JP2008517477A - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関し、本発明に係る発光素子において、無機発光素子は、透明電極と接触する上部ドーピング層に酸化膜、窒化膜または金属膜を形成した後、プラズマ処理してプラズマエッチング層を形成し、透明電極と上部ドーピング層との接触力を向上させたものである。また、本発明に係る発光素子において、有機発光素子は、透明電極が接触する基板、特にプラスチック基板の上部に酸化膜、窒化膜または金属膜を形成した後、プラズマ処理してプラズマエッチング層を形成し、基板と透明電極との接触力を向上させたものである。このように、本発明に係る発光素子は、透明電極の接触力を改善させることによって、層分離を防止することができ、発光素子の効率を改善させることができると同時に、生産収率を向上させることができる。

Description

本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関する。より詳細には、透明電極を使用する発光素子において、透明電極と接触する層の表面にプラズマ処理を通じて表面粗度を増加させることによって接触力を向上させることができる発光素子及び発光素子の製造方法に関する。
一般的に、無機発光素子の場合、n型またはp型の半導体基板上にn型またはp型を示す下部ドーピング層を形成した後、発光層を形成し、次いで、p型またはn型を示す上部ドーピング層を形成した後、透明電極を形成する順に積層されている。また、有機発光素子の場合、ガラスのような基板上に透明電極を形成し、次いで、有機層を形成し、金属電極を順次に積層している。この場合、透明電極物質として酸化インジウム錫(ITO)や酸化亜鉛とアルミニウム(ZnO/Al)をマグネトロンスパッタリング蒸着、パルスレーザー蒸着(PLD)、または化学気相蒸着(CVD)などの方法を使用して比較的大面積で蒸着してきた。
しかしながら、マイクロサイズの超小型無機発光素子の製作に際して、前述のような一般的な蒸着方法を利用する場合、透明電極と発光層または上部ドーピング層との接触力が弱いため、エッチングなどの工程で透明電極と上部ドーピング層が分離される現象が発生し、素子特性及び収率を減少させている。一方、フレキシブルディスプレイの場合、プラスチック基板を主に使用するようになるが、プラスチック基板を使用してプラスチック基板上に透明電極層を一般的な蒸着方法により形成する場合にも、接触が不良となり、エッチングなどの工程で基板と透明電極が分離され、素子特性及び収率を減少させている。
これより、本発明者らは、無機または有機発光素子において、透明電極と接触する層の表面を改質することで接触力を補強する方法を研究しながら、透明電極と接触するような層に酸化膜、窒化膜及び金属膜を形成した後、これらをプラズマ処理して表面をエッチングした後、透明電極を形成する場合、透明電極と接触する層の表面粗度が増加しつつ接触力が向上し、これにより、発光素子の素子特性と効率をさらに向上させることができると同時に、生産収率をも高めることができることを知見し、本発明を完成した。
技術的解決課題
従って、本発明の第1目的は、透明電極が形成される層の上部にプラズマエッチング層を含む無機発光素子を提供することにある。
本発明の第2目的は、透明電極が形成される層の上部にプラズマエッチング層を形成する無機発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の第3目的は、透明電極が形成される基板の上部にプラズマエッチング層を含む有機発光素子を提供することにある。
本発明の第4目的は、透明電極が形成される基板の上部にプラズマエッチング層を形成する有機発光素子の製造方法を提供することにある。
技術的解決手段
上記第1目的を達成するために、本発明に係る無機発光素子は、基板と、前記基板上に形成された下部ドーピング層と、前記下部ドーピング層の上部に形成された発光層と、前記発光層の上部に形成された上部ドーピング層と、前記上部ドーピング層の上部に形成され、且つ酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択された膜で形成されたプラズマエッチング層と、前記プラズマエッチング層の上部に形成された透明電極層と、を含む。
上記第2目的を達成するために、本発明に係る無機発光素子の製造方法は、基板の上部に下部ドーピング層を形成する段階と、前記下部ドーピング層の上部に発光層を形成する段階と、前記発光層の上部に上部ドーピング層を形成する段階と、前記上部ドーピング層の上部に、酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から選択された1種以上の膜を形成する段階と、プラズマを用いて前記膜の表面をエッチングし、プラズマエッチング層を形成する段階と、前記プラズマエッチング層の上部に透明電極を形成する段階と、を含む。
上記第3目的を達成するために、本発明に係る有機発光素子は、基板と、前記基板上に形成され、且つ酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択された膜で形成されたプラズマエッチング層と、前記プラズマエッチング層の上部に形成された透明電極層と、前記透明電極層の上部に形成された電子又は正孔伝達用下部有機層と、前記下部有機層の上部に形成された有機発光層と、前記有機発光層の上部に形成された電子又は正孔伝達用上部有機層と、前記上部有機層の上部に形成された金属電極層と、を含む。
上記第4目的を達成するために、本発明に係る有機発光素子の製造方法は、基板の上部に、酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択された膜を形成する段階と、プラズマを用いて前記膜の表面をエッチングし、プラズマエッチング層を形成する段階と、前記プラズマエッチング層の上部に電子又は正孔伝達用下部有機層を形成する段階と、前記下部有機層の上部に有機発光層を形成する段階と、前記有機発光層の上部に電子又は正孔伝達用上部有機層を形成する段階と、前記上部有機層の上部に金属伝達層を形成する段階と、を含む。
発明の効果
本発明に係る無機発光素子は、透明電極と接触する上部ドーピング層または発光層の上部に酸化膜、窒化膜または金属膜を形成し、プラズマ処理することで表面粗度を増加させた後、透明電極を形成して、接触力を向上させることによって、透明電極との層分離を防止することができ、無機発光素子の性能を改善させることができる。
また、本発明に係る有機発光素子は、透明電極と接触する基板、特にプラスチック基板の上部に酸化膜、窒化膜または金属膜を形成し、プラズマ処理することで表面粗度を増加させた後、透明電極を形成して、基板と透明電極との分離を防止することによって、発光素子の効率を向上させることができる。
また、本発明に係る発光素子は、層間接触力を改善させることによって、生産工程上、発生し得る層分離を防止することができ、生産収率を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例に係る無機発光素子の構造を概略的に示す断面図であり、図2は、本発明の他の実施例に係る無機発光素子の構造を概略的に示す断面である。
図1及び図2を参照すれば、本発明に係る無機発光素子の構造は、基板100/下部ドーピング層200/発光層300/上部ドーピング層400/プラズマエッチング層500/透明電極600が順に積層された構造であるか、または、基板100/下部ドーピング層200/発光層300/プラズマエッチング層500/透明電極600が順に積層された構造である。その他、発光素子の効率を向上させるための中間層がさらに積層されることができる。
本発明に係る無機発光素子は、シリコン系発光素子または窒化物系発光素子であることができる。
前記基板100は、この分野において一般的に使われるp型またはn型半導体基板であることができ、サファイア、GaN、SiC、ZnO、GaAsまたはSiなどが用いられることができる。
前記基板100の上部に形成される下部ドーピング層200は、p型またはn型ドーピング層であって、p型またはn型を示す化合物のいずれを使用してもよく、好ましくは、GaAs:Be、GaAs:Si、GaN:Mg、SiC:N、SiC:P、SiC:B、ZnO:Ga、ZnO:Alなどが使われることができる。前記下部ドーピング層200は、この分野において一般的に使われる方法により適切な厚さで形成されることができ、好ましくは、50nm乃至500nmの厚さでマグネトロンスパッタリング蒸着、パルスレーザー蒸着(PLD)、または化学気相蒸着(CVD)などの方法により形成されるものである。
前記下部ドーピング層200上の所定領域に形成される発光層300は、p−n接合層であって、周期律表III−V族、II−VI族、IV−IV族で構成された化合物が使われることができ、発光波長によって適宜選択されることができる。例えば、GaAs、GaAlAs、GaAsP、AlGalnP、AlAs、GaP、AIP、ZnSe、SiC、GaN、GaInN、GaAlNなどが使われることができる。
前記発光層300もこの分野において一般的な方法により適切な厚さで形成されることができ、好ましくは、50nm乃至500nmの厚さで前述した成長方法により形成するものである。
前記発光層300の上部に、外部から印加される電流を均一に供給するために形成され得る上部ドーピング層400は、下部ドーピング層200がp型である場合、n型ドーピング層であり、下部ドーピング層200がn型である場合、p型ドーピング層である。例えば、GaAs:Be、GaAs:Si、GaN:Mg、SiC:N、SiC:P、SiC:B、ZnO:Ga、ZnO:Alなどが使われることができる。
前記上部ドーピング層400は、この分野において一般的に使われる方法により適切な厚さで形成されることができ、好ましくは、50nm乃至500nmの厚さで前述した成長方法により形成されるものである。
前記発光層300または前記上部ドーピング層400の上部に、接触力向上のためのプラズマエッチング層500を形成する。プラズマエッチング層500は、前記発光層300または上部ドーピング層400の上部に、酸化膜、窒化膜または金属膜を10nm以下の厚さで形成した後に、N、O、Ar、CF、SF及びNFの単一ガスまたは混合ガスを用いてプラズマ処理を通じて部分的にエッチングし、表面粗度を増加させる。過多エッチングされて形成された酸化膜や酸化膜または金属膜が損傷されることを防止するために、前記プラズマは、前記選択されたガスを1×10−4乃至5×10−5torrの圧力下で10sccm乃至20sccm速度で5乃至10秒間処理する。この時に使われるプラズマのパワーは、100W未満である。
一方、前記発光層300または上部ドーピング層400の上部に既に酸化膜や窒化膜が形成されている場合には、酸化膜または窒化膜を形成する必要なく、そのままプラズマ処理が進行されることができる。一方、金属膜は、素子の特性上、酸化膜や窒化膜の形成が容易でない場合に形成することができ、金属膜を形成した後、プラズマ処理または素子特性が劣化しない条件下で熱処理し、表面粗度を増加させることができる。
この時、酸化膜としては、SiOなどが使われることができ、窒化膜としては、Siなどが使われることができ、金属膜としては、Au、Ag、Al、NiまたはCuの単一金属または合金が使われることができる。
また、前記プラズマ処理される膜の厚さは、10nm以下であり、好ましくは、1乃至8nmであることが好ましい。10nmを超過する場合、形成された酸化膜や窒化膜または金属膜が破壊される問題が発生することができる。
前記プラズマエッチング層500の上部に、金属電極のための透明電極600が形成される。透明電極600は、ITO、InSnO、ZnO、SnO、NiOまたはCuSrOの酸化物を用いて形成されることができ、または、CuInO:Ca、InO:Moのように酸化物にn型またはp型ドーピングしたものが用いられることができる。透明電極600の厚さは、50nm乃至200nmであることが好ましく、この分野において一般的に使用する方法により形成されることが好ましい。
図3は、本発明の一実施例に係る有機発光素子の構造を概略的に示す断面図である。
図3を参照すれば、本発明に係る有機発光素子の構造は、基板700/プラズマエッチング層800/透明電極層900/有機層1000/金属電極層1100が積層されている構造である。前記有機層1000には、発光層が含まれ、その他、透明電極層と発光層との間に正孔注入層、正孔輸送層が含まれることができ、発光層と金属電極層との間に正孔抑制層、電子輸送層、電子注入層が含まれることができ、その他、層間界面特性を改善させるための中間層が含まれることができる。
前記基板700としては、この分野において一般的に使われる基板を使用することができ、特に透明性、表面平滑性、取り扱い容易性及び防水性に優れたガラス基板または透明プラスチック基板であることが好ましい。また、前記プラスチック基板としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)などの高分子化合物で構成された基板が使われることができる。
前記基板700の上部に、接触力向上のためのプラズマエッチング層800を形成する。プラズマエッチング層800は、前記基板700の上部に酸化膜、窒化膜または金属膜を10nm以下の厚さで形成した後に、N、O、Ar、CF、SF及びNFの単一ガスまたは混合ガスを用いてプラズマ処理を通じて部分的にエッチングし、表面粗度を増加させる。前記プラズマは、上記で選択されたガスを1×10−4乃至5×10−5torrの圧力下で10sccm乃至20sccm速度で5乃至10秒間処理する。この時に使われるプラズマのパワーは、100W未満である。
一方、前記基板700の上部に既に酸化膜や窒化膜が形成されている場合には、酸化膜または窒化膜を形成する必要なく、そのままプラズマ処理が進行されることができる。一方、金属膜は、素子の特性上、酸化膜や窒化膜の形成が容易でない場合に形成することができ、金属膜を形成した後、プラズマ処理または素子特性が劣化しない条件下で熱処理し、表面粗度を増加させることができる。
この時、酸化膜としては、SiOなどが使われることができ、窒化膜としては、Siなどが使われることができ、金属膜としては、Au、Ag、Al、NiまたはCuの単一金属または合金が使われることができる。
また、前記プラズマ処理される膜の厚さは、10nm以下であり、1乃至8nmであることが好ましく、10nmを超過する場合には、形成された酸化膜や窒化膜または金属膜が破壊される問題が発生することができる。
前記プラズマエッチング層800の上部には、この分野においての一般的な方法により透明電極層900が形成される。透明電極層900は、ITO、InSnO、ZnO、SnO、NiOまたはCuSrOの酸化物を用いて形成されることができ、または、CuInO:Ca、InO:Moのように酸化物にn型またはp型ドーピングしたものが用いられることができる。透明電極層900は、50nm乃至200nmであることが好ましく、この分野において一般的に使用する方法により形成されることが好ましい。
次いで、透明電極層900の上部に有機層1000が形成される。前記有機層1000には、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔抑制層、電子輸送層、電子注入層などを含むことができる。
前記正孔注入層は、銅フタロシアニン(CuPc)またはスターバースト(Starburst)型アミン類であるTCTA、m−MTDATA、IDE406(イデミツ社製材料)などで形成されることができ、正孔輸送層は、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−N,N’−ジフェニル−[1,1−ビフェニル]−4,4’ジアミン(TPD)、N,N’−ジ(ナフタレン−1−イル)−N,N’−ジフェニルベンジジン:α−NPD)、IDE320(イデミツ社製材料)などで形成されることができる。
前記発光層としては、通常使われるものを使用し、特に制限されるものではなく、具体的な例として、アルミニウム錯体(例:Alq3(トリス(8−キノリノラト)−アルミニウム(tris(8-quinolinolato)-aluminium)、BAlq、SAlq、Almq3、ガリウム錯体(例:Gaq’2OPiv、Gaq’2OAc、2Gaq’2)、フルオレン(fluorene)系高分子、ポリパラフェニレンビニレンまたはその誘導体、ビフェニル誘導体、スピロポリフルオレン(spiropolyfluorne)系高分子などを利用する。
前記正孔抑制層は、電子輸送能力を有し、且つ発光化合物より高いイオン化ポテンシャルを有するBAlq、BCP、TPBIなどを使用して形成されることができる。
また、電子輸送層は、Alq3のような電子輸送物質を使用して形成されることができる。
電子注入層を形成する電子注入物質としては、特に制限されるものではなく、LiF、NaCl、CsF、LiO、BaO、Liなどが使われることができる。
前記有機層1000に含まれることができる正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔抑制層、電子輸送層または電子注入層は、真空蒸着やスピンコーティングのような方法により形成されることができ、これらの厚さは、この分野において一般的に使われる厚さで形成されることができる。
前記有機層1000の上部に金属電極層1100が形成されることができ、これらは、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、アルミニウム−リチウム(Al−Li)、カルシウム(Ca)、マグネシウム−インジウム(Mg−In)、マグネシウム−銀(Mg−Ag)などを用いて形成されることができる。形成される金属電極層1100の厚さは、200nm乃至300nmであることが好ましい。
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
無機発光素子の製造
Si基板の上部にSiC:Bを用いてp型ドーピング層を200nmの厚さで500mTorrの真空下で形成した。次いで、p型ドーピング層の上部にSiHを用いて発光層を50nmの厚さで500mTorrの真空下で形成した。前記発光層の上部にSiC:Pを用いてn型ドーピング層を200nmの厚さで500mTorrの真空下に形成した。
前記n型ドーピング層の上部にSiHとOを使用して酸化膜を7nmの厚さで500mTorrの真空下で成長させる。次いで、Arガスを20sccmで4.6×10−4torrの圧力下でプラズマパワーを100Wにし、バイアス電圧を230Vに維持しながら10秒間ドライエッチングした。次いで、ITOを100nmの厚さで15mTorrの真空下で形成し、無機発光素子を製造した。
有機発光素子の製造
ポリエチレンスルホン(PES)基板上にマグネトロンスパッタリングを使用して酸化膜を7nmの厚さで10mTorrの真空下で成長させた。次いで、Arガスを20sccmで4.6×10−4torrの圧力下でプラズマパワーを100Wにし、バイアス電圧を230Vに維持しながら10秒間処理し、表面をエッチングした。次いで、ITOを180nmの厚さで15mTorrの真空下で蒸着して、透明電極層を形成した。次いで、前記透明電極層の上部にNPDを50nmの厚さで真空熱蒸着して、NPD層を形成し、NPD層の上部にAlq3を蒸着して、50nm厚さのAlq3層を形成し、有機層を形成した。
前記有機層の上部にAlを真空熱蒸着して、金属電極を150nmの厚さで形成し、有機発光素子を製造した。
前記ポリエチレンスルホン基板上にArガスを用いてプラズマを処理した後、ITOを蒸着した場合の断面(a)、及びプラズマ処理しない状態でポリエチレンスルホン基板上にITOを蒸着した場合の断面(b)のSEMイメージを図4に各々(a)及び(b)で示す。また、これらの発光イメージを図5に各々(a)及び(b)で示す。
図4(a)に示されたように、プラズマ処理した場合、基板とITO層の分離が生じないことを確認することができ、また、このため、図5(a)に示されたように、発光面の全てが非常に均一な発光特性を示すことが分かった。これに対し、図4(b)に示されたように、プラズマ処理しない場合の基板とITO層は、若干分離が生じたことを確認することができ、このため、図5(b)に示されたように、局部的な発光特性を示した。
本発明の一実施例に係る無機発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る無機発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る有機発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 図3の有機発光素子のプラズマ処理有無による断面を示すSEM写真である。 図3の有機発光素子のプラズマ処理有無による発光イメージを示す光学顕微鏡写真である。
符号の説明
100 基板
600、900 透明電極層
200 下部ドーピング層
1000 有機層
300 発光層
1100 金属電極層
400 上部ドーピング層
500、800 プラズマエッチング層

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された下部ドーピング層と、
    前記下部ドーピング層の上部に形成された発光層と、
    前記発光層の上部に形成された上部ドーピング層と、
    前記上部ドーピング層の上部に形成され、且つ酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択されて形成されたプラズマエッチング層と、
    前記プラズマエッチング層の上部に形成された透明電極層と、を含むことを特徴とする無機発光素子。
  2. 前記上部ドーピング層が除外されたことを特徴とする請求項1に記載の無機発光素子。
  3. 前記基板は、p型またはn型半導体基板であり、前記下部ドーピング層は、p型またはn型ドーピング層であり、前記上部ドーピング層は、n型またはp型ドーピング層であることを特徴とする請求項1に記載の無機発光素子。
  4. 前記プラズマエッチング層は、10nm以下の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の無機発光素子。
  5. 前記酸化膜は、SiOで形成され、前記窒化膜は、Siで形成され、前記金属膜は、Au、Ag、Al、Ni、Cuよりなる群から1種以上選択された金属で形成されることを特徴とする請求項1に記載の無機発光素子。
  6. 前記透明電極は、ITO、InSnO、ZnO、SnO、NiO及びCuSrOよりなる群から選択された1種以上の酸化物で形成されたり、CuInO:CaまたはInO:Moの酸化物にn型またはp型物質をドーピングして形成されることを特徴とする請求項1に記載の無機発光素子。
  7. 基板上に下部ドーピング層を形成する段階と、
    前記下部ドーピング層の上部に発光層を形成する段階と、
    前記発光層の上部に上部ドーピング層を形成する段階と、
    前記上部ドーピング層の上部に、酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から選択された1種以上で膜を形成する段階と、
    前記膜の上部にプラズマを用いて表面をエッチングし、プラズマエッチング層を形成する段階と、
    前記プラズマエッチング層の上部に透明電極を形成する段階と、を含むことを特徴とする無機発光素子の製造方法。
  8. 前記プラズマは、N、O、Ar、CF、SF及びNFよりなる群から1種以上選択されたガスを用いて、1×10−4乃至5×10−5torrの圧力下で10sccm乃至20sccm速度で5乃至10秒間処理されることを特徴とする請求項7に記載の無機発光素子の製造方法。
  9. 基板と、
    前記基板上に形成され、且つ酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択されたプラズマエッチング層と、
    前記プラズマエッチング層の上部に形成された透明電極層と、
    前記透明電極層の上部に形成された有機層と、
    前記有機層の上部に形成された金属電極層と、を含むことを特徴とする有機発光素子。
  10. 前記基板は、プラスチック基板であり、前記有機層は、発光層であることを特徴とする請求項9に記載の有機発光素子。
  11. 前記プラズマエッチング層は、10nm以下の厚さを有することを特徴とする請求項9に記載の有機発光素子。
  12. 前記酸化膜は、SiOで形成され、前記窒化膜は、Siで形成され、前記金属膜は、Au、Ag、Al、Ni、Cuよりなる群から1種以上選択された金属で形成されることを特徴とする請求項9に記載の有機発光素子。
  13. 前記透明電極は、ITO、InSnO、ZnO、SnO、NiO及びCuSrOよりなる群から選択された1種以上の酸化物で形成されたり、CuInO:CaまたはInO:Moの酸化物電極にn型またはp型物質をドーピングして形成されることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子。
  14. プラスチック基板上に、酸化膜、窒化膜及び金属膜よりなる群から1種以上選択された膜を形成する段階と、
    前記膜の上部にプラズマを用いて表面をエッチングし、プラズマエッチング層を形成する段階と、
    前記プラズマエッチング層の上部に有機層を形成する段階と、
    前記有機層の上部に金属電極層を形成する段階と、を含むことを特徴とする有機発光素子の製造方法。
  15. 前記プラズマは、N、O、Ar、CF、SF及びNFよりなる群から1種以上選択されたガスを用いて、1×10−4乃至5×10−5torrの圧力下で10sccm乃至20sccm速度で5乃至10秒間処理されることを特徴とする請求項14に記載の有機発光素子の製造方法。
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