JPH07153992A - 炭化ケイ素発光ダイオード素子 - Google Patents

炭化ケイ素発光ダイオード素子

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JPH07153992A
JPH07153992A JP29670093A JP29670093A JPH07153992A JP H07153992 A JPH07153992 A JP H07153992A JP 29670093 A JP29670093 A JP 29670093A JP 29670093 A JP29670093 A JP 29670093A JP H07153992 A JPH07153992 A JP H07153992A
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type silicon
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type sic
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JP29670093A
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Yasuhiko Matsushita
保彦 松下
Katsumi Yagi
克己 八木
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Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 n型SiC基板側からの光取り出しを十分に
行え、且つ電気的短絡の防止が可能で製造が容易な炭化
ケイ素発光ダイオード素子を提供することを目的とす
る。 【構成】 n型SiC単結晶基板1と、この基板1上に
形成された発光層としてのn型SiC単結晶層2と、こ
の層2上に形成されこの層2へホールを注入するための
p型SiC単結晶層4と、この層4上に形成された低不
純物濃度のp型SiC単結晶層5と、この層5上に形成
されたコンタクト層としてのp型SiC単結晶層6と、
を備え、低不純物濃度のp型SiC単結晶層5はホール
を注入するためのp型SiC単結晶層4及びコンタクト
層としてのp型SiC単結晶層6に比べて層厚が大き
く、且つホールを注入するためのp型SiC単結晶層4
及びコンタクト層としてのp型p型SiC単結晶層6は
低不純物濃度のp型SiC単結晶層5に比べてキャリア
濃度が大きい構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は炭化ケイ素発光ダイオー
ド素子に関する。
【0002】
【従来の技術】炭化ケイ素(SiC)結晶は、耐熱性、
機械的強度、及び耐放射線等の物理的、化学的性質が優
れ、耐環境性半導体材料として注目されている。
【0003】しかも、SiC単結晶には3C型、4H
型、6H型、15R型等各種の結晶構造が存在し、その
禁制帯幅が2.4eV〜3.3eVと広範囲に亘ると共
にpn接合形成が可能であることから、赤色から青紫色
までの波長領域の可視光を発する発光ダイオード材料と
して有望視されている。
【0004】上記結晶構造のうち3C型SiCは高温あ
るいは放射線の照射される環境下で作動する能動素子に
用途が考えられている。6H型SiCは室温での禁制帯
幅が約2.9eVであり、青色発光素子として用いられ
ている。また、4H型SiCは、約3.2eVと6H型
SiCよりも広い禁制帯幅をもつため、青色から紫色の
発光ダイオードや、その他の結晶型のSiCとのヘテロ
接合デバイスに用途が考えられている。
【0005】SiC発光ダイオード装置とその製造方法
は、例えば特開平2−290084号(H01L 33
/00)公報に開示されている。図5は従来の発光ダイ
オード装置の模式断面構造図である。
【0006】図中、50は発光ダイオード素子を示し、
斯る素子50の構成として、51はn型SiC基板、5
2及び53はこの基板51の一主面上にこの順序でエピ
タキシャル成長されたn型SiC層及びp型SiC層で
あり、54はp型SiC層53表面の中心に設けられた
p型側電極、55はn型SiC基板51の他の一主面上
の端部に設けられたn型側電極である。
【0007】この発光ダイオード素子50は、n型Si
C基板51の他の一主面及び側面、n型SiC層52の
側面、及びp型SiC層53の側面にAl23膜又はS
iO 2膜からなる絶縁層58が被着されており、前記p
型側電極54側で反射部60をもつステム61に銀ペー
スト等の導電性接着材62を介して固着されている。そ
して、図示しない他のステムと前記n型側電極55とは
金ワイヤ63でボンディング接合されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前記発光ダイオード装
置では、該装置からの光取り出しを多くするため、p型
SiCに比べて光透過性がよいn型SiC基板51側か
ら光取り出しを行っている。この構成では、発光層とな
るn型SiC層52から発せられた光は、直接基板51
側から出射される他、p型SiC層53を通った後にそ
の表面等で反射された後、基板51から出射されるなど
して装置外に放出される。
【0009】このような構成において、上記絶縁層58
を設けない場合、p型SiC層53での光吸収を少なく
し且つ導電性接着材62がn型SiC層52やn型Si
C基板51に付着して電気的に短絡するのを防止するた
めに、このp型SiC層53の層の厚みとして5〜10
μm程度の値が選択される。しかし、この程度の厚みで
は上記電気的短絡を防止するには十分でなかった。
【0010】従って、この電気的短絡を防止するため
に、上述のように絶縁層58を被着形成することが提案
されたが、素子50の周囲に絶縁層58を形成すること
は容易ではなかった。
【0011】本発明は上述の問題に鑑み成されたもので
あり、n型SiC基板側からの光取り出しを十分に行
え、且つ電気的短絡の防止が可能で製造が容易な炭化ケ
イ素発光ダイオード素子を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の炭化ケイ素発光
ダイオード素子は、n型炭化ケイ素基板と、該n型炭化
ケイ素基板上に形成された発光層としてのn型炭化ケイ
素層と、該n型炭化ケイ素層上に形成された該n型炭化
ケイ素層へホールを注入するためのp型炭化ケイ素層
と、該p型炭化ケイ素層上に形成された低不純物濃度の
p型炭化ケイ素層と、該低不純物濃度のp型炭化ケイ素
層上に形成されたコンタクト層としてのp型炭化ケイ素
層と、を備え、前記低不純物濃度のp型炭化ケイ素層は
前記ホールを注入するためのp型炭化ケイ素層及び前記
コンタクト層としてのp型炭化ケイ素層に比べて層厚が
大きく、且つ該ホールを注入するためのp型炭化ケイ素
層及び該コンタクト層としてのp型炭化ケイ素層は前記
低不純物濃度のp型炭化ケイ素層に比べてキャリア濃度
が大きいことを特徴とする。
【0013】特に、前記ホールを注入するためのp型炭
化ケイ素層上に形成された低不純物濃度のp型炭化ケイ
素層は、略無補償で且つ1×1018cm-3以下の濃度の
Alを有することを特徴とする。
【0014】更に、前記n型炭化ケイ素層と前記ホール
を注入するためのp型炭化ケイ素層の間に、ホール拡散
距離以下の層厚及び該ホールを注入するためのp型炭化
ケイ素層の不純物濃度より小さい低不純物濃度を有し結
晶性の低下を防止するためのp型炭化ケイ素層を設けた
ことを特徴とする。
【0015】特に、前記結晶性の低下を防止するための
p型炭化ケイ素層は、略無補償で且つ2×1020cm-3
以下の濃度のAlを有することを特徴とする。
【0016】
【作用】本発明の構成によれば、低不純物濃度のp型炭
化ケイ素層よりキャリア濃度が大きく(即ち不純物濃度
が大きく)、従って光吸収の大きいホールを注入するた
めのp型炭化ケイ素層及びコンタクト層としてのp型炭
化ケイ素層の層厚を小さく、光吸収の小さい低不純物濃
度のp型炭化ケイ素層の層厚を大きくしたので、p型炭
化ケイ素層での光吸収の増大を抑制すると共にp型炭化
ケイ素層の全層厚を大きくすることが可能である。この
ようにp型炭化ケイ素層の層厚を大きくすることによっ
て、ステム等とp型オーミック電極側とを導電性接着材
を介して固着する際に、この導電性接着材がn型炭化ケ
イ素層やn型炭化ケイ素基板に付着するのが防止でき
る。また、斯る構成では、コンタクト層としてのp型炭
化ケイ素層はキャリア濃度を高くできるので、このp型
炭化炭化ケイ素層で電流が面内方向に電流が広がって発
光層での発光領域が大きくなると共に、このp型炭化ケ
イ素層とp型側オーミック電極のオーミック接触がより
良好に出来る。また、発光層となるn型炭化ケイ素層へ
キャリア濃度の大きいホール注入のためのp型炭化ケイ
素層から多くのホールが注入されるので、十分な発光強
度が得られる。
【0017】特に、前記n型炭化ケイ素層と前記ホール
を注入するためのp型炭化ケイ素層の間に、ホール拡散
距離以下の層厚を有し前記ホールを注入するためのp型
炭化ケイ素層の不純物濃度より小さい低不純物濃度の結
晶性の低下を防止するp型炭化ケイ素層を設けた場合に
は、このp型炭化ケイ素層はホール拡散距離以下の層厚
であるので、ホール注入のためのp型炭化ケイ素層から
発光層へ多くのホールが注入されると共に、pn接合付
近の不純物濃度が低く、接合付近の結晶性が良くなる。
【0018】
【実施例】本発明の一実施例に係る6H型SiC青色発
光ダイオード素子をその模式断面構造図である図1を用
いて説明する。
【0019】図中、1は厚みが10〜260μm、キャ
リア濃度が5×1016cm-3以上のn型SiC単結晶基
板である。2はこの基板1上にエピタキシャル成長され
た層厚が2〜15μm、好ましくは5〜10μmで、キ
ャリア濃度が1×1016cm -3以上、好ましくは1×1
17〜5×1018cm-3を有する補償n型SiC単結晶
層であって、該層2はドナー不純物としての窒素と発光
センターとなるp型に反転しない程度のアクセプター不
純物としてのAlが含有されて、所謂発光層として機能
する。ここで、補償とは、アクセプター不純物とドナー
不純物の両方が存在することを意味し、作成時に故意に
両不純物を添加したものを示す。尚、補償は後述する略
無補償に比べて反対導電型不純物量が多い。
【0020】3はn型SiC単結晶層2上にエピタキシ
ャル成長された層厚がホール拡散距離(略1μm)以下
の低不純物濃度の略無補償p型SiC単結晶層である。
この低不純物濃度のp型SiC単結晶層3は、ホールを
通し且つ前記n型SiC単結晶層2とでなすpn接合付
近の不純物濃度を低減することによってこのpn接合付
近の結晶性の低下を抑制するためのものである。アクセ
プター不純物がアルミニウム(Al)である本実施例の
場合、Al不純物濃度は2×1020cm-3(キャリア濃
度:4×1017cm-3)以下であればよいが、キャリア
濃度が極端に小さいと素子抵抗が大きくなるので、Al
不純物濃度は2×1015cm-3(キャリア濃度:1×1
15cm-3)以上が望ましい。ここで、略無補償とは、
反対導電型不純物が存在し得る場合においてもごく少量
であることを意味し、好ましくはSiC層を作成する際
に故意に反対導電型不純物を添加しないことを意味す
る。
【0021】4はp型SiC単結晶層3上にエピタキシ
ャル成長された層厚が1〜3μm厚程度で該p型SiC
単結晶層3よりキャリア濃度が大きい高キャリア濃度、
略無補償のn型SiC単結晶層2へホールを注入のため
のp型SiC単結晶層である。アクセプター不純物がA
lである本実施例の場合、Al不純物濃度は2×10 20
cm-3(キャリア濃度:4×1017cm-3)より大き
く、好ましくは8×10 20〜8×1022cm-3(キャリ
ア濃度:1×1018〜1×1019cm-3)である。
【0022】5はp型SiC単結晶層4上にエピタキシ
ャル成長された層厚が大きい、例えば30〜100μm
厚を有する低不純物濃度の略無補償p型SiC単結晶層
である。アクセプター不純物がAlである本実施例の場
合、Al不純物濃度は1×1018cm-3(キャリア濃
度:3.5×1016cm-3)以下であればよいが、キャ
リア濃度が極端に小さいと素子抵抗が大きくなるので、
Al不純物濃度は1×1017cm-3(キャリア濃度:1
×1016cm-3)以上が望ましい。
【0023】6は層厚が大きい低不純物濃度のp型Si
C単結晶層5上にエピタキシャル成長された層厚が1〜
3μm厚程度で以下で述べるp型側電極とのオーミック
接触をとるためのコンタクト層としての略無補償p型S
iC単結晶層である。アクセプター不純物がアルミニウ
ムである本実施例の場合、Al不純物濃度は2×10 18
cm-3(キャリア濃度:5×1016cm-3)以上、好ま
しくは2×1020〜8×1022cm-3(キャリア濃度:
5×1017〜1×1019cm-3)である。
【0024】7は前記p型SiC単結晶層6上に形成さ
れたAl/Si構造等のp型側オーミック電極であり、
8は前記n型SiC単結晶基板1の下面の端部の一部に
形成されたAu/Ni構造等のn型側オーミック電極で
ある。
【0025】図2は、略無補償のp型SiC単結晶層の
キャリア濃度[cm-3]と波長420〜540nmの光
に対する光吸収係数[cm-1]の関係を示す図である。
尚、不純物はAlである。
【0026】この図2から、キャリア濃度が3.5×1
16cm-3以下、Al不純物濃度に換算して1×1018
cm-3以下であれば、青色を含む上記波長領域において
光吸収が十分小さいこと、即ち光吸収係数にして30%
未満であることが判る。従って、上述のように低Al不
純物濃度を選択したp型SiC単結晶層5は青色光の吸
収が小さいので、層厚を大きくできるのである。
【0027】図3は、n型SiC単結晶基板上に発光層
としてのn型SiC単結晶層及び不純物がAlの略無補
償p型SiC単結晶層がこの順序に形成されてなる発光
ダイオード素子におけるこのp型SiC単結晶層のキャ
リア濃度[cm-3]と発光強度の関係を示す図である。
【0028】このp型SiC単結晶層のキャリア濃度が
大きくなる程、ホールが発光層に多く注入されて発光強
度が大きくなることが予測されるが、図3から判るよう
に、p型SiC単結晶層のキャリア濃度が4×1017
-3、即ちAl不純物濃度に換算して2×1020cm-3
以下の低不純物濃度までであれば、不純物濃度が大きく
なる程、発光強度が大きくなるが、不純物濃度が2×1
20cm-3より大きくなると、発光強度が小さくなる。
これは不純物濃度が2×1020cm-3より大きくなる場
合に、pn接合付近の不純物濃度が大きくなり過ぎて、
この付近の結晶性が低下するためと考えられる。従っ
て、上述のように、2×1020cm-3以下のAl不純物
濃度のp型SiC単結晶層3を設けることにより、pn
接合付近の不純物濃度を低減してこの付近の結晶性の低
下を防止できるのである。
【0029】図4は図1に示す発光ダイオード素子を備
えた発光ダイオード装置の模式断面構造図である。尚、
図1と同一部分には同一符号を付してその説明は割愛す
る。
【0030】11は光反射部12と発光ダイオード素子
10を載置する載置部13を有する導電性金属からなる
ステムである。素子10はp型オーミック電極7側でス
テム11の載置部13上に銀ペースト等の導電性接着材
14を介して固着されている。そして、図示しない他の
導電性金属からなるステムと前記n型側オーミック電極
8とは金ワイヤ15でボンディング接合されている。こ
の装置において、n型SiC単結晶基板1側から主に光
が取り出される。
【0031】本実施例の発光ダイオード素子は、青色光
の吸収が小さい1×1018cm-3以下の低Al不純物濃
度の略無補償p型SiC単結晶層5の層厚を大きくして
いるので、この層5での光吸収は小さく且つp型SiC
層の全層厚は大きくなる。この結果、ステム11とp型
側オーミック電極7側とを導電性接着材14を介して固
着する際に、この導電性接着材14がn型SiC単結晶
層2やn型SiC単結晶基板1に付着するのを防止でき
る。また、キャリア濃度の大きいp型SiC単結晶層
4、6の合計層厚は、従来素子のp型SiC層の層厚に
比べて小さくてよいので、p型SiC層3、4、5、6
での全光吸収は、従来素子のp型SiC層での光吸収と
同等程度以下となる。
【0032】また、ホールは4×1017cm-3以上の高
キャリア濃度のホール注入のためのp型SiC単結晶層
4からホール拡散距離以下の層厚の2×1020cm-3
下の低Al不純物濃度のp型SiC単結晶層3を通って
発光層となるn型炭化SiC単結晶層2へ多くのホール
が注入されるので、従来と同等以上の発光強度が得られ
る。これに加えて、前記低不純物濃度のp型SiC単結
晶層3が設けられることによってpn接合付近の不純物
濃度が低くなるので、この付近の結晶性が良くなる。こ
の結果、発光強度が従来に比べて顕著に大きくなる。
【0033】更に、斯る構成では、コンタクト層として
のp型SiC単結晶層6のキャリア濃度を高くすること
により、このp型SiC単結晶層6で電流が面内方向に
電流が広がって発光層2での発光領域が大きくなると共
に、このp型SiC単結晶層6とp型側オーミック電極
7のオーミック接触がより良好とすることができる。
【0034】このように、本実施例の発光ダイオード素
子は、n型SiC基板側からの光取り出しが十分で且つ
電気的短絡を防止するために、従来のように素子の周囲
に絶縁層を設ける必要がないので、製造が容易であり、
歩留まりも高い。
【0035】上記実施例では、層厚がホール拡散距離
(略1μm)以下の低不純物濃度のp型SiC単結晶層
3を設けたが、この層3がない場合には、ある場合に比
べて、pn接合付近の結晶性の低下に起因する発光強度
の低減が起こるが、従来と同程度の光取り出しが行え、
且つ電気的短絡の防止を行える。
【0036】また、上述では、p型SiC単結晶層3、
4、5、6は全て略無補償であったが、略無補償のうち
でも完全な無補償であるのが最も好ましい。しかしなが
ら、p型SiC単結晶層4、6は補償であっても利用で
きる。
【0037】更に、上述では6H型SiC青色発光ダイ
オード素子について説明したが、他の結晶多形やAl以
外の不純物でも使用できる。この場合も上述と同様に、
n型炭化ケイ素基板と、該n型炭化ケイ素基板上に形成
された発光層としてのn型炭化ケイ素層と、該n型炭化
ケイ素層上に形成された該n型炭化ケイ素層へホールを
注入するためのp型炭化ケイ素層と、該p型炭化ケイ素
層上に形成された低不純物濃度のp型炭化ケイ素層と、
該低不純物濃度のp型炭化ケイ素層上に形成されたコン
タクト層としてのp型炭化ケイ素層と、を備え、光吸収
の小さい低不純物濃度のp型炭化ケイ素層の層厚を大き
く且つ光吸収の大きいホールを注入するためのp型炭化
ケイ素層及びコンタクト層としてのp型炭化ケイ素層の
層厚を小さく、ホールを注入するためのp型炭化ケイ素
層を高キャリア濃度とし、更にコンタクト層としてのp
型炭化ケイ素層はp型側オーミック電極とのオーミック
接触が良好となるキャリア濃度以上に設定すれば、n型
SiC基板側からの光取り出しを十分に行え、且つ電気
的短絡の防止が可能で製造が容易となる。
【0038】特に、前記n型炭化ケイ素層と前記ホール
を注入するためのp型炭化ケイ素層の間に、ホール拡散
距離以下の層厚を有し結晶性の低下を招かない低不純物
濃度のp型炭化ケイ素層を設けた場合には、pn接合付
近の結晶性の低下を防止できるので好ましい。
【0039】
【発明の効果】本発明の構成によれば、低不純物濃度の
p型炭化ケイ素層よりキャリア濃度が大きく、従って光
吸収の大きいホールを注入するためのp型炭化ケイ素層
及びコンタクト層としてのp型炭化ケイ素層の層厚を小
さく、光吸収の小さい低不純物濃度のp型炭化ケイ素層
の層厚を大きくするので、p型炭化ケイ素層での光吸収
を抑制すると共にp型炭化ケイ素層の全層厚を大きくす
ることができる。このようにp型炭化ケイ素層の層厚を
大きくすることによって、ステム等とp型オーミック電
極側とを導電性接着材を介して固着する際に、この導電
性接着材がn型炭化ケイ素層やn型炭化ケイ素基板に付
着を防止できる。
【0040】また、発光層となるn型炭化ケイ素層へキ
ャリア濃度の大きいホール注入のためのp型炭化ケイ素
層から多くのホールが注入されるので、十分な発光強度
が得られる。
【0041】従って、n型SiC基板側からの光取り出
しを十分に行え、且つ装置組立ての際に電気的短絡の防
止が可能な製造が容易な炭化ケイ素発光ダイオード素子
を提供できる。更に、斯る構成では、コンタクト層とし
てのp型炭化ケイ素層はキャリア濃度を高くすることに
より、このp型炭化炭化ケイ素層で面内方向に電流が広
がって発光層での発光領域が大きくなると共に、このp
型炭化ケイ素層とp型側オーミック電極のオーミック接
触が良好にすることができる。
【0042】特に、前記n型炭化ケイ素層と前記ホール
を注入するためのp型炭化ケイ素層の間に、ホール拡散
距離以下の層厚を有し前記ホールを注入するためのp型
炭化ケイ素層の不純物濃度より小さい低不純物濃度のp
型炭化ケイ素層を設けた場合には、このp型炭化ケイ素
層はホール拡散距離以下の層厚であるので、ホール注入
のためのp型炭化ケイ素層から多くのホールが注入され
ると共に、pn接合付近の不純物濃度が低くなるので、
この接合付近の結晶性が良くなる。従って、より発光効
率が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るSiC発光ダイオード
素子を示す模式断面構造図である。
【図2】p型SiC単結晶層のキャリア濃度と光吸収係
数の関係を示す図である。
【図3】p型SiC単結晶層のキャリア濃度と発光強度
の関係を示す図である。
【図4】上記実施例に係るSiC発光ダイオード装置を
示す模式断面構造図である。
【図5】従来のSiC発光ダイオード装置を示す模式断
面構造図である。
【符号の説明】
1 n型SiC単結晶基板 2 n型SiC単結晶層 3 p型SiC単結晶層 4 p型SiC単結晶層 5 p型SiC単結晶層 6 p型SiC単結晶層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型炭化ケイ素基板と、該n型炭化ケイ
    素基板上に形成された発光層としてのn型炭化ケイ素層
    と、該n型炭化ケイ素層上に形成された該n型炭化ケイ
    素層へホールを注入するためのp型炭化ケイ素層と、該
    p型炭化ケイ素層上に形成された低不純物濃度のp型炭
    化ケイ素層と、該低不純物濃度のp型炭化ケイ素層上に
    形成されたコンタクト層としてのp型炭化ケイ素層と、
    を備え、前記低不純物濃度のp型炭化ケイ素層は前記ホ
    ールを注入するためのp型炭化ケイ素層及び前記コンタ
    クト層としてのp型炭化ケイ素層に比べて層厚が大き
    く、且つ該ホールを注入するためのp型炭化ケイ素層及
    び該コンタクト層としてのp型炭化ケイ素層は前記低不
    純物濃度のp型炭化ケイ素層に比べてキャリア濃度が大
    きいことを特徴とする炭化ケイ素発光ダイオード素子。
  2. 【請求項2】 前記ホールを注入するためのp型炭化ケ
    イ素層上に形成された低不純物濃度のp型炭化ケイ素層
    は、略無補償で且つ1×1018cm-3以下の濃度のAl
    を有することを特徴とする請求項1記載の炭化ケイ素発
    光ダイオード素子。
  3. 【請求項3】 前記n型炭化ケイ素層と前記ホールを注
    入するためのp型炭化ケイ素層の間に、ホール拡散距離
    以下の層厚及び該ホールを注入するためのp型炭化ケイ
    素層の不純物濃度より小さい低不純物濃度を有し結晶性
    の低下を防止するためのp型炭化ケイ素層を設けたこと
    を特徴とする請求項1又は請求項2記載の炭化ケイ素発
    光ダイオード素子。
  4. 【請求項4】 前記結晶性の低下を防止するためのp型
    炭化ケイ素層は、略無補償で且つ2×1020cm-3以下
    の濃度のAlを有することを特徴とする請求項3記載の
    炭化ケイ素発光ダイオード素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014187112A (ja) * 2013-03-22 2014-10-02 Toshiba Corp 半導体装置およびその製造方法

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