JP6150646B2 - 透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池 - Google Patents
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Description
本発明は、透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池に関し、より詳細には、高い表面平坦度を有する透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池に関する。
有機電界発光表示装置に使用される有機電界発光素子は、２つの電極の間に発光層が形成された自発光素子である。かかる有機電界発光素子は、電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）注入電極（ｃａｔｈｏｄｅ）と正孔（ｈｏｌｅ）注入電極（ａｎｏｄｅ）からそれぞれ電子と正孔を発光層内部に浸透させて、注入された電子と正孔が結合した励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）が励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ）から基底状態（ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ）に下がったときに発光する素子である。
かかる有機電界発光素子を利用した有機電界発光表示装置は、光が放出される方向に応じて、上部発光（ｔｏｐ‐ｅｍｉｓｓｉｏｎ）方式、下部発光（ｂｏｔｔｏｍ‐ｅｍｉｓｓｉｏｎ）方式、および両面発光（ｄｕａｌ‐ｅｍｉｓｓｉｏｎ）等があり、駆動方法に応じて、パッシブマトリクス型（ｐａｓｓｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）とアクティブマトリクス型（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）等に分けられている。
一方、従来の有機電界発光表示装置は、有機電界発光素子の電極を構成する下部電極の材料選定に伴う仕事関数の問題により工程費用の上昇はもちろん、駆動電圧の上昇による消費電力増加の問題や、発光層における正孔と電子の再結合率が低いために輝度が減少するという問題があった。
有機電界発光素子の効率改善のためには、電子と正孔の再結合の比率を高めなければならず、このためには、正孔の注入障壁を下げなければならないため、透明伝導性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ；ＴＣＯ）の仕事関数の調節が必須的に要求される。
ここで、透明伝導性酸化物は、入射する光に対して透明な性質を有すると同時に、金属のように電気を流す物質である。現在、透明伝導性酸化物は、薄膜形態で形成されて、有機電界発光素子はもちろん、太陽電池等の素子における透明電極として使用されている。かかる透明伝導性酸化物は、可視光領域の光を透過させつつ、同時に高い伝導性を有するように材料を設計することが核心である。可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ波長）において透明であるためには、電子エネルギーバンドギャップ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄｇａｐ）が４００ｎｍ波長の電磁波エネルギーである３．１ｅＶ以上とならなければならない。こうした特性を満足させる酸化物半導体としては、ＺｎＯ（３．３ｅＶ）、Ｉｎ２Ｏ３（３．７ｅＶ）、ＭｇＯ（３．６ｅＶ）、ＳｎＯ２（３．６ｅＶ）が代表的である。一般的に、透明伝導性酸化物は、可視光領域において８０％以上の光透過率を有し、電気的特性として固有抵抗（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）が約１０−４Ωｃｍ以下の値を有する。こうした透明伝導性酸化物に使用される物質を見つけ出すために、これまでに様々な物質にドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）、合金（ａｌｌｏｙｉｎｇ）等を施す方式の研究が主に進められてきた。特に、Ｉｎ２Ｏ３の場合、ＳｎＯ２やＺｎＯよりも低い固有抵抗値を示すことを見ることができるが、こうした理由から、最も早くから商用化され、現在も使われているのがＩＴＯ（Ｓｎ ｄｏｐｅｄ Ｉｎ２Ｏ３）である。ＩＴＯは、現在、ＬＥＤ、ＬＣＤ、ＰＤＰ等のディスプレイ用電極および太陽電池等に適用される物質であり、一般的に１０−４Ωｃｍ程度、実験室水準では１０−５Ωｃｍ程度の、金属に近い水準の低い固有抵抗値を有する。しかし、かかるＩＴＯは、Ｉｎが希少元素であって価格が高価であり、照明用有機電界発光素子分野において製造原価の２０％以上を占めているため、原価節減の要求が大きい状況であり、太陽電池製造工程への適用時、水素プラズマに露出されると、ＩｎやＳｎが還元されて電気的光学的特性が低下するという短所がある。したがって、ＩＴＯを代替することのできる透明伝導性酸化物の開発が、現在の重要なイシューとなっている。
この中でも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系薄膜は、赤外線および可視線領域における電気伝導性に優れ、プラズマに対する耐久性に優れ、低い温度での工程が可能であり、原料が低廉であるため、ＩＴＯ透明伝導性酸化物からなる薄膜を代替することのできる物質として脚光を浴びている。
一方、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系薄膜は、ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ、Ｅ‐ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ、ＬＰＣＶＤ、ＡＰＣＶＤ等の方法で製造することができる。しかし、ガラス製造工程とイン‐ライン（ｉｎ‐ｌｉｎｅ）に連係して大量生産に有益な方法は、ＡＰＣＶＤが唯一である。しかし、ＣＶＤ工程を利用して酸化亜鉛系薄膜を製造する場合、酸化亜鉛結晶面に沿って成長するため、表面は凹凸状に形成されている。この場合、凹凸のエッジ部で電荷が保存されて、上部電極との間にリーク電流が流れやすくなり、素子の劣化現象が発生しやすいという問題がある。リーク電流は、素子の効率減少だけでなく、素子の寿命と直結するため、このようなリーク電流を減らそうとする努力が進められている。
従来には、これを解決するために、酸化亜鉛薄膜の表面を、ＣＭＰ工程を通じて研磨して平坦化させる方法を使用していた。しかし、このような研磨工程が追加されると、材料費と工程費用が増加して、製造原価が増加するという問題があった。
本発明は、上述したところのような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、高い表面平坦度を有する透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池を提供することである。
また、本発明の他の目的は、電気的信頼性と化学的安定性を有する透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池を提供することである。
このために、本発明は、基板；前記基板に形成され、第１ドーパントがドーピングされている第１透明伝導性酸化物薄膜；および、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に形成され、第２ドーパントが前記第１ドーパントのドーピング濃度よりも相対的に高くドーピングされて、前記第１透明伝導性酸化物薄膜よりも表面が相対的に平坦な第２透明伝導性酸化物薄膜を含むことを特徴とする透明伝導性酸化物薄膜基板を提供する。
ここで、前記第１ドーパントの含量比は、４．５〜７．０ｗｔ％であってよい。
このとき、前記第２ドーパントの含量比は、７．５〜９．５ｗｔ％であってよい。
また、前記第２透明伝導性酸化物薄膜の平均表面粗度（ＲＭＳ）は、５ｎｍ以下であってよい。
そして、前記透明伝導性酸化物薄膜基板は、面抵抗が１５Ω／□以下であってよい。
なお、前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントは、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせであってよい。前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントは、好ましくは、同一の物質からなるものであってよい。しかしながら、本発明が必ずしもこれに限定されるものではなく、前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントは、異なる物質からなるものであってもよい。
また、前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜は、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを含んでよい。前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜は、好ましくは、同一の物質からなるものであってよい。しかしながら、本発明が必ずしもこれに限定されるものではなく、前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜は、異なる物質からなるものであってもよい。
そして、前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜の厚みの合計は、１５０〜２５０ｎｍであってよい。
さらに、前記基板と前記第１透明伝導性酸化物薄膜の間に形成される内部光抽出層をさらに含んでよい。
また、前記第１透明伝導性酸化物薄膜が形成されている前記基板の一面と対応する他面に形成される外部光抽出層をさらに含んでよい。
一方、本発明は、基板に第１透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させ、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に第１ドーパントをドーピングさせる第１ステップ；および、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に第２透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させ、前記第１ドーパントのドーピング濃度よりも高いドーピング濃度で第２ドーパントを前記第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングさせる第２ステップを含むことを特徴とする透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法を提供する。
ここで、前記第１ステップにおいては、前記第１ドーパントを４．５〜７．０ｗｔ％の含量比でドーピングさせてよい。
また、前記第２ステップにおいては、前記第２ドーパントを７．５〜９．５ｗｔ％の含量比でドーピングさせてよい。
そして、前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントとしては、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上を使用してよい。
ない、前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜としては、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを含んでよい。
さらに、前記第１ステップおよび前記第２ステップにおいては、化学気相蒸着を通じて、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に、前記第２透明伝導性酸化物薄膜をイン‐サイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により蒸着させてよい。
一方、本発明は、前記透明伝導性酸化物薄膜基板をアノード基板として具備することを特徴とする有機電界発光素子を提供する。
また、本発明は、前記透明伝導性酸化物薄膜基板を透明電極基板として具備することを特徴とする光電池を提供する。
本発明によれば、低ドーピング濃度を有する透明伝導性酸化物薄膜上に、高ドーピング濃度を有する透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させることにより、透明伝導性酸化物薄膜の表面の平坦度を向上させることができ、これを通じて、これを採用した各種素子、たとえば、有機電界発光素子や光電池の電気的信頼性や化学的安定性を確保することができ、窮極的には、素子の寿命を延ばすことができる。
また、本発明によれば、化学気相蒸着工程中に、イン‐サイチュプロセスにより低ドーピング透明伝導性酸化物薄膜上に高ドーピング透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させることにより、透明伝導性酸化物薄膜製造工程を簡略化させることができ、製造費用を節減することができる。
以下では、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板、その製造方法及びこれを含む有機電界発光素子および光電池について詳細に説明する。
なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知の機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明確にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
図１に示されたところのように、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、基板１１０、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０、および第２透明伝導性酸化物薄膜１３０を含んで形成される。
基板１１０は、第１および第２透明伝導性酸化物薄膜１２０，１３０を形成するためのベース基板であり、第１および第２透明伝導性酸化物薄膜１２０，１３０を支持する支持基板である。かかる基板１１０は、ガラス基板により具備されてよい。
第１透明伝導性酸化物薄膜１２０は、基板１１０の一面に形成される。このとき、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０は、化学気相蒸着法を通じて基板１１０に蒸着されてよいが、この場合、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０の表面には凹凸が形成される。
かかる第１透明伝導性酸化物薄膜１２０は、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを含んでよい。また、本発明の実施例において、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０には、ドーパントがドーピングされている。このとき、ドーパントは、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上の組合せからなってよい。第１透明伝導性酸化物薄膜１２０にドーピングされるドーパントの含量比は、４．５〜７．０ｗｔ％であってよい。
第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０の一面に形成される。第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、化学気相蒸着法を通じてイン‐サイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により第１透明伝導性酸化物薄膜１２０に蒸着されるが、これについては、後述する透明伝導性酸化物薄膜の製造方法において、より詳細に説明することとする。
かかる第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０と同一の物質、たとえば、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを含んでよい。また、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にも、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上の組合せからなるドーパントがドーピングされている。このとき、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０にドーピングされるドーパントと、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にドーピングされるドーパントは、同一物質であってよい。
ここで、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、表面に凹凸が形成されている第１透明伝導性酸化物薄膜１２０を平坦化させる平坦膜としての役割をすることになる。このために、本発明の実施例においては、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にドーピングされるドーパントのドーピング濃度を、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０にドーピングされるドーパントのドーピング濃度よりも高くドーピングさせる。これにより、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にドーピングされるドーパントの含量比は、７．５〜９．５ｗｔ％であってよい。
このように、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０に対する第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にドーピングされるドーパントの濃度が増加することになると、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０を構成する物質、たとえば、ＺｎＯの結晶粒度（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）が減少するようになるが、これは、Ｚｎとドーパントとの間のイオン半径の差と、高濃度ドーピング時に結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）においてドーパントの分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）が起こるためである。そして、このように、結晶粒度が減少する現象を通じて、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０の表面が平坦化される。すなわち、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０よりも表面の平坦度が相対的に高い。
本発明の実施例において、ドーパントが低濃度にドーピングされている第１透明伝導性酸化物薄膜１２０と、ドーパントが高濃度にドーピングされて表面が平坦化された第２透明伝導性酸化物薄膜１３０の平均表面粗度（ＲＭＳ）は、５ｎｍ以下に制御されてよい。そして、このように、平均粗度（ＲＭＳ）が５ｎｍ以下に制御されると、リーク電流減少により劣化を防止して電気的特性を向上させることができる。これにより、透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、１５Ω／□以下の面抵抗特性を示すことになる。
一般的に、表面粗度の値が高いほど、すなわち、表面が粗いほどリーク電流値も増加し、これに対し、表面粗度の値が低いほど、すなわち、表面の平坦度が高いほどリーク電流値が減少する傾向を示す。すなわち、本発明の実施例のように、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０にドーパントを高濃度でドーピングすることにより、その表面の平坦度を高めることができ、これを通じて、リーク電流を減少させることができる。そして、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０の平坦度を高めることにより、電気的信頼性と化学的安定性を確保することができるようになり、これを通じて、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００を透明電極に採用した各種素子、たとえば、有機電界発光素子や光電池の寿命を延ばすことができる。
かかる第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０との厚みの合計が１５０〜２５０ｎｍとなるように形成されてよい。
一方、図２と図３は、それぞれ、第１透明伝導性酸化物薄膜および第２透明伝導性酸化物薄膜のドーピング含量比による表面粗度の変化を比較して示したイメージである。
まず、図２は、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板における、第１透明伝導性酸化物薄膜のドーピング含量比による表面イメージである。ここで、図２の（ａ）は、本発明の実施例により第１透明伝導性酸化物薄膜と第２透明伝導性酸化物薄膜を二重積層した構造（ｂｉ‐ｌａｙｅｒ）であって、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを４．８ｗｔ％、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを７．９ｗ％ドーピングした後、その表面対する表面粗度を測定し、撮影したイメージであり、（ｂ）は、比較例であって、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを３．９ｗｔ％、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを７．９ｗｔ％ドーピングした後、その表面の表面粗度を測定し、撮影したイメージである。すなわち、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントの含量比は同一に制御し、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントの含量比を変化させて、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントのドーピング濃度差による表面粗度の変化を測定した結果を示したものである。
図２を見ると、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを４．８ｗｔ％ドーピングした（ａ）は、最大表面粗度（Ｒｐｖ）が１５．８ｎｍ、平均表面粗度（ＲＭＳ）が１．９ｎｍと測定された。これに対し、第１透明伝導性酸化物薄膜のドーパントを３．９ｗｔ％ドーピングした（ｂ）は、最大表面粗度（Ｒｐｖ）が９０．１ｎｍ、平均表面粗度（ＲＳＭ）が１３．０ｎｍと測定された。肉眼で見ても、比較例である（ｂ）の表面が相対的に粗いことを確認することができる。図２を通じて、ドーパントのドーピング濃度差による表面粗度の変化を確認することができる。
そして、図３は、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板における、第２透明伝導性酸化物薄膜のドーピング含量比による表面イメージである。ここで、図３の（ａ）は、本発明の実施例により第１透明伝導性酸化物薄膜と第２透明伝導性酸化物薄膜を二重積層した構造（ｂｉ‐ｌａｙｅｒ）であって、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを４．８ｗｔ％、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを７．９ｗ％ドーピングした後、その表面に対する表面粗度および面抵抗を測定し、撮影したイメージであり、（ｂ）は、比較例であって、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを４．８ｗｔ％、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを９．９ｗｔ％ドーピングした後、その表面の表面粗度および面抵抗を測定し、撮影したイメージである。すなわち、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントの含量比は同一に制御し、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントの含量比を変化させて、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントのドーピング濃度差による表面粗度および面抵抗の変化を測定した結果を示したものである。
図３を見ると、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを７．９ｗｔ％ドーピングした（ａ）は、最大表面粗度（Ｒｐｖ）が１５．８ｎｍ、平均表面粗度（ＲＳＭ）が１．９ｎｍと測定された。これに対し、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーパントを９．９ｗｔ％ドーピングした（ｂ）は、最大表面粗度（Ｒｐｖ）が４．８ｎｍ、平均表面粗度（ＲＳＭ）が０．８１ｎｍと測定された。すなわち、比較例である（ｂ）の場合、（ａ）よりも表面の平坦度がより優れて示されることが確認された。しかしながら、（ａ）の面抵抗は１４．４Ω／□と測定され、（ｂ）の面抵抗は２４．４Ω／□と（ａ）よりも相対的に高く測定された。こうした結果を通じて、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングさせるドーパントのドーピング濃度を増加させると、表面の平坦度を優れて具現することができるが、一定濃度以上にドーパントがドーピングされると、面抵抗がむしろ増加することが分かる。したがって、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントのドーピング濃度は、表面の平坦化のために高濃度にドーピングされることが望ましい中で、透明伝導性酸化物薄膜基板が有機電界発光素子や光電池の透明電極として使用されることにより、透明伝導性酸化物薄膜基板は優れた電気的特性を有していなければならないので、高濃度にドーピングされるドーパントのドーピング濃度を所定の範囲、たとえば、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされるドーパントの含量比を７．５〜９．５ｗｔ％に制限する必要がある。
一方、下記表１は、また他の比較例であって、ドーパントの含量比が本発明の実施例によるドーパントの含量比の範囲を外れた場合における、表面粗度および面抵抗の測定結果を示したものである。
まず、比較例１は、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲を超えており、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲内にある。この場合、平均表面粗さおよび面抵抗ともに、本発明の実施例よりも高く測定された。また、比較例２は、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲を超えており、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲よりも小さい。この場合、平均表面粗さは低く測定されたが、面抵抗は本発明の実施例よりも高く測定された。そして、比較例３は、第１および第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量がいずれも本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲を超えている。この場合、平均表面粗さは低く測定されたが、面抵抗は最も高く測定された。さらに、比較例４は、第１透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲内にあるが、第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングされたドーパントの含量は本発明の実施例によるドーパントの含量の範囲よりも小さい。この場合にも、比較例１と同様、平均表面粗度および面抵抗ともに本発明の実施例よりも高く測定された。
一方、図示しないが、本発明の実施例において、透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、有機電界発光素子のアノード基板として適用する場合、光抽出効率を向上させる役割をする内部光抽出層を含んでよい。このとき、内部光抽出層は、基板１１０と第１透明伝導性酸化物薄膜１２０の間に形成されてよい。かかる内部光抽出層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはこれらの混合層からなる散乱粒子層で構成されてよく、または、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮｘまたはこれらの多層薄膜からなる屈折率マッチング層（ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ）で構成されてよく、散乱格子層で構成されてもよい。
また、本発明の実施例において、透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０が形成されている基板１１０の一面と対応する他面に形成される外部光抽出層を含んでよい。
上述したところのように、低ドーピング濃度を有する第１透明伝導性酸化物薄膜１２０と高ドーピング濃度を有する第２透明伝導性酸化物薄膜１３０の二重構造（ｂｉ‐ｌａｙｅｒ）を通じて表面の平坦度が向上された本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、多様な電気素子の透明伝導性電極として使用されてよいが、たとえば、有機電界発光素子のアノード電極基板として使用されてよい。すなわち、有機電界発光素子は、具体的に図示はしないが、互いに対向するように配置される封止基板間に配置されるアノード（ａｎｏｄｅ）、有機発光層およびカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）の積層構造からなるが、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００のうち、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０と第２透明伝導性酸化物薄膜１３０はアノードとして適用され、基板１１０はアノードを支持する封止基板のいずれか一つの基板として適用されてよい。一方、カソードは、電子注入が十分に起こるように、仕事関数の小さいＡｌ、Ａｌ：ＬｉまたはＭｇ：Ａｇの金属薄膜で構成されてよく、前面発光（ｔｏｐ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）構造である場合、有機発光層で発光された光が十分に透過され得るように、Ａｌ、Ａｌ：ＬｉまたはＭｇ：Ａｇの金属薄膜の半透明電極（ｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と、インジウムスズ酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）等の酸化物透明電極（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）薄膜の多層構造で構成されてよい。そして、有機発光層は、アノード上に順に積層される正孔注入層（ｈｏｌｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）、正孔輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ）、発光層（ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ）および電子注入層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を含んで形成される。かかる構造により、アノードとカソードの間に順方向電圧が印加されると、カソードから電子が電子注入層および電子輸送層を介して発光層へと移動するようになり、アノードから正孔が正孔注入層および正孔輸送層を介して発光層へと移動するようになる。そして、発光層内に注入された電子と正孔は、発光層で再結合して励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成し、かかる励起子が励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ）から基底状態（ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ）に遷移しながら光を放出するようになるが、このとき、放出される光の明るさは、アノードとカソードの間に流れる電流量に比例することになる。
また、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００は、光電池の透明電極として使用されてもよい。ここで、光電池は、光エネルギー、たとえば、太陽エネルギーを直接電気に変換させる光発電素子である。
具体的に都市しないが、かかる光電池は、カバーガラス／緩衝部材／電池セル／緩衝部材／後面シートの積層構造により構成されてよい。ここで、カバーガラスは、湿気、塵埃、破損等の外部環境から電池セルを保護する役割をする。また、緩衝部材は、湿気の浸透等、外部環境から電池セルを保護し、電池セルとカバーガラスを接着して封印する役割をする層であって、ＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）からなっていてよい。そして、電池セルは、たとえば、太陽光を受けて電圧と電流を発生させる発電素子により構成される。たとえば、電池セルは、透明伝導性酸化物電極、光吸収層、裏面電極層および絶縁膜を含んで形成されてよい。ここで、光吸収層は、その材料に応じて、単結晶または多結晶シリコン、ＣＩＧＳ（ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｅｌｅｎｉｄｅ）またはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を利用する半導体化合物、多孔質膜のナノ粒子表面に可視光の吸収により電子が励起される光感応染料分子が吸着された染料感応体、非晶質シリコン等からなっていてよい。本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００のうち、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０と第２透明伝導性酸化物薄膜１３０は、電池セルを構成する透明伝導性酸化物電極として適用されてよく、基板１１０は、透明伝導性酸化物電極を支持する支持基板としての役割をすることになる。
以下、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法について説明することとする。ここで、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法は、図１に示した透明伝導性酸化物薄膜基板の符号を参照することとする。
本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法は、まず、基板１１０に第１透明伝導性酸化物薄膜１２０を蒸着させる。このとき、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０としては、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを使用してよい。かかる第１透明伝導性酸化物薄膜１２０は、常圧化学気相蒸着（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＰＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＬＰＣＶＤ）、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）または分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）のいずれか一つの工程を通じて形成させてよいが、このうち常圧化学気相蒸着法を通じて形成させることが最も好ましい。
常圧化学気相蒸着法は、まず、プロセスチャンバに基板１１０を装入した後、所定の温度に加熱する。次に、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０を構成することとなる前駆体ガスと酸化剤ガスをプロセスチャンバ（図示せず）内部に噴射する。このとき、前駆体ガスと酸化剤ガスがプロセスチャンバ（図示せず）内部に流入される前にあらかじめ混合されることを防止するために、それぞれのガス供給経路を別個に制御することが好ましく、化学反応を活性化させるために前駆体ガスと酸化剤ガスをあらかじめ加熱して供給してよい。このとき、前駆体ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴンといった不活性ガスからなるキャリアガスにより、プロセスチャンバ（図示せず）内部に運搬されてよい。
このように、常圧化学気相蒸着法により第１透明伝導性酸化物薄膜１２０を基板１１０に蒸着させてから、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０に、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上からなるドーパントを、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０に対して４．５〜７．０ｗｔ％の含量比でドーピングさせる。
その次に、イン‐サイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により、第１透明伝導性酸化物薄膜１２０上に、これと同一の物質からなる第２透明伝導性酸化物薄膜１３０を蒸着させた後、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上からなるドーパントを、第２透明伝導性酸化物薄膜１３０に対して７．５〜９．５ｗｔ％の含量比でドーピングさせる。
このように、常圧化学気相蒸着法を通じて、低ドーピング濃度の第１透明伝導性酸化物薄膜１２０を蒸着し、この第１透明伝導性酸化物薄膜１２０に、高ドーピング濃度の第２透明伝導性酸化物薄膜１３０をイン‐サイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により基板１１０上に連続蒸着させると、本発明の実施例による透明伝導性酸化物薄膜基板１００の製造が完了する。
以上のように、本発明は、限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、かかる記載から多様な修正および変形が可能である。
それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
１００：透明伝導性酸化物薄膜基板
１１０：基板
１２０：第１透明伝導性酸化物薄膜
１３０：第２透明伝導性酸化物薄膜
１１０：基板
１２０：第１透明伝導性酸化物薄膜
１３０：第２透明伝導性酸化物薄膜
Claims (14)
- 基板と、
前記基板に形成され、第１ドーパントがドーピングされている第１透明伝導性酸化物薄膜と、
前記第１透明伝導性酸化物薄膜に形成され、第２ドーパントが前記第１ドーパントのドーピング濃度よりも相対的に高くドーピングされて、前記第１透明伝導性酸化物薄膜よりも表面が相対的に平坦な第２透明伝導性酸化物薄膜と
を含み、
前記第１ドーパントの含量比は、４．５〜７．０ｗｔ％であり、前記第２ドーパントの含量比は、７．５〜９．５ｗｔ％であることを特徴とする透明伝導性酸化物薄膜基板。 - 前記第１および第２透明伝導性酸化物薄膜の平均表面粗度（ＲＭＳ）は、５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 面抵抗が１５Ω／□以下であることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントは、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、ＩｎおよびＦのいずれか一つまたは二つ以上の組合せであることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１ドーパントおよび前記第２ドーパントは、同一または異なる物質からなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜は、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＳｎＯ２のいずれか一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜は、同一または異なる物質からなるものであることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１透明伝導性酸化物薄膜および前記第２透明伝導性酸化物薄膜の厚みの合計は、１５０〜２５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記基板と前記第１透明伝導性酸化物薄膜の間に形成される内部光抽出層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 前記第１透明伝導性酸化物薄膜が形成されている前記基板の一面と対応する他面に形成される外部光抽出層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板。
- 基板に第１透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させ、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に第１ドーパントをドーピングさせる第１ステップと、
前記第１透明伝導性酸化物薄膜に第２透明伝導性酸化物薄膜を蒸着させ、前記第１ドーパントのドーピング濃度よりも高いドーピング濃度で第２ドーパントを前記第２透明伝導性酸化物薄膜にドーピングさせる第２ステップと
を含み、
前記第１ドーパントの含量比は、４．５〜７．０ｗｔ％であり、前記第２ドーパントの含量比は、７．５〜９．５ｗｔ％であることを特徴とする透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法。 - 前記第１ステップおよび前記第２ステップにおいては、化学気相蒸着を通じて、前記第１透明伝導性酸化物薄膜に、前記第２透明伝導性酸化物薄膜をイン‐サイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により蒸着させることを特徴とする、請求項１１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板の製造方法。
- 請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板をアノード基板として具備することを特徴とする有機電界発光素子。
- 請求項１に記載の透明伝導性酸化物薄膜基板を透明電極基板として具備することを特徴とする光電池。
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