JP2011076770A - Electroluminescent element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は電界発光素子に関し、さらに詳しくは、所謂量子ドットを含有する発光活性層を有する電界発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electroluminescent device, and more particularly to an electroluminescent device having a light emitting active layer containing so-called quantum dots and a method for manufacturing the same.
近年、自発光型フラットディスプレイへ展開させる技術として、量子ドット構造を持つ蛍光体の発光素子への応用が注目されている。通常、量子ドットとは、実空間において3次元全ての方向にキャリアの閉じ込めを実現する状態のことを云うが、ここで云う量子ドットとは、実空間において3次元全ての方向にキャリアの閉じ込めを実現する状態を作り出している構造体と定義する。この量子ドットの一例としては、直径数ナノメートルの球形状を持つ、相対的にバンドギャップ・エネルギーの小さい無機半導体粒子(コア部分)と、この無機半導体粒子の表面を覆う、相対的にバンドギャップ・エネルギーの大きな被覆(シェル層)と、から構成される複合材料がある。このような量子ドットはそのサイズ(直径)を精緻に制御することで、人為的にギャップ・エネルギーを規定し、所望の色を発光させることができるという特徴がある。 In recent years, attention has been focused on the application of phosphors having a quantum dot structure to light-emitting elements as a technique for developing self-luminous flat displays. Usually, a quantum dot refers to a state that achieves carrier confinement in all three dimensions in real space, but a quantum dot here refers to the confinement of carriers in all three dimensions in real space. It is defined as the structure that creates the state to be realized. As an example of this quantum dot, the inorganic semiconductor particle (core part) having a spherical shape with a diameter of several nanometers and a relatively small band gap energy, and a relatively band gap covering the surface of the inorganic semiconductor particle -There is a composite material composed of a high energy coating (shell layer). Such a quantum dot has a feature that it can artificially define a gap energy and emit a desired color by precisely controlling its size (diameter).
本発明者らは、湿式の化学合成手法で作製された上記量子ドットを用いて全無機質の電界発光素子を開発した(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。この電界発光素子は、量子ドットを含む発光活性層をキャリア障壁層で挟持した二重絶縁構造を持つものであり、交流電場を印加して量子ドット内にキャリアを注入することにより励起、発光させる量子ドット発光型無機エレクトロルミネッセンス(EL)素子である。
The present inventors have developed an all-inorganic electroluminescent device using the quantum dots produced by a wet chemical synthesis technique (see, for example,
この電界発光素子は、基板上に、順次、第1の電極、第1の絶縁層、量子ドットを含む発光活性層、第2の絶縁層、第2の電極が積層された構造を持つ。ここで、発光活性層は、上記特許文献1に開示した所謂エレクトロスプレー・イオンビーム堆積法(以下、ES−IBD法と称する。)を用いて、多数の量子ドットを、基板上に成膜された第1の絶縁層の表面へイオンビーム状に順次照射して堆積させることにより形成される。このES−IBD法で用いる原料は、量子ドットのシェル層表面に界面活性剤として機能する有機配位子を結合付着させたものを溶媒中にコロイド状に分散した溶液である。この方法では、量子ドットをイオンビーム状に変化させる途中で有機配位子の結合が解離する。したがって、このES−IBD法では、被堆積基板側へ堆積される量子ドットの殆どは有機配位子が排除された状態で堆積するため、発光活性層中に不要な不純物が少なくなるという利点がある。したがって、この方法によれば、不純物の影響を殆ど受けることのない良質な発光活性層を成膜できる。
The electroluminescent element has a structure in which a first electrode, a first insulating layer, a light emitting active layer including quantum dots, a second insulating layer, and a second electrode are sequentially stacked on a substrate. Here, the light emitting active layer is formed by forming a large number of quantum dots on a substrate by using a so-called electrospray ion beam deposition method (hereinafter referred to as an ES-IBD method) disclosed in
また、上記特許文献1に開示された電界発光素子としては、発光活性層が無機半導体材料からなる緩衝層と量子ドットとからなり、緩衝層中に量子ドットが包含された状態のものがある。
Moreover, as an electroluminescent element disclosed by the said
上述の電界発光素子を自発光型フラットディスプレイに応用した場合に、更なる発光強度の増加や、発光の色純度を向上するために、量子ドットにおける閉じ込め準位に由来する発光スペクトル以外の発光ピークの発生を抑制することなどの改善が望まれている。このような改善は、量子ドットにおける量子閉じ込め効果の低下、あるいは近接井戸との相互作用やサブバンドの形成などによる発光強度の低下ならびに発光スペクトルが広帯域となることを防止しようとするものである。 When the above-mentioned electroluminescent device is applied to a self-luminous flat display, an emission peak other than the emission spectrum derived from the confinement level in the quantum dot is used in order to further increase the emission intensity and improve the color purity of the emission. Improvements such as suppression of the occurrence of this are desired. Such an improvement is intended to prevent a decrease in the quantum confinement effect in the quantum dots, a decrease in emission intensity due to an interaction with a close well or formation of a subband, and a broadening of the emission spectrum.
上記特許文献1に記載されたES−IBD法を用いて量子ドットにエネルギーを付与して、量子ドットの堆積を行った場合、イオンビームの運動エネルギーによっては、ともすると量子ドットが絶縁層や緩衝層の表面に衝突して変形したり、損傷を受けたりすることが懸念される。この結果、量子ドットのサイズが変化して、量子ドットから放出される光の波長が変わってしまうことが危惧される。
When quantum dots are deposited by applying energy to the quantum dots using the ES-IBD method described in
また、上記特許文献1に開示されるように、発光活性層を無機半導体材料からなる緩衝層に量子ドットが包含されるように構成する場合、量子ドットと緩衝層の材料(無機半導体材料)とを同時に堆積させることは、成膜装置が複雑になり、また、量子ドットイオンに付与されたエネルギーが他の被堆積種との衝突によって変化するという問題がある。
In addition, as disclosed in
ES−IBD法を用いて、第1の絶縁層の上に量子ドットのみを堆積させる場合は、量子ドット同士の間に緩衝層(マトリクス材料)が存在しないため隙間ができ、発光活性層へのキャリアの輸送性あるいは伝導性を低下させるという問題がある。 When only the quantum dots are deposited on the first insulating layer by using the ES-IBD method, there is no buffer layer (matrix material) between the quantum dots, so that a gap is formed, and the light emitting active layer is formed. There is a problem that the transportability or conductivity of the carrier is lowered.
さらに、量子ドットがマトリックス材料無しで単独で堆積されてなる発光活性層の表面は、球形状の量子ドットが並んで配置された凹凸面である。このため、その上に成長させる構成膜(第2の絶縁層)の平坦性を低下させてしまう。このように絶縁層の平坦性が低下すると、絶縁破壊が起こり易くなったり、電界強度の均一性が低下したりする問題が生じる。このような問題は、自発光型フラットディスプレイでは、表示領域内に部分的に輝点もしくは暗点が発生したり、表示特性の面内均一性を損なったりする原因となる。 Furthermore, the surface of the light emitting active layer in which quantum dots are deposited alone without a matrix material is an uneven surface on which spherical quantum dots are arranged. For this reason, the flatness of the constituent film (second insulating layer) grown thereon is lowered. Thus, when the flatness of an insulating layer falls, the problem that dielectric breakdown will occur easily or the uniformity of an electric field strength will arise. Such a problem causes a bright spot or a dark spot to partially occur in the display area in the self-luminous flat display, or to deteriorate the in-plane uniformity of display characteristics.
また、上述のように交流電場を印加する電界発光素子では、発光活性層と絶縁層の界面準位が、電子を発光活性層に供給することに寄与すると考えられているが、この観点から絶縁層と発光活性層(発光活性層に含まれる量子ドット)との界面状態を改善して、発光活性層に供給する電子放出数を増加させることが望まれている。 In addition, in the electroluminescence device that applies an alternating electric field as described above, it is considered that the interface state between the light emitting active layer and the insulating layer contributes to supplying electrons to the light emitting active layer. It is desired to improve the interface state between the layer and the light emitting active layer (quantum dots contained in the light emitting active layer) and increase the number of electrons emitted to the light emitting active layer.
本発明はこのような諸問題に着目して創案されたものであり、その主たる目的は、各量子ドットからの発光が狭帯域スペクトルで色純度が高く、かつ高輝度となる電界発光素子を提供することにある。 The present invention was created by paying attention to such problems, and its main purpose is to provide an electroluminescent device that emits light from each quantum dot with a narrow band spectrum, high color purity, and high brightness. There is to do.
また、本発明の他の目的は、発光欠陥の発生を抑制でき、発光特性の面内均一性を有する電界発光素子を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an electroluminescent device capable of suppressing the occurrence of light emission defects and having in-plane uniformity of light emission characteristics.
本発明の第1の特徴は、コア部分の表面をシェル層で覆った構造の量子ドットを含む発光活性層の少なくとも一方の表面側に絶縁層が配され、これら発光活性層および絶縁層を厚さ方向に挟む一対の電極を有し、これら一対の電極に交流電圧を印加することにより発光活性層を発光させる電界発光素子であって、発光活性層の一方の表面側に、シェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層でなり、かつ発光活性層との接合面が量子ドット同士の間隙に入り込むように突出して密着する密着層が、形成されていることを要旨とする。ここで、シェル層の材料とのバンドオフセットが0.1eV以下である密着層が好ましい。 The first feature of the present invention is that an insulating layer is disposed on at least one surface side of a light emitting active layer including a quantum dot having a structure in which a surface of a core portion is covered with a shell layer, and the light emitting active layer and the insulating layer are thick. An electroluminescent element having a pair of electrodes sandwiched in the vertical direction and emitting a light-emitting active layer by applying an alternating voltage to the pair of electrodes, wherein a shell layer is formed on one surface side of the light-emitting active layer. The gist of the present invention is that an adhesion layer is formed which is an inorganic layer having a Young's modulus equal to or less than the ratio and protrudes and adheres so that the bonding surface with the light emitting active layer enters the gap between the quantum dots. Here, the adhesion layer whose band offset with the material of the shell layer is 0.1 eV or less is preferable.
本発明では、量子ドット同士の間隙に密着層が入り込むように突出し、かつシェル層とのバンドオフセットが小さいため、密着層と量子ドットとは密に接合した状態を保つことができ、発光活性層へキャリアを輸送し易い。加えて、密着層を発光活性層と絶縁層との間に介在させる構成とすれば、密着層と絶縁層との界面でのキャリアの発生を促す作用がある。したがって、本発明では、発光活性層での発光強度を向上することができる。特に、密着層は、量子ドットにおけるシェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層でなるため、量子ドットが密着層により変形されたり損傷を受けたりすることが防止できる。この結果、量子ドットのサイズが変化することがなく、量子ドットから放出される光の色が変わってしまうことを防ぐことができる。また、このような構成の電界発光素子では、表面状態や界面状態の生成が抑制されるため、量子ドットからの発光スペクトルが量子ドットに由来する波長以外の光を抑えることができる。このため、発光スペクトルが広帯域となることを防止する作用を奏する。 In the present invention, since the adhesion layer protrudes into the gap between the quantum dots and the band offset with the shell layer is small, the adhesion layer and the quantum dot can be kept in a tightly bonded state, and the light emitting active layer Easy to transport carriers. In addition, the structure in which the adhesion layer is interposed between the light emitting active layer and the insulating layer has an effect of promoting the generation of carriers at the interface between the adhesion layer and the insulating layer. Therefore, in the present invention, the light emission intensity in the light emitting active layer can be improved. In particular, since the adhesion layer is an inorganic layer having a Young's modulus equal to or lower than the Young's modulus of the shell layer in the quantum dots, the quantum dots can be prevented from being deformed or damaged by the adhesion layer. As a result, the size of the quantum dots does not change, and the color of light emitted from the quantum dots can be prevented from changing. Moreover, in the electroluminescent element of such a structure, since generation | occurrence | production of a surface state or an interface state is suppressed, light other than the wavelength from which the emission spectrum from a quantum dot originates in a quantum dot can be suppressed. For this reason, there exists an effect | action which prevents that an emission spectrum becomes a broadband.
ここで、量子ドットのシェル層の材料が硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、硫化カドミウム(CdS)、またはZn、Cd、S、Seから選ばれる化合物もしくは混晶、またはIn、Ga、P、Si、Ge、Sn、Asから選ばれる化合物もしくは混晶のいずれかであり、この場合、密着層のヤング率は、1から100GPaであることが好ましい。 Here, the material of the quantum dot shell layer is zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), cadmium sulfide (CdS), or a compound or mixed crystal selected from Zn, Cd, S, Se, or In, Ga , P, Si, Ge, Sn, As, or a mixed crystal. In this case, the Young's modulus of the adhesion layer is preferably 1 to 100 GPa.
上述のように、密着層の材料が、量子ドットにおけるシェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層であるため、密着層上に量子ドットのイオンビームを照射して堆積させるES−IBD法で成膜させる場合には、照射過程で量子ドットのサイズが変化してしまうことを防止できる。 As described above, since the material of the adhesion layer is an inorganic layer having a Young's modulus equal to or less than the Young's modulus of the shell layer in the quantum dot, the ES− deposited by irradiating the ion beam of the quantum dot on the adhesion layer When the film is formed by the IBD method, the quantum dot size can be prevented from changing during the irradiation process.
また、密着層の材料は、伝導帯端準位が、量子ドットにおけるコア部分の材料の伝導帯端準位より大きく、価電子帯端準位が、コア部分の材料の価電子帯端準位よりも小さいことが好ましい。 In addition, the material of the adhesion layer has a conduction band edge level larger than the conduction band edge level of the core part material in the quantum dot, and the valence band edge level is equal to the valence band edge level of the material of the core part. Is preferably smaller.
さらに、密着層の材料は、II族、III族、V族、VI族から選ばれる少なくとも一種類の原子を含むことが好ましく、特にII族、VI族の原子を主材とすることが好ましい。なお、密着層の材料として選ばれる代表的な原子としては、亜鉛(Zn)、硫黄(S)、セレン(Se)、砒素(As)、リン(P)などを挙げることができる。 Furthermore, the material of the adhesion layer preferably contains at least one kind of atom selected from Group II, Group III, Group V and Group VI, and particularly preferably contains Group II and Group VI atoms as the main material. Note that typical atoms selected as the material for the adhesion layer include zinc (Zn), sulfur (S), selenium (Se), arsenic (As), and phosphorus (P).
また、密着層の材料は、量子ドットにおけるシェル層の材料との格子定数の差が5%以内であることが好ましい。このように、密着層の材料とシェル層の材料との格子定数の差を5%以下に限定することにより、密着層の結晶構造とシェル層の結晶構造との界面の連続性を乱さずに整合性の良い接合にすることができるため、量子ドットにおける閉じ込め準位に由来する発光スペクトル以外の発光ピークの発生を抑制する作用を向上できる。加えて、このように密着層の材料とシェル層の材料とが格子定数の観点から類似した物質であるため、量子ドットを堆積させて発光活性層を成膜する際に、シェル層の欠陥を密着層の材料が修復し、ボイドを密着層の材料で埋め込むことができるため、量子ドットと密着層との連続性を持たせることができる。また、シェル材料と密着層とのバンドオフセットを0.1eV以下とすることで、キャリアの移動を促し、空間電荷の形成を抑制できる。 Further, the material of the adhesion layer is preferably such that the difference in lattice constant from the material of the shell layer in the quantum dots is within 5%. Thus, by limiting the difference in lattice constant between the material of the adhesion layer and the material of the shell layer to 5% or less, the continuity of the interface between the crystal structure of the adhesion layer and the crystal structure of the shell layer is not disturbed. Since it is possible to form a junction with good matching, it is possible to improve the effect of suppressing the generation of emission peaks other than the emission spectrum derived from the confining levels in the quantum dots. In addition, since the material of the adhesion layer and the material of the shell layer are similar substances from the viewpoint of the lattice constant in this way, when depositing the quantum dots to form the light emitting active layer, defects in the shell layer are eliminated. Since the material of the adhesion layer is repaired and the voids can be embedded with the material of the adhesion layer, continuity between the quantum dots and the adhesion layer can be provided. In addition, by setting the band offset between the shell material and the adhesion layer to 0.1 eV or less, it is possible to promote the movement of carriers and suppress the formation of space charges.
密着層は、複数層が積層された構造であってもよい。複数の密着層を積層することで、層間の界面準位からキャリアの発生を促すことが期待できる。したがって、量子ドット中において、発光に寄与する注入キャリアの単位時間当たりの数を増加させることができ、さらに高輝度を要求されるアプリケーションへの適用が可能となる。 The adhesion layer may have a structure in which a plurality of layers are laminated. By laminating a plurality of adhesion layers, it can be expected to promote the generation of carriers from the interface state between the layers. Therefore, the number of injected carriers that contribute to light emission per unit time in the quantum dot can be increased, and it is possible to apply to applications that require higher luminance.
発光活性層の他方の表面側には、発光活性層を覆って平坦化された平坦化層が形成されていることが好ましい。そして、この平坦化層を構成する材料は、上記密着層の材料と同じ無機材料であることが好ましい。 On the other surface side of the light emitting active layer, it is preferable to form a flattened layer that is flattened so as to cover the light emitting active layer. And it is preferable that the material which comprises this planarization layer is the same inorganic material as the material of the said contact | adherence layer.
このように発光活性層の他方の表面側に、平坦化層を形成することにより、成膜後の発光活性層表面の凹凸を是正して、例えばその上に成膜する絶縁層の平坦性を高めることができる。したがって、絶縁層の上に形成される電極も平坦に形成することが可能となる。このため、電極と発光活性層との距離が発光領域面内で均一になるため、絶縁破壊が起こりにくくなり、また電界強度の面内均一性を向上できる。したがって、本発明を自発光型フラットディスプレイに適用することで、表示領域内に部分的に輝点もしくは暗点が発生したり、表示特性の面内均一性を損なったりする原因を取り除くことが可能となる。 In this way, by forming a planarization layer on the other surface side of the light emitting active layer, the unevenness of the surface of the light emitting active layer after film formation is corrected, and for example, the flatness of the insulating layer formed thereon is improved. Can be increased. Therefore, the electrode formed on the insulating layer can be formed flat. For this reason, since the distance between the electrode and the light emitting active layer becomes uniform in the light emitting region plane, dielectric breakdown hardly occurs and the in-plane uniformity of the electric field strength can be improved. Therefore, by applying the present invention to a self-luminous flat display, it is possible to eliminate the cause of the occurrence of a bright spot or dark spot in the display area, or the deterioration of the in-plane uniformity of display characteristics. It becomes.
本発明は、量子ドットと絶縁層との間に密着層を介在させることを特徴とするが、密着層と絶縁層との間に、更に緩衝層を有していても良い。この場合、緩衝層は、密着層との格子定数の差が5%以内であり、かつ、密着層材料とのバンドオフセットが0.1eVとなるように設計する必要がある。このように設計された緩衝層であれば、量子ドットへのキャリア輸送性や伝導性を低下することなく、高輝度電界発光素子が実現できる。 Although the present invention is characterized in that an adhesion layer is interposed between the quantum dots and the insulating layer, a buffer layer may be further provided between the adhesion layer and the insulating layer. In this case, the buffer layer needs to be designed so that the difference in lattice constant with the adhesion layer is within 5% and the band offset with the adhesion layer material is 0.1 eV. If the buffer layer is designed in this way, a high-luminance electroluminescent device can be realized without deteriorating carrier transport properties and conductivity to the quantum dots.
また、さらに平坦化層を有する構成とする場合、平坦化層と絶縁層との間に、更に緩衝層を有していても良い。この場合、緩衝層は、平坦化層との格子定数の差が5%以内であり、かつ、平坦化層材料とのバンドオフセットが0.1eVとなるように設計する必要がある。このように設計された緩衝層であれば、量子ドットへのキャリア輸送性や伝導性を低下することなく、高輝度電界発光素子が実現できる。 In the case where the structure further includes a planarization layer, a buffer layer may be further provided between the planarization layer and the insulating layer. In this case, the buffer layer needs to be designed so that the difference in lattice constant with the planarization layer is within 5% and the band offset with the planarization layer material is 0.1 eV. If the buffer layer is designed in this way, a high-luminance electroluminescent device can be realized without deteriorating carrier transport properties and conductivity to the quantum dots.
本発明の第2の特徴は、コア部分の表面をシェル層で覆った構造の量子ドットを含む発光活性層の少なくとも一方の表面側に絶縁層が積層され、発光活性層および絶縁層を厚さ方向に挟む一対の電極を有し、これら一対の電極に交流電圧を印加することにより発光活性層を発光させる電界発光素子の製造方法であって、基板上に第1の電極を形成する第1電極形成工程と、この第1電極形成工程の後で、発光活性層を形成する発光活性層形成工程の前に施される、シェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層でなる密着層を形成する密着層形成工程と、この密着層の上に、ES−IBD法により量子ドットを密着層の表面に照射することにより堆積させて発光活性層を形成する発光活性層形成工程と、この発光活性層の上に、伝導帯端準位が量子ドットのコア部分の材料の伝導帯端準位より大きく、かつ価電子帯端準位がコア部分の材料の価電子帯端準位よりも小さい無機材料でなる平坦化層を、化学気相成長法(CVD法)、液相成長法、分子線エピタキシー法、真空蒸着法、スパッタ法のいずれかを用いて表面平坦性を有するように形成する平坦化層形成工程と、この平坦化層形成工程の後に、第2の電極を形成する第2電極形成工程と、を備えることを要旨とする。 The second feature of the present invention is that an insulating layer is laminated on at least one surface side of a light emitting active layer including quantum dots having a structure in which the surface of the core portion is covered with a shell layer, and the light emitting active layer and the insulating layer are thick. A method of manufacturing an electroluminescent element having a pair of electrodes sandwiched in a direction and causing a light emitting active layer to emit light by applying an alternating voltage to the pair of electrodes, wherein the first electrode is formed on a substrate. An inorganic layer having a Young's modulus equal to or lower than the Young's modulus of the shell layer, which is applied after the first electrode forming step and before the light emitting active layer forming step for forming the light emitting active layer. An adhesion layer forming step of forming an adhesion layer; and a light emitting active layer forming step of forming a light emitting active layer by depositing the surface of the adhesion layer by irradiating quantum dots on the adhesion layer by an ES-IBD method; On top of this luminescent active layer, conduction A planarization layer made of an inorganic material having an edge level larger than the conduction band edge level of the material of the quantum dot core portion and having a valence band edge level smaller than the valence band edge level of the core portion material. A planarization layer forming step of forming a surface flatness using any one of chemical vapor deposition (CVD), liquid phase growth, molecular beam epitaxy, vacuum deposition, and sputtering, and The gist is to include a second electrode forming step of forming a second electrode after the flattening layer forming step.
本発明に係る製造方法では、シェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ層でなる密着層を形成した後に、量子ドットがES−IBD法にて堆積されるため、量子ドットが変形や損傷することを防止できる。この結果、量子ドットのサイズや形状が変化することがなく、量子ドットから放出される光の色が変わってしまうことを防ぐことができる。また、密着層と発光活性層との接合面において量子ドット同士の間隙に密着層の材料が入り込んだ構造となるため、量子ドット同士の間隙を埋めることでキャリアの輸送を促進して発光強度を向上させることが可能となる。また、量子ドットと密着層とのバンド構造の連続性が向上するため、発光スペクトルが量子ドットに由来する波長のみとなり、発光スペクトルが広帯域となることを防止することが可能となる。 In the manufacturing method according to the present invention, the quantum dots are deposited by the ES-IBD method after forming an adhesion layer made of a layer having a Young's modulus equal to or lower than the Young's modulus of the shell layer. It can be prevented from being damaged. As a result, the size and shape of the quantum dots are not changed, and the color of light emitted from the quantum dots can be prevented from changing. In addition, since the material of the adhesion layer enters the gap between the quantum dots at the bonding surface between the adhesion layer and the light-emitting active layer, filling the gap between the quantum dots facilitates carrier transport and increases the emission intensity. It becomes possible to improve. In addition, since the continuity of the band structure of the quantum dots and the adhesion layer is improved, the emission spectrum becomes only a wavelength derived from the quantum dots, and it is possible to prevent the emission spectrum from becoming a broadband.
また、発光活性層の上に形成する平坦化層を、化学気相成長法(CVD法)、液相成長法、分子線エピタキシー法、真空蒸着法、スパッタ法のいずれかを用いて成膜することで平坦化層の表面が平坦になる。そして、平坦化層の上に例えば絶縁層を形成しさらにその上に第2の電極を形成する場合には、絶縁層も平坦に形成でき、第2の電極と発光活性層との距離が発光領域面内で均一になる。したがって、電界発光素子において絶縁破壊が起こりにくくなり、また電界強度の面内均一性を向上できる。また、この製造方法を自発光型フラットディスプレイに適用することで、表示領域内に部分的に輝点もしくは暗点が発生したり、表示特性の面内均一性を損なったりする原因を取り除くことが可能となる。 In addition, a planarization layer formed on the light-emitting active layer is formed using any one of chemical vapor deposition (CVD), liquid phase growth, molecular beam epitaxy, vacuum deposition, and sputtering. As a result, the surface of the planarization layer becomes flat. When, for example, an insulating layer is formed on the planarizing layer and the second electrode is further formed thereon, the insulating layer can also be formed flat, and the distance between the second electrode and the light emitting active layer is the light emission. It becomes uniform in the area plane. Therefore, dielectric breakdown is less likely to occur in the electroluminescent element, and the in-plane uniformity of the electric field strength can be improved. In addition, by applying this manufacturing method to a self-luminous flat display, it is possible to eliminate the cause of the occurrence of a bright spot or dark spot partially in the display area, or impairing the in-plane uniformity of display characteristics. It becomes possible.
本発明によれば、各量子ドットからの発光が狭帯域スペクトルで色純度が高く、かつ高輝度となる電界発光素子を実現できる。また、本発明によれば、表示欠陥の発生を抑制でき、表示特性の面内均一性を有する電界発光素子を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize an electroluminescent element in which light emission from each quantum dot has a narrow band spectrum, high color purity, and high luminance. Further, according to the present invention, it is possible to realize an electroluminescent element that can suppress the occurrence of display defects and has in-plane uniformity of display characteristics.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電界発光素子およびその製造方法を説明する。但し、図面は模式的なものであり、各層の厚みや厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。 Hereinafter, an electroluminescent element and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the thicknesses and ratios of the layers are different from actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description.
[第1の実施の形態]
(電界発光素子の概略構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電界発光素子を示す断面図である。同図に示すように、電界発光素子10Aは、ガラスまたはプラスチック等からなる透明基板11上に、順次、第1の電極としての透明電極12、第1絶縁層13、密着層14、発光活性層20、平坦化層15、第2絶縁層16、第2の電極としての電極17が積層されてなる。本実施の形態に係る電界発光素子10Aは、発光活性層20を密着層14と平坦化層15とで挟んだ構造である。図1に示すように、この電界発光素子10Aでは透明電極12と電極17とに交流駆動源30を接続して交流電場を印加することにより、発光活性層20からの発光を透明基板11側から出射させるようにしたものである。
[First embodiment]
(Schematic configuration of electroluminescent element)
FIG. 1 is a sectional view showing an electroluminescent element according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, an
(発光活性層について)
発光活性層20は、図9および図10に示すように、略球形状の量子ドット21が多数堆積されて成膜されている。この発光活性層20は、ES−IBD法を用いて20〜100nmの膜厚となるように成膜されている。このES−IBD法の詳細については後述する。個々の量子ドット21は、コア部分22の表面をシェル層23で覆ったナノ結晶構造である。このような量子ドット21は、コア部分の材料および結晶サイズを精緻に制御することで、人為的にギャップ・エネルギーを規定し、所望の色を発光させることができる。
(About the light emitting active layer)
As shown in FIGS. 9 and 10, the light emitting
本実施の形態では、コア部分22の直径としては、順次、1.9nm、2.4nm、5.2nmであり、シェル層23の膜厚は、順次、0.4nm、1.0nm、1.4nmとした。本実施の形態では、コア部分22がセレン化カドミウム(CdSe)で形成され、シェル層23が硫化亜鉛(ZnS)もしくはセレン化亜鉛(ZnSe)で形成された量子ドット21を用いる。また、本実施の形態における量子ドット21のコア部分22は、CdSe以外に、CdS、PbSe、HgTe、CdTe、InP、GaP、InGaP、GaAs、InGaN、GaN等やこれらの混晶で構成される材料から適宜選択可能である。
In the present embodiment, the diameter of the
(電極について)
透明電極12は、スズドープ酸化インジウム(ITO)で約100nmの膜厚に形成されている。電極17は、金(Au)で約50nmの膜厚に形成されている。透明電極12は、ITOの他、亜鉛ドープ酸化インジウム(IZO)、インジウムガリウム亜鉛酸化物(IGZO)、導電性酸化亜鉛(ZnO)、アモルファス酸化物導電体等、透明な導電体であれば材料は問わない。電極17の膜厚は、必要な電気伝導性が得られるよう、材料によって適宜増減する。電極17は、上記の透明電極と同様の材料であってもよく、金属電極でも良い。
(About electrodes)
The
(絶縁層について)
第1絶縁層13および第2絶縁層16は、タンタル酸化物(TaOx)で約50〜500nmの膜厚に形成されている。この膜厚は、下地である透明電極12の表面の凹凸を被覆し滑らかなモフォロジーを確保できるように十分に厚く、かつ低電圧で強電界を得られるように十分に薄い厚さである。これら第1絶縁層13および第2絶縁層16は、これに限定されるものではなく、シリコン窒化物、シリコン酸化物、イットリウム酸化物、アルミナ、ハフニウム酸化物、バリウムタンタル酸化物などから選択可能である。
(Insulation layer)
The first insulating
(密着層について)
密着層14は、量子ドット21におけるシェル層23であるZnSやZnSeと同等以下のヤング率を持つ層でなる。一般に、ヤング率は同一材料であっても結晶方位等により異なる数値を示すことがあるが、本発明でいうヤング率とは、密着層表面およびシェル層の層表面に垂直な方向のヤング率を指す。なお、ZnSおよびZnSeのヤング率(E)は、順次74.5GPa、67.2GPaである。本実施の形態では、量子ドット21の保護および量子ドット21同士の間隙を埋める作用を奏する観点から、密着層14の材料のヤング率が1から100GPaであることが好ましい。また、密着層14の膜厚は、0.1〜20.0nmの寸法であることが好ましい。密着層14の材料は連続膜であることが好ましいが、結晶粒状の場合、量子ドット21同士の間隙に入り込めるような直径(例えば、1nm以下)を持つことが必要である。
(About adhesion layer)
The
密着層14の材料としては、上記条件に加えて、負の電荷のエネルギー準位として伝導帯端準位が量子ドット21のコア部分22の材料(例えばCdSe)の伝導帯端準位より大きく、価電子帯端準位がコア部分22の材料の価電子帯端準位よりも小さいものを選択することが好ましい。
As a material for the
また、密着層14の材料は、II族、III族、V族、VI族から選ばれる少なくとも一種類の原子を含むことが好ましい。さらに、密着層14の材料は、量子ドット21におけるシェル層23の材料との格子定数の差が5%以内であることが好ましく、シェル層23の材料と同材料であっても良い。
The material of the
具体的には、密着層14として、硫黄(S)、セレン(Se)、砒素(As)、リン(P)の単独元素でなる単一原子層や、これらの単独元素に上記条件の材料を含む層としてもよい。また、このような密着層14と第1絶縁層13との間に、さらにこの密着層14と同材料でなる第2の密着層を介在させてもよい。また、第2の密着層は、0.1〜5nm程度の膜厚を持つ金属膜であってもよい。さらに、第2の密着層と第1絶縁層13との間に、密着層14と同様の材料でなる第3の密着層を介在させてもよい。この第3の密着層の厚さは、0.1〜5nm程度が適切である。
Specifically, as the
(平坦化層について)
本実施の形態では、平坦化層15の材料が上記密着層14の材料と同様である。平坦化層15は、量子ドット21の保護および量子ドット21同士の間隙を埋める作用に加えて、量子ドット21を積み重ねてなる発光活性層20表面の凹凸を埋めて平坦化している。
(About flattening layer)
In the present embodiment, the material of the
平坦化層15の材料としては、上記条件に加えて、伝導帯端準位が量子ドット21のコア部分22の材料(例えばCdSe)の伝導帯端準位より大きく、価電子帯端準位がコア部分22の材料の価電子帯端準位よりも小さいものを選択することが好ましい。平坦化層15の材料は、II族、III族、V族、VI族から選ばれる少なくとも一種類の原子を含むことが好ましい。さらに、平坦化層15の材料は、量子ドット21におけるシェル層23の材料との格子定数の差が5%以内であることが好ましく、シェル層23と同材料であっても良い。
As a material for the
具体的には、平坦化層15として、硫黄(S)、セレン(Se)、砒素(As)、リン(P)の単独元素でなる単一原子層や、これらの単独元素に上記条件の材料を含む層としてもよい。また、このような平坦化層15と第2絶縁層16との間に、さらにこの平坦化層15と同材料でなる第2の平坦化層を介在させてもよい。また、第2の平坦化層は、0.1〜5nm程度の膜厚を持つ金属膜であってもよい。さらに、第2の平坦化層15と第2絶縁層16との間に、平坦化層15と同様の材料でなる第3の平坦化層を介在させてもよい。この第3の平坦化層の厚さは、0.1〜5nm程度が適切である。また、シェル材料と平坦化層とのバンドオフセットを0.1eV以下とすることで、キャリアの移動を促し、空間電荷の形成を抑制できる。
Specifically, as the
(第1の実施の形態に係る電界発光素子の作用・効果)
本実施の形態では、量子ドット21同士の間隙に密着層14が入り込むように突出しているため、密着層14と発光活性層20(量子ドット21)とは密に接合した状態を保つことができ、発光活性層20(量子ドット21)へキャリアを輸送し易い。加えて、密着層14が発光活性層20と第1絶縁層13との間に介在される構成であるため、密着層14と第1絶縁層13との界面でのキャリアの発生を促す作用がある。したがって、本実施の形態では、発光活性層20からの発光強度を向上することができる。
(Operation / Effect of Electroluminescent Device According to First Embodiment)
In the present embodiment, since the
特に、密着層14は、量子ドット21におけるシェル層23の材料のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層からなるため、発光活性層20との接合面において量子ドット21同士の間隙に密着層14の材料を入り込ませることが容易となる。したがって、量子ドット21が密着層14により変形されたり損傷を受けたりすることが防止できる。この結果、量子ドット21のサイズや形状が変化することがなく、量子ドット21から放出される光の色が変わってしまうことを防ぐことができる。このような電界発光素子10Aでは、量子ドット21からの発光スペクトルが量子ドット21に由来する波長となるため、発光スペクトルが広帯域となることを防止する作用を奏する。
In particular, since the
密着層14が、量子ドット21におけるシェル層23の材料のヤング率と同等以下のヤング率を持つ比較的軟らかい無機層からなるため、量子ドット21をES−IBD法を用いて成膜させる場合には、衝突によって量子ドット21が変化してしまうことを防止できる。また、このようなES−IBD法を用いずに密着層14の上に量子ドット21を含む発光活性層20を成膜した場合においても、厚さ方向に加圧することで密着層14を量子ドット21同士の間隙に入り込ませることが可能となる。この場合も、量子ドット21同士の間隙に密着層14が入り込むように突出させ、密着層14と量子ドット21とが密に接合した状態となり、発光活性層20へキャリアを輸送し易い構造にできる。したがって、発光活性層20からの発光強度を向上することができる。
When the
また、密着層14の材料とシェル層23の材料との格子定数の差を5%以下に限定してもよい。この場合、密着層14の結晶構造とシェル層23の結晶構造との界面の連続性を乱さずに、格子欠陥や界面とそれに付随する準位を形成せず整合性の良い接合にすることができるため、量子ドット21における閉じ込め準位に由来する発光スペクトル以外の発光ピークの発生を抑制できる。加えて、このように密着層14の材料とシェル層23の材料とが格子定数の観点から類似した物質である。このため、量子ドット21を堆積させる際に、シェル層23の欠陥を密着層14の材料が修復し、表面を終端し、またボイドを密着層14の材料で埋め込むことができる。このように密着層14の材料とシェル層23の材料との格子定数の差を5%以下に限定したことにより、量子ドット21と密着層14との連続性を持たせることができる。
Further, the difference in lattice constant between the material of the
さらに、上述したように、密着層14を複数積層することで、これらの層間の界面準位からキャリアの発生を促すことが期待できる。したがって、量子ドット21中において、発光に寄与する注入キャリアの単位時間当たりの数を増加させることができ、さらに高輝度を要求されるアプリケーションへの適用が可能となる。
Furthermore, as described above, by laminating a plurality of the adhesion layers 14, it can be expected that the generation of carriers is promoted from the interface state between these layers. Therefore, the number of injected carriers that contribute to light emission per unit time in the
この第1の実施の形態のように、発光活性層20の他方の表面側に、平坦化層15を形成することにより、成膜後の発光活性層20表面の凹凸を是正して、例えばその上に成膜する第2絶縁層16の平坦性を高めることができる。したがって、第2絶縁層16の上に形成される電極17も平坦に形成することが可能となる。このため、電極17と発光活性層20との距離が発光領域(もしくは画素領域)内で均一になるため、絶縁破壊が起こりにくくなり、また電界強度の面内均一性を向上できる。したがって、本発明を自発光型フラットディスプレイに適用することで、表示領域(もしくは画素領域)内に部分的に輝点もしくは暗点が発生したり、表示特性の面内均一性を損なったりする原因を取り除くことが可能となる。
As in the first embodiment, the
(電界発光素子の製造方法)
次に、図2から図11を用いて、本実施の形態に係る電界発光素子の製造方法を説明する。
(Method for manufacturing electroluminescent element)
Next, a method for manufacturing the electroluminescent element according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
〈第1電極形成工程〉
図2に示すように、予めITOでなる透明電極12が表面に形成されたガラス基板11を用意するか、ガラス基板11上にITOでなる透明電極12を成膜する。本実施の形態において、透明電極12は、膜厚が例えば100nm、表面粗さRaが例えば5nm程度である。そして、このガラス基板11には、有機溶媒による超音波洗浄を行った後、不活性ガスによりブローおよび乾燥を施しておく。
<First electrode forming step>
As shown in FIG. 2, a
〈第1絶縁層形成工程〉
その後、図3に示すように、透明電極12上にタンタル酸化物(TaOx)などの絶縁体で第1絶縁層13を形成する。例えばTaOx膜を用いた場合、通常の高周波(13.56MHz)マグネトロンスパッタリング装置を用い、金属TaターゲットのAr+O2混合ガス雰囲気中での反応性スパッタリングによって成膜した。堆積中の基板の温度は、常温から200℃とした。膜厚は、下地となる透明電極12の表面凹凸を被覆し滑らかなモフォロジーを確保できるように十分に厚く、かつ低電圧で強電界を得られるように十分に薄い厚さとして、50〜500nmとした。
<First insulating layer forming step>
Thereafter, as shown in FIG. 3, the first insulating
〈密着層形成工程〉
次に、図4に示すように、第1絶縁層13の上に、密着層14を形成する。この密着層14は、分子線エピタキシー(MBE)法あるいは通常の真空蒸着法によって、硫黄(S)を成膜した。硫黄(S)源を流量制御用バルブ付合成石英セル中で100〜200℃に加熱し、得られる硫黄ガスを400〜1000℃に加熱した後、2×10−7〜1×10−5Torrの圧力のフラックスを得た。各々を、第1絶縁層13形成後の基板上に照射し、Sでなる密着層14を形成した。基板の温度は室温〜80℃で適宜、決定し、膜厚は1〜3nm相当とした。
<Adhesion layer formation process>
Next, as shown in FIG. 4, the
ここで、発光活性層形成工程の説明に先駆けて、発光活性層形成工程で用いるES−IBD装置について図11を用いて説明する。 Here, prior to the description of the light emitting active layer forming step, an ES-IBD device used in the light emitting active layer forming step will be described with reference to FIG.
「ES−IBD装置について」
ここで、実施の形態および後述する実施例を明確にするために、図11を用いてES−IBD装置について説明する。このES−IBD装置は、ES−IBD法を適用した成膜装置である。
About ES-IBD equipment
Here, in order to clarify the embodiment and the examples to be described later, the ES-IBD apparatus will be described with reference to FIG. This ES-IBD apparatus is a film forming apparatus to which an ES-IBD method is applied.
このES−IBD装置では、先ず、マイクロシリンジポンプに量子ドット21を含む溶液を供給する。マイクロシリンジポンプ2は、筒状本体部2b内の微粒子分散溶液1をピストン2aによって押出し、チューブ2cを通じて、キャピラリー3へ送り、キャピラリー先端3aから放出するようになっている。なお、キャピラリー3には、電圧印加手段3bによって所定の電圧が印加可能となっている。また、マイクロシリンジポンプ2による溶液供給速度は、0.5〜4μl/min(好ましくは1〜2μl/min)である。
In this ES-IBD apparatus, first, a solution containing
さらに、図示しないが、キャピラリー3には、X、Y、Z方向にマイクロメーターがついており、キャピラリー先端3aの位置の微調整が可能となっている。なお、キャピラリーとして上述のような構成を用いたが、本実施の形態においてキャピラリーは、毛管現象あるいは濡れ現象によって上記溶液の表面を露出させる溶液送出器具として定義される。 Further, although not shown, the capillary 3 is provided with a micrometer in the X, Y, and Z directions, and the position of the capillary tip 3a can be finely adjusted. Although the above-described configuration is used as the capillary, in this embodiment, the capillary is defined as a solution delivery device that exposes the surface of the solution by capillary action or wetting phenomenon.
キャピラリー先端3aから放出された微粒子分散液は、減圧チャンバー4の上流側先端部に設けられたジェットノズル4aを通じて減圧チャンバー4内に導入され、さらに、成膜チャンバー5の上流側先端部に設けられたスキマーノズル5aを通じて成膜チャンバー5内に導入されるようになっている。キャピラリー先端3aとジェットノズル4aとの距離は0〜50mm、好ましくは、4〜10mmに設定される。この実施の形態では8mmの距離に設定されている。
The fine particle dispersion discharged from the capillary tip 3 a is introduced into the
なお、キャピラリー先端−ジェットノズル間は、ほぼ大気圧となっている。また、キャピラリー先端3aの内径が20μmであるものを用いた。ジェットノズル4aと、スキマーノズル5aとの中心位置は一致しており、ジェットノズル4aとスキマーノズル5aとの距離は、1〜10mmの間で適宜設定される(この実施例では3mmとした)。なお、ジェットノズル4aとスキマーノズル5aとには、それぞれ、電圧印加手段4c,5cによって所定の電圧を印加できるようになっている。 Note that the pressure between the capillary tip and the jet nozzle is almost atmospheric pressure. A capillary tip 3a having an inner diameter of 20 μm was used. The center positions of the jet nozzle 4a and the skimmer nozzle 5a coincide with each other, and the distance between the jet nozzle 4a and the skimmer nozzle 5a is appropriately set between 1 and 10 mm (in this embodiment, 3 mm). A predetermined voltage can be applied to the jet nozzle 4a and the skimmer nozzle 5a by voltage applying means 4c and 5c, respectively.
成膜チャンバー5は、イオン光学系領域51と高真空領域52とで構成されている。イオン光学系領域51と高真空領域52とは、開口5bを有する隔壁5eによって仕切られ、その基準軸(微粒子が進行する方向の中心軸)が互いに直交するようになっている。開口部5bを通じて粒子が移動可能となっている。開口部5bの直径を20mmとした。
The
減圧チャンバー4、イオン光学系領域51及び高真空領域52は、それぞれ、排気口4d,51d,52dを通じて、図示しない真空ポンプにより適切な真空度を維持するように排気されるようになっている。これらの排気には、例えば、差動排気手段が用いられ、これにより、圧力は、「キャピラリー先端(大気圧)>減圧チャンバー>イオン光学系領域>高真空領域」の関係となっている。ここでは、減圧チャンバー内圧力を1Torr、イオン光学系領域内圧力を1×10−5Torr、高真空領域内圧力を1×10−6Torr程度とした。
The
ここで、差動排気は、以下のようにして行っている。すなわち、ジェットノズル4a(φ0.5mm)からスキマーノズル5a(φ0.7mm)に至る領域を100〜500[m3/h]程度の排気速度のメカニカルブースターポンプあるいはロータリーポンプによって排気し、約1[Torr]程度の真空状態に保持し、その後段に当たるイオン光学系領域51を300〜1000[L/s]程度のターボ分子ポンプ等によって排気することで、10−4[Torr]程度の真空状態に保持するようにする。さらに、イオン光学領域51と高真空領域52(成膜のための領域)間に直径φ20mm程度、厚さ数mmのオリフィスを設け、高真空領域を1000〜2000[L/s]程度のターボ分子ポンプ等によって排気することで、この領域を10−6[Torr]程度の高真空状態に保持するようにする。
Here, the differential exhaust is performed as follows. That is, an area from the jet nozzle 4a (φ0.5 mm) to the skimmer nozzle 5a (φ0.7 mm) is exhausted by a mechanical booster pump or a rotary pump having an exhaust speed of about 100 to 500 [m 3 / h], and about 1 [ The vacuum state of about 10 −4 [Torr] is obtained by maintaining the vacuum state of about Torr] and exhausting the ion
イオン光学系領域51内には、ジェットノズル4a及びスキマーノズル5aの同軸延長上に、レンズ装置としての電界型イオンレンズ6と、分離装置としてのエネルギー分離装置71が設けられている。電解型イオンレンズ6は、3つの筒状電極6a,6b,6cとからなるアインツエルレンズである。筒状電極6a,6bには、電圧印加手段6d,6eによって電圧を印加できるようになっている。筒状電極6cはアース電位にされる。電界型イオンレンズ6は、イオンビームを収束させる機能を有する。ここで、電界型イオンレンズ6は1個以上であれば機能するが、本実施の形態のように、同一の径を持つ3個の円筒形電極6a,6b,6cから構成され、各々コアキシャルな配列構造に設置されていることが好ましい。3個の電界型イオンレンズに印加する電圧を制御することにより、イオンビームの収束電極の役割を果たす。印加する電圧は、微粒子の種類(サイズ、分子量など)により適宜決定される。微粒子を収束させることは勿論であるが、溶媒分子イオンなどの軽いイオンを収束させて、後工程(例えば、磁界発生手段、エネルギー分離手段など)で効率良く除去可能とすることも有効である。
In the ion
また、本実施の形態では、分離装置としてエネルギー分離装置71を用いている。エネルギー分離装置71は、アース電位に設定された第1電極板71aとこの第1電極板71aに対して所定の距離をおいて平行に配置された第2電極板71bとを有する。
In the present embodiment, an energy separation device 71 is used as the separation device. The energy separation device 71 includes a
第1電極板71aには、入射孔71cと出射孔71dとが設けられている。入射孔71cは、上記のジェットノズル4a及びスキマーノズル5aの同軸延長上にある。また、第2電極板71bは、電圧印加手段71eによって所定の電位に設定される。
The
エネルギー分離装置71は、入射孔71cに入射したイオンビームを所定の角度に曲げて、所望のエネルギーを有する微粒子を分級して出射孔71dから出射させる。曲げる角度は90度が最も高分解能が得られるため好ましい。エネルギー分離装置71は、キャピラリー先端3aから放出された微粒子等が被成膜基板(ガラス基板)11に到達する前に、質量数の小さい成分(例えば、溶媒分子イオンや側鎖分子イオン)や飛来する微粒子や溶媒、側鎖の材料にもなる有機分子の一緒になった粒塊を除去する役割(質量、エネルギー分離機能)を有している。
The energy separator 71 bends the ion beam incident on the
エネルギー分離装置71は、静電偏向を利用した分離機構である。ある一定の静電偏向量を得ようとするとき、荷電粒子の運動エネルギーに偏向電圧が比例する。よって、偏向電圧により荷電粒子の運動エネルギーを分離可能である。図11に示した装置では、平行平板電極構造のものを使用しており、一方の電極71aには二つの開孔を有しており、一方は入射孔71c、他方は出射孔71dである。開孔を有していない方の電極71bには、荷電粒子を減速する電圧±Vd(荷電粒子がプラスイオンの場合には+Vd、マイナスイオンの場合には−Vd)を与える。まず、入射孔から荷電粒子ビームが斜めに入射し、電極内に入った荷電粒子は、粒子の持っている運動エネルギーで決定される特定の値(エネルギー値)である場合に、反発されて出射孔から出射する。ここでエネルギー値は、電極間距離、開孔間距離、電圧によって決定されるため、これらのパラメータを変動させることにより、分級したいエネルギー値を決定可能である。
The energy separation device 71 is a separation mechanism using electrostatic deflection. When trying to obtain a certain amount of electrostatic deflection, the deflection voltage is proportional to the kinetic energy of the charged particles. Therefore, the kinetic energy of charged particles can be separated by the deflection voltage. In the apparatus shown in FIG. 11, a parallel plate electrode structure is used. One
ここで、上記エネルギー分離装置71の作用について、簡単に説明する。上述のキャピラリー3およびその対向電極(ここでは電圧印加可能なジェットノズル)は、溶液供給装置と減圧チャンバーとの間に電界を形成可能であり、いわゆるエレクトロスプレー装置であるということができる。そして、このエレクトロスプレーより放出されたイオンを含む流体流は、ジェットノズル4aに導入されるとき自由噴流を形成するということができる。すなわち、このエレクトロスプレーにより生成したイオン種は気体の自由噴流に乗って真空中に導入されることになるが、その時(自由噴流はλ0(平均自由行程)<D(オリフィスの口径) の粘性流領域でおこる。)、流れの速度は概ね、膨張前に気体が持っていたエンタルピーが断熱的過程によって、全て並進エネルギーに変わることで決まる。空気(窒素、酸素等の二原子分子も)の平均自由行程は約10−7[m]であり、数百μmのオリフィスを介して真空中に導入することで自由噴流を形成できる。このとき、自由噴流の速度v[m/s]はオリフィスからの距離x[m]の関数として、
v={3.65(x/D)2/5−0.82(x/D)−2/5}{γkT/m}, T=T0(P0/P)(1−γ)/γ
D:オリフィスの直径[m]≒5×10−4[m]
γ:気体の比熱比≒1.4
T: 噴流の温度[K]
T0: 導入される気体の温度[K]≒3×102[K]
P: オリフィスの低圧側の圧力[Pa]≒1×102[Pa]
P0: オリフィスの高圧側の圧力[Pa]≒1×105[Pa]
で表され、約103[m/s]程度の値である。
Here, the operation of the energy separation device 71 will be briefly described. The capillary 3 and the counter electrode (jet nozzle capable of applying a voltage here) can form an electric field between the solution supply device and the decompression chamber, and can be said to be a so-called electrospray device. The fluid flow containing ions discharged from the electrospray can be said to form a free jet when introduced into the jet nozzle 4a. In other words, the ionic species generated by this electrospray ride on a free jet of gas and are introduced into the vacuum. At that time (the free jet has a viscosity of λ 0 (mean free path) <D (orifice aperture)). The velocity of the flow is generally determined by changing all the enthalpy that the gas had before expansion into translational energy by an adiabatic process. The mean free path of air (also diatomic molecules such as nitrogen and oxygen) is about 10 −7 [m], and a free jet can be formed by introducing it into a vacuum through an orifice of several hundred μm. At this time, the velocity v [m / s] of the free jet is a function of the distance x [m] from the orifice,
v = {3.65 (x / D) 2/5 −0.82 (x / D) −2/5 } {γkT / m}, T = T 0 (P 0 / P) (1−γ) / γ
D: Orifice diameter [m] ≈5 × 10 −4 [m]
γ: Specific heat ratio of gas ≒ 1.4
T: Jet temperature [K]
T 0 : temperature of the introduced gas [K] ≈3 × 10 2 [K]
P: Pressure on the low pressure side of the orifice [Pa] ≈1 × 10 2 [Pa]
P 0 : Pressure on the high pressure side of the orifice [Pa] ≈1 × 10 5 [Pa]
And a value of about 10 3 [m / s].
混合物の場合、自由噴流中で主成分となる気体(今回は空気)の速度とその他の混合物はほぼ同じスピードで飛行することになる。よって重い成分はきわめて高い運動エネルギーを持つことになる(実際には、オリフィスでの差圧(押し圧)が大きいほど、質量による速度の違いは小さくなり、さらに重い分子の速度分布は極めて鋭くなる。また、多少の速度差、温度差と噴流の中心軸上に重いものが富むようになるが、ここでは無視出来る。)。一方、この気体中(粘性係数は約2×10−5[Pa・s])での微粒子(直径数[nm])の電界移動度η=v/E (Eは電界)は、P ≒1×105[Pa]のとき凡そη≒10−5[m2/s・V]程度、P≒1×102[Pa]のとき凡そη≒10−2[m2/s・V]程度の値である。 In the case of a mixture, the velocity of the main gas (this time air) in the free jet and the other mixture will fly at almost the same speed. Therefore, the heavy component has very high kinetic energy (in fact, the larger the differential pressure (pressing pressure) at the orifice, the smaller the difference in velocity due to mass, and the sharper the velocity distribution of the heavy molecule). Also, some speed differences, temperature differences, and heavy things on the central axis of the jet will become rich, but can be ignored here. On the other hand, the electric field mobility η = v / E (E is an electric field) of fine particles (diameter number [nm]) in this gas (viscosity coefficient is about 2 × 10 −5 [Pa · s]) is P ≈1 When x10 5 [Pa], approximately η≈10 −5 [m 2 / s · V], and when P≈1 × 10 2 [Pa], approximately η≈10 −2 [m 2 / s · V] Is the value of
したがって、オリフィスの高圧側でのエレクトロスプレーに供する印加電界(106[V/m]程度)、オリフィスの低圧側でのグロー放電に供する印加電界(104[V/m]程度)の寄与による終端速度はそれぞれ、約101[m/s]程度、102[m/s]程度である。また、エネルギー分離機構に至る以前のイオン光学系領域では、始状態と終状態で静電ポテンシャルが同じであるので、この間で電界による加減速は生じない。したがって、エネルギー分離機構に入射するイオンは、その種類にかかわらず、ほぼ同一の速度を付与する装置構成となっている。当然、この実施の形態に限らず、イオンビームの経路中に付加的な加速機構を挿入し、その機構中で付加されるエネルギーを考慮した、エネルギー分離機構の構成も可能である。 Therefore, due to the contribution of an applied electric field (about 10 6 [V / m]) used for electrospray on the high pressure side of the orifice and an applied electric field (about 10 4 [V / m]) used for glow discharge on the low pressure side of the orifice. The terminal speeds are about 10 1 [m / s] and about 10 2 [m / s], respectively. Further, in the ion optical system region before the energy separation mechanism, the electrostatic potential is the same in the initial state and the final state, and therefore, acceleration / deceleration due to the electric field does not occur during this period. Therefore, the ions that enter the energy separation mechanism have a device configuration that gives almost the same velocity regardless of the type. Needless to say, the present invention is not limited to this embodiment, and an energy separation mechanism can be configured in which an additional acceleration mechanism is inserted in the ion beam path and the energy added in the mechanism is taken into consideration.
エネルギー分離機構では、粒子が入射孔から入り、出射孔から飛び出してきた時、
L=2V0/Vd・sin2α
である。ここで、
L:電極に設けた開孔間距離(今回は26.5mm)
α:入射角度(今回は45度)
V0:荷電粒子の加速電圧(V0=Em/q、 Em:運動エネルギー、 q:電荷)
Vd:荷電粒子を減速する電圧
L、αは一定であるため、V0はVdによって分析できる。
また、V0=Em/q
Em=(mv2)/2
よりV0=(mv2)/2q=(m/q)・(v2/2)であり、vは先ほど述べたとおり、自由噴流中では全てのイオンがほぼ同じ速度をもつと考えるため、この装置によって、エネルギーを分離するということは、質量電荷比m/q(質量/電荷)を分離することになる。
In the energy separation mechanism, when particles enter the entrance hole and jump out of the exit hole,
L = 2V 0 / V d · sin 2α
It is. here,
L: Distance between the holes provided in the electrodes (this time 26.5 mm)
α: Incident angle (45 degrees this time)
V 0 : acceleration voltage of charged particles (V 0 = E m / q, E m : kinetic energy, q: charge)
V d : Since the voltage L and α for decelerating charged particles are constant, V 0 can be analyzed by V d .
Also, V 0 = E m / q
E m = (mv 2 ) / 2
More V 0 = (mv 2) / 2q = a (m / q) · (v 2/2), v are as described earlier, since considered the free jet in with all of the ion substantially the same speed, Separating energy with this device means separating the mass-to-charge ratio m / q (mass / charge).
高真空領域52内には、ガラス基板11を保持する基板ホルダー52gと、このガラス基板11に向かう荷電粒子線を収束させる収束装置としての収束電極52bと、上記収束された荷電粒子線を減速させてガラス基板11に堆積させる減速装置としての減速電極52cとが設けられている。エネルギー分離装置71の出射孔71d−隔壁5aの開口5b、収束電極52a,52b、減速電極52cは、それぞれ、同軸延長上に設けられている。
In the
〈発光活性層形成工程〉
上述したES−IBD装置を用いて以下に説明する発光活性層形成工程の成膜を行う。発光活性層形成工程では、上記したES−IBD装置を用いて、図5に示すように、密着層14の上に発光活性層20を形成する。本実施の形態で用いる、コア部分22をシェル層23で覆った構造を有する量子ドット21の直径は、約1.9〜5.2nmであり、これが単独の一価のイオンを形成している場合でも、そのエネルギーは1.4×102〜9.8×103eV(典型的には1.7×102〜3.4×103eV)である。過剰なエネルギーを持ったイオンが直接基板表面と衝突した場合には、散逸するエネルギーによって基板およびナノ結晶の変質は免れない。そこで、基板表面を接地電位から絶縁し、到達したイオンの電荷によって自発的にポテンシャルを高め、その後に到達するイオンを減速する機構を取り入れてもよい。
<Light emitting active layer forming step>
Using the above-described ES-IBD apparatus, the light emitting active layer forming step described below is performed. In the light emitting active layer forming step, the light emitting
本実施の形態では、量子ドット21が密着層14へイオンビームとなって照射され堆積されるため、密着層14の上記した物理的特性により量子ドット21の変形を抑えることができる。図8は、密着層14の表面に所定深さにめりこんだ状態を示す。そして、ES−IBD装置により、連続的に量子ドット21が照射されることにより、図9に示すような発光活性層20が形成される。この発光活性層20の下面側では、量子ドット21同士の間隙に、密着層14の上面が突出してこの間隙を埋め込むように密着した接合となる。
In the present embodiment, since the
〈平坦化層形成工程〉
次に、図6および図10に示すように、発光活性層20の上に、平坦化層15を成膜する。なお、本実施の形態では、平坦化層15の材料は、上記密着層14の材料と同様に、硫黄(S)を用いている。平坦化層15の成膜方法としては、電子線エピタキシー法、真空蒸着法、スパッタ法のいずれかを用いる。なお、この平坦化層15の形成工程では、量子ドット21を変質させない範囲で高い温度に設定して、平坦化層15への不純物混入を防ぎ、平坦化し易く設定することが好ましい。
<Planarization layer formation process>
Next, as shown in FIGS. 6 and 10, the
〈第2絶縁層形成工程および第2電極形成工程〉
図7は、第1絶縁層形成工程および第2電極形成工程を示す。平坦化層15の上に、上記第1絶縁層13と同様の材料、方法で第2絶縁層16を形成した後、第2電極としてのAuでなる電極17を蒸着法で形成する。
<Second insulating layer forming step and second electrode forming step>
FIG. 7 shows a first insulating layer forming step and a second electrode forming step. After the second insulating
以上、第1の実施の形態に係る電界発光素子の製造方法について説明したが、発光活性層形成工程を行うことにより、密着層14と量子ドット21とは密に接合した状態を保つことができ、発光活性層20へキャリアを輸送し易くなる。加えて、このように密着層14を発光活性層20と第1絶縁層13との間に介在させる構成とすれば、密着層14と第1絶縁層13との界面でのキャリアの発生を促す作用がある。したがって、本実施の形態では、発光活性層20からの発光強度を向上することができる。特に、密着層14は、量子ドット21におけるシェル層23のヤング率と同等以下のヤング率を持つ層からなるため、図8に示すように、発光活性層14との接合面において量子ドット21同士の間隙に密着層14の材料を入り込ませることが容易となる。したがって、量子ドット21が密着層14により変形されたり損傷を受けたりすることが防止できる。この結果、量子ドット21のサイズが変化することがなく、量子ドット21から放出される光の色が変わってしまうことを防ぐことができる。このような電界発光素子10Aでは、量子ドット21からの発光スペクトルが量子ドット21に由来する波長となるため、発光スペクトルが広帯域となることを防止する作用を奏する。
As mentioned above, although the manufacturing method of the electroluminescent element which concerns on 1st Embodiment was demonstrated, the contact |
また、上記第1の実施の形態では、発光活性層20を平坦化層15で覆う構成としたことにより、成膜後の発光活性層20表面の凹凸を是正して、例えばその上に成膜する第2絶縁層16、電極17の平坦性を高めることができた。したがって、電極17と発光活性層20との距離が発光領域面内で均一になるため、絶縁破壊が起こりにくくなり、また電界強度の面内均一性を向上できた。
In the first embodiment, since the light emitting
[第2の実施の形態]
(電界発光素子の概略構成)
本発明の第2の実施の形態に係る電界発光素子は、上記第1の実施の形態に加えて、第1絶縁層13と密着層14の間、および平坦化層15と第2絶縁層16の間に、それぞれ緩衝層を有する構成の電界発光素子である。第2の実施の形態の電界発光素子は、より高い発光輝度が得られる素子である。
[Second Embodiment]
(Schematic configuration of electroluminescent element)
The electroluminescent element according to the second embodiment of the present invention includes, in addition to the first embodiment, between the first insulating
(電界発光素子の製造方法)
本実施の形態の電界発光素子の製造方法は、緩衝層形成工程以外は上記第1の実施の形態の素子と同様に製造可能であるため、ここでは緩衝層形成工程のみ説明する。
第1絶縁層13(50〜500nmのTaOx)上に、第1緩衝層として10nmのZnSを形成した。ZnSはMBE法により形成した。第1緩衝層上に、密着層14(1〜3nmのS)を形成した。
また、平坦化層15(1〜3nmのS)上に、第2緩衝層として10nmのZnSを形成した。ZnSはMBE法により形成した。第2緩衝層上に、第2絶縁層(50〜500nmのTaOx)を形成した。
このようにして得られた本実施形態の電界発光素子は、第1の実施の形態の電界発光素子と比較して、発光スペクトルは略同等であり、さらに高い発光輝度を示した。
(Method for manufacturing electroluminescent element)
Since the manufacturing method of the electroluminescent element of this embodiment can be manufactured in the same manner as the element of the first embodiment except for the buffer layer forming process, only the buffer layer forming process will be described here.
On the first insulating layer 13 (50 to 500 nm TaOx), 10 nm ZnS was formed as a first buffer layer. ZnS was formed by the MBE method. An adhesion layer 14 (1 to 3 nm S) was formed on the first buffer layer.
Also, 10 nm of ZnS was formed as the second buffer layer on the planarizing layer 15 (1 to 3 nm of S). ZnS was formed by the MBE method. A second insulating layer (TaOx of 50 to 500 nm) was formed on the second buffer layer.
The electroluminescent element of the present embodiment thus obtained has substantially the same emission spectrum and higher emission luminance than the electroluminescent element of the first embodiment.
〈実験例1〜5〉
上記第1の実施の形態に係る電界発光素子10Aの構成において、発光活性層20を挟む密着層14および平坦化層15が無い場合(比較例1)と、密着層14と平坦化層15の材料をともにZnSで形成したものを用意した。そして、密着層14と平坦化層15のそれぞれの厚さが、1.25nm(実験例1)、2.5nm(実験例2)、5.0nm(実験例3)、20.0nm(実験例4)、80nm(実験例5)と異なる実験例1〜5の電界発光素子を作製して、挙動を観察した。また、密着層14および平坦化層15がともに5.0nmのTa2O5(ヤング率133GPa)である素子(比較例2)も作製し、挙動を観察した。
<Experimental Examples 1-5>
In the configuration of the
その結果、図13〜17に示すように、密着層14および平坦化層15が無い比較例1と比較して、実験例1〜5では挙動が変化し(異なり)、1.25nm〜5.0nmまでの電界発光素子は、発光強度が増し、発光スペクトルが狭帯域化する効果が確認できた。実施例1、実施例3の結果については図示していないが、実施例2と同等のスペクトルが観測された。一方、20.0nm以上の厚さの密着層14および平坦化層15を介在させた場合、量子ドット21の発光ピークと異なるものを含むスペクトルが観察された。したがって、密着層14および平坦化層15の厚さは、20.0nm未満が望ましいことがわかった。また、平坦化層15を堆積させることにより、量子ドット21同士の間隙を平坦化層15の材料が埋めるため、発光活性層20内のキャリア移動効率が向上することがわかった。なお、比較例2では、発光スペクトルは非常に広帯域化し、発光輝度も各実施例と比較してかなり低下していた。
As a result, as shown in FIGS. 13 to 17, the behavior is changed (different) in Experimental Examples 1 to 5 as compared with Comparative Example 1 in which the
また、同様にして密着層14および平坦化層15としてZn、Se、Sを用いた素電界発光素子をそれぞれ作製した。ここで、密着層14および平坦化層15の膜厚をそれぞれ膜厚1.25nm、膜厚10.0nmとした素子を作製した。作成したそれぞれの素子について発光スペクトル測定を行ったところ、いずれの素子においても実験例1〜3と同様に、比較例よりも発光強度が増し、発光スペクトルが狭帯域化する効果が確認できた。
Similarly, elementary electroluminescent elements using Zn, Se, and S as the
〈実験例6〉
上記第1の実施の形態に係る電界発光素子10Aの構成において、平坦化層15が無く密着層14のみが介在された構造の電界発光素子を作製して、交流駆動を行って発光強度を時間分解して観察した。その結果は、図○に示す通りである。この結果から、一回の交流の往復電界のうち片側だけで強い発光が観察されることから、密着層14のみを介在しただけでも発光強度の向上には一定の効果が得られるが、両方備えるほうが望ましいことがわかった。
<Experimental example 6>
In the configuration of the
[第3の実施の形態]
図12は、本発明の第3の実施の形態に係る電界発光素子10Bを示す断面説明図である。本実施の形態では、基板がガラスではなく、シリコン基板18を用いている。本実施の形態に係る電界発光素子10Bは、シリコン基板18の上に、順次、電極17、第1絶縁層13、密着層14、発光活性層20、平坦化層15、第2絶縁層16、透明電極12が形成されている。本実施の形態の電界発光素子10Bでは、透明電極12側へ発光が抜けるようになっている。
[Third embodiment]
FIG. 12 is an explanatory cross-sectional view showing an
本実施の形態に係る電界発光素子10Bの作用、動作、効果は、上記第1の実施の形態とほぼ同様であるため、その説明は省略する。
[その他の実施の形態]
Since the operation, operation, and effect of the
[Other embodiments]
以上、本発明の第1〜3の実施の形態について説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。 Although the first to third embodiments of the present invention have been described above, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
上記実施の形態では、密着層14を硫黄(S)で形成したが、これに限定されるものではなく、Se、As、Pなどの単一原子層でもよいし、ZnSやZnSeなどの各種の複合原子層であってもよい。密着層14や平坦化層15の材料として、ZnSを用いると、キャリアの発生効率、キャリア移動効率、量子ドット21の修復効果などを向上でき、可視光に対して無色透明なディスプレイを実現することも可能となる。
In the above embodiment, the
また、密着層14としては、伝導帯端準位が量子ドット21のコア部分22の材料の伝導帯端準位より大きく、価電子帯端準位がコア部分22の材料の価電子帯端準位よりも小さい、例えばII族、III族、V族、VI族から選ばれる少なくとも一種類の原子を含む層であってもよい。また、密着層14の材料は、シェル層23の材料との格子定数の差が5%以内である無機材料から選んでもよい。また、密着層14の材料として、シェルとのバンドオフセットが0.1eV以下になる材料から選んでもよい。また、平坦化層15においても、成膜条件により平坦化が可能な材料であれば、上記密着層14の材料と同様の材料を用いることができる。上記実施の形態では、密着層14と平坦化層15とを同一の材料で形成したが、互いに異なる材料を用いて形成しても勿論よい。
Further, as the
また、上記第2の実施の形態では、基板が不透明なシリコン基板18を適用したが、不透明な材料で電極17の成膜が可能な材料であれば、他の無機材料を用いてもよいし、可撓性を有するプラスチック基板を適用することも可能である。
In the second embodiment, the
10A、10B…電界発光素子
11…ガラス基板
12…透明電極
13…第1絶縁層
14…密着層
15…平坦化層
16…第2絶縁層
17…電極
18…シリコン基板
20…発光活性層
30…交流駆動源
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記発光活性層の下方の表面側に、前記シェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層でなり、かつ前記発光活性層との接合面が量子ドット同士の間隙に入り込むように突出して密着する密着層が、形成されていることを特徴とする電界発光素子。 An insulating layer is disposed on at least one surface side of a light emitting active layer including a quantum dot having a structure in which the surface of the core portion is covered with a shell layer, and a pair of electrodes sandwiching the light emitting active layer and the insulating layer in a thickness direction is provided. An electroluminescent element that emits light from the light emitting active layer by applying an alternating voltage to the pair of electrodes,
On the lower surface side of the light emitting active layer, an inorganic layer having a Young's modulus equal to or lower than the Young's modulus of the shell layer, and the bonding surface with the light emitting active layer protrudes so as to enter the gap between quantum dots. An electroluminescent element characterized in that an adhesion layer that adheres to each other is formed.
基板上に第1の電極を形成する第1電極形成工程と、
前記第1電極形成工程の後で、前記発光活性層を形成する発光活性層形成工程の前に施される、前記シェル層のヤング率と同等以下のヤング率を持つ無機層でなる密着層を形成する密着層形成工程と、
前記密着層の上に、ES−IBD法により連続照射される前記量子ドットを前記密着層の表面に打ち込むことにより堆積させて発光活性層を形成する発光活性層形成工程と、
前記発光活性層の上に、前記シェル層とのバンドオフセットが0.1eVである無機材料でなる平坦化層を表面平坦性を有するように形成する平坦化層形成工程と、
前記平坦化層形成工程の後に施される、第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
を備えることを特徴とする電界発光素子の製造方法。 An insulating layer is laminated on at least one surface side of a light emitting active layer including a quantum dot having a structure in which a surface of a core portion is covered with a shell layer, and a pair of electrodes sandwiching the light emitting active layer and the insulating layer in a thickness direction is provided. A method of manufacturing an electroluminescent element that emits light from the light emitting active layer by applying an alternating voltage to the pair of electrodes,
A first electrode forming step of forming a first electrode on the substrate;
An adhesion layer made of an inorganic layer having a Young's modulus equal to or lower than the Young's modulus of the shell layer, which is applied after the first electrode forming step and before the light emitting active layer forming step of forming the light emitting active layer. An adhesion layer forming step to be formed;
A light emitting active layer forming step of forming a light emitting active layer by depositing the quantum dots continuously irradiated by an ES-IBD method on the surface of the adhesive layer;
A planarizing layer forming step of forming a planarizing layer made of an inorganic material having a band offset with respect to the shell layer of 0.1 eV on the light emitting active layer so as to have surface flatness;
A second electrode forming step of forming a second electrode applied after the planarizing layer forming step;
A method for manufacturing an electroluminescent element, comprising:
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CN107209416A (en) * | 2014-11-28 | 2017-09-26 | 阿莫绿色技术有限公司 | Quantum dot film and its manufacture method |
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2009
- 2009-09-29 JP JP2009224848A patent/JP2011076770A/en active Pending
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