発光装置
【課題】電圧の印加に伴う発熱が抑制された発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする。
【解決手段】本発明の発光装置は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続す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、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子は長寿命であって、省電力であるところから表示装置や次世代の面発光表示装置として注目されている。無機ＥＬ素子を発光させるためには、200〜300 V の電圧を無機ＥＬ素子に印加する必要がある。従来の無機ＥＬ素子に電圧を印加する電源装置は、商用交流を昇圧し無機ＥＬ素子に印加する基本構成となっており、定電圧および定周波数の交流を出力して無機ＥＬ素子を発光させる（たとえば、特許文献１）。より具体的には、電流共振型の直列共振回路による昇圧回路により、無機ＥＬ素子に正弦波電圧を印加する方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の電源装置により無機ＥＬ素子に電圧を印加し無機ＥＬ素子を発光させると、無機ＥＬ素子が発熱するという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電圧の印加に伴う発熱が抑制された発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする発光装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発光素子は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体を含むため、半導体層と第１電極との間に電圧を印加することにより、発光素子を発光させることができる。
本発明によれば、発光素子は、半導体層を正極とし第１電極を負極として誘電体層に電流を流した場合および半導体層を負極とし第１電極を正極として誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光しないため、発光素子が発光する向きで一定の電流を誘電体層に流れるように電圧を発光素子に印加することにより、発光素子をより少ない消費電力で効率よく発光させることができる。
本発明によれば、実質的に発光しない方向の電流が誘電体層に流れないように発光素子に電圧を印加するため、駆動電源が印加した電力が熱に変換されることを抑制することができ、発光素子の発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の発光装置の構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の一実施形態の発光装置に含まれる発光素子の構成を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態の発光装置に含まれる駆動電源が発光素子に電圧を印加する電源回路を示す回路図である。
【図４】ＥＬ実験で作製した発光素子の作製フローチャートである。
【図５】ＥＬ実験で作製した発光素子の発光スペクトルである。
【図６】ＥＬ実験で作製した発光素子のＩ−Ｖ特性および発光―電圧特性を示したグラフである。
【図７】ＥＬ実験で作製した発光素子の発光時間特性を示したグラフである。
【図８】ＥＬ実験で作製した発光素子の熱処理温度と発光強度の関係を示したグラフである。
【図９】ＥＬ実験で作製した発光素子のゲルマニウム濃度と発光強度の関係を示したグラフである。
【図１０】ＥＬ実験で作製した発光素子のシリコン酸化膜の表面からの各深さで測定したＸＰＳスペクトルである。
【図１１】ＥＬ実験で作製した発光素子のシリコン酸化膜の表面からの深さとＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の発光装置は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする。
【０００９】
本発明の発光装置において、前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れる場合前記誘電体層に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子をより少ない消費電力で発光させることができる。
本発明の発光装置において、前記電源回路は、前記半導体層と第１電極との間の前記誘電体層に電流を流すため整流ダイオードを備え、前記電源回路は、交流電源から電力を供給されることが好ましい。
このような構成によれば、駆動電源に交流電源を用いた場合でも向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することができる。
【００１０】
本発明の発光装置において、前記電源回路は、直流電源から電力を供給されることが好ましい。
このような構成によれば、向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することができる。
本発明の発光装置において、前記半導体層は、ｎ型半導体またはｐ型半導体からなり、前記電源回路は、前記半導体層がｎ型半導体からなる場合、前記半導体層が正極となり第１電極が負極となるように前記発光素子と電気的に接続し、前記半導体層がｐ型半導体からなる場合、前記半導体層が負極となり第１電極が正極となるように前記発光素子と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することにより発光素子を発光させることができる。
【００１１】
本発明の発光装置において、前記発光体は、ゲルマニウム原子を含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子が発光することができる。
本発明の発光装置において、前記発光体は、ＺｎＳを含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子が発光することができる。
本発明の発光装置において、前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れた場合６０℃以下の表面温度を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子を光電混載回路に搭載しても発光素子の発熱による他の素子への影響を抑制することができる。また、発光素子を照明等の光源に用いても発光素子の発熱による輝度劣化への影響を抑制することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
発光装置の構成
図１は本発明の一実施形態の発光装置の構成を示す説明図である。図１において、発光素子１２は概略断面図で示しており、発光素子１２に電圧を印加する駆動電源１５および電源回路は回路図などで示している。
【００１４】
本実施形態の発光装置２０は、半導体層１と、第１電極７と、半導体層１と第１電極７とに挟まれた誘電体層３と、半導体層１の中、誘電体層３の中、半導体層１と誘電体層３との間、または第１電極７と誘電体層３との間に形成された発光体５とを含む発光素子１２と、半導体層１と第１電極７との間に電圧を印加するための電源回路１３とを備え、発光素子１２は、半導体層１を正極とし第１電極７を負極として誘電体層３に電流を流した場合および半導体層１を負極とし第１電極７を正極として誘電体層３に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、電源回路１３は、向きが一定の電流が発光を伴い誘電体層３を流れるように発光素子１２と電気的に接続することを特徴とする。
以下、本実施形態の発光装置２０について説明する。
【００１５】
１．発光素子
発光素子１２は、半導体層１と、第１電極７と、半導体層１と第１電極７とに挟まれた誘電体層３と、半導体層１の中、誘電体層３の中、半導体層１と誘電体層３との間または第１電極７と誘電体層３との間に形成された発光体５とを含む。また、発光素子１２は、半導体層１を正極とし第１電極７を負極として誘電体層３に電流を流した場合および半導体層１を負極とし第１電極７を正極として誘電体層３に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光しない。なお、本願では、発光する場合の誘電体層３に流れる電流を「発光を伴う電流」といい、実質的に発光しない場合の誘電体層３に流れる電流を「発光を伴わない電流」という。発光素子１２は、無機ＥＬ素子であってもよい。また、「発光素子１２が実質的に発光しない」とは、誘電体層３に電流が流れても発光素子１２が発光しない場合、および「発光を伴わない電流」が誘電体層３に流れたときの発光量が「発光を伴う電流」が流れたときの発光量と比較して十分に小さい場合をいう。
【００１６】
発光素子１２は、誘電体層３に発光を伴う電流が流れる場合、誘電体層３に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有してもよい。この場合、半導体層１と第１電極７との間に同じ大きさの電圧を極性を逆にして印加した場合、「発光を伴わない電流」の大きさは、「発光を伴う電流」の大きさよりも大きくなる。また、発光電圧閾値を−Ｖaとし、このときの電流値を−Ｉ1としたとき、＋Ｖaの電圧印加時の電流値＋Ｉ2は、｜Ｉ2｜＞１０×｜Ｉ1｜とすることができる。
発光素子１２の発光機構は、半導体層１と第１電極７との間に印加された電圧により誘電体層３と半導体層１に電界が形成され、半導体層１または第１電極７から誘電体層３に導入された電子がこの電界により加速され、この加速された電子が発光体５を励起しその励起準位が緩和することにより、発光体５が発光するためと考えられる。
【００１７】
２．半導体層
半導体層１は、第１電極７との間に誘電体層３を挟むように設けられ、駆動電源１５により誘電体層３に電圧を印加するための電極となることができる。半導体層１は、電極となることができる半導体からなれば特に限定されないが、例えば、ｐ型半導体またはｎ型半導体とすることができる。多くの半導体材料では不純物ドーピングを行うことによって、その抵抗率を調節することが可能である。また、発光素子１２を光電混載基板に搭載するには、ディスクリート素子として構成し、ボンディングするよりも、半導体基板に作製した方が、占有面積等の面でメリットがあると考えられる。
【００１８】
半導体層１は、誘電体層３と接する表面にｐ型半導体とｎ型半導体の両方を有してもよい。また、半導体層１は、基板上に形成した半導体の層であってもよく、半導体基板であってもよく、半導体基板の一部であってもよい。より具体的には、例えばｐ型シリコン基板またはｎ型シリコン基板とすることができる。また、ＳｉＯ2基板などの上にｐ型シリコンまたはｎ型シリコンを形成したものでもよく、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ2などの誘電体層３を形成し、その上にｐ型シリコンまたはｎ型シリコンを形成したものでもよい。その場合、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に含まれる結晶シリコン基板上に発光素子１２を形成してもよいし、または、ＣＶＤ法等を用いてＳｉＯ2などの誘電体層３上にアモルファスシリコンなどを形成し、その上に発光素子１２を形成してもよい。
【００１９】
３．第１電極
第１電極７は、半導体層１との間に誘電体層３を挟むように設けられ、駆動電源により誘電体層３に電圧を印加するための電極となることができる。第１電極７は、電極となるものであれば特に限定されないが、透光性を有することが好ましい。第１電極７は、例えば、透光性電極とすることができる。また、第１電極７は、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下であってもよい。このことにより、発光体５の発光を第１電極側から取り出すことができる。第１電極７は、例えば、ＩＴＯなどの金属酸化物薄膜またはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属薄膜またはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体薄膜である。
【００２０】
４．誘電体層
誘電体層３は、半導体層１と第１電極７との挟まれるように設けられる。例えば、誘電体層３は、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンからなる。また、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンは通常のシリコン半導体プロセスで製膜可能であるので量産性に優れる上、他の電子回路と組み合わせることが可能である。また、誘電体層３を酸化シリコンとし、半導体層１をシリコン基板とすると、誘電体層３をシリコン基板の熱酸化膜とすることができ、容易に形成することができる。
誘電体層３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下（例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０及び１００ｎｍのうちいずれか２つの間の範囲）とすることができる。
【００２１】
誘電体層３は、透光性を有することができる。このことにより、発光体５の発光を取り出すことができる。誘電体層３の光透過率は、例えば波長３００〜５００ｎｍの光の透過率が８０％以上であることが好ましい。発光体５がＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子の場合、発光体５から放出される光のピーク波長は３９０ｎｍ前後であるので、波長３００〜５００ｎｍでの光透過率が高ければその分だけ光取り出し効率が高くなるからである。
【００２２】
５．発光体
発光体５は、半導体層１中、誘電体層３中、半導体層１と誘電体層３との間、または第１電極７と誘電体層３との間に形成される。図２は、様々な実施形態の発光素子１２の断面図である。発光体５は、図１のように誘電体層３中に形成されていてもよく、図２（ａ）のように半導体層１中に形成されていてもよい。また、発光体５は、半導体層１中または誘電体層３中に原子として存在してもよく、微粒子として存在してもよい。また、発光体５は、図２（ｂ）〜（ｄ）のように層状に形成されてもよい。層状の発光体５は、図２（ｂ）のように誘電体層３に挟まれるように形成されてもよく、図３（ｃ）のように半導体層１と誘電体層３との間に形成されてもよく、図３（ｄ）のように誘電体層３と第１電極７との間に形成されてもよい。
【００２３】
原子状の発光体５としては、例えば、ゲルマニウム原子、シリコン原子又はスズ原子などが挙げられ、酸化シリコンからなる誘電体層３にゲルマニウム原子などをイオン注入することにより形成することができる。微粒子状の発光体５としては、例えば、ゲルマニウム微粒子が挙げられる。また、層状の発光体５しては、例えば、ＺｎＳからなる層が挙げられる。
【００２４】
以下、発光体５がゲルマニウム微粒子からなる場合について説明する。
ゲルマニウム微粒子は、例えば、酸化シリコンからなる誘電体層３にゲルマニウム原子をイオン注入し、熱処理を施すことによりゲルマニウム原子を凝集させることにより形成することができる。この場合、形成したゲルマニウム微粒子に熱処理を施し酸化ゲルマニウムを含むゲルマニウム微粒子とすることもできる。さらに、前記酸化ゲルマニウムに含まれるゲルマニウム原子は＋２価であってもよく、＋４価であってもよく、＋２価のゲルマニウム原子（以下、Ｇｅ2+と略す）と＋４価のゲルマニウム原子（以下、Ｇｅ4+と略す）が混在してもよい。また、誘電体層３中の発光体５を構成する原子の数密度は、例えば１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０21個／ｃｍ3である。
【００２５】
発光体５は、好ましくは、最大粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の微粒子である。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、誘電体層３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。
【００２６】
酸化ゲルマニウム全体（Ｇｅ4+＋Ｇｅ2+）に対するＧｅ2+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、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+と、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+を求め、ＳGe2+／（ＳGe4+＋ＳGe2+）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。Ｇｅ4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークは、裾野が重なるがガウスフィッティングを行ってＧｅ4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークとを波形分離することによって面積ＳGe4+及びＳGe2+を求めることができる。Ｇｅ4+及びＧｅ2+のピークエネルギーは、それぞれ約３３．５ｅＶ、３２ｅＶである。
【００２７】
発光体５がＧｅ2+及びＧｅ4+を含むゲルマニウム微粒子の場合、発光体５に含まれるＧｅ2+とＧｅ4+の合計を１００％としたときＧｅ2+を１０％以上含むことができる。Ｇｅ2+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。Ｇｅ2+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。Ｇｅ2+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。
【００２８】
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、０価のゲルマニウム（以下、Ｇｅ0と略す）に起因するピークの面積ＳGeと、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+＋Ｇｅ4+）に起因するピークの面積Ｓ酸化Geを求め、ＳGe2+／（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。
【００２９】
発光体５が誘電体層３中に形成したゲルマニウム微粒子からなる場合の発光素子１２は、半導体層１と第１電極７との間に電圧印加をした際のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の波長のピークが３４０〜４４０ｎｍ（より厳密には、３５０〜４３０ｎｍ，３６０〜４２０ｎｍ，３７０〜４１０ｎｍ，３８０〜４００ｎｍ又は３８５〜３９５ｎｍ）の範囲内である。
【００３０】
６．第２電極
第２電極１０は、半導体層１と電気的に接続するように形成される。半導体層１は第２電極を介して駆動電源１５と接続することができる。または、半導体層１は第２電極を介して接地接続することができる。第２電極１０は、たとえば、アルミニウム電極などの金属電極とすることができる。
【００３１】
７．駆動電源、電源回路
駆動電源１５は、向きが一定の電流が発光を伴い誘電体層３を流れるように半導体層１と第１電極７との間に電圧を印加する。駆動電源１５が出力する電力は電源回路１３により発光素子１２に供給される。駆動電源１５は、誘電体層３に流れる電流の向きが一定であれば直流電源であっても交流電源であってもよい。また、駆動電源１５が交流電源の場合、駆動電源１５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路１３中に整流ダイオード１６を含んでもよい。このことにより、反極性を持つ電源を変換して所望の極性電圧を出力することができる。また、駆動電源１５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路１３中に昇圧回路または降圧回路を含んでもよい。このことにより駆動電源１５の出力を所望の電圧値に変換して発光素子１２に出力することができる。
なお、本発明において、「向きが一定の電流」とは、印加電圧が増加すると電流値が大きくなるような電流の向きが一定である電流をいう。
【００３２】
駆動電源１５が交流電源である場合、駆動電源は所望の波形の電圧を出力する電源であってもよい。駆動電源１５は、例えば、矩形波の電圧を出力するものであってもよく、正弦波の電圧を出力するものであってもよい。図３（ａ）〜（ｃ）は、駆動電源１５により発光素子１２に電圧を出力する様々な電源回路１３を示した回路図である。駆動電源１５は、例えば、図３（ａ）のように低電圧正弦波交流電源とし、発光素子１２との間に昇圧回路および整流ダイオード１６を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード１６によって、半波のみを発光素子１２に出力することができる。このことにより、電流が流れる向きが一定の電流を発光素子１２に流すことができる。この電流の向きを発光素子が発光を伴い電流が流れる向きと同じにすることにより、発光素子を発光させることができる。
【００３３】
また、駆動電源１５は、例えば、図３（ｂ）のように交流電源とし、発光素子１２との間に降圧回路および整流ダイオード１６を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード１６によって、半波のみを発光素子１２に出力することができる。
また、駆動電源１５は、例えば、図３（ｃ）のように直流電源とし、発光素子１２との間にＤＣＤＣ変換回路を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。ＤＣＤＣ変換回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し発光素子１２に出力することができる。
【００３４】
発光素子の製造方法
以下に発光体５をゲルマニウム微粒子としたときの発光素子１２の製造方法について説明する。
１．半導体層の形成
半導体層１は、ｐ型シリコン基板またはｎ型シリコン基板を用いた場合、これらを半導体層１とすることができる。また、シリコン基板に、ｐ型不純物またはｎ型不純物を拡散させてシリコン基板の一部に半導体層１を形成してもよい。
【００３５】
２．誘電体層の形成
半導体層１の上に誘電体層３を形成する。例えば、シリコン基板を熱処理することにより酸化シリコンからなる誘電体層３を形成することができ、また、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誘電体層３を形成することもできる。
【００３６】
３．発光体の形成
誘電体層３の内部に発光体５を形成する。誘電体層３の内部に発光体５を形成する方法は、特に限定されないが、誘電体層３に対してゲルマニウムをイオン注入し、その後、熱処理を行う方法が考えられる。イオン注入後の熱処理によってゲルマニウムイオンが凝集して多数の微粒子が誘電体層３中に形成されるとともにＧｅ0が酸化されてＧｅ2+およびＧｅ4+を含む酸化ゲルマニウムが形成される。ゲルマニウムのイオン注入は、例えば、注入エネルギー５〜１００ｋｅＶで注入量１×１０14〜１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で行うことができる。
【００３７】
Ｇｅ2+とＧｅ4+の割合は、ゲルマニウムの注入量、熱処理時間、熱処理温度、熱処理雰囲気等を変化させることによって適宜調節することができる。具体的には熱処理雰囲気中の酸素の分圧や流量を調整することによってＧｅ2+の割合を高めることができる。例えば膜厚１００ｎｍの酸化シリコン中のゲルマニウムの原子濃度が１０％以下の場合において、１時間、８００℃の熱処理においては、真空引き(毎分４００リットル)しながら不活性ガスを供給（毎分５０ミリリットル）した場合は、ゲルマニウムは一部酸素と結合するが酸素が不足しているので完全には酸化されずＧｅ2+が生成できる。不活性ガスに体積２０％の酸素を混合した１気圧の雰囲気中では、酸素の供給過多でＧｅ4+が多く形成され、Ｇｅ2+が減少する。Ｇｅ2+の割合を高めるのに適した雰囲気は、ゲルマニウムの注入条件や熱処理時間、温度など他のパラメーターにも左右されるが、一例では、ゲルマニウムの原子濃度を比較的高くし、不活性ガスに酸素を混合したガスを真空引きしながら供給することによってＧｅ2+の割合を高めることができる。
【００３８】
また、ゲルマニウムは、誘電体層３中のゲルマニウム濃度が０．１〜１０．０原子％になるようにイオン注入することが好ましい。１時間、６００℃の熱処理において、真空引き（毎分４００リットル）しながら不活性ガスを供給（毎分５０ミリリットル）した場合は、この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。ゲルマニウム濃度は、具体的には例えば０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，２．０，３．０，４．０，５．０，６．０，７．０，８．０，９．０，１０．０原子％である。この濃度は、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。ゲルマニウム濃度は、例えば高分解能ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）法によって測定することができる。その他、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）等の様々な分析法によって測定することが可能である。なお、ゲルマニウム濃度の測定は、ゲルマニウム濃度がピーク値の１／１００以上となる範囲で行う。熱処理の温度は、４００〜９００℃が好ましく５００〜８００℃がさらに好ましい。この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。
【００３９】
４．第１電極の形成
発光体５が形成された誘電体層３の上に第１電極７である透光性電極を形成する。例えばＩＴＯ電極であれば塗布法、スパッタリング等により形成することができる。
【００４０】
５．第２電極の形成
第２電極１０を半導体層１と電気的接続するように形成する。形成方法は特に限定されないが、アルミニウム電極を例えば、塗布法、スパッタリング等により半導体層１上に形成することができる。
【００４１】
ＥＬ実験
１．効果確認実験
以下の方法で本発明の発光装置の効果を確認するための実験を行った。図４は発光素子１２の作製方法のフローチャートである。
まず、５×１０15ｃｍ-3の不純物濃度を有するｎ型シリコン基板を酸素雰囲気中、１０５０℃で熱酸化することによって表面に６０ｎｍの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９．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で注入した。
【００４２】
次に、熱酸化膜を形成したシリコン基板を電気炉に設置し、ロータリーポンプで引きながら、窒素を流入させ、６００℃で１時間熱処理した。
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。
作製されたＥＬ素子は、図１に示した発光素子１２の断面図のような断面を有している。
【００４３】
この発光素子のアルミニウム電極を接地接続し、ＩＴＯ電極に−４０Ｖ程度とすることにより、ｎ型シリコン基板（半導体層１）を正極とし、ＩＴＯ電極（第１電極７）を負極としてシリコン熱酸化膜（誘電体層３）電圧を印加したところ青色の発光が確認された。
上記のＥＬ素子においては、半導体層１にｎ型シリコン基板を使用しているため、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に負電圧を印加すると発光した。半導体層１にｐ型シリコン基板を使用すると、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に正電圧を印加すると発光する。
【００４４】
また、作製したＥＬ素子の青色の発光の発光スペクトルを図５に示す。図５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。
なお、１．０×１０17ｃｍ-3の不純物濃度を有するｎ型シリコン基板またはｐ型シリコン基板を用いて、同様の方法でそれぞれ発光素子を作製し、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に電圧を印加したが、発光は確認されなかった。また、５×１０15ｃｍ-3の不純物濃度を有するｐ型シリコン基板を用いて、同様の方法で発光素子を作製し、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に電圧を印加すると発光が確認された。
このことにより、５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するシリコン基板を用いて発光素子を作製することにより、発光素子をエレクトロルミネッセンス発光させることができることがわかった。
【００４５】
作製したＥＬ素子のアルミニウム電極を接地接続し、ＩＴＯ電極が−７０Ｖ〜＋７０Ｖの電位となるように変化させ、ＥＬ素子のＩ−Ｖ特性および発光―電圧特性の測定を行った。この測定結果を図６に示す。図６を参照すると、ＩＴＯ電極が負の電位となるように電圧を印加した場合、ＥＬ素子に電流が流れるとＥＬ素子は発光しており、ＩＴＯ電極が正の電位になるように電圧を印加した場合、ＥＬ素子に電流が流れてもＥＬ素子はほとんど発光していないことがわかる。また、ＥＬ素子に同じ電位差の電圧を印加した場合であって、ＩＴＯ電極を負の電位としたときと正の電位としたときでは、ＩＴＯ電極を正の電位としたときより大きい電流値の電流がＥＬ素子に流れていることがわかる。つまり、ＥＬ素子に発光を伴う電流が流れた場合（ＩＴＯ電極を負の電位とした場合、つまりシリコン基板を正極としＩＴＯ電極を負極として熱酸化膜に電圧を印加した場合）、ＥＬ素子に発光を伴わない電流が流れた場合（ＩＴＯ電極を正の電位とした場合、つまりシリコン基板を負極としＩＴＯ電極を正極として熱酸化膜に電圧を印加した場合）に比べＥＬ素子の電気抵抗値はより大きく、消費電力は小さいことがわかる。
【００４６】
また、図６を参照すると、ＥＬ素子の発光電圧閾値−Ｖaは―４０Ｖであり、このときの電流値−Ｉ1は―４．３ｍＡであることがわかった。このとき、発光閾値の逆符号の電圧＋Ｖa４０ＶをＥＬ素子に印加した時の電流値＋Ｉ2は＋１２６ｍＡであった。これは、上述の本明細書内における「｜Ｉ2｜＞１０×｜Ｉ1｜」という条件を満たしている。つまり、ＥＬ素子に正弦波電圧を印加しＩＴＯ電極が正の電位となった際に発光に寄与しない電流がＥＬ素子に多く流れることとなる。
【００４７】
次に、電圧印加時のＥＬ素子の表面温度測定を行った。具体的には、作製したＥＬ素子の接地接続したアルミニウム電極表面に薄いポリイミドテープで包んだＫ熱電対を貼り付け、２５℃雰囲気にて、駆動電源をＩＴＯ電極に接続し表１に記載の電圧印加方法１〜８の方法でＥＬ素子に電圧を印加してＥＬ素子の表面温度を測定した。熱電対をポリイミドテープで包むのは、電圧印加時にＥＬ素子を流れる電流が温度測定に影響することを避けるためである。
この測定結果を表１に示す。表１に示した素子温度は、それぞれの方法で電圧を印加し素子温度が飽和状態に達した後の１００秒間の測定平均値を算出し示した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１の電圧印加方法１〜３は、ＥＬ素子に矩形波の電圧を印加したときの素子表面温度を示しており、最高電圧と最低電圧をそれぞれ変えている。
電圧印加方法１および２では素子表面温度が７０℃以上になっているのに対し、電圧印加方法３では、素子表面温度が３０℃程度に抑えられていることがわかった。電圧印加方法１、２では、最高電圧が＋６０Ｖであるため、ＩＴＯ電極が正極となりシリコン基板が負極となり熱酸化膜に電流（発光を伴わない電流）が流れるが、電圧印加方法３では、最高電圧が０Ｖであるため、「発光を伴わない電流」が流れないと考えられる。従って、「発光が伴わない電流」が流れるとＥＬ素子の発熱量は大きいことがわかった。また、この「発光を伴わない電流」が流れないようにＥＬ素子に電圧を印加することによりＥＬ素子の発熱を抑制することができることがわかった。
【００５０】
また、電圧印加方法１、３では、最低電圧が−６０Ｖであるため、ＩＴＯ電極が負極となりシリコン基板が正極となり熱酸化膜に電流（発光を伴う電流）が流れるが、電圧印加方法２では最低電圧が０Ｖであるため、「発光を伴う電流」が流れないと考えられる。電圧印加方法３では素子表面温度が３０℃程度に抑えられており、電圧印加方法１では電圧印加方法２と比べ１５℃程度高いだけである。従って、「発光を伴う電流」が流れてもＥＬ素子の発熱量は小さいことがわかった。
【００５１】
表１の電圧印加方法４は、ＥＬ素子に最高電圧＋６０Ｖ、最低電圧―６０Ｖの正弦波の電圧を印加したときの素子表面温度を示している。最高電圧、最低電圧が同じの電圧印加方法１と比較すると、電圧印加方法４のほうが温度上昇が低く抑えられている。これは、電圧印加方法４の印加電圧が正弦波であるため、「発光を伴わない電流」がより小さいためと考えられる。
【００５２】
表１の電圧印加方法５、６は、ＩＴＯ電極を−６０Ｖまたは＋６０ＶとなるようにＥＬ素子に直流電圧を印加したときの素子表面温度を示している。電圧印加方法５では、素子表面温度は、３５℃と低く抑えられている。これは、ＩＴＯ電極が−６０Ｖとなるように電圧を印加するため、「発光を伴う電流」は流れるが、「発光を伴わない電流」は流れないためと考えられる。電圧印加方法６では、素子温度が１１５℃ととても高くなっている。これは、ＩＴＯ電極が＋６０Ｖとなるように電圧を印加するため、「発光を伴う電流」が多く流れ、「発光を伴わない電流」流れないためと考えられる。
【００５３】
表１の電圧印加方法７，８は、ＥＬ素子に０Ｖを原点として正負に対称な矩形波で最高電圧＋６０Ｖ、最低電圧―６０Ｖの電圧をduty比を変化させて印加したときの素子表面温度を示している。ここで、duty比は、（正電圧の印加時間）／（正電圧の印加時間＋負電圧の印加時間）としている。これらの結果から、正電圧の印加時間が長いほど素子表面温度は上昇することがわかった。
【００５４】
これらをまとめると、作製したＥＬ素子においては、負電圧のみを印加するものであれば、その波形に関わらず発熱を小さく抑制することが可能であり、少しでも正電圧が印加されれば、たちまち発熱増大もつながることがわかった。特に光電混載回路の場合には、ＬＳＩと発光素子が密集しており、ＬＳＩは温度の影響を強く受けるため、発熱は小さいことが好ましい。１つの目安として素子表面温度が８５℃以下に抑えられることが好ましい。この８５℃とはＬＳＩ等の信頼性の目安の１つであるからである。さらに素子表面温度は６０℃以下に抑えられることが好ましい。
【００５５】
素子表面温度を抑制するためには、駆動電源は極性をもった電圧のみを発光素子に印加することが望ましい。この構成を達成するには、例えば、駆動電源は、直流電源、または、後段にダイオードを有する交流電源によって構成すればよい。
【００５６】
次に表１の電圧印加方法１（矩形波、最高電圧＝＋６０Ｖ、最低電圧＝−６０Ｖ）と電圧印加方法３矩形波、最高電圧＝０Ｖ、最低電圧＝−６０Ｖ）によりそれぞれＥＬ素子に電圧を印加したときの発光時間の測定を行った。この結果を図７に示す。図７を見ると、電圧印加方法３によりＥＬ素子に電圧を印加した場合の方が、電圧印加方法１によりＥＬ素子に電圧を印加した場合に比べ発光強度の劣化が少ないことがわかる。初期輝度の５０％になる時間をＥＬ素子の発光寿命と定義すると、電圧印加方法３により電圧を印加したＥＬ素子は、電圧印加方法１により電圧を印加したＥＬ素子に比べ約２０倍長い発光寿命を有するという結果を得た。発光は負電圧印加時にしか起きないので、この発光寿命の差はＥＬ素子の温度の違いによるものだと考えられる。すなわち、ＥＬ素子の発熱を抑制する電圧印加方法が、発光寿命の増長につながるという効果を得た。
【００５７】
本実験において作製したＥＬ素子は、発光体としてゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムを含有するものであったが、ＥＬ素子は、発光体としてＺｎＳを含有するものであってもよい。また、ＥＬ素子は、ゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムとＺｎＳの両方を含有するものであってもよい。イオン注入法やＣＶＤ法を用い、ゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムを含有する発光層に更にＺｎＳを導入することによりＥＬ素子を作製することもできる。
【００５８】
２．酸化ゲルマニウムと発光との関係
以下に示す方法によって、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が本発明に含まれる発光素子の発光に関与していることを確認した。
【００５９】
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、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が発光に関与するというものである。ＧｅＯ（Ｇｅ2+）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。
【００６０】
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、この素子に上記の方法で電圧を印加したときのＥＬ波長を測定した。ＥＬ波長の測定には、「島津製作所製 分光蛍光光度計ＲＦ−５３００ＰＣ」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「１．効果確認実験」で説明した通りである。
【００６１】
得られた結果を図８、図９に示す。図８中の温度は、Ｇｅ注入後の熱処理温度（時間は１時間）を示す。図９中の「原子％」は、Ｇｅ注入後のシリコン酸化膜内でのＧｅ濃度を示す。図８でのＧｅ濃度は５．０原子％であり、図９でのＧｅ注入後の熱処理温度は７００℃（時間は１時間）である。
【００６２】
図８、図９を参照すると、熱処理温度やＧｅ濃度が変わってもＥＬ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ＥＬのピーク波長がずれるはずである。従って、図８、図９で確認されたＥＬ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。
【００６３】
以上より、本発明の発光素子からのＥＬ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、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が関与していることが確認できた。
【００６４】
ところで、図８を参照すると、熱処理温度は、６００〜７００℃が好ましいことが分かる。また、図９を参照すると、Ｇｅ濃度は、３．０原子％以上が好ましく、３．０〜５．０原子％がさらに好ましいことが分かる。
【００６５】
３．Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合の深さ方向分布
「１．効果確認実験」で説明した方法に従って発光素子を作製し、シリコン酸化膜内でのＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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５．０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Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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１０に示す。また、各深さに含まれるＧｅ原子の状態を、Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合で示したグラフを図１１に示す。
【００６６】
これによると、「１．効果確認実験」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Ｇｅ0の割合は３０〜７０％である。Ｇｅ4+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Ｇｅ2+は１０〜５０％の間である。
【００６７】
各深さでのＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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、Ｇｅ0に起因するピークの面積ＳGeと、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+と、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+とを求め、ＳGe／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe2+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe4+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）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。
【符号の説明】
【００６８】
１： 半導体基板（半導体層） ３：誘電体層 ５：発光体 ７：第１電極 １０：第２電極 １２：発光素子 １３：電源回路 １５：駆動電源 １６：整流ダイオード ２０：発光装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子は長寿命であって、省電力であるところから表示装置や次世代の面発光表示装置として注目されている。無機ＥＬ素子を発光させるためには、200〜300 V の電圧を無機ＥＬ素子に印加する必要がある。従来の無機ＥＬ素子に電圧を印加する電源装置は、商用交流を昇圧し無機ＥＬ素子に印加する基本構成となっており、定電圧および定周波数の交流を出力して無機ＥＬ素子を発光させる（たとえば、特許文献１）。より具体的には、電流共振型の直列共振回路による昇圧回路により、無機ＥＬ素子に正弦波電圧を印加する方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の電源装置により無機ＥＬ素子に電圧を印加し無機ＥＬ素子を発光させると、無機ＥＬ素子が発熱するという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電圧の印加に伴う発熱が抑制された発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする発光装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発光素子は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体を含むため、半導体層と第１電極との間に電圧を印加することにより、発光素子を発光させることができる。
本発明によれば、発光素子は、半導体層を正極とし第１電極を負極として誘電体層に電流を流した場合および半導体層を負極とし第１電極を正極として誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光しないため、発光素子が発光する向きで一定の電流を誘電体層に流れるように電圧を発光素子に印加することにより、発光素子をより少ない消費電力で効率よく発光させることができる。
本発明によれば、実質的に発光しない方向の電流が誘電体層に流れないように発光素子に電圧を印加するため、駆動電源が印加した電力が熱に変換されることを抑制することができ、発光素子の発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の発光装置の構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の一実施形態の発光装置に含まれる発光素子の構成を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の一実施形態の発光装置に含まれる駆動電源が発光素子に電圧を印加する電源回路を示す回路図である。
【図４】ＥＬ実験で作製した発光素子の作製フローチャートである。
【図５】ＥＬ実験で作製した発光素子の発光スペクトルである。
【図６】ＥＬ実験で作製した発光素子のＩ−Ｖ特性および発光―電圧特性を示したグラフである。
【図７】ＥＬ実験で作製した発光素子の発光時間特性を示したグラフである。
【図８】ＥＬ実験で作製した発光素子の熱処理温度と発光強度の関係を示したグラフである。
【図９】ＥＬ実験で作製した発光素子のゲルマニウム濃度と発光強度の関係を示したグラフである。
【図１０】ＥＬ実験で作製した発光素子のシリコン酸化膜の表面からの各深さで測定したＸＰＳスペクトルである。
【図１１】ＥＬ実験で作製した発光素子のシリコン酸化膜の表面からの深さとＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の発光装置は、半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする。
【０００９】
本発明の発光装置において、前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れる場合前記誘電体層に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子をより少ない消費電力で発光させることができる。
本発明の発光装置において、前記電源回路は、前記半導体層と第１電極との間の前記誘電体層に電流を流すため整流ダイオードを備え、前記電源回路は、交流電源から電力を供給されることが好ましい。
このような構成によれば、駆動電源に交流電源を用いた場合でも向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することができる。
【００１０】
本発明の発光装置において、前記電源回路は、直流電源から電力を供給されることが好ましい。
このような構成によれば、向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することができる。
本発明の発光装置において、前記半導体層は、ｎ型半導体またはｐ型半導体からなり、前記電源回路は、前記半導体層がｎ型半導体からなる場合、前記半導体層が正極となり第１電極が負極となるように前記発光素子と電気的に接続し、前記半導体層がｐ型半導体からなる場合、前記半導体層が負極となり第１電極が正極となるように前記発光素子と電気的に接続することが好ましい。
このような構成によれば、向きが一定の電流が誘電体層に流れるように発光素子に電圧を印加することにより発光素子を発光させることができる。
【００１１】
本発明の発光装置において、前記発光体は、ゲルマニウム原子を含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子が発光することができる。
本発明の発光装置において、前記発光体は、ＺｎＳを含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光素子が発光することができる。
本発明の発光装置において、前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れた場合６０℃以下の表面温度を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光素子を光電混載回路に搭載しても発光素子の発熱による他の素子への影響を抑制することができる。また、発光素子を照明等の光源に用いても発光素子の発熱による輝度劣化への影響を抑制することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
発光装置の構成
図１は本発明の一実施形態の発光装置の構成を示す説明図である。図１において、発光素子１２は概略断面図で示しており、発光素子１２に電圧を印加する駆動電源１５および電源回路は回路図などで示している。
【００１４】
本実施形態の発光装置２０は、半導体層１と、第１電極７と、半導体層１と第１電極７とに挟まれた誘電体層３と、半導体層１の中、誘電体層３の中、半導体層１と誘電体層３との間、または第１電極７と誘電体層３との間に形成された発光体５とを含む発光素子１２と、半導体層１と第１電極７との間に電圧を印加するための電源回路１３とを備え、発光素子１２は、半導体層１を正極とし第１電極７を負極として誘電体層３に電流を流した場合および半導体層１を負極とし第１電極７を正極として誘電体層３に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、電源回路１３は、向きが一定の電流が発光を伴い誘電体層３を流れるように発光素子１２と電気的に接続することを特徴とする。
以下、本実施形態の発光装置２０について説明する。
【００１５】
１．発光素子
発光素子１２は、半導体層１と、第１電極７と、半導体層１と第１電極７とに挟まれた誘電体層３と、半導体層１の中、誘電体層３の中、半導体層１と誘電体層３との間または第１電極７と誘電体層３との間に形成された発光体５とを含む。また、発光素子１２は、半導体層１を正極とし第１電極７を負極として誘電体層３に電流を流した場合および半導体層１を負極とし第１電極７を正極として誘電体層３に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光しない。なお、本願では、発光する場合の誘電体層３に流れる電流を「発光を伴う電流」といい、実質的に発光しない場合の誘電体層３に流れる電流を「発光を伴わない電流」という。発光素子１２は、無機ＥＬ素子であってもよい。また、「発光素子１２が実質的に発光しない」とは、誘電体層３に電流が流れても発光素子１２が発光しない場合、および「発光を伴わない電流」が誘電体層３に流れたときの発光量が「発光を伴う電流」が流れたときの発光量と比較して十分に小さい場合をいう。
【００１６】
発光素子１２は、誘電体層３に発光を伴う電流が流れる場合、誘電体層３に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有してもよい。この場合、半導体層１と第１電極７との間に同じ大きさの電圧を極性を逆にして印加した場合、「発光を伴わない電流」の大きさは、「発光を伴う電流」の大きさよりも大きくなる。また、発光電圧閾値を−Ｖaとし、このときの電流値を−Ｉ1としたとき、＋Ｖaの電圧印加時の電流値＋Ｉ2は、｜Ｉ2｜＞１０×｜Ｉ1｜とすることができる。
発光素子１２の発光機構は、半導体層１と第１電極７との間に印加された電圧により誘電体層３と半導体層１に電界が形成され、半導体層１または第１電極７から誘電体層３に導入された電子がこの電界により加速され、この加速された電子が発光体５を励起しその励起準位が緩和することにより、発光体５が発光するためと考えられる。
【００１７】
２．半導体層
半導体層１は、第１電極７との間に誘電体層３を挟むように設けられ、駆動電源１５により誘電体層３に電圧を印加するための電極となることができる。半導体層１は、電極となることができる半導体からなれば特に限定されないが、例えば、ｐ型半導体またはｎ型半導体とすることができる。多くの半導体材料では不純物ドーピングを行うことによって、その抵抗率を調節することが可能である。また、発光素子１２を光電混載基板に搭載するには、ディスクリート素子として構成し、ボンディングするよりも、半導体基板に作製した方が、占有面積等の面でメリットがあると考えられる。
【００１８】
半導体層１は、誘電体層３と接する表面にｐ型半導体とｎ型半導体の両方を有してもよい。また、半導体層１は、基板上に形成した半導体の層であってもよく、半導体基板であってもよく、半導体基板の一部であってもよい。より具体的には、例えばｐ型シリコン基板またはｎ型シリコン基板とすることができる。また、ＳｉＯ2基板などの上にｐ型シリコンまたはｎ型シリコンを形成したものでもよく、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ2などの誘電体層３を形成し、その上にｐ型シリコンまたはｎ型シリコンを形成したものでもよい。その場合、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に含まれる結晶シリコン基板上に発光素子１２を形成してもよいし、または、ＣＶＤ法等を用いてＳｉＯ2などの誘電体層３上にアモルファスシリコンなどを形成し、その上に発光素子１２を形成してもよい。
【００１９】
３．第１電極
第１電極７は、半導体層１との間に誘電体層３を挟むように設けられ、駆動電源により誘電体層３に電圧を印加するための電極となることができる。第１電極７は、電極となるものであれば特に限定されないが、透光性を有することが好ましい。第１電極７は、例えば、透光性電極とすることができる。また、第１電極７は、波長３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光の透過率が６０％以上９９．９９％以下であってもよい。このことにより、発光体５の発光を第１電極側から取り出すことができる。第１電極７は、例えば、ＩＴＯなどの金属酸化物薄膜またはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属薄膜またはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体薄膜である。
【００２０】
４．誘電体層
誘電体層３は、半導体層１と第１電極７との挟まれるように設けられる。例えば、誘電体層３は、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンからなる。また、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンは通常のシリコン半導体プロセスで製膜可能であるので量産性に優れる上、他の電子回路と組み合わせることが可能である。また、誘電体層３を酸化シリコンとし、半導体層１をシリコン基板とすると、誘電体層３をシリコン基板の熱酸化膜とすることができ、容易に形成することができる。
誘電体層３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下（例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０及び１００ｎｍのうちいずれか２つの間の範囲）とすることができる。
【００２１】
誘電体層３は、透光性を有することができる。このことにより、発光体５の発光を取り出すことができる。誘電体層３の光透過率は、例えば波長３００〜５００ｎｍの光の透過率が８０％以上であることが好ましい。発光体５がＧｅＯ及びＧｅＯ2を含む微粒子の場合、発光体５から放出される光のピーク波長は３９０ｎｍ前後であるので、波長３００〜５００ｎｍでの光透過率が高ければその分だけ光取り出し効率が高くなるからである。
【００２２】
５．発光体
発光体５は、半導体層１中、誘電体層３中、半導体層１と誘電体層３との間、または第１電極７と誘電体層３との間に形成される。図２は、様々な実施形態の発光素子１２の断面図である。発光体５は、図１のように誘電体層３中に形成されていてもよく、図２（ａ）のように半導体層１中に形成されていてもよい。また、発光体５は、半導体層１中または誘電体層３中に原子として存在してもよく、微粒子として存在してもよい。また、発光体５は、図２（ｂ）〜（ｄ）のように層状に形成されてもよい。層状の発光体５は、図２（ｂ）のように誘電体層３に挟まれるように形成されてもよく、図３（ｃ）のように半導体層１と誘電体層３との間に形成されてもよく、図３（ｄ）のように誘電体層３と第１電極７との間に形成されてもよい。
【００２３】
原子状の発光体５としては、例えば、ゲルマニウム原子、シリコン原子又はスズ原子などが挙げられ、酸化シリコンからなる誘電体層３にゲルマニウム原子などをイオン注入することにより形成することができる。微粒子状の発光体５としては、例えば、ゲルマニウム微粒子が挙げられる。また、層状の発光体５しては、例えば、ＺｎＳからなる層が挙げられる。
【００２４】
以下、発光体５がゲルマニウム微粒子からなる場合について説明する。
ゲルマニウム微粒子は、例えば、酸化シリコンからなる誘電体層３にゲルマニウム原子をイオン注入し、熱処理を施すことによりゲルマニウム原子を凝集させることにより形成することができる。この場合、形成したゲルマニウム微粒子に熱処理を施し酸化ゲルマニウムを含むゲルマニウム微粒子とすることもできる。さらに、前記酸化ゲルマニウムに含まれるゲルマニウム原子は＋２価であってもよく、＋４価であってもよく、＋２価のゲルマニウム原子（以下、Ｇｅ2+と略す）と＋４価のゲルマニウム原子（以下、Ｇｅ4+と略す）が混在してもよい。また、誘電体層３中の発光体５を構成する原子の数密度は、例えば１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０21個／ｃｍ3である。
【００２５】
発光体５は、好ましくは、最大粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の微粒子である。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、誘電体層３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。
【００２６】
酸化ゲルマニウム全体（Ｇｅ4+＋Ｇｅ2+）に対するＧｅ2+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、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+と、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+を求め、ＳGe2+／（ＳGe4+＋ＳGe2+）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。Ｇｅ4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークは、裾野が重なるがガウスフィッティングを行ってＧｅ4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークとを波形分離することによって面積ＳGe4+及びＳGe2+を求めることができる。Ｇｅ4+及びＧｅ2+のピークエネルギーは、それぞれ約３３．５ｅＶ、３２ｅＶである。
【００２７】
発光体５がＧｅ2+及びＧｅ4+を含むゲルマニウム微粒子の場合、発光体５に含まれるＧｅ2+とＧｅ4+の合計を１００％としたときＧｅ2+を１０％以上含むことができる。Ｇｅ2+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。Ｇｅ2+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。Ｇｅ2+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。
【００２８】
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、０価のゲルマニウム（以下、Ｇｅ0と略す）に起因するピークの面積ＳGeと、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+＋Ｇｅ4+）に起因するピークの面積Ｓ酸化Geを求め、ＳGe2+／（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。
【００２９】
発光体５が誘電体層３中に形成したゲルマニウム微粒子からなる場合の発光素子１２は、半導体層１と第１電極７との間に電圧印加をした際のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の波長のピークが３４０〜４４０ｎｍ（より厳密には、３５０〜４３０ｎｍ，３６０〜４２０ｎｍ，３７０〜４１０ｎｍ，３８０〜４００ｎｍ又は３８５〜３９５ｎｍ）の範囲内である。
【００３０】
６．第２電極
第２電極１０は、半導体層１と電気的に接続するように形成される。半導体層１は第２電極を介して駆動電源１５と接続することができる。または、半導体層１は第２電極を介して接地接続することができる。第２電極１０は、たとえば、アルミニウム電極などの金属電極とすることができる。
【００３１】
７．駆動電源、電源回路
駆動電源１５は、向きが一定の電流が発光を伴い誘電体層３を流れるように半導体層１と第１電極７との間に電圧を印加する。駆動電源１５が出力する電力は電源回路１３により発光素子１２に供給される。駆動電源１５は、誘電体層３に流れる電流の向きが一定であれば直流電源であっても交流電源であってもよい。また、駆動電源１５が交流電源の場合、駆動電源１５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路１３中に整流ダイオード１６を含んでもよい。このことにより、反極性を持つ電源を変換して所望の極性電圧を出力することができる。また、駆動電源１５が誘電体層３に電圧を印加するための電源回路１３中に昇圧回路または降圧回路を含んでもよい。このことにより駆動電源１５の出力を所望の電圧値に変換して発光素子１２に出力することができる。
なお、本発明において、「向きが一定の電流」とは、印加電圧が増加すると電流値が大きくなるような電流の向きが一定である電流をいう。
【００３２】
駆動電源１５が交流電源である場合、駆動電源は所望の波形の電圧を出力する電源であってもよい。駆動電源１５は、例えば、矩形波の電圧を出力するものであってもよく、正弦波の電圧を出力するものであってもよい。図３（ａ）〜（ｃ）は、駆動電源１５により発光素子１２に電圧を出力する様々な電源回路１３を示した回路図である。駆動電源１５は、例えば、図３（ａ）のように低電圧正弦波交流電源とし、発光素子１２との間に昇圧回路および整流ダイオード１６を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード１６によって、半波のみを発光素子１２に出力することができる。このことにより、電流が流れる向きが一定の電流を発光素子１２に流すことができる。この電流の向きを発光素子が発光を伴い電流が流れる向きと同じにすることにより、発光素子を発光させることができる。
【００３３】
また、駆動電源１５は、例えば、図３（ｂ）のように交流電源とし、発光素子１２との間に降圧回路および整流ダイオード１６を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。昇圧回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し、整流ダイオード１６によって、半波のみを発光素子１２に出力することができる。
また、駆動電源１５は、例えば、図３（ｃ）のように直流電源とし、発光素子１２との間にＤＣＤＣ変換回路を設けて発光素子１２と電気的に接続してもよい。ＤＣＤＣ変換回路によって、駆動電源１５から出力される電圧を所望の電圧値に変換し発光素子１２に出力することができる。
【００３４】
発光素子の製造方法
以下に発光体５をゲルマニウム微粒子としたときの発光素子１２の製造方法について説明する。
１．半導体層の形成
半導体層１は、ｐ型シリコン基板またはｎ型シリコン基板を用いた場合、これらを半導体層１とすることができる。また、シリコン基板に、ｐ型不純物またはｎ型不純物を拡散させてシリコン基板の一部に半導体層１を形成してもよい。
【００３５】
２．誘電体層の形成
半導体層１の上に誘電体層３を形成する。例えば、シリコン基板を熱処理することにより酸化シリコンからなる誘電体層３を形成することができ、また、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誘電体層３を形成することもできる。
【００３６】
３．発光体の形成
誘電体層３の内部に発光体５を形成する。誘電体層３の内部に発光体５を形成する方法は、特に限定されないが、誘電体層３に対してゲルマニウムをイオン注入し、その後、熱処理を行う方法が考えられる。イオン注入後の熱処理によってゲルマニウムイオンが凝集して多数の微粒子が誘電体層３中に形成されるとともにＧｅ0が酸化されてＧｅ2+およびＧｅ4+を含む酸化ゲルマニウムが形成される。ゲルマニウムのイオン注入は、例えば、注入エネルギー５〜１００ｋｅＶで注入量１×１０14〜１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で行うことができる。
【００３７】
Ｇｅ2+とＧｅ4+の割合は、ゲルマニウムの注入量、熱処理時間、熱処理温度、熱処理雰囲気等を変化させることによって適宜調節することができる。具体的には熱処理雰囲気中の酸素の分圧や流量を調整することによってＧｅ2+の割合を高めることができる。例えば膜厚１００ｎｍの酸化シリコン中のゲルマニウムの原子濃度が１０％以下の場合において、１時間、８００℃の熱処理においては、真空引き(毎分４００リットル)しながら不活性ガスを供給（毎分５０ミリリットル）した場合は、ゲルマニウムは一部酸素と結合するが酸素が不足しているので完全には酸化されずＧｅ2+が生成できる。不活性ガスに体積２０％の酸素を混合した１気圧の雰囲気中では、酸素の供給過多でＧｅ4+が多く形成され、Ｇｅ2+が減少する。Ｇｅ2+の割合を高めるのに適した雰囲気は、ゲルマニウムの注入条件や熱処理時間、温度など他のパラメーターにも左右されるが、一例では、ゲルマニウムの原子濃度を比較的高くし、不活性ガスに酸素を混合したガスを真空引きしながら供給することによってＧｅ2+の割合を高めることができる。
【００３８】
また、ゲルマニウムは、誘電体層３中のゲルマニウム濃度が０．１〜１０．０原子％になるようにイオン注入することが好ましい。１時間、６００℃の熱処理において、真空引き（毎分４００リットル）しながら不活性ガスを供給（毎分５０ミリリットル）した場合は、この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。ゲルマニウム濃度は、具体的には例えば０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，２．０，３．０，４．０，５．０，６．０，７．０，８．０，９．０，１０．０原子％である。この濃度は、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。ゲルマニウム濃度は、例えば高分解能ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）法によって測定することができる。その他、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）等の様々な分析法によって測定することが可能である。なお、ゲルマニウム濃度の測定は、ゲルマニウム濃度がピーク値の１／１００以上となる範囲で行う。熱処理の温度は、４００〜９００℃が好ましく５００〜８００℃がさらに好ましい。この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。
【００３９】
４．第１電極の形成
発光体５が形成された誘電体層３の上に第１電極７である透光性電極を形成する。例えばＩＴＯ電極であれば塗布法、スパッタリング等により形成することができる。
【００４０】
５．第２電極の形成
第２電極１０を半導体層１と電気的接続するように形成する。形成方法は特に限定されないが、アルミニウム電極を例えば、塗布法、スパッタリング等により半導体層１上に形成することができる。
【００４１】
ＥＬ実験
１．効果確認実験
以下の方法で本発明の発光装置の効果を確認するための実験を行った。図４は発光素子１２の作製方法のフローチャートである。
まず、５×１０15ｃｍ-3の不純物濃度を有するｎ型シリコン基板を酸素雰囲気中、１０５０℃で熱酸化することによって表面に６０ｎｍの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９．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で注入した。
【００４２】
次に、熱酸化膜を形成したシリコン基板を電気炉に設置し、ロータリーポンプで引きながら、窒素を流入させ、６００℃で１時間熱処理した。
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。
作製されたＥＬ素子は、図１に示した発光素子１２の断面図のような断面を有している。
【００４３】
この発光素子のアルミニウム電極を接地接続し、ＩＴＯ電極に−４０Ｖ程度とすることにより、ｎ型シリコン基板（半導体層１）を正極とし、ＩＴＯ電極（第１電極７）を負極としてシリコン熱酸化膜（誘電体層３）電圧を印加したところ青色の発光が確認された。
上記のＥＬ素子においては、半導体層１にｎ型シリコン基板を使用しているため、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に負電圧を印加すると発光した。半導体層１にｐ型シリコン基板を使用すると、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に正電圧を印加すると発光する。
【００４４】
また、作製したＥＬ素子の青色の発光の発光スペクトルを図５に示す。図５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。
なお、１．０×１０17ｃｍ-3の不純物濃度を有するｎ型シリコン基板またはｐ型シリコン基板を用いて、同様の方法でそれぞれ発光素子を作製し、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に電圧を印加したが、発光は確認されなかった。また、５×１０15ｃｍ-3の不純物濃度を有するｐ型シリコン基板を用いて、同様の方法で発光素子を作製し、シリコン基板に対してＩＴＯ電極に電圧を印加すると発光が確認された。
このことにより、５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するシリコン基板を用いて発光素子を作製することにより、発光素子をエレクトロルミネッセンス発光させることができることがわかった。
【００４５】
作製したＥＬ素子のアルミニウム電極を接地接続し、ＩＴＯ電極が−７０Ｖ〜＋７０Ｖの電位となるように変化させ、ＥＬ素子のＩ−Ｖ特性および発光―電圧特性の測定を行った。この測定結果を図６に示す。図６を参照すると、ＩＴＯ電極が負の電位となるように電圧を印加した場合、ＥＬ素子に電流が流れるとＥＬ素子は発光しており、ＩＴＯ電極が正の電位になるように電圧を印加した場合、ＥＬ素子に電流が流れてもＥＬ素子はほとんど発光していないことがわかる。また、ＥＬ素子に同じ電位差の電圧を印加した場合であって、ＩＴＯ電極を負の電位としたときと正の電位としたときでは、ＩＴＯ電極を正の電位としたときより大きい電流値の電流がＥＬ素子に流れていることがわかる。つまり、ＥＬ素子に発光を伴う電流が流れた場合（ＩＴＯ電極を負の電位とした場合、つまりシリコン基板を正極としＩＴＯ電極を負極として熱酸化膜に電圧を印加した場合）、ＥＬ素子に発光を伴わない電流が流れた場合（ＩＴＯ電極を正の電位とした場合、つまりシリコン基板を負極としＩＴＯ電極を正極として熱酸化膜に電圧を印加した場合）に比べＥＬ素子の電気抵抗値はより大きく、消費電力は小さいことがわかる。
【００４６】
また、図６を参照すると、ＥＬ素子の発光電圧閾値−Ｖaは―４０Ｖであり、このときの電流値−Ｉ1は―４．３ｍＡであることがわかった。このとき、発光閾値の逆符号の電圧＋Ｖa４０ＶをＥＬ素子に印加した時の電流値＋Ｉ2は＋１２６ｍＡであった。これは、上述の本明細書内における「｜Ｉ2｜＞１０×｜Ｉ1｜」という条件を満たしている。つまり、ＥＬ素子に正弦波電圧を印加しＩＴＯ電極が正の電位となった際に発光に寄与しない電流がＥＬ素子に多く流れることとなる。
【００４７】
次に、電圧印加時のＥＬ素子の表面温度測定を行った。具体的には、作製したＥＬ素子の接地接続したアルミニウム電極表面に薄いポリイミドテープで包んだＫ熱電対を貼り付け、２５℃雰囲気にて、駆動電源をＩＴＯ電極に接続し表１に記載の電圧印加方法１〜８の方法でＥＬ素子に電圧を印加してＥＬ素子の表面温度を測定した。熱電対をポリイミドテープで包むのは、電圧印加時にＥＬ素子を流れる電流が温度測定に影響することを避けるためである。
この測定結果を表１に示す。表１に示した素子温度は、それぞれの方法で電圧を印加し素子温度が飽和状態に達した後の１００秒間の測定平均値を算出し示した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１の電圧印加方法１〜３は、ＥＬ素子に矩形波の電圧を印加したときの素子表面温度を示しており、最高電圧と最低電圧をそれぞれ変えている。
電圧印加方法１および２では素子表面温度が７０℃以上になっているのに対し、電圧印加方法３では、素子表面温度が３０℃程度に抑えられていることがわかった。電圧印加方法１、２では、最高電圧が＋６０Ｖであるため、ＩＴＯ電極が正極となりシリコン基板が負極となり熱酸化膜に電流（発光を伴わない電流）が流れるが、電圧印加方法３では、最高電圧が０Ｖであるため、「発光を伴わない電流」が流れないと考えられる。従って、「発光が伴わない電流」が流れるとＥＬ素子の発熱量は大きいことがわかった。また、この「発光を伴わない電流」が流れないようにＥＬ素子に電圧を印加することによりＥＬ素子の発熱を抑制することができることがわかった。
【００５０】
また、電圧印加方法１、３では、最低電圧が−６０Ｖであるため、ＩＴＯ電極が負極となりシリコン基板が正極となり熱酸化膜に電流（発光を伴う電流）が流れるが、電圧印加方法２では最低電圧が０Ｖであるため、「発光を伴う電流」が流れないと考えられる。電圧印加方法３では素子表面温度が３０℃程度に抑えられており、電圧印加方法１では電圧印加方法２と比べ１５℃程度高いだけである。従って、「発光を伴う電流」が流れてもＥＬ素子の発熱量は小さいことがわかった。
【００５１】
表１の電圧印加方法４は、ＥＬ素子に最高電圧＋６０Ｖ、最低電圧―６０Ｖの正弦波の電圧を印加したときの素子表面温度を示している。最高電圧、最低電圧が同じの電圧印加方法１と比較すると、電圧印加方法４のほうが温度上昇が低く抑えられている。これは、電圧印加方法４の印加電圧が正弦波であるため、「発光を伴わない電流」がより小さいためと考えられる。
【００５２】
表１の電圧印加方法５、６は、ＩＴＯ電極を−６０Ｖまたは＋６０ＶとなるようにＥＬ素子に直流電圧を印加したときの素子表面温度を示している。電圧印加方法５では、素子表面温度は、３５℃と低く抑えられている。これは、ＩＴＯ電極が−６０Ｖとなるように電圧を印加するため、「発光を伴う電流」は流れるが、「発光を伴わない電流」は流れないためと考えられる。電圧印加方法６では、素子温度が１１５℃ととても高くなっている。これは、ＩＴＯ電極が＋６０Ｖとなるように電圧を印加するため、「発光を伴う電流」が多く流れ、「発光を伴わない電流」流れないためと考えられる。
【００５３】
表１の電圧印加方法７，８は、ＥＬ素子に０Ｖを原点として正負に対称な矩形波で最高電圧＋６０Ｖ、最低電圧―６０Ｖの電圧をduty比を変化させて印加したときの素子表面温度を示している。ここで、duty比は、（正電圧の印加時間）／（正電圧の印加時間＋負電圧の印加時間）としている。これらの結果から、正電圧の印加時間が長いほど素子表面温度は上昇することがわかった。
【００５４】
これらをまとめると、作製したＥＬ素子においては、負電圧のみを印加するものであれば、その波形に関わらず発熱を小さく抑制することが可能であり、少しでも正電圧が印加されれば、たちまち発熱増大もつながることがわかった。特に光電混載回路の場合には、ＬＳＩと発光素子が密集しており、ＬＳＩは温度の影響を強く受けるため、発熱は小さいことが好ましい。１つの目安として素子表面温度が８５℃以下に抑えられることが好ましい。この８５℃とはＬＳＩ等の信頼性の目安の１つであるからである。さらに素子表面温度は６０℃以下に抑えられることが好ましい。
【００５５】
素子表面温度を抑制するためには、駆動電源は極性をもった電圧のみを発光素子に印加することが望ましい。この構成を達成するには、例えば、駆動電源は、直流電源、または、後段にダイオードを有する交流電源によって構成すればよい。
【００５６】
次に表１の電圧印加方法１（矩形波、最高電圧＝＋６０Ｖ、最低電圧＝−６０Ｖ）と電圧印加方法３矩形波、最高電圧＝０Ｖ、最低電圧＝−６０Ｖ）によりそれぞれＥＬ素子に電圧を印加したときの発光時間の測定を行った。この結果を図７に示す。図７を見ると、電圧印加方法３によりＥＬ素子に電圧を印加した場合の方が、電圧印加方法１によりＥＬ素子に電圧を印加した場合に比べ発光強度の劣化が少ないことがわかる。初期輝度の５０％になる時間をＥＬ素子の発光寿命と定義すると、電圧印加方法３により電圧を印加したＥＬ素子は、電圧印加方法１により電圧を印加したＥＬ素子に比べ約２０倍長い発光寿命を有するという結果を得た。発光は負電圧印加時にしか起きないので、この発光寿命の差はＥＬ素子の温度の違いによるものだと考えられる。すなわち、ＥＬ素子の発熱を抑制する電圧印加方法が、発光寿命の増長につながるという効果を得た。
【００５７】
本実験において作製したＥＬ素子は、発光体としてゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムを含有するものであったが、ＥＬ素子は、発光体としてＺｎＳを含有するものであってもよい。また、ＥＬ素子は、ゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムとＺｎＳの両方を含有するものであってもよい。イオン注入法やＣＶＤ法を用い、ゲルマニウム原子または酸化ゲルマニウムを含有する発光層に更にＺｎＳを導入することによりＥＬ素子を作製することもできる。
【００５８】
２．酸化ゲルマニウムと発光との関係
以下に示す方法によって、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が本発明に含まれる発光素子の発光に関与していることを確認した。
【００５９】
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、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が発光に関与するというものである。ＧｅＯ（Ｇｅ2+）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。
【００６０】
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、この素子に上記の方法で電圧を印加したときのＥＬ波長を測定した。ＥＬ波長の測定には、「島津製作所製 分光蛍光光度計ＲＦ−５３００ＰＣ」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「１．効果確認実験」で説明した通りである。
【００６１】
得られた結果を図８、図９に示す。図８中の温度は、Ｇｅ注入後の熱処理温度（時間は１時間）を示す。図９中の「原子％」は、Ｇｅ注入後のシリコン酸化膜内でのＧｅ濃度を示す。図８でのＧｅ濃度は５．０原子％であり、図９でのＧｅ注入後の熱処理温度は７００℃（時間は１時間）である。
【００６２】
図８、図９を参照すると、熱処理温度やＧｅ濃度が変わってもＥＬ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ＥＬのピーク波長がずれるはずである。従って、図８、図９で確認されたＥＬ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。
【００６３】
以上より、本発明の発光素子からのＥＬ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、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ4+およびＧｅ2+を含む）が関与していることが確認できた。
【００６４】
ところで、図８を参照すると、熱処理温度は、６００〜７００℃が好ましいことが分かる。また、図９を参照すると、Ｇｅ濃度は、３．０原子％以上が好ましく、３．０〜５．０原子％がさらに好ましいことが分かる。
【００６５】
３．Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合の深さ方向分布
「１．効果確認実験」で説明した方法に従って発光素子を作製し、シリコン酸化膜内でのＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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５．０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Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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１０に示す。また、各深さに含まれるＧｅ原子の状態を、Ｇｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合で示したグラフを図１１に示す。
【００６６】
これによると、「１．効果確認実験」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Ｇｅ0の割合は３０〜７０％である。Ｇｅ4+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Ｇｅ2+は１０〜５０％の間である。
【００６７】
各深さでのＧｅ0、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+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、Ｇｅ0に起因するピークの面積ＳGeと、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+と、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+とを求め、ＳGe／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe2+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe4+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）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。
【符号の説明】
【００６８】
１： 半導体基板（半導体層） ３：誘電体層 ５：発光体 ７：第１電極 １０：第２電極 １２：発光素子 １３：電源回路 １５：駆動電源 １６：整流ダイオード ２０：発光装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、
前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、
前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れる場合、前記誘電体層に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電源回路は、前記半導体層と第１電極との間の前記誘電体層に電流を流すため整流ダイオードを備え、
前記電源回路は、交流電源から電力を供給される請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記電源回路は、直流電源から電力を供給される請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体層は、ｎ型半導体またはｐ型半導体からなり、
前記電源回路は、前記半導体層がｎ型半導体からなる場合、前記半導体層が正極となり第１電極が負極となるように前記発光素子と電気的に接続し、前記半導体層がｐ型半導体からなる場合、前記半導体層が負極となり第１電極が正極となるように前記発光素子と電気的に接続する請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記半導体層は、５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するｎ型半導体または５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するｐ型半導体を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記発光体は、ゲルマニウム原子を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記発光体は、ＺｎＳを含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れた場合６０℃以下の表面温度を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１】
半導体層と、第１電極と、前記半導体層と第１電極とに挟まれた誘電体層と、前記半導体層の中、前記誘電体層の中、前記半導体層と前記誘電体層との間、または第１電極と前記誘電体層との間に形成された発光体とを含む発光素子と、
前記半導体層と第１電極との間に電圧を印加するための電源回路とを備え、
前記発光素子は、前記半導体層を正極とし第１電極を負極として前記誘電体層に電流を流した場合および前記半導体層を負極とし第１電極を正極として前記誘電体層に電流を流した場合のうち、一方の場合では電流を流すと発光するのに対し、他方の場合では電流を流しても実質的に発光せず、
前記電源回路は、向きが一定の電流が発光を伴い前記誘電体層を流れるように前記発光素子と電気的に接続することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れる場合、前記誘電体層に発光を伴わない電流が流れる場合に比べより高い電気抵抗を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電源回路は、前記半導体層と第１電極との間の前記誘電体層に電流を流すため整流ダイオードを備え、
前記電源回路は、交流電源から電力を供給される請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記電源回路は、直流電源から電力を供給される請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体層は、ｎ型半導体またはｐ型半導体からなり、
前記電源回路は、前記半導体層がｎ型半導体からなる場合、前記半導体層が正極となり第１電極が負極となるように前記発光素子と電気的に接続し、前記半導体層がｐ型半導体からなる場合、前記半導体層が負極となり第１電極が正極となるように前記発光素子と電気的に接続する請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記半導体層は、５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するｎ型半導体または５×１０15ｃｍ-3以下の不純物濃度を有するｐ型半導体を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記発光体は、ゲルマニウム原子を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記発光体は、ＺｎＳを含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記発光素子は、前記誘電体層に発光を伴う電流が流れた場合６０℃以下の表面温度を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８４３３１（Ｐ２０１２−８４３３１Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８７５１（Ｐ２０１０−２２８７５１）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【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２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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