JPH11354842A - Gan semiconductor light emitting element - Google Patents

Gan semiconductor light emitting element

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Publication number
JPH11354842A
JPH11354842A JP15610498A JP15610498A JPH11354842A JP H11354842 A JPH11354842 A JP H11354842A JP 15610498 A JP15610498 A JP 15610498A JP 15610498 A JP15610498 A JP 15610498A JP H11354842 A JPH11354842 A JP H11354842A
Authority
JP
Japan
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gan
crystal layer
layer
quantum dots
quantum
Prior art date
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Pending
Application number
JP15610498A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoru Tanaka
悟 田中
Katsunobu Aoyanagi
克信 青柳
Yoichiro Ouchi
洋一郎 大内
Hiroaki Okagawa
広明 岡川
Kazuyuki Tadatomo
一行 只友
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Cable Industries Ltd
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
Mitsubishi Cable Industries Ltd
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Cable Industries Ltd, RIKEN Institute of Physical and Chemical Research filed Critical Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Publication of JPH11354842A publication Critical patent/JPH11354842A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more efficient GaN light emitting element exhibiting an optimal made of quantum dot. SOLUTION: GaN quantum dots (d) are formed on a GaN crystal layer A through action of antisurfactant and a GaN crystal layer B is grown on that layer A until the quantum dots (d) are embedded to constitute a GaN quantum dot structure 3 which is then used as a part pertaining to light emission in the fabrication of a GaN light emitting element. In this regard, the band gap of the crystal layers A and B is set larger than that of the quantum dots and following relations are satisfied among the height (h) and the width (w) of individual quantum dots and the degree of distribution (density) ρ of the quantum dots on the upper surface of the crystal layer A, 0.5 nm<=h<=50 nm, 0.5 nm<=w<=200 nm, 10<6> cm<-2> <=ρ<=10<13> cm<-2> .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、GaN系材料を用
いた半導体発光素子(以下、「GaN系発光素子」とも
いう)に関するものであり、詳しくは、発光のメカニズ
ムに係る部分の構造が、GaN系半導体材料による量子
ドット構造であるものに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light-emitting device using a GaN-based material (hereinafter, also referred to as a "GaN-based light-emitting device"). It relates to a quantum dot structure made of a GaN-based semiconductor material.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaN系発光素子は、近年高輝度の発光
ダイオード(LED)が実現されたのを機会に研究が活
発に行われており、半導体レーザの室温連続発振の報告
も聞かれる様になっている。
2. Description of the Related Art GaN-based light-emitting devices have been actively researched in recent years with the realization of high-brightness light-emitting diodes (LEDs). Has become.

【0003】GaN系発光素子のなかでも、緑色〜青色
の短い波長の発光が得られ、しかも高い発光効率が得ら
れるものとして、発光層(活性層)にInGaNの量子
井戸層を用いたものがある。InGaNを用いて量子井
戸層を形成する場合、その熱力学的な不安定性から、層
全体にわたって均一な組成比にはならず、層中で局所的
にIn組成比の異なった部分が発生する。この部分は量
子ドットに似た性質をもつ。InGaNの量子井戸層を
発光層として用いた発光素子では、この量子ドット的な
部位が、層の厚み方向のみならず3次元的な方向につい
て励起子を閉じ込める作用を示し、この部分でキャリア
の再結合発光が起きると言われており、これがInGa
N量子井戸層が高い発光効率で発光し得る要因の1つと
されている。
[0003] Among GaN-based light-emitting devices, a device using an InGaN quantum well layer for a light-emitting layer (active layer) is known as a device capable of obtaining short-wavelength light emission of green to blue and high luminous efficiency. is there. When a quantum well layer is formed using InGaN, the composition ratio is not uniform over the entire layer due to its thermodynamic instability, and a portion having a different In composition ratio occurs locally in the layer. This part has properties similar to quantum dots. In a light-emitting element using a quantum well layer of InGaN as a light-emitting layer, this quantum dot-like portion exhibits an effect of confining excitons not only in the thickness direction of the layer but also in a three-dimensional direction. It is said that coupled light emission occurs, and this is called InGa
This is one of the factors that enable the N quantum well layer to emit light with high luminous efficiency.

【0004】InGaN量子井戸層中の量子ドット的な
部位は、InGaN自体の性質によって層中に存在する
ものである。他方、GaAs系の材料では、ドット材料
と基板材料との格子不整合を利用した量子ドットの形成
が知られている。これらに対して、近年、GaN系材料
からなる結晶層の表面に特殊な表面処理を施すことによ
って、該結晶層の表面上にこれと格子整合性の良好なG
aN系半導体を量子ドットとして突起状に成長させ得る
ことが明らかとなった (Appl.Phys.Lett.69(1996)4096
)。この量子ドット形成のメカニズムは、前記InG
aNや、GaAs系における量子ドットの形成とは全く
異なるものである。
[0004] A quantum dot-like site in the InGaN quantum well layer exists in the layer due to the properties of InGaN itself. On the other hand, among GaAs-based materials, formation of quantum dots utilizing lattice mismatch between a dot material and a substrate material is known. On the other hand, in recent years, by applying a special surface treatment to the surface of a crystal layer made of a GaN-based material, a G layer having good lattice matching with the surface of the crystal layer is formed.
It has been clarified that an aN-based semiconductor can be grown as a quantum dot in a projecting manner (Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4096).
). The mechanism of this quantum dot formation is based on the InG
This is completely different from the formation of quantum dots in aN or GaAs.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、GaN
系材料による量子ドットの形成が可能であることは明ら
かとなっている。しかし、この量子ドットを用いてGa
N系発光素子を構成するためには、未だ、量子ドット個
々の大きさ、量子ドット全体の分布の程度などの点で最
適な態様が明らかにはされていない。
SUMMARY OF THE INVENTION As described above, GaN
It has been clarified that quantum dots can be formed from a system material. However, using this quantum dot, Ga
In order to configure an N-based light emitting device, an optimal mode in terms of the size of each quantum dot, the degree of distribution of the entire quantum dot, and the like has not yet been clarified.

【0006】本発明の目的は、上記問題を解決し、Ga
N系発光素子のための量子ドットの最適な態様を示し、
より高効率なGaN系発光素子を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems,
FIG. 4 shows an optimal embodiment of a quantum dot for an N-based light emitting device;
It is an object of the present invention to provide a GaN-based light emitting device with higher efficiency.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明のGaN系半導体
発光素子は、以下の特徴を有するものである。 (1)量子ドット構造を発光に係る部分として有するG
aN系半導体発光素子であって、前記量子ドット構造
は、GaN系材料からなる結晶層(A)と、この層上面
に分散して形成されたGaN系材料からなる量子ドット
と、この量子ドットを埋め込んで前記層上に成長したG
aN系材料からなる結晶層(B)とを有する構造であ
り、結晶層(A)および結晶層(B)の材料の各々のバ
ンドギャップは、量子ドットの材料のバンドギャップよ
りも大きく、各層の層厚方向についての各々の量子ドッ
トの寸法を高さhとし、各層の拡がる方向についての各
々の量子ドットの寸法を幅wとし、結晶層(A)の上面
における量子ドットの分散の度合いを密度ρとして、
0.5nm≦h≦50nm、0.5nm≦w≦200n
m、106 cm-2≦ρ≦1013cm-2、であることを特
徴とするGaN系半導体発光素子。
The GaN based semiconductor light emitting device of the present invention has the following features. (1) G having a quantum dot structure as a portion related to light emission
An aN-based semiconductor light-emitting device, wherein the quantum dot structure includes a crystal layer (A) made of a GaN-based material, a quantum dot made of a GaN-based material dispersedly formed on an upper surface of the layer, and G grown on the layer by embedding
and a crystal layer (B) made of an aN-based material. The band gap of each of the material of the crystal layer (A) and the crystal layer (B) is larger than the band gap of the material of the quantum dot. The dimension of each quantum dot in the layer thickness direction is height h, the dimension of each quantum dot in the direction of extension of each layer is width w, and the degree of dispersion of the quantum dots on the upper surface of the crystal layer (A) is density. As ρ,
0.5 nm ≦ h ≦ 50 nm, 0.5 nm ≦ w ≦ 200 n
m, 10 6 cm −2 ≦ ρ ≦ 10 13 cm −2 .

【0008】(2)結晶層(A)と結晶層(B)とが、
互いに異なる伝導型である上記(1)記載のGaN系半
導体発光素子。
(2) The crystal layer (A) and the crystal layer (B)
The GaN-based semiconductor light-emitting device according to the above (1), which has a different conductivity type from each other.

【0009】(3)量子ドットが、不純物をドーピング
されたGaN系材料からなるものである上記(1)記載
のGaN系半導体発光素子。
(3) The GaN-based semiconductor light-emitting device according to (1), wherein the quantum dots are made of a GaN-based material doped with impurities.

【0010】(4)量子ドットに用いられるGaN系材
料をドット材料とよび、結晶層(A)に用いられるGa
N系材料をベース材料とよぶとして、ドット材料とベー
ス材料とが下記(i)の格子整合性を満たす関係にあ
り、結晶層(A)の層上面の表面状態がアンチサーファ
クタントによって変化させられたことによって、ドット
材料が結晶層(A)の層上面に量子ドットとして成長し
たものである上記(1)記載のGaN系半導体発光素
子。 (i)結晶層(A)上面の表面状態を変化させるような
表面処理を施すことなく結晶層(A)上面にドット材料
を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料が結晶層
(A)の層上面に膜状に結晶成長し得るようなドット材
料とベース材料との格子整合性。
(4) A GaN-based material used for the quantum dot is called a dot material, and Ga used for the crystal layer (A)
Assuming that the N-based material is called a base material, the dot material and the base material have a relationship satisfying the following lattice matching (i), and the surface state of the upper surface of the crystal layer (A) was changed by the anti-surfactant. The GaN-based semiconductor light-emitting device according to the above (1), wherein the dot material is grown as quantum dots on the upper surface of the crystal layer (A). (I) When the dot material is directly crystal-grown on the upper surface of the crystal layer (A) without performing a surface treatment to change the surface condition of the upper surface of the crystal layer (A), the dot material becomes Lattice matching between the dot material and the base material such that crystals can grow in a film form on the upper surface of the layer.

【0011】(5)結晶層(A)、量子ドット、結晶層
(B)のうちの1以上のものが、B、As、Pから選ば
れる1以上の元素を含有するGaN系材料からなるもの
である上記(1)記載のGaN系半導体発光素子。
(5) At least one of the crystal layer (A), the quantum dots, and the crystal layer (B) is made of a GaN-based material containing one or more elements selected from B, As, and P. The GaN-based semiconductor light-emitting device according to the above (1), wherein

【0012】[0012]

【作用】本発明のGaN系発光素子に用いられる量子ド
ットは、GaN系材料からなる結晶層(上記(1)にお
ける「結晶層(A)」)上に、GaN系材料を量子ドッ
トとして成長させたものである。ただし、上記(4)の
とおり、量子ドットに用いられるGaN系材料をドット
材料とよび、結晶層(A)に用いられるGaN系材料を
ベース材料とよぶとき、ドット材料とベース材料とは、
上記(i)の関係にある。即ち、結晶層(A)の表面状
態を何ら変化させることなく従来通りの結晶成長法・成
長条件にて、ドット材料を結晶層(A)上に成長させた
場合には、従来知られているとおり、ドット材料は膜状
に結晶層(A)上を全面覆い結晶層として成長するGa
N系材料である。即ち、ドット材料とベース材料とは、
少なくともその程度に格子整合しているということであ
る。
The quantum dot used in the GaN-based light emitting device of the present invention is obtained by growing a GaN-based material as a quantum dot on a crystal layer made of a GaN-based material ("crystal layer (A)" in (1)). It is a thing. However, as described in (4) above, when the GaN-based material used for the quantum dot is called a dot material and the GaN-based material used for the crystal layer (A) is called a base material, the dot material and the base material are:
The relationship (i) is satisfied. That is, when the dot material is grown on the crystal layer (A) by the conventional crystal growth method and growth conditions without changing the surface state of the crystal layer (A) at all, it is conventionally known. As described above, the dot material is formed as a film that grows as a crystal layer covering the entire surface of the crystal layer (A) in a film shape.
It is an N-based material. That is, the dot material and the base material are
That is, lattice matching is at least to that extent.

【0013】ドット材料とベース材料とが、共にGaN
系材料であってしかも上記のような格子整合の関係にあ
る状態において、結晶層(A)上に、ドット材料である
GaN系材料を、膜状としてではなく量子ドットとして
成長させるためには、結晶層(A)の層上面にアンチサ
ーファクタント(結晶層(A)の層上面の表面状態を変
化させる物質)を作用させる。結晶層(A)の層上面の
表面状態の変化については、詳しくは解明されていない
が、表面自由エネルギーが小さくなる変化であると考え
られる。表面状態をこのように変化させることによっ
て、ドット材料であるGaN系材料は、ベース材料であ
るGaN系材料からなる結晶層(A)上に、量子ドット
として成長する。
The dot material and the base material are both GaN
In order to grow a GaN-based material, which is a dot material, on the crystal layer (A) as a quantum dot instead of a film, in a state where the material is a system material and has a lattice matching relationship as described above, An antisurfactant (a substance that changes the surface state of the upper surface of the crystal layer (A)) acts on the upper surface of the crystal layer (A). The change in the surface state of the upper surface of the crystal layer (A) has not been elucidated in detail, but is considered to be a change in which the surface free energy decreases. By changing the surface state in this way, the GaN-based material as the dot material grows as quantum dots on the crystal layer (A) made of the GaN-based material as the base material.

【0014】本発明は、上記のようにGaN系材料から
なる結晶層上にGaN系材料からなる量子ドットを成長
させ、さらにGaN系材料からなる結晶層で量子ドット
を埋め込み、これを発光現象に係る量子ドット構造とし
て発光素子に用いたものである。ここでいう発光現象
は、電子またはホールの注入によって量子ドット中にお
いて、励起子(エトキシ)あるいは電子とホールとが再
結合し発光する現象である。
According to the present invention, as described above, quantum dots made of a GaN-based material are grown on a crystal layer made of a GaN-based material, and the quantum dots are buried in the crystal layer made of a GaN-based material. Such a quantum dot structure is used for a light emitting element. The light emission phenomenon referred to here is a phenomenon in which excitons (ethoxy) or electrons and holes are recombined in a quantum dot by injection of electrons or holes to emit light.

【0015】この量子ドット構造において、高効率にて
発光させるためには、個々のドットの大きさ、および量
子ドット全体の分布の程度を最適な範囲とすることが必
要となる。個々の量子ドットの大きさは、量子ドット構
造において発光効率に影響を与える重要な要素であり、
量子閉じ込め効果が十分に得られるサイズであることが
重要である。結晶層(A)上面における量子ドット全体
の分散の度合い(密度)は、面内における発光源の密度
であるため、これもまた発光効率に影響を与える重要な
要素である。
In this quantum dot structure, in order to emit light with high efficiency, it is necessary to set the size of each dot and the degree of distribution of the entire quantum dot within an optimum range. The size of each quantum dot is an important factor affecting the luminous efficiency in the quantum dot structure,
It is important that the size be sufficient to obtain the quantum confinement effect. Since the degree of dispersion (density) of the entire quantum dot on the upper surface of the crystal layer (A) is the density of the light emitting source in the plane, this is also an important factor affecting the luminous efficiency.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は、本発明のGaN系発光素
子の一例を示す断面図であって、説明のために簡単な構
造のLEDを例として示している。同図のLEDは、結
晶基板1上に、GaN系材料からなる結晶層を順次成長
させて積み重ね、量子ドット構造3を含む積層体Sを形
成し、これにp型側の電極5とn型側の電極6を設けて
構成したものである。層2はn型コンタクト層、層4は
p型コンタクト層であり、いずれもGaN系材料からな
る。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a GaN-based light emitting device according to the present invention, and shows an LED having a simple structure as an example for explanation. In the LED shown in the figure, a crystal layer made of a GaN-based material is sequentially grown and stacked on a crystal substrate 1 to form a stacked body S including a quantum dot structure 3, and a p-side electrode 5 and an n-type This is configured by providing the side electrode 6. Layer 2 is an n-type contact layer, and layer 4 is a p-type contact layer, both of which are made of a GaN-based material.

【0017】図1の例における伝導型(p型、n型)の
上下位置関係は、伝導型を形成するための加工上の理由
から、結晶基板側をn型とし上層側をp型とする一般的
なものとなっている。また、同図の例では、結晶基板に
絶縁体(サファイア結晶基板)を用いており、層2の上
面を露出させ、その面に電極6を設けるという電極の配
置となっている。以下、本発明の発光素子の他の態様を
説明する場合にも、p/n型の上下関係、電極配置につ
いては、これと同様の例を挙げて説明する。しかし、p
/n型の上下が逆の態様や、結晶基板が導電性を有する
場合の電極配置なども自由に選択してよい。
In the example of FIG. 1, the upper and lower layers of the conduction type (p-type and n-type) are n-type and the upper layer is p-type because of the processing for forming the conduction type. It has become common. Further, in the example of the figure, an insulator (sapphire crystal substrate) is used for the crystal substrate, and the upper surface of the layer 2 is exposed and the electrode 6 is provided on the surface. Hereinafter, when describing other aspects of the light emitting device of the present invention, the p / n type upper / lower relationship and electrode arrangement will be described with reference to the same example. But p
The arrangement of the / n type upside down and the electrode arrangement when the crystal substrate has conductivity may be freely selected.

【0018】量子ドット構造3は、結晶層Aと、多数の
量子ドットdと、結晶層Bとを有する構造であり、これ
らは全てGaN系材料からなるものである。量子ドット
dは、結晶層Aの上面に分散した状態として形成されて
いる。結晶層Bは、結晶層Aの上面のうち量子ドットd
が形成されなかった部分を結晶成長の出発面として、量
子ドットを埋め込むまで成長した結晶層である。
The quantum dot structure 3 has a crystal layer A, a large number of quantum dots d, and a crystal layer B, all of which are made of a GaN-based material. The quantum dots d are formed as being dispersed on the upper surface of the crystal layer A. The crystal layer B is formed by quantum dots d on the upper surface of the crystal layer A.
Is a crystal layer that has been grown until the quantum dots are embedded, using the portion where no is formed as the starting surface for crystal growth.

【0019】結晶層Aと結晶層Bの導電型は、同じであ
っても、互いに異なるものであってもよく、発光素子に
おける発光部分としてどのように用いるかによって選択
すればよい。図1の例では、量子ドット構造3は、第1
伝導型(図ではn型)の結晶層Aと、多数の量子ドット
dと、第2伝導型(図ではp型)の結晶層Bとからな
り、結晶層Aと結晶層Bがクラッド層としての役割を果
たし、量子ドットdがその中で発光部としての役割を果
たす。また、結晶層Aと結晶層Bの導電型を同じとし
て、これらをさらにバンドギャップの大きいp型、n型
のクラッド層で挟んだ構造としてもよい。
The conductivity types of the crystal layer A and the crystal layer B may be the same or different from each other, and may be selected depending on how they are used as a light emitting portion in a light emitting element. In the example of FIG. 1, the quantum dot structure 3
It is composed of a conduction type (n type in the figure) crystal layer A, a large number of quantum dots d, and a second conduction type (p type in the figure) crystal layer B, and the crystal layer A and the crystal layer B serve as cladding layers. And the quantum dot d plays a role as a light emitting part therein. Further, the conductivity type of the crystal layer A and the crystal layer B may be the same, and a structure in which these are sandwiched by p-type and n-type cladding layers having a larger band gap may be adopted.

【0020】結晶層Aおよび結晶層Bの材料の各々のバ
ンドギャップの大きさは、ともに量子ドットの材料のバ
ンドギャップの大きさ以上とする。これは、発光部であ
る量子ドットに電子およびホールを効率よく注入するた
めである。
The size of each of the band gaps of the materials of the crystal layers A and B is equal to or larger than the band gap of the material of the quantum dots. This is for efficiently injecting electrons and holes into the quantum dots, which are light emitting units.

【0021】本発明のGaN系発光素子に用いられるG
aN系材料とは、式InX GaY AlZ N(0≦X≦
1,0≦Y≦1,0≦Z≦1,X+Y+Z=1)で決定
される化合物半導体である。なかでもGaN、InGa
N、AlGaNなどが有用なものとして挙げられる。上
記バンドギャップの条件を満たす材料の組合せ例として
は、結晶層Aおよび結晶層BをAlGaNとし、量子ド
ットをGaNとする組合せなど、結晶層Aおよび結晶層
BをAlx Ga(1-x) Nとし、量子ドットをAl Y Ga
(1-Y) Nとする組合せ(ただし0<X、0≦Y、Y<X
である)などが挙げられる。
G used in the GaN-based light emitting device of the present invention
The aN-based material has the formula InXGaYAlZN (0 ≦ X ≦
1,0≤Y≤1,0≤Z≤1, X + Y + Z = 1)
Compound semiconductor. Among them, GaN, InGa
N and AlGaN are useful. Up
As an example of a material combination that satisfies the band gap conditions
Shows that the crystal layers A and B are made of AlGaN,
Crystal layer A and crystal layer
B to AlxGa(1-x)N and the quantum dot is Al YGa
(1-Y)N (where 0 <X, 0 ≦ Y, Y <X
) And the like.

【0022】量子ドットを構成するGaN系材料には、
例えば発光強度を増大させることなどを目的として、S
iなどの不純物をドーピングしてもよい。
GaN-based materials constituting the quantum dots include:
For example, for the purpose of increasing the emission intensity, S
An impurity such as i may be doped.

【0023】また、結晶層A、量子ドット、結晶層Bの
うちの1以上のものには、それらに用いられるGaN系
材料に、さらに、B、As、Pから選ばれる1以上の元
素を含有させてもよい。
In one or more of the crystal layer A, the quantum dots, and the crystal layer B, one or more elements selected from B, As, and P are further contained in the GaN-based material used for them. May be.

【0024】上記作用の説明で述べたように、発光を高
効率とするためには、量子ドットの大きさ、および量子
ドット全体の分布の程度を最適な範囲とすべきであり、
本発明はその範囲を与えるものである。個々の量子ドッ
トの形状は、材料や成長条件によって異なるが、多面体
状、柱状、半球状となる。
As described in the above description of the operation, in order to increase the efficiency of light emission, the size of the quantum dots and the degree of distribution of the entire quantum dots should be within the optimal ranges.
The present invention provides that scope. The shape of each quantum dot varies depending on the material and the growth conditions, but is a polyhedral, columnar, or hemispherical shape.

【0025】個々の量子ドットの大きさは、各層の層厚
方向についての量子ドットの寸法(結晶層Aの表面から
量子ドットのトップまでの距離)を高さhとし、各層の
拡がる方向についての量子ドットの最大寸法を幅wとし
て好ましい範囲を限定する。量子ドットの高さh、幅w
は、発光に寄与する励起子の閉じ込めの意味からは小さ
い方が好ましいが、実際の量子ドット作製における寸法
の制御性などを考慮すると、これらは共に0.5nm以
上であることが好ましい。また、これらの最大寸法につ
いては、量子効果の観点から、高さhは50nm以下、
幅wは200nm以下が好ましい。従って、0.5nm
≦h≦50nm、0.5nm≦w≦200nm、が好ま
しい範囲となる。
The size of each quantum dot is defined by the height h of the dimension of the quantum dot in the layer thickness direction of each layer (the distance from the surface of the crystal layer A to the top of the quantum dot) and the height h of each layer. A preferable range is defined as the maximum dimension of the quantum dot as the width w. Quantum dot height h, width w
Is preferably small from the viewpoint of confinement of excitons contributing to light emission. However, considering the controllability of dimensions in actual quantum dot production, it is preferable that both are 0.5 nm or more. For these maximum dimensions, the height h is 50 nm or less from the viewpoint of the quantum effect.
The width w is preferably 200 nm or less. Therefore, 0.5 nm
≦ h ≦ 50 nm and 0.5 nm ≦ w ≦ 200 nm are preferable ranges.

【0026】結晶層Aの上面における量子ドットの分散
の度合いについては、分散の度合いを、密度(単位面積
当たりの量子ドットの数)ρとして表し範囲を限定す
る。密度ρは、量子ドット1つ1つからの発光は弱いの
で、発光効率を考慮すると106 cm-2以上とすること
が好ましく、また、量子ドットの大きさにもよるが、量
子ドット同士が互いに接触しないように1013cm-2
下とすることが好ましい。従って、106 cm-2≦ρ≦
1013cm-2が好ましい範囲となる。
Regarding the degree of dispersion of the quantum dots on the upper surface of the crystal layer A, the degree of dispersion is expressed as density (the number of quantum dots per unit area) ρ, and the range is limited. The density ρ is preferably 10 6 cm −2 or more in consideration of luminous efficiency because light emission from each quantum dot is weak. Further, although depending on the size of the quantum dots, the quantum ρ It is preferably 10 13 cm -2 or less so as not to contact each other. Therefore, 10 6 cm -2 ≦ ρ ≦
10 13 cm -2 is a preferable range.

【0027】結晶層Aの上面に量子ドットを形成するに
は、上記作用の説明で述べたように、結晶層Aの上面に
その表面状態を変化させる物質(アンチサーファクタン
ト)を作用させてから量子ドットに用いられるGaN系
材料を結晶成長させる。結晶層Aの上面にアンチサーフ
ァクタントを作用させるには、結晶層Aの上面とアンチ
サーファクタントとを接触させればよい。接触の方法は
限定されないが、例えば、MOCVD法によって、Al
GaN結晶層上にGaNの量子ドットを形成する場合で
あれば、MOCVD装置内でAlGaN結晶層が成長し
た後、MOCVD装置内にガス状のアンチサーファクタ
ントを供給すればよい。
In order to form quantum dots on the upper surface of the crystal layer A, as described in the description of the operation, a quantum substance (anti-surfactant) that changes the surface state is applied to the upper surface of the crystal layer A, and then the quantum dots are formed. A GaN-based material used for the dots is crystal-grown. In order to cause the anti-surfactant to act on the upper surface of the crystal layer A, the upper surface of the crystal layer A may be brought into contact with the anti-surfactant. The method of contact is not limited.
When GaN quantum dots are formed on the GaN crystal layer, a gaseous anti-surfactant may be supplied into the MOCVD apparatus after the AlGaN crystal layer is grown in the MOCVD apparatus.

【0028】アンチサーファクタントをガス状として供
給するには、例えば、テトラエチルシランをアンチサー
ファクタントとするのであれば、その溶液にH2 ガスを
バブリングさせることにより、H2 ガスをキャリアガス
として供給する方法が挙げられる。
In order to supply the anti-surfactant in gaseous form, for example, if tetraethylsilane is used as the anti-surfactant, a method of supplying H 2 gas as a carrier gas by bubbling H 2 gas into the solution is known. No.

【0029】アンチサーファクタントとして用いられる
物質は、結晶層Aの材料と量子ドットの材料との組合せ
によって適当なものが選択でき、限定されない。例えば
上記のように、AlGaN結晶層上にGaNを量子ドッ
トとして形成させる場合のアンチサーファクタントとし
ては、テトラエチルシランが挙げられる。その他、Si
4 、Si2 6 、またはこれらの混合ガス、Cp2
g(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)等が挙げ
られる。
The substance used as the anti-surfactant can be appropriately selected according to the combination of the material of the crystal layer A and the material of the quantum dots, and is not limited. For example, as described above, tetraethylsilane is used as an antisurfactant when GaN is formed as a quantum dot on an AlGaN crystal layer. Other, Si
H 4 , Si 2 H 6 , or a mixed gas thereof, Cp 2 M
g (biscyclopentadienyl magnesium) and the like.

【0030】個々の量子ドットの大きさ、形状、量子ド
ットの分散の度合いは、アンチサーファクタントの供給
量、量子ドットの成長温度、結晶層Aの材料の組成をパ
ラメータとして変化させることによって制御することが
できる。量子ドットを成長させるときの結晶成長方法
は、MOCVD、MBEなどが挙げられる。
The size and shape of each quantum dot and the degree of dispersion of the quantum dot are controlled by changing the supply amount of the anti-surfactant, the growth temperature of the quantum dot, and the composition of the material of the crystal layer A as parameters. Can be. MOCVD, MBE and the like can be cited as a crystal growth method for growing a quantum dot.

【0031】結晶基板は、GaN系結晶が成長可能なも
のであればよく、例えば、従来からGaN系結晶を成長
させる際に汎用されている、サファイア、水晶、SiC
等が挙げられる。なかでも、サファイアのC面、A面、
6H−SiC基板、特にC面サファイア基板が好まし
い。またこれら材料の表面に、GaN系結晶との格子定
数や熱膨張係数の違いを緩和するためのZnO、MgO
やAlN等のバッファー層を設けたものであっても良
く、さらにはGaN系結晶の薄膜を表層に有するもので
もよい。図1の例では、基礎となるサファイア結晶基板
1a上に、格子整合性を改善するためのバッファー層1
bが形成されたものを結晶基板1として用いている。
The crystal substrate may be any substrate on which a GaN-based crystal can be grown. For example, sapphire, quartz, SiC, which have been widely used for growing a GaN-based crystal, are conventionally used.
And the like. Above all, sapphire C side, A side,
A 6H-SiC substrate, particularly a C-plane sapphire substrate, is preferred. In addition, ZnO, MgO for reducing the difference in lattice constant and coefficient of thermal expansion from the GaN-based crystal on the surface of these materials.
A buffer layer such as AlN or AlN may be provided, or a thin film of a GaN-based crystal may be provided on the surface. In the example of FIG. 1, a buffer layer 1 for improving lattice matching is formed on a base sapphire crystal substrate 1a.
The substrate on which b is formed is used as the crystal substrate 1.

【0032】[0032]

【実施例】本実施例では、図1に示す構造のLEDを実
際に製作した。該LED中における量子ドット構造3
は、n型AlGaN層Aと、この層上面に分散して形成
されたGaN量子ドットdと、この量子ドットdを埋め
込んで前記層A上に成長したp型AlGaN層Bとから
なるものである。
EXAMPLE In this example, an LED having the structure shown in FIG. 1 was actually manufactured. Quantum dot structure 3 in the LED
Is composed of an n-type AlGaN layer A, GaN quantum dots d dispersedly formed on the upper surface of the layer, and a p-type AlGaN layer B embedded on the quantum dot d and grown on the layer A. .

【0033】〔結晶基板1の形成〕最も基礎の結晶基板
1aとしてはサファイアC面基板を用いた。まずこのサ
ファイア基板1aをMOCVD装置内に配置し、水素雰
囲気下で1200℃まで昇温し、サーマルエッチングを
行った。その後温度を500℃まで下げAl原料として
トリメチルアルミニウム(以下TMA)、N原料として
アンモニアを流し、AlN低温バッファー層1bを30
nm成長させ、結晶基板1を得た。
[Formation of Crystal Substrate 1] A sapphire C-plane substrate was used as the most basic crystal substrate 1a. First, this sapphire substrate 1a was placed in a MOCVD apparatus, and heated to 1200 ° C. in a hydrogen atmosphere to perform thermal etching. Thereafter, the temperature was lowered to 500 ° C., and trimethylaluminum (hereinafter referred to as TMA) as an Al raw material and ammonia as an N raw material were flown.
The crystal substrate 1 was obtained.

【0034】〔n型コンタクト層2の形成〕成長温度を
1000℃に昇温し、Ga原料としてトリメチルガリウ
ム(TMG)、N原料としてアンモニア、ドーパント原
料としてシランを流し、n型GaNコンタクト層2を3
μm成長させた。
[Formation of n-type contact layer 2] The growth temperature was raised to 1000 ° C., trimethylgallium (TMG) as a Ga source, ammonia as an N source, and silane as a dopant source were flown. 3
μm was grown.

【0035】〔量子ドット構造3の形成〕 層Aの形成;成長温度を1100℃とし、TMA、T
MG、アンモニア、ドーパント原料としてシランを供給
し、n型AlGaN層Aを0.5μm成長させた。 層A上面の表面処理;成長温度を1000℃とし、H
2 ガスをキャリアとしてテトラエチルシランを供給し、
層A上面に10秒間接触させた。 量子ドットdの形成;TMG、アンモニアを供給し、
GaN量子ドットdを形成した。量子ドットの高さhの
平均は6nm、幅wの平均は40nmであった。また、
結晶層Aの上面における量子ドットの分散の度合い(密
度、即ち単位面積当たりの量子ドットの数)ρは、約3
×109 cm-2であった。 層Bの形成;成長温度を1100℃とし、TMA、T
MG、アンモニア、ドーパント原料としてビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)を供給し、p
型AlGaN層Bを0.5μm成長させ、量子ドット構
造3を得た。
[Formation of Quantum Dot Structure 3] Formation of Layer A: TMA, T
MG, ammonia, and silane were supplied as dopant materials, and an n-type AlGaN layer A was grown to 0.5 μm. Surface treatment of the upper surface of the layer A;
Supply tetraethylsilane with 2 gas as carrier,
The upper surface of the layer A was contacted for 10 seconds. Formation of quantum dots d; supply of TMG and ammonia,
GaN quantum dots d were formed. The average height h of the quantum dots was 6 nm, and the average width w was 40 nm. Also,
The degree of dispersion (density, that is, the number of quantum dots per unit area) ρ of the quantum dots on the upper surface of the crystal layer A is about 3
× 10 9 cm -2 . Formation of layer B: TMA, T
MG, ammonia, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) as a dopant raw material
The type AlGaN layer B was grown by 0.5 μm to obtain a quantum dot structure 3.

【0036】〔p型コンタクト層4の形成〕成長温度を
1000℃とし、TMG、アンモニア、およびドーパン
ト原料としてCp2 Mgを供給し、p型GaNコンタク
ト層4を1μm成長させた。
[Formation of the p-type contact layer 4] The p-type GaN contact layer 4 was grown to 1 µm by supplying TMG, ammonia, and Cp 2 Mg as a dopant material at a growth temperature of 1000 ° C.

【0037】〔電極の形成等〕試料を装置から取り出
し、窒素雰囲気、800℃で20分間アニール処理を行
った。最後に、p型コンタクト層4の上にp型電極5を
形成し、また、ドライエッチングにより積層体の上面か
らp型層と量子ドット構造の一部をエッチング除去し、
n型コンタクト層2の上面を露出させ、n型電極6を形
成し、LEDとした。
[Formation of Electrodes, etc.] The sample was taken out of the apparatus and annealed at 800 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. Finally, a p-type electrode 5 is formed on the p-type contact layer 4, and the p-type layer and a part of the quantum dot structure are etched away from the upper surface of the laminate by dry etching.
The upper surface of the n-type contact layer 2 was exposed, and an n-type electrode 6 was formed, thereby completing an LED.

【0038】このLEDを、To−18ステム台にマウ
ントし、20mAでの光度の測定を行ったところ、10
0mcdであった。また、発光波長を測定したところ、
通常のGaNの発光波長から約80meV短波長側へず
れており、量子サイズ効果によると考えられるブルーシ
フトが観察された。
This LED was mounted on a To-18 stem base, and the luminous intensity was measured at 20 mA.
It was 0 mcd. Also, when the emission wavelength was measured,
The wavelength is shifted from the normal GaN emission wavelength to the shorter wavelength side by about 80 meV, and a blue shift considered to be due to the quantum size effect was observed.

【0039】比較例1 実施例1における量子ドットの密度ρを3×105 cm
-2としたこと以外は、実施例1と同様にLEDを作製し
た。このLEDについて、実施例1と同様に20mAで
の光度および発光波長の測定を行ったところ、発光波長
のブルーシフトは観察されたが、光度は10mcdであ
った。
Comparative Example 1 The density ρ of the quantum dots in Example 1 was 3 × 10 5 cm.
An LED was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the value was changed to -2 . When the luminous intensity and emission wavelength of this LED were measured at 20 mA in the same manner as in Example 1, a blue shift in the emission wavelength was observed, but the luminous intensity was 10 mcd.

【0040】比較例2 実施例1における量子ドットの密度ρを3×1014cm
-2としたこと以外は、実施例1と同様にLEDを作製し
た。このLEDについて、実施例1と同様に20mAで
の光度および発光波長の測定を行ったところ、光度は1
0mcdであり、発光波長はブルーシフトが無く、通常
のGaNの発光波長と同じであった。また、本比較例と
同じ条件にて層A上に量子ドットを形成し、該量子ドッ
トの形成が完了した時点で層A上面をAFMで観察した
ところ、隣合った量子ドット同士が接触し1つに合体し
ていることが確認された。
Comparative Example 2 The density ρ of the quantum dots in Example 1 was set to 3 × 10 14 cm.
An LED was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the value was changed to -2 . The luminous intensity and emission wavelength of this LED were measured at 20 mA in the same manner as in Example 1.
The emission wavelength was 0 mcd, there was no blue shift, and the emission wavelength was the same as that of normal GaN. Further, quantum dots were formed on the layer A under the same conditions as in this comparative example, and when the formation of the quantum dots was completed, the upper surface of the layer A was observed by AFM. It was confirmed that they were united.

【0041】比較例3 実施例1における量子ドットの高さhの平均を60nm
とし、幅wの平均を500nmとしたこと以外は、実施
例1と同様にLEDを作製した。このLEDについて、
実施例1と同様に20mAでの光度および発光波長の測
定を行ったところ、光度は25mcdであり、発光波長
はブルーシフトが無く、通常のGaNの発光波長と同じ
であった。また、本比較例と同じ条件にて層A上に量子
ドットを形成し、該量子ドットの形成が完了した時点で
層A上面をAFMで観察したところ、隣合った量子ドッ
ト同士が接触し1つに合体していることが確認された。
Comparative Example 3 The average of the height h of the quantum dots in Example 1 was 60 nm.
An LED was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the average of the width w was set to 500 nm. About this LED,
The luminous intensity and emission wavelength at 20 mA were measured in the same manner as in Example 1. As a result, the luminous intensity was 25 mcd, the emission wavelength did not have a blue shift, and was the same as the normal GaN emission wavelength. Further, quantum dots were formed on the layer A under the same conditions as in this comparative example, and when the formation of the quantum dots was completed, the upper surface of the layer A was observed by AFM. It was confirmed that they were united.

【0042】比較例4 比較例3における量子ドットの密度を1×105 cm-2
としたこと以外は、比較例3と同様にLEDを作製し、
本発明による限定範囲よりも大きい量子ドット形状と、
本発明による限定範囲よりも小さい密度とを組合せた場
合の特性を調べた。このLEDについて、20mAでの
光度、発光波長を測定し、また、同一条件でのサンプル
に対して量子ドットの形成が完了した時点での層A上面
をAFMで観察したところ、隣合った量子ドット同士
は、互いに接触することなく、独立していたが、光度は
10mcdであり、発光波長はブルーシフトが無く、通
常のGaNの発光波長と同じであった。
Comparative Example 4 The density of the quantum dots in Comparative Example 3 was 1 × 10 5 cm −2
An LED was prepared in the same manner as in Comparative Example 3 except that
A quantum dot shape larger than the limited range according to the present invention;
The characteristics when combined with a density smaller than the limited range according to the present invention were examined. The luminous intensity and emission wavelength of this LED at 20 mA were measured, and the upper surface of the layer A at the time when the formation of the quantum dots was completed for the sample under the same conditions was observed by AFM. Although they were independent without contacting each other, the luminous intensity was 10 mcd, the emission wavelength was not blue-shifted, and was the same as that of ordinary GaN.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明のGaN系発光素子は、GaN系
材料からなる量子ドット構造を発光に係る部分として有
するものであり、しかも、量子ドット構造の最適な態様
として、個々の量子ドットの高さ、幅、量子ドットの分
散の度合いの適正な範囲を限定しているので、より高効
率なGaN系発光素子が得られるようになった。
The GaN-based light-emitting device of the present invention has a quantum dot structure made of a GaN-based material as a portion related to light emission. Since the appropriate range of the width and the degree of dispersion of the quantum dots is limited, a more efficient GaN-based light emitting device can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のGaN系発光素子の一例を示す断面図
である。同図では、説明のために、各層の厚み、量子ド
ット・電極の寸法などを誇張して示しており、実際の比
率とは異なる。また、他の層と区別するために、電極、
層A、Bにハッチングを施している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a GaN-based light emitting device of the present invention. In the figure, for the sake of explanation, the thickness of each layer, the dimensions of the quantum dots / electrodes, and the like are exaggerated, and are different from the actual ratios. Also, to distinguish from other layers, electrodes,
Layers A and B are hatched.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 結晶基板 2 n型コンタクト層 3 量子ドット構造 4 p型コンタクト層 A 量子ドット構造を構成するGaN系結晶層 d 量子ドット構造を構成する個々の量子ドット B 量子ドット構造を構成するGaN系結晶層 5 p型電極 6 n型電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 crystal substrate 2 n-type contact layer 3 quantum dot structure 4 p-type contact layer A GaN-based crystal layer constituting quantum dot structure d individual quantum dots constituting quantum dot structure B GaN-based crystal layer constituting quantum dot structure 5 p-type electrode 6 n-type electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 悟 北海道札幌市中央区宮の森一条13丁目2− 3 ソレアード宮の森3−2 (72)発明者 青柳 克信 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (72)発明者 大内 洋一郎 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 岡川 広明 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 只友 一行 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Satoru Tanaka 13-2-3 Miyanomori 1-chome, Chuo-ku, Sapporo-shi, Hokkaido 3-2 Solairard Miyanomori 3-2 (72) Inventor Katsunobu Aoyagi 2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama RIKEN (72) Inventor Yoichiro Ouchi 4-chome Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Cable Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Hiroaki Okakawa 4-chome, Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Prefecture Mitsubishi Cable Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Kazuyuki Tadomo 4-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Electric Cable Industry Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 量子ドット構造を発光に係る部分として
有するGaN系半導体発光素子であって、 前記量子ドット構造は、GaN系材料からなる結晶層
(A)と、この層上面に分散して形成されたGaN系材
料からなる量子ドットと、この量子ドットを埋め込んで
前記層上に成長したGaN系材料からなる結晶層(B)
とを有する構造であり、 結晶層(A)および結晶層(B)の材料の各々のバンド
ギャップは、量子ドットの材料のバンドギャップよりも
大きく、 各層の層厚方向についての各々の量子ドットの寸法を高
さhとし、各層の拡がる方向についての各々の量子ドッ
トの寸法を幅wとし、結晶層(A)の上面における量子
ドットの分散の度合いを密度ρとして、0.5nm≦h
≦50nm、0.5nm≦w≦200nm、106 cm
-2≦ρ≦1013cm-2、であることを特徴とするGaN
系半導体発光素子。
1. A GaN-based semiconductor light-emitting device having a quantum dot structure as a portion relating to light emission, wherein the quantum dot structure is formed by dispersing a crystal layer (A) made of a GaN-based material on an upper surface of the layer. Quantum dots made of a GaN-based material, and a crystal layer (B) made of a GaN-based material grown on the layer by embedding the quantum dots.
The band gap of each of the materials of the crystal layer (A) and the crystal layer (B) is larger than the band gap of the material of the quantum dots, and each of the quantum dots in the thickness direction of each of the layers. Assuming that the dimension is height h, the dimension of each quantum dot in the spreading direction of each layer is width w, and the degree of dispersion of the quantum dots on the upper surface of the crystal layer (A) is density ρ, 0.5 nm ≦ h
≦ 50 nm, 0.5 nm ≦ w ≦ 200 nm, 10 6 cm
-2 ≦ ρ ≦ 10 13 cm −2 ,
Series semiconductor light emitting device.
【請求項2】 結晶層(A)と結晶層(B)とが、互い
に異なる伝導型である請求項1記載のGaN系半導体発
光素子。
2. The GaN-based semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the crystal layer (A) and the crystal layer (B) have different conductivity types.
【請求項3】 量子ドットが、不純物をドーピングされ
たGaN系材料からなるものである請求項1記載のGa
N系半導体発光素子。
3. The Ga according to claim 1, wherein the quantum dots are made of a GaN-based material doped with impurities.
N-based semiconductor light emitting device.
【請求項4】 量子ドットに用いられるGaN系材料を
ドット材料とよび、結晶層(A)に用いられるGaN系
材料をベース材料とよぶとして、ドット材料とベース材
料とが下記(i)の格子整合性を満たす関係にあり、結
晶層(A)の層上面の表面状態がアンチサーファクタン
トによって変化させられたことによって、ドット材料が
結晶層(A)の層上面に量子ドットとして成長したもの
である請求項1記載のGaN系半導体発光素子。 (i)結晶層(A)上面の表面状態を変化させるような
表面処理を施すことなく結晶層(A)上面にドット材料
を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料が結晶層
(A)の層上面に膜状に結晶成長し得るようなドット材
料とベース材料との格子整合性。
4. A GaN-based material used for a quantum dot is referred to as a dot material, and a GaN-based material used for a crystal layer (A) is referred to as a base material. The dot material has been grown as quantum dots on the upper surface of the crystal layer (A) because the surface condition of the upper surface of the crystal layer (A) is changed by anti-surfactant so as to satisfy the matching. The GaN-based semiconductor light emitting device according to claim 1. (I) When the dot material is directly crystal-grown on the upper surface of the crystal layer (A) without performing a surface treatment to change the surface condition of the upper surface of the crystal layer (A), the dot material becomes Lattice matching between the dot material and the base material such that crystals can grow in a film form on the upper surface of the layer.
【請求項5】 結晶層(A)、量子ドット、結晶層
(B)のうちの1以上のものが、B、As、Pから選ば
れる1以上の元素を含有するGaN系材料からなるもの
である請求項1記載のGaN系半導体発光素子。
5. One or more of the crystal layer (A), the quantum dots, and the crystal layer (B) are made of a GaN-based material containing one or more elements selected from B, As, and P. The GaN-based semiconductor light emitting device according to claim 1.
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