JP2000022205A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

Semiconductor light emitting element

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JP2000022205A
JP2000022205A JP20443298A JP20443298A JP2000022205A JP 2000022205 A JP2000022205 A JP 2000022205A JP 20443298 A JP20443298 A JP 20443298A JP 20443298 A JP20443298 A JP 20443298A JP 2000022205 A JP2000022205 A JP 2000022205A
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JP
Japan
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thin film
substrate
layer
film
buffer layer
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JP20443298A
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Japanese (ja)
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Yoshihiko Yano
義彦 矢野
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TDK Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance an efficiency of an element, lower an operating voltage, and increase design flexibility, by a method wherein at least an inorganic substance layer and an organic substance layer of a hole transportation are laminated on a substrate, and the inorganic substance layer is formed as an oxide film having an wurtzite-containing crystal structure. SOLUTION: A luminous element is constituted by laminating a Si substrate 1, a hole injection electrode 2, an inorganic substance layer 4, an organic substance layer 5, and an electron injection electrode 3, and a drive power source E is connected to each electrode. A buffer layer is provided on a substrate, and an wurtzite compound thin film is formed thereon. A thin film such as an R-Zr-based oxide, etc., is formed on the buffer layer, and on the buffer layer containing at least a species of thin films, the thin film having high crystallinity and superior surface flatness can be formed on a Si substrate. For this reason, a thin film having an wurtzite crystal structure such as a ZnO-based thin film, an AlGaInN-based thin film, or the like is formed as an epitaxial film on the Si substrate via the buffer layer, thereby attaining monocrystal of high quality.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、無機/有機接合構
造に関し、特に有機薄膜発光素子および発光ダイオード
(LED)、レーザーダイオード(LD)等の半導体発
光素子に関する。
The present invention relates to an inorganic / organic junction structure, and more particularly to an organic thin film light emitting device and a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD).

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の青色発光デバイスの進展は、著し
い。とくに、第一に、半導体pn接合による電子と正孔
の注入再結合発光を基本原理とするLEDおよびLD。
第二に、発光層となる有機薄膜を電子輸送性および正孔
輸送性有機物質などとともに積層させ、半導体pn接合
に類似の電子と正孔の注入発光再結合を基本原理とする
有機EL。以上のふたつの研究開発が活性化している。
2. Description of the Related Art Recent developments in blue light-emitting devices have been remarkable. In particular, first, LEDs and LDs based on the fundamental principle of injection and recombination light emission of electrons and holes by a semiconductor pn junction.
Secondly, an organic EL is formed by laminating an organic thin film serving as a light-emitting layer together with an electron-transporting and hole-transporting organic substance, and similar to a semiconductor pn junction, based on the principle of injection and emission recombination of electrons and holes. The above two R & D activities have been activated.

【0003】上記LED、LDについては、古くから研
究されていたが、近年になって、GaN系、ZnSe系
の研究が進み、例えば日経エレクトロニクスno.674、p.
79(1996)に示されるように、これら窒化物半導体層の積
層構造を含み、青色、緑色等の短い波長の光を発光する
LEDがすでに開発されている。現在では試験的ながら
LDも報告されている。LED、LDの開発において、
長期にわたる時間を要した理由は、GaN、ZnSeな
どワイドギャップ半導体材料では、n型の半導体は得ら
れるものの、p型の半導体化が不可能であったためであ
る。最近になって、その結晶成長技術の進歩によりp型
化が報告され、LEDが可能になり、さらにはLDと急
速な進展をみせた。
The above-mentioned LEDs and LDs have been studied for a long time, but in recent years, GaN-based and ZnSe-based studies have been advanced, and for example, Nikkei Electronics No.674, p.
As shown in 79 (1996), an LED that includes a stacked structure of these nitride semiconductor layers and emits light of a short wavelength such as blue or green has already been developed. At present, LD is reported on a trial basis. In the development of LED and LD,
The reason why a long period of time was required is that a wide-gap semiconductor material such as GaN or ZnSe can obtain an n-type semiconductor but cannot convert it into a p-type semiconductor. Recently, p-type has been reported due to the progress of the crystal growth technology, and LED has been made possible, and furthermore, rapid progress has been made with LD.

【0004】しかしながら、青色デバイスの量産におい
ては、結晶成長条件や装置、使用する単結晶基板など赤
色LEDなどにくらべるとコストが大きな問題となって
いる。現状、青色デバイスのコストが1/2になれば市
場が5倍になるといわれ、従来技術に対する低価格化と
歩留まり改善が急務である。
[0004] However, in mass production of blue devices, cost is a big problem compared to crystal growth conditions and equipment, and red LEDs such as a single crystal substrate to be used. At present, it is said that if the cost of a blue device is reduced by half, the market will be increased fivefold, and it is urgently necessary to reduce the price and improve the yield compared to the conventional technology.

【0005】従来のLED、LDにおいては、高価な単
結晶基板を用いている。たとえば、GaN系ではサファ
イア、ZnSe系ではGaAsなどである。
Conventional LEDs and LDs use expensive single crystal substrates. For example, sapphire is used for GaN, and GaAs is used for ZnSe.

【0006】しかしながら、近年、半導体結晶基板であ
るSi基板上に、酸化物、窒化物などの機能膜を形成し
て集積化した電子デバイスが考案されている。Si基板
上に発光素子が形成されれば、コストばかりでなく、集
積化、素子応用上メリットは大きい。
However, in recent years, an electronic device in which a functional film such as an oxide or a nitride is formed and integrated on a Si substrate which is a semiconductor crystal substrate has been devised. If a light emitting element is formed on a Si substrate, there are great advantages not only in cost but also in integration and element application.

【0007】応用的に価値のあるいくつかの半導体材料
の結晶構造は、ZnO、AlNに代表されるようにウル
ツァイト型をとっている。ウルツァイト型化合物のエピ
タキシャル成長は、基板材料の結晶方位に大きく依存す
るので、立方晶であるSi単結晶基板上に直接エピタキ
シャル成長させることは難しい。
[0007] The crystal structures of some semiconductor materials that are of practical value are of the wurtzite type, as typified by ZnO and AlN. Since the epitaxial growth of a wurtzite type compound largely depends on the crystal orientation of the substrate material, it is difficult to directly epitaxially grow on a cubic Si single crystal substrate.

【0008】また、ZnO薄膜をSi基板上に直接エピ
タキシャル成長させようとすると、Si基板表面にSi
2層が形成されてしまう。Si基板表面にSiO2層が
存在すると、ZnO結晶が成長する際にSi結晶の配列
情報が伝達されなくなる。このため、成長したZnO薄
膜は、c軸配向の多結晶膜となってしまう。したがっ
て、これまでSi基板上にZnO薄膜をエピタキシャル
成長させたという報告はない。
When a ZnO thin film is to be directly epitaxially grown on a Si substrate, Si
An O 2 layer is formed. When the SiO 2 layer exists on the surface of the Si substrate, the arrangement information of the Si crystal is not transmitted when the ZnO crystal grows. Therefore, the grown ZnO thin film becomes a c-axis oriented polycrystalline film. Therefore, there is no report that a ZnO thin film is epitaxially grown on a Si substrate.

【0009】AlN薄膜をSi基板上に直接エピタキシ
ャル成長させようとする試みについては、いくつかの報
告がある。例えばJpn.J.Apl.Phys.vol.20.L173(1981)に
は、MOCVD(有機金属を用いた化学的気相成長)法
を用い、Si基板の温度を1260℃としてAlNをエ
ピタキシャル成長させたことが報告されている。また、
GaN系の発光素子用のバッファ層としてAlNを用い
た研究例が、いくつか報告されている。例えば電子通信
学会技術研究報告CPM92 1-13、P45(1992)には、MOVP
E(有機金属気相成長)法により1100℃以上でエピ
タキシャル成長できることが報告されている。
There have been several reports on attempts to epitaxially grow AlN thin films directly on Si substrates. For example, in Jpn.J.Apl.Phys.vol.20.L173 (1981), AlN was epitaxially grown by MOCVD (chemical vapor deposition using an organic metal) at a temperature of a Si substrate of 1260 ° C. It has been reported. Also,
Several research examples using AlN as a buffer layer for a GaN-based light emitting device have been reported. For example, in the IEICE Technical Report CPM92 1-13, P45 (1992), MOVP
It has been reported that epitaxial growth can be performed at 1100 ° C. or higher by an E (metal organic chemical vapor deposition) method.

【0010】これらのいずれの場合においても、AlN
薄膜の成長温度は1100℃以上と高い。AlN薄膜を
1000℃以上で形成すると、AlNの構成要素である
AlがSi基板と反応してアルミニウムシリサイドを形
成しやすい。したがって、形成温度が1000℃以上と
なる場合には、アルミニウムシリサイドの生成を抑える
ために細心の注意を払う必要があるので、量産性および
再現性が低くなってしまうという問題がある。
In each of these cases, AlN
The growth temperature of the thin film is as high as 1100 ° C. or higher. When an AlN thin film is formed at a temperature of 1000 ° C. or higher, Al, which is a component of AlN, easily reacts with the Si substrate to form aluminum silicide. Therefore, when the forming temperature is 1000 ° C. or higher, it is necessary to pay close attention in order to suppress the production of aluminum silicide, which causes a problem that mass productivity and reproducibility are reduced.

【0011】また、窒化ガリウム(GaN)、窒化アル
ミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)または
窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)あるいはそ
れらの混晶等のIII−V族窒化物半導体からなる薄膜
は、電界効果型トランジスタ、LED(発光ダイオー
ド)、レーザーダイオード等の窒化物半導体装置に利用
されており、特に最近では、これら窒化物半導体層の積
層構造を含み、青色、緑色等の短い波長の光を発光する
LEDが注目されている。
A thin film made of a group III-V nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), aluminum gallium nitride (AlGaN), or a mixed crystal thereof has an electric field. It is used for nitride semiconductor devices such as effect transistors, LEDs (light emitting diodes), laser diodes, etc., and recently includes a laminated structure of these nitride semiconductor layers and emits light of short wavelengths such as blue and green. LED is attracting attention.

【0012】III−V族窒化物半導体層、例えばGaN
薄膜を用いた半導体素子では、GaN薄膜を形成するた
めの基板として一般にサファイアが用いられている。し
かし、サファイアはGaNと格子定数および熱膨張係数
が大きく異なるため、基板とGaNとの界面からGaN
側に転位が導入されたり、GaN結晶が応力により変形
を受けたりし、良質な結晶が得られないという問題があ
る。また、サファイア基板は劈開面を出して割ることが
難しく、レーザーダイオードを作製する場合に端面の形
成が難しいという問題がある。また、サファイア基板は
Si等の半導体基板と比べると高価であり、表面平坦性
が悪いなどの問題もある。さらに、サファイア基板に
は、導電性がないという問題もある。
III-V nitride semiconductor layer, for example, GaN
In a semiconductor element using a thin film, sapphire is generally used as a substrate for forming a GaN thin film. However, sapphire has a large difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from GaN.
There is a problem that dislocations are introduced on the side and the GaN crystal is deformed by stress, so that a good quality crystal cannot be obtained. In addition, the sapphire substrate has a problem that it is difficult to divide the cleavage plane, and it is difficult to form an end face when manufacturing a laser diode. Further, the sapphire substrate is more expensive than a semiconductor substrate such as Si, and has problems such as poor surface flatness. Further, there is a problem that the sapphire substrate has no conductivity.

【0013】一方、Siも、GaNに対し格子定数差、
熱膨張係数差、格子構造の差が大きいため、Si単結晶
基板の上に良質のGaN薄膜を形成することは困難であ
る。
On the other hand, Si also has a lattice constant difference from GaN,
It is difficult to form a high-quality GaN thin film on a Si single crystal substrate because of a large difference between the thermal expansion coefficient and the lattice structure.

【0014】GaN等の窒化物半導体からなる薄膜の結
晶性を向上させるための提案として、例えば、特開平9
−45960号公報には、サファイア基板やSi基板上
にZnOバッファ層を介してInGaAlN層を設ける
ことが記載されている。同公報では、Si基板上にZn
Oバッファ層をスパッタ法等により直接形成している。
しかし、本発明者らの実験では、前述したように、Si
基板上にZnOバッファ層を単結晶膜(本明細書におけ
るエピタキシャル膜)として形成することは実質的に不
可能であり、結晶性および表面性に優れた膜とすること
ができないことがわかった。このため、このようなZn
Oバッファ層上には、良好な結晶性を有する窒化物半導
体層を形成することはできない。
As a proposal for improving the crystallinity of a thin film made of a nitride semiconductor such as GaN, see, for example,
No. 45960 describes that an InGaAlN layer is provided on a sapphire substrate or a Si substrate via a ZnO buffer layer. In this publication, Zn on a Si substrate
The O buffer layer is directly formed by a sputtering method or the like.
However, in our experiments, as described above, Si
It was found that it was practically impossible to form a ZnO buffer layer as a single crystal film (epitaxial film in this specification) on a substrate, and it was not possible to form a film having excellent crystallinity and surface properties. Therefore, such Zn
A nitride semiconductor layer having good crystallinity cannot be formed on the O buffer layer.

【0015】また、特開平8−264894号公報に
は、SiやSiC基板上に、CaxMg1-x2(0≦x
≦1)層およびMgtCa3-t2(0≦t≦3)層の少
なくとも一方を形成し、この上にGayInzAl1-y-z
N(0≦y,z≦1)層を形成した半導体素子が記載さ
れている。同公報では、表面の平坦性が高いSiやSi
C等を用いることができ、かつ良質のGaInAlN層
を形成できることを効果としている。しかし、本発明者
らの実験によれば、Si基板上に形成したCaxMg1-x
2層やMgtCa3-t2層は、結晶性および表面性が不
十分であることがわかった。このため、これらの層の上
には、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を形成する
ことはできない。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-264894 discloses that Ca x Mg 1-x F 2 (0 ≦ x
≦ 1) layer and Mg t Ca 3-t N 2 (0 ≦ t ≦ 3) layer at least one is formed, Ga y In z Al 1- yz thereon
A semiconductor device having an N (0 ≦ y, z ≦ 1) layer is described. In this publication, Si or Si having high surface flatness is used.
The effect is that C or the like can be used and a high quality GaInAlN layer can be formed. However, according to the experiments of the present inventors, Ca x Mg 1-x formed on a Si substrate
It was found that the F 2 layer and the Mg t Ca 3-t N 2 layer had insufficient crystallinity and surface properties. Therefore, a nitride semiconductor layer having good crystallinity cannot be formed over these layers.

【0016】また、Si基板上にGaN薄膜を形成する
際に、バッファ層としてAlN薄膜やSiC薄膜を利用
することも知られている[J.Cryst.Growth 128,391(199
3)およびJ.Cryst.Growth 115,634(1991)]。しかし、本
発明者らの実験によれば、Si基板上に直接形成したA
lN薄膜やSiC薄膜は、結晶性および表面性が不十分
であることがわかった。このため、これらの薄膜の上に
は、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を形成するこ
とはできない。
It is also known to use an AlN thin film or a SiC thin film as a buffer layer when forming a GaN thin film on a Si substrate [J. Cryst. Growth 128, 391 (199).
3) and J. Cryst. Growth 115,634 (1991)]. However, according to the experiments of the present inventors, it was found that A directly formed on a Si substrate
It was found that the 1N thin film and the SiC thin film had insufficient crystallinity and surface properties. Therefore, a nitride semiconductor layer having good crystallinity cannot be formed on these thin films.

【0017】一方、有機ELにおいては、ガラス上に大
面積で素子を形成できるため、ディスプレー用に研究開
発が進められている。一般に有機EL素子は、ガラス基
板上にITOなどの透明電極を形成し、その上に有機ア
ミン系のホール輸送層、電子導電性を示しかつ強い発光
を示すたとえばアルミキノリノール錯体(Alq3 )等
からなる有機発光層を積層し、さらに、MgAgなどの
仕事関数の小さい電極を形成し、基本素子となる。
On the other hand, in the organic EL, since an element can be formed in a large area on glass, research and development for a display are being advanced. In general, an organic EL device is formed by forming a transparent electrode such as ITO on a glass substrate, forming an organic amine-based hole transport layer thereon, and, for example, an aluminum quinolinol complex (Alq3) which exhibits electron conductivity and emits strong light. An organic light emitting layer is laminated, and further, an electrode having a small work function such as MgAg is formed to be a basic element.

【0018】これまでに報告されている素子構造として
は、ホール注入電極及び電子注入電極の間に1層または
複数層の有機化合物層が挟まれた構造となっており、有
機化合物層としては、2層構造あるいは3層構造があ
る。
The device structure reported so far has a structure in which one or more organic compound layers are sandwiched between a hole injection electrode and an electron injection electrode. There is a two-layer structure or a three-layer structure.

【0019】2層構造の例としては、ホール注入電極と
電子注入電極の間にホール輸送層と発光層が形成された
構造、または、ホール注入電極と電子注入電極の間に発
光層と電子輸送層が形成された構造がある。また、3層
構造の例としては、ホール注入電極と電子注入電極の間
にホール輸送層と発光層と電子輸送層とが形成された構
造がある。また、単一層に全ての役割を持たせた単層構
造も高分子や混合系で報告されている。
Examples of the two-layer structure include a structure in which a hole transport layer and a light emitting layer are formed between a hole injection electrode and an electron injection electrode, or a structure in which a light emitting layer and an electron transport layer are provided between a hole injection electrode and an electron injection electrode. There is a structure in which a layer is formed. As an example of the three-layer structure, there is a structure in which a hole transport layer, a light emitting layer, and an electron transport layer are formed between a hole injection electrode and an electron injection electrode. Also, a single-layer structure in which a single layer has all the functions has been reported for polymers and mixed systems.

【0020】図8および図9に、現在多く用いられてい
る構造を示す。
FIG. 8 and FIG. 9 show a structure which is widely used at present.

【0021】図8では基板11上に設けられたホール注
入電極12と電子注入電極13の間に有機化合物である
ホール輸送層14と発光層15が形成されている。この
場合、発光層15は、電子輸送層の機能も果たしてい
る。
In FIG. 8, a hole transport layer 14 and a light emitting layer 15 which are organic compounds are formed between a hole injection electrode 12 and an electron injection electrode 13 provided on a substrate 11. In this case, the light emitting layer 15 also functions as an electron transport layer.

【0022】図9では、基板11上に設けられたホール
注入電極12と電子注入電極13の間に有機化合物であ
るホール輸送層14と発光層15と電子輸送層16が形
成されている。
In FIG. 9, a hole transport layer 14, a light emitting layer 15, and an electron transport layer 16, which are organic compounds, are formed between a hole injection electrode 12 and an electron injection electrode 13 provided on a substrate 11.

【0023】これら有機ELにおいては、共通して、信
頼性が問題となっている。有機ELにおいては、原理的
に電子注入用の電子注入電極に仕事関数の低い金属を用
いる必要がある。そのため、材料としてMgAg、Al
Liなどを用いらざるを得ない。これらの材料は、酸化
し易く、信頼性の問題を招いている。また、有機薄膜の
劣化もLED、LDに較べると著しく大きい。
In these organic ELs, reliability is a common problem. In an organic EL, in principle, it is necessary to use a metal having a low work function for an electron injection electrode for electron injection. Therefore, MgAg, Al
Li or the like must be used. These materials are easily oxidized, causing reliability problems. Further, the deterioration of the organic thin film is remarkably large as compared with the LED and LD.

【0024】このような問題を解決するために、有機材
料と無機半導体材料のそれぞれのメリットを利用する方
法が考えられている。すなわち、pn接合を利用した発
光素子において、p型化の難しい半導体に対して、あえ
て、p型半導体を用いずに、これに代わって有機ホール
輸送層を用いることにより、n型半導体に有機ホール輸
送層からホールを注入することでn型半導体層中で発光
を得ようとする有機/無機半導体接合である。
In order to solve such a problem, a method has been conceived which utilizes the respective merits of the organic material and the inorganic semiconductor material. That is, in a light emitting element using a pn junction, an organic hole transport layer is used instead of a p-type semiconductor instead of a p-type semiconductor, so that an organic hole can be formed in the n-type semiconductor. This is an organic / inorganic semiconductor junction in which light is emitted in the n-type semiconductor layer by injecting holes from the transport layer.

【0025】このような検討は、特開平2−19647
5、特開平3−262170、Jpn.J.Appl.
Phys.Vol.32(1993)pp.1691−
1695で検討されているが、発光特性や基本素子の信
頼性で素子従来の有機ELを越える特性を得ることが不
可能であった。
Such a study is described in JP-A-2-19647.
5, JP-A-3-262170, Jpn. J. Appl.
Phys. Vol. 32 (1993) pp. 1691-
1695, it was impossible to obtain characteristics exceeding the conventional organic EL device due to the emission characteristics and the reliability of the basic device.

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、効率
が改善され、動作電圧が低く、設計の自由度が大きく、
しかも信頼性の増大した新規の改良された半導体発光素
子を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide improved efficiency, lower operating voltage, greater design freedom,
Moreover, it is to provide a new and improved semiconductor light emitting device with increased reliability.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(8)のいずれかの構成により達成される。 (1) 基板上に、少なくとも無機物層とホール輸送性
の有機物層が積層された構造体を有し、前記無機物層は
有ウルツァイト型結晶構造を有する酸化物膜および/ま
たはウルツァイト型結晶構造を有する窒化物膜および/
またはウルツァイト型結晶構造を有する硫化物膜である
半導体発光素子。 (2) 前記無機物層は、n型半導体層である上記
(1)の半導体発光素子。 (3) 前記無機物層は、エピタキシャル膜である上記
(1)または(2)の半導体発光素子。 (4) 前記基板がSi単結晶基板である上記(1)〜
(3)いずれかの半導体発光素子。 (5) 前記基板は、少なくとも表面がSi単結晶であ
り、この基板と無機物層との間にはバッファ層を有し、
このバッファ層は、酸化物バッファ層および/または窒
化物バッファ層により構成され、前記酸化物バッファ層
は、希土類元素(ScおよびYを含む)の酸化物および
/または酸化ジルコニウムを主成分とするエピタキシャ
ル膜であるR−Zr系酸化物薄膜を有するか、Alおよ
びOを主成分とするエピタキシャル膜であるAlOx系
薄膜を有し、窒化物バッファ層は、窒化チタン、窒化ニ
オブ、窒化タンタルおよび窒化ジルコニウムの少なくと
も1種を主成分とするエピタキシャル膜であるNaCl
型窒化物薄膜を有する上記(1)〜(4)いずれかの半
導体発光素子。 (6) 前記無機物層は、酸化亜鉛を主成分とするZn
O系薄膜を有する上記(1)〜(5)いずれかの半導体
発光素子。 (7) 前記バッファ層と無機物層のn型半導体層との
間、またはバッファ層中には金属薄膜を有し、この金属
薄膜は、Pt、Ir、Os、Re、Pd、RhおよびR
uの1種または2種以上を主成分とするエピタキシャル
膜である上記(1)〜(6)のいずれかの半導体発光素
子。 (8) 前記金属薄膜は、(111)面または(000
1)面が基板表面と平行に配向している上記(7)の半
導体発光素子。
This and other objects are achieved by any one of the following constitutions (1) to (8). (1) A structure in which at least an inorganic layer and an organic layer having a hole-transporting property are laminated on a substrate, wherein the inorganic layer has an oxide film having a wurtzite-type crystal structure and / or a wurtzite-type crystal structure. Nitride film and / or
Alternatively, a semiconductor light emitting device which is a sulfide film having a wurtzite type crystal structure. (2) The semiconductor light emitting device according to (1), wherein the inorganic layer is an n-type semiconductor layer. (3) The semiconductor light emitting device according to (1) or (2), wherein the inorganic layer is an epitaxial film. (4) The above (1) to (1) to wherein the substrate is a Si single crystal substrate
(3) Any of the semiconductor light emitting devices. (5) at least the surface of the substrate is a single crystal of Si, and has a buffer layer between the substrate and the inorganic layer;
The buffer layer is composed of an oxide buffer layer and / or a nitride buffer layer, and the oxide buffer layer is composed of an oxide mainly containing a rare earth element (including Sc and Y) and / or zirconium oxide. It has an R-Zr-based oxide thin film which is a film, or has an AlOx-based thin film which is an epitaxial film mainly composed of Al and O, and the nitride buffer layer is made of titanium nitride, niobium nitride, tantalum nitride and zirconium nitride. NaCl which is an epitaxial film containing at least one of
The semiconductor light emitting device according to any one of the above (1) to (4), comprising a type nitride thin film. (6) The inorganic layer is made of Zn containing zinc oxide as a main component.
The semiconductor light emitting device according to any one of the above (1) to (5), having an O-based thin film. (7) A metal thin film is provided between the buffer layer and the n-type semiconductor layer of the inorganic layer or in the buffer layer, and the metal thin film is made of Pt, Ir, Os, Re, Pd, Rh, and R.
The semiconductor light emitting device according to any one of the above (1) to (6), which is an epitaxial film containing one or two or more kinds of u as a main component. (8) The metal thin film has a (111) plane or a (000) plane.
1) The semiconductor light emitting device according to the above (7), wherein the surface is oriented parallel to the substrate surface.

【0028】[0028]

【作用】本発明は、ワイドギャプ半導体でp型化の難し
い無機材料において、比較的容易に得られるn型半導体
からなる層と有機化合物からなるホール輸送層を積層し
たものであり、pn接合型のLED素子のp型半導体に
代えて、有機化合物のホール輸送層を用いて、n型半導
体にホールを注入し、発光特性を得ようとするものであ
る。
According to the present invention, a layer of an n-type semiconductor and a hole transport layer of an organic compound, which are relatively easily obtained, are laminated on an inorganic material which is a wide gap semiconductor and which is difficult to be p-type. A hole transporting layer made of an organic compound is used instead of the p-type semiconductor of the LED element to inject holes into the n-type semiconductor to obtain light emission characteristics.

【0029】従来検討されていた有機/無機接合、すな
わち、特開平2−196475、特開平3−26217
0、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32
(1993)pp.1691−1695では、n型無機
半導体材料として、Si1-xx(0≦x1)、GaP、
ZnS、ZnSeなどが用いられていた。
Conventionally studied organic / inorganic junctions, ie, JP-A-2-196475 and JP-A-3-26217
0, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32
(1993) pp. In 1691-1695, as an n-type inorganic semiconductor material, Si 1-x C x (0 ≦ x1), GaP,
ZnS, ZnSe and the like have been used.

【0030】これらの接合、すなわち、これらの無機n
型半導体/有機ホール輸送層では、有機ホール輸送層に
は、TPD(テトラフェニルジアミノジフェニル)など
が用いられる。しかしながら、発光実験を行うと、ダイ
オード特性が得られるものの、発光が観察されない、ま
たは非常に弱い発光しか観察されなかった。
These junctions, ie, these inorganic n
In the type semiconductor / organic hole transport layer, TPD (tetraphenyldiaminodiphenyl) or the like is used for the organic hole transport layer. However, in a light emission experiment, no light emission was observed, or only very weak light emission was observed, although diode characteristics were obtained.

【0031】これらのダイオードに用いた無機材料の物
性評価、特に、発光に寄与する励起子の結合エネルギー
を調べてみるとSi1-xx (0≦x1)、GaPで
は、10 meV以下、ZnSeで22 mevと非常に低いも
のであることがわかった。
Examination of the physical properties of the inorganic materials used in these diodes, in particular, examining the binding energy of excitons contributing to light emission, showed that Si 1-x C x (0 ≦ x1), GaP was 10 meV or less, It was found that ZnSe was as low as 22 mev.

【0032】これに対して、ウルツァイト型結晶構造を
有する酸化物および窒化物の励起子の結合エネルギー
は、一般的に高いものであることがわかった。たとえば
GaNが24 meV、ZnOで60 meVとなっている。特
にZnOの値は非常に大きく発光素子用に適している。
On the other hand, it has been found that the binding energy of excitons of oxides and nitrides having a wurtzite type crystal structure is generally high. For example, GaN has 24 meV and ZnO has 60 meV. In particular, the value of ZnO is very large, which is suitable for a light emitting element.

【0033】そこで、発明者は、有機/無機接合で従来
用いられていたn型半導体薄膜に代わり、励起子効率の
高い無機物層に注目した。
Therefore, the inventor paid attention to an inorganic layer having high exciton efficiency instead of the n-type semiconductor thin film conventionally used in the organic / inorganic junction.

【0034】本発明は、従来の無機n型半導体の代わり
に、励起子効率の高いn型半導体であるウルツァイト型
結晶構造を有する酸化物膜および/またはウルツァイト
型結晶構造を有する窒化物膜からなる層を使用した結
果、有機化合物からなるホール輸送層のホールをn型半
導体からなる発光層に注入することができ、安定な発光
特性を有する素子が得られることを特徴とする。
The present invention comprises an oxide film having a wurtzite crystal structure and / or a nitride film having a wurtzite crystal structure, which is an n-type semiconductor having a high exciton efficiency, instead of the conventional inorganic n-type semiconductor. As a result of using the layer, holes of the hole transport layer made of an organic compound can be injected into the light emitting layer made of an n-type semiconductor, and an element having stable light emitting characteristics can be obtained.

【0035】一般的に、ウルツァイト型結晶構造を有す
る酸化物膜および/またはウルツァイト型結晶構造を有
する窒化物膜からなる層は、p型導電性を示す薄膜は容
易に得られない。しかしながら、n型導電性を示す薄膜
は、エピタキシャル膜でも、非晶質、多結晶の薄膜にお
いても容易に得られることを発明者は実験上で確認して
いる。特に、ウルツァイト型結晶構造の薄膜はエピタキ
シャル膜、c軸配向膜の形態で基板上に成長し易いこと
を確認し、発光デバイス用に適していることを突き止め
た。
In general, a thin film having p-type conductivity cannot be easily obtained from a layer made of an oxide film having a wurtzite crystal structure and / or a nitride film having a wurtzite crystal structure. However, the inventor has confirmed through experiments that a thin film exhibiting n-type conductivity can be easily obtained either as an epitaxial film or as an amorphous or polycrystalline thin film. In particular, it was confirmed that a thin film having a wurtzite type crystal structure easily grows on a substrate in the form of an epitaxial film or a c-axis oriented film, and was found to be suitable for a light emitting device.

【0036】また、ウルツァイト型結晶構造の薄膜は、
ドーピングも簡単である。また通電や温度による電気的
特性変化も少なく、電極材との電気化学反応もない。さ
らに透光性にも優れている。
Further, a thin film having a wurtzite type crystal structure is
Doping is also easy. In addition, there is little change in electrical characteristics due to energization or temperature, and there is no electrochemical reaction with the electrode material. Furthermore, it is excellent in translucency.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】本発明の発光素子は、基板上に、
少なくとも無機物層とホール輸送性の有機物層が積層さ
れた構造体を有し、前記無機物層はウルツァイト型結晶
構造を有する酸化物膜および/またはウルツァイト型結
晶構造を有する窒化物膜および/またはウルツァイト型
結晶構造を有する硫化物膜である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A light-emitting device of the present invention is provided on a substrate.
It has a structure in which at least an inorganic layer and a hole transporting organic layer are laminated, and the inorganic layer is an oxide film having a wurtzite type crystal structure and / or a nitride film having a wurtzite type crystal structure and / or a wurtzite type. It is a sulfide film having a crystal structure.

【0038】本発明において、無機物層とホール輸送性
の有機物層等の薄膜積層構造体を形成する基板として
は、非晶質基板たとえばガラス、石英など、結晶基板、
たとえば、Si、GaAs、ZnSe、ZnS、Ga
P、InP、サファイア、MgOなどがあげられ、また
これらの結晶基板に結晶質、非晶質あるいは金属のバッ
ファ層を形成した基板も用いることができる。また金属
基板としては、Mo、Al、Pt、Ir、Au、Pdな
どを用いることができる。特に無機物層をエピタキシャ
ル膜の形態で利用する場合には、サファイア基板および
後述するようにSi基板を用いることが特に好ましい。
In the present invention, as a substrate for forming a thin film laminated structure such as an inorganic layer and an organic layer having a hole transporting property, a crystalline substrate such as an amorphous substrate such as glass or quartz,
For example, Si, GaAs, ZnSe, ZnS, Ga
Examples thereof include P, InP, sapphire, and MgO, and a substrate in which a crystalline, amorphous, or metal buffer layer is formed on these crystalline substrates can also be used. As the metal substrate, Mo, Al, Pt, Ir, Au, Pd, or the like can be used. In particular, when the inorganic layer is used in the form of an epitaxial film, it is particularly preferable to use a sapphire substrate and a Si substrate as described later.

【0039】本発明で用いる無機物層は、ウルツァイト
型結晶構造を有する酸化物膜および/またはウルツァイ
ト型結晶構造を有する窒化物膜および/またはウルツァ
イト型結晶構造を有する硫化物膜である。酸化物膜とし
ては、酸化亜鉛を主成分とし、好ましくは実質的にZn
Oから構成される。窒化物膜としては、Al、Gaおよ
びInから選択される少なくとも1種とNとを主成分と
しするAlGaInN系薄膜である。AlGaInN系
薄膜の組成は特に限定されないが、実質的に GaxInyAl1-x-yN (0≦x≦1、0≦x+y≦
1) で表される組成を有することが好ましい。硫化物膜とし
ては、硫化カドミウムまたは硫化亜鉛を主成分とし、好
ましくは実質的にCdSまたはZnSから構成される。
The inorganic layer used in the present invention is an oxide film having a wurtzite crystal structure and / or a nitride film having a wurtzite crystal structure and / or a sulfide film having a wurtzite crystal structure. The oxide film is mainly composed of zinc oxide, preferably substantially
O. The nitride film is an AlGaInN-based thin film mainly containing N and at least one selected from Al, Ga and In. The composition of the AlGaInN-based thin film is not particularly limited, but is substantially Ga x In y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦
It is preferable to have a composition represented by 1). The sulfide film is mainly composed of cadmium sulfide or zinc sulfide, and is preferably substantially composed of CdS or ZnS.

【0040】これらの無機物層は、n型半導体化を行う
ことが好ましいが、絶縁性の薄膜でも良い。これらの化
合物の中には、そのままでn型半導体の性質を示すもの
もあるが、これらの化合物の作製時に公知のドーピング
物質またはガスを添加してn型化を行うことが好まし
い。また、ドーピングを行わず、組成をずらすことによ
りn型化を行うことが特に好ましい。ドーピングとして
は、例えば、ZnOに対してはGa、Al、In等、G
xInyAl1-x-yNの半導体化においては、Si等、
公知のドーピング元素を添加すればよい。
Although it is preferable that these inorganic layers are made into n-type semiconductors, they may be insulating thin films. Some of these compounds show the properties of an n-type semiconductor as they are, but it is preferable to add a known doping substance or gas to make these compounds n-type. It is particularly preferable to perform n-type conversion by shifting the composition without doping. As the doping, for example, Ga, Al, In, etc.
a x In y Al 1-xy N is made into a semiconductor.
A known doping element may be added.

【0041】無機物層の形態としては、非晶質薄膜、微
結晶薄膜、多結晶薄膜、エピタキシャル薄膜、単結晶薄
膜、または、これらの入り交じった薄膜、またこれらの
形態や上記酸化物、窒化物、硫化物の組成のことなる積
層薄膜や人工格子薄膜が用いられる。特に、ガラス基板
上でディスプレー素子に用いる場合には、多結晶薄膜が
好ましい。多結晶薄膜は大面積に形成可能でかつ結晶性
であるため、無機物層の半導体的特性を効果的に利用す
ることが可能である。また、LED用等には、エピタキ
シャル薄膜、単結晶薄膜を用いることが好ましい。
Examples of the form of the inorganic layer include an amorphous thin film, a microcrystalline thin film, a polycrystalline thin film, an epitaxial thin film, a single crystal thin film, a thin film in which these are intermingled, and a thin film including the above oxides and nitrides. A laminated thin film or an artificial lattice thin film having a different sulfide composition is used. In particular, when a display element is used on a glass substrate, a polycrystalline thin film is preferable. Since the polycrystalline thin film can be formed over a large area and is crystalline, the semiconductor characteristics of the inorganic layer can be effectively used. For an LED or the like, an epitaxial thin film or a single crystal thin film is preferably used.

【0042】無機物層の厚みとしては、特に制限はない
が、通常、1〜300nm程度で使用される。また、特に
n型性の強くない抵抗率の高い無機物層では、発光素子
の低電圧駆動のためには1〜10nm程度とすることが好
ましい。n型化している無機物層は比較的厚くてよく、
大面積でピンホールフリーとするために50nm〜100
nmが好ましい。
The thickness of the inorganic layer is not particularly limited, but is usually about 1 to 300 nm. In particular, in the case of an inorganic layer having a high resistivity which does not have strong n-type properties, the thickness is preferably about 1 to 10 nm for driving a light emitting element at a low voltage. The n-type inorganic layer may be relatively thick,
50nm ~ 100 for large area and pinhole free
nm is preferred.

【0043】無機物層の製造方法としては、スパッタ
法、蒸着法、MBE法、CVD法などの各種の物理的ま
たは化学的な薄膜形成方法などが用いられ、また、特性
向上のため、ポストアニール、イオウ化法などの薄膜形
成後に後処理を使用しても良い。
As a method of manufacturing the inorganic layer, various physical or chemical thin film forming methods such as a sputtering method, a vapor deposition method, an MBE method, and a CVD method are used. Post-treatment may be used after the formation of a thin film such as a sulfuration method.

【0044】一方、発明におけるホール輸送性の有機物
層は、1種類の有機化合物薄膜、または、2種類以上の
有機化合物薄膜の積層膜からなる。
On the other hand, the hole transporting organic material layer in the present invention comprises one kind of organic compound thin film or a laminated film of two or more kinds of organic compound thin films.

【0045】有機化合物は、ホール移動度の大きい物質
で構成されることが好ましい。
The organic compound is preferably composed of a substance having a high hole mobility.

【0046】このような有機化合物としては、前述のT
PDの他に、従来公知の材料が全て適用される。たとえ
ば、ジアミン、TAD、ピラゾリン誘導体、α−NP
D、CuPc、HTM系、TDAB系等の有機材料が挙
げられる。
As such an organic compound, the aforementioned T
In addition to PD, conventionally known materials are all applied. For example, diamine, TAD, pyrazoline derivative, α-NP
Organic materials such as D, CuPc, HTM-based, and TDAB-based are exemplified.

【0047】また、ホール移動度の大きいホール輸送性
材料としては、例えば、特開昭63−295695号公
報、特開平2−191694号公報、特開平3−792
号公報、特開平5−234681号公報、特開平5−2
39455号公報、特開平5−299174号公報、特
開平7−126225号公報、特開平7−126226
号公報、特開平8−100172号公報、EP0650
955A1等に記載されている各種有機化合物を用いる
ことができる。例えば、テトラアリールベンジシン化合
物(トリアリールジアミンないしトリフェニルジアミ
ン:TPD)、芳香族三級アミン、ヒドラゾン誘導体、
カルバゾール誘導体、トリアゾール誘導体、イミダゾー
ル誘導体、アミノ基を有するオキサジアゾール誘導体、
ポリチオフェン等である。これらの化合物は、1種のみ
を用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上を併
用するときは、別層にして積層したり、混合したりすれ
ばよい。
Examples of the hole transporting material having a high hole mobility include, for example, JP-A-63-295695, JP-A-2-191694, and JP-A-3-792.
JP, JP-A-5-234681, JP-A-5-25-2
39455, JP-A-5-299174, JP-A-7-126225, JP-A-7-126226
JP, JP-A-8-100172, EP0650
Various organic compounds described in 955A1 and the like can be used. For example, a tetraarylbendicine compound (triaryldiamine or triphenyldiamine: TPD), an aromatic tertiary amine, a hydrazone derivative,
Carbazole derivatives, triazole derivatives, imidazole derivatives, oxadiazole derivatives having an amino group,
And polythiophene. These compounds may be used alone or in combination of two or more. When two or more kinds are used in combination, they may be stacked as separate layers or mixed.

【0048】電子注入電極材料は、低仕事関数の物質が
好ましく、例えば、K、Li、Na、Mg、La、C
e、Ca、Sr、Ba、Al、Ag、In、Sn、Z
n、Zr等の金属元素単体、または安定性を向上させる
ためにそれらを含む2成分、3成分の合金系を用いるこ
とが好ましい。合金系としては、例えばAg・Mg(A
g:0.1〜50at%)、Al・Li(Li:0.01
〜12at%)、In・Mg(Mg:50〜80at%)、
Al・Ca(Ca:0.01〜20at%)等が挙げられ
る。また、低抵抗の半導体たとえばZnO、ITO、G
aNなどが好ましい。電子注入電極層にはこれらの材料
からなる薄膜、それらの2種類以上の多層薄膜が用いら
れる。低抵抗の半導体電極では、電子注入電極として用
いることと同時にホール注入電極としても機能しうるた
め、基本素子構造の多層化が可能となる。
The electron injection electrode material is preferably a material having a low work function, for example, K, Li, Na, Mg, La, C
e, Ca, Sr, Ba, Al, Ag, In, Sn, Z
It is preferable to use a single metal element such as n or Zr, or a two-component or three-component alloy system containing them for improving the stability. As an alloy system, for example, Ag · Mg (A
g: 0.1 to 50 at%), Al.Li (Li: 0.01)
1212 at%), In · Mg (Mg: 50 to 80 at%),
Al.Ca (Ca: 0.01 to 20 at%) and the like. Also, low-resistance semiconductors such as ZnO, ITO, G
aN and the like are preferable. As the electron injection electrode layer, a thin film made of these materials, or a multilayer thin film of two or more of these materials is used. A low-resistance semiconductor electrode can function as a hole injection electrode at the same time as being used as an electron injection electrode, so that the basic element structure can be multilayered.

【0049】ホール注入電極材料は、一般的には、IT
Oが用いられるが、その他、ZnO、GaNなど低抵抗
の半導体が好ましい。光を取り出す側の電極は、透明な
いし半透明な電極が好ましい。ITOは、通常In2
3 とSnOとを化学量論組成で含有するが、O量は多少
これから偏倚していてもよい。In23 に対するSn
2 の混合比は、1〜20wt%、さらには5〜12wt%
が好ましい。また、IZOでのIn23 に対するZn
2 の混合比は、通常、12〜32wt%程度である。
The material for the hole injection electrode is generally IT
O is used, but a low-resistance semiconductor such as ZnO or GaN is also preferable. The electrode on the light extraction side is preferably a transparent or translucent electrode. ITO is usually In 2 O
Although 3 and SnO are contained in a stoichiometric composition, the amount of O may slightly deviate from this. Sn for In 2 O 3
The mixing ratio of O 2 is 1 to 20% by weight, further 5 to 12% by weight.
Is preferred. In addition, Zn for In 2 O 3 in IZO
The mixing ratio of O 2 is usually about 12 to 32% by weight.

【0050】さらに、これら以外のホール注入電極材料
としては、導電性酸化物が好ましく、特に、以下の導電
性酸化物を含む材料が好ましい。
Further, as a hole injection electrode material other than these, a conductive oxide is preferable, and particularly, a material containing the following conductive oxide is preferable.

【0051】NaCl型酸化物:TiO,VO,Nb
O,RO1-x( ここで、R:一種類以上の希土類(Sc
およびYを含む)、0≦x <1),LiVO2 等。
NaCl type oxide: TiO, VO, Nb
O, RO 1-x (where, R: one or more rare earth elements (Sc
And Y), 0 ≦ x <1), LiVO 2 and the like.

【0052】スピネル型酸化物:LiTi24 ,Li
xTi2-x4 (ここで、M=Li,Al,Cr,0<
x<2),Li1-xxTi24 (ここで、M=Mg,
Mn,0<x<1),LiV24 ,Fe34 等。
Spinel type oxide: LiTi 2 O 4 , Li
M x Ti 2-x O 4 (where M = Li, Al, Cr, 0 <
x <2), Li 1- x M x Ti 2 O 4 ( where, M = Mg,
Mn, 0 <x <1), LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4 and the like.

【0053】ペロブスカイト型酸化物:ReO3 ,WO
3 ,MxReO3 (ここで、M金属,0<x<0.
5),MxWO3 (ここで、M=金属,0<x<0.
5),A2832112 (ここで、A=K,Rb,T
l),NaxTay1-y3 (ここで、0≦x<1,0
<y<1),RNbO3 (ここで、R:一種類以上の希
土類(ScおよびYを含む)),Na1-xSrxNbO3
(ここで、0≦x≦1),RTiO3 (ここで、R:一
種類以上の希土類(ScおよびYを含む)),Can+1
Tin3n+1-y (ここで、n=2,3,...,y>
0),CaVO3,SrVO3,R1-xSrxVO3 (ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含む)、
0≦x≦1),R1-xBaxVO3 (ここで、R:一種類
以上の希土類(ScおよびYを含む)、0≦x≦1),
Srn+1n3n+1-y (ここで、n=1,2,
3....,y>0),Ban+1n3n+1-y (ここ
で、n=1,2,3....,y>0),R4BaCu5
13-y (ここで、R:一種類以上の希土類(Scおよ
びYを含む)、0≦y),R5SrCu615(ここで、
R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含む)),R
2SrCu262(ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびYを含む)),R1-xSrxVO3 (ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含
む)),CaCrO3,SrCrO3,RMnO3(ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含
む)),R1-xSrxMnO3 (ここで、R:一種類以上
の希土類(ScおよびYを含む),0≦x≦1),R
1-xBaxMnO3 (ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびYを含む),0≦x≦1),Ca1-xx
nO3-y (ここで、R:一種類以上の希土類(Scおよ
びYを含む),0≦x≦1,0≦y),CaFeO3
SrFeO3,BaFeO3 ,SrCoO3 ,BaCo
3 ,RCoO3 (ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびYを含む)),R1-xSrxCoO3 (ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含む),
0≦x≦1),R1xBaxCoO3 (ここで、R:一
種類以上の希土類(ScおよびYを含む),0≦x≦
1),RNiO3 (ここで、R:一種類以上の希土類
(ScおよびYを含む)),RCuO3 (ここで、R:
一種類以上の希土類(ScおよびYを含む)),RNb
3 (ここで、R:一種類以上の希土類(ScおよびY
を含む)),Nb1229,CaRuO3 ,Ca1-xx
1-yMny3 (ここで、R:一種類以上の希土類(S
cおよびYを含む),0≦x≦1,0≦y≦1),Sr
RuO3,Ca1-xMgxRuO3 (ここで、0≦x≦
1),Ca1-xSrxRuO3(ここで、0<x<1),
BaRuO3 ,Ca1-xBaxRuO3 (ここで、0<x
<1),(Ba,Sr)RuO3 ,Ba1-xxRuO3
(ここで、0<x≦1),(R,Na)RuO3 (ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含
む)),(R,M)RhO3 (ここで、R:一種類以上
の希土類(ScおよびYを含む),M=Ca,Sr,B
a),SrIrO3,BaPbO3 ,(Ba,Sr)P
bO3-y( ここで、0≦y<1),BaPb1-xBix
3 (ここで、0<x≦1),Ba1-xxBiO3 (ここ
で、0<x≦1),Sr(Pb,Sb)O3-y (ここ
で、0≦y<1),Sr(Pb,Bi)O3-y (ここ
で、0≦y<1),Ba(Pb,Sb)O3-y (ここ
で、0≦y<1), Ba(Pb,Bi)O3-y(ここ
で、0≦y<1),MMoO3 (ここで、M=Ca,S
r,Ba),(Ba,Ca,Sr)TiO3-x (ここ
で、0≦x)等。
Perovskite oxide: ReO 3 , WO
3 , MxReO 3 (where M metal, 0 <x <0.
5), MxWO 3 (where M = metal, 0 <x <0.
5), A 2 P 8 W 32 O 112 (where A = K, Rb, T
l), Na x Ta y W 1 -y O 3 (where 0 ≦ x <1,0
<Y <1), RNbO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), Na 1-x Sr x NbO 3
(Where 0 ≦ x ≦ 1), RTiO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), Can + 1
Ti n O 3n + 1-y ( where, n = 2,3, ..., y >
0), CaVO 3 , SrVO 3 , R 1-x Sr x VO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y);
0 ≦ x ≦ 1), R 1−x Ba x VO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1),
Sr n + 1 V n O 3n + 1-y ( where, n = 1, 2,
3. . . . , Y> 0), Ba n + 1 V n O 3n + 1-y ( where, n = 1,2,3 ...., y> 0), R 4 BaCu 5
O 13-y (where, R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ y), R 5 SrCu 6 O 15 (where,
R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R
2 SrCu 2 O 6 . 2 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), R 1-x Sr x VO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), CaCrO 3 , SrCrO 3 , RMnO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R 1-x Sr x MnO 3 (where R: one or more rare earths (Sc and Y) ), 0 ≦ x ≦ 1), R
1-x Ba x MnO 3 (where, R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1), Ca 1-x R x M
nO 3-y (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y), CaFeO 3 ,
SrFeO 3 , BaFeO 3 , SrCoO 3 , BaCo
O 3 , RCoO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y)), R 1-x Sr x CoO 3 (where R: one or more rare earths (including Sc and Y) ),
0 ≦ x ≦ 1), R 1 −x Ba x CoO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y), 0 ≦ x ≦
1), RNiO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), RCuO 3 (where R:
One or more rare earths (including Sc and Y)), RNb
O 3 (where R: one or more rare earth elements (Sc and Y
The containing)), Nb 12 O 29, CaRuO 3, Ca 1-x R x R
u 1-y Mn y O 3 ( wherein, R: one or more rare earth (S
c and Y), 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Sr
RuO 3 , Ca 1-x Mg x RuO 3 (where 0 ≦ x ≦
1), Ca 1-x Sr x RuO 3 (where 0 <x <1),
BaRuO 3 , Ca 1-x Ba x RuO 3 (where 0 <x
<1), (Ba, Sr) RuO 3 , Ba 1-x K x RuO 3
(Where 0 <x ≦ 1), (R, Na) RuO 3 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), (R, M) RhO 3 (where R : One or more rare earth elements (including Sc and Y), M = Ca, Sr, B
a), SrIrO 3 , BaPbO 3 , (Ba, Sr) P
bO 3-y (where 0 ≦ y <1), BaPb 1-x Bi x O
3 (where 0 <x ≦ 1), Ba 1−x K x BiO 3 (where 0 <x ≦ 1), Sr (Pb, Sb) O 3-y (where 0 ≦ y <1 ), Sr (Pb, Bi) O 3-y (where 0 ≦ y <1), Ba (Pb, Sb) O 3-y (where 0 ≦ y <1), Ba (Pb, Bi) O 3-y (where 0 ≦ y <1), MMoO 3 (where M = Ca, S
r, Ba), (Ba, Ca, Sr) TiO 3-x (where 0 ≦ x) and the like.

【0054】層状ペロブスカイト型酸化物(K2NiF4
型を含む):Rn+1Nin3n+1 (ここで、R:Ba,
Sr,希土類(ScおよびYを含む)のうち一種類以
上,n=1〜5の整数),Rn+1Cun3n+1 (ここ
で、R:Ba,Sr,希土類(ScおよびYを含む)の
うち一種類以上,n=1〜5の整数),Sr2RuO
4 ,Sr2RhO4 ,Ba2RuO4 ,Ba2RhO4
等。
Layered perovskite oxide (K 2 NiF 4)
Type): R n + 1 Ni n O 3n + 1 (where R: Ba,
Sr, rare earth (including Sc and Y) one or more of, n = 1 to 5 integer), R n + 1 Cu n O 3n + 1 ( where, R: Ba, Sr, rare earth (Sc and Y ), At least one of n = 1 to 5), Sr 2 RuO
4 , Sr 2 RhO 4 , Ba 2 RuO 4 , Ba 2 RhO 4
etc.

【0055】パイロクロア型酸化物:R227-y(こ
こで、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含
む),0≦y<1),Tl2Mn27-y (ここで、0≦
y<1),R2Mo27-y (ここで、R:一種類以上の
希土類(ScおよびYを含む),0≦y<1),R2
27-y (ここで、R:Tl,Pb,Bi,希土類
(ScおよびYを含む)のうち一種類以上,0≦y<
1),Bi2-xPbxPt2-x Ru x7-y (ここで、0
≦x≦2,0≦y<1),Pb2(Ru,Pb)O7-y
(ここで、0≦y<1),R2Rh27-y (ここで、
R:Tl,Pb,Bi,Cd,希土類(ScおよびYを
含む)のうち一種類以上,0≦y<1),R2Pd27-
y (ここで、R:Tl,Pb,Bi,Cd,希土類(S
cおよびYを含む)のうち一種類以上,0≦y<1),
2Re27-y (ここで、R:Tl,Pb,Bi,C
d,希土類(ScおよびYを含む)のうち一種類以上,
0≦y<1),R2Os27y (ここで、R:Tl,
Pb,Bi,Cd,希土類(ScおよびYを含む)のう
ち一種類以上,0≦y<1),R2Ir27-y (ここ
で、R:Tl,Pb,Bi,Cd,希土類(Scおよび
Yを含む)のうち一種類以上,0≦y<1),R2Pt2
7-y (ここで、R:Tl,Pb,Bi,Cd,希土類
(ScおよびYを含む)のうち一種類以上,0≦y<
1)等。
Pyrochlore type oxide: RTwoVTwoO7-y(This
Here, R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)
M), 0 ≦ y <1), TlTwoMnTwoO7-y (Where 0 ≦
y <1), RTwoMoTwoO7-y (Where R: one or more
Rare earth (including Sc and Y), 0 ≦ y <1), RTwoR
uTwoO7-y (Where R: Tl, Pb, Bi, rare earth
(Including Sc and Y), 0 ≦ y <
1), Bi2-xPbxPt2-x Ru xO7-y (Where 0
≦ x ≦ 2, 0 ≦ y <1), PbTwo(Ru, Pb) O7-y 
(Where 0 ≦ y <1), RTwoRhTwoO7-y (here,
R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (Sc and Y
), 0 ≦ y <1), RTwoPdTwoO7-
y (Where R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (S
c and Y), 0 ≦ y <1),
RTwoReTwoO7-y (Where R: Tl, Pb, Bi, C
d, one or more of rare earths (including Sc and Y),
0 ≦ y <1), RTwoOsTwoO7y (Where R: Tl,
Pb, Bi, Cd, rare earth (including Sc and Y)
At least one kind, 0 ≦ y <1), RTwoIrTwoO7-y (here
And R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth (Sc and
Y), 0 ≦ y <1), RTwoPtTwo
O7-y (Where R: Tl, Pb, Bi, Cd, rare earth
(Including Sc and Y), 0 ≦ y <
1) etc.

【0056】その他の酸化物:R4Re619 (ここ
で、R:一種類以上の希土類(ScおよびYを含
む)),R4Ru619 (ここで、R:一種類以上の希
土類(ScおよびYを含む)),Bi3Ru311 ,V2
3 ,Ti23 ,Rh23 ,VO2,CrO2 ,Nb
2 ,MoO2 ,WO2 ,ReO2 ,RuO2 ,RhO
2 ,OsO2 ,IrO2 ,PtO2 ,PdO2 ,V35
,Vn2n-1 (n=4から9の整数),SnO2-x
(ここで、0≦x<1),La2Mo27, ,(M,M
o)O(ここで、M=Na,K,Rb,Tl),Mon
3n-1 (n=4,8,9,10),Mo1747 ,Pd
1-xLixO(ここで、x≦0.1)等。Inを含む酸化
物。
Other oxides: R 4 Re 6 O 19 (where R: one or more rare earth elements (including Sc and Y)), R 4 Ru 6 O 19 (where R: one or more kinds Rare earth (including Sc and Y)), Bi 3 Ru 3 O 11 , V 2
O 3 , Ti 2 O 3 , Rh 2 O 3 , VO 2 , CrO 2 , Nb
O 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RuO 2 , RhO
2 , OsO 2 , IrO 2 , PtO 2 , PdO 2 , V 3 O 5
, V n O 2n-1 ( n = 4 to 9 integer), SnO 2-x
(Where 0 ≦ x <1), La 2 Mo 2 O 7 , (M, M
o) O (wherein, M = Na, K, Rb , Tl), Mo n
O 3n-1 (n = 4, 8, 9, 10), Mo 17 O 47 , Pd
1-x Li x O (where x ≦ 0.1) and the like. An oxide containing In.

【0057】これらのうち特に、Inを含む酸化物また
は導電性ペロブスカイト酸化物が好ましく、特にIn2
3 、In23 (Snドープ)、RCoO3 、RMn
3、RNiO3 、R2 CuO4 、(R,Sr)CoO3
、(R,Sr,Ca)RuO3 、(R,Sr)RuO3
、SrRuO3 、(R,Sr)MnO3 (Rは、Yお
よびScを含む希土類)、およびそれらの関連化合物が
好ましい。一般に導電性酸化物、仕事関数が大きくホー
ル注入電極として好ましい。ホール注入電極層にはこれ
らの材料からなる薄膜、それらの2種類以上の多層薄膜
が用いられる。ペロブスカイト酸化物の多くは、不透明
であり、この場合には、電子注入電極に透明ないし光透
過性を有する電極を用い、電子注入電極側から発光光を
外に取り出す。
Among these, oxides containing In or conductive perovskite oxides are particularly preferable, and In 2
O 3 , In 2 O 3 (Sn doped), RCoO 3 , RMn
O 3 , RNiO 3 , R 2 CuO 4 , (R, Sr) CoO 3
, (R, Sr, Ca) RuO 3 , (R, Sr) RuO 3
, SrRuO 3 , (R, Sr) MnO 3 (R is a rare earth containing Y and Sc), and their related compounds are preferred. In general, a conductive oxide has a large work function and is preferable as a hole injection electrode. As the hole injection electrode layer, a thin film made of these materials, or a multilayer thin film of two or more of them is used. Most of perovskite oxides are opaque. In this case, a transparent or light-transmissive electrode is used as an electron injection electrode, and emitted light is extracted from the electron injection electrode side.

【0058】上記発明の素子は、例えば図1に示すよう
に、基板1/ホール注入電極2/無機物層4/有機物層
5/電子注入電極3とが順次積層された構成としてもよ
い。また、図2に示すように、基板1/電子注入電極3
/有機物層5/無機物層4/ホール注入電極2と逆に積
層された構成としてもよい。これらは、たとえば、ディ
スプレーの構造や作製プロセス等により、適宜選択し使
用される。特に、ホール注入電極2に不透明の材料を用
いる場合には、上記図2に示すような構造が好ましい。
また、図1、2において、ホール注入電極2と電子注入
電極3の間には、駆動電源Eが接続されている。
The device of the present invention may have a structure in which a substrate 1, a hole injection electrode 2, an inorganic material layer 4, an organic material layer 5, and an electron injection electrode 3 are sequentially stacked as shown in FIG. In addition, as shown in FIG.
A configuration may be adopted in which the layers are stacked in the reverse order of the organic layer 5 / the inorganic layer 4 / the hole injection electrode 2. These are appropriately selected and used depending on, for example, the structure of the display and the manufacturing process. In particular, when an opaque material is used for the hole injection electrode 2, the structure shown in FIG. 2 is preferable.
1 and 2, a drive power source E is connected between the hole injection electrode 2 and the electron injection electrode 3.

【0059】また、上記発明の素子は、電極層/発光機
能を発現する層(無機物層および有機物層)/電極層/
発光機能を発現する層/電極層/発光機能を発現する層
/電極層・・・と多段に重ねても良い。このような素子
構造により、発光色の色調調整や多色化を行うことがで
きる。
Further, the device of the present invention comprises an electrode layer / a layer exhibiting a light emitting function (an inorganic layer and an organic layer) / an electrode layer /
A layer / electrode layer exhibiting a light emitting function / a layer / electrode layer exhibiting a light emitting function may be stacked in multiple stages. With such an element structure, it is possible to adjust the color tone of the emitted light and to increase the number of colors.

【0060】さらに、本発明素子を、平面上に多数並べ
ても良い。平面上に並べられたそれぞれの素子の発光色
を変えて、カラーのディスプレーにすることができる。
Further, a large number of the elements of the present invention may be arranged on a plane. By changing the emission color of each element arranged on a plane, a color display can be obtained.

【0061】さらに本発明では、Si表面を有する基板
上にバッファ層を設け、このバッファ層上にウルツァイ
ト型化合物薄膜を形成することが好ましい。
Further, in the present invention, it is preferable that a buffer layer is provided on a substrate having a Si surface, and a wurtzite type compound thin film is formed on the buffer layer.

【0062】ウルツァイト型化合物からなる薄膜を、S
i基板上に直接エピタキシャル成長させようとすると、
Si基板表面は非常に反応性に富むためにエピタキシャ
ル成長前に不要な化合物が形成され、これがウルツァイ
ト型化合物のエピタキシャル成長を妨げる。例えばウル
ツァイト型化合物としてZnOを用いる場合、ZnOが
エピタキシャル成長する前に、Si表面に非晶質のSi
2層が薄く形成され、ZnOのエピタキシャル成長を
妨げる場合がある。また、ウルツァイト型化合物として
AlN等の窒化物を用いる場合、窒化物が成長する前
に、Si表面に非晶質のSiN層が薄く形成され、目標
とする窒化物のエピタキシャル成長を妨げる。
A thin film made of a wurtzite type compound was
When trying to epitaxially grow directly on the i-substrate,
Since the surface of the Si substrate is very reactive, unnecessary compounds are formed before the epitaxial growth, which hinders the epitaxial growth of the wurtzite type compound. For example, when ZnO is used as a wurtzite type compound, amorphous Zn is formed on the Si surface before ZnO is epitaxially grown.
The O 2 layer is formed to be thin, which may hinder epitaxial growth of ZnO. When a nitride such as AlN is used as the wurtzite type compound, a thin amorphous SiN layer is formed on the Si surface before the nitride grows, which hinders the epitaxial growth of the target nitride.

【0063】そこで、本発明では、Si表面を有する基
板上にバッファ層を設け、このバッファ層上にウルツァ
イト型化合物薄膜を形成することが好ましい。バッファ
層には、R−Zr系酸化物薄膜、AlOx系薄膜、Na
Cl型窒化物薄膜を用いる。これらの薄膜の少なくとも
1種を含むバッファ層は、Si基板上に、高結晶性かつ
表面平坦性に優れる薄膜として形成することが可能であ
る。そして、上記バッファ層を構成する材料は、ウルツ
ァイト型化合物と結晶構造および格子定数が共に近似し
ているため、上記バッファ層を介することにより、上記
ZnO系薄膜や上記AlGaInN系薄膜などのウルツ
ァイト型の結晶構造をもつ薄膜を、Si基板上にエピタ
キシャル膜として形成することが可能となる。
Therefore, in the present invention, it is preferable to provide a buffer layer on a substrate having a Si surface, and to form a wurtzite type compound thin film on this buffer layer. R-Zr-based oxide thin film, AlOx-based thin film, Na
A Cl-type nitride thin film is used. A buffer layer containing at least one of these thin films can be formed on a Si substrate as a thin film having high crystallinity and excellent surface flatness. Since the material constituting the buffer layer is similar in crystal structure and lattice constant to the wurtzite type compound, the wurtzite type compound such as the ZnO-based thin film or the AlGaInN-based thin film is interposed through the buffer layer. It becomes possible to form a thin film having a crystal structure as an epitaxial film on a Si substrate.

【0064】したがって、本発明によれば、品質の高い
大径の単結晶が容易に得られ、しかも単結晶の中でも極
めて安価なSi基板上に、ウルツァイト型化合物からな
るエピタキシャル膜が存在する発光素子を得ることがで
きる。
Therefore, according to the present invention, a high-quality large-diameter single crystal can be easily obtained, and a light-emitting element in which an epitaxial film made of a wurtzite compound exists on an extremely inexpensive Si substrate among single crystals. Can be obtained.

【0065】本発明で用いるSi単結晶基板は、サファ
イア基板やSiC単結晶基板に比べ安価であるため、安
価なSi基板/無機物層構造が実現できる。
Since the Si single crystal substrate used in the present invention is less expensive than a sapphire substrate or a SiC single crystal substrate, an inexpensive Si substrate / inorganic layer structure can be realized.

【0066】さらに特に本発明のSi基板を用いた場合
の無機物層の構成例を、図3〜図6に示す。図3に示す
Si基板/無機物層構造20は、Si単結晶基板21上
に、バッファ層22とウルツァイト型化合物薄膜23と
をこの順で有する。図4に示すSi基板/無機物層構造
20は、ウルツァイト型化合物薄膜23とウルツァイト
型化合物薄膜23との間に金属薄膜24を有するほかは
図3に示すものと同様である。図5に示すSi基板/無
機物層構造20は、バッファ層22とウルツァイト型化
合物薄膜23との間に金属薄膜24を有するほかは図3
に示すものと同様である。図6に示すSi基板/無機物
層構造20は、バッファ層22と、バッファ層22との
間に金属薄膜24を有するほかは図3に示すものと同様
である。
FIGS. 3 to 6 show examples of the constitution of the inorganic layer particularly when the Si substrate of the present invention is used. The Si substrate / inorganic layer structure 20 shown in FIG. 3 has a buffer layer 22 and a wurtzite type compound thin film 23 on a Si single crystal substrate 21 in this order. The Si substrate / inorganic layer structure 20 shown in FIG. 4 is the same as that shown in FIG. 3 except that a wurtzite type compound thin film 23 and a metal thin film 24 are provided between the wurtzite type compound thin films 23. The Si substrate / inorganic layer structure 20 shown in FIG. 5 has a metal thin film 24 between a buffer layer 22 and a wurtzite type compound thin film 23, except that the structure shown in FIG.
Is the same as that shown in FIG. The Si substrate / inorganic layer structure 20 shown in FIG. 6 is the same as that shown in FIG. 3 except that a buffer layer 22 and a metal thin film 24 are provided between the buffer layers 22.

【0067】バッファ層22が、AlOx系薄膜、R−
Zr系酸化物薄膜およびNaCl型窒化物薄膜から選択
される2種以上を含む積層構造である場合、各薄膜の積
層順は限定されないが、好ましくはR−Zr系酸化物薄
膜を基板側に設ける。なお、図4のウルツァイト型化合
物薄膜23や図6のバッファ層22のように金属薄膜を
挟んで2層に分かれた構成とする場合、上下の層の組成
は同一であってもよく、異なっていてもよい。
The buffer layer 22 is made of an AlOx-based thin film,
In the case of a laminated structure including two or more kinds selected from a Zr-based oxide thin film and a NaCl-type nitride thin film, the laminating order of each thin film is not limited, but preferably, an R-Zr-based oxide thin film is provided on the substrate side. . In the case of a configuration in which the metal thin film is divided into two layers like the wurtzite type compound thin film 23 in FIG. 4 and the buffer layer 22 in FIG. 6, the composition of the upper and lower layers may be the same or different. You may.

【0068】本発明では、このように、Si単結晶基板
上にウルツァイト型化合物薄膜を形成するに際し、両者
の間に所定のバッファ層を介在させる。以下、バッファ
層として前記各薄膜を用いる理由を説明する。
According to the present invention, when a wurtzite type compound thin film is formed on a Si single crystal substrate, a predetermined buffer layer is interposed between the two. Hereinafter, the reason why each of the thin films is used as the buffer layer will be described.

【0069】2層の薄膜を連続して形成する場合、下地
となる薄膜(以下、下地薄膜という)とその上に成長す
る薄膜(以下、成長薄膜という)との間の格子の不整合
度は、ミスマッチ度で表される。例えば、下地薄膜構成
材料のバルク体の格子定数をdsubとし、成長薄膜構成
材料のバルク体の格子定数をdepiとすれば、ミスマッ
チ度δ(単位:%)は、 δ(%)=[(depi−dsub)/dsub]×100 で表される。成長薄膜の格子定数が下地薄膜のそれより
大きければ、δは正の値となる。一方、δが負の場合、
下地薄膜の格子定数が成長薄膜のそれよりも大きいこと
になる。δ=0である場合には、下地薄膜と成長薄膜と
の格子が一致している、すなわち格子が完全に整合して
いることになる。δの符号にかかわらず、δの値が大き
いほど格子不整合度が大きく、格子不整合に起因する歪
みや欠陥等が結晶に導入されやすくなるので、好ましく
ない。
When two thin films are continuously formed, the degree of lattice mismatch between the underlying thin film (hereinafter referred to as an underlying thin film) and the thin film grown thereon (hereinafter referred to as a grown thin film) is as follows. , And the degree of mismatch. For example, if the lattice constant of the bulk body of the underlying thin film constituent material is d sub and the lattice constant of the bulk body of the grown thin film constituent is d epi , the mismatch degree δ (unit:%) is δ (%) = [ (D epi −d sub ) / d sub ] × 100. If the lattice constant of the grown thin film is larger than that of the underlying thin film, δ will be a positive value. On the other hand, if δ is negative,
The lattice constant of the underlying thin film is larger than that of the grown thin film. When δ = 0, the lattices of the underlying thin film and the grown thin film match, that is, the lattices are perfectly matched. Regardless of the sign of δ, the larger the value of δ, the greater the degree of lattice mismatch, and it is not preferable because distortion, defects, and the like due to the lattice mismatch are likely to be introduced into the crystal.

【0070】AlN薄膜等のウルツァイト型化合物薄膜
をSi基板上に直接形成する場合、エピタキシャル成長
時の両結晶の関係は、Si[111]//AlN[000
1]とすると、Si(111)面内の格子定数は0.3
84nm、AlN(0001)面内の格子定数(a軸の格
子定数)は0.311nmなので、ミスマッチ度δは−1
9.0%と大きくなる。
When a wurtzite type compound thin film such as an AlN thin film is formed directly on a Si substrate, the relationship between the two crystals during epitaxial growth is Si [111] // AlN [000
1], the lattice constant in the Si (111) plane is 0.3
Since the lattice constant (lattice constant of the a-axis) in the AlN (0001) plane is 0.311 nm, the degree of mismatch δ is −1.
It becomes as large as 9.0%.

【0071】これに対し、本発明におけるバッファ層と
してR−Zr系酸化物薄膜、例えばYSZ(ZrO2
Yを添加した安定化ジルコニア)薄膜を用いる場合、Y
SZ結晶は、通常、立方晶であり、そのa軸の格子定数
(k)は0.520nmなので、図7に示すようにYSZ
(111)面(i)内の格子定数(j)は0.368nm
となり、YSZ(111)面(i)内の格子がAlN
(0001)面内の格子と整合して、そのときのδは−
15.5%となる。したがって、Si基板上にYSZ薄
膜からなるバッファ層を設けることにより、Si基板上
にAlN薄膜を直接形成した場合に対しミスマッチ度が
改善され、AlN薄膜をエピタキシャル膜として形成す
ることが可能となる。なお、図7は、YSZ立方晶の結
晶構造を示した格子モデルで、a,b,cは、それぞれ
a軸、b軸、c軸方向を示し、iは(111)面を、j
は(111)面内の格子定数を、kはa軸の格子定数
(k=0.5204nm)をそれぞれ表している。
On the other hand, when an R—Zr-based oxide thin film such as a YSZ (stabilized zirconia in which Y is added to ZrO 2 ) thin film is used as the buffer layer in the present invention, Y
The SZ crystal is usually cubic and its a-axis lattice constant (k) is 0.520 nm. Therefore, as shown in FIG.
The lattice constant (j) in the (111) plane (i) is 0.368 nm
And the lattice in the YSZ (111) plane (i) is AlN
Matching with the lattice in the (0001) plane, δ at that time is −
15.5%. Therefore, by providing the buffer layer made of the YSZ thin film on the Si substrate, the degree of mismatch is improved as compared with the case where the AlN thin film is directly formed on the Si substrate, and the AlN thin film can be formed as an epitaxial film. FIG. 7 is a lattice model showing the crystal structure of the YSZ cubic crystal, where a, b, and c indicate the a-axis, b-axis, and c-axis directions, respectively, i indicates the (111) plane, and j indicates the j-axis.
Represents the lattice constant in the (111) plane, and k represents the lattice constant of the a-axis (k = 0.5204 nm).

【0072】また、バッファ層として上記YSZを用
い、ウルツァイト型化合物薄膜としてGaN薄膜を用い
る場合、YSZ(111)面内の格子とGaN(000
1)面内の格子(格子定数0.319nm)とが整合し、
そのときのδは−13.3%と小さくなる。
When the above-mentioned YSZ is used as the buffer layer and the GaN thin film is used as the wurtzite type compound thin film, the lattice in the YSZ (111) plane and the GaN (000)
1) The in-plane lattice (lattice constant 0.319 nm) matches,
At that time, δ becomes as small as −13.3%.

【0073】また、YSZに替えてYb23、Lu
23、Sc23を用いれば、(111)面内の格子定数
はそれぞれ0.3679nm、0.3674nm、0.34
81nmとなり、GaN(0001)面とのマッチングは
さらに良好となる。
In place of YSZ, Yb 2 O 3 , Lu
When 2 O 3 and Sc 2 O 3 are used, the lattice constants in the (111) plane are 0.3679 nm, 0.3674 nm, and 0.34 nm, respectively.
81 nm, and the matching with the GaN (0001) plane is further improved.

【0074】また、YSZに替えてTiN、ZrNを用
いれば、(111)面内の格子定数はそれぞれ0.30
0nm、0.326nmとなり、GaN(0001)面との
ミスマッチ度はそれぞれ+6.33%、−2.15%と
極めて小さくなる。
When TiN and ZrN are used in place of YSZ, the lattice constant in the (111) plane is 0.30 each.
0 nm and 0.326 nm, and the degree of mismatch with the GaN (0001) plane is extremely small at + 6.33% and -2.15%, respectively.

【0075】本発明のSi基板/無機物層構造を利用し
た窒化物半導体装置では、ウルツァイト型化合物薄膜の
上に、窒化物半導体層やその下地となる窒化物層が形成
される。これらの窒化物層は、一般に GaxInyAl1-x-yN (0≦x≦1、0≦x+y≦
1) で表される組成をもつウルツァイト型結晶から構成され
るので、ウルツァイト型化合物薄膜との間で格子整合性
が極めて良好となる。具体的には、ウルツァイト型化合
物薄膜として用いられるZnO系薄膜およびAlGaI
nN系薄膜の構成材料、例えばZnO結晶およびAlN
結晶では、(0001)面内の格子定数がそれぞれ0.
325nmおよび0.311nmであり、窒化物半導体層ま
たはその下地層にGaNを用いる場合には、ウルツァイ
ト型化合物薄膜の(0001)面内の格子がGaN(0
001)面内の格子と整合し、そのときのδはZnOで
は−1.85%、AlNでは+2.57%と極めて小さ
くなる。
In the nitride semiconductor device using the Si substrate / inorganic layer structure of the present invention, a nitride semiconductor layer and a nitride layer serving as a base are formed on a wurtzite type compound thin film. These nitride layers are generally composed of Ga x In y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦
1) Since it is composed of a wurtzite type crystal having a composition represented by the following formula, the lattice matching with the wurtzite type compound thin film becomes extremely good. Specifically, a ZnO-based thin film used as a wurtzite type compound thin film and AlGaI
Constituent materials of the nN-based thin film, for example, ZnO crystal and AlN
In the crystal, the lattice constants in the (0001) plane are each 0.1.
325 nm and 0.311 nm, and when GaN is used for the nitride semiconductor layer or its underlying layer, the lattice in the (0001) plane of the wurtzite type compound thin film is GaN (0
(001) It matches with the lattice in the plane, and δ at that time is extremely small, −1.85% for ZnO and + 2.57% for AlN.

【0076】また、金属薄膜の構成材料、例えばPt結
晶では、(111)面内の格子定数が0.554nmであ
る。この格子は1/2でGaN(0001)面内の格子
と整合し、そのときのδは+15.1%と小さいので、
ウルツァイト型化合物薄膜の下や上に金属薄膜を設けて
も、Si基板/無機物層構造表面の結晶性はほとんど乱
れない。
In the constituent material of the metal thin film, for example, a Pt crystal, the lattice constant in the (111) plane is 0.554 nm. This lattice is 1 / and matches the lattice in the GaN (0001) plane, and δ at that time is as small as + 15.1%.
Even if a metal thin film is provided below or above the wurtzite type compound thin film, the crystallinity of the surface of the Si substrate / inorganic layer structure is hardly disturbed.

【0077】また、組成の異なる2種以上の薄膜の積層
体からなるバッファ層、および、厚さ方向で組成が徐々
に変化する傾斜構造膜であるバッファ層では、バッファ
層最表面の結晶格子と、ウルツァイト型化合物からなる
ウルツァイト型化合物薄膜の結晶格子のミスフィットを
さらに小さくすることが可能なので、結晶性のより高い
ウルツァイト型化合物薄膜の形成が可能となる。例えば
(111)配向のYSZからなるバッファ層上に(00
01)配向のAlNからなるウルツァイト型化合物薄膜
を形成した場合のδは、上記したように−15.5%で
あるが、バッファ層をYSZ薄膜とZrN薄膜(NaC
l型窒化物薄膜)との積層構造として、AlN薄膜にZ
rN薄膜が接する構成とすることにより、δをより小さ
くすることができる。ZrNのa軸の格子定数は0.4
61nmなので、ZrN膜における(111)面内の格子
定数は、(21/2×0.461)/2=0.326nmで
ある。この格子はAlN(0001)面内の格子と整合
し、そのときのδは−4.6%となるので、ミスマッチ
度を大きく改善することができる。
In the case of a buffer layer composed of a laminate of two or more thin films having different compositions and a buffer layer having a gradient structure in which the composition gradually changes in the thickness direction, the crystal lattice at the outermost surface of the buffer layer is Since the misfit of the crystal lattice of the wurtzite compound thin film made of the wurtzite compound can be further reduced, a wurtzite compound thin film having higher crystallinity can be formed. For example, (00) is placed on a buffer layer made of YSZ of (111) orientation.
When a wurtzite type compound thin film made of AlN of the (01) orientation is formed, δ is −15.5% as described above, but the buffer layer is made of a YSZ thin film and a ZrN thin film (NaC thin film).
(Al-Nitride thin film)
With the configuration in which the rN thin film is in contact, δ can be further reduced. The lattice constant of the a-axis of ZrN is 0.4
Since it is 61 nm, the lattice constant in the (111) plane in the ZrN film is (2 1/2 × 0.461) /2=0.326 nm. This lattice matches with the lattice in the AlN (0001) plane, and δ at that time becomes −4.6%, so that the degree of mismatch can be greatly improved.

【0078】バッファ層を積層構造とすることによる効
果は、ミスマッチ度の改善に限らず、例えば、薄膜積層
構造体全体の応力の減少や、Si基板/無機物層構造の
特性改善(温度特性の改善等)などが挙げられる。
The effect of the buffer layer having a laminated structure is not limited to the improvement of the degree of mismatch. For example, the stress of the entire thin film laminated structure can be reduced, and the characteristics of the Si substrate / inorganic layer structure can be improved (temperature characteristics can be improved). Etc.).

【0079】このように本発明では、Si基板上に所定
のバッファ層を介してウルツァイト型化合物薄膜を形成
することにより、Si基板上に直接ウルツァイト型化合
物薄膜を形成した場合に比べ格子不整合度が小さくなる
ので、結晶性の高いウルツァイト型化合物からなるウル
ツァイト型化合物薄膜を形成することができる。
As described above, in the present invention, by forming a wurtzite type compound thin film on a Si substrate via a predetermined buffer layer, the degree of lattice mismatch can be reduced as compared with the case where a wurtzite type compound thin film is formed directly on a Si substrate. Is reduced, so that a wurtzite compound thin film made of a wurtzite compound having high crystallinity can be formed.

【0080】次に、本発明中のSi基板/無機物層構造
を構成する基板および各薄膜の構成について詳細に説明
する。
Next, the structure of the substrate and each thin film constituting the Si substrate / inorganic layer structure in the present invention will be described in detail.

【0081】基板 基板には、Si単結晶を表面に有するものを用いる。基
板表面は、Si単結晶の(111)面または(100)
面から構成されていることが好ましく、特に(111)
面から構成されていることが好ましい。また、条件によ
っては基板上に形成される各種薄膜にクラックが生じる
場合があるが、基板の厚さを好ましくは10〜100μ
m 程度、より好ましくは25〜75μm 程度と薄くする
ことにより、このようなクラックの発生を抑えることが
できる。
Substrate A substrate having a Si single crystal on its surface is used. The substrate surface may be a (111) plane or a (100) plane of a Si single crystal.
It is preferable that it is composed of a plane,
It is preferable that it is composed of surfaces. Depending on conditions, cracks may occur in various thin films formed on the substrate, but the thickness of the substrate is preferably 10 to 100 μm.
By reducing the thickness to about m, more preferably about 25 to 75 μm, the occurrence of such cracks can be suppressed.

【0082】バッファ層 結晶性の高いウルツァイト型化合物薄膜を形成するため
には、バッファ層は、結晶性および表面平坦性に優れる
ものであることが好ましい。具体的には、バッファ層を
構成する薄膜は、X線回折による(111)面の反射の
ロッキングカーブの半値幅が1.50°以下となる程度
の結晶性を有していることが好ましい。また、バッファ
層を構成する薄膜の表面性を、AFM(原子間力顕微
鏡)により測定される表面粗さRz(十点平均粗さ、基
準長さ500nm)で表したとき、Rzは、好ましくは2
nm以下、より好ましくは0.60nm以下である。なお、
このような表面粗さは、表面の好ましくは80%以上、
より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以
上の領域で実現していることが望ましい。上記表面粗さ
は、基板全面にわたって薄膜を形成したときに、面積1
0cm2以上の領域にわたって平均に分布した任意の10
箇所以上を測定しての値である。本明細書において、薄
膜表面の例えば80%以上でRzが2nm以下であると
は、上記のように10箇所以上を測定したときにその8
0%以上の箇所でRzが2nm以下であることを意味す
る。なお、表面粗さRzは、JIS B 0610に規定されてい
る。
Buffer Layer In order to form a wurtzite compound thin film having high crystallinity, the buffer layer is preferably excellent in crystallinity and surface flatness. Specifically, the thin film constituting the buffer layer preferably has such crystallinity that the half width of the rocking curve of the reflection on the (111) plane by X-ray diffraction is 1.50 ° or less. When the surface property of the thin film constituting the buffer layer is represented by a surface roughness Rz (ten-point average roughness, reference length 500 nm) measured by AFM (atomic force microscope), Rz is preferably 2
nm or less, and more preferably 0.60 nm or less. In addition,
Such surface roughness is preferably 80% or more of the surface,
More preferably, it is desired to be realized in a region of 90% or more, and further preferably 95% or more. When the thin film is formed over the entire surface of the substrate, the surface roughness is 1 area.
Any 10 distributed on average over an area of 0 cm 2 or more
It is a value obtained by measuring more than points. In the present specification, Rz of 2 nm or less at, for example, 80% or more of the surface of the thin film means that Rz is 8 when measured at 10 or more locations as described above.
It means that Rz is equal to or less than 2 nm at a location of 0% or more. The surface roughness Rz is specified in JIS B 0610.

【0083】バッファ層を構成する薄膜におけるロッキ
ングカーブの半値幅およびRzの下限値は特になく、小
さいほど好ましいが、現在のところ、ロッキングカーブ
の半値幅の下限値は、一般に0.7°程度、特に0.4
°程度、上記Rzの下限値は0.10nm程度である。
There is no particular lower limit of the half width of the rocking curve and the lower limit of Rz in the thin film constituting the buffer layer, and the smaller the lower, the better. At present, the lower limit of the half width of the rocking curve is generally about 0.7 °, Especially 0.4
° and the lower limit of Rz is about 0.10 nm.

【0084】なお、バッファ層を構成する薄膜のRHE
ED像がストリークであって、しかもシャープである場
合、その薄膜は結晶性および表面平坦性が優れているこ
とになる。このことは、ウルツァイト型化合物薄膜や金
属薄膜など他の薄膜についても同様である。
The RHE of the thin film constituting the buffer layer
When the ED image is streak and sharp, the thin film has excellent crystallinity and surface flatness. The same applies to other thin films such as a wurtzite type compound thin film and a metal thin film.

【0085】AlOx系薄膜 AlOx系薄膜は、AlおよびOを主成分とするエピタ
キシャル膜である。
AlOx-based thin film The AlOx-based thin film is an epitaxial film containing Al and O as main components.

【0086】AlOx系薄膜は、基板と平行にc面が配
向した薄膜、すなわち(0001)配向膜または(11
1)配向膜であり、好ましくは単一配向膜、より好まし
くはエピタキシャル膜である。単一配向膜は、結晶性お
よび表面性が良好であるため好ましく、エピタキシャル
膜は、結晶性および表面性がさらに優れるので、より好
ましい。
The AlOx-based thin film has a c-plane oriented parallel to the substrate, that is, a (0001) oriented film or (11)
1) An alignment film, preferably a single alignment film, more preferably an epitaxial film. A single orientation film is preferable because of its good crystallinity and surface properties, and an epitaxial film is more preferable because of its further excellent crystallinity and surface properties.

【0087】なお、本明細書における単一配向膜とは、
X線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の
ものの反射のピーク強度が目的とする面の最大ピーク強
度の10%以下、好ましくは5%以下である膜である。
例えば、(0001)単一配向膜、すなわちc面単一配
向膜は、膜の2θ−θX線回折で(000L)面以外の
反射ピークの強度が、(000L)面反射の最大ピーク
強度の10%以下、好ましくは5%以下の膜である。な
お、本明細書において(000L)は、(0001)や
(0002)などの等価な面を総称する表示である。ま
た、例えば(111)単一配向膜は、(LLL)面以外
の反射ピークの強度が、(LLL)面反射の最大ピーク
強度の10%以下、好ましくは5%以下の膜である。な
お、(LLL)は、(111)や(222)などの等価
な面を総称する表示である。
Note that a single alignment film in this specification is
When the measurement is performed by X-ray diffraction, the film has a peak intensity of reflection of an object other than the target surface of 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the target surface.
For example, in a (0001) single orientation film, that is, a c-plane single orientation film, the intensity of the reflection peak other than the (000L) plane in the 2θ-θ X-ray diffraction is 10% of the maximum peak intensity of the (000L) plane reflection. % Or less, preferably 5% or less. Note that in this specification, (000L) is a general term for equivalent surfaces such as (0001) and (0002). Further, for example, the (111) single orientation film is a film in which the intensity of the reflection peak other than the (LLL) plane is 10% or less, preferably 5% or less of the maximum peak intensity of the (LLL) plane reflection. Note that (LLL) is a general term for equivalent surfaces such as (111) and (222).

【0088】また、本明細書におけるエピタキシャル膜
とは、上記単一配向膜において、膜面内をX−Y面と
し、膜厚方向をZ軸としたとき、結晶がX軸、Y軸およ
びZ軸方向にともに揃って配向しているものである。こ
のような配向は、RHEED評価でスポットまたはスト
リークパターンを示すことで確認できる。なお、RHE
EDとは、反射高速電子線回折(Reflection High Ener
gy Electron Diffraction)であり、RHEED評価
は、膜面内における結晶軸の配向の指標である。
Further, the epitaxial film in this specification refers to a crystal having an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis when the film plane is the XY plane and the film thickness direction is the Z axis in the single orientation film. Both are aligned in the axial direction. Such an orientation can be confirmed by showing a spot or streak pattern in the RHEED evaluation. In addition, RHE
ED stands for Reflection High Ener
gy Electron Diffraction), and the RHEED evaluation is an index of the orientation of the crystal axis in the film plane.

【0089】AlOx系薄膜の厚さは、好ましくは1〜
1000nm、より好ましくは3〜50nmである。AlO
x系薄膜が薄すぎると、均質な連続膜とすることが困難
となり、厚すぎると、優れた表面性が得られにくくな
る。
The thickness of the AlOx-based thin film is preferably 1 to
It is 1000 nm, more preferably 3 to 50 nm. AlO
If the x-based thin film is too thin, it becomes difficult to form a uniform continuous film, and if it is too thick, it becomes difficult to obtain excellent surface properties.

【0090】R−Zr系酸化物薄膜 R−Zr系酸化物薄膜は、単独でバッファ層として用い
てもよく、AlOx系薄膜やNaCl型窒化物薄膜と積
層してバッファ層としてもよい。積層する場合、R−Z
r系酸化物薄膜は、AlOx系薄膜やNaCl型窒化物
薄膜の下地層として設けることが好ましい。R−Zr系
酸化物薄膜を下地層として設けることにより、AlOx
系薄膜やNaCl型窒化物薄膜の剥離を防ぐことができ
る。また、R−Zr系酸化物薄膜は、AlOx系薄膜や
NaCl型窒化物薄膜との格子整合性が良好であるた
め、特に、これらの薄膜を比較的厚く形成する場合に
は、これらの薄膜のエピタキシャル成長を助け、その結
晶性向上に寄与する。ただし、AlOx系薄膜やNaC
l型窒化物薄膜が比較的薄い場合には、R−Zr系酸化
物薄膜を設けなくてもAlOx系薄膜やNaCl型窒化
物薄膜の結晶性は良好となる。
R-Zr-based oxide thin film The R-Zr-based oxide thin film may be used alone as a buffer layer, or may be stacked as an AlOx-based thin film or a NaCl-type nitride thin film to form a buffer layer. When laminating, R-Z
The r-based oxide thin film is preferably provided as a base layer of an AlOx-based thin film or a NaCl-type nitride thin film. By providing an R-Zr-based oxide thin film as an underlayer, AlOx
The peeling of the base thin film and the NaCl type nitride thin film can be prevented. Further, the R-Zr-based oxide thin film has good lattice matching with the AlOx-based thin film and the NaCl-type nitride thin film. It assists in epitaxial growth and contributes to improving its crystallinity. However, AlOx-based thin films and NaC
When the l-type nitride thin film is relatively thin, the crystallinity of the AlOx-based thin film and the NaCl-type nitride thin film is improved without providing the R-Zr-based oxide thin film.

【0091】R−Zr系酸化物薄膜は、希土類元素(S
cおよびYを含む)の酸化物および/または酸化ジルコ
ニウムを主成分とするエピタキシャル膜である。
The R—Zr-based oxide thin film is made of a rare earth element (S
(including c and Y) and / or zirconium oxide.

【0092】希土類元素の酸化物は、Yb23、Tm2
3、Er23、Y23、Ho23、Gd23、Dy2
3、Tb23、Pr23、Nd23、CeO2、Eu
23、Sm23、La23、Sc23またはLu23
ら構成されることが好ましく、前述した格子定数のマッ
チングを考慮すると、Yb23、Sc23またはLu2
3から構成されることがより好ましい。なお、希土類
元素の酸化物は、これらから選択される2種以上の酸化
物の固溶体から構成されていてもよい。希土類元素を2
種以上含むとき、その比率は任意である。なお、これら
の酸化物は、化学量論組成から偏倚していてもよい。
Oxides of rare earth elements include Yb 2 O 3 and Tm 2
O 3 , Er 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Dy 2 O
3, Tb 2 O 3, Pr 2 O 3, Nd 2 O 3, CeO 2, Eu
It is preferably composed of 2 O 3 , Sm 2 O 3 , La 2 O 3 , Sc 2 O 3 or Lu 2 O 3. Considering the lattice constant matching described above, Yb 2 O 3 , Sc 2 O 3 Or Lu 2
More preferably, it is composed of O 3 . The rare earth element oxide may be composed of a solid solution of two or more oxides selected from these. 2 rare earth elements
When containing more than one species, the ratio is arbitrary. Note that these oxides may deviate from the stoichiometric composition.

【0093】酸化ジルコニウムは、組成が実質的にZr
2であることが好ましいが、化学量論組成から偏倚し
ていてもよい。
Zirconium oxide has a composition substantially equal to Zr.
O 2 is preferred, but may deviate from the stoichiometric composition.

【0094】R−Zr系酸化物薄膜が希土類元素酸化物
と酸化ジルコニウムとの固溶体である場合、固溶比率は
任意である。ただし、表面平坦性を良好にするために
は、R−Zr系酸化物薄膜を、実質的に希土類元素酸化
物から構成するか、実質的に酸化ジルコニウムから構成
することが好ましい。また、酸化ジルコニウムを主成分
とする場合、酸化ジルコニウムの純度が高いほど絶縁抵
抗も高くなり、リーク電流も小さくなることから、絶縁
特性を必要とする場合には好ましい。酸化ジルコニウム
を主成分とする場合には、薄膜中の酸素を除く構成元素
中におけるZrの比率は、好ましくは93mol%超、より
好ましくは95mol%以上、さらに好ましくは98mol%以
上、最も好ましくは99.5mol%以上である。高純度の
酸化ジルコニウム薄膜において、酸素およびZrを除く
構成元素は、通常、希土類元素やPなどである。なお、
Zrの比率の上限は、現在のところ99.99mol%程度
である。また、現在の高純度化技術ではZrO2とHf
2との分離は難しいので、ZrO2の純度は、通常、Z
r+Hfでの純度を指している。したがって、本明細書
におけるZrO2の純度は、HfとZrとを同元素とみ
なして算出された値であるが、HfO2は本発明におけ
るR−Zr系酸化物薄膜においてZrO2と全く同様に
機能するため、問題はない。
When the R—Zr-based oxide thin film is a solid solution of a rare earth element oxide and zirconium oxide, the solid solution ratio is arbitrary. However, in order to improve the surface flatness, it is preferable that the R-Zr-based oxide thin film be substantially composed of a rare earth element oxide or substantially composed of zirconium oxide. In the case where zirconium oxide is the main component, the higher the purity of zirconium oxide, the higher the insulation resistance and the smaller the leakage current. When zirconium oxide is the main component, the ratio of Zr in the constituent elements excluding oxygen in the thin film is preferably more than 93 mol%, more preferably 95 mol% or more, further preferably 98 mol% or more, and most preferably 99 mol% or more. 0.5 mol% or more. In the high-purity zirconium oxide thin film, constituent elements other than oxygen and Zr are usually rare earth elements, P, and the like. In addition,
The upper limit of the ratio of Zr is currently about 99.99 mol%. Also, with the current high-purity technology, ZrO 2 and Hf
Since separation from O 2 is difficult, the purity of ZrO 2 is usually Z
It refers to the purity at r + Hf. Therefore, the purity of ZrO 2 in the present specification is a value calculated by considering Hf and Zr as the same element, but HfO 2 is exactly the same as ZrO 2 in the R-Zr-based oxide thin film of the present invention. There is no problem to work.

【0095】R−Zr系酸化物薄膜には、特性改善のた
めに添加物を導入してもよい。例えば、CaやMgなど
のアルカリ土類元素をドーピングすると、膜のピンホー
ルが減少し、リークを抑制することができる。また、A
lおよびSiは、膜の抵抗率を向上させる効果がある。
さらに、Mn、Fe、Co、Niなどの遷移元素は、膜
中において不純物による準位(トラップ準位)を形成す
ることができ、この準位を利用することにより導電性の
制御が可能になる。
An additive may be introduced into the R-Zr-based oxide thin film for improving the characteristics. For example, doping with an alkaline earth element such as Ca or Mg reduces pinholes in the film and can suppress leakage. Also, A
1 and Si have the effect of improving the resistivity of the film.
Further, transition elements such as Mn, Fe, Co, and Ni can form levels (trap levels) due to impurities in the film, and the use of these levels enables control of conductivity. .

【0096】R−Zr系酸化物薄膜は、AlOx系薄膜
またはウルツァイト型化合物薄膜に対し格子定数のマッ
チングが良好である必要があり、AlOx系材料および
ウルツァイト型化合物薄膜構成材料はいずれも六方晶系
の結晶から構成されるため、R−Zr系酸化物薄膜は、
(111)配向のエピタキシャル膜から構成されること
が好ましい。ただし、後述する金属薄膜は、下地となる
薄膜が(001)配向であっても(111)配向となる
ため、R−Zr系酸化物薄膜上に金属薄膜を設ける場合
には、R−Zr系酸化物薄膜が(001)配向の薄膜で
あってもよい。
The R-Zr-based oxide thin film needs to have a good lattice constant matching with the AlOx-based thin film or the wurtzite-type compound thin film. R-Zr-based oxide thin film
It is preferable to be composed of an epitaxial film of (111) orientation. However, since a metal thin film described later has a (111) orientation even when a base thin film has a (001) orientation, when a metal thin film is provided on an R-Zr-based oxide thin film, an R-Zr-based oxide thin film is used. The oxide thin film may be a (001) oriented thin film.

【0097】R−Zr系酸化物薄膜のうち希土類元素酸
化物薄膜は、Si(111)基板上に形成する場合でも
Si(100)基板上に形成する場合でも(111)配
向となる。なお、Si(100)基板上に形成する場合
には、希土類元素酸化物薄膜をPr23から構成するこ
とが好ましい。Pr23から構成することにより、結晶
性の高い薄膜が得られる。一方、R−Zr系酸化物薄膜
のうち酸化ジルコニウム薄膜は、Si(111)基板上
では(111)配向となるが、Si(100)基板上で
は(001)配向となる。
[0097] Of the R-Zr-based oxide thin films, the rare earth element oxide thin film has a (111) orientation whether formed on a Si (111) substrate or formed on a Si (100) substrate. When formed on a Si (100) substrate, it is preferable that the rare earth oxide thin film is composed of Pr 2 O 3 . By using Pr 2 O 3 , a thin film having high crystallinity can be obtained. On the other hand, among the R-Zr-based oxide thin films, the zirconium oxide thin film has a (111) orientation on a Si (111) substrate, but has a (001) orientation on a Si (100) substrate.

【0098】R−Zr系酸化物薄膜の好ましい厚さは用
途によって異なるが、好ましくは5〜500nm、より好
ましくは10〜50nmである。R−Zr系酸化物薄膜
は、その結晶性、表面性、絶縁性を損なわない程度に薄
いことが好ましいが、R−Zr系酸化物薄膜を絶縁層と
して用いる場合には、10〜500nm程度のものが好ま
しい。
The preferred thickness of the R-Zr-based oxide thin film varies depending on the application, but is preferably 5 to 500 nm, more preferably 10 to 50 nm. The R-Zr-based oxide thin film is preferably thin enough not to impair its crystallinity, surface properties, and insulating properties. However, when the R-Zr-based oxide thin film is used as an insulating layer, the R-Zr-based oxide thin film has a thickness of about 10 to 500 nm. Are preferred.

【0099】なお、R−Zr系酸化物薄膜は、組成の異
なる2種以上の薄膜を積層したものであってもよく、厚
さ方向において組成が徐々に変化する傾斜構造膜であっ
てもよい。
The R-Zr-based oxide thin film may be a laminate of two or more thin films having different compositions, or may be a gradient structure film whose composition gradually changes in the thickness direction. .

【0100】NaCl型窒化物薄膜 NaCl型窒化物薄膜は、窒化チタン、窒化ニオブ、窒
化タンタルおよび窒化ジルコニウムから選択される1種
から構成されるか、これらの2種以上を含む固溶体から
構成されるエピタキシャル膜である。
NaCl-type nitride thin film The NaCl-type nitride thin film is composed of one selected from titanium nitride, niobium nitride, tantalum nitride and zirconium nitride, or is composed of a solid solution containing two or more of these. It is an epitaxial film.

【0101】NaCl型窒化物薄膜が2種以上の窒化物
の固溶体から構成される場合、窒化物の構成比率は任意
である。なお、NaCl型窒化物薄膜に含まれる窒化物
は、化学量論組成から偏倚していてもよい。
When the NaCl-type nitride thin film is composed of a solid solution of two or more nitrides, the composition ratio of the nitride is arbitrary. The nitride contained in the NaCl-type nitride thin film may deviate from the stoichiometric composition.

【0102】NaCl型窒化物薄膜は、その上に形成さ
れるウルツァイト型化合物からなるウルツァイト型化合
物薄膜との間で、格子定数を好ましくマッチングさせる
ことにより、結晶性の高いウルツァイト型化合物薄膜を
形成する役割を果たす。NaCl型窒化物薄膜に接して
形成されるウルツァイト型化合物薄膜は六方晶なので、
NaCl型窒化物薄膜は基板表面と平行に(111)面
が配向したエピタキシャル膜であることが好ましい。
The NaCl-type nitride thin film forms a wurtzite-type compound thin film having high crystallinity by preferably matching a lattice constant with a wurtzite-type compound thin film formed of a wurtzite-type compound formed thereon. Play a role. Since the wurtzite type compound thin film formed in contact with the NaCl type nitride thin film is hexagonal,
The NaCl-type nitride thin film is preferably an epitaxial film in which the (111) plane is oriented parallel to the substrate surface.

【0103】なお、NaCl型窒化物薄膜は、Si(1
11)基板上に直接形成するか、(111)配向の酸化
物バッファ層の上に形成する。いずれの場合も、NaC
l型窒化物薄膜は(111)配向のエピタキシャル膜と
なる。
Incidentally, the NaCl type nitride thin film is made of Si (1
11) Form directly on the substrate or on the (111) oriented oxide buffer layer. In each case, NaC
The l-type nitride thin film becomes an epitaxial film of (111) orientation.

【0104】NaCl型窒化物薄膜の好ましい厚さは、
好ましくは5〜500nm、より好ましくは10〜50nm
である。NaCl型窒化物薄膜は、その結晶性、表面性
を損なわない程度に薄いことが好ましい。
The preferable thickness of the NaCl type nitride thin film is as follows:
Preferably 5 to 500 nm, more preferably 10 to 50 nm
It is. The NaCl-type nitride thin film is preferably thin enough not to impair its crystallinity and surface properties.

【0105】なお、NaCl型窒化物薄膜は、組成の異
なる2種以上の薄膜を積層したものであってもよく、厚
さ方向において組成が徐々に変化する傾斜構造膜であっ
てもよい。
The NaCl-type nitride thin film may be a laminate of two or more thin films having different compositions, or may be a gradient structure film whose composition gradually changes in the thickness direction.

【0106】ウルツァイト型化合物薄膜 ウルツァイト型化合物薄膜は、ウルツアイト型の結晶構
造を有する化合物から構成されるエピタキシャル膜であ
り、好ましくは、基板表面と平行に(0001)面が配
向したものである。
Wolzite-Type Compound Thin Film A wurtzite-type compound thin film is an epitaxial film composed of a compound having a wurtzite-type crystal structure, and preferably has a (0001) plane oriented parallel to the substrate surface.

【0107】本発明では、表面にSi(100)面を有
する基板と、前述した(111)配向のR−Zr系酸化
物薄膜や後述する(111)配向の金属薄膜とを利用す
ることにより、基板とウルツァイト型化合物薄膜との間
における結晶格子の関係を、Si(100)//ウルツア
イト型化合物(0001)かつSi(110)//ウルツ
アイト型化合物(1−100)とすることができる。し
たがって、本発明は、結晶の劈開を利用して製造される
デバイスへの応用に特に適する。
In the present invention, the use of a substrate having a Si (100) surface on the surface and the aforementioned (111) oriented R-Zr-based oxide thin film or the (111) oriented metal thin film described later is used. The crystal lattice relationship between the substrate and the wurtzite type compound thin film can be Si (100) // wurtzite type compound (0001) and Si (110) // wurtzite type compound (1-100). Therefore, the present invention is particularly suitable for application to a device manufactured using cleavage of a crystal.

【0108】高特性のSi基板/無機物層構造を製造す
るためには、ウルツァイト型化合物薄膜が結晶性および
表面平坦性に優れるものであることが好ましい。具体的
には、ウルツァイト型化合物薄膜は、X線回折における
(0001)面の反射のロッキングカーブの半値幅が
2.50°以下となる程度の結晶性を有していることが
好ましい。また、ウルツァイト型化合物薄膜の表面性
を、AFM(原子間力顕微鏡)により測定される表面粗
さRz(十点平均粗さ、基準長さ500nm)で表したと
き、Rzは、好ましくは20nm以下、より好ましくは1
0nm以下である。なお、このような表面粗さは、表面の
好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さ
らに好ましくは95%以上の領域で実現していることが
望ましい。上記表面粗さは、基板全面にわたってウルツ
ァイト型化合物薄膜を形成したときに、面積10cm2
上の領域にわたって平均に分布した任意の10箇所以上
を測定しての値である。
In order to produce a high-performance Si substrate / inorganic layer structure, it is preferable that the wurtzite type compound thin film has excellent crystallinity and surface flatness. Specifically, the wurtzite type compound thin film preferably has such crystallinity that the half width of the rocking curve of reflection on the (0001) plane in X-ray diffraction is 2.50 ° or less. When the surface property of the wurtzite type compound thin film is represented by surface roughness Rz (ten-point average roughness, reference length 500 nm) measured by AFM (atomic force microscope), Rz is preferably 20 nm or less. , More preferably 1
0 nm or less. In addition, it is desirable that such surface roughness is realized in a region of preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and still more preferably 95% or more of the surface. The surface roughness is a value obtained by measuring 10 or more arbitrary locations distributed on average over a region having an area of 10 cm 2 or more when a wurtzite type compound thin film is formed over the entire surface of the substrate.

【0109】ウルツァイト型化合物薄膜におけるロッキ
ングカーブの半値幅およびRzの下限値は特になく、小
さいほど好ましいが、現在のところ、ロッキングカーブ
の半値幅の下限値は、一般に1.7°程度、特に1.0
°程度、上記Rzの下限値は0.10nm程度である。
There is no particular lower limit of the half width of the rocking curve and the lower limit of Rz in the wurtzite type compound thin film, and the smaller the value, the better. .0
° and the lower limit of Rz is about 0.10 nm.

【0110】なお、ウルツァイト型化合物薄膜の表面を
研磨して、平坦性を向上させてもよい。研磨には、アル
カリ溶液等を用いる化学的研磨、コロイダルシリカ等を
用いる機械的研磨、化学的研磨と機械的研磨との併用な
どを利用すればよい。このような研磨は、ウルツァイト
型化合物薄膜以外の各層に対して行ってもよい。
The flatness may be improved by polishing the surface of the wurtzite type compound thin film. For polishing, chemical polishing using an alkaline solution or the like, mechanical polishing using colloidal silica or the like, a combination of chemical polishing and mechanical polishing may be used. Such polishing may be performed on each layer other than the wurtzite type compound thin film.

【0111】ウルツァイト型化合物薄膜の厚さは、好ま
しくは5nm〜50μm、より好ましくは0.5〜10μm
である。ウルツァイト型化合物薄膜が薄すぎると、用途
によっては高特性のSi基板/無機物層構造が得られな
くなる。一方、ウルツァイト型化合物薄膜が厚すぎる
と、生産性が低くなる。
The thickness of the wurtzite type compound thin film is preferably 5 nm to 50 μm, more preferably 0.5 to 10 μm.
It is. If the wurtzite type compound thin film is too thin, a high-performance Si substrate / inorganic layer structure cannot be obtained depending on the application. On the other hand, if the wurtzite type compound thin film is too thick, the productivity will be low.

【0112】ウルツァイト型化合物薄膜は、組成の異な
る2種以上の薄膜を積層したものであってもよく、厚さ
方向において組成が徐々に変化する傾斜構造膜であって
もよい。
The wurtzite type compound thin film may be a laminate of two or more thin films having different compositions, or may be a gradient structure film whose composition gradually changes in the thickness direction.

【0113】ウルツァイト型化合物薄膜の組成は特に限
定されず、目的とするSi基板/無機物層構造に必要な
特性が得られるように適宜決定すればよい。例えば、組
成によって格子定数および熱膨張係数を調整することが
可能なので、Si基板/無機物層構造上に形成する薄膜
の格子定数や熱膨張係数に応じた組成を選択すればよ
い。ただし、好ましくは、以下に説明するAlGaIn
N系薄膜またはZnO系薄膜または硫化物膜のウルツァ
イト型化合物薄膜を用いる。
The composition of the wurtzite type compound thin film is not particularly limited, and may be appropriately determined so as to obtain the characteristics required for the intended Si substrate / inorganic layer structure. For example, since the lattice constant and the thermal expansion coefficient can be adjusted by the composition, the composition may be selected according to the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the thin film formed on the Si substrate / inorganic layer structure. However, preferably, AlGaIn described below is used.
A wurtzite type compound thin film of an N-based thin film, a ZnO-based thin film, or a sulfide film is used.

【0114】AlGaInN系薄膜 AlGaInN系薄膜は、Al、GaおよびInから選
択される少なくとも1種とNとを主成分とし、ウルツァ
イト型の結晶構造を有するエピタキシャル膜である。
The AlGaInN-based thin film The AlGaInN-based thin film is an epitaxial film mainly containing at least one selected from Al, Ga and In and N and having a wurtzite type crystal structure.

【0115】AlGaInN系薄膜の組成は特に限定さ
れないが、実質的にGaxInyAl1-x-yN(0≦x≦
1、0≦x+y≦1)で表される組成を有することが好
ましい。
Although the composition of the AlGaInN-based thin film is not particularly limited, Ga x In y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦
It is preferable to have a composition represented by 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

【0116】ZnO系薄膜 ZnO系薄膜は、酸化亜鉛を主成分とし、好ましくは実
質的にZnOから構成される。
The ZnO-based thin film The ZnO-based thin film contains zinc oxide as a main component, and is preferably substantially composed of ZnO.

【0117】硫化物膜 硫化物膜としては、硫化カドミウムまたは硫化亜鉛を主
成分とし、好ましくは実質的にCdSまたはZnSから
構成される。
Sulfide Film The sulfide film contains cadmium sulfide or zinc sulfide as a main component, and is preferably substantially composed of CdS or ZnS.

【0118】金属薄膜 金属薄膜を設ける理由は、以下の通りである。本発明の
Si基板/無機物層構造において、金属薄膜は主に電極
として機能する。ZnOやAlNなどのウルツァイト型
化合物薄膜を利用した発光素子では、膜の厚さ方向に電
界を印加することにより、機能が発現する。このような
用途では、膜の下側に電極が必要となる。LEDやレー
ザーダイオード等の発光素子では、高輝度化が重要であ
る。半導体薄膜の高品質化によっても高輝度化は達成可
能であるが、素子中に発光光を反射する機能を設けれ
ば、高輝度化を容易に達成できることがある。例えば、
反射層として働く薄膜を素子中の適当な位置に配置し
て、素子外部への発光の放出を助長することが可能であ
る。本発明における金属薄膜は、このような反射層とし
て機能させることができる。また、金属薄膜は、薄膜積
層体中において応力を吸収する役割を果たすので、金属
薄膜の上に形成される薄膜のクラック発生を防ぐ効果も
示す。
The reason for providing a metal thin film is as follows. In the Si substrate / inorganic layer structure of the present invention, the metal thin film mainly functions as an electrode. In a light emitting device using a wurtzite type compound thin film such as ZnO or AlN, a function is exhibited by applying an electric field in the thickness direction of the film. In such applications, an electrode is required below the membrane. In light-emitting elements such as LEDs and laser diodes, high luminance is important. Higher luminance can be achieved by improving the quality of the semiconductor thin film. However, if a function of reflecting emitted light is provided in the element, higher luminance may be easily achieved. For example,
By disposing a thin film serving as a reflection layer at an appropriate position in the device, it is possible to promote emission of light emission to the outside of the device. The metal thin film in the present invention can function as such a reflective layer. In addition, since the metal thin film plays a role of absorbing stress in the thin film laminate, the metal thin film also has an effect of preventing cracking of the thin film formed on the metal thin film.

【0119】また、金属薄膜は、その上に形成される薄
膜との間で格子定数を好ましくマッチングさせることに
より、結晶性の高い薄膜を形成する役割を果たす。この
ためには、金属薄膜は上記したR−Zr系酸化物薄膜と
同様に結晶性および表面平坦性に優れることが好まし
い。
The metal thin film plays a role of forming a thin film having high crystallinity by preferably matching a lattice constant with a thin film formed thereon. For this purpose, it is preferable that the metal thin film be excellent in crystallinity and surface flatness like the above-described R-Zr-based oxide thin film.

【0120】金属薄膜は、基本的に立方晶または六方晶
から構成され、膜面と平行に(111)面または(00
01)面が配向したエピタキシャル膜である。ただし、
応力によって結晶が変形して、正方晶など、立方晶や六
方晶からずれた結晶となることもある。なお、(11
1)配向の金属薄膜を形成するためには、その下に設け
るR−Zr系酸化物薄膜は、(111)配向であっても
(001)配向であってもよい。いずれの場合も、金属
薄膜は(111)配向となる。また、(0001)配向
の金属薄膜を形成するためには、通常、その下に設ける
R−Zr系酸化物薄膜を(111)配向とすることが好
ましいが、(001)配向とした場合でも、金属薄膜を
(0001)配向とすることは可能である。
The metal thin film is basically composed of a cubic crystal or a hexagonal crystal and has a (111) plane or a (00) plane parallel to the film plane.
01) It is an epitaxial film whose plane is oriented. However,
The crystal may be deformed by the stress and become a crystal deviated from cubic or hexagonal, such as tetragonal. Note that (11
1) In order to form an oriented metal thin film, the R-Zr-based oxide thin film provided thereunder may have either a (111) orientation or a (001) orientation. In each case, the metal thin film has a (111) orientation. In addition, in order to form a metal thin film having a (0001) orientation, it is usually preferable that the R-Zr-based oxide thin film provided thereunder has a (111) orientation. It is possible that the metal thin film has (0001) orientation.

【0121】金属薄膜を設ける位置は特に限定されず、
図4および図5に示すように、ウルツァイト型化合物薄
膜上、ウルツァイト型化合物薄膜中、バッファ層とウル
ツァイト型化合物薄膜との間、バッファ層中のいずれで
あってもよく、適用される発光デバイスに応じて適宜決
定すればよい。
The position where the metal thin film is provided is not particularly limited.
As shown in FIGS. 4 and 5, on the wurtzite-type compound thin film, in the wurtzite-type compound thin film, between the buffer layer and the wurtzite-type compound thin film, or in the buffer layer, the light-emitting device may be used. What is necessary is just to determine suitably according to it.

【0122】金属薄膜は、Pt、Ir、Os、Re、P
d、RhおよびRuの少なくとも1種を主成分とするこ
とが好ましく、これらの金属の単体またはこれらの金属
を含む合金から構成されることが好ましい。なお、P
t、Ir、PdおよびRhは立方晶となり、Os、Re
およびRuは六方晶となる。
The metal thin film is made of Pt, Ir, Os, Re, P
It is preferable that at least one of d, Rh, and Ru is a main component, and it is preferable that the metal is composed of a simple substance of these metals or an alloy containing these metals. Note that P
t, Ir, Pd and Rh become cubic, and Os, Re
And Ru are hexagonal.

【0123】金属薄膜の厚さは用途により異なるが、好
ましくは5〜500nm、より好ましくは50〜150nm
であり、結晶性、表面性を損なわない程度に薄いことが
好ましい。より具体的には、反射鏡として十分に機能さ
せるためには、厚さを30nm以上とすることが好まし
く、100nm以下の厚さで十分な反射能が得られる。ま
た、電極として十分に機能させるためには、厚さを50
〜500nmとすることが好ましい。
Although the thickness of the metal thin film varies depending on the application, it is preferably 5 to 500 nm, more preferably 50 to 150 nm.
It is preferable that the thickness be as thin as not to impair the crystallinity and surface properties. More specifically, in order to function sufficiently as a reflecting mirror, the thickness is preferably 30 nm or more, and sufficient reflectivity is obtained with a thickness of 100 nm or less. In order to function sufficiently as an electrode, the thickness should be 50
It is preferable to set it to 500 nm.

【0124】製造方法 本発明の発光素子を製造するに際し、各薄膜の形成方法
は特に限定されないが、バッファ層および金属薄膜の形
成には、本出願人による特開平8−109099号公報
に記載された方法に準じて蒸着法を用いることが好まし
い。また、ウルツァイト型化合物薄膜の形成には、スパ
ッタリング法やMOVPE(有機金属気相成長)法を用
いることが好ましく、特に、スパッタリング法を用いる
ことが好ましい。MOVPE法では基板温度を1000
℃程度と高くする必要があるが、本発明者らの実験によ
れば、スパッタリング法では基板温度600℃程度で高
結晶性のウルツァイト型化合物薄膜の形成が可能であ
る。また、スパッタリング法はMOVPE法と異なり、
薄膜の内部応力を多種類の条件、例えばガス圧、基板−
ターゲット間距離、入力パワーなどによって自在に制御
できるので、内部応力を小さくすることが容易である。
Manufacturing Method In manufacturing the light emitting device of the present invention, the method of forming each thin film is not particularly limited, but the formation of the buffer layer and the metal thin film is described in JP-A-8-109099 by the present applicant. It is preferable to use an evaporation method according to the above method. For forming the wurtzite type compound thin film, a sputtering method or an MOVPE (metal organic chemical vapor deposition) method is preferably used, and particularly, a sputtering method is preferably used. In the MOVPE method, the substrate temperature is 1000
Although the temperature needs to be as high as about ° C, according to an experiment by the present inventors, it is possible to form a highly crystalline wurtzite type compound thin film at a substrate temperature of about 600 ° C by the sputtering method. Also, the sputtering method is different from the MOVPE method,
The internal stress of the thin film can be controlled under various conditions, such as gas pressure,
Since it can be freely controlled by the distance between the targets, the input power, and the like, it is easy to reduce the internal stress.

【0125】バッファ層およびウルツァイト型化合物薄
膜と、必要に応じて設けられる金属薄膜とからなる薄膜
積層体が設けられる基板には、通常、Si単結晶ウエハ
を用いる。Si単結晶ウエハは、大面積化、例えば10
cm2以上の面積とすることが容易で、しかも単結晶とし
ては極めて安価なので、本発明のSi基板/無機物層構
造は製造コストを極めて低くすることができる。現状で
は2〜8インチのSiウエハを用いた半導体プロセス、
特に6インチタイプが主流であるが、本発明のSi基板
/無機物層構造の製造に際してはこのような半導体プロ
セスが利用可能である。なお、マスク等を用いて、ウエ
ハの一部だけに薄膜積層体を形成する構成としてもよ
い。
As a substrate on which a thin film laminate comprising a buffer layer, a wurtzite type compound thin film, and a metal thin film provided as needed, is provided, a Si single crystal wafer is usually used. Si single crystal wafers have a large area, for example, 10
Since it is easy to have an area of 2 cm 2 or more, and it is extremely inexpensive as a single crystal, the production cost of the Si substrate / inorganic layer structure of the present invention can be extremely low. At present, semiconductor process using 2-8 inch Si wafer,
In particular, the 6-inch type is mainly used, but such a semiconductor process can be used for manufacturing the Si substrate / inorganic layer structure of the present invention. Note that a structure may be employed in which a thin film laminate is formed only on a part of a wafer using a mask or the like.

【0126】本発明のSi基板/無機物層構造では、基
板表面、すなわちバッファ層形成面が浅く(例えば深さ
5nm程度以下)酸化されて、SiO2などの酸化層が形
成されていることがある。このような酸化層は、薄膜積
層体中に存在する酸化物中の酸素が基板表面に拡散する
ことにより形成される。また、薄膜積層体形成時に、形
成方法によっては基板表面が酸化されるが、このとき生
じた酸化層が残留して上記酸化層となることもある。
In the Si substrate / inorganic layer structure of the present invention, the substrate surface, that is, the surface on which the buffer layer is formed is oxidized shallowly (for example, about 5 nm or less in depth) to form an oxide layer such as SiO 2. . Such an oxide layer is formed by diffusion of oxygen in the oxide present in the thin film stack to the substrate surface. Further, at the time of forming the thin film laminate, the surface of the substrate is oxidized depending on the forming method.

【0127】[0127]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。実施例1 図2に示すような構造の発光素子を作製した。有機層の
ホール注入輸送性有機化合物にはTPDを用い、無機物
層には、ZnO薄膜を用いた。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing specific examples of the present invention. Example 1 A light emitting device having a structure as shown in FIG. 2 was manufactured. TPD was used for the organic compound for hole injection / transport of the organic layer, and a ZnO thin film was used for the inorganic layer.

【0128】ガラス基板としてコーニング社製商品名7
059基板を中性洗剤を用いてスクラブ洗浄した。
As a glass substrate, product name 7 manufactured by Corning Incorporated
The 059 substrate was scrub-cleaned using a neutral detergent.

【0129】この基板上にZnOにAlを1wt%添加
した酸化物ターゲットを用いRFマグネトロンスパッタ
リング法により、基板温度250℃で、膜厚200nmの
AZO(Al添加ZnO)電子注入電極層を形成した。
An AZO (Al-added ZnO) electron injecting electrode layer having a thickness of 200 nm was formed on this substrate at a substrate temperature of 250 ° C. by using an oxide target in which Al was added to ZnO at 1 wt% by an RF magnetron sputtering method.

【0130】次に、真空を破らずに、つづいて、基板温
度を350℃とし、ZnO(99.9%)のターゲット
を用い、ArガスによりRFマグネトロンスパッタリン
グ法で膜厚200nmのZnO薄膜を形成した。
Next, without breaking the vacuum, a substrate temperature was set to 350 ° C., a ZnO (99.9%) target was used, and a 200 nm thick ZnO thin film was formed by RF magnetron sputtering using an Ar gas. did.

【0131】X線回折によるとZnO薄膜はC軸に強く
配向したウルツァイト型の結晶構造を有する多結晶薄膜
であることがわかった。また、ZnO薄膜の抵抗率は5
0Ωcmであり、ゼーベック係数の測定よりn型の半導体
膜であり、光透過特性からバンドギャップは3.1eVで
あることがわかった。
According to X-ray diffraction, it was found that the ZnO thin film was a polycrystalline thin film having a wurtzite type crystal structure strongly oriented in the C axis. The resistivity of the ZnO thin film is 5
It was 0 Ωcm, and it was found from the measurement of the Seebeck coefficient that the film was an n-type semiconductor film, and the bandgap was 3.1 eV from the light transmission characteristics.

【0132】ここでは、ZnO薄膜の評価のために取り
出したが、実際の素子作製では、ZnO薄膜形成後、真
空を破らすに、基板温度を室温まで冷却し、抵抗加熱に
よる蒸着法により、TPD薄膜を70nm形成した。
Here, the ZnO thin film was taken out for evaluation. In actual device fabrication, after the ZnO thin film was formed, the substrate temperature was cooled to room temperature and the TPD was deposited by resistance heating to break the vacuum. A thin film was formed to a thickness of 70 nm.

【0133】さらに、ホール注入電極として、スパッタ
リング法により、Pt電極膜を50nm形成した。電極面
積は1mm2 とした。
Further, as a hole injection electrode, a Pt electrode film was formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method. The electrode area was 1 mm 2 .

【0134】得られた構造から真空中で、プローブ電極
を用いて、ホール注入電極、電子注入電極から電極を引
き出し、電界を印加した。V−I特性はダイオード特性
を示し、Pt側をプラス、AZO側をマイナスにバイア
スした場合、電流は、電圧の増加とともに増加し、通常
の室内ではっきりとした緑色の発光が観察された。ま
た、繰り返し発光動作をさせても、輝度の低下はみられ
なかった。
From the obtained structure, electrodes were drawn from the hole injection electrode and the electron injection electrode using a probe electrode in a vacuum, and an electric field was applied. The VI characteristic shows a diode characteristic. When the Pt side is biased positively and the AZO side is biased negatively, the current increases as the voltage increases, and a clear green light emission is observed in a normal room. Further, even when the light emitting operation was repeatedly performed, no decrease in luminance was observed.

【0135】実施例2 実施例1と同様に、積層順序が上下逆の発光素子を作製
した。このとき、無機物層としてZnOエピタキシャル
薄膜を用いた。また、ここでは、基板として、Siを用
いた。
Example 2 In the same manner as in Example 1, a light emitting device in which the stacking order was upside down was manufactured. At this time, a ZnO epitaxial thin film was used as the inorganic layer. Here, Si was used as the substrate.

【0136】初めに、発明者らの特願平7−21985
0号、特願平7−24060号の方法に準じ、ZrO2
のエピタキシャル膜を以下のようにして作製した。
First, Japanese Patent Application No. 7-21985 of the present inventors.
0, ZrO 2 according to the method of Japanese Patent Application No. 7-24060.
Was produced as follows.

【0137】ZrO2 薄膜を成長させる単結晶基板とし
て、その表面が(111)面となるように切断、鏡面研
磨したSi単結晶ウエハーを用いた。鏡面表面は購入後
40%フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング洗
浄を行った。なお、Si基板としては、直径2インチの
円形基板を用いた。
As a single crystal substrate on which a ZrO 2 thin film was grown, an Si single crystal wafer cut and mirror-polished so that the surface became a (111) plane was used. After the purchase, the mirror surface was cleaned by etching with a 40% ammonium fluoride aqueous solution. Note that a circular substrate having a diameter of 2 inches was used as the Si substrate.

【0138】真空槽内に設置された回転および加熱機構
を備えた基板ホルダーに上記単結晶基板を固定し、真空
槽を10-6Torrまで油拡散ポンプにより排気した後、基
板洗浄面をSi酸化物を用いて保護するため、基板を2
0rpm で回転させ、酸素を基板付近にノズルから25cc
/分の割合で導入しつつ、600℃に加熱した。ここ
で、基板の表面にSi酸化物膜が熱酸化で形成される。
この方法で約1nmのSi酸化物膜を形成した。
After fixing the single crystal substrate to a substrate holder provided with a rotation and heating mechanism installed in a vacuum chamber, evacuating the vacuum chamber to 10 −6 Torr by an oil diffusion pump, and cleaning the substrate cleaning surface with Si oxide To protect with a material,
Rotate at 0 rpm, oxygen is supplied from the nozzle near the substrate by 25 cc.
/ Minute while heating at 600 ° C. Here, a Si oxide film is formed on the surface of the substrate by thermal oxidation.
By this method, a Si oxide film of about 1 nm was formed.

【0139】次いで、その後、基板を900℃に加熱
し、回転させた。回転数は20rpm とした。このとき、
ノズルから酸素ガスを25cc/分の割合で導入し、前記
基板上に金属Zrを蒸発源から蒸発させることにより、
Zr金属酸化物の膜厚に換算して5nmとなるように供給
し、1×1の表面構造を備えるSi表面処理基板を得
た。
Subsequently, the substrate was heated to 900 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm. At this time,
By introducing oxygen gas from the nozzle at a rate of 25 cc / min and evaporating metal Zr from the evaporation source onto the substrate,
It was supplied so as to have a thickness of 5 nm in terms of the thickness of the Zr metal oxide, and a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure was obtained.

【0140】さらに、このSi表面処理基板上に、基板
温度900℃、基板回転数20rpm、ノズルから酸素ガ
スを25cc/分の割合で導入した状態で金属Zrを蒸発
源から供給することにより、ZrO2 エピタキシャル膜
を前記処理基板上に得た。
Further, the metal Zr was supplied from the evaporation source onto the Si surface-treated substrate in a state where the substrate temperature was 900 ° C., the substrate rotation speed was 20 rpm, and oxygen gas was introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min. Two epitaxial films were obtained on the processing substrate.

【0141】ひきつづき、ZrO2 を形成した基板を6
00℃に加熱し回転させた。回転数は20rpm とした。
真空度は、10-7Torrまで油拡散ポンプにより排気し
た。
Subsequently, the substrate on which ZrO 2 was formed
Heated to 00 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm.
The degree of vacuum was evacuated to 10 -7 Torr by an oil diffusion pump.

【0142】この基板上に、Pt電極を形成した。Pt
は電子ビームを用いて蒸発させ膜厚100nmの電子注入
電極膜を形成した。
On this substrate, a Pt electrode was formed. Pt
Was evaporated using an electron beam to form an electron injection electrode film having a thickness of 100 nm.

【0143】RHEED観察の結果Pt薄膜はエピタキ
シャル膜であることがわかった。
As a result of RHEED observation, it was found that the Pt thin film was an epitaxial film.

【0144】次に、真空を破らずに、つづいて、基板温
度を600℃とし、ZnO(99.9%)のターゲット
を用い、Ar+酸素ガスによりRFマグネトロンスパッ
タリング法で膜厚200nmのZnO薄膜を形成した。
Then, without breaking the vacuum, a ZnO thin film having a thickness of 200 nm was formed by RF magnetron sputtering using a target of ZnO (99.9%) at a substrate temperature of 600 ° C. and Ar + oxygen gas. Formed.

【0145】X線回折によるとZnO薄膜はC軸に強く
配向したウルツァイト型の結晶構造を有し、RHEED
観察の結果、エピタキシャル膜であることがわかった。
According to X-ray diffraction, the ZnO thin film has a wurtzite type crystal structure strongly oriented in the C axis, and
As a result of the observation, it was found that the film was an epitaxial film.

【0146】また、ZnO薄膜の抵抗率は5Ωcmであ
り、ゼーベック係数の測定よりn型の半導体膜であり、
光透過特性からバンドギャップは3.15eVであること
がわかった。
Further, the resistivity of the ZnO thin film is 5 Ωcm, and it is an n-type semiconductor film from the measurement of the Seebeck coefficient.
The light transmission characteristics revealed that the band gap was 3.15 eV.

【0147】ここでは、薄膜の評価のために取り出した
が、実際の素子作製では、薄膜形成後、真空を破らす
に、基板温度を室温まで冷却し、抵抗加熱による蒸着法
により、TPD薄膜を70nm形成した。
Here, the thin film was taken out for evaluation of the thin film. However, in the actual device fabrication, after the thin film was formed, the substrate temperature was cooled to room temperature, and the TPD thin film was formed by resistance evaporation to break the vacuum. 70 nm was formed.

【0148】さらに、電子注入電極として、スパッタリ
ング法により、ITOホール注入電極電極膜を50nm形
成した。電極面積は1mm2 とした。
Further, as an electron injection electrode, an ITO hole injection electrode film was formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method. The electrode area was 1 mm 2 .

【0149】得られた構造から真空中で、プローブ電極
を用いて、ITO薄膜、Pt電極膜から電極を引き出
し、電界を印加した。V−I特性はダイオード特性を示
し、ITO薄膜側をプラス、Pt側をマイナスにバイア
スした場合、電流は、電圧の増加とともに増加し、注入
電流がみられ、通常の室内ではっきりとした緑色の発光
が観察された。また、繰り返し発光動作をさせても、輝
度の低下はみられなかった。
From the obtained structure, electrodes were pulled out of the ITO thin film and the Pt electrode film using a probe electrode in a vacuum, and an electric field was applied. The VI characteristic shows a diode characteristic. When the ITO thin film side is biased positive and the Pt side is biased negatively, the current increases as the voltage increases, an injection current is observed, and a clear green color appears in a normal room. Luminescence was observed. Further, even when the light emitting operation was repeatedly performed, no decrease in luminance was observed.

【0150】以上の実施例の結果から、本発明の効果が
明らかである。このように本発明によれば、室内ではっ
きりとした発光特性の得られる新規の改良された有機/
半導体半導体発光素子を提供することができ、特に低価
格のLED、高性能の平面型カラーディスプレー用とし
て、実用的価値は大きい。
The effects of the present invention are apparent from the results of the above examples. Thus, according to the present invention, there is provided a novel and improved organic / organic material having a clear luminescent property in a room.
The present invention can provide a semiconductor light emitting device, and has a great practical value particularly for low-cost LEDs and high-performance flat-panel color displays.

【0151】[0151]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、効率が改
善され、動作電圧が低く、設計の自由度が大きく、しか
も信頼性の増大した新規の改良された半導体発光素子を
提供できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a novel and improved semiconductor light emitting device with improved efficiency, low operating voltage, large design freedom, and increased reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来例および本発明に係わるホール輸送層を有
する2層構造有機薄膜発光素子の断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a two-layer organic thin film light emitting device having a hole transport layer according to a conventional example and the present invention.

【図2】従来例および本発明に係わるホール輸送層と電
子輸送層を有する3層構造有機薄膜発光素子の断面図で
ある。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a three-layer organic thin-film light emitting device having a hole transport layer and an electron transport layer according to a conventional example and the present invention.

【図3】本発明中のSi基板/無機物層構造の第1の構
成例を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic view showing a first configuration example of a Si substrate / inorganic layer structure according to the present invention.

【図4】本発明中のSi基板/無機物層構造の第2の構
成例を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a second configuration example of the Si substrate / inorganic layer structure according to the present invention.

【図5】本発明中のSi基板/無機物層構造の第3の構
成例を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a third configuration example of the Si substrate / inorganic layer structure according to the present invention.

【図6】本発明中のSi基板/無機物層構造の第4の構
成例を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a fourth configuration example of the Si substrate / inorganic layer structure according to the present invention.

【図7】YSZ立方晶の格子定数を説明するための模式
図である。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a lattice constant of a YSZ cubic crystal.

【図8】従来例および本発明に係わるホール輸送層を有
する2層構造有機薄膜発光素子の断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a two-layer organic thin-film light emitting device having a hole transport layer according to a conventional example and the present invention.

【図9】従来例および本発明に係わるホール輸送層と電
子輸送層を有する3層構造有機薄膜発光素子の断面図で
ある。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a three-layer organic thin-film light emitting device having a hole transport layer and an electron transport layer according to a conventional example and the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 ホール注入電極 3 電子注入電極 4 無機物層 5 有機物層 11 基板 12 ホール注入電極 13 電子注入電極 14 ホール輸送層 15 発光層 16 電子輸送層 21 基板 20 電子デバイス用基板 22 バッファ層 23 無機物層 24 金属薄膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Hole injection electrode 3 Electron injection electrode 4 Inorganic layer 5 Organic layer 11 Substrate 12 Hole injection electrode 13 Electron injection electrode 14 Hole transport layer 15 Light emitting layer 16 Electron transport layer 21 Substrate 20 Electronic device substrate 22 Buffer layer 23 Inorganic layer 24 Metal thin film

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、少なくとも無機物層とホール
輸送性の有機物層が積層された構造体を有し、 前記無機物層は有ウルツァイト型結晶構造を有する酸化
物膜および/またはウルツァイト型結晶構造を有する窒
化物膜および/またはウルツァイト型結晶構造を有する
硫化物膜である半導体発光素子。
1. A structure having at least an inorganic layer and a hole transporting organic layer laminated on a substrate, wherein the inorganic layer has an oxide film having a wurtzite type crystal structure and / or a wurtzite type crystal structure. Semiconductor light-emitting device, which is a nitride film having a structure and / or a sulfide film having a wurtzite type crystal structure.
【請求項2】 前記無機物層は、n型半導体層である請
求項1の半導体発光素子。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said inorganic layer is an n-type semiconductor layer.
【請求項3】 前記無機物層は、エピタキシャル膜であ
る請求項1または2の半導体発光素子。
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said inorganic layer is an epitaxial film.
【請求項4】 前記基板がSi単結晶基板である請求項
1〜3いずれかの半導体発光素子。
4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said substrate is a Si single crystal substrate.
【請求項5】 前記基板は、少なくとも表面がSi単結
晶であり、この基板と無機物層との間にはバッファ層を
有し、 このバッファ層は、酸化物バッファ層および/または窒
化物バッファ層により構成され、 前記酸化物バッファ層は、希土類元素(ScおよびYを
含む)の酸化物および/または酸化ジルコニウムを主成
分とするエピタキシャル膜であるR−Zr系酸化物薄膜
を有するか、AlおよびOを主成分とするエピタキシャ
ル膜であるAlOx系薄膜を有し、 窒化物バッファ層は、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化タ
ンタルおよび窒化ジルコニウムの少なくとも1種を主成
分とするエピタキシャル膜であるNaCl型窒化物薄膜
を有する請求項1〜4いずれかの半導体発光素子。
5. The substrate has at least a single-crystal Si surface, and has a buffer layer between the substrate and the inorganic layer. The buffer layer may be an oxide buffer layer and / or a nitride buffer layer. Wherein the oxide buffer layer has an R-Zr-based oxide thin film which is an epitaxial film mainly containing an oxide of a rare earth element (including Sc and Y) and / or zirconium oxide, An AlOx-based thin film that is an epitaxial film containing O as a main component; and the nitride buffer layer is an NaCl-type nitride film that is an epitaxial film containing at least one of titanium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, and zirconium nitride as a main component. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, further comprising an object thin film.
【請求項6】 前記無機物層は、酸化亜鉛を主成分とす
るZnO系薄膜を有する請求項1〜5いずれかの半導体
発光素子。
6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said inorganic layer has a ZnO-based thin film containing zinc oxide as a main component.
【請求項7】 前記バッファ層と無機物層のn型半導体
層との間、またはバッファ層中には金属薄膜を有し、 この金属薄膜は、Pt、Ir、Os、Re、Pd、Rh
およびRuの1種または2種以上を主成分とするエピタ
キシャル膜である請求項1〜6のいずれかの半導体発光
素子。
7. A metal thin film is provided between the buffer layer and the n-type semiconductor layer of the inorganic layer or in the buffer layer, and the metal thin film is made of Pt, Ir, Os, Re, Pd, Rh.
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is an epitaxial film containing one or more of Ru and Ru as a main component.
【請求項8】 前記金属薄膜は、(111)面または
(0001)面が基板表面と平行に配向している請求項
7の半導体発光素子。
8. The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein said metal thin film has a (111) plane or a (0001) plane oriented parallel to a substrate surface.
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