(57)【要約】【課題】硫化亜鉛（ＺｎＳ）をエレクトロルミネッセンス層の構成材料とし、低電圧で直流駆動しつつ高輝度を得ることが可能なＥＬ素子を提供する。【解決手段】基板上に、第一電極、エレクトロルミネッセンス層及び第二電極を積層して備えるエレクトロルミネッセンス素子であって、上記エレクトロルミネッセンス層は、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層及び第二の酸化亜鉛層をこの順に含んで構成されるエレクトロルミネッセンス素子である。【選択図】図１
2009076307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一電極、エレクトロルミネッセンス層及び第二電極を積層して備えるエレクトロルミネッセンス素子であって、
該エレクトロルミネッセンス層は、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層及び第二の酸化亜鉛層をこの順に含んで構成される
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】
前記第一及び第二の酸化亜鉛層は、一方がｎ型半導体であり、他方がｐ型半導体であることを特徴とする請求項１記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記硫化亜鉛層は、粒径が０．１μｍ以下の硫化亜鉛微粒子で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記硫化亜鉛層は、青色発光成分で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
該製造方法は、第一電極上に酸化亜鉛層を形成し、該酸化亜鉛層の一部にイオンドーピング法を用いて硫黄イオンを注入する工程を含む
ことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
【請求項６】
前記製造方法は、イオンドーピング法を用いて、酸化亜鉛層の一部にｎ型半導体を形成するイオンを注入する工程と、酸化亜鉛層の他の一部にｐ型半導体を形成するイオンを注入する工程とを含む
ことを特徴とする請求項５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７】
請求項１〜４のいずれかに記載のエレクトロルミネッセンス素子、又は、請求項５若しくは６記載の製造方法によって製造されるエレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載のエレクトロルミネッセンス素子、又は、請求項５若しくは６記載の製造方法によって製造されるエレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする表示装置。
【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、その製造方法、照明装置、及び、表示装置に関する。より詳しくは、エレクトロルミネッセンス層が無機材料で構成され、直流電源で好適に駆動されるエレクトロルミネッセンス素子、その製造方法、並びに、そのエレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロルミネッセンス（Electroluminescence；ＥＬ）素子は、その発光層等に有機材料を用いた有機ＥＬ素子と、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の無機材料を蛍光体として用いた無機ＥＬ素子とに大別される。近年、有機ＥＬ素子についてはさかんに研究開発されており、自己発光型で極薄のディスプレイを製造できる目処が付いてきており、プラズマディスプレイパネル（Plasma Display Panel；ＰＤＰ）に変わる新しいディスプレイデバイスとして注目されている。しかしながらこの有機ＥＬ素子は水分にとても弱く、ディスプレイ製造効率に影響が出る。
【０００３】
反面、無機ＥＬ素子は水分も含む外的要因に対して比較的強く、従来より活発に研究開発されてきた。一般的な無機ＥＬ素子は蛍光体に電界をかけることによって発光する現象を利用したもので、従来、自己発光型の平面ディスプレイを構成するものとして注目されていた。このような無機ＥＬ素子としては、例えば、ガラス基板上に、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）に錫（Ｓｎ）をドープして形成されるＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウム錫）からなる透明な下部電極、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等からなる第一絶縁層、発光層、第二絶縁層、及び、銀（Ａｇ）等からなる上部電極が順次積層されたものが知られている。
【０００４】
発光層としては、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）を母体材料とし、発光中心としてマンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）又は塩素（Ｃｌ）を添加したものが使用される（例えば、特許文献１参照。）。発光層の発光色はＺｎＳ中の添加物の種類によって決まり、例えばＭｎを添加した場合には黄橙色、Ｃｕ又はＣｌを添加した場合には青緑色の発光が得られる。
【０００５】
このような無機ＥＬ素子の製造方法として一般的に知られているのは、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法及びスパッタ法である。これらの方法で製造される無機ＥＬ素子を薄膜型と呼び、発光層の厚みは数１００ｎｍ〜２μｍ程度である。また、別の方法として発光中心を添加したＺｎＳ材料、及び、絶縁層の材料を粉体としたものを有機バインダと混ぜたペーストとしスクリーン印刷等で成膜する方法も知られており、この方法で製造される無機ＥＬ素子を分散型と呼ぶ。
【０００６】
これらの方法で製造された無機ＥＬ素子に対し、２００Ｖ程度の交流電圧を印加することにより１００ｃｄ／ｍ２程度の発光輝度が得られる。Ｍｎを添加して黄橙色に発光する無機ＥＬディスプレイは、液晶表示装置やＰＤＰが高性能、低価格で量産される以前は、ラップトップ型パソコンを例として、様々な分野でディスプレイとして使用されてきた。
【０００７】
しかしながら、これらの無機ＥＬ素子は上述したように交流電源で駆動させるものであり、しかも２００Ｖという高電圧を印加しないと発光しない。このような無機ＥＬ素子を直流電源で動作させる為にはインバータ回路等の電力変換ユニットを必要とする。
【０００８】
これに対して直流電源から直接印加して駆動させる直流型の無機ＥＬ素子もいくつか挙げられる（例えば、特許文献２及び３参照。）。直流電源を用いて発光させる方法としては、従来の交流型の無機ＥＬ素子からＢａＴｉＯ３等の絶縁膜を除いた構造が挙げられるが、印加電圧として数１０Ｖ必要な上、発光輝度が極端に低く実用的ではない。なお、低電圧で無機ＥＬ素子を発光させる方法としては、発光ダイオードや半導体レーザーのように単結晶化合物半導体のｐｎ接合を形成する方法が知られている。
【０００９】
ＺｎＳは通常の状態ではほぼ絶縁体である。ＺｎＳに導電性を持たせる方法としては、アルミニウム（Ａｌ）又はガリウム（Ｇａ）を添加してｎ型の半導体特性を付与する方法が開示されており、具体的にはスパッタリング時のターゲット材料としてＺｎＳとＡｌ２Ｓ３の粉末を混ぜ合わせたものを用いて成膜時にＺｎＳにＡｌを添加する事例が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。また、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法を使用し、単結晶ベースでのＡｌが添加されたＺｎＳ薄膜を形成してｎ型半導体特性を得た例が開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。更に、ｐｎ接合を形成し、発光ダイオードとして用いる方法として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いたものが開示されている（例えば、非特許文献３参照。）。
【特許文献１】特公平１−１８１１７号公報
【特許文献２】特開２００５−３８６３４号公報
【特許文献３】特開平８−３０６４８５号公報
【非特許文献１】鈴木聰他２名、「低抵抗ａ−ＺｎＳ膜の作成とその電気的光学的特性」、長岡技術科学大学研究報告第４号、1982、p41-47
【非特許文献２】M.KITAGAWA他３名、「HOMOEPITAXIAL GLOWTH OF LOW-RESISTIVITY-Al-DOPED ZnS SINGLE CRYSTAL FILMS BY MOLECULAR BEAM EPITAXY」、「Journal of Crystal Growth 95」、オランダ、1989、p509-511
【非特許文献３】A.Tsukazaki他７名、「Blue Light-Emitting Diode Based on ZnO」、「Japanese Journal of Applied Physics」、「The Japan Society of Applied Physics」、2005、Vol.44、No.21、pp.L643-L645
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら非特許文献１に記載の方法によると、形成されるＺｎＳはアモルファス（微結晶）状態であり、電流は流れるが発光効率が悪くなる恐れがある。ここで、スパッタリング時の基板温度を高くすると多結晶ＺｎＳ膜を形成することができるが、本発明者の検討結果によるとＡｌの添加がうまくいかず導電性を与えることができなかった。このように、多結晶薄膜のＺｎＳによる導電膜の形成は困難を要する。
【００１１】
また、非特許文献２に記載の方法については現在研究試作段階であるが、単結晶の半導体を製造するにはＭＢＥ法を使用する必要があるためチップ状のものしか製造できず、つまり大面積化は困難である。
【００１２】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、硫化亜鉛（ＺｎＳ）をＥＬ層の構成材料とし、低電圧で直流駆動しつつ高輝度を得ることが可能なＥＬ素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、硫化亜鉛を発光層の構成材料とするＥＬ素子について種々検討したところ、発光層を含むエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）層の構成材料に着目した。そして、従来の構成材料によればＺｎＳに対して充分な導電特性を付与することは困難であり、高電圧による交流駆動が必要であるか、又は、直流駆動により低輝度となってしまうことを見いだすとともに、ＭＢＥ法を用いた場合には低電圧による駆動は可能であるものの大面積化は困難であり、実用性に欠けることを見いだした。一方で、本発明者は更に鋭意検討を行い、ＥＬ素子のＥＬ層を少なくとも酸化亜鉛層（ＺｎＯ）、硫化亜鉛層（ＺｎＳ）及び酸化亜鉛層（ＺｎＯ）をこの順に積層して含む構成とすることで発光層の導電性が高くなり、発光効率の良好なＥＬ素子が得られることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、基板上に、第一電極、エレクトロルミネッセンス層及び第二電極を積層して備えるエレクトロルミネッセンス素子であって、上記エレクトロルミネッセンス層は、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層及び第二の酸化亜鉛層をこの順に含んで構成されるエレクトロルミネッセンス素子である。
【００１５】
以下、本発明のエレクトロルミネッセンス素子について詳述する。
【００１６】
本発明のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、基板上に、第一電極、エレクトロルミネッセンス層及び第二電極を積層して備える。第一及び第二電極は一方が陽極（アノード）であり、もう一方は陰極（カソード）である。すなわち、本発明のＥＬ素子は、基板側に陽極が配置されるボトムアノードであっても、基板側に陰極が配置されるボトムカソードであってもよい。両電極から移動してきた正負のキャリアがＥＬ層で再結合することで、光が発生する。
【００１７】
上記エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）層は、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層及び第二の酸化亜鉛層をこの順に含んで構成される。硫化亜鉛層が実質的な発光層であり、これを挟んで形成される第一及び第二の酸化亜鉛層は導電層である。このような導電層を形成することで、硫化亜鉛層への電流注入度が向上する。本発明のＥＬ層には、各層の界面で効率よく電流注入を行うことが可能な硫化亜鉛と、透光性が高く、かつ、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）等の不純物を添加することにより１０−２Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有する酸化亜鉛とが用いられているため、硫化亜鉛層に充分な電流注入を行いつつ、発生した光を外部に効率的に取り出すことが可能となる。したがって、本発明の構成とすることで、発光効率の良好なＥＬ素子を得ることができる。なお、酸化亜鉛はイオンドーピング法等で容易に半導体特性を付与することができる材料であり、かつ、そのような金属材料の中でも高い透光性を有する材料である。
【００１８】
また、このような積層構造は、ＭＢＥ法ではなくスパッタリング法等を用いて形成することができるため、大面積化が可能である。ここで、成膜されるＥＬ層の各層は多結晶であることが好ましく、単結晶であればより好ましい。各層の結晶性が良好であれば発光特性は更に向上する、すなわち発光効率が高くなる。ただし、単結晶を成長させるにはＭＢＥ法を用いる必要があるため、大面積化する場合は多結晶を形成する。
【００１９】
本発明のＥＬ素子の構成としては、このような構成要素を必須として形成されるものである限り、その他の構成要素を含んでいても含んでいなくてもよく、特にＥＬ層は、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層及び第二の酸化亜鉛層がこの順に形成されている限り、各層間に他の成分で構成される層が形成されていてもよく、すなわち４層以上で構成されていてもよい。
【００２０】
以下、本発明のエレクトロルミネッセンス素子の好ましい形態について説明する。
【００２１】
上記第一及び第二の酸化亜鉛層は、一方がｎ型半導体であり、他方がｐ型半導体であることが好ましい。このような積層構造とすることにより、ｐ−ｉ−ｎの接合構造となり、発光ダイオードのような効率的な電流注入を行うことができ、高輝度の発光を得ることができる。ＥＬ層の陰極側に位置する酸化亜鉛層がｎ型半導体であり、陽極側に位置する酸化亜鉛層がｐ型半導体である。酸化亜鉛層をｎ型半導体とする不純物としてはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられ、ｐ型半導体とする不純物としては窒素（Ｎ）等が挙げられるが、これらに限定するものではない。なお、本形態によれば不純物を添加する方法としてイオンドーピング法を適用できるため、大面積化に好適である。
【００２２】
上記硫化亜鉛層は、粒径が０．１μｍ以下の硫化亜鉛微粒子で構成されていることが好ましい。ここでの粒径は粒子（不定形を含む）のうち最も大きい部分の径をいう。このような粒径は、例えばＳＥＭ（Scanning Electron Microscope；走査型電子顕微鏡）観察等によって計測することができる。硫化亜鉛をナノサイズに微粒子化することによりエネルギー変換効率が良好となるため、更なる発光輝度の向上を図ることができる。
【００２３】
上記硫化亜鉛層は、青色発光成分で構成されていることが好ましい。このような成分で構成することにより、例えば本発明のＥＬ素子の発光面に対して蛍光体等の色変換材料を塗布することで白色光を得ることができ、各種照明装置に適用可能となる。青色発光成分としては、硫化亜鉛を母体材料とし、電界をかけることによって発光中心として青色に発光する元素、例えば、銅（Ｃｕ）、塩素（Ｃｌ）等が添加された硫化亜鉛材料が挙げられる。なお、このように発光中心となる元素は、イオンの状態又は格子欠陥を有する状態で母体材料に分散して存在している。
【００２４】
以下、本発明のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法について説明する。
【００２５】
本発明はまた、上記エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、上記製造方法は、第一電極上に酸化亜鉛層を形成し、該酸化亜鉛層の一部にイオンドーピング法を用いて硫黄イオンを注入する工程を含むエレクトロルミネッセンス素子の製造方法でもある。すなわち、本発明の製造方法は、イオンドーピング法によって酸化亜鉛層中に硫黄イオン（Ｓ２−）を注入して酸化亜鉛のＯ原子をＳ原子に置換させ、酸化亜鉛層の内部に硫化亜鉛層を形成する方法である。この方法により、第一の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層、第二の酸化亜鉛層と連続成膜する手間が省け、生産工程を簡略化することができる。なお、酸化亜鉛層中に形成する硫化亜鉛層の厚み、及び、形成する深さについては、イオンドーピング時のイオンの加速エネルギー及びイオンの注入量によって調整することができる。
【００２６】
上記製造方法は、イオンドーピング法を用いて、酸化亜鉛層の一部にｎ型半導体を形成するイオンを注入する工程と、酸化亜鉛層の他の一部にｐ型半導体を形成するイオンを注入する工程とを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、上述したようなｐ−ｉ−ｎの接合構造とすることができ、発光効率を向上することができる。酸化亜鉛（ＺｎＯ）をｎ型半導体とするために注入するイオン源としては、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等が、ｐ型半導体とするためのイオン源としては窒素（Ｎ）等が挙げられるが、これらに限定されない。各層における不純物濃度についてはイオンドーピングの条件を調整して最適化する。例えば、基板側から順にｎ型の酸化亜鉛層、硫化亜鉛層、及び、ｐ型の酸化亜鉛層を形成するのであれば、まず酸化亜鉛膜の形成を行った後、イオン源としてアルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）及び窒素（Ｎ）をこの順番にドーピング処理する。注入するエネルギー（加速度）については、この順に小さくしていくことになる。
【００２７】
このときイオンドーピング法は、粒径が０．１μｍ以下の硫化亜鉛微粒子で構成された硫化亜鉛層を形成する条件で行われることが好ましい。イオンドーピング法によれば、注入されるイオンが一定の速度を持つことになり、硫化亜鉛層内の粒子と衝突することになるので、これにより硫化亜鉛の粒子を砕いて各粒子の粒径を小さくすることができる。この工程は、上述の硫黄イオンの注入工程の際に併せて行うことができるので、製造工程が効率化される。なお、酸化亜鉛層中に形成する硫化亜鉛微粒子のサイズ、及び、形成される深さについては、イオンの加速エネルギー及びイオンの注入量によって調整することができる。
【００２８】
以下、本発明のエレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置及び表示装置について説明する。
【００２９】
本発明はまた、上記エレクトロルミネッセンス素子、又は、上記製造方法によって製造されるエレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置の発明でもある。本発明の照明装置は、例えば液晶表示パネルに隣接して取り付けられることで、導光板、発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成されるバックライトユニットの代わりの照明装置として用いることができる。このような照明装置は本発明のＥＬ素子を備えているので、発光効率の良好な光源を大面積で得ることができる。
【００３０】
本発明は更に、上記エレクトロルミネッセンス素子、又は、上記製造方法によって製造されるエレクトロルミネッセンス素子を備える表示装置の発明でもある。本発明の表示装置は、上記ＥＬ素子を封止してパネル化し、各種駆動回路を取り付けることで完成する。本発明の表示装置は本発明のＥＬ素子を備えているので、発光効率の良好な表示を大面積で行う表示装置を得ることができる。表示装置の例としては、テレビジョン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。なお、本発明の表示装置は直流電源を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のＥＬ素子によれば、ＥＬ層として各層の界面で効率よく電流注入を行うことが可能な硫化亜鉛と、透光性が高く、かつ、不純物を添加することにより低抵抗を有し、電流注入させるのに充分な導電性を有する酸化亜鉛とが用いられているため、効率的な電流注入を行うことができ、かつ発生した光を外部に効率的に取り出すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に実施形態を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００３３】
（実施形態１）
図１は、実施形態１のＥＬ素子の断面模式図である。実施形態１のＥＬ素子は、図１に示すように、基板１１上に、陰極（第一電極）１２、ＥＬ層１６及び陽極（第二電極）１７がこの順に積層されて構成されている。ＥＬ層１６は更に第一のＺｎＯ（酸化亜鉛）層１３、ＺｎＳ（硫化亜鉛）層１４及び第二のＺｎＯ（酸化亜鉛）層１５に分けられるが、実質的に発光する層はＺｎＳ層１４であり、第一のＺｎＯ層１３及び第二のＺｎＯ層１５はＺｎＳ層１４への電流注入効率を高める導電層の役割を果たす。実施形態１のＥＬ素子は、陰極１２及び陽極１７が直流電源１０と接続されており、電圧の印加によって、陰極１２及び第一のＺｎＯ層１３を介してＺｎＳ層１４へ電子１９ａが、陽極１７及び第二のＺｎＯ層１５を介してＺｎＳ層１４へ正孔１９ｂが、図中の矢印の方向にそれぞれ移動する。そして、これら電子１９ａ及び正孔１９ｂがＺｎＳ層１４で衝突しあってエネルギーが励起し、光１００を発生させる。
【００３４】
実施形態１のＥＬ素子は、以下の製造方法を用いて作製することができる。実施形態１のＥＬ素子の製造方法においてＥＬ層は、ｎ型の第一の酸化亜鉛（ＺｎＯ）層、硫化亜鉛（ＺｎＳ）層、ｐ型の第二の酸化亜鉛（ＺｎＯ）層と連続成膜して作製する。図２−１〜２−７は、実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、各図は各製造段階を示す。
【００３５】
まず、図２−１に示すように、透明な絶縁性ガラス基板１１上にスパッタリング法を用いて陰極１２として酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を厚さ１００ｎｍで形成する。
【００３６】
次いで、図２−２に示すように、同じくスパッタリング法によりＺｎＯ層１３ａを厚さ２００ｎｍで形成する。そして、図２−３に示すように、ＺｎＯ層１３ａに対しイオンドーピング装置を用いて、その層内で濃度が均一になるようにガリウム（Ｇａ）イオンを注入する。これによって、ＥＬ層の下部を構成するｎ型の半導体特性が付与されたｎ型ＺｎＯ（第一の酸化亜鉛）層１３が形成される。ドーズ量としては、例えば２×１０１８／ｃｍ３となるような条件が挙げられる。加速電圧としては、例えば２００〜３００ｋｅＶとする方法が挙げられる。なお、このようにして得られたｎ型ＺｎＯ層１３の比抵抗は、１×１０−２Ω・ｃｍである。
【００３７】
また、ｎ型ＺｎＯ層１３は、ターゲット材料の粉末を混ぜ合わせた材料を用いてスパッタリングすることによっても形成することができる。具体的にはＺｎＯ粉末にＧａ２Ｏ３の粉末材料を３ｗｔ％で混ぜ合わせ、多結晶を成長させるために、基板温度を２００℃に加熱しながらスパッタリングする。この方法によれば、イオンドーピングを追加的に行う必要がない。
【００３８】
次に、図２−４に示すように、このｎ型ＺｎＯ層１３上に粒径が５０ｎｍに整形されたＺｎＳ微粒子粉及びＣｕの粉末を有機バインダに分散させてペースト化し、それを厚さ１００ｎｍで塗布し、ＺｎＳ層１４とする。塗布方法としては、例えばスピンコート法を用いることができるが、特に限定されない。また、実施形態１では、ＺｎＳ微粒子の再凝集による各粒子サイズの増大を防ぐために有機バインダへの分散を行っているが、粒子サイズが維持されつつ成膜することが可能であれば、方法は限定されない。更に、本工程によってＺｎＳ層１４にはＣｕが含まれることになるので、電流の注入によりＺｎＳ層１４は青色に発光する。したがって、例えば、実施形態１のＥＬ素子の発光面に対して蛍光体等の色変換材料を塗布することで白色光を得ることができ、各種照明装置として適用することができる。
【００３９】
次に、図２−５に示すように、ＺｎＳ層１４上に、スパッタリング法によりＺｎＯ層１５ａを厚さ２００ｎｍで形成する。そして、図２−６に示すように、イオンドーピング装置を用いて、ＺｎＯ層１５ａに対し、その層内で濃度が均一になるように窒素（Ｎ）イオンを注入する。これによって、ＥＬ層の上部を構成するｐ型の半導体特性が付与されたｐ型ＺｎＯ層（第二の酸化亜鉛）１５が形成される。ドーズ量としては、例えば２×１０１８／ｃｍ３となるような条件が挙げられる。加速電圧としては、例えば１〜５０ｋｅＶとする方法が挙げられる。なお、このようにして得られたｐ型ＺｎＯ層１５の比抵抗は、１×１０−２Ω・ｃｍである。
【００４０】
そして最後に、図２−７に示すように、陽極１７として銀（Ａｇ）膜１７をスパッタリング法により厚さ３００ｎｍで形成し、実施形態１のＥＬ素子が完成する。
【００４１】
このように、実施形態１のＥＬ素子においてＥＬ層１６は、各層の界面で効率よく電流注入を行うことが可能なＺｎＳ層１４、及び、透光性を有し、かつ比抵抗が低いＺｎＯ層１３、１５がＥＬ層の材料として用いられており、充分な電流注入を行いつつ、発生した光を外部に効率的に取り出すことが可能なＥＬ素子となっている。
【００４２】
また、これらＺｎＯ層１３、１５はいずれも半導体特性を有しており、ＺｎＳ層１４の下部のＺｎＯ層１３がｎ型、上部のＺｎＯ層１５がｐ型となっている。したがって、実施形態１のＥＬ素子においてＥＬ層１６は、発光ダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合のような構成となっており、より効率的な電流注入が可能であり、低電圧で高輝度の発光が得られる。
【００４３】
更に、上述のように、実施形態１のＥＬ素子を構成する各層はスパッタリング法又はスピンコート法を用いて形成されている。したがって、実施形態１のＥＬ素子は大面積で作製することができ、生産性に優れている。
【００４４】
なお、このようにして製造された実施形態１のＥＬ素子は、例えば液晶表示パネルに隣接して取り付けられることで、導光板及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成されるバックライトユニットの代わりの照明装置として用いることができる。このような照明装置は実施形態１のＥＬ素子を備えるため、低電圧かつ高輝度の照明を大面積で行うことができる。
【００４５】
また、このようにして製造された実施形態１のＥＬ素子は、ガラス等の無機材料からなる封止基板、及び、封止膜によって両側から挟持されてパネル化され、更に駆動回路等が取り付けられ、それ単独でテレビジョン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の表示装置として用いることができる。このような表示装置は実施形態１のＥＬ素子を備えるため、発光効率の良好な表示を大面積で行う表示装置となる。
【００４６】
（実施形態２）
図３は、実施形態１のＥＬ素子の断面模式図である。実施形態２のＥＬ素子は、図３に示すように、基板２１上に、陰極（第一電極）２２、ＥＬ層２６及び陽極（第二電極）２７がこの順に積層されて構成されている。ＥＬ層２６は更に第一のＺｎＯ（酸化亜鉛）層２３、ＺｎＳ（硫化亜鉛）層２４及び第二のＺｎＯ（酸化亜鉛）層２５に分けられるが、実質的に発光する層はＺｎＳ層２４であり、第一のＺｎＯ層２３及び第二のＺｎＯ層２５はＺｎＳ層２４への電流注入効率を高める導電層の役割を果たす。実施形態２のＥＬ素子は、陰極２２及び陽極２７が直流電源２０と接続されており、電圧の印加によって、陰極２２及び第一のＺｎＯ層２３を介してＺｎＳ層２４へ電子２９ａが、陽極２７及び第二のＺｎＯ層２５を介してＺｎＳ層２４へ正孔２９ｂがそれぞれ移動する。そして、これら電子２９ａ及び正孔２９ｂがＺｎＳ層２４で衝突しあってエネルギーが励起し、光２００を発生させる。
【００４７】
実施形態２のＥＬ素子は、以下の製造方法を用いて作製することができる。実施形態２のＥＬ素子の製造方法においてＥＬ層は、まず原ＺｎＯ膜を形成し、その原ＺｎＯ膜の所望の領域に対して順次イオンドーピングを行って、基板側からｎ型の第一のＺｎＯ層、ＺｎＳ層及びｐ型の第二のＺｎＯ層を形成して作製する。図４−１〜４−６は、実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、各図は各製造段階を示す。
【００４８】
まず、図４−１に示すように、透明な絶縁性ガラス基板２１上にスパッタリング法を用いて陰極２２として酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を厚さ１００ｎｍで形成する。次いで、図４−２に示すように、同じくスパッタリング法により原ＺｎＯ膜２８ａを厚さ４５０ｎｍで形成する。
【００４９】
次に、イオンドーピング装置を用いて、原ＺｎＯ膜２８ａのうち、最底面（基板側）から高さ２００ｎｍまでの範囲に対し、その範囲で濃度が均一になるようにガリウム（Ｇａ）イオン２０１を注入する。これによって、図４−３に示すように、ＥＬ層の下部を構成するｎ型の半導体特性が付与されたｎ型ＺｎＯ（第一の酸化亜鉛）層２３が形成される。ドーズ量としては、例えば２×１０１８／ｃｍ３となるような条件が挙げられる。ドーピングの深さは、イオンの加速エネルギーを調整、すなわち、加速電圧を調整することによって最適化するが、例えば加速電圧を２００〜３００ｋｅＶとする方法が挙げられる。なお、このようにして得られたｎ型ＺｎＯ層の比抵抗は、１×１０−２Ω・ｃｍである。
【００５０】
次に、イオンドーピング装置を用いて、原ＺｎＯ膜２８ｂのうち、ｎ型ＺｎＯ層２３の上部５０ｎｍの範囲に対し、この範囲で濃度が均一になるように硫黄（Ｓ）イオン２０３を注入する。これによって、ＺｎＯのＯ原子がＳ原子に置換され、ＺｎＳが形成されることになる。そして、このようにして形成された層が、図４−４に示すようにＥＬ層の中央部を構成するＺｎＳ（硫化亜鉛）層２４となる。なお、ドーズ量としては、ここでは限定できず、出来上がった素子のＺｎＳ微粒子について解析した上で最適なドーズ量を条件出しして決定する。ドーピングの深さについては上述と同様、加速エネルギーによって調整することができ、例えば加速電圧を１００ｋｅＶとする方法が挙げられる。なお、このような方法によれば、注入される硫黄イオン２０３が一定の速度を持つことになり、ＺｎＯ層内の粒子と衝突して粒子を砕くことになるので、これにより粒径の小さなＺｎＳ微粒子を形成することができる。すなわち、実施形態２によれば、ＺｎＳ層２４の形成と層内のＺｎＳ微粒子のナノサイズ化とを一度の工程で行うことができるので、製造工程が効率化される。そして、ＺｎＳ微粒子の粒径を０．１μｍとすることで、エネルギー変換効率が良好となり、更なる高輝度化が図れる。なお、このような粒径はＳＥＭ観察等によって計測することができる。
【００５１】
また、硫黄（Ｓ）イオン２０３を注入した後、続いて銅（Ｃｕ）イオンを適量注入することで、ＺｎＳ層２４にはＣｕが含まれることになり、電流の注入によりＺｎＳ層２４は青色に発光する。したがって、例えば、実施形態２のＥＬ素子の発光面に対して蛍光体等の色変換材料を塗布することで白色光を得ることができ、各種照明装置として適用することができる。
【００５２】
次に、イオンドーピング装置を用いて、ＺｎＳ層２４から上部の原ＺｎＯ膜２８ｃの残り２００ｎｍの範囲に対し、この範囲で濃度が均一となるように窒素（Ｎ）イオン２０２を注入する。これによって、図４−５に示すように、ＥＬ層の上部を構成するｐ型の半導体特性が付与されたｐ型ＺｎＯ層（第二の酸化亜鉛層）２５が形成される。ドーズ量については、２×１０１８／ｃｍ３となるような条件とする。ドーピングの深さについては上述と同様、加速エネルギーによって調整することができ、例えば加速電圧を１〜５０ｋｅＶとする方法が挙げられる。なお、このようにして得られたｐ型ＺｎＯ層２５の比抵抗は、１×１０−２Ω・ｃｍである。
【００５３】
そして最後に、図４−６に示すように、陽極２７として銀（Ａｇ）膜をスパッタリング法により厚さ３００ｎｍで形成し、実施形態２のＥＬ素子が完成する。
【００５４】
このように、実施形態２のＥＬ素子においてＥＬ層２６は、各層の界面で効率よく電流注入を行うことが可能なＺｎＳ層２４、並びに、透光性を有し、かつ比抵抗が低い第一のＺｎＯ層２３及び第二のＺｎＯ層２５がＥＬ層２６の材料として用いられており、充分な電流注入を行いつつ、発生した光を外部に効率的に取り出すことが可能なＥＬ素子となっている。
【００５５】
また、これらＺｎＯ層２３、２５はいずれも半導体特性を有しており、ＺｎＳ層２４の下部のＺｎＯ層２３がｎ型、上部のＺｎＯ層２５がｐ型となっている。したがって、実施形態２のＥＬ素子においてＥＬ層は、発光ダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合のような構成となっており、より効率的な電流注入が可能であり、低電圧で高輝度の発光が得られる。
【００５６】
更に、上述のように、実施形態２のＥＬ素子を構成する各層はスパッタリング法を用いて形成されている。したがって、実施形態２のＥＬ素子は大面積で作製することができ、生産性に優れている。また、実施形態２のＥＬ素子の製造方法によれば、ＺｎＯ層、ＺｎＳ層、ＺｎＯ層と連続成膜する手間が省け、生産工程が簡略化されている。
【００５７】
なお、このようにして製造された実施形態２のＥＬ素子は、例えば液晶表示パネルに隣接して取り付けられることで、導光板及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成されるバックライトユニットの代わりの照明装置として用いることができる。このような照明装置は実施形態２のＥＬ素子を備えるため、低電圧かつ高輝度の照明を大面積で行うことができる。
【００５８】
また、このようにして製造された実施形態２のＥＬ素子は、ガラス等の無機材料からなる封止基板、及び、封止膜によって両側から挟持されてパネル化され、更に駆動回路等が取り付けられ、テレビジョン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の表示装置の光源として用いることができる。このような表示装置は実施形態２のＥＬ素子を備えるため、発光効率の良好な表示を大面積で行う表示装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施形態１のＥＬ素子の断面模式図である。
【図２−１】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、陰極１２を形成した段階を示す。
【図２−２】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、ＺｎＯ層１３ａを形成した段階を示す。
【図２−３】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、ガリウム（Ｇａ）イオン１０１を注入し、ｎ型ＺｎＯ層１３を形成した段階を示す。
【図２−４】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、ＺｎＳ層１４を形成した段階を示す。
【図２−５】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、ＺｎＯ層１５ａを形成した段階を示す。
【図２−６】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、窒素（Ｎ）イオン１０２を注入し、ｐ型ＺｎＯ層１５を形成した段階を示す。
【図２−７】実施形態１のＥＬ素子を作製するフロー図であり、陽極１７を形成した段階を示す。
【図３】実施形態２のＥＬ素子の断面模式図である。
【図４−１】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、陰極２２を形成した段階を示す。
【図４−２】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、原ＺｎＯ層２８ａを形成した段階を示す。
【図４−３】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、ガリウム（Ｇａ）イオン２０１を注入し、ｎ型ＺｎＯ層２３を形成した段階を示す。
【図４−４】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、硫黄（Ｓ）イオン２０３を注入し、ＺｎＳ層２４を形成した段階を示す。
【図４−５】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、窒素（Ｎ）イオン２０２を注入し、ｐ型ＺｎＯ層２５を形成した段階を示す。
【図４−６】実施形態２のＥＬ素子を作製するフロー図であり、陽極２７を形成した段階を示す。
【符号の説明】
【００６０】
１０、２０：直流電源
１１、２１：基板
１２、２２：陰極
１３、２３：第一のＺｎＯ（酸化亜鉛）層（ｎ型）
１３ａ、１５ａ：ＺｎＯ（酸化亜鉛）層
１４、２４：硫化亜鉛（ＺｎＳ）層
１５、２５：第二のＺｎＯ（酸化亜鉛）層（ｐ型）
１６、２６：ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）層
１７、２７：陽極
１８ａ、２８ａ：原ＺｎＯ膜
１８ｂ、２８ｂ：原ＺｎＯ膜（ｎ型ＺｎＯ層形成後の残り）
１８ｃ、２８ｃ：原ＺｎＯ膜（ｎ型ＺｎＯ層及びＺｎＳ層形成後の残り）
１９ａ、２９ａ：電子
１９ｂ、２９ｂ：正孔
１００、２００：光
１０１、２０１：ガリウム（Ｇａ）イオン
１０２、２０２：窒素（Ｎ）イオン
２０３：硫黄イオン
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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【図２−５】
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【図２−６】
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【図２−７】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図４−４】
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【図４−５】
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【図４−６】
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