DE10042911B4

DE10042911B4 - Lichtemittierende Vorrichtung mit einer lichtemittierenden Schicht mit einer polaren Ebene

Info

Publication number: DE10042911B4
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: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: DE10042911A1; US6590336B1

Abstract

Lichtemittierende Vorrichtung, die folgendes umfasst:
– ein Substrat (22);
– eine Vielzahl von Metallfilmstreifen (23) auf dem Substrat;
– eine lichtemittierende polare piezoelektrische Schicht (24), die das Substrat und die Metallstreifen bedeckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft lichtemittierende Vorrichtungen und insbesondere lichtemittierende Vorrichtungen mit lumineszierenden Schichten aus einem piezoelektrischen Material.

Piezoelektrische Dünnschichten sind weit verbreitet in Vibratoren wie zum Beispiel piezoelektrischen Resonatoren und piezoelektrischen Stellgliedern, und in Steuervorrichtungen. In den letzten Jahren haben piezoelektrische Dünnschichten auch als optische Geräte Beachtung gefunden. Die Japanische Offenlegungsschrift JP 7-262801 A offenbart zum Beispiel eine lichtemittierende Vorrichtung, die eine auf einem Saphirsubstrat ausgebildete ZnO-Schicht aufweist und durch die Wirkung von Exzitonen ultraviolettes Licht emittiert. Außerdem offenbart die Japanische Offenlegungsschrift JP 10-256673 A eine lichtemittierende Vorrichtung, die ultraviolettes Licht durch Laseroszillation emittiert.

Die Eigenschaften von piezoelektrischen Schichten sind jedoch noch nicht genügend bekannt. Insbesondere die Eigenschaften von piezoelektrischen Schichten, die sich für lichtemittierende Vorrichtungen eignen, und Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Schichten wurden noch nicht ausreichend untersucht. 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 Leuchtwirkungsgrad und einer hohen Leuchtkraft bereitzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Je nach Art des Substrats besitzt die piezoelektrische Schicht eine positiv geladene äußere Oberfläche oder einer negativ geladene äußere Oberfläche und hat eine hohe Kristallinität. Somit hat die resultierende lichtemittierende Vorrichtung eine hohe Helligkeit und einen hohen Leuchtwirkungsgrad.

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung;

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

3 ist ein Photolumineszenzspektrum einer auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Oberfläche ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit einer positiv geladenen äußeren Oberfläche;

4 ist ein Photolumineszenzspektrum einer auf einem Quarzsubstrat mit einer Z-Oberfläche ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit einer positiv geladenen äußeren Oberfläche;

5 ist eine graphische Darstellung der Intensität der Photolumineszenz einer ZnO-Dünnschicht mit einer positiv geladenen äußeren Oberfläche auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Oberfläche und der Intensität der Photolumineszenz einer ZnO-Dünnschicht mit einer negativ geladenen äußeren Oberfläche auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Oberfläche;

6 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsintensität von auf Saphirsubstraten mit einer c-Oberfläche ausgebildeten ZnO-Dünnschichten mit positiv geladenen äußeren Oberflächen;

7 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsintensität von auf LiNbO₃-Substraten mit einer negativ geladenen Z-Oberfläche ausgebildeten ZnO-Dünnschichten mit positiv geladenen äußeren Oberflächen;

8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung; und

10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden nützliche Tatsachen aufgrund der Beziehungen zwischen den physikalischen Eigenschaften der bei der lichtemittierenden Vorrichtung verwendeten piezoelektrischen Schicht und der Ausrichtung derselben und zwischen der Art des Substrats und der Ausrichtung der für das Substrat geeigneten piezoelektrischen Schicht. Wenn die Richtung, in der die piezoelektrische Schicht ausgerichtet ist, je nach der Art des Substrats entsprechend gewählt wird, verbessert sich die Kristallinität der piezoelektrischen Schicht, und die lichtemittierende Vorrichtung zeigt zufriedenstellende Eigenschaften. Diese Beziehungen waren bis jetzt nicht klar, und deren Beachtung ist an sich schon einzigartig.

Bei der vorliegenden Erfindung stellen die positive Ebene und die negative Ebene die Richtung dar, in der die piezoelektrische 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 verursachten Spannung positiv geladen ist, während die negative Ebene eine Ebene angibt, die infolge der an der piezoelektrischen 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 derselben 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 Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphirsubstrat 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 Außenseite 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 Ebene 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, 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 piezoelektrischen 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 emittieren, besteht die piezoelektrische Schicht vorzugsweise aus ZnO.

Die Ladungscharakteristiken der piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat werden bestimmt durch das Verfahren zum Herstellen der piezoelektrischen Schicht, durch die Fertigungsbedingungen und durch die Oberflächenbehandlung des Substrats.

Wenn zum Beispiel die piezoelektrische Schicht in einem ECR-System ausgebildet wird, beispielsweise in einem plasmaverstärkten CVD-System oder einem ECR-Zerstäubungssystem, entsteht 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 Atmosphäre aus N₂, O₂, H₂O oder Luft auf eine Temperatur von 1000°C oder mehr erwärmte piezoelektrische Schicht eine zufriedenstellende positive Ebene. Außerdem wird durch die Vorspannung des Substrats die Polarität (die Bildung der positiven Ebene oder der negativen Ebene) gesteuert. In einem Zerstäubungssystem kann die Polarität der piezoelektrischen Schicht ohne weiteres durch Einstellen der Gaszusammensetzung in dem Bedampfungssystem, der Erwärmungstemperatur des Substrats und der an das Substrat angelegten Vorspannung gesteuert werden. Insbesondere ist eine Vorspannung in einem Bereich von –500 V bis +500 V wirksam zum Steuern der Polarität.

Durch Ausbilden einer piezoelektrischen Schicht mit einer positiven Ebene oder einer negativen Ebene je nach Art des Substrats zeigt die resultierende lichtemittierende Vorrichtung eine hohe Leuchtstärke.

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung 11. Die lichtemittierende Vorrichtung 11 umfaßt ein Substrat 1 und eine darauf ausgebildete ZnO-Dünnschicht 2. Wenn es sich bei dem Substrat 1 um ein Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, ein Saphirsubstrat mit einer a-Ebene, ein in Y-Richtung geschnittenes Saphirsubstrat, ein in Y-Richtung geschnittenes Quarzsubstrat, ein Quarzsubstrat mit einer 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 LiTaO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein LiNbO₃-Substrat mit einer positiven Z-Ebene, ein Glassubstrat, ein Si-Substrat, ein Metallsubstrat 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 1 emittiert die lichtemittierende Vorrichtung 11 bei Bestrahlung der ZnO-Dünnschicht 2 mit einem He-Cd-Laser (wie bei 4 angezeigt) durch Photolumineszenz Licht einer Wellenlänge von 370 nm, was dem Bandabstand von ZnO entspricht.
Die folgenden Versuchsergebnisse zeigen, daß die obigen Kombinationen piezoelektrische Schichten mit einer hohen Kristallinität ergeben. In den Versuchen wurden unter Verwendung eines Saphirsubstrats mit einer c-Ebene und eines Quarzsubstrats mit einer Z-Ebene unter verschiedenen Bedampfungsbedingungen und in verschiedenen Oberflächenzuständen der Substrate piezoelektrische Schichten ausgebildet, und die Ausrichtung jeder ZnO-Dünnschicht wurde mit einem nichtlinearen dielektrischen Mikroskop betrachtet.
Insbesondere wurden drei Proben in einem ECR-Zerstäubungssystem unter den folgenden Bedingungen hergestellt. Bedingung 1

Mikrowellenleistung 100W

Hochfrequenzleistung 300W

Substrattemperatur 200°C

Partialdruckverhältnis Ar/O₂ 70/30

Bedingung 2

Mikrowellenleistung 500W

Hochfrequenzleistung 450W

Substrattemperatur 500°C

Partialdruckverhältnis Ar/O₂ 70/30

Bedingung 3

Mikrowellenleistung 300W

Hochfrequenzleistung 400W

Substrattemperatur 450°C

Partialdruckverhältnis Ar/O₂ 70/30
2 ist eine nichtlineare dielektrische mikroskopische Aufnahme einer unter Bedingung 1 hergestellten piezoelektrischen Schicht. In der Figur zeigt ein Indikatorbalken unter der mikroskopischen Aufnahme die Beziehung zwischen einer bei der mikroskopischen Aufnahme verwendeten Farbe und einem Meßwert (Änderung in der Dielektrizitätskonstante dritter Ordnung) an. Die in Graustufen wiedergegebene Farbe ändert sich in Reaktion auf die Änderung von einem negativen Meßwert in einen positiven Meßwert. Aus 2 geht hervor, daß die piezoelektrische Schicht in unterschiedlichen Graustufen wiedergegebene Färbungen besitzt. 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.
Die piezoelektrische Schicht kann 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 ohne 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. 3 zeigt ein Lumineszenzspektrum in einem Bereich von 350 bis 400 nm der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene. 4 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 3 gezeigte Spektrum hat ein deutliches Lumineszenzmaximum bei 367,8 nm, was den Exzitonen entspricht. Auch das in 4 gezeigte Spektrum besitzt ein Maximum bei 368 nm.
5 zeigt die Intensität der Photolumineszenz der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene und die Intensität der Photolumineszenz der auf dem Saphirsubstrat mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschicht mit der negativen Ebene. Die Ergebnisse weisen 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 Eigenschaften.
6 ist eine graphische Darstellung der Röntgenbeugungsintensität der auf den Saphirsubstraten mit der c-Ebene ausgebildeten ZnO-Dünnschichten mit positiven Ebenen unter verschiedenen Bedingungen. In 6 gibt die Abszisse das Partialdruckverhältnis von Ar zu O₂ in einer gasförmigen Umgebung zur Ausbildung der ZnO-Dünnschichten an, während die Ordinate die Röntgenbeugungsintensität (relativer Wert) der ZnO-Dünnschichten angibt. Diese Werte werden bei Substrattemperaturen in einem Bereich von 200°C bis 600°C gemessen. Gemäß 6 hat die ZnO-Dünnschicht die positive Ebene bei einer 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 Abscheidung der Schicht hindeutet. Eine ähnliche Tendenz ist festzustellen, wenn die ZnO-Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene ausgebildet wird.
7 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 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 9 × 10³. Die ZnO-Dünnschicht kann die positive Ebene oder die negative Ebene bei einer Intensität zwischen 1,4 × 10⁵ und 9 × 10³ haben, was auf eine unkontrollierte Abscheidung der Schicht hindeutet. Eine ähnliche Tendenz ist festzustellen, wenn die ZnO-Dünnschicht auf dem Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene ausgebildet wird.
Gemäß 6 und 7 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 Saphirsubstrat 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 positiven 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 Saphirsubstrat mit einer c-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer R-Ebene, einem Saphirsubstrat mit einer m-Ebene, einem Saphirsubstrat 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 Vorrichtung mit zufriedenstellenden Lumineszenzeigenschaften auszubilden.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung 21 gemäß einer Ausführungsform 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 einer c-Ebene hat eine gleichmäßige positive Ebene, und die ZnO-Dünnschicht auf den Al-Schichtstreifen 23 hat eine negative Ebene. Es können auch andere zur Herstellung der ZnO-Dünnschicht mit der positiven Ebene geeignete Substrate anstelle des Saphirsubstrats 22 mit einer c-Ebene verwendet werden. Ein Beispiel für solche Substrate ist das Quarzsubstrat mit einer Z-Ebene.
Da das Saphirsubstrat mit einer c-Ebene und die Al-Schichtstreifen unterschiedliche Ausrichtungsmerkmale in bezug auf die ZnO-Dünnschicht haben, wird die abwechselnde Anordnung negativer Bereiche und positiver Bereiche unter optimierten Bedampfungsbedingungen erzielt. Zum Beispiel wird eine 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 8 gezeigt. Die vorliegende Erfindung kann also eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Oberschwingung mit zufriedenstellenden Eigenschaften bereitstellen.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung 31 zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die lichtemittierende Vorrichtung 31 umfaßt ein Saphirsubstrat 32 mit einer c-Ebene, eine auf dem Saphirsubstrat 32 mit einer c-Ebene ausgebildete 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 Element der Gruppe III wie zum Beispiel Aluminium als Dotiermittel 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 Kristallinität, 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. Alternativ kann die Lage der ZnO-Schicht 33 vom n-Typ und der ZnO-Schicht 39 vom p-Typ ausgetauscht werden, um die Leitfähigkeit 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.
10 ist eine schematische Ansicht einer lichtemittierenden Vorrichtung 41 zum besseren Verständnis 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 Abschnitt 44. Das Saphirsubstrat 42 hat eine C-, R-, m- oder a-Ebene und die ZnO-Schicht 43 mit niedrigem Widerstand hat als Oberseite eine positive Ebene. Der lichtemittierende Abschnitt 44 umfaßt 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 Widerstand 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 Ebene hat, hat der lichtemittierende Abschnitt 44 eine hohe Kristallinität, und die lichtemittierende Vorrichtung 41 hat eine hohe Helligkeit und einen hohen Leuchtwirkungsgrad.

Claims

Lichtemittierende Vorrichtung, die folgendes umfasst: – ein Substrat (22); – eine Vielzahl von Metallfilmstreifen (23) auf dem Substrat; – eine lichtemittierende polare piezoelektrische Schicht (24), die das Substrat und die Metallstreifen bedeckt.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (22) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Saphirsubstrat mit einer c-Oberfläche, einem Saphirsubstrat mit einer R-Oberfläche, einem Saphirsubstrat mit einer m-Oberfläche, einem Saphirsubstrat mit einer a-Oberfläche, einem Quarzsubstrat mit einer Z-Oberfläche, einem LiTaO₃-Substrat mit einer negativ geladenen Z-Oberfläche und einem LiNbO₃-Substrat mit einer negativ geladenen Z-Oberfläche besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Orientierung der piezoelektrischen Schicht (24) in den Bereichen oberhalb der Metallstreifen (23) gegenüber der Orientierung der piezoelektrischen Schicht (24) in den Bereichen, in denen keine Metallstreifen (23) vorhanden sind, entgegengesetzt ist, derart, dass die äußere Oberfläche der lichtemittierenden Vorrichtung in den Bereichen, in denen sich die piezoelektrische Schicht (24) oberhalb der Metallstreifen (23) befindet, negativ geladen ist.