JP2005019840A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オーミックコンタクト電極5に接続されたp型のシリコンカーバイド層3とシリコンカーバイド基板1を介してオーミックコンタクト電極4に接続されたn型のシリコンカーバイドエピタキシャル層3とをワイドギャップ半導体により形成し、且つp層3とn層2でpn接合界面を形成するとき、そのpn接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つp層3の不純物濃度勾配を半導体表面の側が最大濃度となり奥になるほど低い濃度となるように設定する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンカーバイド等のワイドギャップ半導体装置を使用した光半導体装置に係り、特に、可視光領域から紫外光領域に亘る連続スペクトル成分をもつ光を発生する光半導体装置に関するものである。
【0002】
光半導体装置は価電子帯の正孔と伝導帯の電子が再結合したときに放出される光を利用する半導体装置である。赤外光を発生する光半導体装置はリモコンに、可視光を発生する光半導体装置は表示装置に、さらに短波長の光を発生する光半導体装置は高密度光記録デバイスや検査装置の光源に、それぞれ広く活用されている。
【0003】
このような光半導体装置はn型とp型の半導体接合から構成され、そのpn接合界面に順方向電圧を印加することで、そのpn接合面においてn型から拡散してくる伝導帯の電子とp型の価電子帯から拡散してくる正孔とを再結合させて、この時失われるエネルギーが光として放出されるときのその光を利用するものである。
【0004】
このとき発生する光の波長は使用する半導体のバンドギャップの大きさで決まることが知られていて、次の式
λ=1.24μm/Eg (1)
で表される。ここでλは波長、Egは半導体のバンドギャップを示す。この式(1)から、バンドギャップEgが大きいワイドギャップ半導体からは、波長の短い光が得られることがわかる。
【0005】
このような波長の短い光の光源は、殺菌装置、半導体リソグラフィー、半導体検査装置の光源として需要が増している。そのため、短波長の発光素子をつくるために、バンドギャップの大きい半導体を使った光半導体装置の開発が盛んに行われている。
【0006】
例えば、シリコンカーバイドはバンドギャップが4Hで3.26eV、6Hで3.02eVであるため、上式(1)からそれぞれ378nm、408nmと短波長の光を放出できることが有望視されていた。松下らは6Hのシリコンカーバイド基板上に液相成長によりシリコンカーバイドのpn接合を形成し、470nm付近にピークを持つ発光が得られることを報告している(非特許文献1)。
【0007】
また、近年GaNを使った光半導体が注目されているが、そのバンドギャップも3.39eVとシリコンカーバイドと同程度であり、その発光波長はピークが430nmである(非特許文献2)。
【0008】
さらに、バンドギャップの大きな半導体材料として、ダイヤモンド(Eg=5.47eV)が有望視されている。ダイヤモンドにボロンを高濃度に添加したp型基板に、硫黄を添加したn型のダイヤモンドを気相成長(CVD)により成長してpn接合を形成し、エレクトロルミネッセンス測定によりバンドギャップ5.47eVに相当する微弱な光が発生することが確認されている(非特許文献3)。
【0009】
また、現在では、半導体リソグラフィーや殺菌装置などには、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルをもつ光源として放電管(ハロゲン・重水素ランプやエキシマレーザ等)が用いられている。放電管は、石英の内部に対向した電極と不活性ガスとを充填して密閉した構造をしており、この対向した電極に電圧を印加させることにより放電を発生させ、このとき不活性ガス(例えばキセノン)の励起された電子が基底状態に遷移するときに失うエネルギーが光として放出される。この放電管により発生した光は、200nm〜2μmと広い範囲の波長スペクトルをもつ。
【0010】
【非特許文献1】松下他著、「オフオリエンント基板を使用したシリコンカーバイド青色LEDの製作」、JJAP、第29巻、第2号、L343−L345頁、1990年(Y.Matsushita,et al., ”Fabrication of SiC Blue LEDs Using Off−Oriented Substrates”JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.29,No.2,1990,ppL343−L345)
【非特許文献2】中村他著、「高出力GaNのpn接合青色発光ダイオード」、JJAP、第30巻、第12A号、L1998−L2001頁、1991年(S.Nakamura,et al., ”High−Power GaN P−N Junction Blue−Light−Emitting Diodes” JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.30,No.12A,1991,ppL1998−L2001)
【非特許文献3】堀内著、「ダイヤモンド紫外線発光素子」、応用物理、第70巻、第11号、1317−1320頁,2001年。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような光半導体装置では、バンドギャップ以上のエネルギーをもった光、すなわち、より波長の短い光を得ることができず、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルを持つ光を得ることができなかった。また、放電管を使ったハロゲン・重水素ランプやエキシマレーザ等の光源は、危険、大型、高価、低効率などの問題があった。
【0012】
本発明は上記問題を解決し、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルを持った光を発生する光半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、第1の電極に接続されたp層と第2の電極に接続されたn層をワイドギャップ半導体により形成し、且つ前記p層と前記n層でpn接合界面を形成した光半導体装置において、前記pn接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つ前記pn接合界面のp層又はn層の少なくとも一方の不純物濃度勾配を前記半導体表面の側が最大濃度となり深くなるほど低い濃度となるように設定し、前記p層および前記n層に逆バイアス電圧が印加され、発光することを特徴とする光半導体装置とした。
【0014】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の光半導体装置において、前記半導体表面に露出する前記pn接合界面は、前記半導体表面全体に配置されていることを特徴とする光半導体装置とした。
【0015】
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の光半導体装置において、少なくとも前記半導体表面における前記第1又は第2の電極を除く部分を紫外線透過材料からなる保護膜で被覆したことを特徴とする光半導体装置とした。
【0016】
請求項4にかかる発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の光半導体装置において、前記ワイドギャップ半導体は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする光半導体装置とした。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体装置では、ワイドバンドギャップの半導体からなるpn接合界面に逆バイアス電圧を印加して電子なだれを起こさせ、そのとき生成するキャリアの電子と正孔の再結合による発光を半導体装置表面で生じさせることにより、可視光領域から紫外光領域にわたって連続スペクトルをもつ光を発生させる。
【0018】
n型のワイドバンドギャップ半導体と同じワイドバンドギャップ半導体のp型から成るpn接合を、エピタキシャル成長または化学気相成長により形成し、n型層とp型層にそれぞれ電流を流すためのオーミックコンタクト電極を形成し、p型層側に負の電圧をn型層側に正の電圧を印加、つまり逆バイアス電圧を印加すると、pn接合界面部分には空乏層が形成され、キャリアが存在できなくなる。そのため、そのままでは電流は流れない。
【0019】
しかし、さらに逆バイアス電圧を大きくすれば、pn接合界面から離れた半導体内部のキャリアの一部が電界に加速され、大きなエネルギーをもって空乏層へ流れ込みむようになり、このキャリアが格子原子と衝突してその結合手を切って電子−正孔対を作る。これを衝突電離と呼ぶが、この新しく生成した電子と正孔は、電界からエネルギーをもらい更に別の電子−正孔対を作る。この現象が繰り返し起こる過程をなだれ増倍と呼ぶ。
【0020】
このなだれ増倍が起きるときに発光が観測される。そのメカニズムとして、これら生成した電子−正孔対が、走行中に再結合するときに失ったエネルギーを光として放出したり、加速されたキャリアが急速に減速を受けたときに失ったエネルギーを光として放出したりすることがシリコンの研究などで知られている。
【0021】
このなだれ増倍の発生時には、実験的にpn接合を形成する半導体のバンドギャップの3倍弱のバンドギャプに相当する波長範囲の発光が確認されている。このような発光現象を半導体の表面側で生じさせることで、ワイドバンドギャップ半導体自身による吸収を抑えつつ、可視光領域から紫外光領域まで連続な波長成分を持つ強い光を取り出すことができる。以下、詳しく説明する。
【0022】
[第1の実施形態]
図1はワイドバンドギャップの半導体材料としてシリコンカーバイドを使用して製作した本発明の第1の実施形態の発光ダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線断面図、(c)はp型のシリコンカーバイド層の不純物濃度分布図である。
【0023】
図1において、1はn型のシリコンカーバイド基板、2は不純物濃度が1×1017/cm3、厚さが2.5μmの低濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層、3は表面の最大不純物濃度が1×1020/cm3、厚さが0.2nmの高濃度p型のシリコンカーバイドの層、4、5はオーミックコンタクト電極、6は素子分離用の高抵抗層、7はpn接合界面である。
【0024】
高濃度p型のシリコンカーバイド層3はn型のエピタキシャル層2に対するイオン注入法により形成され、図1(c)に示すように表面で最大の不純物濃度をもち、半導体内部のn型のエピタキシャル層2に向けてその不純物濃度が低下するよう濃度分布が設定されている。また、このp型のシリコンカーバイド層3は、表面形状が櫛歯形状となるように形成されているが、逆方向バイアス電圧が印加されたときに空乏層がぶつからないように、櫛歯形状に対応する部分が互いに5μm程度離して形成されている。また、局部的な電界集中を避けるために、p層パターンの各コーナーは、曲率をもつ構造とする。高抵抗層6はバナジウムを注入することによりアモルファスの素子分離用として形成される。オーミックコンタクト電極4はn型のシリコンカーバイド基板1に、オーミックコンタクト電極5はp型のシリコンカーバイド層3にそれぞれ形成される。pn接合界面7は、図1(a)に点線で示すように平面形状が櫛歯形状に曲折しているが、これはその全長を長くし、シリコンカーバイド基板表面全体にpn接合を配置するためであり、オーミックコンタクト電極5はこのpn接合界面7が露出するように、p型のシリコンカーバイド層3上に形成されている。
【0025】
このように形成したシリコンカーバイド発光ダイオードに対して、n型のシリコンカーバイド基板1がアース電位、p型のシリコンカーバイド層3が負電位となるようオーミックコンタクト電極4,5間に電圧を印加すると、そのpn接合界面7には逆方向のバイアス電圧が印加する。このときpn接合界面7において、特にp型のシリコンカーバイド層3の不純物濃度が最大である表面に電界が集中する。
【0026】
印加電圧が小さい範囲では、pn接合界面近傍では空乏層が広がるため自由キャリアが存在せず、電流は流れることができない。しかし、さらに電圧を加えていくと、前記した衝突電離により電子−正孔対が作られ、この新しく生成した電子と正孔は、電界からエネルギーをもらい更に別の電子−正孔対を作り、前記したなだれ増倍の現象が発生する。
【0027】
このなだれ増倍で生成した電子−正孔対の中には、走行中に再結合するものもあり、そのときにバンドギャップに対応した光を放出する。また、加速されたキャリアが急激に減速を受け、この時に失ったエネルギーを光として放出する。これを制動輻射と呼ぶ。実験的にはバンドギャップの3倍程度のバンドギャップに相当する波長範囲の発光が認められている(参考文献1:A.G.チノウエス、K.G.マッケイ著、「シリコン内のアバランシェブレークダウンによる光放射」、フィジカルレビュー、第102巻、第2号、369−376頁、1956年(A.G.Chynoweth and K.G Mckay, ”Photon Emission from Avalanche Breakdown in Sillicon” PHYSICAL REVIEW Vol.102,No.2,pp.369−376,1956))。
【0028】
このことからこのシリコンカーバイド発光ダイオードでは、4Hのバンドギャップが3.26eVであるため、380nmから126nmに亘り連続した波長の光を取り出すことができる。この発光は、p型のシリコンカーバイド層3の不純物濃度が最大である表面近傍で起きるため、シリコンカーバイド自信による光の吸収が少なくなり、紫外光領域までの短波長の光を放出することができる。
【0029】
図5はpn接合界面の半導体表面で発光が起こるようにp型のシリコンカーバイド層3の濃度勾配を図1(c)に示すように設定した場合の発光の様子を示す特性図である。なお、発光ダイオード表面の光を光ファイバで測定装置に取り込んで分光分析測定したので、光ファイバによる損失も含んでいる。また、測定装置の波長測定検出限界が250nmであったので、250nm以下ではノイズが顕著となっている。
【0030】
[第2の実施形態]
図2は第2の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す断面図である。この実施形態では、シリコンカーバイド発光ダイオードの表面を保護する目的で、紫外線を透過するサファイア、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等の紫外線透過材料からなる保護膜8をスパッタリングによって形成する。この場合、pn接合界面7の表面側が保護膜8によって覆われるため、波長100nm以下の短波長の光はこれらの保護膜8によって吸収されるが、それ以上の波長で使用する場合には影響なく、むしろ半導体の安定化のために有効である。
【0031】
[第3の実施形態]
図3は第3の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図である。前記の第1および第2の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードでは、pn接合として、図1(c)の濃度勾配が設定された高濃度p型のシリコンカーバイド層3と低濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層2のpn接合を用いる方法を述べたが、低濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層2に代えて、図3に示すように、高濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層2Aを使用してシリコンカーバイド発光ダイオードを形成してもよい。
【0032】
このように低濃度n型のシリコンカーバイド層2の代わり高濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層2Aを使うと、その高濃度n型のシリコンカーバイドエピタキシャル層2A側への空乏層の幅が短くなるので、図1に示した構造よりも、pn接合界面7の櫛歯形状の間隔を狭くでき、電極の密度を大きくしてそのpn接合界面7の全長を長くし、シリコンカーバイド発光ダイオードの輝度をより大きくすることができる。
【0033】
また、オーミックコンタクト電極4を表面側に形成することもできる。この場合も、オーミックコンタクト電極4はpn接合界面7を覆わないように形成する必要がある。
【0034】
さらに、高濃度n型シリコンカーバイド層2Aの濃度をより大きくすることで、なだれ増倍を発生させる電圧が小さくできるため、動作電圧を小さくすることもできる。
【0035】
[第4の実施形態]
図4は第4の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの表面部分を示す図である。ここでは、表面形状が櫛歯形状のpn接合界面7の各歯の部分を波形状にすることにより、そのpn接合界面7の全長をより長くしている。このようにすることで、発光領域が長くなるので線形状の発光部分を面形状の発光(面発光)に近づけることができ、シリコンカーバイド発光ダイオードの輝度を向上させることができる。この場合、p型のシリコンカーバイド層3上に形成されるオーミックコンタクト電極5もpn接合界面7の形状に合わせて、そのpn接合界面7を覆わない程度の波形状にする。
【0036】
[その他の実施形態]
これまで説明したシリコンカーバイド発光ダイオードの素子構造では、シリコンカーバイド基板1とシリコンカーバイドエピタキシャル層2,2Aをn型層に、シリコンカーバイド層3をp型層にしていたが、このp型とn型を逆にしても全く同様に動作することは言うまでもない。
【0037】
また、表面側が最高濃度となるように濃度勾配を設定するのは、p型層ではなくn型層であっても良く、pn接合界面を形成するp型層、n型層の少なくとも一方に上記の濃度勾配を設定すればよい。
【0038】
さらに、ここでは、半導体材料としてシリコンカーバイドを用いてシリコンカーバイド発光ダイオードを作成した例を説明したが、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどの他のワイドバンドギャップ半導体を用いることもできることは言うまでもない。
【0039】
さらに、pn接合界面の表面形状は櫛歯形状に限られるものではなく、全長が長くなる形状であればどのような形状であってもよく、面発光となるように配置すればよい。
【0040】
【発明の効果】
以上から本発明の光半導体装置によれば、ワイドギャップ半導体によるpn接合界面の半導体表面側においてなだれ増倍により発光を引き起こさせることができるので、可視光領域から紫外光領域の広い波長範囲にわたって連続波長の光を放出することができる。このような短波長領域で連続スペクトルをもつ光半導体装置は、放電管が使用されている半導体フォトリソグラフィー、半導体検査装置、各種分析装置、樹脂硬化装置、消毒滅菌装置等への応用が期待される。これにより、小型、軽量で低価格な装置の開発が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線断面図、(c)はp型のシリコンカーバイド層3の不純物濃度分布特性図である。
【図2】第2の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの断面図である。
【図3】第3の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線断面図である。
【図4】第4の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの平面図である。
【図5】シリコンカーバイド発光ダイオードのpn接合界面での発光の特性図である。
【符号の説明】
1:シリコンカーバイド基板
2:シリコンカーバイドエピタキシャル層
2A:シリコンカーバイドエピタキシャル層
3:シリコンカーバイド層
4:オーミックコンタクト電極
5:オーミックコンタクト電極
6:高抵抗層
7:pn接合界面
8:紫外線透過材料からなる保護膜
Claims (4)
- 第1の電極に接続されたp層と第2の電極に接続されたn層をワイドギャップ半導体により形成し、且つ前記p層と前記n層でpn接合界面を形成した光半導体装置において、
前記pn接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つ前記pn接合界面のp層又はn層の少なくとも一方の不純物濃度勾配を前記半導体表面の側が最大濃度となり深くなるほど低い濃度となるように設定し、前記p層および前記n層に逆バイアス電圧が印加され、発光することを特徴とする光半導体装置。 - 請求項1に記載の光半導体装置において、
前記半導体表面に露出する前記pn接合界面は、前記半導体表面全体に配置されていることを特徴とする光半導体装置。 - 請求項1又は2に記載の光半導体装置において、
少なくとも前記半導体表面における前記第1又は第2の電極を除く部分を紫外線透過材料からなる保護膜で被覆したことを特徴とする光半導体装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の光半導体装置において、
前記ワイドギャップ半導体は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする光半導体装置。
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JP2003184969A JP2005019840A (ja) | 2003-06-27 | 2003-06-27 | 光半導体装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009093170A1 (en) * | 2008-01-21 | 2009-07-30 | Insiava (Pty) Limited | Silicon light emitting device utilising reach-through effects |
JP2016031997A (ja) * | 2014-07-28 | 2016-03-07 | エア・ウォーター株式会社 | 半導体装置 |
US9306113B2 (en) | 2008-12-15 | 2016-04-05 | Insiava (Pty) Limited | Silicon light emitting device utilising reach-through effects |
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2003
- 2003-06-27 JP JP2003184969A patent/JP2005019840A/ja active Pending
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091104 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100304 |