JP2009224666A - Group iii nitride semiconductor light emitting element, method of manufacturing group iii nitride semiconductor light emitting element, and lamp - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体材料からなる2つの障壁層の間に、発光層が配置されてなる二重異種接合(英略称:DH)構造のIII族窒化物半導体発光素子に関し、特に、発光層からの発光が効率的に素子の外部に取り出される高輝度のIII族窒化物半導体発光素子、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びランプに関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device having a double heterojunction (English abbreviation: DH) structure in which a light emitting layer is disposed between two barrier layers made of a group III nitride semiconductor material. The present invention relates to a high-intensity group III nitride semiconductor light-emitting device in which light emitted from a light-emitting layer is efficiently extracted outside the device, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device, and a lamp.
従来から、青色又は緑色等の短波長光を出射する発光ダイオード(英略称:LED)やレーザダイオード(英略称:LD)は、窒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlXGa1−XN:0≦X≦1)や窒化ガリウム・インジウム(組成式GaXIn1−XN:0≦X≦1)等のIII族窒化物半導体材料からなるIII族窒化物半導体層を使用して構成されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a light-emitting diode (abbreviation: LED) or a laser diode (abbreviation: LD) that emits short-wavelength light such as blue or green is aluminum nitride / gallium (compositional formula Al X Ga 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1) and a group III nitride semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor material such as gallium nitride / indium (compositional formula Ga X In 1-X N: 0 ≦ X ≦ 1). (For example, refer to Patent Document 1).
また、高輝度のLEDを構成するために、発光素子としてGaXIn1−XN(0≦X≦1)からなる発光層の上下両側にn形又はp形クラッド(clad)層を配置してなるダブルヘテロ(DH)接合構造のものが一般的に用いられている。 In order to construct a high-brightness LED, an n-type or p-type clad layer is arranged on both upper and lower sides of a light emitting layer made of Ga X In 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) as a light emitting element. A double hetero (DH) junction structure is generally used.
このような発光素子用のIII族窒化物半導体層は、従来から、もっぱら、サファイア(α−Al2O3単結晶)などからなる基板上に堆積されて形成されている。最近では、LEDを構成する技術として、従来からのc面((0001)面)とは別のr面)等を表面とするサファイア基板上に堆積された、より高強度の発光をもたらすとされる無極性(non−polar)のIII族窒化物半導体層を利用したLEDが公知となっている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, such a group III nitride semiconductor layer for a light emitting device is formed by being deposited exclusively on a substrate made of sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) or the like. Recently, as a technology for constructing an LED, it is said that it produces higher intensity light emission deposited on a sapphire substrate whose surface is a conventional c-plane (r-plane different from (0001) plane). LED using a non-polar group III nitride semiconductor layer is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、GaInNを発光層として用いるIII族窒化物半導体層を用いたLEDにあって、素子の外部への発光の取り出し効率を向上させてLEDの高輝度化を図る目的で、サファイア基板のIII族窒化物半導体層を堆積する面と反対側の面に、凹凸を有する光取り出し膜を形成し、発光層からの発光を素子の外部に反射させる技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, in an LED using a group III nitride semiconductor layer using GaInN as a light emitting layer, the group III of the sapphire substrate is used for the purpose of improving the extraction efficiency of light emitted to the outside of the device and increasing the brightness of the LED. A technique is known in which a light extraction film having irregularities is formed on the surface opposite to the surface on which the nitride semiconductor layer is deposited, and light emitted from the light emitting layer is reflected to the outside of the element (see, for example, Patent Document 2). ).
また、上記の無極性のIII族窒化物半導体層を用いる技術と、III族窒化物半導体層の堆積されるサファイア基板に発光層からの発光を素子の外部へ反射する加工を施す技術との2つの従来技術を寄せ集めることに依って、高発光強度のIII族窒化物半導体発光素子の得られる可能性があるものと推考される。
しかしながら、上述した2つの従来技術を寄せ集めた場合、硬度が高く、しかも、化学的な耐性の高いサファイア基板の表面に、外部への発光の取り出し効率を向上させるための微細な形状加工を及ぼすのは容易ではなく、また、その煩瑣な形状加工のために発光素子の作製工程が複雑で冗長となるため、外部への発光の取り出し効率に優れる高輝度のIII族窒化物半導体LEDを簡易に得ることはできなかった。 However, when the above-mentioned two conventional technologies are gathered together, the surface of the sapphire substrate having high hardness and high chemical resistance is subjected to fine shape processing for improving the efficiency of extracting light emitted to the outside. It is not easy, and because of its cumbersome shape processing, the manufacturing process of the light-emitting element is complicated and redundant, so that a high-intensity group III nitride semiconductor LED excellent in the efficiency of extracting light emitted to the outside can be easily obtained. Couldn't get.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、煩瑣で複雑な従来の基板の精密加工技術などを用いることなく製造でき、発光層からの発光が効率的に素子の外部に取り出される高輝度のIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子を容易に得ることができるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法、及び本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなる高輝度のランプを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and can be manufactured without using cumbersome and complicated conventional precision processing techniques for substrates, and the light emitted from the light emitting layer can be efficiently extracted outside the device. An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor light-emitting device having brightness.
Further, a method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device capable of easily obtaining the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, and a high-intensity lamp using the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention The purpose is to provide.
本発明者等は、上記問題を解決するために、III族窒化物半導体材料からなる2つの障壁層の間に発光層が配置されたDH構造のIII族窒化物半導体発光素子において、発光層の基板側に配置された障壁層を構成する柱状結晶の高さ方向と、発光層からの光の取り出し効率との関係について検討し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
In order to solve the above problems, the present inventors have developed a DH structure group III nitride semiconductor light emitting device in which a light emitting layer is disposed between two barrier layers made of a group III nitride semiconductor material. The present invention was completed by examining the relationship between the height direction of the columnar crystals constituting the barrier layer disposed on the substrate side and the light extraction efficiency from the light emitting layer.
That is, the present invention relates to the following.
[1]基板と、前記基板上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる第1伝導形の第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる発光層と、前記発光層上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる第2伝導形の第2障壁層とを備えてなるIII族窒化物半導体発光素子において、前記第1障壁層が、柱状結晶の集合体からなり、前記柱状結晶の高さ方向が、光取り出し界面の垂直方向に対して傾いていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 [1] A substrate, a first conductivity type first barrier layer made of a group III nitride semiconductor material provided on the substrate, and a group III nitride semiconductor material provided on the first barrier layer. In a group III nitride semiconductor light emitting device comprising a light emitting layer and a second barrier layer of a second conductivity type made of a group III nitride semiconductor material provided on the light emitting layer, the first barrier layer comprises: A group III nitride semiconductor light-emitting device comprising an assembly of columnar crystals, wherein a height direction of the columnar crystals is inclined with respect to a direction perpendicular to a light extraction interface.
[2]前記第1障壁層は、(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が200arcsec以上2000arcsec以下であることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。 [2] The group III nitride semiconductor light-emitting device according to [1], wherein the first barrier layer has a full width at half maximum in an X-ray rocking curve measurement of (10-10) plane of 200 arcsec to 2000 arcsec .
[3]前記第1障壁層は、隣接する柱状結晶の間に間隙が形成されているものであることを特徴とする[1]または[2]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[4]前記間隙が、前記基板の表面から略垂直方向に延在する垂直間隙と、前記基板の表面から略水平方向に延在する水平間隙とを含むことを特徴とする[3]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[5]前記間隙の密度が1×109/cm−2以上1×1010/cm−2以下であることを特徴とする[3]または[4]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[6]前記間隙が、周期的に配列されたものであることを特徴とする[3]〜[5]のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[3] The group III nitride semiconductor light-emitting device according to [1] or [2], wherein the first barrier layer has a gap formed between adjacent columnar crystals.
[4] The [3], wherein the gap includes a vertical gap extending in a substantially vertical direction from the surface of the substrate and a horizontal gap extending in a substantially horizontal direction from the surface of the substrate. Group III nitride semiconductor light-emitting device.
[5] The group III nitride semiconductor light-emitting device according to [3] or [4], wherein the gap has a density of 1 × 10 9 / cm −2 or more and 1 × 10 10 / cm −2 or less. .
[6] The group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of [3] to [5], wherein the gaps are periodically arranged.
[7]前記第1障壁層は、前記光取り出し界面の垂直方向に対する前記柱状結晶の高さ方向の傾きが0.05°から10°の範囲のものであることを特徴とする[1]〜[6]のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。 [7] The first barrier layer has an inclination in a height direction of the columnar crystal with respect to a vertical direction of the light extraction interface in a range of 0.05 ° to 10 °. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of [6].
[8][1]〜[7]のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記第1障壁層をスパッタ法で形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[9]前記発光層をMOCVD法で形成することを特徴とする[8]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[10][1]〜[7]のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
[8] The group III nitride semiconductor light-emitting device manufacturing method according to any one of [1] to [7], wherein the first barrier layer is formed by a sputtering method. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device.
[9] The method for producing a Group III nitride semiconductor light-emitting device according to [8], wherein the light-emitting layer is formed by MOCVD.
[10] A lamp comprising the group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of [1] to [7].
本発明のIII族窒化物半導体発光素子(以下、「発光素子」と略記する場合がある。)は、前記第1障壁層が、柱状結晶の集合体からなり、前記柱状結晶の高さ方向が、前記基板の表面の垂直方向に対して傾いているので、以下に示すように、発光層からの発光が効率的に素子の外部に取り出される高輝度のIII族窒化物半導体発光素子となる。
屈折率の異なる材料が接触してなる界面に一方の材料側から光が侵入した場合、界面に対する光の角度によって、一方の材料側から侵入した光が一方の材料側に反射されるか、他方の材料の側に取り出されるかが決定される。III族窒化物半導体発光素子の発光層で発生した光が、モールド樹脂などの発光素子の外部と発光素子との界面に入射した場合においては、光と界面との角度が小さい(言い換えると、光の入射方向が界面と平行に近い)ほど、光が発光素子側に反射されやすく、光と界面との角度が大きい(言い換えると、光の入射方向が界面と垂直に近い)ほど、光が外部側に取り出されやすい。
In the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “light emitting device”), the first barrier layer is composed of an aggregate of columnar crystals, and the height direction of the columnar crystals is Since it is inclined with respect to the vertical direction of the surface of the substrate, as shown below, a high-intensity group III nitride semiconductor light-emitting device in which light emitted from the light-emitting layer is efficiently extracted outside the device is obtained.
When light enters from one material side into the interface where materials having different refractive indexes are in contact, the light entering from one material side is reflected to one material side or the other depending on the angle of light with respect to the interface. It is determined whether it is taken out to the material side. When the light generated in the light emitting layer of the group III nitride semiconductor light emitting element is incident on the interface between the light emitting element, such as a mold resin, and the light emitting element, the angle between the light and the interface is small (in other words, the light Light is more likely to be reflected to the light-emitting element side, and the angle between the light and the interface is larger (in other words, the light incident direction is closer to the interface), the light is more external. Easy to be taken out to the side.
本発明のIII族窒化物半導体発光素子では、第1障壁層が、柱状結晶の集合体からなり、前記柱状結晶の高さ方向が、光取り出し界面の垂直方向に対して傾いているので、発光層において発生したランダムな方向の光が、第1障壁層の柱状結晶で反射されることによって、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合が増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光は、発光素子と発光素子の外部との界面である光取り出し界面から取り出されやすい光であるため、本発明のIII族窒化物半導体発光素子では、発光層で発生した光が、光取り出し界面から外部側に効率よく取り出されるものとなる。 In the group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, the first barrier layer is composed of an aggregate of columnar crystals, and the height direction of the columnar crystals is inclined with respect to the vertical direction of the light extraction interface. The light in the random direction generated in the layer is reflected by the columnar crystal of the first barrier layer, whereby the ratio of the light in the direction near the light extraction interface is increased and is incident on the light extraction interface. It will be a thing. The light in a direction near the light extraction interface is light that is easily extracted from the light extraction interface that is an interface between the light emitting element and the outside of the light emitting element. Therefore, in the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, The light generated in the light emitting layer is efficiently extracted from the light extraction interface to the outside.
さらに、本発明のIII族窒化物半導体発光素子では、第1障壁層が、柱状結晶の集合体からなり、前記柱状結晶の高さ方向が光取り出し界面の垂直方向に対して傾いているので、前記柱状結晶の高さ方向が光取り出し界面の垂直方向である場合と比較して、発光層で発生した光が発光素子内で反射する反射面の表面積が広いものとなり、発光層で発生した光が、発光素子から効率よく取り出されるものとなる。 Furthermore, in the group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, the first barrier layer is composed of an aggregate of columnar crystals, and the height direction of the columnar crystals is inclined with respect to the vertical direction of the light extraction interface. Compared with the case where the height direction of the columnar crystal is the direction perpendicular to the light extraction interface, the light generated in the light emitting layer has a larger surface area on the reflecting surface where the light reflected in the light emitting element is reflected. However, it is efficiently extracted from the light emitting element.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子において、第1障壁層を(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が200arcsec以上2000arcsec以下であるものとすることで、発光層において発生したランダムな方向の光が、第1障壁層の柱状結晶で反射されることによって、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層で発生した光が、発光素子からより一層効率よく取り出されるものとなる。 In the group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, the first barrier layer has a half-value width of 200 arcsec or more and 2000 arcsec or less in the X-ray rocking curve measurement of the (10-10) plane. The generated light in the random direction is reflected by the columnar crystals of the first barrier layer, thereby effectively increasing the proportion of light in the direction near the light extraction interface and entering the light extraction interface. To be. Therefore, the light generated in the light emitting layer is extracted more efficiently from the light emitting element.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子において、第1障壁層を、隣接する柱状結晶の間に間隙(キャビティ(cavity))が形成されているものとすることで、第一障壁層を屈折率の異なる材料が並んだフォトニック結晶状の構造とすることができる。このことにより、発光層において発生したランダムな方向の光が、第1障壁層に形成されている間隙で効率よく反射されることによって、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、発光層で発生した光が、発光素子からより一層効率よく取り出されるものとなる。 Further, in the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the first barrier layer is formed such that a gap (cavity) is formed between adjacent columnar crystals. A photonic crystal-like structure in which materials having different refractive indexes are arranged can be used. As a result, the light in the random direction generated in the light emitting layer is efficiently reflected by the gap formed in the first barrier layer, so that the ratio of the light in the direction near the light extraction interface is approximately It is effectively increased and becomes incident on the light extraction interface. Therefore, the light generated in the light emitting layer is extracted more efficiently from the light emitting element.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子において、第1障壁層に形成されている間隙が、前記基板の表面から略垂直方向に延在する垂直間隙と、前記基板の表面から略水平方向に延在する水平間隙とを含むものである場合、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合がより一層効果的に増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。 In the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the gap formed in the first barrier layer includes a vertical gap extending in a substantially vertical direction from the surface of the substrate, and a substantially horizontal direction from the surface of the substrate. In other words, the ratio of the light in the direction near the vertical to the light extraction interface is more effectively increased and incident on the light extraction interface.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子において、第1障壁層が、前記光取り出し界面の垂直方向に対する前記柱状結晶の高さ方向の傾きが0.05°から10°の範囲のものである場合、発光層において発生したランダムな方向の光が、第1障壁層の柱状結晶で反射されることによって、光取り出し界面に対して垂直に近い方向の光の割合が効果的に増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。したがって、高輝度のIII族窒化物半導体発光素子となる。 In the group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, the first barrier layer has an inclination in the height direction of the columnar crystal with respect to a direction perpendicular to the light extraction interface in the range of 0.05 ° to 10 °. In some cases, light in a random direction generated in the light emitting layer is reflected by the columnar crystals of the first barrier layer, so that the ratio of light in a direction near the light extraction interface is effectively increased. In this case, the light enters the light extraction interface. Therefore, a high-intensity group III nitride semiconductor light-emitting device is obtained.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、第1障壁層をスパッタ法で形成するので、本発明のIII族窒化物半導体発光素子を容易に得ることができる。
また、本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、高輝度のものとなる。
In addition, according to the method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the first barrier layer is formed by sputtering, so that the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention can be easily obtained.
In addition, the lamp of the present invention uses the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, and therefore has a high luminance.
以下、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子、III族窒化物半導体発光素子の製造方法及びランプの一実施形態について、図面を参照して説明する。
[III族窒化物半導体発光素子]
図1は、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に示した概略断面図である。また、図2は、図1に示すIII族窒化物半導体発光素子の平面構造を示す概略図である。
Hereinafter, a group III nitride semiconductor light emitting device, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, and a lamp according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Group III nitride semiconductor light emitting device]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a planar structure of the group III nitride semiconductor light-emitting device shown in FIG.
本実施形態の発光素子1は、図1における上方向に光を取り出すものであって、発光素子1の上面全面が、発光素子1と発光素子1の外部との主たる光取り出し界面とされており、光取り出し界面が基板11の表面に対して水平とされたものである。
また、図1に示す発光素子1は、一面電極型のものであり、基板11上に、III族窒化物半導体からなるバッファ層12と、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物半導体からなる半導体層20が形成されているものである。半導体層20は、図1に示すように、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16の各層がこの順で積層されてなるものである。
The light emitting element 1 of the present embodiment extracts light upward in FIG. 1, and the entire upper surface of the light emitting element 1 is a main light extraction interface between the light emitting element 1 and the outside of the light emitting element 1. The light extraction interface is horizontal with respect to the surface of the
The light-emitting element 1 shown in FIG. 1 is a single-sided electrode type, and includes a
[発光素子の積層構造]
<基板>
本実施形態の発光素子1において、基板11に用いることができる材料としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイアや酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物結晶、シリコン(Si)やリン化ガリウム(GaP)等の元素半導体結晶又は化合物半導体結晶、4H又は6H積層型の炭化珪素(SiC)や六方晶の炭化物結晶等の炭化物結晶、六方晶の窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物半導体結晶などが挙げられる。
また、基板11は、バッファ層12によって反射されずに基板11側へ洩れてくる光を、基板11を透過させて発光素子の外部へ取り出せるように、発光層15から出射される光を透過する禁止帯幅の大きな材料であることが好ましい。
[Laminated structure of light-emitting elements]
<Board>
In the light emitting device 1 of the present embodiment, the material that can be used for the
Further, the
また、基板11として、例えば、サファイアからなるものを用いる場合、基板11の表面は、無極性の表面を有するIII族窒化物半導体層を堆積できる、(0001)面(c面)、(11−20)面(a面)、(1−102)面(r面)、(10−10)面(m面)のいずれかであることが好ましい。なお、本明細書においては、ミラー指数の数字の上に付す(−)を数字の前に付して表記する。
When the
<バッファ層>
本実施形態の発光素子1においては、基板11上に、六方晶系の結晶構造を持つバッファ層12が成膜されている。
バッファ層12をなすIII族窒化物半導体の結晶は、単結晶構造を有するものであることが好ましい。III族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、バッファ層12の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のIII族窒化物半導体の結晶からなるバッファ層12とすることができる。
このような単結晶構造を有するバッファ層12を基板11上に成膜した場合、バッファ層12のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたIII族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
<Buffer layer>
In the light emitting device 1 of this embodiment, a
The group III nitride semiconductor crystal forming the
When the
また、バッファ層12をなすIII族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
Further, the group III nitride semiconductor crystal forming the
また、バッファ層12を構成する材料としては、一般式AlGaInNで表されるIII族窒化物半導体であれば、どのような材料でも用いることができる。さらに、V族として、AsやPが含有される構成としても良い。また、バッファ層12を、Alを含んだ組成とした場合、GaAlNとすることが好ましく、この際、Alの組成が50%以上とされていることが好ましい。また、バッファ層12を、Alを含んだ組成とした場合、AlNからなる構成とすることがより好ましい。
In addition, as a material constituting the
また、バッファ層12の膜厚は、10〜500nmの範囲とされていることが好ましく、20〜100nmの範囲とされていることがより好ましい。
バッファ層12の膜厚が10nm未満だと、上述したようなバッファ機能が充分でなくなる。また、500nmを超える膜厚でバッファ層12を形成し場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず、成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。なお、バッファ層12の膜厚は、断面TEM写真により、容易に測定することが可能である。
Further, the thickness of the
When the thickness of the
<半導体層>
図1に示すように、半導体層20は、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16を備えている。
「n型半導体層」
n型半導体層14は、バッファ層12上に積層され、下地層14a、n型コンタクト層14b及びn型クラッド層14cから構成されている。なお、n型コンタクト層は、下地層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることが可能である。
<Semiconductor layer>
As shown in FIG. 1, the
"N-type semiconductor layer"
The n-
(下地層)
本実施形態のn型半導体層14の下地層14aは、III族窒化物半導体からなる。下地層14aの材料は、バッファ層12と同じであっても異なっていても構わないが、Gaを含むIII族窒化物半導体、即ちGaN系化合物半導体が好ましく、AlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることがより好ましい。
例えば、バッファ層12をAlNからなる柱状結晶の集合体とした場合、下地層14aがバッファ層12の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させることが望ましい。GaN系化合物半導体は、転位のループ化を生じやすく、特に、AlGaN、又はGaNが好適である。
(Underlayer)
The
For example, when the
また、下地層14aの膜厚は0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlXGa1―XN層が得られやすい。
Moreover, the film thickness of the
下地層14aには、必要に応じて、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ(<1×1017/cm3)とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。
例えば、基板11が導電性を有する場合には、下地層14aにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子1の上下に電極を形成することができる。一方、基板11として絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子1の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、基板11直上の層はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となることから好ましい。
n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
If necessary, the
For example, when the
Although it does not specifically limit as an n-type impurity, For example, Si, Ge, Sn, etc. are mentioned, Preferably Si and Ge are mentioned.
(n型コンタクト層)
n型コンタクト層14bは、III族窒化物半導体からなる。n型コンタクト層14bは、下地層14aと同様にAlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、n型コンタクト層14bには、n型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeである。
(N-type contact layer)
The n-
The n-
なお、下地層14a及びn型コンタクト層14bを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1〜20μm、好ましくは0.5〜15μm、さらに好ましくは1〜12μmの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
The gallium nitride compound semiconductor constituting the
(n型クラッド層(第1障壁層))
n型コンタクト層14bと発光層15との間には、n型クラッド層14cが設けられている。図3は、本実施形態のn型クラッド層14cを構成する結晶構造を模式的に示した概略図であり、図3(a)は断面図であり、図3(b)は平面図である。図3(a)および図3(b)に示すように、n型クラッド層14cは、柱状結晶114が積み重なってなる柱状結晶114の集合体である。柱状結晶114は、{11−20}面(a面)を側面とする略六角柱状のものであり、図3(a)に示すように、柱状結晶114の高さ方向hは、光取り出し界面の垂直方向d(本実施形態においては基板11の表面の垂直方向d)に対して所定の範囲の乱雑さで傾いている。したがって、隣接する柱状結晶114同士は、不完全に合着しており、隣接する柱状結晶114間に間隙114aが形成されている。
また、本実施形態においては、柱状結晶114の高さ方向hが、C軸方向とされている。
(N-type cladding layer (first barrier layer))
An n-
In the present embodiment, the height direction h of the
また、本実施形態においては、n型クラッド層14cに間隙114aが形成されていることによって、n型クラッド層14cが屈折率の異なる材料が並んだフォトニック結晶状の構造とされている。間隙114aは、例えば、透過型電子顕微鏡(英略称:TEM)を用いた平面TEM分析などにより観察できる。
In the present embodiment, the
間隙114aの密度は、1×109/cm−2以上1×1010/cm−2以下であることが好ましい。間隙114aの数が多いほど、発光層15において発生した光を効率よく反射させることができ好ましい。間隙114aの密度が、上記範囲未満であると、発光層15において発生した光を間隙114aによって十分に反射させることができない場合がある。しかし、間隙114aの数が多いと、発光素子1を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため、例えば、発光素子1を用いたLEDにおいて順方向電圧を増加させるなどの不都合が生じる場合がある。したがって、間隙114aの密度は、1×1010/cm−2以下であることが好ましい。
The density of the
また、間隙114aは、図3(a)および図3(b)に示すように、基板11の表面から略垂直方向に延在する垂直間隙114bと、基板11の表面と略水平方向に延在する水平間隙114cとを有している。垂直間隙114bは、n型クラッド層14cを形成している途中で柱状結晶114の成長が分断されたことにより形成されたものであり、主に柱状結晶114の成長方向と平行な面である柱状結晶114の側面a(a面)によって区画されたものである。また、水平間隙114cは、主に柱状結晶114の端面c(c面)によって区画されたものである。間隙114aとしては、垂直間隙114bが少なく、水平間隙114cが多いほど、発光層15において発生した光を効率よく反射させることができ、好ましい。
また、間隙114aは、n型クラッド層14c中に周期的に配列されていることが好ましい。ここで、間隙114aが周期的に配列されているとは、柱状結晶114の幅および垂直間隙114bの横幅Wがほぼ均一であることにより、間隙114aが、基板11の表面に水平方向に、周期的に配列された状態とされていることを意味する。
このようにn型クラッド層14c中に間隙114aが周期的に配列されていることにより、屈折率の異なる領域が周期的に配列されることになり、フォトニック結晶としての光学的な特性を効果的に発現させることができる。
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, the
The
As described above, since the
また、基板11の表面の垂直方向d(光取り出し界面の垂直方向)に対する柱状結晶114の高さ方向hの傾きθは、0.05°から10°の範囲とされていることが好ましい。傾きθが0.05°未満であると、n型クラッド層14cに含まれる間隙114aの数が少なくなり、発光層15において発生した光を間隙114aによって十分に反射させることができない場合がある。また、傾きθが10°を超えると、n型クラッド層14cに含まれる間隙114aの数が多くなりすぎて、発光素子1を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため好ましくない。
In addition, the inclination θ of the
一般的に、III族窒化物化合物半導体の場合、(10−10)面のX線ロッキングカーブ(XRC)測定における半値幅は、転位密度(ツイスト)の指標となり、(0002)面のX線ロッキングカーブ(XRC)測定における半値幅は、結晶の平坦性(モザイシティ)の指標となる。 In general, in the case of a group III nitride compound semiconductor, the full width at half maximum in the (10-10) plane X-ray rocking curve (XRC) measurement is an index of dislocation density (twist), and the (0002) plane X-ray rocking The half width in the curve (XRC) measurement is an index of crystal flatness (mosaicity).
本実施形態のn型クラッド層14cは、(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が200arcsec以上2000arcsec以下であることが好ましい。(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が上記範囲未満であると、基板11の表面の垂直方向dに対する柱状結晶111の高さ方向hの傾きθが小さすぎるものとなり、発光層15において発生した光を間隙114aによって十分に反射させることができない場合がある。また、(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が上記範囲を超えると、基板11の表面の垂直方向dに対する柱状結晶111の高さ方向hの傾きθが大きすぎるものとなり、発光素子1を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため好ましくない。
また、(10−10)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅は、n型クラッド層14cの間隙114aの密度と相関関係を有しており、半値幅が大きいほど密度が大きく、半値幅が小さいほど密度が小さくなっている。
The n-
Further, the half width in the X-ray rocking curve measurement of the (10-10) plane has a correlation with the density of the
また、本実施形態のn型クラッド層14cは、(0002)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が200arcsec以上2000arcsec以下であることが好ましい。(0002)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が上記範囲未満である場合、n型クラッド層14cが柱状結晶の集合体となっておらず、n型クラッド層14cとして単結晶層に近い層が形成されていることがある。また、(0002)面のX線ロッキングカーブ測定における半値幅が上記範囲を超える場合、n型クラッド層14cが非常に幅の小さい柱状結晶の集合体とされており、n型クラッド層14cを全体としてみた場合の結晶性が不十分であることがある。n型クラッド層14cの結晶性が不十分であると、n型クラッド層14cの上に積層される発光層15の発光強度が弱くなってしまうため好ましくない。
Further, the n-
また、本実施形態において、間隙114aの横幅Wとは、垂直間隙114bの平均値のことを意味している。間隙114aの横幅Wは、発光層15から出射される波長などに応じて、適宜決定することができ、特に限定されない。発光層15からの出射される発の波長が長波長となる程、好適となる間隙114aの横幅Wは大きくなる。間隙114aの横幅Wが狭すぎると、発光層15において発生した光を反射させる面の密度が十分に得られない場合があり、発光層15において発生した光を効率よく反射させることができない場合がある。また、間隙114aの横幅Wが広すぎると、発光素子1を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため好ましくない。
例えば、発光層15が、GaXIn1−XN(0≦X≦1)からなる場合、発光層15から出射される光の波長は、360nm〜450nmとなる。この場合、間隙114aの横幅W(水平幅)は90nm〜110nm程度とされることが好ましい。また、例えば、発光層15が、V族元素として窒素との別の砒素(元素記号:As)やリン(元素記号:P)を含むGaXIn1−XN1−YMY(0≦X≦1,0<Y<1)からなる場合、発光層15から出射される光の波長は、500nm〜600nmとなる。この場合、間隙114aの横幅W(水平幅)は125nm〜150nm程度とされることが好ましい。
In the present embodiment, the lateral width W of the
For example, when the
また、柱状結晶114の天面114dは、(3×1)又は(6×2)再配列構造を有するものであることが好ましい。n型クラッド層14cの柱状結晶114の天面114dの再配列構造は、高速反射電子回析(RHEED)法などの分析方法を用いて確認できる。なお、RHEED法は、一般に真空環境を使用して分析するので、スパッタ法や分子線エピタキシャル(MBE)法などの真空環境下で結晶を形成する方法により柱状結晶を成長させた場合には、得られた柱状結晶の天面の再配列構造を簡便に確認できる。
Moreover, it is preferable that the
n型クラッド層14cは、AlGaN、GaN、GaInN等により成膜することが可能である。また、n型クラッド層14cをGaInNとする場合には、発光層15のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましい。
The n-
n型クラッド層14cの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは5〜500nmの範囲であり、より好ましくは10〜50nmの範囲である。n型クラッド層14cに含まれる間隙114aの数は、n型クラッド層14cの層厚が増加するにともなって増える。したがって、n型クラッド層14cの層厚が上記範囲未満であると、n型クラッド層14cに含まれる間隙114aの数が十分に得られない場合がある。また、n型クラッド層14cの層厚が上記範囲を超えると、n型クラッド層14cに含まれる間隙114aの数が多くなりすぎて、発光素子1を動作させるための素子動作電流を通流できる領域が減少するため好ましくない。
The thickness of the n-
また、n型クラッド層14cのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3の範囲が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子1の動作電圧低減の点で好ましい。
Further, the n-type doping concentration of the n-
<発光層>
本実施形態において、発光層15は、基板11の表面方向に発達した連続性のあるIII族窒化物半導体の結晶からなる。発光層15は、n型クラッド層14cの表面に露出している間隙114aを天蓋の如く覆うように形成されることにより、n型クラッド層14cと比較して大きな平面積を有している。
発光層15は、例えば、インジウム(In)組成を相違する複数の相(phase)を従属的に含む窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1−XN:0<X<1)などから構成できる。また、発光層15は、窒素とは別のV族元素であるリン(元素記号:P)や砒素(元素記号:As)を含む窒化リン化ガリウム・インジウム(GaXIn1−XNYP1−Y:0<X<1,0<Y<1)などから構成されていてもよい。
<Light emitting layer>
In the present embodiment, the
The
また、発光層15は、数量的に単一な第1又は第2の伝導形の単一の層から構成しても構わない。さらに、発光層15は、井戸(well)層を含む単一量子井戸構造(英略称:SQW)又は多重量子井戸構造(英略称:MQW)から構成しても構わない。発光層15が多重量子井戸構造である場合、井戸層の数量は、高強度の発光を安定して得る観点から5以上20以下が適する。
Further, the
本実施形態において、発光層15は、図1に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁(barrier)層15aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型クラッド層14c側及びp型半導体層16側に障壁層15aが配されている。図1に示す例では、発光層15は、6層の障壁層15aと5層の井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、発光層15の最上層及び最下層に障壁層15aが配され、各障壁層15a間に井戸層15bが配される構成とされている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
障壁層15aは、井戸層15bよりも大きな禁止幅(バンドギャップエネルギー)を有するIII族窒化物半導体材料から構成することが好ましい。具体的には、例えば、障壁層15aとして、井戸層15bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c<0.3)等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層15bには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInsN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
The
Furthermore, the
発光層15全体の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましい。例えば、発光層15の膜厚は、1〜500nmの範囲であることが好ましく、100nm前後の膜厚であればより好ましい。膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。
The film thickness of the entire
また、n型クラッド層14cに接合される多重量子井戸構造の障壁層15aの層厚は、多重量子井戸構造をなす他の障壁層15aよりも5〜50nm厚くすることが好ましい。図1に示すように、n型クラッド層14cに多重量子井戸構造の障壁層15aが接合されている場合、n型クラッド層14cに接合される多重量子井戸構造の障壁層15aの層厚を、多重量子井戸構造をなす他の障壁層15aの層厚よりも5nm以上、より好ましくは10nm以上厚くすることで、基板11の表面方向に発達した連続性のあるIII族窒化物半導体の結晶からなり、n型クラッド層14cの表面に露出している間隙を天蓋の如く覆う発光層15を容易に形成できる。すなわち、n型クラッド層14cに接合される多重量子井戸構造の障壁層15aの層厚を、多重量子井戸構造をなす他の障壁層15aの層厚よりも厚くすることで、間隙114aを有する柱状結晶114からなるnクラッド層14c上に成膜した発光層15の歪を制御することができるので、発光層15の内部量子効率が下がることを回避できる。
The thickness of the
<p型半導体層(第2障壁層)>
p型半導体層16は、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bから構成されている。なお、p型コンタクト層がp型クラッド層を兼ねる構成であってもよい。
<P-type semiconductor layer (second barrier layer)>
The p-
(p型クラッド層)
p型クラッド層16aとしては、発光層15のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層15へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)のものが挙げられる。p型クラッド層16aが、このようなAlGaNからなると、発光層15へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
p型クラッド層16aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
(P-type cladding layer)
The p-
The thickness of the p-
p型クラッド層16aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはMgが挙げられる。
The p-type doping concentration of the p-
(p型コンタクト層)
p型コンタクト層16bは、少なくともAleGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極(後述の透光性電極17を参照)との良好なオーミック接触の点で好ましい。
p型コンタクト層16bの膜厚は、特に限定されないが、10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。膜厚がこの範囲であると、発光出力を高く維持できる点で好ましい。
(P-type contact layer)
The p-
Although the film thickness of the p-
また、p型コンタクト層16bは、p型ドーパントを1×1018〜1×1021/cm3の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の範囲である。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはMgが挙げられる。
Further, when the p-
なお、本発明の発光素子1を構成する半導体層20は、上述した実施形態のものに限定されるものではない。
例えば、本発明を構成する半導体層の材料としては、上記のものの他、例えば一般式AlXGaYInZN1−AMA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
また、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P及びAs等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
In addition, the
For example, as the material of the semiconductor layer constituting the present invention, addition to the foregoing, for example, the general formula Al X Ga Y In Z N 1 -A M A (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1 and X + Y + Z = 1, the symbol M represents a group V element different from nitrogen (N), and 0 ≦ A <1)) is known. Also in the present invention, these known gallium nitride compound semiconductors can be used without any limitation.
In addition, a group III nitride semiconductor containing Ga as a group III element can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In. If necessary, Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Elements such as Be, P and As can also be contained. Furthermore, it is not limited to the element added intentionally, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.
<透光性正極>
透光性正極17は、p型半導体層16上に形成された透光性を有する電極である。
透光性正極17の材質としては、特に限定されず、ITO(In2O3−SnO2)、AZnO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)等の材料を用いることができる。また、透光性正極17としては、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
また、透光性正極17は、p型半導体層16上の全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。
<Translucent positive electrode>
The translucent
The material of the translucent
The translucent
<正極ボンディングパッド>
正極ボンディングパッド18は、図2に示すように透光性正極17上に形成された略円形の電極である。
正極ボンディングパッド18の材料としては、Au、Al、NiおよびCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
<Positive electrode bonding pad>
The positive
As the material of the positive
正極ボンディングパッド18の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド18の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
The thickness of the positive
<負極>
負極19は、半導体層20を構成するn型半導体層14のn型コンタクト層14bに接するものである。このため、負極19は、図1および図2に示すように、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14の一部を除去してn型コンタクト層14bを露出させてなる露出領域14dの上に略円形状に形成されている。
負極19の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
<Negative electrode>
The
As materials for the
[発光素子の製造方法]
図1に示す発光素子1を製造するには、まず、基板11上に半導体層20の形成された図4に示す積層半導体10を形成する。
[Method for Manufacturing Light-Emitting Element]
In order to manufacture the light emitting element 1 shown in FIG. 1, first, the
本実施形態においては、基板11上にバッファ層12を成膜する前に、基板11に前処理を施すことが好ましい。基板11に前処理を施すことにより、成膜プロセスが安定する。基板11の前処理は、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板11を配置し、バッファ層12を形成する前にスパッタする方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板11をArガスやN2ガスのプラズマ中に曝す事によって基板11の表面を洗浄することができる。ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板11の表面に作用させることで、基板11表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板11とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板11の洗浄に作用する。
In the present embodiment, it is preferable to pre-process the
なお、基板11の前処理は、上述した方法に限定されるものでなく、湿式の方法を用いることもできる。
The pretreatment of the
基板11に前処理を行なった後、基板11上に、バッファ層12、下地層14a、n型コンタクト層14bの各層を成膜する。
本実施形態のバッファ層12、下地層14a、n型コンタクト層14bの各層は、スパッタ法やレーザーアブレーション法やイオンビーム蒸着法などの物理的堆積手段、ハライド(halyde)気相堆積法やハイドライド(hydride)気相堆積法や有機金属化学的気相堆積(英略称:MOCVD)法などの化学的堆積手段、分子線エピタキシャル(英略称:MBE)法などによって形成できる。
After pre-processing the
Each layer of the
その後、n型コンタクト層14bまで形成された基板11上に、n型半導体層14のn型クラッド層14cを形成する。n型クラッド層14cは、バッファ層12や下地層14a、n型コンタクト層14bと同様に、スパッタ法やレーザーアブレーション法やイオンビーム蒸着法などの物理的堆積手段、ハライド気相堆積法やハイドライド気相堆積法や有機金属化学的気相堆積法などの化学的堆積手段、分子線エピタキシャル法などによって形成できる。
これらのn型クラッド層14cの形成方法の中でもスパッタ法は、n型クラッド層14cの形成される表面上に、高さ方向hが基板11の表面の垂直方向dに対して傾いている柱状結晶114の集合体を容易に形成できるため好ましい。
Thereafter, an n-
Among these methods of forming the n-
スパッタ法としては、例えば、高周波マグネトロンスパッタリング法、電子サイクロトロン(ECR)共鳴型スパッタリング法、リアクティブイオンスパッタリング法などを用いることができる。また、スパッタ装置としては、RHEED分析装置を備えたスパッタ装置を用いることが好ましい。RHEED分析装置を備えたスパッタ装置を用いてn型クラッド層14cを形成することで、n型クラッド層14cを構成する柱状結晶114の再配列構造を確認しつつ、n型クラッド層14cを簡便に形成できる。
As the sputtering method, for example, a high frequency magnetron sputtering method, an electron cyclotron (ECR) resonance type sputtering method, a reactive ion sputtering method, or the like can be used. Further, as the sputtering apparatus, it is preferable to use a sputtering apparatus equipped with an RHEED analyzer. By forming the n-
本実施形態において、n型コンタクト層14bまで形成された基板11上に、III族窒化物半導体層からなるn型半導体層14のn型クラッド層14cを形成するには、高周波リアクティブイオンスパッタリング法を用いて行なう。
スパッタリング法によりn型クラッド層14cを形成する場合、プラズマ化させた窒素ガス(N2)やアンモニア(NH3)などの窒素原料を使用する。本実施形態においては、窒素原料の供給量をIII族元素の原料の供給量と比較して多くして行う。例えば、GaNからなるn型クラッド層14cの柱状結晶114を形成する場合、窒素原料から供給される窒素イオンや原子状窒素や窒素ラジカルの量を、金属Gaターゲットから放出されるGa原子の供給量よりも多くなるようにして行う。窒素原料とGa原子の量の比率は、プラズマを発生させているスパッタガスの成分比によって制御できる。例えば、GaターゲットのスパッタをArガスで行い、窒素原料としてN2ガスを用いる場合、ArとN2の流量比が重要なパラメータとなる。N2ガスの供給量とArガスの供給量との流量比を制御することで、高さ方向hが基板11の表面の垂直方向dに対して傾いている柱状結晶114の集合体を容易に形成できる。
In the present embodiment, in order to form the n-
When the n-
本実施形態において、n型クラッド層14cの柱状結晶114を形成する場合には、プラズマ中のガス全体に対するN2の体積比率を50%以下となるようにすることが望ましい。
In the present embodiment, when the
窒素原料の供給量がIII族元素の原料の供給量未満であると、柱状結晶114が安定して形成されにくくなり、柱状結晶114の不完全な合着に依って生じる間隙114aの少ない層状の膜が形成されてしまう場合がある。
一方、III族元素の原料の供給量が少なく、窒素原料の供給量とIII族元素の原料の供給量との比が上記範囲外であると、n型コンタクト層14bの表面上に発生する柱状結晶114の量が減少し、隣接する柱状結晶114間の間隔が広くなり、その結果、間隙114aの横幅Wが広くなりすぎてしまう場合がある。
If the supply amount of the nitrogen raw material is less than the supply amount of the group III element raw material, the
On the other hand, when the supply amount of the Group III element material is small and the ratio of the supply amount of the nitrogen material and the supply amount of the Group III element is outside the above range, a columnar shape generated on the surface of the n-
窒素原料の供給量とIII族元素の原料の供給量との比は、窒素ガス(N2)やアンモニア(NH3)などの窒素原料ガスをプラズマ化させるために印加する電力と、III族元素を含むターゲットに掛ける電力とを制御することによって、調整できる。
また、n型コンタクト層14bの表面上へのn型クラッド層14cとなるIII族元素の原料の供給量は、III族窒化物半導体層の成膜速度として反映される。
例えば、90nm〜110nmの間隙114aの横幅Wを有するIII族窒化物半導体層を効率的に形成するには、成膜速度が毎秒0.2nm以上毎秒2nm以下となるようにIII族元素の原料の供給量を制御することが望ましい。
また、例えば、125nm〜150nmの間隙114aの横幅Wを有するIII族窒化物半導体層を効率的に形成するには、成膜速度が毎秒0.1nm以上毎秒1nm以下となるようにIII族元素の原料の供給量を制御することが望ましい。
The ratio between the supply amount of the nitrogen raw material and the supply amount of the group III element raw material is that the power applied to turn the nitrogen source gas such as nitrogen gas (N 2 ) or ammonia (NH 3 ) into plasma and the group III element Can be adjusted by controlling the electric power applied to the target including.
Further, the supply amount of the group III element raw material to be the n-
For example, in order to efficiently form a group III nitride semiconductor layer having a lateral width W of the
Further, for example, in order to efficiently form a group III nitride semiconductor layer having a lateral width W of the
また、基板11の表面の垂直方向dに対する柱状結晶111の高さ方向hの傾きθや間隙114aの密度は、n型クラッド層14cをスパッタ法により形成する際における基板11の温度を変化させることによって制御できる。上記の柱状結晶111の傾きθや間隙114aの密度を好ましい範囲とするために、基板11の温度は400〜900℃とするのが好ましい。基板11の温度を上記範囲よりも高くすると、上記の柱状結晶111の傾きθが小さくなり、間隙114aの密度も小さくなるため、発光層15において発生した光を間隙114aによって十分に反射させることができないn型クラッド層14cが形成される場合がある。また、基板11の温度を上記範囲よりも低くすると、上記の柱状結晶111の傾きθが大きくなり、間隙114aの密度が大きくなりすぎて、発光素子1を動作させるための素子動作電流に支障を来たすn型クラッド層14cが形成されてしまう場合がある。
The inclination θ of the columnar crystal 111 in the height direction h with respect to the vertical direction d of the surface of the
また、例えば、n型コンタクト層14b上にSiドープのInGaNからなるn型クラッド層14cを形成する場合、以下の条件でスパッタすることが好ましい。
(1)基板の温度=400℃〜900℃(1)圧力=0.05〜10Pa、(2)プラズマ化のための印加電力(金属Gaのターゲットに印加する電力)=0.1〜10(kw)、(3)プラズマ化のための印加電力(金属Inのターゲットに印加する電力)=0.1〜10(kw)、(4)ガス雰囲気=アルゴン(Ar)と窒素(N2)との混合ガスであって、ガスの合計の流量に占める窒素の体積分率が50%以下である混合ガス雰囲気。なお、ガス雰囲気は、比較的大きな成膜速度が得られるアンモニアを含むものであってもよい。
Further, for example, when the n-
(1) Substrate temperature = 400 ° C. to 900 ° C. (1) Pressure = 0.05 to 10 Pa, (2) Applied power for plasma (power applied to metal Ga target) = 0.1 to 10 ( kw), (3) applied power for plasma (power applied to the metal In target) = 0.1 to 10 (kw), (4) gas atmosphere = argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) A mixed gas atmosphere in which the volume fraction of nitrogen in the total flow rate of the gas is 50% or less. Note that the gas atmosphere may contain ammonia that can provide a relatively high film formation rate.
次に、n型半導体層14のn型クラッド層14c上に、障壁層15aと井戸層15bとからなる発光層15を成膜する。
発光層15は、スパッタ法等の物理的成長法ではなく、化学的気相成長法を用いて形成する。化学的気相成長法としては、例えば、MOCVD法などが挙げられる。発光層15をMOCVD法で形成することで、基板11の表面方向に発達した連続性のあるIII族窒化物半導体の結晶からなり、n型クラッド層14cの表面に露出している間隙114aを天蓋の如く覆うように形成され、n型クラッド層14cと比較して大きな平面積を有する発光層15を容易に形成できる。
Next, a
The
次に、n型半導体層14のn型クラッド層14c上に、障壁層15aと井戸層15bとからなる発光層15、p型半導体層16のp型クラッド層16aおよびp型コンタクト層16bを、膜厚制御性の観点で好ましいMOCVD法で成膜する。
Next, on the n-
MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などが用いられる。 In the MOCVD method, hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) as a carrier gas, trimethyl gallium (TMG) or triethyl gallium (TEG) as a Ga source which is a group III source, trimethyl aluminum (TMA) or triethyl aluminum as an Al source (TEA), trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) as an In source, ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), or the like as an N source as a group V source.
また、ドーパント元素のn型不純物には、Si原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
ドーパント元素のn型不純物には、Mg原料として例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を用いることができる。
In addition, as the n-type impurity of the dopant element, monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) is used as a Si raw material, germane gas (GeH 4 ) is used as a Ge raw material, and tetramethyl germanium ((CH 3 ) 4 Ge ) And tetraethylgermanium ((C 2 H 5 ) 4 Ge) can be used.
For the n-type impurity of the dopant element, for example, biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) or bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp 2 Mg) can be used as the Mg raw material.
このようにして得られた図4に示す積層半導体10のp型コンタクト層16b上に、フォトリソグラフィー法を用いて透光性正極17および正極ボンディングパッド18を順次形成する。
次いで、透光性正極17および正極ボンディングパッド18の形成された積層半導体10をドライエッチングすることにより、n型コンタクト層14b上の露出領域14dを露出させる。
その後、露出領域14d上に、フォトリソグラフィー法を用いて負極19を形成することにより、図1および図2に示す発光素子1が得られる。
The translucent
Next, the exposed
Thereafter, the
本実施形態の発光素子1は、図3(a)および図3(b)に示すように、n型半導体層14のn型クラッド層14cが、柱状結晶114の集合体からなり、柱状結晶114の高さ方向hが、基板11の表面の垂直方向d(光取り出し界面の垂直方向)に対して傾いているので、発光層15において発生したランダムな方向の光が、n型クラッド層14cの柱状結晶114で反射されることによって、基板11の表面に対して垂直に近い方向の光の割合が増加されて、光取り出し界面に入射するものとなる。基板11の表面に対して垂直に近い方向の光は、光取り出し界面から取り出されやすい光であるため、本実施形態の発光素子1では、発光層15で発生した光が、発光素子1外部側に効率よく取り出されるものとなる。
In the light emitting device 1 of this embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, the n-
また、本実施形態の発光素子1では、n型クラッド層14cを構成する柱状結晶114の天面114dが(3×1)又は(6×2)再配列構造を有するものであるので、柱状結晶114の天面114dが窒素リッチな表面である良好な結晶からなるn型クラッド層14cとなる。したがって、良好な結晶性を有するn型クラッド層14c上に高輝度の発光を呈する発光層15が形成できる。
In the light emitting device 1 of the present embodiment, since the
また、本実施形態の発光素子1では、発光層15が、基板11の表面方向に発達した連続性のあるIII族窒化物半導体の結晶からなり、n型クラッド層14cの表面に露出している間隙114aを天蓋の如く覆うように形成され、n型クラッド層14cと比較して大きな平面積を有するものであるので、電流を注入した際に発光する面積を大きくすることができ、本実施形態の発光素子1を用いて得られた発光ダイオードの発光出力を向上できる。また、n型クラッド層14cの間隙114aを天蓋のごとく覆う発光層15上に、p型半導体層16を形成することで、発光層15と連続した膜としてp型半導体層16を形成できるので、電流を平面方向に効率的に広げることが可能となる。
Further, in the light emitting device 1 of the present embodiment, the
また、本実施形態の発光素子1の製造方法によれば、n型クラッド層14cをスパッタ法で形成するので、柱状結晶114の集合体からなり、柱状結晶114の高さ方向hが、基板11の表面の垂直方向dに対して傾いているn型クラッド層14cを有する本実施形態の発光素子1を容易に得ることができる。
In addition, according to the method for manufacturing the light emitting device 1 of the present embodiment, the n-
なお、本実施形態の製造方法では、発光素子1の半導体層20のうち、n型クラッド層14cのみをスパッタ法によって形成する方法を例に挙げて説明したが、本発明の製造方法は上述した例に限定されるものではなく、少なくともn型クラッド層14cがスパッタ法によって形成されていればよい。具体的には、例えば、バッファ層12、n型半導体層14、p型半導体層16をスパッタ法によって形成してもよい。
In the manufacturing method of the present embodiment, the method of forming only the n-
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、上述の発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、HBTやHEMT等の電子デバイスなどに用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。 The group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention can be used for photoelectric conversion devices such as laser devices and light-receiving devices, electronic devices such as HBT and HEMT, in addition to the light-emitting devices described above. Many of these semiconductor elements have various structures, and the structure of the group III nitride semiconductor light-emitting element according to the present invention is not limited at all including these well-known element structures.
[ランプ]
本発明のランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明の発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
[lamp]
The lamp of the present invention uses the light emitting device of the present invention.
As a lamp | ramp of this invention, the thing formed by combining the light emitting element of this invention and fluorescent substance can be mentioned, for example. A lamp in which a light emitting element and a phosphor are combined can have a configuration well known to those skilled in the art by means well known to those skilled in the art. Conventionally, a technique for changing the emission color by combining a light emitting element and a phosphor is known, and such a technique can be adopted in the lamp of the present invention without any limitation.
例えば、ランプに用いる蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。 For example, by appropriately selecting the phosphor used for the lamp, it becomes possible to obtain light emission having a longer wavelength than the light emitting element, and by mixing the emission wavelength of the light emitting element itself with the wavelength converted by the phosphor. A lamp that emits white light can also be used.
図5は、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図5に示すランプ3は、砲弾型のものであり、図1に示す発光素子1が用いられている。図5に示すように、発光素子1の正極ボンディングパッド(図2に示す符号18参照)がワイヤー33で2本のフレーム31、32の内の一方(図4ではフレーム31)に接着され、発光素子1の負極(図2に示す符号19参照)がワイヤー34で他方のフレーム32に接合されることにより、発光素子1が実装されている。また、発光素子1の周辺は、透明な樹脂からなるモールド35で封止されている。
FIG. 5 is a schematic view schematically showing an example of a lamp configured using the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention. The
本発明のランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものであるので、優れた発光特性を備えた高輝度のものとなる。
また、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
Since the lamp of the present invention uses the light emitting element of the present invention, the lamp has high luminance with excellent light emission characteristics.
Further, the lamp of the present invention can be used for any purpose such as a bullet type for general use, a side view type for portable backlight use, and a top view type used for a display.
以下、本発明を、実施例を示してより詳細に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)
図1および図2に示す発光素子1を以下に示すように製造した。
まず、スパッタ法を用いて、サファイアからなる基板11のc面上に、AlN層からなるバッファ層12を形成した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited only to these examples.
Example 1
The light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
First, the
より詳細には、片面のみをエピタキシャル成長に使用できる程度に鏡面研磨したサファイアからなる基板11を用意し、湿式の前処理を行わずにバッファ層12の成膜に使用するスパッタチャンバ内へ導入した。バッファ層12の成膜に使用するスパッタ装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットを回転させることにより、磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を持つものを用いた。
そして、スパッタチャンバ内で基板11を500℃まで加熱し、窒素ガスを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を1Paに保持して、基板11側に50Wの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことで、基板表面を洗浄した。
More specifically, a
Then, after heating the
続いて、アルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板11の温度を500℃としたまま、2000Wの高周波バイアスを金属Alターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ち、Arガスを5sccm、窒素ガスを15sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は75%)で、基板11上にAlN層からなるバッファ層12を成膜した。成長速度は0.12nm/sであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板11の洗浄の際もバッファ層12の成膜の際も回転させておいた。そして、50nmのAlN層を成膜後、プラズマを立てるのを止めた。
Subsequently, argon and nitrogen gas were introduced, a high frequency bias of 2000 W was applied to the metal Al target side with the temperature of the
続いて、バッファ層12の成膜された基板11上に、MOCVD法を用いて、アンドープのGaN層からなる下地層14aと、SiドープのGaN層からなるnコンタクト層14bとを形成した。まず、バッファ層12の成膜された基板11をMOCVD装置に搬送した。その後、チャンバ内を窒素で置換した状態で、基板11の温度を1000℃まで上昇させて、AlNからなるバッファ層12の最表面に付着した汚れを昇華させて除去した。基板温度が830℃以上からは、アンモニアを炉内に流通させ、炉内の圧力を400mbarに調節した。
Subsequently, an
続いて、基板11の温度を1100℃で保持し、アンモニアをそのまま流通させながら、バブリングによって発生したTMGの蒸気をチャンバ内へ流通し、そのまま3時間をかけて6μmのアンドープGaN層からなる下地層14aを形成した。その後、窒素で希釈したSiH4ガスを炉内へ流通し、2μm膜厚を成すSiドープGaN層からなるnコンタクト層14bを形成した。その後、TMGおよびSi2H6のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
その後、基板11の加熱を停止して、サセプタごと基板11の温度を室温まで低下させ、nコンタクト層14bまでの各層の形成された基板11をチャンバ内から取り出した。
Subsequently, while maintaining the temperature of the
Thereafter, heating of the
次に、スパッタ法を用いて、SiドープのInGaN層からなるn型クラッド層14cを成膜した。まず、MOCVD装置のチャンバ内から取り出した基板11を、n型クラッド層14cを成膜するためのスパッタチャンバに搬送した。n型クラッド層14cの成膜に使用するスパッタ装置としては、高周波式の電源を持ち、円形のGaターゲットとInターゲットとSiターゲットとを1つのスパッタ内に有するもので、各円形ターゲット内でマグネットを回転させることにより、磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を持つものを用いた。また、Gaターゲット内に冷媒を流通させるための配管を設置し、配管内に20℃に冷却した冷媒を流通させて、熱によるGaの融解を防いだ。
Next, an n-
その後、nコンタクト層14bの成膜された基板11の設置されたスパッタチャンバ内に、アルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板11の温度を700℃まで上昇させた。そして、高周波バイアスを金属Gaターゲットと金属Inターゲットに印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ち、Arガスを15sccm、窒素ガスを5sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は25%)で、0.2μmのSiドープしたInGaN層からなるn型クラッド層14cを成膜した。また、成長速度は、おおよそ0.1nm/sであり、各ターゲットに掛ける高周波電力を制御することにより、Inの組成を1%、Siのドープ量を1×1018cm−3に制御した。
Thereafter, argon and nitrogen gas were introduced into the sputtering chamber in which the
以上の工程により、下から順に、バッファ層12、下地層14a、nコンタクト層14b、n型クラッド層14cの形成された基板11を得た。ここで得られたn型クラッド層14cまでの各層が形成された基板11は無色透明のミラー状を呈した。
Through the above steps, the
また、上記の成長方法で作製した下地層14aを構成するアンドープのGaN層のX線ロッキングカーブ(XRC)測定を行った。この測定は、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−10)面で行った。
X線ロッキングカーブ(XRC)測定の結果、実施例1の方法で作製した下地層14aの(10−10)面では半値幅は250arcsecを示した。また、nクラッド層14cの(10−10)面の半値幅は1500arcsecであった。下地層14aおよびnクラッド層14cの(0002)面の半値幅については、下地層14aを構成するGaN層とnクラッド層14cとでピークが重なってしまい、測定できなかった。
Moreover, the X-ray rocking curve (XRC) measurement of the undoped GaN layer which comprises the
As a result of X-ray rocking curve (XRC) measurement, the half-value width was 250 arcsec on the (10-10) plane of the
また、上記の成長方法で作製したSiドープしたInGaN層からなるn型クラッド層14cを一般的な断面透過型電子顕微鏡(英略号:TEM)にて観察した。
断面からTEMにて観察した結果、n型クラッド層14cは、一様な結晶膜とはなっておらず、図3(a)および図3(b)に示すように、六角柱状の柱状結晶114の集合体からなり、柱状結晶114の高さ方向hが、基板11の表面の垂直方向dに対して傾いており、各柱状結晶114が0.1°から5°の角度を持って交わっていることが確認できた。また、柱状結晶114の間には微細な間隙114aが形成されていた。また、柱状結晶の密度は5×109/cm−2程度、間隙114aの横幅Wは1nm程度、柱状結晶114の幅は100nm程度であった。また、柱状結晶114の幅および間隙114aの横幅Wは、ほぼ均一であり、間隙114aが周期的に配列されていた。
Further, the n-
As a result of TEM observation from the cross section, the n-
その後、n型クラッド層14cまでの各層が形成された基板11の上に、発光層15、p型クラッド層16a、p型コンタクト層16bをMOCVD法にて形成した。
Thereafter, the
より詳細には、まず、n型クラッド層14cまでの各層が形成された基板11を、MOCVDチャンバ内へ搬送した。その後、チャンバ内を窒素で置換した状態で基板11の温度を1000℃まで上昇させ、n型クラッド層14cの最表面に付着した汚れを昇華させて除去した。なお、基板11の温度が830℃以上となってからは、アンモニアを炉内に流通させた。
More specifically, first, the
次に、GaN層からなる障壁層15aとInGaN層からなる井戸層15bとからなる多重量子井戸構造の発光層15を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、SiドープしたInGaN層からなるn型クラッド層14c上に、始めにGaNからなる障壁層15aを形成し、その障壁層15a上にInGaN層からなる井戸層15bを形成した。この構造を5回繰り返し積層したのち、5番目の井戸層15b上に、6番目の障壁層15aを形成し、多重量子井戸構造20の両側が障壁層15aからなる構造とした。
Next, a
すなわち、n型クラッド層14cの最表面に付着した汚れを除去した後、基板11の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGのバルブを切り替えてTEGのチャンバ内への供給を行い、GaN層からなる障壁層15aを成長した。これにより、16nmの膜厚を成す障壁層15aを形成した。
その後、基板11の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGとTMIの炉内への供給を行い、In0.2Ga0.8N層からなる井戸層15bを成長した。これにより3nmの膜厚を成すIn0.2Ga0.8N層からなる井戸層15bを形成した。
That is, after removing the dirt adhering to the outermost surface of the n-
Thereafter, the temperature of the
そして、井戸層15bの成長終了後、再び障壁層15aの成長を行った。このような手順を5回繰り返し、5層の障壁層15aと5層の井戸層15bを作製した。更に、最後の井戸層15b上に障壁層15aを形成して、発光層15とした。
Then, after the growth of the
このようにして得られた発光層15上に、引き続きMOCVD法を用いて、MgをドープしたAl0.07Ga0.93N層からなるp型クラッド層16aを作製した。
まず、炉内の圧力を200mbar、基板11の温度を1020℃とし、キャリアガスを窒素から水素に変更した。そして、炉内の圧力と温度が安定するのを待って、TEGとTMAとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始し、MgドープのAl0.07Ga0.93N層からなるp型クラッド層16aの成長を行った。これにより、5nmのMgをドープしたAl0.07Ga0.93N層からなるp型クラッド層16aを形成した。
A p-
First, the pressure in the furnace was 200 mbar, the temperature of the
このようにして得られたp型クラッド層16a上に、MgドープのAl0.02Ga0.98N層からなるp型コンタクト層16bを作製した。
すなわち、温度、圧力、キャリアガスをp型クラッド層16aの成長時と同じに保ったまま、TMAとTMGとCp2Mgの炉内への供給を開始し、p型コンタクト層16bの成長を行った。Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープAl0.02Ga0.98N層からなるp型コンタクト層16bの正孔濃度が8×1017cm−3となるように調整した。これにより、膜厚0.2μmの膜厚を成すMgドープAl0.02Ga0.98N層からなるp型コンタクト層16bを形成した。
On the p-
That is, the supply of TMA, TMG, and Cp 2 Mg into the furnace is started while the temperature, pressure, and carrier gas are kept the same as when the p-
p型コンタクト層16bの成長を終了した後、ヒータを停止して、基板11の温度を室温まで20分をかけて降温した。また、p型コンタクト層16bの成長を終了した直後、NH3の流量を1/50に減量してキャリアを水素から窒素に切り替えた。その後950℃にてNH3を完全に停止した。そして、基板11の温度が300℃近くまで降温したのを確認して、ロードロックを通じてウェーハをウエーハトレイごと大気中に取り出した。
After completing the growth of the p-
以上の工程により、図4に示す積層半導体10を得た。得られた積層半導体10は、c面を有するサファイアからなる基板11上に、基板11側から順に、50nmのAlN層からなるバッファ層12、6μmのアンドープGaN層からなる下地層14a、1×1019cm−3の電子濃度を持つ2μmのSiドープGaN層からなるnコンタクト層14b、1×1018cm−3の電子濃度を持つ20nmのIn0.01Ga0.99N層からなるnクラッド層14c、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる、層厚を16nmとしたGaNからなる6層の障壁層15aと、層厚を3nmとした5層のノンドープのIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層15bとからなる多重量子井戸構造の発光層15、5nmのMgをドープしたAl0.07Ga0.93N層からなるp型クラッド層16a、膜厚0.2μmのMgドープAl0.02Ga0.98N層からなるp型コンタクト層16bを積層した構造を有するものであった。
Through the above steps, the
得られた積層半導体10を構成するp型クラッド層16aおよびp型コンタクト層16bは、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
The p-
次に、積層半導体10を用いて図1および図2に示す発光素子1を作製した。
まず、積層半導体10のp型コンタクト層16bの表面上に、公知のフォトリソグラフィーによって、ITOからなる透光性正極17と、その上に透光性正極17の表面側から順にTi、Al、Auを積層した構造を有する正極ボンディングパッド18とを形成し、p側電極とした。
その後、透光性正極17および正極ボンディングパッド18の形成された積層半導体10をドライエッチングすることにより、n型コンタクト層14b上の露出領域14dを露出させた。その後、露出領域14d上に、フォトリソグラフィー法を用いてNi、Al、Ti、及びAuの4層よりなる負極19を形成し、n側電極とすることにより、図1および図2に示す発光素子1を得た。
Next, the light emitting element 1 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured using the
First, on the surface of the p-
Then, the exposed
このようにして得られた発光素子1の基板11の裏側を、研削及び研磨してミラー状の面とし、350μm角の正方形のチップに切断した。その後、得られたチップを各電極が上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することにより、発光ダイオードとした。
この発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性正極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は15mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
The back side of the
When a forward current was passed between the positive
(実施例2)
n型クラッド層14cをスパッタ法により形成する際における基板11の温度を900℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、積層半導体10を作成した。
(Example 2)
A
そして、実施例1と同様にして、下地層14aを構成するアンドープのGaN層のX線ロッキングカーブ(XRC)測定を行った。この測定は、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−10)面で行った。
X線ロッキングカーブ(XRC)測定の結果、実施例2の方法で作製した下地層14aの(10−10)面では半値幅は250arcsecを示した。また、nクラッド層14cの(10−10)面の半値幅は850arcsecであった。下地層14aおよびnクラッド層14cの(0002)面の半値幅については、下地層14aを構成するGaN層とnクラッド層14cとでピークが重なってしまい、測定できなかった。
よって、実施例2の方法で作製したnクラッド層14cは、(10−10)面では実施例1よりも小さい値を示した。
Then, in the same manner as in Example 1, the X-ray rocking curve (XRC) measurement of the undoped GaN layer constituting the
As a result of X-ray rocking curve (XRC) measurement, the half-value width was 250 arcsec on the (10-10) plane of the
Therefore, the n-clad
また、実施例2の方法で作製したSiドープInGaN層からなるn型クラッド層14cを一般的な断面透過型電子顕微鏡(英略号:TEM)にて観察した。
断面からTEMにて観察した結果、n型クラッド層14cは、実施例1と同様に、一様な結晶膜とはなっておらず、図3(a)および図3(b)に示すように、六角柱状の柱状結晶114の集合体からなり、柱状結晶114の高さ方向hが、基板11の表面の垂直方向dに対して傾いていた。また、各柱状結晶114は0.1°から2°の角度を持って交わっていることが確認できた。また、柱状結晶114の間には微細な間隙114aが形成されていた。また、柱状結晶の密度は1×109/cm−2程度、間隙114aの横幅Wは1nm程度、柱状結晶114の幅は300nm程度であった。また、柱状結晶114の幅および間隙114aの横幅Wは、ほぼ均一であり、間隙114aが周期的に配列されていた。
Further, the n-
As a result of TEM observation from the cross section, the n-
また、実施例2の積層半導体10を用い、実施例1と同様にして、発光ダイオードを作製した。
この発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性正極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は12mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。なお、実施例2の発光出力は実施例1よりも小さかったが、充分に使用に耐えられる値を示した。
Further, a light emitting diode was manufactured in the same manner as in Example 1 using the
When a forward current was passed between the positive
(実施例3)
下地層14aとnコンタクト層14bとをスパッタ法により形成したこと以外は、実施例1と同様にして、積層半導体10を作成した。
(Example 3)
A
すなわち、バッファ層12の成膜された基板11を、バッファ層12の成膜に使用したスパッタチャンバとは異なる第二のスパッタチャンバ内に搬送した。下地層14aおよびnコンタクト層14bの成膜に使用するスパッタ装置としては、高周波式の電源を持ち、四角形のGaターゲット内をマグネットがスイープすることで磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を持つものを用いた。また、Gaターゲット内に冷媒を流通させるための配管を設置し、配管内に20℃に冷却した冷媒を流通させて、熱によるGaの融解を防いだ。
That is, the
その後、バッファ層12の成膜された基板11の設置された第二のスパッタチャンバ内に、アルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板11の温度を1000℃まで上昇させた。そして、2000Wの高周波バイアスを金属Gaターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ち、Arガスを5sccm、窒素ガスを15sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は75%)で、バッファ層12上にアンドープのGaN層からなる下地層14aを成膜した。成長速度は、おおよそ1nm/sであった。そして、6μmのアンドープのGaN層を成膜後、プラズマを立てるのを止めた。
Thereafter, argon and nitrogen gas were introduced into the second sputtering chamber in which the
続いて、同じ第二のスパッタチャンバ内で、基板11の温度、金属Gaターゲットに印加するパワー、炉内の圧力、ガス雰囲気の各条件を下地層14aの成膜時と同じとしたまま、第二のスパッタチャンバ内に設置したSiターゲットへパワーを導入して、金属Gaターゲットと同時にSiターゲットをスパッタすることによってSiを気相中に取り出し、GaN結晶中にSiをドープした。これにより、1×1019cm−3の電子濃度を持つ2μmのSiドープGaN層からなるnコンタクト層14bを成膜した。成長速度は1nm/sであった。
Subsequently, in the same second sputtering chamber, the conditions of the temperature of the
その後、nコンタクト層14bの成膜された基板11をn型クラッド層14cを形成するためのスパッタチャンバ内に搬送し、実施例と同様にしてn型クラッド層14cを形成した。
以上の工程により、下から順に、バッファ層12、下地層14a、nコンタクト層14b、n型クラッド層14cの形成された基板11を得た。ここで得られたn型クラッド層14cまでの各層が形成された基板11は無色透明のミラー状を呈した。
Thereafter, the
Through the above steps, the
また、実施例1と同様にして、下地層14aを構成するアンドープのGaN層のX線ロッキングカーブ(XRC)測定を行った。この測定は、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−10)面で行った。
X線ロッキングカーブ(XRC)測定の結果、実施例3の方法で作製した下地層14aの(10−10)面では半値幅は250arcsecを示した。また、nクラッド層14cの(10−10)面の半値幅は1500arcsecであった。下地層14aおよびnクラッド層14cの(0002)面の半値幅については、下地層14aを構成するGaN層とnクラッド層14cとでピークが重なってしまい、測定できなかった。
Further, in the same manner as in Example 1, the X-ray rocking curve (XRC) measurement of the undoped GaN layer constituting the
As a result of X-ray rocking curve (XRC) measurement, the half-value width was 250 arcsec on the (10-10) plane of the
また、実施例3の方法で作製したSiドープしたInGaN層からなるn型クラッド層14cを一般的な断面透過型電子顕微鏡(英略号:TEM)にて観察した。
断面からTEMにて観察した結果、n型クラッド層14cは、実施例1と同様に、一様な結晶膜とはなっておらず、図3(a)および図3(b)に示すように、六角柱状の柱状結晶114の集合体からなり、柱状結晶114の高さ方向hが、基板11の表面の垂直方向dに対して傾いていた。また、各柱状結晶114は1°から3°の角度を持って交わっていることが確認できた。また、柱状結晶114の間には微細な間隙114aが形成されていた。また、柱状結晶の密度は3×109/cm−2程度、間隙114aの横幅Wは90nm程度、柱状結晶114の幅は90nm程度であった。また、柱状結晶114の幅および間隙114aの横幅Wは、ほぼ均一であり、間隙114aが周期的に配列されていた。
Further, the n-type clad
As a result of TEM observation from the cross section, the n-
更に、上記の成長方法でn型クラッド層14cまでの各層が形成された基板11を真空中に導入し、反射式高エネルギー電子線回折(英略号:RHEED)と呼ばれる方法にてn型クラッド層14cを構成する結晶の配列を調査した。その結果、柱状結晶の天面が(3×1)又は(6×2)再配列構造を有することが確認できた。
Further, the
また、実施例3の積層半導体10を用い、実施例1と同様にして、発光ダイオードを作製した。
この発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性正極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は16mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
Further, using the
When a forward current was passed between the positive
1…III族窒化物半導体発光素子(発光素子)、3…ランプ、10…積層半導体、11…基板、12…バッファ層、14…n型半導体層、14a…下地層、14b…n型コンタクト層、14c…n型クラッド層(第1障壁層)、15…発光層、16…p型半導体層(第2障壁層)、16a…p型クラッド層、16b…p型コンタクト層、17…透光性正極、18…正極ボンディングパッド、19…負極、114…柱状結晶、114a…間隙、114b…垂直間隙、114c…水平間隙、W…横幅。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Group III nitride semiconductor light emitting element (light emitting element), 3 ... Lamp, 10 ... Multilayer semiconductor, 11 ... Substrate, 12 ... Buffer layer, 14 ... N-type semiconductor layer, 14a ... Underlayer, 14b ... N-type contact layer , 14c ... n-type cladding layer (first barrier layer), 15 ... light emitting layer, 16 ... p-type semiconductor layer (second barrier layer), 16a ... p-type cladding layer, 16b ... p-type contact layer, 17 ... translucent Positive electrode, 18 ... positive electrode bonding pad, 19 ... negative electrode, 114 ... columnar crystal, 114a ... gap, 114b ... vertical gap, 114c ... horizontal gap, W ... lateral width.
Claims (10)
前記基板上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる第1伝導形の第1障壁層と、
前記第1障壁層上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる発光層と、
前記発光層上に設けられたIII族窒化物半導体材料からなる第2伝導形の第2障壁層とを備えてなるIII族窒化物半導体発光素子において、
前記第1障壁層が、柱状結晶の集合体からなり、
前記柱状結晶の高さ方向が、光取り出し界面の垂直方向に対して傾いていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 A substrate,
A first barrier layer of a first conductivity type made of a group III nitride semiconductor material provided on the substrate;
A light emitting layer made of a group III nitride semiconductor material provided on the first barrier layer;
In a group III nitride semiconductor light emitting device comprising a second barrier layer of a second conductivity type made of a group III nitride semiconductor material provided on the light emitting layer,
The first barrier layer is composed of an aggregate of columnar crystals;
A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein a height direction of the columnar crystal is inclined with respect to a vertical direction of a light extraction interface.
前記第1障壁層をスパッタ法で形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 A method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A method of manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, wherein the first barrier layer is formed by sputtering.
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