JP4857077B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子に関するものである。

物質（蛍光物質）に電圧を印加することにより発光するＥＬ（エレクトロルミネッセンス）現象を用いたＥＬ素子は、平面形完全固体発光表示装置への応用に対する期待から近年活発に研究されている。ＥＬは発光原理から注入型ＥＬと真性ＥＬに分類される。注入型ＥＬは、電界を印加することにより、半導体内に注入されたキャリアである電子と正孔が再結合して発光するもので、発光ダイオードや有機ＥＬ素子などが挙げられる。一方、真性ＥＬは、電界により加速された電子が半導体内で発光中心に衝突し、発光中心を励起することで発光するもので、分散型ＥＬ素子や無機薄膜型ＥＬ素子などがこれに分類される。

無機薄膜型ＥＬ素子は、ガラス基板などの上に、上部電極、上部絶縁層、ＥＬ発光層、下部絶縁層、下部電極を有し、全体の厚さが数ミクロン程度の薄膜で構成される、上部絶縁層、ＥＬ発光層、及び下部絶縁層が静電容量を有する素子であり、クロスする上下の電極に交流パルス電圧を印加することで発光する。電荷量Ｑ、下部絶縁層の静電容量Ｃ１、ＥＬ発光層の静電容量Ｃ２、上部絶縁層の静電容量Ｃ３、上部絶縁層への印加電圧Ｖ１、ＥＬ発光層への印加電圧Ｖ２、上部絶縁層への印加電圧Ｖ３とすると、Ｑ＝Ｃ１・Ｖ１＝Ｃ２・Ｖ２＝Ｃ３・Ｖ３の関係式が成り立つ。すなわち、印加電圧は各層の静電容量により、上部絶縁層、ＥＬ発光層、及び下部絶縁層で分配される。真空中の誘電率ε０、比誘電率εｒ、面積Ｓ、膜厚ｄとすると、Ｃ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄの関係が成り立つのでεｒの大きな材料を選択することでＣが大きくなり、絶縁層にかかる電圧が小さくなる。ＥＬ素子の高効率化には、ＥＬ発光層により高い電圧が分配され、印加されることが望ましく、そのため絶縁層として用いる誘電体には、ＥＬ発光層の比誘電率よりも高い比誘電率の材料を選択する必要がある。

しかし、高誘電率材料の良好な結晶相の膜を得るには、一般的に基板や電極の耐熱温度を超えた高温成膜、あるいは高温熱処理が必要であるため、実用素子に適用するのは困難である。そのため、成膜温度や熱処理温度を下げると、結晶性が不十分となり、本来の材料の持つ高い誘電率特性が得られていない（特許文献１）。

また、高誘電率を有するバルク状のセラミックシートを絶縁層として用いて、その上に発光層を配置し、上下を電極で挟む構成とすることで、ＥＬ素子を実現している例もある。しかし、研磨などの機械的手段によるセラミックシートの薄片化には限界があり、絶縁層の厚さが大きいため、静電容量が小さくなり、駆動電圧の低減が不十分である（特許文献２）。

他にも、３つの異なる誘電率部位が接する３重点部位を有し、３つの誘電率部位のいずれかが発光部である電界励起型発光素子があり、３重点部位を挟むように配置される電極を通して３重点部位に電圧を印加することで、電界集中効果を得る試みがなされている。しかしながら、各誘電率部位の誘電率差が十分に大きくないため、電界集中の効果は決して十分とは言えない（特許文献３）。
特公平６−３４３８９号公報 特開２００４−２９６４１６号公報 特開２００６−７３３３８号公報

本発明は、上記のような技術的背景により、高い発光効率を有する発光素子を提供するものである。

上記の課題を解決する発光素子は、一対の電極間に、複合誘電体層と発光層とが積層して配された発光素子であって、前記複合誘電体層が複数の柱状構造及びそれらを取り囲むマトリックス部位からなり、前記柱状構造及びマトリックス部位の各々がペロブスカイト化合物またはスピネル化合物のいずれかからなると共に、前記柱状構造と前記マトリックス部位及び前記発光層とが接する部位を有し、前記電極間に電圧を印加することで、前記接する部位と前記発光層との間に電界集中を生ずることを特徴とする。

前記複合誘電体層が柱状構造及びそれを取り囲むマトリックス部位からなり、前記柱状構造及びマトリックス部位の各々がペロブスカイト化合物またはスピネル化合物のいずれかからなることが好ましい。

前記複合誘電体層が膜厚方向あるいは膜面内方向の少なくとも一方向以上にエピタキシャル構造を有することが好ましい。
前記発光層の比誘電率が、複合誘電体層のペロブスカイト化合物あるいはスピネル化合物の比誘電率よりも小さいことが好ましい。

前記複合誘電体層の柱状構造あるいはマトリックス部位が凹あるいは凸構造を有し、該複合誘電体層と発光層との間に凹凸構造を形成していることが好ましい。

本発明によれば、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層してなる発光素子により、高い発光効率を有する発光素子を提供することができる。

以下に本発明の実施形態に関わる発光素子について説明する。
本発明の発光素子は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層する構成を有する。図１は、本発明の発光素子の一実施態様を示す概略図であり、図１（ａ）は概略断面図、図１（ｂ）はＡＡ’線平面図である。図１に示すように、本発明の発光素子は、基板１０上に電極１１を配し、その上にペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層１２、発光層１５、絶縁層１６、電極１７を順次配置して構成される。

さらに複合誘電体層１２は、柱状構造１４及びそれを取り囲むマトリックス部位１３からなる。柱状構造１４及びマトリックス部位１３の各々は、ペロブスカイト化合物あるいはスピネル化合物のいずれから構成されていてもよい。複合誘電体層１２の上に発光層１５を積層することで、マトリックス部位１３、柱状構造１４、発光層１５の３つの材料が接し、比誘電率の異なる３重点部位１８が形成される。柱状構造１４あるいはマトリックス部位１３の比誘電率の差が十分に大きい複合誘電体層１２、比誘電率の小さな発光層１５を選ぶことで、電極１１と電極１７との間に電圧を印加する時、３重点部位１８と発光層１５との間に特に大きな電界集中が生じる。このことにより、ＥＬ素子の発光開始に必要な電圧の低減化が可能となって、高効率な発光が得られる。

ペロブスカイト化合物は、例えば、下記の表１の例に示すようにＢａＴｉＯ₃（比誘電率１０００から５０００）やＰｂＴｉＯ₃（比誘電率４００程度）など、比較的大きな比誘電率を有するものが多く存在する。そのために、複合誘電体層として用いる際に組み合わせる他の化合物、及び発光層との比誘電率の差をより大きくできるので好ましい。

スピネル化合物は、ペロブスカイト化合物と比較すると、下記の表１の例に示すように格子定数は異なるが、結晶系は立方晶、あるいは若干歪んだ正方晶や斜方晶であり類似している。また、下記の表２に示すように、各結晶面における表面エネルギーが各々で異なるため、ペロブスカイト化合物と共に用いることで、誘電体層を形成する下地の結晶面に対するぬれ性に違いが生じ、マトリックス部位１３、及び柱状構造１４を有する複合誘電体層の形成が可能となり好ましい。

基板１０としては、上部に形成する電極１１や複合誘電体層１２との結晶格子の整合性に優れる各種単結晶基板が選ばれる。例えば、基板１０にはＳｒＴｉＯ₃単結晶（立方晶，格子定数ａ＝０．３９０５ｎｍ）、電極１１にはＳｒＲｕＯ₃（斜方晶，ａ×√２／２＝０．３９３ｎｍ）、複合誘電体層１２のペロブスカイト化合物にはＢａＴｉＯ₃（正方晶，ａ＝０．３９９４ｎｍ，ｃ＝０．４０３８ｎｍ，比誘電率εｒ＝１０００から５０００）、スピネル化合物にはＣｏＦｅ₂Ｏ₄（立方晶，ａ＝０．８３９ｎｍ，εｒ＝５０から７０）が挙げられる。また、表２に示すように、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物では、各々の化合物において、（１００）結晶面の持つ表面エネルギーと（１１１）結晶面の持つ表面エネルギーに異方性があるが、その大小が逆の関係となるため、単結晶基板の結晶面に対するぬれ性が異なる。

以下、ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板の（１００）結晶面を用いる場合を例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、ＳｒＴｉＯ₃（１００）結晶面の上に形成される電極ＳｒＲｕＯ₃は、結晶系が類似し、格子定数も近いことにより、ＳｒＲｕＯ₃（１００）結晶面で成長する。

次に、その上に形成される複合誘電体層１２は、前述のぬれ性の違いから、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄からなる柱状構造１４と、それを取り囲むＢａＴｉＯ₃からなるマトリックス部位１３を有する構造となる。

前記複合誘電体層は膜厚方向、あるいは膜面内方向の少なくとも一方向以上にエピタキシャル構造を有する。エピタキシャル構造とは、単結晶基板上に膜を作成する場合に膜自体も何らかの特定の結晶方位をもって結晶成長する構造を表す。

単結晶基板を用いることで上部に形成される層はエピタキシャル成長するので、ＢａＴｉＯ₃及びＣｏＦｅ₂Ｏ₄の良好な結晶性が得られ、Ｘ線回折測定により確認できる。さらにエピタキシャル成長で形成されるため、特にＢａＴｉＯ₃については、単層膜では得ることが難しい高い比誘電率を実現できる。

発光層としては、様々な材料があり、例えば、無機ＥＬ用蛍光体として、ＺｎＳ：Ｍｎ²⁺、ＳｒＳ：Ｃｅ，Ｅｕ、ＣａＳ：Ｅｕ²⁺、ＺｎＳ：Ｔｂ，Ｆ、ＣａＳ：Ｃｅ³⁺、ＳｒＳ：Ｃｅ³⁺、ＣａＧａ₂Ｓ₄：Ｃｅ³⁺、ＢａＡｌ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺、Ｇａ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄：Ｍｎ²⁺、ＺｎＧａ₂Ｏ₄：Ｍｎ²⁺等、その他の蛍光体としては、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺、Ｇｄ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺、ＹＶＯ₄：Ｅｕ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ、ＳｒＴｉＯ₃：Ｐｒ³⁺、ＢａＳｉ₂Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ²⁺、Ｙ_0.65Ｇｄ_0.35ＢＯ₃：Ｅｕ³⁺、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ、Ｂａ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、Ｚｎ（Ｇａ，Ａｌ）₂Ｏ₄：Ｍｎ²⁺、Ｙ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｔｂ³⁺、Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂ³⁺、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄：Ｍｎ²⁺、ＢａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇＡｌ₁₄Ｏ₂₃：Ｅｕ²⁺、Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ³⁺、ＺｎＧａ₂Ｏ₄：Ｍｎ²⁺等が挙げられるが、比誘電率は１０００以下であることが好ましく、さらには５０以下であることで、さらに大きな電界集中が３重点と発光層との間に生じることになり、より好ましい。

さらに、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄柱状構造は、ＢａＴｉＯ₃マトリックス部位から突き出した凸構造とすることで、効果的に発光層で生じる光を発光層と複合誘電体層との界面構造で散乱し、発光素子の外部に効果的に放出させることができ、光の外部取り出し効率が向上し、好ましい。

また、ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板の（１１１）結晶面を同様にして用いた場合、
ＢａＴｉＯ₃からなる柱状構造と、それを取り囲むＣｏＦｅ₂Ｏ₄からなるマトリックス部位を有する構造となり、ＢａＴｉＯ₃柱状構造が突き出した凸構造とすることもできる。

ここでは単結晶基板を用いる例を示しているが、より低コストを実現するには、汎用性基板上に一層あるいは複数層からなるエピタキシャル層を介し、電極、複合誘電体層、発光層、絶縁層などを形成すれば、同様な効果が得られる。

ペロブスカイト化合物には、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃以外にも、ＳｒＴｉＯ₃、ＭｇＳｉＯ₃、ＣａＧｅＯ₃、ＣａＴｉＯ₃、ＣａＺｒＯ₃、ＳｃＡｌＯ₃、ＭｎＴｉＯ₃、ＣｄＧｅＯ₃、ＢｉＦｅＯ₃、ＣａＳｎＯ₃、ＳｒＳｎＯ₃、ＳｒＩｎＯ₃、ＬａＧａＯ₃、ＦｅＴｉＯ₃、ＬａＭｎＯ₃、ＳｒＲｕＯ₃、ＣａＲｕＯ₃、ＬａＲｕＯ₃、ＧｄＡｌＯ₃、ＰｂＺｒＯ₃、ＬａＴｉＯ₃、ＬａＺｒＯ₃、ＰｂＮｂＯ₃など、あるいはこれらの混ざった化合物、例えばＢＳＴと称される（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃、ＰＺＴと称されるＰｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃、ＰＬＺＴと称される（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃、ＰＭＮと称されるＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃、ＰＮＮと称されるＰｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ₃、さらにはＰＭＮ−ＰｂＴｉＯ₃、ＰＮＮ−ＰＺＴなどが挙げられる。

また、スピネル化合物には、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄以外にも、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＣｄＶ₂Ｏ₄、ＦｅＶ₂Ｏ₄、ＺｎＶ₂Ｏ₄、ＭｇＧａ₂Ｏ₄、ＬｉＴｉ₂Ｏ₄、ＭｇＦｅ₂Ｏ₄、Ｆｅ₃Ｏ₄など、あるいはこれらの混合物が挙げられ、同様な効果が期待できる。

基板１０は、ペロブスカイト構造であるＳｒＴｉＯ₃単結晶基板の他にも、ＢａＴｉＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＬＳＡＴＯ₃と称される（Ｌａ_xＳｒ_1-x）（Ａｌ_xＴａ_1-x）Ｏ₃、ＹＡｌＯ₃、スピネル構造であるＭｇＡｌ₂Ｏ₄などでも構わない。

絶縁層１６はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＢａＴａ₂Ｏ₆などが挙げられ、ＥＬ素子への印加電圧のうち発光層にかかる電圧をより大きくするためには誘電率の高い材料を選ぶことが望ましいが、絶縁層１６が無くてもＥＬ素子の絶縁性が十分維持できる場合には省いても構わない。これにより、発光層にかかる電圧がより大きくなり好ましい。

電極１７はＩＴＯ、ＺｎＯ：Ａｌなどの透明導電膜であれば、ＥＬ素子表面から発光が取り出せるが、石英などの透明基板を用いる場合、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｃｒなどの金属膜とすることもでき、このとき発光はＥＬ素子裏面から取り出すことができる。

次に、本発明の発光素子の製造方法について説明する。
本発明の発光素子の製造方法は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層が積層して設けられている発光素子の製造方法において、該複合誘電体層の前駆体を形成する第１の工程と、該前駆体を第１の工程と同等以上の酸素分圧の下で冷却して、該複合誘電体層を形成する第２の工程とを有する。

第１の工程のペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層を形成する工程を示す。図２のように基板１０上に電極１１を配し、その上に複合誘電体層前駆体２０を形成する。本発明のペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層の形成方法は、レーザーアブレーション法、スパッタ法などがある。その中で、基板表面に到達する粒子の持つエネルギーが大きくなるスパッタ法が形成温度を低温化でき、かつ大面積にも容易に形成可能となり有効である。特に成膜時の基板温度により、柱状構造の断面形状のサイズを制御することができ、温度が低い程より小さな断面形状の柱状構造が得られる。複合誘電体層前駆体とは、第１の工程で得られる、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる柱状構造及びそれを取り囲むマトリックス部位を有する複合誘電体層であって、第２の工程を施す前の複合誘電体層を表す。

ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる柱状構造１４及びそれを取り囲むマトリックス部位１３は、図２に示すように上面の高さが異なる形状からなるが、このような形状にするには、基板１０である単結晶基板の結晶面に対して、表面エネルギー及びぬれ性の異なるペロブスカイト化合物やスピネル化合物を選択することにより行うことができる。これにより各化合物の結晶成長速度に差が生じることになる。

次に、第２の工程、すなわち、該前駆体を第１の工程と同等以上の酸素分圧の下で冷却することで、該複合誘電体層を形成する工程を示す。冷却過程において、雰囲気を第１の工程と同等以上の酸素分圧とすることで、複合誘電体層の酸素が補われ、結晶性、特に絶縁性が向上することで、電界集中部位が明瞭になり、発光素子の駆動がより安定化する。より効果を得るには、０．３Ｐａ以上、好ましくは１０Ｐａ程度の酸素雰囲気下、冷却速度５０℃／分以下、好ましくは１５℃／分程度で徐冷することが望ましい。

次に、発光層、絶縁層、電極を順に形成する。形成方法は多元蒸着法、溶液成長法、有機金属化学気相輸送法、気相成長法、スパッタ法、レーザーアブレーション法などがある。より簡便に良質な膜を得るには、スパッタ法、多元蒸着法が好ましい。

以下、実施例を用いて本発明を更に説明するが、以下に限定されるものではない。
実施例１
本実施例は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層する発光素子を作製する第１の例である。

まず、片面研磨した単結晶ＳｒＴｉＯ₃（１００）基板をプロパノール、アセトン、プロパノール、純水の順に超音波洗浄器を用いて各５分ずつ洗浄した後、バッファードフッ酸溶液（ＨＦ／ＮＨ₄Ｆ，１０Ｍ，ｐＨ４．０，２５℃）に２０分間浸し、その後、Ｏ₂ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、９５０℃で１時間熱処理を行い、極めて平滑なステップ表面を準備する。この平滑ＳｒＴｉＯ₃基板上に下部電極として、ＳｒＲｕＯ₃をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＳｒＲｕＯ₃ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを１：４で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度６００℃、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎで厚さ８０ｎｍ成膜する。

さらに複合誘電体層として、ＢａＴｉＯ₃−ＣｏＦｅ₂Ｏ₄をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＢａＴｉＯ₃（７０ｍｏｌ％）−ＣｏＦｅ₂Ｏ₄（３０ｍｏｌ％）ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを体積比１：１で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度７７０℃、成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎで厚さ５００ｎｍに成膜する。その後、基板シャッターを閉じ、Ａｒガスの供給を停止し、Ｏ₂ガスの流量を増加して圧力を１０Ｐａとして、冷却速度１５℃／分で室温程度まで基板を冷却する。

ここまでで得られる膜に対し、ＣｕＫα線を用いてθ−２θ法でＸ線回折測定を行うことで、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄の（００４）面、ＢａＴｉＯ₃の（００２）面、及びＳｒＲｕＯ₃（００２）面の各ピークを確認できる。さらに、透過電子顕微鏡を用いた電子線回折評価によっても、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＲｕＯ₃の各結晶相が確認できる。また、透過電子顕微鏡による膜の表面及び断面の観察により、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ＢａＴｉＯ₃マトリックス中に、平均径サイズ１００ｎｍの断面形状が六角形のＣｏＦｅ₂Ｏ₄柱状構造が確認できる。図３（ａ）は複合誘電体層の断面図、図３（ｂ）は平面図を示す。

次に発光層として、ＺｎＳ：Ｍｎを電子ビーム真空蒸着装置を用い、Ｍｎが０．３ｗｔ％添加されたＺｎＳ：Ｍｎペレットを用いて、圧力２×１０^-4Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度１０ｎｍ／ｓｅｃで厚さ６００ｎｍ成膜する。さらに絶縁層として、Ａｌ₂Ｏ₃を電子ビーム真空蒸着装置を用い、Ａｌ₂Ｏ₃ペレットを用いて、Ｏ₂ガスを流して圧力０．０１Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度０．２ｎｍ／ｓｅｃで厚さ５０ｎｍ成膜する。

その後、石英製管状アニール炉でアルゴンガスを流し、５５０℃で２０分間熱処理を行い、さらに上部電極として、ＩＴＯをマグネトロンスパッタ装置を用い、ＩＴＯ（ＳｎＯ₂が５ｗｔ％添加されたＩｎ₂Ｏ₃）ターゲットを用いて、Ａｒガスを流して圧力０．３Ｐａの下、成膜速度１２ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４００ｎｍ成膜する。

このように作製したＥＬ素子において、上下の電極に１ｋＨｚの交流電圧を徐々に印加すると、１００Ｖ付近から橙色の発光がＥＬ素子表面から得られ、比誘電率差の大きな部位への電界集中効果により、高効率な発光が得られる。

実施例２
本実施例は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層する発光素子を作製する第２の例である。

まず、片面研磨した単結晶ＳｒＴｉＯ₃（１１１）基板をプロパノール、アセトン、プロパノール、純水の順に超音波洗浄器を用いて各５分ずつ洗浄した後、酸素分圧下、９５０℃で１時間熱処理を行い、清浄な基板表面を準備する。このＳｒＴｉＯ₃基板上に下部電極として、ＳｒＲｕＯ₃をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＳｒＲｕＯ₃ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを体積比１：４で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度６００℃、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎで厚さ８０ｎｍ成膜する。

さらに複合誘電体層として、ＢａＴｉＯ₃−ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を２元マグネトロンスパッタ装置を用い、ＢａＴｉＯ₃及びＣｏＦｅ₂Ｏ₄ターゲットを用いてＲＦ出力比を３：４とし、Ｏ₂とＡｒを体積比１：１で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度７００℃、成膜速度４ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４００ｎｍ成膜する。その後、基板シャッターを閉じ、Ａｒガスの供給を停止し、Ｏ₂ガスの流量を増加して圧力を１０Ｐａとして、冷却速度１５℃／分で室温程度まで基板を冷却する。

ここまでで得られる膜に対し、透過電子顕微鏡を用いた電子線回折評価により、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＲｕＯ₃の各結晶相が確認できる。また、透過電子顕微鏡による膜の表面及び断面の観察により、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄マトリックス中に、平均径サイズ５０ｎｍの断面形状が四角形のＢａＴｉＯ₃柱状構造が確認できる。

次に発光層として、ＺｎＧａ２Ｏ₄：Ｍｎをマグネトロンスパッタ装置を用い、ＭｎがＺｎに対して１ｍｏｌ％添加されたＺｎＧａ２Ｏ₄：Ｍｎターゲットを用いて、Ｏ₂とＡｒを体積比１：４で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度７ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４５０ｎｍ成膜する。

その後、ランプ式急速加熱炉でＯ₂ガスを流し、９００℃で２分間熱処理を行い、さらに上部電極として、ＩＴＯをマグネトロンスパッタ装置を用い、ＩＴＯ（ＳｎＯ₂が５ｗｔ％添加されたＩｎ₂Ｏ₃）ターゲットを用いて、Ａｒガスを流して圧力０．３Ｐａの下、成膜速度１２ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４００ｎｍ成膜する。

このように作製したＥＬ素子において、上下の電極に１ｋＨｚの交流電圧を徐々に印加すると、８５Ｖ付近から緑色の発光がＥＬ素子表面から得られ、比誘電率差の大きな部位への電界集中効果により、高効率な発光が得られる。

実施例３
本実施例は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層する発光素子を作製する第３の例である。

まず、Ｓｉ（１００）基板を４０％フッ化アンモニウム水溶液に浸し、表面の自然酸化膜を除去した後、マグネトロンスパッタ装置内でＯ₂ガスを導入し、基板温度を８００℃に維持することで、基板表面にＳｉ熱酸化膜を厚さ２ｎｍ形成する。さらに基板温度を保ったまま、ＹＺｒ合金（Ｙ／Ｚｒ＝０．３５ｍｏｌ比）ターゲットを使って、Ａｒガスのみを流して圧力０．３Ｐａの下、厚さ１ｎｍ成膜し、次にＯ₂とＡｒの体積比１：４になるようにＯ₂ガスを導入し、圧力０．３Ｐａの下、厚さ５０ｎｍ成膜する。

ここまでで得られる膜に対し、ＣｕＫα線を用いてθ−２θ法でＸ線回折測定を行うことで、ＹＳＺと称されるイットリア安定化ジルコニアの（００２）面からのピークが確認できる。

次にこの基板上に下部電極として、ＳｒＲｕＯ₃をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＳｒＲｕＯ₃ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを１：４で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度６００℃、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎで厚さ８０ｎｍ成膜する。

さらに複合誘電体層として、ＢａＴｉＯ₃−ＮｉＦｅ２Ｏ₄をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＢａＴｉＯ₃（７０ｍｏｌ％）−ＮｉＦｅ２Ｏ₄（３０ｍｏｌ％）ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを体積比１：１で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度６５０℃、成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎで厚さ５００ｎｍ成膜する。その後、基板シャッターを閉じ、Ａｒガスの供給を停止し、Ｏ₂ガスの流量を増加して圧力を１０Ｐａとして、冷却速度１５℃／分で室温程度まで基板を冷却する。

ここまでで得られる膜に対し、透過電子顕微鏡を用いた電子線回折評価により、ＮｉＦｅ２Ｏ₄、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＲｕＯ₃の各結晶相が確認できる。また、透過電子顕微鏡による膜の表面及び断面の観察により、、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ＢａＴｉＯ₃マトリックス中に、平均径サイズ２０ｎｍの断面形状が四角形のＮｉＦｅ₂Ｏ₄柱状構造が確認できる。

次に発光層として、Ｚｎ₂Ｓｉ_0.7Ｇｅ_0.3Ｏ₄：Ｍｎをマグネトロンスパッタ装置を用い、ＭｎがＺｎに対して２ｍｏｌ％添加されたＺｎ₂Ｓｉ_0.7Ｇｅ_0.3Ｏ₄：Ｍｎターゲットを用いて、Ｏ₂とＡｒを体積比１：４で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４００ｎｍ成膜する。

その後、ランプ式急速加熱炉でＯ₂ガスを流し、９００℃で２分間熱処理を行い、さらに上部電極として、ＺｎＯ：Ａｌをマグネトロンスパッタ装置を用い、ＺｎＯ：Ａｌ（Ａｌ₂Ｏ₃が２ｗｔ％添加されたＺｎＯ）ターゲットを用いて、Ａｒガスを流して圧力０．３Ｐａの下、成膜速度１７ｎｍ／ｍｉｎで厚さ４００ｎｍ成膜する。

このように作製したＥＬ素子において、上下の電極に１ｋＨｚの交流電圧を徐々に印加すると、９０Ｖ付近から緑色の発光がＥＬ素子表面から得られ、比誘電率差の大きな部位への電界集中効果により、高効率な発光が得られる。

実施例４
本実施例は、ペロブスカイト化合物とスピネル化合物からなる複合誘電体層と発光層を積層する発光素子を作製する第４の例である。

まず、両面研磨した単結晶ＭｇＡｌ₂Ｏ₄（１００）基板をプロパノール、アセトン、プロパノール、純水の順に超音波洗浄器を用いて各５分ずつ洗浄した後、下部電極として、透明導電性材料であるＺｎ₂ＳｎＯ₄をマグネトロンスパッタ装置を用い、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを１：３で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度８００℃、成膜速度７ｎｍ／ｍｉｎで厚さ８０ｎｍ成膜する。

さらに複合誘電体層として、ＢａＴｉＯ₃−ＭｇＡｌ₂Ｏ₄をマグネトロンスパッタ装置を用い、ＢａＴｉＯ₃（７０ｍｏｌ％）−ＭｇＡｌ₂Ｏ₄（３０ｍｏｌ％）ターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを体積比１：１で混合したガスを流して圧力０．３Ｐａの下、基板温度７５０℃、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎで厚さ３００ｎｍ成膜する。その後、基板シャッターを閉じ、Ａｒガスの供給を停止し、Ｏ₂ガスの流量を増加して圧力を１０Ｐａとして、冷却速度１５℃／分で室温程度まで基板を冷却する。

ここまでで得られる膜に対し、透過電子顕微鏡を用いた電子線回折評価により、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＢａＴｉＯ₃、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄の各結晶相が確認できる。また、透過電子顕微鏡による膜の表面及び断面の観察により、ＢａＴｉＯ₃マトリックス中に、平均径サイズ１００ｎｍの断面形状が四角形のＭｇＡｌ₂Ｏ₄柱状構造が確認できる。

次に発光層として、各々５％程度のＥｕ₂Ｏ₃の添加された（Ｍｇ_0.5Ｃａ_0.25Ｓｒ_0.2）（Ｓｉ_0.7Ｇｅ_0.3）Ｏ₃：Ｅｕターゲットを使って、Ｏ₂とＡｒを体積比１：１０で混合したガスを流して圧力０．４Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度７ｎｍ／ｍｉｎで厚さ３００ｎｍ成膜する。

その後、ランプ式急速加熱炉でＨ₂を３％含んだＡｒガスを流し、８５０℃で２分間熱処理を行い、さらに上部電極として、Ａｌを電子ビーム真空蒸着装置を用い、圧力２×１０^-4Ｐａの下、基板温度２００℃、成膜速度１０ｎｍ／ｓｅｃで厚さ１００ｎｍ成膜する。

このように作製したＥＬ素子において、上下の電極に１ｋＨｚの交流電圧を徐々に印加すると、１１０Ｖ付近から青色の発光がＥＬ素子裏面から得られ、比誘電率差の大きな部位への電界集中効果により、高効率な発光が得られる。

本発明は、高い発光効率を有する発光素子が得られるので、画像表示装置、照明装置、印字装置などに利用することができる。

本発明の発光素子の一実施態様を示す概略図である。 本発明の発光素子の製造方法の一実施態様を示す工程図である。 本発明の実施例１で作製する複合誘電体層を示す概略図である。 本発明の実施例２で作製する複合誘電体層を示す概略図である。 本発明の実施例３で作製する複合誘電体層を示す概略図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 電極
１２ 複合誘電体層
１３ マトリックス部位
１４ 柱状構造
１５ 発光層
１６ 絶縁層
１７ 電極
１８ ３重点部位
２０ 複合誘電体層前駆体

Claims (4)

1. 一対の電極間に、複合誘電体層と発光層とが積層して配された発光素子であって、
   前記複合誘電体層が複数の柱状構造及びそれらを取り囲むマトリックス部位からなり、前記柱状構造及びマトリックス部位の各々がペロブスカイト化合物またはスピネル化合物のいずれかからなると共に、前記柱状構造と前記マトリックス部位及び前記発光層とが接する部位を有し、前記電極間に電圧を印加することで、前記接する部位と前記発光層との間に電界集中を生ずることを特徴とする発光素子。
2. 前記複合誘電体層が膜厚方向あるいは膜面内方向の少なくとも一方向以上にエピタキシャル構造を有する請求項１に記載の発光素子。
3. 前記発光層の比誘電率が、前記複合誘電体層のペロブスカイト化合物あるいはスピネル化合物の比誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記柱状構造が前記マトリックス部位より前記発光層側に突き出した凸構造を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。

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