JP3927646B2 - Gallium nitride compound semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same - Google Patents

Gallium nitride compound semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、緑色領域から紫外光領域で発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子として、例えば特開平8−97507号公報に開示されているような半導体レーザがあり、その断面構造図を図8に示す。このレーザ素子は、以下のようにして製造する。まず、サファイヤ基板801上にn型GaNからなるバッファ層802、n型AlzGa1-zN(0<z<1)からなる下部クラッド層803、InxGa1-xN(0<x<1)からなる活性層804、1×1018cm-3の密度のp型不純物を含むAlzGa1-zNからなる上部第1クラッド層805、3×1018cm-3の密度のn型不純物を含むAlyGa1-yNからなる電流阻止層806(0<y≦1,z<y)を積層する。次に、前記ウエハーをMOCVD装置内から取り出しフォトリソグラフィ工程によりエッチングして上部第1クラッド層805を露出させて、ストライプ溝820を有する電流阻止層806を形成する。その後、再度前記ウエハーをMOCVD装置内に導入し、基板温度を1020℃にある程度の時間保持した後、p型AlzGa1-zNからなる上部第2クラッド層807、p型GaNからなるコンタクト層808を形成し、ストライプ溝820を埋める。最後に、ストライプ溝820を含まない領域でバッファ層802を露出するエッチングを施し、p型電極809とn型電極810をそれぞれ形成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では下記の問題点があった。
(1)素子直列抵抗が20Ω以上と高抵抗化し、駆動電圧が5V以上に上昇すること。
(2)高温(60℃雰囲気下)での素子寿命が直列抵抗分による発熱で500時間程度と短いこと。
(3)電流と電圧の関係に負性抵抗が現れる素子が出現し、製造歩留まりが低下すること。
これらの問題点は、AlGaAs系等の他材料のレーザ素子では見られなかったものであり、本発明者が上記従来素子を詳細に解析した結果、電流阻止構造を形成した後に再結晶成長させる際に、上部第1クラッド層805と上部第2クラッド層807の界面付近に、AlOxなる酸化膜とその上にn型(または高抵抗な)AlGaN層とからなる再堆積層821が厚さ約13nmで介在することにより誘起されるものであることが分かった。
【0004】
さらに詳細に工程を解析した結果、再堆積層821は、ストライプ溝820上への上部第2クラッド層807の再成長前に、窒化ガリウム系再成長層の結晶性を確保するため必要となる700℃以上の温度にウェハーを保持する工程において、ストライプ溝820周辺の電流阻止層806の表面または側面よりn型GaN材料が再蒸発して、その一部がストライプ溝820底面の第1クラッド層805表面に再堆積したものであることが分かった。
【0005】
上述した問題点は、上記従来の半導体レーザのみではなく、同様の電流阻止構造を有する発光ダイオードにおいても素子の直列抵抗の上昇や、電流注入領域の減少として現れ、素子作製上の歩留まりを低下させる原因となっていた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1導電型の第1クラッド層と、この第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、上記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、上記除去部の底面に再堆積層が形成されており、この再堆積層は上記第1クラッド層と同一の導電型であり、上記第1クラッド層の不純物密度が、上記電流阻止層の不純物密度より大きく設定されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
【0007】
また、本発明は、第1導電型の第1クラッド層と、この第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、上記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、上記除去部の底面に再堆積層が形成されており、この再堆積層は上記第1クラッド層と同一の導電型であり、上記除去部を除いた上記電流阻止層の表面層が、第1導電型を示す不純物を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
【0008】
本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、上記第1クラッド層をAl x In y Ga z N(x+y+z=1,0≦x≦0.1,0≦y<1,z≠0)からなるものとすることができる。さらに、上記第1クラッド層を、上記第2クラッド層の結晶成長前処理温度での蒸発量が上記電流阻止層より多くなるように選択された材料とすることができる。さらに、上記電流阻止層を、Al w Ga 1-w N(0≦w≦0.2)からなり、wは第1クラッド層のAlの組成より大きくすることができる。また、上記第2クラッド層の不純物密度を、上記第1クラッド層の不純物密度と同等、またはより大きくすることができる。
【0009】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、上記除去部を除いた上記電流阻止層の表面層を、Inを含んでなるものとすることができる。
【0010】
また、本発明は、第1導電型の第1クラッド層と、この第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、上記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、上記除去部の底面に再堆積層が形成されており、この再堆積層は上記第1クラッド層と同一の導電型であり、上記第1クラッド層の上記除去部に面した部分がInpAlqGa1-p-qN(0≦p,0≦q≦0.1,p+q<1)であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
【0011】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、上記電流阻止層を、Al w Ga 1-w N(0≦w≦0.2)からなり、wは上記第1クラッド層のAlの組成より大きくすることができる。
【0012】
また、本発明は、基板上に第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の電流阻止層とを積層する工程と、この電流阻止層の一部領域を除去して第1クラッド層を露出すると共に除去部を形成する工程と、この除去部の底面に再堆積層が形成される熱処理工程と、この除去部を覆うように第1導電型の第2クラッド層を形成する工程と、を含み、上記再堆積層は上記第1クラッド層と同一の導電型であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【0013】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態において作製された窒化ガリウム系半導体レーザの断面構造の模式図である。本窒化ガリウム系半導体レーザの作製には、V族原料としてアンモニア、III族原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、p型不純物としてビスシクロペンタデイエニルマグネシウム(Cp2Mg)、n型不純物としてモノシラン、キャリヤガスとして水素及び窒素を用いる有機金属化合物気相成長法(MOCVD法)を用いた。図4に基づいて本実施の形態の素子の作製手順を詳細に説明する。
【0014】
まず、n型GaNの基板101をMOCVD装置のサセプタ上に導入し、基板101の温度を1000℃にし、n型GaNからなるバッファ層102を2μm厚、n型Al0.1Ga0.9Nからなる下部クラッド層103を0.5μm厚で順次成長させる。次に、基板温度を800℃まで降温し、ノンドープIn0.35Ga0.65Nからなる活性層104を3nm厚で成長させる。さらに、基板温度を1000℃まで昇温しながらMgを5×1019cm-3の密度で添加したp型Al0.1Ga0.9Nからなる上部第1クラッド層105を0.25μm厚、Mgを3×1019cm-3の密度で添加したp型GaNからなる上部第1クラッド表面層106を100nm厚、Siを5×1018cm-3の密度で添加したn型Al0.15Ga0.85Nからなる電流阻止層107を0.6μm厚で順次成長させる(図4(1))。
【0015】
次に、一旦ウェハーをMOCVD成長室から取り出し、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、上部第1クラッド表面層106が露出するまで電流阻止層107をエッチング除去して、除去領域として幅1.6μmのストライプ溝120を形成する(図4(2))。
【0016】
次に、2回目の結晶成長を行うために再びこのウェハーをMOCVD装置内に導入する。アンモニア、窒素、水素の混合ガス雰囲気下において基板温度を750℃まで昇温し、その状態にて3分間、上部第1クラッド表面層106の表面をクリーニングした後、上部第1クラッド表面層106と電流阻止層107とを覆うようにMgを3×1019cm-3の密度で添加したAl0.1Ga0.9Nからなる上部第2クラッド層108を1.2μm厚、p型GaNからなるコンタクト層109を0.5um厚で再成長させた。基板温度はこの2回目の成長を実施しながら1000℃まで徐々に上昇させた。なお、以下の実施の形態において、再成長する時に露出している各層の不純物濃度は各層内で均一に分布している。
【0017】
再成長終了後、雰囲気を窒素ガスに交換し、800℃にて20分間熱アニーリングを行いMgドープ層をp型に変化させた後、ウェハーを取り出した。最後に、コンタクト層109の上にp型用電極110、基板101にn型用電極111を形成する。最後に、劈開により光共振器面を形成し半導体レーザ素子とした(図4(3))。
【0018】
本実施の形態では、電流阻止層107には不純物としてn型を示すSiが5×1018cm-3含まれるのに対し、上部第1クラッド表面層106には不純物としてp型を示すMgがSiより多い3×1019cm-3含まれるようにした。これにより、再成長前の熱処理によるクリーニング工程において、上部第1クラッド表面層106と電流阻止層107とから結晶材料が再蒸発し、ストライプ溝120底面に形成された再堆積層121には、MgとSiの両方が不純物として含まれ、Mgは2×1019cm-3、Siは8×1016cm-3と100倍以上Mgの方を多くするようにできた。そのため、再堆積層121は低抵抗のp型を呈し、ストライプ溝120への電流注入を阻害することはなくなった。
【0019】
さらに、本実施の形態では、上部第1クラッド表面層106にはAlを含まないGaNを適用したため、再堆積層121をより低抵抗化することができた。本発明者の実験によると、ストライプ溝120底面に位置する材料としてAlsGa1-sNを採用し、かつs≧0.2の場合には、再成長前の熱処理工程において結晶材料の再蒸発によるストライプ溝120底面のクリーニングが十分に実施される前に、発明が解決しようとする課題で説明したように、表面にAlOx酸化膜が形成される。もちろん、このような酸化膜はレーザ素子の高抵抗化を引き起こす。しかし、s≦0.1とした場合には、上記の再成長前の熱処理工程においてAlsGa1-sNが酸化膜の形成より早く再蒸発するため、このような酸化膜がレーザ素子の内部に取り込まれ、素子の抵抗を高くすることがない。このようにストライプ溝120底面に位置する材料としては再成長前の熱処理工程において酸化膜をクリーニング除去可能な再蒸発能力を有することが望ましい。このような材料としては上述のAlsGa1-sN(s≦0.1)以外に、InpGa1-p-qAlqN(q≦0.1)が適していた。
【0020】
さらに、上述のようにストライプ溝120底部の上部第1クラッド表面層106を再成長前の熱処理工程において再蒸発により酸化膜を除去できる材料とすると共に、電流阻止層107に、上部第1クラッド表面層106よりもAlの含有量の多いn型Al0.15Ga0.85Nを適用したため、再成長前のアンモニアを含む雰囲気中での750℃の熱処理工程において、Alをより多く含む電流阻止層107からの再蒸発量が、上部第1クラッド表面層106からの再蒸発量より少なくする事ができた。このようにして、再堆積層121の厚みを3nmと小さくできると共に、再堆積層121におけるSiの密度を小さくすることができ、上部第1クラッド表面層106と電流阻止層107の不純物密度差よりも、再堆積層121におけるMgとSiの不純物密度差を大きくすることができた。
【0021】
よって、本実施の形態の素子では、従来例に見られたような、素子の高抵抗化、動作電圧の上昇、負性抵抗現象、素子寿命の低減は見られず、素子抵抗は7.9Ω、5mWレーザ光出力時の動作電流は45mA、60℃雰囲気下での5mW出力の条件での素子寿命5500時間が得られた。
【0022】
さらに、ストライプ溝120底面の上部第1クラッド表面層106をGaNで構成することにより、当該部分が従来例のように例えばAl0.2Ga0.8Nで形成されている場合と比較して、同密度のMgを添加した場合においても発生するホール密度を一桁以上増加させることが可能となり、界面部分での結晶性の劣化によるキャリアの枯渇を補うことができた。このホール密度の挙動はGaN系特有の現象であり、上部第1クラッド表面層106をGaNにすることにより、界面付近のホール密度を1017cm-3台に保つことができ、ひいては素子の直列抵抗の低減も図ることが可能となった。
【0023】
なお、このクリーニング効果を引き出すためには、再成長前の基板温度は750℃以上で1分以上実施することが望ましい。また、この熱処理工程で基板温度を1100℃以上にすると、GaN系材料の脱離速度が早くストライプ溝120自体の形状が保持されなかった。従って、本熱処理工程に適した温度は750℃〜1100℃であった。
【0024】
また、上記のように上部第2クラッド層108には不純物としてp型を示すMgを3×1019cm-3の密度で含ませた。この上部第2クラッド層108は、ストライプ溝120への電流注入を実現するために、上記第1クラッド層105および上部第1クラッド表面層106と同一導電型であることが必要である。さらに、上部第1クラッド表面層106に含まれるMgの密度を詳細に検討した結果、第2クラッド層108に含まれるMgの密度を上部第1クラッド表面層106に含まれる不純物密度より小さくした場合には、クリーニング工程で形成された再堆積層121に含まれるn型不純物(Si)が第2クラッド層の結晶成長中に第2クラッド層内に熱拡散し、第2クラッド層108の下部にn型反転層が出現する場合があった。この現象は、第2クラッド層108のp型不純物密度を、上部第1クラッド表面層106のp型不純物密度と同等か、より大きく設定することにより防止できた。
【0025】
(実施の形態2)
図2は、本実施の形態において作製した別の半導体レーザ素子の断面構造の模式図である。本実施の形態の素子の製造の手順について図5を用いて詳細に説明する。まず、サファイアの基板201上に分子線エピタキシアル(MBE)法により、GaNからなるバッファ層202、2μm厚のn型GaNからなる下部クラッド層203、2nm厚のIn0.25Ga0.75N井戸層2層と7nm厚のIn0.1Ga0.9Nバリア層3層とからなる多重量子井戸活性層204、0.28μm厚のp型Al0.15Ga0.85Nからなる上部第1クラッド層205、Mgを不純物密度1×1019cm-3含む0.1μm厚のp型In0.05Ga0.95Nからなる上部第1クラッド表面層206、Siを不純物密度3×1018cm-3含む0.3μm厚のn型Al0.2Ga0.8Nからなる電流阻止層207、Znを不純物密度2×1019cm-3含む0.1μm厚のp型In0.3Ga0.7Nからなる電流阻止表面層208を、連続的に結晶成長させる。
【0026】
次に、上記のウェハーを通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて電流阻止表面層208と電流阻止層207を貫通して、除去領域として幅3μmのストライプ溝220を形成し、その底に上部第1クラッド表面層206を露出させる(図5(1))。
【0027】
引き続き、このウェハーをMBE装置内でアンモニア分子線中に設置し、温度を850℃に昇温した状態で10分間ウェハー表面を再蒸発させてクリーニングする。その後、引き続き、850℃で炭素を不純物密度4×1018cm-3含む1.3μm厚のp型Al0.02Ga0.98Nからなる上部第2クラッド層209、Mgを不純物密度1×1020cm-3含むp型GaNからなるコンタクト層210を再成長させる。
【0028】
MBE法での再成長の場合も、前実施の形態の場合と同様に、再成長前にストライプ溝220を設けたウェハーをアンモニアを含む雰囲気下で高温に保持する場合、最適の温度範囲は、クリーニング(即ち再蒸発)効果が現れるのが650℃より高温であり、かつ表面のストライプ溝220の形状が保持されるのは970℃以下であった。また、再成長前の保持時間は表面をクリーニングするため最低でも1分以上の時間が必要であるのは、前実施の形態でのMOCVDと同様であった。
【0029】
最後に、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりウェハーの一部にエッチングを施し、下部クラッド層203を露出させ、その上にn型電極211を形成し、コンタクト層210上にp型電極212を形成する。レーザ用共振器ミラーは下部クラッド層203を露出させる際のエッチングにより同時に垂直面を形成し、レーザ素子とした(図5(2))。
【0030】
本実施の形態においては、再成長前にアンモニア分子線中で850℃で10分間ウェハーを保持した。この時、ウェハー表面を構成する電流阻止表面層208、ストライプ溝220底面の上部第1クラッド表面層206、側面を露出している電流阻止層207が再蒸発し、その一部がストライプ溝220底面に再堆積して再堆積層221を形成する。
【0031】
本発明者らの検討によれば、GaN系半導体材料の高温での単位時間当たりの再蒸発量とそれに伴う再堆積量は、再成長前に高温雰囲気に曝される材料に主として含まれる成分中ではInN、GaN、AlNの順に小さくなることが分かった。すなわち、InGaAlN層ではInNが最も多く再蒸発・再堆積し、AlNが最もしにくい。GaAlN層ではGaを多く含むほど再蒸発・再堆積が大きいことが分かった。
【0032】
本実施の形態の場合、最も広い表面積を占める電流阻止表面層208はp型In0.3Ga0.7Nであり、ストライプ溝220側面に露出している電流阻止層207はn型Al0.2Ga0.8Nであり、ストライプ溝220底面にある上部第1クラッド表面層206はp型In0.05Ga0.95Nであるので、再蒸発および再堆積の量は、InNを最も多く含む電流阻止表面層208が最も多く、次に、上部第1クラッド表面層206、最も小さいのが電流阻止層207である。実際、電流阻止層207からの再蒸発はほとんど認められなかった(すなわち、n型不純物を含む材料の再蒸発および再堆積は抑制されていた)。このため、再堆積層221はp型不純物を含む電流阻止表面層208と上部第1クラッド表面層206とからほとんど来ることになる。従って、再堆積層221はn型不純物はほとんど含まず、MgとZnを含むInGaNから構成されており低抵抗のp型層となっていることが確かめられた。本実施の形態の再堆積層221の厚さは約15nmであった。
【0033】
このように、ストライプ溝220底面を構成する上部第1クラッド表面層206と電流阻止表面層208に同一導電型を示す不純物を添加することにより、再堆積層221の導電型を確実にp型化することが可能となり、半導体レーザ素子の動作における電流−電圧特性における負性抵抗は観測されず、また素子の直列抵抗も2〜7オームと低抵抗化を実現できた。これにより、数mWのレーザ光出力を発生させた時の駆動電圧は約3.9Vと低く、高温下での信頼性試験においても平均寿命7000時間以上の良好な素子を実現することができた。
【0034】
さらに、本実施の形態では、電流阻止表面層208をIn0.3Ga0.7Nとし、かつ電流阻止層207を0.3μmと薄くしたため、電流阻止層207において活性層204で発生させられるレーザ光(本実施の形態の場合波長406nm)を吸収させることができ、GaN系半導体レーザにおける損失ガイド構造を実現できた。このため、レーザの横モードも安定し40mWの高レーザ出力まで安定に動作させることが可能となった。単に、従来技術のまま、電流阻止層207にレーザ光吸収効果を持たせるために電流阻止層207をn型In0.3Ga0.7Nにした場合には、再成長前に露出している電流阻止層207からの再蒸発、再堆積が大きくなり、再堆積層221がn型化あるいは高抵抗化する。これに対し、本実施の形態では、電流阻止層207と光吸収効果を有する電流阻止表面層208を上述した構成にしたため、このような問題なく、損失ガイド構造のレーザを実現できた。
【0035】
(実施の形態3)
図3は、本実施の形態である窒化ガリウム系発光ダイオード(以下LED)の断面構造の模式図である。本LED素子は、p型SiCの基板300と、5μm厚のp型GaNからなる下部クラッド層301、0.2μm厚のp型Al0.2Ga0.8Nからなる閉じ込め層302、0.03μm厚のIn0.2Ga0.8Nからなる活性層303、0.2μm厚のn型Al0.2Ga0.8Nからなる閉じ込め層304、Siを不純物密度として3×1018cm-3含む厚さ0.15μmのn型GaNからなる上部第1クラッド層305、幅1.5μmの150μm角の除去部320を有しMgを不純物密度として1×1018cm-3含む0.6μm厚のp型GaNからなる電流阻止層306、電流阻止層306と除去部320を覆うように形成されたSiを不純物密度として1×1018cm-3含む除去部320での厚みが1.0μmのn型In0.1Ga0.9Nからなる上部第2クラッド層307、Siを不純物密度として1×1019cm-3含む厚さ0.3μmのn型GaNからなるコンタクト層308、コンタクト層308上に形成されたn型電極309、基板300に形成されたp型電極310からなる。
【0036】
本実施の形態のLEDの作製工程は、MOCVD法により結晶成長させ、除去領域320を形成する際にMOCVD成長室から取り出し、除去領域320を形成してから再成長させるのは、実施の形態1とほぼ同様であるので、再成長前におけるウェハーのクリーニング工程についてのみ詳細に説明する。
【0037】
通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、電流阻止層306に150μm角の除去領域320を形成したウェハーを、MOCVD装置内にアンモニアガスと窒素ガスをほぼ等量含む50Torrのガス圧雰囲気で設置する。この状態で、ウェハーの温度を900℃まで上昇させ、約3分間ウェハー表面材料および汚染物質の再蒸発によりクリーニングを実施する。この工程において、ウェハー表面に露出している電流阻止層306および上部第1クラッド層305をおよそ5nm程度の厚さ分だけ再蒸発させる。この再蒸発した材料の一部は気相を通して除去領域320底面に再堆積層321として厚さ約2〜6nm形成された。その厚さは150μm角の除去領域320の周辺ほど厚く、中心ほど薄くなっていた。
【0038】
本実施の形態の場合、電流阻止層306はp型であり、上部第1クラッド層305はn型であるため、再堆積層321にはそれぞれの不純物を合わせ含むこととなる。しかし、上部第1クラッド層305と電流阻止層306とを同一材料からなるGaNで構成することによりそれぞれの層からの単位時間当たりの再蒸発量をほぼ同等に設定すると共に、上部第1クラッド層305に含まれるSiのn型不純物密度を3×1018cm-3とし、電流阻止層306に含まれるMgのp型不純物密度1×1018cm-3よりも大きく設定することにより、再堆積層321中に含まれる不純物密度としてSiを2×1018cm-3、Mgを5×1017cm-3が得られ、上部第1クラッド層305と同一導電型を示す不純物であるSiをより多く含むように制御できた。このような両方の導電性の不純物を合わせ含む層は、別の検討結果より、電子密度が1×1018cm-3のn型を呈することが確かめられた。
【0039】
従って、再堆積層321は上部第1クラッド層305と同一のn型であり、本LED素子における再堆積層321により、高抵抗化や発光領域の150μm角からの減少を効果的に抑制することができた。本実施の形態の素子では、素子の直列抵抗は3〜5オームであり、形成した除去領域320と同一の形状(150μm角)での発光パターンを歩留まり良く得ることができた。
【0040】
(実施の形態4)
次に、本実施の形態の半導体レーザ素子について説明する。図6に本実施の形態の素子の活性層604から上の断面構造の模式図を示す。本素子では、活性層604上に、n型不純物であるSiを1×1018cm-3含む厚さ0.2μmのn型Al0.1Ga0.9Nからなる上部第1クラッド層605、幅1μmのストライプ溝620を有し、p型不純物であるMgを3×1019cm-3含むp型Al0.1Ga0.9Nからなる電流阻止層606、電流阻止層606とストライプ溝620を覆うように形成されSiを1×1018cm-3含む溝620での厚さ1.5μmのn型GaNからなる上部第2クラッド層607、Siを5×1018cm-3含む厚さ0.3μmのn型GaNからなるコンタクト層608、上部第1クラッド層605のストライプ溝620底面に位置する部分に形成されたSiの高濃度領域630、高濃度領域630と上部第2クラッド層607の間に形成された厚さ4nmの再堆積層621から構成される。
【0041】
本素子の作製手順は、前記の実施の形態の素子と同様であるため、異なる部分のみ以下に詳細に説明する。電流阻止層606までの第1回目のMOCVD法による結晶成長の後、通常のホトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により電流阻止層606を貫通して、上部第1クラッド層605を露出させてストライプ溝620を形成する。この状態にて、溝620を形成したマスクと同一のマスクを用いてウェハー全面にSiイオン注入を施すことにより、ストライプ溝620底面周辺(一部ストライプ溝620の側面も含む)にSiイオンを注入する。このイオン注入におけるSiイオンのエネルギーは10keVとし、イオンの結晶中への進入深さをほぼ0.1μm程度と浅くした。また、結晶中に注入されるSi原子の密度が5×1019cm-3になるように制御した。このようにして、上部第1クラッド層605の表面付近にのみ高濃度領域630を形成した。
【0042】
このウェハーをMOCVD装置による再成長前に、高濃度領域630のイオン注入ダメージの回復と表面クリーニングを兼ねて、温度1050℃のアンモニア雰囲気中で約10分間熱処理を施した。この工程において、ウェハー表面に位置する電流阻止層606と上部第1クラッド層605の高濃度領域630とから結晶材料が再蒸発し、再堆積層621が形成される。その後、上部第2クラッド層607とコンタクト層608を再成長させた。
【0043】
上記のような工程により作製された素子は、再成長前の熱処理工程において、再堆積層621の形成に関与する材料は、Mgを3×1019cm-3含む電流阻止層606と、Siを5×1019cm-3含む高濃度領域630である。この場合は、両者を構成する主たる材料はAl0.1Ga0.9Nであり、単位時間当たりの再蒸発量は同等であるが、上部第1クラッド層605中に形成された高濃度領域630の方が電流阻止層606より大きいため、再堆積層621に最も多く含まれる不純物はSiとなった。実際の再堆積層621に含まれる不純物量は、ほぼSiが3×1019cm-3であり、Mgが3×1018cm-3程度であった。
【0044】
これにより、本実施の形態の素子における再堆積層621は確実にn型になり、素子の直列抵抗も約6オームと小さい値になった。また、負性抵抗も効率よく抑制することができた。
【0045】
(実施の形態5)
図7は、本実施の形態の半導体レーザ素子の断面構造の模式図である。本実施の形態の素子は、実施の形態2の素子と同様の構造であるが、電流阻止層207の電流阻止表面層208の主たる不純物を上部第1クラッド表面層206と同一導電型の不純物密度を大きくするための手法のみが異なっている。なお、図7では、図2と同一部材には同一符号を付しており、特にことわらない限り不純物濃度も同じである。
【0046】
本実施の形態では、一回目の結晶成長終了後、ウェハーをストライプ溝220の形成のためにMBE装置から取り出す前に、アンモニア分子とp型不純物であるMg分子の混合分子線雰囲気下にウェハーを保持し、かつウェハー温度を800℃に加熱したまま30分間保持した。これにより、電流阻止層207の表面に厚さ0.05μmのp型を呈するMg高ドープ層731を形成した。この場合のMg高ドープ層731中でのMgの濃度は4×1018cm-3として、電流阻止層207に含まれるSiの濃度より少し多くなるようにMgの分子線量を制御した。
【0047】
これにより、再成長前の熱処理工程においてストライプ溝220底面に形成される再堆積層221に寄与する材料の多くは、Mg高ドープ層731とMgを主たる不純物として含む上部第1クラッド表面層206となり、その結果、再堆積層221の主たる不純物をMgに制御することが可能となった。従って、再堆積層221の導電型は上部第1クラッド層205および上部第1クラッド表面層206と同一のp型に制御することができた。
【0048】
従って、本実施の形態の素子でも、素子の直列抵抗は5〜8オームと低抵抗化することができ、負性抵抗の問題は解決することができた。
【0049】
本発明は、上述した種々の実施の形態に限られるものではなく、電流阻止構造を表面に有するウェハー上に再成長して作製される窒化ガリウム系の発光素子全般に適用可能であり、下記のような場合も本発明の範疇に含まれる。
(1)結晶の再成長方法がハイドライド気相成長法等、実施の形態とは異なる場合。
(2)電流阻止のための積層構造や電流を流す部分の形状が実施の形態と異なる場合(例えば、電流を素子の中央部で阻止し周辺部にのみ流す場合)。
(3)素子を構成する材料が異なる窒化ガリウム系である場合。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、電流阻止構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、再成長前の熱処理工程において形成される再堆積層の導電型をその上下の第1クラッド層と第2クラッド層と同一の導電型に制御することが可能となった。その結果、負性抵抗や、素子の直列抵抗の上昇を効果的に抑制することが可能となり、ひいては、動作電圧の低減、素子の長寿命化を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の半導体レーザの断面構造図である。
【図2】実施の形態2の半導体レーザの断面構造図である。
【図3】実施の形態3の発光ダイオードの断面構造図である。
【図4】実施の形態1の半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図5】実施の形態2の半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図6】実施の形態4の半導体レーザの断面構造図である。
【図7】実施の形態5の半導体レーザの断面構造図である。
【図8】従来の窒化ガリウム系半導体レーザの断面構造図である。
【符号の説明】
103,203,301 下部クラッド層
104,204,303 活性層
105,205,305,605 上部第1クラッド層
106,206 上部第1クラッド表面層
107,207,306,606 電流阻止層
208 電流阻止表面層
108,209,307,607 上部第2クラッド層
630 高濃度領域
731 Mg高ドープ層(電流阻止表面層208)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device capable of emitting light from a green region to an ultraviolet region and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As a conventional gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, there is a semiconductor laser as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-97507, and FIG. This laser element is manufactured as follows. First, a buffer layer 802 made of n-type GaN, n-type Al on a sapphire substrate 801.zGa1-zLower cladding layer 803 made of N (0 <z <1), InxGa1-xActive layer 804 made of N (0 <x <1), 1 × 1018cm-3Al with p-type impurities of densityzGa1-zUpper first cladding layer 805 made of N, 3 × 1018cm-3Al containing n-type impurities with a density ofyGa1-yA current blocking layer 806 (0 <y ≦ 1, z <y) made of N is stacked. Next, the wafer is taken out from the MOCVD apparatus and etched by a photolithography process to expose the upper first cladding layer 805 to form a current blocking layer 806 having a stripe groove 820. Thereafter, the wafer is again introduced into the MOCVD apparatus, and the substrate temperature is maintained at 1020 ° C. for a certain period of time.zGa1-zAn upper second cladding layer 807 made of N and a contact layer 808 made of p-type GaN are formed to fill the stripe groove 820. Finally, etching that exposes the buffer layer 802 in a region that does not include the stripe groove 820 is performed to form a p-type electrode 809 and an n-type electrode 810, respectively.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting device has the following problems.
(1) The element series resistance is increased to 20Ω or higher, and the drive voltage is increased to 5V or higher.
(2) The device life at a high temperature (at 60 ° C. atmosphere) is as short as about 500 hours due to heat generated by the series resistance.
(3) An element in which a negative resistance appears in the relationship between current and voltage appears, resulting in a decrease in manufacturing yield.
These problems have not been observed in laser elements made of other materials such as AlGaAs. As a result of detailed analysis of the conventional element, the inventor conducted recrystallization growth after forming a current blocking structure. Further, near the interface between the upper first cladding layer 805 and the upper second cladding layer 807, AlOxIt was found that a redeposition layer 821 composed of an oxide film formed thereon and an n-type (or high resistance) AlGaN layer thereon was induced by being interposed at a thickness of about 13 nm.
[0004]
As a result of analyzing the process in more detail, the redeposition layer 821 is necessary to ensure the crystallinity of the gallium nitride-based regrowth layer before regrowth of the upper second cladding layer 807 on the stripe groove 820. In the step of holding the wafer at a temperature equal to or higher than 0.degree. C., the n-type GaN material is re-evaporated from the surface or side surface of the current blocking layer 806 around the stripe groove 820, and a part thereof is the first cladding layer 805 at the bottom surface of the stripe groove 820. It turned out to be redeposited on the surface.
[0005]
The above-described problems appear not only in the conventional semiconductor laser, but also in a light emitting diode having a similar current blocking structure, as an increase in the series resistance of the element and a decrease in the current injection region, thereby reducing the yield in element fabrication. It was the cause.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention covers a first conductivity type first cladding layer, a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current, and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising a first conductivity type second cladding layer provided as described above,A redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device is characterized in that an impurity density of the first cladding layer is set to be larger than an impurity density of the current blocking layer.
[0007]
  The present invention also provides a first conductivity type first cladding layer, a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current, and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device including a first-conductivity-type second cladding layer provided so as to coverA redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, wherein the surface layer of the current blocking layer excluding the removal portion contains an impurity having a first conductivity type.
[0008]
  In the gallium nitride compound semiconductor light emitting device according to the present invention, the first cladding layer is formed of Al. x In y Ga z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y <1, z ≠ 0). Furthermore, the first cladding layer may be made of a material selected so that the amount of evaporation at the crystal growth pretreatment temperature of the second cladding layer is larger than that of the current blocking layer. Further, the current blocking layer is made of Al. w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 0.2), and w can be larger than the Al composition of the first cladding layer. Further, the impurity density of the second cladding layer can be equal to or greater than the impurity density of the first cladding layer.
[0009]
  In the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to the present invention, the surface layer of the current blocking layer excluding the removal portion may include In.
[0010]
  The present invention also provides a first conductivity type first cladding layer, a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current, and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device including a first-conductivity-type second cladding layer provided so as to coverA redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,The portion of the first cladding layer facing the removal portion is InpAlqGa1-pqN (0 ≦ p, 0 ≦ q ≦ 0.1, p + q <1).
[0011]
  In the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to the present invention, the current blocking layer is made of Al. w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 0.2), and w can be larger than the Al composition of the first cladding layer.
[0012]
  The present invention also includes a step of laminating a first conductivity type first cladding layer and a second conductivity type current blocking layer on a substrate, and removing a part of the current blocking layer to remove the first cladding layer. Forming a removal portion while exposingA heat treatment step in which a redeposition layer is formed on the bottom surface of the removed portion;Forming a first conductivity type second cladding layer so as to cover the removed portion.The redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer.This is a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of a gallium nitride based semiconductor laser manufactured in the present embodiment. This gallium nitride based semiconductor laser was manufactured by using ammonia as a group V source, trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium as a group III source, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp as a p-type impurity).2Mg), an organic metal compound vapor deposition method (MOCVD method) using monosilane as an n-type impurity and hydrogen and nitrogen as carrier gases. A manufacturing procedure of the element of the present embodiment will be described in detail based on FIG.
[0014]
First, an n-type GaN substrate 101 is introduced onto a susceptor of an MOCVD apparatus, the temperature of the substrate 101 is set to 1000 ° C., and a buffer layer 102 made of n-type GaN is 2 μm thick, n-type Al.0.1Ga0.9A lower cladding layer 103 made of N is sequentially grown to a thickness of 0.5 μm. Next, the substrate temperature is lowered to 800 ° C. and non-doped In0.35Ga0.65An active layer 104 made of N is grown to a thickness of 3 nm. Furthermore, while raising the substrate temperature up to 1000 ° C., Mg is 5 × 10 5.19cm-3P-type Al added at a density of0.1Ga0.9The upper first cladding layer 105 made of N is 0.25 μm thick, and Mg is 3 × 1019cm-3The upper first cladding surface layer 106 made of p-type GaN added at a density of 100 nm thick and Si 5 × 10 518cm-3N-type Al added at a density of0.15Ga0.85A current blocking layer 107 made of N is sequentially grown with a thickness of 0.6 μm (FIG. 4A).
[0015]
Next, the wafer is once taken out of the MOCVD growth chamber, and the current blocking layer 107 is removed by etching until the upper first cladding surface layer 106 is exposed using a normal photolithography technique and a dry etching technique. A 1.6 μm stripe groove 120 is formed (FIG. 4B).
[0016]
Next, this wafer is again introduced into the MOCVD apparatus for the second crystal growth. The substrate temperature is raised to 750 ° C. in a mixed gas atmosphere of ammonia, nitrogen, and hydrogen, and in this state, the surface of the upper first cladding surface layer 106 is cleaned for 3 minutes, and then the upper first cladding surface layer 106 and Mg 3 × 10 so as to cover the current blocking layer 10719cm-3Al added at a density of0.1Ga0.9The upper second cladding layer 108 made of N was regrown with a thickness of 1.2 μm, and the contact layer 109 made of p-type GaN was regrown with a thickness of 0.5 μm. The substrate temperature was gradually raised to 1000 ° C. while performing the second growth. In the following embodiments, the impurity concentration of each layer exposed during regrowth is uniformly distributed in each layer.
[0017]
After completion of the regrowth, the atmosphere was changed to nitrogen gas, and thermal annealing was performed at 800 ° C. for 20 minutes to change the Mg doped layer to p-type, and then the wafer was taken out. Finally, a p-type electrode 110 is formed on the contact layer 109, and an n-type electrode 111 is formed on the substrate 101. Finally, an optical resonator surface was formed by cleavage to obtain a semiconductor laser element (FIG. 4 (3)).
[0018]
In the present embodiment, the current blocking layer 107 is made of 5 × 10 5 of Si indicating n-type as an impurity.18cm-3In contrast, the upper first clad surface layer 106 has 3 × 10 Mg, which has p-type impurities as impurities, more than Si.19cm-3Included. Thereby, in the cleaning process by heat treatment before regrowth, the crystal material is re-evaporated from the upper first cladding surface layer 106 and the current blocking layer 107, and the redeposition layer 121 formed on the bottom surface of the stripe groove 120 has Mg And Si are contained as impurities, Mg is 2 × 1019cm-3, Si is 8 × 1016cm-3It was possible to increase the amount of Mg more than 100 times. Therefore, the redeposited layer 121 has a low resistance p-type and does not hinder current injection into the stripe groove 120.
[0019]
Further, in the present embodiment, since the upper first cladding surface layer 106 is made of GaN that does not contain Al, the redeposition layer 121 can be further reduced in resistance. According to the experiments of the present inventor, the material located on the bottom surface of the stripe groove 120 is Al.sGa1-sWhen N is employed and s ≧ 0.2, the invention tries to solve before the bottom surface of the stripe groove 120 is sufficiently cleaned by re-evaporation of the crystal material in the heat treatment step before regrowth. As explained in the topic, AlO on the surfacexAn oxide film is formed. Of course, such an oxide film increases the resistance of the laser element. However, when s ≦ 0.1, in the heat treatment step before regrowth, AlsGa1-sSince N re-evaporates earlier than the formation of the oxide film, such an oxide film is taken into the laser element and does not increase the resistance of the element. As described above, it is desirable that the material located on the bottom surface of the stripe groove 120 has a re-evaporation ability capable of cleaning and removing the oxide film in the heat treatment step before the regrowth. Such materials include the above-mentioned Al.sGa1-sIn addition to N (s ≦ 0.1), InpGa1-pqAlqN (q ≦ 0.1) was suitable.
[0020]
Further, as described above, the upper first cladding surface layer 106 at the bottom of the stripe groove 120 is made of a material that can remove the oxide film by re-evaporation in the heat treatment step before the regrowth, and the current blocking layer 107 is provided with the upper first cladding surface layer. N-type Al with more Al content than layer 1060.15Ga0.85Since N is applied, in the heat treatment step at 750 ° C. in the atmosphere containing ammonia before the regrowth, the amount of reevaporation from the current blocking layer 107 containing more Al is increased by the reevaporation from the upper first cladding surface layer 106. I was able to make it less than the amount. In this way, the thickness of the redeposition layer 121 can be reduced to 3 nm, and the density of Si in the redeposition layer 121 can be reduced. From the difference in impurity density between the upper first cladding surface layer 106 and the current blocking layer 107. However, the difference in impurity density between Mg and Si in the redeposition layer 121 could be increased.
[0021]
Therefore, in the element of the present embodiment, there is no increase in resistance of the element, increase in operating voltage, negative resistance phenomenon, and reduction in element lifetime as seen in the conventional example, and the element resistance is 7.9Ω. An operating current of 5 mW laser beam output was 45 mA, and a device lifetime of 5500 hours was obtained under conditions of 5 mW output in an atmosphere of 60 ° C.
[0022]
Further, the upper first cladding surface layer 106 on the bottom surface of the stripe groove 120 is made of GaN, so that the portion is made of, for example, Al as in the conventional example.0.2Ga0.8Compared to the case of being formed of N, even when Mg of the same density is added, the generated hole density can be increased by an order of magnitude or more, and the depletion of carriers due to the deterioration of crystallinity at the interface portion. I was able to compensate. This behavior of the hole density is a phenomenon peculiar to the GaN system. By making the upper first cladding surface layer 106 GaN, the hole density near the interface is 1017cm-3It was possible to keep the device on the stand, and thus to reduce the series resistance of the device.
[0023]
In order to bring out this cleaning effect, it is desirable that the substrate temperature before the regrowth is 750 ° C. or higher for 1 minute or longer. In addition, when the substrate temperature was set to 1100 ° C. or higher in this heat treatment step, the GaN-based material desorption rate was high and the shape of the stripe groove 120 itself was not maintained. Therefore, the temperature suitable for this heat treatment process was 750 ° C. to 1100 ° C.
[0024]
Further, as described above, the upper second cladding layer 108 is made of 3 × 10 5 of Mg indicating p-type as an impurity.19cm-3The density was included. The upper second cladding layer 108 needs to have the same conductivity type as the first cladding layer 105 and the upper first cladding surface layer 106 in order to realize current injection into the stripe groove 120. Furthermore, as a result of examining the density of Mg contained in the upper first cladding surface layer 106 in detail, the density of Mg contained in the second cladding layer 108 is made smaller than the impurity density contained in the upper first cladding surface layer 106. The n-type impurity (Si) contained in the redeposition layer 121 formed in the cleaning process is thermally diffused into the second cladding layer during crystal growth of the second cladding layer, and is formed below the second cladding layer 108. In some cases, an n-type inversion layer appeared. This phenomenon can be prevented by setting the p-type impurity density of the second cladding layer 108 to be equal to or greater than the p-type impurity density of the upper first cladding surface layer 106.
[0025]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of another semiconductor laser device manufactured in the present embodiment. The manufacturing procedure of the element of this embodiment will be described in detail with reference to FIG. First, a buffer layer 202 made of GaN, a lower cladding layer 203 made of n-type GaN having a thickness of 2 μm, and an In layer having a thickness of 2 nm are formed on a sapphire substrate 201 by molecular beam epitaxy (MBE).0.25Ga0.752 N well layers and 7 nm thick In0.1Ga0.9Multiple quantum well active layer 204 composed of three N barrier layers, p-type Al with a thickness of 0.28 μm0.15Ga0.85Upper first cladding layer 205 made of N, Mg with an impurity density of 1 × 1019cm-3Including 0.1 μm thick p-type In0.05Ga0.95Upper first cladding surface layer 206 made of N, Si with an impurity density of 3 × 1018cm-3Including 0.3μm thick n-type Al0.2Ga0.8A current blocking layer 207 made of N, Zn with an impurity density of 2 × 1019cm-3Including 0.1 μm thick p-type In0.3Ga0.7The current blocking surface layer 208 made of N is continuously crystal-grown.
[0026]
Next, a stripe groove 220 having a width of 3 μm is formed as a removal region through the current blocking surface layer 208 and the current blocking layer 207 using the normal photolithography technique and the dry etching technique, and the bottom of the wafer is formed. The upper first cladding surface layer 206 is exposed (FIG. 5A).
[0027]
Subsequently, the wafer is placed in an ammonia molecular beam in an MBE apparatus, and the wafer surface is re-evaporated for 10 minutes for cleaning while the temperature is raised to 850 ° C. Thereafter, carbon is continuously doped at 850 ° C. with an impurity density of 4 × 1018cm-3Including 1.3 μm thick p-type Al0.02Ga0.98Upper second cladding layer 209 made of N, Mg with an impurity density of 1 × 1020cm-3The contact layer 210 made of p-type GaN is regrown.
[0028]
Also in the case of regrowth by the MBE method, as in the case of the previous embodiment, when the wafer provided with the stripe groove 220 before regrowth is held at a high temperature in an atmosphere containing ammonia, the optimum temperature range is The cleaning (ie, re-evaporation) effect appeared at a temperature higher than 650 ° C., and the shape of the stripe groove 220 on the surface was maintained at 970 ° C. or lower. Further, the holding time before the regrowth requires at least one minute for cleaning the surface as in the MOCVD in the previous embodiment.
[0029]
  Finally, a part of the wafer is etched by a normal photolithography technique and a dry etching technique to expose the lower clad layer 203, and an n-type electrode 211 is formed thereon, and a contact layer210A p-type electrode 212 is formed thereon. In the laser resonator mirror, a vertical surface was simultaneously formed by etching when exposing the lower clad layer 203 to obtain a laser element (FIG. 5B).
[0030]
  In the present embodiment, the wafer was held in an ammonia molecular beam at 850 ° C. for 10 minutes before regrowth. At this time, the current blocking surface layer 208 constituting the wafer surface, the upper first cladding surface layer 206 on the bottom surface of the stripe groove 220, and the current blocking layer 207 exposing the side surface are re-evaporated, and a part of the current blocking surface layer 206 is striped groove.220Redeposition is performed on the bottom surface to form a redeposition layer 221.
[0031]
According to the study by the present inventors, the amount of reevaporation per unit time at a high temperature and the accompanying redeposition amount of the GaN-based semiconductor material are the components mainly contained in the material exposed to the high temperature atmosphere before the regrowth. Then, it turned out that it becomes small in order of InN, GaN, and AlN. That is, in the InGaAlN layer, InN is the most reevaporated and redeposited, and AlN is the least likely. It was found that the reevaporation and redeposition increases as the GaAlN layer contains more Ga.
[0032]
In the present embodiment, the current blocking surface layer 208 occupying the largest surface area is p-type In.0.3Ga0.7N and the current blocking layer 207 exposed on the side surface of the stripe groove 220 is n-type Al.0.2Ga0.8N and the upper first cladding surface layer 206 on the bottom surface of the stripe groove 220 is p-type In0.05Ga0.95Since the amount of reevaporation and redeposition is N, the current blocking surface layer 208 containing the largest amount of InN is the largest, followed by the upper first cladding surface layer 206, and the smallest is the current blocking layer 207. In fact, little re-evaporation from the current blocking layer 207 was observed (ie, re-evaporation and redeposition of the material containing n-type impurities was suppressed). Therefore, the redeposition layer 221 almost comes from the current blocking surface layer 208 containing the p-type impurity and the upper first cladding surface layer 206. Therefore, it was confirmed that the redeposited layer 221 contains almost no n-type impurities, is composed of InGaN containing Mg and Zn, and is a low-resistance p-type layer. The redeposition layer 221 of this embodiment has a thickness of about 15 nm.
[0033]
In this way, by adding impurities having the same conductivity type to the upper first cladding surface layer 206 and the current blocking surface layer 208 constituting the bottom surface of the stripe groove 220, the conductivity type of the redeposition layer 221 is reliably made p-type. Thus, no negative resistance was observed in the current-voltage characteristics during the operation of the semiconductor laser element, and the series resistance of the element was reduced to 2-7 ohms. As a result, when a laser beam output of several mW was generated, the driving voltage was as low as about 3.9 V, and it was possible to realize a good element having an average life of 7000 hours or more even in a reliability test under high temperature. .
[0034]
Further, in the present embodiment, the current blocking surface layer 208 is changed to In.0.3Ga0.7N and the current blocking layer 207 as thin as 0.3 μm can absorb the laser light (wavelength 406 nm in the present embodiment) generated in the active layer 204 in the current blocking layer 207, and can absorb the GaN-based semiconductor. The loss guide structure in the laser can be realized. For this reason, the transverse mode of the laser is stable, and it has become possible to operate stably up to a high laser output of 40 mW. Simply using the current blocking layer 207 as an n-type In order to make the current blocking layer 207 have a laser light absorption effect as in the prior art.0.3Ga0.7In the case of N, re-evaporation and redeposition from the current blocking layer 207 exposed before the regrowth increase, and the redeposition layer 221 becomes n-type or increases in resistance. On the other hand, in the present embodiment, the current blocking layer 207 and the current blocking surface layer 208 having a light absorption effect are configured as described above, so that a laser having a loss guide structure can be realized without such a problem.
[0035]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of a gallium nitride light-emitting diode (hereinafter referred to as LED) according to the present embodiment. The LED element includes a p-type SiC substrate 300, a lower cladding layer 301 made of p-type GaN having a thickness of 5 μm, and a p-type Al having a thickness of 0.2 μm.0.2Ga0.8N confinement layer 302, 0.03 μm thick In0.2Ga0.8N active layer 303, 0.2 μm thick n-type Al0.2Ga0.8N confinement layer 304, 3 × 10 3 with Si as impurity density18cm-3The upper first cladding layer 305 made of n-type GaN having a thickness of 0.15 μm, a 150 μm square removal portion 320 having a width of 1.5 μm, and Mg as an impurity density of 1 × 1018cm-3Including a current blocking layer 306 made of p-type GaN having a thickness of 0.6 μm, Si formed so as to cover the current blocking layer 306 and the removal portion 320 as an impurity density of 1 × 1018cm-3N-type In having a thickness of 1.0 μm in the removal portion 320 including0.1Ga0.9Upper second cladding layer 307 made of N, 1 × 10 5 with Si as impurity density19cm-3It includes a contact layer 308 made of n-type GaN having a thickness of 0.3 μm, an n-type electrode 309 formed on the contact layer 308, and a p-type electrode 310 formed on the substrate 300.
[0036]
In the manufacturing process of the LED of this embodiment, the crystal growth is performed by the MOCVD method, and the removal region 320 is taken out from the MOCVD growth chamber when the removal region 320 is formed. Therefore, only the wafer cleaning process before regrowth will be described in detail.
[0037]
A wafer having a 150 μm square removal region 320 formed in the current blocking layer 306 by a normal photolithography technique and etching technique is placed in a MOCVD apparatus in a gas pressure atmosphere of 50 Torr containing approximately equal amounts of ammonia gas and nitrogen gas. In this state, the wafer temperature is raised to 900 ° C., and cleaning is performed by re-evaporation of the wafer surface material and contaminants for about 3 minutes. In this step, the current blocking layer 306 and the upper first cladding layer 305 exposed on the wafer surface are re-evaporated by a thickness of about 5 nm. Part of this re-evaporated material was formed as a redeposition layer 321 with a thickness of about 2 to 6 nm on the bottom surface of the removal region 320 through the gas phase. The thickness was thicker at the periphery of the 150 μm square removal region 320 and thinner at the center.
[0038]
In the present embodiment, since the current blocking layer 306 is p-type and the upper first cladding layer 305 is n-type, the redeposited layer 321 includes both impurities. However, when the upper first cladding layer 305 and the current blocking layer 306 are made of GaN made of the same material, the amount of reevaporation per unit time from each layer is set to be approximately equal, and the upper first cladding layer The n-type impurity density of Si contained in 305 is 3 × 1018cm-3The p-type impurity density of Mg contained in the current blocking layer 306 is 1 × 1018cm-3By setting it to be larger than that, Si is 2 × 10 as the density of impurities contained in the redeposition layer 321.18cm-3, Mg 5 × 1017cm-3Thus, it was possible to control to contain more Si, which is an impurity having the same conductivity type as that of the upper first cladding layer 305. Such a layer containing both conductive impurities has an electron density of 1 × 10 5 according to another study result.18cm-3It was confirmed to exhibit the n-type.
[0039]
Therefore, the redeposition layer 321 is the same n-type as the upper first cladding layer 305, and the redeposition layer 321 in the LED element effectively suppresses the increase in resistance and the decrease in the light emitting region from the 150 μm square. I was able to. In the element of the present embodiment, the series resistance of the element is 3 to 5 ohms, and a light emission pattern having the same shape (150 μm square) as the formed removal region 320 can be obtained with a high yield.
[0040]
(Embodiment 4)
Next, the semiconductor laser device of this embodiment will be described. FIG. 6 shows a schematic diagram of a cross-sectional structure above the active layer 604 of the element of this embodiment. In this element, Si which is an n-type impurity is formed on the active layer 604 by 1 × 10.18cm-3Including 0.2 μm thick n-type Al0.1Ga0.9The upper first cladding layer 605 made of N, the stripe groove 620 having a width of 1 μm, and Mg which is a p-type impurity is 3 × 1019cm-3Contains p-type Al0.1Ga0.9The current blocking layer 606 made of N, the current blocking layer 606 and the stripe groove 620 are formed so as to cover Si.18cm-3The upper second cladding layer 607 made of n-type GaN having a thickness of 1.5 μm in the groove 620 including 5 × 10 Si18cm-3Including a contact layer 608 made of n-type GaN having a thickness of 0.3 μm, a high concentration region 630 of Si formed in a portion of the upper first cladding layer 605 located on the bottom surface of the stripe groove 620, the high concentration region 630 and the upper second region The redeposition layer 621 is formed between the clad layers 607 and has a thickness of 4 nm.
[0041]
Since the manufacturing procedure of this element is the same as that of the element of the above embodiment, only different portions will be described in detail below. After crystal growth by the first MOCVD method up to the current blocking layer 606, the upper first cladding layer 605 is exposed through the current blocking layer 606 by a normal photolithography technique and a dry etching technique, and the stripe groove 620 is formed. Form. In this state, Si ions are implanted into the entire surface of the wafer using the same mask as the groove 620 formed, so that Si ions are implanted around the bottom surface of the stripe groove 620 (including part of the side surface of the stripe groove 620). To do. The energy of Si ions in this ion implantation was set to 10 keV, and the penetration depth of ions into the crystal was made as shallow as about 0.1 μm. The density of Si atoms implanted into the crystal is 5 × 1019cm-3It was controlled to become. In this way, the high concentration region 630 was formed only near the surface of the upper first cladding layer 605.
[0042]
This wafer was heat-treated in an ammonia atmosphere at a temperature of 1050 ° C. for about 10 minutes, both for recovery of ion implantation damage in the high-concentration region 630 and for surface cleaning, before regrowth by the MOCVD apparatus. In this step, the crystal material is re-evaporated from the current blocking layer 606 located on the wafer surface and the high-concentration region 630 of the upper first cladding layer 605, and a redeposition layer 621 is formed. Thereafter, the upper second cladding layer 607 and the contact layer 608 were regrown.
[0043]
In the element manufactured by the above process, in the heat treatment process before regrowth, the material involved in the formation of the redeposition layer 621 is 3 × 10 Mg.19cm-3A current blocking layer 606 containing Si and 5 × 10 Si.19cm-3A high concentration region 630 is included. In this case, the main material constituting both is Al.0.1Ga0.9N, and the amount of reevaporation per unit time is the same, but since the high concentration region 630 formed in the upper first cladding layer 605 is larger than the current blocking layer 606, it is the most in the redeposition layer 621. The impurity contained was Si. The amount of impurities contained in the actual redeposition layer 621 is approximately 3 × 10 3 for Si.19cm-3And Mg is 3 × 1018cm-3It was about.
[0044]
As a result, the redeposition layer 621 in the element of the present embodiment is surely n-type, and the series resistance of the element is as small as about 6 ohms. Moreover, negative resistance could be suppressed efficiently.
[0045]
  (Embodiment 5)
  FIG. 7 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the semiconductor laser device of this embodiment. The element of the present embodiment has the same structure as the element of the second embodiment, but the current of the current blocking layer 207 isPreventionThe main impurity of the surface layer 208 is different only in the technique for increasing the impurity density of the same conductivity type as that of the upper first cladding surface layer 206. In FIG. 7, the same members as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the impurity concentration is the same unless otherwise specified.
[0046]
In the present embodiment, after the first crystal growth, the wafer is placed in a mixed molecular beam atmosphere of ammonia molecules and Mg molecules that are p-type impurities before the wafer is taken out of the MBE apparatus to form the stripe grooves 220. The wafer was held for 30 minutes while being heated to 800 ° C. As a result, an Mg highly doped layer 731 having a p-type thickness of 0.05 μm was formed on the surface of the current blocking layer 207. In this case, the Mg concentration in the highly Mg-doped layer 731 is 4 × 10.18cm-3As a result, the molecular dose of Mg was controlled to be slightly higher than the concentration of Si contained in the current blocking layer 207.
[0047]
As a result, most of the material contributing to the redeposition layer 221 formed on the bottom surface of the stripe groove 220 in the heat treatment step before regrowth becomes the Mg first highly doped layer 731 and the upper first cladding surface layer 206 containing Mg as main impurities. As a result, the main impurity of the redeposition layer 221 can be controlled to Mg. Therefore, the conductivity type of the redeposition layer 221 could be controlled to the same p-type as the upper first cladding layer 205 and the upper first cladding surface layer 206.
[0048]
Therefore, even in the element of the present embodiment, the series resistance of the element can be reduced to 5 to 8 ohms, and the problem of negative resistance can be solved.
[0049]
The present invention is not limited to the above-described various embodiments, and can be applied to all gallium nitride-based light emitting devices manufactured by regrowth on a wafer having a current blocking structure on the surface. Such cases are also included in the scope of the present invention.
(1) The crystal regrowth method is different from the embodiment such as hydride vapor phase growth method.
(2) The case where the laminated structure for blocking current and the shape of the portion through which the current flows are different from those of the embodiment (for example, when the current is blocked at the central portion of the element and flows only at the peripheral portion).
(3) When the materials constituting the element are different gallium nitride systems.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the gallium nitride compound semiconductor light emitting device having a current blocking structure, the conductivity type of the redeposited layer formed in the heat treatment step before the regrowth is changed to the first cladding layer and the second cladding layer above and below it. It became possible to control to the same conductivity type. As a result, it is possible to effectively suppress the negative resistance and the increase in the series resistance of the element, and as a result, the operating voltage can be reduced and the lifetime of the element can be extended.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional structure diagram of a semiconductor laser according to a first embodiment;
FIG. 2 is a cross-sectional structure diagram of a semiconductor laser according to a second embodiment.
3 is a cross-sectional structure diagram of a light-emitting diode according to Embodiment 3. FIG.
4 is a diagram showing manufacturing steps of the semiconductor laser according to the first embodiment. FIG.
5 is a diagram showing manufacturing steps of the semiconductor laser according to the second embodiment. FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram of a semiconductor laser according to a fourth embodiment.
7 is a sectional structural view of a semiconductor laser according to a fifth embodiment. FIG.
FIG. 8 is a sectional view of a conventional gallium nitride based semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
103, 203, 301 Lower cladding layer
104, 204, 303 active layer
105, 205, 305, 605 Upper first cladding layer
106,206 Upper first cladding surface layer
107, 207, 306, 606 Current blocking layer
208 Current blocking surface layer
108, 209, 307, 607 Upper second cladding layer
630 High concentration region
731 Mg highly doped layer (current blocking surface layer 208)

Claims (10)

第1導電型の第1クラッド層と、前記第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、前記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記除去部の底面に再堆積層が形成されており、前記再堆積層は前記第1クラッド層と同一の導電型であり、
前記第1クラッド層の前記除去部に面した部分の不純物密度が、前記電流阻止層の不純物密度より大きく設定されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
A first conductivity type first cladding layer; a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current; and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising a second cladding layer of the first conductivity type,
A redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,
A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element, wherein an impurity density of a portion of the first cladding layer facing the removal portion is set larger than an impurity density of the current blocking layer.
第1導電型の第1クラッド層と、前記第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、前記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記除去部の底面に再堆積層が形成されており、前記再堆積層は前記第1クラッド層と同一の導電型であり、
前記除去部を除いた前記電流阻止層の表面層が、第1導電型を示す不純物を含んでなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
A first conductivity type first cladding layer; a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current; and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising a second cladding layer of the first conductivity type,
A redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,
A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, wherein a surface layer of the current blocking layer excluding the removal portion contains an impurity having a first conductivity type.
前記第1クラッド層がAlxInyGazN(x+y+z=1,0≦x≦0.1,0≦y<1,z≠0)からなることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。Nitride according to claim 1, characterized in that said first cladding layer is made of Al x In y Ga z N ( x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 0.1,0 ≦ y <1, z ≠ 0) Gallium compound semiconductor light emitting device. 前記第1クラッド層が、前記第2クラッド層の結晶成長前処理温度での蒸発量が前記電流阻止層より多くなるように選択された材料であることを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。  4. The nitridation according to claim 3, wherein the first cladding layer is made of a material selected such that the evaporation amount at the crystal growth pretreatment temperature of the second cladding layer is larger than that of the current blocking layer. Gallium compound semiconductor light emitting device. 前記電流阻止層が、AlwGa1-wN(0≦w≦0.2)からなり、wは前記第1クラッド層のAlの組成より大きいことを特徴とする請求項4に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。5. The nitriding according to claim 4, wherein the current blocking layer is made of Al w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 0.2), and w is larger than the Al composition of the first cladding layer. Gallium compound semiconductor light emitting device. 前記第2クラッド層の不純物密度が、前記第1クラッド層の不純物密度と同等である、またはより大きいことを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。  2. The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an impurity density of the second cladding layer is equal to or greater than an impurity density of the first cladding layer. 前記除去部を除いた前記電流阻止層の表面層が、Inを含んでなることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。  The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 2, wherein the surface layer of the current blocking layer excluding the removal portion contains In. 第1導電型の第1クラッド層と、前記第1クラッド層上に設けられ、電流を注入するための除去部を有する第2導電型の電流阻止層と、前記除去部を覆うように設けられた第1導電型の第2クラッド層とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記除去部の底面に再堆積層が形成されており、前記再堆積層は前記第1クラッド層と同一の導電型であり、
前記第1クラッド層の前記除去部に面した部分が、InpAlqGa1-p-qN(0≦p,0≦q≦0.1,p+q<1)であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
A first conductivity type first cladding layer; a second conductivity type current blocking layer provided on the first cladding layer and having a removal portion for injecting current; and the removal portion. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising a second cladding layer of the first conductivity type,
A redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion, and the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer,
The portion of the first cladding layer facing the removed portion is In p Al q Ga 1-pq N (0 ≦ p, 0 ≦ q ≦ 0.1, p + q <1). Compound semiconductor light emitting device.
前記電流阻止層が、AlwGa1-wN(0≦w≦0.2)からなり、wは前記第1クラッド層のAlの組成より大きいことを特徴とする請求項8に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。9. The nitriding according to claim 8, wherein the current blocking layer is made of Al w Ga 1-w N (0 ≦ w ≦ 0.2), and w is larger than the Al composition of the first cladding layer. Gallium compound semiconductor light emitting device. 基板上に第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の電流阻止層とを積層する工程と、
前記電流阻止層の一部領域を除去して前記第1クラッド層を露出すると共に除去部を形成する工程と、
前記除去部の底面に再堆積層が形成される熱処理工程と、
前記除去部を覆うように第1導電型の第2クラッド層を形成する工程と、を含み、
前記再堆積層は前記第1クラッド層と同一の導電型であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
Laminating a first conductivity type first cladding layer and a second conductivity type current blocking layer on a substrate;
Removing a part of the current blocking layer to expose the first cladding layer and forming a removal portion;
A heat treatment step in which a redeposition layer is formed on the bottom surface of the removal portion;
Forming a second cladding layer of the first conductivity type so as to cover the removal unit, only including,
The method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element, wherein the redeposition layer has the same conductivity type as the first cladding layer .
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