JP2014507749A

JP2014507749A - 発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP2014507749A
Application number: JP2013544998A
Authority: JP
Inventors: 明杰周; 文波 ▲馬▼; 玉▲剛▼ ▲劉▼
Original assignee: ▲海▼洋王照明科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP5816698B2; WO2012083519A1; EP2657989A1; EP2657989A4; US20130209794A1; CN103140944A

Abstract

本発明は、発光素子（１０）及びその製造方法を開示する。前記発光素子（１０）は、発光基板（１３）と、発光基板の表面に製造され、且つ金属微細構造を有する金属層（１４）とを含む。発光基板の素材は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂの透明セラミックスである。発光基板に一層の金属微細構造を有する金属層を設けることにより、陰極線（１６）で、前記金属層が発光基板との界面に表面プラズモンを生成する。表面プラズモン効果により、透明セラミックスの自発輻射を強化させ、発光基板の発光効率を大幅に向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光材料分野に関し、特に発光素子に関する。本発明は、更に、発光素子の製造方法に関する。

従来、発光基板の材料として、蛍光粉末、ナノ結晶、発光ガラス及び透明セラミックスなどが含まれる。透明セラミックスは、他の発光材料に比べて独特な利点を有している。発光ガラスに比べて、透明セラミックスはより高い発光効率を有し、蛍光粉末、ナノ結晶に比べて、透明セラミックスは、透明で、機械強度が高く、化学的安定性が良いなどの利点を有し、且つ、様々な寸法及び形状の製品に加工し易い。例えば、様々な寸法及び形状の表示装置や照明光源に加工し易い。

例えば、真空マイクロエレクトロニクスの分野では、電界放出デバイスは、通常、発光体として発光セラミックスを利用する。これは、照明及び表示の分野で、広範な応用の見通しを示し、海内外の研究機関で広範に注目された。電界放出デバイスの作動原理は、以下の通りである。即ち、真空環境で、陽極より電界放出陰極アレイ（Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｖｅａｒｒａｙｓ、ＦＥＡｓ）に対して順電圧を印加することにより加速電界を生成し、陰極から放出された電子が陽極板上の発光材料に加速して衝突することにより発光する。電界放出デバイスの作動温度範囲が広く（−４０℃〜８０℃）、応答時間が短く（１ｍｓ未満）、構造が簡単で、電力の消費が低く、環境保護の要求を満たす。

しかしながら、電界放出デバイスの発光材料として透明セラミックスを使用する場合、発光効率が低いと言う問題がある。

上記課題を解決するために、本発明は、化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである透明セラミックスを発光基板とする発光素子を提供する。
本発明に係る発光素子は、発光基板と、発光基板の表面に製造され、且つ金属微細構造を有する金属層とを含み、前記発光基板の素材は、化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである透明セラミックスである。

本発明に係る発光素子において、前記金属層の素材は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種であり、前記金属層の厚さが０．５ｎｍ〜２００ｎｍであっても良い。

本発明の他の目的は、前記発光素子の製造方法を提供する。本発明に係る発光素子の製造方法は、
工程Ｓ１：化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである透明セラミックスの発光基板を洗浄し、乾燥する工程と、
工程Ｓ２：前記発光基板の表面に一層の金属層を製造する工程と、
工程Ｓ３：真空状態で、金属層が製造された発光基板に対して、アニール処理を行い、冷却した後、金属層に金属微細構造を有する発光素子を製造し得る工程と、
を備える。

前記製造方法の工程Ｓ２において、前記金属層の素材は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種であり、前記金属層の厚さが０．５ｎｍ〜２００ｎｍであっても良い。
前記製造方法の工程Ｓ３において、前記アニール処理は、５０℃〜６５０℃温度で、０．５時間〜５時間の真空アニール処理を行い、室温まで自然冷却することを含む。

従来技術に比べて、本発明は以下の利点を有する。
１．本発明に係る発光素子は、発光基板に一層の金属微細構造を有する金属層を設けることにより、陰極線で、前記金属層が発光基板との界面に表面プラズモンを生成することができ、表面プラズモン効果により、発光基板の内部量子効率を大幅に向上させ、即ち、透明セラミックスの自発輻射を強化させ、発光基板の発光効率を大幅に向上した。
２．本発明に係る発光素子の製造方法において、発光基板に一層の金属層を形成して、アニール処理して金属微細構造を製造し得ることのみで、目的とする発光素子が得られる。従って、製造方法が簡単であり、且つコストが低い。

本発明に係る発光素子の構造を示す概要図である。本発明に係る発光素子の製造工程のフローチャートである。本発明に係る発光素子の発光方法のフローチャートである。実施例１の発光素子と金属層が形成されていない透明セラミックスとの発光スペクトルの対比図であり、ここで、陰極線の発光スペクトルの測定条件として、電子ビーム励起の加速電圧が１０ＫＶである。

本発明は、発光素子１０を提供する。図１に示すように、発光素子１０は、発光基板１３と、発光基板１３の表面に製造され、且つ金属微細構造を有する金属層１４とを含む。前記金属微細構造は非周期的であり、即ち、不規則に配列した金属ナノ粒子からなる。前記発光基板１３は、Ｔｂをドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系である発光性能を持つ透明セラミックスであり、即ち、発光セラミックスであり、通常、Ｔｂをドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系透明セラミックスであり、その化学組成をＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂのセラミックスと示す。

前記発光素子１０の金属層１４の素材として、化学的安定性の良い金属で形成することができ、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種の金属で形成することができる。好ましくは、金、銀、アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の金属で形成する。金属層１４における金属種として、前記金属の単一金属、または複合金属であることができる。複合金属として、前記金属の二種又は二種以上の合金であることができる。例えば、金属層１４が銀アルミニウム合金層又は金アルミニウム合金層であり、銀又は金の重量分率が好ましくは７０％以上であることができる。金属層１４の厚さとして、０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。

本発明は、前記発光素子の製造方法を更に提供する。図２に示すように、本発明に係る発光素子の製造方法は、
工程Ｓ０１：発光基板をアセトン、脱イオン水、無水エタノールで順序に清浄して、ベーキング乾燥又は風乾乾燥を行う工程と、
工程Ｓ０２：前記発光基板の表面に一層の金属層を製造する工程と、
工程Ｓ０３：金属層が製造された発光基板に対して、真空状態で、アニール処理を行い、冷却した後、金属層に金属微細構造を有する発光素子を製造し得る工程と、
を備える。

前記製造方法の工程Ｓ０１において、発光基板は、その化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：ＴｂであるＴｂをドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系の透明発光セラミックスを採用する。使用過程において、透明セラミックスを機械加工、研磨等を通じて様々な応用に必要する所望の形状に製造する、即ち発光基板に製造する。

ここで、金属層は、化学的安定性の良い金属素材原料を堆積して生成されることができる。例えば、酸化腐食し難い金属であっても良く、その他常用の金属であっても良く、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種の金属であることが好ましい。更に、金、銀、アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の金属であることがより好ましい。

前記製造方法の工程Ｓ０２において、前記金属層は、前記の少なくとも一種の金属を物理的又は化学的気相堆積法により発光基板の表面に堆積することにより形成し、例えば、スパッタリング法又は蒸着法（ただし、これらの２つの方法のみに限られるものではない）で発光基板の表面に形成することができる。金属層の厚さとして、０．５ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍである。

前記製造方法の工程Ｓ０３は、具体的に以下の通りである。
発光基板の表面に金属層を形成した後、５０℃〜６５０℃温度で、１時間〜５時間真空アニール処理を行ってから、室温まで自然冷却する。ここで、アニール温度として、好ましくは１００℃〜５００℃である。アニール時間として、好ましくは１時間〜３時間である。

図１に示すように、前記発光素子１０は、超高輝度と高速作動の発光素子、例えば、電界放出ディスプレイ、電界放出光源や大型広告看板などの製品に広く用いられることができる。電界放出ディスプレイを例として説明すると、電界放出陰極アレイに対して陽極が順電圧を印加して加速電界を生成して、陰極から電子を放射し、即ち金属層１４に対して陰極線１６を放射し、微細構造を有する金属層１４と発光基板１３との間に、表面プラズモンを生成して、表面プラズモン効果により、発光基板１３の内部量子効率を大きく向上させ、即ち、透明セラミックスの自発輻射を強化させ、更に、発光基板の発光効率を大きく向上させる。従って、発光材料の発光効率が低いと言う問題を解決する。なお、発光基板１３の表面に一層の金属層が形成されているため、金属層整体と発光基板１３との間に均一な界面を形成して、発光の均一性を高めることができる。

本発明に係る発光素子は、実際の使用過程において、図３に示すように、その発光方法として、以下の工程を含む。
工程Ｓ１１：発光素子の金属層が形成されている表面を、陰極線放射の前方に取り付ける。
工程Ｓ１２：金属層に対して陰極線を放射し、陰極線の励起で、金属層と発光基板との間に表面プラズモンを生成して、発光基板の発光を強化させる。

実際の使用過程において、工程Ｓ１２を実現することにあたって、電界放出ディスプレイや照明光源を採用することができ、真空環境で、電界放出陰極アレイに対して陽極が順電圧を印加して加速電界を生成し、陰極から陰極線を放射して、陰極線の励起で、電子ビームが、まず金属層を突き通して、更に、発光基板を励起して発光させる。この工程に、金属層と発光基板との界面に、表面プラズモン効果を生成して、この効果により、発光基板の内部量子効率を大きく向上させ、即ち、透明セラミックスの自発輻射を強化させ、更に、発光基板の発光効率を大幅に向上させる。

上述したように、電子ビームが金属層を突き通して、発光基板を励起して発光して、発光基板と金属層との間に、表面プラズモンを生成して、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂセラミックスの発光を促進する。

表面プラズモン（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎ、ＳＰ）は、金属と媒体との界面に沿って広がる波であり、その振幅は、界面から離れる距離に従って、指数関数的に減衰する。金属表面の構造を変更する場合、表面プラズモンポラリトン（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ、ＳＰＰｓ）の性質、分散関係、励起モード、カップリング効果などは、何れも大きく変化する。ＳＰＰｓより誘発した電磁界は、光波をサブ波長構造に広がることを制限するだけでなく、光周波数からマイクロ波帯域までの電磁輻射を生成し、制御することができ、光の伝播を主動制御することを実現できる。そこで、本実施形態では、ＳＰＰｓの励起性能を利用して、発光基板の光学密度を向上させ、その自発輻射速度を増加させる。なお、表面プラズモンのカップリング効果を利用して、発光基板が発光する際に、それとカップリング共振効果を生じることができ、発光基板の内部量子効率を大幅に向上させ、発光基板の発光効率を向上させる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例をさらに詳細に説明する。
実施例１
Ｔｂをドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系透明セラミックスシート、即ち、化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである発光セラミックスを発光基板として、マグネトロンスパッタリング装置を利用して、透明セラミックスの表面に厚さが１０ｎｍである銀の金属層を堆積して、その後、それに対して真空度１×１０^−３Ｐａ未満の真空環境で、３００℃温度で、０．５時間アニール処理を行ってから、室温まで冷却して、金属微細組織を有する金属層を備える発光素子を得る。

上記のように製造された発光素子に対して、スペクトル検査を行う。電子銃から放出された陰極線を前記発光素子に衝突して、電子ビームが、まず金属層を突き通して、更に、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂの透明セラミックスを励起して発光して、図４に示すような発光スペクトルを生成する。図示しているスペクトルは、前記発光材料が緑色発光材料であることを示す。図面において、曲線１１は、銀の金属層が形成されていないセラミックスの発光スペクトルである。曲線１２は、本実施例で製造された金属構造が形成されている発光素子の発光スペクトルである。図面から分かるように、金属層と透明セラミックスとの間に、表面プラズモン効果が生成するため、金属層が形成されていない透明セラミックスに比べて、本実施例に係る金属構造が形成された透明セラミックスの４００ｎｍ〜６５０ｎｍの発光積分強度は、金属層が形成されていない透明セラミックスの発光積分強度の２．５倍であり、その発光性能を大幅に向上した。

実施例２
実施例２は、実施例１と基本的に同様であり、以下の点で異なる。発光基板の表面に厚さが０．５ｎｍである金の金属層を堆積し、その後、これに対して真空度１×１０^−３Ｐａ未満の真空環境で、６５０℃温度で、１時間アニール処理を行ってから、室温までに冷却し、金属微細組織を有する金属層を備える発光素子を得る。

実施例３
実施例３は、実施例１と基本的に同様であり、以下の点で異なる。発光基板の表面に厚さが２００ｎｍであるアルミニウムの金属層を堆積し、その後、これに対して真空度１×１０^−３Ｐａ未満の真空環境で、５０℃温度で、５時間アニール処理を行ってから、室温までに冷却し、金属微細組織を有する金属層を備える発光素子を得る。

以上は、本発明の好ましい実施例に対する詳細な記載であるものの、本発明はこれらの実施形態のみにより限定されるものではなく、本発明の保護範囲は、本発明の特許請求の範囲に基づくものであると理解すべきである。

Claims

発光基板と、発光基板の表面に製造され、且つ金属微細構造を有する金属層とを含み、
前記発光基板の素材は、化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである透明セラミックスであることを特徴とする発光素子。
前記金属層の素材は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記金属層の厚さは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
工程Ｓ１：発光基板を洗浄し、乾燥する工程と、
工程Ｓ２：前記発光基板の表面に一層の金属層を製造する工程と、
工程Ｓ３：金属層が製造された発光基板に対して、真空状態で、アニール処理を行い、冷却した後、金属層に金属微細構造を有する発光素子を製造し得る工程と、
を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
前記工程Ｓ１において、前記洗浄処理は、発光基板をアセトン、脱イオン水、無水エタノールで順序に清浄することを含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
前記乾燥処理は、ベーキング乾燥又は風乾乾燥を採用することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
前記工程Ｓ１において、前記発光基板の素材は、化学組成がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂである透明セラミックスであることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
前記工程Ｓ２において、前記金属層の素材は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、白金、パラジウム、マグネシウム、又は亜鉛から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
前記工程Ｓ２において、前記金属層の厚さは０．５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
前記工程Ｓ３において、前記アニール処理は、５０℃〜６５０℃温度で、０．５〜５時間真空アニール処理を行い、室温まで自然冷却することを含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。