JP2008198614A - Light-emitting element and its manufacturing method, and light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子及びその製造方法、並びに、発光装置に関し、より詳しくは、本発明は、ディスプレイやバックライト等の発光デバイスに適用可能であり、発光層に、量子井戸構造若しくは量子ドットと、希土類原子(希土類原子に由来したイオンを含む)とが含まれた発光素子及びその製造方法、並びに、係る発光素子を備えた表示装置に関する。 The present invention relates to a light-emitting element, a manufacturing method thereof, and a light-emitting device. More specifically, the present invention is applicable to a light-emitting device such as a display or a backlight. The present invention relates to a light emitting element including rare earth atoms (including ions derived from rare earth atoms), a method for manufacturing the light emitting element, and a display device including the light emitting element.
現在、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光デバイスの多くは、主に、GaAs等のIII−V族やII−VI族の化合物半導体材料から作製されている。しかしながら、これらの発光デバイスの作製には、サファイヤ基板等の高価な基板が必要とされること、アルシン等のガスを使用するために作製プロセスが困難なこと、大型で高価な製造設備が必要な上に、ランニングコストも高いこと等の問題がある。 Currently, many light emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers are mainly made of III-V or II-VI group compound semiconductor materials such as GaAs. However, the production of these light emitting devices requires an expensive substrate such as a sapphire substrate, the production process is difficult due to the use of a gas such as arsine, and a large and expensive production facility. There are also problems such as high running costs.
一方、現在、トランジスタやメモリ装置を始めとする多くの半導体デバイスは、シリコンやシリコン化合物材料といったシリコン系材料から作製されている。シリコン資源は、豊富で、安価である上、環境負荷が小さい。特に、シリコン系材料を用いたLSIの高集積化は、1970年代以降、約30年の長期に亙り、個々のトランジスタの微細化を進めることで、着実に進歩している。そして、ギガビット級の集積度を有するDRAMが市場に登場している現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を達成するための開発が続けられている。このように、シリコン系材料は、微細化技術のノウハウが蓄積されている上、原料価格が安く、環境負荷の小さい、優秀な半導体デバイス材料であるが、バンド構造が間接遷移型であるため、発光し難く、発光デバイスとしての検討はこれまで余りなされていない。 On the other hand, many semiconductor devices such as transistors and memory devices are currently produced from silicon-based materials such as silicon and silicon compound materials. Silicon resources are abundant, inexpensive, and have a low environmental impact. In particular, the high integration of LSIs using silicon-based materials has been steadily progressing since the 1970s, with the progress of miniaturization of individual transistors over a long period of about 30 years. Even now, DRAMs having a gigabit degree of integration have appeared on the market, and developments for achieving further performance improvements of future integrated circuits are continuing. In this way, silicon-based material is an excellent semiconductor device material that has accumulated know-how for microfabrication technology, has a low raw material price, and has a low environmental impact, but because the band structure is an indirect transition type, Since it is difficult to emit light, there has not been much research as a light-emitting device.
このような中、間接遷移型のシリコン系材料において、直接遷移型のように、キャリアを効率良く光へ変換させるための様々な検討、提案が報告されるようになってきている。その1つに、キャリアの波動関数を局所化し、量子効果を用いる方法がある。この方法によれば、2次元量子井戸構造、1次元量子井戸構造(量子細線)、0次元量子井戸構造(量子ドット)等の量子井戸構造を用いることで、キャリアである電子やホールを微小領域に閉じ込めることができる。量子ドットにおいては、特に、電子やホールを0次元的に局在化させることでキャリアの状態密度をデルタ関数状態に近づけることができ、キャリア閉じ込め領域の大きさに応じたキャリアの波動関数の量子化が起こり、エネルギーが離散的な値をとるようになる。この閉じ込めの方法や、キャリア閉じ込め領域(量子ドット)の大きさを制御することで、バンド端発光再結合効率の向上が可能となる。 Under such circumstances, in the indirect transition type silicon-based material, various studies and proposals for efficiently converting carriers into light like the direct transition type have been reported. One method is to localize the carrier wave function and use the quantum effect. According to this method, by using a quantum well structure such as a two-dimensional quantum well structure, a one-dimensional quantum well structure (quantum wire), or a zero-dimensional quantum well structure (quantum dot), electrons and holes that are carriers are microscopic regions. Can be trapped in. In the quantum dot, in particular, the state density of carriers can be brought close to a delta function state by localizing electrons and holes in a zero-dimensional manner, and the quantum of the wave function of the carrier according to the size of the carrier confinement region. Occurs and energy takes discrete values. By controlling the confinement method and the size of the carrier confinement region (quantum dot), the band edge emission recombination efficiency can be improved.
実際に、III−V族化合物半導体材料での研究が進められており、新たな物性や従来の特性を上回る特性が、数多く分かってきている(例えば、福田達哉、館林潤、西岡政雄、荒川泰彦著、「InGaAs歪緩和層を用いたInAs/GaAs量子ドットの発光波長制御」第51回(2004年春季)応用物理学関係連合講演会28a−ZB−8,2004年 参照)。 In fact, research on III-V compound semiconductor materials is underway, and many new properties and properties that exceed conventional properties have been identified (for example, Tatsuya Fukuda, Jun Tatebayashi, Masao Nishioka, Yasuhiko Arakawa). "Refer to the 51st (Spring 2004) Applied Physics-related Joint Lecture 28a-ZB-8, 2004", "Control of emission wavelength of InAs / GaAs quantum dots using InGaAs strain relaxation layer".
シリコン系材料に関しては、Si、Ge、Si−Ge等の半導体材料から成る量子ドット(例えばナノクリスタル)の研究が行われている。これらの量子ドットを、SiOX等のバンドギャップの大きな絶縁体中に作り込み、レーザ等の光で励起すると、比較的強い発光が生じることが報告されている(例えば、國井洋、篠田浩一、佐藤慶介、平栗健二、岩瀬満雄、和泉富雄著、「アモルファスSiOx膜内のSi濃度とナノシリコンサイズの相関」第51回(2004年春季)応用物理学関係連合講演会28p−P6−3,2004年 参照)。また、電子デバイスとして電流注入により機能させる場合、ナノクリスタルをSiOX等のバンドギャップの大きな絶縁体中に作り込むことで、デバイスの低電圧駆動化が可能となることが報告されている。しかしながら、シリコン系材料を用いた発光デバイスの構造に関する研究や提案は、まだまだ少ない状況である。 With respect to silicon-based materials, research on quantum dots (for example, nanocrystals) made of semiconductor materials such as Si, Ge, and Si—Ge has been conducted. It has been reported that when these quantum dots are formed in an insulator having a large band gap such as SiO x and excited with light such as a laser, relatively strong light emission occurs (for example, Hiroshi Kunii, Koichi Shinoda, Keisuke Sato, Kenji Hiraguri, Mitseo Iwase, Tomio Izumi, “Correlation between Si concentration and nanosilicon size in amorphous SiO x film” 51st (Spring 2004) Joint Lecture on Applied Physics 28p-P6-3 (See 2004). In addition, when an electronic device is made to function by current injection, it has been reported that the device can be driven at a low voltage by forming a nanocrystal in an insulator having a large band gap such as SiO x . However, there are still few studies and proposals on the structure of light emitting devices using silicon-based materials.
また、従来から、半導体材料に添加された希土類原子は、殻内遷移による鋭い赤外光あるいは可視光を発光することが知られている(例えば、田代至男、小柳諭、相曽景一、田中完ニ、並木周著「高出力光アンプの開発」古河電工時報第104号p.59,1999年7月 参照)。こうした希土類原子の発光波長や半値幅は、半導体材料や温度に殆ど依存せず、一定の値を示すことが知られている。特に、希土類元素の中でエルビウム(Er)は1.55μmの発光波長を有し、この1.55μmの発光波長は光ファイバーの最小伝達損失波長であるため、エルビウム発光の光ファイバー通信への応用が期待されている。 Conventionally, rare earth atoms added to semiconductor materials are known to emit sharp infrared light or visible light due to intra-shell transitions (for example, Tatsuo Tashiro, Satoshi Koyanagi, Keiichi Aiso, Tanaka) (See Kanni, Shu Namiki, “Development of High-Power Optical Amplifiers”, Furukawa Electric Time Report No. 104, p. 59, July 1999). It is known that the emission wavelength and the half-value width of such rare earth atoms are almost independent of the semiconductor material and temperature and show a constant value. In particular, among rare earth elements, erbium (Er) has a light emission wavelength of 1.55 μm, and the light emission wavelength of 1.55 μm is the minimum transmission loss wavelength of an optical fiber. Therefore, application of erbium light emission to optical fiber communication is expected. Has been.
上述したように、半導体材料から成る量子ドットや希土類元素等の発光材料の研究は、報告されてきてはいるものの、発光素子として有効に機能させるための素子構造に関する研究や提案は、十分にされていないのが現状である。 As described above, although research on light-emitting materials such as quantum dots and rare earth elements made of semiconductor materials has been reported, research and proposals on device structures to function effectively as light-emitting devices have not been sufficient. The current situation is not.
また、表示装置においては、これまで主流であった陰極線管(CRT)に代わり、各種の平面型表示装置、例えば、液晶表示装置(LCD)やプラズマ表示装置(PDP)が商品化され、また、冷陰極電界電子放出表示装置(FED)や表面伝導型電子放出表示装置(Surface Conduction Electron Emitter Display,SED)、有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)表示装置の研究、商品化が進められている。 In the display device, various flat display devices such as a liquid crystal display device (LCD) and a plasma display device (PDP) have been commercialized in place of the cathode ray tube (CRT) which has been the mainstream until now. Research and commercialization of cold cathode field emission display (FED), surface conduction electron emission display (SED), and organic electroluminescence (organic EL) display devices are in progress.
このように、平面型表示装置として様々な表示装置の製造、開発が行われているが、各々、性能、消費電力、製造コスト等に様々な問題を抱えている。 As described above, various display devices have been manufactured and developed as flat display devices, but each has various problems in performance, power consumption, manufacturing cost, and the like.
例えば、液晶表示装置(LCD)にあっては、棒状の液晶分子のねじれた並びを利用して光の向きを操作しているため、CRTに比べて視野角が狭く、明暗のムラや色ムラが生じ易いという問題がある。現在、イン・プレイン・スイッチング技術、バーチカル・アライメント技術、マルチドメイン技術や、これらの組み合わせ等により、視野角の狭さは改善されつつある。しかしながら、バックライトの光が吸収され易い構造であり、より高い発光強度のバックライトが必要とされ、消費電力が増加する傾向にあるといった問題が生じている。また、色深度(color depth)の問題がある。CRTの場合、蛍光体に衝突する電子の量をアナログ的に変化させることができるので、無限の色彩と明るさを表現することができる。一方、液晶表示装置の場合、液晶セルに印加する電圧を操作し、バックライトの光を通す量を段階的に調整しているため、微妙な色表現ができないという問題がある。更には、レスポンス速度が遅いという問題がある。CRTの場合、電子ビーム速度が速いため、レスポンスの問題は殆ど無いが、液晶表示装置の場合、液晶分子の実際の動きにより動画を表示しているため、タイムラグが生じてしまう。具体的には、パッシブマトリックス駆動の液晶表示装置の場合、レスポンスは150ミリ秒以上、動画表示に向いている標準的なアクティブマトリックス駆動の液晶表示装置の場合、レスポンスは40ミリ秒程度、現状、最もレスポンスの早いMVAの場合、25ミリ秒程度のタイムラグがある。また、消費電力については、CRTに比べて低いといったイメージがあるが、視野角やレスポンス等の改善による高機能化に伴い、光が吸収され易い構造に向かっており、現状、バックライトから発光される光の10%程度しか液晶表示装置の表面に取り出されておらず、消費電力が増加している。更には、製造工程が複雑なこと、基板に高コストのガラス基板を使用していること等により、CRTに比べて価格が高く、将来的にも安価にすることが困難であるという問題がある。 For example, in a liquid crystal display device (LCD), the direction of light is manipulated using a twisted arrangement of rod-like liquid crystal molecules, so that the viewing angle is narrower than that of a CRT, and light and dark unevenness and color unevenness. There is a problem that is likely to occur. At present, the narrowness of the viewing angle is being improved by in-plane switching technology, vertical alignment technology, multi-domain technology, and combinations thereof. However, it has a structure in which the light of the backlight is easily absorbed, a backlight having a higher light emission intensity is required, and there is a problem that power consumption tends to increase. There is also a problem of color depth. In the case of CRT, the amount of electrons that collide with the phosphor can be changed in an analog manner, so that infinite color and brightness can be expressed. On the other hand, in the case of a liquid crystal display device, the voltage applied to the liquid crystal cell is manipulated, and the amount of light transmitted through the backlight is adjusted stepwise, so that there is a problem that subtle color expression cannot be achieved. Furthermore, there is a problem that the response speed is slow. In the case of CRT, since the electron beam speed is high, there is almost no problem of response. However, in the case of a liquid crystal display device, a moving image is displayed by the actual movement of liquid crystal molecules, so a time lag occurs. Specifically, in the case of a liquid crystal display device driven by a passive matrix, the response is 150 milliseconds or more, and in the case of a standard active matrix drive liquid crystal display device suitable for moving image display, the response is about 40 milliseconds, In the case of MVA with the fastest response, there is a time lag of about 25 milliseconds. In addition, although there is an image that the power consumption is lower than that of CRT, with the improvement in functionality due to the improvement of viewing angle and response, etc., it is moving toward a structure that easily absorbs light and is currently emitted from the backlight. Only about 10% of the light is extracted on the surface of the liquid crystal display device, and power consumption is increasing. Furthermore, the manufacturing process is complicated, and a high-cost glass substrate is used for the substrate. Therefore, there is a problem that the price is higher than CRT and it is difficult to make it cheap in the future. .
また、将来が期待されている有機ELディスプレイだが、大型化を実現するためには、現在、多くの問題を抱えている。有機ELディスプレイの抱えている大きな問題の1つに、寿命の問題がある。発光素子を構成する発光層、正孔輸送層、電子輸送層等の有機分子や、電子を効率よく注入するための(即ち、電子注入障壁が低い)陰極材料であるマグネシウム合金やカルシウム等は、酸素や水分に弱く、酸素や水分と反応して、ディスプレイ上に暗点や滅点が生じると共に、輝度の低下が生じるという問題がある。このような問題は改善されてきてはいるものの、長寿命が求められる大型ディスプレイにとって、現状、十分な寿命ではなく、素子自身の改良や外部要因を遮断する技術の向上が求められている。 In addition, the organic EL display is expected in the future, but there are many problems at present in order to realize an increase in size. One of the major problems of organic EL displays is the problem of lifetime. Organic molecules such as a light emitting layer, a hole transport layer, and an electron transport layer constituting a light emitting element, and a magnesium alloy or calcium which is a cathode material for efficiently injecting electrons (that is, an electron injection barrier is low) There is a problem that it is weak against oxygen and moisture and reacts with oxygen and moisture to cause a dark spot and a dark spot on the display as well as a decrease in luminance. Although such problems have been improved, for large displays that require a long lifetime, the current situation is that the lifetime is not sufficient, and improvements to the elements themselves and technologies to block external factors are required.
量子ドット(ナノクリスタル)のみから構成された発光デバイスにおける発光波長は、通常、数十nm〜数百nmの大きな半値幅を示すことが知られており、半値幅を狭くし、且つ、発光強度を高くすることは、現在のところ困難である。 It is known that the emission wavelength in a light-emitting device composed only of quantum dots (nanocrystals) usually shows a large half-value width of several tens to several hundreds of nanometers. It is currently difficult to increase the value.
また、現状の各種の平面型表示装置は、上述したとおり、視野角が狭い、明暗のムラや色ムラが生じ易い、色深度に問題がある、レスポンス速度が遅い、製造コストが高い、小型化が困難である、長寿命化を図る必要がある、消費電力が大きいといった様々な問題点を有している。 In addition, as described above, various current flat display devices have a narrow viewing angle, light and dark unevenness and color unevenness, a problem with color depth, a slow response speed, high manufacturing cost, and downsizing. However, there are various problems such as that it is difficult to extend the life, and that power consumption is large.
従って、本発明の目的は、発光強度が大きく、しかも、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能な発光素子、及び、係る発光素子の製造方法、並びに、係る発光素子を組み込み、上述した現状の各種の平面型表示装置の有する問題点を解消し得る発光装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting element having a high emission intensity and capable of obtaining a light emission wavelength with a narrow half-value width, a method for manufacturing the light emitting element, and the light emitting element incorporating such a light emitting element. It is an object of the present invention to provide a light emitting device that can solve the problems of various flat display devices.
上記の目的を達成するための本発明の第1の態様に係る発光素子は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、第1材料層、量子井戸層、及び、第2材料層が積層された構造を有し、
第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする。
The light emitting device according to the first aspect of the present invention for achieving the above object is a light emitting device comprising a light emitting layer formed on a substrate,
The light emitting layer has a structure in which a first material layer, a quantum well layer, and a second material layer are stacked,
A rare earth atom is contained in at least one of the first material layer and the second material layer.
上記の目的を達成するための本発明の第1の態様に係る発光装置は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、第1材料層、量子井戸層、及び、第2材料層が積層された構造を有し、
第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層には、希土類原子が含まれていることを特徴とする。
The light emitting device according to the first aspect of the present invention for achieving the above object is a light emitting device including a plurality of light emitting elements each including a light emitting layer formed on a substrate.
The light emitting layer constituting each light emitting element has a structure in which a first material layer, a quantum well layer, and a second material layer are laminated,
A rare earth atom is contained in at least one of the first material layer and the second material layer.
上記の目的を達成するための本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法は、基体上に、第1材料層、量子井戸層、及び、第2材料層が積層された構造を有し、第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層に希土類原子が含まれた発光層を形成する発光素子の製造方法であって、
第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませることを特徴とする。
The method for manufacturing a light emitting device according to the first aspect of the present invention for achieving the above object has a structure in which a first material layer, a quantum well layer, and a second material layer are stacked on a substrate. And a method of manufacturing a light emitting element, wherein a light emitting layer containing a rare earth atom is formed in at least one of the first material layer and the second material layer,
Rare earth atoms are included by performing ion implantation on at least one of the first material layer and the second material layer.
本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、
基体上に、シリコンを主成分とする第1材料層を形成した後、
第1材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませ、次いで、
第1材料層上に量子井戸層を形成した後、
量子井戸層上に、シリコンを主成分とする第2材料層を形成し、その後、
第2材料層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませる、
ことが好ましい。
In the method for manufacturing the light emitting device according to the first aspect of the present invention,
After forming the first material layer mainly composed of silicon on the substrate,
The first material layer is ion-implanted to include rare earth atoms,
After forming the quantum well layer on the first material layer,
Forming a second material layer mainly composed of silicon on the quantum well layer;
Rare earth atoms are included by ion-implanting the second material layer,
It is preferable.
上述した好ましい形態を含む本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構(Foerster機構)によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から1×10-8mの範囲内に位置することが好ましい。あるいは又、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構(Dexter機構、交換機構とも呼ばれる)によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から1×10-9mの範囲内に位置することが好ましい。あるいは又、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す構成とすることができる。 In the method for manufacturing the light emitting device according to the first aspect of the present invention including the preferred embodiment described above, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction in the layer containing the rare earth atoms is From the interface of the well layer, it can be configured to perform ion implantation so that the energy transition by the Förster mechanism (Foerster mechanism) occurs. In this case, in the layer containing rare earth atoms, The concentration peak of rare earth atoms in the thickness direction is preferably located within a range of 1 × 10 −8 m from the interface between the layer and the quantum well layer. Alternatively, in a layer containing rare earth atoms, a concentration peak of rare earth atoms in the thickness direction causes energy transition by the Dexter mechanism (also called Dexter mechanism or exchange mechanism) from the interface between the layer and the quantum well layer. In this case, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction of the layer and the quantum well layer can be set. It is preferably located within a range of 1 × 10 −9 m from the interface. Alternatively, in the layer containing the rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction is located within the range in which the energy transition through the photon occurs from the interface between the layer and the quantum well layer. It can be set as the structure which performs ion implantation.
上記の目的を達成するための本発明の第2の態様に係る発光素子は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子であって、
該発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする。
The light emitting device according to the second aspect of the present invention for achieving the above object is a light emitting device comprising a light emitting layer formed on a substrate,
The light emitting layer is characterized by comprising quantum dots and rare earth atoms attached to the surface of the quantum dots and / or contained in the quantum dots.
上記の目的を達成するための本発明の第2の態様に係る発光装置は、基体上に形成された発光層を備えた発光素子を、複数、備えた発光装置であって、
各発光素子を構成する発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする。
A light emitting device according to a second aspect of the present invention for achieving the above object is a light emitting device including a plurality of light emitting elements each including a light emitting layer formed on a substrate.
The light emitting layer constituting each light emitting element is characterized by comprising a quantum dot and a rare earth atom attached to and / or contained in the surface of the quantum dot.
上記の目的を達成するための本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法は、基体上に形成され、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成る発光層を備えた発光素子の製造方法であって、
発光層を、
量子ドットを形成した後、
量子ドット中に希土類原子を拡散させ、及び/又は、量子ドットの表面に希土類原子を付着させ、次いで、
量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させた後、生成物をアニール処理する、
ことによって形成することを特徴とする。
The method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect of the present invention for achieving the above object is formed on a substrate, adhered to the surface of the quantum dot, and / or the quantum dot. A method of manufacturing a light emitting device including a light emitting layer composed of rare earth atoms contained in a dot,
The light emitting layer,
After forming quantum dots,
Diffusing rare earth atoms in the quantum dots and / or attaching rare earth atoms to the surface of the quantum dots;
After the product obtained by mixing the quantum dots and the silicon alkoxide is attached to the substrate, the product is annealed.
It is characterized by forming by.
本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して生成物を得る工程は、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合した後、アルカリ又は酸を触媒として添加して、シリコンアルコキシドを加水分解する工程から成る構成とすることができる。ここで、限定するものではないが、触媒として、水酸化アンモニウム(NH4OH)を添加する構成を例示することができる。尚、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物はゾル状若しくはゲル状の生成物であり、この生成物を発光素子毎に基体に付着させる構成(隣接するそれぞれの発光素子を空間的に分離した状態で基体に付着させる構成)とすることができる。 In the method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect of the present invention, the step of mixing the quantum dots and the silicon alkoxide to obtain a product includes mixing the quantum dots and the silicon alkoxide, Can be added as a catalyst to hydrolyze the silicon alkoxide. Here, without limitation, as a catalyst, there can be exemplified a configuration in which the addition of ammonium hydroxide (NH 4 OH). The product obtained by mixing the quantum dots and the silicon alkoxide is a sol-like or gel-like product, and a structure in which this product is attached to the substrate for each light emitting device (adjacent each light emitting device is attached). A structure in which the substrate is adhered to the substrate in a spatially separated state.
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法において、シリコンアルコキシドとして、テトラメトキシシラン(Si(OCH3)4)、あるいは又、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を例示することができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ) or tetraethoxysilane ( Si (OC 2 H 5 ) 4 ) can be exemplified.
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、アニール処理は、希ガス若しくは窒素ガスから成る不活性ガス雰囲気下、100゜C以上、1500゜C以下の温度、好ましくは、100゜C以上、1300゜C以下の温度、更に好ましくは、100゜C以上、1200゜C以下の温度で行うことが望ましい。このようなアニール処理を行うことで、水などの不純物を焼き飛ばし、希土類イオンの活性化を行うことができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the annealing treatment is performed at 100 ° C. in an inert gas atmosphere composed of a rare gas or a nitrogen gas. It is desirable that the temperature is 1500 ° C or lower, preferably 100 ° C or higher and 1300 ° C or lower, more preferably 100 ° C or higher and 1200 ° C or lower. By performing such an annealing treatment, impurities such as water can be burned out and the rare earth ions can be activated.
また、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、限定するものではないが、シリコン半導体基板を陽極酸化することで得られた多孔質のシリコン半導体基板を溶媒中で超音波処理することで、量子ドットを形成することが望ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the light-emitting device according to the second aspect of the present invention including the above-described various preferred embodiments, the porous material obtained by anodizing the silicon semiconductor substrate is not limited. It is desirable to form quantum dots by subjecting the silicon semiconductor substrate to ultrasonic treatment in a solvent.
更には、上述した各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットへのイオン注入によって、量子ドット中に希土類原子を拡散させる構成とすることができ、あるいは又、無電解めっき法、スパッタリング法若しくは分子線エピタキシャル法(MBE法)によって、量子ドットの表面に希土類原子を付着させる構成とすることができる。また、量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させる方法として、スクリーン印刷法、インクジェット方式による印刷法、浸漬法を挙げることができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the rare earth atoms are diffused into the quantum dots by ion implantation into the quantum dots. Alternatively, the rare earth atoms can be attached to the surface of the quantum dots by electroless plating, sputtering, or molecular beam epitaxy (MBE). Examples of a method for attaching a product obtained by mixing quantum dots and silicon alkoxide to a substrate include a screen printing method, a printing method using an inkjet method, and a dipping method.
本発明の第1の態様に係る発光素子、本発明の第1の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法(以下、これらを総称して、本発明の第1の態様と呼ぶ場合がある)における量子井戸層とは、2次元量子井戸(所謂量子井戸)を含む層、1次元量子井戸(所謂量子細線)を含む層、及び、0次元量子井戸(所謂量子ドットあるいはナノクリスタル)を含む層を意味する。量子井戸層の厚さは、5×10-10m(原子1個分程度の厚さ)乃至1×10-8m、好ましくは、5×10-10m乃至5×10-9mであることが、発光効率を向上させるといった観点から望ましい。 The light emitting element according to the first aspect of the present invention, the light emitting device according to the first aspect of the present invention, or the method for manufacturing the light emitting element according to the first aspect of the present invention (hereinafter collectively referred to as the present invention). The quantum well layer in the first aspect of the invention may be referred to as a layer including a two-dimensional quantum well (so-called quantum well), a layer including a one-dimensional quantum well (so-called quantum wire), and a zero-dimensional quantum It means a layer containing wells (so-called quantum dots or nanocrystals). The thickness of the quantum well layer is 5 × 10 −10 m (thickness of about one atom) to 1 × 10 −8 m, preferably 5 × 10 −10 m to 5 × 10 −9 m. This is desirable from the viewpoint of improving luminous efficiency.
本発明の第1の態様において、発光層は、第1材料層、量子井戸層、及び、第2材料層が積層された構造を有するが、このような構造には、量子井戸層が、第1材料層及び/又は第2材料層中にランダムに分散されている構造も包含されるし、第1材料層、量子井戸層、第2材料層が幾重にも積層された構造も包含されるし、量子井戸層が、第1材料層と第2材料層の境界領域に島状に形成されている構造も包含される。第1材料層、量子井戸層、第2材料層が幾重にも積層された構造にあっては、量子井戸層近傍の第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層の領域に含まれる希土類原子は、同種であってもよいし、異種であってもよい。また、第1材料層及び第2材料層の両方に希土類原子を含む構成においては、第1材料層に含まれる希土類原子と、第2材料層に含まれる希土類原子とを、同種の希土類原子としてもよいし、異種の希土類原子としてもよい。 In the first aspect of the present invention, the light emitting layer has a structure in which a first material layer, a quantum well layer, and a second material layer are stacked. In such a structure, the quantum well layer includes A structure in which the first material layer and / or the second material layer are randomly dispersed is also included, and a structure in which the first material layer, the quantum well layer, and the second material layer are stacked in layers is also included. In addition, a structure in which the quantum well layer is formed in an island shape in the boundary region between the first material layer and the second material layer is also included. In the structure in which the first material layer, the quantum well layer, and the second material layer are stacked in layers, it is included in the region of at least one of the first material layer and the second material layer in the vicinity of the quantum well layer. The rare earth atoms may be the same or different. Further, in the configuration in which both the first material layer and the second material layer contain rare earth atoms, the rare earth atoms contained in the first material layer and the rare earth atoms contained in the second material layer are the same kind of rare earth atoms. Alternatively, different rare earth atoms may be used.
一方、本発明の第2の態様に係る発光素子、本発明の第2の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法(以下、これらを総称して、本発明の第2の態様と呼ぶ場合がある)にあっては、発光層は1層であってもよいし、複数層の積層構造を有していてもよく、後者の場合、異なる希土類原子を含む発光層が積層された構造とすることもできる。また、発光層は、量子ドット、並びに、量子ドットの表面に付着し、及び/又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成るが、具体的には、希土類原子は、量子ドットの表面に付着した形態であり、あるいは又、量子ドットの内部に含まれた(拡散した)形態であり、あるいは又、量子ドットの表面に付着し、且つ、量子ドットの内部に含まれた形態である。 On the other hand, the light emitting element according to the second aspect of the present invention, the light emitting device according to the second aspect of the present invention, or the method for manufacturing the light emitting element according to the second aspect of the present invention (hereinafter collectively referred to as these). In some cases, the light emitting layer may have a single layer or a multi-layered structure. In the latter case, different rare earth elements may be used. A structure in which light-emitting layers containing atoms are stacked can also be used. In addition, the light emitting layer is composed of quantum dots and rare earth atoms attached to and / or contained inside the quantum dots. Specifically, the rare earth atoms are the surface of the quantum dots. Or attached to the inside of the quantum dot (diffused), or attached to the surface of the quantum dot and contained within the quantum dot. .
本発明の第1の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から1×10-8mの範囲内に位置することが好ましい。 In the first aspect of the present invention, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction is caused by energy transition by the Forster mechanism from the interface between the layer and the quantum well layer. In this case, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction is 1 × 10 − from the interface between the layer and the quantum well layer. It is preferably located within the range of 8 m.
あるいは又、本発明の第1の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から1×10-9mの範囲内に位置することが好ましい。 Alternatively, in the first aspect of the present invention, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction is caused by the energy of the Dexter mechanism from the interface between the layer and the quantum well layer. In this case, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction is 1 × from the interface between the layer and the quantum well layer. It is preferably located within the range of 10 -9 m.
あるいは又、本発明の第1の態様にあっては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、該層と量子井戸層の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する構成とすることができる。 Alternatively, in the first aspect of the present invention, in the layer containing rare earth atoms, the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction passes through the photon from the interface between the layer and the quantum well layer. It can be set as the structure located in the range where energy transition occurs.
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第1の態様に係る発光素子、本発明の第1の態様に係る発光装置、本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法、本発明の第2の態様に係る発光素子、本発明の第2の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法、(以下、これらを総称して、本発明と呼ぶ場合がある)にあっては、発光素子を、エレクトロルミネッセンス素子、より具体的には、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子(電極から発光層に電荷担体が直接流入して発光するエレクトロルミネッセンス素子)あるいは真性エレクトロルミネッセンス素子(誘電体中の発光層を強い外部電場によって励起して発光させるエレクトロルミネッセンス素子)とすることができ、この場合には、本発明の発光装置は、エレクトロルミネッセンス表示装置、電流注入型エレクトロルミネッセンス表示装置、真性エレクトロルミネッセンス表示装置に相当する。あるいは又、発光素子を、光励起型発光素子とすることもできるし、電子線励起型発光素子とすることもできる。発光素子を光励起型発光素子とする場合、本発明の発光素子を、例えば、発光ダイオードと組み合わせればよいし、あるいは又、プラズマ表示装置(PDP)の発光領域(従来のプラズマ表示装置における所謂蛍光体層に相当する部分)に本発明の発光素子を組み込めばよい。発光素子を光励起型発光素子とする場合、本発明の発光装置は、発光ダイオードを備えた表示装置、あるいは又、プラズマ表示装置(PDP)に相当する。一方、発光素子を電子線励起型発光素子とする場合、冷陰極電界電子放出表示装置(FED)や表面伝導型電子放出表示装置(SED)、MIM素子とも呼ばれる金属/絶縁膜/金属型素子を備えた表示装置におけるアノードパネルを構成する発光領域(従来のこれらの表示装置における所謂蛍光体層に相当する部分)に本発明の発光素子を組み込めばよい。発光素子を電子線励起型発光素子とする場合、本発明の発光装置は、冷陰極電界電子放出表示装置(FED)や表面伝導型電子放出表示装置(SED)、MIM素子とも呼ばれる金属/絶縁膜/金属型素子を備えた表示装置に相当する。 The light-emitting element according to the first aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the light-emitting device according to the first aspect of the present invention, the method for manufacturing the light-emitting element according to the first aspect of the present invention, the present invention The light emitting element according to the second aspect of the invention, the light emitting device according to the second aspect of the present invention, or the method for manufacturing the light emitting element according to the second aspect of the present invention (hereinafter collectively referred to as the present invention). In some cases, the light-emitting element is an electroluminescence element, more specifically, a current injection type electroluminescence element (an electroluminescence element that emits light by directly flowing charge carriers from an electrode to a light-emitting layer) ) Or an intrinsic electroluminescence device (an electroluminescence device that emits light by exciting a light emitting layer in a dielectric with a strong external electric field) The light emitting device of the present invention, an electroluminescence display device, a current injection type electroluminescence display device, corresponding to the intrinsic electroluminescent display device. Alternatively, the light-emitting element can be a light-excitation light-emitting element or an electron beam-excitation light-emitting element. When the light-emitting element is a light-excited light-emitting element, the light-emitting element of the present invention may be combined with, for example, a light-emitting diode, or a light-emitting region of a plasma display device (PDP) (so-called fluorescence in a conventional plasma display device). The light emitting element of the present invention may be incorporated in a portion corresponding to the body layer. When the light-emitting element is a light-excited light-emitting element, the light-emitting device of the present invention corresponds to a display device including a light-emitting diode or a plasma display device (PDP). On the other hand, when the light emitting element is an electron beam excitation type light emitting element, a cold cathode field emission display (FED), a surface conduction electron emission display (SED), or a metal / insulating film / metal type element also called MIM element is used. The light-emitting element of the present invention may be incorporated in a light-emitting region (a portion corresponding to a so-called phosphor layer in these conventional display devices) constituting an anode panel in a display device provided. When the light emitting element is an electron beam excitation type light emitting element, the light emitting device of the present invention is a cold cathode field emission display (FED), surface conduction electron emission display (SED), or metal / insulating film also called MIM element. / Corresponds to a display device provided with a metal-type element.
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第1の態様にあっては、量子井戸層は、シリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成る構成とすることができるし、あるいは又、シリコン系酸化物(SiOX,0<X≦2)から成る構成とすることができるし、更には、SiNといったシリコン系窒化物から成る構成とすることもできるし、これらの材料の混合物から成る構成とすることもできる。量子井戸層をシリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成る構成とする場合、量子井戸それ自体(即ち、所謂量子井戸、所謂量子細線、所謂量子ドットあるいはナノクリスタルであり、以下の説明においても同様である)はシリコン、ゲルマニウム、若しくは、シリコン−ゲルマニウムから成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、シリコン系酸化物(SiOX,0<X≦2)によって取り囲まれた構造となる。また、量子井戸層をシリコン系酸化物から成る構成とする場合、量子井戸それ自体はシリコン系酸化物から成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、より酸素含有量の多いシリコン系酸化物(SiOX,0<X≦2)によって取り囲まれた構造となる。更には、量子井戸層をシリコン系窒化物から成る構成とする場合、量子井戸それ自体はシリコン系窒化物から成り、しかも、量子井戸それ自体が、例えば、シリコン系酸化物(SiOX,0<X≦2)によって取り囲まれた構造となる。 Furthermore, in the first aspect of the present invention including the various preferable modes described above, the quantum well layer can be composed of silicon, germanium, or silicon-germanium, or In addition, the structure may be composed of a silicon-based oxide (SiO x , 0 <X ≦ 2), or may be composed of a silicon-based nitride such as SiN, or a mixture of these materials. It can also be set as the structure which consists of. When the quantum well layer is composed of silicon, germanium, or silicon-germanium, the quantum well itself (that is, a so-called quantum well, a so-called quantum wire, a so-called quantum dot, or a nanocrystal; the same applies to the following description. Is made of silicon, germanium, or silicon-germanium, and the quantum well itself has a structure surrounded by, for example, a silicon-based oxide (SiO x , 0 <X ≦ 2). Further, when the quantum well layer is composed of a silicon-based oxide, the quantum well itself is composed of a silicon-based oxide, and the quantum well itself is, for example, a silicon-based oxide having a higher oxygen content ( The structure is surrounded by SiO x , 0 <X ≦ 2). Further, when the quantum well layer is made of silicon nitride, the quantum well itself is made of silicon nitride, and the quantum well itself is made of, for example, silicon oxide (SiO x , 0 < The structure is surrounded by X ≦ 2).
また、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第1の態様にあっては、希土類原子が含まれている層はシリコンを主成分とする構成とすることができ、この場合、希土類原子が含まれている層はシリコン系酸化物から成ることが好ましい。 In the first aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the layer containing rare earth atoms can be composed mainly of silicon. The layer containing atoms is preferably made of a silicon-based oxide.
一方、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第2の態様に係る発光素子、本発明の第2の態様に係る発光装置、あるいは、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、量子ドットはシリコンから成ることが好ましい。 On the other hand, the light emitting element according to the second aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the light emitting device according to the second aspect of the present invention, or the light emitting element according to the second aspect of the present invention. In the manufacturing method, the quantum dots are preferably made of silicon.
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明にあっては、希土類原子として、少なくともユーロビウム(Eu)を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともプラセオジウム(Pr)を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともエルビウム(Er)を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともテルビウム(Tb)を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともセリウム(Ce)を含み、あるいは又、希土類原子として、少なくともツリウム(Tm)を含む構成とすることができる。以下の表1に、希土類原子に由来したイオンと発光素子の発光波長の関係を示す。尚、本発明における希土類原子には、希土類原子に由来したイオンが包含される。 In the present invention including the various preferred embodiments described above, at least eurobium (Eu) is included as the rare earth atom, or at least praseodymium (Pr) is included as the rare earth atom, or alternatively, as the rare earth atom. At least terbium (Tb) as a rare earth atom, or at least cerium (Ce) as a rare earth atom, or at least thulium (Tm) as a rare earth atom. ). Table 1 below shows the relationship between ions derived from rare earth atoms and the emission wavelength of the light-emitting element. In the present invention, the rare earth atom includes ions derived from the rare earth atom.
[表1]
希土類原子に由来したイオン 発光素子の発光波長
Pr3+ 635nm(赤色)
Eu3+ 615nm(赤色)
Pr3+ 605nm(赤色)
Er3+ 570nm(橙色)
Tb3+ 545nm(緑色)
Ce3+ 530nm(青色)
Tm3+ 450nm(青色)
[Table 1]
Ion derived from rare earth atoms Light emission wavelength Pr 3+ 635 nm (red)
Eu 3+ 615nm (red)
Pr 3+ 605nm (red)
Er 3+ 570nm (orange)
Tb 3+ 545nm (green)
Ce 3+ 530nm (blue)
Tm 3+ 450nm (blue)
尚、希土類元素は、原子番号21のスカンジウム(Sc)、原子番号39のイットリウム(Y)、並びに、原子番号57のランタン(La)から原子番号71のルテチウム(Lu)までの15種類の4f軌道遷移系列元素群であり、周期律表のIIIB族に属するため、一般に3価が安定である。このうち、Ce3+(セリウム:原子番号58)からYb3+(イッテルビウム:原子番号70)までの13種類の希土類原子は、1個から13個の4f電子を有し、電子配置の相違に基づく多様なエネルギー準位を形成する。異なるエネルギー準位間の電子遷移エネルギーは、紫外光、可視光、赤外光に相当するので、多くの希土類原子は、これらの波長で光の吸収、発光を起こす。即ち、希土類原子として、少なくとも、「4f電子」を有する、原子番号58のセリウム(Ce)〜原子番号70のイッテルビウム(Yb)を用いることができるし、また、原子番号21のスカンジウム(Sc)、原子番号39のイットリウム(Y)を用いることもできる。
The rare earth elements are 15 kinds of 4f orbits from scandium (Sc) with
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光装置にあっては、赤色に相当する第1の波長λ1の光を発光する第1の発光素子、緑色に相当する第2の波長λ2の光を発光する第2の発光素子、及び、青色に相当する第3の波長λ3の光を発光する第3の発光素子の3種類の発光素子によって、1つの発光素子ユニットが構成され、複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。あるいは又、赤色に相当する第1の波長λ1の光を発光する第1の発光素子、緑色に相当する第2の波長λ2の光を発光する第2の発光素子、青色に相当する第3の波長λ3の光を発光する第3の発光素子、及び、それ以外の色に相当する第4の波長λ4の光を発光する第4の発光素子の4種類の発光素子によって、1つの発光素子ユニットが構成され、複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。尚、1つの発光素子ユニットを5種類以上の発光素子によって構成してもよい。 In the light emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention including the various preferred embodiments described above, the first light emission that emits light of the first wavelength λ 1 corresponding to red. Three types of light emission: an element, a second light emitting element that emits light of a second wavelength λ 2 corresponding to green, and a third light emitting element that emits light of a third wavelength λ 3 corresponding to blue One light emitting element unit is constituted by the element, and a plurality of light emitting element units can be provided. Alternatively, a first light emitting element that emits light having a first wavelength λ 1 corresponding to red, a second light emitting element that emits light having a second wavelength λ 2 corresponding to green, and a first light emitting element corresponding to blue. 4 types of light emitting elements, that is, a third light emitting element that emits light of a wavelength λ 3 of 3 and a fourth light emitting element that emits light of a fourth wavelength λ 4 corresponding to other colors, One light emitting element unit is configured, and a plurality of light emitting element units can be provided. In addition, you may comprise one light emitting element unit by five or more types of light emitting elements.
本発明において、基体として、シリコン半導体基板を例示することができるが、このような基板に限定するものではなく、その他、表面に絶縁膜が形成された半導体基板、GaAs基板、GaN基板、半絶縁性基板、表面に絶縁膜が形成された半絶縁性基板、絶縁性基板、表面に絶縁膜が形成された絶縁性基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板を挙げることができるし、発光素子を作り込む対象によっては、絶縁層や封止層が基体に相当する場合もある。ここで、ガラス基板として、高歪点ガラス、ソーダガラス(Na2O・CaO・SiO2)、硼珪酸ガラス(Na2O・B2O3・SiO2)、フォルステライト(2MgO・SiO2)、鉛ガラス(Na2O・PbO・SiO2)を例示することができる。 In the present invention, a silicon semiconductor substrate can be exemplified as the substrate. However, the substrate is not limited to such a substrate, and other semiconductor substrates having a surface formed with an insulating film, GaAs substrate, GaN substrate, semi-insulating Substrate, semi-insulating substrate with insulating film formed on the surface, insulating substrate, insulating substrate with insulating film formed on the surface, quartz substrate, quartz substrate with insulating film formed on the surface, glass substrate, surface A glass substrate on which an insulating film is formed can be given, and an insulating layer or a sealing layer may correspond to a base depending on a target in which a light emitting element is formed. Here, as a glass substrate, high strain point glass, soda glass (Na 2 O · CaO · SiO 2 ), borosilicate glass (Na 2 O · B 2 O 3 · SiO 2 ), forsterite (2MgO · SiO 2 ) Lead glass (Na 2 O · PbO · SiO 2 ) can be exemplified.
本発明にあっては、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの測定や、量子ドットの表面に付着し、及び/又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子の量(濃度)の測定は、ラザフォード(Ratherford)後方散乱(RBS)測定に基づき行うことができる。 In the present invention, the measurement of the concentration peak of rare earth atoms in the thickness direction, the measurement of the amount (concentration) of rare earth atoms attached to the surface of the quantum dots and / or contained within the quantum dots, Ratherford backscatter (RBS) measurements.
本発明の発光装置は、上述した各種表示装置だけでなく、バックライト(例えば、液晶表示装置に用いられる)を含む照明装置に適用することができる。また、本発明の発光素子を、蛍光体の代替として使用することが可能であるし、場合によっては、本発明の発光装置を、従来の蛍光体を備えた表示装置の代替として使用することも可能である。 The light-emitting device of the present invention can be applied not only to the various display devices described above but also to a lighting device including a backlight (for example, used for a liquid crystal display device). In addition, the light-emitting element of the present invention can be used as an alternative to a phosphor, and in some cases, the light-emitting device of the present invention can be used as an alternative to a display device having a conventional phosphor. Is possible.
本発明にあっては、発光層を、量子井戸層と希土類原子、あるいは、量子ドットと希土類原子から構成するので、例えば絶縁体である酸化シリコン膜に希土類原子を分散させただけの従来の発光素子と比較して、より低電圧で、大きな電流を流すことができ、発光強度が高く、半値幅の狭い発光波長を得ることが可能となる。これは、量子井戸層や量子ドットにキャリアがトラップされ、キャリアのエネルギーが閉じ込められた状態となり、このとき、量子井戸層や量子ドットの近傍に希土類原子が存在すると、量子井戸層や量子ドットに閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され(即ち、エネルギー遷移が起こり)、次いで、希土類原子の殻内遷移により発光が生じるからであると考えられる。そして、この場合、量子井戸層や量子ドットが存在せず、ホットエレクトロンのみによって希土類原子の殻内遷移による発光が生じる場合と比較して、低消費電力で、より高い発光強度が得られる。更には、絶縁体である酸化シリコンのみから構成された発光層に比べて、量子井戸構造を有する場合、発光層の電気抵抗が低減され、発光素子の低電圧駆動化を図ることができる。しかも、発光素子は、自発光で、磁気の影響を受け難く、表示装置を大型化しても歪みが無く、鮮明で高画質な画像であって、高視野角の表示装置を得ることが可能となる。更には、従来の薄型表示装置と比較して、一層の軽量化、薄型化を実現できるし、一層の低消費電力化、低コスト化が可能となる。 In the present invention, since the light emitting layer is composed of a quantum well layer and a rare earth atom, or a quantum dot and a rare earth atom, for example, conventional light emission in which a rare earth atom is simply dispersed in a silicon oxide film as an insulator. Compared with the device, a large current can be passed at a lower voltage, and it is possible to obtain an emission wavelength with high emission intensity and a narrow half width. This is because carriers are trapped in the quantum well layer or quantum dot and the energy of the carrier is confined. At this time, if rare earth atoms exist in the vicinity of the quantum well layer or quantum dot, the quantum well layer or quantum dot It is considered that the energy of the trapped carrier is transferred to the rare earth atom (that is, energy transition occurs), and then light emission occurs due to the intrashell transition of the rare earth atom. In this case, a higher emission intensity can be obtained with lower power consumption than in the case where there is no quantum well layer or quantum dot and light emission is caused by the transition of rare earth atoms in the shell only by hot electrons. Furthermore, in the case of having a quantum well structure as compared with a light emitting layer made of only silicon oxide that is an insulator, the electric resistance of the light emitting layer is reduced, and the light emitting element can be driven at a low voltage. In addition, the light-emitting element is self-luminous, hardly affected by magnetism, and even when the display device is enlarged, there is no distortion, and it is possible to obtain a display device with a clear and high-quality image and a high viewing angle. Become. Furthermore, compared with the conventional thin display device, further weight reduction and thickness reduction can be realized, and further reduction in power consumption and cost can be achieved.
また、本発明の第1の態様においては、希土類原子が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置を規定することで、発光効率を向上させることができるし、本発明の第2の態様においては、発光層を、量子ドット、並びに、量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から構成するので、発光効率を向上させることができる。 In the first aspect of the present invention, the luminous efficiency can be improved by defining the position of the concentration peak of the rare earth atom in the thickness direction in the layer containing the rare earth atom. In the second aspect, the light emitting layer is composed of quantum dots and the rare earth atoms attached to the surface of the quantum dots and / or contained within the quantum dots, so that the light emission efficiency is improved. be able to.
本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法においては、第1材料層及び第2材料層の少なくとも一方の層にイオン注入を施すことで希土類原子を含ませるので、また、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法においては、希土類原子を含む(付着された態様を包含する)量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物(例えば、ゾル状生成物若しくはゲル状生成物)を基体の所定の位置に付着させるので、発光素子毎に、即ち、異なる色を発光する発光素子を所望の領域に容易に形成することができ、大型の表示装置においても、発光素子を精度良く形成することができる。特に、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法においては、従来の気相プロセスに比べてより低い消費エネルギーで発光層を形成することが可能であるし、生成物の付着工程では、安価なスクリーン印刷方式やインクジェット方式、浸漬方式を用いることが可能である。 In the method for manufacturing a light-emitting element according to the first aspect of the present invention, rare earth atoms are included by ion implantation in at least one of the first material layer and the second material layer. In the method for manufacturing a light emitting device according to the second aspect, a product (for example, a sol-like product or a product obtained by mixing a quantum dot containing a rare earth atom (including an attached aspect) and silicon alkoxide is used. Gel product) is attached to a predetermined position of the substrate, so that each light-emitting element, that is, a light-emitting element that emits a different color can be easily formed in a desired region. A light emitting element can be formed with high accuracy. In particular, in the method for manufacturing a light-emitting device according to the second aspect of the present invention, it is possible to form a light-emitting layer with lower energy consumption than in a conventional vapor phase process, and in the product adhesion step, It is possible to use an inexpensive screen printing method, ink jet method, or dipping method.
また、本発明において、シリコン系材料から発光素子を構成すれば、他の材料と比較して、組成が安定しているという利点がある。更には、シリコン系材料は、資源が豊富なため原料価格が安いし、環境負荷が小さく廃棄物として無害であり、しかも、融点が高いため、製造上の高温処理に十分に耐えられるという利点もある。しかも、基体としてシリコン半導体基板を用いれば、駆動用のトランジスタと発光素子とを一体的に製造することが可能であり、表示装置の更なる軽量化、薄型化が可能となる上、透明電極上にトランジスタを作製するといった低温TFT技術等の高度な製造技術が不要となり、製造プロセスの簡略化が可能となる。更には、駆動用のトランジスタを基体に相当するシリコン半導体基板に作り込めば、電子移動度が、アモルファスシリコン(1cm2V-1秒-1)やポリシリコン(100cm2V-1秒-1〜400cm2V-1秒-1)と比較して、600cm2V-1秒-1程度と高くなり、一層の応答速度の向上が可能となる。 In the present invention, if a light emitting element is made of a silicon-based material, there is an advantage that the composition is stable compared to other materials. Furthermore, silicon-based materials are abundant in resources, so the price of raw materials is low, the environmental impact is small, they are harmless as waste, and the melting point is high so that they can sufficiently withstand high-temperature processing in production. is there. In addition, if a silicon semiconductor substrate is used as the base, it is possible to manufacture a driving transistor and a light emitting element integrally, and the display device can be further reduced in weight and thickness, and on the transparent electrode. In addition, advanced manufacturing techniques such as low-temperature TFT technology for manufacturing transistors are not required, and the manufacturing process can be simplified. Furthermore, if a driving transistor is formed on a silicon semiconductor substrate corresponding to the base, the electron mobility is amorphous silicon (1 cm 2 V −1 sec −1 ) or polysilicon (100 cm 2 V −1 sec −1 ). Compared with 400 cm 2 V −1 s −1 ), it becomes as high as about 600 cm 2 V −1 s −1 , and it is possible to further improve the response speed.
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
実施例1は、本発明の第1の態様に係る発光素子、及び、本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法に関する。尚、実施例1、及び、後述する実施例2〜実施例4において、発光素子はフォトルミネッセンス(PL)発光素子から成る。 Example 1 relates to a light emitting device according to the first aspect of the present invention and a method for manufacturing the light emitting element according to the first aspect of the present invention. In Example 1 and Examples 2 to 4 to be described later, the light emitting element is a photoluminescence (PL) light emitting element.
実施例1の発光素子の模式的な一部断面図を図1の(C)に示す。この実施例1の発光素子10は、シリコン半導体基板から成る基板11(基体に相当する)上に形成された発光層20を備えている。そして、発光層20は、第1材料層21、量子井戸層24、及び、第2材料層22が、この順に積層された構造を有する。第1材料層21及び第2材料層22は、シリコンを主成分とし、具体的にはシリコン系酸化物、より具体的には酸化シリコン(SiO2)から成り、厚さは約200nmである。また、量子井戸層24は、例えば、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、若しくは、シリコン−ゲルマニウム(Si−Ge)から成り、あるいは又、シリコン系酸化物から成る。
A schematic partial cross-sectional view of the light-emitting element of Example 1 is shown in FIG. The light emitting element 10 of Example 1 includes a light emitting layer 20 formed on a substrate 11 (corresponding to a base) made of a silicon semiconductor substrate. The light emitting layer 20 has a structure in which a
そして、第1材料層21及び第2材料層22の少なくとも一方の層(実施例1にあっては、第1材料層21及び第2材料層22の両方)には、希土類原子23、より具体的には、希土類原子に由来したイオンが含まれている。尚、図面においては、希土類原子23あるいは希土類原子に由来したイオンを、「×」印で表示している。そして、希土類原子23が含まれている層(実施例1にあっては、第1材料層21及び第2材料層22の両方)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第1材料層21と量子井戸層24の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内(量子井戸層に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され得る範囲内)に位置し、また、第2材料層22と量子井戸層24の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する。より具体的には、希土類原子が含まれている層(実施例1にあっては、第1材料層21及び第2材料層22の両方)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第1材料層21と量子井戸層24の界面から1×10-8m(10nm)の範囲内に位置し、また、第2材料層22と量子井戸層24の界面から1×10-8m(10nm)の範囲内に位置する。あるいは又、希土類原子が含まれている層(実施例1にあっては、第1材料層21及び第2材料層22の両方)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第1材料層21と量子井戸層24の界面からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置し、第2材料層22と量子井戸層24の界面からフォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置する。尚、希土類原子23を、第1材料層21及び第2材料層22の両方に導入することが好ましいが、第1材料層21若しくは第2材料層22の一方の層のみに導入してもよい。
In at least one of the
希土類原子23はユーロビウム(Eu)であり、この場合、Eu3+を含む発光素子は赤色(波長:615nm)を発光し、あるいは又、希土類原子23はプラセオジウム(Pr)であり、この場合、Pr3+を含む発光素子は赤色(波長:605nm)を発光し、あるいは又、希土類原子23はエルビウム(Er)であり、この場合、Er3+を含む発光素子は橙色(波長:570nm)を発光し、あるいは又、希土類原子23はテルビウム(Tb)であり、この場合、Tb3+を含む発光素子は緑色(波長:545nm)を発光し、あるいは又、希土類原子23はセリウム(Ce)であり、この場合、Ce3+を含む発光素子は青色(波長:530nm)を発光し、あるいは又、希土類原子23はツリウム(Tm)であり、この場合、Tm3+を含む発光素子は青色(波長:450nm)を発光する。尚、希土類原子23を、以上に説明した、あるいは、それ以外の希土類原子の複数種から構成することもでき、この場合の発光色は、希土類原子が発光する特有の発光色の混色となる。
The
以下、基体等の模式的な一部断面図である図1の(A)〜(C)を参照して、実施例1の発光素子の製造方法を説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the light-emitting element of Example 1 will be described with reference to FIGS.
[工程−100]
基体に相当する基板11としてシリコン基板を用意する。そして、プラズマ化学的気相成長法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition法,PE−CVD法)に基づき、基板11上に、シリコンを主成分とする第1材料層21、より具体的には、厚さ約200nmのSiO2から成る第1材料層21を形成する。
[Step-100]
A silicon substrate is prepared as the
[工程−110]
次いで、イオン注入法によって、第1材料層21の表面から希土類原子23をイオン注入する(図1の(A)参照)。即ち、希土類原子が含まれている層(第1材料層21)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層(第1材料層21)と量子井戸層24の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。あるいは又、希土類原子が含まれている層(第1材料層21)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層(第1材料層21)と量子井戸層24の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。具体的には、第1材料層21の表面から10nmの範囲内に、厚さ方向の希土類原子23の濃度ピークが位置するように、希土類原子23(より具体的には、希土類原子に由来したイオン)をイオン注入する。例えば、希土類原子23をテルビウム(Tb)とする場合の第1材料層21へのイオン注入条件を、以下の表2に例示する。イオン注入後、400゜C〜1200゜C程度の温度で1分〜100分程度のアニール処理を施し、イオン注入による第1材料層21におけるダメージの回復を図ることが望ましい。尚、ドーズ量の望ましい範囲として、1×1011atoms/cm2乃至1×1015atoms/cm2、好ましくは、1×1012atoms/cm2乃至1×1014atoms/cm2を挙げることができる。また、ユーロビウム(Eu)、プラセオジウム(Pr)、エルビウム(Er)、セリウム(Ce)、及び、ツリウム(Tm)をイオン注入する場合には、これらの希土類原子に由来したイオンをイオン注入するための最適な加速エネルギー及びドーズ量を各種の試験に基づき決定し、その決定に基づきイオン注入を行えばよい。
[Step-110]
Next,
[表2]
加速エネルギー:10keV
イオン種 :Tb3+
ドーズ量 :1×1013atoms/cm2
[Table 2]
Acceleration energy: 10 keV
Ion species: Tb 3+
Dose amount: 1 × 10 13 atoms / cm 2
[工程−120]
その後、例えばPE−CVD法に基づき、第1材料層21上に、例えばシリコン(Si)から成り、厚さ10nmの量子井戸層24を形成する(図1の(B)参照)。具体的には、例えば、基板温度420゜C、SiH4流量50sccm、Ar流量1000sccm、5.3×102Pa(4Torr)の圧力下、RFパワー250W、ギャップ14mmの条件にて、量子井戸層24を形成することができる。あるいは又、スパッタリング法にて量子井戸層24を形成することもできる。具体的には、例えば、Ar流量20sccm、1×10-4Paの圧力下、RFパワー500Wにて、Siターゲットをアルゴンプラズマにてスパッタすることで、量子井戸層24を形成することができる。
[Step-120]
Thereafter, a quantum well layer 24 made of, for example, silicon (Si) and having a thickness of 10 nm is formed on the
尚、シリコン(Si)から成る量子井戸層24の形成の代わりに、ゲルマニウム(Ge)から成る量子井戸層24を形成してもよいし、シリコン−ゲルマニウム(Si−Ge)から成る量子井戸層24を形成してもよいし、シリコン系酸化物から成る量子井戸層24を形成してもよい。シリコン系酸化物から成る量子井戸層24は、具体的には、例えば、基板温度400゜C、SiH4流量100sccm、N2O流量2000sccm、3.3×102Pa(2.5Torr)の圧力下、RFパワー150〜300W、ギャップ14mmの条件のCVD法にて、形成することができる。 Instead of forming the quantum well layer 24 made of silicon (Si), a quantum well layer 24 made of germanium (Ge) may be formed, or the quantum well layer 24 made of silicon-germanium (Si-Ge). The quantum well layer 24 made of a silicon-based oxide may be formed. Specifically, the quantum well layer 24 made of a silicon-based oxide has, for example, a substrate temperature of 400 ° C., an SiH 4 flow rate of 100 sccm, an N 2 O flow rate of 2000 sccm, and a pressure of 3.3 × 10 2 Pa (2.5 Torr). The film can be formed by the CVD method under the conditions of RF power 150 to 300 W and gap 14 mm.
[工程−130]
次に、例えばPE−CVD法によって、量子井戸層24上に、シリコンを主成分とする第2材料層22、より具体的には、厚さ約200nmのSiO2から成る第2材料層22を形成する。
[Step-130]
Next, a second material layer 22 mainly composed of silicon, more specifically, a second material layer 22 made of SiO 2 having a thickness of about 200 nm is formed on the quantum well layer 24 by, for example, PE-CVD. Form.
[工程−140]
その後、イオン注入法によって、第2材料層22の表面から希土類原子23をイオン注入する(図1の(C)参照)。即ち、希土類原子が含まれている層(第2材料層22)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層(第2材料層22)と量子井戸層24の界面から、フェルスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。あるいは又、希土類原子が含まれている層(第2材料層22)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層(第2材料層22)と量子井戸層24の界面から、フォトンを介したエネルギー遷移が起こる範囲内に位置するように、イオン注入を施す。具体的には、量子井戸層24と第2材料層22の界面から第2材料層22の内部、10nmの範囲内に厚さ方向の希土類原子23の濃度ピークが位置するように(云い換えれば、第2材料層22表面から190nmの深さの位置するように)、希土類原子23(より具体的には、希土類原子に由来したイオン)をイオン注入する。例えば、希土類原子23をテルビウム(Tb)とする場合の第2材料層22へのイオン注入条件を、以下の表3に例示する。イオン注入後、400゜C〜1300゜C程度の温度で1分〜100分程度のアニール処理を施し、イオン注入による第1材料層21におけるダメージの回復を図ることが望ましい。尚、ドーズ量の望ましい範囲として、1×1011atoms/cm2乃至1×1015atoms/cm2、好ましくは、1×1012atoms/cm2乃至1×1014atoms/cm2を挙げることができる。また、ユーロビウム(Eu)、プラセオジウム(Pr)、エルビウム(Er)、セリウム(Ce)、及び、ツリウム(Tm)をイオン注入する場合には、これらの希土類原子に由来したイオンをイオン注入するための最適な加速エネルギー及びドーズ量を各種の試験に基づき決定し、その決定に基づきイオン注入を行えばよい。
[Step-140]
Thereafter,
[表3]
加速エネルギー:600keV
イオン種 :Tb3+
ドーズ量 :1×1013atoms/cm2
[Table 3]
Acceleration energy: 600 keV
Ion species: Tb 3+
Dose amount: 1 × 10 13 atoms / cm 2
尚、[工程−110]において、PE−CVD法とイオン注入法との組合せの代わりに、スパッタリング法にて、第1材料層21の形成、第1材料層21の形成と希土類原子23の導入、更には、第1材料層21の形成を行ってもよい。また、同様に、[工程−140]において、スパッタリング法にて、第2材料層22の形成、第2材料層22の形成と希土類原子23の導入、更には、第2材料層22の形成を行ってもよい。
In [Step-110], instead of the combination of the PE-CVD method and the ion implantation method, the
これによって、実施例1にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にシリコン(Si)から成る厚さ10nmの量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第1材料層21及び第2材料層22中に導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から10nm程度離れた位置に位置する発光素子10を得ることができた。
Thus, in Example 1, the
実施例1においては、特に、シリコン半導体における高度な高集積化技術を適用することにより、数μmオーダーの大きさの制御が可能である。 In the first embodiment, in particular, by applying a high integration technology in a silicon semiconductor, it is possible to control the size on the order of several μm.
また、実施例1、あるいは後述する実施例2〜実施例4において説明する発光素子を所望の配置状態に配置し、係る発光素子に例えばレーザ光を照射することで発光素子を発光させれば、フォトルミネッセンス(PL)型の表示装置として機能させることができる。 In addition, if the light emitting element described in Example 1 or Example 2 to Example 4 described later is arranged in a desired arrangement state and the light emitting element emits light by, for example, irradiating the light emitting element with laser light, It can function as a photoluminescence (PL) type display device.
実施例2は、実施例1の変形である。実施例2にあっては、[工程−100]、[工程−120]〜[工程−140]と同様の工程を実行した。即ち、[工程−110]を省略した。 The second embodiment is a modification of the first embodiment. In Example 2, the same steps as [Step-100] and [Step-120] to [Step-140] were performed. That is, [Step-110] was omitted.
これによって、実施例2にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上に厚さ10nmのシリコン(Si)から成る量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第2材料層22中のみに導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から10nm程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
Thus, in Example 2, the
実施例3も、実施例1の変形である。実施例3においては、希土類原子が含まれている層において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層と量子井戸層の界面から、デクスター機構によるエネルギー遷移が起こる範囲内(量子井戸層に閉じ込められたキャリアのエネルギーが希土類原子に移送され得る範囲内)に位置する。具体的には、実施例3にあっては、希土類原子が含まれている層(実施例3にあっては、第1材料層21及び第2材料層22の両方)において、厚さ方向の希土類原子の濃度ピークは、第1材料層21と量子井戸層24の界面から1×10-9m(1nm)の範囲内に位置し、また、第2材料層22と量子井戸層24の界面から1×10-9m(1nm)の範囲内に位置する。尚、[工程−110]と同様の工程において、例えば、希土類原子23をテルビウム(Tb)とする場合の第1材料層21へのイオン注入条件を、以下の表4に例示し、[工程−140]において、第2材料層22へのイオン注入条件を、以下の表5に例示する。
The third embodiment is also a modification of the first embodiment. In Example 3, in a layer containing rare earth atoms, the concentration peak of rare earth atoms in the thickness direction is within a range where energy transition occurs by a Dexter mechanism from the interface between this layer and the quantum well layer (quantum well layer). In the range in which the energy of the carriers confined in can be transferred to the rare earth atoms. Specifically, in Example 3, in the layer containing rare earth atoms (in Example 3, both the
[表4]
加速エネルギー:0.1keV〜3keV
イオン種 :Tb3+
ドーズ量 :1×1013atoms/cm2
[Table 4]
Acceleration energy: 0.1 keV to 3 keV
Ion species: Tb 3+
Dose amount: 1 × 10 13 atoms / cm 2
[表5]
加速エネルギー:620keV
イオン種 :Tb3+
ドーズ量 :1×1013atoms/cm2
[Table 5]
Acceleration energy: 620 keV
Ion species: Tb 3+
Dose amount: 1 × 10 13 atoms / cm 2
これによって、実施例3にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にシリコン(Si)から成る厚さ10nmの量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第1材料層21及び第2材料層22中に導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から1nm程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
Thus, in Example 3, the
以下、実施例1及び実施例3の発光素子における希土類原子(実施例1及び実施例3にあっては、より具体的には、希土類原子に由来したイオン)の導入位置について説明する。ここで、希土類原子23が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークが、この層と量子井戸層の界面から距離「d」だけ離れているとする。
Hereinafter, the introduction position of rare earth atoms (more specifically, ions derived from rare earth atoms in Examples 1 and 3) in the light emitting devices of Examples 1 and 3 will be described. Here, it is assumed that the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction in the layer including the
このdの値が100nmである場合、例えば、フェルスター機構によるエネルギー遷移が期待される10nm以内に量子井戸層24と希土類原子23とが接近している場合があり得るので、量子井戸層24が存在しない場合と比較して、発光素子の発光効率が若干なりとも向上することを期待することができる。
When the value of d is 100 nm, for example, the quantum well layer 24 and the
一方、このdの値が10nmである場合、例えば、共鳴的双極子−双極子相互作用によるエネルギー移動であるフェルスター機構(Foerster機構)に基づく移動距離の上限は10nmであると云われており、エネルギーの遷移効率の大幅なる向上を期待することができる。 On the other hand, when the value of d is 10 nm, for example, it is said that the upper limit of the moving distance based on the Forster mechanism (Foerster mechanism), which is energy transfer by a resonant dipole-dipole interaction, is 10 nm. A significant improvement in energy transition efficiency can be expected.
更には、このdの値が1nmである場合、例えば、分子間接触による電子の交換によるエネルギー移動であるデクスター機構(Dexter機構、交換機構とも呼ばれる)に基づく移動距離の上限は1nmであると云われており、エネルギーの遷移効率の一層大幅なる向上を期待することができる。 Furthermore, when the value of d is 1 nm, for example, the upper limit of the movement distance based on the Dexter mechanism (also called the Dexter mechanism or exchange mechanism), which is energy transfer by the exchange of electrons due to intermolecular contact, is 1 nm. It can be expected that the energy transition efficiency will be further improved.
[比較例1]
比較例1として、[工程−100]〜[工程−140]と同様の工程を実行した。但し、[工程−110]と同様の工程においては、第1材料層21の表面から100nmの位置に、厚さ方向の希土類原子23の濃度ピークが位置するように、希土類原子23(より具体的には、希土類原子に由来したイオン)をイオン注入する(表6のイオン注入条件を参照)。また、量子井戸層24と第2材料層22の界面から第2材料層22の内部、100nmの位置に厚さ方向の希土類原子23の濃度ピークが位置するように(云い換えれば、第2材料層22表面から100nmの深さの位置するように)、希土類原子23(より具体的には、希土類原子に由来したイオン)をイオン注入する(表6のイオン注入条件を参照)。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, the same steps as [Step-100] to [Step-140] were performed. However, in a step similar to [Step-110], the rare earth atoms 23 (more specifically, such that the concentration peak of the
[表6]
加速エネルギー:300keV
イオン種 :Tb3+
ドーズ量 :1×1013atoms/cm2
[Table 6]
Acceleration energy: 300 keV
Ion species: Tb 3+
Dose amount: 1 × 10 13 atoms / cm 2
これによって、比較例1にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にシリコン(Si)から成る厚さ10nmの量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第1材料層21及び第2材料層22中に導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から100nm程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
Thus, in Comparative Example 1, the
[比較例2]
また、比較例2として、比較例1と同じ工程を実行した。但し、[工程−110]を省略した。
[Comparative Example 2]
Moreover, the same process as the comparative example 1 was performed as the comparative example 2. However, [Step-110] was omitted.
これによって、比較例2にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にシリコン(Si)から成る厚さ10nmの量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第2材料層22中のみに導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から100nm程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
Thus, in Comparative Example 2, the
[比較例3]
更には、比較例3として、[工程−100]〜[工程−140]と同様の工程を実行した。但し、[工程−120]と同様の工程においては、量子井戸層を形成せずに、例えばPE−CVD法に基づき、第1材料層21上に、厚さ10nmのSiO2層を形成し、[工程−130]と同様の工程においては、このSiO2層上に第2材料層22を形成した。尚、このSiO2層は量子井戸層ではない。
[Comparative Example 3]
Furthermore, as Comparative Example 3, the same steps as [Step-100] to [Step-140] were performed. However, in a step similar to [Step-120], without forming a quantum well layer, a SiO 2 layer having a thickness of 10 nm is formed on the
これによって、比較例3にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にSiO2層が形成され、SiO2層上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第1材料層21及び第2材料層22中に導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、SiO2層から10nm程度離れた位置に位置する比較例3の発光素子を得ることができた。
Thereby, in the Comparative Example 3, on the
[比較例4]
また、比較のために、比較例4として、実施例1と同じ工程を実行した。但し、[工程−110]を省略し、且つ、量子井戸層24の厚さを100nmとした。
[Comparative Example 4]
Moreover, the same process as Example 1 was performed as the comparative example 4 for the comparison. However, [Step-110] was omitted, and the thickness of the quantum well layer 24 was set to 100 nm.
これによって、比較例4にあっては、基板11上に、SiO2から成る厚さ200nmの第1材料層21が形成され、第1材料層21上にシリコン(Si)から成る厚さ100nmの量子井戸層24が形成され、量子井戸層24上にSiO2から成る厚さ200nmの第2材料層22が形成され、第2材料層22中のみに導入されたテルビウムイオン(Tb3+)の厚さ方向の濃度ピークが、量子井戸層24から10nm程度離れた位置に位置する発光素子を得ることができた。
Thus, in Comparative Example 4, the
こうして得られた実施例1〜実施例3、比較例1〜比較例4の発光素子の光学特性評価を、フォトルミネッセンス測定装置(励起光:He−Cdレーザ、励起パワー:30mW、ディテクター:シリコンフォトディテクター)を用いて、室温環境下で行った。具体的には、He−Cdレーザを照射した発光素子から射出された光をシリコンフォトディテクターで受光し、波長545nm付近に発光ピークを有する光のフォトルミネッセンス発光強度(以下、単に、発光強度と呼ぶ)を読み取った。光学特性の結果を表7に示す。尚、発光強度は、実施例1の発光強度の値を「1」としたときの相対値で表している。また、表7においては、フォトルミネッセンス発光強度を、単に「発光強度」と表記している。 The optical characteristics of the light emitting devices of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 thus obtained were evaluated using a photoluminescence measuring device (excitation light: He—Cd laser, excitation power: 30 mW, detector: silicon photo). The detector was used in a room temperature environment. Specifically, light emitted from a light emitting element irradiated with a He—Cd laser is received by a silicon photodetector, and photoluminescence emission intensity of light having an emission peak in the vicinity of a wavelength of 545 nm (hereinafter simply referred to as emission intensity). ) Was read. Table 7 shows the results of the optical characteristics. The light emission intensity is expressed as a relative value when the light emission intensity value of Example 1 is “1”. In Table 7, the photoluminescence emission intensity is simply expressed as “emission intensity”.
[表7]
[Table 7]
表7から、実施例1及び実施例2の発光素子の発光強度は、量子井戸層24が存在するが故に、比較例3の発光素子の発光強度に比べて、高いことが判る。また、比較例1及び比較例2の発光素子の発光強度は、量子井戸層24が存在するが故に、比較例3の発光素子の発光強度よりも高いが、希土類原子23が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置の最適化が図られていないが故に、実施例1及び実施例2の発光素子の発光強度よりも低いことが判る。更には、実施例3の発光素子(d=1nm)の発光強度は、実施例1及び実施例2の発光素子(d=10nm)の発光強度よりも高いことが判る。また、比較例4から、量子井戸層の厚さが厚いと、発光強度が低下することが判る。
From Table 7, it can be seen that the light emission intensity of the light emitting elements of Example 1 and Example 2 is higher than the light emission intensity of the light emitting element of Comparative Example 3 because the quantum well layer 24 is present. The light emission intensity of the light emitting elements of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is higher than the light emission intensity of the light emitting element of Comparative Example 3 because the quantum well layer 24 is present, but a layer containing
以上の分析結果から、実施例1〜実施例3によれば、基体上に形成された発光層を、量子井戸層と、希土類原子としてテルビウムイオンを含んだSiO2から成る第1材料層及び/又は第2材料層とから構成することで、絶縁体であるSiO2層にテルビウムイオンを分散させただけの発光素子(比較例3)に比べて、より高い発光強度を得ることができ(即ち、より高い発光効率を得ることができ)、しかも、希土類原子23が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置の最適化を図ることで、一層高い発光強度を得ることができることが判る。
From the above analysis results, according to Examples 1 to 3, the light-emitting layer formed on the substrate is divided into a quantum well layer, a first material layer made of SiO 2 containing terbium ions as rare earth atoms, and / or Alternatively, by comprising the second material layer, a higher emission intensity can be obtained as compared with the light emitting device (Comparative Example 3) in which terbium ions are simply dispersed in the SiO 2 layer that is an insulator (that is, Higher emission efficiency), and by optimizing the position of the concentration peak of the rare earth atoms in the thickness direction in the layer containing the
実施例4は、本発明の第2の態様に係る発光素子、及び、本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法に関する。 Example 4 relates to a light-emitting element according to the second aspect of the present invention and a method for manufacturing the light-emitting element according to the second aspect of the present invention.
実施例4の発光素子の模式的な一部断面図を図2の(A)に示す。この実施例4の発光素子30は、シリコン半導体基板から成る基板31(基体に相当する)上に形成された発光層40を備えている。そして、実施例4において、発光層40は、量子ドット41、並びに、量子ドット41の表面に付着した希土類原子43から成る。尚、図2の(A)にあっては、量子ドット41が規則正しく配列されているように図示しているが、実際には、量子ドット41はランダムに配列されている。ここで、量子ドット41は、シリコン(Si)から成り、酸化シリコン(SiO2)から成る材料層42中に一種の分散状態で存在する。
A schematic partial cross-sectional view of the light-emitting element of Example 4 is shown in FIG. The light-emitting element 30 of Example 4 includes a light-emitting
希土類原子43はユーロビウム(Eu)であり、この場合、Eu3+を含む発光素子は赤色(波長:615nm)を発光し、あるいは又、希土類原子43はプラセオジウム(Pr)であり、この場合、Pr3+を含む発光素子は赤色(波長:605nm)を発光し、あるいは又、希土類原子43はエルビウム(Er)であり、この場合、Er3+を含む発光素子は橙色(波長:570nm)を発光し、あるいは又、希土類原子43はテルビウム(Tb)であり、この場合、Tb3+を含む発光素子は緑色(波長:545nm)を発光し、あるいは又、希土類原子43はセリウム(Ce)であり、この場合、Ce3+を含む発光素子は青色(波長:530nm)を発光し、あるいは又、希土類原子43はツリウム(Tm)であり、この場合、Tm3+を含む発光素子は青色(波長:450nm)を発光する。尚、希土類原子43を、以上に説明した、あるいは、それ以外の希土類原子の複数種から構成することもでき、この場合の発光色は、希土類原子が発光する特有の発光色の混色となる。 The rare earth atom 43 is eurobium (Eu). In this case, the light emitting element containing Eu 3+ emits red light (wavelength: 615 nm), or the rare earth atom 43 is praseodymium (Pr). In this case, Pr The light emitting element containing 3+ emits red light (wavelength: 605 nm), or the rare earth atom 43 is erbium (Er). In this case, the light emitting element containing Er 3+ emits orange light (wavelength: 570 nm). Alternatively, the rare earth atom 43 is terbium (Tb). In this case, the light emitting element containing Tb 3+ emits green light (wavelength: 545 nm), or the rare earth atom 43 is cerium (Ce). in this case, the light-emitting element including Ce 3+ blue (wavelength: 530 nm) to emit Alternatively, the rare earth atom 43 is thulium (Tm), in this case, including the Tm 3+ Photoelement blue (wavelength: 450 nm) to emit. The rare earth atom 43 may be composed of a plurality of kinds of rare earth atoms as described above or other than that, and the emission color in this case is a mixture of specific emission colors emitted by the rare earth atoms.
以下、実施例4の発光素子の製造方法を説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the light emitting element of Example 4 will be described.
[工程−400]
先ず、シリコン半導体基板を陽極酸化(陽極化成)することによって、多孔質のシリコン半導体基板を得た後、このシリコン半導体基板を溶媒中で超音波処理することで、シリコンから成る量子ドット41を得る。
[Step-400]
First, a porous silicon semiconductor substrate is obtained by anodic oxidation (anodization) of a silicon semiconductor substrate, and then the silicon semiconductor substrate is subjected to ultrasonic treatment in a solvent to obtain quantum dots 41 made of silicon. .
具体的には、図2の(B)に概念図を示すように、シリコン半導体基板(例えば、p型シリコン半導体基板:抵抗率=1Ωcm〜10Ωcm)44を、フッ酸(50重量%)とエタノール溶液とを体積比1:1の割合で混合した電解溶液45中において、電流密度100mA/cm2で陽極酸化(陽極化成)して、シリコン半導体基板44を多孔質化する。即ち、多孔質のシリコン半導体基板を得る。このとき、シリコン半導体基板44を陽極として用い、対極に白金電極46を用いる。
Specifically, as shown in a conceptual diagram in FIG. 2B, a silicon semiconductor substrate (for example, a p-type silicon semiconductor substrate: resistivity = 1 Ωcm to 10 Ωcm) 44 is mixed with hydrofluoric acid (50 wt%) and ethanol. In the electrolytic solution 45 mixed with the solution at a volume ratio of 1: 1, the
その後、例えばトルエンから成る溶媒中で、陽極酸化によって得られた多孔質のシリコン半導体基板44を超音波処理する。その結果、多孔質のシリコン半導体基板44からシリコンから成る量子ドット41がふるい落とされ、溶媒中に分散される。次いで、溶媒中に分散させた量子ドット41を遠心分離機を用いてサイズ毎に選別し、粒径のほぼ揃ったシリコンから成る量子ドット41を得ることができる。尚、量子ドット41は、希ガス中のレーザアブレーション法を用いても得ることができる。
Thereafter, the porous
[工程−410]
次に、無電解めっき法により、希土類原子43を、量子ドット41の表面に付着させる。無電解めっき法において使用するめっき浴は、例えば、クエン酸ナトリウム、次亜リン酸ナトリウム、及び、硫酸アンモニウムから成る。ここで、クエン酸ナトリウムは、水酸化物の沈殿防止とめっき速度の調整を行うため、めっき浴中でめっき層を形成するイオンと安定な可溶性錯体を形成する錯化剤として用いられる。また、次亜リン酸ナトリウムは、めっき層を形成する材料を析出させる還元剤として用いられる。更には、硫酸アンモニウムは、めっき浴の分解を防止する安定剤とし用いられる。このめっき浴に、希土類元素の硫酸塩(例えば、ユーロビウム(Eu)の硫酸塩、プラセオジウム(Pr)の硫酸塩、エルビウム(Er)の硫酸塩、テルビウム(Tb)の硫酸塩、セリウム(Ce)の硫酸塩、ツリウム(Tm)の硫酸塩)を溶解して、水素イオン濃度(pH)が8程度になるように水酸化アンモニウム(NH4OH)溶液を加え、90゜Cに加熱する。そして、[工程−400]で得られたシリコン(Si)から成る量子ドット41をめっき浴中に投入し、所望量の希土類原子が量子ドット41の表面に付着されるまで、放置する。こうして、無電解めっき法により、希土類原子を含む量子ドット41を得ることができる。無電解めっき処理後、量子ドット41を超純水で洗浄し、めっき浴の溶液を洗い流す。
[Step-410]
Next, rare earth atoms 43 are attached to the surface of the quantum dots 41 by electroless plating. The plating bath used in the electroless plating method includes, for example, sodium citrate, sodium hypophosphite, and ammonium sulfate. Here, sodium citrate is used as a complexing agent that forms a stable soluble complex with ions forming the plating layer in the plating bath in order to prevent precipitation of hydroxide and adjust the plating rate. In addition, sodium hypophosphite is used as a reducing agent for precipitating the material forming the plating layer. Furthermore, ammonium sulfate is used as a stabilizer that prevents the decomposition of the plating bath. Rare earth element sulfates (e.g., europium (Eu) sulfate, praseodymium (Pr) sulfate, erbium (Er) sulfate, terbium (Tb) sulfate, cerium (Ce) sulfate Sulfate, thulium (Tm) sulfate) is dissolved, and an ammonium hydroxide (NH 4 OH) solution is added so that the hydrogen ion concentration (pH) is about 8, followed by heating to 90 ° C. Then, the quantum dots 41 made of silicon (Si) obtained in [Step-400] are put into a plating bath and left until a desired amount of rare earth atoms are attached to the surface of the quantum dots 41. Thus, quantum dots 41 containing rare earth atoms can be obtained by electroless plating. After the electroless plating treatment, the quantum dots 41 are washed with ultrapure water, and the plating bath solution is washed away.
尚、希土類原子43を、量子ドット41の表面に付着させる方法は、無電解めっき法に限定されず、例えば、スパッタリング法、CVD法、MBE法(分子線エピタキシャル法)を採用することもできる。また、希土類原子43を、量子ドット41の内部に含ませる(拡散させる)方法として、例えば、イオン注入法を挙げることができる。 The method of attaching the rare earth atoms 43 to the surface of the quantum dots 41 is not limited to the electroless plating method, and for example, a sputtering method, a CVD method, or an MBE method (molecular beam epitaxial method) can also be employed. An example of a method for causing the rare earth atoms 43 to be included (diffused) in the quantum dots 41 is an ion implantation method.
[工程−420]
次に、[工程−410]で得られた量子ドット41とシリコンアルコキシドとを混合して生成物を得る。具体的には、量子ドット41とシリコンアルコキシドとを混合した後、アルカリ又は酸を触媒として添加して、シリコンアルコキシドを加水分解する。こうして、ゾル状若しくはゲル状の生成物を得ることができる。
[Step-420]
Next, the quantum dot 41 obtained in [Step-410] and silicon alkoxide are mixed to obtain a product. Specifically, after mixing the quantum dots 41 and silicon alkoxide, alkali or acid is added as a catalyst to hydrolyze the silicon alkoxide. Thus, a sol or gel product can be obtained.
より具体的には、例えばポリプロピレン製の容器に、[工程−410]で得られた所望量の量子ドット41、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)、及び、メタノールを加え、更に、モル比にしてテトラエトキシシランの2倍以上のモル数の水を加える。更には、容器の底へ乾燥制御剤としてN,N−ジメチルホルムアミドを加えて、攪拌する。この混合溶液に、触媒として0.1Nの水酸化アンモニウム(NH4OH,アンモニア水溶液)を加え、更に攪拌した後、容器に蓋をして、室温にて数日間放置する。この間、テトラエトキシシランの加水分解が進行し、ゲル化する。その後、容器の蓋を少し開け、室温にて放置し、容器内の溶媒を徐々に揮発させ、内容物を徐々に乾燥させる。更に、例えば50゜Cの恒温槽中にて乾燥させて、粘度の高いゲル状の生成物を得る。尚、シリコンアルコキシドとして、テトラエトキシシランを用いる代わりに、例えばテトラメトキシシラン(Si(OCH3)4)等を用いることもできる。また、触媒として0.1Nのアンモニア水溶液を用いたが、これに限定されるものではなく、塩酸等を用いることもできる。 More specifically, for example, a desired amount of the quantum dots 41 obtained in [Step-410], tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ), and methanol are added to a polypropylene container, and further, Then, water having a molar ratio more than twice that of tetraethoxysilane is added. Further, N, N-dimethylformamide is added to the bottom of the container as a drying control agent and stirred. To this mixed solution is added 0.1N ammonium hydroxide (NH 4 OH, aqueous ammonia) as a catalyst, and after stirring, the container is covered and left at room temperature for several days. During this time, tetraethoxysilane is hydrolyzed and gelled. Thereafter, the container lid is slightly opened and left at room temperature, the solvent in the container is gradually evaporated, and the contents are gradually dried. Furthermore, it is dried in, for example, a 50 ° C. constant temperature bath to obtain a highly viscous gel product. As the silicon alkoxide, for example, tetramethoxysilane (Si (OCH 3 ) 4 ) or the like can be used instead of tetraethoxysilane. Moreover, although 0.1N ammonia aqueous solution was used as a catalyst, it is not limited to this, Hydrochloric acid etc. can also be used.
[工程−430]
次に、量子ドット41とシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基板31に付着させた後、生成物をアニール処理する。具体的には、例えば、スクリーン印刷法に基づき、シリコン半導体基板から成る基板31に、[工程−420]で得られたゲル状生成物を塗布する。
[Step-430]
Next, after a product obtained by mixing quantum dots 41 and silicon alkoxide is attached to the substrate 31, the product is annealed. Specifically, for example, the gel-like product obtained in [Step-420] is applied to the substrate 31 made of a silicon semiconductor substrate based on a screen printing method.
次に、シリコン半導体基板から成る基板31上に塗布されたゲル状の生成物をアニール処理する。このアニール処理の条件として、例えば、アルゴン、窒素等の不活性な雰囲気中での400゜C〜1000゜C程度においての加熱処理を例示することができる。こうして、量子ドット41、並びに、量子ドット41の表面に付着し、及び/又は、量子ドットの内部に含まれた希土類原子43から成る発光層40を得ることができ、この場合、量子ドット41は、シリコン(Si)から成り、酸化シリコン(SiO2)から成る材料層42中に一種の分散状態で存在する。材料層42は、テトラエトキシシランを出発物質としており、テトラエトキシシランの加水分解の結果物である。
Next, the gel-like product applied on the substrate 31 made of a silicon semiconductor substrate is annealed. As the conditions for this annealing treatment, for example, a heat treatment at about 400 ° C. to 1000 ° C. in an inert atmosphere such as argon or nitrogen can be exemplified. Thus, it is possible to obtain the quantum dots 41 and the light-emitting
[工程−430]において、スクリーン印刷法に基づきゲル状生成物を塗布すれば、即ち、発光単位毎(画素毎)に発光素子の発光層に塗り分ることで、例えば、大画面の表示装置においても、発光素子の発光層を、精度良く、しかも既存の気相プロセスに比べて、より低い消費エネルギーで形成することができる。また、希土類原子43を、量子ドット41の表面に付着させる方法として無電解めっき法を採用すれば、高真空状態とする必要がないため、表示装置の大型化に比較的容易に対応することができ、更には、プロセスに要する消費エネルギーを低減させることができる。また、真空プロセスで大画面の表示装置を作製する場合、成膜精度の劣化が生じる虞があるが、スクリーン印刷法に基づきゲル状生成物を基体に塗布すれば、大画面の表示装置を構成する発光素子あるいは発光装置の製造を高精度にて行うことができる。 In [Step-430], if a gel-like product is applied based on the screen printing method, that is, by coating the light emitting layer of the light emitting element for each light emitting unit (for each pixel), for example, a large screen display device However, the light-emitting layer of the light-emitting element can be formed with high accuracy and with lower energy consumption than the existing gas-phase process. Further, if an electroless plating method is adopted as a method for attaching the rare earth atoms 43 to the surface of the quantum dots 41, it is not necessary to make a high vacuum state, so that it is relatively easy to cope with an increase in the size of the display device. In addition, energy consumption required for the process can be reduced. In addition, when a large-screen display device is produced by a vacuum process, there is a possibility that film formation accuracy may deteriorate. However, if a gel-like product is applied to a substrate based on a screen printing method, a large-screen display device is configured. The light emitting element or the light emitting device to be manufactured can be manufactured with high accuracy.
実施例5は、本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光素子、及び、複数の電流注入型エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光装置に関する。図3の(A)に模式的な一部断面図を示すように、電流注入型エレクトロルミネッセンス素子である発光素子60は、基体(例えばp型シリコン半導体基板62)上に形成された発光層61を備えている。ここで、発光層61は、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の構造を有する。そして、実施例5における発光素子60は、p型シリコン半導体基板62上に形成されたSiNから成る絶縁層65によって、隣接する発光素子(図示せず)から分離されている。絶縁層65によって囲まれた発光層の大きさや平面形状は、表示装置の規格に応じて適宜選択して決定すればよく、例えば、1mm角の平面形状を例示することができる。 Example 5 relates to the light-emitting element and the light-emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention, specifically, a light-emitting element composed of a current-injection type electroluminescence element, and a plurality of current injections The present invention relates to a light emitting device composed of a type electroluminescent element. As shown in a schematic partial cross-sectional view in FIG. 3A, a light emitting element 60 that is a current injection type electroluminescent element includes a light emitting layer 61 formed on a base (for example, a p-type silicon semiconductor substrate 62). It has. Here, the light emitting layer 61 relates to the structure of the light emitting element according to the first aspect of the present invention described in Examples 1 to 3, or according to the second aspect of the present invention described in Example 4. It has a structure of a light emitting element. The light emitting element 60 in Example 5 is separated from adjacent light emitting elements (not shown) by an insulating layer 65 made of SiN formed on the p-type silicon semiconductor substrate 62. The size and planar shape of the light emitting layer surrounded by the insulating layer 65 may be appropriately selected and determined according to the standard of the display device. For example, a planar shape of 1 mm square can be exemplified.
実施例5の発光素子60は、以下の製造方法で製造することができる。即ち、基体に相当するp型シリコン半導体基板62の表面に、例えば、PE−CVD法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、絶縁層65を形成する。次いで、絶縁層65によって囲まれ、露出したp型シリコン半導体基板62の部分に、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法に基づき、発光層61を形成する。その後、発光層61上から絶縁層65上に亙り、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、n型ITO層63から成る透明電極を形成し、更に、n型ITO層63上に、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、金属電極64を形成する。 The light emitting device 60 of Example 5 can be manufactured by the following manufacturing method. That is, the insulating layer 65 is formed on the surface of the p-type silicon semiconductor substrate 62 corresponding to the base by, for example, the PE-CVD method, the lithography technique, and the etching technique. Next, the method for manufacturing the light-emitting element according to the first aspect of the present invention described in the first to third embodiments or the implementation is performed on the exposed portion of the p-type silicon semiconductor substrate 62 surrounded by the insulating layer 65. The light emitting layer 61 is formed based on the method for manufacturing the light emitting element according to the second aspect of the present invention described in Example 4. Thereafter, the transparent electrode composed of the n-type ITO layer 63 is formed by sputtering, lithography, and etching techniques from the light emitting layer 61 to the insulating layer 65. Further, on the n-type ITO layer 63, sputtering, The metal electrode 64 is formed by a lithography technique and an etching technique.
その後、p型シリコン半導体基板62に周知の方法で、発光素子1つ当たり1つのMOS型トランジスタ50を作製する。そして、このMOS型トランジスタ50のオン/オフ制御によって、電源51から発光素子60に電流を流すことで、発光層61を発光させることができる。場合によっては、実施例5あるいは後述する実施例6において、発光層の下方に光反射層を形成してもよく、これによって、発光層において発光した光を、効率良く、発光素子からその上方に向かって射出することができる。
Thereafter, one
発光装置を構成する発光素子の配列を、図8〜図17の模式図を参照して説明する。尚、図8〜図17において、「R」、「G」、「B」、「O」のアルファベットは、それぞれ、赤色、緑色、青色、橙色を発光する発光素子を意味する。また、赤色を発光する発光素子を赤色発光素子Rと呼び、緑色を発光する発光素子を緑色発光素子Gと呼び、青色を発光する発光素子を青色発光素子Bと呼び、橙色を発光する発光素子を橙色発光素子Oと呼ぶ。図8〜図17の模式図を参照して説明する発光装置を構成する発光素子の配列は、実施例5〜実施例9に適用することができる。 The arrangement of the light-emitting elements constituting the light-emitting device will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. 8 to 17, alphabets “R”, “G”, “B”, and “O” mean light emitting elements that emit red, green, blue, and orange, respectively. A light emitting element that emits red light is called a red light emitting element R, a light emitting element that emits green light is called a green light emitting element G, a light emitting element that emits blue light is called a blue light emitting element B, and a light emitting element that emits orange light. Is called an orange light emitting element O. The arrangement of the light-emitting elements constituting the light-emitting device described with reference to the schematic diagrams of FIGS. 8 to 17 can be applied to the fifth to ninth embodiments.
更には、赤色に相当する第1の波長λ1(例えば、615nm)の光を発光する第1の発光素子(赤色発光素子Rであり、希土類原子としてEu3+を含む)、緑色に相当する第2の波長λ2(例えば、545nm)の光を発光する第2の発光素子(緑色発光素子Gであり、希土類原子としてTb3+を含む)、及び、青色に相当する第3の波長λ3(例えば、450nm)の光を発光する第3の発光素子(青色発光素子Bであり、希土類原子としてTm3+を含む)の3種類の発光素子によって、1つの発光素子ユニット(1画素に相当する)が構成され、発光装置は複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。あるいは又、赤色に相当する第1の波長λ1(例えば、615nm)の光を発光する第1の発光素子(赤色発光素子Rであり、希土類原子としてEu3+を含む)、緑色に相当する第2の波長λ2(例えば、545nm)の光を発光する第2の発光素子(緑色発光素子Gであり、希土類原子としてTb3+を含む)、青色に相当する第3の波長λ3(例えば、450nm)の光を発光する第3の発光素子(青色発光素子Bであり、希土類原子としてTm3+を含む)、及び、それ以外の色である橙色に相当する第4の波長λ4(例えば、570nm)の光を発光する第4の発光素子(橙色発光素子Oであり、希土類原子としてEr3+を含む)の4種類の発光素子によって、1つの発光素子ユニット(1画素に相当する)が構成され、発光装置は複数の発光素子ユニットを備えている構成とすることができる。 Further, a first light emitting element (a red light emitting element R including Eu 3+ as a rare earth atom) that emits light having a first wavelength λ 1 (for example, 615 nm) corresponding to red, corresponds to green. A second light-emitting element that emits light of a second wavelength λ 2 (for example, 545 nm) (a green light-emitting element G, including Tb 3+ as a rare earth atom), and a third wavelength λ corresponding to blue 3 One light-emitting element unit (one pixel) is formed by three types of light-emitting elements that emit light of 3 (for example, 450 nm) (blue light-emitting element B, which includes Tm 3+ as a rare earth atom). The light emitting device can be configured to include a plurality of light emitting element units. Alternatively, a first light-emitting element (a red light-emitting element R that includes Eu 3+ as a rare earth atom) that emits light having a first wavelength λ 1 (for example, 615 nm) corresponding to red, corresponds to green. A second light emitting element that emits light of a second wavelength λ 2 (for example, 545 nm) (a green light emitting element G that includes Tb 3+ as a rare earth atom), a third wavelength λ 3 corresponding to blue ( For example, a third light-emitting element that emits light of 450 nm (a blue light-emitting element B, which includes Tm 3+ as a rare earth atom), and a fourth wavelength λ 4 corresponding to an orange color other than that. One light-emitting element unit (corresponding to one pixel) is formed by four types of light-emitting elements (for example, 570 nm) that emits light of 570 nm (an orange light-emitting element O and includes Er 3+ as a rare earth atom) The light-emitting device has a plurality of It may be configured to includes an optical element unit.
図8に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は長方形である。また、図9に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は正方形である。そして、発光素子R,G,B,Oを構成する発光層の平面形状は正方形であり、発光素子R,G,B,Oが、X方向及びY方向に配列されている。図8に示す例にあっては、1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G及び青色発光素子Bの3種類の発光素子が、Y方向に順に配列されており、複数の画素(複数の発光素子ユニット)は、X方向及びY方向に2次元マトリックス状に配列されている。そして、図8に示す例にあっては、X方向には同色の発光素子が配列されている。一方、図9に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子B及び橙色発光素子Oの4種類の発光素子が、X方向及びY方向に順に配列されており、複数の画素(複数の発光素子ユニット)は、X方向及びY方向に2次元マトリックス状に配列されている。発光素子R,G,B,Oのそれぞれに、オン/オフ制御のためのトランジスタ(図示せず)が設けられている。 In the example shown in FIG. 8, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by the area surrounded by the dotted line is a rectangle. In the example shown in FIG. 9, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by a region surrounded by a dotted line is a square. And the planar shape of the light emitting layer which comprises the light emitting elements R, G, B, and O is square, and the light emitting elements R, G, B, and O are arranged in the X direction and the Y direction. In the example shown in FIG. 8, in one pixel (one light emitting element unit), three types of light emitting elements, a red light emitting element R, a green light emitting element G, and a blue light emitting element B, are arranged in order in the Y direction. A plurality of pixels (a plurality of light emitting element units) are arranged in a two-dimensional matrix in the X direction and the Y direction. And in the example shown in FIG. 8, the light emitting element of the same color is arranged in the X direction. On the other hand, in the example shown in FIG. 9, in one pixel (one light emitting element unit) indicated by a region surrounded by a dotted line, a red light emitting element R, a green light emitting element G, a blue light emitting element B, and an orange light emitting element O. The four types of light emitting elements are sequentially arranged in the X direction and the Y direction, and a plurality of pixels (a plurality of light emitting element units) are arranged in a two-dimensional matrix in the X direction and the Y direction. Each of the light emitting elements R, G, B, and O is provided with a transistor (not shown) for on / off control.
図10及び図11に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は長方形である。そして、発光素子R,G,B,Oを構成する発光層の平面形状は長方形であり、発光素子R,G,B,Oが、X方向及びY方向に配列されている。図10に示す例にあっては、1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G及び青色発光素子Bの3種類の発光素子の長手方向はY方向に延び、これらの発光素子R,G,BはX方向に順に配列されており、複数の画素(複数の発光素子ユニット)は、X方向及びY方向に2次元マトリックス状に配列されている。一方、図11に示す例にあっては、1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子B及び橙色発光素子Oの4種類の発光素子の長手方向はY方向に延び、これらの発光素子R,G,B,OはX方向に順に配列されており、複数の画素(複数の発光素子ユニット)は、X方向及びY方向に2次元マトリックス状に配列されている。発光素子R,G,B,Oのそれぞれに、オン/オフ制御のためのトランジスタ(図示せず)が設けられている。 In the example shown in FIGS. 10 and 11, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by a region surrounded by a dotted line is a rectangle. And the planar shape of the light emitting layer which comprises light emitting element R, G, B, O is a rectangle, and light emitting element R, G, B, O is arranged in the X direction and the Y direction. In the example shown in FIG. 10, in one pixel (one light emitting element unit), the longitudinal direction of the three types of light emitting elements of the red light emitting element R, the green light emitting element G, and the blue light emitting element B extends in the Y direction. These light emitting elements R, G, B are arranged in order in the X direction, and a plurality of pixels (a plurality of light emitting element units) are arranged in a two-dimensional matrix in the X direction and the Y direction. On the other hand, in the example shown in FIG. 11, in one pixel (one light emitting element unit), the lengths of four types of light emitting elements of red light emitting element R, green light emitting element G, blue light emitting element B, and orange light emitting element O are elongated. The direction extends in the Y direction, and the light emitting elements R, G, B, and O are sequentially arranged in the X direction, and a plurality of pixels (a plurality of light emitting element units) are arranged in a two-dimensional matrix in the X direction and the Y direction. Is arranged. Each of the light emitting elements R, G, B, and O is provided with a transistor (not shown) for on / off control.
図12に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は3つの正六角形が組み合わされた形状を有し、図13に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は4つの正六角形が組み合わされた形状を有する。一方、図14に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は正三角形であり、図15に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は菱形である。そして、発光素子R,G,B,Oを構成する発光層の平面形状は、正六角形、あるいは、円形であり、発光素子R,G,B,Oは、ハニカム状に、即ち、正三角形の頂点に配列されている。図12及び図14に示す例にあっては、1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bの3種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されており、図12に示す例にあっては、水平方向には同色の発光素子が所定間隔を置いて配列されており、図14に示す例にあっては、水平方向に、赤色発光素子R、緑色発光素子G及び青色発光素子Bが、順に、所定間隔を置いて配列されている。一方、図13及び図15に示す例にあっては、1画素(1つの発光素子ユニット)において、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子B及び橙色発光素子Oの4種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されており、図13に示す例にあっては、水平方向には同色の発光素子が所定間隔を置いて配列されており、図15に示す例にあっては、水平方向に、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子B及び橙色発光素子Oが、順に、所定間隔を置いて配列されている。発光素子R,G,B,Oのそれぞれに、オン/オフ制御のためのトランジスタ(図示せず)が設けられている。 In the example shown in FIG. 12, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by a region surrounded by a dotted line has a shape in which three regular hexagons are combined, and the example shown in FIG. In this case, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by a region surrounded by a dotted line has a shape in which four regular hexagons are combined. On the other hand, in the example shown in FIG. 14, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by the area surrounded by the dotted line is an equilateral triangle. In the example shown in FIG. The planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by the enclosed region is a rhombus. The planar shape of the light emitting layers constituting the light emitting elements R, G, B, and O is a regular hexagon or a circle, and the light emitting elements R, G, B, and O are in a honeycomb shape, that is, an equilateral triangle. Arranged at the vertices. In the example shown in FIGS. 12 and 14, in one pixel (one light emitting element unit), three types of light emitting elements of the red light emitting element R, the green light emitting element G, and the blue light emitting element B are adjacent to each other. In the example shown in FIG. 12, light emitting elements of the same color are arranged at a predetermined interval in the horizontal direction, and in the example shown in FIG. The light emitting element R, the green light emitting element G, and the blue light emitting element B are arranged in order at predetermined intervals. On the other hand, in the example shown in FIGS. 13 and 15, four types of light emission of red light emitting element R, green light emitting element G, blue light emitting element B, and orange light emitting element O in one pixel (one light emitting element unit). The elements are arranged adjacent to each other. In the example shown in FIG. 13, light emitting elements of the same color are arranged at a predetermined interval in the horizontal direction, and in the example shown in FIG. In the horizontal direction, a red light emitting element R, a green light emitting element G, a blue light emitting element B, and an orange light emitting element O are sequentially arranged at predetermined intervals. Each of the light emitting elements R, G, B, and O is provided with a transistor (not shown) for on / off control.
図16に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は正六角形である。そして、発光素子R,G,Bを構成する発光層の平面形状は、正六角形を三等分した菱形であり、発光素子R,G,Bは、正三角形の頂点に配列されている。ここで、1画素(1つの発光素子ユニット)においては、赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bの3種類の発光素子が、互いに隣接した状態に配列されている。そして、例えば、Y方向には3種類の発光素子R,G,Bの内、1種類の発光素子(例えば青色発光素子B)が配置され、右斜め30度の方向には例えば赤色発光素子Rが配置され、左斜め30度の方向には例えば緑色発光素子Gが配置されている。発光素子R,G,Bのそれぞれに、オン/オフ制御のためのトランジスタ(図示せず)が設けられている。 In the example shown in FIG. 16, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by the area surrounded by the dotted line is a regular hexagon. And the planar shape of the light emitting layer which comprises the light emitting elements R, G, and B is a rhombus obtained by dividing a regular hexagon into three equal parts, and the light emitting elements R, G, and B are arranged at the vertices of a regular triangle. Here, in one pixel (one light emitting element unit), three types of light emitting elements of the red light emitting element R, the green light emitting element G, and the blue light emitting element B are arranged adjacent to each other. For example, among the three types of light emitting elements R, G, and B, one type of light emitting element (for example, blue light emitting element B) is arranged in the Y direction. For example, a green light emitting element G is arranged in the direction of 30 degrees diagonally to the left. Each of the light emitting elements R, G, and B is provided with a transistor (not shown) for on / off control.
図17に示す例にあっては、点線で囲んだ領域にて示す1画素(1つの発光素子ユニット)の平面形状は正三角形である。そして、発光素子R,G,Bを構成する発光層の平面形状は、正三角形を三等分した二等辺三角形であり、発光素子R,G,Bの3種類の発光素子は、正三角形の頂点に配列されている。その際、或る画素内の発光素子と、その発光素子に隣接する画素内の発光素子とは同色を発光する発光素子とはならないように配列されている。発光素子R,G,Bのそれぞれに、オン/オフ制御のためのトランジスタ(図示せず)が設けられている。 In the example shown in FIG. 17, the planar shape of one pixel (one light emitting element unit) indicated by the area surrounded by the dotted line is an equilateral triangle. The planar shape of the light-emitting layers constituting the light-emitting elements R, G, and B is an isosceles triangle obtained by dividing an equilateral triangle into three equal parts, and the three types of light-emitting elements R, G, and B are equilateral triangles. Arranged at the vertices. At that time, the light emitting elements in a certain pixel and the light emitting elements in the pixel adjacent to the light emitting element are arranged so as not to emit light of the same color. Each of the light emitting elements R, G, and B is provided with a transistor (not shown) for on / off control.
実施例5あるいは後述する実施例6の表示装置にあっては、本発明の発光素子を用いたことにより、自発光、軽量、薄型の表示装置を実現することが可能である。更には、希土類原子を、イオン注入法やスクリーン印刷法等に基づき発光層中に形成する場合、青色発光素子B、緑色発光素子G、赤色発光素子R、橙色発光素子Oの製造プロセスにおいて、イオン注入処理やスクリーン印刷等以外のプロセスは、全て、全発光素子について共通であるが故に、プロセスを簡略化することができる。また、スパッタリング法等で発光層を形成する場合、発光層の形成プロセス以外のプロセスは、全て、全発光素子について同様に作製できるが故に、プロセスを簡略化することができる。尚、発光素子R,G,B,Oのそれぞれのオン/オフ制御のためのトランジスタ(例えばMOS型トランジスタや薄膜トランジスタ)は、発光素子が形成された基体の面と同じ面に形成してもよいし、発光素子が形成された面と反対の面に形成してもよい。 In the display device of Example 5 or Example 6 described later, a self-luminous, lightweight, and thin display device can be realized by using the light emitting element of the present invention. Further, when the rare earth atoms are formed in the light emitting layer based on an ion implantation method, a screen printing method, or the like, in the manufacturing process of the blue light emitting element B, the green light emitting element G, the red light emitting element R, and the orange light emitting element O, Since all processes other than the injection process and screen printing are common to all the light emitting elements, the process can be simplified. Further, when the light emitting layer is formed by a sputtering method or the like, all the processes other than the light emitting layer forming process can be similarly manufactured for all the light emitting elements, so that the process can be simplified. Note that the transistors for controlling on / off of the light emitting elements R, G, B, and O (for example, MOS transistors and thin film transistors) may be formed on the same surface as the base on which the light emitting elements are formed. However, it may be formed on the surface opposite to the surface on which the light emitting element is formed.
実施例6も、本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、真性エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光素子、及び、複数の真性エレクトロルミネッセンス素子から構成された発光装置に関する。図3の(B)に模式的な一部断面図を示すように、真性エレクトロルミネッセンス素子である発光素子70は、基体(例えばシリコン半導体基板から成るアノード電極72)上に形成された発光層71を備えている。ここで、発光層71は、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の構造を有する。そして、実施例6における発光素子70は、アノード電極72上に形成されたSiNから成る絶縁層75によって、隣接する発光素子(図示せず)から分離されている。絶縁層75によって囲まれた発光層の大きさや平面形状は、表示装置の規格に応じて適宜選択して決定すればよく、例えば、1mm角の平面形状を例示することができる。
Example 6 also relates to the light-emitting element and the light-emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention, specifically, a light-emitting element composed of an intrinsic electroluminescence element, and a plurality of intrinsic electroluminescence elements It is related with the light-emitting device comprised from these. As shown in a schematic partial cross-sectional view in FIG. 3B, a
実施例6の発光素子70は、以下の製造方法で製造することができる。即ち、基体に相当するアノード電極72の表面に、例えば、PE−CVD法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、絶縁層75を形成する。次いで、絶縁層75によって囲まれ、露出したアノード電極72の部分に、SiO2から成る絶縁膜76を形成した後、この絶縁膜76上に、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法に基づき、発光層71を形成する。その後、発光層71上に、SiO2から成る絶縁膜77を形成し、次いで、絶縁膜77上から絶縁層75上に亙り、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、ITO層から成る透明カソード電極73を形成し、更に、透明カソード電極73上に、スパッタリング法、リソグラフィ技術及びエッチング技術によって、金属電極74を形成する。
The
その後、アノード電極72(シリコン半導体基板)に周知の方法で、発光素子1つ当たり1つのMOS型トランジスタ50を作製する。そして、このMOS型トランジスタ50のオン/オフ制御によって電源51から印加された電圧に基づき電場を形成することで、発光素子70の発光層71を発光させることができる。
Thereafter, one
実施例7も、本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、光励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の光励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、複数の光励起型発光素子から構成され、発光ダイオードを備えた発光装置に関する。図4に模式的な一部断面図を示すように、光励起型発光素子である発光素子80は、基体(封止層89が相当する)上に形成された発光層81を備えている。ここで、発光層81は、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の構造、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の構造を有し、封止層89を基体として、実施例1〜実施例3において説明した本発明の第1の態様に係る発光素子の製造方法、あるいは又、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。
Example 7 also relates to a light-emitting element and a light-emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention, specifically, a light-emitting element composed of a light-excited light-emitting element and a plurality of light-excited light-emitting elements More specifically, the present invention relates to a light-emitting device that includes a plurality of light-excited light-emitting elements and includes a light-emitting diode. As shown in a schematic partial cross-sectional view in FIG. 4, a light-emitting element 80 that is a light-excited light-emitting element includes a light-emitting layer 81 formed on a base (corresponding to a sealing layer 89). Here, the light emitting layer 81 relates to the structure of the light emitting element according to the first aspect of the present invention described in Examples 1 to 3, or according to the second aspect of the present invention described in Example 4. The method for manufacturing a light emitting device according to the first aspect of the present invention described in Examples 1 to 3 or the method described in Example 4 has the structure of a light emitting device and uses the
実施例7にあっては、封止層89の下に、発光ダイオードが設けられている。この発光ダイオードは、半導体性、半絶縁性あるいは絶縁性の基板82上に形成されたP型電極83、P型電極83上に、順次、形成されたP型クラッド層84、活性層85、N型クラッド層86、N型クラッド層86上に形成されたN型電極87、N型電極87上に形成された金属電極88から成り、金属電極88及びN型電極87を覆うように封止層89が形成されている。尚、発光ダイオードは、MOCVD法等の周知の方法で作製することができる。発光ダイオードの発光色は、表示装置の規格に応じて、適宜、決定すればよい。また、P型電極83からN型電極87までの積層の順序を逆にしてもよい。
In Example 7, a light emitting diode is provided under the
このような光励起型発光素子から成る発光素子80にあっては、発光ダイオードから射出された光によって発光素子80における発光層81を励起することで、発光素子80を発光させることができる。また、光反射層を形成してもよく、これによって、発光層において発光した光を、効率良く、発光素子から射出することができる。 In the light emitting element 80 composed of such a light excitation type light emitting element, the light emitting element 80 can emit light by exciting the light emitting layer 81 in the light emitting element 80 with light emitted from the light emitting diode. In addition, a light reflecting layer may be formed, whereby light emitted from the light emitting layer can be efficiently emitted from the light emitting element.
実施例8も、本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、光励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の光励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、プラズマ表示装置に関する。 Example 8 also relates to the light-emitting element and the light-emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention, specifically, a light-emitting element including a light-excitation light-emitting element, and a plurality of light-excitation light-emitting elements More specifically, the present invention relates to a plasma display device.
図5に一部分の分解斜視図を示す実施例8のプラズマ表示装置は、3電極型のプラズマ表示装置であり、第1パネル90、並びに、第2パネル94が、それらの外周部で接合されて成る。ここで、第1パネル90は、透明な第1基板91と、第1基板91上にストライプ状に設けられ、例えばITOといった透明導電材料から成る複数の一対の放電維持電極92Aと、放電維持電極92Aのインピーダンスを低下させるために放電維持電極92A上に設けられ、放電維持電極92Aよりも電気抵抗率の低い材料から成るバス電極92Bと、バス電極92B及び放電維持電極92A上を含む第1基板91上に形成された誘電体層93Aと、誘電体層93A上に形成されたMgOから成る保護膜93Bから構成されている。
The plasma display device of Example 8 whose partial exploded perspective view is shown in FIG. 5 is a three-electrode type plasma display device, in which a first panel 90 and a
一方、第2パネル94は、第2基板95と、第2基板95上にストライプ状に設けられた複数のアドレス電極(データ電極とも呼ばれる)96と、アドレス電極96上を含む第2基板95上に形成された誘電体材料層97と、誘電体材料層97上であって隣り合うアドレス電極96の間の領域にアドレス電極96と平行に延びる絶縁性の隔壁98と、誘電体材料層97上から隔壁98の側壁面上に亙って設けられた発光領域99とから構成されている。発光領域99は、プラズマ表示装置においてカラー表示を行う場合、赤色発光素子Rから成る赤色発光領域99R、緑色発光素子Gから成る緑色発光領域99G、及び、青色発光素子Bから成る青色発光領域99Bから構成されており、これらの各色の発光領域99R,99G,99Bが所定の順序に従って設けられている。図5は一部分の分解斜視図であり、実際には第2パネル94側の隔壁98の頂部が第1パネル90側の保護膜93Bに当接している。そして、隣り合う隔壁98と発光領域99と保護膜93Bとによって囲まれた放電空間内には、例えばNe(ネオン)とXe(キセノン)の混合ガスから成る放電ガスが封入されている。
On the other hand, the
放電維持電極92Aの射影像が延びる方向とアドレス電極96の射影像が延びる方向とは直交しており、一対の放電維持電極92Aと、3原色を発光する発光領域99R,99G,99Bの1組とが重複する領域が1画素(1ピクセル)に相当する。グロー放電が一対の放電維持電極92A間で生じることから、このタイプのプラズマ表示装置は「面放電型」と称される。そして、一対の放電維持電極92Aと、2つの隔壁98の間に位置するアドレス電極96とが重複する領域が、放電セルに相当し、且つ、サブ・ピクセルに相当する。即ち、1つの放電セル(1サブ・ピクセル)は、1つの発光領域99と、一対の放電維持電極92Aと、1つのアドレス電極96とによって構成されている。
The direction in which the projected image of the
プラズマ表示装置の駆動においては、一対の放電維持電極92A間に電圧を印加する直前に、例えば、放電セルの放電開始電圧よりも低いパルス電圧をアドレス電極96に印加することで、誘電体層93Aに電荷を蓄積し(表示を行う放電セルの選択)、見掛け上の放電開始電圧を低下させる。そして、一対の放電維持電極92Aの間で開始された放電は、放電開始電圧よりも低い電圧にて維持され得る。放電セルにおいては、放電ガス中でのグロー放電に基づき発生した真空紫外線の照射によって励起された発光領域99が、希土類原子の種類に応じた特有の発光色を呈する。尚、封入された放電ガスの種類に応じた波長を有する真空紫外線が発生する。
In driving the plasma display device, immediately before applying a voltage between the pair of
ここで、発光領域99は、従来のプラズマ表示装置を構成する所謂蛍光体層としての機能を果たす。発光領域99を構成する赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bは、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の構造を有し、第2基板95を基体として、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。
Here, the
実施例9も、本発明の第1の態様あるいは第2の態様に係る発光素子及び発光装置に関し、具体的には、電子線励起型発光素子から構成された発光素子、及び、複数の電子線励起型発光素子から構成された発光装置に関し、より具体的には、複数の電子線励起型発光素子から構成され、複数の冷陰極電界電子放出素子を備えた発光装置(より具体的には、冷陰極電界電子放出表示装置)に関する。 Example 9 also relates to a light-emitting element and a light-emitting device according to the first aspect or the second aspect of the present invention, specifically, a light-emitting element composed of an electron beam-excited light-emitting element, and a plurality of electron beams More specifically, the light-emitting device includes a plurality of electron-beam-excited light-emitting elements and includes a plurality of cold cathode field emission devices (more specifically, Cold cathode field emission display).
一例として、スピント型の冷陰極電界電子放出素子(以下、電界放出素子と略称する)を有する冷陰極電界電子放出表示装置の概念的な一部端面図を図6に示し、カソードパネルCP及びアノードパネルAPを分解したときのカソードパネルCPとアノードパネルAPの一部分の模式的な分解斜視図を図7に示す。 As an example, a conceptual partial end view of a cold cathode field emission display device having a Spindt type cold cathode field emission device (hereinafter abbreviated as field emission device) is shown in FIG. FIG. 7 shows a schematic exploded perspective view of a part of the cathode panel CP and the anode panel AP when the panel AP is disassembled.
電子放出源であるスピント型電界放出素子は、支持体110に形成されたカソード電極111と、支持体110及びカソード電極111上に形成された絶縁層112と、絶縁層112上に形成されたゲート電極113と、ゲート電極113及び絶縁層112に設けられた開口部114(ゲート電極113に設けられた第1開口部114Aと、絶縁層112に設けられた第2開口部114B)と、開口部114の底部に位置するカソード電極111上に形成された円錐形の電子放出部115から構成されている。
A Spindt-type field emission device, which is an electron emission source, includes a
冷陰極電界電子放出表示装置において、カソード電極111は、第1方向に延びる帯状であり、ゲート電極113は、第1方向とは異なる第2方向に延びる帯状である(図7参照)。一般に、カソード電極111とゲート電極113とは、これらの両電極111,113の射影像が互いに直交する方向に各々帯状に形成されている。帯状のカソード電極111と帯状のゲート電極113とが重複する重複領域が、電子放出領域EAであり、1サブ・ピクセルに相当する。そして、係る電子放出領域EAが、カソードパネルCPの有効領域(実際の表示部分として機能する領域)内に、通常、2次元マトリックス状に配列されている。
In the cold cathode field emission display, the
一方、アノードパネルAPは、基体に相当する基板120上に所定のパターンを有する発光領域122(具体的には、赤色発光素子Rから成る赤色発光領域122R、緑色発光素子Gから成る緑色発光領域122G、及び、青色発光素子Bから成る青色発光領域122B)が形成され、発光素子から成る発光領域122がアノード電極124で覆われた構造を有する。尚、これらの発光領域122の間は、カーボン等の光吸収性材料から成る光吸収層(ブラックマトリックス)123で埋め込まれており、表示画像の色濁り、光学的クロストークの発生を防止している。図中、参照番号121は隔壁を表し、参照番号126はスペーサを表し、参照番号125はスペーサ保持部を表し、参照番号127は枠体を表し、参照番号116は収束電極を表す。図7においては、隔壁やスペーサ、スペーサ保持部、収束電極の図示を省略した。
On the other hand, the anode panel AP has a light emitting area 122 (specifically, a red
ここで、発光領域122は、従来の冷陰極電界電子放出表示装置を構成するアノードパネルにおける所謂蛍光体層としての機能を果たす。発光領域122を構成する赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bは、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の構造を有し、基板120を基体として、実施例4において説明した本発明の第2の態様に係る発光素子の製造方法で製造することができる。 Here, the light emitting region 122 functions as a so-called phosphor layer in an anode panel constituting a conventional cold cathode field emission display. The red light-emitting element R, green light-emitting element G, and blue light-emitting element B constituting the light-emitting region 122 have the structure of the light-emitting element according to the second aspect of the present invention described in Example 4, and the substrate 120 is used as a base. The light emitting device manufacturing method according to the second aspect of the present invention described in Example 4 can be used.
1サブ・ピクセルは、カソードパネル側の電子放出領域EAと、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の発光領域122とによって構成されている。有効領域には、係る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。 One sub-pixel is composed of an electron emission area EA on the cathode panel side and a light emission area 122 on the anode panel side facing a group of these field emission elements. In the effective area, such pixels are arranged on the order of hundreds of thousands to millions, for example.
そして、アノードパネルAPとカソードパネルCPとを、電子放出領域EAと発光領域122とが対向するように配置し、周縁部において枠体127を介して接合した後、排気し、封止することによって、冷陰極電界電子放出表示装置を作製することができる。アノードパネルAPとカソードパネルCPと枠体127によって囲まれた空間は高真空(例えば、1×10-3Pa以下)となっている。
Then, the anode panel AP and the cathode panel CP are arranged so that the electron emission area EA and the light emitting area 122 face each other, joined at the peripheral edge via the
カソード電極111には相対的に負電圧がカソード電極制御回路131から印加され、ゲート電極113には相対的に正電圧がゲート電極制御回路132から印加され、アノード電極124にはゲート電極113よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路133から印加される。係る冷陰極電界電子放出表示装置において表示を行う場合、例えば、カソード電極111にカソード電極制御回路131から走査信号を入力し、ゲート電極113にゲート電極制御回路132からビデオ信号を入力する。あるいは、カソード電極111にカソード電極制御回路131からビデオ信号を入力し、ゲート電極113にゲート電極制御回路132から走査信号を入力する。カソード電極111とゲート電極113との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部115から電子が放出され、この電子がアノード電極124に引き付けられ、アノード電極124を通過して発光領域122を構成する赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bに衝突する。その結果、発光領域122を構成する赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bが発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この冷陰極電界電子放出表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極113に印加される電圧、及び、カソード電極111に印加される電圧によって制御される。
A relatively negative voltage is applied to the
冷陰極電界電子放出素子の代わりに、表面伝導型電子放出素子と通称される電子放出素子から電子放出源を構成することもできる。この表面伝導型電子放出素子は、支持体上に酸化錫(SnO2)、金(Au)、酸化インジウム(In2O3)/酸化錫(SnO2)、カーボン、酸化パラジウム(PdO)等の導電材料から成り、微小面積を有し、所定の間隔(ギャップ)を開けて配された一対の電極がマトリックス状に形成されて成る。それぞれの電極の上には炭素薄膜が形成されている。そして、一対の電極の内の一方の電極に行方向配線が接続され、一対の電極の内の他方の電極に列方向配線が接続された構成を有する。一対の電極に電圧を印加することによって、ギャップを挟んで向かい合った炭素薄膜に電界が加わり、炭素薄膜から電子が放出される。係る電子をアノードパネル上の発光領域を構成する赤色発光素子R、緑色発光素子G、青色発光素子Bに衝突させることによって、発光領域が発光し、所望の画像を得ることができる。あるいは又、代替的に、金属/絶縁膜/金属型素子から電子放出源を構成することもできる。 Instead of the cold cathode field emission device, the electron emission source may be composed of an electron emission device commonly called a surface conduction electron emission device. This surface conduction electron-emitting device is made of tin oxide (SnO 2 ), gold (Au), indium oxide (In 2 O 3 ) / tin oxide (SnO 2 ), carbon, palladium oxide (PdO), etc. A pair of electrodes made of a conductive material, having a very small area and arranged with a predetermined gap (gap) are formed in a matrix. A carbon thin film is formed on each electrode. The row direction wiring is connected to one electrode of the pair of electrodes, and the column direction wiring is connected to the other electrode of the pair of electrodes. By applying a voltage to the pair of electrodes, an electric field is applied to the carbon thin films facing each other across the gap, and electrons are emitted from the carbon thin film. By causing the electrons to collide with the red light emitting element R, the green light emitting element G, and the blue light emitting element B constituting the light emitting area on the anode panel, the light emitting area emits light, and a desired image can be obtained. Alternatively, the electron emission source can be composed of a metal / insulating film / metal element.
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable Example, this invention is not limited to these Examples.
実施例1〜実施例3においては、第1材料層21及び第2材料層22の膜厚を200nmとしたが、このような厚さに限定するものではないし、量子井戸層24の厚さを10nmとしたが、このような厚さに限定するものでもない。また、量子井戸層24を、半導体2次元量子井戸、半導体1次元量子井戸(例えば、量子細線)、半導体0次元量子井戸(例えば、量子ドット、ナノクリスタル)から構成することができる。更には、希土類原子が含まれている層における厚さ方向の希土類原子の濃度ピークの位置(d)は、使用する希土類原子、発光強度等に応じて、適宜、変更可能である。また、量子井戸層24を構成する材料として、シリコン層の場合について説明したが、シリコン系酸化物(SiOX(0<X≦2)、シリコンを主成分とする窒化シリコン等のシリコン系化合物、シリコン系化合物の混合物、Ge等の所謂シリコン族系材料、シリコン族系材料の混合物、その他の半導体材料やその混合物を用いることもできる。
In the first to third embodiments, the film thickness of the
10,30・・・発光素子、11,31・・・基板、20・・・発光層、21・・・第1材料層、22・・・第2材料層、23・・・希土類原子、24・・・量子井戸層、40・・・発光層、41・・・量子ドット、42・・・材料層、43・・・希土類原子、44・・・シリコン半導体基板、45・・・電解溶液、46・・・白金電極、50・・・MOS型トランジスタ、51・・・電源、60,70,80・・・発光素子、61,71,81・・・発光層、62・・・p型シリコン半導体基板、63・・・n型ITO層、64,74・・・金属電極、72・・・アノード電極、73・・・透明カソード電極、82・・・基板、83・・・P型電極、84・・・P型クラッド層、85・・・活性層、86・・・N型クラッド層、87・・・N型電極、88・・・金属電極、89・・・封止層、CP・・・カソードパネル、AP・・・アノードパネル、110・・・支持体、111・・・カソード電極、112・・・絶縁層、113・・・ゲート電極、114,114A,114B・・・開口部、115・・・電子放出部、116・・・収束電極、120・・・基板、121・・・隔壁、122,122R,122G,122B・・・発光領域、123・・・ブラックマトリックス、124・・・アノード電極、125・・・スペーサ保持部、126・・・スペーサ、127・・・枠体、131・・・カソード電極制御回路、132・・・ゲート電極制御回路、133・・・アノード電極制御回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,30 ...
Claims (15)
該発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする発光素子。 A light emitting device comprising a light emitting layer formed on a substrate,
The light emitting layer is composed of a quantum dot and a rare earth atom attached to the surface of the quantum dot and / or contained in the quantum dot.
発光層を、
量子ドットを形成した後、
量子ドット中に希土類原子を拡散させ、及び/又は、量子ドットの表面に希土類原子を付着させ、次いで、
量子ドットとシリコンアルコキシドとを混合して得られた生成物を基体に付着させた後、生成物をアニール処理する、
ことによって形成することを特徴とする発光素子の製造方法。 A method for producing a light emitting device comprising a light emitting layer formed on a substrate, and comprising a quantum dot and a rare earth atom attached to the surface of the quantum dot and / or contained in the quantum dot. ,
The light emitting layer,
After forming quantum dots,
Diffusing rare earth atoms in the quantum dots and / or attaching rare earth atoms to the surface of the quantum dots;
After the product obtained by mixing quantum dots and silicon alkoxide is attached to the substrate, the product is annealed.
A method for manufacturing a light-emitting element, characterized by being formed.
各発光素子を構成する発光層は、量子ドット、並びに、該量子ドットの表面に付着し、及び/又は、該量子ドットの内部に含まれた希土類原子から成ることを特徴とする発光装置。 A light-emitting device including a plurality of light-emitting elements each having a light-emitting layer formed on a substrate,
The light emitting layer which comprises each light emitting element consists of the rare earth atom which adhered to the surface of the quantum dot and this quantum dot, and / or was contained in this quantum dot, The light emitting device characterized by the above-mentioned.
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