JP4864435B2 - Compound semiconductor laminated structure, compound semiconductor device and lamp - Google Patents

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Description

本発明は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素(BP)系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体、化合物半導体素子およびランプに関する。   The present invention relates to a compound semiconductor comprising a crystal substrate, a boron phosphide (BP) based semiconductor layer formed thereon, and a group III nitride semiconductor layer provided with the boron phosphide based semiconductor layer as an underlayer. The present invention relates to a laminated structure, a compound semiconductor element, and a lamp.

従来から、立方晶閃亜鉛鉱(spharelite)結晶型の燐化硼素(BP)は、青色帯光などの短波長の可視光を出射する発光ダイオード(LED)等を構成するためのIII−V族化合物半導体材料として利用されている(例えば特許文献1参照)。また、発光素子用途の積層構造体を構成するための緩衝(buffer)層として利用されている(例えば特許文献2参照)。また、発光素子を構成するためのオーミック(Ohmic)接触性電極を設けるためのコンタクト(contact)層として利用されている(例えば特許文献3参照)。
特開平2−288388号公報 特開平3−87019号公報 特開平3−34537号公報
Conventionally, cubic sphalerite crystal type boron phosphide (BP) is a group III-V for forming a light emitting diode (LED) emitting a short wavelength visible light such as blue band light. It is used as a compound semiconductor material (see, for example, Patent Document 1). Further, it is used as a buffer layer for constituting a laminated structure for a light emitting device (see, for example, Patent Document 2). Further, it is used as a contact layer for providing an ohmic contact electrode for constituting a light emitting element (see, for example, Patent Document 3).
JP-A-2-288388 JP-A-3-87019 JP-A-3-34537

あるいはまた、燐化硼素と、ウルツ鉱(Wurtzite)結晶型のIII族窒化物半導体とのヘテロ(異種)接合体は、発光層として利用されている。例えば、p形燐化硼素とn形窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)とのヘテロ接合体から、青色帯光を放射するレーザダイオード(LD)の発光層を構成する技術例が開示されている(例えば特許文献4参照)。
特開平4−34536号公報
Alternatively, a heterojunction of boron phosphide and a wurtzite crystal group III-nitride semiconductor is used as a light emitting layer. For example, a technology example is disclosed in which a light emitting layer of a laser diode (LD) emitting blue band light is formed from a heterojunction of p-type boron phosphide and n-type aluminum nitride / gallium (AlGaN) (for example, (See Patent Document 4).
Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-34536

しかし、窒化ガリウム(GaN)等のIII族窒化物半導体層は、単量体の燐化硼素等の硼素(元素記号:B)と燐(元素記号:P)とを主たる構成元素として含む燐化硼素系半導体層上に容易には形成できないという問題点を有している。これは、III族窒化物半導体層を形成するために使用するするアンモニア(分子式:NH3)等の窒素(元素記号:N)源との化学的反応に因り、下地層としての燐化硼素系半導体層が、窒化物層に変質してしまうからである。変質した燐化硼素系半導体層の表面は凹凸の激しいものとなり、それを下地層とした場合は平坦なIII族窒化物半導体層を堆積することは出来ない。このため、化合物半導体素子を構成するのに好適な、表面の平坦性に優れる半導体層からなる化合物半導体積層構造体を安定して得るのは困難となっている。 However, a group III nitride semiconductor layer such as gallium nitride (GaN) is a phosphide containing boron (element symbol: B) such as monomeric boron phosphide and phosphorus (element symbol: P) as main constituent elements. There is a problem that it cannot be easily formed on a boron-based semiconductor layer. This is due to a chemical reaction with a nitrogen (element symbol: N) source such as ammonia (molecular formula: NH 3 ) used to form a group III nitride semiconductor layer, and boron phosphide as an underlayer. This is because the semiconductor layer is transformed into a nitride layer. The surface of the modified boron phosphide-based semiconductor layer has severe irregularities, and when it is used as a base layer, a flat group III nitride semiconductor layer cannot be deposited. For this reason, it is difficult to stably obtain a compound semiconductor multilayer structure composed of a semiconductor layer excellent in surface flatness suitable for constituting a compound semiconductor element.

本発明は上記に鑑み提案されたもので、下地層としての燐化硼素系半導体層が窒素源により変質するのを防止して、表面の平坦性に優れた半導体層を積層させることができ、所望の特性を備えた化合物半導体積層構造体、化合物半導体素子およびランプを提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above, and it is possible to prevent a boron phosphide-based semiconductor layer as an underlayer from being altered by a nitrogen source and to stack a semiconductor layer having excellent surface flatness, An object of the present invention is to provide a compound semiconductor multilayer structure, a compound semiconductor element, and a lamp having desired characteristics.

1)上記目的を達成するために、第1の発明は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素(BP)系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたガリウム(Ga)を含むIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体において、上記燐化硼素系半導体層と上記III族窒化物半導体層との中間に、アルミニウム(Al)とガリウム(Ga)と燐(P)とを含むIII−V族化合物半導体からなる第1の中間層が設けられている、ことを特徴としている。 1) In order to achieve the above object, the first invention is provided with a crystal substrate, a boron phosphide (BP) based semiconductor layer formed thereon, and the boron phosphide based semiconductor layer as an underlayer. In addition, in the compound semiconductor stacked structure including the group III nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) , aluminum (Al) and gallium (gallium) are interposed between the boron phosphide-based semiconductor layer and the group III nitride semiconductor layer. A first intermediate layer made of a III-V group compound semiconductor containing Ga) and phosphorus (P) is provided.

)第の発明は、上記した)項に記載の発明の構成に加えて、上記第1の中間層は、燐化アルミニウム・ガリウム(組成式:AlGa1−YP(0<Y<1))から構成されている、ことを特徴としている。 2 ) In the second invention, in addition to the structure of the invention described in the above item 1 ), the first intermediate layer is formed of aluminum gallium phosphide (composition formula: Al Y Ga 1-YP (0 < Y <1)).

)第の発明は、上記した1)項または2)項に記載の発明の構成に加えて、上記第1の中間層と上記III族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体からなる第2の中間層が設けられている、ことを特徴としている。 3 ) In the third invention, in addition to the structure of the invention described in the above item 1) or 2) , the group III nitride is provided between the first intermediate layer and the group III nitride semiconductor layer. A second intermediate layer made of a group III nitride semiconductor containing a group III element constituting the metal semiconductor layer is provided.

)第の発明は、上記した1)項から)項の何れか1項に記載の発明の構成に加えて、上記燐化硼素系半導体層は、III族構成元素として硼素を50%以上の組成比率で含み、V族構成元素として燐を50%以上の組成比率で含む、ことを特徴としている。 4 ) In the fourth invention, in addition to the structure of any one of the above-mentioned items 1) to 3 ), the boron phosphide-based semiconductor layer contains 50% of boron as a group III constituent element. It is characterized by containing phosphorus at a composition ratio of 50% or more as a group V constituent element.

)第の発明は、化合物半導体素子であって、上記した1)項から)項の何れか1項に記載の化合物半導体積層構造体を利用して構成されている、ことを特徴としている。 5 ) The fifth invention is a compound semiconductor device, characterized in that it is configured using the compound semiconductor multilayer structure according to any one of items 1) to 4 ) above. Yes.

)第の発明は、ランプであって、上記した)項に記載の化合物半導体積層構造体を用いて構成されている、ことを特徴としている。 6 ) A sixth invention is a lamp, characterized in that it is configured using the compound semiconductor multilayer structure described in the above item 5 ).

本発明によれば、燐化硼素系半導体層上に、第1の中間層を介在させて、III族窒化物半導体層を堆積することとしたので、III族窒化物半導体層の成長時においても燐化硼素系半導体層の変質が防止され、従って、所望する本来の化学的性質と電気的性質とを維持した燐化硼素系半導体層を備えた化合物半導体積層構造体を提供できる。   According to the present invention, since the group III nitride semiconductor layer is deposited on the boron phosphide-based semiconductor layer with the first intermediate layer interposed therebetween, even when the group III nitride semiconductor layer is grown. Alteration of the boron phosphide-based semiconductor layer is prevented, and therefore a compound semiconductor stacked structure including a boron phosphide-based semiconductor layer that maintains desired original chemical and electrical properties can be provided.

特に、第1の中間層をガリウム(Ga)やアルミニウム(Al)、燐(P)を含む、例えば、AlYGa1-YP(0<Y<1)から構成する場合、燐化硼素系半導体層の変質が効率的に回避され、良質の燐化硼素系半導体層を利用して、表面平坦性が良好な化合物半導体積層構造体を提供することができる。 In particular, when the first intermediate layer includes gallium (Ga), aluminum (Al), or phosphorus (P), for example, Al Y Ga 1-YP (0 <Y <1), boron phosphide-based Deterioration of the semiconductor layer is efficiently avoided, and a compound semiconductor multilayer structure with good surface flatness can be provided by using a high-quality boron phosphide-based semiconductor layer.

また、本発明によれば、燐化硼素系半導体層上に設けた第1の中間層上に、さらに第2の中間層を配置し、その第2の中間層にIII族窒化物半導体層を堆積する積層構成としたので、III族窒化物半導体層の成長時における燐化硼素系半導体層の変質はより一層防止され、平坦で且つ連続性のあるIII族窒化物半導体層を安定して成長させることができ、従って、平坦性と連続性とに優れるIII族窒化物半導体層を備えた化合物半導体積層構造体を提供することができる。   According to the present invention, the second intermediate layer is further disposed on the first intermediate layer provided on the boron phosphide-based semiconductor layer, and the group III nitride semiconductor layer is provided on the second intermediate layer. Due to the stacked structure, the boron phosphide-based semiconductor layer is further prevented from being altered during the growth of the group III nitride semiconductor layer, and a flat and continuous group III nitride semiconductor layer is stably grown. Therefore, it is possible to provide a compound semiconductor multilayer structure including a group III nitride semiconductor layer that is excellent in flatness and continuity.

また、本発明によれば、変質の無い燐化硼素系半導体層と、平坦性及び連続性とに優れるIII族窒化物半導体層とを備えた化合物半導体積層構造体を用いて、化合物半導体素子を構成することとしたので、例えば、GaZIn1-ZN(0≦Z≦1)層を含む発光層を備えた短波長LEDにあって、特に、発光強度等の光学的特性に優れ、且つ局所的な耐圧不良の無い電気的特性にも優れるLEDを提供することができる。 In addition, according to the present invention, a compound semiconductor element is formed using a compound semiconductor stacked structure including a boron phosphide-based semiconductor layer without alteration and a group III nitride semiconductor layer excellent in flatness and continuity. Since it is configured, for example, in a short wavelength LED including a light emitting layer including a Ga Z In 1-Z N (0 ≦ Z ≦ 1) layer, particularly excellent in optical characteristics such as light emission intensity, Moreover, it is possible to provide an LED that is excellent in electrical characteristics with no local breakdown voltage failure.

本発明の化合物半導体積層構造体は、結晶基板と、その上に形成された燐化硼素(BP)系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたIII族窒化物半導体層とを含み、燐化硼素系半導体層とIII族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素と燐(P)とを含むIII−V族化合物半導体からなる第1の中間層が設けられている。   The compound semiconductor multilayer structure of the present invention includes a crystal substrate, a boron phosphide (BP) based semiconductor layer formed thereon, and a group III nitride semiconductor provided with the boron phosphide based semiconductor layer as an underlayer. And a group III-V compound semiconductor containing a group III element and phosphorus (P) constituting the group III nitride semiconductor layer between the boron phosphide-based semiconductor layer and the group III nitride semiconductor layer A first intermediate layer is provided.

上記の燐化硼素系半導体層は、この上に堆積させる第1の中間層を設ける効果を顕著に発揮させる点を考慮すると、III族構成元素として硼素を50%以上の組成比率で含み、V族構成元素として燐を50%以上の組成比率で含むのが望ましい。また、4元混晶等の多元混晶に比較して形成するのが容易な、構成元素の種類を3種以下とする2元あるいは3元混晶であるのが望ましい。例えば、単量体の燐化硼素(BP)、燐化硼素・ガリウム(組成式BQGa1-QP(Q≧0.5))、燐化硼素・アルミニウム(組成式BQAl1-QP(Q≧0.5))を例示できる。 The boron phosphide-based semiconductor layer includes boron as a group III constituent element in a composition ratio of 50% or more, considering that the effect of providing the first intermediate layer deposited thereon is remarkably exhibited. It is desirable to contain phosphorus as a group constituent element at a composition ratio of 50% or more. In addition, it is desirable to be a binary or ternary mixed crystal having three or less kinds of constituent elements, which is easier to form than a multi-element mixed crystal such as a quaternary mixed crystal. For example, monomeric boron phosphide (BP), boron phosphide / gallium (composition formula B Q Ga 1 -QP (Q ≧ 0.5)), boron phosphide / aluminum (composition formula B Q Al 1− Q P (Q ≧ 0.5)) can be exemplified.

上記の第1の中間層は、下層の燐化硼素系半導体層がIII族窒化物半導体層を成長させるために使用する窒素源に因り変質しない材料から構成する。特に、窒素源との接触に因り、窒化物を形成しないIII―V族化合物半導体材料から構成するのが好適である。第1の中間層を容易に窒化される材料から構成すると、窒素源が燐化硼素系半導体層に浸透するため、燐化硼素系半導体層の変質、特に、V族構成元素が窒素に置換されることに因る変質を確実に回避するのに至らない。この状況から、第1の中間層は、高温環境下において、窒素に置換され易い砒素(元素記号:As)ではなく、より置換され難い燐(P)をV族構成元素として含むIII−V族化合物半導体から構成するのが好適である。   The first intermediate layer is made of a material that does not change due to the nitrogen source used by the lower boron phosphide-based semiconductor layer to grow the group III nitride semiconductor layer. In particular, it is preferable to use a III-V group compound semiconductor material that does not form a nitride due to contact with a nitrogen source. When the first intermediate layer is made of a material that can be easily nitrided, the nitrogen source penetrates into the boron phosphide-based semiconductor layer, so that the alteration of the boron phosphide-based semiconductor layer, in particular, the group V constituent element is replaced with nitrogen. It is not possible to reliably avoid the alteration caused by this. From this situation, the first intermediate layer includes not only arsenic (element symbol: As), which is easily replaced by nitrogen, but also phosphorus (P), which is more difficult to replace, as a group V constituent element in a high temperature environment. It is preferable to comprise a compound semiconductor.

また、第1の中間層は、上記の理由から燐(P)をV族構成元素として含み、且つ、その上に堆積するIII族窒化物半導体層をなすIII族構成元素を含むIII−V族化合物半導体材料から構成するのが好適である。III族窒化物半導体層をなすIII族構成元素を含む第1の中間層は、III族窒化物半導体層の成長を促す「成長核」を提供できるため、III族窒化物半導体層を効率良く成長させるのに貢献できる。例えば、第1の中間層上に窒化ガリウム(GaN)層を堆積する積層構成にあって、第1の中間層は燐化ガリウム(GaP)から構成するのが好適である。   Further, the first intermediate layer includes phosphorus (P) as a group V constituent element for the above reasons, and also includes a group III-V group including a group III constituent element forming a group III nitride semiconductor layer deposited thereon. It is preferable to comprise a compound semiconductor material. The first intermediate layer containing a group III constituent element forming the group III nitride semiconductor layer can provide a “growth nucleus” that promotes the growth of the group III nitride semiconductor layer, so that the group III nitride semiconductor layer can be efficiently grown. Can contribute. For example, in a stacked structure in which a gallium nitride (GaN) layer is deposited on the first intermediate layer, it is preferable that the first intermediate layer be made of gallium phosphide (GaP).

また、第1の中間層を、アルミニウム(Al)を含むIII−V族化合物半導体材料から構成すると、燐化硼素系半導体層との密着性に優れる第1の中間層を得るのに好適となる。例えば、上層として窒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlQGa1-QN(0≦Q≦1))層を設けるのに際し、燐化アルミニウム・ガリウム(組成式AlYGa1-YN(0<Y<1))を用いると、下層の燐化硼素系半導体層との密着性に優れ、且つ、上層としてのAlQGa1-QN(0≦Q≦1))層の成長を促進できる第1の中間層を構成できる。 Further, when the first intermediate layer is made of a III-V group compound semiconductor material containing aluminum (Al), it is suitable for obtaining a first intermediate layer having excellent adhesion to the boron phosphide-based semiconductor layer. . For example, when an aluminum nitride gallium (compositional formula Al Q Ga 1 -QN (0 ≦ Q ≦ 1)) layer is provided as an upper layer, an aluminum gallium phosphide (compositional formula Al Y Ga 1 -YN (0 < When Y <1)) is used, the adhesion with the lower boron phosphide-based semiconductor layer is excellent, and the growth of the Al Q Ga 1 -QN (0 ≦ Q ≦ 1) layer as the upper layer can be promoted. The first intermediate layer can be configured.

上記の説明では、燐化硼素系半導体層とIII族窒化物半導体層との中間に、第1の中間層を設けるようにしたが、本発明ではさらに、第1の中間層とIII族窒化物半導体層との中間に、第2の中間層を設けるように構成してもよい。   In the above description, the first intermediate layer is provided between the boron phosphide-based semiconductor layer and the group III nitride semiconductor layer. However, in the present invention, the first intermediate layer and the group III nitride are further provided. You may comprise so that a 2nd intermediate | middle layer may be provided in the middle with a semiconductor layer.

この第2の中間層は、III族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体層から好適に構成でき、III族窒化物半導体層の成長を促進させる機能を有している。例えば、III族窒化物半導体層として窒化燐化ガリウム(組成式GaN1-QQ(0≦Q<1))層を堆積する場合において、第2の中間層は窒化ガリウム(GaN)から好適に構成できる。第2の中間層に含まれる、窒素(N)、およびIII族窒化物半導体層と同種のIII族構成元素は、III族窒化物半導体層の成長を誘引し、促進する「成長核」としての役目を担う。 The second intermediate layer can be preferably configured from a group III nitride semiconductor layer containing a group III element constituting the group III nitride semiconductor layer, and has a function of promoting the growth of the group III nitride semiconductor layer. Yes. For example, when a gallium nitride phosphide (compositional formula GaN 1-Q P Q (0 ≦ Q <1)) layer is deposited as the group III nitride semiconductor layer, the second intermediate layer is preferably made of gallium nitride (GaN). Can be configured. Nitrogen (N) and Group III constituent elements of the same type as the Group III nitride semiconductor layer contained in the second intermediate layer serve as “growth nuclei” that induce and promote the growth of the Group III nitride semiconductor layer. Take a role.

なお、以下の説明で第1の中間層とともに第2の中間層についても述べていくが、本発明の化合物半導体積層構造体において、第1の中間層は必ず形成され、第2の中間層は第1の中間層上に適宜形成されるものである。   In the following description, the second intermediate layer will be described together with the first intermediate layer. However, in the compound semiconductor multilayer structure of the present invention, the first intermediate layer is always formed, and the second intermediate layer is It is appropriately formed on the first intermediate layer.

上記の第1及び第2の中間層は、有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法、ハロゲン(hologen)気相エピタキシャル(VPE)法、ハイドライド(水素化物)VPE法、分子線エピタキシャル(MBE)法等の気相成長手段により形成する。揮発性の高い燐(P)の蒸発を抑制しつつ、第1の中間層をなすIII−V族化合物半導体層を形成するのには、高真空中で成長を実施するMBE法よりもMOCVD法、ハロゲンVPE法、ハイドライドVPE法が適する。また、III族構成元素としてアルミニウム(Al)を含む第1または第2の中間層を形成するのには、適度な蒸気圧を有する有機アルミニウム化合物をアルミニウム源として利用できるMOCVD法が適する。また、MOCVD法によれば、アンモニア(NH3)あるいはヒドラジン(N24)類を窒素源としてIII族窒化物半導体層を気相成長させることができる。従って、燐化硼素系半導体層、第1の中間層、第2の中間層、及びIII族窒化物半導体層を気相成長させるのに汎用的に適用できるMOCVD手段は、それらを備えた化合物半導体積層構造体を簡便に構成するのに利便である。 The first and second intermediate layers are formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, halogen vapor phase epitaxy (VPE) method, hydride (hydride) VPE method, molecular beam epitaxy (MBE). It is formed by vapor phase growth means such as a method. In order to form the III-V group compound semiconductor layer forming the first intermediate layer while suppressing evaporation of highly volatile phosphorus (P), the MOCVD method is used rather than the MBE method in which the growth is performed in a high vacuum. The halogen VPE method and the hydride VPE method are suitable. In order to form the first or second intermediate layer containing aluminum (Al) as a group III constituent element, an MOCVD method in which an organoaluminum compound having an appropriate vapor pressure can be used as an aluminum source is suitable. In addition, according to the MOCVD method, the group III nitride semiconductor layer can be vapor-phase grown using ammonia (NH 3 ) or hydrazine (N 2 H 4 ) as a nitrogen source. Therefore, the MOCVD means which can be generally used for vapor phase growth of the boron phosphide-based semiconductor layer, the first intermediate layer, the second intermediate layer, and the group III nitride semiconductor layer is a compound semiconductor including them. This is convenient for easily constructing the laminated structure.

常圧(略大気圧)あるいは減圧MOCVD法により、例えば、AlQGa1-QN(0≦Q≦1))層からなるIII族窒化物半導体層を形成するのには、例えば、トリメチルガリウム(分子式:(CH33Ga)やトリエチルガリウム(分子式:(C253Ga)等をガリウム(Ga)の原料(Ga源)として利用する。この様な脂肪族炭化水素基を付加した有機ガリウム化合物はガリウム(Ga)源として好適に利用できる。また、トリメチルアルミニウム(分子式:(CH33Al)やトリイソブチルアルミニウム(分子式:(i−C493Al)などの有機金属(MO)化合物をアルミニウム(Al)の原料(Al源)として使用する。トリメチルアルミニウム((CH33Al)は、アルミニウム(Al)を含む第1または第2の中間層、あるいはそれらの中間層の上に設けるIII族窒化物半導体層を形成する際のアルミニウム源として好適である。 In order to form a group III nitride semiconductor layer composed of, for example, an Al Q Ga 1-Q N (0 ≦ Q ≦ 1) layer by atmospheric pressure (substantially atmospheric pressure) or low pressure MOCVD, for example, trimethylgallium (Molecular formula: (CH 3 ) 3 Ga), triethylgallium (molecular formula: (C 2 H 5 ) 3 Ga) or the like is used as a gallium (Ga) source (Ga source). An organic gallium compound to which such an aliphatic hydrocarbon group is added can be suitably used as a gallium (Ga) source. Further, organometallic (MO) compounds such as trimethylaluminum (molecular formula: (CH 3 ) 3 Al) and triisobutylaluminum (molecular formula: (i-C 4 H 9 ) 3 Al) are used as raw materials for aluminum (Al) (Al source). ). Trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) is used as an aluminum source in forming the first or second intermediate layer containing aluminum (Al), or the group III nitride semiconductor layer provided on the intermediate layer. Is preferred.

窒素源としては、アンモニア(分子式:NH3)、ヒドラジン(分子式:N24)等を使用できる。熱分解する温度がより低い非対称型分子構造のジメチルヒドラジン(分子式:(CH3222)類もIII族窒化物半導体層を成長させるための窒素(N)源として使用できる。第1の中間層は、この様な窒素源と燐化硼素系半導体層とが直接接触するのを防止するのに効果的に作用する。 As the nitrogen source, ammonia (molecular formula: NH 3 ), hydrazine (molecular formula: N 2 H 4 ), or the like can be used. Dimethylhydrazine (molecular formula: (CH 3 ) 2 H 2 N 2 ) having an asymmetric molecular structure having a lower thermal decomposition temperature can also be used as a nitrogen (N) source for growing a group III nitride semiconductor layer. The first intermediate layer effectively acts to prevent such a nitrogen source and the boron phosphide-based semiconductor layer from coming into direct contact.

LEDあるいはLD等の化合物発光素子用途の積層構造体を得る場合、第1及び第2の中間層の伝導形、並びにそれらの何れかの中間層上に設けるIII族窒化物半導体層の伝導形は、燐化硼素系半導体層と同一とするのが望ましい。燐化硼素系半導体層を、導電性で低抵抗の半導体結晶基板上に設ける場合、燐化硼素系半導体層の伝導形は、半導体結晶基板の伝導形と同一とするのが望ましい。第1及び第2の中間層、並びにIII族窒化物半導体層の伝導形は、例えばMOCVD法により、それらの層を気相成長させる際に、II族、IV族あるいはVI族元素を不純物として添加して制御する。   When obtaining a laminated structure for a compound light emitting device such as LED or LD, the conductivity type of the first and second intermediate layers, and the conductivity type of the group III nitride semiconductor layer provided on any of the intermediate layers are: It is desirable to be the same as the boron phosphide-based semiconductor layer. When the boron phosphide-based semiconductor layer is provided on a conductive and low-resistance semiconductor crystal substrate, it is desirable that the conductivity type of the boron phosphide-based semiconductor layer be the same as that of the semiconductor crystal substrate. The conductivity type of the first and second intermediate layers and the group III nitride semiconductor layer is added by adding a group II, group IV or group VI element as an impurity when the layers are vapor-grown by, for example, MOCVD. And control.

p形の第1の中間層を得るための不純物としては、II族元素のベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)やマグネシウム(Mg)が望ましい。n形の第1の中間層を得るための不純物としては、IV族の珪素(Si)やゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、VI族のセレン(Se)、テルル(Te)が望ましい。   As an impurity for obtaining the p-type first intermediate layer, group II elements beryllium (Be), zinc (Zn), and magnesium (Mg) are desirable. As impurities for obtaining the n-type first intermediate layer, group IV silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), group VI selenium (Se), and tellurium (Te) are desirable.

p形の第2の中間層及びp形のIII族窒化物半導体層を得るための不純物としてBeやMgを例示できる。また、n形の第2の中間層及びn形のIII族窒化物半導体層を得るための不純物として、SiやGeを例示できる。イオン注入法により、カルシウム(Ca)やSi、Geを注入してp形またはn形の第2の中間層またはIII族窒化物半導体層を形成する技術手段もあるが、例えば、MOCVD法による気相成長時にp形またはn形不純物をドーピングする手段によれば、より簡便にp形またはn形の第2の中間層またはIII族窒化物半導体層が得られて利便である。   Examples of impurities for obtaining the p-type second intermediate layer and the p-type group III nitride semiconductor layer include Be and Mg. Further, Si and Ge can be exemplified as impurities for obtaining the n-type second intermediate layer and the n-type group III nitride semiconductor layer. There is also a technical means for forming a p-type or n-type second intermediate layer or group III nitride semiconductor layer by implanting calcium (Ca), Si, or Ge by an ion implantation method. According to the means for doping p-type or n-type impurities during phase growth, a p-type or n-type second intermediate layer or group III nitride semiconductor layer can be obtained more conveniently.

受光素子、例えばpin型フォトダイオ−ド(photo diode;PD)用途の化合物半導体積層構造体を構成する場合にあっては、第1及び第2の中間層は、必ずしも低抵抗のp形またはn形導電層とする必要は無い。また、PD用途の場合、燐化硼素系半導体層と、第1及び第2の中間層並びにIII族窒化物半導体層とで伝導型を同一とする必要はない。一例を挙げれば、n形の燐化硼素系半導体層と、その上に堆積したπ形またはν形と称される高抵抗の第1の中間層と、その上に堆積したp形III族窒化物半導体層とを用いてpin用途の化合物半導体積層構造体を構成する。PD用途の高抵抗である、例えば第1の中間層は不純物を故意に添加しない、所謂アンドープ(undope)で、高純度であるのが好ましい。アンドープで高抵抗の第1の中間層は、例えばMOCVD法でそれを気相成長させる際に、気相成長を行う領域へ供給するIII族構成元素の原料とV族構成元素の原料との比率を、高抵抗層が得られる様に調節した上で成長させるのが好都合である。   In the case of forming a compound semiconductor laminated structure for use in a light receiving element, for example, a pin type photodiode (PD), the first and second intermediate layers do not necessarily have a low resistance p-type or n-type. There is no need to form a conductive layer. In the case of PD applications, the boron phosphide-based semiconductor layer, the first and second intermediate layers, and the group III nitride semiconductor layer need not have the same conductivity type. As an example, an n-type boron phosphide-based semiconductor layer, a high-resistance first intermediate layer called π-type or ν-type deposited thereon, and a p-type Group III nitride deposited thereon A compound semiconductor multilayer structure for pin use is configured using the physical semiconductor layer. For example, the first intermediate layer, which has high resistance for PD use, is preferably so-called “undope” that does not intentionally add impurities, and is highly pure. The ratio of the raw material of the group III constituent element and the raw material of the group V constituent element supplied to the region where the vapor phase growth is performed when the undoped and high resistance first intermediate layer is vapor grown by, for example, the MOCVD method It is convenient to grow the film after adjusting so as to obtain a high resistance layer.

2次元電子電界効果型トランジスタ(TEGFET)用途の化合物半導体積層構造体は、例えば高抵抗の燐化硼素系半導体層、その上に同じく高抵抗の第1の中間層、その上に電子走行層として例えば電子移動度の大きなn形のGaZIn1-ZN(0≦Z≦1)層を、順次堆積して化合物半導体積層構造体を構成する。また、例えば高抵抗の燐化硼素系半導体層、その上に高抵抗の第1の中間層、高抵抗の第1の中間層上に高抵抗の第2の中間層、その上に電子走行層として例えば電子移動度の大きなn形のGaZIn1-ZN(0≦Z≦1)層を、順次堆積して構成する。電界効果型トランジスタ(FET)用途とする高抵抗の第1または第2の中間層は、アンドープ層から構成されていても構わない。また、電子と正孔が互いに電気的に補償(compensate)される様に、上記のp形不純物とn形不純物とをドーピングして形成されていても良い。 A compound semiconductor multilayer structure for use in a two-dimensional electron field effect transistor (TEGFET) includes, for example, a high-resistance boron phosphide-based semiconductor layer, a first high-resistance intermediate layer thereon, and an electron transit layer thereon. for example the Ga Z in 1-Z n ( 0 ≦ Z ≦ 1) layer of the electron mobility of large n-type to form a sequentially deposited compound semiconductor multilayer structure. Also, for example, a high resistance boron phosphide-based semiconductor layer, a high resistance first intermediate layer thereon, a high resistance second intermediate layer on the high resistance first intermediate layer, and an electron transit layer thereon For example, an n-type Ga Z In 1-Z N (0 ≦ Z ≦ 1) layer having a high electron mobility is sequentially deposited. The high-resistance first or second intermediate layer for use in a field effect transistor (FET) may be composed of an undoped layer. Further, it may be formed by doping the p-type impurity and the n-type impurity so that electrons and holes are mutually electrically compensated.

第1の中間層は、燐化硼素系半導体層の表面を間隙無く、一様に被覆できる層厚を有するのが望ましい。望ましくは、1ナノメータ(nm)以上で、更に好ましくは2nm以上である。また、第1の中間層上に、第2の中間層またはIII族窒化物半導体層を成長させるための温度(成長温度)が高温である程、第1の中間層の層厚を大とするのが好ましい。高温では、III族窒化物半導体層を成長させるために用いる窒素源の熱分解がより顕著に起こり、放出される窒素(N)は第1の中間層の内部へより深く拡散する。このため、上記の成長温度が高温である程、第1の中間層を厚くして、下層の燐化硼素系半導体層へ侵入する窒素原子の量を低下させるのが好ましい。   The first intermediate layer preferably has a layer thickness capable of uniformly covering the surface of the boron phosphide-based semiconductor layer without a gap. Desirably, it is 1 nanometer (nm) or more, more preferably 2 nm or more. Further, the higher the temperature (growth temperature) for growing the second intermediate layer or the group III nitride semiconductor layer on the first intermediate layer is, the larger the layer thickness of the first intermediate layer is. Is preferred. At high temperatures, thermal decomposition of the nitrogen source used to grow the group III nitride semiconductor layer occurs more significantly, and the released nitrogen (N) diffuses deeper into the first intermediate layer. For this reason, it is preferable that the higher the growth temperature, the thicker the first intermediate layer is to reduce the amount of nitrogen atoms entering the lower boron phosphide-based semiconductor layer.

例えば、成長温度を1,000℃〜1,150℃として、第1の中間層に直接、接合させて窒化ガリウム(GaN)層を成長させる場合、第1の中間層の層厚は最大で250nmとするのが好ましい。250nmを超えて厚くすると、表面の平坦性に優れる第1の中間層を安定して得るのが困難となる。また、例えば、第1の中間層上に、350℃〜650℃程度の低温で第2の中間層を設ける場合、第1の中間層は、最大で50nmとするのが好適である。第1の中間層の層厚は、既知の成長速度を与える成長条件下において、成長時間を調節して制御できる。また、第1の中間層の実際の層厚は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などを利用して測長できる。   For example, when a growth temperature is set to 1,000 ° C. to 1,150 ° C. and a gallium nitride (GaN) layer is grown by bonding directly to the first intermediate layer, the maximum thickness of the first intermediate layer is 250 nm. Is preferable. If the thickness exceeds 250 nm, it is difficult to stably obtain the first intermediate layer having excellent surface flatness. For example, when the second intermediate layer is provided on the first intermediate layer at a low temperature of about 350 ° C. to 650 ° C., it is preferable that the first intermediate layer has a maximum thickness of 50 nm. The layer thickness of the first intermediate layer can be controlled by adjusting the growth time under growth conditions that give a known growth rate. The actual thickness of the first intermediate layer can be measured using, for example, a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

第2の中間層は、第1の中間層の表面を間隙無く、一様に被覆できる層厚を有するのが望ましい。望ましくは、1ナノメータ(nm)以上で、更に好ましくは2nm以上である。第2の中間層は、その上にIII族窒化物半導体層を成長させるための温度を高温とする程、層厚を大とするのが好ましい。高温では、III族窒化物半導体層を成長させるために用いる窒素源の熱分解に因り放出される窒素(N)が第1の中間層の内部へ拡散する度合いがより顕著となる。このため、III族窒化物半導体層の成長温度を高温とする程、第2の中間層を厚くして、第1の中間層を介してより下層の燐化硼素系半導体層へ侵入する窒素原子の量を低下させるのが好ましい。例えば、第2の中間層上に、1,100℃の高温でGaN層を積層させる場合、第2の中間層の層厚は20nm以上で100nm以下とするのが好適である。   The second intermediate layer preferably has a layer thickness that can uniformly cover the surface of the first intermediate layer without any gap. Desirably, it is 1 nanometer (nm) or more, more preferably 2 nm or more. The second intermediate layer preferably has a larger layer thickness as the temperature for growing the group III nitride semiconductor layer on the second intermediate layer is higher. At high temperatures, the degree to which nitrogen (N) released due to thermal decomposition of the nitrogen source used for growing the group III nitride semiconductor layer diffuses into the first intermediate layer becomes more prominent. For this reason, the higher the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer, the thicker the second intermediate layer, and the nitrogen atoms entering the lower boron phosphide-based semiconductor layer through the first intermediate layer. It is preferable to reduce the amount of. For example, when a GaN layer is stacked on the second intermediate layer at a high temperature of 1,100 ° C., the thickness of the second intermediate layer is preferably 20 nm or more and 100 nm or less.

第2の中間層を、より低温で成長させると第1の中間層の熱的変質を回避するのに有効となる。例えば、350℃〜650℃程度の低温で第2の中間層を第1の中間層上に堆積することにより、第1の中間層からのV族構成元素の燐(P)揮散がより良く抑制される。従って、第1の中間層の化学量論的組成を維持できる。また、第2の中間層を低温で成長させれば、第2の中間層を構成する窒素(N)の第1の中間層への侵入をより良く抑制できる。このため、第1の中間層を介して、下層の燐化硼素系半導体層に浸透する窒素(N)を減少でき、燐化硼素系半導体層が窒化物層へと変質するのをより確実に回避できる。   Growing the second intermediate layer at a lower temperature is effective in avoiding thermal alteration of the first intermediate layer. For example, by depositing the second intermediate layer on the first intermediate layer at a low temperature of about 350 ° C. to 650 ° C., the phosphorus (P) volatilization of the group V constituent element from the first intermediate layer is better suppressed. Is done. Therefore, the stoichiometric composition of the first intermediate layer can be maintained. Further, if the second intermediate layer is grown at a low temperature, the penetration of nitrogen (N) constituting the second intermediate layer into the first intermediate layer can be better suppressed. Therefore, nitrogen (N) penetrating into the lower boron phosphide-based semiconductor layer can be reduced through the first intermediate layer, and the boron phosphide-based semiconductor layer is more reliably transformed into a nitride layer. Can be avoided.

第1や第2の中間層を設けることにより、変質が防止された燐化硼素系半導体層を備えた積層構造体を利用すれば、特性の優れる化合物半導体素子を構成できる。例えば、第1または第2の中間層上に、GaN系III族窒化物半導体から成る発光層を含む発光部を備えた積層構造体からは、短波長可視光あるいは紫外帯光を発する化合物半導体発光素子を構成できる。発光層は、放射再結合効率の高い直接遷移型の例えば、窒化ガリウム・インジウム(GaZIn1-ZN(0≦Z≦1))から構成するのが好適である。 If a laminated structure including a boron phosphide-based semiconductor layer in which alteration is prevented by providing the first and second intermediate layers, a compound semiconductor element having excellent characteristics can be configured. For example, compound semiconductor light emission that emits short-wavelength visible light or ultraviolet light from a laminated structure including a light-emitting portion including a light-emitting layer made of a GaN-based group III nitride semiconductor on the first or second intermediate layer An element can be configured. The light-emitting layer, the radiative recombination efficient direct transition example, it is preferable to constitute a gallium indium nitride (Ga Z In 1-Z N (0 ≦ Z ≦ 1)).

本発明の化合物半導体発光素子は高発光強度であるため、特定の蛍光物質と組み合わせることにより、照明器具等に適した白色ランプを提供することが可能となる。   Since the compound semiconductor light-emitting device of the present invention has high emission intensity, it is possible to provide a white lamp suitable for a lighting fixture or the like by combining with a specific fluorescent material.

(第1実施例) 珪素単結晶(シリコン)基板上に、本発明に係わる第1の中間層を設けて化合物半導体積層構造体(以下「積層構造体」という)を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。   First Example Taking as an example the case where a first intermediate layer according to the present invention is provided on a silicon single crystal (silicon) substrate to form a compound semiconductor laminated structure (hereinafter referred to as “laminated structure”). The present invention will be specifically described.

図1は第1実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。積層構造体10は、リン(P)が添加されたn形の珪素単結晶を基板100として用いて形成した。基板100の(111)表面上には、層厚を約700nmとし、キャリア濃度を約8×1020cm-3とする、アンドープでn形の燐化硼素・ガリウム(組成式B0.98Ga0.02P)混晶層101を燐化硼素系半導体層として堆積した。燐化硼素・ガリウム混晶層101は、トリメチルガリウム(分子式:(CH33Ga)をガリウム(Ga)源とし、トリエチル硼素(分子式:(C253B)を硼素(B)源とし、ホスフィン(分子式:PH3)を燐(P)源とする常圧(略大気圧)MOCVD法により、900℃で成長させた。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the laminated structure of the first embodiment. The laminated structure 10 was formed using an n-type silicon single crystal to which phosphorus (P) was added as the substrate 100. On the (111) surface of the substrate 100, an undoped n-type boron phosphide / gallium (composition formula B 0.98 Ga 0.02 P) having a layer thickness of about 700 nm and a carrier concentration of about 8 × 10 20 cm −3. ) The mixed crystal layer 101 was deposited as a boron phosphide-based semiconductor layer. The boron phosphide / gallium mixed crystal layer 101 uses trimethylgallium (molecular formula: (CH 3 ) 3 Ga) as a gallium (Ga) source and triethyl boron (molecular formula: (C 2 H 5 ) 3 B) as boron (B). The substrate was grown at 900 ° C. by a normal pressure (substantially atmospheric pressure) MOCVD method using a phosphine (molecular formula: PH 3 ) as a phosphorus (P) source.

燐化硼素・ガリウム混晶層101上には、MOCVD手段により、珪素(Si)を添加したn形の燐化アルミニウム・ガリウム(組成式:Al0.50Ga0.50P)から成る第1の中間層102を設けた。第1の中間層102の層厚は約15nmとし、キャリア濃度は、約3×1018cm-3とした。第1の中間層102は、(CH33Ga及びPH3に加え、トリメチルアルミニウム(分子式:(CH33Al)をアルミニウム(Al)源として、750℃で成長させた。 A first intermediate layer 102 made of n-type aluminum gallium phosphide (composition formula: Al 0.50 Ga 0.50 P) doped with silicon (Si) is formed on the boron phosphide / gallium mixed crystal layer 101 by MOCVD. Was provided. The thickness of the first intermediate layer 102 was about 15 nm, and the carrier concentration was about 3 × 10 18 cm −3 . The first intermediate layer 102 was grown at 750 ° C. using trimethylaluminum (molecular formula: (CH 3 ) 3 Al) as an aluminum (Al) source in addition to (CH 3 ) 3 Ga and PH 3 .

第1の中間層102上には、層厚を約1.5nmとするSiドープn形窒化ガリウム・インジウム(組成式:Ga0.88In0.12N)混晶層103aと、層厚を約1.5nmとするSiドープn形窒化ガリウム・インジウム(組成式:Ga0.99In0.01N)混晶層103bとを、交互に5周期積層させた超格子構造層103をIII族窒化物半導体層として設けた。これらの窒化ガリウム・インジウム混晶層103a、103bは、(CH33Gaに加え、トリメチルインジウム(分子式:(CH33In)をインジウム(In)源とし、アンモニア(分子式:NH3)を窒素(N)源として用いて、常圧MOCVD法により、上記の第1の中間層102と同じく750℃で成長させた。SIMS分析によれば、多量の窒素原子が燐化硼素・ガリウム混晶層101へ拡散している状況は認められず、第1の中間層102を設けることにより、超格子構造層103を成長させる際の窒素源に因る燐化硼素・ガリウム混晶層101の変質が防止されていることが示唆された。また、GaInN系超格子構造層103は、第1の中間層102を介して設けたために連続膜となった。 On the first intermediate layer 102, a Si-doped n-type gallium nitride indium (composition formula: Ga 0.88 In 0.12 N) mixed crystal layer 103a having a layer thickness of about 1.5 nm and a layer thickness of about 1.5 nm are formed. A superlattice structure layer 103 in which Si-doped n-type gallium nitride / indium (composition formula: Ga 0.99 In 0.01 N) mixed crystal layers 103b are alternately stacked for five periods is provided as a group III nitride semiconductor layer. These gallium nitride / indium mixed crystal layers 103a and 103b include trimethylindium (molecular formula: (CH 3 ) 3 In) as an indium (In) source in addition to (CH 3 ) 3 Ga, and ammonia (molecular formula: NH 3 ). As a nitrogen (N) source, it was grown at 750 ° C. in the same manner as the first intermediate layer 102 by the atmospheric pressure MOCVD method. According to the SIMS analysis, a situation in which a large amount of nitrogen atoms are diffused into the boron phosphide / gallium mixed crystal layer 101 is not recognized, and the superlattice structure layer 103 is grown by providing the first intermediate layer 102. It was suggested that alteration of the boron phosphide / gallium mixed crystal layer 101 due to the nitrogen source at the time was prevented. Further, the GaInN-based superlattice structure layer 103 is a continuous film because it is provided via the first intermediate layer 102.

超格子構造層103には、それとヘテロ(異種)接合させて、層厚を約15nmとし、キャリア濃度を約1×1019cm-3とする、アンドープでp形の燐化硼素・アルミニウム(組成式:B0.99Al0.01P)混晶層104を設けた。燐化硼素・アルミニウム混晶層104は、(C253B、(CH33Al、及びPH3を原料とする常圧MOCVD法により1025℃で成長させた。 The superlattice structure layer 103 is hetero-junctioned with the superlattice structure layer 103, has a layer thickness of about 15 nm, and a carrier concentration of about 1 × 10 19 cm −3. Formula: B 0.99 Al 0.01 P) mixed crystal layer 104 was provided. The boron phosphide / aluminum mixed crystal layer 104 was grown at 1025 ° C. by an atmospheric pressure MOCVD method using (C 2 H 5 ) 3 B, (CH 3 ) 3 Al, and PH 3 as raw materials.

これより、Al0.50Ga0.50Nからなる第1の中間層102を備えつつ、B0.98Ga0.02Pからなる燐化硼素・ガリウム混晶層101をn形下部クラッド層とし、GaInN系超格子構造層103をn形発光層とし、B0.99Al0.01Pからなる燐化硼素・アルミニウム混晶層104をp形上部クラッド層として備えたpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光素子用途の積層構造体10を形成した。 Thus, the first intermediate layer 102 made of Al 0.50 Ga 0.50 N is provided, the boron phosphide / gallium mixed crystal layer 101 made of B 0.98 Ga 0.02 P is used as the n-type lower cladding layer, and the GaInN-based superlattice structure layer Laminated structure for light emitting device use of pn junction type double hetero (DH) junction structure having 103 as an n-type light emitting layer and boron phosphide / aluminum mixed crystal layer 104 made of B 0.99 Al 0.01 P as a p-type upper cladding layer Body 10 was formed.

(第2実施例) 上記の第1実施例の積層構造体10を使用して、化合物半導体素子としての窒化物半導体発光ダイオード(LED)を製造する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。   (Second Example) The content of the present invention is specifically described by taking as an example the case of manufacturing a nitride semiconductor light emitting diode (LED) as a compound semiconductor element using the laminated structure 10 of the first example. I will explain it.

図2は第2実施例のLEDの断面構造を模式的に示す図である。このLED1Aは第1実施例の積層構造体10を使用して形成されている。すなわち、積層構造体10の、n形の珪素単結晶からなる基板100の裏面の略全面に、一般的な真空蒸着法を利用して、金(Au)膜を被着し、n形オーミック電極106を形成した。n形オーミック電極106をなす金膜の膜厚は約2000nmとした。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the LED of the second embodiment. This LED 1A is formed using the laminated structure 10 of the first embodiment. That is, a gold (Au) film is deposited on substantially the entire back surface of the substrate 100 made of an n-type silicon single crystal of the laminated structure 10 by using a general vacuum deposition method, and an n-type ohmic electrode is formed. 106 was formed. The film thickness of the gold film forming the n-type ohmic electrode 106 was about 2000 nm.

また積層構造体10の最表層をなす燐化硼素・アルミニウム混晶層104の表面には、ニッケル(Ni)と亜鉛(Zn)との合金膜107aを、一般的な電子ビーム蒸着法により形成した。次に、膜厚を約100nmとするNi・Zn合金膜107aに重ねて、Au膜107bを被着させ、合計の膜厚を約1500nmとする金属膜とした。次に公知のフォトリソグラフィー技術を利用して、金属膜にパターニング加工を及ぼし、燐化硼素・アルミニウム混晶層104の表面の中央部の平面領域に限り、平面視円形状に金属膜を残存させて、p形オーミック電極107を形成した。その後、積層構造体10を個別の素子(チップ)に裁断し、GaInN系超格子構造層103をn形発光層とするpn接合型DH構造のLED1Aを作製した。   An alloy film 107a of nickel (Ni) and zinc (Zn) was formed on the surface of the boron phosphide / aluminum mixed crystal layer 104, which is the outermost layer of the laminated structure 10, by a general electron beam evaporation method. . Next, an Au film 107b was deposited on the Ni / Zn alloy film 107a having a thickness of about 100 nm to form a metal film having a total thickness of about 1500 nm. Next, patterning is applied to the metal film using a known photolithography technique, and the metal film is left in a circular shape in plan view only in the central region of the surface of the boron phosphide / aluminum mixed crystal layer 104. Thus, the p-type ohmic electrode 107 was formed. Thereafter, the laminated structure 10 was cut into individual elements (chips), and an LED 1A having a pn junction DH structure using the GaInN-based superlattice structure layer 103 as an n-type light emitting layer was produced.

n形及びp形オーミック電極106、107間に20mAの順方向電流を通流した際に、LED1Aからは、波長を約450nmとする青色帯光が放射された。また、LED1Aは、第1の中間層を用いることにより形成された平坦性と連続性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層103の発光層を備えているため、一般的な積分球を利用して測定した、樹脂でモールドする以前の状態での発光強度は約5ミリワット(mW)に達した。更に、局所的な耐圧不良(local breakdown)も無く、順方向電流を20mAとした際の順方向電圧(Vf)は3.3Vの低値となった。また、逆方向電流を10マイクロアンペア(μA)とした際の逆方向電圧は8Vの高値となった。従って、本発明の第1中間層を設けることに依り、発光強度が大きく、しかも低消費電力で電気的耐圧の高い青色LEDが提供されることとなった。   When a forward current of 20 mA was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes 106 and 107, blue band light having a wavelength of about 450 nm was emitted from the LED 1A. Further, the LED 1A includes a light emitting layer of a superlattice structure layer 103 made of a group III nitride semiconductor layer that is formed by using the first intermediate layer and is excellent in flatness and continuity. The light emission intensity measured using a sphere before molding with resin reached about 5 milliwatts (mW). Further, there was no local breakdown voltage, and the forward voltage (Vf) when the forward current was 20 mA was a low value of 3.3V. Moreover, the reverse voltage when the reverse current was 10 microamperes (μA) was a high value of 8V. Therefore, by providing the first intermediate layer of the present invention, a blue LED having high emission intensity, low power consumption and high electrical withstand voltage is provided.

(比較例) 一方、比較例として、第1の中間層を備えず、他は上記第1実施例と略同一の積層構造体から、第2実施例と同様の電極構成を備えたLEDを作製した。即ち、上記第1実施例と同じn形の珪素単結晶を基板とし、その上に燐化硼素・ガリウム(組成式B0.98Ga0.02P)混晶層、GaInN系超格子構造層、燐化硼素・アルミニウム(B0.99Al0.01P)混晶層を積層させてなるpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の積層構造体を用いてLEDを作製した。上記第2実施例のLED1Aと通電電流等も同一の条件下で測定した結果、本発明に係る第1の中間層が備えられていない比較例のLEDの発光強度は約3.9ミリワット(mW)、順方向電圧は3.4V、逆方向電圧は6.8Vであった。従って、発光強度及び逆方向電圧共に、本発明に係る第1の中間層を備えた第2実施例のLED1Aに比較して劣るものとなった。 (Comparative Example) On the other hand, as a comparative example, an LED having the same electrode configuration as that of the second example was manufactured from the laminated structure substantially the same as that of the first example except that the first intermediate layer was not provided. did. That is, the same n-type silicon single crystal as in the first embodiment is used as a substrate, and a boron phosphide / gallium (composition formula B 0.98 Ga 0.02 P) mixed crystal layer, a GaInN-based superlattice structure layer, boron phosphide is formed thereon. LED was produced using the laminated structure of a pn junction type double hetero (DH) junction structure formed by laminating aluminum (B 0.99 Al 0.01 P) mixed crystal layers. As a result of measuring the energization current and the like of the LED 1A of the second embodiment, the emission intensity of the LED of the comparative example not provided with the first intermediate layer according to the present invention is about 3.9 milliwatts (mW). ), The forward voltage was 3.4V, and the reverse voltage was 6.8V. Therefore, both the light emission intensity and the reverse voltage were inferior to the LED 1A of the second embodiment provided with the first intermediate layer according to the present invention.

(第3実施例) 炭化珪素(SiC)単結晶基板上に、本発明に係わる第1及び第2の中間層を設けて積層構造体を構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。   (Third Embodiment) The content of the present invention is specifically described by taking a case where a laminated structure is formed by providing first and second intermediate layers according to the present invention on a silicon carbide (SiC) single crystal substrate. I will explain it.

図3は第3実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。積層構造体20を形成するのにあたり、基板200には、窒素(N)を添加したn形の6H結晶型SiC単結晶を用いた。基板200の(0001)表面上には、層厚を約240nmとし、キャリア濃度を約2×1020cm-3とする、アンドープでn形の燐化硼素(BP)層201を燐化硼素系半導体層として堆積した。n形燐化硼素層201は、トリエチル硼素(分子式:(C253B)を硼素(B)源とし、ホスフィン(分子式:PH3)を燐(P)源とする常圧(略大気圧)MOCVD手段により、850℃で成長させた。 FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the laminated structure of the third embodiment. In forming the laminated structure 20, an n-type 6H crystalline SiC single crystal to which nitrogen (N) was added was used for the substrate 200. An undoped n-type boron phosphide (BP) layer 201 having a layer thickness of about 240 nm and a carrier concentration of about 2 × 10 20 cm −3 is formed on the (0001) surface of the substrate 200. Deposited as a semiconductor layer. The n-type boron phosphide layer 201 has a normal pressure (approximately) using triethyl boron (molecular formula: (C 2 H 5 ) 3 B) as a boron (B) source and phosphine (molecular formula: PH 3 ) as a phosphorus (P) source. Atmospheric pressure) Grown at 850 ° C. by MOCVD means.

n形燐化硼素層201上には、MOCVD手段により、ゲルマニウム(Ge)を添加したn形の燐化アルミニウム・ガリウム(組成式Al0.30Ga0.70P)から成る第1の中間層202を設けた。第1の中間層202の層厚は約5nmとし、キャリア濃度は、約3×1018cm-3とした。第1の中間層202は、トリメチルガリウム(分子式:(CH33Ga)をガリウム(Ga)源とし、トリメチルアルミニウム(分子式:(CH33Al)をアルミニウム(Al)源とし、ホスフィン(分子式:PH3)を燐(P)源として、720℃で成長させた。 On the n-type boron phosphide layer 201, a first intermediate layer 202 made of n-type aluminum gallium phosphide (compositional formula Al 0.30 Ga 0.70 P) doped with germanium (Ge) was provided by MOCVD means. . The thickness of the first intermediate layer 202 was about 5 nm, and the carrier concentration was about 3 × 10 18 cm −3 . The first intermediate layer 202 includes trimethylgallium (molecular formula: (CH 3 ) 3 Ga) as a gallium (Ga) source, trimethylaluminum (molecular formula: (CH 3 ) 3 Al) as an aluminum (Al) source, and phosphine ( Growth was performed at 720 ° C. using a molecular formula: PH 3 ) as a phosphorus (P) source.

第1の中間層202上には、層厚を約5nmとするGeドープn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式:Al0.10Ga0.90N)から成る第2の中間層205を設けた。第2の中間層205のAl0.10Ga0.90N層のキャリア濃度は約1×1018cm-3に設定した。第2の中間層205は、(CH33Ga、(CH33Al、及び窒素(N)源としてアンモニア(分子式:NH3)を用いて、常圧MOCVD法により、850℃で成長させた。 On the first intermediate layer 202, a second intermediate layer 205 made of a Ge-doped n-type aluminum nitride / gallium mixed crystal (composition formula: Al 0.10 Ga 0.90 N) having a thickness of about 5 nm was provided. The carrier concentration of the Al 0.10 Ga 0.90 N layer of the second intermediate layer 205 was set to about 1 × 10 18 cm −3 . The second intermediate layer 205 is grown at 850 ° C. by atmospheric pressure MOCVD using (CH 3 ) 3 Ga, (CH 3 ) 3 Al, and ammonia (molecular formula: NH 3 ) as a nitrogen (N) source. I let you.

第2の中間層205上には、上記の第1実施例と同様に、層厚を約1.5nmとするSiドープn形窒化ガリウム・インジウム(組成式:Ga0.88In0.12N)混晶層203aと、層厚を約1.5nmとするSiドープn形窒化ガリウム・インジウム(組成式:Ga0.99In0.01N)混晶層203bとを、交互に5周期積層させた超格子構造層203をIII族窒化物半導体層として設けた。これらの窒化ガリウム・インジウム混晶層203a、203bは、(CH33Ga、(CH33In及びNH3を用いた常圧MOCVD法により、上記の第2の中間層205の場合より低温の720℃で成長させた。第2の中間層205を介して成長させたため、何れの窒化ガリウム・インジウム系混晶層203a、203bも表面の平坦性に優れるものとなった。 On the second intermediate layer 205, a Si-doped n-type gallium nitride indium (composition formula: Ga 0.88 In 0.12 N) mixed crystal layer having a layer thickness of about 1.5 nm, as in the first embodiment. 203a and a superlattice structure layer 203 in which Si-doped n-type gallium nitride indium (composition formula: Ga 0.99 In 0.01 N) mixed crystal layer 203b having a layer thickness of about 1.5 nm is alternately stacked for five periods. Provided as a group III nitride semiconductor layer. These gallium nitride / indium mixed crystal layers 203a and 203b are formed by atmospheric pressure MOCVD using (CH 3 ) 3 Ga, (CH 3 ) 3 In and NH 3 , compared with the case of the second intermediate layer 205 described above. It was grown at a low temperature of 720 ° C. Since it was grown through the second intermediate layer 205, the gallium nitride / indium mixed crystal layers 203a and 203b all had excellent surface flatness.

超格子構造層203には、それとヘテロ(異種)接合させて、層厚を約10nmとし、キャリア濃度を約2×1019cm-3とする、アンドープでp形の燐化硼素(BP)層204を設けた。p形燐化硼素層204は、(C253B及びPH3を原料とする常圧MOCVD法により1025℃で成長させた。 An undoped p-type boron phosphide (BP) layer that is heterojunctioned with the superlattice structure layer 203 and has a layer thickness of about 10 nm and a carrier concentration of about 2 × 10 19 cm −3. 204 was provided. The p-type boron phosphide layer 204 was grown at 1025 ° C. by atmospheric pressure MOCVD using (C 2 H 5 ) 3 B and PH 3 as raw materials.

これより、Al0.50Ga0.50Nからなる第1の中間層202と、Al0.10Ga0.90Nからなる第2の中間層205とを備えつつ、n形燐化硼素層201を下部クラッド層とし、GaInN系超格子構造層203をn形発光層とし、p形燐化硼素層204を上部クラッド層として備えたpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光素子用途の積層構造体20を形成した。 Accordingly, the first intermediate layer 202 made of Al 0.50 Ga 0.50 N and the second intermediate layer 205 made of Al 0.10 Ga 0.90 N are provided, and the n-type boron phosphide layer 201 is used as a lower cladding layer, and GaInN A stacked structure 20 for a light emitting device having a pn junction type double hetero (DH) junction structure including the n-type light emitting layer as the superlattice structure layer 203 and the p-type boron phosphide layer 204 as the upper cladding layer was formed.

(第4実施例) 上記の第2実施例の場合と同様にして、第3実施例の積層構造体20を使用し、化合物半導体素子としての窒化物半導体発光ダイオード(LED)を製造した。   (Fourth Example) A nitride semiconductor light-emitting diode (LED) as a compound semiconductor element was manufactured using the laminated structure 20 of the third example in the same manner as in the second example.

図4は第4実施例のLEDの断面構造を模式的に示す図である。このLED2Aは第3実施例の積層構造体20を使用して形成されている。すなわち、積層構造体20の、n形の6H結晶型SiC単結晶からなる基板200の裏面の略全面に、一般的な真空蒸着法を利用して、ニッケル(Ni)膜を被着し、n形オーミック電極206を形成した。n形オーミック電極206をなすニッケル膜の膜厚は約2000nmとした。   FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the LED of the fourth embodiment. This LED 2A is formed using the laminated structure 20 of the third embodiment. That is, a nickel (Ni) film is deposited on substantially the entire back surface of the substrate 200 made of an n-type 6H crystalline SiC single crystal of the laminated structure 20 by using a general vacuum deposition method, and n A shaped ohmic electrode 206 was formed. The thickness of the nickel film forming the n-type ohmic electrode 206 was about 2000 nm.

また積層構造体20の最表層をなすp形燐化硼素層204の表面には、ニッケル(Ni)と亜鉛(Zn)との合金膜207aを、一般的な電子ビーム蒸着法により形成した。次に、膜厚を約100nmとするNi・Zn合金膜207aに重ねて、Au膜207bを被着させ、合計の膜厚を約1500nmとする金属膜とした。次に公知のフォトリソグラフィー技術を利用して、金属膜にパターニング加工を及ぼし、p形燐化硼素層204の表面の中央部の平面領域に限り、平面視円形状に金属膜を残存させて、p形オーミック電極207を形成した。その後、積層構造体20を個別の素子(チップ)に裁断し、GaInN系超格子構造層203をn形発光層とするpn接合型DH構造のLED2Aを作製した。   An alloy film 207a of nickel (Ni) and zinc (Zn) was formed on the surface of the p-type boron phosphide layer 204, which is the outermost layer of the laminated structure 20, by a general electron beam evaporation method. Next, an Au film 207b was deposited on the Ni / Zn alloy film 207a having a thickness of about 100 nm to form a metal film having a total thickness of about 1500 nm. Next, using a known photolithography technique, patterning is performed on the metal film, and the metal film is left in a circular shape in plan view only in the plane region at the center of the surface of the p-type boron phosphide layer 204, A p-type ohmic electrode 207 was formed. Thereafter, the laminated structure 20 was cut into individual elements (chips), and an LED 2A having a pn junction DH structure using the GaInN-based superlattice structure layer 203 as an n-type light emitting layer was produced.

n形及びp形オーミック電極206、207間に20mAの順方向電流を通流した際に、LED2Aからは、波長を約450nmとする青色帯光が放射された。一般的な積分球を利用して測定した、樹脂でモールドする以前の状態での発光強度は約8ミリワット(mW)に達した。LED2Aは、第1の中間層に加え、第2の中間層を用いることにより形成された更に平坦性と連続性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造層203の発光層を備えているため、第2実施例に記載のLED1Aに比較してより高い発光強度を呈した。また、局所的な耐圧不良(local breakdown)も無く、順方向電流を20mAとした際の順方向電圧(Vf)は3.3Vの低値となった。また、逆方向電流を10マイクロアンペア(μA)とした際の逆方向電圧は、第2実施例のLED1Aよりも更に高く、10Vとなった。これは、第1の中間層202に加えて第2の中間層205を設けることにより、燐化硼素系半導体層201の変質が防止されると共に、平坦性に優れる連続膜から成る超格子構造層203の発光層が形成されたことに起因していると考慮された。従って、発光強度が大きく、しかも低消費電力で電気的耐圧の高い青色LEDが提供されることとなった。   When a forward current of 20 mA was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes 206 and 207, blue band light having a wavelength of about 450 nm was emitted from the LED 2A. The light emission intensity measured using a general integrating sphere before molding with resin reached about 8 milliwatts (mW). The LED 2A includes a light emitting layer of a superlattice structure layer 203 made of a group III nitride semiconductor layer having excellent flatness and continuity formed by using the second intermediate layer in addition to the first intermediate layer. Therefore, the emission intensity was higher than that of the LED 1A described in the second example. Moreover, there was no local breakdown voltage (local breakdown), and the forward voltage (Vf) when the forward current was 20 mA was a low value of 3.3V. Further, the reverse voltage when the reverse current was 10 microamperes (μA) was higher than that of the LED 1A of the second example and became 10V. This is because, by providing the second intermediate layer 205 in addition to the first intermediate layer 202, the boron phosphide-based semiconductor layer 201 is prevented from being altered and the superlattice structure layer is formed of a continuous film having excellent flatness. It was considered that this was caused by the formation of 203 light emitting layers. Therefore, a blue LED having high emission intensity, low power consumption and high electrical withstand voltage is provided.

第1実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the laminated structure of 1st Example. 第2実施例のLEDの断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of LED of 2nd Example. 第3実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of the laminated structure of 3rd Example. 第4実施例のLEDの断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-section of LED of 4th Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 積層構造体
100 基板
101 燐化硼素・ガリウム混晶層
102 第1の中間層
103 超格子構造層
103a 窒化ガリウム・インジウム混晶層
103b 窒化ガリウム・インジウム混晶層
104 燐化硼素・アルミニウム混晶層
106 n形オーミック電極
107 p形オーミック電極
107a Ni・Zn合金膜
107b Au膜
20 積層構造体
200 基板
201 n形燐化硼素層
202 第1の中間層
203 超格子構造層
203a 窒化ガリウム・インジウム混晶層
203a 窒化ガリウム・インジウム系混晶層
204 p形燐化硼素層
205 第2の中間層
206 n形オーミック電極
207 p形オーミック電極
207a Ni・Zn合金膜
207b Au膜
10 Laminated structure 100 Substrate 101 Boron phosphide / gallium mixed crystal layer 102 First intermediate layer 103 Superlattice structure layer 103a Gallium nitride / indium mixed crystal layer 103b Gallium nitride / indium mixed crystal layer 104 Boron phosphide / aluminum mixed crystal Layer 106 n-type ohmic electrode 107 p-type ohmic electrode 107a Ni / Zn alloy film 107b Au film 20 laminated structure 200 substrate 201 n-type boron phosphide layer 202 first intermediate layer 203 superlattice structure layer 203a gallium nitride / indium mixed Crystal layer 203a Gallium nitride / indium mixed crystal layer 204 p-type boron phosphide layer 205 second intermediate layer 206 n-type ohmic electrode 207 p-type ohmic electrode 207a Ni / Zn alloy film 207b Au film

Claims (6)

結晶基板と、その上に形成された燐化硼素(BP)系半導体層と、その燐化硼素系半導体層を下地層として設けられたガリウム(Ga)を含むIII族窒化物半導体層とを含む化合物半導体積層構造体において、
上記燐化硼素系半導体層と上記III族窒化物半導体層との中間に、アルミニウム(Al)とガリウム(Ga)と燐(P)とを含むIII−V族化合物半導体からなる第1の中間層が設けられている、
ことを特徴とする化合物半導体積層構造体。
A crystal substrate, a boron phosphide (BP) based semiconductor layer formed thereon, and a group III nitride semiconductor layer containing gallium (Ga) provided with the boron phosphide based semiconductor layer as an underlayer In the compound semiconductor laminated structure,
A first intermediate layer made of a III-V group compound semiconductor containing aluminum (Al), gallium (Ga), and phosphorus (P) between the boron phosphide-based semiconductor layer and the group III nitride semiconductor layer. Is provided,
A compound semiconductor multilayer structure characterized by the above.
上記第1の中間層は、燐化アルミニウム・ガリウム(組成式:AlGa1−YP(0<Y<1))から構成されている、請求項1に記載の化合物半導体積層構造体。 2. The compound semiconductor stacked structure according to claim 1 , wherein the first intermediate layer is made of aluminum gallium phosphide (composition formula: Al Y Ga 1-YP (0 <Y <1)). 上記第1の中間層と上記III族窒化物半導体層との中間に、そのIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素を含むIII族窒化物半導体からなる第2の中間層が設けられている、請求項1または2に記載の化合物半導体積層構造体。 A second intermediate layer made of a group III nitride semiconductor containing a group III element constituting the group III nitride semiconductor layer is provided between the first intermediate layer and the group III nitride semiconductor layer. The compound semiconductor multilayer structure according to claim 1 or 2 . 上記燐化硼素系半導体層は、III族構成元素として硼素を50%以上の組成比率で含み、V族構成元素として燐を50%以上の組成比率で含む、請求項1乃至の何れか1項に記載の化合物半導体積層構造体。 The boron phosphide-based semiconductor layer contains boron as a group III constituent element in the composition ratio of 50% or more, the phosphorus as a group V constituent element comprising a composition ratio of 50% or more, any one of claims 1 to 3 1 The compound semiconductor multilayer structure according to Item. 請求項1乃至の何れか1項に記載の化合物半導体積層構造体を利用して構成されている、ことを特徴とする化合物半導体素子。 Compound semiconductor device according to claim 1 is constructed by using the compound semiconductor multilayer structure according to any one of 4, it is characterized. 請求項5に記載の化合物半導体素子を用いて構成されている、ことを特徴とするランプ。 A lamp comprising the compound semiconductor device according to claim 5 .
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