JPH057016A

JPH057016A - 半導体発光素子及びその製造方法

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Publication number: JPH057016A
Application number: JP3021159A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Uemoto; 勉上本; Naoto Mogi; 直人茂木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: JP3267983B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＳｉＣ結晶を用いて高光度で青より短波長の
発光ができる半導体発光素子を提供することを目的とす
る。【構成】六方晶型結晶構造を有する炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）からなる基板結晶１１上に超格子構造の発光層１２
を形成した半導体発光素子において、基板結晶１１の主
面を（１１-2０）の面方位に設定し、且つ発光層１２の
超格子構造を基板結晶１１の格子面間隔の２倍の周期に
設定したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐環境素子，可視発光
ダイオード等に使用する半導体発光素子に係わり、特に
六方晶型結晶構造を有する炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた
半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳｉＣ結晶は広い禁制帯幅を持ち（２．
２〜３，３ｅＶ）、且つｐｎ接合やＭＯＳ構造を容易に
作ることができる。このため、従来よりＳｉＣ結晶を用
いた青色，紫色の可視の発光ダイオードの研究がなされ
ている。

【０００３】青色，紫色の領域の発光を行えるのは、六
方晶型の結晶構造を持つＳｉＣである。最も安定な６Ｈ
型の結晶を用いて、現在まで青色発光ダイオードが作ら
れている。しかし、ＳｉＣ結晶を用いた発光ダイオード
は発光光度が弱く、赤，緑色の発光ダイオードと並べて
使用しフルカラーディスプレイを形成することはできな
かった。

【０００４】この主たる原因は、ＳｉＣ結晶が図４に示
すように間接遷移型のバンド構造を有し、輻射遷移が起
こり難いといった物質固有の性質によるものである。ま
た、青色発光を得るために使用する不純物レベルが約２
２０ｅＶと浅く、十分にキャリアを捕獲できない。この
ため、結晶中の欠陥等の非輻射再結合過程の影響を受け
易く、またＳｉＣ結晶の成長方法が未だ確率されていな
いため欠陥が結晶中に多く存在し、これが発光光度を下
げる要因ともなっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｓｉ
Ｃ結晶を用いて青より短波長領域で発光を行う素子にお
いては、種々の要因により十分な発光強度を得ることは
できなかった。

【０００６】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたもので、その目的とするところは、ＳｉＣ結晶を用
いて青よりも短波長の発光を行うことができ、且つ十分
な発光強度を得ることのできる半導体発光素子及びその
製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ＳｉＣ
結晶を用いた発光層のバンド構造を直接遷移型にして発
光効率の増大をはかることにある。

【０００８】即ち本発明は、六方晶型結晶構造を有する
炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板結晶上に超格子構造の
発光層を形成した半導体発光素子において、基板結晶の
主面を（１１-2０）又は（１-1００）の面方位に設定
し、且つ発光層の超格子構造を基板結晶の格子面間隔の
偶数倍の周期に設定したことを特徴としている。なお、
結晶方位の負の向きは一般にはインバースで示される
が、本明細書では−記号で示している。

【０００９】また本発明は、上記半導体発光素子の製造
方法において、六方晶型結晶構造を有する炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）からなる第１導電型の基板結晶の主面を（１１-2
０）又は（１-1００）の面方位に切り出したのち、この
基板結晶の主面上に超格子構造の第１導電型の発光層を
成長形成し、且つこの発光層の超格子構造を基板結晶の
格子面間隔の偶数倍の周期に設定し、次いでこの発光層
上に第２導電型の半導体層を成長形成することを特徴と
している。

【００１０】また、本発明の望ましい実施態様として
は、発光層を成長する際に、不純物添加を行う層と行わ
ない層とを交互に成長する、又は異なる材料を積層して
歪超格子構造に形成することを特徴としている。

【００１１】

【作用】前述のように、通常のＳｉＣ結晶は、図４に示
すように間接遷移型のバンド構造を有する。その伝導帯
の最小はＭ点（１１-2０）又はＫ点（１-1００）に位置
する。ここで、［１１-2０］方向又は［１-1００］方向
に２倍の周期を持つ構造を達成すれば、第１ブリリアン
ゾーンは１／２になる。この結果、Ｍ点又はＫ点にあっ
た伝導帯の底はΓ点に移動する。このため、価電子帯の
頂上と伝導帯の底とは同じ位置になり、直接遷移型に転
位する。

【００１２】本発明によれば、六方晶型結晶構造を有す
る炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板結晶の面方位を（１
１-2０）又は（１-1００）に規定し、その上に通常の六
方晶型結晶の格子面間隔の偶数倍の周期を持つ超格子構
造の発光層を成長しているので、発光層のバンド構造は
直接遷移型に変化する。これにより、輻射再結合過程が
大きく増大し、発光効率を増大することが可能となる。

【００１３】また、（１１-2０）方向又は（１-1００）
方向の格子定数の偶数倍の間隔で不純物添加を行うこと
により、発光層には結晶格子の２倍の周期性が現れてく
る。このことにより、前述したように発光層を直接遷移
型に容易に転位させることが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例に係わるＳｉ
Ｃ：Ａｌ，Ｎ発光ダイオードの概略構成を示す断面図で
ある。図中１１は（１１-2０）面に切り出した６Ｈ型Ｓ
ｉＣ結晶からなるｎ型基板であり、この基板１１上に基
板結晶の格子面間隔の２倍の周期構造を持つ超格子構造
のｎ型発光層１２が成長形成されている。発光層１２上
には、円形のｐ型層１３が選択的に形成されている。そ
して、ｐ型層１３上にはｐ側電極１４が形成され、ｎ型
基板１１の下にはｎ側電極１５が形成されている。この
発光ダイオードを製造するには、有機金属化学気相成長
法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、次のようにして行う。

【００１６】まず、（１１-2０）面に切り出した６Ｈ型
ＳｉＣ結晶基板１１を、ＭＯＣＶＤ装置に入れ高温で表
面処理を行う。次いで、基板温度を成長温度（１５００
℃）まで降下した後、キャリアガスで希釈したシリコン
（Ｓｉ）の原料であるシランと炭素（Ｃ）の原料である
プロパンガスとを交互に導入する。その切替えの途中で
塩化水素ガスを導入し、余分のＳｉ，Ｃを除去する。

【００１７】このようにすることにより、１原子ずつ成
長を行うことができる。この成長を行うとき、ＳｉＣ層
の１層ごと交互に不純物添加を行う層と行わない層とを
交互に成長させ、超格子構造のｎ型発光層１２を形成す
る。不純物としては、導電型決定には窒素（Ｎ）を、発
光中心として窒素の量を上回らない程度アルミニウム
（Ａｌ）を導入する。

【００１８】ここで、発光層１２の超格子構造におい
て、その周期は図４に示すバンド構造におけるＭ点とΓ
点との間隔（格子定数）の２倍とする。また、不純物と
してのＡｌ，Ｎの添加量は１０¹³ｃｍ^-2〜１０¹⁴ｃｍ^-2
の範囲とする。

【００１９】上記の方法によりｎ型発光層１２を３００
ｎｍ成長した後、この発光層１２上にＡｌを導電型決定
不純物としてｐ型層１３を５００ｎｍ程度成長する。ｐ
型層１３の成長には原料ガス，不純物ガスは同時に流し
た。その後、ｐ型層１３にはｐ側電極としてＴｉとＡｌ
の積層電極１４を付着し、基板１１にはｎ側電極として
Ｎｉ電極１５を付着して、それぞれオーミック電極を形
成した。

【００２０】このようにして製作した発光ダイオードに
おいては、発光層１２のバンド構造が直接遷移型に転位
することになり、輻射遷移が起こり易く、発光効率を高
めることができる。本発明者らの実験によれば、図２に
示すように、本実施例素子は従来より１桁以上の発光強
度を実現することができた。また、本実施例では、従来
困難であった青や紫色の高光度の発光素子が実現され
る。これにより、赤又は緑色の発光ダイオードと組み合
わせることにより、フルカラーの表示発光素子を製作す
ることが可能となる。

【００２１】図３は、本発明の第２の実施例に係わる発
光ダイオードの概略構成を示す断面図である。なお、図
１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は
省略する。

【００２２】この実施例は、６Ｈ型のｎ型ＳｉＣ結晶基
板１１上に２Ｈ型のｎ型ＳｉＣバッファ層２１を形成
し、この上に６Ｈ又は４Ｈ型のｎ型発光層２２及び２Ｈ
型のｐ型層２３を成長形成したものである。ここで、バ
ッファ層２１は、ＭＯＣＶＤ法でＳｉＣにＡｌ，Ｎを混
合して成長することにより得られる。また、発光層２２
は通常の成長温度１４５０〜１６００℃で成長し、ｐ型
層２３はこれよりも低い成長温度１２００〜１３００℃
で成長すればよい。

【００２３】このような実施例では、発光層２２が６Ｈ
型又は４Ｈ型で基板２１及びｐ型層２３が２Ｈ型である
ことから、発光層２２のバンドギャップが基板２１及び
ｐ型層２３よりも十分に小さくなり、発光強度をより高
めることができる。これは、２Ｈ型の方が６Ｈ型よりも
バンドギャップが大きくなるからである。

【００２４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例ではＳｉＣ基板の面方位を（１
１-2０）としたが、この代わりに（１-1００）の面方位
を選択してもよい。さらに、実施例では発光層の超格子
構造を基板結晶の格子面間隔の２倍の周期としたが、偶
数倍の周期であれば同様の効果が得られる。また、発光
層に添加する不純物としては、III ，Ｖ族元素以外にＧ
ｅ，Ｓｎ等のIV族元素も使用することができる。さら
に、結晶型は６Ｈ以外に４Ｈ型，２Ｈ型，１５Ｒ型等の
他の六方晶の結晶型のものが使用可能である。

【００２５】また、超格子構造の発光層としては、Ｓｉ
ＣとＡｌＮ又はＧａＮの歪超格子構造を（１１-2０）又
は（１-1００）面上に成長形成してもよい。さらに、発
光層の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法以外に分子線エピタキ
シャル法などの他の気相成長法を使用することができ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、六
方晶型結晶構造のＳｉＣ結晶基板の面方位を（１１-2
０）又は（１-1００）に規定し、発光層を基板結晶の格
子面間隔の偶数倍の周期構造としているので、発光層の
バンド構造を直接遷移型にすることができ、ＳｉＣを用
いて高光度で青より短波長の発光ができる半導体発光素
子を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる発光ダイオード
の概略構成を示す断面図。

【図２】実施例と従来例との発光特性の違いを示す特性
図。

【図３】本発明の第２の実施例に係わる発光ダイオード
の概略構成を示す断面図。

【図４】従来素子のバンド構造を示す図。

【符号の説明】１１…ｎ型ＳｉＣ基板、１２…ｎ型発光層、（６Ｈ型ＳｉＣ）１３…ｐ型層（６Ｈ型ＳｉＣ）、１４…ｐ側電極、１５…ｎ側電極、２１…ｎ型バッファ層（２Ｈ型ＳｉＣ）、２２…ｎ型発光層（６Ｈ又は４Ｈ型ＳｉＣ）、２３…ｐ型層（２Ｈ型ＳｉＣ）。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年６月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】六方晶型結晶構造を有する炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）からなる基板結晶と、この基板結晶上に形成された
超格子構造の発光層とを具備し、前記基板結晶の主面を
（１１-2０）又は（１-1００）の面方位に設定し、且つ
前記発光層の超格子構造を前記基板結晶の格子面間隔の
偶数倍の周期に設定してなることを特徴とする半導体発
光素子。
【請求項２】六方晶型結晶構造を有する炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）からなる第１導電型の基板結晶の主面を（１１-2
０）又は（１-1００）の面方位に切り出す工程と、前記
基板結晶の主面上に超格子構造の第１導電型の発光層を
成長形成し、且つこの発光層の超格子構造を前記基板結
晶の格子面間隔の偶数倍の周期に設定する工程と、前記
発光層上に第２導電型の半導体層を成長形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】前記発光層を成長形成する工程として、不
純物を添加した層と添加しない層とを交互に積層するこ
とを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子の製造方
法。