JP7100346B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は窒化物半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
半導体素子のほとんどはp型半導体層とn型半導体層とを積層して形成される。高い効率で動作する素子を実現するためには、電気抵抗が小さいp型半導体層及びn型半導体層が必要である。ところが、紫外可視光波長域発光・受光素子として有用であるとされる窒化物半導体では、p型半導体層のGaNにおいて、電気抵抗率が1Ωcm以上である。これは、n型窒化物半導体や赤外半導体であるn型GaAs(ガリウムヒ素)やp型GaAsの電気抵抗率が0.01Ωcm以下であることに比べて100倍以上大きい。さらに、深紫外領域で必要とされる、AlN(窒化アルミニウム)モル分率が大きいAlGaNは、p型AlGaNが得られないという課題がある。 Most semiconductor devices are formed by laminating a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. In order to realize an element that operates with high efficiency, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer having a small electric resistance are required. However, in a nitride semiconductor that is considered to be useful as an ultraviolet visible light wavelength region light emitting / receiving element, the electrical resistivity of GaN of the p-type semiconductor layer is 1 Ωcm or more. This is 100 times or more higher than the electrical resistivity of n-type nitride semiconductors, n-type GaAs (gallium arsenide) and p-type GaAs, which are infrared semiconductors, of 0.01 Ωcm or less. Further, AlGaN having a large AlN (aluminum nitride) mole fraction, which is required in the deep ultraviolet region, has a problem that p-type AlGaN cannot be obtained.
このため、非特許文献1には、高濃度にドナー(n型不純物)が添加されたn型半導体層(以降、n++半導体層という)と、高濃度にアクセプタ(p型不純物)が添加されたp型半導体層(以降、p++半導体層という)とがpn接合したトンネル接合層をp側に配置した素子構造が開示されている。詳しくは、非特許文献1に開示された素子構造は、活性層の上側に配置されるp型半導体層を薄いp型半導体層にして、その上側にトンネル接合層を配置し、さらにトンネル接合層の上側に比較的厚いn型半導体層を配置している。この素子構造のn型半導体層側から電流を流すと、トンネル接合層のn++半導体層とp++半導体層とに逆バイアスが印加され、トンネル接合層内のn++半導体層からp++半導体へとキャリアがトンネルし、電流が流れることになる。このトンネル接合層を有する発光素子では、n型半導体層に比べて高い電気抵抗のp型半導体層をほとんど使用する必要がなく、p型半導体層に比べて低い電気抵抗のn型半導体層を利用することによって、素子抵抗を大幅に低減させることができる。
Therefore, in
これに対して、素子抵抗の全体を低減するには、トンネル接合層の電気抵抗を低減させる必要がある。トンネル接合自体の電気抵抗を小さくすることができれば、従来の素子の電気抵抗をより小さくすることができ、さらに、現在実用化が遅れている面発光レーザや深紫外発光素子の実用化が可能になる。
非特許文献2に示すように、一般的にトンネル接合は、p++半導体層とn++半導体層を接合させた構造であり、それぞれの層に空乏層が形成され、これら空乏層の厚みの和がトンネル接合層内に形成される空乏層の厚みとなる。この空乏層の厚みが薄いほど、電子が価電子帯から伝導帯へトンネルしやすくなり、低い電気抵抗でn++半導体層からp++半導体層に電流を流すことができる。空乏層の幅Wは、一般的に以下の式で表される。
On the other hand, in order to reduce the total element resistance, it is necessary to reduce the electrical resistance of the tunnel junction layer. If the electric resistance of the tunnel junction itself can be reduced, the electric resistance of the conventional element can be further reduced, and further, the surface emitting laser and the deep ultraviolet light emitting element, which are currently delayed in practical use, can be put into practical use. Become.
As shown in
ここで、εs:半導体の誘電率、Vbi:印加電圧、ND:n++半導体層内の実効ドナー濃度、NA:p++半導体層内の実効アクセプタ濃度である。この式から、ND(実効ドナー濃度)、及びNA(実効アクセプタ濃度)が高いほど、空乏層の幅Wは狭くなることがわかる。ただし、ND、NAは、いわゆる実効濃度である。例えば、p++半導体層の表面側である上側にn++半導体層を形成する場合、p++半導体層内のアクセプタ濃度を高くし過ぎると、直上のn++半導体層内にアクセプタが拡散し、拡散したアクセプタによってn++半導体層内のドナーが補償されてしまう。これにより、n++半導体層内の実効ドナー濃度NDは減少し、ND-NAに低下する。この結果、空乏層の幅Wが広がり、トンネル接合層の電気抵抗は高くなってしまう。ゆえに、トンネル接合層では、p++半導体層、及びn++半導体層のそれぞれにおいて、アクセプタ濃度、及びドナー濃度を極めて高い濃度にすると共に、p++半導体層とn++半導体層との界面(以降、トンネル接合層の界面という)における濃度プロファイルを急峻に制御(上記の場合で言えば、p++半導体層内において、n++半導体層との界面に向かうに従い、アクセプタ濃度を急激に低下させると共に、n++半導体層内において、p++半導体層との界面から離れるに従いドナー濃度を急激に増加させる)することによって、アクセプタ、及びドナーが互いに補償することを抑え、実効アクセプタ濃度及び実効ドナー濃度を高くすることが必要であることが知られている。したがって、上記基本理論に基づいてアクセプタ濃度及びドナー濃度プロファイルを適切に制御することによってトンネル接合層の電気抵抗を低くすることが可能と考えられた。 Here, ε s : the permittivity of the semiconductor, V bi : the applied voltage, ND : n ++ is the effective donor concentration in the semiconductor layer, and NA: p ++ is the effective acceptor concentration in the semiconductor layer. From this equation, it can be seen that the higher the ND (effective donor concentration) and NA (effective acceptor concentration), the narrower the width W of the depletion layer. However, ND and NA are so - called effective concentrations. For example, in the case of forming an n ++ semiconductor layer on the upper side of the surface side of the p ++ semiconductor layer, if the acceptor concentration in the p ++ semiconductor layer is made too high, the acceptor is diffused in the n ++ semiconductor layer directly above, and the diffused acceptor causes n ++. Donors in the semiconductor layer are compensated. As a result, the effective donor concentration ND in the n ++ semiconductor layer decreases, and decreases to ND −NA . As a result, the width W of the depletion layer is widened, and the electrical resistance of the tunnel junction layer is high. Therefore, in the tunnel junction layer, the acceptor concentration and the donor concentration are made extremely high in each of the p ++ semiconductor layer and the n ++ semiconductor layer, and the interface between the p ++ semiconductor layer and the n ++ semiconductor layer (hereinafter referred to as the tunnel junction layer). The concentration profile at the interface) is steeply controlled (in the above case, in the p ++ semiconductor layer, the acceptor concentration is sharply lowered toward the interface with the n ++ semiconductor layer, and p ++ in the n ++ semiconductor layer. It is known that it is necessary to suppress the acceptance and donors from compensating each other and increase the effective acceptor concentration and the effective donor concentration by rapidly increasing the donor concentration as the distance from the interface with the semiconductor layer increases. Has been. Therefore, it is considered possible to reduce the electrical resistance of the tunnel junction layer by appropriately controlling the acceptor concentration and the donor concentration profile based on the above basic theory.
しかし、窒化物半導体は従来の半導体に比べてバンドギャップが倍以上大きいため、そもそもキャリアがトンネルし難く、さらに、アクセプタの濃度プロファイルを急峻に制御することも難しい。このため、窒化物半導体を用いて電気抵抗の低いトンネル接合層を実現することは難しいと考えられた。
このような状況下において、窒化物半導体を用いたトンネル接合層では、非特許文献3に示すように、バンドギャップの小さなGaInN層を用いたり、非特許文献4に示すように、アクセプタ(p型不純物)であるMg(以降、Mgという)の濃度プロファイルの制御が容易なMBE法を用いたり、非特許文献5に示すように、トンネル接合層の界面において、成長炉からウエハを一旦取り出しウエハ洗浄し、その後再成長させたりする等の工夫をして電気抵抗が低い窒化物半導体のトンネル接合層を実現している。
However, since the bandgap of the nitride semiconductor is more than twice as large as that of the conventional semiconductor, it is difficult for carriers to tunnel in the first place, and it is also difficult to steeply control the concentration profile of the acceptor. Therefore, it is considered difficult to realize a tunnel junction layer having low electrical resistance by using a nitride semiconductor.
Under such circumstances, in the tunnel junction layer using a nitride semiconductor, a GaInN layer having a small bandgap is used as shown in Non-Patent
しかし、窒化物半導体を用いたトンネル接合層において、最も基本的なアクセプタ濃度及びドナー濃度、及びこれらの濃度プロファイルに関する設計指針は、非特許文献2に開示された基本理論があるのみである。
このため、発明者らは、この基本理論に基づいてアクセプタ濃度及びドナー濃度のそれぞれの濃度プロファイルを制御して作成したトンネル接合層の駆動電圧を評価し、アクセプタ及びドナーの相関関係を詳しく調査した。
上述したように、この基本理論においてはMg、及びドナー(n型不純物)であるSi(以降、Siという)を用いてp++半導体層、及びn++半導体層を形成しつつ、このMg及びSiのそれぞれの濃度プロファイルがトンネル接合層の界面において急峻に形成され、p++半導体層とn++半導体層とが接合され、Mg及びSiのそれぞれの最大値を示す位置がトンネル接合層の厚み方向(以降、厚み方向という)に分離して存在する濃度プロファイルの構造が最適であると考えられていた(図1(A)参照。)。しかし、窒化物半導体はMgの濃度プロファイルを急峻に制御することが難しいため、電気抵抗の低いトンネル接合層を実現することが難しい。なお、トンネル接合層のn側の端は、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置であり、p側の端は、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
However, in the tunnel junction layer using a nitride semiconductor, the most basic acceptor concentration and donor concentration, and the design guideline regarding these concentration profiles are only the basic theory disclosed in Non-Patent
Therefore, the inventors evaluated the drive voltage of the tunnel junction layer created by controlling the respective concentration profiles of the acceptor concentration and the donor concentration based on this basic theory, and investigated the correlation between the acceptor and the donor in detail. ..
As described above, in this basic theory, Mg and Si (hereinafter referred to as Si) which is a donor (n-type impurity) are used to form a p ++ semiconductor layer and an n ++ semiconductor layer, and each of the Mg and Si is formed. The concentration profile of is steeply formed at the interface of the tunnel junction layer, the p ++ semiconductor layer and the n ++ semiconductor layer are bonded, and the position showing the maximum value of each of Mg and Si is in the thickness direction of the tunnel junction layer (hereinafter, the thickness direction). The structure of the concentration profile that exists separately in () was considered to be optimal (see FIG. 1 (A)). However, since it is difficult to steeply control the concentration profile of Mg in a nitride semiconductor, it is difficult to realize a tunnel junction layer having low electrical resistance. The n-side end of the tunnel junction layer is the position where the Si concentration profile changes from a substantially flat state to an increasing state toward the p-side, and the p-side end is the position of Mg toward the n-side. This is the position where the concentration profile changes from a nearly flat state to an increasing state.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、窒化物半導体を用いたトンネル接合層において、ドナー、及びアクセプタのそれぞれの濃度プロファイルが、より適切に形成されることによって実現する低抵抗トンネル接合層によって、高効率で発光することができる窒化物半導体発光素子を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and is realized by more appropriately forming the respective concentration profiles of the donor and the acceptor in the tunnel junction layer using the nitride semiconductor. It is an issue to be solved to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of emitting light with high efficiency by using a low resistance tunnel junction layer.
ここで、Mg及びSiのそれぞれの濃度を測定する場合には、測定下限の制限により、異なる測定条件で測定する必要があるため、従来同時に測定を行っていなかった。ゆえに、Mg及びSiのそれぞれの濃度の最大値を示す位置の互いの厚み方向の位置関係は正確に把握できなかった。
しかし、トンネル接合層では、Mg及びSiのそれぞれの濃度が高濃度であるため、Mg及びSiのそれぞれの濃度プロファイルを一度の測定で同時に測定することができる。これにより、発明者らは、窒化物半導体を用いた電気抵抗の低いトンネル接合層におけるMg及びSiのそれぞれの濃度の最大値を示す位置の厚み方向の正確な位置関係を把握することが可能であった。
その結果、図1(B)に示すように、トンネル接合層内のMgの濃度の最大値を示す厚み方向の位置に、そのMg濃度よりも高い濃度のSiが存在する構造において、窒化物半導体を用いたトンネル接合層の電気抵抗が大きく低下することを見出した。これは、非特許文献2に開示された従来の基本理論によれば、トンネル接合層の全てのMgがSiに補償されてしまい実効アクセプタ濃度は0となり、トンネル接合層として全く好ましくない構造である。
Here, when measuring the respective concentrations of Mg and Si, it is necessary to measure under different measurement conditions due to the limitation of the lower limit of measurement, so that the measurement has not been performed at the same time in the past. Therefore, it was not possible to accurately grasp the positional relationship between the positions showing the maximum values of the respective concentrations of Mg and Si in the thickness direction.
However, in the tunnel junction layer, since the respective concentrations of Mg and Si are high, the respective concentration profiles of Mg and Si can be measured simultaneously by one measurement. This makes it possible for the inventors to grasp the accurate positional relationship in the thickness direction of the position showing the maximum value of each concentration of Mg and Si in the tunnel junction layer having low electric resistance using a nitride semiconductor. there were.
As a result, as shown in FIG. 1 (B), the nitride semiconductor has a structure in which Si having a concentration higher than the Mg concentration exists at a position in the thickness direction indicating the maximum value of the Mg concentration in the tunnel junction layer. It was found that the electrical resistance of the tunnel junction layer using the above is greatly reduced. According to the conventional basic theory disclosed in
第1発明の窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側の端までの間における前記アクセプタ濃度が、ドナー濃度より低く、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記ドナー濃度の最大値を示す位置までの間の厚み方向の距離よりも、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記ドナー濃度の値と前記アクセプタ濃度の値とが一致する位置までの間の厚み方向の距離が大きいことを特徴とする。 In the nitride semiconductor light emitting element of the first invention, the acceptor concentration in the tunnel junction layer from the position showing the maximum value of the acceptor concentration to the n-side end of the tunnel junction layer is lower than the donor concentration, and the acceptor The value of the donor concentration and the value of the acceptor concentration from the position showing the maximum value of the acceptor concentration, rather than the distance in the thickness direction from the position showing the maximum value of the concentration to the position showing the maximum value of the donor concentration. It is characterized in that the distance in the thickness direction to the position where is the same is large.
この窒化物半導体発光素子のトンネル接合層には、トンネル接合層の厚み方向の所定の位置において、アクセプタ、及びドナーの両方が存在することによって、バンド内に不純物準位を形成し、比較的大きな電子や正孔の状態密度を存在させることができ、これによりトンネル接合層で生じるトンネル電流に寄与することができると考えられる。 In the tunnel junction layer of this nitride semiconductor light emitting device, the presence of both the acceptor and the donor at a predetermined position in the thickness direction of the tunnel junction layer forms an impurity level in the band, which is relatively large. It is thought that the density of states of electrons and holes can exist, which can contribute to the tunnel current generated in the tunnel junction layer.
したがって、本発明の窒化物半導体発光素子は高効率で発光することができる。
また、第2発明の窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側の端までの間における前記アクセプタ濃度が、ドナー濃度より低く、前記トンネル接合層に前記アクセプタ濃度の最大値及び前記ドナー濃度の最大値が位置しており、実効アクセプタ濃度は、前記トンネル接合層のp側の端に向けて単調に減少していることを特徴とする。
Therefore, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention can emit light with high efficiency.
Further, in the nitride semiconductor light emitting element of the second invention , the acceptor concentration in the tunnel junction layer from the position showing the maximum value of the acceptor concentration to the n-side end of the tunnel junction layer is higher than the donor concentration. Low, the maximum value of the acceptor concentration and the maximum value of the donor concentration are located in the tunnel junction layer, and the effective acceptor concentration is monotonically decreasing toward the p-side end of the tunnel junction layer. It is characterized by.
本発明における好ましい実施の形態を説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described.
本発明の窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置が、トンネル接合層のn側の端の位置よりもドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置により近くてもよい。この場合、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層のn側の端にアクセプタが偏析することを抑えることができる。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the position showing the maximum value of the acceptor concentration in the tunnel junction layer has the same value of the donor concentration and the value of the acceptor concentration as the position of the n-side end of the tunnel junction layer. It may be closer to the position. In this case, the nitride semiconductor light emitting device can suppress segregation of the acceptor at the n-side end of the tunnel junction layer.
本発明の窒化物半導体発光素子のトンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置、及びドナー濃度の最大値を示す位置は、ドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置よりトンネル接合層のn側に位置してもよい。この場合、この窒化物半導体発光素子は、アクセプタ濃度の最大値を示す位置、及びドナー濃度の最大値を示す位置のそれぞれをトンネル接合層内に確実に存在させることができ、トンネル接合層において、アクセプタ濃度、及びドナー濃度のそれぞれを確実に高くすることができる。 In the tunnel junction layer of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the position showing the maximum value of the acceptor concentration and the position showing the maximum value of the donor concentration are tunneled from the position where the value of the donor concentration and the value of the acceptor concentration match. It may be located on the n side of the junction layer. In this case, the nitride semiconductor light emitting device can surely have each of the position showing the maximum value of the acceptor concentration and the position showing the maximum value of the donor concentration in the tunnel junction layer, and in the tunnel junction layer, Each of the acceptor concentration and the donor concentration can be surely increased.
本発明の窒化物半導体発光素子のトンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置におけるドナー濃度の値は、アクセプタ濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上でもよい。この場合、この窒化物半導体発光素子は、より大きな電子や正孔の状態密度を存在させることができ、これによりトンネル接合層で生じるトンネル電流に寄与することができると考えられる。 In the tunnel junction layer of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the value of the donor concentration at the position showing the maximum value of the acceptor concentration may be at least twice or more the maximum value of the acceptor concentration. In this case, it is considered that the nitride semiconductor light emitting device can have a larger density of states of electrons and holes, which can contribute to the tunnel current generated in the tunnel junction layer.
本発明の窒化物半導体発光素子のトンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層のn側において、アクセプタ濃度が1×1020cm-3未満、且つドナー濃度が1×1020cm-3以上の領域が6nm以上であってもよい。この場合、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層のn側にアクセプタが偏析することをより抑えることができる。 In the tunnel junction layer of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the acceptor concentration is less than 1 × 10 20 cm -3 and the donor concentration is 1 × 10 on the n side of the tunnel junction layer from the position showing the maximum value of the acceptor concentration. The region of 20 cm -3 or more may be 6 nm or more. In this case, the nitride semiconductor light emitting device can further suppress segregation of the acceptor on the n side of the tunnel junction layer.
次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例1、2及び比較例1~3について、図面を参照しつつ説明する。 Next, Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 embodying the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施例1、2、及び比較例1~3> <Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3>
実施例1、2、及び比較例1、2の窒化物半導体発光素子は、図2に示すように、第1n-GaN層11、GaInN/GaN5重量子井戸活性層12、p-AlGaN層13、p-GaN層14、トンネル接合層15、及び第2n-GaN層16を備えている。
As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor light emitting devices of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 include a first n-
実施例1、2、及び比較例1、2の窒化物半導体発光素子は、基板であるサファイア基板9(以下、基板9という)の表面側(表は図2における上側である、以下同じ。)に低温堆積緩衝層(図示せず)を介して形成したu-GaN層10の表面側に、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて積層して結晶成長する。なお、サファイア基板9、及びu-GaN層10はc面((0001)面)が表面である。
The nitride semiconductor light emitting devices of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are on the front surface side of the sapphire substrate 9 (hereinafter referred to as substrate 9) which is a substrate (the table is the upper side in FIG. 2, the same applies hereinafter). The
先ず、基板9の表面側に形成されたu-GaN層10の表面に第1n-GaN層11を積層して結晶成長する。詳しくは、先ず、MOCVD法を実行することができるMOCVD装置の反応炉内にu-GaN層10が表面に形成された基板9をセットする。そして、反応炉内にN(窒素)の原料であるNH3(アンモニア)、及びキャリアガスであるH2(水素)を供給して、反応炉内の温度を調節して基板の温度を1050℃にする。反応炉内に供給するガスは、別途記載があるまで供給を停止しない。そして、反応炉内にGa(ガリウム)の原料であるTMGa(トリメチルガリウム)と、Si(ケイ素)の原料であるSiH4(シラン)とを供給して、2μmの厚みの第1n-GaN層11を積層して結晶成長させる。反応炉内へのSiH4の供給量は第1n-GaN層11に添加されるSiの濃度が1×1019cm-3になるように調節する。
First, the first n-
次に、第1n-GaN層11の表面にGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を積層して結晶成長する。GaInN/GaN5重量子井戸活性層12は、GaInN井戸層(図示せず)、及びGaNバリア層(図示せず)を有している。
Next, the GaInN / GaN5 weight element well
先ず、GaInN井戸層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのH2、TMGa、及びSiH4の供給を停止する。すなわち、NH3以外の原料のガスの供給を停止する。そして、反応炉内にキャリアガスとしてN2(窒素)を供給する。そして、反応炉内の温度を調節して基板9の温度を780℃にする。そして、反応炉内にGaの原料であるTEGa(トリエチルガリウム)と、In(インジウム)の原料であるTMIn(トリメチルインジウム)とを供給して、3nmの厚みのGaInN井戸層を積層して結晶成長させる。
First, the GaInN well layer is laminated to grow crystals. Specifically, the supply of H 2 , TMGa, and SiH 4 into the reactor will be stopped. That is, the supply of gas of raw materials other than NH 3 is stopped. Then, N 2 (nitrogen) is supplied as a carrier gas into the reactor. Then, the temperature in the reactor is adjusted to bring the temperature of the
次に、GaInN井戸層の表面にGaNバリア層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのTMInの供給を停止して、6nmの厚みのGaNバリア層を積層して結晶成長させる。こうして成長させたGaInN量子井戸層、及びGaNバリア層を1ペアとして、この1ペアを5ペア積層して結晶成長する。こうしてGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を形成する。そして、反応炉内へのTEGa及びTMInの供給を停止する。
Next, a GaN barrier layer is laminated on the surface of the GaInN well layer to grow crystals. Specifically, the supply of TMIn into the reactor is stopped, and a GaN barrier layer having a thickness of 6 nm is laminated to grow crystals. The GaInN quantum well layer and the GaN barrier layer grown in this way are used as one pair, and five pairs of these one pair are laminated to grow crystals. In this way, the GaInN / GaN5 weight well
次に、GaInN/GaN5重量子井戸活性層12の表面にp-AlGaN層13を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へ供給するキャリアガスをN2からH2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板9の温度を1000℃にする。そして、反応炉内にTMGa、Al(アルミニウム)の原料であるTMAl(トリメチルアルミニウム)、及びMg(マグネシウム)の原料であるCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を供給して、20nmの厚みのp-AlGaN層13を積層して結晶成長させる。反応炉内へのCp2Mgの供給量はp-AlGaN層13に添加されるMgの濃度が3×1019cm-3になるように調節する。
Next, the p-
次に、p-AlGaN層13の表面にp-GaN層14を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へTMAlの供給を停止して、160nmの厚みのp-GaN層14を積層して結晶成長させる。p-GaN層14に添加されるMgの濃度は4×1019cm-3である。
Next, the p-
次に、反応炉内でp-GaN層14の表面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層15を形成する。トンネル接合層15はGaNを母材とし、アクセプタ(p型不純物)としてMgを用いたp型トンネル接合層であるp++-GaN層15A、及びドナー(n型不純物)としてSiを用いたn型トンネル接合層であるn++-GaN層15Bを有している。
また、実施例1、2、及び比較例1、2では、Siの厚み方向の濃度プロファイルを互いに同様とし、Mgの厚み方向の濃度プロファイルをそれぞれ変更している。
Next, a
Further, in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the concentration profiles in the thickness direction of Si are the same as each other, and the concentration profiles in the thickness direction of Mg are changed.
先ず、アクセプタを添加してp++-GaN層15Aを形成する。詳しくは、反応炉内にTEGa、及びCp2Mgを供給する。こうして、数nm~10数nmの厚みのp++-GaN層15Aを成長させる。p++-GaN層15Aに添加されるMgの濃度の最大値が2~3×1020cm-3になるようにTEGa、及びCp2Mgの流量を調節する。こうして、p++-GaN層15Aの結晶成長を終了する。そして、反応炉内へのTEGa、及びCp2Mgの供給を停止する。すなわち、NH3以外の原料のガスの供給を停止する。 First, an acceptor is added to form the p ++-GaN layer 15A. Specifically, TEGa and Cp 2 Mg are supplied into the reactor. In this way, the p ++-GaN layer 15A having a thickness of several nm to several ten and several nm is grown. The flow rates of TEGa and Cp 2 Mg are adjusted so that the maximum concentration of Mg added to the p ++-GaN layer 15A is 2 to 3 × 10 20 cm -3 . In this way, the crystal growth of the p ++-GaN layer 15A is completed. Then, the supply of TEGa and Cp 2 Mg to the reactor is stopped. That is, the supply of gas of raw materials other than NH 3 is stopped.
次に、p++-GaN層15Aの表面にn++-GaN層15Bを積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのCp2Mgの供給を停止する。そして、反応炉内に、TEGa、及びSiH4を供給して、15nmの厚みのn++-GaN層15Bを積層して結晶成長させる。n++-GaN層15Bに添加されるSiの濃度の最大値は5~7×1020cm-3である。その後、反応炉内へのTEGa及びSiH4の供給を停止する。
実施例1、2、及び比較例1、2において、p++-GaN層15Aを形成する際、Mgの供給量を調整することによって、Mgの濃度の最大値を示す厚み方向の位置(以降、Mgの最大値を示す位置という)に対するSiの濃度の最大値を示す厚み方向の位置(以降、Siの最大値を示す位置という)を1.8nm、2.5nm、4.3nm、7.2nmの4種類に変化させている。Mgの最大値を示す位置に対するSiの最大値を示す位置は、実施例1が1.8nmであり、実施例2が2.5nmであり、比較例1が4.3nmであり、比較例2が7.2nmである。
Next, the n ++-GaN layer 15B is laminated on the surface of the p ++-GaN layer 15A to grow crystals. Specifically, the supply of Cp 2 Mg into the reactor is stopped. Then, TEGa and SiH 4 are supplied into the reaction furnace, and an n ++-GaN layer 15B having a thickness of 15 nm is laminated to grow crystals. The maximum concentration of Si added to the n ++-GaN layer 15B is 5 to 7 × 10 20 cm -3 . After that, the supply of TEGa and SiH 4 to the reactor is stopped.
In Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, when the p ++-GaN layer 15A is formed, the position in the thickness direction indicating the maximum value of the Mg concentration is shown by adjusting the supply amount of Mg (hereinafter, Mg). The position in the thickness direction (hereinafter referred to as the position indicating the maximum value of Si) indicating the maximum value of the concentration of Si with respect to the position indicating the maximum value of Si) is 1.8 nm, 2.5 nm, 4.3 nm, 7.2 nm. It is changed into 4 types. The position showing the maximum value of Si with respect to the position showing the maximum value of Mg is 1.8 nm in Example 1, 2.5 nm in Example 2, 4.3 nm in Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Is 7.2 nm.
その後、反応炉内へのTEGa及びSiH4の供給を停止する。すなわち、NH3以外の反応炉内への原料の供給を停止する。こうして、実施例1、2、及び比較例1、2のそれぞれにおいてトンネル接合層15を形成する。
After that, the supply of TEGa and SiH 4 to the reactor is stopped. That is, the supply of raw materials to the reactor other than NH 3 is stopped. In this way, the
次に、トンネル接合層15の表面に第2n-GaN層16を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内の温度を調節して基板9の温度を1050℃にする。そして、反応炉内にTMGa、及びSiH4を供給する。そして、第2n-GaN層16を400nmの厚みで積層して結晶成長させる。第2n-GaN層16に添加されるn型不純物であるSiの濃度は1×1019cm-3である。
そして、反応炉内へのTMGa及びSiH4の供給を停止して結晶成長を終了する。そして、反応炉内へ供給するキャリアガスをH2からN2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板9の温度が400℃以下になった時点で、反応炉内へのNH3の供給を停止する。そして、基板9の温度が室温になった後、反応炉内のパージを行い、基板9を反応炉から取り出す。こうして、図1に示す層構造を有した実施例1、2、及び比較例1、2の基板9を作成することができる。
Next, the second n-
Then, the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor is stopped to end the crystal growth. Then, the carrier gas supplied into the reactor is switched from H 2 to N 2 . Then, when the temperature in the reactor is adjusted and the temperature of the
次に、上記の手順に基づいて結晶成長して層構造を形成し、窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層15を備えた実施例1、2、及び比較例1、2の試料のそれぞれを電流注入可能な素子に形成する前の状態における、Mg、Siの試料の厚み方向の濃度プロファイルをSIMSにより同時に測定した結果を図3(A)~(D)に示す。
ここで、SIMSの測定条件を以下に示す。測定装置:CAMECA IMS-6F、一次イオン種:Cs+、一次加速電圧、5.0kV、検出領域:60μmφである。測定濃度はそれぞれイオン注入した標準試料を用いて較正した。この測定条件でMg及びSiの濃度を同時に測定することによって、MgとSiとのそれぞれの厚み方向の濃度プロファイルの関係を明確に得ることができる。
なお、トンネル接合層15の形成工程において、実施例1、2、及び比較例1、2のそれぞれでp++-GaN層15A、及びn++-GaN層15Bの厚みについて述べているが、これは、p++-GaN層15A、及びn++-GaN層15Bのそれぞれにおいて、Mg、及びSiが所定の濃度以上に添加された領域の厚みである。
実施例1、2、及び比較例1、2の試料のトンネル接合層15のn側の端Enは、図3(A)~(D)に示すように、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。また、実施例1、2、及び比較例1、2の試料のトンネル接合層15のp側の端Epは、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
Next, each of the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 provided with the
Here, the SIMS measurement conditions are shown below. Measuring device: CAMECA IMS-6F, primary ion species: Cs + , primary acceleration voltage, 5.0 kV, detection area: 60 μmφ. The measured concentrations were calibrated using standard ion-implanted samples. By simultaneously measuring the concentrations of Mg and Si under these measurement conditions, the relationship between the concentration profiles of Mg and Si in the thickness direction can be clearly obtained.
In the process of forming the
As shown in FIGS. 3A to 3D, the n-side end En of the
図3(A)~(D)に示すように、Mgの最大値を示す位置に対するSiの最大値を示す位置は、実施例1の試料(+1.8nm)が最も小さく、実施例2の試料(+2.5nm)、比較例1の試料(+4.3nm)、比較例2の試料(+7.2nm)の順に大きくなる。"+"はSiの最大値を示す位置がMgの最大値を示す位置よりもn側(すなわち、Siの最大値を示す位置がMgの最大値を示す位置に比べてサファイア基板9の表面から離れた側であり図3(A)~(D)における左側)にあることを示す。
実施例1、2、及び比較例1、2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg及びSiの濃度がトンネル接合層15のn側の端Enに向けて、ほぼ同じ傾きをなして減少している。
実施例1、2、及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側の端Enまでの間におけるMg濃度がSi濃度より低い。
また、実施例1、2、及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置が、トンネル接合層15のn側の端Enの位置よりもSi濃度の値とMg濃度の値とが一致する位置Snpに近い。
また、実施例1、2及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置、及びSi濃度の最大値を示す位置が、Si濃度の値とMg濃度の値とが一致する位置Snpよりトンネル接合層15のn側に位置している。
As shown in FIGS. 3A to 3D, the sample (+ 1.8 nm) of Example 1 has the smallest position indicating the maximum value of Si with respect to the position indicating the maximum value of Mg, and the sample of Example 2 is used. (+ 2.5 nm), the sample of Comparative Example 1 (+4.3 nm), and the sample of Comparative Example 2 (+7.2 nm) increase in this order. "+" Is from the surface of the
In the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the concentrations of Mg and Si were tunneled in the range of 1 × 10 19 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less. It decreases with almost the same inclination toward the n-side end En of the
In the samples of Examples 1, 2 and Comparative Example 1, the Mg concentration in the
Further, in the samples of Examples 1, 2 and Comparative Example 1, the position showing the maximum value of Mg concentration in the
Further, in the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, in the
図3(A)に示すように、実施例1の試料におけるMgの最大値はおよそ2×1020cm-3である。また、Mgの最大値を示す位置におけるSiの濃度の大きさはおよそ6×1020cm-3である。つまり、実施例1の試料は、Mgの最大値を示す位置における、Mgの濃度に対するSiの濃度の大きさがおよそ3倍である。
また、実施例1の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域がおよそ7nmである。実施例1の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ7nm、n側にずれている。
As shown in FIG. 3A, the maximum value of Mg in the sample of Example 1 is about 2 × 10 20 cm -3 . Further, the magnitude of the concentration of Si at the position showing the maximum value of Mg is about 6 × 10 20 cm -3 . That is, in the sample of Example 1, the magnitude of the concentration of Si with respect to the concentration of Mg at the position showing the maximum value of Mg is about three times.
Further, in the sample of Example 1, the concentration of Mg was less than 1 × 10 20 cm -3 in the region where the concentration of Mg decreased from the position showing the maximum value of Mg toward the n side of the
図3(B)に示すように、実施例2の試料におけるMgの最大値はおよそ3×1020cm-3である。また、Mgの最大値を示す位置におけるSiの濃度の大きさはおよそ6×1020cm-3である。つまり、実施例2の試料は、Mgの最大値を示す位置における、Mgの濃度に対するSiの濃度の大きさは、およそ2倍である。
また、実施例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ6nmである。実施例2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ6nm、n側にずれている。
As shown in FIG. 3B, the maximum value of Mg in the sample of Example 2 is about 3 × 10 20 cm -3 . Further, the magnitude of the concentration of Si at the position showing the maximum value of Mg is about 6 × 10 20 cm -3 . That is, in the sample of Example 2, the magnitude of the concentration of Si with respect to the concentration of Mg at the position showing the maximum value of Mg is about twice.
Further, in the sample of Example 2, the concentration of Mg was less than 1 × 10 20 cm -3 in the region where the concentration of Mg decreased from the position showing the maximum value of Mg toward the n side of the
図3(C)に示すように、比較例1の試料におけるMgの最大値はおよそ3×1020cm-3である。また、Mgの最大値を示す位置におけるSiの濃度の大きさはおよそ4×1020cm-3である。つまり、比較例1の試料は、Mgの最大値を示す位置における、Mgの濃度に対するSiの濃度の大きさは、およそ1.3倍である。
また、比較例1の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ9nmである。比較例1の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ9nm、n側にずれている。
As shown in FIG. 3C, the maximum value of Mg in the sample of Comparative Example 1 is about 3 × 10 20 cm -3 . The magnitude of the concentration of Si at the position showing the maximum value of Mg is about 4 × 10 20 cm -3 . That is, in the sample of Comparative Example 1, the magnitude of the concentration of Si with respect to the concentration of Mg at the position showing the maximum value of Mg is about 1.3 times.
Further, in the sample of Comparative Example 1, the concentration of Mg was less than 1 × 10 20 cm -3 in the region where the concentration of Mg decreased from the position showing the maximum value of Mg toward the n side of the
図3(D)に示すように、比較例2の試料におけるMgの最大値はおよそ3×1020cm-3である。また、Mgの最大値を示す位置におけるSiの濃度の大きさはおよそ7×1019cm-3である。つまり、比較例2の試料は、Mgの最大値を示す位置における、Mgの濃度に対するSiの濃度の大きさは、およそ0.2倍である。
また、比較例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ12nmである。比較例2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ12nm、n側にずれている。
As shown in FIG. 3D, the maximum value of Mg in the sample of Comparative Example 2 is about 3 × 10 20 cm -3 . The magnitude of the Si concentration at the position showing the maximum value of Mg is about 7 × 10 19 cm -3 . That is, in the sample of Comparative Example 2, the magnitude of the concentration of Si with respect to the concentration of Mg at the position showing the maximum value of Mg is about 0.2 times.
Further, in the sample of Comparative Example 2, the concentration of Mg was less than 1 × 10 20 cm -3 in the region where the concentration of Mg decreased from the position showing the maximum value of Mg toward the n side of the
従来の基本理論では、アクセプタに補償されたドナー濃度である実効ドナー濃度(ND-NA)及びドナーに補償されたアクセプタ濃度である実効アクセプタ濃度(NA-ND)が重要である。図3(A)~(D)のSIMS測定の結果から実効ドナー濃度、及び実効アクセプタ濃度をプロットし直したグラフを図4(A)~(D)に示す。図4(A)~(D)に示すように、トンネル接合層15の界面B付近において、高い実効ドナー濃度、及び高い実効アクセプタ濃度が実現できているのは、比較例2の試料(+7.2nm)である。具体的には、比較例2の試料は、実効ドナー濃度、及び実効アクセプタ濃度がどちらも1×1020cm-3を超えている。
これに対して、Mgの最大値を示す位置とSiの最大値を示す位置との間の距離が短くなる(実施例1、2、及び比較例1)に従い、トンネル接合層15の界面B付近における実効ドナー濃度、及び実効アクセプタ濃度は低下し、実施例1、2の試料では、実効アクセプタ濃度の最大値が明確に存在せず、従来の基本理論ではトンネル接合層として機能し難い構造に見える。
In the conventional basic theory, the effective donor concentration (ND - NA ), which is the donor concentration compensated by the acceptor, and the effective acceptor concentration (NA - ND ), which is the acceptor concentration compensated by the donor, are important. The graphs in which the effective donor concentration and the effective acceptor concentration are re-plotted from the results of the SIMS measurements in FIGS. 3 (A) to 3 (D) are shown in FIGS. 4 (A) to 4 (D). As shown in FIGS. 4A to 4D, a high effective donor concentration and a high effective acceptor concentration can be realized in the vicinity of the interface B of the
On the other hand, as the distance between the position showing the maximum value of Mg and the position showing the maximum value of Si becomes short (Examples 1, 2 and Comparative Example 1), the vicinity of the interface B of the
次に、実施例1、2、及び比較例1、2の試料のそれぞれを用いて電流の注入が可能な素子の形成を行う工程について図2を参照しつつ説明する。 Next, a step of forming an element capable of injecting an electric current using each of the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 will be described with reference to FIG.
先ず、表面からの平面視において、基板9上に直径35μmの円形形状であるメサ構造20を形成する。詳しくは、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて基板9上にメサ構造20を形成する。より詳しくは、基板9上の最も表面に積層して結晶成長した第2n-GaN層16の表面に直径35μmの円形形状のフォトレジスト又は金属マスクを形成する(図示せず。)。フォトレジスト又は金属マスクが形成された直下はエッチングで除去されない。また、フォトレジスト又は金属マスクが形成されていない領域は、表面に第1n-GaN層11が露出するまでエッチングされる。露出した第1n-GaN層11には後述する第2電極22を形成する。こうして、基板9上に直径35μmの円形形状であるメサ構造20を形成する。
First, in a plan view from the surface, a
次に、メサ構造20を形成した基板9をO2(酸素)雰囲気中にて、725℃で30分間アニール処理を行い、埋め込まれたp-AlGaN層13、p-GaN層14、及びトンネル接合層15のp++-GaN層15AのMgを活性化させる。ここで、活性化とはp型不純物であるMgに結合しているH(水素)を離脱させてMgを活性化させ、Mgが添加されたp-AlGaN層13、p-GaN層14、及びトンネル接合層15のp++-GaN層15Aの電気伝導性を向上させることである。こうして活性化することで、エッチングによって、側面が露出したp-AlGaN層13、p-GaN層14及びトンネル接合層15のp++-GaN層15Aのそれぞれの側面からMgを不活性化させていたHを離脱させる。
Next, the
次に、第1電極21、及び第2電極22を形成する。詳しくは、円形形状をなした第1電極21をメサ構造20の表面に形成する。また、円環状をなした第2電極22をメサ構造20の周囲を囲むように、第1n-GaN層11の露出した表面に形成する。第1電極21、及び第2電極22は、Ti/Al/Ti/Auである。また、第1電極21、及び第2電極22はそれぞれを一括して形成する。こうして、第1電極21からトンネル接合層15、及びGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を通過して第2電極22に電流を流すことができる実施例1、2、及び比較例1、2の窒化物半導体発光素子を形成する。
Next, the
次に、電流の注入が可能な素子に形成された実施例1、2、及び比較例1、2の試料について電流電圧特性を測定した結果を図5に示す。
図5に示すように、Mgの最大値を示す位置に対するSiの最大値を示す位置が比較例2の試料より短くなる(すなわち、+7.2nmより短くなる)に従って急激に駆動電圧が低くなり、実施例2の試料(+2.5nm)が最も低い値である。また、実施例1の試料(+1.8nm)の駆動電圧は、実施例2の試料(+2.5nm)に比べて僅かに上昇したものの、比較例2の試料(+7.2nm)に比べて十分低い値であった。
従来の基本理論によれば、比較例2の試料(+7.2nm)の濃度プロファイルにおいて、空乏層の幅が最も狭く、駆動電圧が最も低くなり、一方で、Mgの最大値の位置とSiの最大値の位置との間の距離が短くなる(実施例1、2、及び比較例1)に従い、実効アクセプタ濃度、及び実効ドナー濃度のそれぞれが低下することによって、空乏層の幅が広がり、駆動電圧が高くなるものと考えられたが、全く逆の結果であった。
実施例1、2、及び比較例1の試料のように、トンネル接合層15内のMgの最大値を示す位置において、Mgの濃度より高い濃度のSiが存在する構造によって、窒化物半導体を用いたトンネル接合層15の電気抵抗が大きく低下する。
そして、より好ましくは、実施例1、2の試料である図3(A)、(B)に示すように、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置におけるSi濃度の値は、Mg濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であると、窒化物半導体を用いたトンネル接合層15の電気抵抗がより大きく低下する。
Next, FIG. 5 shows the results of measuring the current-voltage characteristics of the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 formed in the element capable of injecting a current.
As shown in FIG. 5, as the position showing the maximum value of Si with respect to the position showing the maximum value of Mg becomes shorter than the sample of Comparative Example 2 (that is, shorter than +7.2 nm), the drive voltage sharply decreases. The sample of Example 2 (+2.5 nm) has the lowest value. Further, although the drive voltage of the sample of Example 1 (+ 1.8 nm) was slightly higher than that of the sample of Example 2 (+ 2.5 nm), it was sufficiently higher than that of the sample of Comparative Example 2 (+7.2 nm). It was a low value.
According to the conventional basic theory, in the concentration profile of the sample (+7.2 nm) of Comparative Example 2, the width of the depletion layer is the narrowest and the drive voltage is the lowest, while the position of the maximum value of Mg and the position of Si. As the distance from the position of the maximum value becomes shorter (Examples 1, 2, and Comparative Example 1), the effective acceptor concentration and the effective donor concentration each decrease, so that the width of the depletion layer is widened and driven. It was thought that the voltage would increase, but the result was exactly the opposite.
Nitride semiconductors are used due to the structure in which Si having a concentration higher than the concentration of Mg exists at the position showing the maximum value of Mg in the
Then, more preferably, as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), which are the samples of Examples 1 and 2, the value of the Si concentration at the position showing the maximum value of the Mg concentration in the
次に、トンネル接合層15において、n++-GaN層15Bの厚みの変化が電気特性に及ぼす影響を検証するため、比較例3の試料を作製した。
Next, in order to verify the effect of the change in the thickness of the n ++-GaN layer 15B on the electrical characteristics in the
比較例3の試料は、トンネル接合層115のn++-GaN層115Bの厚みが5nmである点が実施例1、2、及び比較例1、2と相違する。他の構成は実施例2と同一であり、同一の構成は同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、比較例3の試料の素子構造の作製方法についても、実施例1、2、及び比較例1、2の作製方法と同一の工程は詳細な説明を省略する。
The sample of Comparative Example 3 is different from Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 in that the thickness of the n ++-
トンネル接合層115はGaNを母材とし、アクセプタ(p型不純物)としてMgを用いたp型トンネル接合層であるp++-GaN層15A、及びドナー(n型不純物)としてSiを用いたn型トンネル接合層であるn++-GaN層115Bを有している。
The
トンネル接合層115はp-GaN層14の表面にp++-GaN層15Aを10nm成長させる。p++-GaN層15Aに添加されるMgの濃度の最大値は3×1020cm-3である。なお、比較例3のp++-GaN層15Aを形成する際のMgの供給量は、実施例2と同じになるように調整する。
In the
次に、p++-GaN層15Aの表面に5nmの厚みのn++-GaN層115Bを積層して結晶成長する。n++-GaN層115Bに添加されるSiの濃度の最大値は6×1020cm-3である。
こうして、トンネル接合層115を形成する。この後、トンネル接合層115の表面に第2n-GaN層16を積層して結晶成長させ、比較例3の試料を作成する。比較例3の試料は、実施例1、2、及び比較例1、2と層構造が同じである(図2参照。)。
Next, the n ++-
In this way, the
次に、こうして作製した比較例3の試料の電流注入可能な素子に形成する前の状態における、Mg、Siの試料の厚み方向の濃度プロファイルをSIMSにより同時に測定した結果を図6に示す。測定条件は、実施例1、2、及び比較例1、2と同様である。
なお、比較例3の試料のトンネル接合層115のn側の端Enは、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置であり、比較例3の試料のトンネル接合層115のp側の端Epは、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
Next, FIG. 6 shows the results of simultaneously measuring the concentration profiles in the thickness direction of the Mg and Si samples in the state before forming the current-injectable element of the sample of Comparative Example 3 thus produced by SIMS. The measurement conditions are the same as those of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
The n-side end En of the
図6に示すように、比較例3の試料はMgの最大値を示す位置に、Mgの濃度よりも高い濃度のSiが存在する。この点は実施例1、2、及び比較例1と同じである。具体的には、比較例3の試料はMgの最大値がおよそ3×1020cm-3である。そして、Mgの最大値を示す位置におけるSiの濃度の大きさはおよそ6×1020cm-3である。つまり、比較例3の試料は、Mgの最大値を示す位置における、Mgの濃度に対するSiの濃度の大きさがおよそ2倍である。
また、比較例3の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側(図6における左側)に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg及びSiの濃度がトンネル接合層115のn側に向けてほぼ同じ傾きをなして減少している。この点も実施例1、2、及び比較例1、2と同じである。
しかし、比較例3の試料はトンネル接合層115のn側におけるSiの濃度プロファイルが実施例1、2、及び比較例1、2に対して大きく異なる。具体的には、比較例3の試料のMgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域は0nmである。つまり、比較例3の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線はMgの濃度を示すグラフの曲線に対してほぼ重なってトンネル接合層115のn側に向けて減少している。
これに対して、実施例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ6nm、n側にずれており、トンネル接合層15のn側に向けて減少している(図3(B)参照。)。
As shown in FIG. 6, in the sample of Comparative Example 3, Si having a concentration higher than the concentration of Mg is present at a position showing the maximum value of Mg. This point is the same as in Examples 1, 2 and Comparative Example 1. Specifically, the sample of Comparative Example 3 has a maximum value of Mg of about 3 × 10 20 cm -3 . The magnitude of the concentration of Si at the position showing the maximum value of Mg is about 6 × 10 20 cm -3 . That is, in the sample of Comparative Example 3, the magnitude of the concentration of Si with respect to the concentration of Mg at the position showing the maximum value of Mg is about twice.
Further, in the sample of Comparative Example 3, the region where the concentration of Mg decreases from the position showing the maximum value of Mg toward the n side (left side in FIG. 6) of the
However, the sample of Comparative Example 3 has a significantly different Si concentration profile on the n side of the
On the other hand, in the sample of Example 2, the region where the concentration of Mg decreases from the position showing the maximum value of Mg toward the n side of the
次に、比較例3の試料、及び実施例2の試料を用いて電流の注入が可能な素子の形成を行った後の比較例3の試料、及び実施例2の試料について電流電圧特性を測定した結果を図7に示す。なお、電流の注入が可能な素子を形成する工程は、実施例1、2、及び比較例1、2と同じ手順であるため詳細の説明は省略する。
図7に示すように、n++-GaN層115Bの厚みが5nmである比較例3の試料は、n++-GaN層15Bの厚みが15nmである実施例2の試料に比べて、駆動電圧が大きく増加することがわかった。
したがって、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置におけるSi濃度の値がMg濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であり、Mg濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側において、トンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg濃度が1×1020cm-3未満、且つSi濃度が1×1020cm-3以上の領域が6nm以上である(すなわち、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりも6nm以上、n側にずれている)場合、より電気抵抗が低くなり、低い駆動電圧を実現できることがわかった。
Next, the current-voltage characteristics of the sample of Comparative Example 3 and the sample of Example 2 after forming an element capable of injecting a current using the sample of Comparative Example 3 and the sample of Example 2 were measured. The results are shown in FIG. Since the step of forming an element capable of injecting an electric current is the same procedure as in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, detailed description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 7, the sample of Comparative Example 3 in which the thickness of the n ++-
Therefore, in the
ここで、トンネル接合層15において、アクセプタ濃度、及びドナー濃度が実施例1、2、及び比較例1の試料のように構成される(すなわち、トンネル接合層15内のMgの最大値を示す位置において、Mgの濃度より高い濃度のSiが存在する)とトンネル接合層15の電気抵抗が低くなる理由は以下のように考えられる。トンネル接合層15内の厚み方向の所定の位置において、アクセプタ及びドナーの両方が共に存在することによって、バンド内に不純物準位が形成され、これにより、電子や正孔の比較的大きな状態密度が存在することになる。これがトンネル電流に寄与することでトンネル接合層15の電気抵抗が大幅に低くなったと推察される。
Here, in the
このように、この窒化物半導体発光素子のトンネル接合層15には、トンネル接合層15の厚み方向の所定の位置において、アクセプタ、及びドナーの両方が存在することによって、バンド内に不純物準位を形成し、比較的大きな電子や正孔の状態密度を存在させることができ、これによりトンネル接合層15で生じるトンネル電流に寄与することができる。
As described above, in the
したがって、本発明の窒化物半導体発光素子は高効率で発光することができる。 Therefore, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention can emit light with high efficiency.
また、この窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層15において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置が、トンネル接合層15のn側の端Epの位置よりもドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置に近い。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層15のn側にアクセプタが偏析することを抑えることができる。
Further, in this nitride semiconductor light emitting device, the position showing the maximum value of the acceptor concentration in the
また、この窒化物半導体発光素子のトンネル接合層15において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置、及びドナー濃度の最大値を示す位置は、ドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置よりトンネル接合層15のn側に位置している。このため、この窒化物半導体発光素子は、アクセプタ濃度の最大値を示す位置、及びドナー濃度の最大値を示す位置のそれぞれをトンネル接合層15内に確実に存在させることができ、トンネル接合層15において、アクセプタ濃度、及びドナー濃度のそれぞれを確実に高くすることができる。
Further, in the
また、この窒化物半導体発光素子のトンネル接合層15において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置におけるドナー濃度の値は、アクセプタ濃度の最大値に対して2倍以上である。このため、この窒化物半導体発光素子は、より大きな電子や正孔の状態密度を存在させることができ、これによりトンネル接合層で生じるトンネル電流に寄与することができると考えられる。
Further, in the
また、この窒化物半導体発光素子のトンネル接合層15において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側において、アクセプタ濃度が1×1020cm-3未満、且つドナー濃度が1×1020cm-3以上の領域が6nm以上である。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層15のn側にアクセプタが偏析することをより抑えることができる。
Further, in the
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例1、2に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施例1、2では、トンネル接合層の裏面側は一般的な青色LED構造であるが、これに限らず、高電流密度領域における電圧降下が大きく改善されることから、端面レーザダイオードや、第1n-GaN層の裏面側に、多層膜反射鏡を設けた面発光レーザ構造としても良い。
(2)実施例1、2では、p型不純物としてMgを用いているが、これに限らず、p型不純物である、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等であっても良い。
(3)実施例1、2では、n型不純物としてSiを用いているが、これに限らず、n型不純物である、Ge、Te等であっても良い。
(4)実施例1、2では、GaInN/GaN5重量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しているが、これに限らず、GaInN量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しなくても良い。
(5)実施例1、2では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、窒化ガリウム基板やAlN基板等の他の基板を用いても良い。
(6)実施例1、2では、トンネル接合層のp++-GaN層の厚みを数nm~10数nmとしているが、これに限らず、トンネル接合層のp++-GaN層の厚みを数nmより小さくしても良く、10数nmより大きくしても良い。
(7)実施例1、2では、トンネル接合層のn++-GaN層の厚みを15nm以上としているが、これに限らず、トンネル接合層のn++-GaN層の厚みを15nmより小さくしても良い。
(8)実施例1、2では、トンネル接合層にGaNを用いているが、活性層の発光波長の長さに応じて、GaInNやAlGaNをトンネル接合層の材料として用いても良い。
(9)実施例1、2では、c面であるu-GaN層の表面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成しているが、a面やm面等の他の面方位の表面にも窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成しても十分な効果を発揮する。つまり、平面状に形成された基板の表面のみならず、ナノコラム等の三次元形状の側壁を形成する面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成する場合にも効果を発揮する。
The present invention is not limited to Examples 1 and 2 described with reference to the above description and drawings, and for example, the following examples are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In Examples 1 and 2, the back surface side of the tunnel junction layer has a general blue LED structure, but the voltage drop is not limited to this, and the voltage drop in the high current density region is greatly improved. Alternatively, a surface emitting laser structure in which a multilayer film reflecting mirror is provided on the back surface side of the first n-GaN layer may be used.
(2) In Examples 1 and 2, Mg is used as the p-type impurity, but the p-type impurities may be Zn, Be, Ca, Sr, Ba, or the like.
(3) In Examples 1 and 2, Si is used as the n-type impurity, but the present invention is not limited to this, and may be an n-type impurity such as Ge or Te.
(4) In Examples 1 and 2, the p-AlGaN layer is laminated on the surface of the GaInN / GaN5 weight element well active layer, but the present invention is not limited to this, and p- is formed on the surface of the GaInN quantum well active layer. It is not necessary to stack and form AlGaN layers.
(5) In Examples 1 and 2, a sapphire substrate is used, but the present invention is not limited to this, and other substrates such as a gallium nitride substrate and an AlN substrate may be used.
(6) In Examples 1 and 2, the thickness of the p ++-GaN layer of the tunnel junction layer is set to several nm to several ten and several nm, but the thickness is not limited to this, and the thickness of the p ++-GaN layer of the tunnel junction layer is from several nm. It may be made smaller or larger than a dozen nm.
(7) In Examples 1 and 2, the thickness of the n ++-GaN layer of the tunnel junction layer is set to 15 nm or more, but the thickness is not limited to this, and the thickness of the n ++-GaN layer of the tunnel junction layer may be smaller than 15 nm. ..
(8) In Examples 1 and 2, GaN is used for the tunnel junction layer, but GaInN or AlGaN may be used as the material for the tunnel junction layer depending on the length of the emission wavelength of the active layer.
(9) In Examples 1 and 2, a tunnel junction layer using a nitride semiconductor is formed on the surface of the u-GaN layer which is the c-plane, but surfaces having other plane orientations such as the a-plane and the m-plane are formed. Even if a tunnel junction layer using a nitride semiconductor is formed, a sufficient effect is exhibited. That is, it is effective not only on the surface of a flat substrate but also on the surface forming a three-dimensional side wall such as a nanocolumn when a tunnel junction layer using a nitride semiconductor is formed.
En…n側の端
Snp…ドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置
15…トンネル接合層
End on the En ... n side Snp ... Position where the value of the donor concentration and the value of the
Claims (6)
前記ドナー濃度の値と前記アクセプタ濃度の値とが一致する位置より前記トンネル接合層のn側に位置していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 In the tunnel junction layer, the position showing the maximum value of the acceptor concentration and the position showing the maximum value of the donor concentration are
The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein the nitride semiconductor is located on the n side of the tunnel junction layer from a position where the value of the donor concentration and the value of the acceptor concentration match. Light emitting element.
前記アクセプタ濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 In the tunnel junction layer, the value of the donor concentration at the position showing the maximum value of the acceptor concentration is
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the acceptor concentration is at least twice or more the maximum value.
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