JP2010050421A - 半導体 - Google Patents
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Abstract
【課題】電荷注入により発光させる無機ＥＬ素子用の発光材料として有用であり、発光輝度に優れ長寿命を有する半導体の提供。
【解決手段】第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする、半導体。
【選択図】なし
【解決手段】第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする、半導体。
【選択図】なし
Description
本発明は、直流薄膜型無機ＥＬ素子に有用な半導体（以下、無機半導体、無機半導体材料ともいう）に関するものである。
近年、照明用光源やディスプレイ用のバックライトの低消費電力化に向けて、有機ＥＬ素子やＬＥＤなどの開発が進められている。これらは、直流駆動で発光する素子であり、低電圧でも高輝度で発光するという特徴がある。しかし、有機ＥＬ素子は有機物で構成されていることから、耐久性が低いという欠点がある。また、ＬＥＤは発光面積が極微小で点発光であるため、単位面積あたりの輝度は高いものの、絶対光量（光束）は少なく、用途が限られる。これらに対して、無機発光材料からなる無機ＥＬ素子は、無機物であることから耐久性が高く、かつ面発光が得られることから、次世代の照明用光源やディスプレイ用バックライトなどへの応用が期待され、注目を集めている。
無機ＥＬ素子は、駆動方法によって交流駆動型と直流駆動型に大別される。交流駆動型としては、高誘電性バインダーに発光を担う無機蛍光体粒子を分散してなる交流分散型ＥＬ素子と、誘電体層間に無機発光層薄膜を挟んでなる交流薄膜型ＥＬ素子の２種類が知られている。一方、直流駆動型としては、透明電極と金属電極で発光層薄膜を挟んで低電圧直流駆動する直流薄膜型ＥＬ素子が知られている。
交流分散型ＥＬ素子は、高誘電性バインダーに無機蛍光体粒子を分散した分散物を、支持体上に塗布して作製できることから、大面積化に有利である。また、交流薄膜型ＥＬ素子は、長寿命で安定した発光が得られるという特徴がある。しかし、いずれのタイプの素子も、発光のために高電圧の交流電源が必要であり、照明用光源やディスプレイ用バックライトなど、低消費電力が求められる分野への応用は難しい。
一方、直流駆動型無機ＥＬ素子は、１９７０〜８０年代に研究が盛んになされていた。例えば非特許文献１では、ＧａＡｓ基板上にＺｎＳｅ：Ｍｎを成膜し、Ａｕ電極と挟む構成の素子が報告されている。駆動電圧は約４Ｖと低電圧で発光が得られている。ここでの発光のメカニズムとしては、電圧を印加することで電極からトンネル効果で電子が注入され、発光中心であるＭｎを励起し、発光するという機構が想定されている。しかしながら、この素子は発光効率が低く、再現性に乏しかったため、以後の実用化研究や学術的な研究はなされてこなかった。
直流駆動で高効率な発光を得るためには、有機ＥＬ素子やＬＥＤのように電子と正孔の再結合による発光メカニズムが有効であり、そのため電子移動型（以下ｎ型）の半導体と正孔移動型（以下ｐ型）の半導体が接触する（以下ｐｎ接合）界面が必要となる。発光効率の観点から、母体材料が異なるｐｎ接合よりは、母体材料が同一であるｐｎ接合が好ましいが、無機ＥＬ素子に一般的に用いられている硫化物を母体とした半導体では、多くがｎ型の伝導型を示し、ｐ型の例は少ない。
特許文献１では、ＺｎＳのＳ原子をＮ原子に置き換えることによりｐ型化したＺｎＳが報告されている。また、非特許文献２では、ＺｎＳのＺｎ原子の一部をＡｇ原子に置き換えることによりｐ型化したＺｎＳが報告されている。このほか、ｐｎ接合による発光とは記載されていないが、ＺｎＳを発光層に用いた直流駆動の高輝度無機ＥＬ素子として特許文献２が知られている。
特許文献１では、ＺｎＳのＳ原子をＮ原子に置き換えることによりｐ型化したＺｎＳが報告されている。また、非特許文献２では、ＺｎＳのＺｎ原子の一部をＡｇ原子に置き換えることによりｐ型化したＺｎＳが報告されている。このほか、ｐｎ接合による発光とは記載されていないが、ＺｎＳを発光層に用いた直流駆動の高輝度無機ＥＬ素子として特許文献２が知られている。
しかしながら、特許文献１に記載の蛍光体は、母体材料へのＮ原子の取り込み率が低くドーピングしにくいため、再現性が低いという問題があり、また、非特許文献２に記載の蛍光体は、電界印加によってＡｇのマイグレーションが起き、その結果生じたＡｇ２Ｓにより素子の導電性が低下するという問題があることから、いずれも直流駆動の無機ＥＬに用いるｐ型半導体としては実用的ではない。また、特許文献２の直流駆動型無機ＥＬ素子は、非特許文献１の直流駆動型無機ＥＬ素子と同様に発光効率が低く、再現性に乏しいことから、やはり実用的な面発光素子ではない。
以上のことから、直流駆動が可能な面発光素子に適用できる、ｐ型の伝導性を有する無機半導体の開発が望まれていた。
本願発明は、直流駆動が可能な面発光素子に適用できる半導体と、それを用いる発光素子および直流薄膜型無機ＥＬ素子を提供しようとするものである。
発明者らは、鋭意検討の結果、第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とするであって、母体の第１６族元素を同一族でありかつ母体の第１６族元素とは異なる元素に置換することにより得られた、新規な半導体を見出し、本発明を成すに至った。
発明者らは、鋭意検討の結果、第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とするであって、母体の第１６族元素を同一族でありかつ母体の第１６族元素とは異なる元素に置換することにより得られた、新規な半導体を見出し、本発明を成すに至った。
即ち、本発明は以下の要件により達成される。
（１）
第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする、半導体。
（２）
母体材料を構成する第１６族元素が第ｎ周期（２≦ｎ≦４）であり、ドーパントとして第１６族の第ｎ−ｘ周期（１≦ｘ＜ｎ）に属する元素を含み、ｐ型半導体であることを特徴とする、上記（１）に記載の半導体。
（３）
母体材料を構成する第１６族元素がＴｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種を含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（４）
母体材料を構成する第１６族元素がＳｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓの少なくとも１種を含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（５）
母体材料を構成する第１６族元素がＳであり、ドーパントとしてＯを含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（６）
上記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする発光素子。
（７）
上記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする薄膜無機ＥＬ素子。
（１）
第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする、半導体。
（２）
母体材料を構成する第１６族元素が第ｎ周期（２≦ｎ≦４）であり、ドーパントとして第１６族の第ｎ−ｘ周期（１≦ｘ＜ｎ）に属する元素を含み、ｐ型半導体であることを特徴とする、上記（１）に記載の半導体。
（３）
母体材料を構成する第１６族元素がＴｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種を含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（４）
母体材料を構成する第１６族元素がＳｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓの少なくとも１種を含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（５）
母体材料を構成する第１６族元素がＳであり、ドーパントとしてＯを含むことを特徴とする、上記（２）に記載の半導体。
（６）
上記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする発光素子。
（７）
上記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする薄膜無機ＥＬ素子。
本発明の半導体は電荷注入により発光させる無機ＥＬ素子用の発光材料として有用であり、発光輝度に優れ長寿命を有するものである。
以下本発明について詳しく説明する。
本発明の半導体は、第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする。
なお、本発明の半導体の母体材料として用いられる第１２−１６族化合物とは、周期律表の第１２族に属する元素と周期律表の第１６族に属する元素からなる化合物を意味するものであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有するもの（当業者）が通常使用している標記・表現である。
本発明の半導体は、第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする。
なお、本発明の半導体の母体材料として用いられる第１２−１６族化合物とは、周期律表の第１２族に属する元素と周期律表の第１６族に属する元素からなる化合物を意味するものであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有するもの（当業者）が通常使用している標記・表現である。
該母体材料として用いられる化合物の例としては、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅなどであり、好ましくはＺｎＳ、ＺｎＳｅである。
母体材料を構成する第１６族元素が第ｎ周期（２≦ｎ≦４）であり、ドーパントとして第１６族の第ｎ−ｘ周期（１≦ｘ＜ｎ）に属する元素を含み、ｐ型半導体であることが好ましい。
該母体材料に、ドーパントとして母体材料を構成する第１６族元素よりも周期律表上で周期の低い元素をドープすると、母体材料の第１６族元素とドーパントは価数が同じであるが、母体材料の第１６族元素に比べてドーパントは電子親和力が大きいため、ドーパント近傍では電子が束縛され易くなる。このような現象を等電子トラップといい、電子が束縛された周辺に正電荷すなわち正孔が形成され、原子間で共鳴状態をつくることで、ｐ型の電気伝導を示すと考えられる。
該母体材料に、ドーパントとして母体材料を構成する第１６族元素よりも周期律表上で周期の低い元素をドープすると、母体材料の第１６族元素とドーパントは価数が同じであるが、母体材料の第１６族元素に比べてドーパントは電子親和力が大きいため、ドーパント近傍では電子が束縛され易くなる。このような現象を等電子トラップといい、電子が束縛された周辺に正電荷すなわち正孔が形成され、原子間で共鳴状態をつくることで、ｐ型の電気伝導を示すと考えられる。
母体材料とドーパントにおける第１６族元素の具体的な組み合わせとしては、以下のものが好ましい。
・母体材料を構成する第１６族元素がＴｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種である。
・母体材料を構成する第１６族元素がＳｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓの少なくとも１種である。
・母体材料を構成する第１６族元素がＳであり、ドーパントとしてＯを含む。
母体材料とドーパントの具体的な組み合わせとしては、例えば母体材料がＺｎＴｅ、ＣｄＴｅであればドーパントとなる元素はＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種である。同様に、母体材料がＺｎＳｅ、ＣｄＳｅであれば、ドーパントとなる元素はＯ、Ｓの少なくとも１種であり、母体材料がＺｎＳ、ＣｄＳであれば、ドーパントとなる元素はＯである。
・母体材料を構成する第１６族元素がＴｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種である。
・母体材料を構成する第１６族元素がＳｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓの少なくとも１種である。
・母体材料を構成する第１６族元素がＳであり、ドーパントとしてＯを含む。
母体材料とドーパントの具体的な組み合わせとしては、例えば母体材料がＺｎＴｅ、ＣｄＴｅであればドーパントとなる元素はＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種である。同様に、母体材料がＺｎＳｅ、ＣｄＳｅであれば、ドーパントとなる元素はＯ、Ｓの少なくとも１種であり、母体材料がＺｎＳ、ＣｄＳであれば、ドーパントとなる元素はＯである。
該母体材料に対するドーパントの含有のさせ方、すなわちドープ方法は、いかなる方法にも限定するものではないが、たとえば、母体材料の焼成時に母体材料と同じ金属の化合物の形で混入させて粉末を作製しても良いし、母体材料とドーパント化合物を蒸発源として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により基板上に薄膜として形成させることもできる。ドープ量としては、母体材料１モルに対して１×１０−７〜１×１０−１モルが好ましく、さらに好ましくは１×１０−５〜１×１０−３モルである。
上記製法により本発明の無機半導体を得ることができるが、直流駆動型無機ＥＬ素子に用いる場合には、焼成法などにより粉末として作製する場合は、得られた粉末を加圧成型し、電子ビーム蒸着等の物理蒸着によって薄膜のＥＬ素子を得ることができる。また、ＭＢＥ法などにより薄膜として作製する場合は、薄膜のＥＬ素子を直接得ることができる。
・発光素子
本発明の半導体は、無機ＥＬ等の発光素子における発光層に好適き使用できる。以下、本発明の発光素子について詳しく説明する。
本発明の半導体は、無機ＥＬ等の発光素子における発光層に好適き使用できる。以下、本発明の発光素子について詳しく説明する。
無機半導体を用いた発光素子、すなわち無機ＥＬ素子には、直流駆動で発光するものと交流駆動で発光するものがある。直流駆動で発光する無機ＥＬ素子は、電極上に電子ビーム蒸着などで半導体を用いた蛍光体発光層を形成し、さらにその上に電極層を形成させた構造のものが知られている。電極の一方はＩＴＯなどの透明電極であり、他方はＡｌなどの金属電極である。素子を形成する順序としては、透明電極上に半導体を用いた蛍光体薄膜を形成し、金属電極層を形成させてもよく、金属電極上に蛍光体薄膜を形成した後に、透明電極層を形成してもよい。このような構造の無機ＥＬ素子は、薄膜型無機ＥＬ素子と呼ばれる。また、交流駆動で発光する無機ＥＬ素子は、半導体を用いた無機蛍光体粒子を高誘電率のバインダー中に分散させ、透明電極と金属からなる背面電極とでサンドイッチした構造のものが知られている。このような構造の無機ＥＬ素子は、分散型ＥＬ素子と呼ばれる。一般に交流駆動の無機ＥＬ素子は電圧５０〜３００Ｖ、周波数５０〜５０００Ｈｚで駆動するが、直流駆動の無機ＥＬ素子は０．１〜２０Ｖと低電圧で駆動できることが特徴として挙げられる。本発明の半導体は、直流駆動型無機ＥＬ素子に有用である。
・発光層
直流駆動型無機ＥＬ素子は少なくとも透明電極（透明導電膜とも称する）と発光層（蛍光体層とも称する）と背面電極とから構成される。発光層の厚みは厚くなりすぎると発光に必要な電界強度を得るために両電極間の電圧が上昇するので、低電圧駆動を実現するためには５０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０μｍ以下である。また厚みが薄くなりすぎると、蛍光体層の両面にある電極が短絡しやすくなるため、短絡を避けるために厚みは５０ｎｍ以上が好ましく、さらに好ましくは１００ｎｍ以上である。
直流駆動型無機ＥＬ素子は少なくとも透明電極（透明導電膜とも称する）と発光層（蛍光体層とも称する）と背面電極とから構成される。発光層の厚みは厚くなりすぎると発光に必要な電界強度を得るために両電極間の電圧が上昇するので、低電圧駆動を実現するためには５０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０μｍ以下である。また厚みが薄くなりすぎると、蛍光体層の両面にある電極が短絡しやすくなるため、短絡を避けるために厚みは５０ｎｍ以上が好ましく、さらに好ましくは１００ｎｍ以上である。
蛍光体層の成膜方法としては、物理的蒸着法である抵抗加熱蒸着法や電子ビーム蒸着、スパッタリングやイオンプレーティング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）など無機材料を一般的に成膜する方法が用いられる。本発明に用いられる半導体は高温でも安定で高融点であることから、高融点材料を蒸着するのに適した電子ビーム蒸着法や、蒸着源をターゲット化できる場合はスパッタリング法が好適に用いられる。さらに電子ビーム蒸着の場合、半導体中に含有する金属の蒸気圧が、母体材料の蒸気圧と大幅に異なる場合には、それぞれ単独の蒸着源として複数の蒸着源を利用した蒸着方法も有用である。また結晶性を高めるという意味で、基板との格子マッチングを考慮したＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｉｙ）法も好適である。
本発明の半導体はｐ型半導体であることが好ましく、ｎ型半導体と組み合わせて発光層を形成することがより好ましい。
ｎ型半導体としては公知のものが使用できるが、より好ましくは第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料としハロゲン元素等をドープしてｎ型の導電性を付与したｎ型半導体などを用いる。
ｎ型半導体としては公知のものが使用できるが、より好ましくは第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料としハロゲン元素等をドープしてｎ型の導電性を付与したｎ型半導体などを用いる。
・透明電極
本発明に好ましく用いられる透明導電膜の表面抵抗率は、１０Ω／□以下であることが好ましく、０．０１Ω／□〜１０Ω／□が更に好ましい。特に０．０１Ω／□〜１Ω／□が好ましい。透明導電膜の表面抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ６９１１に記載の方法に準じて測定することができる。また、透明導電膜は、ガラス又はプラスチック基板上に形成されており、かつ酸化錫を含有していることが好ましい。
本発明に好ましく用いられる透明導電膜の表面抵抗率は、１０Ω／□以下であることが好ましく、０．０１Ω／□〜１０Ω／□が更に好ましい。特に０．０１Ω／□〜１Ω／□が好ましい。透明導電膜の表面抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ６９１１に記載の方法に準じて測定することができる。また、透明導電膜は、ガラス又はプラスチック基板上に形成されており、かつ酸化錫を含有していることが好ましい。
透明導電膜を形成させる基板としては、ガラス基板としては無アルカリガラス、ソーダライムガラスなど、一般的なガラスが用いられる。この場合、耐熱性が高く平坦性の高いガラスを用いることが好ましい。また、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やポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロースベース等の透明フィルムが好適に用いられる。これらの基板表面上に、インジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）や錫酸化物、酸化亜鉛等の透明導電性物質を蒸着、塗布、印刷等の方法で付着、成膜することができる。この場合、耐久性を上げる目的で透明導電膜表面を酸化錫主体の層とすることが好ましい。
透明導電膜を構成する透明導電性物質の好ましい付着量は、透明導電膜に対して、１００質量％〜１質量％、より好ましくは、７０質量％〜５質量％、さらに好ましくは、４０質量％〜１０質量％である。
透明導電膜の調製法はスパッター、真空蒸着等の気相法であっても良い。ペースト状のＩＴＯや酸化錫を塗布やスクリーン印刷で作成したり、膜全体を過熱したりレーザーにて加熱して成膜しても良い。
透明導電膜の調製法はスパッター、真空蒸着等の気相法であっても良い。ペースト状のＩＴＯや酸化錫を塗布やスクリーン印刷で作成したり、膜全体を過熱したりレーザーにて加熱して成膜しても良い。
本発明の発光素子において、透明導電膜には一般的に用いられる任意の透明電極材料が用いられる。例えば錫ドープ酸化錫、アンチモンドープ酸化錫、亜鉛ドープ酸化錫、フッ素ドープ酸化錫、酸化亜鉛などの酸化物、銀の薄膜を高屈折率層で挟んだ多層構造、ポリアニリン、ポリピロールなどの共役系高分子などが挙げられる。
更に素子を低抵抗化するには、例えば櫛型あるいはグリッド型等の網目状ないしストライプ状金属細線を配置して通電性を改善することが好ましい。金属や合金の細線としては、銅や銀、アルミニウム、ニッケル等が好ましく用いられる。この金属細線の太さは、任意であるが、０．５μｍ程度から２０μｍの間が好ましい。金属細線は、５０μｍ〜４００μｍの間隔のピッチで配置されていることが好ましく、特に１００μｍ〜３００μｍピッチが好ましい。金属細線を配置することで、光の透過率が減少するが、この減少は出来るだけ小さいことが重要で、８０％以上１００未満の透過率を確保することが好ましい。
金属細線は、メッシュを透明導電性フィルムに張り合わせてもよいし、予めマスク蒸着ないしエッチングによりフィルム上に形成した金属細線上に金属酸化物等を塗布、蒸着しても良い。また、予め形成した金属酸化物薄膜上に上記の金属細線を形成してもよい。
これとは、異なる方法となるが、金属細線の代わりに、１００ｎｍ以下の平均厚みを有する金属薄膜を金属酸化物と積層して本発明に適した透明導電膜とすることができる。金属薄膜に用いられる金属としては、ＡｕやＩｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉなど耐腐食性が高く、展延性等に優れたものが好ましいが、特にこの限りではない。
これらの複層膜は、高い光透過率を実現することが好ましく、具体的には７０％以上の光透過率を有することが好ましく、８０％以上の光透過率を有することが特に好ましい。光透過率を規定する波長は、５５０ｎｍである。光の透過率に関しては、干渉フィルターを用いて５５０ｎｍの単色光を取り出し、一般に用いられる白色光源を用いた積分型光量測定やスペクトル測定装置を用いて測定することが出来る。
・背面電極
光を取り出さない側の背面電極は、導電性の有る任意の材料が使用出来る。金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウムなどの金属、グラファイトなどの中から、作製する素子の形態、作製工程の温度等により適時選択されるが、その中でも熱伝導率が高いことが重要で、２．０Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ以上であることが好ましい。また、ＥＬ素子の周辺部に高い放熱性と通電性を確保するために、金属シートや金属メッシュを用いることも好ましい。
光を取り出さない側の背面電極は、導電性の有る任意の材料が使用出来る。金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウムなどの金属、グラファイトなどの中から、作製する素子の形態、作製工程の温度等により適時選択されるが、その中でも熱伝導率が高いことが重要で、２．０Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ以上であることが好ましい。また、ＥＬ素子の周辺部に高い放熱性と通電性を確保するために、金属シートや金属メッシュを用いることも好ましい。
・半導体材料
本発明の半導体は、当業界で広く用いられる焼成法（固相法）で半導体材料とすることができる。例えば、硫化亜鉛の場合、液相法で１０ｎｍ〜５０ｎｍの微粒子粉末（生粉と呼ぶ）を作成し、これを一次粒子として用い、これに付活剤と呼ばれる不純物を混入させて融剤とともに坩堝にて９００℃〜１３００℃の高温で３０分〜１０時間、第１の焼成をおこない、粒子を得る。
第１の焼成によって得られる中間蛍光体粉末をイオン交換水で繰り返し洗浄してアルカリ金属ないしアルカリ土類金属及び過剰の付活剤、共付活剤を除去する。
次いで、得られた中間体蛍光体粉末に第２の焼成をほどこす。第２の焼成は、第１の焼成より低温の５００〜８００℃で、また短時間の３０分〜３時間の加熱（アニーリング）をする。
上記製法により半導体材料を得ることができるが、直流型無機ＥＬ素子に用いる場合には上記製法により得られた半導体材料を加圧成型し、電子ビーム蒸着等の物理蒸着によってＥＬ素子を得ることができる。
本発明の半導体は、当業界で広く用いられる焼成法（固相法）で半導体材料とすることができる。例えば、硫化亜鉛の場合、液相法で１０ｎｍ〜５０ｎｍの微粒子粉末（生粉と呼ぶ）を作成し、これを一次粒子として用い、これに付活剤と呼ばれる不純物を混入させて融剤とともに坩堝にて９００℃〜１３００℃の高温で３０分〜１０時間、第１の焼成をおこない、粒子を得る。
第１の焼成によって得られる中間蛍光体粉末をイオン交換水で繰り返し洗浄してアルカリ金属ないしアルカリ土類金属及び過剰の付活剤、共付活剤を除去する。
次いで、得られた中間体蛍光体粉末に第２の焼成をほどこす。第２の焼成は、第１の焼成より低温の５００〜８００℃で、また短時間の３０分〜３時間の加熱（アニーリング）をする。
上記製法により半導体材料を得ることができるが、直流型無機ＥＬ素子に用いる場合には上記製法により得られた半導体材料を加圧成型し、電子ビーム蒸着等の物理蒸着によってＥＬ素子を得ることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔実施例１〕
母体材料１００ｇに対して、ドーパントとなる化合物を下記表１に示す量になるように秤量した。秤量した試料を乳鉢に入れ２０分以上混合した後、金型を使用して直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍのペレット状に成型した。このペレットを真空雰囲気中で１１００℃、３時間焼成し、半導体材料を得た。
得られた蛍光体材料を蒸着源として、電子ビーム蒸着法により石英基板上に薄膜を形成した。真空チャンバーの真空度は１×１０-4Ｐａ、基板温度は２００℃とし、０．５０ｎｍ／ｓｅｃのレートで膜厚が１μｍになるまで成膜した。成膜終了後、同一チャンバー内で６００℃、１時間の熱処理を施した。得られた薄膜表面に電極として抵抗加熱蒸着法によりＡｕを蒸着した。
上記のサンプルを用いて、ホール測定により得られた伝導型およびキャリア濃度を下記表１に示す。
母体材料１００ｇに対して、ドーパントとなる化合物を下記表１に示す量になるように秤量した。秤量した試料を乳鉢に入れ２０分以上混合した後、金型を使用して直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍのペレット状に成型した。このペレットを真空雰囲気中で１１００℃、３時間焼成し、半導体材料を得た。
得られた蛍光体材料を蒸着源として、電子ビーム蒸着法により石英基板上に薄膜を形成した。真空チャンバーの真空度は１×１０-4Ｐａ、基板温度は２００℃とし、０．５０ｎｍ／ｓｅｃのレートで膜厚が１μｍになるまで成膜した。成膜終了後、同一チャンバー内で６００℃、１時間の熱処理を施した。得られた薄膜表面に電極として抵抗加熱蒸着法によりＡｕを蒸着した。
上記のサンプルを用いて、ホール測定により得られた伝導型およびキャリア濃度を下記表１に示す。
ホール測定の結果、ドーパントをドープしていないサンプル１では、キャリア濃度が低く、絶縁体（キャリア濃度：１×１０5〜１×１０10ｃｍ−３）であるのに対して、サンプル２〜８ではｐ型の伝導型を示すことがわかる。
特に、サンプル４〜サンプル６では、キャリア濃度が半導体の領域（１Ｅ＋１５〜１Ｅ＋２０ｃｍ−３）であり、ｎ型の伝導層と組み合わせることにより、直流駆動の発光素子に用いる半導体材料として好ましいと考えられる。サンプル７および８では、ドープ量が増えているにも関わらずキャリア濃度が減少しているが、これは電子をひきつける酸素が増えたことで、生じた正電荷が局在化しやすくなるためと考えられる。サンプル６に対して母体材料を変えたサンプル９および１０でも、ｐ型の伝導型を示すことがわかる。本発明により、ｐ型の伝導性を示す新たな半導体が得られる。
特に、サンプル４〜サンプル６では、キャリア濃度が半導体の領域（１Ｅ＋１５〜１Ｅ＋２０ｃｍ−３）であり、ｎ型の伝導層と組み合わせることにより、直流駆動の発光素子に用いる半導体材料として好ましいと考えられる。サンプル７および８では、ドープ量が増えているにも関わらずキャリア濃度が減少しているが、これは電子をひきつける酸素が増えたことで、生じた正電荷が局在化しやすくなるためと考えられる。サンプル６に対して母体材料を変えたサンプル９および１０でも、ｐ型の伝導型を示すことがわかる。本発明により、ｐ型の伝導性を示す新たな半導体が得られる。
〔実施例２〕
実施例１の半導体を用いて直流駆動型無機ＥＬ素子を作製した。該直流駆動型無機ＥＬ素子の構造の概略を図１に示す。
第１電極２として厚さ２００ｎｍのＩＴＯ層が形成されたガラス基板１に対して、ＩＴＯ層の上に実施例１で作製した半導体（サンプル４〜６）を蒸着源として、電子ビーム蒸着法により蒸着成膜することで発光層３を形成した。
具体的には、実施例１で得られた本発明の蛍光体材料を第１の蒸着源に、ドナー元素としてＣｌをドープしてｎ型の伝導性を付与したＺｎＳを第２の蒸着源に配置し、第１の蒸着源を用いて蒸着成膜した後に、第２の蒸着源を用いて成膜することで発光層３を積層した。形成した発光層３の総厚みは合計で２μｍであった。そのときの蒸着チャンバー内の真空度は１×１０-4Ｐａ、基板１温度は２００℃に設定した。さらに、結晶性を向上させるために、成膜した発光層３に対して同一チャンバー内で６００℃、１時間熱処理を施した後、発光層３の上に抵抗加熱蒸着法により第２電極４としてＡｇを蒸着し、発光素子を得た。
得られた発光素子に、Ａｇを負極、ＩＴＯを正極として直流電流を流したところ、発光が確認された。
実施例１の半導体を用いて直流駆動型無機ＥＬ素子を作製した。該直流駆動型無機ＥＬ素子の構造の概略を図１に示す。
第１電極２として厚さ２００ｎｍのＩＴＯ層が形成されたガラス基板１に対して、ＩＴＯ層の上に実施例１で作製した半導体（サンプル４〜６）を蒸着源として、電子ビーム蒸着法により蒸着成膜することで発光層３を形成した。
具体的には、実施例１で得られた本発明の蛍光体材料を第１の蒸着源に、ドナー元素としてＣｌをドープしてｎ型の伝導性を付与したＺｎＳを第２の蒸着源に配置し、第１の蒸着源を用いて蒸着成膜した後に、第２の蒸着源を用いて成膜することで発光層３を積層した。形成した発光層３の総厚みは合計で２μｍであった。そのときの蒸着チャンバー内の真空度は１×１０-4Ｐａ、基板１温度は２００℃に設定した。さらに、結晶性を向上させるために、成膜した発光層３に対して同一チャンバー内で６００℃、１時間熱処理を施した後、発光層３の上に抵抗加熱蒸着法により第２電極４としてＡｇを蒸着し、発光素子を得た。
得られた発光素子に、Ａｇを負極、ＩＴＯを正極として直流電流を流したところ、発光が確認された。
１ ガラス基板
２ 第１電極
３ 発光層
４ 第２電極
２ 第１電極
３ 発光層
４ 第２電極
Claims (7)
- 第１２−１６族化合物の少なくとも１種または２種以上の混晶を母体材料とする半導体であって、母体材料を構成する第１６族元素とは異なる第１６族元素をドーパントとして含むことを特徴とする、半導体。
- 母体材料を構成する第１６族元素が第ｎ周期（２≦ｎ≦４）であり、ドーパントとして第１６族の第ｎ−ｘ周期（１≦ｘ＜ｎ）に属する元素を含み、ｐ型半導体であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体。
- 母体材料を構成する第１６族元素がＴｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓ、Ｓｅの少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体。
- 母体材料を構成する第１６族元素がＳｅであり、ドーパントとしてＯ、Ｓの少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体。
- 母体材料を構成する第１６族元素がＳであり、ドーパントとしてＯを含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする発光素子。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体を含むことを特徴とする薄膜無機ＥＬ素子。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11374054B2 (en) | 2018-03-19 | 2022-06-28 | Ricoh Company, Ltd. | Inorganic el element, display element, image display device, and system |
-
2008
- 2008-08-25 JP JP2008215981A patent/JP2010050421A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11374054B2 (en) | 2018-03-19 | 2022-06-28 | Ricoh Company, Ltd. | Inorganic el element, display element, image display device, and system |
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