JP2005187791A - Phosphor and light-emitting diode - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a phosphor capable of being excited by a long-wavelength light source in an ultraviolet region or a visible region of a blue color to a violet color and capable of emitting light mainly in a visible region of the violet color through the blue color and a yellow color to a red color, and to provide a light-emitting diode capable of being easily mounted, excellent in color rendering properties, capable of being given at a low cost, and scarcely causing changes in coloration due to radiation angles. <P>SOLUTION: This phosphor made of SiC is excited by the external light source and emits the light, wherein the substance is doped by at least one kind of elements of B and Al, and further by N. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電子線、X線、紫外線または青色−紫色の可視光線などの電磁波により励起して、発光するSiC製蛍光体およびその製造方法、ならびにかかる蛍光体からなる半導体用の基板および粉末に関する。また、本発明は、新しい固体照明デバイスとして今後の普及が期待されているIII族窒化物半導体を備える発光ダイオードに関する。   The present invention relates to a SiC phosphor that emits light by being excited by an electromagnetic wave such as an electron beam, X-ray, ultraviolet light, or blue-violet visible light, a method for producing the same, and a semiconductor substrate and powder made of the phosphor. . The present invention also relates to a light-emitting diode including a group III nitride semiconductor, which is expected to spread in the future as a new solid-state lighting device.

希ガス放電によって放射される真空紫外線を用いて、蛍光体を励起して、発光させるPDPパネルの開発が盛んに行なわれている。PDPパネルは、マトリックス状に配置した多数の表示セルにより形成され、各表示セルには放電電極が設けられている。また、その内部には、蛍光体が塗布され、He−XeまたはNe−Xeなどの希ガスを封入している。放電電極に電圧を印加すると、真空紫外線が放射され、これにより蛍光体が励起し、可視光線を発光する仕組みである。   Development of PDP panels that excite phosphors by using vacuum ultraviolet rays emitted by rare gas discharge to emit light has been actively conducted. A PDP panel is formed by a number of display cells arranged in a matrix, and each display cell is provided with a discharge electrode. In addition, a phosphor is applied in the inside, and a rare gas such as He—Xe or Ne—Xe is enclosed. When a voltage is applied to the discharge electrode, vacuum ultraviolet rays are emitted, whereby the phosphor is excited and emits visible light.

蛍光ランプの場合は、水銀とアルゴンガスの混合ガスを封入した放電管において放電を開始すると、放電空間にある電子が電界により加速され、陽極に向かって漂行する。この間に蛍光ランプ管内の水銀原子を電子が励起し、励起された水銀原子から放出される波長253.7nmの紫外線により可視光を発光する。   In the case of a fluorescent lamp, when discharge is started in a discharge tube in which a mixed gas of mercury and argon gas is sealed, electrons in the discharge space are accelerated by an electric field and drift toward the anode. During this time, electrons excite mercury atoms in the fluorescent lamp tube, and visible light is emitted by ultraviolet rays having a wavelength of 253.7 nm emitted from the excited mercury atoms.

紫外線により励起して発光する蛍光体(以下、「紫外線励起蛍光体」という。)は、PDPのほか、蛍光ランプ、高圧水銀灯、屋内外で使用される蛍光性壁材および蛍光性タイルなどによる装飾などに幅広く実用化されている。蛍光性の壁材またはタイルなどは、紫外線の中でも、特に365nm程度の長波長の紫外線で励起され、様々な色に明るく発光する。   Phosphors that emit light when excited by ultraviolet rays (hereinafter referred to as “ultraviolet-excited phosphors”) are decorated with fluorescent lamps, high-pressure mercury lamps, fluorescent wall materials and fluorescent tiles used indoors and outdoors in addition to PDPs. Widely used in various applications. Fluorescent wall materials or tiles are excited by ultraviolet light having a long wavelength of about 365 nm, and emit light brightly in various colors.

また、半導体から発光した光により励起するデバイスが知られている。このデバイスでは、半導体からの光はできるだけ長波長である方が、半導体への負荷が軽減される。したがって、励起光の波長は、360nm以上が好ましく、380nm以上がより好ましく、400nm以上が特に好ましい。   Devices that are excited by light emitted from a semiconductor are also known. In this device, the load on the semiconductor is reduced when the light from the semiconductor is as long as possible. Therefore, the wavelength of the excitation light is preferably 360 nm or more, more preferably 380 nm or more, and particularly preferably 400 nm or more.

従来、長波長の紫外線により励起される蛍光体としては、青色発光のEu賦活アルカリ土類ハロ燐酸塩蛍光体、Eu賦活アルカリ土類アルミン酸塩蛍光体、Eu賦活LnO蛍光体などがある。また、緑色発光のZn2GeO4:Mn蛍光体などがあり、黄色発光のYAG:Ce(セリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体、さらに赤色発光のY22S:Eu蛍光体、YVO4:Eu蛍光体などが実用化されている。 Conventional phosphors excited by long-wavelength ultraviolet light include blue-emitting Eu-activated alkaline earth halophosphate phosphors, Eu-activated alkaline earth aluminate phosphors, Eu-activated LnO phosphors, and the like. Further, there is a green light emitting Zn 2 GeO 4 : Mn phosphor, a yellow light emitting YAG: Ce (cerium-doped yttrium, aluminum, garnet) phosphor, a red light emitting Y 2 O 2 S: Eu phosphor, and YVO. 4 : Eu phosphors have been put into practical use.

しかし、表示の多様化および高機能化に伴い、発光色の多色化および高輝度化ならびに耐久性の向上および耐候性の向上が求められている。さらに、ZnSe、ZnOなどのII−VI族半導体を用いた蛍光体の研究が盛んに行なわれている(特許文献1参照)。   However, with the diversification and higher functionality of display, there are demands for multicolored and high luminance emission colors, improved durability, and improved weather resistance. Furthermore, research on phosphors using II-VI group semiconductors such as ZnSe and ZnO has been actively conducted (see Patent Document 1).

一方、SiCを母材として、Yb、Erなどの希土類元素を添加し、希土類元素自身の励起により、900nm以上の赤外光を発光する蛍光体が知られている(特許文献2参照)。この蛍光体は、母材はSiCであるが、原理的には、希土類元素の発光を中心とするものであり、酸化物を母材とする希土類元素の添加による発光と同じ機構を用いるものである。SiC結晶は、SiC単結晶を種結晶として昇華再結晶を行なう改良型レーリ法により作製することができる(非特許文献1参照)。   On the other hand, a phosphor is known that emits infrared light of 900 nm or more by adding rare earth elements such as Yb and Er using SiC as a base material and exciting the rare earth elements themselves (see Patent Document 2). In this phosphor, the base material is SiC, but in principle, it is centered on the emission of rare earth elements and uses the same mechanism as the emission of light by adding rare earth elements based on oxides. is there. The SiC crystal can be produced by an improved Rayleigh method in which sublimation recrystallization is performed using an SiC single crystal as a seed crystal (see Non-Patent Document 1).

近年、窒化物半導体の結晶成長方法が急速に進展し、窒化物半導体を用いた高輝度の青色および緑色の発光ダイオードが実用化されている。従来から存在した赤色発光ダイオードと、これらの青色および緑色発光ダイオードを組み合わせることにより、光の3原色が全て揃い、フルカラーのディスプレイ装置も実現可能である。すなわち、光の3原色全てを混合させると、白色の光を得ることもできるようになり、白色照明用デバイスへの応用も可能である。   In recent years, crystal growth methods for nitride semiconductors have rapidly progressed, and high-intensity blue and green light-emitting diodes using nitride semiconductors have been put into practical use. By combining the existing red light emitting diodes with these blue and green light emitting diodes, all three primary colors of light are aligned, and a full color display device can be realized. That is, when all three primary colors of light are mixed, white light can be obtained, and application to a white illumination device is also possible.

発光ダイオードを用いた白色光源として、いくつかの構成が提案され、一部は実用化されている。図9に、発光ダイオードを用いた白色光源の例を示す。この白色光源は、図9に示すように、赤色発光ダイオード911と、緑色発光ダイオード912と、青色発光ダイオード913の3原色の発光ダイオードを、導電性ヒートシンク902の金属層903上に形成し、エポキシ樹脂908により、ステム905上に固定してある。   Several configurations have been proposed as white light sources using light emitting diodes, and some have been put into practical use. FIG. 9 shows an example of a white light source using a light emitting diode. As shown in FIG. 9, this white light source is formed by forming light emitting diodes of three primary colors of a red light emitting diode 911, a green light emitting diode 912, and a blue light emitting diode 913 on a metal layer 903 of a conductive heat sink 902. The resin 908 is fixed on the stem 905.

この白色光源では、各々の発光ダイオードに接続するリード線を個別の端子に接続し、各々に流す電流を独立に制御することで、白色のみならず、フルカラーを表示することが可能であり、エネルギ変換効率も高い。その反面、デバイスや駆動回路が複雑で、コストも高くなってしまうので、単なる照明用デバイスとしては不向きである。   In this white light source, the lead wire connected to each light emitting diode is connected to an individual terminal, and the current flowing to each is controlled independently, so that not only white but also full color can be displayed. High conversion efficiency. On the other hand, the device and the drive circuit are complicated and the cost is high, so it is not suitable as a simple lighting device.

発光ダイオードを用いた白色光源の他の例を、図10に示す。この白色光源は、図10に示すように、青色発光ダイオード101を、導電性ヒートシンク102の金属層103上に形成し、青色発光ダイオード101の上に、YAG系材料からなる黄色蛍光体層104を形成し、エポキシ樹脂108により、ステム105上に固定してある。   Another example of a white light source using a light emitting diode is shown in FIG. In this white light source, as shown in FIG. 10, a blue light emitting diode 101 is formed on a metal layer 103 of a conductive heat sink 102, and a yellow phosphor layer 104 made of a YAG-based material is formed on the blue light emitting diode 101. It is formed and fixed on the stem 105 with an epoxy resin 108.

この白色光源では、青色発光ダイオード101から放出されるピーク波長約450nmの光の一部が、YAG系黄色蛍光体層104で吸収され、波長570nm付近の黄色の蛍光に変換される。このため、素子外部には、YAG系黄色蛍光体層104を透過した青色光と、YAG系黄色蛍光体層104の発光する黄色光の両方が放出される。黄色は青色に対して補色の関係にあるため、黄色と青色の2種類の光が混合されて、白色光が得られる。   In this white light source, a part of light having a peak wavelength of about 450 nm emitted from the blue light emitting diode 101 is absorbed by the YAG yellow phosphor layer 104 and converted into yellow fluorescence having a wavelength of about 570 nm. For this reason, both blue light transmitted through the YAG yellow phosphor layer 104 and yellow light emitted from the YAG yellow phosphor layer 104 are emitted to the outside of the element. Since yellow is complementary to blue, two types of light, yellow and blue, are mixed to obtain white light.

図10に示す白色光源は、単一の発光ダイオード101により構成されているため、比較的低コストで作製できる。また、現在最も高い発光効率が実現され、研究レベルでは、輝度効率701m/W程度のものが実現されており、既存の蛍光灯とほぼ同等である。
特開2001−228809号公報 特開平10−270807号公報 Y. M. Tairov and V. F. Tsvctkov, Journal of Crystal Growth, (1981) vol. 52 pp. 146−150
Since the white light source shown in FIG. 10 includes a single light emitting diode 101, it can be manufactured at a relatively low cost. Moreover, the highest luminous efficiency is currently achieved, and at the research level, a luminance efficiency of about 701 m / W has been achieved, which is almost the same as existing fluorescent lamps.
JP 2001-228809 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-270807 YM Tairov and VF Tsvctkov, Journal of Crystal Growth, (1981) vol. 52 pp. 146-150

長波長の光源により励起し、酸化物を母材とする従来の蛍光体は、励起する光が長波長になるほど、蛍光の発光効率が悪くなり、特に、赤色の発光効率が悪い。酸化物は、一般にバンドギャップが非常に広いため、長波長の光源により励起させる場合に、酸化物自体の励起を利用することはできない。そこで、希土類元素自体の励起を利用することになるが、希土類元素を添加した素材を長波長で励起した場合の蛍光の発光効率は非常に低く、発光効率が向上しない。   A conventional phosphor that is excited by a light source having a long wavelength and uses an oxide as a base material has a lower fluorescence emission efficiency, particularly a red emission efficiency, as the excitation light has a longer wavelength. Since oxides generally have a very wide band gap, the excitation of the oxide itself cannot be used when excited by a long wavelength light source. Therefore, although the excitation of the rare earth element itself is used, the emission efficiency of the fluorescence when the material added with the rare earth element is excited at a long wavelength is very low, and the emission efficiency is not improved.

II−VI族半導体を用いた蛍光体は、混晶または固溶体を作りやすいので、バンドエンジニアリングなどの手法を用いることもでき、発光効率も非常に高い。しかし、II族もVI族も電気陰性度が高いため、II−VI族半導体結晶のイオン結合性が高くなり、経時変化を起こしやすい。   Since phosphors using II-VI group semiconductors can easily form mixed crystals or solid solutions, techniques such as band engineering can be used, and the luminous efficiency is very high. However, since both group II and group VI have high electronegativity, the ionic bonding property of the II-VI group semiconductor crystal becomes high and is likely to change over time.

SiCに希土類元素を添加して、希土類元素の励起により赤外光の発光を利用する方法は、SiCの格子定数が非常に小さいのに対して、希土類元素は原子半径が大きいため、希土類元素の添加により、SiCの結晶性が著しく悪化する。したがって、希土類元素の添加量が制限されて、発光強度を大きくすることができない。   The method of using infrared light emission by adding a rare earth element to SiC and exciting the rare earth element has a very small lattice constant of SiC, whereas the rare earth element has a large atomic radius. Addition causes the crystallinity of SiC to deteriorate significantly. Therefore, the amount of rare earth element added is limited, and the emission intensity cannot be increased.

また、SiCに、NとBを同時に添加し、Nをドナーとし、Bをアクセプタとして機能させるドナー・アクセプタ(donor acceptor)(以下、「DA]という。)ペアによる発光は、波長650nm付近にピークを持つが、発光強度が極めて小さいため、蛍光体として利用することはできない。   Further, light emission by a donor acceptor (hereinafter referred to as “DA”) pair in which N and B are simultaneously added to SiC and N functions as a donor and B functions as an acceptor has a peak at a wavelength of about 650 nm. However, since the emission intensity is extremely small, it cannot be used as a phosphor.

一方、発光ダイオードを用いた白色光源については、たとえば図9に示す例では、駆動回路およびデバイスが複雑であるため、実装が難しく、歩留まりが低い点、および光の放射角度により、色むらが生じるという様々な解決すべき課題がある。   On the other hand, for a white light source using a light emitting diode, for example, in the example shown in FIG. 9, the drive circuit and the device are complicated, so that mounting is difficult, the yield is low, and color unevenness occurs due to the light emission angle. There are various issues to be solved.

また、図10に示す例では、青色発光ダイオード101から放出される青色光の一部が、黄色蛍光体層104を励起することによって黄色光に変換され、青色と黄色がともに外部に放出されることによって白色光を得ている。この場合、青色光と黄色光の強度比を適切に設定しないと、色合いが変化する。したがって、青色発光ダイオード101上に形成される黄色蛍光体層104の膜厚および蛍光体濃度を適切かつ均一に調整する必要がある。このため、黄色蛍光体粉沫を樹脂製のバインダ中に均一に混入し、均一な膜厚で塗布する技術が必要となる。   In the example shown in FIG. 10, a part of the blue light emitted from the blue light emitting diode 101 is converted into yellow light by exciting the yellow phosphor layer 104, and both blue and yellow are emitted to the outside. To get white light. In this case, the hue changes unless the intensity ratio of blue light and yellow light is set appropriately. Therefore, it is necessary to adjust the film thickness and the phosphor concentration of the yellow phosphor layer 104 formed on the blue light emitting diode 101 appropriately and uniformly. For this reason, the technique of mixing yellow fluorescent substance powder uniformly in resin-made binders and apply | coating with a uniform film thickness is needed.

また、蛍光体層104が均一であっても、青色発光ダイオード101から放出された光は、放出角度により蛍光体層を通過する行路長が異なる。このため、放出角度により白色の色合いの変化が避けられない。さらに、図10に示すような青色発光ダイオード101と黄色蛍光体層104との組み合わせでは、赤色成分が極めて少ないため、照明光源として重要である演色性が劣り、赤色の再現性が低いという課題もある。   Even if the phosphor layer 104 is uniform, the light emitted from the blue light emitting diode 101 has a different path length through the phosphor layer depending on the emission angle. For this reason, a change in white hue is inevitable depending on the emission angle. Furthermore, the combination of the blue light emitting diode 101 and the yellow phosphor layer 104 as shown in FIG. 10 has a very small red component, so that the color rendering property, which is important as an illumination light source, is inferior, and the red reproducibility is low. is there.

本発明の課題は、紫外領域または青色−紫色の可視領域の長波長光源によって励起し、主として、紫色−青色−黄色−赤色の可視領域で発光する蛍光体を提供することにある。また、水銀放電管、高圧水銀灯、LED(laser emitting diode)などの光源からの一次光、PDPパネルの放電による真空紫外線または電子線などにより、特性のよい蛍光を効率よく発する蛍光体を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a phosphor that is excited by a long wavelength light source in the ultraviolet region or in the visible region of blue-purple and emits light mainly in the visible region of purple-blue-yellow-red. Also, to provide a phosphor that efficiently emits fluorescent light with good characteristics by primary light from a light source such as a mercury discharge tube, a high-pressure mercury lamp, or an LED (laser emitting diode), vacuum ultraviolet rays or electron beams generated by discharge of a PDP panel, etc. It is in.

また、本発明のさらなる課題は、実装が容易で、演色性に優れた低コストの発光ダイオードを提供することにある。さらに、放射角による色合変化の少ない発光ダイオードを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a low-cost light-emitting diode that is easy to mount and excellent in color rendering. It is another object of the present invention to provide a light emitting diode with little color change due to the radiation angle.

本発明のSiC製蛍光体は、外部光源により励起して発光し、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされたことを特徴とする。かかる蛍光体においては、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1015/cm3〜1020/cm3である態様が好ましく、1016/cm3〜1020/cm3である態様がより好ましい。 The SiC phosphor of the present invention emits light when excited by an external light source and is doped with N and one or more elements of B or Al. In such a phosphor, and doping concentration by any one or more elements of B or Al, any doping concentration by N, preferably embodiment is 10 15 / cm 3 ~10 20 / cm 3, 10 16 / cm 3 to 10 embodiment and more preferably 20 / cm 3.

本発明のSiC製蛍光体には、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有するものが含まれる。かかるSiCは、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるものが好ましい。 The phosphors made of SiC of the present invention include those that emit fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm and have a peak wavelength at 500 nm to 650 nm. Such SiC is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. Those of 3 are preferred.

また、本発明のSiC製蛍光体には、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有するものが含まれる。かかるSiCは、NおよびAlによりドーピングされ、NまたはAlのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるものが好ましい。 Further, the SiC phosphor of the present invention includes those that emit fluorescence with a wavelength of 400 nm to 750 nm and have a peak wavelength at 400 nm to 550 nm. Such SiC is doped with N and Al, and the concentration of either N or Al is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. Those of 3 are preferred.

本発明のSiC製蛍光体の製造方法は、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるSiC製蛍光体の製造方法であって、
第1の局面によれば、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2、BN、または、Bを含有した炭素をB源とし、昇華再結晶法によりSiC結晶を形成することを特徴とする。
The manufacturing method of the SiC phosphor of the present invention is excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and N or B A method for producing a phosphor made of SiC in which one of the concentrations is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 ,
According to the first aspect, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 , BN, or carbon containing B is used as a B source to form a SiC crystal by sublimation recrystallization. It is characterized by doing.

また、第2の局面によれば、B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散することを特徴とする。 Further, according to the second aspect, B alone, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN are used as the B source, and 1500 ° C. under vacuum or in an inert gas atmosphere. As described above, it is characterized by thermal diffusion into SiC.

本発明の半導体用基板は、外部光源により励起して発光する蛍光体であって、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなることを特徴とする。かかる半導体基板には、NおよびBによりドーピングされ、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなるものが含まれる。さらに、NおよびAlによりドーピングされ、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板が含まれる。   The semiconductor substrate of the present invention is a phosphor that emits light when excited by an external light source, and is made of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N. It is characterized by becoming. Such semiconductor substrates include those made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with N and B, emitting fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, and having a peak wavelength at 500 nm to 650 nm. Further, a semiconductor substrate made of 6H-type SiC single crystal phosphor that is doped with N and Al, emits fluorescence with a wavelength of 400 nm to 750 nm, and has a peak wavelength at 400 nm to 550 nm is included.

本発明の半導体用基板の製造方法は、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3である6H型SiC単結晶蛍光体からなる基板の製造方法であって、
第1の局面によれば、B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散する工程と、表面層を除去する工程とを備えることを特徴とする。
The method for producing a semiconductor substrate of the present invention is excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and either N or B In the method for producing a substrate made of a 6H-type SiC single crystal phosphor having one concentration of 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration of 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 There,
According to the first aspect, B alone, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN are used as a B source, at 1500 ° C. or higher in a vacuum or in an inert gas atmosphere. And a step of thermally diffusing into SiC and a step of removing the surface layer.

また、第2の局面によれば、結晶成長時の雰囲気ガスが、ガス分圧で1%〜30%のN2ガスを含み、原料SiCが、0.05mol%〜15mol%のB源を含むことを特徴とする昇華再結晶法によりSiC結晶を形成する。 Further, according to the second aspect, the atmosphere gas during crystal growth includes 1% to 30% N 2 gas in terms of gas partial pressure, and the raw material SiC includes 0.05 mol% to 15 mol% B source. The SiC crystal is formed by the sublimation recrystallization method characterized by the above.

本発明の半導体用粉末は、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなり、粒径が2μm〜10μmであり、中心粒径が3μm〜6μmであることを特徴とする。   The semiconductor powder of the present invention is excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, and consists of a 6H type SiC single crystal phosphor having a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, and has a particle size of 2 μm to 10 μm. The center particle size is 3 μm to 6 μm.

本発明の発光ダイオードは、第1の局面によれば、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体用基板と、基板上に窒化物半導体からなる発光素子を備えることを特徴とする。   According to a first aspect, the light-emitting diode of the present invention includes a semiconductor substrate composed of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N, and a substrate. A light emitting element made of a nitride semiconductor is provided thereon.

また、第2の局面によれば、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる1または2以上の層を、SiC製の半導体用基板上に有し、6H型SiC単結晶蛍光体層上に、窒化物半導体からなる発光素子を備えることを特徴とする。かかる発光ダイオードにおいては、窒化物半導体からなる発光素子の発光波長が、408nm以下であるものが好適である。   Further, according to the second aspect, one or more layers made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N are made of SiC. A light-emitting element made of a nitride semiconductor is provided on a semiconductor substrate and on a 6H-type SiC single crystal phosphor layer. In such a light emitting diode, a light emitting element made of a nitride semiconductor preferably has an emission wavelength of 408 nm or less.

かかる発光ダイオードでは、6H型SiC単結晶蛍光体における、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1016/cm3〜1019/cm3であるものが好ましく、1017/cm3〜1019/cm3であるものがより好ましい。 In such a light emitting diode, in the 6H type SiC single crystal phosphor, the doping concentration by one or more elements of B or Al and the doping concentration by N are both 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. Are preferable, and those having a density of 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3 are more preferable.

本発明によれば、SiC内の不純物濃度を制御することができ、紫外領域または青色−紫色の可視領域の長波長光または電子線などによって励起して、紫色−青色−黄色−赤色の可視領域で効率よく発光する蛍光体を提供することができる。   According to the present invention, the impurity concentration in SiC can be controlled and excited by a long wavelength light or an electron beam in the ultraviolet region or the blue-purple visible region, and the visible region of purple-blue-yellow-red Thus, a phosphor that emits light efficiently can be provided.

また、本発明によれば、演色性の調整が容易であり、また1つの発光ダイオードからなるため、実装が簡単な白色光源を低コストで提供することができる。この白色光源は、内部で白色光を作っているため、放射角による色合いの変化が無視できるほど小さく、発光効率に優れている。   In addition, according to the present invention, the color rendering properties can be easily adjusted, and since the light emitting diode is formed, a white light source that can be easily mounted can be provided at low cost. Since this white light source produces white light inside, the change in hue due to the radiation angle is so small that it can be ignored, and the light emission efficiency is excellent.

(SiC製蛍光体)
本発明のSiC製蛍光体は、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされていることを特徴とする。かかる。SiC製蛍光体は、紫外領域または青色−紫色の可視領域の長波長光源または電子線などの外部光源によって励起し、主として、紫色−青色−黄色−赤色の可視領域で発光する。
(SiC phosphor)
The SiC phosphor of the present invention is characterized in that it is doped with one or more elements of B or Al and N. Take it. The SiC phosphor is excited by an ultraviolet light source or an external light source such as an electron beam, and emits light mainly in the visible region of purple-blue-yellow-red.

たとえば、BおよびNによりドーピングされたSiC製蛍光体は、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する。また、AlおよびNによりドーピングされたSiC製蛍光体は、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有する。さらに、Al、BおよびNによりドーピングされたSiC製蛍光体は、400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜650nmにピーク波長を有する。   For example, a SiC phosphor doped with B and N is excited by an external light source, emits fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm, and has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm. The SiC phosphor doped with Al and N emits fluorescence with a wavelength of 400 nm to 750 nm and has a peak wavelength at 400 nm to 550 nm. Furthermore, the SiC phosphor doped with Al, B, and N emits fluorescence of 400 nm to 750 nm and has a peak wavelength of 400 nm to 650 nm.

蛍光の発光効率を高めるためには、SiCのバンド端から緩和される電子−正孔対を受け入れるのに十分な不純物準位の状態密度が必要である。この点で、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素による不純物濃度と、Nによる不純物濃度がいずれも、1015/cm3以上である態様が好ましく、1016/cm3以上である態様がより好ましく、1018/cm3以上であると特に好ましい。一方、不純物濃度が高すぎる場合には蛍光の発光効率が落ちる傾向にあるため、1020/cm3以下が好ましい。 In order to increase the luminous efficiency of fluorescence, a state density of impurity levels sufficient to accept electron-hole pairs relaxed from the band edge of SiC is necessary. In this respect, it is preferable that the impurity concentration of any one or more elements of B or Al and the impurity concentration of N are both 10 15 / cm 3 or more, and 10 16 / cm 3 or more. Is more preferably 10 18 / cm 3 or more. On the other hand, when the impurity concentration is too high, the light emission efficiency of fluorescence tends to decrease, and therefore it is preferably 10 20 / cm 3 or less.

また、NおよびBによりドーピングする場合は、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3である態様が好ましい。一方、NおよびAlによりドーピングする場合も、NまたはAlのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3である態様が好ましい。本明細書において、発光は、波長404.7nmの光線(紫色)を入射したときの発光を、堀場製作所製PHOTOLUMINOR−Sにより測定した数値で表す。また、N、AlまたはBの濃度は、SIMS(二次イオン質量分析装置)により測定した数値で表す。 When doping with N and B, the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. The embodiment which is 3 is preferable. On the other hand, also when doping with N and Al, the concentration of either N or Al is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. The embodiment which is 3 is preferable. In the present specification, the light emission is represented by a numerical value obtained by measuring the light emission when a light beam (purple) having a wavelength of 404.7 nm is incident, using a PHOTOLUMINOR-S manufactured by Horiba. Further, the concentration of N, Al or B is represented by a numerical value measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer).

本発明において利用することのできる外部光源は、青色−紫色などの可視光線、紫外線、X線または電子線を放射する光源であるが、特に、波長100nm〜500nmである青色−紫色などの可視光線および紫外線が、発光強度の大きい蛍光を発する傾向があるので好ましい。SiC半導体は、3eV程度の広い禁制帯幅を持ち、不純物の添加により、バンド中に様々な順位を作ることができる。特に、6H型のSiCではバンド端の波長が408nmであり、SiCのバンドギャップを利用すれば、このバンド端の波長より短い波長により励起することが可能であり、比較的長波長の光を励起源として利用することができる。   The external light source that can be used in the present invention is a light source that emits visible light such as blue-purple, ultraviolet rays, X-rays, or an electron beam, and in particular, visible light such as blue-purple having a wavelength of 100 nm to 500 nm. And ultraviolet rays are preferred because they tend to emit fluorescence with high emission intensity. The SiC semiconductor has a wide forbidden band of about 3 eV, and various orders can be created in the band by adding impurities. In particular, 6H-type SiC has a band edge wavelength of 408 nm. By utilizing the band gap of SiC, it is possible to excite light with a wavelength shorter than the band edge wavelength, and excite relatively long wavelength light. Can be used as a source.

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、6H型のポリタイプSiC結晶に、アクセプタとなるBを十分に活性化した条件で、Nをドナーとしてドーピングし、DAペアの濃度が1015/cm3〜1018/cm3であるときに、発光強度が十分に高くなることを見出した。DAペアの濃度は、発光強度が向上する点で、下限は、5×1015/cm3以上がより好ましく、1016/cm3以上が特に好ましく、2×1016/cm3以上がさらに好ましい。一方、上限は、同様に発光強度を高める点で、8×1017/cm3以下がより好ましい。 As a result of intensive studies, the present inventors have doped 6H-type polytype SiC crystals with N as a donor under the condition that B as an acceptor is sufficiently activated, and the concentration of DA pair is 10 15 / It has been found that the emission intensity is sufficiently high when it is cm 3 to 10 18 / cm 3 . The concentration of DA pair, in that the luminous intensity is improved, the lower limit is more preferably 5 × 10 15 / cm 3 or more, particularly preferably 10 16 / cm 3 or more, more preferably 2 × 10 16 / cm 3 or more . On the other hand, the upper limit is more preferably 8 × 10 17 / cm 3 or less in terms of increasing the emission intensity.

DAペアの濃度が、このような範囲にあれば、BまたはNのうちいずれか一方の濃度は、良好な発光が得られる点で、下限は、1016/cm3以上がより好ましく、5×1016/cm3以上が特に好ましい。一方、上限は、同様に良好な発光が得られる点で、1019/cm3以下がより好ましく、5×1018/cm3以下が特に好ましい。 If the concentration of the DA pair is in such a range, the lower limit of the concentration of either B or N is more preferably 10 16 / cm 3 or more in that good light emission can be obtained. 10 16 / cm 3 or more is particularly preferable. On the other hand, the upper limit is more preferably 10 19 / cm 3 or less, and particularly preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less, in that good light emission can be obtained.

BおよびNの濃度がかかる範囲内にあるSiC製蛍光体の発光は、図3に例示するように、ブロードなスペクトルを示し、赤色−黄色の良好な蛍光を発する。すなわち、本発明のSiC製蛍光体は、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、波長550nm〜680nmにおいて発光強度が大きい。また、500nm〜650nmにピーク波長を有し、570nm〜630nmにピーク波長を有するものが好ましい。発光波長とその相対強度は、SiC内のBとNのドーピング濃度により異なる。   The light emission of the SiC phosphor having the B and N concentrations within such a range shows a broad spectrum as shown in FIG. 3, and emits good red-yellow fluorescence. That is, the SiC phosphor of the present invention emits fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm, and has a high emission intensity at a wavelength of 550 nm to 680 nm. Moreover, what has a peak wavelength in 500 nm-650 nm and has a peak wavelength in 570 nm-630 nm is preferable. The emission wavelength and its relative intensity vary depending on the doping concentrations of B and N in SiC.

また、本発明者らは、同様に、AlとNのDAペアについても、発光強度が強くなる濃度条件を見出した。すなわち、6H型のポリタイプSiC結晶に、アクセプタとなるAlを十分に活性化した条件で、Nをドナーとしてドーピングし、DAペアの濃度が1015/cm3〜1018/cm3であるときに、発光強度が十分に高くなることを見出した。DAペアの濃度は、発光強度が向上する点で、下限は、5×1015/cm3以上がより好ましく、1016/cm3以上が特に好ましく、2×1016/cm3以上がさらに好ましい。一方、上限は、同様に発光強度を高める点で、8×1017/cm3以下がより好ましい。 In addition, the present inventors similarly found a concentration condition in which the emission intensity of the DA pair of Al and N becomes strong. That is, when a 6H-type polytype SiC crystal is doped with N as a donor under the condition that Al as an acceptor is sufficiently activated, and the DA pair concentration is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 Further, it has been found that the emission intensity is sufficiently high. The concentration of DA pair, in that the luminous intensity is improved, the lower limit is more preferably 5 × 10 15 / cm 3 or more, particularly preferably 10 16 / cm 3 or more, more preferably 2 × 10 16 / cm 3 or more . On the other hand, the upper limit is more preferably 8 × 10 17 / cm 3 or less in terms of increasing the emission intensity.

DAペアの濃度が、このような範囲にあれば、AlまたはNのうちいずれか一方の濃度は、良好な発光が得られる点で、下限は、1016/cm3以上がより好ましく、5×1016/cm3以上が特に好ましい。一方、上限は、同様に良好な発光が得られる点で、1019/cm3以下がより好ましく、5×1018/cm3以下が特に好ましい。 If the concentration of the DA pair is within such a range, the lower limit of the concentration of either Al or N is more preferably 10 16 / cm 3 or more in that good light emission can be obtained. 10 16 / cm 3 or more is particularly preferable. On the other hand, the upper limit is more preferably 10 19 / cm 3 or less, and particularly preferably 5 × 10 18 / cm 3 or less, in that good light emission can be obtained.

AlおよびNの濃度がかかる範囲内にあるSiC製蛍光体の発光は、図6に例示するように、ブロードなスペクトルを示し、青色のブロードな蛍光を発する。すなわち、本発明のSiC製蛍光体は、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、波長400nm〜550nmにおいて発光強度が大きい。また、400nm〜550nmにピーク波長を有し、410nm〜470nmにピーク波長を有するものが好ましい。発光波長とその相対強度は、SiC内のAlとNのドーピング濃度により異なる。   The light emission of the SiC phosphor in which the concentrations of Al and N are within such a range shows a broad spectrum and emits a blue broad fluorescence as illustrated in FIG. That is, the SiC phosphor of the present invention emits fluorescence having a wavelength of 400 nm to 750 nm, and has a high emission intensity at a wavelength of 400 nm to 550 nm. Moreover, what has a peak wavelength in 400 nm-550 nm and has a peak wavelength in 410 nm-470 nm is preferable. The emission wavelength and its relative intensity vary depending on the doping concentrations of Al and N in SiC.

(SiC製蛍光体の製造方法)
本発明のSiC製蛍光体の製造方法は、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2、BN、または、Bを含有した炭素をB源とし、昇華再結晶法によりSiC結晶を形成することを特徴とする。かかる方法により、SiCをNおよびBによりドーピングし、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3となるようにドーピング濃度を調整することでき、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有するSiC製蛍光体を製造することができる。
(Manufacturing method of SiC phosphor)
The manufacturing method of the SiC phosphor of the present invention uses LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 , BN, or B-containing carbon as a B source, and a sublimation recrystallization method. A SiC crystal is formed. By this method, SiC is doped with N and B, and either N or B has a concentration of 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration of 10 16 / cm 3 to 10 19. The doping concentration can be adjusted to be / cm 3, and an SiC phosphor having a peak wavelength in the range of 500 nm to 650 nm can be produced by exciting with an external light source to emit fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm.

かかる濃度調整は、SiCの結晶成長中にNおよびBを積極的に添加することにより達成することができる。SiC結晶は、改良型のレーリ法により作製することができるが、この方法は、種結晶を用いるため、結晶の核形成過程を制御することができ、また不活性ガスにより雰囲気を100Pa〜15kPa程度に制御して、結晶の成長速度などを再現性よくコントロールすることができる。   Such concentration adjustment can be achieved by positively adding N and B during SiC crystal growth. The SiC crystal can be produced by an improved Rayleigh method, but this method uses a seed crystal, so the nucleation process of the crystal can be controlled, and the atmosphere is set to about 100 Pa to 15 kPa with an inert gas. The crystal growth rate can be controlled with good reproducibility.

改良型レーリ法は、図2に示すように、まず、種結晶21となるSiC単結晶を坩堝23の蓋24に取り付け、昇華再結晶の原料22であるSiC結晶粉末を、黒鉛製坩堝23に加え、Arなどの不活性ガスの雰囲気中、133Pa〜13.3kPa、2000℃〜2400℃に加熱する。加熱に際しては、図2の矢印に示すように、原料22であるSiC結晶性粉末を少し高温(H)とし、種結晶21が少し低温(L)になるように温度勾配が設定される。原料22は、昇華後、温度勾配に基づき形成される濃度勾配により、種結晶21の方向に拡散し、輸送される。SiC単結晶20の成長は、種結晶21に到着した原料ガスが種結晶上に再結晶することにより実現される。   In the improved Rayleigh method, as shown in FIG. 2, first, an SiC single crystal serving as a seed crystal 21 is attached to a lid 24 of a crucible 23, and SiC crystal powder as a raw material 22 for sublimation recrystallization is placed in a graphite crucible 23. In addition, it is heated to 133 Pa to 13.3 kPa and 2000 ° C. to 2400 ° C. in an atmosphere of an inert gas such as Ar. At the time of heating, as shown by the arrows in FIG. 2, the temperature gradient is set so that the SiC crystalline powder as the raw material 22 is slightly heated (H) and the seed crystal 21 is slightly cooled (L). After the sublimation, the raw material 22 is diffused in the direction of the seed crystal 21 and transported by the concentration gradient formed based on the temperature gradient. The growth of the SiC single crystal 20 is realized by recrystallizing the source gas arriving at the seed crystal 21 on the seed crystal.

SiC結晶のドーピング濃度は、結晶成長時の雰囲気ガス中への不純物ガスの添加および原料粉末への不純物元素またはその化合物の添加により制御することができる。特に、N2ガスを添加して昇華再結晶すると、5×1018/cm3以上のN濃度の制御が容易である点で好ましい。また、1×1018/cm3以下のDAペアの濃度制御を安定化し、再現性を高め、発光強度を向上させる点で、Nを積極的に添加するように設定するとともに、Bを安定して結晶中に添加するように条件を設定するのが好ましい。 The doping concentration of the SiC crystal can be controlled by adding an impurity gas to the atmospheric gas during crystal growth and adding an impurity element or compound thereof to the raw material powder. In particular, it is preferable to add N 2 gas and perform sublimation recrystallization to easily control the N concentration of 5 × 10 18 / cm 3 or more. In addition, in order to stabilize the concentration control of DA pairs of 1 × 10 18 / cm 3 or less, improve reproducibility, and improve the emission intensity, N is set to be actively added, and B is stabilized. It is preferable to set the conditions so that they are added to the crystal.

たとえば、結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を1%〜30%とすることにより、N濃度が1015/cm3〜1018/cm3であるSiC製蛍光体を製造することができる。この場合、蛍光の発光強度を高める点では、N2ガスの分圧は5%〜10%が好ましい。 For example, an SiC phosphor having an N concentration of 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 is manufactured by setting the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth to 1% to 30%. Can do. In this case, the partial pressure of N 2 gas is preferably 5% to 10% in terms of increasing the fluorescence emission intensity.

Bの添加は、B単体(金属ホウ素)を原料に混合する方法があるが、この方法は、結晶化の初期にB濃度が高く、結晶化の後半ではB濃度が低下し、B濃度が安定しないという欠点がある。このため、Mを、Ta、Nb、ZrまたはHfのいずれか少なくとも1つを含む金属として、MB2により表記されるB化合物として添加すると、B濃度が結晶成長中に変化することが少なくすることができるので好ましい。また、LaB6またはB4Cとして添加しても同様にB濃度の変化を抑えることができるので好ましい。かかる方法により、容易に、1017/cm3〜1018/cm3台の濃度のBを安定して添加することができる。 B can be added by mixing B alone (metallic boron) with the raw material, but this method has a high B concentration in the initial stage of crystallization, and the B concentration decreases in the latter half of the crystallization, so that the B concentration is stable. There is a disadvantage of not. Therefore, when M is added as a B compound represented by MB 2 as a metal containing at least one of Ta, Nb, Zr, or Hf, the B concentration is less likely to change during crystal growth. Is preferable. Further, it is preferable to add it as LaB 6 or B 4 C because the change in the B concentration can be similarly suppressed. By this method, B having a concentration of 10 17 / cm 3 to 10 18 / cm 3 can be easily added stably.

炭素は、B単体(金属ホウ素)を容易に含浸し、2000℃以上の昇華再結晶温度においても、Bを徐々に放出する特徴を有するため、B単体を含有した炭素をB源として用い、昇華再結晶する方法は、Bを添加したSiC結晶を形成する方法として優れている。前もって、1500℃以上の高温でB単体を含浸させた炭素を、原料に添加しておくことにより、結晶中のB濃度の変化をほとんどなくすことができ有利である。   Carbon is easily impregnated with B simple substance (metallic boron) and has a feature of gradually releasing B even at a sublimation recrystallization temperature of 2000 ° C. or higher. Therefore, carbon containing B simple substance is used as a B source for sublimation. The recrystallization method is excellent as a method for forming a SiC crystal to which B is added. By adding carbon impregnated with B alone at a high temperature of 1500 ° C. or higher in advance to the raw material, it is advantageous that almost no change in the B concentration in the crystal can be eliminated.

SiCの原料中に、粉末状または固形状のBNを添加し、2000℃程度の比較的低温に保って昇華再結晶することにより、N2ガスを添加することなく、NとBの双方を同時にSiC内に添加することができる。この場合、Bの添加量が相対的に低下する傾向があるため、上述のいずれかの方法を併用し、Bを積極的に添加するのが好ましい。BNを用いる昇華再結晶法により、DAのペア濃度が1×1018/cm3〜8×1018/cm3であるSiC製蛍光体を安定して得ることができる。 By adding powdery or solid BN to the raw material of SiC and maintaining it at a relatively low temperature of about 2000 ° C. and sublimation recrystallization, both N and B can be simultaneously performed without adding N 2 gas. It can be added in SiC. In this case, since the addition amount of B tends to be relatively lowered, it is preferable to add B in a positive manner in combination with any of the methods described above. By a sublimation recrystallization method using BN, a SiC phosphor having a DA pair concentration of 1 × 10 18 / cm 3 to 8 × 10 18 / cm 3 can be stably obtained.

昇華再結晶後、1300℃以上で1時間以上の熱アニール処理を施すと、蛍光の発光強度を強めることができる点で好ましい。熱処理により、エネルギ的に不活性な態様で混入していたBおよびNが、SiまたはCの位置に定着して、活性化する結果、DAペアの濃度が高められることによるものであると考察する。   After sublimation recrystallization, it is preferable to apply a thermal annealing treatment at 1300 ° C. or higher for 1 hour or longer in that the intensity of fluorescence emission can be increased. It is considered that B and N mixed in an energetically inactive manner are fixed at the Si or C position by the heat treatment and activated, resulting in an increase in the DA pair concentration. .

B源の配合量は、B源の種類など他の条件によっても異なるが、SiC粉末に対して0.05mol%〜15mol%となるように混合したものを原料とすることにより、1016/cm3〜1019/cm3の濃度のBを容易に安定してSiC結晶中に添加することができる。この場合、B源として、MB2、BNまたはLaB6など、B単体(金属ホウ素)以外を配合するときは、B源中に含まれるBについての換算量を配合量とする。B源の配合量は、蛍光の発光強度を高める点で、SiC粉末に対して2.5mol%〜5mol%が好ましい。 Although the blending amount of the B source varies depending on other conditions such as the type of the B source, it is 10 16 / cm by using a mixture of 0.05 mol% to 15 mol% with respect to the SiC powder. B having a concentration of 3 to 10 19 / cm 3 can be easily and stably added to the SiC crystal. In this case, when a component other than B alone (metal boron) such as MB 2 , BN or LaB 6 is blended as the B source, the converted amount of B contained in the B source is defined as the blend amount. The blending amount of the B source is preferably 2.5 mol% to 5 mol% with respect to the SiC powder in terms of increasing the fluorescence emission intensity.

本発明のSiC製蛍光体の他の製造方法は、B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散することを特徴とする。かかる方法により、SiCをNおよびBによりドーピングし、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3となるようにドーピング濃度を調整することでき、外部光源により励起して発光し、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有するSiC製蛍光体を製造することができる。 Another method for producing the SiC phosphor of the present invention is as follows: B alone, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN as a B source, under vacuum or in an inert gas atmosphere In this case, the thermal diffusion to SiC is performed at 1500 ° C. or higher. By this method, SiC is doped with N and B, and either N or B has a concentration of 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration of 10 16 / cm 3 to 10 19. The doping concentration can be adjusted so as to be / cm 3, and it is excited by an external light source to emit light, emit fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, and produce a phosphor made of SiC having a peak wavelength at 500 nm to 650 nm. it can.

BとNの濃度調整は、熱拡散の条件を制御することによっても達成することができる。熱拡散を施すSiCは、たとえば、昇華再結晶法により、Nを1017/cm3程度ドーピングしたものを用いることができる。また、熱拡散に際して、B源をSiC結晶に直接接触させると、B源とSiC結晶とが反応し、SiC結晶が侵食される場合があるため、B源はSiC結晶から0.1mm程度離隔して熱拡散する態様が好ましい。 The concentration adjustment of B and N can also be achieved by controlling the thermal diffusion conditions. As SiC to be subjected to thermal diffusion, for example, N doped with about 10 17 / cm 3 by a sublimation recrystallization method can be used. In addition, when the B source is brought into direct contact with the SiC crystal during thermal diffusion, the B source and the SiC crystal may react and the SiC crystal may be eroded. Therefore, the B source is separated from the SiC crystal by about 0.1 mm. Thus, it is preferable that the thermal diffusion be performed.

熱拡散においては、Arガスなどの不活性ガスを使用することができ、1500℃以上、好ましくは1700℃〜2000℃に加熱し、3時間〜5時間保持することにより、SiC結晶の表面に厚さ3μm程度のBによる拡散層が形成される。これに、たとえば、出力30W、波長250nmの紫外線を照射すると、肉眼で確認できる蛍光を発する。   In the thermal diffusion, an inert gas such as Ar gas can be used, and it is heated to 1500 ° C. or higher, preferably 1700 ° C. to 2000 ° C., and held for 3 hours to 5 hours. A diffusion layer made of B having a thickness of about 3 μm is formed. For example, when an ultraviolet ray having an output of 30 W and a wavelength of 250 nm is irradiated, fluorescence that can be confirmed with the naked eye is emitted.

熱拡散の条件によっては、SiC結晶の表面に、Bが1019/cm3以上の高濃度に存在する拡散層が形成される場合がある。強い蛍光を発する領域は、SiC結晶の表面から2μm〜4μmであるから、表面の高濃度B層を厚さ2μm程度除去し、発光強度を高めるのが好ましい。たとえば、熱拡散後、酸性雰囲気下において、1000℃以上、好ましくは1200℃〜1400℃で、2時間〜4時間加熱し、酸化膜を形成し、つぎに、たとえば、フッ酸などにより化学処理して、酸化膜の表面を除去するのが好ましい。表面層の除去は、そのほか、研磨により、または反応性イオンエッチング(RIE)によっても、好ましく実施することができる。さらに、昇華再結晶の場合と同様に、熱拡散後、1300℃以上で1時間以上の熱アニール処理を施すと、蛍光の発光強度を強めることができる点で好ましい。 Depending on the thermal diffusion conditions, a diffusion layer in which B is present at a high concentration of 10 19 / cm 3 or more may be formed on the surface of the SiC crystal. Since the region that emits strong fluorescence is 2 μm to 4 μm from the surface of the SiC crystal, it is preferable to remove the high-concentration B layer on the surface by about 2 μm to increase the emission intensity. For example, after thermal diffusion, heating is performed at 1000 ° C. or higher, preferably 1200 ° C. to 1400 ° C. for 2 hours to 4 hours in an acidic atmosphere to form an oxide film, and then chemically treated with, for example, hydrofluoric acid. Thus, it is preferable to remove the surface of the oxide film. In addition, the removal of the surface layer can be preferably carried out by polishing or by reactive ion etching (RIE). Furthermore, as in the case of sublimation recrystallization, it is preferable to perform a thermal annealing treatment at 1300 ° C. or higher for 1 hour or longer after thermal diffusion because the intensity of fluorescence emission can be increased.

以上の実施形態は、Nの濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、Bの濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるSiC製蛍光体の製造方法を例示するものである。しかし、本発明は、BとNのペア濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、BまたはNのうちいずれか一方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるSiC製蛍光体において顕著な効果を奏するから、Nの濃度が1016/cm3〜1019/cm3であり、Bの濃度が1015/cm3〜1018/cm3であるSiC製蛍光体およびその製造方法も本発明に含まれる。 The above embodiment exemplifies a method for producing a SiC phosphor in which the concentration of N is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the concentration of B is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. To do. However, according to the present invention, the pair concentration of B and N is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the concentration of either B or N is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 . Since there is a remarkable effect in a certain phosphor made of SiC, the concentration of N is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 and the concentration of B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 . A phosphor and a method for producing the same are also included in the present invention.

(半導体用基板および粉末)
本発明の半導体用基板および粉末は、外部光源により励起して発光する蛍光体であって、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなることを特徴とする。
(Semiconductor substrate and powder)
The semiconductor substrate and powder of the present invention are phosphors that emit light when excited by an external light source, and are 6H-type SiC single crystal fluorescence doped with N and one or more elements of B or Al. It consists of a body.

たとえば、BおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板および粉末は、外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する。また、AlおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板および粉末は、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有する。さらに、Al、BおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板および粉末は、400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜650nmにピーク波長を有する。   For example, a semiconductor substrate and powder composed of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with B and N are excited by an external light source to emit fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm and have a peak wavelength at 500 nm to 650 nm. The semiconductor substrate and powder made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with Al and N emit fluorescence having a wavelength of 400 nm to 750 nm and have a peak wavelength of 400 nm to 550 nm. Furthermore, the semiconductor substrate and powder made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with Al, B and N emit fluorescence of 400 nm to 750 nm and have a peak wavelength of 400 nm to 650 nm.

青色−紫外光の領域で発光するGaN系化合物半導体などの半導体に使用する基板または粉末などに、本発明のSiC製蛍光体を用いると、得られる発光デバイスは、半導体からの青色−紫外光の1次光により、6H型SiC単結晶蛍光体が励起して、紫色−青色−黄色−赤色の可視領域の2次光を発するため、半導体からの直接光とSiC製蛍光体からの2次光との混合光、または2次光の混合光により、優れた白色光を得ることができる。   When the SiC phosphor of the present invention is used for a substrate or powder used for a semiconductor such as a GaN-based compound semiconductor that emits light in the blue-ultraviolet region, the resulting light-emitting device is capable of emitting blue-ultraviolet light from the semiconductor. The primary light excites the 6H-type SiC single crystal phosphor to emit secondary light in the visible region of purple-blue-yellow-red, so that direct light from the semiconductor and secondary light from the SiC phosphor Excellent white light can be obtained by the mixed light or the secondary light.

BおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板および粉末は、B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散する工程と、表面層を除去する工程とを備える方法により製造することができる。表面層の除去は、前述したように、1000℃以上の酸化性雰囲気下で酸化膜を形成し、形成した酸化膜の表面をフッ酸などにより除去する方法、または研磨により除去する方法、または反応性イオンエッチングにより除去する方法が好ましい。 A semiconductor substrate and powder composed of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with B and N have B as a B source, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN, It can be manufactured by a method comprising a step of thermally diffusing into SiC at 1500 ° C. or higher in a vacuum or an inert gas atmosphere and a step of removing the surface layer. As described above, the surface layer is removed by a method in which an oxide film is formed in an oxidizing atmosphere at 1000 ° C. or higher and the surface of the formed oxide film is removed with hydrofluoric acid or the like, or a method of removing by polishing or a reaction. A method of removing by reactive ion etching is preferable.

BおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体基板および粉末は、結晶成長時の雰囲気ガスが、ガス分圧で1%〜30%のN2ガスを含み、原料SiCが0.05mol%〜15mol%のB源を含むことを特徴とする昇華再結晶法によっても製造することができる。かかる態様においては、昇華再結晶後または熱拡散後、1300℃以上で熱アニール処理を施すことが好ましい。 The semiconductor substrate and powder made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with B and N have an atmosphere gas during crystal growth containing N 2 gas of 1% to 30% by gas partial pressure, and the raw material SiC is 0 It can also be produced by a sublimation recrystallization method characterized by containing 0.05 mol% to 15 mol% of a B source. In such an embodiment, it is preferable to perform thermal annealing at 1300 ° C. or higher after sublimation recrystallization or thermal diffusion.

Nが1016/cm3〜1017/cm3の濃度で含有するSiC粉末に、MB2、BN、B4CまたはLaB6などをB源として炭素製のカプセルに封入して混入し、炭素製坩堝内で、真空下、1300℃〜2000℃に加熱し、3時間〜5時間保持する。得られるSiC粉末は、表面にBが高濃度で存在するため、SiC粉末を酸化性雰囲気下で、1000℃〜1400℃に、2時間〜4時間保持し、その後、たとえばフッ酸などにより化学処理し、表面の酸化膜を除去すると、強い蛍光を観察することができる。 In SiC powder containing N at a concentration of 10 16 / cm 3 to 10 17 / cm 3 , MB 2 , BN, B 4 C or LaB 6 is encapsulated in a carbon capsule as a B source and mixed. Heat in a crucible made at 1300 ° C to 2000 ° C under vacuum and hold for 3-5 hours. Since the obtained SiC powder has a high concentration of B on the surface, the SiC powder is held at 1000 ° C. to 1400 ° C. for 2 hours to 4 hours in an oxidizing atmosphere, and then chemically treated with, for example, hydrofluoric acid. When the oxide film on the surface is removed, strong fluorescence can be observed.

B源としてBNを使用するときは、炭素製坩堝の代わりに、BN製坩堝を使用し、BN製坩堝の中に原料SiC粉末を入れ、加熱焼成することによっても、所定のドーピングが可能である。原料のSiC粉末は、純度98%以上であれば、製造方法は限定されず、必ずしも単結晶SiCを使用する必要はない。   When BN is used as the B source, a predetermined doping is possible by using a BN crucible instead of a carbon crucible, putting raw SiC powder in the BN crucible, and heating and firing. . As long as the raw SiC powder has a purity of 98% or more, the production method is not limited, and it is not always necessary to use single crystal SiC.

また、かかる拡散条件では、良好な蛍光を発する層は、表面から1μm〜4μmであるため、SiC粉末の粒径の下限は2μmであり、2.5μm以上が好ましい。また、良好な蛍光を発する層は、表面から1μm〜4μmであり、表面から4μmより深部は、発光強度を弱めるため、SiC粉末の粒径の上限は10μmであり、8μm以下が好ましい。同様の理由により、中心粒径は、3μm〜6μmが好ましく、4μm〜5μmがより好ましい。   Moreover, since the layer which emits favorable fluorescence is 1 micrometer-4 micrometers from the surface on this diffusion condition, the minimum of the particle size of SiC powder is 2 micrometers, and 2.5 micrometers or more are preferable. In addition, the layer emitting good fluorescence is 1 μm to 4 μm from the surface, and the depth deeper than 4 μm from the surface weakens the emission intensity. Therefore, the upper limit of the particle size of the SiC powder is 10 μm, preferably 8 μm or less. For the same reason, the center particle size is preferably 3 μm to 6 μm, more preferably 4 μm to 5 μm.

(発光ダイオード)
本発明の発光ダイオードは、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体用基板と、基板上に窒化物半導体からなる発光素子を備えることを特徴とする。
(Light emitting diode)
The light-emitting diode of the present invention includes a semiconductor substrate composed of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N, and a light-emitting composed of a nitride semiconductor on the substrate. An element is provided.

SiC製基板上の窒化物半導体が発する青色光−紫外光を励起光として利用してSiC製基板が蛍光を発し、窒化物半導体からの光と混合して、固体白色光源を実現することができる。また、困難な実装技術を必要とせず、白色光の色温度再現性も高く、演色性に優れる光源を提供することが可能となる。   The SiC substrate emits fluorescence by using blue light-ultraviolet light emitted from the nitride semiconductor on the SiC substrate as excitation light, and can be mixed with the light from the nitride semiconductor to realize a solid white light source. . In addition, it is possible to provide a light source that does not require difficult mounting technology, has high color temperature reproducibility of white light, and is excellent in color rendering.

たとえば、BおよびNによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる基板上に、波長400nm程度の紫色光を発光するGaN系半導体を有する発光ダイオードは、GaN系半導体からの紫色光を励起光源としてSiC基板が黄色の蛍光を発するから、SiCからの黄色の蛍光と、GaN系半導体からの紫色光を利用することにより、再現性が高く、演色性の良好な白色光を得ることができる。   For example, a light emitting diode having a GaN-based semiconductor that emits purple light having a wavelength of about 400 nm on a substrate made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with B and N is an excitation light source. Since the SiC substrate emits yellow fluorescence, white light with high reproducibility and good color rendering can be obtained by using yellow fluorescence from SiC and violet light from a GaN-based semiconductor.

また、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる1または2以上の層を、SiCからなる半導体用基板上に有し、6H型SiC単結晶蛍光体層上に、窒化物半導体からなる発光素子を備える態様の発光ダイオードは、窒化物半導体による青色光または紫色光を励起光として、SiC基板上の1または2以上の蛍光体層が、添加された不純物に応じて蛍光を発するから、これらの蛍光を混合することにより、または窒化物半導体からの光と蛍光を混合することにより、優れた固体白色光源を提供することができる。   Further, the semiconductor substrate made of SiC has one or more layers made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N, A light-emitting diode having a light-emitting element made of a nitride semiconductor on a 6H-type SiC single crystal phosphor layer has one or more fluorescent lights on the SiC substrate using blue light or violet light from the nitride semiconductor as excitation light. Since the body layer emits fluorescence according to the added impurities, it is possible to provide an excellent solid white light source by mixing these fluorescences or by mixing light and fluorescence from the nitride semiconductor it can.

たとえば、Nによりドーピングしたn−SiC基板上に、AlおよびNをドーピングした第1のSiC層を形成し、第1のSiC層上に、BおよびNをドーピングした第2のSiC層を形成し、第2のSiC上に、波長400nm程度の紫色光を発光するGaN系半導体を有する発光ダイオードは、GaN系半導体からの紫色光を励起光源として、第2のSiC層が黄色の蛍光を発し、第1のSiC層が青色の蛍光を発するから、SiC層からの黄色と青色の蛍光を利用することにより、再現性が高く、演色性の良好な白色光を得ることができる。   For example, a first SiC layer doped with Al and N is formed on an n-SiC substrate doped with N, and a second SiC layer doped with B and N is formed on the first SiC layer. The light emitting diode having a GaN-based semiconductor that emits purple light having a wavelength of about 400 nm on the second SiC uses the purple light from the GaN-based semiconductor as an excitation light source, and the second SiC layer emits yellow fluorescence, Since the first SiC layer emits blue fluorescence, white light with high reproducibility and good color rendering can be obtained by utilizing the yellow and blue fluorescence from the SiC layer.

SiC半導体基板として、6H型単結晶を用い、B、AlおよびNでドーピングすることにより、SiC基板を本発明の蛍光体として利用し、白色光を得ることができる。一方、SiC基板を、蛍光体として利用せず、基板上に形成するSiC蛍光体層および窒化物半導体層を利用して、良好な白色光を得ることができる。本発明の発光ダイオードにおける6H型SiC単結晶蛍光体の、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度は、発光効率を高める点で、いずれの濃度も、1016/cm3〜1019/cm3が好ましく、1017/cm3〜1019/cm3がより好ましい。 By using a 6H type single crystal as the SiC semiconductor substrate and doping with B, Al and N, the SiC substrate can be used as the phosphor of the present invention and white light can be obtained. On the other hand, good white light can be obtained by using the SiC phosphor layer and the nitride semiconductor layer formed on the substrate without using the SiC substrate as the phosphor. The doping concentration of one or more elements of B or Al and the doping concentration of N of the 6H-type SiC single crystal phosphor in the light-emitting diode of the present invention are increased in luminous efficiency. 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 is preferable, and 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3 is more preferable.

本発明の発光ダイオードの典型的な構造の1つを図4に例示する。この例では、SiC基板401上に、AlおよびNを添加した第1の不純物添加SiC層402、BおよびNを添加した第2の不純物添加SiC層403を、たとえばCVD法によってエピタキシャル成長させる。さらに、SiC層403上に、たとえば、有機金属化合物気相成長法によってエピタキシャル成長させ、AlGaNバッファ層404、n−GaN第1コンタクト層405、n−AlGaN第1クラッド層406、GaInN/GaN多重量子井戸活性層407、p−AlGaN電子ブロック層408、p−AlGaN第2クラッド層409、p−GaN第2コンタクト層410を形成する。つぎに、p−GaN第2コンタクト層410上に、Ni/Auからなるp電極411を形成した後、図4に示すように、n−GaN第1コンタクト層405が露出するまでエッチングし、n−GaN第1コンタクト層405上にn電極412を形成することにより、本発明の発光ダイオードが得られる。この例では、窒化物半導体からなる発光素子は、第2の不純物添加SiC層403上にある各層を指す。   One typical structure of the light emitting diode of the present invention is illustrated in FIG. In this example, a first impurity-added SiC layer 402 to which Al and N are added and a second impurity-added SiC layer 403 to which B and N are added are epitaxially grown on the SiC substrate 401 by, for example, a CVD method. Further, epitaxial growth is performed on the SiC layer 403 by, for example, an organic metal compound vapor deposition method, and an AlGaN buffer layer 404, an n-GaN first contact layer 405, an n-AlGaN first cladding layer 406, a GaInN / GaN multiple quantum well. An active layer 407, a p-AlGaN electron blocking layer 408, a p-AlGaN second cladding layer 409, and a p-GaN second contact layer 410 are formed. Next, after forming a p-electrode 411 made of Ni / Au on the p-GaN second contact layer 410, etching is performed until the n-GaN first contact layer 405 is exposed, as shown in FIG. The light emitting diode of the present invention can be obtained by forming the n-electrode 412 on the GaN first contact layer 405. In this example, a light-emitting element made of a nitride semiconductor refers to each layer on the second impurity-added SiC layer 403.

窒化物半導体からの励起光は、一旦SiCの吸収端において吸収され、電子−正孔対は不純物準位に緩和する。したがって、不純物をドーピングしたSiC層は、SiC基板401とAlGaNバッファ層404の間に配置する態様が好ましい。窒化物半導体は、GaNなどのIII族窒化物半導体などより適宜選択することができるが、励起波長となる発光素子における発光波長が、6H型SiCの吸収端波長である408nm以下の波長となるように半導体を選択するのが好ましい。   Excitation light from the nitride semiconductor is once absorbed at the absorption edge of SiC, and the electron-hole pairs are relaxed to the impurity level. Therefore, it is preferable that the SiC layer doped with impurities is disposed between the SiC substrate 401 and the AlGaN buffer layer 404. The nitride semiconductor can be appropriately selected from group III nitride semiconductors such as GaN, but the emission wavelength of the light emitting element that is the excitation wavelength is 408 nm or less, which is the absorption edge wavelength of 6H-type SiC. It is preferable to select a semiconductor.

Al、BおよびNを添加したSiC層は、エピタキシャル成長により形成することができるが、拡散によって形成することも可能である。たとえば、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる前に、Nを添加したSiC基板にスパッタした炭素をマスクとして、局所的にBもしくはAlを拡散し、部分的に黄色部、青色部を分け、単一プロセスで演色性を制御できる複合ダイオードを得ることも可能である。また、2層以上の不純物添加層を形成する態様のほか、1層に同時にB、AlおよびNを添加しても同様の効果が得られる。   The SiC layer to which Al, B and N are added can be formed by epitaxial growth, but can also be formed by diffusion. For example, before epitaxially growing a nitride semiconductor, using a carbon sputtered on a SiC substrate doped with N as a mask, B or Al is locally diffused, and the yellow part and the blue part are partially separated in a single process. It is also possible to obtain a composite diode that can control color rendering. In addition to an embodiment in which two or more impurity-added layers are formed, the same effect can be obtained by simultaneously adding B, Al and N to one layer.

実施例1
SiC製蛍光体を、図1に示すように、改良型レーリ法により作成した。まず、種結晶であるSiC単結晶からなる基板1を、黒鉛製るつぼ3の蓋4の内面に取り付けた。また、黒鉛製るつぼ3の内部には、原料2となる高純度のSiC粉末(JIS粒度#250)とB源を混合した後、充填した。
Example 1
As shown in FIG. 1, a SiC phosphor was prepared by an improved Rayleigh method. First, the substrate 1 made of a SiC single crystal as a seed crystal was attached to the inner surface of the lid 4 of the graphite crucible 3. In addition, the graphite crucible 3 was filled with a high-purity SiC powder (JIS particle size # 250) as a raw material 2 and a B source, and then filled.

つぎに、原料2を充填した黒鉛製るつぼ3を蓋4で閉じ、黒鉛製の支持棒6により、石英管5の内部に設置し、黒鉛製るつぼ3の周囲を黒鈴製の熱シールド7で被覆した。雰囲気ガスとして、ArガスとN2ガスを、流量計10を介して、導入管9により石英管5の内部へ流した(Arガスの流量1リットル/分)。つづいて、ワークコイル8に高周波電流を流し、原料2の温度が2300℃で、基板1の温度が2200℃になるように調節した。 Next, the graphite crucible 3 filled with the raw material 2 is closed with a lid 4 and placed inside the quartz tube 5 with a graphite support rod 6, and the surroundings of the graphite crucible 3 are covered with a heat shield 7 made of black bell. Covered. As the atmospheric gas, Ar gas and N 2 gas were passed through the flow meter 10 into the quartz tube 5 through the introduction tube 9 (Ar gas flow rate 1 liter / min). Subsequently, a high-frequency current was passed through the work coil 8 to adjust the temperature of the raw material 2 to 2300 ° C. and the temperature of the substrate 1 to 2200 ° C.

つづいて、ArガスとN2ガスの流量を調節するとともに、真空ポンプ11を用いて、石英管5の内部を減圧した。減圧は、大気圧から133Paまで20分かけて徐々に行ない、133Paで5時間保持することにより、直径55mm、厚さ10mmのSiC結晶を得た。 Subsequently, while adjusting the flow rates of Ar gas and N 2 gas, the inside of the quartz tube 5 was decompressed using the vacuum pump 11. The pressure was gradually reduced from atmospheric pressure to 133 Pa over 20 minutes, and the SiC crystal having a diameter of 55 mm and a thickness of 10 mm was obtained by holding at 133 Pa for 5 hours.

結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧は1%とした。また、B源として、5mol%のB単体(金属ホウ素)を含浸した炭素を用い、SiC粉末に対して、B単体が0.05mol%となるようにSiC粉末に混合し、原料粉末とした。 The partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 1%. Further, carbon impregnated with 5 mol% of B simple substance (metal boron) was used as the B source, and the SiC powder was mixed with the SiC powder so that the B simple substance was 0.05 mol% to obtain a raw material powder.

得られたSiC結晶のBとNの濃度を、SIMSにより測定すると、Nは5×1017/cm3であり、Bは3×1016/cm3であった。また、得られたSiC単結晶から、直径55mm、厚さ0.3mmの結晶を切り出した後、片面を研磨加工を行ない、平坦面について蛍光を測定した。測定の結果、ピーク波長は620nmであり、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、図3に示すようなブロードなスペクトルを呈した。 When the B and N concentrations of the obtained SiC crystal were measured by SIMS, N was 5 × 10 17 / cm 3 and B was 3 × 10 16 / cm 3 . Further, after cutting out a crystal having a diameter of 55 mm and a thickness of 0.3 mm from the obtained SiC single crystal, one surface was polished and fluorescence was measured on a flat surface. As a result of the measurement, the peak wavelength was 620 nm, fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm was emitted, and a broad spectrum as shown in FIG. 3 was exhibited.

つぎに、測定後の結晶を、1850℃で4時間保持し、熱アニール処理を施した結果、スペクトルの形状はほぼ同じであったが、発光の相対強度が、熱アニール処理前のものに比べて2倍以上に向上した。   Next, the crystal after measurement was held at 1850 ° C. for 4 hours and subjected to thermal annealing. As a result, the shape of the spectrum was almost the same, but the relative intensity of light emission was higher than that before thermal annealing. Improved more than twice.

実施例2
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を5%とし、B単体のSiC粉末に対する濃度を0.5mol%とした以外は、実施例1と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとBの濃度は、Nが3×1018/cm3であり、Bが1×1017/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例1と同様であったが、発光の相対強度は実施例1における熱アニール処理前の結晶に比べてほぼ3倍に向上した。
Example 2
A SiC crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 5% and the concentration of B alone with respect to the SiC powder was 0.5 mol%. The N and B concentrations of the obtained SiC crystal were 3 × 10 18 / cm 3 for N and 1 × 10 17 / cm 3 for B. Further, the shape of the fluorescence spectrum was the same as in Example 1, but the relative intensity of light emission was improved almost three times as compared with the crystal before thermal annealing in Example 1.

実施例3
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を10%とし、B単体のSiC粉末に対する濃度を5mol%とした以外は、実施例1と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとBの濃度は、Nが8×1018/cm3であり、Bが5×1017/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例1と同様であったが、発光の相対強度は実施例1における熱アニール処理前の結晶に比べてほぼ5倍に向上した。
Example 3
A SiC crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 10% and the concentration of B alone with respect to the SiC powder was 5 mol%. Regarding the N and B concentrations of the obtained SiC crystal, N was 8 × 10 18 / cm 3 and B was 5 × 10 17 / cm 3 . The shape of the fluorescence spectrum was the same as that of Example 1, but the relative intensity of light emission was improved approximately 5 times compared to the crystal before thermal annealing in Example 1.

実施例4
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を30%とし、B単体のSiC粉末に対する濃度を15mol%とした以外は、実施例1と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとBの濃度は、Nが1×1019/cm3であり、Bが1×1018/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例1と同様であったが、発光の相対強度は実施例1における熱アニール処理前の結晶に比べてほぼ1/10に低下した。
Example 4
A SiC crystal was produced in the same manner as in Example 1 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 30% and the concentration of B alone with respect to the SiC powder was 15 mol%. The N and B concentrations in the obtained SiC crystal were 1 × 10 19 / cm 3 for N and 1 × 10 18 / cm 3 for B. Further, the shape of the fluorescence spectrum was the same as that of Example 1, but the relative intensity of light emission was reduced to approximately 1/10 compared to the crystal before thermal annealing in Example 1.

実施例1〜4の結果より、結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を1%〜30%とし、B単体のSiC粉末に対する濃度を0.05mol%〜15mol%とすることにより、Nが5×1017/cm3〜1×1019/cm3であり、Bが3×1016/cm3〜1×1018/cm3であるSiC製蛍光体が得られ、かかる蛍光体は波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有することがわかった。 From the results of Examples 1 to 4, by setting the partial pressure of N 2 gas in the atmosphere gas during crystal growth to 1% to 30% and the concentration of B alone with respect to SiC powder to 0.05 mol% to 15 mol%, An SiC phosphor in which N is 5 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 and B is 3 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 18 / cm 3 is obtained. Was found to emit fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm and to have a peak wavelength at 500 nm to 650 nm.

実施例5
原料粉末にB源を配合しなかった以外は、実施例1と同様にして、改良型レーリ法により、直径55mm、厚さ10mmのSiC単結晶を得た。得られたSiC単結晶から、実施例1と同様に、直径55mm、厚さ0.3mmの結晶を切り出した後、片面を研磨加工した。つぎに、TaB2をB源とし、SiC粉末に対して3mol%のTaB2をSiC粉末に混合した後、治具に固定した。この治具に、研磨加工した前述のSiC結晶を取り付け、SiC結晶の平坦面とTaB2との間隔が0.1mmとなるように調製した。
Example 5
A SiC single crystal having a diameter of 55 mm and a thickness of 10 mm was obtained by the modified Rayleigh method in the same manner as in Example 1 except that the source B was not blended with the raw material powder. A crystal having a diameter of 55 mm and a thickness of 0.3 mm was cut out from the obtained SiC single crystal in the same manner as in Example 1, and then one surface was polished. Next, TaB 2 was used as a B source, 3 mol% of TaB 2 with respect to the SiC powder was mixed with the SiC powder, and then fixed to the jig. The above-mentioned polished SiC crystal was attached to this jig, and the jig was prepared so that the distance between the flat surface of the SiC crystal and TaB 2 was 0.1 mm.

つづいて、この治具を、炭素製坩堝内に入れ、Arガスの雰囲気下で、1800℃に加熱し、4時間保持した。得られた結晶について蛍光を測定したところ、実施例1と同様に、ピーク波長が620nmであり、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、図3に示すようなブロードなスペクトルを呈した。また、得られたSiC結晶のBとNの濃度を、SIMSにより測定すると、Nは5×1017/cm3であり、Bは5×1016/cm3〜8×1018/cm3であった。 Subsequently, the jig was placed in a carbon crucible, heated to 1800 ° C. in an Ar gas atmosphere, and held for 4 hours. When the fluorescence of the obtained crystal was measured, as in Example 1, the peak wavelength was 620 nm, the fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm was emitted, and a broad spectrum as shown in FIG. 3 was exhibited. Moreover, when the density | concentration of B and N of the obtained SiC crystal is measured by SIMS, N is 5 * 10 < 17 > / cm < 3 >, B is 5 * 10 < 16 > / cm < 3 > -8 * 10 < 18 > / cm < 3 >. there were.

さらに、1800℃で4時間熱アニール処理をしたところ、蛍光スペクトルの形状には変化がなかったが、発光の相対強度が2倍に向上した。つぎに、結晶の表面をRIEにより2μm削り落とすと、蛍光スペクトルの形状は同様で、削り落とす前に比べて発光の相対強度が1.5倍に向上した。   Furthermore, when the thermal annealing treatment was performed at 1800 ° C. for 4 hours, the shape of the fluorescence spectrum was not changed, but the relative intensity of light emission was doubled. Next, when the surface of the crystal was scraped off by 2 μm by RIE, the shape of the fluorescence spectrum was the same, and the relative intensity of light emission was improved by a factor of 1.5 compared to that before scraping off.

実施例6
実施例5において得られたSiC単結晶を乳鉢で粉砕し、分級して、粒径2μm〜3μmの粉末を得、この粉末を白色のBN焼結体からなる坩堝に入れて、加熱焼成した。焼成は、N2ガスの雰囲気下、300Paに減圧して行ない、1800℃で4時間保持した。焼成後、SiC粉末を乳鉢で粉砕し、大気雰囲気(酸化性雰囲気)下、1200℃で3時間加熱して表面に酸化膜を形成した。得られた焼結体を70%のフッ酸で処理し、表面を厚さ1μm程度除去し、乾燥して、粉末を得た。
Example 6
The SiC single crystal obtained in Example 5 was pulverized in a mortar and classified to obtain a powder having a particle size of 2 μm to 3 μm. This powder was placed in a crucible made of a white BN sintered body and heated and fired. Firing was performed under a reduced pressure of 300 Pa in an N 2 gas atmosphere, and held at 1800 ° C. for 4 hours. After firing, the SiC powder was pulverized in a mortar and heated at 1200 ° C. for 3 hours in an air atmosphere (oxidizing atmosphere) to form an oxide film on the surface. The obtained sintered body was treated with 70% hydrofluoric acid, the surface was removed with a thickness of about 1 μm, and dried to obtain a powder.

得られた粉末について蛍光を測定したところ、ピーク波長が640nmであり、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、実施例5と同様のブロードなスペクトルを呈した。また、得られた粉末のBとNの濃度を、SIMSにより測定すると、Nは7×1017/cm3であり、Bは9×1017/cm3であった。 When the fluorescence of the obtained powder was measured, the peak wavelength was 640 nm, the fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm was emitted, and the same broad spectrum as in Example 5 was exhibited. Moreover, when the density | concentration of B and N of the obtained powder was measured by SIMS, N was 7 * 10 < 17 > / cm < 3 > and B was 9 * 10 < 17 > / cm < 3 >.

実施例7
図4に、本実施例の発光ダイオードの構造を示す。SiC基板401上に、AlおよびNを添加した第1の不純物添加SiC層402、BおよびNを添加した第2の不純物添加SiC層403を、たとえばCVD法によってエピタキシャル成長させ、形成した。さらに、SiC層403上に、たとえば有機金属化合物気相成長法によって、AlGaNバッファ層404、n−GaN第1コンタクト層405、n−AlGaN第1クラッド層406、GaInN/GaN多重量子井戸活性層407、p−AlGaN電子ブロック層408、p−AlGaN第2クラッド層409、p−GaN第2コンタクト層410を形成した。つぎに、p−GaN第2コンタクト層410上に、Ni/Auからなるp電極411を形成した後、図4に示すように、n−GaN第1コンタクト層405が露出するまでエッチングし、n−GaN第1コンタクト層405上にn電極412を形成し、発光ダイオードを得た。
Example 7
FIG. 4 shows the structure of the light-emitting diode of this example. A first impurity-added SiC layer 402 to which Al and N are added and a second impurity-added SiC layer 403 to which B and N are added are epitaxially grown and formed on the SiC substrate 401 by, for example, a CVD method. Further, an AlGaN buffer layer 404, an n-GaN first contact layer 405, an n-AlGaN first cladding layer 406, a GaInN / GaN multiple quantum well active layer 407 are formed on the SiC layer 403 by, for example, metal organic compound vapor deposition. The p-AlGaN electron block layer 408, the p-AlGaN second cladding layer 409, and the p-GaN second contact layer 410 were formed. Next, after forming a p-electrode 411 made of Ni / Au on the p-GaN second contact layer 410, etching is performed until the n-GaN first contact layer 405 is exposed, as shown in FIG. An n-electrode 412 was formed on the GaN first contact layer 405 to obtain a light emitting diode.

つづいて、図5に示すように、この発光ダイオード501をステム505上に実装した。実装は、ステム505上に形成した絶縁性ヒートシンク502の金属層503a、503b上に、金バンプ504を介しエピサイドダウン方式で行なった。その後、金属層503aと配線用リード506とを金線507aで接続し、金属層503bに金線507bを接続し、エポキシ樹脂508で固定した。   Subsequently, as shown in FIG. 5, the light emitting diode 501 was mounted on the stem 505. Mounting was performed on the metal layers 503a and 503b of the insulating heat sink 502 formed on the stem 505 by an epicide down method via gold bumps 504. Thereafter, the metal layer 503a and the wiring lead 506 were connected by a gold wire 507a, and the gold wire 507b was connected to the metal layer 503b and fixed by an epoxy resin 508.

発光ダイオード501に、金線507a、507bを介して電圧を印加すると、発光ダイオードに電流が注入された。この結果、図4のGaInN/GaN多重量子井戸活性層407において、波長400nmの紫色光が放出された。この紫色光のうち、SiC基板401の方向へ放出された光は、第2の不純物添加SiC層403と第1の不純物添加SiC層402へ進入し、ほぼ全てがこれらの層に吸収されるとともに各々の層の不純物準位による蛍光を生じた。   When a voltage was applied to the light emitting diode 501 via the gold wires 507a and 507b, a current was injected into the light emitting diode. As a result, violet light having a wavelength of 400 nm was emitted from the GaInN / GaN multiple quantum well active layer 407 of FIG. Of this violet light, the light emitted in the direction of the SiC substrate 401 enters the second impurity-added SiC layer 403 and the first impurity-added SiC layer 402, and almost all is absorbed by these layers. Fluorescence was generated by the impurity level of each layer.

第2の不純物添加SiC層403においては、BとNが1018/cm3程度の濃度で添加されており、400nmの紫色光で励起されると、図3に示すようなスペクトルを持つ蛍光を放出した。この蛍光は、図3から明らかなとおり、波長が500nm〜750nmで、ピーク波長が約600nmであり、黄色の蛍光であるが、600nmを超える赤色成分も比較的多く含んでいた。また、第2の不純物添加SiC層403の厚さは、20μmであった。 In the second impurity-added SiC layer 403, B and N are added at a concentration of about 10 18 / cm 3 , and when excited with 400 nm violet light, fluorescence having a spectrum as shown in FIG. Released. As apparent from FIG. 3, this fluorescence has a wavelength of 500 nm to 750 nm, a peak wavelength of about 600 nm, and is yellow fluorescence, but also contains a relatively large amount of red component exceeding 600 nm. The thickness of the second impurity-added SiC layer 403 was 20 μm.

一方、第1の不純物添加SiC層402では、AlとNが1018/cm3程度の濃度で添加されており、400nmの光で励起されると、図6に示すようなスペクトルを持つ蛍光を放出した。この蛍光は、図6から明らかなとおり、波長が400nm〜750nmで、ピーク波長が460nm付近の青色光であった。また、第1の不純物添加SiC層402の厚さは、20μmであった。 On the other hand, in the first impurity-added SiC layer 402, Al and N are added at a concentration of about 10 18 / cm 3 , and when excited with light of 400 nm, fluorescence having a spectrum as shown in FIG. Released. As apparent from FIG. 6, this fluorescence was blue light having a wavelength of 400 nm to 750 nm and a peak wavelength of around 460 nm. The thickness of the first impurity-added SiC layer 402 was 20 μm.

この2層の不純物添加SiC層402、403による蛍光を混合することによって、演色性にすぐれた白色光が得られた。混合比の調節は、前述のドーピング濃度とSiC層402、403の膜厚を変化させることによって可能であった。このことから、白色光の色温度の調節が容易であることがわかった。また、発光ダイオードの内部で白色光を生成しているので、放出される白色光の色合いの角度依存性も無視できるほど小さかった。   By mixing the fluorescence of the two impurity-added SiC layers 402 and 403, white light with excellent color rendering was obtained. The mixing ratio could be adjusted by changing the aforementioned doping concentration and the film thickness of the SiC layers 402 and 403. From this, it was found that the color temperature of white light can be easily adjusted. Further, since white light is generated inside the light emitting diode, the angle dependence of the hue of the emitted white light is so small that it can be ignored.

実施例8
図7に、本実施例の発光ダイオードの構造を示す。この発光ダイオードは、図7に示すように、Nドープのn−SiC基板701上に、AlおよびNを添加した第1の不純物添加SiC層702と、BおよびNを添加した第2の不純物添加SiC層703をCVD法によってエピタキシャル成長させた。さらに、SiC層703上に、有機金属化合物気相成長法によって、n−AlGaNバッファ層704、n−GaN第1コンタクト層705、n−AlGaN第1クラッド層706、GaInN/GaN多重量子井戸活性層707、p−AlGaN電子ブロック層708、p−AlGaN第2クラッド層709、p−GaN第2コンタクト層710を積層した。つぎに、p−GaN第2コンタクト層710の表面に、Ni/Auからなるp電極711を形成し、SiC基板701の表面には、n電極712を部分的に形成し、発光ダイオードを得た。
Example 8
FIG. 7 shows the structure of the light-emitting diode of this example. As shown in FIG. 7, the light-emitting diode includes a first impurity-added SiC layer 702 to which Al and N are added and a second impurity-added to which B and N are added on an N-doped n-SiC substrate 701. The SiC layer 703 was epitaxially grown by the CVD method. Further, an n-AlGaN buffer layer 704, an n-GaN first contact layer 705, an n-AlGaN first cladding layer 706, a GaInN / GaN multiple quantum well active layer are formed on the SiC layer 703 by metal organic compound vapor deposition. 707, a p-AlGaN electron blocking layer 708, a p-AlGaN second cladding layer 709, and a p-GaN second contact layer 710 were stacked. Next, a p-electrode 711 made of Ni / Au was formed on the surface of the p-GaN second contact layer 710, and an n-electrode 712 was partially formed on the surface of the SiC substrate 701 to obtain a light emitting diode. .

つづいて、図8に示すように、この発光ダイオード801をステム805上に実装した。実装は、ステム805上に形成した絶縁性ヒートシンク802の金属層803上に、エピサイドダウン方式で行なった。その後、金属層803と配線用リード806とを金線807で接続し、エポキシ樹脂808で固定した。   Subsequently, as shown in FIG. 8, the light emitting diode 801 was mounted on the stem 805. Mounting was performed on the metal layer 803 of the insulating heat sink 802 formed on the stem 805 by the epicide down method. Thereafter, the metal layer 803 and the wiring lead 806 were connected with a gold wire 807 and fixed with an epoxy resin 808.

発光ダイオード801に電圧を印加すると、発光ダイオードに電流が注入された。この結果、図7のGaInN/GaN多重量子井戸活性層707において、波長400nmの紫色光が放出された。この紫色光のうち、SiC基板701の方向へ放出された光は、第2の不純物添加SiC層703と、第1の不純物添加SiC層702へ進入し、ほぼ全てが、これらの2層に吸収されるとともに、各SiC層の不純物準位による蛍光を発した。   When voltage was applied to the light emitting diode 801, current was injected into the light emitting diode. As a result, violet light having a wavelength of 400 nm was emitted from the GaInN / GaN multiple quantum well active layer 707 of FIG. Of this violet light, light emitted in the direction of the SiC substrate 701 enters the second impurity-added SiC layer 703 and the first impurity-added SiC layer 702, and almost all is absorbed by these two layers. At the same time, fluorescence was emitted by the impurity level of each SiC layer.

第2の不純物添加SiC層703においては、BとNが1018/cm3程度の濃度で添加されており、400nmの光で励起されると、図3に示すようなスペクトルを持つ蛍光を放出した。この蛍光は、図3から明らかなとおり、波長が500nm〜750nmで、ピーク波長が約600nmであり、黄色の蛍光であるが、600nmを超える赤色成分も比較的多く含んでいた。また、第2の不純物添加SiC層703の厚さは、30μmであった。 In the second impurity-added SiC layer 703, B and N are added at a concentration of about 10 18 / cm 3 , and when excited with light of 400 nm, fluorescence having a spectrum as shown in FIG. 3 is emitted. did. As apparent from FIG. 3, this fluorescence has a wavelength of 500 nm to 750 nm, a peak wavelength of about 600 nm, and is yellow fluorescence, but also contains a relatively large amount of red component exceeding 600 nm. The thickness of the second impurity-added SiC layer 703 was 30 μm.

一方、第1の不純物添加SiC層702では、AlとNが1018/cm3程度の濃度で添加されており、400nmの光で励起されると、図6に示すようなスペクトルを持つ蛍光を放出した。この蛍光は、図6から明らかなとおり、波長が400nm〜750nmで、ピーク波長が460nm付近の青色光であった。また、第1の不純物添加SiC層702の厚さは、30μmであった。 On the other hand, in the first impurity-added SiC layer 702, Al and N are added at a concentration of about 10 18 / cm 3 , and when excited with light of 400 nm, fluorescence having a spectrum as shown in FIG. Released. As apparent from FIG. 6, this fluorescence was blue light having a wavelength of 400 nm to 750 nm and a peak wavelength of around 460 nm. The thickness of the first impurity-added SiC layer 702 was 30 μm.

この2層の不純物添加SiC層702、703による蛍光を混合することによって、演色性にすぐれた白色光が得られた。混合比の調節は、ドーピングする不純物濃度とSiC層702、703の膜厚を変化させることによって可能であった。このことから、白色光の色合いの調節が容易であることがわかった。また、発光ダイオードの内部で白色光を生成しているので、放出される白色光の色合いの角度依存性も無視できるほど小さかった。   By mixing the fluorescence of the two impurity-added SiC layers 702 and 703, white light with excellent color rendering was obtained. The mixing ratio can be adjusted by changing the impurity concentration to be doped and the film thicknesses of the SiC layers 702 and 703. From this, it was found that it is easy to adjust the hue of white light. Further, since white light is generated inside the light emitting diode, the angle dependence of the hue of the emitted white light is so small that it can be ignored.

実施例9
本実施例では、発光波長が440nm〜480nmである従来の窒化物半導体発光ダイオードと、本発明の発光ダイオードとを組み合わせて、白色光を合成した。本発明の発光ダイオードは、窒化物半導体による紫色光を励起光として黄色の蛍光を発する発光ダイオードとした。
Example 9
In this example, white light was synthesized by combining a conventional nitride semiconductor light emitting diode having an emission wavelength of 440 nm to 480 nm and the light emitting diode of the present invention. The light emitting diode of the present invention is a light emitting diode that emits yellow fluorescence using violet light from a nitride semiconductor as excitation light.

AlとNでドーピングした第1の不純物添加SiC層を形成せず、不純物添加SiC層として、BとNでドーピングした第2の不純物添加SiC層のみ形成した以外は、実施例8と同様にして発光ダイオードを製作し、図8に示すように、実施例8と同様に実装した。   The first impurity-added SiC layer doped with Al and N was not formed, but only the second impurity-added SiC layer doped with B and N was formed as the impurity-added SiC layer. A light emitting diode was manufactured and mounted in the same manner as in Example 8 as shown in FIG.

発光ダイオードに電流を注入すると、GaInN/GaN多重量子井戸活性層において波長400nmの紫色光が放出され、SiC基板の方向へ放出された紫色光は、不純物添加SiC層へと進入し、不純物添加SiC層によりほぼ全てが吸収され、蛍光を発した。   When current is injected into the light emitting diode, violet light having a wavelength of 400 nm is emitted in the GaInN / GaN multiple quantum well active layer, and the violet light emitted toward the SiC substrate enters the impurity-added SiC layer, and the impurity-added SiC layer. Almost all was absorbed by the layer and fluoresced.

不純物添加SiC層は、BとNのいずれもが1018/cm3程度の濃度で添加されており、400nmの光で励起されると、図3に示すようなスペクトルを持つ黄色の蛍光を放出した。この黄色の蛍光は、図3から明らかなとおり、波長が500nm〜750nmで、ピーク波長が約600nmであり、600nmを超える赤色成分も比較的多く含んでいた。また、不純物添加SiC層の厚さは、30μmであった。 The impurity-added SiC layer is doped with both B and N at a concentration of about 10 18 / cm 3, and emits yellow fluorescence having a spectrum as shown in FIG. 3 when excited with 400 nm light. did. As apparent from FIG. 3, this yellow fluorescence has a wavelength of 500 nm to 750 nm, a peak wavelength of about 600 nm, and a relatively large amount of red component exceeding 600 nm. The thickness of the impurity-added SiC layer was 30 μm.

この黄色に発光するダイオードは、発光波長が440nm〜480nmの窒化物半導体による従来の発光ダイオード(図示していない。)と組み合わせて配置し、黄色に発光するダイオードからの放射光と、従来のダイオードからの放射光とを、3:1で混合することにより、演色性に優れた白色光を合成することができた。   This yellow light emitting diode is disposed in combination with a conventional light emitting diode (not shown) made of a nitride semiconductor having an emission wavelength of 440 nm to 480 nm, and the emitted light from the yellow light emitting diode and the conventional diode The white light excellent in color rendering could be synthesized by mixing 3: 1 with the emitted light from the light.

黄色に発光するダイオードとしては、AlGaInPによる4元系の高輝度ダイオードが実用化されているが、本実施例で製作した発光ダイオードは、図3に示すようにブロードなスペクトルを示すため、青色発光ダイオードと組み合わせることによって、より容易に演色性の高い白色を得ることができることがわかった。   As a diode emitting yellow light, a quaternary high-intensity diode made of AlGaInP has been put into practical use, but the light-emitting diode manufactured in this example exhibits a broad spectrum as shown in FIG. It was found that white with high color rendering can be obtained more easily by combining with a diode.

実施例10
結晶成長時のB源の代わりに、Al単体をSiC粉末に対して、0.1mol%となるようにSiC粉末に混合し、原料粉末とした以外は実施例1と同様にしてSiC結晶を成長した。得られたSiC結晶のAlとNの濃度は、Nが5×1017/cm3であり、Alは2×1016/cm3であった。また、蛍光スペクトルは、ピーク波長が430nmであり、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、図6に示すようなブロードなスペクトルを呈した。
Example 10
Instead of the B source at the time of crystal growth, a SiC crystal is grown in the same manner as in Example 1 except that Al alone is mixed with the SiC powder so as to be 0.1 mol% with respect to the SiC powder to obtain a raw material powder. did. Regarding the concentration of Al and N in the obtained SiC crystal, N was 5 × 10 17 / cm 3 and Al was 2 × 10 16 / cm 3 . Further, the fluorescence spectrum had a peak wavelength of 430 nm, emitted fluorescence having a wavelength of 400 nm to 750 nm, and exhibited a broad spectrum as shown in FIG.

つぎに、測定後の結晶を、1850℃で4時間保持し、熱アニール処理を施した結果、スペクトルの形状はほぼ同じであったが、発光の相対強度が、熱アニール処理前のものに比べて2倍以上に向上した。   Next, the crystal after measurement was held at 1850 ° C. for 4 hours and subjected to thermal annealing. As a result, the shape of the spectrum was almost the same, but the relative intensity of light emission was higher than that before thermal annealing. Improved more than twice.

実施例11
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を5%とし、Al単体のSiC粉末に対する濃度を1mol%とした以外は、実施例10と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとAlの濃度は、Nが5×1018/cm3であり、Alが1×1017/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例10と同様であったが、発光の相対強度は、実施例10における熱アニール処理前の結晶に比べてほぼ2倍に向上した。
Example 11
An SiC crystal was produced in the same manner as in Example 10 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 5% and the concentration of Al alone with respect to the SiC powder was 1 mol%. The N and Al concentrations of the obtained SiC crystal were 5 × 10 18 / cm 3 for N and 1 × 10 17 / cm 3 for Al. The shape of the fluorescence spectrum was the same as in Example 10, but the relative intensity of light emission was improved almost twice as compared with the crystal before thermal annealing in Example 10.

実施例12
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を10%とし、Al単体のSiC粉末に対する濃度を10mol%とした以外は、実施例10と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとAlの濃度は、Nが8×1018/cm3であり、Alが4×1017/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例10と同様であったが、発光の相対強度は、実施例10における熱アニール処理前の結晶に比べてほぼ3倍に向上した。
Example 12
A SiC crystal was produced in the same manner as in Example 10 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 10% and the concentration of Al alone with respect to the SiC powder was 10 mol%. The N and Al concentrations of the obtained SiC crystal were 8 × 10 18 / cm 3 for N and 4 × 10 17 / cm 3 for Al. The shape of the fluorescence spectrum was the same as in Example 10, but the relative intensity of light emission was improved almost three times compared to the crystal before thermal annealing in Example 10.

実施例13
結晶成長時の雰囲気ガスにおけるN2ガスの分圧を30%とし、Al単体のSiC粉末に対する濃度を20mol%とした以外は、実施例10と同様にしてSiC結晶を製造した。得られたSiC結晶のNとAlの濃度は、Nが1×1019/cm3であり、Alが1×1018/cm3であった。また、蛍光スペクトルの形状は実施例10と同様であったが、発光の相対強度は実施例10における熱アニール処理前の結晶に比べて、ほぼ1/3以下に低下した。
Example 13
A SiC crystal was produced in the same manner as in Example 10 except that the partial pressure of N 2 gas in the atmospheric gas during crystal growth was 30% and the concentration of Al alone with respect to the SiC powder was 20 mol%. The N and Al concentrations of the obtained SiC crystal were 1 × 10 19 / cm 3 for N and 1 × 10 18 / cm 3 for Al. Further, the shape of the fluorescence spectrum was the same as that in Example 10, but the relative intensity of light emission was reduced to almost 1/3 or less as compared with the crystal before thermal annealing in Example 10.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明のSiC製蛍光体は、比較的長波長である青色−紫色の光を1次光とする場合であっても、効率のよい蛍光を発するため、励起光と蛍光の混合色を得ることができ、半導体素子などが発光する比較的長波長の励起光を使った発光ダイオードを製造することが可能である。この発光ダイオードは、演色性に優れ、低コストであり、発光効率の高い白色光源として有用である。また、SiCは共有結合性が高い材料であり、変質しにくく、導電性もあるため、強い電子線にも耐え、放電管やPDPにも使用することが可能である。   The SiC phosphor of the present invention obtains a mixed color of excitation light and fluorescence in order to emit efficient fluorescence even when blue-violet light having a relatively long wavelength is used as primary light. Thus, it is possible to manufacture a light emitting diode using a relatively long wavelength excitation light emitted from a semiconductor element or the like. This light emitting diode is excellent in color rendering properties, low in cost, and useful as a white light source with high light emission efficiency. Further, SiC is a material having high covalent bonding properties, hardly changes in quality, and has conductivity, so that it can withstand strong electron beams and can be used for a discharge tube or PDP.

本発明のSiC製蛍光体の製造方法に用いられる単結晶成長装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the single crystal growth apparatus used for the manufacturing method of the fluorescent substance made from SiC of this invention. 本発明の製造方法において使用する改良型レーリ法の原理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the principle of the improved Rayleigh method used in the manufacturing method of this invention. 本発明のSiC製蛍光体の発光特性を示す図である。It is a figure which shows the light emission characteristic of the fluorescent substance made from SiC of this invention. 本発明の発光ダイオードの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light emitting diode of this invention. 本発明の発光ダイオードを実装した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which mounted the light emitting diode of this invention. 本発明のSiC製蛍光体の発光特性を示す図である。It is a figure which shows the light emission characteristic of the fluorescent substance made from SiC of this invention. 本発明の発光ダイオードの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the light emitting diode of this invention. 本発明の発光ダイオードを実装した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which mounted the light emitting diode of this invention. 従来の発光ダイオードを実装した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which mounted the conventional light emitting diode. 従来の発光ダイオードを実装した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which mounted the conventional light emitting diode.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 原料、3 坩堝、4 蓋、5 石英管、6 支持棒、7 熱シールド、8 ワークコイル、9 導入管、401 SiC基板、402 第1の不純物添加SiC層、403 第2の不純物添加SiC層、404 AlGaNバッファ層、405 n−GaN第1コンタクト層、406 n−AlGaN第1クラッド層、407 GaInN/GaN多重量子井戸活性層、408 p−AlGaN電子ブロック層、409 p−AlGaN第2クラッド層、410 p−GaN第2コンタクト層、411 p電極、412 n電極。   1 substrate 2 raw material 3 crucible 4 lid 5 quartz tube 6 support rod 7 heat shield 8 work coil 9 introduction tube 401 SiC substrate 402 first impurity doped SiC layer 403 second impurity Added SiC layer, 404 AlGaN buffer layer, 405 n-GaN first contact layer, 406 n-AlGaN first cladding layer, 407 GaInN / GaN multiple quantum well active layer, 408 p-AlGaN electron blocking layer, 409 p-AlGaN first 2 clad layers, 410 p-GaN second contact layer, 411 p electrode, 412 n electrode.

Claims (23)

外部光源により励起して発光する蛍光体であって、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされたことを特徴とするSiC製蛍光体。   A SiC phosphor, which is a phosphor that emits light when excited by an external light source and is doped with N and one or more elements of B or Al. BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1015/cm3〜1020/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のSiC製蛍光体。 2. The SiC according to claim 1, wherein the doping concentration by one or more elements of B or Al and the doping concentration by N are both 10 15 / cm 3 to 10 20 / cm 3. Made phosphor. BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1016/cm3〜1020/cm3であることを特徴とする請求項2に記載のSiC製蛍光体。 3. The SiC according to claim 2, wherein the doping concentration by one or more elements of B or Al and the doping concentration by N are both 10 16 / cm 3 to 10 20 / cm 3. Made phosphor. 波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有することを特徴とする請求項1または2に記載のSiC製蛍光体。   The phosphor made of SiC according to claim 1 or 2, which emits fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm and has a peak wavelength of 500 nm to 650 nm. SiCは、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であることを特徴とする請求項4に記載のSiC製蛍光体。 SiC is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. The SiC phosphor according to claim 4, wherein: 波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有することを特徴とする請求項1または2に記載のSiC製蛍光体。   3. The SiC phosphor according to claim 1 or 2, which emits fluorescence having a wavelength of 400 nm to 750 nm and has a peak wavelength of 400 nm to 550 nm. SiCは、NおよびAlによりドーピングされ、NまたはAlのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であることを特徴とする請求項6に記載のSiC製蛍光体。 SiC is doped with N and Al, and the concentration of either N or Al is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. The SiC phosphor according to claim 6, wherein: 外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるSiC製蛍光体の製造方法であって、
LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2、BN、または、Bを含有した炭素をB源とし、昇華再結晶法によりSiC結晶を形成することを特徴とするSiC製蛍光体の製造方法。
Excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 .
Made of SiC, characterized in that LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 , BN, or carbon containing B is used as a B source and SiC crystals are formed by sublimation recrystallization. A method for producing a phosphor.
外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3であるSiC製蛍光体の製造方法であって、
B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散することを特徴とするSiC製蛍光体の製造方法。
Excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 .
It is possible to thermally diffuse into SiC at 1500 ° C. or higher in vacuum or in an inert gas atmosphere using B alone, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN as a B source. A method for producing a SiC phosphor.
熱拡散後、表面層を除去することを特徴とする請求項9に記載のSiC製蛍光体の製造方法。   The method for producing a SiC phosphor according to claim 9, wherein the surface layer is removed after the thermal diffusion. 昇華再結晶または熱拡散の後、1300℃以上で1時間以上の熱アニール処理を施すことを特徴とする請求項8または9に記載のSiC製蛍光体の製造方法。   The method for producing a SiC phosphor according to claim 8 or 9, wherein a thermal annealing treatment is performed at 1300 ° C or higher for 1 hour or longer after sublimation recrystallization or thermal diffusion. 外部光源により励起して発光する蛍光体であって、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなることを特徴とする半導体用基板。   A phosphor that emits light when excited by an external light source, and is made of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N substrate. NおよびBによりドーピングされ、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなることを特徴とする請求項12に記載の半導体用基板。   13. The semiconductor substrate according to claim 12, comprising a 6H-type SiC single crystal phosphor that is doped with N and B, emits fluorescence having a wavelength of 500 nm to 750 nm, and has a peak wavelength of 500 nm to 650 nm. NおよびAlによりドーピングされ、波長400nm〜750nmの蛍光を発し、400nm〜550nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなることを特徴とする請求項12に記載の半導体用基板。   13. The semiconductor substrate according to claim 12, comprising a 6H-type SiC single crystal phosphor that is doped with N and Al, emits fluorescence having a wavelength of 400 nm to 750 nm, and has a peak wavelength of 400 nm to 550 nm. 外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3である6H型SiC単結晶蛍光体からなる基板の製造方法であって、
B単体、LaB6、B4C、TaB2、NbB2、ZrB2、HfB2またはBNをB源とし、真空下または不活性ガス雰囲気下において、1500℃以上で、SiCに熱拡散する工程と、
表面層を除去する工程と
を備えることを特徴とする半導体用基板の製造方法。
Excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 .
A process of thermally diffusing into SiC at 1500 ° C. or higher in a vacuum or in an inert gas atmosphere using B alone, LaB 6 , B 4 C, TaB 2 , NbB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or BN as a B source; ,
And a step of removing the surface layer. A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有し、NおよびBによりドーピングされ、NまたはBのうちいずれか一方の濃度が1015/cm3〜1018/cm3であり、他方の濃度が1016/cm3〜1019/cm3である6H型SiC単結晶蛍光体からなる基板の製造方法であって、
結晶成長時の雰囲気ガスが、ガス分圧で1%〜30%のN2ガスを含み、原料SiCが、0.05mol%〜15mol%のB源を含むことを特徴とする昇華再結晶法によりSiC結晶を形成する半導体用基板の製造方法。
Excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, has a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, is doped with N and B, and the concentration of either N or B is 10 15 / cm 3 to 10 18 / cm 3 , and the other concentration is 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3 .
The sublimation recrystallization method is characterized in that the atmosphere gas at the time of crystal growth contains 1% to 30% N 2 gas by gas partial pressure, and the raw material SiC contains 0.05 mol% to 15 mol% B source. A method for manufacturing a semiconductor substrate for forming a SiC crystal.
昇華再結晶後または熱拡散後、1300℃以上で熱アニール処理を施すことを特徴とする請求項15または16に記載の半導体用基板の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 15 or 16, wherein a thermal annealing treatment is performed at 1300 ° C or higher after sublimation recrystallization or thermal diffusion. 外部光源により励起して、波長500nm〜750nmの蛍光を発し、500nm〜650nmにピーク波長を有する6H型SiC単結晶蛍光体からなり、粒径が2μm〜10μmであり、中心粒径が3μm〜6μmであることを特徴とする半導体用粉末。   Excited by an external light source, emits fluorescence with a wavelength of 500 nm to 750 nm, and consists of a 6H-type SiC single crystal phosphor having a peak wavelength at 500 nm to 650 nm, a particle size of 2 μm to 10 μm, and a central particle size of 3 μm to 6 μm A powder for semiconductor, characterized in that BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる半導体用基板と、該基板上に窒化物半導体からなる発光素子を備えることを特徴とする発光ダイオード。   A semiconductor substrate made of a 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N, and a light emitting element made of a nitride semiconductor on the substrate. A light emitting diode. BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素と、Nとによりドーピングされた6H型SiC単結晶蛍光体からなる1または2以上の層を、SiC製の半導体用基板上に有し、前記6H型SiC単結晶蛍光体層上に、窒化物半導体からなる発光素子を備えることを特徴とする発光ダイオード。   One or two or more layers made of 6H-type SiC single crystal phosphor doped with one or more elements of B or Al and N are provided on a SiC semiconductor substrate, and the 6H A light emitting diode comprising a light emitting element made of a nitride semiconductor on a type SiC single crystal phosphor layer. 窒化物半導体からなる前記発光素子の発光波長が、408nm以下であることを特徴とする請求項19または20に記載の発光ダイオード。   21. The light emitting diode according to claim 19 or 20, wherein a light emission wavelength of the light emitting element made of a nitride semiconductor is 408 nm or less. 前記6H型SiC単結晶蛍光体における、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1016/cm3〜1019/cm3であることを特徴とする請求項19または20に記載の発光ダイオード。 In the 6H-type SiC single crystal phosphor, both the doping concentration by one or more elements of B and Al and the doping concentration by N are 10 16 / cm 3 to 10 19 / cm 3. The light-emitting diode according to claim 19 or 20, characterized in that 前記6H型SiC単結晶蛍光体における、BまたはAlのうちいずれか1種類以上の元素によるドーピング濃度と、Nによるドーピング濃度がいずれも、1017/cm3〜1019/cm3であることを特徴とする請求項22に記載の発光ダイオード。 In the 6H-type SiC single crystal phosphor, both the doping concentration by one or more elements of B and Al and the doping concentration by N are 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3. 23. A light emitting diode according to claim 22 characterized in that:
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