(57)【要約】      （修正有）【課題】従来に比べて高い発光効率でありながら、少ない消費電力で優れた発光特性の発揮を期待することのできる、弾道電子を用いた発光素子の提供する。【解決手段】一対の電極（陰極１０、陽極５０）の間に、ｎ−Ｓｉ基板２０、ＭｇＯ層３０（強電界層）、ｐ型半導体層４０（発光層）を順次介設する。駆動時には一対の電極１０、５０間に５Ｖ程度の電圧印加を行い、ＭｇＯ層３０内に強電界を形成する。陰極１０側から放たれた電子をＭｇＯ層３０内の電界で加速して弾道電子とし、ｐ型半導体層４０に打ち込む。そしてｐ型半導体層４０中でキャリア再結合過程を経ることで発光する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極及び陽極からなる一対の電極間に、前記陰極から前記陽極に向かって、ＭｇＯ層からなる強電界層と、ｐ型半導体層からなる発光層が介設された積層構造を有する、発光素子。
【請求項２】
前記一対の電極間に沿ったＭｇＯ層の膜厚が、当該ＭｇＯ層中を走行する弾道電子の平均自由行程以下の値に設定されている
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
ＭｇＯ層の前記膜厚が３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下に設定されている
請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
ＭｇＯ層の前記膜厚が、さらに４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下に設定されている
請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
ＭｇＯ層は、少なくとも結晶性のＭｇＯで構成されている
請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
ＭｇＯ層は、多結晶構造を有する
請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記ＭｇＯ層は、結晶構造中に複数の結晶配向面を有し、
当該ＭｇＯ層についてＸ線結晶回折測定を行った場合において、２０°以上９０°以内の範囲に存在する各結晶配向面を示すピークの総面積に対し、５０％より広い面積を占めるドミナントピークを示す結晶配向面が存在し、
当該ドミナントピークを示す結晶配向面が、前記一対の電極間に形成される電界の方向に沿って配向している
請求項５に記載の発光素子。
【請求項８】
前記ＭｇＯ層は、ｎ型Ｓｉ基板上に成膜されており、
前記一対の電極間において、ｎ型Ｓｉ基板は前記陰極に対向して配されている
請求項１〜７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
ＭｇＯ層と陽極の間において、ｐ型半導体層が前記ＭｇＯ層の表面と接合されている
請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型半導体層の前記キャリア再結合に伴う発光波長は３５０〜７００ｎｍである
請求項１〜９のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１１】
前記ｐ型半導体層は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＺｎＭｇＯ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓのうちのいずれかである
請求項１〜１０のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１２】
陰極はＡｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｎのうちから選ばれた材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１３】
陽極はＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗのうちから選ばれた材料で構成されている
請求項１〜１２のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１４】
前記陽極はｐ型半導体層の表面に対してメッシュ状に配設され、ｐ型半導体層からの発光が前記メッシュの間隙より外部に取り出される構成を有する
請求項１〜１３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１５】
前記陽極は、ｐ型半導体層の表面に対して平行な主面を持つ平板状に形成され、ｐ型半導体層からの発光が表面プラズモン効果により、当該陽極の表面から外部に取り出される構成を有する
請求項１〜１３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１６】
前記ｐ型半導体層は前記キャリア再結合に伴って紫外線を発光する構成であり、
前記陽極の前記一対の電極間と対向する面と反対の面には、蛍光体が配されたフィルターが積層され、
駆動時には、ｐ型半導体層の発光が前記フィルターの蛍光体によって可視光に変換される構成である
請求項１４または１５のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾道電子を用いた発光素子に関し、特に消費電力の低減と発光効率の向上を図るための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高度に加速した電子（弾道電子）を物体に衝突させ、その際に生じる発光現象を利用する表示装置が開発されている（特許文献１等参照）。
特許文献１に記載された表示装置は、電子放出源である冷陰極（Ａｌ電極）の上に、ｎ−Ｓｉ（ｎ型Ｓｉ）基板、ｎｃ−Ｓｉ層、ｐ型半導体層を順次積層し、その上に陽極（薄膜Ａｕ電極）を積層した構造を有する。ｎｃ−Ｓｉ層は、ナノサイズのＳｉ核をＳｉＯ２膜で被覆してなる、ｎｃ−Ｓｉ（ナノクリスタルケイ素）粒子を充填して構成され、強電界層（加速部）として用いられる。またｐ型半導体層は、発光層として利用される。
【０００３】
当該表示装置を駆動する際には、上記一対の電極間に電圧印加し、強電界層中に一定の強電界を形成するとともに、電子放出源のＡｌ電極から他方のＡｕ電極に向けて電子を注入する。強電界層に注入された電子は、図１１（ｂ）に示すように、電界方向に沿って配列する前記粒子の列の中を順次、量子トンネル効果によって通過する。ｎｃ−Ｓｉ粒子中では、Ｓｉ核がｎ型であり導電性を持つため、主としてＳｉＯ２膜中に強電界が発生している。従って電子は理論的には図１１（ｃ）のように、各ｎｃ−Ｓｉ粒子のＳｉＯ２膜中において断続的に形成されるポテンシャルエネルギーの障壁を超えながら、各ｎｃ−Ｓｉ粒子のＳｉＯ２膜中の電界により加速されて走行し、放出電子電流（エミッション電流）となってｐ型半導体層に打ち込まれる。
【０００４】
ｐ型半導体層に打ち込まれた弾道電子は、ポテンシャル的にはまずｐ型半導体層の伝導帯の底部に遷移する。この弾道電子がさらに価電子帯側に遷移し、価電子帯中のホールと結合（キャリア再結合）する。この際に、ｐ型半導体層のバンド構造のエネルギーギャップに応じた波長の発光が発生する。また、弾道電子が有している余剰のエネルギーを価電子帯中の他の電子が受け取り、他の電子が励起及び再結合過程を経ることで、さらなる発光が発生する。なお、キャリア再結合に伴う発光が紫外線光であれば、この紫外線光を外部に取り出して蛍光体に照射させることにより、可視光に変換することができる。
【０００５】
弾道電子の電子源としては、上記Ａｌ電極の他、Ｓｉを陽極酸化処理したものを利用できる。また、蛍光体を用いる代わりに、紫外線をＸｅ等の放電ガスに衝突させて可視光発光させることもできる。さらにｐ型半導体層の代わりに、量子井戸や量子ドットを用いることもできる。
【０００６】
このような弾道電子を用いた表示装置は、例えばスピント型のＦＥＤ（電界効果電子エミッションディスプレイ）とは異なり、高真空状態で弾道電子を発生させたり、集束電極を設ける必要がない。このため構成が比較的簡単である特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−４０７２５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
弾道電子を用いた発光装置において、発光効率の高効率化を図るためには、少なくとも以下の条件を満たすことが重要である。
第一に、高エネルギーを有する弾道電子を豊富に半導体層に打ち込むことが求められる。半導体層における発光は、キャリア再結合によって生じるため、弾道電子数が発光強度と比例するからである。
【０００９】
第二に、半導体に打ち込まれる弾道電子のエネルギー値が揃っていることが重要である。弾道電子のエネルギーがバンドギャップより小さいと、キャリア再結合を行えない。また、弾道電子のエネルギーが過剰すぎても、キャリア再結合を効率よく発生できないためである。
【００１０】
そして第三に、駆動電圧が低いことが求められる。表示装置の駆動電圧を低く抑えることで、消費電力の低減効果を狙った表示装置を実現することができる。
しかしながら、従来の弾道電子を用いた表示装置では、上記したいずれの要求の面においても改善の余地が存在する。具体的には、ｎｃ−Ｓｉ粒子を分散させたＳｉＯ２層を強電界層に用いた場合、当該層中の弾道電子の平均自由工程は１〜２ｎｍに留まる。一般に、電子の加速の度合（高エネルギー化）は、電子が散乱を受けるまでの走行距離（言い換えると電子の平均自由行程）に比例するが、この強電界層では強電界を形成して電子を加速しようとしても、平均自由行程が短いために電子が散乱され易く、十分に加速できない。
【００１１】
また、散乱によって弾道電子の走行方向がばらつく（直進性が低い）ため、ｐ型半導体層に対する弾道電子の打ち込み効率が低下するという問題もある。ここで、ｐ型半導体層に対して弾道電子を利用した実用的な発光を得るためには、少なくとも弾道電子が５ｅＶ以上のエネルギーを持つことが必要である。しかし、冷陰極から注入された電子のうち、５ｅＶ以上のエネルギーを持つ弾道電子がｐ型半導体層に打ち込まれる量は１％以下に留まり、極めて低いのが現状である。
【００１２】
強電界層としては、その他、多孔性Ｓｉ材料の表面を陽極酸化したものが知られているが、この構成においても上記と同様、材料中の孔の位置がランダムに形成されて特性が揃いにくく、電子散乱が生じ易いために電子の平均自由行程を十分に確保できない。また、電子散乱の発生によって十分なエネルギーを持つ弾道電子を十分に得ることが難しい。
【００１３】
このようにｐ型半導体層において発光に寄与できる弾道電子が少ないため、各弾道電子が有しているエネルギーが相当に不均一になり易くＰ型半導体層における発光効率の面において改善の余地が存在する。
【００１４】
このような問題を解決するためには、たとえばＳｉＯ２とｎｃ−Ｓｉ粒子のペアを多数の電気力線で接続し、弾道電子の平均自由行程を伸ばす対策が必要となるが、現実的には非常に困難であると言える。
【００１５】
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、従来に比べて高い発光効率でありながら、少ない消費電力で優れた発光特性の発揮を期待することのできる、弾道電子を用いた発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記従来の課題を解決するために、本願発明者らが鋭意検討した結果、強電界層としてＭｇＯを用いると、良好な発光効率を持ち、低電圧で駆動することが可能な発光素子を実現できることを見出した。
【００１７】
そこで本発明の発光素子として、陰極及び陽極からなる一対の電極間に、前記陰極から前記陽極に向かって、ＭｇＯ層からなる強電界層と、ｐ型半導体層からなる発光層が介設された積層構造を有するものとした。
【００１８】
ここで、前記一対の電極間に沿ったＭｇＯ層の膜厚を、当該ＭｇＯ層中を走行する弾道電子の平均自由行程以下の値に設定することもできる。
また、ＭｇＯ層の前記膜厚を３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下に設定することもできる。この場合、さらに４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下に設定することが好適である。
【００１９】
また、ＭｇＯ層は、少なくとも結晶性のＭｇＯで構成することもできる。この場合、ＭｇＯ層は、多結晶構造を有することが望ましい。
また、この場合、前記ＭｇＯ層は、結晶構造中に複数の結晶配向面を有し、当該ＭｇＯ層についてＸ線結晶回折測定を行った場合において、２０°以上９０°以内の範囲に存在する各結晶配向面を示すピークの総面積に対し、５０％より広い面積を占めるドミナントピークを示す結晶配向面が存在し、当該ドミナントピークを示す結晶配向面が、前記一対の電極間に形成される電界の方向に沿って配向している構成とすることもできる。
【００２０】
また、前記ＭｇＯ層は、ｎ型Ｓｉ基板上に成膜されており、前記一対の電極間において、ｎ型Ｓｉ基板は前記陰極に対向して配されている構成とすることもできる。
また、ＭｇＯ層と陽極の間において、ｐ型半導体層が前記ＭｇＯ層の表面と接合されている構成とすることもできる。
【００２１】
さらに、前記ｐ型半導体層の前記キャリア再結合に伴う発光波長は３５０〜７００ｎｍである構成とすることもできる。
前記ｐ型半導体層は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＺｎＭｇＯ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓのうちのいずれかで構成することもできる。
【００２２】
また、陰極はＡｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｎのうちから選ばれた材料で構成することもできる。
一方、陽極についてはＡｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄのうちから選ばれた材料で構成することもできる。
【００２３】
さらに、前記陽極はｐ型半導体層の表面に対してメッシュ状に配設され、ｐ型半導体層からの発光が前記メッシュの間隙より外部に取り出される構成とすることもできる。
或いは、前記陽極は、ｐ型半導体層の表面に対して平行な主面を持つ平板状に形成され、ｐ型半導体層からの発光が表面プラズモン効果により、当該陽極の表面から外部に取り出される構成とすることもできる。
【００２４】
ここで、前記ｐ型半導体層は前記キャリア再結合に伴って紫外線を発光する構成であり、前記陽極の前記一対の電極間と対向する面と反対の面には、蛍光体が配されたフィルターが積層され、駆動時には、ｐ型半導体層の発光が前記フィルターの蛍光体によって可視光に変換される構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の構成を有する本発明の発光素子は、駆動時には一対の電極間に電圧印加されてＭｇＯ層内に電界が形成され、陰極側から放たれた電子がＭｇＯ層内の電界で加速されて弾道電子となり、ｐ型半導体層に打ち込まれてキャリア再結合過程を経ることで発光する。
【００２６】
ここで、本発明ではＭｇＯ層を強電界層として用いることにより、少なくとも弾道電子の平均自由行程に相当する距離（同方向に沿ったＭｇＯ層の全範囲の厚み）にわたり、弾道電子を十分に加速できる特徴を持つ。これはｎｃ−Ｓｉ層からなる従来の強電界層（図１１（ａ））に比べ、比較的低い印加電圧値で電子の散乱を抑制しつつ、効率的に弾道電子を加速できる点において飛躍的に有利な特徴である。
【００２７】
また、ｎｃ−Ｓｉ層からなる従来の強電界層では、ｎｃ−Ｓｉ粒子に配設されたＳｉＯ２膜において、断続的にしか弾道電子を加速を行えない欠点があるが、本発明の発光素子では電界方向に沿ったＭｇＯ層の厚みの全行程にわたり、損失を極めて低く抑えつつ、弾道電子を連続的に加速できる。このため、それほど高い印加電圧を与えなくても、十分かつ均一なエネルギーを持つ豊富な弾道電子をｐ型半導体層に打ち込むことが可能である。
【００２８】
このように本発明では、十分かつ均一なエネルギーを持つ豊富な弾道電子により、ｐ型半導体層において弾道電子及びこれに励起される他の電子によるキャリア再結合に伴う豊富な発光が得られ、優れた発光効率による発光特性が発揮される。
【００２９】
なお、本発明で言う「弾道電子」とは、電界が形成された絶縁層の内部に電子を通過させることで、前記電界により加速された電子を指すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１の発光素子の基本構成を示す模式的な断面図である。
【図２】実施の形態１に係る発光素子のエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図３】発光素子中を走行する弾道電子の様子を説明するための模式的な断面図である。
【図４】実施の形態２に係る、発光素子の構成（グリッド透過発光型）を示す斜視図である。
【図５】実施の形態３に係る、発光素子の構成（表面プラズモン発光型）を示す斜視図である。
【図６】電子放出量測定サンプルの構成を示す断面図である。
【図７】各膜厚のＭｇＯの電子放出量と電子エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図８】ＭｇＯの膜厚と電子放出量との関係を示すグラフである。
【図９】ＣＭＡ分析によるＭｇＯの電子放出特性を示すグラフである。
【図１０】印加電圧と発光効率との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１】従来の弾道電子放出過程と弾道電子加速層の構成、並びに電子の走行距離とポテンシャルの関係を示す図である。
【図１２】ＭｇＯ薄膜について行ったＸ線回折（ＸＲＤ）データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の各実施の形態を添付の図面を参照しながら説明する。
尚、当然ながら本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００３２】
＜実施の形態１＞
（発光素子１の全体構成）
図１は、実施の形態１に係る、弾道電子を利用した発光素子１（以下、単に「発光素子１」と称する。）の構成を示す模式的な断面図である。
【００３３】
発光素子１は、陽極（表面電極）１０及び陰極（裏面電極）５０からなる一対の電極の間に、ｎ−Ｓｉ基板２０と強電界層３０、ｐ型半導体層４０が配された構成を有する。発光素子１は図中、電界（Ｚ）方向に沿って、陰極１０に対し、ｎ−Ｓｉ基板２０、強電界層３０、ｐ型半導体層４０、陽極５０を順次積層して構成されている。
【００３４】
（陰極１０）
陰極１０は冷陰極であって、ｎ−Ｓｉ基板２０と共に弾道電子の放出源として機能する。ここでは一例として陰極１０を厚み２００ｎｍのＡｌ層で構成しているが、この材料・構成に限定されない。例えばＡｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｎの中から選ばれた材料で構成することもできる。これらの材料をを単体、若しくはいずれか２以上を積層して用いることが可能である。
【００３５】
（ｎ−Ｓｉ基板２０）
ｎ−Ｓｉ基板２０は、Ｓｉ基板にｎ型ドーパントを添加してなる基板であって、発光装置１では弾道電子の放出源として用いるとともに、ＭｇＯ層３０を薄膜プロセスで成膜する際の成膜用基板として用いられる。
【００３６】
なお、表示素子１においてｎ−Ｓｉ基板２０は必須の構成ではなく、これを省略することもできるが、ＭｇＯ層３０を良好に薄膜プロセスで成膜する利便性等を考慮して用いることが好ましい。当該ｎ−Ｓｉ基板２０に導入するｎ型ドーパントとしてはｎ型半導体の添加物として一般的に使用される元素、例えばＡｓ、Ｐ等を用いることができる。
【００３７】
（強電界層３０）
強電界層（弾道電子加速層）３０は、本発明の主たる特徴を持つ構成要素であって、少なくとも結晶構造を有するＭｇＯ膜で構成されている。厚みは３０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲、より好ましくは４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下に設定されている。
【００３８】
なおＭｇＯ層３０の結晶構造には、（１１１）、（１１０）、（１００）等の結晶配向面が存在する。ＭｇＯを用いた発光素子において、良好に弾道電子を加速するためには、弾道電子の走行方向を妨げないように、いずれかの主たる結晶配向が弾道電子の走行方向に沿って揃っていることが重要である。
【００３９】
（ｐ型半導体層４０）  
ｐ型半導体層４０は、駆動時に強電界層３０よりエミッション電流として打ち込まれた弾道電子のエネルギーを用い、キャリア再結合の過程で発光する発光層として機能する。材料としては公知材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮ、ＺｎＭｇＯ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のいずれかを用いることができる。ｐ型半導体層４０に関する留意点として、良好な発光特性を得るため、バンド構造における伝導帯下端（Ｅｃ）と価電子帯上端（Ｅｖ）の間のエネルギーギャップ（Ｅｃ−Ｅｖ）は少なくとも２〜３ｅＶ程度存在する材料を用いることが好ましい。このエネルギーギャップの設定により、ｐ型半導体層４０で発生する発光の波長を紫外線波長から可視光波長の範囲において、適宜調節することができる。ここで、上記した公知のｐ型半導体材料を用いると、前記ｐ型半導体層の前記キャリア再結合に伴う発光波長は３５０〜７００ｎｍの範囲で設定することが可能である。
【００４０】
なお、ＭｇＯ層３０側からｐ型半導体層４０に良好に弾道電子を打ち込むため、ｐ型半導体層４０とＭｇＯ層３０を隙間なく接合することが望ましい。ｐ型半導体層４０とＭｇＯ層３０の各界面を清浄な状態で接合することで、弾道電子の注入ロスを低減でき、発光特性の向上を期待することができる。
【００４１】
（陽極５０）
陽極５０は発光素子１における表面電極であって、例えばＡｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれた材料を用いることができる。従って、例えば陽極５はＡｕ単体で構成してもよいし、異種同士の金属薄膜を複数積層して構成することもできる。
【００４２】
陽極５０の厚みとしては、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みに設定することができる。ここで発光素子１においては、陽極５０はｐ型半導体層４０の上面に対して一様な薄膜として形成している。通常、陽極５０は遮光性があるため、ＭｇＯ層３０における発光は、発光素子１の側面でなされる。しかしながら、陽極５０の表面に対し、約５０ｎｍ程度の周期を持つ微小な凹凸を形成することで、駆動時にはｐ型半導体層４０で発生した光（紫外線等）が、いわゆる表面プラズモン効果によって陽極５０の表面に生じる。従って、この場合は陽極５０の上面全体を発光面とすることができる。
【００４３】
（発光素子１の作用及び効果）
以上の構成を有する発光素子１は、従来の発光素子に比べて飛躍的に高い発光効率を有しており、少ない投入電力で良好な発光特性を発揮できる。以下、このような特性が得られる理由についてエネルギー的観点から説明する。
【００４４】
図２は、駆動時における発光素子のエネルギーバンド構造を示す図である。
発光素子１では、陽極５０が陰極１０よりも高電位となるように、駆動電源（直流電源）より駆動電圧Ｖｂ（５Ｖ〜１０Ｖ程度）を印加する。これにより、絶縁体であるＭｇＯ層３０の内部には強電界（Ｅ＝Ｖｂ／ｄ）によるポテンシャルが形成され、そのエネルギーバンドが陰極側から陽極側に向けて急角度で漸減するように傾斜する。図２では、ＭｇＯ層３０の価電子帯上端（Ｅｃ）と伝導帯下端（Ｅｖ）がともに陰極３０側から陽極５０側に向けて傾斜した様子を示している。
【００４５】
このような電圧印加に伴い、陰極１０及びｎ−Ｓｉ板２０から電子がＭｇＯ層３０に注入される。注入の際、電子はｎ−Ｓｉ基板２０とＭｇＯ層３０との間のポテンシャル障壁を乗り越えるか、ＭｇＯ層３０内の強電界の形成に伴うバンド構造の傾斜により、薄くなったＭｇＯ層３０のポテンシャル障壁をトンネル効果で通過するかのいずれかのルートにより、ＭｇＯ層３０内に注入される（図２ではトンネル効果により電子がＭｇＯ層の障壁を通過する様子を示す）。ｎ−Ｓｉ基板２０側からＭｇＯ層３０中に注入された平均的な電子は、強電界によってＺ方向に加速を受け、ＭｇＯ層３０注入時のエネルギーレベルとＭｇＯ層３０の伝導帯下端（Ｅｃ）とのギャップ（Ｅｇ１）に相当する運動エネルギーを有する弾道電子となる。
【００４６】
ここでＭｇＯ層３０では図３の断面図に示すように、少なくとも弾道電子の平均自由行程に相当する距離（すなわち、電界（Ｚ）方向に沿ったＭｇＯ層３０の厚みと同等の距離）にわたって弾道電子を十分に加速することができる。これはｎｃ−Ｓｉ粒子を用いてなる従来の強電界層（図１１（ａ））に比べ、同じ値もしくはそれ以下の印加電圧であっても、電子の散乱を確実に抑制しつつ、効率的に弾道電子を加速できる点において、大きな優位性となる特徴である。また、ｎｃ−Ｓｉ粒子を用いてなる従来の強電界層（ｎｃ−Ｓｉ層）では、図１１（ｃ）に示すように、主として電界（Ｚ）方向に並ぶｎｃ−Ｓｉ粒子に被覆されたＳｉＯ２膜の膜厚の総和に相当する距離（ｄ１＋ｄ２＋・・・ｄ１１）において、断続的にしか加速を行えないが、発光素子１においては、電界（Ｚ）方向に沿ったＭｇＯ層３０の厚みに相当する全行程にわたり、損失を極めて低く抑えながら弾道電子を連続的に加速することができる。さらにＭｇＯ層３０は、電界（Ｚ）方向に沿って、ＭｇＯの主要な結晶配向面が配列されているため、ＭｇＯの結晶構造の不均一性等による電子散乱の発生も低減されている。このためＭｇＯ層３０では、それほど高い印加電圧を与えなくても、十分かつ均一なエネルギーを持つ豊富な弾道電子をｐ型半導体層４０に打ち込むことが可能である。具体的に、ｐ型半導体層４０に打ち込まれた直後の弾道電子は、ＭｇＯ層３０中で十分に加速されて得た運動エネルギー（Ｅｇ１）に加え、ＭｇＯ層３０の陽極側端部の伝導帯下端（Ｅｃ）とｐ型半導体層の伝導帯下端（Ｅｖ）のエネルギーギャップ（Ｅｇ２）に相当するポテンシャルエネルギー（Ｅｇ１＋Ｅｇ２）を有している。弾道電子はｐ型半導体層４０の伝導帯下端（Ｅｃ）の位置から、価電子帯上端（Ｅｖ）付近に存在するホールと結合（キャリア再結合）し、その際にｐ型半導体層４０のエネルギーギャップに相当するエネルギー（Ｅｇ３）の発光（Ｅ＝ｈν）を生じる。そして、余剰のエネルギー（Ｅｇ１＋Ｅｇ２−Ｅｇ３）は、その他のｐ型半導体層４０の伝導帯下端（Ｅｃ）近傍に存在する電子に与え、エネルギーを得た電子が次々にホールとキャリア再結合を生ずることで、さらなる発光（Ｅ＝ｈν）を生じさせることができる。
【００４７】
なお、表示素子１では図１に示すように、ｐ型半導体層４０では紫外線光（ＵＶ）による発光がなされ、陽極５０の表面を通じていわゆる表面プラズモン効果により外部に取り出される。或いは紫外線光（ＵＶ）は、発光素子１の厚み（Ｚ）方向側面から外部に取り出すこともできる。
【００４８】
（ＭｇＯ層３０の結晶配向面について）
本発明の発光素子１に用いる強電界層としてのＭｇＯ層３０は、上記した効果を得るため、弾道電子の散乱を防止し、十分かつ均一な運動エネルギーを与える観点から少なくとも結晶面（結晶構造）を有する構成とすることが望ましい。さらに、多結晶を有する構造であればなお望ましい。この理由のため、ＭｇＯ層３０には不均一な構造領域（アモルファス領域）はできるだけ少ないことが、弾道電子に対する安定した量子効果を得る上で好適であると言える。
【００４９】
またＭｇＯ層３０における結晶配向面は、一対の電極（陰極１０及び陽極５０）の間に形成される電界（Ｚ）方向に沿って配列されていることも望ましい。ここで通常、結晶性のＭｇＯの結晶構造には、（１００）配向面、（１１０）配向面、（１１１）配向面、（２１１）配向面など、複数の結晶配向面が存在する。理想的には、いずれの結晶配向面も電界方向に沿って配列していることが望ましいが、少なくともＭｇＯ層３０中において最も豊富に存在する結晶配向面が電界（Ｚ）方向に沿って配列していればよい。
【００５０】
たとえば具体的に、ＭｇＯ層３０についてＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定（ＸＲＤ）を実施した場合には２０°以上９０°以内の範囲に存在する各結晶配向面を示すピークの総面積に対し、５０％より広い（望ましくは８０％以上の）面積を占めるドミナント（主要）ピークを示す結晶配向面が存在するとき、当該ドミナントピークを示す結晶配向面が、電界方向（Ｚ方向）に沿って配向していればよい。
【００５１】
ここで図１２は、実際にＭｇＯ薄膜についてＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定（ＸＲＤ）を実施した測定結果を示す。当図に示すサンプルのデータでは、３０°以上８０°以内の範囲において、（１１１）配向面を示すドミナントピークが存在する。図１２では２０°超３０°未満、８０°超９０°以下の範囲を図示しないが、この（１１１）配向面を示すドミナントピークは、２０°以上９０°以内の範囲に存在する各結晶配向面を示すピークの総面積に対し、５０％より広い面積を占めるものである。従ってこの場合、（１１１）配向面が発光素子１における電界（Ｚ）方向に揃っていると、弾道電子が電界（Ｚ）方向に沿って加速される際、ＭｇＯ層３０の不規則な結晶構造等に起因して生じうる電子散乱が極力低減されるため、少なくとも電子の平均自由行程にわたり、良好に電子を加速できると考えられる。
【００５２】
なお表示素子１では、ＭｇＯ層３０はｎ−Ｓｉ基板２０の片側主面上に、気相成長法（ＶＰＥ）等の薄膜形成法に基づいて成膜されている。或いはこの他、いわゆるエピタキシャル成長法に基づき、ｎ−Ｓｉ基板２０の結晶構造を利用して成膜すれば、弾道電子を効率的に加速可能な結晶配向面を有するＭｇＯ層３０を得ることができる。具体的にエピタキシャル成長法を利用する場合、予め当該基板２０の表面に対して垂直な方向（すなわち、電界（Ｚ）方向）に結晶配向面が揃ったｎ−Ｓｉ基板２０を用意する。この基板２０上にエピタキシャル法に基づいてＭｇＯ膜を成膜すれば、結晶配向面が電界（Ｚ）方向に揃ったＭｇＯ層３０を得ることができる。
【００５３】
次に本発明の別の実施の形態について、主な特徴部分を中心に説明する。
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２に係る発光素子１Ａの構成を示す、模式的な斜視図である。発光素子１Ａは当図に示すように、ｐ型半導体層４０の上面に対してグリッド状（メッシュ状）の陽極５０を形成している。この構成によれば、ｐ型半導体層４０中で生じた光を直接グリッド間隙より外部に取り出す構成にすることもできる。
【００５４】
なお、発光素子１Ａでは、ｐ型半導体層４０において紫外線発光を得るものとし、陽極５０の上に蛍光体含有フィルター６０を載置している。これにより、前記グリッド間隙によりｐ型半導体層側から取り出された紫外線光は、蛍光体含有フィルター６０中に透過される。この透過する際に、紫外線光は蛍光体によって可視光に変換される。蛍光体としてはＲＧＢいずれかの色の公知の蛍光体を用いることができる。
【００５５】
なお、フィルター６０としては、例えば公知のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等からなる樹脂成分に蛍光体材料を含有させるほか、樹脂部材の表面やガラス基板等に蛍光体材料を塗布して形成することもできる。
【００５６】
＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３に係る発光素子１Ｂの構成を示す、模式的な斜視図である。
【００５７】
当図に示す発光素子１Ｂは、発光素子１を基本とし、その陽極５０の上面に蛍光体含有フィルター６０を載置した構成を持つ。
このような構成の発光素子１Ｂによれば、ｐ型半導体層４０で発生した紫外線光は、表面プラズモン効果によって陽極５０を透過し、外部に取り出される。その後、紫外線光は蛍光体含有フィルター６０を透過する際に可視光に変換され、可視光発光が実現される。
【００５８】
なお、実施の形態２、３では、それぞれ陽極５０の上面に直接フィルター６０を配設しているが、複数の発光素子１Ａ、１Ｂを平面上に配列させ、これらの複数の素子１Ａ、１Ｂに共通してフィルター６０を配設することもできる。
【００５９】
さらに、複数の素子を平面上に行列方向に配列する場合には、例えばＲＧＢいずれかの発光色、またはこれらのいずれかの発光色を持つ複数主の蛍光体含有フィルターを配設することで、発光色の調整を図ることも可能である。
【００６０】
或いは、公知のパッシブマトリクス方式又はアクティブマトリクス方式に基づき、平面上に行列方向に沿ってマトリクス状に表示素子１Ａ，１Ｂを配設する。そして、行方向にＲＧＢ各発光色の蛍光体含有フィルター６０を配設し、隣接する３つの表示素子１Ａ、１Ｂからなる各サブピクセルの組み合わせで１画素（ピクセル）を形成することで、三原色発光に基づくカラー表示が可能な画像表示装置を実現することもできる。
【００６１】
＜性能確認実験＞
本発明の発光素子について行った性能確認実験の実施方法と結果、並びに考察について述べる。
（電子放出量と電子エネルギーの測定及びＭｇＯ層の膜厚について）
まず図６のサンプル断面図に示すように、裏面電極（陰極）及び表面電極（陽極）からなる一対の電極の間に、ｎ−Ｓｉ基板及び膜厚が異なる多結晶構造を持つＭｇＯ層（３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０、１７０ｎｍのいずれか）を順次積層してなる測定用サンプルをそれぞれ作製した。
【００６２】
この各サンプルを大気雰囲気下で駆動電圧−１０Ｖで駆動した場合の電子放出量について、５０ｎＷの光アシスト照射しながら光電子分光装置を用いて電子放出特性を測定した。
【００６３】
この測定結果を図７のグラフに示す。図７では、ＭｇＯ層を各膜厚値に設定した場合の、光電子エネルギー（放出電子エネルギー）と電子放出量（単位面積当たりの個数；ｃｐｓ）との関係を示している。光電子エネルギーの値は、理論的にはＭｇＯ層から放出される電子が有するエネルギーの値（図３のＥｇ１＋Ｅｇ２に相当する）に対応するものである。
【００６４】
当図に示されるように、膜厚が上記したいずれの場合のサンプルも、アシスト光エネルギーが４．５〜５ｅＶ付近以上になると、電子放出量が急激に増大する。これは強電界層としてＭｇＯ層を用いた各サンプルを１０Ｖで駆動した場合には、弾道電子が豊富に得られることを意味する。なお、図７に示す結果では、光電子エネルギーは５ｅＶ以上の範囲ではやや飽和しているが、これは光電子増倍管の測定限界を示す。従って、光エネルギーが５ｅＶ以上の範囲では、実際の弾道電子のエネルギーは図７に示すデータよりも高い値になると思われる。
【００６５】
次に、図７の実験に供した各サンプルにおけるＭｇＯ層の膜厚（縦軸）と、５ｅＶのエネルギーを持つ弾道電子の放出量（横軸）の関係についてのグラフを図８に示す。
各サンプルのうち、膜厚が３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０ｎｍである場合は、４．５〜５ｅＶ付近以上のエネルギーを持つ弾道電子の放出量が豊富であり、特に膜厚が５０ｎｍの場合に最高の電子放出量が得られている。このような結果が得られた理由として、膜厚５０ｎｍのＭｇＯ層を強電界層として用いた場合には、ＭｇＯ層の膜厚が電子の平均自由行程にほぼ近くなるため、強電界による弾道電子の加速を最も効率よく行える設定であると言える。従って、ＭｇＯ層の膜厚が５０ｎｍよりも厚くなると、弾道電子がＭｇＯ層中の量子特性によって電子散乱を受ける確率も増大し、ＭｇＯ層の膜厚が１７０ｎｍに達すると、電子放出量にもある程度の減少がみられるようになる。一方、ＭｇＯ層の膜厚が５０ｎｍより薄い（たとえば３０ｎｍ）場合、理論的には膜厚の減少に伴って電子放出量の増大が予想されるが、実際の電子放出量は減少する。この電子放出量の減少は実際の成膜方法の限界によるものであって、成膜するＭｇＯの膜厚が薄すぎると、ＭｇＯの結晶性が極端に悪くなるため、量子効果が低下し、電子散乱の発生を招いたためであると考えられる。
【００６６】
以上のことから実際に成膜するＭｇＯ層の膜厚としては、電子の平均自由行程と弾道電子の加速、ならびに成膜条件のばらつきを考慮すると、５０ｎｍ±５ｎｍに相当する、４５ｎｍ〜５５ｎｍの範囲が最も適していると言える。
【００６７】
（印加電圧と電子放出量の関係について）
次に、ＭｇＯからの電子放出量について、ＣＭＡ分析（Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ａｎｎａｌｙｚｅｒ）を用いて調査した。印加電圧（Ｖｂ）値として、０Ｖ、４．０Ｖ、５．０Ｖ、５．５Ｖのそれぞれに設定して測定した。この測定結果を図９に示す。
【００６８】
図９（ａ）〜（ｄ）に順次示すように、印加電圧が５．０Ｖ以上になると、明確に電子放出を示す波形が観測される。この時の電子エネルギーの半値幅は、約２ｅＶである。
一方、強電界層としてｎｃ−Ｓｉ粒子からなる層を用いた従来の構成では、同様の測定を行った場合、最低でも１４Ｖ以上、好ましくは１６Ｖ以上の印加電圧が必要である。この場合、観測される電子エネルギーの半値幅は約６ｅＶである。
【００６９】
従って、上記従来技術に比べると、本発明のサンプルでは１０Ｖ程度もの低電圧駆動化が図られている。また、電子エネルギーの半値幅の広がりも１／３程度まで収束されており、放出電子（弾道電子）のエネルギーのばらつきが抑制され、均一化されていることも確認できる。
【００７０】
（印加電圧と発光効率の関係について）
次に、発光素子の印加電圧と、これに伴って発光する紫外線の発光効率の関係を示すシミュレーションを行った。
【００７１】
このシミュレーションでは、まずＭｇＯ層からｐ型半導体層に打ち込まれる全弾道電子のうち、正孔と再結合して紫外線を放出する電子の確率（遷移確率）を０．５とした。この「０．５」という確率値は、ｐ型半導体層における一般的なキャリア再結合の確率を考慮したものである。
【００７２】
また、図１に示す構成の発光素子において、ｎ−Ｓｉ基板から印加電圧Ｖｂによって励起された電子が、ＭｇＯ層内で弾道電子となってｐ型半導体層まで到達する確率をＴとした。そして確率Ｔが１０、５０、１００（％）のそれぞれの場合における発光効率をシミュレーションした。図１０に、当該シミュレーション結果を示す。
【００７３】
図１０に示すように、確率Ｔ＝１０、５０、１００（％）のいずれのサンプルも、駆動電圧が５Ｖ付近である場合において最も発光効率（ｌｍ／Ｗ）が優れており、駆動電圧の増加に伴って発光効率が低減する傾向がみられる。
【００７４】
ここで、強電界層にｎｃ−Ｓｉ層を用いた従来技術（図１１（ａ）参照）においては、駆動電圧を２５Ｖとした場合、Ｔ＝１％程度であり、発光効率は１ｌｍ／Ｗ程度であることが分かっている。
【００７５】
これに対して本発明の発光素子では、図１０に示すように５ｅＶ以上のエネルギーを持つ豊富な弾道電子がＭｇＯ層によって得られることを考慮すると、Ｔ＝５０％程度であり、発光効率は２０ｌｍ／Ｗ前後であると考えられる。この発光効率は従来構成の発光効率の１０倍以上の値に相当し、本発明が従来技術に比べて相当に優れた発光効率であることを表わしている。
【００７６】
なお、本発明の発光素子の確率Ｔが１０％程度まで低いとしても、発光効率は従来技術に対してまだ相当に高い値を維持できる。
以上のシミュレーション結果を考えると、本発明は従来構成に比べて優れた発光効率を有することが考えられる。
【００７７】
（実験結果の考察のまとめ）
上記した各実験結果によれば、ＭｇＯ層からなる強電界層を発光素子に採用することで、従来の発光素子に比べて飛躍的に消費電力の低減を図れるとともに、豊富かつ均一なエネルギーを持つ弾道電子をｐ型半導体層に打ち込むことができる。これにより、少ない消費電力で良好な発光効率を発揮することが可能な、弾道電子を利用する表示素子を実現できる。
【００７８】
＜その他の事項＞
本発明の発光素子は、単独で使用することにより小型電子機器のシグナルランプや照明装置等として利用できるほか、平面上に行列方向に沿ってマトリクス状に配設し、広い面積にわたり各素子を発光させることで、面発光を行う照明装置や表示装置、画像表示装置として用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の弾道電子を利用してなる発光素子は、特に発光手段や、発光素子を平面的に多数配設してなる照明装置、画像表示装置（ディスプレイ）等に利用することが考えられ、その産業上の利用可能性は極めて広い。
【符号の説明】
【００８０】
１、１Ａ、１Ｂ    弾道電子を利用する発光素子
１０    陰極（冷陰極、裏面電極）
２０    ｎ−Ｓｉ基板
３０    強電界層（ＭｇＯ層）
４０    ｐ型半導体層
５０    陽極（表面電極）
６０    蛍光膜付フィルター
【図１】
2011258753.tif 000003
【図２】
2011258753.tif 000004
【図３】
2011258753.tif 000005
【図４】
2011258753.tif 000006
【図５】
2011258753.tif 000007
【図６】
2011258753.tif 000008
【図７】
2011258753.tif 000009
【図８】
2011258753.tif 000010
【図９】
2011258753.tif 000011
【図１０】
2011258753.tif 000012
【図１１】
2011258753.tif 000013
【図１２】
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