JPH04168774A

JPH04168774A - 炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオード

Info

Publication number: JPH04168774A
Application number: JP2296529A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Fujii; 藤井　良久; Akira Suzuki; 彰鈴木; Masaki Furukawa; 勝紀古川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1992-06-16

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、特に緑から紫色の可視光および近紫外光の高効率
発光が可能なｐｎ接合型発光ダイオードに関する。

〈従来の技術〉現在、赤から緑色の長波長可視光発光ダイオードは広く
実用化されているが、緑から紫色の短波長可視光発光ダ
イオードは輝度が低く、また発光の単色性が悪いため、
広く実用化されるまでには至っていない。

発光ダイオードの素子構造としては、電子や正孔キャリ
ア全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おり、ｐｎ接合型の短波長可視光
発光ダイオード用の半導体材料には炭化珪素が最も適し
ている。炭化珪素を用力だｐｎ接合型発光ダイオードの
研究開発は盛んに行われており、輝度の高い発光ダイオ
ードを得るために、ドナー・アクセプタ対発光による発
光過程が利用され、ｐｎ接合を構成するｎ型層に窒累ド
ナーおよびアルミニウムアクセプタされて発光ダイオー
ドとして作製される。こうして得られるｐｎ接合型青色
発光ダイオードでは、２０ｍＡで動作させた場合に１５
ｍｃｄ程度までの輝度が得られている。参考として、ｒ
Ｍ．　Ｉｋｅｄａ。

Ｔ．　Ｈａｙａｋａｗａ　、　Ｓ．　Ｙａｍａｇｉｗａ
，　Ｈ．　Ｍａｔｓｕｎａｍｉ。

ａｎｄ　Ｔ．　Ｔａｎａｋａ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏ
ｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，　　Ｖｏｌ．　５
０，　Ｎｏ．　１２．　ｐｐ．　８２１５−８２２５。

１９７９Ｊ　　には、液相エピタキシャル成長法を用い
て作製された炭化珪素のｐｎ接合型青色発光ダイオード
についての作製法・特性が述べられている。

〈発明が解決しようとする課題〉最近、本発明者らは自由励起子の再結合による発光のみ
を利用したｐｎ接合型発光ダイオード及びアクセプタ不
純物が関与する再結合発光のみを利用したｐｎ接合型発
光ダイオードを発明した（特願平２−１８４４６８．特
願平２−１８４４６４）。

これらは共に、スベク）／し半値幅が小さく発光の単色
性に優れた発光ダイオードである。

しかしながら、先の発明により発光の単色性の問題は解
決されたものの、輝度に関して従来の値は低すぎるもの
であり、上記発明のものも従来と比べて改善はされたも
ののまだまだ十分なものとはなっていない。

このように、これまで得られている炭化珪素を用いたｐ
ｎ接合型発光ダイオードにおいて十分な輝度が得られな
いのは、炭化珪素が間接遷移型のバンド構造を有する半
導体であるためであり、発光に関与する電子と正孔の再
結合過程の遷移確率の低さによる、発光効率の低さに起
因するものである。ちなみに、従来のものの効率は、０
．１％のオーダーである。

本発明は、発光効率ケ上げること全目的とし、発光に関
与する再結合過程の遷移確率の大きな発光センターを導
入することにより、高輝度の炭化珪素を用いたｐｎ接合
型発光ダイオードを提供しようとするものである。

〈課題を解決するための手段〉上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型炭化珪素層
とｎ型炭化珪素層とが接合されてなるｐｎ接合を有し、
上記ｎ型炭化珪素層またはｎ型炭化珪素層の少なくとも
一万に、ゲルマニウム、すず、鉛のうちの少なくとも１
種類の元素を含むことを特徴とする炭化珪素を用いたｐ
ｎ接合型発光ダイオード全提供する。

〈作　用〉ゲルマニウム、すず、鉛は珪素や炭素と同族の元素であ
り、珪素や炭素と比べて電気陰性度が小さいために、こ
れらが炭化珪素半導体中に添加されると、電気的な特性
には影響を与えずに、等電子的トラップを形成する。そ
して、この等電子的トラップでは正孔が補獲され、次い
で電子が補獲されて電子・正孔対全形成し、これが高い
確率で再結合する。このような性質を有するゲルマニウ
ム、すず、鉛の元素がｐｎ接合を形成するｎ型炭化珪素
層またはｎ型炭化珪素層中に含まれていると、上記元素
が等電子的トラップとなって再結合遷移確率の大きな発
光センターとなる。

尚、上記作用によるため、これら元素はｐｎ接合界面近
傍の少数キャリアー拡散可能領域内に含まれるようにす
る。

また、上記元素は珪素、炭素と同じ典型元素であるから
結晶中にもなじみやすい。

〈実施例〉以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１本実施例では、６Ｈ型のＳｉＣ（禁制帯幅８．０ｅＶ）
を用いたｐｎ接合型の紫色発光ダイオードを作製した。

第１図は本実施例のｐｎ接合型発光ダイオードの構造を
示す断面図である。発光に関与するｐｎ接合は、６Ｈ型
のｎ−５ｉＣ単結晶基板１０上に順次形成されたｎ−３
ｉＣ単結晶層１１およびｐ−５ｉＣ単結晶１！　１２か
ら構成されている。そして、ｎ−３ｉＣ単結晶基板１０
の裏面には、Ｎｉからなるｎ側オーム性電極１３が設け
られ、他方ｐ−８ｉＣ単結晶層１２の上面には、Ｔｉか
らなるｐ側オーム性電極」４が設けられている。

第２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。

二重構造の石英製反応管２１の内部に、試料台２２が支
持棒２３により設置されている。試料台２２および支持
棒２３は、いずれも黒鉛製である。

試料台２２は水平に設置してもよく、適過に傾斜させて
もよい。反応管２１の外周囲にはワークコイ／Ｌ／２４
が巻回され、高周波電流を流すことにより、試料台２２
」二の基板試料２５を所定の温度に加熱することができ
る。反応管２１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２６が設けられて
いる。二重構造に有する反応管２１の外管内に枝管２７
．２８に通じて冷却水を流すことにより、反応管２１を
冷却することができる。反応管２１の他端は、ステンレ
ス製のフランジ２９で閉塞され、フランジ２９の周縁部
に配設された止め板３０、ボルト３１、ナツト３２、お
よび０−リング３３によりシールされている。フランジ
２９の中央付近には枝管３４が設けられており、上記の
ガスは、この枝管３４を通じて排出される。

本実施例のｐｎ接合型発光ダイオードは、このような気
相成長装置音用いて、以下のように作製された。

まず、第２図に示すように、試料台２５上に、６Ｈ型の
ｎ−３ｉＣ単結晶基板１０（寸法的１ｃｍＸ　１　ｃｍ
　）　ｋ基板試料２５として載置した。基板の成長面と
しては、その面方位が［０００１，１方向から＜　１１
．２０　＞方向へ約５度傾斜した而を月１いた。

次いで、水素ガスをキャリアガスとして、毎分１０での
割合で、枝管２６から反応管２１の内部へ流しながら、
ワークコイル４に島周ｇｌ電流を流して、ｎ−３ｉＣ単
結晶基板１．０ｋｌ、４００〜１．５００℃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−８ＩＣ単結晶基板１０上に、ｎ
−３ｉＣ単結晶層１１（ｌ享さ５μｍ）およびｐ−３ｉ
Ｃ単結晶層１２（厚さ５μ几）を順次成長させて、ｐ０
接合を形成した。

なお、本実施例では、原水斗ガスとして、モノシラン（
ＳｉＨ２）ガスおよびプロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスを用い
た。原料ガスの流量は、いずれも毎分的１、ｃｃ　とし
た。寸だ、不純物ガスとしては、ｐ型不純物用にはトリ
メチルアルミニウム（（ＣＮ３）３ＡＩ　）ガスを、ｌ
〕型不純物用には窒素（Ｎ２）ガスを用いた。

ｎ−３ｉＣ単結晶層１１を成長させる際には、窒素ガス
を毎分０．０１〜ｌｃｃの割合で添加した。

しかし、窒素ガスを意図的に添加せずに成長をイ１つで
も、大気中の残留窒素ガスが混入することにより、ｎ−
３ｉＣ単結晶層１１が得られた。窒素ガス全意図的に添
加しなかった場合、あるいは室紫ガスを上記の流量で添
加した場合には、３×１０〜ｌＸ１０ｃｍ　　の範囲内
の窒素不純物がｎ−８ＩＣ単結晶層１１に導入され、し
かも、このような不純物濃度とほぼ同じキャリア濃度が
室温で得られた。

本実施例では窒素ガス流量を制御して、ＩＸｌ、Ｏ”α
　のキャリア濃度のｎ型層を形成した。そしてｎ型層形
成時に原料ガス中にゲルマンガス（ＧｅＨ４）を添加す
ることにより成長層中にゲルマニウム（Ｇｅ）ｘ　１０
１．５〜１０　　ｃｒｈ　　　の範囲で添加した。ゲル
マニウムは伏化珪紫の構成元素である、シリコン（Ｓｉ
）、Ｆカーボン（Ｃ）と同じ魯族元素であるためゲルマニウム
を添加しても電気的な性質は変化せず添加しない場合と
同様の条件で１×１０　口　のキャリア濃度のｎ型層が
得られる。

尚、ゲルマニウムの添７］１１ｉは、すず、鉛の場合も
同様であるが、多すぎると結晶性が悪くなり、少なすぎ
ると発光センターの数が少なくなって輝度が」−からな
いため、上記範囲とするのが良い。

他方、ｐ−ＳｉＣ単結晶層１２全成長させる際には、ト
リメチルアルミニウムガス′ｆｆ：′ｌｒＪ″分約０．
２ＣＣの割合で添加した。この不純物添加により、ｐ−
３ｉＣ単結晶層１２の正孔濃度は約２Ｘ１．０１７１　
となった。

そして、反応管２１から基板試料２５を取り出し、ドラ
イエツチング法により、ｎ−３ｉＣ単結晶層１１および
ｐ−３ｉＣ単結晶層１２を選択旧にエツチングして、第
１図に示すようなメサ構造を形成した。このエツチング
により、ｐｎ接合部の寸法は直径約１間となった。々お
、エツチングガスとしては、四フッ化炭素（ＣＦ４）ガ
スおよび酸素（ｏ２）ガスを用いたつ最後に、ｎ−３ｉＣ単結晶基板１ｏの裏面には、Ｎｉか
らなるｎ側オーム性電極１３全形成し、ｐ−３ｉＣ単結
晶層１２の上面には、Ｔｉからなるｐ側オーム性電極１
４を形成することにより、第１図に示すようなｐｎ接合
型発光ダイオードを得た。

比較のためにｎ−３ｉＣ単結晶層１１においてゲルマニ
ウム全添那しなかった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。

得られた各発光ダイオードに約３．２Ｖの動作電圧を印
加したところ、２０ｍＡの電流が流れ、ゲルマニウムを
添加しなかった場合は４２５　ｎｍに、本実施例のゲル
マニウムを添加した場合は４１８ｎｍに各々ピークを持
つ発光が得られた。そして本実施例のｐｎ接合型発光ダ
イオードの最大発光効率は６％であり比較例と比べて発
光効率が１桁以上向上した。

また本実施例のものは、ｎ型層のキャリア濃度が１ｘｔ
ｏ　ｃｍ　　であるので、自由励起子の再結合のみを利
用する発光ダイオードとなり、ヌベクトル半値幅が小さ
く発光の単色性にすぐれた発光ダイオードとなっている
。

このように単色性にすぐれた発光ダイオードとするには
、先の出願（特願平２−１８４４６８）の通り、ｎ型層
の少なくともｐｎ接合界面近傍に、実質的にドナー不純
物のみｋ　５　Ｘ　１０”ｃｍ　”以下の濃度で添加す
れば良い。

さて、本実施例のｐｎ接合型発光ダイオードは、の再結
合のみによる発光ダイオードが得られ、炭化珪素が間接
遷移型の半導体であることから、励起子エネルギーギャ
ップよりフォノンエネルギーの平均値（約８０ｍｅＶ）
だけ小さな値の発光エネルギーが観測されるのであるが
、本実施例では、自由励起子が一担等電子的トラップに
捕獲され、等電子的トラップに捕獲された自由励起子が
ほぼ直接遷移的に再結合するので、はぼ励起子エネルギ
ーギャップと等しい値の発光エネルギーが観測される。

そして、捕獲された励起子は高い確率で再結合するので
、高効率のｐｎ接合型発光ダイオードが形成される。

尚、表１に炭化珪素の結晶多形と励起子エネルギーギャ
ップおよび発光波長、発光色を併せて示すが、表１から
明かなように、炭化珪素の結晶多形を選択することによ
り、緑から紫色の可視光および紫外光の中から所望の発
光色を得ることができる。

例えば４Ｈ型では波長８８４　ｎｍの紫外光発光、６Ｈ
型では波長４１８　ｎｍの紫色発光、１５Ｒ型では波長
４２０　ｎｍの紫色発光、２１Ｒ型では波長４４０　ｎ
ｍの青色発光、３Ｃ型では波長５２５ｎｍの緑色発光が
得られる。これら５種のものは作製が比較的容易であり
、利用しやすいものである。

表１実施例　２本実施例では、実施例１におけるｎ型炭化珪素層への添
加物をゲルマニウムからすず（Ｓｎ　）に変えたこと以
外は実施例１と全く同様にしてｐｎ接合型ダイオードを
作製した。すすの添加は気相中にテトラメチルすず（Ｓ
ｎ　（ＣＨ３）４　）を添加することにより行った。本
実施例でも最大発光効率８％と、従来のものに比べて発
光効率の１桁以上高いものが得られた。

実施例　３本実施例では、実施例１におけるｎ型炭化珪素層への添
加物をゲルマニウムから鉛（Ｐｂ）に変えたこと以外は
実施例１と全く同様にしてｐｎ接合型ダイオードを作製
した。鉛の添加は反応管中に金属鉛を載置して加熱する
ことにより行った。

本実施例でも最大発光効率４％と従来のものに比べて発
光効率の１桁以上高いものが得られた。

〈発明の効果〉本発明によれば、発光効率が向上しこれまで実現されて
いなかった高輝度の緑から紫色の可視光または近紫外光
を発光する発光ダイオードを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。

【図面の簡単な説明】

第１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２（ン１は不発明の
炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオードの製造に用
いられる気相成長装置の一例を示す構成断面図である。１０・・・ｎ−３ｉＣ単結晶基板、　１１・・・ｎ−３
ｉＣ単結晶層、　１２・・・ｐ−３ｉＣ単結晶層、１３
・・・ｎ側オーム性電極、　１４・・・ｎ側オーム性電
極、　２１・・グ応管、　２２・・・試料台、　２５・
・・基板試料。

Claims

【特許請求の範囲】１、ｐ型炭化珪素層とｎ型炭化珪素層とが接合されてな
るｐｎ接合を有し、上記ｐ型炭化珪素層またはｎ型炭化珪素層の少なくとも
一方に、ゲルマニウム、すず、鉛のうちの少なくとも１
種類の元素を含むことを特徴とする炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイ
オード。