JP4205075B2 - ナノワイヤー発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はナノワイヤー発光素子及びその製造方法に係り、より詳細には製造コストが低くて大面積に生産が可能なナノワイヤー発光素子及びその製造方法に関する。
発光素子としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を利用した発光素子（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が多く研究されてきた。ＧａＮ系化合物半導体発光素子は、発光効率は高いが、基板との不整合問題で大面積素子の生産が難しい。
発光素子としてナノ構造、例えば、ナノワイヤーを使用する技術が開発されている。特許文献１には、シリコン材質のナノワイヤーを具備した発光素子とその発光素子を製造する方法が開示されている。前記ナノワイヤーは基板に触媒層、例えば、金を蒸着した後、反応炉に四塩化珪素（ＳｉＣｌ4）ガスを流して前記触媒層からシリコンナノワイヤーを成長させる方法である。
しかし、前記シリコンナノワイヤー発光素子は、製造コストは低いが、発光効率が低いと知られている。
一方、特許文献２には、ナノワイヤーをｐ−ｎダイオード構造で形成した。すなわち、ナノワイヤーの下部はｎ型ナノワイヤー、その上部はｐ型ナノワイヤーで形成してそれら間の接合部から発光させる構造である。前記ｐ−ｎ接合構造のナノワイヤーを製造するために、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ−Ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ−Ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ）方法を使用して他の組成を添加した。
一方、特許文献２には、ナノワイヤーをｐ−ｎダイオード構造で形成した。すなわち、ナノワイヤーの下部はｎ型ナノワイヤー、その上部はｐ型ナノワイヤーで形成してそれら間の接合部から発光させる構造である。前記ｐ−ｎ接合構造のナノワイヤーを製造するために、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ−Ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ−Ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ）方法を使用して他の組成を添加した。
前記ｐ−ｎ接合構造のナノワイヤーは、触媒層で成長しつつｎ型ナノワイヤー及びｐ型ナノワイヤーを順次に形成するために、良質のｐ−ｎ接合構造を得難い。
特開平１０−３２６，８８８号
米国公開特許２００３／０１６８９６４号
本発明は前記のような点を鑑みてなされたものであり、成長したナノワイヤーの表面に有機物ポリマーを接触させることによってナノワイヤーのｐタイプ及びｎタイプドーピング部分を形成する新たなナノワイヤー構造を持つ発光素子及びその製造方法を提供するところにその目的がある。
前記目的を達成するための本発明の一実施例によるナノワイヤー発光素子は、基板と、前記基板上の第１導電層と、前記第１導電層上に柱状に形成されており、それぞれはｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分とで形成された複数のナノワイヤーと、前記ｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分との間の発光層と、前記ｐ型ドーピング部分及びｎ型ドーピング部分のうち少なくともいずれか一つに該当する前記ナノワイヤーの間を満たして、該当ドーピング部分のドーパントと同じドーパントを含有する有機物ポリマーと、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層と、を具備することを特徴とする。
このような構成により、ドーピングによるナノワイヤのダメージを防止することができ、高品質のナノワイヤ発光素子を提供することができる。
このような構成により、ドーピングによるナノワイヤのダメージを防止することができ、高品質のナノワイヤ発光素子を提供することができる。
本発明の一類型によれば、前記発光層は、前記ｐ型ドーピング部分と前記ｎ型ドーピング部分との境界面である。
本発明の他の類型によれば、前記発光層は、前記ｐ型ドーピング部分と前記ｎ型ドーピング部分との間にドーピングされていない真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）部分である。
本発明の他の類型によれば、前記発光層は、前記ｐ型ドーピング部分と前記ｎ型ドーピング部分との間にドーピングされていない真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）部分である。
前記有機物ポリマーは電気親和度の大きい高分子、フッ素系または硫化物系高分子、ＰＳＳ（Ｐｏｌｙ Ｓｔｙｒｅｎｅ Ｓｕｌｆｏｎａｔｅ）系列、イオン化電位の低い高分子からなるか、アルカリ金属が含まれているか、ＮａＣ10Ｈ8、Ｎａ2Ｐｈ2ＣＯ、ＬｉＰｈ（ＣＨ2）6Ｐｈのうち少なくともいずれか一つを含むか、ＰＰＶ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌｅｎｅ）またはＣＮ−ＰＰＰ系列導電性ポリマーであることが望ましい。
これら特定の材料を用いることにより、ナノワイヤへのドーピングを均一かつ確実に行うことができる。
一方、前記ナノワイヤーはＺｎＯからなることが望ましい。
一方、前記ナノワイヤーはＺｎＯからなることが望ましい。
これにより、製造が簡便で安価な、さらに高品質の発光素子を得ることが可能となる。
前記目的を達成するための本発明の他の実施例によるナノワイヤー発光素子は、基板と、前記基板上の第１導電層と、前記第１導電層上に柱状に形成されており、それぞれはｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分とで形成された複数のナノワイヤーと、前記ｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分との間の発光層と、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層と、を具備し、前記ｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分のうちいずれか一つは、該当領域のナノワイヤーの外周に有機物分子が配置（吸着）されて形成されたものであり、他のドーピング部分は、その周囲に有機物ポリマーが満たされて前記有機物ポリマーとの反応で該当部分がｐ型またはｎ型にドーピングされたことを特徴とする。
前記目的を達成するための本発明の他の実施例によるナノワイヤー発光素子は、基板と、前記基板上の第１導電層と、前記第１導電層上に柱状に形成されており、それぞれはｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分とで形成された複数のナノワイヤーと、前記ｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分との間の発光層と、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層と、を具備し、前記ｐ型ドーピング部分とｎ型ドーピング部分のうちいずれか一つは、該当領域のナノワイヤーの外周に有機物分子が配置（吸着）されて形成されたものであり、他のドーピング部分は、その周囲に有機物ポリマーが満たされて前記有機物ポリマーとの反応で該当部分がｐ型またはｎ型にドーピングされたことを特徴とする。
このような構成により、ナノワイヤにドーピングに起因するダメージを導入することなく、ドーパント濃度が均一で、高品質の発光素子を得ることができる。
前記目的を達成するための本発明のさらに他の実施例によるナノワイヤー発光素子は、基板と、前記基板上の第１導電層と、前記第１導電層上に柱状に形成された複数のナノワイヤーと、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層と、前記第１導電層と前記第２導電層間に配置されてシーリング空間を形成する壁体フレームと、を具備し、前記シーリング空間には電解質液が満たされたことを特徴とする。
前記目的を達成するための本発明のさらに他の実施例によるナノワイヤー発光素子は、基板と、前記基板上の第１導電層と、前記第１導電層上に柱状に形成された複数のナノワイヤーと、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層と、前記第１導電層と前記第２導電層間に配置されてシーリング空間を形成する壁体フレームと、を具備し、前記シーリング空間には電解質液が満たされたことを特徴とする。
このような構成により、発光強度の高い高性能の発光素子を得ることができる。
前記他の目的を達成するための本発明によるナノワイヤー発光素子の製造方法は、基板上に第１電極層を形成する第１段階と、前記第１電極層上に複数のナノワイヤーを柱状に形成させる第２段階と、前記ナノワイヤーの下部を第１有機物ポリマーで満たしてｐドーピングまたはｎドーピングさせる第３段階と、前記ナノワイヤーの上部を第２有機物ポリマーで満たして、前記ナノワイヤーの上部を前記ナノワイヤーの下部と異なる極性のｎドーピングまたはｐドーピングさせる第４段階と、前記ナノワイヤー上に第２電極層を形成する第５段階と、を具備することを特徴とする。 前記第３段階は、前記ナノワイヤーの外周に電気親和度の大きい分子またはイオン化電位の低い分子を含む第１有機物ポリマーを満たす段階と、前記第１ポリマーをその上部から所定深さにエッチングして、前記ナノワイヤーの下部に該当する領域に前記第１ポリマーを満たす段階と、を具備することが望ましい。
前記他の目的を達成するための本発明によるナノワイヤー発光素子の製造方法は、基板上に第１電極層を形成する第１段階と、前記第１電極層上に複数のナノワイヤーを柱状に形成させる第２段階と、前記ナノワイヤーの下部を第１有機物ポリマーで満たしてｐドーピングまたはｎドーピングさせる第３段階と、前記ナノワイヤーの上部を第２有機物ポリマーで満たして、前記ナノワイヤーの上部を前記ナノワイヤーの下部と異なる極性のｎドーピングまたはｐドーピングさせる第４段階と、前記ナノワイヤー上に第２電極層を形成する第５段階と、を具備することを特徴とする。 前記第３段階は、前記ナノワイヤーの外周に電気親和度の大きい分子またはイオン化電位の低い分子を含む第１有機物ポリマーを満たす段階と、前記第１ポリマーをその上部から所定深さにエッチングして、前記ナノワイヤーの下部に該当する領域に前記第１ポリマーを満たす段階と、を具備することが望ましい。
本発明の一類型によれば、前記第４段階は、第３段階の結果物上に露出された前記ナノワイヤーの外周に、前記ナノワイヤーの下部にドーピングされた極性と逆の極性がドーピングされるようにイオン化電位の低い分子または電気親和度の大きい分子を含む第２有機物ポリマーを満たす段階を具備する。
本発明の他の類型によれば、前記第４段階は、第３段階の結果物上に所定高さに絶縁性ポリマーを満たして、前記ナノワイヤーのドーピングされていない真性部分を形成する段階と、前記真性部分上の露出された前記ナノワイヤーの外周に、前記ナノワイヤーの下部にドーピングされた極性と逆の極性がドーピングされるように、イオン化電位の低い分子または電気親和度の大きい分子を含む第２有機物ポリマーを満たす段階と、を具備する。
これらの製造方法によって、簡便な方法で、ナノワイヤに物理的なダメージを与えることなく、高品質かつ高性能の発光素子を製造することができる。
本発明によるナノワイヤー発光素子は、同じ物質からなる接合を具備するので発光効率が優秀であり、基板とのマッチングが良好であるので量産が可能である。また、大面積に生産できるために平板ディスプレイに直接適用できる。さらに、ドーパントをドーピングする際に、ナノワイヤに物理的なダメージを与えることがないため、高品質のナノワイヤ発光素子を製造することが可能となる。
以下、添付された図面を参照して本発明によるナノワイヤー発光素子及びその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例によるナノワイヤー発光素子を概略的に示した断面図である。
図１は、本発明の第１実施例によるナノワイヤー発光素子を概略的に示した断面図である。
図１を参照すれば、基板１００上に導電層（第１電極層）１１０が形成されており、導電層１１０上には複数のナノワイヤー１２０がほぼ柱状に形成されている。前記ナノワイヤー１２０上には電極層（第２電極層）１４０が形成されており、前記第１電極層１１０及び前記第２電極層１４０の間には、前記ナノワイヤー１２０が形成された空間をシーリングする壁体フレーム１３０が配置されている。ここで「柱状」とは、断面形状がほぼ円形であることが適当であるが、その形状は、特に限定されず、円、楕円、多角形、略多角形等の種々の形状であってもよい。また、その側面は、基板表面に対して垂直であることが好ましいが、ナノワイヤが斜め方向に傾斜するように傾斜していてもよいし、テーパー又は逆テーパー状になっていてもよい。
前記ナノワイヤー１２０は、ｐ型ドーピング部分１２２、ｎ型ドーピング部分１２６と、それらｐ型ドーピング部分１２２とｎ型ドーピング部分１２６間に発光層として形成された真性部分１２４とによって構成されている。この真性部分１２４はドーパントがドーピングされていない領域を意味する。なお、この真性領域は、ほぼ面状に形成されていてもよいし、適当な膜厚を有する層状に形成されていてもよい。
前記ナノワイヤー１２０の間には、前記ｐ型ドーピング部分１２２、真性部分１２４、及びｎ型ドーピング部分１２６の各部分に該当するように、第１有機物ポリマー１５２、絶縁性ポリマー１５４及び第２有機物ポリマー１５６が積層されて満たされている。
前記基板１００は、シリコンウェーハ、サファイアウェーハまたは平坦な金属薄膜が使われうる。
前記第１電極層１１０はアルミニウム、金、マグネシウムなどで蒸着されうる。前記第２電極層１４０は透明電極層、例えばＩＴＯ層で形成されうる。
前記第１電極層１１０はアルミニウム、金、マグネシウムなどで蒸着されうる。前記第２電極層１４０は透明電極層、例えばＩＴＯ層で形成されうる。
前記壁体フレーム１３０は絶縁性物質で形成され、ガラスで形成されうる。
前記ナノワイヤー１２０はＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、Ｓｉなどで形成されうる。前記ナノワイヤー１２０の材質によって本発明の発光素子から放出される色が決定される。ナノワイヤー１２０がＺｎＯである場合に紫外線が放出され、Ｓｉである場合に赤外線が放出され、ＧａＮである場合に紫外線または青色光が放出され、ＩｎＧａＮである場合に青色光、ＣｄＳである場合に緑色光、ＧａＡｓである場合に赤色光を放出できる。前記ナノワイヤー１２０はその直径が約２０〜１００ｎｍであり、その長さは約１μｍに形成されることが望ましい。
前記ナノワイヤー１２０はＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、Ｓｉなどで形成されうる。前記ナノワイヤー１２０の材質によって本発明の発光素子から放出される色が決定される。ナノワイヤー１２０がＺｎＯである場合に紫外線が放出され、Ｓｉである場合に赤外線が放出され、ＧａＮである場合に紫外線または青色光が放出され、ＩｎＧａＮである場合に青色光、ＣｄＳである場合に緑色光、ＧａＡｓである場合に赤色光を放出できる。前記ナノワイヤー１２０はその直径が約２０〜１００ｎｍであり、その長さは約１μｍに形成されることが望ましい。
前記ナノワイヤー１２０は、ｐドーピング部分１２２、ｎドーピング部分１２６及び真性領域１２４からなるｐｉｎ接合構造である。
前記第１ポリマー１５２は、電気親和度の大きいポリマー、例えば、有機電子受容体ポリマーであるフッ素または硫黄含有ポリマーであることが望ましい。前記第１ポリマーとしては、フルオロ硫酸塩系列、フルオロ酢酸塩系列、スルホン酸塩系列ポリマーを用いることができる。例えば、ＰＳＳが好ましい。前記第１ポリマー１５２は、前記ｐ型ドーピング部分１２２に該当するナノワイヤー１２０の表面から電子を取ることによってその表面に正孔が生成され、したがって、ｐ型ドーピング部分１２２を形成する。このように第１ポリマー１５２が該当ナノワイヤー領域をｐ型ドーピング部分１２２とすることは、第１ポリマー１５２のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）のエネルギー電位がナノワイヤー１２０の価電子帯エネルギー電位と類似またはそれより低い場合、自然にナノワイヤー１２０の電子がポリマー１５２に移動するためである。
前記第１ポリマー１５２は、電気親和度の大きいポリマー、例えば、有機電子受容体ポリマーであるフッ素または硫黄含有ポリマーであることが望ましい。前記第１ポリマーとしては、フルオロ硫酸塩系列、フルオロ酢酸塩系列、スルホン酸塩系列ポリマーを用いることができる。例えば、ＰＳＳが好ましい。前記第１ポリマー１５２は、前記ｐ型ドーピング部分１２２に該当するナノワイヤー１２０の表面から電子を取ることによってその表面に正孔が生成され、したがって、ｐ型ドーピング部分１２２を形成する。このように第１ポリマー１５２が該当ナノワイヤー領域をｐ型ドーピング部分１２２とすることは、第１ポリマー１５２のＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）のエネルギー電位がナノワイヤー１２０の価電子帯エネルギー電位と類似またはそれより低い場合、自然にナノワイヤー１２０の電子がポリマー１５２に移動するためである。
前記第２ポリマー１５６はイオン化電位の低い分子、例えば、アルカリ金属が含まれたＮａＣ10Ｈ8、Ｎａ2Ｐｈ2ＣＯ、ＬｉＰｈ（ＣＨ2）6Ｐｈなどの分子が添加された高有機電子ドナーポリマーであるか、ＰＰＶ（ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））またはＣＮ−ＰＰＰ（ｐｏｌｙ［２−（６−ｃｙａｎｏ−６’−ｍｅｔｈｙｌｈｅｐｔｙｌｏｘｙ）−１，４−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ］）系列の導電性ポリマーを用いることができる。このようなポリマーは、ＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）のエネルギー電位が高い。前記第２ポリマー１５６は、前記ｎ型ドーピング部分１２６に該当するナノワイヤー１２０の表面に電子を与えることによってその表面に自由電子が生成され、したがって、ｎ型ドーピング部分１２６となる。このように、第２ポリマー１５６が該当ナノワイヤー領域をｎ型ドーピング部分１２６とすることは、第２ポリマー１５６のＨＯＭＯのエネルギー電位がナノワイヤー１２０の価電子帯エネルギー電位と類似またはそれより高い場合、自然にポリマー１５６の電子がナノワイヤー１２０へ移動するためである。
前記絶縁性ポリマー１５４は、ナノワイヤー１２０間の電気的連結を防止する。例えば、フォトレジストが使われうる。
なお、ナノワイヤの直径は、１０から１００ｎｍ程度が適当であり、６０ｎｍ程度が好ましい。また、隣接するナノワイヤとの間隔は、４０から５０ｎｍ程度が適当である。さらに、ｐ型及びｎ型ドーパントのドーピング濃度は、例えば、１０16ｃｍ-1程度が挙げられる。
なお、ナノワイヤの直径は、１０から１００ｎｍ程度が適当であり、６０ｎｍ程度が好ましい。また、隣接するナノワイヤとの間隔は、４０から５０ｎｍ程度が適当である。さらに、ｐ型及びｎ型ドーパントのドーピング濃度は、例えば、１０16ｃｍ-1程度が挙げられる。
前記構造の発光素子の作用を図面を参照して詳細に説明する。
まず、ナノワイヤー１２０のｐ型ドーピング部分１２２と連結された第１電極層１１０に＋電圧、ナノワイヤー１２０のｎ型ドーピング部分１２６と連結された第２電極層１４０に−電圧を印加すれば、ｐ型ドーピング部分１２２の正孔とｎ型ドーピング部分１２６の電子とが真性領域１２４で再結合する。この時、光が放出される。真性領域１２４から放出された光は透明な電極層、例えば、第２電極層１４０を通過して外部に放出される。
まず、ナノワイヤー１２０のｐ型ドーピング部分１２２と連結された第１電極層１１０に＋電圧、ナノワイヤー１２０のｎ型ドーピング部分１２６と連結された第２電極層１４０に−電圧を印加すれば、ｐ型ドーピング部分１２２の正孔とｎ型ドーピング部分１２６の電子とが真性領域１２４で再結合する。この時、光が放出される。真性領域１２４から放出された光は透明な電極層、例えば、第２電極層１４０を通過して外部に放出される。
図２は、図１の変形例を示した図面である。図１の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
前記ナノワイヤー１２０’は、ｐドーピング部分１２２’、ｎドーピング部分１２６’と真性領域１２４’からなるｐ−ｉ−ｎ接合構造である。
前記ナノワイヤー１２０’は、ｐドーピング部分１２２’、ｎドーピング部分１２６’と真性領域１２４’からなるｐ−ｉ−ｎ接合構造である。
前記ｐ型ドーピング部分１２２’は、ナノワイヤー１２０’の外周にｐ型ドーピング物質が配置、例えば、吸着された部分である。前記ｐ型ドーピング物質としては、電気親和度の大きい分子、例えば、電子受容体分子であるＦ4−ＴＣＮＱ（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏ−ｔｅｔｒａｃｙａｎｏ−ｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ）を使用できる。前記ｐ型ドーピング物質は該当ナノワイヤー１２０’の表面から電子を取ることによって、ｐ型ドーピング物質が配置、例えば、吸着された部分の表面に正孔が生成され、したがってｐ型ドーピング部分１２２’となる。
前記ｎ型ドーピング部分１２６’は、ナノワイヤー１２０’の外周にｎ型ドーピング物質が配置、例えば、吸着された部分である。前記ｎ型ドーピング物質としては、イオン化電位の低い分子、例えば、有機電子ドナー分子であるＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｅｎｄｄｉｔｈｉｏ）ｔｅｔｒａｔｈｉａｆｕｌｖａｌｅｎｅ）を使用できる。前記ｎ型ドーピング物質が該当ナノワイヤー１２０’の表面に電子を提供することによってｎ型ドーピング物質が配置、例えば、吸着された部分の表面に自由電子が生じ、したがって、ｎ型ドーピング部分１２６’となる。
なお、ｐ型ドーピング部分及びｎ型ドーピング部分は、いずれか一方のみが、ナノワイヤーの間を満たして、該当ドーピング部分のドーパントと同じドーパントを含有する有機物ポリマーを用いて、ドーピングされていてもよい。つまり、ドーピング部分のナノワイヤ表面に配置された有機物ポリマーを利用して、ナノワイヤー表面から電子を受け取るか又は電子を与えることにより、所定の部分にドーピングされていてもよい。ナノワイヤ表面へのドーピング物質の配置及び／又はドーピングは、例えば、常温でもしくは加熱した雰囲気で及び／又は常圧下で、減圧もしくは加圧下で行うことができる。
前記ナノワイヤー１２０’の間には絶縁性ポリマー１５０が満たされてナノワイヤー１２０’間の電気的連結を防止する。絶縁性ポリマー１５０としてフォトレジストが使われうる。
なお、ｐ型ドーピング部分及びｎ型ドーピング部分は、いずれか一方のみが、ナノワイヤーの間を満たして、該当ドーピング部分のドーパントと同じドーパントを含有する有機物ポリマーを用いて、ドーピングされていてもよい。つまり、ドーピング部分のナノワイヤ表面に配置された有機物ポリマーを利用して、ナノワイヤー表面から電子を受け取るか又は電子を与えることにより、所定の部分にドーピングされていてもよい。ナノワイヤ表面へのドーピング物質の配置及び／又はドーピングは、例えば、常温でもしくは加熱した雰囲気で及び／又は常圧下で、減圧もしくは加圧下で行うことができる。
前記ナノワイヤー１２０’の間には絶縁性ポリマー１５０が満たされてナノワイヤー１２０’間の電気的連結を防止する。絶縁性ポリマー１５０としてフォトレジストが使われうる。
図２の構造からなる発光素子の作用は前述した第１実施例の作用と類似しているので詳細な説明を省略する。
一方、図１のｐまたはｎドーピング部分が変形例のように配置（吸着）によってドーピングされ、その周囲は絶縁性ポリマーで満たされうることは言うまでもない。
一方、図１のｐまたはｎドーピング部分が変形例のように配置（吸着）によってドーピングされ、その周囲は絶縁性ポリマーで満たされうることは言うまでもない。
図３は、本発明の第２実施例によるナノワイヤー発光素子を概略的に示した断面図であり、第１実施例の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ名称を使用して詳細な説明は省略する。
図３を参照すれば、基板２００上に導電層（第１電極層）２１０が形成されており、導電層２１０の上には複数のナノワイヤー２２０がほぼ柱状に形成されている。前記ナノワイヤー２２０の上には導電層（第２電極層）２４０が形成されており、前記第１電極層２１０と前記第２電極層２４０との間には、前記ナノワイヤー２２０が形成された空間をシーリングする壁体フレーム２３０が配置されている。
前記ナノワイヤー２２０は、ｐ型ドーピング部分２２２とｎ型ドーピング部分２２６とが互いに接触するように形成され、それら接触領域は発光面２２８を形成する。このような発光構造は、第１実施例のｐ−ｉ−ｎ接合構造に対して、ｐ−ｎ接合構造をなす。
前記ナノワイヤー２２０の間には、前記ｐ型ドーピング部分２２２及びｎ型ドーピング部分２２６の各部分に該当するように第１有機物ポリマー２５２及び第２有機物ポリマー２５６が積層されて満たされている。
かかる構造の発光素子では、ナノワイヤー２２０の両端に直流電圧を印加すれば発光面２２８から光が放出される。
第２実施例では、ポリマーがナノワイヤーをドーピングするが、図２に図示された第１実施例の変形例のように、ナノワイヤーの表面を所定のドーピング物質が配置し（好ましくは吸着させて）、それら間を絶縁性ポリマーで満たしてもよい。
第２実施例では、ポリマーがナノワイヤーをドーピングするが、図２に図示された第１実施例の変形例のように、ナノワイヤーの表面を所定のドーピング物質が配置し（好ましくは吸着させて）、それら間を絶縁性ポリマーで満たしてもよい。
図４は、本発明の第３実施例によるナノワイヤー発光素子を概略的に示した断面図であり、第１実施例の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
図４を参照すれば、基板３００の上に導電層（第１電極層）３１０が形成されており、導電層３１０の上には複数のナノワイヤー３２０がほぼ柱状に形成されている。前記ナノワイヤー３２０の上には導電層（第２電極層）３４０が形成されており、前記第１電極層３１０と前記第２電極層３４０との間には、前記ナノワイヤー３２０が形成された空間をシーリングする壁体フレーム３３０が配置されている。
前記電極層３１０、３４０及び壁体フレーム３３０により形成された密封空間には電解質溶液３５０が満たされている。
ここでの電解質溶液は、例えば、NaCl、LiClO4、LiBr、LiI、LiAsF6、LiPF6、LiAlCl4、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、Li2S2O4、TBABF4、Li2B10Cl10、LiAlClO4中の一つ以上を含むものが挙げられる。
ここでの電解質溶液は、例えば、NaCl、LiClO4、LiBr、LiI、LiAsF6、LiPF6、LiAlCl4、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、Li2S2O4、TBABF4、Li2B10Cl10、LiAlClO4中の一つ以上を含むものが挙げられる。
このような構造の発光素子では、ナノワイヤー３２０の両端に直流電圧を印加すれば、電解液３５０のイオンが上下に分けられながら＋電圧が印加された電極層、例えば第１電極層３１０に接触するナノワイヤー３２０の周囲に−イオンが集まりつつ該当部分のナノワイヤー３２０の表面に電子を提供し、ｎ型ドーピング層を形成し、−電圧が印加された電極層、例えば第２電極層３４０に接触するナノワイヤー３２０の周囲に＋イオンが集まりつつナノワイヤー３２０の表面から電子を奪いとって、ｐドーピングされた部分を形成する。
したがって、前記ｐドーピング部分３２２とｎドーピング部分３２６との間に所定の境界３２４を形成することにより、この境界３２４で、ナノワイヤー３２０のｐドーピング部分３２２の正孔とｎドーピング部分３２６の電子とが再結合しつつ光を放出する。
したがって、前記ｐドーピング部分３２２とｎドーピング部分３２６との間に所定の境界３２４を形成することにより、この境界３２４で、ナノワイヤー３２０のｐドーピング部分３２２の正孔とｎドーピング部分３２６の電子とが再結合しつつ光を放出する。
図５ないし図１０は、本発明によるナノワイヤー発光素子の製造方法を段階的に説明する図面である。
図５を参照すれば、シリコン基板４００の上に第１導電層４１０、例えばアルミニウム層を蒸着する。前記アルミニウム層４１０の上に金属有機物気相エピタクシー（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ−Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）方法で約１μｍ長さのナノワイヤー４２０を形成する。前記ナノワイヤー４２０はジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）及び酸素を反応ソースとして使用してＺｎＯに製造され、必ずしもこれに限定されるものではない。
図５を参照すれば、シリコン基板４００の上に第１導電層４１０、例えばアルミニウム層を蒸着する。前記アルミニウム層４１０の上に金属有機物気相エピタクシー（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ−Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）方法で約１μｍ長さのナノワイヤー４２０を形成する。前記ナノワイヤー４２０はジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）及び酸素を反応ソースとして使用してＺｎＯに製造され、必ずしもこれに限定されるものではない。
前記ナノワイヤー４２０を形成する方法は、従来のＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ−Ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ−Ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ）法、セルフ・アセンブリー法及び金属触媒層を使用する方法など制限がない。
図６を参照すれば、第１電極層４１０の上でナノワイヤー４２０の間に電気親和度の大きい第１ポリマー４５２、例えばＰＳＳを満たす。前記第１ポリマー４５２は、ナノワイヤー４２０の外周から電子を取ってｐドーピングさせる。
図７を参照すれば、ナノワイヤー４２０の上部側の第１ポリマー４５２を酸化プラズマまたはウェットエッチングして一部除去する。第１ポリマー４５２と接触するナノワイヤー４２０の表面にのみｐドーピング部分４２２が形成される。
図８を参照すれば、第１ポリマー４５２の上で薄いフォトレジスト４５４をスピンコーティングしてナノワイヤー４２０の間を満たす。次いで、フォトレジスト４５４を選択的に酸化プラズマまたはウェットエッチングして前記ｐドーピング部分４２２から所定高さにフォトレジスト４５４を形成する。フォトレジスト４５４で覆われたナノワイヤー領域は、ドーピングされていない領域で真性領域４２４を形成する。
図９を参照すれば、フォトレジスト４５４の上で露出されたナノワイヤー４２０の間に第２ポリマー４５６、例えば、イオン化電位の低い分子が含まれたＰＰＶ、ＣＮ−ＰＰＰ系列のポリマーを満たす。前記第２ポリマー４５６は、ナノワイヤー４２０との接触表面に電子を提供して前記表面はｎドーピング部分４２６となる。次いで、前記ｎドーピング部分４２６の上端が露出されるように、ナノワイヤー４２０の間の第２ポリマー４５６を選択的に酸化プラズマまたはウェットエッチングする。
図１０を参照すれば、フォトレジスト４３２上で露出されたナノワイヤー４２０を覆うように第２導電層４４０を蒸着する。
前記過程で製造した発光素子は図１のｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する。
前記過程で製造した発光素子は図１のｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する。
一方、図３のｐ−ｎ接合構造を持つ発光素子の製造は、図８の真性領域を形成する過程を除外すれば前記説明した製造方法と非常に類似しているので詳細な説明は省略する。
また、図２の構造を持つ発光素子の製造は、ｐドーピング部分またはｎドーピング部分にそれぞれ電気親和度の大きい分子またはイオン化電位の低い分子を配置、例えば、吸着させた後、絶縁性ポリマーを満たす過程を除いては前述した製造方法と類似しているので詳細な説明は省略する。
また、図２の構造を持つ発光素子の製造は、ｐドーピング部分またはｎドーピング部分にそれぞれ電気親和度の大きい分子またはイオン化電位の低い分子を配置、例えば、吸着させた後、絶縁性ポリマーを満たす過程を除いては前述した製造方法と類似しているので詳細な説明は省略する。
本発明は、図面を参照して実施例を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な実施例が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に限って決まらねばならない。
本発明は、ナノワイヤー発光素子の技術分野に好適に用いられる。
１００ 基板
１１０ 導電層（第１電極層）
１２０ ナノワイヤー
１２２ ｐ型ドーピング部分
１２４ 真性部分
１２６ ｎ型ドーピング部分
１３０ 壁体フレーム
１４０ 電極層（第２電極層）
１５２ 第１有機物ポリマー
１５４ 絶縁性ポリマー
１５６ 第２有機物ポリマー
１１０ 導電層（第１電極層）
１２０ ナノワイヤー
１２２ ｐ型ドーピング部分
１２４ 真性部分
１２６ ｎ型ドーピング部分
１３０ 壁体フレーム
１４０ 電極層（第２電極層）
１５２ 第１有機物ポリマー
１５４ 絶縁性ポリマー
１５６ 第２有機物ポリマー
Claims (11)
- 基板と、
前記基板上の第１導電層と、
前記第１導電層上に、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、Ｓｉからなる群から選択されるいずれか一つによって、柱状に形成された複数のナノワイヤーと、前記ナノワイヤー上に形成された第２導電層とを具備し、
それぞれの前記ナノワイヤーは、
有機電子受容体ポリマーが前記ナノワイヤの間を埋め込み、前記ナノワイヤーの表面から電子を取ることによって前記ナノワイヤーの表面に正孔が生成されるｐ型部分と、
有機電子ドナーポリマーが前記ナノワイヤの間を埋め込み、前記ナノワイヤーの表面に電子を与えることによって前記ナノワイヤーの表面に自由電子が生成されるｎ型部分と、
前記ｐ型部分とｎ型部分との間の発光層とからなることを特徴とするナノワイヤー発光素子。 - 前記発光層は、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との境界面であることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤー発光素子。
- 前記発光層は、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との間の真性部分であり、前記真性部分に該当するナノワイヤー間を満たした絶縁性ポリマーをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤー発光素子。
- 前記有機電子受容体ポリマーはフッ素系または硫化物系高分子であることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤー発光素子。
- 前記有機電子受容体ポリマーはＰＳＳ系であることを特徴とする請求項４に記載のナノワイヤー発光素子。
- 前記有機電子ドナーポリマーは、アルカリ金属が含まれたＮａＣ10Ｈ8、Ｎａ2Ｐｈ2ＣＯ及びＬｉＰｈ（ＣＨ2）6Ｐｈの少なくとも一つが添加されているか又はＰＰＶもしくはＣＮ−ＰＰＰ系の導電性ポリマーであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のナノワイヤー発光素子。
- 基板上に第１電極層を形成する第１段階と、
前記第１電極層上に、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、Ｓｉからなる群から選択されるいずれか一つからなる複数のナノワイヤーを垂直に形成させる第２段階と、
前記ナノワイヤーの下部を第１有機物ポリマーで満たして前記ナノワイヤーの下部を第１導電型にする第３段階と、
前記第１有機物ポリマー上に第２有機物ポリマーで満たして前記ナノワイヤーの上部を第２導電型にする第４段階と、
前記ナノワイヤー上に第２電極層を形成する第５段階とを具備し、
前記第１有機物ポリマー及び第２有機物ポリマーは、有機電子受容体ポリマー及び有機電子ドナーポリマーのうちそれぞれ相異なるいずれか一つであり、
前記第１導電型及び前記第２導電型は、ｐ型及びｎ型のうちそれぞれ相異なるいずれか一つであり、
前記有機電子受容体ポリマーは前記ナノワイヤーの外周から電子を奪って該当部分のナノワイヤーをｐ型にするものであり、
前記有機電子ドナーポリマーは前記ナノワイヤーの外周に電子を与え該当部分のナノワイヤーをｎ型にするものであることを特徴とするナノワイヤー発光素子の製造方法。 - 前記第３段階は、前記ナノワイヤーの外周に前記第１有機物ポリマーを満たす段階と、前記第１有機物ポリマーをその上部から所定深さにエッチングして、前記ナノワイヤーの下部に該当する領域に前記第１有機物ポリマーを満たす段階とを具備する請求項７に記載のナノワイヤー発光素子の製造方法。
- 前記第４段階は、第３段階の結果物上に露出された前記ナノワイヤーの外周に、前記第２有機物ポリマーを満たす段階を具備するこ請求項８に記載のナノワイヤー発光素子の製造方法。
- 前記第５段階は、前記ナノワイヤーの上端が露出されるように前記第２有機物ポリマーをエッチングする段階と、前記第２有機物ポリマー上に第２導電層を形成する段階とを具備する請求項７〜９のいずれか１つに記載のナノワイヤー発光素子の製造方法。
- 前記第４段階は、第３段階の結果物上に所定高さに絶縁性ポリマーを満たして、前記ナノワイヤーの真性部分を形成する段階と、前記真性部分上の露出された前記ナノワイヤーの外周に、前記第２有機物ポリマーを満たす段階とを具備する請求項７〜１０のいずれか１つに記載のナノワイヤー発光素子の製造方法。
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