JP2005285401A

JP2005285401A - 発光素子

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Publication number: JP2005285401A
Application number: JP2004094327A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hishida; 有二菱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子において、低電圧で駆動することができ、電力効率が高い発光素子を得る。
【解決手段】陽極２と陰極１８の間に複数の発光ユニット５及び１１をタンデムに配置した発光素子であって、陰極１８側に配置されるｐ型半導体層７と、陽極２側に配置されるｎ型半導体層６とからなる無機半導体ｐｎ接合を有する電荷反転層８が、発光ユニット５及び１１の間に設けられていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、陽極と陰極の間に複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子に関するものである。

近年、情報機器の多様化に伴い、一般に使用されているＣＲＴ（陰極線管）に比べて消費電力が少ない平面表示装置に対するニーズが高まってきている。このような平面表示装置の１つとして、高効率、薄型、軽量、低視野角依存性等の特徴を有するエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子が注目され、このＥＬ素子を用いたディスプレイ等の開発が活発に行われている。このようなＥＬ素子には、無機材料からなる発光層を有する無機ＥＬ素子と、有機材料からなる発光層を有する有機ＥＬ素子とがある。

これらの発光素子においては、複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子が求められる場合がある。例えば、青色発光ユニットと、オレンジ色発光ユニットとをタンデムに配置し、白色発光素子とし、白色光源に用いる場合がある。また、発光ユニットをタンデムに配置することにより、発光強度を高め、照明用光源として用いる場合がある。

特許文献１においては、対向する陽極と陰極の間に、複数の発光ユニットを配置した有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）において、発光ユニット間に電気的絶縁層からなる電荷発生層を配置することが提案されている。しかしながら、このような構造の発光素子においては、各発光ユニット間に設けられる電気的絶縁層からなる電荷発生層において電圧降下が生じるため、高い駆動電圧が必要となり、エネルギー資源の有効利用等の観点から好ましくないものであった。
特開２００３−２７２８６０号公報

本発明の目的は、複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子において、低電圧で駆動することができ、電力効率が高い新規な構造の発光素子を提供することにある。

本発明は、陽極と陰極の間に複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子であり、陰極側に配置されるｐ型半導体層と、陽極側に配置されるｎ型半導体層とからなる無機半導体ｐｎ接合を有する電荷反転層が、発光ユニット間に設けられていることを特徴としている。

本発明においては、発光ユニット間に電荷反転層が設けられており、陽極−陰極間に順方向電圧を印加すると、この電荷反転層に逆バイアスが印加されることになり、ツェナー崩壊（Ｚｅｎｅｒｂｒｅａｋｄｏｗｎ）が生じ、電子がｐ型半導体層からｎ型半導体層を通り発光ユニットに注入され、陽極から注入された正孔と再結合し発光する。また、ｐ型半導体層に残った正孔は、電界に引かれてもう一方の発光ユニットに注入され、陰極からの電子と再結合し発光する。従って、本発明に従い、発光ユニット間に電荷反転層を設けることにより、陽極−陰極間に順方向電圧を印加して各発光ユニットを発光させることができる。

図１は、本発明の発光素子における発光原理を説明するための模式図である。順方向電圧となるように陽極２側に正電位を、陰極１８側に負電位を印加すると、２つの発光ユニット５及び１１に挟まれた電荷反転層８には、逆バイアスが印加されることになる。ｐｎ接合を形成する半導体が十分に高キャリア濃度であれば、ツェナー崩壊が生じ、ｐ型半導体層７の価電子帯にあった電子がｐｎ接合を形成している空乏層をトンネリングし、ｎ型半導体層６の伝導帯に流れ出る。空乏層をトンネリングし、ｎ型半導体層６の伝導帯に流れ出た電子は、発光ユニット５の発光層４に注入され、陽極２から正孔輸送層３に注入された正孔と再結合し、発光する。

一方、価電子がｎ型半導体層６にトンネリングした後のｐ型半導体層７の価電子帯には、正孔が残される。この正孔は電界に引かれ発光ユニット１１の正孔輸送層９に注入され、陰極１８から発光層１０に注入された電子と再結合し、発光する。

以上の説明においては、発光ユニットを有機ＥＬ素子の発光ユニットとして説明したが、発光ユニットが無機半導体発光ダイオード素子の発光ユニットである場合には、有機ＥＬの正孔輸送層が無機半導体発光ダイオードのｐ型クラッド層に対応し、発光層がｎ型クラッド層及び発光層に対応する。

上記電荷反転層中のｐｎ接合に印加される電界Ｅｍａｘは、次式（１）で表される。

Ｅｍａｘ＝（２ｅＮ_AＮ_D／ε_Sε₀（Ｎ_A＋Ｎ_D））^1/2×（Ｖ_D＋Ｖ_b）^1/2 …（１）
但し、Ｎ_A：ｐ型層のアクセプタ濃度、Ｎ_D：ｎ型層のドナー濃度、ｅ：電子の電荷、ε_S：半導体層の比誘電率、ε₀：真空の誘電率、Ｖ_D：ｐｎ接合の拡散電位、Ｖ_b：ｐｎ接合に印加されている電位である。

Ｅｍａｘ＞１０⁸Ｖ／ｍでは、ｐｎ接合において高密度のツェナー崩壊電力が流れる。

ｐｎ半導体層の材料として、ＧａＮを例にとると、ε_Sは約８程度であり、Ｖ_Dは約３Ｖであるから、
Ｎ_A，Ｎ_D＞１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3 …（２）
であれば、Ｖ_b≧０Ｖにおいて、ツェナー崩壊電流が流れる。これは、アクセプタ及びドナー濃度がある値（ＧａＮの場合１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3）以上であれば、ｐｎ接合からなる電荷反転層における電圧降下がほとんど起こらず、駆動電圧が上昇しないことを示している。

その他の半導体材料について、ＺｎＳの場合はε_Sが約８程度であり、Ｖ_Dが約３Ｖであるから、ＧａＮと同じく、Ｎ_A，Ｎ_D＞１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3であれば、Ｖ_b≧０Ｖにおいて、ツェナー崩壊電流が流れる。

・ＺｎＳｅの場合はε_Sがおよそ９程度であり、Ｖ_Dがおよそ２．６Ｖであるので、Ｎ_A，Ｎ_D＞１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3
・６Ｈ，４Ｈ−ＳｉＣ及びＡｌＰの場合はε_Sがおよそ１０程度であり、Ｖ_Dがおよそ３Ｖであるので、Ｎ_A，Ｎ_D＞１．９×１０¹⁸ｃｍ^-3
・ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ及びＣｄＳの場合はε_Sがおよそ１０程度であり、Ｖ_Dがおよそ２．２Ｖであるので、Ｎ_A，Ｎ_D＞２．６×１０¹⁸ｃｍ^-3
・ＧａＰの場合はε_Sがおよそ１１程度であり、Ｖ_Dがおよそ２．２Ｖであるので、Ｎ_A，Ｎ_D＞２．８×１０¹⁸ｃｍ^-3
であればＶ_b≧０Ｖにおいてツェナー崩壊電流が流れ、ｐｎ接合の電荷反転層による電圧上昇がほとんど起こらない。

本発明における電荷反転層の比抵抗は、１．０×１０²Ω・ｃｍ未満であることが好ましく、さらに好ましくは、０．１Ω・ｃｍ以下である。

本発明における電荷反転層の比抵抗は、上述のように低いものであるので、電荷反転層のうちの少なくとも１つを、他の電荷反転層、陽極、または陰極と、直接または抵抗を介して電気的に接続することができる。このような電気的接続により、各発光ユニットの発光強度を制御することができる。

本発明における発光ユニットは、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光ユニットであってももよいし、無機半導体発光ダイオード素子の発光ユニットであってもよい。また、１つの素子に、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光ユニットと無機半導体発光ダイオード素子の発光ユニットが共に含まれていてもよい。

本発明によれば、複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子において、低電圧で駆動することができ、電力効率を高めることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図２は、本発明に従う発光素子の一実施例を示す断面図である。図２に示すように、ガラス基板１の上には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる陽極２が形成されている。陽極２と陰極１８の間には、第１の発光ユニット５、第２の発光ユニット１１、第３の発光ユニット１７が配置されている。第１の発光ユニット５は、正孔輸送層３及び発光層４から構成されており、第２の発光ユニット１１は、正孔輸送層９及び発光層１０から構成されており、第３の発光ユニット１７は、正孔輸送層１５及び発光層１６から構成されている。正孔輸送層３、９及び１５は、ＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタセン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン）から形成されている。発光層４、１０及び１６は、Ａｌｑ（トリス−（８−キノリナト）アルミニウム（III））から形成されている。Ａｌｑは、電子輸送性を有する有機材料であり、従って、発光層３，９及び１５は、電子輸送層でもある。

第１の発光ユニット５と第２の発光ユニット１１の間には、第１の電荷反転層８が設けられている。また、第２の発光ユニット１１と第３の発光ユニット１７の間には、第２の電荷反転層１４が設けられている。第１の電荷反転層８は、陽極２側に配置されるｎ型半導体層６と、陰極１８側に配置されるｐ型半導体層７から構成されている。第２の電荷反転層１４は、陽極２側に配置されるｎ型半導体層１２と、陰極１８側に配置されるｐ型半導体層１３から構成されている。

ｎ型半導体層６及び１２は、ｎ型硫化亜鉛から形成されている。ｐ型半導体層７及び１３は、ｐ型テルル化亜鉛から形成されている。陰極１８はＡｌから形成されている。本実施例において、第１の電荷反転層８及び第２の電荷反転層１４の比抵抗は、０．１Ω・ｃｍである。

図２に示す発光素子は、基板１の上に、順次薄膜を堆積して積層することにより形成することができる。ＩＴＯからなる陽極２は、例えばスパッタリング法により基板１の上に形成することができる。正孔輸送層３から陰極１８までの各層は、例えば、真空蒸着法により形成することができる。ＮＰＢ及びＡｌｑの原料としては、例えば純度９９％の粉末状のものを用いることができる。硫化亜鉛及びテルル化亜鉛の原料としては、純度９９．９９９％の単結晶インゴットを用いて形成することができる。硫化亜鉛には１ｐｐｍのＡｌが添加されている。Ａｌは純度９９．９９％のワイヤー形状のものを原料として用いることができる。テルル化亜鉛には、１ｐｐｍの窒素が添加されている。

陽極２の厚みは１０００Åであり、正孔輸送層及び発光層の厚みはそれぞれ５００Åである。また、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層及び陰極の厚みはそれぞれ２０００Åである。

本発明においては、各層を形成する材料及び厚みは、上記実施例のものに限定されるものではない。例えば、発光ユニットに用いる発光材料は、ポリマー発光材料や、燐光材料などを用いてもよい。また、発光ユニットの構造も、上記のような正孔輸送層／発光層・電子輸送層の２層構造に限定されるものではなく、例えば、正孔輸送層／発光層／電子輸送層の３層構造であってもよく、電子注入層、正孔注入層、電子ブロッキング層、及び正孔ブロッキング層などの層がさらに設けられた構造であってもよい。

電荷反転層についても、上記のものに限定されるものではない。例えば、ＧａＮ（ｐ型はＭｇドープ、ｎ型はＳｉドープ等），ＺｎＯ（ｐ型はＮドープ、ｎ型はＣｌドープ，Ａｌドープ等），ＳｉＣ（ｐ型はＡｌドープ，Ｂドープ，Ｇａドープ等、ｎ型はＰドープ，Ａｓドープ等），ＺｎＳｅ（ｐ型はＮドープ、ｎ型はＣｌドープ等），ＣｕＩｎＯ₂，ＣｕＧａＯ₂，ＣｕＡｌＯ₂（ｐ型はＣａドープ、ｎ型はＳｎドープ等），ＡｌＮ，ＡｌＰ（ｐ型はＭｇドープ，Ｚｎドープ，Ｃドープ、ｎ型はＳｉドープ，Ｓドープ，Ｓｅドープ等）等の半導体材料及びＡｌＧａＮ，ＭｇＺｎＳＳｅ等のこれら半導体材料から構成される混晶からなるホモｐｎ接合、ヘテロｐｎ接合でもよい。

また、発光素子の構造も上記のものに限定されるものではない。本発明において、発光ユニット及び電荷反転層の積層数には制限なく、例えば、発光ユニット１０個と、電荷反転層９個が積層された素子や、発光ユニット１００個と電荷反転層９９個が積層された素子も可能である。

図３は、図２に示した発光素子のエネルギー状態を模式的に示す図である。図３（ａ）は電極に電圧が印加されていない状態を示しており、図３（ｂ）は電極に順方向の電圧が印加され発光している状態を示している。

図３（ｂ）で示される順方向の電圧印加状態では、以下の過程で各発光ユニットにおいて定常的な発光が生じる。第１の発光ユニット５においては、陽極２から正孔１９が注入されるとともに、ｎ型半導体層６から電子２０が注入され、発光を生じる。このとき、陽極２から正孔が定常的に供給されると同時に、第１の電荷反転層８においてｐ型半導体層７の価電子帯にあった電子がツェナー崩壊によりｎ型半導体層６の伝導電子２５を経由して供給され続ける。このため、順方向の電圧印加状態では、第１の発光ユニット５は定常的に発光することができる。

同様に、第３の発光ユニット１７においては、陰極１８から電子２４が注入されるとともに、ｐ型半導体層１３から正孔２３が注入され、発光を生じる。このとき、陰極１８から電子が定常的に供給されると同時に、第２の電荷反転層１４においてｐ型半導体層１３に残された正孔２８が供給され続けるので、順方向の電圧印加状態で第３の発光ユニット１７は定常的に発光することができる。なお、ｐ型半導体層１３に残された正孔２８は、ｐ型半導体層１３の価電子帯にあった電子がツェナー崩壊によりｎ型半導体層１２に注入されたことにより残されたものである。

第２の発光ユニット１１においては、この発光ユニットに接するｎ型半導体層１２から電子２２が注入されるとともに、ｐ型半導体層７から正孔２１が注入され、発光を生じる。このとき、第２の電荷反転層１４においてｐ型半導体層１３の価電子帯にあった電子がツェナー崩壊によりｎ型半導体層１２の伝導電子２６を経由して第２の発光ユニット１１に供給され続けるとともに、第１の電荷反転層８においてｎ型半導体層７に残された正孔２７も第２の発光ユニット１１に供給され続けるので、順方向の電圧印加状態で第２の発光ユニット１１は定常的に発光する。

本実施例においては、発光ユニットを３組積層しているが、さらに多くの発光ユニットが積層された発光素子においても、順方向の電圧印加状態において、上記と同じ過程で各発光ユニットに定常的な発光が生じる。

特許文献１に開示されている発光素子は、複数の有機ＥＬ発光ユニットを電気的絶縁層からなる電荷発生層を介して直列に接続している。この発光素子に電流を流し、動作させるには、各発光ユニットをつなぐ電気的絶縁層からなる電荷発生層で電圧降下が発生するため、各有機ＥＬ発光ユニットで発光に必要な電圧以外に、電荷発生層で発生する電圧降下を補わなければならない。このため、高い動作電圧が必要となる。これに対し、本発明において、各発光ユニットを接続する電荷反転層は、低抵抗の無機半導体から構成されており、ｐｎ接合において、ゼロバイアスからツェナー崩壊により電流が流れる。このため、電荷反転層においては、実質的にほとんど電圧降下が生じない。本発明によれば、低い電圧で駆動することができるので、省エネルギーに貢献することができ、エネルギー資源の有効利用と地球温暖化をもたらすＣＯ₂排出削減に寄与することができる。また、素子駆動時の発熱を抑えることができるので、素子の長寿命化を図ることができる。

また、本発明においては、発光ユニットの特性及び素子全体の電気的特性に影響を及ぼすことなく、電荷反転層の厚さを自由に選択することができる。電荷反転層の厚みを適切に選択することにより、薄膜積層構造で発生し易い光の干渉を避けることができる。また、特定波長域に対する共振器を形成することも可能である。

図４は、本発明の発光素子を液晶プロジェクターに応用した一実施例を示す斜視図である。発光素子２９は、青色光を発光する発光素子であり、青色発光に対し共振器構造を有している。発光素子３０は、緑色光を発光する発光素子であり、緑色発光に対し共振器構造を有している。発光素子３１は、赤色光を発光する発光素子であり、赤色発光に対し共振器構造を有している。青色画像、緑色画像、及び赤色画像を合成するためのプリズム３５と、発光素子２９の間には青色画像を形成するための液晶ライトバルブ３２が設けられている。発光素子３０とプリズム３５の間には、緑色画像を形成するための液晶ライトバルブ３３が設けられている。発光素子３１とプリズム３５との間には赤色画像を形成するための液晶ライトバルブ３４が設けられている。プリズム３５で合成された画像は、スクリーンに映像を投影するためレンズユニット３６を通り出射される。

発光素子２９〜３１は、それぞれの発光色に対して共振器として機能するので、それぞれのユニットから出射される発光は指向性を有しており、並行光線に近い形で液晶ライトバルブに垂直に入射することができる。特許文献１に開示されたような平面状光源は、発光に指向性がなく発散しているので、垂直な入射光が望ましい液晶ライトバルブに近接して設置すると、多くの光が斜めに入射することになり好ましくない。本発明の発光素子を用いることにより、発光素子と液晶ライトバルブを近接させることができ、液晶プロジェクターの小型化を図ることができる。

本発明の発光素子は、上述のように、発光面を平面的に形成すれば、指向性を有する高輝度の面状発光を行うことができるものであるが、本発明の発光素子は、平面的な発光面に限定されるものではなく、曲面的な発光面を形成してもよい。例えば、円筒状基板や円錐状基板の上に本発明の発光素子を形成してもよい。

図５は、円筒状基板の上に本発明の発光素子を形成した誘導灯を示している。図６は、円錐状基板の上に本発明の発光素子を形成した発光三角コーンを示している。また、本発明の発光素子を小球の表面上に形成すると、図７に示すように、面光源でありながら、単位面積当たりの光度が高い疑似点光源とすることができる。また、本発明の発光素子は、自動車のストップランプ等の、遠方の幅広い方位から視認性が求められる様々な表示装置の用途に用いることができる。

また、図８に示すように、凹面状基板１５０の内面１５０ａの上に、本発明の発光素子を形成してもよい。また、図９に示すような凹面状の基板１５１の内面１５１ａの上に本発明の発光素子を形成してもよい。このように凹面状の基板の上に本発明の発光素子を形成することにより、広い範囲を照らすことができると同時に、発光原理自体には指向性がほとんどないにもかからず、凹面を形成する曲線の中心付近または曲面の焦点付近に、より強い光を照射することができる。このような形状に作製した発光素子は、発光スペクトルがブロードで演色性の良い白色光が得られる有機ＥＬの特色も活かすことにより、手術・医療用無影灯などに適している。

以上のように、本発明の発光素子は、照明などを含めた様々な用途に用いることができるものである。

本発明の発光素子における電荷反転層は、低抵抗であるため、電荷反転層の端面が電極と短絡しないようにする必要がある。

発光ユニットが有機ＥＬ素子の発光ユニットである場合、図１０に示す素子構造とすることにより、電荷反転層の端面と電極との短絡発生を防止することができる。

図１０は、本発明に従う発光素子の他の例を示す断面図である。図１０に示す実施例においては、基板３７の上に２つの発光素子が形成されている。それぞれの発光素子は、陽極３８，３９の上に正孔輸送層４０，４１及び発光層４２，４３からなる３つの発光ユニットが形成されており、これら３つの発光ユニットの間に、ｎ型半導体層４４，４５及びｐ型半導体層４６，４７からなる電荷反転層が設けられている。電荷反転層の側面は、その上に形成される正孔輸送層４０，４１により覆われている。このため、電荷反転層の側面が電極と接して短絡することがない。各発光素子の外側には、陰極４８が設けられている。

図１１は、本発明に従う発光素子のさらに他の実施例を示す断面図である。図１１に示す実施例においては、基板４９の上に陽極５０が形成され、陽極５０の上に、正孔輸送層５１及び発光層５２からなる発光ユニットが３つ形成されており、各発光ユニットの間にｎ型半導体層５３及びｐ型半導体層５４からなる電荷反転層が設けられている。発光ユニット及び電荷反転層の各層は、陽極５０から上に積層するに従い、順次その面積が大きくなるように形成されている。発光素子の最も外側には、陰極５５が形成されている。

本実施例では、各層の面積が徐々に大きくなるように形成されているので、電荷反転層の側面は、その上に形成される正孔輸送層及び発光層により覆われており、陰極５５と接しないようにされている。

図１２は、本発明に従う発光素子のさらに他の実施例を示す断面図である。図１２に示す実施例では、基板５６の上に陽極５７が設けられており、陽極５７の上に、正孔輸送層５８及び発光層５９からなる発光ユニットが３つ設けられており、各発光ユニットの間に、ｎ型半導体層６０及びｐ型半導体層６１からなる電荷反転層がそれぞれ設けられている。各発光ユニット及び電荷反転層の側面の部分には、ＳｉＯ₂などからなる無機絶縁層６３が形成されている。最上層の発光層５９の上方及び無機絶縁層６３上方及び側面には、陰極６２が形成されている。

本実施例においては、電荷反転層の側面が無機絶縁層６３により覆われており、無機絶縁層６３により電荷反転層の側面と陰極６２の短絡が防止されている。

図１３は、本発明に従う発光素子のさらに他の実施例を示す断面図である。図１３に示す実施例においては、基板６４の上に陽極６５が形成されている。陽極６５の上に、正孔輸送層６６及び発光層６７からなる発光ユニットが３つ設けられている。各発光ユニットの間には、ｎ型半導体層６８及びｐ型半導体層６９からなる電荷反転層がそれぞれ設けられている。各発光ユニット及び電荷反転層の側面は、無機絶縁層７１及び７２により覆われている。最上層である発光層６７の上には陰極７０が設けられている。

図１３に示す実施例において、下方の電荷反転層の側面は、その上方の発光ユニットにより覆われており、これによって陰極７０との短絡が防止されている。また、上方の電荷反転層の側面は、無機絶縁層７１及び７２により覆われており、これによって陰極７０との短絡が防止されている。

図１４は、本発明に従う発光素子のさらに他の実施例を示す断面図である。本実施例の発光素子においては、各発光ユニットを選択的に機能させることができる。図１４に示すように、基板７３の上には陽極７４が設けられている。陽極７４の上には、正孔輸送層７５及び発光層７６が設けられており、これらによって第１の発光ユニットが構成されている。第１の発光ユニットの上には、ｎ型半導体層７７及びｐ型半導体層７８が形成されており、これらによって第１の電荷反転層が構成されている。ｎ型半導体層７７及びｐ型半導体層７８は、図面左側に延びた状態で形成されている。

第１の電荷反転層の上には、正孔輸送層７９及び発光層８０が形成されており、これらによって第２の発光ユニットが構成されている。正孔輸送層７９及び発光層８０は、第１の電荷反転層の右側側面を覆うように形成されている。第２の発光ユニットの上には、ｎ型半導体層８１及びｐ型半導体層８２が形成されており、これらによって第２の電荷反転層が構成されている。ｎ型半導体層８１及びｐ型半導体層８２は、図面右側に延びるように形成されている。

第２の電荷反転層の上には、正孔輸送層８３及び発光層８４が形成されており、これらによって第３の発光ユニットが構成されている。正孔輸送層８３及び発光層８４は、第２の発光ユニット及び第２の電荷反転層の左側側面を覆うように形成されている。第３の発光ユニットの上には、陰極８７が形成されている。

以上のようにして形成された素子構造の左側側面には無機絶縁層８５が形成されており、無機絶縁層８５の一部にはコンタクトホールが形成され、この部分に第１の電極８６が形成されている。この第１の電極８６は、第１の電荷反転層と電気的に接続されている。上記素子構造の右側側面には無機絶縁層８９が形成されており、その一部にコンタクトホールが形成され、この部分に第２の電極８８が形成されている。第２の電極８８は、第２の電荷反転層と電気的に接続されている。

無機絶縁層８５及び８９に形成される上記コンタクトホールは、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより形成することができ、電極８６及び８８は、真空蒸着とフォトリソグラフィーにより形成することができる。

図１４に示す実施例において、電極８６及び８８に何も接続せずにオープンの状態で陽極７４から陰極８７に通電した場合は、図２に示す実施例と同様に実質的に直列に接続された第１〜第３の発光ユニットに同じ電流が流れ、それぞれの発光ユニットが発光する。陽極７４から陰極８７に通電した状態で、電極８６と電極８８の間を導線で接続して短絡させると、第２の発光ユニットには電流が流れずに導線に電流が流れる。この結果、第１及び第３の発光ユニットのみが発光し、第２の発光ユニットは発光しない。また、電極８６と電極８８の間を結ぶ導線に抵抗を挿入すると、電流は抵抗を介した導線と第２の発光ユニットの両方に分配されて流れる。この結果、導線に挿入した抵抗の抵抗値により、第２の発光ユニットの発光強度を制御することができる。同様に、陽極７４と電極８６の間に導線もしくは抵抗を接続し、電流の一部を陽極７４及び電極８６間にバイパスさせることにより、第１の発光ユニットの発光強度を可変制御することができる。また、陰極８７と電極８８の間に導線もしくは抵抗を接続し、これら間に電流の一部をバイパスすることにより、第３の発光ユニットの発光強度を可変制御することができる。

各発光ユニットの発光スペクトルが異なる場合には、各電極間をバイパスさせる電流量を制御することにより、発光素子から発せられる発光色を自在に変化させることができる。

３個以上の複数の発光部の発光強度を独立に変化させる場合、一般的な素子であれば、発光部の数マイナス１個の入力電圧源もしくは入力電流源を必要とする。しかしながら、本発明に従う発光素子においては、発光部を３個以上に増やし、これらを独立に変化させる場合においても、単一の電源のみで、上記のように全ての発光部の発光強度を独立に制御することができる。

特許文献１の発光素子構造においては、各発光ユニット間の電荷発生層が電気的絶縁層であるので、本実施例のように、電荷発生層と接続する電極を形成することができない。このため、本実施例のように各発光ユニットを選択的に機能させることができない。

図１５及び図１６は、本発明に従う発光素子のさらに他の実施例を示す断面図であり、これらの実施例においては、ＧａＮ系無機化合物半導体発光素子を発光ユニットに用いている。

図１５に示す実施例においては、ＧａＮまたはＳｉＣからなる基板１１４の上に、第１の発光ユニット９４、第２の発光ユニット１０３、及び第３の発光ユニット１１２が設けられており、第１の発光ユニット９４と第２の発光ユニット１０３の間には第１の電荷反転層９８が設けられており、第２の発光ユニット１０３と第３の発光ユニット１１２の間には、第２の電荷反転層１０７が設けられている。第１〜第３の発光ユニット９４，１０３，１１２は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮクラッド層９１，１００，１０９と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮクラッド層９３，１０２，１１１の間に、アンドープ−Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8発光層９２，１０１，１１０を設けることにより構成されている。第１及び第２の電荷反転層９８，１０７は、高濃度（１×１０¹⁹ｃｍ^-3）Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層９６，１０５と、高濃度（３×１０¹⁸ｃｍ^-3）Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層９７，１０６をｐｎ接合させることにより構成されている。

基板１１４の下面には、Ｔｉ／Ａｌからなる陰極１１７が設けられている。また、第１発光ユニット９４の上には、Ｐｄからなる陽極９０が設けられている。基板１１４は、ｎ型ＧａＮ基板またはｎ型６Ｈ−ＳｉＣ基板である。

図１５に示す実施例の発光素子は、以下の方法で作製することができる。まず、ＭＢＥ法を用いて、基板の表面をＡｒスパッタにより清浄化した後、ＲＦ放電により活性化した窒素と、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｍｇ蒸気を基板表面に供給して結晶成長させる。結晶成長条件は、成長時の基板温度８００℃、窒素圧力５×１０^-2Ｐａとし、活性化は１３．５６ＭＨｚ、５００ＷのＲＦ入力によりプラズマを発生させて行った。Ｇａ及びＩｎのセル温度は５００〜７００℃、Ｓｉのセル温度は９００〜９５０℃、Ｍｇのセル温度は２００〜２５０℃とした。各層の形成は、各セルのシャッターの開閉により行い、各層を連続的に成長させた。結晶成長後、フォトリソグラフィーと塩素ガスによるドライエッチングにより各素子に分離した後、真空蒸着法によりＰｄ陽極とＴｉ／Ａｌ陰極を形成した。なお、素子の形成方法は、上記方法に限定されるものではなく、ＭＯＣＶＤ法など他の結晶成長法でも同様にして素子を形成することができる。

図１６は、発光ユニットにＧａＮ系無機化合物半導体発光素子を用いた他の実施例を示す断面図である。図１６に示す実施例においては、ＧａＮテンプレート１１５を形成したサファイア基板１１６が用いられている。ＧａＮテンプレート１１５の上に、第１の発光ユニット９５、第２の発光ユニット１０４、及び第３の発光ユニット１１３が設けられており、第１の発光ユニット９５と第２の発光ユニット１０４の間に、第１の電荷反転層９９が設けられ、第２の発光ユニット１０４と第３の発光ユニット１１３の間に、第２の電荷反転層１０８が設けられている。第１〜第３の発光ユニット９５、１０４及び１１３は、図１５に示す実施例と同様にして構成されている。また、第１及び第２の電荷反転層９９及び１０８も、図１５に示す実施例と同様にして構成されている。

図１６に示す実施例においては、第３の発光ユニット１１３のＧａＮクラッド層１１１の側方に突き出た部分の上に、Ｔｉ／Ａｌからなる陰極１１８が設けられている。Ｐｄからなる陽極９０は、第１の発光ユニット９５の上に設けられている。図１６に示す発光素子は、ＧａＮテンプレート１１５が形成されたサファイア基板１１６を基板として用いて、図１５に示す実施例と同様の製造方法で作製することができる。

図１７は、図１５に示す実施例及び図１６に示す実施例の発光素子のエネルギーバンド構造を模式的に示す図である。図１７（ａ）は、素子に電圧が印加されていない状態を示しており、図１７（ｂ）は素子に順電圧が印加された状態を示している。

図１７において、１１９は陽極のエネルギーバンドを、１２０、１２５及び１３０はｐ型ＧａＮクラッド層のバンドギャップを、１２１、１２６及び１３１はアンドープ−Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ発光層のバンドギャップを、１１２、１２７及び１３７はｎ型ＧａＮクラッド層のバンドギャップを、１２３及び１２８はｎ型ＧａＮ電荷反転層のバンドギャップを、１２４及び１２９はｐ型ＧａＮ電荷反転層のバンドギャップを、１３３は陰極のエネルギーバンドをそれぞれ示している。

図１７（ｂ）に示す順電圧の印加状態においては、ｎ型ＧａＮクラッド層１２２、１２７及び１３２にある伝導電子１３４、１３５及び１３６が、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ発光層１２１、１２６及び１３１に注入されると同時に、ｐ型ＧａＮクラッド層１２０、１２５及び１３０にある正孔１３７、１３８及び１３９もＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ発光層１２１、１２６及び１３１に注入され、発光層１２１、１２６及び１３１において発光を生じる。同時に、陰極１３３からｎ型ＧａＮクラッド層１３２に伝導電子１４０が注入されるとともに、ｐ型ＧａＮ電荷反転層１２４及び１２９の価電子がツェナー崩壊により、ｎ型ＧａＮ電荷反転層１２３及び１２８に注入され、伝導電子１４１及び１４２となり、さらにｎ型ＧａＮクラッド層１２２及び１２７に注入される。同様に、陽極１１９からｐ型ＧａＮクラッド層１２０に正孔が注入され、ｐ型ＧａＮ電荷反転層１２４及び１２９の価電子がツェナー崩壊した際に残された正孔１４３及び１４４がｐ型ＧａＮクラッド層１２５及び１３０に注入される。このような過程が連続的に起こることにより、陽極から陰極に電流が定常的に流れるとともに、各発光層から定常的な発光が得られる。

本実施例の発光素子は、従来のＧａＮ系ＬＥＤと比較して、複数の発光層を直列接続している分、動作電圧が高くなるものの、同一のチップ面積で発光層の積層数に応じて発光強度を強くすることができる。このため、本実施例の発光素子は、照明用途などの大光量が求められる用途に最適である。

なお、本発明において各層を形成する材料及び厚みは上記実施例のものに限定されるものではない。例えば、発光ユニットに用いる材料系は、ＡｌＩｎＧａＰ系材料やＡｌＧａＡｓ系材料などを用いてもよい。

積層構造も、多層反射による共振器構造であったり、上下面がファブリペロー型共振器を形成していてもよい。

本発明の発光素子の発光原理を説明すための模式図。本発明に従う発光素子の一実施例を示す断面図。図１に示す発光素子のエネルギー状態を模式的に示す図。本発明の発光素子を用いた液晶プロジェクターを示す斜視図。本発明の発光素子を用いた誘導灯を示す斜視図。本発明の発光素子を用いた発光三角コーンを示す斜視図。本発明の発光素子を用いた疑似点光源を示す斜視図。本発明の発光素子を用いた照明灯を示す斜視図。本発明の発光素子を用いた照明灯を示す斜視図。本発明に従う発光素子の他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。本発明に従う発光素子のさらに他の例を示す断面図。図１５に示す実施例及び図１６に示す実施例の発光素子のバンド構造を示す図。

符号の説明

１…基板
２…陽極
３…正孔輸送層
４…発光層
５…第１の発光ユニット
６…ｎ型半導体層
７…ｐ型半導体層
８…第１の電荷反転層
９…正孔輸送層
１０…発光層
１１…第２の発光ユニット
１２…ｎ型半導体層
１３…ｐ型半導体層
１４…第２の電荷反転層
１５…正孔輸送層
１６…発光層
１７…第３の発光ユニット
１８…陰極

Claims

陽極と陰極の間に複数の発光ユニットをタンデムに配置した発光素子であって、
陰極側に配置されるｐ型半導体層と、陽極側に配置されるｎ型半導体層からなる無機半導体ｐｎ接合を有する電荷反転層が、前記発光ユニット間に設けられていることを特徴とする発光素子。
前記電荷反転層の比抵抗が１．０×１０²Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記発光ユニットが、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光ユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
前記発光ユニットが、無機半導体発光ダイオード素子の発光ユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
前記電荷反転層のうちの少なくとも１つが、他の電荷反転層、陽極、または陰極と直接または抵抗を介して電気的に接続されることにより、各発光ユニットの発光強度が制御されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。