CN1268173C - 荧光体薄膜、其制造方法及el板 - Google Patents

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Abstract

通过降低使用硫代铝酸盐系和硫代镓酸盐系荧光体材料成为问题的高工艺温度,实现高质量低价格的荧光体薄膜。而且使用本荧光体薄膜,实现全彩色EL用EL显示板。一种荧光体薄膜,含有母体材料和发光中心,母体材料由下述组成式表示:组成式:MII vAxByOzSw(在上述组成式中,MII是选自Zn、Cd和Hg中的至少1种元素,A是选自Mg、Ca、Sr、Ba和稀土类元素中的至少1种元素,B是选自Al、Ga和In中的至少1种元素,v、x、y、z和w表示原子比,v=0.005~5,x=1~5,y=1~15,z=0~30(0除外),w=0~30(0除外)。

Description

荧光体薄膜、其制造方法及EL板
技术领域
本发明涉及EL(电致发光)元件中使用的荧光体薄膜及其制造方法,和具有这种荧光体薄膜的EL板。
背景技术
近年来,作为小型或大型轻量的平面显示板,正盛行研究薄膜EL元件。使用由添加了橙黄色发光锰的硫化锌构成的荧光体薄膜的单色薄膜EL显示器,如图5所示的薄膜,采用绝缘层4A、4B双重绝缘型结构,已在实际中应用。在图5中,在玻璃基板2上,形成有规定图案的下部电极3A,在该下部电极3A上,作为下部绝缘层4A,形成介电体薄膜。另外,在该下部绝缘层4A上,依次形成由荧光体薄膜构成的发光层5、上部绝缘层4B的同时,在上部绝缘层4B上,以规定图案形成上部电极3B以使其与上述下部电极3A构成矩阵。为了提高荧光体薄膜的亮度,通常要在玻璃基板2的畸变点以下进行退火。
另外,最近还有提案,在结构上采用由陶瓷构成基板2,在下部绝缘层4A中使用厚膜电介质层。进而又有提案,基板使用高介电常数的BaTiO3薄板,在基板内侧形成电极,以上述薄板作为绝缘层兼基板使用的元件结构。在这些结构中,由于采用氧化铝、BaTiO3等陶瓷作为基板,能够对荧光体薄膜进行高温退火,因而能够达到高亮度。另外,由于绝缘层采用厚膜或薄板的电介质层,所以同绝缘层采用薄膜的EL元件相比,其特征是可产生耐绝缘破坏力强、可信性高的元件。另外,像双重绝缘型结构那样将荧光体薄膜形成夹层的结构,未必需要。绝缘层可以只是厚膜或薄板电介质层的一侧即可。
进而,作为显示器,为了适应电脑、TV及其它显示用途,彩色化必不可缺。采用硫化物荧光体薄膜的薄膜EL显示器,虽然具有优异的可信性,耐环境性,但由于现在在红、绿、蓝三原色中发光的EL用荧光体特性还不充分,一般认为不适于彩色用。蓝色发光荧光体,作为母体材料有SrS、作为发光中心有使用Ce的SrS:Ce或SrGa2S4:Ce、ZnS:Tm,作为红色发光荧光体有ZnS:Sm、CaS:Eu,作为绿色发光荧光体有ZnS:Tb、CaS:Ce等候补材料,研究还在继续。
这些红、绿、蓝三原色发光荧光体薄膜,发光亮度、效率,色纯度尚为不足,目前达不到彩色EL板实用化。尤其蓝色使用SrS:Ce,虽可得到比较高的亮度,但作为全色显示用的蓝色,由于色纯度向绿一侧偏移,因此期望开发更好的蓝色发光层。
为了解决这些课题,如特开平7-122364号公报,特开平8-134440号公报、信学技报EIP98-113、19-24页,以及Jpll.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.L1291-1292所述,公开了SrGa2S4:Ce、CaGa2S4:Ce、BaAl2S4:Eu等硫代镓酸盐系或硫代铝酸盐系的蓝色荧光体。这些硫代镓酸盐系荧光体,在色纯度方面没有问题,但由于是多元组成,所以很难得到组成均匀的薄膜。一般认为由于这种组成控制性差,容易造成结晶性不好,出现硫脱落导致的缺陷发生、混入杂质,其结果,得不到高品质的薄膜,因此亮度无法提高。另外,硫代镓酸盐和硫代铝酸盐系的任一种,在薄膜形成的工艺温度,即成膜后的退火温度全都高达750~900℃。因此就产生了如下一些问题,即基板要求相当高的耐热性,基板材质受到限制;容易产生从基板或相邻层(绝缘层等)向荧光体薄膜的元素扩散;层间的平坦性容易降低;高温退火时容易发生层间剥离;由于高温退火时表面扩散,像素容易走样;为了进行高温退火,需要对退火装置的热对策,因而造成成本升高等等。
另外,要实现全彩色EL板,需要能稳定低成本实现蓝、绿、红用荧光体的荧光体材料,但由于上述荧光体薄膜的工艺温度,因材料不同而各异,所以在发光板内需要配置RGB三色的全彩色发光板中,为了得到所希望的发光特性的各种荧光体薄膜的形成条件各不相同,难以制成发光板。尤其是硫代铝酸盐系材料和硫代镓酸盐系材料,由于工艺温度如上所述过高,因此期望降低工艺温度。即,期望能在低温下形成和退火,同时可高亮度发光的红、绿、蓝的荧光体薄膜材料。
发明内容
本发明的目的之一,是通过降低在硫代铝酸盐系和硫代镓酸盐系的荧光体材料中成为问题的过高的工艺温度,实现高品质低价位的荧光体薄膜,而且使用该荧光体薄膜,实现全彩色EL用的EL板。
上述目的通过下述(1)~(15)的本发明达到。
(1)一种荧光体薄膜,含有母体材料和发光中心,母体材料用下述组成式表示:
组成式:MII vAxByOzSw
(在上述组成式中,MII是选自Zn、Cd和Hg中的至少1种元素,A是选自Mg、Ca、Sr、Ba和稀土类元素中的至少1种元素,B是选自Al、Ga和In中的至少1种元素,v、x、y、z和w表示原子比:
v=0.005~5
x=1~5
y=1~15
z=0~30(0除外)
w=0~30(0除外)
(2)上述(1)的荧光体薄膜,其中,在上述组成式中,v和x的关系为:
v/x=0.001~1
(3)上述(1)或(2)的荧光体薄膜,在上述组成式中,x和y的关系为:
y/x=1~4
(4)上述(1)~(3)中任一项的荧光体薄膜,作为上述元素MII,至少含有Zn。
(5)上述(1)~(4)中任一项的荧光体薄膜,上述发光中心是Eu。
(6)上述(1)~(5)中任一项的荧光体薄膜,上述元素A是Ba,上述元素B是Al。
(7)上述(1)~(5)中任一项的荧光体薄膜,上述元素A是Sr,上述元素B是Ga。
(8)上述(1)~(7)中任一项的荧光体薄膜,在上述组成式中,z和w的关系是:
z/(z+w)=0.005~0.85
(9)上述(1)~(7)中任一项的荧光体薄膜,在上述组成式中,z和w的关系是:
z/(z+w)=0.005~0.3
(10)一种EL板,具有上述(1)~(9)任一项的荧光体薄膜。
(11)一种荧光体薄膜的制造方法,该方法是上述(1)~(9)中任一项的荧光体薄膜的制造方法,
通过对至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的薄膜施行退火,得到上述荧光体薄膜。
(12)上述(11)的荧光体薄膜的制造方法,在氧化性氛围气中施行退火。
(13)上述(11)或(12)的荧光体薄膜的制造方法,退火温度设在750℃以下。
(14)上述(11)~(13)中任一项荧光体薄膜的制造方法,该方法是在基板上形成至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的上述薄膜时,基板温度设在600℃或以下。
(15)上述(11)~(13)中任一项的荧光体薄膜的制造方法,该方法是在基板上形成至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的上述薄膜时,基板温度设在200℃或以下。
本发明是探索采用低温工艺制做EL材料的结果,得到的发明。本发明的荧光体薄膜作为母体材料的主成分所含有的硫代铝酸盐系材料或硫代镓酸盐系材料,是以前由于多元组成控制技术未成熟,所以形成薄膜时的组成稳定性低,而且需要提高薄膜形成时和退火时的温度的材料。
本发明者们将作为绿色EL材料优异的SrGa2S4:Eu薄膜化,对所得薄膜施行低于以前温度的700℃的退火,制作了EL元件,但未能得到所期望的发光。该薄膜的发光亮度在1kHz驱动下为380cd/m2左右,由于是作为EL元件用发光板使用,所以亮度不够。
根据这一结果,本发明者们探索了在700℃左右低温退火仍能得到充分亮度的荧光体材料,最后发现,通过采用含有硫代铝酸盐系材料或硫代镓酸盐系材料为主成分,含有硫化锌为副成分的新组成的材料,可在低工艺温度下实现高亮度发光的荧光体薄膜。例如:在硫代镓酸锶系材料中添加硫化锌时,通过控制原子比Zn/Sr和原子比Ga/Sr,即使降低退火温度,仍能得到充分的高亮度。
另外,在经过蒸镀法在基板上形成本发明的荧光体薄膜时,即使将基板温度设在600℃或以下,特别是在200℃或以下的低温场合,仍能得到高结晶性薄膜。
在本发明中,工艺温度之所以能降低,可认为是由于荧光体薄膜的结晶化温度降低了。结晶化温度降低的机制尚不明确,但根据硫化钡和硫化锌在较低温度下形成共晶状态的报告例,可认为例如在作为上述元素A,使用碱土类元素的场合,Al和Ga等III族元素的硫化物和碱土类元素的场合,Al和Ga等III族元素的硫化物和碱土类硫化物可在低温反应或结晶化,碱土类硫代铝酸盐或碱土类硫代镓酸盐的结晶,便能在低温合成。
另外,本发明者们还发现,通过向分别添加了硫化锌的硫代铝酸盐系材料或硫代镓酸盐系材料等硫化物中添加规定量的氧,制成氧硫化物,亮度飞跃性提高,而且亮度寿命显著增长。
本发明荧光体薄膜,可再现性优异地得到色纯度良好且高亮度的蓝、绿、红色发光。因此,若使用该荧光体薄膜,无需在EL板前设置彩色滤色镜。而且,本发明可以在低温加工实现如此优异的发光特性。因此,本发明能够对多色EL元件和全彩色EL元件的性能提高和低成本化作出显著贡献。
附图说明
图1表示本发明荧光体薄膜成形所用装置结构例的概略剖面图。
图2表示实施例1制作的本发明的EL元件(EL板)发光光谱图。
图3表示对实施例1制作的本发明EL元件(面板)和比较例的EL元件(面板),进行L(亮度)-V(电压)特性比较的曲线图。
图4是切出EL元件的一部分表示的透视图。
图5是切出双重绝缘层结构的EL元件的一部分表示的透视图。
符号说明
11                      真空槽
12                      基板
13                      加热装置
14                      EB蒸发源
15                      EB蒸发源
1                       EB蒸发源
2                       基板
3A                      下部电极
3B                      上部电极
4                       绝缘层
4A                      下部绝缘层
4B                      上部绝缘层
5                       发光层
具体实施方式
以下就本发明的实施方案进行详细说明。
在本发明中,荧光体薄膜含有母体材料和发光中心。母体材料以
组成式MII vAxByOzSw表示。在上述组成式中,MII是选自Zn、Cd和Hg中的至少1种元素,A是选自Mg、Ca、Sr、Ba和稀土类元素中的至少1种元素,B是选自Al、Ga和In中的至少1种元素。且v、x、y、z和w表示原子比,
v=0.005~5
x=1~5
y=1~15
z=0~30(0除外)
w=0~30(0除外)
优选为:
v=0.005~5
x=1~5
y=1~15
z=1~30
w=1~30
上述组成式所示的母体材料,可认为是选自12族元素的元素MII的硫化物,与碱土类硫代铝酸盐、碱土类硫代镓酸盐、碱土类硫代铟酸盐、稀土类硫代铝酸盐、稀土类硫代镓酸盐、稀土类硫代铟酸盐,或者由含有它们的一种或以上的混合物构成的硫化物进行混合乃至化合,且一部分硫被氧取代的氧硫化物,元素MII显示使工艺温度降低的效果。由于元素MII中,显示最高效果的元素是Zn,所以作为MII优选至少使用Zn,具体来说,MII中的Zn的原子比可设为10%或以上,特别优选为10%。
作为元素A,优选碱土类元素,特别是Ba和Sr的至少1种,它们分别适于蓝色和绿色发光因此优选。元素A和元素B可任意组合,但为了发光蓝色和绿色,作为元素B,优选至少使用Al和Ga中的至少1种。也就是说,作为被元素MII硫化物混合以至化合的对象,优选为碱土类硫代铝酸盐、碱土类硫代镓酸盐和碱土类硫代铟酸盐中的至少1种,特别优选,作为元素A含Ba、作为元素B含Al的硫代铝酸钡,和作为元素A含Sr、作为元素B含Ga的硫代镓酸锶中的至少1种。由于这些物质结晶温度高,所以优选适用于本发明,特别是在硫代铝酸钡中添加了Eu作发光中心的物质,和在硫代镓酸锶中添加了Eu作发光中心的物质,最为优选。这些组合在高亮度分别发出高纯度的蓝色光和绿色光时是有效的。另外,在这些优选硫化物中,也优选以稀土类元素置换部分碱土类元素的物质。
以下,就作为元素MII使用Zn、作为元素A主要使用碱土类元素的情况,进行详细说明。
在上述组成式中,v和x的关系,优选为
v/x=0.001~1,更优选为:
v/x=0.01~0.5,进一步优选为:
v/x=0.05~0.3。
v/x过小时,即Zn含量过少时,如果荧光体薄膜的退火温度不使用高温,则得不到高亮度。另一方面,v/x过大时,即Zn含量过多时,退火温度无论高低都得不到高亮度。因此,只要Zn含量适当,退火温度采用低温,例如即使不到750℃,也可得到高亮度。
在上述组成式中,x和y的关系,优选为:
y/x=1~4,更优选为:
y/x=1.5~3,进一步优选为:
y/x=1.6~1.99,最优选为:
y/x=1.70~1.90。
通过添加Zn,且使y/x处于该范围内,可进一步提高施行低温退火时的亮度。
在上述母体材料中,氧和硫混合的组成,可提高亮度特性和寿命特性,防止亮度劣化。在含有上述三元系硫化物(A-B-S)作为母体材料的薄膜含氧时,可认为在该母体材料成膜时或成膜后进行退火等后处理时,促进结晶化,薄膜中添加的发光中心(稀土类元素)在化合物结晶场内具有有效跃迁,而得到高亮度的发光。另外,同母体材料为纯粹的硫化物的场合相比,由于混合了氧的化合物,在空气中变得稳定。这种氧化物成分可保护发光部不受空气影响。虽然氧含量越多亮度寿命越长,但氧含量过多,则亮度会降低。为了实现高亮度且长寿命,优选将母体材料中的氧量调整为,在上述组成式中,优选为:
z/(z+w)≥0.005,更优选为:
z/(z+w)≥0.01
且优选:
z/(z+w)≤0.85,更优选为:
z/(z+w)≤0.5
特别是为了提高寿命,优选是:
z/(z+w)≥0.1,更优选为:
z/(z+w)≥0.2
尤其为了得到高亮度,优选可设为:
z/(z+w)≤0.3
荧光体薄膜虽然优选结晶化,但也可以是没有明确结晶结构的非晶状态。
作为荧光体薄膜中含有的结晶,优选为A5B2(O,S)8,A4B2(O,S)7,A2B2(O,S)5,AB2(O,S)4,AB4(O,S)7,A4B14(O,S)25,AB8(O,S)13,和AB12(O,S)19中的1种或1种以上。荧光体薄膜中的Zn,既可以至少一部分以ZnS存在,也可以置换元素A和/或元素B的至少一部分的形式包含在上述结晶中,还可以包含在含有Zn、A和B的其它结晶(例如:斜方晶等)之中,也可以这些中的2种或以上的形态存在。
在ZnvAxByOzSw为化学计量组成的化合物时,可认为该化合物由v{Zn(O,S)}和x{A(O,S)}和(y/2){B2(O,S)3}构成。因此,z+w=v+x+3y/2的时候,大致就是化学计量组成。为了得到高亮度发光,荧光体薄膜的组成优选在化学计量组成附近,具体地说,优选为:
0.9≤(v+x+3y/2)/(z+w)≤1.1
作为发光中心添加的元素,优选为稀土类元素。稀土类元素至少可选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Ho、Er、Tm、Lu、Sm、Eu、Dy、Yb中。与硫代铝酸钡母体材料组合的发光中心,为了成为蓝色荧光优选Eu、为了成为绿色荧光体优选Ce、Tb、Ho,为了成为红色荧光体优选Sm、Yb、Nd。其中,由于在同本发明使用的母体材料组合时可得到最强发光,所以优选使用Eu。如果,将硫代镓酸锶母体材料和Eu组合时,可成为绿色荧光体,如果将硫代铟酸锶母体材料或硫代铟酸钡母体材料同Eu组合,则成为红色荧光体。形成发光中心的元素的添加量,相对于上述组成式中的元素A,优选为0.5~10原子%。
在本发明的荧光体薄膜中,除上述母体材料和发光中心之外,还可含有微量添加物或不可避免的杂质。作为微量添加物或不可避免的杂质,可列举选自例如B、C、Si、P、Cl、As、Se、Br、Te、I、Li、Na、Rb、Cs、Ge、Sn、Sb、Tl、Pb、Bi、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Au中的至少1种元素。但是,为了抑制对亮度等荧光体特性的不良影响,要将荧光体薄膜中这些元素的总量,设在0.05原子%或以下,特别优选为0.01原子%或以下。
荧光体薄膜的组成,可通过荧光X射线分析(XRF)、X射线光电子分析(XPS)等进行确认。
荧光体薄膜的膜厚,虽没有特殊限制,但过厚则驱动电压上升,过薄则发光效率降低。本发明中,荧光体薄膜的厚度,优选在50~700nm,更为优选设在100~300nm内。只要是该范围内的厚度,便可实现亮度和发光效率都优异的荧光体薄膜。
本发明的荧光体薄膜,在EL元件中,优选由硫化锌(ZnS)薄膜从两侧夹持。即,在EL元件中,优选采取由ZnS薄膜/荧光体薄膜/ZnS薄膜构成的层压结构。通过将荧光体薄膜夹在ZnS薄膜之间,可提高荧光体薄膜的电荷注入特性、耐电压特性,在容易驱动的200V或以下的外施电压下便可得到高亮度的EL元件。ZnS薄膜的膜厚,优选在30nm~400nm,更为优选在100nm~300nm。另外,在设量ZnS薄膜时,并不限于上述3层结构,也可采用ZnS薄膜/荧光体薄膜/ZnS薄膜/荧光体薄膜/ZnS薄膜那样的层压体的最外层为ZnS薄膜的ZnS薄膜和荧光体薄膜交互层压的结构;或者也可以将由ZnS薄膜/荧光体薄膜/ZnS薄膜的3层构成的层压体作为1个单位,将多数个该单位进行层压的结构。此外,在ZnS薄膜/荧光体薄膜/ZnS薄膜结构两侧,设置由Al2O3等各种氧化物或氮化物构成的薄膜的结构也为优选。在此类薄膜厚度薄至50nm左右时,通过与上述ZnS薄膜组合设置,主要是作为进行高亮度发光的向荧光体薄膜注入电子的注入层发挥功能。另外,由Al2O3等构成的薄膜,在后述的氧化性氛围气中退火时,作为控制从氛围气中对荧光体薄膜的氧导入量的间隔层发挥功能。由Al2O3等构成的薄膜厚度,优选为5~150nm,更为优选是10~100nm。
为了得到本发明的荧光体薄膜,优选可用如下的蒸镀法。在这里,以ZnvSrxGayOzSw:Eu荧光体薄膜为例进行说明。
蒸镀法,例如可制作添加Eu的硫化锶颗粒、硫化镓颗粒和硫化锌颗粒,在导入H2S气体的真空槽内,将这些颗粒作为蒸发源进行3元蒸镀。在这里,使用H2S气体是为了使硫与蒸发物质发生反应。
添加的Eu,可以金属、氟化物、氧化物或硫化物的形式在原料中添加。由于蒸发源的Eu含量与使用该蒸发源形成的薄膜中的Eu含量不同,因此要调整蒸发源中的Eu含量使薄膜中达到所希望的含量。
蒸镀中的基板温度,优选为室温~600℃,更优选为100℃~200℃。如果基板温度过高,容易在形成的薄膜表面产生剧烈的凹凸、薄膜中发生针孔,造成EL元件产生漏电问题。而且有时薄膜呈现褐色。另一方面,如果基板温度过低,则薄膜的结晶性变差。
成膜后,为了提高薄膜的结晶性,或者为了调整薄膜的组成,优选进行退火。该退火时的氛围气,可按照目的,从真空、N2、Ar等还原性氛围气、空气等氧化性氛围气、S蒸气、H2S等适当选择。其中在氧化性氛围气中的退火,由于向薄膜中导入氧,在得到上述优选组成的母体材料时是有效的。作为氧化性氛围气,优选空气或氧浓度高于空气的氛围气。退火温度通常在500~1000℃范围,尤其可设在600~800℃的范围内。但本发明中,退火温度即使在不足750℃,尤其在700℃或以下仍能得到充分的高亮度。另外,如果退火温度过低,则由提高结晶性而产生的提高亮度的效果不充分。退火时间通常为1~60分钟,优选为5~30分钟。如果退火时间过短,不能充分实现由退火产生的效果。另一方面,即使显著延长退火时间,除了由退火产生的效果没有明显增大外,荧光体薄膜之外的构成元件(电极或基板等),由于长时间加热会受到损坏,因此不优选。
另外,向荧光体薄膜中导入氧,除上述退火时外,也可在薄膜形成时进行。例如,作为蒸发源的至少1种可以使用氧化物,或通过作为反应性气体至少要使用氧气的反应性蒸镀形成薄膜。而且还可以组合利用2种或以上这类氧气导入法。
所形成的荧光体薄膜,优选为高结晶性薄膜。结晶性的评价,可通过例如X射线衍射进行。
荧光体薄膜蒸镀时的压力,优选为1.33×10-4~1.33×10-1Pa。尤其通过调整为补偿硫的H2S气体的导入量,优选压力为6.65×10-3~6.65×10-2Pa。如果压力高于该范围,则电子枪动作不稳定,组成控制变得极为困难。作为H2S气体导入量,也可根据真空系统的能力,在5~2000SCCM,特别优选在10~30SCCM。
另外,根据需要,蒸镀时也可移动或旋转基板。通过移动或旋转基板,膜组成会变得均匀,可减少膜厚分布不均。
使基板旋转时,作为基板的旋转速度,优选为10转/min或以上,更优选为10~50转/min,特别优选为10~30转/min左右。如果基板旋转速度过快,在向真空室导入时,容易发生密封性等问题。另外,如果旋转速度过慢,便会在槽内膜厚方向上产生组成不匀,制作的发光层的特性会降低。旋转基板的旋转装置,可使用由电机、油压旋转机构等动力源,和齿轮、皮带、皮带轮组合的动力传导机构、减速机构等,通过这些公知的旋转机构组成。
加热蒸发源或基板的加热装置,只要具备规定热容量,反应性等即可,可列举例如,钽线加热器,护套加热器、炭加热器等。通过加热装置的加热温度,优选为100~1400℃左右,温度控制精度优选为1000℃±1℃,更优选为±0.5℃左右。
图1表示形成本发明荧光体薄膜的装置构成例之一。在这里,关于添加了发光中心Eu的硫化锶、硫化镓和硫化锌分别作蒸发源,导入H2S的同时形成薄膜的场合进行说明。在图1中,真空层11内配置有基板12、EB(电子束)蒸发源14、15、16。
在EB蒸发源14、15、16中,分别设置有可分别收纳添加了发光中心的硫化锶14a,硫化锌15a,硫化镓16a的坩锅40、50、60,和分别内藏电子发射用灯丝41a、51a、61a的电子枪41、51、61。在电子枪41、51、61内,内藏有控制电子束的机构。电子枪41、51、61连接交流电源42、52、62和偏压电源43、53、63。由电子枪41、51、61控制电子束,用预先设定的功率,可使硫化锶14a,硫化锌15a,硫化镓16a按规定的蒸发速度进行蒸发。图中虽然用3支电子枪控制蒸发源,但也可用一支电子枪进行多元同时蒸镀。这种场合的蒸镀方法,称为多元脉冲蒸镀法。
另外,在图示例中,为了便于说明,各蒸发源14、15、16的配置,似乎相对于基板不均匀,但实际上是配置在所形成薄膜的组成和膜厚均匀的位置上的。且在图1中,虽然对使用3个EB蒸发源的场合进行了说明,但蒸发源并没限定为EB蒸发源,也可根据蒸发对象物或蒸镀条件等,使用电阻加热蒸发源等其它蒸发源。
真空槽11,具有排气孔11a,通过从该排气孔排气,可使真空槽11内达到规定的真空度。另外,该真空槽11,还设有可导入H2S等气体的原料气导入孔11b。
基板12固定在基板架12a上,该基板架12a的旋转轴12b,通过图中未示的旋转轴固定装置,被固定为维持真空槽11内的真空度的同时,可从外部自由地旋转。继而,通过图中未示出的旋转装置,按照需要,能够以规定的旋转速度旋转。而且,在基板架12a上,粘合固定着由加热线等构成的加热装置13,可将基板加热、保持在所希望的温度。
使用这种装置,使从EB蒸发源14、15、16分别蒸发的硫化锶蒸气、硫化锌蒸气和硫化镓蒸气,在基板12上堆积结合,形成含有添加了Eu的锶锌镓硫的荧光体薄膜。此时,按照需要,通过使基板12旋转,便可使所堆积的荧光体薄膜的组成和膜厚分布更为均匀。
为了将本发明荧光体薄膜用作EL元件,作为图5所示双重绝缘型结构中的发光层5,或者作为只在一侧设置由如上所述厚膜或薄板电介质层构成的绝缘层结构中的发光层,可以使用本发明的荧光体薄膜,或由荧光体薄膜、ZnS薄膜和Al2O3薄膜构成的上述层压体等。
另外,在EL元件中,绝缘层、发光层、电极等相邻各层之间,可以设置为了提高粘接性的层,为了缓和应力的层,为了控制反应的层等各种中间层。另外,在厚膜表面可以进行研磨、或使用平坦层,提高平坦性。
例如,在图5中,在下部绝缘层4A之上,为了实现平坦化,也可以设置使用溶液涂布烧结法形成的电介质层。另外,所谓溶液涂布烧结法,即是在基板上涂布介电材料的前体溶液,通过烧结形成电介质层的方法,包括溶胶凝胶法和MOD(金属有机分解法MetAllo Organic Decomposition)法。
另外,在需要控制由厚膜绝缘层向荧光体薄膜的元素扩散时,在厚膜绝缘层和荧光体薄膜之间,优选设置例如由BaTiO3构成的阻隔层。
作为基板所用材料,是能耐EL元件各层的形成温度,EL元件的退火温度,耐热温度或融点优选为600℃或以上,更为优选在700℃或以上,进一步优选为800℃或以上的材料,而且通过在其上形成的发光层等功能性薄膜,只要EL元件能够形成、能够维持规定的强度,便没有特别限定。具体可列举,玻璃、或氧化铝(Al2O3)、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、块滑石(MgO·SiO2)、多铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)、氧化铍(BeO)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC+BeO)等陶瓷基板、结晶化玻璃等耐热玻璃基板。在这些基板中,尤为优选氧化铝基板、结晶化玻璃基板,因其耐热温度都在1000℃左右或以上;在需要热传导性的场合,优选氧化铍、氮化铝、碳化硅等。此外还可以使用石英、热氧化硅晶片等,钛、不锈钢、铬镍铁耐热合金、铁系等金属基板。在使用金属等导电性基板的场合,优选在基板上形成有内部具有电极的厚膜结构。但是,由于本发明的荧光体薄膜能够低温退火,所以根据退火温度,也可以使用耐热温度或融点比较低的基板。
作为电介质厚膜(下层绝缘层)的材料,可以使用公知的电介质厚膜材料。这种材料优选比介电常数大的材料,例如优选钛酸铅系、铌酸铅系、钛酸钡系等材料。作为电介质厚膜的电阻率,要在108Ω·cm或以上,尤其在1010~1018Ω·cm左右。而且优选具有比较高的比介电常数的物质;作为该比介电常数ε,优选ε=100~10000左右。作为膜厚,优选为5~50μm,特别优选为10~30μm。电介质厚膜的形成方法,只要是能比较容易得到规定膜厚的方法都可以,没有特别限定,优选溶胶凝胶法,印刷烧结法等。使用印刷烧结法时,将材料粒度适当一致,混合粘结剂,调成粘度适当的糊剂。使用丝网印刷法,使该糊剂在基板上成形、干燥,制成生片。然后将该生片在适当温度烧结,便得到厚膜。
作为薄膜绝缘层(上部绝缘层)的构成材料,可列举例如:氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化钽(Ta2O5)、钛酸锶(SrTiO3)、氧化钇(Y2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、PZT、氧化锆(ZrO2)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、铌酸铅、PMN-PT系材料等,及这些材料的多层或混合薄膜。作为用这些材料形成绝缘层的方法,可以采用蒸镀法、溅射法、CVD法等现有的方法。作为这种场合下绝缘层的膜厚,优选50~1000nm、特别优选100~500nm左右。
下部电极,通常在下部绝缘层内形成。下部电极在发光层热处理时,暴露在高温下,而且在由厚膜构成下部绝缘层时,在下部绝缘层形成时也暴露在高温下。因此,下部电极优选耐热性优异的材料,具体地说优选金属电极。作为金属电极,可使用作为主成分含有钯、铑、铱、铼、钌、铂、银、钽、镍、铬、钛等的1种或1种以上的通常使用的金属电极。
另一方面,上部电极,由于通常从与基板相反一侧取出发光,所以优选规定发光波长区域具有透光性的电极,优选例如,由ZnO、ITO、IZO等构成的透明电极。ITO通常以化学计量组成含有In2O3和SnO2,但O量也可多少由此偏倚。SnO2相对于In2O3的混合比,优选为1~20质量%,更为优选是5~12质量%。而且,IZO中的ZnO相对于In2O3的混合比,通常在12~32质量%左右。另外,在使用透明基板,发光从基板侧取出的场合,下部电极制成透明电极。
另外,电极也可以是含有硅作为主成分的电极。这种硅电极,既可以是多晶硅(p-Si),也可以是无定形硅(a-Si),根据需要,还可以是单晶硅。硅电极为了确保导电性,要掺杂质。作为杂质使用的掺杂剂,只要能确保规定的导电性即可,可使用通常在硅半导体中使用的掺杂剂。具体地说,优选B、P、As、Sb和Al。掺杂剂的浓度优选在0.001~5原子%左右。
电极形成方法,可由蒸镀法,溅射法,CVD法,溶胶凝胶法、印刷烧结法等已有的方法中适当选择;特别是,在设置内部含有电极的电介质膜结构时,优选电极也同电介质膜用相同的方法形成。
电极的电阻率,为了高效率赋与发光层电场,优选为1Ω·cm或以下,更为优选是0.003~0.1Ω·cm。电极膜厚因电极构成材料而相同,优选为50~2000nm,更为优选是100~1000nm左右。
本发明的荧光体薄膜可适用于各种EL板,例如适用于:显示用全彩色板、多色板、部分显示3色的局部彩色板。
实施例
以下显示本发明的具体实施例,进一步详细说明本发明。
实施例1
制作使用本发明荧光体薄膜的EL元件(EL板)。该EL元件是以图4所示结构为基础的元件。
基板2和绝缘层4全部由BaTiO3-PbTiO3系电介质材料(比介电常数5000)构成,下部电极3A由Pd构成。首先,制作形成基板2的薄板,在其上将构成下部电极3A和绝缘层4的糊剂进行丝网印刷,制成生片,同时进行烧结。然后研磨绝缘层4表面,制成厚度30μm。进而,在绝缘层4上通过溅射法制成由400nm厚的BaTiO3膜构成的阻隔层,之后,在700℃的空气中进行退火。
继而,在阻隔层之上,形成由Al2O3薄膜(50nm)/ZnS薄膜(200nm)/荧光体薄膜(200nm)/ZnS薄膜(200nm)/Al2O3薄膜(50nm)构成的层压薄膜作为发光层5。另外,括弧内数值为厚度,各层薄膜通过蒸镀法形成。
在荧光体薄膜形成时,使用以下说明的3元蒸镀法。首先,将装入了添加有5摩尔%Eu的SrS颗粒的EB蒸发源、装入了ZnS颗粒的EB蒸发源,和装入了Ga2S2颗粒的EB蒸发源,设置在导入了H2S气体的真空槽内,同时由各个蒸发源进行蒸发,在加热到150℃并旋转的基板上形成ZnvSrxGayOzSw:Eu薄膜。调节各个蒸发源的蒸发速度,使ZnvSrxGayOzSw:Eu薄膜的成膜速度达到1nm/s。H2S气体流量设为20SCCM。
形成最上层的Al2O3薄膜后,在700℃的空气中退火10分钟。
另外,为了测定组成,在Si基板上也形成上述层压薄膜后,进行退火。该层压薄膜的形成条件和退火条件,与EL元件中的上述层压薄膜相同。经过荧光X射线分析,组成分析该层压薄膜中的荧光体薄膜的结果,原子比(任意单位)是:
Zn:1.36
Sr:8.82
Ga:16.42
O:7.01
S:26.44
Eu:0.45
即,可知道ZnvSrxGayOzSw:Eu中的原子比是
v/x=0.15
y/x=1.86
z/(z+w)=0.21
(v+x+3y/2)/(z+w)=1.04
另外,Eu添加量相对于Sr为5.1原子%。另外,组成测定用的荧光体薄膜和EL元件中的荧光体薄膜的组成相同可预先确定。
然后,在最上层的Al2O3薄膜上,通过使用ITO靶的RF磁控管溅射法,在基板温度250℃,形成膜厚200nm的ITO透明电极(上部电极3B),完成EL元件。
由该EL元件上部电极和下部电极引出电极,以1kHz外加脉冲幅度50μs的两极性电场测定发光特性时,可再现性良好地发得到亮度2170cd/m2、CIE1931色度图(0,2218,0,6954)中的NTSC水平的绿色发光。图2表示该EL元件的发光光谱。
作为比较例,替代上述荧光体薄膜、制作具有不含Zn的SrGa2(S,O)4的荧光体薄膜的EL元件。该荧光体薄膜也在空气中在700℃退火10分钟。就该比较例元件和本发明元件,调查外加电压(V)和亮度(L)的关系。图3中显示L-V特性。由图3可知,在基板温度150℃的低温下形成荧光体薄膜,且在700℃下进行低温退火的场合,本发明可得到明显高于以前的高亮度绿色发光。
另外,通过控制退火条件,除将荧光体薄膜的z/(z+w)设为0.003或0.110,此外与上述相同形成EL元件。对这些EL元件,通过连续外加1kHz交流电压评价亮度劣化。其结果,40小时后的发光亮度,同z/(z+w)为0.110的元件是初期亮度的70%相对,z/(z+w)为0.003的元件是初期亮度的20%,由此可以确认,通过控制荧光体薄膜的氧含量,能显著改善亮度寿命。
实施例2
除使用BaS颗粒代替SrS颗粒、使用Al2S3颗粒代替Ga2S3颗料,形成由ZnvBaxAlyOzSw:Eu构成的厚度为300nm的荧光体薄膜外,与实施例1的本发明元件相同制作EL元件。通过荧光X射线分析进行组成分析的结果,可知该ZnvBaxAlyOzSw:Eu的原子比组成(任意单位)是:
Zn:1.40
Ba:8.86
Al:16.45
O:6.88
S:26.50
Eu:0.44
v/x=0.16
y/x=1.86
z/(z+w)=0.21
(v+x+3y/2)/(z+w)=1.05
另外,Eu添加量相对于Ba为5原子%。
对该EL元件,与实施例1相同进行发光特性测定时,再现性良好地得到亮度700cd/m2的蓝色发光。另一方面,作为比较例,代替上述荧光体薄膜,制作具有不含Zn的BaAl2(S,O)4的荧光体薄膜的EL元件。该荧光体薄膜也在空气中在700℃退火10分钟。该比较例元件的发光,不是蓝色,而是亮度是几cd/m2的暗淡橙色。由此结果可知,在基板温度150℃的低温下形成荧光体薄膜,且在700℃进行低温退火时,本发明可得到明显高于以前的高亮度蓝色发光。
另外,除通过控制退火条件将荧光体薄膜的z/(z+w)设在0.003之外,与上述相同形成EL元件。通过连续外加1kHz的交流电压,对该EL元件和z/(z+w)为0.21的上述EL元件评价亮度劣化。其结果为,40小时后的发光亮度,z/(z+w)为0.21的元件是初期亮度的60%,与此相对,z/(z+w)为0.003的元件是初期亮度的30%,可以确认,通过控制荧光体薄膜的氧含量,能显著改善亮度寿命。
实施例3
在由ZnvSrxGayOzSw:Eu构成的荧光体薄膜中,除按表1所示值设置v/x和y/x外,与实施例1相同制作EL元件。对这些EL元件,与实施例1相同测定亮度。结果如表1所示
表1
  元件No. v/x y/x   亮度(cd/m2)
  12345   1.270.050.350.270.15   2.521.782.481.731.86   631174265517112170
由表1可知本发明的效果。即,通过在荧光体薄膜中导入Zn可提高亮度,在v/x=0.001~1且y/x=1.6~1.99时,可得到特别高的亮度。
另外,作为元素A使用Ba、作为元素B使用In、作为发光中心使用Eu形成荧光体薄膜后,进行700℃的低温退火的实验。其结果可以看到,通过向荧光体薄膜添加Zn,可提高红色发光的亮度。

Claims (15)

1.一种荧光体薄膜,该薄膜含有母体材料和发光中心,母体材料由下述组成式表示:
组成式:MII vAxByOzSw
在上述组成式中,MII是选自Zn、Cd和Hg中的至少1种元素,A是选自Mg、Ca、Sr、Ba和稀土类元素中的至少1种元素,B是选自Al、Ga和In中的至少1种元素,v、x、y、z和w表示原子比:
v=0.005~5
x=1~5
y=1~15
z=0~30,其中0除外;
w=0~30,其中0除外。
2.如权利要求1的荧光体薄膜,在上述组成式中,v和x的关系为:
v/x=0.001~1
3.如权利要求1的荧光体薄膜,在上述组成式中,x和y的关系为:
y/x=1~4
4.如权利要求1的荧光体薄膜,作为上述元素MII,至少含有Zn。
5.如权利要求1的荧光体薄膜,上述发光中心是Eu。
6.如权利要求1的荧光体薄膜,上述元素A是Ba,上述元素B是Al。
7.如权利要求1的荧光体薄膜,上述元素A是Sr,上述元素B是Ga。
8.如权利要求1的荧光体薄膜,在上述组成式中,z和w的关系是:
z/(z+w)=0.005~0.85。
9.如权利要求1的荧光体薄膜,在上述组成式中,z和w的关系是:
z/(z+w)=0.005~0.3。
10.一种EL板,该板具有如权利要求1~9中的任1项的荧光体薄膜。
11.一种荧光体薄膜的制造方法,该方法是制造权利要求1~9中任意一种荧光体薄膜的方法,该方法通过对至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的薄膜施行退火,得到上述荧光体薄膜。
12.如权利要求11的荧光体薄膜的制造方法,其中在氧化性氛围气中施行退火。
13.如权利要求11的荧光体薄膜的制造方法,其中退火温度设在750℃以下。
14.如权利要求11的荧光体薄膜的制造方法,在基板上形成至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的上述薄膜时,将基板温度设在600℃或以下。
15.如权利要求11的荧光体薄膜的制造方法,在基板上形成至少含有上述元素MII、上述元素A、上述元素B和S的上述薄膜时,将基板温度设在200℃或以下。
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