KR100223836B1 - Gallium nitride light emitting diode and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

기판과 이 기판 위에 형성하는 발광 소자와의 격자 부정합 및 온도팽창계수 차이에 따른 결정결함을 제거하기 위한 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.A gallium nitride light emitting diode and a method of manufacturing the same are provided for removing crystal defects caused by lattice mismatch and difference in temperature expansion coefficient between a substrate and a light emitting element formed on the substrate.

이와 같은 본발명의 목적을 달성하기 위한 질화갈륨 발광다이오드의 제조방법은, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 살리콘을 도핑하여 얻어진 n+형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n+형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형(GaxAl1-xN, InxGa1-xN 및 P형 GaxAl1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단계와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 및 n형 전극을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the object of the present invention, a method of manufacturing a gallium nitride light emitting diode includes the steps of preparing an n + gallium nitride substrate obtained by doping with salicon after growing by homogeneous thin film growth using a halogen vapor thin film growth method; N-type cladding layer, active layer and n-type (GaxAl 1-x N, InxGa 1-x N and P-type GaxAl 1-x N, respectively) were grown on the n + type gallium nitride substrate sequentially by an organometallic thin film growth method. Forming a P-type cladding layer and forming P-type and n-type electrodes on the P-type cladding layer and the substrate, respectively.

Description

질화갈륨 발광다이오드 및 그 제조방법Gallium Nitride Light Emitting Diode and Manufacturing Method Thereof

본발명은 할로겐 기상 박막성장(HVPE)방법으로 만든 질화갈륨기판상에 유기 금속화학증착법(M0CM))으로 질화갈륨계 박막을 성장시켜 고휘도 및 고홍율의 발광소자를 제조하는 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a gallium nitride light emitting diode for producing a high brightness and high magnification light emitting device by growing a gallium nitride-based thin film by organometallic chemical vapor deposition (M0CM) on a gallium nitride substrate made by a halogen vapor deposition (HVPE) method and its It relates to a manufacturing method.

종래의 발광소자, 특 청색 발광다이오드의 휘로 및 효율을 개인하는 기술로서는 일본 공개 특허 평 4-321280 호와 개시된 발명의 예를 들 수 있다.As a technique of personalizing the conventional light emitting device, the special blue light emitting diodes, and the efficiency, examples of the disclosed invention are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-321280.

상기 종래발명에서는 도1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(1) 위에 질화갈륨계 화합물 반도체인 GaxA11-xN(0x≤1)의 버퍼층(2)과, Si가 도포된 GaxAl1-xN(0x≤1) N형 클래드층(3)과, Zn와 Si가 도포된 발광활성층(4)과, Mg가 도포된 GaxAl1-xN(α≤1)의 P형 클래드충(5)이 순차적으로 적층되어 있고 P형 전극(6)및 n형 전극(7)이 형성되어 있다.In the conventional invention, as shown in FIG. 1, the GaxA1 1-x N (0x≤1) buffer layer 2, which is a gallium nitride compound semiconductor, and GaxAl 1-x N coated on the sapphire substrate 1 (0x ≦ 1) N-type cladding layer 3, a light emitting active layer 4 coated with Zn and Si, and a P-type cladding 5 of GaxAl 1-x N (α ≦ 1 ) coated with Mg It is laminated | stacked sequentially and the P-type electrode 6 and the n-type electrode 7 are formed.

상기 종래의 발명에서는 p-n접합구조 및 MIS(Meta1-Intulator-Semiconductor) 구조 등을 이용하여 청색 발광다이오드를 만들고 있으나, 질화갈륨(GaN)과 사파이어 기판사이에는 격자부정합(13.8%)과 열괭창계수차이(25%) 때문에 GaxAl1-xN(0x≤1)의 완충층을 사용한다하더라도 박막 성장층에의 결정결함이 108-1010cm-2존재하고 있으며 이와 같은 이종 박막성장(hetero epitaxy)은 완충층의 성장조건이 아무리최적화된다 하더라도 사파이어 기판 위에 성장된 박막의 품질을 높이는데는 전술한 격자부정합 및 열팽창계수차이로 인하여 한계가 있었다.In the conventional invention, a blue light emitting diode is manufactured by using a pn junction structure and a meta1-intulator-semiconductor (MIS) structure, but there is a lattice mismatch (13.8%) and a thermal window coefficient difference between a gallium nitride (GaN) and a sapphire substrate. Because of (25%), even when using a buffer layer of Ga x Al 1-x N (0x≤1), crystal defects in the thin film growth layer are present in 10 8 -10 10 cm -2 and such hetero epitaxy ) Is limited by the above-described lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference in improving the quality of the thin film grown on the sapphire substrate, even if the growth conditions of the buffer layer are optimized.

또한 질화갈륨(GaN)과 격자부정합이 3.4%로 사파이어 기판보다 훨신 적은 SiC기판을 사용하더라도 위와 같이 성장된 박막층의 결정결함이 사파이어 기판을 사용한 것처럼 108cm-2정도로 존재하기 때문에 결정결함의 문제점은 그다지 개선되지 아니하였다.In addition, even when using SiC substrate with much less than sapphire substrate with 3.4% gallium nitride (GaN) and lattice mismatch, the crystal defect of the grown thin film layer is about 10 8 cm -2 like that of sapphire substrate. Did not improve much.

따라서 본발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 기판과 이 기판 위에 형성하는 발광 소자와의 격자 부졍합 및 온도괭창계수 차이에 따른 결정결함을 제거하기 위한 질화갈륨 발광 다이오드 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention has been invented in view of the above-described problems of the prior art, and a gallium nitride light emitting diode for removing crystal defects caused by a lattice mismatch and difference in temperature hoe coefficient between a substrate and a light emitting element formed on the substrate and its It is to provide a manufacturing method.

도1은 종래의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional gallium nitride light emitting diode.

도2는 본발명의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a gallium nitride light emitting diode of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 사파이어 기판 2 : 완충층1: sapphire substrate 2: buffer layer

3, 11 : n형 클래드층 4, 12 : 활성층3, 11: n-type cladding layer 4, 12: active layer

5, 13 : P형 클래드층 6, 7, 14, 15 : 전극5, 13: P-type cladding layer 6, 7, 14, 15: electrode

이와 같은 본발명의 목적을 달성하기 위한 질화갈륨 발광다어오드의 제조방법은, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 실리콘을 도핑하여 얻어진 n+형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n+형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형(GaxAl1-xN, InxGa1-xN 및 P형 GaxAl1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단계와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 및 n형 전극을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the object of the present invention, a method of manufacturing a gallium nitride light emitting diode includes the steps of preparing an n + gallium nitride substrate obtained by doping silicon after growing by homogeneous thin film growth using a halogen vapor thin film growth method; An n-type clad layer by growing n-type (GaxAl 1-x N, In x Ga 1-x N and P-type GaxAl 1-x N, respectively) by the organic metal thin film growth method sequentially on the n + type gallium nitride substrate; Forming an active layer and a P-type cladding layer, and forming P-type and n-type electrodes on the P-type cladding layer and the substrate, respectively.

또한 본 발명의 질화갈륨 발광다이오드는, 할로겐 기상박막성장법을 이용한In addition, the gallium nitride light emitting diode of the present invention uses a halogen vapor phase thin film growth method.

동종 박막성장으로 성장한후 실리콘 도핑하여 얻어진 n+형 질화갈륨기판과, 상기 n+형 질화갈륨 기판상에 실리콘 도핑의 GaxAl1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 n형 클래드층과, 상기 n형 클래드층상에 InxGa1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성층과, 상기 활성층상에 마그네슘 도핑의 GaxAl1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층과, 상기 기판하부 및 P형 클래드층 상부에 각각 형성된 n형 및 P형 전극을 구비함을 특징으로 한다.After grown to homogeneous thin film growth of silicon doped by the resulting n + type gallium nitride substrate, the n + type silicon doped gallium nitride substrate in the Ga x Al 1-x N of n-type formed by growing a (0x≤1) cladding A layer, an active layer formed by growing In x Ga 1-x N (0x ≦ 1 ) on the n-type cladding layer, and grown on a magnesium doped Ga x Al 1-x N (0x ≦ 1 ) layer And p-type cladding layers formed on the substrate, and n-type and P-type electrodes formed on the substrate lower portion and the P-type cladding layer, respectively.

이하 본발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 근거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 질화갈륨 발광다이오드의 모식적인 단면도로서, 할로겐 기상박막성장법을 이용 동종박막성장(Homo epitaxy)으로 성장한 후 실리콘 도핑하여 얻어진 5∼10×1018cm3불순물농도의 n+형 GaN 기판(10)과, 상기 n+형 GaN기판(10)상에 실리콘도핑의 GaxAl1-xN(0x≤1)을 3-5μm두께로 성장시켜 형성한 n형 클래드층(11)과, 상기 n형 클래드충(10)상에 300-500Å두께로 InxGa1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성충(12)과, 상기 활성층(12)상에 5000Å두께로 마그네슘 도핑의 GaxAl1-XN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층(13)과, 상기 기판(10)의 뒷면 및 상기 P형 클래드층(13)의 전면에 각각 증착형성된 N형전극(14) 및 P형 전극(15)으로 구성되어 있다.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a gallium nitride light emitting diode of the present invention, n + of the 5 ~ 10 × 10 18 cm 3 impurity concentration obtained by silicon doping after growing by homogenous thin film growth (Homo epitaxy) using a halogen vapor phase film growth method An n-type clad layer 11 formed by growing a silicon-doped Ga x Al 1-x N (0x≤1) to a thickness of 3-5 μm on the GaN substrate 10 and the n + GaN substrate 10. ), An active layer 12 formed by growing In x Ga 1-x N (0x≤1) on the n-type cladding layer 10 at a thickness of 300-500 μs, and 5000 μs on the active layer 12. P-type cladding layer 13 formed by growing magnesium-doped Ga x Al 1-X N (0x≤1) to a thickness, on the back surface of the substrate 10 and the front surface of the P-type cladding layer 13 Each of the N-type electrodes 14 and P-type electrodes 15 formed by evaporation is formed.

그리고 상기 활성층의 각 조성은 청색 발광소자인 경우에는 x=0.22∼0.25 정도로 하고, 순수 녹색발광소자인 경우에는 x=0.43∼0.5정도로 한다.Each composition of the active layer is about x = 0.22 to 0.25 in the case of a blue light emitting device, and about x = 0.43 to 0.5 in the case of a pure green light emitting device.

그리고 상기 InxGa1-xN의 활성층(12)은 In0.43∼0.5Al0.57∼0.5N(또는 In0.22∼0.25Al0.78∼0.75N)의 웰층위에 In0.05Ga0.95N의 장벽층을 형성하고 이것을 수회(3-5회) 교대로 형성시키는 양자우물 구조로 형성하면 더욱 발광효율을 높일 수 있다.The InxGa 1-x N active layer 12 forms a barrier layer of In 0.05 Ga 0.95 N on a well layer of In 0.43 to 0.5 Al 0.57 to 0.5 N (or In 0.22 to 0.25 Al 0.78 to 0.75 N), and this is several times. When the quantum well structure is formed alternately (3-5 times), the luminous efficiency can be further increased.

이와 같은 구조의 질화갈륨 발광다이오드의 제조방법의 실시예에 대하여 설명한다.An embodiment of a method of manufacturing a gallium nitride light emitting diode having such a structure will be described.

먼저, 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 300-350μm두께로 성장시킨 후 불순물농도가 5∼10×1018cm3가 되도록 실리콘을 도핑한 질화갈륨(GaN)기판을 마련한다.First, gallium nitride (GaN) substrates doped with silicon are prepared to grow to a thickness of 300-350 μm by homogeneous thin film growth using a halogen vapor phase thin film growth method and to have an impurity concentration of 5 to 10 × 10 18 cm 3 .

이때 실리콘 소오스는 SiH4혹은 Si2H6을 사용한다.At this time, the silicon source uses SiH 4 or Si 2 H 6 .

이어, 유기금속화학증착법(MOCVD)을 사용하여 NH3분위기에서 950-1050℃의 온도로 3-5μm 두께의 실리콘이 도핑된 GaxAl1-XN(0x≤1)층을 성장시켜 N형 클래드층을 형성한다.Next, an organic metal chemical vapor deposition method (MOCVD) was used to grow a Ga x Al 1-X N (0x≤1) layer doped with silicon having a thickness of 3-5 μm at a temperature of 950-1050 ° C. in an NH 3 atmosphere to form an N-type. A clad layer is formed.

다시 상기 N형 클래드층 위에 720°∼ 850°온도로 300-500Å 두께의 InxGa1-xN(0x≤1)를 성장시켜 활성층을 형성한다.Again, an active layer is formed on the N-type cladding layer by growing In xG a 1-x N (0x ≦ 1 ) having a thickness of 300-500 로 at a temperature of 720 ° to 850 °.

이때 상기 In 및 Ga의 조성비는 발광소자의 파장에 따라 조절한다.At this time, the composition ratio of In and Ga is adjusted according to the wavelength of the light emitting device.

에를들어, 청색 발광소자는 x=0.22∼0.25 정도로 하며 순수녹색 발광소자는 x=0.43∼0.5 정도로 한다.For example, the blue light emitting device is about x = 0.22 to 0.25 and the pure green light emitting device is about x = 0.43 to 0.5.

또한 발광효율을 높이기 위해 상기 InxGa1-xN의 활성층은 In0.22∼0.25Al0.78∼0.75N(또는 In0.43∼0.5Al0.57∼0.5N)의 웰층위에 In0.05Al0.95N의 장벽층을 수회 교대로 형성하여서 되는 양자우물구조로 형성한다.In order to increase the luminous efficiency, the active layer of In x Ga 1-x N is formed with a barrier layer of In 0.05 Al 0.95 N on a well layer of In 0.22 to 0.25 Al 0.78 to 0.75 N (or In 0.43 to 0.5 Al 0.57 to 0.5 N). It is formed into a quantum well structure formed by alternating several times.

상기 활성층의 형성 후에 다시 온도를 1000∼1050℃로 높여 Mg가 도핑된 P형클래드층을 5000Å두께로 형성한다.After the formation of the active layer, the temperature was further raised to 1000 to 1050 ° C. to form a P-type cladding layer doped with Mg at a thickness of 5000 kPa.

이어, n+형 GaN 기판의 뒷면을 보론카아바이드 또는 다이아몬드 파우더를 이용하여 웨이퍼두께가 100∼150μm로 래핑연마 한 후 A12O3파우더로 폴리슁하고 웨이퍼를 세척한 다음 n형 메탈 Ti/Al/Ni/Au를 통상의 방법으로 증착하고 실온 700℃에서 30초간 어닐링하여 n형 오옴접촉 전극을 형성하고 상기 P형 클래드층상에 P형 금속 Cr/Ni/Au를 증착하고 실온 500℃에서 30초간 어닐링하여 P형 오옴접촉 전극을 형성 한다.Subsequently, the backside of the n + type GaN substrate was polished and wrapped with boron carbide or diamond powder to a thickness of 100 to 150 μm, polished with A1 2 O 3 powder, the wafer was washed, and then n type metal Ti / Al. / Ni / Au was deposited in a conventional manner and annealed at 700 ° C. for 30 seconds to form an n-type ohmic contact electrode, and then deposited P-type metal Cr / Ni / Au on the P-type clad layer and at room temperature 500 ° C. for 30 seconds. Annealing to form a P-type ohmic contact electrode.

이와 같은 본발명의 질화갈륨 발광다이오드 및 그의 제조방법에 의하면, 할로겐 기상 박막성장을 이용한 동종박막성장으로 성장시켜 얻어진 n+형 GaN 기판을 사용하기 때문에 상기 n+형 GaN 기판위의 박막성장(epitaxy)시 결정결함을 105cm-3이하로 줄일 수 있어 고 품위의 박막을 성장시킬 수 있고, 이로 인해 고휘도 고출력(고효율)의 발광다이오드가 제조되며, n형 기판을 기판뒷면에 만들 수 있기 때문에(종래는 동일면에 만듬) 식각공정이 삭제되어 제조공정이 간단해지고 P형 혹은 n형 전극한쪽만 본딩하면 되므로 패키징이 간단해지며 또 벽개(cleaving)공졍이 용이하여 수율이 증가되며, n형 전극뒷면에 메탈전극을 증착하여 이 전극자체를 반사거울로 겸용할 수 있어 발광효율이 증대되는 등 뛰어난 효과가 있다.Thus, according to such a GaN light emitting diode and a method of manufacture of the present invention, the thin film grown on said n + type GaN substrate because it uses a n + -type GaN substrate obtained by growing a homogeneous thin film growth using a halogen vapor phase thin film growth (epitaxy Crystal defects can be reduced to 10 5 cm -3 or less, which enables the growth of high quality thin films, which makes light emitting diodes with high brightness and high output (high efficiency), and makes n-type substrates on the back of the substrate. (Normally made on the same side) Etching process is eliminated, manufacturing process is simplified and only one P-type or n-type electrode needs to be bonded, so packaging is simple and yield is increased by easy cleaving process. By depositing a metal electrode on the back side, the electrode itself can be used as a reflection mirror, so that the luminous efficiency is increased.

Claims (7)

할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종박막성장으로 성장한후 실리콘을 도핑하여 얻어진 n+형 질화갈륨기판을 마련하는 단계와, 상기 n+형 질화갈륨 기판상에 순차적으로 유기금속 박막성장법으로 n형 GaxAl1-xN,InxGa1-xN 및 P형 GaxAl1-xN을 각각 성장시켜 N형 클래드층, 활성층 및 P형 클래드층을 형성하는 단졔와, 상기 P형 클래드층상 및 기판하부에 각각 P형 멎 n형 전극을 형성하는 단계를 구비한 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.Preparing n + gallium nitride substrates obtained by doping silicon after growing by homogeneous thin film growth using halogen vapor phase thin film growth, and n-type GaxAl by organometallic thin film growth method on the n + gallium nitride substrate sequentially Growing 1-x N, In xG a 1-x N and P-type GaxAl 1-x N to form an N-type cladding layer, an active layer, and a P-type cladding layer, respectively, on the P-type cladding layer and the substrate A method of manufacturing a gallium nitride light emitting diode, each step comprising forming a P-type n-type electrode. 제1항에 있어서, 상기 활성층 InxGa1-xN의 x는 0.22∼0.25인 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.The method of claim 1, wherein x in the active layer In x Ga 1-x N is 0.22 to 0.25. 제1항에 있어서, 상기 활성층 InxGa1-xN의 x는 0.45∼O.5인 질화갈륨 발광 다이오드의 제조방법.The method of claim 1, wherein x in the active layer In x Ga 1-x N is 0.45 to 0.5. 할로겐 기상박막성장법을 이용한 동종 박막성장으로 성장한후 실리콘 도핑하여 얻어진 n+형 질화갈륨기판과, 상기 n+형 질화갈륨 기판상에 실리콘 도핑의 GaxAl1-XN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 n형 클래드층과, 상기 n형 클래드층상에 InxGa1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 활성층과, 상기 활성층상에 마그네습 도핑의 GaxAl1-xN(0x≤1)을 성장시켜 형성한 P형 클래드층과, 상기 기판하부 및 P형 클래드층 상부에 각각 형성된 n형 및 P형 전극을 구비한 질화갈륨 발광 다이오드.N + gallium nitride substrate obtained by silicon doping after growth by homogeneous thin film growth using halogen vapor deposition method, and Ga x Al 1-X N (0x≤1) of silicon doping on the n + gallium nitride substrate An n-type cladding layer formed by growing, an active layer formed by growing In x Ga 1-x N (0x≤1) on the n-type cladding layer, and Ga x Al 1-x of magnetism doping on the active layer A gallium nitride light emitting diode having a P-type cladding layer formed by growing N (0x≤1), and n-type and P-type electrodes formed on the lower side of the substrate and on the P-type cladding layer, respectively. 제4항에 있어서, 상기 활성충 InxGa1-XN의 x는 0.22∼0.25인 질화갈륨 발광 다이오드.The gallium nitride light emitting diode of claim 4, wherein x of the active insect InxGa 1-X N is 0.22 to 0.25. 제4항에 있어서, 상기 활성층 InGa1-xN의 x는 0.43∼0.5인 질화갈륨 발광 다이오드.The gallium nitride light emitting diode of claim 4, wherein x of the active layer InGa 1-x N is 0.43 to 0.5. 제4항에 있어서, 상기 활성층 InxGa1-xN(0x≤1)층위에 In0.05Ga0.95N의 장벽층을 더 형성하여 양자우물 구조로 형성된 질화갈륨 발광 다이오드.The gallium nitride light emitting diode of claim 4, further comprising a barrier layer of In 0.05 Ga 0.95 N formed on the active layer InxGa 1-x N (0x ≦ 1 ).
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