JP6231005B2 - ＳｉＣ蛍光材料及びその製造方法並びに発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、ＳｉＣ蛍光材料及びその製造方法並びに発光素子に関する。
化合物半導体のｐｎ接合による発光素子として、ＬＥＤ（発光ダイオード）が広く実用化され、主に、光伝送、表示及び照明用途に用いられている。白色ＬＥＤにおいては、エネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分のため、一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高演色性、低コスト且つ大光束のＬＥＤの実現のためには多くの課題が残されている。
現在市販されている白色ＬＥＤとして、リードフレームに実装された青色発光ダイオード素子と、この青色発光ダイオード素子に被せられＹＡＧ：Ｃｅからなる黄色蛍光体層と、これらを覆いエポキシ樹脂等の透明材料からなるモールドレンズと、を備えたものが一般的である。この白色ＬＥＤでは、青色発光ダイオード素子から青色光が放出されると、黄色蛍光体を通り抜ける際に青色光の一部が黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあることから、青色光と黄色光が交じり合うと白色光となる。この白色ＬＥＤでは、効率改善や演色性向上のため、青色発光ダイオード素子の性能向上等が求められている。
青色発光ダイオード素子として、ｎ型のＳｉＣ基板上に、ＡｌＧａＮからなるバッファ層、ｎ−ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層、ＧａＩｎＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層が、ＳｉＣ基板側からこの順で連続的に積層されたものが知られている。この青色発光ダイオード素子では、ｐ型コンタクト層の表面にｐ側電極が形成されるとともに、ＳｉＣ基板の裏面にｎ側電極が形成され、ｐ側電極とｎ側電極との間に電圧を印加して電流を流すことにより、多重量子井戸活性層から青色光が放出される。ここで、ＳｉＣ基板には導電性があるため、サファイア基板を用いた青色発光ダイオード素子と異なり、上下に電極を配置することができ、製造工程の簡略化、電流の面内均一性、チップ面積に対する発光面積の有効利用等を図ることができる。
さらに、蛍光体を利用することなく、単独で白色光を生成する発光ダイオード素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光ダイオード素子では、前述の青色発光ダイオード素子のｎ型のＳｉＣ基板に代えて、Ｂ及びＮをドープした第１ＳｉＣ層と、Ａｌ及びＮをドープした第２ＳｉＣ層を有する蛍光ＳｉＣ基板が用いられ、多重量子井戸活性層から近紫外光が放出される。近紫外光は、第１ＳｉＣ層及び第２ＳｉＣ層にて吸収され、第１ＳｉＣ層にて緑色から赤色の可視光に、第２ＳｉＣ層にて青色から赤色の可視光にそれぞれ変換される。この結果、蛍光ＳｉＣ基板から演色性が高く太陽光に近い白色光が放出されるようになっている。
特許第４１５３４５５号公報
そして、本願発明者らは、ＳｉＣ蛍光材料の発光効率の向上について、さらに鋭意研究を重ねていた。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光効率を向上させたＳｉＣ蛍光材料及びその製造方法並びに発光素子を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、炭素原子がキュービックサイトとヘキサゴナルサイトに配置されるＳｉＣ結晶からなり、ドナー不純物とアクセプタ不純物が添加された蛍光材料であって、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きいＳｉＣ蛍光材料が提供される。
また、上記ＳｉＣ蛍光材料において、室温でのキャリア濃度が、ドナー濃度とアクセプタ濃度の差よりも小さいことが好ましい。
また、上記ＳｉＣ蛍光材料において、可視光領域の吸収率が、不純物無添加の場合と同程度であることが好ましい。
さらに、本発明では、上記ＳｉＣ蛍光材料を製造するにあたり、水素含有雰囲気で、前記ＳｉＣ蛍光材料を昇華法で成長させるＳｉＣ蛍光材料の製造方法が提供される。
さらにまた、本発明では、上記ＳｉＣ蛍光材料からなるＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上に形成された窒化物半導体層と、を有する発光素子が提供される。
本発明によれば、ＳｉＣ蛍光材料の発光効率を向上させることができる。
図１は、本発明の一実施形態を示す発光ダイオード素子の模式断面図である。 図２は、６Ｈ型ＳｉＣ結晶の模式図である。 図３は、ＳｉＣ基板へ入射した光が蛍光に変換される様子を模式的に示した説明図である。 図４は、結晶成長装置の説明図である。 図５は、試料体Ａ及び試料体Ｂの相対発光強度、室温キャリア濃度、ドナー不純物とアクセプタ不純物の差、ホールに対する当該差の比率、浅いドナー準位を形成するドナーと、深いドナー準位を形成するドナーの比を示す表である。 図６は、試料体Ａ、試料体Ｂ及び試料体Ｃについて、波長と透過率の関係を示すグラフである。
図１から図４は本発明の一実施形態を示すものであり、図１は発光ダイオード素子の模式断面図である。
図１に示すように、白色発光ダイオード１は、ホウ素（Ｂ）及び窒素（Ｎ）がドープされたＳｉＣ基板１０と、このＳｉＣ基板１０上に形成され複数の窒化物半導体層により構成された発光部２０と、を備えている。発光部２０からＳｉＣ基板１０へ光が入射すると、ＳｉＣ基板１０にて入射光が吸収されて不純物準位による蛍光が生じるようになっている。
図２に示すように、ＳｉＣ基板１０は、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶によって形成され、ドナー不純物として窒素を含むとともに、アクセプタ不純物としてホウ素を含んでいる。ＳｉＣ基板１０の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができる。このとき、結晶成長中の雰囲気における窒素ガス（Ｎ２）の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ基板１０における窒素の濃度を任意に設定することができる。一方、ホウ素は、ホウ素単体またはホウ素化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ基板１０におけるホウ素の濃度を任意に設定することができる。
ここで、６Ｈ型のＳｉＣ結晶は、キュービックサイトの割合が２／３、ヘキサゴナルサイトの割合が１／３である。通常であれば、ドナー不純物である窒素は、各サイトの存在割合と同じ割合で各サイトに配置される。すなわち、６Ｈ型のＳｉＣであれば、２／３の窒素がキュービックサイトの炭素原子と置換され、１／３の窒素がヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されることとなる。しかし、本実施形態のＳｉＣ結晶は、キュービックサイトのドナー不純物濃度を高くさせるようドナーを操作する工程を経て製造されているため、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きくなっている。
図１に示すように、発光部２０は、ＡＩＧａＮで構成されたバッファ層２１と、ｎ―ＧａＮで構成された第１コンタクト層２２と、ｎ−ＡＩＧａＮで構成された第１クラッド層２３と、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成された多重量子井戸活性層２４と、ｐ―ＡＩＧａＮで構成された電子ブロック層２５と、ｐ−ＡＩＧａＮで構成された第２クラッド層２６と、ｐ―ＧａＮで構成された第２コンタクト層２７と、をＳｉＣ基板１０側からこの順で連続的に有している。発光部２０は、ＳｉＣ基板１０上に、例えば有機金属化合物気相成長法によって積層される。また、第２コンタクト層２７の表面には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極３１が形成される。また、第２コンタクト層２７から第１コンタクト層２２の所定位置まで厚さ方向にエッチングすることにより第１コンタクト層２２を露出させ、この露出部分にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極３２が形成される。
本実施形態においては、多重量子井戸活性層１０８は、Ｇａ０．９５ｌｎ０．０５Ｎ／ＧａＮからなり、発光のピーク波長は３８５ｎｍである。尚、多重量子井戸活性層２４におけるピーク波長は任意に変更することができる。また、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、発光部２０の層構成は任意である。
以上のように構成された白色発光ダイオード１のｐ電極３１とｎ電極３２に順方向の電圧を印加すると、発光部２０に電流が注入され、多重量子井戸活性層２４において近紫外領域にピーク波長を有する光が放出される。放出された近紫外光は、アクセプタ不純物とドナー不純物がドープされたＳｉＣ基板１０へ入射してほぼ全てが吸収される。ＳｉＣ基板１０では、近紫外光を励起光としてドナー電子とアクセプタ正孔が再結合することにより蛍光が生じ、黄色から赤色にかけて発光する。これにより、白色発光ダイオード１は、暖白色に発光し、照明に適した光が外部へ放出される。
ここで、ＳｉＣ基板１０における蛍光作用について、図３を参照して説明する。図３は、ＳｉＣ基板へ入射した光が蛍光に変換される様子を模式的に示した説明図である。
ＳｉＣ基板１０は主にＳｉＣ結晶で構成されているため、６Ｈ型ＳｉＣ結晶のバンドギャップエネルギーＥｇが形成されている。
ＳｉＣ基板１０に光を入射させると、荷電子帯Ｅ２から伝導帯Ｅ１に自由電子ａが励起され、Ｅ２には自由正孔ｂが生成される。そして、数ｎｓから数μｓの短時間のうちに、自由電子ａはドナー準位ＮＳＤ，ＮＤＤへ緩和してドナー電子ａＳ’，ａＤ’となり、自由正孔ｂはアクセプタ準位ＮＡへと緩和してアクセプタ正孔ｂ’となる。
ここで、キュービックサイトのドナーは深いドナー準位ＮＤＤを形成し、ヘキサゴナルサイトのドナーは浅いドナー準位ＮＳＤを形成することが判明している。
深いドナー準位ＮＤＤへ緩和したドナー電子ａＤ’は、ドナー・アクセプタ・ペア（ＤＡＰ）発光に用いられ、アクセプタ正孔ｂ’と再結合する。そして、その遷移エネルギー（Ｅｇ−ＥＤＤ−ＥＡ）に相当するエネルギーを有する光子ｃがＳｉＣ基板１０の外部へ放出される。ＳｉＣ基板１０の外部へ放出された光子ｃの波長は、遷移エネルギー（Ｅｇ−ＥＤＤ−ＥＡ）に依存する。
一方、浅いドナー準位ＮＳＤへ緩和したドナー電子ａＳ’は、Γバンドとのバンド内吸収に用いられ、アクセプタ正孔ｂ’と再結合しない。すなわち、発光には寄与しない。
ドナー・アクセプタ・ペア発光を的確に行うためには、ＳｉＣ結晶中の室温でのキャリア濃度が、ドナー濃度とアクセプタ濃度の差よりも小さいことが好ましい。
さらに、窒素のイオン化エネルギーはホウ素よりも小さいため、室温において、ある程度の窒素がイオン化する。すると、励起されたドナー電子ａＤ’が再度伝導帯Ｅ１に遷移することとなり、アクセプタ正孔ｂ’と対になるドナー電子ａＤ’が不足することとなる。対となるドナー電子ａＤ’がないアクセプタ正孔ｂ’は、蛍光発光に寄与することができず、そのアクセプタ正孔ｂ’を励起するためのエネルギーが無駄に消費されたこととなる。すなわち、ドナー電子ａＤ’とアクセプタ正孔ｂ’が過不足なく再結合できるように予めイオン化する窒素量を見越してホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことにより、高い蛍光量子効率を実現することができる。
次いで、図４を参照してＳｉＣ蛍光材料の製造方法について説明する。図４は、結晶成長装置の説明図である。
図４に示すように、この結晶成長装置１００は、種結晶基板１１０及び原料１２０が配置される内部容器１３０と、内部容器１３０を収容する収容管１４０と、内部容器１３０を覆う断熱容器１５０と、収容管１４０内へ気体を導入する導入管１６０と、導入管１６０から導入される気体の流量を計る流量計１７０と、収容管１４０内の圧力を調整するポンプ１８０と、収容管１４０の外側に配置され種結晶基板１１０を加熱するためのＲＦコイル１９０と、を有している。
内部容器１３０は、例えば黒鉛からなり、上方を開口した坩堝１３１と、坩堝１３１の開口を閉塞する蓋１３２と、を有する。蓋１３２の内面には、単結晶ＳｉＣからなる種結晶基板１１０が取り付けられる。また、坩堝１３１の内部には、昇華再結晶の原料１２０が収容される。本実施形態においては、原料１２０は、ＳｉＣ結晶の粉末と、Ｂ源となる粉末とが用いられる。尚、Ｂ源としては、例えば、ＬａＢ６、Ｂ４Ｃ、ＴａＢ２、ＮｂＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＢＮ、Ｂを含有した炭素等を挙げることができる。
ＳｉＣ蛍光材料を製造するにあたっては、まず、原料１２０を充填した坩堝１３１を蓋１３２で閉じ、黒鉛製の支持棒１４１により収容管１４０の内部に設置した後、内部容器１３０を断熱容器１５０で被覆する。そして、雰囲気ガスとして、Ａｒガス、Ｎ２ガス及びＨ２ガスを、流量計１７０を介して導入管１６０により収容管１４０の内部へ流す。続いて、ＲＦコイル１９０を用いて、原料１２０を加熱するとともに、ポンプ１８０を用いて収容管１４０内の圧力を制御する。
具体的には、収容管１４０内の圧力を０．０３Ｐａから６００Ｐａの間とし、種結晶基板１１０の初期温度を少なくとも１１００℃とする。初期温度は、１５００℃以下が好ましく、１４００℃以下がより好ましい。そして、原料１２０と種結晶基板１１０の間の温度勾配を１℃から１０℃の間に設定する。
次いで、種結晶基板１１０を初期温度から、１５℃／分から２５℃／分の割合で加熱していき、成長温度まで上昇させる。成長温度は、１７００℃から１９００℃の間が好ましい。成長レートは、１０μｍ／時から２００μｍ／時の間とすることが好ましい。
これにより、原料１２０は、昇華後、温度勾配に基づき形成される濃度勾配により、種結晶基板１１０の方向に拡散して輸送される。ＳｉＣ蛍光材料の成長は、種結晶基板１１０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。尚、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、並びに、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。
本実施形態においては、Ｎ２ガスが結晶成長時の雰囲気ガス中に添加され、Ｂの化合物が原料１２０に添加される。さらに、Ｈ２ガスが結晶成長時の雰囲気ガス中に添加されており、これによりドナー不純物のヘキサゴナルサイトの炭素原子との置換を抑制し、キュービックサイトの炭素原子との置換を促進する。このメカニズムについては次のように考えられる。
まず、結晶成長表面の原子ステップ端で水素原子が炭素原子と反応しＣ−Ｈ結合を形成する。次いで、炭素原子と周りのシリコン原子との結合力が弱まり炭素原子の脱離による炭素空孔が発生する。そして、炭素空孔に窒素が取り込まれる確率が上昇する。ここで、ヘキサゴナルサイトの炭素原子とキュービックサイトの炭素原子では、周りのＳｉ原子の結合力に差があり、キュービックサイトの炭素原子の方が結合力が弱いため、水素原子によって炭素空孔が発生しやすく、このためキュービックサイトの炭素原子と窒素原子の置換が選択的に促進されると考えられる。
このように、水素含有雰囲気でＳｉＣ蛍光材料を昇華法で成長させるような、ヘキサゴナルサイトよりもキュービックサイトの炭素原子と窒素原子の置換を促進させるドナー操作工程を経て作製されるＳｉＣ結晶は、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きくなっている。
このようにして製造されたＳｉＣ結晶は、ドナー操作工程を経ないで作製された従来のものに比べて、発光に寄与するドナー不純物の割合が高いため、ドナー・アクセプタ・ペア（ＤＡＰ）発光時の発光効率を向上させることができる。このとき、ＳｉＣ結晶における可視光領域の吸収率が、不純物無添加の場合と同程度であると、浅い準位のドナーが少ないので好ましい。
このようにして作製されたＳｉＣ結晶は、外周研削、スライス、表面研削、表面研磨等の工程を経てＳｉＣ基板１０となる。この後、ＳｉＣ基板１０にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。本実施形態においては、例えば有機金属化合物気相成長法によってバッファ層２１、第１コンタクト層２２、第１クラッド層２３、多重量子井戸活性層２４、電子ブロック層２５、第２クラッド層２６及び第２コンタクト層２７を成長させる。窒化物半導体層を形成した後、各電極３１，３２を形成し、ダイシングにより複数の発光ダイオード素子１に分割することにより、発光ダイオード素子１が製造される。ここで、図１に示すＳｉＣ基板１０は、発光ダイオード素子１の基板とせずに、蛍光体板として利用することも可能である。
実際に、６Ｈ型のＳｉＣ結晶について、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きい試料体Ａを作製した。また、比較のため、６Ｈ型のＳｉＣ結晶について、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合と同じ試料体Ｂを作製した。
具体的に、試料体Ａ及びＢは、図４に示す結晶成長装置を用いて作製し、ドナー不純物として窒素を用い、アクセプタ不純物としてホウ素を用いた。窒素は結晶成長時の雰囲気ガス中にＮ２ガスを含有させることで添加し、ホウ素はＢの化合物を原料１２０に含有させることで添加した。さらに具体的には、試料体Ａ及びＢは、初期温度を１１００℃、成長温度を１７８０℃、成長レートを１００μｍ／時として作製した。試料体Ａについては、収容菅１４０内にＡｒガス及びＮ２ガスに加えてＨ２ガスを導入し、収容管１４０内の圧力を０．０８Ｐａとして作製した。また、試料体Ｂについては、収容菅１４０内にＡｒガス及びＮ２ガスに加え、収容管１４０内の圧力を３０Ｐａとして作製した。
以上ようにして作製された試料体Ａ及びＢの相対発光強度、室温キャリア濃度、ドナー不純物とアクセプタ不純物の差、ホール（Hall）に対する当該差の比率、浅いドナー準位を形成するドナーと、深いドナー準位を形成するドナーの比を測定したところ、図５に示すようになった。図５は、試料体Ａ及び試料体Ｂの相対発光強度、室温キャリア濃度、ドナー不純物とアクセプタ不純物の差、ホールに対する当該差の比率、浅いドナー準位を形成するドナーと、深いドナー準位を形成するドナーの比を示す表である。ここでホール(Hall)とは、室温でのホール効果測定により得られるキャリア濃度のことをさす。
図５から明らかなように、試料体Ａは、結晶成長時に水素を添加することにより、ドナー不純物のヘキサゴナルサイトの炭素原子との置換を抑制し、キュービックサイトの炭素原子との置換を促進された。この結果、試料体Ｂと比較して発光強度が４倍となった。また、試料体Ａについてみると、室温でのキャリア濃度が、ドナー濃度とアクセプタ濃度の差よりも小さく、的確にドナー・アクセプタ・ペア発光が行われていることが理解される。さらに、試料体Ａは、ホールに対するドナー濃度とアクセプタ濃度の差の比率が試料体Ｂより小さくなっていることから、試料体Ｂと比較して、ドナーである窒素が余分なフリーキャリアを発生させることなくドナー・アクセプタ・ペア発光に寄与していることが理解される。
また、試料体Ａ及び試料体Ｂについて透過率及び吸収係数を測定した。比較のため、不純物を全く含まない６Ｈ型ＳｉＣ結晶からなる試料体Ｃを作製して、その透過率と比較した。ここで試料体Ｃは、初期温度を１１００℃、成長温度を１７８０℃、成長レートを１００μｍ／時として作製した。図６は、試料体Ａ、試料体Ｂ及び試料体Ｃについて、波長と透過率の関係を示すグラフである。
図６に示すように、試料体Ａは、可視光領域の透過率が不純物無添加の試料体Ｃと同程度となっており、浅い準位のドナーが比較的少ないことが理解される。これに対し、試料体Ｂは、可視光領域の透過率が試料体Ｃより小さく、浅い準位のドナーが比較的多いことが理解される。
尚、前記実施形態においては、昇華法によりＳｉＣ蛍光材料を得るものを示したが、ＣＶＤ法等によりＳｉＣ蛍光材料を得るようにしてもよい。また、結晶成長時に水素ガスを添付することにより、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と優先的にドナー不純物が置換されるものを示したが、他の方法を用いることもでき、例えば、ＳｉとＣの比を正確に制御することによっても可能である。
また、前記実施形態においては、ＳｉＣ蛍光材料を発光ダイオード素子１の基板として用いるものを示したが、光源と別個の蛍光体として利用することもできる。例えば、ＳｉＣ蛍光材料を粉末状として利用することもできるし、板状にして利用することもできる。
また、ドナー及びアクセプタとしてＮ及びＢを用いたものを示したが、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ等の他のＶ族元素やＩＩＩ族元素を用いることもできるし、さらにはＴｉ、Ｃｒ等の遷移金属やＢｅ等のＩＩ族元素も用いることもでき、ＳｉＣ結晶中でドナー不純物及びアクセプタ不純物として使用可能な元素であればドナー及びアクセプタは適宜変更することができる。例えば、Ｎ及びＡｌを用いることで、Ｎ及びＢの組み合わせよりも短波長側で発光させることができる。
また、６Ｈ型のＳｉＣ結晶に本発明を適用したものを示したが、例えば４Ｈ型のＳｉＣ結晶のように、キュービックサイトとヘキサゴナルサイトを有する結晶であれば、他のポリタイプのＳｉＣ結晶に適用可能なことをいうまでもない。
１００ 結晶成長装置
１１０ 種結晶基板
１２０ 原料
１３０ 内部容器
１３１ 坩堝
１３２ 蓋
１４０ 収容管
１５０ 断熱容器
１６０ 導入管
１７０ 流量計
１８０ ポンプ
１９０ ＲＦコイル

Claims (3)

  1. ドナー不純物が添加されたＳｉＣ材料を製造するにあたり、
    水素原子を含むガス中で、前記ＳｉＣ材料を昇華法で成長させるＳｉＣ材料の製造方法。
  2. 前記ＳｉＣ材料は、前記ドナー不純物に加えアクセプタ不純物が添加される請求項１に記載のＳｉＣ材料の製造方法。
  3. 前記ＳｉＣ材料は、蛍光材料である請求項１または２に記載のＳｉＣ材料の製造方法。
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