JPH0471278A - 炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［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］

【従来の技術】

発光ダイオードは、小型で、消費電力が少なく、高輝度
発光を安定に行い得る発光源であるので、各種表示装置
における表示素子として広く用いられている。 また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］

【発明が解決しようとする課題】

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］

【課題を解決するための手段】

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］

【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］

【実施例】

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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
。

【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
。

【符号の説明】

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

【書類名】

図面

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】 １図８】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオー
   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。
2. 【請求項２】前記ｎ型層が、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、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。
3. 【請求項３】前記炭化珪素が、４Ｈ型、６Ｈ型、１５Ｒ
   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。
4. 【請求項４】前記ｐｎ接合を構成するｎ型層またはｐ型
   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。
5. 【請求項５】炭化珪素を用いたｐｎ接合型発光ダイオー
   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。
6. 【請求項６】前記ｎ型層が、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、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。
7. 【請求項７】前記炭化珪素が、４Ｈ型、６Ｈ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５に記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
8. 【請求項８】前記ｐｎ接合を構成するｎ型層またはｐ型
   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。