JPH0246779A - 炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型発光ダイオ
ードに関し、特に緑から紫色の短波長可視光を発光する
ｐｎ接合型発光ダイオードに関する。

（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ため。

各種表示装置における表示素子として広く用いられ、ま
た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。しかし。

赤から緑色の発光ダイオードは実用化されているが、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実
用的な性能を有する素子が開発されていない。

発光ダイオードの発光色は用いる半導体材料に依存し、
青色発光ダイオード用の半導体材料としては、　ＩＶ−
ＩＶ族化合物半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）。

１１ｔ−Ｖ族化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ
）　。

およびＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体である硫化亜鉛（Ｚｎ
Ｓ）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、青色発光ダイオードの研究開
発が盛んに行われているが、実用に供しうる輝度と安定
性とを有する素子の量産化には至っていない。

発光ダイオードの素子構造としては＋　ｐｎ接合型の発
光ダイオードが、電子や正孔キャリアを発光領域へ高効
率に注入できるため最も適している。

しかしながら、上記の青色発光ダイオード用半導体材料
の中で、　ＧａＮ、　ＺｎＳ、およびＺｎ５ｅの各半導
体は、ｐ単結晶を得ることが困難か、あるいは得られて
も、高抵抗であったり、極めて不安定であるため、　ｐ
ｎ接合型の発光ダイオードを作製することはできない。

それゆえ、薄い絶縁層を利用したＭＩＳ構造（金属−絶
縁層一半導体構造）が採用されている。このようなＭＩ
Ｓ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２発光が不安定であるという欠点を有する。

これに対して、炭化珪素（ＳｔＣ）は、ｐ単結晶および
ｎ型結晶が容易に得られるため＋　ｐｎ接合型の発光ダ
イオードを作製することができる。しかも。

このようなｐｎ接合型発光ダイオードの作製に際して、
液相エピタキシャル成長法（ＬＰＩＥ法）や気相エピタ
キシャル成長法ＣＣＶＤ法）などの量産に適した方法を
用いることができるという利点を有する。

アルミニウム（Ａ１）を発光中心として用いた炭化珪素
の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、　Ｙａｍａｇｉｗａ、　＋（
、Ｍａｔｓｕｎａｍｉ、　ａｎｄ　Ｔ。

Ｔａｎａｋａ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌ、５０＋Ｎα１２．　　
ｐｐ、　　８２１５−８２２５．　１９７９）。

（発明が解決しようとする課題） 炭化珪素を用いた従来のｐｎ接合型発光ダイオードの一
例を第３図に示す。このｐｎ接合型発光ダイオードは、
ｎ型ＳｉＣ単結晶基板ｌ上に、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層
７とｎ型ＳｉＣ単結晶薄層８とが順次積層された構造を
有する。また、ｎ型ＳｉＣ単結晶基板ｌおよびｎ型Ｓｉ
Ｃ単結晶薄層８の上には、　ｎ型ＳｉＣ用オーミック電
極９およびｐ型ＳｉＣ用オーミック電極１０がそれぞれ
形成されている、ｐ型ＳｉＣ単結晶薄層７におけるキャ
リア発生用ドーパントとしては窒素（Ｎ）　　ドナーが
用いられ、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層８におけるキャリア
発生用ドーパントとしてはアルミニウム（＾ｌ）アクセ
プタが用いられている。ガリウム（Ｇａ）アクセプタや
ホウ素（Ｂ）アクセプタが用いられる場合もある。青色
用の発光中心として、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄Ｎ７にＡＩ
が添加されている。

このようなｐｎ接合型発光ダイオードは、ｎ型ＳｉＣ単
結晶層７にも適量のへ１アクセプタを添加しておき、　
ｐｎ接合面近傍のｎ型層においてＮドナーに捕捉された
電子と、　ＡＩアクセプタに捕捉された正孔との間の発
光再結合か、あるいは伝導帯の電子と。

＾１アクセプタに捕捉された正孔との間の発光再結合に
よる発光を利用している。すなわち、　ＡＩアクセプタ
を正孔キャリア発生用のドーパントと発光中心とに併用
している。このため、　ｐ型層およびｎ型層におけるキ
ャリア濃度の制御と発光過程の制御とを、それぞれ独立
に行うことができない。

従って２発光効率を向上させることが困難である。

またＮ　ドナーおよび＾ｌアクセプタは、そのエネルギ
ー準位が、それぞれ伝導帯および価電子帯から充分に離
れていないため、電子や正孔を充分に捕捉できない。従
って、低い発光効率しか得られないという問題点を有す
る。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり。

その目的とすることころは、緑から紫色の短波長可視光
を効率よく安定に発光し得る。炭化珪素半導体を用いた
ｐｎ接合型発光ダイオードを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型発光ダイオ
ードであって、　ｐ型層およびｎ型層の少なくとも一方
に発光中心として４価の原子価を示す遷移元素を含んで
なり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオードで
は、　ｐ型層およびｎ型層のキャリア濃度を制御するア
クセプタおよびドナーとは別に２発光過程を制御するた
めの発光中心を導入している。

これら発光中心は、キャリア濃度に影響を与えるような
キャリアを発生せず、かつ発光中心として電子や正孔を
充分に捕捉し得るエネルギー準位を有する必要がある。

本発明に用いられる発光中心としては、４価の原子価を
示す遷移元素である３例えばチタン（Ｔｉ）。

ジルコニウム（Ｚｒ）　、およびハフニウム（Ｈｆ）を
挙げることができる。これらの遷移元素は同時に複数の
種類のものを用いてもよい。これらの遷移元素の添加量
は、典型的には１０′５〜１０１１０ｌ９’の範囲であ
る。

発光中心として導入する上記遷移元素は、ｐ型層および
ｎ型層の両方に添加するか、あるいはいずれか一方に添
加される。この場合、遷移元素はｐ型層および／または
ｎ型層の全体に添加しても。

あるいは部分的に添加してもよい。

上記の遷移元素は、炭化珪素（ＳｉＣ）結晶中に導入さ
れた場合、原子の大きさにより、　Ｓｔの格子点に入る
が、　ＳｉやＣと同様に４価の原子価を示す元素である
ため１価電子の過不足が生じることなく周囲の炭素原子
と共有結合を形成し得る。従って。

キャリア濃度や導電性に影響を与えるようなキャリアを
発生しない。

さらに、これらの遷移元素は、ｄ殻が電子で完全に充た
されていないため、炭化珪素の結晶中で周囲の炭素原子
と共有結合を形成した場合、電子を有効に捕捉し得るエ
ネルギー準位を有する。このようなエネルギー準位に電
子が捕捉されると。

正孔が該電子のクローン引力により捕捉される。

そして、これらの捕捉された電子と正孔とが発光再結合
を行う。上記の発光中心を用いた場合２発光再結合によ
る発光波長は緑から紫色の可視光領域となる。

本発明の炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型発光ダイオ
ードは、　ｐ型層およびｎ型層におけるキャリア濃度の
制御とは別に発光過程を制御し得る発光中心を導入した
ことにより１発光効率が向上し。

高輝度発光が可能となった。しかも２発光中心として上
記の遷移金属を用いているため、従来実用化が困難であ
った青から紫色の発光色が達成された。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

実施炭上 本実施例では発光中心としてチタン（Ｔｉ）を用いた発
光ダイオードについて説明する。第１図に該発光ダイオ
ードの断面図を示す。本実施例のｐｎ接合型発光ダイオ
ードは、Ｎをドープしたｎ型ＳｉＣ単結晶基板１上に、
Ｎをドープしたｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３と、　ＡＩをド
ープしたｎ型ＳｉＣ単結晶薄層４とが順次積層された構
造を有する、ｐ型ＳｉＣ単結晶薄層３およびｎ型ＳｉＣ
単結晶薄層４には、いずれも発光中心としてＴｉが添加
されている。

上記のｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３およびｎ型ＳｉＣ単結晶
薄層４を形成する方法としては、炭化珪素単結晶を成長
させるのに通常用いられる液相エピタキシャル成長法（
ＬＰＥ法）を用いた。該［、ＰＥ法は。

例えばＭ、　Ｉｋｅｄａ、　Ｔ、　Ｈａｙａｋａｗａ、
　Ｓ、　Ｙａｍａｇｉｗａ、　Ｈ。

Ｍａｔｕｎａｍｉ、　ａｎｄ　Ｔ、　Ｔａｎａｋａ、　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ
、　Ｖｏｌ、５Ｑ、Ｎｏ、１２．　ｐｐ、　８２１５−
８２２５　（１９７９）に開示されている。

まず、Ｎをドープしたｎ型ＳｉＣ単結晶基板１上に、窒
素不純物を添加した珪素溶融液を用いて。

ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３を成長させた、ｐ型ＳｉＣ単結
晶薄層３の厚さは５μｍであり、キャリア濃度は約１×
１０′８印−３であった。

次いで、ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３の上に、　ＡＩを添加
した珪素溶融液を用いて、ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層４を成
長させた、ｐ型ＳｉＣ単結晶薄層４の厚さは約４ａｍで
あり、キャリア濃度は約Ｉ　ＸＩＯ”ｃ＋＋＋−’であ
った。

上記のＳｉＣ単結晶薄層を成長させる際には、珪素溶融
液に金属チタンを添加しておくことにより。

ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３およびｎ型ＳｉＣ単結晶薄層４
の両方に発光中心としてＴｉを含有させた。

最後に、ｎ型ＳｉＣ単結晶基板１のｎ型ＳｉＣ単結晶薄
層３を形成した面とは反対側の面上に、ニッケルからな
るｎ型ＳｉＣ用オーミック電極９を形成し、　ｎ型Ｓｉ
Ｃ単結晶薄層４の上にはＡｌ−Ｓｉ合金からなるｐ型Ｓ
ｔＣ用オーミック電極１０を形成することにより、第１
図に示すような発光ダイオードを得た。

このようにして得られた炭化珪素発光ダイオードは、順
バイアスの電圧を印加することにより。

第１図に示すように、主としてｎ型ＳｉＣ単結晶薄層４
の上側表面から発光した。３．５Ｖ、　２０ｍＡの動作
条件で、　　４３０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する
強い青紫色の発光が得られた。チタンを発光中心として
添加しても、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層３およびｐ型Ｓｉ
Ｃ単結晶層４の電気的特性は変化しなかったが。

これらＳｉＣ単結晶薄層へのチタン添加量が１０”〜１
０１　Ｑ　ｃｍ　−：ｌの範囲である場合に発光が観測
された。

チタン添加量が１０１９ｃｍ−３を越えると、　ＳｉＣ
薄層の結晶性が低下して発光は見られなくなった。本実
施例のｐｎ接合型発光ダイオードの最大発光効率は０．
５％であり、従来の青色発光ダイオードに比べて発光効
率が１桁以上向上した。

尖施１ 本実施例では発光中心としてジルコニウム（Ｚｒ）を用
いた発光ダイオードについて説明する。第２図に該発光
ダイオードの断面図を示す。本実施例のｐｎ接合型発光
ダイオードは、ノンドープの高抵抗ＳｉＣ単結晶基板２
上に、　Ｎをドープしたｎ型ＳｉＣ単結晶薄層、５と、
　ＡＩをドープしたｎ型ＳｉＣ単結晶薄層６とが順次積
層された構造を有する、ｐ型ＳｉＣ単結晶薄層５および
ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層６には。

いずれも発光中心としてＺｒが添加されている。

上記のｎ型ＳｉＣ単結晶薄層５およびｐ型ＳｉＣ単結晶
薄Ｎ６を形成する方法としては、炭化珪素単結晶を成長
させるのに通常用いられる気相エピタキシャル成長法（
ＣＶＤ法）を用いた。該ＣＶＤ法は。

例えばＳ、　Ｎ１５ｈｉｎｏ、　Ｈ，５ｕｈａｒａ、　
Ｈ，Ｏｎｏ、　ａｎｄ　ＩＩ。

Ｍａｔｓｕｎａｍｉ　、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌ。

６１、Ｎα１０．　ｐｐ、　４８８９−４８９３　（１
９Ｂ？）に開示されている。炭化珪素単結晶を成長させ
るための原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）ガ
スおよびプロパン（Ｃ３Ｈ１１）ガスを用いた。基板と
しては、ノンドープの高抵抗ＳｉＣ単結晶を用いた。

まず、上記の原料ガス以外にドーピング用の窒素（Ｎ２
）ガスを加えて、ノンドープ高抵抗ＳｉＣ単結晶基板２
上に、ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層５を成長させた、ｐ型Ｓｉ
Ｃ単結晶薄層５の厚さは約５μｍであり、キャリア濃度
は約Ｉ　ＸＩＯｌｌｌｃｍ−’であった。

次いで＋Ｎ２ガスに代えて、　ＡＩトド−ング用のトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いて、　ｎ型Ｓ
ｉＣ単結晶薄層５の上に、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層６を
成長させた、ｐ型ＳｉＣ単結晶薄層６の厚さは約４μｍ
であり、キャリア濃度は約Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ−３であっ
た。上記のＳｉＣ単結晶薄層を成長させる際には９反応
管中に金属ジルコニウムを載置して加熱することにより
、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層５およびｎ型ＳｉＣ単結晶薄
層６の両方に発光中心としてＺｒを含有させた。

最後に、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層６の一部をドライエツ
チングで除去し、　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層５の上にニッ
ケルからなるｎ型ＳｉＣ用オーミック電［９を形成し、
　ｎ型ＳｉＣ単結晶薄層６の上にはｐ型ＳｉＣ用オーミ
ック電極１０を形成することにより、第２図に示すよう
な発光ダイオードを得た。

このようにして得られた炭化珪素発光ダイオードは、順
バイアスの電圧を印加することにより。

第２図に示すように、主としてノンドープ高抵抗ＳｉＣ
単結晶基板２の下側表面から発光した。このように２本
実施例の発光ダイオードでは、基板として透明なノンド
ープＳｉＣ単結晶を用いているため１発光は基板側から
取り出すことができる。３．５Ｖ。

２０ｎ＋Ａの動作条件で、　４６０ｎｍ付近に発光ピー
ク波長を有する強い青色の発光が得られた。上記のＳｉ
Ｃ単結晶薄層へのジルコニウム添加量が１０”〜１０１
９ｃｒＶ３の範囲である場合に発光が観測された。本実
施例のｐｎ接合型発光ダイオードの最大発光効率は０．
７％であり、従来の青色発光ダイオードに比べて発光効
率が１桁以上向上した。

（発明の効果） 本発明によれば、このように、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効率よく安定に発光
し得る発光ダイオードが得られる。

このような発光ダイオードは２例えば各種表示装置にお
ける表示部の多色化や１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１通常の炭化珪
素単結晶成長法により作製し得るため、量産化が容易で
ある。従って。

発光ダイオードの応用分野が飛躍的に拡大される。

４　　′　　の　　　なｌ 第１図は本発明の一実施例である炭化珪素半導体を用い
たｐｎ接合型発光ダイオードの断面図、第２図は本発明
の他の実施例である炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型
発光ダイオードの断面図、第３図は炭化珪素半導体を用
いた従来のｐｎ接合型発光ダイオードの断面図である。

１・・・Ｎドープｎ型ＳｉＣ単結晶基板、２・・・ノン
ドープ高抵抗ＳｉＣ単結晶基板、３・・・発光中心とし
てＴｉが添加されたＮドープｎ型ＳｉＣ単結晶薄層、４
・・・発光中心としてＴｉが添加されたへ１ドープｐ型
ＳｉＣ単結晶薄層、５・・・発光中心としてＺｒが添加
されたＮドープｎ型ＳｉＣ単結晶薄層、６・・・発光中
心としてＺｒが添加されたＡｌｌドープ型ＳｉＣ単結晶
薄層、７・・・発光中心として八！が添加されたＮドー
プｎ型ＳｉＣ単結晶薄層、８・・・Ａ１ドープｐ型Ｓｉ
Ｃ単結晶薄層、９・・・ｎ型ＳｉＣ用オーミック電極、
　１０・・・ｎ型ＳｉＣ用オーミック電極。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化珪素半導体を用いたｐｎ接合型発光ダイオード
   であって、 ｐ型層およびｎ型層の少なくとも一方に発光中心として
   ４価の原子価を示す遷移元素を含む、ｐｎ接合型発光ダ
   イオード。