JP2004363382A - Oxide semiconductor light-emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents

Oxide semiconductor light-emitting element and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide semiconductor light-emitting element capable of improving light-emitting efficiency and reliability, and to provide a manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: A main body 100 has an n-type ZnO single crystal substrate 101, an n-type Mg<SB>0.1</SB>Zn<SB>0.9</SB>O cladding layer 102, a non-doped quantum well light-emitting layer 103, a p-type Mg<SB>0.1</SB>Zn<SB>0.9</SB>O cladding layer 104, a p-type ZnO contact layer 105, and a p-type ohmic electrode 106. An Mn-doped Zn<SB>2</SB>SiO<SB>4</SB>phosphor 109 is deposited on the top surface of the main body 100. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発光ダイオード素子などの発光素子およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、酸化物半導体からの発光を波長変換して発光する蛍光体を備えた酸化物半導体発光素子およその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)素子は省電力性と信頼性に優れ、そのため種々のインジケータや光源として広く利用されている。近年、化合物半導体を用いたLEDの性能向上は目ざましいものがあり、1cdを超える超高輝度LEDが次々に開発された。これによって、RGBの三原色を利用した高輝度・高精細・大面積の多色ディスプレイが実用化されている。
【0003】
一方、多色化を実現する手法としては、RGBの個々のLEDチップを用いて混色させる手法の他に、LEDからの発光を蛍光体で色変換させる手法がある。このLEDからの発光を蛍光体で色変換させる手法は極めて簡便で低コストな多色発光素子を実現出来る。上記蛍光体を励起するLEDとしては、青〜紫外の発光を実現出来るワイドギャップ半導体を用いたLEDが適しており、多色化に必要な青〜赤色の発光を得ることが出来る。
【0004】
上記蛍光体を有する超高輝度LEDを用いた多色ディスプレイは、厳しい駆動環境化で長期の信頼性を確保しなければならない。しかし、上記蛍光体は、水分による還元腐食が生じやすく、また、LEDからの発熱による温度上昇によって劣化しやすいという問題を有する。
【0005】
この問題を解決するため、高エネルギバンドギャップを有する発光層を備えた窒化ガリウム系の本体と、フォトルミネセンス蛍光体であるセリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を添加したモールド材とを組み合せた多色LEDが考案され、特許第2927279号(特許文献1)において開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特許2927279号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記多色LEDには、以下の第1,第2の理由により、発光効率と信頼性において未だ十分ではないという問題がある。
【0008】
第1の理由は、蛍光体励起光源となる窒化ガリウム系LEDの量子効率が低いことにある。すなわち、窒化ガリウム系LEDは不純物準位を介したバンド間遷移を用いており、多重量子井戸構造の発光層を用いても量子効率は十数%程度である。更に、発光強度を上げるためにキャリアを高注入すると、発光強度は飽和傾向を示す。したがって、窒化ガリウム系LEDの温度が駆動中に上昇するので、蛍光体が劣化して、発光効率の低下や色ずれが生じる。
【0009】
第2の理由は、蛍光体をモールド材に添加している点にある。すなわち、窒化ガリウム系LEDの本体からの発光が蛍光体を励起するまでに、モールド材中で散乱吸収を受け、更に波長変換された発光も同様の損失を受けるため、外部へ取り出される発光の効率は、蛍光体を添加しないモールド材に比べ大きく低下してしまう。特に、モールド材中に拡散剤などが添加されていると、光取り出し効率は一層低下する。更に、モールド材に蛍光体を添加すると、温度、水分および紫外線などに対するモールド材の耐性が劣化してしまう。
【0010】
そこで、本発明の目的は、発光効率および信頼性を向上出来る酸化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高い量子効率を有する励起源LEDと、環境耐性に優れた蛍光体およびこれらの組み合わせや素子構造について鋭意検討した結果、ZnO系発光素子を励起光源に用い、主表面に蛍光体を被覆することによって上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【0012】
本明細書中において、「ZnO系半導体」とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0013】
本発明の酸化物半導体発光素子は、ZnO系半導体から成る本体と、上記本体の上面と上記本体の側面とから成る主表面の少なくとも一部を被覆する蛍光体と、上記本体の上面上に形成された電極とを備えたことを特徴としている。
【0014】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、ZnO系半導体を用いた発光素子は発光効率が高い励起子遷移を利用出来るため、III族窒化物半導体を用いた発光素子に比べて消費電力が低い。このため、上記ZnO系半導体から成る本体は発熱が少ないので、熱による蛍光体の劣化が少ない。その結果、発光効率および信頼性に優れた省電力の酸化物半導体発光素子を得ることが出来る。
【0015】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記本体は、基板上に積層された第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層を有する。
【0016】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第1導電型クラッド層、と第2導電型クラッド層とで活性層を挟んでいるので、発光効率を高めることができる。
【0017】
なお、上記「活性層」は、発光ダイオード素子の場合には「発光層」と称されるが、発光を司る層という意味において同義であるので、以下においては特に区別しない。
【0018】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記蛍光体は、上記主表面において上記電極が形成された領域以外の全ての領域を被覆している。
【0019】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、通常、上記本体の側面は光取り出し効率の高い箇所である。したがって、上記本体の側面も蛍光体で被覆することにより、蛍光体による色変換効率を向上させることが出来る。
【0020】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記蛍光体は上記主表面に直接接触している。
【0021】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記蛍光体が主表面に直接接触しているので、蛍光体の色変換効率を更に向上させることができる。
【0022】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記本体と上記蛍光体との間に中間層が形成されている。
【0023】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記本体が発した熱は中間層介して蛍光体に伝わるので、本体から蛍光体への熱伝導が緩和される。したがって、上記蛍光体がより劣化し難くなり、蛍光体の寿命を更に向上出来る。
【0024】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記中間層は酸化物絶縁体を含む。
【0025】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記酸化物絶縁体は同じ酸化物であるZnO系半導体との親和性に優れる。したがって、上記中間層が酸化物絶縁体を含むことにより、中間層と本体との界面における欠陥などを極めて少なく出来る。
【0026】
また、上記上記中間層が酸化物絶縁体を含む場合、本体から蛍光体への電流リークが抑止されるので、蛍光体の寿命を更に向上出来る。
【0027】
更に、上記酸化物絶縁体は本体からの発光を吸収しないので、蛍光体の励起効率が低下するのを阻止出来る。
【0028】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記酸化物絶縁体は、Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物のうちの少なくとも1つを含む。
【0029】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記中間層が非晶質もしくは単結晶であれば、非晶質や単結晶は結晶粒界を含まないので、中間層における欠陥の増殖を抑えることが出来る。したがって、上記Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物は、非晶質もしくは単結晶構造を取り易いので好ましい。
【0030】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記蛍光体は、発光中心にすべき添加物を添加した亜鉛酸化物を含む。
【0031】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記蛍光体が亜鉛酸化物を含む場合、蛍光体とZnO系半導体との親和性を向上できる。したがって、上記蛍光体に亜鉛酸化物を含めることにより、蛍光体における欠陥の増殖などを抑制出来る。
【0032】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記亜鉛酸化物は、ZnO、ZnSiO、ZnGaおよびZnWOのうちの少なくとも1つを含み、上記添加物は、Zn、Mn、CrおよびTiのうちの少なくとも1つを含む。
【0033】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記蛍光体が含む亜鉛酸化物がZnO、ZnSiO、ZnGaおよびZnWOのうちの少なくとも1つを含むと共に、亜鉛酸化物がZn、Mn、CrおよびTiのうちの少なくとも1つを含むので、赤〜青色を高い効率で発光出来る。
【0034】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記本体を封止する封止樹脂には蛍光体が添加されていない。
【0035】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記本体を封止樹脂で封止するので、蛍光体を外気から保護出来る。
【0036】
また、上記封止樹脂中に蛍光体が添加されていないので、本体の発光が封止樹脂で散乱吸収されず、発光強度が低下するのを阻止出来る。
【0037】
また、上記封止樹脂中に蛍光体が添加されていないので、環境に及ぼす悪影響を低減出来る。つまり、耐環境性が向上する。
【0038】
また、本発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記酸化物半導体発光素子の製造方法であって、上記本体を形成した成膜装置内で、上記本体の形成と連続して上記蛍光体を形成することを特徴としている。
【0039】
上記構成の酸化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記本体から蛍光体までの形成を同一成膜装置内で連続して行うことにより、還元腐食の要因となる水分が蛍光体に付着するのを防ぐことが出来る。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0041】
(実施形態1)
本実施形態1では、ZnO系発光ダイオード素子に本発明を適用した一例について説明する。
【0042】
図1に、本実施形態1のZnO系発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【0043】
上記発光ダイオード素子は、亜鉛面を主面とするn型ZnO単結晶基板101上に、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層102、ノンドープ量子井戸発光層103、Nを5×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層104、Nを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層105がこの順で積層されている。
【0044】
本実施形態1では、n型ZnO単結晶基板101が基板の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層102が第1導電型クラッド層の一例に、量子井戸発光層103が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層104が第2導電型クラッド層の一例にそれぞれ相当する。
【0045】
上記量子井戸発光層103は、厚さ5nmのZnO井戸層と、厚さ4nmのMg0.05Zn0.95O障壁層との交互積層より構成されている。上記ZnO井戸層は7層ある一方、Mg0.05Zn0.95O障壁層は8層ある。
【0046】
上記p型ZnOコンタクト層105の主表面の全面上には、Niから成る厚さ15nmの透光性p型オーミック電極106を形成している。また、上記p型オーミック電極106上には、電極の一例としての厚さ100nmのボンディング用Auパッド電極107がp型オーミック電極106より小さい面積で形成されている。
【0047】
また、上記n型ZnO単結晶基板101の裏面にはn型オーミック電極108として厚さ100nmのAlが積層されている。
【0048】
本実施形態1の発光ダイオード素子の本体100は、n型ZnO単結晶基板101、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層102、ノンドープ量子井戸発光層103、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層104、p型ZnOコンタクト層105およびp型オーミック電極106を有する。このp型オーミック電極106のパッド電極107側の表面は、本体100の上面となる。
【0049】
上記本体100の上面上には、蛍光体の一例としての厚さ500nmのMn添加ZnSiO蛍光体109を堆積している。つまり、発光中心にすべき添加物の一例としてのMnを亜鉛酸化物の一例としてのZnSiOに添加して得た蛍光体109で本体100の上面を被覆している。また、上記蛍光体109は、本体100の上面においてパッド電極107が形成された領域以外の領域上に形成されている。このため、上記パッド電極107はMn添加ZnSiO蛍光体109によって被覆されていない。
【0050】
本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いたMBE(分子線エピタキシ)法、レーザMBE法、MOCVD(有機金属気相成長)法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態1の発光ダイオード素子は、図2に示す成膜装置の一例としてのレーザMBE装置で形成した。
【0051】
上記レーザMBE装置は超高真空に排気可能な成長室201を備えている。この成長室201内の上部には、基板203を保持する基板ホルダ202が配置されている。また、上記基板ホルダ202の上方には、基板ホル202の裏面(基板203とは反対側の表面)を加熱するヒータ204を配置している。一方、上記基板ホルダ202の直下には、基板ホルダ202と適当な距離を置いてターゲットテーブル205を配置している。このターゲットテーブル205は、複数の原料ターゲット206を搭載出来る。この原料ターゲット206に照射するパルスレーザ光208が通過するビューポート207が、成長室201の一方の側壁に設けられている。そして、上記成長室201の他方の側壁には、ガス導入管213に接続されたラジカルセル209と、遮蔽マスク211を駆動する駆動部212とを設けている。上記遮蔽マスク211は、基板203とターゲットテーブル205との間に位置して基板203の所定の領域を覆うことが出来る。また、上記成長室201の他方の側壁を複数のガス導入管210(図2では1つのみ図示している)が貫通していて、このガス導入管210を通して成長室201内にガスが導入される。なお、図示しないが、上記ターゲットテーブル205は回転機構を有している。
【0052】
上記構成のレーザMBE装置が結晶成長を行う場合は、まず、上記基板ホルダ202の裏面をヒータ204で加熱する。これにより、上記基板ホルダ202の熱が基板203に伝わり、基板203が加熱される。
【0053】
次に、上記ビューポート207を通してパルスレーザ光208を原料ターゲット206に照射する。すると、上記原料ターゲッ206の原料が瞬時に蒸発して基板203上に堆積する。この結果、上記基板203上にその原料から成る薄膜が成長する。
【0054】
上記レーザMBE装置による結晶成長時において、ターゲットテーブル205を回転機構で回転すると共に、パルスレーザ光208の照射シーケンスに同期してその回転を制御することにより、異なる原料ターゲット206の原料を基板203上に積層することが可能である。
【0055】
また、上記ラジカルセル209によって活性化された原子状ビームを基板203に照射することも可能である。
【0056】
また、上記レーザMBE装置による結晶成長は、原料ターゲット206の組成と、基板203上に得られる薄膜の組成とのずれが小さく、また、ZnGaなどの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので好ましい。
【0057】
以下、図3(a),(b)および図4(c),(d)を用いて、本実施形態1の発光ダイオード素子の製造方法について説明する。
【0058】
まず、洗浄処理したZnO基板101をレーザMBE装置200に導入し、温度600℃で30分間加熱し清浄化する。
【0059】
次に、基板温度を500℃に降温し、原料ターゲット206とを原料ターゲット206とし、回転機構によるターゲットテーブル205の駆動周期とKrFエキシマレーザのパルス照射周期とを外部制御装置(図示しない)によって同期させる。そして、所望のMg組成比およびGaドーピング濃度が得られる比率で2つの原料ターゲット206を交互にレーザアブレーションして、図3(a)に示すように、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層102を成長させる。
【0060】
上記KrFエキシマレーザは、波長が248nm、パルス数が10Hz、出力が1J/cmのものである。なお、上記n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層102の成長中にはガス導入管210によりOガスを成長室201内に導入する。
【0061】
次に、ノンドープZnO単結晶とMgZnO焼結体とを原料ターゲット206として交互にレーザアブレーションして、ZnO井戸層とMg0.05Zn0.95O障壁層とより成る量子井戸発光層103を成長させる。
【0062】
次に、上記ガス導入管213より導入したNガスをラジカルセル209でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶とノンドープMgZnO焼結体とを原料ターゲット206として交互にレーザアブレーションして、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層104を成長させる。
【0063】
次に、ガス導入管213より導入したNガスをラジカルセル209でプラズマ化して照射しながら、ノンドープZnO単結晶を原料ターゲット206としてレーザアブレーションして、p型ZnOコンタクト層105を成長させる。
【0064】
次に、OガスおよびNガスの導入を停止し、成長室201内の圧力を1×10−4Paに調整し、Niタブレットを原料ターゲット206としてレーザアブレーションして、p型オーミック電極106を形成する。
【0065】
次に、上記ガス導入管210よりOガスを再度導入し、Mn添加ZnSiO焼結体を原料ターゲット206としてレーザアブレーションして、ZnSiO:Mn蛍光体109を形成するためのZnSiO:Mn層1109を堆積する。
【0066】
次に、上記ZnO基板101をレーザMBE装置から取り出し、ZnSiO:Mn層1109上に、図3(b)に示すようなレジストマスク110を形成した後、エッチング加工を行う。これにより、直径100μmの開口を有するZnSiO:Mn蛍光体109が得られる。このZnSiO:Mn蛍光体109の開口からはオーミック電極106が露出している。
【0067】
次に、上記ZnSiO:Mn蛍光体109の開口を埋めるように、図4(c)に示すように、パッド電極107を形成するためのAu層1107を真空蒸着法によって形成する。
【0068】
次に、上記レジストマスク110上に堆積したAu層1107を、レジストマスク110ごとリフトオフして除去すると、図4(d)に示すようなパッド電極107が得られる。
【0069】
最後に、上記ZnO基板101の裏面に、真空蒸着法によってAlを蒸着して、n型オーミック電極108を形成した後、ZnO基板101をチップ状に分離すると本実施形態1の発光ダイオード素子が得られる。
【0070】
上記発光ダイオード素子をリードフレームに取り付け、パッド電極107に配線を行った後、蛍光体および拡散剤を含まないエポキシ製モールド樹脂で発光ダイオード素子を封止して発光させたところ、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られた。このとき、上記発光ダイオード素子において、4mWの光出力を得るための動作電流は10mAであった。また、上記発光ダイオード素子を4mWの光出力で連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は100000時間であった。
【0071】
比較例1として、InGaN量子井戸発光層を用いたIII族窒化物発光ダイオード素子の本体の上面に本実施形態1と同様にZnSiO:Mn蛍光体を堆積させて発光ダイオード素子を作製した。この比較例1のIII族窒化物発光ダイオード素子を発光させたところ、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られたが、4mWの光出力を得るための動作電流は20mAであった。また、上記比較例1のIII族窒化物発光ダイオード素子において、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は10000時間であった。
【0072】
本実施形態1のZnO系発光ダイオード素子が、比較例1のIII族窒化物発光ダイオード素子より信頼性が優れている理由は、発光効率と省電力性とに優れるため、駆動時の温度上昇が少なく、蛍光体の劣化が抑止されたためと考えられる。
【0073】
すなわち、ZnO系半導体は、60meVの強い励起子結合エネルギを有し、室温で励起子遷移を利用した高効率な発光を生ぜしめることが可能であるのに対し、III族窒化物半導体は、励起子結合エネルギが24meVしかないので、室温における発光への寄与は小さく、十分な光出力を得るまでに励起子が解離してしまい、発光効率に劣る不純物準位を介したバンド間遷移が主となるためである。
【0074】
図5に、本実施形態の発光ダイオード素子について、ZnSiO:Mn蛍光体109の堆積膜厚を変化させた場合の発光スペクトルを示す。
【0075】
発光波長500nmではZnSiO:Mn蛍光体109からの黄色発光が主になるが、発光波長50nm程度ではZnO発光層からの光が透過し、黄色発光と混色されるため、白色発光を得ることが出来る。一方、蛍光体層厚が5nm以下では蛍光体109からの発光が弱すぎ、ZnO発光層(量子井戸発光層103)からの紫外光が主となるので、蛍光体層厚が5nmを越えることが好ましい。また、蛍光体層厚が10μm以下だと、蛍光体層を均一に発光させることが出来ると共に、製造コストを抑えることが出来るので好ましい。
【0076】
比較例2として、上記蛍光体109をZnS:Tbで構成した発光ダイオード素子を作製した。この比較例2の発光ダイオード素子では、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られたが、4mWの光出力を得るための動作電流が12mAであった。また、上記比較例2の発光ダイオード素子において、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は50000時間であった。
【0077】
ZnS系蛍光体に比べ、本実施形態1のZnO系蛍光体は、発光ダイオード素子の本体100と同じ亜鉛酸化物から成っているので、本体100の表面に直接堆積させても親和性が高く、剥れや劣化を生じにくい。このようなZnO系蛍光体の母体材料には、本実施形態1で用いたZnSiOの他に、ZnGa、ZnWOおよびZnOなどを用いることが出来る。また、上記ZnO系蛍光体の母体材料に添加する添加物としては、Zn、Mn、CrおよびTiなどを用いることが出来る。
【0078】
比較例3として、ZnSiO:Mn蛍光体109をZnO系発光ダイオード素子の本体100の表面上に堆積させないで、エポキシ製モールド樹脂中にZnSiO:Mn蛍光体を分散させて発光ダイオード素子を作製した。この比較例3の発光ダイオード素子では、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られたが、4mWの光出力を得るための動作電流が24mAであった。また、上記比較例3の発光ダイオード素子において、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は5000時間であった。
【0079】
上記比較例3の発光ダイオード素子では、発光、および、励起された蛍光のいずれもがモールド樹脂中で散乱吸収を受け、発光効率が大きく低下する。このため、上記比較例3の発光ダイオード素子は、一定光出力で駆動すると、本実施形態1の発光ダイオード素子に比べて温度上昇が大きくなる。その結果、上記比較例3の発光ダイオード素子は短時間で劣化したものと考えられる。
【0080】
比較例4として、p型オーミック電極106を形成した後にZnO基板101をレーザMBE装置から取り出し、別のスパッタ装置(図示しない)にてZnSiO:Mn蛍光体109を形成して発光ダイオード素子を作製した。この比較例4の発光ダイオード素子は、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られたが、4mWの光出力を得るための動作電流が12mAであった。また、上記比較例4の発光ダイオード素子において、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は30000時間であった。
【0081】
上記比較例4の発光ダイオード素子では、蛍光体109を堆積する前にレーザMBE装置からZnO基板101を取り出したため、樹脂封止するまでの製造プロセスにおいて本体の表面に吸着した水分が蛍光体109を劣化させ、発光に伴う発熱などにより蛍光体109の劣化が増殖する。その結果、上記比較例4の発光ダイオード素子が本実施形態1の発光ダイオード素子より短時間で劣化したものと考えられる。
【0082】
本実施形態1の発光ダイオード素子は、蛍光体109を堆積するまで本体100を外気に晒していないので、還元雰囲気から蛍光体が保護され、寿命が向上したと考えられる。
【0083】
なお、本実施形態1の製造方法では、所望のMg組成およびGaドーピング濃度を、ZnO単結晶およびGaドープMgZnO焼結体の2つの原料ターゲット206を交互にレーザアブレーションして制御したが、ZnO単結晶、ノンドープMgZnO焼結体およびGaドープZnO焼結体の3つの原料ターゲット206を打ち分けるなどの方法で制御してもよい。
【0084】
また、MgZnO焼結体を用いずに、ZnO単結晶とMgO単結晶とを交互にレーザアブレーションして、所望組成のMgZnO混晶を得てもよい。
【0085】
また、Ga添加焼結体を用いずに、蒸発セルを用いて金属Gaをドーピングしてもよい。
【0086】
更に、上記パッド電極107の原料であるAuおよびn型オーミック電極108の原料であるAlは、p型オーミック電極106や蛍光体109と同様にレーザMBE装置で形成してもよい。
【0087】
(実施形態2)
図6に、本実施形態2の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。
【0088】
上記発光ダイオード素子は、本体300の上面(p型オーミック電極306の上面)を蛍光体の一例としてのZnSiO:Mn蛍光体309で被覆すると共に、基板の一例としてのn型ZnO単結晶基板301の側面を除く本体300の側面をZnSiO:Mn蛍光体309で被覆した他は、上記実施形態1と同様にして作製した。
【0089】
上記ZnSiO:Mn蛍光体309は、露出したn型ZnO単結晶基板301の上面も被覆している。また、上記ZnSiO:Mn蛍光体309は、電極の一例としてのボンディング用Auパッド電極307上には形成していない。
【0090】
なお、図6の参照番号に関して、302は第1導電型クラッド層の一例としてのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層、303は活性層の一例としてのノンドープ量子井戸発光層、304は第2導電型クラッド層の一例としてのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層、305は第2導電型コンタクト層の一例としてのp型ZnOコンタクト層、308はn型オーミック電極である。
【0091】
以下、図7(a),(b)および図8(c)〜(e)を用いて、本実施形態3の発光ダイオード素子の製造方法について説明する。
【0092】
まず、洗浄処理したZnO基板301を図2のレーザMBE装置に導入し、温度600℃で30分間加熱し清浄化する。
【0093】
次に、図9に示すように、300μm角の開口311aを50μm間隔で複数有する遮蔽マスク311を、ZnO基板303と原料ターゲット206との間に配置する。この遮蔽マスク311を介して結晶成長が行われるので、発光ダイオード素子はZnO基板303上で300μm角に選択形成される。
【0094】
次に、上記実施形態1と同様にして、図7(a)に示すように、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層302からp型オーミック電極306を形成する。
【0095】
次に、上記遮蔽マスク311をZnO基板301直下から移動させて、図7(b)に示すように、ZnSiO:Mn蛍光体309を形成するためのZnSiO:Mn層1309を全面に堆積する。
【0096】
その後は、上記実施形態1と同じ手法を行う。つまり、図8(c)に示すようなレジストマスク310を用いて、直径100μmの開口を有するZnSiO:Mn蛍光体309を形成した後、図8(d)に示すようなパッド電極307を形成し、更に、図8(e)に示すようなn型オーミック電極308を形成している。
【0097】
最後に、上記ZnO基板301をチップ状に分離すると、本実施形態2の発光ダイオード素子が得られる。
【0098】
上記発光ダイオード素子をリードフレームに取り付け、パッド電極307に配線を行った後、蛍光体および拡散剤を含まないエポキシ製モールド樹脂で発光ダイオード素子を封止する。この状態で上記発光ダイオード素子を発光させたところ、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られ、4mWの光出力を得るための動作電流は7.5mAであった。また、上記発光ダイオード素子において、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は200000時間であった。
【0099】
本実施形態2の発光ダイオード素子は、光取り出し効率の高い素子側面にもZnSiO:Mn蛍光体109が堆積されているので、上記実施形態1の発光ダイオード素子よりも蛍光発光の効率が向上して、動作電流および素子寿命が改善された。
【0100】
(実施形態3)
図10に、本実施形態の発光ダイオード素子の模式断面図を示す。なお、図10において、図6に示した構成部と同一構成部については、図6における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【0101】
本実施形態3の発光ダイオード素子は、蛍光体の一例としてのZnSiO:Mn蛍光体409と本体300との間に、MgOから成るMgO中間層410を形成した他は、上記実施形態2と同様にして作製した。
【0102】
本実施形態3の発光ダイオード素子をリードフレームに取り付け、パッド電極307に配線を行った後、蛍光体および拡散剤を含まないエポキシ製モールド樹脂で封止する。この状態で上記発光ダイオード素子を発光させたところ、発光ピーク波長550nmの黄色発光が得られ、4mWの光出力を得るための動作電流は5mAであった。また、光出力4mWで連続駆動させたところ、発光強度が20%低下するまでに要した駆動時間は500000時間であった。
【0103】
本実施形態3のMgO中間層410は、本体300と蛍光体409との密着性を向上させ、無効電流が本体300から蛍光体へ流れるのを抑止する働きを有する。したがって、本実施形態3の発光ダイオード素子は、発光効率および蛍光体の寿命が飛躍的に向上する。
【0104】
このような働きを有する中間層としては、発光ダイオード素子と同じ酸化物であることが好ましく、発光を吸収せずに発光ダイオード素子と蛍光体とを電気的に分離出来る絶縁体であることが好ましい。更に、中間層自体が信頼性に優れるためには、結晶粒界を含まない非晶質あるいは単結晶であることが好ましい。このような中間層としては、本実施形態3のMg以外に、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物の少なくとも1つを含むことが好ましい。
【0105】
上記実施の形態1〜3では、基板上に、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、p型コンタクト層およびp型オーミック電極をこの順で積層して発光ダイオード素子を得たが、基板上に、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層、n型コンタクト層およびn型オーミック電極をこの順で積層して発光ダイオード素子を得てもよい。つまり、上記実施形態1〜3の発光ダイオード素子において、n型の層をp型の層に変更すると共に、p型の層をn型の層に変更してもよい。
【0106】
また、本発明を半導体レーザ素子に適用してもよいのは言うまでもない。
【0107】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、本体がZnO系半導体から成るので、本体からの発熱が少なく、本体の主表面の少なくとも一部を被覆する蛍光体の劣化が生じにくい。したがって、発光効率および省電力性を向上出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施形態1の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図2】図2は上記発光ダイオード素子の製造に用いるレーザMBE装置の概略構成図である。
【図3】図3(a),(b)は上記発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図4】図4(c),(d)は上記発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図5】図5は上記発光ダイオード素子について蛍光体の堆積膜厚を変化させた場合の発光スペクトルを示す図である。
【図6】図6は本発明の実施形態2の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図7】図7(a),(b)は上記実施形態2の発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図8】図8(c)〜(e)は上記実施形態2の発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図9】図9は上記実施形態2の発光ダイオード素子の製造で用いる遮蔽マスクの概略上面図である。
【図10】図10は本発明の実施形態3の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【符号の説明】
100,300 本体
101,301 n型ZnO単結晶基板
102,302 n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層
103,303 量子井戸発光層
104,304 p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層
105,305 p型ZnOコンタクト層
107,307 ボンディング用Auパッド電極
109,309,409 Mn添加ZnSiO蛍光体
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light-emitting device such as a light-emitting diode device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting device including a phosphor that emits light by converting the wavelength of light emitted from an oxide semiconductor. .
[0002]
[Prior art]
LED (Light Emitting Diode) elements are excellent in power saving and reliability, and are therefore widely used as various indicators and light sources. In recent years, the performance improvement of LEDs using compound semiconductors has been remarkable, and ultra-high-brightness LEDs exceeding 1 cd have been developed one after another. As a result, a high-luminance, high-definition, large-area multicolor display using the three primary colors of RGB has been put to practical use.
[0003]
On the other hand, as a method of realizing multicolor, there is a method of performing color conversion of light emitted from an LED using a phosphor, in addition to a method of mixing colors using individual LED chips of RGB. The method of converting the color of light emitted from the LED by the fluorescent material can realize a very simple and low-cost multicolor light emitting device. As the LED for exciting the phosphor, an LED using a wide-gap semiconductor capable of emitting blue to ultraviolet light is suitable, and blue to red light required for multicoloring can be obtained.
[0004]
A multicolor display using an ultra-high-brightness LED having the above-described phosphor must secure long-term reliability under a severe driving environment. However, there is a problem that the phosphor is liable to undergo reduction corrosion due to moisture, and is likely to be deteriorated due to a temperature rise due to heat generated from the LED.
[0005]
In order to solve this problem, a mold material containing a gallium nitride-based body provided with a light-emitting layer having a high energy band gap, and a yttrium-aluminum-garnet-based phosphor activated with cerium, which is a photoluminescence phosphor A multicolor LED combining the above is devised and disclosed in Japanese Patent No. 2927279 (Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2927279
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the multicolor LED has a problem that the luminous efficiency and the reliability are not yet sufficient for the following first and second reasons.
[0008]
The first reason is that the gallium nitride LED used as a phosphor excitation light source has low quantum efficiency. That is, the gallium nitride-based LED uses an interband transition via an impurity level, and the quantum efficiency is about ten and several percent even when a light emitting layer having a multiple quantum well structure is used. Furthermore, when carriers are highly injected to increase the emission intensity, the emission intensity tends to be saturated. Therefore, the temperature of the gallium nitride-based LED rises during driving, so that the phosphor deteriorates, and the luminous efficiency decreases and color shift occurs.
[0009]
The second reason is that the phosphor is added to the molding material. In other words, the light emitted from the main body of the gallium nitride LED is scattered and absorbed in the mold material before the phosphor is excited, and the wavelength-converted light is also subjected to the same loss. Is greatly reduced as compared with a mold material to which no phosphor is added. In particular, when a diffusing agent or the like is added to the molding material, the light extraction efficiency is further reduced. Further, when a phosphor is added to the molding material, the resistance of the molding material to temperature, moisture, ultraviolet rays, and the like deteriorates.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device that can improve luminous efficiency and reliability, and a method for manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies on an excitation source LED having high quantum efficiency, a phosphor having excellent environmental resistance, a combination thereof, and an element structure. The present inventors have found that the above objects can be achieved by covering the body, and have reached the present invention.
[0012]
In the present specification, the “ZnO-based semiconductor” includes ZnO and a mixed crystal represented by MgZnO, CdZnO, or the like based on ZnO.
[0013]
An oxide semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a main body made of a ZnO-based semiconductor, a phosphor covering at least a part of a main surface composed of an upper surface of the main body and a side surface of the main body, and a phosphor formed on the upper surface of the main body. And provided electrodes.
[0014]
According to the oxide semiconductor light-emitting element having the above structure, a light-emitting element using a ZnO-based semiconductor can use an exciton transition with high emission efficiency, and thus consumes lower power than a light-emitting element using a group III nitride semiconductor. . Therefore, since the main body made of the ZnO-based semiconductor generates less heat, the deterioration of the phosphor due to the heat is small. As a result, a power-saving oxide semiconductor light-emitting element having excellent luminous efficiency and reliability can be obtained.
[0015]
In one embodiment, the main body has a first conductivity type clad layer, an active layer, a second conductivity type clad layer, and a second conductivity type contact layer laminated on a substrate.
[0016]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, the active layer is sandwiched between the first conductive type clad layer and the second conductive type clad layer, so that the luminous efficiency can be increased.
[0017]
The “active layer” is referred to as a “light-emitting layer” in the case of a light-emitting diode element, but has the same meaning in the sense of a layer that controls light emission, and is not particularly distinguished below.
[0018]
In one embodiment, in the oxide semiconductor light-emitting element, the phosphor covers all regions of the main surface other than the region where the electrodes are formed.
[0019]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the side surface of the main body is a portion having high light extraction efficiency. Therefore, the color conversion efficiency of the phosphor can be improved by coating the side surface of the main body with the phosphor.
[0020]
In one embodiment, the phosphor is in direct contact with the main surface.
[0021]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the phosphor is in direct contact with the main surface, the color conversion efficiency of the phosphor can be further improved.
[0022]
In one embodiment, an intermediate layer is formed between the main body and the phosphor.
[0023]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, the heat generated by the main body is transmitted to the phosphor through the intermediate layer, so that the heat conduction from the main body to the phosphor is reduced. Therefore, the phosphor is less likely to deteriorate, and the life of the phosphor can be further improved.
[0024]
In one embodiment, the intermediate layer includes an oxide insulator.
[0025]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, the oxide insulator has an excellent affinity for a ZnO-based semiconductor that is the same oxide. Therefore, when the intermediate layer contains an oxide insulator, defects at the interface between the intermediate layer and the main body can be extremely reduced.
[0026]
Further, when the intermediate layer contains an oxide insulator, current leakage from the main body to the phosphor is suppressed, so that the life of the phosphor can be further improved.
[0027]
Further, since the oxide insulator does not absorb light emitted from the main body, it is possible to prevent the excitation efficiency of the phosphor from lowering.
[0028]
In one embodiment, the oxide insulator includes Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si and At least one of Ge oxides is included.
[0029]
According to the oxide semiconductor light-emitting device of the embodiment, if the intermediate layer is amorphous or single crystal, the amorphous or single crystal does not include a crystal grain boundary, so that the growth of defects in the intermediate layer is suppressed. I can do it. Therefore, the oxides of Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si and Ge have an amorphous or single crystal structure. It is preferable because it is easy.
[0030]
In one embodiment, the phosphor includes a zinc oxide to which an additive to be a luminescent center is added.
[0031]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, when the phosphor contains zinc oxide, the affinity between the phosphor and the ZnO-based semiconductor can be improved. Therefore, by including zinc oxide in the phosphor, the proliferation of defects in the phosphor can be suppressed.
[0032]
In one embodiment, the zinc oxide is ZnO, Zn 2 SiO 4 , ZnGa 2 O 4 And ZnWO 4 And the additive includes at least one of Zn, Mn, Cr and Ti.
[0033]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, the zinc oxide contained in the phosphor is ZnO, ZnO 2 SiO 4 , ZnGa 2 O 4 And ZnWO 4 And the zinc oxide contains at least one of Zn, Mn, Cr and Ti, so that red to blue light can be emitted with high efficiency.
[0034]
In one embodiment, the phosphor is not added to the sealing resin for sealing the main body.
[0035]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the embodiment, since the main body is sealed with the sealing resin, the phosphor can be protected from the outside air.
[0036]
In addition, since no phosphor is added to the sealing resin, the light emission of the main body is not scattered and absorbed by the sealing resin, so that a decrease in emission intensity can be prevented.
[0037]
Further, since no phosphor is added to the sealing resin, adverse effects on the environment can be reduced. That is, the environmental resistance is improved.
[0038]
Further, the method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device according to the present invention is the method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device, wherein the phosphor is continuously formed in the film forming apparatus on which the main body is formed. Is formed.
[0039]
According to the method for manufacturing an oxide semiconductor light-emitting element having the above-described configuration, the formation of the main body to the phosphor is continuously performed in the same film forming apparatus, so that water causing reduction corrosion adheres to the phosphor. Can be prevented.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an oxide semiconductor light emitting device of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0041]
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example in which the present invention is applied to a ZnO-based light emitting diode element will be described.
[0042]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the ZnO-based light-emitting diode element of the first embodiment.
[0043]
The light-emitting diode element has a Ga content of 3 × 10 18 cm -3 N-type Mg doped at a concentration of 1 μm 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 102, non-doped quantum well light emitting layer 103, N is 5 × 10 19 cm -3 P-type Mg doped at a concentration of 1 μm 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 104, N is 1 × 10 20 cm -3 The p-type ZnO contact layer 105 having a thickness of 0.5 μm and doped at a concentration of 0.5 μm is stacked in this order.
[0044]
In the first embodiment, the n-type ZnO single crystal substrate 101 is an example of 0.1 Zn 0.9 The O-cladding layer 102 is an example of a first conductivity type cladding layer, and the quantum well light emitting layer 103 is an example of an active layer. 0.1 Zn 0.9 The O cladding layer 104 corresponds to an example of the second conductivity type cladding layer.
[0045]
The quantum well light emitting layer 103 includes a ZnO well layer having a thickness of 5 nm and a MgO layer having a thickness of 4 nm. 0.05 Zn 0.95 It is constituted by alternate lamination with an O barrier layer. While there are seven ZnO well layers, MgO 0.05 Zn 0.95 There are eight O barrier layers.
[0046]
On the entire surface of the main surface of the p-type ZnO contact layer 105, a 15-nm-thick translucent p-type ohmic electrode 106 made of Ni is formed. On the p-type ohmic electrode 106, a bonding Au pad electrode 107 having a thickness of 100 nm as an example of an electrode is formed with an area smaller than that of the p-type ohmic electrode 106.
[0047]
On the back surface of the n-type ZnO single crystal substrate 101, Al having a thickness of 100 nm is laminated as an n-type ohmic electrode.
[0048]
The main body 100 of the light emitting diode element according to the first embodiment includes an n-type ZnO single crystal substrate 101, an n-type MgO 0.1 Zn 0.9 O cladding layer 102, non-doped quantum well light emitting layer 103, p-type Mg 0.1 Zn 0.9 It has an O clad layer 104, a p-type ZnO contact layer 105 and a p-type ohmic electrode 106. The surface of the p-type ohmic electrode 106 on the pad electrode 107 side becomes the upper surface of the main body 100.
[0049]
On the upper surface of the main body 100, Mn-added Zn having a thickness of 500 nm as an example of a phosphor is provided. 2 SiO 4 The phosphor 109 is deposited. That is, Mn as an example of an additive to be a luminescent center is replaced with Zn as an example of a zinc oxide. 2 SiO 4 The upper surface of the main body 100 is covered with the phosphor 109 obtained by adding the phosphor. The phosphor 109 is formed on a region other than the region where the pad electrode 107 is formed on the upper surface of the main body 100. Therefore, the pad electrode 107 is made of Mn-added Zn. 2 SiO 4 Not covered by the phosphor 109.
[0050]
The oxide semiconductor light emitting device of the present invention can be manufactured by a crystal growth technique such as MBE (molecular beam epitaxy), laser MBE, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) using a solid or gaseous raw material. The light emitting diode element of the first embodiment was formed by a laser MBE apparatus as an example of the film forming apparatus shown in FIG.
[0051]
The laser MBE apparatus includes a growth chamber 201 that can be evacuated to an ultra-high vacuum. A substrate holder 202 for holding a substrate 203 is arranged in an upper part in the growth chamber 201. Above the substrate holder 202, a heater 204 for heating the back surface of the substrate holder 202 (the surface opposite to the substrate 203) is arranged. On the other hand, a target table 205 is disposed directly below the substrate holder 202 at an appropriate distance from the substrate holder 202. This target table 205 can carry a plurality of raw material targets 206. A view port 207 through which a pulse laser beam 208 applied to the raw material target 206 passes is provided on one side wall of the growth chamber 201. On the other side wall of the growth chamber 201, there are provided a radical cell 209 connected to the gas introduction pipe 213 and a driving unit 212 for driving the shielding mask 211. The shielding mask 211 is located between the substrate 203 and the target table 205 and can cover a predetermined area of the substrate 203. A plurality of gas introduction pipes 210 (only one is shown in FIG. 2) penetrate the other side wall of the growth chamber 201, and gas is introduced into the growth chamber 201 through the gas introduction pipes 210. You. Although not shown, the target table 205 has a rotating mechanism.
[0052]
When the laser MBE apparatus having the above configuration performs crystal growth, first, the back surface of the substrate holder 202 is heated by the heater 204. Thereby, the heat of the substrate holder 202 is transmitted to the substrate 203, and the substrate 203 is heated.
[0053]
Next, the source laser 206 is irradiated with the pulse laser beam 208 through the view port 207. Then, the raw material of the raw material target 206 is instantaneously evaporated and deposited on the substrate 203. As a result, a thin film made of the raw material grows on the substrate 203.
[0054]
At the time of crystal growth by the laser MBE apparatus, the target table 205 is rotated by a rotating mechanism, and the rotation of the target table 205 is controlled in synchronization with the irradiation sequence of the pulsed laser beam 208, so that the raw material of a different raw material target 206 is deposited on the substrate 203. Can be laminated.
[0055]
Further, the substrate 203 can be irradiated with the atomic beam activated by the radical cell 209.
[0056]
In addition, in the crystal growth using the laser MBE apparatus, the deviation between the composition of the raw material target 206 and the composition of the thin film obtained on the substrate 203 is small. 2 O 4 It is preferable because generation of unintended by-products such as the above can be suppressed.
[0057]
Hereinafter, a method for manufacturing the light emitting diode element of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4C and 4D.
[0058]
First, the cleaned ZnO substrate 101 is introduced into the laser MBE apparatus 200, and heated at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes to be cleaned.
[0059]
Next, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., the raw material target 206 is used as the raw material target 206, and the driving cycle of the target table 205 by the rotating mechanism and the pulse irradiation cycle of the KrF excimer laser are synchronized by an external control device (not shown). Let it. Then, the two material targets 206 are alternately laser ablated at a ratio at which a desired Mg composition ratio and a Ga doping concentration can be obtained, and as shown in FIG. 0.1 Zn 0.9 The O cladding layer 102 is grown.
[0060]
The KrF excimer laser has a wavelength of 248 nm, a pulse number of 10 Hz, and an output of 1 J / cm. 2 belongs to. The n-type Mg 0.1 Zn 0.9 During the growth of the O-clad layer 102, O 2 A gas is introduced into the growth chamber 201.
[0061]
Next, the non-doped ZnO single crystal and the MgZnO sintered body were alternately laser-ablated using the ZnO well layer and the MgZnO sintered body as raw material targets 206. 0.05 Zn 0.95 A quantum well light emitting layer 103 composed of an O barrier layer is grown.
[0062]
Next, N introduced through the gas introduction pipe 213 2 While the gas is turned into plasma in the radical cell 209 and irradiated, the non-doped ZnO single crystal and the non-doped MgZnO sintered body are alternately laser-ablated using the raw material target 206 to form p-type Mg. 0.1 Zn 0.9 The O-clad layer 104 is grown.
[0063]
Next, N introduced through the gas introduction pipe 213 2 While the gas is turned into plasma in the radical cell 209 and irradiated, the non-doped ZnO single crystal is used as a raw material target 206 by laser ablation to grow the p-type ZnO contact layer 105.
[0064]
Next, O 2 Gas and N 2 The introduction of gas was stopped, and the pressure in the growth chamber 201 was reduced to 1 × 10 -4 The pressure is adjusted to Pa, and laser ablation is performed using the Ni tablet as the raw material target 206 to form the p-type ohmic electrode 106.
[0065]
Next, O is introduced through the gas introduction pipe 210. 2 The gas is introduced again, and Mn-added Zn 2 SiO 4 Laser ablation using the sintered body as the raw material target 206 2 SiO 4 : Zn for forming Mn phosphor 109 2 SiO 4 : Mn layer 1109 is deposited.
[0066]
Next, the ZnO substrate 101 was taken out of the laser MBE apparatus, 2 SiO 4 : After forming a resist mask 110 as shown in FIG. 3B on the Mn layer 1109, an etching process is performed. Thereby, Zn having an opening with a diameter of 100 μm 2 SiO 4 : Mn phosphor 109 is obtained. This Zn 2 SiO 4 : The ohmic electrode 106 is exposed from the opening of the Mn phosphor 109.
[0067]
Next, the Zn 2 SiO 4 : An Au layer 1107 for forming the pad electrode 107 is formed by a vacuum deposition method so as to fill the opening of the Mn phosphor 109 as shown in FIG.
[0068]
Next, when the Au layer 1107 deposited on the resist mask 110 is lifted off together with the resist mask 110 and removed, a pad electrode 107 as shown in FIG. 4D is obtained.
[0069]
Finally, Al is vapor-deposited on the back surface of the ZnO substrate 101 by a vacuum vapor deposition method to form an n-type ohmic electrode 108, and then the ZnO substrate 101 is separated into chips to obtain the light-emitting diode element of Embodiment 1. Can be
[0070]
After mounting the light emitting diode element on a lead frame and wiring to the pad electrode 107, the light emitting diode element was sealed with an epoxy mold resin containing no phosphor and a diffusing agent to emit light. Yellow light emission was obtained. At this time, the operating current for obtaining a light output of 4 mW in the light emitting diode element was 10 mA. When the light emitting diode element was continuously driven at an optical output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 100,000 hours.
[0071]
As Comparative Example 1, Zn was applied to the upper surface of the main body of a group III nitride light-emitting diode device using an InGaN quantum well light-emitting layer, similarly to the first embodiment. 2 SiO 4 : A light emitting diode element was prepared by depositing a Mn phosphor. When the group III nitride light-emitting diode device of Comparative Example 1 was caused to emit light, yellow light emission having an emission peak wavelength of 550 nm was obtained, but the operating current for obtaining an optical output of 4 mW was 20 mA. When the group III nitride light-emitting diode device of Comparative Example 1 was continuously driven at an optical output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 10,000 hours.
[0072]
The reason why the ZnO-based light-emitting diode device of Embodiment 1 is more reliable than the Group III nitride light-emitting diode device of Comparative Example 1 is that it has excellent luminous efficiency and power saving, so that the temperature rise during driving is reduced This is probably because the deterioration of the phosphor was suppressed.
[0073]
That is, a ZnO-based semiconductor has a strong exciton binding energy of 60 meV and can generate highly efficient light emission using an exciton transition at room temperature, whereas a group III nitride semiconductor has Since the exciton binding energy is only 24 meV, the contribution to emission at room temperature is small, excitons are dissociated until sufficient light output is obtained, and inter-band transition via impurity levels, which are inferior in emission efficiency, is mainly performed. It is because it becomes.
[0074]
FIG. 5 shows the light-emitting diode element of the present embodiment with Zn 2 SiO 4 : Emission spectrum when the deposited film thickness of Mn phosphor 109 is changed.
[0075]
At an emission wavelength of 500 nm, Zn 2 SiO 4 : Yellow emission from the Mn phosphor 109 is mainly used, but at an emission wavelength of about 50 nm, light from the ZnO emission layer is transmitted and mixed with yellow emission, so that white emission can be obtained. On the other hand, if the thickness of the phosphor layer is 5 nm or less, the light emission from the phosphor 109 is too weak, and the ultraviolet light from the ZnO light emitting layer (quantum well light emitting layer 103) is mainly used. preferable. Further, it is preferable that the thickness of the phosphor layer be 10 μm or less, since the phosphor layer can emit light uniformly and the production cost can be suppressed.
[0076]
As Comparative Example 2, a light emitting diode element in which the phosphor 109 was made of ZnS: Tb was manufactured. In the light-emitting diode device of Comparative Example 2, yellow light emission with a light emission peak wavelength of 550 nm was obtained, but the operating current for obtaining a light output of 4 mW was 12 mA. When the light emitting diode device of Comparative Example 2 was continuously driven at an optical output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 50,000 hours.
[0077]
Compared with the ZnS-based phosphor, the ZnO-based phosphor of the first embodiment is made of the same zinc oxide as the main body 100 of the light-emitting diode element, and therefore has a higher affinity even when directly deposited on the surface of the main body 100, Less likely to peel or deteriorate. The base material of such a ZnO-based phosphor includes Zn used in the first embodiment. 2 SiO 4 In addition, ZnGa 2 O 4 , ZnWO 4 And ZnO can be used. In addition, Zn, Mn, Cr, Ti, and the like can be used as additives to be added to the base material of the ZnO-based phosphor.
[0078]
As Comparative Example 3, Zn 2 SiO 4 : Without depositing the Mn phosphor 109 on the surface of the main body 100 of the ZnO-based light emitting diode element, 2 SiO 4 : A light emitting diode element was prepared by dispersing a Mn phosphor. In the light-emitting diode element of Comparative Example 3, yellow light emission with a light emission peak wavelength of 550 nm was obtained, but the operating current for obtaining a light output of 4 mW was 24 mA. When the light emitting diode device of Comparative Example 3 was continuously driven at a light output of 4 mW, the driving time required until the light emission intensity decreased by 20% was 5000 hours.
[0079]
In the light-emitting diode element of Comparative Example 3, both the light emission and the excited fluorescence are scattered and absorbed in the mold resin, and the light emission efficiency is greatly reduced. Therefore, when the light-emitting diode element of Comparative Example 3 is driven at a constant light output, the temperature rise is larger than that of the light-emitting diode element of Embodiment 1. As a result, it is considered that the light emitting diode element of Comparative Example 3 was deteriorated in a short time.
[0080]
As Comparative Example 4, after the p-type ohmic electrode 106 was formed, the ZnO substrate 101 was taken out of the laser MBE apparatus, and Zn was deposited by another sputtering apparatus (not shown). 2 SiO 4 : Mn phosphor 109 was formed to produce a light emitting diode element. The light emitting diode element of Comparative Example 4 emitted yellow light with a light emission peak wavelength of 550 nm, but the operating current for obtaining a light output of 4 mW was 12 mA. When the light emitting diode device of Comparative Example 4 was continuously driven at a light output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 30,000 hours.
[0081]
In the light-emitting diode element of Comparative Example 4, since the ZnO substrate 101 was taken out of the laser MBE apparatus before depositing the phosphor 109, the moisture adsorbed on the surface of the main body in the manufacturing process up to resin sealing caused the phosphor 109 to be removed. The phosphor 109 deteriorates, and the deterioration of the phosphor 109 multiplies due to heat generated by light emission. As a result, it is considered that the light-emitting diode element of Comparative Example 4 was deteriorated in a shorter time than the light-emitting diode element of Embodiment 1.
[0082]
Since the light emitting diode element of the first embodiment does not expose the main body 100 to the outside air until the phosphor 109 is deposited, it is considered that the phosphor is protected from the reducing atmosphere and the life is improved.
[0083]
In the manufacturing method of the first embodiment, the desired Mg composition and the Ga doping concentration are controlled by alternately laser ablating the two material targets 206 of the ZnO single crystal and the Ga-doped MgZnO sintered body. The control may be performed by a method such as punching out three raw material targets 206 of a crystal, a non-doped MgZnO sintered body and a Ga-doped ZnO sintered body.
[0084]
Instead of using a MgZnO sintered body, a ZnO single crystal and a MgO single crystal may be alternately laser ablated to obtain a MgZnO mixed crystal having a desired composition.
[0085]
Ga 2 O 3 Instead of using the additive sintered body, metal Ga may be doped using an evaporation cell.
[0086]
Further, Au which is a raw material of the pad electrode 107 and Al which is a raw material of the n-type ohmic electrode 108 may be formed by a laser MBE apparatus like the p-type ohmic electrode 106 and the phosphor 109.
[0087]
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the light emitting diode element of the second embodiment.
[0088]
In the light emitting diode element, the upper surface of the main body 300 (the upper surface of the p-type ohmic electrode 306) is formed of Zn as an example of a phosphor. 2 SiO 4 : The side surface of the main body 300 except for the side surface of the n-type ZnO single crystal substrate 301 as an example of the substrate is coated with Zn and covered with the Mn phosphor 309. 2 SiO 4 : Except for coating with Mn phosphor 309, it was produced in the same manner as in the first embodiment.
[0089]
The above Zn 2 SiO 4 : The Mn phosphor 309 also covers the upper surface of the exposed n-type ZnO single crystal substrate 301. In addition, the Zn 2 SiO 4 : The Mn phosphor 309 is not formed on the bonding Au pad electrode 307 as an example of the electrode.
[0090]
6, reference numeral 302 denotes n-type Mg as an example of a first conductivity type cladding layer. 0.1 Zn 0.9 O cladding layer, 303 is a non-doped quantum well light emitting layer as an example of an active layer, 304 is p-type Mg as an example of a second conductivity type cladding layer. 0.1 Zn 0.9 An O clad layer 305 is a p-type ZnO contact layer as an example of a second conductivity type contact layer, and 308 is an n-type ohmic electrode.
[0091]
Hereinafter, a method for manufacturing the light-emitting diode element of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8C to 8E.
[0092]
First, the cleaned ZnO substrate 301 is introduced into the laser MBE apparatus shown in FIG. 2 and is heated at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes to be cleaned.
[0093]
Next, as shown in FIG. 9, a shielding mask 311 having a plurality of 300 μm square openings 311 a at 50 μm intervals is arranged between the ZnO substrate 303 and the raw material target 206. Since the crystal is grown through the shielding mask 311, the light emitting diode elements are selectively formed on the ZnO substrate 303 to have a size of 300 μm square.
[0094]
Next, in the same manner as in the first embodiment, as shown in FIG. 0.1 Zn 0.9 A p-type ohmic electrode 306 is formed from the O clad layer 302.
[0095]
Next, the shielding mask 311 is moved from directly below the ZnO substrate 301, and as shown in FIG. 2 SiO 4 : Zn for forming Mn phosphor 309 2 SiO 4 : Mn layer 1309 is deposited on the entire surface.
[0096]
After that, the same method as in the first embodiment is performed. In other words, using a resist mask 310 as shown in FIG. 2 SiO 4 After forming the Mn phosphor 309, a pad electrode 307 as shown in FIG. 8D is formed, and further, an n-type ohmic electrode 308 as shown in FIG. 8E is formed.
[0097]
Finally, when the ZnO substrate 301 is separated into chips, a light emitting diode device of the second embodiment is obtained.
[0098]
After attaching the light emitting diode element to a lead frame and wiring to the pad electrode 307, the light emitting diode element is sealed with an epoxy mold resin containing no phosphor and a diffusing agent. When the light-emitting diode element was caused to emit light in this state, yellow light emission with a light emission peak wavelength of 550 nm was obtained, and the operating current for obtaining a light output of 4 mW was 7.5 mA. When the light emitting diode element was continuously driven at a light output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 200000 hours.
[0099]
The light emitting diode element of Embodiment 2 has Zn 2 SiO 4 : Since the Mn phosphor 109 was deposited, the efficiency of the fluorescent light emission was improved as compared with the light emitting diode element of the first embodiment, and the operating current and the element life were improved.
[0100]
(Embodiment 3)
FIG. 10 shows a schematic sectional view of the light emitting diode element of the present embodiment. In FIG. 10, the same components as those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6, and the description will be omitted.
[0101]
The light emitting diode element according to the third embodiment uses Zn as an example of a phosphor. 2 SiO 4 : Fabricated in the same manner as in Embodiment 2 except that an MgO intermediate layer 410 made of MgO was formed between the Mn phosphor 409 and the main body 300.
[0102]
After attaching the light emitting diode element of the third embodiment to a lead frame and wiring to the pad electrode 307, the light emitting diode element is sealed with an epoxy mold resin not containing a phosphor and a diffusing agent. When the light emitting diode element was caused to emit light in this state, yellow light emission with a light emission peak wavelength of 550 nm was obtained, and the operating current for obtaining a light output of 4 mW was 5 mA. When the device was continuously driven at an optical output of 4 mW, the driving time required for the emission intensity to decrease by 20% was 500,000 hours.
[0103]
The MgO intermediate layer 410 according to the third embodiment has a function of improving the adhesion between the main body 300 and the phosphor 409 and suppressing a reactive current from flowing from the main body 300 to the phosphor. Therefore, in the light emitting diode element of the third embodiment, the luminous efficiency and the life of the phosphor are remarkably improved.
[0104]
The intermediate layer having such a function is preferably the same oxide as the light-emitting diode element, and is preferably an insulator that can electrically separate the light-emitting diode element and the phosphor without absorbing light emission. . Furthermore, in order for the intermediate layer itself to be excellent in reliability, it is preferable that the intermediate layer be amorphous or single crystal that does not include a crystal grain boundary. As such an intermediate layer, in addition to Mg of the third embodiment, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si and Ge are oxidized. It is preferable to include at least one of the objects.
[0105]
In Embodiments 1 to 3, the n-type clad layer, the active layer, the p-type clad layer, the p-type contact layer, and the p-type ohmic electrode are laminated on the substrate in this order to obtain a light emitting diode element. A p-type clad layer, an active layer, an n-type clad layer, an n-type contact layer, and an n-type ohmic electrode may be stacked in this order on a substrate to obtain a light emitting diode element. That is, in the light emitting diode elements of the first to third embodiments, the n-type layer may be changed to the p-type layer and the p-type layer may be changed to the n-type layer.
[0106]
Needless to say, the present invention may be applied to a semiconductor laser device.
[0107]
【The invention's effect】
As is clear from the above, since the main body of the oxide semiconductor light emitting device of the present invention is made of the ZnO-based semiconductor, the heat generation from the main body is small, and the phosphor covering at least a part of the main surface of the main body is deteriorated. Hateful. Therefore, luminous efficiency and power saving can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a light-emitting diode element according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a laser MBE apparatus used for manufacturing the light emitting diode element.
FIGS. 3A and 3B are views for explaining a method for manufacturing the light emitting diode element.
FIGS. 4C and 4D are views for explaining a method of manufacturing the light emitting diode element.
FIG. 5 is a view showing an emission spectrum of the above-mentioned light emitting diode element when the deposited film thickness of the phosphor is changed.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a light-emitting diode element according to Embodiment 2 of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining a method of manufacturing the light-emitting diode element according to the second embodiment.
FIGS. 8C to 8E are views for explaining a method for manufacturing the light-emitting diode element according to the second embodiment.
FIG. 9 is a schematic top view of a shielding mask used in manufacturing the light-emitting diode element of the second embodiment.
FIG. 10 is a schematic sectional view of a light-emitting diode element according to Embodiment 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
100,300 body
101,301 n-type ZnO single crystal substrate
102,302 n-type Mg 0.1 Zn 0.9 O clad layer
103,303 Quantum well light emitting layer
104,304 p-type Mg 0.1 Zn 0.9 O clad layer
105,305 p-type ZnO contact layer
107,307 Au pad electrode for bonding
109,309,409 Mn added Zn 2 SiO 4 Phosphor

Claims (11)

ZnO系半導体から成る本体と、
上記本体の上面と上記本体の側面とから成る主表面の少なくとも一部を被覆する蛍光体と、
上記本体の上面上に形成された電極とを備えたことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
A body made of a ZnO-based semiconductor;
A phosphor that covers at least a part of a main surface including the upper surface of the main body and the side surface of the main body,
An electrode formed on the upper surface of the main body.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記本体は、基板上に積層された第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the main body has a first conductivity type clad layer, an active layer, a second conductivity type clad layer, and a second conductivity type contact layer laminated on a substrate.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記蛍光体は、上記主表面において上記電極が形成された領域以外の全ての領域を被覆していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The oxide semiconductor light-emitting device, wherein the phosphor covers all regions other than the region where the electrode is formed on the main surface.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記蛍光体は上記主表面に直接接触していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein the phosphor is in direct contact with the main surface.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記本体と上記蛍光体との間に中間層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein an intermediate layer is formed between the main body and the phosphor.
請求項5に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記中間層は酸化物絶縁体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 5,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the intermediate layer includes an oxide insulator.
請求項6に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記酸化物絶縁体は、Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 6,
The oxide insulator includes at least one of oxides of Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si, and Ge. An oxide semiconductor light-emitting element comprising:
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記蛍光体は、発光中心にすべき添加物を添加した亜鉛酸化物を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light-emitting element, wherein the phosphor includes a zinc oxide to which an additive to be a luminescent center is added.
請求項8に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記亜鉛酸化物は、ZnO、ZnSiO、ZnGaおよびZnWOのうちの少なくとも1つを含み、
上記添加物は、Zn、Mn、CrおよびTiのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 8,
The zinc oxide includes at least one of ZnO, Zn 2 SiO 4 , ZnGa 2 O 4 and ZnWO 4 ,
The oxide semiconductor light-emitting device, wherein the additive includes at least one of Zn, Mn, Cr, and Ti.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記本体を封止する封止樹脂には蛍光体が添加されていないことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
An oxide semiconductor light emitting device, wherein a phosphor is not added to a sealing resin for sealing the main body.
請求項1に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記本体を形成した成膜装置内で、上記本体の形成と連続して上記蛍光体を形成することを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the oxide semiconductor light emitting element of Claim 1, Comprising:
A method for manufacturing an oxide semiconductor light emitting device, wherein the phosphor is formed in a film forming apparatus in which the main body is formed, continuously with the formation of the main body.
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