(57)【要約】  本発明の実施形態には、電界放出カソードから隙間を横切って放出される電子をナノ構造の半導体材料に注入して光を発生する方法および素子が含まれ、電子は分離電界放出カソード（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｃａｔｈｏｄｅ）から放出され、隙間に印加された電圧によって加速され、前記アノードの一部をなすナノ構造材料の表面に向かう。ナノ構造材料では、電子は電子−ホール（ｅ−ｈ）再結合され、その結果、エレクトロルミネッセント（ＥＬ）放出が起こる。発光素子の好適な実施形態では、真空密閉容器には、電界放出カソードが収容される。前記真空密閉容器には、アノードも収容され、該アノードは、隙間によって前記カソードから隔てられ、前記カソードから放出される電子を受け取るように配置される。前記アノードには、前記カソードからの電子注入を受け取り、前記電子注入に応答して電子を発生する半導体発光ナノ構造が含まれる。外部電極接触部によれば、前記アノードとカソードの間に電圧差を印加して、前記カソードから電子を放出でき、その結果、前記アノードの半導体発光ナノ構造から光子を放出できる。また、本発明の実施形態には、従来の平面型ＬＥＤおよびナノワイヤーアレイ型の発光ダイオード並びにＣＦＬに対して、ナノ構造の半導体材料を蛍光体として使用することが含まれる。従来の平面型ＬＥＤに使用する場合、前記ナノ構造は、量子ドット、ナノチューブ、樹枝状に分岐したナノ構造、ナノフラワー、四脚構造、三脚構造、軸ヘテロ構造、ナノワイヤーヘテロ構造の形態を取ってもよい。【選択図】図１Ａ
2012511240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空密閉容器と、
前記真空密閉容器内にある電界電子放出カソードと、
前記真空密閉容器内にあって、隙間によって前記カソードから隔離され、前記カソードから放出される電子を受け取るように配置されたアノードと、からなる発光素子であって、
前記アノードは、半導体発光ナノ構造を有し、
前記半導体発光ナノ構造は、前記カソードから電子注入され、該電子注入に応答して光子を発生する、
発光素子。
【請求項２】
前記アノードと前記カソードの間に電圧差を印加して、前記カソードからの電子放出を励起し、前記半導体発光ナノ構造から光子を放出させる外部電極接触部をさらに含む、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記電圧差を変換する変圧器をさらに含む、
請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記真空密閉容器を支持し、前記変圧器を収容する基部をさらに含む、
請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記隙間は、約５０〜２００ミクロンの範囲にある、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記隙間は約１１０ミクロンであり、
前記電界電子放出カソードは、カーボンナノチューブからなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記アノードと前記カソードの間に前記隙間を設けるスペーサをさらに含む、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記半導体発光ナノ構造は、半導体ナノワイヤーからなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記半導体ナノワイヤーは、異なる波長バンドで光子を放出する複数の種類のナノワイヤーからなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記アノードと前記カソードは、前記隙間によって隔離された平行平板からなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記アノードと前記カソードは、同心円状に配置され、前記隙間によって隔離される、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記アノードは、透明基板、前記基板上にある電極、および前記電極上に配置された前記半導体発光ナノ構造からなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記半導体発光ナノ構造は、半導体ナノワイヤーからなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記半導体ナノワイヤーは、コアシェル型のヘテロ構造のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記半導体ナノワイヤーは、軸方向に延びるヘテロ構造のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記半導体ナノワイヤーは、幹と枝を有するヘテロ構造のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＩＩ−Ｖ族のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１８】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＩＩ族の窒化物ナノワイヤーからなる、
請求項１７に記載の発光素子。
【請求項１９】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＩＩ族のヒ化物ナノワイヤーからなる、
請求項１７に記載の発光素子。
【請求項２０】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＩＩ族のリン化物ナノワイヤーからなる、
請求項１７に記載の発光素子。
【請求項２１】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＩ−ＶＩ族のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２２】
前記半導体ナノワイヤーは、ＩＶ族のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２３】
前記半導体ナノワイヤーは、合金化された半導体ナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２４】
前記半導体ナノワイヤーは、ドープされたナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２５】
前記半導体ナノワイヤーは、サファイア基板上において、ドープされたｐ型ＧａＮのアレイまたは分散を構成する、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２６】
前記ｐ型ＧａＮナノワイヤーにはＭｇがドープされる、
請求項２５に記載の発光素子。
【請求項２７】
前記半導体ナノワイヤーは、Ｍｇ、ＢｅおよびＣｄの内の一つがドープされたｐ型のＺｎＯナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２８】
前記半導体ナノワイヤーは、異なる発光波長範囲を有する複数の異なる種類のナノワイヤーからなる、
請求項１３に記載の発光素子。
【請求項２９】
前記半導体発光ナノ構造は、半導体ナノチューブからなる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３０】
前記アノードの背面側に、半導体発光ナノ構造をさらに含む、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３１】
前記真空密閉容器内にあって、隙間によって前記カソードから隔離され、前記カソードから放出される電子を受け取るように配置された追加のアノードをさらに含み、
前記追加のアノードには、前記カソードから電子注入され、該電子注入に応答して光子を発生する半導体発光ナノ構造が含まれる、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３２】
前記真空密閉容器の内表面に配置された蛍光体をさらに含む、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３３】
発光方法であって、
前記方法は、
電子放出を励起して、電子を周囲環境中に放出するステップと、
半導体発光ナノ構造によって、前記環境から前記電子を受け取って、前記半導体発光ナノ構造からエレクトロルミネッセンス応答を引き起こすステップと、を含む、
発光方法。
【請求項３４】
光源と、
コアシェルシェル型のナノワイヤー、軸配向されたナノ構造の蛍光体、幹と枝を有するナノワイヤー構造、量子ドット、ナノチューブ、ナノフラワー、四脚構造および三脚構造の内の一つから構成されるナノ構造のヘテロ接合蛍光体と、からなる、
発光素子。
【請求項３５】
前記光源は、ヘテロ接合ナノワイヤーのアレイからなり、
前記ナノ構造のヘテロ接合蛍光体によって、ヘテロ接合ナノワイヤーのアレイはカプセル化される、
請求項３４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、電気を光エネルギーに変換する分野に関する。本願発明には、発光素子と表示装置が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
世界規模のエネルギーの需要の増大という問題に対処するには、エネルギー発生と転換についての継続的なアプローチと、エネルギーの効率的な使用方法が必要である。電気は、主に、照明において消費され、その消費量は、全世界では１９％、米国では３４％を占めている。最近、米国の照明市場は、以下の各種のタイプのランプに分類される。つまり、６３％が白熱ランプであり、３５％が蛍光ランプであり、２％がハロゲンランプである。蛍光ランプの効率は１５〜２５％（５０〜８０ｌｍ／Ｗ）であるのに対し、白熱電球の効率は僅か５％（１５ｌｍ／Ｗ）である。
【０００３】
固体発光素子は、一般に発光ダイオード（ＬＥＤｓ）に基づいて構成され、高効率、高品質、およびメンテナンスの頻度の低さによって、照明産業に革命をもたらすようなポテンシャルがあり、一般的な照明で消費されるエネルギーを半分に低減できる。例えば、３０％の効率（３５０ｍＡで１００ｌｍ／Ｗ）は、市販の白色ＬＥＤにおいて実現されていて、５０％の効率（２０ｍＡで１５０ｌｍ／Ｗ）は、実験室での白色ＬＥＤ装置において実現されている。白熱ランプを（小型の蛍光ランプまたはＣＦＬｓを含む）蛍光ランプや固体発光素子に切り換えると、かなりのエネルギーを節約できるので、多くの政府に、白熱ランプの使用を段階的に廃止する規制を可決させる動機を与えた。
【０００４】
従来の白熱ランプの光源は、スペクトル幅が広く、心地よい白色光を発生する非干渉性の光を照射するので、多くの人に好まれている。これに対して、特定のＬＥＤは、特定の色の光を放射し、該特定の色の光は、ＬＥＤを構成する半導体材料のバンドギャップで決まる。白色光を発生するアプローチの１つとして、異なる色、つまり、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の複数のＬＥＤを用いることがある。
【０００５】
別のアプローチとして、蛍光体を用いて、ＬＥＤ、例えば、ＧａＮベースのＬＥＤからの光を青色光または近紫外光に変えること、つまり、蛍光体または蛍光体の混合物を「ポンプ」することがある。複数のＬＥＤアプローチによれば、スペクトル線は狭くなり、該アプローチは、緑色のＬＥＤの効率が低いので実用が制限される。一方で、従来の青色ＬＥＤに黄色の蛍光体を塗布すると、金白色の光が得られるが、色を調節できない。ＬＥＤの波長を変換する代替の光源を使用するアプローチもあった。波長変換型のＬＥＤを用いた方法の一例が、キムによって２００８年８月７日に公開された米国特許公報第２００８／０１８５６０４号に開示されている。キムによれば、紫外、青色または緑色の波長範囲で放射する発光ダイオードが開示されている。線状の均質なナノワイヤーまたは線状のコアシェルナノワイヤ蛍光体によって、ダイオードからの光が長波長に変換される。
【０００６】
従来の発光ダイオードの構造に基づいた固体発光素子に関する別の課題として、従来の固体発光ダイオードが白色照明で実施されたパワーモデルに適合しないことがある。パワーグリッドは、高電圧低電流供給という考えに基づいて設計される。米国においては、住宅および事業用の電気の供給は、一般に、１１０Ｖまたは２２０Ｖで定格供給され、同様な規定は世界の他の地域で使用されている。従来の一般的な照明器具の理想的で適切な代替品は、白熱電球の代替品として役立ち、電流と電圧のいずれかを大きく上げる必要のある変圧器に頼ることなしに、標準的な住宅または事業用電源における電圧や電流の制約に対処することができる。小型の蛍光電球は、該要求を満足する成功した市販品であるが、その多くは、従来の白熱光源に比べて、スペクトルの心地良さが低下することが分かっている。小型の蛍光電球は、水銀を含むので、環境および健康に対するリスクも生ずる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のブラウン管および同様な素子では、従来の蛍光体、これは一般に遷移金属または貴金属化合物であるが、該蛍光体を励起するために、電子が用いられる。蛍光体では、追加のエネルギーを受け取る前に光子を放射して、電荷を消散する必要があるので、その効率は制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態には、電界放出カソードから隙間を横切って放出される電子をナノ構造の半導体材料に注入して光を発生する方法と素子が含まれる。電子は、分離電界放出カソード（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｃａｔｈｏｄｅ）から放出され、隙間に印加される電圧によって、前記アノードの一部をなすナノ構造材料に向けて加速される。ナノ構造材料では、電子は、高効率のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）放出の結果、電子−ホール（ｅ−ｈ）の再結合がなされる。発光素子の好適な実施形態では、真空密閉容器は、電界放出カソードを収容する。また、前記真空密閉容器にはアノードが収容され、該アノードは、隙間によって前記カソードから隔てられ、前記カソードから放出される電子を受け取るように配置される。前記アノードは、前記カソードからの電子注入を受け取り、該電子注入に応答して光子を発生する半導体発光ナノ構造を有する。外部電極接触部によれば、前記アノードとカソードの間に電圧差を印加して、前記カソードから電子を放出でき、その結果、前記アノードの半導体発光ナノ構造から光子を放出できる。
【０００９】
また、本発明の実施形態には、従来の平面型ＬＥＤおよびナノワイヤーアレイ型の発光ダイオード並びにＣＦＬに対して、ナノ構造の半導体材料を蛍光体として使用することが含まれる。従来の平面型ＬＥＤに使用する場合、前記ナノ構造は、量子ドット、ナノチューブ、樹枝状に分岐したナノ構造、ナノフラワー、四脚構造（ｔｅｔｒａｐｏｄ）、三脚構造（ｔｒｉｐｏｄ）、軸ヘテロ構造、ナノワイヤーヘテロ構造の形態を取ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明に係る電子放出カソードと半導体ナノ構造発光アノードを備えた発光素子の好適な実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】本発明に係る電子放出カソードと半導体ナノ構造発光アノードを備えた発光素子の好適な実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る電子放出カソードと半導体ナノ構造発光アノードを備えた発光素子の好適な実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係る電子放出カソードと半導体ナノ構造発光アノードを備えた発光素子の好適な実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明の素子のアノード中で使用される発光ナノワイヤーのヘテロ構造の異なる類型を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の素子のアノード中で使用される発光ナノワイヤーのヘテロ構造の異なる類型を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の素子のアノード中で使用される発光ナノワイヤーのヘテロ構造の異なる類型を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の素子のアノード中で使用される発光ナノワイヤーのヘテロ構造の異なる類型を示す図である。
【図４Ｅ】ＣＦＬの光源について、図４Ａ〜４Ｄに示した構造を蛍光体として使用する発光素子を示す図である。
【図５】図１Ａに示したような発光素子を形成する製造プロセスの好適な実施形態を示す図である。
【図６】ナノ構造の蛍光体とナノワイヤーアレイのＬＥＤ光源を備えた発光素子の好適な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態には、電界放出カソードから隙間を横切って放出される電子をナノ構造の半導体材料に注入して、光を生成する方法および素子が含まれる。本発明の方法と素子においては、従来の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）中で生じるように、ｐ／ｎ接合を通過する電子による光は発生しない。その代わりに、前記電子は、分離電界放出カソード（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｃａｔｈｏｄｅ）から放出され、隙間の間の電圧によって、前記アノードの一部をなすナノ構造材料の表面に向けて加速される。ナノ構造材料では、高効率のエレクトロルミネッセント（ＥＬ）効果の結果、前記電子は電子−ホール（ｅ−ｈ）再結合される。
【００１２】
発光素子の好適な実施形態の一つでは、真空密閉容器には、電界放出カソードが収容される。また、前記真空密閉容器には、アノードが収容され、該アノードは、隙間によって前記カソードから隔離され、前記カソードから放出された電子を受け取るように配置される。前記アノードは、前記カソードからの電子注入を受け取り、該電子注入に応答して光子を発生する半導体発光ナノ構造を有する。外部電極接触部によれば、前記アノードとカソードの間に電圧差を印加して、前記カソードから電子を放出でき、その結果、前記アノードの半導体発光ナノ構造から光子を放出できる。
【００１３】
本発明の発光素子によれば、数多くの利点がもたらされる。本発明の素子によれば、小さいエネルギー消費で高輝度が得られるので、その結果、発光効率と光取り出し効率が高くなる。本発明の素子は、白熱電球と比べて低温で動作できる。豊富な色（ＲＧＢＷ）、つまり、従来のＬＥＤよりも豊富な色を選択でき、その選択肢はＣＦＬ電球と白熱電球よりも遥かに多い。本発明の素子は、調光することができ、モジュール式であって大きさを変更でき、水銀フリーであり、ＣＦＬ電球よりも環境に対してクリーンであり、薄膜ＬＥＤに比べて簡単に素子を製造でき、安価に製造でき、白熱電球（１０倍の寿命と推定される）やＣＦＬ（２倍の寿命と推定される）に比べて運転寿命が長い。本発明の素子の用途には、一般的な照明、電気標識、発光ダイオードの代用品として、固体発光素子、交通信号灯、自動車用白熱灯器具、表示装置のバックライト、水処理用の紫外線ＬＥＤ、データ保管、情報処理用の青色ＬＥＤおよびレーザダイオード、および（１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍの波長の）ＩＲで操作する電気通信応用が含まれる。
【００１４】
本発明の発光素子の効率は、公知の固体光源で得られた効率を遥かに上回り、好適な実施形態の素子では、その効率は約９０％（４０〜１５０ｌｍ／Ｗ）にできると推定される。好適な実施形態の素子は、従来の電球の形態を取ることができ、従来の高電圧低電流電源で動作できる。前記アノードとカソードの間に適当な隙間を設けて製造すれば、変圧器を用いずに標準的な電圧で確実に動作できる。好適なカーボンナノチューブ電界エミッタからの電界放出では、一般に、約１Ｖ／ミクロンの電圧が要求されるので、隙間が約１１０ミクロンの場合には１１０Ｖで動作できる。本発明の素子は、モジュールユニットとして形成されることもでき、一般的な照明、および表示装置、カメラのフラッシュ、キーパッド製品およびバックライドなどの多くの用途で使用するためにスケールアップすることもできる。好適な実施形態では、約５０〜２００ミクロンの隙間が使用される。前記隙間は、前記材料と前記密閉容器内の圧力に応じて決まる。１０−５Ｔｏｒｒあるいはそれ以上である真空密閉容器内の所定の圧力に対して、隙間は、１０ｍｍまでにすることができ、このような圧力は、変圧器や安定器を使用する場合にも当て嵌まる。
【００１５】
好適な実施形態では、エレクトロルミネッセントアノード部は、ガラス基板上のＩＴＯ表面に、ＩＩＩ−Ｖ族のナノワイヤーを有する。前記ナノワイヤーの寸法（半径、長さ）は、相対的なファセット／横方向表面が導波放出に所望の寄与をするように最適化することができる。前記ナノワイヤーの配置と配向は、ａ）前記カソードからの電子流束によって前記ナノワイヤー表面が最適に覆われる、および／または、ｂ）端部ファセットまたは横方向表面から妨げられずに送出される光を最大にするように選ぶことができる。
【００１６】
好適な実施形態でのアノードとカソードは、軸方向または半径方向に配置された互いに平行な平板である。別の例示的な実施形態においては、注入型の発光ダイオードは、円筒状に配置されたカソードとアノード部を備え、該円筒状の配置は上述した第１の実施形態の平行平板配置に類似する。つまり、平行平板に代えて、内側の円筒をカソード／電子放出部とし、外側の円筒をアノード／エレクトロルミネセント部とする同心円筒形にすることもできる。この同心円筒形の実施形態の好ましい特徴（カソードとアノード部の部品、色の調節に対するアプローチ、寸法など）は、平行平板の実施形態の特徴に類似する。
【００１７】
注入型の発光素子の好適な実施形態は、次のような性能パラメータ、つまり、９０％を超える電子から光子への転換、１００％までの光の引き抜き、９８％のガラス透過（透過率は９０．７％であり、１．８％は吸収され、７．５％は反射される）を伴って作動すると予想される。その効率は４０〜１５０Ｌ／Ｗ以上であり、総輝度は５００〜１０００Ｌであり、運転温度は、冷熱（＜５０Ｃ）であり、色（ＣＲＩ）は良好（９２）であり、寿命は５０，０００時間であり、入力電力は６Ｗ＠１５０Ｌ／Ｗであり、出力は９００Ｌである。
【００１８】
ここで、本発明の好適な実施形態を図面を参照して論じる。図面は、模式図を含んでいるが、当業者であれば、当該技術分野における一般的な知識と以下の詳細な説明を考慮すれば理解できる。図中において、特徴部分は強調するために誇張されていて、実寸ではない。
【００１９】
図１Ａは、発光素子１０の好適な実施形態を示している。前記素子は、電界放出カソード１４を収容する真空密閉容器１２を有する。また、真空密閉容器１２には、アノード１６が収容され、該アノードは、隙間１８によってカソードから隔てられ、カソードから放出される電子を受け取るように配置される。隙間１８は、絶縁スペーサ１９によって定められる。アノード１６は、カソード１４から注入された電子を受け取り、電子の注入に応答して光子を発生する半導体発光ナノ構造２０を有する。外部電極接続部２２によって、アノード１６とカソード１４の間に電圧差を印加でき、カソードから電子放出を励起でき、その結果、アノードの半導体発光ナノ構造から光子を放出できる。真空密閉容器１２と基部２４は、標準的な電球の形状を取っていて、電極２２は突起部として図示されているが、従来のネジ−ソケット接続も使用できる。外部電源からの出力を変換するのに変圧器が必要な場合、基部２４に変圧器２６を収容してもよい。電子放出ナノ構造として使用できるように、トンネル電子放出素子を用いて、カソード１４を形成してもよい。図１Ａの実施形態において、ナノ構造の電子放出素子の例は、好ましくは垂直配向されたカーボンナノチューブ２８である。例示的な実施形態の一つでは、注入型の発光アノードは、エレクトロルミネッセントナノワイヤアレイを用いて、平板カソード部と平行平板アノード部を対面させて配置される。カソードまたは電子放出素子は、銅板またはグリッドの一表面に分散して、あるいはアレイ状に配置されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からなると好ましい。前記銅板またはグリッドは、所望ならば複数のポストまたは銅ナノロッドアレイを用いて形成できる。ＣＮＴの配向と空間配置によれば、放出される電子流束を最適化できる。
【００２０】
他のナノ構造の電子放出素子を用いて、電界放出カソードを形成することもできる。好適なナノ構造の電子放出素子には、例えば、アルミニウム、金、クロム、銅、酸化インジウムスズなどの金属板上で成長した垂直配向のＣＮＴ、ＳｉＮｉナノワイヤーおよびＺｎＯナノワイヤーが含まれる。他の好適な電子放出素子には、ＬａＢ６、ケイ化コバルトナノワイヤー、およびＩｎ２Ｏ３ナノワイヤー、ケイ素ナノワイヤーが含まれる。他の好適なナノチューブ電子放出素子には、ケイ化コバルトナノチューブ、Ｉｎ２Ｏ３ナノチューブ、ケイ化ニッケルナノチューブ、ケイ素ナノチューブ、ＺｎＯナノチューブが含まれる。Ｃｕグリッド、ＩＴＯガラス、ＺｎＯ／ガラスなどの導電マトリックス上に垂直または横方向に配置された金属ナノワイヤー／ナノチューブが使用されてもよい。例えば、ＺｎＯナノワイヤーなどの特定の材料が、カソード上においてナノ構造の電子放出素子として使用されてもよく、アノード上において（この例では紫外線光子を放出する）発光ナノ構造材料として使用されてもよいことが注目されるべきである。特定の好適な実施形態では、同一のナノ構造材料は、アノードとカソードの一部となっていて、光子と電子を放出する役割を担うことがそれぞれ要求される。
【００２１】
好適な実施形態でのアノードは、金属電極上にアレイ状またはランダムに分散して配置される複数の発光半導体ナノワイヤーを有すると好ましい。前記ナノワイヤーは、現在使用できる何らかの方法（および将来開発される可能性のある方法）で成長されてもよく、前記方法には、化学気相成長法（ＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームおよび化学ビームエピタキシ（ＣＢＥおよびＭＢＥ）（金属あるいはシーディング酸化物材料を用いても用いなくてもよい）、ＨＶＰＥ（ハイブリッド気相エピタキシ）、溶液合成およびテンプレート補助式の電気化学合成などが含まれる。ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどを用いて、ナノワイヤーを、酸化インジウムチタン（ＩＴＯ）、ＦＴＯ、縮退ドープしたケイ素、金属（銅）などの導電基板上に直接成長させる。後に電極として使用できる金属コーティングされた基板を用いて、溶液成長が実行されてもよい。ナノワイヤーは、制御された寸法で製造されてもよく、導電率を調節できてもよく、バンドギャップを調節できてもよく、可撓性の表面特性を有してもよい。典型的なナノワイヤーは、１〜１００μｍの範囲の長さと２〜１００ｎｍの範囲の直径を有する。ナノワイヤーの長さが長く幅が狭いと、電子が吸着する表面が広くなるので好ましい。
【００２２】
前記アノードのナノ構造のエレクトロルミネッセント材料は、これに限定される訳ではないが、ｐ型半導体であると好ましい。ｐ型半導体の例には、ｐ型ＧａＮとｐ型ＺｎＯが挙げられる。ＧａＮとＺｎＯは、約３．４ｅＶの直接バンドギャップを有し、紫外線を放出する。紫外エレクトロルミネッセント放出は、浄水などの衛生および殺菌用途に直接使用されてもよいし、電気標識、一般的な照明などの用途向けの色の調節が可能なＲＧＢ蛍光体の励起光源として使用されてもよい。
【００２３】
アノードに適したナノ構造の半導体材料には、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＩｎＧａＰＮ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳＳｅ、ＣｄＳＳｅＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＣｄＯ、ＭｇＺｎＯ、ＺｎＢｅＯ、ＺｎＭｇＣｄＯ、ＺｎＭｇＢｅＯなどから形成されるナノワイヤーが含まれる。ナノワイヤー成長用の材料に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰＮ（希薄窒化物）などのＩＩＩ族ヒ化物およびリン化物、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＢｅＺｎＣｄＯ、ＭｇＺｎＣｄＯ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体、およびＳｉおよびＳｉＧｅナノ構造などのＩＶ族半導体、並びにＶ２Ｏ５などの他の酸化物半導体を選ぶことも含まれる。Ｉｎ１−ｘＧａｘＮ合金のような特定の組成の系の範囲内において、Ｇａの割合ｘを変えると、赤外線の領域から可視光の領域を通って紫外線の領域までのエネルギーをカバーするようにハンドギャップを調整できる。白色光の場合、ナノワイヤー蛍光体、例えば、ｘが０．５に近い値を有するＩｎ１−ｘＧａｘＮナノワイヤーは、赤色光と緑色光とを組み合わせた光を放出すると好ましい。ナノワイヤーは、直接バンドギャップを有するＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族の半導体材料からなり、均一組成を有していて、合成中に、ありふれた方法を使って、主要な特性を調製して合成できる。さらに、ナノワイヤー超格子、半径方向ヘテロ構造および分岐ヘテロ構造の成長によって、ナノワイヤー構造を制御して加工すると、機能を高めることと特有の材料を組み合わせることが可能になる。ＡｌＩｎＧａｎ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＭｇＣｄＺｎＯ、ＣｄＺｎＳＳｅＴｅなどのナノワイヤーおよびヘテロ構造中の組成（合金）を変えれば、発光色を自在に調節できる。有機ナノワイヤー半導体は、［Ｒｕ（ｂｐｙ）３］２＋（ＰＦ６−）２などであり（ここで、ｂｐｙは２，２’−ビピリジンである）、共役重合体は、ポリ（フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）、ポリフルオレン（ＰＦ）およびその誘導体などである。
【００２４】
前記発光は、一般に、例えば、ＧａＮ、ＺｎＯなどの広いバンドギャップを有する材料からの紫外／青色発光、およびＩｎＧａＮ、ＣｄＳｅ、ＡｌＩｎＧａＰなどの狭いバンドギャップを有する半導体からの緑色／赤色発光である。バンドギャップ工学によれば、発光色（紫外、可視、赤外）、色の混合（白）および色質管理（演色性および色温度）を調節できる。アノードの半導体発光ナノ構造材料によれば、大きな接合面積として有効な領域、あるいはナノ構造の全体またはその一部によって形成されて活性を有する再結合領域が得られる。アノードの発光材料を半導体ナノワイヤーにすれば、小型化のフィーチャー（ｆｅａｔｕｒｅ）（直径＜５００ｎｍ）、狭い粒度分布、非凝集性および大きな表面／体積比が得られる。種々のヘテロ構造または超格子によれば、従来の酸化物蛍光体に比べて優れた電荷損失（導電率）が得られる。前記ナノ構造は、量子ドット、ナノワイヤー、ナノチューブ、樹脂状に分岐したナノ構造、ナノフラワー、四脚構造、三脚構造、軸方向ヘテロ構造、コアシェル（半径方向）ヘテロ構造の形態を取ってもよい。ナノ構造成長材料の選択は広範に及び、発光色（紫外、ＲＧＢ、赤外）、色の混合（白）および色質管理（演色性および色温度）などを単純かつ簡単に調節できる。一例としてＧａＮの場合、ナノワイヤーにする場合に比べて、ＧａＮを薄膜状に形成する場合は、製造時に高価な基板（例えば、ＳｉＣ、サファイア）が必要になるので、これらの利点が特に顕著である。ＧａＮナノワイヤーは、他の種類の半導体ナノワイヤーに比べて頑強である。さらに、緑色および赤色に発光するナノワイヤー中に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造のＩｎＧａＮナノワイヤーを合成すれば、色を簡単に調節できる。本発明の素子においては、半導体ナノワイヤーによれば、放射を伴う電子−ホール再結合をもたらす電子のナノワイヤーへの電子照射に続いて、エレクトロルミネッセンスが得られる。本発明の特定の用途に用いる半導体ナノワイヤーは、成長法の違い、多方面にわたる材料選択、およびヘテロ構造の形成、バンドギャップの調節などの能力に応じて選ばれる。
【００２５】
別の例としてＺｎＯの場合、材料コストが低く、毒性のある前駆体を含まず、化学気相成長法（ＣＶＤ）および溶液法から簡単に合成でき、実質的には全ての基板から単結晶ナノワイヤーを成長できる。ＺｎＯの場合、マグネシウムまたはベリリウムとカドミウムとを合金化することによって、色をさらに簡単に調節できる。合金化すれば、紫外まで（ＺｎＭｇＯおよびＺｎＢｅＯ）、あるいは可視スペクトルまで（ＺｎＣｄＯ）調節できる。Ｐｒ３＋、Ｅｕ３＋、Ｅｒ３＋などの貴金属イオンをドープすると、合成中、例えば、溶液からのナノワイヤーの成長中に、紫外から赤外まで簡単に色を調節できる。好適な実施形態では、Ｎ型ＺｎＯは、カソードのナノ構造電子放出素子としてもアノードのナノ構造発光素子としても使用される。
【００２６】
別の例では、広いバンドギャップを有する半導体ナノ構造を用いるだけで、紫外光のみを放射する素子を製造できる。紫外光源には、多くの重要な用途がある。用途の一例には、水処理用光源とすることがある。赤外線（１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍ）を放射する半導体材料を用いると、本発明の素子は、多くの電子通信用光源として有用である。
【００２７】
特定の構造の例には、組成の異なる、またはｐ／ｎドーピングされた円筒状のシェルを半径方向に形成するナノワイヤーが含まれる。該シェルによれば、量子井戸中への光子の閉じ込めによって、放出効率を高めることができ、色を調節／混合できる。軸方向での実現可能な別の例は、組成の異なる、またはｐ／ｎドーピングされたエンドツーエンドロッドを形成することである。該エンドツーエンドロッドによれば、同様に、色を調節／混合できる。樹脂形状での別の実現可能な例、つまり、親（ｐａｒｅｎｔ）ナノワイヤーから垂直に成長する娘（ｄａｕｇｈｔｅｒ）ナノワイヤーの例では、電子を注入およびｅ−ｈ再結合する表面積が増えるので、色の調節／混合に加えて、放出効率を高めることができる。
【００２８】
ナノ構造のｐ型ＧａＮは、ｐ型ＧａＮナノワイヤーがアレイ状をなしたもの、または分散したものであると好ましい。該ｐ型ＧａＮナノワイヤーは、化学気相成長法または有機金属化学気相成長、ＭＢＥなどによって、触媒としてニッケル、金を備え、ドーパントとしてマグネシウム（ジメチルマグネシウム）を備えたサファイア基板上で成長する。他の発光ナノワイヤーには、ＧａＮナノワイヤー上に塗布されたｐ型ＧａＮまたはｐ型ＩｎＧａＮシェルが含まれる。発光ヘテロ構造は、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮコア／鞘ナノワイヤー、またはｎ型ＧａＮ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）ｎ  ＭＱＷ／ｐ型ＧａＮコア／多重シェルナノワイヤーヘテロ構造のように使用することもできる。
【００２９】
好ましい実施形態では、アノードには、ｐ型ＺｎＯナノワイヤーがアレイ状をなす発光ナノ構造式のｐ型ＺｎＯが含まれる。該ｐ型ＺｎＯナノワイヤーは、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法によって、ドーパントとして窒素、リン、ヒ素、またはインジウム／窒素、ガリウム／窒素を備えたサファイア、ガラスなどの基板上で成長する。これに代えて、ｎ型ＺｎＯ／ｐ型ＺｎＯ、ＺｎＯ／ＣｄＺｎＯ／ｐ型ＺｎＯ、Ｚｎ）／（ＣｄＺｎＯ／ＺｎＯ）ｎ  ＭＱＷ／ｐ型ＺｎＯコア／シェルまたはコア／多重シェルナノワイヤーヘテロ構造などが用いられてもよい。
【００３０】
アノード中で用いられるエレクトロルミネッセントナノ構造材料は、小さな形状係数（ｓｍａｌｌ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）、大きな表面積、および高い放出効率を有すると都合がよい。カソード部とアノード部の設置領域は、単一の発光素子ユニットまたはモジュールに対して２０μｍ×２０μｍ程度の大きさにすることができ、大面積の素子ユニットを形成して、および／または数個のユニットを一緒に傾けて、あるいは集合させて、アレイおよび他の構造を形成して、１０００ｍｍ×１０００ｍｍまでスケールアップできる。さらに、前記ユニットは、異なる色、大きさを有するピクセルと考えることができるので、表示パネルを形成できる。そのため、注入型の発光ダイオード発光素子を製造するには、比較的安価な材料を少量だけ使用すればよい。前記アノードは、所望の大きさ／面積を有して、これらに限られる訳ではないが、平板状、円筒状、櫛状プレートなどを含む種々の異なる形状を取ることができる。薄膜の場合よりも材料、合成プロセスおよび処理が安価であり、半導体材料の単結晶ナノワイヤーの成長は、薄膜に関する格子整合基板による制限を受けず、低コストのＣＶＤおよび溶液合成などから導体上に直接実行できるので、製造コストは安くなる。
【００３１】
半導体発光ナノ構造が、垂直または水平方向の半導体ナノワイヤー３０の領域であると好ましい。ナノワイヤー３０の領域はいくつかの区画に分けられていて、その分けられたナノワイヤー３０の領域の区画に、種類の異なるナノワイヤーが含まれていると好ましい。該種類の異なるナノワイヤーによれば、光子が複合的に寄与することによって、可視スペクトルの大部分をカバーして、白色光を発生することができる。ナノワイヤー３０は、酸化インジウムスズなどの透明電極３２上に配置され、透明電極３２は透明基板３４上に配置される。本発明のフルスペクトル放出素子の一例では、ガラス基板上に形成された酸化インジウムスズ電極上で赤色放出、青色放出、および緑色放出ナノワイヤーを組み合わせたものを含むアノードが使用される。ＡｌＩｎＧａＰ（Ｒ）／ＩｎＧａＰ（Ｇ）／ＩｎＧａＮ（Ｂ）ナノワイヤーの組み合わせによれば、フルスペクトル放出が得られる。
【００３２】
図１Ａの実施形態では、（発光素子の主軸に対して平行または一致して配置される）軸方向に配置された平行プレートとして、アノード１６とカソード１４が示されているが、必要とされる電子注入、つまり、カソード１４からアノード１６の半導体発光ナノ構造への電子注入が、隙間を介して可能であり、アノード１６とカソード１４を電気的に離隔できるならば、他の多くの物理的な配置を使用することができる。複数個のアノードとカソードの組を素子中で使用できることも注目されるべきであり、本発明の素子は、複数個の真空密閉容器を備えて、該真空密閉容器に分離されたカソードとアノードの組を備えてもよい。２組の場合のように、１個の素子に１組または複数組のカソードとアノードの組を備えてもよく、前記アノードの透明ＩＴＯ基板は、送出される光が最大になるように外側に面していて、前記二組のアノードとカソードは、平行をなして電気的に接続され、入力される交流電圧と同じ周波数で運転される変圧器（例えば、１００−２２０Ｖ／５０−６０Ｈｚ  ｗａｌｌ  ｐｏｗｅｒ）に配線される。一組の場合でも同じように、ＩＴＯ基板は、送出される光が最大になるように外側に面していて、前記カソードとアノードのユニットは、入力される交流電圧よりも高い周波数で運転される変圧器に配線される。前記変圧器は、バックライトで使用されるものと同じ型であってもよく、前記バックライトは、６００Ｖより大きい電圧で冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬｓ）を用いる。前記隙間の間の電圧は、調光できるように、特定の範囲内で調節できる。
【００３３】
図１Ｂには、図１Ａの素子中で使用できる２つの部分からなるアノードの配置の一例が示されている。図１Ａに由来する参照番号が、同様な部分に付されて使用される。さらに、図１Ａの配置には、アノードの背面に、追加の発光半導体ナノ構造３０ａを含んでもよいことが示される。外側に向けた発光半導体ナノ構造３０ａによれば、更なる輝度が得られ、該ナノ構造３０ａは、波長変換器としても動作できる。
【００３４】
図２は、同心円状に配置された電界放出カソード４２と半導体ナノ構造アノード４４を用いる別の好適な発光素子４０の実施形態の概略図を示している。アノード４４は電子透過性であり、ナノワイヤーなどの半導体発光ナノ構造４６は、アノード４４の外表面に配置されてもよい。従来のネジ−ソケット接続部４６によれば、発光素子４０を従来の照明ソケット中で使用できる。図３は、半径方向に配置された平板状の電界放出カソード５２と半導体ナノ構造アノード５４を使用するさらに別の好適な発光素子５０の実施形態の概略図を示している。垂直方向に延びる半導体ナノワイヤー５６が、アノードの好適な発光素子構造として図示され、ナノワイヤー５６は、酸化インジウムスズ電極などのプレート電極５８上に形成される。電界放出構造として、カーボンナノチューブが図示され、該電界放出構造は、カソード電極６２上に形成される。カソード５２とアノード５４は、図２中の一端から片持支持される。
【００３５】
当業者によれば、図１〜３の実施形態は、幾つかの例示的な構造を示すものであると理解される。本発明の電子注入型の発光アノード素子について、種々の大きさと形状を有する真空密閉容器、アノードとカソードの形状および構造を使用できる。半導体発光ナノ構造は、（広いスペクトルの白色発光を含む）所望のバンド幅の発光を生ずる機能を示す蛍光体を備えるように選ぶことができ、従来の蛍光体は、真空密閉容器１２の内表面などで使用される。図３には、真空密閉容器１２の内表面に層として形成されるような蛍光体６４が示されている。例示的な一実施形態では、青色／紫外発光ナノワイヤーによれば、前記アノードの一部と、緑色、赤色、および／または黄色の蛍光体（ナノワイヤー、量子ドット、従来の蛍光体など）で被覆された真空チューブの内壁が形成される。
【００３６】
好適な素子の実施形態の発光アノードの一部として使用される半導体ナノワイヤーには、垂直および水平方向に向いたナノワイヤーが含まれてもよい。前記垂直および水平方向に向いたナノワイヤーは、図１〜３の好適な素子の実施形態のように、電子の注入と印加した電圧差に応答して高発光する（コア−シェル構造などの）ナノワイヤーヘテロ構造を有する。ナノワイヤー中のヘテロ構造の組成と形態を調節し、多数のタイプのナノワイヤーまたは多数のナノワイヤー領域を使用すれば、電磁スペクトルの全体に及ぶ発光色の範囲を調節できる。
【００３７】
図４Ａ〜４Ｄには、本発明の素子のアノード中で使用できる種類の異なる発光ナノワイヤーヘテロ構造が示されている。図４Ａには、コア／シェル／シェルナノワイヤー構造が示されている。ヘテロ構造には、例えばｎ型ＧａＮなどのコア７０、ＩｎＧａＮなどの第１のシェル７２およびｐ型ＧａＮなどの第２のシェル７４が含まれる。図４Ｂには、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの異なる材料から構成されて、交互に配置された領域７６，７８を有する軸方向のヘテロ構造ナノワイヤーが示される。図４Ｃには、幹状ナノワイヤー８０と枝状ナノワイヤー８２を有する分岐状ナノワイヤー構造が示されている。図４Ｄには、第２の枝８４を有する多分岐状ナノワイヤー構造が示されている。
【００３８】
図４Ａの種類の構造を形成する方法には、組成が異なる円筒シェルを半径方向に形成すること、あるいはｐ／ｎドープすることが含まれる。このことは、初めに、例えば、ＭＯＣＶＤを用いて、所望の組成で成長させて均一のナノワイヤーを形成し、次に、ナノワイヤー表面上に均一な蒸気相を堆積するのに好ましいように合成条件を変えて、相似形をなすシェルを優先的に成長させることによって実現できる。引き続き異なる反応物および／またはドーパントを導入すると、ほぼ任意の組成を有する複数のシェル構造が製造される。
【００３９】
反応物の活性化と添加が触媒の活性点で生じ、ナノワイヤー表面上で生じない場合、図４Ｂの軸方向に延びる構造を形成する方法、つまり、一次元軸方向に成長させる方法が実現される。軸方向へのナノワイヤーヘテロ構造の成長に対するアプローチによれば、ナノクラスター触媒を用いたナノワイヤーの合成方法を開発できる。該方法においては、成長時間に応じて半導体ナノワイヤーの長さは制御され、続いてナノワイヤーを成長させるために、ナノワイヤーの成長に必要な異なる反応物が導入される。
【００４０】
図４Ｃと４Ｄの分岐状構造の形成方法によれば、例えば、ＨＶＰＥ（ハイブリッド気相エピタキシ）のＭＯＣＶＤを用いて、所望の組成のナノワイヤーが形成され、そして組成、ドーピングあるいはヘテロ構造が異なる、１または複数の世代の枝の次の成長が、その前に、それらを適用したか否かに関わらず生じる。ナノワイヤーの幹および／または枝は、軸方向または半径方向に均一なヘテロ構造であってもよい。図４Ｃと４Ｄの構造によれば、さらに、電子注入とｅ−ｈ再結合用の表面積が増加するので、色の調節／混合に加えて放出効率が高められる。
【００４１】
本発明の電子注入型のエレクトロルミネッセンス発光素子において、ナノ構造の発光素子アノードを適用することに加えて、他の適用例では、図４Ａ〜４Ｄのナノワイヤー構造を、光の波長を変換する一般的な蛍光体として使用してもよい。本発明の実施形態には、例えば、従来の平面ＬＥＤ光源、ナノワイヤーアレイ発光ダイオードおよび小型蛍光灯ＣＦＬの蛍光体としてナノ構造半導体材料を使用することも含まれる。従来の平面ＬＥＤまたは他の光源中で使用する場合、ナノ構造は、量子ドット、ナノチューブ、分岐した樹脂状ナノ構造、ナノフラワー、四脚構造、三脚構造、軸方向にヘテロ構造をなすナノワイヤーヘテロ構造の形態をなしてもよい。追加の好適な実施形態には、以下の文献中に開示されたナノ構造の蛍光体が含まれる。つまり、Ｍ．Ｓ．Ｇｕｄｉｋｓｅｎ，Ｌ．Ｊ．Ｌａｕｈｏｎ，Ｊ．Ｗａｎｇ，Ｄ．Ｓｍｉｔｈ，ａｎｄ  Ｃ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ”Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，”Ｎａｔｕｒｅ  ４１５，６１７−６２０（２００２）（ａｘｉａｌ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）、Ｌ．Ｊ．Ｌａｕｈｏｎ，Ｍ．Ｓ．Ｇｕｄｉｋｓｅｎ，Ｄ．Ｗａｎｇ，ａｎｄ  Ｃ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ”Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｃｏｒｅ−Ｓｈｅｌｌ  ａｎｄ  Ｃｏｒｅ−Ｍｕｌｔｉ−Ｓｈｅｌｌ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ｎａｔｕｒｅ  ４２０，５７−６１（２００２）（ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）、Ｄ．Ｗａｎｇ，Ｆ．Ｑｉａｎ，Ｃ．Ｙａｎｇ，Ｚ．Ｚｈｏｎｇ  ａｎｄ  Ｃ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，”Ｒａｔｉｏｎａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｂｒａｎｃｈｅｄ  ａｎｄ  Ｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．４，８７１−８７４（２００４）（ｂｒａｎｃｈ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）、Ｗｅｉ−Ｔａｎｇ  Ｙａｏ，ｅｔ．ａｌ．，”Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｎｔｈｅｓｅｓ  ｏｆ  ＣｄＳ  ａｎｄ  ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏｆｌｏｗｅｒｓ，Ｂｒａｎｃｈｅｄ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ，ａｎｄ  Ｎａｎｏｔｒｅｅｓ  ｖｉａ  ａ  Ｓｏｌｖｏｔｈｅｒｍａｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｉｎ  ａ  Ｍｉｘｅｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｙ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，２００６，１１０（２４），ｐｐ  １１７０４−１１７１０．（ｎａｎｏｆｌｏｗｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）、Ｍｉｎ−Ｙｅｏｌ  Ｃｈｏｉａ，Ｈｙｕｎ−Ｋｙｕ  Ｐａｒｋａ，Ｍｉ−Ｊｉｎ  Ｊｉｎａ，Ｄａｅ  Ｈｏ  Ｙｏｏｎｂ  ａｎｄ  Ｓａｎｇ−Ｗｏｏ  Ｋｉｍ，”Ｍａｓｓ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ  ＺｎＯ  ｎａｎｏｔｒｉｐｏｄｓ  ｂｙ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｖｏｌｕｍｅ  ３１１，Ｉｓｓｕｅ  ３，１５  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００９，Ｐａｇｅｓ  ５０４−５０７（ｎａｎｏ  ｔｒｉｐｏ��ｓ）、Ｚｈａｏ  ＹＮ，ＣａＯ  ＭＳ，Ｊｉｎ  ＨＢ，Ｓｈｉ  ＸＬ，Ｌｉ  Ｘ，Ａｇａｔｈｏｐｏｕｌｏｓ  Ｓ．，”Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｏｘｉｚａｔｉｏｎ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｕｎｉｑｕｅ  ｃａｇｅ−ｌｉｋｅ  ｎａｎｏｔｅｔｒａｐｏｄ  ＺｎＯ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ，”Ｊ  Ｎａｎｏｓｃｉ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２００６  Ａｕｇ．６（８）：２５２５−８、Ｙｏｕｎｇ−ｗｏｏｋ  Ｊｕｎ，Ｊｉｎ−ｓｉｌ  Ｃｈｏｉ，ａｎｄ  Ｊｉｎｗｏｏ  Ｃｈｅｏｎ，”Ｓｈａｐｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｎｏｎｈｙｄｒｏｌｙｔｉｃ  Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  Ｒｏｕｔｅｓ，”Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．２００６，４５，３４１４−３４３９（２００６）；（ｔｒｉｐｏｄｓ）、Ｑｉ  Ｐａｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，”ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏ−ｔｅｔｒａｐｏｄｓ：Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，２００５，１７（２１），ｐｐ  ５２６３−５２６７、Ｂ．Ｉ．Ｋｈａｒｉｓｏｖ，”Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｆｏｒ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｎａｎｏｆｌｏｗｅｒｓ”，Ｒｅｃｅｎｔ  Ｐａｔｅｎｔｓ  ｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２（３）２００８，１９０−２００．に開示されたナノ構造の蛍光体が含まれる。
【００４２】
図４Ａ〜４Ｄの構造は高効率であり、好適には、異なる材料、または、例えば、シングル型のナノ構造から幅広の発光スペクトルを実現するドープ材を含んでもよい。図４Ｅには、本発明の発光素子が示される。密閉容器の内面に形成された蛍光体８６は、図４Ａ〜４Ｄに示され、ここで論じられるようなナノ構造である。光源８８は、概念的に示されていて、ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、およびＣＦＬなどから構成される。蛍光ランプおよび小型蛍光ランプ（ＣＦＬｓ）では、一般に、水銀原子から励起される紫外光が使用されて、蛍光体から蛍光が励起され、可視光が発生する。ここで使用される蛍光体は、金属の蛍光塩と貴金属の蛍光塩の混合比率を変えて構成される。色調節、色温度および演色性を改善する可視スペクトルの全領域に及ぶ発光を得るために、これらの蛍光体は、均一またはヘテロ構造のナノワイヤーに結合されるナノワイヤー蛍光体に置き換えられてもよい。高効率のナノワイヤー蛍光体を使用すれば、現行の蛍光およびＣＦＬ製品の効率、色質、および寿命を改善できる。ナノ構造の蛍光体８６は密閉容器１２の内面に示されているが、該蛍光体を、光源の電極上に形成することもできる。高効率のエレクトロルミネッセントナノ構造によれば、上述したように、発光効率と光取り出し効率が高くなり、色調節／色の多様性、色温度および演色性が改善されるなどの利点が得られる。組成が異なり、ドープ型であり、ヘテロ構造をなす種々のナノ構造は、導電性の透明基板（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ）上で簡単に成長できるので、このような電極は、発光素子用の電極の一つとして直接使用できる。さらに、エレクトロルミネッセントナノワイヤーによれば、高解像度（＞＞１０００ｌｐｉ）を実現でき、表示装置用途で開発できる。
【００４３】
図５には、カーボンナノチューブカソード、および図１Ａに係るナノワイヤーアノードを有する素子の完成品を形成する好適な方法が示される。ステップ９０において、製造によりあるいは市場で入手して、カーボンナノチューブを得る。ステップ９２において、前記カーボンナノチューブを精製してアモルファスカーボンを取り除く。ステップ９４において、前記カーボンナノチューブを有機バインダとともに、例えば、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの溶液中に分散する。有機バインダには、例えば、アクリル酸または（ニトロセルロースなどの）セルロースをベースとする感光性の有機バインダを用いることができる。ＳｎＯ２などの導電フィラーと、ガラスフリット粉末などの接着改良材を溶液に添加することもできる。次に、ステップ９６において、前記カーボンナノチューブを基板上に印刷する。印刷後、粘着テーピング、（軟質ゴムローラーなどを用いた）機械的摩擦、（真空中で数サイクル運転する）電界放出プロセス、またはレーザ放射などによって、前記ナノワイヤーを垂直方向に整列してもよい。好適な基板には、金属（Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＩＴＯ）がパターニングされたガラスが含まれる。パターニングによって、例えば、表示装置用のピクセルのアレイを製造でき、固体金属層は、例えば、一般的な照明用の電極として使用できる。ステップ９８において、熱処理によって有機バインダが取り除かれる。前記熱処理は、複数のステップであってもよい。例えば、前記熱処理には、例えば、１２０℃までの比較的低温の乾燥ステップの後、空気中での３５０℃の焼成ステップと、窒素ガス中での４００℃での焼成ステップの２つの焼成ステップが含まれてもよい。典型的には、初めに約５〜８μｍで印刷されたものは、熱処理後に約２μｍまで低減される。ステップ１００において、分離プロセスによって、ガラス基板などの基板上にスペーサが形成される。ステップ１０２において、酸化インジウムスズなどの電極を前記基板上に堆積する。次に、ステップ１０４において、発光ナノワイヤーを電極上で垂直または水平方向に成長させる。ステップ１０６において、前記アノードとカソードを、それらの間にあって、スペーサによって設けられた隙間に結合する。次に、前記アノードと前記カソードを電極に取り付けて真空密閉容器を形成した形態にすると、前記素子は完成する。
【００４４】
図６には、別の好適な発光素子が示されていて、該発光素子において発光ナノ構造１００を使用すると、発光素子の垂直配向ナノワイヤーアレイ１０２で、選択された波長範囲の発光が得られる。垂直配向ナノワイヤーアレイ１０２は、異なる材料を用いて、当該技術分野において公知のナノワイヤー形成法によって基板上に形成されてもよい。図６に係る好適な素子の実施形態では、まず初めに、透明サファイアまたは石英基板１０４上に、ＺｎＯ単結晶薄膜１０６が溶液法などで成長される。ナノインプリントリソグラフィー（ＮＩＬ）は、ニッケル金属粒子をＳｉＮｘマスクのテンプレートをパターニングするために使用される。次に、ＧａＮナノワイヤーなどのナノワイヤー１０２を、気相−液相−固相成長法（ＶＬＳ）または選択した領域でのＭＯＶＰＥ法のいずれかなどの好適な方法で成長させる。ヘテロ構造は、ＧａＮナノワイヤーコアの周りに形成される。つまり、ＬＥＤ構造は、ＭＱＷ構造とｐ−ＧａＮ（またはＰ−ＡｌＧａＮ）接触層を備えて成長してもよい。前記ナノワイヤーＬＥＤは、図４Ａ〜４Ｄの構造のように、ナノワイヤー蛍光体を分散させてカプセル化される。ナノワイヤー１０２の先端を露出するために、ナノワイヤー１０２の頂部は平坦化またはエッチング処理される。金属はｐ−ＧａＮシェルに接触するように気化され、前記素子は、酸化インジウムスズと反射面またはミラー１１０などのように、基板と頂部接触部１０８を結合すれば完成する。フルスペクトルの白色光などの光１１２は、図６で見ると下部から放射している。図６に係る追加の好適な素子の実施形態は、「Ｖｅｒｔｉｃａｌ  ＧｒｏｕｐＩＩＩ−Ｖ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｏｎ  Ｓｉ，Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」と表題を付けられて、２００９年１０月２８日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６２３５６に開示された方法および素子に係るナノワイヤーのアレイに関するものである。別の好適な実施形態では、「Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ａｒｒａｙ−Ｂａｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒｓ」と表題を付けられて、２００７年１２月１８日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０７／８８００１に開示されたようなＬＥＤ光源を有するナノ構造の蛍光体が使用される。
【００４５】
本発明の特定の実施形態が示されて説明されたが、他の改変、置換および代替が、当業者には明らかであることが理解される必要がある。このような改変、置換および代替は、添付の請求の範囲から決定されるべきである本発明の精神および範囲から逸脱せずになされる。
【００４６】
本発明の種々の特徴は、添付の請求の範囲において説明されている。
【００４７】
（優先権の主張および関連出願の参照）
本願は、米国特許法第１１９条に基づいて、２００８年１２月４日に出願された先の米国仮特許出願番号第６１／１１９，９３８と２００８年１２月１０日に出願された先の米国特許出願番号第６１／１２１，３３３についての優先権を主張する。
【図４Ｅ】
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【図５】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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