(57)【要約】【課題】光取出し効率の高い光学素子を提供する。【解決手段】透明電極を含む光学素子であって、少なくとも光を取り出す側の透明電極の表面に凹凸形状が形成され、前記凹凸形状の凸部が光放出方向に向けて突出していて、光放出方向に対して垂直に交わる平面であって凹部の最下部を通る平面に投影される前記凸部が前記平面全体の５０％以上１００％以下である光学素子。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極を含む光学素子であって、
少なくとも光を取り出す側の透明電極の表面に凹凸形状が形成され、前記凹凸形状の凸部が光放出方向に向けて突出していて、光放出方向に対して垂直に交わる平面であって凹部の最下部を通る平面に投影される前記凸部が前記平面全体の５０％以上１００％以下である光学素子。
【請求項２】
前記透明電極がインジウム及び亜鉛を含む酸化物を含む請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
発光ダイオード、有機エレクトロルミネッセンス素子，タッチパネル又は太陽電池である請求項１又は２に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、有機エレクトロルミネッセンス素子，タッチパネル又は太陽電池等の光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光学素子において、素子内部で発せられた光を素子外部へ取り出す際の光取り出し効率（発光効率）を向上させることが、課題の１つとして挙げられる。
特許文献１〜５には、基板や電極に凹凸形状を設けて、光取り出し効率を向上する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８７６５８号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３６２０号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７４５９号公報
【特許文献４】国際公開第２００９／１５４２１５号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２００５／０５０７４８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の光学素子は光取出し効率が未だ十分高いとは言えない。本発明の目的は、光取出し効率の高い光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、以下の光学素子等が提供される。
１．透明電極を含む光学素子であって、
少なくとも光を取り出す側の透明電極の表面に凹凸形状が形成され、前記凹凸形状の凸部が光放出方向に向けて突出していて、光放出方向に対して垂直に交わる平面であって凹部の最下部を通る平面に投影される前記凸部が前記平面全体の５０％以上１００％以下である光学素子。
２．前記透明電極がインジウム及び亜鉛を含む酸化物を含む１に記載の光学素子。
３．発光ダイオード、有機エレクトロルミネッセンス素子，タッチパネル又は太陽電池である１又は２に記載の光学素子。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、光取出し効率の高い光学素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明における凹凸形状の一例を示す鳥瞰電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明における凹凸形状を設けた透明電極の一例を示す概略断面図である。
【図３】凸部占有割合の測定方法を説明する図である。
【図４】実施例１において、凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真である。
【図５】図４の上面電子顕微鏡写真の拡大図及び画像解析結果を示す図である。
【図６】実施例２において、凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真である。
【図７】図６の上面電子顕微鏡写真の拡大図及び画像解析結果を示す図である。
【図８】比較例２において、凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真である。
【図９】図８の上面電子顕微鏡写真の拡大図及び画像解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の光学素子（発光素子）は透明電極を含み、少なくとも光を取り出す側の透明電極はその表面に凹凸形状が形成され、凹凸形状の凸部は光放出方向に向けて形成されている。
また、光放出方向に対して垂直に交わる平面であって凹部の最下部を通る平面に投影される凸部は、上記平面全体の５０％以上１００％以下を占める。
【０００９】
本発明の光学素子は、透明電極に上記のような凹凸形状が形成されているため、光取出し効率に優れる。また，本発明の光学素子がタッチパネルである場合、反射率を低下させ，配線の骨見えを低減することができる。
【００１０】
本発明で用いる凹凸形状とは、透明電極の表面に非常に小さな凹凸を無数に設けたものである。凹凸形状の一例を図１に示す。また、凹凸形状を設けた透明電極の概略断面図を図２に示す。
図２において、透明電極１０の表面には凸部（突起部）１２及び凹部１４が連続して周期的に設けられている。また、隣り合う凸部１２の間に底面部１６が現れている。尚、底面部１６は現れていても、現れていなくてもよい。
図２は各部の位置関係を説明するためのものであるため、縮尺は正確でない。
【００１１】
凸部の高さ（凹部の最下部から凸部の最高部までの垂直高さ）は、通常５０〜１０００ｎｍ、好ましくは１５０〜６００ｎｍである。また、各凸部間の間隔（凸部の中心同士の距離）は、通常１００〜１０００ｎｍ、好ましくは２００〜６００ｎｍである。
【００１２】
上記凸部は、光放出方向に対して垂直に交わる平面であって凹部の最下部を通る平面（Ａ）（図２における平面２０）の全体に対して、面積比で５０％以上１００％以下、好ましくは８０％以上９９％以下を占めるように形成されている。
【００１３】
平面（Ａ）は凹部の最下部を通る面である。即ち、凹部の下部に平面（底面）が現れている場合、平面（Ａ）はこの平面を通る平面であり、平面が現れていない場合、平面（Ａ）は凸部の斜面どうしが形成する角の先端を通る平面である。
【００１４】
平面（Ａ）における凸部の占有面積割合は、下記のように凹凸形状を走査型電子顕微鏡によって拡大、観察して測定する。
凹凸形状の拡大画像において、凸部は通常、白色の円形もしくは多角形（例えば六角形）として現れ、その中心に黒色の円形形状を含んで現れる場合もある。また、凹部の下部に底面部が露出している場合、底面部は黒等の暗色で現れる。
白色の円形もしくは多角形部分を平面（Ａ）における凸部とし、暗色部分を平面（Ａ）における底面部とし、これらの面積から平面（Ａ）における凸部の占有面積割合を求める。
【００１５】
以下、図３を用いて凸部占有面積割合の測定方法を具体的に説明する。
凹凸形状を拡大した画像の概略図を図３に示す。図３において、平面（Ａ）における（平面（Ａ）に投影される）凸部部分を白色、凸部以外の部分（底面部）を黒色で示す。隣接する７個の凸部のうち６個の中心を結んだ六角形（図３において黒線で示す六角形）の範囲における白色部分（凸部）の面積割合を、平面（Ａ）における凸部の占有面積割合とする。
【００１６】
本発明で用いる透明電極の材料としては、例えば、インジウム，亜鉛，錫及びアルミニウムから選択される１以上を含む酸化物等が挙げられ、インジウム及び亜鉛を含む酸化物（インジウム亜鉛酸化物）を含む材料が好ましい。
この場合，インジウム亜鉛酸化物中の酸化亜鉛の重量比率は５〜３０重量％からが好ましい。特に，透明電極の抵抗を下げるためには，５〜１５重量％が好ましい。
【００１７】
インジウム亜鉛酸化物は、屈折率が２．１〜２．２と高いため光取出し効率に優れるが，通常、反射による光の損失が大きい。また、スパッタ等で成膜したインジウム亜鉛酸化物は平滑性が高いため，反射による損失がさらに大きくなる場合がある。
本発明において透明電極にインジウム亜鉛酸化物を用いると、上記の凹凸形状によって、反射による光の損失を無くす又は低減することができる。
また、結晶性が均質なインジウム亜鉛酸化物を用いることで，周期性の高い，円錐台形状の凹凸形状を緻密に形成することが可能となり，光取出し効率をさらに高めることができる。
【００１８】
透明電極がインジウム亜鉛酸化物を含む材料である場合、透明電極はインジウム亜鉛酸化物及び他の成分を含んでもよいし、インジウム亜鉛酸化物のみからなっていてもよい。他の成分としては、錫及び／又はアルミニウムを含む酸化物等が挙げられる。
インジウム亜鉛酸化物のみからなる場合、他に不可避不純物を含んでいてもよい。
【００１９】
上記の凹凸形状を有する透明電極は、以下のようにして製造できる。即ち、透明電極の下層（例えば後述する発光部材）の上に、スパッタ法等によって透明電極を成膜する。このときの透明電極の厚さは、通常５０〜１０００ｎｍである。成膜後、必要により結晶化してもよい。
【００２０】
成膜した透明電極について、ＵＶナノインプリントリソグラフィー、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチング法等によってパターン加工を施して凹凸形状を形成する。
また、透明電極上にレジスト材料を塗布し，電子線投影露光によってステンシルマスクのパターンを形成した後，ドライエッチングにより加工を施して凹凸形状を形成する方法も挙げられる。
【００２１】
凹凸形状を形成する際、例えばＢＣｌ３ガスを用い、エッチング速度５０〜１００ｎｍ／ｍｉｎ、エッチング時間２〜１０分としてエッチング量を制御することで，凹凸形状や底面部面積を制御することができる。
エッチング量が多くなるほど底面部の露出面積が大きくなるため、エッチング速度やエッチング時間を適宜制御して、平面（Ａ）における凸部面積割合が５０％以上１００％以下となるようにすればよい。
【００２２】
本発明の光学素子（発光素子）の構成は、上記の透明電極を有していれば特に制限されないが、通常、基板、発光部材及び上記透明電極をこの順に有する。
透明電極は素子の一方の面だけに設けてもよいし、両方の面に設けてもよい。このとき、透明電極が基板を兼ねていてもよい。
透明電極を素子の両方の面に設ける場合、上記の凹凸形状を一方の透明電極だけに設けてもよいし、両方に設けてもよい。
【００２３】
発光部材は、単層であってもよいし複数層の積層体であってもよく、後述する用途に合わせて、公知の発光部材を用いればよい。
基材にも特に制限はなく、公知のものを用いることができる。
【００２４】
本発明の光学素子は、様々な発光素子として用いることができ、例えば、発光ダイオード、有機エレクトロルミネッセンス素子，タッチパネル又は太陽電池として用いることができる。
【実施例】
【００２５】
実施例１
［ＬＥＤ素子の製造：積層構造体の製造］
ＬＥＤ素子の積層構造体は、サファイアの結晶面（ｃ面：０００１）からなる基板上に、アンドープＧａＮ下地層（層厚＝２μｍ）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２μｍ）、多重量子井戸構造のＩｎドープＧａＮ発光層（層厚＝２．５ｎｍ）、及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（層厚＝１００ｎｍ）を積層して構成した。上記の積層構造体は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段（有機金属気相成長法）で製造した。
【００２６】
［インジウム亜鉛酸化物（透明電極）の成膜］
上記の積層構造体上に、マグネトロンスパッタによりインジウム亜鉛酸化物（酸化亜鉛の重量比率＝１０ｗｔ％）を膜厚５００ｎｍで成膜した。
成膜時はＡｒに２％の酸素を含む混合ガスを導入し、系内の圧力が０．１Ｐａとなるように調整した。また、成膜時の基板は非加熱とし、成膜後、ＬＥＤ素子を７５０℃の真空中でアニールしてインジウム亜鉛酸化物薄膜を結晶化した。
【００２７】
［凹凸構造の形成］
作製した薄膜について、ＵＶナノインプリントリソグラフィー及びＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチング法を用いてパターン加工を行い、凹凸構造を形成した。ドライエッチング剤としてはＢＣｌ3を用い、エッチング速度は７０ｎｍ／ｍｉｎとした。
また、凸部の高さは３００ｎｍ、各凸部間の間隔は４６０ｎｍとした。
【００２８】
凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真を図４に示す。図４に現れる白色の六角形形状及びこの中央に現れる黒色の円形形状が凹凸構造の突起部を示す。また、各六角形形状の境界に現れる黒色領域が凹部（底面部）を示す。
【００２９】
凸部の占有面積割合（平面（Ａ）における凸部の占有面積割合）を、凹凸形状の電子顕微鏡像を画像解析ソフト（イメージメトロロジー社製  ＳＰＩＰ）で二値化処理，ノイズ処理することで測定した。平面（Ａ）における凸部の占有面積割合は８４．７％であった。
電子顕微鏡像の拡大図及び画像解析結果を図５に示す。
【００３０】
［ＬＥＤ素子の評価］
作製したＬＥＤ素子について発光効率を測定した。発光効率は、感度校正された積分球による光出力測定システムによって測定した。結果を表１に示す。
【００３１】
実施例２
実施例１の［凹凸構造の形成］のドライエッチングにおいて、ドライエッチング時間を調整し、底面部が露出し，突起部が隣接する突起部に接した時にエッチングを停止した他は、実施例１と同様にＬＥＤ素子を作製し、凸部の占有面積割合を測定し、ＬＥＤ素子の評価を行った。
凸部の占有面積割合は７０．８％であった。凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真を図６に、電子顕微鏡像の拡大図及び画像解析結果を図７に、評価結果を表１に示す。
【００３２】
比較例１
凹凸加工を施さなかった他は実施例１と同様にＬＥＤ素子を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００３３】
比較例２
透明電極にインジウム錫酸化物を用い、実施例１と同条件でエッチングを行なって，実施例１と同様にＬＥＤ素子を作製した。実施例１と同様に凸部の占有面積割合を測定し、ＬＥＤ素子の評価を行った。
凸部の占有面積割合は２８．１％であった。凹凸構造を形成した透明電極の上面電子顕微鏡写真を図８に、電子顕微鏡像の拡大図及び画像解析結果を図９に、評価結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
透明電極に凹凸加工をしていない比較例１に対し，実施例１では発光効率を３５％以上、実施例２では発光効率を３０％以上向上することができた。また、凸部の占有面積割合が２８．１％である比較例２に対し，実施例１では発光効率を２０％以上、実施例２では発光効率を１５％以上向上することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の光学素子は、発光ダイオード、有機ＥＬ素子，タッチパネル，太陽電池等として使用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  透明電極
１２  凸部
１４  凹部
１６  底面部
２０  平面（Ａ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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