JPH07262801A - 薄膜発光素子及び発光装置 - Google Patents

薄膜発光素子及び発光装置

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JPH07262801A
JPH07262801A JP7959494A JP7959494A JPH07262801A JP H07262801 A JPH07262801 A JP H07262801A JP 7959494 A JP7959494 A JP 7959494A JP 7959494 A JP7959494 A JP 7959494A JP H07262801 A JPH07262801 A JP H07262801A
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JP
Japan
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light
thin film
light emitting
film
substrate
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JP7959494A
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English (en)
Inventor
Makoto Minakata
皆方  誠
Michio Kadota
道雄 門田
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 白色のフォトルミネセンス光を発光する薄膜
型の素子を得る。 【構成】 RFマグネトロン型ECRスパッタ装置を用
い、そのターゲットをpure Zn金属とし、雰囲気ガス
をAr+O2ガスとし、230℃に加熱したR面サファ
イア基板の表面に71Å/minの成膜速度で980Å
の膜厚にZnOエピタキシャル膜を成長させた。ZnO
エピタキシャル膜を1.8°Kに冷却した状態で、出力
パワー1mWのHe−Cdレーザー光を照射すると、白
色のフォトルミネセンス光が観測された。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜発光素子及び発光装
置に関する。具体的にいうと、本発明はフォトルミネセ
ンスによる白色発光の可能な薄膜発光素子と当該薄膜発
光素子を用いた白色光の発光装置に関する。
【0002】
【背景技術】エネルギーギャップ(Eg)よりも大きな
エネルギーを持った励起光を半導体結晶に照射したと
き、半導体中で励起された電子すなわちエネルギー的に
高い状態になった電子の状態が、もとの熱平衡状態(基
底状態)に戻るとき光を出す現象をフォトルミネセンス
という。電子が励起され発光する過程にはいくつかの種
類があり、フォトルミネセンススペクトルを分析するこ
とによって半導体試料の性質を知ることができるので、
フォトルミネセンスは半導体評価技術の一つとして用い
られている。
【0003】フォトルミネセンスの発光機構のうち重要
なものとしては、励起子発光がある。励起子とは、光や
熱のエネルギーで励起されながら、完全には自由になら
ず、互いに作用しあっている電子と正孔の対をいう。す
なわち、半導体のエネルギーギャップに相当するエネル
ギー以上の光などによって励起されると、価電子帯から
伝導帯に電子が遷移し、伝導帯に自由な電子と価電子帯
に自由な正孔がそれぞれ同数ずつ発生する。もし、エネ
ルギーギャップに相当するエネルギーより低いエネルギ
ーによって励起されたような場合には、電子と正孔は完
全には分離せず、クーロン引力で相互に作用し合うこと
になる。この状態の電子と正孔の対を励起子という。さ
らに、励起子はイオン化したドナーやアクセプタに束縛
された束縛励起子と、運動エネルギーが大きく束縛され
ない自由励起子に分けられる。そして、自由励起子によ
る発光は純度の高い結晶が十分低温にあるとき起こり、
鋭いスペクトル線として観測される。また、束縛励起子
が再結合するときには、自由励起子の場合より低いエネ
ルギーで起こり、スペクトル線も狭い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにフォトル
ミネセンスによる発光では、可視スペクトル領域と比較
して発光波長の幅が非常に狭いため、これまで観測され
ているフォトルミネセンス光はいずれも赤、緑などの単
色(有色)光であって、これまでのところ単体で白色発
光の可能なフォトルミネセンスは観測されていない。特
に、白色発光可能な薄膜型フォトルミネセンスは報告さ
れていない。また、従来、白色を発光させるためには、
光の三原色である三つの発光素子を必要とし、これらの
発光素子の光の強度のバランスをとって白色を合成して
いる。しかし、このような方法では、光の強度のバラン
スをとるために手間がかかるとともに、設備や構成が大
がかりで不経済であった。
【0005】しかし、今後フォトルミネセンスの研究開
発が進み、表示用の発光装置等としての応用研究が進ん
だ場合には、フォトルミネセンスによる白色発光可能な
素子が必要となってくることは明らかである。
【0006】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、白色発光可
能なフォトルミネセンスによる薄膜発光素子とその薄膜
発光素子を利用した発光装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜発光素子
は、基板上に形成したZnOエピタキシャル膜よりなる
ことを特徴としている。
【0008】上記薄膜発光素子においては、基板として
サファイア基板を用いるのが好ましい。また、ZnOエ
ピタキシャル膜はECRスパッタ法により基板の上に成
膜することができる。
【0009】本発明の発光装置は、上記薄膜発光素子と
当該薄膜発光素子を発光させるための励起光を出射する
投光器とを備えたことを特徴としている。
【0010】
【作用】フォトルミネセンスの材料としてZnO膜に着
目し、基板の上にZnOエピタキシャル膜を形成したと
ころ、レーザー光のような励起光を照射させることによ
って白色を呈するフォトルミネセンス光を確認すること
ができた。
【0011】また、この薄膜発光素子は薄膜型であるの
で、点光源としての利用に止まらず、大面積の面発光素
子や面型表示用素子などとして用いることができる。
【0012】特に、基板としてサファイア基板を用いれ
ば、サファイア基板の格子定数とZnOの格子定数とが
近いためZnOエピタキシャル膜を得ることができ、白
色発光に好ましいZnOエピタキシャル膜を得ることが
できる。また、成膜方法としては、ECRスパッタ法を
用いることによって欠陥の少ない良好なZnOエピタキ
シャル膜を得ることができた。
【0013】また、本発明の発光装置によれば、フォト
ルミネセンスを利用した白色表示可能な面状の薄型ディ
スプレイ用パネルなどを実現することができる。
【0014】
【実施例】図1に示すものは本発明の一実施例による薄
膜発光素子を示す断面図である。この薄膜発光素子1に
おいては、基板としてサファイア基板2を用い、その主
面にECRスパッタ法によって薄膜状のZnOエピタキ
シャル膜3を成膜している。基板としてはサファイア基
板2に限るものではないが、サファイア結晶とZnO結
晶とは格子定数が近いため、サファイア基板2を用いる
ことにより良好なZnO結晶をエピタキシャル成長させ
ることができる。このような構成の薄膜発光素子1の表
面にレーザー光4を照射すると、一定条件下において
は、レーザー光4の照射点が局所的に発光し、その発光
点が白色を呈した。以下、実際に確認した具体的実施例
(試作例)について説明する。
【0015】(具体的実施例1)基板としてはR面サフ
ァイア基板を準備した。また、ZnO膜をエピタキシャ
ル成長させるためのスパッタ装置としては、RF(高周
波)マグネトロン型ECR(電子サイクロトロン共鳴)
スパッタ装置を用い、そのターゲットを純粋なZn(pu
re Zn)金属とし、雰囲気ガスはAr+O2ガスとし
た。そして、R面サファイア基板を230℃に加熱し、
RFマグネトロンECRスパッタ装置により71Å/m
inの成膜速度でサファイア基板のR面上に980Åの
膜厚でZnOエピタキシャル膜を成長させた。
【0016】このようにして作製した薄膜発光素子のZ
nOエピタキシャル膜の結晶構造を電子線回折パターン
により確認した。この電子線回折パターンを図2に概略
的に示す。この結果、ZnO膜はc軸方向(六方晶系の
c軸)がサファイア基板のR面と並行に配向したエピタ
キシャル膜であることを確認した。なお、ZnO膜の屈
折率nはバルクZnOの屈折率と等しく、n=1.98
9であることも確認した。
【0017】この後、この薄膜発光素子の表面にレーザ
ー光を照射してフォトルミネセンス測定を行なった。図
3は検出系として、0.5mmのスリットを有する分光
器を用い、ZnOエピタキシャル膜を1.8°Kに冷却
した状態で、出力パワー1mWのHe−Cdレーザー光
を薄膜発光素子に照射した場合のフォトルミネセンス測
定の結果を表わしたものであって、横軸は発光波長λ、
縦軸は光強度(単位a.u.)である。この場合、図3
に示されているように、可視スペクトル領域(3800
〜7800Å)にわたる広い発光スペクトルが確認さ
れ、視覚により白色発光を確認できた。
【0018】(具体的実施例2)つぎに、ZnO結晶の
結晶欠陥を少なくして結晶の完全性を高めるように注意
しながら、同じくRFマグネトロンECRスパッタ装置
を用いてC面サファイア基板の表面に3250ÅのZn
Oエピタキシャル膜を成膜した。この薄膜発光素子で
は、ZnOのc軸はC面サファイア基板と垂直(つま
り、サファイア基板のc軸方向と平行)に配向してい
た。このようにして作製した薄膜発光素子に波長180
0Åのエキシマレーザー光を照射したところ、わずかに
青味掛かった白色発光が常温で観測された。なお、R面
サファイア基板の表面に3250ÅのZnOエピタキシ
ャル膜を成膜した場合も同様の結果が得られた。
【0019】(応用例)上記のようにして得られた薄膜
発光素子については、種々の応用が考えられる。例え
ば、小さな面積とすれば、発光ダイオードに代わる白色
点光源としての利用が考えられる。また、面型としての
特徴を考慮すれば、平面型光源(面状発光パネル)とし
ての利用も考えられる。すなわち、適当な寸法に作製し
た薄膜発光素子の全面にレーザー光のような励起光を投
光器により照射ないし走査させることにより、全面白色
発光させることができ、照明用の発光装置に用いること
ができる。
【0020】図4(a)に示すように、励起光4aを出
力する光源と当該励起光を走査する走査機構(光スキャ
ナ)とからなる投光器5を本発明の薄膜発光素子1と組
合せることにより、ブラウン管等に代わる薄型の白黒デ
ィスプレイ装置(表示用の発光装置)6aに用いること
ができる。また、図4(b)に示すように、投光器5と
薄膜発光素子1とを分離して遠隔より励起光4aを走査
させるようにすれば、ディスプレイ面側では電源等の駆
動源が不要な白黒ディスプレー装置6bを作製すること
ができる。さらに、基板2aが励起光4aに対して透明
な材質によって作製されている場合には、図4(c)に
示すように、裏面側から励起光4aを走査させて裏面走
査型の白黒ディスプレイ装置6cとすることもできる。
【0021】
【発明の効果】本発明の薄膜発光素子によれば、レーザ
ー光のような励起光を照射させることにより白色フォト
ルミネセンス光を発光させることができ、従来存在しな
かった発光色のフォトルミネセンス素子を作製すること
ができる。しかも、点光源としての利用に止まらず、大
面積の面発光素子や面型表示用素子などとして用いるこ
とができ、広い分野における応用が考えられる。
【0022】また、本発明の発光装置によれば、フォト
ルミネセンスを利用した白色表示可能な面状の薄型ディ
スプレイ用パネルなどを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による薄膜発光素子の構成を
示す概略断面図である。
【図2】具体的実施例の電子線回折パターンを示す図で
ある。
【図3】同上の具体的実施例におけるフォトルミネセン
ス測定のスペクトルを示す図である。
【図4】(a)(b)(c)は上記薄膜発光素子を用い
た各種ディスプレイ装置の概略図である。
【符号の説明】
1 薄膜発光素子 2 サファイア基板 3 ZnOエピタキシャル膜 4 レーザー光 5 投光器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成したZnOエピタキシャル
    膜よりなることを特徴とする薄膜発光素子。
  2. 【請求項2】 前記基板がサファイア基板であることを
    特徴とする請求項1に記載の薄膜発光素子。
  3. 【請求項3】 前記ZnOエピタキシャル膜がECRス
    パッタ法により成膜されたものであることを特徴とする
    請求項1又は2に記載の薄膜発光素子。
  4. 【請求項4】 請求項1,2又は3に記載の薄膜発光素
    子と当該薄膜発光素子を発光させるための励起光を出射
    する投光器とを備えた発光装置。
JP7959494A 1994-03-25 1994-03-25 薄膜発光素子及び発光装置 Pending JPH07262801A (ja)

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