無機ＥＬ素子及び無機ＥＬ素子の製造方法
【課題】発光効率の高い無機ＥＬ素子及びこの素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の無機ＥＬ素子は、基板と、前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする。
【解決手段】本発明の無機ＥＬ素子は、基板と、前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機ＥＬ素子及び無機ＥＬ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、自己発光する光源として、別途の光源が不要な新たな表示素子等としての利用が期待されているものである。
従来のＥＬ素子には、「分散型」と「薄膜型」の２つのタイプが存在し、その多くが交流駆動によって、発光する。
【０００３】
従来の分散型と薄膜型のＥＬ素子については、特許文献１や非特許文献１に記載されているように効率よく発光する無機ＥＬ素子が無機化合物を用いて実現されている。
従来の分散型ＥＬ素子は、電極間に電流経路が遮断された蛍光体粒子（例えば、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、蛍光体粒子が電界発光をする。この蛍光体粒子の粒子径は１０μｍ程度が最適であると考えられ、２〜３μｍよりも小さくなると発光輝度が著しく低下することが知られている。なお、この分散型ＥＬ素子は、ドナー・アクセプタ間の再結合により発光すると考えられている。
【０００４】
また、従来の薄膜型ＥＬ素子は、電極間に絶縁層で挟まれた蛍光体の発光層（例えば、発光中心となるＭｎを母材ＺｎＳ中にドープしたＺｎＳ：Ｍｎなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、発光層が電界発光する。なお、この薄膜型ＥＬ素子は、母材中を走るホットエレクトロンによる発光中心の衝突励起により発光すると考えられている。
【０００５】
その一方で、シリコン基板上に無機ＥＬ素子を作製する技術の開発が盛んに行われている。情報処理装置や記憶装置であるＣＭＯＳ回路などはシリコンを基幹として実現されているため、シリコン基板上に無機ＥＬ素子を作成することができれば、情報処理装置や記憶装置と発光素子を同一基板上に作製することができる。このことにより、光によるチップ間通信や光コンピューティング技術が可能となり、更なるデジタル電子機器の発展につながることが期待されている。
【０００６】
例えば、特許文献２では、シリコン基板上にシリコン窒化物多結晶膜とシリコン多結晶膜を交互に積層し、その後熱処理することによりシリコン窒化物多結晶体（絶縁体膜）中にシリコン微粒子が形成されることが開示されている。また、このシリコン微粒子が約６５０ｎｍをピークとするＥＬ発光することが開示されている。
【０００７】
シリコン窒化物膜にシリコン微粒子が形成された従来のＥＬ素子について、図を用いて説明する。図１４は、従来のＥＬ素子の概略断面図である。このＥＬ素子は、シリコン基板２０上のシリコン微粒子２３が形成されたシリコン窒化膜２１とその上部に形成されたシリコン層２２から構成される。また、図１５は、従来のＥＬ素子の模式的なバンド図である。このＥＬ素子は、図１５の実線の矢印のように例えばシリコン層２２から７ＭＶ／ｃｍ程度の強い電界が印加されたシリコン窒化膜２１の伝導帯にＦＮ（ファウラー・ノルドハイム）トンネリングによって電子が供給され、この電子が電界により加速され十分な運動エネルギーを得た後、シリコン微粒子２３に衝突することにより、シリコン微粒子２３のエネルギー準位を励起し、発光すると考えられている。
【特許文献１】特開２００７−２６５９８６号公報
【非特許文献１】最新無機ＥＬ開発動向〜材料特性と製造技術・応用展開〜、第１版、情報機構、２００７年３月２７日
【特許文献２】特開平１１−３１０７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の絶縁体膜中に微粒子などの発光体を形成したＥＬ素子では、発光効率が低いという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発光効率の高い無機ＥＬ素子、及びこの素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
本発明の無機ＥＬ素子は、基板と、前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする。
【００１０】
本発明者は、鋭意研究を行ったところ、従来のＥＬ素子の発光効率が低い原因は、ＦＮトンネリングで供給された電子が、発光中心と衝突する確率が低いためであると考えた。このことを一例として特許文献２に開示されたＥＬ素子で説明する。特許文献２に開示されたＥＬ素子では、シリコン窒化物多結晶膜とシリコン多結晶膜を交互に積層し、その後熱処理することにより微粒子を形成するため、微粒子の密度が高い領域と微粒子の密度が低い領域とが交互に積層していると考えられる。この素子では、シリコン層２２からシリコン窒化膜２１の伝導帯に注入された電子はシリコン微粒子２３の密度が高い領域に垂直な方向の電界によって加速される。シリコン微粒子２３の密度が高い領域と電子の加速方向が直交しているため、電子が電界により加速されシリコン微粒子２３の電子を励起するのに十分な運動エネルギーを得た場所に発光中心であるシリコン微粒子２３が存在する確率は低くなる。つまり、発光中心であるシリコン微粒子２３を発光させることができる電子がシリコン微粒子２３に衝突する確率は低くなり、シリコン微粒子２３が発光する確率は低いと考えられる。
【００１１】
また、シリコン窒化膜２１に供給された個々の電子は、シリコン窒化膜２１中でフォノン等の散乱により運動エネルギーを失う場合があるため、電子の加速方向が直交して配置されたシリコン微粒子２３にたどり着いた電子が発光中心を発光させる十分な運動エネルギーを有する確率は低いと考えられる。例えば、図１６の破線の矢印のように、シリコン窒化膜２１の伝導帯に供給された電子が、発光中心にたどり着く前にフォノンなどの散乱により運動エネルギーを失った場合、電界で加速された電子がいくら大きなエネルギーを持っていてもちょうど発光中心と衝突する所で発光中心の電子を励起させる十分なエネルギーを持っていなくては発光に寄与しないと考えられる。すなわち、従来のＥＬ素子では、十分な運動エネルギーを持つ電子と発光中心の衝突回数が小さく、発光効率が制限されてしまう。
【００１２】
本発明の無機ＥＬ素子は、発光効率を高くすることができる構造を有する。このことを図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の概略断面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第１電極と第２電極の間の担持体層の概略断面図である。なお図１（ｃ）では発光領域７と第１電極３及び第２電極４の間にｄ１の間隔を設けている。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように本発明では、第１電極３と第２電極４の間に印加する電界の方向、つまり第１電極３または第２電極４から供給された電子が加速される方向と、発光体８が分布する領域である発光領域７を平行にすることができる。このことにより、電界により加速され発光中心の電子を励起させる運動エネルギーを得た電子が存在する場所に発光体８が存在する確率を高くすることができる。つまり、第１電極３又は第２電極４から注入され電界によって加速された電子が発光中心である発光体８の電子を励起させる運動エネルギーをもった状態で発光体８と相互作用する確率を高くすることができる。その結果、無機ＥＬ素子６の発光効率を増加することができる。また、一度発光体８と相互作用した電子が、再び電界により加速され十分な運動エネルギーを得た後発光体８と相互作用することができるため、無機ＥＬ素子６の発光効率を増加することができる。
【００１３】
また、本発明者は、ＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子を発光体とする発光素子に対して電圧印加を行うことによって３４０〜４４０ｎｍの波長にピークを有するエレクトロルミネッセンス発光することを見出した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１５】
１．無機ＥＬ素子の構造
本実施形態の無機ＥＬ素子６は、基板１と、基板１上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層２と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極３および第２電極４と、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層５と、第１電極３と第２電極４の間の担持体層２の一部に形成された発光領域７とを備え、発光領域７は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体８を含む領域であることを特徴とする。
また、本実施形態の無機ＥＬ素子６は、基板１と担持体層２の間に反射層を設けてもよい。なお、図２は、本発明の一実施形態の反射層９を設けた無機ＥＬ素子の概略断面図である。
以下、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の各構成要素について説明する。
【００１６】
１−１．基板
基板１は、特に限定されないが、例えば、シリコン基板である。
基板１をシリコン基板とすることで、後述する担持体層２をシリコン基板表面に形成される酸化シリコンとすることができる。また、基板１をシリコン基板とすることで、シリコン基板上にＬＳＩと本発明の無機ＥＬ素子を混載することができる。
【００１７】
１−２．担持体層
担持体層２は、基板１上に設けられ、かつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有し、かつ透光性を有する絶縁体又は高抵抗の半導体であれば特に限定されない。なお、この発明で透光性とは、無機ＥＬ素子が発光する光を透過することができることをいう。
第１平行面とは、担持体層２の上面の一部の面である。また、第２平行面とは、担持体層２の上面の一部の面であって、第１平行面より低い面である。また、担持体層２は、第１平行面と第２平行面の間に段差を有することができる。
また、第１平行面は、例えば、一定の幅を持った線状とすることができ、第２平行面は、例えば、線状の第１平行面の両側に一定の幅を持った線状とすることができる。また、第１平行面及び第２平行面は、同一基板上に複数形成することができる。
担持体層２の材料は、透光性を有する絶縁体又は高抵抗の半導体であって、発光領域７を形成することができれば、特に限定されないが、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンである。また、担持体層２は、積層構造で形成されていても良い。なお、積層構造とした場合、下の層を後述する反射層９とすることができる。また、担持体層２には、電気的絶縁性が要求される。一般にＣＭＯＳ技術に使用される酸化シリコンからなる絶縁層は絶縁性に優れ、耐圧が１０ＭＶ/ｃｍ程度であり、十分な性能を有すると考えられる。
【００１８】
また、担持体層２は、例えば、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下とすることができる。３００ｎｍ〜５００ｎｍの光の透過率が高いことで、この光を直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子６の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出すことが可能となる。また、後述する発光体８がＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子である場合、微粒子が波長３９０ｎｍ程度のＥＬ発光を示すため、このＥＬ発光を効率よく利用することができる。
担持体層２の形状は、第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有すれば特に限定されないが、例えば、第２平行面の下の担持体層２の厚さｄ３は、第１電極３と第２電極４との間の担持体層２の長さｄ２より厚い厚さとすることができる。ｄ３をｄ２より大きくすることにより、電圧印加をする際に第１電極３又は第２電極４と基板１との間に電気が流れショートすることを回避することができる。
【００１９】
また、第２平行面の下の担持体層２の厚さｄ３は、例えば、８０〜１５０ｎｍ（例えば、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０及び１５０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、第１平行面の下の担持体層２の厚さは、例えば、ｄ３よりも厚い厚さであって、１００〜２００ｎｍ（例えば、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０及び２００ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、第１電極３と第２電極４との間の長さｄ２は、例えば、ｄ３よりも短い長さであって、４０〜１００ｎｍ（例えば、４０、５０、６０、７０、８０、９０及び１００ｎｍの何れか２つの間の範囲）の間の範囲である。ｄ２を４０〜１００ｎｍとすることで無機ＥＬ素子を発光させるための駆動電圧を十分に低下することができる。特にｄ２を４０〜６０ｎｍとすることで、駆動ＡＣ電圧が３０〜４０Ｖとすることができ、家庭用電化製品等への利用が可能となる。また、この４０〜６０ｎｍの線幅加工は現在または近い将来のシリコン基板に形成されるＬＳＩのゲート長と同等であり、同一のシリコン基板に無機ＥＬ素子とＬＳＩを混載することが可能となる。また、この線幅加工は、ＡｒＦ等のエキシマレーザーを用いて実現可能である。
また、ｄ２が１００ｎｍより大きい場合、ＥＬ発光に必要な閾値電圧を大きくすることにつながる場合がある。
【００２０】
１−３．発光領域
発光領域７は、第１電極３と第２電極４の間の担持体層２の一部に形成され、第１平行面と平行に担持体層２中に分布する複数の発光体８が形成された領域であれば特に限定されない。
また、発光領域７は、第１平行面と平行な発光体８の密度が相対的に高い領域を有することができる。この発光体８の密度が高い領域を電子が電界によりこの領域と平行に加速されることにより、発光中心である発光体８の電子を励起するエネルギーをもった電子が発光体８に衝突する確率を高くすることができる。つまり、無機ＥＬ素子の発光効率を高くすることができる。
なお、担持体層２中に発光体８の密度の差が顕著に異なる領域が存在する場合、発光領域７は、発光体８の密度が高い領域を指す。
発光領域７の形状は、第１平行面と平行であれば特に限定されない。
また、発光領域７は、例えば、第１電極３および第２電極４の膜厚方向の６分の１〜６分の５（例えば、６分の１、６分の２、６分の３、６分の４、６分の５の何れか２つの間の範囲）に発光体８の密度が高い領域を有することができる。また、発光体８の密度が高い領域を複数有することもできる。
また、発光領域７の厚さは、例えば第１平面と第２平面の間の長さよりも薄い厚さであって、１０〜６０ｎｍ（例えば１０、２０、３０、４０、５０及び６０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、発光領域７の第１電極３と第２電極４との間方向の長さは、例えばｄ２よりも短い長さであって、２０〜８０ｎｍ（例えば２０、３０、４０、５０、６０、７０及び８０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
【００２１】
また、発光領域７と、第１電極３および第２電極４との間の長さｄ１は、例えば、７〜１５ｎｍ（例えば７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４及び１５ｎｍの何れか２つの間の範囲）とすることができる。
ｄ１を７〜１５ｎｍとすることにより、発光効率を高くすることができる。このことを以下に説明する。第１電極３または第２電極４から注入された電子が電界により加速され発光中心である発光体８の電子を励起するのに十分な運動エネルギーを得る前に発光体８と相互作用しても発光せず、電子の運動エネルギーがフォノン等に失われ、熱へと変換されると考えられる。従って、電子は発光体８に到着するまでに十分な運動エネルギーを得る必要がある。従って、例えば、３ＭＶ/ｃｍ〜７ＭＶ/ｃｍ程度の電界で電子が加速されると仮定し、発光体８を発光させるための励起エネルギーが５〜１０ｅＶ程度であるとすると、電子が発光体８を発光させるために必要なエネルギーを得るために、電子は７ｎｍ〜１５ｎｍ程度無散乱で加速され、運動エネルギーを得る必要がある。本構成によって、電極から供給された電子は発光中心である発光体８の電子を励起するために必要なエネルギーを持って発光体８と相互作用する確率を高くすることができ、発光効率を高くすることが可能となる。なお、３ＭＶ/ｃｍ〜７ＭＶ/ｃｍ程度の電界は、シリコン酸化膜の耐圧よりも低く安定的に印加可能な電界である。
また、発光領域の上下を透明電極等で挟んだ構造からなり、電子の加速方向とＥＬ発光の取出方向が平行となる従来のＥＬ素子においては、透明電極の透過率が１００％でないために発光効率が低減してしまうのに対し、本発明においては、電子の加速方向と発光の取出方向は垂直であり、上記の透明電極による発光強度の低減が生じないため、発光を効率よく取り出すことができる。
【００２２】
１−４．発光体
発光体８は、発光領域７に複数形成されたものであれば、特に限定されない。
また、発光体８は、例えば微粒子、金属原子、金属イオンであり、また、例えば、ゲルマニウム、シリコン又はスズの微粒子である。また、発光体８は例えばＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることができる。特に発光体８をＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることにより、波長３４０〜４４０ｎｍの間にピーク波長を持つＥＬ発光を示すＥＬ素子とすることができる。このような短波長の光は直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出す用途に使用することができる。
【００２３】
発光領域７中の発光体８の数密度は、特に限定されないが例えば、１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０21個／ｃｍ3である。
【００２４】
発光体８が微粒子の場合、好ましくは、最大粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。この場合、発光効率が特に高くなるからである。本発明において、「最大粒径」とは、担持体層２の任意の断面（図１のような断面であってもよく、紙面に垂直な断面であってもよい。）の１００ｎｍ角の範囲をＴＥＭ観察した場合に観察できた微粒子のうち粒径が最も大きいものの粒径を意味する。また、本発明において「粒径」とは、断面ＴＥＭ写真で見た場合に、ＴＥＭ写真に射影され微粒子の平面像が含むことのできる最も長い線分の長さを意味する。微粒子の最大粒径は、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９、１０、１２、１４、１６、１８又は２０ｎｍである。微粒子の最大粒径は、ここで例示した何れか２つの数値の間の範囲内であってもよく、何れか１つの数値以下であってもよい。
【００２５】
酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯの割合は、ＸＰＳスペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のスペクトルにおいて、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2と、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOを求め、ＳGeO／（ＳGeO2＋ＳGeO）を算出することによって求めることができる。ＸＰＳ測定のためのＸ線源には、例えば単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いることができる。ＧｅＯ2に起因するピークとＧｅＯに起因するピークは、裾野が重なるが、図３に示すようにガウスフィッティングを行ってＧｅＯ2に起因するピークとＧｅＯに起因するピークとを波形分離することによって面積ＳGeO2及びＳGeOを求めることができる。ＧｅＯ2及びＧｅＯのピークエネルギーは、それぞれ約３３．５，３２ｅＶである。
【００２６】
微粒子に含まれるＧｅＯとＧｅＯ2の合計を１００％としたときＧｅＯを１０％以上含むことができる。ＧｅＯの割合が小さすぎると発光しなかったり発光強度が小さくなりすぎる可能性がある。ＧｅＯの割合は、具体的には例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、９９、１００％である。ＧｅＯの割合は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００２７】
ところで、ＸＰＳスペクトルのＧｅの２ｐピーク付近のスペクトルにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）に起因するピークの面積ＳGeと、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ＋ＧｅＯ2）に起因するピークの面積Ｓ酸化Geを求め、ＳGeO／（ＳGe＋Ｓ酸化Ge）を算出することによってＧｅの酸化率を求めることができる。この酸化率の平均値は、特に限定されないが、例えば、１，５，１０，１５，２０，２５，３０，３４．９，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６０．１，６５，７０，７０．１，７５，８０，８５，９０，９５，９９，１００％である。この酸化率の平均値は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００２８】
１−５．第１電極および第２電極
第１電極３および第２電極４は、担持体層２の第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられる電極であれば特に限定されない。
また、第１電極３および第２電極４の材料は、電極材料であれば特に限定されないが、例えば、コバルトシリサイド、チタンシリサイド、ニッケルシリサイド又はヒ素、リン、ボロン等をドープしたポリシリコンである。特に第１電極３および第２電極４の材料をコバルトシリサイド、チタンシリサイド又はニッケルシリサイドとすることにより、シート抵抗を低減することができる。電極などのシート抵抗を下げることにより、発光に必要な電圧閾値を下げることができる。
【００２９】
また、第１電極３および第２電極４の下面は、第２平行面と接しており、側面は、第１平行面の下の担持体層２に接している。第１電極３および第２電極４の厚さは、例えば、第１平行面と第２平行面の間の長さの８０〜１００％の厚さとすることができる。好ましくは９０〜９９％の厚さとすることができる。１００％を超える厚さでは、第１電極３および第２電極４は担持体層２の第１平行面の一部の上に覆い被さる構造となり、第１電極３と第２電極４との間の距離が小さくなるため、絶縁破壊電圧が低下する。また、８０％より小さい厚さでは、シート抵抗が大きくなるために、発光電圧を印加するのに必要な外部電源の能力が大きくなる。
【００３０】
１−６．保護層
保護層５は、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に設けられ、かつ透光性を有すれば特に限定されない。
また、保護層５の材料は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。
また、保護層５の厚さは、例えば５０〜５００ｎｍ（例えば５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００及び５００ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、保護層５の波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率は、例えば、６０％以上９９．９９％以下（例えば、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９及び９９．９９％の何れか２つの間の範囲）である。３００ｎｍ〜５００ｎｍの光の透過率が高いことで、この光を直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子６の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出すことが可能となる。また、発光体８がＧｅＯ及びＧｅＯ２を含む微粒子である場合、この微粒子が波長３９０ｎｍ程度のＥＬ発光を示すため、このＥＬ発光を効率よく利用することができる。
また、保護層５を設けることにより、発光領域７などの大気中の酸素、水分等による劣化を防止することができる。
【００３１】
１−７．反射層
反射層９は、基板１と担持体層２との間に設けることができる。
反射層９の材料は、例えば、Ａｌなどの金属又は担持体層の材料と異なる材料の絶縁体の積層膜である。この反射層９を設けることにより、発光領域７においてＥＬ発光し基板１方向へ進む光を上方向に反射させ、より効率よく光を取り出すことが可能である。
また、反射層９を絶縁体で形成することにより、第１電極３または第２電極４と基板１との間の距離が大きくなり、電気的ショートがしにくくなるというメリットを有している。また、絶縁体の積層膜からなる反射層９の材料、膜厚を任意に変化させることによって、発光領域７で発光する波長に適合した所望の波長の光を効率よく反射させることが可能である。
また、反射層９を金属で形成した場合、電気的ショートが生じやすくなるため、担持体層２の膜厚を第１電極３と第２電極４の間の長さよりも十分に厚くする必要がある。
【００３２】
２．無機ＥＬ素子の使用方法
本実施形態の無機ＥＬ素子は、第１電極３と第２電極４との間に電圧を印加することによりＥＬ発光する。特に直流電圧よりも交流電圧を印加することによって発光強度を強くすることができる。例えば、第１電極３と第２電極４との間に３ＭＶ/ｃｍ〜１０ＭＶ/ｃｍの電界を形成することができる１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの正弦波の交流電圧を印加することができる。
このことにより第１電極３または第２電極４から担持体層２に供給された電子が電界により加速され、発光中心である微粒子８のエネルギー準位を励起することによってＥＬ発光を実現することができる。
【００３３】
３．無機ＥＬ素子の製造方法
本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法は、基板１上に形成された透光性の担持体層２の一部をエッチングすることにより第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する第２平行面形成工程と、第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層１１を形成するポリシリコン層形成工程と、第１平行面の上のポリシリコン層１１をエッチングし除去するエッチング工程と、第１平行面の下の担持体層２に無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行に分布する発光体８を形成する発光領域形成工程と、ポリシリコン層１１の上に高融点金属層１３を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極３および第２電極４を形成する電極形成工程と、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に保護層５を形成する保護層形成工程を備える。
また、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法では、第２平行面形成工程の前に担持体層形成工程を備えることもできる。また、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法では、担持体層形成工程の前に反射層形成工程を備えることもできる。
以下、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法の各工程について説明する。
【００３４】
３−１．第２平行面形成工程
図４は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の第２平行面形成工程における概略断面図である。
基板１の上部に形成された透光性を有する担持体層２の一部をエッチングすることにより、担持体層２に第１平行面の両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する。例えば、担持体層２は、シリコン基板の表面に形成されるシリコン酸化膜を利用することができる。また、エッチングは、例えば、図４のように、例えば４０〜１００ｎｍの線幅で担持体層２の表面にフォトレジスト１０を形成した後、エッチングを行うことによりフォトレジスト１０を形成していない担持体層２に第１平行面より低い第２平行面を形成することができる。その後フォトレジスト１０を除去することにより担持体層２に第２平行面を形成することができる。なお、フォトレジスト１０の線幅は、ｄ２と実質的に同一の長さになり、この線幅は最先端シリコントランジスタのゲート長と同程度であり、その世代で使用されるＡｒＦ等のエキシマレーザーを用いて実現可能である。
【００３５】
３−２．ポリシリコン層形成工程
担持体層２に第２平行面を形成した後に、第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層１１を形成する。例えば、担持体層２の上にポリシリコン層１１をスパッタリングにより堆積することにより形成することができる
【００３６】
３−３．エッチング工程
図５および図６は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６のエッチング形成工程における概略断面図である。
第１平行面の上のポリシリコン層１１をエッチングし除去する。エッチング除去するポリシリコン層１１は、第１平行面の一部のポリシリコン層１１であってもよい。例えば、図５のようにポリシリコン層１１の上面に、担持体層２の第１平行面の上部に開口を有するようにフォトレジスト１２を形成することができる。その後、エッチングにより、フォトレジスト１２が上部に形成されていないポリシリコン層１１を除去することができる。その後フォトレジスト１２を除去することにより、図６のように担持体層２の第２平行面及び第１平行面の一部の上にポリシリコン層１１を形成することができる。
【００３７】
なお、フォトレジスト１２の開口部の幅ｄ４及び第１電極３及び第２電極４の間の方向の位置は、発光領域７の幅（ｄ２−２×ｄ１）及び電極間の方向の位置と実質的に同一となる場合があるため、所望の発光領域７が得られるようにフォトレジスト１２を形成することができる。
また、フォトレジスト１２の開口部の幅ｄ４を所望の発光領域７の幅よりも広くすることもできる。この場合、例えば、ゲルマニウムの酸化シリコン中およびシリコン中の拡散係数の違いにより所望の発光領域７とすることができる（後述）。
なお、ポリシリコン層１１のエッチングはＲＩＥを用いて行えば良いが、担持体層２との選択性が小さいガスを用いて行うと、担持体層２がエッチングされる、または、多大なダメージが入る可能性があるため、エッチング除去するポリシリコン層１１を数ｎｍ程度残してＲＩＥによる非等方性エッチングを行い、その後、例えば、酸素雰囲気で酸化を行いシリコン酸化膜を形成し、フッ酸（ＨＦ）でウェットエッチングすることができる。
【００３８】
３−４．発光領域形成工程
図７は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の発光領域形成工程における概略断面図である。
開口を有するポリシリコン層１１を形成した後、第１平行面の下の担持体層２に発光体となる例えば無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行に分布する発光体８を形成する。例えば、担持体層２の第１平行面の上方からゲルマニウムイオンをイオン注入し、その後熱処理を施すことにより、第１平行面の下の担持体層２に複数のゲルマニウム微粒子又はＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子が形成された発光領域７を形成することができる。イオン注入するとき、第２平行面の下の担持体層２の上及び第１平行面の端部の上には、ポリシリコン層１１が形成されているため、イオンは注入されない。このことにより、ポリシリコン層１１の開口の下部の担持体層２にイオン注入することができる。
【００３９】
なお、イオン注入法はシリコン基板を用いて非常に微細な素子を並べたＣＭＯＳ回路のドーピング工程において使用される方法で、非常に高い精度および再現性をもって発光領域７におけるゲルマニウムイオンの濃度および分布状態の制御が可能である。このことにより、複数の無機ＥＬ素子を同一基板上に形成した場合、ゲルマニウム濃度（微粒子の密度）のばらつきを小さくすることができる。従って、複数の無機ＥＬ素子の発光のばらつきを小さくすることができる。
また、イオン注入後、熱処理を施すことによって、ＥＬ発光強度が上昇する。熱処理は、例えば、１０００℃で３０秒アニールすることによって行うことができる。熱処理によって、例えば、ゲルマニウムイオンは凝集し、ドット状になるが、ＴＥＭ像（図示なし）からその直径は１０ｎｍ以下であることがわかっている。すなわち、従来の分散型ＥＬ素子に見られたような１０μｍ程度の大きなドットでないため、微細素子および高画質画素を比較的容易に実現することができる。
【００４０】
また、例えばゲルマニウムイオンが所望の発光領域７の幅よりも広い範囲の第１平行面の下の担持体層２である酸化シリコン層に注入された場合、ゲルマニウムの拡散係数の違いを利用して所望の発光領域７の幅とすることができる。すなわち、ゲルマニウムの拡散係数は酸化シリコン層中よりもポリシリコン層１１中の方が大きいため、第１平行面の下の担持体層２の端部に注入されたゲルマニウムイオンはアニール処理によって、速やかにポリシリコン層１１中に拡散する。一方で、ポリシリコン層１１から比較的遠い領域に注入されたゲルマニウムイオンは、拡散によって酸化シリコン層中での分布は多少変わるが、その総数は変わらず、発光への寄与は変わらない。このようにゲルマニウムの拡散係数の違いを利用することによって、所望の大きさの発光領域７が形成されるだけでなく、発光領域７の両側の担持体層２のゲルマニウム濃度を十分に低くすることができ、電極から供給された電子が発光領域７に達するまでに十分に運動エネルギーを得ることができる。
【００４１】
３−５．電極形成工程
発光領域７を形成した後、ポリシリコン層１１の上に高融点金属層を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極３および第２電極４を形成する。例えば、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在するポリシリコン層１１をエッチングにより除去した後、コバルト、チタンまたはニッケルなどの高融点金属層を第２平行面の上のポリシリコン層１１の上部などにスパッタリング等により堆積することができる。その後、例えば６００℃程度でアニール処理を行って、ポリシリコン層１１と高融点金属層を反応させ、シリサイド化した高融点金属を第２平衡面の上に形成し、第１電極３および第２電極４を形成することができる。また、未反応の高融点金属層は、この基板を硫酸過水（硫酸過酸化水素水）、塩酸過水（塩酸過酸化水素水）、 アンモニア過水等に浸すことによって除去することができる。
また、一般に担持体層２である酸化シリコン層とコバルト、チタン又はニッケルなどはシリサイド化のアニール処理によって反応しないため、ポリシリコン層１１を形成した領域のみにシリサイド化した高融点金属を形成することが可能である。
【００４２】
また、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在するポリシリコン層１１をエッチングするためには、ＲＩＥを用いても良いが、第１平行面の下の担持体層２がエッチングされる、または、多大なダメージが入る可能性がある。このため、第２平行面の上に形成されたポリシリコン層１１を数ｎｍ程度残してＲＩＥによる非等方性エッチングを行い、その後、例えば、酸素雰囲気で酸化を行いシリコン酸化膜を形成し、その後フッ酸（ＨＦ）でウェットエッチングすると良い。このとき第１平行面の下の担持体層２がウェットエッチングされることがないように行うことができる。
また、ポリシリコン層１１と高融点金属層との反応では、ポリシリコン層１１を残さず、フルシリサイド化されていることが望ましい。これは堆積する高融点金属層の膜厚を調整することで作製することが可能であり、ＥＬ素子以外の外部抵抗低減化のために必要な技術である。
【００４３】
また、図８は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の電極形成工程における概略断面図である。
例えば、図８のようにコバルト、チタンまたはニッケルなどの高融点金属層１３を第２平行面の上のポリシリコン層１１の上部などにスパッタリング等により堆積した後、６００℃程度でアニール処理を行って、ポリシリコン層１１と高融点金属層１３を反応させ、シリサイド化した高融点金属を第２平行面の上に形成することができる。その後、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在する高融点金属シリサイドをＣＭＰ等で除去することにより第１電極３および第２電極４を形成することもできる。
この場合、アニール処理後、ポリシリコン層１１と未反応の高融点金属層１３を除去した後、ＣＭＰ等で高融点金属シリサイドと第１平行面とを平坦化することができる。
【００４４】
３−６．保護層形成工程
第１電極３および第２電極４の形成後、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に保護層５を形成する。保護層５の形成方法は特に限定されないが、例えば酸化シリコンや窒化シリコンをＣＶＤやスパッタリングで堆積し形成することができる。
【００４５】
３−７．担持体層形成工程
また、第２平行面形成工程の前に担持体層形成工程を備えることもできる。担持体層形成工程では、例えば、基板１の上に担持体層２を、絶縁材料をＣＶＤやスパッタリングにより形成することができる。また、基板１を熱処理することにより熱酸化膜を形成することもできる。
【００４６】
３−８．反射層形成工程
また、担持体層形成工程の前に反射層形成工程を備えることもできる。反射層形成工程では、例えば、基板１の上に反射層をＣＶＤやスパッタリングにより形成することができる。
【００４７】
４．無機ＥＬ素子を備えたディスプレイ
本発明の無機ＥＬ素子を同一基板上に複数個作製することにより、ディスプレイを作製することも可能である。また、特に発光体８をＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることにより、波長３４０〜４４０ｎｍの間にピーク波長を持つＥＬ発光をすることができる。このような短波長の光は直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出す用途に使用することができる。
【００４８】
５．ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーション
発光領域形成工程における第１平行面の下の担持体層２にゲルマニウムイオンを注入するシミュレーションを行った。図９は、ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーションにおける、担持体層２の深さ方向の距離とゲルマニウムイオンの濃度との関係を示したグラフである。
シミュレーションにはＴＲＩＭを用い、ゲルマニウムのピーク濃度が１％を達成するように行い、注入条件は３０ｋｅＶ、１．５×１０15／ｃｍ2 とした。図９の横軸は担持体層２である酸化シリコン層の深さであり、担持体層２である酸化シリコン層と保護層５である酸化シリコン層の界面を起点とした。また、このシミュレーションにおいては、担持体層２の第１平行面と第２平行面との距離は５０ｎｍ、第２平行面の下の担持体層２である酸化シリコン層の膜厚ｄ３は２００ｎｍを想定した。また、担持体層２である酸化シリコン層の密度は２．２ｇ／ｃｍ3とした。
【００４９】
図９からわかるように注入分布はガウス型の分布をしており、そのピーク深さは２７ｎｍ程度、半値幅は２０ｎｍ程度であった。ドーズ量を変化させることによってゲルマニウム濃度の調整が可能であり、ドーズエネルギーを変化させることでピーク深さを変化させることが可能である。また、多数回イオン注入を行い、所望のプロファイルを得ることも可能である。
【００５０】
６−１．ＥＬ実験
以下の方法で本発明の発光特性および発光原因を確認するための参考実験としてＥＬ実験を行った。
まず酸素雰囲気中，１０５０℃、１００分でシリコン基板を熱酸化することによって表面にシリコン熱酸化膜を形成した。
次に、シリコン熱酸化膜中にＧｅイオンを５０ｋｅＶで１．４×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2、２０ｋｅＶで３．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2、１０ｋｅＶで２．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でこの順番で多重に注入した。
【００５１】
次に、ロータリーポンプで引きながら、窒素を流入させ、８００℃で１時間熱処理した。この熱処理中に注入したＧｅの凝集及び酸化によってＧｅが酸化されて少なくとも一部がＧｅＯ及びＧｅＯ2に酸化される。
次に、シリコン熱酸化膜上にＩＴＯ電極を形成し、シリコン基板側にアルミニウム電極を形成し、ＥＬ実験に用いる発光素子を得た。
【００５２】
この発光素子のＩＴＯ電極とアルミニウム電極の間に交流電圧（正弦波、６０Ｖｐ−ｐ、１ｋＨｚ）を印加したところ青色の発光が確認された。
また、この青色の発光の発光スペクトルを図１０に示す。図１０を参照すると、確認された青色の発光は、３４０ｎｍから５５０ｎｍの波長の光であり、３４０ｎｍから４４０ｎｍの間にピークを有するエレクトロルミネッセンス発光であることが分かった。
また、交流電圧の代わりに３０Ｖの直流電圧を印加したところ、交流電圧を印加した場合よりも発光が微弱であった。
【００５３】
６−２．ＧｅＯおよびＧｅＯ2と発光との関係
以下に示す方法によって、ＧｅＯおよびＧｅＯ2が本発明の発光素子の発光に関与していることを確認した。
【００５４】
まず、発光機構について２つの仮説を考えた。第１の仮説は、Ｇｅナノ粒子が量子サイズ効果によって発光が起こっているというものである。この発光機構は、通常のナノ粒子の発光機構と同じであり、発光波長が粒子サイズに依存する。第２の仮説は、ＧｅＯおよびＧｅＯ2が発光に関与するというものである。ＧｅＯの励起状態と基底状態のエネルギー準位差は、２．９〜３．２ｅＶ（３８７〜４２７ｎｍ）であるので（L. Skuja, J. Non-Cryst. Solids, 239 (1998) 16-48.を参照）、第２の仮説によれば、発光波長は、３８７〜４２７ｎｍ程度になり、この波長は粒子サイズに依存しないと考えられる。
【００５５】
これらの仮説のどちらが正しいのかを検証するために、互いに異なる種々の温度条件と注入条件で発光素子を作製し、この素子に５ｋｅＶの電子線を照射したときのＣＬ波長を測定した。ＣＬ波長の測定には、「gatan製ＭｏｎｏＣＬ３+」を用いた。発光素子の作製方法は、熱処理温度やＧｅ注入量を適宜変化させた以外は「６−１．ＥＬ実験」で説明した通りである。
【００５６】
得られた結果を図１１（ａ），（ｂ）に示す。図１１（ａ）中の温度は、熱処理温度（時間は１時間）を示す。図１１（ｂ）中の「原子％」は、Ｇｅ注入後のシリコン熱酸化膜内でのＧｅ濃度を示す。このＧｅ濃度は、「ＫＯＢＥＬＣＯ製ＨＲＢＳ５００」を用いてラザフォード後方散乱法によって測定した。具体的には、４５０ｋｅＶでＨｅイオンビームを照射し、反跳粒子を磁場型エネルギー分析器を用いて分析した。シリコン酸化膜中のゲルマニウム原子の深さ分布をシリコン酸化膜中のシリコン原子からの散乱を基準して求めることができる。本実験ではシリコン酸化膜とシリコンの密度を２．２と２．３３ｇ／ｃｍ3として計算した。図１１（ａ）でのＧｅ濃度は０．５原子％であり、図１１（ｂ）での熱処理温度は８００℃（時間は１時間）である。
【００５７】
図１１（ａ），（ｂ）を参照すると、熱処理温度やＧｅ濃度が変わってもＣＬのピーク波長は、ほぼ３９０ｎｍで一定であることが分かる。熱処理温度やＧｅ濃度が変わると、形成されるナノ粒子のサイズも変化するので、発光機構が第１の仮説に従うのであればＣＬのピーク波長がずれるはずである。従って、図１１（ａ），（ｂ）で確認されたＣＬの波長は、第１の仮説では説明ができない。一方、波長３９０ｎｍは、第２の仮説で予測された発光波長（３８７〜４２７ｎｍ）の範囲内である。
【００５８】
以上より、本発明の発光素子からのＣＬ波長は、第１の仮説では説明できず、第２の仮説で説明できることが分かる。従って、本発明の発光素子の発光には、ＧｅＯ及びＧｅＯ2が関与していることが確認できた。
【００５９】
ところで、図１１（ａ）を参照すると、熱処理温度は、７００〜９００℃が好ましく、７００〜８００℃がさらに好ましいことが分かる。また、図１１（ｂ）を参照すると、Ｇｅ濃度は、０．１〜１．４原子％が好ましく、０．５〜１．０原子％がさらに好ましいことが分かる。
【００６０】
６−３．Ｇｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向分布
「６−１．ＥＬ実験」で説明した方法に従って発光素子を作製し、シリコン熱酸化膜内でのＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向分布を調べた。ここで作製した発光素子のＧｅ濃度は５原子％であり、熱処理温度は８００℃（時間は１時間）である。
ＸＰＳは通常試料表面から深さ数ｎｍの範囲の分析ができるので、アルゴンイオンビームによるエッチングとＸＰＳ測定を交互に行うことによって、深さ５０ｎｍまでの領域においてＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向の変化を調べた。アルゴンイオンビームのエネルギーは４ｋＶ，ビーム電流は１５ｍＡで、１回当り３００秒照射した。その時のＸＰＳ測定結果を各深さについて、分かり易いように縦方向にグラフを平行移動して並べたものを図１２（ａ）に示す。また、各深さに含まれるＧｅ原子の状態を、Ｇｅ（金属Ｇｅ），ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合で示したグラフを図１２（ｂ）に示す。
【００６１】
これによると、「６−１．ＥＬ実験」で説明した注入方法でＧｅの注入濃度が比較的高い深さ１０〜５０ｎｍの領域では、酸化されていないＧｅの割合は３０〜７０％である。ＧｅＯ2は０〜２０％の間で、およそ１０％である。Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯは１０〜５０％の間である。
【００６２】
各深さでのＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｇｅに起因するピークの面積ＳGeと、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOと、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2とを求め、（ＳG,ＳGeO,ＳGeO2）／（ＳG＋ＳGeO＋ＳGeO2）を各深さで算出することによって求めた。また、各深さでの、酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合を図１３のグラフに示す。
【００６３】
これによると、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅＯ2となっている割合は、ゲルマニウムの濃度が低く、雰囲気の影響を強く受けてゲルマニウムが完全に酸化されやすい表面近傍を除いて、およそ２０〜６０％の間で、Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯはおよそ４０〜８０％の間である。「６−１．ＥＬ実験」で説明した注入方法でＧｅの注入濃度が比較的高い深さ１０〜４０ｎｍの領域では、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅＯ2となっている割合はおよそ５０％以下で、およそ２０〜３０％である。Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯはおよそ５０％以上で７０〜８０％である。各深さでのＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOと、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2とを求め、（ＳGeO,ＳGeO2）／（ＳGeO＋ＳGeO2）を各深さで算出することによって求めた。ＸＰＳスペクトルは、Ｘ線源として単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いて測定した。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の概略断面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第１電極と第２電極の間の担持体層の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の反射層を設けた無機ＥＬ素子の概略断面図である。
【図３】ＧｅＯの割合を算出するためにＸＰＳスペクトルをガウスフィッティング分解した一例を示したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第２平行面形成工程における概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子のエッチング工程における概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子のエッチング工程における概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の発光領域形成工程における概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の電極形成工程における概略断面図である。
【図９】ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーションにおける、担持体層の深さ方向の距離とゲルマニウムイオンの濃度との関係を示したグラフである。
【図１０】ＥＬ測定実験のために作製した発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。
【図１１】（ａ）は種々の温度で熱処理を行って作製した発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフであり、（ｂ）は種々のＧｅ濃度の発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフである。
【図１２】（ａ）は種々の深さで測定したＸＰＳスペクトルを示す。（ｂ）は、種々の深さでのＧｅ、ＧｅＯ、ＧｅＯ2の割合を示すグラフである。
【図１３】種々の深さでの酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯ、ＧｅＯ2の割合を示すグラフである。
【図１４】絶縁体層に微粒子を形成した従来のＥＬ素子の概略断面図である。
【図１５】絶縁体層に微粒子を形成した従来のＥＬ素子の模式的なバンド図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：基板 ２：担持体層 ３：第１電極 ４：第２電極 ５：保護層 ６：無機ＥＬ素子 ７：発光領域 ８：発光体 ９：反射層 １０：フォトレジスト １１：ポリシリコン層 １２：フォトレジスト １３：高融点金属層 ２０：シリコン基板 ２１：シリコン窒化膜 ２２：シリコン層 ２３：シリコン微粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機ＥＬ素子及び無機ＥＬ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、自己発光する光源として、別途の光源が不要な新たな表示素子等としての利用が期待されているものである。
従来のＥＬ素子には、「分散型」と「薄膜型」の２つのタイプが存在し、その多くが交流駆動によって、発光する。
【０００３】
従来の分散型と薄膜型のＥＬ素子については、特許文献１や非特許文献１に記載されているように効率よく発光する無機ＥＬ素子が無機化合物を用いて実現されている。
従来の分散型ＥＬ素子は、電極間に電流経路が遮断された蛍光体粒子（例えば、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、蛍光体粒子が電界発光をする。この蛍光体粒子の粒子径は１０μｍ程度が最適であると考えられ、２〜３μｍよりも小さくなると発光輝度が著しく低下することが知られている。なお、この分散型ＥＬ素子は、ドナー・アクセプタ間の再結合により発光すると考えられている。
【０００４】
また、従来の薄膜型ＥＬ素子は、電極間に絶縁層で挟まれた蛍光体の発光層（例えば、発光中心となるＭｎを母材ＺｎＳ中にドープしたＺｎＳ：Ｍｎなど）を有する素子に交流電圧を印加することにより、発光層が電界発光する。なお、この薄膜型ＥＬ素子は、母材中を走るホットエレクトロンによる発光中心の衝突励起により発光すると考えられている。
【０００５】
その一方で、シリコン基板上に無機ＥＬ素子を作製する技術の開発が盛んに行われている。情報処理装置や記憶装置であるＣＭＯＳ回路などはシリコンを基幹として実現されているため、シリコン基板上に無機ＥＬ素子を作成することができれば、情報処理装置や記憶装置と発光素子を同一基板上に作製することができる。このことにより、光によるチップ間通信や光コンピューティング技術が可能となり、更なるデジタル電子機器の発展につながることが期待されている。
【０００６】
例えば、特許文献２では、シリコン基板上にシリコン窒化物多結晶膜とシリコン多結晶膜を交互に積層し、その後熱処理することによりシリコン窒化物多結晶体（絶縁体膜）中にシリコン微粒子が形成されることが開示されている。また、このシリコン微粒子が約６５０ｎｍをピークとするＥＬ発光することが開示されている。
【０００７】
シリコン窒化物膜にシリコン微粒子が形成された従来のＥＬ素子について、図を用いて説明する。図１４は、従来のＥＬ素子の概略断面図である。このＥＬ素子は、シリコン基板２０上のシリコン微粒子２３が形成されたシリコン窒化膜２１とその上部に形成されたシリコン層２２から構成される。また、図１５は、従来のＥＬ素子の模式的なバンド図である。このＥＬ素子は、図１５の実線の矢印のように例えばシリコン層２２から７ＭＶ／ｃｍ程度の強い電界が印加されたシリコン窒化膜２１の伝導帯にＦＮ（ファウラー・ノルドハイム）トンネリングによって電子が供給され、この電子が電界により加速され十分な運動エネルギーを得た後、シリコン微粒子２３に衝突することにより、シリコン微粒子２３のエネルギー準位を励起し、発光すると考えられている。
【特許文献１】特開２００７−２６５９８６号公報
【非特許文献１】最新無機ＥＬ開発動向〜材料特性と製造技術・応用展開〜、第１版、情報機構、２００７年３月２７日
【特許文献２】特開平１１−３１０７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の絶縁体膜中に微粒子などの発光体を形成したＥＬ素子では、発光効率が低いという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発光効率の高い無機ＥＬ素子、及びこの素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
本発明の無機ＥＬ素子は、基板と、前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする。
【００１０】
本発明者は、鋭意研究を行ったところ、従来のＥＬ素子の発光効率が低い原因は、ＦＮトンネリングで供給された電子が、発光中心と衝突する確率が低いためであると考えた。このことを一例として特許文献２に開示されたＥＬ素子で説明する。特許文献２に開示されたＥＬ素子では、シリコン窒化物多結晶膜とシリコン多結晶膜を交互に積層し、その後熱処理することにより微粒子を形成するため、微粒子の密度が高い領域と微粒子の密度が低い領域とが交互に積層していると考えられる。この素子では、シリコン層２２からシリコン窒化膜２１の伝導帯に注入された電子はシリコン微粒子２３の密度が高い領域に垂直な方向の電界によって加速される。シリコン微粒子２３の密度が高い領域と電子の加速方向が直交しているため、電子が電界により加速されシリコン微粒子２３の電子を励起するのに十分な運動エネルギーを得た場所に発光中心であるシリコン微粒子２３が存在する確率は低くなる。つまり、発光中心であるシリコン微粒子２３を発光させることができる電子がシリコン微粒子２３に衝突する確率は低くなり、シリコン微粒子２３が発光する確率は低いと考えられる。
【００１１】
また、シリコン窒化膜２１に供給された個々の電子は、シリコン窒化膜２１中でフォノン等の散乱により運動エネルギーを失う場合があるため、電子の加速方向が直交して配置されたシリコン微粒子２３にたどり着いた電子が発光中心を発光させる十分な運動エネルギーを有する確率は低いと考えられる。例えば、図１６の破線の矢印のように、シリコン窒化膜２１の伝導帯に供給された電子が、発光中心にたどり着く前にフォノンなどの散乱により運動エネルギーを失った場合、電界で加速された電子がいくら大きなエネルギーを持っていてもちょうど発光中心と衝突する所で発光中心の電子を励起させる十分なエネルギーを持っていなくては発光に寄与しないと考えられる。すなわち、従来のＥＬ素子では、十分な運動エネルギーを持つ電子と発光中心の衝突回数が小さく、発光効率が制限されてしまう。
【００１２】
本発明の無機ＥＬ素子は、発光効率を高くすることができる構造を有する。このことを図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の概略断面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第１電極と第２電極の間の担持体層の概略断面図である。なお図１（ｃ）では発光領域７と第１電極３及び第２電極４の間にｄ１の間隔を設けている。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように本発明では、第１電極３と第２電極４の間に印加する電界の方向、つまり第１電極３または第２電極４から供給された電子が加速される方向と、発光体８が分布する領域である発光領域７を平行にすることができる。このことにより、電界により加速され発光中心の電子を励起させる運動エネルギーを得た電子が存在する場所に発光体８が存在する確率を高くすることができる。つまり、第１電極３又は第２電極４から注入され電界によって加速された電子が発光中心である発光体８の電子を励起させる運動エネルギーをもった状態で発光体８と相互作用する確率を高くすることができる。その結果、無機ＥＬ素子６の発光効率を増加することができる。また、一度発光体８と相互作用した電子が、再び電界により加速され十分な運動エネルギーを得た後発光体８と相互作用することができるため、無機ＥＬ素子６の発光効率を増加することができる。
【００１３】
また、本発明者は、ＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子を発光体とする発光素子に対して電圧印加を行うことによって３４０〜４４０ｎｍの波長にピークを有するエレクトロルミネッセンス発光することを見出した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１５】
１．無機ＥＬ素子の構造
本実施形態の無機ＥＬ素子６は、基板１と、基板１上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層２と、第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極３および第２電極４と、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層５と、第１電極３と第２電極４の間の担持体層２の一部に形成された発光領域７とを備え、発光領域７は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体８を含む領域であることを特徴とする。
また、本実施形態の無機ＥＬ素子６は、基板１と担持体層２の間に反射層を設けてもよい。なお、図２は、本発明の一実施形態の反射層９を設けた無機ＥＬ素子の概略断面図である。
以下、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の各構成要素について説明する。
【００１６】
１−１．基板
基板１は、特に限定されないが、例えば、シリコン基板である。
基板１をシリコン基板とすることで、後述する担持体層２をシリコン基板表面に形成される酸化シリコンとすることができる。また、基板１をシリコン基板とすることで、シリコン基板上にＬＳＩと本発明の無機ＥＬ素子を混載することができる。
【００１７】
１−２．担持体層
担持体層２は、基板１上に設けられ、かつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有し、かつ透光性を有する絶縁体又は高抵抗の半導体であれば特に限定されない。なお、この発明で透光性とは、無機ＥＬ素子が発光する光を透過することができることをいう。
第１平行面とは、担持体層２の上面の一部の面である。また、第２平行面とは、担持体層２の上面の一部の面であって、第１平行面より低い面である。また、担持体層２は、第１平行面と第２平行面の間に段差を有することができる。
また、第１平行面は、例えば、一定の幅を持った線状とすることができ、第２平行面は、例えば、線状の第１平行面の両側に一定の幅を持った線状とすることができる。また、第１平行面及び第２平行面は、同一基板上に複数形成することができる。
担持体層２の材料は、透光性を有する絶縁体又は高抵抗の半導体であって、発光領域７を形成することができれば、特に限定されないが、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンである。また、担持体層２は、積層構造で形成されていても良い。なお、積層構造とした場合、下の層を後述する反射層９とすることができる。また、担持体層２には、電気的絶縁性が要求される。一般にＣＭＯＳ技術に使用される酸化シリコンからなる絶縁層は絶縁性に優れ、耐圧が１０ＭＶ/ｃｍ程度であり、十分な性能を有すると考えられる。
【００１８】
また、担持体層２は、例えば、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下とすることができる。３００ｎｍ〜５００ｎｍの光の透過率が高いことで、この光を直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子６の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出すことが可能となる。また、後述する発光体８がＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子である場合、微粒子が波長３９０ｎｍ程度のＥＬ発光を示すため、このＥＬ発光を効率よく利用することができる。
担持体層２の形状は、第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有すれば特に限定されないが、例えば、第２平行面の下の担持体層２の厚さｄ３は、第１電極３と第２電極４との間の担持体層２の長さｄ２より厚い厚さとすることができる。ｄ３をｄ２より大きくすることにより、電圧印加をする際に第１電極３又は第２電極４と基板１との間に電気が流れショートすることを回避することができる。
【００１９】
また、第２平行面の下の担持体層２の厚さｄ３は、例えば、８０〜１５０ｎｍ（例えば、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０及び１５０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、第１平行面の下の担持体層２の厚さは、例えば、ｄ３よりも厚い厚さであって、１００〜２００ｎｍ（例えば、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０及び２００ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、第１電極３と第２電極４との間の長さｄ２は、例えば、ｄ３よりも短い長さであって、４０〜１００ｎｍ（例えば、４０、５０、６０、７０、８０、９０及び１００ｎｍの何れか２つの間の範囲）の間の範囲である。ｄ２を４０〜１００ｎｍとすることで無機ＥＬ素子を発光させるための駆動電圧を十分に低下することができる。特にｄ２を４０〜６０ｎｍとすることで、駆動ＡＣ電圧が３０〜４０Ｖとすることができ、家庭用電化製品等への利用が可能となる。また、この４０〜６０ｎｍの線幅加工は現在または近い将来のシリコン基板に形成されるＬＳＩのゲート長と同等であり、同一のシリコン基板に無機ＥＬ素子とＬＳＩを混載することが可能となる。また、この線幅加工は、ＡｒＦ等のエキシマレーザーを用いて実現可能である。
また、ｄ２が１００ｎｍより大きい場合、ＥＬ発光に必要な閾値電圧を大きくすることにつながる場合がある。
【００２０】
１−３．発光領域
発光領域７は、第１電極３と第２電極４の間の担持体層２の一部に形成され、第１平行面と平行に担持体層２中に分布する複数の発光体８が形成された領域であれば特に限定されない。
また、発光領域７は、第１平行面と平行な発光体８の密度が相対的に高い領域を有することができる。この発光体８の密度が高い領域を電子が電界によりこの領域と平行に加速されることにより、発光中心である発光体８の電子を励起するエネルギーをもった電子が発光体８に衝突する確率を高くすることができる。つまり、無機ＥＬ素子の発光効率を高くすることができる。
なお、担持体層２中に発光体８の密度の差が顕著に異なる領域が存在する場合、発光領域７は、発光体８の密度が高い領域を指す。
発光領域７の形状は、第１平行面と平行であれば特に限定されない。
また、発光領域７は、例えば、第１電極３および第２電極４の膜厚方向の６分の１〜６分の５（例えば、６分の１、６分の２、６分の３、６分の４、６分の５の何れか２つの間の範囲）に発光体８の密度が高い領域を有することができる。また、発光体８の密度が高い領域を複数有することもできる。
また、発光領域７の厚さは、例えば第１平面と第２平面の間の長さよりも薄い厚さであって、１０〜６０ｎｍ（例えば１０、２０、３０、４０、５０及び６０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、発光領域７の第１電極３と第２電極４との間方向の長さは、例えばｄ２よりも短い長さであって、２０〜８０ｎｍ（例えば２０、３０、４０、５０、６０、７０及び８０ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
【００２１】
また、発光領域７と、第１電極３および第２電極４との間の長さｄ１は、例えば、７〜１５ｎｍ（例えば７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４及び１５ｎｍの何れか２つの間の範囲）とすることができる。
ｄ１を７〜１５ｎｍとすることにより、発光効率を高くすることができる。このことを以下に説明する。第１電極３または第２電極４から注入された電子が電界により加速され発光中心である発光体８の電子を励起するのに十分な運動エネルギーを得る前に発光体８と相互作用しても発光せず、電子の運動エネルギーがフォノン等に失われ、熱へと変換されると考えられる。従って、電子は発光体８に到着するまでに十分な運動エネルギーを得る必要がある。従って、例えば、３ＭＶ/ｃｍ〜７ＭＶ/ｃｍ程度の電界で電子が加速されると仮定し、発光体８を発光させるための励起エネルギーが５〜１０ｅＶ程度であるとすると、電子が発光体８を発光させるために必要なエネルギーを得るために、電子は７ｎｍ〜１５ｎｍ程度無散乱で加速され、運動エネルギーを得る必要がある。本構成によって、電極から供給された電子は発光中心である発光体８の電子を励起するために必要なエネルギーを持って発光体８と相互作用する確率を高くすることができ、発光効率を高くすることが可能となる。なお、３ＭＶ/ｃｍ〜７ＭＶ/ｃｍ程度の電界は、シリコン酸化膜の耐圧よりも低く安定的に印加可能な電界である。
また、発光領域の上下を透明電極等で挟んだ構造からなり、電子の加速方向とＥＬ発光の取出方向が平行となる従来のＥＬ素子においては、透明電極の透過率が１００％でないために発光効率が低減してしまうのに対し、本発明においては、電子の加速方向と発光の取出方向は垂直であり、上記の透明電極による発光強度の低減が生じないため、発光を効率よく取り出すことができる。
【００２２】
１−４．発光体
発光体８は、発光領域７に複数形成されたものであれば、特に限定されない。
また、発光体８は、例えば微粒子、金属原子、金属イオンであり、また、例えば、ゲルマニウム、シリコン又はスズの微粒子である。また、発光体８は例えばＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることができる。特に発光体８をＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることにより、波長３４０〜４４０ｎｍの間にピーク波長を持つＥＬ発光を示すＥＬ素子とすることができる。このような短波長の光は直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出す用途に使用することができる。
【００２３】
発光領域７中の発光体８の数密度は、特に限定されないが例えば、１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０21個／ｃｍ3である。
【００２４】
発光体８が微粒子の場合、好ましくは、最大粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。この場合、発光効率が特に高くなるからである。本発明において、「最大粒径」とは、担持体層２の任意の断面（図１のような断面であってもよく、紙面に垂直な断面であってもよい。）の１００ｎｍ角の範囲をＴＥＭ観察した場合に観察できた微粒子のうち粒径が最も大きいものの粒径を意味する。また、本発明において「粒径」とは、断面ＴＥＭ写真で見た場合に、ＴＥＭ写真に射影され微粒子の平面像が含むことのできる最も長い線分の長さを意味する。微粒子の最大粒径は、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９、１０、１２、１４、１６、１８又は２０ｎｍである。微粒子の最大粒径は、ここで例示した何れか２つの数値の間の範囲内であってもよく、何れか１つの数値以下であってもよい。
【００２５】
酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯの割合は、ＸＰＳスペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のスペクトルにおいて、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2と、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOを求め、ＳGeO／（ＳGeO2＋ＳGeO）を算出することによって求めることができる。ＸＰＳ測定のためのＸ線源には、例えば単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いることができる。ＧｅＯ2に起因するピークとＧｅＯに起因するピークは、裾野が重なるが、図３に示すようにガウスフィッティングを行ってＧｅＯ2に起因するピークとＧｅＯに起因するピークとを波形分離することによって面積ＳGeO2及びＳGeOを求めることができる。ＧｅＯ2及びＧｅＯのピークエネルギーは、それぞれ約３３．５，３２ｅＶである。
【００２６】
微粒子に含まれるＧｅＯとＧｅＯ2の合計を１００％としたときＧｅＯを１０％以上含むことができる。ＧｅＯの割合が小さすぎると発光しなかったり発光強度が小さくなりすぎる可能性がある。ＧｅＯの割合は、具体的には例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、９９、１００％である。ＧｅＯの割合は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００２７】
ところで、ＸＰＳスペクトルのＧｅの２ｐピーク付近のスペクトルにおいて、ゲルマニウム（Ｇｅ）に起因するピークの面積ＳGeと、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ＋ＧｅＯ2）に起因するピークの面積Ｓ酸化Geを求め、ＳGeO／（ＳGe＋Ｓ酸化Ge）を算出することによってＧｅの酸化率を求めることができる。この酸化率の平均値は、特に限定されないが、例えば、１，５，１０，１５，２０，２５，３０，３４．９，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６０．１，６５，７０，７０．１，７５，８０，８５，９０，９５，９９，１００％である。この酸化率の平均値は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００２８】
１−５．第１電極および第２電極
第１電極３および第２電極４は、担持体層２の第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられる電極であれば特に限定されない。
また、第１電極３および第２電極４の材料は、電極材料であれば特に限定されないが、例えば、コバルトシリサイド、チタンシリサイド、ニッケルシリサイド又はヒ素、リン、ボロン等をドープしたポリシリコンである。特に第１電極３および第２電極４の材料をコバルトシリサイド、チタンシリサイド又はニッケルシリサイドとすることにより、シート抵抗を低減することができる。電極などのシート抵抗を下げることにより、発光に必要な電圧閾値を下げることができる。
【００２９】
また、第１電極３および第２電極４の下面は、第２平行面と接しており、側面は、第１平行面の下の担持体層２に接している。第１電極３および第２電極４の厚さは、例えば、第１平行面と第２平行面の間の長さの８０〜１００％の厚さとすることができる。好ましくは９０〜９９％の厚さとすることができる。１００％を超える厚さでは、第１電極３および第２電極４は担持体層２の第１平行面の一部の上に覆い被さる構造となり、第１電極３と第２電極４との間の距離が小さくなるため、絶縁破壊電圧が低下する。また、８０％より小さい厚さでは、シート抵抗が大きくなるために、発光電圧を印加するのに必要な外部電源の能力が大きくなる。
【００３０】
１−６．保護層
保護層５は、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に設けられ、かつ透光性を有すれば特に限定されない。
また、保護層５の材料は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンである。
また、保護層５の厚さは、例えば５０〜５００ｎｍ（例えば５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００及び５００ｎｍの何れか２つの間の範囲）である。
また、保護層５の波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率は、例えば、６０％以上９９．９９％以下（例えば、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９及び９９．９９％の何れか２つの間の範囲）である。３００ｎｍ〜５００ｎｍの光の透過率が高いことで、この光を直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子６の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出すことが可能となる。また、発光体８がＧｅＯ及びＧｅＯ２を含む微粒子である場合、この微粒子が波長３９０ｎｍ程度のＥＬ発光を示すため、このＥＬ発光を効率よく利用することができる。
また、保護層５を設けることにより、発光領域７などの大気中の酸素、水分等による劣化を防止することができる。
【００３１】
１−７．反射層
反射層９は、基板１と担持体層２との間に設けることができる。
反射層９の材料は、例えば、Ａｌなどの金属又は担持体層の材料と異なる材料の絶縁体の積層膜である。この反射層９を設けることにより、発光領域７においてＥＬ発光し基板１方向へ進む光を上方向に反射させ、より効率よく光を取り出すことが可能である。
また、反射層９を絶縁体で形成することにより、第１電極３または第２電極４と基板１との間の距離が大きくなり、電気的ショートがしにくくなるというメリットを有している。また、絶縁体の積層膜からなる反射層９の材料、膜厚を任意に変化させることによって、発光領域７で発光する波長に適合した所望の波長の光を効率よく反射させることが可能である。
また、反射層９を金属で形成した場合、電気的ショートが生じやすくなるため、担持体層２の膜厚を第１電極３と第２電極４の間の長さよりも十分に厚くする必要がある。
【００３２】
２．無機ＥＬ素子の使用方法
本実施形態の無機ＥＬ素子は、第１電極３と第２電極４との間に電圧を印加することによりＥＬ発光する。特に直流電圧よりも交流電圧を印加することによって発光強度を強くすることができる。例えば、第１電極３と第２電極４との間に３ＭＶ/ｃｍ〜１０ＭＶ/ｃｍの電界を形成することができる１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの正弦波の交流電圧を印加することができる。
このことにより第１電極３または第２電極４から担持体層２に供給された電子が電界により加速され、発光中心である微粒子８のエネルギー準位を励起することによってＥＬ発光を実現することができる。
【００３３】
３．無機ＥＬ素子の製造方法
本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法は、基板１上に形成された透光性の担持体層２の一部をエッチングすることにより第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する第２平行面形成工程と、第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層１１を形成するポリシリコン層形成工程と、第１平行面の上のポリシリコン層１１をエッチングし除去するエッチング工程と、第１平行面の下の担持体層２に無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行に分布する発光体８を形成する発光領域形成工程と、ポリシリコン層１１の上に高融点金属層１３を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極３および第２電極４を形成する電極形成工程と、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に保護層５を形成する保護層形成工程を備える。
また、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法では、第２平行面形成工程の前に担持体層形成工程を備えることもできる。また、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法では、担持体層形成工程の前に反射層形成工程を備えることもできる。
以下、本実施形態の無機ＥＬ素子６の製造方法の各工程について説明する。
【００３４】
３−１．第２平行面形成工程
図４は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の第２平行面形成工程における概略断面図である。
基板１の上部に形成された透光性を有する担持体層２の一部をエッチングすることにより、担持体層２に第１平行面の両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する。例えば、担持体層２は、シリコン基板の表面に形成されるシリコン酸化膜を利用することができる。また、エッチングは、例えば、図４のように、例えば４０〜１００ｎｍの線幅で担持体層２の表面にフォトレジスト１０を形成した後、エッチングを行うことによりフォトレジスト１０を形成していない担持体層２に第１平行面より低い第２平行面を形成することができる。その後フォトレジスト１０を除去することにより担持体層２に第２平行面を形成することができる。なお、フォトレジスト１０の線幅は、ｄ２と実質的に同一の長さになり、この線幅は最先端シリコントランジスタのゲート長と同程度であり、その世代で使用されるＡｒＦ等のエキシマレーザーを用いて実現可能である。
【００３５】
３−２．ポリシリコン層形成工程
担持体層２に第２平行面を形成した後に、第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層１１を形成する。例えば、担持体層２の上にポリシリコン層１１をスパッタリングにより堆積することにより形成することができる
【００３６】
３−３．エッチング工程
図５および図６は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６のエッチング形成工程における概略断面図である。
第１平行面の上のポリシリコン層１１をエッチングし除去する。エッチング除去するポリシリコン層１１は、第１平行面の一部のポリシリコン層１１であってもよい。例えば、図５のようにポリシリコン層１１の上面に、担持体層２の第１平行面の上部に開口を有するようにフォトレジスト１２を形成することができる。その後、エッチングにより、フォトレジスト１２が上部に形成されていないポリシリコン層１１を除去することができる。その後フォトレジスト１２を除去することにより、図６のように担持体層２の第２平行面及び第１平行面の一部の上にポリシリコン層１１を形成することができる。
【００３７】
なお、フォトレジスト１２の開口部の幅ｄ４及び第１電極３及び第２電極４の間の方向の位置は、発光領域７の幅（ｄ２−２×ｄ１）及び電極間の方向の位置と実質的に同一となる場合があるため、所望の発光領域７が得られるようにフォトレジスト１２を形成することができる。
また、フォトレジスト１２の開口部の幅ｄ４を所望の発光領域７の幅よりも広くすることもできる。この場合、例えば、ゲルマニウムの酸化シリコン中およびシリコン中の拡散係数の違いにより所望の発光領域７とすることができる（後述）。
なお、ポリシリコン層１１のエッチングはＲＩＥを用いて行えば良いが、担持体層２との選択性が小さいガスを用いて行うと、担持体層２がエッチングされる、または、多大なダメージが入る可能性があるため、エッチング除去するポリシリコン層１１を数ｎｍ程度残してＲＩＥによる非等方性エッチングを行い、その後、例えば、酸素雰囲気で酸化を行いシリコン酸化膜を形成し、フッ酸（ＨＦ）でウェットエッチングすることができる。
【００３８】
３−４．発光領域形成工程
図７は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の発光領域形成工程における概略断面図である。
開口を有するポリシリコン層１１を形成した後、第１平行面の下の担持体層２に発光体となる例えば無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行に分布する発光体８を形成する。例えば、担持体層２の第１平行面の上方からゲルマニウムイオンをイオン注入し、その後熱処理を施すことにより、第１平行面の下の担持体層２に複数のゲルマニウム微粒子又はＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子が形成された発光領域７を形成することができる。イオン注入するとき、第２平行面の下の担持体層２の上及び第１平行面の端部の上には、ポリシリコン層１１が形成されているため、イオンは注入されない。このことにより、ポリシリコン層１１の開口の下部の担持体層２にイオン注入することができる。
【００３９】
なお、イオン注入法はシリコン基板を用いて非常に微細な素子を並べたＣＭＯＳ回路のドーピング工程において使用される方法で、非常に高い精度および再現性をもって発光領域７におけるゲルマニウムイオンの濃度および分布状態の制御が可能である。このことにより、複数の無機ＥＬ素子を同一基板上に形成した場合、ゲルマニウム濃度（微粒子の密度）のばらつきを小さくすることができる。従って、複数の無機ＥＬ素子の発光のばらつきを小さくすることができる。
また、イオン注入後、熱処理を施すことによって、ＥＬ発光強度が上昇する。熱処理は、例えば、１０００℃で３０秒アニールすることによって行うことができる。熱処理によって、例えば、ゲルマニウムイオンは凝集し、ドット状になるが、ＴＥＭ像（図示なし）からその直径は１０ｎｍ以下であることがわかっている。すなわち、従来の分散型ＥＬ素子に見られたような１０μｍ程度の大きなドットでないため、微細素子および高画質画素を比較的容易に実現することができる。
【００４０】
また、例えばゲルマニウムイオンが所望の発光領域７の幅よりも広い範囲の第１平行面の下の担持体層２である酸化シリコン層に注入された場合、ゲルマニウムの拡散係数の違いを利用して所望の発光領域７の幅とすることができる。すなわち、ゲルマニウムの拡散係数は酸化シリコン層中よりもポリシリコン層１１中の方が大きいため、第１平行面の下の担持体層２の端部に注入されたゲルマニウムイオンはアニール処理によって、速やかにポリシリコン層１１中に拡散する。一方で、ポリシリコン層１１から比較的遠い領域に注入されたゲルマニウムイオンは、拡散によって酸化シリコン層中での分布は多少変わるが、その総数は変わらず、発光への寄与は変わらない。このようにゲルマニウムの拡散係数の違いを利用することによって、所望の大きさの発光領域７が形成されるだけでなく、発光領域７の両側の担持体層２のゲルマニウム濃度を十分に低くすることができ、電極から供給された電子が発光領域７に達するまでに十分に運動エネルギーを得ることができる。
【００４１】
３−５．電極形成工程
発光領域７を形成した後、ポリシリコン層１１の上に高融点金属層を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極３および第２電極４を形成する。例えば、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在するポリシリコン層１１をエッチングにより除去した後、コバルト、チタンまたはニッケルなどの高融点金属層を第２平行面の上のポリシリコン層１１の上部などにスパッタリング等により堆積することができる。その後、例えば６００℃程度でアニール処理を行って、ポリシリコン層１１と高融点金属層を反応させ、シリサイド化した高融点金属を第２平衡面の上に形成し、第１電極３および第２電極４を形成することができる。また、未反応の高融点金属層は、この基板を硫酸過水（硫酸過酸化水素水）、塩酸過水（塩酸過酸化水素水）、 アンモニア過水等に浸すことによって除去することができる。
また、一般に担持体層２である酸化シリコン層とコバルト、チタン又はニッケルなどはシリサイド化のアニール処理によって反応しないため、ポリシリコン層１１を形成した領域のみにシリサイド化した高融点金属を形成することが可能である。
【００４２】
また、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在するポリシリコン層１１をエッチングするためには、ＲＩＥを用いても良いが、第１平行面の下の担持体層２がエッチングされる、または、多大なダメージが入る可能性がある。このため、第２平行面の上に形成されたポリシリコン層１１を数ｎｍ程度残してＲＩＥによる非等方性エッチングを行い、その後、例えば、酸素雰囲気で酸化を行いシリコン酸化膜を形成し、その後フッ酸（ＨＦ）でウェットエッチングすると良い。このとき第１平行面の下の担持体層２がウェットエッチングされることがないように行うことができる。
また、ポリシリコン層１１と高融点金属層との反応では、ポリシリコン層１１を残さず、フルシリサイド化されていることが望ましい。これは堆積する高融点金属層の膜厚を調整することで作製することが可能であり、ＥＬ素子以外の外部抵抗低減化のために必要な技術である。
【００４３】
また、図８は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子６の電極形成工程における概略断面図である。
例えば、図８のようにコバルト、チタンまたはニッケルなどの高融点金属層１３を第２平行面の上のポリシリコン層１１の上部などにスパッタリング等により堆積した後、６００℃程度でアニール処理を行って、ポリシリコン層１１と高融点金属層１３を反応させ、シリサイド化した高融点金属を第２平行面の上に形成することができる。その後、担持体層２の第１平行面より高い部分に存在する高融点金属シリサイドをＣＭＰ等で除去することにより第１電極３および第２電極４を形成することもできる。
この場合、アニール処理後、ポリシリコン層１１と未反応の高融点金属層１３を除去した後、ＣＭＰ等で高融点金属シリサイドと第１平行面とを平坦化することができる。
【００４４】
３−６．保護層形成工程
第１電極３および第２電極４の形成後、第１電極３、第２電極４及び第１平行面の上に保護層５を形成する。保護層５の形成方法は特に限定されないが、例えば酸化シリコンや窒化シリコンをＣＶＤやスパッタリングで堆積し形成することができる。
【００４５】
３−７．担持体層形成工程
また、第２平行面形成工程の前に担持体層形成工程を備えることもできる。担持体層形成工程では、例えば、基板１の上に担持体層２を、絶縁材料をＣＶＤやスパッタリングにより形成することができる。また、基板１を熱処理することにより熱酸化膜を形成することもできる。
【００４６】
３−８．反射層形成工程
また、担持体層形成工程の前に反射層形成工程を備えることもできる。反射層形成工程では、例えば、基板１の上に反射層をＣＶＤやスパッタリングにより形成することができる。
【００４７】
４．無機ＥＬ素子を備えたディスプレイ
本発明の無機ＥＬ素子を同一基板上に複数個作製することにより、ディスプレイを作製することも可能である。また、特に発光体８をＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子とすることにより、波長３４０〜４４０ｎｍの間にピーク波長を持つＥＬ発光をすることができる。このような短波長の光は直接ディスプレイに使用することや無機ＥＬ素子の上に、色変換素子やカラーフィルタを乗せて異なる波長の光を出す用途に使用することができる。
【００４８】
５．ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーション
発光領域形成工程における第１平行面の下の担持体層２にゲルマニウムイオンを注入するシミュレーションを行った。図９は、ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーションにおける、担持体層２の深さ方向の距離とゲルマニウムイオンの濃度との関係を示したグラフである。
シミュレーションにはＴＲＩＭを用い、ゲルマニウムのピーク濃度が１％を達成するように行い、注入条件は３０ｋｅＶ、１．５×１０15／ｃｍ2 とした。図９の横軸は担持体層２である酸化シリコン層の深さであり、担持体層２である酸化シリコン層と保護層５である酸化シリコン層の界面を起点とした。また、このシミュレーションにおいては、担持体層２の第１平行面と第２平行面との距離は５０ｎｍ、第２平行面の下の担持体層２である酸化シリコン層の膜厚ｄ３は２００ｎｍを想定した。また、担持体層２である酸化シリコン層の密度は２．２ｇ／ｃｍ3とした。
【００４９】
図９からわかるように注入分布はガウス型の分布をしており、そのピーク深さは２７ｎｍ程度、半値幅は２０ｎｍ程度であった。ドーズ量を変化させることによってゲルマニウム濃度の調整が可能であり、ドーズエネルギーを変化させることでピーク深さを変化させることが可能である。また、多数回イオン注入を行い、所望のプロファイルを得ることも可能である。
【００５０】
６−１．ＥＬ実験
以下の方法で本発明の発光特性および発光原因を確認するための参考実験としてＥＬ実験を行った。
まず酸素雰囲気中，１０５０℃、１００分でシリコン基板を熱酸化することによって表面にシリコン熱酸化膜を形成した。
次に、シリコン熱酸化膜中にＧｅイオンを５０ｋｅＶで１．４×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2、２０ｋｅＶで３．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2、１０ｋｅＶで２．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でこの順番で多重に注入した。
【００５１】
次に、ロータリーポンプで引きながら、窒素を流入させ、８００℃で１時間熱処理した。この熱処理中に注入したＧｅの凝集及び酸化によってＧｅが酸化されて少なくとも一部がＧｅＯ及びＧｅＯ2に酸化される。
次に、シリコン熱酸化膜上にＩＴＯ電極を形成し、シリコン基板側にアルミニウム電極を形成し、ＥＬ実験に用いる発光素子を得た。
【００５２】
この発光素子のＩＴＯ電極とアルミニウム電極の間に交流電圧（正弦波、６０Ｖｐ−ｐ、１ｋＨｚ）を印加したところ青色の発光が確認された。
また、この青色の発光の発光スペクトルを図１０に示す。図１０を参照すると、確認された青色の発光は、３４０ｎｍから５５０ｎｍの波長の光であり、３４０ｎｍから４４０ｎｍの間にピークを有するエレクトロルミネッセンス発光であることが分かった。
また、交流電圧の代わりに３０Ｖの直流電圧を印加したところ、交流電圧を印加した場合よりも発光が微弱であった。
【００５３】
６−２．ＧｅＯおよびＧｅＯ2と発光との関係
以下に示す方法によって、ＧｅＯおよびＧｅＯ2が本発明の発光素子の発光に関与していることを確認した。
【００５４】
まず、発光機構について２つの仮説を考えた。第１の仮説は、Ｇｅナノ粒子が量子サイズ効果によって発光が起こっているというものである。この発光機構は、通常のナノ粒子の発光機構と同じであり、発光波長が粒子サイズに依存する。第２の仮説は、ＧｅＯおよびＧｅＯ2が発光に関与するというものである。ＧｅＯの励起状態と基底状態のエネルギー準位差は、２．９〜３．２ｅＶ（３８７〜４２７ｎｍ）であるので（L. Skuja, J. Non-Cryst. Solids, 239 (1998) 16-48.を参照）、第２の仮説によれば、発光波長は、３８７〜４２７ｎｍ程度になり、この波長は粒子サイズに依存しないと考えられる。
【００５５】
これらの仮説のどちらが正しいのかを検証するために、互いに異なる種々の温度条件と注入条件で発光素子を作製し、この素子に５ｋｅＶの電子線を照射したときのＣＬ波長を測定した。ＣＬ波長の測定には、「gatan製ＭｏｎｏＣＬ３+」を用いた。発光素子の作製方法は、熱処理温度やＧｅ注入量を適宜変化させた以外は「６−１．ＥＬ実験」で説明した通りである。
【００５６】
得られた結果を図１１（ａ），（ｂ）に示す。図１１（ａ）中の温度は、熱処理温度（時間は１時間）を示す。図１１（ｂ）中の「原子％」は、Ｇｅ注入後のシリコン熱酸化膜内でのＧｅ濃度を示す。このＧｅ濃度は、「ＫＯＢＥＬＣＯ製ＨＲＢＳ５００」を用いてラザフォード後方散乱法によって測定した。具体的には、４５０ｋｅＶでＨｅイオンビームを照射し、反跳粒子を磁場型エネルギー分析器を用いて分析した。シリコン酸化膜中のゲルマニウム原子の深さ分布をシリコン酸化膜中のシリコン原子からの散乱を基準して求めることができる。本実験ではシリコン酸化膜とシリコンの密度を２．２と２．３３ｇ／ｃｍ3として計算した。図１１（ａ）でのＧｅ濃度は０．５原子％であり、図１１（ｂ）での熱処理温度は８００℃（時間は１時間）である。
【００５７】
図１１（ａ），（ｂ）を参照すると、熱処理温度やＧｅ濃度が変わってもＣＬのピーク波長は、ほぼ３９０ｎｍで一定であることが分かる。熱処理温度やＧｅ濃度が変わると、形成されるナノ粒子のサイズも変化するので、発光機構が第１の仮説に従うのであればＣＬのピーク波長がずれるはずである。従って、図１１（ａ），（ｂ）で確認されたＣＬの波長は、第１の仮説では説明ができない。一方、波長３９０ｎｍは、第２の仮説で予測された発光波長（３８７〜４２７ｎｍ）の範囲内である。
【００５８】
以上より、本発明の発光素子からのＣＬ波長は、第１の仮説では説明できず、第２の仮説で説明できることが分かる。従って、本発明の発光素子の発光には、ＧｅＯ及びＧｅＯ2が関与していることが確認できた。
【００５９】
ところで、図１１（ａ）を参照すると、熱処理温度は、７００〜９００℃が好ましく、７００〜８００℃がさらに好ましいことが分かる。また、図１１（ｂ）を参照すると、Ｇｅ濃度は、０．１〜１．４原子％が好ましく、０．５〜１．０原子％がさらに好ましいことが分かる。
【００６０】
６−３．Ｇｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向分布
「６−１．ＥＬ実験」で説明した方法に従って発光素子を作製し、シリコン熱酸化膜内でのＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向分布を調べた。ここで作製した発光素子のＧｅ濃度は５原子％であり、熱処理温度は８００℃（時間は１時間）である。
ＸＰＳは通常試料表面から深さ数ｎｍの範囲の分析ができるので、アルゴンイオンビームによるエッチングとＸＰＳ測定を交互に行うことによって、深さ５０ｎｍまでの領域においてＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合の深さ方向の変化を調べた。アルゴンイオンビームのエネルギーは４ｋＶ，ビーム電流は１５ｍＡで、１回当り３００秒照射した。その時のＸＰＳ測定結果を各深さについて、分かり易いように縦方向にグラフを平行移動して並べたものを図１２（ａ）に示す。また、各深さに含まれるＧｅ原子の状態を、Ｇｅ（金属Ｇｅ），ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合で示したグラフを図１２（ｂ）に示す。
【００６１】
これによると、「６−１．ＥＬ実験」で説明した注入方法でＧｅの注入濃度が比較的高い深さ１０〜５０ｎｍの領域では、酸化されていないＧｅの割合は３０〜７０％である。ＧｅＯ2は０〜２０％の間で、およそ１０％である。Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯは１０〜５０％の間である。
【００６２】
各深さでのＧｅ，ＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｇｅに起因するピークの面積ＳGeと、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOと、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2とを求め、（ＳG,ＳGeO,ＳGeO2）／（ＳG＋ＳGeO＋ＳGeO2）を各深さで算出することによって求めた。また、各深さでの、酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合を図１３のグラフに示す。
【００６３】
これによると、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅＯ2となっている割合は、ゲルマニウムの濃度が低く、雰囲気の影響を強く受けてゲルマニウムが完全に酸化されやすい表面近傍を除いて、およそ２０〜６０％の間で、Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯはおよそ４０〜８０％の間である。「６−１．ＥＬ実験」で説明した注入方法でＧｅの注入濃度が比較的高い深さ１０〜４０ｎｍの領域では、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅＯ2となっている割合はおよそ５０％以下で、およそ２０〜３０％である。Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅＯはおよそ５０％以上で７０〜８０％である。各深さでのＧｅＯ，ＧｅＯ2の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、ＧｅＯに起因するピークの面積ＳGeOと、ＧｅＯ2に起因するピークの面積ＳGeO2とを求め、（ＳGeO,ＳGeO2）／（ＳGeO＋ＳGeO2）を各深さで算出することによって求めた。ＸＰＳスペクトルは、Ｘ線源として単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いて測定した。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の概略断面図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第１電極と第２電極の間の担持体層の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の反射層を設けた無機ＥＬ素子の概略断面図である。
【図３】ＧｅＯの割合を算出するためにＸＰＳスペクトルをガウスフィッティング分解した一例を示したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の第２平行面形成工程における概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子のエッチング工程における概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子のエッチング工程における概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の発光領域形成工程における概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の無機ＥＬ素子の電極形成工程における概略断面図である。
【図９】ゲルマニウムイオンのイオン注入条件シミュレーションにおける、担持体層の深さ方向の距離とゲルマニウムイオンの濃度との関係を示したグラフである。
【図１０】ＥＬ測定実験のために作製した発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。
【図１１】（ａ）は種々の温度で熱処理を行って作製した発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフであり、（ｂ）は種々のＧｅ濃度の発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフである。
【図１２】（ａ）は種々の深さで測定したＸＰＳスペクトルを示す。（ｂ）は、種々の深さでのＧｅ、ＧｅＯ、ＧｅＯ2の割合を示すグラフである。
【図１３】種々の深さでの酸化ゲルマニウム全体（ＧｅＯ2＋ＧｅＯ）に対するＧｅＯ、ＧｅＯ2の割合を示すグラフである。
【図１４】絶縁体層に微粒子を形成した従来のＥＬ素子の概略断面図である。
【図１５】絶縁体層に微粒子を形成した従来のＥＬ素子の模式的なバンド図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：基板 ２：担持体層 ３：第１電極 ４：第２電極 ５：保護層 ６：無機ＥＬ素子 ７：発光領域 ８：発光体 ９：反射層 １０：フォトレジスト １１：ポリシリコン層 １２：フォトレジスト １３：高融点金属層 ２０：シリコン基板 ２１：シリコン窒化膜 ２２：シリコン層 ２３：シリコン微粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、
第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、
第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、
第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、
前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする無機ＥＬ素子。
【請求項２】
前記発光体は、ＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子である請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記微粒子は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の最大粒径を有する請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記微粒子は、前記微粒子に含まれるＧｅＯとＧｅＯ2の合計を１００％としたときＧｅＯを１０％以上含む請求項２又は３に記載の素子。
【請求項５】
前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ前記発光体が相対的に高い密度で含まれる領域を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の素子。
【請求項６】
前記担持体層または前記保護層は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の素子。
【請求項７】
第１電極または第２電極は、コバルトシリサイド、チタンシリサイドまたはニッケルシリサイドからなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の素子。
【請求項８】
前記発光領域は、第１電極および第２電極から７ｎｍ以上１５ｎｍ以下離れている請求項１〜７のいずれか１つに記載の素子。
【請求項９】
前記担持体層または前記保護層は、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１０】
第２平行面の下の前記担持体層は、第１電極と第２電極との間の長さより厚い厚さを有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１１】
前記基板と前記担持体層との間に反射層をさらに備える請求項１〜１０のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１２】
前記発光体は、第１電極と第２電極の間に電圧を印加したとき３４０〜４４０ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有するエレクトロルミネッセンスを示す請求項１〜１１のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１３】
ディスプレイに適用される請求項１〜１２のいずれか１つに記載の無機ＥＬ素子。
【請求項１４】
基板上に形成された透光性の担持体層の一部をエッチングすることにより第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する工程と、
第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層を形成する工程と、
第１平行面の上の前記ポリシリコン層をエッチングし除去する工程と、
第１平行面の下の前記担持体層に無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行な発光領域に発光体を形成する工程と、
前記ポリシリコン層の上に高融点金属層を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極および第２電極を形成する工程と、
第１電極、第２電極及び第１平行面の上に保護層を形成する工程を備える無機ＥＬ素子の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられかつ第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を有する透光性の担持体層と、
第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ設けられた第１電極および第２電極と、
第１電極、第２電極及び第１平行面の上に設けられた透光性の保護層と、
第１電極と第２電極の間の前記担持体層の一部に形成された発光領域とを備え、
前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ発光体を含む領域であることを特徴とする無機ＥＬ素子。
【請求項２】
前記発光体は、ＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子である請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記微粒子は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の最大粒径を有する請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記微粒子は、前記微粒子に含まれるＧｅＯとＧｅＯ2の合計を１００％としたときＧｅＯを１０％以上含む請求項２又は３に記載の素子。
【請求項５】
前記発光領域は、第１平行面と平行な領域でありかつ前記発光体が相対的に高い密度で含まれる領域を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の素子。
【請求項６】
前記担持体層または前記保護層は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の素子。
【請求項７】
第１電極または第２電極は、コバルトシリサイド、チタンシリサイドまたはニッケルシリサイドからなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の素子。
【請求項８】
前記発光領域は、第１電極および第２電極から７ｎｍ以上１５ｎｍ以下離れている請求項１〜７のいずれか１つに記載の素子。
【請求項９】
前記担持体層または前記保護層は、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１０】
第２平行面の下の前記担持体層は、第１電極と第２電極との間の長さより厚い厚さを有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１１】
前記基板と前記担持体層との間に反射層をさらに備える請求項１〜１０のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１２】
前記発光体は、第１電極と第２電極の間に電圧を印加したとき３４０〜４４０ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有するエレクトロルミネッセンスを示す請求項１〜１１のいずれか１つに記載の素子。
【請求項１３】
ディスプレイに適用される請求項１〜１２のいずれか１つに記載の無機ＥＬ素子。
【請求項１４】
基板上に形成された透光性の担持体層の一部をエッチングすることにより第１平行面とその両側の第１平行面より低い第２平行面を形成する工程と、
第１平行面及び第２平行面の上にポリシリコン層を形成する工程と、
第１平行面の上の前記ポリシリコン層をエッチングし除去する工程と、
第１平行面の下の前記担持体層に無機物質のイオン注入しその後熱処理することにより第１平行面と平行な発光領域に発光体を形成する工程と、
前記ポリシリコン層の上に高融点金属層を形成しその後熱処理することにより第１平行面の両側の第２平行面の上にそれぞれ第１電極および第２電極を形成する工程と、
第１電極、第２電極及び第１平行面の上に保護層を形成する工程を備える無機ＥＬ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１３５２１７（Ｐ２０１０−１３５２１７Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１１１０５（Ｐ２００８−３１１１０５）
【出願日】平成２０年１２月５日（２００８．１２．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月５日（２００８．１２．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]