JP4038005B2

JP4038005B2 - 発光素子の設計方法

Info

Publication number: JP4038005B2
Application number: JP2000248959A
Authority: JP
Inventors: 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: JP2001144328A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子の設計方法に関し、ＺｎＯ圧電膜からなる発光層を有する発光素子の設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜状の圧電体は、圧電共振子や圧電アクチュエータ等の振動子、駆動素子に幅広く応用されている。近年では、圧電体薄膜は光学素子としても注目されている。たとえば、特開平７−２６２８０１号には、サファイア基板上に形成されたＺｎＯ膜を有し、励起子により紫外線を発光する発光素子が開示されている。また、特開平１０−２５６６７３号には、レーザー発振により紫外光を射出する発光素子が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電膜の物性には未知の部分が多く、特に発光素子に適した圧電膜の物性やその形成方法はいまだ十分な研究がなされていない。このため、高発光効率の圧電膜を有する発光素子は実現していなかった。
【０００４】
本発明は、上記のような技術的背景に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、発光効率が高く、発光強度の強い発光素子の設計方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発光素子の設計方法は、基板と、前記基板の成膜面に成膜され、発光層として機能するＺｎＯからなる圧電膜と、を有する発光素子の設計方法であって、前記基板の成膜面として、サファイア基板のＣ面、水晶基板のＺ面又はニオブ酸リチウム基板の−Ｚ面を選んだ場合には、前記圧電膜の上面が均一な＋面となるようにするものである。
【０００９】
請求項２に記載の発光素子の設計方法は、請求項１に記載した発光素子の設計方法において、前記圧電膜とは導電型が異なる第二のＺｎＯからなる圧電膜を有するものである。
【００１０】
請求項３に記載の発光素子の設計方法は、請求項１に記載した発光素子の設計方法における前記基板上に形成された複数のストライプ状の金属膜を有し、該金属膜を覆うようにして前記圧電膜が設けられており、該金属膜上の圧電膜は−面を有するものである。
【００１６】
【作用】
本発明は、発光素子に用いる圧電膜の物理的特性とその配向との関係や、基板の種類とそれに適した圧電膜の配向方法に着目して得られた知見に基づくものである。すなわち、基板の種類に応じて圧電膜の配向方向を適切に選択することにより、圧電膜の結晶性が向上し、その結果、良好な特性を有する発光素子が実現する。
【００１７】
しかし、従来は、圧電膜の物理的特性とその配向の関係や基板の種類とそれに適した圧電膜の配向方向の関係はまったく考慮されていなかった。本発明は、着目点自体がユニークなものである。
【００１８】
この明細書において、圧電膜の配向方向についての＋面および−面は、薄膜の主面に発生する電荷の符号に関係している。＋面は張力によって圧電膜に正の電荷が発生する面であり、上記ＺｎＯ薄膜ではＺｎ面に相当すると考えられる。−面は張力によって圧電膜に負の電荷が発生する面であり、上記ＺｎＯ薄膜のＯ面に相当すると考えられる。
【００１９】
具体的には、Ｃ面サファイア基板、Ｚ面水晶基板、−Ｚ面を有するＬｉＮｂＯ _３基板の表面に圧電膜を形成する場合、圧電膜の表面が＋面（基板に接する側は−面）となるようにＺｎＯ膜を基板上に形成させる。
【００２１】
このようなＺｎＯからなる圧電膜は、紫外線を発光するデバイスに用いることが好ましい。
【００２２】
基板の上に形成される圧電膜が＋面となるか、−面となるかは圧電膜の形成方法、形成条件、基板の表面処理等により決定される。たとえば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＥＣＲスパッタ装置等のＥＣＲ装置を用いた場合、マイクロ波のパワーを大きくしたり（例えば３００Ｗ以上）、基板の加熱温度を高く（例えば５００℃以上）したりする場合、圧電膜は＋面になりやすい。特に、Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、大気などの雰囲気において、１０００℃以上の温度で数時間加熱された基板の上に形成される圧電膜は、良好な＋面を有する。
【００２３】
また、基板バイアス電圧を調整することにより、極性（＋面または−面）を制御できる。スパッタ装置の場合には、成膜中のガス組成、基板の加熱温度、基板に印加するバイアス電圧等を適切に調整することにより、＋面の圧電膜を得ることも−面を有する圧電膜を得ることもできる。特に−５００Ｖから＋５００Ｖのバイアス電圧を印加することにより効果的に極性を制御できる。
【００２４】
本発明は、このように基板の種類に応じて＋面または−面を有する圧電膜を形成することができるという知見に基づくものであり、上面が＋面となったＺｎＯ圧電膜を用いることで発光強度が強い発光素子を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による発光素子１の断面を模式的に示している。発光素子１は基板２及びその上に形成されたＺｎＯ薄膜３を有している。基板２としては、Ｃ面サファイア基板、Ｒ面サファイア基板、ｍ面サファイア基板、ａ面サファイア基板、回転Ｙ板サファイア基板、ダブルローテーションサファイア基板、回転Ｙ板水晶基板、Ｚ面水晶基板、−Ｚ面を有するＬｉＴａＯ_３基板、−Ｚ面を有するＬｉＮｂＯ_３基板、−面を有する圧電基板を用いる場合には、ＺｎＯ薄膜３は＋Ｚ面を有している。
【００２６】
一方、回転Ｙ板ＬｉＮｂＯ_３の＋Ｚ面側を有するＬｉＮｂＯ_３基板、回転Ｙ板ＬｉＴａＯ_３の＋Ｚ面側を有するＬｉＴａＯ_３基板、＋Ｚ面を有するＬｉＮｂＯ_３基板、＋Ｚ面を有するＬｉＴａＯ_３基板、＋面を有する圧電基板、ガラス板、Ｓｉ基板、金属基板、金属膜をその表面に有する基板を基板２として用いる場合には、ＺｎＯ薄膜３は−Ｚ面を有している。
【００２７】
発光素子１は、励起子あるいは電子とホールの結合により発光する。図１に示すように、ＺｎＯ薄膜３にＨｅ−Ｃｄレーザーを照射することにより、発光素子１は、フォトルミネッセンスに基づいて、ＺｎＯのバンドギャップに相当する３７０ｎｍの波長を持つ光を常温で発光する。
【００２８】
上述のような組み合わせにより、優れた結晶性をもつ圧電膜が得られることを種々の実験から確認した。以下の実験において、基板としてはＣ面サファイア基板およびＺ面水晶基板を用い、成膜条件や基板の表面状態をかえることにより、種々の圧電膜を形成し、ＺｎＯ薄膜の配向方向を誘電率顕微鏡で確認した。具体的にはＥＣＲスパッタ装置を用いて以下の条件で３つの試料を作製した。

【００２９】
図２から図４は、上記のようにして作製された種々の圧電膜の誘電率顕微鏡写真である。図２は条件１によって作製された膜を示しており、図２の写真において、色の濃い部分は、張力によりプラスの電荷が発生する領域であり、色の薄い部分は張力によりマイナスの電荷が発生する領域になっている。したがって、全体としては両方の領域が混在しており、＋面、−面のいずれにもなっていない。
【００３０】
図３は条件２に従って作製された膜を示している。図３に示される誘電顕微鏡写真は全体が均一に濃い色になっており、均一な＋面になっていることを示している。
【００３１】
同様に、図４は条件３の下で作製された膜を示している。図４の誘電体顕微鏡写真は、全体が均一に薄い色になっており、均一な−面であることを示している。このように、条件を制御することにより、−面あるいは＋面を有する圧電膜及び−面でも＋面でもない圧電膜を選択的に形成できる。
【００３２】
条件２及び３以外の条件であっても、基板にマイナスのバイアス電圧を印加することにより、−面を有する膜が容易に形成され、基板にプラスのバイアス電圧を印加することにより、＋面を有する膜が形成されることがわかった。
【００３３】
こうして、作製したＺｎＯ膜の配向方向を確認した上で、作製されたＺｎＯ薄膜を有する発光素子を作製し、Ｈｅ−Ｃｄレーザーを照射してフォトルミネッセンス発光測定試験を行った。図５は、Ｃ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜の発光強度を３５０〜４００ｎｍの領域において測定した結果を示し、図６はＺ面水晶基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜の発光強度を３６０〜３９０ｎｍの領域において測定した結果を示している。図５は、３６７.８ｎｍの波長において励起子に相当すると考えられる鋭いピークを示しており、図６も３６８ｎｍに同様なピークを示している。
【００３４】
図７はＣ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜と−面を有するＺｎＯ薄膜の発光強度を比較して示している。図から明らかなように、＋面を有するＺｎＯ薄膜は−面を有するＺｎＯ薄膜に比べて発光強度が約５倍であり、半値幅も小さい。このことから、Ｃ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜は良好な特性を示すことが分かる。
【００３５】
図８は、Ｚｎ金属ターゲットを用いて、Ｃ面サファイア基板上に種々の条件で形成したＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度を示している。図８において、横軸はＺｎＯ薄膜形成中の雰囲気ガスであるＡｒとＯ_２との分圧比を示し、縦軸はＺｎＯ薄膜のＸ線回折強度（相対値）を示している。また、データは基板加熱温度を２００〜６００℃の間で変化させて測定している。図８において、Ｘ線回折強度が４×１０^４［ａ.ｕ.］以上の強度を示す領域ではＺｎＯ薄膜は＋面を有しており、回折強度が９×１０^３［ａ.ｕ.］以下の領域では＋面の領域と−面の領域とが混在している。また、その中間の領域では、＋面を有するＺｎＯ薄膜が形成されたり、−面を有するＺｎＯ薄膜が形成されたりしており、成膜を確実に制御できていない。なお、Ｚ面水晶基板上に形成されるＺｎＯ薄膜も同様の傾向を示す。
【００３６】
図９は、同様に−Ｚ面ＬｉＮｂＯ_３基板上にＺｎＯ薄膜を形成した結果を示している。この場合、Ｘ線回折強度が１.４×１０^５［ａ.ｕ.］以上の強度を示す領域ではＺｎＯ薄膜は＋面を有しており、回折強度が９×１０^３［ａ.ｕ.］以下の領域では＋面の領域と−面の領域とが混在している。また、その中間の領域では、＋面を有するＺｎＯ薄膜が形成されたり、−面を有するＺｎＯ薄膜が形成されたりしており、成膜を確実に制御できていない。
【００３７】
図８および図９から明らかなように、ＡｒとＯ_２との分圧比を変化させることにより、ＺｎＯ薄膜の配向性をコントロールでき、Ａｒ／Ｏ_２の分圧比が７５／２５〜６５／３５の範囲で良好な＋面を有するＺｎＯ薄膜を形成することができることが分かる。また、Ｃ面サファイア基板上に＋面を有するＺｎＯ薄膜を形成する場合には、基板を５００℃以上に加熱すればＺｎＯ薄膜の配向性が良好になり、−Ｚ面ＬｉＮｂＯ_３基板上＋面を有するＺｎＯ薄膜を形成する場合には、基板を３００℃以上に加熱すればよいことが分かる。
【００３８】
上記実施形態では圧電膜としてＺｎＯ薄膜を例示したが、＋面を有するＡｌＮ、ＣｄＳからなる薄膜をＣ面、Ｒ面、ｍ面及びａ面サファイア基板、回転Ｙ板サファイア基板、ダブルローテーションサファイア基板、回転Ｙ板水晶基板、Ｚ面水晶基板、Ｚ面水晶基板、−Ｚ面を有するＬｉＴａＯ_３基板、−Ｚ面を有するＬｉＮｂＯ_３基板、−面を有する圧電基板上に形成しても同様に良好な発光特性を備えた発光素子を得ることがができる。
【００３９】
図１０は本発明の第２の実施形態による発光素子１１の模式的断面図を示している。発光素子１１はＣ面サファイア基板１２と、その上に一定の間隔でストライプ状に形成された複数のＡｌ膜１３と、Ａｌ膜１３を覆うようにＣ面サファイア基板１２上に形成されたＺｎＯ薄膜１４を含む。ＺｎＯ薄膜１４は、Ａｌ膜１３の上方に位置する領域１４ａとＣ面サファイア基板１２上方に直接位置する領域１４ｂを含み、領域１４ａと１４ｂとは方向αに沿って交互に配置されている。領域１４ａは−面を有し、領域１４ｂは＋面を有している。このため、Ａｌ膜１３が設けられた部分においてのみ−面を有している。Ｃ面サファイア基板１２の代わりに回転Ｙ板水晶基板、Ｚ面水晶基板等、＋面ＺｎＯ薄膜を形成することが好ましい他の基板を用いてもよい。
【００４０】
Ｃ面サファイア基板とＡｌ膜とではＺｎＯ薄膜に対する配向特性に違いがあるため、成膜条件を適切に選択することにより、このように−面の領域と＋面の領域とを交互に形成することが可能である。また、Ａｌ膜とサファイア基板にそれぞれプラスとマイナスのバイアス電圧を印加しても、交互にＣ軸の方向が反転した膜が得られる。
【００４１】
発光素子１１はＳＨＧ素子として機能する。図１０に示されるように、ＺｎＯ薄膜１４の一方の端面から赤色光を方向αに沿ってＺｎＯ薄膜１４に入射させることにより、ＺｎＯ薄膜１４の他の端面から青色光を射出する。このように、本発明によれば、容易に良好な特性を備えたＳＨＧ素子を実現することができる。
【００４２】
図１１は第３の実施形態による発光素子２１の断面を模式的に示している。発光素子２１は、Ｃ面サファイア基板２２とその上に形成されたｎ型ＺｎＯ層２３、ＺｎＯ活性層２４およびｐ型ＺｎＯ層２５とを含む。ｎ型ＺｎＯ層２３の上面は＋面になっており、同様にＺｎＯ活性層２４およびｐ型ＺｎＯ層２５も＋面を上面として備えている。ＺｎＯ活性層２４およびｐ型ＺｎＯ層２５は発光部２６を構成している。また、ｎ型ＺｎＯ層２３は不純物としてＡｌなどIII族元素がドープされており低抵抗になっている。同様に、ｐ型ＺｎＯ層２５もＰ、Ａｓ等のＶ族元素がドープされている。電極２７および２８がｎ型ＺｎＯ層２３およびｐ型ＺｎＯ層２５上に設けられており、電極２７および２８から電流が注入され、発光部２６において励起子による発光が引き起こされる。
【００４３】
このような構造によれば、＋面を有するｎ型ＺｎＯ層２３に、＋面を有するＺｎＯ活性層２４およびｐ型ＺｎＯ層２５が設けられているため、発光部２６の結晶性が高く、高輝度、高発光効率の発光素子２１が実現できる。
【００４４】
本実施形態において、Ｃ面サファイア基板２２上にはｎ型ＺｎＯ層２３が設けられているが、ｎ型ＺｎＯ層２３とｐ型ＺｎＯ層２９とを入れ替えて導電型を逆にし、サファイア基板２２上にｐ型ＺｎＯ層を設けＺｎＯ活性層２８上にｎ型ＺｎＯ層を設けてもよい。
【００４５】
図１２は、第４の実施形態による発光素子３１を模式的に示しており、レーザダイオードや端面出射型の発光ダイオードなどの端面出射型発光素子を代表している。発光素子３１はサファイア基板３２、その上に設けられた低抵抗ＺｎＯ層３３および発光部３４を含んでいる。サファイア基板３２はＣ面、Ｒ面、ｍ面、ａ面あるいは回転Ｙ板サファイア面を有しており、低抵抗ＺｎＯ層３３は＋面をその上面として有している。発光部３４はｐ型ＺｎＯ層３５、ＺｎＯ活性層３６、ｎ型ＺｎＯ層３７を含んでおり、これらの層３６、３７は低抵抗ＺｎＯ層３３の配向方向に影響されて、いずれもそれぞれの上面が＋面になっている。
【００４６】
発光部３４の上にはスリットを有するＳｉＯ_２膜３８が設けられ、スリットを覆うようにＳｉＯ_２膜３８上に上部電極３９が設けられている。また、低抵抗ＺｎＯ層３３の一部が露出するように発光部３４の一部がエッチングされており、露出した低抵抗ＺｎＯ層３３上に下部電極４０が形成されている。
【００４７】
発光素子３１において、上部電極３９と下部電極４０との間に電圧が印加されると励起子発光による青〜紫外の光が端面から射出される。発光部３３の各層３６、３７は＋面を有するため、結晶性が高く、高輝度、高発光効率の発光素子が実現される。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、基板の種類に応じて、＋面または−面を有する圧電膜が選択的に設けられており、このような圧電膜は高い結晶性を備えている。このため、高輝度、高発光効率の発光素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による発光素子のフォトルミネセンス特性測定を模式的に示す断面図である。
【図２】＋面の領域と−面の領域が混在するＺｎＯ薄膜の誘電率顕微鏡写真を示す図である。
【図３】＋ＺｎＯ薄膜の誘電率顕微鏡写真を示す図である。
【図４】−ＺｎＯ薄膜の誘電率顕微鏡写真を示す図である。
【図５】Ｃ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜の発光強度を示す図である。
【図６】Ｚ面水晶基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜の発光強度を示す図である。
【図７】Ｃ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜と−面を有するＺｎＯ薄膜との発光強度を比較して示す図である。
【図８】Ｃ面サファイア基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜のＸ線強度を示す図である。
【図９】−Ｚ面ＬｉＮｂＯ_３基板上に形成された＋面を有するＺｎＯ薄膜のＸ線強度を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による発光素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態による発光素子を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態による発光素子を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１発光素子
２基板
３薄膜

Claims

基板と、
前記基板の成膜面に成膜され、発光層として機能するＺｎＯからなる圧電膜と、
を有する発光素子の設計方法であって、
前記基板の成膜面として、サファイア基板のＣ面、水晶基板のＺ面又はニオブ酸リチウム基板の−Ｚ面を選んだ場合には、
前記圧電膜の上面が均一な＋面となるようにする発光素子の設計方法。
前記圧電膜とは導電型が異なる第二のＺｎＯからなる圧電膜を有する、請求項１に記載の発光素子の設計方法。
前記基板上に形成された複数のストライプ状の金属膜を有し、該金属膜を覆うようにして前記圧電膜が設けられており、該金属膜上の圧電膜は−面を有している、請求項１に記載の発光素子の設計方法。