WO2006073077A1 - 赤外発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

赤外発光ダイオード及びその製造方法 Download PDF

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WO2006073077A1
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infrared light
emitting diode
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light emitting
active layer
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PCT/JP2005/023749
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Inventor
Haruhiko Watanabe
Yoshinori Kurosawa
Takashi Araki
Original Assignee
Dowa Electronics Materials Co., Ltd.
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system

Definitions

  • the present invention relates to an infrared light emitting diode that can be used for both infrared communication and remote control operation communication, and a method for manufacturing the same.
  • LEDs light emitting diodes
  • AlGaAs and GaAs LEDs are widely used in fields such as infrared communication and remote control operations.
  • LEDs that are used for infrared communication are required to have higher output and higher speed in order to support large-capacity data communication, so double-hetero (DH) structure LEDs are used.
  • DH double-hetero
  • Patent Document 1 discloses an LED having the above DH structure, in which germanium (Ge) is used as an effective impurity (dopant) to be added to the active layer, and the thickness of the active layer is 0.5 ⁇ L: 5 Lm. By doing so, it is described that LEDs with high output, high reliability and good response can be obtained.
  • germanium (Ge) is used as an effective impurity (dopant) to be added to the active layer, and the thickness of the active layer is 0.5 ⁇ L: 5 Lm.
  • a homojunction type LED by liquid phase growth of GaAs is used as an LED used for remote control operation.
  • the pn junction of this LED is formed using so-called pn inversion, in which silicon (Si) used as a dopant during liquid phase growth converts the p-type force into n-type depending on the growth temperature. Since Si forms deeper impurity levels in GaAs than other dopants, the emission wavelength of GaAs homojunction LEDs is widely distributed on the longer wavelength side than the GaAs absorption edge (870 nm). However, because of the long carrier diffusion distance, the pulse response was slow. For this reason, Tr (rise time) and Tf (fall time) in the pulse response were limited to several / i sec.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-293622
  • the present invention aims to provide an infrared light emitting diode that can be used for both infrared communication and remote control operation communication, and that is capable of high output and high speed response. It has been the target.
  • an emission peak wavelength longer than 870 nm can be obtained by setting the active layer thickness to 2 to 6 ⁇ m in an AlGaAs infrared LED. If the effective impurity of the layer is Ge, an emission peak wavelength in the range of 880 to 890 nm, a higher output than a homojunction LED, and a Tr and Tf are short, making a high-speed response LED.
  • the present invention has been achieved by obtaining knowledge such as that it is possible to obtain light emission characteristics that can be used for both infrared communication and remote control operation communication.
  • the infrared light-emitting diode of the present invention has a p-type Al Ga As (0 x 1-x
  • the active layer has a thickness of 2 to 6 ⁇ , and can be used as an infrared light source for both infrared communication and remote control operation communication.
  • the infrared light emission wavelength is controlled to a desired wavelength, and as an infrared light source for both infrared communication and remote control operation communication.
  • An infrared light-emitting diode that can be used can be provided.
  • the effective impurity of the active layer is formed of Ge. According to this configuration, since the effective impurity of the active layer is Ge, it is possible to realize an infrared light emitting diode with high output and high speed response.
  • the emission peak wavelength at room temperature of the infrared light emitting diode is preferably 880 to 890 nm. Therefore, the infrared light-emitting diode of the present invention can be used as an infrared light source for both infrared communication and remote control operation communication.
  • the infrared light emitting diode manufacturing method described above is formed by epitaxial growth on a p-type cladding layer, a p-type active layer, an n-type cladding layer, and a force GaAs substrate. After the epitaxial growth, It is manufactured by removing the substrate.
  • an infrared light emitting diode having an emission peak wavelength of 880 to 890 nm and capable of high output and high speed response for both infrared communication and remote control operation communication is suitable for mass production. It can be manufactured at low cost.
  • an infrared light emitting diode that can be used for both infrared communication and remote control operation communication, and that can provide high output and high speed response.
  • devices with infrared communication and remote control operation communication functions required the use of two types of infrared light emitting diodes with different wavelengths, but in the present invention, one infrared light emitting diode is used. It is no longer necessary to use two types of infrared light emitting diodes.
  • an infrared light emitting diode that can be used for both infrared communication and remote control operation communication and has a high output and a high speed response is low in mass productivity. Can be manufactured at cost.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an infrared light emitting diode of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a boat used for the epitaxial growth of the infrared light emitting diode of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the peak emission wavelength and the emission output at the peak emission wavelength when the active layer thickness d is changed in the infrared light emitting diode of the example.
  • FIG. 4 is a graph showing the rise time Tr and fall time Tf of light emission when the active layer thickness d is changed in the infrared light emitting diode of the example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an infrared light emitting diode of the present invention.
  • the infrared light emitting diode 1 of the present invention has a DH structure (double heterostructure) consisting of a p-type cladding layer 2, an active layer 3, and an n-type cladding layer 4, and the p-type cladding layer 2 and A p-layer electrode 5 and an n-layer electrode 6 are formed on the n-type cladding layer 4, respectively.
  • the shapes of the electrodes 5 and 6 formed on the upper and lower surfaces of the infrared light emitting diode 1 can be arbitrarily selected.
  • the infrared light-emitting diode 1 may be reverse to FIG. 1, that is, in order from the top, a p-layer electrode 5, a p-type cladding layer 2, an active layer 3, an n-type cladding layer 4, and an n-layer electrode 6. .
  • the p-type cladding layer 2 is p-type Al Ga As (where x is a mixed crystal composition, 0.15 ⁇ x ⁇ 0.
  • the p-type cladding layer 2 is the p-type A1 It may have a two-layer structure in which a p-type GaAs layer is further formed on the Ga As layer. For example 1—
  • the p-type GaAs layer is a high impurity density layer
  • the p-layer electrode 5 can be easily formed, the series resistance can be reduced, and the response performance can be improved.
  • the n-type cladding layer 4 is an n-type Al Ga As (where z is a mixed crystal composition, 0.15 ⁇ z ⁇ 0.
  • the n-type cladding layer 4 may have a two-layer structure in which an n-type GaAs layer is further formed on the n-type A1 Ga As layer. Illustration
  • the n-type GaAs layer is a high impurity density layer
  • the n-layer electrode 6 can be easily formed, the series resistance can be reduced, and the response performance can be improved.
  • the p-type and n- type cladding layers 2 and 4 are required to have both the confinement effect of electrons and holes as carriers and the confinement effect of light with respect to the active layer 3. , Al Ga above
  • x and z which are Al compositions of the As and Al Ga As layers, be 0.15 or more.
  • the upper limit of the Al composition X, z may be high in principle for confining carriers and light.
  • the A1 composition increases, the problem of corrosion deterioration of the infrared light emitting diode due to energization occurs, and the forward voltage increases due to ohmic cross, which is not preferable. For this reason, it is desirable that the A1 composition is 0.15 ⁇ x, z ⁇ 0.45.
  • the active layer 3 is a layer inserted between the p-type and n-type clad layers 2 and 4 and serves as a light emitting layer.
  • the active layer 3 is a layer containing p-type Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ 0.01), that is, Ga i
  • composition y of A1 is 0.01 or more, it is not preferable because long-wavelength infrared light is emitted.
  • the conductivity type of the active layer 3 is preferably p-type in terms of light emission efficiency.
  • Ge is preferable as an effective impurity of the p-type active layer 3.
  • the impurity density of the p-type active layer 3 may be approximately l ⁇ 10 18 cm 3 or more.
  • an effective impurity refers to an impurity that effectively dominates. For example, a small amount of Zn (zinc) or Mg (magnesium) lower than the impurity density of Ge in the p-type active layer 3 may be added.
  • the infrared light emitting diode at room temperature is formed.
  • the emission peak wavelength can be 880 to 890 nm. If the thickness of the active layer 3 is 2 ⁇ m or less, the emission wavelength shifts to a shorter wavelength side than 880 nm, which is not preferable. On the other hand, even if the thickness of the active layer 3 is set to 6 ⁇ ⁇ ⁇ or more, the shift amount of the emission wavelength toward the longer wavelength side is saturated and the emission output is also reduced, which is preferable.
  • the emission wavelength of the LED changes depending on the temperature of the light emitting part, that is, the pn junction. That is, the emission peak wavelength moves to the long wavelength side.
  • the peak emission wavelength of the infrared light-emitting diode of the present invention is defined by the measured value when the DC forward current force is 3 ⁇ 40 mA at room temperature.
  • the emission peak wavelength can be set to 880 to 890 nm, it is used as a high output infrared light source for both infrared communication and remote control operation communication.
  • the pulse response at the time of light emission is high-speed, it can cope with not only low-speed remote control operation communication but also high-speed infrared communication.
  • the infrared light emitting diode 1 of the present invention can be manufactured as follows. First, on the GaAs substrate, a p-type cladding layer 2, an active layer 3, and an n-type cladding layer 4 are epitaxially grown in this order to obtain a DH structure. The order of growth may be the order of the n-type cladding layer 4, the active layer 3, and the p-type cladding layer 2 in the reverse order. As will be described later, the GaAs substrate to be used may be p-type, n-type, semi-insulating, or undoped when removed after epitaxial growth. If the GaAs substrate is not removed, a P-type or n-type GaAs substrate corresponding to the conductivity type of the cladding layer to be grown first may be used.
  • the GaAs substrate is removed from the GaAs substrate on which the DH structure is formed to obtain a DH structure.
  • electrodes 5 and 6 are formed on the p-type cladding layer 2 and the n-type cladding layer 4 having a DH structure, respectively, and divided into chips having a predetermined area. Thereafter, the chip surface may be roughened to increase the light extraction efficiency.
  • the lower surface electrode of the chip is fixed to one of the lead frames, It is possible to manufacture a bullet-type infrared light-emitting diode by connecting the other electrode to the top electrode by wire bonding using gold wire or Al wire, and epoxy-coating the top of the lead frame on which the chip is mounted. it can.
  • a liquid phase growth method for the epitaxial growth, a liquid phase growth method, a MOCVD method, or the like can be used.
  • a slow cooling method or a temperature difference method can be used. It is preferable to remove the GaAs substrate to improve the light extraction efficiency.
  • the film thickness of the DH structure itself is preferably set to 100 111 to 200 111 so as not to be damaged in a subsequent process such as electrode formation.
  • a liquid phase growth method is preferred, in which a thick growth layer and high-quality crystals can be easily obtained, mass production is possible, and the cost is low.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a boat used for the epitaxial growth of the infrared light emitting diode of the present invention.
  • the boat 10 used for the epitaxial growth of infrared light-emitting diodes is composed of three parts: a crucible 11, a base 12, and a partition 13. Carbon can be used as a material for these parts.
  • the crucible 11 consists of at least three tanks. This is because three solution tanks having different compositions and dopants are required for the epitaxial growth of the p-type cladding layer 2, the active layer 3, and the n-type cladding layer 4.
  • Each tank of the crucible 11 is filled with a Ga raw material, an A1 raw material, a GaAs raw material, and a dopant so as to have a predetermined composition of each layer of the DH structure.
  • the growth raw material of each layer filled in each tank becomes a raw material solution.
  • a GaAs substrate 14 is housed in the base 12.
  • the boat 10 filled with the raw material in the crucible 11 is accommodated in a quartz tube in an electric furnace, and after purging with nitrogen gas or evacuating, hydrogen gas is flowed, and the temperature is raised to the growth temperature by the electric furnace. And held for a predetermined time.
  • the boat 10 is gradually cooled under the control of the electric furnace, and the crucible 11 is moved to introduce the raw material solution into the base 12 in which the GaAs substrate 14 is accommodated. And given Epitaxial growth is performed according to temperature, time, and slow cooling rate, and the partition 13 is operated to separate the grown raw material solution from the GaAs substrate. By repeating this process, each layer 2, 3, 4 of the DH structure can be grown.
  • the segregation coefficient of AlAs is larger than that of GaAs, when thick layers of cladding layers 2 and 4 are grown, the AlAs component in Ga decreases, and the A1 composition in cladding layers 2 and 4 x, z Is tilted.
  • the thickness of the active layer 3 is very thin compared to the thickness of the cladding layers 2 and 4, so that the variation of the A1 composition y hardly occurs.
  • an infrared light emitting diode of the present invention by setting the emission peak wavelength to 880 to 890 nm, high output and high speed response for both infrared communication and remote control operation communication are possible. Infrared light emitting diodes that can be manufactured can be manufactured at a low cost in accordance with mass productivity.
  • a slow cooling method was used as a liquid phase growth method, and a DH structure comprising a p-type cladding layer 2, a p-type active layer 3, and an n-type cladding layer 4 was epitaxially grown on a GaAs substrate.
  • the thickness of the p-type cladding layer 2 and the n-type cladding layer 4 is fixed to about 100 ⁇ m and about 60 ⁇ m, respectively, and the thickness of the AlGa As layer that becomes the p-type active layer 3 is fixed.
  • the growth temperature was in the range of 600-900 ° C.
  • Table 1 is a table showing an example of the Al composition, impurity density, impurities (dopant) used, and thickness of each layer of the DH structure manufactured in the example.
  • the composition X of the p-type cladding layer 2 is 0 ⁇ 15 to 0 ⁇ 45
  • the impurity density due to ⁇ is 3 X 10 17 cm 3
  • the thickness is 10 0 / im .
  • the composition y of the p-type active layer 3 is 0, that is, GaAs, and the effective defect due to Ge
  • the density of the pure material was 2 ⁇ 10 18 cm 3 , and the thickness was variously changed, so that the thickness expressed as d / im was about 0.5 / ⁇ ⁇ to 8 ⁇ .
  • composition ⁇ of the ⁇ -type cladding layer 4 is 0.20 to 0.45, the impurity density due to Te is 6 ⁇ 10 17 cm 3 , and the thickness is 60 / im. Note that the compositions x and z each indicate the fluctuation range within each film thickness as described above.
  • the GaAs substrate is removed, electrodes 5 and 6 are formed on the p-type cladding layer 2 and the n-type cladding layer 4, respectively, and divided into chips of a predetermined area to obtain the infrared light emitting diode 1 as described above. It was produced by the method described in 1.
  • the chip size of this infrared light emitting diode has an area of 0.32 mm X 0.32 mm, and its thickness is about 160 ⁇ m, which is ignored because the active layer is sufficiently thinner than the cladding layer. m.
  • FIG. 3 shows the peak emission wavelength and the emission output at the peak emission wavelength when the thickness d of the active layer is changed in the infrared light emitting diode of the example.
  • the horizontal axis represents the active layer thickness d (/ m)
  • the left vertical axis represents the peak emission wavelength (nm)
  • the right vertical axis represents the light output (mW) at the peak emission wavelength.
  • the light-emitting diode 1 passes a current of 2 OmA at room temperature (25 ° C).
  • the emission characteristics were measured using a spectroscope (MCPD3000 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).
  • the peak emission wavelength changes from about 870 to 890 nm. It can be seen that the peak emission wavelength is about 880 nm to 890 nm when the active layer thickness d is between 2 ⁇ m and 6 ⁇ m. At this time, a high output of about 4 mW was obtained at the peak emission wavelength. As a result, the peak emission wavelength of 880 ⁇ m to 890 nm corresponds to the wavelength corresponding to the boundary of the infrared light region that can be used for both infrared communication and remote control operation communication, and has a high output power.
  • FIG. 4 is a diagram showing the rise time Tr and fall time Tf of light emission when the active layer thickness d is changed in the infrared light emitting diode of the example.
  • the horizontal axis indicates the active layer thickness d (zm)
  • the vertical axis indicates the rise time Tr and the fall time Tf (nsec)
  • the rise time Tr is a rhombus ( ⁇ )
  • the fall time Tf ( nsec) is represented by a square (country mark).
  • the rise time Tr and the fall time Tf are measured with an infrared light emitting diode 1 having a non-less width of 125 nsec, a duty ratio of 25%, and a peak current of 500 mA. Measurement was performed by applying a pulse.
  • the rise time Tr and the fall time Tf are almost the same value, about 37 to 55 nsec. It can be seen that the response performance is compatible with the cutoff frequency required for infrared communication.
  • the measurement of peak emission wavelength, etc. is the value when 20mA DC forward current is applied at room temperature.
  • the peak emission wavelength was 885 nm, and its half-value width (the emission wavelength width at which the emission output was halved) was 51 nm. Its light output was 3.82 mW.
  • the rise time Tr and the fall time Tf at the time of driving the pulse current of 500 mA were 30 nsec.
  • the peak emission wavelength was 885 nm, and its half-value width was 51 nm. Its luminous output was 3.59 mW.
  • the rise time Tr and fall time Tf when driving with a pulse current of 500 mA were 65 nsec, respectively.
  • the emission peak wavelength can be set to 880 nm to 890 nm, high output and high speed response to both infrared communication and remote control operation communication are possible. It can be used as an infrared light source. Therefore, it can be used as an infrared light source for high-speed infrared communication. For example, it can be used as an infrared light source for IrDA (abbreviation of Infrared Data Association, which is a standard setting organization for infrared communication).
  • IrDA abbreviation of Infrared Data Association

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Abstract

 赤外発光ダイオード(1)は、p型のAlx Ga1-x As(0.15≦x≦0.45)を含む少なくとも1層のp型クラッド層(2)と、p型のAly Ga1-y As(0≦y≦0.01)を含む活性層(3)と、n型のAlz Ga1-z As(0.15≦z≦0.45)を含む少なくとも1層のn型クラッド層(4)とを有し、活性層(3)の厚みは、2~6μmであり、室温における発光ピーク波長を880~890nmとすることができ、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方への、高出力、高速応答可能な赤外光源として利用可能である。

Description

明 細 書
赤外発光ダイオード及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方に利用可能な赤外発光ダイ オード及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 化合物半導体の pn接合に順方向電流を流して発光させる発光ダイオード(以下、 適宜、 LEDと呼ぶ)のうち、 AlGaAs、 GaAs系 LEDは赤外線通信やリモコン操作等 の分野で広く使われている。例えば、赤外線通信に使用される LEDとしては、大容 量のデータ通信に対応するため、より高出力化、高速化が要求されるので、ダブルへ テロ(DH)構造の LEDが使用されている。 DH構造の LEDにおいて、活性層の厚み は薄いほど出力及び応答性に有利であり、通常 1 / m程度とされている。
特許文献 1には、上記 DH構造の LEDが開示されており、活性層へ添加する実効 的不純物(ドーパント)としてゲルマニウム(Ge)を用い、活性層の厚みを 0· 5〜: L 5 z mとすることにより、高出力、高信頼性、かつ応答性の良レ、 LEDが得られることが 記載されている。
[0003] また、リモコン操作用に使用される LEDとしては、 GaAsの液相成長によるホモ接合 型 LEDが使用されている。この LEDの pn接合は、液相成長する時にドーパントとし て用いるシリコン (Si)が成長温度により p型力も n型へ変換する、所謂 pn反転を利用 して形成されている。 Siは、 GaAs中に他のドーパントに比べて深い不純物準位を形 成するため、 GaAsホモ接合型 LEDの発光波長は GaAs吸収端(870nm)よりも長い 波長側に広く分布する。し力、しながら、キャリアの拡散距離が長いために、そのパル ス応答性は遅いものであった。このため、パルス応答における、 Tr (立ち上がり時間) 及び Tf (立ち下がり時間)は、数/ i secが限界であった。
[0004] 特許文献 1 :特開平 8— 293622号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0005] 近年、携帯電話等の小型の端末機器が各種開発され、赤外線通信とリモコン操作 通信の両機能を兼ね備えた端末機器も開発されている。機器間の送受信に用いら れる赤外通信の場合には、例えば 850〜900nmの赤外線が用いられ、リモコン操作 通信の場合には、受光部の感度が高レ、波長帯の例えば 880〜940nmの赤外線が 用いられている。従来はこれら 2つの機能を兼ね備える場合、発光波長の異なる 2種 類の LEDを用意する必要があった。
[0006] 上記の赤外線通信とリモコン操作通信の双方に使用できる LEDとしては、発光波 長力 例えば受光部の感度が高い波長である 880nmより長波長側にピーク波長領 域を有する必要があった。し力、しながら、特許文献 1に記載された DH構造 LEDは、 その発光ピーク波長が 800〜870nmであり、 870nmより長波長の LEDが得られな いという課題がある。
[0007] 一方、 Si添加の GaAsホモ接合型 LEDでは、 870nmより長波長の赤外発光が得ら れる力 赤外線通信に対応できる高速な応答性を得ることができなレ、。
[0008] 本発明は、以上の点に鑑み、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方に利用可 能であり、高出力、かつ、高速応答可能な、赤外発光ダイオードを提供することを目 的としている。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明者らは鋭意研究した結果、 AlGaAs系赤外 LEDにおいて、活性層厚みを 2 〜6 μ mとすることにより 870nmより長波長側の発光ピーク波長が得られること、 p型 活性層の実効的不純物を Geとすれば、 880〜890nmの範囲に発光ピーク波長を 有し、ホモ接合型 LEDに比べ高出力で、且つ、 Tr及び Tfが短いことにより高速応答 性の LEDを作製できること、そして、赤外線通信及びリモコン操作用通信に兼用でき る発光特性が得られること、などの知見を得て本発明に至ったものである。
[0010] 上記目的を達成するため、本発明の赤外発光ダイオードは、 p型の Al Ga As (0 x 1-x
• 15≤x≤0. 45)を含む少なくとも 1層の p型クラッド層と、 p型の Al Ga As (0≤y y l-y
≤0. 01)を含む活十生層と、 n型の Al Ga As (0. 15≤z≤0. 45)を含む少なくとち
z 1- z
1層の n型クラッド層とを有し、活性層の厚みが 2〜6 μ ΐηであり、赤外線通信とリモコ ン操作通信との双方の赤外光源として使用できることを特徴とする。 本発明によれば、 p型活性層の厚みを 2〜6 / mとすることにより、赤外線発光波長 を所望の波長に制御して、赤外線通信とリモコン操作通信との双方の赤外光源とし て使用できる赤外発光ダイオードを提供することができる。
[0011] 好ましくは、活性層の実効的不純物は、 Geで形成されている。この構成によれば、 活性層の実効的不純物は Geであるので、高出力、高速応答の赤外発光ダイオード を実現すること力 Sできる。
[0012] 赤外発光ダイオードの室温における発光ピーク波長は、好ましくは 880〜890nm である。このため、本発明の赤外発光ダイオードを、赤外線通信とリモコン操作用通 信との両方の用途への赤外光源として使用することができる。
[0013] また、上記の赤外発光ダイオードの製造方法は、 p型クラッド層と、 p型活性層と、 n 型クラッド層と力 GaAs基板上にェピタキシャル成長により形成され、ェピタキシャル 成長後に、基板が除去されることにより製造されることを特徴とする。
上記製造方法によれば、発光ピーク波長が 880〜890nmであり、赤外線通信とリ モコン操作用通信との両方の用途への高出力、高速応答ができる赤外発光ダイォー ドを、量産性よぐ低コストで製造することができる。
発明の効果
[0014] 本発明によれば、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方に利用可能であり、高 出力、高速応答ができる赤外発光ダイオードを提供することができる。このため、赤外 線通信及びリモコン操作用通信機能を有する機器では、波長の異なる 2種類の赤外 発光ダイオードを使用する必要があったものが、本発明では、赤外発光ダイオードを 1個使用するだけでよぐ 2種類の赤外発光ダイオードを使用する必要がなくなる。 また、本発明の赤外発光ダイオードの製造方法によれば、赤外線通信とリモコン操 作用通信との双方に利用可能であり、高出力、高速応答ができる赤外発光ダイォー ドを量産性よぐ低コストで製造することができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の赤外発光ダイオードの構造を示す模式的な断面図である。
[図 2]本発明の赤外発光ダイオードのェピタキシャル成長に使用するボートの模式断 面図である。 [図 3]実施例の赤外発光ダイオードにおける、活性層厚さ dを変化させたときのピーク 発光波長及びピーク発光波長における発光出力を示すグラフである。
[図 4]実施例の赤外発光ダイオードにおける、活性層厚さ dを変化させたときの発光 の立ち上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfを示すグラフである。
符号の説明
[0016] 1 :赤外発光ダイオード
2 : p型クラッド層
3 :活性層 (p型活性層)
4 : n型クラッド層
5 : ρ層電極
6 : η層電極
10 :ボート
11 :るつぼ
12 :ベース
13 :仕切り
14 : GaAs基板
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明の実施形態に係る赤外発光ダイオードの構造について、図 1を参照 しながら説明する。
図 1は、本発明の赤外発光ダイオードの構造を示す模式的な断面図である。本発 明の赤外発光ダイオード 1は、 p型クラッド層 2と、活性層 3と、 n型クラッド層 4と、から なる DH構造 (ダブルへテロ構造)を有し、 p型クラッド層 2及び n型クラッド層 4には、 それぞれ、 p層電極 5及び n層電極 6が形成されている。赤外発光ダイオード 1の上下 両面に形成される電極 5, 6の形状は任意に選定することができる。なお、赤外発光 ダイオード 1は、図 1とは逆、すなわち、上方から順に、 p層電極 5、 p型クラッド層 2、活 性層 3、 n型クラッド層 4、 n層電極 6としてもよい。
[0018] p型クラッド層 2は、 p型の Al Ga As (ここで、 xは混晶組成であり、 0. 15≤x≤0.
1-
45)を含む少なくとも 1層の p型クラッド層 2からなる。 p型クラッド層 2は、上記 p型の A1 Ga As層上に、さらに、 p型 GaAs層を形成した 2層構造を有していてもよい。例え 1—
ば、 p型 GaAs層を高不純物密度層とすれば、 p層電極 5を容易に形成でき、直列抵 抗の低減ができると共に、応答性能を向上させることができる。
[0019] n型クラッド層 4は、 n型の Al Ga As (ここで、 zは混晶組成であり、 0. 15≤z≤0.
1
45)を含む少なくとも 1層の n型クラッド層 4からなる。 n型クラッド層 4は、上記 n型の A1 Ga As層上に、さらに、 n型 GaAs層を形成した 2層構造を有していてもよレ、。例え
1
ば、 n型 GaAs層を高不純物密度層とすれば、 n層電極 6を容易に形成し、直列抵抗 の低減ができ、応答性能を向上させることができる。
[0020] p型及び n型クラッド層 2, 4には、活性層 3に対して、キャリアとなる電子及び正孔の 閉じこめ効果と、光の閉じこめ効果と、の両方の作用が要求されるので、上記 Al Ga
1
As及び Al Ga As層の Al組成である x及び zを、 0. 15以上とする必要がある。
1
一方、 Al組成 X, zの上限としては、キャリア及び光の閉じ込めのためには、原理的 には高くてもよい。し力 ながら、 A1組成の上昇に伴い、通電による赤外発光ダイォ ードの腐食劣化の問題が生じたり、また、ォーミックロスによる順方向電圧の上昇が 引き起こされるので好ましくない。このため、 A1組成は、 0. 15≤x, z≤0. 45であるこ とが望ましい。
[0021] 活性層 3は、 p型及び n型のクラッド層 2, 4の間に挿入される層であり、発光層となる 領域である。活性層 3は、 p型の Al Ga As (0≤y≤0. 01)を含む層、すなわち Ga i
Asを含む層又は Al Ga As (ここで、 yは混晶組成であり、 0 <y≤0. 01)を含む層
i
力 なる。 A1の組成 yは、 0. 01以上では、長波長の赤外光が発光しに《なるので、 好ましくない。
活性層 3の導電型は、発光効率からは p型が好ましい。そして、高速応答性及び高 信頼性のためには p型活性層 3の実効的不純物としては、 Geが好ましい。本発明の 赤外発光ダイオード 1を高速応答性とするためには、 p型活性層 3の不純物密度とし ては、おおよそ、 l X 1018cm 3以上とすればよい。本発明において実効的不純物とは 、実効的に支配する不純物を示すものである。例えば、 p型活性層 3の Geによる不純 物密度よりも低い、少量の Zn (亜鉛)や Mg (マグネシウム)が添加されてもよい。
[0022] 活性層 3の厚さを、 2〜6 μ mとすることにより、赤外発光ダイオードの室温における 発光ピーク波長を 880〜890nmとすることができる。活性層 3の厚さが 2 μ m以下で は、発光波長が 880nmよりも短波長側にずれるので好ましくない。一方、活性層 3の 厚さを、 6 μ ΐη以上としても、発光波長の長波長側へのシフト量が飽和し、発光出力も 低下するので好ましくなレ、。
なお、 LEDの発光波長は、発光部すなわち pn接合部の温度に依存して変化し、 周囲温度が高い場合や高電流動作で接合部の温度が高い場合には、発光強度の 最も大きい発光波長、すなわち発光ピーク波長は、長波長側に移動する。このため、 本発明の赤外発光ダイオードのピーク発光波長は、室温において、直流順方向電流 力 ¾0mAのときの測定値で定義する。
[0023] 本発明の赤外発光ダイオードによれば、発光ピーク波長を 880〜890nmとすること ができるので、赤外線通信とリモコン操作用通信との両方の用途への高出力赤外光 源として使用すること力 Sできる。そして、発光時のパルス応答が高速であるので、速度 の遅いリモコン操作用通信用のみならず、高速赤外線通信に対応できる。
[0024] 次に、本発明の実施形態に係る赤外発光ダイオードの製造方法について説明する 本発明の赤外発光ダイオード 1は、以下のようにして製造することができる。最初に 、 GaAs基板上に、 p型クラッド層 2、活性層 3、 n型クラッド層 4の順にェピタキシャノレ 成長を行って DH構造を得る。成長の順序は、上記とは逆の、 n型クラッド層 4、活性 層 3、 p型クラッド層 2の順番でもよい。用いる GaAs基板は、後述するように、ェピタキ シャル成長の後で除去する場合には、 p型、 n型、半絶縁性、アンドープの何れであ つてもよレ、。 GaAs基板を除去しない場合には、最初に成長させるクラッド層の導電 型に対応する P型又は n型の GaAs基板を使用すればよい。
続いて、 DH構造が形成された GaAs基板から、 GaAs基板を除去し、 DH構造を得 る。
次に、 DH構造の p型クラッド層 2及び n型クラッド層 4にそれぞれ電極 5, 6を形成し 、所定の面積のチップに分割する。その後で、光の取り出し効率を高めるためにチッ プ表面を荒らしてもよい。
その後、上記チップの下面電極をリードフレームの一方に固着し、リードフレームの 他方と上面電極との間を金線や Al線を用いたワイヤーボンディングにより接続して、 チップが搭載されたリードフレームの上方をエポキシコートすることにより砲弾型の赤 外発光ダイオードを製造することができる。
[0025] ェピタキシャル成長は、液相成長法や MOCVD法などを用いることができる。液相 成長法の場合には、徐冷法や温度差法を用いることができる。光の取り出し効率向 上のためには GaAs基板を除去することが好適である。この場合には、 DH構造自体 の膜厚は、電極形成などの後工程で破損しないように、 100 111〜200 111とするこ とが好ましい。このため、ェピタキシャル結晶成長方法としては、厚い成長層と高品質 の結晶が容易に得られ、かつ、量産ができ、低コストである、液相成長法が好適であ る。
[0026] 次に、 DH構造のェピタキシャル成長について、詳しく説明する。
図 2は、本発明の赤外発光ダイオードのェピタキシャル成長に使用するボートの模 式断面図である。図 2に示すように赤外発光ダイオードのェピタキシャル成長に使用 するボート 10は、るつぼ 11とベース 12と仕切り 13との 3点の部品から構成されている 。これらの部品の材料としては、カーボンを用いることができる。
るつぼ 11は、少なくとも 3槽からなる。これは、 p型クラッド層 2、活性層 3、 n型クラッ ド層 4のェピタキシャル成長に必要な、組成及びドーパントの異なる溶液槽が 3槽必 要なことによる。るつぼ 11の各槽には、 DH構造の各層の所定組成になるような、 Ga 原料、 A1原料、 GaAs原料及びドーパントがそれぞれ調合され充填されている。各槽 に充填された各層の成長原料は、原料溶液となる。また、ベース 12の中には GaAs 基板 14が収納されている。
[0027] 次に、ボート 10を用いた DH構造の徐冷法によるェピタキシャル成長について説明 する。
最初に、るつぼ 11内に原料が充填されたボート 10は、電気炉内の石英管に収容さ れ、窒素ガスパージや真空引きの後、水素ガスなどが流され、電気炉により成長温度 まで昇温され、所定の時間保持される。
次に、ボート 10が、電気炉の制御により徐冷されるとともに、るつぼ 11を動かして原 料溶液を、 GaAs基板 14が収納されているベース 12内に導入する。そして、所定の 温度、時間と徐冷速度により、ェピタキシャル成長を行い、仕切り 13を操作して成長 後の原料溶液を GaAs基板から分離する。この繰り返しにより DH構造の各層 2, 3, 4 を成長させることができる。
ここで、 AlAsの偏析係数が GaAsのそれより大きいため、クラッド層 2, 4の厚い層を 成長させる場合に、 Ga中の AlAs成分が減少し、クラッド層 2, 4内の A1組成 x, zが傾 斜する。一方、活性層 3は、厚みがクラッド層 2, 4の厚さに比べて非常に薄いので、 A1組成 yの変動は殆ど生起しなレ、。
[0028] 本発明の赤外発光ダイオードの製造方法によれば、発光ピーク波長を 880〜890 nmとすることで、赤外線通信とリモコン操作用通信との両方の用途への高出力、高 速応答ができる赤外発光ダイオードを、量産性よぐ低コストで製造することができる。 実施例
[0029] 以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の実施例においては、液相成長法として徐冷法を用い、 GaAs基板上に p 型クラッド層 2と p型活性層 3と n型クラッド層 4とからなる DH構造をェピタキシャル成 長させた。ェピタキシャル成長は、 p型クラッド層 2及び n型クラッド層 4の厚さを、それ ぞれ約 100 μ m、約 60 μ mと固定し、 p型活性層 3となる AlGa As層の厚さを種々
1- y
変化させた。成長温度は、 600〜900°Cの範囲であった。
[表 1]
Figure imgf000009_0001
表 1は、実施例で製造した DH構造の各層の Al組成、不純物密度、用いた不純物( ドーパント)、厚さの一例を示す表である。表 1から明らかなように、 p型クラッド層 2の 組成 Xは 0· 15〜0· 45であり、 Ζηによる不純物密度は 3 X 1017cm3であり、厚さは 10 0 /i mである。 p型活性層 3の組成 yは 0、すなわち、 GaAsであり、 Geによる実効的不 純物密度は 2 X 1018cm3であり、厚さは種々変えたので d /i mと表記している力 0. 5 /ι πι〜8 μ ΐη程度の厚さとした。 η型クラッド層 4の組成 ζは 0. 20〜0. 45であり、 Te による不純物密度は 6 X 1017cm3であり、厚さは 60 /i mである。なお、上記組成 x, z は、上記したようにそれぞれ各膜厚内の変動幅を示している。
[0030] 次に、 GaAs基板を除去し、 p型クラッド層 2及び n型クラッド層 4にそれぞれ、電極 5 , 6を形成し、所定の面積のチップに分割して赤外発光ダイオード 1を上記で説明し た方法により製造した。この赤外発光ダイオードのチップの大きさは、 0. 32mm X 0. 32mmの面積を有し、その厚さは、活性層の厚さがクラッド層よりも十分に薄いので 無視すると、約 160 μ mである。
[0031] 次に、上記実施例の赤外発光ダイオードの発光特性について説明する。
図 3は、実施例の赤外発光ダイオードにおける、活性層の厚さ dを変化させたときの ピーク発光波長及びピーク発光波長における発光出力を示すものである。図におい て、横軸は活性層厚さ d ( / m)を、左縦軸はピーク発光波長 (nm)を、右縦軸はピー ク発光波長での光出力(mW)を示している。発光ダイオード 1には、室温(25°C)で 2 OmAの電流を流している。発光特性は、分光器 (MCPD3000大塚電子 (株)製)を 用いて測定した。
図から明らかように、活性層厚さ dを 0. 5 / m力ら 6 μ ΐηまで変ィ匕させたときに、ピー ク発光波長が約 870〜890nmまで変化する。そして、活性層厚さ dが 2 μ m〜6 μ m の間では、ピーク発光波長が約 880nm〜890nmとなることが分かる。この際、ピーク 発光波長における出力は、 4mW前後の高出力が得られた。これにより、上記 880η m〜890nmのピーク発光波長は、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方に利用 できる赤外光領域の境界に当たる波長に相当し、し力、も、高出力である。
[0032] 図 4は、実施例の赤外発光ダイオードにおける、活性層厚さ dを変化させたときの発 光の立ち上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfを示す図である。図において、横軸は 活性層厚さ d ( z m)を示し、縦軸は立ち上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tf (nsec) を示し、立ち上がり時間 Trは菱形(♦印)で、立ち下がり時間 Tf (nsec)は四角(國印 )で表わしている。ここで、立ち上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfの測定は、赤外 発光ダイオード 1に、ノ ノレス幅 125nsec、デューティ比 25%、ピーク電流 500mAの パルスを印加して測定した。
図から明らかように、活性層厚さ dを 2 / mから 6 / mまで変化させたときに、立ち上 力 Sり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfはほぼ同じ値であり、約 37nsecから 55nsec程度 であり、赤外線通信に要求される遮断周波数に対応できる応答性能であることが分 かる。
[0033] 次に、活性層厚さを 2. 8 μ m及び 4. 8 μ mとした赤外発光ダイオード 1の発光特性 例を説明する。
ピーク発光波長等の測定は、室温で、直流順方向電流を 20mA印加したときの値 である。活性層厚さを 2. 8 x mとした赤外発光ダイオードにおいては、ピーク発光波 長は 885nmであり、その半値幅 (発光出力が 1/2となる発光波長幅)は 51nmであ つた。その発光出力は 3. 82mWであった。また、パルス電流 500mA駆動時の立ち 上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfは、それぞれ、 30nsecであった。活性層厚さを 4. 8 /i mとした赤外発光ダイオードにおいては、ピーク発光波長は 885nmであり、そ の半値幅は 51nmであった。その発光出力は 3. 59mWであった。また、パルス電流 500mA駆動時の立ち上がり時間 Tr及び立ち下がり時間 Tfは、それぞれ、 65nsec であった。
[0034] 本発明は、これらの実施例に限定されるものではなぐ特許請求の範囲に記載した 発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれること はいうまでもない。例えば、エポキシコートの赤外発光ダイオードだけに限定されるこ となぐ各種のモデュール用赤外発光ダイオードチップなどにも使用することができる 産業上の利用可能性
[0035] 本発明の赤外発光ダイオードによれば、発光ピーク波長を 880nm〜890nmとす ること力 Sできるので、赤外線通信とリモコン操作用通信との双方への、高出力、高速 応答可能な赤外光源として使用することができる。したがって、高速赤外通信用の赤 外光源として使用でき、例えば、 IrDA (赤外線通信の規格制定団体である Infrared Data Associationの略称)用赤外光源として利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] p型の Al Ga As (0. 15≤x≤0. 45)を含む少なくとも 1層の p型クラッド層と、
1
p型の Al Ga As (0≤y≤0. 01)を含む活性層と、
l
n型の Al Ga As (0. 15≤z≤0. 45)を含む少なくとも 1層の n型クラッド層と、を 有し、
上記活性層の厚みは、 2〜6 z mであり、赤外線通信とリモコン操作通信との双方 の赤外光源として使用し得ることを特徴とする、赤外発光ダイオード。
[2] 前記活性層の実効的不純物が、 Geで形成されていることを特徴とする、請求項 1に 記載の赤外発光ダイオード。
[3] 前記赤外発光ダイオードの室温における発光ピーク波長は、 880〜890nmである ことを特徴とする、請求項 1又は 2に記載の赤外発光ダイオード。
[4] 赤外線通信とリモコン操作通信との双方の赤外光源として使用し得る赤外発光ダイ オードの製造方法であって、
p型の Al Ga As (0. 15≤x≤0. 45)を含む少なくとも 1層の p型クラッド層と、 p型
1- の Al Ga As (0≤y≤0. 01)を含む 2〜6 μ mの厚さの活性層と、 n型の Al Ga
l 1
As (0. 15≤z≤0. 45)を含む少なくとも 1層の n型クラッド層と、が GaAs基板上にェ ピタキシャル成長により形成され、
上記ェピタキシャル成長後に、上記基板が除去されることにより製造されることを特 徴とする、赤外発光ダイオードの製造方法。
[5] 前記活性層の実効的不純物を、 Geで形成することを特徴とする、請求項 4に記載 の赤外発光ダイオードの製造方法。
[6] 前記赤外発光ダイオードの室温における発光ピーク波長力 S、 880〜890nmである ことを特徴とする、請求項 4又は 5に記載の赤外発光ダイオードの製造方法。
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