(57)【要約】【課題】低電圧駆動が可能な発光素子を提供する。【解決手段】正電極１５と負電極１２との間に無機発光体からなる発光層１３を有する発光素子１０において、発光層１３と負電極１２との間になだれ現象により電荷を発生する電荷発生層１４を設けることによって、低電圧駆動を可能にした。電荷発生層がＳ・Ｓｅ・Ｔｅ・Ｓｉ・ＳｉＣ・Ｇｅの群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、かつ非晶質膜で構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
2008277669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正電極と、無機発光体からなる発光層と、なだれ現象によって電荷を発生させる電荷発生層と、負電極とがこの順序で積層されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記電荷発生層がＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅの群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、かつ非晶質膜で構成されてい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】
前記発光層がｐ型発光層とｎ型発光層との２層から構成され、かつ前記ｐ型発光層がＭｇ・Ｃａ・Ｓｒ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐ・Ｒｈの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、前記ｎ型発光層がＣｕ・Ａｌ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｓｂ・Ｓｎ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、かつ前記ｐ型発光層およびｎ型発光層が非晶質膜で構成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記電荷発生層の表面が複数の突起を有し、かつ前記突起の先端部が前記発光層と接触していることを特徴とする請求項１から３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、発光素子に関し具体的には無機発光体を用いた発光素子（以下、無機ＥＬ発光素子と言う）に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機ＥＬ発光素子は、温度・湿度に対する安定性に優れるため長寿命であるという特長がある反面、駆動電圧として１００Ｖ以上の交流電圧を必要とすることから、高速スイッチング駆動回路のコストが高価になると言う問題があり、ディスプレイパネルや光通信用の光源などへの応用が遅れていた。このような背景から、駆動電圧の低電圧化を目的とした無機ＥＬ発光素子の提案がいろいろなされている。その代表的な提案について図５を参照にして以下に説明する。
【０００３】
図５は、従来の無機ＥＬ発光素子の断面構成を模式的に示す断面模式図である。無機ＥＬ素子５０は、ガラス基板５１と、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）からなる正電極５２と、シリコンの酸化物あるいはゲルマニウムの酸化物を主成分とする絶縁性の正孔注入輸送層５３と、ＺｎＳなどの無機発光体からなる発光層５４と、酸化ストロンチウム・酸化マグネシウムなどの酸化物からなる絶縁性の電子注入輸送層５５と、アルミニウムからなる負電極５６とをこの順に積層したものから構成されている。
【０００４】
正孔注入輸送層５３および電子注入輸送層５５は、無機発光体との界面に生じる障壁ポテンシャルの高さを低くして、発光層５４への正孔および電子の注入効率を良くすることによって、低電圧駆動化を図っている。
【０００５】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２０００−３４０３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の無機ＥＬ発光素子は、正孔注入輸送層および電子注入輸送層を高抵抗にする必要がある。したがって、発光層への正孔および電子の注入数が制限されるため、駆動電圧の低電圧化に限界があった。そこで本発明の目的は、発光層への電荷の注入数を増大させることによって、低電圧駆動でしかも発光効率の高い無機ＥＬ発光素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光素子は、正電極と、無機発光体からなる発光層と、なだれ現象によって電荷を発生させる電荷発生層と、負電極とがこの順序で積層されていることを特徴とする。
【０００８】
また、電荷発生層がＳ・Ｓｅ・Ｔｅ・Ｓｉ・ＳｉＣ・Ｇｅの群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、かつ非晶質膜で構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成にすることによって、負電極もしくは正電極から注入された電荷の数がなだれ現象によって鼠算式に増加するため発光層への電荷の注入数が多くなる。したがって、電荷発生層で増加した電荷数に相応する電圧分だけ駆動電圧を低減することが可能となり、発光効率の向上が図れる。
【００１０】
また、発光層がｐ型発光層とｎ型発光層との２層から構成され、かつ前記ｐ型発光層がＭｇ・Ｃａ・Ｓｒ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐ・Ｒｈの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、前記ｎ型発光層がＣｕ・Ａｌ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｓｂ・Ｓｎ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上の組成物からなり、かつ前記ｐ型発光層およびｎ型発光層が非晶質膜で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
このように発光層をｐｎ接合で構成することによって、良い整流特性が得られるため駆動電圧のさらなる低減と発光効率の向上が図れる。
【００１２】
また、電荷発生層の表面が複数の突起を有し、かつ突起の先端部が発光層と接触していることを特徴とする。
【００１３】
このような構成にすることにより、電荷発生層の突起先端部の電界強度が高くなるため、なだれ現象による電荷の発生効率が高くなる。したがって、さらなる駆動電圧の低減と発光効率の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発光素子によれば、無機ＥＬ素子の利点である長寿命化に加えて、駆動電圧の低減化と、発光輝度の高輝度化とを同時に実現させることができる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による発光素子の一実施形態について図１〜図４の図面を用いて説明する。尚、各図面において同じ構成要素には同一の符号を付し、重複する構成要素の説明は省略する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明による発光素子の一構成例を模式的に示す断面模式図である。発光素子１０は、透光性の基板１１上に、正電極１５と、無機発光体からなる発光層１３と、なだれ現象によって電荷を発生させる電荷発生層１４と、負電極１２とをこの順序で積層したものから構成されている。
【００１７】
本発明の発光素子１０と図５で説明した従来の無機ＥＬ素子とで最も異なる点は、本発明の発光素子１０には発光層１３と負電極１２との間に電荷発生層１４が設けられている点である。ここで、本発明の電荷発生層１４と従来の電子注入輸送層および正孔注入輸送層とでは作用が全く異なっている。すなわち、従来の電子注入輸送層および正孔注入輸送層は発光層への電荷の注入を容易にする作用を有するものであるのに対して、本発明の電荷発生層１４は負電極１２もしくは正電極１５から注入された電荷の数をなだれ現象によって鼠算式に増加させる作用を有している。したがって、電荷発生層１４で生成された電荷数に相応する電圧分だけ駆動電圧を低減させることが可能となる。
【００１８】
基板１１としては、石英・ガラス・セラミック・アクリル樹脂・ポリカーボネート樹脂など可視光を透過する透光性基板であればいずれでも用い得る。基板１１の形態は、板状であってもフィルム状であってもいずれでもよい。
【００１９】
負電極１２としては、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3にＳｎＯ2をドープしたもの）・ＩｎＺｎＯ・酸化錫などの透明導電体であればいずれでも用い得る。
【００２０】
正電極１５としては、Ａｕ・Ｐｔ・Ｉｒあるいは仕事関数が４ｅＶ以下のＡｌ・Ｉｎ・Ｍｇ・Ｔｉ・ＭｇＡｇ・ＡｌＡｇ・ＡｌＬｉ・Ｓｉなど一般によく知られている導電体が用い得る。
【００２１】
電荷発生層１４は、電子なだれ現象を発生させる電子増倍物質もしくは正孔なだれ現象を発生させる正孔増倍物質からなる膜で構成されている。電子増倍物質としては、Ｓｉ・Ｇｅ・ＳｉＣの群から選択される１種もしくは２種以上からなる組成物が好適である。また正孔増倍物質としては、Ｓ・Ｓｅ・Ｔｅ・Ｓｉ・Ｇｅの群から選択される１種もしくは２種以上からなる組成物が好適である。これらの電子増倍物質もしくは正孔増倍物質は、１０Ｖ／μｍ以下の低電界強度で多数の電荷を生成するため、駆動電圧の低減に有効である点で好ましい。また、電荷発生層１４を非晶質膜で構成すると電荷発生効率が高くなる点で好ましい。
【００２２】
無機発光体としては、ＺｎＳ・ＳｒＳ・ＢａＡｌ2Ｓ4・ＣａＳ等の硫化物、ＧａＮ・ＩｎＧａＮ・ＡｌＮ等の窒化物、ＺｎＯ・Ｙ2Ｏ3・ＺｎＳｉＯ4等の酸化物にＭｎ、Ｃｒ等の遷移金属あるいはＥｕ・Ｃｅ等の希土類金属などの発光中心を添加したものなど、一般によく知られている蛍光体であればいずれでも適用できる。
【００２３】
負電極１２・正電極１５・発光層１３・電荷発生層１４の各層は、スパッタリング法・真空蒸着法・電子ビーム蒸着法・イオンプレーティング法・ゾルゲル法・スピンコート法などの成膜方法によって形成することができる。特に、負電極１２および発光層１３の形成には、反応性スパッタリング法もしくは電子ビーム蒸着法が非晶質膜形成に優れる点で好ましい。
【００２４】
尚、図１では発光層１３と電荷発生層１４とをそれぞれ単層で構成しているが、発光層１３と電荷発生層１４とを交互に複数層積層した構成にしてもよい。このような構成にすると発光輝度を高くすることができる。
【００２５】
以上に説明したように、本実施形態の発光素子１０は、電荷発生層１４で生成される電荷数に相応する電圧分だけ駆動電圧を低減させることができるため、数Ｖ〜数十Ｖの直流駆動電圧で発光させることができる。また、無機発光体を用いているため長寿命化が実現される。さらに、発光素子の大面積化が容易であるため製造コストの低減が図れる。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明による発光素子の他の一構成例を模式的に示す断面模式図である。図２に示す発光素子２０は、発光層２１がｐ型発光体からなるｐ型発光層２２とｎ型発光体からなるｎ型発光層２３との２層から構成されている点以外は図１に示す発光素子１０の構成要素と同じである。したがって、ここでは発光層２１の構成についてのみ説明し、他の構成要素については説明を省略する。
【００２７】
ｐ型発光体としては、Ｍｇ・Ｃａ・Ｓｒ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐ・Ｒｈの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上からなる組成物が用い得る。具体的には、ＳｒＣｕＯ2・ＺｎＯ−Ｒｈ2Ｏ3・ＣｕＩｎＯ2・ＣｕＧａＯ2が適用できる。
【００２８】
ｎ型発光体としては、Ｃｕ・Ａｌ・Ｚｎ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｓｂ・Ｓｎ・Ｂｉ・Ｂ・Ｐの各酸化物の群から選択される１種もしくは２種以上からなる組成物が用い得る。具体的には、ＺｎＯ・ＺｎＡｌＯ・Ｇａ2Ｏ3・ＳｎＯ2：Ｓｂ・ＣｕＩｎＯ2が適用できる。
【００２９】
上述したｐ型発光体およびｎ型発光体をスパッタリング法・電子ビーム蒸着法・ゾルゲル法・スピンコート法等の成膜方法で順次成膜することによって、ｐ型発光層２２とｎ型発光層２３とが積層された非晶質膜からなる発光層２１を得ることができる。このようにして形成した発光層２１は透光性に優れるため、発光層２１で発光した光を効率良く外部に取り出すことができる。また、発光層２１を非晶質膜で構成すると、成膜工程において基板温度を高くする必要が無く、室温もしくは１００℃以下の成膜温度で形成できるため、製造コストの低減が図れる点で好ましい。
【００３０】
以上に説明したように、発光層２１をｐｎ接合で構成すると、低電圧で効率の良い整流特性が得られるため駆動電圧の低減と発光効率の向上が図れる。
【００３１】
（実施の形態３）
図３は、本発明による他の発光素子の一構成例を模式的に示す断面模式図である。本実施形態の発光素子３０の構成と図１に示す発光素子１０および図２に示す発光素子２０の基本構成は同じである。異なる点は、本実施形態の電荷発生層３３の表面が複数の突起を有している点である。したがって、ここでは電荷発生層３３の構成について詳しく説明することとし、他の構成要素については説明を省略する。
【００３２】
電荷発生層３３の表面は、図３に示すように突起形状をなし、突起の先端部３３Ａ（凸部）が発光層１３（図２の場合は発光層２１のｎ型発光層２３）の層内に突き刺さった構成になっている。発光層１３内に突き刺す先端部３３Ａの深さは、発光層１３（図２の場合はｎ型発光層２３）の層厚の１／５以下に設定する。尚、先端部３３Ａを図４に示すように発光層１３（図２の場合はｎ型発光層２３）の表面に接触させてもよい。
【００３３】
電荷発生層３３表面の突起は、突起の核となる銀・白金・金・カーボンナノチューブなどの導電性ナノ粒子３２を負電極３５の上に形成したのち、電子増倍物質もしくは正孔増倍物質を真空蒸着法やスパッタ法で成膜することによって容易に形成することができる。
【００３４】
突起間の空隙（凹部）をＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3などの絶縁材料３４で埋めると、突起部以外からのリーク電流を抑制することができる点で好ましい。
【００３５】
以上に説明したように、電荷発生層３３の表面を突起形状にすると、正電極３１と負電極３５との間に電圧を印加した際、先端部３３Ａの電界強度が強くなるため、図１の電荷発生層１４と比較してなだれ現象を発生する電圧が低くなる。したがって、図１の発光素子１０より低い駆動電圧で発光素子３０を発光させることができる点で好ましい。
【００３６】
（実施例１）
実施形態１に係る発光素子１０の具体的な実施例について、図１を参照にして以下に説明する。
【００３７】
正電極１５を担持した基板１１として、市販のＩＴＯ膜付ガラス基板を用意した。まず、発光体であるＺｎＳ：Ｍｎを、アルゴンガス雰囲気中で高周波マグネトロンスパッタ法により、ＩＴＯ膜（正電極１５）の上に成膜して発光層１３を形成した。発光層１３の成膜条件は以下の通りである。
ターゲット：Ｍｎを約７モル％添加したＺｎＳ：Ｍｎ（直径８０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）
アルゴンガス圧：４ｍＴｏｒｒ
基板温度：３５０℃
発光層１３の膜厚：約５００ｎｍ
つぎに、発光層１３を担持した基板１１を水冷して室温にした後、正孔増倍物質としてＳｅを用い、電子ビーム蒸着法により発光層１３の上に膜厚１０００ｎｍの非晶質セレン膜からなる電荷発生層１４を形成した。
【００３８】
つぎに、正電極材料としてＡｕを用い、スパッタ法により電荷発生層１４の上に膜厚１５０ｎｍのＡｕ膜からなる正電極１５を形成した。
【００３９】
以上のようにして作成した発光素子１０の負電極１２と正電極１５との間に３０Ｖの直流電圧を印加したところ、発光輝度６００ｃｄ／ｍ2のオレンジ光が得られた。
【００４０】
（実施例２）
実施形態２に係る発光素子２０の具体的な実施例について、図２を参照にして以下に説明する。尚、発光層２１以外の構成要素は実施例１と同じ方法で形成した。したがって、ここでは発光層２１の作成方法を中心に説明する。
【００４１】
ＩＴＯ膜付ガラス基板のＩＴＯ膜（負電極１２）の上に、粒子径１〜３μｍのＳｉドープＧａＮ粒子をアクリル系樹脂溶液に分散させたｎ型発光体ペーストをスピンコート法により、ＩＴＯ膜（負電極１２）上に塗布したのち、乾燥してｎ型発光層２３を形成した。ｎ型発光層２３の膜厚は約１０μｍである。次にＳｒＣｕＯ2（ｐ型発光体）を以下の成膜条件で成膜して膜厚約５００ｎｍの非晶質ｐ型ＳｒＣｕＯ2膜からなるｐ型発光層２２を形成した。
成膜方法：高周波マグネトロンスパッタ法
ターゲット：直径８０ｍｍ、厚さ５ｍｍのＳｒＣｕＯ2
アルゴンガス圧：４ｍＴｏｒｒ
基板温度：室温
つぎに、実施例１と同様の方法でｐ型発光層２２の上に電荷発生層１４と正電極１５とを順に形成して発光素子２０を得た。得られた発光素子２０の正電極１５と負電極１２との間に直流電圧を印加したところ、電圧２０Ｖで発光が開始し、電圧３０Ｖ、電流４０ｍＡで発光輝度１２００ｃｄ／ｍ2の緑光が得られた。
【００４２】
（実施例３）
実施形態３に係る発光素子３０の具体的な実施例について、図３を参照にして以下に説明する。尚、電荷発生層３３以外の構成要素は実施例１と同じ方法で形成した。したがって、ここでは電荷発生層３３の作成方法を中心に説明する。
【００４３】
１０ｍｍ角、厚み０．２ｍｍの導電性Ｓｉ基板１１の上に負電極３５としてＰｔ膜をスパッタ法にて膜厚約２００ｎｍ形成したものを用意した。まず、Ｐｔ膜の上に平均粒子径約３０ｎｍのＡｇ粒子を分散させたＡｇナノペーストをスピンコート法にて塗布し、窒素ガス雰囲気中で乾燥させた。つぎに、スパッタ法によりＡｇ粒子（核）の上にＳｉＣ膜を形成したところ、非晶質のＳｉＣ膜（電荷発生層３３）の表面に平均０．２μｍの凹凸状の突起が形成された。
【００４４】
つぎに、実施例１と同様の方法で微小な突起を有する電荷発生層３３の上に膜厚約０．５μｍのＺｎＳ：Ｍｎ膜から発光層１３と、膜厚約２００ｎｍのＡｕ膜からなる正電極３１とを順次積層して発光素子３０を得た。発光層１３の層内に突き刺さった突起先端部３３Ａの深さを測定したところ、平均３０ｎｍであった。
【００４５】
得られた発光素子３０の正電極３１と負電極３５との間に直流電圧を印加したところ、電圧２３Ｖで発光が開始し、電圧３８Ｖ、電流１０ｍＡで発光輝度８００ｃｄ／ｍ2のオレンジ光が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の発光素子は、テレビ装置・パソコン装置などに用いるディスプレイパネルや光通信用の光源に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による発光素子の一構成例を示す断面模式図
【図２】本発明による発光素子の他の一構成例を示す断面模式図
【図３】本発明による発光素子の他の一構成例を示す断面模式図
【図４】図３に示す発光素子の他の構成例を示す断面模式図
【図５】従来の発光素子の構成例を示す断面模式図
【符号の説明】
【００４８】
１０、２０、３０、４０  発光素子
１１  基板
１２、３５  負電極
１３、２１  発光層
１４、３３  電荷発生層
１５、３１  正電極
２２  ｐ型発光層
２３  ｎ型発光層
【図１】
2008277669.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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