JP2000244015A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JP2000244015A
JP2000244015A JP4531199A JP4531199A JP2000244015A JP 2000244015 A JP2000244015 A JP 2000244015A JP 4531199 A JP4531199 A JP 4531199A JP 4531199 A JP4531199 A JP 4531199A JP 2000244015 A JP2000244015 A JP 2000244015A
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JP
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zno
light emitting
light
layer
sapphire substrate
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Michio Kadota
道雄 門田
Makoto Minakata
皆方  誠
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ZnOによる励起子発光を利用して電気エネ
ルギーを青〜紫外線の光に変換することができる発光素
子を提供する。 【解決手段】 サファイア基板2の上に低抵抗のZnO
層3を形成し、ZnO層3の上にZnO発光部4をエピ
タキシャル成長させる。ついで、ZnO発光部4の一部
をエッチングして低抵抗のZnO層3を露出させ、この
露出部分に下部電極5を設けると共にZnO発光部4の
上面に上部電極6を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は励起子によって発光
する励起子発光部を有する発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】サファイア基板上にエピタキシャル成長
させたZnO膜に低温で光を照射すると、励起子による
発光が観測される。また、東京工大の研究者グループに
よれば、室温において励起子による発光が観測されたと
報告されている。このようなZnOの励起子による発光
波長は370nmにあり、青〜紫外線の領域における発
光素子として有望である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、励起子
による発光は高純度のZnO膜でしか観測することがで
きないので、ZnOによる励起子発光を発光ダイオード
やレーザーダイオードのように電気を光に変換する発光
素子として利用しようとすると電極の構造が問題となっ
ていた。
【0004】すなわち、ZnOはサファイア基板上に直
接成膜しないとエピタキシャル成長させることができ
ず、サファイア基板の上に電極膜を形成し、その上にZ
nO膜を成膜したのでは結晶性が良好で高純度なZnO
膜を得ることができないからである。また、サファイア
基板は絶縁体であるから、サファイア基板の下面に電極
膜を設けても発光素子の電極として用いることができな
いからである。
【0005】本発明は上述の技術的問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、Z
nOによる励起子発光を利用して電気を光に変換するこ
とができる発光素子を提供することにある。
【0006】
【発明の開示】請求項1に記載した発光素子は、サファ
イア基板上に低抵抗のエピタキシャルZnO膜を形成
し、当該ZnO膜上にZnO系の励起子発光部を設けた
ことを特徴としている。
【0007】サファイア結晶の[1-100]方向とZn
O結晶の[1-100]方向とが30°ずれて整合する。
すなわち、サファイアの[11-20]方向とZnOの[1
-100]方向とが同じ方向になる。したがって、それら
の方向の面間隔は、サファイア結晶がa=4.758
Å、ZnO結晶がa×√3=5.6326Åであり、そ
れらは13:11で粒整合する。そのため、サファイア
基板の上にZnO膜を形成することにより、結晶性の良
好な低抵抗ZnO膜をエピタキシャル成長させることが
できる。さらに、この低抵抗ZnO膜の上には結晶性が
良好で高純度なZnO系の励起子発光部を得ることがで
きる。そして、低抵抗ZnO膜を一方の電極として用
い、励起子発光部の上方に設けた電極を他方の電極とし
て用いることができるので、この電極から電気エネルギ
ーを供給して発光素子を発光させることができる。
【0008】また、請求項2に記載した発光素子は、サ
ファイア基板上に部分的に金属膜を形成し、当該金属膜
の上からサファイア基板上にZnO系の励起子発光部を
設けたことを特徴としている。
【0009】この発光素子にあっては、サファイア基板
の上に金属膜を部分的にしか設けていないので、サファ
イア基板の露出している領域からZnO系の励起子発光
部を結晶性よくエピタキシャル成長させることができ
る。そして、サファイア基板上の金属膜を一方の電極と
して用い、励起子発光部の上方に設けた電極を他方の電
極として用いることができるので、この電極から電気エ
ネルギーを供給して発光素子を発光させることができ
る。
【0010】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)図1は本発明
の一実施形態による発光素子1の構造を示す断面図であ
る。これは発光ダイオードや面発光型レーザーダイオー
ド等の上面発光型の発光素子1であって、例えばC面
又、R面、m面、a面などのサファイア基板2の上に比
抵抗の小さなエピタキシャルZnO層3を成長させ、Z
nO層3の上にさらにZnOからなる発光部4をエピタ
キシャル成長させたものである。さらに、エッチングに
よってZnO発光部4を一部エッチングすることによっ
てZnO層3を露出させ、ZnO層3の露出部分に金属
材料によって下部電極5を設け、ZnO発光部4の上面
に金属材料からなる上部電極6を設けている。なお、こ
の下部電極5は、ZnO層3の成長後、発光部4の成長
前に予め形成しても構わない。
【0011】また、ZnOの[1-100]方向及び[11
-20]方向とC面サファイア基板2の[11-20]方向
及び[10-10]方向とが11:13で粒整合するの
で、サファイア基板2の上にZnO層3を形成すること
により結晶性の良好なC軸配向のZnO結晶を成長させ
ることができ、さらに、その上に結晶性の良好なZnO
発光部4をエピタキシャル成長させることができる。し
かも、ZnO発光部4の下には電極となる低抵抗のZn
O層3が形成されているので、上部電極6と下部電極5
の間に電圧を印加すると、ZnO発光部4が励起子発光
し、青〜紫外線の光を放つ。また、ZnO膜の[000
1]方向とサファイアの[0-111]方向とがほぼ一致し
て整合するため、R面[01-12]サファイア基板上に
[11-20]配向の良好なZnO膜ができるため、この
面を利用することもできる。
【0012】ここで、ZnO層3の抵抗を下げるために
ドープされる不純物元素(ドーパント)は、III族元素
又はV族元素であって、III族元素としては、B、A
l、Ga、In、Tl、Sc、Y、La、Acなどをド
ープすることができ、V族元素では、P、As、Sb、
Bi、V、Nb、Taなどをドープすることができる。
【0013】(第2の実施形態)図2は本発明の別な実
施形態による発光素子7の構造を示す断面図である。こ
の実施形態にあっては、C面、R面あるいはm面,a面
サファイア基板2の上に低抵抗のエピタキシャルZnO
層3を形成し、その上に結晶性の良好なp型ZnO層8
とn型ZnO層9をそれぞれエピタキシャル成長させ、
p型ZnO層8とn型ZnO層9からなる発光部4を設
けている。そして、p型ZnO層8とn型ZnO層9を
エッチングによって一部除去した後、低抵抗のZnO層
3の露出領域に金属材料からなる下部電極5を設けると
共に、n型ZnO層9の上に金属材料からなる上部電極
6を形成する。なお、この下部電極5は、ZnO層3の
成長後、発光部4の成長前に予め形成しても構わない。
【0014】このようなpn接合型の発光素子7におい
ても、上部電極6と下部電極5の間に電圧を加えること
により、発光部4から青〜紫外線の光を励起子発光させ
ることができる。
【0015】(第3及び4の実施形態)図3は本発明の
さらに別な実施形態による発光素子7aの構造を示す断
面図である。この実施形態にあっては、サファイア基板
2上に形成された低抵抗ZnO層3がn型となっていて
n型ZnO層を兼ねており、低抵抗ZnO層3の上にZ
nO活性層8aとp型ZnO層9aを積層したものであ
る。このような構造の発光素子7aでは、低抵抗ZnO
層3、ZnO活性層8a及びp型ZnO層9aによって
発光部4が構成され、励起子発光を実現することができ
る。
【0016】あるいは、図4に示す発光素子7bのよう
に導電型を逆にして、サファイア基板2上に形成された
低抵抗ZnO層3がp型となっていてp型ZnO層を兼
ねており、低抵抗ZnO層3の上にZnO活性層8bと
n型ZnO層9bを積層したものでもよい。
【0017】(第5の実施形態)図5は本発明のさらに
別な実施形態による発光素子10の構造を示す断面図で
ある。この実施形態にあっては、例えばC面、R面、m
面、a面などのサファイア基板2の上に低抵抗のエピタ
キシャルZnO層3を形成し、その上に結晶性の良好な
p型ZnO層11、ZnO活性層12及びn型ZnO層
13をそれぞれエピタキシャル成長させ、p型ZnO層
11、ZnO活性層12及びn型ZnO層13からなる
発光部4を設けている。そして、p型ZnO層11、Z
nO活性層12及びn型ZnO層13をエッチングによ
って一部除去した後、低抵抗のZnO層3の露出領域に
金属材料からなる下部電極5を設けると共に、n型Zn
O層13の上に金属材料からなる上部電極6を形成す
る。なお、この下部電極5は、ZnO層3の成長後、発
光部4の成長前に予め形成しても構わない。
【0018】このようなpn接合型の発光素子10にお
いても、上部電極6と下部電極5の間に電圧を加えるこ
とにより、青〜紫外線の光を励起子発光させることがで
きる。
【0019】(第6の実施形態)図6は本発明の別な実
施形態による発光素子14の構造を示す斜視図であっ
て、レーザーダイオードや端面出射型の発光ダイオード
のような端面出射型の発光素子14を示している。この
実施形態にあっては、例えばC面、R面、m面、a面な
どのサファイア基板2の上に低抵抗のエピタキシャルZ
nO層3を形成し、その上に結晶性の良好なp型ZnO
層15、ZnO活性層16及びn型ZnO層17をそれ
ぞれエピタキシャル成長させ、p型ZnO層15、Zn
O活性層16及びn型ZnO層17からなる発光部4を
設ける。ついで、n型ZnO層17の上にSiO2膜1
8を形成し、エッチングによってSiO2膜18のほぼ
中央部を開口する。さらに、p型ZnO層15、ZnO
活性層16及びn型ZnO層17をエッチングによって
一部除去することによってZnO層3を露出させる。つ
いで、さらに、SiO2膜18の上からn型ZnO層1
7の上に金属材料を蒸着させて上部電極19を形成する
と共に、ZnO層3の上に下部電極20を形成する。な
お、この下部電極5は、ZnO層3の成長後、発光部4
の成長前に予め形成しても構わない。
【0020】この発光素子14においては、上部電極1
9と下部電極20の間に電圧を加えると、発光部4で発
生した青〜紫外線の光が端面(へき開面)から出射され
る。
【0021】(第7の実施形態)図7は本発明のさらに
別な実施形態による発光素子21の構造を示す断面図で
ある。この実施形態にあっては、例えばC面、R面、m
面、a面などのサファイア基板2の上に金属膜22を形
成した後、エッチングによって金属膜22を櫛歯状や格
子状などにパターニングする。この後、金属膜22の上
にn型ZnO層23、ZnO活性層24及びp型ZnO
層25からなる発光部4を形成したものである。金属膜
22はサファイア基板2の上に部分的に形成されている
ので、n型ZnO層23は金属膜22から露出したサフ
ァイア領域26から次第にエピタキシャル成長し、サフ
ァイア基板2の上に発光部4がエピタキシャル成長す
る。さらに、エッチングによって発光部4を一部エッチ
ングすることによって金属膜22を露出させ、金属膜2
2の露出部分を下部電極27とし、ZnO発光部4の上
面に上部電極6を設ける。
【0022】従って、上部電極6と下部電極27(金属
膜22)の間に電圧を印加すると、ZnO発光部4が励
起子発光し、青〜紫外線の光を放つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による発光素子の構造を示
す断面図である。
【図2】本発明の別な実施形態による発光素子の構造を
示す断面図である。
【図3】本発明のさらに別な実施形態による発光素子の
構造を示す断面図である。
【図4】本発明のさらに別な実施形態による発光素子の
構造を示す断面図である。
【図5】本発明のさらに別な実施形態による発光素子の
構造を示す断面図である。
【図6】本発明のさらに別な実施形態による発光素子の
構造を示す斜視図である。
【図7】本発明のさらに別な実施形態による発光素子の
構造を示す断面図である。
【符号の説明】
2 サファイア基板 3 低抵抗のZnO層 4 励起子発光部 5,20,27 下部電極 6,19 上部電極 22 金属膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サファイア基板上に低抵抗のZnO膜を
    形成し、当該ZnO膜上にZnO系の励起子発光部を設
    けたことを特徴とする発光素子。
  2. 【請求項2】 サファイア基板上に部分的に金属膜を形
    成し、当該金属膜の上からサファイア基板上にZnO系
    の励起子発光部を設けたことを特徴とする発光素子。
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