(57)【要約】【課題】発光素子の発光層における光発生率を高めて発光効率に優れた発光素子を提供すること。【解決手段】基板１０上に、ｎ−コンタクト層２０と半導体発光層４０とｐ−コンタクト層５０及びｐ−電極６０が順次に積層され、ｎ−コンタクト層２０の上面の一部は露出されて、その上にｎ−電極３０が形成され、ｐ−コンタクト層５０上には、ｐ−電極６０とは別途にカバー層７０が備えられている。このカバー層７０は、発光素子の内部の発光層屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を発光素子の上端面に積層して形成されている。本発明によれば、発光素子の内部に反射される光の比率を高めることにより発光層における光吸収が増えるので、発光層における光発生率が高まり、同じ発光層材料を使用しても発光素子の効率を向上させられて高輝度ディスプレイといった商業的要求を充足できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両電極間に挟まれた発光層を備える発光素子において、
内部に反射される光の比率を高めて発光層における光吸収を増やすことにより、前記発光層における光発生率を高めるように、前記発光層の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を上端面に積層して形成したカバー層を有していることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記高屈折率体の屈折率は２．０より大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記高屈折率体が高分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４】
前記高屈折率体が半導体物質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５】
前記高屈折率体が不導体あるいは誘電体物質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６】
前記カバー層の厚さが５×１０−６ないし１×１０−２ｃｍ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７】
前記カバー層が１乃至１０層のいずれかの積層構造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】
前記カバー層は、屈折率が相異なる２つの高屈折率体を交互に積層したもの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】
前記発光層が半導体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１０】
前記発光層が有機物であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率のカバー層を有する高効率な発光素子に関し、より詳細には、各種のディスプレイ装置に使用され、簡単な構造変更によって高い発光効率を有する発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に発光素子とは、各種の発光メカニズム、例えば、電気的な励起による発光（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）、光学的励起による発光（Ｐｈｏｔｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、電子線励起による発光（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などを利用した素子を意味している。近年、情報化の進展に伴い各種のディスプレイが開発されているが、中でも特に期待されているのがＥＬを利用した発光素子である。ＥＬを利用した発光素子は、半導体ＥＬ層または有機ＥＬ層を両電極間に挟み込んだ構造に形成されており、ＥＬ層に電場を印加して発光を起こすように構成されている。
【０００３】
【外１】
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【０００４】
【数１】
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【０００５】
【外２】
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【０００６】
【数２】
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【０００７】
【外３】
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【０００８】
【数３】
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【０００９】
発光素子の発光効率は、素子内部において生じた光の黒体複写理論による平衡状態における光子の特定エネルギー占有率ｆと関連し、以下の式（４）として与えられる。
【００１０】
【数４】
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【００１１】
【外４】
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【００１２】
【数５】
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【００１３】
【外５】
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【００１４】
【外６】
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【００１５】
これらの方法は、現在、ＥＬ層の材料的な側面から研究がなされつつある。
【００１６】
【外７】
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【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、媒質の屈折率を高めるために屈折率の大きいＥＬ層を使用することは、大きい屈折率及び発光層という２種類の要件を満足する物質を探さなければならないため、材料の選択に多くの制限が伴うという問題がある。
【００１８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来とは異なる方法により発光層における光吸収を増やすことにより同じ発光層材料を使用しても発光効率が向上させられる発光素子を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、両電極間に挟まれた発光層を備える発光素子において、前記発光層の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を上端面上に積層して形成したカバー層を有していることを特徴とする。
【００２０】
このカバー層があるため、発光素子の内部に反射される光の比率が大きくなり、これにより、発光層における光吸収が増やされる。
【００２１】
望ましい実施形態として、高屈折率体は高分子、半導体物質、不導体あるいは誘電体物質であっても良く、高屈折率体の屈折率は２．０より大きいことが望ましい。例えば、屈折率は２．０乃至５．０の範囲にあっても良い。ほとんどの場合、得られる高屈折率体は２．０乃至４．０の屈折率を有する。
【００２２】
また、カバー層の厚さは、５×１０−６乃至１×１０−２ｃｍであり、１乃至１０層の積層構造であっても良い。積層構造である場合、カバー層は屈折率が相異なる２つの高屈折率体を交互に積層したものであっても良い。
また、発光層は半導体であるか、それとも有機物である。
【００２３】
媒質の屈折率を高めるために屈折率の大きい発光層を使用することは、高屈折率及び発光層という２種類の要件を満足する物質を探さなければならないため、材料の選択に多くの制限が伴われる。しかしながら、本発明のように、高屈折率体を発光素子の上端面にさらに形成する簡単なる構造の変更によれば、低い屈折率を有する発光層をそのまま用いつつも材料選択に伴われる制限なしに高効率発光素子を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
しかしながら、後述する本発明の実施形態は、各種の形態に変形可能であり、本発明の技術的範囲が後述する実施形態に限定されることはない。本発明の実施形態は、当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【００２５】
本発明の発光素子におけるカバー層は、各種構造の発光素子の上端面に積層でき、後述する実施形態は単にこのような構造の発光素子の例を説明するためのものである。従って、カバー層を除いた発光素子の具体的な材料の選択及び構造等に関する違いは、本発明の技術的思想の単純な設計的な変更に過ぎないという点に留意すべきである。
【００２６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図で、図中符号１０は基板、２０はｎ−コンタクト層、３０はｎ−電極、４０は半導体発光層、５０はｐ−コンタクト層、６０はｐ−電極、７０はカバー層を示している。
【００２７】
この実施形態における半導体発光素子は、基板１０上に、ｎ−コンタクト層２０と半導体発光層４０とｐ−コンタクト層５０及びｐ−電極６０が順次に積層されている構造を有し、ｎ−コンタクト層２０の上面の一部は露出されて、その上にｎ−電極３０が形成されている。ｐ−コンタクト層５０上には、ｐ−電極６０とは別途にカバー層７０が備えられている。このカバー層７０は、発光層４０の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を積層して形成したものであり、このカバー層の厚さは、５×１０−６乃至１×１０−２ｃｍであるが、これに限定されることはもちろんない。
【００２８】
ここで、基板１０は通常使われるサファイア基板であり、ｎ−コンタクト層２０はＳｉがドーピングされたＧａＮであり、発光層４０はＩｎＧａＮにＳｉ及びＺｎが同時にドーピングされたものであってＤＨ構造（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｈｅｔｅｒｏ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成したものであっても良い。すなわち、活性層にドーピングされた不純物のＤ−Ａ再結合により発光を誘導するものであっても良い。
【００２９】
また、ｐ−コンタクト層５０は、ＭｇがドーピングされたＧａＮであっても良い。サファイアよりなる基板１０は電気を通さないため、ｎ−電極３０を形成するためにドライエッチングにｎ−コンタクト層２０が露出された構造である。ｎ−電極３０はＴｉ／Ａｌ、ｐ−電極６０はＮｉ／Ａｕ電極であっても良い。
【００３０】
本発明の発光素子におけるカバー層７０は、一般的に高屈折率を持った高分子を塗布して形成したものであっても良いが、発光層４０より屈折率が高い物質であれば、半導体物質や不導体物質あるいは誘電体物質もカバー層として利用可能である。特に、高分子物質の場合にはカバー層７０を製造する工程が簡単であるので、比較的に容易に高効率の発光素子が製造できると期待される。
【００３１】
高分子物質の場合、所望の程度の屈折率を有する高分子物質を含むスラリーを製造し、ディップコーティングまたはスピンコーティング法を利用して発光素子の上端面に塗布した後、安定性及び信頼性を与えるためにこれを硬化させる工程順に進めることができる。
【００３２】
発光層４０をＩｎＧａＮとした場合であれば、ＩｎＧａＮの屈折率が約２．５であるため、カバー層７０の屈折率は２．５より大きくなければならない。カバー層７０として不導体あるいは誘電体物質を形成する場合には、例えば、ＰｂＯ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＰｂＳのうち何れか一つにできる。これらの屈折率は各々２．６１、２．６８、２．７１、３．９１である。
【００３３】
発光層４０をＩｎＧａＮより屈折率が小さい物質とした場合であれば、この他にもＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＣａＴｉＯ３などが利用できる。これらの屈折率は各々１．９９５、２．２０５、２．３５５である。このような物質を発光素子の上端面に塗布する方法は、電子ビーム真空蒸着法または熱蒸着法などの真空蒸着法による。
【００３４】
蒸着出発物質として商品化しているものが得難い場合、ゾル−ゲル法及び高温焼結法により所望の出発物質を作って使用できる。場合によっては、スパッタリング法や化学気相蒸着法によっても良い。ほとんどの場合、発光層４０の屈折率は２．０以下であるため、カバー層７０の候補材料は屈折率が２．０より大きいものから探せば良い。
【００３５】
一方、カバー層７０として半導体物質を形成する場合には、屈折率が３．４であるＧａＰなどの物質が選択できる。このような半導体物質を発光素子の上端面に蒸着する方法は、有機金属化学気相蒸着によっても良い。
【００３６】
【外８】
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【００３７】
例えば、発光層４０の屈折率が１．５であり、その上に積層されるカバー層７０の屈折率は３であると仮定すれば、式（３）から（２×３２）／（２×１．５２）＝４倍（３００％）の効率向上が期待できる。これは、単に一枚のカバー層７０をさらに積層する単純な構造の変更を勘案すれば、極めて顕著な効率向上である。従って、本発明によれば、発光層材料を変える必要なくカバー層をさらに形成する簡単なる方法により高効率の発光素子を得ることができる。
【００３８】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図で、図中符号１１０は基板、１２０はｎ−コンタクト層、１３０はｎ−電極、１４１はｎ−クラッド層、１４２は発光層、１４３はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、１５０はｐ−コンタクト層、１６０はｐ−電極、１７０はカバー層を示している。
【００３９】
この実施形態における半導体発光素子は、発光層１４２として量子井戸構造を導入したものである。基板１１０上にｎ−コンタクト層１２０が形成されており、ｎ−コンタクト層１２０上にはｎ−電極１３０が形成されており、また、ｎ−コンタクト層１２０上には、ｎ−クラッド層１４１を介して量子井戸構造の発光層１４２が形成されている。
【００４０】
発光層１４２の上部には、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４３を介してｐ−コンタクト層１５０が形成されており、その上にｐ−電極１６０が形成されている。ｐ−電極１６０の周りのｐ−コンタクト層１５０上には高屈折率のカバー層１７０が形成されている。
【００４１】
ｎ−コンタクト層１２０は、ＳｉがドーピングされたＧａＮであっても良く、ｐ−コンタクト層１５０は、ＭｇがドーピングされたＧａＮであっても良い。ｎ−電極１３０はＴｉ／Ａｌ、ｐ−電極１６０はＮｉ／Ａｕ電極であっても良い。発光層１４２は、量子井戸構造のＩｎＧａＮとしてＧａＮあるいはＩｎＧａＮバリアにより取り囲まれ、さらに、Ｓｉがドーピングされたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４１及びＭｇがドーピングされたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４３により取り囲まれる。
【００４２】
しかしながら、ｎ−クラッド層１４１及びｐ−クラッド層１４３は省略しても良い。発光層１４２の量子井戸は使用するシステムまたは要求する特性によって１つから多数個まで成長できる。
【００４３】
カバー層１７０は、発光層１４２の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を積層して形成したものであって、その厚さは５×１０−６乃至１×１０−２ｃｍであっても良い。また、高屈折率体は高分子、半導体物質や不導体あるいは誘電体物質であって、その屈折率は２．５より大きいことが望ましい。その他に上述した第１実施形態におけるカバー層７０についての説明は、この第２実施形態のカバー層１７０についても同様に適用できる。
【００４４】
このような量子井戸構造の発光素子にカバー層１７０を形成すれば、量子構造を採択するので、図１に示したＤＨ構造に比べてＥＬスペクトルの半値幅（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）が増加できて色相が鮮明であり、発光層における光吸収が増えるので発光効率が向上される。
【００４５】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態を説明するためのＥＬ素子の断面図で、図中符号２０１は基板、２１５はアノード電極、２２０はカソード電極、２２５は有機物発光層、２３０は正孔注入層、２３２は正孔輸送層、２３４は電子輸送層、２３６は電子注入層、２７０はカバー層を示している。
【００４６】
この実施形態におけるＥＬ素子は、基板２１０の上部にアノード電極２１５及びカソード電極２２０が所定間隔をおいて対向している。基板２１０は軽い素材のプラスチック基板またはガラス基板が使用できる。アノード電極２１５は透明導電層、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ）物質から形成できるが、アノード電極２１５で要される透過率及び伝導性に応じて酸化インジウム、酸化錫を適当な割合にて混合し、スパッタリング法により形成できる。また、カソード電極２２０は金属層、例えば、Ａｌ，Ｍｇ／ＡｇまたはＬｉ／Ａｌから形成できる。
【００４７】
アノード電極２１５及びカソード電極２２０の間には、これら電極に電圧または電流を印加する時に発光する有機物発光層２２５が挟まれる。アノード電極２１５及び発光層２２５の間には伝導性物質を約３０ｎｍの厚さにコーティングしてバッファ層（図示せず）形成して界面特性を向上させることもできる。バッファ層の可能な例としては、ポリチオフェンまたはポリアニリンがある。
【００４８】
正孔は、アノード電極２１５を通じて発光層２２５に供給され、電子は、カソード電極２２０を通じて発光層２２５に供給される。発光層２２５内に供給された正孔及び電子は、発光層２２５内において結合して励起子を形成し、この励起子が底状態に落ちつつ発光層２２５のバンドギャップに該当する光を放出することによって発光する。従って、発光される光の色相は、発光層２２５のバンドギャップに応じて変わる。
【００４９】
例えば、緑色光を得ようとする場合、発光層２２５はトリス（８−ヒドロキシキノリネートアルミニウム）を含み、青色光を得ようとする場合、発光層２２５は４−４’−ビス（２，２−ジフェニルエチレン−１−イル）（ＤＰＶＢｉ）を含むことができる。発光層２２５はこのような高分子を溶媒に溶解させて製造した発光高分子溶液を約０．２ｍｍのフィルタにてフィルタリングした後、１００ｎｍの厚さにスピンコーティングして形成でき、通常約１００℃に保たれる真空オーブンにおいて約２時間乾燥させる。
【００５０】
ＥＬ素子の効率を高めるために、アノード電極２１５及び発光層２２５の間には、正孔注入層２３０及び正孔輸送層２３２を順次に形成し、発光層２２５及びカソード電極２２０の間には、電子輸送層２３４及び電子注入層２３６を順次に形成できる。この時、正孔注入層２３０と正孔輸送層２３２と電子輸送層２３４及び電子注入層２３６は有機薄膜から形成される。
【００５１】
例えば、正孔輸送層２３２は、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−１，１’−ジアミン（ＴＰＤ）物質を含む有機物が利用できる。これらの膜はいずれも有機薄膜であるため、真空蒸着重合法、スパッタリング法、真空蒸着法、熱蒸着法または電子ビーム蒸着法等により蒸着できる。
【００５２】
基板２１０はガラスの他に、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートよりなっても良い。また、アノード電極２１５は酸化亜鉛を利用して形成することも可能である。
【００５３】
このような構造の発光素子に高屈折率のカバー層２７０を形成すれば、発光層における光吸収が増えるので、発光効率が向上される。カバー層２７０は、発光層２２５の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を積層して形成したものであり、高屈折率体は、高分子、半導体物質、不導体あるいは誘電体物質であっても良く、その屈折率は発光層より大きいことが望ましい。その他に上述した第１実施形態におけるカバー層７０についての説明は、この第３実施形態のカバー層２７０についても同様に適用できる。
【００５４】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図で、図中符号３１０は基板、３２０はｎ−コンタクト層、３３０はｎ−電極、３４０は発光層、３５０はｐ−コンタクト層、３６０はｐ−電極、３７０はカバー層、３７０ａは屈折率が大きい高屈折率体、３７０ｂは屈折率が小さい高屈折率体を示している。
【００５５】
この実施形態における半導体発光素子は、カバー層３７０を除いた発光素子の部分は上述した第１実施形態と同一の構成を有している。すなわち、基板３１０上に、ｎ−コンタクト層３２０と発光層３４０とｐ−コンタクト層３５０及びｐ−電極３６０が順次に形成されている構造であり、ｎ−コンタクト層３２０の上面の一部は露出されて、その上にｎ−電極３３０が形成されている。
【００５６】
ｐ−コンタクト層３５０上にｐ−電極３６０とは別設されているカバー層３７０は、発光層３４０の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を積層して形成したものであり、２層以上の層が積層された構造である。ここで、カバー層３７０は屈折率が相異なる２つの高屈折率体を交互に積層したものであっても良い。
【００５７】
例えば、符号“３７０ａ”は、相対的に屈折率が大きい高屈折率体であり、“３７０ｂ”は、相対的に屈折率が小さい高屈折率体であっても良い。相対的に屈折率が小さい高屈折率体としても発光層３４０より屈折率が大きいということは当然のことであり、この場合において、積層構造の各層の厚さに対する制限はない。
【００５８】
このように多数層にカバー層３７０を形成すれば内部反射が一層増え、発光層における光吸収が増えるので、発光効率が極めて向上される。
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者による各種の変形が可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、内部に反射される光の比率を高めて発光層における光吸収を増やすことにより、発光層における光発生率を高めるように、発光層の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率体を上端面に積層して形成したカバー層を有しているので、高屈折率のカバー層により発光層における光吸収率が高まり、平衡状態における発光素子の効率を増大させられる。発光層において生じた光が発光層のエネルギーギャップにおいて再吸収されることを増加させて平衡状態における発光素子の効率を高める。
【００６０】
【外９】
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【００６１】
すなわち、本発明のカバー層は発光効率を向上させる手段として極めて効果的でかつ実用的に使用できる。したがって、本発明によれば、単純なる構造の変更により高輝度ディスプレイという商業的要求を充足できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態を説明するためのＥＬ素子の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態を説明するための半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２０１，３１０　基板
２０，１２０，３２０　ｎ−コンタクト層
３０，１３０，３３０　ｎ−電極
４０，１４２，３４０　発光層
５０，１５０，３５０　ｐ−コンタクト層
６０，１６０，３６０　ｐ−電極
７０，１７０，２７０，３７０　カバー層
１４１　ｎ−クラッド層
１４３　ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２１５　アノード電極
２２０　カソード電極
２２５　有機物発光層
２３０　正孔注入層
２３２　正孔輸送層
２３４　電子輸送層
２３６　電子注入層
３７０ａ　屈折率が大きい高屈折率体
３７０ｂ　屈折率が小さい高屈折率体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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