JP5611522B2 - 伝導性ナノロッドを透明電極として含む発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子に係り、さらに具体的には、発光特性および効率を画期的に増加させることができる、新しいタイプの電極として透明伝導性ナノロッドを含む発光素子に関する。
現在広く用いられる窒化物半導体発光素子のｐ型オーム電極としてＮｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕなどの多様な金属薄膜が研究されてきており、この中でも、ＧａＮなどの窒化物半導体発光素子のｐ型電極としてＮｉ／Ａｕ薄膜が主に使用されている。
ところが、このような金属薄膜でオーム接触を形成する場合、半透明金属電極が光を吸収するため、発光効率が減少し、素子の熱的安定性および信頼性などが低下するという多くの問題点などがある。特に、ｐ型ＧａＮ薄膜の場合、抵抗が大きいため、素子が大きくなると電流が発光素子に均一に広げられないから、大型の高輝度発光素子を製作することが難しい。
かかる問題点を解決するために、薄膜状の透明電極を含む素子を製作することが文献「Inidum tin oxide contacts to gallium nitride optoelectric devices(Applied Physics Letters. 74, 3930(1999))」に開示されている。ところが、この場合、発光素子の接触抵抗が大きくなって素子の効率が減少するという欠点がある。
前記半導体発光素子だけでなく、有機発光（electroluminescent、ＥＬ）素子の場合も、光を発する発光層からスネルの法則の屈折率インデックス（物質によって屈折率が異なる）によって光が電極を容易に抜け出ず、発光素子内で反射されるか或いは金属電極に吸収されることにより、発光効率が減少するという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、光を透過させることができ、内部全反射を画期的に減少させ且つ電流注入を増加させることができるため、発光特性および発光効率を高めることができる、透明伝導性ナノロッドを電極として含む発光素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、発光素子において、基板上に順次積層された第１導電型半導体層、発光のための活性層、および第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記複数のナノロッド上に形成された電極と、前記第２導電型半導体層上に形成された別の電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
また、発光素子において、基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記複数のナノロッド上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
また、発光素子において、基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記複数のナノロッド上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
さらに、発光素子において、基板上に順次積層された第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記基板と前記第１導電型半導体層との間に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記第２導電型半導体層上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
また、発光素子において、基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記複数のナノロッド上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
また、発光素子において、基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記複数のナノロッド上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
さらに、発光素子において、基板上に順次積層された第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、前記基板と前記第１導電型半導体層との間に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、前記第２導電型半導体層上に形成された電極と、前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質とを含み、前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される、発光素子を提供する。
以下、本発明についてより詳細に説明する。
図１は本発明に係る、伝導性ナノロッド型透明電極を含む発光素子の基本構造図である。
図１は本発明に係る、伝導性ナノロッド型透明電極を含む発光素子の基本構造図である。
本発明の特徴は、図１に示すように、発光素子１０に対して垂直成長した棒状の透明な伝導性ナノ構造体であるナノロッド２０を発光素子１０の電極３０として用いることにある。本発明において、電極層として用いられるナノロッド２０は、電極を形成するための発光素子１０の膜上に通常の有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって透明伝導性物質を垂直方向に成長させることにより形成することができる。
前記ナノロッド２０は、２ｎｍ〜１μｍの直径および１０ｎｍ〜５０μｍの長さを有し、有機金属化学蒸着法による形成の際に導入される反応気体の流入量、蒸着温度、圧力および時間などの条件を調節することにより、所望の形状に形成できる。
本発明において、透明電極として用いられるナノロッド２０の物質には、７０％以上の可視光線（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲）透過率を持つ物質が適するが、例えばＺｎＯ(zinc oxide)、ＩＴＯ(indium tin oxide)、ＧａＮ(gallium nitride)などを好ましく使用することができ、その他のＺｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＩｎ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５−Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、ＭｇＩｎ２Ｏ４−Ｚｎ２ＩｎＯ５などの酸化亜鉛系化合物を使用することもできる。
また、発光素子電極３０の電気的、光学的特性を向上させるために、前記ナノロッド２０上に多様な有機または無機素材、例えばＭｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上、または例えばＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの窒化物、例えばＺｎＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物などの多様な異種物質をコートさせることができる。
また、本発明は、有機金属化学蒸着法によって形成されたナノロッド２０の間をナノロッド２０の上部表面およびナノロッド２０の上端が露出するように透明物質（例えばフォトレジスト）でギャップフィルする。そして、ナノロッド２０にＨ２、Ｏ２、Ｎ２、ＮＨ３、シランなどでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理するなどの後処理工程を行って伝導性を増加させることにより、可視光線、赤外線などの多様な波長領域の発光素子の電極層として用いることもできる。
本発明の透明伝導性ナノロッド型電極は、図２〜図７に示した多様な構造の発光素子（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、または有機発光素子）に利用でき、本発明に係る発光素子の電極層は、透明伝導性ナノロッド以外に金属電極および／または透明薄膜電極をさらに含むこともできる。
したがって、本発明の発光素子での如く、透明電極として、薄膜ではなく棒状のナノ構造体を用いると、内部全反射を減少させて内部の光が容易に抜け出ることができて発光効率を増大させることができ、ナノロッド２０の高いアスペクト比およびナノサイズの小さい接触面積によってトンネリング(tunneling)が起り易くて電流注入を増加させる。よって、発光素子の大きさの増加による電流広がり減少を防ぐことができるため、高輝度の大型発光素子を製作することが可能になる。
図２および図３は本発明の第１実施例に係る、伝導性ナノロッド型透明電極を含む発光素子の構造を示す垂直断面図である。
図２に示すように、本発明の第１実施例に係るＰＮ接合発光ダイオードは、基板１００、第１導電型（ｎ型）半導体層１０２、発光のための活性層１０４、第２導電型（ｐ型）半導体層１０６が順次積層され、ｐ型半導体層１０６上に、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド１０８が形成される。多数のナノロッド１０８上に、透明または不透明金属電極１１０が積層される。しかも、活性層１０４およびｐ型半導体層１０６が共にパターニングされてｎ型半導体層１０２の一部が露出した上部表面に別の透明または不透明金属電極１１２が形成される。
本発明の第１実施例に係る発光素子は、ｐ型半導体層としての窒化物半導体（例えば：ｐ−ＧａＮ等）が大きい抵抗を持つため、電流注入が難しいので、ｐ型半導体層１０６上に透明な伝導性ナノロッド１０８を形成して電流注入を増加させる。
一方、図３に示すように、本発明の第１実施例に係るＰＮ接合発光ダイオードは、基板１００、ｎ型半導体層１０２、発光のための活性層１０４、ｐ型半導体層１０６が順次積層され、ｐ型半導体層１０６上に、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド１０８が形成され、その上に透明または不透明金属電極１１０が積層される。
図３の本実施例は、ｐ型ナノロッド１０８形態の透明電極を用いる場合、電流注入が容易になるので、図２とは異なり、活性層１０４およびｐ型半導体層１０６を共にパターニングするためのエッチング工程を省略したままで、ｐ型半導体層１０６上に透明な伝導性ナノロッド１０８が形成されながら、一定の間隔で離隔して別の金属電極１１２が形成される。よって、本実施例は、エッチング工程なしで、ｐ型半導体層１０６上に垂直成長した透明伝導性ナノロッド１０８を形成した後、直ちに金属電極１１０、１１２を蒸着およびパターニングすることができる。
このように、図２および図３に示した本発明の第１実施例に係る発光素子は、例えばＧａＮなどの窒化物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物半導体、およびこれらの合金からなる、可視光線領域、赤外線領域または紫外線領域の発光ダイオードである。
本発明の第１実施例に係るナノロッド１０８は、ｐ型半導体層１０６上に通常の有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって透明伝導性物質を垂直方向に成長させて形成するが、直径を２ｎｍ〜１μｍとし、長さを１０ｎｍ〜５０μｍとする。
本実施例において、透明電極として用いられるナノロッド１０８の物質には、７０％以上の可視光線（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲）透過率を持つ物質が適するが、例えばＺｎＯ、ＩＴＯ、ＧａＮなどを使用し、或いはその他のＺｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＩｎ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５−Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、ＭｇＩｎ２Ｏ４−Ｚｎ２ＩｎＯ５などの酸化亜鉛系化合物を使用する。
また、本発明の第１実施例において、電極１１０の電気的、光学的特性を向上させるために、ナノロッド１０８上に多様な有機または無機素材、例えばＭｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上、または例えばＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの窒化物、例えばＺｎＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物などの多様な異種物質をコートさせる。
また、本発明の第１実施例は、ナノロッド１０８の間をナノロッド１０８の上部表面またはナノロッド１０８の上端が露出するように透明物質（例えば、フォトレジスト）でギャップフィルする。そして、ナノロッド１０８にＨ２、Ｏ２、Ｎ２、ＮＨ３、シランなどでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理などの後処理工程を行って伝導性を増加させる。
図４および図５は本発明の第２実施例に係る、伝導性ナノロッド型透明電極を含む発光素子の構造を示す垂直断面図である。
図４に示すように、本発明の第２実施例に係る発光素子は、基板２００、第１導電型（ｎ型）半導体層２０２、発光のための活性層２０４、第２導電型（ｐ型）半導体層２０６が順次積層され、ｐ型半導体層２０６上に、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド２０８が形成される。透明伝導性ナノロッド２０８上に透明電極２１０が形成され、その上に透明または不透明金属電極２１２が積層される。しかも、活性層２０４およびｐ型半導体層２０６が共にパターニングされてｎ型半導体層２０２の一部が露出した上部表面に別の透明または不透明金属電極２１４が形成される。
図５に示すように、本発明の第２実施例に係る発光素子の変形例は、基板２００、ｎ型半導体層２０２、発光のための活性層２０４、ｐ型半導体層２０６が順次積層され、ｐ型半導体層２０６上に、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド２０８が形成される。透明伝導性ナノロッド２０８上に透明電極２１０が形成され、その上に透明または不透明金属電極２１２が積層される。
図５に示した本発明の第２実施例は、ｐ型ナノロッド２０８によって電流注入が容易になるので、図４に示すように、活性層２０４およびｐ型半導体層２０６を共にパターニングするためのエッチング工程を省略したままで、ｐ型半導体層２０６上に透明な伝導性ナノロッド２０８が形成されながら、一定の間隔で離隔して別の金属電極２１４が形成される。
このように、図４および図５に示した本発明の第２実施例に係る発光素子は、例えばＧａＮなどの窒化物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物半導体、およびこれらの合金からなる、可視光線領域、赤外線領域または紫外線領域の発光ダイオードである。
本発明の第２実施例に係るナノロッド２０８は、ｐ型半導体２０６上に通常の有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって透明伝導性物質を垂直方向に成長させて形成するが、直径を２ｎｍ〜１μｍの範囲とし、長さを１０ｎｍ〜５０μｍの範囲とする。
本実施例において、透明電極として用いられるナノロッド２０８の物質には、７０％以上の可視光線（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲）透過率を持つ物質が適するが、例えばＺｎＯ、ＩＴＯ、ＧａＮ等を使用し、或いはその他のＺｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＩｎ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５−Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、ＭｇＩｎ２Ｏ４−Ｚｎ２ＩｎＯ５などの酸化亜鉛系化合物を使用する。
また、本発明の第２実施例において、電極２１２の電気的、光学的特性を向上させるために、ナノロッド２０８上に多様な有機または無機素材、例えばＭｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上、または例えばＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの窒化物、例えばＺｎＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物などの多様な異種物質をコートさせる。
また、本発明の第２実施例は、ナノロッド２０８の間をナノロッド２０８の上部表面またはナノロッド２０８の上端が露出するように透明物質（例えば、フォトレジスト）でギャップフィルする。そして、ナノロッド２０８にＨ２、Ｏ２、Ｎ２、ＮＨ３、シランなどでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理などの後処理工程を行って伝導性を増加させる。
図６および図７は本発明の第３実施例に係る、伝導性ナノロッド型透明電極を含む発光素子の構造を示す垂直断面図である。
図６に示すように、本発明の第３実施例に係る有機発光素子は、例えば透明基板（例えば、ガラス）３００、例えばＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明電極３０２、ｐ型不純物のドープされた正孔伝送層３０４、発光層３０６、およびｎ型不純物のドープされた電子伝送層３０８が順次積層される。電子伝送層３０８上に電子注入層として透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド３１０が形成され、多数のナノロッド３１０上に金属電極３１２が積層される。
図７に示すように、本発明の第３実施例に係る有機発光素子の変形例は、透明基板（例えば、ガラス）３００上に正孔注入層として、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド３２０が形成される。そして、ナノロッド３２０上にｐ型不純物のドープされた正孔伝送層３２２、発光層３２４、ｎ型不純物のドープされた電子伝送層３２６、およびｎ型不純物のドープされた電子注入層３２８が順次積層され、電子注入層３２８上に透明電極３３０が積層される。
このように、図６および図７に示した本発明の第３実施例に係る発光素子は、例えばＧａＮなどの窒化物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰなどのIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物半導体、およびこれらの合金、例えばＡｌｑ３、Ｚｎ（ＰｈＰｙ）２、ＬｉＰＢＯ、Ｚｎ（Ｐｈｑ）２、Ｚｎ（ＢＯＸ）２、Ｂｅ（ｂｑ）２、Ｚｎ（ＢＴＺ）２、Ｚｎ（ＯＤＺ）２、ＢＡｌｑ、Ｚｎ（ＴＤＺ）２、Ｂｅ（５Ｆｌａ）２、Ｚｎ（ＤＩＺ）２などを含む可視光線領域の有機発光素子である。
本発明の第３実施例に係るナノロッド３１０、３２０は、電子伝送層３０８または基板の上に通常の有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって透明伝導性物質を垂直方向に成長させて形成するが、直径を２ｎｍ〜１μｍの範囲とし、長さを１０ｎｍ〜５０μｍの範囲とする。
本実施例において、透明電極として用いられるナノロッド３１０、３２０物質には、７０％以上の可視光線（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲）透過率を持つ物質が適するが、例えばＺｎＯ、ＩＴＯ、ＧａＮ等を使用し、或いはその他のＺｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＩｎ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５−Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、ＭｇＩｎ２Ｏ４−Ｚｎ２ＩｎＯ５などの酸化亜鉛系化合物を使用する。
また、本発明の第３実施例において、電極３１２、３３０の電気的、光学的特性を向上させるために、ナノロッド３１０、３２０上に多様な有機または無機素材、例えばＭｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上、または例えばＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどの窒化物、例えばＺｎＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物などの多様な異種物質をコートさせる。
また、本発明の第３実施例は、ナノロッド３１０、３２０の間をナノロッドの上部表面またはナノロッドの上端が露出するように透明物質（例えば、フォトレジスト）でギャップフィルする。そして、ナノロッド３１０、３２０にＨ２、Ｏ２、Ｎ２、ＮＨ３、シランなどでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理などの後処理工程を行って伝導性を増加させる。
したがって、本発明の有機発光素子は、電子注入層または正孔注入層として、透明な伝導性物質で成長した多数のナノロッド３１０、３２０を用いて電流注入または正孔注入を容易にする。
（産業上の利用可能性）
本発明によって、電極として透明伝導性ナノロッドを含む発光素子を製作すると、電極で光が吸収されず、内部全反射が減少し、ナノロッドのナノ接合によって電流注入が増加し、これにより素子が大きくなっても素子の効率が減少しないため、高輝度および高効率の大型発光素子を製造することができる。
本発明によって、電極として透明伝導性ナノロッドを含む発光素子を製作すると、電極で光が吸収されず、内部全反射が減少し、ナノロッドのナノ接合によって電流注入が増加し、これにより素子が大きくなっても素子の効率が減少しないため、高輝度および高効率の大型発光素子を製造することができる。
また、本発明の透明伝導性ナノロッドを窒化物半導体発光ダイオードに用いる場合、ナノロッド上に金属電極を形成した後、別の金属電極を製造するためにｎ型半導体層までエッチングするドライエッチング工程を行わず、直接ｐ型半導体層に金属電極を製作するので、発光素子製造工程を単純化することができる。
（実施例）
以下、本発明を下記実施例に基づいてより詳細に説明する。但し、下記実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するものではない。
以下、本発明を下記実施例に基づいてより詳細に説明する。但し、下記実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するものではない。
実施例１：酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッド型透明電極を含む発光素子の製造
本実施例１は、図３のような窒化物半導体発光素子を実現するために、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてＡｌ２Ｏ３基板上にＧａＮ薄膜を１μｍの厚さに成長させ、ｎ型半導体層としてシリコン（Ｓｉ）のドープされたｎ型ＧａＮ薄膜を２μｍの厚さに成長させる。その上に５層のＩｎＧａＮ量子井戸(Quantum well)構造の発光層を成長させる。この際、ＩｎＧａＮ量子井戸層、井戸壁の厚さおよびＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）の組成比は、発光の色を調節するためにそれぞれ異なる厚さを持つ。例えば、約５ｎｍのＳｉがドープされたＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの井戸層および３．５ｎｍのドープされていないＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎの井戸壁から構成される。その後、ＩｎＧａＮ発光層上にｐ型半導体層として、Ｍｇのドープされたｐ型ＧａＮ薄膜を０．３μｍの厚さに成長させて窒化物半導体発光ダイオードを製造する。この際、本実施例の有機金属含有反応前駆体としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、シラン、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用し、窒素含有前駆体としてはＮＨ３を使用した。
本実施例１は、図３のような窒化物半導体発光素子を実現するために、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてＡｌ２Ｏ３基板上にＧａＮ薄膜を１μｍの厚さに成長させ、ｎ型半導体層としてシリコン（Ｓｉ）のドープされたｎ型ＧａＮ薄膜を２μｍの厚さに成長させる。その上に５層のＩｎＧａＮ量子井戸(Quantum well)構造の発光層を成長させる。この際、ＩｎＧａＮ量子井戸層、井戸壁の厚さおよびＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）の組成比は、発光の色を調節するためにそれぞれ異なる厚さを持つ。例えば、約５ｎｍのＳｉがドープされたＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの井戸層および３．５ｎｍのドープされていないＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎの井戸壁から構成される。その後、ＩｎＧａＮ発光層上にｐ型半導体層として、Ｍｇのドープされたｐ型ＧａＮ薄膜を０．３μｍの厚さに成長させて窒化物半導体発光ダイオードを製造する。この際、本実施例の有機金属含有反応前駆体としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、シラン、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用し、窒素含有前駆体としてはＮＨ３を使用した。
このように成長した窒化物発光ダイオード薄膜に金属触媒を使用しない有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、ｐ型ＧａＮ薄膜上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッドを垂直成長させる。この際、反応物質としてジエチルアミンおよびＯ２を使用し、キャリア気体としてアルゴン（Ａｒ）を使用し、反応器内で前記反応物質の前駆体を化学反応させて窒化物半導体薄膜上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッドを蒸着および成長させる。この際、約１時間ナノロッドの成長が行われる間に反応器内の圧力を０．１Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒとし、温度を４００℃〜８００℃の範囲と一定に維持する。
次いで、前記成長した酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッド上に透明な絶縁体としてフォトレジストをコートすることによりナノロッドの間を絶縁物質で満たし、或いはコーティング後にこれを酸素（Ｏ２）プラズマ処理によってエッチングすることにより、ナノロッドのチップ部分を約３０ｎｍ程度露出させる。
このように露出したナノロッドチップに熱或いは電子ビーム蒸発法を用いてチタニウム（Ｔｉ）／金（Ａｕ）を約１０ｎｍ／５０ｎｍ程度順次蒸着し、これをパターニングして金属電極を形成し、図３のようにｐ型ＧａＮ薄膜上に白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）を約１０ｎｍ／５０ｎｍ程度順次蒸着し、これをパターニングして別の金属電極を形成する。この際、金属蒸発のための電子ビームの加速電圧と発散電流はそれぞれ４ＫＶ〜２０ＫＶ、４０ｍＡ〜４００ｍＡであり、金属蒸着の際に反応器の圧力は１０〜５ｍｍＨｇ前後、基材の温度は常温に維持する。
実施例２：多重壁（シェル／コア）構造の窒化ガリウム／酸化亜鉛（ＧａＮ／ＺｎＯ）ナノロッド型透明電極を含む発光素子の製造
実施例１において酸化亜鉛ナノロッドを成長させた後、窒化ガリウム（ＧａＮ）をその表面に成長させる以外は実施例１と同様にして、多重壁構造の窒化ガリウム（ＧａＮ）／酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッドを透明電極として含む発光素子を製作する。前記窒化ガリウムコーティング工程を具体的に説明すると、ＴＭＧａおよびＮＨ３気体を、窒化膜薄膜上に成長したＺｎＯナノロッドが位置した反応器内に注入し、圧力は１００Ｔｏｒｒ、温度は５００℃に維持しながら反応器内で前記反応前駆体を５分間化学反応させ、酸化亜鉛ナノロッド上に窒化ガリウム（ＧａＮ）のコートされた多重壁（シェル／コア）構造の窒化ガリウム／酸化亜鉛ナノロッドを形成する。
実施例１において酸化亜鉛ナノロッドを成長させた後、窒化ガリウム（ＧａＮ）をその表面に成長させる以外は実施例１と同様にして、多重壁構造の窒化ガリウム（ＧａＮ）／酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッドを透明電極として含む発光素子を製作する。前記窒化ガリウムコーティング工程を具体的に説明すると、ＴＭＧａおよびＮＨ３気体を、窒化膜薄膜上に成長したＺｎＯナノロッドが位置した反応器内に注入し、圧力は１００Ｔｏｒｒ、温度は５００℃に維持しながら反応器内で前記反応前駆体を５分間化学反応させ、酸化亜鉛ナノロッド上に窒化ガリウム（ＧａＮ）のコートされた多重壁（シェル／コア）構造の窒化ガリウム／酸化亜鉛ナノロッドを形成する。
図８および図９は本発明の実施例２で製造された、多重壁（シェル／コア）構造のＧａＮ／ＺｎＯナノロッド型透明電極を含む窒化物半導体発光素子の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示す図であって、発光素子の電極、すなわち薄膜上に垂直成長した酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノロッドおよびナノロッドチップ部分に金属薄膜を蒸着させた後、その断面を走査電子顕微鏡で観察した写真である。
図８は窒化物発光素子に成長したＧａＮ／ＺｎＯ多重壁構造のナノロッド成長後に撮影したＳＥＭイメージであり、図９は絶縁体としてのフォトレジストをナノロッドの間に満たした後、酸素プラズマ処理によってナノロッドチップ部分のみを露出させて測定したＳＥＭイメージである。図１０はナノロッドチップ部分に金属薄膜を蒸着させた後、その断面を測定したＳＥＭイメージである。
また、本発明の実施例２で製造された、透明伝導性ナノロッドを電極として含む窒化物半導体発光ダイオードで観測された常温発光スペクトルを図１１に示した。発光ダイオードの発光は肉眼で確認できる程度と非常に強かった。発光スペクトルの測定結果、青色波長の光を発光する素子が製作されたことが分かる。
以上、本発明の好適な実施例について説明の目的で開示したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に開示された本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変形、追加または置換を加え得ることが理解できるであろう。したがって、本発明の実施例らの変更も本発明の範囲に属する。
Claims (17)
- 発光素子において、
基板上に順次積層された第１導電型半導体層、発光のための活性層、および第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、
前記複数のナノロッド上に形成された電極と、
前記第２導電型半導体層上に形成された別の電極と、
前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質と
を含み、
前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、
前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される
ことを特徴とする、発光素子。 - 前記素子は、前記複数のナノロッドと前記電極との間に設けられた透明電極をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 発光素子において、
基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、
前記複数のナノロッド上に形成された電極と、
前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質と
を含み
前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、
前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される
ことを特徴とする、発光素子。 - 前記素子は、前記複数のナノロッドと前記電極との間に設けられた透明電極をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、２ｎｍ〜１μｍの直径および１０ｎｍ〜５０μｍの長さを持つことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光線波長における透過率が７０％以上の物質からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、ＺｎＯ（酸化亜鉛)、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物)、ＧａＮ（窒化ガリウム)よりなる群から選ばれたいずれか一つ、またはこれらの混合物からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、Ｚｎ ２ ＳｎＯ ４ 、ＺｎＳｎＯ ３ 、ＺｎＩｎ ２ Ｏ ５ 、ＺｎＯ−Ｉｎ ２ Ｏ ３ 、Ｚｎ ２ Ｉｎ ２ Ｏ ５ −Ｉｎ ４ Ｓｎ ３ Ｏ １２ 、ＭｇＩｎ ２ Ｏ ４ −Ｚｎ ２ ＩｎＯ ５ よりなる群から選ばれたいずれか一つであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＺｎＭｇＯ、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＭｇＯよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにコートされた形態であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記素子は、可視光線領域、赤外線領域または紫外線領域のうちいずれか一つの領域の発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 発光素子において、
基板上に順次積層された透明電極、第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、
前記複数のナノロッド上に形成された電極と、
前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質と
を含み、
前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、
前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される
ことを特徴とする、発光素子。 - 発光素子において、
基板上に順次積層された第１導電型半導体層、有機物質の発光層、および第２導電型半導体層と、
前記基板と前記第１導電型半導体層との間に形成され、透明な伝導性物質で成長した複数のナノロッドと、
前記第２導電型半導体層上に形成された電極と、
前記ナノロッドの間に、前記ナノロッドの上部表面または前記ナノロッドの上端が露出するようにギャップフィルされた透明物質と
を含み、
前記ナノロッドは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、ＳｎおよびＨよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにドープされた形態であり、
前記ナノロッドは、Ｈ ２ 、Ｏ ２ 、Ｎ ２ 、ＮＨ ３ 、シランでドーピング処理、プラズマ処理または熱処理のいずれか一つの後処理工程によって形成される
ことを特徴とする、発光素子。 - 前記ナノロッドは、２ｎｍ〜１μｍの直径および１０ｎｍ〜５０μｍの長さを持つことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光線波長における透過率が７０％以上の物質からなることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、ＺｎＯ（酸化亜鉛)、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物)およびＧａＮ（窒化ガリウム)よりなる群から選ばれたいずれか一つ、またはこれらの混合物からなることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、Ｚｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＩｎ２Ｏ５、ＺｎＯ−Ｉｎ２Ｏ３、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５−Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、ＭｇＩｎ２Ｏ４−Ｚｎ２ＩｎＯ５よりなる群から選ばれたいずれか一つであることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発光素子。
- 前記ナノロッドは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＺｎＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびＭｇＯよりなる群から選ばれた１種以上の異種物質でさらにコートされた形態であることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発光素子。
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