KR100542870B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

기판상에 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 n형층과 p형층이 적층되므로서 발광층을 형성하는 발광층 형성부가 형성되어 있다.
그리고, 발광층 형성부의 적어도 한층에 산소가 함유되는 질화갈륨계 화합물 반도체층이 사용된다.
기판과 발광층 형성부 사이에 질화갈륨계 화합물 반도체, 또는 질화알루미늄으로 된 버퍼층이 형성되는 경우에는 버퍼층 및/또는 발광층 형성부의 적어도 한층에 산소가 함유되어도 된다.
이 구조로 하므로서 발광층 형성부의 반도체층의 결정결함이 적어져 휘도가 대단히 향상되고, 고휘도의 청색계의 반도체 발광소자가 얻어진다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법 {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 기판상에 질화갈륨계 화합물 반도체층을 적층해서 발광다이오드나 반도체레이저를 형성하는 반도체 발광소자에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 기판과 질화갈륨계 화합물 반도체 사이의 결정 격자의 어긋남의 영향을 적게 하여 발광특성을 향상시킬수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
종래, 예를들면 청색계(자외선으로부터 황색)의 광을 발광시키는 질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 반도체 발광소자는 도 7에 나타내는 것과 같은 구조로 되어 있다.
즉, 사파이어 기판(21)상에 예를들면 GaN으로 된 저온 버퍼층(buffer layer)(22)과, 고온에서 n형의 GaN이 에피택셜(epitaxial) 성장된 n형층(클래드;clad층)(23)과, 밴드갭에너지(band gap energy)가 클래드층의 그것보다 작고 발광 파장을 정하는 재료 예를들면 InGaN계(In과 Ga의 비율이 종종 변할 수 있는 것을 의미한다. 이하 동일하다)화합물 반도체로 된 활성층(24)과, p형의 AlGaN계(Al과 Ga의 비율이 종종 변할 수 있는 것을 의미한다. 이하 동일하다)화합물 반도체층(25a) 및 GaN층(25b)으로 된 p형층(클래드층)(25)으로 이루어지며, 그 표면에 p측 전극(28)이 설치되고, 적층된 반도체층의 일부가 에칭되어서 노출되는 n형층(23)의 표면에 n측 전극(29)이 설치되므로서 형성되어 있다.
또한, n형층(23)도 p형층(25)과 마찬가지로 캐리어(carrier)의 가두는 효과를 향상시키기 위해 활성층(23)측에 AlGaN계 화합물 반도체층이 사용되는 일도 있다.
전술한 바와 같이 종래의 질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 청색계의 반도체 발광소자는 사파이어 기판상에 발광층을 형성하는 GaN, InGaN계, AlGaN계 등의 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되므로서 형성되고 있다.
그러나, 사파이어 기판과 질화갈륨계 화합물 반도체 사이에는 그 격자 정수가 16% 정도나 달라 결정성이 우수한 질화갈륨계 화합물 반도체층이 얻어지지 않는다.
이 문제를 해결하기 위해 전술한 바와 같이 발광층을 형성하는 질화갈륨계 화합물 반도체의 단결정층과 기판 사이에 저온으로 막을 형성한 GaN나 AlN 등의 버퍼층을 개재시키므로서 질화갈륨계 화합물 반도체층의 결정성을 향상시키는 것이 행해지고 있다.
전술한 저온에서 막을 형성하는 버퍼층을 개재시키므로서 발광층의 결정성이 개선되어 청색계의 반도체 발광소자의 실용화의 단계에 이르고 있으나 질화갈륨계 화합물 반도체층의 결정 결함의 문제는 완전히 해결되어 있지 않고, 누설전류가 크게 되어 충분히 휘도를 향상시킬수가 없거나 제조공정의 근소한 변화에 의해 휘도가 충분하지 않아, 원료에 대한 제품의 비율이 향상되지 않는다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하므로서, 질화갈륨계 화합물 반도체층이 적층되는 반도체 발광소자에 있어서, 격자 정수의 차이에 기초한 결정결함을 적게하여 누설전류를 적게 하고, 발광효율이 우수한 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 질화갈륨계 화합물 반도체층을 적층하는 때에 격자 정수의 차이에 기초한 결정결함을 적게 할 수가 있는 반도체 발광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명자는 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 된 발광층 형성부를 적층하는 때에 반도체층의 결정결함을 적게하여 누설전류를 감소시키고, 휘도를 향상시키기 위해 예의검토를 거듭한 결과, 발광층 형성부를 구성하는 질화갈륨계 화합물 반도체층의 적어도 한층에 산소를 함유시키므로서 결정결함밀도를 감소시킬수가 있어 휘도를 향상시킬수 있는 것을 발견했다.
한층의 반도체층에 산소를 함유시키는 경우 될 수 있는 한 하층측에 형성하므로서 그 위에 형성되는 반도체층의 결정결함이 적어져서 휘도가 향상되고, 또한, 기판과 발광층 형성부 사이에 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 버퍼층이 개재되는 경우 그 버퍼층에 산소가 함유되어도 그 위에 적층되는 반도체층의 결정결함이 개선되는 것을 발견했다.
또, 버퍼층이 AlN으로 되는 경우 그 AlN에 산소를 함유시켜도 결정성의 개선이 보이고, 복수층에 산소를 함유시키므로서 한층의 개선이 얻어지는 것을 발견했 다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자는 기판과, 그 기판상에 형성되는 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 버퍼층과, 그 버퍼층상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되는 발광층 형성부를 갖고, 상기한 버퍼층 또는 상기한 발광층 형성부를 구성하는 각 반도체층의 적어도 한층이 질화갈륨계 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 화합물 반도체로 형성되어 있다.
여기서 질화갈륨계 화합물 반도체란 III족원소의 Ga와 V족원소의 N과의 화합물, 또는 III족원소의 Ga의 일부가 Al,In 등의 다른 III족 원소와 치환된 것 및/또는 V족 원소의N의 일부가 P,As 등의 다른 V족 원소와 치환된 화합물로 된 반도체를 말한다.
상기한 산소를 함유하는 화합물 반도체는, 예를들면 Ga1-x-yAlxInyOzN1-z(0
Figure 111999010945054-pct00001
x<1, 0
Figure 111999010945054-pct00002
y<1, 0<z<1)에 의해 구성된다.
이 산소를 함유하는 화합물 반도체에는 n형 불순물 및/또는 p형 불순물이 함유되어 있어도 된다.
여기서 n형 불순물이란 Si, Se, Te 등의 적어도 1종을 의미하고, p형 불순물이란 Mg, Zn, Be 등의 적어도 1종을 의미한다.
또, 상기한 산소를 함유하는 화합물 반도체는 상기한 버퍼층에 사용되거나 상기한 발광층 형성부의 적어도 버퍼층측의 반도체층에 사용되거나 상기한 발광층 형성부를 구성하는 n형층 및 p형층에 의해 끼워지지되는 활성층에 사용되거나 상기 한 버퍼층 및 그 버퍼층에 접하는 발광층 형성부의 반도체층 등의 2층 이상에 사용된다.
구체적으로는 상기한 기판이 사파이어 기판으로 되고, 상기한 버퍼층이 GaOzN1-z(0<z<1)에 의해 구성되고, 더욱, 구체적으로는 상기한 발광층 형성부가 n형 반도체층 및 p형 반도체층에 의해 활성층을 끼워지지되는 더블 헤테로(double hetero)접합 구조로 되고, 그 발광층 형성부의 적어도 상기한 버퍼층에 접하는 반도체층이 GaOzN1-z(0<z<1) 단결정층에 의해 구성된다.
상기한 버퍼층은 Si, Se, Te, Mg, Zn, 및 Be로 된 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유할 수가 있다.
또, 본 발명의 반도체 발광소자는 버퍼층의 유무 또는 그 재료에 관계없이 기판상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체층이 적층되므로서 발광층 형성부가 설치되는 경우에 상기한 발광층 형성부를 구성하는 각 반도체층의 적어도 한층이 질화갈륨계 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 화합물 반도체층으로 구성되므로서 반도체층의 결정결함이 적어지고 휘도를 향상시킬 수가 있다.
상기한 기판과 상기한 발광층 형성부 사이에 AlN으로 된 버퍼층이 설치되거나 AlOuN1-u(0<u<1)로 된 버퍼층이 설치되어도 된다.
또, 본 발명의 반도체 발광소자는 기판과 기판상에 설치되는 AlOuN1-u(0<u<1)로 된 버퍼층과 그 버퍼층상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체층이 적층되는 발광층 형성부를 갖는 구조로 할 수가 있다.
상기한 버퍼층의 Al의 일부가 In과 치환되어도 되고, 상기한 버퍼층이 Si, Se, Te, Mg, Zn, 및 Be로 된 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유해도 된다.
상기한 발광층 형성부를 구성하는 반도체층의 적어도 한층이 Ga1-x-yAlxInyO zN1-z(0
Figure 111999010945054-pct00003
x<1, 0
Figure 111999010945054-pct00004
y<1, 0<z<1)으로 된 경우에는 또한, 휘도가 향상된다.
더욱, 구체적으로는 상기한 기판이 사파이어 기판으로 되고, 상기한 발광층 형성부가 활성층을 n형층 및 p형층에 의해 끼워지지하는 더블 헤테로 접합 구조에 의해 구성된다.
본 발명의 반도체 발광소자의 제조방법은 기판상에 유기금속화학 기상성장법(MOVPE 법;metal organic vapor phased epitaxy), 하이드라이드 기상성장법(HVPE법 : hydride vapor phased epitaxy), 또는 분자선 에피택셜 성장법(MBE법 :molecular beam epitaxy)에 의해 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 버퍼층을 형성하고, 또한, 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 발광층 형성부를 구성하는 반도체층을 순차로 적층하는 반도체 발광소자의 제조방법으로서, 상기한 버퍼층 및/또는 상기한 발광층 형성부를 구성하는 반도체층의 적어도 한층에서, 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 반도체층을 성장시키는 때에 산화원을 공급하여 또는 공급하면서 그 반도체층을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
여기서 산화원이란 산소, 오존, N2O, H2O 등의 산소를 공급할 수 있는 것을 의미하고, 석영유리로 된 챔버 등의 성장로내의 산화물의 산소를 유리시킬수 있는 것을 포함하는 의미이다.
또한, 별개의 제조방법은 기판상에 MOVPE 법, HVPE법, 또는 MBE법에 의해 산화원을 공급하고 또는 공급하면서 AlOuN1-u(0<u<1)로 된 버퍼층을 형성하고, 또, 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 발광층 형성부를 구성하는 반도체층을 순차 에피택셜 성장시키는 것을 특징으로 한다.
이 경우 상기한 발광층 형성부의 적어도 한층을 형성하는 때에 산화원을 공급하고, 또는 공급하면서 성장시켜 Ga1-x-yAlxInyOzN1-z(0
Figure 111999010945054-pct00005
x<1, 0
Figure 111999010945054-pct00006
y<1, 0<z<1)으로 된 반도체층을 성장시켜도 된다.
상기한 산화원의 공급은 상기한 반도체층을 성장시키는 성장로내에의 산화원의 도입에 의해 행해도 되고, 또, 상기한 반도체층을 성장시키는 성장로내의 산화물의 산소를 사용해도 된다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자의 일실시형태의 단면설명도.
도 2는 도 1의 구성으로 n형층의 GaOzN1-z 의 z의 양을 변화시킨 때의 n형층의 결정결함밀도 및 발광소자로 한 때의 휘도의 변화를 나타내는 도면.
도 3은 도 1의 구성으로 n형층의 GaOzN1-z 의 z의 양을 변화시킨 때의 누설전류를 나타내고, 전압을 증가시킨 때에 전류치가 일정한 값으로 되는 때의 전압을 나타내는 도면.
도 4는 버퍼층에 GaOzN1-z를 사용하고, 그 z의 양을 변화시킨 때의 n형층의 결정결함밀도 및 발광소자로 한 때의 휘도의 변화를 나타내는 도면.
도 5는 버퍼층에 GaOzN1-z를 사용하고, 그 z의 양을 변화시킨 때의 누설전류를 나타내고, 전압을 증가시킨 때에 전류치가 일정한 값으로 되는 때의 전압을 나타내는 도면.
도 6은 반도체 발광소자의 누설전류를 설명하기 위한 전압을 인가하기 시작한 때의 개시부분의 전압-전류특성을 나타내는 도면.
도 7은 질화갈륨계 화합물 반도체를 사용한 종래의 반도체 발광소자의 일예의 사시설명도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1. 기판, 2 버퍼층
3. n형층, 4. 활성층
5. p형층, 7. 전류확산층
8. p측 전극, 9. n측 전극
10. 발광층 형성부
본 발명의 반도체 발광소자는 예를들면 도 1에 1실시형태의 단면설명도로 나타내는 바와 같이 예를들면 사파이어(Al2O3) 등으로 된 기판(1)의 표면에 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 버퍼층(2)과, 버퍼층(2)상에 발광층을 형성하기 위해 n형층(3) 및 p형층(5)을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되는 발광층 형성부(10)를 갖고 있다.
그리고, 도 1에 나타내는 예에서는 발광층 형성부(10)를 구성하는 n형층(3)의 반도체층이 질화갈륨계 화합물에 산소를 함유하는 화합물 반도체로 형성되어 있는 것에 특징이 있다.
도 1에 나타내는 예에서는 사파이어 기판(1)상에 적층되는 반도체층은 예를들면 GaN으로 된 저온버퍼층(2)이 500℃정도의 저온에서 0.01∼0.2㎛정도로 퇴적되고, 이어서 1000℃정도의 고온에서 n형의 GaOzN1-z로 된 n형층(클래드층)(3)이 1∼5㎛정도, 비첨가(non doping)의 InGaN계 화합물 반도체(청색을 발광시키는 경우 비첨가로 In의 비율이 0.3∼0.5로서 Ga의 비율이 0.7∼0.5이지만 예를들면 Si및 Zn을 첨가해서 In의 비율을 0.05정도로 해서 불순물발광을 시킬수가 있다)로 된 활성층(4)이 0.002∼0.3㎛정도, p형의 AlGaN계 화합물 반도체층(5a) 및 GaN층(5b)이 각각 0.05∼0.5㎛정도씩 적층되는 p형층(5)이 각각 순차 성장되어서 발광층 형성부(10)가 적층되어 있다.
그리고, 적층된 반도체층의 표면에, 예를들면 Ni와 Au의 합금층으로 된 2∼100nm정도의 전류확산층(7)을 거쳐서 p측 전극(8)이 형성됨과 동시에 적층된 반도체층 3∼5의 일부가 제거되어서 노출되는 n형층(3)에 n측 전극(9)이 형성되어 있다.
전술한 n형층(3)의 GaOzN1-z의 O의 비율, 즉 z의 범위는 후술하는 바와 같이 0.2 이상이 바람직하지만 0.1이라도 현저한 효과가 나타나고 근소해도 되며, 0<z<1의 범위에서 다른층과의 관계 등에 의해 선정된다.
또한, 도 1에 나타내는 예에서는 p형층(5)은 GaN층(5b)와 AlGaN계 화합물 반도체층(5a)과의 복층으로 형성되어 있으나, 캐리어의 가두는 효과의 점으로부터 Al을 포함하는 층이 활성층(4)측에 형성되는 것이 바람직하기 때문으로 GaN층만이라도 된다.
또, n형층(3)에도 AlGaN계 화합물 반도체층을 형성해서 복층으로 해도 되고, 또한, 이들을 다른 질화갈륨계 화합물 반도체층으로 형성할 수도 있다.
또, 버퍼층(2)도 GaN층에 의해 형성되어 있으나 예를들면 AlN층이나 AlGaN계 화합물 반도체층, 또한, In이 첨가된 층 등의 다른 반도체층으로 형성되어 있어도 된다.
다음에 도 1에 나타내고 있는 구조의 반도체 발광소자의 휘도의 향상에 대해 설명한다.
전술한 바와 같이 본 발명자는 예를들면 사파이어 기판상에 적층되는 발광층 형성부를 구성하는 질화갈륨계 화합물 반도체층에 발생하는 격자결함을 될 수 있는대로 적게해서 휘도를 향상시키기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 예를들면 도 1에 나타내는 바와 같이 기판상에 적층되는 질화갈륨계 화합물 반도체층에 산소를 함유시키므로서 결정결함밀도가 큰폭으로 감소하고, 휘도도 큰폭으로 향상되는 것을 발견한 것이다.
즉, 도 1에 나타내는 구조의 청색계의 반도체 발광소자에 있어서, GaOzN1-z로 된 n형층(3)의 산소의 양(z)을 변화시킨 때의 n형층(3)의 표면의 결정결함의 밀도, 및 발광소자로 한 상태에서의 휘도의 각각의 변화를 조사한 결과, 도 2에 나타내는 바와 같이 z가 0.1정도의 비율로 산소가 함유되는 것만으로 결정결함밀도 및 휘도가 대폭으로 향상되고, z의 값이 0.2이상이 되면 결정결함밀도는 2자리 정도, 휘도는 3배 이상으로 향상되었다.
도 2에 있어서, A가 결정결함밀도, B가 휘도를 각각 나타낸다.
또한, n형층의 두께를 5㎛로 하고, 그 이외의 버퍼층(2)은 GaN으로서 0.03㎛정도, 활성층(4)은 Si 및 Zn첨가의 In0.05Ga0.95N으로 0.2㎛정도, p형층(5)는 Al0.15Ga0.85N층(5a)이 0.2㎛와 GaN층(5b)이 0.3㎛정도의 적층구조로 일정하게 하고, z의 값만을 변화시켜서 제조했다.
여기서 결정결함밀도는 n형층(3)을 적층시킨 상태에서 다음의 활성층 등의 반도체층을 적층시키지 않고, 그 표면을 에칭하여 에칭에 의해 생기는 우묵하게 들어간 것인 피트의 수를 측정하는 에치피트법에 의해 측정한 것으로서 휘도는 n형층(3)을 적층시킨후 그 위에 연속적으로 활성층(4)이나 p형층(5) 등을 적층시켜서 반도체 발광소자로 한 상태에서 측정하여, 종래의 n형층을 GaN으로 구성한 때의 휘도를 1로 한 상대적인 휘도로 표시한 결과이다.
이 결정 결함이 적다고 하는 현상은 반도체 발광소자로서의 누설전류를 측정하므로서도 확인할 수가 있었다.
즉, 반도체 발광소자의 전압(V)과 전류[log I(대수눈금)]의 특성은 도 6의 C에 나타내는 것과 같은 특성을 일반으로 나타낸다.
이 V-logI특성의 전압을 높게해도 전류가 포화해서 증가하지 않는 영역은 전극의 접촉부의 저항에 의하는 것으로서 거의 일정하게 되지만 누설전류가 큰 반도체 발광소자의 V-logI 특성은 D에 의해 나타내는 바와 같이 개시가 빨라진다.
그 때문에 일정한 전류치(예를들면 1㎂)logI1인 때의 전압 V1, V2를 측정하므로서 전압이 작은것(V1을 나타내는 곡선 D)만큼 누설전류가 큰 것을 알 수 있다.
전술한 GaOzN1-z의 z를 매개변수로 해서 일정 전류인 때의 전압을 도시하면 도 3에 나타내는 것과 같이 되고, 도 3으로부터도 z가 0인 때의 GaN층에 비해 산소를 함유하는 것에 의해 명백히 누설전류가 작은 (일정전류인 때의 전압이 높은)것을 알 수가 있다.
도 2∼도 3으로부터 명백한 바와 같이 n형층(3)에 산소를 함유시키므로서 결정결함의 수가 대폭으로 감소하고, 휘도도 향상된다.
이것은 GaOzN1-z의 성장은 GaN에 비해서 세로방향보다 가로방향이 빠르고 지배적이기 때문에 가로방향으로 연결되어 평탄한 막으로 되고 나서 세로방향으로 성장해가기 때문에 결함이 적은 막을 성장시킬수가 있는 것이라고 생각된다.
그리고, 결함이 적은 평탄한 막이 형성되면 그 위에 성장되는 막도 결함이 적은 평탄한 막이 되고, 활성층이나 p형층에 대해서도 결함이 적은 평탄한 막이 형성되어, 고휘도의 반도체 발광소자가 얻어진다.
이 때문에 한층에만 산소를 첨가하는 경우에는 될 수 있는 한 아래(기판에 가까운측)의 층에 첨가하는 것이 바람직한 것이 추찰된다.
이 관점으로부터 고온으로 에피택셜 성장시키는 n형층이 아닌, 저온으로 막을 형성시키는 버퍼층(2)이 산소를 함유하는 것에 의한 n형층의 결정결함의 상태 및 휘도의 변화를 같은 모양으로 조사했다.
즉, 버퍼층(2)에 GaOzN1-z를 사용해서 0.03㎛정도를 500℃정도로 막을 형성하고, 그 외의 n형층(3)은 n형의 GaN을 5㎛정도로, 활성층(4) 및 p형층(5)에 대해서는 전술한 예와 같은 모양으로 해서 버퍼층(2)의 z의 값을 각종으로 변화시켰다.
이 버퍼층(2)에 GaOzN1-z를 사용한 때의 결정결함의 밀도 및 발광소자의 휘도를 조사하여 그 결과를 도 4에 나타낸다.
또한, 도 4에 있어서도 A가 결정결함밀도를 나타내고, B가 휘도를 나타내며, 결정의 결함밀도는 버퍼층(2)상에 n형층(3)을 에피택셜 성장시킨 상태에서 전술한 바와 같이 에칭을 해서 피트수를 조사하는 에치피트법을 사용하고, 휘도에 대해서는 전술한 바와 같이 발광소자로 한 상태에서 버퍼층에 GaN을 사용한 때의 휘도를 기준으로 해서 상대적인 값으로 조사했다.
또, 전술한 바와 마찬가지로 발광소자로 한 때의 누설전류를 나타내는 일정전류인 때의 전압의 관계를 도 5에 나타낸다.
도 4∼도 5로부터 명백한 바와 같이 버퍼층에 산소를 첨가한 GaOzN1-z를 사용하는 것에 의해서도 전술한 n형층에 사용하는 경우보다는 결정결함밀도 및 휘도가 다같이 저하하지만 종래의 구조보다는 명백한 향상이 보인다.
이것은 다음과 같이 생각된다.
즉, 버퍼층(2)의 성장은 저온이기 때문에 성장시에는 단결정으로는 되지 않고 무정형의 상태이며, 산소가 함유되어 있어도, 전술한 GaOzN1-z의 단결정층과 같이 치밀한 막으로 결정결함이 적은 층은 얻기 어렵다고 생각된다.
그러나, 다음의 n형층의 고온에 의한 성장시에 적어도 버퍼층(2)의 표면은 단결정화한다.
그리고, 그 단결정화한 층은 산소를 함유하므로서 치밀하고 결정결함이 적은 층이 되고, 그 위에 막이 형성되는 단결정층도 버퍼층표면의 결정결함이 적은 층으로 나란히 적층되기 때문에 결정결함이 적은 반도체층이 얻어지는 것이라고 생각된다.
그 결과 버퍼층에 산소를 함유하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 사용되므로서 그 위에 적층되는 반도체층이 산소를 함유하지 않은 질화갈륨계 화합물 반도체층이라도 결정결함이 적어 휘도가 큰 반도체 발광소자가 얻어진다.
물론, 버퍼층 및 발광층 형성부의 반도체층 모두가 산소를 함유하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 사용되므로서 한층 결정결함을 적게할 수가 있어 휘도를 향상시킬수가 있다.
또한, 전술한 구조의 발광층 형성부의 활성층에도 산소를 첨가하므로서 일층의 휘도의 향상을 얻을수가 있었다.
본 발명자는 또한, 버퍼층으로서 AlN이 사용되는 경우에 AlN을 막을 형성하는 때에 산화원을 공급하므로서 산소를 함유시킨 AlOuN1-u(O<u<1)의 조성으로 형성하는 경우의 결정성에 대해서도 조사했다.
이때의 발광층 형성부(10)는 전술한 버퍼층(2)에 GaOzN1-z를 사용한 경우와 같은 모양의 구성으로 하고, 버퍼층(2)은 500℃정도의 저온으로 0.03㎛정도의 막을 형성했다.
이 경우에도 전술한 GaOzN1-z를 버퍼층(2)으로 하는 경우와 같은 모양으로 산소를 함유시키는 비율, 즉 u의 값이 0.2정도로서 결함밀도가 2자리 정도 저하하고 휘도가 현저히 상승하고, u의 다른 값에서도 같은 모양의 효과가 얻어지는 것이라고 생각된다.
이것은 전술한 GaOzN1-z의 경우와 마찬가지로 버퍼층(2)의 성장은 저온이기 때문에 성장시에는 단결정으로는 되지 않고, 무정형의 상태에서 AlOuN1-u가 형성되어, 단결정층과 같이 치밀한 막으로 결정결함이 적은 층은 얻기 어렵다고 생각되지만, 다음의 n형층(3)의 고온에 의한 성장시에 적어도 버퍼층(2)의 표면은 단결정화되어 치밀하게 되고, 전술한 바와 같이 결정결함이 적은 반도체층이 적층되기 때문이라고 생각된다.
그 결과, 버퍼층(2)에 산소를 함유하는 AlOuN1-u가 사용되므로서 그 위에 적층되는 질화갈륨계 화합물 반도체층은 결정결함이 적어 휘도가 큰 반도체 발광소자 가 얻어진다.
여기서 버퍼층(2)의 두께는 버퍼기능을 갖게 하는 점으로부터도 전술한 바와 마찬가지로 0.01∼0.2㎛정도로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 사파이어 기판의 표면을 평탄화하므로서 결정결함이 적은 질화갈륨계 화합물 반도체층을 얻기 위해 사파이어 기판의 표면을 질화시켜서 Al2(ON)3로 하고, 그 위에 GaN으로 된 저온의 버퍼층을 막을 형성하며, 그 위에 질화갈륨계 화합물 반도체를 적층하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 이 경우에도 사파이어 기판의 표면을 질화시켜서 Al2(ON)3로 하는 것만으로 버퍼층은 저온으로 성장된 GaN층이며, 예를들어 사파이어 기판표면의 평탄화가 도모되어 있어도 사파이어 기판상에 GaN층이 직접 막이 형성되는 것과 마찬가지로 치밀한 막이 형성되지 않고, 또, 본 발명과 같이 그 위에 고온으로 성장되는 질화갈륨계 화합물 반도체층을 치밀한 막으로 하는 작용도 하지 않는다.
다음에 도 1에 나타내는 반도체 발광소자의 제조방법에 대해 설명한다.
MOVPE법에 의해 캐리어가스 H2와 함께 트리메틸갈륨(TMG),암모니아(NH3) 등의 반응가스를 공급해서 우선 예를들면 사파이어로 된 기판(1)상에 예를들면 400∼600℃정도의 저온으로 GaN층으로 된 저온버퍼층(2)을 0.01∼0.2㎛정도의 막을 형성한다
이어서 예를들면 600∼1200℃정도의 고온으로 전술한 반응가스에 n형의 도판트(dopant)가스로서의 SiH4 등, 더욱이, 산화원으로서의 O2를 추가하고, n형의 GaOzN1-z로 된 n형층(3)을 1∼5㎛정도 성장시킨다.
이어서 반응가스에 트리메틸인듐(이하 TMIn이라 한다)를 첨가하고 Si 및 Zn첨가의 InGaN계 화합물 반도체로 된 활성층(4)을 0.002∼0.3㎛정도 형성한다.
이어서 TMIn 대신에 트리메틸알루미늄(이하 TMA라 한다)를 도입하고, 또한, 도판트가스를 시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg) 또는 디메틸아연(DMZn)으로 해서 p형의 AlGaN계 화합물 반도체층(5a)을 0.05∼0.5㎛정도 성장시키고, 이어서 TMA를 중지시키고 p형의 GaN을 0.05∼0.5㎛정도 성장시키고, p형층(5) 전체로서 0.1∼1㎛정도 형성한다.
그후, 예를들면 Ni 및 Au 등을 진공증착 등에 의해 적층해서 소결시키므로서 합금화하고, 전류확산층(7)을 2∼100nm정도 형성한다.
이어서 표면에 레지스트막을 형성하고, 패터닝해서 염소가스 등에 의한 반응성이온에칭에 의해 적층된 반도체층의 일부를 제거해서 n형층(3)을 노출시켜 예를들면 리프트 오프(lift-off)법에 의해 p형층(5)과 전기적으로 접속되도록 Ti와 Au와를 적층해서 양 금속의 적층구조로 된 p측 전극을 형성한다.
또, 같은 모양으로 예를들면 리프트 오프법에 의해 n형층(3)과 전기적으로 접속되도록 Ti와 Al을 각각 적층해서 소결시키므로서 양 금속의 합금층으로 된 n측 전극(9)를 형성한다.
그 결과 도 1에 나타내는 것과 같은 반도체 발광소자가 얻어진다.
이 예에서는 MOVPE법에 의해 반도체층을 성장시켰으나 HVPE법, 또는 MBE법에 의해서도 같은 모양으로 반도체층을 성장시킬수가 있다.
또, 산화원으로서 O2를 사용했으나 이에 한정되는 일 없이 산화시킬수 있는 것이면 된다.
따라서, N2O, H2O 또는 성장로내의 석영유리 등의 산화물로부터 유리되는 산소 또는 환원제를 도입하므로서 유리시킬수 있는 산소 등을 이용할 수도 있다.
전술한 각 예에서는 산소를 함유하는 질화갈륨계 화합물 반도체층으로서 GaN층의 경우를 예로 들었으나, AlGaN계 화합물 반도체층이나 InGaN계 화합물 반도체층 등 다른 III족 원소가 첨가된 혼합결정의 질화갈륨계 화합물 반도체라도 같은 결과가 얻어진다.
또, 전술한 예에서는 버퍼층을 비첨가로 제조했으나, Si, Se, Te 등의 n형 불순물을 도입해서 n형으로 해도 되고, 또, Mg, Zn, Be 등의 p형 불순물을 도입해서 p형으로 하고, 발광층 형성부의 p형층을 먼저 성장시켜도 된다.
또한, 전술한 예에서는 발광층 형성부의 n형층에 산소를 함유시켰으나 p형층이나 비첨가층에 함유시켜도 된다.
특히, 기판측에 p형층이 형성되고, 그 위에 활성층이나 n형층이 적층되므로서 발광층 형성부가 형성되는 구조의 경우에는 p형층이 하층이 되기 때문에 p형층에 산소가 함유되는 것이 바람직하다.
중요한 점은, Ga, 및 N를 함유하는 화합물 반도체층에 본 발명을 적용시킬수가 있다는 데에 있다.
또, 버퍼층으로서 GaN,GaOzN1-z, AlOzN1-z의 예를 들었으나, 발광층 형성부에 산소를 함유하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 사용되는 경우에는 버퍼층은 AlN 등의 다른 조성이라도 효과가 나타난다.
또한, AlOzN1-z를 버퍼층으로 하는 경우에도 Al의 일부가 In 등의 다른 III족 원소와 치환되는 구조의 것이나, 전술한 n형 및/또는 p형의 불순물이 첨가되는 구조의 것이라도 같은 모양이다.
또, 전술한 예에서는 기판으로서 사파이어 기판이 사용되었으나 사파이어 기판에 한정되는 것이 아니고, SiC기판이나, Si기판, GaAs기판 등의 다른 반도체기판이라도 질화갈륨계 화합물 반도체를 적층하는 경우에 본 발명을 적용할 수가 있다.
또한, 전술한 각 예에서는 활성층을 Si 및 Zn첨가로 형성했으나 비첨가로 형성해도 된다.
또, 발광층 형성부로서 n형층과 p형층으로 활성층을 끼워갖는 더블 헤테로 접합 구조의 예였으나 n형층과 p형층이 직접 접합하는 pn접합 구조라도 같은 모양이다.
본 발명에 의하면 질화갈륨계 화합물 반도체층을 격자 정수가 다른 기판상에 성장시키는 경우에도 질화갈륨계 화합물 반도체층의 적어도 한층 및/또는 버퍼층의 GaN계 또는 AlN계 화합물 반도체에 산소가 함유되어 있으므로서 발광층 형성부의 반도체층의 결정성이 대폭으로 향상된다.
그 결과, 휘도가 커지게 되고, 또, 제조상의 불균일이 적게 되며, 고휘도로 값싼 청색계의 반도체 발광소자가 얻어진다.
본 발명의 반도체 발광소자에 의하면, 휘도가 큰 청색(B)계의 광이 얻어지며, 청색계의 각종 광원으로서 이용할 수가 있음과 동시에, 다른 적색(R)이나 녹색(G)의 발광소자와 함께 사용하므로서, 그 혼색의 모든 색의 광원으로 할 수가 있어, 신호기나 대형 디스플레이어 등의 표시기 등의 폭넓은 분야에서 이용할 수가 있다.

Claims (22)

  1. 기판과, 상기 기판상에 형성되는 질화갈륨계 화합물 반도체로 된 버퍼층과, 상기 버퍼층상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되는 발광층 형성부를 갖고, 상기 버퍼층 또는 상기 발광층 형성부를 구성하는 각 반도체층의 적어도 한층이 질화갈륨계 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 화합물 반도체인 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소를 함유하는 화합물 반도체가 Ga1-x-yAlxInyOzN1-z(0
    Figure 111999010945054-pct00007
    x<1, 0
    Figure 111999010945054-pct00008
    y<1, 0<z<1)로 이루어진 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산소를 함유하는 화합물 반도체에 n형 불순물 및 p형 불순물 중 적어도 하나가 함유되어 있는 반도체 발광소자.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소를 함유하는 화합물 반도체가 상기 버퍼층에 사용되어서 이루어진 반도체 발광소자.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소를 함유하는 화합물 반도체가 상기 발광층 형성부의 적어도 상기 버퍼층측의 반도체층에 사용되어 이루어진 반도체 발광소자.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광층 형성부가 활성층을 n형층 및 p형층에 의해 끼워 지지하는 더블 헤테로 접합 구조로 이루어지고, 상기 산소를 함유하는 화합물 반도체가 상기 활성층에 사용되어 이루어진 반도체 발광소자.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 기판이 사파이어 기판으로 이루어지고, 상기 버퍼층이 GaOzN1-z(0<z<1)로 이루어진 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층이 Si, Se, Te, Mg, Zn, 및 Be 중 적어도 1종을 함유하는 반도체 발광소자.
  9. 제2항, 제3항, 제7항 또는 제8항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광층 형성부가 n형 반도체층 및 p형 반도체층에 의해 활성층이 끼워지지되는 더블 헤테로 접합 구조로 이루어지고, 상기 발광층 형성부의 적어도 상기 버퍼층에 접하는 반도체층이 GaOzN1-z(0<z<1)단결정층으로 이루어진 반도체 발광소자.
  10. 기판상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되므로서 발광층 형성부가 형성되는 반도체 발광소자로서,
    상기 발광층 형성부를 구성하는 각 반도체층의 적어도 한층이 질화갈륨계 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 화합물 반도체층인 반도체 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판과 상기 발광층 형성부 사이에 AlN으로 이루어진 버퍼층이 형성되어 있는 반도체 발광소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기판과 상기 발광층 형성부 사이에 AlOuN1-u(0<u<1)로 이루어진 버퍼층이 형성되어 있는 반도체 발광소자.
  13. 기판과, 기판상에 설치되는 AlOuN1-u(0<u<1)로 이루어진 버퍼층과, 상기 버퍼 층상에 발광층을 형성하기 위해 n형층 및 p형층을 포함하는 질화갈륨계 화합물 반도체가 적층되는 발광층 형성부를 갖는 반도체 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 버퍼층의 Al의 일부가 In과 치환되어 이루어진 반도체 발광소자.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 버퍼층이 Si, Se, Te, Mg, Zn, 및 Be 중 적어도 1종을 함유하는 반도체 발광소자.
  16. 제13항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광층 형성부를 구성하는 반도체층의 적어도 한층이 Ga1-x-yAlxInyO zN1-z(0
    Figure 111999010945054-pct00009
    x<1, 0
    Figure 111999010945054-pct00010
    y<1, 0<z<1)로 이루어진 반도체 발광소자.
  17. 제13항 또는 제16항에 있어서,
    상기 기판이 사파이어 기판으로 이루어지고, 상기 발광층 형성부가 활성층을 n형층 및 p형층에 의해 끼워 지지하는 더블 헤테로 접합 구조로 이루어진 반도체 발광소자.
  18. 기판상에 MOVPE법, HVPE법, 또는 MBE법에 의해 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 버퍼층을 설치하고, 또한, 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 발광층 형성부를 구성하는 반도체층을 순차로 적층하는 반도체 발광소자의 제조방법으로서,
    상기 버퍼층 및 상기 발광층 형성부 중 적어도 하나를 구성하는 반도체층의 적어도 한층에서, 화합물을 구성하는 원소로서 산소를 함유하는 반도체층을 성장시키는 때에 산화원을 공급하고 또는 공급하면서 상기 반도체층을 성장시키는 반도체 발광소자의 제조방법.
  19. 기판상에 MOVPE 법, HVPE법, 또는 MBE법에 의해 산화원을 공급하고 또는 공급하면서 AlOuN1-u(0<u<1)로 된 버퍼층을 설치하고, 또한, 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 발광층 형성부를 구성하는 반도체층을 순차로 에피택셜 성장시키는 반도체 발광소자의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서
    상기 발광층 형성부의 적어도 한층을 형성하는 때에 산화원을 공급하고, 또는 공급하면서 성장시켜, Ga1-x-yAlxInyOzN1-z(0
    Figure 111999010945054-pct00011
    x<1, 0
    Figure 111999010945054-pct00012
    y<1, 0<z<1)으로 이루어진 반도체층을 성장시키는 반도체 발광소자의 제조방법.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서
    상기 산화원의 공급을 상기 반도체층을 성장시키는 성장로내에의 산화원의 도입에 의해 행하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서
    상기 산화원의 공급을 상기 반도체층을 성장시키는 성장로내의 산화물의 산소를 사용하므로서 행해지는 반도체 발광소자의 제조방법.
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