JPH11354839A - GaN based semiconductor light emitting device - Google Patents
GaN based semiconductor light emitting deviceInfo
- Publication number
- JPH11354839A JPH11354839A JP15583898A JP15583898A JPH11354839A JP H11354839 A JPH11354839 A JP H11354839A JP 15583898 A JP15583898 A JP 15583898A JP 15583898 A JP15583898 A JP 15583898A JP H11354839 A JPH11354839 A JP H11354839A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gan
- crystal layer
- base surface
- layer
- quantum dots
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 GaN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。
【解決手段】 発光素子中に、下記の多重量子ドット構
造3を発光に係る部分として設ける。GaN系材料から
なる結晶層Aの上面をベース面とし、該ベース面上に、
GaN系材料からなる量子ドットd1が分散して形成さ
れ、さらにGaN系材料からなる結晶層(キャップ層)
B1が前記量子ドットを内部に埋め込むように形成さ
れ、キャップ層の上面を新たにベース面とする繰り返し
の態様にて、結晶層A上に、量子ドットとキャップ層と
の組が、(d1、B1)〜(d5、B5)のように2段
以上積層されてなるGaN系の多重量子ドット構造。た
だし、各段のドット材料のバンドギャップは、その段の
キャップ材料およびそのベース面となる結晶層の材料の
バンドギャップよりも小さいものとする。
(57) [Problem] To provide an optimum mode of a quantum dot for a GaN-based light-emitting device and to provide a more efficient GaN-based light-emitting device. SOLUTION: The following multiple quantum dot structure 3 is provided in a light emitting element as a portion related to light emission. The upper surface of the crystal layer A made of a GaN-based material is used as a base surface, and on the base surface,
Quantum dots d1 made of a GaN-based material are dispersedly formed, and a crystal layer (cap layer) made of a GaN-based material is further formed.
B1 is formed so as to embed the quantum dots therein, and a pair of the quantum dots and the cap layer is formed on the crystal layer A in a repetitive manner using the upper surface of the cap layer as a new base surface (d1, B1) to (d5, B5), a GaN-based multiple quantum dot structure formed by laminating two or more stages. However, the band gap of the dot material in each step is smaller than the band gaps of the cap material in the step and the material of the crystal layer serving as the base surface.
Description
【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多重
の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"). The present invention relates to a multiple 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GaN系の量子ドットを
用いてGaN系発光素子を構成するためには、未だ、量
子ドット構造の好ましい態様や、量子ドットの個々の大
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, in order to form a GaN-based light emitting device using the GaN-based quantum dots, it is still necessary to consider a preferable aspect of the quantum dot structure, individual sizes of the quantum dots, and a degree of distribution of the entire quantum dots. The optimal mode is not disclosed.
【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)下記(i)のGaN系の多重量子ドット構造を、
発光に係る部分として有することを特徴とするGaN系
半導体発光素子。 (i)GaN系材料からなる結晶層(A)の上面をベー
ス面とし、該ベース面上に、GaN系材料からなる量子
ドットが分散して形成されさらにGaN系材料からなる
結晶層(B)が前記量子ドットを内部に埋め込むように
形成され、結晶層(B)の上面を新たにベース面とする
繰り返しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込
む結晶層(B)の形成とが繰り返され、これによって結
晶層(A)上には、量子ドットと結晶層(B)との組を
1段としてこれが2段以上積層されており、かつ、各段
の量子ドットの材料のバンドギャップは、そのベース面
となる結晶層の材料およびそれを埋め込む結晶層(B)
の材料の各々のバンドギャップよりも小さいものである
GaN系の多重量子ドット構造。The GaN based semiconductor light emitting device of the present invention has the following features. (1) A GaN-based multiple quantum dot structure of the following (i):
A GaN-based semiconductor light-emitting device having a light-emitting portion. (I) The upper surface of the crystal layer (A) made of a GaN-based material is used as a base surface, and quantum dots made of a GaN-based material are dispersedly formed on the base surface. Are formed so as to embed the quantum dots therein, and the formation of the quantum dots and the formation of the crystal layer (B) in which the quantum dots are embedded are repeated in a repetitive manner using the upper surface of the crystal layer (B) as a new base surface. This is repeated, so that two or more layers are formed on the crystal layer (A), with the set of the quantum dots and the crystal layer (B) as one step, and the band gap of the material of the quantum dots in each step. Is a crystal layer material serving as a base surface thereof and a crystal layer (B) embedding the material.
A GaN-based multiple quantum dot structure that is smaller than the band gap of each of the materials.
【0008】(2)上記GaN系の多重量子ドット構造
において、各段の各々の量子ドットの寸法を、結晶層
(B)の層厚方向については高さhとし、結晶層(B)
の拡がる方向については幅wとし、各段のベース面上に
おける量子ドットの分散の度合いを密度ρとするとき、
0.5nm≦h≦50nm、0.5nm≦w≦200n
m、106 cm-2≦ρ≦1013cm-2、である上記
(1)記載のGaN系半導体発光素子。(2) In the GaN-based multiple quantum dot structure, the size of each quantum dot in each stage is set to a height h in the thickness direction of the crystal layer (B), and the crystal layer (B)
When the width of the quantum dots on the base surface of each step is defined as the density ρ,
0.5 nm ≦ h ≦ 50 nm, 0.5 nm ≦ w ≦ 200 n
m, 10 6 cm −2 ≦ ρ ≦ 10 13 cm −2 , wherein the GaN-based semiconductor light emitting device according to the above (1).
【0009】(3)上記GaN系の多重量子ドット構造
における結晶層(A)が第1の伝導型のクラッド層であ
り、最上段の結晶層(B)の上にさらに第2の伝導型の
クラッド層が設けられている上記(1)記載のGaN系
半導体発光素子。(3) The crystal layer (A) in the GaN-based multiple quantum dot structure is a cladding layer of the first conductivity type, and is further provided on the uppermost crystal layer (B). The GaN-based semiconductor light-emitting device according to (1), wherein the clad layer is provided.
【0010】(4)上記GaN系の多重量子ドット構造
において、各段の量子ドットに用いられるGaN系材料
を、以下「ドット材料」と呼び、そのベース面となる結
晶層に用いられるGaN系材料を、以下「ベース材料」
と呼ぶものとする。このとき、ドット材料とベース材料
とが下記(ii)の格子整合性を満たす関係にあり、その
ベース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、ドット材料がベース面に
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。(4) In the GaN-based multiple quantum dot structure, the GaN-based material used for the quantum dots in each stage is hereinafter referred to as “dot material”, and the GaN-based material used for the crystal layer serving as the base surface thereof The following "base material"
Shall be called. At this time, the dot material and the base material have a relationship satisfying the lattice matching of the following (ii), and the surface state of the base surface is changed by the anti-surfactant, so that the dot material becomes a quantum dot on the base surface. The GaN-based semiconductor light-emitting device according to the above (1), which is grown.
【0011】(ii)ベース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該ベース面上にドット材料
を直接的に結晶成長させたとき、ドット材料がベース面
上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。(Ii) When the dot material is directly crystal-grown on the base surface without performing a surface treatment for changing the surface condition of the base surface, the dot material is crystallized in a film form on the base surface. Lattice matching between the dot material and the base material that can grow.
【0012】[0012]
【作用】本発明において、発光に係る部分として用いら
れる上記(i)のGaN系の多重量子ドット構造を構成
する各段の量子ドットは、GaN系材料からなる結晶層
の上面(即ち、上記(i)におけるベース面)上に、G
aN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、ベース材料とドット材料とは、上記(ii)の関
係にある。即ち、ドット材料は、ベース面の表面状態を
何ら変化させることなく従来通りの結晶成長法・成長条
件にてベース面上に成長させた場合には、従来知られて
いるとおり、膜としてベース面上を全面覆う結晶層とし
て成長する材料である。即ち、共にGaN系材料である
ベース材料とドット材料とは、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。In the present invention, the quantum dots of each stage constituting the GaN-based multiple quantum dot structure (i) used as the portion relating to light emission are formed on the upper surface of the crystal layer made of the GaN-based material (that is, the above ( G) on the base surface in i)
An aN-based material is grown as a quantum dot.
However, the base material and the dot material have the relationship (ii). That is, when the dot material is grown on the base surface by the conventional crystal growth method and growth conditions without changing the surface state of the base surface at all, as conventionally known, the film is formed on the base surface as a film. It is a material that grows as a crystal layer that covers the entire surface. That is, the base material and the dot material, both of which are GaN-based materials, are at least lattice-matched to that extent.
【0013】共にGaN系材料であるベース材料とドッ
ト材料とが、上記のような格子整合の関係にある状態に
おいて、ドット材料をベース面上に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、ベース面にアン
チサーファクタント(ベース面であるGaN系結晶層表
面の表面状態を変化させる物質)を作用させる。アンチ
サーファクタントの作用によるGaN系結晶層表面の表
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。ベース面の表面状態をこのように変化させるこ
とによって、ドット材料は、GaN系材料からなるベー
ス面上に、量子ドットとして成長する。In a state where the base material and the dot material, both of which are GaN-based materials, have a lattice matching relationship as described above, in order to grow the dot material on the base surface not as a film but as a quantum dot. Then, an anti-surfactant (a substance that changes the surface state of the surface of the GaN-based crystal layer serving as the base surface) acts on the base surface. The change in the surface state of the GaN-based crystal layer surface due to the action of the anti-surfactant has not been elucidated in detail, but is considered to be a change in which the surface free energy is reduced. By changing the surface state of the base surface in this way, the dot material grows as quantum dots on the base surface made of a GaN-based material.
【0014】上記のようにしてベース面上に量子ドット
を成長させ、さらにベース面の残りの領域を結晶成長の
出発面としてGaN系材料からなる結晶層(B)を成長
させて該結晶層(B)自体の内部に量子ドットを埋め込
む。本発明は、この量子ドットとそれを埋め込む結晶層
(B)との組合せを、上記(i)のように成長を繰り返
して多段に積層し、従来にはないGaN系の多重量子ド
ット構造とし、これを発光現象に係る構造として発光素
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。As described above, quantum dots are grown on the base surface, and a crystal layer (B) made of a GaN-based material is grown using the remaining region of the base surface as a starting surface for crystal growth. B) Embedding quantum dots inside itself. According to the present invention, the combination of the quantum dot and the crystal layer (B) in which the quantum dot is embedded is repeatedly grown and stacked in multiple stages as in the above (i) to form an unconventional GaN-based multiple quantum dot structure, This is used for a light emitting element as a structure related to a light emitting phenomenon. The light emission phenomenon here is a phenomenon in which exciton (ethoxy) or an electron and a hole are recombined in a quantum dot by injection of an electron or a hole to emit light.
【0015】[0015]
【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、多重の量子ドット構造3を含む積層体
Sを形成し、これにp型側の電極6とn型側の電極7を
設けて構成したものである。多重の量子ドット構造3
は、5段の構造を例示している。層2はn型コンタクト
層、層5はp型コンタクト層、層4はp型クラッド層で
ある。また、同図の例では、多重の量子ドット構造3に
おいて最初のベース面を提供する結晶層Aは、前記p型
クラッド層4に対応するn型クラッド層としての役割を
果たす層となっている。層2〜層5は、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 plurality of quantum dot structures 3. It is configured by providing an n-type electrode 7. Multiple quantum dot structure 3
Exemplifies a five-stage structure. Layer 2 is an n-type contact layer, layer 5 is a p-type contact layer, and layer 4 is a p-type cladding layer. Further, in the example of FIG. 3, the crystal layer A providing the first base surface in the multiple quantum dot structure 3 is a layer serving as an n-type cladding layer corresponding to the p-type cladding layer 4. . Layers 2 to 5 are all GaN
It consists of a system material.
【0016】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7を設けるという電極配置
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 vertical position of the conduction type (p-type, n-type) is n-type on the crystal substrate side and p-type on the upper layer side for processing reasons 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 electrode arrangement is such that the upper surface of the layer 2 is exposed and the electrode 7 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. However, p /
The n-type upside down mode and the electrode arrangement when the crystal substrate has conductivity may be freely selected.
【0017】多重量子ドット構造は、GaN系材料から
なる結晶層を最下層としてその上に量子ドットと、それ
を内部に埋め込む結晶層(以下、この結晶層を「キャッ
プ層」とも呼ぶ)との組が2段以上多段に積層された構
造である。これらは全てGaN系材料からなるものであ
る。図1の例についてより詳しく説明すると、GaN系
材料からなる結晶層Aを、多重構造の最下層とし、その
上面をベース面とする。該ベース面上には、GaN系材
料からなる量子ドットd1が分散した状態として形成さ
れている。このベース面のうち、量子ドットd1が形成
されなかった部分を結晶成長の出発面として、GaN系
材料からなる結晶層(キャップ層)B1が量子ドットd
1を埋め込むまで成長している。この量子ドットとキャ
ップ層との組を1段として数える。The multiple quantum dot structure has a structure in which a crystal layer made of a GaN-based material is a lowermost layer, and quantum dots are formed thereon and a crystal layer that embeds the quantum dots therein (hereinafter, this crystal layer is also referred to as a “cap layer”). It has a structure in which sets are stacked in two or more stages. These are all made of GaN-based materials. To explain the example of FIG. 1 in more detail, the crystal layer A made of a GaN-based material is used as the lowermost layer of the multiple structure, and the upper surface is used as the base surface. On the base surface, quantum dots d1 made of a GaN-based material are formed in a dispersed state. A crystal layer (cap layer) B1 made of a GaN-based material is used as a starting surface for crystal growth on a portion of the base surface where the quantum dots d1 are not formed.
Growing up to 1 embedded. The set of the quantum dots and the cap layer is counted as one stage.
【0018】さらに、上記キャップ層B1の上面を新た
にベース面として再び量子ドットd2を形成し、これを
埋め込むまでキャップ層B2を成長させるという繰り返
しの態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込むキャ
ップ層の形成とが繰り返されている。この繰り返しによ
って、結晶層A上には、量子ドットとキャップ層との組
が(d1、B1)〜(d5、B5)として、5段まで積
層され、多重量子ドット構造となっている。Further, quantum dots d2 are formed again using the upper surface of the cap layer B1 as a new base surface, and the cap layers B2 are grown until the quantum dots d2 are embedded. The formation of the cap layer is repeated. By this repetition, on the crystal layer A, pairs of quantum dots and cap layers are stacked up to five levels as (d1, B1) to (d5, B5) to form a multiple quantum dot structure.
【0019】本発明でいう多重量子ドット構造は、各段
の量子ドットが、各々のドット材料よりもバンドギャッ
プの大きい材料にて包含された構造をいう。図1の例で
は、最下層の結晶層Aから最上段の結晶層B5までが多
重量子ドット構造である。この多重量子ドット構造を発
光に係る部分として用いるために、必要に応じてさらに
他の結晶層を、発光のメカニズムに関与する層として加
えてもよい。また、多重量子ドット構造内の各層の伝導
型は、多重量子ドット構造による目的の発光のメカニズ
ムに応じて、次に示す例の他自由に決定してよい。The multiple quantum dot structure referred to in the present invention refers to a structure in which quantum dots at each stage are covered by a material having a larger band gap than each dot material. In the example of FIG. 1, the multiple layers from the lowermost crystal layer A to the uppermost crystal layer B5 have a multiple quantum dot structure. In order to use this multiple quantum dot structure as a portion related to light emission, another crystal layer may be added as a layer involved in the light emission mechanism as needed. In addition, the conductivity type of each layer in the multiple quantum dot structure may be freely determined in addition to the following examples according to the desired light emission mechanism of the multiple quantum dot structure.
【0020】図1の例では、最下層の結晶層Aが第1の
伝導型(n型)のクラッド層として機能しており、発光
のメカニズムのために、多重量子ドット構造3上にさら
に第2の伝導型(p型)のクラッド層4が加えられてい
る。層Aはn型であり、層B1から層B5までの各層は
アンドープ層であって弱いn型となっている。In the example shown in FIG. 1, the lowermost crystal layer A functions as a first conductivity type (n-type) cladding layer, and is further provided on the multiple quantum dot structure 3 for a light emitting mechanism. A second conductivity type (p-type) cladding layer 4 is added. The layer A is n-type, and each of the layers B1 to B5 is an undoped layer and has a weak n-type.
【0021】図2(a)の例では、最下層の結晶層A
は、量子ドットd1をより大きなバンドギャップの材料
で閉じ込めるための層であって、さらにバンドギャップ
の大きいn型・p型クラッド層が加えられ、これらが多
重量子ドット構造3を上下から挟み込んでいる。層Aか
ら層B3までの各層はアンドープ層であって弱いn型と
なっている。In the example of FIG. 2A, the lowermost crystal layer A
Is a layer for confining the quantum dots d1 with a material having a larger bandgap. An n-type / p-type cladding layer having a larger bandgap is added, and these layers sandwich the multiple quantum dot structure 3 from above and below. . Each layer from layer A to layer B3 is an undoped layer and has a weak n-type.
【0022】図2(b)の例は、多重量子ドット構造3
の内部に両クラッド層が含まれる例であって、最下層の
結晶層Aがn型クラッド層、最上段の結晶層B3がp型
クラッド層となっている。層B1、B2はアンドープ層
であって弱いn型となっている。FIG. 2B shows a multiple quantum dot structure 3
In this example, the lowermost crystal layer A is an n-type cladding layer, and the uppermost crystal layer B3 is a p-type cladding layer. The layers B1 and B2 are undoped layers and have a weak n-type.
【0023】各段の量子ドットに用いられるドット材料
のバンドギャップは、そのベース面となる結晶層のベー
ス材料、およびそれを埋め込むキャップ層の材料(以
下、「キャップ材料」という)の各々のバンドギャップ
よりも小さいものであればよい。これは、各段の量子ド
ットに電子およびホールを効率よく注入し、この部分を
より高効率な発光部とするためである。ドット材料とそ
の周囲の材料とのバンドギャップの関係がこの条件を満
足するのであれば、各段のバンドギャップは互いに異な
っていてもよい。The band gap of the dot material used for the quantum dots in each stage is determined by the band material of the base material of the crystal layer serving as the base plane and the material of the cap layer embedding it (hereinafter referred to as “cap material”). What is necessary is just to be smaller than a gap. This is because electrons and holes are efficiently injected into the quantum dots in each stage, and this portion is used as a more efficient light emitting portion. If the relationship between the band gap of the dot material and the surrounding material satisfies this condition, the band gaps of the respective stages may be different from each other.
【0024】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。G
aN系の多重量子ドット構造において、上記バンドギャ
ップの関係を満たす材料の組合せとしては、例えば、ベ
ース材料およびキャップ材料をAlx Ga(1 -x) Nと
し、ドット材料をAlY 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 is represented by the formula In x Ga Y Al Z N (0 ≦ X ≦
1,0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1, X + Y + Z = 1). Among them, GaN, InGa
N and AlGaN are useful. G
In the aN-based multiple quantum dot structure, as a material combination satisfying the above band gap relationship, for example, the base material and the cap material are Al x Ga (1- x) N, and the dot material is Al Y Ga (1- Y) Combinations of N (where 0 <X, 0 ≦ Y, and Y <X).
【0025】ドット材料には、例えば、発光強度を増大
させることなどを目的として、Siなどの不純物をドー
ピングしてもよい。The dot material may be doped with an impurity such as Si for the purpose of, for example, increasing the emission intensity.
【0026】また、ベース材料、ドット材料、キャップ
材料のうちの1以上のものには、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。One or more of the base material, the dot material, and the cap material further include B, As, P
And at least one element selected from the group consisting of:
【0027】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。The shape of each quantum dot varies depending on the material and growth conditions, but it is polyhedral, columnar, or hemispherical.
【0028】このGaN系の多重量子ドット構造を高効
率にて発光させるためには、各段の量子ドットについて
は、個々のドットの大きさ、およびそのベース面におけ
る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。また、多重量子ドット構造全体について
は、層厚、量子ドットの密度、材料の組成などに、段毎
に変化をつけるなどが好ましい態様となる。本発明で
は、これら量子ドット形成のための最適な範囲、多重構
造全体としての好ましい態様を与えている。これを次に
述べる。In order for the GaN-based multiple quantum dot structure to emit light with high efficiency, the size of each dot and the degree of distribution of the entire quantum dot on the base surface of the quantum dot in each stage are determined. It is necessary to set the optimum range. In addition, with respect to the entire multiple quantum dot structure, it is a preferable embodiment that the layer thickness, the density of the quantum dots, the composition of the material, and the like are changed for each step. The present invention provides an optimum range for forming these quantum dots and a preferable embodiment as a whole multiplex structure. This is described below.
【0029】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。個々の量子ドットの大きさは、キャッ
プ層の層厚方向についての量子ドットの寸法(ベース面
から量子ドットのトップまでの距離)を高さhとし、キ
ャップ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。The size of each quantum dot is an important factor that affects the luminous efficiency in the quantum dot structure, and it is important that the size is such that the quantum confinement effect is sufficiently obtained. The size of each quantum dot is determined by setting the height of the quantum dot in the thickness direction of the cap layer (the distance from the base surface to the top of the quantum dot) as the height h, and the maximum size of the quantum dot in the direction in which the cap layer extends. The preferable range is limited as the width w.
【0030】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200n
m以下が好ましい。従って、0.5nm≦h≦50n
m、0.5nm≦w≦200nm、が好ましい範囲とな
る。It is preferable that the height h and the width w of the quantum dot are small from the viewpoint of confinement of excitons contributing to light emission. It is preferably 0.5 nm or more. Regarding these maximum dimensions, from the viewpoint of the quantum effect, the height h is 50 nm or less and the width w is 200 n.
m or less is preferable. Therefore, 0.5 nm ≦ h ≦ 50n
m, 0.5 nm ≦ w ≦ 200 nm is a preferable range.
【0031】各段のベース面における量子ドット全体の
分散の度合いは、該ベース面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。この量子ドットの分散の度合いについては、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。Since the degree of dispersion of the entire quantum dot on the base surface of each step is the density of the light emitting source on the base surface, this is also an important factor affecting the luminous efficiency. The degree of dispersion of the quantum dots is expressed as density (the number of quantum dots per unit area) ρ, and the range is limited.
【0032】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1013
cm-2以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。The density ρ is preferably not less than 10 6 cm −2 in consideration of luminous efficiency because light emission from each quantum dot is weak. Further, depending on the size of the quantum dot, the density ρ is 10 13 so that the dots do not touch each other
cm −2 or less. Therefore, 10 6 cm
-2 ≦ ρ ≦ 10 13 cm −2 is a preferable range.
【0033】上記量子ドットの高さh、幅w、密度ρ、
各段の層厚(即ちキャップ層の層厚)、各段のドット材
料、キャップ材料の組成など、各段の仕様を決定づける
パラメータは、隣合った段同士で互いに異なるように選
択してもよい。例えば、量子ドットとキャップ層の組が
3段の積層構造である場合、段が変わる毎に発光波長が
R(赤色)、G(緑色)、B(青色)と変わるように、
各段のドット材料の組成、量子ドットの高さh、幅w、
密度ρ、キャップ層の層厚などを設定することなどが挙
げられる。The height h, width w, density ρ,
Parameters that determine the specifications of each stage, such as the layer thickness of each stage (that is, the layer thickness of the cap layer), the dot material of each stage, and the composition of the cap material, may be selected to be different between adjacent stages. . For example, when a set of a quantum dot and a cap layer has a three-layer structure, the emission wavelength changes to R (red), G (green), and B (blue) every time the level changes.
The composition of the dot material at each stage, the height h and the width w of the quantum dots,
Setting the density ρ, the layer thickness of the cap layer, and the like can be mentioned.
【0034】各段の仕様を変化させる場合の変化の態様
は、上記以外にも、目的に応じて自由に選択してよく、
段が変わる毎に仕様のパラメータを単調に増加(減少)
させるような変化、2種類の仕様を交互とするような変
化、中央付近の段を変化のピークとするような変化など
が挙げられる。また、1段毎に変化させるだけではな
く、2段毎に変化させるなど、隣合った複数の段の仕様
を同じとし複数段毎に変化させる態様としてもよい。材
料の組成に変化をもたせる場合、ドット材料とキャップ
材料とを共に変化させてもよく、また、ドット材料を一
定にしてキャップ材料だけを変化させるなど、一方の材
料だけを変化させてもよい。The mode of change when changing the specifications of each stage may be freely selected according to the purpose other than the above.
The parameter of the specification increases (decreases) monotonically every time the stage changes
Change, two kinds of specifications are alternated, and a step near the center is a change peak. Further, it is also possible to adopt a mode in which the specifications of a plurality of adjacent stages are the same, and the values are changed for each of a plurality of stages, such as not only for each stage but also for every two stages. When the composition of the material is changed, both the dot material and the cap material may be changed, or only one of the materials may be changed, for example, the dot material is kept constant and only the cap material is changed.
【0035】上記説明によるGaN系の多重量子ドット
構造と、必要に応じてこれに加えられるクラッド層など
の結晶層とを1ユニットとして、このユニットを任意の
数だけ積層して発光素子の内部に設けてもよい。この構
造によって、例えば、ユニット毎に異なる発光波長とす
る等、素子の機能の幅を拡げることが可能となる。The GaN-based multiple quantum dot structure described above and a crystal layer such as a cladding layer added to the GaN quantum dot structure as necessary constitutes one unit. It may be provided. With this structure, it is possible to expand the range of functions of the element, for example, to make the emission wavelength different for each unit.
【0036】ベース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、ベース面にその表面状態
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。ベース面にアンチサーファクタントを作用さ
せるには、ベース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、AlGaN結晶層上面をベース
面として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、該
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。その後、Ga材料、N材料等を供給し、GaN結
晶を成長させる。In order to form a quantum dot on the base surface, as described in the description of the operation, a GaN-based material used for the quantum dot is formed by applying a substance (anti-surfactant) to the base surface to change the surface state. The material is crystal-grown. In order for the anti-surfactant to act on the base surface, the anti-surfactant may be brought into contact with the base surface. The method of contact is not limited, for example,
If GaN quantum dots are formed by MOCVD using the upper surface of the AlGaN crystal layer as a base surface,
After the AlGaN crystal layer is grown in the MOCVD apparatus, a gaseous anti-surfactant may be supplied into the apparatus. After that, a Ga material, an N material and the like are supplied to grow a GaN crystal.
【0037】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。[0037] To supply the anti-surfactant as gaseous, for example, if the tetraethyl silane and the anti-surfactant, a method of supplying by bubbling H 2 gas into the solution, the H 2 gas as a carrier gas No.
【0038】アンチサーファクタントとして用いられる
物質は、ベース材料とドット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、SiH4 、Si
2 H6 、またはこれらの混合ガス、Cp2 Mg(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 antisurfactant can be appropriately selected according to the combination of the base material and the dot material, 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. In addition, SiH 4 , Si
2 H 6 , or a mixed gas thereof, Cp 2 Mg (biscyclopentadienyl magnesium) or the like can be used.
【0039】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、ベース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、M
OCVD、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 can be controlled by changing the supply amount of the anti-surfactant, the growth temperature of the quantum dot, and the composition of the base material as parameters. The crystal growth method for growing quantum dots is M
OCVD, MBE and the like.
【0040】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 has been widely used for growing a GaN-based crystal has been 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.
【0041】[0041]
【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。ただし、多重量子ドット構造3は、図で
は(d1、B1)〜(d5、B5)の5段として示され
ているが、本実施例では10段とした。また、多重構造
全体の構成としては、段が変わる毎に材料の変化や量子
ドットの仕様に変化を設けることはせず、全ての段を同
様に形成した。各段のキャップ材料は全てAl0.1 Ga
0.9 Nとし、ドット材料をすべてGaNとした。また、
n型クラッド層である結晶層Aの材料、p型クラッド層
4の材料は、共にAl0.15Ga0.85Nとした。EXAMPLE In this example, an LED having the structure shown in FIG. 1 was actually manufactured. However, the multiple quantum dot structure 3 is shown as five stages (d1, B1) to (d5, B5) in the figure, but in this embodiment, there are ten stages. Regarding the configuration of the entire multiplex structure, all steps were formed in the same manner without changing the material or changing the specifications of the quantum dots every time the step was changed. The cap material of each stage is Al 0.1 Ga
0.9 N, and all the dot materials were GaN. Also,
The material of the crystal layer A, which is the n-type cladding layer, and the material of the p-type cladding layer 4 were both Al 0.15 Ga 0.85 N.
【0042】〔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.
【0043】〔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.
【0044】〔多重量子ドット構造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。この
層Aは、n型クラッド層としての機能を果たす層であ
る。[Formation of Multiple 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. This layer A is a layer that functions as an n-type cladding layer.
【0045】層A上面(ベース面)の表面処理;成長
温度を1000℃とし、H2 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。Surface treatment of the upper surface of the layer A (base surface): The growth temperature was set to 1000 ° C., tetraethylsilane was supplied using H 2 gas as a carrier, and the upper surface of the layer A was contacted for 10 seconds.
【0046】1段目の量子ドットd1の形成;TM
G、アンモニアを供給し、ベース面上にGaN量子ドッ
トd1を形成した。個々の量子ドットの高さhの平均は
6nm、幅wの平均は40nmであった。また、ベース
面上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、3×109 cm
-2であった。Formation of the first stage quantum dot d1; TM
G and ammonia were supplied to form GaN quantum dots d1 on the base surface. The average of the height h of each quantum dot was 6 nm, and the average of the width w was 40 nm. The degree of dispersion of the quantum dots on the base surface (density, that is, the number of quantum dots per unit area) ρ is 3 × 10 9 cm.
-2 .
【0047】1段目のキャップ層B1の形成;成長温
度を1100℃とし、TMA、TMG、アンモニアを供
給し、ベース面のうち量子ドットが形成されていない領
域を結晶成長の出発面として、量子ドットが内部に埋め
込まれるよう、層厚10nmのキャップ層B1を成長さ
せた。Formation of first-stage cap layer B1; growth temperature is set to 1100 ° C., TMA, TMG and ammonia are supplied, and a region where quantum dots are not formed on the base surface is used as a starting surface for crystal growth. A 10 nm-thick cap layer B1 was grown so that the dots were embedded inside.
【0048】2段目以上の形成;キャップ層の上面を
新たにベース面とすることによって上記〜の工程を
繰り返すことによって、層A上に、量子ドットとそれを
埋め込むキャップ層との組を合計10段積層した。Formation of the second stage or more: By repeating the above steps by using the upper surface of the cap layer as a new base surface, the set of the quantum dots and the cap layer in which the quantum dots are embedded Ten layers were stacked.
【0049】〔p型クラッド層4の形成〕成長温度を1
100℃とし、TMA、TMG、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4を0.5
μm成長させた。[Formation of p-type cladding layer 4]
100 ° C., TMA, TMG, ammonia, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) as a dopant raw material were supplied, and the p-type AlGaN layer
μm was grown.
【0050】〔p型コンタクト層5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5を1μm成長させた。[Formation of p-type contact layer 5] A p-type GaN contact layer 5 was grown to 1 µm by supplying TMG, ammonia, and Cp 2 Mg as a dopant material at a growth temperature of 1000 ° C.
【0051】〔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5の上にp型電極6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7を形
成し、LEDとした。[Formation of Electrodes] 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 6 is formed on the p-type contact layer 5, and a part of the p-type layer and the quantum dot structure is removed by etching 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 7 was formed to complete an LED.
【0052】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、15
0mcdであった。This LED was mounted on a To-18 stem base, and the luminous intensity was measured at 20 mA.
It was 0 mcd.
【0053】比較例 実施例1において、量子ドットとキャップ層との組を1
段だけとしたこと以外は、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20m
Aでの光度の測定を行ったところ、75mcdであっ
た。Comparative Example In Example 1, the combination of the quantum dot and the cap layer was changed to 1
An LED was manufactured in the same manner as in Example 1 except that only the steps were used. About this LED, 20 m
The luminous intensity measured at A was 75 mcd.
【0054】[0054]
【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、しかも最適な態様として、多段化され
た量子ドット構造となっている。さらには、各段の個々
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、多段の構造全体についても段毎に
仕様の変化を与えることを提案するものである。これら
の最適化への態様によって、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, and has a multistage quantum dot structure as an optimal mode. . Furthermore, the proposal proposes to limit the appropriate range of the height and width of each quantum dot in each stage and the degree of dispersion of the quantum dots, and to give specification changes for each stage even for the entire multi-stage structure. is there. By these aspects of optimization, a GaN-based light-emitting device with higher efficiency can be obtained.
【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、B1〜B5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,
The layers A and B1 to B5 are hatched.
【図2】多重量子ドット構造の他の例を示す断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of a multiple quantum dot structure.
1 結晶基板 2 n型コンタクト層 3 多重量子ドット構造 A n型クラッド層 d1〜d5 各段の量子ドット B1〜B5 各段のキャップ層 4 p型クラッド層 5 p型コンタクト層 6 p型電極 7 n型電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 crystal substrate 2 n-type contact layer 3 multiple quantum dot structure A n-type cladding layer d1 to d5 quantum dot of each stage B1 to B5 cap layer of each stage 4 p-type cladding layer 5 p-type contact layer 6 p-type electrode 7 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 4-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Electric Cable Industries Co., Ltd.Itami Works (72) Inventor Hiroaki Ogawa 4-3-1 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Electric Wire Co., Ltd. Itami Works (72) Inventor Kazuyuki Tadomo 4-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Electric Cable Industry Co., Ltd.
Claims (4)
構造を、発光に係る部分として有することを特徴とする
GaN系半導体発光素子。 (i)GaN系材料からなる結晶層(A)の上面をベー
ス面とし、該ベース面上に、GaN系材料からなる量子
ドットが分散して形成されさらにGaN系材料からなる
結晶層(B)が前記量子ドットを内部に埋め込むように
形成され、 結晶層(B)の上面を新たにベース面とする繰り返しの
態様にて、量子ドットの形成とこれを埋め込む結晶層
(B)の形成とが繰り返され、これによって結晶層
(A)上には、量子ドットと結晶層(B)との組を1段
としてこれが2段以上積層されており、かつ、各段の量
子ドットの材料のバンドギャップは、そのベース面とな
る結晶層の材料およびそれを埋め込む結晶層(B)の材
料の各々のバンドギャップよりも小さいものであるGa
N系の多重量子ドット構造。1. A GaN-based semiconductor light-emitting device having a GaN-based multiple quantum dot structure (i) as a portion related to light emission. (I) The upper surface of the crystal layer (A) made of a GaN-based material is used as a base surface, and quantum dots made of a GaN-based material are dispersedly formed on the base surface. Are formed so as to embed the quantum dots therein, and the formation of the quantum dots and the formation of the crystal layer (B) in which the quantum dots are embedded are repeated in a repetitive manner using the upper surface of the crystal layer (B) as a new base surface. This is repeated, so that two or more layers are formed on the crystal layer (A), with the set of the quantum dots and the crystal layer (B) as one step, and the band gap of the material of the quantum dots in each step. Is smaller than the respective band gaps of the material of the crystal layer serving as the base surface and the material of the crystal layer (B) embedding the same.
N-type multiple quantum dot structure.
いて、各段の各々の量子ドットの寸法を、結晶層(B)
の層厚方向については高さhとし、結晶層(B)の拡が
る方向については幅wとし、各段のベース面上における
量子ドットの分散の度合いを密度ρとするとき、0.5
nm≦h≦50nm、0.5nm≦w≦200nm、1
06 cm-2≦ρ≦1013cm-2、である請求項1記載の
GaN系半導体発光素子。2. In the GaN-based multiple quantum dot structure, the size of each quantum dot in each stage is determined by the size of the crystal layer (B).
The height h is in the thickness direction, the width w is in the spreading direction of the crystal layer (B), and the density ρ is the degree of dispersion of the quantum dots on the base surface of each step.
nm ≦ h ≦ 50 nm, 0.5 nm ≦ w ≦ 200 nm, 1
0 6 cm -2 ≦ ρ ≦ 10 13 cm -2, GaN -based semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a.
ける結晶層(A)が第1の伝導型のクラッド層であり、
最上段の結晶層(B)の上にさらに第2の伝導型のクラ
ッド層が設けられている請求項1記載のGaN系半導体
発光素子。3. The crystal layer (A) in the GaN-based multiple quantum dot structure is a first conductivity type clad layer,
2. The GaN-based semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a second conductivity type cladding layer provided on the uppermost crystal layer (B).
いて、各段の量子ドットに用いられるGaN系材料をド
ット材料とよび、そのベース面となる結晶層に用いられ
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(ii)の格子整合性を満たす関係
にあり、そのベース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
がベース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。 (ii)ベース面の表面状態を変化させるような表面処理
を施すことなく該ベース面上にドット材料を直接的に結
晶成長させたとき、ドット材料がベース面上に膜状に結
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. In the GaN-based multiple quantum dot structure, a GaN-based material used for quantum dots in each stage is called a dot material, and a GaN-based material used for a crystal layer serving as a base surface is called a base material. As the dot material and the base material have a relationship satisfying the lattice matching shown in (ii) below, the dot state grows as quantum dots on the base surface by changing the surface state of the base surface by anti-surfactant. The GaN-based semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein (Ii) When the dot material is directly crystal-grown on the base surface without performing a surface treatment to change the surface state of the base surface, the dot material can grow into a film-like crystal on the base surface. Lattice matching between such dot material and base material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15583898A JP3660801B2 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | GaN-based semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15583898A JP3660801B2 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | GaN-based semiconductor light emitting device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354839A true JPH11354839A (en) | 1999-12-24 |
| JP3660801B2 JP3660801B2 (en) | 2005-06-15 |
Family
ID=15614611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15583898A Expired - Fee Related JP3660801B2 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | GaN-based semiconductor light emitting device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3660801B2 (en) |
Cited By (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001274093A (en) * | 2000-03-24 | 2001-10-05 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Semiconductor base and its manufacturing method |
| EP1211737A2 (en) | 2000-12-04 | 2002-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | A semiconductor light-emitting element |
| EP1211736A2 (en) | 2000-11-30 | 2002-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | A semiconductor light-emitting element |
| US6475882B1 (en) | 1999-12-20 | 2002-11-05 | Nitride Semiconductors Co., Ltd. | Method for producing GaN-based compound semiconductor and GaN-based compound semiconductor device |
| US6610606B2 (en) | 2001-03-27 | 2003-08-26 | Shiro Sakai | Method for manufacturing nitride compound based semiconductor device using an RIE to clean a GaN-based layer |
| US6657232B2 (en) * | 2000-04-17 | 2003-12-02 | Virginia Commonwealth University | Defect reduction in GaN and related materials |
| US6861270B2 (en) | 2000-06-01 | 2005-03-01 | Shiro Sakai | Method for manufacturing gallium nitride compound semiconductor and light emitting element |
| JP2005072338A (en) * | 2003-08-26 | 2005-03-17 | Fujitsu Ltd | Optical semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US6884647B2 (en) | 2000-09-22 | 2005-04-26 | Shiro Sakai | Method for roughening semiconductor surface |
| US7005685B2 (en) | 2002-02-28 | 2006-02-28 | Shiro Sakai | Gallium-nitride-based compound semiconductor device |
| US7015511B2 (en) | 2001-06-29 | 2006-03-21 | Nitride Semiconductors Co., Ltd. | Gallium nitride-based light emitting device and method for manufacturing the same |
| JP2006121037A (en) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Genesys Photonics Inc | Light emitting device having a porous light emitting layer |
| WO2005124876A3 (en) * | 2004-06-16 | 2006-07-13 | Exalos Ag | Broadband light emitting device |
| JP2006228916A (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Sony Corp | Light emitting element |
| JP2008010471A (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-17 | Matsushita Electric Works Ltd | Process and equipment for fabricating semiconductor light emitting element |
| CN100395900C (en) * | 2004-11-29 | 2008-06-18 | 新世纪光电股份有限公司 | Light-emitting element with porous light-emitting layer |
| JP2008160054A (en) * | 2006-12-20 | 2008-07-10 | Ind Technol Res Inst | Multi-wavelength semiconductor laser array and manufacturing method thereof |
| JP2009010168A (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-15 | Toshiba Corp | Semiconductor quantum dot device, manufacturing method thereof, optical switch, semiconductor laser, and photodetector |
| US7521777B2 (en) | 2005-03-31 | 2009-04-21 | Showa Denko K.K. | Gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure and production method thereof |
| EP1864337A4 (en) * | 2005-03-24 | 2009-12-30 | Agency Science Tech & Res | WHITE LIGHT DIGITAL LIGHT EMITTING DIODE WITH GROUP III NITRIDE |
| US7768032B2 (en) | 2008-03-19 | 2010-08-03 | Hiroshima University | Light-emitting device with enhanced luminous efficiency and method of producing the same |
| KR100974789B1 (en) | 2003-01-13 | 2010-08-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Gallium nitride based semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US8017931B2 (en) * | 2002-12-10 | 2011-09-13 | Lg Innotek Co., Ltd | LED and fabrication method thereof |
| JP2011211228A (en) * | 2011-06-21 | 2011-10-20 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Semiconductor light-emitting element |
| JP2011527825A (en) * | 2008-07-09 | 2011-11-04 | クナノ アーベー | Optoelectronic semiconductor devices |
| US8227327B2 (en) | 2009-01-22 | 2012-07-24 | Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University | Method for epitaxial growth |
| US8330141B2 (en) | 2008-03-26 | 2012-12-11 | Hiroshima University | Light-emitting device |
| US8368046B2 (en) | 2008-02-18 | 2013-02-05 | Hiroshima University | Light-emitting element |
| JP2013239690A (en) * | 2012-04-16 | 2013-11-28 | Sharp Corp | Superlattice structure, semiconductor device and semiconductor light emitting device including the superlattice structure, and method of making the superlattice structure |
| US8642992B2 (en) | 2008-12-03 | 2014-02-04 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Group III nitride compound semiconductor light emitting device |
| CN104157759A (en) * | 2014-08-20 | 2014-11-19 | 中国科学院半导体研究所 | High density and high uniformity InGaN quantum dot structure and growth method thereof |
| JP2023012188A (en) * | 2021-07-13 | 2023-01-25 | 株式会社デンソー | Optical semiconductor element |
-
1998
- 1998-06-04 JP JP15583898A patent/JP3660801B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (41)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6475882B1 (en) | 1999-12-20 | 2002-11-05 | Nitride Semiconductors Co., Ltd. | Method for producing GaN-based compound semiconductor and GaN-based compound semiconductor device |
| JP2001274093A (en) * | 2000-03-24 | 2001-10-05 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Semiconductor base and its manufacturing method |
| US6657232B2 (en) * | 2000-04-17 | 2003-12-02 | Virginia Commonwealth University | Defect reduction in GaN and related materials |
| US6861270B2 (en) | 2000-06-01 | 2005-03-01 | Shiro Sakai | Method for manufacturing gallium nitride compound semiconductor and light emitting element |
| US6884647B2 (en) | 2000-09-22 | 2005-04-26 | Shiro Sakai | Method for roughening semiconductor surface |
| EP1211736A2 (en) | 2000-11-30 | 2002-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | A semiconductor light-emitting element |
| USRE40163E1 (en) | 2000-11-30 | 2008-03-25 | Ngk Insulators, Ltd. | Semiconductor light-emitting element |
| EP1211737A2 (en) | 2000-12-04 | 2002-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | A semiconductor light-emitting element |
| USRE40485E1 (en) | 2000-12-04 | 2008-09-09 | Ngk Insulators, Ltd. | Semiconductor light-emitting element |
| EP1211737A3 (en) * | 2000-12-04 | 2006-10-18 | Ngk Insulators, Ltd. | A semiconductor light-emitting element |
| US6610606B2 (en) | 2001-03-27 | 2003-08-26 | Shiro Sakai | Method for manufacturing nitride compound based semiconductor device using an RIE to clean a GaN-based layer |
| US7015511B2 (en) | 2001-06-29 | 2006-03-21 | Nitride Semiconductors Co., Ltd. | Gallium nitride-based light emitting device and method for manufacturing the same |
| US7005685B2 (en) | 2002-02-28 | 2006-02-28 | Shiro Sakai | Gallium-nitride-based compound semiconductor device |
| US8017931B2 (en) * | 2002-12-10 | 2011-09-13 | Lg Innotek Co., Ltd | LED and fabrication method thereof |
| KR100974789B1 (en) | 2003-01-13 | 2010-08-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Gallium nitride based semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2005072338A (en) * | 2003-08-26 | 2005-03-17 | Fujitsu Ltd | Optical semiconductor device and manufacturing method thereof |
| WO2005124876A3 (en) * | 2004-06-16 | 2006-07-13 | Exalos Ag | Broadband light emitting device |
| JP2008503072A (en) * | 2004-06-16 | 2008-01-31 | エグザロス・アクチェンゲゼルシャフト | Broadband light emitting device |
| KR101141285B1 (en) | 2004-10-20 | 2012-05-04 | 제네시스 포토닉스 인크. | Light-emitting element with porous light-emitting layers |
| JP2006121037A (en) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Genesys Photonics Inc | Light emitting device having a porous light emitting layer |
| US7271417B2 (en) | 2004-10-20 | 2007-09-18 | Genesis Photonics | Light-emitting element with porous light-emitting layers |
| CN100395900C (en) * | 2004-11-29 | 2008-06-18 | 新世纪光电股份有限公司 | Light-emitting element with porous light-emitting layer |
| JP2006228916A (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Sony Corp | Light emitting element |
| EP1864337A4 (en) * | 2005-03-24 | 2009-12-30 | Agency Science Tech & Res | WHITE LIGHT DIGITAL LIGHT EMITTING DIODE WITH GROUP III NITRIDE |
| US7521777B2 (en) | 2005-03-31 | 2009-04-21 | Showa Denko K.K. | Gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure and production method thereof |
| JP2008010471A (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-17 | Matsushita Electric Works Ltd | Process and equipment for fabricating semiconductor light emitting element |
| JP2008160054A (en) * | 2006-12-20 | 2008-07-10 | Ind Technol Res Inst | Multi-wavelength semiconductor laser array and manufacturing method thereof |
| JP2009010168A (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-15 | Toshiba Corp | Semiconductor quantum dot device, manufacturing method thereof, optical switch, semiconductor laser, and photodetector |
| US8980658B2 (en) | 2008-02-18 | 2015-03-17 | Hiroshima University | Light-emitting element |
| US8368046B2 (en) | 2008-02-18 | 2013-02-05 | Hiroshima University | Light-emitting element |
| US7768032B2 (en) | 2008-03-19 | 2010-08-03 | Hiroshima University | Light-emitting device with enhanced luminous efficiency and method of producing the same |
| US8330141B2 (en) | 2008-03-26 | 2012-12-11 | Hiroshima University | Light-emitting device |
| JP2011527825A (en) * | 2008-07-09 | 2011-11-04 | クナノ アーベー | Optoelectronic semiconductor devices |
| US8642992B2 (en) | 2008-12-03 | 2014-02-04 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Group III nitride compound semiconductor light emitting device |
| US8227327B2 (en) | 2009-01-22 | 2012-07-24 | Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University | Method for epitaxial growth |
| JP2011211228A (en) * | 2011-06-21 | 2011-10-20 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Semiconductor light-emitting element |
| JP2013239690A (en) * | 2012-04-16 | 2013-11-28 | Sharp Corp | Superlattice structure, semiconductor device and semiconductor light emitting device including the superlattice structure, and method of making the superlattice structure |
| CN104157759A (en) * | 2014-08-20 | 2014-11-19 | 中国科学院半导体研究所 | High density and high uniformity InGaN quantum dot structure and growth method thereof |
| CN104157759B (en) * | 2014-08-20 | 2017-01-25 | 中国科学院半导体研究所 | High density and high uniformity InGaN quantum dot structure and growth method thereof |
| JP2023012188A (en) * | 2021-07-13 | 2023-01-25 | 株式会社デンソー | Optical semiconductor element |
| US12360405B2 (en) | 2021-07-13 | 2025-07-15 | Denso Corporation | Optical semiconductor device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3660801B2 (en) | 2005-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH11354839A (en) | GaN based semiconductor light emitting device | |
| JP4160000B2 (en) | Light emitting diode and manufacturing method thereof | |
| CN104425665B (en) | Light emitting semiconductor device including hole injection layer | |
| US8816322B2 (en) | Group III nitride semiconductor light-emitting device and production method therefor | |
| CN1505843B (en) | GaN-based LED formed on SiC substrate | |
| KR101241477B1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof | |
| JP2008544567A (en) | Light emitting diode with nanorod array structure having nitride multiple quantum well, method for manufacturing the same, and nanorod | |
| CN110233190B (en) | Light emitting device | |
| US20050236631A1 (en) | Light emitting device using nitride semiconductor and fabrication method of the same | |
| JP2005093682A (en) | GaN-based semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof | |
| CN105514232B (en) | A kind of production method of LED epitaxial slice, light emitting diode and epitaxial wafer | |
| JP4552828B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor light emitting device | |
| CN100481540C (en) | Gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure and production method thereof | |
| CN101452980A (en) | Group III nitride compound semiconductor light-emitting diode and manufacturing method thereof | |
| KR20120013076A (en) | Nanorod-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same | |
| JPH11354842A (en) | GaN based semiconductor light emitting device | |
| JP2001345478A (en) | Method for manufacturing gallium nitride-based compound semiconductor | |
| KR100784065B1 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method | |
| JP3667995B2 (en) | GaN quantum dot structure manufacturing method and use thereof | |
| JP6298462B2 (en) | An activity having nanodots (also referred to as “quantum dots”) on a mother crystal composed of zinc blende type (also referred to as cubic) AlyInxGa1-y-xN crystal (y ≧ 0, x> 0) grown on a Si substrate. Region and light emitting device using the same (LED and LD) | |
| JPH11354843A (en) | Method for producing group III nitride quantum dot structure and use thereof | |
| TWI748053B (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor light-emitting element | |
| JP4178836B2 (en) | Gallium nitride semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| CN115732604A (en) | LED structure and its preparation method | |
| CN113224215B (en) | A kind of LED epitaxial structure and preparation method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040330 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040528 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20040528 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040531 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050222 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050318 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090325 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |