JP2009158702A

JP2009158702A - 発光デバイス

Info

Publication number: JP2009158702A
Application number: JP2007334488A
Authority: JP
Inventors: Motoi Nakao; 基中尾; Takafumi Tanehira; 貴文種平; Takahiro Nakano; 貴博中野
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】炭化珪素を用いた、特に可視光波長領域における炭化珪素発光素子等の発光デバイスを提供すること。
【解決手段】絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板上に、例えば、イオン注入法で形成されたｎ型領域とｐ型領域が、該炭化珪素基板上でｐｎ接合を構成していることを特徴とする発光デバイス。炭化珪素基板としては、ＳＯＩ基板の表面シリコンを薄層化し、その極薄シリコン層を炭化処理により炭化珪素層に変性し、その上にＣＶＤ（化学気相成長）法により炭化珪素エピタキシャル膜を形成させたものが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を利用した、特に可視光波長領域における発光デバイス（ＬＥＤ）に関するものである。

半導体電子デバイス材料として知られているシリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）は間接遷移型半導体であるため、発光デバイスへの適用は一般的に不向きである。一方、シリコンや炭化珪素は電子デバイス材料としては比類なき特性を有しているので、次世代の光電子集積回路を展望すると、発光デバイス材料としての可能性も探索し開発することが望まれている。近年、埋め込み絶縁層を有するＳＯＩ（Silicon on
insulator）基板の表面の極薄シリコン層を用いた発光デバイスが報告されている。これはシリコン層の厚さを１０ｎｍ以下にすると急激に発光するものであるが、シリコンバンドギャップが１．１ｅＶと小さいが故に、発光波長が長く、可視光デバイスへの展開には限界がある。

一方、炭化珪素は熱的にも化学的にも非常に安定であるために、炭化珪素発光素子としての開発の研究が行われてきた（例えば、特開平５−９０６３９号公報）。そして、炭化珪素はエネルギーギャップが２．３ｅＶ以上あるために短波長発光素子用材料として注目を集めており、炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオードの構造や、高輝度な青色発光ダイオードの電極構造に関しても提案がなされている（例えば、特開平６−９００２１号公報）。
特開平５−９０６３９号公報特開平６−９００２１号公報

上記のような技術的背景の下で、本発明者は絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板に着目し、この基板表面の超薄膜炭化珪素層を利用することにより、紫外〜青色領域にターゲットを絞った発光デバイスを作製することについて鋭意検討を行った。

本発明の課題は、熱的、化学的安定性に優れ、機械的強度も強く、放射線照射にも強いという特性を有する炭化珪素を用いて、特に可視光波長領域における炭化珪素発光素子等の発光デバイスを提供することにある。

本発明の請求項１に記載された発明は、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板上に形成されたｎ型領域とｐ型領域が、該炭化珪素基板上でｐｎ接合を構成していることを特徴とする発光デバイスである。

請求項２に記載された発明は、炭化珪素基板が、ＳＯＩ基板の表面シリコンを薄層化し、その極薄シリコン層を炭化処理により炭化珪素層に変性し、その上にＣＶＤ（化学気相成長）法により炭化珪素エピタキシャル膜を形成させたものである請求項１記載の発光デバイスである。

請求項３に記載された発明は、炭化珪素基板の膜厚が１〜５０ｎｍの範囲にある請求項１又は２項記載の発光デバイスである。特に、膜厚が１〜１０ｎｍの範囲にあるのが好ましい。

請求項４に記載された発明は、炭化珪素基板の炭化珪素の結晶形が、３Ｃ構造、４Ｈ構造又は６Ｈ構造のいずれか、又はそれらの混合である請求項１〜３のいずれか１項記載の発光デバイスである。特に、結晶形が３Ｃ構造のものが好ましい。

そして、請求項５に記載された発明は、ｎ型領域及びｐ型領域が、前記炭化珪素基板にそれぞれ５価元素のイオン及び３価元素のイオンを注入して形成されたものである請求項１〜４のいずれか１項記載の発光デバイスである。

一般的に炭化珪素基板は、シリコン基板に比較して非常に高価であるが、本発明では、小消費電力用半導体として使用されているＳＯＩ（Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）を利用し、そのＳｉ層を炭化してＳｉＣ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板とすることによって、非常に廉価で提供される炭化珪素半導体を用いる。この様に、本発明によると、安価な絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を利用して、特に可視光波長領域における炭化珪素発光素子等の発光デバイス（ＬＥＤ）を得ることができる。

本発明の発光デバイスにおいて、炭化珪素基板の炭化珪素の結晶形が、例えば、３Ｃ構造の場合、バンドギャップは２．２ｅＶであるが、炭化珪素層の極薄化に伴う短波長側への発光波長シフトにより、紫外〜青色領域の発光素子を実現・作製することができる。

本発明は、市販のＳＯＩ（Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）基板の表面Ｓｉ膜を薄層化し、その極薄Ｓｉ層を炭化処理により極薄炭化珪素層に変性し、イオン注入法等の手段により、ｎ型領域とｐ型領域を形成し、この極薄炭化珪素層（基板）上でｐｎ接合を構成し、特に可視光波長領域における発光デバイスとするものである。ｐｎ接合に電圧を印加すると、ｎ型領域からｐ型領域に電子が注入され、一方、ｐ型領域からｎ型領域に正孔が注入され、電流が流れる。注入された少数キャリア（電子、正孔）は多数キャリアと再結合するが、その際、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）発光を生じる。本来炭化珪素は、間接遷移型半導体（光りにくい）であるが、前述のようにＳＯＩ基板上に形成した極薄膜、その膜厚が、好ましくは１〜５０ｎｍ、特に好ましくは１〜１０ｎｍの範囲にある炭化珪素膜を用いることによって、従来不可能であった間接遷移型半導体である炭化珪素の光デバイスへの展開を可能にするものであり、これにより、超低廉型白色発光素子も実現できる。

本発明で用いられる絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板は、ＳＯＩ基板を出発材料として、そのＳｉ膜を炭化してＳｉＣ膜とする方法が知られている（例えば、特開２００３−２２４２４８号公報や特開２００４−２９６５５８号公報参照）。また、シリコン基板の熱酸化処理により得られる、絶縁層と単結晶シリコン層とからなる基板のシリコン層の表面に、炭素含有ガスを供給しつつ加熱して、シリコン層を炭化珪素層に変成させ、絶縁層とシリコン層とからなる基板と絶縁層の側で貼り合わせて、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を得る方法も知られている（例えば、特開２００７−２７６４８号公報）。その他
公知のアチソン法、昇華法、ＣＶＤ法、エピタキシャル法等種々の製造方法で製造されたものでも使用できる。

本発明における炭化珪素基板としては、ＳＯＩ基板の表面シリコンを薄層化し、その極薄シリコン層を炭化処理により炭化珪素層に変性し、その上にＣＶＤ（化学気相成長）法により炭化珪素エピタキシャル膜を形成させたものが好ましい。炭化珪素基板としては、膜厚が１０ｎｍ以下の場合が好ましい。

炭化珪素基板の炭化珪素の結晶形としては、六方晶（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ等）、立法晶（３Ｃ）、菱面体晶（１５Ｒ）等が知られているが、本発明においては、３Ｃ構造、４Ｈ構造又は６Ｈ構造のいずれか、又はそれらの混合であるものが好ましい。特に立法晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）は、シリコンとプロセス互換性に優れていること、及びシリコンに比してバンドギャップが大きいため、高温（例えば、５００℃）動作や高耐圧動作が可能であるので、本発明においても特に好ましい。

本発明において絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板上にｎ型領域とｐ型領域を形成させる方法としては、特に制限はないが、炭化珪素基板にそれぞれ５価元素のイオン及び３価元素のイオンを注入して形成するのが便利である。この様な方法によるときは、炭化珪素基板上でｐｎ接合が横型ダイオードを構成することになる。

前記n型領域を形成するために炭化珪素表面層（ＳｉＣ膜）にイオン注入される５価元素のイオンとしては、窒素イオン、リンイオン、砒素イオン、アンチモンイオンの群から選ばれた１種のイオン、あるいは２種以上のイオンの混合物を用いることができるが、好ましいのは窒素イオンである。絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板に、イオン注入によりドナーとなり得る元素をドーピング（注入）し、その後、格子欠陥を消滅させるために熱処理を行なのが好ましい。

前記ｐ型領域を形成するために炭化珪素表面層（ＳｉＣ膜）にイオン注入される３価元素のイオンとしては、ボロン（Ｂ）イオン、アルミニウムイオン、ガリウム（Ｇａ）イオン、インジウム（Ｉｎ）イオンの群から選ばれた１種のイオン、あるいは２種以上のイオンの混合物を用いることができるが、好ましいのはボロンイオンである。この場合にも、イオン注入によりアクセプターとなり得る元素をドーピング後、格子欠陥を消滅させるために熱処理を行なのが好ましい。

ｐｎ接合部の厚さは、発光特性が急激に向上する量子閉じ込め効果が現れる程度以下である必要があり、好ましくは、ＳｉＣ膜厚が１〜５０ｎｍの範囲であり、より好ましくは１〜１０ｎｍの範囲であり、更に好ましくは１〜５ｎｍの範囲である。

ｐｎ型接合部以外の厚さは、トランジスタ等のｎ型又はｐ型不純物層としてソース・ドレイン等の要素機能を果たすのに必要且つ十分な厚さであれば良く、特に制限はないが、好ましくは５０ｎｍから０．５μｍ程度の厚さが良い。

前記各種のイオンを注入するための装置としては、半導体中に注入する不純物原子をイオン化するイオンビーム発生装置と、イオンビームを加速する加速装置と、イオンビーム発生装置によって発生したイオンビームを集光し、イオン注入される試料（半導体基板）が保持された試料室に導き、試料面上でイオンビームを走査して試料面に不純物イオンを注入することができる手段と、試料を１４００℃程度まで加熱保持できる装置とを有する、公知の高温イオン注入装置を用いることができる。

前記イオン注入装置によって注入する各種イオン等のイオンの加速電圧は、炭化珪素中に所望の深さのｎ型又はｐ型の不純物層が形成できるだけの加速電圧で、通常２０〜４００ｋｅＶが用いられる。

本発明においては、各種イオンの注入の後に熱処理を行うのが好ましく、かかる熱処理によってイオンの注入において発生した格子欠陥を最大限に減少させられる。本発明においては、これを、好ましくは１２００℃以上１４１０℃未満の温度範囲で、１分以上１０分未満の時間範囲、特に好ましくは、１３００〜１４００℃の温度範囲で、５分から１０分未満の時間範囲で行う。また、熱処理は、例えば、赤外線照射によって、昇温速度が１０℃／秒以上の急速加熱の条件下で行うのが好ましい。

前記熱処理は真空中で行って良く、あるいは不活性雰囲気ガス中で行っても良い。不活性ガスとしては、高純度のアルゴンガスが好ましい。

本発明の発光デバイス、例えば、横型ダイオードは、それ自体公知の以下の様な方法で製造することができる。先ず、市販ＳＯＩ基板の表面Siを薄層化し、その極薄Ｓｉ層を炭化処理により極薄ＳｉＣ層に変性し、その上にＳｉＣエピタキシャル膜をＣＶＤ(化学気相成長)法により膜厚１００ｎｍの３Ｃ−ＳｉＣ有する絶縁層埋め込み型ＳｉＣ基板を作製する。なお、このときＳｉＣエピタキシャル成長を実施せず、極薄ＳｉＣ層のみを用いても良い。

次に当該基板を用いて、リソグラフィー技術により、局所的に窒素イオン及びアルミニウムイオンを注入することにより、それぞれｎ型領域及びｐ型領域を形成する。更に、ｐｎ接合領域を局所的に、犠牲酸化技術等により、概ね５ｎｍ程度の厚まで極薄化し、発光層領域を形成する。最終的にｎ型領域及びｐ型領域に、それぞれＮｉ及びＴｉをスパッタ蒸着により堆積することでコンタクト電極を形成し、横型ダイオードを作製する。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
［実験］
市販のＳＯＩ基板の４５ｎｍ厚表面シリコンを、大気圧下で酸素を流量２ｓｌｍ流し、１０００℃で薄層化し、その極薄シリコン層を炭化処理により炭化珪素層に変性した。そして、その上にモノメチルシランガスを流量１ｓｃｃｍ流し、１１００℃で炭化珪素エピタキシャル膜を、ＣＶＤ（化学気相成長）法により厚膜成長させ、膜厚１００ｎｍの３Ｃ−ＳｉＣを有する絶縁層埋め込み型炭化珪素基板を得た。

次に、絶縁層上に形成された炭化珪素層を大気圧下で酸素を流量１ｓｌｍ流し、１２５０℃で１２０分間処理することで犠牲酸化層を形成した。この時の残存ＳｉＣ層厚、及び犠牲酸化層厚は、それぞれ４０ｎｍ、および９０ｎｍであった。上記プロセス後、極薄３Ｃ−ＳｉＣ基板に対してフォトルミネセンス測定を実施し、その結果を図1に示した。

［結果］
図１は、発光特性を評価する簡易手法であるフォトルミネッセンス法により測定した、極薄３Ｃ−ＳｉＣ層からのフォトルミネッセンスの結果を示している。波長３８０ｎｍ付近に、３Ｃ−ＳｉＣバンドギャップ（２．２ｅＶ）よりブルーシフトした発光が観察されているのが分かる。

一般的に、フォトルミネッセンスによる発光が確認できたことは、デバイス構造化後のエレクトロルミネッセンス特性結果を強く示唆するものである。従って、図１の特性を有する絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を用いて、前記のごとき方法でｎ型領域とｐ型領域を形成し、炭化珪素基板上でｐｎ接合を構成すれば、約３８０ｎｍの発光波長を有する発光デバイスが作製できる。なお、発光波長が約３８０ｎｍという結果は、３Ｃ−ＳｉＣ材料より考えられるバンドギャップから換算される波長（約５６０ｎｍ）より小さい結果であり、一般的な理論からは推定できない結果である。

本発明の発光デバイスは、まず照明器具を中心とした光デバイスとして利用される分野への適用が考えられる。また炭化珪素は、シリコンとのデバイスプロセス互換性に適していることから、次世代型超高性能デバイスとして考えられる光電子集積回路への展開が期待される。

極薄３Ｃ−ＳｉＣ層からのフォトルミネッセンス

Claims

絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板上に形成されたｎ型領域とｐ型領域が、該炭化珪素基板上でｐｎ接合を構成していることを特徴とする発光デバイス。
炭化珪素基板が、ＳＯＩ基板の表面シリコンを薄層化し、その極薄シリコン層を炭化処理により炭化珪素層に変性し、その上にＣＶＤ（化学気相成長）法により炭化珪素エピタキシャル膜を形成させたものである請求項１記載の発光デバイス。
炭化珪素基板の膜厚が１〜５０ｎｍの範囲にある請求項１又は２項記載の発光デバイス。
炭化珪素基板の炭化珪素の結晶形が、３Ｃ構造、４Ｈ構造又は６Ｈ構造のいずれか、又はそれらの混合である請求項１〜３のいずれか１項記載の発光デバイス。
ｎ型領域及びｐ型領域が、前記炭化珪素基板にそれぞれ５価元素のイオン及び３価元素のイオンを注入して形成されたものである請求項１〜４のいずれか１項記載の発光デバイス。