発光素子および製造方法
【課題】大面積での面発光が実現可能であり、またリーク電流による消費電力を抑えることを可能とする発光素子、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子は、電子輸送層と、前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極とを備え、前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されている。
【解決手段】発光素子は、電子輸送層と、前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極とを備え、前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直流電流により動作する発光素子の研究開発が活発に行われている。特に、青色発光ダイオード（Ｂｌｕｅ−ＬＥＤ；Ｂｌｕｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、紫外発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ；Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム・ガリウム混晶（ＩｎＧａＮ），窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌＧａＮ）あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶（ＩｎＡｌＧａＮ）に代表される３族ナイトライド化合物半導体が注目されている。
【０００３】
従来、このような第３族ナイトライド化合物半導体は、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学気相成長）法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。
【０００４】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法により発光素子を製造する場合、使用する基板は成長させる化合物半導体とほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れている必要がある。すなわち、基板の材質や大きさに制約が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
例えば、第３族ナイトライド化合物半導体を成長させる場合には、主に結晶性のサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板が使用されている。このサファイアは、第３族ナイトライド化合物半導体、中でも窒化ガリウムとほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れており、ＭＯＣＶＤ用の基板として好適な材料である。しかし、サファイア基板を用いる場合には、そのｃ面上に成長させる必要があるため、基板の加工性や成形性に難があり、材料コストが高くなってしまう問題があった。
【０００６】
また、基板の全面に均一な膜厚の薄膜を形成することが困難であるために、面積の大きな基板を用いることができず、現状では最大で２０ｃｍ×２０ｃｍ程度であり、生産性が低いという問題もあった。
【０００７】
更に、発光素子は、発光層（活性層とも言う）と電子／ホールのキャリア輸送層とで構成される多層構造となるため、各半導体層の接合面において結晶格子歪みが生じないように化合物半導体をエピタキシャル成長させる必要がある。その理由としては、結晶格子歪みが生じると、各半導体層の接合面近傍において転位などの結晶格子欠陥が発生し、発光効率が低下してしまうからである。すなわち、各半導体層の結晶系と格子定数を精密に制御する必要があり、結晶成長条件の設定とその制御には困難を極め、製造が難しいという問題もあった。
【０００８】
そこで、面発光が可能である発光デバイスを実現するため、ホール輸送層と電子輸送層との間に、焼成により粒子を結合させた粒子層を挟み、ホール輸送層と電子輸送層間に電圧を印加し、面発光を可能とする方法が試みられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２１０８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１のような発光素子の製造方法、また、それによって得られる発光素子の構成では粒子を焼成により結合させる必要があるため、蒸気圧の低い材料や、ＧａＮなどの昇華性の材料を用いる場合には使用できないという問題点がある。また粒子間は空洞となっていることでリーク電流を生じやすい構造となっている。
【００１１】
そこで、このような問題点を解決すべく、本発明の目的は、大面積での面発光が実現可能であり、またリーク電流による消費電力を抑えることを可能とする発光素子、およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る発光素子は、電子輸送層と、
前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、
前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、
前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極と
を備え、
前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記発光層は、前記半導体微粒子の一粒子層を有してもよい。さらに、前記発光層は、前記半導体微粒子間の間隙を埋める誘電体をさらに有してもよい。
【００１４】
また、前記半導体微粒子の平均粒子径は、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の平均間隔よりも大きいことが好ましい。
【００１５】
また、前記半導体粒子は、ＧａＮ微結晶を含んでもよい。また、前記半導体微粒子の平均粒子径は、１〜１００μｍの範囲内であってもよい。
【００１６】
本発明による発光素子の製造方法は、基板上に、第１の電子輸送層を形成する工程と、
前記第１の電子輸送層上に流動性を有する第２の電子輸送層を形成する工程と、
前記第２の電子輸送層上に半導体微粒子が一粒子層並んだ層を形成する工程と、
前記半導体微粒子にｐｎ接合を形成する工程と、
前記半導体微粒子の上にホール輸送層を形成する工程と、
前記ホール輸送層の上に第２の電極を設ける工程と
を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、前記半導体微粒子間の間隙に誘電体を埋め込む工程と、
前記誘電体を前記半導体微粒子の上部が露出するように除去する工程と
をさらに含んでもよい。
【００１８】
さらに、前記半導体微粒子として、ＧａＮを含む半導体微粒子を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、大面積で面発光が可能である発光素子を低コストで製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る発光素子及びその製造方法について添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子１０の構成を示す概略断面図である。図２は、特に、図１の電子輸送層３、発光層４、ホール輸送層５間の関係を示す拡大断面図である。この発光素子１０は、基板１の上に、下部電極２、電子輸送層３、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の一粒子層を有する発光層４、ホール輸送層５、上部電極６の順に積層された多層構造を有している。また、電子輸送層３とホール輸送層５とは、互いに対向すると共に、離間して設けられている。さらに、発光層４は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持された半導体微粒子１１の一粒子層を有する。この半導体微粒子１１は、ｐ型部分１３ａとｎ型部分１３ｂとを有し、粒子内部にｐｎ接合を有する。また、各粒子１１のｐ型部分１３ａの一部がホール輸送層５に接し、ｎ型部分１３ｂの一部が電子輸送層３に接している。半導体微粒子１１の平均粒子径Ｒは、電子輸送層３とホール輸送層５との平均間隔ｄよりも大きい（Ｒ ＞ ｄ）。また、下部電極２は、電子輸送層３に電気的に接続されている。上部電極６は、ホール輸送層５に電気的に接続されている。発光層４は、半導体微粒子１１間の間隙を埋める誘電体１２をさらに有している。この誘電体１２によってリーク電流を減少させることができる。なお、誘電体１２は必ずしも必要でなく、例えば、外部の支持体等によって電子輸送層３とホール輸送層５とを所定の間隔で離間させておくことができれば誘電体１２を用いなくてもよい。この発光素子１０は、上部電極６と下部電極２との間に接続された電源７によって電圧を印加することによって発光させることができる。
【００２２】
この発光素子１０では、発光層４を半導体微粒子１１の一粒子層として構成できるので、薄膜によって構成する場合に比べて安価に作製することができる。また、半導体微粒子１１が、バインダを介することなく直接に電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持され、それぞれの層３，５と電気的に接続されるので、半導体微粒子１１への電子／ホールのキャリア注入効率を向上させることができる。これによって、発光素子１０の発光効率を高くすることができる。さらに、各粒子のｐ型部分１３ａの一部がホール輸送層５に接すると共に、ｎ型部分１３ｂの一部が電子輸送層３に接しているので、半導体微粒子１１の内部へホール及び電子が効率的に導入される。これによって、各粒子１１の内部のｐｎ接合において効率的に発光させることができる。
【００２３】
以下、発光素子１０の各構成部材について説明する。
＜基板＞
基板１には、例えば、ガラス基板，セラミックス基板，サファイア基板，窒化ホウ素（ＢＮ）基板，窒化アルミニウム基板，窒化ガリウム基板，窒化アルミニウム・ガリウム基板，窒化インジウム・ガリウム基板，炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板，シリコン（Ｓｉ）基板、あるいは、金属基板、またはポリカーボネート樹脂，ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂あるいはＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂等からなる樹脂基板を用いることができる。
【００２４】
なお、基板１側から光を取り出さない構成の場合は、上述の光透過性は不要であり、光透過性を有していない材料も用いることができる。
【００２５】
＜電極＞
電極として、下部電極２と上部電極６とがある。これらは、例えば、光を取り出す側の電極を透明電極として、他方の電極を背面電極としてもよい。それぞれの電極２，６は、光を取り出す側であるか否かでその材料等が限定される。なお、両方の電極２、６を透明電極としてもよい。そこで、下部電極２及び上部電極６について、その配置ではなく、透明電極として用いる場合と背面電極として用いる場合のそれぞれについて説明する。
【００２６】
まず、透明電極として用いる場合について説明する。透明電極の材料は、発光層４内で生じた発光を外部に取り出せるように光透過性を有するものであればよく、特に可視光領域において高い透過率を有することが好ましい。また、電極として低抵抗であることが好ましく、更には基板１や発光層３との密着性に優れていることが好ましい。透明電極の材料として、特に好適なものは、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３にＳｎＯ２をドープしたものであり、インジウム錫酸化物ともいう。）やＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等を主体とする金属酸化物、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等の金属薄膜、あるいはポリアニリン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、ポリチオフェンなどの導電性高分子等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。これらの透明電極はその透明性を向上させ、あるいは抵抗率を低下させる目的で、スパッタリング法、エレクトロンビーム蒸着法、イオンプレーティング法、等の成膜方法で成膜できる。また成膜後に、抵抗率制御の目的でプラズマ処理などの表面処理を施してもよい。透明電極の膜厚は、必要とされるシート抵抗値と可視光透過率から決定される。
【００２７】
透明電極のキャリア濃度は、１Ｅ１７〜１Ｅ２２ｃｍ−３の範囲であることが望ましい。また、透明電極として性能を出すために、透明電極の体積抵抗率は１Ｅ−３Ω・ｃｍ以下であって、透過率は３８０〜７８０ｎｍの波長において７５％以上であることが望ましい。また、透明電極の屈折率は、１．８５〜１．９５が良い。さらに、透明電極の膜厚は３０ｎｍ以下の場合に緻密で安定した特性を持つ膜が実現できる。
【００２８】
また、背面電極として用いる場合について説明する。背面電極には、一般に良く知られている導電材料であればいずれでも適用できる。更には、隣接する層３、５との密着性に優れていることが好ましい。好適な例としては、例えば、ＩＴＯやＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等の金属酸化物、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等の金属、これらの積層構造体、あるいは、ポリアニリン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ〔ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）〕／ＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）等の導電性高分子、あるいは導電性カーボンなどを用いることができる。
【００２９】
次に、電子輸送層３及びホール輸送層５について説明する。電子輸送層３とホール輸送層５とは、互いに対向すると共に、離間して設けられている。
【００３０】
＜電子輸送層＞
電子輸送層３は、たとえばケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物を添加した第３Ｂ族元素の窒化物により構成されている。電子輸送層３は単結晶体，多結晶体，非晶質体，微粒子体、有機物あるいはこれらの複合体、積層膜などどのような形態を有していてもよい。
【００３１】
また、電子輸送層３は、発光層４を構成する半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１よりも大きな禁制帯幅エネルギーを有していることが好ましい。これにより、電子輸送層３を半導体微粒子１１に対するキャリア閉じ込めおよびクラッド層として機能させることができる。また、電子輸送層３の吸収端波長よりも半導体微粒子１１から放出される光の波長の方が長くなり、半導体微粒子１１から放出される光は電子輸送層３の中を減衰することなく透過するので、基板１の側から光を取り出すことができ、光取り出し効率を増大させることができる。
【００３２】
＜ホール輸送層＞
ホール輸送層５は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を添加した３Ｂ族元素の窒化物により構成されている。ホール輸送層５は、単結晶体，多結晶体，非晶質体，微粒子体、有機物あるいはこれらの複合体、積層膜などどのような形態を有していてもよい。
【００３３】
また、ホール輸送層５は、発光層４を構成する半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１よりも大きな禁制帯幅エネルギーを有していることが好ましい。これにより、電子輸送層３と同様に、ホール輸送層５を半導体微粒子１１に対するキャリア閉じ込めおよびクラッド層として機能させることができる。また、ホール輸送層５の吸収端波長よりも半導体微粒子１１から放出される光の波長の方が長くなり、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１から放出される光はホール輸送層５の中を減衰することなく透過するので、ホール輸送層５の側から光を取り出すことができ、光取り出し効率を増大させることができる。
【００３４】
＜発光層＞
発光層４は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持された半導体微粒子１１からなる層を有する。なお、上述のように、半導体微粒子１１間の間隙を埋める誘電体１２をさらに有してもよい。誘電体１２を用いることによってリーク電流を減少させることができる。この発光層４を構成する半導体微粒子１１からなる層は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に一粒子層として形成されることが好ましい。また、半導体微粒子１１には、その平均粒子径Ｒが電子輸送層３とホール輸送層５との間の平均面間隔ｄよりも大きいものを用いる（関係式：Ｒ ＞ ｄ）。これによって、電子輸送層３とホール輸送層５とを互いに対向させ、所定間隔で離間させておき、半導体微粒子１１の各粒子を介して電子輸送層３とホール輸送層５との間の電気的接続を行うことができる。なお、この半導体微粒子１１の平均粒子径Ｒは、１〜１００μｍの範囲内であればよい。
【００３５】
＜半導体微粒子＞
図４の（ａ）及び（ｂ）は、半導体微粒子１１の内部構造を示す概略断面図である。この半導体微粒子１１は、図４の（ａ）に示すように、粒子の上部にｐ型部分１３ａ、下部にｎ型部分１３ｂを備えており、ｐ型部分１３ａとｎ型部分１３ｂとの界面にｐｎ接合を持つ。また、図４の（ｂ）に示すように、内核と外殻とでドープ特性が異なる半導体材料を用いて内核と外殻の一部とで異なるドープ型を有する半導体微粒子１１を構成してもよい。この半導体微粒子１１では、ドープされにくいｎ型の内核１３ｃと、ドープされやすく、一部に元のｎ型部分１３ｂが残ると共に、一部がｐ型部分１３ａとなった外殻とを有し、外殻のｐ型ドープされた部分１３ａと、内核のｎ型部分１３ｃとの界面においてｐｎ接合が形成される。この場合、外殻の下部にｎ型部分１３ｂを残存させることによって、内核のｎ型部分１３ｃからｎ型部分１３ｂを介して電子輸送層３との電気的接続を確保することができる。
【００３６】
また、この半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１は、少なくとも一部が微結晶により構成されておればよく、例えば、半導体微結晶以外の他の粒子を含んでいてもよい。また、例えば、微結晶に被覆層などが設けられた微粒子を含んでいてもよい。また、半導体微粒子１１自体が単結晶であってもよい。ここで微結晶とは、単結晶または多結晶よりなる微粒子のことである。さらに、この半導体微粒子１１は、禁制帯遷移発光（禁制帯遷移に起因する発光）またはドナーアクセプターペア発光（ドナーアクセプター準位間遷移に起因する発光）をするようになっている。すなわち、この粒子１１は、禁制帯遷移発光機能またはドナーアクセプターペア発光機能をそれぞれ有している。
【００３７】
半導体微粒子１１としては、例えば、III−Ｖ族化合物半導体、具体的には、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど、酸化物または窒化物、例えば亜鉛（Ｚｎ），チタン（Ｔｉ）および鉄（Ｆｅ）からなる群のうちの少なくとも一種を含む酸化物、または３Ｂ族元素の窒化物などが好ましい。具体的には、酸化亜鉛，酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３またはＦｅＯ），酸化亜鉛・酸化チタン（ＺｎＯ・ＴｉＯ２）混晶，酸化亜鉛・酸化鉄（ＺｎＯ・Ｆｅ２Ｏ３）混晶あるいは酸化チタン・酸化鉄（ＴｉＯ２・Ｆｅ２Ｏ３）混晶など、または窒化ガリウム，窒化インジウム，窒化インジウム・ガリウム混晶，窒化アルミニウム・ガリウム混晶あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶などが挙げられる。
【００３８】
また、例えば、半導体微粒子１１を酸化亜鉛、酸化チタンあるいは酸化鉄よりなる微結晶を含むように構成する場合には、ホール輸送層５は、窒化ホウ素，窒化アルミニウム，窒化ガリウム，窒化アルミニウム・ガリウム混晶などにより構成することが好ましい。なお、上記半導体微粒子１１の禁制帯幅エネルギーは、酸化亜鉛では３．２ｅＶ、酸化チタンでは３．０ｅＶ、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）では３．１ｅＶ、窒化ホウ素では６．２ｅＶ、窒化アルミニウムでは６．１ｅＶ、窒化ガリウムでは３．４ｅＶであり、混晶の場合にはその組成に応じて変化する。
【００３９】
＜誘電体＞
誘電体１２には、必要に応じて低誘電率材料又は高誘電率材料を用いることができる。低誘電率材料の場合、具体的にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＢａＴａ２Ｏ６、Ｔａ２Ｏ５などの金属酸化物やＳｉ３Ｎ４などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物を用いることができる。また、高誘電率材料の場合、具体的にはペロブスカイト構造を有するセラミック材料が好ましく、さらに具体的にはＰｂＮｂＯ３やＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、（Ｓｒ，Ｃａ）ＴｉＯ３などを用いることができる。半導体微粒子１１間の間隙を誘電体１２で埋めることによってリーク電流を生じにくくすることができる。
【００４０】
＜製造方法＞
図３の（ａ）〜（ｉ）は、本実施の形態１に係る発光素子１０の製造方法の各工程を示す概略断面図である。
（ａ）まず、基板１の上に下部電極２をパターニングし、さらに、パターンニングされた下部電極２上に第１の電子輸送層３ａを形成する（図３（ａ））。
（ｂ）次に、第１の電子輸送層３ａの上に流動性を有する液体状の第２の電子輸送層３ｂを塗布により形成する（図３（ｂ））。第２の電子輸送層３ｂは、液体の塗布により形成される。第２の電子輸送層３ｂの膜厚ｄ１は、後に形成される半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の直径Ｒより小さい膜厚で形成される（関係式：ｄ１ ＜ Ｒ）。なお、第１の電子輸送層３ａと第２の電子輸送層３ｂとは、同じ材料であっても異なる材料であってもよい。また、第２の電子輸送層３ｂは、流動性を有するものに限られず、半導体微粒子１１を接着しうる接着性を有するもの、あるいは、半導体微粒子１１が一部分だけ埋設されるものを用いることができる。
【００４１】
（ｃ）次に、流動性を有する第２の電子輸送層３ｂの上に、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の一粒子層からなる発光層４を形成する（図３（ｃ））。上述のように、第２の電子輸送層３ｂの膜厚ｄ１は、半導体微粒子１１の直径Ｒに比べて薄く形成されている。そのため、半導体微粒子１１を第２の電子輸送層３ｂ上に吹き付けることにより、半導体微粒子１１はちょうど一粒子ずつが第２の電子輸送層３ｂの上に付着され、余分の粒子は除去されるので、半導体微粒子１１の一粒子層が形成される。これによって、半導体微粒子１１と第２の電子輸送層３ｂとの電気的な接続を確実にすることができ、その後に形成する誘電体１２が半導体微粒子１１と第１の電子輸送層３ａとの間に入り込むことを抑制できる。なお、半導体微粒子１１は、第２の電子輸送層３ｂの上部にのみ接していてもよい。あるいは、半導体微粒子１１は、第２の電子輸送層３ｂに埋設され、第１の電子輸送層３ａに接していてもよい。この第１の電子輸送層３ａと第２の電子輸送層３ｂによって電子輸送層３を構成する。また、半導体微粒子１１からなる発光層４は、吹きつけによる方法に限られず、例えば、塗布等によって形成してもよい。
（ｄ）半導体の微結晶を含む粒子１１間の間隙を埋め込むように誘電体膜１２を形成する（図３（ｄ））。
（ｅ）半導体の微結晶を含む粒子１１の上部が露出するように余分の誘電体膜を除去する（図３（ｅ））。
（ｆ）ｐ型ドープ材料２３を粒子上に形成する（図３（ｆ））。このｐ型ドープ材料２３には、例えばＭｇなどの材料を用いる。
（ｇ）熱処理等の手法により、半導体の微結晶を含む粒子１１の上部にｐ型ドープされた部分１３ａを形成し、その後、不要なｐ型ドープ材料２３を除去する（図３（ｇ））。
（ｈ）半導体微粒子１１の上にホール輸送層５を形成する（図３（ｈ））。
（ｉ）上記ホール輸送層５の上に上部電極６を形成する（図３（ｉ））。
以上によって発光素子１０が形成される。
【００４２】
なお、この製造方法では、電子輸送層３の上に半導体微粒子１１の一粒子層を形成したが、この場合にかぎられず、逆に、ホール輸送層５の上に半導体微粒子１１の一粒子層を設けてもよい。
【００４３】
また、上記製造方法では流動性の第２の電子輸送層３ｂを用いたが、第２の電子輸送層３ｂは必ずしも用いなくてもよい。この流動性を有する第２の電子輸送層３ｂは、その上に半導体微粒子１１の一粒子層を形成するために、半導体微粒子１１の接着用として用いるものである。そこで、第１の電子輸送層３ａが、その表面に接着性を有する場合には、流動性の第２の電子輸送層３ｂを用いる必要はない。さらに、第１の電子輸送層３ａが、表面に接着性を有しない場合であっても、その後、半導体微粒子１１の一粒子層を形成した際に半導体微粒子１１と第１の電子輸送層３ａとの電気的な接続が確保できれば、第２の電子輸送層３ｂを用いる必要はない。
【００４４】
また、上記の製造方法では、半導体微粒子１１として、図４（ａ）の場合について説明したが、これに限られず、例えば、図４（ｂ）に示す構造を有する半導体微粒子１１を形成することができる。
【００４５】
図５の（ａ）〜（ｃ）は、図４（ｂ）の半導体微粒子１１の構造を形成する製造方法の核工程を示す概略断面図である。
（ａ）それぞれｎ型半導体からなる内核１３ｃとｎ型半導体からなる外殻１３ｂとを有する半導体微粒子１１を用意する（図５（ａ））。この内核と外殻とは、ドープ特性が異なり、内核はｐ型ドープされにくく、外殻はｐ型ドープされやすいものを用いる。
（ｂ）粒子１１の上部から、例えば、ｐ型ドープ材料２３によってドープを行う（図５（ｂ））。
（ｃ）この半導体微粒子１１では、内核はｐ型ドープされにくいのでｎ型部分１３ｃのまま残り、外殻はｐ型ドープされやすいので、下部に元のｎ型部分１３ｂが残ると共に、上部から側部にかけてｐ型部分１３ａとなる（図５（ａ））。このようにして、外殻のｐ型ドープされた部分１３ａと、内核のｎ型部分１３ｃとの界面においてｐｎ接合が形成される。
以上によって、図４の（ｂ）の構造を有する半導体微粒子１１が形成される。この場合、外殻の下部にｎ型部分１３ｂを残存するので、内核のｎ型部分１３ｃからｎ型部分１３ｂを介して電子輸送層３との電気的接続を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、大面積で面発光が可能である発光素子を低コストで製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発光素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の電子輸送層、発光層、ホール輸送層間の関係を示す拡大断面図である。
【図３（ａ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｂ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｃ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｄ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｅ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｆ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｇ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｈ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｉ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）は、半導体微粒子のｐｎ接合を示す概略断面図であり、（ｂ）は、別例の半導体微粒子のｐｎ接合を示す概略断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、図４（ｂ）の半導体微粒子のｐｎ接合を形成する製造方法の各工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 基板
２ 下部電極
３ 電子輸送層
３ａ 第１の電子輸送層
３ｂ 第２の電子輸送層
４ 発光層
５ ホール輸送層
６ 上部電極
７ 電源
１０ 発光素子
１１、１１ａ 半導体微粒子
１２ 誘電体
１３ａ ｐ型部分
１３ｂ ｎ型部分
１３ｃ ｎ型部分
２３ ｐ型ドープ材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直流電流により動作する発光素子の研究開発が活発に行われている。特に、青色発光ダイオード（Ｂｌｕｅ−ＬＥＤ；Ｂｌｕｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、紫外発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ；Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム・ガリウム混晶（ＩｎＧａＮ），窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌＧａＮ）あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶（ＩｎＡｌＧａＮ）に代表される３族ナイトライド化合物半導体が注目されている。
【０００３】
従来、このような第３族ナイトライド化合物半導体は、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学気相成長）法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。
【０００４】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法により発光素子を製造する場合、使用する基板は成長させる化合物半導体とほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れている必要がある。すなわち、基板の材質や大きさに制約が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
例えば、第３族ナイトライド化合物半導体を成長させる場合には、主に結晶性のサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板が使用されている。このサファイアは、第３族ナイトライド化合物半導体、中でも窒化ガリウムとほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れており、ＭＯＣＶＤ用の基板として好適な材料である。しかし、サファイア基板を用いる場合には、そのｃ面上に成長させる必要があるため、基板の加工性や成形性に難があり、材料コストが高くなってしまう問題があった。
【０００６】
また、基板の全面に均一な膜厚の薄膜を形成することが困難であるために、面積の大きな基板を用いることができず、現状では最大で２０ｃｍ×２０ｃｍ程度であり、生産性が低いという問題もあった。
【０００７】
更に、発光素子は、発光層（活性層とも言う）と電子／ホールのキャリア輸送層とで構成される多層構造となるため、各半導体層の接合面において結晶格子歪みが生じないように化合物半導体をエピタキシャル成長させる必要がある。その理由としては、結晶格子歪みが生じると、各半導体層の接合面近傍において転位などの結晶格子欠陥が発生し、発光効率が低下してしまうからである。すなわち、各半導体層の結晶系と格子定数を精密に制御する必要があり、結晶成長条件の設定とその制御には困難を極め、製造が難しいという問題もあった。
【０００８】
そこで、面発光が可能である発光デバイスを実現するため、ホール輸送層と電子輸送層との間に、焼成により粒子を結合させた粒子層を挟み、ホール輸送層と電子輸送層間に電圧を印加し、面発光を可能とする方法が試みられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２１０８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１のような発光素子の製造方法、また、それによって得られる発光素子の構成では粒子を焼成により結合させる必要があるため、蒸気圧の低い材料や、ＧａＮなどの昇華性の材料を用いる場合には使用できないという問題点がある。また粒子間は空洞となっていることでリーク電流を生じやすい構造となっている。
【００１１】
そこで、このような問題点を解決すべく、本発明の目的は、大面積での面発光が実現可能であり、またリーク電流による消費電力を抑えることを可能とする発光素子、およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る発光素子は、電子輸送層と、
前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、
前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、
前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極と
を備え、
前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記発光層は、前記半導体微粒子の一粒子層を有してもよい。さらに、前記発光層は、前記半導体微粒子間の間隙を埋める誘電体をさらに有してもよい。
【００１４】
また、前記半導体微粒子の平均粒子径は、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の平均間隔よりも大きいことが好ましい。
【００１５】
また、前記半導体粒子は、ＧａＮ微結晶を含んでもよい。また、前記半導体微粒子の平均粒子径は、１〜１００μｍの範囲内であってもよい。
【００１６】
本発明による発光素子の製造方法は、基板上に、第１の電子輸送層を形成する工程と、
前記第１の電子輸送層上に流動性を有する第２の電子輸送層を形成する工程と、
前記第２の電子輸送層上に半導体微粒子が一粒子層並んだ層を形成する工程と、
前記半導体微粒子にｐｎ接合を形成する工程と、
前記半導体微粒子の上にホール輸送層を形成する工程と、
前記ホール輸送層の上に第２の電極を設ける工程と
を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、前記半導体微粒子間の間隙に誘電体を埋め込む工程と、
前記誘電体を前記半導体微粒子の上部が露出するように除去する工程と
をさらに含んでもよい。
【００１８】
さらに、前記半導体微粒子として、ＧａＮを含む半導体微粒子を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、大面積で面発光が可能である発光素子を低コストで製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る発光素子及びその製造方法について添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子１０の構成を示す概略断面図である。図２は、特に、図１の電子輸送層３、発光層４、ホール輸送層５間の関係を示す拡大断面図である。この発光素子１０は、基板１の上に、下部電極２、電子輸送層３、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の一粒子層を有する発光層４、ホール輸送層５、上部電極６の順に積層された多層構造を有している。また、電子輸送層３とホール輸送層５とは、互いに対向すると共に、離間して設けられている。さらに、発光層４は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持された半導体微粒子１１の一粒子層を有する。この半導体微粒子１１は、ｐ型部分１３ａとｎ型部分１３ｂとを有し、粒子内部にｐｎ接合を有する。また、各粒子１１のｐ型部分１３ａの一部がホール輸送層５に接し、ｎ型部分１３ｂの一部が電子輸送層３に接している。半導体微粒子１１の平均粒子径Ｒは、電子輸送層３とホール輸送層５との平均間隔ｄよりも大きい（Ｒ ＞ ｄ）。また、下部電極２は、電子輸送層３に電気的に接続されている。上部電極６は、ホール輸送層５に電気的に接続されている。発光層４は、半導体微粒子１１間の間隙を埋める誘電体１２をさらに有している。この誘電体１２によってリーク電流を減少させることができる。なお、誘電体１２は必ずしも必要でなく、例えば、外部の支持体等によって電子輸送層３とホール輸送層５とを所定の間隔で離間させておくことができれば誘電体１２を用いなくてもよい。この発光素子１０は、上部電極６と下部電極２との間に接続された電源７によって電圧を印加することによって発光させることができる。
【００２２】
この発光素子１０では、発光層４を半導体微粒子１１の一粒子層として構成できるので、薄膜によって構成する場合に比べて安価に作製することができる。また、半導体微粒子１１が、バインダを介することなく直接に電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持され、それぞれの層３，５と電気的に接続されるので、半導体微粒子１１への電子／ホールのキャリア注入効率を向上させることができる。これによって、発光素子１０の発光効率を高くすることができる。さらに、各粒子のｐ型部分１３ａの一部がホール輸送層５に接すると共に、ｎ型部分１３ｂの一部が電子輸送層３に接しているので、半導体微粒子１１の内部へホール及び電子が効率的に導入される。これによって、各粒子１１の内部のｐｎ接合において効率的に発光させることができる。
【００２３】
以下、発光素子１０の各構成部材について説明する。
＜基板＞
基板１には、例えば、ガラス基板，セラミックス基板，サファイア基板，窒化ホウ素（ＢＮ）基板，窒化アルミニウム基板，窒化ガリウム基板，窒化アルミニウム・ガリウム基板，窒化インジウム・ガリウム基板，炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板，シリコン（Ｓｉ）基板、あるいは、金属基板、またはポリカーボネート樹脂，ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂あるいはＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂等からなる樹脂基板を用いることができる。
【００２４】
なお、基板１側から光を取り出さない構成の場合は、上述の光透過性は不要であり、光透過性を有していない材料も用いることができる。
【００２５】
＜電極＞
電極として、下部電極２と上部電極６とがある。これらは、例えば、光を取り出す側の電極を透明電極として、他方の電極を背面電極としてもよい。それぞれの電極２，６は、光を取り出す側であるか否かでその材料等が限定される。なお、両方の電極２、６を透明電極としてもよい。そこで、下部電極２及び上部電極６について、その配置ではなく、透明電極として用いる場合と背面電極として用いる場合のそれぞれについて説明する。
【００２６】
まず、透明電極として用いる場合について説明する。透明電極の材料は、発光層４内で生じた発光を外部に取り出せるように光透過性を有するものであればよく、特に可視光領域において高い透過率を有することが好ましい。また、電極として低抵抗であることが好ましく、更には基板１や発光層３との密着性に優れていることが好ましい。透明電極の材料として、特に好適なものは、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３にＳｎＯ２をドープしたものであり、インジウム錫酸化物ともいう。）やＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等を主体とする金属酸化物、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等の金属薄膜、あるいはポリアニリン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、ポリチオフェンなどの導電性高分子等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。これらの透明電極はその透明性を向上させ、あるいは抵抗率を低下させる目的で、スパッタリング法、エレクトロンビーム蒸着法、イオンプレーティング法、等の成膜方法で成膜できる。また成膜後に、抵抗率制御の目的でプラズマ処理などの表面処理を施してもよい。透明電極の膜厚は、必要とされるシート抵抗値と可視光透過率から決定される。
【００２７】
透明電極のキャリア濃度は、１Ｅ１７〜１Ｅ２２ｃｍ−３の範囲であることが望ましい。また、透明電極として性能を出すために、透明電極の体積抵抗率は１Ｅ−３Ω・ｃｍ以下であって、透過率は３８０〜７８０ｎｍの波長において７５％以上であることが望ましい。また、透明電極の屈折率は、１．８５〜１．９５が良い。さらに、透明電極の膜厚は３０ｎｍ以下の場合に緻密で安定した特性を持つ膜が実現できる。
【００２８】
また、背面電極として用いる場合について説明する。背面電極には、一般に良く知られている導電材料であればいずれでも適用できる。更には、隣接する層３、５との密着性に優れていることが好ましい。好適な例としては、例えば、ＩＴＯやＩｎＺｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２等の金属酸化物、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等の金属、これらの積層構造体、あるいは、ポリアニリン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ〔ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）〕／ＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）等の導電性高分子、あるいは導電性カーボンなどを用いることができる。
【００２９】
次に、電子輸送層３及びホール輸送層５について説明する。電子輸送層３とホール輸送層５とは、互いに対向すると共に、離間して設けられている。
【００３０】
＜電子輸送層＞
電子輸送層３は、たとえばケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物を添加した第３Ｂ族元素の窒化物により構成されている。電子輸送層３は単結晶体，多結晶体，非晶質体，微粒子体、有機物あるいはこれらの複合体、積層膜などどのような形態を有していてもよい。
【００３１】
また、電子輸送層３は、発光層４を構成する半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１よりも大きな禁制帯幅エネルギーを有していることが好ましい。これにより、電子輸送層３を半導体微粒子１１に対するキャリア閉じ込めおよびクラッド層として機能させることができる。また、電子輸送層３の吸収端波長よりも半導体微粒子１１から放出される光の波長の方が長くなり、半導体微粒子１１から放出される光は電子輸送層３の中を減衰することなく透過するので、基板１の側から光を取り出すことができ、光取り出し効率を増大させることができる。
【００３２】
＜ホール輸送層＞
ホール輸送層５は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を添加した３Ｂ族元素の窒化物により構成されている。ホール輸送層５は、単結晶体，多結晶体，非晶質体，微粒子体、有機物あるいはこれらの複合体、積層膜などどのような形態を有していてもよい。
【００３３】
また、ホール輸送層５は、発光層４を構成する半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１よりも大きな禁制帯幅エネルギーを有していることが好ましい。これにより、電子輸送層３と同様に、ホール輸送層５を半導体微粒子１１に対するキャリア閉じ込めおよびクラッド層として機能させることができる。また、ホール輸送層５の吸収端波長よりも半導体微粒子１１から放出される光の波長の方が長くなり、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１から放出される光はホール輸送層５の中を減衰することなく透過するので、ホール輸送層５の側から光を取り出すことができ、光取り出し効率を増大させることができる。
【００３４】
＜発光層＞
発光層４は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に挟持された半導体微粒子１１からなる層を有する。なお、上述のように、半導体微粒子１１間の間隙を埋める誘電体１２をさらに有してもよい。誘電体１２を用いることによってリーク電流を減少させることができる。この発光層４を構成する半導体微粒子１１からなる層は、電子輸送層３とホール輸送層５との間に一粒子層として形成されることが好ましい。また、半導体微粒子１１には、その平均粒子径Ｒが電子輸送層３とホール輸送層５との間の平均面間隔ｄよりも大きいものを用いる（関係式：Ｒ ＞ ｄ）。これによって、電子輸送層３とホール輸送層５とを互いに対向させ、所定間隔で離間させておき、半導体微粒子１１の各粒子を介して電子輸送層３とホール輸送層５との間の電気的接続を行うことができる。なお、この半導体微粒子１１の平均粒子径Ｒは、１〜１００μｍの範囲内であればよい。
【００３５】
＜半導体微粒子＞
図４の（ａ）及び（ｂ）は、半導体微粒子１１の内部構造を示す概略断面図である。この半導体微粒子１１は、図４の（ａ）に示すように、粒子の上部にｐ型部分１３ａ、下部にｎ型部分１３ｂを備えており、ｐ型部分１３ａとｎ型部分１３ｂとの界面にｐｎ接合を持つ。また、図４の（ｂ）に示すように、内核と外殻とでドープ特性が異なる半導体材料を用いて内核と外殻の一部とで異なるドープ型を有する半導体微粒子１１を構成してもよい。この半導体微粒子１１では、ドープされにくいｎ型の内核１３ｃと、ドープされやすく、一部に元のｎ型部分１３ｂが残ると共に、一部がｐ型部分１３ａとなった外殻とを有し、外殻のｐ型ドープされた部分１３ａと、内核のｎ型部分１３ｃとの界面においてｐｎ接合が形成される。この場合、外殻の下部にｎ型部分１３ｂを残存させることによって、内核のｎ型部分１３ｃからｎ型部分１３ｂを介して電子輸送層３との電気的接続を確保することができる。
【００３６】
また、この半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１は、少なくとも一部が微結晶により構成されておればよく、例えば、半導体微結晶以外の他の粒子を含んでいてもよい。また、例えば、微結晶に被覆層などが設けられた微粒子を含んでいてもよい。また、半導体微粒子１１自体が単結晶であってもよい。ここで微結晶とは、単結晶または多結晶よりなる微粒子のことである。さらに、この半導体微粒子１１は、禁制帯遷移発光（禁制帯遷移に起因する発光）またはドナーアクセプターペア発光（ドナーアクセプター準位間遷移に起因する発光）をするようになっている。すなわち、この粒子１１は、禁制帯遷移発光機能またはドナーアクセプターペア発光機能をそれぞれ有している。
【００３７】
半導体微粒子１１としては、例えば、III−Ｖ族化合物半導体、具体的には、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど、酸化物または窒化物、例えば亜鉛（Ｚｎ），チタン（Ｔｉ）および鉄（Ｆｅ）からなる群のうちの少なくとも一種を含む酸化物、または３Ｂ族元素の窒化物などが好ましい。具体的には、酸化亜鉛，酸化チタン（ＴｉＯ２），酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３またはＦｅＯ），酸化亜鉛・酸化チタン（ＺｎＯ・ＴｉＯ２）混晶，酸化亜鉛・酸化鉄（ＺｎＯ・Ｆｅ２Ｏ３）混晶あるいは酸化チタン・酸化鉄（ＴｉＯ２・Ｆｅ２Ｏ３）混晶など、または窒化ガリウム，窒化インジウム，窒化インジウム・ガリウム混晶，窒化アルミニウム・ガリウム混晶あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶などが挙げられる。
【００３８】
また、例えば、半導体微粒子１１を酸化亜鉛、酸化チタンあるいは酸化鉄よりなる微結晶を含むように構成する場合には、ホール輸送層５は、窒化ホウ素，窒化アルミニウム，窒化ガリウム，窒化アルミニウム・ガリウム混晶などにより構成することが好ましい。なお、上記半導体微粒子１１の禁制帯幅エネルギーは、酸化亜鉛では３．２ｅＶ、酸化チタンでは３．０ｅＶ、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）では３．１ｅＶ、窒化ホウ素では６．２ｅＶ、窒化アルミニウムでは６．１ｅＶ、窒化ガリウムでは３．４ｅＶであり、混晶の場合にはその組成に応じて変化する。
【００３９】
＜誘電体＞
誘電体１２には、必要に応じて低誘電率材料又は高誘電率材料を用いることができる。低誘電率材料の場合、具体的にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＢａＴａ２Ｏ６、Ｔａ２Ｏ５などの金属酸化物やＳｉ３Ｎ４などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物を用いることができる。また、高誘電率材料の場合、具体的にはペロブスカイト構造を有するセラミック材料が好ましく、さらに具体的にはＰｂＮｂＯ３やＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、（Ｓｒ，Ｃａ）ＴｉＯ３などを用いることができる。半導体微粒子１１間の間隙を誘電体１２で埋めることによってリーク電流を生じにくくすることができる。
【００４０】
＜製造方法＞
図３の（ａ）〜（ｉ）は、本実施の形態１に係る発光素子１０の製造方法の各工程を示す概略断面図である。
（ａ）まず、基板１の上に下部電極２をパターニングし、さらに、パターンニングされた下部電極２上に第１の電子輸送層３ａを形成する（図３（ａ））。
（ｂ）次に、第１の電子輸送層３ａの上に流動性を有する液体状の第２の電子輸送層３ｂを塗布により形成する（図３（ｂ））。第２の電子輸送層３ｂは、液体の塗布により形成される。第２の電子輸送層３ｂの膜厚ｄ１は、後に形成される半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の直径Ｒより小さい膜厚で形成される（関係式：ｄ１ ＜ Ｒ）。なお、第１の電子輸送層３ａと第２の電子輸送層３ｂとは、同じ材料であっても異なる材料であってもよい。また、第２の電子輸送層３ｂは、流動性を有するものに限られず、半導体微粒子１１を接着しうる接着性を有するもの、あるいは、半導体微粒子１１が一部分だけ埋設されるものを用いることができる。
【００４１】
（ｃ）次に、流動性を有する第２の電子輸送層３ｂの上に、半導体の微結晶を含む半導体微粒子１１の一粒子層からなる発光層４を形成する（図３（ｃ））。上述のように、第２の電子輸送層３ｂの膜厚ｄ１は、半導体微粒子１１の直径Ｒに比べて薄く形成されている。そのため、半導体微粒子１１を第２の電子輸送層３ｂ上に吹き付けることにより、半導体微粒子１１はちょうど一粒子ずつが第２の電子輸送層３ｂの上に付着され、余分の粒子は除去されるので、半導体微粒子１１の一粒子層が形成される。これによって、半導体微粒子１１と第２の電子輸送層３ｂとの電気的な接続を確実にすることができ、その後に形成する誘電体１２が半導体微粒子１１と第１の電子輸送層３ａとの間に入り込むことを抑制できる。なお、半導体微粒子１１は、第２の電子輸送層３ｂの上部にのみ接していてもよい。あるいは、半導体微粒子１１は、第２の電子輸送層３ｂに埋設され、第１の電子輸送層３ａに接していてもよい。この第１の電子輸送層３ａと第２の電子輸送層３ｂによって電子輸送層３を構成する。また、半導体微粒子１１からなる発光層４は、吹きつけによる方法に限られず、例えば、塗布等によって形成してもよい。
（ｄ）半導体の微結晶を含む粒子１１間の間隙を埋め込むように誘電体膜１２を形成する（図３（ｄ））。
（ｅ）半導体の微結晶を含む粒子１１の上部が露出するように余分の誘電体膜を除去する（図３（ｅ））。
（ｆ）ｐ型ドープ材料２３を粒子上に形成する（図３（ｆ））。このｐ型ドープ材料２３には、例えばＭｇなどの材料を用いる。
（ｇ）熱処理等の手法により、半導体の微結晶を含む粒子１１の上部にｐ型ドープされた部分１３ａを形成し、その後、不要なｐ型ドープ材料２３を除去する（図３（ｇ））。
（ｈ）半導体微粒子１１の上にホール輸送層５を形成する（図３（ｈ））。
（ｉ）上記ホール輸送層５の上に上部電極６を形成する（図３（ｉ））。
以上によって発光素子１０が形成される。
【００４２】
なお、この製造方法では、電子輸送層３の上に半導体微粒子１１の一粒子層を形成したが、この場合にかぎられず、逆に、ホール輸送層５の上に半導体微粒子１１の一粒子層を設けてもよい。
【００４３】
また、上記製造方法では流動性の第２の電子輸送層３ｂを用いたが、第２の電子輸送層３ｂは必ずしも用いなくてもよい。この流動性を有する第２の電子輸送層３ｂは、その上に半導体微粒子１１の一粒子層を形成するために、半導体微粒子１１の接着用として用いるものである。そこで、第１の電子輸送層３ａが、その表面に接着性を有する場合には、流動性の第２の電子輸送層３ｂを用いる必要はない。さらに、第１の電子輸送層３ａが、表面に接着性を有しない場合であっても、その後、半導体微粒子１１の一粒子層を形成した際に半導体微粒子１１と第１の電子輸送層３ａとの電気的な接続が確保できれば、第２の電子輸送層３ｂを用いる必要はない。
【００４４】
また、上記の製造方法では、半導体微粒子１１として、図４（ａ）の場合について説明したが、これに限られず、例えば、図４（ｂ）に示す構造を有する半導体微粒子１１を形成することができる。
【００４５】
図５の（ａ）〜（ｃ）は、図４（ｂ）の半導体微粒子１１の構造を形成する製造方法の核工程を示す概略断面図である。
（ａ）それぞれｎ型半導体からなる内核１３ｃとｎ型半導体からなる外殻１３ｂとを有する半導体微粒子１１を用意する（図５（ａ））。この内核と外殻とは、ドープ特性が異なり、内核はｐ型ドープされにくく、外殻はｐ型ドープされやすいものを用いる。
（ｂ）粒子１１の上部から、例えば、ｐ型ドープ材料２３によってドープを行う（図５（ｂ））。
（ｃ）この半導体微粒子１１では、内核はｐ型ドープされにくいのでｎ型部分１３ｃのまま残り、外殻はｐ型ドープされやすいので、下部に元のｎ型部分１３ｂが残ると共に、上部から側部にかけてｐ型部分１３ａとなる（図５（ａ））。このようにして、外殻のｐ型ドープされた部分１３ａと、内核のｎ型部分１３ｃとの界面においてｐｎ接合が形成される。
以上によって、図４の（ｂ）の構造を有する半導体微粒子１１が形成される。この場合、外殻の下部にｎ型部分１３ｂを残存するので、内核のｎ型部分１３ｃからｎ型部分１３ｂを介して電子輸送層３との電気的接続を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、大面積で面発光が可能である発光素子を低コストで製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発光素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の電子輸送層、発光層、ホール輸送層間の関係を示す拡大断面図である。
【図３（ａ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｂ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｃ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｄ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｅ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｆ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｇ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｈ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図３（ｉ）】本実施の形態１に係る発光素子の製造方法における一工程を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）は、半導体微粒子のｐｎ接合を示す概略断面図であり、（ｂ）は、別例の半導体微粒子のｐｎ接合を示す概略断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、図４（ｂ）の半導体微粒子のｐｎ接合を形成する製造方法の各工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 基板
２ 下部電極
３ 電子輸送層
３ａ 第１の電子輸送層
３ｂ 第２の電子輸送層
４ 発光層
５ ホール輸送層
６ 上部電極
７ 電源
１０ 発光素子
１１、１１ａ 半導体微粒子
１２ 誘電体
１３ａ ｐ型部分
１３ｂ ｎ型部分
１３ｃ ｎ型部分
２３ ｐ型ドープ材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子輸送層と、
前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、
前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、
前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極と
を備え、
前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、前記半導体微粒子の一粒子層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記半導体微粒子間の間隙を埋める誘電体をさらに有す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】
前記半導体微粒子の平均粒子径は、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の平均間隔よりも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５】
前記半導体粒子は、ＧａＮ微結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記半導体微粒子の平均粒子径は、１〜１００μｍの範囲内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】
基板上に、第１の電子輸送層を形成する工程と、
前記第１の電子輸送層上に流動性を有する第２の電子輸送層を形成する工程と、
前記第２の電子輸送層上に半導体微粒子が一粒子層並んだ層を形成する工程と、
前記半導体微粒子にｐｎ接合を形成する工程と、
前記半導体微粒子の上にホール輸送層を形成する工程と、
前記ホール輸送層の上に第２の電極を設ける工程と
を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記半導体微粒子間の間隙に誘電体を埋め込む工程と、
前記誘電体を前記半導体微粒子の上部が露出するように除去する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記半導体微粒子として、ＧａＮを含む半導体微粒子を使用することを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１】
電子輸送層と、
前記電子輸送層と互いに対向すると共に、離間して設けられたホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に挟持された複数の半導体微粒子からなる層を有する発光層と、
前記電子輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第１の電極と、
前記ホール輸送層に面して設けられ、電気的に接続された第２の電極と
を備え、
前記発光層を構成する前記半導体微粒子は、その内部にｐ型部分とｎ型部分とを有し、前記ｐ型部分と前記ｎ型部分との界面にｐｎ接合を持ち、前記ｐ型部分の一部が前記ホール輸送層に接すると共に、前記ｎ型部分の一部が前記電子輸送層に接するように配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、前記半導体微粒子の一粒子層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記半導体微粒子間の間隙を埋める誘電体をさらに有す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】
前記半導体微粒子の平均粒子径は、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の平均間隔よりも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５】
前記半導体粒子は、ＧａＮ微結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記半導体微粒子の平均粒子径は、１〜１００μｍの範囲内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】
基板上に、第１の電子輸送層を形成する工程と、
前記第１の電子輸送層上に流動性を有する第２の電子輸送層を形成する工程と、
前記第２の電子輸送層上に半導体微粒子が一粒子層並んだ層を形成する工程と、
前記半導体微粒子にｐｎ接合を形成する工程と、
前記半導体微粒子の上にホール輸送層を形成する工程と、
前記ホール輸送層の上に第２の電極を設ける工程と
を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記半導体微粒子間の間隙に誘電体を埋め込む工程と、
前記誘電体を前記半導体微粒子の上部が露出するように除去する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記半導体微粒子として、ＧａＮを含む半導体微粒子を使用することを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図３（ｃ）】
【図３（ｄ）】
【図３（ｅ）】
【図３（ｆ）】
【図３（ｇ）】
【図３（ｈ）】
【図３（ｉ）】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図３（ｃ）】
【図３（ｄ）】
【図３（ｅ）】
【図３（ｆ）】
【図３（ｇ）】
【図３（ｈ）】
【図３（ｉ）】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２５１８７５（Ｐ２００８−２５１８７５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９１９４６（Ｐ２００７−９１９４６）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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