JP2011076827A - 量子ドット無機ｅｌ素子、駆動波形制御装置、及び量子ドット無機ｅｌ発光システム - Google Patents

Abstract

【課題】交流電圧の振幅などを制御することなく、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を調整する。
【解決手段】無機ＥＬ発光システムは、量子ドットを含む発光層１１と、発光層１１の両側に配置される１対の電極１６、１７とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を電極１６、１７の間に印加することにより、交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子１と、量子ドット無機ＥＬ素子１に対して交流電圧を印加する電源２と、交流電圧の波形を制御する駆動波形制御装置３とを備える。駆動波形制御装置３は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することにより量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子ドットを含む発光層を有し、且つ交流電圧を印加することにより発光する素子（以後、「量子ドット無機ＥＬ素子」という）、量子ドット無機ＥＬ素子に印加する交流電圧の波形を制御する駆動波形制御装置、及び量子ドット無機ＥＬ素子及び駆動波形制御装置を備える量子ドット無機ＥＬ発光システムに関する。

量子ドットは、直径数ナノメートルの球状の形状をした相対的にバンドギャップ・エネルギの小さい無機半導体材料（量子井戸）と、それを取り囲む相対的にバンドギャップ・エネルギの大きい材料（マトリックス）とによって、３次元の量子井戸構造を形成している。また、量子井戸およびマトリックスの材料が同一の場合でも、内包される球状半導体の直径を変えることのみで蛍光波長の連続的な調整が可能であること、極めて高い発光効率を持つことなどの従来の無機発光体とまったく異なる特徴を持つ（特許文献１及び２参照）。

量子ドットを使用する発光素子は数例存在するが、そのほとんどが直流電流を用いる有機ＥＬ素子であって、交流電場を使用する無機ＥＬ素子の例はまだ少ない。

絶縁膜を含むタイプの無機ＥＬ素子の駆動には交流電場が必要である。無機ＥＬ素子の両電極に交流電圧を印加すると、発光層に電子が注入されて衝突励起を起し、励起電子の緩和あるいは電子と正孔の再結合において発光層が発光する。

量子ドットのうち、特に高効率の発光を示すものは、コロイダル量子ドットと自己組織化量子ドットの２種類に大別される。自己組織化量子ドットは、単結晶ウェハ上に結晶構造の違いを利用して半導体成膜プロセスを以て形成されるのに対して、コロイダル量子ドットは、有機金属分子を前駆体として液相中の化学合成手法で形成される。よって、通常の半導体成膜プロセスとの適合性を持たせるために、液体中に分散されたコロイダル量子ドットを含む微粒子を真空中で堆積し薄膜化する技術が鋭意研究されている（特許文献３参照）。

国際公開２００７／１４２２０３号 国際公開２００８／０１３０６９号 国際公開２００６／０４３６５６号

ところで、量子ドット無機ＥＬ素子の発光輝度は、交流電圧の大きさ（振幅）を制御することによって調整可能である。輝度を高くするには電圧を大きくする必要があり、この調整方法では、電源の大型化や素子の高耐圧化などにより装置の大型化及びコスト高を招いてしまう。

また、量子ドット無機ＥＬ素子に印加する交流電圧の波形が正弦波様である場合、発光輝度は低く、交流周波数を下げていくとさらに発光輝度が低下してしまう。

また、量子ドット無機ＥＬ素子は、量子ドットの材料・サイズを任意に選択することで、発光スペクトルを連続的に調整することが可能であるという特徴を有する。しかしながら、非常に高い電界強度、（例えば数ＭＶ／ｃｍ程度以上）で量子ドット無機ＥＬ素子を駆動した場合、発光スペクトルの半値幅が所望のスペクトル（各量子ドット固有のフォトルミネッセンス）よりも広がってしまうことがある。このような状況では、量子ドットの材料・サイズを変更しても、所望の発光スペクトルを実現することができない。

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、交流電圧の振幅などを制御するのみでなく、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整可能な量子ドット無機ＥＬ素子、駆動波形制御装置、及び無機ＥＬ発光システムを提供することである。

また、本発明の他の目的は、より簡便な方法で、所望の（量子ドット固有の）発光スペクトルを発現可能な量子ドット無機ＥＬ素子、駆動波形制御装置、及び無機ＥＬ発光システムを提供することである。

本発明の第１の特徴は、量子ドットを含む発光層と、発光層の上下（あるいは両側）に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性（正負）が変化する交流電圧を前記電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子と、量子ドット無機ＥＬ素子に対して交流電圧を印加する電源と、交流電圧の波形を制御する駆動波形制御装置とを備える無機ＥＬ発光システムである。そして、駆動波形制御装置は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することにより量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整する。

本発明の第１の特徴によれば、ある特定の電圧（振幅）において、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間に応じて、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度が変化する。具体的には、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間が短くなるにつれて、交流電圧が零になる時の量子ドット無機ＥＬ素子の輝度が高くなる。したがって、交流電圧の振幅などを制御することなく、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することができる。

本発明の第１の特徴において、交流電圧の波形が正弦波である場合、駆動波形制御装置は交流電圧の周波数を制御することにより、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することができる。交流電圧の周波数を高くすれば、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間は短くなり、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度は高くなる。逆に、周波数を低くすれば、当該時間は長くなり、輝度は低くなる。このように、交流電圧の波形が正弦波である場合、交流電圧の周波数を制御することにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することができる。

本発明の第１の特徴において、交流電圧の波形は矩形であってもよい。これにより、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を限りなく零に近づけることができるので、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を高くすることができる。また、正弦波の場合と異なり、交流電圧の周波数は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間に影響しない。したがって、比較的に低い周波数で交流電圧を印加する場合であっても高い輝度を得ることができる。

本発明の第２の特徴は、量子ドットを含む発光層と、発光層の上下（あるいは両側）に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子であって、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間に応じて量子ドット無機ＥＬ素子の輝度が変化することである。

本発明の第２の特徴において、量子ドット無機ＥＬ素子は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を短くするにつれて輝度が高くなる性質を有していてもよい。

本発明の第３の特徴は、量子ドットを含む発光層と、発光層の上下（あるいは両側）に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子に用いられる駆動波形制御装置であって、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することにより量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することである。

本発明の第１乃至第３の特徴において、交流電圧が零である時から極大値或いは極小値になる時までの時間を制御することにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度及び発光スペクトル波長を調整してもよい。具体的には、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長くすることにより、発光スペクトル波長の半値幅を狭くすることができる。これにより、簡便な方法によって、量子ドット固有の発光スペクトルを発現させることができる。

本発明の量子ドット無機ＥＬ素子、駆動波形制御装置、及び無機ＥＬ発光システムによれば、交流電圧の振幅などを制御しなくても、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することができる。

また、本発明の量子ドット無機ＥＬ素子、駆動波形制御装置、及び無機ＥＬ発光システムによれば、より簡便な方法で、所望の（量子ドット固有の）発光スペクトルを発現させることができる。

本発明の実施の形態に係わる無機ＥＬ発光システムの構成を示す概念図である。 図２（ａ）は交流周波数が３０ｋＨｚである場合の発光輝度を示し、図２（ｂ）は交流周波数が２０ｋＨｚである場合の発光輝度を示し、図２（ｃ）は交流周波数が１０ｋＨｚである場合の発光輝度を示す。 図１に示した駆動波形制御装置３により制御される交流電圧の波形と量子ドット無機ＥＬ素子１が発光するタイミングとの関係を示すグラフである。 交流電圧が極大値或いは極小値になる時から交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）と量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度（Ｐ）との関係を示すグラフである。 様々な交流周波数について、量子ドット無機ＥＬ素子１の発光波長と輝度との関係を示すグラフである。 交流周波数と輝度との関係を示すグラフである。 図７（ａ）は交流電圧の波形が正弦波（Ｖ１）である場合の発光輝度を示すグラフであり、図７（ｂ）は交流電圧の波形が矩形波（Ｖ２）である場合の発光輝度を示すグラフである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、駆動波形制御装置３による交流波形の制御例を示すグラフである。 図９（ａ）はリーディング・エッジで起る発光のスペクトルＰを示し、図９（ｂ）はトレイリング・エッジで起る発光のスペクトルＱを示すグラフである。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
（無機ＥＬ発光システム）

図１を参照して、本発明の実施の形態に係わる無機ＥＬ発光システムの構成を説明する。本発明の実施の形態に係わる無機ＥＬ発光システムは、量子ドット無機ＥＬ素子１と、量子ドット無機ＥＬ素子１に対して交流電圧を印加する電源２と、量子ドット無機ＥＬ素子１に印加する交流電圧の波形を制御する駆動波形制御装置３とを備える。

量子ドット無機ＥＬ素子１は、発光活性層としての量子ドット堆積膜１１と、量子ドット堆積膜１１の両側を挟むバッファ層１２、１３と、バッファ層１２の外側に配置された絶縁層１４と、バッファ層１３の外側に配置された絶縁層１５と、絶縁層１４の外側に配置された上部電極１６と、絶縁層１５の外側に配置された透明導電性物質からなる下部電極１７と、下部電極１７の外側に配置された基板１８とを有する。ここで基板１８として、プラスチック、ガラス等の透明基板を採用することで、全透明の量子ドット無機ＥＬ素子を実現できる。

このように、量子ドット無機ＥＬ素子１は、量子ドット堆積膜１１の両側をバッファ層１２、１３で挟み、その両側を絶縁層１４、１５で挟み、更にその両側に電極を配置した対称的な積層構造を有し、基板の材料にもよるが総ての材質を無機物で構成している。

なお、量子ドット堆積膜１１と絶縁層１４、１５の間にバッファ層１２、１３をそれぞれ配置した場合を示したが、バッファ層１２、１３を省略した積層構造であっても構わない。更に、量子ドット堆積膜１１の両側に絶縁層１４、１５を配置した場合について示したが、少なくともいずれか一方の側に配置されていればよい。即ち、量子ドット無機ＥＬ素子１は、少なくとも、量子ドット堆積膜１１と、上部電極１６と、下部電極１７と、絶縁層１４、１５のいずれか一方とを有していればよい。

下部電極１７は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜からなり、基板１８上に成膜される。絶縁層１４、１５は、タンタル酸化物（ＴａＯｘ）等のワイドギャップの透明絶縁物からなる。バッファ層１２、１３は、不純物が添加されていないＺｎＳ膜等からなる。

量子ドット堆積膜１１には量子ドットが含有されている。量子ドットは、コロイダル溶液中に生成されるコロイダル量子ドットであってもよいし、単結晶ウェハ上に結晶構造の違いを利用して半導体成膜プロセスを以て形成される自己組織化法（Ｓ−Ｋ法）による量子ドットであっても構わない。本発明の実施の形態においては、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造を有する量子ドットについて説明する。

コア部分は、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＰｂＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＣｓＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、及びこれらの混晶で構成される材料を用いて形成される。量子ドット無機ＥＬ素子１に求められる発光波長に応じて、材料及び粒径が適宜決定される。コア部分の粒径は１〜１０ｎｍの範囲内から選定することが望ましく、湿式の化学合成手法（液相合成法）、レーザーアブレーション法、自己組織化法（Ｓ−Ｋ法）等の公知の方法によって球形または準球形に形成される。

シェル層は、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣａＳ、ＳｒＳ、ＢａＳ、ＣａＧａ_２Ｓ_４、ＳｒＧａ_２Ｓ_４、ＺｎＭｇＳ_２、ＢａＡｌ_２Ｓ_４、及びこれらの混晶で構成される材料であって、コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料を用いて、液相合成法、蒸着法、エアロゾルデポジション法やスプレーコーティング法により形成される。

ここでは、コアシェル構造を有する量子ドットを用いた場合について説明したが、このような構造を有さなくても、コアの周囲をとりまく部分（マトリックス部）が、シェル層と同様の材料から構成されていれば、同様の機能を有する。すなわち、量子ドット堆積膜１１が、シェル層と同様の材料からなるマトリックス部中にコア部分が存在するような膜であっても良い。

電源２は、駆動波形制御装置３による制御の下で、様々な波形の交流電圧を上部電極１６と下部電極１７との間に印加する。交流電圧の波形には、例えば、正弦波、矩形波、或いは、これらの波形の一部を変形した波形など、時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する様々な波形が含まれる。

電源２によって上部電極１６と下部電極１７との間に交流電圧が印加されると、素子内部において交流電界が形成され、この電界により電子が加速される。加速された電子のうちシェル層及び量子ドット堆積膜１１とバッファ層１２、１３の間に到達した電子がコア部分に注入され、注入された電子と量子ドットとの衝突によりコア部分内に形成される量子化準位間で電子が励起される。この励起状態における電子及び正孔が再結合する過程においてコア部分から矢印「光」に示す基板１８方向へ発光する。

次に、量子ドット無機ＥＬ素子１の製造方法の一例を説明する。

（イ）先ず、下部電極１７としてのＩＴＯ膜が予め形成されたガラス基板１８を用意する。このＩＴＯ付ガラス基板の上に、高周波マグネトロン・スパッタ装置を用いて、絶縁層１５としてＴａＯｘ膜を成長させる。ＴａＯｘ膜の膜厚は約４００ｎｍとする。ＴａＯｘ膜の上に、量子ドットのシェル層と同じ材料であって、不純物が添加されていないＺｎＳ膜を、バッファ層１３として成膜する。

（ロ）バッファ層１３は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、或いは通常の真空蒸着法、スパッタ法を用いて形成できる。ここでは、ＭＢＥ法を用いた場合について説明する。Ｚｎ源として金属亜鉛インゴットを用い、これを合成石英ガラス製容器中で２５０〜４００℃で加熱し、１×１０^−５〜１×１０^−４Ｐａの圧力のフラックス（分子線）を得、Ｓ源として高純度のＳ粒子を用い、これ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Ｓガスを４００〜１０００℃に加熱したクラッキング・グリッドを通過させることでクラックした後、２×１０^−５〜１×１０^−３Ｐａの圧力のフラックスを得た。ＺｎおよびＳの各々を、絶縁層１５形成後のガラス基板１８上に照射し、ＺｎＳ層を形成する。基板の温度は室温〜１８０℃で適宜決定し、膜厚は１〜１０ｎｍとする。

（ハ）特許文献３に記載されたエレクトロスプレー・イオンビーム堆積法（ＥＳ−ＩＢＤ法）を用いて、量子ドットをイオンビーム状に打ち込んで堆積させることにより、バッファ層１３上に膜厚２０〜１００ｎｍ程度の量子ドット堆積膜１１を形成する。そして、バッファ層１２及び絶縁層１４を、上記したバッファ層１３及び絶縁層１５と同様な方法により順次形成する。ただし、絶縁層１４は、約７０ｎｍとする。

（ニ）下部電極１７及び量子ドット堆積膜１１との絶縁性を確保するように、上方の絶縁層１５上に上部電極１６としての金（Ａｕ）膜を形成した。Ａｕ電極膜は通常の抵抗加熱蒸発源を用いた真空蒸着法によって約５０ｎｍの膜厚に成膜する。

なお、絶縁層１４、１５は、ＴａＯｘ膜のみならず、例えば、シリコン窒化物、タンタル酸化物、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であっても構わない。下層の絶縁層１５は約３００〜４００ｎｍと厚く、上層の絶縁層１４は約５０〜１００ｎｍと薄く設定することで、高い発光輝度とすることができる。
（交流電圧の波形と発光輝度との関係）

次に、図１に示した駆動波形制御装置３が制御する交流電圧の波形と量子ドット無機ＥＬ素子１が発光するタイミング及びその時の輝度との関係を説明する。

図３を参照して、図１に示した駆動波形制御装置３により制御される交流電圧の波形と量子ドット無機ＥＬ素子１が発光するタイミングとの関係を説明する。破線Ｖは、駆動波形制御装置３により制御される交流電圧の波形を示し、実線Ｂは、この交流電圧を量子ドット無機ＥＬ素子１に印加したときの量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を示す。図３は、駆動波形制御装置３により制御される交流電圧の波形（点線Ｖ）は正弦波様である場合を示し、この場合、パルス状（実線Ｂ）の発光が量子ドット無機ＥＬ素子１から得られる。

図１に示した量子ドット無機ＥＬ素子１は、時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を上部電極１６と下部電極１７との間に印加することにより、交流電圧が零になる時の近傍においてパルス状に発光する。また、量子ドット無機ＥＬ素子１は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間（Ｔ）に応じて、パルス状の発光における輝度のピーク値（Ｐ）が変化するという性質を有する。

そこで、駆動波形制御装置３は、図３に示すように、交流電圧が極大値になる時から交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）を制御することにより量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度（Ｐ）を調整する。図３には、極大値になる時から交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）を示すが、駆動波形制御装置３は、交流電圧が極小値になる時から交流電圧が零になる時までの時間を制御しても輝度（Ｐ）を調整することができる。

具体的には、図４に示すように、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間が短くなるにつれて、交流電圧が零になる時の量子ドット無機ＥＬ素子の輝度が高くなる。したがって、交流電圧の振幅などを制御することなく、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することができる。図４は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）と量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度（Ｐ）との関係を示すグラフである。

駆動波形制御装置３は、図３に示したように交流電圧の波形（点線Ｖ）が正弦波様である場合、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、交流電圧が極大値になる時から交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）を制御する方法の一例として、交流周波数を制御すればよい。ここで、図２において、破線は交流電圧の波形を示し、実線はこの交流電圧を量子ドット無機ＥＬ素子１に印加したときの量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を示す。

交流電圧の波形が正弦波様である場合、交流電圧の周波数を制御することにより、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）を制御することができる。交流周波数を高くすれば、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間は短くなり、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度は高くなる。逆に、周波数を低くすれば、当該時間（Ｔ）は長くなり、輝度は低くなる。このように、交流電圧の波形が正弦波様である場合、交流周波数を制御することにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することができる。

図２（ａ）は交流周波数が３０ｋＨｚである場合を示し、図２（ｂ）は交流周波数が２０ｋＨｚである場合を示し、図２（ｃ）は交流周波数が１０ｋＨｚである場合を示す。周波数の増加に応じて輝度が高くなっていることが分る。

そして、図５に示すように、交流電圧の周波数が変化しても、量子ドット無機ＥＬ素子の発光波長に大きな変化は見られない。更に、図６に示すように、交流電圧の周波数と発光輝度との間にはほぼ線形な関係が認められる。

交流電圧の波形が正弦波様である場合、周波数を低減すると発光輝度が低くなる。この理由は次の通りである。量子ドットの励起状態から基底状態への遷移において、無電界或いは弱い電界が印加されている状況下では、発光を伴う遷移確率が高まる。これに対して、高い電界が印加されている状況下では、発光を伴う遷移よりも発光を伴わない別のルートでの遷移、例えば、励起状態から中間状態を介して基底状態への遷移が起る確率が高まるからである。なぜなら、高い電界が印加されると、発光中心である量子ドットに量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）に起因する、波動関数の歪みが生じる。量子閉じ込めシュタルク効果の結果、高い電界が印加されている状況下においては、励起状態から基底状態への発光過程の生じる確率が低下してしまう。

したがって、交流電圧が極大値或いは極小値になって最も多くの励起状態が量子ドット内に形成されてから、速やかに、交流電圧を零にして無電界の状態とすることにより、励起状態から基底状態への発光過程が生じる確率を高める、すなわち、発光輝度を高めることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。

交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間（Ｔ）に応じて、量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度（Ｐ）が変化する。具体的には、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間が短くなるにつれて、交流電圧が零になる時の量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度が高くなる。したがって、交流電圧の振幅などを制御することなく、より簡便な方法で量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を調整することができる。

また、交流電圧の波形が正弦波様である場合、交流周波数を制御することにより、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することができる。交流周波数を高くすれば、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間（Ｔ）は短くなり、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度（Ｐ）は高くなる。逆に、周波数を低くすれば、当該時間（Ｔ）は長くなり、輝度（Ｐ）は低くなる。このように、交流電圧の波形が正弦波様である場合、交流周波数を制御することにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度（Ｐ）を調整することができる。
（その他の実施の形態）

上記のように、本発明は、１つの実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及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、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、発光輝度の調整に関して、図７（ａ）に示すように、交流電圧の波形が正弦波（Ｖ１）である場合について説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、駆動波形制御装置３は、図７（ｂ）に示すように、交流電圧の波形を矩形（Ｖ２）様に制御してもよい。これにより、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を限りなく零に近づけることができるので、量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度（Ｂ２）を高くすることができる。また、正弦波（Ｖ１）の場合と異なり、交流周波数は、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間に影響しない。したがって、比較的に低い周波数で交流電圧を印加する場合であっても高い輝度（Ｂ２）を得ることができるので、エネルギ効率が向上し、駆動波形制御回路３の低コスト化を図ることができる。ここで、図７において、破線は交流電圧の波形を示し、実線はこの交流電圧を量子ドット無機ＥＬ素子１に印加したときの量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を示す。

なお、量子ドット内の励起状態のほぼ総て（９９％程度）が緩和するまでにかかる時間（０．５μ秒）以上の期間、量子ドット内を無電界の状態に保つことにより、エネルギ効率及び発光輝度を高めることができる。よって、駆動波形制御装置３は、交流電圧の波形を矩形（Ｖ２）様に制御する場合、交流電圧が零となる状態を０．５μ秒以上保持することが望ましい。なお、量子ドット膜の空間密度により、緩和時間は約１／１０程度に変動する。その場合には、保持時間はさらに短くても良い。

また、矩形波に近似した波形として、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を有限の値にした「台形」のような波形であってもよい。この場合、周波数を変化させることなく、交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を制御して、量子ドット無機ＥＬ素子１の輝度を調整することができる。

ところで、図７（ｂ）に示すように、量子ドット無機ＥＬ素子の発光には、矩形波様の交流電圧が零から極大値または極小値に到るタイミング（リーディング・エッジ）で起る発光と、交流電圧が極大値または極小値から零に到るタイミング（トレイリング・エッジ）で起る発光とがある。リーディング・エッジで起る発光とトレイリング・エッジで起こる発光の輝度の大小関係は、その印加電圧に依存する（通常、量子ドット無機ＥＬ素子では、印加電圧によってどちらの発光が支配的になるか変化する）。また、リーディング・エッジで起る発光は、発光スペクトルの半値幅が所望の（量子ドット固有の）スペクトルよりも広くなってしまうことが発明者らによる次に示す実験により確認されている。このような挙動は、量子ドット無機ＥＬ素子特有の挙動である。

発明者らは、ストリークカメラによる観察で、リーディング・エッジで起る発光とトレイリング・エッジで起る発光のスペクトル形状が異なることを確認し、リーディング・エッジで起る発光スペクトルを解析した。図９（ａ）はリーディング・エッジで起る発光のスペクトルＰを示し、図９（ｂ）はトレイリング・エッジで起る発光のスペクトルＱを示す。横軸は発光波長、縦軸は輝度を示す。スペクトルＰ及びＱは６μ秒間の発光スペクトルの積算結果である。トレイリング・エッジで起る発光のスペクトルＱは、６２０ｎｍにピークを有し、所望の量子ドットの閉じ込め準位間の遷移に由来する（量子ドットのフォトルミネッセンスとほぼ同一の）スペクトルであった。よって、トレイリング・エッジで起る発光スペクトルの半値幅は狭い。

これに対して、リーディング・エッジで起る発光のスペクトルＰは、所望の量子ドットの閉じ込め準位間の遷移に由来する、６２０ｎｍにピークを有するスペクトルρ１のみならず、スペクトルρ１に、５５０ｎｍにピークを有するスペクトルρ２及び７４０ｎｍにピークを有するスペクトルρ３を重ね合わせたものであることが分った。よって、リーディング・エッジで起る発光スペクトルＰの半値幅は広い。

よって、交流電圧の波形を図７（ｂ）に示すような矩形形様に制御すれば、リーディング・エッジ及びトレイリング・エッジの両方のタイミングで発光させることができるので、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度は向上するが、発光スペクトルの半値幅が広がってしまい、発光波長の単一性は阻害されてしまう。一方、輝度の向上よりも発光波長の単一性を優先したい場合、トレイリング・エッジのみで発光させ、リーディング・エッジでは発光させないような制御が望まれる。

リーディング・エッジで起る発光の輝度は、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間に応じて変化する。具体的には、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間が長くなると、リーディング・エッジで起る発光の輝度は低くなる。

そこで、駆動波形制御装置３は、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を制御することにより、リーディング・エッジで起る発光の輝度を調整して、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度及び発光スペクトル波長を調整することができる。具体的には、駆動波形制御装置３は、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長くすることにより、リーディング・エッジで起る発光の輝度が低くなる。これにより、図９（ａ）のスペクトルＰに含まれるスペクトルρ２及びスペクトルρ３が小さくなるので、量子ドット無機ＥＬ素子の発光スペクトル波長の半値幅が狭くなり、発光波長の単一性を向上させることができる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、駆動波形制御装置３による交流波形の制御例を示すグラフである。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長く（例えば１０秒以上に）することにより、リーディング・エッジで起る発光の輝度を低く（ほぼ零に）することができる。よって、所望でない発光ピーク（スペクトルρ２及びスペクトルρ３）の輝度が抑制される。そして、交流電圧が極大値或いは極小値である時から当該交流電圧が零になる時までの時間を短くすることにより、トレイリング・エッジで起る発光の輝度を高くすることができる。よって、所望の量子ドットの閉じ込め準位間の遷移に由来する（量子ドットのフォトルミネッセンスとほぼ同一の）スペクトルを得ることができる。したがって、量子ドットの種類（材料・サイズ）を変更することで量子ドット無機ＥＬ素子の発光スペクトルを自在に制御することができる。

なお、交流電圧の波形が図２及び図３に示した正弦波様である場合、交流電圧が零になる時の近傍における発光は、トレイリング・エッジとリーディング・エッジの双方で起こる発光の合算と捉えることができる。したがって、正弦波様と矩形波様を比べた場合、発光波長の単色性を追求するのであれば、矩形波様の方が制御性に優れる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１ 量子ドット無機ＥＬ素子
２ 電源
３ 駆動波形制御装置
１１ 量子ドット堆積膜
１２、１３ バッファ層
１４、１５ 絶縁層
１６ 上部電極
１７ 下部電極
１８ ガラス基板

Claims (15)

1. 量子ドットを含む発光層と、前記発光層の両側に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を前記電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子と、
   前記量子ドット無機ＥＬ素子に対して前記交流電圧を印加する電源と、
   前記交流電圧の波形を制御する駆動波形制御装置とを備え、
   前記駆動波形制御装置は、前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することにより前記量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することを特徴とする無機ＥＬ発光システム。
2. 前記交流電圧の波形は正弦波様であり、前記駆動波形制御装置は交流周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の無機ＥＬ発光システム。
3. 前記交流電圧の波形は矩形様であることを特徴とする請求項１に記載の無機ＥＬ発光システム。
4. 前記駆動波形制御装置は、当該交流電圧が零である状態を０．５μ秒以上保持することを特徴とする請求項３に記載の無機ＥＬ発光システム。
5. 前記駆動波形制御装置は、前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を短くすることにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を高くすることを特徴とする請求項１または２に記載の無機ＥＬ発光システム。
6. 前記駆動波形制御装置は、前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を制御することにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度及び発光スペクトル波長を調整することを特徴とする請求項１に記載の無機ＥＬ発光システム。
7. 前記駆動波形制御装置は、前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長くすることにより、発光スペクトル波長の半値幅を狭くすることを特徴とする請求項６に記載の無機ＥＬ発光システム。
8. 量子ドットを含む発光層と、前記発光層の両側に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を前記電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子であって、
   前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間に応じて輝度が変化することを特徴とする量子ドット無機ＥＬ素子。
9. 前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を短くなるにつれて輝度が高くなることを特徴とする請求項８に記載の量子ドット無機ＥＬ素子。
10. 前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間に応じて、輝度及び発光スペクトル波長が変化することを特徴とする請求項８または９に記載の量子ドット無機ＥＬ素子。
11. 前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長くすると、発光スペクトル波長の半値幅が狭くなることを特徴とする請求項１０に記載の量子ドット無機ＥＬ素子。
12. 量子ドットを含む発光層と、前記発光層の両側に配置される１対の電極とを有し、且つ時間とともに周期的に大きさとその極性が変化する交流電圧を前記電極の間に印加することにより、当該交流電圧が零になる時の近傍において発光する量子ドット無機ＥＬ素子に用いられる駆動波形制御装置であって、
    前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から当該交流電圧が零になる時までの時間を制御することにより前記量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を調整することを特徴とする駆動波形制御装置。
13. 前記交流電圧が極大値或いは極小値になる時から零になる時までの時間を短くすることにより、量子ドット無機ＥＬ素子の輝度を高くすることを特徴とする請求項１２に記載の駆動波形制御装置。
14. 前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を制御することにより、前記量子ドット無機ＥＬ素子の輝度及び発光スペクトル波長を調整することを特徴とする請求項１２または１３に記載の駆動波形制御装置。
15. 前記交流電圧が零である時から当該交流電圧が極大値或いは極小値になる時までの時間を長くすることにより、発光スペクトル波長の半値幅を狭くすることを特徴とする請求項１４に記載の駆動波形制御装置。

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