JP2002232008A - Semiconductor light emitting element and epitaxial wafer - Google Patents

Semiconductor light emitting element and epitaxial wafer

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JP2002232008A
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Katsuya Akimoto
Yuichi Oshima
Masatomo Shibata
Tadaitsu Tsuchiya
忠厳 土屋
祐一 大島
真佐知 柴田
克弥 秋元
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Hitachi Cable Ltd
日立電線株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting element, which can be made having a semiconductor light emitting element consisting of one kind of material as a base by simple method, and by which the light emission of various tints including white and middle colors can be obtained, and an epitaxial wafer at low prices.
SOLUTION: In the semiconductor light emitting element where at least a lower clad layer 3 of the first conductivity type, a luminous layer 4 smaller in band gap energy than that of the lower clad layer, an upper clad layer 6 of the second conductivity type larger in band gap energy than that of luminous layer are stacked on a substrate 1, a semiconductor layer including one or more kinds of rare earth elements is inserted into a side upper or a side lower than the above luminous layer 4, and the rare earth element doped in this insertion layer 5 produces fluorescence, being excited by the light emitted from the above luminous layer 4.
COPYRIGHT: (C)2002,JPO

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、単色光以外の発光を得ることが可能な半導体発光素子及びエピタキシャルウェハに関するものである。 BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor light emitting device and an epitaxial wafer that can obtain light emission of the non-monochromatic light.

【0002】 [0002]

【従来の技術】従来、表示用の可視光発光素子には、半導体発光素子がよく用いられている。 Conventionally, the visible light emitting element for display, semiconductor light emitting element is often used. 半導体発光素子は発光層に用いる材料によって発光波長がきまり、発光スペクトルの鋭い単色光が得られる。 The semiconductor light emitting element emission wavelength depends material used for the light-emitting layer, a sharp monochromatic light emission spectrum is obtained. 従来使用されている半導体発光素子は、AlGaInP系の赤色半導体発光素子、GaP系の緑色半導体発光素子が一般的で、最近これにGaN系の青色半導体発光素子が加わって、赤、 The semiconductor light emitting device which is conventionally used, AlGaInP-based red semiconductor light-emitting device, GaP-based green semiconductor light-emitting element is common, recently this participating GaN-based blue semiconductor light emitting device, red,
青、緑の光の3原色が揃い、半導体発光素子によるフルカラーディスプレイが可能になった。 Blue, matching the three primary colors of green light, made possible full-color displays by the semiconductor light emitting element.

【0003】一方、蛍光体を利用した発光機器には、低圧水銀放電により放出される紫外線を励起光源とした蛍光ランプが広く利用されている。 On the other hand, the light emitting device using the phosphor, a fluorescent lamp in which the ultraviolet light emitted by the low-pressure mercury discharge an excitation light source have been widely used.

【0004】近年では、一つの半導体発光素子内に、複数個の異なる材料からなるチップを搭載し、それからの発光を混合することにより様々な色合いを出すことが可能な半導体素子が提供されている。 [0004] In recent years, in one semiconductor light-emitting device, equipped with a chip comprising a plurality of different materials, the semiconductor device capable of issuing a variety of shades by mixing the light emitted therefrom is provided .

【0005】また、青色半導体発光素子と青色以外の蛍光を持つ蛍光体を組み合わせ、青色半導体発光素子の発光の一部を蛍光体の励起光とし、発光素子からの発光と蛍光体からの蛍光の混合色、特に白色を得る半導体発光素子も提供されている。 Further, combining the phosphor with a fluorescence than the blue semiconductor light emitting element and the blue, a part of the emission of the blue semiconductor light emitting element as an excitation light of the phosphor, the fluorescence from the light-emitting the phosphor from the light emitting element mixed colors, is also provided a semiconductor light emitting device, especially obtaining white.

【0006】このような半導体発光素子の一例として、 [0006] As an example of such a semiconductor light emitting element,
例えば特開平5−152609号公報による方法が公知である。 For example the method according to JP-A-5-152609 JP are known. この方法では、一般式Ga z1 Al 1-z1 N(0≦ In this way, the general formula Ga z1 Al 1-z1 N ( 0 ≦
Z1≦1)で表される化合物半導体からなる発光ダイオードチップをステム上に配置し、その周囲を樹脂でモールドする。 An LED chip formed of a compound semiconductor represented by Z1 ≦ 1) is disposed on the stem, to mold the periphery thereof with a resin. 上記樹脂には蛍光物質が含有されており、上記蛍光物質は発光ダイオードチップからの放射光により励起され、蛍光を生じる。 To the resin is a fluorescent material is contained, the fluorescent substance is excited by light emitted from the light-emitting diode chip, resulting in fluorescence. 結果として、発光ダイオードチップからの発光と蛍光物質からの蛍光の混合光を得ることができる。 As a result, it is possible to obtain a mixed light of the fluorescence from the light-emitting and the fluorescent substance from the light-emitting diode chips.

【0007】さらに、上記とは異なる方法として、特開2000−49374号公報による方法が公知である。 Furthermore, as a method different from the known method according to JP 2000-49374.
この方法では、蛍光中心をドープしたGaN基板やZn In this method, GaN substrate or Zn doped with fluorescent center
Se基板上に、Ga 1-z2 In z2 N(0≦z2≦1)で表される化合物半導体で構成される発光層を積層し、発光ダイオードチップを得る。 On the Se substrate, laminating a light-emitting layer composed of Ga 1-z2 In z2 N ( 0 ≦ z2 ≦ 1) represented by the compound semiconductor to obtain a light-emitting diode chips. GaN基板に含有される蛍光中心は発光層からの放射光により励起され、蛍光を生じる。 Fluorescent centers contained in the GaN substrate are excited by the light emitted from the light emitting layer, resulting in fluorescence. 結果として、発光層からの発光とGaN基板に含有された蛍光中心からの蛍光の混合光を得ることができる。 As a result, it is possible to obtain a mixed light of the fluorescence from the fluorescent centers contained in the light-emitting and the GaN substrate from the light-emitting layer.

【0008】また、特開2000−82845号公報による方法も公知である。 Further, it is also known the method according to JP 2000-82845. この方法では、蛍光中心をドープしたZnSe基板上に、ZnSeもしくはZnSeとZn In this method, on a ZnSe substrate doped with fluorescent center, ZnSe or ZnSe and Zn 1-z3 Cd z3 Seで表される発光層を積層し、発光ダイオードチップを得る。 The light-emitting layer represented by 1-z3 Cd z3 Se stacked to obtain a light-emitting diode chips. ZnSe基板に含有される蛍光中心は発光層からの放射光により励起され、蛍光を生じる。 Fluorescent centers contained in the ZnSe substrate is excited by light emitted from the light emitting layer, resulting in fluorescence. 結果として、発光層からの発光とZnSe基板に含有された蛍光中心からの蛍光の混合光を得ることができる。 As a result, it is possible to obtain a mixed light of the fluorescence from the fluorescent centers contained in the light-emitting and ZnSe substrate from the light-emitting layer.

【0009】このように、従来、1つの半導体発光素子で白色や中間色を出すためには、1つの半導体発光素子内に複数個の異なる材料からなるチップを搭載したり、 [0009] Thus, conventionally, in order to emit white or intermediate color in one semiconductor light emitting element, or mounting a chip comprising a plurality of different materials in a single semiconductor light emitting element,
樹脂モールドに蛍光材料を含有させたり、基板に蛍光体を添加するなどしていた。 May be contained fluorescent material in the resin mold, it has been such as adding a fluorescent substance to the substrate.

【0010】 [0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、1つの半導体発光素子内に複数個の異なる材料からなるチップを搭載する形態の場合、半導体発光素子の構造が複雑で製作が難しい、従って高価である、また色合いの微調整が難しいといった問題があった。 [SUMMARY OF THE INVENTION However, if the form of mounting the chip comprising a plurality of different materials in a single semiconductor light emitting element, is complex and difficult to manufacture the structure of the semiconductor light-emitting device, therefore expensive, in addition there is a problem that it is difficult to fine-tune the hue.

【0011】また、樹脂モールドに蛍光材料を含有させる形態の場合には、そのように樹脂モールドに蛍光材料を含有させる工程が必須であり、この工程は従来の単色発光ダイオードの製造工程には含まれないため、単色発光ダイオードの樹脂モールド工程をそのまま適用することができない。 Further, in the case of the embodiment of incorporating the fluorescent material in the resin mold, so a step of containing the fluorescent material in the resin mold required, this step is included in the manufacturing process of a conventional monochromatic light emitting diodes because it is not and can not be applied as it is a resin molding process of the mono-colored LEDs.

【0012】一方、基板に蛍光体を添加する形態の場合には、蛍光体の種類を変えることで色合いの微妙な調整が可能である反面、蛍光体が基板に添加されているために、様々な色の発光素子をラインナップするためには多種類の基板を作製する必要があり、コストの増加を招いていた。 Meanwhile, if the form of adding a phosphor to the substrate, although it is possible to fine adjustment of the color tone by changing the kind of phosphors, for the phosphor is added to the substrate, various to line up the light-emitting element of a color should be manufactured many kinds of substrates, it has led to an increase in cost.

【0013】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、一種類の材料系からなる半導体発光素子を基に、簡便な方法で作成でき、半導体発光素子の長所である小型、軽量、低消費電力、長寿命といった点を活かしつつ、これまでできなかった白色、中間色を含む様々な色合いの発光が得られる半導体発光素子及びそのためのエピタキシャルウェハを安価で提供することにある。 [0013] It is an object of the present invention is to solve the above problems, based on the semiconductor light-emitting device comprising a single type of material systems, can be created by a simple method, is compact, lightweight, low an advantage of the semiconductor light emitting element power, while making a point such long life is to provide at low cost a variety of semiconductor light emitting elements emitting the color shade is obtained, and an epitaxial wafer for the containing can not white, intermediate colors ever.

【0014】 [0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。 To achieve the above object, according to an aspect of the present invention is constructed as follows.

【0015】請求項1の発明に係る半導体発光素子は、 The semiconductor light emitting device according to a first aspect of the invention,
基板上に少なくとも第1導電型の下部クラッド層と、該下部クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい発光層と、該発光層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2導電型の上部クラッド層を積層してなる半導体発光素子において、前記発光層よりも上側または下側に、1種類以上の希土類元素を含む半導体層を挿入し、 Is formed by laminating at least a first conductivity type lower cladding layer, and the band gap energy than said lower cladding layer is small emitting layer, an upper cladding layer of a second conductivity type bandgap energy is larger than the light-emitting layer on a substrate in the semiconductor light emitting device, the upper or lower side of the light-emitting layer, and insert the semiconductor layer comprising one or more rare earth elements,
この挿入層にドープされた希土類元素が前記発光層からの発光によって励起され蛍光を生じるように構成したことを特徴とする。 Doped rare earth element to the insert layer is characterized by being configured to produce a fluorescence is excited by light emitted from the light emitting layer.

【0016】前記希土類元素は、そのうち少なくとも1 In one embodiment of the invention, the rare earth elements, of which at least 1
種類がCe、Nd、Sm、Eu、Er、Tm、Ybのいずれかの元素である(請求項2)。 Type is one element of Ce, Nd, Sm, Eu, Er, Tm, Yb (Claim 2).

【0017】また請求項9の発明に係るエピタキシャルウェハは、基板上に少なくとも第1導電型の下部クラッド層と、該下部クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい発光層と、該発光層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2導電型の上部クラッド層を積層してなるエピタキシャルウェハにおいて、前記発光層よりも上側または下側に、Ce、Nd、Sm、Eu、Er、T Further epitaxial wafer according to the invention of claim 9, at least a first conductivity type lower cladding layer, and the band gap energy than said lower cladding layer is small emitting layer, the band gap energy than the light-emitting layer on a substrate in the epitaxial wafer formed by laminating a large second conductivity-type upper cladding layer, the upper or lower side of the light-emitting layer, Ce, Nd, Sm, Eu, Er, T
m、Ybのいずれかの元素である1種類以上の希土類元素を含む半導体層を挿入したことを特徴とする。 m, characterized in that the insertion of the semiconductor layer comprising one or more rare earth elements is any element of Yb.

【0018】本発明の半導体発光素子又はエピタキシャルウェハにおいては、前記積層された各層のうち、少なくとも1層が(Al x Ga 1-xy In 1-y N系(0≦ [0018] In the semiconductor light emitting device or epitaxial wafer of the present invention, among the stacked layers, at least one layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y N system (0 ≦
x≦1,0≦y≦1)の半導体層で構成される(請求項3、請求項10)。 Composed of semiconductor layers of x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) (claim 3, claim 10).

【0019】また、本発明の一形態においては、前記積層された各層のうち、少なくとも1層がAl x Ga 1-x [0019] In one embodiment of the present invention, among the stacked layers, at least one layer Al x Ga 1-x
As系(0≦x≦1)の半導体層で構成される(請求項4、請求項11)。 Composed of a semiconductor layer of As-based (0 ≦ x ≦ 1) (claim 4, claim 11).

【0020】また、本発明の他の形態においては、前記積層された各層のうち、少なくとも1層が(Al x Ga Further, in another aspect of the present invention, among the stacked layers, at least one layer (Al x Ga
1-xy In 1-y P系(0≦x≦1,0≦y≦1)の半導体層で構成される(請求項5、請求項12)。 1-x) composed of the semiconductor layer of y In 1-y P type (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) ( claim 5, claim 12).

【0021】また、本発明の他の形態においては、前記積層された各層のうち、少なくとも1層がZnSe系の半導体層で構成される(請求項6、請求項13)。 Further, in another aspect of the present invention, among the stacked layers, at least one layer composed of a semiconductor layer of ZnSe system (claim 6, claim 13).

【0022】さらに本発明の半導体発光素子においては、発光スペクトルに少なくとも2つのピークを持ち(請求項7)、また、発光のCIE−XYZ表色系における色度座標が0.2≦x≦0.5、且つw0.2≦y Furthermore in the semiconductor light-emitting device of the present invention has at least two peaks in the emission spectrum (claim 7), also the chromaticity coordinates in the CIE-XYZ colorimetric system of emission 0.2 ≦ x ≦ 0 .5, and w0.2 ≦ y
≦0.5の範囲にあることを特徴とする(請求項8)。 ≦ characterized in that in the range of 0.5 (Claim 8).

【0023】<発明の要点>本発明の要点は、半導体発光素子に希土類元素を含む半導体層を挿入した点にある。 The gist of the present invention <SUMMARY OF THE INVENTION> is that the insertion of the semiconductor layer containing a rare earth element to the semiconductor light emitting device. これらの希土類元素は前記発光層からの発光によって励起されて蛍光を生じ、結果的に前記発光層からの発光と希土類元素からの蛍光の混合色を得ることができる。 These rare earth elements generate fluorescence by being excited by the light emitted from the light emitting layer, it is possible to obtain a mixed color of the fluorescence from the light-emitting and the rare earth element from resulting in the emission layer. これにより、半導体発光素子の種類、即ち材料を変えることなく、前記挿入層にドープする希土類元素を変えるだけで様々な色の半導体発光素子を得ることができる。 This makes it possible to obtain the kind of the semiconductor light emitting element, i.e., without changing the material, the semiconductor light emitting element only in various colors changing the rare earth element doped in the insertion layer.

【0024】<作用>本発明による半導体発光素子には希土類元素を含む半導体層が挿入されている。 [0024] The semiconductor light emitting device according to <action> The present invention has been inserted a semiconductor layer containing a rare earth element. これらの希土類元素は前記発光層からの発光によって励起され蛍光を生じ、結果的に前記発光層からの発光と前記挿入層の希土類元素からの蛍光の混合色を得ることができる。 These rare earth elements cause fluorescence is excited by light emitted from the light emitting layer, it is possible to obtain a mixed color of fluorescence from the rare earth elements of the light emitting and the insertion layer from the results in the emission layer.

【0025】希土類元素は元素ごとに特定の波長の蛍光を生じるため、希土類元素の種類を適当に選択することで、所望の混合色を得ることが可能である。 [0025] Since the rare earth elements to produce fluorescence of a specific wavelength for each element, by suitably selecting the type of rare earth element, it is possible to obtain a desired mixed color. 例えば、前記発光層からの発光と補色の関係にある蛍光を有する蛍光体を用いれば、白色を得ることが可能である。 For example, if a phosphor having a fluorescence in the emission and complementary colors from the light-emitting layer, it is possible to obtain white. 希土類元素は必ずしも1種類である必要はなく、複数であってもよい。 Rare earth elements is not necessarily one kind, or may be plural.

【0026】さらに、希土類元素のドープ量を制御することで、前記発光層からの発光と希土類元素からの蛍光の割合を制御し、混合色を制御することも可能である。 Furthermore, by controlling the doping of the rare earth element, to control the rate of fluorescence from the light-emitting and the rare earth element from the light-emitting layer, it is also possible to control the mixed color.

【0027】 [0027]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

【0028】<実施形態1>図1に本発明の第一の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図を示す。 [0028] shows a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention to <Embodiment 1> FIG.

【0029】サファイア基板1上に有機金属気相成長法を用いて、Siドープn型GaN層2、Siドープn型AlGaNクラッド層3(第1導電型の下部クラッド層)、アンドープGaN発光層4、Er、Mgドープp [0029] using a metal organic chemical vapor deposition on a sapphire substrate 1, Si-doped n-type GaN layer 2, Si-doped n-type AlGaN cladding layer 3 (first conductivity type lower cladding layer), an undoped GaN light emitting layer 4 , Er, Mg-doped p
型AlGaN挿入層5、Mgドープp型AlGaNクラッド層6(第2導電型の上部クラッド層)、Mgドープp型GaN層7をこの順に積層する。 -Type AlGaN insertion layer 5, Mg-doped p-type AlGaN clad layer 6 (second conductivity-type upper cladding layer), stacking Mg-doped p-type GaN layer 7 in this order. 積層する結晶は、 Crystal to be stacked,
Mgドープ層5〜7をp型化させるために窒素雰囲気中で熱処理を施す。 The Mg-doped layer 5-7 is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere in order to p-type. なお、これらGaN系材料を積層して成長し半導体発光素子を作製する技術は公知であり、例えばAppl.Phys.Lett.64(1994)1687-1689等に詳しく開示されている。 Incidentally, grown by laminating these GaN-based material for producing a semiconductor light-emitting device technology is known, for example Appl.Phys.Lett.64 (1994) is disclosed in detail in such 1687-1689.

【0030】熱処理を施してMgドープ層5〜7をp型化させた段階で、結晶表面の一部をエッチングによりn [0030] In the step of the Mg-doped layer 5-7 by heat treatment was p-type, n the part of the crystal surface by etching
型GaN層2に到達するまで掘り下げ、このn型GaN Drill to reach the -type GaN layer 2, the n-type GaN
層2のエッチング部上にn側電極9を、またp型GaN The n-side electrode 9 on the etched portion of the layer 2, and p-type GaN
層7上にp側電極8をそれぞれ形成すると、ダブルへテロ構造のGaN系半導体発光素子ができる。 When each forming a p-side electrode 8 on layer 7, it is GaN-based semiconductor light-emitting device of double heterostructure.

【0031】こうして作製した半導体発光素子の電極8 The electrode 8 of the semiconductor light emitting device thus produced
及び9にそれぞれワイヤ10をボンディングして通電したところ、図2に示すような発光スペクトルが得られた。 And 9 were energized by bonding wires 10, respectively, the emission spectrum shown in FIG. 2 was obtained. 図2の横軸は波長[nm]、縦軸は任意単位[a. The horizontal axis of FIG. 2 Wavelength [nm], the vertical axis represents arbitrary units [a.
u. u. ]である。 It is a. 波長450nm近傍のピークは発光層4からの発光であり、波長540nm近傍のピークはEr、M Peak wavelength 450nm near a light emitted from the light-emitting layer 4, the peak wavelength near 540nm is Er, M
gドープp型AlGaN挿入層5にドープされたErからの発光である。 The g-doped p-type AlGaN inserted layer 5 is a light emission from the doped Er.

【0032】CIE−XYZ表色系における色度座標を測定したところ、x=1.6、y=2.7であった。 [0032] Measurement of the chromaticity coordinates in the CIE-XYZ colorimetric system, x = 1.6, was y = 2.7. 目視により確認したところ、発光はやや青みのかかった白色であった。 Was visually observed, the emission was white took slightly bluish.

【0033】ここで、CIE−XYZ表色系における色度座標について述べる。 [0033] Herein, an chromaticity coordinates of CIE-XYZ colorimetric system.

【0034】半導体発光素子、蛍光体ともにそれぞれのエネルギー準位で規定されている波長の光しか放出できない。 The semiconductor light emitting device, can not be photo only emission wavelengths as specified in the respective energy levels in the phosphor both. そのため、これらを単独で発光させたときのCI CI when Therefore, light is emitted them alone
E−XYZ表色系における色度座標はある一点に定まる。 Chromaticity coordinates in E-XYZ color system is determined to a certain point. 半導体発光素子の発光の色度座標を(X LED ,Y The chromaticity coordinates of the light emission of the semiconductor light emitting element (X LED, Y
LED )、蛍光体の発光の色度座標を(X PH ,Y PH )とすると、本発明による半導体発光素子の発光の色度座標はこの2点(X LED ,Y LED )(X PH ,Y PH )を結ぶ直線上に存在する。 LED), (X PH chromaticity coordinates of light emitted from the phosphor, when Y PH), chromaticity coordinates these two points of emission of the semiconductor light emitting device of the present invention (X LED, Y LED) ( X PH, Y present on a straight line connecting the PH). 直線上のどの点になるかは半導体発光素子の発光強度と蛍光体の発光強度の比で決まり、半導体発光素子の発光強度が強ければ(X LED ,Y LED )に近づき、蛍光体の発光強度に近づけば(X PH ,Y PH )に近づく。 Either has any point on the straight line determined by the ratio of the emission intensity of the emission intensity and the phosphor of the semiconductor light-emitting device, if the emission intensity of the semiconductor light emitting element is strong (X LED, Y LED) approaches, emission intensity of the phosphor if close to the (X PH, Y PH) approaches. したがって、蛍光体の配合量を制御することで2 Thus, 2 by controlling the amount of phosphor
点間を結ぶ直線上の所望の色を得ることができる。 It is possible to obtain a desired color on a straight line connecting the points.

【0035】蛍光体が2種類以上ある場合には、同様の方法で順次混合色の色度座標を求めていけば最終的な半導体発光素子の色度座標が求まる。 [0035] When the phosphor is 2 or more, the same method sequentially If we seek mixed color chromaticity coordinates of the final chromaticity coordinates of the semiconductor light-emitting device is obtained by.

【0036】CIE−XYZ表色系における混色については、例えば「光工学ハンドブック」(小瀬 他、朝倉書店(1986))p116〜119に詳細が述べられている。 [0036] For color mixture CIE-XYZ color system, for example, "Light Engineering Handbook" (Kose other, Asakura Shoten (1986)) p116~119 the details are set forth.

【0037】<実施形態2>図3に本発明の第二の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図を示す。 [0037] shows a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention to <Embodiment 2> FIG.

【0038】サファイア基板11上に有機金属気相成長法を用いて、Siドープn型GaN層12、Siドープn型AlGaNクラッド層13(第1導電型の下部クラッド層)、アンドープGaN発光層14、Er、Eu、 [0038] using a metal organic chemical vapor deposition on a sapphire substrate 11, Si-doped n-type GaN layer 12, Si-doped n-type AlGaN cladding layer 13 (first conductivity type lower cladding layer), an undoped GaN light-emitting layer 14 , Er, Eu,
Mgドープp型AlGaN挿入層15、Mgドープp型AlGaNクラッド層16(第2導電型の上部クラッド層)、Mgドープp型GaN層17をこの順に積層する。 Mg-doped p-type AlGaN inserted layer 15, Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 16 (second conductivity-type upper cladding layer), stacking Mg-doped p-type GaN layer 17 in this order. 積層する結晶は、Mgドープ層15〜17をp型化させるために窒素雰囲気中で熱処理を施す。 Crystal stacked, subjected to a heat treatment in a nitrogen atmosphere Mg-doped layers 15 to 17 in order to p-type. 熱処理を施してMgドープ層を15〜17をp型化させた段階で、 At the stage of the 15 to 17 the Mg-doped layer by heat treatment was p-type,
結晶表面の一部をエッチングによりn型GaN層12に到達するまで掘り下げ、n型GaP層12上にn側電極19を、p型GaN層17上にp側電極18をそれぞれ形成すると、ダブルへテロ構造のGaN系半導体発光素子ができる。 Digging a part of the crystal surface to reach the n-type GaN layer 12 by etching, the n-side electrode 19 on the n-type GaP layer 12, as each to form a p-side electrode 18 on the p-type GaN layer 17, a double It may GaN-based semiconductor light-emitting device heterostructure.

【0039】こうして作製した半導体発光素子の電極1 The electrode 1 of the semiconductor light emitting device thus produced
8及び19にそれぞれワイヤ20をボンディングして通電したところ、図4に示すような発光スペクトルが得られた。 8 and 19 were energized by bonding wires 20, respectively, the emission spectrum shown in FIG. 4 were obtained. 波長450nm近傍のピークは発光層14からの発光であり、また波長540nm近傍のピークはEr、 Peak wavelength 450nm near a light emitted from the light-emitting layer 14, also a peak wavelength near 540nm is Er,
Eu、Mgドープp型AlGaN挿入層15にドープされたErからの発光であり、そして波長620nm近傍のピークはEr、Eu、Mgドープp型AlGaN挿入層15にドープされたEuからの発光である。 Eu, a light emission from Er doped with Mg-doped p-type AlGaN inserted layer 15, and the peak wavelength 620nm vicinity is the emission from Er, Eu, doped with Mg-doped p-type AlGaN inserted layer 15 Eu .

【0040】CIE−XYZ表色系における色度座標を測定したところ、x=2.7、y=2.7であった。 [0040] Measurement of the chromaticity coordinates in the CIE-XYZ colorimetric system, x = 2.7, was y = 2.7. 目視により確認したところ、発光は白色であった。 Was visually observed, the emission was white.

【0041】<実施形態3>図5に本発明の第三の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図を示す。 [0041] shows a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention to <Embodiment 3> FIG.

【0042】Siドープn型GaAs基板21上に、S [0042] on the Si-doped n-type GaAs substrate 21, S
eがドープされたn型GaAsバッファ層22と、Se An n-type GaAs buffer layer 22 e is doped, Se
ドープn型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In 0.5 Pクラッド層23(第1導電型の下部クラッド層)、Eu、Se Doped n-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In 0.5 P cladding layer 23 (first conductivity type lower cladding layer), Eu, Se
がドープされたn型(Al 0. There doped n-type (Al 0. 7 Ga 0.30.5 In 0.5 7 Ga 0.3) 0.5 In 0.5
P挿入層24と、n型クラッド層23よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成でかつアンドープである(Al 0.15 Ga 0.850. And P inserted layer 24, the band gap energy is smaller composition a and undoped than the n-type cladding layer 23 (Al 0.15 Ga 0.85) 0 . 5 In 0.5 P発光層25と、この発光層25よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成でかつEu、Znがドープされたp型(Al 0.7 5 an In 0.5 P-emitting layer 25, and a composition bandgap energy is larger than the light-emitting layer 25 Eu, p-type doped with Zn (Al 0.7 G
0.30.5 In a 0.3) 0.5 In 0.5 P挿入層26及びZnがドープされたp型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In 0. 0.5 P inserted layer 26 and the p-type doped with Zn (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In 0. 5 Pクラッド層27(第2導電型の上部クラッド層)と、Znがドープされたp型GaPからなる電流拡散層28とが順次積層されている。 5 P cladding layer 27 (the upper cladding layer of a second conductivity type), and the current diffusion layer 28 which Zn is doped p-type GaP are sequentially stacked.

【0043】以上の方法により作製した発光ダイオードの発光スペクトルを図6に示す。 [0043] The emission spectrum of the light-emitting diode fabricated by the above method shown in FIG. 発光スペクトルには波長590nmのピークと波長620nmのピークが見られる。 Peak of the wavelength 620nm wavelength 590nm is observed in the emission spectrum. 波長590nmのピークは発光層25からの発光であり、また波長620nmのピークは、Eu、Seドープn Peak wavelength 590nm is light emitted from the light-emitting layer 25, also the peak of wavelength 620nm is, Eu, Se-doped n
型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In 0.5 P挿入層24とE Type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In 0.5 P inserted layer 24 and the E
u、Znドープp型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In 0.5 u, Zn-doped p-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In 0.5
P挿入層26にドープされたEuからの発光である。 The emission from the doped Eu in the Insert-P layer 26.

【0044】<実施形態4>図7に本発明の第四の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図を示す。 [0044] shows a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention to <Embodiment 4> FIG.

【0045】Siドープn型GaAs基板29上に、C [0045] On the Si-doped n-type GaAs substrate 29, C
lがドープされたn型ZnSeバッファ層30と、Cl An n-type ZnSe buffer layer 30 l doped, Cl
がドープされたn型ZnSSeクラッド層31(第1導電型の下部クラッド層)と、Eu、Clがドープされたn型ZnSSe挿入層32と、このn型クラッド層32 There the n-type ZnSSe cladding layer 31 doped (lower cladding layer of the first conductivity type), Eu, and n-type ZnSSe inserted layer 32 Cl-doped, the n-type cladding layer 32
よりもバンドギャップエネルギーが小さい組成でかつアンドープであるZnCdSe発光層33と、この発光層33よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成でかつEr、Nがドープされたp型ZnSSe挿入層34及びNがドープされたp型ZnSSeクラッド層35(第2導電型の上部クラッド層)と、Nがドープされたp型ZnSeからなるコンタクト層36とが順次積層されている。 Than is a and undoped composition band gap energy smaller and ZnCdSe emitting layer 33, and a composition bandgap energy is larger than the light-emitting layer 33 Er, N-doped p type ZnSSe inserted layer 34 and N-doped and the p-type ZnSSe cladding layer 35 (upper clad layer of a second conductivity type), and a contact layer 36 N is composed of doped p-type ZnSe are sequentially stacked.

【0046】以上の方法により作製した発光ダイオードの発光スペクトルを図8に示す。 [0046] The emission spectrum of the light-emitting diode fabricated by the above method shown in FIG. 発光スペクトルには波長520nm、540nm、620nmのピークが見られる。 Wavelength 520nm The emission spectrum, 540 nm, the peak of 620nm is observed. 波長520nmのピークは発光層33からの発光であり、波長540nmのピークはEr、Nドープp型ZnS Peak wavelength 520nm is light emitted from the light-emitting layer 33, the peak wavelength 540nm is Er, N-doped p-type ZnS
Se挿入層34にドープされたErからの発光であり、 The Se insertion layer 34 is a light emission from the doped Er,
そして波長620nmのピークはEu、Clドープn型Z The peak wavelength 620nm is Eu, Cl-doped n-type Z
nSSe挿入層32にドープされたEuからの発光である。 The emission from the doped Eu in nSSe inserted layer 32.

【0047】<他の実施形態>実施形態で示した半導体発光素子の発光層の発光は必ずしも単色である必要はなく、所望の色が得られるように2つ以上の発光スペクトルのピークを持つように半導体発光素子を構成してもよい。 The light emission of the light emitting layer of the semiconductor light-emitting element described in <Other embodiments> embodiment need not necessarily be monochromatic, to have two or more peaks of the emission spectrum so that the desired color is obtained it may be a semiconductor light-emitting element.

【0048】また、希土類元素による蛍光体も必ずしも1種類または2種類である必要はなく、必要に応じて3 [0048] The phosphor according to the rare earth element is also not necessarily one or two, 3 as necessary
種類以上の蛍光体を用いてもよい。 It may be used or more of the phosphors. さらに、蛍光体の発光波長は必ずしも1つである必要はなく、2つ以上の発光ピークを持つ蛍光体を使用してもよい。 Furthermore, the emission wavelength of the phosphor need not necessarily one may use a phosphor having two or more emission peaks.

【0049】本発明による半導体発光素子は有機金属気相成長法以外の例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法によって作製することも可能である。 The semiconductor light emitting device according to the invention can also be prepared by other epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy method other than MOCVD.

【0050】<使用方法、応用システム>本発明による半導体発光素子は白色光を得ることが可能であり、照明機器、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等、これまで単色の半導体発光素子では表現できなかった分野に応用が可能である。 [0050] <method used, the application system> The semiconductor light emitting device according to the invention it is possible to obtain white light, lighting equipment, LCD backlights, various indicators, such as a display panel, a single color of the semiconductor light-emitting element to which it can be applied to fields that could not be expressed. さらに、低消費電力、 In addition, low power consumption,
軽量、小型等の利点を生かし、蛍光灯等の従来の照明機器の置き換えも可能である。 Lightweight, taking advantage of the small size and the like, is also possible replacement of conventional lighting devices such as fluorescent lamps.

【0051】 [0051]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、小型、軽量、低消費電力、長寿命といった従来の半導体発光素子の長所をそのままに、従来の半導体発光素子では実現できなかった色合いの発光素子が容易に得られる。 According to the present invention as described in the foregoing, small size, light weight, low power consumption, the advantages of the conventional semiconductor light emitting elements such long life as it is, the hue was not possible with conventional semiconductor light emitting element emitting element can be easily obtained.

【0052】また本発明によれば、同一構造で前記挿入層にドープする希土類元素だけを変えることにより、種々の色の発光素子を容易に得ることができる。 [0052] According to the present invention, by changing only the rare earth element doped in the insertion layer in the same structure, it is possible to easily obtain the light emitting element of various colors. このため、従来は種々の色の発光素子を作成するために、発光色毎に材料や基板を変え、材料毎に半導体発光素子製造装置を揃えて、製造技術を立ち上げていかなければならなかったものが、本発明では製造に必要な装置が少なくて済み、製造工程が簡略化できるため、製造コストを大幅に低減できる。 Therefore, in order conventionally to form a light-emitting element of various colors, changing the material or the substrate for each emission color, by aligning the semiconductor light emitting device manufacturing apparatus for each material, it had unless we launched a manufacturing techniques what was found up less equipment needed to manufacture the present invention, since the manufacturing process can be simplified, it is possible to significantly reduce the manufacturing cost.

【0053】さらに本発明によれば、中間色や白色が容易かつ安価で得られるため、これまで半導体発光素子が使われていなかった照明などの分野に応用が広がる。 [0053] Further, according to the present invention, since the neutral or white can be obtained easily and at low cost, applied in fields such as lighting did not semiconductor light-emitting element is used to spread far.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の第一の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図である。 1 is a schematic diagram cross-sectional view of a semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第一の実施形態にかかわる半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。 2 is a graph showing an emission spectrum of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第二の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図である。 3 is a schematic diagram cross-sectional view of a semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第二の実施形態にかかわる半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。 Is a graph showing an emission spectrum of the semiconductor light emitting element according to the second embodiment of the present invention; FIG.

【図5】本発明の第三の実施形態のかかわる半導体発光素子の模式図な断面図である。 5 is a schematic diagram cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according the third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第三の実施形態にかかわる半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。 6 is a graph showing an emission spectrum of the semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第四の実施形態にかかわる半導体発光素子の模式図な断面図である。 7 is a schematic diagram cross-sectional view of a semiconductor light-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第四の実施形態にかかわる半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。 8 is a graph showing an emission spectrum of the semiconductor light emitting element according to the fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1、11 サファイア基板 2、12 Siドープn型GaN層 3、13 Siドープn型AlGaNクラッド層 4、14 アンドープGaN発光層 5 Er、Mgドープp型AlGaN挿入層 6、16 Mgドープp型AlGaNクラッド層 7、17 Mgドープp型GaN層 15 Er、Eu、Mgドープp型AlGaN挿入層 21 Siドープn型GaAs基板 22 Seドープn型GaAsバッファ層 23 Seドープn型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In 1,11 sapphire substrate 2, 12 Si-doped n-type GaN layer 3, 13 Si-doped n-type AlGaN clad layer 4, 14 undoped GaN light-emitting layer 5 Er, Mg-doped p-type AlGaN inserted layer 6, 16 Mg-doped p-type AlGaN cladding layers 7, 17 Mg-doped p-type GaN layer 15 Er, Eu, Mg-doped p-type AlGaN inserted layer 21 Si doped n-type GaAs substrate 22 Se-doped n-type GaAs buffer layer 23 Se-doped n-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In
0.5 Pクラッド層 24 Eu、Seドープn型(Al 0.7 Ga 0.30.5 0.5 P cladding layer 24 Eu, Se-doped n-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5
In 0.5 P挿入層 25 アンドープ(Al 0.15 Ga 0.850.5 In 0.5 In 0.5 P inserted layer 25 of undoped (Al 0.15 Ga 0.85) 0.5 In 0.5 P
発光層 26 Eu、Znドープp型(Al 0.7 Ga 0.30.5 Emitting layer 26 Eu, Zn-doped p-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5
In 0.5 P挿入層 27 Znドープp型(Al 0.7 Ga 0.30.5 In In 0.5 P inserted layer 27 Zn-doped p-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 In
0.5 Pクラッド層 28 Znドープp型GaP電流拡散層 29 Siドープn型GaAs基板 30 Clドープn型ZnSeバッファ層 31 Clドープn型ZnSSeクラッド層 32 Eu、Clドープn型ZnSSe挿入層 33 アンドープZnCdSe発光層 34 Er、Nドープp型ZnSSe挿入層 35 Nドープp型ZnSSeクラッド層 36 Nドープp型ZnSeコンタクト層 0.5 P cladding layer 28 Zn-doped p-type GaP current spreading layer 29 Si doped n-type GaAs substrate 30 Cl-doped n-type ZnSe buffer layer 31 Cl-doped n type ZnSSe cladding layer 32 Eu, Cl-doped n type ZnSSe inserted layer 33 an undoped ZnCdSe emission layer 34 Er, N-doped p type ZnSSe inserted layer 35 N-doped p type ZnSSe cladding layer 36 N-doped p-type ZnSe contact layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. 7識別記号 FI テーマコート゛(参考) C09K 11/74 C09K 11/74 11/88 CPA 11/88 CPA (72)発明者 秋元 克弥 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 (72)発明者 土屋 忠厳 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 Fターム(参考) 4H001 CA01 CA02 XA07 XA13 XA15 XA30 XA31 XA33 XA34 XA48 XA49 5F041 AA12 CA04 CA34 CA35 CA36 CA37 CA40 CA41 CA43 CA44 CA53 CA57 CA65 CB36 FF01 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (51) Int.Cl. 7 identification mark FI theme Court Bu (reference) C09K 11/74 C09K 11/74 11/88 CPA 11/88 CPA (72) inventor Akimoto Katsuya Tsuchiura, Ibaraki Prefecture Kidamari-cho 3550 address Hitachi Cable, Ltd. Advance research in the center (72) inventor Tsuchiya TadashiGen Tsuchiura, Ibaraki Prefecture Kidamari-cho, 3550 address Hitachi Cable, Ltd. Advanced research center in the F-term (reference) 4H001 CA01 CA02 XA07 XA13 XA15 XA30 XA31 XA33 XA34 XA48 XA49 5F041 AA12 CA04 CA34 CA35 CA36 CA37 CA40 CA41 CA43 CA44 CA53 CA57 CA65 CB36 FF01

Claims (13)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】基板上に少なくとも第1導電型の下部クラッド層と、該下部クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい発光層と、該発光層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2導電型の上部クラッド層を積層してなる半導体発光素子において、前記発光層よりも上側または下側に、1種類以上の希土類元素を含む半導体層を挿入し、この挿入層にドープされた希土類元素が前記発光層からの発光によって励起され蛍光を生じるように構成したことを特徴とする半導体発光素子。 1. A and the lower cladding layer of at least a first conductivity type on a substrate, and the band gap energy than said lower cladding layer is small luminescent layer, an upper cladding layer of a second conductivity type bandgap energy is larger than the light-emitting layer in the semiconductor light emitting device formed by stacking, above or below the light emitting layer, and insert the semiconductor layer comprising one or more rare earth elements, doped rare earth element to the insertion layer from the light-emitting layer the semiconductor light emitting element characterized by being configured to produce a fluorescence is excited by emission.
  2. 【請求項2】前記希土類元素のうち、少なくとも1種類がCe、Nd、Sm、Eu、Er、Tm、Ybのいずれかの元素であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 Wherein one of the rare earth elements, at least one is Ce, Nd, Sm, Eu, Er, Tm, semiconductor light-emitting device according to claim 1, characterized in that any of the elements of Yb.
  3. 【請求項3】前記積層された各層のうち、少なくとも1 Wherein among said stacked layers, at least one
    層が(Al x Ga 1-xy In 1-y N系(0≦x≦1, Layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y N system (0 ≦ x ≦ 1,
    0≦y≦1)の半導体層で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。 0 ≦ y ≦ 1) semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2, characterized in that it is constituted by a semiconductor layer.
  4. 【請求項4】前記積層された各層のうち、少なくとも1 Wherein among said stacked layers, at least one
    層がAl x Ga 1-x As系(0≦x≦1)の半導体層で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 or 2, characterized in that the layer is a semiconductor layer of Al x Ga 1-x As system (0 ≦ x ≦ 1).
  5. 【請求項5】前記積層された各層のうち、少なくとも1 Wherein among said stacked layers, at least one
    層が(Al x Ga 1-xy In 1-y P系(0≦x≦1, Layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y P type (0 ≦ x ≦ 1,
    0≦y≦1)の半導体層で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。 0 ≦ y ≦ 1) semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2, characterized in that it is constituted by a semiconductor layer.
  6. 【請求項6】前記積層された各層のうち、少なくとも1 6. Of the stacked layers, at least one
    層がZnSe系の半導体層で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 or 2, characterized in that the layer is a semiconductor layer of ZnSe system.
  7. 【請求項7】発光スペクトルに少なくとも2つのピークを持つことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半導体発光素子。 7. A semiconductor device as claimed in any of claims 1 to 6, characterized in that with at least two peaks in the emission spectrum.
  8. 【請求項8】発光のCIE−XYZ表色系における色度座標が0.2≦x≦0.5かつ0.2≦y≦0.5の範囲にあることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の半導体発光素子。 8. A claim chromaticity coordinates of light emission of CIE-XYZ color system is characterized in that in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.5 and 0.2 ≦ y ≦ 0.5 1~ the semiconductor light emitting device according to any one of 7.
  9. 【請求項9】基板上に少なくとも第1導電型の下部クラッド層と、該下部クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さい発光層と、該発光層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2導電型の上部クラッド層を積層してなるエピタキシャルウェハにおいて、前記発光層よりも上側または下側に、Ce、Nd、Sm、Eu、Er、 9. A lower cladding layer of at least a first conductivity type on a substrate, and the band gap energy than said lower cladding layer is small luminescent layer, an upper cladding layer of a second conductivity type bandgap energy is larger than the light-emitting layer in the epitaxial wafer formed by stacking, above or below the light emitting layer, Ce, Nd, Sm, Eu, Er,
    Tm、Ybのいずれかの元素である1種類以上の希土類元素を含む半導体層を挿入したことを特徴とするエピタキシャルウェハ。 Tm, epitaxial wafer, characterized in that the insertion of the semiconductor layer comprising one or more rare earth elements is any element of Yb.
  10. 【請求項10】前記積層された各層のうち、少なくとも1層が(Al x Ga 1-xy In 1-y N系(0≦x≦ 10. Among the stacked layers, at least one layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y N system (0 ≦ x ≦
    1,0≦y≦1)の半導体層で構成されることを特徴とする請求項9記載のエピタキシャルウェハ。 1,0 ≦ y ≦ 1) epitaxial wafer according to claim 9, characterized in that it is composed of a semiconductor layer of.
  11. 【請求項11】前記積層された各層のうち、少なくとも1層がAl x Ga 1-x As系(0≦x≦1)の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項9記載のエピタキシャルウェハ。 11. Of the laminated layers, at least one layer Al x Ga 1-x As system (0 ≦ x ≦ 1) according to claim 9, characterized in that is composed of a semiconductor layer of epitaxial wafer.
  12. 【請求項12】前記積層された各層のうち、少なくとも1層が(Al x Ga 1-xy In 1-y P系(0≦x≦ 12. Of the laminated layers, at least one layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y P type (0 ≦ x ≦
    1,0≦y≦1)の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項9記載のエピタキシャルウェハ。 1,0 ≦ y ≦ 1) epitaxial wafer according to claim 9, characterized in that is composed of a semiconductor layer of.
  13. 【請求項13】前記積層された各層のうち、少なくとも1層がZnSe系の半導体層で構成されていることを特徴とする請求項9記載のエピタキシャルウェハ。 13. Of the laminated layers, the epitaxial wafer according to claim 9, wherein the at least one layer is a semiconductor layer of ZnSe system.
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