(57)【要約】【課題】化学的安定性が良好な発光層を備えたエレクトロルミネッセンス素子及びそのエレクトロルミネッセンス素子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明のエレクトロルミネッセンス素子(10)は、発光層(15)と、発光層(15)に電圧を印加できる第１電極(12)及び第２電極(17)とを備えたエレクトロルミネッセンス素子(10)であって、発光層(15)が、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含むことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子(10)である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、前記発光層に電圧を印加できる第１電極及び第２電極とを備えたエレクトロルミネッセンス素子であって、
前記発光層は、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含むことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
前記窒化物中の前記ガドリニウムの含有量は、０．０１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の範囲である請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記窒化物中の前記アルミニウムの含有量は、１５ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲である請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記第１電極及び前記第２電極から選ばれる少なくとも１つは、紫外光を透過する透過層である請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記発光層は、前記第１電極と、前記第２電極とによって狭持されている請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
前記第１電極と前記発光層との間、及び前記第２電極と前記発光層との間から選ばれる少なくとも一方の間に配置された絶縁層をさらに含む請求項５に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
前記絶縁層は、紫外光を透過する透過層である請求項６に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項８】
前記絶縁層、前記第１電極及び前記第２電極から選ばれる少なくとも１つは、紫外光を反射する反射層である請求項６に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項９】
前記第１電極の前記発光層側とは反対の主面に接する基板をさらに含む請求項５に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１０】
前記基板は、ガラスを含む材料からなる請求項９に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１１】
前記基板は、セラミックを含む材料からなる請求項９に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１２】
前記第１電極及び前記第２電極から選ばれる少なくとも１つの電極は、紫外光を透過する紫外光透過電極であり、
前記絶縁層は、前記紫外光透過電極と前記発光層とによって狭持されており、
前記紫外光透過電極と前記絶縁層とによって狭持された補助電極をさらに含む請求項６に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１３】
前記補助電極は、ストライプ状又は格子状に配置されている請求項１２に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１４】
i)第１電極上に、窒化物を含む材料からなる発光層を形成する工程と、
ii)前記発光層上に、第２電極を形成する工程とを含み、
前記窒化物は、アルミニウム及びガドリニウムを含有することを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【請求項１５】
前記i)工程は、前記第１電極上に、絶縁層を介して前記発光層を形成する工程である請求項１４に記載のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ii)工程は、前記発光層上に、絶縁層を介して前記第２電極を形成する工程である請求項１４に記載のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【請求項１７】
前記i)工程の前に、基板上に前記第１電極を形成する工程をさらに含む請求項１４に記載のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光を放つ光源としては、ランプや、エレクトロルミネッセンス（electroluminescence：以下、「ＥＬ」という。）素子が知られている。
【０００３】
ランプには、水銀ランプ、重水素ランプ、エキシマランプ等があり、これらは汎用の紫外光源として知られている。これらのランプは、バルブ内に一対の電極と放電媒体とを配置したものであり、電極に電圧をかけると、電子が放電媒体に衝突して、放電媒体が励起されて発光する。放電媒体の種類によっては、紫外光を放つこととなる。
【０００４】
一方、ＥＬ素子は、一般に、電界励起型とキャリア注入型に大別できる。電界励起型のＥＬ素子は、面発光できる光源として知られており、特に、半絶縁性の半導体からなる母体材料に、金属イオンからなる発光中心を添加した材料からなる発光層を一対の電極で狭持したＥＬ素子を無機ＥＬ素子という。
【０００５】
前記母体材料としては、一般に、フッ化物、硫化物、酸化物、窒化物等が用いられている。母体材料は、広いバンドギャップ（３ｅＶ以上）を有する材料でなければならないからである（例えば、非特許文献１等）。また、前記発光中心としては、一般に、Ｍｎ2+，Ｃｕ+，Ｔｂ3+，Ｃｅ3+，Ｅｕ2+等の遷移金属イオンや希土類金属イオンが用いられている。
【０００６】
そして、無機ＥＬ素子は、発光層に用いる材料によって、可視発光したり、赤外発光したり、紫外発光したりする。発光層に用いる材料としては、例えば、ＣａＳ：Ｅｕ等の赤色蛍光体、ＺｎＳ：Ｍｎ等の橙色蛍光体、ＡｌＮ：Ｔｂ（例えば、非特許文献２等）、ＺｎＳ：Ｔｂ等の緑色蛍光体等の可視光を放つ材料や、ＡｌＮ：Ｅｒ（例えば、非特許文献３等）、ＺｎＳ：Ｔｍ等の赤外線を放つ材料、ＺｎＦ2：Ｇｄ、ＺｎＦ2：Ｎｄ等の紫外光を放つ材料がある。
【非特許文献１】Ｄ．Ｓ．Ｌｅｅほか、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ」、２００３年、第８３巻、ｐ．２０９４−２０９６
【非特許文献２】木戸房吉ほか、「第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集」、１９８９年、ｐ．１０６５
【非特許文献３】Ｖ．Ｉ．Ｄｉｍｉｔｒｏｖａほか、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ」、２００１年、第１７５−１７６巻、ｐ．４８０−４８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
紫外光を放つ光源として、前記ランプを用いると、線光源又は点光源なので明るさにムラができる可能性があった。また、放電媒体として環境負荷の高い物質を用いなければならないという課題があった。
【０００８】
また、紫外光を放つ光源として、前記無機ＥＬ素子を用いると、面光源なので明るさは均一になるものの、従来の無機ＥＬ素子では、前記母体材料として、十分な大きさのバンドギャップをもつフッ化物を用いなければならなかった。フッ化物のなかでも、ＺｎＦ2は、発光効率の高い発光層を提供できる母体材料として知られているが、潮解性があり、化学的に不安定な材料なので、発光層が劣化しやすい。なお、潮解性のない化学的に安定な母体材料として、窒化アルミニウム等の窒化物が知られているものの、発光層に用いられているのは、非特許文献１に開示された緑色蛍光体や、非特許文献２に開示された赤外発光する材料といった数種類の材料に限られ、紫外発光する材料はこれまで知られていない。
【０００９】
本発明は、化学的安定性が良好な発光層を備えたＥＬ素子及びそのＥＬ素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のエレクトロルミネッセンス素子は、
発光層と、前記発光層に電圧を印加できる第１電極及び第２電極とを備えたエレクトロルミネッセンス素子であって、
前記発光層は、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法は、
i)第１電極上に、窒化物を含む材料からなる発光層を形成する工程と、
ii)前記発光層上に、第２電極を形成する工程とを含み、
前記窒化物は、アルミニウム及びガドリニウムを含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＥＬ素子は、発光層の化学的安定性を向上させることができる。
【００１３】
本発明のＥＬ素子の製造方法は、化学的安定性が良好な発光層を備えたＥＬ素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のＥＬ素子は、発光層と、第１電極と、第２電極とを備え、前記第１電極及び前記第２電極は、前記発光層に電圧を印加できるように配置されている。前記発光層は、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含む。
【００１５】
本発明のＥＬ素子によれば、発光層がアルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含むことによって、発光層の化学的安定性を向上させることができる。発光層を形成する材料として従来用いられているフッ化物は、潮解性を有するのに対して、前記窒化物は、潮解性がなく、化学的に安定だからである。また、前記窒化物は、フッ化物のような毒性を有していないという長所もある。
【００１６】
本発明のＥＬ素子は、例えば、発光面が平面又は曲面の面光源、点光源等であり、特に紫外光を放つ光源である。
【００１７】
前記発光層は、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を少なくとも含めば、その形状、その他の材料等によって、特に限定されない。
【００１８】
前記窒化物は、ＥＬ素子の発光層に一般的に用いる母体材料に発光中心を添加した材料であれば、特に限定されない。前記窒化物は、例えば、ＡｌＮ：Ｇｄ、ＡｌＧａＮ：Ｇｄ、ＡｌＩｎＮ：Ｇｄ等である。
【００１９】
前記窒化物中の前記ガドリニウムの含有量は、特に限定されないが、０．０１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の範囲であることが好ましく、０．１ｍｏｌ％以上１ｍｏｌ％以下の範囲であることがより好ましい。この含有率が０．０１ｍｏｌ％未満であると、十分な紫外線発光強度が得られず、１０ｍｏｌ％を超えると、濃度消光によって、紫外線発光強度が低下することがある。上記範囲を満たすことにより、ＥＬ素子の紫外線発光強度を向上させることができる。
【００２０】
前記窒化物中の前記アルミニウムの含有量は、特に限定されないが、１５ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲であることが好ましく、２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下の範囲であることがより好ましい。上記範囲を満たすことにより、前記窒化物のバンドギャップが、より確実にＧｄ3+の発光エネルギー（４ｅＶ）よりも大きくなるので、Ｇｄ3+からの発光がより得られやすくなる。
【００２１】
前記第１電極及び前記第２電極は、いずれも導電性材料からなり、互いに電気的に導通せずに、前記発光層に電圧を印加できるように配置されていれば、その形状等によって、特に限定されない。第１電極及び第２電極は、電極パターンを含むものであってもよい。前記電極パターンによって、ＥＬ素子を選択的にある一部分だけ発光させることもできる。また、第１電極と第２電極とは、同じ材料を用いても、異なる材料を用いてもよい。
【００２２】
第１電極及び第２電極から選ばれる少なくとも１つは、紫外光を透過する透過層であることが好ましい。これにより、発光層で生じた紫外光を透過できる。前記透過層としては、例えば、Ｇａを添加したＺｎＯ（ＧＺＯ）、ＳｎＯ2、Ｓｎを添加したＩｎ2Ｏ3（ＩＴＯ）、Ａｌを添加したＺｎＯ（ＡＺＯ）等の透明電導性酸化物を含む透過層がある。なお、本明細書において透過層とは、紫外光、特に波長３００ｎｍ以上３３０ｎｍ以下の範囲の紫外光を透過できる層である。
【００２３】
前記第１電極及び前記第２電極の膜厚は、特に限定されないが、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲であることが好ましく、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であることがより好ましい。膜厚が２０ｎｍ未満であると、電極の抵抗が高くなるので、十分な電気的特性が得られないことがあり、膜厚が４００ｎｍを超えると、光透過率、特に紫外光透過率が低下することがある。第１電極又は第２電極の膜厚が、上記範囲を満たすことにより、電気的特性が良好で透光性が高い電極となる。このとき、第１電極の膜厚と第２電極の膜厚とを等しくする必要はない。
【００２４】
また、前記発光層の膜厚は、特に限定されないが、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲であることが好ましく、５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲であることがより好ましい。発光層の膜厚が２００ｎｍ未満であると、発光層の結晶性が小さくなり、発光効率の向上が妨げられる可能性がある。膜厚が２０００ｎｍを超えると、動作電圧が著しく増加することがある。また、膜厚が２０００ｎｍを超える場合は、膜厚をそれ以上大きくしても、その発光強度はほとんど変わらない。
【００２５】
本発明のＥＬ素子は、前記発光層が、前記第１電極と、前記第２電極とによって狭持されていてもよい。発光層が、第１電極と第２電極とによって狭持されていることによって、効率よく発光層に電圧を印加できるからである。この場合のＥＬ素子は、第１電極側から光が放出される構成であっても、第２電極側から光が放出される構成であっても、第１電極側と第２電極側の両側から光が放出される構成であってもよい。
【００２６】
本発明のＥＬ素子において、発光層が、前記第１電極と、前記第２電極とによって狭持されている場合は、前記第１電極と前記発光層との間、及び前記第２電極と前記発光層との間から選ばれる少なくとも一方の間に配置された絶縁層をさらに含むことが好ましい。絶縁層は、電極から発光層に注入される電荷量を制限し、発光層の絶縁破壊を防止できるからである。
【００２７】
前記絶縁層の膜厚は、特に限定されないが、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲であることが好ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲であることがより好ましい。膜厚が５０ｎｍ未満であると、ピンホールができたり、異物が混入したりすることによって、絶縁層の絶縁破壊特性が低下することがある。膜厚が４００ｎｍを超えると、絶縁層にかかる電圧が大きくなり過ぎて、発光層にかかる電圧が低下するため、電源電圧を増大させなくてはならなくなることがある。絶縁層の膜厚が、上記範囲を満たすことにより、電源電圧を大きくすることなく、絶縁破壊を防ぐことができる。
【００２８】
前記絶縁層の材料は、特に限定されないが、発光層へ十分な電界を印加するためには、絶縁破壊電界強度と誘電率との積が、１．５μＣ／ｃｍ2以上、好ましくは２．５μＣ／ｃｍ2以上であれば、発光層に十分な電界を印加できる。また、前記絶縁層が、紫外光を透過する透過層であれば、発光層から生じた紫外光を透過できるのでより好ましい。前記透過層としては、例えば、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＡｌＯＮ、Ｙ2Ｏ3、ＢａＴｉＯ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＰｂＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＨｆＯ2等を含む絶縁層がある。特に、Ｓｉ3Ｎ4を含む絶縁層であれば、緻密な絶縁膜を低温条件下で形成できるので好ましい。
【００２９】
また、前記絶縁層、前記第１電極及び前記第２電極から選ばれる少なくとも１つは、紫外光を反射する反射層であれば、より好ましい。発光層で生じた紫外光を、この反射層で反射させて、ＥＬ素子の反射層側とは反対の主面から放出できるので、ＥＬ素子から放出される紫外光の発光強度を向上させることができる。第１電極又は第２電極が反射層である場合、その材料は、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等である。なお、本明細書において反射層とは、紫外光、特に波長３００ｎｍ以上３３０ｎｍ以下の範囲の紫外光を反射できる層である。
【００３０】
本発明のＥＬ素子において、発光層が、前記第１電極と、前記第２電極とによって狭持されている場合は、前記第１電極の前記発光層側とは反対の主面に接する基板をさらに含むことが好ましい。ＥＬ素子の力学的強度が向上するため、ＥＬ素子の生産効率を向上させることができるからである。
【００３１】
前記基板は、その材料や膜厚によって特に限定されないが、一般的な液晶用又は無機薄膜ＥＬ用の基板を用いればよい。基板の表面は、平滑であることが好ましい。その表面粗さRa（JIS B 0601）は０．２ｎｍ程度であればよい。基板の表面に凹凸があると電界の集中が生じ、絶縁破壊の原因となることがあるからである。また、前記基板の材料が、ガラスを含む材料であれば、透光性が高いのでより好ましい。ガラスを含む材料は、例えば、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属又はカルシウム等のアルカリ土類金属の含有量が少ないアルミノシリケートガラスやアルカリバリウムホウケイ酸ガラス（即ち、無アルカリアルミノシリケートガラスや無アルカリバリウムホウケイ酸ガラス）等である。特に、無アルカリアルミノシリケートガラスは、紫外線透過率が高いので適している。また、前記基板の材料が、セラミックを含む材料であれば、耐熱性が高く、より高温の熱処理に耐えられるため更に好ましい。前記セラミックは、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＢａＴｉＯ3等である。
【００３２】
本発明のＥＬ素子において、発光層が、前記第１電極と、前記第２電極とによって狭持されている場合は、前記第１電極及び前記第２電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、紫外光を透過する紫外光透過電極であり、前記絶縁層が、前記紫外光透過電極と前記発光層とによって狭持されており、前記紫外光透過電極と前記絶縁層とによって狭持された補助電極をさらに含むことが好ましい。この補助電極は、紫外光透過電極よりも抵抗の低い材料、例えば、Ａｇ、Ｗ等の金属（体積抵抗率：１０-6〜１０-5Ωｃｍ程度）からなる。前記紫外線透過電極は、通常、抵抗が高い材料（体積抵抗率：１０-4Ωｃｍ以下）からなり、その主面の面積が大きいほど抵抗による損失も大きくなるが、補助電極を配置することによって、電極全体としての抵抗を下げることができる。補助電極の開口率が高ければ高いほど、発光層から生じた光の取り出し効率は向上するが、前記補助電極を配置する効果は低下する傾向がある。光の取り出し効率と補助電極を配置する効果とを両立させる開口率の最適値は、基板サイズや発光面の面積等のＥＬ素子の構造、ＥＬ素子に印加する電圧の波形等によって変化する。したがって、ＥＬ素子の仕様に応じて、補助電極の開口率を設計すればよい。ここで「開口率」とは、前記第１電極と前記第２電極とによって挟持された前記発光層の発光領域の面積をＳLとし、前記発光領域内の前記補助電極の面積をＳMとしたときの１−ＳM／ＳLで求められる値のことである。
【００３３】
また、前記補助電極は、前記紫外光透過電極の主面に対して、ストライプ状又は格子状に配置されていれば、補助電極が金属等の紫外光を透過させない材料からなる場合であっても、開口率の低下を防ぐことができるので、より好ましい。
【００３４】
本発明のＥＬ素子の製造方法は、i)第１電極上に、窒化物を含む材料からなる発光層を形成する工程と、ii)前記発光層上に、第２電極を形成する工程とを含む。前記窒化物は、アルミニウム及びガドリニウムを含有している。
【００３５】
本発明のＥＬ素子の製造方法によれば、アルミニウム及びガドリニウムを含有する窒化物を含むことによって、化学的安定性を向上させた発光層を備えたＥＬ素子を提供できる。フッ化物等の従来の化合物は、潮解性を有していたのに対して、前記窒化物は、潮解性がなく、化学的に安定だからである。
【００３６】
前記i)工程は、前記第１電極上に、絶縁層を介して前記発光層を形成する工程であれば、発光層を形成しやすい上、絶縁層を設けることによって、第１電極から発光層に注入される電荷量が制限され、発光層の絶縁破壊を防止できるので好ましい。また、前記ii)工程は、前記発光層上に、絶縁層を介して前記第２電極を形成する工程であれば、第２電極を形成しやすい上、絶縁層を設けることによって、第２電極から発光層に注入される電荷量が制限され、発光層の絶縁破壊を防止できるので好ましい。
【００３７】
本発明のＥＬ素子の製造方法において、前記i)工程の前に、基板上に前記第１電極を形成する工程をさらに含めば、第１電極を形成しやすい上、基板を設けることによってＥＬ素子の強度を向上させることができるので好ましい。
【００３８】
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を用いて説明する。なお、同一の部分には同一の記号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
【００３９】
（実施形態１）
図１に、本発明のＥＬ素子の一例の断面図を示す。
【００４０】
本実施形態のＥＬ素子１０は、基板１１の上に、第１電極１２、補助電極１３、第１絶縁層１４、発光層１５、第２絶縁層１６及び第２電極１７が、この順に積層されている。
【００４１】
発光層１５は、ＡｌＮ：Ｇｄを含む。基板１１、第１電極１２、第１絶縁層１４、第２絶縁層１６及び第２電極１７は、いずれも透過層である。なお、第２電極１７は、所定の形状にパターニングされ、補助電極１３は、ストライプ状に配置されている。ＥＬ素子１０は、発光層１５に電圧を印加することによって、Ｇｄ3+による紫外光（発光ピークの波長３１０〜３２０ｎｍ）を、基板１１側及び第２電極１７側から外部に放出することができる。
【００４２】
本実施形態のＥＬ素子１０は、窒化物であるＡｌＮ：Ｇｄを含むことによって、発光層の化学的安定性を向上させることができる。これは、従来発光層を形成する材料として用いられているフッ化物が、潮解性を有する等といった化学的安定性に課題があったのに対して、前記窒化物は、化学的安定性が良好だからである。また、前記フッ化物は、毒性を有する場合もあるが、前記窒化物は、毒性がないという長所もある。なお、従来のフッ化物を含む発光層と、本実施形態のＡｌＮ：Ｇｄを含む発光層とは、同様の光学的特性及び電気的特性を有している。
【００４３】
ここで、ＡｌＮ：Ｇｄを含む発光層の特性について説明する。
【００４４】
母体材料となるＡｌＮは、禁制帯幅が約６ｅＶ、光学吸収端の波長が約２００ｎｍのワイドギャップ半導体である。このため、波長２５０ｎｍ以上の紫外、可視、そして赤外領域における光吸収は微弱であり、紫外から赤外領域の広い範囲の発光材料の母体材料として適用可能である。また、ＡｌＮは、化学的安定性や熱伝導性が良好である。さらに、実用材料としての流通量が多いので、高品質な材料を低価格で入手できるという長所もある。
【００４５】
発光中心となるＧｄ3+は、４ｆ基底状態と最低励起準位との間にエネルギー準位が存在しないので、紫外線励起又は電子線励起によって、波長３００〜３３０ｎｍの紫外線を放射する。
【００４６】
したがって、ＡｌＮとＧｄ3+とを組み合わせた材料を含む発光層１５は、波長３００〜３３０ｎｍの紫外光を放出することができ、化学的安定性の良好な発光層となる。なお、発光層１５は、ＡｌＮの替わりにＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＮから選ばれる少なくとも１つの材料を含む場合であっても同様の紫外光を放出できる。
【００４７】
本実施形態のＥＬ素子１０では、基板１１側及び第２電極１７側から外部に光を放出する構成であるが、基板１１側及び第２電極１７側のいずれか片側から外部に光を放出する構成としてもよい。すなわち、基板１１側から外部に光を放出する構成であれば、第２絶縁層１６及び第２電極１７は透過層でなくてもよい。第２電極側から外部に光を放出する構成であれば、基板１１、第１電極１２、第１絶縁層１４は透過層でなくてもよい。
【００４８】
次に、上述したＥＬ素子１０の好適な製造方法を説明する。図２は、ＥＬ素子１０の好適な製造方法を工程別に説明する図である。
【００４９】
図２に示すように、まず、基板１１を、フュージョン法、フロート法によって形成する。例えば、基板１１の材料がガラス材料であれば、溶融したガラス材料をフュージョン法又はフロート法によって板状に形成し、所定の大きさに切り出し、その表面及び端面加工等を行えばよい。
【００５０】
次に、基板１１の上に、第１電極１２を、スパッタ法によって形成する。例えば、第１電極１２の材料がＧＺＯである場合、高周波マグネトロンスパッタ法を用いて、基板１１上に、ＧＺＯ膜を均一に形成すればよい。このとき、ターゲットにはＧＺＯ焼結体を用い、スパッタガスにはＡｒガス、ＡｒとＯ2との混合ガス等を用いればよい。第１電極１２は、前記ＧＺＯ膜を所定の形状にパターニングした電極パターンを含む電極であってもよい。電極パターンの形成には、シャドーマスクや、フォトリソグラフィ法等を用いればよい。フォトリソグラフィ法によって電極パターンを形成するには、基板１１上に、ＧＺＯ膜を均一に形成した後、レジストを塗布し、電極パターンに対応した開口部を有する露光マスクを用いて、レジストを露光し、現像することでレジストを所定の形状にパターニングする。次に、この基板を、エッチング液（例えば、酢酸水溶液等）に浸漬することで、ＧＺＯ膜をエッチングして、電極パターンを含む第１電極を形成できる。前記エッチング液は、第１電極の材料によって、それぞれの材料の特性に合ったエッチング液（例えば、塩酸、塩化第二鉄等）を適宜選択すればよい。
【００５１】
さらに、第１電極１２の上に、ストライプ状の補助電極１３を形成する。補助電極１３は、例えば、マスク蒸着法やパターン印刷法等を用いて形成すればよい。
【００５２】
次に、補助電極１３の上に、第１絶縁層１４を、スパッタ法によって形成する。例えば、第１絶縁層１４の材料がＳｉ3Ｎ4である場合、高周波マグネトロンスパッタ法により、補助電極１３を覆うように、Ｓｉ3Ｎ4膜を形成すればよい。このとき、ターゲットにはＳｉ3Ｎ4焼結体を用いて、スパッタガスにはＡｒガス、ＡｒとＮ2との混合ガス等を用いればよい。製膜時の圧力は１Ｐａ程度にすればよい。
【００５３】
次に、第１絶縁層１４の上に、ＡｌＮ：Ｇｄを含む発光層１５を、スパッタ法によって形成する。発光層１５は、例えば高周波マグネトロンスパッタ法により、製膜すればよい。このとき、ターゲットには、ＡｌＮ粉末と、ＧｄＣｌ3、Ｇｄ2Ｏ3、ＧｄＦ3、Ｇｄ2Ｓ3等のＧｄ3+を含む粉末とを、所定の比率で混合した粉末ターゲットを用いればよい。また、スパッタガスには、Ａｒガス、ＡｒとＮ2との混合ガス等を用いればよい。前記粉末ターゲットの比率は、例えばＡｌＮ粉末とＧｄＣｌ3粉末とを混合する場合、ＡｌＮに対するＧｄＣｌ3の濃度を０．１〜１０ｍｏｌ％、好ましくは０．５〜５ｍｏｌ％の範囲内にすればよい。
【００５４】
発光層１５の製膜時に、圧力を１Ｐａ程度にして１００〜５００℃で加熱することによって、結晶性が良好で、前記ターゲットに含まれるＧｄ3+の濃度に対応したＧｄ3+の濃度を有する発光層１５を形成できる。なお、基板１１がセラミック材料からなる基板であれば、製膜時の温度を５００℃以上にすることも可能である。
【００５５】
発光層１５の製膜後、熱処理工程において、この発光層１５を設けた基板１１を真空加熱処理する。この工程により、製膜時にＡｌＮ：Ｇｄ等に導入された応力が緩和されるとともに、ＡｌＮの結晶性が改善し、熱処理前よりもＡｌＮ：Ｇｄの発光強度及び発光効率が向上する。ＡｌＮ：Ｇｄの発光強度や発光効率をより向上させるためには、熱処理工程での加熱温度は高温であることが望ましい。具体的には、６００℃以上（例えば６００℃で１０分）、より好ましくは７５０℃以上で加熱することが望ましい。ただし、基板１１がガラス材料からなる基板である場合、このガラス材料の熱物性値（例えば、歪点等）によっては、７５０℃以上で加熱するのが難しいこともある。
【００５６】
次に、発光層１５の上に、第２絶縁層１６を形成する。第２絶縁層１６は、第１絶縁層１４と同様の形成方法を用いて、発光層１５を覆うように形成すればよい。
【００５７】
最後に、第２絶縁層１６の上に、第２電極１７を形成して、ＥＬ素子１０が完成する。第２電極１７は、第１電極１２と同様の方法を用いて形成すればよい。なお、第２電極１７は、第２絶縁層１６の上に形成されるので、第２電極１７の形成時に、その材料が発光層１５に拡散したり、第２電極１７をパターニングする際のエッチング液と発光層１５とが反応したりするのを防ぐことができ、発光層１５の劣化を抑制できる。
【００５８】
本実施形態のＥＬ素子１０の製造方法によれば、ＡｌＮ：Ｇｄを含むことによって、化学的安定性を向上させた発光層１５を備えたＥＬ素子１０を提供できる。
【００５９】
なお、上述した第１絶縁層１４の上に、ＡｌＮ：Ｇｄを含む発光層１５を形成する方法は、混合粉末ターゲットを用いた高周波マグネトロンスパッタ法以外にも、二元スパッタ法、反応性スパッタ法、ＭＯＣＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition）法等のＣＶＤ法、Ｎ2雰囲気中で金属アルミニウムを、例えば８２０℃以上で加熱することによってＡｌＮを得る熱窒化法等を用いることができる。
【００６０】
二元スパッタ法を用いる場合、所定の比率でＡｌＮとＧｄＣｌ3とを交互に製膜することで、良好な紫外発光特性を有する発光層１５を形成できる。なお、ターゲットの組成以外の製膜条件は、上記混合粉末ターゲットを用いた場合と同様にすればよい。この方法を用いれば、ＡｌＮ中のＧｄ3+の濃度を、より均一にすることができる。混合粉末ターゲットよりも、アルミニウムとＧｄとの比率が変化し難いためである。
【００６１】
反応性スパッタ法を用いる場合、例えば、高純度Ａｌ金属板上にＧｄＣｌ3粉末を配置して、これをターゲットとすればよい。この場合、スパッタガスにＮ2ガス、ＡｒとＮ2との混合ガス等を用いて、前記ターゲットから離脱したＡｌとスパッタガス中のＮとを反応させることにより、ＡｌＮ：Ｇｄ発光層を形成することができる。この手法によれば、高純度Ａｌ金属を材料に用いるため、ＡｌＮ：Ｇｄ発光層への不純物の混入を抑制することができ、発光効率の高いＥＬ素子を得ることができる。
【００６２】
（実施形態２）
図３に、本発明のＥＬ素子の他の一例の断面図を示す。
【００６３】
本実施形態のＥＬ素子２０は、実施形態１で説明したＥＬ素子１０と比較して、第１電極の上に、補助電極及び第１絶縁層が積層されていないことのみ異なるものである。本実施形態のＥＬ素子２０は、窒化物であるＡｌＮ：Ｇｄを含むことによって、発光層１５の化学的安定性を向上させることができる。また、実施形態１のＥＬ素子１０と比べると、第１絶縁層１４が配置されていないので、電源電圧を下げることができる。
【００６４】
本実施形態のＥＬ素子２０の製造方法には、実施形態１で説明したＥＬ素子１０の製造方法の補助電極１３の形成工程及び第１絶縁層１４の形成工程がないことのみ異なる方法を用いればよい。
【００６５】
（実施形態３）
図４に、本発明のＥＬ素子の他の一例の断面図を示す。
【００６６】
本実施形態のＥＬ素子３０は、基板３１の上に、第１電極３２、補助電極１３、第１絶縁層１４、発光層１５及び第２電極１７が、この順に積層されている。
【００６７】
発光層１５は、ＡｌＮ：Ｇｄを含む。基板３１はセラミック材料からなる。第１電極３２はＡｌを含む材料からなる紫外光を反射する反射層である。第１絶縁層１４及び第２電極１７は、いずれも紫外光に対して透過性を有する材料からなる。ＥＬ素子３０は、発光層１５に電圧を印加することによって、Ｇｄ3+による紫外光を、第２電極１７側から外部に放出することができる。
【００６８】
すなわち、ＥＬ素子３０は、実施形態１で説明したＥＬ素子１０と比較して、基板及び第１電極の材料と、発光層の上に、第２絶縁層が積層されていないことのみ異なるものである。
【００６９】
本実施形態のＥＬ素子３０は、窒化物であるＡｌＮ：Ｇｄを含むことによって、発光層１５の化学的安定性を向上させることができる。また、発光層１５で生じた光を第１電極３２及び補助電極１３で反射させて、ＥＬ素子３０の第２電極１７側から放出できるので、第２電極１７側からの発光強度を向上させることができる。
【００７０】
本実施形態のＥＬ素子３０の製造方法には、実施形態１で説明したＥＬ素子１０の製造方法の第２絶縁層１６の形成工程がないことのみ異なる方法を用いればよい。なお、基板３１が耐熱性の高いセラミック材料からなるので、例えば１０００℃程度の高温の熱処理工程等に耐えることができる。また、基板３１の形成工程において、スクリーン印刷を用いたり、第１絶縁層１４の形成工程において、蒸着法やスクリーン印刷を用いたりすることもできる。
【実施例】
【００７１】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７２】
（実施例１）
実施例１のＥＬ素子を、以下に示す方法で製造した。
【００７３】
まず、基板として、板厚０．７ｍｍのアルミノシリケートガラス（コーニング社製、“＃１７３７”、歪点６６６℃）を２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出して、アセトン、２−プロパノール及び水を用いて超音波洗浄し、基板表面上の汚染や異物を除去したガラス基板を準備した。
【００７４】
次に、このガラス基板上に、第１電極として、高周波マグネトロンスパッタ装置（アユミ工業社製、“ＶＦ−００−２４”）を用いて、ＡＺＯ膜を均一に形成した。このときのターゲットにはＡＺＯ焼結体（高純度化学社製）を、スパッタガスにはＡｒを用い、製膜時の圧力を１Ｐａ、基板の温度を１００℃とした。ＡＺＯ膜の膜厚は８０ｎｍ、抵抗率は１×１０-3Ωｃｍであった。なお、膜厚及び抵抗率はそれぞれ触針式段差計（Ｓｌｏａｎ社製、“Ｄｅｋｔａｋ３ｓｔ”）及び抵抗率計（三菱化学社製、“ＭＣＰ−Ｔ６００”）により測定した。
【００７５】
ＡＺＯ膜の製膜後、多元高周波マグネトロンスパッタ装置（島津製作所製、“ＨＳＲ−５５２Ｓ特”）を用い、ＡＺＯ膜上に、第１絶縁層としてＳｉ3Ｎ4層を形成した。次に、発光層としてＡｌＮ：Ｇｄ層を形成した。Ｓｉ3Ｎ4層及びＡｌＮ：Ｇｄ層の製膜には、それぞれ、Ｓｉ3Ｎ4焼結体ターゲット（フルウチ化学社製）、及びＡｌＮ粉末（高純度化学社製）とＧｄＣｌ3粉末（高純度化学社製）との混合粉末ターゲットを使用した。また、ＡｌＮ粉末に対するＧｄＣｌ3粉末の混合量は０．５ｍｏｌ％とした。Ｓｉ3Ｎ4層及びＡｌＮ：Ｇｄ層の製膜時は、いずれも雰囲気をＡｒ、基板温度を２００℃とした。また、Ｓｉ3Ｎ4層及びＡｌＮ：Ｇｄ層の膜厚はそれぞれ、１５０ｎｍ及び１０００ｎｍとした。なお、前記膜厚とは、任意に選んだ５箇所の膜厚を測定して算出した平均膜厚のことであり、その膜厚の測定には、走査型電子顕微鏡を用いた。
【００７６】
その後、ランプ加熱装置（真空理工社製、“ＶＨＣ−Ｐ６１０ＣＰ”）によりＡｌＮ：Ｇｄ層を設けた基板を熱処理した。熱処理中においては、真空度を４×１０-4Ｐａ以下、最高温度を７５０℃とし、この温度で１０分間保持した。また、加熱・冷却時の温度勾配はいずれも２０℃／分とした。
【００７７】
次に、第１絶縁層と同様の方法で第２絶縁層としてＳｉ3Ｎ4層を形成し、さらに電子ビーム蒸着装置（アルバック社製、“ＥＢＶ−６ＤＡＥ”）を用いて、第２電極としてＩＴＯ膜を形成し、本実施例のＥＬ素子を得た。
【００７８】
ＩＴＯ膜の形状は、円形（面積０．０３３ｃｍ2）であり、これは、製膜時にこのＩＴＯ膜の形状に対応した開口部を有するステンレス製シャドーマスク（ピッチは１〜２ｍｍ程度）を用いて形成した。
【００７９】
次に、本実施例のＥＬ素子の評価方法と、その結果について説明する。
【００８０】
まず、第１電極と第２電極とにそれぞれ引き出し線を接続し、引き出し線を駆動回路と接続して、本実施例のＥＬ素子を駆動させた。このとき、駆動波形は１ｋＨｚの正弦波とした。その結果、本実施例のＥＬ素子が動作することを確認した。また、目視で評価したところ無色透明の光源であることを確認した。
【００８１】
次に、発光層を評価するため、ＣｕＫα線（波長１．５４２１ｎｍ）を用いたＸ線回折（X-ray Diffraction：以下、ＸＲＤという。）測定法による結晶構造評価を行った。
【００８２】
Ｘ線回折測定の結果、作製したＡｌＮ：Ｇｄ層からは約５９°に強いピークが、約３４°に微弱なピークが得られ、これまでの報告との比較から、これは六方晶構造のＡｌＮの結晶からの回折であることを確認した。なお、ＡｌＮ：Ｇｄ層のＸＲＤパターンからは、ＡｌＮ結晶に起因するピーク以外は確認されなかった。
【００８３】
次に、本実施例のＥＬ素子の動作特性を評価するため、電圧が３０１Ｖ0-pのときの発光スペクトルを測定し、図５にその結果を示した。また、電圧が１８２Ｖ0-p、２０２Ｖ0-p、２２０Ｖ0-p、２５２Ｖ0-p、２８２Ｖ0-p、３０１Ｖ0-pのときのピーク波長３１７ｎｍにおける発光強度を測定し、図６にその結果を示した。これらの測定には、分光器（オーシャンオプティクス社製、“ＵＳＢ２０００”）と、自記分光光度計（島津製作所、“ＵＶ−３１００ＰＣ”）を用いた。なお、ここで電圧Ｖ0-pは、振幅のことである。
【００８４】
図５からわかるように、波長３１７ｎｍにＧｄ3+のｆｆ遷移に起因する発光のピークが見られた。また、可視〜近赤外域（波長４５０〜８５０ｎｍ）の発光はなく、紫外域のみで発光することがわかった。また、図６からわかるように、ＥＬ素子に２５０Ｖ0-p以上の電圧を印加すると、紫外光が出力され、振幅が大きいほど、出力する発光強度も増加することがわかった。
【００８５】
また、ＡｌＮ：Ｇｄ層の熱処理温度を変えて作製した発光層の発光の違いを調べた。最高温度７５０℃で熱処理して作製した発光層を含む本実施例のＥＬ素子に加えて、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃で熱処理して作製した発光層を含むＥＬ素子を準備して、電圧３０１Ｖ0-pを印加したときのピーク波長３１７ｎｍにおける発光強度を測定した。図７に、熱処理の最高温度と、波長３１７ｎｍにおける発光強度との関係を表すグラフを示す。
【００８６】
図７からわかるように、熱処理温度の上昇とともに発光強度は大きくなり、７５０℃で加熱した発光層の発光強度が最も大きかった。しかし、８００℃で熱処理した発光層は、紫外発光しなかった。そこで、８００℃で熱処理したＥＬ素子の形状を評価したところ、基板が反り上がっていることがわかった。一方、７５０℃以下で熱処理したＥＬ素子に、このような反り上がりは存在しなかった。８００℃で熱処理したＥＬ素子では、ガラス基板の歪点よりも極めて高い温度で加熱したことによって、基板が反り上がり、これによってＥＬ素子の構造が破壊されたため、紫外発光しなかったと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、化学的安定性が良好な発光層を備えたＥＬ素子を提供できる。このＥＬ素子は、例えば、発光面が平面又は曲面の面光源、点光源等であり、紫外光を放つ光源、特に殺菌等の医療用、検査用、日焼け等の美容用に用いられる光源として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施形態１に係るＥＬ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るＥＬ素子の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るＥＬ素子を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態３に係るＥＬ素子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例に係るＥＬ素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図６】本発明の実施例に係るＥＬ素子の電圧と波長３１７ｎｍにおける発光強度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例のＥＬ素子に用いた発光層の熱処理温度と波長３１７ｎｍにおける発光強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１０，２０，３０  ＥＬ素子
１１，３１  基板
１２，３２  第１電極
１３  補助電極
１４  第１絶縁層
１５  発光層
１６  第２絶縁層
１７  第２電極
【図１】
2008016265.tif 000003
【図２】
2008016265.tif 000004
【図３】
2008016265.tif 000005
【図４】
2008016265.tif 000006
【図５】
2008016265.tif 000007
【図６】
2008016265.tif 000008
【図７】
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