JP3736401B2 - COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, LIGHT EMITTING DEVICE, LAMP, AND LIGHT SOURCE - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面状態に優れるp形のリン化硼素系半導体層を利用して化合物半導体素子を構成するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
III−V族化合物半導体の一種として、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素(BP)系III−V族化合物半導体(リン化硼素系半導体)が知られている(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日、(株)培風館発行初版、26〜28頁参照)。従来において、リン化硼素或いはその混晶を利用して青色帯或いは緑色帯のレーザダイオード(LD)を構成する技術が開示されている(日本国特許▲1▼第2809690号、▲2▼第2809691号、▲3▼第2809692号各公報、及び▲4▼米国特許6,069,021号参照)。
【0003】
リン化硼素(BP)は、フィリップス(Philips)のイオン結合度が0.006と小さく(フィリップス著、「半導体結合論」(1985年7月25日、(株)吉岡書店発行第3刷、51頁参照)、殆ど共有結合からなる物質である。また、閃亜鉛鉱(zinc−blend)型の立方晶であるため、縮退した価電子帯のバンド構造を有する(生駒 俊明、生駒 英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」(1991年9月10日、(株)培風館発行初版)、14〜17頁参照)。このため、リン化硼素にあっては、p形の導電層を容易に獲得できる利点が備わっている。
【0004】
例えば、p形不純物を選択的に添加したリン化硼素(BP)と、窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlXGa1-XN:0≦X≦1)との超格子構造体から緑色帯光を出射する発光層を構成する技術が知れている(上記の特許第2809691号公報参照)。また、p形伝導性のリン化硼素(BP)層は、発光素子を構成するための積層構造体にあって、緩衝層として利用されている(米国特許5,042,043号参照)。また、電流狭窄型のレーザダイオード(LD)をなすためのp形電流狭窄層を構成するに利用されている(日本国特許第3152900号公報参照)。
【0005】
珪素(Si)、リン化ガリウム(GaP)、炭化珪素(SiC)等の単結晶材料からなる基板上にp形のリン化硼素を設けるに当たり、従来では、亜鉛(Zn)またはマグネシウム(Mg)がp形不純物として利用されている(上記の特許▲1▼第2809690号、▲2▼第2809691号、及び▲3▼第2809692号各公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
リン化硼素系半導体として代表的である単量体のリン化硼素(boron monophosphide)を構成する元素(構成元素)である硼素(B)の共有結合半径は0.82Åである。一方の構成元素であるリン(P)の共有結合半径は1.06Åである。マグネシウム(Mg)はこれらの構成元素に対し、より大きな1.36Åの共有結合半径を有する。従って、マグネシウムと硼素の共有半径の差異は0.54Åの大きに達する。また、リン原子との差異も0.30Åと大きい。このため、構成元素と共有結合半径の差異を大とするマグネシウムをリン化硼素に添加すると、リン化硼素結晶の格子が拡張され、拡張した結晶格子の衝突に依り、BP層に「捲れ」が生じ、基板表面より剥離してしまう問題がある。
【0007】
他方、亜鉛(Zn)の共有結合半径は1.25Åであり、マグネシウムより小さな共有結合半径を有する。これより、硼素(B)及びリン(P)との共有結合半径の差異は各々、0.43Å及び0.19Åとなり、マグネシウムと比較すれば、両構成元素に対する共有原子半径の相違は小である。しかしながら、亜鉛(Zn)をp形不純物として利用すると、マグネシウムの場合に比較すれば軽微ではあるが、リン化硼素の結晶格子は拡張させられる。このため、過度に亜鉛(Zn)を添加した場合、リン化硼素層の「捲れ」に因る基板表面からの剥離が起こる。
【0008】
剥離に因り、例えば、p形リン化硼素層と基板表面との密着性が欠落すると、電流の流通に対する抵抗成分が増加することはもとより、リン化硼素層と例えば、基板材料との間において正常な電気的導通を果たせない。従って、正常な素子動作を呈する化合物半導体素子を作製するに支障を来している。
【0009】
本発明は、p形不純物を添加してp形伝導性のリン化硼素系半導体層を得る従来技術に於ける、例えば、基板表面からの剥離を回避するための技術手段を提示するものであって、特に、構成元素との共有原子半径の差異に鑑みて、特定のp形不純物をもって、基板材料等の下地との密着性に優れるp形リン化硼素系半導体層を与える技術手段を提示するものである。また、これらの技術手段をもってして構成したp形リン化硼素系半導体層を備えてなる化合物半導体素子を提供することを趣旨としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、
(1)単結晶からなる基板の表面上に設けられた、p形不純物としてベリリウム(Be)が添加された、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むp形リン化硼素(BP)系半導体層を具備することを特徴とする化合物半導体素子。
(2)単結晶からなる基板の表面上に、非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を介して、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層が設けられていることを特徴とする前記(1)に記載の化合物半導体素子。
(3)ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層と、n形III−V族化合物半導体層とからなるpn接合構造を有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の化合物半導体素子。
である。
【0011】
また本発明は、
(4)有機金属化学的気相堆積成長(MOCVD)手段に依り、単結晶からなる基板の表面上に、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層を設けることを特徴とする前記(1)ないし(3)に記載の化合物半導体素子の製造方法。
(5)イオン注入手段に依り、単結晶からなる基板の表面上に、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層を設けることを特徴とする前記(1)ないし(3)に記載の化合物半導体素子の製造方法。
である。
【0012】
また本発明は、
(6)前記(1)ないし(3)に記載の化合物半導体素子からなる発光素子。
(7)前記(4)または(5)に記載の化合物半導体素子の製造方法により製造された化合物半導体素子からなる発光素子。
(8)前記(6)または(7)に記載の発光素子を用いたランプ。
(9)前記(8)に記載のランプを用いた光源。
である。
【0013】
【発明の実施の形態】
化合物半導体素子として発光ダイオード(LED)を構成する場合を例にして、本発明の第1の実施形態を説明する。
【0014】
本発明の第1の実施形態に係わるLED1Bを構成するための積層構造体1Aの断面構造を図1に模式的に例示する。ダブルヘテロ(DH)構造型LED用途の積層構造体1Aは例えば、基本的に次記の(A)〜(E)項に記載の要素から構成できる。
(A)n形またはp形伝導性の導電性シリコン(Si)、BP(特公昭55ー3834号公報参照)、GaP、GaAs、SiC等からなる基板101
(B)非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層102
(C)ベリリウム(Be)をドーピング(doping)したp形リン化硼素系半導体層からなる下部障壁層103
(D)好ましくは下部障壁層103に格子整合する例えば、n形窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1-XN:0≦X≦1)(上記の特公昭55−3834号公報参照)またはn形窒化リン化ガリウム(GaN1-YY:0≦Y≦1)等のIII族窒化物半導体からなる発光層104
(E)リン化硼素系半導体からなるn形上部障壁層105
【0015】
低温緩衝層102は例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δAsδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)で表記されるリン化硼素系半導体から好適に構成できる。また例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0<δ<1)で表記される窒素(N)を含むリン化硼素系半導体から構成できる。好ましくは、構成元素数が少なく、簡便に構成できる2元結晶或いは3元混晶から構成する。例えば、単量体リン化硼素(BP)、リン化アルミニウム・硼素混晶(BαAlβP:0<α≦1、β=1−α)、リン化硼素・ガリウム混晶(BαGaδP:0<α≦1、δ=1−α)、或いはリン化硼素・インジウム混晶(BαIn1- αP:0<α≦1)などから構成する。
【0016】
非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体は、例えば、有機金属化学的気相堆積成長(MOCVD)手段に依り、約250℃〜750℃で形成できる(米国特許6,194,744B1号参照)。特に、非晶質体を含む多結晶の低温緩衝層102は、基板101と下部障壁層103との格子不整合性を緩和して、ミスフィット(misfit)転位等の結晶欠陥密度の小さい下部障壁層103をもたらす作用を発揮する(上記の米国特許6,069,021号参照)。低温緩衝層102が非晶質を含む多結晶層であるか否かは、例えば、一般的なX線回折法、電子線回折法に依る回折像の解析から知ることができる。
【0017】
また、低温緩衝層102を、下部障壁層103をなすp形リン化硼素系半導体を構成する元素(構成元素)を含むリン化硼素半導体から構成すると、その構成元素の「成長核」としての作用により、例えば、連続性のある下部障壁層103の形成が促進される利点がある。また、低温緩衝層102を介して形成する手段に依れば、画一的な結晶面、例えば、基板101の表面に平行に配列した{110}結晶面から主に構成されるリン化硼素系半導体層が得られる。従って、本発明の第2の実施形態では、p形リン化硼素系半導体層(図1にあっては下部障壁層103)を低温緩衝層102を介在させて形成することとする。低温緩衝層102の層厚は望ましくは1nm以上で500nm以下、更に望ましくは2nm以上で100nm以下とする。導電性の低温緩衝層102を得るために添加する不純物としては、亜鉛(Zn;原子半径(r)=1.38Å)や珪素(Si;r=1.32Å)、錫(元素記号Sn;r=1.62Å)等が適する。硼素(r=0.98Å)及びリン(r=1.28Å)より大きな原子半径の不純物は、低温緩衝層102を構成するリン化硼素系層内での移動が制限されるため、基板101内部への浸透が抑制され、基板101の結晶性を良好に維持するに効果が挙げられる。
【0018】
本発明に係わる技術手段の特徴は、p形リン化硼素系半導体層(例えば、図1の下部障壁層103)を得るために添加するp形不純物をベリリウム(Be)に限定していることにある。ベリリウムの共有原子半径は0.90Åであり、硼素の共有結合半径(=0.82Å)との差異は、従来のp形不純物であるMg及びZnに比較して桁違いに少ない0.08Åである。従って、ベリリウムには、リン化硼素系半導体のIII族構成元素である硼素(B)の格子位置を占有しても、格子を顕著に変形させることなくアクセプタ(acceptor)として作用できる優位性がある。硼素(原子半径(r)=0.98Å)とその格子位置を占有するp形不純物との原子半径の差異は、マグネシウム(r=1.60Å)では0.62Å、亜鉛(r=1.38Å)では0.40Å、カドミウム(元素記号Cd;r=1.54Å)では0.56Åである。一方、ベリリウムの原子半径は1.12Åであり他の第II族元素との差異と比較すれば0.14Åと矮小であり、結晶を構成する原子相互の原子間距離に変化を及ぼすに至らないため、結晶格子の変形を抑制できる利点がある。このため、ベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層では、結晶格子の拡張が回避され、捲き上がりに因る被堆積層からの剥離が防止される。
【0019】
ベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層は例えば、ジメチルベリリウム((CH32Be)またはジエチルベリリウム((C252Be)等をベリリウムの添加源として、MOCVD手段により形成できる(J.Electrochem.Soc.,130(1983)、1782頁参照)。蒸気圧の高さの観点からすれば、ジエチルベリリウムがより好適である(▲1▼J.Crystal Growth、77(1986)、32〜36頁、及び▲2▼同誌、115(1991)、460〜463頁参照)。例えば、トリエチル硼素((C253B))/ホスフィン(PH3)/水素(H2)反応系にジエチルベリリウムを添加源として加えた常圧(略大気圧)或いは減圧MOCVD手段により形成できる。ベリリウムを添加したリン化硼素系半導体層の形成温度としては、750℃を越え1200℃以下が適する。1200℃を越える高温では、例えばB132等のリン化硼素多量体の形成が顕著となり(J.Am.Ceramic Soc.,47(1)(1964)、44〜46頁参照)、均質なリン化硼素系半導体層を得るに支障となる。
【0020】
また、ベリリウムのイオンをリン化硼素系半導体層に注入する手段(イオン注入手段)に依っても、ベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層を得ることができる。ベリリウムの原子半径(r=1.12Å)は、従来のp形不純物である亜鉛(Zn;r=1.38Å)及びマグネシウム(Mg;r=1.60Å)に比較して小であるため、イオン注入に因り被る結晶の損傷の度合いは小さい。また、ベリリウムが添加されたリン化硼素系半導体層では、約700℃〜約1000℃の高温において、ベリリウムを電気的に活性化させるためのアニール(anneal)を施しても剥離を生じない利点がある。即ち、p形不純物のイオン注入に依りp形リン化硼素半導体層を得るに際しても、ベリリウムは結晶性に優れるp形伝導層を得るに優位となる。また、ベリリウムはその質量数の小ささ故にMgやZnよりも同一の加速電圧に於ける投影飛程(projection range)(「電子・情報工学講座12 デバイス・プロセス」(1993年1月15日、(株)培風館発行初版、90〜96頁参照)が大きいため,リン化硼素系半導体層のより深部迄、注入できる利点がある。
【0021】
下部障壁層103は例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δAsδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)で表記されるリン化硼素系半導体から好適に構成できる。また、例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0<δ<1)で表記される窒素(N)を含むリン化硼素系半導体から構成できる。好ましくは、構成元素数が少なく、簡便に構成できる2元結晶或いは3元混晶から構成する。例えば、単量体リン化硼素(BP)、リン化アルミニウム・硼素混晶(BαAlβP:0<α≦1、β=1−α)、リン化硼素・ガリウム混晶(BαGaδP:0<α≦1、δ=1−α)、或いはリン化硼素・インジウム混晶(BαIn1- αP:0<α≦1)などから構成する。障壁層を構成するに適するベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層の正孔(hole)濃度は概して、1×1017cm-3〜5×1019cm-3である。正孔濃度は一般的なホール(Hall)効果法により測定できる。また、層厚としては大凡、0.05μm〜5μmが適する。
【0022】
特に、MOCVD法に依り、(1)750℃〜1200℃の範囲内、更に好ましくは800℃〜950℃の温度において、(2)成長速度を毎分2nm以上で30nm以下とし、(3)V族原料とIII族原料の供給比率(所謂、V/III比)を好ましくは15以上で60以下としつつ、ベリリウムを添加して形成した単量体のリン化硼素は、室温で3.0±0.2eVと高い禁止帯幅(band gap)を呈する。この様な条件下で形成された高禁止帯幅のp形リン化硼素系半導体層は下部障壁層103として好適に利用できる。また、この高い禁止帯幅のp形リン化硼素を基材としたp形リン化硼素系半導体混晶からも下部障壁層103を構成できる。例えば、禁止帯幅を3.1eVとする単量体リン化硼素(BP)とリン化ガリウム(GaP:室温での禁止帯幅≒2.3eV)との混晶である、室温での禁止帯幅を約2.7eVとする窒化リン化ガリウム混晶(B0.50Ga0.50P)から好適に下部障壁層103を構成できる。禁止帯幅は例えば、屈折率(=n)と消衰係数(=k)から求められる複素誘電率の虚数部(ε2=2・n・k)の光子エネルギー依存性から求められる。これらの高い禁止帯幅を有するリン化硼素系半導体層は障壁層103、105のみではなく、発光層104から出射される発光を透過するための発光透過層(窓層)としても有効に利用できる。
【0023】
本発明の第3の実施形態のpn接合構造体は、ベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層と例えば、n形のIII−V族化合物半導体層とから構成する。例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δAsδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)で表記されるリン化硼素系半導体から構成できる。また、例えば、一般式BαAlβGaγIn1- α - β - γ1- δδ(0≦α≦1、0≦β≦1、0≦γ≦1、0≦α+β+γ≦1、0<δ≦1)で表記される窒素(N)を含むn形III族窒化物半導体から構成できる。III−V族化合物半導体についてのn形不純物としては、珪素(Si)、錫(Sn)等の第IV族元素、並びにセレン(Se)や硫黄(S)またはテルル(Te)等の第VI族元素を例示できる。これらのn形不純物にあって、珪素(Si)はIII−V族化合物半導体結晶内での拡散定数が小さく好適である。不純物の他層への拡散の程度は例えば、2次イオン質量分析法(SIMS)等の分析手段により解析できる。本発明に係わるベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層にSiを添加したn形III−V族化合物半導体層を接合させる構成とすると、n形不純物の拡散に因るp形リン化硼素系半導体層の正孔(hole)濃度の減少を抑制するに有効となる。
【0024】
本発明に係わるベリリウム添加p形リン化硼素系半導体層と、n形III−V族化合物半導体層とのpn接合構造を備えた積層構造体1Aを利用すれば、例えば、pn接合型ヘテロ構造LED1Bを提供できる。図1に例示するLED1Bにあって、pn接合構造は、ベリリウムを添加したp形リン化硼素系半導体層からなる下部障壁層103と、n形III−V族化合物半導体層からなる発光層104とで構成している。発光層104は、例えば、青色帯の短波長可視光を放射できる窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1-XN:0≦X≦1)(上記の特公昭55−3834号公報参照)、窒化リン化ガリウム(GaN1-XX:0≦X≦1)から構成できる(Appl.Phys.Lett.,60(20)(1992)、2540〜2542頁参照)。また、砒化窒化ガリウム(GaN1-XAsX:0≦X≦1)から構成できる。発光層104は、これらのIII−V族化合物半導体層を井戸(well)層とする単一(single)または多重(multi)量子井戸(quantum well)構造から構成できる。量子井戸構造から構成された発光層104からは単色性の良好な発光がもたらされる利点がある。
【0025】
発光層104上に、上部障壁層105を設ければ、ダブルヘテロ(DH)構造型の発光部を構成できる。上部障壁層105は、上記の室温での禁止帯幅を3.0±0.2eVとする単量体のリン化硼素及びそれを基材としたリン化硼素系混晶から構成できる。また、窒化ガリウム(GaN)或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlXGa1-XN:0<X<1)等のIII族窒化物半導体から構成できる。
【0026】
本発明に係わるダブルヘテロ接合構造型のLED1Bは、例えば上部障壁層105上にオーミック性の表面電極106を設け、また、基板101の裏面にオーミック性の裏面電極107を配置して構成する。上部障壁層105をリン化硼素系半導体から構成した場合、金・ゲルマニウム(Au・Ge)合金、金・インジウム(Au・In)合金、並びに金・錫(Au・Sn)合金などの金合金等からn形オーミック電極を形成できる。また、p形オーミック電極は、例えば、金・亜鉛(Au・Zn)合金、金・ベリリウム(Au・Be)合金等から構成できる。良好なオーミック接触性を発揮する電極を形成するために、表面電極106を良導性のコンタクト(contact)層上に設けることもできる。本発明に係わる高い禁止帯幅のリン化硼素系半導体層からは、発光を取り出し方向に透過する窓層を兼用する表面オーミック電極106用途のコンタクト層を好適に構成できる。
【0027】
またLED1Bを用いて、例えば次の如くの手順をもってランプ10を組み上げることができる。図2に例示する如く、例えば、LED1Bを、台座15上の銀(Ag)或いはアルミニウム(Al)等の金属を鍍金した金属性碗体16の中央部に、導電性の接合材で固定する。これより、LED1Bを構成するために利用した導電性の基板11の裏面に設けた裏面電極14を台座15に付属する一端子17に電気的に接続させる。また、LED1Bの例えば、上部障壁層12上に設置した表面電極13を台座15に付属する他の一方の端子18に結線する。次ぎに、LED1Bをエポキシ樹脂等の封止材料で囲繞してランプとする。
【0028】
また、本発明に係わるランプ10を集合させれば、光源を構成できる。例えば、複数のランプ10を電気的に並列に接続させて、定電圧駆動型の白色光源を構成できる。また、電気的に直列にランプを接続して定電流駆動型の光源を構成できる。これらの光源は、従来の白熱蛍光型ランプに比較して、点灯に電力を要しないため、低消費電力型でしかも長寿命の光源として特に有用に利用できる。例えば、室内照明用光源として利用できる。また、例えば、屋外表示器用途や間接照明用途の光源として利用できる。
【0029】
発光素子に加えて、本発明の第3の実施形態に係わるpn接合構造を利用すれば、例えば、受光素子、pn接合型ダイオード(整流器)、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)等の化合物半導体素子を構成できる。例えば、表面受光型の受光素子は次の(A)項に記載の導電性基板上に順次、堆積された(B)〜(E)項に記載の機能層を備えた積層構造体を基材として構成できる。
(A)アンチモン(Sb)ドープでn形の(100)面を有するSi単結晶基板
(B)Siドープn形リン化硼素(BP)からなる非晶質体を含む多結晶からなる低温緩衝層
(C)(A)に記す基板の表面に平行に配列した{110}−結晶面から主になるSiドープn形リン化硼素層
(D)単量体のリン化硼素(BP:格子定数≒4.538Å)と格子のミスマッチ(mismatch)性の少ない立方晶の窒化ガリウム(GaN:格子定数≒4.510Å)から主になるn形GaN層
(E)n形GaN層とpn接合するベリリウムドープp形リン化硼素層。
p形リン化硼素層は、共有結合性の高いリン化硼素に、高い正孔濃度を与えるベリリウムをp形不純物として添加しているため、特に、低抵抗のp形伝導層から構成できる。従って、低い接触抵抗のp形オーミック(Ohmic)電極を容易に形成できる利点も付帯する。
【0030】
また、例えば基本的な構成からなるnpn接合型のHBTは、次の(イ)〜(ニ)項に記載の機能層を備えた積層構造体を基材として構成できる。
(イ)コレクタ(collector)層としての作用を兼用する、硼素(B)ドープでp形の(100)面を有するSi単結晶基板
(ロ)ベリリウム(Be)ドープp形リン化硼素(BP)からなる非晶質体を含む多結晶からなる低温緩衝層
(ハ)(A)に記す基板の表面に平行に配列した{110}−結晶面から主になるBeドープp形リン化硼素層からなるベース(base)層
(ニ)珪素(Si)ドープn形リン化硼素(BP)からエミッタ(emitter)層。
本発明に依れば、高い正孔濃度を与えるベリリウムをp形不純物として添加した、イオン結合性の少ないリン化硼素を用いて構成してため、特に、低抵抗のp形伝導層からベース層を構成でき得て優位である。
【0031】
【実施例】
(第1実施例)
p形不純物を添加したリン化硼素系低温緩衝層上に設けられた、ベリリウム(Be)を添加したリン化硼素系半導体層を備えた積層構造体から青色LEDを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。本第1実施例に係わるLED2Bの断面模式図を図3に示す。
【0032】
LED2Bは、硼素(B)ドープでp形の(100)面を有する珪素(Si)単結晶を基板101とした積層構造体2Aから構成した。基板101上には、トリエチル硼素((C253B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)系常圧MOCVD法により350℃で低温緩衝層102を積層した。低温緩衝層102は、亜鉛(Zn;原子半径(r)≒1.38Å)を添加した非晶質を主体とした多結晶のリン化硼素(BP)から構成した。低温緩衝層102の亜鉛の原子濃度は4×1018cm-3であり、層厚は25nmとした。
【0033】
低温緩衝層102上には、(C253B/トリメチルインジウム((CH33In/PH3/H2系常圧MOCVD手段を利用して、850℃で、ベリリウム(Be)をドーピングしたp形リン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P)層を積層させた。ベリリウムのドーピング源にはジエチルベリリウム((C252Be)を利用した。リン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P)は、ベリリウム(Be)をp形ドーパント(dopant)として、低温緩衝層102を介して積層することとしたので、捲れも無く、基板101との密着性に優れるものとなった。また、B0.99In0.01P(格子定数≒4.557Å)層は、低温緩衝層102を介して積層する構成としたため、基板101表面に略平行に配列した{110}結晶面から主になる結晶層となった。また、p形B0.99In0.01P層は、成長速度を30nm/分とし、V/III比率(=PH3/((C253B+(CH33In)供給量比率)を40として形成したため、室温での禁止帯幅は約3.0eVとなった。このため、p形B0.99In0.01P層を下部障壁層103として利用した。下部障壁層103のキャリア濃度は2×1018cm-3とし、層厚は520nmとした。
【0034】
下部障壁層103上には、トリメチルガリウム((CH33Ga)/アンモニア(NH3)/H2系常圧MOCVD手段を利用して、850℃で、立方晶の珪素(Si)ドープn形Ga0.90In0.10N層(格子定数=4.557Å)から主になる発光層104(キャリア濃度≒4×1017cm-3、層厚≒180nm)を積層させた。
【0035】
発光層104上には、(C253B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により、室温での禁止帯幅を約3.1eVとする珪素ドープn形リン化硼素(BP)からなる上部障壁層105を積層した。上部障壁層105は、400℃で成長したため、非晶質を主体とする層となった。上部障壁層105のキャリア濃度は5×1018cm-3とし、層厚は420nmとした。ベリリウム(Be)ドープp形B0.99In0.01P下部障壁層103と、珪素(Si)ドープn形Ga0.90In0.10N層発光層104と、及び珪素(Si)ドープn形BP上部障壁層105とから、pn接合型ダブルヘテロ構造の発光部を構成した。
【0036】
上部障壁層105の中央には、金・ゲルマニウム(Au・Ge)からなる円形(直径=120μm)のオーミック性の表面電極106を設けた。また、p形Si基板101の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるオーミック性の裏面電極107を設けてLED2Bを構成した。
【0037】
2次イオン質量分析法に依り、発光部でのベリリウム(Be)及び珪素(Si)の拡散の度合いを調査したところ、発光層104より下部障壁層103への珪素の拡散は顕著に認められなかった。また、下部障壁層103より発光層104へのベリリウム(Be)の浸透も殆ど認められなかった。
【0038】
構成された青色LED2Bは、次の(a)〜(d)項に記載の特性を示した。
(a)発光中心波長:430nm
(b)輝度:6ミリカンデラ(mcd)
(c)順方向電圧:3.0ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(d)逆方向電圧:6V(逆方向電流=10μA)
特に、低温緩衝層102に添加するp形不純物を亜鉛(Zn)としたことにより、p形不純物の基板101内部への拡散に因りSi単結晶の結晶性が乱雑となるのを抑制できたため、LED2Bには、逆方向電圧を印加した際の局所的な耐圧の不良(local breakdown)は殆ど認められなかった。また、ベリリウムドープのp形リン化硼素系半導体層(下部障壁層103)を用いているため、被堆積層(本第1実施例の場合、低温緩衝層102)からの剥離に因る導通不良の発生が回避された。
【0039】
(第2実施例)
ベリリウム(Be)をイオン注入したp形リン化硼素(BP)層を備えた積層構造体から青色LEDを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。本第2実施例に係わるLED3Bの断面模式図を図4に示す。図4において、図3に示した積層構造体2Aと同一の構成要素については、同一の符号を付してある。
【0040】
上記の第1実施例に記載したものと同じ発光層104上に、(C253B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により850℃で、n形リン化硼素・インジウム混晶(B0.67In0.33P)からなる上部障壁層105を積層させた。ジシラン(Si26)を珪素(Si)のドーピング源として、上部障壁層105のキャリア濃度を6×1017cm-3に調整した。上部障壁層105の層厚は750nmとした。
【0041】
上部障壁層105の成長を終了して、室温近傍の温度迄、窒素気流中で冷却した後、MOCVD成長装置より積層構造体2Aを取り出した。然る後、公知のフォトリソグラフィー(写真食刻)技術を利用して、上部障壁層105の中央部の表面電極106を配置する予定の領域に限定して、選択パターニング(patterning)を施した。次に、表面電極106を形成する予定の直径にして約130μmの円形領域に限りフォトレジスト材料を除去して、上部障壁層105の表面を露出させた。次に、イオン価を1価とするベリリウムイオン(Be5 +)を、加速電圧を180KVとし、ドーズ(dose)量を1.5×1013cm-2として上記の表面電極106を形成する予定の領域に注入した。
【0042】
表面電極106を形成する以外の領域に残置させてあったフォトレジスト材料を剥離した後、フォスフィン(PH3)を約6体積百分率(vol.%)含む窒素気流中で、850℃でベリリウムイオンを電気的に活性化させるためアニール(熱処理)した。これより、上部障壁層105の表面より約500nmの深さでピーク(peak)キャリア濃度(=np)を約9×1017cm-3とするベリリウム(Be)ドープのp形B0.67In0.33P層からなるイオン注入領域108を上部障壁層105内に形成した。2次イオン質量分析法(SIMS)に依れば、注入したベリリウムの原子濃度は、npを与える深さ(〜500nm)で最大の約1×1018cm-3であった。また、850℃のアニールでは、ベリリウム原子のほぼLSS理論曲線状の分布を呈しており、Be原子の熱拡散は殆ど認められなかった。このため、上部障壁層105の表層部へ拡散したベリリウム原子の電気的補償(compensation)に因る上部障壁層105の表層部のp形化は回避され、表層部はn形の伝導性が維持されるものとなった。
【0043】
上部障壁層105内部に形成したベリリウム(Be)をイオン注入した領域108上の表面電極106を形成する予定の領域に金・ゲルマニウム(Au97重量%・Ge3重量%)合金からなる円形(直径≒130μm)のn形オーミック性の表面電極106を設けた。また、p形Si基板101の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるp形オーミック性の裏面電極107を設けてLED3Bを構成した。
【0044】
上記の手段に依れば、次の(a)〜(d)項に記載の特性を呈する高輝度の青色LED3Bが提供された。
(a)発光中心波長:430nm
(b)輝度:9ミリカンデラ(mcd)
(c)順方向電圧:3.2ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(d)逆方向電圧:8V(逆方向電流=10μA)
本第2実施例では特に、高輝度の発光が帰結され、また、近視野発光像の観察からは、外部に開放されている上部障壁層105の表面領域(表面電極106以外の上部障壁層105の表面領域)に於ける発光強度は略均等であった。これは、ベリリウム(Be)イオンを注入して上部障壁層105の内部に電流阻止機能を果たすpn接合領域109を設ける構成としたことに由来している。即ち、表面電極106より直下に在る発光層104へのLED駆動電流の流通が回避されたため、駆動電流を表面電極106の写影領域以外の領域に略均等に分配できる構成としたことに因るものである。
【0045】
【発明の効果】
本発明に依れば、p形リン化硼素(BP)系半導体層を得るに好適なp形不純物を、硼素原子及びリン原子の共有結合半径との差異の小さいベリリウム(Be)としたので、被堆積層との密着性に優れるp形リン化硼素系半導体層を得るに貢献できる。また、下地層との優れた密着性をもたらすベリリウムドープp形リン化硼素系半導体層を備えた積層構造体から例えば、発光素子を構成することとしたので、耐圧特性等に優れる高輝度の発光素子を得られる効果がある。
【0046】
また、本発明に依れば、ベリリウムドープp形リン化硼素系半導体層を含硼素III−V族化合物半導体からなる低温緩衝層を介して設ける構成としたので、特に、下地層との密着性に優れるp形リン化硼素系半導体層をもたらすに貢献でき、これより、例えば耐圧に優れる発光素子を構成するに効果が奏される。
【0047】
また本発明では、イオン注入手段に依りp形リン化硼素系半導体層を得る際にも、注入種を難拡散性のベリリウム(Be)イオンとすることとしたので、例えば、n形リン化硼素系半導体層の内部の限定された領域にp形伝導領域を構成することができる。また、n形半導体層の特定の領域に限定して形成されたp形伝導領域によるpn接合構造の電流通流阻止機能を利用すれば、例えば、LED駆動電流を表面電極の周囲に万遍なく拡散させるに効果を挙げられ、高輝度の発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるLEDの断面模式図である。
【図2】 本発明に係わるランプの構造を示す断面模式図である。
【図3】本発明の第1実施例に係わるLEDの断面模式図である。
【図4】本発明の第2実施例に係わるLEDの断面模式図である。
【符号の説明】
1A、2A 積層構造体
1B、2B、3B LED
10 ランプ
11 基板
12 上部障壁層
13 表面電極
14 裏面電極
15 台座
16 碗体
17、18 端子
19 封止樹脂
101 単結晶基板
102 低温緩衝層
103 下部障壁層
104 発光層
105 上部障壁層
106 表面電極
107 裏面電極
108 イオン注入領域
109 pn接合領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for constructing a compound semiconductor device using a p-type boron phosphide-based semiconductor layer having an excellent surface state.
[0002]
[Prior art]
As one type of III-V compound semiconductor, a boron phosphide (BP) III-V compound semiconductor (boron phosphide-based semiconductor) containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements is known. (Satoru Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, published by Baifukan Co., Ltd., first edition, pages 26-28). Conventionally, blue or green using boron phosphide or mixed crystals thereof. Techniques for constructing a laser diode (LD) in the band are disclosed (Japanese Patents (1) 2809690, (2) 2809699, (3) 2809996, and (4) US Patent 6 , 069,021).
[0003]
Boron phosphide (BP) has a small ionic bond degree of Philips (0.006) (Philips, “Semiconductor Bonding Theory” (July 25, 1985, 3rd edition, published by Yoshioka Shoten Co., Ltd.), 51 (See page), and is a substance consisting mostly of covalent bonds, and since it is a zinc-blend type cubic crystal, it has a band structure of a degenerate valence band (co-authored by Toshiaki Ikoma and Hideaki Ikoma, "Introduction to basic physical properties of compound semiconductors" (September 10, 1991, first edition issued by Baifukan Co., Ltd.), pages 14 to 17. For boron phosphide, a p-type conductive layer is easily obtained. There are advantages that can be made.
[0004]
For example, boron phosphide (BP) selectively doped with p-type impurities and aluminum nitride / gallium mixed crystal (AlXGa1-XA technique for forming a light emitting layer that emits green band light from a superlattice structure of N: 0 ≦ X ≦ 1) is known (see the above-mentioned Japanese Patent No. 28099691). Further, the p-type conductive boron phosphide (BP) layer is used as a buffer layer in a laminated structure for forming a light emitting element (see US Pat. No. 5,042,043). Further, it is used to construct a p-type current confinement layer for forming a current confinement type laser diode (LD) (see Japanese Patent No. 3152900).
[0005]
In providing p-type boron phosphide on a substrate made of a single crystal material such as silicon (Si), gallium phosphide (GaP), or silicon carbide (SiC), conventionally, zinc (Zn) or magnesium (Mg) has been used. It is used as a p-type impurity (refer to the above-mentioned patents (1) 2809690, (2) 2809969, and (3) 2809969).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The covalent bond radius of boron (B), which is an element (constituent element) constituting boron phosphide, which is a typical boron phosphide-based semiconductor, is 0.820.8. The covalent bond radius of phosphorus (P), which is one constituent element, is 1.06 mm. Magnesium (Mg) has a larger covalent bond radius of 1.36 to these constituent elements. Therefore, the difference in the common radius between magnesium and boron reaches 0.54 mm. Also, the difference from phosphorus atoms is as large as 0.30Å. For this reason, when magnesium having a large difference between the constituent elements and the covalent bond radius is added to boron phosphide, the lattice of the boron phosphide crystal is expanded. There arises a problem that it occurs and peels off from the substrate surface.
[0007]
On the other hand, the covalent bond radius of zinc (Zn) is 1.25 Å, which is smaller than that of magnesium. Thus, the difference in the covalent bond radius between boron (B) and phosphorus (P) is 0.43 and 0.19, respectively, and the difference in the shared atomic radius for both constituent elements is small compared to magnesium. . However, when zinc (Zn) is used as a p-type impurity, the crystal lattice of boron phosphide is expanded, although it is slight compared with the case of magnesium. For this reason, when zinc (Zn) is added excessively, peeling from the substrate surface due to “dripping” of the boron phosphide layer occurs.
[0008]
Due to the peeling, for example, if the adhesion between the p-type boron phosphide layer and the substrate surface is lost, the resistance component against the flow of current increases and the normal between the boron phosphide layer and the substrate material, for example. It cannot perform electrical conduction. Therefore, it hinders the production of a compound semiconductor device exhibiting normal device operation.
[0009]
The present invention presents technical means for avoiding, for example, peeling from the substrate surface in the prior art for obtaining a p-type conductive boron phosphide-based semiconductor layer by adding a p-type impurity. In particular, in view of the difference in shared atomic radius with constituent elements, a technical means for providing a p-type boron phosphide-based semiconductor layer having a specific p-type impurity and excellent adhesion to a substrate such as a substrate material is presented. Is. It is another object of the present invention to provide a compound semiconductor element including a p-type boron phosphide-based semiconductor layer configured by using these technical means.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention
(1) A p-type boron phosphide provided on the surface of a substrate made of a single crystal and containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements to which beryllium (Be) is added as a p-type impurity. A compound semiconductor device comprising a BP) -based semiconductor layer.
(2) A p-type boron phosphide system in which beryllium (Be) is added to the surface of a single crystal substrate through a low-temperature buffer layer made of a polycrystalline boron phosphide semiconductor containing an amorphous material. The compound semiconductor device according to (1), wherein a semiconductor layer is provided.
(3) The above (1) or (2) characterized by having a pn junction structure comprising a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added and an n-type III-V compound semiconductor layer. The compound semiconductor device described in 1.).
It is.
[0011]
The present invention also provides
(4) A p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added is provided on the surface of a substrate made of a single crystal according to a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) means. The manufacturing method of the compound semiconductor element as described in said (1) thru | or (3).
(5) The p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added is provided on the surface of a substrate made of a single crystal depending on the ion implantation means, (1) to (3) The manufacturing method of the compound semiconductor element of description.
It is.
[0012]
The present invention also provides
(6) A light emitting device comprising the compound semiconductor device according to any one of (1) to (3).
(7) A light emitting device comprising a compound semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a compound semiconductor device according to (4) or (5).
(8) A lamp using the light emitting device according to (6) or (7).
(9) A light source using the lamp according to (8).
It is.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first embodiment of the present invention will be described with reference to a case where a light emitting diode (LED) is configured as a compound semiconductor element.
[0014]
FIG. 1 schematically illustrates a cross-sectional structure of a laminated structure 1A for constituting an LED 1B according to the first embodiment of the present invention. The laminated structure 1A for double hetero (DH) structure LED use can be basically composed of the elements described in the following items (A) to (E), for example.
(A) Substrate 101 made of n-type or p-type conductive silicon (Si), BP (see Japanese Patent Publication No. 55-3834), GaP, GaAs, SiC, or the like.
(B) Low-temperature buffer layer 102 made of a polycrystalline boron phosphide-based semiconductor containing an amorphous material
(C) Lower barrier layer 103 made of a p-type boron phosphide-based semiconductor layer doped with beryllium (Be)
(D) n-type gallium nitride indium (Ga) preferably lattice matched to the lower barrier layer 103XIn1-XN: 0 ≦ X ≦ 1) (see the above Japanese Patent Publication No. 55-3834) or n-type gallium nitride phosphide (GaN)1-YPY: Light emitting layer 104 made of a group III nitride semiconductor such as 0 ≦ Y ≦ 1)
(E) n-type upper barrier layer 105 made of boron phosphide-based semiconductor
[0015]
The low-temperature buffer layer 102 is, for example, a general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δAsδA boron phosphide-based semiconductor represented by (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1) can be suitably configured. For example, the general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δNδ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 <δ <1), and a boron phosphide-based semiconductor containing nitrogen (N). Preferably, it is composed of a binary crystal or a ternary mixed crystal that has a small number of constituent elements and can be easily constructed. For example, monomer boron phosphide (BP), aluminum phosphide / boron mixed crystal (BαAlβP: 0 <α ≦ 1, β = 1−α), boron phosphide / gallium mixed crystal (BαGaδP: 0 <α ≦ 1, δ = 1−α), or boron phosphide / indium mixed crystal (BαIn1- αP: 0 <α ≦ 1).
[0016]
A polycrystalline boron phosphide-based semiconductor containing an amorphous material can be formed at about 250 ° C. to 750 ° C. by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) (US Pat. No. 6,194,744B1). Issue). In particular, the polycrystalline low-temperature buffer layer 102 containing an amorphous material relaxes the lattice mismatch between the substrate 101 and the lower barrier layer 103, and lower barriers with low crystal defect density such as misfit dislocations. The effect of providing the layer 103 is exhibited (see US Pat. No. 6,069,021 above). Whether or not the low-temperature buffer layer 102 is a polycrystalline layer containing an amorphous state can be known from, for example, analysis of a diffraction image by a general X-ray diffraction method or electron beam diffraction method.
[0017]
Further, when the low-temperature buffer layer 102 is composed of a boron phosphide semiconductor containing an element (constituent element) constituting the p-type boron phosphide-based semiconductor forming the lower barrier layer 103, the function of the constituent element as “growth nucleus” Thus, for example, there is an advantage that the formation of the continuous lower barrier layer 103 is promoted. Further, according to the means formed through the low-temperature buffer layer 102, a boron phosphide system mainly composed of uniform crystal planes, for example, {110} crystal planes arranged parallel to the surface of the substrate 101. A semiconductor layer is obtained. Therefore, in the second embodiment of the present invention, the p-type boron phosphide-based semiconductor layer (the lower barrier layer 103 in FIG. 1) is formed with the low-temperature buffer layer 102 interposed. The layer thickness of the low temperature buffer layer 102 is desirably 1 nm to 500 nm, and more desirably 2 nm to 100 nm. Impurities added to obtain the conductive low-temperature buffer layer 102 include zinc (Zn; atomic radius (r) = 1.38Å), silicon (Si; r = 1.32Å), tin (element symbol Sn; r = 1.62 mm) is suitable. Impurities having an atomic radius larger than that of boron (r = 0.98Å) and phosphorus (r = 1.28Å) are restricted from moving in the boron phosphide-based layer constituting the low-temperature buffer layer 102. This is effective for maintaining the crystallinity of the substrate 101 satisfactorily.
[0018]
The feature of the technical means according to the present invention is that the p-type impurity added to obtain a p-type boron phosphide-based semiconductor layer (for example, the lower barrier layer 103 in FIG. 1) is limited to beryllium (Be). is there. The shared atomic radius of beryllium is 0.90Å, and the difference from the covalent bond radius (= 0.82Å) of boron is 0.08Å which is an order of magnitude less than that of conventional p-type impurities Mg and Zn. is there. Therefore, beryllium has an advantage that it can act as an acceptor without significantly deforming the lattice even if the lattice position of boron (B), which is a group III constituent element of a boron phosphide-based semiconductor, is occupied. . The difference in atomic radius between boron (atomic radius (r) = 0.98Å) and p-type impurity occupying the lattice position is 0.62Å for magnesium (r = 1.60Å) and zinc (r = 1.38Å). ) Is 0.40Å, and cadmium (element symbol Cd; r = 1.54Å) is 0.56Å. On the other hand, the atomic radius of beryllium is 1.12 あ り, which is as small as 0.14 れ ば compared with the difference from other Group II elements, and does not change the interatomic distance between the atoms constituting the crystal. Therefore, there is an advantage that deformation of the crystal lattice can be suppressed. For this reason, in the p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added, expansion of the crystal lattice is avoided, and peeling from the deposited layer due to rolling up is prevented.
[0019]
The p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added is, for example, dimethyl beryllium ((CHThree)2Be) or diethyl beryllium ((C2HFive)2Be) or the like can be formed by MOCVD means using an addition source of beryllium (see J. Electrochem. Soc., 130 (1983), page 1782). From the viewpoint of high vapor pressure, diethylberyllium is more preferable (1) J. Crystal Growth, 77 (1986), pages 32 to 36, and (2) ibid, 115 (1991), 460. See page 463). For example, triethyl boron ((C2HFive)ThreeB)) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) It can be formed by atmospheric pressure (substantially atmospheric pressure) in which diethyl beryllium is added as an addition source to the reaction system or by reduced pressure MOCVD means. The formation temperature of the boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added is preferably over 750 ° C. and 1200 ° C. or less. At high temperatures exceeding 1200 ° C, for example, B13P2Formation of boron phosphide multimers such as J. Am. Ceramic Soc., 47 (1) (1964), pages 44 to 46, which hinders obtaining a homogeneous boron phosphide-based semiconductor layer. .
[0020]
Further, a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added can also be obtained by means of implanting beryllium ions into the boron phosphide-based semiconductor layer (ion implantation means). The atomic radius of beryllium (r = 1.12Å) is small compared to the conventional p-type impurities zinc (Zn; r = 1.38Å) and magnesium (Mg; r = 1.60Å). The degree of crystal damage caused by ion implantation is small. Further, the boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added has an advantage that peeling does not occur even when annealing is performed to electrically activate beryllium at a high temperature of about 700 ° C. to about 1000 ° C. is there. That is, when obtaining a p-type boron phosphide semiconductor layer by ion implantation of p-type impurities, beryllium is superior in obtaining a p-type conductive layer having excellent crystallinity. Also, beryllium has a projection range at the same acceleration voltage as Mg or Zn because of its small mass number ("Electronics and Information Engineering Course 12 Device Process" (January 15, 1993, (See page 90-96, published by Baifukan Co., Ltd.) The advantage is that it can be implanted deeper into the boron phosphide-based semiconductor layer.
[0021]
The lower barrier layer 103 is, for example, a general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δAsδA boron phosphide-based semiconductor represented by (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1) can be suitably configured. For example, the general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δNδ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 <δ <1), and a boron phosphide-based semiconductor containing nitrogen (N). Preferably, it is composed of a binary crystal or a ternary mixed crystal that has a small number of constituent elements and can be easily constructed. For example, monomer boron phosphide (BP), aluminum phosphide / boron mixed crystal (BαAlβP: 0 <α ≦ 1, β = 1−α), boron phosphide / gallium mixed crystal (BαGaδP: 0 <α ≦ 1, δ = 1−α), or boron phosphide / indium mixed crystal (BαIn1- αP: 0 <α ≦ 1). The hole concentration of the p-type boron phosphide-based semiconductor layer doped with beryllium suitable for forming the barrier layer is generally 1 × 10 6.17cm-3~ 5x1019cm-3It is. The hole concentration can be measured by a general Hall effect method. The layer thickness is generally 0.05 μm to 5 μm.
[0022]
In particular, depending on the MOCVD method, (1) in the range of 750 ° C. to 1200 ° C., more preferably at a temperature of 800 ° C. to 950 ° C., (2) the growth rate is 2 nm / min to 30 nm or less, The boron phosphide monomer formed by adding beryllium while the feed ratio of the Group III material to the Group III material (so-called V / III ratio) is preferably 15 or more and 60 or less is 3.0 ± It exhibits a high band gap of 0.2 eV. A p-type boron phosphide-based semiconductor layer having a high forbidden band formed under such conditions can be suitably used as the lower barrier layer 103. The lower barrier layer 103 can also be formed from a p-type boron phosphide-based semiconductor mixed crystal based on this high forbidden band width p-type boron phosphide. For example, a forbidden band at room temperature, which is a mixed crystal of monomeric boron phosphide (BP) having a forbidden band width of 3.1 eV and gallium phosphide (GaP: forbidden band width at room temperature≈2.3 eV). Gallium phosphide mixed crystal having a width of about 2.7 eV (B0.50Ga0.50The lower barrier layer 103 can be preferably formed from P). The forbidden band width is, for example, an imaginary part (ε) of a complex dielectric constant obtained from a refractive index (= n) and an extinction coefficient (= k).2= 2 · n · k). These boron phosphide-based semiconductor layers having a high band gap can be effectively used not only as the barrier layers 103 and 105 but also as a light-emitting transmission layer (window layer) for transmitting light emitted from the light-emitting layer 104. .
[0023]
The pn junction structure according to the third embodiment of the present invention includes a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added and, for example, an n-type III-V group compound semiconductor layer. For example, the general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δAsδIt can be composed of a boron phosphide-based semiconductor represented by (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1). For example, the general formula BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δNδConsists of an n-type group III nitride semiconductor containing nitrogen (N) represented by (0 ≦ α ≦ 1, 0 ≦ β ≦ 1, 0 ≦ γ ≦ 1, 0 ≦ α + β + γ ≦ 1, 0 <δ ≦ 1) it can. N-type impurities for III-V compound semiconductors include Group IV elements such as silicon (Si) and tin (Sn), and Group VI such as selenium (Se), sulfur (S) and tellurium (Te). Elements can be exemplified. Among these n-type impurities, silicon (Si) is preferable because it has a small diffusion constant in the group III-V compound semiconductor crystal. The degree of diffusion of impurities into the other layer can be analyzed by analysis means such as secondary ion mass spectrometry (SIMS). When the p-type boron phosphide-based semiconductor layer added with beryllium according to the present invention is joined to the n-type III-V compound semiconductor layer added with Si, the p-type boron phosphide caused by the diffusion of n-type impurities is used. This is effective in suppressing a decrease in the hole concentration of the semiconductor layer.
[0024]
If the laminated structure 1A having a pn junction structure of a beryllium-added p-type boron phosphide-based semiconductor layer and an n-type III-V group compound semiconductor layer according to the present invention is used, for example, a pn junction type heterostructure LED 1B Can provide. In the LED 1B illustrated in FIG. 1, the pn junction structure includes a lower barrier layer 103 made of a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium is added, and a light emitting layer 104 made of an n-type III-V compound semiconductor layer. It consists of. The light emitting layer 104 is formed of, for example, gallium nitride / indium (Ga) that can emit blue-band short-wavelength visible light.XIn1-XN: 0 ≦ X ≦ 1) (see the above Japanese Patent Publication No. 55-3834), gallium nitride phosphide (GaN)1-XPX: 0 ≦ X ≦ 1) (see Appl. Phys. Lett., 60 (20) (1992), pages 2540-2542). Also, gallium arsenide nitride (GaN1-XAsX: 0 ≦ X ≦ 1). The light emitting layer 104 may be formed of a single or multi quantum well structure in which these III-V compound semiconductor layers are well layers. The light emitting layer 104 formed of a quantum well structure has an advantage that light emission with good monochromaticity is brought about.
[0025]
When the upper barrier layer 105 is provided on the light emitting layer 104, a double hetero (DH) structure type light emitting portion can be configured. The upper barrier layer 105 can be composed of monomeric boron phosphide having a forbidden band width of 3.0 ± 0.2 eV at room temperature and a boron phosphide-based mixed crystal based thereon. Also, gallium nitride (GaN) or aluminum nitride / gallium mixed crystal (AlXGa1-XA group III nitride semiconductor such as N: 0 <X <1) can be used.
[0026]
The double heterojunction structure type LED 1B according to the present invention is configured, for example, by providing an ohmic surface electrode 106 on the upper barrier layer 105 and disposing an ohmic back electrode 107 on the back surface of the substrate 101. When the upper barrier layer 105 is made of a boron phosphide-based semiconductor, a gold alloy such as a gold / germanium (Au / Ge) alloy, a gold / indium (Au / In) alloy, or a gold / tin (Au / Sn) alloy, etc. N-type ohmic electrodes can be formed. The p-type ohmic electrode can be made of, for example, a gold / zinc (Au / Zn) alloy, a gold / beryllium (Au / Be) alloy, or the like. In order to form an electrode that exhibits good ohmic contact, the surface electrode 106 may be provided on a highly conductive contact layer. From the boron phosphide-based semiconductor layer having a high forbidden band according to the present invention, a contact layer for the surface ohmic electrode 106 that also serves as a window layer that transmits light emitted in the extraction direction can be suitably configured.
[0027]
Further, using the LED 1B, for example, the lamp 10 can be assembled by the following procedure. As illustrated in FIG. 2, for example, the LED 1 </ b> B is fixed to a central portion of a metal casing 16 plated with a metal such as silver (Ag) or aluminum (Al) on the pedestal 15 with a conductive bonding material. Thus, the back electrode 14 provided on the back surface of the conductive substrate 11 used for configuring the LED 1B is electrically connected to one terminal 17 attached to the base 15. In addition, for example, the surface electrode 13 installed on the upper barrier layer 12 of the LED 1B is connected to the other terminal 18 attached to the base 15. Next, the LED 1B is surrounded by a sealing material such as an epoxy resin to form a lamp.
[0028]
Further, if the lamps 10 according to the present invention are assembled, a light source can be configured. For example, a constant voltage drive type white light source can be configured by electrically connecting a plurality of lamps 10 in parallel. Further, a constant current drive type light source can be configured by electrically connecting lamps in series. Since these light sources do not require power for lighting as compared with conventional incandescent fluorescent lamps, they can be used particularly effectively as low-power consumption and long-life light sources. For example, it can be used as a light source for room illumination. For example, it can be used as a light source for outdoor display or indirect illumination.
[0029]
If the pn junction structure according to the third embodiment of the present invention is used in addition to the light emitting element, a compound semiconductor element such as a light receiving element, a pn junction type diode (rectifier), a hetero bipolar transistor (HBT), or the like is configured. it can. For example, the surface light-receiving type light receiving element is formed by sequentially laminating a stacked structure including the functional layers described in the items (B) to (E), which are sequentially deposited on the conductive substrate described in the item (A). Can be configured as
(A) Si single crystal substrate having n-type (100) plane doped with antimony (Sb)
(B) A low-temperature buffer layer made of a polycrystal including an amorphous material made of Si-doped n-type boron phosphide (BP)
(C) Si-doped n-type boron phosphide layer mainly composed of {110} -crystal planes arranged parallel to the surface of the substrate described in (A)
(D) n mainly composed of monomeric boron phosphide (BP: lattice constant ≈ 4.538 Å) and cubic gallium nitride (GaN: lattice constant ≈ 4.510 Å) with little lattice mismatch. GaN layer
(E) A beryllium-doped p-type boron phosphide layer that forms a pn junction with the n-type GaN layer.
The p-type boron phosphide layer can be composed of a p-type conductive layer having a low resistance, in particular, because beryllium that imparts a high hole concentration is added to boron phosphide having a high covalent bond as a p-type impurity. Therefore, the p-type ohmic electrode with low contact resistance can be easily formed.
[0030]
In addition, for example, an npn junction type HBT having a basic configuration can be configured using a laminated structure including the functional layers described in the following items (a) to (d) as a base material.
(A) Si single crystal substrate having a p-type (100) surface doped with boron (B), which also serves as a collector layer
(B) A low-temperature buffer layer made of polycrystal including an amorphous material made of beryllium (Be) -doped p-type boron phosphide (BP)
(C) A base layer composed of a Be-doped p-type boron phosphide layer mainly composed of {110} -crystal planes arranged parallel to the surface of the substrate described in (A).
(D) An emitter layer made of silicon (Si) -doped n-type boron phosphide (BP).
According to the present invention, the low-resistance p-type conductive layer to the base layer are formed by using boron phosphide having a low ion-binding property to which beryllium giving a high hole concentration is added as a p-type impurity. It is advantageous to be able to configure.
[0031]
【Example】
(First embodiment)
This is an example in which a blue LED is formed from a laminated structure including a boron phosphide-based semiconductor layer added with beryllium (Be) provided on a boron phosphide-based low-temperature buffer layer added with a p-type impurity. The invention will be specifically described. FIG. 3 shows a schematic sectional view of the LED 2B according to the first embodiment.
[0032]
The LED 2B is composed of a laminated structure 2A in which a silicon (Si) single crystal having p-type (100) plane doped with boron (B) is used as a substrate 101. On the substrate 101, triethylboron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) A low temperature buffer layer 102 was laminated at 350 ° C. by a normal atmospheric pressure MOCVD method. The low-temperature buffer layer 102 was composed of polycrystalline boron phosphide (BP) mainly composed of amorphous material to which zinc (Zn; atomic radius (r) ≈1.38 cm) was added. The atomic concentration of zinc in the low temperature buffer layer 102 is 4 × 1018cm-3The layer thickness was 25 nm.
[0033]
On the low temperature buffer layer 102, (C2HFive)ThreeB / trimethylindium ((CHThree)ThreeIn / PHThree/ H2P-type boron phosphide / indium mixed crystal (B) doped with beryllium (Be) at 850 ° C. using a system atmospheric pressure MOCVD method0.99In0.01P) layers were laminated. The beryllium doping source is diethyl beryllium ((C2HFive)2Be) was used. Boron phosphide / indium mixed crystal (B0.99In0.01P) was deposited with beryllium (Be) as a p-type dopant through the low-temperature buffer layer 102, and therefore, it was not twisted and had excellent adhesion to the substrate 101. B0.99In0.01Since the P (lattice constant≈4.557Å) layer was laminated via the low-temperature buffer layer 102, it became a main crystal layer from {110} crystal planes arranged substantially parallel to the surface of the substrate 101. P-type B0.99In0.01The P layer has a growth rate of 30 nm / min and a V / III ratio (= PHThree/ ((C2HFive)ThreeB + (CHThree)ThreeSince the In) supply amount ratio) was 40, the forbidden band width at room temperature was about 3.0 eV. For this reason, p-type B0.99In0.01The P layer was used as the lower barrier layer 103. The carrier concentration of the lower barrier layer 103 is 2 × 1018cm-3The layer thickness was 520 nm.
[0034]
On the lower barrier layer 103, trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) / Ammonia (NHThree) / H2Cubic silicon (Si) -doped n-type Ga at 850 ° C. using system atmospheric pressure MOCVD means0.90In0.10The light-emitting layer 104 (carrier concentration≈4 × 10) mainly composed of the N layer (lattice constant = 4.5574.5)17cm-3, Layer thickness ≈ 180 nm).
[0035]
On the light emitting layer 104, (C2HFive)ThreeB / PHThree/ H2An upper barrier layer 105 made of silicon-doped n-type boron phosphide (BP) having a forbidden band width of about 3.1 eV at room temperature was laminated by a system atmospheric pressure MOCVD means. Since the upper barrier layer 105 was grown at 400 ° C., it became a layer mainly composed of amorphous material. The carrier concentration of the upper barrier layer 105 is 5 × 1018cm-3The layer thickness was 420 nm. Beryllium (Be) doped p-type B0.99In0.01P lower barrier layer 103 and silicon (Si) doped n-type Ga0.90In0.10The N-layer light emitting layer 104 and the silicon (Si) -doped n-type BP upper barrier layer 105 constitute a light-emitting portion having a pn junction type double heterostructure.
[0036]
At the center of the upper barrier layer 105, a circular (diameter = 120 μm) ohmic surface electrode 106 made of gold / germanium (Au · Ge) was provided. Further, an ohmic back electrode 107 made of aluminum (Al) was provided on substantially the entire back surface of the p-type Si substrate 101 to configure the LED 2B.
[0037]
When the degree of diffusion of beryllium (Be) and silicon (Si) in the light emitting part was investigated by secondary ion mass spectrometry, no silicon diffusion from the light emitting layer 104 to the lower barrier layer 103 was observed. It was. Further, almost no permeation of beryllium (Be) from the lower barrier layer 103 into the light emitting layer 104 was observed.
[0038]
The configured blue LED 2B exhibited the characteristics described in the following items (a) to (d).
(A) Emission center wavelength: 430 nm
(B) Luminance: 6 millicandela (mcd)
(C) Forward voltage: 3.0 volts (V) (forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage: 6 V (reverse current = 10 μA)
In particular, since the p-type impurity added to the low-temperature buffer layer 102 is zinc (Zn), the crystallinity of the Si single crystal due to the diffusion of the p-type impurity into the substrate 101 can be suppressed. In LED 2B, local breakdown of local breakdown voltage when a reverse voltage was applied was hardly recognized. In addition, since a p-type boron phosphide-based semiconductor layer (lower barrier layer 103) doped with beryllium is used, poor conduction due to peeling from the deposited layer (the low-temperature buffer layer 102 in the case of the first embodiment). Occurrence of was avoided.
[0039]
(Second embodiment)
The present invention will be specifically described by taking as an example a case where a blue LED is formed from a laminated structure including a p-type boron phosphide (BP) layer into which beryllium (Be) is ion-implanted. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the LED 3B according to the second embodiment. In FIG. 4, the same components as those in the laminated structure 2A shown in FIG.
[0040]
On the same light emitting layer 104 as described in the first embodiment, (C2HFive)ThreeB / PHThree/ H2N-type boron phosphide / indium mixed crystal (B0.67In0.33An upper barrier layer 105 made of P) was laminated. Disilane (Si2H6) As a doping source of silicon (Si), and the carrier concentration of the upper barrier layer 105 is 6 × 10 6.17cm-3Adjusted. The layer thickness of the upper barrier layer 105 was 750 nm.
[0041]
After the growth of the upper barrier layer 105 was completed and cooled in a nitrogen stream to a temperature near room temperature, the laminated structure 2A was taken out from the MOCVD growth apparatus. Thereafter, selective patterning was performed by using a known photolithography (photoetching) technique, limited to a region where the surface electrode 106 at the center of the upper barrier layer 105 was to be disposed. Next, the photoresist material was removed only in a circular region having a diameter of about 130 μm to form the surface electrode 106 to expose the surface of the upper barrier layer 105. Next, beryllium ion (BeFive +) At an acceleration voltage of 180 KV and a dose amount of 1.5 × 1013cm-2As a result, it was injected into a region where the surface electrode 106 was to be formed.
[0042]
After removing the photoresist material left in the region other than the surface electrode 106, the phosphine (PHThree) In a nitrogen stream containing about 6 volume percent (vol.%) At 850 ° C., annealing (heat treatment) was performed to electrically activate beryllium ions. Thus, a peak carrier concentration (= n) at a depth of about 500 nm from the surface of the upper barrier layer 105.p) About 9 × 1017cm-3Beryllium (Be) doped p-type B0.67In0.33An ion implantation region 108 made of a P layer was formed in the upper barrier layer 105. According to secondary ion mass spectrometry (SIMS), the atomic concentration of implanted beryllium is npAbout 1 × 10 maximum at a depth (˜500 nm) giving18cm-3Met. Further, in the annealing at 850 ° C., the distribution of beryllium atoms was almost in the shape of an LSS theoretical curve, and thermal diffusion of Be atoms was hardly recognized. For this reason, p-type conversion of the surface portion of the upper barrier layer 105 due to electrical compensation of beryllium atoms diffused into the surface portion of the upper barrier layer 105 is avoided, and n-type conductivity is maintained in the surface layer portion. It was to be done.
[0043]
A region (diameter≈130 μm) made of a gold / germanium (Au 97 wt% / Ge 3 wt%) alloy in a region where the surface electrode 106 is to be formed on the region 108 into which the beryllium (Be) is ion-implanted formed in the upper barrier layer 105. ) N-type ohmic surface electrode 106 was provided. Further, a p-type ohmic back electrode 107 made of aluminum (Al) was provided on substantially the entire back surface of the p-type Si substrate 101 to constitute the LED 3B.
[0044]
According to the above means, a high-intensity blue LED 3B having the characteristics described in the following items (a) to (d) is provided.
(A) Emission center wavelength: 430 nm
(B) Luminance: 9 millicandela (mcd)
(C) Forward voltage: 3.2 volts (V) (forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage: 8 V (reverse current = 10 μA)
Particularly in the second embodiment, high-luminance light emission results, and from the observation of the near-field light emission image, the surface region of the upper barrier layer 105 opened to the outside (the upper barrier layer 105 other than the surface electrode 106). The emission intensity in the surface area of the film was substantially uniform. This originates in the structure which provided the pn-junction area | region 109 which implants beryllium (Be) ion and performs a current blocking function inside the upper barrier layer 105. That is, since the distribution of the LED driving current to the light emitting layer 104 immediately below the surface electrode 106 is avoided, the configuration is such that the driving current can be distributed substantially evenly to the area other than the projected area of the surface electrode 106. Is.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, the p-type impurity suitable for obtaining the p-type boron phosphide (BP) based semiconductor layer is beryllium (Be) having a small difference between the covalent bond radius of the boron atom and the phosphorus atom. This contributes to obtaining a p-type boron phosphide-based semiconductor layer having excellent adhesion to the deposited layer. In addition, for example, a light emitting element is formed from a laminated structure including a beryllium-doped p-type boron phosphide-based semiconductor layer that provides excellent adhesion to an underlayer, and thus high-luminance light emission excellent in breakdown voltage characteristics and the like. There is an effect that an element can be obtained.
[0046]
In addition, according to the present invention, the beryllium-doped p-type boron phosphide-based semiconductor layer is provided via the low-temperature buffer layer made of a boron-containing III-V group compound semiconductor. This contributes to providing a p-type boron phosphide-based semiconductor layer that is excellent in resistance. For example, it is effective in constructing a light-emitting element having excellent breakdown voltage.
[0047]
In the present invention, when the p-type boron phosphide-based semiconductor layer is obtained by means of ion implantation, the implanted species is made of non-diffusible beryllium (Be) ions. A p-type conduction region can be formed in a limited region inside the system semiconductor layer. Further, if the current conduction blocking function of the pn junction structure formed by the p-type conduction region limited to a specific region of the n-type semiconductor layer is used, for example, the LED drive current is uniformly distributed around the surface electrode. An effect can be given for diffusion, and a light-emitting element with high luminance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a lamp according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an LED according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an LED according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1A, 2A laminated structure
1B, 2B, 3B LED
10 lamps
11 Substrate
12 Upper barrier layer
13 Surface electrode
14 Back electrode
15 pedestal
16 body
17, 18 terminals
19 Sealing resin
101 Single crystal substrate
102 Low temperature buffer layer
103 Lower barrier layer
104 Light emitting layer
105 Upper barrier layer
106 Surface electrode
107 Back electrode
108 Ion implantation region
109 pn junction region

Claims (9)

単結晶からなる基板の表面上に設けられた、p形不純物としてベリリウム(Be)が添加された、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むp形リン化硼素(BP)系半導体層を具備することを特徴とする化合物半導体素子。A p-type boron phosphide (BP) system provided on the surface of a single crystal substrate and containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements to which beryllium (Be) is added as a p-type impurity A compound semiconductor device comprising a semiconductor layer. 単結晶からなる基板の表面上に、非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を介して、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。A p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added is formed on the surface of a single-crystal substrate via a low-temperature buffer layer made of a polycrystalline boron phosphide-based semiconductor containing an amorphous material. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor device is provided. ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層と、n形III−V族化合物半導体層とからなるpn接合構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導体素子。3. The compound semiconductor according to claim 1, wherein the compound semiconductor has a pn junction structure including a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added and an n-type III-V group compound semiconductor layer. element. 有機金属化学的気相堆積成長(MOCVD)手段に依り、単結晶からなる基板の表面上に、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層を設けることを特徴とする請求項1ないし3に記載の化合物半導体素子の製造方法。2. A p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added is provided on a surface of a substrate made of a single crystal by means of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A method for producing a compound semiconductor device according to 1 to 3. イオン注入手段に依り、単結晶からなる基板の表面上に、ベリリウム(Be)が添加されたp形リン化硼素系半導体層を設けることを特徴とする請求項1ないし3に記載の化合物半導体素子の製造方法。4. A compound semiconductor device according to claim 1, wherein a p-type boron phosphide-based semiconductor layer to which beryllium (Be) is added is provided on the surface of a substrate made of a single crystal by means of ion implantation. Manufacturing method. 請求項1ないし3に記載の化合物半導体素子からなる発光素子。A light emitting device comprising the compound semiconductor device according to claim 1. 請求項4または5に記載の化合物半導体素子の製造方法により製造された化合物半導体素子からなる発光素子。The light emitting element which consists of a compound semiconductor element manufactured by the manufacturing method of the compound semiconductor element of Claim 4 or 5. 請求項6または7に記載の発光素子を用いたランプ。A lamp using the light emitting device according to claim 6. 請求項8に記載のランプを用いた光源。A light source using the lamp according to claim 8.
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