(57)【要約】【課題】発光強度が大きく、しかも、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能な発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１０は、基体１１上に形成された発光層２０を備え、発光層２０は、第１材料層２１、量子井戸層２４、及び、第２材料層２２が積層された構造を有し、第１材料層２１及び第２材料層２２の少なくとも一方の層には希土類原子２３が含まれている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-8ｍの範囲内に位置することを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-9ｍの範囲内に位置することを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
発光素子はエレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
発光素子は電流注入型エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
発光素子は真性エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項１０】
発光素子は光励起型発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
発光素子は電子線励起型発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１２】
量子井戸層は、シリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成ることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１３】
量子井戸層は、シリコン系酸化物から成ることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
希土類原子が含まれている層はシリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１５】
希土類原子が含まれている層はシリコン系酸化物から成ることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
【請求項１６】
希土類原子は、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、セリウム（Ｃｅ）、及び、ツリウム（Ｔｍ）から成る群から選択された少なくとも１種類の希土類原子であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１７】
基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする発光装置。
【請求項１８】
発光素子はエレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１７に記載の表示装置。
【請求項１９】
発光素子は電流注入型エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１８に記載の表示装置。
【請求項２０】
発光素子は真性エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１８に記載の表示装置。
【請求項２１】
発光素子は光励起型発光素子であることを特徴とする請求項１７に記載の表示装置。
【請求項２２】
発光素子は電子線励起型発光素子であることを特徴とする請求項１７に記載の表示装置。
【請求項２３】
赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、及び、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子の３種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、
複数の発光素子ユニットを備えていることを特徴とする請求項１７に記載の発光装置。
【請求項２４】
赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子、及び、それ以外の色に相当する第４の波長λ4の光を発光する第４の発光素子の４種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、
複数の発光素子ユニットを備えていることを特徴とする請求項１７に記載の発光装置。
【請求項２５】
基体上に、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層に希土類原子が含まれた発光層を形成する発光素子の製造方法であって、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２６】
基体上に、シリコンを主成分とする第１材料層を形成した後、
第１材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませ、次いで、
第１材料層上に量子井戸層を形成した後、
量子井戸層上に、シリコンを主成分とする第２材料層を形成し、その後、
第２材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませる、
ことを特徴とする請求項２５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２７】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施すことを特徴とする請求項２５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２８】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-8ｍの範囲内に位置することを特徴とする請求項２７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項２９】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施すことを特徴とする請求項２５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項３０】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-9ｍの範囲内に位置することを特徴とする請求項２９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項３１】
希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施すことを特徴とする請求項２５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項３２】
基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする発光素子。
【請求項３３】
発光素子はエレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３４】
発光素子は電流注入型エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項３３に記載の発光素子。
【請求項３５】
発光素子は真性エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項３３に記載の発光素子。
【請求項３６】
発光素子は光励起型発光素子であることを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３７】
発光素子は電子線励起型発光素子であることを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３８】
量子ドットはシリコンから成ることを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３９】
希土類原子は、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、セリウム（Ｃｅ）、及び、ツリウム（Ｔｍ）から成る群から選択された少なくとも１種類の希土類原子であることを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４０】
基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする発光装置。
【請求項４１】
発光素子はエレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項４０に記載の表示装置。
【請求項４２】
発光素子は電流注入型エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項４１に記載の表示装置。
【請求項４３】
発光素子は真性エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項４１に記載の表示装置。
【請求項４４】
発光素子は光励起型発光素子であることを特徴とする請求項４０に記載の表示装置。
【請求項４５】
発光素子は電子線励起型発光素子であることを特徴とする請求項４０に記載の表示装置。
【請求項４６】
赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、及び、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子の３種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、
複数の発光素子ユニットを備えていることを特徴とする請求項４０に記載の発光装置。
【請求項４７】
赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子、及び、それ以外の色に相当する第４の波長λ4の光を発光する第４の発光素子の４種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、
複数の発光素子ユニットを備えていることを特徴とする請求項４０に記載の発光装置。
【請求項４８】
基体上に形成され、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成る発光層を備えた発光素子の製造方法であって、
発光層を、
量子ドットを形成した後、
量子ドット中に希土類原子を拡散させ、及び／又は、量子ドットの表面に希土類原子を付着させ、次いで、
量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させた後、生成物をアニール処理する、
ことによって形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項４９】
量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して生成物を得る工程は、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合した後、アルカリ又は酸を触媒として添加して、シリコンアルコキシドを加水分解する工程から成ることを特徴とする請求項４８に記載の発光素子の製造方法。
【請求項５０】
触媒として、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）を添加することを特徴とする請求項４９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項５１】
シリコンアルコキシドは、テトラメトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ3）4）又はテトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）であることを特徴とする請求項４８に記載の発光素子の製造方法。
【請求項５２】
アニール処理は、希ガス若しくは窒素ガスから成る不活性ガス雰囲気下、１００゜Ｃ以上、１５００゜Ｃ以下の温度で行うことを特徴とする請求項４８に記載の発光素子の製造方法。
【請求項５３】
シリコン半導体基板を陽極酸化することで得られた多孔質のシリコン半導体基板を溶媒中で超音波処理することで、量子ドットを形成することを特徴とする請求項４８に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法、並びに、発光装置に関し、より詳しくは、本発明は、ディスプレイやバックライト等の発光デバイスに適用可能であり、発光層に、量子井戸構造若しくは量子ドットと、希土類原子（希土類原子に由来したイオンを含む）とが含まれた発光素子及びその製造方法、並びに、係る発光素子を備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光デバイスの多くは、主に、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族やＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体材料から作製されている。しかしながら、これらの発光デバイスの作製には、サファイヤ基板等の高価な基板が必要とされること、アルシン等のガスを使用するために作製プロセスが困難なこと、大型で高価な製造設備が必要な上に、ランニングコストも高いこと等の問題がある。
【０００３】
一方、現在、トランジスタやメモリ装置を始めとする多くの半導体デバイスは、シリコンやシリコン化合物材料といったシリコン系材料から作製されている。シリコン資源は、豊富で、安価である上、環境負荷が小さい。特に、シリコン系材料を用いたＬＳＩの高集積化は、１９７０年代以降、約３０年の長期に亙り、個々のトランジスタの微細化を進めることで、着実に進歩している。そして、ギガビット級の集積度を有するＤＲＡＭが市場に登場している現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を達成するための開発が続けられている。このように、シリコン系材料は、微細化技術のノウハウが蓄積されている上、原料価格が安く、環境負荷の小さい、優秀な半導体デバイス材料であるが、バンド構造が間接遷移型であるため、発光し難く、発光デバイスとしての検討はこれまで余りなされていない。
【０００４】
このような中、間接遷移型のシリコン系材料において、直接遷移型のように、キャリアを効率良く光へ変換させるための様々な検討、提案が報告されるようになってきている。その１つに、キャリアの波動関数を局所化し、量子効果を用いる方法がある。この方法によれば、２次元量子井戸構造、１次元量子井戸構造（量子細線）、０次元量子井戸構造（量子ドット）等の量子井戸構造を用いることで、キャリアである電子やホールを微小領域に閉じ込めることができる。量子ドットにおいては、特に、電子やホールを０次元的に局在化させることでキャリアの状態密度をデルタ関数状態に近づけることができ、キャリア閉じ込め領域の大きさに応じたキャリアの波動関数の量子化が起こり、エネルギーが離散的な値をとるようになる。この閉じ込めの方法や、キャリア閉じ込め領域（量子ドット）の大きさを制御することで、バンド端発光再結合効率の向上が可能となる。
【０００５】
実際に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料での研究が進められており、新たな物性や従来の特性を上回る特性が、数多く分かってきている（例えば、福田達哉、館林潤、西岡政雄、荒川泰彦著、「ＩｎＧａＡｓ歪緩和層を用いたＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットの発光波長制御」第５１回（２００４年春季）応用物理学関係連合講演会２８ａ−ＺＢ−８，２００４年  参照）。
【０００６】
シリコン系材料に関しては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ等の半導体材料から成る量子ドット（例えばナノクリスタル）の研究が行われている。これらの量子ドットを、ＳｉＯX等のバンドギャップの大きな絶縁体中に作り込み、レーザ等の光で励起すると、比較的強い発光が生じることが報告されている（例えば、國井洋、篠田浩一、佐藤慶介、平栗健二、岩瀬満雄、和泉富雄著、「アモルファスＳｉＯx膜内のＳｉ濃度とナノシリコンサイズの相関」第５１回（２００４年春季）応用物理学関係連合講演会２８ｐ−Ｐ６−３，２００４年  参照）。また、電子デバイスとして電流注入により機能させる場合、ナノクリスタルをＳｉＯX等のバンドギャップの大きな絶縁体中に作り込むことで、デバイスの低電圧駆動化が可能となることが報告されている。しかしながら、シリコン系材料を用いた発光デバイスの構造に関する研究や提案は、まだまだ少ない状況である。
【０００７】
また、従来から、半導体材料に添加された希土類原子は、殻内遷移による鋭い赤外光あるいは可視光を発光することが知られている（例えば、田代至男、小柳諭、相曽景一、田中完ニ、並木周著「高出力光アンプの開発」古河電工時報第１０４号ｐ．５９，１９９９年７月  参照）。こうした希土類原子の発光波長や半値幅は、半導体材料や温度に殆ど依存せず、一定の値を示すことが知られている。特に、希土類元素の中でエルビウム（Ｅｒ）は１．５５μｍの発光波長を有し、この１．５５μｍの発光波長は光ファイバーの最小伝達損失波長であるため、エルビウム発光の光ファイバー通信への応用が期待されている。
【０００８】
上述したように、半導体材料から成る量子ドットや希土類元素等の発光材料の研究は、報告されてきてはいるものの、発光素子として有効に機能させるための素子構造に関する研究や提案は、十分にされていないのが現状である。
【０００９】
また、表示装置においては、これまで主流であった陰極線管（ＣＲＴ）に代わり、各種の平面型表示装置、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）やプラズマ表示装置（ＰＤＰ）が商品化され、また、冷陰極電界電子放出表示装置（ＦＥＤ）や表面伝導型電子放出表示装置（Surface Conduction Electron Emitter Display，ＳＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）表示装置の研究、商品化が進められている。
【００１０】
このように、平面型表示装置として様々な表示装置の製造、開発が行われているが、各々、性能、消費電力、製造コスト等に様々な問題を抱えている。
【００１１】
例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）にあっては、棒状の液晶分子のねじれた並びを利用して光の向きを操作しているため、ＣＲＴに比べて視野角が狭く、明暗のムラや色ムラが生じ易いという問題がある。現在、イン・プレイン・スイッチング技術、バーチカル・アライメント技術、マルチドメイン技術や、これらの組み合わせ等により、視野角の狭さは改善されつつある。しかしながら、バックライトの光が吸収され易い構造であり、より高い発光強度のバックライトが必要とされ、消費電力が増加する傾向にあるといった問題が生じている。また、色深度（color depth）の問題がある。ＣＲＴの場合、蛍光体に衝突する電子の量をアナログ的に変化させることができるので、無限の色彩と明るさを表現することができる。一方、液晶表示装置の場合、液晶セルに印加する電圧を操作し、バックライトの光を通す量を段階的に調整しているため、微妙な色表現ができないという問題がある。更には、レスポンス速度が遅いという問題がある。ＣＲＴの場合、電子ビーム速度が速いため、レスポンスの問題は殆ど無いが、液晶表示装置の場合、液晶分子の実際の動きにより動画を表示しているため、タイムラグが生じてしまう。具体的には、パッシブマトリックス駆動の液晶表示装置の場合、レスポンスは１５０ミリ秒以上、動画表示に向いている標準的なアクティブマトリックス駆動の液晶表示装置の場合、レスポンスは４０ミリ秒程度、現状、最もレスポンスの早いＭＶＡの場合、２５ミリ秒程度のタイムラグがある。また、消費電力については、ＣＲＴに比べて低いといったイメージがあるが、視野角やレスポンス等の改善による高機能化に伴い、光が吸収され易い構造に向かっており、現状、バックライトから発光される光の１０％程度しか液晶表示装置の表面に取り出されておらず、消費電力が増加している。更には、製造工程が複雑なこと、基板に高コストのガラス基板を使用していること等により、ＣＲＴに比べて価格が高く、将来的にも安価にすることが困難であるという問題がある。
【００１２】
また、将来が期待されている有機ＥＬディスプレイだが、大型化を実現するためには、現在、多くの問題を抱えている。有機ＥＬディスプレイの抱えている大きな問題の１つに、寿命の問題がある。発光素子を構成する発光層、正孔輸送層、電子輸送層等の有機分子や、電子を効率よく注入するための（即ち、電子注入障壁が低い）陰極材料であるマグネシウム合金やカルシウム等は、酸素や水分に弱く、酸素や水分と反応して、ディスプレイ上に暗点や滅点が生じると共に、輝度の低下が生じるという問題がある。このような問題は改善されてきてはいるものの、長寿命が求められる大型ディスプレイにとって、現状、十分な寿命ではなく、素子自身の改良や外部要因を遮断する技術の向上が求められている。
【００１３】
【非特許文献１】福田達哉、館林潤、西岡政雄、荒川泰彦著、「ＩｎＧａＡｓ歪緩和層を用いたＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットの発光波長制御」第５１回（２００４年春季）応用物理学関係連合講演会２８ａ−ＺＢ−８，２００４年
【非特許文献２】國井洋、篠田浩一、佐藤慶介、平栗健二、岩瀬満雄、和泉富雄著、「アモルファスＳｉＯx膜内のＳｉ濃度とナノシリコンサイズの相関」第５１回（２００４年春季）応用物理学関係連合講演会２８ｐ−Ｐ６−３，２００４年
【非特許文献３】田代至男、小柳諭、相曽景一、田中完ニ、並木周著「高出力光アンプの開発」古河電工時報第１０４号ｐ．５９，１９９９年７月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
量子ドット（ナノクリスタル）のみから構成された発光デバイスにおける発光波長は、通常、数十ｎｍ〜数百ｎｍの大きな半値幅を示すことが知られており、半値幅を狭くし、且つ、発光強度を高くすることは、現在のところ困難である。
【００１５】
また、現状の各種の平面型表示装置は、上述したとおり、視野角が狭い、明暗のムラや色ムラが生じ易い、色深度に問題がある、レスポンス速度が遅い、製造コストが高い、小型化が困難である、長寿命化を図る必要がある、消費電力が大きいといった様々な問題点を有している。
【００１６】
従って、本発明の目的は、発光強度が大きく、しかも、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能な発光素子、及び、係る発光素子の製造方法、並びに、係る発光素子を組み込み、上述した現状の各種の平面型表示装置の有する問題点を解消し得る発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る発光素子は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする。
【００１８】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る発光装置は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする。
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法は、基体上に、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有し、第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層に希土類原子が含まれた発光層を形成する発光素子の製造方法であって、
第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、
基体上に、シリコンを主成分とする第１材料層を形成した後、
第１材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませ、次いで、
第１材料層上に量子井戸層を形成した後、
量子井戸層上に、シリコンを主成分とする第２材料層を形成し、その後、
第２材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませる、
ことが好ましい。
【００２１】
上述した好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構（Foerster機構）によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-8ｍの範囲内に位置することが好ましい。あるいは又、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構（Dexter機構、交換機構とも呼ばれる）によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-9ｍの範囲内に位置することが好ましい。あるいは又、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができる。
【００２２】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る発光素子は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする。
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る発光装置は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする。
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法は、基体上に形成され、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成る発光層を備えた発光素子の製造方法であって、
発光層を、
量子ドットを形成した後、
量子ドット中に希土類原子を拡散させ、及び／又は、量子ドットの表面に希土類原子を付着させ、次いで、
量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させた後、生成物をアニール処理する、
ことによって形成することを特徴とする。
【００２５】
本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して生成物を得る工程は、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合した後、アルカリ又は酸を触媒として添加して、シリコンアルコキシドを加水分解する工程から成る構成とすることができる。ここで、限定するものではないが、触媒として、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）を添加する構成を例示することができる。尚、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物はゾル状若しくはゲル状の生成物であり、この生成物を発光素子毎に基体に付着させる構成（隣接するそれぞれの発光素子を空間的に分離した状態で基体に付着させる構成）とすることができる。
【００２６】
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法において、シリコンアルコキシドとして、テトラメトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ3）4）、あるいは又、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）を例示することができる。
【００２７】
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、アニール処理は、希ガス若しくは窒素ガスから成る不活性ガス雰囲気下、１００゜Ｃ以上、１５００゜Ｃ以下の温度、好ましくは、１００゜Ｃ以上、１３００゜Ｃ以下の温度、更に好ましくは、１００゜Ｃ以上、１２００゜Ｃ以下の温度で行うことが望ましい。このようなアニール処理を行うことで、水などの不純物を焼き飛ばし、希土類イオンの活性化を行うことができる。
【００２８】
また、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、限定するものではないが、シリコン半導体基板を陽極酸化することで得られた多孔質のシリコン半導体基板を溶媒中で超音波処理することで、量子ドットを形成することが望ましい。
【００２９】
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットへのイオン注入によって、量子ドット中に希土類原子を拡散させる構成とすることができ、あるいは又、無電解めっき法、スパッタリング法若しくは分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）によって、量子ドットの表面に希土類原子を付着させる構成とすることができる。また、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させる方法として、スクリーン印刷法、インクジェット方式による印刷法、浸漬法を挙げることができる。
【００３０】
本発明の第１の態様に係る発光素子、本発明の第１の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法（以下、これらを総称して、本発明の第１の態様と呼ぶ場合がある）における量子井戸層とは、２次元量子井戸（所謂量子井戸）を含む層、１次元量子井戸（所謂量子細線）を含む層、及び、０次元量子井戸（所謂量子ドットあるいはナノクリスタル）を含む層を意味する。量子井戸層の厚さは、５×１０-10ｍ（原子１個分程度の厚さ）乃至１×１０-8ｍ、好ましくは、５×１０-10ｍ乃至５×１０-9ｍであることが、発光効率を向上させるといった観点から望ましい。
【００３１】
本発明の第１の態様において、発光層は、第１材料層、量子井戸層、及び、第２材料層が積層された構造を有するが、このような構造には、量子井戸層が、第１材料層及び／又は第２材料層中にランダムに分散されている構造も包含されるし、第１材料層、量子井戸層、第２材料層が幾重にも積層された構造も包含されるし、量子井戸層が、第１材料層と第２材料層の境界領域に島状に形成されている構造も包含される。第１材料層、量子井戸層、第２材料層が幾重にも積層された構造にあっては、量子井戸層近傍の第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層の領域に含まれる希土類原子は、同種であってもよいし、異種であってもよい。また、第１材料層及び第２材料層の両方に希土類原子を含む構成においては、第１材料層に含まれる希土類原子と、第２材料層に含まれる希土類原子とを、同種の希土類原子としてもよいし、異種の希土類原子としてもよい。
【００３２】
一方、本発明の第２の態様に係る発光素子、本発明の第２の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法（以下、これらを総称して、本発明の第２の態様と呼ぶ場合がある）にあっては、発光層は１層であってもよいし、複数層の積層構造を有していてもよく、後者の場合、異なる希土類原子を含む発光層が積層された構造とすることもできる。また、発光層は、量子ドット、並びに、量子ドットの表面に付着し、及び／又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成るが、具体的には、希土類原子は、量子ドットの表面に付着した形態であり、あるいは又、量子ドットの内部に含まれた（拡散した）形態であり、あるいは又、量子ドットの表面に付着し、且つ、量子ドットの内部に含まれた形態である。
【００３３】
本発明の第１の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-8ｍの範囲内に位置することが好ましい。
【００３４】
あるいは又、本発明の第１の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から１×１０-9ｍの範囲内に位置することが好ましい。
【００３５】
あるいは又、本発明の第１の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができる。
【００３６】
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る発光素子、本発明の第１の態様に係る発光装置、本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法、本発明の第２の態様に係る発光素子、本発明の第２の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法、（以下、これらを総称して、本発明と呼ぶ場合がある）にあっては、発光素子を、エレクトロルミネッセンス素子、より具体的には、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子（電極から発光層に電荷担体が直接流入して発光するエレクトロルミネッセンス素子）あるいは真性エレクトロルミネッセンス素子（誘電体中の発光層を強い外部電場によって励起して発光させるエレクトロルミネッセンス素子）とすることができ、この場合には、本発明の発光装置は、エレクトロルミネッセンス表示装置、電流注入型エレクトロルミネッセンス表示装置、真性エレクトロルミネッセンス表示装置に相当する。あるいは又、発光素子を、光励起型発光素子とすることもできるし、電子線励起型発光素子とすることもできる。発光素子を光励起型発光素子とする場合、本発明の発光素子を、例えば、発光ダイオードと組み合わせればよいし、あるいは又、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）の発光領域（従来のプラズマ表示装置における所謂蛍光体層に相当する部分）に本発明の発光素子を組み込めばよい。発光素子を光励起型発光素子とする場合、本発明の発光装置は、発光ダイオードを備えた表示装置、あるいは又、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）に相当する。一方、発光素子を電子線励起型発光素子とする場合、冷陰極電界電子放出表示装置（ＦＥＤ）や表面伝導型電子放出表示装置（ＳＥＤ）、ＭＩＭ素子とも呼ばれる金属／絶縁膜／金属型素子を備えた表示装置におけるアノードパネルを構成する発光領域（従来のこれらの表示装置における所謂蛍光体層に相当する部分）に本発明の発光素子を組み込めばよい。発光素子を電子線励起型発光素子とする場合、本発明の発光装置は、冷陰極電界電子放出表示装置（ＦＥＤ）や表面伝導型電子放出表示装置（ＳＥＤ）、ＭＩＭ素子とも呼ばれる金属／絶縁膜／金属型素子を備えた表示装置に相当する。
【００３７】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様にあっては、量子井戸層は、シリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成る構成とすることができるし、あるいは又、シリコン系酸化物（ＳｉＯX，０＜Ｘ≦２）から成る構成とすることができるし、更には、ＳｉＮといったシリコン系窒化物から成る構成とすることもできるし、これらの材料の混合物から成る構成とすることもできる。量子井戸層をシリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成る構成とする場合、量子井戸それ自体（即ち、所謂量子井戸、所謂量子細線、所謂量子ドットあるいはナノクリスタルであり、以下の説明においても同様である）はシリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、シリコン系酸化物（ＳｉＯX，０＜Ｘ≦２）によって取り囲まれた構造となる。また、量子井戸層をシリコン系酸化物から成る構成とする場合、量子井戸それ自体はシリコン系酸化物から成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、より酸素含有量の多いシリコン系酸化物（ＳｉＯX，０＜Ｘ≦２）によって取り囲まれた構造となる。更には、量子井戸層をシリコン系窒化物から成る構成とする場合、量子井戸それ自体はシリコン系窒化物から成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、シリコン系酸化物（ＳｉＯX，０＜Ｘ≦２）によって取り囲まれた構造となる。
【００３８】
また、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様にあっては、希土類原子が含まれている層はシリコンを主成分とする構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層はシリコン系酸化物から成ることが好ましい。
【００３９】
一方、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る発光素子、本発明の第２の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットはシリコンから成ることが好ましい。
【００４０】
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明にあっては、希土類原子として、少なくともユーロビウム（Ｅｕ）を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともプラセオジウム（Ｐｒ）を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともエルビウム（Ｅｒ）を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともテルビウム（Ｔｂ）を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともセリウム（Ｃｅ）を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともツリウム（Ｔｍ）を含む構成とすることができる。以下の表１に、希土類原子に由来したイオンと発光素子の発光波長の関係を示す。尚、本発明における希土類原子には、希土類原子に由来したイオンが包含される。
【００４１】
［表１］
希土類原子に由来したイオン    発光素子の発光波長
Ｐｒ3+                        ６３５ｎｍ（赤色）
Ｅｕ3+                        ６１５ｎｍ（赤色）
Ｐｒ3+                        ６０５ｎｍ（赤色）
Ｅｒ3+                        ５７０ｎｍ（橙色）
Ｔｂ3+                        ５４５ｎｍ（緑色）
Ｃｅ3+                        ５３０ｎｍ（青色）
Ｔｍ3+                        ４５０ｎｍ（青色）
【００４２】
尚、希土類元素は、原子番号２１のスカンジウム（Ｓｃ）、原子番号３９のイットリウム（Ｙ）、並びに、原子番号５７のランタン（Ｌａ）から原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）までの１５種類の４ｆ軌道遷移系列元素群であり、周期律表のＩＩＩＢ族に属するため、一般に３価が安定である。このうち、Ｃｅ3+（セリウム：原子番号５８）からＹｂ3+（イッテルビウム：原子番号７０）までの１３種類の希土類原子は、１個から１３個の４ｆ電子を有し、電子配置の相違に基づく多様なエネルギー準位を形成する。異なるエネルギー準位間の電子遷移エネルギーは、紫外光、可視光、赤外光に相当するので、多くの希土類原子は、これらの波長で光の吸収、発光を起こす。即ち、希土類原子として、少なくとも、「４ｆ電子」を有する、原子番号５８のセリウム（Ｃｅ）〜原子番号７０のイッテルビウム（Ｙｂ）を用いることができるし、また、原子番号２１のスカンジウム（Ｓｃ）、原子番号３９のイットリウム（Ｙ）を用いることもできる。
【００４３】
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光装置にあっては、赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、及び、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子の３種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。あるいは又、赤色に相当する第１の波長λ1の光を発光する第１の発光素子、緑色に相当する第２の波長λ2の光を発光する第２の発光素子、青色に相当する第３の波長λ3の光を発光する第３の発光素子、及び、それ以外の色に相当する第４の波長λ4の光を発光する第４の発光素子の４種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニットが構成され、複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。尚、１つの発光素子ユニットを５種類以上の発光素子によって構成してもよい。
【００４４】
本発明において、基体として、シリコン半導体基板を例示することができるが、このような基板に限定するものではなく、その他、表面に絶縁膜が形成された半導体基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、半絶縁性基板、表面に絶縁膜が形成された半絶縁性基板、絶縁性基板、表面に絶縁膜が形成された絶縁性基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板を挙げることができるし、発光素子を作り込む対象によっては、絶縁層や封止層が基体に相当する場合もある。ここで、ガラス基板として、高歪点ガラス、ソーダガラス（Ｎａ2Ｏ・ＣａＯ・ＳｉＯ2）、硼珪酸ガラス（Ｎａ2Ｏ・Ｂ2Ｏ3・ＳｉＯ2）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、鉛ガラス（Ｎａ2Ｏ・ＰｂＯ・ＳｉＯ2）を例示することができる。
【００４５】
本発明にあっては、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの測定や、量子ドットの表面に付着し、及び／又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子の量（濃度）の測定は、ラザフォード（Ratherford）後方散乱（ＲＢＳ）測定に基づき行うことができる。
【００４６】
本発明の発光装置は、上述した各種表示装置だけでなく、バックライト（例えば、液晶表示装置に用いられる）を含む照明装置に適用することができる。また、本発明の発光素子を、蛍光体の代替として使用することが可能であるし、場合によっては、本発明の発光装置を、従来の蛍光体を備えた表示装置の代替として使用することも可能である。
【発明の効果】
【００４７】
本発明にあっては、発光層を、量子井戸層と希土類原子、あるいは、量子ドットと希土類原子から構成するので、例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類原子を分散させただけの従来の発光素子と比較して、より低電圧で、大きな電流を流すことができ、発光強度が高く、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能となる。これは、量子井戸層や量子ドットにキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態となり、このとき、量子井戸層や量子ドットの近傍に希土類原子が存在すると、量子井戸層や量子ドットに閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され（即ち、エネルギー遷移が起こり）、次いで、希土類原子の殻内遷移により発光が生じるからであると考えられる。そして、この場合、量子井戸層や量子ドットが存在せず、ホットエレクトロンのみによって希土類原子の殻内遷移による発光が生じる場合と比較して、低消費電力で、より高い発光強度が得られる。更には、絶縁体である酸化シリコンのみから構成された発光層に比べて、量子井戸構造を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧駆動化を図ることができる。しかも、発光素子は、自発光で、磁気の影響を受け難く、表示装置を大型化しても歪みが無く、鮮明で高画質な画像であって、高視野角の表示装置を得ることが可能となる。更には、従来の薄型表示装置と比較して、一層の軽量化、薄型化を実現できるし、一層の低消費電力化、低コスト化が可能となる。
【００４８】
また、本発明の第１の態様においては、希土類原子が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置を規定することで、発光効率を向上させることができるし、本発明の第２の態様においては、発光層を、量子ドット、並びに、量子ドットの表面に付着し、及び／又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から構成するので、発光効率を向上させることができる。
【００４９】
本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法においては、第１材料層及び第２材料層の少なくとも一方の層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませるので、また、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法においては、希土類原子を含む（付着された態様を包含する）量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物（例えば、ゾル状生成物若しくはゲル状生成物）を基体の所定の位置に付着させるので、発光素子毎に、即ち、異なる色を発光する発光素子を所望の領域に容易に形成することができ、大型の表示装置においても、発光素子を精度良く形成することができる。特に、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法においては、従来の気相プロセスに比べてより低い消費エネルギーで発光層を形成することが可能であるし、生成物の付着工程では、安価なスクリーン印刷方式やインクジェット方式、浸漬方式を用いることが可能である。
【００５０】
また、本発明において、シリコン系材料から発光素子を構成すれば、他の材料と比較して、組成が安定しているという利点がある。更には、シリコン系材料は、資源が豊富なため原料価格が安いし、環境負荷が小さく廃棄物として無害であり、しかも、融点が高いため、製造上の高温処理に十分に耐えられるという利点もある。しかも、基体としてシリコン半導体基板を用いれば、駆動用のトランジスタと発光素子とを一体的に製造することが可能であり、表示装置の更なる軽量化、薄型化が可能となる上、透明電極上にトランジスタを作製するといった低温ＴＦＴ技術等の高度な製造技術が不要となり、製造プロセスの簡略化が可能となる。更には、駆動用のトランジスタを基体に相当するシリコン半導体基板に作り込めば、電子移動度が、アモルファスシリコン（１ｃｍ2Ｖ-1秒-1）やポリシリコン（１００ｃｍ2Ｖ-1秒-1〜４００ｃｍ2Ｖ-1秒-1）と比較して、６００ｃｍ2Ｖ-1秒-1程度と高くなり、一層の応答速度の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００５２】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る発光素子、及び、本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法に関する。尚、実施例１、及び、後述する実施例２〜実施例４において、発光素子はフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光素子から成る。
【００５３】
実施例１の発光素子の模式的な一部断面図を図１の（Ｃ）に示す。この実施例１の発光素子１０は、シリコン半導体基板から成る基板１１（基体に相当する）上に形成された発光層２０を備えている。そして、発光層２０は、第１材料層２１、量子井戸層２４、及び、第２材料層２２が、この順に積層された構造を有する。第１材料層２１及び第２材料層２２は、シリコンを主成分とし、具体的にはシリコン系酸化物、より具体的には酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成り、厚さは約２００ｎｍである。また、量子井戸層２４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、若しくは、シリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）から成り、あるいは又、シリコン系酸化物から成る。
【００５４】
そして、第１材料層２１及び第２材料層２２の少なくとも一方の層（実施例１にあっては、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方）には、希土類原子２３、より具体的には、希土類原子に由来したイオンが含まれている。尚、図面においては、希土類原子２３あるいは希土類原子に由来したイオンを、「×」印で表示している。そして、希土類原子２３が含まれている層（実施例１にあっては、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第１材料層２１と量子井戸層２４の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内（量子井戸層に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され得る範囲内）に位置し、また、第２材料層２２と量子井戸層２４の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する。より具体的には、希土類原子が含まれている層（実施例１にあっては、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第１材料層２１と量子井戸層２４の界面から１×１０-8ｍ（１０ｎｍ）の範囲内に位置し、また、第２材料層２２と量子井戸層２４の界面から１×１０-8ｍ（１０ｎｍ）の範囲内に位置する。あるいは又、希土類原子が含まれている層（実施例１にあっては、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第１材料層２１と量子井戸層２４の界面からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置し、第２材料層２２と量子井戸層２４の界面からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する。尚、希土類原子２３を、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方に導入することが好ましいが、第１材料層２１若しくは第２材料層２２の一方の層のみに導入してもよい。
【００５５】
希土類原子２３はユーロビウム（Ｅｕ）であり、この場合、Ｅｕ3+を含む発光素子は赤色（波長：６１５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子２３はプラセオジウム（Ｐｒ）であり、この場合、Ｐｒ3+を含む発光素子は赤色（波長：６０５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子２３はエルビウム（Ｅｒ）であり、この場合、Ｅｒ3+を含む発光素子は橙色（波長：５７０ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子２３はテルビウム（Ｔｂ）であり、この場合、Ｔｂ3+を含む発光素子は緑色（波長：５４５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子２３はセリウム（Ｃｅ）であり、この場合、Ｃｅ3+を含む発光素子は青色（波長：５３０ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子２３はツリウム（Ｔｍ）であり、この場合、Ｔｍ3+を含む発光素子は青色（波長：４５０ｎｍ）を発光する。尚、希土類原子２３を、以上に説明した、あるいは、それ以外の希土類原子の複数種から構成することもでき、この場合の発光色は、希土類原子が発光する特有の発光色の混色となる。
【００５６】
以下、基体等の模式的な一部断面図である図１の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、実施例１の発光素子の製造方法を説明する。
【００５７】
［工程−１００］
基体に相当する基板１１としてシリコン基板を用意する。そして、プラズマ化学的気相成長法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition法，ＰＥ−ＣＶＤ法）に基づき、基板１１上に、シリコンを主成分とする第１材料層２１、より具体的には、厚さ約２００ｎｍのＳｉＯ2から成る第１材料層２１を形成する。
【００５８】
［工程−１１０］
次いで、イオン注入法によって、第１材料層２１の表面から希土類原子２３をイオン注入する（図１の（Ａ）参照）。即ち、希土類原子が含まれている層（第１材料層２１）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層（第１材料層２１）と量子井戸層２４の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。あるいは又、希土類原子が含まれている層（第１材料層２１）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層（第１材料層２１）と量子井戸層２４の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。具体的には、第１材料層２１の表面から１０ｎｍの範囲内に、厚さ方向の希土類原子２３の濃度ピークが位置するように、希土類原子２３（より具体的には、希土類原子に由来したイオン）をイオン注入する。例えば、希土類原子２３をテルビウム（Ｔｂ）とする場合の第１材料層２１へのイオン注入条件を、以下の表２に例示する。イオン注入後、４００゜Ｃ〜１２００゜Ｃ程度の温度で１分〜１００分程度のアニール処理を施し、イオン注入による第１材料層２１におけるダメージの回復を図ることが望ましい。尚、ドーズ量の望ましい範囲として、１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2乃至１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは、１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2乃至１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を挙げることができる。また、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、セリウム（Ｃｅ）、及び、ツリウム（Ｔｍ）をイオン注入する場合には、これらの希土類原子に由来したイオンをイオン注入するための最適な加速エネルギー及びドーズ量を各種の試験に基づき決定し、その決定に基づきイオン注入を行えばよい。
【００５９】
［表２］
加速エネルギー：１０ｋｅＶ
イオン種      ：Ｔｂ3+
ドーズ量      ：１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2
【００６０】
［工程−１２０］
その後、例えばＰＥ−ＣＶＤ法に基づき、第１材料層２１上に、例えばシリコン（Ｓｉ）から成り、厚さ１０ｎｍの量子井戸層２４を形成する（図１の（Ｂ）参照）。具体的には、例えば、基板温度４２０゜Ｃ、ＳｉＨ4流量５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量１０００ｓｃｃｍ、５．３×１０2Ｐａ（４Ｔｏｒｒ）の圧力下、ＲＦパワー２５０Ｗ、ギャップ１４ｍｍの条件にて、量子井戸層２４を形成することができる。あるいは又、スパッタリング法にて量子井戸層２４を形成することもできる。具体的には、例えば、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、１×１０-4Ｐａの圧力下、ＲＦパワー５００Ｗにて、Ｓｉターゲットをアルゴンプラズマにてスパッタすることで、量子井戸層２４を形成することができる。
【００６１】
尚、シリコン（Ｓｉ）から成る量子井戸層２４の形成の代わりに、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成る量子井戸層２４を形成してもよいし、シリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）から成る量子井戸層２４を形成してもよいし、シリコン系酸化物から成る量子井戸層２４を形成してもよい。シリコン系酸化物から成る量子井戸層２４は、具体的には、例えば、基板温度４００゜Ｃ、ＳｉＨ4流量１００ｓｃｃｍ、Ｎ2Ｏ流量２０００ｓｃｃｍ、３．３×１０2Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）の圧力下、ＲＦパワー１５０〜３００Ｗ、ギャップ１４ｍｍの条件のＣＶＤ法にて、形成することができる。
【００６２】
［工程−１３０］
次に、例えばＰＥ−ＣＶＤ法によって、量子井戸層２４上に、シリコンを主成分とする第２材料層２２、より具体的には、厚さ約２００ｎｍのＳｉＯ2から成る第２材料層２２を形成する。
【００６３】
［工程−１４０］
その後、イオン注入法によって、第２材料層２２の表面から希土類原子２３をイオン注入する（図１の（Ｃ）参照）。即ち、希土類原子が含まれている層（第２材料層２２）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層（第２材料層２２）と量子井戸層２４の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。あるいは又、希土類原子が含まれている層（第２材料層２２）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層（第２材料層２２）と量子井戸層２４の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。具体的には、量子井戸層２４と第２材料層２２の界面から第２材料層２２の内部、１０ｎｍの範囲内に厚さ方向の希土類原子２３の濃度ピークが位置するように（云い換えれば、第２材料層２２表面から１９０ｎｍの深さの位置するように）、希土類原子２３（より具体的には、希土類原子に由来したイオン）をイオン注入する。例えば、希土類原子２３をテルビウム（Ｔｂ）とする場合の第２材料層２２へのイオン注入条件を、以下の表３に例示する。イオン注入後、４００゜Ｃ〜１３００゜Ｃ程度の温度で１分〜１００分程度のアニール処理を施し、イオン注入による第１材料層２１におけるダメージの回復を図ることが望ましい。尚、ドーズ量の望ましい範囲として、１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2乃至１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは、１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2乃至１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を挙げることができる。また、ユーロビウム（Ｅｕ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、エルビウム（Ｅｒ）、セリウム（Ｃｅ）、及び、ツリウム（Ｔｍ）をイオン注入する場合には、これらの希土類原子に由来したイオンをイオン注入するための最適な加速エネルギー及びドーズ量を各種の試験に基づき決定し、その決定に基づきイオン注入を行えばよい。
【００６４】
［表３］
加速エネルギー：６００ｋｅＶ
イオン種      ：Ｔｂ3+
ドーズ量      ：１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2
【００６５】
尚、［工程−１１０］において、ＰＥ−ＣＶＤ法とイオン注入法との組合せの代わりに、スパッタリング法にて、第１材料層２１の形成、第１材料層２１の形成と希土類原子２３の導入、更には、第１材料層２１の形成を行ってもよい。また、同様に、［工程−１４０］において、スパッタリング法にて、第２材料層２２の形成、第２材料層２２の形成と希土類原子２３の導入、更には、第２材料層２２の形成を行ってもよい。
【００６６】
これによって、実施例１にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にシリコン（Ｓｉ）から成る厚さ１０ｎｍの量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第１材料層２１及び第２材料層２２中に導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１０ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子１０を得ることができた。
【００６７】
実施例１においては、特に、シリコン半導体における高度な高集積化技術を適用することにより、数μｍオーダーの大きさの制御が可能である。
【００６８】
また、実施例１、あるいは後述する実施例２〜実施例４において説明する発光素子を所望の配置状態に配置し、係る発光素子に例えばレーザ光を照射することで発光素子を発光させれば、フォトルミネッセンス（ＰＬ）型の表示装置として機能させることができる。
【実施例２】
【００６９】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２にあっては、［工程−１００］、［工程−１２０］〜［工程−１４０］と同様の工程を実行した。即ち、［工程−１１０］を省略した。
【００７０】
これによって、実施例２にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上に厚さ１０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）から成る量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第２材料層２２中のみに導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１０ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
【実施例３】
【００７１】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例３においては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内（量子井戸層に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され得る範囲内）に位置する。具体的には、実施例３にあっては、希土類原子が含まれている層（実施例３にあっては、第１材料層２１及び第２材料層２２の両方）において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第１材料層２１と量子井戸層２４の界面から１×１０-9ｍ（１ｎｍ）の範囲内に位置し、また、第２材料層２２と量子井戸層２４の界面から１×１０-9ｍ（１ｎｍ）の範囲内に位置する。尚、［工程−１１０］と同様の工程において、例えば、希土類原子２３をテルビウム（Ｔｂ）とする場合の第１材料層２１へのイオン注入条件を、以下の表４に例示し、［工程−１４０］において、第２材料層２２へのイオン注入条件を、以下の表５に例示する。
【００７２】
［表４］
加速エネルギー：０．１ｋｅＶ〜３ｋｅＶ
イオン種      ：Ｔｂ3+
ドーズ量      ：１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2
【００７３】
［表５］
加速エネルギー：６２０ｋｅＶ
イオン種      ：Ｔｂ3+
ドーズ量      ：１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2
【００７４】
これによって、実施例３にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にシリコン（Ｓｉ）から成る厚さ１０ｎｍの量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第１材料層２１及び第２材料層２２中に導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
【００７５】
以下、実施例１及び実施例３の発光素子における希土類原子（実施例１及び実施例３にあっては、より具体的には、希土類原子に由来したイオン）の導入位置について説明する。ここで、希土類原子２３が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層と量子井戸層の界面から距離「ｄ」だけ離れているとする。
【００７６】
このｄの値が１００ｎｍである場合、例えば、フェルスター機構によるエネルギー遷移が期待される１０ｎｍ以内に量子井戸層２４と希土類原子２３とが接近している場合があり得るので、量子井戸層２４が存在しない場合と比較して、発光素子の発光効率が若干なりとも向上することを期待することができる。
【００７７】
一方、このｄの値が１０ｎｍである場合、例えば、共鳴的双極子−双極子相互作用によるエネルギー移動であるフェルスター機構（Foerster機構）に基づく移動距離の上限は１０ｎｍであると云われており、エネルギーの遷移効率の大幅なる向上を期待することができる。
【００７８】
更には、このｄの値が１ｎｍである場合、例えば、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動であるデクスター機構（Dexter機構、交換機構とも呼ばれる）に基づく移動距離の上限は１ｎｍであると云われており、エネルギーの遷移効率の一層大幅なる向上を期待することができる。
【００７９】
［比較例１］
比較例１として、［工程−１００］〜［工程−１４０］と同様の工程を実行した。但し、［工程−１１０］と同様の工程においては、第１材料層２１の表面から１００ｎｍの位置に、厚さ方向の希土類原子２３の濃度ピークが位置するように、希土類原子２３（より具体的には、希土類原子に由来したイオン）をイオン注入する（表６のイオン注入条件を参照）。また、量子井戸層２４と第２材料層２２の界面から第２材料層２２の内部、１００ｎｍの位置に厚さ方向の希土類原子２３の濃度ピークが位置するように（云い換えれば、第２材料層２２表面から１００ｎｍの深さの位置するように）、希土類原子２３（より具体的には、希土類原子に由来したイオン）をイオン注入する（表６のイオン注入条件を参照）。
【００８０】
［表６］
加速エネルギー：３００ｋｅＶ
イオン種      ：Ｔｂ3+
ドーズ量      ：１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2
【００８１】
これによって、比較例１にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にシリコン（Ｓｉ）から成る厚さ１０ｎｍの量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第１材料層２１及び第２材料層２２中に導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１００ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
【００８２】
［比較例２］
また、比較例２として、比較例１と同じ工程を実行した。但し、［工程−１１０］を省略した。
【００８３】
これによって、比較例２にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にシリコン（Ｓｉ）から成る厚さ１０ｎｍの量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第２材料層２２中のみに導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１００ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
【００８４】
［比較例３］
更には、比較例３として、［工程−１００］〜［工程−１４０］と同様の工程を実行した。但し、［工程−１２０］と同様の工程においては、量子井戸層を形成せずに、例えばＰＥ−ＣＶＤ法に基づき、第１材料層２１上に、厚さ１０ｎｍのＳｉＯ2層を形成し、［工程−１３０］と同様の工程においては、このＳｉＯ2層上に第２材料層２２を形成した。尚、このＳｉＯ2層は量子井戸層ではない。
【００８５】
これによって、比較例３にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にＳｉＯ2層が形成され、ＳｉＯ2層上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第１材料層２１及び第２材料層２２中に導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、ＳｉＯ2層から１０ｎｍ程度離れた位置に位置する比較例３の発光素子を得ることができた。
【００８６】
［比較例４］
また、比較のために、比較例４として、実施例１と同じ工程を実行した。但し、［工程−１１０］を省略し、且つ、量子井戸層２４の厚さを１００ｎｍとした。
【００８７】
これによって、比較例４にあっては、基板１１上に、ＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第１材料層２１が形成され、第１材料層２１上にシリコン（Ｓｉ）から成る厚さ１００ｎｍの量子井戸層２４が形成され、量子井戸層２４上にＳｉＯ2から成る厚さ２００ｎｍの第２材料層２２が形成され、第２材料層２２中のみに導入されたテルビウムイオン（Ｔｂ3+）の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層２４から１０ｎｍ程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
【００８８】
こうして得られた実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例４の発光素子の光学特性評価を、フォトルミネッセンス測定装置（励起光：Ｈｅ−Ｃｄレーザ、励起パワー：３０ｍＷ、ディテクター：シリコンフォトディテクター）を用いて、室温環境下で行った。具体的には、Ｈｅ−Ｃｄレーザを照射した発光素子から射出された光をシリコンフォトディテクターで受光し、波長５４５ｎｍ付近に発光ピークを有する光のフォトルミネッセンス発光強度（以下、単に、発光強度と呼ぶ）を読み取った。光学特性の結果を表７に示す。尚、発光強度は、実施例１の発光強度の値を「１」としたときの相対値で表している。また、表７においては、フォトルミネッセンス発光強度を、単に「発光強度」と表記している。
【００８９】
［表７]
2006164938.tif 000003
【００９０】
表７から、実施例１及び実施例２の発光素子の発光強度は、量子井戸層２４が存在するが故に、比較例３の発光素子の発光強度に比べて、高いことが判る。また、比較例１及び比較例２の発光素子の発光強度は、量子井戸層２４が存在するが故に、比較例３の発光素子の発光強度よりも高いが、希土類原子２３が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置の最適化が図られていないが故に、実施例１及び実施例２の発光素子の発光強度よりも低いことが判る。更には、実施例３の発光素子（ｄ＝１ｎｍ）の発光強度は、実施例１及び実施例２の発光素子（ｄ＝１０ｎｍ）の発光強度よりも高いことが判る。また、比較例４から、量子井戸層の厚さが厚いと、発光強度が低下することが判る。
【００９１】
以上の分析結果から、実施例１〜実施例３によれば、基体上に形成された発光層を、量子井戸層と、希土類原子としてテルビウムイオンを含んだＳｉＯ2から成る第１材料層及び／又は第２材料層とから構成することで、絶縁体であるＳｉＯ2層にテルビウムイオンを分散させただけの発光素子（比較例３）に比べて、より高い発光強度を得ることができ（即ち、より高い発光効率を得ることができ）、しかも、希土類原子２３が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置の最適化を図ることで、一層高い発光強度を得ることができることが判る。
【実施例４】
【００９２】
実施例４は、本発明の第２の態様に係る発光素子、及び、本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法に関する。
【００９３】
実施例４の発光素子の模式的な一部断面図を図２の（Ａ）に示す。この実施例４の発光素子３０は、シリコン半導体基板から成る基板３１（基体に相当する）上に形成された発光層４０を備えている。そして、実施例４において、発光層４０は、量子ドット４１、並びに、量子ドット４１の表面に付着した希土類原子４３から成る。尚、図２の（Ａ）にあっては、量子ドット４１が規則正しく配列されているように図示しているが、実際には、量子ドット４１はランダムに配列されている。ここで、量子ドット４１は、シリコン（Ｓｉ）から成り、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成る材料層４２中に一種の分散状態で存在する。
【００９４】
希土類原子４３はユーロビウム（Ｅｕ）であり、この場合、Ｅｕ3+を含む発光素子は赤色（波長：６１５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子４３はプラセオジウム（Ｐｒ）であり、この場合、Ｐｒ3+を含む発光素子は赤色（波長：６０５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子４３はエルビウム（Ｅｒ）であり、この場合、Ｅｒ3+を含む発光素子は橙色（波長：５７０ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子４３はテルビウム（Ｔｂ）であり、この場合、Ｔｂ3+を含む発光素子は緑色（波長：５４５ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子４３はセリウム（Ｃｅ）であり、この場合、Ｃｅ3+を含む発光素子は青色（波長：５３０ｎｍ）を発光し、あるいは又、希土類原子４３はツリウム（Ｔｍ）であり、この場合、Ｔｍ3+を含む発光素子は青色（波長：４５０ｎｍ）を発光する。尚、希土類原子４３を、以上に説明した、あるいは、それ以外の希土類原子の複数種から構成することもでき、この場合の発光色は、希土類原子が発光する特有の発光色の混色となる。
【００９５】
以下、実施例４の発光素子の製造方法を説明する。
【００９６】
［工程−４００］
先ず、シリコン半導体基板を陽極酸化（陽極化成）することによって、多孔質のシリコン半導体基板を得た後、このシリコン半導体基板を溶媒中で超音波処理することで、シリコンから成る量子ドット４１を得る。
【００９７】
具体的には、図２の（Ｂ）に概念図を示すように、シリコン半導体基板（例えば、ｐ型シリコン半導体基板：抵抗率＝１Ωｃｍ〜１０Ωｃｍ）４４を、フッ酸（５０重量％）とエタノール溶液とを体積比１：１の割合で混合した電解溶液４５中において、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ2で陽極酸化（陽極化成）して、シリコン半導体基板４４を多孔質化する。即ち、多孔質のシリコン半導体基板を得る。このとき、シリコン半導体基板４４を陽極として用い、対極に白金電極４６を用いる。
【００９８】
その後、例えばトルエンから成る溶媒中で、陽極酸化によって得られた多孔質のシリコン半導体基板４４を超音波処理する。その結果、多孔質のシリコン半導体基板４４からシリコンから成る量子ドット４１がふるい落とされ、溶媒中に分散される。次いで、溶媒中に分散させた量子ドット４１を遠心分離機を用いてサイズ毎に選別し、粒径のほぼ揃ったシリコンから成る量子ドット４１を得ることができる。尚、量子ドット４１は、希ガス中のレーザアブレーション法を用いても得ることができる。
【００９９】
［工程−４１０］
次に、無電解めっき法により、希土類原子４３を、量子ドット４１の表面に付着させる。無電解めっき法において使用するめっき浴は、例えば、クエン酸ナトリウム、次亜リン酸ナトリウム、及び、硫酸アンモニウムから成る。ここで、クエン酸ナトリウムは、水酸化物の沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴中でめっき層を形成するイオンと安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として用いられる。また、次亜リン酸ナトリウムは、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として用いられる。更には、硫酸アンモニウムは、めっき浴の分解を防止する安定剤とし用いられる。このめっき浴に、希土類元素の硫酸塩（例えば、ユーロビウム（Ｅｕ）の硫酸塩、プラセオジウム（Ｐｒ）の硫酸塩、エルビウム（Ｅｒ）の硫酸塩、テルビウム（Ｔｂ）の硫酸塩、セリウム（Ｃｅ）の硫酸塩、ツリウム（Ｔｍ）の硫酸塩）を溶解して、水素イオン濃度（ｐＨ）が８程度になるように水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）溶液を加え、９０゜Ｃに加熱する。そして、［工程−４００］で得られたシリコン（Ｓｉ）から成る量子ドット４１をめっき浴中に投入し、所望量の希土類原子が量子ドット４１の表面に付着されるまで、放置する。こうして、無電解めっき法により、希土類原子を含む量子ドット４１を得ることができる。無電解めっき処理後、量子ドット４１を超純水で洗浄し、めっき浴の溶液を洗い流す。
【０１００】
尚、希土類原子４３を、量子ドット４１の表面に付着させる方法は、無電解めっき法に限定されず、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル法）を採用することもできる。また、希土類原子４３を、量子ドット４１の内部に含ませる（拡散させる）方法として、例えば、イオン注入法を挙げることができる。
【０１０１】
［工程−４２０］
次に、［工程−４１０］で得られた量子ドット４１とシリコンアルコキシドとを混合して生成物を得る。具体的には、量子ドット４１とシリコンアルコキシドとを混合した後、アルカリ又は酸を触媒として添加して、シリコンアルコキシドを加水分解する。こうして、ゾル状若しくはゲル状の生成物を得ることができる。
【０１０２】
より具体的には、例えばポリプロピレン製の容器に、［工程−４１０］で得られた所望量の量子ドット４１、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）、及び、メタノールを加え、更に、モル比にしてテトラエトキシシランの２倍以上のモル数の水を加える。更には、容器の底へ乾燥制御剤としてＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを加えて、攪拌する。この混合溶液に、触媒として０．１Ｎの水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ，アンモニア水溶液）を加え、更に攪拌した後、容器に蓋をして、室温にて数日間放置する。この間、テトラエトキシシランの加水分解が進行し、ゲル化する。その後、容器の蓋を少し開け、室温にて放置し、容器内の溶媒を徐々に揮発させ、内容物を徐々に乾燥させる。更に、例えば５０゜Ｃの恒温槽中にて乾燥させて、粘度の高いゲル状の生成物を得る。尚、シリコンアルコキシドとして、テトラエトキシシランを用いる代わりに、例えばテトラメトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ3）4）等を用いることもできる。また、触媒として０．１Ｎのアンモニア水溶液を用いたが、これに限定されるものではなく、塩酸等を用いることもできる。
【０１０３】
［工程−４３０］
次に、量子ドット４１とシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基板３１に付着させた後、生成物をアニール処理する。具体的には、例えば、スクリーン印刷法に基づき、シリコン半導体基板から成る基板３１に、［工程−４２０］で得られたゲル状生成物を塗布する。
【０１０４】
次に、シリコン半導体基板から成る基板３１上に塗布されたゲル状の生成物をアニール処理する。このアニール処理の条件として、例えば、アルゴン、窒素等の不活性な雰囲気中での４００゜Ｃ〜１０００゜Ｃ程度においての加熱処理を例示することができる。こうして、量子ドット４１、並びに、量子ドット４１の表面に付着し、及び／又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子４３から成る発光層４０を得ることができ、この場合、量子ドット４１は、シリコン（Ｓｉ）から成り、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成る材料層４２中に一種の分散状態で存在する。材料層４２は、テトラエトキシシランを出発物質としており、テトラエトキシシランの加水分解の結果物である。
【０１０５】
［工程−４３０］において、スクリーン印刷法に基づきゲル状生成物を塗布すれば、即ち、発光単位毎（画素毎）に発光素子の発光層に塗り分ることで、例えば、大画面の表示装置においても、発光素子の発光層を、精度良く、しかも既存の気相プロセスに比べて、より低い消費エネルギーで形成することができる。また、希土類原子４３を、量子ドット４１の表面に付着させる方法として無電解めっき法を採用すれば、高真空状態とする必要がないため、表示装置の大型化に比較的容易に対応することができ、更には、プロセスに要する消費エネルギーを低減させることができる。また、真空プロセスで大画面の表示装置を作製する場合、成膜精度の劣化が生じる虞があるが、スクリーン印刷法に基づきゲル状生成物を基体に塗布すれば、大画面の表示装置を構成する発光素子あるいは発光装置の製造を高精度にて行うことができる。
【実施例５】
【０１０６】
実施例５は、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光素子、及び、複数の電流注入型エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光装置に関する。図３の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子である発光素子６０は、基体（例えばｐ型シリコン半導体基板６２）上に形成された発光層６１を備えている。ここで、発光層６１は、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の構造を有する。そして、実施例５における発光素子６０は、ｐ型シリコン半導体基板６２上に形成されたＳｉＮから成る絶縁層６５によって、隣接する発光素子（図示せず）から分離されている。絶縁層６５によって囲まれた発光層の大きさや平面形状は、表示装置の規格に応じて適宜選択して決定すればよく、例えば、１ｍｍ角の平面形状を例示することができる。
【０１０７】
実施例５の発光素子６０は、以下の製造方法で製造することができる。即ち、基体に相当するｐ型シリコン半導体基板６２の表面に、例えば、ＰＥ−ＣＶＤ法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、絶縁層６５を形成する。次いで、絶縁層６５によって囲まれ、露出したｐ型シリコン半導体基板６２の部分に、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法に基づき、発光層６１を形成する。その後、発光層６１上から絶縁層６５上に亙り、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、ｎ型ＩＴＯ層６３から成る透明電極を形成し、更に、ｎ型ＩＴＯ層６３上に、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、金属電極６４を形成する。
【０１０８】
その後、ｐ型シリコン半導体基板６２に周知の方法で、発光素子１つ当たり１つのＭＯＳ型トランジスタ５０を作製する。そして、このＭＯＳ型トランジスタ５０のオン／オフ制御によって、電源５１から発光素子６０に電流を流すことで、発光層６１を発光させることができる。場合によっては、実施例５あるいは後述する実施例６において、発光層の下方に光反射層を形成してもよく、これによって、発光層において発光した光を、効率良く、発光素子からその上方に向かって射出することができる。
【０１０９】
発光装置を構成する発光素子の配列を、図８〜図１７の模式図を参照して説明する。尚、図８〜図１７において、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｏ」のアルファベットは、それぞれ、赤色、緑色、青色、橙色を発光する発光素子を意味する。また、赤色を発光する発光素子を赤色発光素子Ｒと呼び、緑色を発光する発光素子を緑色発光素子Ｇと呼び、青色を発光する発光素子を青色発光素子Ｂと呼び、橙色を発光する発光素子を橙色発光素子Ｏと呼ぶ。図８〜図１７の模式図を参照して説明する発光装置を構成する発光素子の配列は、実施例５〜実施例９に適用することができる。
【０１１０】
更には、赤色に相当する第１の波長λ1（例えば、６１５ｎｍ）の光を発光する第１の発光素子（赤色発光素子Ｒであり、希土類原子としてＥｕ3+を含む）、緑色に相当する第２の波長λ2（例えば、５４５ｎｍ）の光を発光する第２の発光素子（緑色発光素子Ｇであり、希土類原子としてＴｂ3+を含む）、及び、青色に相当する第３の波長λ3（例えば、４５０ｎｍ）の光を発光する第３の発光素子（青色発光素子Ｂであり、希土類原子としてＴｍ3+を含む）の３種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニット（１画素に相当する）が構成され、発光装置は複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。あるいは又、赤色に相当する第１の波長λ1（例えば、６１５ｎｍ）の光を発光する第１の発光素子（赤色発光素子Ｒであり、希土類原子としてＥｕ3+を含む）、緑色に相当する第２の波長λ2（例えば、５４５ｎｍ）の光を発光する第２の発光素子（緑色発光素子Ｇであり、希土類原子としてＴｂ3+を含む）、青色に相当する第３の波長λ3（例えば、４５０ｎｍ）の光を発光する第３の発光素子（青色発光素子Ｂであり、希土類原子としてＴｍ3+を含む）、及び、それ以外の色である橙色に相当する第４の波長λ4（例えば、５７０ｎｍ）の光を発光する第４の発光素子（橙色発光素子Ｏであり、希土類原子としてＥｒ3+を含む）の４種類の発光素子によって、１つの発光素子ユニット（１画素に相当する）が構成され、発光装置は複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。
【０１１１】
図８に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は長方形である。また、図９に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は正方形である。そして、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏを構成する発光層の平面形状は正方形であり、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏが、Ｘ方向及びＹ方向に配列されている。図８に示す例にあっては、１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ及び青色発光素子Ｂの３種類の発光素子が、Ｙ方向に順に配列されており、複数の画素（複数の発光素子ユニット）は、Ｘ方向及びＹ方向に２次元マトリックス状に配列されている。そして、図８に示す例にあっては、Ｘ方向には同色の発光素子が配列されている。一方、図９に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂ及び橙色発光素子Ｏの４種類の発光素子が、Ｘ方向及びＹ方向に順に配列されており、複数の画素（複数の発光素子ユニット）は、Ｘ方向及びＹ方向に２次元マトリックス状に配列されている。発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏのそれぞれに、オン／オフ制御のためのトランジスタ（図示せず）が設けられている。
【０１１２】
図１０及び図１１に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は長方形である。そして、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏを構成する発光層の平面形状は長方形であり、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏが、Ｘ方向及びＹ方向に配列されている。図１０に示す例にあっては、１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ及び青色発光素子Ｂの３種類の発光素子の長手方向はＹ方向に延び、これらの発光素子Ｒ，Ｇ，ＢはＸ方向に順に配列されており、複数の画素（複数の発光素子ユニット）は、Ｘ方向及びＹ方向に２次元マトリックス状に配列されている。一方、図１１に示す例にあっては、１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂ及び橙色発光素子Ｏの４種類の発光素子の長手方向はＹ方向に延び、これらの発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＯはＸ方向に順に配列されており、複数の画素（複数の発光素子ユニット）は、Ｘ方向及びＹ方向に２次元マトリックス状に配列されている。発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏのそれぞれに、オン／オフ制御のためのトランジスタ（図示せず）が設けられている。
【０１１３】
図１２に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は３つの正六角形が組み合わされた形状を有し、図１３に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は４つの正六角形が組み合わされた形状を有する。一方、図１４に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は正三角形であり、図１５に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は菱形である。そして、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏを構成する発光層の平面形状は、正六角形、あるいは、円形であり、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏは、ハニカム状に、即ち、正三角形の頂点に配列されている。図１２及び図１４に示す例にあっては、１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂの３種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されており、図１２に示す例にあっては、水平方向には同色の発光素子が所定間隔を置いて配列されており、図１４に示す例にあっては、水平方向に、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ及び青色発光素子Ｂが、順に、所定間隔を置いて配列されている。一方、図１３及び図１５に示す例にあっては、１画素（１つの発光素子ユニット）において、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂ及び橙色発光素子Ｏの４種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されており、図１３に示す例にあっては、水平方向には同色の発光素子が所定間隔を置いて配列されており、図１５に示す例にあっては、水平方向に、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂ及び橙色発光素子Ｏが、順に、所定間隔を置いて配列されている。発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏのそれぞれに、オン／オフ制御のためのトランジスタ（図示せず）が設けられている。
【０１１４】
図１６に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は正六角形である。そして、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂを構成する発光層の平面形状は、正六角形を三等分した菱形であり、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂは、正三角形の頂点に配列されている。ここで、１画素（１つの発光素子ユニット）においては、赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂの３種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されている。そして、例えば、Ｙ方向には３種類の発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂの内、１種類の発光素子（例えば青色発光素子Ｂ）が配置され、右斜め３０度の方向には例えば赤色発光素子Ｒが配置され、左斜め３０度の方向には例えば緑色発光素子Ｇが配置されている。発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれに、オン／オフ制御のためのトランジスタ（図示せず）が設けられている。
【０１１５】
図１７に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す１画素（１つの発光素子ユニット）の平面形状は正三角形である。そして、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂを構成する発光層の平面形状は、正三角形を三等分した二等辺三角形であり、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂの３種類の発光素子は、正三角形の頂点に配列されている。その際、或る画素内の発光素子と、その発光素子に隣接する画素内の発光素子とは同色を発光する発光素子とはならないように配列されている。発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれに、オン／オフ制御のためのトランジスタ（図示せず）が設けられている。
【０１１６】
実施例５あるいは後述する実施例６の表示装置にあっては、本発明の発光素子を用いたことにより、自発光、軽量、薄型の表示装置を実現することが可能である。更には、希土類原子を、イオン注入法やスクリーン印刷法等に基づき発光層中に形成する場合、青色発光素子Ｂ、緑色発光素子Ｇ、赤色発光素子Ｒ、橙色発光素子Ｏの製造プロセスにおいて、イオン注入処理やスクリーン印刷等以外のプロセスは、全て、全発光素子について共通であるが故に、プロセスを簡略化することができる。また、スパッタリング法等で発光層を形成する場合、発光層の形成プロセス以外のプロセスは、全て、全発光素子について同様に作製できるが故に、プロセスを簡略化することができる。尚、発光素子Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｏのそれぞれのオン／オフ制御のためのトランジスタ（例えばＭＯＳ型トランジスタや薄膜トランジスタ）は、発光素子が形成された基体の面と同じ面に形成してもよいし、発光素子が形成された面と反対の面に形成してもよい。
【実施例６】
【０１１７】
実施例６も、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、真性エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光素子、及び、複数の真性エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光装置に関する。図３の（Ｂ）に模式的な一部断面図を示すように、真性エレクトロルミネッセンス素子である発光素子７０は、基体（例えばシリコン半導体基板から成るアノード電極７２）上に形成された発光層７１を備えている。ここで、発光層７１は、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の構造を有する。そして、実施例６における発光素子７０は、アノード電極７２上に形成されたＳｉＮから成る絶縁層７５によって、隣接する発光素子（図示せず）から分離されている。絶縁層７５によって囲まれた発光層の大きさや平面形状は、表示装置の規格に応じて適宜選択して決定すればよく、例えば、１ｍｍ角の平面形状を例示することができる。
【０１１８】
実施例６の発光素子７０は、以下の製造方法で製造することができる。即ち、基体に相当するアノード電極７２の表面に、例えば、ＰＥ−ＣＶＤ法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、絶縁層７５を形成する。次いで、絶縁層７５によって囲まれ、露出したアノード電極７２の部分に、ＳｉＯ2から成る絶縁膜７６を形成した後、この絶縁膜７６上に、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法に基づき、発光層７１を形成する。その後、発光層７１上に、ＳｉＯ2から成る絶縁膜７７を形成し、次いで、絶縁膜７７上から絶縁層７５上に亙り、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、ＩＴＯ層から成る透明カソード電極７３を形成し、更に、透明カソード電極７３上に、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、金属電極７４を形成する。
【０１１９】
その後、アノード電極７２（シリコン半導体基板）に周知の方法で、発光素子１つ当たり１つのＭＯＳ型トランジスタ５０を作製する。そして、このＭＯＳ型トランジスタ５０のオン／オフ制御によって電源５１から印加された電圧に基づき電場を形成することで、発光素子７０の発光層７１を発光させることができる。
【実施例７】
【０１２０】
実施例７も、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、光励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の光励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、複数の光励起型発光素子から構成され、発光ダイオードを備えた発光装置に関する。図４に模式的な一部断面図を示すように、光励起型発光素子である発光素子８０は、基体（封止層８９が相当する）上に形成された発光層８１を備えている。ここで、発光層８１は、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の構造を有し、封止層８９を基体として、実施例１〜実施例３において説明した本発明の第１の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。
【０１２１】
実施例７にあっては、封止層８９の下に、発光ダイオードが設けられている。この発光ダイオードは、半導体性、半絶縁性あるいは絶縁性の基板８２上に形成されたＰ型電極８３、Ｐ型電極８３上に、順次、形成されたＰ型クラッド層８４、活性層８５、Ｎ型クラッド層８６、Ｎ型クラッド層８６上に形成されたＮ型電極８７、Ｎ型電極８７上に形成された金属電極８８から成り、金属電極８８及びＮ型電極８７を覆うように封止層８９が形成されている。尚、発光ダイオードは、ＭＯＣＶＤ法等の周知の方法で作製することができる。発光ダイオードの発光色は、表示装置の規格に応じて、適宜、決定すればよい。また、Ｐ型電極８３からＮ型電極８７までの積層の順序を逆にしてもよい。
【０１２２】
このような光励起型発光素子から成る発光素子８０にあっては、発光ダイオードから射出された光によって発光素子８０における発光層８１を励起することで、発光素子８０を発光させることができる。また、光反射層を形成してもよく、これによって、発光層において発光した光を、効率良く、発光素子から射出することができる。
【実施例８】
【０１２３】
実施例８も、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、光励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の光励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、プラズマ表示装置に関する。
【０１２４】
図５に一部分の分解斜視図を示す実施例８のプラズマ表示装置は、３電極型のプラズマ表示装置であり、第１パネル９０、並びに、第２パネル９４が、それらの外周部で接合されて成る。ここで、第１パネル９０は、透明な第１基板９１と、第１基板９１上にストライプ状に設けられ、例えばＩＴＯといった透明導電材料から成る複数の一対の放電維持電極９２Ａと、放電維持電極９２Ａのインピーダンスを低下させるために放電維持電極９２Ａ上に設けられ、放電維持電極９２Ａよりも電気抵抗率の低い材料から成るバス電極９２Ｂと、バス電極９２Ｂ及び放電維持電極９２Ａ上を含む第１基板９１上に形成された誘電体層９３Ａと、誘電体層９３Ａ上に形成されたＭｇＯから成る保護膜９３Ｂから構成されている。
【０１２５】
一方、第２パネル９４は、第２基板９５と、第２基板９５上にストライプ状に設けられた複数のアドレス電極（データ電極とも呼ばれる）９６と、アドレス電極９６上を含む第２基板９５上に形成された誘電体材料層９７と、誘電体材料層９７上であって隣り合うアドレス電極９６の間の領域にアドレス電極９６と平行に延びる絶縁性の隔壁９８と、誘電体材料層９７上から隔壁９８の側壁面上に亙って設けられた発光領域９９とから構成されている。発光領域９９は、プラズマ表示装置においてカラー表示を行う場合、赤色発光素子Ｒから成る赤色発光領域９９Ｒ、緑色発光素子Ｇから成る緑色発光領域９９Ｇ、及び、青色発光素子Ｂから成る青色発光領域９９Ｂから構成されており、これらの各色の発光領域９９Ｒ，９９Ｇ，９９Ｂが所定の順序に従って設けられている。図５は一部分の分解斜視図であり、実際には第２パネル９４側の隔壁９８の頂部が第１パネル９０側の保護膜９３Ｂに当接している。そして、隣り合う隔壁９８と発光領域９９と保護膜９３Ｂとによって囲まれた放電空間内には、例えばＮｅ（ネオン）とＸｅ（キセノン）の混合ガスから成る放電ガスが封入されている。
【０１２６】
放電維持電極９２Ａの射影像が延びる方向とアドレス電極９６の射影像が延びる方向とは直交しており、一対の放電維持電極９２Ａと、３原色を発光する発光領域９９Ｒ，９９Ｇ，９９Ｂの１組とが重複する領域が１画素（１ピクセル）に相当する。グロー放電が一対の放電維持電極９２Ａ間で生じることから、このタイプのプラズマ表示装置は「面放電型」と称される。そして、一対の放電維持電極９２Ａと、２つの隔壁９８の間に位置するアドレス電極９６とが重複する領域が、放電セルに相当し、且つ、サブ・ピクセルに相当する。即ち、１つの放電セル（１サブ・ピクセル）は、１つの発光領域９９と、一対の放電維持電極９２Ａと、１つのアドレス電極９６とによって構成されている。
【０１２７】
プラズマ表示装置の駆動においては、一対の放電維持電極９２Ａ間に電圧を印加する直前に、例えば、放電セルの放電開始電圧よりも低いパルス電圧をアドレス電極９６に印加することで、誘電体層９３Ａに電荷を蓄積し（表示を行う放電セルの選択）、見掛け上の放電開始電圧を低下させる。そして、一対の放電維持電極９２Ａの間で開始された放電は、放電開始電圧よりも低い電圧にて維持され得る。放電セルにおいては、放電ガス中でのグロー放電に基づき発生した真空紫外線の照射によって励起された発光領域９９が、希土類原子の種類に応じた特有の発光色を呈する。尚、封入された放電ガスの種類に応じた波長を有する真空紫外線が発生する。
【０１２８】
ここで、発光領域９９は、従来のプラズマ表示装置を構成する所謂蛍光体層としての機能を果たす。発光領域９９を構成する赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂは、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の構造を有し、第２基板９５を基体として、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。
【実施例９】
【０１２９】
実施例９も、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、電子線励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の電子線励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、複数の電子線励起型発光素子から構成され、複数の冷陰極電界電子放出素子を備えた発光装置（より具体的には、冷陰極電界電子放出表示装置）に関する。
【０１３０】
一例として、スピント型の冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と略称する）を有する冷陰極電界電子放出表示装置の概念的な一部端面図を図６に示し、カソードパネルＣＰ及びアノードパネルＡＰを分解したときのカソードパネルＣＰとアノードパネルＡＰの一部分の模式的な分解斜視図を図７に示す。
【０１３１】
電子放出源であるスピント型電界放出素子は、支持体１１０に形成されたカソード電極１１１と、支持体１１０及びカソード電極１１１上に形成された絶縁層１１２と、絶縁層１１２上に形成されたゲート電極１１３と、ゲート電極１１３及び絶縁層１１２に設けられた開口部１１４（ゲート電極１１３に設けられた第１開口部１１４Ａと、絶縁層１１２に設けられた第２開口部１１４Ｂ）と、開口部１１４の底部に位置するカソード電極１１１上に形成された円錐形の電子放出部１１５から構成されている。
【０１３２】
冷陰極電界電子放出表示装置において、カソード電極１１１は、第１方向に延びる帯状であり、ゲート電極１１３は、第１方向とは異なる第２方向に延びる帯状である（図７参照）。一般に、カソード電極１１１とゲート電極１１３とは、これらの両電極１１１，１１３の射影像が互いに直交する方向に各々帯状に形成されている。帯状のカソード電極１１１と帯状のゲート電極１１３とが重複する重複領域が、電子放出領域ＥＡであり、１サブ・ピクセルに相当する。そして、係る電子放出領域ＥＡが、カソードパネルＣＰの有効領域（実際の表示部分として機能する領域）内に、通常、２次元マトリックス状に配列されている。
【０１３３】
一方、アノードパネルＡＰは、基体に相当する基板１２０上に所定のパターンを有する発光領域１２２（具体的には、赤色発光素子Ｒから成る赤色発光領域１２２Ｒ、緑色発光素子Ｇから成る緑色発光領域１２２Ｇ、及び、青色発光素子Ｂから成る青色発光領域１２２Ｂ）が形成され、発光素子から成る発光領域１２２がアノード電極１２４で覆われた構造を有する。尚、これらの発光領域１２２の間は、カーボン等の光吸収性材料から成る光吸収層（ブラックマトリックス）１２３で埋め込まれており、表示画像の色濁り、光学的クロストークの発生を防止している。図中、参照番号１２１は隔壁を表し、参照番号１２６はスペーサを表し、参照番号１２５はスペーサ保持部を表し、参照番号１２７は枠体を表し、参照番号１１６は収束電極を表す。図７においては、隔壁やスペーサ、スペーサ保持部、収束電極の図示を省略した。
【０１３４】
ここで、発光領域１２２は、従来の冷陰極電界電子放出表示装置を構成するアノードパネルにおける所謂蛍光体層としての機能を果たす。発光領域１２２を構成する赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂは、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の構造を有し、基板１２０を基体として、実施例４において説明した本発明の第２の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。
【０１３５】
１サブ・ピクセルは、カソードパネル側の電子放出領域ＥＡと、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の発光領域１２２とによって構成されている。有効領域には、係る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。
【０１３６】
そして、アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰとを、電子放出領域ＥＡと発光領域１２２とが対向するように配置し、周縁部において枠体１２７を介して接合した後、排気し、封止することによって、冷陰極電界電子放出表示装置を作製することができる。アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰと枠体１２７によって囲まれた空間は高真空（例えば、１×１０-3Ｐａ以下）となっている。
【０１３７】
カソード電極１１１には相対的に負電圧がカソード電極制御回路１３１から印加され、ゲート電極１１３には相対的に正電圧がゲート電極制御回路１３２から印加され、アノード電極１２４にはゲート電極１１３よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路１３３から印加される。係る冷陰極電界電子放出表示装置において表示を行う場合、例えば、カソード電極１１１にカソード電極制御回路１３１から走査信号を入力し、ゲート電極１１３にゲート電極制御回路１３２からビデオ信号を入力する。あるいは、カソード電極１１１にカソード電極制御回路１３１からビデオ信号を入力し、ゲート電極１１３にゲート電極制御回路１３２から走査信号を入力する。カソード電極１１１とゲート電極１１３との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部１１５から電子が放出され、この電子がアノード電極１２４に引き付けられ、アノード電極１２４を通過して発光領域１２２を構成する赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂに衝突する。その結果、発光領域１２２を構成する赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂが発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この冷陰極電界電子放出表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極１１３に印加される電圧、及び、カソード電極１１１に印加される電圧によって制御される。
【０１３８】
冷陰極電界電子放出素子の代わりに、表面伝導型電子放出素子と通称される電子放出素子から電子放出源を構成することもできる。この表面伝導型電子放出素子は、支持体上に酸化錫（ＳｎＯ2）、金（Ａｕ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）／酸化錫（ＳｎＯ2）、カーボン、酸化パラジウム（ＰｄＯ）等の導電材料から成り、微小面積を有し、所定の間隔（ギャップ）を開けて配された一対の電極がマトリックス状に形成されて成る。それぞれの電極の上には炭素薄膜が形成されている。そして、一対の電極の内の一方の電極に行方向配線が接続され、一対の電極の内の他方の電極に列方向配線が接続された構成を有する。一対の電極に電圧を印加することによって、ギャップを挟んで向かい合った炭素薄膜に電界が加わり、炭素薄膜から電子が放出される。係る電子をアノードパネル上の発光領域を構成する赤色発光素子Ｒ、緑色発光素子Ｇ、青色発光素子Ｂに衝突させることによって、発光領域が発光し、所望の画像を得ることができる。あるいは又、代替的に、金属／絶縁膜／金属型素子から電子放出源を構成することもできる。
【０１３９】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１４０】
実施例１〜実施例３においては、第１材料層２１及び第２材料層２２の膜厚を２００ｎｍとしたが、このような厚さに限定するものではないし、量子井戸層２４の厚さを１０ｎｍとしたが、このような厚さに限定するものでもない。また、量子井戸層２４を、半導体２次元量子井戸、半導体１次元量子井戸（例えば、量子細線）、半導体０次元量子井戸（例えば、量子ドット、ナノクリスタル）から構成することができる。更には、希土類原子が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置（ｄ）は、使用する希土類原子、発光強度等に応じて、適宜、変更可能である。また、量子井戸層２４を構成する材料として、シリコン層の場合について説明したが、シリコン系酸化物（ＳｉＯX（０＜Ｘ≦２）、シリコンを主成分とする窒化シリコン等のシリコン系化合物、シリコン系化合物の混合物、Ｇｅ等の所謂シリコン族系材料、シリコン族系材料の混合物、その他の半導体材料やその混合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】図１の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の発光素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。
【図２】図２の（Ａ）は、実施例４の発光素子の模式的な一部断面図であり、図２の（Ｂ）は、実施例４の発光素子の製造方法の実行に適した陽極酸化法を行うための装置の概念図である。
【図３】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子を備えた発光装置、及び、真性エレクトロルミネッセンス素子から成る発光素子を備えた発光装置の模式的な一部断面図である。
【図４】図４は、光励起型発光素子から成る発光素子を備えた発光装置の模式的な一部断面図である。
【図５】図５は、発光装置としてのプラズマ表示装置を構成する第１パネル及び第２パネルを分解したときの第１パネルと第２パネルの一部分の模式的な分解斜視図である。
【図６】図６は、電子線励起型発光素子から成る発光素子を備えた発光装置である冷陰極電界電子放出表示装置の概念的な一部端面図である。
【図７】図７は、冷陰極電界電子放出表示装置を構成するカソードパネル及びアノードパネルを分解したときのカソードパネルとアノードパネルの一部分の模式的な分解斜視図である。
【図８】図８は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図９】図９は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１６】図１６は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、発光装置を構成する発光素子の配列を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，３０・・・発光素子、１１，３１・・・基板、２０・・・発光層、２１・・・第１材料層、２２・・・第２材料層、２３・・・希土類原子、２４・・・量子井戸層、４０・・・発光層、４１・・・量子ドット、４２・・・材料層、４３・・・希土類原子、４４・・・シリコン半導体基板、４５・・・電解溶液、４６・・・白金電極、５０・・・ＭＯＳ型トランジスタ、５１・・・電源、６０，７０，８０・・・発光素子、６１，７１，８１・・・発光層、６２・・・ｐ型シリコン半導体基板、６３・・・ｎ型ＩＴＯ層、６４，７４・・・金属電極、７２・・・アノード電極、７３・・・透明カソード電極、８２・・・基板、８３・・・Ｐ型電極、８４・・・Ｐ型クラッド層、８５・・・活性層、８６・・・Ｎ型クラッド層、８７・・・Ｎ型電極、８８・・・金属電極、８９・・・封止層、ＣＰ・・・カソードパネル、ＡＰ・・・アノードパネル、１１０・・・支持体、１１１・・・カソード電極、１１２・・・絶縁層、１１３・・・ゲート電極、１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ・・・開口部、１１５・・・電子放出部、１１６・・・収束電極、１２０・・・基板、１２１・・・隔壁、１２２，１２２Ｒ，１２２Ｇ，１２２Ｂ・・・発光領域、１２３・・・ブラックマトリックス、１２４・・・アノード電極、１２５・・・スペーサ保持部、１２６・・・スペーサ、１２７・・・枠体、１３１・・・カソード電極制御回路、１３２・・・ゲート電極制御回路、１３３・・・アノード電極制御回路
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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