JP2008091754A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極と半導体層との間の大きなショットキー障壁を低減し、発光層への電子や正孔の注入効率を高めた発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の第1及び第2の電極と、前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と、前記第1又は第2の電極と、前記発光層との間に挟まれて設けられた少なくとも一つの緩衝層とを備え、前記緩衝層を設けたことによって、前記緩衝層を挟持する前記電極と前記発光層との間の電位障壁の大きさが、前記電極と前記発光層とを直接接触させた場合のショットキー障壁の大きさより小さくなる。
【選択図】図1
【解決手段】発光素子は、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の第1及び第2の電極と、前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と、前記第1又は第2の電極と、前記発光層との間に挟まれて設けられた少なくとも一つの緩衝層とを備え、前記緩衝層を設けたことによって、前記緩衝層を挟持する前記電極と前記発光層との間の電位障壁の大きさが、前記電極と前記発光層とを直接接触させた場合のショットキー障壁の大きさより小さくなる。
【選択図】図1
Description
本発明は、エレクトロルミネッセンス(以下、ELと略記)素子を用いた表示装置に関する。
従来の半導体発光素子は、低電圧、高輝度であるが、点光源であり、面光源を得ることは難しい。更に、発光素子の作製には高価な基板が必要であり、コストアップの一因となっている。また、薄膜型の発光素子の場合、発光層と電極との接合面において、ショットキー障壁が発生し、キャリアの注入を阻害する課題があった。
図6は、従来の発光素子50の構成を示す概略構成図である。発光層53としては再結合型の発光層構成として、n型半導体層53aとp型半導体層53bとの2層構造の発光層53が設けられている。電子注入電極となる透明電極52と正孔注入電極となる背面電極54とは、直流電源55を介して電気的に接続されている。直流電源55から電力が供給されると、透明電極52及び背面電極54の間に電位差が生じ、発光層53a、53bに電圧が印加される。そして、透明電極52及び背面電極54の間に配置されている発光層53a、53bが発光し、その光が透明電極52を透過して発光素子50の外部に取り出される。
ここで、半導体と電極の組み合わせによっては、その接合面において、ショットキー障壁が発生し、発光層53a、53bへの電子や正孔の注入の効率が低くなり効率化の妨げとなっていた。この接合面におけるショットキー障壁の問題について、図7(a)及び(b)、図8(a)及び(b)のエネルギーバンド図を用いて説明する。
図7(a)及び(b)は、n型半導体層53aと透明電極52とを接触させる場合の接触前後のエネルギーバンド図である。接触前には、図7(a)に示すように真空準位に対してそれぞれ別個のフェルミ準位を示すが、半導体と電極を接触させると、接触後には、図7(b)に示すように、それぞれのフェルミ準位が互いに一致するように接触面でn型半導体層53aのバンドが湾曲し、n型半導体層53aと透明電極52との間に大きなショットキー障壁が生じる。この為、透明電極52からn型半導体層53aへの電子の注入効率は低くなる。また、例えば、透明電極52としてはITOなどの金属酸化物が用いられるが、一般にこれらの仕事関数は4〜5eVと比較的大きい為、n型半導体層53aと透明電極52との間に大きなショットキー障壁が生じる。
また、図8(a)及び(b)は、p型半導体層53bと背面電極54とを接触させる場合の接触前後のエネルギーバンド図である。p型半導体層53bの場合もn型半導体層53aの場合と同様に、半導体と電極を接触させると、それぞれのフェルミ準位が互いに一致するように接触面でp型半導体層53bのバンドが湾曲するため、図8(b)に示すように、p型半導体層53bと背面電極54との間に大きなショットキー障壁が生じ、背面電極54からp型半導体層53bへの正孔の注入効率は低くなる。
上記課題を解決する為に、次のような方法が一般的に行われている。
(1)正孔注入電極として仕事関数の大きい材料を使用する
また、電子注入電極としては仕事関数の小さい材料を使用する。
(2)電極と半導体の界面に、高濃度にドーピングされた層を形成する。(例えば、特許文献1参照。)
(3)電極材料と半導体との合金化反応よりショットキー障壁を小さくする。(例えば、非特許文献1参照。)
(1)正孔注入電極として仕事関数の大きい材料を使用する
また、電子注入電極としては仕事関数の小さい材料を使用する。
(2)電極と半導体の界面に、高濃度にドーピングされた層を形成する。(例えば、特許文献1参照。)
(3)電極材料と半導体との合金化反応よりショットキー障壁を小さくする。(例えば、非特許文献1参照。)
しかしながら、例えば(1)の方法の場合、特に仕事関数の小さい物質を電極として用いると、一般に仕事関数の小さい物質は空気中での安定性が低く、実用に耐えないという問題が発生する。また、(2)、(3)の方法の場合は、発光層である半導体の材料・組成が変わる度に処理条件の見直しが必要となる可能性が高い。
これらの問題を解決すべく、本発明の目的は、電極と半導体層との間の大きなショットキー障壁を低減し、発光層への電子や正孔の注入効率を高めた発光素子を提供することである。
上記課題は、本発明に係る発光素子によって解決できる。すなわち、本発明に係る発光素子は、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の第1及び第2の電極と、
前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と、
前記第1又は第2の電極と、前記発光層との間に挟まれて設けられた少なくとも一つの緩衝層と
を備え、
前記緩衝層を設けたことによって、前記緩衝層を挟持する前記電極と前記発光層との間の電位障壁の大きさが、前記電極と前記発光層とを直接接触させた場合のショットキー障壁の大きさより小さくなることを特徴とする。
前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と、
前記第1又は第2の電極と、前記発光層との間に挟まれて設けられた少なくとも一つの緩衝層と
を備え、
前記緩衝層を設けたことによって、前記緩衝層を挟持する前記電極と前記発光層との間の電位障壁の大きさが、前記電極と前記発光層とを直接接触させた場合のショットキー障壁の大きさより小さくなることを特徴とする。
また、前記第1及び第2の電極の間に直流電圧を印加して発光させるものであってもよい。この場合、前記緩衝層は、
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
の2つの緩衝層を備えていてもよい。または、前記緩衝層は、
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
のうち少なくとも一方の緩衝層を備えていてもよい。
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
の2つの緩衝層を備えていてもよい。または、前記緩衝層は、
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
のうち少なくとも一方の緩衝層を備えていてもよい。
さらに、前記第1の緩衝層は、仕事関数が3.5eV以下の物質を含んでいてもよい。
またさらに、前記第2の緩衝層は、仕事関数が5.0eV以上の物質を含んでいてもよい。
また、前記第1の緩衝層は、アルカリ金属酸化物を含んでいてもよい。あるいは、前記第1の緩衝層は、電気陰性度が3以上の物質で構成されていてもよい。
さらに、前記発光層は、n型半導体層とp型半導体層とが積層された2層型発光層であってもよい。
またさらに、前記発光層は、n型半導体層とp型半導体層と、その間に挟まれた無ドープの半導体層とで構成された3層型発光層であってもよい。
また、前記一対の電極の少なくとも一方に面して支持する支持体基板をさらに備えてもよい。また、前記一対の電極に対向し、且つ、前記発光層からの発光の取出し方向の前方に色変換層をさらに備えてもよい。
本発明によれば、低電圧での駆動が可能であり、且つ、高輝度、高効率の発光素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る発光素子について添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
(実施の形態1)
<発光素子の概略構成>
図1は、本実施の形態1に係る発光素子(EL素子)10の構成を示す概略断面図である。この発光素子10は、基板1の上に、背面電極4、第2の緩衝層7、発光層3、第1の緩衝層6、透明電極2が順に積層されて構成されている。この実施の形態1に係る発光素子10では、発光層3としては再結合型の発光層構成として、p型半導体層3bとn型半導体層3aの2層構造の発光層3が設けられている。また、この発光素子10は、n型半導体層3aと透明電極2との間に第1の緩衝層6を設けており、また、p型半導体層3bと背面電極4との間に第2の緩衝層7を設けていることを特徴とする。このように、発光層3を構成する半導体層3a、3bと電極2、4との間に第1及び第2の緩衝層6、7をそれぞれ挿入することによって、図2及び図3のエネルギーバンド図に示すように、第1の電極2とn型半導体層3aとの間のショットキー障壁の高さ、及び、第2の電極4とp型半導体層3bとの間のショットキー障壁をそれぞれ小さくすることができる。これによって、発光層3への電子や正孔の注入効率を高めることができる。なお、この第1及び第2の緩衝層6、7を設けることによる接合面でのショットキー障壁低減の作用については後述する。
<発光素子の概略構成>
図1は、本実施の形態1に係る発光素子(EL素子)10の構成を示す概略断面図である。この発光素子10は、基板1の上に、背面電極4、第2の緩衝層7、発光層3、第1の緩衝層6、透明電極2が順に積層されて構成されている。この実施の形態1に係る発光素子10では、発光層3としては再結合型の発光層構成として、p型半導体層3bとn型半導体層3aの2層構造の発光層3が設けられている。また、この発光素子10は、n型半導体層3aと透明電極2との間に第1の緩衝層6を設けており、また、p型半導体層3bと背面電極4との間に第2の緩衝層7を設けていることを特徴とする。このように、発光層3を構成する半導体層3a、3bと電極2、4との間に第1及び第2の緩衝層6、7をそれぞれ挿入することによって、図2及び図3のエネルギーバンド図に示すように、第1の電極2とn型半導体層3aとの間のショットキー障壁の高さ、及び、第2の電極4とp型半導体層3bとの間のショットキー障壁をそれぞれ小さくすることができる。これによって、発光層3への電子や正孔の注入効率を高めることができる。なお、この第1及び第2の緩衝層6、7を設けることによる接合面でのショットキー障壁低減の作用については後述する。
また、この発光素子10では、透明電極2と背面電極4とは直流電源5を介して電気的に接続されている。この場合、負極側に接続された透明電極2は、電子注入電極(第1の電極)として機能し、正極側に接続された背面電極4は、正孔注入電極(第2の電極)として機能する。電子注入電極はn型半導体層側に、正孔注入電極はp型半導体層側に設置される。直流電源5から電力が供給されると、透明電極2及び背面電極4の間に電位差が生じ、発光層3に電圧が印加される。そして、透明電極2及び背面電極4の間に配置されている発光層3が発光し、その光が透明電極2を透過して発光素子10の外部に取り出される。
なお、上述の構成に限られず、発光層3をp−i−n型の3層構造としてもよい。p−i−n型構造とは、p型半導体とn型半導体の間に、真性半導体層を挿入した構造である。またさらに、発光層3を単層構造とする、pn接合膜を複数設ける、p−i−n型構造を複数積層する、直流電源に代えて交流電源により駆動する、第1の電極2及び第2の電極4の両方を透明電極にする、第2の電極4を黒色電極とする、発光素子10の全部又は一部を封止する構造を更に備える、発光取出し方向の前方に発光層3からの発光色を色変換する構造を更に備える等、適宜変更が可能である。
以下、発光素子10の各構成部材について詳述する。
<基板>
基板1は、その上に形成する各層を支持できるものを用いる。また、基板1側から光を取り出す場合、発光体から発せられる光の波長に対し光透過性を有する材料であることが求められる。このような材料としては、例えば、コーニング1737等のガラス、石英、セラミック等を用いることができる。通常のガラスに含まれるアルカリイオン等が発光素子へ影響しないように、無アルカリガラスや、ガラス表面にイオンバリア層としてアルミナ等をコートしたソーダライムガラスであってもよい。また、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート系、ポリクロロトリフルオロエチレン系とナイロン6の組み合わせやフッ素樹脂系材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミドなどの樹脂フィルム等を用いることもできる。樹脂フィルムを用いる場合には、耐久性、柔軟性、透明性、電気絶縁性、防湿性の優れた材料を用いることが好ましい。なお、上記材料の記載は例示であって、基板1の材料は特にこれらに限定されるものではない。
基板1は、その上に形成する各層を支持できるものを用いる。また、基板1側から光を取り出す場合、発光体から発せられる光の波長に対し光透過性を有する材料であることが求められる。このような材料としては、例えば、コーニング1737等のガラス、石英、セラミック等を用いることができる。通常のガラスに含まれるアルカリイオン等が発光素子へ影響しないように、無アルカリガラスや、ガラス表面にイオンバリア層としてアルミナ等をコートしたソーダライムガラスであってもよい。また、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート系、ポリクロロトリフルオロエチレン系とナイロン6の組み合わせやフッ素樹脂系材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミドなどの樹脂フィルム等を用いることもできる。樹脂フィルムを用いる場合には、耐久性、柔軟性、透明性、電気絶縁性、防湿性の優れた材料を用いることが好ましい。なお、上記材料の記載は例示であって、基板1の材料は特にこれらに限定されるものではない。
なお、基板1側から光を取り出さない構成の場合は、上述の光透過性は不要であり、透光性を有していない材料も用いることができる。これらの例としては、表面に絶縁層を有する金属基板やセラミックス基板、シリコンウエハ等がある。
<電極>
電極として、光を取り出す側の透明電極2と、他方の背面電極4とがある。なお、ここでは、図1に示すように、基板1の上に背面電極4を設ける場合について説明するが、これに限られず、例えば、基板1の上に背面電極4を設け、その上に発光層3、透明電極2を順に積層する構成としてもよい。あるいは、透明電極2及び背面電極4の両方を発光に対して透明としてもよい。また、電子注入電極はn型半導体層側に、正孔注入電極はp型半導体層側に設置される。
電極として、光を取り出す側の透明電極2と、他方の背面電極4とがある。なお、ここでは、図1に示すように、基板1の上に背面電極4を設ける場合について説明するが、これに限られず、例えば、基板1の上に背面電極4を設け、その上に発光層3、透明電極2を順に積層する構成としてもよい。あるいは、透明電極2及び背面電極4の両方を発光に対して透明としてもよい。また、電子注入電極はn型半導体層側に、正孔注入電極はp型半導体層側に設置される。
まず、透明電極2について説明する。透明電極2の材料は、発光層3内で生じた発光を外部に取り出せるように光透過性を有するものであればよく、特に可視光領域において高い透過率を有することが好ましい。また、電極として低抵抗であることが好ましく、更には基板1や発光層3との密着性に優れていることが好ましい。透明電極2の材料として、特に好適なものは、ITO(In2O3にSnO2をドープしたものであり、インジウム錫酸化物ともいう。)やInZnO、ZnO、SnO2等を主体とする金属酸化物、Pt、Au、Pd、Ag、Ni、Cu、Al、Ru、Rh、Ir等の金属薄膜、あるいはポリアニリン、ポリピロール、PEDOT/PSS、ポリチオフェンなどの導電性高分子等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。これらの透明電極2はその透明性を向上させ、あるいは抵抗率を低下させる目的で、スパッタリング法、エレクトロンビーム蒸着法、イオンプレーティング法、等の成膜方法で成膜できる。また成膜後に、抵抗率制御の目的でプラズマ処理などの表面処理を施してもよい。透明電極2の膜厚は、必要とされるシート抵抗値と可視光透過率から決定される。
透明電極2のキャリア濃度は、1E17〜1E22cm−3の範囲であることが望ましい。また、透明電極2として性能を出すために、透明電極2の体積抵抗率は1E−3Ω・cm以下であって、透過率は380〜780nmの波長において75%以上であることが望ましい。また、透明電極2の屈折率は、1.85〜1.95が良い。さらに、透明電極2の膜厚は30nm以下の場合に緻密で安定した特性を持つ膜が実現できる。
また、背面電極4には、一般に良く知られている導電材料であればいずれでも適用できる。更には発光層3との密着性に優れていることが好ましい。好適な例としては、例えば、ITOやInZnO、ZnO、SnO2等の金属酸化物、Pt、Au、Pd、Ag、Ni、Cu、Al、Ru、Rh、Ir、Cr、Mo、W、Ta、Nb等の金属、これらの積層構造体、あるいは、ポリアニリン、ポリピロール、PEDOT〔ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)〕/PSS(ポリスチレンスルホン酸)等の導電性高分子、あるいは導電性カーボンなどを用いることができる。
また、透明電極2及び背面電極4は、それぞれ層内を全面覆うように構成してもよく、あるいは、層内に複数の電極をストライプ状に構成してもよい。さらに、透明電極2および背面電極4をともに複数の電極をストライプ状として構成し、透明電極2の各ストライプ状の電極と背面電極4のすべてのストライプ状の電極とが、それぞれねじれの位置の関係であり、かつ、透明電極2の各ストライプ状の電極を発光面に投影したものと背面電極4のすべてのストライプ状の電極を発光面に投影したものとが互いに交わるように構成してもよい。この場合、透明電極2のストライプ状の各電極、および、背面電極4のストライプ状の各電極からそれぞれ選択した一対の電極間に電圧を印加することにより、所定位置が発光するディスプレイを構成することが可能となる。
<発光層>
発光層3は、n型半導体層3aとp型半導体層3bとが積層された2層型発光層である。
発光層3は、n型半導体層3aとp型半導体層3bとが積層された2層型発光層である。
n型半導体層3aの材料は、多数キャリアが電子でありn型伝導を示すn型半導体材料である。材料としては、光学バンドギャップがバンドギャップの大きさが近紫外領域から可視光領域(1.7eVから3.6eV)を有するものが好ましく、さらに近紫外領域から青色領域(2.6eVから3.6eV)を有するものがより好ましい。具体的には、前述のZnSや、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe等の第12族−第16族間化合物やこれらの混晶(例えばZnSSe等)、CaS、SrS等の第2族−第16族間化合物やこれらの混晶(例えばCaSSe等)、AlP、GaAs、GaN、GaP等の第13族−第15族間化合物やこれらの混晶(例えばInGaN等)、ZnMgS、CaSSe、CaSrS等の前記化合物の混晶等を用いることができる。またさらに、CuAlS2等のカルコパイライト型化合物を用いてもよい。またさらに、Cu、Ag、Au、Al、Ga、In、Mn、Cl、Br、I、Li、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybからなる群より選択される1又は複数種の原子もしくはイオンを添加剤として含んでいてもよい。これらの元素の種類によっても、発光層3からの発光色が決定される。
一方、p型半導体層3bの材料は、多数キャリアが正孔であり、p型伝導を示すp型半導体材料である。このp型半導体材料としては、例えば、Cu2S、ZnS、ZnSe,ZnSSe、ZnSeTe、ZnTeなどの化合物がある。このp型半導体の材料のうち、Cu2Sなどは、本来的にp型伝導を示すが、その他の材料は添加剤として窒素、Ag、Cu、Inから一種以上選択される元素を添加して用いる。また、p型伝導を示すCuGaS2、CuAlS2などのカルコパイライト型化合物を用いても良い。更には、添加剤としてZnやMgなどを含んだGaN、InGaN等の窒化物を用いてもよい。
<緩衝層>
第1の緩衝層6は、電子注入電極である第1の電極2とn型半導体層3aとの間に設けられる。この第1の緩衝層6としては、n型半導体層3aとオーミック接合となるような仕事関数の小さい物質、特に、仕事関数が3.5eV以下の物質を選択することが好ましい。このような場合、図2に示すように、電子注入電極である第1の電極(透明電極)2とn型半導体層3aとの間のショットキー障壁が小さくなり、第1の電極2からの電子の注入が効率よく行われる。この第1の緩衝層6の組成としては、Al、Li、Al−Li、などの中から1種以上からなるものが望ましい。
第1の緩衝層6は、電子注入電極である第1の電極2とn型半導体層3aとの間に設けられる。この第1の緩衝層6としては、n型半導体層3aとオーミック接合となるような仕事関数の小さい物質、特に、仕事関数が3.5eV以下の物質を選択することが好ましい。このような場合、図2に示すように、電子注入電極である第1の電極(透明電極)2とn型半導体層3aとの間のショットキー障壁が小さくなり、第1の電極2からの電子の注入が効率よく行われる。この第1の緩衝層6の組成としては、Al、Li、Al−Li、などの中から1種以上からなるものが望ましい。
また、第2の緩衝層7は、正孔注入電極である第2の電極4とp型半導体層3bとの間に設けられる。この第2の緩衝層7としては、p型半導体層3bとオーミック接合となるような仕事関数の大きい物質、特に、仕事関数が5.0eV以上の物質を選択することが好ましい。このような場合、図3に示すように、正孔注入電極である第2の電極(背面電極)4とp型半導体層3bとの間のショットキー障壁が小さくなり、第2の電極4からの正孔の注入が効率よく行われる。この第2の緩衝層7の組成としては、Pt、Auなど仕事関数が5eV以上の物質1種以上からなるものが望ましい。
<製造方法>
次に、ZnSを発光層3のそれぞれの半導体層3a、3bの発光体材料として用いる場合の、実施の形態1に係る発光素子10の製造方法の一実施例を説明する。なお、前述の他の材料からなる発光層についても同様の製造方法が利用可能である。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上に、第2の緩衝層7としてPtをフォトリソグラフィ法などにより堆積する。この厚さは400nmとする。
(4)次に、第2の緩衝層のPt層7上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(5)p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agとを気層成長法で堆積した。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(6)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(7)次に、第一の緩衝層6としてAlをスパッタリング法で厚さ200nm堆積する。
(8)次に、第一の緩衝層のAl層6の上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを堆積する。膜厚は200nmとする。
(9)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態1に係る発光素子10を得ることができる。
次に、ZnSを発光層3のそれぞれの半導体層3a、3bの発光体材料として用いる場合の、実施の形態1に係る発光素子10の製造方法の一実施例を説明する。なお、前述の他の材料からなる発光層についても同様の製造方法が利用可能である。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上に、第2の緩衝層7としてPtをフォトリソグラフィ法などにより堆積する。この厚さは400nmとする。
(4)次に、第2の緩衝層のPt層7上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(5)p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agとを気層成長法で堆積した。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(6)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(7)次に、第一の緩衝層6としてAlをスパッタリング法で厚さ200nm堆積する。
(8)次に、第一の緩衝層のAl層6の上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを堆積する。膜厚は200nmとする。
(9)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態1に係る発光素子10を得ることができる。
この実施の形態1に係る発光素子10の透明電極2と背面電極4とを直流電源5に接続して、その間に直流電圧を印加して発光評価を行なったところ、印加電圧15Vで発光し始め、35Vで約600cd/m2の発光輝度を示した。
なお、本実施の形態1においては、第1の緩衝層6及び第2の緩衝層7の両方を備える構成としているが、どちらか一方でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
なお、本実施の形態1においては、第1の緩衝層6及び第2の緩衝層7の両方を備える構成としているが、どちらか一方でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
(実施の形態2)
実施の形態2に係る発光素子について説明する。発光素子の概略構成は実施の形態1と同様、図1に示されるとおりである。
本実施の形態2に係る発光素子においては、実施の形態1に係る発光素子と比較すると、第1の緩衝層6aとして、CaO,BaO、SrOなどのアルカリ金属酸化物を用いることを特徴とする。本発明者は、このアルカリ金属酸化物が電子注入電極である金属の仕事関数を見かけ上引き下げる特性を持っていることを見出し、電子注入電極である第1の電極(透明電極)2と発光層3との間にアルカリ金属酸化物からなる第1の緩衝層6aを挿入したものである。このように第1の緩衝層6aとしてアルカリ金属酸化物を用いることによって、図4のエネルギーバンド図に示すように、第1の電極2と発光層3との間のショットキー障壁を低減させることができる。これによって、発光層への電子の注入効率を高めることができる。
実施の形態2に係る発光素子について説明する。発光素子の概略構成は実施の形態1と同様、図1に示されるとおりである。
本実施の形態2に係る発光素子においては、実施の形態1に係る発光素子と比較すると、第1の緩衝層6aとして、CaO,BaO、SrOなどのアルカリ金属酸化物を用いることを特徴とする。本発明者は、このアルカリ金属酸化物が電子注入電極である金属の仕事関数を見かけ上引き下げる特性を持っていることを見出し、電子注入電極である第1の電極(透明電極)2と発光層3との間にアルカリ金属酸化物からなる第1の緩衝層6aを挿入したものである。このように第1の緩衝層6aとしてアルカリ金属酸化物を用いることによって、図4のエネルギーバンド図に示すように、第1の電極2と発光層3との間のショットキー障壁を低減させることができる。これによって、発光層への電子の注入効率を高めることができる。
図4は、第1の緩衝層6aとしてアルカリ金属酸化物を用いた場合のエネルギーバンド図である。上記のアルカリ金属酸化物による金属の仕事関数を見かけ上引き下げる作用の発生原因は未だ明らかではないが、本発明者は、酸化物内に強い分極が起こる為であると考えている。透明電極2の仕事関数が見かけ上小さくなり、透明電極2とn型半導体層3aとの接触はオーミックになる。なお、透明電極2とn型半導体層3aとの間にはMgOなどの第1の緩衝層6aが存在するが、この第1の緩衝層6の厚さが十分薄ければ、電子は、トンネル効果により透明電極2からn型半導体層3aへ移動することが可能である。
以下、ZnSを発光層3のそれぞれの半導体層3a、3bの発光体材料として用いる場合の、実施の形態2に係る発光素子の製造方法の一実施例を説明する。なお、前述の他の材料からなる発光層についても同様の製造方法が利用可能である。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件として、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(4)次に、p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agとを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(5)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(6)次に第1の緩衝層としてCaO層をスパッタリング法で厚さ2nm堆積する。
(7)さらに第1の緩衝層のCaO層6aの上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを厚さ200nm堆積する。
(8)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態2に係る発光素子を得ることができる。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件として、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(4)次に、p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agとを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(5)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(6)次に第1の緩衝層としてCaO層をスパッタリング法で厚さ2nm堆積する。
(7)さらに第1の緩衝層のCaO層6aの上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを厚さ200nm堆積する。
(8)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態2に係る発光素子を得ることができる。
この発光素子の透明電極2と背面電極4とを直流電源5に接続してその間に直流電圧を印加して発光評価を行なったところ、印加電圧15Vで発光し始め、35Vで約600cd/m2の発光輝度を示した。
なお本実施の形態2においては、第1の緩衝層6aのみを備える構成としているが、第1の緩衝層6aだけでなく第2の緩衝層7の両方を備える構成でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
なお本実施の形態2においては、第1の緩衝層6aのみを備える構成としているが、第1の緩衝層6aだけでなく第2の緩衝層7の両方を備える構成でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
(実施の形態3)
実施の形態3に係る発光素子について説明する。発光素子の概略構成は実施の形態1と同様に、図1に示されるとおりである。
本実施の形態3に係る発光素子は、実施の形態1に係る発光素子と比較すると、第1の緩衝層6bとして、酸素、フッ素など電気陰性度が約3以上と大きい物質で構成されていることを特徴とする。この電気陰性度が3以上の物質は、n型半導体層3aと第1の緩衝層6bの界面で電気双極子を形成する。この電気双極子の効果で、図5のエネルギーバンド図に示すように、透明電極2側のバンドが持ち上がりn型半導体層3aとのショットキー障壁の高さが低減する。なお、この第1の緩衝層6bは、膜厚を厚くする必要は無く、1〜数原子層の厚みで十分である。
実施の形態3に係る発光素子について説明する。発光素子の概略構成は実施の形態1と同様に、図1に示されるとおりである。
本実施の形態3に係る発光素子は、実施の形態1に係る発光素子と比較すると、第1の緩衝層6bとして、酸素、フッ素など電気陰性度が約3以上と大きい物質で構成されていることを特徴とする。この電気陰性度が3以上の物質は、n型半導体層3aと第1の緩衝層6bの界面で電気双極子を形成する。この電気双極子の効果で、図5のエネルギーバンド図に示すように、透明電極2側のバンドが持ち上がりn型半導体層3aとのショットキー障壁の高さが低減する。なお、この第1の緩衝層6bは、膜厚を厚くする必要は無く、1〜数原子層の厚みで十分である。
以下、ZnSを発光層3のそれぞれの半導体層3a、3bの発光体材料として用いる場合の、実施の形態3に係る発光素子の製造方法の一実施例を説明する。なお、前述の他の材料からなる発光層についても同様の製造方法が利用可能である。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(4)次に、p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agを気層成長法で堆積する。このときの条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(5)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(6)次に、サンプルを高真空チャンバー中に保持し、CH3Fガスを導入し、その後、UV照射することで、第1の緩衝層6bとして一原子層程度のフッ素で表面を被覆する。
(7)この第1の緩衝層6bであるフッ素の上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを厚さ200nm堆積する。
(8)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態3に係る発光素子を得ることができる。
(1)基板1としてコーニング1737を準備する。
(2)基板1上に、背面電極4を形成する。例えばAlを使用し、膜厚は200nmとする。
(3)背面電極4上にZnSを気層成長法で堆積する。この時の条件としては、基板温度は600℃とし、ZnSと、Agとを、NH3を含むガス中で厚さ1μm堆積させることで、p型半導体層3bとしてp型ZnS層を形成できる。
(4)次に、p型ZnS層3bの上に、ZnSと、Agを気層成長法で堆積する。このときの条件としては、基板温度は600℃とし、厚さ1μm堆積し、n型半導体層3aとしてn型ZnS層を形成できる。
(5)次に、p型及びn型ZnS層において背面電極4が存在しない直上部分をレーザ照射により絶縁性物質に変性させる。
(6)次に、サンプルを高真空チャンバー中に保持し、CH3Fガスを導入し、その後、UV照射することで、第1の緩衝層6bとして一原子層程度のフッ素で表面を被覆する。
(7)この第1の緩衝層6bであるフッ素の上部に、スパッタリング法により透明電極2としてITOを厚さ200nm堆積する。
(8)続いて、全体を覆う保護層(図では省略)として、例えば窒化シリコン等の透明絶縁体層を形成する。
以上の工程によって、本実施の形態3に係る発光素子を得ることができる。
この実施の形態3に係る発光素子の透明電極2と背面電極4とを直流電源5に接続して、その間に直流電圧を印加して発光評価を行なったところ、印加電圧15Vで発光し始め、35Vで約600cd/m2の発光輝度を示した。
なお本実施の形態3においては、第1の緩衝層6bのみを備える構成としているが、第1の緩衝層6bだけでなく第2の緩衝層7の両方を備える構成でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
なお本実施の形態3においては、第1の緩衝層6bのみを備える構成としているが、第1の緩衝層6bだけでなく第2の緩衝層7の両方を備える構成でもかまわない。また、各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。
<効果>
本実施の形態に係る発光素子は、発光層と電極間のショットキー障壁が減少することで、低電圧で必要十分な発光輝度を得ることができた。
本実施の形態に係る発光素子は、発光層と電極間のショットキー障壁が減少することで、低電圧で必要十分な発光輝度を得ることができた。
本発明に係る発光素子は、低電圧駆動で高輝度表示が得られる表示装置を提供するものである。特にデジタルカメラ、カーナビーゲーションシステム、テレビ等のディスプレイデバイスとして有用である。
1 基板
2 透明電極
3 発光層
3a n型半導体層
3b p型半導体層
4 背面電極
5 直流電源
6 、6a、6b 第1の緩衝層
7 第2の緩衝層
10 発光素子
50 発光素子
51 基板
52 透明電極
53 発光層
53a n型半導体層
53b p型半導体層
54 背面電極
55 直流電源
2 透明電極
3 発光層
3a n型半導体層
3b p型半導体層
4 背面電極
5 直流電源
6 、6a、6b 第1の緩衝層
7 第2の緩衝層
10 発光素子
50 発光素子
51 基板
52 透明電極
53 発光層
53a n型半導体層
53b p型半導体層
54 背面電極
55 直流電源
Claims (11)
- 少なくとも一方が透明又は半透明である一対の第1及び第2の電極と、
前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と、
前記第1又は第2の電極と、前記発光層との間に挟まれて設けられた少なくとも一つの緩衝層と
を備え、
前記緩衝層を設けたことによって、前記緩衝層を挟持する前記電極と前記発光層との間の電位障壁の大きさが、前記電極と前記発光層とを直接接触させた場合のショットキー障壁の大きさより小さくなることを特徴とする発光素子。 - 前記第1及び第2の電極の間に直流電圧を印加して発光させるものであって、
前記緩衝層は、
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
の2つの緩衝層を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記第1及び第2の電極の間に直流電圧を印加して発光させるものであって、
前記緩衝層は、
電子注入電極である第1の電極と発光層の間に設けられた第1の緩衝層と、
正孔注入電極である第2の電極と発光層の間に設けられた第2の緩衝層と
のうち少なくとも一方の緩衝層を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記第1の緩衝層は、仕事関数が3.5eV以下の物質を含んでいることを特徴とする請求項2又は3に記載の発光素子。
- 前記第2の緩衝層は、仕事関数が5.0eV以上の物質を含んでいることを特徴とする請求項2又は3に記載の発光素子。
- 前記第1の緩衝層は、アルカリ金属酸化物を含んでいることを特徴とする請求項2又は3に記載の発光素子。
- 前記第1の緩衝層は、電気陰性度が3以上の物質で構成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の発光素子。
- 前記発光層は、n型半導体層とp型半導体層とが積層された2層型発光層であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記発光層は、n型半導体層とp型半導体層と、その間に挟まれた無ドープの半導体層とで構成された3層型発光層であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記一対の電極の少なくとも一方に面して支持する支持体基板をさらに備えることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記一対の電極に対向し、且つ、前記発光層からの発光の取出し方向の前方に色変換層をさらに備えることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の発光素子。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006272598A JP2008091754A (ja) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | 発光素子 |
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JP2006272598A JP2008091754A (ja) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | 発光素子 |
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Publication Number | Publication Date |
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---|---|---|---|
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008105153A1 (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-04 | Panasonic Corporation | 表示装置 |
WO2014110195A1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-07-17 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Light emitting heterostructure with partially relaxed semiconductor layer |
US9960315B2 (en) | 2013-01-09 | 2018-05-01 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Light emitting heterostructure with partially relaxed semiconductor layer |
-
2006
- 2006-10-04 JP JP2006272598A patent/JP2008091754A/ja active Pending
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