JP2002185043A - Method of manufacturing class iii-v compound semiconductor light-emitting element - Google Patents

Method of manufacturing class iii-v compound semiconductor light-emitting element

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JP2002185043A
JP2002185043A JP2001321716A JP2001321716A JP2002185043A JP 2002185043 A JP2002185043 A JP 2002185043A JP 2001321716 A JP2001321716 A JP 2001321716A JP 2001321716 A JP2001321716 A JP 2001321716A JP 2002185043 A JP2002185043 A JP 2002185043A
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light
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light emitting
layer
layers
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Yasushi Iechika
泰 家近
Yoshinobu Ono
善伸 小野
Tomoyuki Takada
朋幸 高田
Katsumi Inui
勝美 乾
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a light-emitting element using a class 3-5 compound semiconductor, which is easy to mount electrodes and has an improved light pickup efficiency. SOLUTION: For manufacturing a light-emitting element having a light emitting layer and a substrate, using a class 3-5 compound semiconductor expressed by a general formula InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<=x<=1, 0<=y<=1 and 0<=z<=1), the light-emitting layer is sandwiched between two layers having a light- reflecting function, at least one of the two layers is a laminate of repetitions of two kinds of layers which are expressed by a general formula Ga1-aAlaN (0<=a<=1) and different in mixed crystal ratio, the refractive index and the thickness of each of layers involved in a region sandwiched between the two layers having the reflective function are adjusted to meet the equation (1), and the light-emitting layer position is adjusted for a maximum electric field of a light.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系3−5族化
合物半導体を用いた発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device using a nitride group III-V compound semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、青色の発光ダイオード(以下、L
EDと記すことがある。)、半導体レーザー等の発光素
子として、一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+
y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で
表される3−5族化合物半導体を用いたものが利用され
ている。該化合物半導体は直接遷移型であることから発
光効率が高いこと、InN混晶比xにより赤から黄、
緑、青、紫、紫外線領域までの発光波長で発光可能であ
ることから、特に発光素子用材料として有用である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a blue light emitting diode (hereinafter referred to as L
Sometimes referred to as ED. ), As a light-emitting element such as a semiconductor laser, the general formula In x Ga y Al z N (provided that, x +
A semiconductor using a Group 3-5 compound semiconductor represented by y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) is used. Since the compound semiconductor is a direct transition type, it has a high luminous efficiency, and depends on the InN mixed crystal ratio x from red to yellow,
Since it can emit light at emission wavelengths in the green, blue, violet, and ultraviolet regions, it is particularly useful as a material for a light emitting element.

【0003】該化合物半導体を用いたLEDでは、光の
取り出し方として、サファイアからなる基板側から取り
出す方法と半導体側から取り出す方法の2種類がある。
基板側から光を取り出す方法は、透明基板のサファイア
を通して取り出すため高い取り出し効率が得られるが、
サファイアが絶縁性であるため電極の取り付けが難し
く、LEDの組み立て工程が複雑化し、既存のLED製
造設備が利用できないという問題があった。一方、半導
体側から取り出す方法は、電極の取り付けは比較的容易
に行えるものの、電極での反射、吸収により光取り出し
効率が低下する問題があった。これを回避する方法とし
て電極を薄くして熱処理することにより光透過率を高く
する方法が知られている(特開平6−314822号公
報)。しかしながら、この方法でも、電極での光透過率
は十分高くはなく、さらに発光層から基板側に出た光の
利用が不十分なため取り出し効率は依然として十分では
なかった。
In the LED using the compound semiconductor, there are two methods of extracting light, a method of extracting light from a substrate made of sapphire and a method of extracting light from a semiconductor.
In the method of extracting light from the substrate side, high extraction efficiency is obtained because it is extracted through sapphire of the transparent substrate,
Since sapphire is insulative, it is difficult to attach electrodes, the LED assembly process is complicated, and there is a problem that existing LED manufacturing equipment cannot be used. On the other hand, in the method of extracting light from the semiconductor side, although the electrodes can be attached relatively easily, there is a problem that light extraction efficiency is reduced due to reflection and absorption at the electrodes. As a method of avoiding this, there is known a method of increasing the light transmittance by thinning the electrodes and performing heat treatment (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-314822). However, even in this method, the light transmittance at the electrode is not sufficiently high, and the extraction efficiency is still insufficient because the light emitted from the light emitting layer to the substrate side is insufficiently used.

【0004】また、該化合物半導体を用いたLEDは、
発光層のInN混晶比xの値を増やすと、紫外線から
青、緑、黄、橙、赤と順次長波長の発光を得ることがで
きるようになるが、このとき同時に発光スペクトルの半
値幅も大きくなるため、色純度が悪くなる問題があっ
た。さらに、発光層のInN混晶比xの値を増やすと、
結晶性も低下するため、発光効率が急速に低下するとい
う問題があった。
An LED using the compound semiconductor is
Increasing the value of the InN mixed crystal ratio x of the light-emitting layer makes it possible to obtain blue, green, yellow, orange, and red sequentially long-wavelength light from ultraviolet light. As a result, the color purity is deteriorated. Further, when the value of the InN mixed crystal ratio x of the light emitting layer is increased,
Since the crystallinity is also reduced, there has been a problem that the luminous efficiency is rapidly reduced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、電極の取り付けは容易で、しかも光取り出し効率の
向上した3−5族化合物半導体を用いた発光素子を提供
することにある。さらに、本発明の第2の目的は、In
N混晶比xが大きくなっても、発光スペクトルの半値幅
が小さくて色純度がよく、しかも発光効率の高い3−5
族化合物半導体を用いた発光素子を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a light emitting device using a group III-V compound semiconductor, in which electrodes can be easily attached and light extraction efficiency is improved. Further, a second object of the present invention is to provide a semiconductor device comprising:
Even if the N mixed crystal ratio x increases, the half-width of the emission spectrum is small, the color purity is good, and the luminous efficiency is high.
An object of the present invention is to provide a light-emitting element using a group III compound semiconductor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な事情をみて鋭意検討した結果、各々の層の厚さが発光
波長の1/4に調整されている2種類の混晶比のGa
1-a Ala Nからなる積層を基板と発光層の間に設ける
ことにより、発光層から基板側に出た光がこの積層構造
部で有効に反射され、半導体側からの光取り出し効率を
向上させることが可能であることを見出し本発明に至っ
た。さらに、発光層の上下に反射機能を持つ構造を導入
し、かつこの反射機能構造に挟まれた領域に含まれる各
層の屈折率と層厚が発光波長と特定の関係になるように
調整することにより、発光スペクトルの半値幅が従来よ
りもきわめて狭くできるとともに、InN混晶比が大き
くなっても高い発光効率が得られることを見出し本発明
に至った。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies in view of such circumstances, and as a result, have found that two types of mixed crystal ratios in which the thickness of each layer is adjusted to 1 / of the emission wavelength. Ga
By providing a lamination made of 1-a Al a N between the substrate and the light emitting layer, light emitted from the light emitting layer to the substrate side is effectively reflected by this laminated structure, and the light extraction efficiency from the semiconductor side is improved. It has been found that it is possible to cause the present invention. Furthermore, a structure having a reflection function is introduced above and below the light-emitting layer, and the refractive index and the layer thickness of each layer included in the region sandwiched by the reflection function structure are adjusted so as to have a specific relationship with the emission wavelength. As a result, the present inventors have found that the half width of the emission spectrum can be made extremely narrower than before, and that a high luminous efficiency can be obtained even when the InN mixed crystal ratio is increased.

【0007】即ち、本発明は、〔1〕一般式Inx Ga
y Alz N(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦
1、0≦z≦1)で表される3−5族化合物半導体を用
い、発光層と基板を有する発光素子において、少なくと
も発光層と基板との間に、一般式Ga1-a Ala N(0
≦a≦1)で表され、かつ互いに混晶比の異なる2種類
の層の繰り返しからなる積層を有し、各々の層の厚さが
それぞれλ/4n1 、λ/4n2 (ただし、λは発光波
長、n1 、n2 は発光波長における2種類の層のそれぞ
れの屈折率である。)に調整されている3−5族化合物
半導体発光素子に係るものである。
That is, the present invention relates to [1] the general formula In x Ga
y Al z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦
1, 0 ≦ z ≦ 1) In a light-emitting element having a light-emitting layer and a substrate using a Group 3-5 compound semiconductor represented by the formula: Ga 1-a Al a N (0
≦ a ≦ 1) and a stack of two types of layers having different mixed crystal ratios from each other, and the thickness of each layer is λ / 4n 1 , λ / 4n 2 (where λ Is the emission wavelength, and n 1 and n 2 are the respective refractive indices of the two types of layers at the emission wavelength.)

【0008】また、本発明は、〔2〕一般式Inx Ga
y Alz N(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦
1、0≦z≦1)で表される3−5族化合物半導体を用
い、発光層と基板を有する発光素子において、発光層
が、光の反射機能を持つ2つの層により挟まれ、該2つ
の層のうち少なくとも1つの層が一般式Ga1-a Ala
N(0≦a≦1)で表され、かつ互いに混晶比の異なる
2種類の層の繰り返しからなる積層であり、かつ該反射
機能を持つ2つの層により挟まれた領域に含まれる層の
屈折率と厚さが、発光波長との間に次の関係が成立する
ように調整されている3−5族化合物半導体発光素子に
係るものである。
The present invention also relates to [2] the general formula In x Ga
y Al z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦
1, 0 ≦ z ≦ 1) In a light-emitting element having a light-emitting layer and a substrate, the light-emitting layer is sandwiched between two layers having a light reflecting function. At least one of the two layers has the general formula Ga 1-a Al a
N (0 ≦ a ≦ 1), a layer composed of a repetition of two types of layers having different mixed crystal ratios, and included in a region sandwiched between the two layers having the reflection function. The present invention relates to a Group 3-5 compound semiconductor light emitting device in which the refractive index and the thickness are adjusted so that the following relationship is established between the emission wavelength and the emission wavelength.

【数1】 (ただし、dは各層の厚さ、nは各層の発光波長におけ
る屈折率、λは発光波長、mは1以上の整数、添え字i
は発光層の番号、添え字jは上下の反射機能を持つ構造
に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
る。)
(Equation 1) (Where d is the thickness of each layer, n is the refractive index at the emission wavelength of each layer, λ is the emission wavelength, m is an integer of 1 or more, and the subscript i
Represents the number of the light emitting layer, the subscript j represents the number of the layer other than the light emitting layer included in the region sandwiched between the structures having the upper and lower reflective functions, and Δ represents that the sum of the subscript numbers is taken. )

【0009】更に、本発明は、〔3〕一般式Ga1-a
a N(0≦a≦1)で表され、かつ互いに混晶比の異
なる2種類の層の繰り返しからなる積層において、該積
層のすべての層または一部の層が、n型またはp型の導
電性を有することを特徴とする〔1〕または〔2〕記載
の3−5族化合物半導体発光素子に係るものである。ま
た、本発明は、〔4〕発光層の厚さが5Å以上90Å以
下であり、かつ発光層がその両側で発光層よりもバンド
ギャップの大きな層に接して挟まれてなる〔1〕、
〔2〕または〔3〕記載の3−5族化合物半導体発光素
子に係るものである。また、本発明は、〔5〕発光層に
含まれる、Si、Ge、Mg、ZnおよびCdの各元素
の濃度がいずれも1019cm-3以下である〔1〕、
〔2〕、〔3〕または〔4〕記載の発光素子に係るもの
である。
Further, the present invention relates to [3] the general formula Ga 1-a A
In a laminate composed of two types of layers represented by laN (0 ≦ a ≦ 1) and having different mixed crystal ratios, all or some of the layers in the laminate are n-type or p-type. [3] The compound semiconductor light-emitting device according to [1] or [2], which has a conductivity of: Further, the present invention provides [4] a light emitting layer having a thickness of 5 ° or more and 90 ° or less, and the light emitting layer is sandwiched on both sides thereof in contact with a layer having a band gap larger than that of the light emitting layer [1],
The present invention relates to the group 3-5 compound semiconductor light-emitting device according to [2] or [3]. Further, according to the present invention, [5] the concentration of each element of Si, Ge, Mg, Zn and Cd contained in the light emitting layer is 10 19 cm −3 or less [1],
The present invention relates to the light emitting device according to [2], [3] or [4].

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】次に、本発明を詳細に説明する。
本発明における3−5族化合物半導体とは、一般式In
x Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦
1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される3−5族化合
物半導体であり、その積層を含むものである。特に、p
型およびn型の該化合物半導体の間に、発光層があり、
該発光層がその両側で発光層よりもバンドギャップの大
きな層で挟まれた構造の発光素子は、いわゆるダブルヘ
テロ構造と呼ばれ、高い発光効率で発光できるため特に
重要である。
Next, the present invention will be described in detail.
The Group 3-5 compound semiconductor in the present invention is represented by the general formula In
x Ga y Al z N (provided that, x + y + z = 1,0 ≦ x ≦
1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) and includes a stack thereof. In particular, p
A light-emitting layer between the compound semiconductor of n-type and n-type;
A light-emitting element having a structure in which the light-emitting layer is sandwiched on both sides by a layer having a band gap larger than that of the light-emitting layer is called a double hetero structure and is particularly important because it can emit light with high luminous efficiency.

【0011】該3−5族化合物半導体を成長させる基板
としては、サファイア、SiC、Si、GaAs、Zn
O、NGO(NdGaO3 )、スピネル(MgAl2
4 )、GaN等を用いることができる。このなかでも、
サファイア、スピネル(MgAl24 )、SiC、S
i、GaNが高品質の3−5族化合物半導体結晶を成長
できるので好ましい。導電性の基板の作製が可能である
という点では、SiC、Si、GaNがさらに好まし
く、大面積の基板が作製できるという点では、Si、S
iCがさらに好ましい。本発明の化合物半導体発光素子
では、反射層により基板側に出た光を有効に反射して半
導体側に取り出せるので、基板に光吸収の性質が大きい
場合には特に本発明の効果が大きい。このような基板と
しては、SiC、Si、GaAs等が挙げられる。
The substrate on which the group III-V compound semiconductor is grown is sapphire, SiC, Si, GaAs, Zn.
O, NGO (NdGaO 3 ), spinel (MgAl 2 O)
4 ), GaN or the like can be used. Among them,
Sapphire, spinel (MgAl 2 O 4 ), SiC, S
i and GaN are preferable because they can grow a high-quality Group 3-5 compound semiconductor crystal. SiC, Si, and GaN are more preferable in that a conductive substrate can be formed, and Si, S, and S are preferable in that a large-area substrate can be formed.
iC is more preferred. In the compound semiconductor light emitting device of the present invention, light emitted to the substrate side can be effectively reflected by the reflective layer and extracted to the semiconductor side. Therefore, the effect of the present invention is particularly large when the substrate has a large light absorption property. Examples of such a substrate include SiC, Si, and GaAs.

【0012】本発明における3−5族化合物半導体の成
長方法としては、有機金属気相成長法(以下、MOVP
E法と記すことがある。)、分子線エピタキシー法(以
下、MBE法と記すことがある。)、ハイドライト気相
成長法(以下、VPE法と記すことがある。)が挙げら
れるが、複雑な層構成を精度よく作製できる方法とし
て、MOVPE法、MBE法が好ましく、大面積にわた
って均一な膜を作製しやすいMOVPE法がさらに好ま
しい。
In the present invention, as a method for growing a group 3-5 compound semiconductor, a metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as MOVP) method is used.
Sometimes referred to as the E method. ), Molecular beam epitaxy (hereinafter sometimes referred to as MBE), and hydride vapor phase epitaxy (hereinafter sometimes referred to as VPE). As a possible method, the MOVPE method and the MBE method are preferable, and the MOVPE method that can easily form a uniform film over a large area is more preferable.

【0013】MOVPE法による本発明の3−5族化合
物半導体の製造には、以下のような原料を用いることが
できる。3族原料としては、トリメチルガリウム[(C
33 Ga、以下TMGと記すことがある。]、トリ
エチルガリウム[(C253 Ga、以下TEGと記
すことがある。]等の一般式R123 Ga(ここで
1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表され
るトリアルキルガリウム;トリメチルアルミニウム
[(CH33 Al]、トリエチルアルミニウム[(C
253 Al、以下TEAと記すことがある。]、ト
リイソブチルアルミニウム[(i−C49 3
l]、等の一般式R123 Al(ここでR1 、R
2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリア
ルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン[(CH
33 N:AlH3 ];トリメチルインジウム[(CH
33 In、以下TMIと記すことがある。]、トリエ
チルインジウム[(C253 In]等の一般式R1
23 In(ここでR1 、R2 、R3 は低級アルキル
基を示す。)で表されるトリアルキルインジウム等が挙
げられる。これらは単独または混合して用いられる。
[0013] Group 3-5 compound of the present invention by MOVPE method
In the manufacture of semiconductors, the following raw materials can be used:
it can. Group 3 raw materials include trimethylgallium [(C
HThree )Three Ga may be referred to as TMG hereinafter. ],bird
Ethyl gallium [(CTwo HFive )Three Ga, hereinafter referred to as TEG
Sometimes. General formula R such as1 RTwo RThree Ga (where
R1 , RTwo , RThree Represents a lower alkyl group. )
Trialkyl gallium; trimethyl aluminum
[(CHThree )Three Al], triethyl aluminum [(C
Two HFive )Three Al, hereinafter sometimes referred to as TEA. ]
Liisobutyl aluminum [(i-CFour H9 ) Three A
l], etc.1 RTwo RThree Al (where R1 , R
Two , RThree Represents a lower alkyl group. ) Represented by)
Alkyl aluminum; trimethylamine alane [(CH
Three )Three N: AlHThree ]; Trimethylindium [(CH
Three )Three In, hereafter referred to as TMI. ], Trie
Chillindium [(CTwo HFive )Three In] or other general formula R1 
RTwo RThree In (where R1 , RTwo , RThree Is lower alkyl
Represents a group. Trialkylindium etc.
I can do it. These may be used alone or as a mixture.

【0014】次に、5族原料としては、アンモニア、ヒ
ドラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラ
ジン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミ
ン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独
または混合して用いられる。これらの原料のうち、アン
モニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないた
め、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
Next, as Group V raw materials, ammonia, hydrazine, methylhydrazine, 1,1-dimethylhydrazine, 1,2-dimethylhydrazine, t-butylamine, ethylenediamine and the like can be mentioned. These may be used alone or as a mixture. Among these raw materials, ammonia and hydrazine do not contain a carbon atom in the molecule, so that the contamination of the semiconductor with carbon is small and suitable.

【0015】本発明における3−5族化合物半導体のp
型ドーパントとして、Mg、Cd、Zn、Hg、Beが
挙げられるが、このなかでは低抵抗のp型のものがつく
りやすいMgが好ましい。Mgドーパントの原料として
は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスメチ
ルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスエチルシク
ロペンタジエニルマグネシウム、ビス−n−プロピルシ
クロペンタジエニルマグネシウム、ビス−i−プロピル
シクロペンタジエニルマグネシウム等の一般式(RC5
42 Mg(ここで、Rは水素または炭素数1以上4
以下の低級アルキル基を示す。)で表される有機金属化
合物が、適当な蒸気圧を有するために好適に用いられ
る。
In the present invention, the p-type group III-V compound semiconductor
Examples of the type dopant include Mg, Cd, Zn, Hg, and Be. Of these, Mg, which is easy to produce a low-resistance p-type dopant, is preferable. As a raw material of the Mg dopant, biscyclopentadienyl magnesium, bismethylcyclopentadienyl magnesium, bisethylcyclopentadienyl magnesium, bis-n-propylcyclopentadienyl magnesium, bis-i-propylcyclopentadienyl The general formula (RC 5
H 4 ) 2 Mg (where R is hydrogen or C 1 or more 4
The following lower alkyl groups are shown. The organic metal compound represented by the formula (1) is preferably used because it has an appropriate vapor pressure.

【0016】本発明における3−5族化合物半導体のn
型ドーパントとして、Si、Ge、Oが用いられる。こ
の中で、低抵抗のn型がつくりやすく、原料純度の高い
ものが得られるSiが好ましい。Siドーパントの原料
としては、シラン(SiH4)、ジシラン(Si2
6 )などが用いられる。
In the present invention, n of the group III-V compound semiconductor
Si, Ge, and O are used as the type dopant. Among them, Si is preferable, in which a low-resistance n-type is easily formed and a material having a high raw material purity is obtained. The raw materials of the Si dopant include silane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H
6 ) is used.

【0017】本発明における、一般式Ga1-a Ala
(0≦a≦1)で表され、かつ互いに混晶比の異なる2
種類の層の繰り返しからなる積層は、各々の層の厚さが
発光波長λの1/4n倍に調整されていることを特徴と
する。このとき、正確に1/4n倍であることが好まし
いが、本発明の効果を損なわない範囲である程度誤差が
あってもよい。発光波長λとしては、発光スペクトル幅
内の波長であれば利用できるが、高い発光効率を得るた
めには、発光ピーク波長を利用することが好ましい。こ
のように層の厚さを調整することにより積層構造部は、
発光層から出た光の反射層として機能させることができ
る。この積層構造部を発光層と基板の間に位置させるこ
とにより、発光層から出た光のうち基板側に行く光を半
導体側に反射させて取り出すことができるので光の取り
出し効率を高くすることが可能になる。
In the present invention, the general formula Ga 1-a Al a N
(0 ≦ a ≦ 1) and having different mixed crystal ratios from each other
The lamination composed of the repetition of the different types of layers is characterized in that the thickness of each layer is adjusted to 1 / n times the emission wavelength λ. At this time, it is preferable that the value is exactly 1 / 4n times, but there may be some error as long as the effect of the present invention is not impaired. As the emission wavelength λ, any wavelength within the emission spectrum width can be used, but in order to obtain high emission efficiency, it is preferable to use the emission peak wavelength. By adjusting the thickness of the layer in this way, the laminated structure portion is
The light-emitting layer can function as a reflective layer for light emitted from the light-emitting layer. By locating the laminated structure portion between the light emitting layer and the substrate, light out of the light emitting layer, which goes to the substrate side, can be reflected and extracted to the semiconductor side, so that the light extraction efficiency can be increased. Becomes possible.

【0018】一般式Gaa Al1-a N(0≦a≦1)で
表される混晶比の異なる2種類の層の繰り返しからなる
積層の反射率は、2種類の層の屈折率の差と、積層の層
数に依存する。2種類の層の屈折率の差は大きくなるほ
ど、反射率を大きくできるので好ましい。Gaa Al
1-a Nの屈折率はAlN混晶比が大きくなるほど小さく
なる。従って最も大きな屈折率差を得る組み合わせはA
lNとGaNの積層構造である。
The reflectivity of a laminate composed of repetitions of two types of layers having different mixed crystal ratios represented by the general formula Ga a Al 1-a N (0 ≦ a ≦ 1) is calculated based on the refractive index of the two types of layers. It depends on the difference and the number of layers in the stack. It is preferable that the difference between the refractive indices of the two types of layers be large because the reflectance can be increased. Ga a Al
The refractive index of 1- aN decreases as the AlN mixed crystal ratio increases. Therefore, the combination for obtaining the largest difference in refractive index is A
This is a stacked structure of 1N and GaN.

【0019】また、積層の層数は大きいほど、反射率を
大きくできるので好ましい。AlNとGa1-a Ala
(0<a<1)、GaNとGa1-a Ala N(0<a<
1)、Ga1-a Ala N(0<a<1)とGa1-b Al
b N(0<b<1、b≠a)の組み合わせでも、2種類
の層の屈折率の差は小さくなるものの、層数を増やすこ
とで反射率を高くできるので利用することが可能であ
る。好ましい積層の層数は、2種類の層を1対として、
2対以上100対以下である。2対よりも小さい場合に
は十分な反射率が得られず好ましくない。また、100
対よりも大きい場合には成長に時間がかかりすぎるので
実用的でなく好ましくない。
Further, it is preferable that the number of layers in the lamination is large because the reflectance can be increased. AlN and Ga 1-a Al a N
(0 <a <1), GaN and Ga 1-a Al a N (0 <a <
1), Ga 1-a Al a N (0 <a <1) and Ga 1-b Al
b N (0 <b <1 , b ≠ a) a combination of, although the difference in the refractive index of the two layers becomes small, it is possible to use so possible to increase the reflectance by increasing the number of layers . The preferred number of layers in the stack is two pairs of layers,
It is 2 pairs or more and 100 pairs or less. If it is smaller than two pairs, a sufficient reflectance cannot be obtained, which is not preferable. Also, 100
If it is larger than the pair, it takes too much time for growth, which is not practical and not preferable.

【0020】本発明における混晶比の異なる2種類の層
の積層からなる反射層は、不純物をドーピングすること
によって積層構造のすべての層または一部を導電性にす
ることができる。n型またはp型の導電性を付与した積
層構造を作製する場合に、Ga1-a Ala N(0≦a≦
1)のAlNの混晶比aの好ましい範囲は、0.5以下
であり、さらに好ましい範囲としては0.3以下であ
る。aが0.5よりも大きいと、バンドギャップが大き
くなり、導電性の制御が非常に困難となるので好ましく
ない。
In the reflection layer according to the present invention, which is formed by laminating two types of layers having different mixed crystal ratios, all layers or a part of the laminated structure can be made conductive by doping impurities. When fabricating a laminated structure having n-type or p-type conductivity, Ga 1-a Al a N (0 ≦ a ≦
A preferred range of the mixed crystal ratio a of AlN in 1) is 0.5 or less, and a more preferred range is 0.3 or less. When a is larger than 0.5, the band gap becomes large, and it becomes very difficult to control the conductivity.

【0021】また、本発明の3−5族化合物半導体発光
素子は、一般式Inx Gay AlzN(x+y+z=
1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される
3−5族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する発
光素子において、発光層が、光の反射機能を持つ2つの
層により挟まれ、該2つの層のうち少なくとも1つの層
が一般式Ga1-a Ala N(0≦a≦1)で表され、か
つ互いに混晶比の異なる2種類の層の繰り返しからなる
積層であり、かつ該反射機能を持つ2つの層により挟ま
れた領域(以下、この領域を光閉じ込め領域と呼ぶ場合
がある)に含まれる層の屈折率と厚さが、発光波長との
間に次の関係が成立するように調整されていることを特
徴とする。
Further, 3-5 group compound semiconductor light-emitting device of the present invention have the general formula In x Ga y Al z N ( x + y + z =
In a light-emitting element including a light-emitting layer and a substrate using a Group 3-5 compound semiconductor represented by 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ z ≦ 1, the light-emitting layer has a light reflection property. Sandwiched between two layers having a function, at least one of the two layers is represented by a general formula Ga 1-a Al a N (0 ≦ a ≦ 1), and two kinds having different mixed crystal ratios from each other And a layer included in a region sandwiched between two layers having the reflection function (hereinafter, this region may be referred to as a light confinement region) having a refractive index and a thickness of , And the emission wavelength are adjusted so that the following relationship is established.

【数2】 (ただし、dは各層の厚さ、nは各層の発光波長におけ
る屈折率、λは発光波長、mは1以上の整数、添え字i
は発光層の番号、添え字jは上下の反射機能を持つ構造
に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
る。)
(Equation 2) (Where d is the thickness of each layer, n is the refractive index at the emission wavelength of each layer, λ is the emission wavelength, m is an integer of 1 or more, and the subscript i
Represents the number of the light emitting layer, the subscript j represents the number of the layer other than the light emitting layer included in the region sandwiched between the structures having the upper and lower reflective functions, and Δ represents that the sum of the subscript numbers is taken. )

【0022】以下、図1および図2に示す本発明の発光
素子の構造例をもとに、本発明を更に説明する。図1お
よび図2に示すように、発光層3の両側に、発光層より
もバンドギャップの大きな層4および6が接するいわゆ
るダブルヘテロ構造は、高い発光効率を得るために有効
な構造である。本発明において、このようなダブルへテ
ロ構造を有する場合には、発光層が、光の反射機能を持
つ2つの層により挟まれるということは、ダブルへテロ
構造が光の反射機能を持つ2つの層により挟まれるとい
うことを意味する。
Hereinafter, the present invention will be further described based on structural examples of the light emitting device of the present invention shown in FIGS. 1 and 2. As shown in FIGS. 1 and 2, a so-called double hetero structure in which layers 4 and 6 having a larger band gap than the light emitting layer are in contact with both sides of the light emitting layer 3 is a structure effective for obtaining high luminous efficiency. In the present invention, when such a double hetero structure is provided, the fact that the light emitting layer is sandwiched between two layers having a light reflection function means that the double hetero structure has two light reflection functions. It means that it is sandwiched between layers.

【0023】図1および図2の例では、光閉じ込め領域
に含まれる層として、発光層および発光層の上側に2
層、発光層の下側に2層ある場合を示す。発光層の下側
における光反射機能は、混晶比の異なる2種類の層の繰
り返しからなる積層構造により付与されている。以下、
該積層を反射膜と呼ぶ場合がある。一方、発光層の上側
における光反射機能は、金属膜または混晶比の異なる2
種類の層の繰り返しからなる積層構造反射膜を利用する
ことで付与できる。図1の例では、p電極金属12の光
反射機能を利用している。金属膜は作製が簡単なため好
適に利用できるが、金属の材料の種類、膜の厚さによっ
ては充分な反射率が得られない場合がある。この場合に
は、図2の例のように、発光層の上側にも混晶比の異な
る2種類の層の繰り返しからなる積層構造を用いること
で、高い反射率を得ることができる。以下、該積層を反
射膜と呼ぶ場合がある。
In the examples shown in FIGS. 1 and 2, the light-emitting layer and the light-emitting layer
The case where there are two layers below the layer and the light emitting layer is shown. The light reflecting function on the lower side of the light emitting layer is provided by a laminated structure including two types of layers having different mixed crystal ratios. Less than,
The stack may be called a reflective film. On the other hand, the light reflecting function on the upper side of the light emitting layer is a metal film or a mixed crystal having a different mixed crystal ratio.
It can be provided by using a laminated reflective film having a repetition of various types of layers. In the example of FIG. 1, the light reflection function of the p-electrode metal 12 is used. A metal film can be suitably used because it is simple to produce, but a sufficient reflectance may not be obtained depending on the type of metal material and the thickness of the film. In this case, a high reflectance can be obtained by using a laminated structure including two types of layers having different mixed crystal ratios also above the light emitting layer as in the example of FIG. Hereinafter, the laminate may be referred to as a reflective film.

【0024】発光層の上下に光反射機能を有する構造を
設けることで、発光層で発生した光は、上下に反射され
光閉じ込め領域の中に閉じ込められる。このとき光閉じ
込め領域の中に含まれる各層の屈折率と厚さを(1)式
を満たすように調整することにより、上下の反射層の間
で共振器が形成され、発光層で発生した光と上下反射層
で反射された光との間で共鳴がおこり、発光スペクトル
の半値幅が非常に狭くなるとともに、発光効率を大きく
させることができ、さらに光の出射角度が小さくなり指
向性の優れた発光を得ることができると考えられる。
By providing a structure having a light reflecting function above and below the light emitting layer, light generated in the light emitting layer is reflected vertically and confined in the light confinement region. At this time, by adjusting the refractive index and the thickness of each layer included in the light confining region so as to satisfy the expression (1), a resonator is formed between the upper and lower reflective layers, and light generated in the light emitting layer is formed. Resonance occurs between the light reflected by the upper and lower reflective layers, and the half-width of the emission spectrum becomes extremely narrow, and the luminous efficiency can be increased. It is considered that the light emission can be obtained.

【0025】mの値は、正の整数であればよいが、好ま
しくは20以下であり、さらに好ましくは10以下であ
る。20よりも大きいと成長に時間がかかり実用的でな
いので好ましくない。
The value of m may be a positive integer, but is preferably 20 or less, more preferably 10 or less. If it is larger than 20, it takes a long time to grow and it is not practical because it is not practical.

【0026】図3に光閉じ込め領域中での好ましい発光
層の配置の例を模式的にしめす。発光層は、光の電場が
最大になる位置にあることが、大きな発光効率を得るた
めには好ましい。この位置からずれると本発明の効果が
弱まるので好ましくない。好ましい位置の数は、光閉じ
込め領域の厚さに応じてm個だけある。mが1の場合に
は、発光層の好ましい位置は光閉じ込め領域の中央の1
つだけであるが、mが2以上の場合には複数の好ましい
位置がある。複数の好ましい位置がある場合には、その
すべてまたは一部に発光層を設けることができる。この
好ましい位置に発光層を位置させるためには、発光層の
厚さは発光波長に比べて十分小さいことが必要であり、
先に述べた好ましい厚さの範囲がやはり有効である。
FIG. 3 schematically shows an example of a preferable arrangement of the light emitting layer in the light confining region. It is preferable that the light emitting layer is located at a position where the electric field of light is maximized in order to obtain a large luminous efficiency. A deviation from this position is not preferable because the effect of the present invention is weakened. The preferred number of locations is only m depending on the thickness of the light confinement region. When m is 1, the preferred position of the light emitting layer is 1 at the center of the light confinement region.
If m is 2 or more, there are multiple preferred positions. When there are a plurality of preferable positions, a light emitting layer can be provided on all or a part of the positions. In order to position the light emitting layer at this preferred position, the thickness of the light emitting layer needs to be sufficiently smaller than the emission wavelength,
The preferred thickness ranges discussed above are still valid.

【0027】光閉じ込め領域の厚さは、(1)式が満足
されるように、発光波長の1/2の正確に整数倍である
ことが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲であ
る程度誤差があってもよい。効果の得られる誤差の範囲
は、好ましくはプラスマイナス0.2以下である。これ
よりも誤差が大きい場合には本発明の効果が弱められる
ので好ましくない。
It is preferable that the thickness of the light confining region is exactly an integral multiple of 1/2 of the emission wavelength so that the expression (1) is satisfied. There may be errors. The range of the error in which the effect can be obtained is preferably ± 0.2 or less. If the error is larger than this, the effect of the present invention is weakened, which is not preferable.

【0028】光の取り出し方向は、上下の反射膜の反射
率できまり、反射率の小さい側から光が取り出せる。半
導体側(基板の反対側)から光を取り出す構造の方が、
LED組立工程が簡単となるので好ましい。したがって
下側の反射率が上側の反射率よりも大きくなるようにす
ることが好ましい。
The direction in which light is extracted is determined by the reflectivities of the upper and lower reflective films, and light can be extracted from the side having the lower reflectivity. The structure that extracts light from the semiconductor side (the opposite side of the substrate)
This is preferable because the LED assembly process is simplified. Therefore, it is preferable that the lower reflectivity is higher than the upper reflectivity.

【0029】本発明の発光素子に用いられる発光層とし
ては、一般式Inx Gay Alz N(x+y+z=1、
0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される3−
5族化合物半導体において、InN混晶比(xの値)が
10%以上の該化合物半導体がバンドギャップを可視部
にできるため表示用途に特に有用である。また、InN
混晶比が10%未満の該化合物半導体は紫外線領域の発
光を得ることができるので紫外線半導体レーザー用途に
特に有用である。Alを含むものはO等の不純物を取り
込みやすく、発光層として用いた場合、発光効率が下が
る場合がある。このような場合には、発光層としてはA
lを含まない一般式Inx Gay N(ただし、x+y=
1、0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるものを利用す
ることができる。
[0029] As the light-emitting layer used in the light-emitting device of the present invention, the general formula In x Ga y Al z N ( x + y + z = 1,
3 represented by 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1)
Group V compound semiconductors having an InN mixed crystal ratio (value of x) of 10% or more are particularly useful for display applications because the band gap can be made visible. Also, InN
The compound semiconductor having a mixed crystal ratio of less than 10% can emit light in the ultraviolet region, and is therefore particularly useful for ultraviolet semiconductor laser applications. Those containing Al tend to take in impurities such as O, and when used as a light emitting layer, the luminous efficiency may be reduced. In such a case, as the light emitting layer, A
Formula In not include l x Ga y N (provided that, x + y =
1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) can be used.

【0030】発光層の好ましい厚さの範囲としては、5
Å以上500Å以下であり、さらに好ましくは5Å以上
90Å以下である。層の厚さを小さくすることで、電荷
を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、発光
効率を向上させることができる。しかしながら、層の厚
さが5Åより小さい場合、発光効率が充分でなくなるの
で好ましくない。また、500Åより大きい場合、電荷
を高密度に発光層に閉じ込めることができなくなり効率
が低下するため好ましくない。
The preferred thickness range of the light emitting layer is 5
It is not less than {not less than 500} and more preferably not less than 5 ° and not more than 90 °. By reducing the thickness of the layer, charges can be confined in the light-emitting layer with high density, so that luminous efficiency can be improved. However, when the thickness of the layer is smaller than 5 °, the luminous efficiency becomes insufficient, which is not preferable. On the other hand, if the angle is larger than 500 °, it is not preferable because charges cannot be confined in the light emitting layer at high density and the efficiency is reduced.

【0031】該化合物半導体の格子定数は、InN混晶
比により大きく変化する。InNの格子定数は、GaN
またはAlNに対して約12%またはそれ以上大きい。
このため、該化合物半導体の各層のInN混晶比によっ
ては、層と層との間の格子定数に大きな差が生じること
がある。大きな格子不整合があると、結晶に欠陥が生じ
結晶品質を低下させる原因となる場合がある。格子不整
合による欠陥の発生を抑えるためには、格子不整合によ
る歪みの大きさに応じてInNを含む層の厚さを小さく
しなければならない。好ましい厚さの範囲は歪みの大き
さに依存し、格子不整合が大きいほどInNを含む層の
厚さを薄くする必要がある。Gaa Al1-a N上にIn
N混晶比が10%以上の該化合物半導体を積層する場
合、InNを含む層の好ましい厚さは5Å以上500Å
以下である。InNを含む層の厚さが5Åより小さい場
合、発光効率が充分でなくなる。また、500Åより大
きい場合、欠陥が発生しやはり発光効率が充分でなくな
る。更に好ましい厚みの範囲は5Å以上90Å以下であ
る。
The lattice constant of the compound semiconductor greatly changes depending on the InN mixed crystal ratio. The lattice constant of InN is GaN
Or about 12% or more larger than AlN.
For this reason, depending on the InN mixed crystal ratio of each layer of the compound semiconductor, a large difference may occur in the lattice constant between the layers. If there is a large lattice mismatch, a defect may occur in the crystal, which may cause a decrease in crystal quality. In order to suppress the occurrence of defects due to lattice mismatch, the thickness of the layer containing InN must be reduced according to the magnitude of strain due to lattice mismatch. The preferred thickness range depends on the magnitude of the strain, and the larger the lattice mismatch, the thinner the layer containing InN needs to be. In over Ga a Al 1-a N
When the compound semiconductor having an N mixed crystal ratio of 10% or more is laminated, the preferable thickness of the layer containing InN is 5 to 500 °.
It is as follows. When the thickness of the layer containing InN is smaller than 5 °, the luminous efficiency becomes insufficient. On the other hand, if it is larger than 500 °, a defect occurs and the luminous efficiency is still insufficient. A more preferable thickness range is 5 ° or more and 90 ° or less.

【0032】発光層の厚さを上記範囲のように非常に薄
くして、高密度に電荷を閉じ込める構造になると、電子
とホールが発光層で再結合せずに発光層を通過してしま
う、いわゆるキャリアオーバーフロー現象がおこり、発
光効率がかえって低下する場合がある。これを防ぐため
には、発光層とその両側の層のバンドギャップの差を大
きくすることが有効である。好ましいバンドギャップの
差の大きさは0.1eV以上である。さらに好ましくは
0.3eV以上である。このような大きなバンドギャッ
プの差をつくるためには、発光層に接する両側の層の組
成はGa1-c Alc N(0≦c≦1)であることが好ま
しい。
If the thickness of the light emitting layer is made extremely thin as in the above range and a structure is obtained in which charges are confined at a high density, electrons and holes pass through the light emitting layer without recombination in the light emitting layer. A so-called carrier overflow phenomenon may occur, and the luminous efficiency may rather decrease. To prevent this, it is effective to increase the difference in band gap between the light emitting layer and the layers on both sides thereof. A preferable band gap difference is 0.1 eV or more. More preferably, it is 0.3 eV or more. In order to make such a large band gap difference, the composition of the layers on both sides in contact with the light emitting layer is preferably Ga 1-c Al c N (0 ≦ c ≦ 1).

【0033】InNを含む発光層は、熱的な安定性がI
nNを含まない層に比べて劣る場合がある。このため、
発光層の後に成長する層の成長条件によっては、発光層
の結晶性が低下する場合がある。これを防ぐには、発光
層の次に成長する層にInNを含まないGa1-d Ald
N(0≦d≦1)を利用することで、発光層を保護する
機能を持たせることが可能である。この保護層は先に述
べた、発光層とのバンドギャップの差を大きくする機能
を併せ持たせることができる。
The light emitting layer containing InN has a thermal stability of I
It may be inferior to a layer containing no nN. For this reason,
Crystallinity of the light emitting layer may be reduced depending on the growth conditions of the layer grown after the light emitting layer. To prevent this, a layer grown next to the light-emitting layer is made of Ga 1-d Al d not containing InN.
By using N (0 ≦ d ≦ 1), a function of protecting the light emitting layer can be provided. This protective layer can also have the function of increasing the difference in band gap between the protective layer and the light emitting layer as described above.

【0034】発光層に不純物をドープすることで、発光
層のバンドギャップとは異なる波長で発光させることが
できる。これは不純物からの発光であるため、不純物発
光と呼ばれる。不純物発光の場合、発光波長は発光層の
3族元素の組成と不純物元素により決まる。この場合、
発光層のInN混晶比は5%以上が好ましい。InN混
晶比が5%より小さい場合、発光する光はほとんど紫外
線であり、充分な明るさを感じることができない。In
N混晶比を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波
長を紫から青、緑、黄、赤へと調整できる。
By doping the light emitting layer with an impurity, light can be emitted at a wavelength different from the band gap of the light emitting layer. Since this is light emission from an impurity, it is called impurity light emission. In the case of impurity light emission, the emission wavelength is determined by the composition of the Group 3 element and the impurity element in the light emitting layer. in this case,
The InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is preferably 5% or more. When the InN mixed crystal ratio is less than 5%, emitted light is almost ultraviolet light, and sufficient brightness cannot be felt. In
The emission wavelength becomes longer as the N mixed crystal ratio is increased, and the emission wavelength can be adjusted from purple to blue, green, yellow, and red.

【0035】不純物発光に適した不純物としては、2族
元素が好ましい。2族元素のなかでは、Mg、Zn、C
dをドープした場合、発光効率が高いので好適である。
とくにZnが好ましい。これらの元素の濃度は、1018
〜1022cm-3が好ましい。発光層はこれらの2族元素
とともにSiあるいはGeを同時にドープしてもよい。
Si、Geの好ましい濃度範囲は1018〜1022cm-3
である。
As an impurity suitable for impurity emission, a Group 2 element is preferable. Among the group II elements, Mg, Zn, C
Doping with d is preferable because of high luminous efficiency.
Particularly, Zn is preferable. The concentration of these elements is 10 18
It is preferably from 10 to 10 22 cm -3 . The light emitting layer may be simultaneously doped with Si or Ge together with these Group 2 elements.
Si, the preferred concentration range of Ge is 10 18 ~10 22 cm -3
It is.

【0036】不純物発光の場合、一般に発光スペクトル
がブロードになり、注入電荷量が増すにつれて発光スペ
クトルがシフトしたり、バンド端発光のピークが現われ
てくるなど好ましくない発光特性を有しており、また発
光効率を高くすることが難しい。このため、高い色純度
が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中さ
せることが必要な場合、あるいは高い発光効率の素子が
必要な場合にはバンド間発光を利用する方が有利であ
る。バンド間発光による発光素子を実現するためには、
発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなければならな
い。具体的には、Si、Ge、Mg、CdおよびZnの
各元素について、濃度が1019cm-3以下が好ましい。
更に好ましくは1018cm-3以下である。
In the case of impurity light emission, the light emission spectrum generally becomes broad, and the light emission spectrum shifts with an increase in the amount of injected charge, or a peak of band edge light emission appears. It is difficult to increase luminous efficiency. Therefore, when high color purity is required, when it is necessary to concentrate light emission power in a narrow wavelength range, or when an element with high light emission efficiency is required, it is more advantageous to use inter-band light emission. . In order to realize a light-emitting element using inter-band light emission,
The amount of impurities contained in the light emitting layer must be kept low. Specifically, the concentration of each element of Si, Ge, Mg, Cd and Zn is preferably 10 19 cm −3 or less.
More preferably, it is 10 18 cm -3 or less.

【0037】バンド間発光の場合、発光色は発光層の3
族元素の組成で決まる。可視部で発光させる場合、In
N混晶比は10%以上が好ましい。InN混晶比が増え
るにつれて発光波長が長くなり、発光波長を紫から青、
緑、黄色、赤へと調整できる。紫外線半導体レーザー用
途に利用する場合、InN混晶比は10%以下が好まし
い。
In the case of inter-band light emission, the emission color is 3
Determined by the composition of the group elements. When emitting light in the visible part, In
The N mixed crystal ratio is preferably 10% or more. The emission wavelength increases as the InN mixed crystal ratio increases, and the emission wavelength changes from purple to blue,
Adjustable to green, yellow and red. When used for ultraviolet semiconductor laser applications, the InN mixed crystal ratio is preferably 10% or less.

【0038】[0038]

【実施例】以下、実施例により本発明を詳しく説明する
が本発明はこれらに限定されるものではない。 実施例1 MOVPE法による気相成長により図2に示す3−5族
化合物半導体を成長し、発光波長4500ÅのLEDを
作製する。基板11としては、サファイア(0001)
面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用いる。成長は低
温成長バッファ層を用いる2段階成長法による。TMG
とアンモニアを原料とし、キャリアガスとして水素を用
いて、550℃でGaNからなるバッファ層10を50
0Å成膜した後、1100℃で、TMG、アンモニアお
よびドーパントとしてシラン(SiH4 )を用いてn型
GaN層9を3μm成長する。次に、TMG、TMA、
アンモニアおよびドーパントとしてシラン(SiH4
を用いてn型の導電性を有する積層8(反射膜)を作製
する。該積層を構成する2種類の層は、GaNとGa
1-a Ala N(a=0.2)である。各々の層の屈折率
は4500Åにおいて2.473、および2.347で
あるので、各層の厚さは455Å、479Åに調整す
る。この2種類の層を1対として30対の積層からなる
反射膜を、最初にGaN層から成長する。
The present invention will now be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Example 1 A group III-V compound semiconductor shown in FIG. 2 is grown by vapor phase growth using MOVPE, and an LED having an emission wavelength of 4500 ° is manufactured. As the substrate 11, sapphire (0001)
The mirror-polished surface is organically washed and used. The growth is based on a two-stage growth method using a low-temperature growth buffer layer. TMG
And ammonia as a raw material and hydrogen as a carrier gas, the GaN buffer layer
After forming the film at 0 °, an n-type GaN layer 9 is grown at 1100 ° C. with a thickness of 3 μm using TMG, ammonia and silane (SiH 4 ) as a dopant. Next, TMG, TMA,
Ammonia and silane as dopant (SiH 4 )
Is used to fabricate a stacked layer 8 (reflection film) having n-type conductivity. The two types of layers constituting the stack are GaN and Ga
1-a Al a N (a = 0.2). Since the refractive index of each layer is 2.473 and 2.347 at 4500 °, the thickness of each layer is adjusted to 455 ° and 479 °. A reflection film composed of a stack of 30 pairs is formed by first growing the two types of layers from a GaN layer.

【0039】次に、発光層を1層含む光閉じ込め領域2
を成長する。TMG、アンモニアおよびドーパントとし
てシラン(SiH4 )を用いてn型の導電性を有するG
aN層7を1100Å成長した後、785℃で、キャリ
アガスを窒素とし、TEG、TEA、アンモニアおよび
ドーパントとしてシラン(SiH4 )を用いてn型の導
電性を有するGa1-c Alc N(c=0.2)層6を2
50Å成長し、次にTEG、TMI、アンモニアを用い
て発光層であるIn0.3 Ga0.7 N層3を50Å成長
し、さらにTEG、TEA、アンモニアを用いてGa
1-d Ald N(d=0.2)層4を250Å成長し、最
後に1100℃でTMG、アンモニアおよびp型ドーパ
ント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム
((C552 Mg、以下Cp2 Mgと記することがあ
る)を用いてMgドープp型GaN層5を1100Å成
長する。発光層5であるIn0.3 Ga0.7 N層の組成か
らきまる発光ピーク波長は4500Åであり、光閉じ込
め領域の厚さはこの1/2波長の3倍に調整されてい
る。
Next, the light confinement region 2 including one light emitting layer
Grow. G having n-type conductivity using TMG, ammonia and silane (SiH 4 ) as a dopant
After the aN layer 7 was 1100Å grown at 785 ° C., the carrier gas was nitrogen, TEG, TEA, ammonia and dopant as silane (SiH 4) with n-type conductivity having a Ga 1-c Al c N ( c = 0.2) Layer 6 is 2
Then, an In 0.3 Ga 0.7 N layer 3 as a light emitting layer is grown by 50 ° using TEG, TMI, and ammonia, and Ga is further grown by using TEG, TEA, and ammonia.
A 1-d Al d N (d = 0.2) layer 4 is grown at 250 ° and finally at 1100 ° C., TMG, ammonia and biscyclopentadienyl magnesium ((C 5 H 5 ) 2 Mg, Hereafter, the Mg-doped p-type GaN layer 5 is grown at 1100 ° using Cp 2 Mg. The emission peak wavelength determined by the composition of the In 0.3 Ga 0.7 N layer, which is the light emitting layer 5, is 4500 °, and the thickness of the light confinement region is adjusted to three times the half wavelength.

【0040】次にTMG、TMA、アンモニアおよびp
型ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグ
ネシウム((C552 Mg、以下、Cp2 Mgと記
すことがある。)を用いて、MgドープしたGaNとG
1-a Ala N(a=0.2)の積層1からなる反射膜
を成長する。各層の厚さはGaN層は455Å、Ga
1-a Ala N(a=0.2)層は479Åに調整する。
この2種類の層を1対として20対の積層構造反射膜
を、最初にGa1-a Ala N(a=0.2)層から成長
する。成長終了後、基板を取り出し、窒素中800℃で
熱処理を行ない、MgをドープしたGa1-a Ala
(a=0.2)とGaNの積層1からなる反射膜、およ
び光閉じ込め領域内のMgをドープしたGaN層を低抵
抗のp型GaN層5とする。
Next, TMG, TMA, ammonia and p
Biscyclopentadienyl mag
Nesium ((CFive HFive )Two Mg, CpTwo Notated as Mg
Sometimes. ) Using Mg-doped GaN and G
a1-a Ala Reflective film made of N (a = 0.2) laminate 1
Grow. The thickness of each layer is 455 ° for the GaN layer and Ga
1-a Ala The N (a = 0.2) layer is adjusted to 479 °.
The two types of layers constitute one pair and a 20-layer laminated reflective film
And Ga1-a Ala Growing from N (a = 0.2) layer
I do. After the growth is completed, the substrate is taken out and placed in nitrogen at 800 ° C.
Heat-treated and doped with Mg1-a Ala N
(A = 0.2) and a reflection film composed of GaN laminate 1;
The GaN layer doped with Mg in the light confinement region
An anti-p-type GaN layer 5 is used.

【0041】以上の方法で成長した3−5族化合物半導
体を用いて、常法に従いp電極としてNi−Au合金、
n電極としてAlを用いてLEDを作製する。20mA
の順方向電流を流したところ、明瞭な青色発光がおもに
p電極側から認められ、基板側からの発光は非常に弱
い。
Using a group III-V compound semiconductor grown by the above method, a Ni-Au alloy is used as a p-electrode according to a conventional method.
An LED is manufactured using Al as the n-electrode. 20mA
When a forward current was passed, clear blue light emission was mainly observed from the p-electrode side, and light emission from the substrate side was very weak.

【0042】実施例2 MOVPE法による気相成長により図1に示す構造の3
−5族化合物半導体を成長し、発光波長5200ÅのL
EDを作製する。発光層3の組成をIn0.53Ga0.47
とし、これに合わせて、発光層3の下側のGaNとGa
1-a Ala N(a=0.2)の積層5からなる反射膜に
おける各層の厚さを各々536Å、560Åとし、光閉
じ込め領域内のGaN層5および7の層厚を1340Å
とし、発光層の上側にはGaNとGa1-a Ala N(a
=0.2)の積層からなる反射膜を成長しないことを除
いては、実施例1とほぼ同様にして3−5族化合物半導
体を成長する。ただし発光層3および発光層3に接する
上下のGa1-d Ald N層4(d=0.2)およびGa
1-c Alc N層6(c=0.2)の成長温度は750℃
とする。常法に従いp電極としてNi−Au合金、n電
極としてAlを用いてLEDを作製する。p電極は反射
率を大きくとるために通常よりも厚くし、5000Å堆
積する。20mAの順方向電流を流したところ、明瞭な
緑色発光がおもにp電極側から認められ、基板側からの
発光は非常に弱い。
Example 2 The structure 3 shown in FIG.
-Group 5 compound semiconductor is grown, and L at an emission wavelength of 5200 °
Fabricate ED. The composition of the light emitting layer 3 is In 0.53 Ga 0.47 N
In accordance with this, GaN and Ga under the light emitting layer 3 are
The thickness of each layer in the reflection film composed of the laminated layer 5 of 1-a Al a N (a = 0.2) is 536 ° and 560 °, respectively, and the thickness of the GaN layers 5 and 7 in the light confinement region is 1340 °.
GaN and Ga 1-a Al a N (a
= 0.2), except that a reflective film composed of a stack of (= 0.2) is not grown. However, the light emitting layer 3 and the upper and lower Ga 1-d Al d N layers 4 (d = 0.2) in contact with the light emitting layer 3 and Ga
The growth temperature of the 1-c Al c N layer 6 (c = 0.2) is 750 ° C.
And An LED is manufactured using a Ni-Au alloy as a p-electrode and Al as an n-electrode according to a conventional method. The p-electrode is made thicker than usual to obtain a high reflectance, and is deposited at 5000 °. When a forward current of 20 mA was passed, clear green light emission was observed mainly from the p-electrode side, and light emission from the substrate side was very weak.

【0043】実施例3 MOVPE法による気相成長により図4に示す構造の3
−5族化合物半導体を成長し、発光波長4060Åの紫
色発光レーザーを作製する。サファイア基板の代わりに
n型の導電性を有する6H−SiCの(0001)Si
面基板を用い、SiC基板全面にSiO2 膜を真空蒸着
法により3000Å堆積させる。次に通常のフォトリソ
グラフィーの方法をもちいてフォトレジストパターンを
形成した後、フッ酸処理を行い、SiO2 マスクパター
ンを作製する。SiO2 マスクパターンつき基板上に、
発光層3の組成をIn0.15Ga0.85Nとし、これに合わ
せて、発光層3の上側のGaNとGa1-a Ala N(a
=0.2)との積層1からなる反射膜および下側のGa
NとGa1-a Ala N(a=0.2)との積層8からな
る反射膜におけるGaN層の厚さとGa1-a Ala N層
の厚さをそれぞれ400Å、426Åとし、、光閉じ込
め領域内のGaN層5およびGaN層7の厚さを134
0Åとしたことを除いては、実施例1とほぼ同様にして
3−5族化合物半導体を成長する。このとき、SiO2
マスクのない部分のみに選択的に3−5族化合物半導体
が成長する。ただし、発光層3および発光層3に接する
上下のGa1-d Ald N層4(d=0.2)およびGa
1-c Alc N層6(c=0.2)の成長温度は815℃
とする。
Embodiment 3 The structure 3 shown in FIG.
A -5 group compound semiconductor is grown to produce a violet emission laser having an emission wavelength of 4060 °. (0001) Si of 6H-SiC having n-type conductivity instead of the sapphire substrate
Using a surface substrate, an SiO 2 film is deposited on the entire surface of the SiC substrate at 3000 ° by a vacuum evaporation method. Next, after forming a photoresist pattern using a normal photolithography method, a hydrofluoric acid treatment is performed to produce a SiO 2 mask pattern. On a substrate with a SiO 2 mask pattern,
The composition of the light emitting layer 3 is In 0.15 Ga 0.85 N, and accordingly, GaN and Ga 1-a Al a N (a
= 0.2) and the lower Ga layer
The thickness of the GaN layer and the thickness of the Ga 1-a Al a N layer in the reflective film composed of the stacked layer 8 of N and Ga 1-a Al a N (a = 0.2) are set to 400 ° and 426 °, respectively. The thickness of the GaN layer 5 and the GaN layer 7 in the confinement region is set to 134
A Group III-V compound semiconductor is grown almost in the same manner as in Example 1 except that the angle is set to 0 °. At this time, SiO 2
The group III-V compound semiconductor grows selectively only in the part without the mask. However, the light emitting layer 3 and the upper and lower Ga 1-d Al d N layers 4 (d = 0.2) in contact with the light emitting layer 3 and the Ga
The growth temperature of the 1-c Al c N layer 6 (c = 0.2) is 815 ° C.
And

【0044】次に、Cl2 ガスを用いたドライエッチン
グによりn型層までエッチングし、ストライプ状にp型
層部分が残るように加工する。次に、p電極12として
ストライプ状のNi−Au合金を形成し、n電極13と
して基板裏面にNi電極を全面に形成し、さらにn型基
板とn型層間の電流経路を形成するためにAlおよびN
iを用いて電極14を形成する。次に、SiC基板を、
ダイシングと劈開によりレーザーチップに分割する。劈
開して得られた、サイド面にAlを用いて反射膜を形成
して共振器構造をつくる。こうして半導体レーザーを作
製する。順方向パルス電流を流したところ、明瞭な紫色
の誘導放出光が見られる。
Next, etching is performed to the n-type layer by dry etching using Cl 2 gas so that the p-type layer portion remains in a stripe shape. Next, a stripe-shaped Ni-Au alloy is formed as the p-electrode 12, a Ni electrode is formed on the entire back surface of the substrate as the n-electrode 13, and Al is formed to form a current path between the n-type substrate and the n-type layer. And N
The electrode 14 is formed using i. Next, the SiC substrate is
Divide into laser chips by dicing and cleavage. A reflection film is formed using Al on the side surfaces obtained by cleavage to form a resonator structure. Thus, a semiconductor laser is manufactured. When a forward pulse current was applied, a clear purple stimulated emission was observed.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明によれば、発光層と基板との間に
特定の構造の積層からなる反射膜を設けることにより、
発光層から基板側に出た光を、半導体側に有効に反射す
るため、半導体側(基板と反対側)からの光の取り出し
効率を大きくでき、発光効率を向上させることができ
る。さらに、本発明によれば、発光層の上下に光の反射
機能を有する構造を設け、光閉じ込め領域の厚さを発光
波長の1/2の整数倍に調整することにより、発光効率
を向上させ、発光スペクトルを狭くさせることができる
ので、きわめて有用であり、工業的価値が大きい。
According to the present invention, by providing a reflective film having a specific structure between the light emitting layer and the substrate,
Since the light emitted from the light emitting layer to the substrate side is effectively reflected to the semiconductor side, the light extraction efficiency from the semiconductor side (the side opposite to the substrate) can be increased, and the light emission efficiency can be improved. Further, according to the present invention, a structure having a light reflection function is provided above and below the light emitting layer, and the thickness of the light confinement region is adjusted to an integral multiple of half the emission wavelength, thereby improving the light emission efficiency. Since the emission spectrum can be narrowed, it is extremely useful and has great industrial value.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の化合物半導体発光素子の構造の例を示
す断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a compound semiconductor light emitting device of the present invention.

【図2】本発明の化合物半導体発光素子の構造の別の例
を示す断面図
FIG. 2 is a sectional view showing another example of the structure of the compound semiconductor light emitting device of the present invention.

【図3】本発明の化合物半導体発光素子における、光閉
じ込め領域内での発光層の好ましい配置の例を示す模式
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a preferable arrangement of a light emitting layer in a light confinement region in the compound semiconductor light emitting device of the present invention.

【図4】実施例3における化合物半導体発光素子の構造
を示す断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a compound semiconductor light emitting device according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・p型GaNとGa1-a Ala Nとの積層 1−1・・p型Ga1-a Ala N層 1−2・・p型GaN層 2・・・・光閉じ込め領域 3・・・・発光層 4・・・・Ga1-d Ald N層 5・・・・p型GaN層 6・・・・Ga1-c Alc N層 7・・・・n型GaN層 8・・・・n型GaNとGa1-a Ala Nとの積層 8−1・・n型GaN層 8−2・・n型Ga1-a Ala N層 9・・・・n型GaN層 10・・・・バッファ層 11・・・・基板 12・・・・p電極 13・・・・n電極 14・・・・電流経路を形成するための電極1 ... Lamination of p-type GaN and Ga 1-a Al a N 1-1 ... p-type Ga 1-a Al a N layer 1-2 ... p-type GaN layer 2 ... light confinement Region 3 Light-emitting layer 4 Ga 1-d Al d N layer 5 p-type GaN layer 6 Ga 1-c Al c N layer 7 n-type GaN layer 8 ... n-type GaN and Ga 1-a Al a stack of n 8-1 · · n-type GaN layer 8-2 · · n-type Ga 1-a Al a n layer 9 ... n-type GaN layer 10 buffer layer 11 substrate 12 p-electrode 13 n-electrode 14 electrode for forming a current path

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高田 朋幸 茨城県つくば市北原6 住友化学工業株式 会社内 (72)発明者 乾 勝美 茨城県つくば市北原6 住友化学工業株式 会社内 Fターム(参考) 5F041 CA04 CA34 CA40 CA58 CB15 5F073 AA89 CA02 CA07 CB14  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tomoyuki Takada 6 Kitahara, Tsukuba, Ibaraki Prefecture Sumitomo Chemical Co., Ltd. (72) Inventor Katsumi Inui 6 Kitahara, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture Sumitomo Chemical Co., Ltd. F-term (reference) 5F041 CA04 CA34 CA40 CA58 CB15 5F073 AA89 CA02 CA07 CB14

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一般式Inx Gay Alz N(x+y+z
=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表され
る3−5族化合物半導体を用い、発光層と基板を有する
発光素子を製造するに当り、発光層を光の反射機能を持
つ2つの層により挟み、該2つの層のうち少なくとも1
つの層が一般式Ga1-a Ala N(0≦a≦1)で表さ
れ、かつ互いに混晶比の異なる2種類の層の繰り返しか
らなる積層とし、かつ該反射機能を持つ2つの層で挟ん
だ領域に含まれる層の屈折率と厚さを、発光波長との間
に式(1) (ただし、dは各層の厚さ、nは各層の発光波長におけ
る屈折率、λは発光波長、mは1以上の整数、添え字i
は発光層の番号、添え字jは上下の反射機能を持つ構造
に挟まれた領域に含まれる発光層以外の層の番号を表
し、Σは添え字番号について和をとることを意味す
る。)が成立するように調整し、かつ発光層の位置が光
の電場が最大になるように調整することを特徴とする3
−5族化合物半導体発光素子の製造方法。
1. A general formula In x Ga y Al z N ( x + y + z
= 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) When manufacturing a light-emitting element having a light-emitting layer and a substrate using a Group 3-5 compound semiconductor represented by Is sandwiched between two layers having a light reflecting function, and at least one of the two layers
One of the layers is represented by the general formula Ga 1-a Al a N ( 0 ≦ a ≦ 1), and a laminated comprising repeating the two different types of layers from each other mixed crystal ratio, and two layers having the reflection function Between the refractive index and the thickness of the layer included in the region sandwiched by (Where d is the thickness of each layer, n is the refractive index at the emission wavelength of each layer, λ is the emission wavelength, m is an integer of 1 or more, and the subscript i
Represents the number of the light emitting layer, the subscript j represents the number of the layer other than the light emitting layer included in the region sandwiched between the structures having the upper and lower reflective functions, and Δ represents that the sum of the subscript numbers is taken. ) Is established, and the position of the light emitting layer is adjusted so that the electric field of light becomes maximum.
A method for manufacturing a Group V compound semiconductor light emitting device.
【請求項2】発光層の位置を、発光層の位置sを該反射
機能を持つ2つの層により挟まれた領域の一端からの距
離で表した時に、式(2) s = (2k−1)λ/4 (2) (ただし、kは1以上m以下の整数を表す。)が成立す
る少なくとも1つの位置に調整することを特徴とする請
求項1記載の3−5族化合物半導体発光素子の製造方
法。
2. When the position of the light emitting layer is represented by the distance from one end of a region sandwiched between the two layers having the reflecting function, the position s of the light emitting layer is expressed by the following equation (2): s = (2k−1) 3. The group 3-5 compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the position is adjusted to at least one position where λ / 4 (2) (where k represents an integer of 1 to m). Manufacturing method.
【請求項3】一般式Ga1-a Ala N(0≦a≦1)で
表され、かつ互いに混晶比の異なる2種類の層の繰り返
しからなる積層において、該積層のすべての層または一
部の層が、n型またはp型の導電性を付与することを特
徴とする請求項1または2記載の3−5族化合物半導体
発光素子の製造方法。
3. A laminate comprising two types of layers represented by the general formula Ga 1-a Al a N (0 ≦ a ≦ 1) and having different mixed crystal ratios. 3. The method for manufacturing a Group 3-5 compound semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein some of the layers impart n-type or p-type conductivity.
【請求項4】発光層の厚さを5Å以上90Å以下とし、
かつ発光層がその両側で発光層よりもバンドギャップの
大きな層に接して挟むことを特徴とする請求項1、2ま
たは3記載の3−5族化合物半導体発光素子の製造方
法。
4. The light-emitting layer has a thickness of 5 ° or more and 90 ° or less,
4. The method for manufacturing a Group 3-5 compound semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting layer is sandwiched on both sides thereof in contact with a layer having a larger band gap than the light emitting layer.
【請求項5】発光層に含まれる、Si、Ge、Mg、Z
nおよびCdの各元素の濃度をいずれも1019cm-3
下に調整することを特徴とする請求項1、2、3または
4記載の発光素子の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the light emitting layer contains Si, Ge, Mg, and Z.
5. The method according to claim 1, wherein the concentration of each of n and Cd is adjusted to 10 19 cm -3 or less.
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