JP2002198562A - Group iii nitride semiconductor light emitting diode and its manufacturing method - Google Patents

Group iii nitride semiconductor light emitting diode and its manufacturing method

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JP2002198562A
JP2002198562A JP2000398312A JP2000398312A JP2002198562A JP 2002198562 A JP2002198562 A JP 2002198562A JP 2000398312 A JP2000398312 A JP 2000398312A JP 2000398312 A JP2000398312 A JP 2000398312A JP 2002198562 A JP2002198562 A JP 2002198562A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor light emitting diode of high performance in which a high quality silicon substrate of low cost is used, by solving the problem where a group III nitride semiconductor light emitting diode having high light emitting intensity is not obtained, since the light from a light emitting part is absorbed in a silicon substrate in the conventional group III nitride semiconductor light emitting diode in which silicon is used as the substrate. SOLUTION: A reflecting layer having a semiconductor multilayer laminated structure constituted of laminate of boron phosphide and gallium phosphide nitride is arranged between a silicon substrate and a light emitting part. Consequently, the light from the light emitting part is reflected in a light lead-out direction.

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、シリコン単結晶を
基板として、pn接合型ダブルヘテロ接合構造を有する
III族窒化物半導体発光ダイオードを構成するための技
術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has a pn junction type double hetero junction structure using a silicon single crystal as a substrate.
The present invention relates to a technique for forming a group III nitride semiconductor light emitting diode.

【0002】[0002]

【従来の技術】旧来の電気絶縁性サファイア(α−Al
23)単結晶基板( Mat. Res. Soc.Symp.Proc.,Vol.46
8 (1977),P.481〜P.486参照)に代えて、シリコン(S
i)単結晶を基板としてIII族窒化物半導体発光ダイオ
ード(LED)を構成する技術が開示されている( Ele
ctron.Lett.,Vol.33 No.23( 1997 )P.1986〜1987参
照)。導電性並びに劈開性を呈するシリコン単結晶を基
板とすれば、簡便な素子化工程によってIII族窒化物半
導体発光ダイオードが構成できて都合が良いことによる
(Appl. Phys. Lett., Vol.72 No.4 (1998)、P.415
〜417参照)。
2. Description of the Related Art A conventional electric insulating sapphire (α-Al
2 O 3 ) single crystal substrate (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 46)
8 (1977), pp. 481 to 486) instead of silicon (S
i) A technique for forming a group III nitride semiconductor light emitting diode (LED) using a single crystal as a substrate has been disclosed (Ele
ctron. Lett., Vol. 33 No. 23 (1997) P. 1986-1987). If a silicon single crystal exhibiting conductivity and cleavage is used as a substrate, a group III nitride semiconductor light-emitting diode can be easily formed by a simple device fabrication process (Appl. Phys. Lett., Vol. 72 No. .4 (1998), P.415
417).

【0003】III族窒化物半導体発光ダイオードにあっ
ては、通常、単結晶基板上に窒化アルミニウム・ガリウ
ム・インジウム(AlαGaβIn1-α-βN :0≦
α,β,α+β≦1)等のIII族窒化物半導体結晶層か
らなるpn接合型のダブルヘテロ(DH)接合構造の発
光部が形成されている。DH接合構造の発光部とは、発
光層がp形及びn形クラッド( clad )層に挟持された構
造の、発光を担う部位をいう。発光層及びクラッド層は
共に窒化アルミニウム・ガリウム層から構成することが
できる。その場合、クラッド層のアルミニウム混晶比
(α)を発光層のアルミニウム混晶比よりも高くするこ
とにより、クラッド層の禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よ
りも大きくして、発光層に注入された電子の閉じ込め効
果を持たせるようにする。また、青色帯或いは緑色帯の
短波長可視光を放射するための発光層は、窒化ガリウム
・インジウム(GaβIn1-βN:0≦β≦1)から構
成されるのがもっぱらである(特公昭55−3834号
公報参照)。
[0003] In the group III nitride semiconductor light-emitting diode, typically, on a single crystal substrate of aluminum gallium indium nitride (Al α Ga β In 1- α-β N: 0 ≦
A light emitting portion having a pn junction type double hetero (DH) junction structure composed of a group III nitride semiconductor crystal layer such as α, β, α + β ≦ 1) is formed. The light emitting part of the DH junction structure refers to a part that emits light in a structure in which a light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type clad layers. Both the light emitting layer and the cladding layer can be composed of an aluminum gallium nitride layer. In this case, by making the aluminum mixed crystal ratio (α) of the clad layer higher than the aluminum mixed crystal ratio of the light emitting layer, the forbidden band width of the clad layer is made larger than the forbidden band width of the light emitting layer. An effect of confining injected electrons is provided. The light emitting layer for emitting short wavelength visible light in the blue band or green band, gallium indium nitride: it is exclusively be composed of (Ga β In 1-β N 0 ≦ β ≦ 1) ( See JP-B-55-3834).

【0004】しかし、基板としてシリコン単結晶を使用
すると、シリコン単結晶の禁止帯幅は約1.1eVであ
り(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年
3月30日、(株)培風館発行初版28頁参照)、青色
帯の発光に対応する遷移エネルギーに対して、半分以下
と小さい。このため、上記の発光部より放射された短波
長の発光が、基板として使用されたシリコン単結晶に吸
収されてしまう欠点がある。即ち、シリコン基板上に形
成されたIII族窒化物半導体発光ダイオードでは、基板
による発光の吸収により、高発光強度を有するLEDを
得ることが難しいという問題点がある。
However, when a silicon single crystal is used as a substrate, the band gap of the silicon single crystal is about 1.1 eV (Iwao Teramoto, "Introduction to Semiconductor Devices", March 30, 1995, Baifukan Co., Ltd.) (See the first edition, page 28), the transition energy corresponding to the emission in the blue band is less than half or less, so that the short-wavelength light emitted from the light emitting portion is used as the silicon single crystal used as the substrate. That is, in the group III nitride semiconductor light emitting diode formed on the silicon substrate, there is a problem that it is difficult to obtain an LED having high light emission intensity due to absorption of light emitted by the substrate. .

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、シリコン単
結晶を基板とするIII族窒化物半導体発光ダイオードに
あって、発光部からの光がシリコン基板に吸収されてし
まうため、高強度の発光を有するIII族窒化物半導体発
光ダイオードが得られないという問題点を解決するため
になされたものであり、安価で良質なシリコン基板を使
用して高発光強度を有する短波長系III族窒化物半導体
発光ダイオードを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting diode having a single crystal silicon substrate as a substrate. Since light from a light emitting portion is absorbed by a silicon substrate, high intensity light is emitted. The purpose of the present invention is to solve the problem that a Group III nitride semiconductor light-emitting diode having a high emission intensity can be obtained by using an inexpensive and high-quality silicon substrate. It is an object to provide a light emitting diode.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の発光ダイオードはシリコン単結晶基板の上
に積層された、一般式AlaGabIn1-a-bc1-c
(但し、0≦a,b,a+b≦1、Mは窒素以外の第V
族元素を表し、0<c≦1)で表記されるIII族窒化物
半導体層から構成されている、pn接合型のダブルヘテ
ロ(DH)接合構造の発光部を備えたIII族窒化物半導
体発光ダイオードであって、上記シリコン単結晶基板と
上記発光部との間にリン化硼素(BP)結晶層と窒化リ
ン化ガリウム(GaN1-XX:0≦X≦1)結晶層とを
交互に積層した多層積層構造の反射層を備えたIII族窒
化物半導体発光ダイオードとした。この構造にすること
によって、発光部から基板側に放射された光が基板で吸
収されることなく、光取り出し側に反射して視野側に有
効に取り出すことができるので、高発光強度を有するII
I族窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
Means for Solving the Problems] To solve the above problems, the light emitting diode of the present invention is laminated on a silicon single crystal substrate, the general formula Al a Ga b In 1-ab N c M 1-c
(However, 0 ≦ a, b, a + b ≦ 1, M is the Vth other than nitrogen)
III-nitride semiconductor light-emitting device having a pn junction type double hetero (DH) junction light-emitting portion composed of a III-nitride semiconductor layer represented by a group element and represented by 0 <c ≦ 1) A diode, wherein a boron phosphide (BP) crystal layer and a gallium nitride phosphide (GaN 1-X P X : 0 ≦ X ≦ 1) crystal layer are alternately provided between the silicon single crystal substrate and the light emitting portion. A group III nitride semiconductor light emitting diode provided with a reflective layer having a multilayer laminated structure. With this structure, the light emitted from the light-emitting portion to the substrate side is reflected by the light-extraction side and can be effectively extracted to the viewing side without being absorbed by the substrate.
A group I nitride semiconductor light emitting diode can be obtained.

【0007】また、本発明においては、多層積層構造を
構成するリン化硼素結晶層及び窒化リン化ガリウム結晶
層のキャリア濃度を1×1017cm-3以上で5×1019
cm -3以下とするのが好ましい。この程度のキャリア濃
度であれば、導電性が高いので多層積層構造及びシリコ
ン基板を通して発光ダイオードの上下方向に作動電流を
流すことができ、発光ダイオードの構造が簡単になり安
価に提供することができる利点を有する。また、本発明
においては、前記多層積層構造を構成する窒化リン化ガ
リウム結晶層のリン(P)組成比を2%以上4%以下と
するのが好ましい。リン組成比が2%以上4%以下であ
れば、多層積層構造を構成するもう一方の結晶層である
リン化硼素結晶との格子整合が得られ、良好な結晶質の
多層積層構造が得られるからである。
In the present invention, a multilayer laminated structure is used.
Constituting boron phosphide crystal layer and gallium nitride phosphide crystal
The carrier concentration of the layer is 1 × 1017cm-35 × 1019
cm -3It is preferable to set the following. This level of carrier concentration
If the temperature is high, the conductivity is high, so the multilayer laminate structure and silicon
Operating current up and down the light emitting diode through the
Flow, simplifying the structure of the light emitting diode
Has the advantage that can be provided in the price. In addition, the present invention
In the above, the nitrided phosphide
The phosphorus (P) composition ratio of the lithium crystal layer is 2% or more and 4% or less.
Is preferred. Phosphorus composition ratio is 2% or more and 4% or less
If it is, it is the other crystal layer which constitutes the multilayer laminated structure
Lattice matching with boron phosphide crystal is obtained, and good crystalline
This is because a multilayer laminated structure can be obtained.

【0008】本発明においては、前記多層積層構造の積
層の周期数が2以上、好ましくは7以上とするのが良
い。周期数が2以上になると反射率が急速に高まり、7
以上になると可視光領域でほぼ100%の反射率が得ら
れるからである。
In the present invention, the number of cycles of lamination of the multilayer laminated structure is preferably 2 or more, more preferably 7 or more. When the number of cycles becomes 2 or more, the reflectance increases rapidly, and
This is because when the above is achieved, a reflectance of almost 100% is obtained in the visible light region.

【0009】また、本発明においては、シリコン単結晶
基板表面の面方位として{111}結晶面を使用するの
が良い。{111}結晶面はSi原子が稠密に配列して
いるので、不純物原子の侵入を防ぎ、平坦な表面が得ら
れ易いからである。さらに、シリコン単結晶基板と多層
積層構造との間に、緩衝層を介在させると良い。緩衝層
によってシリコン単結晶基板の結晶欠陥の伝搬が阻止さ
れるので、結晶性に優れた良質の多層積層構造を得られ
易いからである。
In the present invention, it is preferable to use a {111} crystal plane as the plane orientation of the silicon single crystal substrate surface. This is because the {111} crystal plane has densely arranged Si atoms, thereby preventing intrusion of impurity atoms and easily obtaining a flat surface. Further, a buffer layer is preferably provided between the silicon single crystal substrate and the multilayer laminated structure. This is because the propagation of crystal defects in the silicon single crystal substrate is prevented by the buffer layer, so that it is easy to obtain a high-quality multilayered structure having excellent crystallinity.

【0010】本発明においては、前記多層積層構造を形
成するのに、有機金属化学気相堆積法を使用することが
できる。有機金属化学気相堆積法に依れば、積層させる
結晶相の組成調整が容易で、良質の多層積層構造を得ら
れ易いからである。
In the present invention, an organometallic chemical vapor deposition method can be used to form the multilayered structure. This is because according to the metal organic chemical vapor deposition method, the composition of the crystal phase to be laminated is easily adjusted, and a high-quality multilayer laminated structure is easily obtained.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明のIII族窒化物半導体発光
ダイオードは、良質の結晶を具備し、比較的安価に入手
可能なシリコン単結晶を基板として使用する。基板とす
るシリコン単結晶の結晶面方位に特別な制限はないが、
一般的に{111}または{100}単結晶が利用でき
る。{111}結晶面は{100}結晶面に比較してS
i原子が稠密に存在している。このため、本発明の多層
積層構造を構成するリン化硼素層の構成元素である硼素
(B)並びにリン(P)が基板の内部へ熱拡散するのを
抑制する効果が奏される。即ち、硼素並びにリンの拡
散、侵入によるシリコン基板表面の非平坦化を防止する
のに有利となる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The group III nitride semiconductor light-emitting diode of the present invention uses a silicon single crystal which has a high quality crystal and can be obtained relatively inexpensively as a substrate. There is no special restriction on the crystal plane orientation of the silicon single crystal used as the substrate,
Generally, {111} or {100} single crystals can be used. The {111} crystal plane is smaller than the {100} crystal plane by S
i atoms are densely present. Therefore, the effect of suppressing the thermal diffusion of boron (B) and phosphorus (P), which are constituent elements of the boron phosphide layer constituting the multilayer laminated structure of the present invention, to the inside of the substrate is exerted. That is, it is advantageous to prevent the silicon substrate surface from becoming uneven due to the diffusion and penetration of boron and phosphorus.

【0012】シリコン単結晶基板の表面には、反射層を
構成するリン化硼素(BP)結晶層と窒化リン化ガリウ
ム(GaN1-XX:0≦X≦1)結晶層とから構成され
る多層積層構造を形成する。多層積層構造はシリコン基
板上に直接堆積させこともできるし、あるいはまた、緩
衝層を介在させて堆積させることもできる。緩衝層を構
成する材料としては、一般にシリコン単結晶(格子定数
=5.4309Å)に格子整合する窒化リン化ガリウム
(GaN0.020.98、格子定数=5.431Å)、窒化
砒化ガリウム(GaN0.19As0.81、格子定数=5.4
31Å)、リン化硼素ガリウム(B0.02Ga0.98P、格
子定数=5.431Å)(特開平11−266006号
公報参照)、又は砒化硼素ガリウム(B0.25Ga0.75
s、格子定数=5.431Å)(特開平11−2607
20号公報参照)等が使用できる。また、インジウム
(In)を構成元素として含むリン化硼素インジウム
(B0.33In0.67P、格子定数=5.431Å)又は砒
化硼素インジウム等(B0.40In0.60As、格子定数=
5.431Å)も利用できる。さらに、立方晶の窒化リ
ン化インジウム(InN0.490.51、格子定数=5.4
31Å)又は窒化砒化インジウム(InN0.58
0.42、格子定数=5.431Å)等も利用できる。緩
衝層を使用すればシリコン基板の結晶欠陥の伝搬を防止
し、不純物の拡散を阻止することも可能となる利点を有
する。
On the surface of the silicon single crystal substrate, there are formed a boron phosphide (BP) crystal layer and a gallium nitride phosphide (GaN 1-X P X : 0 ≦ X ≦ 1) crystal layer which constitute a reflection layer. To form a multilayer laminated structure. The multilayer stack can be deposited directly on the silicon substrate, or alternatively, it can be deposited with a buffer layer in between. As a material forming the buffer layer, gallium phosphide (GaN 0.02 P 0.98 , lattice constant = 5.431 °) lattice-matched to a silicon single crystal (lattice constant: 5.4309 °), gallium arsenide (GaN 0.19 As) 0.81 , lattice constant = 5.4
31 °), boron gallium phosphide (B 0.02 Ga 0.98 P, lattice constant = 5.431 °) (see JP-A-11-266006), or boron gallium arsenide (B 0.25 Ga 0.75 A).
s, lattice constant = 5.431Å) (JP-A-11-2607)
No. 20) can be used. Further, indium phosphide (B 0.33 In 0.67 P, lattice constant = 5.43143) containing indium (In) as a constituent element, indium arsenide (B 0.40 In 0.60 As, lattice constant =
5.431Å) is also available. Furthermore, cubic indium nitride phosphide (InN 0.49 P 0.51 , lattice constant = 5.4)
31Å) or indium arsenide nitride (InN 0.58 A
s 0.42 , lattice constant = 5.431 °) and the like can also be used. The use of the buffer layer has the advantage that the propagation of crystal defects in the silicon substrate can be prevented and the diffusion of impurities can be prevented.

【0013】さらに、緩衝層をシリコン単結晶と格子定
数を異にする材料で構成することもできる。例えば、リ
ン化硼素(BP、格子定数=4.538Å)で緩衝層構
成する場合、比較的低温で成長させた緩衝層(低温緩衝
層)は非晶質に近く、シリコン単結晶と多層積層構造体
との間の格子ミスマッチ ( mismatch )を緩和して、結
晶性に優れた多層積層構造体が得られる利点を有する。
例えば、250℃以上500℃以下の比較的低温で成膜
したリン化硼素低温緩衝層は、約16%に及ぶシリコン
単結晶とリン化硼素結晶又は窒化リン化ガリウム結晶と
の格子ミスマッチ(「日本結晶成長学会誌」、Vol.24、
No.2(1997)、p.150参照)を緩和して、ミスフィット
転位等の結晶欠陥密度の少ない良質の多層積層構造体を
もたらす効果がある(米国特許第6,069,021号
参照)。
Further, the buffer layer may be made of a material having a different lattice constant from that of the silicon single crystal. For example, when a buffer layer is composed of boron phosphide (BP, lattice constant = 4.538 °), the buffer layer (low-temperature buffer layer) grown at a relatively low temperature is nearly amorphous, and has a silicon single crystal and a multilayer laminated structure. This has the advantage that the lattice mismatch between the body and the substrate can be relaxed to obtain a multilayered structure having excellent crystallinity.
For example, a low-temperature boron phosphide buffer layer formed at a relatively low temperature of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less has a lattice mismatch between silicon single crystal and boron phosphide crystal or gallium nitride phosphide crystal of about 16% (“Japan Journal of Crystal Growth Society, Vol. 24,
No. 2 (1997), p. 150) is relaxed to provide a high-quality multilayer laminated structure having a low density of crystal defects such as misfit dislocations (see US Pat. No. 6,069,021). .

【0014】屈折率の異なる半導体層を特定の間隔で多
数積層して多層積層構造体を構成すると、ブラッグの法
則に従って特定波長の光を反射する機能が生じる。これ
がいわゆるブラッグ反射層( Distributed Bragg Refle
ctor:DBR)である。本発明では屈折率の異なる半導
体層として、0.5以上の屈折率の差を有するリン化硼
素(BP)結晶層と窒化リン化ガリウム(GaN
1-XX)結晶層を利用する。BP結晶層(屈折率=3.
1)との屈折率の差を0.5以上とするには、GaN
1-XX結晶層のリン混晶比xは、x=0(GaN、屈折
率=2.0)からx=1(GaP、屈折率=2.1)の
範囲の値とすればよい。さらにGaN1-XX結晶層のリ
ン混晶比xは、後述するようにBP結晶層との格子整合
性を考慮して、x=0.02からx=0.04の範囲と
するのが好ましい。積層する各層の厚さ(nm)は、発
光波長λ(nm)に対してλ/4Nに設定する。ここで
Nは各層を構成する半導体物質の光屈折率である。この
ような厚さの多層積層構造体を積層して、全体として
0.2〜3μmの厚さに構成する。
When a multi-layer laminated structure is formed by laminating a large number of semiconductor layers having different refractive indexes at a specific interval, a function of reflecting light of a specific wavelength according to Bragg's law occurs. This is the so-called Bragg reflection layer (Distributed Bragg Refle)
ctor: DBR). In the present invention, as semiconductor layers having different refractive indexes, a boron phosphide (BP) crystal layer having a refractive index difference of 0.5 or more and gallium phosphide (GaN) are used.
1-X P X ) Use a crystal layer. BP crystal layer (refractive index = 3.
In order to make the refractive index difference from 1) 0.5 or more, GaN
The phosphorus mixed crystal ratio x of the 1-X P X crystal layer may be a value in the range of x = 0 (GaN, refractive index = 2.0) to x = 1 (GaP, refractive index = 2.1). . Further, the phosphorus mixed crystal ratio x of the GaN 1-X P X crystal layer is set in a range of x = 0.02 to x = 0.04 in consideration of lattice matching with the BP crystal layer as described later. Is preferred. The thickness (nm) of each layer to be laminated is set to λ / 4N with respect to the emission wavelength λ (nm). Here, N is the optical refractive index of the semiconductor material constituting each layer. The multilayer laminated structure having such a thickness is laminated to form a total thickness of 0.2 to 3 μm.

【0015】多層積層構造体は、シリコン単結晶基板側
に最近接する最下層をBPまたはGaN1-XX(0≦X
≦1)の何れかを用いて構成できる。また、多層積層構
造体の最表層もBPまたはGaN1-XXの何れを用いて
構成できる。最下層と最表層とは同一の材料から構成さ
れている必要は必ずしもない。肝要なのは、BP結晶層
とGaN1-XX結晶層を交互に積層させて多層積層構造
体とし、いわゆるブラッグ反射層を構成することにある
(上記の「半導体デバイス概論」、第28頁参照)。1
層のBP結晶層と1層のGaN1-XX結晶層とからなる
積層単位構造を1周期とすれば、多層積層構造体は少な
くとも2以上の周期から構成するのが望ましい。BPと
GaN1-XXとからなる周期的積層構造からは反射帯域
幅の広い半導体多層反射鏡(反射鏡については、伊賀、
小山共著、「面発光レーザ」1990年9月25日、
(株)オ−ム社発行、第1版第1刷、第118〜119
頁参照)が得られる。
In the multilayer laminated structure, BP or GaN 1-X P X (0 ≦ X
.Ltoreq.1). Further, the outermost layer of the multilayer laminated structure can be formed using either BP or GaN 1-X P X. It is not necessary that the lowermost layer and the outermost layer be made of the same material. What is essential is that a BP crystal layer and a GaN 1-X P X crystal layer are alternately laminated to form a multilayer laminated structure, which constitutes a so-called Bragg reflection layer (see “General Description of Semiconductor Devices”, page 28). ). 1
If the laminated unit structure composed of the BP crystal layer and the GaN 1-X P X crystal layer is one cycle, it is desirable that the multilayer laminated structure has at least two or more cycles. A semiconductor multilayer reflector having a wide reflection bandwidth (reflectors such as Iga and Iga) are obtained from a periodic laminated structure composed of BP and GaN 1-X P X.
Koyama, "Surface emitting laser", September 25, 1990,
Published by Ohmsha, 1st edition, 1st printing, 118th to 119th
Page).

【0016】例えば、BPとリン組成比が3%のGaN
0.970.03とからなる多層積層構造体の周期数に対す
る、波長450nmの青色光についての反射率の理論計
算値を図1に示す。BPの屈折率は3.1とし、GaN
0.970.03のそれは2.0と設定してある。BP及びG
aN0.970.03各構成層の層厚は各々、36nm及び5
6nmとしている。反射率は周期数が2を越えると急激
に上昇する。周期数を7以上とすれば、約99.8%の
反射率が得られることとなる。
For example, GaN having a composition ratio of BP to phosphorus of 3% is used.
FIG. 1 shows theoretically calculated values of the reflectance of blue light having a wavelength of 450 nm with respect to the number of periods of the multilayer laminated structure composed of 0.97 P 0.03 . BP has a refractive index of 3.1 and GaN
That of 0.97 P 0.03 is set to 2.0. BP and G
aN 0.97 P 0.03 The thickness of each constituent layer was 36 nm and 5
6 nm. The reflectance sharply increases when the number of periods exceeds two. If the number of periods is 7 or more, a reflectance of about 99.8% can be obtained.

【0017】ブラッグ反射層としての作用を有する多層
積層構造体の各構成層の層厚(nm)は、反射をさせる
光の波長をλ(nm)とすると、λ/(4×N)(但
し、Nは屈折率)とする。例えば、リン化硼素の屈折率
を3.1とし、窒化リン化ガリウムの屈折率を2.0と
した場合、波長(λ)を600nmとする赤色光を高効
率で反射できる多層積層構造体は、層厚を各々約48n
mとするBP層と75nmとするGaN0.970.03層と
の周期的積層構造から構成すればよい。図2に、層厚が
各々、約48nmのBP層と75nmのGaN0.97
0.03層とを交互に10周期積層させた多層積層構造体の
反射率を示す。反射対象としたのは、中心波長が460
nmの青色から中心波長が700nmの赤色光である。
BP層とGaN1-XX層とからなる多層積層構造体で
は、反射の対象とする波長に相応して、多層積層構造体
構成層の層厚を変化させることにより、10周期程度の
少ない周期数で100%近い反射率がえられる。
The layer thickness (nm) of each constituent layer of the multilayer laminated structure having the function as a Bragg reflection layer is λ / (4 × N) (where λ (nm) is the wavelength of light to be reflected). , N is the refractive index). For example, when the refractive index of boron phosphide is set to 3.1 and the refractive index of gallium nitride phosphide is set to 2.0, a multilayer laminate structure capable of reflecting red light having a wavelength (λ) of 600 nm with high efficiency is as follows. , Layer thickness of about 48n each
It may be composed of a periodic multilayer structure of GaN 0.97 P 0.03 layers and BP layers and 75nm to m. FIG. 2 shows a BP layer having a thickness of about 48 nm and a GaN 0.97 P having a thickness of 75 nm, respectively.
10 shows the reflectance of a multilayer laminated structure in which 0.03 layers are alternately laminated for 10 periods. The center wavelength was 460 for reflection.
It is red light having a center wavelength of 700 nm from blue of nm.
In a multilayer laminated structure composed of a BP layer and a GaN 1-X P X layer, by changing the layer thickness of the multilayer laminated structure constituting layer in accordance with the wavelength to be reflected, a small number of about 10 periods is obtained. A reflectance close to 100% can be obtained in the number of periods.

【0018】本発明では、周期的多層積層構造体の構成
層を、電導性のあるBP結晶層及びGaN1-XX結晶層
から構成する。特に、キャリア濃度にして1×1017
-3以上で5×1019cm-3以下のn形またはp形の電
導層から構成するのが好ましい。電導性の構成層から多
層積層構造体を構成すれば、LEDの駆動電流を構造体
の上部よりシリコン単結晶基板に向けて通電できるた
め、一方の電極をシリコン基板の表面に形成できるの
で、構造的に簡単になり、製造上有利となる。キャリア
濃度が1×1017cm-3未満では、駆動電流を通電する
ために充分に低い抵抗の構成層となり難い。キャリア濃
度が5×1019cm-3を越えるほど高濃度にキャリア不
純物が添加された層は結晶性が劣化するため、反射性能
が充分に安定した多層積層構造体を得るのが困難とな
る。p形キャリア濃度は、成膜時に亜鉛(Zn)やマグ
ネシウム(Mg)等のドーピング量を適宣制御すれば調
節できる。n形キャリア濃度はシリコン(Si)やセレ
ン(Se)等のn形不純物のドーピング量を適宣制御し
て調整する。
In the present invention, the constituent layers of the periodic multilayer structure are composed of a conductive BP crystal layer and a GaN 1-X P X crystal layer. In particular, the carrier concentration is 1 × 10 17 c
It is preferable that the conductive layer is formed of an n-type or p-type conductive layer having a size of m −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. If a multilayer laminated structure is formed from conductive constituent layers, the driving current of the LED can be conducted from the upper part of the structure toward the silicon single crystal substrate, so that one electrode can be formed on the surface of the silicon substrate. Simplicity and manufacturing advantages. When the carrier concentration is less than 1 × 10 17 cm −3, it is difficult to form a constituent layer having a resistance sufficiently low to supply a drive current. As the carrier concentration exceeds 5 × 10 19 cm −3 , the crystallinity of the layer to which the carrier impurity is added at a high concentration is deteriorated, so that it is difficult to obtain a multilayer laminated structure having sufficiently stable reflection performance. The p-type carrier concentration can be adjusted by appropriately controlling the doping amount of zinc (Zn) or magnesium (Mg) during film formation. The n-type carrier concentration is adjusted by appropriately controlling the doping amount of an n-type impurity such as silicon (Si) or selenium (Se).

【0019】周期的積層構造体を構成する各構成層の電
導形は同一形とする。電導形が相反する構成層を接合さ
せると、多層積層構造体の内部にpn接合が形成され
る。このため、LED駆動電流のシリコン単結晶基板へ
の通電が妨害されて好ましくない。また、多層構造体構
成層の電導形は、基板とするシリコン単結晶の電導形に
統一する。シリコン基板と多層積層構造体との電導形が
相反すると、シリコン基板と多層積層構造体との接合界
面でpn接合が形成される。このため、LED駆動電流
がシリコン基板に充分に通電されなくなる不都合が発生
する。シリコン単結晶基板と同一の電導形の各構成層
は、例えばハロゲン(halogen)気相成長法、ハイドラ
イド(hydride)気相成長法や有機金属化学気相堆積
(MOCVD)法等の手段により形成できる。
The conductive type of each constituent layer constituting the periodic laminated structure is the same. When the constitutive layers having the opposite conductivity types are joined, a pn junction is formed inside the multilayer laminated structure. Therefore, energization of the LED driving current to the silicon single crystal substrate is disturbed, which is not preferable. In addition, the conductivity type of the multilayer structure constituting layer is unified to the conductivity type of the silicon single crystal used as the substrate. When the conductivity types of the silicon substrate and the multilayer laminated structure are opposite to each other, a pn junction is formed at a bonding interface between the silicon substrate and the multilayer laminated structure. For this reason, there is a disadvantage that the LED driving current is not sufficiently supplied to the silicon substrate. The same conductive constituent layers as those of the silicon single crystal substrate can be formed by, for example, a halogen vapor deposition method, a hydride vapor deposition method, or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. .

【0020】本発明では、BP結晶層と共に多層積層構
造体を構成するGaN1-XX結晶層について、そのリン
組成比を2%〜4%とするGaN1-XX結晶層(0.0
2≦X≦0.04)から構成するのが好ましい。ベガー
ド(Vegard)則によれば、リン組成比を2%〜4%の範
囲とする立方晶GaN1-XX結晶層の格子定数は、4.
548Å〜4.529Åの範囲にある。一方、閃亜鉛鉱
型BPの格子定数は4.538Åである(上記の「半導
体デバイス概論」、28頁参照)。従って、リン組成比
を上記の範囲に限定すれば、BP結晶層とほぼ格子整合
するGaN1-XX結晶層が得られる。リン組成比を3%
(0.03)とするGaN0.970.03は、4.538Å
の格子定数を有し、BPと格子整合をする。従って、B
P結晶層とリン組成比を3%±1%の範囲内とするGa
1-XX結晶層(0.02≦X≦0.04)との格子ミ
スマッチは約±0.2%以内となり、良好な格子整合性
から良質の多層積層構造体を形成することができる利点
がある。この時、GaN1-XX結晶層の屈折率はおよそ
2.1となり、BP結晶層との間で0.5以上の屈折率
の差が優に保たれるため、反射能に優れた多層積層構造
体を構成することができる。これにより順方向電圧(V
f)の一定した電気的特性に優れたIII族窒化物半導体発
光ダイオードを得ることができる。
In the present invention, the GaN 1-X P X crystal layer constituting the multilayer laminate structure with BP crystal layer, GaN 1-X P X crystal layer that the phosphorus composition ratio of 2% to 4% (0 .0
2 ≦ X ≦ 0.04). According to Vegard's law, the lattice constant of a cubic GaN 1-X P X crystal layer having a phosphorus composition ratio in the range of 2% to 4% is 4.
It is in the range of 548 ° to 4.529 °. On the other hand, the lattice constant of zinc-blende BP is 4.538 ° (see “General Description of Semiconductor Devices”, p. 28). Therefore, when the phosphorus composition ratio is limited to the above range, a GaN 1-X P X crystal layer that is substantially lattice-matched with the BP crystal layer can be obtained. 3% phosphorus composition ratio
(0.03) GaN 0.97 P 0.03 is 4.538 は
And a lattice match with BP. Therefore, B
Ga with a P crystal layer and a phosphorus composition ratio in the range of 3% ± 1%
The lattice mismatch with the N 1 -X P X crystal layer (0.02 ≦ X ≦ 0.04) is within about ± 0.2%, and a good multilayered structure can be formed from good lattice matching. There are advantages that can be done. At this time, the refractive index of the GaN 1-X P X crystal layer is about 2.1, and the difference in the refractive index of 0.5 or more between the GaN crystal layer and the BP crystal layer is excellently maintained. A multilayer laminated structure can be configured. As a result, the forward voltage (V
It is possible to obtain a group III nitride semiconductor light emitting diode excellent in f) having excellent electric characteristics.

【0021】多層積層構造体の上には、一般式Ala
bIn1-a-bc1-c で表記されるIII族窒化物層から
なるpn接合型のダブルヘテロ接合構造の発光部を形成
する。ここで、0≦a,b,a+b≦1であり、Mはリ
ン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等の窒素
(N)以外の第V族元素を表わし、0<c≦1である。
したがって、本発明における発光部を形成するダブルヘ
テロ接合構造は、III族元素としてAl、Ga、Inの
うち少なくとも1種の元素を含み、V族元素としては窒
素(N)を必須元素として含むものである。
On the multilayer laminated structure, a general formula Al a G
forming a light emitting portion of a b In 1-ab N c M 1-c made of a Group III nitride layer, denoted by pn junction type double hetero junction structure. Here, 0 ≦ a, b, a + b ≦ 1, and M represents a Group V element other than nitrogen (N) such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and 0 <c ≦ It is one.
Therefore, the double heterojunction structure forming the light emitting portion in the present invention includes at least one of Al, Ga, and In as a group III element, and includes nitrogen (N) as an essential element as a group V element. .

【0022】DH接合構造の発光部とは、発光層がp形
及びn形クラッド層に挟持された構造の発光部である。
発光層又はクラッド層のいずれかにAlaGabIn
1-a-bc1-c 層を含んでいれば良い。発光層にAla
GabIn1-a-bc1-c層を使用すれば青色系統の短波
長系の発光ダイオードとすることができる。
The light emitting portion having the DH junction structure is a light emitting portion having a structure in which a light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type cladding layers.
To either the light-emitting layer or cladding layer Al a Ga b In
It is only necessary to include the 1-ab N c M 1-c layer. Al a for the light emitting layer
Using Ga b In 1-ab N c M 1-c layer can be a short wavelength based light-emitting diodes of blue system.

【0023】クラッド層中のIII族元素の混晶比は、発
光層中のIII族元素の混晶比よりも高くして、クラッド
層の禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よりも大きくし、発光
層に注入された電子の閉じ込め効果を高めるようにす
る。また、発光層の厚さは通常5〜30nmとし、クラ
ッド層の厚さはそれよりも厚い100〜800nmに形
成する。
The mixed crystal ratio of the group III element in the cladding layer is set higher than the mixed crystal ratio of the group III element in the light emitting layer, so that the band gap of the cladding layer is made larger than the band gap of the light emitting layer. The effect of confining electrons injected into the light emitting layer is enhanced. The thickness of the light emitting layer is usually 5 to 30 nm, and the thickness of the cladding layer is 100 to 800 nm, which is thicker than that.

【0024】以上のようにして積層した積層体の上下に
駆動電流印加用のオーミック電極を形成して発光ダイオ
ードとする。AlaGabIn1-a-bc1-c 層とオーミ
ック接合をなす電極材質としては、n形電極の場合はア
ルミニウム(Al)が、p形電極の場合は金(Au)が
利用できる。また、シリコン基板上に形成するオーミッ
ク電極の材質としては、n形電極の場合はアルミニウム
(Al)が、p形電極の場合はアルミニウム−アンチモ
ン(Al−Sb)合金が利用できる。LED全体の抵抗
が低いので、駆動電流を基板を通して通電させることが
できる
Ohmic electrodes for applying a drive current are formed on the upper and lower sides of the stacked body as described above to obtain a light emitting diode. As the electrode material constituting the Al a Ga b In 1-ab N c M 1-c layer and ohmic contact, in the case of n-type electrode of aluminum (Al) is, in the case of p-type electrode can be used gold (Au) is . As the material of the ohmic electrode formed on the silicon substrate, aluminum (Al) can be used for an n-type electrode, and aluminum-antimony (Al-Sb) alloy can be used for a p-type electrode. Since the resistance of the entire LED is low, a drive current can be passed through the substrate.

【0025】[0025]

【作用】本発明はBP結晶層とGaN1-XX結晶層とか
ら構成される周期的多層積層構造体を、発光部より放射
される光を反射させるいわゆるブラッグ反射構造体とし
て利用したものである。
According to the present invention, a periodic multilayer structure composed of a BP crystal layer and a GaN 1-X P X crystal layer is used as a so-called Bragg reflection structure for reflecting light emitted from a light emitting portion. It is.

【0026】また、本発明ではBP結晶層とGaN1-X
X結晶層とから構成される導電性の周期的多層積層構
造体のキャリア濃度を特定範囲に限定して、LED駆動
電流をシリコン基板を通して通電させることができるよ
うに構成した。
In the present invention, the BP crystal layer and the GaN 1-X
The carrier concentration of the conductive periodic multilayer structure composed of the PX crystal layer and the Px crystal layer was limited to a specific range so that LED driving current could be passed through the silicon substrate.

【0027】さらに、本発明では リンの組成比を特定
範囲に限定したGaN1-XX結晶層を利用することによ
り、BP結晶層とGaN1-XX結晶層との格子整合性を
維持し、もって周期的多層積層構造の優れた結晶性を確
保するようにした。
Further, in the present invention, the lattice matching between the BP crystal layer and the GaN 1-X P X crystal layer is improved by using the GaN 1-X P X crystal layer in which the composition ratio of phosphorus is limited to a specific range. By maintaining this, excellent crystallinity of the periodic multilayer structure is ensured.

【0028】[0028]

【実施例】(実施例1)シリコン単結晶基板上に、リン
化硼素と窒化リン化ガリウム混晶とからなるブラッグ反
射層である多層積層構造体を設けて、III族窒化物半導
体発光ダイオードを構成する場合を例にして本発明を具
体的に説明する。本実施例に係わる発光ダイオード10
の断面模式図を図3に示す。
(Example 1) On a silicon single crystal substrate, a multilayer laminated structure which is a Bragg reflection layer made of a mixed crystal of boron phosphide and gallium phosphide nitride is provided to form a group III nitride semiconductor light emitting diode. The present invention will be specifically described with an example of a configuration. Light emitting diode 10 according to the present embodiment
Is shown in FIG.

【0029】シリコン基板101には、硼素ドープのp
形シリコン単結晶の(111)を用いた。シリコン基板
101上にはリン化硼素からなる低温緩衝層102を堆
積した。低温緩衝層102は、トリエチル硼素((C2
53B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2 )系反
応ガスを利用した常圧MOCVD法により、350℃で
堆積させた。低温緩衝層102の層厚は約10nmとし
た。低温緩衝層102の表面には、高温緩衝層103と
して同じく上記のMOCVD法を利用して、1000℃
で亜鉛(Zn)ドープのp形BP層を積層した。亜鉛の
ドーピング源にはジメチル亜鉛((C252Zn)を
用いた。高温緩衝層103のキャリア濃度は約7×10
18cm-3とした。層厚は500nmとした。
The silicon substrate 101 has boron-doped p.
A silicon single crystal (111) was used. On the silicon substrate 101, a low-temperature buffer layer 102 made of boron phosphide was deposited. The low-temperature buffer layer 102 is made of triethyl boron ((C 2
The H 5) 3 B) / phosphine (PH 3) / hydrogen (H 2) an atmospheric pressure MOCVD method using a reaction gas, were deposited at 350 ° C.. The layer thickness of the low-temperature buffer layer 102 was about 10 nm. On the surface of the low-temperature buffer layer 102, the same high temperature buffer layer 103 is formed at 1000 ° C.
To form a zinc (Zn) -doped p-type BP layer. Dimethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn) was used as a zinc doping source. The carrier concentration of the high temperature buffer layer 103 is about 7 × 10
18 cm -3 . The layer thickness was 500 nm.

【0030】高温緩衝層103上には、ブラッグ反射層
となる多層積層構造104を構成する第1の構成層10
4−1として、リン(P)組成比を0.03とする亜鉛
ドープのp形窒化リン化ガリウム(GaN0.970.03
層を積層した。GaN0.97 0.03層は、トリメチルガリ
ウム((CH33Ga)/ホスフィン(PH3 )/アン
モニア(NH3)/水素(H2)系反応ガスを用いた常圧
MOCVD法により1000℃で成長させた。キャリア
濃度は約8×1017cm-3とし、層厚は約59nmとし
た。第1の構成層104−1上には、第2の構成層10
4−2として層厚を約38nmとする亜鉛ドープのp形
BP層を積層した。同様にして第1及び第2の構成層1
04−1,104−2からなる積層単位を合計8単位反
復して積層した。これより、シリコン基板101側の最
下層をGaN0.970.03層とし、最表層をBPとして周
期数が8の多層積層構造104を形成した。
On the high temperature buffer layer 103, a Bragg reflection layer
Constituent layer 10 constituting multilayer stack structure 104 to be formed
As 4-1, zinc with a phosphorus (P) composition ratio of 0.03
Doped p-type gallium nitride phosphide (GaN0.97P0.03)
The layers were stacked. GaN0.97P 0.03The layer is trimethyl gall
Um ((CHThree)ThreeGa) / phosphine (PH)Three )/Ann
Monia (NHThree) / Hydrogen (HTwo) Normal pressure using reaction gas
It was grown at 1000 ° C. by MOCVD. Career
The concentration is about 8 × 1017cm-3And the layer thickness is about 59 nm
Was. On the first constituent layer 104-1, the second constituent layer 10
4-2, zinc-doped p-type with a layer thickness of about 38 nm
A BP layer was laminated. Similarly, the first and second constituent layers 1
A total of 8 units of the laminated unit consisting of 04-1 and 104-2
It was stacked again. Accordingly, the silicon substrate 101 side
GaN lower layer0.97P0.03Layer and the outermost layer as BP
The multilayer laminated structure 104 having the period of 8 was formed.

【0031】通常の断面TEM法を利用して多層積層構
造104の内部構造を観察した。低温緩衝層102の内
部には、ミスフィット(misfit)転位等の結晶欠陥が認
められた。多層積層構造104の内部に伝搬している転
位は少なく、低温緩衝層102がシリコン単結晶基板1
01とのミスフィットを緩和するので、欠陥を内包して
いるものと解釈された。この低温緩衝層102の作用に
より、多層積層構造104の各構成層104−1,10
4−2には結晶欠陥密度の少ない良好な結晶が得られて
いた。
The internal structure of the multilayer laminated structure 104 was observed using a normal sectional TEM method. Crystal defects such as misfit dislocations were observed inside the low-temperature buffer layer 102. There are few dislocations propagating inside the multilayer laminated structure 104, and the low-temperature buffer layer 102
Since the misfit with 01 was relieved, it was interpreted as containing a defect. By the action of the low-temperature buffer layer 102, each of the constituent layers 104-1 and 104-1 of the multilayer laminated structure 104 is formed.
In 4-2, a good crystal having a small crystal defect density was obtained.

【0032】多層積層構造104の表面上には、下部ク
ラッド層105を(CH33Ga/PH3/NH3/H2
系の反応ガスを用いた常圧MOCVD法により1000
℃で積層した。下部クラッド層105は、多層積層構造
104の最表層をなすBP層に格子整合する、亜鉛ドー
プのp形GaN0.970.03層から構成した。また、下部
クラッド層105のキャリア濃度は約8×1017cm-3
とし、層厚は800nmとした。
On the surface of the multi-layer structure 104, a lower cladding layer 105 is formed of (CH 3 ) 3 Ga / PH 3 / NH 3 / H 2
1000 by normal pressure MOCVD using reactive gas
Laminated at ℃. The lower cladding layer 105 was composed of a zinc-doped p-type GaN 0.97 P 0.03 layer lattice-matched to the BP layer, which is the outermost layer of the multilayer structure 104. The carrier concentration of the lower cladding layer 105 is about 8 × 10 17 cm −3.
And the layer thickness was 800 nm.

【0033】下部クラッド層105上には、シリコンド
ープのn形窒化ガリウム・インジウム(Ga0.90In
0.10N)からなる発光層106を積層させた。発光層1
06は、トリメチルガリウム((CH33Ga)/トリ
メチルインジウム((CH33In)/ホスフィン(P
3)/アンモニア(NH3)/水素(H2 )系の反応ガ
スを利用した常圧MOCVD法により、890℃で成長
させた。発光層106の平均的なインジウム組成比は
0.10とした。層厚は約30nmとした。キャリア濃
度は約3×1018cm-3とした。
On the lower cladding layer 105, silicon-doped n-type gallium indium nitride (Ga 0.90 In
The light emitting layer 106 of 0.10 N) was laminated. Light emitting layer 1
06 is trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) / trimethyl indium ((CH 3 ) 3 In) / phosphine (P
It was grown at 890 ° C. by a normal pressure MOCVD method using an H 3 ) / ammonia (NH 3 ) / hydrogen (H 2 ) based reaction gas. The average indium composition ratio of the light emitting layer 106 was set to 0.10. The layer thickness was about 30 nm. The carrier concentration was about 3 × 10 18 cm −3 .

【0034】Ga0.90In0.10Nからなる発光層106
上には、上部クラッド層107としてシリコンドープの
n形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlγGa1-γ
N)層を積層した。Al組成比(γ)は、層厚の増加方
向に0.2から0(零)まで略直線的に単調減少させ
て、アルミニウム組成に勾配を付した。また、層厚は2
00nmとした。
Light emitting layer 106 made of Ga 0.90 In 0.10 N
On the upper side, as an upper cladding layer 107, a silicon-doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al γ Ga 1-γ
N) layers were laminated. The Al composition ratio (γ) was substantially linearly and monotonically decreased from 0.2 to 0 (zero) in the direction of increasing the layer thickness, thereby giving a gradient to the aluminum composition. The layer thickness is 2
00 nm.

【0035】上記のp形GaN0.970.03下部クラッド
層105、n形Ga0.90In0.10N発光層106、及び
n形AlγGa1-γN層からなる上部クラッド層107
の3層からpn接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部1
08を構成した。
The above-mentioned p-type GaN 0.97 P 0.03 lower cladding layer 105, n-type Ga 0.90 In 0.10 N light-emitting layer 106, and upper cladding layer 107 composed of an n-type Al γ Ga 1-γ N layer
Light emitting part 1 having a pn junction type double hetero junction structure from three layers
08.

【0036】p形シリコン単結晶基板101の裏面に
は、アルミニウム−アンチモン(Al−Sb)からなる
p形オーミック電極109を形成した。また、上部クラ
ッド層107の表面には、アルミニウムからなる円形の
n形オーミック電極110を形成した。n形オーミック
電極110の直径は約130μmとした。然る後、シリ
コン単結晶基板101を劈開性を利用して[110]方
向に切断し、一辺を約300μmとするチップ(chip)
に裁断して発光ダイオード10とした。
On the back surface of the p-type silicon single crystal substrate 101, a p-type ohmic electrode 109 made of aluminum-antimony (Al-Sb) was formed. On the surface of the upper cladding layer 107, a circular n-type ohmic electrode 110 made of aluminum was formed. The diameter of the n-type ohmic electrode 110 was about 130 μm. Thereafter, the silicon single crystal substrate 101 is cut in the [110] direction by using the cleavage property, and a chip having a side of about 300 μm is formed.
To obtain a light emitting diode 10.

【0037】p形,n形両オーミック電極109〜11
0間に、LED駆動用電流を通電した。電流−電圧(I
−V)特性は、発光部108の良好なpn接合特性に起
因して、正常な整流特性を示した。I−V特性から求め
た順方向電圧(Vf)は約3.0V(順方向電流=20
mA)となった。また、逆方向電圧は約15V(逆方向
電流=10μA)となった。順方向に20mAの動作電
流を通電したところ、発光中心波長を約470nmとす
る青色光が放射された。発光スペクトルの半値幅は約1
8nmであった。一般的な積分球を利用して測定される
チップ状態での発光強度は約14μWとなり、高発光強
度のIII族窒化物半導体発光素子が得られた。
Both p-type and n-type ohmic electrodes 109 to 11
During a period of 0, an LED driving current was supplied. Current-voltage (I
-V) The characteristics showed normal rectification characteristics due to the good pn junction characteristics of the light emitting unit 108. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristic is about 3.0 V (forward current = 20
mA). The reverse voltage was about 15 V (reverse current = 10 μA). When an operation current of 20 mA was applied in the forward direction, blue light having an emission center wavelength of about 470 nm was emitted. The half width of the emission spectrum is about 1
It was 8 nm. The light emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere was about 14 μW, and a group III nitride semiconductor light emitting device with high light emission intensity was obtained.

【0038】(実施例2)次に、本発明の第2の実施例
として、n形シリコン基板上に低温緩衝層のみを堆積さ
せ、その上にブラッグ反射層となる多層積層構造を堆積
させてIII族窒化物半導体発光部を形成した例を示す。
本発明の第2の実施例の発光ダイオードの断面模式図を
図4に示す。
(Embodiment 2) Next, as a second embodiment of the present invention, only a low-temperature buffer layer is deposited on an n-type silicon substrate, and a multilayer laminated structure serving as a Bragg reflection layer is deposited thereon. An example in which a group III nitride semiconductor light emitting unit is formed is shown.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.

【0039】リンドープのn形シリコン単結晶基板20
1の(111)面上に、BPからなる低温緩衝層202
をジボラン(B26)/ホスフィン(PH3)/水素
(H2)系反応ガスを用いた減圧MOCVD法で430
℃で積層させた。V/III比、すなわちV族原料ガスとI
II族原料ガスとの供給比率(=PH3 /B26 )を約
120に設定した。成長時の反応系の圧力は約3×10
4 Paとし、シリコンドーパントとしてジシラン(Si
26)−水素(H2 )混合ガスを使用した。低温緩衝層
202の層厚は約17nmとした。
Phosphorus-doped n-type silicon single crystal substrate 20
1 on the (111) plane, a low-temperature buffer layer 202 made of BP
By a reduced pressure MOCVD method using a diborane (B 2 H 6 ) / phosphine (PH 3 ) / hydrogen (H 2 ) -based reaction gas.
The layers were laminated at ℃. V / III ratio, ie, group V source gas and I
The supply ratio with the group II source gas (= PH 3 / B 2 H 6 ) was set to about 120. The pressure of the reaction system during growth is about 3 × 10
4 Pa, and disilane (Si
2 H 6) - was used hydrogen (H 2) mixed gas. The thickness of the low-temperature buffer layer 202 was about 17 nm.

【0040】低温緩衝層202の内部構成を断面TEM
法で観察した。低温緩衝層202の成膜時(as-grown状
態)は、シリコン単結晶基板201との接合面からおお
よそ2nmに至る上方の領域は、BP単結晶を主体とし
て構成されていた。このため、低温緩衝層202とシリ
コン単結晶基板201との間には、剥離は認められず、
良好な密着性が保持されていた。低温緩衝層202の上
部はBP非晶質体を主体として構成されていた。
The internal structure of the low-temperature buffer layer 202 is shown by a cross-sectional TEM.
Observed by the method. At the time of forming the low-temperature buffer layer 202 (as-grown state), the upper region from the bonding surface with the silicon single crystal substrate 201 to approximately 2 nm was mainly composed of BP single crystal. Therefore, no separation was observed between the low-temperature buffer layer 202 and the silicon single crystal substrate 201,
Good adhesion was maintained. The upper portion of the low-temperature buffer layer 202 was mainly composed of a BP amorphous body.

【0041】低温緩衝層202の上には、ブラッグ反射
層となる多層積層構造204の第1層204−1とし
て、シリコンドープのn形BP結晶層を形成した。この
BP結晶層は、上記の減圧MOCVD法を利用し、反応
系の圧力は約3×104 Paに設定し、980℃で形成
した。X線回折に依る解析に依れば、このBP結晶層は
立方晶を主体とするBP結晶層であることが認められ
た。層厚は約41nmで、キャリア濃度は約1×1018
cm-3であった。
On the low-temperature buffer layer 202, a silicon-doped n-type BP crystal layer was formed as the first layer 204-1 of the multilayer laminated structure 204 serving as a Bragg reflection layer. This BP crystal layer was formed at 980 ° C. by using the above-mentioned reduced pressure MOCVD method, setting the pressure of the reaction system to about 3 × 10 4 Pa. According to analysis by X-ray diffraction, it was confirmed that this BP crystal layer was a BP crystal layer mainly composed of cubic crystals. The layer thickness is about 41 nm and the carrier concentration is about 1 × 10 18
cm -3 .

【0042】第1層204−1の成膜を終了した後で
は、低温緩衝層202内部の非晶質体の大部分は、シリ
コン単結晶基板201との境界領域に存在する単結晶層
を起点として単結晶化しているのが認められた。また、
BP結晶層は低温緩衝層202をシリコン単結晶基板2
01の表面上に設けたため、シリコン単結晶基板201
と第1層204−1とは剥離することのない連続膜とな
っていた。
After completion of the formation of the first layer 204-1, most of the amorphous body in the low-temperature buffer layer 202 starts from the single crystal layer existing in the boundary region with the silicon single crystal substrate 201. As a single crystal. Also,
As the BP crystal layer, the low-temperature buffer layer 202 is
01, the silicon single crystal substrate 201
And the first layer 204-1 was a continuous film without peeling.

【0043】第1層204−1の上には、第2の構成層
204−2としてシリコンドープのn形窒化リン化ガリ
ウム(GaN0.970.03)層を積層した。窒化リン化ガ
リウム層のリン組成比の3%は、BPに格子整合するよ
うにしたものである。第2の構成層204−2はシリコ
ンのドーパントとしてジシラン(Si26)−水素(H
2 )混合ガスを利用し、約3×104 Paの圧力下で9
80℃で成膜した。層厚は約64nm、キャリア濃度は
約9×1017cm-3であった。
On the first layer 204-1, a silicon-doped n-type gallium nitride phosphide (GaN 0.97 P 0.03 ) layer was stacked as a second constituent layer 204-2. 3% of the phosphorus composition ratio of the gallium phosphide layer is lattice-matched to BP. The second constituent layer 204-2 disilane as a dopant for silicon (Si 2 H 6) - hydrogen (H
2 ) Utilize a mixed gas at a pressure of about 3 × 10 4 Pa
The film was formed at 80 ° C. The layer thickness was about 64 nm, and the carrier concentration was about 9 × 10 17 cm −3 .

【0044】上記のような第1及び第2の構成層204
−1,204−2からなる積層単位を10周期繰り返し
て積層させて、ブラッグ反射層となる多層積層構造20
4を構成した。多層積層構造204は、シリコン基板2
01側の最下層をBP層とし、最表層をGaN0.97
0.03層とした、合計の層厚を約1050nmとするもの
となった。
The first and second constituent layers 204 as described above
-1, 204-2 are repeatedly laminated for 10 periods to form a Bragg reflection layer, a multilayer laminated structure 20
No. 4 was constructed. The multilayer laminated structure 204 includes the silicon substrate 2
The lowermost layer on the 01 side is a BP layer, and the outermost layer is GaN 0.97 P
A total layer thickness of 0.03 layers was about 1050 nm.

【0045】多層積層構造204上には、下部クラッド
層205としてシリコンドープのn形GaN0.970.03
層を形成した。下部クラッド層205は、(CH33
a/PH3 /NH3/H2系反応ガスを使用した減圧MO
CVD法により980℃で積層した。層厚は約800n
m、キャリア濃度は約2×1018cm-3であった。キャ
リア濃度はMOCVD反応系へのジシランの添加量を制
御して調整した。
On the multilayer laminated structure 204, a silicon-doped n-type GaN 0.97 P 0.03 is formed as a lower cladding layer 205.
A layer was formed. The lower cladding layer 205 is made of (CH 3 ) 3 G
Decompression MO using a / PH 3 / NH 3 / H 2 reaction gas
The layers were stacked at 980 ° C. by the CVD method. Layer thickness is about 800n
m, and the carrier concentration were about 2 × 10 18 cm −3 . The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.

【0046】下部クラッド層205の上には、(C
33Ga/PH3 /NH3/H2系反応ガスを原料とす
る減圧MOCVD法により、発光層206を980℃で
積層した。発光層206はシリコンドープのn形Ga
0.82In0.18N層から構成した。層厚は約10nmと
し、キャリア濃度は約2×1018cm-3とした。キャリ
ア濃度はMOCVD反応系へのジシランの添加量を制御
して調整した。
On the lower cladding layer 205, (C
The light emitting layer 206 was laminated at 980 ° C. by a reduced pressure MOCVD method using a H 3 ) 3 Ga / PH 3 / NH 3 / H 2 based reaction gas as a raw material. The light emitting layer 206 is a silicon-doped n-type Ga
It was composed of a 0.82 In 0.18 N layer. The layer thickness was about 10 nm, and the carrier concentration was about 2 × 10 18 cm −3 . The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.

【0047】発光層206の上には、亜鉛ドープのp形
GaN0.970.03層からなる上部クラッド層207を積
層した。上部クラッド層207は、(CH33Ga/P
3/NH3/H2系反応ガスを原料とする減圧MOCV
D法により980℃で積層した。上部クラッド層207
の層厚は約100nm、キャリア濃度は約8×1017
-3であった。キャリア濃度はMOCVD反応系へのジ
シランの添加量を制御して調整した。
On the light emitting layer 206, an upper clad layer 207 composed of a zinc-doped p-type GaN 0.97 P 0.03 layer was laminated. The upper cladding layer 207 is made of (CH 3 ) 3 Ga / P
Reduced pressure MOCV using H 3 / NH 3 / H 2 reaction gas as raw material
The layers were laminated at 980 ° C. by Method D. Upper cladding layer 207
Has a layer thickness of about 100 nm and a carrier concentration of about 8 × 10 17 c
m -3 . The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.

【0048】上記のn形GaN0.970.03下部クラッド
層205、n形Ga0.82In0.18N発光層206、及び
p形GaN0.970.03層からなる上部クラッド層207
からpn接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部208を
構成した。
The above-mentioned n-type GaN 0.97 P 0.03 lower cladding layer 205, n-type Ga 0.82 In 0.18 N light-emitting layer 206, and upper cladding layer 207 composed of p-type GaN 0.97 P 0.03 layer
The light emitting section 208 having a pn junction type double hetero junction structure was constructed from the above.

【0049】n形シリコン単結晶基板201の裏面に
は、アルミニウム(Al)合金からなるn形オーミック
電極209を形成した。また、上部クラッド層207の
表面には、金(Au)からなる円形のp形オーミック電
極210を形成した。p形のオーミック電極210の直
径は約110μmとした。然る後、シリコン単結晶基板
201を[110]方向に劈開性を利用して一辺を約3
50μmとするチップに切断して発光ダイオード20と
した。
On the back surface of the n-type silicon single crystal substrate 201, an n-type ohmic electrode 209 made of an aluminum (Al) alloy was formed. On the surface of the upper cladding layer 207, a circular p-type ohmic electrode 210 made of gold (Au) was formed. The diameter of the p-type ohmic electrode 210 was about 110 μm. After that, the silicon single crystal substrate 201 is cleaved in the [110] direction by about 3
The light-emitting diode 20 was cut into a chip having a size of 50 μm.

【0050】p形,n形両オーミック電極209〜21
0間にLED駆動用電流を通電した。電流−電圧(I−
V)特性は発光部208の良好なpn接合特性に起因し
て正常な整流特性を示した。I−V特性から求めた順方
向電圧(Vf)は約3.2V(順方向電流=20mA)
となった。また、逆方向電圧は約15V(逆方向電流=
10μA)となった。順方向に20mAの動作電流を通
電した際には、発光中心波長を約510nmとする青緑
色光が放射された。発光スペクトルの半値幅は約22n
mであった。一般的な積分球を利用して測定されるチッ
プ状態での発光強度は約18μWとなり高発光強度のII
I族窒化物半導体発光素子が得られた。
Both p-type and n-type ohmic electrodes 209 to 21
The LED driving current was supplied during 0. Current-voltage (I-
V) The characteristics showed normal rectification characteristics due to the good pn junction characteristics of the light emitting section 208. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristic is about 3.2 V (forward current = 20 mA)
It became. The reverse voltage is about 15 V (reverse current =
10 μA). When an operation current of 20 mA was applied in the forward direction, blue-green light having an emission center wavelength of about 510 nm was emitted. The half width of the emission spectrum is about 22n
m. The light emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere is about 18 μW, which is a high light emission intensity II.
A group I nitride semiconductor light emitting device was obtained.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明に依れば、シリコン単結晶基板と
発光部との間に、リン化硼素結晶層と窒化リン化ガリウ
ム結晶層とを交互に積層させた半導体多層積層構造から
なる反射層を設けたので、発光部より放射された光を光
の取り出し方向に反射させて取り出すことができるた
め、高い発光強度のIII族窒化物半導体発光ダイオード
が提供できる。
According to the present invention, there is provided a reflection device having a semiconductor multilayer structure in which a boron phosphide crystal layer and a gallium phosphide nitride crystal layer are alternately stacked between a silicon single crystal substrate and a light emitting portion. Since the layer is provided, light emitted from the light emitting portion can be reflected and extracted in the light extraction direction, so that a group III nitride semiconductor light emitting diode with high emission intensity can be provided.

【0052】また、本発明によれば、多層積層構造反射
層を構成するリン化硼素結晶層及び窒化リン化ガリウム
結晶層のキャリア濃度を、1×1017cm-3以上で5×
10 19cm-3以下とする場合には、特に結晶性に優れた
導電性の良い薄層を構成することができ、LEDの駆動
電流を積層構造体の鉛直方向に通電することができ、簡
易な素子化手段を使用して高発光強度のIII族窒化物半
導体発光ダイオードが提供できる。
Further, according to the present invention, the multilayer laminated structure reflection
Boron phosphide crystal layer and gallium phosphide nitride constituting layer
The carrier concentration of the crystal layer is 1 × 1017cm-35 ×
10 19cm-3In the case of the following, particularly excellent crystallinity
LED can be driven by forming a thin layer with good conductivity
Electric current can flow in the vertical direction of the laminated structure,
Group III nitride half with high emission intensity by using easy deviceization means
Conductive light emitting diodes can be provided.

【0053】さらに本発明によれば、多層積層構造反射
層を構成する窒化リン化ガリウム結晶層のリン組成比を
2%以上4%以下とした場合には、反射層を構成するリ
ン化硼素結晶層との良好な格子整合性が維持できるた
め、結晶欠陥の少ない結晶性に優れた反射層が構成する
ことができ、より一層高発光強度のIII族窒化物半導体
発光ダイオードが提供できる効果がある。
Further, according to the present invention, when the phosphorus composition ratio of the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure reflection layer is set to 2% or more and 4% or less, the boron phosphide crystal constituting the reflection layer is formed. Since good lattice matching with the layer can be maintained, a reflective layer having few crystal defects and excellent crystallinity can be formed, and there is an effect that a group III nitride semiconductor light emitting diode with higher emission intensity can be provided. .

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

【図1】 反射率の積層周期数依存性を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the dependency of the reflectance on the number of lamination cycles.

【図2】 反射層の反射率の波長依存性を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflective layer.

【図3】 実施例1に記載の発光ダイオードの断面模式
図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the light-emitting diode described in Example 1.

【図4】 実施例2に記載の発光ダイオードの断面模式
図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the light-emitting diode described in Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20・・・発光ダイオード、101,201・・・シリ
コン単結晶基板、102,202・・・ 低温緩衝層、10
3・・・高温緩衝層、104,204・・・多層積層構造、1
05,205・・・下部クラッド層、106,206・・・発
光層、107,207・・・上部クラッド層、108,2
08・・・発光部、109,209・・・p形オーミック電
極、110,210・・・n形オーミック電極、
10, 20: light emitting diode, 101, 201: single crystal silicon substrate, 102, 202: low temperature buffer layer, 10
3 ・ ・ ・ High temperature buffer layer, 104,204 ・ ・ ・ Multilayer laminated structure, 1
05, 205: Lower cladding layer, 106, 206 ... Light emitting layer, 107, 207: Upper cladding layer, 108, 2
08 ... light-emitting portion, 109, 209 ... p-type ohmic electrode, 110,210 ... n-type ohmic electrode,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA04 AA40 CA04 CA33 CA34 CA40 CA49 CA53 CA57 CA64 CA65 CA83 CA85 CB15  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F041 AA04 AA40 CA04 CA33 CA34 CA40 CA49 CA53 CA57 CA64 CA65 CA83 CA85 CB15

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン単結晶基板の上に積層された、
一般式AlaGabIn1-a-bc1-c(但し、0≦a,
b,a+b≦1、Mは窒素以外の第V族元素を表わし、
0<c≦1)で表記されるIII族窒化物層から構成され
ている、pn接合型のダブルヘテロ接合構造の発光部を
備えたIII族窒化物半導体発光素子であって、前記シリ
コン単結晶基板と前記の発光部との間にリン化硼素結晶
層と窒化リン化ガリウム結晶層とを交互に積層した多層
積層構造の反射層を備えていることを特徴とすIII族窒
化物半導体発光ダイオード。
1. A semiconductor device comprising: a silicon single crystal substrate;
Formula Al a Ga b In 1-ab N c M 1-c ( where, 0 ≦ a,
b, a + b ≦ 1, M represents a Group V element other than nitrogen,
A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a group III nitride layer represented by 0 <c ≦ 1) and having a pn junction type double hetero junction light emitting portion, wherein the silicon single crystal A group III nitride semiconductor light emitting diode comprising a reflective layer having a multilayer laminated structure in which a boron phosphide crystal layer and a gallium phosphide crystal layer are alternately laminated between a substrate and the light emitting portion. .
【請求項2】 前記多層積層構造を構成するリン化硼素
結晶層及び窒化リン化ガリウム結晶層のキャリア濃度
が、1×1017原子cm-3以上5×1019原子cm-3
下であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化
物半導体発光ダイオード。
2. A carrier concentration of the boron phosphide crystal layer and the gallium phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure is not less than 1 × 10 17 atom cm -3 and not more than 5 × 10 19 atom cm -3. The group III nitride semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記多層積層構造を構成する窒化リン化
ガリウム結晶層のリン組成比が2原子%以上4原子%以
下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記
載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。
3. The group III according to claim 1, wherein the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure has a phosphorus composition ratio of 2 atomic% or more and 4 atomic% or less. Nitride semiconductor light emitting diode.
【請求項4】 前記多層積層構造の積層の周期数が2以
上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3に記
載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。
4. The group III nitride semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the number of cycles of lamination of the multilayer laminated structure is two or more.
【請求項5】 前記多層積層構造の積層の周期数が7以
上であることを特徴とする請求項4に記載のIII族窒化
物半導体発光ダイオード。
5. The group III nitride semiconductor light emitting diode according to claim 4, wherein the number of cycles of lamination of the multilayer laminated structure is 7 or more.
【請求項6】 シリコン単結晶基板の表面が{111}
結晶面であることを特徴とする請求項1ないし請求項5
に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。
6. The surface of a silicon single crystal substrate is {111}
6. A crystal plane according to claim 1, wherein the crystal plane is a crystal plane.
6. The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to item 1.
【請求項7】 シリコン単結晶基板と多層積層構造との
間に、緩衝層を介在させたことを特徴とする請求項1な
いし請求項6に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオー
ド。
7. The group III nitride semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein a buffer layer is interposed between the silicon single crystal substrate and the multilayer laminated structure.
【請求項8】 前記多層積層構造を有機金属化学気相堆
積法で形成することを特徴とする請求項1ないし請求項
7に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオードの製造方
法。
8. The method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode according to claim 1, wherein the multilayered structure is formed by a metal organic chemical vapor deposition method.
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