JPH0471278A - Pn junction type light emitting diode using silicon carbide - Google Patents
Pn junction type light emitting diode using silicon carbideInfo
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Abstract
Description
[0001] [0001]
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。
[0002]The present invention relates to a pn junction type light emitting diode using silicon carbide, and more particularly to a pn junction type light emitting diode capable of emitting green to purple visible light and near ultraviolet light with high efficiency. [0002]
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9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。
[0003]
一般に9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(S
iC) 、 I I I−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(Z
nSe)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。
[0004]
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、Zn
S、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、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。
[0005]
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、Yamagiwa、 H
,Matsunami、 and T、Tanaka、
Journal of Applied Physi
cs、 Vol、50. No、12. pp、821
5−8225.1979)。
[0006]
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(,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。
[0007]
そこで、最近1本発明者らは、化学的気相成長法(CV
D法)を用いて、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制御性お
よび量産性よく製造する方法を考案した。
[0008]Light emitting diodes are small, consume little power, and are light emitting sources that can stably emit high-intensity light, so they are widely used as display elements in various display devices. The 9 light emitting diode is also used as a light source for recording and reading information in various information processing devices. Long-wavelength visible light-emitting diodes, which have been widely put into practical use so far, are capable of emitting high-intensity light from red to green. On the other hand, currently developed light-emitting diodes that emit short-wavelength visible light in the blue to violet range still have low brightness and have not yet been put into widespread practical use. [0003] In general, the color of light emitted by a light emitting diode depends on the semiconductor material used. The semiconductor material for short wavelength visible light emitting diodes is silicon carbide (S), which is a group IV-IV compound semiconductor.
iC), gallium nitride (GaN), which is a group II-V compound semiconductor, and zinc sulfide (ZnS) and zinc selenide (ZnS), which are group II-VI compound semiconductors.
nSe). Although research and development of short-wavelength visible light light emitting diodes using these semiconductor materials has been actively conducted, mass production of devices with high brightness and stability that can be widely put into practical use has not yet been achieved. [0004] The most suitable element structure for a light emitting diode is a pn junction type light emitting diode, which can inject electrons and hole carriers into a light emitting region with high efficiency. However, among the semiconductor materials for short wavelength visible light emitting diodes mentioned above, GaN, Zn
It is difficult to obtain p-type crystals of S and Zn5e semiconductors, or even if they are obtained, they have high resistance or are extremely unstable, so it is difficult to fabricate p-n junction type light emitting diodes. Can not. Therefore, MIS (metal-insulating layer-semiconductor) that uses thin insulating layers and high-resistance layers
structure has been adopted. However, this kind of MIS
A light emitting diode having such a structure has drawbacks such as nonuniform device characteristics and unstable two-light emission. [0005] On the other hand, silicon carbide (SiC) can be used to easily obtain p-type crystals and n-type crystals, so that pn junction type light emitting diodes can be manufactured. Until now, many reports have already been made regarding silicon carbide pn junction blue light emitting diodes manufactured by liquid phase epitaxial growth (LPE) (for example, M, Ikeda,
T., Hayakawa, S., Yamagiwa, H.
, Matsunami, and T. Tanaka,
Journal of Applied Physi
cs, Vol, 50. No, 12. pp, 821
5-8225.1979). [0006] However, the pn junction blue light emitting diode fabricated by the LPE method still has low brightness (only a brightness of 15 mcd or less can be obtained when operated at 20 mA. The main reason for this is the growth temperature. is 1,700-1,800
This is thought to be because growth occurs in an active Si melt at a high temperature of .degree. C., so the controllability of growth is poor and unnecessary impurities are likely to be mixed in. Further, the LPE method has a problem of poor mass productivity. [0007] Therefore, recently, the present inventors have developed a chemical vapor deposition method (CV
Using method D), we devised a method for manufacturing a pn junction light emitting diode that can stably emit short wavelength visible light from blue to violet with high brightness, with good controllability and mass production. [0008]
しかし、LPE法またはCVD法を用いて作製された従
来の短波長発光ダイオードは、いずれも類似した発光ス
ペクトルを与え、そのスペクトル半値幅が大きいので1
発光の単色性に劣るという問題点があった。例えば2発
光中心として窒素およびアルミニウムを添加した6H型
の炭化珪素を用いた青色発光ダイオードの代表的な発光
スペクトルを図8に示す(前出のIkedaらの論文か
ら転載)。この発光スペクトルのピーク波長は460〜
480 nmであるが、スペクトル半値幅が70〜90
nm(0,4〜0.5eV)もあるので、純粋な青色で
はなく。
青白い発光しか得られなかった。
[0009]
図8の発光スペクトルについては、 Ikedaらが詳
細な解析を行っており、この図に示すように、3種類の
異なる発光過程F、E、およびMが存在する。発光過程
Mは窒素ドナーとアルミニウムアクセプタとの間の再結
合によるドナー・アクセプタ対発光であり9発光過程E
は詳細は不明であるが、アルミニウム不純物が関与した
再結合による発光、そして発光過程Fは自由励起子の再
結合による発光とされている。
[0010]
従来、輝度の高い発光ダイオードを得るためには、LP
E法またはCVD法のいずれを用いて製造する場合であ
っても、ドナー・アクセプタ対発光による発光過程Mが
利用されてきた。この場合、pn接合を構成するn型層
に窒素ドナーおよびアルミニウムアクセプタの両方を添
加することにより、ドナー・アクセプタ対発光を起こさ
せる。しかし、ドナー・アクセプタ対発光は1発光に関
与するドナー・アクセプタ間の距離が様々に分布し、そ
れに応じて少しずつ発光波長が異なるので、スペクトル
幅が本質的に広がる。また1発光過程FおよびEによる
ピークが混在するので、スペクトル幅は、さらに広がる
。
[0011]
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。
自由励起子による再結合発光またはアクセプタ不純物が
関与する再結合発光のみを利用することにより、スペク
トル半値幅が小さく発光の単色性に優れたpn接合型発
光ダイオードを提供することにある。
[0012]However, conventional short wavelength light emitting diodes manufactured using the LPE method or CVD method all give similar emission spectra, and their spectral half-widths are large, so
There was a problem that the monochromaticity of light emission was poor. For example, a typical emission spectrum of a blue light emitting diode using 6H type silicon carbide doped with nitrogen and aluminum as two emission centers is shown in FIG. 8 (reproduced from the above-mentioned paper by Ikeda et al.). The peak wavelength of this emission spectrum is 460~
480 nm, but the spectral half width is 70 to 90
nm (0.4 to 0.5 eV), so it is not pure blue. Only bluish-white luminescence was obtained. [0009] Ikeda et al. conducted a detailed analysis of the emission spectrum in FIG. 8, and as shown in this figure, there are three different emission processes F, E, and M. The luminescence process M is donor-acceptor pair luminescence due to recombination between the nitrogen donor and the aluminum acceptor, and the luminescence process E
Although the details are unknown, it is believed that the light emission is due to recombination involving aluminum impurities, and that the light emission process F is due to the recombination of free excitons. [0010] Conventionally, in order to obtain a light emitting diode with high brightness, LP
Regardless of whether it is manufactured using the E method or the CVD method, a light emission process M based on donor-acceptor pair light emission has been utilized. In this case, by adding both a nitrogen donor and an aluminum acceptor to the n-type layer constituting the pn junction, donor-acceptor pair light emission is caused. However, in donor-acceptor pair emission, the distance between the donor-acceptor involved in one emission is distributed in various ways, and the emission wavelength differs slightly accordingly, so the spectral width is essentially widened. Furthermore, since the peaks due to one emission process F and E coexist, the spectral width is further expanded. [0011] The present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, and its objectives are as follows. The object of the present invention is to provide a pn junction light emitting diode that has a small spectral half-width and excellent monochromaticity of light emission by utilizing only recombination light emission due to free excitons or recombination light emission involving acceptor impurities. [0012]
本発明者らは、自由励起子による再結合発光またはアク
セプタ不純物が関与する再結合発光のみを利用しなpn
接合型発光ダイオードを着想し9本発明者ら自身が以前
に考案したCVD法による炭化珪素発光ダイオードの製
造技術を応用して、様々な実験を行った結果、以下に述
べるような構成を採用することにより。
自由励起子による再結合発光または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
オードを完成させた。
[0013]
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードは
、自由励起子による再結合発光を利用したものでは9発
光に関与するpn接合を構成するn型層の少なくともp
n接合界面近傍に、実質的にドナー不純物のみが5×1
016cm−3またはそれ以下の濃度で添加されており
、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利用したも
のでは9発光に関与するpn接合を構成するp型層には
アクセプタ不純物が添加され、n型層の少なくともpn
接合界面近傍には、実質的にドナー不純物のみが1×1
018cm−3またはそれ以上の濃度で添加されており
、そのことにより上記目的が達成される。
[0014]
本発明のpn接合型発光ダイオードにおけるn型層は、
好ましくは2例えば。
pn接合界面に隣接して形成された第1のn型層と、そ
の上に形成された第2のn型層とから構成される。この
場合、自由励起子による再結合発光を利用したものでは
、第1のn型層におけるドナー不純物濃度は、 5
X 1016c m’またはそれ以下とされるのに対し
、第2のn型層におけるドナー不純物濃度は5×101
6cm”またはそれ以上とされる。あるいは、n5層に
おけるドナー不純物濃度をpn接合界面の近傍では5
X 1016c m’またはそれ以下とし、このpn接
合から遠ざかるにつれて次第に増加するように傾斜させ
てもよい。いずれの場合にも、n型層全体またはその一
部におけるドナー不純物濃度を5×1016cm−3ま
たはそれ以下にすることは、従来のLPE法では不可能
であるので、このようなpn接合型発光ダイオードの製
造にはCVD法を用いる必要がある。
[0015]
他方、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利用し
たものでは、第1のn型層におけるドナー不純物濃度が
1×1018cm−3またはそれ以上とされるのに対し
、第2のn型層におけるドナー不純物濃度は1×101
8cm−3またはそれ以下とされる。あるいは、n型層
におけるドナー不純物濃度を、pn接合界面の近傍では
lX1018cm−3またはそれ以上とし、このpn接
合から遠ざかるにつれて次第に減少するように傾斜させ
てもよい。
[0016]
上記のドナー不純物としては1通常、窒素が用いられる
。この窒素不純物は。
n型層をCVD法で成長させる際に、キャリアガスおよ
び原料ガスと共に、窒素ガスを不純物ガスとして添加す
ることにより、n型層に導入される。
[0017]
上記のアクセプタ不純物としては9通常、アルミニウム
が用いられる。このアルミニウム不純物は、p型層を2
例えばCVD法で成長させる際に、キャリアガスおよび
原料ガスと共に、トリメチルアルミニウムガスを不純物
ガスとして添加することにより、p型層に導入される。
[0018]
また、炭化珪素には、様々な結晶多形の存在することが
知られており、以下で述べるように、結晶多形を選択す
ることにより、所望の発光色が得られる。例えば、自由
励起子による再結合発光を利用したものでは、好ましく
は、4H型、6H型、15R型、21R型、または3C
型の炭化珪素を用いることにより、それぞれ、紫外、紫
色、紫色、青色、または緑色の発光ダイオードを製造す
ることができる。また、アクセプタ不純物が関与する再
結合発光を利用したものでは、好ましくは、4H型、6
H型、または3C型の炭化珪素を用いることにより、そ
れぞれ、紫色、青色、または橙色の発光ダイオードを製
造することができる。
[0019]
さらに、自由励起子による再結合発光を利用する場合で
あっても、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利
用する場合であっても2例えば、立方晶系の炭化珪素単
結晶基板を用い、その実質的な(111)C面上にp型
層およびn型層を成長させてpn接合を形成するか、あ
るいは六方晶系の炭化珪素単結晶基板を用い、その実質
的な(0001)C面上にp型層およびn型層を成長さ
せてpn接合を形成すれば、より単色性に優れたpn接
合型発光ダイオードが得られる。
[0020]
[作用]
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードは
、自由励起子による再結合発光またはアクセプタ不純物
が関与する再結合発光を利用している。
[0021]
自由励起子の再結合による発光のフォトンエネルギーは
7励起子エネルギーギヤ’/プとして、 W、J、Ch
oykeによって与えられている(W、J、Choyk
e、 Materials Re5earch Bul
letins、 Vol、4. pp、5141−81
52.1969. Pergamon Press I
nc、 ) 。炭化珪素の代表的な結晶多形(ポリタイ
プ)の室温での励起子エネルギーギャップ値を下記の表
1に示す。
[0022]The present inventors did not use only the recombination emission due to free excitons or the recombination emission involving acceptor impurities.
After conceiving a junction-type light emitting diode,9 After conducting various experiments by applying the manufacturing technology of silicon carbide light emitting diodes using the CVD method that the inventors had devised previously, the following configuration was adopted. By the way. We have completed a pn junction light emitting diode that utilizes only recombination light emission due to free excitons or recombination light emission involving acceptor impurities. [0013] In the pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention, which utilizes recombination light emission by free excitons, at least p of the n-type layer constituting the pn junction involved in light emission is
Substantially only donor impurities are present near the n-junction interface at 5×1
016cm-3 or less, and in the case of using recombination light emission involving acceptor impurities, the acceptor impurity is added to the p-type layer constituting the pn junction involved in light emission, and the n-type at least pn of layers
Substantially only donor impurities exist near the bonding interface in a 1×1
018 cm-3 or higher, thereby achieving the above objective. [0014] The n-type layer in the pn junction type light emitting diode of the present invention is
Preferably 2 e.g. It is composed of a first n-type layer formed adjacent to the pn junction interface and a second n-type layer formed thereon. In this case, in the case where recombination light emission by free excitons is used, the donor impurity concentration in the first n-type layer is 5
X 1016cm' or less, whereas the donor impurity concentration in the second n-type layer is 5x101
6 cm" or more. Alternatively, the donor impurity concentration in the N5 layer should be set to 5 cm" or more near the p-n junction interface.
X 1016 cm' or less, and may be sloped to gradually increase away from the pn junction. In any case, it is impossible to reduce the donor impurity concentration in the entire n-type layer or a part thereof to 5×10 cm or less using the conventional LPE method. It is necessary to use the CVD method to manufacture the diode. [0015] On the other hand, in a method that utilizes recombination light emission involving acceptor impurities, the donor impurity concentration in the first n-type layer is set to 1×10 18 cm −3 or higher, whereas the second n-type layer The donor impurity concentration in the layer is 1×101
8 cm-3 or less. Alternatively, the donor impurity concentration in the n-type layer may be set to 1.times.10.sup.18 cm.sup.-3 or more in the vicinity of the p-n junction interface, and may be sloped to gradually decrease as it moves away from the p-n junction. [0016] Nitrogen is usually used as the above donor impurity. This nitrogen impurity. When growing an n-type layer by the CVD method, nitrogen gas is added as an impurity gas together with a carrier gas and a source gas to be introduced into the n-type layer. [0017] Aluminum is usually used as the above acceptor impurity. This aluminum impurity makes the p-type layer 2
For example, when growing by CVD method, trimethylaluminum gas is added as an impurity gas together with a carrier gas and a source gas to be introduced into the p-type layer. [0018] Furthermore, it is known that silicon carbide has various crystal polymorphs, and as described below, a desired luminescent color can be obtained by selecting the crystal polymorph. For example, in those that utilize recombination emission due to free excitons, 4H type, 6H type, 15R type, 21R type, or 3C type is preferably used.
By using silicon carbide of the type, ultraviolet, violet, violet, blue, or green light emitting diodes can be produced, respectively. In addition, those using recombination emission involving acceptor impurities are preferably 4H type, 6
By using H-type or 3C-type silicon carbide, purple, blue, or orange light-emitting diodes can be manufactured, respectively. [0019] Furthermore, whether the recombination emission by free excitons or the recombination emission involving acceptor impurities is used, for example, a cubic silicon carbide single crystal substrate may be used. Either use a hexagonal silicon carbide single crystal substrate and grow a p-type layer and an n-type layer on the substantially (111) C plane to form a pn junction, or use a hexagonal silicon carbide single crystal substrate and grow a p-type layer and an n-type layer on the substantially (111) C plane. ) If a p-type layer and an n-type layer are grown on the C-plane to form a pn junction, a pn junction type light emitting diode with better monochromaticity can be obtained. [0020] [Function] The pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention utilizes recombination light emission due to free excitons or recombination light emission involving acceptor impurities. [0021] The photon energy of light emission due to recombination of free excitons is 7 exciton energy gap'/p, W, J, Ch
(W, J, Choyk
e, Materials Re5earch Bul
letins, Vol. 4. pp, 5141-81
52.1969. Pergamon Press I
nc, ). The exciton energy gap values at room temperature of typical crystal polytypes of silicon carbide are shown in Table 1 below. [0022]
【表1】
[0023]
炭化珪素は間接遷移型のバンド構造を有する半導体であ
るので、フォノンを同時に放出する発光過程が支配的で
ある。したがって9図8に示す自由励起子の再結合によ
る発光過程Fはフォノンを1偏置時に放出する発光に対
応している。−般に、フォノンには、横音響的(TA)
モード、縦音響的(LA)モード、横光学的(TO)モ
ード、および縦光学的(LO)モードの4種類のモード
が存在する。炭化珪素の場合、これらモードのフォノン
エネルギーは、結晶多形に依存することなく、はぼ同じ
であり、それぞれ約45meV、77meV、94me
Vおよび104meVである。発光過程Fによる発光エ
ネルギーは、これらフォノンエネルギーの平均値(約8
0meV)だけ、励起子エネルギーギャップより小さい
値となる。上記の表1に、様々な結晶多形を用いて得ら
れる発光過程Fの発光エネルギー、発光波長、および発
光色を併せて示す。
[00241
表1から明らかなように、自由励起子による再結合発光
を利用した場合、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3
94 nrnの紫外光発光、6H型では波長425 n
rnの紫色発光、15R型では波長432 nmの紫色
発光、21R型では波長453 nmの青色発光、3C
型では波長544 nmの緑色発光が得られる。なお7
発光スペクトルの半値幅は、室温における励起子の熱エ
ネルギーによる広がり約25meVに上記の4種類のフ
ォノンエネルギーの広がり約60meVを加えて、約0
.1eV程度となる。これは、青から紫色の領域では、
約20nm程度の波長の広がりに相当する。この広がり
は、ドナー・アクセプタ対発光を利用した従来のpn接
合型発光ダイオードのスペクトル半値幅0.4〜0.5
eV (70〜90nm)に比べて、1/4〜115程
度であり9本発明のpn接合型発光ダイオードが極めて
単色性に優れていることを示している。
[0025]
他方、アクセプタ不純物の再結合による発光は、アクセ
プタ不純物としてアルミニウムを用いた場合9図8に示
すような発光過程Eによるものであり、炭化珪素の禁制
帯幅よりも約275meV小さいフォトンエネルギーが
発光ピークに対応している。したがって、炭化珪素の結
晶多形を選択することにより、橙から紫色の可視光の中
から所望の発光色を得ることができる。例えば、4H型
では波長約424 nrnの紫色発光、6H型では波長
約455 nrnの青色発光、3C型では波長約584
nmの橙色発光が得られる。なお9発光スペクトルの
半値幅は約01eV程度となる。これは、青から紫色の
領域では、約20nm程度の波長の広がりに相当する。
この広がりは、ドナー・アクセプタ対発光を利用した従
来のpn接合型発光ダイオードのスペクトル半値幅0.
4〜0.5eV (70〜90nm)に比べて、1/4
〜115程度であり2本発明のpn接合型発光ダイオー
ドが極めて単色性に優れていることを示している。
[0026)
また、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利用し
たpn接合型発光ダイオードでは、n型層にアクセプタ
不純物が添加されていないので、n型層中における従来
のドナー・アクセプタ対発光は生じない。しかし、n型
層の少なくともpn接合界面近傍には、ドナー不純物の
みが、1×1018cm−3またはそれ以上の濃度で添
加されている。したがって、n型層のpn接合界面近傍
における電子密度が増大し、順方向にバイアス電圧を印
加したときに、n型層からp型層への電子の注入効率が
高くなる。その結果、主としてp型層において、注入さ
れた電子と、p型層中に存在する正孔との再結合が生じ
、p型層中のアクセプタ不純物が関与する発光のみが得
られるものと考えられる。
[0027][Table 1] [0023] Since silicon carbide is a semiconductor having an indirect transition type band structure, a light emission process in which phonons are simultaneously emitted is dominant. Therefore, the light emission process F due to the recombination of free excitons shown in FIG. 9 corresponds to light emission in which phonons are emitted at one eccentric position. - In general, phonons have transverse acoustic (TA)
There are four types of modes: longitudinal acoustic (LA) mode, transverse optical (TO) mode, and longitudinal optical (LO) mode. In the case of silicon carbide, the phonon energies of these modes are approximately the same, independent of crystal polymorphism, and are approximately 45 meV, 77 meV, and 94 meV, respectively.
V and 104meV. The emission energy due to the emission process F is the average value of these phonon energies (approximately 8
0 meV), which is smaller than the exciton energy gap. Table 1 above also shows the emission energy, emission wavelength, and emission color of emission process F obtained using various crystal polymorphs. [00241 As is clear from Table 1, when using recombination luminescence due to free excitons, by selecting the crystal polymorphism of silicon carbide, a desired luminescent color can be obtained from visible light from green to purple and ultraviolet light. can be obtained. For example, in the 4H type, wavelength 3
94 nrn ultraviolet light emission, 6H type has a wavelength of 425 nrn
rn violet emission, 15R type emits violet light at a wavelength of 432 nm, 21R type emits blue light at a wavelength of 453 nm, 3C
The mold can emit green light with a wavelength of 544 nm. Note 7
The half-value width of the emission spectrum is approximately 0, which is calculated by adding the approximately 60 meV spread of the four types of phonon energies mentioned above to the approximately 25 meV spread due to the thermal energy of excitons at room temperature.
.. It becomes about 1 eV. This means that in the blue to purple region,
This corresponds to a wavelength spread of about 20 nm. This broadening corresponds to the spectral half-width of 0.4 to 0.5 of the conventional pn junction type light emitting diode that uses donor-acceptor pair emission.
eV (70 to 90 nm), it is about 1/4 to 115, which shows that the pn junction type light emitting diode of the present invention has extremely excellent monochromaticity. [0025] On the other hand, when aluminum is used as the acceptor impurity, light emission due to recombination of acceptor impurities is caused by a light emission process E as shown in FIG. corresponds to the luminescence peak. Therefore, by selecting the crystal polymorphism of silicon carbide, it is possible to obtain a desired emission color from visible light ranging from orange to purple. For example, the 4H type emits violet light with a wavelength of approximately 424 nrn, the 6H type emits blue light with a wavelength of approximately 455 nrn, and the 3C type emits blue light with a wavelength of approximately 584 nrn.
nm orange light emission is obtained. Note that the half width of the 9 emission spectrum is about 01 eV. This corresponds to a wavelength spread of about 20 nm in the blue to violet region. This broadening is due to the spectral half-width of 0.0.
1/4 compared to 4-0.5eV (70-90nm)
~115, indicating that the pn junction type light emitting diode of the present invention has extremely excellent monochromaticity. [0026] In addition, in a pn junction light emitting diode that utilizes recombination light emission involving acceptor impurities, no acceptor impurity is added to the n-type layer, so conventional donor-acceptor pair light emission in the n-type layer does not occur. do not have. However, at least near the pn junction interface of the n-type layer, only the donor impurity is added at a concentration of 1×10 18 cm −3 or more. Therefore, the electron density near the pn junction interface of the n-type layer increases, and when a forward bias voltage is applied, the efficiency of electron injection from the n-type layer to the p-type layer increases. As a result, it is thought that recombination of injected electrons and holes existing in the p-type layer occurs mainly in the p-type layer, and only light emission involving acceptor impurities in the p-type layer is obtained. . [0027]
以下に本発明の実施例について説明する。
なお、実施例1〜7では、自由励起子による再結合発光
を利用したpn接合型発光ダイオードを作製し、実施例
8〜12では、アクセプタ不純物が関与する再結合発光
を利用したpn接合型発光ダイオードを作製した。
[0028]
(実施例1)
本実施例では、6H型の5iC(禁制帯幅3.0eV)
を用いたpn接合型の紫色発光ダイオードを作製した。
[00291
図1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−3iC単結晶基板10上に順次形成されたn−3i
C単結晶層11およびp−3iC単結晶層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−3iC単結晶層12の上面には、Tiからな
るp側オーム性電極14が設けられている。
[0030]
図2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。
[0031]
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によって設置されている。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、適当に傾斜させてもよい。反応管2
1の外周囲にはワークコイル24が巻回され、高周波電
流を流すことにより、試料台22上の基板試料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。二重構造を有する
反応管21の外管内に枝管27,28を通じて冷却水を
流すことにより9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○−リング33によ
ってシールされている。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。
[0032]
本実施例のpn接合型発光ダイオードは、このような気
相成長装置を用いて。
以下のように作製された。
[0033]
まず2図2に示すように、試料台22上に、6H型のn
−3iC単結晶基板10(寸法的1cmX1cm)を基
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]方向から<11−20>方間へ
約5度傾斜した(0001)C面を用いた。
[0034]
次いで、水素ガスをキャリアガスとして、毎分lX10
4cc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に高周波電流を流してn−3iC
単結晶基板10を1,400〜1,500℃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−3iC単結晶基板10上に、n
−3iC単結晶層11 (厚さ5μm)およびp−3i
C単結晶層12(厚さ5μm)を順次成長させて、pn
接合を形成した。
[0035]
なお9本実施例では、原料ガスとして、モノシランガス
およびプロパンガスを用いた。原料ガスの流量は、いず
れも毎分約1ccとした。また、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ガスを、n型
不純物用には窒素ガスを用いた。
[0036]
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〜IOCの割合で添加した。しかし、窒
素ガスを意図的に添加することなく成長を行っても、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。窒素ガスを意図的に添加しな
かった場合、あるいは窒素ガスを上記の流量で添加した
場合には、3×1015〜1×1018cm−3の範囲
内の窒素不純物がn−3iC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。
[0037]
他方、p−3iC単結晶層12を成長させる際には、ト
リメチルアルミニウムガスを毎分約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2×1017cm−3となった。
[0038]
そして9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を選択的にエツチングして9図1
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的1mmとなった。なお、
エツチングガスとしては、四フッ化炭素ガスおよび酸素
ガスを用いた。
[0039]
最後に、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を形成し、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1図1に示すようなpn接合型
発光ダイオードを得た。
[0040]
比較のために、n−SiC単結晶層11における窒素不
純物濃度を5×1016crn”より高くしたこと以外
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。
[0041]
得られた各発光ダイオードに約3.5■の動作電圧を印
加したところ、20mAの電流が流れ、n−SiC単結
晶層11の窒素不純物濃度がいずれの値の場合にも、青
から紫色の発光が得られた。しかし、窒素不純物濃度が
5×101610l6より高い場合には1図8に示すよ
うな波長425 nmの発光過程Fによるピークと、波
長455 nrnの発光過程Eによるピークとが混在し
、単色性に劣る発光しか得られなかった。これに対し、
窒素不純物濃度が5×1016cm−3またはそれ以下
の場合には、自由励起子の再結合による発光過程Fが支
配的であり、単色性の極めて高い紫色発光が得られた。
その代表的な発光スペクトルを図3に示す。この発光ス
ペクトルの半値幅は約20nmであり、従来の炭化珪素
を用いた紫色発光ダイオードの発光スペクトルの半値幅
の約1/4であった。
[0042]
(実施例2)
本実施例では2図4に示すように、n−3iC単結晶層
11を、n−3iC単結晶基板11上に順次形成された
第1のn−3iC単結晶層111(厚さ4μm窒素不純
物濃度約1×1018cm−3)と、第2のn−3iC
単結晶層112(厚さ1μm、窒素不純物濃度5×10
16cm−3またはそれ以下)とから構成したこと以外
は、実施例1と同様にして、単色性に優れた波長425
nm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。
[00431
本実施例のpn接合型発光ダイオードでは、pn接合界
面に隣接するn−3iC単結晶層112の不純物濃度の
みを、5×1016cm−3またはそれ以下とじている
。したがって、pn接合から離れたn−3iC単結晶層
111は、不純物濃度が高いので低抵抗となり、20m
Aの電流を流すのに必要な動作電圧が約3゜5vから約
3.2vに減少した。
[0044]
(実施例3)
本実施例では、4H型の5iC(禁制帯幅3.2eV)
単結晶を用いたこと以外は、実施例1と全く同様にして
、スペクトル半値幅の小さい波長394 nmの紫外光
発光が可能なpn接合型発光ダイオードを作製した。
[0045]
(実施例4)
本実施例では、15R型の5iC(禁制帯幅3゜0eV
)単結晶を用いたこと以外は、実施例1と全く同様にし
て、スペクトル半値幅の小さい波長432 nm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。
[0046]
(実施例5)
本実施例では、21R型の5iC(禁制帯幅2.8eV
)単結晶を用いたこと以外は、実施例1と全く同様にし
て、スペクトル半値幅の小さい波長453 nm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。
[0047]
(実施例6)
本実施例では、3C型の5iC(つまり、β−3iC:
禁制帯幅2.4eV)単結晶を用いたこと以外は、実施
例1とほぼ同様にして、スペクトル半値幅の小さい波長
544 nmの緑色発光が可能pn接合型発光ダイオー
ドを作製した。なお、基板の成長面としては、その面方
位が[111]方向がら<110>方向へ約5度傾斜し
た(111)C面を用いた。
[0048]
(実施例7)
本実施例では、6H型のn−3iC単結晶基板を用い、
その実質的な(0001)Si面上にn−SiC単結晶
層11およびp−3iC単結晶層12を形成したこと以
外は、実施例1と全く同様にして、pn接合型発光ダイ
オードを作製した。
[0049]
得られた発光ダイオードの発光特性を調べたところ9図
5の代表的な発光スペクトルに示すように、波長425
nmの発光過程F以外に、波長455 nmの発光過
程Eによる発光ピークがわずかに見られたが、従来の炭
化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードに比べて単色
性に優れた紫色発光が得られた。
[00501
(実施例8)
本実施例では、6H型の5iC(禁制帯幅3,0eV)
を用いたpn接合型の青色発光ダイオードを作製した。
[00511
本実施例のpn接合型発光ダイオードは1図1に示す実
施例1のpn接合型発光ダイオードと同様の構造を有す
る。つまり9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−SiC単
結晶層11およびp−3iC単結晶層12から構成され
ている。そして、n−SiC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−5iC単結晶層12の上面には、Tiからなる
p側オーム性電極14が設けられている。
[0052]
本実施例のpn接合型発光ダイオードは9図2の気相成
長装置を用いて、以下のように作製された。
[0053]
まず2図2に示すように、試料台22上に、6H型のn
−SiC単結晶基板10(寸法的1cmX1cm)を基
板試料25として載置した。基板の成長面としでは、そ
の面方位が[0001]方向から<11−20>方向へ
約5度傾斜した(0001)C面を用いた。
[0054]
次いで、水素ガスをキャリアガスとして、毎分1×10
CC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に高周波電流を流してn−3i
C単結晶基板10を1,400〜1,500℃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−3iC単結晶基板10上に、n−5iC単
結晶層11 (厚さ5μm)およびp−3iC単結晶層
12 (厚さ5μm)を順次成長させて、pn接合を形
成した。
[0055]
なお9本実施例では、原料ガスとして、モノシランガス
およびプロパンガスを用いた。原料ガスの流量は、いず
れも毎分約leeとした。また、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ガスを、n型
不純物用には窒素ガスを用いた。
[0056]
n−3iC単結晶層11を成長させる際には、窒素ガス
を毎分0.05〜10ccの割合で添加した。この不純
物添加により、5xlO〜lX1019cm−3の範囲
内の窒素不純物がn−5iC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。
[0057]
他方、p−3iC単結晶層12を成長させる際には、ト
リメチルアルミニウムガスを毎分約0.2ccの割合で
添加した。この不純物添加により、p−5iC単結晶層
12のホール濃度は約2×1017cm−3となった。
[0058]
そして7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−SiC単結晶層11およびp
−3iC単結晶層12を選択的にエツチングして9図1
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的1mmとなった。なお、
エツチングガスとしては、四フッ化炭素ガスおよび酸素
ガスを用いた。
[0059]
最後に、n−5iC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を形成し、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9図1に示すようなpn接合型
発光ダイオードを得た。
[00601
比較のために、n−3iC単結晶層11における窒素不
純物濃度をlX1018cm−3より低くしたこと以外
は、上記実施例と同様にして、pnn接合全発光ダイオ
ード作製した。Examples of the present invention will be described below. In Examples 1 to 7, pn junction light emitting diodes were fabricated using recombinant light emission due to free excitons, and in Examples 8 to 12, pn junction light emitting diodes were fabricated using recombination light emission involving acceptor impurities. I made a diode. [0028] (Example 1) In this example, 6H type 5iC (forbidden band width 3.0 eV)
A pn junction type violet light emitting diode was fabricated using this method. [00291] FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the pn junction type light emitting diode of this example. The pn junction involved in light emission is an n-3i junction formed sequentially on a 6H type n-3iC single crystal substrate 10.
It is composed of a C single crystal layer 11 and a p-3iC single crystal layer 12. Then, on the back surface of the n-3iC single crystal substrate 10, an n-side ohmic electrode 13 made of Ni is provided,
On the other hand, a p-side ohmic electrode 14 made of Ti is provided on the upper surface of the p-3iC single crystal layer 12. [0030] FIG. 2 is a schematic diagram of the vapor phase growth apparatus used in this example. First, this vapor phase growth apparatus will be explained. [0031] A sample stage 22 is installed with a support rod 23 inside the double-structured quartz reaction tube 21. Both the sample stand 22 and the support rod 23 are made of graphite. The sample stage 22 may be installed horizontally or may be appropriately inclined. Reaction tube 2
A work coil 24 is wound around the outer periphery of the sample 1, and a substrate sample 25 on the sample stage 22 can be heated to a predetermined temperature by passing a high frequency current. A branch pipe 26 is provided on one side of the reaction tube 21 to serve as an inlet for raw material gas, carrier gas, and impurity gas. The nine reaction tubes 21 can be cooled by flowing cooling water through the branch pipes 27 and 28 into the outer tube of the reaction tube 21 having a double structure. The other end of the reaction tube 21 is closed with a stainless steel flange 29, and a stop plate 30 is provided around the periphery of the flange 29.
, bolt 31. Natsu 32. and is sealed by a ○-ring 33. A branch pipe 34 is provided near the center of the flange 29, and the above gas is passed through this branch pipe 34.
is discharged through. [0032] The pn junction type light emitting diode of this example was produced using such a vapor phase growth apparatus. It was made as follows. [0033] First, as shown in FIG. 2, a 6H type n
A -3iC single crystal substrate 10 (dimensions: 1 cm x 1 cm) was placed as a substrate sample 25. As the growth plane of the substrate, a (0001) C plane whose plane orientation was inclined by about 5 degrees from the [0001] direction to the <11-20> direction was used. [0034] Next, using hydrogen gas as a carrier gas,
While flowing from the branch pipe 26 into the reaction tube 21 at a rate of 4 cc, a high frequency current is passed through the work coil 4 to generate n-3iC.
Single crystal substrate 10 was heated to 1,400 to 1,500°C. Then, by adding source gas and impurity gas to the carrier gas, n
-3iC single crystal layer 11 (thickness 5 μm) and p-3i
A C single crystal layer 12 (thickness 5 μm) is grown sequentially to form a pn
A junction was formed. [0035] In this example, monosilane gas and propane gas were used as raw material gases. The flow rate of the raw material gas was approximately 1 cc per minute in both cases. In addition, as an impurity gas,
Trimethylaluminum gas was used for p-type impurities, and nitrogen gas was used for n-type impurities. [0036] When growing the n-3iC single crystal layer 11, nitrogen gas was added at a rate of 0.01 to IOC per minute. However, even if growth is performed without intentionally adding nitrogen gas, residual nitrogen gas in the atmosphere will cause n-3iC to grow.
A single crystal layer 11 was obtained. If nitrogen gas is not intentionally added or if nitrogen gas is added at the above flow rate, nitrogen impurities within the range of 3 x 1015 to 1 x 1018 cm-3 will be added to the n-3iC single crystal layer 11. introduced,
Moreover, a carrier concentration almost the same as the impurity concentration was obtained at room temperature. [0037] On the other hand, when growing the p-3iC single crystal layer 12, trimethylaluminum gas was added at a rate of about 0.2 cc per minute. Due to this addition of impurities, the hole concentration in the p-3iC single crystal layer 12 was approximately 2×10 17 cm −3 . [0038] Then, the substrate sample 25 is taken out from the 9 reaction tube 21, and the n-3iC single crystal layer 11 and p
-3iC single-crystal layer 12 is selectively etched.
A mesa structure as shown in Figure 1 was formed. This etching resulted in a pn junction having a diameter of 1 mm. In addition,
As etching gas, carbon tetrafluoride gas and oxygen gas were used. [0039]Finally, an n-side ohmic electrode 13 made of Ni is formed on the back surface of the n-3iC single crystal substrate 10, and a p-side ohmic electrode 13 made of Ti is formed on the top surface of the p-3iC single crystal layer 12. Electrode 1
By forming 4, a pn junction type light emitting diode as shown in FIG. 1 was obtained. [0040] For comparison, a pn junction light emitting diode was fabricated in the same manner as in the above example except that the nitrogen impurity concentration in the n-SiC single crystal layer 11 was made higher than 5 x 1016 crn''. ] When an operating voltage of approximately 3.5 μ was applied to each of the obtained light emitting diodes, a current of 20 mA flowed, and the color ranged from blue to purple regardless of the nitrogen impurity concentration of the n-SiC single crystal layer 11. However, when the nitrogen impurity concentration is higher than 5 x 101610 l6, a peak due to the emission process F at a wavelength of 425 nm and a peak due to the emission process E at a wavelength of 455 nm, as shown in Figure 8, are obtained. The light emission was mixed and the light emission was inferior to monochromaticity.On the other hand,
When the nitrogen impurity concentration was 5×10 16 cm −3 or lower, the luminescence process F due to recombination of free excitons was dominant, and extremely monochromatic violet luminescence was obtained. A typical emission spectrum is shown in FIG. The half-value width of this emission spectrum was about 20 nm, which was about 1/4 of the half-value width of the emission spectrum of a conventional violet light-emitting diode using silicon carbide. [0042] (Example 2) In this example, as shown in FIG. layer 111 (thickness 4 μm nitrogen impurity concentration approximately 1×10 18 cm −3 ) and a second n-3iC
Single crystal layer 112 (thickness 1 μm, nitrogen impurity concentration 5×10
In the same manner as in Example 1, except that the wavelength 425 with excellent monochromaticity was
A pn junction light emitting diode capable of emitting violet light of nm wavelength was fabricated. [00431] In the pn junction type light emitting diode of this example, only the impurity concentration of the n-3iC single crystal layer 112 adjacent to the pn junction interface is limited to 5 x 1016 cm-3 or less. Therefore, the n-3iC single crystal layer 111 located away from the pn junction has a high impurity concentration, so it has low resistance, and
The operating voltage required to carry a current of A was reduced from about 3.5 volts to about 3.2 volts. [0044] (Example 3) In this example, 4H type 5iC (forbidden band width 3.2 eV)
A pn junction light emitting diode capable of emitting ultraviolet light at a wavelength of 394 nm with a small spectral half width was produced in exactly the same manner as in Example 1 except that a single crystal was used. [0045] (Example 4) In this example, 15R type 5iC (forbidden band width 3°0eV
) A pn junction light emitting diode capable of emitting violet light at a wavelength of 432 nm with a small spectral half width was produced in the same manner as in Example 1 except that a single crystal was used. [0046] (Example 5) In this example, 21R type 5iC (forbidden band width 2.8 eV
) A pn junction light emitting diode capable of emitting blue light at a wavelength of 453 nm with a small spectral half width was produced in the same manner as in Example 1 except that a single crystal was used. [0047] (Example 6) In this example, 3C type 5iC (that is, β-3iC:
A pn junction light emitting diode capable of emitting green light at a wavelength of 544 nm with a small spectral half width was produced in substantially the same manner as in Example 1, except that a single crystal with a forbidden band width of 2.4 eV was used. Note that as the growth surface of the substrate, a (111) C plane whose plane orientation was inclined by about 5 degrees from the [111] direction to the <110> direction was used. [0048] (Example 7) In this example, a 6H type n-3iC single crystal substrate was used,
A pn junction light emitting diode was manufactured in exactly the same manner as in Example 1, except that an n-SiC single crystal layer 11 and a p-3iC single crystal layer 12 were formed on the substantial (0001) Si plane. . [0049] When the light emission characteristics of the obtained light emitting diode were investigated, it was found that the wavelength was 425, as shown in the typical emission spectrum of FIG. 9.
In addition to the emission process F at wavelength 455 nm, a slight emission peak due to emission process E at a wavelength of 455 nm was observed, but the violet emission with excellent monochromaticity was obtained compared to conventional pn junction light emitting diodes using silicon carbide. It was done. [00501 (Example 8) In this example, 6H type 5iC (forbidden band width 3.0 eV)
A pn junction blue light emitting diode was fabricated using the following method. [00511] The pn junction type light emitting diode of this example has the same structure as the pn junction type light emitting diode of example 1 shown in FIG. In other words, the pn junction involved in 9 light emission is the 6H type n-
It is composed of an n-SiC single-crystal layer 11 and a p-3iC single-crystal layer 12 that are sequentially formed on a 5iC single-crystal substrate 10. An n-side ohmic electrode 13 made of Ni is provided on the back surface of the n-SiC single crystal substrate 10, while a p-side ohmic electrode 14 made of Ti is provided on the top surface of the p-5iC single crystal layer 12. is provided. [0052] The pn junction type light emitting diode of this example was manufactured as follows using the vapor phase growth apparatus shown in FIG. [0053] First, as shown in FIG. 2, a 6H type n
-SiC single crystal substrate 10 (dimensions: 1 cm x 1 cm) was placed as substrate sample 25. As the growth plane of the substrate, a (0001) C plane whose plane orientation was inclined by about 5 degrees from the [0001] direction to the <11-20> direction was used. [0054] Then, using hydrogen gas as a carrier gas, the rate of 1×10
A high-frequency current is passed through the work coil 4 while flowing from the branch pipe 26 into the reaction tube 21 at a rate of CC.
C single crystal substrate 10 was heated to 1,400 to 1,500°C. and. By adding raw material gas and impurity gas to the carrier gas, an n-5iC single crystal layer 11 (thickness: 5 μm) and a p-3iC single crystal layer 12 (thickness: 5 μm) are sequentially formed on the n-3iC single crystal substrate 10. was grown to form a pn junction. [0055] In this example, monosilane gas and propane gas were used as raw material gases. The flow rate of the raw material gas was approximately lee per minute in both cases. In addition, as an impurity gas,
Trimethylaluminum gas was used for p-type impurities, and nitrogen gas was used for n-type impurities. [0056] When growing the n-3iC single crystal layer 11, nitrogen gas was added at a rate of 0.05 to 10 cc per minute. By this impurity addition, nitrogen impurities within the range of 5xlO to lx1019 cm-3 are introduced into the n-5iC single crystal layer 11,
Moreover, a carrier concentration almost the same as the impurity concentration was obtained at room temperature. [0057] On the other hand, when growing the p-3iC single crystal layer 12, trimethylaluminum gas was added at a rate of about 0.2 cc per minute. By adding this impurity, the hole concentration of the p-5iC single crystal layer 12 was approximately 2×10 17 cm −3 . [0058] Then, the substrate sample 25 is taken out from the 7 reaction tube 21, and the n-SiC single crystal layer 11 and the p-SiC single crystal layer 11 are etched by dry etching.
-3iC single-crystal layer 12 is selectively etched.
A mesa structure as shown in Figure 1 was formed. This etching resulted in a pn junction having a diameter of 1 mm. In addition,
As etching gas, carbon tetrafluoride gas and oxygen gas were used. [0059] Finally, an n-side ohmic electrode 13 made of Ni is formed on the back surface of the n-5iC single crystal substrate 10, and a p-side ohmic electrode 13 made of Ti is formed on the top surface of the p-3iC single crystal layer 12. Electrode 1
By forming 4, a pn junction type light emitting diode as shown in FIG. 1 was obtained. [00601 For comparison, a pnn junction all-light emitting diode was fabricated in the same manner as in the above example except that the nitrogen impurity concentration in the n-3iC single crystal layer 11 was lower than 1×10 18 cm −3 .
【006月
得られた各発光ダイオードに約3.2■の動作電圧を印
加したところ、20mAの電流が流れ、n−3iC単結
晶層11の窒素不純物濃度がいずれの値の場合にも、青
から紫色の発光が得られた。しかし、窒素不純物濃度が
1×10180m−3より低い場合には9図8に示すよ
うな波長425 nrnの発光過程Fによるピークと、
波長455 nrnの発光過程Eによるピークとが混在
し、単色性に劣る発光しか得られなかった。これに対し
、窒素不純物濃度が1×1018cm−3またはそれ以
上の場合には、アルミニウム不純物が関与する発光過程
Eが支配的であり。
単色性の極めて高い青色発光が得られた。その代表的な
発光スペクトルを図6に示す。この発光スペクトルの半
値幅は約20nmであり、従来の炭化珪素を用いた青色
発光ダイオードの発光スペクトルの半値幅の約1/4で
あった。
[0062]
(実施例9)
本実施例では、実施例2のpn接合型発光ダイオードと
同様1図4に示すように、n−3iC単結晶層11を、
n−3iC単結晶基板10上に順次形成された第1のn
−3iC単結晶層111 (厚さ4μrn、窒素不純物
濃度1×1018cm−3またはそれ以下)と、第2の
n−5iC単結晶層112(厚さ1μm、窒素不純物濃
度I X 1018c m−3またはそれ以上)とから
構成したこと以外は、実施例8と同様にして、単色性に
優れた波長455 nm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。
[00631
本実施例のpn接合型発光ダイオードでは、pn接合界
面に隣接するn−3iC単結晶層112の不純物濃度の
みを1×1018cm−3またはそれ以上としている。
したがって、pn接合から離れたn−5iC単結晶層1
11は、不純物濃度が低いので結晶性が向上し、実施例
8のpn接合型発光ダイオードに比べて輝度が約50%
増大した。
[0064]
(実施例10)
本実施例では、4H型の5iC(禁制帯幅3.2eV)
単結晶を用いたこと以外は、実施例8と全く同様にして
、スペクトル半値幅の小さい波長424nm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。
[0065]
(実施例11)
本実施例では、3C型の5iC(つまり、β−3iC:
禁制帯幅2.4eV)単結晶を用いたこと以外は、実施
例8とほぼ同様にして、スペクトル半値幅の小さい波長
584 nmの橙色発光が可能なpn接合型発光ダイオ
ードを作製した。
なお、基板の成長面としては、その面方位が[111]
方向から<110>方向へ約5度傾斜した(111)C
面を用いた。
[0066]
(実施例12)
本実施例では、6H型のn−3iC単結晶基板を用い、
その実質的な(0001)Si面上にn−3iC単結晶
層11およびp−3iC単結晶層12を形成したこと以
外は、実施例8と全く同様にして、pn接合型発光ダイ
オードを作製した。なお、基板の成長面としては、その
面方位が[0001]方向がらく11−20>方向へ約
5度傾斜した面を用いた。
[0067]
得られた発光ダイオードの発光特性を調べたところ9図
7の代表的な発光スペクトルに示すように、波長455
nmの発光過程E以外に、波長425 nmの発光過
程Fによる発光ピークが見られたが、従来の炭化珪素を
用いたpn接合型発光ダイオードに比べて単色性に優れ
た青色発光が得られた。
[0068]
【発明の効果】
本発明によれば、これまで実現されてぃなかったスペク
トル半値幅が小さく単色性に優れた橙から紫色の可視光
、あるいは緑から紫色の可視光または近紫外光を高効率
で安定に発光し得る発光ダイオードを、制御性および量
産性よく製造することができる。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
2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9発光
ダイオードの応用分野が飛躍的に拡大される。When an operating voltage of about 3.2μ was applied to each of the light emitting diodes obtained in June, a current of 20mA flowed, and no matter what the nitrogen impurity concentration of the n-3iC single crystal layer 11 was, blue light was generated. Violet luminescence was obtained. However, if the nitrogen impurity concentration is lower than 1 x 10180 m-3, a peak due to the emission process F at a wavelength of 425 nrn as shown in Figure 8,
A peak due to emission process E at a wavelength of 455 nrn was mixed, and only light emission with poor monochromaticity was obtained. On the other hand, when the nitrogen impurity concentration is 1×10 18 cm −3 or higher, the luminescence process E involving aluminum impurities is dominant. Extremely monochromatic blue light emission was obtained. A typical emission spectrum is shown in FIG. The half width of this emission spectrum was about 20 nm, which was about 1/4 of the half width of the emission spectrum of a conventional blue light emitting diode using silicon carbide. [0062] (Example 9) In this example, like the pn junction type light emitting diode of Example 2, as shown in FIG. 4, the n-3iC single crystal layer 11 was
The first n
-3iC single crystal layer 111 (thickness 4 μrn, nitrogen impurity concentration 1×1018 cm−3 or less) and a second n-5iC single crystal layer 112 (thickness 1 μm, nitrogen impurity concentration I×1018 cm−3 or less). A pn junction light emitting diode capable of emitting blue light at a wavelength of 455 nm with excellent monochromaticity was fabricated in the same manner as in Example 8, except that it was constructed from the following. [00631] In the pn junction type light emitting diode of this example, only the impurity concentration of the n-3iC single crystal layer 112 adjacent to the pn junction interface is set to 1 x 1018 cm-3 or more. Therefore, the n-5iC single crystal layer 1 away from the pn junction
In No. 11, the impurity concentration is low, so the crystallinity is improved, and the brightness is about 50% compared to the pn junction type light emitting diode of Example 8.
It increased. [0064] (Example 10) In this example, 4H type 5iC (forbidden band width 3.2 eV)
A pn junction light emitting diode capable of emitting violet light at a wavelength of 424 nm with a small spectral half width was produced in exactly the same manner as in Example 8 except that a single crystal was used. [0065] (Example 11) In this example, 3C type 5iC (that is, β-3iC:
A pn junction light emitting diode capable of emitting orange light at a wavelength of 584 nm with a small spectral half width was fabricated in substantially the same manner as in Example 8, except that a single crystal with a forbidden band width of 2.4 eV was used. Note that the growth plane of the substrate has a plane orientation of [111]
(111)C tilted approximately 5 degrees from the direction to the <110> direction
I used a surface. [0066] (Example 12) In this example, a 6H type n-3iC single crystal substrate was used,
A pn junction light emitting diode was produced in exactly the same manner as in Example 8, except that an n-3iC single crystal layer 11 and a p-3iC single crystal layer 12 were formed on the substantial (0001) Si plane. . As the growth surface of the substrate, a surface whose plane orientation was inclined by about 5 degrees from the [0001] direction toward the Raku11-20> direction was used. [0067] When the light emitting characteristics of the obtained light emitting diode were investigated, it was found that the wavelength of 455
In addition to the emission process E at wavelength 425 nm, an emission peak due to emission process F at a wavelength of 425 nm was observed, but blue emission with superior monochromaticity was obtained compared to conventional pn junction light emitting diodes using silicon carbide. . [0068] [Effects of the Invention] According to the present invention, visible light from orange to violet, visible light from green to violet, or near ultraviolet light with a small spectral half-width and excellent monochromaticity, which has not been realized so far, can be produced. A light emitting diode capable of stably emitting light with high efficiency can be manufactured with good controllability and mass production. Such light-emitting diodes make it possible, for example, to make the display parts of various display devices multicolored, and to increase the speed and density of information recording and reading in various information processing devices that use the light-emitting diodes as light sources. Furthermore, since mass production is possible, the field of application of the 9-light emitting diode is dramatically expanded.
【図1】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
一実施例の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an embodiment of a pn junction type light emitting diode using silicon carbide of the present invention.
【図2】
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。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a vapor phase growth apparatus used for manufacturing a pn junction type light emitting diode using silicon carbide of the present invention.
【図3】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
うち、自由励起子による再結合発光を利用した一実施例
の代表的な発光スペクトルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a typical emission spectrum of an example of a pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention, which utilizes recombination light emission due to free excitons.
【図4】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
他の実施例の構造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of another embodiment of a pn junction type light emitting diode using silicon carbide of the present invention.
【図5】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
うち、自白励起子による再結合発光を利用した他の実施
例の代表的な発光スペクトルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a typical emission spectrum of another example of the pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention, which utilizes recombination light emission by self-excitons.
【図6】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
うち、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利用し
た一実施例の代表的な発光スペクトルを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a typical emission spectrum of an example of a pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention, which utilizes recombination emission involving acceptor impurities.
【図7】
本発明の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオードの
うち、アクセプタ不純物が関与する再結合発光を利用し
た他の実施例の代表的な発光スペクトルを示す図である
。FIG. 7 is a diagram showing a typical emission spectrum of another example of the pn junction light emitting diode using silicon carbide of the present invention, which utilizes recombination emission involving acceptor impurities.
【図8】
従来の炭化珪素を用いたpn接合型発光ダイオ−である
。FIG. 8 is a conventional pn junction type light emitting diode using silicon carbide.
Ion−3iC単結晶基板 11n−3iC単結晶層 12p−5iC単結晶層 13 n側オーム性電極 14 p側オーム性電極 21 反応管 22 試料台 25 基板試料 111 第1J)n−3iC単結晶層 112 第2のn−3iC単結晶層 ドの発光スペクトルを示す図 Ion-3iC single crystal substrate 11n-3iC single crystal layer 12p-5iC single crystal layer 13 N-side ohmic electrode 14 P-side ohmic electrode 21 Reaction tube 22 Sample stage 25 Substrate sample 111 1st J) n-3iC single crystal layer 112 Second n-3iC single crystal layer Diagram showing the emission spectrum of
図面 drawing
【図1】[Figure 1]
【図2】[Figure 2]
【図3】[Figure 3]
【図4】[Figure 4]
【図5】[Figure 5]
【図6】[Figure 6]
【図7】 1図8】[Figure 7] 1 Figure 8]
Claims (8)
ドであって、発光に関与するpn接合を構成する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
のみを5×10^1^6cm^−^3またはそれ以下の
濃度で添加することにより、自由励起子の再結合による
発光のみを実質的に利用した、pn接合型発光ダイオー
ド。1. A pn junction type light emitting diode using silicon carbide, wherein substantially only donor impurities are added at least in the vicinity of the pn junction interface at 5×10^1 in the n-type layer constituting the pn junction involved in light emission. A pn junction type light emitting diode that substantially utilizes only light emission due to recombination of free excitons by doping at a concentration of ^6cm^-^3 or lower.
成された第1のn型層と、その上に形成された第2のn
型層とから構成され、第1のn型層におけるドナー不純
物濃度が5×10^1^6cm^−^3またはそれ以下
であるのに対し、第2のn型層におけるドナー不純物濃
度が5×10^1^6cm^−^3またはそれ以上であ
る、請求項1に記載のpn接合型発光ダイオード。2. The n-type layer includes a first n-type layer formed adjacent to a p-n junction interface and a second n-type layer formed thereon.
The donor impurity concentration in the first n-type layer is 5×10^1^6 cm^-^3 or less, while the donor impurity concentration in the second n-type layer is 5. The pn junction type light emitting diode according to claim 1, wherein the pn junction type light emitting diode is x10^1^6 cm^-^3 or more.
型、21R型、および3C型からなる群から選択された
結晶多形である、請求項1に記載のpn接合型発光ダイ
オード。3. The silicon carbide is of 4H type, 6H type, 15R type.
2. The pn junction type light emitting diode according to claim 1, wherein the pn junction type light emitting diode is a crystal polymorph selected from the group consisting of type 21R type, and type 3C.
層が、六方晶系の炭化珪素単結晶からなる基板の実質的
な(0001)C面上に形成されている、請求項1に記
載のpn接合型発光ダイオード。4. The n-type layer or the p-type layer constituting the p-n junction is formed on a substantial (0001) C-plane of a substrate made of a hexagonal silicon carbide single crystal. The pn junction type light emitting diode described in .
ドであって、発光に関与するpn接合を構成するp型層
にはアクセプタ不純物を添加し、n型層の少なくともp
n接合界面近傍には、実質的にドナー不純物のみを1×
10^1^8cm^−^3またはそれ以上の濃度で添加
することにより、これらのアクセプタ不純物が関与する
再結合発光のみを実質的に利用した、pn接合型発光ダ
イオード。5. A pn junction type light emitting diode using silicon carbide, wherein an acceptor impurity is added to the p-type layer constituting the pn junction involved in light emission, and at least the p-type layer of the n-type layer is doped with an acceptor impurity.
In the vicinity of the n-junction interface, substantially only donor impurities are added at 1×
A pn junction light emitting diode which substantially utilizes only recombination light emission involving these acceptor impurities by doping them at a concentration of 10^1^8 cm^-^3 or more.
成された第1のn型層と、その上に形成された第2のn
型層とから構成され、第1のn型層におけるドナー不純
物濃度が1×10^1^8cm^−^3またはそれ以上
であるのに対し、第2のn型層におけるドナー不純物濃
度が1×10^1^8cm^−^3またはそれ以下であ
る、請求項5に記載のpn接合型発光ダイオード。6. The n-type layer includes a first n-type layer formed adjacent to a p-n junction interface and a second n-type layer formed thereon.
The first n-type layer has a donor impurity concentration of 1×10^1^8cm^-^3 or more, while the second n-type layer has a donor impurity concentration of 1. 6. The pn junction type light emitting diode according to claim 5, which has a size of x10^1^8 cm^-^3 or less.
3C型からなる群から選択された結晶多形である、請求
項5に記載のpn接合型発光ダイオード。7. The pn junction type light emitting diode according to claim 5, wherein the silicon carbide is a crystal polymorph selected from the group consisting of 4H type, 6H type, and 3C type.
層が、六方晶系の炭化珪素単結晶からなる基板の実質的
な(0001)C面上に形成されている、請求項5に記
載のpn接合型発光ダイオード。8. Claim 5, wherein the n-type layer or p-type layer constituting the p-n junction is formed on a substantial (0001) C-plane of a substrate made of a hexagonal silicon carbide single crystal. The pn junction type light emitting diode described in .
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
JP18446390 | 1990-07-11 | ||
JP2-184464 | 1990-07-11 | ||
JP2-184463 | 1990-07-11 | ||
JP2406598A JPH0471278A (en) | 1990-07-11 | 1990-12-26 | Pn junction type light emitting diode using silicon carbide |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0471278A true JPH0471278A (en) | 1992-03-05 |
Family
ID=26502511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2406598A Pending JPH0471278A (en) | 1990-05-18 | 1990-12-26 | Pn junction type light emitting diode using silicon carbide |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0471278A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5416342A (en) * | 1993-06-23 | 1995-05-16 | Cree Research, Inc. | Blue light-emitting diode with high external quantum efficiency |
JP2013175674A (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-05 | Nano Material Kenkyusho:Kk | Semiconductor device |
EA026538B1 (en) * | 2011-12-22 | 2017-04-28 | Роквул Интернэшнл А/С | Plant growth substrate |
-
1990
- 1990-12-26 JP JP2406598A patent/JPH0471278A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5416342A (en) * | 1993-06-23 | 1995-05-16 | Cree Research, Inc. | Blue light-emitting diode with high external quantum efficiency |
EA026538B1 (en) * | 2011-12-22 | 2017-04-28 | Роквул Интернэшнл А/С | Plant growth substrate |
JP2013175674A (en) * | 2012-02-27 | 2013-09-05 | Nano Material Kenkyusho:Kk | Semiconductor device |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20010808 |