JP4544518B2 - 電界励起型発光素子及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界励起型発光素子及び画像表示装置に関するものである。

発光素子としては、電界励起型発光素子と電流注入型発光素子がある。ＰＮ接合を有した発光ダイオードやレーザダイオードは、電流注入型発光素子であり、交流駆動型無機ＥＬは電界励起型発光素子であり、その動作原理が異なる。一般的な無機ＥＬはガラス基板上に電極層、第１絶縁層、発光層、第２絶縁層、電極層を積層した２重絶縁構造を有し、発光層に高電界を印加することにより発光が得られる。

このような発光素子を適用したフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）が注目されている。ＦＰＤは、適用される発光素子の種類から、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬ）、無機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（無機ＥＬ）、発光ダイオードディスプレイ（ＬＥＤディスプレイ）等、が挙げられる。

発光ダイオードは、低電圧駆動が可能であり、安定性にも優れるが、結晶成長に高温プロセスが必要であるため、ガラス基板やプラスチック基板上への形成は困難である。そのため、ディスプレイとしてはその適用範囲が限られている。

有機ＥＬディスプレイは、低電圧駆動が可能であり、ガラス基板やプラスチック基板上への形成が可能であるが、信頼性や耐久性の点で課題がある。
無機ＥＬディスプレイは、大面積のディスプレイ作成が比較的容易であり、高い使用環境耐性が期待できるが、現状では、駆動電圧が高いことが課題となっている。最近では、特許文献１において、発光効率の向上に向けて、量子サイズの薄膜層として交互積層膜やポーラス層を適用した薄膜ＥＬ素子が技術開示されている。
特開２００２−２８０１８５号公報

このような技術的背景により、本発明は、発光効率、安定性、製造コストなどに優れた新規な電界励起型発光素子を提供するものである。特に、環境耐性に優れた酸化物を主構成要素とする発光素子を提供するものである。また、この様な電界励起型発光素子を用いた画像表示装置を提供するものである。

すなわち、本発明は、基板上に、第１の電極である第１の電極層と、第２の電極である第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれた位置に配した第１の誘電率からなる第１の部位である発光層と、前記第１の電極層と前記発光層との間に挟まれた位置に配され、第２の誘電率からなる第２の部位と第３の誘電率からなる第３の部位とを備えた微細構造層と、を有し、前記第１の部位、前記第２の部位、前記第３の部位が互いに接した３重点部位を備え、前記３重点部位の電位よりも前記第１の部位の電位が高電位となるときに、前記第１の部位において発光が生じることを特徴とする電界励起
型発光素子である。

特に、該第１の電極と該第２の電極は、それぞれの電極面を対向して配置され、該３重点部位が該電極面に平行な閉曲線（閉じた３重線）からなること、
該閉曲線を同一面内に複数有し、該閉曲線の長さが１０ナノメートル以上１ミクロン以下であることを特徴とする電界励起型発光素子である。

特に、（１）基板上に、該第１の電極である第１の電極層と、該第２の電極である第２の電極層と、第１の電極層と第２の電極層の間に挟まれた位置に配した発光層（前記第１の部位）と、第１の電極層と発光層の間に挟まれた位置に配した微細構造層を有し、該微細構造層は、前記第２の部位と前記第３の部位を有し、第２の部位の誘電率＞発光層（第１の部位）の誘電率＞第３の部位の誘電率であること、（２）基板上に、該第１の電極である第１の電極層と、該第２の電極である第２の電極層と、第１の電極層と第２の電極層の間に挟まれた位置に配した絶縁層（前記第１の部位）と、第１の電極層と絶縁層の間に挟まれた位置に配した微細構造層を有し、該微細構造層は、発光部（前記第２の部位）と前記第３の部位を有し、発光部（第２の部位）の誘電率＞絶縁層（第１の部位）の誘電率＞第３の部位の誘電率であること、（３）さらには、第１の部位及び第２の部位及び第３の部位が酸化物からなることを特徴とする電界励起型発光素子である。

また、本発明は、前記電界励起型発光素子を用いた画像表示装置である。

本発明の構成及び製法により、発光面における発光均一性に優れ、比較的に低電圧で安定した駆動が可能な発光素子を実現できる。また、前記発光素子は、酸化物材料を主構成要素としているため、使用環境耐性に優れることや、環境へ負荷が少ないという特徴がある。
また、前記発光素子は、ディスプレイや印字装置、照明装置に利用することが可能である。

以下に本発明の発光素子について説明する。
図１は本発明の電界励起型発光素子の構成例を模式的に示した断面図である。
ここで、１０は基板、１１は電極層、１２は第１の絶縁層、１３は第１の微細構造層、１４は発光層、１５は第２の微細構造層、１６は第２の絶縁層、１７は透明電極層（第２の電極層）、１８は電源、１９は光である。

図１ｂ）に拡大図を示すように、微細構造層は、第１の誘電率からなる部位１０１と第２の誘電率からなる部位１０２を有する。これが第３の誘電率からなる部位１０３である発光層と互いに接することで、３重点部位１００が存在している。

透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源１８に電気的に接続される。電源は、パルス電源、ＡＣ電源などである。
このように、第１の誘電率からなる第１の部位と第２の誘電率からなる第２の部位と第３の誘電率からなる第３の部位が互いに接した３重点部位と、該３重点部位及びその近傍の電界を制御するための電圧を印加する第１および第２の電極を有し、少なくとも第１，２，３の部位のいずれかが発光部であることを特徴とする電界励起型発光素子である。

この電源１８から電極に電圧を印加すると、電極間に電界が生成されるが、この３重点部位及びその近傍の電界では局所的に大きな電界強度が発生する。
すなわち、カソード（低電位側）絶縁層と微細構造層との界面準位などから注入された電子が、この３重点部位を介して効果的に加速されることで、高いエネルギーを有したホットエレクトロンが生成される。この十分なエネルギーを得たホットエレクトロンによって効果的に発光部（層）を励起されることで、効率に高い発光が可能である。発光層に注入された電子は、アノード側の絶縁層と微細構造層の間の界面準位などに捕獲される。その後逆極性の外部パルス電圧が印加されると、アノードとカソードが逆転し、逆方向であるが同じ励起、発光過程が繰り返される。

このように本発明の電界励起型発光素子は、この３重点部位及びその近傍に生じる局所的な高電界によって効果的な励起がなされ、発光が生じる。
また、本発明においては、局所的に高い電界強度を有した３重点部位を高密度に有しているため、面内に渡り均一に発光層を励起することができる。

また、多数の局所的な発光部位（３重点部位）を面内に均一に分散して配置しているため、素子の一箇所に集中してエネルギー損失されることによる素子損傷がおこりにくい。これにより信頼性と安定性に優れた発光素子とすることができる。

また、電界励起型発光素子においては、一般に発光を生じさせるためにはある閾値以上の電界強度を発生させる必要があるが、本発明においては、低い外部電圧で３重点部位にこの閾値以上の電界強度を発生させることができる。この際、３重点部位から離れた部位では、電界強度は３重点部位に比べて低い。このような構成は、低電圧での発光を可能とし、さらには過電圧に対する素子の耐久性を高める。

３重点部位について説明する。図２に示すように３重点部位とは、第１の誘電率からなる第１の部位１０１と第２の誘電率からなる第２の部位１０２と第３の誘電率からなる第３の部位１０３が互いに接している部位である。３重点部位としては、３つの材料が点で接する場合（３重点）と、図２ａ）にしめすように３つの材料が点で接する場合（３重線）がある。

先に述べたように、本発明の発光素子においては、３重点部位及びその近傍で励起、発光がなされるため、この３重点部位が高密度に配されることが好ましい。３重点部位を高密度に配することで、発光点増加に伴う輝度向上、さらには面内輝度の均一性向上をなすことができる。このような３重点部位の高密度化の観点から、３重点部位は、３つの材料が接した点（３重点）であってもよいが、図２ａ）にしめすように３重点がつらなって３重線を形成することが好ましい。このような３重線によって、局所的に電界強度の大きな部位を高密度に配することができる。さらには、図２ｂ）のように、閉じた３重線１００ｂを複数有した構成は、３重点部位の高密度化の観点から好ましい例である。

さらには、３重点部位の高密度化の観点から、図２ｂ）における第２の誘電率からなる部位１０２は小さいことが好ましく、たとえば閉じた３重線の長さが１ミクロン以下となることが好ましい。

また、局所的な電界強度を大きくするためには、近接する３重線の間の間隔がある程度大きいことが好ましく、たとえば、その間隔は１０ナノメートル以上であることが挙げられる。

図３には、３重点部位（３重線）の構成例を示す。図３は断面図であり、３重点部位は紙面に垂直方向に線（すなわち３重線）を成している。図１と同様に不図示の電極により上下方向に外部電圧が印加されることを想定している。（図では外部電圧の印加方向を電圧印加方向として矢印で記している）。

図３ａ）は、３重線に対してもっとも制限のない構成を示した図である。第１の誘電率ε１からなる第１の部位１０１と第２の誘電率ε２からなる第２の部位１０２と第３の誘電率ε３からなる第３の部位１０３が互いに接している。

図３ｂ）は第１の誘電率からなる部位と第２の誘電率からなる部位の界面、さらには第１の誘電率からなる部位と第２の誘電率からなる部位の界面が略直線で構成される例である。

図３ｃ）は第１の誘電率からなる部位と第２の誘電率からなる部位の界面、さらには第１の誘電率からなる部位と第２の誘電率からなる部位の界面が連続して直線的につながり、さらにその直線が電圧印加方向と垂直な場合である。このような構成は、図１のように第２の誘電率からなる部位と第３の誘電率からなる部位を有した微細構造層と、第１の誘電率からなる層を積層することで作成できるため、比較的作製しやすい構成ということができる。また、第２の誘電率からなる部位と第３の誘電率の間の誘電率差が比較的小さくとも、３重線近傍に比較的大きな局所電界が生じるため、好ましい例である。

図３ｄ）は第２の誘電率からなる部位と第３の誘電率からなる部位の界面が電圧印加方向と垂直な場合である。このような構成は、第２の誘電率からなる部位と第３の誘電率の間の誘電率差が比較的小さくとも、３重線近傍に比較的大きな局所電界が生じるため、好ましい例である。

図３ｃ）とｄ）の特徴を併せ持った図３ｅ）はさらに好ましい構成である。
別の例として図３ｆ）も挙げられる。また、ここまで、３重線は３つの材料が接する部位であったが、図３ｄ）のように３以上の（４つの）部位が接する部位は、同等もしくはそれ以上の効果が期待できる。

図４には、図３ｅ）の構成を例にとり、３重線近傍の電界強度を記した。図４ａ）ｂ）ｃ）はそれぞれ図に示す誘電率ε１、ε２、ε３に大小関係が異なる。
図４において矢印の大きさ、方向が、相対的な電界の強度、方向を示している。

すべての場合に対して、図４に示したように、３重線近傍において、周囲より大きな電界強度が得られる。
特に図４ｂ）の場合には、図４ａ）ｃ）に比べて３重線近傍における局所的な電界強度が強いという特徴がある。また、この電界強度の強い部分が狭く（局所性が高い）、ミクロな電界ベクトルの方向が電圧印加方向（マクロ電界方向）に対して傾くという特徴がある。この図４ｂ）の構成は、小さな外部電圧で、局所的に強い電界強度を得ることができることから、駆動電圧の低減の観点から好ましい例の一つである。

比誘電率ε１、ε２、ε３の値はとくにこだわらず、１から数１０００の間で任意の値でこだわらないが、その相対比が大きい方が、３重点部位近傍の局所的な電界強度が強くなるため、好ましい。

また、上述の３重点部位の周囲に配される第１の材料、第２の材料、第３の材料としては、誘電性の材料を有していれば、特にこだわらないが、安定した誘電性と、（発光時の）効果的な電子加速の観点から、酸化物であることが好ましい。たとえばＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＴｉＯ₂ ，Ｙ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，ＨｆＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ，Ｌａ₂ Ｏ₃ ，ＭｇＯ，ＢａＴｉＯ₃ などが挙げられる。誘電率を制御するために、これらの複合酸化物としてもよい。

本発明においては、第１、２、３の誘電率からなる部位のいずれかは、発光材料とすることができる。これにより３重点部位近傍の電界で加速された電子が効果的に、発光材料を励起することができる。

たとえば、図５ａ）に示すように、発光材料の層（第１の誘電率からななる部位）と、第２の誘電率からなる部位と第３の誘電率からなる部位を有した微細構造層が積層される構成が挙げられる。図１の例もこれにあたる。

本発明を説明するために参考例として、図５ｂ）に示すように、第１の誘電率からなる層と、発光部位（第２の誘電率からなる部位）と第３の誘電率からなる部位を有した微細構造層が積層される構成が挙げられる。図５ｃ）は図５ｂ）において第３の誘電率からなる部位も発光部位とした例である。第１、２，３すべての部位を発光部位とすることもできる。異なる発光部位の発色をことなるものにすることで、多色混合や白色の発光素子とすることができる。

また、３重点部位近傍の強電界で加速された電子で効果的に発光材料を励起するためには、図４の強い電界を示す矢印（太い矢印）の始点に発光材料を配することが好ましい。すなわち、先に好ましい例としてあげた図４ｂ）の場合を例にあげれば、ε１を発光材料とする図５ａ）の配置が好ましい。一方で、電圧印加方向を逆にした場合には、電界の方向（矢印の向き）が反対になるため、矢印の終点に発光材料を配することも好ましい例である。すなわち、先に好ましい例としてあげた図４ｂ）の場合において、ε２を発光材料とする図５ｂ）の配置も好ましい例である。

発光材料としては、たとえば、発光中心を有した発光材料として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｅｕ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆ、ＣａＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＣａＧａ₂ Ｓ₄ ：Ｃｅ、ＢａＡｌ₂ Ｓ₄ ：Ｅｕ、Ｇａ₂ Ｏ₃ ：Ｅｕ、Ｙ₂ Ｏ₃ ：Ｅｕ、Ｚｎ₂ ＳｉＯ₄ ：Ｍｎ、ＺｎＧａ₂ Ｏ₄ ：Ｍｎ、Ｙ₂ Ｏ₂ Ｓ：Ｅｕ³⁺、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺、ＹＶＯ₄ ：Ｅｕ³⁺、Ｙ₂ Ｏ₂ Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ、ＳｒＴｉＯ₃ ：Ｐｒ、ＢａＳｉ₂ Ａｌ₂ Ｏ₈ ：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇ₂ Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ²⁺、Ｙ_0.65Ｇｄ_0.35ＢＯ₃ ：Ｅｕ³⁺、Ｌａ₂ Ｏ₂ Ｓ：Ｅｕ³⁺，Ｓｍ、Ｂａ₂ ＳｉＯ₄ ：Ｅｕ²⁺、Ｚｎ（Ｇａ，Ａｌ）₂ Ｏ₄ ：Ｍｎ、Ｙ₃ （Ａｌ，Ｇａ）₅ Ｏ₁₂：Ｔｂ、Ｙ₂ ＳｉＯ₅ ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ｚｎ₂ ＳｉＯ₄ ：Ｍｎ、ＢａＡｌ₂ Ｓｉ₂ Ｏ₈ ：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇＡｌ₁₄Ｏ₂₃：Ｅｕ²⁺、Ｙ₂ ＳｉＯ₅ ：Ｃｅ、ＺｎＧａ₂ Ｏ₄ などが用いられる。

他にも、ＺｎＷＯ₄ 、ＭｇＷＯ₄ をはじめとするタングステン酸化物、ＺｎＭｏＯ₄ やＳｒＭＯ₄ をはじめとするモリブデン酸化物、ＹＶＯ₄ をはじめとするバナジウム酸化物、Ｅｕ₂ ＳｉＯ₄ やＥｕＳｉＯをはじめとするユーロピウム酸化物が挙げられる。ほかにも、Ａｌｑ３やＩｒ（ｐｐｙ）をはじめとする有機発光材料、ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＮ、ＺｎＯをはじめとする半導体材料、さらにはこれらの微粒子などを用いることもできる。

また、図１は光を基板側から取り出すタイプの素子の概念図であるが、電極層１１を透明電極とすることで、光を基板反対側から取り出すタイプの素子も可能である。
また、図１は第１及び第２の絶縁層を有した２重絶縁型の素子である。これらの絶縁層により、素子の絶縁耐圧を高めることができ、素子の信頼性を挙げることができるが、発光層および微細構造層のみで、十分な耐圧が得られる場合は、省略することができる。また、絶縁層はどちらか１層のみを配してもよい。

また、図１においては、第１及び第２の微細構造層を配し、３重線をそれぞれの層と発光層の界面に形成しているが、どちらか１層のみであってもよい。
また、図１においては微細構造層は２層、発光層は１層であるが、図８のように複数の微細構造層と発光層を交互に積層してもよい。

以下、図１におけるそれぞれの層について説明する。
まず微細構造層１３、１５について説明する。
図７は、微細構造層１３の構成例を示す図である。微細構造層１３は、層の面内において、第１の材料からなる部位と第２の材料からなる部位を有する。特に、サブミクロンからナノメータサイズの微細構造を有してなることに特徴がある。図１においては、図面への記載上、第１の材料、第２の材料の部位を大きく記載しているが、実際には、素子に比べて非常に小さいサイズである。

図７ａ）〜ｄ）にはそれぞれ平面図（上）と断面図（下）が記されている。それぞれ、ａ）第１の材料と第２の材料の領域を有した構造体の例、ｂ）シリンダ状の材料がマトリックスの中に埋め込まれた構造体の例、ｃ）ラメラ状の構造体の例、ｄ）第１の材料と第２の材料と第３の材料の領域を有した構造体の例である。

図７に示すように、層の面内方向に異なる材料からなる部位が（第１の材料からなる部位２１と第２の材料からなる部位２２が）配される。それぞれの部位のサイズは数ナノメートルから数マイクロメートルである。

典型的には、図７ｂ）のようにマトリックス（第２の材料の部位）の中に柱状の部（第１の材料の部位）を有した構造が挙げられる。他には、図７ｃ）のようなラメラ構造が挙げられる。また、このような構造は、共晶反応を用いることで自己組織的に作製できることから、製法上の観点でも好ましい構造ということができる。図７ｄ）には３つの異なる材料の部位を有した例を記した。

微細構造層の厚さは、数ナノメートルから数１００ナノメートルの範囲である。
微細構造層を構成する材料は、誘電性材料であればこだわらないが、特に高電界印加時の安定した誘電性と、（発光時の）効果的な電子加速の観点から、酸化物からなることが好ましい。たとえばＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＴｉＯ₂ ，Ｙ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，ＨｆＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ，Ｌａ₂ Ｏ₃ ，ＭｇＯ，ＢａＴｉＯ₃ などが挙げられる。誘電率を制御するために、複合酸化物としてもよい。

微細構造層における、上記の第１及び２の材料からなる部位のサイズを小さくすることは、上述の３重点部位の密度を増やすことにつながり、しいては発光点の増加につなが。さらに、このことは、発光特性の面内均一性の観点からより好ましい。

また、発光点が面内に均一に形成されるためには、上記の第１及び２の材料からなる部位が周期的に同等な構造を有して存在することが好ましい。すなわち、第１の材料からなる部位が第２の材料の中に、規則的に配列して配された構成は、より好ましい構成である。

基板１０は、基板側より光を取り出す場合は、発光した光が透過するよう透明なガラスやプラスチックであることが好ましい。図１にしめすように光を上面より取り出す場合は基板の種類には寄らない。この場合基板としてはガラスやプラスチック、セラミック、半導体基板などを利用可能である。

透明電極層１７は、電極として機能するための導電性と、発光した光が透過性の両方の機能を有することが好ましい。たとえば、ドーピングされたＩｎ₂ Ｏ₃ やＳｎＯ₂ 、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電膜があげられる。

電極層１１は、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ、Ａｇ，，Ｔａ，Ｎｉなど各種の金属や合金、透明導電膜が利用可能である。
第１および２の絶縁層１２、１６としてはＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＴｉＯ₂ ，Ｙ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，ＢａＴｉＯ₃ などの誘電体が適用できる。膜厚は数１００〜数ミクロンの範囲が挙げられる。

発光層１４は駆動時に発光を示す層である。発光層の厚さは５０ｎｍ〜１μｍの範囲が好ましい。発光層を構成する材料は、上述した発光材料を適用することができる。
これらの微細構造層、発光層、透明導電層および電極層の成膜には、真空蒸着やスパッタ蒸着、電子ビーム蒸着などの気相法、めっき等の液相法、ゾル−ゲル等の固相法等、任意の薄膜作成方法を用いることができる。

特に、上述の微細構造層の作製には、共晶反応を用いることが挙げられ、その際には高いエネルギーの粒子を基板に供給できるスパッタリング法が好ましい方法である。
図９には図１の微細構造層を配する例とは異なる構成で３重点部位を配する方法を示す。

図９ａ）のように第１の誘電材料と第３の誘電材料の層構成の中に、微粒子からなる第２の誘電材料からなる部位を配することが挙げられる。
図９ｂ）のように、第１の誘電材料である層（基板）の上に、島状膜からなる第２の誘電材料からなる部位を形成し、そのうえに第３の誘電材料からなる層（部位）を設けることもできる。

図９ｃ）のように、第１の誘電材料からなる微粒子の表面の一部を第２の誘電材料で覆った後、それを第３の誘電材料からなる膜の中に分散して配置することが挙げられる。

以下、実施例を用いて本発明を更に説明する。
但し、本発明は以下の実施例に限られるものではなく、上述の概念に含まれるものを包含する。
なお、以下の実施例１〜６の中で、実施例１〜４，６は本発明の実施例を示し、実施例５は参考例を示す。

実施例１
本実施例の発光素子は、図１に準じた構造からなる。
図１は本発明の電界励起型発光素子の構成例を模式的に示した断面図である。

ここで、１０は基板、１１は電極層、１２は第１絶縁層、１３は微細構造層、１４は発光層、１５は微細構造層、１６は第２絶縁層、１７は透明電極層（第２の電極層）、１８は電源、１９は光である。
ただし、本実施例においては、第１の絶縁層と第２の微細構造層は省いた構成である。

本実施例の微細構造層は、図７ｂ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位２１と第２の材料２２からなる部位を有する。図７ｂ）における第１の材料からなる部位２１と第２の材料殻なる部位２２は、それぞれ図１における第２の誘電率からなる部位１０２、第３の誘電率からなる部位１０３に対応する。また、第１の材料からなる部位はアルミナ（比誘電率〜８）を主成分とし、第２の材料からなる部位は酸化シリコン（比誘電率〜４）を主成分としてなる。この微細構造層と発光層（第１の誘電率からなる部位）の界面に閉じた３重線が多数、配されることになる。また、発光層は、ＺｎＳ：Ｍｎ（比誘電率〜１０）からなる。

３重線は図３ｅ）の構成からなり、それぞれの部位１０１，１０２，１０３の誘電率の大小関係は図４ｃ）の構成（ε１＞ε２＞ε３）からなり、発光材料の配置は図５ａ）の構成（ε１が発光材料）からなる例である。

以下、作成工程に沿って説明する。
基板１０として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により電極層１１としてＴａを１００ｎｍを成膜する。

次に、微細構造層１３を形成する。微細構造層は、まず、マグネトロンスパッタリング法により、ＡｌとＳｉからなる構造体を形成し、これを陽極酸化することで作製する。ＡｌとＳｉからなる構造体は、図２ｂ）に示すようにＡｌを主成分とするシリンダーの部位と、その周囲を取り囲むＳｉを主成分とするマトリックス部位から構成される。これを陽極酸化することで、アルミナを主成分とするシリンダー状の部位と、その周囲を取り囲む酸化シリコンを主成分とするマトリックス部位から構成される微細構造層とすることができる。

ＡｌとＳｉからなる構造体の形成には、ＡｌとＳｉの混合物からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリング法により作製する。この際、Ａｌからなる柱状の部位をＳｉ部位内に均一に分散させるには、基板に対向してターゲットを配置しておくのがよい。ＡｌとＳｉの組成比を変えることで、ＡｌとＳｉの部位の割合を制御することができる。たとえば、Ａｌのシリンダ径は１〜２０ｎｍであり、間隔は５〜３０ｎｍである。

本実施例では、ＡｌとＳｉの組成比を５６：４４として、室温において、１２０Ｗの投入パワーで成膜した。アルミニウムの部位のサイズは約８ナノメートル、間隔が１２ナノメートル程度であり、図にしめすように円柱状のアルミがシリコンからなるマトリックスに埋め込まれた構造からなる。膜厚は７０ナノメートル程度である。

引き続き、０．１Ｍ酒石酸アンモニウム水溶液中において、上記ＡｌとＳｉからなる構造体からなる薄膜を陽極として、白金電極（陰極）に対向して配し、電圧５０Ｖ程度で陽極酸化する。これによりアルミとシリコンが酸化される。このようにして、図７ｂ）に示すようなアルミナの部位（第１の材料）と酸化シリコン（第２の材料）の部位を有した酸化物構造体が形成される。

微細構造層の厚さは、約８ナノメートルであり、直径が約８ナノメートルのアルミナ部位が酸化シリコンのマトリックス中に分散して配置された構造を有している。酸化シリコンの部位においては、一部において未酸化のシリコンの部位を有してもよい。

次に、発光層１３して、電子ビーム蒸着法により、基板温度２００℃において、ＺｎＳ：Ｍｎを５００ナノメートル成膜する。
さらに第２の絶縁層１６として酸化タンタルを３００ナノメートル、さらに、透明電極層としてＩＴＯを２００ｎｍ成膜する。

透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。正、負の矩形電圧を交互に印加し、その電圧を徐々に増加したところ、１８０Ｖ程度から発光が得られる。この際、パルス幅は１ｍｓ、パルスの繰り返し周波数５０Ｈｚである。

本実施例の電界励起型発光素子を、微細構造層を適用することで、閉じた３重線を高密度に配した構造を有している。この３重線近傍の局所的に大きな電界で電子が加速されることで、効果的な発光材料の励起がなされる。これにより素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。

実施例２
本実施例の発光素子は、構成は図１に準じている。
本実施例の微細構造層は、図７ｂ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位２１と第２の材料２２からなる部位を有する。図７ｂ）における第１の材料からなる部位２１と第２の材料からなる部位２２は、それぞれ図１における第２の誘電率からなる部位１０２、第３の誘電率からなる部位１０３に対応する。また、第１の材料は酸化鉄（比誘電率は１２〜１６程度）を主成分とし、第２の材料は酸化シリコン（比誘電率〜４）を主成分としてなる。この微細構造層と発光層（第１の誘電率からなる部位）の界面に閉じた３重線が多数、配されることになる。また、発光層は、Ｙ₂ Ｏ₃ ：Ｅｕ（比誘電率〜１２）からなる。

３重点は図３ｅ）の構成からなり、それぞれの部位１０１，１０２，１０３の誘電率の大小関係は図４ｂ）の構成（ε２＞ε１＞ε３）からなり、発光材料の配置は図５ａ）の構成（ε１が発光材料）からなる例である。

以下、作成工程に沿って説明する。
基板１０として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により電極層１１としてＰｔを２００ｎｍ成膜する。下地層としてＴｉを１０ｎｍ成膜している。

引き続き、第１の絶縁層１２として酸化タンタルからなる薄膜を３００ｎｍ成膜する。
次に、微細構造層１３を形成する。微細構造層は、まず、マグネトロンスパッタリング法により、Ｆｅ，Ｓｉ，Ｏからなる膜を成膜し、これを大気中で６００℃の熱処理を施すことで作製する。スパッタにおいては、ターゲットとしてＦｅＯ粉末とＳｉＯ₂粉末を体積割りあいで３０％程度混合したものを用いている。これにより図７ｂ）に示すよう、酸化鉄を主成分とするシリンダーの部位と、その周囲を取り囲む酸化シリコンＳｉをマトリックス部位から構成された微細構造層とすることができる。

本実施例では、酸化鉄の部位のサイズは約４ナノメートルであり、図にしめすように円柱状のシリンダがシリコンからなるマトリックスに埋め込まれた構造であり、膜厚は５０ナノメートル程度である。

次に、発光層１４して、スパッタリング法により、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕを４００ナノメートル成膜し、引き続き７００℃の熱処理を施す。
さらに微細構造層１３と同様にして第２の微細構造層１５を形成する。

さらに、第２の絶縁層１６として酸化タンタルからなる薄膜を３００ｎｍ成膜し、透明電極層として厚さ２００ｎｍのＩＴＯを成膜する。
透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。正、負の矩形電圧を交互に印加し、その電圧を徐々に増加したところ、１７０Ｖ程度から発光が得られる。この際、パルス幅は１ｍｓ、パルスの繰り返し周波数５０Ｈｚである。

本実施例の電界励起型発光素子を、微細構造層を適用することで、閉じた３重点を高密度に配した構造を有している。この３重点近傍の局所的に大きな電界で電子が加速されることで、効果的な発光材料の励起がなされる。これにより素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。また、第１、２の絶縁層を配することで、過電圧に対しての素子耐性が高い。

実施例３
本実施例の発光素子は、図１に準じた構造からなる。
ただし、本実施例においては、微細構造層が十分な絶縁性を有しているため、第１の絶縁層と第２の絶縁層は省いた構成である。

また、電極層１１が透明電極からなり、光を基板の裏側から取り出すタイプの発光素子である。
本実施例の微細構造層は、図７ｃ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位２１と第２の材料２２からなる部位を有する。図７ｃ）における第１の材料からなる部位２１と第２の材料殻なる部位２２は、それぞれ図１における第２の誘電率からなる部位１０２、第３の誘電率からなる部位１０３に対応する。また、第１の材料はジルコニア（比誘電率２０〜２５程度）を主成分とし、第２の材料はアルミナ（比誘電率〜８）を主成分としてなる。この微細構造層と発光層（第１の誘電率からなる部位）の界面に閉じた３重線が多数、配されることになる。また、発光層は、ＺｎＷＯ₄ （比誘電率１０〜１５）からなる。

３重線は図３ｅ）の構成からなり、それぞれの部位１０１，１０２，１０３の誘電率の大小関係は図４ｂ）の構成（ε２＞ε１＞ε３）からなり、発光材料の配置は図５ａ）の構成（ε１が発光材料）からなる例である。

基板としてＹＳＺ単結晶基板（１１１）を用いる。基板上にマグネトロンスパッタリング法により透明電極層１１としてＩＴＯを３００ｎｍ成膜する。基板温度は７００℃とする。

次に、第１の微細構造層１２として、ＺｒとＡｌの酸化物構造体を２５０ｎｍ成膜する。ＺｒＯ₂ （８ｍｏｌ％Ｙ₂ Ｏ₃ を含む）ターゲットとＡｌ₂ Ｏ₃ ターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により２元同時成膜する。基板温度は約８００℃であり、雰囲気はＡｒとＯ₂の混合雰囲気下で行う。ガス圧は０．５Ｐａであり、ＡｒとＯ₂の流量比は５：２である。それぞれのターゲットへの投入パワーは、成膜物におけるＺｒとＡｌの組成比が約１：４になうように調節している。この薄膜は、ＺｒＯ₂ を主成分とする部位とＡｌ₂ Ｏを主成分とする部位が図２ｃ）に示すようにラメラ状に配されている。ＺｒＯ₂ の領域の幅は約５０ｎｍ程度ある。

次に、発光層１４して、ＺｎＷＯ₄ を主成分とする薄膜を４００ｎｍ成膜する。ＺｎＷＯ₄ のターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により成膜する。成膜時の基板温度は約８００℃、雰囲気はＡｒとＯ₂の混合雰囲気下で行う。ガス圧は０．５Ｐａであり、ＡｒとＯ₂ の流量比は５：２である。

次に、第２の微細構造層１５を、第１の微細構造層１３と同様にして形成する。
次に、電極層１７として、厚さ２００ｎｍのＡｌを真空蒸着により成膜し、発光素子とする。

透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。正、負の矩形電圧を交互に印加し、その電圧を徐々に増加したところ、１６０Ｖ程度から発光が得られる。この際、パルス幅は１ｍｓ、パルスの繰り返し周波数５０Ｈｚである。

本実施例の電界励起型発光素子を、絶縁性に優れた微細構造層を適用することで、第１，２の絶縁層を省くことができている。また、３重点点部位を高密度に配した構造を有しているため、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。

実施例４
本実施例の発光素子は、図８に示すようにと微細構造層と発光層が繰り返し積層された例である。

実施例３と同様な手法で、ＹＳＺ単結晶基板上に透明電極層１７を形成後、第１の絶縁層として厚さ１５０ｎｍの酸化タンタルからなる膜を形成する。
引き続き、発光層と微細構造層を交互積層膜を形成する。発光層と微細構造層の成膜は実施例３に準じている。発光層、微細構造層のそれぞれの厚さは、５０ｎｍと２０ｎｍであり、繰り返し７層ずつ積層している。引き続き、第２の絶縁層として厚さ１５０ｎｍの酸化タンタルからなる膜を形成し、さらに、電極層として、厚さ２００ｎｍのＡｌを真空蒸着により成膜し、発光素子とする。

透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。正、負の矩形電圧を交互に印加し、その電圧を徐々に増加したところ、１９０Ｖ程度から発光が得られる。この際、パルス幅は１ｍｓ、パルスの繰り返し周波数５０Ｈｚである。

本実施例の電界励起型発光素子は、微細構造層と発光層を積層することで、さらに３重点部位を高密度に配した例である。これにより素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。

実施例５
本実施例の発光素子は、図６に準じた構造からなる。
第１の絶縁層と第２の絶縁層の間に微細構造を有した発光層８１を有し、絶縁層と発光層の間に３重線を配したは構成である。

本実施例の微細構造殻なる発光層８１は、図７ｂ）に示すように、層の面内において、第１の材料からなる部位２１と第２の材料２２からなる部位を有する。図７ｂ）における第１の材料からなる部位２１と第２の材料からなる部位２２は、それぞれ図６における第２の誘電率からなる部位１０２、第３の誘電率からなる部位１０３に対応する。

また、第１の材料からなる部位はＺｎとＷの複合酸化物（比誘電率は１５程度と見積もられる）でありＺｎＷＯ４主成分とし、第２の材料からなる部位は酸化亜鉛（比誘電率〜８程度）を主成分としてなる。第１の材料、第２の材料共に発光材料である。この微細構造を有した発光層と絶縁層の界面に閉じた３重線が多数、配されることになる。また、第１の絶縁層はアルミナ（比誘電率〜８）を主成分とし、第２の絶縁層はＢａとＴｉの複合酸化物（比誘電率〜３００）である。３重線は図３ｅ）の構成からなり、発光材料の配置は図５ｃ）の構成からなる例である。

３重線は図３ｅ）の構成からなり、発光材料の配置は図５ｃ）の構成（ε２とε３）が発光材料からなる例である。
誘電率の大小関係に関して、第１の絶縁層と微細構造を有した発光層８１で形成される３重線は図４ａ）（ε２＞ε３＞ε１）もしくは図４ｂ）（ε２＞ε１＞ε３）の構成であり、第２の絶縁層と微細構造を有した発光層で形成される３重線は図４ｃ）（ε１＞ε２＞ε３）の構成である。

基板１０として石英基板を用いる。基板１０上にマグネトロンスパッタリング法により電極層１１としてＰｔを２００ｎｍ成膜する。下地層としてＴｉを１０ｎｍ成膜している。

引き続き、第１の絶縁層１２としてアルミナからなる薄膜を１００ｎｍ成膜する。
次に、微細構造を有した層として、ＺｎとＷの酸化物構造体を５００ｎｍ成膜する。ＺｎＯターゲットとＷＯ₃ ターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により２元同時成膜する。基板温度は約８００℃であり、雰囲気はＡｒとＯ₂の混合雰囲気下で行う。ガス圧は０．５Ｐａであり、ＡｒとＯ₂ の流量比は５：２である。それぞれのターゲットへの投入パワーは、成膜物におけるＺｎとＷの組成比が約２：１になうように調節している。この薄膜は、ＺｎＯを主成分とする部位とＺｎＷＯ₄ を主成分とする部位が図７ｂ）に示すように配されている。ＺｎＷＯ₄ の領域のサイズは約６０ｎｍ程度ある。

次に、第２の絶縁層を形成する。。ＢａＴｉＯ₃ のターゲットを用意し、マグネトロンスパッタリング法により、ＢａとＴｉの複合酸化物層を５００ナノメートル成膜する。
次に、電極層１７として、厚さ２００ｎｍのＩＴＯを成膜し、発光素子とする。

透明電極層及び電極層は、それぞれ駆動用の電源に電気的に接続する。駆動電源は、パルス電圧源である。正、負の矩形電圧を交互に印加し、その電圧を徐々に増加したところ、１４０Ｖ程度から発光が得られる。この際、パルス幅は１ｍｓ、パルスの繰り返し周波数５０Ｈｚである。

発光はＺｎＷＯ₄ の波長５００ｎｍ近傍の発光とＺｎＯの不純物準位による波長６００ｎｍ程度の発光が混ざった混色型発光素子である。本実施例の電界励起型発光素子を、微細構造層を適用することで、３重点部位を高密度に配した構造を有している。これにより素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。
本実施例は、微細構造層に上記のナノサイズの構造を有した構造体を適用することで、素子面内において均一な発光がえられ、その安定性も良好である。

実施例６
次に本発明の発光素子を画像表示装置、照明装置、印字装置として応用する例について説明する。
実施例１の発光素子を画像表示装置として用いるには電極をライン状に上下でマトリックス状に配線して駆動させることにより可能である。カラー画像を得たい場合には白色の発光材料を用いてＲＧＢのフィルターで色を出したり、ＲＧＢに対応した発光材料を高精度にパターニング成膜することにより可能である。また。青色発光材料を用いて、緑、赤の色を蛍光体で青から変換させることも可能である。

また、本発明の発光素子を照明装置に用いる場合には、白色発光材料をもちいる方法やＲＧＢ発光材料を縦方向に積層させる方法、青や紫外発光をさせてからＲＧＢの発光へ変換させる方法がある。

また、本発明を印字装置などのプリンターに用いる場合には、レーザー光をポリゴンミラーを用いて走査させる代わりに、ライン状に発光素子を並べて駆動することにより可能となる。

本発明の構成及び製法により、発光面における発光均一性に優れ、比較的に低電圧で安定した駆動が可能な発光素子を実現でき、前記発光素子は、酸化物材料を主構成要素としているため、使用環境耐性に優れることや、環境へ負荷が少ないという特徴があり、ディスプレイや印字装置、照明装置に利用することが可能である。

本発明の発光素子の構成を示す概略図である。 ３重点部位を説明する斜視図である。 ３重線の構成例を示す断面図である。 誘電率の大小関係と３重点部位の周囲の電場を示す断面図である。 発光部の配置例を示す断面図である。 本発明の発光素子の一例を示す概略図である。 微細構造層の構造例を示す概略図である。 本発明の発光素子の一例を示す概略図である。 ３重点部位の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 電極層
１２ 第１の絶縁層
１３ 第１の微細構造層
１４ 発光層
１５ 第２の微細構造層
１６ 第２の絶縁層
１７ 透明電極層（第２の電極層）
１８ 電源
１９ 光
２１ 第１の材料からなる部位
２２ 第２の材料からなる部位
８１ 微細構造を有した発光層
１００ ３重点部位
１０１ 第１の誘電率からなる部位
１０２ 第２の誘電率からなる部位
１０３ 第３の誘電率からなる部位

Claims (4)

1. 基板上に、第１の電極である第１の電極層と、第２の電極である第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれた位置に配した第１の誘電率からなる第１の部位である発光層と、前記第１の電極層と前記発光層との間に挟まれた位置に配され、第２の誘電率からなる第２の部位と第３の誘電率からなる第３の部位とを備えた微細構造層と、を有し、前記第１の部位、前記第２の部位、前記第３の部位が互いに接した３重点部位を備え、前記３重点部位の電位よりも前記第１の部位の電位が高電位となるときに、前記第１の部位において発光が生じることを特徴とする電界励起型発光素子。
2. 前記３重点部位が前記第１の電極層または前記第２の電極層に対して平行な閉曲線からなることを特徴とする請求項１に記載の電界励起型発光素子。
3. 前記第２の部位の誘電率＞前記第１の部位の誘電率＞第３の部位の誘電率であることを特徴とする請求項１に記載の電界励起型発光素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電界励起型発光素子を用いた画像表示装置。

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