JP2010003938A - 発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とした発光デバイスにおいて、Ｘ＝０．３３を超えるＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを利用可能とすることを課題とする。
【解決手段】Ｚｎ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とし、膜厚が３０ｎｍ以下で０．３３≦Ｘ≦０．６１とした発光デバイス。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｚｎ極性面のＺｎＭｇＯ（Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯ）を活性層とした発光デバイスに関する。

現在、低消費電力、長寿命の観点から照明やヘッドランプ等の光源として、白色ＬＥＤが注目を集めている。今後の更なる普及への鍵は、高効率化や高演色性化にある。高効率化や高演色性化を進めるにはＬＥＤの短波長化が望まれるが、現在の白色ＬＥＤの主要な材料であるＧａＮ系半導体は４００ｎｍ以下の短波長領域で、短波長化に伴う発光効率の急激な減少という問題を抱えている。一方ＺｎＯ系の発光デバイスは、室温でも励起子が安定的に存在できるため、紫外領域でも発光効率が高いという特徴を有する。

ＺｎＯはウルツ鉱型構造をとり、（０００１）面にＺｎ極性面、Ｏ極性面がある。図１にＺｎＯにおける（０００１）面のＺｎ極性面、Ｏ極性面の模式図を示す。これまでに発光デバイスの発光効率の観点からＺｎＯ系の発光デバイスを検討したものはない。
またＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とした発光デバイスは公知であるが（特許文献１参照）、発光効率の点で満足すべきものではない。

さらにＺｎ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とした発光デバイスは公知である（特許文献２参照）が、特に短波長での発光効率を向上させるという観点から選択されたものではない。
Ｚｎ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯとＯ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯの優劣を比較した文献はなく、また発光効率の点で満足すべきものではない。

図２にＯ極性のＺｎＭｇＯの光学吸収及びフォトルミネセンス発光の二つの光学スペクトルを示す（非特許文献１参照）。図２から分かるとおり、４．２Ｋと極低温の測定であるにも拘らず、励起子の特徴的な吸収端のピークは見られず、３３０ｎｍ付近の発光デバイスとして使用したいＭｇ組成２０％付近での励起子の効果は非常に小さい。また図３（非特許文献１より算出）に示すとおり、Ｍｇ組成が増えるに従って発光ピークと吸収ピークのエネルギー差（ストークスシフト）が大きくなり、Ｍｇ組成が１９％では１１７ｍｅＶもある。これはＯ極性ＺｎＭｇＯ中に大きなＭｇ組成のむらが存在し、結晶品質が低いことを示している。なお、非特許文献１では結晶の極性については触れられていないが、同時期に発表された非特許文献２により非特許文献１による手法で作製された薄膜はＯ極性であることが報告されている。

またＺｎＭｇＯはウルツ鉱型構造のＺｎＯと岩塩型構造のＭｇＯからなる混晶であるために、相分離を起こしやすい。Ｏ極性ＺｎＯではＸ＝０．３３を超えるＭｇ組成では、Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯは相分離を起こすことが示されており（非特許文献１参照）、発光デバイスとして利用することができない。
特開２００６−２６９８２１号公報 特開２００７−４３１０９号公報 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７２，Ｎｕｍｂｅｒ１９，１１ Ｍａｙ １９９８ ｐ.２４６６〜２４６８ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７２，Ｎｕｍｂｅｒ７，１６ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９８ ｐ.８２４〜８２６

本発明は、Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とした発光デバイスにおいて、Ｘ＝０．３３を超えるＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを利用可能とすることを課題とする。

上記課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）ウルツ鉱型の結晶構造を有するＺｎ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とし、０．３３＜Ｘ≦０．６１であり、かつ活性層の厚みは３０ｎｍ以下であることを特徴とする発光デバイス。
（２）上記活性層は、Ｚｎ極性面のＺｎ_１−ＹＭｇ_ＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ_１−ＺＭｇ_ＺＯ（Ｚ＞Ｘ）に挟まれた量子井戸構造を備えていることを特徴とする（１）に記載の発光デバイス。

本発明では膜厚を３０ｎｍ以下とすることにより、Ｘ＝０．６１まで相分離を起こさず、ウルツ鉱型構造を保ったままＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを得ることができるため、発光波長がＺｎＯ単体（Ｘ＝０）の３７０ｎｍ付近から２７０ｎｍ程度までおよぶ紫外線領域の発光デバイスが得られる。

Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯは図４及び図５に示すとおり、室温でも明瞭な励起子遷移による反射ピークが確認できる。図４、図５は膜厚がそれぞれ１００ｎｍ、３０ｎｍの場合である。これは、段落０００５で述べたＯ極性のＺｎＭｇＯとは大きく異なり、Ｚｎ極性のＺｎＭｇＯは光学スペクトルに励起子の効果が顕著に発現している。励起子の効果が大きいほど、発光効率は増大するため、Ｚｎ極性のＺｎＭｇＯは発光デバイス材料として、Ｏ極性ＺｎＭｇＯに比べて適している。なお、図４、図５では反射スペクトルにより励起子遷移強度の強弱を論じたが、反射スペクトルによる励起子遷移強度の強弱は図２での吸収スペクトルによる励起子遷移強度に対応している。

図６に示すとおり、Ｚｎ極性を用いた場合ＺｎＭｇＯのストークスシフトはＯ極性を用いた場合のストークスシフトより小さく、Ｍｇ組成が２０％で２７ｍｅＶと、段落０００５で述べたＯ極性の場合の１１７ｍｅＶに比べて４分の１以下と非常に小さく高品質なＺｎＭｇＯを使用できる。

Ｏ極性のＺｎＭｇＯは段落０００６で述べたようにＸ＞０．３３で相分離を起こす。一方、Ｚｎ極性のＺｎＭｇＯは図３や図４に示すとおり、広いＸの範囲において室温でも励起子の効果を明瞭に示す高品位なものが得られる。Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯは膜厚が１００ｎｍではＸ＝０．４４までの組成を相分離することなく得ることができるが、３０ｎｍではＸ≦０．６１と組成が０．５を超えてもウルツ鉱型構造を保ったまま得ることができる。つまり、Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯは３０ｎｍ以下の薄膜では、励起子の効果を室温でも発現する高い品質を保ったままＸ＝０．６１、２７０ｎｍ付近までの短波長領域まで励起子遷移を利用した発光デバイスが実現できる。

また上記Ｚｎ極性Ｚｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯの活性層を０．３３＜Ｘ≦０．６１としＺｎ極性面のＺｎ_１−ＹＭｇ_ＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ_１−ＺＭｇ_ＺＯ（Ｚ＞Ｘ）に挟まれた量子井戸構造とし、Ｙ、Ｚの値を選択することにより、高い発光効率が得ることができる。

本発明におけるＺｎＭｇＯには、２族元素としてＢｅやＣｄまた６族元素としてＳやＳｅを含むＺｎＭｇＯを主体とするものも含まれる。

ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図 Ｏ極性ＺｎＭｇＯの光学スペクトル Ｏ極性の励起子遷移エネルギー及び発光エネルギーの関係 膜厚が１００ｎｍのＺｎ極性ＺｎＭｇＯの室温における光学反射スペクトル 膜厚が３０ｎｍのＺｎ極性ＺｎＭｇＯの室温における光学反射スペクトル Ｚｎ極性の励起子遷移エネルギー及び発光エネルギーの関係

Claims (2)

1. ウルツ鉱型の結晶構造を有するＺｎ極性面のＺｎ_１−ＸＭｇ_ＸＯを活性層とし、０．３３＜Ｘ≦０．６１であり、かつ活性層の厚みは３０ｎｍ以下であることを特徴とする発光デバイス。
2. 上記活性層は、Ｚｎ極性面のＺｎ_１−ＹＭｇ_ＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ_１−ＺＭｇ_ＺＯ（Ｚ＞Ｘ）に挟まれた量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。