(57)【要約】【課題】Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とした発光デバイスにおける、特に紫外領域での発光効率を向上することを課題とする。【解決手段】Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とし、０．１１≦Ｘ≦０．３２とした発光デバイス。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とし、０．１１≦Ｘ≦０．３２としたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とし、０．１２≦Ｘ≦０．２２としたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項３】
上記活性層は、Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＹＭｇＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ１−ＺＭｇＺＯ（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又は２に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｚｎ極性面のＺｎＭｇＯ（Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯ）を活性層とした発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯ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。
【０００４】
さらにＺｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯ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Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯとＯ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯ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。
【０００５】
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励起子遷移（この場合は吸収遷移）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ＺｎＭｇＯ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。
【特許文献１】特開２００６−２６９８２１号公報
【特許文献２】特開２００７−４３１０９号公報
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７２，Ｎｕｍｂｅｒ１９，１１ Ｍａｙ １９９８ ｐ.２４６６〜２４６８
【非特許文献２】ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌｕｍｅ７２，Ｎｕｍｂｅｒ７，１６ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９８ ｐ.８２４〜８２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とした発光デバイスにおける、特に紫外領域での発光効率を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とし、０．１１≦Ｘ≦０．３２としたことを特徴とする発光デバイス。
（２）Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とし、０．１２≦Ｘ≦０．２２としたことを特徴とする発光デバイス。
（３）上記活性層は、Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＹＭｇＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ１−ＺＭｇＺＯ（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）又は（２）に記載の発光デバイス。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯを活性層とした発光デバイスにおいて、０．１１≦Ｘ≦０．３２としため、発光波長が３３０ｎｍ付近の発光デバイスの発光効率を向上させた発光デバイスが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
さらに反射スペクトルの強度、つまり励起子による効果は図６に示すとおりＭｇ組成が０．１１から０．３２の間で最大となり、０．２付近で最大となる。つまりＺｎ極性のＺｎＭｇＯはＸ＝０．２付近で遷移強度、即ち発光効率が高い。また、図７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。
【００１１】
なお図６において丸印は、活性層の厚みを３０ｎｍとしたものであり、三角印は活性層の厚みを１００ｎｍとしたものである。図６から分かるように、Ｍｇ組成は０．１２≦Ｘ≦０．２２のものが最適である。
【００１２】
また０．１２≦Ｘ≦０．２２のＭｇ組成を有するＺｎ極性のＺｎＭｇＯの発光効率は最も高いため、ＺｎＭｇＯそのもののバンドギャップより短波長領域でも、組成を保ったまま適当な量子井戸構造により発光波長を制御することにより高い発光効率が得ることができる。
すなわち、Ｚｎ極性面のＺｎ１−ＸＭｇＸＯ活性層を０．１１≦Ｘ≦０．３２としＺｎ極性面のＺｎ１−ＹＭｇＹＯ（Ｙ＞Ｘ）及びＺｎ極性面のＺｎ１−ＺＭｇＺＯ（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。
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＺｎＯ（０００１）面における、Ｚｎ極性面及びＯ極性面の模式図
【図２】Ｏ極性ＺｎＭｇＯの光学スペクトル
【図３】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
【図４】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
【図５】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
【図６】Ｚｎ極性ＺｎＭｇＯの光学反射強度のＭｇ組成依存性
【図７】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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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