JPH0821730B2 - 炭化シリコン内に形成した青色発光ダイオード - Google Patents
炭化シリコン内に形成した青色発光ダイオードInfo
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- JPH0821730B2 JPH0821730B2 JP2501400A JP50140090A JPH0821730B2 JP H0821730 B2 JPH0821730 B2 JP H0821730B2 JP 2501400 A JP2501400 A JP 2501400A JP 50140090 A JP50140090 A JP 50140090A JP H0821730 B2 JPH0821730 B2 JP H0821730B2
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- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L33/34—Materials of the light emitting region containing only elements of Group IV of the Periodic Table
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は発光ダイオード、特に炭化シリコン内に形成
した青色発光ダイオードの構造及び製造に関するもので
ある。
した青色発光ダイオードの構造及び製造に関するもので
ある。
発明の背景 一般に「LED」と称されている発光ダイオードは電気
エネルギーを発光に変換する半導体デバイスである。
エネルギーを発光に変換する半導体デバイスである。
原子及び分子構造並びに量子力学の理論及び法則に従
う電子遷移に精通している当業者に既知のように、電子
が原子又は分子内におけるそれらの許されたエネルギー
準位間で遷移すると、これらの遷移は常に固有のエネル
ギー量の増加又は損失を伴う。もっと詳しく言うと、高
エネルギー準位へ遷移する電子はエネルギーを吸収し、
高エネルギー準位から低エネルギー準位へ遷移する電子
はエネルギーを放出する。一般に、電子がこのような
「下向き」遷移を生ずるときに放出されるエネルギーは
多くの場合熱として観測される振動エネルギー又は光エ
ネルギー、即ち光子の形態をなし、光エネルギーは可視
スペクトル範囲内であれば人間の目で検出することがで
きる。
う電子遷移に精通している当業者に既知のように、電子
が原子又は分子内におけるそれらの許されたエネルギー
準位間で遷移すると、これらの遷移は常に固有のエネル
ギー量の増加又は損失を伴う。もっと詳しく言うと、高
エネルギー準位へ遷移する電子はエネルギーを吸収し、
高エネルギー準位から低エネルギー準位へ遷移する電子
はエネルギーを放出する。一般に、電子がこのような
「下向き」遷移を生ずるときに放出されるエネルギーは
多くの場合熱として観測される振動エネルギー又は光エ
ネルギー、即ち光子の形態をなし、光エネルギーは可視
スペクトル範囲内であれば人間の目で検出することがで
きる。
発光ダイオードでは、ダイオード接合を横切る電子又
は正孔電流を発生又は注入すると注入したキャリアが正
孔又は電子との再結合してこのような電子遷移を促進
し、振動エネルギー又は光の何れか一方又は両方を放出
する。一般に、直接ギャップ材料内の遷移は殆ど光を発
生し、間接ギャップ材料内の遷移は殆ど熱を発生し、光
は少し発生するだけである。直接ギャップ材料は伝導帯
の最下端と価電子端の最上端とが同一の運動量で対応す
る材料と定義される。これに対し、間接ギャップ材料で
はそれぞれの最下端と最上端が同一の運動量で一致しな
い。
は正孔電流を発生又は注入すると注入したキャリアが正
孔又は電子との再結合してこのような電子遷移を促進
し、振動エネルギー又は光の何れか一方又は両方を放出
する。一般に、直接ギャップ材料内の遷移は殆ど光を発
生し、間接ギャップ材料内の遷移は殆ど熱を発生し、光
は少し発生するだけである。直接ギャップ材料は伝導帯
の最下端と価電子端の最上端とが同一の運動量で対応す
る材料と定義される。これに対し、間接ギャップ材料で
はそれぞれの最下端と最上端が同一の運動量で一致しな
い。
更に、電子遷移に精通している当業者に既知のよう
に、発生する光の波長は電子遷移の大きさに直接関連す
る。この電磁放射は、小さい遷移が長波長即ち可視スペ
クトルの赤領域の光を発生する傾向があり、大きい電子
遷移が短波長、即ち青領域の光を発生する傾向がある。
更に、このような遷移はこのような遷移を生ずる材料に
固有の特質であり、分光学は原子、分子及び物質を可視
光、紫外光及び赤外光を含む電磁スペクトルと反応させ
ることによりこれらを識別することができるという前提
に基づいている。従って、任意の所定の半導体材料が発
生し得る色は限定され、特に青色で発光するLEDを満足
に製造することは現在でも困難である。青は３原色の１
つであるため、このような定常的に入手し得る効率の良
い青色LEDがないことは多くの技術分野において問題を
生ずる。青色光が得られないと、LEDを用いて発生又は
映出し得る色は赤い及び緑とこれら２色から得られる色
に限定される。
に、発生する光の波長は電子遷移の大きさに直接関連す
る。この電磁放射は、小さい遷移が長波長即ち可視スペ
クトルの赤領域の光を発生する傾向があり、大きい電子
遷移が短波長、即ち青領域の光を発生する傾向がある。
更に、このような遷移はこのような遷移を生ずる材料に
固有の特質であり、分光学は原子、分子及び物質を可視
光、紫外光及び赤外光を含む電磁スペクトルと反応させ
ることによりこれらを識別することができるという前提
に基づいている。従って、任意の所定の半導体材料が発
生し得る色は限定され、特に青色で発光するLEDを満足
に製造することは現在でも困難である。青は３原色の１
つであるため、このような定常的に入手し得る効率の良
い青色LEDがないことは多くの技術分野において問題を
生ずる。青色光が得られないと、LEDを用いて発生又は
映出し得る色は赤い及び緑とこれら２色から得られる色
に限定される。
青色光を発生させるためには、半導体材料は2.6電子
ボルト（eV）より大きいバンドギャップを有する必要が
ある。半導体材料に精通している当業者に既知のよう
に、バンドギャップは半導体材料の伝導帯と価電子帯と
の間のエネルギー差を表わす。現在、燐化ガリウム（Ga
P）又は砒化ガリウム（GaAs）のような材料に基づく市
販の可視発光ダイオードはバンドギャップが約2.26eV以
下であるため青色光を発生するのに適さない。青色発光
固体ダイオードは窒化ガリウム（GaN）、硫化亜鉛（Zn
S）、セレン化亜鉛（ZnSe）及びα型炭化シリコン
（“六方晶系”又は“6H"炭化シリコン）のような比較
的大きなバンドギャップの半導体材料から形成する必要
がある。従って、α型炭化シリコンを用いて青色発光ダ
イオードを製造する多くの試みがなされている。
ボルト（eV）より大きいバンドギャップを有する必要が
ある。半導体材料に精通している当業者に既知のよう
に、バンドギャップは半導体材料の伝導帯と価電子帯と
の間のエネルギー差を表わす。現在、燐化ガリウム（Ga
P）又は砒化ガリウム（GaAs）のような材料に基づく市
販の可視発光ダイオードはバンドギャップが約2.26eV以
下であるため青色光を発生するのに適さない。青色発光
固体ダイオードは窒化ガリウム（GaN）、硫化亜鉛（Zn
S）、セレン化亜鉛（ZnSe）及びα型炭化シリコン
（“六方晶系”又は“6H"炭化シリコン）のような比較
的大きなバンドギャップの半導体材料から形成する必要
がある。従って、α型炭化シリコンを用いて青色発光ダ
イオードを製造する多くの試みがなされている。
炭化シリコンは青色発光ダイオード用の有能な半導体
材料としていくつかの利点を有する。特に、炭化シリコ
ンは容易にｐ型にもｎ型にもドープすることができる。
その広いバンドギャップに加えて、炭化シリコンは高い
熱伝導度、高い飽和電子ドリフト速度、及び高いブレー
クダウン電界を有する。しかし、今日まで炭化シリコン
は発光ダイオードを含む電子デバイスの製造において、
優れた半導体特性及び青色LEDの製造の可能性について
期待される十分な商業ベースに到達していない。これは
一般に炭化シリコンの製造において遭遇する難点の結果
である。即ち、高い製造温度をしばしば必要とするこ
と、良好な出発材料を得るのが難しいこと、これまでの
ドーピング技術は実施困難であること、そしてもっとも
重大なことは炭化シリコンは150以上のポリタイプに結
晶化し、これらポリタイプの多くが極めて小さな熱力学
の差により分離されることにある。
材料としていくつかの利点を有する。特に、炭化シリコ
ンは容易にｐ型にもｎ型にもドープすることができる。
その広いバンドギャップに加えて、炭化シリコンは高い
熱伝導度、高い飽和電子ドリフト速度、及び高いブレー
クダウン電界を有する。しかし、今日まで炭化シリコン
は発光ダイオードを含む電子デバイスの製造において、
優れた半導体特性及び青色LEDの製造の可能性について
期待される十分な商業ベースに到達していない。これは
一般に炭化シリコンの製造において遭遇する難点の結果
である。即ち、高い製造温度をしばしば必要とするこ
と、良好な出発材料を得るのが難しいこと、これまでの
ドーピング技術は実施困難であること、そしてもっとも
重大なことは炭化シリコンは150以上のポリタイプに結
晶化し、これらポリタイプの多くが極めて小さな熱力学
の差により分離されることにある。
従って、実用的で有用で商業生産し得るダイオードの
ような電子デバイスを作るのに十分な品質を有する単結
晶の炭化シリコン薄膜の成長を制御する技術は多くの研
究者の長年に亘る努力にかかわらず成功していない。
尚、これらの努力の多くは特許や文献に反映されてい
る。
ような電子デバイスを作るのに十分な品質を有する単結
晶の炭化シリコン薄膜の成長を制御する技術は多くの研
究者の長年に亘る努力にかかわらず成功していない。
尚、これらの努力の多くは特許や文献に反映されてい
る。
炭化シリコンを成長させる最近の一つの試みが「Exte
nded Abstracts of the 19th Conference on Solid Sta
te Devices and Materials」東京,1987年,pp.227−30、
「Step−Controlled VPE Growth of SiC Single Crysta
ls at Low Tempera−tures」に久保田等により発表され
ている。
nded Abstracts of the 19th Conference on Solid Sta
te Devices and Materials」東京,1987年,pp.227−30、
「Step−Controlled VPE Growth of SiC Single Crysta
ls at Low Tempera−tures」に久保田等により発表され
ている。
さらに、炭化シリコンから発光ダイオードを製造する
初期の試みが「Solid State Electronics」1976年,Vol.
19,pp871−74「Silicon Carbide Light Emitting Diode
s」にフォン ムンクにより記載されている。
初期の試みが「Solid State Electronics」1976年,Vol.
19,pp871−74「Silicon Carbide Light Emitting Diode
s」にフォン ムンクにより記載されている。
しかし、最近LEDや他の電子デバイスの製造に必要と
されるようなデバイス品質の炭化シリコンの大きな単結
晶及び薄膜を成長する技術及び炭化シリコンに不純物を
導入する技術のいくつかの改良が達成されている。これ
らの改良はいくつかの米国特許、例えば第4,912,063
号、ディビス等、「Growth of Beta−SiC Thin Films a
nd Semiconductor Device Fabricated Thereon」（出願
番号07/113573、1987年10月26日出願）；第4,912,064
号、ディビス等、「Homoepitaxial Growth of Alpha−S
iC Thin Films and Semiconductor Device Fabricated
Tereon」（出願番号07/113573、1987年10月26日出
願）；第4,866,055号、ディビス等、「Sublimitation o
f Silicon Carbide to produce Large,Device Quality
Single Crystals of Silicon Carbide」；第4,865,685
号、パルモア、「Dry Etching of Silicon Carbide」；
及び係属出願中の米国特許願第07/356333号、1989年５
月24日出願、エドモンド等、「Implantation and Elect
rical Activation of Dopants Into Monocrystalline S
ilicon Carbide」の要旨である。
されるようなデバイス品質の炭化シリコンの大きな単結
晶及び薄膜を成長する技術及び炭化シリコンに不純物を
導入する技術のいくつかの改良が達成されている。これ
らの改良はいくつかの米国特許、例えば第4,912,063
号、ディビス等、「Growth of Beta−SiC Thin Films a
nd Semiconductor Device Fabricated Thereon」（出願
番号07/113573、1987年10月26日出願）；第4,912,064
号、ディビス等、「Homoepitaxial Growth of Alpha−S
iC Thin Films and Semiconductor Device Fabricated
Tereon」（出願番号07/113573、1987年10月26日出
願）；第4,866,055号、ディビス等、「Sublimitation o
f Silicon Carbide to produce Large,Device Quality
Single Crystals of Silicon Carbide」；第4,865,685
号、パルモア、「Dry Etching of Silicon Carbide」；
及び係属出願中の米国特許願第07/356333号、1989年５
月24日出願、エドモンド等、「Implantation and Elect
rical Activation of Dopants Into Monocrystalline S
ilicon Carbide」の要旨である。
αポリタイプの炭化シリコンは室温で2.9eVのバンド
ギャップを有する。このバンドギャップは十分大きいた
め、適切な遷移を生じさせることができれば可視スペク
トル内の任意の色を得ることができる。しかし、純粋な
炭化シリコン内の遷移は2.9eVであるため、フルバンド
ギャップ遷移は424〜428ナノメートル（nm）の波長の光
を発生し、これは特性紫色である。これがため、代表的
には炭化シリコンをドープして結晶内に、炭化シリコン
の伝導帯から電子が移動し得るアクセプタ準位を与える
必要がある。例えば、炭化シリコンにアルミニウムをド
ープすると、アルミニウムドーパントは伝導帯の約2.7e
V下にアクセプタ準位を形成する。この結果、炭化シリ
コンの伝導帯からアルミニウムドーパントアクセプタ準
位へ遷移する電子が約455〜460ナノメートルの青色光を
発生する。
ギャップを有する。このバンドギャップは十分大きいた
め、適切な遷移を生じさせることができれば可視スペク
トル内の任意の色を得ることができる。しかし、純粋な
炭化シリコン内の遷移は2.9eVであるため、フルバンド
ギャップ遷移は424〜428ナノメートル（nm）の波長の光
を発生し、これは特性紫色である。これがため、代表的
には炭化シリコンをドープして結晶内に、炭化シリコン
の伝導帯から電子が移動し得るアクセプタ準位を与える
必要がある。例えば、炭化シリコンにアルミニウムをド
ープすると、アルミニウムドーパントは伝導帯の約2.7e
V下にアクセプタ準位を形成する。この結果、炭化シリ
コンの伝導帯からアルミニウムドーパントアクセプタ準
位へ遷移する電子が約455〜460ナノメートルの青色光を
発生する。
前述したように、光はエネルギー準位間の電子遷移に
より発生されるため、半導体デバイスから光を発生させ
るにはこのような遷移を促進又は助長する必要がある。
基本的にｐ−ｎ接合構造であるダイオードはこのような
遷移を促進させる手段である。ｐ−ｎ接合を横切って正
孔又は電子を注入すると、これら正孔又は電子が互いに
再結合し、これらの再結合は伝導帯又はドナー準位から
価電子帯又はアクセプタ準位への電子の移動を含み、所
望の光を発生する。
より発生されるため、半導体デバイスから光を発生させ
るにはこのような遷移を促進又は助長する必要がある。
基本的にｐ−ｎ接合構造であるダイオードはこのような
遷移を促進させる手段である。ｐ−ｎ接合を横切って正
孔又は電子を注入すると、これら正孔又は電子が互いに
再結合し、これらの再結合は伝導帯又はドナー準位から
価電子帯又はアクセプタ準位への電子の移動を含み、所
望の光を発生する。
LEDの製造の総体的な目標はできるだけ多量の発光を
得ることにあるため、これを達成するにはできるだけ多
量の電流をｐ−ｎ接合を横切って注入し得るようにする
こと、発光層内の不純物濃度をできるだけ最大にするこ
と、再結晶の発生効率をできるだけ最大にすること、ダ
イオードから得られた可視光を高める物理的構造（透明
度を含む）を有するようにすることが必要である。
得ることにあるため、これを達成するにはできるだけ多
量の電流をｐ−ｎ接合を横切って注入し得るようにする
こと、発光層内の不純物濃度をできるだけ最大にするこ
と、再結晶の発生効率をできるだけ最大にすること、ダ
イオードから得られた可視光を高める物理的構造（透明
度を含む）を有するようにすることが必要である。
この点に関し、ダイオード内を流れる電流はｎ型領域
からｐ型領域への電子の流れ又はｐ型領域からｎ型領域
への正孔の流れとみなすことができる。種々の色相の青
色発光デバイスを得るには両モードの注入が必要であ
る。
からｐ型領域への電子の流れ又はｐ型領域からｎ型領域
への正孔の流れとみなすことができる。種々の色相の青
色発光デバイスを得るには両モードの注入が必要であ
る。
２つの特定の市販のデバイスは所望数の再結合を得る
ために高い正孔電流を用いており、特にp+n接合を用い
ている。ここで“＋”は特定の材料内の活性不純物濃度
が比較的高いことを表わす。このようなデバイスは主と
して正孔注入で再結合を生じ、480ナノメートルのピー
ク発光を生ずることが報告されている。
ために高い正孔電流を用いており、特にp+n接合を用い
ている。ここで“＋”は特定の材料内の活性不純物濃度
が比較的高いことを表わす。このようなデバイスは主と
して正孔注入で再結合を生じ、480ナノメートルのピー
ク発光を生ずることが報告されている。
しかし、前述したように、炭化シリコンのフルバンド
ギャップは約2.9eVであり、このバンドギャップ間の遷
移は青色光子ではなく紫色光子を発生する。しかし、炭
化シリコン内の最も効率の良い遷移は伝導帯の約0.08eV
下の窒素（ドナー）の不純物準位と価電子帯の約0.22eV
上のアルミニウム（アクセプタ）の不純物準位との間の
遷移であり、この場合には注入時に再結晶する電子及び
正孔がドープ窒素及びドープアルミニウムの不純物準位
間の遷移を生じてもっと特性青色に近い光子を発生し、
475〜480nmのピーク波長を有することを幾人かの研究者
が報告している。これがため、主キャリア流又は注入
（電子でも正孔でもどちらでもよい）は補償層（ｐ型で
もｎ型でもどちらでもよい）内へと行なう必要がある。
このため、正孔電流を用いて青色光を発生させるために
は、ダイオードのｎ型部分にドナー（窒素）及びアクセ
プタ（アルミニウム）不純物をドープする必要がある
（“補償”技術及び構造として知られている）。これが
ため、補償ｎ型材料を得るためには、材料内にｐ型不純
物原子より多数のｎ型不純物原子を存在させる必要があ
る。更に、“青”色を有するものとして適切であるとし
ている上記の475〜480nm光子は可視スペクトルの緑領域
側にかたよっている。従って、もう少し短い波長、例え
ば460〜470nmで発生するSiCから成るLEDが依然として望
まれている。
ギャップは約2.9eVであり、このバンドギャップ間の遷
移は青色光子ではなく紫色光子を発生する。しかし、炭
化シリコン内の最も効率の良い遷移は伝導帯の約0.08eV
下の窒素（ドナー）の不純物準位と価電子帯の約0.22eV
上のアルミニウム（アクセプタ）の不純物準位との間の
遷移であり、この場合には注入時に再結晶する電子及び
正孔がドープ窒素及びドープアルミニウムの不純物準位
間の遷移を生じてもっと特性青色に近い光子を発生し、
475〜480nmのピーク波長を有することを幾人かの研究者
が報告している。これがため、主キャリア流又は注入
（電子でも正孔でもどちらでもよい）は補償層（ｐ型で
もｎ型でもどちらでもよい）内へと行なう必要がある。
このため、正孔電流を用いて青色光を発生させるために
は、ダイオードのｎ型部分にドナー（窒素）及びアクセ
プタ（アルミニウム）不純物をドープする必要がある
（“補償”技術及び構造として知られている）。これが
ため、補償ｎ型材料を得るためには、材料内にｐ型不純
物原子より多数のｎ型不純物原子を存在させる必要があ
る。更に、“青”色を有するものとして適切であるとし
ている上記の475〜480nm光子は可視スペクトルの緑領域
側にかたよっている。従って、もう少し短い波長、例え
ば460〜470nmで発生するSiCから成るLEDが依然として望
まれている。
前述したように、１つの市販のLEDはこのタイプのp+n
接合を用いて480ナノメートルの光子を発生する再結合
を得ている。このようなLEDはｐ型基板を用い、その上
にｐ型ドーパントとしてアルミニウム（Al）を用いてp+
層を液相エピタキシ（LPE）により成長させることによ
り形成される。LPE中にp+層の成長に続いて窒素ガスをL
PEメルト内にふき込むことができる。アルミニウムドー
パントをそのまま存在させると、その結果として補償ｎ
型層が得られる。この成長技術を用いると、このデバイ
ス構造に本質的に限定される。
接合を用いて480ナノメートルの光子を発生する再結合
を得ている。このようなLEDはｐ型基板を用い、その上
にｐ型ドーパントとしてアルミニウム（Al）を用いてp+
層を液相エピタキシ（LPE）により成長させることによ
り形成される。LPE中にp+層の成長に続いて窒素ガスをL
PEメルト内にふき込むことができる。アルミニウムドー
パントをそのまま存在させると、その結果として補償ｎ
型層が得られる。この成長技術を用いると、このデバイ
ス構造に本質的に限定される。
しかし、液相エピタキシを用いてp+n接合を形成する
ことと関連して多くの問題及び制約がある。第１に、ｐ
型基板の使用を必要とする。一般に、このような基板は
かなり高い抵抗率を有する。これは、正孔の移動度が電
子の移動度の僅か1/6であるため、及び２％以下のアク
セプタ原子が室温でイオン化されるためである。これは
ダイオードの順バイアス方向の抵抗を高くし、これは当
業者に既知のように不所望なダイオード特性である。
ことと関連して多くの問題及び制約がある。第１に、ｐ
型基板の使用を必要とする。一般に、このような基板は
かなり高い抵抗率を有する。これは、正孔の移動度が電
子の移動度の僅か1/6であるため、及び２％以下のアク
セプタ原子が室温でイオン化されるためである。これは
ダイオードの順バイアス方向の抵抗を高くし、これは当
業者に既知のように不所望なダイオード特性である。
この問題の１つの“救済法”はｐ型基板内の正孔濃度
を増大させるものである。しかし、余分のドーパントの
付加は結晶を不透明にし観測し得る発光を減少せしめ
る。これがため、この方法は所望の高い透明度と不所望
な高い抵抗率を交換するものである。多量のｐ型ドーパ
ントの付加は抵抗率を所望に低下させると共に透明度を
不所望に低下させる。また、所望の透明度を維持しよう
とすると不所望に高い抵抗率になる。
を増大させるものである。しかし、余分のドーパントの
付加は結晶を不透明にし観測し得る発光を減少せしめ
る。これがため、この方法は所望の高い透明度と不所望
な高い抵抗率を交換するものである。多量のｐ型ドーパ
ントの付加は抵抗率を所望に低下させると共に透明度を
不所望に低下させる。また、所望の透明度を維持しよう
とすると不所望に高い抵抗率になる。
この問題を除去する他の方法はダイオードの一つの表
面上にダイオードの２つの接点を設けて基板を導体とし
て使用しないようにするものである（例えば米国特許第
4,531,142号参照）。しかし、これは極めて難しい製造
技術であり、斯かるダイオードのアベイラビリティが低
下すると共にコストが高くなる。
面上にダイオードの２つの接点を設けて基板を導体とし
て使用しないようにするものである（例えば米国特許第
4,531,142号参照）。しかし、これは極めて難しい製造
技術であり、斯かるダイオードのアベイラビリティが低
下すると共にコストが高くなる。
高度に透明な基板を用いるのに加えて、補償層内へ注
入する電流を増大することにより光出力を増大させるこ
とができる。その試みはｐ型領域内のｐ濃度を増大させ
ることにあり、このためにはエピタキシャル層内のｐ型
ドーパントを増大させる必要がある。しかし、ｐ濃度を
どのくらい高くし得るかについて限界がある。特に、存
在する全てのドーパント原子はイオン化されたキャリア
（正孔又は電子）に自動的にならない。概して言えば、
イオン化されたキャリアの量はドーパント原子の数に正
比例するが、ドーパント原子のイオン化（活性）エネル
ギーに逆比例及び指数的に比例する。例えばアルミニウ
ムのイオン化は210〜220ミリ電子ボルト（meV）程度で
あるが、窒素のイオン化エネルギーは僅か70〜70meVで
ある。これがため、窒素を用いてｎ型ドーパント原子の
濃度を上昇させる方がアルミニウムを用いてイオン化さ
れたｐ型ドーパント原子の濃度を上昇させるよりも遥か
に容易である。
入する電流を増大することにより光出力を増大させるこ
とができる。その試みはｐ型領域内のｐ濃度を増大させ
ることにあり、このためにはエピタキシャル層内のｐ型
ドーパントを増大させる必要がある。しかし、ｐ濃度を
どのくらい高くし得るかについて限界がある。特に、存
在する全てのドーパント原子はイオン化されたキャリア
（正孔又は電子）に自動的にならない。概して言えば、
イオン化されたキャリアの量はドーパント原子の数に正
比例するが、ドーパント原子のイオン化（活性）エネル
ギーに逆比例及び指数的に比例する。例えばアルミニウ
ムのイオン化は210〜220ミリ電子ボルト（meV）程度で
あるが、窒素のイオン化エネルギーは僅か70〜70meVで
ある。これがため、窒素を用いてｎ型ドーパント原子の
濃度を上昇させる方がアルミニウムを用いてイオン化さ
れたｐ型ドーパント原子の濃度を上昇させるよりも遥か
に容易である。
このような遷移に精通している当業者は、材料のイオ
ン化は熱的に発生し、従ってイオン化されたドーパント
原子の数はイオン化エネルギーのみならず温度にも依存
することに気付かれるであろう。例えば、１×1019原子
/cm3のドーピング準位の場合、室温ではアルミニウムキ
ャリア原子は約１％がイオン化されるだけであるが窒素
キャリア原子は約22％がイオン化される。これがため、
同数のドーパント原子に対し、ｎ型ドーパントイオンの
濃度はｐ型ドーパントイオンの多数倍になる。同様の結
果として、抵抗率を下げるために多量のｐ型ドーパント
（通常アルミニウム）を付加することは透明度を低下さ
せる。更に、室温で満足なp+層を得ることは、先行研究
者がｐ型イオン化キャリア濃度の上限値は室温で約１〜
２×1018/cm3であると報告しているように、困難であ
る。しかし、最近では修正ディビス型CVDプロセスを用
いて１〜２×1019/cm3のｐ型キャリア濃度が達成されて
いる。
ン化は熱的に発生し、従ってイオン化されたドーパント
原子の数はイオン化エネルギーのみならず温度にも依存
することに気付かれるであろう。例えば、１×1019原子
/cm3のドーピング準位の場合、室温ではアルミニウムキ
ャリア原子は約１％がイオン化されるだけであるが窒素
キャリア原子は約22％がイオン化される。これがため、
同数のドーパント原子に対し、ｎ型ドーパントイオンの
濃度はｐ型ドーパントイオンの多数倍になる。同様の結
果として、抵抗率を下げるために多量のｐ型ドーパント
（通常アルミニウム）を付加することは透明度を低下さ
せる。更に、室温で満足なp+層を得ることは、先行研究
者がｐ型イオン化キャリア濃度の上限値は室温で約１〜
２×1018/cm3であると報告しているように、困難であ
る。しかし、最近では修正ディビス型CVDプロセスを用
いて１〜２×1019/cm3のｐ型キャリア濃度が達成されて
いる。
更に、LREプロセスはｐ型層にｎ型層を付加する方が
その逆より容易である傾向がある。その理由は、窒素ガ
スをメルト内に導入してそのドーパントを得られるエピ
タキシャル層内に加えることができるためである。しか
し、アルミニウムのような代表的なアクセプタ原子はLP
Eプロセスにおいてエピタキシャル層内に加えるのが窒
素より著しく困難である。従っれ、ｐ型エピタキシャル
層をｎ型基板に付加することは炭化シリコン内にダイオ
ード形成する場合には難しくコストのかかるプロセスで
あると一般にみなされている。その理由は、窒素ガスを
メルト内に導入してｎ型層を形成する代わりにアルミニ
ウムを最後の工程として導入する必要がある場合、これ
を単一工程のLPEディッププロセスで行なうことは不可
能ではないにしても極めて難しいためである。
その逆より容易である傾向がある。その理由は、窒素ガ
スをメルト内に導入してそのドーパントを得られるエピ
タキシャル層内に加えることができるためである。しか
し、アルミニウムのような代表的なアクセプタ原子はLP
Eプロセスにおいてエピタキシャル層内に加えるのが窒
素より著しく困難である。従っれ、ｐ型エピタキシャル
層をｎ型基板に付加することは炭化シリコン内にダイオ
ード形成する場合には難しくコストのかかるプロセスで
あると一般にみなされている。その理由は、窒素ガスを
メルト内に導入してｎ型層を形成する代わりにアルミニ
ウムを最後の工程として導入する必要がある場合、これ
を単一工程のLPEディッププロセスで行なうことは不可
能ではないにしても極めて難しいためである。
最後に、SiCに対するLPEプロセスはグラファイトるつ
ぼ内で1600℃以上の温度でシリコンメルトからエピタキ
シャル層を成長させるものである。代表的には、LPEプ
ロセスの一部のエピタキシャル成長中に物理的に消耗す
るグラファイトるつぼ内の不純物が成長エピタキシャル
層、即ちp+及びｎ型補償層内に入り込む。これら不純物
の多くはSiCのバンドギャップ内に入るエネルギー準位
を有し、これらの存在が追加の不所望な再結合を生じ、
不所望な光子を発生して発光ピークを拡げる結果とな
る。これがため、この成長技術を用いて鋭い狭帯域幅の
発光を得ることは実際には証明されていない。例えば、
前述の市販のLEDは90〜95ナノメートルの最大半値全幅
（FWHM）（“スペクトル半値幅”ともいう）を指定して
いる。
ぼ内で1600℃以上の温度でシリコンメルトからエピタキ
シャル層を成長させるものである。代表的には、LPEプ
ロセスの一部のエピタキシャル成長中に物理的に消耗す
るグラファイトるつぼ内の不純物が成長エピタキシャル
層、即ちp+及びｎ型補償層内に入り込む。これら不純物
の多くはSiCのバンドギャップ内に入るエネルギー準位
を有し、これらの存在が追加の不所望な再結合を生じ、
不所望な光子を発生して発光ピークを拡げる結果とな
る。これがため、この成長技術を用いて鋭い狭帯域幅の
発光を得ることは実際には証明されていない。例えば、
前述の市販のLEDは90〜95ナノメートルの最大半値全幅
（FWHM）（“スペクトル半値幅”ともいう）を指定して
いる。
従って、炭化シリコン内に形成する青色LEDの製造技
術及び構造を改良して正孔だけでなく原子の注入に基づ
いて動作することができ、従って高いドーパント濃度、
高純度の薄膜、高度に透明な基板、優れた電流−電圧特
性、低い抵抗を達成することができ、且つ465〜470ナノ
メートルレンジ、455〜460ナノメートルレンジ及び424
〜428ナノメートルレンジ内でかなり狭い帯域幅で発光
するダイオードを製造することができるようにする必要
がある。
術及び構造を改良して正孔だけでなく原子の注入に基づ
いて動作することができ、従って高いドーパント濃度、
高純度の薄膜、高度に透明な基板、優れた電流−電圧特
性、低い抵抗を達成することができ、且つ465〜470ナノ
メートルレンジ、455〜460ナノメートルレンジ及び424
〜428ナノメートルレンジ内でかなり狭い帯域幅で発光
するダイオードを製造することができるようにする必要
がある。
発明の概要 従って、本発明は炭化シリコン内に形成した発光ダイ
オードであって、約465〜470ナノメートル、又は約455
〜460ナノメートル、又は約424〜428ナノメートルのピ
ーク波長を有する可視光を発生するダイオードを提供す
るものである。このダイオードは第１導電型のα型炭化
シリコンの基板と、該基板上にあって該基板と同一導電
型のα型炭化シリコンの第１エピタキシャル層とを具え
る。α型炭化シリコンの第２エピタキシャル層を第１エ
ピタキシャル層上に設け、この第２エピタキシャル層は
第１エピタキシャル層と反対の導電型にし、第１エピタ
キシャル層とｐ−ｎ接合を形成する。好適実施例では、
第１及び第２エピタキシャル層は互いに十分に相違した
キャリア濃度を有するようにしてバイアス状態において
ｐ−ｎ接合を横切って流れる正孔電流量と電子電流量が
互いに相違するようにすると共に再結合の大部分が所望
のエピタキシャル層内で生ずるようにする。
オードであって、約465〜470ナノメートル、又は約455
〜460ナノメートル、又は約424〜428ナノメートルのピ
ーク波長を有する可視光を発生するダイオードを提供す
るものである。このダイオードは第１導電型のα型炭化
シリコンの基板と、該基板上にあって該基板と同一導電
型のα型炭化シリコンの第１エピタキシャル層とを具え
る。α型炭化シリコンの第２エピタキシャル層を第１エ
ピタキシャル層上に設け、この第２エピタキシャル層は
第１エピタキシャル層と反対の導電型にし、第１エピタ
キシャル層とｐ−ｎ接合を形成する。好適実施例では、
第１及び第２エピタキシャル層は互いに十分に相違した
キャリア濃度を有するようにしてバイアス状態において
ｐ−ｎ接合を横切って流れる正孔電流量と電子電流量が
互いに相違するようにすると共に再結合の大部分が所望
のエピタキシャル層内で生ずるようにする。
本発明の上述した目的及び他の目的、利点及び特徴、
及びこれらを達成する方法は本発明の好適実施例を示す
添付図面と関連する本発明の以下の詳細な説明を考慮す
ると容易に明らかとなる。
及びこれらを達成する方法は本発明の好適実施例を示す
添付図面と関連する本発明の以下の詳細な説明を考慮す
ると容易に明らかとなる。
図面の説明 第１及び第２図は約455〜460ナノメートルのピーク波
長で発光する本発明ダイオードの概略図、 第３及び第４図は約424〜428ナノメートルのピーク波
長で発光する本発明ダイオードの概略図、 第５〜８図は約465〜470ナノメートルのピーク波長で
発光する本発明ダイオードの概略図、 第９及び第10図は本発明ダイオードの発光スペクトル
を示す図、 第11図は本発明ダイオードの電流対電圧特性を示す
図、 第12図は本発明によるメサ型LED構造の断面図、 第13図は本発明ダイオードの他の発光スペクトルを示
す図である。
長で発光する本発明ダイオードの概略図、 第３及び第４図は約424〜428ナノメートルのピーク波
長で発光する本発明ダイオードの概略図、 第５〜８図は約465〜470ナノメートルのピーク波長で
発光する本発明ダイオードの概略図、 第９及び第10図は本発明ダイオードの発光スペクトル
を示す図、 第11図は本発明ダイオードの電流対電圧特性を示す
図、 第12図は本発明によるメサ型LED構造の断面図、 第13図は本発明ダイオードの他の発光スペクトルを示
す図である。
好適実施例の詳細な説明 第１図は本発明に従って炭化シリコン内に形成した、
約455〜460ナノメートルの間のピーク波長を有する可視
光を発生する発光ダイオード20を示す。本例ダイオード
はα型炭化シリコンのｎ型基板21を具える。基板21に電
気接触するオーム接点22を設ける。本発明の特定の実施
例ではｎ型基板21又は後述するｎ型エピタキシャル層に
対するオーム接点22はニッケルのような金属で構成する
ことができる。同様に、後述するｐ型基板及びｐ型エピ
タキシャル層に対するオーム接点はアルミニウムのよう
な金属で構成することができる。
約455〜460ナノメートルの間のピーク波長を有する可視
光を発生する発光ダイオード20を示す。本例ダイオード
はα型炭化シリコンのｎ型基板21を具える。基板21に電
気接触するオーム接点22を設ける。本発明の特定の実施
例ではｎ型基板21又は後述するｎ型エピタキシャル層に
対するオーム接点22はニッケルのような金属で構成する
ことができる。同様に、後述するｐ型基板及びｐ型エピ
タキシャル層に対するオーム接点はアルミニウムのよう
な金属で構成することができる。
ダイオード20において、ほぼ無補償のｎ型エピタキシ
ャル層23を基板21上へ設け、この層23はｎ型基板のキャ
リア濃度より高いキャリア濃度を有するものとする。こ
こで、“ほぼ無補償”とは少量の反対導電型不純物が存
在し得るが結晶構造に精通している当業者が一般に“補
償”半導体と称す結晶構造特性を与える量の不純物を含
まないエピタキシャル結晶構造を意味し、この点につい
ては後にもっと詳しく説明する。前述したように、エピ
タキシャル層23内の高いドナー濃度はしばしば“n+"の
記号で表される。α型炭化シリコンのほぼ無補償ｐ型エ
ピタキシャル層24をこのn+型エピタキシャル層23上に設
け、このn+型層23とｐ−ｎ接合を形成する。ｐ型エピタ
キシャル層24はn+型エピタキシャル層23のキャリア濃度
より低いキャリア濃度を有する。
ャル層23を基板21上へ設け、この層23はｎ型基板のキャ
リア濃度より高いキャリア濃度を有するものとする。こ
こで、“ほぼ無補償”とは少量の反対導電型不純物が存
在し得るが結晶構造に精通している当業者が一般に“補
償”半導体と称す結晶構造特性を与える量の不純物を含
まないエピタキシャル結晶構造を意味し、この点につい
ては後にもっと詳しく説明する。前述したように、エピ
タキシャル層23内の高いドナー濃度はしばしば“n+"の
記号で表される。α型炭化シリコンのほぼ無補償ｐ型エ
ピタキシャル層24をこのn+型エピタキシャル層23上に設
け、このn+型層23とｐ−ｎ接合を形成する。ｐ型エピタ
キシャル層24はn+型エピタキシャル層23のキャリア濃度
より低いキャリア濃度を有する。
ここで、ここに記載するダイオードのそれぞれのエピ
タキシャル層の濃度について“より大きい”又は“より
小さい”とは、正孔電流又は電子電流の何れか一方を主
として又は優勢にｐ−ｎ接合を横切って流れせしめ、電
流が接合を横切って流れる際に生ずる再結合を大部分が
所望のエピタキシャル層内で生じるようにせしめるのに
十分な大きさの両エピタキシャル層間のキャリア濃度の
差を意味する。ダイオードを流れる電流は接合のｎ側か
らｐ側への電子の流れとみなすことができ、この電流を
電子電流と称し、“In"で表わす。ダイオードを流れる
電流は接合を横切ってｐ型材料からｎ型材料へと流れる
正孔の流れとみなすこともでき、この電流を正孔電流と
称し、“Ip"で表わす。
タキシャル層の濃度について“より大きい”又は“より
小さい”とは、正孔電流又は電子電流の何れか一方を主
として又は優勢にｐ−ｎ接合を横切って流れせしめ、電
流が接合を横切って流れる際に生ずる再結合を大部分が
所望のエピタキシャル層内で生じるようにせしめるのに
十分な大きさの両エピタキシャル層間のキャリア濃度の
差を意味する。ダイオードを流れる電流は接合のｎ側か
らｐ側への電子の流れとみなすことができ、この電流を
電子電流と称し、“In"で表わす。ダイオードを流れる
電流は接合を横切ってｐ型材料からｎ型材料へと流れる
正孔の流れとみなすこともでき、この電流を正孔電流と
称し、“Ip"で表わす。
更にこのようなデバイス及びそれらの動作に精通して
いる当業者に既知のように、In及びIpは同一にしてはな
らず、通常相違させる。第１図では主又は優勢電流は電
子電流であり、これを矢印Inで示してある。
いる当業者に既知のように、In及びIpは同一にしてはな
らず、通常相違させる。第１図では主又は優勢電流は電
子電流であり、これを矢印Inで示してある。
オーム接点25をほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層24
に設ける。得られるダイオードは約455〜460ナノメート
ルの間の波長ピークで発光し、ピーク波長におけるスペ
クトル半値幅は約50ナノメートル以下である。
に設ける。得られるダイオードは約455〜460ナノメート
ルの間の波長ピークで発光し、ピーク波長におけるスペ
クトル半値幅は約50ナノメートル以下である。
好適実施例では、第１図の発光ダイオードは前記米国
特許第4,912,063号及び同第4,912,064号に記載されてい
る化学気相成長（“CVD"）技術によりそれぞれのエピタ
キシャル層を成長させることにより製造する。この化学
気相成長技術を本明細書中では“ディビス型”化学気相
成長と明確に定義する。
特許第4,912,063号及び同第4,912,064号に記載されてい
る化学気相成長（“CVD"）技術によりそれぞれのエピタ
キシャル層を成長させることにより製造する。この化学
気相成長技術を本明細書中では“ディビス型”化学気相
成長と明確に定義する。
ディビスの前記米国特許願第07/113573号に記載され
ているように“ディビス型化学気相成長”はα型炭化シ
リコン基板の用意された表面上にαポリタイプの炭化シ
リコンの薄膜をホモエピタキシャル成長するものであ
り、前記基板の用意された表面は＜11０＞方向の１つ
の方向にほぼ向いたその底面に対し１度以上の軸外れで
傾いている。このプロセスは、炭化シリコン基板が＜11
０＞方向の１つの方向にほぼ向いたその底面に対し１
度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有し、この界面上に
α型炭化シリコンのエピタキシャル層をホモエピタキシ
ャル成長させてダイオードを形成する。ここで、バー表
示の例えば“”はミラー指数系における原点と定義し
た格子位置の“負”側を区切る位置（例えば面又は方
向）を表わす。
ているように“ディビス型化学気相成長”はα型炭化シ
リコン基板の用意された表面上にαポリタイプの炭化シ
リコンの薄膜をホモエピタキシャル成長するものであ
り、前記基板の用意された表面は＜11０＞方向の１つ
の方向にほぼ向いたその底面に対し１度以上の軸外れで
傾いている。このプロセスは、炭化シリコン基板が＜11
０＞方向の１つの方向にほぼ向いたその底面に対し１
度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有し、この界面上に
α型炭化シリコンのエピタキシャル層をホモエピタキシ
ャル成長させてダイオードを形成する。ここで、バー表
示の例えば“”はミラー指数系における原点と定義し
た格子位置の“負”側を区切る位置（例えば面又は方
向）を表わす。
ディビス型化学気相成長により得られるエピタキシャ
ル層及びダイオードの純度及び結晶品質のために、第１
図に示すような発光ダイオードは好適実施例では約455
〜460ナノメートルの間の波長でピーク発光を生じ、ピ
ーク波長におけるスペクトル半値幅は約25ナノメートル
以下になる。ダイオード20ではｎ型基板21及びｎ型エピ
タキシャル層23はドナーキャリアとして窒素を含むこと
ができ、ｐ型エピタキシャル層24はアクセプタキャリア
としてアルミニウムを含むことができる。
ル層及びダイオードの純度及び結晶品質のために、第１
図に示すような発光ダイオードは好適実施例では約455
〜460ナノメートルの間の波長でピーク発光を生じ、ピ
ーク波長におけるスペクトル半値幅は約25ナノメートル
以下になる。ダイオード20ではｎ型基板21及びｎ型エピ
タキシャル層23はドナーキャリアとして窒素を含むこと
ができ、ｐ型エピタキシャル層24はアクセプタキャリア
としてアルミニウムを含むことができる。
更に、炭化シリコンの結晶の性質及び構造に精通して
いる当業者に既知のように、基板及びエピタキシャル層
に用いる単結晶α型炭化シリコンは6H,4H及び15Rポリタ
イプから成る群から選択した単一ポリタイプを有するも
のとすることができる。
いる当業者に既知のように、基板及びエピタキシャル層
に用いる単結晶α型炭化シリコンは6H,4H及び15Rポリタ
イプから成る群から選択した単一ポリタイプを有するも
のとすることができる。
このようなダイオードの動作に精通する当業者により
認識されるように、ｐ型層24にアルミニウムをドープす
るため、主として電子がn+型エピタキシャル層23からｐ
型エピタキシャル層24内へ走行し、再結合は主として炭
化シリコンの伝導帯とアルミニウムの不純物準位との間
で生じる。この遷移により表されるエネルギーは455〜4
60ナノメートルの光子及び特性青色光に相当する。前述
したように、ｐ型エピタキシャル層24からn+型エピタキ
シャル層内への弱い正孔の流れがあり、これにより炭化
シリコンの伝導帯と価電子帯との間である程度の再結合
が生じ、この再結合は424〜428ナノメートルの発光に相
当するが、電子電流が優勢であるため、455〜460ナノメ
ートルの発光が主になる。
認識されるように、ｐ型層24にアルミニウムをドープす
るため、主として電子がn+型エピタキシャル層23からｐ
型エピタキシャル層24内へ走行し、再結合は主として炭
化シリコンの伝導帯とアルミニウムの不純物準位との間
で生じる。この遷移により表されるエネルギーは455〜4
60ナノメートルの光子及び特性青色光に相当する。前述
したように、ｐ型エピタキシャル層24からn+型エピタキ
シャル層内への弱い正孔の流れがあり、これにより炭化
シリコンの伝導帯と価電子帯との間である程度の再結合
が生じ、この再結合は424〜428ナノメートルの発光に相
当するが、電子電流が優勢であるため、455〜460ナノメ
ートルの発光が主になる。
上述したように、n+型層23のキャリア濃度はｐ型エピ
タキシャル層24のキャリア濃度より十分高く維持して電
子電流を優勢にせしめる。代表的には、このような“よ
り高濃度”の層のキャリア濃度はキャリアが注入される
隣接層より少なくとも１桁高くする。代表的なダイオー
ドでは、基板は約５×1017〜１×1018キャリア/cm3の範
囲内のドナー準位を有するものとするが、n+型エピタキ
シャル層のドナー濃度は約２×1018〜２×1019キャリア
/cm3程度にする。このような場合には、ｐ型エピタキシ
ャル層は約２×1017〜２×1018キャリア/cm3の正孔濃度
を有するものとする。このようなダイオードの代表的な
寸法は基板を約300ミクロン程度の厚さにし、各エピタ
キシャル層の厚さを１〜２ミクロン程度にするのが種々
のダイオード特性を達成するのに望ましい。
タキシャル層24のキャリア濃度より十分高く維持して電
子電流を優勢にせしめる。代表的には、このような“よ
り高濃度”の層のキャリア濃度はキャリアが注入される
隣接層より少なくとも１桁高くする。代表的なダイオー
ドでは、基板は約５×1017〜１×1018キャリア/cm3の範
囲内のドナー準位を有するものとするが、n+型エピタキ
シャル層のドナー濃度は約２×1018〜２×1019キャリア
/cm3程度にする。このような場合には、ｐ型エピタキシ
ャル層は約２×1017〜２×1018キャリア/cm3の正孔濃度
を有するものとする。このようなダイオードの代表的な
寸法は基板を約300ミクロン程度の厚さにし、各エピタ
キシャル層の厚さを１〜２ミクロン程度にするのが種々
のダイオード特性を達成するのに望ましい。
第２図はα型炭化シリコンのｐ型基板31上に形成した
他の発光ダイオード30の概略図である。オーム接点32を
基板31に設け、ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層33を
このｐ型基板37上に設ける。α型炭化シリコンのほぼ無
補償のｎ型エピタキシャル層34をｐ型エピタキシャル層
33上に設け、このｐ型エピタキシャル層33とｐ−ｎ接合
を形成する。ｎ型エピタキシャル層34はｐ型エピタキシ
ャル層33のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、
オーム接点35をこのｎ型エピタキシャル層に形成する。
このダイオード30はダイオード20と同様に約455〜480ナ
ノメートルの波長でピーク発光を生じ、ピーク波長にお
けるスペクトル半値幅は約50ナノメートル以下になる。
他の発光ダイオード30の概略図である。オーム接点32を
基板31に設け、ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層33を
このｐ型基板37上に設ける。α型炭化シリコンのほぼ無
補償のｎ型エピタキシャル層34をｐ型エピタキシャル層
33上に設け、このｐ型エピタキシャル層33とｐ−ｎ接合
を形成する。ｎ型エピタキシャル層34はｐ型エピタキシ
ャル層33のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、
オーム接点35をこのｎ型エピタキシャル層に形成する。
このダイオード30はダイオード20と同様に約455〜480ナ
ノメートルの波長でピーク発光を生じ、ピーク波長にお
けるスペクトル半値幅は約50ナノメートル以下になる。
好適実施例では、ダイオード30は同様に、ディビス型
化学気相成長によりエピタキシャル層33及び34を成長さ
せることにより形成し、これにより、この好適実施例で
は約455〜460ナノメートルの間の波長でピーク発光を生
じると共に約25ナノメートル以下のピーク波長における
スペクトル半値幅を有するダイオードが得られる。
化学気相成長によりエピタキシャル層33及び34を成長さ
せることにより形成し、これにより、この好適実施例で
は約455〜460ナノメートルの間の波長でピーク発光を生
じると共に約25ナノメートル以下のピーク波長における
スペクトル半値幅を有するダイオードが得られる。
他の実施例と同様に、ｎ型エピタキシャル層はドナー
キャリアとして窒素を含むことができ、ｐ型エピタキシ
ャル層及びｐ型基板はアクセプタキャリアとしてアルミ
ニウムを含むことができる。このダイオードも同様に6
H,4H及び15Rポリタイプから成る群から選択したα型炭
化シリコンで形成することができる。
キャリアとして窒素を含むことができ、ｐ型エピタキシ
ャル層及びｐ型基板はアクセプタキャリアとしてアルミ
ニウムを含むことができる。このダイオードも同様に6
H,4H及び15Rポリタイプから成る群から選択したα型炭
化シリコンで形成することができる。
第２図に矢印Inで示すように、主キャリア流は電子流
であり、この電子流はn+型層34からｐ型層33内へと生
じ、第１図につき述べたと同一の遷移を生ずる。
であり、この電子流はn+型層34からｐ型層33内へと生
じ、第１図につき述べたと同一の遷移を生ずる。
第３及び第４図は約424〜428ナノメートルの間のピー
ク波長を有する光を発生する本発明ダイオードを示す。
この波長の光は炭化シリコンの伝導帯と１つの不純物準
位との間又は２つの不純物準位の間の遷移ではなく伝導
帯と価電子帯との間のフルバンドギャップ遷移に相当す
る。第３及び第４図につき説明するように、この遷移は
主電流が正孔流となるような構造を有するダイオードを
形成することにより達成される。炭化シリコン及びその
特性に精通する者に既知のように、炭化シリコンではフ
ルバンドギャップ再結合の方がｎ型材料内のｎ型（通常
窒素）不純物準位と価電子帯との間で生ずる遷移より特
性的に好ましい。第３図は特性424ナノメートル光子を
発生する第１タイプの発光ダイオードを示す。このダイ
オード（参照符号40で示す）はα型炭化シリコンのｎ型
基板41とこの基板に対するオーム接点42を有する。α型
炭化シリコンのほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層43を
ｎ型基板41上に設け、α型炭化シリコンのほぼ無補償の
ｐ型エピタキシャル層44をｎ型エピタキシャル層43上に
設けてこのｎ型層とｐ−ｎ接合を形成する。ｐ型エピタ
キシャル層44はｎ型エピタキシャル層43のキャリア濃度
より高いキャリア濃度を有し、ｎ型層43及びｐ型層44の
両層はディビス型化学気相成長により形成する。オーム
接点45はエピタキシャル層44で設ける。前述したよう
に、ｐ型エピタキシャル層の方がキャリア濃度が高いた
め、主電流は矢印Ipで示すようにｐ型エピタキシャル層
44からｎ型エピタキシャル層43へ流れる正孔電流であ
る。これがためこのダイオードは約424〜428ナノメート
ルの間のピーク発光を生じ、ピーク波長におけるスペク
トル半値幅は約50ナノメートル以下になる。好適実施例
例では半値幅は25ナノメートル以下になる。
ク波長を有する光を発生する本発明ダイオードを示す。
この波長の光は炭化シリコンの伝導帯と１つの不純物準
位との間又は２つの不純物準位の間の遷移ではなく伝導
帯と価電子帯との間のフルバンドギャップ遷移に相当す
る。第３及び第４図につき説明するように、この遷移は
主電流が正孔流となるような構造を有するダイオードを
形成することにより達成される。炭化シリコン及びその
特性に精通する者に既知のように、炭化シリコンではフ
ルバンドギャップ再結合の方がｎ型材料内のｎ型（通常
窒素）不純物準位と価電子帯との間で生ずる遷移より特
性的に好ましい。第３図は特性424ナノメートル光子を
発生する第１タイプの発光ダイオードを示す。このダイ
オード（参照符号40で示す）はα型炭化シリコンのｎ型
基板41とこの基板に対するオーム接点42を有する。α型
炭化シリコンのほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層43を
ｎ型基板41上に設け、α型炭化シリコンのほぼ無補償の
ｐ型エピタキシャル層44をｎ型エピタキシャル層43上に
設けてこのｎ型層とｐ−ｎ接合を形成する。ｐ型エピタ
キシャル層44はｎ型エピタキシャル層43のキャリア濃度
より高いキャリア濃度を有し、ｎ型層43及びｐ型層44の
両層はディビス型化学気相成長により形成する。オーム
接点45はエピタキシャル層44で設ける。前述したよう
に、ｐ型エピタキシャル層の方がキャリア濃度が高いた
め、主電流は矢印Ipで示すようにｐ型エピタキシャル層
44からｎ型エピタキシャル層43へ流れる正孔電流であ
る。これがためこのダイオードは約424〜428ナノメート
ルの間のピーク発光を生じ、ピーク波長におけるスペク
トル半値幅は約50ナノメートル以下になる。好適実施例
例では半値幅は25ナノメートル以下になる。
前述の実施例と同様に、ｎ型基板及びｎ型エピタキシ
ャル層41及び43はドナーキャリアとして窒素を含むこと
ができ、ｐ型エピタキシャル層44はアクセプタキャリア
としてアルミニウムを含むことができる。基板41及びそ
れぞれのエピタキシャル層43及び44は炭化シリコンの6
H,4H及び15Rポリタイプから成る群から選択した特定の
ポリタイプを有するものとするものができ、前述の実施
例と同様に、ｐ型エピタキシャル層44に対するオーム接
点はアルミニウムで形成し、ｎ型基板41に対するオーム
接点はニッケルで形成することができる。この実施例及
び前述の実施例について更に述べるように、ｐ型基板の
方がある環境の下では好適であるが、ｎ型基板41はｐ型
基板より低い抵抗率で高い透明度を有する利点を提供す
る。
ャル層41及び43はドナーキャリアとして窒素を含むこと
ができ、ｐ型エピタキシャル層44はアクセプタキャリア
としてアルミニウムを含むことができる。基板41及びそ
れぞれのエピタキシャル層43及び44は炭化シリコンの6
H,4H及び15Rポリタイプから成る群から選択した特定の
ポリタイプを有するものとするものができ、前述の実施
例と同様に、ｐ型エピタキシャル層44に対するオーム接
点はアルミニウムで形成し、ｎ型基板41に対するオーム
接点はニッケルで形成することができる。この実施例及
び前述の実施例について更に述べるように、ｐ型基板の
方がある環境の下では好適であるが、ｎ型基板41はｐ型
基板より低い抵抗率で高い透明度を有する利点を提供す
る。
第４図はα型炭化シリコンのｐ型基板51上に形成され
た他の実施例の発光ダイオード50を示す。オーム接点52
を基板51に設け、ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層53
をｐ型基板51上に設け、このエピタキシャル層はｐ型基
板51より高いキャリア濃度を有するものとする。α型炭
化シリコンの第１のほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層
54をｐ型エピタキシャル層53上に設け、この層はｐ型エ
ピタキシャル層53のキャリア濃度より低いキャリア濃度
を有するものとする。第２のほぼ無補償のｎ型エピタキ
シャル層55を第１のｎ型エピタキシャル層54上に設け、
この層は第１のｎ型エピタキシャル層54のキャリア濃度
より高いキャリア濃度にする。
た他の実施例の発光ダイオード50を示す。オーム接点52
を基板51に設け、ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層53
をｐ型基板51上に設け、このエピタキシャル層はｐ型基
板51より高いキャリア濃度を有するものとする。α型炭
化シリコンの第１のほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層
54をｐ型エピタキシャル層53上に設け、この層はｐ型エ
ピタキシャル層53のキャリア濃度より低いキャリア濃度
を有するものとする。第２のほぼ無補償のｎ型エピタキ
シャル層55を第１のｎ型エピタキシャル層54上に設け、
この層は第１のｎ型エピタキシャル層54のキャリア濃度
より高いキャリア濃度にする。
第３及び第４図に示すダイオードに対してはｐ型又は
ｎ型基板は約５×1017〜１×1018/cm3のキャリア濃度を
有し、p+エピタキシャル層は約１〜２×1018/cm3のキャ
リア濃度を有し、ｎ型エピタキシャル層は約１×1016〜
５×1017/cm3のキャリア濃度を有するものとする。第１
及び第２図について説明したダイオードの場合と同様
に、代表的な基板は約300ミクロン厚程度にし、各エピ
タキシャル層の厚さは所望の特性及び設計に応じて１〜
２ミクロン程度にする。これらは代表的な値であって、
本発明のダイオードはこれらの特定値に限定されるもの
でないこと勿論である。
ｎ型基板は約５×1017〜１×1018/cm3のキャリア濃度を
有し、p+エピタキシャル層は約１〜２×1018/cm3のキャ
リア濃度を有し、ｎ型エピタキシャル層は約１×1016〜
５×1017/cm3のキャリア濃度を有するものとする。第１
及び第２図について説明したダイオードの場合と同様
に、代表的な基板は約300ミクロン厚程度にし、各エピ
タキシャル層の厚さは所望の特性及び設計に応じて１〜
２ミクロン程度にする。これらは代表的な値であって、
本発明のダイオードはこれらの特定値に限定されるもの
でないこと勿論である。
オーム接点56を第2n型エピタキシャル層55に設ける。
高濃度の第2n型エピタキシャル層55はこれがない場合に
接点56を中心に発生し得る電流集中を緩和する導電表面
を形成する。このダイオードは約424〜428ナノメートル
の間のピーク発光を生じ、ピーク波長におけるスペクト
ル半値幅が約50ナノメートル以下になる。
高濃度の第2n型エピタキシャル層55はこれがない場合に
接点56を中心に発生し得る電流集中を緩和する導電表面
を形成する。このダイオードは約424〜428ナノメートル
の間のピーク発光を生じ、ピーク波長におけるスペクト
ル半値幅が約50ナノメートル以下になる。
第４図に矢印Ipで示すように、主電流はｐ型エピタキ
シャル層53からｎ型エピタキシャル層54への正孔流であ
り、この主電流は前述したように炭化シリコンの伝導帯
と価電子帯との間のフルバンドギャップ遷移を生じ、42
4〜448ナノメートルの光子を発生する。
シャル層53からｎ型エピタキシャル層54への正孔流であ
り、この主電流は前述したように炭化シリコンの伝導帯
と価電子帯との間のフルバンドギャップ遷移を生じ、42
4〜448ナノメートルの光子を発生する。
先記実施例と同様に、エピタキシャル層53及び54はデ
ィビス型化学気相成長により成長させ、好適実施例では
ピーク波長におけるスペクトル半値幅は約25ナノメート
ル以下になる。他の実施例と同様に、ドナーキャリアは
窒素を含み、アクセプタキャリアはアルミニウムを含む
ことができる。基板及びエピタキシャル層のポリタイプ
はα型炭化シリコンの6H,4H及び15Rポリタイプから成る
群から選択した１つとすることができる。ｎ型エピタキ
シャル層55に対するオーム接点はニッケルで、ｐ型基板
51に対するオーム接点はアルミニウムで構成することが
できる。
ィビス型化学気相成長により成長させ、好適実施例では
ピーク波長におけるスペクトル半値幅は約25ナノメート
ル以下になる。他の実施例と同様に、ドナーキャリアは
窒素を含み、アクセプタキャリアはアルミニウムを含む
ことができる。基板及びエピタキシャル層のポリタイプ
はα型炭化シリコンの6H,4H及び15Rポリタイプから成る
群から選択した１つとすることができる。ｎ型エピタキ
シャル層55に対するオーム接点はニッケルで、ｐ型基板
51に対するオーム接点はアルミニウムで構成することが
できる。
第５図は約465〜470ナノメートルの間のピーク波長を
有する可視光を発生する炭化シリコンから成る本発明発
光ダイオードの他の実施例60を示す。このダイオードは
α型炭化シリコンのｎ型基板61を具える。オーム接点62
を基板61に電気接触させる。α型炭化シリコンのほぼ無
補償のｎ型エピタキシャル層63をｎ型基板61上に形成
し、このｎ型エピタキシャル層はｎ型基板61のドナー濃
度より高いドナー濃度を有するものとする。α型炭化シ
リコンの補償ｐ型エピタキシャル層64をほぼ無補償のｎ
型エピタキシャル層63上に形成してこのｎ型エピタキシ
ャル層63とｐ−ｎ接合を形成する。α型炭化シリコンの
ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層65を補償ｐ型エピタ
キシャル層64上に形成し、このｐ型エピタキシャル層65
は補償ｐ型エピタキシャル層64より高い又は等しいアク
セプタ濃度を有するものとする。ほぼ無補償のｐ型エピ
タキシャル層65に導電接点66を設けてダイオードを完成
する。p+型無補償エピタキシャル層65の目的は炭化シリ
コンから成る従来のダイオードで観測される電流集中問
題を除去するための良好な導電表面を形成することにあ
る。しかし、p+型無補償エピタキシャル層を設けないで
接点66を補償ｐ型エピタキシャル層64に直接設けても良
好なダイオードを形成することができる。
有する可視光を発生する炭化シリコンから成る本発明発
光ダイオードの他の実施例60を示す。このダイオードは
α型炭化シリコンのｎ型基板61を具える。オーム接点62
を基板61に電気接触させる。α型炭化シリコンのほぼ無
補償のｎ型エピタキシャル層63をｎ型基板61上に形成
し、このｎ型エピタキシャル層はｎ型基板61のドナー濃
度より高いドナー濃度を有するものとする。α型炭化シ
リコンの補償ｐ型エピタキシャル層64をほぼ無補償のｎ
型エピタキシャル層63上に形成してこのｎ型エピタキシ
ャル層63とｐ−ｎ接合を形成する。α型炭化シリコンの
ほぼ無補償のｐ型エピタキシャル層65を補償ｐ型エピタ
キシャル層64上に形成し、このｐ型エピタキシャル層65
は補償ｐ型エピタキシャル層64より高い又は等しいアク
セプタ濃度を有するものとする。ほぼ無補償のｐ型エピ
タキシャル層65に導電接点66を設けてダイオードを完成
する。p+型無補償エピタキシャル層65の目的は炭化シリ
コンから成る従来のダイオードで観測される電流集中問
題を除去するための良好な導電表面を形成することにあ
る。しかし、p+型無補償エピタキシャル層を設けないで
接点66を補償ｐ型エピタキシャル層64に直接設けても良
好なダイオードを形成することができる。
前述したように、“補償”（いくつかの文献では“過
補償”と称している）とは、半導体材料のドープ部分内
にドナー型及びアクセプタ型の両ドーパントを用いるに
もかかわらずドナー型又はアクセプタ型特性を示すよう
にすることを意味する。例えば補償ｐ型層はｐ型とｎ型
の両ドーパントを含むが、α型アクセプタ原子の数をｎ
型ドナー原子の数より十分に多くしてエピタキシャル層
にｐ型特性を与えたものである。同様に、ｎ型補償材料
はドナー原子とアクセプタ原子の両方を含むがドナー原
子の数をアクセプタ原子の数より多くしてエピタキシャ
ル層にｎ型特性を与えたものである。
補償”と称している）とは、半導体材料のドープ部分内
にドナー型及びアクセプタ型の両ドーパントを用いるに
もかかわらずドナー型又はアクセプタ型特性を示すよう
にすることを意味する。例えば補償ｐ型層はｐ型とｎ型
の両ドーパントを含むが、α型アクセプタ原子の数をｎ
型ドナー原子の数より十分に多くしてエピタキシャル層
にｐ型特性を与えたものである。同様に、ｎ型補償材料
はドナー原子とアクセプタ原子の両方を含むがドナー原
子の数をアクセプタ原子の数より多くしてエピタキシャ
ル層にｎ型特性を与えたものである。
前述したように、このダイオードを流れる電流は接合
のｎ側からｐ側へ流れる電子の流れと考えられ、この電
流を電子電流と称し、“In"で表わす。ダイオードを流
れる電流は接合を横切ってｐ型材料からｎ型材料へ流れ
る正孔の流れとすることもでき、この電流は“Ip"で示
す。ｐ型補償材料内への電子注入を用いる青色発光デバ
イスでは順方向バイアス状態において電流の大部分を電
子電流（In）にして多数の電子を補償ｐ型材料内に注入
し、ｐ型材料内で多数の再結合を生じさせ、多量の光を
発生させるのが好ましい。逆に、ｎ型補償層に対しては
順方向バイアス状態において電流の大部分を正孔電流
（Ip）にして多数の正孔を補償ｎ型材料内に注入させる
のが好ましい。これを達成するために、前述したよう
に、n+層又はp+層を用いてn+p接合又はp+n接合、即ち注
入キャリアを発生する側の材料に多数のキャリア（正孔
又は電子）が存在する接合を形成する。
のｎ側からｐ側へ流れる電子の流れと考えられ、この電
流を電子電流と称し、“In"で表わす。ダイオードを流
れる電流は接合を横切ってｐ型材料からｎ型材料へ流れ
る正孔の流れとすることもでき、この電流は“Ip"で示
す。ｐ型補償材料内への電子注入を用いる青色発光デバ
イスでは順方向バイアス状態において電流の大部分を電
子電流（In）にして多数の電子を補償ｐ型材料内に注入
し、ｐ型材料内で多数の再結合を生じさせ、多量の光を
発生させるのが好ましい。逆に、ｎ型補償層に対しては
順方向バイアス状態において電流の大部分を正孔電流
（Ip）にして多数の正孔を補償ｎ型材料内に注入させる
のが好ましい。これを達成するために、前述したよう
に、n+層又はp+層を用いてn+p接合又はp+n接合、即ち注
入キャリアを発生する側の材料に多数のキャリア（正孔
又は電子）が存在する接合を形成する。
第５〜第８図につき説明するダイオードに対しては、
代表的なキャリア濃度はｎ又はｐ型基板では５×1017〜
１×1018/cm3、n+型エピタキシャル層では５×1018〜２
×1019/cm3、補償ｎ型エピタキシャル層では５×1016〜
８×1017/cm3、p+型エピタキシャル層では１×1018〜２
×1019/cm3、及び補償ｐ型エピタキシャル層では５×10
16〜８×1017/cm3である。前述した他のダイオードにつ
き述べたと同様に、代表的な基板の厚さは300ミクロン
程度にすることができると共に代表的なエピタキシャル
層の厚さは１〜２ミクロン程度にすることができる。先
に述べたように、これらの値は代表値であり、本発明の
ダイオードはこれら特定の値又は値の範囲に限定される
ものではない。
代表的なキャリア濃度はｎ又はｐ型基板では５×1017〜
１×1018/cm3、n+型エピタキシャル層では５×1018〜２
×1019/cm3、補償ｎ型エピタキシャル層では５×1016〜
８×1017/cm3、p+型エピタキシャル層では１×1018〜２
×1019/cm3、及び補償ｐ型エピタキシャル層では５×10
16〜８×1017/cm3である。前述した他のダイオードにつ
き述べたと同様に、代表的な基板の厚さは300ミクロン
程度にすることができると共に代表的なエピタキシャル
層の厚さは１〜２ミクロン程度にすることができる。先
に述べたように、これらの値は代表値であり、本発明の
ダイオードはこれら特定の値又は値の範囲に限定される
ものではない。
従来技術につき述べたように、従来のデバイスは475
〜480ナノメートルの再結合を得るためにp+n（補償）接
合をのみを用いている。実際的な見地から、SiCの液相
エピタキシャル成長（LPE）プロセスは一般にｐ型基板
の使用を必要とし、p+n構造に設計及び製造を制限す
る。特に重要な点は、LPEはあまり純粋でなく欠陥の多
い補償ｎ型層を生成し、極めて広帯域の発光を生ずる。
〜480ナノメートルの再結合を得るためにp+n（補償）接
合をのみを用いている。実際的な見地から、SiCの液相
エピタキシャル成長（LPE）プロセスは一般にｐ型基板
の使用を必要とし、p+n構造に設計及び製造を制限す
る。特に重要な点は、LPEはあまり純粋でなく欠陥の多
い補償ｎ型層を生成し、極めて広帯域の発光を生ずる。
半導体デバイスの製造に精通する者に既知のように、
結晶（補償を含む）の品質及びドーピングはドーパント
の正確なエネルギー準位に影響し得る。これは次いでエ
ネルギー準位間のエネルギー差及び従って得られる発光
の色に影響を与える。この点に関し、本発明のダイオー
ドにより発生される465〜470nm光は従来のものより一層
純粋で“一層青い”色の光を与える。本願人は任意の特
定の理論に拘束されることは望まないが、ディビス型CV
Dにより得られる優れた結晶構造はエネルギー準位の位
置及び従って得られる遷移に影響を与える結晶欠陥の量
を最小にすること明らかである。この結果は、本発明の
ダイオードにより特定の波長の光及び狭帯域幅が得られ
ることにより明らかとなる。
結晶（補償を含む）の品質及びドーピングはドーパント
の正確なエネルギー準位に影響し得る。これは次いでエ
ネルギー準位間のエネルギー差及び従って得られる発光
の色に影響を与える。この点に関し、本発明のダイオー
ドにより発生される465〜470nm光は従来のものより一層
純粋で“一層青い”色の光を与える。本願人は任意の特
定の理論に拘束されることは望まないが、ディビス型CV
Dにより得られる優れた結晶構造はエネルギー準位の位
置及び従って得られる遷移に影響を与える結晶欠陥の量
を最小にすること明らかである。この結果は、本発明の
ダイオードにより特定の波長の光及び狭帯域幅が得られ
ることにより明らかとなる。
更に、ディビス型化学気相成長プロセスはｎ又はｐ型
基板のいずれも用い得る融通性を与えると共に３種の波
長で狭帯域発光するLEDを製造し得る融通性を与える。
基板のいずれも用い得る融通性を与えると共に３種の波
長で狭帯域発光するLEDを製造し得る融通性を与える。
第６図ではダイオードを70で、ｎ型基板を71で、その
オーム接点を72で、補償ｎ型エピタキシャル層を73で、
p+型エピタキシャル層を74で、そのオーム接点を75でそ
れぞれ示してある。矢印Ipで示すように、第６図のダイ
オードはp+層74から補償ｎ型エピタキシャル層73内への
正孔の注入より動作する。
オーム接点を72で、補償ｎ型エピタキシャル層を73で、
p+型エピタキシャル層を74で、そのオーム接点を75でそ
れぞれ示してある。矢印Ipで示すように、第６図のダイ
オードはp+層74から補償ｎ型エピタキシャル層73内への
正孔の注入より動作する。
上記の本発明のダイオードの利点は、（１）n+層又は
p+層内に一層高いドナー又はアクセプタ濃度を得ること
ができるために一層高い注入電流が得られる、（２）低
い抵抗率を有する高度に透明で殆ど無色の基板、（３）
一層良好な電流−電圧特性、（４）ディビス型CVDによ
り成長した高純度のエピタキシャル層、（５）高純度の
エピタキシャル層により得られる狭帯域幅の発光が得ら
れる点にある。（１）と（４）の利点を用いることによ
り改善されたデバイス特性を得ることもできる（第７図
及び第８図参照）。
p+層内に一層高いドナー又はアクセプタ濃度を得ること
ができるために一層高い注入電流が得られる、（２）低
い抵抗率を有する高度に透明で殆ど無色の基板、（３）
一層良好な電流−電圧特性、（４）ディビス型CVDによ
り成長した高純度のエピタキシャル層、（５）高純度の
エピタキシャル層により得られる狭帯域幅の発光が得ら
れる点にある。（１）と（４）の利点を用いることによ
り改善されたデバイス特性を得ることもできる（第７図
及び第８図参照）。
第７図では、ダイオードを80で、ｐ型基板を81で、そ
のオーム接点を82で、補償ｐ型エピタキシャル層を83
で、n+型エピタキシャル層を84で、そのオーム接点を85
でそれぞれ示してある。本例では矢印Inで示す電子電流
がn+型エピタキシャル層84からｐ型エピタキシャル層83
内へ流れる。
のオーム接点を82で、補償ｐ型エピタキシャル層を83
で、n+型エピタキシャル層を84で、そのオーム接点を85
でそれぞれ示してある。本例では矢印Inで示す電子電流
がn+型エピタキシャル層84からｐ型エピタキシャル層83
内へ流れる。
第８図では、ダイオードを90で、ｐ型基板を91で、そ
のオーム接点を92で、p+型エピタキシャル層を93で、補
償ｎ型エピタキシャル層を94で、ほぼ無補償のn+型エピ
タキシャル層を95で、そのオーム接点を96でそれぞれ示
してある。第４図の実施例につき述べたように、n+型エ
ピタキシャル層95は接点96を中心に発生し得る電流集中
を阻止する高導電性表面を与えるものである。矢印Ipで
示すように、本例ダイオードはp+型層93から補償ｎ型エ
ピタキシャル層94内への正孔電流の注入により動作す
る。
のオーム接点を92で、p+型エピタキシャル層を93で、補
償ｎ型エピタキシャル層を94で、ほぼ無補償のn+型エピ
タキシャル層を95で、そのオーム接点を96でそれぞれ示
してある。第４図の実施例につき述べたように、n+型エ
ピタキシャル層95は接点96を中心に発生し得る電流集中
を阻止する高導電性表面を与えるものである。矢印Ipで
示すように、本例ダイオードはp+型層93から補償ｎ型エ
ピタキシャル層94内への正孔電流の注入により動作す
る。
第９図、第10図及び第13図は本発明に従って形成した
それぞれ455ナノメートル、424ナノメートル及び467ナ
ノメートルLEDのスペクトルの強度（相対値）対波長
（ナノメートル単位）を示すものである。第9,10図及び
13図に示すダイオードに対する波長データを下記の表１
に要約する。これら図に示すダイオードは優れた外部量
子効率も示し、特に第13図のダイオードは１×104の外
部量子効率を示す。
それぞれ455ナノメートル、424ナノメートル及び467ナ
ノメートルLEDのスペクトルの強度（相対値）対波長
（ナノメートル単位）を示すものである。第9,10図及び
13図に示すダイオードに対する波長データを下記の表１
に要約する。これら図に示すダイオードは優れた外部量
子効率も示し、特に第13図のダイオードは１×104の外
部量子効率を示す。
表 １ 図 ピーク波長 スペクトル半値幅 第９図 456ナノメートル 26ナノメートル 第10図 425ナノメートル 23ナノメートル 第11図 467ナノメートル 75ナノメートル ディビス特許第4,912,064号に記載されている技術を
簡単に要約すると、本発明のダイオードのエピタキシャ
ル層はラップ仕上げ及び研摩仕上げしたα型炭化シリコ
ンのオフアクシス基板上にα型炭化シリコンを化学気相
成長により成長させて得る。無補償ｎ型層の形成時には
エチレン（C2H4）ガス及びシラン（SiH4）ガスの流れを
CVDシステム内に導入する。同時に窒素含有ガスを前記
特許に述べられているパラメータに従って選択した濃度
で導入してα型炭化シリコンのｎ型エピタキシャル層を
形成する。
簡単に要約すると、本発明のダイオードのエピタキシャ
ル層はラップ仕上げ及び研摩仕上げしたα型炭化シリコ
ンのオフアクシス基板上にα型炭化シリコンを化学気相
成長により成長させて得る。無補償ｎ型層の形成時には
エチレン（C2H4）ガス及びシラン（SiH4）ガスの流れを
CVDシステム内に導入する。同時に窒素含有ガスを前記
特許に述べられているパラメータに従って選択した濃度
で導入してα型炭化シリコンのｎ型エピタキシャル層を
形成する。
次に、全てのガスを遮断してシステムを清浄にし、次
いでエチレンとシランを導入してｐ型層を形成するプロ
セスを開始させる。同時にトリメチルアルミニウム（TM
A）を水素ガス（H2）により泡立たせてアルミニウム含
有ガスを形成することによりアルミニウムを添加する。
これによりｎ型エピタキシャル層上にｐ型エピタキシャ
ル層が得られ、両層は本質的に連続するプロセスで形成
されることになる。
いでエチレンとシランを導入してｐ型層を形成するプロ
セスを開始させる。同時にトリメチルアルミニウム（TM
A）を水素ガス（H2）により泡立たせてアルミニウム含
有ガスを形成することによりアルミニウムを添加する。
これによりｎ型エピタキシャル層上にｐ型エピタキシャ
ル層が得られ、両層は本質的に連続するプロセスで形成
されることになる。
補償エピタキシャル層を形成するためにはその前のプ
ロセスの窒素ガスの流れを上記のアルミニウム添加プロ
セス中も維持もしくは減少させ、窒素の流れを止めない
ようにすることができる。
ロセスの窒素ガスの流れを上記のアルミニウム添加プロ
セス中も維持もしくは減少させ、窒素の流れを止めない
ようにすることができる。
補償層上にp+型エピタキシャル層を形成するためには
その前のプロセスを続けるが窒素ガスの流れは止めてア
ルミニウムのみが最後に形成されるエピタキシャル層に
添加されるようにすることができる。
その前のプロセスを続けるが窒素ガスの流れは止めてア
ルミニウムのみが最後に形成されるエピタキシャル層に
添加されるようにすることができる。
第11図は本発明ダイオードの電流−電圧 第11図は本発明ダイオードの電流−電内特性を示す、
特に4.4ボルトの順方向電圧において100ミリアンペアの
順方向電流であり、−５ボルトにおいて１マイクロアン
ペア以下の逆リーク電流であることを示している。
特に4.4ボルトの順方向電圧において100ミリアンペアの
順方向電流であり、−５ボルトにおいて１マイクロアン
ペア以下の逆リーク電流であることを示している。
最後に、第12図は本発明の発光ダイオードに好適なメ
サ構造の一例の断面図を示す。基板は101で、各別のエ
ピタキシャル層102及び103で、基板及びエピタキシャル
層103のオーム接点を104及び105で示してある。メサ構
造では、例えば二酸化シリコンの不活性層106を設けて
ｐ−ｎ接合を保護することができる。ディビス型化学気
相成長によるエピタキシャル層の成長に続いて、エピタ
キシャル層及び基板を適当にエッチングし、オーム接点
及び不活性層をフォトリソグラフィのような慣例の技術
を用いて設けることができる。好適なエッチング技術は
米国特許第4,865,685号に開示されている。デバイス製
造に精通する者に既知のように、メサ構造は、数個又は
多数のデバイスを共通基板上に形成するとき各デバイス
のｐ−ｎ接合を限界し互いに分離する。従って、多数の
このようなダイオードを互いに隣接して同時に製造する
とき、基板を切断して個々のダイオードに分離する通常
の製造方法が接合の縁を損傷したり、所望の結晶構造に
影響を与えることはない。
サ構造の一例の断面図を示す。基板は101で、各別のエ
ピタキシャル層102及び103で、基板及びエピタキシャル
層103のオーム接点を104及び105で示してある。メサ構
造では、例えば二酸化シリコンの不活性層106を設けて
ｐ−ｎ接合を保護することができる。ディビス型化学気
相成長によるエピタキシャル層の成長に続いて、エピタ
キシャル層及び基板を適当にエッチングし、オーム接点
及び不活性層をフォトリソグラフィのような慣例の技術
を用いて設けることができる。好適なエッチング技術は
米国特許第4,865,685号に開示されている。デバイス製
造に精通する者に既知のように、メサ構造は、数個又は
多数のデバイスを共通基板上に形成するとき各デバイス
のｐ−ｎ接合を限界し互いに分離する。従って、多数の
このようなダイオードを互いに隣接して同時に製造する
とき、基板を切断して個々のダイオードに分離する通常
の製造方法が接合の縁を損傷したり、所望の結晶構造に
影響を与えることはない。
以上本発明の代表的な好適実施例について特定の用語
を用いて説明したが、これらは一般的に且つ説明的にの
み用いたものであって本発明を限定するためではなく、
本発明の範囲は次の請求の範囲に記載した通りである。
を用いて説明したが、これらは一般的に且つ説明的にの
み用いたものであって本発明を限定するためではなく、
本発明の範囲は次の請求の範囲に記載した通りである。
Claims (9)
- 【請求項１】可視スペクトルの青〜紫部分で発光する炭
化シリコン内に形成した発光ダイオードであって； 底面に対し＜11０＞方向の１つの方向にほぼ向かって
１度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有するα型炭化シ
リコンの基板であって、単一ポリタイプから成ると共に
ドナーキャリアとして窒素を含むｎ型基板（61）と； 前記ｎ型基板に対するオーム接点（62）と；前記基板の
界面上にホモエピタキシャル成長され、前記基板と同一
のポリタイプを有すると共にドナーキャリアとして窒素
を含むα型炭化シリコンのほぼ無補償のｎ型単結晶エピ
タキシャル層（63）と； 前記無補償ｎ型エピタキシャル層上にあって前記基板及
び前記ｎ型層と同一のポリタイプを有し、アクセプタキ
ャリアとしてアルミニウムを含むと共にドナーキャリア
として窒素を含み、且つ前記ｎ型エピタキシャル層とpn
接合を形成するα型炭化シリコンの補償ｐ型単結晶エピ
タキシャル層（64）と； 前記補償ｐ型エピタキシャル層に対するオーム接点（6
6）とを具え、 前記ｎ型エピタキシャル層は、順方向バイアス状態にお
いて前記ｎ型層から前記ｐ型層内への優勢な注入を生ず
るように前記補償ｐ型エピタキシャル層のキャリア濃度
より十分高いキャリア濃度を有することを特徴とする発
光ダイオード。 - 【請求項２】前記補償ｐ型エピタキシャル層上にα型炭
化シリコンの無補償ｐ型エピタキシャル（65）を更に具
え、前記無補償ｐ型エピタキシャル層は前記補償ｐ型エ
ピタキシャル層のキャリア濃度より高いキャリア濃度を
有し、前記無補償ｐ型エピタキシャル層が前記ｐ型エピ
タキシャル層に対する接点を中心に発生し得る電流集中
を緩和させる導電表面を形成することを特徴とする請求
の範囲１記載の発光ダイオード。 - 【請求項３】可視スペクトルの青〜紫部分で発光する炭
化シリコン内に形成した発光ダイオードであって； 底面に対し＜11０＞方向の１つの方向にほぼ向かって
１度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有するα型炭化シ
リコンの基板であって、単一ポリタイプから成ると共に
ドナーキャリアとして窒素を含むｎ型基板（71）と； 前記基板の界面上にホモエピタキシャル成長され、前記
基板と同一のポリタイプを有すると共にドナーキャリア
として窒素を含むと共にアクセプタキャリアとしてアル
ミニウムを含むα型炭化シリコンの補償ｎ型単結晶エピ
タキシャル層（73）と； 前記補償ｎ型エピタキシャル層上にあって前記基板及び
前記補償ｎ型層と同一のポリタイプを有し、アクセプタ
キャリアとしてアルミニウムを含むほぼ無補償のｐ型単
結晶エピタキシャル層であって、そのキャリア濃度が前
記補償ｎ型エピタキシャル層のキャリア濃度より、該ｐ
型層から前記ｎ型層内への優勢な注入を生ずるように十
分高いｐ型エピタキシャル層（74）と； 前記基板に対するオーム接点（72）及び前記ｐ型エピタ
キシャル層に対するオーム接点（75）とを具え、 当該ダイオードは約465〜470ナノメートルの間の波長で
ピーク発光を生じ、約80ナノメートル以下のピーク波長
におけるスペクトル半値幅を有することを特徴とする発
光ダイオード。 - 【請求項４】前記ｎ型基板に対する前記オーム接点はニ
ッケルで構成し、前記ｐ型エピタキシャル層に対する前
記オーム接点はアルミニウム又はアルミニウム合金で構
成したことを特徴とする請求の範囲１又は３記載の発光
ダイオード。 - 【請求項５】可視スペクトルの青〜紫部分で発光する炭
化シリコン内に形成した発光ダイオードであって； 底面に対し＜11０＞方向の１つの方向にほぼ向かって
１度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有するα型炭化シ
リコンの基板であって、単一ポリタイプから成ると共に
アクセプタキャリアとしてアルミニウムを含むｐ型基板
（81）と； 前記基板の界面上にホモエピタキシャル成長され、前記
基板と同一のポリタイプを有しドナーキャリアとして窒
素を含むと共にアクセプタキャリアとしてアルミニウム
を含むα型炭化シリコンの補償のｐ型単結晶エピタキシ
ャル層（83）と； 前記無補償ｐ型エピタキシャル層上にあって前記基板及
び前記ｐ型層と同一のポリタイプを有し、アクセプタキ
ャリアとしてアルミニウムを含むと共にドナーキャリア
として窒素を含み、且つ前記ｐ型エピタキシャル層とpn
接合を形成するα型炭化シリコンのほぼ無補償のｎ型単
結晶エピタキシャル層（84）と； 前記基板に対するオーム接点（82）及び前記ｎ型層に対
するオーム接点（85）とを具え、 前記ｎ型エピタキシャル層は、順方向バイアス状態にお
いて前記ｎ型層から前記ｐ型層内への優勢な注入を生ず
るように前記補償ｐ型エピタキシャル層のキャリア濃度
より十分高いキャリア濃度を有することを特徴とする発
光ダイオード。 - 【請求項６】約465〜470ナノメートルの間の波長でピー
ク発光を生じ、約80ナノメートル以下のピーク波長にお
けるスペクトル半値幅を有することを特徴とする請求の
範囲１又は５記載の発光ダイオード。 - 【請求項７】可視スペクトルの青〜紫部分で発光する炭
化シリコン内に形成した発光ダイオードであって； 底面に対し＜11０＞方向の１つの方向にほぼ向かって
１度以上の軸外れで傾いた平坦界面を有するα型炭化シ
リコンの基板であって、単一ポリタイプから成ると共に
アクセプタキャリアとしてアルミニウムを含むｐ型基板
（91）と； 前記ｐ型基板に対するオーム接点（92）と； 前記基板の界面上にホモエピタキシャル成長され、前記
基板と同一のポリタイプを有すると共にアクセプタキャ
リアとしてアルミニウムを含むα型炭化シリコンのほぼ
無補償のｐ型単結晶エピタキシャル層（93）と； 前記無補償ｐ型エピタキシャル層上にあって前記基板及
び前記ｐ型層と同一のポリタイプを有し、アクセプタキ
ャリアとしてアルミニウムを含むと共にドナーキャリア
として窒素を含む補償ｎ型単結晶エピタキシャル層であ
って、そのキャリア濃度が前記ｐ型エピタキシャル層の
キャリア濃度より、前記ｐ型層からこのｎ型層内への優
勢な注入を生ずるように十分に低いｎ型エピタキシャル
層（94）と； 前記補償ｎ型エピタキシャル層上にあって前記補償ｎ型
エピタキシャル層のキャリア濃度より高いキャリア濃度
を有し前記ｎ型エピタキシャル層に対するオーム接点を
中心に発生し得る電流集中を緩和させる導電表面を形成
するほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層（95）と； 前記無補償のｎ型エピタキシャル層に対するオーム接点
（96）とを具え、 当該ダイオードは約465〜470ナノメートルの間の波長で
ピーク発生を生じ、約80ナノメートル以下のピーク波長
におけるスペクトル半値幅を有することを特徴とする発
光ダイオード。 - 【請求項８】前記のα型炭化シリコンは6H,4H及び15Rか
ら成る群から選択したポリタイプを有することを特徴と
する請求の範囲1,3,5又は７記載の発光ダイオード。 - 【請求項９】前記ほぼ無補償のｎ型エピタキシャル層に
対する前記オーム接点はニッケルで構成し、前記ｐ型基
板に対する前記オーム接点はアルミニウム又はアルミニ
ウム合金で構成したことを特徴とする請求の範囲５又は
７記載の発光ダイオード。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/284,293 US4918497A (en) | 1988-12-14 | 1988-12-14 | Blue light emitting diode formed in silicon carbide |
| US284,293 | 1988-12-14 | ||
| US07/399,301 US5027168A (en) | 1988-12-14 | 1989-08-28 | Blue light emitting diode formed in silicon carbide |
| US399,301 | 1989-08-28 | ||
| PCT/US1989/005555 WO1990007196A2 (en) | 1988-12-14 | 1989-12-13 | Blue light emitting diode formed in silicon carbide |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05502546A JPH05502546A (ja) | 1993-04-28 |
| JPH0821730B2 true JPH0821730B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=26962535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2501400A Expired - Lifetime JPH0821730B2 (ja) | 1988-12-14 | 1989-12-13 | 炭化シリコン内に形成した青色発光ダイオード |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5027168A (ja) |
| EP (1) | EP0448607B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0821730B2 (ja) |
| KR (1) | KR910700548A (ja) |
| CN (1) | CN1019436B (ja) |
| AT (1) | ATE120035T1 (ja) |
| AU (1) | AU4759290A (ja) |
| CA (1) | CA2005377C (ja) |
| DE (1) | DE68921766D1 (ja) |
| MX (1) | MX174445B (ja) |
| MY (1) | MY105078A (ja) |
| WO (1) | WO1990007196A2 (ja) |
Families Citing this family (247)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5243204A (en) * | 1990-05-18 | 1993-09-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Silicon carbide light emitting diode and a method for the same |
| US7235819B2 (en) * | 1991-03-18 | 2007-06-26 | The Trustees Of Boston University | Semiconductor device having group III nitride buffer layer and growth layers |
| US5633192A (en) * | 1991-03-18 | 1997-05-27 | Boston University | Method for epitaxially growing gallium nitride layers |
| EP0576566B1 (en) * | 1991-03-18 | 1999-05-26 | Trustees Of Boston University | A method for the preparation and doping of highly insulating monocrystalline gallium nitride thin films |
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