JP7470360B2 - 発光素子、ディスプレイ、照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化亜鉛を用いた発光素子、及びこれが用いられるディスプレイ、照明装置に関する。

従来より広く使用されている蛍光灯等を置換する発光素子として、より低消費電力でありより長寿命であるＬＥＤ（半導体のｐｎ接合を利用した発光ダイオード）を用いたものが使用されている。このようなＬＥＤとして、化合物半導体（ＧａＮ等）の単結晶ウェハを用いて製造されるものがある。この場合には、非常に高い発光強度が得られるものの、大面積のものを得ることが困難である、高価である等の問題がある。

これに対して、特許文献１には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする微粒子（粉末）を用いて製造される発光素子が記載されている。ＺｎＯは近紫外域の発光素子を構成する安価な化合物半導体として有望であるが、発光素子を形成するためにはｎ型層とｐ型層とを形成することが必要であるところ、一般的にはｐ型層を得ることが困難であった。これに対し、特許文献２に記載のガス中蒸発法によって窒素ドープされたｐ型のＺｎＯ微粒子を容易に得ることができる。特許文献１に記載の発光素子においては、このＺｎＯ微粒子を用いてｐ型層が形成される。このＺｎＯ微粒子を用いたｐ型層等は、塗布・印刷を用いて形成することができるため、安価で大面積の発光素子を得ることができる。

一方、一般的にはＬＥＤは、材料によって定まる特定の波長にピークをもつ単色での発光をするのに対し、照明装置に用いる発光素子では、白色の連続光が必要であり、ディスプレイの光源となるような発光素子としては、異なる波長の複数種類の発光をすることが望まれる。一般的には、このためには、ＬＥＤが発する光を吸収してこれと異なる波長の光を発する蛍光体をこのＬＥＤと組み合わせることが必要である。これに対し、上記のようなＺｎＯ微粒子を用いて形成された発光素子においては、特許文献３に記載されたように、ＺｎＯ微粒子の製造条件を調整してＺｎＯ微粒子の結晶欠陥等を調整することによって、ＺｎＯ微粒子からの発光スペクトルを調整することもできる。このため、この発光素子を用いて構造が単純で安価な照明装置やディスプレイを得ることも期待される。

特開２００８－２４４３８７号公報 特開２００５－６０１４５号公報 国際公開ＷＯ２０１３／１２５７１９号

特許文献１、３に記載の構造の発光素子における発光強度は、特に照明装置やディスプレイに応用するに際しては不十分であった。また、カラーディスプレイにおいては、例えば予め定まった３種類の異なる波長の発光を同一基板上で行わせることが必要であるが、特許文献３に記載の発光素子においては、こうした発光を行わせることは容易ではなかった。このため、蛍光体を組み合わせて高強度の発光をさせることができる、ＺｎＯ微粒子を用いた安価な発光素子が望まれた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記の問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の発光素子は、基板上に、共に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む第１導電型の半導体層と、第１導電型と逆の第２導電型の半導体層が上下方向で接するように積層されたｐｎ接合層と、ＺｎＯが発する光を吸収し当該光と異なるスペクトルの光を発する複数の蛍光体層と、を具備する発光素子であって、第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層のうちの一方の面内方向における互いに異なる複数の領域に接続された電極を複数具備し、前記一方の前記半導体層は、平均粒径が５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲のＺｎＯ微粒子が結合されて構成され、膜厚方向において、前記半導体層のうちの他方と上下方向における一方の側で当接し、動作の際に発光する発光層と、前記ＺｎＯ微粒子と絶縁性のバインダーとを含んで構成され、上下方向における前記発光層の他方の側で前記発光層と当接し、かつ複数の前記電極と当接し、前記発光層よりも抵抗率が高い素子分離層と、を具備し、複数の前記蛍光体層の各々は、複数の前記電極の各々と対応して形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、前記蛍光体層の各々は、複数の前記領域と対応して複数の前記電極の各々の周囲を覆って形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、ＺｎＯが発する光と異なるスペクトルの光を発する蛍光体材料が前記領域毎に、第１導電型または第２導電型の前記半導体層に混合されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記蛍光体材料が前記素子分離層に混合されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記他方の前記半導体層も、ＺｎＯ微粒子を含んで構成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、第１導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、前記基板は透明かつ絶縁性とされ、複数の前記電極は、前記基板上に形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記他方の前記半導体層も、ＺｎＯ微粒子を含んで構成され、前記蛍光体材料が前記他方の前記半導体層に混合されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、前記基板は透明とされ、前記第１導電型の前記半導体層と前記基板との間に透明導電膜が、前記第１導電型の前記半導体層と接するように形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、透明な前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、前記蛍光体層は、前記基板と第１導電型の前記半導体層の間において、第１導電型の前記半導体層と別体として形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、第１導電型の前記半導体層と前記基板との間に透明導電膜が、前記第１導電型の前記半導体層と接するように設けられたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、第１導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、複数の前記電極が、前記蛍光体層毎に前記蛍光体層上に形成され、かつ第１導電型の前記半導体層は前記電極の上に形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、電源と複数の前記電極との間の電気的接続を切り替えるスイッチング素子が前記基板に形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、特定の波長の光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が使用されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、ＺｎＯが発する光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が前記発光層に含有されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、前記蛍光体材料が発する光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が前記素子分離層に含有されたことを特徴とする。
本発明の発光素子において、前記発光層は、第２導電型のＺｎＯ微粒子を主とした中に第１導電型のＺｎＯ微粒子が混在した複数の微粒子が凝集して構成され、前記発光層の厚さが５μｍ以上１０μｍの範囲とされたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、複数の前記蛍光体層が同一のスペクトルの発光をするように設定されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、複数の前記蛍光体層が一体化されて形成されたことを特徴とする。
本発明のディスプレイは、前記発光素子が用いられたことを特徴とする。
本発明の照明装置は、前記発光素子が用いられたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、蛍光体を組み合わせて高強度の発光をさせることができる、ＺｎＯ微粒子を用いた安価な発光素子を得ることができる。

比較例となる従来の発光素子の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第１０の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 金属微粒子の構造を示す断面図である。 ｐ型層への金属微粒子の添加の有無による発光強度の違いを測定した結果である。 本発明の第１１の実施の形態に係る発光素子の原理を説明する図である。

本発明の実施の形態に係る発光素子においては、特許文献１、３に記載の発光素子と同様に、ｐ型のＺｎＯ微粒子が発光層等を構成するために用いられる。このＺｎＯ微粒子は例えば特許文献２に記載のガス中蒸発法で容易に製造される。また、この発光素子は、主に照明装置やカラーディスプレイにおいて使用されるため、ＺｎＯが発する波長３８０ｎｍ前後の近紫外光を吸収することによってＺｎＯとは異なる波長の蛍光を発する蛍光体が用いられる。この蛍光体としては、白色発光するものや同時に複数の種類（３種類）のもの等が用いられる。

なお、本発明で用いられるｐ型のＺｎＯ微粒子は、平均粒径が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＺｎＯである。このＺｎＯ微粒子の平均粒径は、ＪＩＳＺ８８２８に記載の方法で測定される。このＺｎＯ微粒子の平均粒径が５０ｎｍ未満であると結晶表面が欠陥として働き発光特性が劣化し、５００ｎｍを超えると多結晶体になり粒子の内部に欠陥を含むようになり発光特性が悪化するためである。好ましくは、このＺｎＯ微粒子の平均粒径は１００ｎｍ～５００ｎｍである。

また、本発明で用いられるｐ型のＺｎＯ微粒子は、窒素ドープされたＺｎＯ微粒子が好ましく、その場合は窒素濃度が１０^１６ｃｍ^－３以上１０^２０ｃｍ^－３以下である。窒素濃度を上記範囲とするのは、窒素濃度が１０^１６ｃｍ^－３未満であると、ホールの輸送が不十分となり、また、１０^２０ｃｍ^－３を超えると、欠陥を生成し発光特性が悪化するからである。

まず、比較例となる、従来の単色の発光をする発光素子について説明する。図１は、この発光素子１９０の構造を示す断面図である。ここでは、金属基板（基板）９１上において、上側に向かってｎ型（第１導電型）の半導体層となるｎ型層９２、ｐ型（第２導電型）の半導体層となるｐ型層９３が順次形成されている。ｎ型層９２におけるｐ型層９３が形成されずに露出した部分にはｎ側電極（電極）９４が、ｐ型層９３の表面の一部にはｐ側電極（電極）９５がそれぞれ形成され、電源Ｂによってｐ側電極９５に正側、ｎ側電極９４に負側となるように電圧が印加された場合に、ｎ型層９２、ｐ型層９３が発光する。この際、例えば鏡面加工されたＡｌを金属基板９１とした場合には、下向きの発光を基板９１で上側に向けて反射させ、この発光を図中上側に取り出すことができる。また、Ａｌは熱伝導率が高いため、動作時における放熱を金属基板９１を介して行わせることができる。ｎ側電極９４を構成する材料としては、ＡｌやＡｕ等、ｐ側電極９５を構成する材料としては、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔあるいは、これらの積層膜や合金等を用いることができ、特に上面側のｐ側電極９５としては、光が透過しやすいように薄く、２０ｎｍ～５０ｎｍ程度の厚さのものを用いることができる。

ｎ型層９２としては、多結晶あるいは単結晶であるｎ型ＺｎＯを用いることができる。ｎ型ＺｎＯは、例えばＧａやＡｌをＺｎＯにドープすることによって容易に形成することができ、その成膜はＣＶＤ法やマグネトロンスパッタリング法で行うことができる。そのキャリア濃度は１０^１７ｃｍ^－３～１０^２０ｃｍ^-３程度とされる。

また、前記の通り、特にｐ型層９３としては、前記のようなｐ型のＺｎＯ微粒子（ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１）が凝集された微粒子層を用いることができる。ｐ型層９３は、例えば、（「ｐ－Ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｎ－Ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｎ Ｓｐｒａｙｅｄ ＺｎＯ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ｌａｙｅｒｓ」、Ｄａｉｋｉ Ｉｔｏｈａｒａ、Ｋａｚｕｔｏ Ｓｈｉｎｏｈａｒａ、Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｙｏｓｈｉｄａ ａｎｄ Ｙａｓｕｈｉｓａ Ｆｕｊｉｔａ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ（２０１６年）、Ｖｏｌ．２０１６、Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ．８２１９３２６、ｐａｇｅ．６）に記載されたような、スプレー法によって得ることができる。スプレー法においては、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１からなる粉末と水とが均一に混合された分散液がスプレーで基板（上記の例ではｎ型層９２が形成された金属基板９１）に噴射された後に、熱処理が施される。ここでは、バインダーが用いられないために、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１同士が高密度で焼成されて結合する。この場合においては、発光はｎ型層９２及びｐ型層９３で生じるため、発光スペクトルは主にＺｎＯが発する近紫外域の光を主体とする。

カラーディスプレイにおいて要求されるような複数の波長の発光を得るためには、図１の構造におけるｐ型層９３の上側に蛍光体を設ければよい。しかしながら、この発光素子１９０における上側への発光強度はこのような用途においては充分ではなかった。この原因としては、ｐ側電極９５による光の吸収以外に、ｐ側電極９５の存在自身によるｐ型層９３内の発光の抑制（消光）があると考えられる。

このため、実施の形態に係る発光素子においては、（「酸化亜鉛ナノ粒子塗布型発光ダイオードにおけるホール輸送層の効果」、藤田恭久、Ｉｓｌａｍ Ｍｏｈａｍｍａｄ Ｓｈａｆｉｑｕｌ、Ｌｉｎ Ｊｉｅ、吉田俊幸、第７８回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集（２０１７年）、８ａ－ＰＡ４－３）に記載されたような、ホール輸送層を設けることによって発光層とｐ側電極とを離間させ、この消光の影響を低減している。この際、蛍光体層もこの構造に応じて発光素子内に設けることができる。この際、ホール輸送層等をｐ型ＺｎＯ微粒子９３１を用いて形成した場合には、ホール輸送層等を様々な構造とすることが容易である。ここで、以下の実施の形態に係る発光素子においては、上記のホール輸送層に対して面内方向で複数の電極が離間して形成され、この電極と接続された半導体層が、隣接する電極間で実質的に分離される。すなわち、このホール輸送層が素子分離層として機能する。また、後述するように、ｎ型層も上記のｐ型層と同様に、ＺｎＯ微粒子を用いて形成することができる。このため、上記のような構造、すなわち電子輸送層を逆にｎ型層側においてのみ形成することもできる。すなわち、ｎ型層を第１の半導体層、ｐ型層を第２の半導体層としたｐｎ接合層が形成される場合に、このような素子分離層をこのうちの一方の半導体層に設けることができる。以下に、このような構造の具体例について説明する。

(第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る発光素子１０の断面図である。発光素子１０において、金属基板（基板）１１、ｎ型（第１導電型）の半導体層となるｎ型層１２、ｎ側電極（電極）１４については、前記の金属基板１１、ｎ型層９２、ｎ側電極９４と同様である。ここで、前記の発光素子１９０における単層構造のｐ型層９３の代わりに、ｐ型発光層１３Ａ、ホール輸送層１３Ｂが上側（一方の側）に向けて順次形成された２層構造とされた、ｐ型（第２導電型）の半導体層かつＺｎＯ微粒子層であるｐ型層１３が設けられている。３種類の発光に対応して、図中左側からｐ側第１電極（電極）１５Ａ、ｐ側第２電極（電極）１５Ｂ、ｐ側第３電極（電極）１５Ｃが、ホール輸送層１３Ｂの表面において互いに離間して設けられている。ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃは、それぞれが前記のｐ側電極９５と同様に、２０ｎｍ～５０ｎｍ程度の厚さのＡｕ、またはＮｉ、Ｐｔまたはそれらの積層膜で形成される。図中横方向におけるｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃの大きさ、間隔はそれぞれ０．５μｍ×０．５μｍ以上、０．５μｍ以上とされる。一般的に、ｐｎダイオードにおける各半導体層（発光層）における発光領域は、ｐｎ接合界面から順バイアス時の少数キャリアの拡散長程度の範囲である。このため、電極がこの拡散長の範囲にある場合に電極による消光の影響が現れ、電極がこの拡散長よりも離れた箇所にある場合には、この消光の影響は表れない。ＺｎＯ微粒子を用いた半導体層におけるこの拡散長はキャリア密度や膜の構造、粒子径等に依存するが、ｐ型発光層１３Ａ、ホール輸送層１３Ｂの厚さは、共に１～４μｍ程度とされ、ｐ型層１３全体として、５μｍ以上が望ましい。ただし、厚い場合には素子抵抗が高くなるため、その厚さは効率（消費電力等）を考慮の上、適宜設定される。

また、ホール輸送層１３Ｂの上には、ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃをそれぞれ囲むように、第１蛍光体層（蛍光体層）１６Ａ、第２蛍光体層（蛍光体層）１６Ｂ、第３蛍光体層（蛍光体層）１６Ｃが、互いに重複しないように形成されている。第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃは、その下側のｐ型発光層１３Ａ、ｎ型層１２が発した近紫外域の光を吸収し、異なる波長の光を発することができる。例えば、赤、緑、青の蛍光体を用いてカラーディスプレイに、あるいは白色に発光する蛍光体を用いれば、照明装置に用いることができる。以下では、各蛍光体層が三つの異なる波長あるいはスペクトルの光（第１蛍光体層１６Ａ：赤、第２蛍光体層１６Ｂ：緑、第３蛍光体層１６Ｃ：青）を発するものを一例とする。

ここで、ｐ型発光層１３Ａは前記のｐ型層９３と同様であり、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１で構成され、ｎ型層１２と下側で接する。このため、ｎ側電極１４とｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃとの間に順方向の電圧を印加することによってｎ型層１２、ｐ型発光層１３Ａを発光させることができる。この際、図中下側に向かった光を金属基板１１で上側に反射させることも同様である。このため、この発光で第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃを図中下側から照射し、これらの蛍光体層からの蛍光を上側に取り出すことができる。この際、電源Ｂとｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃとの間の接続を切り替えスイッチ素子（スイッチング素子）Ｓを介して行い、電圧を印加する電極をｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃの中から選択することによって、赤、緑、青の発光を切り替えて行わせることができる。

ここで、ｐ型発光層１３Ａとｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃとの間には、ホール輸送層１３Ｂが形成されている。ホール輸送層１３Ｂは、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１と絶縁性のバインダー１３１とで構成される。このため、ホール輸送層１３Ｂの形成方法は前記のｐ型発光層１３Ａとは異なってもよい。ホール輸送層１３Ｂの形成方法の一例として、熱処理後にバインダー１３１となるバインダー成分とｐ型ＺｎＯ微粒子９３１からなる粉末とが均一に混合され前記のスプレー法の場合と比べて低密度の分散液がスピン塗布された後に乾燥後、熱処理が加えられる。この場合、ホール輸送層１３Ｂも前記のｐ型発光層１３Ａと同様に塗布・印刷によって形成することができるものの、ｐ型発光層１３Ａとは異なり、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１の密度は低くなり、隣接するｐ型ＺｎＯ微粒子９３１間が絶縁性のバインダー１３で結合される。このため、ｐ型発光層１３Ａと比べてホール輸送層１３Ｂは抵抗率が高くなる。特に、ホール輸送層１３Ｂは薄膜状態で形成されるため、薄い膜厚方向では十分な電気伝導を示す一方で、基板に平行な面内方向で、例えばｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ間の電気抵抗は絶縁性のバインダー１３により非常に高く、実質的にはこれらの電極間は絶縁されているとみなせる。このため、この場合のホール輸送層１３Ｂは素子分離層として機能する。こうした特性は、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１と絶縁性のバインダー１３１とを混合させたことによって実現される。また、ホール輸送層１３Ｂの発光効率は低く実質的には発光に寄与せず、各電極からｐ型発光層１３Ａまでの電流の経路として機能する。なお、バインダー１３１の成分は、例えば、シルセスキオキサン、シリコーン、アルミナ，エポキシ樹脂などであり、特にＺｎＯ粒子の発光に対して透明であり，絶縁性であることが好ましい。

このため、この構造においては、実質的に発光するのはｎ型層１２、ｐ型発光層１３Ａであり、かつ、ｐ型発光層１３Ａは、実質的には発光しないホール輸送層（素子分離層）１３Ｂによって各電極と隔てられている。また、ｐ型発光層１３Ａにおける各電極による消光は発生しにくく、高い光強度が得られる点については、前記の「酸化亜鉛ナノ粒子塗布型発光ダイオードにおけるホール輸送層の効果」に記載された通りである。

例えば、同一の基板上のＬＥＤと蛍光体の組み合わせを赤、緑、青に対応させて３つ配列し、ＬＥＤの発光を切り替えて行わせれば、この発光素子１０と同様に、赤、緑、青の発光を切り替えて行わせることができる。ただし、この場合には、各ＬＥＤが電気的に分離されており、選択された単一のＬＥＤにおいてのみ電流が流れるように、ＬＥＤの素子分離を行うことが必要である。

これに対して上記の発光素子１０においては、前記のように、ホール輸送層（素子分離層）１３Ｂによって、隣接するＬＥＤ間の素子分離が行われる。ホール輸送層１３Ｂの抵抗率は成膜時の分散液の組成等で調整することができ、絶縁性のバインダー１３１により、この抵抗率はｐ型発光層１３Ａよりも高い。このため、ｐ型発光層１３Ａにおけるｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃ直下の部分は、図中横方向において実質的には電気的に分離された状態となる。あるいは、この構造においては実質的にはバインダー１３１により横方向における素子分離が行われる。一方で、横方向のサイズと比べてホール輸送層１３Ｂの厚さは無視できる程度に小さいため、ｐ型発光層１３Ａと各電極との間の抵抗は小さい。このように、第１の実施の形態においては、素子分離層が上側のｐ型層に形成される。

このため、この発光素子１０は、切り替えスイッチ素子Ｓによって発色を切り替えることができ、カラーディスプレイとして好適に用いることができる。ここで、図２の構造において、ホール輸送層１３Ｂ以下の構造においては、精密なパターニングは要求されず、かつ、前記のようにｐ型発光層１３Ａ、ホール輸送層１３Ｂは容易に製造することができる。また、ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃを形成する工程は、パターンが異なるだけで前記の発光素子１９０におけるｐ側電極９５を形成する工程と同様である。このため、前記の発光素子１９０を製造する場合と比べて、発光素子１０を製造する場合には、ホール輸送層１３Ｂを形成する工程と各蛍光体層を形成する工程のみが異なる。このため、この発光素子１０を容易かつ安価に製造することができる。

なお、前記のように、ホール輸送層１３Ｂは、消光の影響を低減するホール輸送層として機能と、素子分離層としての機能をもつ。前記のように、ｐ型層１３全体の厚さを５μｍ以上とすることが望ましいが、ｐ型発光層１３Ａが十分厚い場合には、ホール輸送層１３Ｂによるホール輸送層として機能の割合は小さくなる。一方、素子分離層としての機能は、隣接する電極（領域）間の抵抗で定まり、ｐ型発光層１３Ａやホール輸送層１３Ｂ自身の厚さとは無関係である。このため、例えば、ｐ型発光層１３Ａが十分厚い場合には、素子分離が行える限りにおいて、例えばホール輸送層１３Ｂを１μｍ以下とすることもできる。

(第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る発光素子２０の断面図である。発光素子２０において、金属基板１１、ｎ型層１２、ｎ側電極１４、ｐ型発光層１３Ａについては、前記の発光素子１０と同様である。ここでは前記のｐ型層１３に代わり、前記のホール輸送層１３Ｂの代わりに基板面に平行な面内方向（図中左右方向）において３つの領域に区分されたホール輸送層（素子分離層）１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣが形成されたｐ型層１１３が、ｐ型の半導体層あるいはＺｎＯ微粒子層として設けられる。ここで、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣにおいては、前記のホール輸送層１３Ｂと同様にｐ型ＺｎＯ微粒子９３１がｐ型発光層１３Ａよりも低密度で分散されているが、使用されているバインダーが異なる。

ホール輸送層１３ＢＡにおいては前記の第１蛍光体層１６Ａと同一の発光色をもつ蛍光体材料を含む第１蛍光体バインダー１３１Ａ、ホール輸送層１３ＢＢにおいては前記の第２蛍光体層１６Ｂと同一の発光色をもつ蛍光体材料を含む第２蛍光体バインダー１３１Ｂ、ホール輸送層１３ＢＣにおいては前記の第３蛍光体層１６Ｃと同一の発光色をもつ蛍光体材料を含む第３蛍光体バインダー１３１Ｃ、がそれぞれ用いられている。ここで、これらの蛍光体は０．５μｍより小さい粒径をもつ絶縁性の微粒子からなる。これらのホール輸送層の形成方法は前記のホール輸送層１３Ｂと同様である。ただし、これらのホール輸送層には上記のように蛍光体材料が混合されているために、これらのホール輸送層は蛍光体層としても機能する。このホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣの上に、それぞれｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃが形成されている。ここで、第１蛍光体バインダー１３１Ａ、第２蛍光体バインダー１３１Ｂ、第３蛍光体バインダー１３１Ｃは、いずれも前記のバインダー１３１と同様に絶縁性である。このため、ホール輸送層１３ＢＡ，１３ＢＢ、１３ＢＣが素子分離層として機能することは前記の発光素子１０と同様である。このように、第２の実施の形態においても、素子分離層が上側のｐ型層に形成され、蛍光体層もｐ型層に形成される。

この構造においては、前記の発光素子１０とは異なり、ホール輸送層の上に新たに蛍光体層を形成する必要がない。このため、蛍光体層を形成する工程が不要となる。一方、ｐ型発光層１３Ａにおけるｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃ直下の部分が実質的に横方向で電気的に分離された状態となることは、発光素子１０と同様である。このため、この発光素子２０も、同様にディスプレイとして好適に用いることができ、かつこれを容易かつ安価に製造することができる。

(第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態に係る発光素子３０の断面図である。発光素子３０においては、前記の発光素子２０におけるｎ型層１２が、同様のｎ型の半導体層であるｎ型微粒子層３１に代わっている。このｎ型粒子層３１は、ｐ型発光層１３Ａと同様に、ｎ型であるｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を用いて形成される。

なお、本発明で用いられるｎ型のＺｎＯ微粒子は、平均粒径が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＺｎＯである。このＺｎＯ微粒子の平均粒径は、例えばＪＩＳＺ８８２８に記載の方法で測定される。このＺｎＯ微粒子の平均粒径が５０ｎｍ未満であると結晶表面が欠陥として働き発光特性が劣化し、５００ｎｍを超えると多結晶体になり粒子の内部に欠陥を含むようになり発光特性が悪化するためである。好ましくは、このＺｎＯ微粒子の平均粒径は１００ｎｍ～５００ｎｍである。前記の通り、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１は、ガス中蒸発法の際の窒素ドープによって得られるが、ここで、例えばＧａ等のＩＩＩ族元素のドナーをドーピングすることによって、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を同様に得ることができる。このドーピングは、例えば高周波プラズマ中に原料粒子を投入する際に、原料の亜鉛粒子にドナーとなる元素の粒子を混合しておくことによって行うことができる。このｎ型ＺｎＯ微粒子９３２とバインダー１３１とを用いて、前記のホール輸送層１３Ｂと同様にｎ型微粒子層３１を形成することができ、これをｎ型層として同様に用いることができる。このようなｎ型微粒子層３１は前記のｎ型層１２と比べて緻密でないため、ｎ型微粒子層３１が十分に厚くない場合には、ｐ型発光層１３Ａと金属基板１１との間で短絡が発生するおそれがあるところ、絶縁性のバインダー１３１を用いることによって、これが抑制される。

ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２のドーピング濃度は、１０^１７～１０^２０ｃｍ^－３程度とすることができる。これによってｎ型微粒子層３１の抵抗率を低く調整することができ、動作電圧を調整し、発熱を抑制することができる。これによって、ｎ型微粒子層３１を厚くすることができ、前記のｐ型層９３における場合と同様にｎ型微粒子層３１における消光を抑制することができる。このドーピング濃度が１０^１７ｃｍ^－３未満の場合には抵抗率が高いためｎ型微粒子層３１を厚くすることが困難となる。一方、このドーピング濃度が１０^２０ｃｍ^－３を超える場合には、ｎ型微粒子層３１におけるホールと電子の再結合においてオージェ再結合の影響が大きくなるために、この層における発光効率が低下する。ｎ型微粒子層３１が十分に厚い場合には、前記のようなｐ型発光層１３Ａと金属基板１１との間の短絡が発生しないため、前記のｐ型発光層１３Ａと同様に、ｎ型微粒子層３１をバインダー１３１を用いずに形成することもできる。また、ｎ型微粒子層３１の厚さについては、前記の発光素子１０におけるｐ型層１３と同様であり、５μｍ以上とすることが好ましい。厚い場合には電気抵抗が高くなるため、消費電力等に応じてその厚さは設定される。このように、第３の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、素子分離層、蛍光体層は上側のｐ型層に形成される。

この発光素子３０においては、金属基板１１上における電極以外の各層を全て塗布、印刷工程によって形成することができるため、これを大面積化することが特に容易であり、安価に製造することができる。また、ｐ型発光層１３Ａｎ型微粒子層３１の界面は微粒子で構成されるために平坦ではないため、ｐｎ接合界面の実質的な面積が大きくなり、特にｐｎ接合界面付近での発光強度を高めることができる。

(第４の実施の形態）
図５は、第４の実施の形態に係る発光素子４０の断面図である。この発光素子４０においても、前記の発光素子３０と同様に、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を用いてｎ型層が形成されているが、この発光素子４０においては、前記の金属基板１１の代わりに透明のガラス基板（基板）４１が用いられ、発光が下側（ガラス基板４１側）から取り出される。このため、ガラス基板４１の上には透明導電膜４２が形成される。

この場合、ｐ型層１３及びｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃについては、前記の発光素子１０と変わるところがない。しかしながら、下側から発光を取り出すためには、前記の発光素子１０とは逆に、蛍光体層を下側に設けることが好ましい。このため、下側のｎ型層を蛍光体層としても用いている。このため、ここで用いられるｎ型層は、前記の発光素子３０と同様にｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を含む同様のｎ型の半導体層であるｎ型微粒子層２３１が用いられ、ｎ型微粒子層２３１においては、基板面に平行な面内方向で３つの領域に区分されたｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが、発光素子２０におけるホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣに対応して形成されている。

ｎ型蛍光微粒子層３１Ａにおいては前記のホール輸送層１３ＢＡと同様の第１蛍光体バインダー１３１Ａ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｂにおいては前記のホール輸送層１３ＢＡと同様の第２蛍光体バインダー１３１Ｂ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｃにおいては前記のホール輸送層１３ＢＣと同様の第３蛍光体バインダー１３１Ｃ、がそれぞれバインダーとしてｎ型ＺｎＯ微粒子９３２と混合されて形成されている。これらの形成方法は、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣと同様とすることができる。ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、ｎ型ＺｎＯ微粒子が混合されるためにＺｎＯによる発光層としても機能するが、この発光とｐ型発光層１３Ａからの発光を第１蛍光体バインダー１３１Ａ、第２蛍光体バインダー１３１Ｂ、第３蛍光体バインダー１３１Ｃがそれぞれ吸収してそれぞれに対応した蛍光を発する蛍光体層としても機能する。

ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが設けられるのに伴い、ｐ型発光層１３Ａよりも上側には蛍光体層を設ける必要がないため、発光素子３０におけるホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣの代わりに、発光素子１０と同様の面内方向で一様な構成のホール輸送層１３Ｂが形成されている。前記の通り、ホール輸送層１３Ｂは素子分離層として機能し、ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃの直下における発光領域は実質的に分断されているため、ｎ側の電極となる透明導電膜４２はｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃの直下ではパターニングせずに一様とすることができる。

透明導電膜４２としては、Ｇａのドーピング量がｎ型ＺｎＯ微粒子９３２よりも高くされたＧＺＯを用いることができ、その成膜はマグネトロンスパッタリング法やＣＶＤ法によって行うことができる。

この場合には、上側に発せられた光を下側に向けて反射させることが好ましい。このため、前記の発光素子１０等と比べてｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃを厚く、例えば厚さを５０ｎｍ以上とし、例えばＡｕ／Ｎｉ等の２層構造とし、ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃで上側に向かう光を下向きに反射させることが好ましい。

また、この発光素子４０においては、ｎ型の半導体層となるｎ型微粒子層２３１と接続される電極は透明導電膜４２となる。この場合には、金属で構成された電極とは異なり、消光の影響は小さい、あるいは透明導電膜４２自身が前記のホール輸送層と同様の電子輸送層として機能するために、ｎ型微粒子層２３１（ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ）の厚さは、前記の発光素子３０におけるｎ型微粒子層３１よりも薄く設定することができる。

この発光素子４０においては、素子分離層となるホール輸送層１３Ｂを上側（ｐ側）に設けると共に、各蛍光体層をホール輸送層１３Ｂとは別に下側（ｎ側）に設けることによって、下向きに発光（蛍光）を取り出すことができる。こうした構成も、ｐ型層１３とｎ型層（ｎ型微粒子層２３１）を、ＺｎＯ微粒子を用いて構成するために、容易に実現することができる。この発光素子４０においても、使用される半導体層を全て塗布、印刷で形成することができるため、これを安価に製造することができる。この際、発光をガラス基板４１側から取り出すことができる。このように、第４の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、蛍光体層がｎ型層に、素子分離層は上側のｐ型層に、それぞれ分かれて形成される。

(第５の実施の形態）
図６は、第５の実施の形態に係る発光素子５０の断面図である。この発光素子５０においても、前記の発光素子４０と同様に、発光が下側（ガラス基板４１側）から取り出され、下側のｎ型の半導体層かつＺｎＯ微粒子層として、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を含み前記と同様のｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを具備するｎ型微粒子層３３１が設けられる。ただし、ここでは、発光素子１０におけるｐ型発光層１３Ａと同様に、バインダーが用いられず、低抵抗であり発光層となるｎ型発光層３３１Ａがｐ型層２１３と接するように形成される。ただし、発光素子４０においてはｐ側の電極が発色に応じて分割されてｎ側の電極が共通とされていたのに対し、この発光素子５０においては、ｎ側の電極が発色に応じて分割されｐ側の電極が共通とされる。

ここでは、ガラス基板４１上にｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃが分断されて形成され、ｎ側第１電極１４Ａ上にｎ型蛍光微粒子層３１Ａが、ｎ側第２電極１４Ｂ上にｎ型蛍光微粒子層３１Ｂが、ｎ側第３電極１４Ｃ上にｎ型蛍光微粒子層３１Ｃが、それぞれ形成される。このため、ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｂ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｃは、発光素子２０におけるホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣと同様に、蛍光層かつ素子分離層として機能する。このため、ｎ側で素子分離が行われ、ｐ側では電極を共通とすることができるために、共通のｐ側電極１５が大面積で設けられる。

ここで、ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｂ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｃは、ガラス基板４１上におけるそれぞれｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃを覆うように成膜される。ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｂ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｃは、それぞれ塗布・印刷によって形成されるため、こうした成膜は容易である。この際、ｎ型蛍光微粒子層３１Ａ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｂ、ｎ型蛍光微粒子層３１Ｃの厚さは３μｍ以上とすることができる。ｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃは、これによる光の吸収を抑制するために、前記のｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃと同様に薄く形成される。ｐ側電極１５が上側に発せられた光を下側に向けて反射させることが好ましいことは前記のｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃと同様であるため、その膜厚設定等についても同様である。

また、ここで用いられるｐ型層２１３は、発光素子１０と同様のｐ型発光層１３Ａと、ホール輸送層２１３Ｂを具備する。ホール輸送層２１３Ｂは、前記のホール輸送層１３Ｂと同様にバインダーを用いて構成してもよいが、ｐ型発光層１３Ａと同様にバインダーを用いずに形成してもよい。この場合には、ホール輸送層２１３Ｂは実質的にはｐ型発光層１３Ａと変わるところがなく、実質的にはｐ型発光層１３Ａを厚くした場合と等価である。前記の通り、このようにｐ型発光層１３Ａを厚くした場合にも、消光の影響を低減することができる。すなわち、このように、発光層あるいはｐｎ接合からｐ側電極１５を離間させることによって、ｐ側電極１５による消光の影響を低減することができる。一方、素子分離はｎ型微粒子層３３１によって行われるため、領域間にわたり広がる共通のｐ側電極１５を用いることができる。すなわち、この場合には、ホール輸送層はｎ側、ｐ側の両方で設けられ、素子分離層及び蛍光体層はｎ側で設けられる。こうした構成も、各半導体層をＺｎＯ微粒子を用いて構成するために、容易に製造することができる。このように、第５の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、蛍光体層、素子分離層がｎ型層に形成される。

また、図６において、切り替えスイッチ素子Ｓはガラス基板４１上において形成されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ：スイッチング素子）を用いて形成することができる。このため、この発光素子５０は、ＴＦＴやｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃ等が予め形成されたガラス基板４１上に対して、各層を塗布、印刷によって形成することによって製造することができる。図６において、ｐ側電極１５はスパッタリング法等によって形成されるが、そのパターニングは不要である。このため、この発光素子５０を安価かつ容易に製造することができる。

(第６の実施の形態）
図７は、第６の実施の形態に係る発光素子６０の断面図である。この発光素子６０においては、前記の発光素子１０、２０、３０と同様に上側に発光を取り出すが、前記の発光素子５０と同様の分断されたｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃと、共通のｐ側電極１５が用いられる。ここでは、前記の発光素子５０におけるガラス基板４１の代わりに、金属基板１１の上に絶縁層６１が形成された構造が用いられ、絶縁層６１の上にｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃが形成される。

この発光素子６０においては、下側のｎ型の半導体層かつＺｎＯ微粒子層として、低抵抗であり発光層となる前記の発光素子６０と同様のｎ型発光層３３１Ａを具備するｎ型微粒子層４３１が設けられる。ただし、ここでは、上側に発光を取り出すために下側には蛍光体層は設けられず、ｎ型発光層３３１Ａと電極との間には面内方向において一様な電子輸送層４３１Ｂが設けられる。電子輸送層４３１Ｂは発光素子３０におけるｎ型微粒子層３１と同様に、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２とバインダー１３１とを用いて構成されるが、発光素子１０におけるホール輸送層１３Ｂと同様の抵抗率（バインダー１３１の組成）とすることによって、電子輸送層４３１Ｂを素子分離層として用いることができる。この場合には、ｎ型微粒子層４３１においては、実質的にはｎ型発光層３３１Ａのみが発光する。この場合においてもｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃに起因した段差が形成されているが、代わりに前記のｎ型微粒子層４３１を塗布によって容易に形成することができる。

この場合には上側に蛍光体層が設けられるため、ｐ型の半導体層の構造は、前記の発光素子２０と同様である。すなわち、ここでは、ｐ型発光層１３Ａと、基板面に平行な面内方向で分割されたホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣが形成されたｐ型層１１３が設けられる。ここで、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣが蛍光体層として機能する点については発光素子２０と同様である。ただし、ここでは共通のｐ側電極１５が用いられるために、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣはこの場合には素子分離層としては機能しない。すなわち、この発光素子６０においては、ｎ型の半導体層側に素子分離層が、ｐ型の半導体層側に蛍光体層がそれぞれ個別に設けられる。こうした構成も、ｎ型の半導体層側、ｐ型の半導体層を共にＺｎＯ微粒子を用いて構成することができるため、前記の他の発光素子と同様に、容易に製造することができる。この場合には、ｐ側電極１５は光を透過させる必要があるために、発光素子１０、２０、３０におけるｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃと同様に、薄く形成される。また、下側の金属基板１１によって、下向きの光を上側に反射させることができる。このように、第６の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、素子分離層がｎ型層に、蛍光体層は上側のｐ型層に、それぞれ分かれて形成される。

この場合においても、発光素子５０の場合と同様に、絶縁層６１上あるいは絶縁層６１中に形成したＴＦＴを切り替えスイッチ素子Ｓとして用いることができる。この発光素子６０は、ＴＦＴやｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃ等が予め形成された金属基板１１上に対して、各層を塗布、印刷によって形成することによって製造することができる。

（第７の実施の形態）
前記の発光素子２０～６０においては、半導体層中に蛍光体層が形成され、蛍光体層が素子分離層も兼ねる、あるいは素子分離層が蛍光体層とは別に反対側の半導体層に形成された。ここで、前記の通り、各半導体層の膜厚は５μｍ以上が好ましいのに対して、粒径が数十μｍ程度の粒子状の蛍光体材料も存在する。こうした蛍光体材料を用いる場合には、半導体層（ｎ型層、ｐ型層）の厚さと蛍光体材料となる粒子の大きさが整合せず、蛍光体層と半導体層とを別体として形成することが好ましい。前記の発光素子１０はその一例であり、蛍光体層が上側（基板１１と反対側）に設けられたが、蛍光体層を下側（基板側）に設けることもできる。発光は蛍光体層がある側に取り出されることが好ましいため、この場合には、透明な基板が用いられる。第７、第８の実施の形態となる発光素子は、こうした構成を具備する。

図８は、第７の実施の形態に係る発光素子７０の断面図である。この発光素子７０においては、ガラス基板４１の上に、第１蛍光体層１６Ａ（蛍光体層）、第２蛍光体層（蛍光体層）１６Ｂ、第３蛍光体層（蛍光体層）１６Ｃが基板面に平行な面内方向で分離されて形成され、その上に透明導電膜４２が形成される。この発光素子７０の構造は、図５の発光素子４０と類似しているが、図５におけるｎ型微粒子層２３１以下の構造が、発光素子４０とは異なる。ここで用いられるｎ型の半導体層は、前記の発光素子６０と同様のｎ型発光層３３１Ａのみを具備するｎ型微粒子層５３１が用いられる。この場合、前記のように、透明導電膜４２が用いられるために電子輸送層は不要である、あるいはｎ型発光層３３１Ａを薄くすることもできる。

ｐ型発光層１３Ａ、ｎ型発光層３３１Ａが上側に発した光は、ｐ側第１電極１５Ａ、ｐ側第２電極１５Ｂ、ｐ側第３電極１５Ｃによって下向きに反射され、これらから下向きに発せられた光と共に第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃを領域毎に入射し、これによって下向きに３種類の発光をさせることができる。

この場合においては、前記の発光素子４０と同様に、ｐ型層１３におけるホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣが素子分離層として機能する。一方、蛍光体層は基板４１と透明導電膜４２の間において、半導体層とは別に設けられる。このように、第７の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、素子分離層は上側のｐ型層に形成され、蛍光体層はｐ型層、ｎ型層とは別体で形成される。この発光素子７０において、透明導電膜４２よりも上側の構造は、前記の発光素子４０と同様に製造することができる。第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃをガラス基板４１上に形成する手法は、蛍光体材料に応じて適宜設定でき、塗布、印刷以外の方法を用いてもよい。これによって、例えば半導体層中に混入させることが困難な蛍光体材料を用いて各蛍光体層を形成することができる。

（第８の実施の形態）
図９は、第８の実施の形態に係る発光素子８０の断面図である。この発光素子８０は、図６の発光素子５０と類似しているが、図６におけるｎ型微粒子層３３１以下の構造が、発光素子５０とは異なる。ここで用いられるｎ型の半導体層は、前記の発光素子６０におけるｎ型微粒子層４３１と同様であり、ｎ型発光層３３１Ａと面内方向で一様な電子輸送層４３１Ｂを具備する。前記の発光素子７０とは異なり、ここではｐ側で共通のｐ側電極１５が用いられ、ｎ側でｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃが分割されて設けられる。

また、この発光素子８０におけるｐ型の半導体層として、発光素子５０と同様でのｐ型発光層１３Ａとホール輸送層２１３Ｂとを具備するｐ型層２１３が設けられる。これらの膜厚設定についても前記の発光素子５０と同様である。ガラス基板４１と第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃについては前記の発光素子７０と同様であり、分離されたｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃが用いられるために透明導電膜４２が設けられない点が発光素子７０とは異なる。この場合、ｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃは、それぞれ絶縁体である第１蛍光体層１６Ａ、第２蛍光体層１６Ｂ、第３蛍光体層１６Ｃの上に形成される。また、光が透過するようにｎ側第１電極１４Ａ、ｎ側第２電極１４Ｂ、ｎ側第３電極１４Ｃが薄く形成される点についても発光素子５０と同様である。一方、ｐ側電極１５は光を下向きに反射させるように形成される点については発光素子５０、７０と同様である。

この場合においては、前記の発光素子６０と同様に、電子輸送層４３１Ｂが素子分離層として機能する。一方、蛍光体層はガラス基板４１上かつｎ側の電極の下に形成される。このように、第８の実施の形態においては、ｐ型層、ｎ型層は共にＺｎＯ微粒子を用いて形成され、素子分離層は下側のｎ型層に形成され、蛍光体層はｐ型層、ｎ型層とは別体で形成される。ガラス基板４１上に各蛍光体層及び各ｎ側電極を形成した後は、この発光素子８０を、前記の発光素子６０等と同様の製造方法によって製造することができる。この場合においても、半導体層中に混入させることが困難な蛍光体材料を用いて各蛍光体層を形成することができる。また、この場合には、前記の発光素子５０、６０と同様に、切り替えスイッチ素子ＳとなるＴＦＴを、ガラス基板４１上に形成することができる。

（第９の実施の形態）
上記の全ての実施の形態においては、３種類の異なる波長（スペクトル）の発光をする蛍光体層が用いられ、各蛍光体層から発せられる光が切り替えられる構成とされ、この場合における蛍光体層に対応するＬＥＤの素子分離が素子分離層によって行われた。こうした構成はカラーディスプレイにとって特に好ましい。一方、例えば、照明装置においては、白色の１種類のみの発光を広い面積で行わせることが有効である。

例えば、上記の実施の形態における各蛍光体層を全て同一の材料とし、ＺｎＯが発する光とこの蛍光体層が発する光とで（擬似）白色光が発せられるようにすれば、白色光を発する発光素子を得ることができる。この際、半導体層（ｎ型層、ｐ型層）を大面積化することも、上記のようにこれらの層をＺｎＯ微粒子を用いて形成すれば容易であるため、大面積での発光をさせることも可能である。この場合において、例えば上記のような素子分離層を設けない場合には、半導体層の不均一性に起因して、面内方向において半導体層における特定の領域のみを優先的に電流が流れる場合がある。この場合には、面内で均一な発光強度を得ることが困難となり、かつ、この不均一性の制御は困難である。

これに対して、上記のような素子分離層を設けた場合には、隣接する電極間の半導体層が実質的に分離されるため、このように特定の領域に電流が集中することが抑制される。このため、この場合には、面内で均一な発光強度が得られる。上記の実施の形態では蛍光体層及びこれに対応した電極は発色に対応して３つとされたが、この場合には、この数を４つ以上としてもよい。この際、蛍光体が同一であるために、電極のみが複数設けられ、全ての蛍光体層が一体化されていてもよい。また、この場合には、切り替えスイッチ素子Ｓを設ける必要はない。こうした構成によって、大面積で均一な発光をすることのできる発光素子を実現することができ、これを照明装置に好ましく用いることができる。

（第１０の実施の形態）
本発明の発光素子においては、前記のように発光に関連する各層をｐ型ＺｎＯ微粒子９３１、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を用いて構成できるが、同様に、他の作用をする他の微粒子をこの層に混合させることもできる。

こうした微粒子としては、特定の波長の光の電界を局在表面プラズモン共鳴（効果）によって増強する金属微粒子がある。例えば、可視光付近の波長の光に対しては、銀と誘電体との間の界面でこの効果を発生させるものが有効である。このため、このような金属微粒子として、銀の周囲がシリカ（ＳｉＯ_２）でコーティングされた微粒子を上記のｐ型ＺｎＯ微粒子９３１等と混合させることができる。図１０は、第２の実施の形態に係る発光素子２０にこの構成を適用した発光素子９０の構造を示す図である。ここで用いられるＺｎ微粒子層であるｐ型層７３は、発光素子２０と同様のホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣと、前記のｐ型発光層１３Ａとは異なり、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１と金属微粒子９３３とが混合されて構成されたｐ型発光層７３Ａを具備する。

図１１は、この金属微粒子９３３の構造を模式的に示す断面図である。この金属微粒子９３３においては、核となる平均粒径が５～５０ｎｍの銀ナノ粒子コア（金属コア）９３３Ａの周囲に、平均厚さが２０～６０ｎｍのシリカ層（誘電体層）９３３Ｂが形成されている。なお、金属コア（銀ナノ粒子コア）の平均粒径はＪＩＳＺ８８２８に記載の方法で測定される。また、誘電体層（シリカ層）の平均厚さは例えばＪＩＳＺ８８２８に記載の方法で測定される平均粒径から求められる。

なお、金属微粒子９３３は、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１に対して、０．１％以上１０％以下の質量比で混合するのが望ましい。金属微粒子９３３の質量比が０．１％未満であると増強効果が少なくなり、１０％を超えると絶縁性のシリカの効果により微粒子層の抵抗が高くなりすぎるからである。

図１２は、本実施の形態の一例として、銀ナノ粒子の直径を１０ｎｍ、シリカ層９３３Ｂの厚さを５８．６ｎｍとした金属微粒子９３３を図１の発光素子１９０におけるｐ型層９３に添加し、この添加の有無による発光強度の違いを測定した結果である。この例では、金属微粒子９３３は、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１に対して０．６％の質量比で混合したものになる。金属微粒子９３３の添加によって発光強度が２倍程度になっていることが確認できる。

このため、この発光素子９０においては、ｐ型発光層７３Ａからの発光強度を高めることができ、これによってホール輸送層１３ＢＡ（第１蛍光体バインダー１３１Ａ）、ホール輸送層１３ＢＢ（第２蛍光体バインダー１３１Ｂ）、ホール輸送層１３ＢＣ（第３蛍光体バインダー１３１Ｃ）からの蛍光の発光強度も高めることができる。この際、ｐ型発光層７３Ａを形成するに際しては、原材料となるｐ型ＺｎＯ微粒子９３１に金属微粒子９３３を混合させる以外は、前記のｐ型発光層１３Ａを形成する場合と同様とすることができる。このため、この発光素子９０を容易に形成することができる。なお、上記の発光素子９０においては、ｐ型発光層７３Ａに金属微粒子９３３が混合されたが、例えば発光素子４０等におけるｎ型微粒子層３１Ｃに同様の金属微粒子層９３３を添加してもよい。

また、発光素子２０等において蛍光を発するホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣにおいて、同様の金属微粒子９３３を添加してもよい。ただし、図１１の金属微粒子９３３において、銀ナノ粒子９３３Ａの平均粒径、シリカ層９３３Ｂの平均厚さは、増強する光の波長に応じて最適化される。核となる金属には、銀ナノ粒子の他にそれぞれの蛍光体の吸収波長や発光波長に共鳴する粒径や形状をもつ金などの金属ナノ粒子が用いることができる。このため、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣに添加される金属微粒子９３３におけるこれらの設定は、これらに添加される第１蛍光体バインダー１３１Ａ、第２蛍光体バインダー１３１Ｂ、第３蛍光体バインダー１３１Ｃが発する光の波長に応じて設定することができ、これによってそれぞれが発する蛍光の強度を高めることができる。この場合においても、金属微粒子９３３を混合すること以外については、前記のホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣ等を形成する場合の製造方法と変わるところがない。このため、この場合においてもこの発光素子を容易に製造することができる。

また、このような金属微粒子９３３を第２の実施の形態以外の実施の形態の発光素子においても、適宜用いることができる。例えば、発光素子４０において蛍光を発するｎ型微粒子層３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃにおいて、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣに添加された金属微粒子９３３と同様の金属微粒子９３３を添加してもよい。あるいは、ホール輸送層１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣ等に、蛍光ではなく励起光（ＺｎＯが発した光）を増強させるような金属微粒子９３３を添加してもよい。いずれの場合でも、金属微粒子９３３が添加される層がＺｎＯ微粒子を用いて構成される場合には、金属微粒子９３３を容易に添加することができる。

（第１１の実施の形態）
例えば図２の構成における、ｎ側電極（電極）１４とｐ側第１電極（電極）１５Ａ、ｐ側第２電極（電極）１５Ｂ、ｐ側第３電極（電極）１５Ｃの各々の間における電流―電圧特性は、ｎ型層１２とｐ型発光層１３Ａとで構成されるｐｎダイオードの特性を反映する。このため、これらが順バイアスの場合には大きな電流（順方向電流）が流れてｐ型発光層１３Ａが発光し、これらが逆バイアスの場合には発光はせずに僅かなリーク電流しか流れない。しかしながら、図２の構成においては、リーク電流が大きくなる場合があった。

発明者は、この原因を調べたところ、ｐ型発光層１３Ａ中で局所的に電流が流れる経路が形成されており、ｐ型発光層１３Ａは本来ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１のみで構成されるところ、微量のｎ型ＺｎＯ微粒子９３２が混入していることがその一因であることを知見した。これは、前記のように平均粒径が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のｐ型ＺｎＯ微粒子９３１を特許文献２に記載の製造方法で製造する際に、微量のｎ型ＺｎＯ微粒子９３２が混在することに起因する。この場合の状況を図２に対応させて図１３に示す。この場合には、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を介した電流経路がｐ型発光層１３Ａの厚さ方向で形成される。ｐ型発光層１３Ａを上記のようにバインダー１３１を用いずにｐ型ＺｎＯ微粒子９３１のみで形成することによって、ｐ型発光層１３Ａの発光効率を高めることができる一方、ｐ型発光層１３Ａにおいてこのようにｎ型ＺｎＯ微粒子９３２が混在した場合の影響は大きくなる。

このようなｎ型ＺｎＯ微粒子９３２による電流経路を遮断するためには、厚さ方向で隣接するｎ型ＺｎＯ微粒子９３２間にｐ型ＺｎＯ微粒子９３１を介在させることが有効である。このためには、ｐ型発光層１３Ａを、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１の平均粒径（５０ｎｍ～５００ｎｍ）よりも十分に厚くすることが有効である。一般的に薄膜における厚さ方向の抵抗は厚さに比例するところ、この場合には、前記のようにｎ型ＺｎＯ微粒子９３２を介した電流経路をｐ型ＺｎＯ微粒子９３１によって遮断することができるため、通常知られる薄膜の抵抗の単純な厚さ依存性よりも顕著に逆バイアス時の抵抗を増大させ、これによってリーク電流を低減することができる。この場合、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２の平均粒径が前記の通りである場合、ｐ型発光層１３Ａの厚さは５μｍ以上とすることが好ましい。ただし、これに伴い順方向抵抗も大きくなるため、この厚さは１０μｍ以下とすることが好ましい。すなわち、ｐ型発光層１３Ａを形成するにあたりｐ型ＺｎＯ微粒子９３１にｎ型ＺｎＯ微粒子９３２が微量混在する場合には、第１の実施の形態における場合よりもｐ型発光層１３Ａを厚く、その厚さを５～１０μｍの範囲とすることが好ましい。この場合、ホール輸送層１３Ｂは、上記の効果を奏する限りにおいて、薄くすることが好ましく、例えば０．２μｍ程度としてもよい。

上記の例は、第１の実施の形態（発光素子１０）におけるｐ型発光層１３Ａ中にｎ型ＺｎＯ微粒子が微量混入した場合であったが、第２～第８の実施の形態（発光素子２０～８０）においても同様である。また、第９の実施の形態（発光素子９０）におけるｐ型発光層７３Ａについても同様である。すなわち、バインダー１３１が用いられないｐ型発光層中にｎ型ＺｎＯ微粒子９３２が微量混入する場合には、ｐ型発光層の厚さを上記の範囲とすることによって、リーク電流を低減することができる。

なお、上記各実施形態では、基板として絶縁性のガラス基板や金属基板が用いられたが、単結晶サファイア、フレキシブルなフィルムやフィルム上の金属を蒸着してもの等適宜他の基板を用いることができる。また、上記と同様に発光を行わせることができる限りにおいて、上記のような発光層、素子分離層や、蛍光体層以外の他の層を設けてもよい。

また、上記の各実施形態では、ｐ型ＺｎＯ微粒子９３１、ｎ型ＺｎＯ微粒子９３２には、窒素（Ｎ）、ＩＩＩ族元素がそれぞれドーピングされるものとしたが、特許文献３に記載のように、他の元素を適宜ドープし、これによってもＺｎＯ微粒子の発光波長を調整してもよい。また、上記の全ての例において、ｎ型（第１の導電型）とｐ型（第２の導電型）を逆転させても、同様の効果を奏することは明らかである。

さらに、上記の各実施形態では、３つの異なる波長の光（例えば、第１の実施の形態では、第１蛍光体層１６Ａ：赤、第２蛍光体層１６Ｂ：緑、第３蛍光体層１６Ｃ：青）を発するものを一例に説明したが、光（色）の数は３個に限らない。また、色も、赤、緑、青に限らず、シアン、マゼンダ、黄色のような別の色を用いてもよい。また、前記の通り、蛍光体層を白色発光に対応するように設定してこの発光素子を照明装置に用いることができる。この際には、各蛍光体層を、白色の発光の色温度が異なるように設定することができる。この場合には、切り替えスイッチ素子Ｓによって色温度の切り替えが可能な照明装置が得られる。

１０、２０、３０、４０、５０，６０，７０、８０、９０、１９０ 発光素子
１１、９１ 金属基板（基板）
１２、９２ ｎ型層
１３、７３、９３、１１３、２１３ ｐ型層
１３Ａ、７３Ａ ｐ型発光層（発光層）
１３Ｂ ホール輸送層(素子分離層）
１３ＢＡ、１３ＢＢ、１３ＢＣ ホール輸送層（蛍光体層、素子分離層）
１４、９４ ｎ側電極
１４Ａ ｎ側第１電極（電極）
１４Ｂ ｎ側第２電極（電極）
１４Ｃ ｎ側第３電極（電極）
１５、９５ ｐ側電極
１５Ａ ｐ側第１電極（電極）
１５Ｂ ｐ側第２電極（電極）
１５Ｃ ｐ側第３電極（電極）
１６Ａ 第１蛍光体層（蛍光体層）
１６Ｂ 第２蛍光体層（蛍光体層）
１６Ｃ 第３蛍光体層（蛍光体層）
３１、２３１、３３１、４３１、５３１ ｎ型微粒子層（ｎ型層）
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ ｎ型蛍光微粒子層（ｎ型層、蛍光体層）
４１ ガラス基板（基板）
４２ 透明導電膜
６１ 絶縁層
１３１ バインダー
１３１Ａ 第１蛍光体バインダー
１３１Ｂ 第２蛍光体バインダー
１３１Ｃ 第３蛍光体バインダー
２１３Ｂ ホール輸送層
３３１Ａ ｎ型発光層
４３１Ｂ 電子輸送層（素子分離層）
９３１ ｐ型ＺｎＯ微粒子
９３２ ｎ型ＺｎＯ微粒子
９３３ 金属微粒子
９３３Ａ 銀ナノ粒子コア（金属コア）
９３３Ｂ シリカ層（誘電体層）
Ｂ 電源
Ｓ 切り替えスイッチ素子（スイッチング素子）

Claims (20)

1. 基板上に、共に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む第１導電型の半導体層と、第１導電型と逆の第２導電型の半導体層が上下方向で接するように積層されたｐｎ接合層と、ＺｎＯが発する光を吸収し当該光と異なるスペクトルの光を発する複数の蛍光体層と、を具備する発光素子であって、
   第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層のうちの一方の面内方向における互いに異なる複数の領域に接続された電極を複数具備し、
   前記一方の前記半導体層は、平均粒径が５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲のＺｎＯ微粒子が結合されて構成され、
   膜厚方向において、
   前記半導体層のうちの他方と上下方向における一方の側で当接し、動作の際に発光する発光層と、
   前記ＺｎＯ微粒子と絶縁性のバインダーとを含んで構成され、上下方向における前記発光層の他方の側で前記発光層と当接し、かつ複数の前記電極と当接し、前記発光層よりも抵抗率が高い素子分離層と、を具備し、
   複数の前記蛍光体層の各々は、複数の前記電極の各々と対応して形成されたことを特徴とする発光素子。
2. 前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、
   第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、
   前記蛍光体層の各々は、複数の前記領域と対応して複数の前記電極の各々の周囲を覆って形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. ＺｎＯが発する光と異なるスペクトルの光を発する蛍光体材料が前記領域毎に、第１導電型または第２導電型の前記半導体層に混合されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記蛍光体材料が前記素子分離層に混合されたことを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記他方の前記半導体層も、ＺｎＯ微粒子を含んで構成されたことを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、
   第１導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、
   前記基板は透明かつ絶縁性とされ、複数の前記電極は、前記基板上に形成されたことを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
7. 前記他方の前記半導体層も、ＺｎＯ微粒子を含んで構成され、
   前記蛍光体材料が前記他方の前記半導体層に混合されたことを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
8. 前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、
   第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、
   前記基板は透明とされ、前記第１導電型の前記半導体層と前記基板との間に透明導電膜が、前記第１導電型の前記半導体層と接するように形成されたことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
9. 透明な前記基板上に第１導電型の前記半導体層、第２導電型の前記半導体層が順次形成され、
   前記蛍光体層は、前記基板と第１導電型の前記半導体層の間において、第１導電型の前記半導体層と別体として形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
10. 第２導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、
    第１導電型の前記半導体層と前記基板との間に透明導電膜が、前記第１導電型の前記半導体層と接するように設けられたことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
11. 第１導電型の前記半導体層が前記一方の前記半導体層とされ、
    複数の前記電極が、前記蛍光体層毎に前記蛍光体層上に形成され、
    かつ第１導電型の前記半導体層は前記電極の上に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
12. 電源と複数の前記電極との間の電気的接続を切り替えるスイッチング素子が前記基板に形成されたことを特徴とする請求項６又は１１に記載の発光素子。
13. 銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、特定の波長の光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が使用されたことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の発光素子。
14. 銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、ＺｎＯが発する光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が前記発光層に含有されたことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の発光素子。
15. 銀を含んで構成された金属コアの表面が誘電体層でコーティングされて構成され、前記蛍光体材料が発する光の電界強度を局在表面プラズモン共鳴によって増強する金属微粒子が前記素子分離層に含有されたことを特徴とする請求項３から請求項８までのいずれか１項に記載の発光素子。
16. 前記発光層は、第２導電型のＺｎＯ微粒子を主とした中に第１導電型のＺｎＯ微粒子が混在した複数の微粒子が凝集して構成され、
    前記発光層の厚さが５μｍ以上１０μｍの範囲とされたことを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の発光素子。
17. 複数の前記蛍光体層が同一のスペクトルの発光をするように設定されたことを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の発光素子。
18. 複数の前記蛍光体層が一体化されて形成されたことを特徴とする請求項１７に記載の発光素子。
19. 請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の発光素子が用いられたことを特徴とするディスプレイ。
20. 請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の発光素子が用いられたことを特徴とする照明装置。

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