JP5309971B2 - Light emitting element - Google Patents

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Description

本発明は、照明や表示機の光源となる有色の発光素子に関し、具体的には多重の活性層を有する発光素子に関するものである。   The present invention relates to a colored light-emitting element serving as a light source for illumination or a display, and more particularly to a light-emitting element having multiple active layers.

AlGaInPを発光層に持つ発光素子は従来の有色の発光素子に比べて1桁以上明るいため、車載照明やLCDバックライトなど従来の発光ダイオードとは異なる用途で需要が拡大している。このAlGaInPが直接遷移型であるということも寄与しているが、更に透明かつ厚い窓層を設けることで外部量子効率を高めていることも明るくなっている要因にある。   A light-emitting element having AlGaInP as a light-emitting layer is brighter by one digit or more than a conventional colored light-emitting element, so that the demand is increasing for applications different from conventional light-emitting diodes such as in-vehicle lighting and LCD backlights. The fact that this AlGaInP is a direct transition type also contributes, but the fact that the external quantum efficiency is further improved by providing a transparent and thick window layer is also a brighter factor.

一方、内部量子効率を高めるため、厚い透明導電層を基板及び窓層に設けるとともに、多重量子井戸(MQW)を設けることで発光効率を高めることができることが、例えば非特許文献1などに示されている。   On the other hand, for example, Non-Patent Document 1 shows that the luminous efficiency can be increased by providing a thick transparent conductive layer on the substrate and the window layer and providing a multiple quantum well (MQW) in order to increase the internal quantum efficiency. ing.

また、AlGaInP系発光素子ではAlGaAs若しくはGaPが窓層として用いられるが、AlGaAs層は水分に対して劣化する特性上の問題があり、一般的にはGaPが用いられている。しかしながら、厚いGaP層を設けるためにはAlGaInP発光層部に直接GaP基板を接合するか、GaPの厚膜を結晶成長しなければならない。
例えばGaP基板を直接接合する方法では、例えば特許文献1に示されているようにGaPとの接合界面での障壁層が生じる問題があり、これを回避するために、長時間かつ高温の熱処理が必要となる。
In the AlGaInP light emitting element, AlGaAs or GaP is used as the window layer. However, the AlGaAs layer has a problem in characteristics that deteriorates with respect to moisture, and GaP is generally used. However, in order to provide a thick GaP layer, a GaP substrate must be bonded directly to the AlGaInP light emitting layer portion, or a GaP thick film must be grown.
For example, in the method of directly bonding a GaP substrate, there is a problem that a barrier layer is formed at a bonding interface with GaP as shown in Patent Document 1, for example. In order to avoid this, a long-time and high-temperature heat treatment is performed. Necessary.

また、窓層は一方の面に設けても発光効率の向上には有効だが、他方の面すなわち発光層の上下に設けた方が、より外部量子効率が高まることが知られている。
この場合、他方の窓層は、貼り合わせ、若しくは結晶成長によって形成されるが、GaAs基板は光吸収層として機能するため、他方の窓層形成前に基板を除去する必要がある。GaAs基板上にAlGaInP系材料で発光層を形成する場合、選択エッチング法を用いる事によりGaAs基板は容易に剥離することができる。
Further, although it is effective to improve the light emission efficiency even if the window layer is provided on one surface, it is known that the external quantum efficiency is further increased when the window layer is provided on the other surface, that is, above and below the light emitting layer.
In this case, the other window layer is formed by bonding or crystal growth. However, since the GaAs substrate functions as a light absorption layer, it is necessary to remove the substrate before forming the other window layer. When a light emitting layer is formed of an AlGaInP material on a GaAs substrate, the GaAs substrate can be easily peeled off by using a selective etching method.

発光素子に必要なAlGaInP系材料からなる発光層は一般にはGaAs基板上にMOVPE法(有機金属気相成長法:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)で形成するが、その総膜厚はせいぜい10μm前後である。AlGaInP系とGaAs系は格子整合系ながら、選択エッチング法の利用が可能であり、そのため、選択エッチングに要する層を適切にGaAs基板とAlGaInP層との間に挿入することでGaAs基板を除去することができる。   A light emitting layer made of an AlGaInP-based material necessary for a light emitting element is generally formed on a GaAs substrate by a MOVPE method (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), but the total film thickness is about 10 μm at most. . Although AlGaInP and GaAs are lattice-matched, selective etching can be used. For this reason, the GaAs substrate can be removed by appropriately inserting a layer required for selective etching between the GaAs substrate and the AlGaInP layer. Can do.

ただし、発光層を作るために必要なAlGaInP系材料の総膜厚はせいぜい10μm程度であり、AlGaInP層のみでGaAs基板を除去すると残存ウエハの膜厚は10μm前後になってしまう。10μm前後の膜厚のウエハは実験的にはハンドリングは可能だが、割れやすく、工業的な工程を通すために必要な機械的強度を有しない。
そこで、GaAs基板除去前に機械的強度を保つための強度保持板(あるいはウエハ)を、AlGaInP成長面側に貼り付けてから除去する方法も考えられる。この場合、除去されたGaAs基板面側にGaP基板を貼り付けるわけだが、GaP基板を貼り付けた後、強度保持板(あるいはウエハ)は剥離(除去)しなければならず、剥離に伴って洗浄が必要であったり、汚染などの懸念もあり、工業的にはコストが上がるばかりであまりメリットがない。
However, the total film thickness of the AlGaInP-based material necessary for forming the light emitting layer is at most about 10 μm, and if the GaAs substrate is removed only by the AlGaInP layer, the film thickness of the remaining wafer becomes about 10 μm. Although a wafer having a film thickness of about 10 μm can be handled experimentally, it is easily broken and does not have the mechanical strength necessary for passing through an industrial process.
Therefore, a method of removing the strength holding plate (or wafer) for maintaining the mechanical strength before removing the GaAs substrate after being attached to the AlGaInP growth surface side is also conceivable. In this case, the GaP substrate is attached to the removed GaAs substrate surface side. However, after the GaP substrate is attached, the strength holding plate (or wafer) must be peeled (removed), and the cleaning is performed along with the peeling. There are also concerns about contamination and contamination, and industrial costs are high and there is not much merit.

従って、省コストで工業的な工程を通すためには、GaAs基板除去前に、厚膜GaP層を結晶成長することでウエハに機械的強度を持たせる方法を選択する方が、GaP層部で光取り出し層(窓層)と強度保持板を兼ねることができるため合理的である。
GaP厚膜層を結晶成長で形成する際、工業的工程を通すために十分な機械的強度を持たせるために必要な厚さは20μm以上である。ここで、20μm以上の膜厚のGaP層を結晶成長するためには数〜十数時間が必要である。GaP層は厚膜になるほどGaP側面からの光取り出し増大効果が望めるため、外部量子効率が増すことになる。
Therefore, in order to pass an industrial process at low cost, it is better to select a method of giving a wafer mechanical strength by crystal growth of a thick GaP layer before removing the GaAs substrate. It is rational because it can serve as a light extraction layer (window layer) and a strength holding plate.
When the GaP thick film layer is formed by crystal growth, the thickness necessary for giving sufficient mechanical strength to pass an industrial process is 20 μm or more. Here, several to several tens of hours are required for crystal growth of a GaP layer having a thickness of 20 μm or more. As the GaP layer becomes thicker, the effect of increasing the light extraction from the GaP side surface can be expected, so that the external quantum efficiency increases.

従って、高輝度な発光素子を作製するために、成長時間が長くはなっても短くなる事はない。しかしながらGaP層の成長に要する温度は、一般にAlGaInP層を成長するために必要な温度より同等以上の高温が必要であり、AlGaInP発光層部はMOVPE成長時の温度、若しくはそれより高い温度に長時間さらされることになる。   Therefore, in order to manufacture a light-emitting element with high luminance, the growth time does not become short even if it becomes long. However, the temperature required for the growth of the GaP layer generally needs to be equal to or higher than the temperature required for growing the AlGaInP layer, and the AlGaInP light-emitting layer portion is kept at the temperature at the time of MOVPE growth or higher for a long time. Will be exposed.

ところで、通常発光素子に用いられるウエハでは、発光層の窓層に接する部分には、キャリアを閉じ込めるための導電型がp型とn型のp型クラッド層とn型クラッド層と呼ばれる層が設けられており、更にp型クラッド層とn型クラッド層の間には活性層と呼ばれる層がある。またp型クラッド層にはp型の窓層が、n型クラッド層にはn型の窓層が接している。そしてこのp型クラッド層にはMgやZnなどのp型不純物がドーピングされており、加熱されることによって、熱力学に従って拡散し、活性層中にも拡散することが知られている。活性層中に拡散したp型不純物は欠陥を形成しやすいため、通電などによる素子寿命試験時に欠陥を形成し、その結果、キャリア注入効率の低下、光吸収の増大等を引き起こし、寿命試験時に光出力の低下現象を引き起こす。   By the way, in a wafer normally used for a light-emitting element, a layer called a p-type clad layer and an n-type clad layer having conductivity types for confining carriers are provided in a portion of the light-emitting layer in contact with the window layer. Furthermore, there is a layer called an active layer between the p-type cladding layer and the n-type cladding layer. The p-type cladding layer is in contact with the p-type window layer, and the n-type cladding layer is in contact with the n-type window layer. It is known that this p-type cladding layer is doped with p-type impurities such as Mg and Zn, and when heated, it diffuses according to thermodynamics and also diffuses into the active layer. Since p-type impurities diffused in the active layer tend to form defects, they form defects during device lifetime testing due to energization, etc., resulting in decreased carrier injection efficiency and increased light absorption. It causes a decrease in output.

p型不純物の拡散は、(AlGa1−xIn1−yP中のAl組成xに大きく依存するため、Al組成xが少なければ不純物の拡散が早く、不純物が滞留しにくい。
例えば、活性層はAl組成xが少ないため、活性層中の不純物拡散速度は、Al組成xの高いクラッド層より相対的に早く、不純物が滞在しにくい。不純物濃度は隣接する層の不純物濃度によって変わるが、活性層に隣接する層にはキャリア閉じ込めのためのクラッド層が必要であり、一般にクラッド層はドーピングされている。
The diffusion of the p-type impurity greatly depends on the Al composition x in (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P. Therefore, if the Al composition x is small, the diffusion of the impurity is fast and the impurities are less likely to stay.
For example, since the active layer has a small Al composition x, the impurity diffusion rate in the active layer is relatively faster than that of the clad layer having a high Al composition x, and impurities hardly stay. Although the impurity concentration varies depending on the impurity concentration of the adjacent layer, the layer adjacent to the active layer requires a cladding layer for carrier confinement, and the cladding layer is generally doped.

このクラッド層は、活性層よりワイドバンドギャップである必要があるため、Al組成xが大きく、不純物拡散は活性層より遅い。また、活性層への注入効率を落とさないため、クラッド層はある程度以上の濃度の不純物を保持していなければならず、クラッド層に存在する不純物は活性層中へ拡散する。この不純物の拡散があっても、活性層の厚さがある程度以上の厚さを有していれば、不純物拡散による影響が起こる不純物濃度以下に活性層を設計することができる。   Since this cladding layer needs to have a wider band gap than the active layer, the Al composition x is large and the impurity diffusion is slower than that of the active layer. Further, in order not to reduce the injection efficiency into the active layer, the clad layer must hold an impurity with a concentration of a certain level or more, and the impurities present in the clad layer diffuse into the active layer. Even if this impurity is diffused, it is possible to design the active layer below the impurity concentration at which the influence of the impurity diffusion occurs if the thickness of the active layer is a certain level or more.

例えば、活性層中への不純物拡散による欠陥形成が起こる部位が50nm程度で、発光再結合に必要な有効活性層膜厚が500nm程度である場合は、550nm程度の均一で一様組成の活性層を設けておけば、不純物の拡散があっても活性層における発光再結合は維持される。ただし、本例における50nmの不純物拡散汚染層は非発光再結合が他の活性層より大きい層でもあり、発光効率が低下する要因になる。便宜上、この型の活性層をバルク型活性層と呼ぶ。   For example, when the site where defects are formed due to impurity diffusion in the active layer is about 50 nm and the effective active layer thickness required for light emission recombination is about 500 nm, the active layer has a uniform and uniform composition of about 550 nm. Is provided, the luminescence recombination in the active layer is maintained even if impurities are diffused. However, the impurity diffused contamination layer of 50 nm in this example is also a layer in which non-radiative recombination is larger than other active layers, which causes a decrease in luminous efficiency. For convenience, this type of active layer is referred to as a bulk active layer.

このようなバルク型活性層は不純物拡散の影響を抑止する点では利点がある活性層だが、これではp型とn型のクラッド層に挟まれたキャリア閉じ込め効果しか期待できない上、不純物で汚染された部位は非発光再結合層の機能を有するため、発光効率を上げにくい。そしてこのようなバルク型活性層では60%程度の内部量子効率しかなく、さらに内部量子効率を高める必要がある。   Such a bulk-type active layer is an active layer that has an advantage in suppressing the influence of impurity diffusion. However, in this case, only a carrier confinement effect sandwiched between p-type and n-type clad layers can be expected, and it is contaminated with impurities. Since the portion has a function of a non-light emitting recombination layer, it is difficult to increase the light emission efficiency. Such a bulk type active layer has only an internal quantum efficiency of about 60%, and it is necessary to further increase the internal quantum efficiency.

内部量子効率を高める方法として、例えば特許文献2などに示されているように多重量子井戸(MQW)構造を用いる方法がある。
このようにMQW構造をとることにより、量子井戸への閉じ込め効果によって発光効率を高めることができる。しかしながら、MQWの各層の厚さは数〜十数nmと半導体内の電子のド・ブロイ波長程度であるため、バルク型の活性層の場合と比べると大幅に各層の厚さは薄く、前述したように活性層に与える不純物拡散の影響が大きくなる。MQWにおける活性層の総厚をバルク型程度に増やせば解決できる可能性もあるが、大幅に層数を増やす必要があり、活性層の自己吸収で内部量子効率は低下する。
As a method for increasing the internal quantum efficiency, there is a method using a multiple quantum well (MQW) structure as disclosed in Patent Document 2, for example.
By adopting the MQW structure in this way, the light emission efficiency can be increased by the confinement effect in the quantum well. However, since the thickness of each layer of MQW is several to several tens of nanometers, which is about the de Broglie wavelength of electrons in the semiconductor, the thickness of each layer is significantly thinner than that of the bulk type active layer. Thus, the influence of impurity diffusion on the active layer is increased. Although there is a possibility that the problem can be solved by increasing the total thickness of the active layer in MQW to the bulk type, the number of layers needs to be greatly increased, and the internal quantum efficiency is lowered due to self absorption of the active layer.

また、活性層中への不純物拡散は完全にゼロにはできない。例えば厚さ50μm以上のGaPを積層する方法を選択した場合、0.5〜1×1018atoms/cm程度のドーパントが活性層中に残留することになり、そしてこの条件下でMQW型の多重活性層を作製すると発光効率が低下する。 Also, impurity diffusion into the active layer cannot be made completely zero. For example, when a method of laminating GaP with a thickness of 50 μm or more is selected, a dopant of about 0.5 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 remains in the active layer, and under this condition, MQW type When a multi-active layer is produced, the light emission efficiency decreases.

Applied Physics Letters Vo.74 No.15 pp.2230−2232Applied Physics Letters Vo. 74 No. 15 pp. 2230-2232 特開2006−32837号公報JP 2006-32837 A 特開2003−46200号公報JP 2003-46200 A

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、4元発光層を有する発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、MQW型発光素子の持つ高い発光効率(特に内部量子効率)を保持した発光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in a light emitting device having a quaternary light emitting layer, while maintaining the advantages of the long life and low resistance of a conventional bulk type active layer, An object of the present invention is to provide a light-emitting element having high light emission efficiency (particularly internal quantum efficiency).

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、p型クラッド層と活性層と障壁層とn型クラッド層とを有する(AlGa1−xIn1−yP(0<x<1,0.4<y<0.6)からなる発光層を有する化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、前記障壁層は前記活性層よりAl組成が高く、また前記p型クラッド層及び前記n型クラッド層に接しておらず、前記活性層は、厚さが15〜50nm、層の数が少なくとも8層以上、且つその厚さの合計が500nm以下であり、前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであることを特徴とする発光素子を提供する。 In order to solve the above problems, in the present invention, at least a p-type cladding layer, an active layer, a barrier layer, and an n-type cladding layer are included (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (0 <x < 1. A light emitting device manufactured using a compound semiconductor substrate having a light emitting layer composed of 1,0.4 <y <0.6), wherein the barrier layer has a higher Al composition than the active layer, and the p-type The active layer is not in contact with the clad layer and the n-type clad layer, the active layer has a thickness of 15 to 50 nm, the number of layers is at least 8 or more, and the total thickness is 500 nm or less, the barrier layer is that provides a light emitting device which is characterized in that which has been alternately stacked.

このように、障壁層のAl組成を活性層より高くし、またp型クラッド層とn型クラッド層に接しないようにする。そして活性層を、厚さが15〜50nm、層の数が少なくとも8層以上、且つその厚さの合計が500nm以下とする。更に、活性層と障壁層を交互に積層させたものとする。
活性層の厚さを15nm以上とすることで、p型クラッド層から拡散してきて障壁層に滞留するp型不純物によって活性層に発生する欠陥の影響をほぼ無くすことができるため、素子寿命試験時に光出力が低下することもなく、従来のバルク型と同等の寿命特性が得られるとともに、多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を損なうことを抑制することができる。そして、厚さを50nm以下とすることで、Vfが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合の発生を防止することができる。
また、活性層の数を少なくとも8層以上とすることで、活性層領域の不足による発光出力の低下を防ぐことができ、MQW型発光素子と同等の高い発光効率が得られる発光素子とすることができる。
更に、活性層の厚さの合計を500nm以下とすることによって、光吸収による出力低下が起こることを防止することができ、Vfが上昇することも抑制することができる。
Thus, the Al composition of the barrier layer is set higher than that of the active layer, and is not in contact with the p-type cladding layer and the n-type cladding layer. The active layer has a thickness of 15 to 50 nm, the number of layers is at least 8 or more, and the total thickness is 500 nm or less. Furthermore, it is assumed that active layers and barrier layers are alternately stacked.
By setting the thickness of the active layer to 15 nm or more, the influence of defects generated in the active layer due to the p-type impurities diffusing from the p-type cladding layer and staying in the barrier layer can be almost eliminated. It is possible to obtain life characteristics equivalent to those of the conventional bulk type without decreasing the optical output, and to suppress the loss of the carrier confinement effect due to the multiple structure. And by making thickness 50 nm or less, generation | occurrence | production of the malfunction which Vf increases and power consumption becomes large can be prevented.
In addition, by making the number of active layers at least eight or more, it is possible to prevent a decrease in light emission output due to a lack of active layer regions, and to obtain a light emitting element that can obtain high light emission efficiency equivalent to an MQW type light emitting element. Can do.
Furthermore, by setting the total thickness of the active layers to 500 nm or less, it is possible to prevent a decrease in output due to light absorption, and to suppress an increase in Vf.

ここで、前記活性層及び前記障壁層のp型不純物の濃度の平均値が、5×1017atoms/cm以下であることが好ましい。
このように、活性層と障壁層のp型不純物の濃度の平均が5×1017atoms/cm以下であれば、障壁層に滞留するp型不純物による欠陥の発生を抑制することができ、より発光効率を高めることができる。
Here, the average value of the concentration of p-type impurities of the active layer and the barrier layer is, 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less it is not preferable.
Thus, if the average concentration of p-type impurities in the active layer and the barrier layer is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, generation of defects due to p-type impurities staying in the barrier layer can be suppressed, Luminous efficiency can be further increased.

また、前記活性層及び前記障壁層のp型不純物が、Mg、Zn、Cのうちの少なくとも1種類であることが好ましい。
このように、p型不純物がMg、Zn、Cのうちの少なくとも1種類であれば、更にp型不純物の拡散による欠陥の発生を抑制することができ、従って更に発光効率を高めることができる。
Further, p-type impurities of the active layer and the barrier layer, Mg, Zn, it is not preferable is at least one of C.
Thus, if the p-type impurity is at least one of Mg, Zn, and C, it is possible to further suppress the generation of defects due to the diffusion of the p-type impurity, and thus further increase the light emission efficiency.

そして、前記障壁層は、厚さが15〜50nmであることが好ましい。
このように、障壁層の厚さも15nm以上とすることで、p型クラッド層から拡散して障壁層に滞留するMg等のp型不純物の拡散によって発生する活性層中の欠陥の影響をより確実に抑制することができる。よって、従来のバルク型と同等の寿命特性をより確実に得ることができるとともに、多重構造によるキャリアの閉じ込め効果を損なう危険性を確実に避けることができる。そして、50nm以下とすることで、Vfが増加し消費電力が大きくなってしまう不具合をよりしっかりと防止することができる。
Then, the barrier layer is not preferable thickness is 15 to 50 nm.
Thus, by setting the thickness of the barrier layer to 15 nm or more, the influence of defects in the active layer caused by the diffusion of p-type impurities such as Mg that diffuse from the p-type cladding layer and stay in the barrier layer is more sure. Can be suppressed. Accordingly, it is possible to more reliably obtain the life characteristics equivalent to those of the conventional bulk type, and it is possible to reliably avoid the risk of impairing the carrier confinement effect due to the multiple structure. And by setting it as 50 nm or less, the malfunction which Vf increases and power consumption becomes large can be prevented more firmly.

更に、前記障壁層は、前記n型クラッド層に近い側の障壁層が前記p型クラッド層に近い側の障壁層に比べてAl組成が同じか高いものであることが好ましい。
このように、障壁層のうち、n型クラッド層に近い側の障壁層のAl組成をp型クラッド層に近い側の障壁層のAl組成よりも高くすること、即ちp型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップをn型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップより小さくすることで、n型キャリアをp型クラッド層近傍まで拡散できるようにすることができる。
また、p型キャリアはn型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がn型キャリアより低かったが、上述のように障壁を下げることで、p型クラッド層側での障壁のホッピング確率を増加させることができ、活性層中での滞在確率を増加させることができる。そしてその結果、バンドギャップが均一の障壁層を有する場合に比べ、活性層中にn型、p型両者のキャリアを均一に分布させることができる。これらの効果によって、直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができる。
Furthermore, the barrier layer, the it is not preferable barrier layer on the side closer to the n-type cladding layer is Al composition than the barrier layer closer to the p-type cladding layer are those same or higher.
Thus, among the barrier layers, the Al composition of the barrier layer closer to the n-type cladding layer is made higher than the Al composition of the barrier layer closer to the p-type cladding layer, that is, the side closer to the p-type cladding layer. By making the band gap of the barrier layer smaller than that of the barrier layer closer to the n-type cladding layer, the n-type carriers can be diffused to the vicinity of the p-type cladding layer.
Further, since the effective mass of p-type carriers is heavier than that of n-type carriers, the carrier hopping probability in the barrier layer is lower than that of n-type carriers. However, by reducing the barrier as described above, the barrier layer on the p-type cladding layer side is reduced. The hopping probability can be increased and the stay probability in the active layer can be increased. As a result, both n-type and p-type carriers can be uniformly distributed in the active layer as compared with the case where the barrier layer has a uniform band gap. With these effects, the internal quantum efficiency can be improved simultaneously with the reduction of the series resistance.

以上説明したように、本発明によれば、4元発光層を有する発光素子において、従来のバルク型活性層の長寿命、低抵抗という利点を維持しつつ、MQW型発光素子の持つ高い発光効率(特に内部量子効率)を保持した発光素子が提供される。   As described above, according to the present invention, in the light emitting device having the quaternary light emitting layer, the MQW light emitting device has high luminous efficiency while maintaining the advantages of the long life and low resistance of the conventional bulk type active layer. A light-emitting element that retains (in particular, internal quantum efficiency) is provided.

以下、本発明についてより具体的に説明する。
本発明者は、前述の課題を解決するための手段について鋭意検討を重ねた結果、p型クラッド層とn型クラッド層に挟まれた活性層領域を従来のMQWに比べて厚くし、また活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きい障壁層を交互に形成する構造とし、また活性層の厚さや層の数、そのトータルの厚さを限定することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As a result of intensive investigations on the means for solving the above-mentioned problems, the present inventor has made the active layer region sandwiched between the p-type cladding layer and the n-type cladding layer thicker than the conventional MQW, and is active. It is found that the above problem can be solved by limiting the thickness of the active layer, the number of layers, and the total thickness of the layers and the barrier layer having a larger band gap than the active layer. Completed the invention.

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1(a)は本発明の発光素子の概略、図1(b)はその発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略、図1(c)はその化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの一例を示した図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
1A is an outline of a light emitting device of the present invention, FIG. 1B is an outline of a compound semiconductor substrate used in the light emitting device, and FIG. 1C is an example of a band gap of a light emitting layer of the compound semiconductor substrate. FIG.

図1(a)に示したように、本発明の発光素子10は、少なくとも、化合物半導体基板100と、その表面上に形成された電極11からなるものである。   As shown in FIG. 1A, the light emitting element 10 of the present invention comprises at least a compound semiconductor substrate 100 and an electrode 11 formed on the surface thereof.

そして図1(b)に示すように、この半導体基板100は、例えば、少なくとも、第一層として、厚さが30〜150μm、ドーピング濃度が5.0×1017〜5.0×1018atoms/cmのn型GaP層101、第二層として、厚さが5〜50nm、ドーピング濃度が1.0×1018〜1.0×1019atoms/cmのn型InGa1−XP(0.5<x<0.9)緩衝層102、第三層として、厚さが0.1〜1.5μm、ドーピング濃度が1.0×1017〜1.0×1018atoms/cm(ドーパントはSiまたはSe)のn型(AlGa1−xIn1−yP(0.5≦x≦0.7,0.45≦y≦0.55)拡散抑止層103、第五層として、厚さが0.1〜1.5μm、ドーピング濃度が1.0×1017〜1.0×1018atoms/cm(ドーパントはMgまたはZn)のp型(AlGa1−xIn1−yP(0.5≦x≦0.7,0.45≦y≦0.55)拡散抑止層109、第六層として、厚さが5〜50nm、ドーピング濃度が1.0×1018〜1.0×1019atoms/cmのp型InGa1−XP(0.5<x<0.9)緩衝層110、第七層として、厚さ5〜200μmのp型GaP窓層111、第三層と第五層の間の第四層として発光層107からなるものである。 As shown in FIG. 1B, this semiconductor substrate 100 has, for example, at least a first layer having a thickness of 30 to 150 μm and a doping concentration of 5.0 × 10 17 to 5.0 × 10 18 atoms. / cm 3 of n-type GaP layer 101, a second layer, a thickness of 5 to 50 nm, the doping concentration of 1.0 × 10 18 ~1.0 × 10 19 atoms / cm 3 n -type an in X Ga 1- X P (0.5 <x <0.9 ) buffer layer 102, a third layer, thickness of 0.1 to 1.5 [mu] m, a doping concentration of 1.0 × 10 17 ~1.0 × 10 18 atoms / Cm 3 (dopant is Si or Se) n-type (Al x Ga 1-x ) y In1- y P (0.5 ≦ x ≦ 0.7, 0.45 ≦ y ≦ 0.55) diffusion suppression layer 103, the fifth layer has a thickness of 0.1 to 1.5 μm, doping Degrees is 1.0 × 10 17 ~1.0 × 10 18 atoms / cm 3 ( dopant Mg or Zn) p-type (Al x Ga 1-x) of the y In 1-y P (0.5 ≦ x ≦ 0.7, 0.45 ≦ y ≦ 0.55) The diffusion suppression layer 109 and the sixth layer have a thickness of 5 to 50 nm and a doping concentration of 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 19 atoms / cm. 3 p-type In X Ga 1- XP (0.5 <x <0.9) buffer layer 110, as a seventh layer, p-type GaP window layer 111 having a thickness of 5 to 200 μm, third layer and fifth layer The light emitting layer 107 is used as a fourth layer between the layers.

そしてこの発光層107は、厚さ0.5〜1.5μm、ドーピング濃度が1.0×1017〜1.0×1018個/cm(ドーパントはSiまたはSe)の(AlGa1−xIn1−yP(0.6≦x≦1.0,0.45≦y≦0.55)からなるn型クラッド層104、厚さ0.5〜1.5μm、ドーピング濃度が1.0×1017〜1.0×1018個/cm(ドーパントはMgまたはZn)の(AlGa1−xIn1−yP(0.6≦x≦1.0,0.45≦y≦0.55)からなるp型クラッド層108、第三層及び第五層のいずれの層よりもAl組成が少なく、またその数が少なくとも8層以上で厚さが15〜50nmである(AlGa1−xIn1−yP(0.0≦x≦0.4,0.45≦y≦0.55)からなる活性層105、活性層105と活性層105の間にあり、また少なくとも7層以上の(AlGa1−xIn1−yP(0.3≦x≦0.7,0.45≦y≦0.55)からなる障壁層106とからなるものである。 The light emitting layer 107 has a thickness of 0.5 to 1.5 μm and a doping concentration of 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 (dopant is Si or Se) (Al x Ga 1 -x) y In 1-y P (0.6 ≦ x ≦ 1.0,0.45 ≦ y ≦ 0.55) n -type cladding layer 104 made of, thickness of 0.5 to 1.5 [mu] m, a doping concentration Of 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 18 / cm 3 (dopant is Mg or Zn) (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (0.6 ≦ x ≦ 1.0) , 0.45 ≦ y ≦ 0.55), the Al composition is smaller than any one of the p-type cladding layer 108, the third layer, and the fifth layer, and the number thereof is at least 8 and the thickness is 15 (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (0.0 ≦ x ≦ 0.4, 0. 45 ≦ y ≦ 0.55), between the active layer 105 and the active layer 105, and at least seven (Al x Ga 1 -x ) y In 1-y P (0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.45 ≦ y ≦ 0.55).

またこの障壁層106は、図1(c)に示すように、活性層105よりバンドギャップが大きいものであり、かつ活性層105と障壁層106は交互に積層されたものとなっている。
また障壁層106は、n型クラッド層104及びp型クラッド層108よりバンドギャップが同じか小さいものとすることが望ましい。
また、活性層105の厚さの合計は500nm以下とする。
Further, as shown in FIG. 1C, the barrier layer 106 has a larger band gap than the active layer 105, and the active layer 105 and the barrier layer 106 are alternately stacked.
The barrier layer 106 preferably has the same or smaller band gap than the n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 108.
The total thickness of the active layer 105 is 500 nm or less.

ここで、本発明のように、障壁層106がn型クラッド層104及びp型クラッド層108にともに接しておらず、また活性層105と障壁層106が交互に積層され、かつ活性層105の数が少なくとも8層以上となるには、障壁層106は少なくとも7層以上必要となる。   Here, as in the present invention, the barrier layer 106 is not in contact with the n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 108, and the active layer 105 and the barrier layer 106 are alternately stacked. In order for the number to be at least 8 layers, at least 7 barrier layers 106 are required.

また、それぞれの活性層の厚さを15nm以上とすることによって、p型クラッド層から拡散してきたp型不純物がAl組成の高い障壁層に滞留することによって発生する欠陥が活性層へ与える影響を従来に比べて格段に小さなものとすることができる。これによって、発光出力の低下と発光寿命の劣化を抑制することができ、バルク型と同等の寿命特性の発光素子とすることができる。また、それぞれの活性層の厚さを50nm以下とすることによって、順方向電圧Vfの増加を防止でき、消費電力の増加を防止することができる。   In addition, by setting the thickness of each active layer to 15 nm or more, the effect that the defects generated when the p-type impurity diffused from the p-type cladding layer stays in the barrier layer having a high Al composition has an effect on the active layer. It can be made much smaller than before. Accordingly, a decrease in light emission output and deterioration in light emission life can be suppressed, and a light emitting element having life characteristics equivalent to that of a bulk type can be obtained. Further, by setting the thickness of each active layer to 50 nm or less, it is possible to prevent an increase in the forward voltage Vf and to prevent an increase in power consumption.

また、活性層を少なくとも8層以上とすることによって、活性層の厚さ不足による発光出力の低下を防ぐことができ、従来のMQW型発光素子と同等の高い発光効率を得ることができる。
また、活性層の厚さの合計は500nm以下とすることで、光吸収による出力低下が起こることもなく、Vfが上昇するという不具合が発生することも抑制することができる。
In addition, by making the active layer at least eight layers or more, it is possible to prevent a decrease in light emission output due to insufficient thickness of the active layer, and to obtain a high luminous efficiency equivalent to that of a conventional MQW light emitting element.
In addition, by setting the total thickness of the active layers to 500 nm or less, it is possible to suppress the occurrence of a problem that Vf increases without causing a decrease in output due to light absorption.

ここで、活性層105及び障壁層106中のp型不純物濃度の平均値を5×1017atoms/cm以下とすることができる。
これによって、活性層や主に障壁層に滞留するp型不純物量を少ないものとすることができ、よって活性層や障壁層に欠陥が発生することを抑制することができる。よって発光効率をより高いものとすることができる。
Here, the average value of the p-type impurity concentration in the active layer 105 and the barrier layer 106 can be set to 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
As a result, the amount of p-type impurities staying in the active layer or mainly in the barrier layer can be reduced, and hence the occurrence of defects in the active layer or barrier layer can be suppressed. Therefore, the luminous efficiency can be made higher.

また、活性層105及び障壁層106に存在するp型不純物が、Mg、Zn、Cのうちの少なくとも1種類であるものとすることができる。
活性層105及び障壁層106に存在するp型不純物、すなわちp型クラッド層108から拡散してきたp型不純物がMg、Zn、Cのうちの少なくとも1種類であれば、より活性層や障壁層に欠陥が発生することを抑制することができる。そして発光効率をより高いものとすることができる。
In addition, the p-type impurity present in the active layer 105 and the barrier layer 106 may be at least one of Mg, Zn, and C.
If the p-type impurity existing in the active layer 105 and the barrier layer 106, that is, the p-type impurity diffused from the p-type cladding layer 108 is at least one of Mg, Zn, and C, the active layer and the barrier layer are more It is possible to suppress the occurrence of defects. And luminous efficiency can be made higher.

そして、活性層105の厚さを15〜50nmとするのみならず、障壁層106の厚さも15〜50nmとすることができる。
障壁層もその厚さを15nm以上とすることによって、p型クラッド層から拡散してきたp型不純物が障壁層に滞留することによって発生する欠陥が活性層へ与える影響を従来に比べて更に小さくでき、発光出力の低下を抑制することができる。また発光寿命の劣化も抑制することができる。また50nm以下とすることによって、順方向電圧Vfの増加を防止でき、消費電力の増加をより確実に防止することができる。
In addition, the thickness of the active layer 105 can be set to 15 to 50 nm, and the thickness of the barrier layer 106 can be set to 15 to 50 nm.
By setting the thickness of the barrier layer to 15 nm or more, it is possible to further reduce the influence of defects generated by the p-type impurities diffused from the p-type cladding layer on the active layer on the active layer. Therefore, it is possible to suppress a decrease in light emission output. In addition, the deterioration of the light emission life can be suppressed. Moreover, by setting it as 50 nm or less, the increase of the forward voltage Vf can be prevented, and the increase in power consumption can be prevented more reliably.

ここで、本発明の第二の形態として、図2に示すように、障壁層206のAl組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層206のバンドギャップが、n型クラッド層204に近い側からp型クラッド層208に近づくにつれて徐々に減少していく構造とすることができる。
尚、以下図3〜5においても同様だが、図2においては、判りやすくするために活性層数を8層で記載してあるが、実際はこれより多くしてもよく活性層は少なくとも8層以上、障壁層は7以上であればよい。
Here, as a second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, a light emitting device having basically the same structure as that of the first embodiment except for the Al composition of the barrier layer 206, that is, the band gap, is used. it can.
The band gap of the barrier layer 206 can be gradually reduced from the side closer to the n-type cladding layer 204 toward the p-type cladding layer 208.
Although the same applies to FIGS. 3 to 5 below, in FIG. 2, the number of active layers is shown as eight for easy understanding, but in actuality, the number of active layers may be increased to at least eight or more. The barrier layer may be 7 or more.

そして、本発明の第三の形態として、図3(a)、(b)、(c)に示すように、障壁層306a、306b、306cのAl組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層306a、306b、306cのバンドギャップが、p型クラッド層308a、308b、308cに近い側の障壁層は厚さ方向にAl組成が変化しており、中央部が最大で両側が小さな構造とすることができる。また、p型クラッド層308a、308b、308c側の障壁層のAl組成が、n型クラッド層304a、304b、304c側の障壁層のAl組成より大きくなることはないものとすることが望ましい。
As a third embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, basically, except for the Al composition of the barrier layers 306a, 306b, and 306c, that is, the band gap. A light emitting element having the same structure as that of the first embodiment can be obtained.
The barrier layer 306a, 306b, 306c has a band gap that is close to the p-type cladding layers 308a, 308b, 308c, the Al composition changing in the thickness direction, and having a maximum at the center and a small structure on both sides. It can be. Also, it is desirable that the Al composition of the barrier layer on the p-type cladding layers 308a, 308b, and 308c does not become larger than the Al composition of the barrier layer on the n-type cladding layers 304a, 304b, and 304c.

更に、本発明の第四の形態として、図4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)に示すように、障壁層406a、406b、406c、406d、406e、406fのAl組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができる。
そして障壁層406a、406b、406c、406d、406e、406fのバンドギャップが、p型クラッド層408a、408b、408c、408d、408e、408fに近い側の障壁層は厚さ方向にAl組成が変化しており、n型クラッド層404a、404b、404c、404d、404e、404f側またはp型クラッド層408a、408b、408c、408d、408e、408f側が最大で反対側に向かって減少する構造とすることができる。また、第三の形態と同様に、p型クラッド層側の障壁層のAl組成がn型クラッド層側の障壁層のAl組成より大きくなることはないものとすることが望ましい。
Further, as a fourth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 4 (a), (b), (c), (d), (e), (f), barrier layers 406a, 406b, 406c, 406d , 406e, 406f except for the Al composition, that is, the band gap, can be basically used as the light emitting device having the same structure as the first embodiment.
The barrier layer 406a, 406b, 406c, 406d, 406e, 406f has a band gap closer to the p-type cladding layer 408a, 408b, 408c, 408d, 408e, 408f, and the Al composition changes in the thickness direction. The n-type cladding layers 404a, 404b, 404c, 404d, 404e, and 404f side or the p-type cladding layers 408a, 408b, 408c, 408d, 408e, and 408f side are configured to decrease toward the opposite side at the maximum. it can. As in the third embodiment, it is desirable that the Al composition of the barrier layer on the p-type cladding layer side does not become larger than the Al composition of the barrier layer on the n-type cladding layer side.

また、本発明の第五の形態として、図5に示すように、障壁層506のAl組成、即ちバンドギャップを除いて基本的には第一の形態と同じ構造の発光素子とすることができるが、障壁層506のバンドギャップが、p型クラッド層508に近い側の障壁層のAl組成がn型クラッド層504側の障壁層のAl組成より少ない構造とすることができる。   Further, as a fifth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, a light emitting device having basically the same structure as that of the first embodiment can be obtained except for the Al composition of the barrier layer 506, that is, the band gap. However, the band gap of the barrier layer 506 can have a structure in which the Al composition of the barrier layer near the p-type cladding layer 508 is smaller than the Al composition of the barrier layer on the n-type cladding layer 504 side.

以上の4つの形態に例示されるように、n型クラッド層に近い側の障壁層のAl組成をp型クラッド層に近い側の障壁層よりも同じが高くする、言い換えればp型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップの平均をn型クラッド層に近い側の障壁層のバンドギャップの平均より同じか小さくすることができる。
これによって、n型キャリアをp型クラッド層近傍まで拡散させることができるようになる。また、p型キャリアはn型キャリアより有効質量が重いため、障壁層におけるキャリアホッピング確率がn型キャリアより低かったが、このように障壁を下げることによって、p型クラッド層側での障壁へのホッピング確率が増して活性層中での滞在確率が増し、結果としてバンドギャップが均一の障壁層を有する場合より、活性層中にn型、p型両者のキャリアが均一に分布させることができる。そして、更に直列抵抗の減少と同時に内部量子効率の向上を図ることができ、より高輝度且つ長寿命の発光素子とすることができる。
As exemplified in the above four forms, the Al composition of the barrier layer closer to the n-type cladding layer is made the same as that of the barrier layer closer to the p-type cladding layer, in other words, the p-type cladding layer. The average band gap of the near barrier layer can be equal to or smaller than the average band gap of the near barrier layer close to the n-type cladding layer.
As a result, n-type carriers can be diffused to the vicinity of the p-type cladding layer. In addition, since the effective mass of p-type carriers is heavier than that of n-type carriers, the carrier hopping probability in the barrier layer is lower than that of n-type carriers. By lowering the barrier in this way, the barrier to the barrier on the p-type cladding layer side is reduced. The probability of staying in the active layer is increased by increasing the hopping probability, and as a result, both n-type and p-type carriers can be distributed more uniformly in the active layer than when the barrier layer has a uniform band gap. Further, the internal quantum efficiency can be improved simultaneously with the reduction of the series resistance, and a light-emitting element with higher luminance and longer life can be obtained.

そしてこのような発光素子の製造方法について、以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。   A method for manufacturing such a light emitting element will be described below, but is not limited to this.

先ず、成長用単結晶基板として、n型のGaAs基板を準備し、洗浄した後にMOCVDのリアクターに入れる。
そして、先に導入したGaAs基板上に、n型InGaP緩衝層、更にn型AlGaInP層をエピタキシャル成長させる。
更に、n型AlGaInP層の表面上に、MOCVD法により、n型クラッド層をエピタキシャル成長させる。
First, an n-type GaAs substrate is prepared as a growth single crystal substrate, cleaned, and then placed in a MOCVD reactor.
Then, an n-type InGaP buffer layer and an n-type AlGaInP layer are epitaxially grown on the previously introduced GaAs substrate.
Further, an n-type cladding layer is epitaxially grown on the surface of the n-type AlGaInP layer by MOCVD.

次に、n型クラッド層の表面上に、活性層(厚さ15〜50nm)、障壁層(例えばその厚さを15〜50nmとすることができる)を、Alの組成比xを変更して、所望の構造となるように、適宜MOCVD法でエピタキシャル成長させ、その後p型クラッド層をエピタキシャル成長させて発光層を形成する。
ここで、障壁層のバンドギャップは活性層より大きくし、またn型クラッド層及びp型クラッド層より同じか小さくなるようにすることが望ましい。
また、活性層は少なくとも8層以上、障壁層は少なくとも7層以上とし、そして活性層のトータル厚さが500nm以下となるようにする。
そして、活性層と障壁層は交互に積層させ、更に障壁層と障壁層は、互いに隣接させず、更にn型クラッド層、p型クラッド層にも接しない構造とする。
Next, on the surface of the n-type cladding layer, an active layer (thickness 15 to 50 nm) and a barrier layer (for example, the thickness can be 15 to 50 nm) are changed by changing the Al composition ratio x. Then, the light emitting layer is formed by epitaxially growing by MOCVD as appropriate so as to obtain a desired structure, and then epitaxially growing the p-type cladding layer.
Here, it is desirable that the band gap of the barrier layer is larger than that of the active layer and is equal to or smaller than that of the n-type cladding layer and the p-type cladding layer.
The active layer is at least 8 layers, the barrier layer is at least 7 layers, and the total thickness of the active layer is 500 nm or less.
The active layer and the barrier layer are alternately stacked, and the barrier layer and the barrier layer are not adjacent to each other and are not in contact with the n-type cladding layer and the p-type cladding layer.

その後、p型AlGaInP層、p型InGaP緩衝層を、p型クラッド層の表面上にMOCVD法によりエピタキシャル成長させて、MOエピタキシャル基板を得る。
次に、p型GaP窓層を形成する。
この窓層の形成では、先に得たMOエピタキシャル基板をMOCVDのリアクターから取り出し、HVPE法のリアクター内に入れる。そして、Znをドープし、p型GaP窓層をエピタキシャル成長させる。
Thereafter, a p-type AlGaInP layer and a p-type InGaP buffer layer are epitaxially grown on the surface of the p-type cladding layer by MOCVD to obtain an MO epitaxial substrate.
Next, a p-type GaP window layer is formed.
In the formation of this window layer, the previously obtained MO epitaxial substrate is taken out of the MOCVD reactor and placed in the HVPE reactor. Then, Zn is doped to epitaxially grow the p-type GaP window layer.

次に、GaAs基板を除去する。これによりn型InGaP緩衝層を露出させる。
そして、GaAs基板を除去することで露出したn型InGaP緩衝層の表面に、n型GaP基板を貼り付けるか、またはHVPE法を用いエピタキシャル成長によりn型GaP層を形成することで、化合物半導体基板を得ることができる。
上記MOCVD法やHVPE法によって気相成長させる際には一般的な条件を用いればよい。
Next, the GaAs substrate is removed. This exposes the n-type InGaP buffer layer.
Then, the n-type GaP substrate is attached to the surface of the n-type InGaP buffer layer exposed by removing the GaAs substrate, or the n-type GaP layer is formed by epitaxial growth using the HVPE method. Can be obtained.
General conditions may be used for vapor phase growth by the MOCVD method or the HVPE method.

そしてこの得られた化合物半導体基板を切断し、チップに加工して、電極付け等を行うことで、発光素子が得られる。   Then, the obtained compound semiconductor substrate is cut, processed into a chip, and attached with an electrode to obtain a light emitting element.

以下、実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, although an example of an experiment is shown and the present invention is explained more concretely, of course, the present invention is not limited to these.

(実験例1)
上述の図1に示すような発光素子において、障壁層106を9層、厚さを15nm、活性層105を10層で固定し、厚さを12〜70nmまでの範囲で変えた場合の発光素子の出力上昇(従来のバルク型の出力を100%として)、寿命特性(従来のバルク型の寿命を100%として)、20mAの電流を流すのに必要な電圧(Vf)の結果をまとめたものを表1に示す。
尚、本実験例1〜3における従来のバルク型の発光素子とは、発光層がn型クラッド層とp型クラッド層および活性層からなる以外は、本発明の発光素子と同様の組成及び厚さのもののことである。
(Experimental example 1)
In the light emitting device as shown in FIG. 1, the light emitting device in which the barrier layer 106 is fixed to 9 layers, the thickness is 15 nm, the active layer 105 is fixed to 10 layers, and the thickness is changed in the range of 12 to 70 nm. Of the output rise (conventional bulk type output as 100%), life characteristics (conventional bulk type life as 100%), and the voltage (Vf) required to pass a current of 20 mA Is shown in Table 1.
The conventional bulk type light emitting device in Experimental Examples 1 to 3 has the same composition and thickness as the light emitting device of the present invention except that the light emitting layer is composed of an n-type cladding layer, a p-type cladding layer and an active layer. That's it.

Figure 0005309971
Figure 0005309971

表1に示すように、活性層の厚さが25nm±5nm付近で出力上昇が最も良い領域を有することが判った。そして活性層の厚さが25nmの発光素子のMg不純物のSIMS分析結果(Mg不純物濃度の深さ方向分布)を図6に示す。ここでMgの濃度は3つの同位体(24Mg,25Mg,26Mg)から得られた濃度をそれぞれ示している。この図から活性層領域の平均的不純物濃度は5×1017/cm未満に抑制されていることが判った。 As shown in Table 1, it was found that there was a region where the output increase was the best when the thickness of the active layer was around 25 nm ± 5 nm. FIG. 6 shows SIMS analysis results (Mg impurity concentration in the depth direction) of the Mg impurity of the light-emitting element having an active layer thickness of 25 nm. Wherein the Mg concentration is shown of three isotopes (24 Mg, 25 Mg, 26 Mg) the concentrations obtained from each. From this figure, it was found that the average impurity concentration in the active layer region was suppressed to less than 5 × 10 17 / cm 3 .

また、厚さが15nm未満となると、出力は急速に低下し始める。これは、このような量子構造を選択した場合、通常はミニバンドが活性層〜障壁層に渡って形成されるため、発光波長は短波長側にシフトする。しかし、厚膜GaP窓層を150μm以上厚く積む場合、活性層の厚さが12nm程度の発光素子は、活性層の厚さが15nm以上の発光素子に比べて発光波長は長波長側にシフトする。この事は量子効果によって形成されるサブバンドの効果ではなく、バルク結晶に似た特性が表れていることが示唆される。   Further, when the thickness is less than 15 nm, the output starts to decrease rapidly. This is because, when such a quantum structure is selected, a miniband is usually formed across the active layer to the barrier layer, so that the emission wavelength is shifted to the short wavelength side. However, when the thick GaP window layer is stacked with a thickness of 150 μm or more, the emission wavelength of the light emitting element having an active layer thickness of about 12 nm is shifted to the longer wavelength side than the light emitting element having an active layer thickness of 15 nm or more. . This suggests that the characteristics similar to the bulk crystal appear, not the effect of the subband formed by the quantum effect.

この場合においても、障壁層を含む活性層領域の平均的なp型不純物濃度は5×1017atoms/cm未満に抑制されているが、前述したようにAl組成が高い障壁層にはp型不純物であるMgが滞留しやすい。すなわち活性層でのMg濃度は低減しているものの、障壁層でのMg濃度が高いため、その結果、SIMS分析での活性層〜障壁層領域での平均的なMg組成が5×1016atoms/cm前後を示していると推定される。
通常、障壁層領域にはMgが活性層より多く滞留しているため、GaP窓層成長や接合時の熱処理の際の熱エネルギーにより障壁層から活性層へp型不純物が拡散し、欠陥を形成しやすい。しかしながら、障壁層中のp型不純物量は一定量を超えることがないため、発光を阻害する欠陥を形成する領域が活性層において一定の幅以上には広がらないと推定される。
Even in this case, the average p-type impurity concentration of the active layer region including the barrier layer is suppressed to less than 5 × 10 17 atoms / cm 3. However, as described above, the barrier layer having a high Al composition has a p-type impurity concentration of less than 5 × 10 17 atoms / cm 3. Mg, which is a type impurity, tends to stay. That is, although the Mg concentration in the active layer is reduced, the Mg concentration in the barrier layer is high. As a result, the average Mg composition in the active layer to the barrier layer region in SIMS analysis is 5 × 10 16 atoms. Is estimated to be around / cm 3 .
Normally, Mg stays in the barrier layer region more than the active layer, so that p-type impurities are diffused from the barrier layer to the active layer due to the thermal energy during the GaP window layer growth and heat treatment during bonding, forming defects. It's easy to do. However, since the amount of p-type impurities in the barrier layer does not exceed a certain amount, it is presumed that a region where defects that inhibit light emission are not spread beyond a certain width in the active layer.

本実験例1においては、活性層の厚さが15nm程度から発光強度が下がり始めることから、この障壁層からの不純物の影響を受ける活性層の厚さは、障壁層から5nm程度有していると推定される。従って、多重活性層型構造においては、高Al組成である障壁層から5nm以上の幅を持つ活性層を設けることが肝要であると言える。多重活性層型構造の場合は、活性層の両側に高Al組成の障壁層があるため、10nmを下回る事は発光素子の出力を上げるために有効な方法ではない。本発明においては、多重活性層を有する構造において活性層領域の不純物の影響で、活性層の厚さが15nm以上の場合において多重構造による閉じ込め効果が認められると考えられる。   In Experimental Example 1, since the emission intensity starts to decrease when the thickness of the active layer is about 15 nm, the thickness of the active layer affected by impurities from the barrier layer is about 5 nm from the barrier layer. It is estimated to be. Therefore, it can be said that it is important to provide an active layer having a width of 5 nm or more from the barrier layer having a high Al composition in the multiple active layer type structure. In the case of a multi-active layer type structure, since there are barrier layers having a high Al composition on both sides of the active layer, a thickness of less than 10 nm is not an effective method for increasing the output of the light emitting element. In the present invention, it is considered that the confinement effect due to the multiple structure is recognized when the thickness of the active layer is 15 nm or more due to the influence of the impurities in the active layer region in the structure having the multiple active layer.

そして、図7に、この実験例1の場合の多重活性層型構造において、表1と同様に活性層の厚さを変更させた場合の発光素子の発光層の内部量子効率の変化の計算値を示す。
このように、計算上は活性層の厚さを減じるにつれて一様に内部量子効率は増加するはずであるが、この結果は本実験例1とは一致しない。これは、活性層中に不純物が存在しない理想状態では図7のようになるが、本実験例1と一致しないことから、計算の前提(不純物による阻害がない状態)のような状態ではなく、障壁層の不純物による影響が活性層に現れているためと類推される。
また、50nmより厚い場合、Vfが大きいため、好ましい発光素子とはならない。
このように、活性層の厚さは15〜50nmの範囲とすることが重要であることが判った。
FIG. 7 shows the calculated value of the change in the internal quantum efficiency of the light emitting layer of the light emitting device when the thickness of the active layer is changed in the multiple active layer structure in the case of Experimental Example 1 as in Table 1. Indicates.
Thus, although the internal quantum efficiency should increase uniformly as the thickness of the active layer is reduced in calculation, this result does not agree with the experimental example 1. This is as shown in FIG. 7 in an ideal state where no impurities are present in the active layer, but is not in agreement with the present experimental example 1, and thus is not in the state as in the premise of the calculation (the state where there is no inhibition by impurities) It is presumed that the influence of impurities in the barrier layer appears in the active layer.
On the other hand, when it is thicker than 50 nm, Vf is large, so that it is not a preferable light emitting element.
Thus, it was found that it is important that the thickness of the active layer is in the range of 15 to 50 nm.

(実験例2)
同様に図1に示すような発光素子において、障壁層を15nm、活性層の厚さを40nmに固定し、活性層の数を4〜16の範囲で変化させたときの出力上昇(従来のバルク型の出力を100%として)、寿命特性(従来のバルク型の寿命を100%として)、20mAの電流を流すのに必要な電圧(Vf)の結果を表2に示す。
(Experimental example 2)
Similarly, in the light emitting device as shown in FIG. 1, the output increases when the barrier layer is fixed to 15 nm, the thickness of the active layer is fixed to 40 nm, and the number of active layers is changed in the range of 4 to 16 (conventional bulk). Table 2 shows the results of the life characteristics (assuming the life of the conventional bulk mold as 100%) and the voltage (Vf) necessary to flow a current of 20 mA, assuming that the mold output is 100%.

Figure 0005309971
Figure 0005309971

表2に示すように、出力上昇率は活性層数が8以上のときでは高い出力上昇率となったが、6以下の時には多重構造の効果が薄くなってくることが判った。このように、活性層数が少ない構造の場合は、活性層領域が不足して出力が低下することが推定される。   As shown in Table 2, it was found that the output increase rate was high when the number of active layers was 8 or more, but when the number of active layers was 6 or less, the effect of the multiple structure became thin. Thus, in the case of a structure with a small number of active layers, it is estimated that the active layer region is insufficient and the output decreases.

(実験例3)
同様に図1に示すような発光素子において、障壁層の厚さを15nm、活性層15nmに固定し、活性層の数を6〜46の範囲で変化させたときの出力上昇(従来のバルク型の出力を100%として)、寿命特性(従来のバルク型の寿命を100%として)、20mAの電流を流すのに必要な電圧(Vf)の結果を表3に示す。
(Experimental example 3)
Similarly, in the light emitting device as shown in FIG. 1, the output increases when the thickness of the barrier layer is fixed to 15 nm and the active layer is 15 nm, and the number of active layers is changed in the range of 6 to 46 (conventional bulk type). Table 3 shows the results of the life characteristics (assuming the lifetime of the conventional bulk type as 100%) and the voltage (Vf) necessary to flow a current of 20 mA.

Figure 0005309971
Figure 0005309971

表3に示すように、活性層数が8以上の場合に出力が従来に比べて高くなっているのが判った。
また、実験例2及び3から、活性層数の上限によらず、活性層のトータル厚さが500nmまでは高い出力が維持されていることが判った。
これらのことから、活性層数は少なくとも8層以上必要であり、また活性層の厚さの合計が500nm以下とすることも重要であることが判った。
As shown in Table 3, it was found that when the number of active layers was 8 or more, the output was higher than the conventional one.
Also, from Experimental Examples 2 and 3, it was found that a high output was maintained until the total thickness of the active layer was 500 nm regardless of the upper limit of the number of active layers.
From these facts, it was found that the number of active layers must be at least 8 or more, and it is also important that the total thickness of the active layers is 500 nm or less.

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
図1(c)に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層106(x=0.9)の厚さを15nm、活性層(x=0.1)の厚さ50nm、障壁層106の数を9層として発光素子を作製し、出力上昇(従来のバルク型の出力を100%として)、寿命特性(従来のバルク型の寿命を100%として)、20mAの電流を流すのに必要な電圧(Vf)の各特性を調べた。以下実施例2〜5における各特性も、これら3つのことを指す。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
Example 1
In the light emitting device having the band gap light emitting layer as shown in FIG. 1C, the barrier layer 106 (x = 0.9) has a thickness of 15 nm, the active layer (x = 0.1) has a thickness of 50 nm, and the barrier. A light-emitting element is manufactured with the number of layers 106 being nine, and an output increase (with a conventional bulk type output as 100%), life characteristics (with a conventional bulk type life as 100%), and a current of 20 mA flow. Each characteristic of the voltage (Vf) required for the above was investigated. Hereinafter, each characteristic in Examples 2 to 5 also indicates these three things.

(実施例2)
図2に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層206の厚さを15nm、活性層(x=0.1)の厚さ50nm、障壁層206の数を9層とし、障壁層のAl組成xをn型クラッド層側に近い6層についてはx=0.9とし、7層目をx=0.8、8層目をx=0.7、9層目をx=0.6と変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。
(Example 2)
In the light emitting element having a band gap light emitting layer as shown in FIG. 2, the barrier layer 206 has a thickness of 15 nm, the active layer (x = 0.1) has a thickness of 50 nm, the number of barrier layers 206 is nine, The Al composition x of the layers is set to x = 0.9 for the 6 layers close to the n-type cladding layer side, x = 0.8 for the 7th layer, x = 0.7 for the 8th layer, and x = 9 for the 9th layer. The light emitting device was changed to 0.6, and each characteristic was examined.

(実施例3)
図3(a)に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層306aの厚さを15nm、活性層(x=0.1)の厚さ50nm、障壁層306aの数を9層とし、障壁層306aのAl組成xをn型クラッド層に近い6層についてはx=0.9とし、7層目から9層目については、層の中央部のAl組成が最大値(x=0.9)とし、両側に徐々に減少し活性層と接触する位置で最小値(x=0.6)となるように変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。
(Example 3)
In the light emitting device having the band gap light emitting layer as shown in FIG. 3A, the barrier layer 306a has a thickness of 15 nm, the active layer (x = 0.1) has a thickness of 50 nm, and the number of barrier layers 306a is nine. And the Al composition x of the barrier layer 306a is x = 0.9 for the six layers close to the n-type cladding layer, and the Al composition at the center of the seventh to ninth layers is the maximum value (x = 0.9), and a light emitting device was manufactured which was gradually decreased on both sides and changed to a minimum value (x = 0.6) at a position in contact with the active layer, and each characteristic was examined.

(実施例4)
図4(a)に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層406aの厚さを15nm、活性層(x=0.1)の厚さ50nm、障壁層406aの数を9層とし、障壁層406aのAl組成xをn型クラッド層に近い6層についてはx=0.9とし、7層目から9層目については、層のn型クラッド層側から中央部のAl組成が最大値(x=0.9)とし、p型クラッド層側に徐々に減少し活性層と接触する位置で最小値(x=0.6)となるように変化させた発光素子を製造し、各特性を調べた。
Example 4
In the light emitting device having the band gap light emitting layer as shown in FIG. 4A, the barrier layer 406a has a thickness of 15 nm, the active layer (x = 0.1) has a thickness of 50 nm, and the number of barrier layers 406a is nine. And the Al composition x of the barrier layer 406a is x = 0.9 for the six layers close to the n-type cladding layer, and the Al composition from the n-type cladding layer side to the center of the seventh to ninth layers Has a maximum value (x = 0.9) and is gradually reduced to the p-type cladding layer side and is changed so as to be a minimum value (x = 0.6) at a position in contact with the active layer. Each characteristic was examined.

(実施例5)
図5に示すようなバンドギャップの発光層の発光素子において、障壁層506の厚さを15nm、活性層(x=0.1)の厚さ50nm、障壁層506の数を9層とし、障壁層506のAl組成xをn型クラッド層側に近い6層についてはx=0.9とし、7層目から9層目をx=0.6とした発光素子を製造し、各特性を調べた。
そして実施例1〜5の各特性の評価結果を表4にまとめて示す。
(Example 5)
In the light emitting device having a band gap light emitting layer as shown in FIG. 5, the barrier layer 506 has a thickness of 15 nm, the active layer (x = 0.1) has a thickness of 50 nm, and the number of barrier layers 506 is nine. A light emitting device in which the Al composition x of the layer 506 is set to x = 0.9 for six layers close to the n-type cladding layer side, and the seventh to ninth layers x = 0.6 is manufactured, and each characteristic is examined. It was.
And the evaluation result of each characteristic of Examples 1-5 is put together in Table 4, and is shown.

Figure 0005309971
Figure 0005309971

表4に示すようにいずれの場合も従来に比べて出力が増加しており、また寿命特性も遜色なく、Vfも十分に実用的な水準であることが判った。   As shown in Table 4, it was found that in all cases, the output increased compared to the conventional case, the life characteristics were not inferior, and Vf was at a sufficiently practical level.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の概略の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the outline of the compound semiconductor substrate used for the light emitting element of this invention. 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの一例の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of an example of the magnitude | size of the band gap of the light emitting layer of the compound semiconductor substrate used for the light emitting element of this invention. 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の三つの例の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the other three examples of the magnitude | size of the band gap of the light emitting layer of the compound semiconductor substrate used for the light emitting element of this invention. 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の六つの例の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the other six examples of the magnitude | size of the band gap of the light emitting layer of the compound semiconductor substrate used for the light emitting element of this invention. 本発明の発光素子に用いられる化合物半導体基板の発光層のバンドギャップの大きさの他の一例の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of another example of the magnitude | size of the band gap of the light emitting layer of the compound semiconductor substrate used for the light emitting element of this invention. 本発明の実験例1の発光素子のMg不純物濃度の深さ方向分布の関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship of the depth direction distribution of Mg impurity concentration of the light emitting element of Experimental example 1 of this invention. 本発明の実験例1の発光素子において、活性層の厚さと発光素子の内部効率の関係の計算結果を示したグラフである。In the light emitting element of Experimental example 1 of this invention, it is the graph which showed the calculation result of the relationship between the thickness of an active layer, and the internal efficiency of a light emitting element.

符号の説明Explanation of symbols

10…発光素子、
11…電極、
100…化合物半導体基板、
101…n型GaP基板、
102…n型InGaP緩衝層、
103…n型AlGaInP層、
104,204,304a,304b,304c,404a,404b,404c,404d,404e,404f,504…n型クラッド層、
105…活性層、
106,206,306a,306b,306c,406a,406b,406c,406d,406e,406f,506…障壁層、
107…発光層、
108,208,308a,308b,308c,408a,408b,408c,408d,408e,408f,508…p型クラッド層、
109…p型AlGaInP層、
110…p型InGaP緩衝層、
111…p型GaP窓層。
10: Light emitting element,
11 ... electrode,
100: Compound semiconductor substrate,
101 ... n-type GaP substrate,
102 ... n-type InGaP buffer layer,
103 ... n-type AlGaInP layer,
104, 204, 304a, 304b, 304c, 404a, 404b, 404c, 404d, 404e, 404f, 504... N-type cladding layer,
105 ... active layer,
106, 206, 306a, 306b, 306c, 406a, 406b, 406c, 406d, 406e, 406f, 506... Barrier layer,
107 ... light emitting layer,
108, 208, 308a, 308b, 308c, 408a, 408b, 408c, 408d, 408e, 408f, 508... P-type cladding layer,
109 ... p-type AlGaInP layer,
110... P-type InGaP buffer layer,
111... P-type GaP window layer.

Claims (4)

少なくとも、p型クラッド層と活性層と障壁層とn型クラッド層とを有する(AlGa1−xIn1−yP(0<x<1,0.4<y<0.6)からなる発光層を有する化合物半導体基板を用いて製造された発光素子であって、
前記障壁層は前記活性層よりAl組成が高く、また前記p型クラッド層及び前記n型クラッド層に接しておらず、
前記活性層は、厚さが15〜50nm(15nm以上20nm未満を除く)、層の数が少なくとも8層以上、且つその厚さの合計が500nm以下であり、
前記活性層と前記障壁層は交互に積層されたものであり、
前記障壁層は、前記n型クラッド層に近い側の障壁層が前記p型クラッド層に近い側の障壁層に比べてAl組成が高いものであることを特徴とする発光素子。
At least, and a p-type cladding layer and the active layer and the barrier layer and the n-type cladding layer (Al x Ga 1-x) y In 1-y P (0 <x <1,0.4 <y <0.6 A light emitting device manufactured using a compound semiconductor substrate having a light emitting layer comprising:
The barrier layer has a higher Al composition than the active layer and is not in contact with the p-type cladding layer and the n-type cladding layer,
The active layer has a thickness of 15 to 50 nm (excluding 15 nm or more and less than 20 nm), the number of layers is at least 8 or more, and the total thickness is 500 nm or less,
The barrier layer and the active layer are all SANYO stacked alternately,
The light-emitting element, wherein the barrier layer has a higher Al composition in a barrier layer closer to the n-type cladding layer than in a barrier layer closer to the p-type cladding layer .
前記活性層及び前記障壁層のp型不純物の濃度の平均値が、5×1017atoms/cm以下であることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 2. The light emitting device according to claim 1, wherein an average value of p-type impurity concentrations in the active layer and the barrier layer is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. 前記活性層及び前記障壁層のp型不純物が、Mg、Zn、Cのうちの少なくとも1種類であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光素子。   3. The light emitting device according to claim 1, wherein p-type impurities in the active layer and the barrier layer are at least one of Mg, Zn, and C. 4. 前記障壁層は、厚さが15〜50nmであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the barrier layer has a thickness of 15 to 50 nm.
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