JP2003045900A - Nitride based iii-v compound semiconductor device - Google Patents

Nitride based iii-v compound semiconductor device

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JP2003045900A
JP2003045900A JP2002138062A JP2002138062A JP2003045900A JP 2003045900 A JP2003045900 A JP 2003045900A JP 2002138062 A JP2002138062 A JP 2002138062A JP 2002138062 A JP2002138062 A JP 2002138062A JP 2003045900 A JP2003045900 A JP 2003045900A
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JP
Japan
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compound semiconductor
gan
nitride
layer
semiconductor device
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Japanese (ja)
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Nobuaki Teraguchi
信明 寺口
Akira Suzuki
彰 鈴木
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Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride based III-V compound semiconductor device capable of being manufactured while keeping a growth temperature fixed. SOLUTION: The nitride based III-V compound semiconductor device is manufactured by using a nitride based III-V compound semiconductor containing gadolinium(Gd). For instance, GaGdN manufactured by adding Gd to GaN can be grown at the same temperature as GaN or AlGaN and a band gap is reduced more than GaN. Thus, in the case of manufacturing a heterojunction field-effect transistor, a light emitting diode or a laser diode or the like by using GaN and AlGaN, by using GaGdN containing Gd, a crystal is grown in the state of keeping a substrate temperature fixed, and the nitride based III-V compound semiconductor device is manufactured without lowering the performance.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系III−V
族化合物半導体装置に関し、特に、特定の元素を含むこ
とによって格子定数およびバンドギャップを任意に変化
させ、また、成長温度を一定に保ったままで作製される
窒化物系III−V族化合物半導体装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nitride system III-V.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a group III compound semiconductor device, and more particularly, to a nitride III-V compound semiconductor device manufactured by keeping a growth temperature constant by arbitrarily changing a lattice constant and a band gap by containing a specific element. .

【0002】[0002]

【従来の技術】2元窒化物系III−V族化合物半導体と
しては、AlN、GaNおよびInNのみが知られてお
り、これらの2元窒化物系III−V族化合物半導体はウ
ルツ鉱構造を採ることが知られている。従来の窒化物系
III−V族化合物半導体装置は、前記AlN、GaN、
InNおよびこれらの混晶半導体を任意に組み合わせて
作製されている。
2. Description of the Related Art AlN, GaN and InN are the only known binary nitride III-V compound semiconductors, and these binary nitride III-V compound semiconductors have a wurtzite structure. It is known. Conventional nitride system
The III-V compound semiconductor device includes AlN, GaN,
It is manufactured by arbitrarily combining InN and these mixed crystal semiconductors.

【0003】前記窒化物系III−V族化合物半導体装置
としては、たとえば、Jan.J.Appl.Phys
Vol137(1998)pp.L309−L312
にレーザダイオード(LD;Laser Diode)
が開示されている。前記先行技術では、レーザダイオー
ドの活性層にバンドギャップの小さいInを含む窒化物
系III−V族化合物半導体であるInGaNが用いられ
ている。また、発光ダイオード(LED;Light
Emitting Diode)はレーザダイオードと
同様な構造で実現できるので、発光層にInGaNを用
いて発光ダイオードを作製することもできる。
The nitride-based III-V group compound semiconductor device is described, for example, in Jan. J. Appl. Phys
Vol 137 (1998) pp. L309-L312
Laser diode (LD; Laser Diode)
Is disclosed. In the above-mentioned prior art, InGaN, which is a nitride-based III-V group compound semiconductor containing In having a small band gap, is used in the active layer of the laser diode. In addition, a light emitting diode (LED; Light)
Since the Emitting Diode can be realized with the same structure as the laser diode, the light emitting diode can be manufactured by using InGaN for the light emitting layer.

【0004】また、US Patent No.519
2987およびProc.Int.Workshop
on Nitride Semiconductors
IPAP Conf Series lpp.233
−236には、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ(H
FET;Hetero Field EffectTr
ansistor)が開示されている。Proc.In
t.Workshop on Nitride Sem
iconductors IPAP Conf Ser
ies lpp.233−236に開示されるヘテロ接
合電界効果型トランジスタでは、チャネル層に移動度の
高いInNを用いている。
US Pat. No. 519
2987 and Proc. Int. Workshop
on Nitride Semiconductors
IPAP Conf Series lpp. 233
-236 includes a heterojunction field effect transistor (H
FET; Hetero Field EffectTr
disclosed). Proc. In
t. Workshop on Nitride Sem
iconductors IPAP Conf Ser
ies lpp. In the heterojunction field effect transistor disclosed in 233-236, InN having high mobility is used for the channel layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】たとえば、上述した2
元窒化物系III−V族化合物半導体をMBE(Mole
cular Beam Epitaxy)によって作製
するときの最適成長温度は、AlNでは800℃以上、
GaNでは700℃前後、InNでは550℃前後とな
っている。
SUMMARY OF THE INVENTION For example, the above-mentioned 2
MBE (Mole
The optimum growth temperature for the AlN is 800 ° C. or higher.
It is around 700 ° C. for GaN and around 550 ° C. for InN.

【0006】これらの2元窒化物系III−V族化合物半
導体を用いて3元混晶を成長させる場合、最適成長温度
が低い方の半導体によって結晶成長温度が決まる。具体
的な例として、InGaNと、GaNまたはAlGaN
の少なくともいずれか1つとを用いて窒化物系III−V
族化合物半導体装置を作製する場合について説明する。
When growing a ternary mixed crystal using these binary nitride III-V compound semiconductors, the crystal growth temperature is determined by the semiconductor having the lower optimum growth temperature. As a specific example, InGaN and GaN or AlGaN
And at least one of
A case of manufacturing a group compound semiconductor device will be described.

【0007】たとえば、窒化物系III−V族化合物半導
体装置をレーザダイオードまたはヘテロ接合電界効果型
トランジスタとする。レーザダイオードの活性層および
ヘテロ接合電界効果型トランジスタのチャネル層として
GaNよりもバンドギャップの小さいInGaNを作製
する場合、InGaNとGaNとの成長条件を等しくす
ると、Inの再蒸発あるいはInNの解離が激しく生じ
るためInをほとんど含まないGaNのみが成長する。
したがってInGaNを成長させるには、GaNまたは
AlGaNの成長温度よりも低い成長温度を用いる必要
がある。
For example, a nitride-based III-V compound semiconductor device is used as a laser diode or a heterojunction field effect transistor. When InGaN having a smaller bandgap than GaN is produced as the active layer of the laser diode and the channel layer of the heterojunction field effect transistor, re-evaporation of In or dissociation of InN is severe if the growth conditions of InGaN and GaN are equal. Since it occurs, only GaN containing almost no In grows.
Therefore, to grow InGaN, it is necessary to use a growth temperature lower than that of GaN or AlGaN.

【0008】一方、低温でInGaNを成長させた後、
InGaNに引き続いてGaNまたはAlGaNを成長
させる場合、GaNまたはAlGaNの成長温度をIn
GaNの成長温度よりも高温とする必要があるのでIn
GaNの再蒸発あるいはInの拡散が生じ、活性層また
はチャネル層の品質の劣化を引き起こす。
On the other hand, after growing InGaN at a low temperature,
When GaN or AlGaN is grown subsequently to InGaN, the growth temperature of GaN or AlGaN is set to In.
Since the temperature needs to be higher than the growth temperature of GaN, In
Re-evaporation of GaN or diffusion of In occurs, which deteriorates the quality of the active layer or the channel layer.

【0009】したがって、GaNよりもバンドギャップ
の小さい窒化物系III−V族化合物半導体をGaNまた
はAlGaNと同じ成長温度で作製することが難しい。
Therefore, it is difficult to manufacture a nitride III-V group compound semiconductor having a bandgap smaller than that of GaN at the same growth temperature as GaN or AlGaN.

【0010】本発明の目的は、成長温度を一定に保った
まま作製可能な窒化物系III−V族化合物半導体装置を
提供することである。
An object of the present invention is to provide a nitride-based III-V group compound semiconductor device which can be manufactured while maintaining a constant growth temperature.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、ガドリニウム
を含む窒化物系III−V族化合物半導体装置を有するこ
とを特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体装置で
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a nitride III-V compound semiconductor device including a gadolinium-containing nitride III-V compound semiconductor device.

【0012】本発明に従えば、窒化物系III−V族化合
物半導体にガドリニウム(Gd)を含ませることによっ
て、たとえば、GaNよりもバンドギャップが小さい窒
化物系III−V族化合物半導体を、GaNあるいはAl
GaNと同じ成長温度で作製できる。したがって、基板
温度を一定に保った状態で窒化物系III−V族化合物半
導体装置を作製することが可能となる。
According to the present invention, by adding gadolinium (Gd) to the nitride-based III-V group compound semiconductor, for example, a nitride-based III-V group compound semiconductor having a band gap smaller than that of GaN is converted into GaN. Or Al
It can be produced at the same growth temperature as GaN. Therefore, it becomes possible to fabricate a nitride-based III-V group compound semiconductor device while keeping the substrate temperature constant.

【0013】また本発明は、前記窒化物系III−V族化
合物半導体装置は、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ
であることを特徴とする。
The present invention is also characterized in that the nitride-based III-V group compound semiconductor device is a heterojunction field effect transistor.

【0014】本発明に従えば、窒化物系III−V族化合
物半導体としてのヘテロ接合電界効果型トランジスタに
適用できる。
According to the present invention, the present invention can be applied to a heterojunction field effect transistor as a nitride III-V group compound semiconductor.

【0015】また本発明は、前記ヘテロ接合電界効果型
トランジスタのチャネル層にガドリニウムを含む窒化物
系III−V族化合物半導体を用いることを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that a nitride-based III-V group compound semiconductor containing gadolinium is used for the channel layer of the heterojunction field effect transistor.

【0016】本発明に従えば、ヘテロ接合電界効果型ト
ランジスタのチャネル層にGdを含む窒化物系III−V
族化合物半導体を用い、たとえば、GaNまたはAlG
aNとのヘテロ接合によってトランジスタを作製する場
合、基板温度を一定に保った状態でバンドギャップが異
なる半導体のヘテロ接合を作製できる。したがって、優
れた特性を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタの
作製が可能となる。
According to the present invention, a nitride-based III-V containing Gd in the channel layer of a heterojunction field effect transistor.
Group compound semiconductor is used, for example, GaN or AlG
When a transistor is manufactured by a heterojunction with aN, a semiconductor heterojunction having a different band gap can be manufactured while the substrate temperature is kept constant. Therefore, it is possible to manufacture a heterojunction field effect transistor having excellent characteristics.

【0017】また本発明は、チャネル層におけるGdの
組成が0%よりも大きく30%以下であることを特徴と
する。
Further, the present invention is characterized in that the composition of Gd in the channel layer is more than 0% and 30% or less.

【0018】Gdの組成が30%を超えるとGd本来の
安定な結晶構造である岩塩構造が支配的になるので、窒
化物系III−V族化合物半導体のウルツ鉱構造としての
結晶性が劣化する。本発明に従えば、チャネル層におけ
るGdの組成を0%よりも大きく30%以下、すなわち
AlwGaxInYGdZN,W+X+Y+Z=1,0
<Z≦0.3とすることによって、ウルツ鉱構造として
の結晶性を保つことができ、良好な結晶成長が可能とな
る。また、Gdの組成を変化させることによって、ヘテ
ロ接合電界効果型トランジスタの特性を任意に変化させ
ることができる。
When the composition of Gd exceeds 30%, the rock salt structure, which is a stable crystal structure inherent to Gd, becomes dominant, so that the crystallinity of the wurtzite structure of the nitride III-V compound semiconductor deteriorates. . According to the present invention, the composition of Gd in the channel layer is more than 0% and 30% or less, that is, AlwGaxInYGdZN, W + X + Y + Z = 1,0.
By setting <Z ≦ 0.3, the crystallinity as a wurtzite structure can be maintained and good crystal growth can be achieved. Moreover, the characteristics of the heterojunction field effect transistor can be arbitrarily changed by changing the composition of Gd.

【0019】また本発明は、前記ヘテロ接合電界効果型
トランジスタのチャネル層にGdN/AlxGa1−x
N(0≦X≦1)超格子構造を用いることを特徴とす
る。
Further, in the present invention, GdN / AlxGa1-x is formed in the channel layer of the heterojunction field effect transistor.
It is characterized by using an N (0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure.

【0020】本発明に従えば、ヘテロ接合電界効果型ト
ランジスタのチャネル層にGdN/AlxGa1−xN
(ただし、0≦X≦1)超格子構造を用いる。したがっ
て、GdN/AlxGa1−xN(ただし、0≦X≦
1)超格子構造の各層厚を任意に変更することによって
チャネル層のバンドギャップをGdNの値からGdN/
AlxGa1−xN(ただし、0≦X≦1)の値まで任
意に変化させることが可能になる。
According to the present invention, GdN / AlxGa1-xN is formed in the channel layer of the heterojunction field effect transistor.
(However, 0 ≦ X ≦ 1) A superlattice structure is used. Therefore, GdN / AlxGa1-xN (where 0 ≦ X ≦
1) The bandgap of the channel layer is changed from the value of GdN to GdN / by changing the thickness of each layer of the superlattice structure arbitrarily.
It is possible to arbitrarily change the value up to the value of AlxGa1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1).

【0021】また本発明は、前記窒化物系III−V族化
合物半導体装置は、発光ダイオードまたはレーザダイオ
ードであることを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the nitride III-V compound semiconductor device is a light emitting diode or a laser diode.

【0022】本発明に従えば、窒化物系III−V族化合
物半導体装置として発光ダイオードまたはレーザダイオ
ードに適用できる。
According to the present invention, it can be applied to a light emitting diode or a laser diode as a nitride III-V group compound semiconductor device.

【0023】また本発明は、前記発光ダイオードの発光
層またはレーザダイオードの活性層にGdを含む窒化物
系III−V族化合物半導体を用いることを特徴とする。
The present invention is also characterized in that a nitride-based III-V group compound semiconductor containing Gd is used in the light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode.

【0024】本発明に従えば、発光ダイオードの発光層
またはレーザダイオードの活性層にGdを含む窒化物系
III−V族化合物半導体を用いることによって、他の窒
化物系III−V族化合物半導体と接合する場合に基板温
度を一定に保った状態で一連の結晶成長が可能となる。
According to the present invention, a nitride-based material containing Gd in the light emitting layer of a light emitting diode or the active layer of a laser diode.
By using a III-V group compound semiconductor, a series of crystal growth can be performed in a state where the substrate temperature is kept constant when joining with another nitride-based III-V group compound semiconductor.

【0025】また本発明は、発光層または活性層におけ
るガドリニウムの組成が0%よりも大きく30%以下で
あることを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the composition of gadolinium in the light emitting layer or the active layer is more than 0% and 30% or less.

【0026】Gdの組成が30%を超えると、Gd本来
の安定な結晶構造である岩塩構造が支配的になり、窒化
物系III−V族化合物半導体のウルツ鉱構造としての結
晶性が劣化する。本発明に従えば、発光ダイオードの発
光層またはレーザダイオードの活性層におけるGdの組
成を0%よりも大きく30%以下、すなわちAlwGa
xInYGdZN,W+X+Y+Z=1,0<Z≦0.
3とすることによって、ウルツ鉱構造としての結晶性を
保つことができ、良好な結晶成長が可能となる。また、
Gdの組成を変化させることによって、発光ダイオード
またはレーザダイオードの特性を任意に変化させること
ができる。
If the composition of Gd exceeds 30%, the rock salt structure, which is a stable crystal structure inherent in Gd, becomes dominant, and the crystallinity of the wurtzite structure of the nitride III-V compound semiconductor deteriorates. . According to the invention, the composition of Gd in the light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode is more than 0% and 30% or less, that is, AlwGa.
xInYGdZN, W + X + Y + Z = 1,0 <Z ≦ 0.
When it is 3, crystallinity as a wurtzite structure can be maintained and good crystal growth can be achieved. Also,
The characteristics of the light emitting diode or the laser diode can be arbitrarily changed by changing the composition of Gd.

【0027】また本発明は、前記発光ダイオードの発光
層またはレーザダイオードの活性層にGdN/AlxG
a1−xN(0≦X≦1)超格子構造を用いることを特
徴とする。
In the present invention, the light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode is GdN / AlxG.
It is characterized by using an a1-xN (0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure.

【0028】また本発明に従えば、前記発光ダイオード
またはレーザダイオードの活性層にGdN/AlxGa
1−xN(ただし、0≦X≦1)超格子構造を用いるこ
とで、発光波長をGdNによって決定される波長からG
dN/AlxGa1−xN(ただし、0≦X≦1)によ
って決定される波長まで任意に変化させることが可能に
なる。
According to the invention, GdN / AlxGa is formed in the active layer of the light emitting diode or the laser diode.
By using a 1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure, the emission wavelength is changed from the wavelength determined by GdN to G
It is possible to arbitrarily change the wavelength up to the wavelength determined by dN / AlxGa1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1).

【0029】また本発明は、前記窒化物系III−V族化
合物半導体装置は、紫外光吸収フィルターであることを
特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the nitride-based III-V group compound semiconductor device is an ultraviolet light absorption filter.

【0030】本発明に従えば、Gdを含む窒化物系III
−V族化合物半導体では、半導体中のGdの内核電子に
よる紫外線吸収が特定の波長において生じるので、特定
の紫外線に対するフィルターとして働く。
According to the invention, a nitride system III containing Gd
In the group-V compound semiconductor, ultraviolet absorption by the inner core electrons of Gd in the semiconductor occurs at a specific wavelength, and thus acts as a filter for specific ultraviolet rays.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】まず始めに、Gd(ガドミニウ
ム)を含む窒化物系III−V族化合物半導体であるGa
GdNの作製方法を例に挙げて本発明の基本原理を説明
する。ここでは、RF(Radio Frequenc
y)プラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー
(以下、MBEと略記する)法を用いて窒化物系III
−V族化合物半導体を作製しているが、たとえばMOC
VD法などを用いることも可能である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, Ga is a nitride-based III-V group compound semiconductor containing Gd (gadminium).
The basic principle of the present invention will be described by taking as an example a method for producing GdN. Here, RF (Radio Frequency)
y) A nitride system III using a molecular beam epitaxy (hereinafter abbreviated as MBE) method using plasma-excited nitrogen.
A group-V compound semiconductor is manufactured, but for example, MOC
It is also possible to use the VD method or the like.

【0032】図1はGaGdNの作製例を説明する図で
ある。以下、図1に示すGaGdNの作製方法を説明す
る。はじめに(0001)Si面SiC基板1(以下、
SiC基板1と記す)を真空チャンバ内で850℃に加
熱して、水素−窒素混合プラズマによって基板の表面酸
化を除去する。引き続いて基板温度を800℃にしてA
lNエピタキシャルバッファ層2を厚さ20nmとなる
ようにSiC基板1上に成長させる。そして、基板温度
を720℃にしてGaNエピタキシャル層3を厚さ25
0nmとなるようにAlNエピタキシャルバッファ層2
の上に成長させる。そして、Gaビーム強度を2.8×
10-7Torr、Gdビーム強度を2.0×10-8To
rrとして、GaGdNエピタキシャル層4を厚さ25
0nmとなるようにGaNエピタキシャルバッファ層3
上に成長させる。
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of producing GaGdN. Hereinafter, a method for manufacturing GaGdN shown in FIG. 1 will be described. Introduction (0001) Si surface SiC substrate 1 (hereinafter,
A SiC substrate 1) is heated to 850 ° C. in a vacuum chamber to remove surface oxidation of the substrate by hydrogen-nitrogen mixed plasma. Subsequently, the substrate temperature is set to 800 ° C. A
The 1N epitaxial buffer layer 2 is grown on the SiC substrate 1 to have a thickness of 20 nm. Then, the substrate temperature is set to 720 ° C. and the GaN epitaxial layer 3 is formed to a thickness of 25.
AlN epitaxial buffer layer 2 to have a thickness of 0 nm
Grow on. Then, the Ga beam intensity is set to 2.8 ×
10 −7 Torr, Gd beam intensity 2.0 × 10 −8 To
As rr, the GaGdN epitaxial layer 4 has a thickness of 25
GaN epitaxial buffer layer 3 to have a thickness of 0 nm
Grow up.

【0033】図2は、上述した作製方法にしたがって作
製したGaGdNのX回折パターンを示す図である。S
iC基板1の回折位置を基準として、GaNとGaGd
NのC軸の格子定数を計算すると、GaNのC軸の格子
定数はcGan=5.191Å、GaGdNのC軸の格子
定数はcGaGdN=5.209Åであった。一方、GaN
のバルクの格子定数は5.185Åである。したがっ
て、GaNはSiC基板1に引っ張られてa軸方向に圧
縮歪を受け、その結果、c軸方向の格子定数がバルクよ
りもおおきくなっていることがわかる。また、(11−
24)非対称測定からGaNおよびGaGdNのa軸方
向の格子定数を求めると、GaNのa軸方向の格子定数
はaGaN=3.177Å、GaGdNのa軸方向の格子
定数はaGaG dN=3.195Åであった。
FIG. 2 is a diagram showing an X-diffraction pattern of GaGdN manufactured according to the above-described manufacturing method. S
GaN and GaGd based on the diffraction position of the iC substrate 1
When the lattice constants of N-axis C were calculated, the lattice constant of C-axis of GaN was c Gan = 5.191Å and the lattice constant of C-axis of GaGdN was c GaGdN = 5.209Å. On the other hand, GaN
Has a bulk lattice constant of 5.185Å. Therefore, it is understood that GaN is pulled by the SiC substrate 1 and is subjected to compressive strain in the a-axis direction, and as a result, the lattice constant in the c-axis direction is larger than that in the bulk. In addition, (11-
24) Obtaining the lattice constants of GaN and GaGdN in the a-axis direction from asymmetric measurements, the lattice constant of GaN in the a-axis direction is a GaN = 3.177Å, and the lattice constant of GaGdN in the a-axis direction is a GaG dN = 3. It was 195Å.

【0034】次に、XPS(X−ray Photoe
lectron Spectroscopy)測定によ
って上述したGaGdNエピタキシャル層4の組成を求
めると、Gd組成が約6%となっていた。このことから
圧縮歪を受けた状態のGdNの格子定数を求めると、G
aNのc軸方向の格子定数はcGaN=5.491Å、ま
たa軸の格子定数はaGdN=3.477Åであった。
Next, XPS (X-ray Photoe)
When the composition of the GaGdN epitaxial layer 4 described above was determined by electron spectroscopy measurement, the Gd composition was about 6%. From this, when the lattice constant of GdN under the compressive strain is calculated, G
lattice constant of c-axis direction of the aN is the lattice constant of c GaN = 5.491Å, also a shaft was a GdN = 3.477Å.

【0035】図3は、前記GaGdNエピタキシャル層
4のカソードルミネッセンス(CL;Cathode
Luminescence)スペクトルを示す図であ
る。図3に示すCLスペクトルからGaGdNのバンド
ギャップを求めると、その値は3.35eVであった。
GaNのバンドギャップは3.4eVであるので、Gd
を含むことによって狭バンドギャップ化が生じているこ
とが明らかになった。
FIG. 3 shows the cathode luminescence (CL; Cathode) of the GaGdN epitaxial layer 4.
It is a figure which shows a Luminescence) spectrum. When the band gap of GaGdN was calculated from the CL spectrum shown in FIG. 3, the value was 3.35 eV.
Since the band gap of GaN is 3.4 eV, Gd
It has been clarified that the inclusion of the inclusions causes a narrow band gap.

【0036】以上のように、GaNと同じ720℃の成
長温度においてもGdがGaN層中に取り込まれてGa
GdNを形成し、かつGdを含むことによって狭バンド
ギャップ化が生じる。同じ条件でGaNにInを添加す
る場合では、InがGaNに取り込まれず、成長した層
の組成はGaNとほとんど同じになるので、狭バンドギ
ャップ化は不可能である。したがって、GaNよりもバ
ンドギャップの小さい半導体を作製することができる。
また、ここでは、GaGdNのエピタキシャル層4のG
d組成が6%の場合について示したが、Gd組成は0%
よりも大きく30%以下であれば有効である。
As described above, even at the same growth temperature of 720 ° C. as that of GaN, Gd is taken into the GaN layer and Ga
The formation of GdN and the inclusion of Gd result in a narrow bandgap. When In is added to GaN under the same conditions, In is not incorporated into GaN, and the composition of the grown layer is almost the same as that of GaN, so narrow bandgap is impossible. Therefore, a semiconductor having a smaller band gap than GaN can be manufactured.
In addition, here, the G of the GaGdN epitaxial layer 4 is
It is shown that the d composition is 6%, but the Gd composition is 0%.
Is larger than 30% and is effective.

【0037】以下の実施例に、Gdを含む窒化物系III
−V族化合物半導体を有する窒化物系III−V族化合物
半導体装置について具体的に説明する。
In the following examples, the nitride system III containing Gd was used.
A nitride III-V compound semiconductor device having a -V compound semiconductor will be specifically described.

【0038】(実施例1)図4は、本発明の実施例1で
あるヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HTFT)5
の構造を示す図である。ヘテロ接合電界効果型トランジ
スタは、ヘテロ接合界面に形成される2次元電子ガス
(2DEG)をキャリアとする高電子移動度のトランジ
スタである。本実施例のヘテロ接合電界効果型トランジ
スタ5の作製で用いた結晶成長法はRF−MBE法であ
るが、MOCVD(Metal Organic Ch
emical Vapor Deposition)法
などの他の結晶成長法を用いてもよい。
(Embodiment 1) FIG. 4 is a heterojunction field effect transistor (HTFT) 5 according to Embodiment 1 of the present invention.
It is a figure which shows the structure of. The heterojunction field effect transistor is a transistor having a high electron mobility using a two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the heterojunction interface as a carrier. The crystal growth method used in the fabrication of the heterojunction field effect transistor 5 of the present embodiment is the RF-MBE method, but MOCVD (Metal Organic Ch
Other crystal growth methods such as an electronic vapor deposition method may be used.

【0039】ヘテロ接合電界効果型トランジスタ5の作
製方法を以下に説明する。まず、半絶縁性(0001)
Si面SiC基板11(以下、SiC基板11と記す)
を真空チャンバ内で850℃に加熱して、水素−窒素混
合RFプラズマによって基板の表面酸化膜を除去する。
そして、基板温度を800℃にしてSiC基板11の上
にAlNエピタキシャルバッファ層12を2nmの層厚
となるように成長させる。次に、基板温度を720℃に
して、前記AlNエピタキシャルバッファ層12の上に
GaNバッファ層13、Ga0.9Gd0.1Nチャネル層1
4および50nmとなるように順次成長させる。この
後、フォトリソグラフィを用いてAlGaNバリア層1
5の表面にTi/Alからなるソースおよびドレイン電
極16と、Au/Niから成るゲート電極17とを形成
する。
A method of manufacturing the heterojunction field effect transistor 5 will be described below. First, semi-insulating (0001)
Si surface SiC substrate 11 (hereinafter referred to as SiC substrate 11)
Is heated to 850 ° C. in a vacuum chamber to remove the surface oxide film on the substrate by hydrogen-nitrogen mixed RF plasma.
Then, the substrate temperature is set to 800 ° C. and the AlN epitaxial buffer layer 12 is grown on the SiC substrate 11 to have a layer thickness of 2 nm. Next, the substrate temperature is set to 720 ° C., and the GaN buffer layer 13 and the Ga 0.9 Gd 0.1 N channel layer 1 are formed on the AlN epitaxial buffer layer 12.
Sequentially grow to 4 and 50 nm. After that, the AlGaN barrier layer 1 is formed by photolithography.
A source / drain electrode 16 made of Ti / Al and a gate electrode 17 made of Au / Ni are formed on the surface of 5.

【0040】上述したヘテロ接合電界効果型トランジス
タ5の最大発振周波数は、250GHzであった。一
方、Ga0.9Gd0.1Nチャネル14に代え、InGaN
をチャネル層として、上述した作製方法と同じ条件で成
長させたヘテロ接合電界効果型トランジスタでは最大発
振周波数は180GHzであった。INGaNをGaN
と同じ高温で成長させた場合、チャネル層はGaN層に
近く、特性もGaN層をチャネルとした場合とほぼ同程
度であった。したがって、GaNよりもバンドギャップ
の小さいGa0.9Gd0.1Nチャネル層14をGaNバッ
ファ層12およびAl0.2Ga0.8Nバリア層15と同じ
温度で成長させることができ、優れた特性を有するトラ
ンジスタを作製することが可能となる。また、チャネル
層におけるGdの組成は、0%よりも大きく30%以下
であれば有効である。
The maximum oscillation frequency of the above-mentioned heterojunction field effect transistor 5 was 250 GHz. On the other hand, instead of Ga 0.9 Gd 0.1 N channel 14, InGaN
The maximum oscillating frequency was 180 GHz in the heterojunction field-effect transistor grown under the same conditions as in the above-described manufacturing method using as a channel layer. INGaN to GaN
When grown at the same high temperature as above, the channel layer was close to the GaN layer, and the characteristics were almost the same as when the GaN layer was used as the channel. Therefore, the Ga 0.9 Gd 0.1 N channel layer 14 having a smaller band gap than GaN can be grown at the same temperature as the GaN buffer layer 12 and the Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 15, and a transistor having excellent characteristics is manufactured. It becomes possible. Further, it is effective that the composition of Gd in the channel layer is larger than 0% and 30% or less.

【0041】(実施例2)図5は、本発明の実施例2で
あるヘテロ接合電界効果型トランジスタ6の構造を示す
図である。ヘテロ接合電界効果型トランジスタ6は、前
記実施例1のヘテロ接合電界効果型トランジスタ5のG
0.9Gd0.1Nチャネル層14に代えてGdN/Alx
Ga1−xN(0≦X≦1)超格子構造を用いており、
本実施例ではX=0としてGdN/GaN超格子18を
チャネル層として用いる。GdN/GaN超格子18を
チャネル層として用いる。GdN/GaN超格子構造1
8は、厚さ10nmのGaN層と厚さ2nmのGdN層
とを積層して構成し、また、GaN層とGdN層との積
層数は20としている。図5で、図4のヘテロ接合電界
効果型トランジスタ5と同様な部分には同じ符号を付し
その説明を省略する。GdN/GaN超格子18は、G
aNバッファ層13およびAl0.2Ga0.8Nバリア層1
5と同様に基板温度720℃で形成される。
(Embodiment 2) FIG. 5 is a diagram showing the structure of a heterojunction field effect transistor 6 which is Embodiment 2 of the present invention. The heterojunction field effect transistor 6 is the G of the heterojunction field effect transistor 5 of the first embodiment.
a 0.9 Gd 0.1 N In place of the channel layer 14, GdN / Alx
Ga1-xN (0≤X≤1) superlattice structure is used,
In this embodiment, X = 0 is used and the GdN / GaN superlattice 18 is used as the channel layer. The GdN / GaN superlattice 18 is used as a channel layer. GdN / GaN superlattice structure 1
8 is configured by laminating a GaN layer having a thickness of 10 nm and a GdN layer having a thickness of 2 nm, and the number of laminated GaN layers and GdN layers is 20. 5, the same parts as those of the heterojunction field effect transistor 5 of FIG. 4 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The GdN / GaN superlattice 18 is
aN buffer layer 13 and Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 1
Similar to No. 5, it is formed at a substrate temperature of 720 ° C.

【0042】前記ヘテロ接合電界効果型トランジスタ6
の最大発振周波数は300GHzであった。通常、Gd
Nは岩塩構造をとるが、層厚を薄くし、なおかつGaN
層に挟まれることになってGaNはウルツ鉱構造をとる
ことが可能になる。岩塩構造のGdNは約2eVのバン
ドギャップを有している。混晶のCLスペクトルから見
積もると2eV以上ではあるが、ウルツ鉱構造のGdN
のバンドギャップも岩塩構造のGdNのバンドギャップ
に近い値となる。一方、GaNのバンドギャップは3.
4eVである。したがって、前記GdN/GaN超格子
18では、GaNよりもバンドギャップが小さいGdN
にキャリアが流れていると考えられる。
The heterojunction field effect transistor 6
Had a maximum oscillation frequency of 300 GHz. Usually Gd
N has a rock-salt structure, but the layer thickness is thin and GaN
When sandwiched between layers, GaN can have a wurtzite structure. GdN having a rock salt structure has a band gap of about 2 eV. Estimated from the CL spectrum of the mixed crystal, which is 2 eV or more, the GdN of the wurtzite structure
The band gap of is also close to the band gap of GdN having a rock salt structure. On the other hand, the band gap of GaN is 3.
It is 4 eV. Therefore, the GdN / GaN superlattice 18 has a smaller bandgap than GaN.
It is thought that the career is flowing in.

【0043】以上のように、チャネル層にGdN/Ga
N超格子18を用いることによって、さらに優れた特性
のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することが
できる。
As described above, GdN / Ga is formed in the channel layer.
By using the N superlattice 18, a heterojunction field effect transistor having more excellent characteristics can be manufactured.

【0044】また、本実施例ではチャネル層にGdN/
AlxGa1−xN(0≦X≦1)超格子構造でX=0
の場合であるGdN/GaN超格子18を用いている
が、上記Xを変化させることによってバンドギャップ値
を任意に変更することが可能であり、任意の特性を持つ
ヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することが可
能である。
In this embodiment, the channel layer is GdN /
AlxGa1-xN (0≤X≤1) X = 0 in superlattice structure
In this case, the GdN / GaN superlattice 18 is used, but the bandgap value can be arbitrarily changed by changing X, and a heterojunction field effect transistor having arbitrary characteristics is manufactured. It is possible to

【0045】(実施例3)図6は、本発明の実施例3で
あるレーザダイオード(LD)7の構造を示す図であ
る。前記レーザダイオード7の作製に用いた結晶成長方
法はMOCVDであるが、窒素ラジカルを用いたRF−
MBE法、MOCVD法などの他の結晶成長法を用いて
もよい。
(Third Embodiment) FIG. 6 is a diagram showing the structure of a laser diode (LD) 7 according to a third embodiment of the present invention. The crystal growth method used to manufacture the laser diode 7 is MOCVD, but RF-
Other crystal growth methods such as MBE method and MOCVD method may be used.

【0046】レーザダイオード7の作製方法を以下に説
明する。まず、サファイアc面基板21(以下、サファ
イア基板21と記す)を1100℃に加熱して水素雰囲
気中でクリーニングする。そして、基板温度を550℃
にしてAlNバッファ層22を20nmの層厚となるよ
うにサファイア基板21の上に成長させる。次に基板温
度を1000℃まで上昇させて、n−GaN層23、n
−Al0.2Ga0.8N障壁層24、Ga0.7Gd0.3N活性
層25、p−Al0.2Ga0.8N障壁層26、およびp−
GaNギャップ層27をそれぞれの膜厚が1μm、20
μm、0.4μm、および20nmとなるように順次成
長させる。この後、エッチングによって共振器を形成し
た後、p電極28およびn電極29をp−GaNギャッ
プ層17およびGaN層23の上にそれぞれ形成する。
A method of manufacturing the laser diode 7 will be described below. First, the sapphire c-plane substrate 21 (hereinafter referred to as the sapphire substrate 21) is heated to 1100 ° C. and cleaned in a hydrogen atmosphere. Then, the substrate temperature is 550 ° C.
Then, the AlN buffer layer 22 is grown on the sapphire substrate 21 to have a layer thickness of 20 nm. Next, the substrate temperature is raised to 1000 ° C., and the n-GaN layers 23, n
-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 24, Ga 0.7 Gd 0.3 N active layer 25, p-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 26, and p-
The GaN gap layer 27 has a thickness of 1 μm,
Sequentially grow to have a thickness of μm, 0.4 μm, and 20 nm. Then, after forming a resonator by etching, the p electrode 28 and the n electrode 29 are formed on the p-GaN gap layer 17 and the GaN layer 23, respectively.

【0047】以上のように作製したレーザダイオードの
室温における閾値電流密度は、0.2kA/cm2とな
っていた。一方、Ga0.7Gd0.3N活性層25に代えて
InGaN層を形成するため、同一発振波長となるよう
にIn組成を調整して同じ上述した作製方法と同じ条件
で成長させた場合では、閾値電流密度および発振波長は
GaNの場合はほとんど同じであり、Inの取り込みは
見られなかった。したがって、GaNよりもバンドギャ
ップの小さいGa0.7Gd0.3N活性層25をn−GaN
層23、n−Al0.2Ga0.8N障壁層24、p−Al
0.2Ga0.8N障壁層26、およびp−GaNギャップ層
27と同じ温度で成長させることができるので優れた特
性を有するレーザダイオードを作製することが可能とな
る。また、本実施例では基板としてサファイア基板を用
いているが、これ以外にSiC基板を用いてもよい。ま
た、チャネル層におけるGdの組成は、0%よりも大き
く30%以下であれば有効である。
The threshold current density at room temperature of the laser diode manufactured as described above was 0.2 kA / cm 2 . On the other hand, in order to form the InGaN layer in place of the Ga 0.7 Gd 0.3 N active layer 25, when the In composition is adjusted to have the same oscillation wavelength and the growth is performed under the same conditions as in the above-described manufacturing method, the threshold current In the case of GaN, the density and the oscillation wavelength were almost the same, and no In incorporation was observed. Therefore, the Ga 0.7 Gd 0.3 N active layer 25 having a smaller band gap than GaN is formed on the n-GaN layer.
Layer 23, n-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 24, p-Al
Since it can be grown at the same temperature as the 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 26 and the p-GaN gap layer 27, a laser diode having excellent characteristics can be manufactured. Further, although the sapphire substrate is used as the substrate in this embodiment, a SiC substrate may be used instead. Further, it is effective that the composition of Gd in the channel layer is larger than 0% and 30% or less.

【0048】また、図6に示したレーザダイオード7の
構造を発光ダイオード(LED;Light Emit
ting Diode)に適してもよい。結晶成長温度
はレーザダイオード7と同様である。発光ダイオードで
は、レーザダイオードのGa 0.7Gd0.3N活性層25が
発光層となる。このような構造の発光ダイオードにおい
てGa0.7Gd0.3Nを発光層に用いた場合にはGaNよ
りも長波長側にシフトした青緑色発光が得られた。一
方、同じ結晶成長温度で発光層にInGaNを作製する
場合には、発光層にGaNを用いた場合と同じ発光しか
見られなかった。これは、高温で成長させるのでInG
aN活性層が形成されずに、ほぼGaNになっていたこ
とが原因であると考えられる。
Further, the laser diode 7 shown in FIG.
Light emitting diode (LED; Light Emit)
toning diode). Crystal growth temperature
Is similar to the laser diode 7. With light emitting diode
Is the Ga of the laser diode 0.7Gd0.3N active layer 25
It becomes a light emitting layer. In the light emitting diode with such a structure
Ga0.7Gd0.3When N is used for the light emitting layer, it is GaN
Blue-green light emission shifted to the longer wavelength side was obtained. one
On the other hand, InGaN is produced in the light emitting layer at the same crystal growth temperature.
In this case, the light emission is the same as when GaN is used for the light emitting layer.
I couldn't see it. Since this is grown at high temperature, InG
The aN active layer was not formed and was almost GaN.
It is thought that the cause is.

【0049】(実施例4)図7は、本発明の実施例4で
ある発光ダイオード8およびレーザダイオード9の構成
を示す図である。前記実施例3の発光ダイオードおよび
レーザダイオードの発光層または活性層はGaGdNで
あったが、本実施例の発光ダイオード8およびレーザダ
イオード9では活性層にGdN/AlxGa1−xN
(0≦X≦1)超格子構造を用いており、本実施例では
X=0としてGdN/GaN超格子30を用いている。
また図7で、図6のレーザダイオード7と同様な部分に
は同一の符号を付し、その説明を省略する。また、本実
施形態の発光ダイオード8またはレーザダイオード9の
作製に用いた結晶成長方法はMOCVD法であるが、窒
素ラジカルを用いたRF−MBEまたはECR(Ele
ctron Cyclotron Resonanc
e)−MBE法を用いても良い。また、実施例3の発光
ダイオードおよびレーザダイオードと同様にサファイア
基板21を用いているが、これ以外にSiC基板を用い
ても良い。
(Embodiment 4) FIG. 7 is a diagram showing a structure of a light emitting diode 8 and a laser diode 9 which are Embodiment 4 of the present invention. The light emitting layer or the active layer of the light emitting diode and the laser diode of the third embodiment is GaGdN, but in the light emitting diode 8 and the laser diode 9 of the present embodiment, the active layer is GdN / AlxGa1-xN.
A (0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure is used, and in this embodiment, GdN / GaN superlattice 30 is used with X = 0.
Further, in FIG. 7, the same parts as those of the laser diode 7 of FIG. 6 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. The crystal growth method used for manufacturing the light emitting diode 8 or the laser diode 9 of the present embodiment is MOCVD, but RF-MBE or ECR (Ele (Ele) using nitrogen radicals is used.
ctron Cyclotron Resonance
e) -MBE method may be used. Further, although the sapphire substrate 21 is used similarly to the light emitting diode and the laser diode of the third embodiment, a SiC substrate may be used instead.

【0050】GdN/GaN超格子30は、厚さ10n
mのGaN層と厚さXnmのGdN層とを積層して構成
した。また、GaN層とGdN層との積層数は20とし
た。
The GdN / GaN superlattice 30 has a thickness of 10 n.
The GaN layer of m and the GdN layer of X nm in thickness were laminated. The number of stacked GaN layers and GdN layers was 20.

【0051】図8は、GdN/GaN超格子30のGd
N層の層厚を変化させたときの発光ダイオード8および
レーザダイオード9の発光エネルギーを示す図である。
このように、発光ダイオード8およびレーザダイオード
9にGdN/GaN超格子30を用い、GdN層および
GaN層の比率を変えることによって発光(発振)波長
を変化させることが可能となる。
FIG. 8 shows the Gd of the GdN / GaN superlattice 30.
It is a figure which shows the light emission energy of the light emitting diode 8 and the laser diode 9 when changing the layer thickness of N layer.
As described above, the GdN / GaN superlattice 30 is used for the light emitting diode 8 and the laser diode 9, and the emission (oscillation) wavelength can be changed by changing the ratio of the GdN layer and the GaN layer.

【0052】活性層にGdN/GaN超格子30ではな
くInN/GaN超格子を用いる場合では、基板温度を
一定にして結晶を成長させることが困難であるが、Gd
Nを用いることによって良好な発光ダイオードおよびレ
ーザダイオードが得られる。また、本実施例ではチャネ
ル層にGdN/AlxGa1−xN(0≦X≦1)超格
子構造でX=0の場合であるGdN/GaN超格子30
を用いているが、上記Xを変化させることによって発光
波長を任意に変更することが可能であり、任意の発光波
長の発光ダイオードおよびレーザダイオードを作製する
ことが可能である。
When an InN / GaN superlattice is used for the active layer instead of the GdN / GaN superlattice 30, it is difficult to grow a crystal at a constant substrate temperature.
Good light emitting diodes and laser diodes can be obtained by using N. In this embodiment, the channel layer has a GdN / AlxGa1-xN (0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure where X = 0.
However, the emission wavelength can be arbitrarily changed by changing the X, and a light emitting diode and a laser diode having an arbitrary emission wavelength can be manufactured.

【0053】(実施例5)本実施例では、Gdを含む窒
化物系III−V族化合物半導体を用いた紫外光吸収フィ
ルターについて説明する。図9は、Gdを添加したAl
NのCLスペクトルを示す図である。図9を参照する
と、波長が320nm付近にAlN中のGd 3+に起因す
ると考えられる発光が確認されている。
(Embodiment 5) In this embodiment, nitrogen containing Gd is used.
Of ultraviolet light absorption using compound III-V compound semiconductor
Luther is explained. FIG. 9 shows Al containing Gd.
It is a figure which shows the CL spectrum of N. Refer to FIG.
And Gd in AlN near the wavelength of 320 nm 3+Due to
It has been confirmed that the luminescence is considered to be.

【0054】このような発光特性を用いることによっ
て、逆に320nm付近の紫外線を吸収することが可能
になる。つまり、Gdを含むAlNを紫外光吸収フィル
ターとして用いることができる。吸収波長をより長波長
側にシフトするには、たとえばAlNにGaを加えてい
けばよい。
On the contrary, by using such a light emission characteristic, it becomes possible to absorb ultraviolet rays in the vicinity of 320 nm. That is, AlN containing Gd can be used as an ultraviolet light absorption filter. To shift the absorption wavelength to the longer wavelength side, for example, Ga may be added to AlN.

【0055】(実施例6)本発明の半導体装置の製造方
法において、SiC基板の上にAlN層、その上にGa
N層を形成し、さらにその上にAlGaNに替わって窒
化物半導体をベースにした希薄磁性半導体GaGdN層
を、RF plasma−assisted mole
cular−beam epitaxy(RF−MB
E)にて成長させることができる。
(Embodiment 6) In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, an AlN layer is formed on a SiC substrate, and Ga is formed on the AlN layer.
An N layer is formed, and on top of that, a dilute magnetic semiconductor GaGdN layer based on a nitride semiconductor is used instead of AlGaN to form an RF plasma-assisted mole.
circular-beam epitaxy (RF-MB
It can be grown in E).

【0056】GaGdN層の組成を、例えばGa0.94
0.06Nで成長させたエピタキシャル膜について、図1
0に7K、図11に300KにおけるSQUID(su
perconducting quantum int
erface device)を用いて測定した磁界−
磁化特性(M−H特性)を示している。この測定におい
て、磁界はサンプルに平行である。
The composition of the GaGdN layer is, for example, Ga 0.94 G
Figure 1 shows an epitaxial film grown at d 0.06 N.
0 to 7K and FIG. 11 to 300K SQUID (su
perconducting quantum int
magnetic field measured using the surface device)
The magnetization characteristic (MH characteristic) is shown. In this measurement, the magnetic field is parallel to the sample.

【0057】図10、図11において、Gdと岩塩構造
をとるGaNはそれぞれキュリー温度307Kと72K
をもつ強磁性体であるが、希薄磁性半導体GaGdN三
元混晶については7K〜300Kの温度領域においてヒ
ステリシス特性が観察される。これはGa0.94Gd0.06
N三元混晶が両方の温度で強磁性であることを示してい
る。(300Kにおける飽和磁界強度は2テスラで保持
力は70エルステッドである。) 図12には、磁界強度0.1テスラにおける磁化の温度
依存性を示している。磁化は温度と共にゆっくりと減少
するが400Kにおいてもなお残っている。これは、G
0.94Gd0.06N三元混晶のキュリー温度が400K以
上であることを示しており、希土類添加した窒化物半導
体ベースのGa0.94Gd0.06N三元混晶が室温において
も強磁性であることを示している。さらに図12では、
Ga0.94Gd0.06N三元混晶の磁化は7Kから400K
まで温度の上昇と共に連続的に減少し、不連続な変化は
見られない。この結果は、強磁性特性が相分離のないひ
とつの磁性相、つまりGdとGdNによるものではな
く、GaGdN三元混晶の形成によるものであることを
示している。
In FIGS. 10 and 11, Gd and GaN having a rock salt structure have Curie temperatures of 307 K and 72 K, respectively.
Although it is a ferromagnetic substance having a magnetic field, a dilute magnetic semiconductor GaGdN ternary mixed crystal exhibits hysteresis characteristics in the temperature range of 7K to 300K. This is Ga 0.94 Gd 0.06
It is shown that the N ternary mixed crystal is ferromagnetic at both temperatures. (The saturation magnetic field strength at 300 K is 2 tesla and the coercive force is 70 oersted.) FIG. 12 shows the temperature dependence of the magnetization at a magnetic field strength of 0.1 tesla. The magnetization decreases slowly with temperature, but remains at 400K. This is G
This shows that the Curie temperature of a 0.94 Gd 0.06 N ternary mixed crystal is 400 K or higher, and that the Ga 0.94 Gd 0.06 N ternary mixed crystal based on a rare earth-added nitride semiconductor is ferromagnetic even at room temperature. Shows. Further in FIG.
The magnetization of Ga 0.94 Gd 0.06 N ternary mixed crystal is from 7K to 400K.
It continuously decreases with increasing temperature and no discontinuous change is observed. This result indicates that the ferromagnetic properties are not due to one magnetic phase without phase separation, that is, due to the formation of GaGdN ternary mixed crystal, rather than due to Gd and GdN.

【0058】このような強磁性特性は、光アイソレータ
への応用が可能であり、またGaGdN自身が紫外ある
いは青色領域で発光することから、紫外/青色領域にお
ける光アイソレータとしての応用が考えられる。あるい
はまた、GaGdN自身の発光特性と磁気特性を組み合
わせた新たな能動素子(たとえば自己発振/光アイソレ
ーティング素子など)が実現可能となる。
Such ferromagnetic properties can be applied to an optical isolator, and since GaGdN itself emits light in the ultraviolet or blue region, it can be considered to be applied as an optical isolator in the ultraviolet / blue region. Alternatively, it becomes possible to realize a new active element (for example, a self-oscillation / optical isolating element) that combines the light emission characteristic and the magnetic characteristic of GaGdN itself.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガドリニ
ウム(Gd)を窒化物系III−V族化合物半導体に添加
することによって、基板温度を一定にして窒化物系III
−V族化合物半導体装置を作製することができる。
As described above, according to the present invention, by adding gadolinium (Gd) to a nitride III-V compound semiconductor, the substrate temperature is kept constant and the nitride III is used.
A -V compound semiconductor device can be manufactured.

【0060】本発明によれば、ヘテロ接合電界効果型ト
ランジスタのチャネル層にGdを含む窒化物系III−V
族化合物半導体を用い、たとえば、GaNまたはAlG
aNとのヘテロ接合によってトランジスタを作製するこ
とで、基板温度を一定に保った状態でバンドギャップが
異なる半導体のヘテロ接合を作製できるので、優れた特
性を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタの作製が
可能となる。
According to the present invention, a nitride III-V containing Gd in the channel layer of a heterojunction field effect transistor.
Group compound semiconductor is used, for example, GaN or AlG
By manufacturing a transistor by a heterojunction with aN, it is possible to manufacture a heterojunction of semiconductors having different band gaps while keeping the substrate temperature constant, and thus it is possible to manufacture a heterojunction field effect transistor having excellent characteristics. Becomes

【0061】また本発明によれば、ヘテロ接合電界効果
型トランジスタのチャネル層におけるGdの組成を0%
よりも大きく30%以下、すなわちすなわちAlwGa
xInYGdZN,W+X+Y+Z=1,0<Z≦0.
3とすることによって、ウルツ鉱構造としての結晶性を
保つことができ、良好な結晶成長が可能となる。また、
Gdの組成を変化させることによって、ヘテロ接合電界
効果型トランジスタの特性を任意に変化させることがで
きる。
Further, according to the present invention, the composition of Gd in the channel layer of the heterojunction field effect transistor is 0%.
Greater than 30% or less, that is, AlwGa
xInYGdZN, W + X + Y + Z = 1,0 <Z ≦ 0.
When it is 3, crystallinity as a wurtzite structure can be maintained and good crystal growth can be achieved. Also,
The characteristics of the heterojunction field effect transistor can be arbitrarily changed by changing the composition of Gd.

【0062】また本発明によれば、ヘテロ接合電界効果
型トランジスタのチャネル層にGdN/AlxGa1−
xN(ただし、0≦X≦1)超格子構造を用い、各層厚
を任意に変更することによってチャネル層のバンドギャ
ップをGdNの値からGdN/AlxGa1−xN(た
だし、0≦X≦1)の値まで任意に変化させることが可
能になるので、任意の特性を有するトランジスタの作製
が可能となる。
Further, according to the present invention, GdN / AlxGa1- is formed in the channel layer of the heterojunction field effect transistor.
xN (where 0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure is used, and the bandgap of the channel layer is changed from the value of GdN to GdN / AlxGa1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1) by arbitrarily changing each layer thickness. Since the value can be changed arbitrarily, a transistor having arbitrary characteristics can be manufactured.

【0063】また本発明によれば、発光ダイオードの発
光層またはレーザダイオードの活性層にGdを含む窒化
物系III−V族化合物半導体を用いることによって、基
板温度を一定に保った状態で一連の結晶成長が可能とな
るので、優れた特性を有する発光ダイオードまたはレー
ザダイオードの作製が可能となる。
Further, according to the present invention, by using a nitride-based III-V group compound semiconductor containing Gd in the light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode, a series of films can be obtained while keeping the substrate temperature constant. Since the crystal can be grown, a light emitting diode or a laser diode having excellent characteristics can be manufactured.

【0064】また本発明によれば、発光ダイオードの発
光層またはレーザダイオードの活性層におけるGdの組
成を0%よりも大きく30%以下、すなわちAlwGa
xInYGdZN,W+X+Y+Z=1,0<Z≦0.
3とすることによって、ウルツ鉱構造としての結晶性を
保つことができ、良好な結晶成長が可能となる。また、
Gdの組成を変化させることによって、発光ダイオード
またはレーザダイオードの特性を任意に変化させること
ができる。
According to the present invention, the composition of Gd in the light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode is more than 0% and 30% or less, that is, AlwGa.
xInYGdZN, W + X + Y + Z = 1,0 <Z ≦ 0.
When it is 3, crystallinity as a wurtzite structure can be maintained and good crystal growth can be achieved. Also,
The characteristics of the light emitting diode or the laser diode can be arbitrarily changed by changing the composition of Gd.

【0065】また本発明によれば、前記発光ダイオード
またはレーザダイオードの活性層にGdN/AlxGa
1−xN(ただし、0≦X≦1)超格子構造を用いるこ
とで、発光波長をGdNによって決定される波長からG
dN/AlxGa1−xN(ただし、0≦X≦1)によ
って決定される波長まで任意に変化させることが可能に
なる。
According to the present invention, GdN / AlxGa is formed in the active layer of the light emitting diode or the laser diode.
By using a 1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1) superlattice structure, the emission wavelength is changed from the wavelength determined by GdN to G
It is possible to arbitrarily change the wavelength up to the wavelength determined by dN / AlxGa1-xN (where 0 ≦ X ≦ 1).

【0066】また本発明によれば、Gdを含む窒化物系
III−V族化合物半導体を波長変換器に用いることによ
って、特定の紫外線を吸収するフィルターを作製するこ
とが可能となる。
Further, according to the present invention, a nitride system containing Gd
By using the III-V group compound semiconductor in the wavelength converter, it becomes possible to fabricate a filter that absorbs specific ultraviolet rays.

【0067】また、本発明によれば、Gdを含む窒化物
系III−V族化合物半導体を光アイソレータに用いるこ
とによって、紫外/青色領域での光アイソレータを作製
することが可能となる。あるいはまた、GaGdN自身
の発光特性と磁気特性を組み合わせた新たな能動素子
(たとえば自己発振/光アイソレーティング素子など)
が実現可能となる。
Further, according to the present invention, by using a nitride III-V group compound semiconductor containing Gd for an optical isolator, it becomes possible to manufacture an optical isolator in the ultraviolet / blue region. Alternatively, a new active element (for example, a self-oscillation / optical isolating element) that combines the emission characteristics and magnetic characteristics of GaGdN itself.
Can be realized.

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

【図1】GaGdNの作製例を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of manufacturing GaGdN.

【図2】GaGdNのX線回折パターンを示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of GaGdN.

【図3】GaGdNのCLスペクトルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a CL spectrum of GaGdN.

【図4】本発明の実施例1であるヘテロ接合電界効果型
トランジスタ5の構造を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a heterojunction field effect transistor 5 that is Embodiment 1 of the present invention.

【図5】本発明の実施例2であるヘテロ接合電界効果型
トランジスタ6の構造を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a structure of a heterojunction field effect transistor 6 which is Embodiment 2 of the present invention.

【図6】本発明の実施例3であるレーザダイオード7の
構造を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a structure of a laser diode 7 that is Embodiment 3 of the present invention.

【図7】本発明の実施例4である発光ダイオード8およ
びレーザダイオード9の構造を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a light emitting diode 8 and a laser diode 9 which are Embodiment 4 of the present invention.

【図8】発光ダイオード8およびレーザダイオード9の
発光波長の層厚依存性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the layer thickness dependence of the emission wavelengths of the light emitting diode 8 and the laser diode 9.

【図9】Gdを添加したAlNのCLスペクトルを示す
図である。
FIG. 9 is a diagram showing a CL spectrum of AlN added with Gd.

【図10】SQUIDを用いて測定した7Kでの磁界−
磁化特性(M−H特性)を示す図である。
FIG. 10: Magnetic field at 7K measured using SQUID-
It is a figure which shows a magnetization characteristic (MH characteristic).

【図11】SQUIDを用いて測定した300Kでの磁
界−磁化特性(M−H特性)を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing magnetic field-magnetization characteristics (MH characteristics) at 300K measured using SQUID.

【図12】GaGdN三元混晶の磁化の温度依存性を示
す図である。
FIG. 12 is a diagram showing temperature dependence of magnetization of GaGdN ternary mixed crystal.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11 半絶縁性(0001)Si面SiC基板 2、12 AlNエピタキシャルバッファ層 3、13 GaNエピタキシャルバッファ層 4、14 Ga0.9Gd0.1Nチャネル層 15 Al0.2Ga0.8Nバリア層 16 ソース電極/ドレイン電極 17 ケ゛ート電極 18、30 GdN/GaN超格子 21 サファイアc面基板 22 AlNバッファ層 23 n−GaN層 24 n−Al0.2Ga0.8N障壁層 25 Ga0.7Gd0.3N活性層 26 p−Al0.2Ga0.8N障壁層 27 p−GaNギャップ層1, 11 Semi-insulating (0001) Si-face SiC substrate 2, 12 AlN epitaxial buffer layer 3, 13 GaN epitaxial buffer layer 4, 14 Ga 0.9 Gd 0.1 N channel layer 15 Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 16 source electrode / drain Electrode 17 Gate electrode 18, 30 GdN / GaN superlattice 21 Sapphire c-plane substrate 22 AlN buffer layer 23 n-GaN layer 24 n-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 25 Ga 0.7 Gd 0.3 N active layer 26 p-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 27 p-GaN gap 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) H01L 33/00 H01S 5/343 610 Fターム(参考) 2H048 CA05 CA13 CA17 5F041 AA11 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F045 AA04 AA05 AB09 AB17 BB08 CA06 CA10 CA12 5F073 AA73 CA07 CB05 DA05 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GK04 GK08 GL04 GL08 GM04 GQ01 GS01 GT01 HC01 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 33/00 H01S 5/343 610 F term (reference) 2H048 CA05 CA13 CA17 5F041 AA11 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F045 AA04 AA05 AB09 AB17 BB08 CA06 CA10 CA12 5F073 AA73 CA07 CB05 DA05 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GK04 GK08 GL04 GL08 GM04 GQ01 GS01 GT01 HC01

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガドリニウムを含む窒化物系III−V族
化合物半導体を有することを特徴とする窒化物系III−
V族化合物半導体装置。
1. A nitride-based III-V compound having a nitride-based III-V group compound semiconductor containing gadolinium.
Group V compound semiconductor device.
【請求項2】 前記窒化物系III−V族化合物半導体装
置は、ヘテロ接合電界効果型トランジスタであることを
特徴とする請求項1記載の窒化物III−V族化合物半導
体装置。
2. The nitride III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride III-V compound semiconductor device is a heterojunction field effect transistor.
【請求項3】 前記ヘテロ接合電界効果型トランジスタ
のチャネル層にガドリニウムを含む窒化物系III−V族
化合物半導体を用いることを特徴とする請求項2記載の
窒化物系III−V族化合物半導体装置。
3. The nitride III-V compound semiconductor device according to claim 2, wherein a nitride III-V compound semiconductor containing gadolinium is used for a channel layer of the heterojunction field effect transistor. .
【請求項4】 チャネル層におけるGdの組成が0%よ
りも大きく30%以下であることを特徴とする請求項3
記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置。
4. The composition of Gd in the channel layer is more than 0% and 30% or less.
The nitride-based III-V compound semiconductor device described.
【請求項5】 前記ヘテロ接合電界効果型トランジスタ
のチャネル層にGdN/AlxGa1-xN(0≦X≦1)
超格子構造を用いることを特徴とする請求項2記載の窒
化物系III−V族化合物半導体装置。
5. A GdN / AlxGa1-xN (0≤X≤1) is formed in a channel layer of the heterojunction field effect transistor.
3. The nitride-based III-V group compound semiconductor device according to claim 2, wherein a superlattice structure is used.
【請求項6】 前記窒化物系III−V族化合物半導体装
置は、発光ダイオードまたはレーザダイオードであるこ
とを特徴とする請求項1記載の窒化物III-V族化合物半
導体装置。
6. The nitride III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride III-V compound semiconductor device is a light emitting diode or a laser diode.
【請求項7】 前記発光ダイオードの発光層またはレー
ザダイオードの活性層にGdを含む窒化物系III−V族
化合物半導体を用いることを特徴とする請求項6記載の
窒化物系III−V族化合物半導体装置。
7. The nitride-based III-V group compound according to claim 6, wherein a nitride-based III-V group compound semiconductor containing Gd is used for the light-emitting layer of the light-emitting diode or the active layer of the laser diode. Semiconductor device.
【請求項8】 発光層または活性層におけるガドリニウ
ムの組成が0%よりも大きく30%以下であることを特
徴とする請求項7記載の窒化物系III−V族化合物半導
体装置。
8. The nitride-based III-V group compound semiconductor device according to claim 7, wherein the composition of gadolinium in the light emitting layer or the active layer is more than 0% and 30% or less.
【請求項9】 前記発光ダイオードの発光層またはレー
ザダイオードの活性層にGdN/AlxGa1-xN(0
≦X≦1)超格子構造を用いることを特徴とする請求項
6記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置。
9. The light emitting layer of the light emitting diode or the active layer of the laser diode is GdN / AlxGa1-xN (0
≦ X ≦ 1) The nitride-based III-V group compound semiconductor device according to claim 6, wherein a superlattice structure is used.
【請求項10】 前記窒化物系III-V族化合物半導体装
置は、紫外光吸収フィルターであることを特徴とする請
求項1記載の窒化物系III−V族化合物半導体装置。
10. The nitride-based III-V group compound semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride-based III-V group compound semiconductor device is an ultraviolet absorption filter.
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