JPH0425184A - 炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオードの製造方法 - 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。

（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１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。

一般に７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）、　ｍ　−Ｖ族化合物半導体である窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）、そして■−■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）ｌ：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。

発光ダイオードの素子構造としては、電子や正孔牛ヤリ
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Ｚｎ５ｅ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ｒ　　
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−絶縁層一半導体）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（ＳｉＣ）は、ｐ型結晶および
ｎ型結晶が容易に得られるので＋　　Ｊ’ｎ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
、すてに多くの報告がなされている（例えば。

Ｍ、　　Ｉｋｅｄａ、　Ｔ、　Ｈａｙａｋａｗａ、Ｓ、
　Ｙａｍａｇｉｗａ、　Ｈ，Ｍａｔｓｕｎａｍｉ、　　
ａｎｄ　Ｔ、　Ｔａｎａｋａ、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　　Ｖｏｌ、５０．
　　Ｎｏ、１２．　　ｐｐ、８２１５−８２２５．　１
９７９）。

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、　　２０ｍ
Ａ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１，７０
０〜１．８００℃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。

（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法により青色発光タイオ
ードを作製した例は極めて少ない（例えば。

Ｓ、　Ｎ１５ｈｉｎｏ、　Ａ、　Ｉｂａｒａｋｉ、　Ｈ
，Ｍａｔｓｕｎａｍｉ、　ａｎｄ　Ｔ。

Ｔａｎａｋａ、　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ。

ｙＯｌ、　１９．　ｐ、Ｌ３５３．１９８０）。この従
来例では、成長ｆＡ度が約１，８００’Ｃ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。

近年、　　Ｃ’／Ｄ法において、モノシラン（ＳｉＨａ
）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、　５ｈｉｂａｈａｒａ、　
Ｗ、　Ｙｏｏ、　Ｓ、　Ｎ１５ｈｉｎｏ。

ａｎｄ　Ｈ，Ｍａｔｓｕｎａｍｉ、　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ１９ｔｈ　Ｃｏｎ
ｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ　　ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ、　　Ｔｏｋ
ｙｏ、　　１９８７．　　ｐｐ、２２７−２３０）　ｏ
　　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ＳｉＣ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。

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ＣＶ
Ｄ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。

（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、以下に述へるような
制御性および量産性に優れた製造方法を完成させた。

本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ＣＶＤ法により、成長面方位が［０
００１］方向から＜１１２０＞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、そのことにより上記目的が達
成される。

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＜１１２０＞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。傾斜角度か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１
５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＜１１２０＞方向は、　　［１１２
０］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。

成長温度はｌ、　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ＳｉＣ単結晶の品質が劣る。また、成長
温度がｉ、　ｓｏｏｏＣより高いと、不要な不純物が成
長層に混入する。

本発明の製造方法では、　　ＣＶＤ法により、　　Ｓｉ
Ｃ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。

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（Ｓｉ２Ｈａ））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１７２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。

不純物ガスとしては２例えば窒素（Ｎ２）ガスおよびト
リメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａ１）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（Ａ１）はｐ型のドーノ寸ント
（アクセプター不純物）および発光中心として用（Ｘら
れる。

キャリアガスとしては、水素Ｏｈ）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。

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１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１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１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。

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１０
μｍ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。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

１〇− いたｐｎ接合型の青色発光ダイオードを作製した。

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。

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
ん　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、ナツト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。

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。

まず、第１図に示すように、試料台２上に、　　６Ｈ型
のｎ−３ｉＣ単結晶基板２０（寸法約１ｃｍ　Ｘ　１ｃ
ｍ）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＜１１２０＞方向へ
０〜２５度の範囲内で傾斜した面を用いた。

次いで、水素ガスをキャリアガスとして、毎分１０１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−３ｆＣ単結晶基板２０を１．２００〜Ｉ、　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−５ｉＣ単結晶基板２０上に。

ｎ−３ｉＣ単結晶層２１（厚さ５μｍ）およびｐ−３ｉ
Ｃ単結晶層２２（厚さ５μｍ）を順次成長させて、　　
ｐｎ接合を形成した。

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
．２〜２０μｍ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（マ。

ｎ−５ｉｃ単結晶層２１には、原料ガスの１／２流量の
窒素ガスと、　　Ｌ／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
料力スの１７５流量のトリメチルアルミニウムガスを用
（＼た。

そして１反応管１から基板試料５を取り出し。

ドライエツチング法により、　　ｎ−ＳｉＣ単結晶層２
１およびｐ−ＳｉＣ単結晶層２２を選択的に工・フラン
ジして、第２図に示すようなメサ構造を形成した。この
工、、／チングにより＋　　ｐｎ接合部の寸法は直径的
１ｍｍとなった。なお、エツチングガスとしては、四フ
ノイヒ炭素（ＣＦ４）ガスおよび酸素（０２）ガスを用
し＼た。

最後に、　　ｎ−ＳｉＣ単結晶基板２０の裏面（こ（ま
、Ｎｉ力）らなるｎ側オーム性電極２３を形成し、　　
ｐ−３ｉＣ単結晶層＝１３ ２２の上面には＋　　Ａｌ−５＋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。

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℃１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個のウェ
ハについて２０％以内であった。

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ｒ　　ｐｎ接合型発光タイオードを
作製した。得られた発光ダイオ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２　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
のウェハについて約５０％であった。

ＬＬＬ１ ２実施例では、　　４Ｈ型のｎ−３ｉＣ（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ｐ
ｎ接合型発光ダイオードを作製した。　成長温度１．３
００〜１．５００℃１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８　ｍｃｄに
達した。

実遊Ｉ狙１ 本実施例では、１５Ｒ型のｎ−３ｉＣ（禁制帯幅２．９
ｅＶ）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１．３
００〜１．５００℃１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。

Ｋ敷且土 本実施例では、第６図に示すように、　　ｎ−３ｉＣ単
結晶層２１を、アクセプター不純物を含まないｎ−Ｓｉ
Ｃ単結晶層２１１（厚さ４μｍ）と、アクセプター不純
物を含むｎ−３ｉＣ単結晶層２１２（厚さ１μｍ）とが
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。

なお、　　ｎ−３ｉＣ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−３ｉＣ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１７２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
。

成長温度１．３００〜１，５００’Ｃ，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−３ｉＣ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。

（発明の効果） 本発明によれば、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。このような発光タイオードは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、その量産化が可能であるので２発光グイオーエフ− ドの応用分野が飛躍的に拡大される。

４、゛　　の、　な口Ｉ 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−３ｉＣ単結晶基板、　　２１．　２
１１．　２１２−ｎ−３ｉＣ単結晶層。

２２・・・ｐ−ＳｉＣ単結晶層、２３・・・口側オーム
性電極、２４・・・ｐ側オーム性電極。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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〈１１＠２＠０〉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
   。 ２、前記基板の成長面方位が２〜１５度の範囲内で傾斜
   している、請求項１に記載の製造方法。 ３、前記シラン系化合物がモノシランまたはジシランで
   あり、前記炭化水素化合物がアセチレンであり、そして
   前記成長工程が１，３００〜１，５００℃の温度範囲内
   で実施される、請求項１に記載の製造方法。 ４、前記第１の炭化珪素単結晶層を成長させる工程にお
   いて、発光中心として作用する不純物が該第１の炭化珪
   素単結晶層にドープされる、請求項１に記載の製造方法
   。 ５、発光中心として作用する前記不純物が、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される、請求項３
   に記載の製造方法。