(57)【要約】【課題】本発明は、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供するか、該発光素子を作製するか、或いは該発光素子に備わる半導体結晶の微粒子を作製することを目的とする。【解決手段】    本発明は、半導体結晶からなる微粒子を、微粒子よりもエネルギーギャップの大きな導電性媒質で充填した構造となっている。本発明の発光素子に備わる微粒子層は、微粒子のエネルギーギャップに比べて大きなエネルギーギャップを有する導電性媒質で微粒子の周囲を包囲している。これにより、微粒子内に効率よく正孔と電子を閉じ込めることが可能になる。このような状態の微粒子が導電性媒質内に複数分布しており、導電性媒質に供給された正孔と電子を微粒子内に閉じ込める。これにより、効率よく再結合発光させることが可能になる。【選択図】図５
2006054347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正孔供給層と、
半導体結晶の微粒子及び当該微粒子間を充填し、当該微粒子よりも大きなエネルギーギャップで正孔及び電子を当該微粒子に閉じ込める導電性媒質を有する微粒子層と、
電子供給層と、を順に備え、
前記正孔供給層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された正孔と前記電子供給層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された電子とを、前記微粒子内で再結合発光させる発光素子。
【請求項２】
ｐ型半導体層と、
半導体結晶の微粒子及び当該微粒子間を充填しかつ当該微粒子よりも大きなエネルギーギャップで正孔及び電子を当該微粒子に閉じ込める導電性媒質を有する微粒子層と、
ｎ型半導体層と、を順に備え、
前記ｐ型半導体層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された正孔と前記ｎ型半導体層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された電子とを、前記微粒子内で再結合発光させる発光素子。
【請求項３】
前記微粒子の大きさが、電子及び正孔のドブロイ波長以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記微粒子の大きさが、量子閉じ込め効果を発現する大きさであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記微粒子の大きさが、３００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下であり、かつ０．５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記微粒子が、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの発光素子。
【請求項７】
前記導電性媒質のキャリア密度が、１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの発光素子。
【請求項８】
前記微粒子層は、大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有することを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの発光素子。
【請求項９】
前記微粒子層は、複数の層から構成され、各層によって大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有することを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかの発光素子。
【請求項１０】
大きさ及び又は材料組成の異なる前記微粒子で発光する光が加法混色により白色となることを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記微粒子は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓから構成されていることを特徴とする請求項１から１０に記載のいずれかの発光素子。
【請求項１２】
前記導電性媒質は、導電性ポリマーから構成されていることを特徴とする請求項１から１１に記載のいずれかの発光素子。
【請求項１３】
半導体層にレジスト膜又は金属酸化膜を形成する工程と、
形成する微粒子の大きさに略等しい膜厚の半導体薄膜をレジスト膜又は金属酸化膜の上に形成する工程と、
前記レジスト膜又は前記金属酸化膜を除去して前記半導体薄膜をリフトオフする工程と、
リフトオフした半導体薄膜を破砕する工程と、を順に備える微粒子作製方法。
【請求項１４】
前記金属酸化膜を形成する工程は、積層したＡｌＡｓを高温水蒸気で酸化させることによりＡｌ２Ｏ３を形成することを特徴とする請求項１３に記載の微粒子作製方法。
【請求項１５】
前記リフトオフした半導体薄膜を破砕する工程は、超音波により半導体薄膜を破砕することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の微粒子作製方法。
【請求項１６】
半導体結晶の微粒子を該微粒子よりもエネルギーギャップの大きい導電性媒質に添加する微粒子添加工程と、
前記微粒子添加工程により微粒子を添加した導電性媒質をｐ型半導体とｎ型半導体との間に挟み込む挟み込み工程と、
前記挟み込み工程で挟み込んだ前記導電性媒質を前記ｐ型半導体及び前記ｎ型半導体の両側から加圧しながら前記導電性媒質を焼成する焼成工程と、を順に備える発光素子作製方法。
【請求項１７】
前記微粒子添加工程が、液化した導電性ポリマーに半導体結晶の微粒子を添加することを特徴とする請求項１６に記載の発光素子作製方法。
【請求項１８】
前記挟み込み工程において、スピンコートにより前記ｐ型半導体層又は前記ｎ型半導体層の上に前記導電性媒質を塗布することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の発光素子作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶の微粒子で光を発光する発光素子、その作製方法及び微粒子の作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子は、正孔を供給するｐ型半導体層と、正孔及び電子を再結合発光させる発光層と、電子を供給するｎ型半導体層と、が順に積層されている。発光層は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層よりも小さなエネルギーギャップを備え、そのエネルギーギャップの差により正孔と電子を閉じ込めるダブルへテロ構造が一般的に採用されている。
【０００３】
再結合発光により発光される光の波長は、正孔と電子が再結合するときのエネルギーギャップにより決まる。従来は半導体層を積層し、それぞれの層の材料組成によってエネルギーギャップを形成していたので、形成できるエネルギーギャップは基板の格子定数によって制限されていた。このため、発光素子から発光される光の波長は、基板の格子定数に合った材料組成によって形成できるエネルギーギャップからしか選択できなかった。とくに、材料組成の固有値よりも高いエネルギーで発光させるのが困難だった。
【０００４】
一方、材料組成でなく、その構造により発光素子から発光される光の波長を制御する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。量子効果が発現するような１０ｎｍ以下の大きさのＩＶ族の半導体からなる微結晶の周囲を薄い絶縁体膜で囲んだ構造となっている。微結晶の大きさすなわち粒径が５ｎｍであれば赤外から赤色にかけて、３ｎｍであれば赤色というように、微結晶の大きさにより発光する波長を制御することができる。
しかし、正孔と電子を閉じ込める微結晶はＩＶ族半導体であり、かつその周囲は絶縁体となっている。このため、トンネル効果によって正孔と電子とが絶縁体を通過し、ＩＶ族半導体に閉じ込められなければ再結合発光させることができなかった。
さらに、微結晶は半導体上に結晶成長により形成するので、微結晶の一部は積層する層に接している。このため、微結晶に正孔と電子を閉じ込める効果が弱くなっていた。また１０ｎｍ以下の大きさの構造物を歩留まりよく形成することは困難だった。
【特許文献１】特願平１０−１７８２７８号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供するか、該発光素子を作製するか、或いは該発光素子に備わる半導体結晶の微粒子を作製することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体結晶からなる微粒子を、微粒子よりもエネルギーギャップの大きな導電性媒質で充填した構造となっている。導電性媒質と微粒子のエネルギーギャップの例を図９に示した。図９において、４１は微粒子のエネルギーギャップ、４２は導電性媒質のエネルギーギャップを示す。本発明の発光素子に備わる微粒子層は、図９に示すように、微粒子のエネルギーギャップ４１に比べて大きなエネルギーギャップを有する導電性媒質４２で微粒子の周囲を包囲している。これにより、微粒子内に効率よく正孔と電子を閉じ込めることが可能になる。このような状態の微粒子が導電性媒質内に複数分布しており、導電性媒質に供給された正孔と電子を微粒子内に閉じ込める。これにより、効率よく再結合発光させることが可能になる。
【０００７】
導電性媒質中に半導体結晶の微粒子が含まれていれば該微粒子内に正孔と電子を閉じ込めることのできるエネルギーギャップを形成できるので、正孔と電子を閉じ込めるための半導体層を基板の上に積層しなくてもよい。これにより、発光素子の基板の格子定数に制限されることなく正孔と電子を閉じ込めるエネルギーギャップを形成することができる。したがって、任意の材料組成を組み合わせることによって任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。さらに、半導体結晶の微粒子に形成されるエネルギーギャップは微粒子の材料組成と導電性媒質の材料組成との組み合わせにより形成されるので、微粒子の材料組成のエネルギーギャップよりも高いエネルギーで再結合発光させることも可能になる。
【０００８】
また、微粒子を発光素子の積層工程とは別工程で作製すれば、数ｎｍの均一な大きさの微粒子を発光素子に用いることが可能になる。数ｎｍの微粒子の均一性を確保することができるので、量子効果を用いた微粒子の大きさによるエネルギーギャップの制御が可能になる。したがって、微粒子の大きさによって任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【０００９】
具体的には、本発明に係る発光素子は、正孔供給層と、半導体結晶の微粒子及び当該微粒子間を充填し、当該微粒子よりも大きなエネルギーギャップで正孔及び電子を当該微粒子に閉じ込める導電性媒質を有する微粒子層と、電子供給層と、を順に備え、前記正孔供給層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された正孔と前記電子供給層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された電子とを、前記微粒子内で再結合発光させる。
【００１０】
正孔供給層は電圧を印加することにより正孔を、電子供給層は電圧を印加することにより電子を供給する。微粒子層の導電性媒質は、正孔供給層から供給された正孔と、電子供給層から供給された電子と、のそれぞれを半導体結晶の微粒子に輸送する。半導体結晶の微粒子は、輸送された正孔と電子を閉じ込めて再結合発光させる。半導体結晶の微粒子と導電性媒質によりエネルギーギャップを形成するので、発光素子の基板に制限されない任意の材料組成を用いることが可能であり、かつ量子効果を用いたエネルギーギャップの制御が可能である。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る他の発光素子は、ｐ型半導体層と、半導体結晶の微粒子及び当該微粒子間を充填しかつ当該微粒子よりも大きなエネルギーギャップで正孔及び電子を当該微粒子に閉じ込める導電性媒質を有する微粒子層と、ｎ型半導体層と、を順に備え、前記ｐ型半導体層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された正孔と前記ｎ型半導体層から前記導電性媒質を介して前記微粒子に供給された電子とを、前記微粒子内で再結合発光させる。
【００１２】
微粒子層は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とから供給された正孔と電子を微粒子内で再結合発光させることができる。半導体結晶の微粒子と導電性媒質によりエネルギーギャップを形成するので、発光素子の基板に制限されない任意の材料組成を用いることが可能であり、かつ量子効果を用いたエネルギーギャップの制御が可能である。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００１３】
前記微粒子の大きさが、電子及び正孔のドブロイ波長以下であることが好ましい。
【００１４】
微粒子の大きさがドブロイ波長以下であることによって、微粒子の大きさによって量子井戸構造を形成することが可能になる。これにより、微粒子の大きさを変えることによって、任意のエネルギーギャップが形成できる。したがって、微粒子の大きさによって任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００１５】
前記微粒子の大きさが、量子閉じ込め効果を発現する大きさであることが好ましい。
【００１６】
微粒子の大きさが量子閉じ込め効果を発現する大きさであることによって、微粒子の大きさによって量子井戸構造を形成することが可能になる。これにより、微粒子の大きさを変えることによって、任意のエネルギーギャップが形成できる。したがって、微粒子の大きさによって任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００１７】
前記微粒子の大きさが、３００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下であり、かつ０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
微粒子の大きさが３００ｎｍ以下であることによって、正孔と電子をエネルギーギャップにより閉じ込めて再結合発光する効率を向上することが可能になる。微粒子の大きさが１００ｎｍであることによって、正孔と電子をエネルギーギャップにより閉じ込めて再結合発光する効率をさらに向上することが可能になる。微粒子の大きさが３０ｎｍ以下であることによって、微粒子の大きさにより発現する量子効果により微粒子内に正孔と電子を閉じ込めて再結合発光させることが可能になる。すなわち、微粒子の大きさを変えることによって、任意の波長の光を発光させることが可能になる。また、前記微粒子の大きさは０．５ｎｍ以上であることが好ましい。微粒子は半導体結晶であるので、半導体結晶の結晶単位格子の大きさである略０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１９】
前記微粒子が、量子井戸構造を有することが好ましい。
【００２０】
微粒子が量子井戸構造を有することにより、微粒子内に正孔と電子を閉じ込める効果を高めることができる。したがって、発光効率を向上し、かつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００２１】
前記導電性媒質のキャリア密度が、１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることが好ましい。
【００２２】
すなわち、正孔を生み出すアクセプタ不純物の濃度及び電子を生み出すドナー不純物の濃度が１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることが好ましい。導電性媒質のキャリア密度が、１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることにより、微粒子層に供給された正孔と電子を微粒子に輸送する効率を向上することができる。したがって、発光効率を向上し、かつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００２３】
前記微粒子層は、大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有するものでもよい。
【００２４】
微粒子層に大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を備えることにより、１つの微粒子層から複数の波長の光を発光することが可能になる。これにより、任意のスペクトルの幅及び任意の中心波長で発光するように制御することができる。したがって、任意のスペクトルの幅を有する任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００２５】
前記微粒子層は、複数の層から構成され、各層によって大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有するものでもよい。
【００２６】
層によって異なる大きさ及び又は材料組成の微粒子を有することによって、層ごとに異なる波長の光を発光させることが可能となる。これにより、任意のスペクトルの幅及び任意の中心波長に発生させる波長を制御することができる。したがって、任意のスペクトルの幅を有する任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００２７】
複数の波長の光を発生させる場合は、大きさ及び又は材料組成の異なる前記微粒子で発光する光が加法混色により白色となるようにすることができる。
【００２８】
大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子により発光する光が加法混色により白色となることにより、１つの発光素子から白色を発光することが可能になる。したがって、１の発光素子で白色の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００２９】
前記微粒子は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓから構成されていることが好ましい。
【００３０】
微粒子が、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓのＧａＡｓ系の材料組成で形成されていることにより、結晶成長が容易であるため、量子井戸構造を有する微粒子を容易に形成することが可能になる。したがって、作製が容易でありかつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００３１】
前記導電性媒質は、導電性ポリマーから構成されていることが好ましい。
【００３２】
導電性媒質が導電性ポリマーから構成されていることによって、液化された導電性ポリマー中に微粒子を添加して微粒子層を形成することが可能になる。これにより、微粒子層を容易に形成することが可能になる。したがって、作製が容易でありかつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００３３】
本発明に係る微粒子作製方法は、半導体層にレジスト膜又は金属酸化膜を形成する工程と、形成する微粒子の大きさに略等しい膜厚の半導体薄膜をレジスト膜又は金属酸化膜の上に形成する工程と、前記レジスト膜又は前記金属酸化膜を除去して前記半導体薄膜をリフトオフする工程と、リフトオフした半導体薄膜を超音波により破砕する工程と、を順に備える。
【００３４】
微粒子の大きさに略等しい厚さの半導体薄膜を破砕することによって、半導体薄膜の厚さに略等しい大きさの微粒子が作製できる。微粒子のみを別途作製することによって、発光素子の基板に制約されない発光素子を作製することが可能になる。また微粒子のみを別途作製することによって、任意の大きさの微粒子を作製したり、微粒子の大きさを選別したりすることが可能になるので、任意の波長の発光素子を歩留まりよく製造することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００３５】
前記金属酸化膜を形成する工程は、積層したＡｌＡｓを高温水蒸気で酸化させることによりＡｌ２Ｏ３を形成することが好ましい。
【００３６】
金属酸化膜がＡｌ２Ｏ３であることによって、リフトオフする工程において金属酸化膜を容易に除去することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００３７】
前記リフトオフした半導体薄膜を破砕する工程は、超音波により半導体薄膜を破砕することが好ましい。
【００３８】
半導体薄膜を超音波により破砕することで、半導体薄膜を積層した厚さに略等しい大きさの微粒子を形成することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る発光素子作製方法は、半導体結晶の微粒子を該微粒子よりもエネルギーギャップの大きい導電性媒質に添加する微粒子添加工程と、前記微粒子添加工程により微粒子を添加した導電性媒質をｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に挟む挟み込み工程と、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層の両側から前記導電性媒質を加圧しながら前記導電性媒質を焼成する焼成工程と、を順に備える。
【００４０】
別工程にて作製された微粒子を用いることによって、発光素子の基板に制約されない発光素子を作製することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を作製することが可能となる。
【００４１】
前記微粒子添加工程が、液化した導電性ポリマーに半導体結晶の微粒子を添加することが好ましい。
【００４２】
液化した導電性ポリマーを微粒子添加工程に用いることによって、別途作製した微粒子の間を密に充填し、微粒子が略均一に分布する微粒子層を容易に作製することが可能になる。したがって、作製が容易でありかつ任意の波長の光を発生させる発光素子を作製することが可能となる。
【００４３】
前記挟み込み工程において、スピンコートにより前記ｐ型半導体層又は前記ｎ型半導体層の上に前記導電性媒質を塗布することが好ましい。
【００４４】
スピンコートを用いて微粒子を添加した導電性媒質を塗布することにより、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層の上に均一な厚さで導電性媒質を塗布することが可能になる。導電性媒質を均一に塗布することにより、微粒子を導電性媒質中に略均一に分布させるのが容易になる。したがって、したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を均質に作製することが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供するか、該発光素子を作製するか、或いは該発光素子に備わる半導体結晶の微粒子を作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００４７】
（実施形態１）
本発明に係る微粒子作製方法について図１〜図３を用いて説明する。図１〜２において、１１は半導体層であるＧａＡｓ膜、１２はＡｌＡｓ膜、１３は金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜、１９は半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜である。
【００４８】
本発明に係る微粒子作製方法は、半導体層であるＧａＡｓ基板１１にレジスト膜又は金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３を形成する工程と、形成する微粒子の大きさに略等しい膜厚の半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜１９をレジスト膜又は金属酸化膜Ａｌ２Ｏ３膜１３の上に形成する工程と、レジスト膜又は金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３を除去して半導体薄膜ＩｎＧａＡｓ膜１９をリフトオフする工程と、リフトオフした半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜１９を破砕する工程と、を順に備える。
【００４９】
まず、ＧａＡｓ基板１１上にＡｌＡｓ膜１２を積層する。積層されたＡｌＡｓ膜１２を酸化して、ＡｌＡｓ膜１２の表面に金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３を形成する。Ａｌ２Ｏ３膜１３は、半導体層１１の上に積層したＡｌＡｓ膜１２を４００〜５００度の水蒸気にさらして形成することができる。図１に、半導体層１１と金属酸化膜１３の断面図を示す。ＧａＡｓ基板１１の上にＡｌＡｓ膜１２が積層されており、ＡｌＡｓ膜１２の表面がＡｌ２Ｏ３膜１３となっている。
【００５０】
このように、金属酸化膜を形成する工程は、積層したＡｌＡｓ膜１２を高温水蒸気で酸化させることによりＡｌ２Ｏ３膜１３を形成することが好ましい。ＡｌＡｓ膜１２を高温水蒸気で酸化させることにより、効率よく金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３を形成することができる。除去する層にＡｌ２Ｏ３膜１３を用いることによって、リフトオフする工程において金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３を容易に除去することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００５１】
ここで、半導体層１１はＧａＡｓに限定しない。作製する微粒子の材料組成に合わせて選択してもよい。本実施形態で説明したＧａＡｓを半導体層１１に用いて、量子井戸構造を有するＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの微粒子を作製することもできる。また、金属酸化膜１３を形成する方法は限定しない。例えば、半導体層１１の上に積層した金属を略１０００度の酸素にさらすことによって形成してもよい。
【００５２】
次に、ＡｌＡｓ膜１２を酸化したＡｌ２Ｏ３膜１３の上に、半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜１９を積層する。半導体薄膜１９が積層された後のウエハーの断面図を図２に示した。ＧａＡｓ基板１１の上に形成されたＡｌ２Ｏ３膜１３の上に、ＩｎＧａＡｓ膜１９が積層されている。積層するＩｎＧａＡｓ膜１９の厚さは、微粒子の大きさと略等しくする。すなわち、微粒子の大きさを３０ｎｍにする場合は、積層する厚さは略３０ｎｍとなる。微粒子の大きさを３００ｎｍにする場合は、積層する厚さは略３００ｎｍとなる。
【００５３】
ここで、半導体薄膜１９は、量子井戸構造を有していてもよい。量子井戸構造が１層の単量子井戸構造を形成してもよい。量子井戸構造を複数積層した多重量子井戸構造を形成してもよい。なお、量子井戸構造を形成する方法は限定しない。例えば、平滑化したＧａＡｓ膜の上に２．５原子層のＩｎＡｓを成長してもよい。これにより、ＩｎＡｓとＧａＡｓ膜の格子定数の差に起因して、厚さが数原子層程度で直径が数百原子層程度に凝集した島状の量子ドットを形成することができる。
【００５４】
次に、金属酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜１３をフッ酸で除去して、ＩｎＧａＡｓ膜１９をリフトオフする。なお、リフトオフする方法は限定しない。例えば、ここではＡｌ２Ｏ３膜１３をフッ酸で除去したが、レジスト膜にＰＭＭＡを用い、アセトンでＰＭＭＡを除去してリフトオフを行ってもよい。
【００５５】
次に、リフトオフした半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜１９を超音波により破砕する。図３は、半導体薄膜を超音波により破砕する方法の一例を示す図である。図３において、５１は超音波振動テーブル、５２は容器、１９は半導体薄膜であるＩｎＧａＡｓ膜である。容器５２の中はすべて半導体薄膜１９を示す。超音波振動テーブル５１の上に固定された容器５２にリフトオフしたＩｎＧａＡｓ膜１９を入れ、超音波振動テーブル５１を超音波振動させる。容器５２内のＩｎＧａＡｓ膜１９は、超音波振動テーブル５１の超音波振動により、Ａｌ２Ｏ３膜１３の上に積層したＩｎＧａＡｓ膜１９の厚さに略等しい大きさの微粒子になるまで破砕され、粉体に加工される。
【００５６】
このように、リフトオフした半導体薄膜１９を破砕する工程は、超音波により半導体薄膜１９を破砕することが好ましい。半導体薄膜１９を超音波により破砕することで、半導体薄膜１９を積層した厚さに略等しい大きさの微粒子を形成することが可能になる。等しい大きさの微粒子を作製することにより、一定の波長で発光する微粒子を作製することができる。また、半導体薄膜の厚さを制御することによって任意の波長の光を発生させることが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００５７】
ここで、半導体薄膜１９を破砕して粉体に加工する方法は超音波振動に限定しない。例えば、少なくとも２つのロールを相対的に回転させ、ロール間の圧力で破砕するロールミルでもよい。回転軸に回転刃を取り付け、回転刃を回転させて破砕するカッターミルでもよい。その他、ボールミル、ハンマーミル、ディスクイングレータ、ジェットミル等の粉体加工装置を用いてもよい。また、半導体薄膜１９は、ＩｎＧａＡｓに限定されない。ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＶＩ族のいずれの半導体も用いることができる。例えば、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｅ、Ｚｎ、ＺｎＳ、ＺｎＯの少なくともいずれかを用いたものでもよい。
【００５８】
以上説明したように、微粒子の大きさに略等しい厚さの半導体薄膜を破砕することによって、半導体薄膜の厚さに略等しい大きさの微粒子が作製できる。微粒子のみを別途作製することによって、発光素子の基板の格子定数に制約されない発光素子を作製することが可能になる。また微粒子のみを別途作製して発光素子に用いる微粒子を選別することによって、任意の波長の発光素子を歩留まりよく製造することも可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子に用いる微粒子を容易に作製することが可能となる。
【００５９】
なお、上記実施形態では、ＧａＡｓ基板を用いたが、これに限定しない。微粒子の材料組成や結晶構造に応じて基板を選択すればよい。例えば、ｃ面のサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ法により成長温度８００度の窒素雰囲気中で、Ｉｎ含有有機化合物としてＴＢＩｎ（ターシャルブチルインジウム、分子量２８６）を使用して、Ｇａ０．７８Ｉｎ０．２２Ｎをエピタキシャル成長させて量子井戸構造を形成してもよい。このように、微粒子を形成するための半導体薄膜を任意の基板上に形成し、半導体薄膜をリフトオフして微粒子化することにより、任意の材料組成及び結晶構造の微粒子を形成することが可能になる。
【００６０】
（実施形態２）
本発明に係る発光素子作製方法について説明する。本発明に係る発光素子作製方法は、半導体結晶の微粒子を、微粒子よりもエネルギーギャップの大きい導電性媒質である導電性ポリマーに添加する微粒子添加工程と、前記微粒子添加工程により微粒子を添加した導電性媒質である導電性ポリマーをｐ型半導体とｎ型半導体との間に挟み込む挟み込み工程と、挟み込み工程で挟み込んだ導電性媒質である導電性ポリマーをｐ型半導体及びｎ型半導体の両側から加圧しながら導電性媒質である導電ポリマーを焼成する焼成工程と、を順に備える。
【００６１】
微粒子添加工程では、微粒子を導電性媒質である導電性ポリマーに添加する。微粒子を導電性ポリマーに添加し、微粒子が導電性ポリマー中に偏らないように撹拌する。
【００６２】
なお、微粒子添加工程は、液化した導電性ポリマーに半導体結晶の微粒子を添加することが好ましい。液化した導電性ポリマーを用いることにより、別途作製した微粒子の間を導電性媒質で密に充填し、微粒子が略均一に分布する微粒子層を作製することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を容易に作製することが可能となる。
【００６３】
なお微粒子は、前述の実施形態１で説明した半導体薄膜１９を破砕することにより作製された微粒子を用いればよい。ただし、微粒子はこれに限定されるものでない。所望の材料組成及び大きさを有する半導体からなる微結晶であればよい。例えば、微粒子の大きさの太さを有する柱状結晶を、微粒子の大きさの厚さに成長させたものを用いてもよい。
【００６４】
また、導電性ポリマーに添加する微粒子の量は限定しない。例えば、導電性ポリマーと微粒子との体積比を１０対１にしてもよい。導電性ポリマー中に添加される微粒子が少なければ、正孔と電子の供給量を少なくしても微粒子内で再結合発行させる効率を上げることができる。微粒子の割合を増やせば、正孔と電子の供給量を増やして再結合発光する光量を増やすことが可能になる。
【００６５】
挟み込み工程では、微粒子を添加した導電性ポリマーをｐ型半導体の上に塗布する。図４は、ｐ型半導体又はｎ型半導体の上に微粒子を添加した導電性媒質を塗布する様子を説明する図である。図４において、１４は微粒子、１５は導電性媒質である導電性ポリマー、７１はｐ型半導体、５２は微粒子１４を添加した導電性ポリマー１５の入った容器である。ｐ型半導体７１の上に微粒子１４を添加した導電性ポリマー１５を塗布している。基板上に形成したｐ型半導体７１の上に、微粒子１４を添加した導電性ポリマー１５を流し込んで塗布する。
【００６６】
次に、微粒子１４を添加した導電性ポリマー１５を塗布した上に、ｎ型半導体を重ねる。ｎ型半導体はｐ型半導体とは別の基板に形成したものを用いればよい。
【００６７】
ここで、本挟み込み工程は、スピンコート法によりｐ型半導体又はｎ型半導体の上に微粒子を添加した導電性媒質である導電性ポリマーを塗布することが好ましい。スピンコート法を用いて微粒子を添加した導電性媒質を塗布することにより、ｐ型半導体又はｎ型半導体の上に均一な厚さで導電性媒質を塗布することが可能になる。導電性媒質を均一に塗布することにより、微粒子を導電性媒質中に略均一に分布させるのが容易になる。微粒子を導電性媒質中に略均一に分布することによって、ダイシングしたそれぞれのチップに備わる微粒子の分布を略均一にすることが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を均質に作製することが可能となる。
【００６８】
なお、挟み込み工程において、微粒子を添加した導電性媒質をｐ型半導体とｎ型半導体との間に挟みこむ方法は限定しない。例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にスペーサを配置して空間を設け、その空間内に微粒子を添加した導電性媒質を封入してもよい。封入は、表面張力の利用又は真空吸引によって行うことができる。
【００６９】
また、挟み込み工程において、ｐ型半導体とｎ型半導体は別々に作製したが、これに限定しない。塗布された導電性ポリマーの上に、ｎ型半導体をさらに積層してもよい。
【００７０】
焼成工程では、ｐ型半導体及びｎ型半導体の両側から、微粒子を添加した導電性ポリマーを加圧しながら導電性ポリマーを３００度で焼成する。これによって微粒子層を形成することができる。ここで、導電性ポリマーを焼成する温度は３００度に限定しない。導電性媒質の材料組成に応じて適当な温度で焼成すればよい。
【００７１】
なお、上記ｐ型半導体及びｎ型半導体は、実施形態３にて説明する図５に示したｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７に相当するものである。
【００７２】
以上説明したように、発光素子とは独立した工程にて作製された半導体結晶の微粒子を発光素子に用いて発光素子を作製することが可能となる。これにより、発光素子の基板に制限されない任意の材料組成を用いることが可能であり、かつ量子効果を用いたエネルギーギャップの制御が可能な発光素子を作製することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００７３】
（実施形態３）
本発明に係る発光素子について図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る発光素子の断面図である。図５において、１４は半導体結晶の微粒子、１５は導電性媒質である導電性ポリマー、１６はｐ型半導体層、１７はｎ型半導体層、１８は微粒子層を示す。ｐ型半導体層１６の上に、微粒子層１８、その上にｎ型半導体層１７が配置されている。微粒子層１８は、導電性ポリマー１５中に複数の微粒子１４が分散した構成となっている。
【００７４】
ｐ型半導体層１６は、電流を運ぶキャリアが主として正孔である半導体からなる層である。電圧の印加によって正孔を移動することができるものであればよい。例えば、ＩＶ族の半導体であるＳｉに、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ等のＩＩＩ族を不純物として加えたものを用いることができる。
【００７５】
ｎ型半導体層１７は、電流を運ぶキャリアが主として電子である半導体からなる層である。電圧の印加によって正孔を移動することができるものであればよい。例えば、ＩＶ族の半導体であるＳｉに、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等のＶ族を不純物として加えたものを用いることができる。
【００７６】
微粒子層１８は、半導体結晶の微粒子１４と、微粒子１４の間を充填する導電性媒質１５が備わった層である。導電性媒質１５中に微粒子１４が複数備わっていればよい。微粒子層１８に備わる微粒子１４の配置は限定しない。例えば、前述の実施形態２で説明した発光素子作製方法であれば、導電性媒質１５中にランダムに配置されることになる。例えば、ｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７との間に電流狭窄構造が形成されている場合は、正孔と電子とが供給される部分に集中して微粒子１４を配置してもよい。
【００７７】
微粒子層１８の厚さは限定しない。例えば、３００ｎｍの大きさの微粒子１４を微粒子 層１８に備え、３００ｎｍ以上の厚さを有する発光層を形成してもよい。また、１０ｎｍ以下の大きさの微粒子１４を備える場合でも、３００ｎｍ以上の厚さを有する発光層を形成してもよい。このように、微粒子層１８の厚さは任意に選択することができる。ただし、微粒子層１８を厚くする場合は、正孔及び電子を輸送する距離が増えるので、導電性媒質１５のキャリア密度を上げることで対応することができる。
【００７８】
微粒子１４は、正孔と電子を閉じ込めて、再結合発光させる半導体結晶である。微粒子１４のエネルギーギャップは、導電性ポリマー１５よりも小さい。完全な半導体結晶でなくてもよく、前述の実施形態１で説明した微粒子のような、半導体結晶を粉砕して粒化したものでもよい。微粒子は半導体結晶であるので、微粒子１４の大きさは、半導体結晶の結晶単位格子よりも大きいことが好ましい。半導体結晶の結晶単位格子は、例えばＧａＡｓの大きさは、略０．５６ｎｍ、Ｓｉの大きさは０．５４ｎｍである。このように、前記微粒子の大きさは、略０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００７９】
微粒子１４の大きさは、３００ｎｍ以下であることが好ましい。微粒子１４の大きさが３００ｎｍ以下であることによって、正孔と電子をエネルギーギャップにより閉じ込めて再結合発光する効率を向上することが可能になる。この場合、微粒子１４の材料組成を可変することで、任意の波長の光を発生させることが可能になる。また、微粒子１４が量子井戸構造を備える場合、量子井戸構造によっても再結合発光させる光の波長を可変することができる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８０】
また、微粒子１４の大きさが、１００ｎｍ以下であってもよい。微粒子の大きさが１００ｎｍ以下であることによって、正孔と電子をエネルギーギャップにより閉じ込めて再結合発光する効率をさらに向上することが可能になる。この場合、微粒子１４の材料組成を可変することで、任意の波長の光を発生させることが可能になる。また、微粒子１４が量子井戸構造を備える場合、量子井戸構造によっても再結合発光させる光の波長を可変することができる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８１】
また、微粒子１４の大きさが、３０ｎｍ以下であってもよい。微粒子１４の大きさが３０ｎｍ以下であることによって、微粒子の大きさにより発現する量子効果により微粒子内に正孔と電子を閉じ込めて再結合発光させることが可能になる。すなわち、微粒子の大きさを変えることによって、任意の波長の光を発光させることが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８２】
また、微粒子１４の大きさが、電子及び正孔のドブロイ波長以下であってもよい。すなわち、微粒子１４の大きさが、量子閉じ込め効果を発現する大きさであってもよい。微粒子１４の大きさが量子閉じ込め効果を発現する大きさであることによって、微粒子１４の大きさによって量子井戸構造を形成することが可能になる。微粒子の大きさを変えることによって、任意のエネルギーギャップが形成できる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８３】
さらに、微粒子１４が、量子井戸構造を有することが好ましい。微粒子１４に備わる量子井戸構造は限定しない。その構造によって正孔と電子を閉じ込める効果を有するものであればよい。例えば、微粒子の大きさが１０ｎｍ以下であれば、特に、その大きさによって正孔と電子を閉じ込めることが可能となる。例えば、微粒子１４は複数の量子井戸構造が重なった多重量子井戸構造を有していてもよい。多重量子井戸構造を有することで、微粒子１４の大きさに係らず、微粒子に正孔と電子を閉じ込める効果を向上することが可能になる。さらに、微粒子１４が量子井戸構造を備えることによって、再結合発光させる光の波長を可変することもできる。したがって、発光効率を向上し、かつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８４】
微粒子１４は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓから構成されていることが好ましい。微粒子が、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓから構成されていることにより、結晶成長が容易であるため、量子井戸構造を有する微粒子を容易に形成することが可能になる。したがって、作製が容易でありかつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８５】
なお、微粒子１４の材料は上記に限定されるものではない。ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＶＩ族のいずれの半導体も用いることができる。例えば、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｅ、Ｚｎ、ＺｎＳ、ＺｎＯの少なくともいずれかを用いたものでもよい。また、微粒子１４は、複数の半導体結晶により構成されていてもよい。例えば、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓの２種の半導体結晶が複数重なっているものでもよい。これらの層により量子井戸層が３層形成された直径略５５ｎｍの微粒子を用いることもできる。
【００８６】
導電性ポリマー１５は、導電性媒質である。導電性ポリマー１５は、半導体結晶の微粒子間を充填し、微粒子層１８に供給された正孔及び電子を輸送する。導電性ポリマー１５は、微粒子１４よりも大きなエネルギーギャップを有する。
【００８７】
なお、導電性媒質は、導電性ポリマーから構成されていることが好ましい。導電性ポリマー１５は、ポリマー自体に導電性を有するものである。導電性媒質が導電性ポリマーから構成されていることによって、液化された導電性ポリマー中に微粒子を添加して微粒子層を形成することが可能になる。これにより、微粒子層を容易に形成することが可能になる。したがって、作製が容易でありかつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００８８】
導電性ポリマーの材料は限定しない。導電性ポリマーは、例えば、ポリアセチレン、ポリアズレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリジアセチレン等の炭化水素系導電性ポリマー、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン等のヘテロ原子含有系導電性ポリマー、芳香族第三級アミン、ビス(ジ-アリールアミノ)アントラセン、テトラハイドロナフタレン、アクリディン、ジベンゾアゼパイニルベンゼン誘導体、イミノスチルベン骨格をもつ化合物がある。
【００８９】
導電性媒質１５のキャリア密度は、１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることが好ましい。すなわち、正孔を生み出すアクセプタ不純物の濃度及び電子を生み出すドナー不純物の濃度が１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることが好ましい。導電性媒質のキャリア密度が、１０１４以上１０１７以下（ｃｍ−３）であることにより、供給された正孔と電子を微粒子に輸送する効率を向上することができる。したがって、発光効率を向上し、かつ任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００９０】
ただし、本発明に係る導電性媒質のキャリア密度はこれに限定されるものではない。導電性媒質のキャリア密度を可変することにより、正孔及び電子の輸送量を可変することができる。
【００９１】
本発明に係る発光素子の動作について図５を用いて説明する。ｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７との間に電圧を印加する。電圧の印加によってｐ型半導体層１６の正孔が移動し、微粒子層１８に正孔が供給される。また、電圧の印加によってｎ型半導体層１７の電子が移動し、微粒子層１８に電子が供給される。微粒子層１８に供給された正孔は、導電性ポリマー１５によってｎ型半導体層１６の方へ輸送され、輸送の途中で微粒子層１８の導電性ポリマー１５中に分布する複数の微粒子１４のうちのいずれかに閉じ込められる。微粒子層１８に供給された電子は、導電性ポリマー１５によってｐ型半導体層１７の方へ輸送され、輸送の途中で微粒子層１８の導電性ポリマー１５中に分布する複数の微粒子１４のうちのいずれかに閉じ込められる。
【００９２】
上記のように、微粒子層１８中に分布する微粒子１４に正孔と電子とを閉じ込めることにより再結合発光させる。導電性媒質ポリマー１５内に半導体結晶の微粒子１４が分布していれば微粒子１４に閉じ込めるエネルギーギャップが形成できるので、発光素子の基板に制限されない任意の材料組成を用いることが可能であり、かつ量子効果を用いたエネルギーギャップの制御が可能である。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。なお、前述の実施形態３では、図５に示した１６をｐ型半導体層、１７はｎ型半導体層としたが、１６を正孔を供給する正孔供給層に、１７を電子を供給する電子供給層に置き換えてもよい。
【００９３】
正孔供給層は電圧の印加により正孔を微粒子層１８へ供給するものである。電子供給層は電圧の印加により電子を微粒子層１８へ供給するものである。すなわち、正孔供給層も電子供給層も、半導体に限定されない。例えば、金属、アルミナセラミック等の導電性セラミック、錫合金を混ぜたプラスチック等の導電性プラスチック、及び導電性ポリマーでもよい。半導体結晶の微粒子と導電性媒質によりエネルギーギャップを形成するので、このような材料組成を正孔供給層と電子供給層とに用いて発光素子を形成することも可能である。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【００９４】
また、前述の実施形態３では、図５に示した１６をｐ型半導体層、１７はｎ型半導体層としたが、ｐ型半導体層とｎ型半導体層と微粒子層の配置はこれに限定されるものではない。
【００９５】
例えば、図６に示すように、ｐ型半導体部とｎ型半導体部とが離れて配置された真性半導体層と、微粒子層１８により構成してもよい。図６は、本実施例に係る発光素子の断面図である。図６において、１４は微粒子、１５は導電性媒質、１８は微粒子層、６１は真性半導体部、６２はｐ型半導体部、６３はｎ型半導体部、６５は基板、６６は真性半導体層である。基板６５の上に微粒子層１８が配置され、微粒子層１８の上に真性半導体層６６が配置されている。真性半導体層６６には、ｐ型半導体部６２とｎ型半導体部６３とが離れて形成されている。すなわち、真性半導体層６６は基板６５の積層方向に垂直な方向に、ｐ型半導体部６２、真性半導体部６１、ｎ型半導体部６３の順に配置されている。
【００９６】
このような構成によっても、ｐ型半導体部６２は微粒子層１８に正孔を供給し、ｎ型半導体部６３は電子を微粒子層１８に供給することができる。これにより導電性媒質１５は正孔及び電子を輸送し、導電性媒質１５中に分布する微粒子１４で再結合発光させることができる。
【００９７】
また、図５に示した発光素子は、ｎ型半導体層１７と微粒子層１８とｐ型半導体層１６は順に配置されているが、これらの層の間に他の層が配置されてもよい。例えば、ｎ型半導体層１７と微粒子層１８との間、及びｐ型半導体層１６と微粒子層１８との間の少なくともいずれかに正孔又は電子の移動を部分選択的に妨げて電流狭窄を発現させるシールド層を設けてもよい。また、微粒子層を部分選択的にエッチングして、電流狭窄を発現させる構造にしてもよい。
【００９８】
また、本実施形態では、導電性媒質１５を導電性ポリマーとしたが、これに限定されるものではない。導電性媒質１５は半導体結晶の微粒子１４よりもエネルギーギャップの大きいものであればよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ族などの半導体であってもよい。この場合は、ＭＯＣＶＤ法により導電性媒質１５を成長させる途中で微粒子１４を導電性媒質１５の雰囲気中に添加してもよい。さらに、添加剤等により導電性を有するプラスチックを用いてもよい。ＺｎＯ系、ＩＤＩＸＯ、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）を用いてもよい。
【００９９】
また、導電性ポリマー１５は、微粒子層１８を挟む層よりもエネルギーギャップが小さいことが好ましい。微粒子層１８がその両側の層よりもエネルギーギャップが小さいことで、微粒子層に正孔と電子を閉じ込めることが可能になる。
【０１００】
（実施形態４）
前述の図５で説明した微粒子層１８は、大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有してもよい。本実施形態に係る発光素子の断面図を図７に示した。図７において、１５は導電性媒質、１６はｐ型半導体層、１７はｎ型半導体層、２１、２２、２３は微粒子、３１は微粒子層である。図５と同様に、ｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７とに微粒子層３１が挟まれている。
【０１０１】
図５との違いは、微粒子層３１に備わる微粒子の大きさである。本実施形態の微粒子層３１には微粒子２１、２２、２３の３種類の大きさの微粒子が備わっている。微粒子２１、２２、２３はいずれも１０ｎｍよりも小さい。また微粒子２１、２２、２３は大きさが異なり、微粒子２１が最も大きく、次いで微粒子２２、２３の順に大きい。これら微粒子２１、２２、２３が導電性媒質１５中にランダムに分布している。
【０１０２】
微粒子層３１に供給された正孔と電子は、微粒子２１、２２、２３のそれぞれに閉じ込められ、微粒子２１、２２、２３のそれぞれで再結合発光する。これにより、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップに応じた波長の光を発光させることが可能となる。微粒子２１、２２、２３はいずれも１０ｎｍよりも小さいので、大きさによって再結合発光する波長を制御することができる。
【０１０３】
なお、微粒子２１、２２、２３はいずれも１０ｎｍよりも小さくかつそれぞれ大きさが異なるとしたが、いずれの大きさも１０ｎｍ以内に限定するものではない。また、それぞれ材料組成が異なっていてもよい。材料組成が異なることにより、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップを可変できるので、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップに応じた波長の光を発光させることが可能となる。さらに、微粒子２１、２２、２３の材料組成と大きさの組み合わせによっても発光波長を可変することが可能となる。なお、エネルギーギャップの種類は、３種類に限らず、２種類でもよいし、４種類以上でもよい。
【０１０４】
以上説明したように、微粒子層に大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を備えることにより、１つの微粒子層から複数の波長の光を発光することが可能になる。これにより、任意のスペクトルの幅及び任意の中心波長に発生させる波長を制御することができる。したがって、任意のスペクトルの幅を有する任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【０１０５】
上記実施形態４のように、大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子２１、２２、２３で発光する光が加法混色により白色とすることができる。例えば、微粒子２１に赤色、微粒子２２に緑色、微粒子２３に青色を発光させる。この場合、エネルギーギャップの小さい赤色を発光する微粒子２１で再結合発光しやすくなるので、青色を発光する微粒子２３を多めに分布することにより色の偏りを補正することが可能になる。このように、発光する光が加法混色により白色となることにより、１つの発光素子から白色を発光することが可能になる。
【０１０６】
（実施形態５）
前述の図５で説明した微粒子層１８は、複数の層から構成され、各層によって大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子を有してもよい。本実施形態に係る発光素子の断面図を図８に示した。図８において、１５は導電性媒質、１６はｐ型半導体層、１７はｎ型半導体層、２１、２２、２３は微粒子、３２、３３、３４は微粒子層である。図５と同様に、ｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７との間に微粒子層３２、３３、３４が挟まれている。
【０１０７】
図８に示す発光素子は、ｐ型半導体層１６とｎ型半導体層１７との間に、微粒子層３３、３４、３２が順に挟まれている。微粒子層３２には微粒子２１が備わっている。微粒子層３３には微粒子２２が備わっている。微粒子層３４には微粒子２３が備わっている。図７と同様に、微粒子２１、２２、２３の大きさはいずれも１０ｎｍよりも小さい。また微粒子２１、２２、２３は大きさが異なり、微粒子２１が最も大きく、次いで微粒子２２、２３の順に大きい。微粒子層３２、３３、３４はそれぞれ、導電性媒質１５によって微粒子間が充填されている。
【０１０８】
微粒子層３２に供給された電子及び微粒子層３３及び３４を通過して微粒子層３２に供給された正孔は微粒子２１に閉じ込められ、微粒子２１で再結合発光する。微粒子層３２を通過して微粒子層３４に供給された電子と、微粒子層３３を通過して微粒子層３３に供給された正孔と、は微粒子２３に閉じ込められ、微粒子２３で再結合発光する。微粒子層３２及び３４を通過して微粒子層３３に供給された電子と、微粒子層３３に供給された正孔と、は微粒子２２に閉じ込められ、微粒子２２で再結合発光する。これにより、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップに応じた波長の光を微粒子層３２、３３、３４の各層で発光させることが可能となる。
【０１０９】
なお、微粒子２１、２２、２３はいずれも１０ｎｍよりも小さくかつそれぞれ大きさが異なるとしたが、いずれの大きさも１０ｎｍ以内に限定するものではない。また、それぞれ材料組成が異なっていてもよい。材料組成が異なることにより、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップを可変できるので、微粒子２１、２２、２３のそれぞれのエネルギーギャップに応じた波長の光を発光させることが可能となる。さらに、微粒子２１、２２、２３の材料組成と大きさの組み合わせによっても発光波長を可変することが可能となる。
【０１１０】
また、各微粒子層の正孔供給量及び電子供給量は、各層に備わる導電性媒質１５のキャリア密度を可変することにより調整することができる。
【０１１１】
以上説明したように、各層で異なる大きさ及び又は材料組成の微粒子を有することによって、層ごとに異なる波長の光を発光させることが可能となる。これにより、任意のスペクトルの幅及び任意の中心波長に発生させる波長を制御することができる。また、１つの層に１種類の微粒子を分布させればよいので、１つの微粒子層に複数種類の微粒子を分散させるのに比べて発光素子の作製が容易になる。したがって、任意のスペクトルの幅を有する任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【０１１２】
なお、大きさ及び又は材料組成の異なる微粒子２１、２２、２３で発光する光が加法混色により白色とすることができる。例えば、微粒子２１は赤色、微粒子２２は緑色、微粒子２３は青色を発光する。この場合、エネルギーギャップの小さい赤色を発光する微粒子２１で再結合発光しやすくなるので、青色を発光する微粒子２３を多めに分布することにより色の偏りを補正することが可能になる。このように、発光する光が加法混色により白色となることにより、１つの発光素子から白色を発光することが可能になる。したがって、任意の波長の光を発生させる発光素子を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係る発光素子、発光素子作製方法及び微粒子作製方法は、照明、通信、センサー、表示デバイスなどに搭載される光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明に係る微粒子作製工程を説明する図である。
【図２】本発明に係る微粒子作製工程を説明する図である。
【図３】金属酸化膜を超音波により破砕する方法の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る微粒子作製工程を説明する図である。
【図５】本発明に係る微粒子作製工程を説明する図である。
【図６】本発明に係る他の発光素子の断面図である。
【図７】本発明に係る他の発光素子の断面図である。
【図８】本発明に係る他の発光素子の断面図である。
【図９】本発明に備わる導電性媒質と微粒子のエネルギーギャップについて説明する図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１１  半導体層
１２  ＡｌＡｓ膜
１３  金属酸化膜
１４、２１、２２、２３  微粒子
１５  導電性媒質
１６  ｐ型半導体層
１７  ｎ型半導体層
１８、３１、３２、３３、３４  微粒子層
１９  半導体薄膜
４１  微粒子のエネルギーギャップ
４２  導電性媒質のエネルギーギャップ
５１  超音波振動テーブル
５２  容器
６１  真性半導体部
６２  ｐ型半導体部
６３  ｎ型半導体部
６５  基板
６６  真性半導体層
７１  ｐ型半導体
【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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