JPH0513812A

JPH0513812A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH0513812A
Application number: JP3164622A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Fujii; 良久藤井; Hajime Saito; 肇斉藤; Akira Suzuki; 彰鈴木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1993-01-22

Abstract

(57)【要約】【目的】マウント時の歩留りがよく、コストの底廉価
が図れ、しかも外部発光効率を向上できるようにする。【構成】ｎ型炭化珪素基板１の上にｎ型炭化珪素層２
及びｐ型炭化珪素層３がこの順に形成され、該炭化珪素
基板１側から該ｐ型炭化珪素層３へ向かって発光し、か
つ、ｐ型炭化珪素層３に対して形成したオーム性電極が
光透過性のある金属膜７からなっている。よって、ｐ型
炭化珪素層３側から光が外部へ出るため、ｎ型炭化珪素
基板１側をマウントさせることができる。また、ｐ型炭
化珪素層３の上が光透過性を有する金属膜７からなって
いるので、従来必要であった厚肉の低抵抗ｐ型炭化珪素
層を不要にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素を用いたｐｎ
接合型の発光ダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記発光ダイオードとしては、従来、赤
から緑色の長波長可視光タイプのものが広く実用化され
ているが、緑から紫色の短波長可視光タイプのものは輝
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。

【０００３】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おり、ｐｎ接合型の
短波長可視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。炭化珪素を用いた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
層に窒素ドナーおよびアルミニウムアクセプタが添加さ
れて発光ダイオードとして作製される。

【０００４】また、最近においては、本発明者らは、ド
ナー・アクセプタ対発光以外の発光機構を用いた紫色か
ら純青色のｐｎ接合型の発光ダイオードを提案している
（特願平２−１８４４６３号、特願平２−１８４４６４
号、特願平２−２９６５２９号、特願平２−４０６５９
８号等）。

【０００５】上述したいずれの発光機構を用いる発光ダ
イオードにおいても、その基本構造部は図３の様なもの
が用いられている。即ち、製造の容易な光透過性の優れ
たｎ型炭化珪素基板４１上にｎ型炭化珪素層４２、ｐ型
炭化珪素層４３をこの順に成長させたものを用いてい
る。そして、この基本構成部を用いて図４あるいは図５
に示す構造の発光ダイオードが作製される。

【０００６】図４の発光ダイオードでは、チップサイズ
とほぼ同じ面積をもつｐ型炭化珪素層４３に対して広面
積のオーム性電極４４を設けると共に、ｎ型炭化珪素基
板４１に対して狭面積のオーム性電極４６を設け、ｎ型
炭化珪素基板４１を上部として両電極４４、４６の間に
順方向電流を流すことにより、発光層として機能するｐ
型炭化珪素層４３から発した光をｎ型炭化珪素層４２及
びｎ型炭化珪素基板４１を通して取り出すように構成さ
れている。

【０００７】一方、図５の発光ダイオードでは、ｐ型炭
化珪素層４３上の全面に低抵抗のｐ型炭化珪素層４５
を、更にその上にチップサイズよりは小さなオーム性電
極４４を設け、反対側のｎ型炭化珪素基板４１に対して
オーム性電極４６を設けている。上記オーム性電極４６
は基板４１の２端縁部と内側２箇所の計４箇所に狭幅に
形成され、両電極４６、４４の間に順方向の電流を通電
すると、低抵抗ｐ型炭化珪素層４５の存在により、電流
が矢印で示すように全チップ域に広がり、ｐ型炭化珪素
層４３及び低抵抗ｐ型炭化珪素層４５を通して、上部か
ら光を取り出す構成となっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４の
構造の場合は、基板４１上に成長させたｎ型炭化珪素層
４２及びｐ型炭化珪素層４３を下側にしてマウントする
構造であるので、マウント面に近いｐｎ接合面を必ずパ
ッシベーションする必要があるが、チップをマウントす
る際に接合面での漏れ電流が生じやすい欠陥状態となり
やすく、歩留りが低下するという問題がある。

【０００９】一方、図５の構造の場合は、基板４１を下
側にしてマウントする構造であるため、チップのマウン
ト時の歩留りの問題はなく、他色の発光ダイオードにお
いても一般的に用いられている。しかし、低抵抗ｐ型炭
化珪素層４５で電流を広がらせる必要があるため、この
層４５の厚みとしては通常１０〜３０μｍ程度と、かな
り厚くする必要があって、この層４５の成長に要する工
程時間が非常に長くなり、コスト高が招来される。ま
た、低抵抗のｐ型炭化珪素層４５を得るためには不純物
としてのアルミニウムを多く含ませる必要があるため、
厚いこの層４５での光透過率が低下し、光取り出し効率
（外部発光効率）が低下するという問題がある。

【００１０】本発明はこのような課題を解決すべくなさ
れたものであり、マウント時の歩留りがよく、コストの
底廉価が図れ、しかも外部発光効率を向上できる発光ダ
イオードを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の発光ダイオード
は、ｎ型炭化珪素基板の上にｎ型炭化珪素層及びｐ型炭
化珪素層がこの順に形成され、該炭化珪素基板側から該
ｐ型炭化珪素層へ向かって発光し、かつ、ｐ型炭化珪素
層に対して形成したオーム性電極が光透過性のある金属
膜からなっており、これにより上記目的を達成すること
ができる。

【００１２】

【作用】本発明にあっては、炭化珪素基板側から該ｐ型
炭化珪素層へ向かって発光するように構成している。よ
って、基板側をマウントさせることができる。

【００１３】また、ｐ型炭化珪素層の上に形成したオー
ム性電極が光透過性を有する金属膜からなっているの
で、このオーム性電極の面積を広くすることにより、チ
ップ内を通る電流をチップ全域へ広げることができ、ま
た、これにより従来必要であった厚肉の低抵抗ｐ型炭化
珪素層を不要にできる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００１５】図１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、ｐｎ接合型
の青色発光タイプであり、禁制帯幅が約３．０ｌＶであ
る６Ｈ型の単結晶からなるｎ型炭化珪素基板１上に、単
結晶のｎ型炭化珪素層２および単結晶のｐ型炭化珪素層
３がこの順に形成されている。上記ｎ型炭化珪素基板１
の表面（図の下面）には、例えばＮｉからなる狭幅のｎ
側オーム性電極６が４条平行に設けられている。オーム
性電極６の形成箇所は、基板１の下面の対向する２端縁
部と、その内側の２箇所である。

【００１６】一方、ｐ型炭化珪素層３の上面には、下側
をチタン膜、上側をアルミニウム膜として積層された金
属膜７がほぼ全面に形成され、この金属膜７の上の中央
部にはアルミニウム電極８が設けられている。

【００１７】次に、この発光ダイオードの作製に用いた
気相成長装置を図２に基づいて説明する。

【００１８】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２
２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２１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（前記基板１に相当）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、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
ット３２、およびＯ−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。

【００１９】かかる構造の気相成長装置を用いた図１の
発光ダイオードの作製内容について説明する。

【００２０】まず、図２に示すように試料台２２上に、
縦横寸法が約１ｃｍ×１ｃｍである６Ｈ型の単結晶をし
たｎ型炭化珪素基板１を基板試料２５として設置した。
基板１の成長面としては、その面方位が［０００１］方
向から数１の方向へ約５度傾斜した面を用いた。

【００２１】

【数１】

【００２２】次いで、水素ガスをキャリアガスとして、
毎分１０リットルの割合で枝管２６から反応管２１の内
部へ流しながら、ワークコイル２４に高周波電流を通電
し、ｎ型炭化珪素基板１を１４００〜１５００℃に加熱
した。その状態を保持して、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型炭化珪素基板
１上に、厚さ２μｍのｎ型炭化珪素層２と、厚さ２μｍ
のｐ型炭化珪素３を順次成長させて、ｐｎ接合部を形成
した。

【００２３】この形成時においては、本実施例では上記
原料ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスおよびプ
ロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスを用いた。原料ガスの流出は、い
ずれも毎分約１ｃｃとした。また、不純物ガスとして
は、ｐ型炭化珪素層３にはトリメチルアルミニウム
（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）ガスを、ｎ型炭化珪素層２には窒素
（Ｎ₂）ガスを用いた。本条件での結晶成長速度は毎時
１〜２μｍであった。更に、ｎ型炭化珪素層２を成長さ
せる際には、窒素ガスを毎分０．０１〜１ｃｃの割合で
添加した。ｎ型炭化珪素層２のキャリア濃度は、本実施
例では窒素ガス流量を制御して１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし
た。一方、ｐ型炭化珪素層３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型炭化珪素層３の正
孔濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3となった。

【００２４】次いで、ｐｎ接合部の形成された基板１を
反応管２１から取り出し、ｐ型炭化珪素層３上に、例え
ば真空蒸着法によりチタン（Ｔｉ）膜を３０ｎｍ、アル
ミニウム（Ａｌ）膜を５０ｎｍ堆積して金属膜７を形成
した。この金属膜７はｐ側オーム性電極であり、ｐ型炭
化珪素層３との良好なオーム性を得るために、形成後に
１０００℃のアルゴン雰囲気中で５分の熱処理を行っ
た。

【００２５】次いで、ｎ型炭化珪素基板１の表面に、例
えばＮｉからなるｎ側オーム性電流６を形成し、続いて
金属膜７の上に直径が１３０μｍφのアルミニウム電極
８を形成した。その後、ダイジングにより３００μｍ角
のチップに切断して、図１に示すｐｎ接合型の発光ダイ
オードを得た。

【００２６】したがって、このような構成の発光ダイオ
ードにおいては次のような効果がある。上記アルミニウ
ム電極８とオーム性電極６との間に順方法の電流を通電
すると、炭化珪素基板１側からｐ型炭化珪素層３側へ向
かって発光する。このため、基板１側をマウントさせる
ことができ、マウントの際に問題となる漏れ電流の発生
を防止して歩留りの向上を図れる。なお、この実施例で
は金属膜７の上に、それよりも面積の小さいアルミニウ
ム電極８を形成したが、このアルミニウム電極８は必ず
しも必要ではなく、形成を省略してもよい。但し、形成
した場合には、金属膜７における電流の流れを、アルミ
ニウム電極８を中心とした放射状とすることができ、チ
ップ全体へより広げることが可能となる利点がある。

【００２７】また、ｐ型炭化珪素層３の上に形成したオ
ーム性電極が光透過性を有する金属膜７からなっている
ので、このオーム性電極の形成面積を広くすることによ
り、チップ内を通る電流をチップ全域へ広げることがで
きる。このとき、図５の場合に用いた低抵抗ｐ型炭化珪
素層４５の半導体材料では抵抗率は１０^-1〜１０^-2Ωｃ
ｍ台であり、この層４５の厚みを最小限必要な３０μｍ
としてもシート抵抗はせいぜい３Ω／口程度の値にしか
下がらない。これに対して、チタンやアルミニウムなど
の金属材料の抵抗率は１０^-6Ωｃｍ台程度であり、厚み
を薄くしても半導体材料と同程度のシート抵抗を得るこ
とができる。特に、チタン膜とアルミニウム膜とを積層
した金属膜７の場合には、半導体材料の１／３０００の
厚みの１０ｎｍもあれば充分である。

【００２８】なお、金属膜７の各膜の厚みとしては、チ
タン膜については３ｎｍ以上２００ｎｍ以下とし、アル
ミニウム膜については１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とす
る。その理由は、下限を下回るとシート抵抗の確保が困
難となり、上限を上回ると光の透過性が悪化するためで
ある。従って、このような薄い金属膜７を用いることに
より電流のチップ全域への広がを確保でき、また金属膜
７を通しての光取り出しも可能となって、従来必要であ
った厚肉の低抵抗ｐ型炭化珪素層を不要にできる。

【００２９】更に、このｐ型炭化珪素層が不要となるの
で、外部発光効率を向上させることができ、しかもその
層の形成に要する時間だけ工程時間の短縮を図れ、コス
トを低廉にできる。このことを、以下のようにして図５
と同様な構成に作製した比較例と対比して具体的に説明
する。

【００３０】比較例の発光ダイオードを次のようにして
作製した。図５に示すように単結晶のｐ型炭化珪素層４
３までが基板４１上に形成されたものをＣＶＤ装置にセ
ットし、トリメチルアルミニウムガスを毎分約０．８ｃ
ｃの割合で添加することにより、ｐ型炭化珪素層４３の
上に正孔濃度が約５×１０¹⁸ｃｍ^-3の単結晶をした低抵
抗ｐ型炭化珪素層４５を、１０μｍの厚さに成長させ
た。このとき、結晶成長速度が約１〜２μｍ／時であ
り、５〜１０時間の成長時間を要した。更に、低抵抗ｐ
型炭化珪素層４５の上に、１３０μｍφのチタン膜とア
ルミニウム膜とを積層したオーム性電極４４を形成し、
反対側のｎ型炭化珪素基板４１の裏面にＮｉからなるオ
ーム性電極４６を形成した。

【００３１】このようにして得られた比較例と、本実施
例による発光ダイオードとにそれぞれ約３．２Ｖの動作
電圧を印加したところ、２０ｍＡの動作電流が流れ、４
５５ｎｍにピーク波長を持つ、純青色の発光が得られ
た。このとき、本実施例の発光ダイオードの外部発光効
率は０．８％であり、比較例の外部発光効率である０．
７％と比べて外部発光効率を若干向上させることができ
た。また、本実施例によれば、比較例の発光ダイオード
の作製に必要な５〜１０時間の結晶成長工程を省くこと
ができるので、製造のためのコストを大幅に削減するこ
とができる。なお、オーム性電極は真空蒸着あるいはス
パッタ等の工程で短時間で形成できる。

【００３２】尚、上記実施例においては純青色発光ダイ
オードの例を示したが、本発明はこれに限らず、ドナー
・アクセプタ対発光を利用した発光ダイオード、あるい
は自由励起子発光を利用した紫色発光ダイオード等にも
適用できる。

【００３３】また、上記実施例においては基板に６Ｈ型
炭化珪素を用いた発光ダイオードに適用しているが、本
発明はこれに限らず、４Ｈ型、１５Ｒ型、２１Ｒ型、３
Ｃ型等他の結晶多形の炭化珪素を用いた紫外から緑色に
至る各種の発光ダイオードにも適用できる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、歩留りの向上、製造工
程の削減及びコストの低廉化を図れ、また外部発光効率
を向上できるので量産化が可能になると共に、光にて表
した情報の読取りの際の高速化および高密度化を可能に
でき、よって各種表示装置などへの応用分野の飛躍的な
拡大を図り得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の発光ダイオードを示す断面図であ
る。

【図２】本実施例の発光ダイオードの作製に使用した気
相成長装置の一例を示す断面図である。

【図３】発光ダイオードの基本構造部を示す断面図であ
る。

【図４】従来のｐｎ接合型発光ダイオードを示す断面図
である。

【図５】従来の他のｐｎ接合型発光ダイオードを示す断
面図である。

【符号の説明】

１ｎ型炭化珪素基板２ｎ型炭化珪素層３ｐ型炭化珪素層４ｐ側オーム性電極６ｎ側オーム性電極７金属膜８アルミニウム電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型炭化珪素基板の上にｎ型炭化珪素層及
びｐ型炭化珪素層がこの順に形成され、該炭化珪素基板
側から該ｐ型炭化珪素層へ向かって発光し、かつ、ｐ型
炭化珪素層に対して形成したオーム性電極が光透過性の
ある金属膜からなる発光ダイオード。
【請求項２】前記金属膜がチタン膜とアルミニウム膜と
の積層膜である請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】前記チタン膜の膜厚が３ｎｍ以上で２００
ｎｍ以下、アルミニウム膜の膜厚が１０ｎｍ以上で２０
０ｎｍ以下である請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項４】前記金属膜の上に、該金属膜より面積の小
さい第２の金属膜が形成された請求項１、請求項２又は
請求項３のいずれか１つに記載の発光ダイオード。