JP2008258297A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電子や正孔などの電荷が窒化物半導体ナノカラム内へ効率よく注入できる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を備え、前記発光層は、窒化物半導体からなる各カラムの長手方向が前記電極間に互いに平行に延在し、各カラムの平均半径及び間隙がナノサイズである複数のカラムで構成された窒化物半導体ナノカラムと、前記カラムの間隙を埋めるように設けられた電子輸送層とを有し、前記カラムと前記電子輸送層の界面の一部にナノサイズの金属ナノ構造体が析出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いたエレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと略記）素子に関する。

ＧａＮ系窒化物半導体は、発光材料として優れた特性を持ち、単結晶薄膜を用いるＬＥＤやレーザーは既に実用化されている。しかし単結晶薄膜は、大面積の発光デバイスへの適用は難しい。一方、窒化物半導体のナノカラムを利用した発光デバイスの作成も種々提案されている。

図３は、従来のＧａＮのナノカラムを利用した発光素子５０の構成を示す概略図である。この発光素子は、基板１の上に、透明電極２、発光層３、背面電極４が順に積層されて構成される。発光層３は、直径数〜数十ｎｍのＧａＮナノカラム６で構成されている。透明電極２と背面電極４とは、電源５を介して電気的に接続されている。電源５に電圧を印加すると、正極に接続された透明電極２からは正孔が、負極に接続された背面電極４からは電子が発光層３に注入される。発光層３に注入された電子と正孔は、更にＧａＮナノカラム６内に注入され、カラム内で再結合が起こり発光し、その光が透明電極２及び基板１を透過して発光素子１００の外部に取り出される（例えば、特許文献１参照。）。

近年、金属、特に銀の化合物に電子線照射又は電圧印加すると銀が析出するという現象が発見され注目を集めている。例えば、硫化銀の電極と白金の電極を１ナノメートル（ナノは１０億分の１）ほどの間隔で向かい合わせて電圧をかけると、硫化銀の電極から１０個程度の銀原子でできた微小な突起が伸びたり縮んだりして、電流を流したり切ったりできることが確認されている（例えば、非特許文献１参照。）。又、金属イオン担持体に電子線を照射すると金属イオンが電子線により還元されて金属になり、金属ナノワイヤ及び金属ナノパーティクルを形成することが確認されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５−２２８９３６号公報 特許第３４０９１２６号 K.Terabe, et.al., Ｎａｔｕｒｅ，433, 47, (2005)

窒化物半導体は、電子と正孔の再結合によって発光することが知られているが、発光効率を向上させるには、これら電子や正孔などの電荷が窒化物半導体内へ効率よく注入される必要がある。また、窒化物半導体ナノカラムの場合、電極との接合面積が小さい為、十分に電荷が供給されず、高輝度の発光素子の作成は難しい。

そこで、本発明の目的は、電子や正孔などの電荷が窒化物半導体ナノカラム内へ効率よく注入できる発光素子を提供することである。

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
を備え、
前記発光層は、
窒化物半導体からなる各カラムの長手方向が前記電極間に互いに平行に延在し、各カラムの平均半径及び間隙がナノサイズである複数のカラムで構成された窒化物半導体ナノカラムと、
前記カラムの間隙を埋めるように設けられた電子輸送層と
を有し、
前記カラムと前記電子輸送層の界面の一部にナノサイズの金属ナノ構造体が析出していることを特徴とする。

前記窒化物半導体ナノカラムは、Ｇａ，Ａｌ、Ｉｎのうち少なくとも一種類以上の元素を含む窒化物半導体を含んでもよい。また、前記窒化物半導体ナノカラムは、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、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少なくとも一種の元素を含んでもよい。

さらに、前記金属ナノ構造体は、粒子サイズがナノサイズのナノ粒子、又は、長さがナノサイズのナノワイヤであってもよい。また、前記金属ナノ構造体は、銀のナノ構造体であってもよい。さらに、前記銀のナノ構造体は、硫化銀に電子ビームを照射して析出させたものであってもよい。

本発明によれば、窒化物半導体を用いることにより、高輝度、高効率で面発光が実現でき、大面積化が可能となる発光素子が実現できる。また、窒化物半導体からなる各カラムと電子輸送層との界面に析出した金属が金属ナノ構造を形成するので、析出した金属ナノ構造における電界強度が強まり、半導体ナノカラムへの電荷の注入効率が飛躍的に増大することが期待できる。

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）
＜ＥＬ素子の概略構成＞
図１は、本実施の形態の発光素子の構成を示す概略図である。この発光素子１０は、第１の電極である透明電極２と、第２の電極である背面電極４との間に挟んで設けられた発光層３を備える。この発光層３は、窒化物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる複数のカラム６で構成された窒化物半導体ナノカラムと、各カラム６の間隙を埋めるように設けられた電子輸送層８、例えば、硫化銀Ａｇ_２Ｓとからなる。さらに、カラム６と電子輸送層８の界面の一部にナノメータサイズの金属ナノ構造体７、例えば、銀ナノワイヤ、又は、銀ナノ粒子が析出している。各カラム６の長手方向は電極間に互いに平行に延在し、各カラムの平均半径及び間隙はナノメートルサイズである。また、全体を支持するものとして、基板１が、第１の電極である透明電極２に隣接して設けられている。透明電極２と背面電極４とは、電源５を介して電気的に接続されている。電源５に電圧を印加すると、正極に接続された透明電極２からは正孔が、負極に接続された背面電極４からは電子が発光層３に注入される。発光層３に注入された電子と正孔は、更に、窒化物半導体ナノカラム６内に注入され、カラム６内で電子と正孔との再結合が生じて発光し、その光が透明電極２及び基板１を透過して発光素子１０の外部に取り出される。

本発明に係る発光素子１０の第１の特徴は、窒化物半導体ナノカラム６の各カラム６の間隙に電子輸送層８を充填している点である。また、第２の特徴は、カラム６と電子輸送層８との界面の一部に金属ナノ構造体７を析出させている点である。
従来の発光素子では、発光層がナノカラムのみからなる構造を有しており、電極とカラムとの接触面積が小さいため、電極からの電荷の供給が不十分で、高輝度の発光が期待できない。
一方、本発明者は、上記第１の特徴に示すように、窒化物半導体ナノカラム６の各カラムの間隙に電子輸送層８を埋めるように設けることにより、窒化物半導体へ電子注入できる面積が電極２、４との接点だけでなく電子輸送層８とナノカラム６との界面全体にまで拡張され、実効的な電子注入面積を増大することができることを見出した。さらに、本発明者は、上記第２の特徴に示すように、窒化物半導体ナノカラム６と電子輸送層８との界面に金属ナノ構造体７を析出させることによって、電子輸送層８からカラム６への電子の注入効率を向上させることができることを見出した。これによって、窒化物半導体ナノカラム６における発光効率を向上させることができ、低電圧で高輝度発光する発光素子を実現することができる。

次に、この発光素子の各構成部材について説明する。
＜基板＞
基板１には、例えば、ガラス基板，セラミックス基板，サファイア基板，窒化ホウ素（ＢＮ）基板，窒化アルミニウム基板，窒化ガリウム基板，窒化アルミニウム・ガリウム基板，窒化インジウム・ガリウム基板，炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板，シリコン（Ｓｉ）基板、あるいは、金属基板、またはポリカーボネート樹脂，ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂あるいはＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂等からなる樹脂基板を用いることができる。

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、光透過性を有していない材料も用いることができる。

＜電極＞
電極として、透明電極２と背面電極４とがある。これらは、光を取り出す側の電極を透明電極２として、他方の電極を背面電極４としている。それぞれの電極２，４は、光を取り出す側であるか否かでその材料等が限定される。なお、両方の電極を透明電極としてもよい。

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（Ｉｎ_２Ｏ_３にＳｎＯ_２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、ＳｎＯ_２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。

次に、背面電極４について説明する。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。好適な例としては、例えば、ＩＴＯやＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２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。

＜発光層＞
発光層３は、窒化物半導体からなる複数のカラム６で構成された窒化物半導体ナノカラム６と、各カラム６の間隙を埋めるように設けられた電子輸送層８とで構成される。さらに、カラム６と電子輸送層８との界面の一部に金属ナノ構造体７が析出している。

＜窒化物半導体ナノカラム＞
窒化物半導体カラム６を構成する窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮやこれらの混晶（例えばＧａＩｎＮ等）、を用いることができる。また、この窒化物半導体は、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、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。

窒化物半導体ナノカラム６の各カラムの構造としては、図２の（ａ）〜（ｄ）に示すように、一つのカラムとして均一組成（図２（ａ））である場合、複数の半導体物質が縦に３層以上積層された構造（図２（ｂ））、円柱の断面の半径方向に積層された構造（図２（ｃ））、円柱の長手方向に上下２層積層された構造（図２（ｄ））などのいずれであってもよい。なお、図２の（ａ）〜（ｄ）において、窒化物半導体ナノカラム６の全体形状は、円柱状として示しているが、円柱状に限定されるものではない。例えば、三角柱状、四角柱状などの形状や、紡錘形状、円錐形状などの形状であってもよい。

また、窒化物半導体ナノカラム６は、透明電極２と背面電極４との間で各カラムの長手方向が互いに平行に延在している。各カラム６の平均半径、間隙は、ナノメートルサイズである。

この窒化物半導体ナノカラム６は、例えば、気相成長法、液相成長法等によって作成することができる。窒化物半導体ナノカラム６をいずれかの電極２、４側から成長させる場合には、電極２、４の面に垂直な方向への成長速度が面に平行な方向への成長速度よりも大きくなるように成長条件を制御することが好ましい。このように制御することによって、面状ではなく、カラム状に成長させることができる。

＜電子輸送層＞
電子輸送層８は、カラム６の間隙を埋めるように設けられる。この電子輸送層８は、たとえばケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物を添加した第３Ｂ族元素の窒化物、硫化銀Ａｇ_２Ｓ等により構成することができる。電子輸送層８は単結晶体，多結晶体，非晶質体，微粒子体、有機物あるいはこれらの複合体、積層膜などどのような形態を有していてもよい。なお、窒化物半導体ナノカラム６と電子輸送層８との界面の一部に金属ナノ構造体を析出させるために、電子輸送層８としては、析出させる金属を含有することが好ましい。

＜金属ナノ構造体＞
金属ナノ構造体７は、窒化物半導体カラム６と電子輸送層８との界面の一部に析出している。金属ナノ構造体７は、銀、金、白金等のように導電性の金属が好ましい。また、金属ナノ構造体７は、ナノサイズの粒子、ナノサイズのナノワイヤ等の形状であってもよい。また、この金属ナノ構造体７は、カラム６の間隙に電子輸送層８を埋めるように形成する際に同時に界面に析出させるか、又は、その後に界面に析出させることが好ましい。

なお、上述の構成に限られず、発光層３を複数層設ける、電極２、４と発光層３との間に電流制限を目的として薄い誘電体層を複数設ける、交流電源により駆動する、２つの電極をいずれも透明電極とする、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。

（実施例１）
以下、実施の形態１に係る発光素子１０の製造方法の実施例１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を準備した。
（２）基板１上に、透明電極２として、スパッタリング法によりＩＴＯを厚さ１μｍで堆積させた。
（３）透明電極２上に、ＧａＮからなる各カラムの長手方向が透明電極２の表面に垂直となるようにして、長さ１μｍの複数のカラムからなるＧａＮナノカラム６を作成した。なお、ＧａＮナノカラムの形成方法としては、例えば、特開２００５−２２８９３６号公報等に記載された通常の方法を用いることができる。
（４）基板１の上に形成したＧａＮカラム６の各カラムの間隙に、電子輸送層８としてＡｇ_２Ｓを堆積させた。具体的には、蒸発源にＡｇ_２Ｓの粉体を投入し、真空中（１０^−６Ｔｏｒｒ台）にてエレクトロンビームを照射して、カラム６の間隙を埋めるようにＡｇ_２Ｓを蒸着させ、電子輸送層８とした。
（５）この電子輸送層８の膜をＸ線回折、及び、ＳＥＭによって調べたところ、Ａｇ_２Ｓの一部は還元され、ＧａＮナノカラム６と電子輸送層８であるＡｇ_２Ｓとの界面の一部にＡｇナノワイヤ７が析出していることが分かった。このＡｇナノワイヤは、ナノサイズの金属ナノ構造体である。なお、上記ＧａＮナノカラム６と、電子輸送層８と、カラム６と電子輸送層８との界面に析出したＡｇナノワイヤとによって発光層３を構成している。
（６）次に、発光層３の上にＰｔを電子ビーム蒸着法で厚さ２００ｎｍ堆積し、Ｐｔからなる背面電極４を形成した。
以上の工程によって、本実施例１の発光素子１０を得た。

この発光素子１０の透明電極２と背面電極４とを直流電源５に接続して発光評価を行なったところ、印加電圧５Ｖで発光し始め、１０Ｖで約３００ｃｄ／ｍ^２の発光輝度を示した。
なお各層の成膜方法は上記に述べた方法には限定されない。

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。

本発明の実施の形態１に係る発光素子の構成を示す概略断面図である （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体ナノカラムのいくつかの構造を示す概略図である 従来の発光素子の構成を示す概略断面図である

符号の説明

１ 基板
２ 透明電極
３ 発光層
４ 背面電極
５ 電源
６ 窒化物半導体ナノカラム
７ 金属ナノ構造体
８ 電子輸送層
１０ 発光素子
１１、１１ａ、１１ｂ 第１半導体物質
１２ 第２半導体物質
５０ 発光素子

Claims (6)

1. 少なくとも一方が透明又は半透明である一対の電極と、
   前記一対の電極間に挟まれて設けられた発光層と
   を備え、
   前記発光層は、
   窒化物半導体からなる各カラムの長手方向が前記電極間に互いに平行に延在し、各カラムの平均半径及び間隙がナノサイズである複数のカラムで構成された窒化物半導体ナノカラムと、
   前記カラムの間隙を埋めるように設けられた電子輸送層と
   を有し、
   前記カラムと前記電子輸送層の界面の一部にナノサイズの金属ナノ構造体が析出していることを特徴とする発光素子。
2. 前記窒化物半導体ナノカラムは、Ｇａ，Ａｌ、Ｉｎのうち少なくとも一種類以上の元素を含む窒化物半導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記窒化物半導体ナノカラムは、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、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少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記金属ナノ構造体は、粒子サイズがナノサイズのナノ粒子、又は、長さがナノサイズのナノワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記金属ナノ構造体は、銀のナノ構造体であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
6. 前記銀のナノ構造体は、硫化銀に電子ビームを照射して析出させたものであることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。

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