JP4633251B2 - Group III nitride semiconductor light-emitting diode and method for manufacturing the same - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶を基板として、pn接合型ダブルヘテロ接合構造を有するIII族窒化物半導体発光ダイオードを構成するための技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
旧来の電気絶縁性サファイア(α−Al23)単結晶基板( Mat. Res. Soc. Symp.Proc.,Vol.468 (1977),P.481〜P.486参照)に代えて、シリコン(Si)単結晶を基板としてIII族窒化物半導体発光ダイオード(LED)を構成する技術が開示されている( Electron.Lett.,Vol.33 No.23( 1997 )P.1986〜1987参照)。導電性並びに劈開性を呈するシリコン単結晶を基板とすれば、簡便な素子化工程によってIII族窒化物半導体発光ダイオードが構成できて都合が良いことによる(Appl. Phys. Lett., Vol.72 No.4 (1998)、P.415〜417参照)。
【0003】
III族窒化物半導体発光ダイオードにあっては、通常、単結晶基板上に窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlαGaβIn1- α - βN :0≦α,β,α+β≦1)等のIII族窒化物半導体結晶層からなるpn接合型のダブルヘテロ(DH)接合構造の発光部が形成されている。DH接合構造の発光部とは、発光層がp形及びn形クラッド( clad )層に挟持された構造の、発光を担う部位をいう。発光層及びクラッド層は共に窒化アルミニウム・ガリウム層から構成することができる。その場合、クラッド層のアルミニウム混晶比(α)を発光層のアルミニウム混晶比よりも高くすることにより、クラッド層の禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よりも大きくして、発光層に注入された電子の閉じ込め効果を持たせるようにする。また、青色帯或いは緑色帯の短波長可視光を放射するための発光層は、窒化ガリウム・インジウム(GaβIn1- βN:0≦β≦1)から構成されるのがもっぱらである(特公昭55−3834号公報参照)。
【0004】
しかし、基板としてシリコン単結晶を使用すると、シリコン単結晶の禁止帯幅は約1.1eVであり(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日、(株)培風館発行初版28頁参照)、青色帯の発光に対応する遷移エネルギーに対して、半分以下と小さい。このため、上記の発光部より放射された短波長の発光が、基板として使用されたシリコン単結晶に吸収されてしまう欠点がある。即ち、シリコン基板上に形成されたIII族窒化物半導体発光ダイオードでは、基板による発光の吸収により、高発光強度を有するLEDを得ることが難しいという問題点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリコン単結晶を基板とするIII族窒化物半導体発光ダイオードにあって、発光部からの光がシリコン基板に吸収されてしまうため、高強度の発光を有するIII族窒化物半導体発光ダイオードが得られないという問題点を解決するためになされたものであり、安価で良質なシリコン基板を使用して高発光強度を有する短波長系III族窒化物半導体発光ダイオードを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の発光ダイオードはシリコン単結晶基板の上に積層された、一般式AlGaIn1‐a‐b1‐c(但し、0≦a,b,a+b≦1、Mは窒素以外の第V族元素を表わし、0<c≦1)で表記されるIII族窒化物層から構成されている、pn接合型のダブルヘテロ(DH)接合構造の発光部を備えたIII族窒化物半導体発光ダイオードであって、上記シリコン単結晶基板と上記の発光部との間にリン化硼素(BP)結晶層と窒化リン化ガリウム(GaN1-XX:0≦X≦1)結晶層とを交互に積層した多層積層構造の反射層を備えており、前記窒化リン化ガリウム結晶層のリン組成比が2原子%以上4原子%以下であるIII族窒化物半導体発光ダイオードとした。この構造にすることによって、発光部から基板側に放射された光が基板で吸収されることなく、光取り出し側に反射して視野側に有効に取り出すことができるので、高発光強度を有するIII族窒化物半導体発光ダイオードを得ることができると共に、多層積層構造を構成するもう一方の結晶層であるリン化硼素結晶との格子整合が得られ、良好な結晶質の多層積層構造が得られる
【0007】
また、本発明においては、多層積層構造を構成するリン化硼素結晶層及び窒化リン化ガリウム結晶層のキャリア濃度を1×1017cm-3以上で5×1019cm-3以下とするのが好ましい。この程度のキャリア濃度であれば、導電性が高いので多層積層構造及びシリコン基板を通して発光ダイオードの上下方向に作動電流を流すことができ、発光ダイオードの構造が簡単になり安価に提供することができる利点を有する
【0008】
本発明においては、前記多層積層構造の積層の周期数が2以上、好ましくは7以上とするのが良い。
周期数が2以上になると反射率が急速に高まり、7以上になると可視光領域でほぼ100%の反射率が得られるからである。
【0009】
また、本発明においては、シリコン単結晶基板表面の面方位として{111}結晶面を使用するのが良い。
{111}結晶面はSi原子が稠密に配列しているので、不純物原子の侵入を防ぎ、平坦な表面が得られ易いからである。
さらに、シリコン単結晶基板と多層積層構造との間に、緩衝層を介在させると良い。
緩衝層によってシリコン単結晶基板の結晶欠陥の伝搬が阻止されるので、結晶性に優れた良質の多層積層構造を得られ易いからである。
【0010】
本発明においては、前記多層積層構造を形成するのに、有機金属化学気相堆積法を使用することができる。有機金属化学気相堆積法に依れば、積層させる結晶相の組成調整が容易で、良質の多層積層構造を得られ易いからである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のIII族窒化物半導体発光ダイオードは、良質の結晶を具備し、比較的安価に入手可能なシリコン単結晶を基板として使用する。基板とするシリコン単結晶の結晶面方位に特別な制限はないが、一般的に{111}または{100}単結晶が利用できる。{111}結晶面は{100}結晶面に比較してSi原子が稠密に存在している。このため、本発明の多層積層構造を構成するリン化硼素層の構成元素である硼素(B)並びにリン(P)が基板の内部へ熱拡散するのを抑制する効果が奏される。即ち、硼素並びにリンの拡散、侵入によるシリコン基板表面の非平坦化を防止するのに有利となる。
【0012】
シリコン単結晶基板の表面には、反射層を構成するリン化硼素(BP)結晶層と窒化リン化ガリウム(GaN1-XX:0≦X≦1)結晶層とから構成される多層積層構造を形成する。多層積層構造はシリコン基板上に直接堆積させこともできるし、あるいはまた、緩衝層を介在させて堆積させることもできる。
緩衝層を構成する材料としては、一般にシリコン単結晶(格子定数=5.4309Å)に格子整合する窒化リン化ガリウム(GaN0.020.98、格子定数=5.431Å)、窒化砒化ガリウム(GaN0.19As0.81、格子定数=5.431Å)、リン化硼素ガリウム(B0.02Ga0.98P、格子定数=5.431Å)(特開平11−266006号公報参照)、又は砒化硼素ガリウム(B0.25Ga0.75As、格子定数=5.431Å)(特開平11−260720号公報参照)等が使用できる。また、インジウム(In)を構成元素として含むリン化硼素インジウム(B0.33In0.67P、格子定数=5.431Å)又は砒化硼素インジウム等(B0.40In0.60As、格子定数=5.431Å)も利用できる。さらに、立方晶の窒化リン化インジウム(InN0.490.51、格子定数=5.431Å)又は窒化砒化インジウム(InN0.58As0.42、格子定数=5.431Å)等も利用できる。緩衝層を使用すればシリコン基板の結晶欠陥の伝搬を防止し、不純物の拡散を阻止することも可能となる利点を有する。
【0013】
さらに、緩衝層をシリコン単結晶と格子定数を異にする材料で構成することもできる。例えば、リン化硼素(BP、格子定数=4.538Å)で緩衝層構成する場合、比較的低温で成長させた緩衝層(低温緩衝層)は非晶質に近く、シリコン単結晶と多層積層構造体との間の格子ミスマッチ ( mismatch )を緩和して、結晶性に優れた多層積層構造体が得られる利点を有する。例えば、250℃以上500℃以下の比較的低温で成膜したリン化硼素低温緩衝層は、約16%に及ぶシリコン単結晶とリン化硼素結晶又は窒化リン化ガリウム結晶との格子ミスマッチ(「日本結晶成長学会誌」、Vol.24、No.2(1997)、p.150参照)を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の少ない良質の多層積層構造体をもたらす効果がある(米国特許第6,069,021号参照)。
【0014】
屈折率の異なる半導体層を特定の間隔で多数積層して多層積層構造体を構成すると、ブラッグの法則に従って特定波長の光を反射する機能が生じる。これがいわゆるブラッグ反射層( Distributed Bragg Reflector:DBR)である。
本発明では屈折率の異なる半導体層として、0.5以上の屈折率の差を有するリン化硼素(BP)結晶層と窒化リン化ガリウム(GaN1-XX)結晶層を利用する。
BP結晶層(屈折率=3.1)との屈折率の差を0.5以上とするには、GaN1-XX結晶層のリン混晶比xは、x=0(GaN、屈折率=2.0)からx=1(GaP、屈折率=2.1)の範囲の値とすればよい。さらにGaN1-XX結晶層のリン混晶比xは、後述するようにBP結晶層との格子整合性を考慮して、x=0.02からx=0.04の範囲とするのが好ましい。
積層する各層の厚さ(nm)は、発光波長λ(nm)に対してλ/4Nに設定する。ここでNは各層を構成する半導体物質の光屈折率である。このような厚さの多層積層構造体を積層して、全体として0.2〜3μmの厚さに構成する。
【0015】
多層積層構造体は、シリコン単結晶基板側に最近接する最下層をBPまたはGaN1-XX(0≦X≦1)の何れかを用いて構成できる。また、多層積層構造体の最表層もBPまたはGaN1-XXの何れを用いて構成できる。最下層と最表層とは同一の材料から構成されている必要は必ずしもない。肝要なのは、BP結晶層とGaN1-XX結晶層を交互に積層させて多層積層構造体とし、いわゆるブラッグ反射層を構成することにある(上記の「半導体デバイス概論」、第28頁参照)。
1層のBP結晶層と1層のGaN1-XX結晶層とからなる積層単位構造を1周期とすれば、多層積層構造体は少なくとも2以上の周期から構成するのが望ましい。BPとGaN1-XXとからなる周期的積層構造からは反射帯域幅の広い半導体多層反射鏡(反射鏡については、伊賀、小山共著、「面発光レーザ」1990年9月25日、(株)オ−ム社発行、第1版第1刷、第118〜119頁参照)が得られる。
【0016】
例えば、BPとリン組成比が3%のGaN0.970.03とからなる多層積層構造体の周期数に対する、波長450nmの青色光についての反射率の理論計算値を図1に示す。BPの屈折率は3.1とし、GaN0.970.03のそれは2.0と設定してある。BP及びGaN0.970.03各構成層の層厚は各々、36nm及び56nmとしている。反射率は周期数が2を越えると急激に上昇する。周期数を7以上とすれば、約99.8%の反射率が得られることとなる。
【0017】
ブラッグ反射層としての作用を有する多層積層構造体の各構成層の層厚(nm)は、反射をさせる光の波長をλ(nm)とすると、λ/(4×N)(但し、Nは屈折率)とする。例えば、リン化硼素の屈折率を3.1とし、窒化リン化ガリウムの屈折率を2.0とした場合、波長(λ)を600nmとする赤色光を高効率で反射できる多層積層構造体は、層厚を各々約48nmとするBP層と75nmとするGaN0.970.03層との周期的積層構造から構成すればよい。図2に、層厚が各々、約48nmのBP層と75nmのGaN0.970.03層とを交互に10周期積層させた多層積層構造体の反射率を示す。反射対象としたのは、中心波長が460nmの青色から中心波長が700nmの赤色光である。BP層とGaN1-XX層とからなる多層積層構造体では、反射の対象とする波長に相応して、多層積層構造体構成層の層厚を変化させることにより、10周期程度の少ない周期数で100%近い反射率がえられる。
【0018】
本発明では、周期的多層積層構造体の構成層を、電導性のあるBP結晶層及びGaN1-XX結晶層から構成する。特に、キャリア濃度にして1×1017cm-3以上で5×1019cm-3以下のn形またはp形の電導層から構成するのが好ましい。電導性の構成層から多層積層構造体を構成すれば、LEDの駆動電流を構造体の上部よりシリコン単結晶基板に向けて通電できるため、一方の電極をシリコン基板の表面に形成できるので、構造的に簡単になり、製造上有利となる。キャリア濃度が1×1017cm-3未満では、駆動電流を通電するために充分に低い抵抗の構成層となり難い。キャリア濃度が5×1019cm-3を越えるほど高濃度にキャリア不純物が添加された層は結晶性が劣化するため、反射性能が充分に安定した多層積層構造体を得るのが困難となる。p形キャリア濃度は、成膜時に亜鉛(Zn)やマグネシウム(Mg)等のドーピング量を適宣制御すれば調節できる。n形キャリア濃度はシリコン(Si)やセレン(Se)等のn形不純物のドーピング量を適宣制御して調整する。
【0019】
周期的積層構造体を構成する各構成層の電導形は同一形とする。電導形が相反する構成層を接合させると、多層積層構造体の内部にpn接合が形成される。このため、LED駆動電流のシリコン単結晶基板への通電が妨害されて好ましくない。また、多層構造体構成層の電導形は、基板とするシリコン単結晶の電導形に統一する。シリコン基板と多層積層構造体との電導形が相反すると、シリコン基板と多層積層構造体との接合界面でpn接合が形成される。このため、LED駆動電流がシリコン基板に充分に通電されなくなる不都合が発生する。シリコン単結晶基板と同一の電導形の各構成層は、例えばハロゲン(halogen)気相成長法、ハイドライド(hydride)気相成長法や有機金属化学気相堆積(MOCVD)法等の手段により形成できる。
【0020】
本発明では、BP結晶層と共に多層積層構造体を構成するGaN1-XX結晶層について、そのリン組成比を2%〜4%とするGaN1-XX結晶層(0.02≦X≦0.04)から構成するのが好ましい。ベガード(Vegard)則によれば、リン組成比を2%〜4%の範囲とする立方晶GaN1-XX結晶層の格子定数は、4.548Å〜4.529Åの範囲にある。一方、閃亜鉛鉱型BPの格子定数は4.538Åである(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)。従って、リン組成比を上記の範囲に限定すれば、BP結晶層とほぼ格子整合するGaN1-XX結晶層が得られる。リン組成比を3%(0.03)とするGaN0.970.03は、4.538Åの格子定数を有し、BPと格子整合をする。従って、BP結晶層とリン組成比を3%±1%の範囲内とするGaN1-XX結晶層(0.02≦X≦0.04)との格子ミスマッチは約±0.2%以内となり、良好な格子整合性から良質の多層積層構造体を形成することができる利点がある。
この時、GaN1-XX結晶層の屈折率はおよそ2.1となり、BP結晶層との間で0.5以上の屈折率の差が優に保たれるため、反射能に優れた多層積層構造体を構成することができる。
これにより順方向電圧(Vf)の一定した電気的特性に優れたIII族窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
【0021】
多層積層構造体の上には、一般式AlaGabIn1-a-bc1-c で表記される III族窒化物層からなるpn接合型のダブルヘテロ接合構造の発光部を形成する。ここで、0≦a,b,a+b≦1であり、Mはリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等の窒素(N)以外の第V族元素を表わし、0<c≦1である。したがって、本発明における発光部を形成するダブルヘテロ接合構造は、
III族元素としてAl、Ga、Inのうち少なくとも1種の元素を含み、V族元素としては窒素(N)を必須元素として含むものである。
【0022】
DH接合構造の発光部とは、発光層がp形及びn形クラッド層に挟持された構造の発光部である。発光層又はクラッド層のいずれかにAlaGabIn1-a-bc1-c 層を含んでいれば良い。発光層にAlaGabIn1-a-bc1-c層を使用すれば青色系統の短波長系の発光ダイオードとすることができる。
【0023】
クラッド層の禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よりも大きくし、発光層に注入された電子の閉じ込め効果を高めるようにする。また、発光層の厚さは通常5〜30nmとし、クラッド層の厚さはそれよりも厚い100〜800nmに形成する。
【0024】
以上のようにして積層した積層体の上下に駆動電流印加用のオーミック電極を形成して発光ダイオードとする。AlaGabIn1-a-bc1-c 層とオーミック接合をなす電極材質としては、n形電極の場合はアルミニウム(Al)が、p形電極の場合は金(Au)が利用できる。また、シリコン基板上に形成するオーミック電極の材質としては、n形電極の場合はアルミニウム(Al)が、p形電極の場合はアルミニウム−アンチモン(Al−Sb)合金が利用できる。LED全体の抵抗が低いので、駆動電流を基板を通して通電させることができる
【0025】
【作用】
本発明はBP結晶層とGaN1-XX結晶層とから構成される周期的多層積層構造体を、発光部より放射される光を反射させるいわゆるブラッグ反射構造体として利用したものである。
【0026】
また、本発明ではBP結晶層とGaN1-XX結晶層とから構成される導電性の周期的多層積層構造体のキャリア濃度を特定範囲に限定して、LED駆動電流をシリコン基板を通して通電させることができるように構成した。
【0027】
さらに、本発明では リンの組成比を特定範囲に限定したGaN1-XX結晶層を利用することにより、BP結晶層とGaN1-XX結晶層との格子整合性を維持し、もって周期的多層積層構造の優れた結晶性を確保するようにした。
【0028】
【実施例】
(実施例1)
シリコン単結晶基板上に、リン化硼素と窒化リン化ガリウム混晶とからなるブラッグ反射層である多層積層構造体を設けて、III族窒化物半導体発光ダイオードを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
本実施例に係わる発光ダイオード10の断面模式図を図3に示す。
【0029】
シリコン基板101には、硼素ドープのp形シリコン単結晶の(111)を用いた。シリコン基板101上にはリン化硼素からなる低温緩衝層102を堆積した。低温緩衝層102は、トリエチル硼素((C253B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2 )系反応ガスを利用した常圧MOCVD法により、350℃で堆積させた。低温緩衝層102の層厚は約10nmとした。低温緩衝層102の表面には、高温緩衝層103として同じく上記のMOCVD法を利用して、1000℃で亜鉛(Zn)ドープのp形BP層を積層した。亜鉛のドーピング源にはジメチル亜鉛((C252Zn)を用いた。高温緩衝層103のキャリア濃度は約7×1018cm-3とした。層厚は500nmとした。
【0030】
高温緩衝層103上には、ブラッグ反射層となる多層積層構造104を構成する第1の構成層104−1として、リン(P)組成比を0.03とする亜鉛ドープのp形窒化リン化ガリウム(GaN0.970.03)層を積層した。GaN0.970.03層は、トリメチルガリウム((CH33Ga)/ホスフィン(PH3 )/アンモニア(NH3)/水素(H2)系反応ガスを用いた常圧MOCVD法により1000℃で成長させた。キャリア濃度は約8×1017cm-3とし、層厚は約59nmとした。第1の構成層104−1上には、第2の構成層104−2として層厚を約38nmとする亜鉛ドープのp形BP層を積層した。同様にして第1及び第2の構成層104−1,104−2からなる積層単位を合計8単位反復して積層した。これより、シリコン基板101側の最下層をGaN0.970.03層とし、最表層をBPとして周期数が8の多層積層構造104を形成した。
【0031】
通常の断面TEM法を利用して多層積層構造104の内部構造を観察した。低温緩衝層102の内部には、ミスフィット(misfit)転位等の結晶欠陥が認められた。多層積層構造104の内部に伝搬している転位は少なく、低温緩衝層102がシリコン単結晶基板101とのミスフィットを緩和するので、欠陥を内包しているものと解釈された。この低温緩衝層102の作用により、多層積層構造104の各構成層104−1,104−2には結晶欠陥密度の少ない良好な結晶が得られていた。
【0032】
多層積層構造104の表面上には、下部クラッド層105を(CH33Ga/PH3/NH3/H2 系の反応ガスを用いた常圧MOCVD法により1000℃で積層した。下部クラッド層105は、多層積層構造104の最表層をなすBP層に格子整合する、亜鉛ドープのp形GaN0.970.03層から構成した。また、下部クラッド層105のキャリア濃度は約8×1017cm-3とし、層厚は800nmとした。
【0033】
下部クラッド層105上には、シリコンドープのn形窒化ガリウム・インジウム(Ga0.90In0.10N)からなる発光層106を積層させた。発光層106は、トリメチルガリウム((CH33Ga)/トリメチルインジウム((CH33In)/ホスフィン(PH3)/アンモニア(NH3)/水素(H2 )系の反応ガスを利用した常圧MOCVD法により、890℃で成長させた。発光層106の平均的なインジウム組成比は0.10とした。層厚は約30nmとした。キャリア濃度は約3×1018cm-3とした。
【0034】
Ga0.90In0.10Nからなる発光層106上には、上部クラッド層107としてシリコンドープのn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlγGa1- γN)層を積層した。Al組成比(γ)は、層厚の増加方向に0.2から0(零)まで略直線的に単調減少させて、アルミニウム組成に勾配を付した。また、層厚は200nmとした。
【0035】
上記のp形GaN0.970.03下部クラッド層105、n形Ga0.90In0.10N発光層106、及びn形AlγGa1- γN層からなる上部クラッド層107の3層からpn接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部108を構成した。
【0036】
p形シリコン単結晶基板101の裏面には、アルミニウム−アンチモン(Al−Sb)からなるp形オーミック電極109を形成した。また、上部クラッド層107の表面には、アルミニウムからなる円形のn形オーミック電極110を形成した。n形オーミック電極110の直径は約130μmとした。然る後、シリコン単結晶基板101を劈開性を利用して[110]方向に切断し、一辺を約300μmとするチップ(chip)に裁断して発光ダイオード10とした。
【0037】
p形,n形両オーミック電極109〜110間に、LED駆動用電流を通電した。電流−電圧(I−V)特性は、発光部108の良好なpn接合特性に起因して、正常な整流特性を示した。I−V特性から求めた順方向電圧(Vf)は約3.0V(順方向電流=20mA)となった。また、逆方向電圧は約15V(逆方向電流=10μA)となった。順方向に20mAの動作電流を通電したところ、発光中心波長を約470nmとする青色光が放射された。発光スペクトルの半値幅は約18nmであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約14μWとなり、高発光強度のIII族窒化物半導体発光素子が得られた。
【0038】
(実施例2)
次に、本発明の第2の実施例として、n形シリコン基板上に低温緩衝層のみを堆積させ、その上にブラッグ反射層となる多層積層構造を堆積させてIII族窒化物半導体発光部を形成した例を示す。
本発明の第2の実施例の発光ダイオードの断面模式図を図4に示す。
【0039】
リンドープのn形シリコン単結晶基板201の(111)面上に、BPからなる低温緩衝層202をジボラン(B26)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)系反応ガスを用いた減圧MOCVD法で430℃で積層させた。V/III比、すなわちV族原料ガスとIII族原料ガスとの供給比率(=PH3 /B26 )を約120に設定した。成長時の反応系の圧力は約3×104 Paとし、シリコンドーパントとしてジシラン(Si26)−水素(H2 )混合ガスを使用した。低温緩衝層202の層厚は約17nmとした。
【0040】
低温緩衝層202の内部構成を断面TEM法で観察した。低温緩衝層202の成膜時(as-grown状態)は、シリコン単結晶基板201との接合面からおおよそ2nmに至る上方の領域は、BP単結晶を主体として構成されていた。このため、低温緩衝層202とシリコン単結晶基板201との間には、剥離は認められず、良好な密着性が保持されていた。低温緩衝層202の上部はBP非晶質体を主体として構成されていた。
【0041】
低温緩衝層202の上には、ブラッグ反射層となる多層積層構造204の第1層204−1として、シリコンドープのn形BP結晶層を形成した。このBP結晶層は、上記の減圧MOCVD法を利用し、反応系の圧力は約3×104 Paに設定し、980℃で形成した。X線回折に依る解析に依れば、このBP結晶層は立方晶を主体とするBP結晶層であることが認められた。層厚は約41nmで、キャリア濃度は約1×1018cm-3であった。
【0042】
第1層204−1の成膜を終了した後では、低温緩衝層202内部の非晶質体の大部分は、シリコン単結晶基板201との境界領域に存在する単結晶層を起点として単結晶化しているのが認められた。また、BP結晶層は低温緩衝層202をシリコン単結晶基板201の表面上に設けたため、シリコン単結晶基板201と第1層204−1とは剥離することのない連続膜となっていた。
【0043】
第1層204−1の上には、第2の構成層204−2としてシリコンドープのn形窒化リン化ガリウム(GaN0.970.03)層を積層した。窒化リン化ガリウム層のリン組成比の3%は、BPに格子整合するようにしたものである。第2の構成層204−2はシリコンのドーパントとしてジシラン(Si26)−水素(H2 )混合ガスを利用し、約3×104 Paの圧力下で980℃で成膜した。層厚は約64nm、キャリア濃度は約9×1017cm-3であった。
【0044】
上記のような第1及び第2の構成層204−1,204−2からなる積層単位を10周期繰り返して積層させて、ブラッグ反射層となる多層積層構造204を構成した。多層積層構造204は、シリコン基板201側の最下層をBP層とし、最表層をGaN0.970.03層とした、合計の層厚を約1050nmとするものとなった。
【0045】
多層積層構造204上には、下部クラッド層205としてシリコンドープのn形GaN0.970.03層を形成した。下部クラッド層205は、(CH33Ga/PH3 /NH3/H2系反応ガスを使用した減圧MOCVD法により980℃で積層した。層厚は約800nm、キャリア濃度は約2×1018cm-3であった。キャリア濃度はMOCVD反応系へのジシランの添加量を制御して調整した。
【0046】
下部クラッド層205の上には、(CH33Ga/PH3 /NH3/H2系反応ガスを原料とする減圧MOCVD法により、発光層206を980℃で積層した。発光層206はシリコンドープのn形Ga0.82In0.18N層から構成した。層厚は約10nmとし、キャリア濃度は約2×1018cm-3とした。キャリア濃度はMOCVD反応系へのジシランの添加量を制御して調整した。
【0047】
発光層206の上には、亜鉛ドープのp形GaN0.970.03層からなる上部クラッド層207を積層した。上部クラッド層207は、(CH33Ga/PH3 /NH3/H2系反応ガスを原料とする減圧MOCVD法により980℃で積層した。上部クラッド層207の層厚は約100nm、キャリア濃度は約8×1017cm-3であった。キャリア濃度はMOCVD反応系へのジシランの添加量を制御して調整した。
【0048】
上記のn形GaN0.970.03下部クラッド層205、n形Ga0.82In0.18N発光層206、及びp形GaN0.970.03層からなる上部クラッド層207からpn接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部208を構成した。
【0049】
n形シリコン単結晶基板201の裏面には、アルミニウム(Al)合金からなるn形オーミック電極209を形成した。また、上部クラッド層207の表面には、金(Au)からなる円形のp形オーミック電極210を形成した。p形のオーミック電極210の直径は約110μmとした。然る後、シリコン単結晶基板201を[110]方向に劈開性を利用して一辺を約350μmとするチップに切断して発光ダイオード20とした。
【0050】
p形,n形両オーミック電極209〜210間にLED駆動用電流を通電した。電流−電圧(I−V)特性は発光部208の良好なpn接合特性に起因して正常な整流特性を示した。I−V特性から求めた順方向電圧(Vf)は約3.2V(順方向電流=20mA)となった。また、逆方向電圧は約15V(逆方向電流=10μA)となった。順方向に20mAの動作電流を通電した際には、発光中心波長を約510nmとする青緑色光が放射された。発光スペクトルの半値幅は約22nmであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約18μWとなり高発光強度のIII族窒化物半導体発光素子が得られた。
【0051】
【発明の効果】
本発明に依れば、シリコン単結晶基板と発光部との間に、リン化硼素結晶層と窒化リン化ガリウム結晶層とを交互に積層させた半導体多層積層構造からなる反射層を設けたので、発光部より放射された光を光の取り出し方向に反射させて取り出すことができるため、高い発光強度のIII族窒化物半導体発光ダイオードが提供できる。
【0052】
また、本発明によれば、多層積層構造反射層を構成するリン化硼素結晶層及び窒化リン化ガリウム結晶層のキャリア濃度を、1×1017cm-3以上で5×1019cm-3以下とする場合には、特に結晶性に優れた導電性の良い薄層を構成することができ、LEDの駆動電流を積層構造体の鉛直方向に通電することができ、簡易な素子化手段を使用して高発光強度のIII族窒化物半導体発光ダイオードが提供できる。
【0053】
さらに本発明によれば、多層積層構造反射層を構成する窒化リン化ガリウム結晶層のリン組成比を2%以上4%以下とした場合には、反射層を構成するリン化硼素結晶層との良好な格子整合性が維持できるため、結晶欠陥の少ない結晶性に優れた反射層が構成することができ、より一層高発光強度のIII族窒化物半導体発光ダイオードが提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 反射率の積層周期数依存性を示す図である。
【図2】 反射層の反射率の波長依存性を示す図である。
【図3】 実施例1に記載の発光ダイオードの断面模式図である。
【図4】 実施例2に記載の発光ダイオードの断面模式図である。
【符号の説明】
10,20・・・発光ダイオード、101,201・・・シリコン単結晶基板、102,202・・・ 低温緩衝層、103・・・高温緩衝層、104,204・・・多層積層構造、105,205・・・下部クラッド層、106,206・・・発光層、107,207・・・上部クラッド層、108,208・・・発光部、109,209・・・p形オーミック電極、110,210・・・n形オーミック電極、
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for forming a group III nitride semiconductor light emitting diode having a pn junction type double heterojunction structure using a silicon single crystal as a substrate.
[0002]
[Prior art]
Traditional electrically insulating sapphire (α-Al2OThree) Group III nitride semiconductors using silicon (Si) single crystal as substrate instead of single crystal substrate (see Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 468 (1977), P.481-P.486) A technique for forming a light emitting diode (LED) is disclosed (see Electron. Lett., Vol. 33 No. 23 (1997) P. 1986-1987). If a silicon single crystal exhibiting conductivity and cleavage is used as a substrate, a group III nitride semiconductor light emitting diode can be constructed conveniently by a simple device fabrication process (Appl. Phys. Lett., Vol. 72 No .4 (1998), pages 415-417).
[0003]
In group III nitride semiconductor light emitting diodes, aluminum nitride, gallium, indium (AlαGaβIn1- α - βA light emitting part of a pn junction type double hetero (DH) junction structure made of a group III nitride semiconductor crystal layer such as N: 0 ≦ α, β, α + β ≦ 1) is formed. The light emitting portion having a DH junction structure refers to a portion responsible for light emission in a structure in which a light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type clad layers. Both the light emitting layer and the clad layer can be made of an aluminum nitride / gallium layer. In that case, the forbidden band width of the cladding layer is made larger than the forbidden band width of the light emitting layer by making the aluminum mixed crystal ratio (α) of the cladding layer higher than the aluminum mixed crystal ratio of the light emitting layer. A confinement effect of injected electrons is provided. In addition, a light emitting layer for emitting short wavelength visible light in a blue band or a green band is made of gallium nitride / indium (GaβIn1- βN: 0 ≦ β ≦ 1) is exclusively (see Japanese Patent Publication No. 55-3834).
[0004]
However, when a silicon single crystal is used as the substrate, the forbidden band width of the silicon single crystal is about 1.1 eV (Akira Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, first edition published by Baifukan Co., Ltd. 28) The transition energy corresponding to the light emission in the blue band is less than half, so that the short wavelength light emitted from the light emitting part is absorbed by the silicon single crystal used as the substrate. That is, the group III nitride semiconductor light-emitting diode formed on the silicon substrate has a problem that it is difficult to obtain an LED having high emission intensity due to absorption of light emitted by the substrate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting diode using a silicon single crystal as a substrate, and light from the light emitting part is absorbed by the silicon substrate, so that the group III nitride semiconductor light emitting diode having high intensity light emission is provided. The purpose of the present invention is to provide a short-wavelength group III nitride semiconductor light-emitting diode having high emission intensity using an inexpensive and high-quality silicon substrate. To do.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the light-emitting diode of the present invention has a general formula Al laminated on a silicon single crystal substrate.aGabIn1-abNcM1-c(Where 0 ≦ a, b, a + b ≦ 1, M represents a group V element other than nitrogen, and 0 <c ≦ 1), which is composed of a group III nitride layer represented by a pn junction type A group III nitride semiconductor light-emitting diode having a light emitting portion having a double hetero (DH) junction structure, wherein a boron phosphide (BP) crystal layer and phosphorous phosphide are provided between the silicon single crystal substrate and the light emitting portion. Gallium (GaN1-XPX: 0 ≦ X ≦ 1) provided with a reflective layer having a multilayer structure in which crystal layers are alternately stackedThe phosphorus composition ratio of the gallium nitride phosphide crystal layer is 2 atomic% or more and 4 atomic% or less.A group III nitride semiconductor light emitting diode was obtained. With this structure, the light emitted from the light emitting portion to the substrate side is not absorbed by the substrate, but can be reflected to the light extraction side and effectively extracted to the visual field side. A group nitride semiconductor light emitting diode can be obtained.At the same time, lattice matching with the boron phosphide crystal which is the other crystal layer constituting the multilayer laminated structure is obtained, and a good crystalline multilayer laminated structure is obtained..
[0007]
  In the present invention, the carrier concentration of the boron phosphide crystal layer and the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure is 1 × 1017cm-3That's 5x1019cm-3The following is preferable. With such a carrier concentration, since the conductivity is high, an operating current can flow in the vertical direction of the light emitting diode through the multilayer structure and the silicon substrate, and the structure of the light emitting diode can be simplified and provided at low cost. Have advantages.
[0008]
In the present invention, the number of cycles of the multilayer laminated structure is 2 or more, preferably 7 or more.
This is because when the number of periods is 2 or more, the reflectance increases rapidly, and when it is 7 or more, a reflectance of almost 100% is obtained in the visible light region.
[0009]
In the present invention, the {111} crystal plane is preferably used as the plane orientation of the silicon single crystal substrate surface.
This is because Si atoms are densely arranged on the {111} crystal plane, so that intrusion of impurity atoms is prevented and a flat surface can be easily obtained.
Further, a buffer layer may be interposed between the silicon single crystal substrate and the multilayer stacked structure.
This is because the buffer layer prevents the propagation of crystal defects in the silicon single crystal substrate, so that it is easy to obtain a high-quality multilayer structure having excellent crystallinity.
[0010]
In the present invention, a metal organic chemical vapor deposition method can be used to form the multilayer laminated structure. This is because according to the metal organic chemical vapor deposition method, the composition of the crystal phase to be laminated can be easily adjusted, and a high-quality multilayer laminated structure can be easily obtained.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The group III nitride semiconductor light-emitting diode of the present invention uses a silicon single crystal that has a high-quality crystal and is available at a relatively low cost as a substrate. There is no particular restriction on the crystal plane orientation of the silicon single crystal used as the substrate, but in general {111} or {100} single crystal can be used. The {111} crystal plane has denser Si atoms than the {100} crystal plane. Therefore, the effect of suppressing thermal diffusion of boron (B) and phosphorus (P), which are constituent elements of the boron phosphide layer constituting the multilayer laminated structure of the present invention, into the inside of the substrate is exhibited. That is, it is advantageous in preventing non-planarization of the silicon substrate surface due to diffusion and penetration of boron and phosphorus.
[0012]
On the surface of the silicon single crystal substrate, a boron phosphide (BP) crystal layer and a gallium nitride phosphide (GaN) that constitute the reflective layer1-XPX: 0.ltoreq.X.ltoreq.1) A multilayer laminated structure composed of crystal layers is formed. The multilayer stack structure can be deposited directly on the silicon substrate, or alternatively via a buffer layer.
The material constituting the buffer layer is generally gallium nitride phosphide (GaN) lattice-matched to a silicon single crystal (lattice constant = 5.430930).0.02P0.98, Lattice constant = 5.431Å), gallium arsenide nitride (GaN)0.19As0.81, Lattice constant = 5.431Å), gallium borohydride (B0.02Ga0.98P, lattice constant = 5.431Å) (see JP-A-11-266006), or gallium boron arsenide (B0.25Ga0.75As, lattice constant = 5.431 Å (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-260720) or the like can be used. Indium phosphide (B) containing indium (In) as a constituent element0.33In0.67P, lattice constant = 5.431Å) or indium boron arsenide or the like (B0.40In0.60As, lattice constant = 5.431Å) can also be used. Further, cubic indium phosphide (InN0.49P0.51, Lattice constant = 5.431Å) or indium arsenide nitride (InN0.58As0.42Lattice constant = 5.431Å) can also be used. Use of the buffer layer has an advantage that it is possible to prevent the propagation of crystal defects in the silicon substrate and to prevent the diffusion of impurities.
[0013]
Further, the buffer layer can be made of a material having a lattice constant different from that of the silicon single crystal. For example, when the buffer layer is composed of boron phosphide (BP, lattice constant = 4.538 cm), the buffer layer (low temperature buffer layer) grown at a relatively low temperature is almost amorphous, and a silicon single crystal and a multilayer laminated structure There is an advantage that a multilayer laminated structure having excellent crystallinity can be obtained by relaxing a lattice mismatch with the body. For example, a boron phosphide low-temperature buffer layer formed at a relatively low temperature of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less is approximately 16% of lattice mismatch between a silicon single crystal and a boron phosphide crystal or a gallium nitride phosphide crystal (“Japan (See Journal of Crystal Growth Society, Vol. 24, No. 2 (1997), p. 150), which has the effect of producing a high-quality multilayered structure with a low density of crystal defects such as misfit dislocations (USA) (See Patent No. 6,069,021).
[0014]
When a multi-layer structure is formed by laminating a large number of semiconductor layers having different refractive indexes at specific intervals, a function of reflecting light of a specific wavelength is generated according to Bragg's law. This is the so-called Bragg reflector (DBR).
In the present invention, the boron phosphide (BP) crystal layer having a difference in refractive index of 0.5 or more and the gallium nitride phosphide (GaN) are used as the semiconductor layers having different refractive indexes.1-XPX) Utilize the crystal layer.
In order to make the difference in refractive index from the BP crystal layer (refractive index = 3.1) 0.5 or more, GaN1-XPXThe phosphorus mixed crystal ratio x of the crystal layer may be a value in the range of x = 0 (GaN, refractive index = 2.0) to x = 1 (GaP, refractive index = 2.1). GaN1-XPXThe phosphorus mixed crystal ratio x of the crystal layer is preferably in the range of x = 0.02 to x = 0.04 in consideration of lattice matching with the BP crystal layer as will be described later.
The thickness (nm) of each layer to be stacked is set to λ / 4N with respect to the emission wavelength λ (nm). Here, N is the optical refractive index of the semiconductor material constituting each layer. A multilayer laminated structure having such a thickness is laminated to form a thickness of 0.2 to 3 μm as a whole.
[0015]
In the multilayer laminated structure, the bottom layer closest to the silicon single crystal substrate side is BP or GaN.1-XPXAny one of (0 ≦ X ≦ 1) can be used. In addition, the outermost layer of the multilayer structure is BP or GaN.1-XPXAny of these can be used. The lowermost layer and the outermost layer are not necessarily made of the same material. What is important is the BP crystal layer and GaN.1-XPXThe crystal layer is alternately laminated to form a multilayer laminated structure to constitute a so-called Bragg reflection layer (see “Introduction to Semiconductor Devices”, page 28).
1 BP crystal layer and 1 GaN layer1-XPXAssuming that the multilayer unit structure composed of the crystal layers is one period, it is desirable that the multilayer laminated structure is composed of at least two periods. BP and GaN1-XPXA semiconductor multilayer reflector with a wide reflection bandwidth from the periodic laminated structure consisting of (for reflectors, co-authored by Iga and Koyama, “Surface Emitting Laser”, September 25, 1990, published by OM Corp.) 1st printing, 1st printing, pp. 118-119) is obtained.
[0016]
For example, GaN with a BP and phosphorus composition ratio of 3%0.97P0.03FIG. 1 shows a theoretical calculation value of the reflectance for blue light having a wavelength of 450 nm with respect to the number of periods of a multilayer laminated structure composed of The refractive index of BP is 3.1 and GaN0.97P0.03It is set to 2.0. BP and GaN0.97P0.03The layer thickness of each constituent layer is 36 nm and 56 nm, respectively. The reflectance increases rapidly when the number of periods exceeds 2. If the number of periods is 7 or more, a reflectance of about 99.8% can be obtained.
[0017]
The layer thickness (nm) of each constituent layer of the multilayer laminated structure having the function as a Bragg reflection layer is λ / (4 × N) (where N is the wavelength of the light to be reflected is λ (nm)). Refractive index). For example, when the refractive index of boron phosphide is 3.1 and the refractive index of gallium nitride phosphide is 2.0, a multilayer laminated structure that can reflect red light with a wavelength (λ) of 600 nm with high efficiency is BP layer having a layer thickness of about 48 nm and GaN layer having a thickness of 75 nm0.97P0.03What is necessary is just to comprise from the periodic laminated structure with a layer. FIG. 2 shows a BP layer having a thickness of about 48 nm and a GaN layer having a thickness of 75 nm, respectively.0.97P0.03The reflectance of the multilayer laminated structure which laminated | stacked the layer 10 cycles alternately is shown. The target of reflection is blue light having a center wavelength of 460 nm to red light having a center wavelength of 700 nm. BP layer and GaN1-XPXIn a multilayer laminated structure composed of layers, a reflectivity close to 100% can be obtained with a small number of periods of about 10 cycles by changing the layer thickness of the multilayer laminated structure constituting layer according to the wavelength to be reflected. available.
[0018]
In the present invention, the constituent layers of the periodic multilayer laminated structure are made of a conductive BP crystal layer and GaN.1-XPXIt consists of a crystal layer. In particular, the carrier concentration is 1 × 1017cm-3That's 5x1019cm-3It is preferably composed of the following n-type or p-type conductive layer. If a multilayer laminated structure is composed of conductive constituent layers, the LED drive current can be passed from the top of the structure toward the silicon single crystal substrate, so one electrode can be formed on the surface of the silicon substrate. This is advantageous in terms of manufacturing. Carrier concentration is 1 × 1017cm-3If the ratio is less than 1, it is difficult to form a constituent layer having a sufficiently low resistance to pass a driving current. Carrier concentration is 5 × 1019cm-3Since the crystallinity of the layer to which the carrier impurity is added at a higher concentration is deteriorated as it exceeds the range, it becomes difficult to obtain a multilayer laminated structure having sufficiently stable reflection performance. The p-type carrier concentration can be adjusted by appropriately controlling the doping amount of zinc (Zn), magnesium (Mg) or the like during film formation. The n-type carrier concentration is adjusted by appropriately controlling the doping amount of n-type impurities such as silicon (Si) and selenium (Se).
[0019]
The conductive types of the constituent layers constituting the periodic laminated structure are the same. When constituent layers having opposite conductivity types are joined, a pn junction is formed inside the multilayer structure. For this reason, electricity supply to the silicon single crystal substrate of the LED driving current is obstructed, which is not preferable. Also, the conductivity type of the multilayer structure constituting layer is unified to the conductivity type of a silicon single crystal as a substrate. If the conductivity types of the silicon substrate and the multilayer laminated structure conflict, a pn junction is formed at the junction interface between the silicon substrate and the multilayer laminated structure. For this reason, there arises a disadvantage that the LED drive current is not sufficiently supplied to the silicon substrate. Each conductive layer having the same conductivity type as that of the silicon single crystal substrate can be formed by means such as a halogen vapor deposition method, a hydride vapor deposition method, or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. .
[0020]
In the present invention, GaN constituting a multilayer laminated structure together with a BP crystal layer1-XPXGaN with a phosphorus composition ratio of 2% to 4% for the crystal layer1-XPXIt is preferable to comprise a crystal layer (0.02 ≦ X ≦ 0.04). According to Vegard's law, cubic GaN with a phosphorus composition ratio ranging from 2% to 4%1-XPXThe lattice constant of the crystal layer is in the range of 4.548 to 4.529. On the other hand, the lattice constant of zinc blende BP is 4.538 ((see “Introduction to Semiconductor Devices” on page 28 above). Therefore, if the phosphorus composition ratio is limited to the above range, GaN substantially lattice-matched with the BP crystal layer.1-XPXA crystalline layer is obtained. GaN with a phosphorus composition ratio of 3% (0.03)0.97P0.03Has a lattice constant of 4.538 、 and lattice matches with BP. Therefore, GaN with a BP crystal layer and phosphorus composition ratio in the range of 3% ± 1%1-XPXThe lattice mismatch with the crystal layer (0.02 ≦ X ≦ 0.04) is within about ± 0.2%, and there is an advantage that a high-quality multilayer laminated structure can be formed because of good lattice matching.
At this time, GaN1-XPXSince the refractive index of the crystal layer is about 2.1, and the difference in refractive index of 0.5 or more with the BP crystal layer is kept sufficiently, it is possible to constitute a multilayer laminated structure having excellent reflectivity. it can.
As a result, a group III nitride semiconductor light-emitting diode excellent in electrical characteristics with a constant forward voltage (Vf) can be obtained.
[0021]
On the multi-layer structure, the general formula AlaGabIn1-abNcM1-c The light emitting part of the pn junction type double heterojunction structure which consists of a group III nitride layer represented by is formed. Here, 0 ≦ a, b, a + b ≦ 1, M represents a group V element other than nitrogen (N) such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and 0 <c ≦ 1. Therefore, the double heterojunction structure forming the light emitting part in the present invention is
The group III element includes at least one element of Al, Ga, and In, and the group V element includes nitrogen (N) as an essential element.
[0022]
A light emitting part having a DH junction structure is a light emitting part having a structure in which a light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type cladding layers. Al in either the light emitting layer or the cladding layeraGabIn1-abNcM1-c It only needs to contain a layer. Al in the light emitting layeraGabIn1-abNcM1-cIf the layer is used, a blue light-emitting diode of a short wavelength system can be obtained.
[0023]
  The forbidden band width of the cladding layer is made larger than the forbidden band width of the light emitting layer so as to enhance the confinement effect of electrons injected into the light emitting layer. Further, the thickness of the light emitting layer is usually 5 to 30 nm, and the thickness of the cladding layer is formed to be 100 to 800 nm, which is thicker than that.
[0024]
The ohmic electrodes for applying a drive current are formed on the top and bottom of the laminated body laminated as described above to obtain a light emitting diode. AlaGabIn1-abNcM1-c As an electrode material forming an ohmic junction with the layer, aluminum (Al) can be used for an n-type electrode, and gold (Au) can be used for a p-type electrode. As the material of the ohmic electrode formed on the silicon substrate, aluminum (Al) can be used for the n-type electrode, and aluminum-antimony (Al-Sb) alloy can be used for the p-type electrode. Since the overall LED resistance is low, the drive current can be passed through the substrate.
[0025]
[Action]
The present invention relates to a BP crystal layer and GaN.1-XPXA periodic multilayer structure composed of crystal layers is used as a so-called Bragg reflection structure that reflects light emitted from a light emitting portion.
[0026]
In the present invention, the BP crystal layer and GaN1-XPXThe carrier concentration of the conductive periodic multi-layer laminated structure composed of the crystal layer is limited to a specific range so that the LED driving current can be passed through the silicon substrate.
[0027]
Furthermore, in the present invention, GaN with a phosphorus composition ratio limited to a specific range1-XPXBy using the crystal layer, BP crystal layer and GaN1-XPXLattice matching with the crystal layer was maintained, so that excellent crystallinity of the periodic multilayer structure was ensured.
[0028]
【Example】
Example 1
The present invention takes as an example the case of forming a group III nitride semiconductor light emitting diode by providing a multilayer laminated structure, which is a Bragg reflection layer made of boron phosphide and gallium phosphide mixed crystal, on a silicon single crystal substrate. Will be described in detail.
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the light emitting diode 10 according to this example.
[0029]
For the silicon substrate 101, boron-doped p-type silicon single crystal (111) was used. A low temperature buffer layer 102 made of boron phosphide was deposited on the silicon substrate 101. The low-temperature buffer layer 102 is made of triethylboron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) It was deposited at 350 ° C. by atmospheric pressure MOCVD using a reaction gas. The layer thickness of the low temperature buffer layer 102 was about 10 nm. On the surface of the low temperature buffer layer 102, a p-type BP layer doped with zinc (Zn) was deposited at 1000 ° C. using the MOCVD method as the high temperature buffer layer 103. Dimethyl zinc ((C2HFive)2Zn) was used. The carrier concentration of the high-temperature buffer layer 103 is about 7 × 1018cm-3It was. The layer thickness was 500 nm.
[0030]
On the high-temperature buffer layer 103, as the first constituent layer 104-1 constituting the multilayer laminated structure 104 serving as a Bragg reflective layer, zinc-doped p-type phosphide nitride having a phosphorus (P) composition ratio of 0.03 Gallium (GaN0.97P0.03) Layers were laminated. GaN0.97P0.03The layer consists of trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) / phosphine (PHThree ) / Ammonia (NHThree) / Hydrogen (H2) It was grown at 1000 ° C. by an atmospheric pressure MOCVD method using a reaction gas. Carrier concentration is about 8 × 1017cm-3The layer thickness was about 59 nm. On the first constituent layer 104-1, a zinc-doped p-type BP layer having a thickness of about 38 nm was stacked as the second constituent layer 104-2. In the same manner, a total of 8 units of the lamination units composed of the first and second constituent layers 104-1 and 104-2 were repeated and laminated. From this, the bottom layer on the silicon substrate 101 side is GaN0.97P0.03As a layer, a multilayer laminated structure 104 having a period number of 8 with BP as the outermost layer was formed.
[0031]
The internal structure of the multilayer laminated structure 104 was observed using a normal cross-sectional TEM method. Crystal defects such as misfit dislocations were observed in the low temperature buffer layer 102. Since the dislocation propagating inside the multilayer structure 104 is small and the low-temperature buffer layer 102 mitigates the misfit with the silicon single crystal substrate 101, it was interpreted as containing defects. Due to the action of the low-temperature buffer layer 102, good crystals with a low crystal defect density were obtained in the constituent layers 104-1 and 104-2 of the multilayer laminated structure 104.
[0032]
On the surface of the multilayer laminated structure 104, a lower clad layer 105 is formed by (CHThree)ThreeGa / PHThree/ NHThree/ H2Lamination was performed at 1000 ° C. by an atmospheric pressure MOCVD method using a reaction gas of the system. The lower cladding layer 105 is a zinc-doped p-type GaN lattice-matched to the BP layer that forms the outermost layer of the multilayer stacked structure 104.0.97P0.03Composed of layers. The carrier concentration of the lower clad layer 105 is about 8 × 10.17cm-3The layer thickness was 800 nm.
[0033]
On the lower cladding layer 105, a silicon-doped n-type gallium nitride indium (Ga0.90In0.10A light emitting layer 106 made of N) was laminated. The light-emitting layer 106 includes trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) / trimethylindium ((CHThree)ThreeIn) / phosphine (PHThree) / Ammonia (NHThree) / Hydrogen (H2) It was grown at 890 ° C. by an atmospheric pressure MOCVD method using a reaction gas of the system. The average indium composition ratio of the light emitting layer 106 was 0.10. The layer thickness was about 30 nm. Carrier concentration is about 3 × 1018cm-3It was.
[0034]
Ga0.90In0.10On the light emitting layer 106 made of N, a silicon-doped n-type aluminum nitride / gallium mixed crystal (AlγGa1- γN) layers were laminated. The Al composition ratio (γ) was monotonously decreased from 0.2 to 0 (zero) in the increasing direction of the layer thickness to give a gradient to the aluminum composition. The layer thickness was 200 nm.
[0035]
P-type GaN above0.97P0.03Lower cladding layer 105, n-type Ga0.90In0.10N light emitting layer 106 and n-type AlγGa1- γA light emitting portion 108 having a pn junction type double heterojunction structure was formed from three layers of the upper clad layer 107 made of an N layer.
[0036]
A p-type ohmic electrode 109 made of aluminum-antimony (Al—Sb) was formed on the back surface of the p-type silicon single crystal substrate 101. A circular n-type ohmic electrode 110 made of aluminum was formed on the surface of the upper cladding layer 107. The diameter of the n-type ohmic electrode 110 was about 130 μm. Thereafter, the silicon single crystal substrate 101 was cut in the [110] direction by using the cleavage property, and cut into chips having a side of about 300 μm to obtain the light emitting diode 10.
[0037]
An LED driving current was passed between the p-type and n-type ohmic electrodes 109 to 110. The current-voltage (IV) characteristics showed normal rectification characteristics due to the good pn junction characteristics of the light emitting unit 108. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristics was about 3.0 V (forward current = 20 mA). The reverse voltage was about 15 V (reverse current = 10 μA). When an operating current of 20 mA was applied in the forward direction, blue light having an emission center wavelength of about 470 nm was emitted. The half width of the emission spectrum was about 18 nm. The light emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere was about 14 μW, and a group III nitride semiconductor light emitting device having a high light emission intensity was obtained.
[0038]
(Example 2)
Next, as a second embodiment of the present invention, only a low-temperature buffer layer is deposited on an n-type silicon substrate, and a multi-layer laminated structure serving as a Bragg reflection layer is deposited thereon to form a group III nitride semiconductor light emitting unit. An example is shown.
FIG. 4 shows a schematic sectional view of a light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
[0039]
On the (111) plane of the phosphorus-doped n-type silicon single crystal substrate 201, a low-temperature buffer layer 202 made of BP is formed by diborane (B2H6) / Phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) Lamination was performed at 430 ° C. by a low pressure MOCVD method using a reaction gas. V / III ratio, that is, supply ratio of group V source gas to group III source gas (= PHThree / B2H6 ) Was set to about 120. The pressure of the reaction system during growth is about 3 × 10Four Pa and disilane (Si2H6) -Hydrogen (H2 ) A mixed gas was used. The layer thickness of the low temperature buffer layer 202 was about 17 nm.
[0040]
The internal structure of the low-temperature buffer layer 202 was observed by a cross-sectional TEM method. When the low-temperature buffer layer 202 was formed (as-grown state), the upper region from the bonding surface with the silicon single crystal substrate 201 to approximately 2 nm was mainly composed of BP single crystal. For this reason, no separation was observed between the low-temperature buffer layer 202 and the silicon single crystal substrate 201, and good adhesion was maintained. The upper part of the low-temperature buffer layer 202 is mainly composed of a BP amorphous material.
[0041]
On the low-temperature buffer layer 202, a silicon-doped n-type BP crystal layer was formed as the first layer 204-1 of the multilayer stacked structure 204 serving as a Bragg reflection layer. This BP crystal layer utilizes the above-described reduced pressure MOCVD method, and the pressure of the reaction system is about 3 × 10.Four It was set at Pa and formed at 980 ° C. According to the analysis by X-ray diffraction, it was confirmed that this BP crystal layer was a BP crystal layer mainly composed of cubic crystals. The layer thickness is about 41 nm and the carrier concentration is about 1 × 1018cm-3Met.
[0042]
After the film formation of the first layer 204-1 is completed, most of the amorphous body in the low-temperature buffer layer 202 is single crystal starting from the single crystal layer existing in the boundary region with the silicon single crystal substrate 201. It was recognized that In addition, since the low-temperature buffer layer 202 is provided on the surface of the silicon single crystal substrate 201, the BP crystal layer is a continuous film that does not peel off from the silicon single crystal substrate 201 and the first layer 204-1.
[0043]
On the first layer 204-1, a silicon-doped n-type gallium phosphide nitride (GaN) is formed as the second constituent layer 204-2.0.97P0.03) Layers were laminated. 3% of the phosphorus composition ratio of the gallium nitride phosphide layer is lattice matched to BP. The second constituent layer 204-2 is disilane (Si) as a silicon dopant.2H6) -Hydrogen (H2) About 3 × 10 using mixed gasFour A film was formed at 980 ° C. under a pressure of Pa. Layer thickness is about 64 nm, carrier concentration is about 9 × 1017cm-3Met.
[0044]
The multilayer unit composed of the first and second constituent layers 204-1 and 204-2 as described above was repeatedly laminated for 10 periods to constitute a multilayer laminated structure 204 serving as a Bragg reflective layer. In the multilayer structure 204, the lowermost layer on the silicon substrate 201 side is a BP layer, and the outermost layer is GaN.0.97P0.03The total layer thickness was about 1050 nm.
[0045]
On the multilayer structure 204, a silicon-doped n-type GaN is formed as the lower cladding layer 205.0.97P0.03A layer was formed. The lower cladding layer 205 is formed of (CHThree)ThreeGa / PHThree / NHThree/ H2It laminated | stacked at 980 degreeC by the pressure reduction MOCVD method using a system reaction gas. Layer thickness is about 800 nm, carrier concentration is about 2 × 1018cm-3Met. The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.
[0046]
On the lower cladding layer 205, (CHThree)ThreeGa / PHThree / NHThree/ H2The light emitting layer 206 was laminated at 980 ° C. by a low pressure MOCVD method using a system reaction gas as a raw material. The light emitting layer 206 is a silicon-doped n-type Ga.0.82In0.18It consisted of N layers. The layer thickness is about 10 nm and the carrier concentration is about 2 × 10.18cm-3It was. The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.
[0047]
On the light emitting layer 206, zinc-doped p-type GaN.0.97P0.03An upper clad layer 207 composed of layers was laminated. The upper cladding layer 207 is made of (CHThree)ThreeGa / PHThree / NHThree/ H2Lamination was performed at 980 ° C. by a low pressure MOCVD method using a system reaction gas as a raw material. The upper cladding layer 207 has a thickness of about 100 nm and a carrier concentration of about 8 × 10.17cm-3Met. The carrier concentration was adjusted by controlling the amount of disilane added to the MOCVD reaction system.
[0048]
N-type GaN above0.97P0.03Lower cladding layer 205, n-type Ga0.82In0.18N light emitting layer 206 and p-type GaN0.97P0.03The light-emitting portion 208 having a pn junction type double heterojunction structure is formed from the upper clad layer 207 made of layers.
[0049]
An n-type ohmic electrode 209 made of an aluminum (Al) alloy was formed on the back surface of the n-type silicon single crystal substrate 201. A circular p-type ohmic electrode 210 made of gold (Au) was formed on the surface of the upper cladding layer 207. The diameter of the p-type ohmic electrode 210 was about 110 μm. After that, the silicon single crystal substrate 201 was cut into a chip having a side of about 350 μm in the [110] direction by using the cleavage property, and the light emitting diode 20 was obtained.
[0050]
An LED driving current was passed between the p-type and n-type ohmic electrodes 209-210. The current-voltage (IV) characteristics showed normal rectification characteristics due to the good pn junction characteristics of the light emitting portion 208. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristics was about 3.2 V (forward current = 20 mA). The reverse voltage was about 15 V (reverse current = 10 μA). When an operating current of 20 mA was applied in the forward direction, blue-green light having an emission center wavelength of about 510 nm was emitted. The half width of the emission spectrum was about 22 nm. The emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere was about 18 μW, and a group III nitride semiconductor light-emitting device having a high emission intensity was obtained.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, the reflective layer having the semiconductor multilayer structure in which the boron phosphide crystal layers and the gallium nitride phosphide crystal layers are alternately stacked is provided between the silicon single crystal substrate and the light emitting portion. Since the light emitted from the light emitting part can be reflected and extracted in the light extraction direction, a group III nitride semiconductor light emitting diode with high emission intensity can be provided.
[0052]
Further, according to the present invention, the carrier concentration of the boron phosphide crystal layer and the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure reflection layer is set to 1 × 1017cm-3That's 5x1019cm-3In the following cases, it is possible to form a thin layer with excellent conductivity, which is particularly excellent in crystallinity, and it is possible to pass the LED drive current in the vertical direction of the laminated structure. It can be used to provide a group III nitride semiconductor light emitting diode with high emission intensity.
[0053]
Furthermore, according to the present invention, when the phosphorus composition ratio of the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer laminated structure reflective layer is 2% or more and 4% or less, the boron phosphide crystal layer constituting the reflective layer Since good lattice matching can be maintained, a reflective layer with few crystal defects and excellent crystallinity can be formed, and there is an effect that a group III nitride semiconductor light-emitting diode with much higher emission intensity can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the dependence of reflectance on the number of lamination periods.
FIG. 2 is a diagram showing the wavelength dependence of the reflectance of a reflective layer.
3 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting diode described in Example 1. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting diode described in Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 ... Light emitting diode 101, 201 ... Silicon single crystal substrate, 102, 202 ... Low temperature buffer layer, 103 ... High temperature buffer layer, 104, 204 ... Multilayer laminated structure, 105, 205 ... Lower cladding layer, 106, 206 ... Light emitting layer, 107, 207 ... Upper cladding layer, 108, 208 ... Light emitting portion, 109, 209 ... P-type ohmic electrode, 110, 210 ... N-type ohmic electrodes,

Claims (7)

シリコン単結晶基板の上に積層された、一般式AlGaIn1‐a‐b1‐c(但し、0≦a,b,a+b≦1、Mは窒素以外の第V族元素を表わし、0<c≦1)で表記されるIII族窒化物層から構成されている、pn接合型のダブルヘテロ接合構造の発光部を備えたIII族窒化物半導体発光素子であって、前記シリコン単結晶基板と前記の発光部との間にリン化硼素結晶層と窒化リン化ガリウム結晶層とを交互に積層した多層積層構造の反射層を備えており、前記窒化リン化ガリウム結晶層のリン組成比が2原子%以上4原子%以下であることを特徴とすIII族窒化物半導体発光ダイオード。A general formula Al a Ga b In 1-ab N c M 1-c stacked on a silicon single crystal substrate (where 0 ≦ a, b, a + b ≦ 1, M is a group V other than nitrogen) A group III nitride semiconductor light-emitting element including a light emitting portion of a pn junction type double heterojunction structure, which is composed of a group III nitride layer represented by 0 <c ≦ 1) A reflective layer having a multilayer structure in which a boron phosphide crystal layer and a gallium nitride phosphide crystal layer are alternately laminated between the silicon single crystal substrate and the light emitting portion; and the gallium nitride phosphide crystal layer III-nitride semiconductor light emitting diode you wherein the phosphorus composition ratio of is 4 atomic% or less 2 atomic% or more. 前記多層積層構造を構成するリン化硼素結晶層及び窒化リン化ガリウム結晶層のキャリア濃度が、1×1017原子cm‐3以上5×1019原子cm‐3以下であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。The carrier concentration of the boron phosphide crystal layer and the gallium nitride phosphide crystal layer constituting the multilayer stacked structure is 1 × 10 17 atom cm −3 or more and 5 × 10 19 atom cm −3 or less. Item 3. A group III nitride semiconductor light-emitting diode according to item 1. 前記多層積層構造の積層の周期数が2以上であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。 3. The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to claim 1, wherein the number of cycles of the multilayer stacked structure is 2 or more. 前記多層積層構造の積層の周期数が7以上であることを特徴とする請求項に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。4. The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to claim 3 , wherein the number of cycles of the multilayer stacked structure is 7 or more. シリコン単結晶基板の表面が{111}結晶面であることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to any one of claims 1 to 4 , wherein the surface of the silicon single crystal substrate is a {111} crystal plane. シリコン単結晶基板と多層積層構造との間に、緩衝層を介在させたことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to any one of claims 1 to 5 , wherein a buffer layer is interposed between the silicon single crystal substrate and the multilayer stacked structure. 前記多層積層構造を有機金属化学気相堆積法で形成することを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオードの製造方法。The method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting diode according to any one of claims 1 to 6, characterized in that to form the multi-layer laminate structure in metal organic chemical vapor deposition.
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