ）を用いたＥＬ素子を作製する例を述べる。

なお、実施例２において、ＥｕＧａ_２Ｓ_４は正孔励起層、またＺｎＳ：Ｍｎは電子励起層として機能する。

まず、ＩＴＯ製の透明電極１Ａが形成されたガラス基板１上に、通常の高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて、第１絶縁層２として０．２μｍのＳｉ_３Ｎ_４薄膜を作製する。

また、第１発光層３の作製法として、ＭＢＥ装置を用いた多源蒸着法の例を示す。表３は、実施例１における第１発光層３の作製条件である。

表３の作製条件で成長すると、ＥｕＧａ_２Ｓ_４薄膜が成長する。ここでは、膜厚０．４μｍのＥｕＧａ_２Ｓ_４薄膜を成長させる。

次に、通常の真空蒸着法を用いて、キャリア供給層４としてのＡｕ薄膜（Ａｕ層）を８Å成長する。Ａｕ薄膜は、８Åと大変薄いため、島状（ドット状）に堆積する。

次に、第２発光層５の材料としてＺｎＳ：Ｍｎ薄膜を成長する。成長条件を以下に示す。

表４の作製条件で成長させた後、４００℃で熱処理を１時間行なう。その結果、ＭｎがＺｎＳ中に取り込まれてＺｎＳ：Ｍｎ薄膜が成長する。ここでは、膜厚０．１μｍのＺｎＳ：Ｍｎ薄膜を成長させる。

さらに、第１絶縁層２と同様に高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて、第２絶縁層６としてＳｉ_３Ｎ_４薄膜を０．２μｍの薄膜を作製する。

この上にさらに、通常の真空蒸着法を用いて、金属電極７としての０．２μｍのＡｌ電極薄膜を作製する。

なお、透明ＥＬＤを作製する場合は、通常のＤＣスパッタリング装置を用いて透明電極１Ａ（ＩＴＯ薄膜を）形成する。

図５は、実施例２のＥＬＤで得られた発光特性を示す図である。

実施例２のＥＬＤ素子に交流電圧波形を印加したところ、キャリア供給層４としてのＡｕ層の有無で多少の発光スペクトルの形状の違いが見られるものの、図５に示すように５３７ｎｍ付近にピーク波長を持つ色純度の良好な緑色発光が得られる。

この発光スペクトルは、ＥｕＧａ_２Ｓ_４によるものが支配的ではあるが、ＺｎＳ：Ｍｎのオレンジの発光が重畳されており、Ａｕの有無でその寄与率に若干の違いがあるためＡｕ層の有無で多少の発光スペクトルの形状の違いが見られたものと考えられる。

また、実施例１の場合と同様に、Ｓａｗｙｅｒ−Ｔｏｗｅｒ回路を用いて移動電荷量を測定した印加電圧−移動電荷量を測定したところ、キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入することによって、印加電圧２９０Ｖにおいて約４０％の移動電荷量の増加が見られ、その結果、輝度の低減を招くことなくＥＬＤの駆動電圧を５０Ｖ低減させることができた。

また、発光層がＥｕＧａ_２Ｓ_４の単一層で他の構造が同一の素子に比べても、キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入した素子では、同一輝度条件で駆動電圧を５４Ｖ低減することができた。

「実施例３」
実施例３のＥＬ素子は、第１発光層３であるＥｕＧａ_２Ｓ_４薄膜の膜厚と、第２発光層５であるＺｎＳ：Ｍｎ薄膜の膜厚を実施例２のＥＬ素子と入れ替えた点が実施例２と異なる。すなわち、第１発光層３であるＥｕＧａ_２Ｓ_４薄膜の膜厚を０．１μｍ、第２発光層５であるＺｎＳ：Ｍｎ薄膜の膜厚を０．４μｍにそれぞれ設定する。その他の作製条件は、実施例２に準ずる。

なお、実施例３では、実施例２と同様に、ＥｕＧａ_２Ｓ_４は正孔励起層、ＺｎＳ：Ｍｎは電子励起層として機能する。

図６は、実施例３のＥＬ素子による発光スペクトルを示す図である。

実施例３のＥＬＤ素子に交流電圧波形を印加したところ、キャリア供給層４としてのＡｕ層の有無に関わらず、５８０ｎｍ付近にピーク波長を持つオレンジ発光が得られた。

この発光スペクトルは、ＺｎＳ：Ｍｎによるものが支配的ではあるが、ＥｕＧａ_２Ｓ_４による緑色発光が重畳されており、Ａｕの有無でその寄与率に若干の違いがあるため、キャリア供給層４としてのＡｕ層の有無で多少の発光スペクトルの形状の違いが見られたものと考えられる。

また、Ｓａｗｙｅｒ−Ｔｏｗｅｒ回路を用いて移動電荷量を測定した印加電圧−移動電荷量の測定したところ、キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入することにより、印加電圧２１０Ｖにおいで約３０％の移動電荷量の増加が見られ、その結果、輝度の低減を招くことなくＥＬＤの駆動電圧を３０Ｖ低減することができた。

また、発光層がＺｎＳ：Ｍｎ単一層で他の構造が同一の素子に比べても、キャリア供給層４としてのＡｕ層を挿入した素子では、同一輝度条件で駆動電圧を３２Ｖ低減することができた。

以上、実施例１乃至３では本実施の形態のＥＬ素子をＥＬＤに適用する形態について説明したが、本実施の形態によるＥＬ素子は、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やフィールドエミッションランプ（ＦＥＬ）、又はブラウン管（ＣＲＴ）等、電子線を照射して使用した際の発光（カソードルミネッセンス：ＣＬ）させるＥＬ素子にも適用可能である。

また、同一の励起キャリア（電子又は正孔のどちらか）で励起される発光層（蛍光体薄膜）を単純に積層して、その蛍光体薄膜間にキャリア供給層４としてのＡｕ層を設けてもよい。

また、上述の実施の形態又は実施例では、発光層（蛍光体薄膜）の作製法として、ＭＢＥ装置を用いた多源蒸着法について説明したが、他の薄膜作製法、例えば具体的には、電子線蒸着法、スパッタリング法ＣＶＤ法、イオンプレーティング法等を用いることも可能である。

以上、本発明の例示的な実施の形態又は実施例のＥＬ素子及びこれを用いた表示素子について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態によるＥＬＤの断面構造を示す図である。 本実施の形態によるＦＥＤの構造断面模式図を示す図である。 実施例１のＥＬＤで得られた発光特性を示す図である。 Ｓａｗｙｅｒ−Ｔｏｗｅｒ回路を用いて移動電荷量を測定した印加電圧−移動電荷量の測定結果を示す図である。 実施例２のＥＬＤで得られた発光特性を示す図である。 実施例３のＥＬ素子による発光スペクトルを示す図である。 ＥＬＤに用いる絶縁層材料の誘電率と耐圧の関係を示している。

符号の説明

１ ガラス基板
１Ａ 透明電極
２ 第１絶縁層
３、１１ 第１発光層
４、１２ キャリア供給層
５、１３ 第２発光層
６ 第２絶縁層
７ 金属電極
８ 交流電源
１０ ガラス基板
１４ 電子放出源
１５ 電源

Claims (3)

1. 透明電極と、
   前記透明電極の上に形成される第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層の上に形成され、発光中心材料を含む第１発光層と、
   前記第１発光層の上に直接形成される金（Ａｕ）製の導電性薄膜と、
   前記導電性薄膜の上に直接形成され、発光中心材料を含む第２発光層と、
   前記第２発光層の上に形成される第２絶縁層と
   前記第２絶縁層の上に形成される金属電極と
   を有し、第１発光層、導電性薄膜、及び第２発光層はＥＬ素子を構成し、前記透明電極と前記金属電極との間には、前記導電性薄膜で生成されるキャリアが前記第１発光層及び前記第２発光層の内部でホットキャリアを生成する強電界を与える交流電圧が印加され、
   前記第１発光層又は前記第２発光層のうち電子によって励起される発光層は、Ｓｒ _ｘ Ｃａ _１−ｘ （Ｇａ _ｙ Ａｌ _１−ｙ ） _２ Ｓ _４ ：Ｃｅ，（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）、又はＺｎＳ：Ｍｎであり、正孔によって励起される発光層は、Ｓｒ _ｘ Ｃａ _１−ｘ （Ｇａ _ｙ Ａｌ _１−ｙ ） _２ Ｓ _４ ：Ｅｕ（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）、Ｅｕ（Ｇａ _ｘ Ａｌ _１−ｘ ） _２ Ｓ _４ （ｘ＝０〜１）、又はＢａ（Ｇａ _ｘ Ａｌ _１−ｘ ） _２ Ｓ _４ ：Ｅｕ（ｘ＝０〜１）である、表示素子。
2. 前記導電性薄膜は、厚さ１０Å以下の薄膜又は島状薄膜である、請求項１に記載の表示素子。
3. 前記強電界は、１０ ^８ （Ｖ／ｍ）である、請求項１又は２に記載の表示素子。

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