JP4431933B2 - LIGHT EMITTING DEVICE MANUFACTURING METHOD AND LIGHT EMITTING DEVICE - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を用いた発光素子、特に青色光あるいは紫外線の発光に適した発光素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
青色光領域の短波長発光を行なう高輝度発光素子が永らく要望されていたが、最近になってAlGaInN系材料を用いることにより、このような発光素子が実現している。また、赤色ないし緑色の高輝度発光素子と組み合わせることにより、フルカラー発光装置や表示装置などへの応用を図ることも急速に進みつつある。しかしながら、AlGaInN系材料は比較的希少な金属であるGaとInとが主成分となるため、コストアップが避けがたい。また、成長温度が700〜1000℃と高く、製造時に相当のエネルギーが消費されるのも大きな問題の一つである。これはコスト低減の観点においてはもちろん、省エネルギーや地球温暖化抑制に関する議論が喧しい昨今では、時流に逆行するという意味においても望ましくない。そこで、特開2001−44500号公報には、サファイア基板上に、より安価なZnO系化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた発光素子が提案されている。
【0003】
ところで、ZnO系酸化物は真空雰囲気中での気相成長により得られるが、バルク単結晶成長が困難であるため、サファイア等の異材質基板を用いたヘテロエピタキシャル成長を採用することになる。前述した結晶性の良好な発光層部を形成するために、基板と発光層部との間には適当なバッファ層を挿入する必要がある。前記特開2001−44500号公報では、このバッファ層(コンタクト層)を、後続の発光層とともにMBE(Molecular Beam Epitaxy)法もしくはMOVPE(Metalorganic Vapour Phase Epitaxy)法により形成する内容が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、MBE法は成長雰囲気の圧力が低いため、酸素欠損の発生を抑制することが容易でなく、発光素子を構成する上で不可欠なZnO系酸化物層の形成が非常に困難である。他方、MOVPE法を用いた気相成長法では、成長中の酸素分圧を自由に変化させることができるため、雰囲気圧力をある程度上昇させることで酸素離脱ひいては酸素欠損の発生を抑制できる。しかしながら、通常の連続成長型のMOVPE法では、原子の欠損や変位などの乱れが生じた場合、その乱れが修復されないまま次層以降の層成長が継続されてしまうので、発光層部の結晶品質を決めるバッファ層として必ずしも良質のものが得られず、結果的には発光効率のよい素子が得にくい問題があった。
【0005】
本発明の課題は、MgZn1−aO型酸化物からなる高品質の発光層部が実現可能な発光素子の製造方法と、それにより製造可能な発光素子とを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
発光層部がMgZn1−aO(ただし、0≦a≦1)型酸化物からなる発光素子の製造方法において、発光層部との接触側が少なくともMgZn1−aO型酸化物層とされたバッファ層を基板上に成長し、該バッファ層上に発光層部を成長させるようにし、
MgZn1−aO型酸化物は、c軸方向に交互に積層される金属原子層と酸素原子層とからなるウルツ鉱型結晶構造を有するものであり、バッファ層を、ウルツ鉱型結晶構造のc軸を層厚方向に配向させたものとして成長するとともに、該バッファ層を成長する際に、原子層エピタキシ法を用いて基板上に金属原子層を金属単原子層として形成した後、残余の酸素原子層と金属原子層とを成長させるとともに、
基板は、酸素原子が六方晶系原子配列をなすとともに、該六方晶系原子配列のC面を主表面とするコランダム型構造を有する酸化物からなる酸化物単結晶基板であり、
バッファ層の全体を、ウルツ鉱型結晶構造のc軸を層厚方向に配向させる形で、酸化物単結晶基板の酸素面となる主表面に形成することを特徴とする。
【0007】
また、本発明の発光素子は、基板上に、MgZn1−aO(ただし、0≦a≦1)型酸化物からなる発光層部が形成された発光素子であって、基板と発光層部との間に、発光層部との接触側が少なくともMgZn1−aO型酸化物層とされたバッファ層を配置するとともに、
基板は、酸素原子が六方晶系原子配列をなすとともに、該六方晶系原子配列のC面を主表面とするコランダム型構造を有する酸化物からなる酸化物単結晶基板であり、
MgZn1−aO型酸化物は、c軸方向に交互に積層される金属原子層と酸素原子層とからなるウルツ鉱型結晶構造を有し、
バッファ層は、ウルツ鉱型結晶構造のc軸が層厚方向に配向されてなり、酸化物単結晶基板の酸素面となる主表面上にて該基板と接する1原子層部分が金属単原子層として形成され、さらに該単原子層に引き続く形で残余の酸素原子層と金属原子層とが交互に成長されたものであることを特徴とする。
【0008】
上記本発明によると、基板上に形成するバッファ層の、全体もしくは少なくとも発光層部との接触側を、発光層部と同様の成分系を有するMgZn1−aO型酸化物(ただし、混晶比aは発光層部と同じとは限らない:以下、混晶比aを省略して単にMgZnO型酸化物あるいはMgZnOと記載する場合がある)にて構成する。バッファ層の接合界面側の部分と発光層部とが、基本的に同一の結晶構造(ウルツ鉱型)を有し、かつ成分系も同一となるため、接合界面を挟んだ成分間の相互作用による結晶構造の局所的な乱れが生じにくくなり、ひいては結晶性の良好な発光層部を実現するうえで有利となる。なお、バッファ層は、例えばその全体をMgZnO型酸化物にて構成することができる。このようにすると、バッファ層と発光層部との気相成長を同一設備内にて極めて簡便に行なうことが可能となる。
【0009】
そして、本発明の製造方法においては、バッファ層を成長する際には、特に、原子層エピタキシ(ALE:Atomic Layer Epitaxy)法により基板上に金属原子層を金属単原子層として形成した後、残余の酸素原子層と金属原子層とを成長させるようにする。ALE法を採用すると、最初の金属単原子層が完成すれば、金属原子層の形成を1原子層分で飽和させることができ(いわゆる自己停止機能)、層内に配列した原子にも欠損や変位などの乱れを生じ難い。このように乱れの少ない金属原子層を、1原子層分完成させた後、後続の金属原子層と酸素原子層とを成長させることで、結晶性の極めて良好なバッファ層が得られ、当然、その上に成長させる発光層部も結晶性の良好なものとなるので、高性能の発光素子を実現する上で好都合となる。また、本発明の発光素子においては、上記製法の採用によりバッファ層が、ウルツ鉱型結晶構造のc軸が層厚方向に配向されてなり、基板と接する1原子層部分が金属単原子層として形成され、さらに該単原子層に引き続く形で残余の酸素原子層と金属原子層とが交互に成長されたものとなる。このような構造のバッファ層は結晶性がきわめて良好であり、結果的にその上に成長される発光層部も低欠陥で乱れが少なく、ひいては発光効率の良好なものが実現される。
【0010】
上記ALE法は、基板を配置した反応容器内に有機金属ガス及び酸素成分源ガスを供給する、有機金属気相成長法(MOVPE(Metal Organic Vapour Phase Epitaxy)法)の形で実施することができる。具体的には、金属原子層の原料となる有機金属ガスのみを反応容器内に流通して、バッファ層を構成する最初の金属原子層を1原子層分で飽和するように形成し、金属単原子層とする。図8(a)に示すように、有機金属(MO)分子は、結合している有機基を分解・離脱させつつ、金属原子を基板上に化学吸着させる。このとき、ALE法を採用すると、金属原子は、結合している有機基の一部を残留させた形で吸着し、図8(b)に示すように、残留有機基を表面側に配向した形で金属原子層を形成する。この配向した残留有機基が新たな金属原子の吸着を阻害するため、1原子層が完成すれば、この配向した残留有機基が新たな金属原子の吸着を阻害するため、自己停止機能の発現が顕著となり、層内に配列した原子に欠損や変位などの乱れが極めて生じ難にくくなる。
【0011】
また、MOVPE法では、成長中の酸素分圧を自由に変化させることができるため、雰囲気圧力をある程度上昇させることで酸素離脱ひいては酸素欠損の発生を効果的に抑制できる。その結果、発光素子には不可欠のp型MgZn1−aO層、特に、酸素欠損濃度を10個/cm以下としたp型MgZn1−aO層を実現できるようになる。酸素欠損濃度は低ければ低いほどよい(つまり、0個/cmとなることを妨げない)。
【0012】
該MOVPE法を用いる場合、前記したバッファ層の全体をMgZnO型酸化物で構成しておけば、バッファ層と発光層部との成長を、同じ反応容器内にて、有機金属ガスと酸素成分源ガスとの比率調整を行なうのみで、一貫して行なうことができる。また、バッファ層の成長から発光層部の成長に切り替える際の容器内のパージも、バッファ層をGaN等の別材質とする場合と比較して、時間短縮ないし省略することが可能となる。
【0013】
なお、高輝度の発光素子を得るには、発光層部を、以下のようなダブルへテロ構造を有するものとして成長することが有効である。すなわち、バッファ層上に発光層部として、それぞれMgZn1−aO型酸化物からなる第一導電型クラッド層(p型又はn型である)、活性層、及び第一導電型クラッド層とは異なる導電型を有する第二導電型クラッド層(n型又はp型である)がこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものを成長させる。
【0014】
この場合、MOVPE法によるp型MgZnO層あるいはMgZnO活性層の成長は、10torr(9.8×10Pa)以上の圧力を有した雰囲気中で行なうことにより、成膜中の酸素欠損発生をより効果的に抑制でき、良好な特性のp型MgZnO層あるいはMgZnO活性層を得ることができる。この場合、より望ましくは、酸素分圧(O以外の酸素含有分子も、含有される酸素をOに換算して組み入れるものとする)が10torr(9.8×10Pa)以上とするのがよい。また、バッファ層の上に、n型MgZnO層を形成し、その上にMgZnO活性層及びp型MgZnO層を成長する場合は、n型MgZnO層に酸素欠損が生ずると、以降に成長するMgZnO活性層及びp型MgZnO層にも乱れ等の影響を与えるので、n型MgZnO層も酸素欠損がなるべく生じないように成長することが望ましい。この場合、n型MgZnO層はn型ドーパントの添加により導電型をn型とする。他方、バッファ層の上にp型MgZnO層を形成し、その上にMgZnO活性層及びn型MgZnO層を形成する場合は、発光に寄与する層がn型MgZnO層上に形成されないことから、該n型MgZnO層は、酸素欠損の積極形成により導電型をn型とする方法も採用可能である。
【0015】
MgZn1−aOがp型となるためには、前述の通り、適当なp型ドーパントを添加する必要がある。このようなp型ドーパントとしては、N、Ga、Al、In、Li、Si、C、Seの一種又は2種以上を用いることができる。これらのうち、特にNを使用することが、良好なp型特性を得る上で有効である。また、金属元素ドーパントとしてはGa、Al、In及びLiの1種又は2種以上、特にGaを使用することが有効である。これらは、Nと共添加することにより、良好なp型特性をより確実に得ることができる。
【0016】
なお、十分な発光特性を確保するには、p型MgZn1−aO層中のp型キャリア濃度が1×1016個/cm以上8×1018個/cm以下となっているのがよい。p型キャリア濃度が1×1016個/cm未満になると十分な発光輝度を得ることが困難となる場合がある。他方、p型キャリア濃度が8×1018個/cmを超えると、活性層に注入されるp型キャリアの量が過剰となり、p型MgZn1−aO層への逆拡散や、あるいは障壁を乗り越えてn型クラッド層へ流入したりして発光に寄与しなくなるp型キャリアが増え、発光効率の低下につながる場合がある。また、n型MgZn1−aO層についても、同様の理由により、n型キャリア濃度が1×1016個/cm以上8×1018個/cm以下となっているのがよい。
【0017】
次に、基板の材質としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化マグネシウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、シリコン、炭化シリコン、砒化ガリウム、インジウム・スズ複合酸化物あるいはガラス等を使用できる。また、本発明に特に好適な基板の態様としては、以下のようなものがある。すなわち、MgZn1−aO型酸化物は、図2に示すように、c軸方向に交互に積層される金属原子層と酸素原子層とからなるウルツ鉱型結晶構造を有し、その酸素原子が六方晶系原子配列をなす。従って、基板は、酸素原子が六方晶系原子配列をなすとともに、該六方晶系原子配列のC面((0001)面)を主表面とする酸化物単結晶基板とすることが、バッファ層との結晶整合性を良好なものとし、ひいては結晶性の良好な発光層部を得る上で有効である。この場合、バッファ層の全体をMgZn1−aO型酸化物層として、そのウルツ鉱型結晶構造のc軸を層厚方向に配向させる形で、酸化物単結晶基板の主表面に形成するようにする。このような酸化物単結晶基板として例えばコランダム型構造を有する酸化物があり、そのさらに具体的な例としてサファイア基板を例示できる。
【0018】
図7に示すように、コランダム型構造を有する酸化物は、酸素(O)原子の格子が六方晶系の原子配列を有し、そのc軸方向にO原子(イオン)層と金属原子(イオン:図ではAl)層とが交互に積層された構造を有する。この結晶構造においては、c軸方向の両端に現われる原子層は必ず一方がO原子層面となり、他方が金属原子層面となる。このうちO原子層面は、格子定数の相違を除いて、ウルツ鉱型結晶構造のO原子層と同じO原子配列を有する。そこで、このような結晶構造の酸化物単結晶基板の主表面に、ウルツ鉱型結晶構造を有するMgZn1−aO型酸化物のバッファ層を成長させる場合、バッファ層側の金属原子層を、基板側のO原子層面をなす主表面に積層させる形とすることで、より整合性の高い接合構造を得ることができるようになる。
【0019】
なお、特開2001−44500号公報に開示されているように、サファイア基板のA面にバッファ層及び発光層部を成長することも可能であり、結晶成長面の平坦化に一定の効果がある。この場合、サファイア基板のA面には金属原子と酸素原子とが混在しているため、特開2001−44500号公報に開示されているような通常の連続成長型MOVPE法を用いると、A面((11-20)面)上に酸素原子の吸着と亜鉛原子の吸着とが同時に生ずる確率が高くなる。その結果、c軸配向にて成長させるバッファ層の積層に乱れが生じやすくなり、必ずしも良質のバッファ層ひいては発光層部が得られない場合がある。しかし、本発明のようにALE法を用いれば、このようなA面上にも強制的に金属単原子層が形成されるので、良好な品質のバッファ層ひいては発光層部を再現性よく得ることが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、添付の図面を用いて説明する。
図1は、本発明に係る発光素子の要部の積層構造を模式的に示すものであり、n型クラッド層34、活性層33及びp型クラッド層32がこの順序にて積層された発光層部を有している。そして、各層32〜34はいずれもMgZn1−aO層(0≦a≦1:以下、MgZnOとも記す:ただし、混晶比aの範囲からも明らかなように、MgZnOと記していても、これはMgO及びZnOの各単体酸化物の概念を含むものである)として形成されている。該p型MgZnO層32には、p型ドーパントとして、例えばN、Ga、Al、In、Liの一種又は2種以上が微量含有されている。また、p型キャリア濃度は前述の通り1×1016個/cm以上8×1018個/cm以下、例えば1017個/cm〜1018/cm程度の範囲で調整される。
【0021】
図2は、MgZnOの結晶構造を示すもので、いわゆるウルツ鉱型構造を有する。該構造では、酸素原子層と金属原子(ZnイオンまたはMgイオン)層とがc軸方向に交互に積層される形となっており、図3に示すように、c軸が層厚方向に沿うように形成される。酸素イオンが欠落して空孔を生ずると酸素欠損となり、n型キャリアである電子を生ずる。このような酸素欠損が多く形成されすぎると、n型キャリアが増加してp型導電性を示さなくなる。従って、p型MgZnO層32やMgZnO活性層33を形成する場合には、この酸素欠損の発生抑制を図ることが重要である。
【0022】
活性層33は、要求される発光波長に応じて適宜のバンドギャップを有するものが使用される。例えば、可視光発光に使用するものは、波長400nm〜570nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(3.10eV〜2.18eV程度)を有するものを選択する。これは、紫から緑色までをカバーする発光波長帯であるが、特に青色発光に使用する場合は、波長450nm〜500nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(2.76eV〜2.48eV程度)を有するものを選択する。また、紫外線発光に使用するものは、波長280nm〜400nmにて発光可能なバンドギャップエネルギーEg(4.43eV〜3.10eV程度)を有するものを選択する。
【0023】
例えば活性層33は、p型MgZn1−xO層との間にタイプIのバンドラインナップを形成する半導体により形成することができる。このような活性層33は、例えばMgZn1−yO層(ただし、0≦y<1、x>y:以下、MgZnO活性層ともいう)として形成することができる。「活性層とp型MgZnO層との間にタイプIのバンドラインナップが形成される」とは、図4に示すように、p型クラッド層(p型MgZnO層32)の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEcp,Evpと、活性層の伝導帯底及び価電子帯上端の各エネルギーレベルEci,Eviとの間に次のような大小関係が成立している接合構造をいう:
Eci<Ecp ‥‥(1)
Evi>Evp ‥‥(2)
【0024】
該構造では、活性層33からn型クラッド層34への正孔の順拡散と、p型クラッド層32への電子(n型キャリア)の順拡散のいずれに関してもポテンシャル障壁が生ずる。そして、活性層33とn型クラッド層34との間に図4と同様のタイプI型バンドラインナップが形成されるようn型クラッド層34の材質選択を行なえば、活性層の位置には、伝導帯底及び価電子帯上端の両方に井戸状のポテンシャル障壁が形成され、電子と正孔との双方に対して閉じ込め効果が高められる。その結果、キャリア再結合促進ひいては発光効率向上が一層顕著となる。
【0025】
MgZnO活性層33において、混晶比yの値は、バンドギャップエネルギーEgを決める因子ともなる。例えば、波長280nm〜400nmの紫外線発光を行なわせる場合は0≦y≦0.5の範囲にて選択する。また、形成されるポテンシャル障壁の高さは、発光ダイオードでは0.1eV〜0.3eV程度、半導体レーザー光源では0.25eV〜0.5eV程度とするのがよい。この値は、p型MgZn1−xO層2、MgZn1−yO活性層33及びn型MgZn1−zO層34の各混晶比x、y、zの数値の選択により決定できる。
【0026】
以下、上記発光素子の製造工程の一例を説明する。まず、図5に示すように、サファイア基板10上にMgZnOからなるバッファ層11をエピタキシャル成長する。次いで、n型MgZnO層34(層厚例えば50nm)、MgZnO活性層33(層厚例えば30nm)及びp型MgZnO層32(層厚例えば50nm)をこの順序にてエピタキシャル成長する(32〜35は成長順序を逆転させてもよい)。これら各層のエピタキシャル成長は、前述の通りMOVPE法にて成長できる。
【0027】
MOVPE法により、図6(a)〜(c)に示すように、バッファ層11、n型MgZnO層34、MgZnO活性層33及びp型MgZnO層32を全て同じ原料を用いて同一の反応容器内にて連続的に成長できる。なお、反応容器内の温度は、層形成のための化学反応を促進するため、加熱源(本実施形態では赤外線ランプ)により調整される。各層の主原料としては次のようなものを用いることができる。
・酸素成分源ガス:酸素ガスを用いることもできるが、酸化性化合物ガスの形で供給することが、後述する有機金属との過度の反応を抑制する観点において望ましい。具体的には、NO、NO、NO、COなど。本実施形態では、NO(亜酸化窒素)を用いている。
・Zn源(金属成分源)ガス:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など。
・Mg源(金属成分源)ガス:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)など。
【0028】
また、p型ドーパントガスとしては次のようなものを用いることもできる;
・Li源ガス:ノルマルブチルリチウムなど;
・Si源ガス:モノシランなどのシリコン水素化物など;
・C源ガス:炭化水素(例えばCを1つ以上含むアルキルなど);
・Se源ガス:セレン化水素など。
【0029】
また、Al、Ga及びIn等のIII族元素の1種又は2種以上は、V族元素であるNとの共添加により良好なp型ドーパントとして機能させることができる。ドーパントガスとしては以下のようなものを使用できる;
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など;
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など;
・In源ガス;トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など。
p型ドーパントとして金属元素(Ga)とともにNが使用される場合、p型MgZnO層の気相成長を行なう際に、N源となる気体を、Ga源となる有機金属ガスとともに供給するようにする。例えば、本実施形態では、酸素成分源として使用するNOがN源としても機能する形となる。
【0030】
他方、B、Al、Ga及びIn等のIII族元素は、単独で用いることによりn型ドーパントとして機能させることができる。ドーパントガスとしては、Al、Ga及びInについては、p型ドーパントの項で説明したものが同様に使用できる。また、Bに関しては、例えばジボラン(B)を用いることができる。
【0031】
上記の各原料ガスをキャリアガス(例えば窒素ガス)により適度に希釈し、反応容器内に供給する。なお、各層の混晶比の違いにより、層毎にMg源及びZn源となる有機金属ガスMOの流量比をマスフローコントローラMFC等により制御する。また、酸素成分源ガスであるNO及びp型ドーパント源ガスの流量もマスフローコントローラMFCにより制御する。
【0032】
バッファ層11の成長は以下のようにして行なう。本実施形態における反応容器内の温度制御及び各ガス導入のシーケンスを図9に示している。まず、層を成長させる基板10は、結晶主軸がc軸のサファイア(つまりアルミナ単結晶)基板であり、図7に示す酸素原子面側の主表面が層成長面として使用される。層成長に先立って、基板10を酸化性ガス雰囲気下にて十分にアニール処理する。酸化性ガスは、O、CO、NOのいずれかから選択できるが、後述する層成長時の酸素成分源ガスと共用するため、本実施形態ではNOを使用している。アニール処理温度は、MOVPEの反応容器内にて行なう場合は、750℃以上(基板の融点よりも低温)にて30分以上の保持時間で行なうことが望ましい。ただし、湿式洗浄等により基板表面の清浄化が十分可能である場合には、アニール処理時間をこれよりも短縮して差し支えない。
【0033】
上記アニール処理が終了すれば、図9に示すように、酸化性ガス雰囲気を保持した状態にて基板温度を、欠損等の発生を抑制するために250〜350℃(本実施形態では350℃)に設定される第一温度に低下させる。そして、温度が設定値に安定すれば酸化性ガスの供給を止め、窒素ガスで反応容器内を置換して酸化性ガスを十分にパージアウトする。パージ時間は、反応容器の形状や容積によっても異なるが、5秒以上確保することが有効である。
【0034】
次いで、図6(a)及び図8(a)に示すように、有機金属ガスMOを反応容器内に供給し、バッファ層11の一部をなす最初の金属原子層をALE法により単原子金属層として形成する。既に説明した通り、ALE法では自己停止機能により金属原子層の成長は1原子層分で飽和し、有機金属ガスMOの供給を継続しても、それ以上の金属原子層の成長は起こらない。
【0035】
その後、有機金属ガスMOの供給を停止し、窒素ガスで反応容器内を置換して有機金属ガスMOを十分にパージアウトした後、図8(c)に示すように、酸素成分源ガス(酸化性ガス雰囲気でもある)としてNOを導入し、ALE法により酸素原子層を1原子層分形成する。これにより、基板10上にはMgZnO層が1分子層分だけ形成されたことになる。
【0036】
その後、図9に示すように、酸化性ガス雰囲気を保持したまま、反応容器内の温度を400〜800℃に設定される第二温度(本実施形態では750℃)に昇温し、さらに有機金属ガスを連続的に流すことで、図6(b)及び図8(d)に示すように、バッファ層の残余の部分を通常のMOVPE法により成長させる。その際、層厚が10nm程度までは0.1nm/sec程度の速度で成長を行い、以降は1nm/sec以上の速度で成長を行なうことが良好な平坦度を有するバッファ層11を得ることができる。なお、より結晶性及び平坦性の高いバッファ層を得る観点から、最初の複数分子層をALE法により成長させてもよい。
【0037】
なお、本実施形態では、バッファ層11はZnO単体酸化物の層として形成しているが、これと接する発光層部側の層の混晶比に合わせて適当な混晶比を持つMgZnO複合酸化物層とすることもできる。また、サファイア基板の最表層のO原子層直下に位置するAl原子層は、図7に示すコランダム型結晶構造特有の事情により、該O原子層との距離が相違する2つのAl原子サイトAl−1とAl−2とから成り立っている。この場合、該O原子層上に積層される金属単原子層をZn原子層とした場合、O原子層を介したZn原子とAl原子とのクーロン反発斥力が両サイトAl−1とAl−2との間で相違する。従って、これが原因となってZn原子層には、両サイトに対応するZn原子間で、O原子層に対する面直交方向の変位に差が生じ、以降の層の積層乱れ等につながる可能性がある。この影響を軽減するには、図10(b)あるいは(c)に示すように、最初の1分子層(ないし複数分子層)を、Znよりもイオン半径の小さいII族原子(例えばMgなど)、あるいはイオン半径の大きいII族原子(例えばCa、Sr、Baなど)を適度な比率で混在させた複合酸化物層として形成することが、最終的に形成される発光層部の結晶性をより高める上で有効である。この場合、図11(a)に示すように、このような複合酸化物層(金属カチオン組成をAとする)と、バッファ層11直上に形成されるクラッド層(金属カチオン組成をBとする:図ではn型MgZnO層54)との間に、両カチオン組成A及びBを接続するために、金属カチオン組成を層厚方向に傾斜させた組成傾斜層として形成することも上記効果を高める上で有効である。例えば、複合酸化物層とクラッド層との双方が、MgZnOにて構成される場合、Mgイオンのmol含有量をNMg、Znイオンのmol含有量をNZnとして、金属カチオン組成を組成パラメータν≡NMg/(NMg+NZn)にて表し、複合酸化物層のνをAにて表し、同じくクラッド層のνをBにて表せば、組成傾斜層は、例えば図11(b)のように、νがAとBとの間で層厚方向に連続的に変化する層として形成できる。
【0038】
さて、バッファ層11の形成が終了すれば、図6(c)に示すように、n型MgZnO層34、MgZnO活性層33及びp型MgZnO層32をこの順序にてMOVPE法により形成する。本実施形態のようにn型MgZnO層32をp型MgZnO層32よりも下(基板10側)に形成する場合は、n型ドーパントを導入し、後述のp型MgZnO層32と同様に、酸素欠損等のなるべく生じない条件下で層成長を行なうことが望ましい。他方、n型MgZnO層34をp型MgZnO層32よりも上に形成する場合は、酸素欠損を積極的に生じさせてn型とする方法も採用でき、例えばMgZnO活性層53及びp型MgZnO層52を成長する場合よりも雰囲気圧力を下げる(例えば10torr未満とする)ことが有効である。また、供給原料のII族とVI族との比(供給II/VI比)を大きくしても良い。
【0039】
また、MgZnO活性層33及びp型MgZnO層32を成長する際は、酸素欠損発生を抑制するために、反応容器内の圧力を10torr以上に保持することが有効である。これにより酸素の離脱が一層抑制され、酸素欠損の少ないMgZnO層を成長することができる。特に酸素成分源としてNOを使用する場合、上記の圧力設定によりNOの解離が急激に進行することが防止され、酸素欠損の発生をより効果的に抑制することが可能となる。雰囲気圧力は高ければ高いほど酸素離脱抑制効果は高められるが、760torr(1.01×10Pa又は1気圧)程度までの圧力でも効果は十分顕著である。例えば、760torr以下であれば、反応容器内が常圧又は減圧となるので容器シール構造が比較的簡略なもので済む利点がある。他方、760torrを超える圧力を採用する場合は、容器内が加圧となるので内部の気体が漏れ出さないようにやや強固なシール構造を、また、圧力が相当高い場合には耐圧構造等を考慮する必要があるが、酸素離脱抑制効果は一層顕著となる。この場合、圧力の上限は、装置コストと達成できる酸素離脱抑制効果との兼ね合いにより適当な値に定めるべきである(例えば、7600torr((1.01×10Pa又は10気圧)程度)。
【0040】
このようにして発光層部の成長が終了すれば、図5に示すように活性層33及びp型MgZnO層32の一部をフォトリソグラフィー等により一部除去して、インジウム・スズ酸化物(ITO)等からなる透明電極125を形成する一方、残余のp型MgZnO層32上には金属電極122を形成し、その後、基板10とともにダイシングすれば発光素子1が得られる。この発光素子1は、基板10上にMgZnOからなるバッファ層11が形成され、さらにMgZnOからなる発光層部が形成されたものであることは明らかである。光取出は、主として透明なサファイア基板10側から行なうことになる。
【0041】
なお、図12は本発明に係る発光素子の製造方法の変形例を示すものである。ここでは、図12(a)に示すように、バッファ層11上には図5と逆順、つまりp型MgZnO層32、MgZnO活性層33及びn型MgZnO層34の順序で層形成し、(b)に示すようにn型MgZnO層34上に電極を兼ねた金属反射層22を形成する。その後、サファイア基板10を剥離し、p型MgZnO層32側にITO等からなる透明電極25を形成した後、(d)に示すようにダイシングすれば発光素子104が得られる。該発光素子104の光取出は透明電極25側から行なう。この構成によると、基板10を剥離した側に発光層部をなすMgZnOの金属層が露出する形となるので、より耐候性に優れた素子を得ることができる。
【0042】
【発明の効果】
本発明の製造方法においては、バッファ層を成長する際には、特に、原子層エピタキシ(ALE:Atomic Layer Epitaxy)法により基板上に金属原子層を金属単原子層として形成した後、残余の酸素原子層と金属原子層とを成長させるようにする。ALE法を採用すると、最初の金属単原子層が完成すれば、金属原子層の形成を1原子層分で飽和させることができ(自己停止機能)、層内に配列した原子にも欠損や変位などの乱れを生じ難い。このように乱れの少ない金属原子層を、1原子層分完成させた後、後続の金属原子層と酸素原子層とを成長させることで、結晶性の極めて良好なバッファ層が得られ、当然、その上に成長させる発光層部も結晶性の良好なものとなるので、高性能の発光素子を再現性よく実現する上で好都合となる。また、本発明の発光素子においては、上記製法の採用によりバッファ層が、ウルツ鉱型結晶構造のc軸が層厚方向に配向されてなり、基板と接する1原子層部分が金属単原子層として形成され、さらに該層に引き続く形で残余の酸素原子層と金属原子層とが交互に成長されたものとなる。このような構造のバッファ層は結晶性がきわめて良好であり、結果的にその上に成長される発光層部も低欠陥で乱れが少なく、ひいては発光効率の良好なものが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】MgZnOにて構成したダブルへテロ構造の発光層部を概念的に示す図。
【図2】MgZnOの結晶構造を示す模式図。
【図3】MgZnO層の金属イオンと酸素イオンとの配列形態を示す模式図。
【図4】タイプI型バンドラインナップの接合構造を用いた発光素子のバンド模式図。
【図5】本発明の発光素子の具体例を示す模式図。
【図6】図5の発光素子の、製造工程の一例を示す説明図。
【図7】コランダム型結晶構造の模式図。
【図8】本発明の発光素子の製造方法の、作用説明図。
【図9】図6の工程における温度制御シーケンス及びガス供給シーケンスを例示する図。
【図10】ALE成長する金属単原子層を混合金属原子層とすることによる効果説明図。
【図11】バッファ層を金属組成傾斜層とする例を示す模式図。
【図12】本発明の別の発光素子の製造工程の一例を示す説明図。
【符号の説明】
1,104 発光素子
10 サファイア基板
11 Nバッファ層
32 p型MgZnOクラッド層
33 MgZnO活性層
34 n型MgZnOクラッド層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a light-emitting element using a semiconductor, particularly a light-emitting element suitable for blue light or ultraviolet light emission.
[0002]
[Prior art]
A high-intensity light-emitting element that emits short-wavelength light in the blue light region has been demanded for a long time. Recently, such a light-emitting element has been realized by using an AlGaInN-based material. In addition, by combining with red or green high-luminance light-emitting elements, application to full-color light-emitting devices and display devices is also rapidly progressing. However, since AlGaInN-based materials are mainly composed of relatively rare metals Ga and In, it is difficult to avoid an increase in cost. Another significant problem is that the growth temperature is as high as 700 to 1000 ° C. and a considerable amount of energy is consumed during production. This is not desirable not only from the viewpoint of cost reduction, but also in the sense of going against the currents in recent years when discussions on energy conservation and global warming suppression are frustrating. In view of this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44500 proposes a light emitting element in which a cheaper ZnO-based compound semiconductor layer is heteroepitaxially grown on a sapphire substrate.
[0003]
By the way, ZnO-based oxides can be obtained by vapor phase growth in a vacuum atmosphere. However, since bulk single crystal growth is difficult, heteroepitaxial growth using a different material substrate such as sapphire is employed. In order to form the light-emitting layer part with good crystallinity described above, it is necessary to insert an appropriate buffer layer between the substrate and the light-emitting layer part. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-44500 discloses that the buffer layer (contact layer) is formed together with the subsequent light emitting layer by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy) method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the MBE method has a low pressure in the growth atmosphere, it is not easy to suppress the generation of oxygen vacancies, and it is very difficult to form a ZnO-based oxide layer that is indispensable for constituting a light-emitting element. On the other hand, in the vapor phase growth method using the MOVPE method, the oxygen partial pressure during the growth can be freely changed. Therefore, by raising the atmospheric pressure to some extent, it is possible to suppress the occurrence of oxygen desorption and hence oxygen deficiency. However, in the normal continuous growth type MOVPE method, when a disorder such as an atomic defect or displacement occurs, the layer growth from the next layer is continued without the disorder being repaired. As a buffer layer for determining the thickness, a high-quality buffer layer is not necessarily obtained, and as a result, there is a problem that it is difficult to obtain an element with high luminous efficiency.
[0005]
The subject of the present invention is MgaZn1-aAn object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light-emitting element capable of realizing a high-quality light-emitting layer portion made of an O-type oxide, and a light-emitting element that can be manufactured thereby.
[0006]
[Means for solving the problems and actions / effects]
  In order to solve the above problems, a method for manufacturing a light-emitting element of the present invention includes:
  The light emitting layer is MgaZn1-aIn the method for manufacturing a light-emitting element made of an O (where 0 ≦ a ≦ 1) type oxide, the contact side with the light-emitting layer portion is at least MgaZn1-aA buffer layer formed as an O-type oxide layer is grown on the substrate, and a light emitting layer is grown on the buffer layer;
  MgaZn1-aThe O-type oxide has a wurtzite crystal structure composed of metal atomic layers and oxygen atomic layers that are alternately stacked in the c-axis direction, and the buffer layer is the c-axis of the wurtzite crystal structure. When the buffer layer is grown, the metal atomic layer is formed as a metal monoatomic layer on the substrate using the atomic layer epitaxy method, and then the remaining oxygen atomic layer is grown. Grow a metal atomic layerAnd
  The substrate is an oxide single crystal substrate made of an oxide having a corundum type structure in which oxygen atoms form a hexagonal atomic arrangement and have a C-plane of the hexagonal atomic arrangement as a main surface,
The entire buffer layer is formed on the main surface serving as the oxygen surface of the oxide single crystal substrate in such a manner that the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction.It is characterized by that.
[0007]
  Further, the light-emitting element of the present invention has Mg on the substrate.aZn1-aA light emitting element in which a light emitting layer portion made of an O (where 0 ≦ a ≦ 1) type oxide is formed, and a contact side with the light emitting layer portion is at least Mg between the substrate and the light emitting layer portionaZn1-aWhile arranging the buffer layer made into an O-type oxide layer,
  The substrate is an oxide single crystal substrate made of an oxide having a corundum type structure in which oxygen atoms form a hexagonal atomic arrangement and have a C-plane of the hexagonal atomic arrangement as a main surface,
  MgaZn1-aThe O-type oxide has a wurtzite crystal structure composed of metal atomic layers and oxygen atomic layers alternately stacked in the c-axis direction,
  The buffer layer is formed by orienting the c-axis of the wurtzite crystal structure in the layer thickness direction,On the main surface to be the oxygen surface of the oxide single crystal substrate,One atomic layer portion in contact with the substrate is formed as a metal monoatomic layer, and the remaining oxygen atomic layers and metal atomic layers are alternately grown in a form following the monoatomic layer.
[0008]
According to the present invention, the entire buffer layer formed on the substrate or at least the contact side with the light-emitting layer portion has the same component system as the light-emitting layer portion.aZn1-aIt is composed of an O-type oxide (however, the mixed crystal ratio a is not necessarily the same as that of the light emitting layer portion: hereinafter, the mixed crystal ratio a may be omitted and simply described as MgZnO-type oxide or MgZnO). . The part of the buffer layer on the bonding interface side and the light emitting layer part have basically the same crystal structure (wurtzite type) and the same component system, so the interaction between the components across the bonding interface Local disorder of the crystal structure due to is less likely to occur, which is advantageous in realizing a light emitting layer portion with good crystallinity. The entire buffer layer can be made of, for example, an MgZnO type oxide. In this way, it is possible to carry out vapor phase growth of the buffer layer and the light emitting layer portion very simply in the same facility.
[0009]
In the manufacturing method of the present invention, when the buffer layer is grown, in particular, after the metal atomic layer is formed as a metal monoatomic layer on the substrate by the atomic layer epitaxy (ALE) method, An oxygen atomic layer and a metal atomic layer are grown. By adopting the ALE method, once the first metal monolayer is completed, the formation of the metal atomic layer can be saturated by one atomic layer (so-called self-stop function), and the atoms arranged in the layer can be deficient or Disturbances such as displacement are unlikely to occur. After completing one atomic layer of such a disordered metal atomic layer, a subsequent metal atomic layer and oxygen atomic layer are grown to obtain a buffer layer with extremely good crystallinity. Since the light emitting layer portion grown thereon also has good crystallinity, it is convenient for realizing a high performance light emitting element. Further, in the light emitting device of the present invention, the buffer layer is formed by adopting the above manufacturing method, and the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction, and the one atomic layer portion in contact with the substrate is a metal monoatomic layer Further, the remaining oxygen atom layers and metal atom layers are alternately grown in a form subsequent to the monoatomic layer. The buffer layer having such a structure has very good crystallinity, and as a result, the light emitting layer portion grown on the buffer layer is low in defects and less disturbed, and as a result, a light emitting efficiency is realized.
[0010]
The ALE method can be carried out in the form of a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method in which an organic metal gas and an oxygen component source gas are supplied into a reaction vessel in which a substrate is arranged. . Specifically, only the organometallic gas used as the raw material for the metal atomic layer is circulated in the reaction vessel, and the first metal atomic layer constituting the buffer layer is formed so as to be saturated by one atomic layer. Atomic layer. As shown in FIG. 8A, the organic metal (MO) molecule chemically adsorbs metal atoms on the substrate while decomposing and leaving the bonded organic group. At this time, when the ALE method is adopted, the metal atoms are adsorbed in a form in which some of the bonded organic groups remain, and the residual organic groups are oriented to the surface side as shown in FIG. 8B. A metal atomic layer is formed in the form. Since this oriented residual organic group inhibits the adsorption of new metal atoms, when one atomic layer is completed, this oriented residual organic group inhibits the adsorption of new metal atoms, so that the self-stop function is exhibited. It becomes prominent, and disturbance such as defects and displacement is extremely difficult to occur in the atoms arranged in the layer.
[0011]
In addition, in the MOVPE method, the oxygen partial pressure during growth can be freely changed, so that the oxygen detachment and hence the generation of oxygen vacancies can be effectively suppressed by increasing the atmospheric pressure to some extent. As a result, p-type Mg is indispensable for light-emitting elements.aZn1-aO layer, especially oxygen deficiency concentration of 10 / cm3P-type MgaZn1-aO layer can be realized. The lower the oxygen deficiency concentration, the better (that is, 0 / cm).3Will not prevent you from becoming).
[0012]
When the MOVPE method is used, if the entire buffer layer is made of an MgZnO type oxide, the growth of the buffer layer and the light emitting layer portion can be carried out in the same reaction vessel. It is possible to carry out consistently only by adjusting the ratio with gas. Further, purging in the container when switching from the growth of the buffer layer to the growth of the light emitting layer portion can be shortened or omitted compared to the case where the buffer layer is made of another material such as GaN.
[0013]
In order to obtain a light-emitting element with high luminance, it is effective to grow the light-emitting layer portion as having a double heterostructure as described below. That is, as the light emitting layer portion on the buffer layer, MgaZn1-aA first conductivity type cladding layer (p-type or n-type) made of an O-type oxide, an active layer, and a second conductivity-type cladding layer (n-type or p-type) having a conductivity type different from that of the first conductivity-type cladding layer. Type) is grown with a double heterostructure stacked in this order.
[0014]
In this case, the growth of the p-type MgZnO layer or the MgZnO active layer by the MOVPE method is 10 torr (9.8 × 10 64By performing in an atmosphere having a pressure equal to or higher than Pa), oxygen deficiency generation during film formation can be more effectively suppressed, and a p-type MgZnO layer or MgZnO active layer having good characteristics can be obtained. In this case, the oxygen partial pressure (O2Oxygen-containing molecules other than oxygen also contain oxygen210 torr (9.8 × 10)4Pa) or better. Further, when an n-type MgZnO layer is formed on the buffer layer and an MgZnO active layer and a p-type MgZnO layer are grown on the buffer layer, if an oxygen deficiency occurs in the n-type MgZnO layer, the MgZnO active that grows later The n-type MgZnO layer is preferably grown so as not to cause oxygen vacancies as much as possible because the layer and the p-type MgZnO layer are also affected by disturbance. In this case, the conductivity type of the n-type MgZnO layer is changed to n-type by adding an n-type dopant. On the other hand, when the p-type MgZnO layer is formed on the buffer layer and the MgZnO active layer and the n-type MgZnO layer are formed thereon, the layer contributing to light emission is not formed on the n-type MgZnO layer. For the n-type MgZnO layer, a method of making the conductivity type n-type by positive formation of oxygen vacancies can be employed.
[0015]
MgaZn1-aIn order for O to be p-type, it is necessary to add an appropriate p-type dopant as described above. As such a p-type dopant, one or more of N, Ga, Al, In, Li, Si, C, and Se can be used. Of these, the use of N is particularly effective in obtaining good p-type characteristics. Further, it is effective to use one or more of Ga, Al, In and Li, particularly Ga, as the metal element dopant. By co-adding these with N, good p-type characteristics can be obtained more reliably.
[0016]
In order to secure sufficient light emission characteristics, p-type MgaZn1-aThe p-type carrier concentration in the O layer is 1 × 1016Piece / cm38 × 10 or more18Piece / cm3It should be the following. p-type carrier concentration is 1 × 1016Piece / cm3If it is less than this, it may be difficult to obtain sufficient light emission luminance. On the other hand, the p-type carrier concentration is 8 × 1018Piece / cm3Exceeds the amount, the amount of p-type carriers injected into the active layer becomes excessive, and p-type MgaZn1-aIn some cases, the number of p-type carriers that do not contribute to light emission due to back diffusion into the O layer, or overcoming the barrier and flowing into the n-type cladding layer increases, leading to a decrease in light emission efficiency. N-type MgaZn1-aFor the O layer, the n-type carrier concentration is 1 × 10 6 for the same reason.16Piece / cm38 × 10 or more18Piece / cm3It should be the following.
[0017]
Next, as a material of the substrate, for example, aluminum oxide, gallium oxide, magnesium oxide, gallium nitride, aluminum nitride, silicon, silicon carbide, gallium arsenide, indium-tin composite oxide, glass, or the like can be used. In addition, the following embodiments are particularly suitable for the present invention. That is, MgaZn1-aAs shown in FIG. 2, the O-type oxide has a wurtzite crystal structure composed of metal atom layers and oxygen atom layers alternately stacked in the c-axis direction, and the oxygen atoms are arranged in a hexagonal atomic arrangement. Make. Accordingly, the substrate may be an oxide single crystal substrate in which oxygen atoms form a hexagonal atomic arrangement and the C plane ((0001) plane) of the hexagonal atomic arrangement is a main surface. This is effective in improving the crystal matching of the light emitting layer and thus obtaining a light emitting layer portion having good crystallinity. In this case, the entire buffer layer is MgaZn1-aThe O-type oxide layer is formed on the main surface of the oxide single crystal substrate so that the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction. Examples of such an oxide single crystal substrate include an oxide having a corundum type structure, and a sapphire substrate can be exemplified as a more specific example.
[0018]
As shown in FIG. 7, an oxide having a corundum structure has a hexagonal atomic arrangement of oxygen (O) atoms, and an O atom (ion) layer and metal atoms (ions) in the c-axis direction. : In the figure, Al) layers are alternately stacked. In this crystal structure, one of the atomic layers appearing at both ends in the c-axis direction is necessarily an O atomic layer surface and the other is a metal atomic layer surface. Of these, the O atom layer surface has the same O atom arrangement as the O atom layer of the wurtzite crystal structure, except for the difference in lattice constant. Therefore, Mg having a wurtzite crystal structure is formed on the main surface of the oxide single crystal substrate having such a crystal structure.aZn1-aWhen growing an O-type oxide buffer layer, a metal atomic layer on the buffer layer side is stacked on the main surface forming the O atomic layer surface on the substrate side, thereby obtaining a more consistent bonding structure. Will be able to.
[0019]
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44500, it is possible to grow a buffer layer and a light emitting layer on the A surface of the sapphire substrate, which has a certain effect on flattening the crystal growth surface. . In this case, since metal atoms and oxygen atoms are mixed on the A plane of the sapphire substrate, the A plane can be obtained by using a normal continuous growth type MOVPE method as disclosed in JP-A-2001-44500. The probability that oxygen atom adsorption and zinc atom adsorption occur simultaneously on the ((11-20) plane) is increased. As a result, the stacking of the buffer layers grown in the c-axis orientation is likely to be disturbed, and a high-quality buffer layer and thus a light emitting layer portion may not always be obtained. However, if the ALE method is used as in the present invention, a metal monoatomic layer is forcibly formed even on such an A-plane, so that a buffer layer of good quality and thus a light emitting layer can be obtained with good reproducibility. Is possible.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows a laminated structure of a main part of a light emitting device according to the present invention, in which a light emitting layer in which an n-type cladding layer 34, an active layer 33, and a p-type cladding layer 32 are laminated in this order. Has a part. And each layer 32-34 is all MgaZn1-aO layer (0 ≦ a ≦ 1: or less, also referred to as MgZnO: However, as is clear from the range of the mixed crystal ratio a, even if it is described as MgZnO, this represents the concept of each single oxide of MgO and ZnO. Is included). The p-type MgZnO layer 32 contains a trace amount of, for example, one or more of N, Ga, Al, In, and Li as a p-type dopant. The p-type carrier concentration is 1 × 10 as described above.16Piece / cm38 × 10 or more18Piece / cm3For example, 1017Piece / cm3-1018/ Cm3It is adjusted within a range.
[0021]
FIG. 2 shows the crystal structure of MgZnO, which has a so-called wurtzite structure. In this structure, oxygen atom layers and metal atom (Zn ions or Mg ions) layers are alternately stacked in the c-axis direction, and as shown in FIG. 3, the c-axis is along the layer thickness direction. Formed as follows. When oxygen ions are lost and vacancies are generated, oxygen vacancies are generated and electrons that are n-type carriers are generated. If too many oxygen vacancies are formed, n-type carriers increase and p-type conductivity is not exhibited. Therefore, when the p-type MgZnO layer 32 and the MgZnO active layer 33 are formed, it is important to suppress the generation of this oxygen deficiency.
[0022]
As the active layer 33, one having an appropriate band gap according to the required emission wavelength is used. For example, what is used for visible light emission selects what has the band gap energy Eg (about 3.10 eV-2.18 eV) which can light-emit in wavelength 400nm -570nm. This is an emission wavelength band covering from purple to green, but particularly when used for blue emission, a band gap energy Eg (about 2.76 eV to 2.48 eV) that can be emitted at a wavelength of 450 nm to 500 nm is obtained. Choose what you have. Moreover, what uses the band gap energy Eg (about 4.43eV-3.10eV) which can be light-emitted in wavelength 280nm -400nm is selected as what is used for ultraviolet light emission.
[0023]
For example, the active layer 33 is made of p-type Mg.xZn1-xIt can be formed of a semiconductor that forms a type I band lineup with the O layer. Such an active layer 33 is, for example, MgyZn1-yIt can be formed as an O layer (however, 0 ≦ y <1, x> y: hereinafter also referred to as an MgZnO active layer). “Type I band lineup is formed between the active layer and the p-type MgZnO layer” means that the conduction band bottom and valence electrons of the p-type cladding layer (p-type MgZnO layer 32) are formed as shown in FIG. A junction structure in which the following magnitude relationship is established between the energy levels Ecp and Evp at the band top and the energy levels Eci and Evi at the conduction band bottom and the valence band top of the active layer:
Eci <Ecp (1)
Evi> Evp (2)
[0024]
In this structure, a potential barrier is generated for both forward diffusion of holes from the active layer 33 to the n-type cladding layer 34 and forward diffusion of electrons (n-type carriers) to the p-type cladding layer 32. Then, if the material of the n-type cladding layer 34 is selected so that the same type I band lineup as in FIG. 4 is formed between the active layer 33 and the n-type cladding layer 34, the conductive layer is located at the position of the active layer. A well-like potential barrier is formed at both the bottom and the top of the valence band, and the confinement effect is enhanced for both electrons and holes. As a result, the promotion of carrier recombination and thus the improvement of luminous efficiency become more remarkable.
[0025]
In the MgZnO active layer 33, the value of the mixed crystal ratio y is a factor that determines the band gap energy Eg. For example, in the case where ultraviolet light emission with a wavelength of 280 nm to 400 nm is performed, the range is selected in the range of 0 ≦ y ≦ 0.5. The height of the potential barrier formed is preferably about 0.1 eV to 0.3 eV for a light emitting diode and about 0.25 eV to 0.5 eV for a semiconductor laser light source. This value is p-type MgxZn1-xO layer 2, MgyZn1-yO active layer 33 and n-type MgzZn1-zIt can be determined by selecting numerical values of the mixed crystal ratios x, y, z of the O layer 34.
[0026]
Hereinafter, an example of the manufacturing process of the light-emitting element will be described. First, as shown in FIG. 5, the buffer layer 11 made of MgZnO is epitaxially grown on the sapphire substrate 10. Next, the n-type MgZnO layer 34 (layer thickness, eg, 50 nm), the MgZnO active layer 33 (layer thickness, eg, 30 nm) and the p-type MgZnO layer 32 (layer thickness, eg, 50 nm) are epitaxially grown in this order (32 to 35 are growth orders). May be reversed). The epitaxial growth of each of these layers can be performed by the MOVPE method as described above.
[0027]
As shown in FIGS. 6A to 6C, the buffer layer 11, the n-type MgZnO layer 34, the MgZnO active layer 33, and the p-type MgZnO layer 32 are all formed in the same reaction vessel by the MOVPE method using the same raw material. Can grow continuously. The temperature in the reaction vessel is adjusted by a heating source (infrared lamp in this embodiment) in order to promote a chemical reaction for layer formation. The following can be used as the main raw material of each layer.
-Oxygen component source gas: Although oxygen gas can be used, it is desirable to supply it in the form of an oxidizing compound gas from the viewpoint of suppressing an excessive reaction with an organic metal described later. Specifically, N2O, NO, NO2, CO etc. In this embodiment, N2O (nitrous oxide) is used.
Zn source (metal component source) gas: dimethyl zinc (DMZn), diethyl zinc (DEZn), etc.
Mg source (metal component source) gas: biscyclopentadienyl magnesium (Cp2Mg).
[0028]
Moreover, the following can also be used as a p-type dopant gas;
Li source gas: normal butyl lithium, etc.
-Si source gas: silicon hydride such as monosilane;
C source gas: hydrocarbon (eg, alkyl containing one or more C);
Se source gas: hydrogen selenide and the like.
[0029]
Further, one or more group III elements such as Al, Ga and In can function as a good p-type dopant by co-addition with N which is a group V element. The following can be used as the dopant gas:
Al source gas; trimethylaluminum (TMAl), triethylaluminum (TEAl), etc .;
Ga source gas; trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), etc .;
In source gas; trimethylindium (TMIn), triethylindium (TEIn), etc.
When N is used as a p-type dopant together with a metal element (Ga), a gas serving as an N source is supplied together with an organometallic gas serving as a Ga source when performing vapor phase growth of the p-type MgZnO layer. . For example, in this embodiment, N used as an oxygen component source2O becomes a form that also functions as an N source.
[0030]
On the other hand, group III elements such as B, Al, Ga, and In can function as n-type dopants when used alone. As dopant gas, about Al, Ga, and In, what was demonstrated by the term of the p-type dopant can be used similarly. As for B, for example, diborane (B2H6) Can be used.
[0031]
Each of the above source gases is appropriately diluted with a carrier gas (for example, nitrogen gas) and supplied into the reaction vessel. Note that the flow rate ratio of the organometallic gas MO, which becomes the Mg source and the Zn source, is controlled by the mass flow controller MFC or the like depending on the mixed crystal ratio of each layer. Also, oxygen component source gas N2The flow rates of the O and p-type dopant source gases are also controlled by the mass flow controller MFC.
[0032]
The growth of the buffer layer 11 is performed as follows. FIG. 9 shows a sequence of temperature control in the reaction vessel and introduction of each gas in the present embodiment. First, the substrate 10 on which a layer is grown is a sapphire (that is, alumina single crystal) substrate having a c-axis crystal principal axis, and the main surface on the oxygen atom plane side shown in FIG. 7 is used as a layer growth surface. Prior to the layer growth, the substrate 10 is sufficiently annealed in an oxidizing gas atmosphere. Oxidizing gases are O, CO, N2Although it can be selected from any of O, since it is shared with an oxygen component source gas during layer growth described later, in this embodiment, N2O is used. The annealing temperature is preferably 750 ° C. or higher (lower temperature than the melting point of the substrate) and a holding time of 30 minutes or longer in the MOVPE reaction vessel. However, if the substrate surface can be sufficiently cleaned by wet cleaning or the like, the annealing time may be shortened.
[0033]
When the annealing process is completed, as shown in FIG. 9, the substrate temperature is kept in an oxidizing gas atmosphere, and 250 to 350 ° C. (350 ° C. in this embodiment) in order to suppress the occurrence of defects and the like. Reduce to the first temperature set. When the temperature stabilizes at the set value, the supply of the oxidizing gas is stopped, the inside of the reaction vessel is replaced with nitrogen gas, and the oxidizing gas is sufficiently purged out. Although the purge time varies depending on the shape and volume of the reaction vessel, it is effective to secure 5 seconds or more.
[0034]
Next, as shown in FIGS. 6 (a) and 8 (a), an organic metal gas MO is supplied into the reaction vessel, and the first metal atomic layer forming a part of the buffer layer 11 is formed by a single atomic metal by the ALE method. Form as a layer. As already described, in the ALE method, the growth of the metal atomic layer is saturated by one atomic layer due to the self-stop function, and no further growth of the metal atomic layer occurs even if the supply of the organometallic gas MO is continued.
[0035]
Thereafter, the supply of the organometallic gas MO is stopped, the inside of the reaction vessel is replaced with nitrogen gas, and the organometallic gas MO is sufficiently purged out. Then, as shown in FIG. N is also a gas atmosphere2O is introduced, and one atomic layer is formed by an ALE method. As a result, an MgZnO layer corresponding to one molecular layer is formed on the substrate 10.
[0036]
Thereafter, as shown in FIG. 9, while maintaining the oxidizing gas atmosphere, the temperature in the reaction vessel is raised to a second temperature (750 ° C. in this embodiment) set to 400 to 800 ° C., and further organic By continuously flowing the metal gas, as shown in FIGS. 6B and 8D, the remaining portion of the buffer layer is grown by a normal MOVPE method. At this time, it is possible to obtain a buffer layer 11 having good flatness by growing at a rate of about 0.1 nm / sec until the layer thickness is about 10 nm, and thereafter growing at a rate of 1 nm / sec or more. it can. From the viewpoint of obtaining a buffer layer with higher crystallinity and flatness, the first plurality of molecular layers may be grown by the ALE method.
[0037]
In this embodiment, the buffer layer 11 is formed as a ZnO single oxide layer. However, the MgZnO composite oxide has an appropriate mixed crystal ratio in accordance with the mixed crystal ratio of the layer on the light emitting layer side in contact with the buffer layer 11. It can also be a physical layer. In addition, the Al atomic layer located immediately below the O atomic layer on the outermost surface of the sapphire substrate has two Al atomic sites Al− having different distances from the O atomic layer due to the circumstances peculiar to the corundum crystal structure shown in FIG. 1 and Al-2. In this case, when the metal monoatomic layer laminated on the O atomic layer is a Zn atomic layer, the Coulomb repulsive force between the Zn atom and the Al atom via the O atomic layer is expressed by both sites Al-1 and Al-2. And the difference. Therefore, due to this, in the Zn atomic layer, there is a difference in displacement in the direction perpendicular to the plane with respect to the O atomic layer between the Zn atoms corresponding to both sites, which may lead to subsequent layer stacking disorder or the like. . In order to reduce this influence, as shown in FIG. 10B or FIG. 10C, the first monomolecular layer (or a plurality of molecular layers) is converted into a group II atom (for example, Mg) having an ionic radius smaller than that of Zn. Alternatively, forming a complex oxide layer in which Group II atoms having a large ionic radius (for example, Ca, Sr, Ba, etc.) are mixed at an appropriate ratio can improve the crystallinity of the finally formed light emitting layer. It is effective in raising. In this case, as shown in FIG. 11A, such a composite oxide layer (metal cation composition is A) and a cladding layer (metal cation composition is B) formed immediately above the buffer layer 11: In the figure, in order to connect both cation compositions A and B to the n-type MgZnO layer 54), it is also possible to form a composition gradient layer in which the metal cation composition is inclined in the layer thickness direction in order to enhance the above effect. It is valid. For example, when both the composite oxide layer and the cladding layer are composed of MgZnO, the Mg cation mol content is NMg, the Zn ion mol content is NZn, and the metal cation composition is a composition parameter ν≡NMg. / (NMg + NZn), ν of the composite oxide layer is represented by A, and ν of the clad layer is represented by B. For example, as shown in FIG. And B can be formed as a layer that continuously changes in the layer thickness direction.
[0038]
When the formation of the buffer layer 11 is completed, as shown in FIG. 6C, an n-type MgZnO layer 34, an MgZnO active layer 33, and a p-type MgZnO layer 32 are formed in this order by the MOVPE method. When the n-type MgZnO layer 32 is formed below the p-type MgZnO layer 32 (on the side of the substrate 10) as in this embodiment, an n-type dopant is introduced, and oxygen is introduced in the same manner as the p-type MgZnO layer 32 described later. It is desirable to perform layer growth under conditions where defects and the like do not occur as much as possible. On the other hand, when the n-type MgZnO layer 34 is formed above the p-type MgZnO layer 32, a method of positively generating oxygen vacancies to make the n-type can also be adopted. For example, the MgZnO active layer 53 and the p-type MgZnO layer It is more effective to lower the atmospheric pressure (for example, less than 10 torr) compared to the case of growing 52. Further, the ratio of the feed group II to VI group (feed II / VI ratio) may be increased.
[0039]
Further, when growing the MgZnO active layer 33 and the p-type MgZnO layer 32, it is effective to maintain the pressure in the reaction vessel at 10 torr or higher in order to suppress the generation of oxygen vacancies. As a result, the release of oxygen is further suppressed, and an MgZnO layer with few oxygen vacancies can be grown. Especially N as a source of oxygen component2When O is used, N is set according to the above pressure setting.2O dissociation is prevented from proceeding rapidly, and the generation of oxygen vacancies can be more effectively suppressed. The higher the atmospheric pressure, the higher the oxygen desorption suppression effect, but 760 torr (1.01 × 105Even at a pressure up to about Pa or 1 atm), the effect is sufficiently remarkable. For example, if it is 760 torr or less, there is an advantage that the container seal structure can be relatively simple because the inside of the reaction vessel is at normal pressure or reduced pressure. On the other hand, when a pressure exceeding 760 torr is adopted, the inside of the container is pressurized, so a slightly stronger sealing structure is taken into consideration so that the gas inside does not leak out. However, the effect of suppressing oxygen withdrawal becomes more remarkable. In this case, the upper limit of the pressure should be set to an appropriate value in consideration of the balance between the apparatus cost and the oxygen desorption suppression effect that can be achieved (for example, 7600 torr ((1.01 × 106Pa or 10 atm)).
[0040]
When the growth of the light emitting layer portion is completed in this way, a part of the active layer 33 and the p-type MgZnO layer 32 is removed by photolithography or the like as shown in FIG. ) And the like, while the metal electrode 122 is formed on the remaining p-type MgZnO layer 32 and then diced together with the substrate 10, the light emitting device 1 is obtained. It is obvious that the light-emitting element 1 has a buffer layer 11 made of MgZnO formed on a substrate 10 and a light-emitting layer portion made of MgZnO. The light extraction is performed mainly from the transparent sapphire substrate 10 side.
[0041]
FIG. 12 shows a modification of the method for manufacturing a light emitting device according to the present invention. Here, as shown in FIG. 12A, layers are formed on the buffer layer 11 in the reverse order of FIG. 5, that is, in the order of the p-type MgZnO layer 32, the MgZnO active layer 33, and the n-type MgZnO layer 34. As shown in FIG. 5, the metal reflective layer 22 that also serves as an electrode is formed on the n-type MgZnO layer 34. Thereafter, the sapphire substrate 10 is peeled off, the transparent electrode 25 made of ITO or the like is formed on the p-type MgZnO layer 32 side, and then diced as shown in FIG. The light extraction of the light emitting element 104 is performed from the transparent electrode 25 side. According to this configuration, since the MgZnO metal layer forming the light emitting layer portion is exposed on the side where the substrate 10 is peeled off, an element with more excellent weather resistance can be obtained.
[0042]
【The invention's effect】
In the production method of the present invention, when growing the buffer layer, in particular, after the metal atomic layer is formed as a metal monoatomic layer on the substrate by the atomic layer epitaxy (ALE) method, the remaining oxygen is formed. An atomic layer and a metal atomic layer are grown. By adopting the ALE method, once the first metal monoatomic layer is completed, the formation of the metal atomic layer can be saturated by one atomic layer (self-stop function), and the atoms arranged in the layer can also be deficient or displaced. It is difficult to cause disturbance. After completing one atomic layer of such a disordered metal atomic layer, a subsequent metal atomic layer and oxygen atomic layer are grown to obtain a buffer layer with extremely good crystallinity. Since the light emitting layer portion to be grown thereon also has good crystallinity, it is convenient for realizing a high performance light emitting element with good reproducibility. Further, in the light emitting device of the present invention, the buffer layer is formed by adopting the above manufacturing method, and the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction, and the one atomic layer portion in contact with the substrate is a metal monoatomic layer. Then, the remaining oxygen atom layers and metal atom layers are alternately grown in a form following the layer. The buffer layer having such a structure has very good crystallinity, and as a result, the light emitting layer portion grown on the buffer layer is low in defects and less disturbed, and as a result, a light emitting efficiency is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram conceptually showing a light emitting layer portion having a double hetero structure composed of MgZnO.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a crystal structure of MgZnO.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an arrangement form of metal ions and oxygen ions in an MgZnO layer.
FIG. 4 is a schematic view of a band of a light-emitting element using a junction structure of a type I band lineup.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a specific example of a light-emitting element of the present invention.
6 is an explanatory diagram showing an example of a manufacturing process of the light-emitting element shown in FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram of a corundum crystal structure.
FIG. 8 is an operation explanatory view of the method for manufacturing a light-emitting element according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a temperature control sequence and a gas supply sequence in the process of FIG. 6;
FIG. 10 is an explanatory diagram of effects obtained by using a mixed metal atomic layer as a metal monoatomic layer for ALE growth.
FIG. 11 is a schematic view showing an example in which the buffer layer is a metal composition gradient layer.
FIG. 12 is an explanatory view showing an example of a manufacturing process of another light emitting element of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,104 light emitting device
10 Sapphire substrate
11 N buffer layer
32 p-type MgZnO cladding layer
33 MgZnO active layer
34 n-type MgZnO cladding layer

Claims (4)

発光層部がMgZn1−aO(ただし、0≦a≦1)型酸化物からなる発光素子の製造方法において、前記発光層部との接触側が少なくともMgZn1−aO型酸化物層とされたバッファ層を基板上に成長し、該バッファ層上に前記発光層部を成長させるようにし、
前記MgZn1−aO型酸化物は、c軸方向に交互に積層される金属原子層と酸素原子層とからなるウルツ鉱型結晶構造を有するものであり、前記バッファ層を、前記ウルツ鉱型結晶構造のc軸を層厚方向に配向させたものとして成長するとともに、該バッファ層を成長する際に、原子層エピタキシ法を用いて前記基板上に前記金属原子層を金属単原子層として形成した後、残余の酸素原子層と金属原子層とを成長させるとともに、
前記基板は、酸素原子が六方晶系原子配列をなすとともに、該六方晶系原子配列のC面を主表面とするコランダム型構造を有する酸化物からなる酸化物単結晶基板であり、
前記バッファ層の全体を、前記ウルツ鉱型結晶構造のc軸を層厚方向に配向させる形で、前記酸化物単結晶基板の酸素面となる前記主表面に形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
In the method for manufacturing a light emitting device in which the light emitting layer portion is made of Mg a Zn 1-a O (where 0 ≦ a ≦ 1) type oxide, the contact side with the light emitting layer portion is at least Mg a Zn 1-a O type oxidized A buffer layer formed as a physical layer is grown on a substrate, and the light emitting layer portion is grown on the buffer layer;
The Mg a Zn 1-a O-type oxide has a wurtzite crystal structure composed of metal atomic layers and oxygen atomic layers that are alternately stacked in the c-axis direction. The c-axis of the ore-type crystal structure is grown as oriented in the layer thickness direction, and the metal atomic layer is formed on the substrate by atomic layer epitaxy when growing the buffer layer. after formation as, Rutotomoni grown and residual oxygen atom layers and metal atom layers,
The substrate is an oxide single crystal substrate made of an oxide having a corundum type structure in which oxygen atoms form a hexagonal atomic arrangement and a C surface of the hexagonal atomic arrangement is a main surface;
The entire buffer layer is formed on the main surface serving as an oxygen surface of the oxide single crystal substrate so that the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction. Manufacturing method.
前記原子層エピタキシ法を、前記基板を配置した反応容器内に有機金属ガス及び酸素成分源ガスを供給する有機金属気相成長法の形で実施する請求項1記載の発光素子の製造方法。  The light emitting device manufacturing method according to claim 1, wherein the atomic layer epitaxy method is performed in the form of a metal organic vapor phase epitaxy method in which an organic metal gas and an oxygen component source gas are supplied into a reaction vessel in which the substrate is disposed. 前記酸化物単結晶基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 1, wherein the oxide single crystal substrate is a sapphire substrate . 基板上に、MgZn1−aO(ただし、0≦a≦1)型酸化物からなる発光層部が形成された発光素子であって、前記基板と前記発光層部との間に、前記発光層部との接触側が少なくともMgZn1−aO型酸化物層とされたバッファ層を配置するとともに、
前記基板は、酸素原子が六方晶系原子配列をなすとともに、該六方晶系原子配列のC面を主表面とするコランダム型構造を有する酸化物からなる酸化物単結晶基板であり、
前記MgZn1−aO型酸化物は、c軸方向に交互に積層される金属原子層と酸素原子層とからなるウルツ鉱型結晶構造を有し、
前記バッファ層は、前記ウルツ鉱型結晶構造のc軸が層厚方向に配向されてなり、前記酸化物単結晶基板の酸素面となる前記主表面上にて前記基板と接する1原子層部分が金属単原子層として形成され、さらに該単原子層に引き続く形で残余の酸素原子層と金属原子層とが交互に成長されたものであることを特徴とする発光素子。
A light-emitting element in which a light-emitting layer portion made of Mg a Zn 1-a O (where 0 ≦ a ≦ 1) type oxide is formed on a substrate, between the substrate and the light-emitting layer portion, While arranging a buffer layer whose contact side with the light emitting layer portion is at least a Mg a Zn 1-a O type oxide layer,
The substrate is an oxide single crystal substrate made of an oxide having a corundum type structure in which oxygen atoms form a hexagonal atomic arrangement and a C surface of the hexagonal atomic arrangement is a main surface;
The Mg a Zn 1-a O-type oxide has a wurtzite crystal structure composed of metal atomic layers and oxygen atomic layers alternately stacked in the c-axis direction,
In the buffer layer, the c-axis of the wurtzite crystal structure is oriented in the layer thickness direction, and a monoatomic layer portion in contact with the substrate is formed on the main surface serving as an oxygen surface of the oxide single crystal substrate. A light-emitting element, wherein the light-emitting element is formed as a metal monoatomic layer, and the remaining oxygen atomic layers and metal atomic layers are alternately grown in a form following the monoatomic layer.
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