JP4776955B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子、特に電極層と発光層と微細構造層を有した発光素子及びその製造方法に関するものである。
発光素子を適用したフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）が注目されている。ＦＰＤは、適用される発光素子の種類から、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬ）、無機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（無機ＥＬ）、発光ダイオードディスプレイ（ＬＥＤディスプレイ）等、が挙げられる。
発光ダイオードは、低電圧駆動が可能であり、安定性にも優れるが、高温プロセスを必要とする結晶成長が必要であるため、ガラス基板やプラスチック基板上への形成は困難である。そのため、ディスプレイとしてはその適用範囲が限られている。
有機ＥＬディスプレイは、低電圧駆動が可能であり、ガラス基板やプラスチック基板上への形成が可能であるが、信頼性や耐久性の点で課題がある。
無機ＥＬディスプレイは、大面積のディスプレイ作成が比較的容易であり、高い使用環境耐性が期待できるが、現状では、駆動電圧が高いことが課題となっている。
無機ＥＬディスプレイは、大面積のディスプレイ作成が比較的容易であり、高い使用環境耐性が期待できるが、現状では、駆動電圧が高いことが課題となっている。
最近では、特許文献１において、絶縁皮膜結晶微粒子層（ＳｉＯ2 被膜Ｓｉ単結晶微粒子）を適用した発光素子の技術が開示されている。
また、特許文献２においては、多孔質多結晶シリコン層を適用した発光素子の技術が開示されている。
特開２００３−１１５３８５号公報
特開２００１−３１９７８７号公報
また、特許文献２においては、多孔質多結晶シリコン層を適用した発光素子の技術が開示されている。
本発明は、このような技術的背景によりなされたものであり、低電圧での動作が可能であり、発光効率、安定性、製造コストなどに優れた新規な発光素子を提供するものである。特に、環境耐性に優れた酸化物を主構成要素とする発光素子を提供するものである。また、この様な発光素子を製造する方法を提供するものである。
上記の課題は本発明の以下の構成および製法により解決できる。
すなわち、本発明により提供される発光素子は、基板上に、第１の電極層と、発光層と、第２の電極層と、を配して構成される発光素子であって、前記第１の電極層と前記発光層との間、または前記発光層と前記第２の電極層との間に、微細構造層を有し、該微細構造層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された、第１の材料からなる部位及び前記第１の材料とは異種の第２の材料からなる部位、を備え、前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり前記微細構造層の層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を有することを特徴とする。
すなわち、本発明により提供される発光素子は、基板上に、第１の電極層と、発光層と、第２の電極層と、を配して構成される発光素子であって、前記第１の電極層と前記発光層との間、または前記発光層と前記第２の電極層との間に、微細構造層を有し、該微細構造層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された、第１の材料からなる部位及び前記第１の材料とは異種の第２の材料からなる部位、を備え、前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり前記微細構造層の層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を有することを特徴とする。
また、本発明は、基板上に、少なくとも第１の電極層、微細構造層、第２の電極層、発光層および第３の電極層を有し、該発光層は第２の電極層と第３の電極層の間に設けられ、微細構造層は第１の電極層と第２の電極層の間に設けられ、かつ該微細構造層は第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有することを特徴とする発光素子である。
前記微細構造層は、複数の柱状の形状を有した第１の材料からなる部位と、該第１の材料からなる部位の周囲に第２の材料からなる部位を有することが好ましい。
前記第１の材料からなる部位の柱状の形状の短軸長が１μｍ以下であることが好ましい。
前記第１の材料からなる部位の柱状の形状の短軸長が１μｍ以下であることが好ましい。
前記第１の材料からなる部位が規則的に配列していることが好ましい。
前記第１の材料及び第２の材料が異なる酸化物からなることが好ましい。
さらに、本発明は、上記の発光素子を用いた画像表示装置である。
前記第１の材料及び第２の材料が異なる酸化物からなることが好ましい。
さらに、本発明は、上記の発光素子を用いた画像表示装置である。
さらに、本発明は、発光素子の製造方法を包含する。本発明により提供される発光素子の製造方法は、基板上に、第１の電極層と、発光層と、第２の電極層と、を有すると共に、前記第１の電極層と前記発光層との間、または前記発光層と前記第２の電極層との間に、微細構造層を配して構成される発光素子の製造方法であって、
Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された第１の材料及び第２の材料を用いたスパッタリング用のターゲットを用意する工程と、
前記ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法による層形成を経て、前記第１の材料からなる部位及び前記第２の材料からなる部位、を備えると共に前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を備える前記微細構造層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された第１の材料及び第２の材料を用いたスパッタリング用のターゲットを用意する工程と、
前記ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法による層形成を経て、前記第１の材料からなる部位及び前記第２の材料からなる部位、を備えると共に前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を備える前記微細構造層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
さらに、本発明は、基板上に、少なくとも電極層と、発光層と、微細構造層を有する発光素子の製造方法において、電極層上に第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する微細構造層を成膜する工程と、該微細構造層上に発光層を成膜する工程を有することを特徴とする発光素子の製造方法である。
前記微細構造層をスパッタリング法で形成することが好ましい。
本発明により、発光面における発光均一性に優れ、比較的に低電圧で安定した駆動が可能な発光素子を提供することができる。また、本発明の発光素子は、酸化物材料を主構成要素としているため、使用環境耐性に優れ、環境へ負荷が少ないという特徴がある。
また、本発明の発光素子は、ディスプレイや印字装置、照明装置に利用することが可能である。
以下、本発明を詳細に説明する。
図１および図４は本発明の発光素子の構成例を模式的に示した概略図である。図中、１０は基板、１１は電極層、１２は微細構造層、１３は発光層、１４は透明電極層（第２の電極層）、１５は電源、１６は光である。
図１および図４は本発明の発光素子の構成例を模式的に示した概略図である。図中、１０は基板、１１は電極層、１２は微細構造層、１３は発光層、１４は透明電極層（第２の電極層）、１５は電源、１６は光である。
本発明の発光素子は、基板上に、電極層と、発光層と、電極層と発光層の間に挟まれた位置に微細構造層を有する構成からなる。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源１５に電気的に接続される。電源は、ＤＣ電源、パルス電源、ＡＣ電源などのものを用いる。電極から微細構造層を介して、発光層に注入された電荷が、発光層を励起し発光せしめる。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源１５に電気的に接続される。電源は、ＤＣ電源、パルス電源、ＡＣ電源などのものを用いる。電極から微細構造層を介して、発光層に注入された電荷が、発光層を励起し発光せしめる。
たとえば、図１の発光素子においては、透明電極層を電極層より高電位にすることで、電子が電極（陰極）から微細構造層を介して発光層に注入され、光１６を発する。
また、図１は光を基板側から取り出すタイプの素子の概念図であるが、図４のように光を基板反対側から取り出すタイプの素子も可能である。また、図１および４（ａ）では、電極層と発光層の間に微細構造層を有しているが、図４（ｂ）のように透明電極層と発光層の間に微細構造層を配してもよい。この場合は、透明電極層が電極層より低電位にすることで、電子を透明電極層から微細構造層を介して発光層に注入することができる。
また、図１は光を基板側から取り出すタイプの素子の概念図であるが、図４のように光を基板反対側から取り出すタイプの素子も可能である。また、図１および４（ａ）では、電極層と発光層の間に微細構造層を有しているが、図４（ｂ）のように透明電極層と発光層の間に微細構造層を配してもよい。この場合は、透明電極層が電極層より低電位にすることで、電子を透明電極層から微細構造層を介して発光層に注入することができる。
本発明の発光素子に特徴的な微細構造層１２について説明する。
本発明における微細構造層１２は、層の面内において、第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する。特に、それぞれの面内方向（ｘ，ｙ方向）のサイズがサブミクロンからナノメータサイズの微細構造を有することに特徴がある。
本発明における微細構造層１２は、層の面内において、第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する。特に、それぞれの面内方向（ｘ，ｙ方向）のサイズがサブミクロンからナノメータサイズの微細構造を有することに特徴がある。
図２に微細構造層１２の構造例を記す。図２（ａ）〜）ｄ）にはそれぞれ平面図（上）と断面図（下）が示されている。それぞれ、図２（ａ）は第１の材料と第２の材料の領域を有する構造体の例、図２（ｂ）は柱状の材料がマトリックスの中に埋め込まれた構造体の例、図２（ｃ）はラメラ状の構造体の例、図２（ｄ）は第１の材料と第２の材料と第３の材料の領域を有する構造体の例である。
図２に示すように、層の面内方向（ｘ，ｙ方向）に異なる材料からなる部位が、例えば第１の材料からなる部位２１と第２の材料からなる部位２２が配される。それぞれの部位の面内方向（ｘ，ｙ方向）のサイズは数ナノメートルから数マイクロメートルである。
典型的には、図２（ｂ）のようにマトリックス（第２の材料の部位）の中に柱状の部位（第１の材料の部位）を有する構造が挙げられる。他には、図２（ｃ）のようなラメラ構造が挙げられる。また、このような構造は、共晶反応を用いることで自己組織的に作製できることから、製法上の観点でも好ましい構造ということができる。図２（ｄ）には３つの異なる材料の部位を有する例を記した。
このような微細構造層を配することで、層の面内にわたり均一な発光を示す発光素子とすることができる。
図３を用いて、この理由を説明する。
図３を用いて、この理由を説明する。
図３（ａ）は、本発明の発光素子におけるポテンシャル及びポテンシャル障壁の空間分布を示す概略図、図３（ｂ）は本発明の発光素子におけるポテンシャル障壁の空間分布を示す概略図である。
図３（ａ）は、層方向（厚さ方向すなわちｚ方向）に向けて電子に対するポテンシャルの変化を模式的に示した図である。本発明の発光素子においては、図３（ａ）に記すように、微細構造層を介して（トンネリングして）、電極層１１から発光層１３へ電子の注入が成される。特に、上述の構造を有する微細構造層を配することで、面内に渡り均一に電子を効果的に発光層に注入することができる。
すなわち、上述した第１の材料からなる部位と、第２の材料からなる部位の境界部において、局所的に電子がトンネリングしやすくなる。すなわち、図３（ｂ）に示すように、面内にわたって見かけ上のトンネル障壁の低い部分が高密度に配され、これにより、電子は優先的にこのトンネル障壁の低い部分２７を通過して、発光層に到る。この局所的にトンネリングしやすい部位が、広い面積に渡って高密度に配されているため、面内に均一な発光をさせることができる。
また、多数の局所的な発光部位（優先的に電子が加速される部位）を面内に均一に有しているため、素子の一箇所でエネルギー損失の集中することに伴う絶縁破壊（素子破壊）がしにくくなる。これにより信頼性と安定性に優れた発光素子とすることができる。
微細構造層の厚さは、数ｎｍ（ナノメートル）から数１００ｎｍの範囲である。
厚さが数ｎｍで電子の平均自由工程よりも厚さが薄い場合には、電子は絶縁性を有する微細構造層を直接的にトンネリングすることで、発光層に到る。このような素子は、低い電圧での素子駆動が可能である。
厚さが数ｎｍで電子の平均自由工程よりも厚さが薄い場合には、電子は絶縁性を有する微細構造層を直接的にトンネリングすることで、発光層に到る。このような素子は、低い電圧での素子駆動が可能である。
また、数１０ナノ〜数百ｎｍで平均自由工程より厚さが厚い場合は、電子はホットエレクトロンとなって微細構造層内で加速され、発光層に到る。上述の構造を有する微細構造層においては、上述した第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位の境界部の界面準位を介した効果的な加速が期待できる。このような素子はやや駆動電圧が高くなるが、素子間の特性ばらつきを小さくすることが比較的容易である。また、この場合も上述したように、優先的にホットエレクトロンが生成する部位を高密度に有しているため、面内に均一な発光をさせることができる。
特に、微細構造層における、上記の第１及び２の材料からなる部位のサイズを小さくすることは、上述の境界部（トンネリングしやすい部位）を増やすことにつながり、しいては発光点の増加につながる。さらに、このことは、発光特性の面内均一性の観点からより好ましい。特に、発光素子に要求される面内均一性の観点から鑑みて、そのサイズを１ミクロン以下にすることが有効であり、さらに、より好ましくは１００ｎｍ以下であることが特に好ましい。
また、発光点が面内に均一に形成されるためには、上記の第１及び２の材料からなる部位が周期的に同等な構造を有して存在することが好ましい。すなわち、第１の材料からなる部位が第２の材料の中に、規則的に配列して配された構成は、より好ましい構成である。
また、発光に至らない低電圧印加時の高い絶縁性と、発光時の効果的な電子加速の観点から、微細構造層は酸化物からなることが好ましい。また、有機材料であってもよい。
具体的には、第１の材料からなる部位及び第２の材料からなる部位の材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｎＯ2、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＢａＴｉＯ3、ＺｎＯなどが挙げられる。
具体的には、第１の材料からなる部位及び第２の材料からなる部位の材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｎＯ2、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＢａＴｉＯ3、ＺｎＯなどが挙げられる。
図１においては微細構造層と発光層は１層であるが、図７のように複数の微細構造層と発光層を交互に積層してもよい。
以下、本発明の発光素子のそれぞれの層について説明する。
以下、本発明の発光素子のそれぞれの層について説明する。
基板１０は、図４の構成に示すような基板側より光を取り出す場合は、発光した光が透過するよう透明なガラスやプラスチックであることが好ましい。図１に示すように光を上面より取り出す場合は基板の種類には寄らない。この場合基板としてはガラスやプラスチック、セラミック、半導体基板などを利用可能である。
透明電極層１４は、電極として機能するための導電性と、発光した光が透過性の両方の機能を有することが好ましい。たとえば、ドーピングされたＩｎ2 Ｏ3 やＳｎＯ2 、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電膜があげられる。
電極層１１は、Ａｌ，ＡｕやＰｔ、Ａｇ，，Ｔａ，Ｎｉなど各種の金属や合金、透明導電膜が利用可能である。
発光層１３は駆動時に発光を示す層である。発光層の厚さは５０ｎｍ〜１μｍの範囲が好ましい。発光層を構成する材料は、発光を示すものであればよい。
発光層１３は駆動時に発光を示す層である。発光層の厚さは５０ｎｍ〜１μｍの範囲が好ましい。発光層を構成する材料は、発光を示すものであればよい。
たとえば、発光中心を有する発光材料として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｅｕ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆ、ＣａＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＣａＧａ2 Ｓ4 ：Ｃｅ、ＢａＡｌ2 Ｓ4 ：Ｅｕ、Ｇａ2 Ｏ3 ：Ｅｕ、Ｙ2 Ｏ3 ：Ｅｕ、Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ：Ｍｎ、ＺｎＧａ2 Ｏ4 ：Ｍｎ、Ｙ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ3+、Ｇｄ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ3+、ＹＶＯ4 ：Ｅｕ3+、Ｙ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ、ＳｒＴｉＯ3 ：Ｐｒ、ＢａＳｉ2 Ａｌ2 Ｏ8 ：Ｅｕ2+、ＢａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27：Ｅｕ2+、Ｙ0.65Ｇｄ0.35ＢＯ3 ：Ｅｕ3+、Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ、Ｂａ2 ＳｉＯ4 ：Ｅｕ2+、Ｚｎ（Ｇａ，Ａｌ）2 Ｏ4 ：Ｍｎ、Ｙ3 （Ａｌ，Ｇａ）5 Ｏ12：Ｔｂ、Ｙ2 ＳｉＯ5 ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ：Ｍｎ、ＢａＡｌ2 Ｓｉ2 Ｏ8 ：Ｅｕ2+、ＢａＭｇＡｌ14Ｏ23：Ｅｕ2+、Ｙ2 ＳｉＯ5 ：Ｃｅ、ＺｎＧａ2 Ｏ4 などを用いることが挙げられる。
他にも、ＺｎＷＯ4 、ＭｇＷＯ4 などのタングステン酸化物、ＺｎＭｏＯ4 やＳｒＭＯ4 などのモリブデン酸化物、ＹＶＯ4 などのバナジウム酸化物、Ｅｕ2 ＳｉＯ4 やＥｕＳｉＯなどのユーロピウム酸化物が挙げられる。ほかにも、Ａｌｑ３やＩｒ（ｐｐｙ）などの有機発光材料、ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＮ、ＺｎＯなどの半導体材料、さらにはこれらの微粒子などを用いることもできる。
次に、本発明の発光素子の製造方法について説明する。
具体的には、基板上に、少なくとも電極層と、発光層と、微細構造層を有する発光素子の製造方法において、発光層上に第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する微細構造層を成膜する工程と、該微細構造層上に電極層を成膜する工程を有することを特徴とする。
具体的には、基板上に、少なくとも電極層と、発光層と、微細構造層を有する発光素子の製造方法において、発光層上に第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する微細構造層を成膜する工程と、該微細構造層上に電極層を成膜する工程を有することを特徴とする。
また、電極層上に第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する微細構造層を成膜する工程と、該微細構造層上に発光層を成膜する工程を有することを特徴とする。
本発明において、微細構造層、発光層、透明導電層および電極層の成膜には、真空蒸着やスパッタ蒸着、電子ビーム蒸着などの気相法、めっき等の液相法、ゾル−ゲル等の固相法等、任意の薄膜作成方法を用いることができる。
特に、本発明の微細構造を有する微細構造層の作製には、共晶反応を用いることが挙げられ、その際には高いエネルギーの粒子を基板に供給できるスパッタリング法が好ましい方法である。
以下、実施例を用いて本発明を更に説明する。
但し、本発明は以下の実施例に限られるものではなく、上述の概念に含まれるものを包含する。
但し、本発明は以下の実施例に限られるものではなく、上述の概念に含まれるものを包含する。
実施例１
本実施例の発光素子は、図１に記した構造からなる。
本実施例の微細構造層は、図２（ｂ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する。また、第１の材料はアルミナを主成分とし、第２の材料は酸化シリコンを主成分としてなる。
本実施例の発光素子は、図１に記した構造からなる。
本実施例の微細構造層は、図２（ｂ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する。また、第１の材料はアルミナを主成分とし、第２の材料は酸化シリコンを主成分としてなる。
以下、作成工程に沿って説明する。
基板１０として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により電極層１１としてＴａを１００ｎｍ成膜する。
基板１０として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により電極層１１としてＴａを１００ｎｍ成膜する。
次に、微細構造層１２を形成する。微細構造層は、まず、マグネトロンスパッタリング法により、ＡｌとＳｉからなる構造体を形成し、これを陽極酸化することで作製する。ＡｌとＳｉからなる構造体は、図２（ｂ）に示すようにＡｌを主成分とするシリンダーの部位と、その周囲を取り囲むＳｉを主成分とするマトリックス部位から構成される。これを陽極酸化することで、アルミナを主成分とするシリンダー状の部位と、その周囲を取り囲む酸化シリコンを主成分とするマトリックス部位から構成される微細構造層とすることができる。
ＡｌとＳｉからなる構造体の形成には、ＡｌとＳｉの混合物からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリング法により作製する。この際、Ａｌからなる柱状の部位をＳｉ部位内に均一に分散させるには、基板１０に対向してターゲットを配置しておくのがよい。ＡｌとＳｉの組成比を変えることで、ＡｌとＳｉの部位の割合を制御することができる。たとえば、Ａｌのシリンダ径は１〜２０ｎｍであり、間隔は５〜３０ｎｍである。
本実施例では、ＡｌとＳｉの組成比を５６：４４として、室温において、１５０Ｗの投入パワーで成膜した。アルミニウムの部位のサイズは約７ｎｍ、間隔が１０ｎｍ程度であり、図に示すように円柱状のアルミがシリコンからなるマトリックスに埋め込まれた構造からなる。膜厚は７ｎｍ程度である。
引き続き、０．１Ｍ酒石酸アンモニウム水溶液中において、上記ＡｌとＳｉからなる構造体からなる薄膜を陽極として、白金電極（陰極）に対向して配し、電圧５Ｖ程度で陽極酸化する。これによりアルミとシリコンが酸化される。このようにして、図２（ｂ）に示すようなアルミナの部位（第１の材料）と酸化シリコン（第２の材料）の部位を有する酸化物構造体が形成される。
微細構造層の厚さは、約７ｎｍであり、直径が約７ｎｍのアルミナ部位が酸化シリコンのマトリックス中に分散して配置された構造を有している。酸化シリコンの部位においては、一部において未酸化のシリコンの部位を有してもよい。
次に、発光層１３として、Ａｌｑ３（アルミニウムキノリン錯体）を８０ｎｍ、さらに、透明電極層としてＩＴＯ（Ｓｎが５％付与されたＩｎ2Ｏ3）を２００ｎｍの厚さに成膜する。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜１４を正極、電極層を負極として、パルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧を印加し、その電圧を徐々に増加したところ２０Ｖ程度から発光が得られる。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有する構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有する構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
実施例２
本実施例の発光素子は、図４（ｂ）に記した構造からなる。実施例１とは異なり、光を基板の裏側から取り出すタイプの発光素子である。
本実施例の発光素子は、図４（ｂ）に記した構造からなる。実施例１とは異なり、光を基板の裏側から取り出すタイプの発光素子である。
ここで、１０は基板、１１は電極層、１２は微細構造層、１３は発光層、１４は透明電極層、１５は電源、１６は光である。本実施例においては、図２ｂ）に示す構造を有する微細構造層を用いている。第１の材料は酸化鉄、第２の材料は酸化シリコンを主成分とする。
以下、作成工程に沿って説明する。
基板として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により透明電極層としてＩＴＯを２００ｎｍ成膜する。
基板として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により透明電極層としてＩＴＯを２００ｎｍ成膜する。
次に、微細構造層１２を形成する。微細構造層は、まず、マグネトロンスパッタリング法により、Ｆｅ，Ｓｉ，Ｏからなる膜を成膜し、これを大気中で６００℃の熱処理を施すことで作製する。スパッタにおいては、ターゲットとしてＦｅＯ粉末とＳｉＯ2 粉末を体積割合で、ＦｅＯ：ＳｉＯ2 ＝３：７で混合したものを用いている。これにより図２（ｂ）に示すよう、酸化鉄を主成分とするシリンダーの部位と、その周囲を取り囲む酸化シリコンＳｉをマトリックス部位から構成された微細構造層とすることができる。
本実施例では、酸化鉄の部位のサイズは約４ｎｍであり、図にしめすように円柱状のシリンダがシリコンからなるマトリックスに埋め込まれた構造であり、膜厚は５０ｎｍ程度である。
次に、発光層１３して、ＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム蒸着で成膜し、大気中で５００℃の熱処理を施す。膜厚は約１００ｎｍである。
さらに、電極層として厚さ２００ｎｍのＡｕを成膜する。
さらに、電極層として厚さ２００ｎｍのＡｕを成膜する。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜１４を負極、電極層１１を正極として、パルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧を印加し、その電圧を徐々に増加したところ５０Ｖ程度から基板側から発光が得られる。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有する構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
実施例３
本実施例の発光素子は、図５に記した構造からなる。
ここで、５０は基板、５１は電極層、５２は微細構造層、５３は第２の電極層、５４は発光層、５５は透明電極層（第３の電極）、５６は駆動電源、５７は加速電源、５８は光である。
本実施例の発光素子は、図５に記した構造からなる。
ここで、５０は基板、５１は電極層、５２は微細構造層、５３は第２の電極層、５４は発光層、５５は透明電極層（第３の電極）、５６は駆動電源、５７は加速電源、５８は光である。
本実施例の発光素子では、第１の電極と第２の電極の間で加速した電子は、第２の電極を通過し発光層に注入される。これにより、発光層の励起がなされ、発光が生じる。
本実施例の素子の作製においては、実施例１と同様にして、基板上に、電極層、微細構造層を形成後、次に電極層５３としてＡｌやＡｕの膜を５ｎｍ程度形成する。この層は電極として機能する限りにおいて、電子が透過するために薄いことが好ましい。次に、発光層５４として、ＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム蒸着で成膜し、大気中で５００℃の熱処理を施す。膜厚は約３００ｎｍである。
本実施例の素子の作製においては、実施例１と同様にして、基板上に、電極層、微細構造層を形成後、次に電極層５３としてＡｌやＡｕの膜を５ｎｍ程度形成する。この層は電極として機能する限りにおいて、電子が透過するために薄いことが好ましい。次に、発光層５４として、ＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム蒸着で成膜し、大気中で５００℃の熱処理を施す。膜厚は約３００ｎｍである。
次に、透明電極層５５としてＩＴＯを２００ｎｍ成膜する。
透明電極層及び第１の電極層、第２の電極層は、電源に電気的に接続する。加速電源は１００Ｖの直流電源であり、駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜と第２の電極層に１００Ｖの直流電圧を印加し、第２の電極と第１の電極の間にパルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧印加し、そのパルス電圧を徐々に増加したところ約１６Ｖ程度から発光が得られる。
透明電極層及び第１の電極層、第２の電極層は、電源に電気的に接続する。加速電源は１００Ｖの直流電源であり、駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜と第２の電極層に１００Ｖの直流電圧を印加し、第２の電極と第１の電極の間にパルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧印加し、そのパルス電圧を徐々に増加したところ約１６Ｖ程度から発光が得られる。
第１の電極と第２の電極の間の微細構造を有する微細構造層で効果的に加速された電子は、第２の電極を透過し、発光層に注入される。これにより、発光層は励起され、発光を生じる。本実施例においては、パルス電源を制御することで小さな電圧振幅で、発光のオンオフを制御しうる。
実施例４
本実施例は、電子線励起で発光させるタイプの発光素子の例である。
図６にその構成を示す。ここで、６０と６６は基板、６１は電極層、６２は微細構造層、６３は第２の電極層、６４は発光層、６５は透明電極層（第３の電極）、６７は駆動電源、６８は加速電源、６９は光、７０は電子ビーム、７１は真空である。
本実施例は、電子線励起で発光させるタイプの発光素子の例である。
図６にその構成を示す。ここで、６０と６６は基板、６１は電極層、６２は微細構造層、６３は第２の電極層、６４は発光層、６５は透明電極層（第３の電極）、６７は駆動電源、６８は加速電源、６９は光、７０は電子ビーム、７１は真空である。
本実施例の発光素子は、基板上に第１の電極層６１、微細構造層６２、第２の電極層６３を積層してなる電子放出素子と、発光層６４を有する基板６６を対向して配している。第１の電極と第２の電極の間の電界で加速された電子は、真空中に放出される。放出された電子は、第２の電極層と第３の電極層の間に印加された電圧により加速され、発光層に照射される。これにより発光層は励起され、発光を生じる。
本実施例においては、第１の電極層、微細構造層、第２の電極層は実施例３と同様な構成である。ガラス基板６６上にＳｎＯ2 ：Ｆの電極層６５を３００ｎｍ成膜し、その上に発光層としてＹ2 Ｏ3 ：Ｅｕを６００ｎｍ成膜してある。さらに、チャージアップ防止と発光層からの光反射の役割を担ったアルミ膜（不図示）を５０ｎｍ成膜している。
加速電圧として第２の電極層と透明電極層の間に２ｋＶの加速電圧を印加し、第２の電極層と第１の電極層の間に、透明電極層及び第１の電極層、第２の電極層は、電源に電気的に接続する。加速電源は２ｋＶの直流電源であり、駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極層と第２の電極層に１００Ｖの直流電圧を印加し、第２の電極と第１の電極の間にパルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧印加し、そのパルス電圧を徐々に増加したところ約１６Ｖ程度から発光が得られる。
第１の電極と第２の電極の間の微細構造を有する微細構造層で効果的に加速された電子は、第２の電極を透過して、真空中に放出され、加速されて発光層に入射される。これにより発光層を励起し、発光層から発光をさせる。本実施例においては、パルス電源を制御することで小さな電圧振幅で、比較的強い発光のオンオフを制御しうる。
実施例５
本実施例の発光素子は、図４（ａ）に記した構造からなる。本実施例においては、微細構造層がＺｒＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の微細構造を有してなる例である。
本実施例の発光素子は、図４（ａ）に記した構造からなる。本実施例においては、微細構造層がＺｒＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の微細構造を有してなる例である。
基板としてＹＳＺ単結晶基板（１１１）を用いる。基板上にマグネトロンスパッタリング法により透明電極層１４としてＩＴＯを３００ｎｍ成膜する。基板温度は７００℃とする。
次に、発光層１３して、ＺｎとＷの複合酸化物を２００ｎｍ成膜する。ＺｎＯターゲットとＷＯ３の混合ターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により成膜する。成膜時の基板温度は約８００℃、雰囲気はＡｒとＯ2 の混合雰囲気下で行う。ガス圧は０．５Ｐａであり、ＡｒとＯ2 の流量比は５：２である。
次に、微細構造層１２として、ＺｒとＡｌの酸化物構造体を２０ｎｍ成膜する。ＺｒＯ2 （８ｍｏｌ％Ｙ2 Ｏ3 を含む）ターゲットとＡｌ２Ｏ３ターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により２元同時成膜する。基板温度は約８００℃であり、雰囲気はＡｒとＯ2 の混合雰囲気下で行う。ガス圧は０．５Ｐａであり、ＡｒとＯ２の流量比は５：２である。それぞれのターゲットへの投入パワーは、成膜物におけるＺｒとＡｌの組成比が約１：４になうように調節している。この薄膜は、ＺｒＯ2 を主成分とする部位とＡｌ2 Ｏ3 を主成分とする部位が図２（ｃ）に示すようにラメラ状に配されている。ＺｒＯ2 の領域の幅は約５０ｎｍ程度である。Ａｌ2 Ｏ3 の領域の幅は約６０ｎｍ程度である。
次に、電極層として、厚さ２００ｎｍのＡｌを真空蒸着により成膜し、発光素子とする。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜１４を正極、電極層１１を負極として、パルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧を印加し、その電圧を徐々に増加したところ６０Ｖ程度から基板側から発光が得られる。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜１４を正極、電極層１１を負極として、パルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧を印加し、その電圧を徐々に増加したところ６０Ｖ程度から基板側から発光が得られる。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有する構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
実施例６
本実施例の発光素子は、図７に記した構造からなる。本実施例においては、微細構造層と発光層が繰り返し積層された例である。
実施例６
本実施例の発光素子は、図７に記した構造からなる。本実施例においては、微細構造層と発光層が繰り返し積層された例である。
実施例５と同様な手法で、ＹＳＺ単結晶基板上に透明電極層１４を形成後、図７に示すように、発光層と微細構造層を交互に繰り返し形成した。発光層、微細構造層のそれぞれの厚さは、８０ｎｍと５０ｎｍであり、繰り返し３層ずつ積層している。最後に、電極層として、厚さ２００ｎｍのＡｌを真空蒸着により成膜し、発光素子とする。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。透明電極膜１４を正極、電極層を負極として、パルス幅１ｍｓ、繰り返し周波数５０Ｈｚのパルス電圧を印加し、その電圧を徐々に増加したところ９０Ｖ程度から基板側から発光が得られる。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有する構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
実施例７
次に本発明の発光素子を画像表示装置、照明装置、印字装置として応用する例について説明する。
実施例７
次に本発明の発光素子を画像表示装置、照明装置、印字装置として応用する例について説明する。
実施例１の発光素子を画像表示装置として用いるには電極をライン状に上下でマトリックス状に配線して駆動させることにより可能である。カラー画像を得たい場合には白色の発光材料を用いてＲＧＢのフィルターで色を出したり、ＲＧＢに対応した発光材料を高精度にパターニング成膜することにより可能である。また。青色発光材料を用いて、緑、赤の色を蛍光体で青から変換させることも可能である。
また、本発明の発光素子を照明装置に用いる場合には、白色発光材料をもちいる方法やＲＧＢ発光材料を縦方向に積層させる方法、青や紫外発光をさせてからＲＧＢの発光へ変換させる方法がある。
また、本発明を印字装置などのプリンターに用いる場合には、レーザー光をポリゴンミラーを用いて走査させる代わりに、ライン状に発光素子を並べて駆動することにより可能となる。
本発明の発光素子は、発光面における発光均一性に優れ、比較的に低電圧で安定した駆動が可能なために、ディスプレイや印字装置、照明装置に利用することができる。
１０ 基板
１１ 電極層
１２ 微細構造層
１３ 発光層
１４ 透明電極層（第２の電極層）
１５ 電源
１６ 光
２１ 第１の材料からなる部位
２２ 第２の材料からなる部位
２３ 第３の材料からなる部位
２５ 電子
２６ 境界部
２７ トンネル障壁の低い部分
２８ トンネル位置
５０ 基板
５１ 電極層
５２ 微細構造層
５３ 第２の電極層
５４ 発光層
５５ 透明電極層（第３の電極）
５６ 駆動電源
５７ 加速電源
５８ 光
６０、６６ 基板
６１ 電極層
６２ 微細構造層
６３ 第２の電極層
６４ 発光層
６５ 透明電極層（第３の電極）
６７ 駆動電源
６８ 加速電源
６９ 光
７０ 電子ビーム
７１ 真空
１１ 電極層
１２ 微細構造層
１３ 発光層
１４ 透明電極層（第２の電極層）
１５ 電源
１６ 光
２１ 第１の材料からなる部位
２２ 第２の材料からなる部位
２３ 第３の材料からなる部位
２５ 電子
２６ 境界部
２７ トンネル障壁の低い部分
２８ トンネル位置
５０ 基板
５１ 電極層
５２ 微細構造層
５３ 第２の電極層
５４ 発光層
５５ 透明電極層（第３の電極）
５６ 駆動電源
５７ 加速電源
５８ 光
６０、６６ 基板
６１ 電極層
６２ 微細構造層
６３ 第２の電極層
６４ 発光層
６５ 透明電極層（第３の電極）
６７ 駆動電源
６８ 加速電源
６９ 光
７０ 電子ビーム
７１ 真空
Claims (8)
- 基板上に、第１の電極層と、発光層と、第２の電極層と、を配して構成される発光素子であって、前記第１の電極層と前記発光層との間、または前記発光層と前記第２の電極層との間に、微細構造層を有し、該微細構造層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された、第１の材料からなる部位及び前記第１の材料とは異種の第２の材料からなる部位、を備え、前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり前記微細構造層の層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を有することを特徴とする発光素子。
- 前記マトリックスが前記ＳｉＯ２からなり、前記柱状の構造体が前記Ａｌ２Ｏ３からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記マトリックスが前記ＳｉＯ２からなり、前記柱状の構造体が前記ＦｅＯからなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記マトリックスが前記Ａｌ２Ｏ３からなり、前記柱状の構造体が前記ＺｒＯ２からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 基板上に、第１の電極層と、発光層と、第２の電極層と、を有すると共に、前記第１の電極層と前記発光層との間、または前記発光層と前記第２の電極層との間に、微細構造層を配して構成される発光素子の製造方法であって、
Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ ２ Ｏ ５ 、ＢａＴｉＯ ３ 、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２、の酸化物材料のグループから共に選択された第１の材料及び第２の材料を用いたスパッタリング用のターゲットを用意する工程と、
前記ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法による層形成を経て、前記第１の材料からなる部位及び前記第２の材料からなる部位、を備えると共に前記第２の材料からなるマトリックス中に前記第１の材料からなり層厚方向に伸長する複数の柱状の構造体を備える前記微細構造層を形成する工程と、を有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記マグネトロンスパッタリング法による層形成の後、前記層を陽極酸化して前記微細構造層を形成することを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記マグネトロンスパッタリング法による層形成の後、前記層に熱処理を施すことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記マグネトロンスパッタリング法による層形成が、前記基板を加熱した状態でなされることを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
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