JP4979810B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電圧の印加で動作する発光素子に関する。
直流電流により動作する発光素子の中でも、特に、青色発光ダイオード(Blue−LED;Blue Light Emitting Diode)、紫外発光ダイオード(UV−LED;Ultra−Violet Light Emitting Diode)などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、窒化物半導体が注目されている。特に、窒化ガリウム(GaN),窒化インジウム・ガリウム混晶(InGaN),窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlGaN)あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶(InAlGaN)に代表されるGaN系半導体が注目されており、その研究開発が活発に行われている。
このようなGaN系半導体は、従来、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相成長)法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。しかし、MOCVD法によりGaN系半導体の単結晶薄膜を大面積で生成することは極めて困難であった。
一方、直流電流により動作する発光素子のもう一つの候補として、有機ELが挙げられる。有機ELは蒸着法など安価なプロセスを用いることができ、かつガラス等安価な基板を使用できるため安価に製造できるメリットがある。しかし、有機ELはその信頼性の低さが問題になっている。
このため、無機発光体を薄膜ではなく粒子として取り扱い、発光体粒子を並べることにより発光素子とする手段が提案されている。前記手段のメリットとしては、無機薄膜型直流発光素子に対して、無機発光体を基板等の影響を受けずに生成できるため、無機発光体の結晶性を高めることができ、大画面化が容易であることがあげられる。また、有機ELに対しては、発光体として有機物ではなく無機物を使用できるため信頼性を向上できるという利点がある。
無機発光体粒子を並べて発光素子とする事例として、核となる窒化物半導体の表面に他の窒化物半導体からなる発光層が存在し、該発光層の上に窒化物半導体層が積層され、これらの窒化物半導体−発光層−窒化物半導体層が量子井戸構造を形成している技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2006−117735号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の従来技術による発光体粒子を用いて電界発光素子を作成しても発光効率が低いという課題がある。その理由は2つある。一つは、電子線照射もしくは紫外線照射により発光体を励起するための発光体粒子のため、p型半導体が存在せず、電子と正孔の再結合による発光が起きにくいためである。もう一つは、従来技術では発光体粒子内の電流パスを限定していないため、低発光効率の電流パスと高発光効率の電流パスの2つが混在し、その結果、発光素子としての効率が低くなるためである。ウルツ型結晶構造を持つ発光体粒子に電流を流して発光させる場合、電流パスがc軸方向の場合より、c軸に対して垂直な方が効率が良い。それは、電流パスがc軸方向の場合には、極性の影響を受け発光に使うエネルギーの一部をロスしてしまうためである。よって高効率に発光させるためには、電流パスがc軸に対して垂直方向のみとなるように発光体粒子の配置を設計することが望ましい。
そこで、本発明の目的は、発光効率が高く大面積化が容易な発光素子を提供することである。
本発明に係る発光素子は、互いに対向する一対の電極と、
前記一対の電極の間に挟持され、発光体粒子が配置されて構成された発光層と、
を備え、
前記発光体粒子は、n型窒化物半導体部分とp型窒化物半導体部分とを含み、前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とは、それぞれ互いに平行なc軸を有するウルツ型結晶構造の単結晶であると共に、
前記発光体粒子は、前記c軸に垂直な端面のいずれか一方の端面を覆って設けられた絶縁層を有することを特徴とする。
また、前記発光体粒子は、前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とがc軸に垂直な方向に積層して構成されていてもよい。
さらに、前記発光体粒子は、単結晶の核晶をさらに含んでもよい。この場合、前記n型窒化物半導体部分及び前記p型窒化物半導体部分は、前記核晶の周囲を覆って形成されていてもよい。
またさらに、前記発光体粒子は、前記核晶の周りに、前記p型窒化物半導体部分、前記n型窒化物半導体部分が順に積層して構成されていてもよい。あるいは、前記発光体粒子は、前記核晶の周りに、前記n型窒化物半導体部分、前記p型窒化物半導体部分が順に積層して構成されていてもよい。
また、前記発光体粒子を構成する前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とのうち、少なくとも一方が外面に露出しており、前記一対の電極の少なくとも一方と電気的に接触していてもよい。
前記発光体粒子を構成する前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とは、GaNからなるものであってもよい。
本発明に係る発光素子では、発光層を構成する発光体粒子がn型窒化物半導体部分とp型窒化物半導体部分とを有する。これにより、各発光体粒子において、電子と正孔の結合により発光しやすくなるため、発光効率が向上する。
また、本発明に係る発光素子では、各発光体粒子のc軸に垂直な端面の少なくとも一方の端面を絶縁膜で覆っている。これにより、発光体粒子のc軸が基板に対して垂直となるように配置された発光体粒子では絶縁層が電極と接触するため電流が流れない。一方、発光体粒子のc軸が基板に対して平行となるように配置された発光体粒子は、側面のn型窒化物半導体部分又はp型窒化物半導体部分が電極と接触するため、発光体粒子内部に電流が流れ、発光させることができる。その結果、発光に寄与する発光体粒子の電流パスは全てc軸に対して垂直方向になるため、高効率発光が得られ、発光効率の高い発光素子が得られる。
本発明の実施の形態1に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 発光体粒子のc軸方向に沿った縦断面図である。 発光体粒子のc軸に垂直な面の横断面図である。 実施の形態1に係る発光素子に用いる発光体粒子の製造方法の一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4aに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4bに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4cに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4dに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4eに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子の製造方法の図4fに続く一過程を示す概略図である。 発光体粒子を製造するためのHVPE装置の概略図である。
本発明の実施の形態に係る発光素子について、添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1に係る発光素子70の概略構成を示す断面図である。この発光素子70は、下部基板10の上に下部電極20、発光体粒子50、上部電極30、上部基板40が順に配設されている。この発光素子70では、下部電極20と上部電極30との間に配置された複数の発光体粒子50によって発光層を構成している。なお、図1は発光させるにあたって最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていても良い。
図2は、発光体粒子50のc軸方向に沿った断面構造を示す断面図である。図3は、発光体粒子50のc軸に垂直な面の断面構造を示す断面図である。この発光素子70では、各発光体粒子50が核51の周囲を覆って形成されたn型窒化物半導体52とp型窒化物半導体53とを有する。これにより、各発光体粒子50において、電子と正孔の結合により発光しやすくなるため、発光効率が向上する。また、この発光素子70では、各発光体粒子50のc軸に垂直な端面の少なくとも一方の端面を絶縁膜54で覆っている。これにより、発光体粒子50のc軸が基板10、40に対して垂直となるように配置された発光体粒子50では絶縁層54が下部電極20又は上部電極30と接触するため発光体粒子50に電流が流れない。例えば、図1で下部電極20と上部電極30との間に挟持されている発光体粒子50のうち、絶縁層54が上部電極30と接するように配置された発光体粒子50には電流が流れない。一方、発光体粒子50のc軸が基板10、40に対して平行となるように配置された発光体粒子50は、側面のn型窒化物半導体52又はp型窒化物半導体53が電極20、30と接触するため、発光体粒子50内部に電流が流れ、発光させることができる。例えば、図1で下部電極20と上部電極30との間に挟持されている発光体粒子50のうち、c軸が電極20、30に平行となるように配置された発光体粒子50には電流が流れない。この場合、発光に寄与する発光体粒子50の電流パスは全てc軸に対して垂直方向になるため、高効率発光が得られ、発光効率の高い発光素子70が得られる。
以下にこの発光素子70を構成する各構成部材について説明する。
<下部基板及び上部基板>
下部基板10および上部基板40の材料は特には問わないが、光を取り出すためには下部基板10もしくは上部基板40のいずれかが光透過性であることが望ましい。また、発光素子として形を維持できるのであれば、基板は上部基板10のみもしくは下部基板40のみでも良い。
<下部電極及び上部電極>
下部電極20および上部電極30は、その材料も導電性があれば特には問わない。ただし、陰極側に用いる材料はアルミニウム、マグネシウム、銀などの仕事関数の低い材料を用いることが望ましく、陽極側に用いる材料は、金やITOなど仕事関数の高い材料が好ましい。また、光を取り出す側の電極は光透過性材料であることが好ましく、光透過性でない材料を用いる場合は発光をできるかぎり透過させるために100nm以下の膜厚にすることが望ましい。また、基板に他元素をドーピングしたSi基板や金属基板などの導電性基板を使用して、基板と電極とを兼ねるようにした場合には、さらに電極を設ける必要はない。また、下部電極20と上部電極30のうちの少なくとも一方は柔軟性を持つことが望ましい。すなわち、発光体粒子50の大きさにはばらつきがあるため、下部電極20と上部電極30のいずれも柔軟性を有しない場合には、大きな粒子50に対応する電極間間隔が形成され、小さな発光体粒子50はいずれか一方の電極20、30にのみ接することとなり、発光に寄与しない発光体粒子50が増える。そこで、どちらか一方の電極として柔軟性電極を用いることによって、両方の電極20、30を発光体粒子50と接触させることができる。これによって、両電極20、30にコンタクトできず発光に寄与しない発光体粒子50の発生を防止でき、発光素子の輝度低下を防ぐことができる。なお、ここでは発光体粒子50と各電極とは直接接しているが、導体もしくは半導体を介して接していてもよい。
<発光体粒子>
発光体粒子50に関して、その詳細を図2および図3を用いて説明する。図2は、発光体粒子50のc軸方向に沿った縦断面図であり、図3はc軸に垂直な面での横断面図である。この発光体粒子50は、内部から外部へ向かって、核51、n型半導体52、p型半導体53、絶縁層54から構成されている。なお、図2および図3は発光させるにあたって最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていても良い。例えば、n型半導体52とp型半導体53との界面にn型半導体52およびp型半導体53よりバンドギャップの狭い半導体層を設けてダブルへテロ構造にしても良い。また、核51と半導体層の界面に成長を促進するためのバッファ層を設けても良い。この発光体粒子50では、n型半導体52およびp型半導体53を核51の周囲に成長させるが、成長位置は特に限られるものではなく、核51の周りに部分的に成長させても良い。
<核>
核51は、n型半導体52もしくはp型半導体53を成長させるために有用なものである。核51は、ウルツ型構造の単結晶体であることが望ましく、その上に成長させるn型半導体52もしくはp型半導体53の格子定数と出来るだけ近い格子定数を有するものを用いることが好ましい。例えば成長させる半導体材料がGaNである場合は、サファイア、ZnO、AlNなどが核51の材料候補として挙げられる。また、核51として成長させる半導体材料と同一材料のものを用いてもよい。
<n型半導体52およびp型半導体53>
n型半導体52およびp型半導体53には、ウルツ型結晶構造の窒化物半導体を用いる。ウルツ型結晶構造の窒化物半導体の例としては、AlN、GaN、InN、AlGa(1−x)N、InGa(1−y)Nなどが挙げられる。各半導体層52、53は単結晶体であることが好ましい。このn型半導体52及びp型半導体53は、それぞれc軸が互いに平行であることが好ましい。また、n型半導体52及びp型半導体53は、核51のc軸とそれぞれ平行であることが好ましい。n型半導体52及びp型半導体53として単結晶体を生成する手段としては気相成長法が好ましい。気相成長を用いた成長手段としては、ハライド気相成長(HVPE)法、有機金属気相成長(MOCVD)法などが挙げられる。気相成長を用いた半導体層の成長方法では、核となる粒子を基板上に配置し、必要温度まで加熱した後に原料ガスを流して核粒子の上に半導体層を成長させる。Siをドープすることによりn型半導体にすることも可能である。なお、窒化物半導体の場合はノンドープでもn型半導体の特性を示すので、ノンドープの窒化物半導体をn型半導体として用いることができる。また、Mgをドープすることによりp型半導体の特性を示す。そこで、Mgドープの窒化物半導体をp型半導体として用いることができる。
<絶縁層54>
絶縁層54は、発光体粒子50のc軸に垂直な端面の少なくとも一方の端面を覆うように形成されている。材料としては絶縁性材料であれば良い。例としては、Al、SiO、TiO、BaTiOなどが挙げられる。
<発光体粒子の製造方法>
発光体粒子50の製造プロセスに関しても手段は問わないが、製造プロセスの一例を図4a〜図4gを用いて説明をする。
(a)発光体粒子50を成長させるための成長用基板61上に成長用マスク62を図4aのように形成する(図4a)。この時の成長用基板61は、後に形成される核51、n型半導体52やp型半導体53を形成するプロセスに耐えうるものであることが必要とされる。例えば、ハライド気相成長(HVPE)法や有機金属気相成長(MOCVD)法を用いる場合は、NH雰囲気にて1000℃以上の耐熱を持つことが必要とされる。また、GaN半導体がc軸方向にエピタキシャル成長可能な基板が好ましい。このような成長用基板61としては、面方位(0,0,0,1)のサファイア基板、面方位(1,1,1)のシリコン基板等が挙げられる。
成長用マスク62の材料としては、核形成プロセスに耐え、かつ除去しやすいものであれば用いることができる。成長用マスク62の例としてはSiOなどが挙げられる。また成長用マスク62の孔の部分の形成方法としては、フォトレジスト材を用いてリフトオフ法で形成する方法、インクジェット法等を用いて孔部以外を直接形成する方法、形成用マスクを使用して孔部以外を直接形成する方法などが挙げられる。
(b)その後、成長用基板61の上に形成された成長用マスク62の孔部にウルツ型結晶構造の単結晶の核51を形成する(図4b)。核材料を生成する手段は特には問わないが、スパッタリング法、ハライド気相成長(HVPE)法や有機金属気相成長(MOCVD)法などが好ましい。
(c)その後、成長用マスク62を除去する(図4c)。この時の成長用マスク62を除去するプロセスにおいて、核51に影響を与えない手段を用いる必要がある。もしくは、成長用基板61上に、複数の核51を林立させるように形成しても良い。例えば、非特許文献(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38 (1999)、pp6873−6877)にて紹介されている手段を用いれば、核となるZnOを直接基板61上に林立させて形成できる。
(d)その後、核51の周囲にn型半導体52を形成し(図4d)、次いで、n型半導体52の周囲にp型半導体53を形成する(図4e)。生成手段は前述のようにハライド気相成長(HVPE)法や有機金属気相成長(MOCVD)法などを用いることができる。
(e)その後、発光体粒子50のc軸に垂直な端面のうち一方の端面を覆うように絶縁層54を形成する(図4f)。絶縁層54の形成手段は特には問わないが、発光体粒子50のc軸に垂直な端面にのみ成長させ、側面には成長させない手段が好ましく、その例としては、例えばスパッタリング法が挙げられる。
(f)発光体粒子50を成長用基板61から分離する(図4g)。分離する手段としては、振動を与える手段や鋭利な物を用いてそぎ落とす手段などの機械的手段もしくは、基板を溶解させる等の化学的手段を用いればよい。
以上によって、核51と、核51の周囲に順に形成されたn型半導体52、p型半導体53と、c軸に垂直な端面の一方の端面を覆って形成された絶縁層54とを含む発光体粒子50を得ることができる。
(実施例1)
以下に実施例1に係る発光素子の製造方法について説明する。ここでは、まず、発光体粒子を製造し、得られた発光体粒子を電極間に挟持して発光素子を形成した。
(a)面方位(0,0,0,1)である直径5.08cm(2インチ)のサファイア基板を成長用基板61として用いた。このサファイア基板61上に形成用マスクを介してスパッタリング法を用いて成長用マスク62としてSiO膜を5μmの厚みで形成した。ターゲットにはSiOターゲットを使用し、Arガス雰囲気中で、スパッタリングを行い形成した。成長用マスク62の孔部の直径は3μmであった。
(b)その上に、核51としてAlN膜をスパッタリング法にて形成した。ターゲットにはAlターゲットを使用し、Nガス雰囲気中でスパッタリングを行い形成した。AlNはc軸方向に成長し厚みは5μmであった。
(c)成長用マスク62と核51が形成されている成長用基板61を3%フッ酸水溶液に浸漬して、成長用マスク62を除去した。
(d)核51のみが形成されている成長用基板61に対して、ハライド気相成長(HVPE)法を用いて、核51の周囲にn型半導体層52としてのノンドープのGaN層を形成した。以下、図5を用いてその詳細を説明する。
1)ガスラインA72にはHCl:流量3cc/分およびNを流量250cc/分で流し、途中にGa金属75を配設した。ガスラインBには何にも流さず、ガスラインCにはNHを流量250cc/分で流した。また炉内全体にNを流量3000cc/分で流した。
2)反応炉71の温度は1000℃にして、n型半導体層52としてのノンドープのGaN膜を2分間成長させて、2μmの膜厚で形成した。
(e)核51の上にn型半導体層(ノンドープGaN層)52を形成後、p型半導体層53を形成した。これについても図5を用いて説明する。
1)ガスラインA72にはHClを流量3cc/分およびNを流量250cc/分で流し、途中にGa金属75を配設した。ガスラインBにはMgCl粉末76を配設し、Nガスを流量250cc/分で流した。ガスラインCにはNHを流量250cc/分で流した。また炉内全体にNを流量3000cc/分で流した。
2)反応炉71の温度は1000℃にして、MgドープのGaN膜53を2分間成長させて2μmの膜厚で形成した。
3)反応後は炉内全体にNを流量3000cc/分で流したままま温度を降下させ、700℃に降下させた時点で温度を1時間保持し、その後に再度炉内温度を降下させた。
以上によってMgドープのGaN膜からなるp型半導体層53を形成した。
(f)p型半導体層53を形成後、成長用基板61を取り出し、スパッタリング装置に取り付け、絶縁層54としてAlをスパッタリング法にて成膜した。ターゲットはAlターゲットを使用し、Arガス中でスパッタリングを行い形成した。厚みは3μmであった。
(g)絶縁層54を成膜後に機械的振動を与えて、成長用基板61から発光体粒子50を取り出した。
(h)上記発光体粒子50を下部電極20としてのITOが上面に200nm成膜されている下部基板10であるガラス基板上に散りばめた。
(i)さらに、上部電極30としての銀ペーストを2μmの厚みで塗布したガラス基板40用意し、ペースト面を下にして、下部基板10に押し付けて発光素子70とした。
(j)下部基板10の下側に、ZnS:Cu,Al蛍光体をアクリル樹脂に分散させたペーストを2μm塗布した。
以上によって発光素子70を得た。
得られた発光素子70について、ITO20側を陽極、銀ペースト30側を陰極として15Vの直流電圧を印加して、発光させた。この時、発光体粒子50からは紫外線が発光されるが、ZnS:Cu,Al蛍光体により波長が変換されて緑色の発光が得られ、その輝度は580cd/mであり、発光効率は1.2lm/Wであった。
(比較例1)
比較例1の発光素子は、発光体粒子に絶縁層を成膜しない以外は実施例1と同様の方法で発光素子を作成した。
この発光素子に実施例1と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は410cd/mであり、発光効率は0.7lm/Wであった。
(比較例2)
比較例1に対して、発光体粒子にp型半導体層を成膜しないかわりに、n型半導体層のみを4μm成膜させた他は比較例1と同様にして発光素子を作成した。
この発光素子に実施例1と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は80cd/mであり、発光効率は0.15lm/Wであった。
本発明によれば、発光効率が高く大面積化の容易な電界発光素子を提供することができる。
10 下部基板
20 下部電極
30 上部電極
40 上部基板
50 発光体粒子
51 核
52 n型半導体
53 p型半導体
54 絶縁層
61 成長用基板
62 成長用マスク
70 発光素子
71 反応炉
72 ガスラインA
73 ガスラインB
74 ガスラインC
75 Ga金属
76 MgCl
77 基板ホルダ

Claims (7)

  1. 互いに対向する一対の電極と、
    前記一対の電極の間に挟持され、発光体粒子が配置されて構成された発光層と、
    を備え、
    前記発光体粒子は、n型窒化物半導体部分とp型窒化物半導体部分とを含み、前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とは、それぞれ互いに平行なc軸を有するウルツ型結晶構造の単結晶であると共に、
    前記発光体粒子は、前記c軸に垂直な端面のいずれか一方の端面を覆って設けられた絶縁層を有することを特徴とする発光素子。
  2. 前記発光体粒子は、前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とがc軸に垂直な方向に積層して構成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記発光体粒子は、単結晶の核晶をさらに含み、
    前記n型窒化物半導体部分及び前記p型窒化物半導体部分は、前記核晶の周囲を覆って形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  4. 前記発光体粒子は、前記核晶の周りに、前記p型窒化物半導体部分、前記n型窒化物半導体部分が順に積層して構成されていることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。
  5. 前記発光体粒子は、前記核晶の周りに、前記n型窒化物半導体部分、前記p型窒化物半導体部分が順に積層して構成されていることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。
  6. 前記発光体粒子を構成する前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とのうち、少なくとも一方が外面に露出しており、前記一対の電極の少なくとも一方と電気的に接触していることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  7. 前記発光体粒子を構成する前記n型窒化物半導体部分と前記p型窒化物半導体部分とは、GaNからなることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
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