JP2008177376A - 発光装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光量が制御可能な発光装置及びその駆動方法を提供すること。
【解決手段】ｎ型半導体層１及びこの上に形成されたソース電極４及びドレイン電極５と、ｐ型半導体層２及びこの下に形成されたゲート電極３と、ソース電極４とドレイン電極５との間に交流電圧を印加する交流電源６と、ゲート電極３とソース電極４との間に直流電圧を印加する直流電源７とを有し、交流電圧によって、ｎ型半導体層１に電子が所定量注入され、直流電圧によって、ｐ型半導体層からｎ型半導体層に正孔を注入して、電子と正孔とを再結合させる。交流電圧は直流電圧によってバイアスされて印加される。基板上に下地絶縁層が形成され、この下地絶縁層上にゲート電極３、ｐ型半導体層２、ｎ型半導体層１がこの順に形成される。ｎ型半導体層１がｎ型酸化亜鉛により、ｐ型半導体層２がｐ型酸化亜鉛により形成され、下地絶縁層が酸化亜鉛により形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に直流電圧を印加して発光させる発光装置に関し、特に、交流電圧によって電子をｎ型半導体層へ注入することによって、発光量を制御することができる発光装置及びその駆動方法に関する。

電極間に電流を流すことにより発光する発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＥＬ、無機ＥＬがある。これらはいずれも、アノードとカソードの２つの端子をもち、アノードに正、カソードに負の電圧をかけることにより発光する。ＬＥＤや有機ＥＬの場合は、数ボルトの電圧で電流が流れ発光する。また、無機ＥＬの場合は１００〜２００Ｖの交流電圧をかけて発光させる。

発光ダイオードは、半導体を用いたｐｎ接合と呼ばれる構造で作られている。電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯（伝導帯と価電子帯）を流れ、ｐｎ接合部付近で禁制帯を越えて再結合する。再結合の際にほぼ禁制帯幅（バンドギャップ）に相当するエネルギーが光として放出される。発光ダイオードの基本はｐｎ接合構造であるが、発光効率を高めるためにダブルへテロ接合構造、量子井戸接合構造等も用いられる。

各種の半導体材料を用いて、様々な色の発光ダイオードが開発されており、代表的な半導体材料として、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ等がある。発光ダイオードは、低消費電力、低発熱、超寿命等の特徴をもっており、ＬＥＤディスプレイ、液晶用バックライト、信号機等の各種の表示機器、小型照明機器に利用されている。最近では、ＺｎＯを用いた発光ダイオード、透明電極に関する開発が進行している。以下、ＺｎＯを用いた発光ダイオードに関する従来技術について説明する。

「半導体素子及びその製造方法」と題する後記の特許文献１には、以下の記載がある。

特許文献１の発明の半導体素子は、可視光を透過する半導体活性層を有した薄膜トランジスタと、上記半導体活性層と主成分が同じ発光層を有する発光素子とを同一の基板上に形成したことを特徴としている。この構成によると、半導体活性層と発光層とを同じ成膜装置によって形成することができるとともに、可視光の吸収のない薄膜トランジスタを有する自発光型の半導体素子が得られる。

図１３は、特許文献１に記載の図３であり、発光素子２１０と薄膜トランジスタ２２０とからなる半導体素子２３０の断面図である。

特許文献１の第１の実施形態の半導体素子２３０は、平面型ディスプレイに搭載されている。半導体素子２３０はマトリクス状に配列され、それぞれが平面型ディスプレイの一画素になっている。

一画素の半導体素子２３０は、薄膜トランジスタ２２０と発光素子２１０とからなっている。薄膜トランジスタ２２０のゲート２１１は列選択線に接続されている。薄膜トランジスタ２２０のソース２１６は行選択線に接続されている。

ゲート２１１がハイレベルの時、ソース２１６とドレイン２１５とが電気的に接続される。これにより、薄膜トランジスタ２２０がスイッチング素子として機能するようになっている。ゲート２１１がローレベルの時、薄膜トランジスタ２２０はＯＦＦとなる。

また、ドレイン２１５は発光素子２２０の下部電極２０２に接続されている。発光素子２１０の上部電極２０５は電流源である駆動電源線に接続されている。従って、行ドライブ回路によって一の行選択線にローレベルの信号が与えられると、その行選択線に接続されている薄膜トランジスタが選択される。

所定の画素が接続された列選択線に列ドライブ回路によって信号電圧を印加すると、所定の画素の発光素子２２０の下部電極２０２と上部電極２０５との間に電圧が印加される。これにより、所定の位置の発光素子２１０が発光する。そして、行ドライブ回路によって隣接する行選択線に順次信号電圧が印加されて各行の所定の画素が発光して１画面が形成されるようになっている。

半導体素子２３０はサファイヤからなる基板２０１上に発光素子２１０及び薄膜トランジスタ２２０が形成されている。発光素子２１０は、ｎ型のＺｎＯ（酸化亜鉛）からなる下部電極２０２上にｎ型のＺｎＯからなるｎ型発光層２０３及びｐ型のＺｎＯからなるｐ型発光層２０４が形成されている。ｐ型発光層２０４上にはＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる上部電極２０５が形成されている。

薄膜トランジスタ２２０はＺｎＯからなるゲート２１１上にＳｉＯ₂からなる絶縁層２１２を介してｉ型のＺｎＯからなる半導体活性層２１３が形成されている。半導体活性層２１３上には、ｎ型のＺｎＯからなるコンタクト層２１４を介してＩＴＯからなるドレイン２１５及びソース２１６が形成されている。また、ドレイン２１５は発光素子２１０の下部電極２０２に接続されている。

「酸化物半導体発光素子」と題する後記の特許文献２には、以下の記載がある。

特許文献２の発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に、第１導電型層、発光層および第２導電型層を少なくとも備え、上記発光層は、不純物がドーピングされたドープ領域と、不純物がドーピングされていないノンドープ領域とを有することを特徴としている。

図１４は、特許文献２に記載の図１であり、第１実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード１１０を示す断面図である。

本実施形態の発光ダイオード１１０は、ＺｎＯ基板１０１上に、Ｇａをドープしてキャリア濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3とした厚さ１μｍのｎ型ＺｎＯ層１０２と、Ｇａをドープした厚さ１０μｍのＺｎＯ発光層１０３と、Ｎをドープしてキャリア濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした厚さ１μｍのｐ型ＺｎＯ層１０４とを順次積層している。上記ｎ型ＺｎＯ層１０２が第１導電型層であり、上記ｐ型ＺｎＯ層１０４が第２導電型層である。

上記ＺｎＯ発光層１０３は、厚み方向の中央よりもｐ型ＺｎＯ１０４側に位置して、不純物がドーピングされていないノンドープ領域を有する。このノンドープ領域は、厚さが０．５μｍであり、このノンドープ領域以外の領域であるドープ領域に、キャリア濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3となるように、Ｇａを均一にドーピングしている。

図１４には、上記ｎ型ＺｎＯ層１０２からｐ型ＺｎＯ層１０４に亘って、各位置におけるドーピング濃度を表すドーピングプロファイルを同時に示している。

上記ＺｎＯ基板１０１の裏面には、ｎ型オーミック電極１０５として、１０００Åの厚みを有するＡｌを形成している。

ｐ型ＺｎＯ層１０４の主表面の全面には、厚さ１５０ÅのＮｉを積層してなる透光性オーミック電極１０６が積層され、この透光性オーミック電極１０６上には、厚さ１０００Åのボンディング用Ａｕパッド電極１０７が、上記透光性オーミック電極１０６よりも小さい面積をなして形成されている。

本実施形態の酸化物半導体発光素子としての発光ダイオード１１０は、発光層１０３の一部にノンドープ領域を形成するとともに、この発光層１０３を３μｍ以上の厚膜としたことに特徴を有している。

上記発光ダイオード１１０を、Ａｇペーストでリードフレームに取り付け、配線を施してモールドし、発光させたところ、ピーク波長が４００ｎｍの青色光が得られた。

「ＺｎＯ：Ａｌターゲット及び薄膜並びに薄膜の製造方法」と題する後記の特許文献３には、低抵抗率でかつ耐湿性に優れたＺＡＯ（アルミニウムをドープした酸化亜鉛）透明電導膜に関する記載がある。

特開２００３−３７２６８号公報（段落０００８、段落００１４〜００２０、図３） 特開２００４−３４２７３２号公報（段落００５８〜００６４、図１） 特開２００６−２０００１６号公報（段落０００８〜０００９、段落００１９〜００２４）

発光素子（ＬＥＤ）の基本であるｐｎ接合に順方向バイアス（ｐ型半導体層に正電圧、ｎ型半導体層に負電圧）を印加すると、順方向バイアスは禁止帯の幅を変化させエネルギー障壁が低くなり、ｎ型半導体層に設けられたｎ電極から注入された電子は伝導帯を流れ、ｐ型半導体層に設けられたｐ電極から注入された空孔は価電子帯を流れ、ｐｎ接合部付近で電子と空孔は禁制帯を越えて再結合し、即ち、電子がエネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯の空席に落ち、ほぼ禁制帯幅に相当するエネルギーが光として放出される。ｐ電極とｎ電極の間に印加する電圧を上昇させていくと、電圧がある値（順方向降下電圧）以上になると電圧上昇に対する電流増加が大きくなり、電流量に応じて光を放出するようになる。

発光素子に流れる電流が最大定格電流を越えると低寿命になったり、素子の破壊を生じたりしてしまう。定電圧で発光素子を駆動すると、素子の特性バラツキ、順方向降下電圧の変動によって電流が変化するので、順方向降下電圧よりも高い電圧を発生できる直流電源を用いて、直列の抵抗器や定電流ダイオード等を入れ電流を制限して、発光素子は使用される。

このように、ｐ電極とｎ電極の間に電圧を印加することにより電子と空孔を再結合させて発光させているため、発光量を増大させるためには、再結合を起こす電子を多く注入する必要があり、ｐ電極とｎ電極の間に印加する電圧を大きくする必要がある。しかし、ｐ電極とｎ電極の間に印加する電圧を大きくすると流れる電流は増大するが、印加電圧による電界、発熱によって、ｐｎ接合部の剥離、電気的短絡等の異常を生じて発光素子が破壊されたり、寿命が短くなったりしてしまうという問題があった。このような問題は、ｐｎ接合構造をもつ発光素子に限らず、ダブルへテロ接合構造、量子井戸接合構造をもつ発光素子（ＬＥＤ）でも同じように生じる現象である。

本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、交流電圧によってｎ型半導体層へ電子を注入することによって、発光量を制御することができる発光装置及びその駆動方法を提供することにある。

即ち、本発明は、ｎ型半導体層と、このｎ型半導体層に接合したｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に形成された第１の電極と、前記ｎ型半導体層に形成された第２の電極及び第３の電極と、前記第２の電極と前記第３の電極との間に交流電圧を印加する交流電源と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に直流電圧を印加する直流電源とを有し、前記交流電圧によって、前記ｎ型半導体層に電子が所定量注入され、前記直流電圧によって、前記ｐ型半導体層から前記ｎ型半導体層に正孔を注入して、前記電子と前記正孔とを再結合させる、発光装置に係るものである。

また、本発明は、ｎ型半導体層と、このｎ型半導体層に接合したｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に形成された第１の電極と、前記ｎ型半導体層に形成された第２の電極及び第３の電極と、前記第２の電極と前記第３の電極との間に交流電圧を印加する交流電源と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に直流電圧を印加する直流電源とを有する発光装置の駆動方法であって、前記交流電圧によって、前記ｎ型半導体層に電子を所定量注入し、前記直流電圧によって、前記ｐ型半導体層から前記ｎ型半導体層に正孔を注入して、前記電子と前記正孔とを再結合させる、発光装置の駆動方法に係るものである。

本発明の発光装置及びその制御方法によれば、前記第２の電極と前記第３の電極との間に印加される交流電圧によって、前記ｎ型半導体層に電子を所定量注入し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される直流電圧によって、前記ｐ型半導体層から前記ｎ型半導体層に正孔を注入して、前記電子と前記正孔とを再結合させるので、交流電圧又は／及び直流電圧によって発光量を制御することができ、発光装置の接合部の破壊を防止することができ、低寿命化を防止することができる。

本発明の発光装置では、前記交流電圧が前記直流電圧によってバイアスされて印加される構成とするのがよい。前記交流電圧が前記直流電圧でバイアスされて、前記第２の電極と前記第３の電極との間に印加されるので、効率良く前記ｎ型半導体層に電子を注入することができる。

また、基板と、この基板上に形成された下地絶縁層とを有し、前記第１の電極が前記下地絶縁層上に形成され、前記ｐ型半導体層が前記第１の電極上に形成され、前記ｎ型半導体層が前記ｐ型半導体層上に形成された構成とするのがよい。前記基板上に前記下地絶縁層が形成されているので、前記基板の材料に特に限定を受けることはない。即ち、前記基板上に成膜された前記下地絶縁層上に形成された、前記第１の電極、前記ｐ型半導体層、前記ｎ型半導体層、前記第２及び第３の電極の各層によって、発光装置が形成されるので、前記基板の材料として、導電性材料、半導体材料、絶縁物材料を使用することができ、Ａｌ等の金属、Ｓｉ等の半導体、ガラス、プラスチック等の基板を用いることができる。

また、前記ｎ型半導体層がｎ型酸化亜鉛により、前記ｐ型半導体層がｐ型酸化亜鉛により形成された構成とするのがよい。半導体材料としての酸化亜鉛を用いるので、安価な原料によって発光素子を製造することができる。

また、前記下地絶縁層が酸化亜鉛により形成される構成とするのがよい。前記下地絶縁層を酸化亜鉛によって形成するので、半導体材料としての酸化亜鉛を用いる場合、前記下地絶縁層上に結晶性が良好なｐ型酸化亜鉛又はｎ型酸化亜鉛を形成することができる。

また、前記第２の電極に接続されかつ前記ｎ型半導体層上に設けられた透明平板電極を有し、この透明平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる構成とするのがよい。前記第２の電極に接続された前記透明平板電極を前記ｎ型半導体層上に設け、前記透明平板電極を前記交流電圧の印加及び前記直流電圧の印加に用いるので、前記ｐ型半導体層下に設けられた前記第１の電極と前記透明平板電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）において、前記第１の電極と前記透明平板電極との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

また、前記第２の電極に接続された第１の透明櫛型電極と、前記第３の電極に接続された第２の透明櫛型電極とを有し、前記２つの櫛型電極の櫛歯が互いに噛み合わされるように、前記第１の透明櫛型電極と前記第２の透明櫛型電極とが前記ｎ型半導体層上に設けられ、前記２つの櫛型電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる構成とするのがよい。このような構成によって、前記第１の透明櫛型電極の櫛歯と前記第２の透明櫛型電極の櫛歯との間で、効率よく多量の電子を前記ｎ型半導体層に注入することができる。また、前記ｐ型半導体層下に設けられた前記第１の電極と前記第２の透明櫛型電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）に効果的に直流電圧を印加することができる。

また、前記２つの櫛型電極の一方の櫛歯の幅が他方の櫛歯の幅よりも大きい構成とするのがよい。このような構成によって、例えば、第１の透明櫛型電極の櫛歯の幅が前記第２の透明櫛型電極の櫛歯の幅よりも大きく形成されているものとすれば、前記ｐ型半導体層下に設けられた前記第１の電極と前記第１の透明櫛型電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）において、前記第１の電極と前記第１の透明櫛型電極との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

また、基板と、この基板上に形成された下地絶縁層とを有し、前記第２の電極と前記第３の電極と前記ｎ型半導体層とが前記下地絶縁層上に形成され、前記ｐ型半導体層が前記ｎ型半導体層上に形成された構成とするのがよい。このような構成によって、前記下地絶縁層上に前記第１の電極を形成する構成に加えて、前記第１、第２、第３の電極に接続すべき配線経路の配置の自由度を増大させることができる。

また、前記第１の電極に接続されかつ前記ｐ型半導体層上に設けられた透明平板電極を有し、この透明平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる構成とするのがよい。この構成によって、前記透明平板電極と前記第２の電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層とｎ型半導体層１４との間）において、前記透明平板電極と前記第２の電極１７とが対向する空間（対向空間）全体にわたって、より均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、対向空間全体にわたってより均一な発光を生じさせることができる。

また、前記第２の電極に接続されかつ前記ｎ型半導体層下に設けられた平板電極を有し、この平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加にそれぞれ用いられる構成とするのがよい。この構成によって、前記透明平板電極と前記平板電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）において、前記透明平板電極と前記平板電極との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

また、前記第２の電極に接続された第１の櫛型電極と、前記第３の電極に接続された第２の櫛型電極とを有し、前記２つの櫛型電極の櫛歯が互いに噛み合わされるように、前記第１の櫛型電極と前記第２の櫛型電極とが前記ｎ型半導体層下に設けられ、前記２つの櫛型電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる構成とするのがよい。このような構成によって、前記第１の櫛型電極の櫛歯と前記第２の櫛型電極の櫛歯との間で、効率よく多量の電子を前記ｎ型半導体層に注入することができる。また、前記ｐ型半導体層上に設けられた前記透明平板電極と前記第１櫛型電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）に効果的に直流電圧を印加することができる。

また、前記２つの櫛型電極の一方の櫛歯の幅が他方の櫛歯の幅よりも大きい構成とするのがよい。このような構成によって、例えば、第１の櫛型電極の櫛歯の幅が第２の櫛型電極の櫛歯の幅よりも大きく形成されているものとすれば、前記ｐ型半導体層上に設けられた前記透明平板電極と前記第１の櫛型電極との間（即ち、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間）において、前記透明平板電極と前記第１の櫛型電極との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

また、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に中間絶縁層を有し、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とが前記中間絶縁層を介して接合された構成とするのがよい。前記ｐ型半導体層上に形成された前記中間絶縁層によって平坦面が形成されこの平坦面上に前記ｎ型半導体層を安定して形成することができるので、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とが前記中間絶縁層を介して安定した接合を構成することができ、或いは、前記ｎ型半導体層上に形成された前記中間絶縁層によって平坦面が形成されこの平坦面上に前記ｐ型半導体層を安定して形成することができるので、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とが前記中間絶縁層を介して安定した接合を構成することができる。

本発明の発光装置の駆動方法では、前記交流電圧が印加された状態で前記直流電圧を印加する構成とするのがよい。前記交流電圧が前記直流電圧でバイアスされて、前記第２の電極と前記第３の電極との間に印加されるので、効率良く前記ｎ型半導体層に電子を注入することができる。

また、所定の前記交流電圧が印加された状態で前記直流電圧を変化させることによって、発光量が制御される構成とするのがよい。電子が前記ｎ型半導体層に注入されている状態で前記直流電圧を変化させるので、前記直流電圧を増大、減少させることにより、発光量を増大、減少させることができ、広い範囲で発光量を変化させることができる。

また、所定の前記直流電圧が印加された状態で、前記交流電圧を変化させることによって、発光量が制御される構成とするのがよい。このような構成によって、前記交流電圧を増大、減少させることにより、低い直流電圧下でも発光量を増大、減少させることができる。

本発明の発光装置は、可視光に対して透明な酸化亜鉛薄膜(層)を用いて形成されたｐｎ接合型構造をもち、ｎ型酸化亜鉛薄膜(層)とｐ型酸化亜鉛薄膜（層）を有し、ｎ型酸化亜鉛薄膜内の電子とｐ型酸化亜鉛薄膜内の正孔とが再結合する時に、そのエネルギー差に対応した光を発する。ｎ型酸化亜鉛薄膜、ｐ型酸化亜鉛薄膜は反応性スパッタによって成膜することができる。

ｐ型酸化亜鉛薄膜には、エネルギーバンド上の価電子帯に正孔を注入するための第１の電極設けられ、ｎ型酸化亜鉛薄膜には、エネルギーバンド上の伝導帯に電子を注入するための第２の電極及び第３の電極が設けられている。ｎ型酸化亜鉛薄膜の第２の電極と第３の電極との間に交流電源が繋がれている。

ｎ型酸化亜鉛薄膜の第２の電極とｐ型酸化亜鉛薄膜の第１の電極との間に直流電源が繋がれており、第２の電極が負極、第１の電極が正極となるように直流電圧が印加される。ｐ型酸化亜鉛薄膜の第１の電極に印加した直流バイアスが、ｎ型酸化亜鉛薄膜とｐ型酸化亜鉛薄膜の間に印加される。ｎ型酸化亜鉛薄膜とｐ型酸化亜鉛薄膜の間に非常に薄い中間絶縁膜（層）を設けてもよく、上記の直流バイアスによって、ｎ型酸化亜鉛薄膜とｐ型酸化亜鉛薄膜の間の中間絶縁膜を隔てて電界を印加してもよい。

この発光装置の駆動方法では、ｎ型酸化亜鉛薄膜の第２の電極と第３の電極との間に印加される交流電圧により、ｎ型酸化亜鉛薄膜内に電子を注入して、ｎ型酸化亜鉛薄膜の第２の電極とｐ型酸化亜鉛薄膜の第１の電極との間に印加される直流バイアスにより、ｐｎ接合界面で電子と空孔を再結合させ、発光を生じさせる。

ｎ型酸化亜鉛薄膜は、例えば、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃がドープされているターゲットを用いて、Ａｒガス、Ｏ₂ガスを用いたＤＣ又はＲＦスパッタリング法によって成膜（スパッタリング成膜）することができる。

ｐ型酸化亜鉛薄膜は、例えば、ＺｎＯにＡｌがドープされているターゲットを用いて、Ａｒガス、Ｎ₂Ｏ（笑気）ガス、Ｏ₂ガスを用いたＤＣ又はＲＦスパッタリング法によって成膜（スパッタリング成膜）することができる。

以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態について詳細に説明する。

実施の形態
以下の説明では、発光装置（発光デバイス）として、ｐｎ接合構造をもつ発光ダイオード（発光素子）を例にとって説明する。また、本発明による発光装置は３端子の電界効果型トランジスタと類似し、３電極（端子）構成を有するので、ｐ型半導体膜に設けられるｐコンタクト電極（第１の電極）をゲート電極と呼び、ｎ型半導体膜に設けられるｎコンタクト電極（第２の電極、第３の電極）をソース電極、ドレイン電極と呼ぶことにする。

図１は、本発明の実施の形態における、発光装置の基本構造を説明する断面図である。

図２は、本発明の実施の形態における、発光装置の発光原理を説明する図であり、発光装置の構造とバンド構造を説明する模式図である。

図１に示すように、発光装置は、ｎ型半導体膜（層）１及びこの上に形成されたソース電極（第２の電極）４及びドレイン電極（第３の電極）５と、ｐ型半導体膜（層）２及びこの上に形成されたゲート電極（第１の電極）３と、発光装置の駆動を行うための交流電源６及び直流電源７とを有し、直流電圧によりバイアスされかつソース電極４とドレイン電極５との間に印加される交流電圧によって、ｎ型半導体膜１に電子が所定量注入され、ゲート電極３とソース電極４との間に印加される直流電圧によって、電子と正孔との再結合を生じ発光を生じる。

ソース電極４とドレイン電極５との間に所定の交流電圧が印加された状態で、ゲート電極３とソース電極４との間に印加する直流電圧を変化させることによって、或いは、ゲート電極３とソース電極４との間に所定の直流電圧が印加された状態で、ソース電極４とドレイン電極５との間に印加する交流電圧を変化させることによって、発光量を制御することができる。

直流電圧によりバイアスされた交流電圧を印加して電子がｎ型半導体膜１に注入された後に、ソース電極４とドレイン電極５との間に印加する交流電圧、及び、ゲート電極３とソース電極４との間に印加する直流電圧を変化させて、発光量を制御することもできる。

直流電圧によりバイアスされた交流電圧を印加して十分な電子量がｎ型半導体膜１に注入された後に、交流電圧を印加した状態／又は交流電圧の印加を停止した状態で、直流電圧を変化させることによって、或いは、直流電圧が印加された状態で交流電圧を変化させることによって、発光量を制御することもできる。

ｎ型半導体膜１に電子を注入する際に、所定の時間交流電圧を印加した後に、交流電圧を遮断して直流電圧を印加してもよい。

なお、ｎ型半導体膜１とｐ型半導体膜２とが、直接接合された構成でも、中間絶縁膜（層）（図１に図示せず。）を介して接合された構成でもよい。基板（図１に図示せず。）上に下地絶縁膜（層）（図１に図示せず。）が形成され、この上にゲート電極３が形成される。例えば、ｎ型半導体膜１がｎ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）により、ｐ型半導体膜２がｐ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）により形成され、中間絶縁膜、下地絶縁膜は酸化亜鉛（ＺｎＯ）により形成される。

図１に示す発光装置は、その発光面積を大きくすれば、面発光型の照明装置とすることができる。また、図１に示す発光装置を単位画素とし、この単位画素を多数個集積して、面発光型の表示装置とすることができる。この面発光型の照明装置或いは表示装置では、ゲート電極３とソース電極４との間に印加される直流電圧によってバイアスされる交流電圧（ソース電極４とドレイン電極５との間に印加される。）によって、ｎ型半導体膜体膜１に注入される電子量が制御される。

交流電圧が印加された状態で直流電圧を変化させることによって、或いは、所定の直流電圧が印加された状態で交流電圧を変化させることによって、発光量を制御することができ、面発光型の照明装置或いは表示装置における輝度の調整を容易に行うことができる。

図２に示すように、発光装置のｐｎ接合に順方向バイアス（ｐ型半導体膜２に正電圧、ｎ型半導体膜１に負電圧）を印加すると、順方向バイアスは禁止帯の幅を変化させエネルギー障壁が低くなり、ｎ型半導体膜１に設けられたｎコンタクト電極（ソース電極４及びドレイン電極５）から注入された電子は伝導帯を流れ、ｐ型半導体膜２に設けられたｐコンタクト電極（ゲート電極３）から注入された空孔は価電子帯を流れ、ｐｎ接合部付近で電子と空孔は禁制帯を越えて再結合し、即ち、電子がエネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯の空席に落ち、ほぼ禁制帯幅に相当するエネルギーが光として放出される。ゲート電極３とソース電極４の間に印加する直流電圧を上昇させていくと、電圧がある値（順方向降下電圧）以上になると電圧上昇に対する電流増加が大きくなり、電流量に応じて光を放出するようになる。

発光素子に流れる電流が最大定格電流を越えると低寿命となったり、発光装置の破壊を生じたりしてしまうこと、定電圧で発光装置を駆動すると、発光装置の特性バラツキ、順方向降下電圧の変動によって電流が変化してしまうことから、順方向降下電圧よりも高い電圧を発生できる直流電源を用いて、直列の抵抗器や定電流ダイオード等を入れ発光装置を流れる電流を制限した状態で、発光装置を使用してもよい。

ｎ型半導体膜１のソース電極４とドレイン電極５との間に印加される交流電圧、及び、ｎ型半導体膜１のソース電極４とｐ型半導体膜２のゲート電極３（ｐコンタクト電極）との間に印加される直流電圧によって、即ち、交流電源６、直流電源７によって、発光装置は駆動制御される。

ソース電極４とドレイン電極５との間に印加される交流電圧により、ｎ型半導体膜１に電子を注入して、ソース電極４とゲート電極３との間に印加される直流電圧により、ｐｎ接合界面で電子と空孔を再結合させるので、所定の直流電圧を印加した状態で、交流電圧を変化させることによって、ｎ型半導体膜１への電子の注入量を変化させて、発光量を制御することができ、低い直流電圧下でも発光量を増大させることができる。

ソース電極４とゲート電極３との間に印加される直流電圧をより高くすると、発光装置を流れる電流は増大し発光量は増大するが、印加電圧による電界、発熱によって、ｐｎ接合部の剥離、電気的短絡等の異常を生じて発光装置の破壊、低寿命化の原因となる。

本発明では、再結合を起こす電子をｎ型半導体膜１に多く注入して、ソース電極４とゲート電極３との間に印加される直流電圧によって、電子と空孔を再結合させて発光させるので、上述のように、低い直流電圧下でも発光量を増大させることができる。

図３は、本発明の実施の形態における、発光装置の基本構造を説明する斜視図である。

図４は、本発明の実施の形態における、発光装置の基本構造を説明する図であり、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）はＺ−Ｚ部（図３を参照。）の断面図である。

図３、図４に示すように、発光装置は、ｎ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜（層）１４及びこの上に形成されたソース電極（Ａｕ／Ｔｉ：第２の電極）１７及びドレイン電極（Ａｕ／Ｔｉ：第３の電極）１８と、ｐ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜（層）１２及びこの上に形成されたゲート電極（Ａｕ／Ｎｉ：第１の電極）１６と、発光装置の駆動を行うための交流電源１５（図３に図示せず。）及び直流電源１９（図３に図示せず。）とを有し、直流電圧によりバイアスされかつソース電極１７とドレイン電極１８との間に印加される交流電圧によって、ｎ型酸化亜鉛膜１４に電子が所定量注入され、ゲート電極１６とソース電極１７との間に印加される直流電圧によって電子と正孔の再結合による発光を生じる。

ソース電極１７、ドレイン電極１８の各電極とｐ型酸化亜鉛膜１２との間は、絶縁膜（層）２３によって電気的に分離されている。

なお、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２とが、直接接合された構成でも、透明な中間絶縁膜（層）（層間絶縁膜（層））を介して接合された構成でもよい。図３、図４に示す構成では、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２とが中間絶縁膜を介して接合されているが、中間絶縁膜は、図３、図４では図の簡略するために図示は省略し、後述する図６において図示している。透明な中間絶縁膜は酸化亜鉛により形成される。基板２１上に酸化亜鉛により形成された下地絶縁膜（層）１３が形成され、この上にゲート電極１６が形成される。

基板２１上に、下地絶縁膜１３、ｐコンタクト電極（ゲート電極１６）、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２、中間絶縁膜（設けても設けなくてもよい。）、絶縁膜２３、ｎ型酸化亜鉛薄膜（ＡＺＯ(Aluminum doped Zinc Oxide)）１４、ｎコンタクト電極（ソース電極１７、ドレイン電極１８）の順番で各膜（層）が成膜される。ｐ型酸化亜鉛膜１２はゲート電極１６上に大きな面積で接触するように形成されるので、確実に安定した電気的な接続が確保される。

基板２１の材料として、導電性材料、半導体材料、絶縁物材料を使用することができ、Ａｌ等の金属、Ｓｉ等の半導体、ガラス、プラスチック等の基板を用いることができる。

下地絶縁膜１３として、例えば、ＺｎＯ膜（１００ｎｍ程度）を用いる。ＺｎＯ絶縁膜を用いるのは、この下地絶縁膜１３上に成膜されるｐ型酸化亜鉛薄膜１２の結晶性を高める目的でもある。

ｐコンタクト電極（ゲート電極１６）は通常Ａｕ薄膜（５０ｎｍ）／Ｎｉ薄膜（１０ｎｍ）によって形成される。

ｐ型酸化亜鉛薄膜１２は、反応性スパッタ法で成膜された透明導電膜であり、正孔キャリア濃度が３．６×１０¹⁷／ｃｍ³、移動度が０．６９である。ｐ型酸化亜鉛薄膜１２の膜厚は１００ｎｍ程度が好ましい（成膜法については後述する。）。

中間絶縁膜は、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２の平坦化を目的としてアモルファスＺｎＯ絶縁膜を用いる。中間絶縁膜の膜厚が２０ｎｍを超えると良好な望ましいｐｎ接合特性が得られなくなるので、中間絶縁膜の膜厚は２０ｎｍ以下が好ましい（成膜法については後述する。）。

ｎ型酸化亜鉛薄膜１４は、反応性スパッタ法で成膜された透明導電膜であり、キャリア（電子）濃度が２．０×１０²⁰／ｃｍ³、移動度が１００である。ｎ型酸化亜鉛薄膜１４の膜厚は１００ｎｍ程度が好ましい（成膜法については後述する。）。なお、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４のキャリア濃度は、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４の膜厚、抵抗等によって変化する。

ｎコンタクト電極（ソース電極１７、ドレイン電極１８）は通常Ａｕ薄膜（５０ｎｍ）／Ｔｉ薄膜（１０ｎｍ）によって形成される。ソース電極１７、ドレイン電極１８を、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、電導性透明酸化亜鉛等によって形成してもよい。

以下、発光装置を構成する各膜（層）の成膜プロセスの代表的なプロセス条件を説明する。基本的にはＤＣスパッタリング法を用いるが、ＲＦスパッタリング法を用いてもよい、ここではＤＣスパッタリング法による成膜条件に関して説明する。

（ａ）下地絶縁膜１３
ターゲット材料：亜鉛（Ｚｎ）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（３２ｓｃｃｍ）＋酸素ガス（４８ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１００ｎｍ程度
なお、酸素ガスが４８ｓｃｃｍ未満であると膜欠陥を生じ導電性膜となるため、酸素ガスは４８ｓｃｃｍ以上とするのが好ましい。

（ｂ）中間絶縁膜（透明絶縁膜）
ターゲット材料：
亜鉛（Ｚｎ）＋アルミニウム（Ａｌ）（３０ｗｔ％）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（３２ｓｃｃｍ）＋酸素ガス（４８ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：２５ｎｍ以下
なお、酸素ガスが４８ｓｃｃｍ未満であると膜欠陥を生じ導電性膜となるため、酸素ガスは４８ｓｃｃｍ以上とするのが好ましい。

（ｃ）ｐコンタクト電極（Ａｕ／Ｎｉ）（ゲート電極１６）
（ｃ１）ターゲット材料：金（Ａｕ）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（１００ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１００ｎｍ程度
（ｃ２）ターゲット材料：ニッケル（Ｎｉ）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（１００ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１０ｎｍ程度
（ｄ）ｎコンタクト電極（Ａｕ／Ｔｉ）（ソース電極１７、ドレイン電極１８）
（ｄ１）ターゲット材料：金（Ａｕ）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（１００ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１００ｎｍ程度
（ｄ２）ターゲット材料：チタニウム（Ｔｉ）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（１００ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１０ｎｍ程度
（ｅ）Ａｌ、Ｎをドープしたｐ型酸化亜鉛薄膜１２
ターゲット材料：
亜鉛（Ｚｎ）＋酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）（３０ｗｔ％）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：
Ａｒガス（４０ｓｃｃｍ）＋笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）（３０ｓｃｃｍ）＋酸素ガス（１０ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１００ｎｍ程度
（ｆ）Ａｌをドープしたｎ型酸化亜鉛薄膜１４
ターゲット材料：
亜鉛（Ｚｎ）＋酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）（２ｗｔ％）（１００ｃｍ×１００ｃｍ）
スパッタリングガス：Ａｒガス（８０ｓｃｃｍ）＋酸素ガス（０．１２ｓｃｃｍ）
スパッタリング圧：０．５３Ｐａ
スパッタリングパワー：４００Ｗ
膜厚：１００ｎｍ程度
以上が、各膜（層）の成膜条件である。

図５は、本発明の実施の形態における、発光装置の発光原理（駆動方法と動作原理）を説明する図であり、図５（Ａ）はバンド構造を加味しない模式図、図５（Ｂ）はバンド構造を加味した模式図である。

図５に示す例では、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２とが、酸化亜鉛により形成されるＺｎＡｌＯ膜（層）（中間絶縁膜（層））１１を介して接合された構成を示している。ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２とが直接接合された構成でもよい。

図５に示すように、直流電源１９によって、発光装置のｐｎ接合に順方向バイアス（ｐ型半導体膜１２に正電圧、ｎ型半導体膜１４に負電圧）を印加すると、順方向バイアスは禁止帯の幅を変化させエネルギー障壁が低くなり、交流電源１５による交流電圧によって、ｎ型半導体膜１４に設けられたｎコンタクト電極（ソース電極１７及びドレイン電極１８）から注入された電子は伝導帯を流れ、ｐ型半導体膜１２に設けられたｐコンタクト電極（ゲート電極１６）から注入された空孔は価電子帯を流れ、ｐｎ接合部付近で電子と空孔は禁制帯を越えて再結合し、即ち、電子がエネルギーの高い伝導帯の準位（４．５７ｅＶ）からエネルギーの低い価電子帯の準位（７．８２ｅＶ）の空席に落ち、ほぼ禁制帯幅に相当するエネルギーに対応する波長をもった光が放出される。なお、図５（Ｂ）に示す、５．１ｅＶは、ゲート電極１６を構成する（Ａｕ／Ｎｉ）の仕事関数である。

このように、発光装置は、交流電源１５、直流電源１９によって駆動される。ｎ型酸化亜鉛薄膜の両端に設置したｎコンタクト電極であるソース電極１７とドレイン電極１８との間に、交流電圧（正弦波、矩形波、鋸歯状波等）が印加される。交流電圧の周波数は１２０Ｈｚ以上であれば、ｎ型酸化亜鉛薄膜への電流注入という作用効果を奏するので好ましい。ソース電極１７とドレイン電極１８との間に交流電圧を印加することによって、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４の伝導帯中に多くの電子キャリアを注入することが可能になる。

次に、このｎ型酸化亜鉛薄膜１４に印加した交流電圧に対してバイアスがかかるように、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２に対して直流電圧が印加される。この直流バイアスでｎ型酸化亜鉛薄膜１４内のキャリア（電子）とｐ型酸化亜鉛薄膜１２内の正孔を再結合させて発光させる。発光量の制御は主にｐ型酸化亜鉛薄膜１２に印加された直流バイアスの大きさによって制御されるが、一定直流バイアス下でｎ型酸化亜鉛薄膜１４内のキャリア濃度を交流電圧の印加によっても制御することができる。

以上説明したように、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４のソース電極１７とドレイン電極１８との間に印加される交流電圧、及び、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４のソース電極１７とｐ型酸化亜鉛薄膜１２のゲート電極１６（ｐコンタクト電極）との間に印加される直流電圧によって、発光装置は駆動制御され、ソース電極１７とドレイン電極１８との間に印加される交流電圧により、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４内に電子を注入して、ソース電極１７とゲート電極１６との間に印加される直流電圧により、ｐｎ接合界面で電子と空孔を再結合させるので、所定の直流電圧を印加した状態で、交流電圧を変化させることによって、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４内への電子の注入量を変化させて、発光量を制御することができ、低い直流電圧下でも発光量を増大させることができる。

図６は、本発明の実施の形態における、発光装置の製造工程を説明する、図３に示すＺ−Ｚ部の断面図である。以下、図６（Ａ）〜図６（Ｆ）に示す工程順に説明する。

（Ａ）下地絶縁膜１３の形成
基板２１上に、下地絶縁膜１３を形成する。基板２として、導電性材料、半導体材料、絶縁物材料の何れかを用い、下地絶縁膜１３として、結晶性の良好なｐ型酸化亜鉛薄膜１２を成膜するためにＺｎＯ絶縁膜を形成する。

（Ｂ）ゲート電極（Ａｕ／Ｎｉ）１６の形成
下地絶縁膜１３上にｐコンタクト電極としてのゲート電極１６を形成する。

（Ｃ）ｐ型酸化亜鉛薄膜１２、ＺｎＡｌＯ膜（中間絶縁膜）１１の形成
ゲート電極１６の一部を接続用端子部として露出させるようにして、ゲート電極（Ａｕ／Ｎｉ）１６上にｐ型酸化亜鉛薄膜１２を形成する。次に、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２上に中間絶縁膜１１を形成する。

（Ｄ）絶縁膜２３の形成
一方向の両端部において、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２、中間絶縁膜１１の端辺部の少なくとも一部を覆うようにして、下地絶縁膜１３上に絶縁膜２３を形成する。

（Ｅ）ｎ型酸化亜鉛薄膜１４の形成
両端部に形成された絶縁膜２３の間で露出する中間絶縁膜１１上にｎ型酸化亜鉛薄膜１４を形成する。

（Ｆ）ｎコンタクト電極としてのソース電極１７、ドレイン電極１８の形成
一方向の両端部において、一方の端部で絶縁膜２３の一部及びｎ型酸化亜鉛薄膜１４の端辺部の一部を覆うようにソース電極１７を、他方の端部で絶縁膜２３の一部及びｎ型酸化亜鉛薄膜１４の端辺部の一部を覆うようにドレイン電極１８を形成する。ソース電極１７、ドレイン電極１８を、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成してもよい。

以上のようにして、基板２１上に、下地絶縁膜１３、ｐコンタクト電極（ゲート電極１６）、ｐ型酸化亜鉛薄膜１２、中間絶縁膜１１、絶縁膜２３、ｎ型酸化亜鉛薄膜１４、ｎコンタクト電極（ソース電極１７、ドレイン電極１８）の順番で各膜（層）が成膜される。

なお、中間絶縁膜１１は設けない構成とすることもできる。また、上記の説明では、絶縁膜２３を形成した後にｎ型酸化亜鉛膜１４を形成したが、ｎ型酸化亜鉛膜１４を形成した後に絶縁膜２３を形成することもできる。ソース電極１７、ドレイン電極１８の各電極とｐ型酸化亜鉛膜１２との間が電気的に分離されるように、絶縁膜２３が形成されていればよい。

以下、図３、図４、図６に示す発光装置の変形例について説明する。

図７は、本発明の実施の形態における、発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）Ｚ−Ｚ部の断面図である。

図７は、図３、図４、図６に示す発光装置において、ソース電極１７に接続された透明平板ソース電極１７ａをｎ型酸化亜鉛膜１４上に設けた構成を示している。この構成によって、透明平板ソース電極１７ａとゲート電極１６との間（即ち、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２との間）において、透明平板ソース電極１７ａとゲート電極１６との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。透明平板ソース電極１７ａは、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成することができる。ゲート電極１６と透明平板ソース電極１７ａを一体化させて、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成してもよい。

図８は、本発明の実施の形態における、発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図８（Ａ）は平面図、図８（Ｂ）はＺ’−Ｚ’部の断面図である。

図８は、図３、図４、図６に示す発光装置において、ソース電極１７に接続された櫛型透明ソース電極１７ｂと、ドレイン電極１８に接続された櫛型透明ドレイン電極１８ｂとをｎ型酸化亜鉛膜１４上に設けた構成を示している。櫛型透明ソース電極１７ｂの櫛歯と櫛型透明ドレイン電極１８ｂの櫛歯とが互いに噛み合わされるように、櫛型透明ソース電極１７ｂと櫛型透明ドレイン電極１８ｂとがｎ型酸化亜鉛膜１４上に設けられている。櫛型透明ソース電極１７ｂ、櫛型透明ドレイン電極１８ｂは、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成することができる。ソース電極１７と櫛型透明ソース電極１７ｂを、ドレイン電極１８と櫛型透明ドレイン電極１８ｂをそれぞれ、一体化させて、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成してもよい。

櫛型透明ソース電極１７ｂの櫛歯の幅が櫛型透明ドレイン電極１８ｂの櫛歯の幅よりも大きく形成されているので、櫛型透明ソース電極１７ｂの櫛歯と櫛型透明ドレイン電極１８ｂの櫛歯との間で、効率よく多量の電子をｎ型酸化亜鉛膜１４に注入することができ、しかも、櫛型透明ソース電極１７ｂの櫛歯とゲート電極１６（即ち、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２との間）との間において、櫛型透明ソース電極１７ｂと櫛歯とゲート電極１６との対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

図９は、本発明の実施の形態における、発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図９（Ａ）は平面図、図９（Ｂ）はＹ−Ｙ部の断面図である。

図９は、図３、図４、図６に示す発光装置において、ｐ型酸化亜鉛膜１２とゲート電極１６の幅を同一にしてゲート電極１６の面積を大きく、絶縁膜２３、ソース電極１７、ドレイン電極１８の断面形状が直角に近い角度を有するようにして、発光装置の発光面積をできるだけ大きくしたものである。ソース電極１７、ドレイン電極１８を、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成することもでき、透明な開口面積を増大させることができる。なお、図７、図８に示す変形例を、図９に示す構成に適用することができることは言うまでもない。

図７〜図９に示す発光装置の製造は、図６に関して上述した製造工程を変更することによって、容易に可能であることは言うまでもないので、製造工程については詳述しない。

以上説明した図１、図３、図４、図６〜図９は、ゲート電極３、１６を下方に配置し、ソース電極４、１７とドレイン電極５、１８を上方に配置したボトムゲート型の発光装置であるが、以下で説明するように、ゲート電極３、１６を上方に配置し、ソース電極４、１７とドレイン電極５、１８を下方に配置したトップゲート型の発光装置の構成（図１０〜図１２）も可能である。

以下において、図１０〜図１２で説明する構成は、図３、図４、図６〜図９に示すボトムゲート型の発光装置において、ｐ型酸化亜鉛膜１２と、ｎ型酸化亜鉛膜１４の上下の位置関係、及び、ｐコンタクト電極（ゲート電極１６）とｎコンタクト電極（ソース電極１７、ドレイン電極１８）の上下の位置関係を変更したものであり、トップゲート型の発光装置に関するものである。

図１０は、本発明の実施の形態における、図９に示す発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図１０（Ａ）は平面図、図１０（Ｂ）はＸ−Ｘ部の断面図である。

図１０に示すように、基板２１上に形成された下地絶縁膜１３上に、ｎ型酸化亜鉛膜１４、ソース電極１７とドレイン電極１８、絶縁膜２３、ｐ型酸化亜鉛膜１２、ゲート電極１６がこの順に形成されている。

図１０に示す例では、ｐ型酸化亜鉛膜１２の両端辺部にゲート電極１６を形成しているが、一方の端辺部にのみに形成してもよい。また、ゲート電極１６をＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成することもできる。

図１０に示すようなトップゲート型の発光装置では、図３、図４、図６から図９に示すボトムゲート型の発光装置のように、大きな面積のゲート電極１６を設ける必要がない。また、トップゲート型の構成に加えて、ボトムゲート型の構成によって、ゲート電極１６、ソース電極１７、ドレイン電極１８の各電極に接続すべき配線経路の配置の自由度を増大させることができる。

図１１は、本発明の実施の形態における、図１０に示す発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図１１（Ａ）は平面図、図１１（Ｂ）はＸ−Ｘ部の断面図である。

図１１は、図１０に示す発光装置において、ｐ型酸化亜鉛膜１２の両端辺部のゲート電極１６に透明電極を接続する構成とし、透明平板ゲート電極１６ａをｐ型酸化亜鉛膜１２上に設けた構成を示している。図１１に示すように、基板２１上に形成された下地絶縁膜１３上に、ｎ型酸化亜鉛膜１４、ソース電極１７とドレイン電極１８、絶縁膜２３、ｐ型酸化亜鉛膜１２、透明平板ゲート電極１６ａがこの順に形成されている。

この構成によって、透明平板ゲート電極１６ａとソース電極１７との間（即ち、ｐ型酸化亜鉛膜１２とｎ型酸化亜鉛膜１４との間）において、透明平板ゲート電極１６ａとソース電極１７とが対向する空間（対向空間）全体にわたって、図１０に示す構成よりも、より均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、対向空間全体にわたってより均一な発光を生じさせることができる。透明平板ゲート電極１６ａは、ＩＴＯ、電導性透明酸化亜鉛等によって形成することができる。

図１２は、本発明の実施の形態における、発光装置の構造の変形例を説明する図であり、図１２（Ａ）は平面図、図１２（Ｂ）はＸ−Ｘ部の断面図、図１２（Ｃ）はＺ’−Ｚ’部（図８を参照。）に相当する断面図である。

図１２（Ｂ）は、図１１に示す発光光装置において、ソース電極１７に接続された平板ソース電極１７ｄ上にｎ型酸化亜鉛膜１４を設けた構成を示している。図１２（Ｂ）に示すように、基板２１上に形成された下地絶縁膜１３上に、平板ソース電極１７ｄ、ｎ型酸化亜鉛膜１４、ソース電極１７とドレイン電極１８、絶縁膜２３、ｐ型酸化亜鉛膜１２、透明平板ゲート電極１６ａがこの順に形成されている。

この構成によって、透明平板ゲート電極１６ａと平板ソース電極１７ｄとの間（即ち、ｐ型酸化亜鉛膜１とｎ型酸化亜鉛膜１４との間）において、透明平板ゲート電極１６ａと平板ソース電極１７ｄとの対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

図１２（Ｃ）は、図１１に示す発光光装置において、ソース電極１７に接続された櫛型ソース電極１７ｃと、ドレイン電極１８に接続された櫛型ドレイン電極１８ｃとを、ｎ型酸化亜鉛膜１４下に設けた構成を示している。櫛型ソース電極１７ｃの櫛歯と櫛型ドレイン電極１８ｃの櫛歯とが互いに噛み合わされるように、櫛型ソース電極１７ｃと櫛型ドレイン電極１８ｃとがｎ型酸化亜鉛膜１４下に設けられている。ソース電極１７と櫛型ソース電極１７ｃを、ドレイン電極１８と櫛型透レイン電極１８ｃをそれぞれ、一体化させて形成してもよい。

図１２（Ｃ）に示すように、基板２１上に形成された下地絶縁膜１３上に、櫛型ソース電極１７ｃと櫛型ドレイン電極１８ｃ、絶縁膜２３、ｎ型酸化亜鉛膜１４、ｐ型酸化亜鉛膜１２、透明平板ゲート電極１６ａがこの順に形成されている。

櫛型ソース電極１７ｃの櫛歯の幅が櫛型ドレイン電極１８ｃの櫛歯の幅よりも大きく形成されているので、櫛型ソース電極１７ｃの櫛歯と櫛型ドレイン電極１８ｃの櫛歯との間で、効率よく多量の電子をｎ型酸化亜鉛膜１４に注入することができ、しかも、櫛型ソース電極１７ｃの櫛歯と透明平板ゲート電極１６ａとの間（即ち、ｎ型酸化亜鉛膜１４とｐ型酸化亜鉛膜１２との間）において、櫛型ソース電極１７ｃの櫛歯と透明平板ゲート電極１６ａとの対向面の全体にわたって略均一な直流電圧が印加され、発光装置の発光面積が大きな場合でも、発光面全体にわたって略均一な発光を生じさせることができる。

なお、図１１、図１２に示す変形例において、ゲート電極１６、ソース電極１７、ドレイン電極１８、絶縁膜２３の断面形状を、図３、図４、図６〜図８に示すような、ソース電極１７、ドレイン電極１８、絶縁膜２３の断面形状に類似したものとすることができることは言うまでもない。

図１１、図１２に示す発光装置の製造は、図６に関して上述した製造工程を変更することによって、容易に可能であることは言うまでもないので、製造工程については詳述しない。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、以下の作用効果を得ることができる。
（１）従来技術における発光装置には設けられていなかった、キャリア（電子）注入のためのｎコンタクト電極（電極第２の電極と第３の電極）を有するので、発光装置の電気的絶縁破壊がなくなる。
（２）第２の電極と第３の電極との間に印加される交流電圧によって、ｎ型酸化亜鉛へのキャリア（電子）注入量を制御して、このキャリア（電子）注入量によって発光量を制御することができる。
（３）ｐコンタクト電極（第１の電極）と第２の電極との間に印加される直流バイアスの大きさによって、発光量を制御することできる。
（４）ｐ型酸化亜鉛膜、ｎ型酸化亜鉛膜を可視光に対して透明な酸化亜鉛薄膜によって形成するので、可視光に対して透明な発光装置を作製することができる。
（５）発光装置が３端子の電界効果型トランジスタと類似の構成を有するので、ｐ型酸化亜鉛膜に設けたｐコンタクト電極に印加される直流電圧のオン、オフによって、発光のオン、オフを制御するスイッチング機能をもったスイッチング発光装置として機能する。

特許文献１に記載の発明では、基板上に形成した発光装置及び薄膜トランジスタからなる半導体装置が、平面型ディスプレイの一画素を構成し、薄膜トランジスタによって所定の位置の発光装置の発光が制御されているが、一画素を構成する発光装置及び薄膜トランジスタは並置されているため、発光装置の発光面積が、薄膜トランジスタの占める面積によって制限されてしまうという問題がある。

しかし、本発明による発光装置では、上述のように、発光のスイッチング制御を行うための電極（第１の電極）、発光量の制御を行うための電極（第１の電極、第２の電極、第３の電極；ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極）を備えており、ｐコンタクト電極に印加される直流電圧のオン、オフによって、発光のオン、オフを制御することができ、発光装置の動作を制御するためのトランジスタを必要としないので、発光装置の発光面積が、トランジスタの占める面積によって制限されてしまうことはない。
（６）基板に下地絶縁膜を成膜することによって、基板として、金属、半導体、ガラス、プラスチック等を使用することができる。
（７）電子と正孔の再結合による発光装置であるために、各種の成膜技術を用いて容易に面発光デバイスを作製することができる。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、発光装置を構成する各膜（層）の材質、厚さ、大きさ寸法等は、発光装置の使用用途に合致するように、その性能を満たすように必要に応じて任意に適切に設定することができる。また、上述の実施の形態では、ｐ型及びｎ型半導体膜（層）をＺｎＯとする例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ等の種々の半導体材料にも適用することができ、更に、ホモ接合構造をもつ発光装置に限定されることなく、ダブルへテロ接合構造、量子井戸接合構造等をもつ発光装置にも適用することができ、発光効率を高めることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、各種の表示機器、小型照明機器等の分野において、好適に使用することができ、発光量が制御可能な発光装置及びその駆動方法を提供することができる。

本発明の実施の形態における、発光装置の基本構造を説明する断面図である。 同上、発光装置の発光原理を説明する図である。 同上、発光装置の基本構造を説明する斜視図である。 同上、発光装置の基本構造を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｚ−Ｚ断面図である。 同上、発光装置の発光原理を説明する模式図である。 同上、発光装置の製造工程を説明する断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｚ−Ｚ部の断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｚ’−Ｚ’部の断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｙ−Ｙ部の断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ部の断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ部の断面図である。 同上、発光装置の構造の変形例を説明する、（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ部の断面図、（Ｃ）Ｚ’−Ｚ’部に相当する断面図である。 従来技術における、発光素子と薄膜トランジスタとからなる半導体素子の断面図である。 同上、酸化物半導体発光素子としての発光ダイオードを示す断面図である。

符号の説明

１…ｎ型半導体膜、２…ｐ型半導体膜、３、１６…ゲート電極、
４、１７…ソース電極、５、１８…ドレイン電極、６、１５…交流電源、
７、１９…直流電源、１１…ＺｎＡｌＯ膜、１２…ｎ型酸化亜鉛膜、１３…下地絶縁膜、
１４…ｐ型酸化亜鉛膜、１６ａ…透明平板ゲート電極、１７ａ…透明平板ソース電極、
１７ｂ…櫛型透明ソース電極、１７ｃ…櫛型ソース電極、１７ｄ…透明ソース電極、
１８ｂ…櫛型透明ドレイン電極、１８ｃ…櫛型ドレイン電極、２１…基板、２３…絶縁膜

Claims (18)

1. ｎ型半導体層と、
   このｎ型半導体層に接合したｐ型半導体層と、
   前記ｐ型半導体層に形成された第１の電極と、
   前記ｎ型半導体層に形成された第２の電極及び第３の電極と、
   前記第２の電極と前記第３の電極との間に交流電圧を印加する交流電源と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に直流電圧を印加する直流電源と
   を有し、前記交流電圧によって、前記ｎ型半導体層に電子が所定量注入され、前記直流電圧によって、前記ｐ型半導体層から前記ｎ型半導体層に正孔を注入して、前記電子と前記正孔とを再結合させる、発光装置。
2. 前記交流電圧が前記直流電圧によってバイアスされて印加される、請求項１に記載の発光装置。
3. 基板と、この基板上に形成された下地絶縁層とを有し、前記第１の電極が前記下地絶縁層上に形成され、前記ｐ型半導体層が前記第１の電極上に形成され、前記ｎ型半導体層が前記ｐ型半導体層上に形成された、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記ｎ型半導体層がｎ型酸化亜鉛により、前記ｐ型半導体層がｐ型酸化亜鉛により形成された、請求項１に記載の発光装置。
5. 前記下地絶縁層が酸化亜鉛により形成される、請求項３に記載の発光装置。
6. 前記第２の電極に接続されかつ前記ｎ型半導体層上に設けられた透明平板電極を有し、この透明平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる、請求項３に記載の発光装置。
7. 前記第２の電極に接続された第１の透明櫛型電極と、前記第３の電極に接続された第２の透明櫛型電極とを有し、前記２つの櫛型電極の櫛歯が互いに噛み合わされるように、前記第１の透明櫛型電極と前記第２の透明櫛型電極とが前記ｎ型半導体層上に設けられ、前記２つの櫛型電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる、請求項３に記載の発光装置。
8. 前記２つの櫛型電極の一方の櫛歯の幅が他方の櫛歯の幅よりも大きい、請求項７に記載の発光装置。
9. 基板と、この基板上に形成された下地絶縁層とを有し、前記第２の電極と前記第３の電極と前記ｎ型半導体層とが前記下地絶縁層上に形成され、前記ｐ型半導体層が前記ｎ型半導体層上に形成された、請求項１に記載の発光装置。
10. 前記第１の電極に接続されかつ前記ｐ型半導体層上に設けられた透明平板電極を有し、この透明平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる、請求項９に記載の発光装置。
11. 前記第２の電極に接続されかつ前記ｎ型半導体層下に設けられた平板電極を有し、この平板電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる、請求項１０に記載の発光装置。
12. 前記第２の電極に接続された第１の櫛型電極と、前記第３の電極に接続された第２の櫛型電極とを有し、前記２つの櫛型電極の櫛歯が互いに噛み合わされるように、前記第１の櫛型電極と前記第２の櫛型電極とが前記ｎ型半導体層下に設けられ、前記２つの櫛型電極が前記交流電圧の印加、前記直流電圧の印加とにそれぞれ用いられる、請求項１０に記載の発光装置。
13. 前記２つの櫛型電極の一方の櫛歯の幅が他方の櫛歯の幅よりも大きい、請求項１２に記載の発光装置。
14. 前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に中間絶縁層を有し、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とが前記中間絶縁層を介して接合された、請求項１に記載の発光装置。
15. ｎ型半導体層と、このｎ型半導体層に接合したｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に形成された第１の電極と、前記ｎ型半導体層に形成された第２の電極及び第３の電極と、前記第２の電極と前記第３の電極との間に交流電圧を印加する交流電源と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に直流電圧を印加する直流電源とを有する発光装置の駆動方法であって、
    前記交流電圧によって、前記ｎ型半導体層に電子を所定量注入し、前記直流電圧によって、前記ｐ型半導体層から前記ｎ型半導体層に正孔を注入して、前記電子と前記正孔とを再結合させる、発光装置の駆動方法。
16. 前記交流電圧の印加状態で前記直流電圧を印加する、請求項１５に記載の発光装置の駆動方法。
17. 所定の前記交流電圧が印加された状態で前記直流電圧を変化させることによって、発光量が制御される、請求項１５に記載の発光装置の駆動方法。
18. 所定の前記直流電圧が印加された状態で、前記交流電圧を変化させることによって、発光量が制御される、請求項１５に記載の発光装置の駆動方法。

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