JP2529001B2 - Method for manufacturing pn junction type light emitting diode using silicon carbide - Google Patents

Method for manufacturing pn junction type light emitting diode using silicon carbide

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードに
関し,特に青から紫色の高輝度発光が可能な短波長可視
光発光ダイオードに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pn junction type light emitting diode using silicon carbide, and particularly to a short wavelength visible light emitting diode capable of emitting blue to violet high brightness light.

(従来の技術) 発光ダイオードは,小型で,消費電力が少なく,高輝
度発光を安定に行い得る発光源であるので,各種表示装
置における表示素子として広く用いられている。また,
発光ダイオードは各種情報処理装置における情報記録読
み取り用の光源としても利用されている。これまでに広
く実用化されている長波長可視光発光ダイオードは,赤
から緑色の高輝度発光が可能である。これに対して,現
在開発されている青から紫色の短波長可視光を発光する
発光ダイオードは依然として輝度が低く,広く実用化さ
れるまでには至っていない。
(Prior Art) Light emitting diodes are widely used as display elements in various display devices because they are small in size, consume little power, and are a light emitting source capable of stably emitting high brightness light. Also,
The light emitting diode is also used as a light source for reading and recording information in various information processing devices. The long-wavelength visible light emitting diodes that have been widely put into practical use so far can emit high-luminance red to green light. On the other hand, the currently developed light emitting diodes that emit short-wavelength blue to violet visible light still have low brightness and have not been widely put into practical use.

一般に,発光ダイオードの発光色は使用する半導体材
料に依存する。短波長可視光発光ダイオード用の半導体
材料は,IV−IV族化合物半導体である炭化珪素(SiC),I
II−V族化合物半導体である窒化ガリウム(GaN),そ
してII−VI族化合物半導体である硫化亜鉛(ZnS)およ
びセレン化亜鉛(ZnSe)に限られる。これらの半導体材
料を用いて,短波長可視光発光ダイオードの研究開発が
盛んに行われているが,広く実用化し得る程度に高い輝
度および安定性を有する素子の量産化には至っていな
い。
Generally, the emission color of a light emitting diode depends on the semiconductor material used. Semiconductor materials for short wavelength visible light emitting diodes are silicon carbide (SiC), which is a IV-IV group compound semiconductor.
It is limited to II-V compound semiconductor gallium nitride (GaN), and II-VI compound semiconductors zinc sulfide (ZnS) and zinc selenide (ZnSe). Although short-wavelength visible light emitting diodes have been actively researched and developed using these semiconductor materials, mass production of devices having high brightness and stability to the extent that they can be widely put into practical use has not been achieved.

発光ダイオードの素子構造としては,電子や正孔キャ
リアを発光領域へ高効率に注入できるpn接合型の発光ダ
イオードが最も適している。しかし,上記の短波長可視
光発光ダイオード用の半導体材料の中で,GaN,ZnS,およ
びZnSeの各半導体は,p型結晶を得ることが困難か,ある
いは得られても,高抵抗であるか,あるいは極めて不安
定であるので,pn接合型の発光ダイオードを作製するこ
とはできない。そこで,薄い絶縁層や高抵抗層を利用し
たMIS(金属−絶縁層−半導体)構造が採用されてい
る。ところが,このようなMIS構造を有する発光ダイオ
ードは,素子特性が不均一であったり,発光が不安定で
あるという欠点を有する。
For the device structure of a light emitting diode, a pn junction type light emitting diode that can inject electrons and hole carriers into the light emitting region with high efficiency is most suitable. However, among the above semiconductor materials for short-wavelength visible light emitting diodes, it is difficult to obtain p-type crystals for GaN, ZnS, and ZnSe semiconductors, or is it high resistance even if obtained? Or, because it is extremely unstable, it is not possible to fabricate a pn junction type light emitting diode. Therefore, a MIS (metal-insulating layer-semiconductor) structure using a thin insulating layer or a high resistance layer is adopted. However, the light emitting diode having such a MIS structure has drawbacks such as nonuniform device characteristics and unstable light emission.

これに対して,炭化珪素(SiC)は,p型結晶およびn
型結晶が容易に得られるので,pn接合型の発光ダイオー
ドを作製することができる。これまで,液相エピタキシ
ャル成長法(LPE法)により作製された炭化珪素のpn接
合型青色発光ダイオードについては,すでに多くの報告
がなされている(例えば,M.Ikeda,T.Hayakawa,S.Yamagi
wa,H.Matsunami.and T.Tanaka,Journal of Applied Phy
sics,Vol.50,No.12,pp.8215−8225,1979)。
On the other hand, silicon carbide (SiC) contains p-type crystals and n-type crystals.
Since a type crystal can be easily obtained, a pn junction type light emitting diode can be manufactured. So far, many reports have been made on the pn junction type blue light emitting diode of silicon carbide manufactured by the liquid phase epitaxial growth method (LPE method) (eg, M. Ikeda, T. Hayakawa, S. Yamagi).
wa, H.Matsunami.and T.Tanaka, Journal of Applied Phy
sics, Vol. 50, No. 12, pp. 8215-8225, 1979).

しかし,LPE法により作製されたpn接合型青色発光ダイ
オードは依然として輝度が低く,20mAで動作させた場合
に,15mcd以下の輝度しか得られていない。その主な原因
は,成長温度が1,700〜1,800℃と高く,活性なSi融液中
で成長が起こるので,成長の制御性に劣り,不要な不純
物が混入しやすいためであると考えられる。また,LPE法
では量産性に乏しいという問題点がある。
However, the brightness of the pn junction type blue light-emitting diode made by the LPE method is still low, and the brightness of less than 15 mcd is obtained when operated at 20 mA. It is thought that the main reason for this is that the growth temperature is as high as 1,700 to 1,800 ° C and the growth occurs in the active Si melt, so that the growth controllability is poor and unnecessary impurities are easily mixed. In addition, the LPE method has a problem of poor mass productivity.

(発明が解決しようとする課題) 化学的気相成長法(CVD法)は,原料ガスおよびドー
ピング用不純物ガスの各供給量を精密に調節することが
可能であるので,SiC単結晶の成長を精度よく制御し得
る。しかし,CVD法により青色発光ダイオードを作製した
例は極めて少ない(例えば,S,Nishino,A.Ibaraki,H.Mat
sunami,and T.Tanaka,Japanese Journal of Applied Ph
ysics,Vol.19,p.L353,1980)。この従来例では,成長温
度が約1,800℃と高いので,得られた発光ダイオードの
輝度はやはり低い。
(Problems to be Solved by the Invention) Since the chemical vapor deposition method (CVD method) can precisely control the supply amounts of the source gas and the impurity gas for doping, the growth of the SiC single crystal can be performed. It can be controlled accurately. However, there are very few examples of making blue light emitting diodes by the CVD method (for example, S, Nishino, A. Ibaraki, H. Mat.
sunami, and T.Tanaka, Japanese Journal of Applied Ph
ysics, Vol. 19, p. L353, 1980). In this conventional example, since the growth temperature is as high as about 1,800 ° C, the brightness of the obtained light emitting diode is still low.

近年,CVD法において,モノシラン(SiH4)ガスおよび
プロパン(C3H8)ガスを原料ガスとして用い,SiC単結晶
基板の成長面方位を適当に選択すれば,1,600℃以下の比
較的低い成長温度において,SiC単結晶が得られることが
報告されている(例えば,N.Kuroda,K.Shibahara,W.Yoo,
S.Nishino,and H.Matsunami,Extended Abstracts of th
e 19th Conference on Solid State Devices and Mater
ials,Tokyo,1987,pp.227−230)。しかし,このような
低い温度では,プロパンの分解が不充分であるので,モ
ノシランに対して過剰に供給する必要があり,成長の制
御性に劣る。また,不要な不純物が成長層に混入する可
能性もある。したがって,このような方法で得られたSi
C単結晶を用いても,高輝度で安定に発光し得るpn接合
型発光ダイオードは得られない。
In recent years, in the CVD method, if monosilane (SiH 4 ) gas and propane (C 3 H 8 ) gas are used as the source gas and the growth plane orientation of the SiC single crystal substrate is appropriately selected, the growth is relatively low below 1,600 ° C. It has been reported that SiC single crystals can be obtained at temperature (for example, N. Kuroda, K. Shibahara, W. Yoo,
S. Nishino, and H. Matsunami, Extended Abstracts of th
e 19th Conference on Solid State Devices and Mater
ials, Tokyo, 1987, pp.227-230). However, at such a low temperature, the decomposition of propane is insufficient, and it is necessary to supply excessively with respect to monosilane, resulting in poor controllability of growth. In addition, unnecessary impurities may be mixed in the growth layer. Therefore, the Si obtained by such a method
Even if C single crystal is used, it is not possible to obtain a pn junction type light emitting diode that can emit light with high brightness and stability.

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり,そ
の目的とするところは,青から紫色の短波長可視光を高
輝度で安定に発光し得るpn接合型発光ダイオードをCVD
法により製造する制御性および量産性に優れた方法を提
供することにある。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a pn junction type light emitting diode capable of stably emitting blue to violet short wavelength visible light with high brightness in a stable manner.
It is to provide a method excellent in controllability and mass productivity manufactured by the method.

(課題を解決するための手段) 本発明者らは,CVD法における,原料ガス,不純物ガ
ス,成長温度,基板の成長面方位,成長速度などの諸条
件について総合的に検討し,以下に述べるような制御性
および量産性に優れた製造方法を完成させた。
(Means for Solving the Problems) The present inventors comprehensively studied various conditions in the CVD method, such as a raw material gas, an impurity gas, a growth temperature, a growth plane orientation of a substrate, and a growth rate, and described below. We have completed a manufacturing method with excellent controllability and mass productivity.

本発明に係る炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオー
ドの製造方法は,シラン系化合物および炭化水素化合物
を原料ガスとして用いた化学的気相成長法により,炭化
珪素を用いたpn接合型発光ダイオードを製造する方法で
あり,成長面方位が[0001]方向から〈110〉方向へ
傾斜した炭化珪素単結晶基板上に,第1導電型を有する
第1の炭化珪素単結晶層を成長させる工程と,該第1の
炭化珪素単結晶層上に,第2導電型を有する第2の炭化
珪素単結晶層を成長させる工程とを包含している。ま
た,この製造方法では,該シラン系化合物としてモノシ
ランまたはジシランを,該炭化水素化合物としてアセチ
レンを用い,該成長工程を1,300〜1,500℃の温度範囲内
で実施するようにしている。そのことにより上記目的が
達成される。
A method for manufacturing a pn junction type light emitting diode using silicon carbide according to the present invention is a pn junction type light emitting diode using silicon carbide by a chemical vapor deposition method using a silane compound and a hydrocarbon compound as source gases. And a step of growing a first silicon carbide single crystal layer having a first conductivity type on a silicon carbide single crystal substrate having a growth plane orientation inclined from a [0001] direction to a <110> direction. A step of growing a second silicon carbide single crystal layer having a second conductivity type on the first silicon carbide single crystal layer. Further, in this manufacturing method, monosilane or disilane is used as the silane compound, and acetylene is used as the hydrocarbon compound, and the growth step is performed within a temperature range of 1,300 to 1,500 ° C. Thereby, the above object is achieved.

本発明は,上記製造方法において,発光中心として作
用する不純物を,前記第2の炭化珪素単結晶層とpn接合
を構成する前記第1の炭化珪素単結晶層の表面領域にの
みドープするようにしたものである。
According to the present invention, in the above manufacturing method, the impurity acting as the emission center is doped only in the surface region of the first silicon carbide single crystal layer forming a pn junction with the second silicon carbide single crystal layer. It was done.

(作用) この発明においては,成長面方位が[0001]方向から
〈110〉方向へ傾斜した炭化珪素基板上で,炭化珪素
単結晶層の成長を行うので,成長層の結晶性の低下を回
避することができる。しかも炭化珪素単結晶層の成長温
度を1,300〜1,500℃の範囲としているので,成長層にお
けるSiC単結晶の品質劣化,及び成長層への不要不純物
の混入をともに防止することができる。
(Operation) In the present invention, since the silicon carbide single crystal layer is grown on the silicon carbide substrate whose growth plane orientation is tilted from the [0001] direction to the <110> direction, a decrease in crystallinity of the growth layer is avoided. can do. Moreover, since the growth temperature of the silicon carbide single crystal layer is set in the range of 1,300 to 1,500 ° C., it is possible to prevent both the quality deterioration of the SiC single crystal in the growth layer and the incorporation of unnecessary impurities into the growth layer.

(実施例) 以下,本発明の基本原理について説明する。(Example) The basic principle of the present invention will be described below.

本発明の製造方法において,基板の成長面方位は[00
01]方向から〈110〉方向へ傾斜している必要があ
る。他の方向へ傾斜していると,成長層の結晶性が低下
する。成長面方位の傾斜角度は2〜15度の範囲内である
ことが好ましい。傾斜角度が2度より小さいと,異なる
結晶多形が混在して成長する。また,傾斜角度が15度よ
り大きいと,成長層の表面平坦性が低下する。なお,傾
斜方向である〈110〉方向は,[110]方向だけで
なく,この方向と結晶学的に等価なすべての方向を包含
する。
In the manufacturing method of the present invention, the growth plane orientation of the substrate is [00
It is necessary to incline from the [01] direction to the <110> direction. If it is tilted in the other direction, the crystallinity of the growth layer will decrease. The inclination angle of the growth plane orientation is preferably within the range of 2 to 15 degrees. If the tilt angle is less than 2 degrees, different crystal polymorphs grow together. Moreover, when the inclination angle is larger than 15 degrees, the surface flatness of the growth layer deteriorates. The <110> direction, which is the tilt direction, includes not only the [110] direction but also all directions crystallographically equivalent to this direction.

成長温度は1,300〜1,500℃の範囲内であることが好ま
しい。成長温度が1,300℃より低いと,成長層におけるS
iC単結晶の品質が劣る。また,成長温度が1,500℃より
高いと,不要な不純物が成長層に混入する。
The growth temperature is preferably in the range of 1,300-1,500 ° C. If the growth temperature is lower than 1,300 ℃, S in the growth layer
The quality of iC single crystal is inferior. Further, if the growth temperature is higher than 1,500 ° C, unnecessary impurities are mixed in the growth layer.

本発明の製造方法では,CVD法により,SiC単結晶基板上
に,SiC単結晶層を成長させる。この際,上記の成長温度
に加熱された基板に,原料ガスおよび不純物ガスを,キ
ャリアガスと共に供給する。
In the manufacturing method of the present invention, the SiC single crystal layer is grown on the SiC single crystal substrate by the CVD method. At this time, the source gas and the impurity gas are supplied together with the carrier gas to the substrate heated to the above growth temperature.

原料ガスとしては,シラン系化合物(例えば,モノシ
ランまたはジシラン(Si2H6))と,炭化水素化合物
(例えば,アセチレン(C2H2))とが用いられる。上で
述べたように,従来のプロパンを原料ガスとして用いる
と,上記の成長温度範囲では,プロパンの分解が不充分
であり,またモノシランやジシランに対して過剰に供給
する必要があるので,成長の制御性に劣る。上記の成長
温度範囲で実質的に完全に分解するアセチレンを用いれ
ば,モノシランを用いる場合には,その1/2流量のアセ
チレンを供給することにより,あるいは,ジシランを用
いる場合には,同一流量のアセチレンを供給することに
より,良質のSiC結晶を極めて制御性よく成長させるこ
とができる。したがって,原料ガスとしては,モノシラ
ンまたはジシランと,アセチレンとの組合せが特に好ま
しい。
As the raw material gas, a silane compound (for example, monosilane or disilane (Si 2 H 6 )) and a hydrocarbon compound (for example, acetylene (C 2 H 2 )) are used. As described above, when conventional propane is used as the source gas, propane is not sufficiently decomposed in the above growth temperature range, and it is necessary to supply excessively to monosilane and disilane. Controllability of. If acetylene, which decomposes substantially completely in the above growth temperature range, is used, by supplying acetylene at half the flow rate when monosilane is used, or at the same flow rate when disilane is used. By supplying acetylene, high-quality SiC crystals can be grown with extremely good controllability. Therefore, a combination of monosilane or disilane and acetylene is particularly preferable as the source gas.

不純物ガスとしては,例えば窒素(N2)ガスおよびト
リメチルアルミニウム((CH33Al)ガスが用いられ
る。窒素(N)はn型のドーパント(ドナー不純物)と
して,アルミニウム(Al)はp型のドーパント(アクセ
プター不純物)および発光中心として用いられる。
As the impurity gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas and trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) gas are used. Nitrogen (N) is used as an n-type dopant (donor impurity), and aluminum (Al) is used as a p-type dopant (acceptor impurity) and an emission center.

キャリアガスとしては,水素(H2)ガスまたはアルゴ
ン(Ar)ガスが通常用いられるが,水素ガスを用いるこ
とが好ましい。
Hydrogen (H 2 ) gas or argon (Ar) gas is usually used as the carrier gas, but hydrogen gas is preferably used.

本発明の製造方法では,n−SiC単結晶層を成長させる
際に,好ましくは,例えばトリメチルアルミニウムガス
を不純物ガスに加えることにより,発光中心として作用
するアルミニウム不純物が,このn−SiC単結晶層にド
ープされる。さらに好ましくは,このアルミニウム不純
物は,続いて成長されるp−SiC単結晶層とpn接合を構
成するn−SiC単結晶層の表面領域にのみドープされ
る。このようなドーピングを行うと,n−SiC単結晶層の
品質が向上するので,発光輝度の高い発光ダイオードが
得られる。しかも,その動作電圧が低下する。
In the manufacturing method of the present invention, when the n-SiC single crystal layer is grown, preferably, for example, trimethylaluminum gas is added to the impurity gas so that the aluminum impurity acting as a luminescence center is generated in the n-SiC single crystal layer. To be doped. More preferably, this aluminum impurity is doped only in the surface region of the n-SiC single crystal layer that forms a pn junction with the subsequently grown p-SiC single crystal layer. When such doping is performed, the quality of the n-SiC single crystal layer is improved, so that a light emitting diode with high emission brightness can be obtained. Moreover, the operating voltage is lowered.

SiC単結晶層の成長速度は毎時1〜10μmであること
が好ましい。成長速度が毎時1μmより小さいと,不要
な不純物が成長層に混入する。また,成長速度が10μm
より大きいと,成長層の結晶性および表面平坦性が低下
する。
The growth rate of the SiC single crystal layer is preferably 1 to 10 μm per hour. If the growth rate is less than 1 μm / hr, unnecessary impurities are mixed in the growth layer. Also, the growth rate is 10 μm
If it is larger, the crystallinity and surface flatness of the growth layer are reduced.

以下に本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.

実施例1 本実施例では,6H型のSiC(禁制帯幅3.0eV)を用いたp
n接合型の青色発光ダイオードを作製した。
Example 1 In this example, p using 6H type SiC (forbidden band width 3.0 eV) was used.
An n-junction type blue light emitting diode was produced.

第1図は本実施例で用いた気相成長装置の概略図であ
る。まず,この気相成長装置について説明する。
FIG. 1 is a schematic diagram of the vapor phase growth apparatus used in this example. First, this vapor phase growth apparatus will be described.

二重構造の石英製反応管1の内部に,試料台2が支持
棒3により設置されている。試料台2および支持棒3
は,いずれも黒鉛製である。試料台2は水平に設置して
もよく,適当に傾斜させてもよい。反応管1の外周囲に
はワークコイル4が巻回され,高周波電流を流すことに
より,試料台2上の基板試料5を所定の温度に加熱する
ことができる。反応管1の片側には,原料ガス,キャリ
アガス,および不純物ガスの導入口となる枝管6が設け
られている。二重構造を有する反応管1の外管内に枝管
7,8を通じて冷却水を流すことにより,反応管1を冷却
することができる。反応管1の他端は,ステンレス製の
フランジ9で閉塞され,フランジ9の周縁部に配設され
た止め板10,ボルト11,ナット12,およびO−リング13に
よりシールされている。フランジ9の中央付近には枝管
14が設けられており,上記のガスは,この枝管14を通じ
て排出される。
A sample stage 2 is installed by a support rod 3 inside a double-structured quartz reaction tube 1. Sample base 2 and support rod 3
Are made of graphite. The sample stage 2 may be installed horizontally or may be appropriately inclined. A work coil 4 is wound around the outer periphery of the reaction tube 1 and a high-frequency current is passed to heat the substrate sample 5 on the sample table 2 to a predetermined temperature. On one side of the reaction tube 1, a branch tube 6 serving as an inlet for the raw material gas, the carrier gas, and the impurity gas is provided. Branch tube inside the outer tube of the reaction tube 1 having a double structure
The reaction tube 1 can be cooled by flowing cooling water through 7,8. The other end of the reaction tube 1 is closed by a flange 9 made of stainless steel, and is sealed by a stop plate 10, a bolt 11, a nut 12 and an O-ring 13 arranged on the peripheral edge of the flange 9. Branch pipe near the center of the flange 9
14 is provided, and the above-mentioned gas is discharged through this branch pipe 14.

第2図は本実施例の発光ダイオードの構造を示す断面
図である。この発光ダイオードは,第1図の気相成長装
置を用いて,以下のように作製された。
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the light emitting diode of this embodiment. This light emitting diode was manufactured as follows using the vapor phase growth apparatus of FIG.

まず,第1図に示すように,試料台2上に,6H型のn
−SiC単結晶基板20(寸法約1cm×1cm)を基板試料5と
して載置した。基板の成長面としては,その面方位が
[0001]方向から〈110〉方向へ0〜25度の範囲内で
傾斜した面を用いた。
First, as shown in FIG. 1, a 6H type n was placed on the sample table 2.
A -SiC single crystal substrate 20 (size: about 1 cm x 1 cm) was mounted as a substrate sample 5. As the growth surface of the substrate, a surface whose plane orientation was tilted in the range of 0 to 25 degrees from the [0001] direction to the <110> direction was used.

次いで,水素ガスをキャリアガスとして,毎分10の
割合で,枝管6から反応管1の内部へ流しながら,ワー
クコイル4に高周波電流を流して,n−SiC単結晶基板20
を1,200〜1,700℃に加熱した。そして,キャリアガスに
原料ガスおよび不純物ガスを加えることにより,n−SiC
単結晶基板20上に,n−SiC単結晶層21(厚さ5μm)お
よびp−SiC単結晶層22(厚さ5μm)を順次成長させ
て,pn接合を形成した。
Then, while using hydrogen gas as a carrier gas at a rate of 10 per minute, a high-frequency current is caused to flow through the work coil 4 while flowing from the branch pipe 6 into the reaction tube 1 to produce the n-SiC single crystal substrate 20.
Was heated to 1200-1700 ° C. Then, by adding the source gas and the impurity gas to the carrier gas, n-SiC
An n-SiC single crystal layer 21 (thickness 5 μm) and a p-SiC single crystal layer 22 (thickness 5 μm) were sequentially grown on the single crystal substrate 20 to form a pn junction.

本実施例では,原料ガスとして,ジシランガスおよび
アセチレンガスを同じ流量で用いた。各原料ガスの流量
を毎分0.1〜10ccに設定することにより,毎時0.2〜20μ
mの成長速度が得られた。モノシランを原料ガスとして
用いる場合には,アセチレンの2倍流量を用いることに
より,全く同様の結果が得られた。また,不純物ガスと
しては,n−SiC単結晶層21には,原料ガスの1/2流量の窒
素ガスと,1/20流量のトリメチルアルミニウムガスとを
用い,p−SiC単結晶層22には,原料ガスの1/5流量のトリ
メチルアルミニウムガスを用いた。
In this example, disilane gas and acetylene gas were used as the source gas at the same flow rate. By setting the flow rate of each source gas to 0.1 to 10 cc / min, 0.2 to 20 μ / h
A growth rate of m was obtained. When monosilane was used as the source gas, exactly the same result was obtained by using the double flow rate of acetylene. As the impurity gas, nitrogen gas with a flow rate of 1/2 of the source gas and trimethylaluminum gas with a flow rate of 1/20 were used for the n-SiC single crystal layer 21, and for the p-SiC single crystal layer 22, , Trimethylaluminum gas at 1/5 flow rate of the source gas was used.

そして,反応管1から基板試料5を取り出し,ドライ
エッチング法により,n−SiC単結晶層21およびp−SiC単
結晶層22を選択的にエッチングして,第2図に示すよう
なメサ構造を形成した。このエッチングにより,pn接合
部の寸法は直径約1mmとなった。なお,エッチングガス
としては,四フッ化炭素(CF4)ガスおよび酸素(O2
ガスを用いた。
Then, the substrate sample 5 is taken out from the reaction tube 1 and the n-SiC single crystal layer 21 and the p-SiC single crystal layer 22 are selectively etched by a dry etching method to form a mesa structure as shown in FIG. Formed. By this etching, the dimension of the pn junction became about 1 mm in diameter. As the etching gas, carbon tetrafluoride (CF 4 ) gas and oxygen (O 2 ) were used.
Gas was used.

最後に,n−SiC単結晶基板20の裏面には,Niからなるn
側オーム性電極23を形成し,p−SiC単結晶層22の上面に
は,Al−Si合金からなるp側オーム性電極24を形成する
ことにより,第2図に示すようなpn接合型発光ダイオー
ドを得た。得られたpn接合型発光ダイオードに順方向の
電流を流したところ,ピーク波長470nmの青色発光が観
測された。
Finally, on the back surface of the n-SiC single crystal substrate 20, n
A side ohmic electrode 23 is formed, and a p-side ohmic electrode 24 made of an Al-Si alloy is formed on the upper surface of the p-SiC single crystal layer 22 to form a pn junction type light emission as shown in FIG. I got a diode. When a forward current was applied to the obtained pn junction type light emitting diode, blue light emission with a peak wavelength of 470 nm was observed.

本実施例では,成長温度,成長面方位の傾斜角度,お
よび成長速度の諸条件を変化させて,様々なpn接合型発
光ダイオードを作製し,その輝度を測定した。得られた
結果を第3図から第5図に示す。第3図は輝度と成長温
度との関係,第4図は輝度と成長面方位の傾斜角度との
関係,そして第5図は輝度と成長速度との関係を示す。
これらの図から明らかなように,成長温度1,300〜1,500
℃,成長面方位の傾斜角度2〜15度,成長速度毎時1〜
10μmの条件下で作製された発光ダイオードは,20mAで
動作させた場合に,従来の青色発光ダイオードよりも高
い15mcd以上の輝度を示し,最大輝度は80mcdに達した。
また,同一の条件下で作製された発光ダイオードの最大
輝度のばらつきは,20個のウエハについて20%以内であ
った。
In this example, various pn junction type light emitting diodes were manufactured by changing various conditions such as the growth temperature, the inclination angle of the growth plane direction, and the growth rate, and the brightness thereof was measured. The obtained results are shown in FIGS. 3 to 5. FIG. 3 shows the relationship between the brightness and the growth temperature, FIG. 4 shows the relationship between the brightness and the inclination angle of the growth plane direction, and FIG. 5 shows the relationship between the brightness and the growth rate.
As is clear from these figures, the growth temperature is 1,300-1,500.
℃, growth plane orientation inclination angle 2 to 15 degrees, growth rate 1 to hour
The light-emitting diode manufactured under the condition of 10 μm showed a brightness of 15 mcd or more, which was higher than that of the conventional blue light-emitting diode when operated at 20 mA, and the maximum brightness reached 80 mcd.
In addition, the variation in the maximum brightness of light-emitting diodes manufactured under the same conditions was within 20% for 20 wafers.

比較のために,原料ガスのアセチレンに代えて,従来
のプロパンを用い,その流量を最適化したこと以外は,
上記実施例と同様にして,pn接合型発光ダイオードを作
製した。得られた発光ダイオードの輝度を測定したとこ
ろ,原料ガスとしてアセチレンを用いた場合に比べて,
数分の1から10分の1程度の輝度しか得られなかった。
参考のために,この輝度と成長温度との関係の一例を,
第3図(点線)に示す。また,同一の条件下で作製され
た発光ダイオードの最大輝度のばらつきは,20個のウエ
ハについて約50%であった。
For comparison, conventional propane was used in place of acetylene as the raw material gas, and the flow rate was optimized, except that
A pn junction type light emitting diode was produced in the same manner as in the above example. When the brightness of the obtained light emitting diode was measured, it was found that the brightness was higher than that when acetylene was used as the source gas.
Only a few to one tenth of the brightness was obtained.
For reference, an example of the relationship between the brightness and the growth temperature is
It is shown in FIG. 3 (dotted line). In addition, the variation in the maximum brightness of light-emitting diodes manufactured under the same conditions was about 50% for 20 wafers.

実施例2 本実施例では,4H型のn−SiC(禁制帯幅3.2eV)単結
晶基板を用いたこと以外は,実施例1と同様にして,ピ
ーク波長430nmの紫色発光が可能なpn接合型発光ダイオ
ードを作製した。成長温度1,300〜1,500℃,成長面方位
の傾斜角度2〜15度,成長速度毎時1〜10μmの条件下
で作製された発光ダイオードは,20mAで動作させた場合
に,少なくとも2mcdの輝度を示し,最大輝度は8mcdに達
した。
Example 2 In this example, a pn junction capable of emitting violet light with a peak wavelength of 430 nm was performed in the same manner as in Example 1 except that a 4H type n-SiC (forbidden band width 3.2 eV) single crystal substrate was used. Type light emitting diode was produced. A light-emitting diode manufactured under the conditions of a growth temperature of 1,300 to 1,500 ℃, a growth plane orientation inclination angle of 2 to 15 degrees, and a growth rate of 1 to 10 μm per hour shows a brightness of at least 2 mcd when operated at 20 mA, The maximum brightness reached 8 mcd.

実施例3 本実施例では,15R型のn−SiC(禁制帯幅2.9eV)単結
晶基板を用いたこと以外は,実施例1と同様にして,ピ
ーク波長490nmの青緑色発光が可能なpn接合型発光ダイ
オードを作製した。成長温度1,300〜1,500℃,成長面方
位の傾斜角度2〜15度,成長速度毎時1〜10μmの条件
下で作製された発光ダイオードは,20mAで動作させた場
合に,少なくとも15mcdの輝度を示し,最大輝度は90mcd
に達した。
Example 3 In this example, pn capable of emitting blue-green light with a peak wavelength of 490 nm was performed in the same manner as in Example 1 except that a 15R type n-SiC (forbidden band width 2.9 eV) single crystal substrate was used. A junction type light emitting diode was produced. The light emitting diode manufactured under the conditions of the growth temperature of 1,300 to 1,500 ℃, the inclination angle of the growth plane direction of 2 to 15 degrees, and the growth rate of 1 to 10 μm / hour showed the brightness of at least 15 mcd when operated at 20 mA, Maximum brightness is 90 mcd
Reached

実施例4 本実施例では,第6図に示すように,n−SiC単結晶層2
1を,アクセプター不純物を含まない,n−SiC単結晶層21
1(厚さ4μm)と,アクセプター不純物を含むn−SiC
単結晶層212(厚さ1μm)とから構成したこと以外
は,実施例1と同様にして,ピーク波長470nmの青色発
光が可能なpn接合型発光ダイオードを作製した。
Example 4 In this example, as shown in FIG. 6, an n-SiC single crystal layer 2
1 is an n-SiC single crystal layer 21 containing no acceptor impurities.
1 (thickness 4 μm) and n-SiC containing acceptor impurities
A pn junction type light emitting diode capable of emitting blue light with a peak wavelength of 470 nm was produced in the same manner as in Example 1 except that the pn junction type light emitting diode was composed of the single crystal layer 212 (thickness 1 μm).

なお,n−SiC単結晶層211を形成する際には,不純物ガ
スとして,原料ガスの1/2流量の窒素ガスのみを加えて
成長を行った。また,n−SiC単結晶層212を形成する際に
は,不純物ガスとして,原料ガスの1/2流量の窒素ガス
と,1/20流量のトリメチルアルミニウムガスとを加えて
成長を行った。
When the n-SiC single crystal layer 211 was formed, the growth was performed by adding only nitrogen gas at a half flow rate of the source gas as an impurity gas. In addition, when forming the n-SiC single crystal layer 212, nitrogen gas having a flow rate of 1/2 of the source gas and trimethylaluminum gas having a flow rate of 1/20 were added as impurity gases for growth.

成長温度1,300〜1,500℃,成長面方位の傾斜角度2〜
15度,成長速度毎時1〜10μmの条件下で作製された発
光ダイオードは,n−SiC単結晶層211がアクセプター不純
物を含まず,その品質が向上しているので,20mAで動作
させた場合に,最大輝度90mcdの青色発光を示した。し
かも,動作電圧が3.6Vから3.3Vに低減された。
Growth temperature 1,300-1,500 ℃, growth plane orientation inclination angle 2-
The light-emitting diode manufactured under the conditions of 15 ° C. and a growth rate of 1 to 10 μm / h has an improved quality because the n-SiC single crystal layer 211 does not contain acceptor impurities and its quality is improved. , And emitted blue light with a maximum brightness of 90 mcd. Moreover, the operating voltage has been reduced from 3.6V to 3.3V.

(発明の効果) 本発明によれば,成長層におけるSiC単結晶の品質劣
化,及び成長層への不要不純物の混入をともに防止する
ことができる。この結果,これまで実現されていなかっ
た青から紫色の短波長可視光を高輝度で安定に発光し得
る発光ダイオードを,制御性および量産性に優れた方法
で製造することができる。このような発光ダイオード
は,例えば各種表示装置における表示部の多色化や,発
光ダイオードを光源として用いた各種情報処理装置にお
ける情報記録読み取りの高速化および高密度化を可能に
する。しかも,その量産化が可能であるので,発光ダイ
オードの応用分野が飛躍的に拡大される。
(Effects of the Invention) According to the present invention, it is possible to prevent both the deterioration of the quality of the SiC single crystal in the growth layer and the mixing of unnecessary impurities into the growth layer. As a result, it is possible to manufacture a light emitting diode capable of stably emitting blue to purple short wavelength visible light with high brightness, which has not been realized so far, by a method excellent in controllability and mass productivity. Such a light emitting diode enables, for example, multicoloring of a display portion in various display devices, and speeding up and high density of information recording / reading in various information processing devices using the light emitting diode as a light source. Moreover, since it can be mass-produced, the application field of the light emitting diode is dramatically expanded.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の製造方法に用いられる気相成長装置の
一例を示す構成断面図,第2図は本発明の一実施例であ
る炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの断面図,
第3図,第4図,および第5図は,それぞれ第2図のpn
接合型発光ダイオードの輝度の,成長温度,成長面方位
の傾斜角度,および成長速度に対する依存性を示す図,
第6図は本発明の他の実施例である炭化珪素を用いたpn
接合型発光ダイオードの断面図である。 1……反応管,2……試料台,5……基板試料,20……n−S
iC単結晶基板,21,211,212……n−SiC単結晶層,22……
p−SiC単結晶層,23……n側オーム性電極,24……p側
オーム性電極。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an example of a vapor phase growth apparatus used in the manufacturing method of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of a pn junction type light emitting diode using silicon carbide, which is an embodiment of the present invention.
3, 4, and 5 are the pn of FIG. 2, respectively.
A diagram showing the dependence of the brightness of the junction type light emitting diode on the growth temperature, the inclination angle of the growth plane orientation, and the growth rate,
FIG. 6 shows a pn using silicon carbide which is another embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of a junction type light emitting diode. 1 …… Reaction tube, 2 …… Sample stage, 5 …… Substrate sample, 20 …… n−S
iC single crystal substrate, 21,211,212 …… n-SiC single crystal layer, 22 ……
p-SiC single crystal layer, 23 ... n side ohmic electrode, 24 ... p side ohmic electrode.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−46779(JP,A) 特開 昭63−179516(JP,A) 特開 昭49−34786(JP,A)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-2-46779 (JP, A) JP-A-63-179516 (JP, A) JP-A-49-34786 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シラン系化合物および炭化水素化合物を原
料ガスとして用いた化学的気相成長法により,炭化珪素
を用いたpn接合型発光ダイオードを製造する方法であっ
て, 成長面方位が[0001]方向から〈110〉方向へ傾斜し
た炭化珪素単結晶基板上に,第1導電型を有する第1の
炭化珪素単結晶層を成長させる工程と, 該第1の炭化珪素単結晶層上に,第2導電型を有する第
2の炭化珪素単結晶層を成長させる工程とを包含し, 該シラン系化合物としてモノシランまたはジシランを用
い,該炭化水素化合物としてアセチレンを用い, 該成長工程を1,300〜1,500℃の温度範囲内で実施する,
炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの製造方法。
1. A method for producing a pn junction type light emitting diode using silicon carbide by a chemical vapor deposition method using a silane-based compound and a hydrocarbon compound as source gases, wherein the growth plane direction is [0001]. From the [] direction to the <110> direction, and a step of growing a first silicon carbide single crystal layer having a first conductivity type on the silicon carbide single crystal substrate; and, on the first silicon carbide single crystal layer, A step of growing a second silicon carbide single crystal layer having a second conductivity type, wherein monosilane or disilane is used as the silane-based compound, acetylene is used as the hydrocarbon compound, and the growth step is 1,300 to 1,500. Conduct within the temperature range of ℃,
A method for manufacturing a pn junction type light emitting diode using silicon carbide.
【請求項2】発光中心として作用する不純物を,前記第
2の炭化珪素単結晶層とpn接合を構成する前記第1の炭
化珪素単結晶層の表面領域にのみドープする,請求項1
に記載の,炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
製造方法。
2. The impurity acting as an emission center is doped only in the surface region of the first silicon carbide single crystal layer forming a pn junction with the second silicon carbide single crystal layer.
4. A method for manufacturing a pn junction type light emitting diode using silicon carbide according to item 1.
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