DE10042911A1

DE10042911A1 - Lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE10042911A1
Application number: DE10042911A
Authority: DE
Inventors: Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: DE10042911B4; US6590336B1

Abstract

Die lichtemittierende Vorrichtung umfaßt folgendes: ein Substrat; und eine auf dem Substrat gehaltene erste piezoelektrische Schicht mit einer positiven Ebene oder einer negativen Ebene, wobei die erste piezoelektrische Schicht als lichtemittierende Schicht wirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft lichtemittierende Vorrich tungen und insbesondere lichtemittierende Vorrichtungen mit lumineszierenden Schichten aus einem piezoelektrischen Mate rial.

Piezoelektrische Dünnschichten sind weit verbreitet in Vibra toren wie zum Beispiel piezoelektrischen Resonatoren und pie zoelektrischen Stellgliedern, und in Steuervorrichtungen. In den letzten Jahren haben piezoelektrische Dünnschichten auch als optische Geräte Beachtung gefunden. Die Japanische Offen legungsschrift Nr. 7-262801 offenbart zum Beispiel eine lich temittierende Vorrichtung, die eine auf einem Saphirsubstrat ausgebildete ZnO-Schicht aufweist und durch die Wirkung von Exzitonen ultraviolettes Licht emittiert. Außerdem offenbart die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 10-256673 eine lich temittierende Vorrichtung, die ultraviolettes Licht durch La seroszillation emittiert.

Die Eigenschaften von piezoelektrischen Schichten sind jedoch noch nicht genügend bekannt. Insbesondere die Eigenschaften von piezoelektrischen Schichten, die sich für lichtemittie rende Vorrichtungen eignen, und Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Schichten wurden noch nicht ausreichend un tersucht. So haben die bei herkömmlichen lichtemittierenden Vorrichtungen verwendeten piezoelektrischen Schichten keinen hohen Leuchtwirkungsgrad.

Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem hohen Leuchtwirkungs grad und einer hohen Leuchtkraft bereitzustellen. Die lich temittierende Vorrichtung umfaßt dabei folgendes: ein Sub strat; und eine auf dem Substrat gehaltene erste piezoelek trische Schicht mit einer positiven Ebene oder einer negati ven Ebene, wobei die erste piezoelektrische Schicht als lich temittierende Schicht wirkt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Sub strats; und Ausbilden einer ersten piezoelektrischen Schicht mit einer positiven (+) oder negativen (-) oberen Ebene auf dem Substrat, je nach den Eigenschaften des Substrats.

Wenn die erste piezoelektrische Schicht die positive Ebene aufweist, wird das Substrat vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die folgendes umfaßt: ein Saphirsubstrat mit einer c- Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, ein Saphirsub strat mit einer m-Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer a- Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer X-Ebene, ein gedrehtes Saphirsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein doppelt gedrehtes Saphirsubstrat, ein gedrehtes Quarzsub strat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene, ein LiTaO₃-Substrat mit ei ner negativen Z-Ebene aus einer gedrehten, in Y-Richtung ge schnittenen Platte, und ein LiNbO₃-Substrat mit einer negati ven Z-Ebene aus einer gedrehten, in Y-Richtung geschnittenen Platte.

Wenn die erste piezoelektrische Schicht die negative Ebene aufweist, wird das Substrat vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die folgendes umfaßt: ein LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines LiNbO₃-Substrats aus einer gedrehten, in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines LiTaO₃-Substrats aus einer ge drehten, in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein LiTaO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein Glassubstrat, ein Metallsubstrat und ein Substrat mit einer Metallschicht darauf.

Die erste piezoelektrische Schicht umfaßt vorzugsweise ein Material, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

Die lichtemittierende Vorrichtung umfaßt ferner eine zweite piezoelektrische Schicht, wobei die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht jeweils eine unterschiedliche Leitfähigkeit besitzen.

Bei der lichtemittierenden Vorrichtung können sich auf dem Substrat eine Vielzahl von Streifen aus einer Metallschicht befinden, wobei die erste piezoelektrische Schicht die Strei fen aus einer Metallschicht bedeckt und die erste piezoelek trische Schicht die negative Ebene aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine piezoelektrische Schicht mit einer positiven Ebene oder einer negativen Ebene je nach Art des Substrats wahlweise bereitgestellt, und die piezoelektrische Schicht hat eine hohe Kristallinität. Somit hat die resultierende lichtemittierende Vorrichtung eine hohe Helligkeit und einen hohen Leuchtwirkungsgrad.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahme einer ZnO-Dünnschicht mit einem positiv geladenen Bereich und einem negativ geladenen Bereich;

Fig. 3 ist eine nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahme einer ZnO-Dünnschicht mit einer positiven Ebene;

Fig. 4 ist eine nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahme einer ZnO-Dünnschicht mit einer negativen Ebene;

Fig. 5 ist ein Photolumineszenzspektrum einer auf einem Sa phirsubstrat mit einer c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit einer positiven Ebene;

Fig. 6 ist ein Photolumineszenzspektrum einer auf einem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit einer positiven Ebene;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Intensität der Photolumineszenz einer ZnO-Dünnschicht mit einer positiven Ebene auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene und der In tensität der Photolumineszenz einer ZnO-Dünnschicht mit einer negativen Ebene auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene;

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsin tensität von auf Saphirsubstraten mit einer c-Ebene ausgebil deten ZnO-Dünnschichten mit positiven Ebenen;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsin tensität von auf LiNbO₃-Substraten mit einer negativen Z- Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschichten mit positiven Ebenen;

Fig. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden nützliche Tat sachen aufgrund der Beziehungen zwischen den physikalischen Eigenschaften der bei der lichtemittierenden Vorrichtung ver wendeten piezoelektrischen Schicht und der Ausrichtung der selben und zwischen der Art des Substrats und der Ausrichtung der für das Substrat geeigneten piezoelektrischen Schicht. Wenn die Richtung, in der die piezoelektrische Schicht ausge richtet ist, je nach der Art des Substrats entsprechend ge wählt wird, verbessert sich die Kristallinität der piezoelek trischen Schicht, und die lichtemittierende Vorrichtung zeigt zufriedenstellende Eigenschaften. Diese Beziehungen waren bis jetzt nicht klar, und die Beachtung, die diesen Beziehungen geschenkt wird, ist an sich schon einzigartig.

Bei der vorliegenden Erfindung stellen die positive Ebene und die negative Ebene die Richtung dar, in der die piezoelektri sche Schicht ausgerichtet ist, und geben das Vorzeichen der Ladung an, die auf der äußeren Hauptfläche der Dünnschicht vorhanden ist. Das heißt, die positive Ebene gibt eine Ebene an, die infolge der an der piezoelektrischen Schicht verur sachten Spannung positiv geladen ist, während die negative Ebene eine Ebene angibt, die infolge der an der piezoelektri schen Schicht verursachten Spannung negativ geladen ist. Wenn es sich bei der piezoelektrischen Schicht um eine ZnO-, AlN- oder CdS-Schicht handelt, wird angenommen, daß die positive Ebene derselben direkt auf ihrer Oberfläche eine Zn-, Al- oder Cd-Schicht aufweist, und daß die negative Ebene dersel ben direkt auf ihrer Oberfläche eine O-, N- oder Cd-Schicht aufweist.

Insbesondere wenn auf einem piezoelektrischen Substrat mit einer negativen Ebene, wie zum Beispiel auf einem Saphirsub strat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R- Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphir substrat mit einer a-Ebene, einem gedrehten Saphirsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem doppelt gedrehten Saphirsubstrat, einem gedrehten Quarzsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene, einem LiTaO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene und auf einem LiNbO₃-Substrat mit einer negativen Z- Ebene, eine piezoelektrische Schicht ausgebildet ist, wird auf dem Substrat eine ZnO-Schicht ausgebildet, so daß die Au ßenseite der piezoelektrischen Schicht eine positive Ebene ist (die mit dem Substrat in Kontakt stehende Innenseite ist eine negative Ebene). Es ist keine Polarisationsbehandlung des LiTaO₃-Substrats erforderlich. Die negative Z-Ebene gibt unter den Ebenen in Richtung der Z-Achse (Z-Ebenen) eine Ebe ne an, die infolge der Spannung negativ geladen ist. Es sei darauf hingewiesen, daß eine leichte Abweichung von der Ebene in Richtung der Z-Achse möglich ist, solange die Ebene gleichmäßig mit einer negativen Ladung geladen ist.

Wenn auf einem piezoelektrischen Substrat mit einer positiven Ebene, wie zum Beispiel auf einem LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiNbO₃-Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiTaO₃-Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem LiNbO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene und einem LiTaO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene, einem Glassubstrat oder einem Si-Substrat, einem Metallsubstrat oder einem Substrat mit einer Metallschicht darauf eine piezoelektrische Schicht ausgebildet ist, wird alternativ eine ZnO-Schicht auf dem Substrat ausgebildet, so daß die Außenseite der piezoelektri schen Schicht eine negative Ebene ist (die mit dem Substrat in Kontakt stehende Innenseite ist eine positive Ebene).

Vorzugsweise umfaßt die erste piezoelektrische Schicht auf dem Substrat ein Material, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS. Bei Vorrichtungen, die ultraviolettes Licht emittie ren, besteht die piezoelektrische Schicht vorzugsweise aus ZnO.

Die Ladungscharakteristiken der piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat werden bestimmt durch das Verfahren zum Herstel len der piezoelektrischen Schicht, durch die Fertigungsbedin gungen und durch die Oberflächenbehandlung des Substrats. Wenn zum Beispiel die piezoelektrische Schicht in einem ECR- System ausgebildet wird, beispielsweise in einem plasmaver stärkten CVD-System oder einem ECR-Zerstäubungssystem, ent steht durch eine erhöhte Mikrowellenleistung (z. B. mehr als 300 W) oder eine erhöhte Heiztemperatur (z. B. mehr als 500°C) ohne weiteres eine positive Ebene. Insbesondere hat eine auf einem Substrat ausgebildete und mehrere Stunden in einer At mosphäre aus N₂, O₂, H₂O oder Luft auf eine Temperatur von 1000°C oder mehr erwärmte piezoelektrische Schicht eine zu friedenstellende positive Ebene. Außerdem wird durch die Vor spannung des Substrats die Polarität (die Bildung der positi ven Ebene oder der negativen Ebene) gesteuert. In einem Zer stäubungssystem kann die Polarität der piezoelektrischen Schicht ohne weiteres durch Einstellen der Gaszusammensetzung in dem Bedampfungssystem, der Erwärmungstemperatur des Sub strats und der an das Substrat angelegten Vorspannung gesteu ert werden. Insbesondere ist eine Vorspannung in einem Be reich von -500 V bis +500 V wirksam zum Steuern der Polari tät.

Durch Ausbilden einer piezoelektrischen Schicht mit einer po sitiven Ebene oder einer negativen Ebene je nach Art des Sub strats zeigt die resultierende lichtemittierende Vorrichtung eine hohe Leuchtstärke.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung 11 gemäß einer ersten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vor richtung 11 umfaßt ein Substrat 1 und eine darauf ausgebilde te ZnO-Dünnschicht 2. Wenn es sich bei dem Substrat 1 um ein Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, ein Saphirsubstrat mit ei ner R-Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, ein Sa phirsubstrat mit einer a-Ebene, ein gedrehtes Saphirsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein doppelt ge drehtes Saphirsubstrat, ein gedrehtes Quarzsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein Quarzsubstrat mit ei ner Z-Ebene, ein LiTaO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene oder ein LiNbO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene handelt, hat die ZnO-Dünnschicht 2 eine positive Z-Ebene. Wenn es sich dagegen bei dem Substrat 1 um ein LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiNbO₃-Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiTaO₃-Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, ein LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein Glassubstrat, ein Si-Substrat, ein Me tallsubstrat oder ein Substrat mit einer Metallschicht darauf handelt, hat die ZnO-Dünnschicht 2 eine negative Z-Ebene.

Die lichtemittierende Vorrichtung 11 emittiert Licht durch die Wirkung von Exzitonen oder durch die Rekombination von Elektronen mit Löchern. Gemäß Fig. 1 emittiert die lichtemit tierende Vorrichtung 11 bei Bestrahlung der ZnO-Dünnschicht 2 mit einem He-Cd-Laser (wie bei 4 angezeigt) durch Photolumi neszenz Licht einer Wellenlänge von 370 nm, was dem Bandab stand von ZnO entspricht.

Die folgenden Versuchsergebnisse zeigen, daß die obigen Kom binationen piezoelektrische Schichten mit einer hohen Kri stallinität ergeben. In den Versuchen wurden unter Verwendung eines Saphirsubstrats mit einer c-Ebene und eines Quarzsub strats mit einer Z-Ebene unter verschiedenen Bedampfungsbe dingungen und in verschiedenen Oberflächenzuständen der Sub strate piezoelektrische Schichten ausgebildet, und die Aus richtung jeder ZnO-Dünnschicht wurde mit einem nichtlinearen dielektrischen Mikroskop betrachtet.

Insbesondere wurden drei Proben in einem ECR- Zerstäubungssystem unter den folgenden Bedingungen herge stellt.

Bedingung 1

Mikrowellenleistung	100 W
Hochfrequenzleistung	300 W
Substrattemperatur	200°C
Partialdruckverhältnis Ar/O₂	70/30

Bedingung 2

Mikrowellenleistung	500 W
Hochfrequenzleistung	450 W
Substrattemperatur	500°C
Partialdruckverhältnis Ar/O₂	70/30

Bedingung 3

Mikrowellenleistung	300 W
Hochfrequenzleistung	400 W
Substrattemperatur	450°C
Partialdruckverhältnis Ar/O₂	70/30

Fig. 2 bis 4 sind nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahmen der unter diesen Bedingungen hergestellten piezo elektrischen Schichten. In diesen Figuren zeigt ein Indika torbalken unter jeder mikroskopischen Aufnahme die Beziehung zwischen einer bei den mikroskopischen Aufnahmen verwendeten Farbe und einem Meßwert (Änderung in der Dielektrizitätskon stante dritter Ordnung) an, und die Farbe ändert sich von Blau nach Rot in Reaktion auf die Änderung von einem negati ven Meßwert in einen positiven Meßwert. Es sei darauf hinge wiesen, daß Rot die tatsächliche negative Ladung auf der Oberfläche einer Probe angibt, und daß Blau eine positive La dung der Oberfläche einer Probe im Gegensatz zur Polarität des Meßwertes angibt. Fig. 2 entspricht der unter Bedingung 1 hergestellten piezoelektrischen Schicht. Aus Fig. 2 geht her vor, daß die linke Seite der piezoelektrischen Schicht rot gefärbt ist, die Mitte blau und die rechte Seite gelb bis grün. Das bedeutet, daß die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht eine Mischung aus dem positiv geladenen Abschnitt und dem negativ geladenen Abschnitt ist. Diese Ebene ist somit insgesamt weder eine positive Ebene noch eine negative Ebene.

Fig. 3 ist eine nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahme einer unter Bedingung 2 hergestellten Schicht. Aus Fig. 3 geht hervor, daß die mikroskopische Aufnahme blau ge färbt ist, und daß die piezoelektrische Schicht eine positive Ebene hat. Aus Fig. 4 dagegen geht hervor, daß die mikrosko pische Aufnahme über die gesamte Aufnahme rot gefärbt ist, und daß die piezoelektrische Schicht eine negative Ebene hat. Die piezoelektrische Schicht kann also eine positive Ebene, eine negative Ebene oder eine nichtpolare Ebene haben, je nach den Bedingungen beim ECR-Zerstäuben.

Unter anderen Bedingungen als unter den Bedingungen 2 und 3 kann die piezoelektrische Schicht mit der negativen Ebene oh ne weiteres durch Anlegen einer negativen Vorspannung an das Substrat ausgebildet werden, während die piezoelektrische Schicht mit der positiven Ebene ohne weiteres durch Anlegen einer positiven Vorspannung ausgebildet werden kann.

Jede lichtemittierende Vorrichtung wurde mit einem He-Cd- Laser bestrahlt, um die Photolumineszenz zu messen. Fig. 5 zeigt ein Lumineszenzspektrum in einem Bereich von 350 bis 400 nm der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebilde ten ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene. Fig. 6 ist ein Lumineszenzspektrum in einem Bereich von 360 bis 390 nm der auf dem Quarzsubstrat mit der Z-Ebene ausgebildeten ZnO- Dünnschicht mit der positiven Ebene. Das in Fig. 5 gezeigte Spektrum hat ein deutliches Lumineszenzmaximum bei 367,8 nm, was den Exzitonen entspricht. Auch das in Fig. 6 gezeigte Spektrum besitzt ein Maximum bei 368 nm.

Fig. 7 zeigt die Intensität der Photolumineszenz der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene und die Intensität der Photolumines zenz der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit der negativen Ebene. Die Ergebnisse wei sen darauf hin, daß die ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene eine Leuchtstärke besitzt, die ungefähr das Fünffache der Leuchtstärke der ZnO-Dünnschicht mit der negativen Ebene beträgt, und eine schmalere Linienhalbbreite besitzt. Die auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildete ZnO- Dünnschicht mit der positiven Ebene hat also überlegene Ei genschaften.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsin tensität der auf den Saphirsubstraten mit der c-Ebene ausge bildeten ZnO-Dünnschichten mit positiven Ebenen unter ver schiedenen Bedingungen. In Fig. 8 gibt die Abszisse das Par tialdruckverhältnis von Ar zu O₂ in einer gasförmigen Umge bung zur Ausbildung der ZnO-Dünnschichten an, während die Or dinate die Röntgenbeugungsintensität (relativer Wert) der ZnO-Dünnschichten angibt. Diese Werte werden bei Substrattem peraturen in einem Bereich von 200°C bis 600°C gemessen. Ge mäß Fig. 8 hat die ZnO-Dünnschicht die positive Ebene bei ei ner Intensität über 4 × 10⁴ (willkürliche Einheiten), oder sie hat sowohl einen Bereich mit einer positiven Ebene als auch einen Bereich mit einer negativen Ebene bei einer Intensität von weniger als 4 × 10³. Die ZnO-Dünnschicht kann die positive Ebene oder die negative Ebene bei einer Intensität zwischen 4 × 10⁴ und 4 × 10³ haben, was auf eine unkontrollierte Abschei dung der Schicht hindeutet. Eine ähnliche Tendenz ist festzu stellen, wenn die ZnO-Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene ausgebildet wird.

Fig. 9 zeigt die Ergebnisse, wenn ZnO-Dünnschichten auf den LiNbO₃-Substraten mit einer negativen Z-Ebene ausgebildet werden. In diesem Fall hat die ZnO-Dünnschicht die positive Ebene bei einer Intensität über 1,4 × 10⁵ (willkürliche Einhei ten), oder sie hat sowohl einen Bereich mit einer positiven Ebene als auch einen Bereich mit einer negativen Ebene bei einer Intensität von weniger als 9 × 10³. Die ZnO-Dünnschicht kann die positive Ebene oder die negative Ebene bei einer In tensität zwischen 1,4 × 10⁵ und 9 × 10³ haben, was auf eine un kontrollierte Abscheidung der Schicht hindeutet. Eine ähnli che Tendenz ist festzustellen, wenn die ZnO-Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene ausgebildet wird.

Gemäß Fig. 8 und 9 steuert das Partialdruckverhältnis von Ar zu O₂ die Ausrichtung der ZnO-Dünnschicht, und die ZnO- Dünnschicht hat eine zufriedenstellende positive Ebene bei einem Partialdruckverhältnis von 75/25 bis 65/35. Wenn die ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene auf dem Saphirsub strat mit einer c-Ebene ausgebildet ist, wird die Ausrichtung der ZnO-Dünnschicht durch Erwärmen des Substrats auf 500°C oder mehr verbessert. Wenn die ZnO-Dünnschicht mit der posi tiven Ebene auf dem LiNbO₃-Substrat mit der negativen Ebene ausgebildet ist, wird die Ausrichtung der ZnO-Dünnschicht durch Erwärmen des Substrats auf 300°C oder mehr verbessert.

Neben der ZnO-Dünnschicht kann eine AlN-Dünnschicht mit einer positiven Ebene oder eine CdS-Dünnschicht auf einem Saphir substrat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R- Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphir substrat mit einer a-Ebene, einem gedrehten Saphirsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem doppelt gedrehten Saphirsubstrat, einem gedrehten Quarzsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene, einem LiTaO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene, oder auf einem LiNbO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene ausgebildet werden, um eine lichtemittierende Vor richtung mit zufriedenstellenden Lumineszenzeigenschaften auszubilden.

Fig. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung 21 gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vorrichtung 21 umfaßt ein Saphirsubstrat 22 mit einer c- Ebene, eine Vielzahl von Al-Schichtstreifen 23, die mit einem vorbestimmten Abstand auf dem Saphirsubstrat 22 mit einer c- Ebene ausgebildet sind, und eine ZnO-Dünnschicht 24, die so auf dem Saphirsubstrat 22 mit einer c-Ebene ausgebildet ist, daß sie die Al-Schichtstreifen 23 bedeckt. Das heißt, die ZnO-Dünnschicht 24 besteht aus Bereichen 24b, die auf den Al- Schichtstreifen 23 liegen, und aus Bereichen 24a, die direkt auf dem Saphirsubstrat 22 mit einer c-Ebene liegen, und die Bereiche 24a und die Bereiche 24b sind abwechselnd in der Richtung 25 angeordnet. Jeder Bereich 24b hat eine negative Ebene, während jeder Bereich 24a eine positive Ebene hat. Das heißt, die ZnO-Dünnschicht auf dem Saphirsubstrat 22 mit ei ner c-Ebene hat eine gleichmäßige positive Ebene, und die ZnO-Dünnschicht auf den Al-Schichtstreifen 23 hat eine nega tive Ebene. Es können auch andere zur Herstellung der ZnO- Dünnschicht mit der positiven Ebene geeignete Substrate an stelle des Saphirsubstrats 22 mit einer c-Ebene verwendet werden. Beispiele für solche Substrate sind das gedrehte Quarzsubstrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte und das Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene.

Da das Saphirsubstrat mit einer c-Ebene und die Al- Schichtstreifen unterschiedliche Ausrichtungsmerkmale in be zug auf die ZnO-Dünnschicht haben, wird die abwechselnde An ordnung negativer Bereiche und positiver Bereiche unter opti mierten Bedampfungsbedingungen erzielt. Zum Beispiel wird ei ne positive Vorspannung und eine negative Vorspannung an die Al-Schicht bzw. an die Saphirschicht angelegt.

Die lichtemittierende Vorrichtung 21 wirkt als Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Oberschwingung. Wenn rotes Licht auf eine Seite der ZnO-Dünnschicht 24 entlang der Richtung 25 einfällt, wird von der anderen Seite der ZnO-Dünnschicht 24 blaues Licht emittiert, wie in Fig. 10 gezeigt. Die vorlie gende Erfindung kann also eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Oberschwingung mit zufriedenstellenden Eigenschaften bereitstellen.

Fig. 11 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lich temittierenden Vorrichtung 31 gemäß einer dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vorrichtung 31 umfaßt ein Saphirsubstrat 32 mit einer c- Ebene, eine auf dem Saphirsubstrat 32 mit einer c-Ebene aus gebildete ZnO-Schicht 33 vom n-Typ, eine aktive ZnO-Schicht 38 und eine ZnO-Schicht 39 vom p-Typ. Die Oberseite der ZnO- Schicht 33 vom n-Typ ist eine positive Ebene. Die Oberseiten der aktiven ZnO-Schicht 38 und der ZnO-Schicht 39 vom p-Typ sind ebenfalls positive Ebenen. Die aktive ZnO-Schicht 38 und die ZnO-Schicht 39 vom p-Typ bilden einen lichtemittierenden Abschnitt 34. Die ZnO-Schicht 33 vom n-Typ ist mit einem Ele ment der Gruppe III wie zum Beispiel Aluminium als Dotiermit tel dotiert und besitzt einen niedrigen Widerstand. Die ZnO- Schicht 39 vom p-Typ ist mit einem Element der Gruppe V wie zum Beispiel P oder As dotiert. Elektroden 35 und 36 sind auf der ZnO-Schicht 33 vom n-Typ bzw. auf der ZnO-Schicht 39 vom p-Typ ausgebildet. Ein Strom fließt über die Elektroden 35 und 36, und Exzitonen induzieren eine Lumineszenz in dem lichtemittierenden Abschnitt 34.

Da die aktive ZnO-Schicht 38 mit der positiven Ebene und die ZnO-Schicht 39 vom p-Typ mit der positiven Ebene auf der ZnO- Schicht 33 vom n-Typ mit der positiven Ebene ausgebildet sind, hat der lichtemittierende Abschnitt 34 eine hohe Kri stallinität, und die lichtemittierende Vorrichtung 31 zeigt eine hohe Helligkeit und einen hohen Leuchtwirkungsgrad.

Die ZnO-Schicht 33 vom n-Typ ist bei dieser Ausführungsform auf dem Saphirsubstrat 32 mit einer c-Ebene ausgebildet. Al ternativ kann die Lage der ZnO-Schicht 33 vom n-Typ und der ZnO-Schicht 39 vom p-Typ ausgetauscht werden, um die Leitfä higkeit umzukehren. Das heißt, eine ZnO-Schicht vom p-Typ kann auf dem Saphirsubstrat 32 mit einer c-Ebene ausgebildet werden, und eine ZnO-Schicht vom n-Typ kann auf der aktiven ZnO-Schicht 38 ausgebildet werden.

Fig. 12 ist eine schematische Ansicht einer lichtemittieren den Vorrichtung 41 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vorrichtung 41 ist eine am Rand emittierende Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Laserdiode oder eine am Rand emittierende Diode. Die lichtemittierende Vorrichtung 41 umfaßt ein Saphirsubstrat 42, eine auf dem Saphirsubstrat 42 ausgebildete ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Widerstand und einen lichtemittierenden Ab schnitt 44. Das Saphirsubstrat 42 hat eine C-, R-, m- oder a- Ebene oder ist ein gedrehtes oder doppelt gedrehtes Saphir substrat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, und die ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Widerstand hat als Oberseite eine positive Ebene. Der lichtemittierende Abschnitt 44 um faßt eine ZnO-Schicht 45 vom p-Typ, eine aktive ZnO-Schicht 46 und eine ZnO-Schicht 47 vom n-Typ. Jede dieser Schichten 45 bis 47 hat infolge der Ausrichtung der ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Widerstand eine positive Ebene als Oberseite.

Eine SiO₂-Schicht 48 mit einem Schlitz darauf ist auf dem lichtemittierenden Abschnitt 44 vorgesehen, und eine obere Elektrode 49 ist auf der SiO₂-Schicht 48 vorgesehen, um den Schlitz abzudecken. Der lichtemittierende Abschnitt 44 wird teilweise geätzt, um die ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Wider stand teilweise freizulegen, und eine untere Elektrode 50 ist auf der freiliegenden ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Widerstand vorgesehen.

Wenn ein Strom in der lichtemittierenden Vorrichtung 41 über die obere Elektrode 49 und die untere Elektrode 50 fließt, wird blaues bis violettes Licht durch Exzitonenlumineszenz von einer Seitenfläche emittiert. Da jede der Schichten 46 bis 47 des lichtemittierenden Abschnitts 44 die positive Ebe ne hat, hat der lichtemittierende Abschnitt 44 eine hohe Kri stallinität, und die lichtemittierende Vorrichtung 41 hat ei ne hohe Helligkeit und einen hohen Leuchtwirkungsgrad.

Claims

1. Lichtemittierende Vorrichtung, die ein Substrat umfaßt mit einer ersten lichtemittierenden piezoelektrischen Schicht darauf, wobei die erste piezoelektrische Schicht eine polare Ebene aufweist.

2. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat ausgewählt ist aus der aus einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer a-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer X-Ebene, einem gedrehten Saphirsubstrat aus einer in Y-Richtung ge schnittenen Platte, einem doppelt gedrehten Saphirsubstrat, einem gedrehten Quarzsubstrat aus einer in Y-Richtung ge schnittenen Platte, einem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene, einem LiTaO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene aus einer gedrehten in Y-Richtung geschnittenen Platte, und einem LiN bO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene aus einer gedrehten in Y-Richtung geschnittenen Platte bestehenden Gruppe, und bei der die erste piezoelektrische Schicht eine positive Ebe ne aufweist.

3. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material be steht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

4. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus ZnO besteht.

5. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, die fer ner eine zweite piezoelektrische Schicht umfaßt, wobei die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektri sche Schicht mit Verunreinigungen unterschiedlicher Leitfä higkeit dotiert sind, um einen p-n-Übergang zu bilden.

6. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, die fer ner eine Vielzahl von Streifen aus einer Metallschicht auf dem Substrat umfaßt, wobei die erste piezoelektrische Schicht so vorgesehen ist, daß sie die Vielzahl von Streifen aus ei ner Metallschicht bedeckt, und Abschnitte der ersten piezo elektrischen Schicht auf der Vielzahl von Streifen aus einer Metallschicht eine negative Ebene aufweisen.

7. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat ausgewählt ist aus der aus einem LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiNbO₃-Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem LiTaO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene eines gedrehten LiTaO₃- Substrats aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, einem LiNbO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene, einem Glassubstrat, ei nem Si-Substrat, einem Metallsubstrat und einem Substrat mit einer Metallschicht darauf bestehenden Gruppe, und bei der die erste piezoelektrische Schicht eine negative Ebene auf weist.

8. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material be steht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

9. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus ZnO besteht.

10. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7, die fer ner eine zweite piezoelektrische Schicht umfaßt, wobei die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektri sche Schicht mit Verunreinigungen unterschiedlicher Leitfä higkeit dotiert sind, um einen p-n-Übergang zu bilden.

11. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material be steht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

12. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste piezoelektrische Schicht aus ZnO besteht.

13. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die fer ner eine zweite piezoelektrische Schicht umfaßt, wobei die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektri sche Schicht mit Verunreinigungen unterschiedlicher Leitfä higkeit dotiert sind, um einen p-n-Übergang zu bilden.

14. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Substrats; und
Ausbilden einer ersten lichtemittierenden piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat unter solchen Bedingungen, daß die dem Substrat entgegengesetzte Oberfläche der Schicht eine po lare Ebene aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 14, bei dem das Substrat aus gewählt ist aus der aus einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer a-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer X-Ebene, einem gedrehten Saphirsub strat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem doppelt gedrehten Saphirsubstrat, einem gedrehten Quarzsub strat aus einer in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene, einem LiTaO₃-Substrat mit einer negativen Z-Ebene aus einer gedrehten in Y-Richtung ge schnittenen Platte, und einem LiNbO₃-Substrat mit einer nega tiven Z-Ebene aus einer gedrehten in Y-Richtung geschnittenen Platte bestehenden Gruppe, und bei dem die erste piezoelek trische Schicht unter solchen Bedingungen ausgebildet wird, daß die Oberfläche positiv ist.

16. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 15, bei dem die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

17. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 14, bei dem das Substrat ausgewählt ist aus der aus einem LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z- Ebene eines LiNbO₃-Substrats aus einer gedrehten in Y- Richtung geschnittenen Platte, einem LiTaO₃-Substrat mit ei ner positiven Z-Ebene eines LiTaO₃-Substrats aus einer ge drehten in Y-Richtung geschnittenen Platte, einem LiTaO₃- Substrat mit einer positiven Z-Ebene, einem LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, einem Glassubstrat, einem Si- Substrat, einem Metallsubstrat und einem Substrat mit einer Metallschicht darauf bestehenden Gruppe, und bei dem die er ste piezoelektrische Schicht unter solchen Bedingungen ausge bildet wird, daß die Oberfläche negativ ist.

18. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 17, bei dem die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

19. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 14, bei dem die erste piezoelektrische Schicht aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus ZnO, AlN und CdS.

20. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung nach Anspruch 14, bei dem ferner eine zweite piezo elektrische Schicht auf der ersten piezoelektrischen Schicht unter solchen Bedingungen ausgebildet wird, daß die zweite piezoelektrische Schicht eine von der Polarität der ersten piezoelektrischen Schicht verschiedene Polarität aufweist.