JP2008251605A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ドット状発光層を有する発光素子の製造方法において、安定した歩留まりおよび発光素子特性を得ること。
【解決手段】第1の基板上にドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程とその発光素子構造の表面にイオン照射を行ったのち第1導電性酸化膜層を形成する工程、第2の基板表面にイオン照射を行ったのち前記第1導電性酸化膜層と同じ材料の第2導電性酸化膜を形成する工程、第1導電性酸化膜層と第2導電性酸化膜層の表面にイオン照射を行い接着させる工程、化学薬品を用いて第1の基板からドット状発光層を有する発光素子構造を剥離する工程、および剥離後の表面にイオン照射を行ったのち第3導電性酸化膜層を形成する工程を具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、ドット状発光層を有する発光素子の製造方法に関する。
図8は、従来のインジウム窒化ガリウム系発光素子(InGaN系LED)の構造を説明する為の断面図である。この発光素子は、サファイア(Al)または炭化珪素(SiC)製の基板100上に緩衝層を形成した後、この緩衝層上にn−GaN系エピタキシャル層、マルチ量子井戸活性層、p−GaN系エピタキシャル層が形成されている(多層エピタキシャル構造120)。その後エッチング法により、一部のn−GaN層の表面と、一部のマルチ量子井戸活性層と、一部のp−GaN層とを取り除くことによって、n−GaN層に露出面を形成し、エッチングした後に残ったp−GaN層の上に適当な厚さを有する導電性窓層130が形成されている。符号140はnタイプ金属電極、符号150はpタイプ金属電極である。
基板100の厚さは、基板100上に前記各層を形成する際は300〜450μmであり、個々の発光素子にする際に、基板研磨などを行って100μm前後の厚さに形成される。また、緩衝層の厚さは0.5μm〜0.6μm、n−GaN系エピタキシャル層の厚さは2μm〜6μmで形成されている。従って、従来のインジウム窒化ガリウム系発光素子において、発光する際に一番熱の発生するマルチ量子井戸活性層は、基板100の最下面から100μm以上の高さに形成されている(例えば特許文献1参照)。
インジウム窒化ガリウム系発光素子は、青色、緑色の色を効率よく発光することから、一般照明や車のヘッドライトへの置き換えが期待されており、そのためにチップの発光量を増加させることが求められている。しかしながら、従来の構造では、大量の熱を発生する活性層が基板の最下面から100μm以上も離れており、基板の最下面に放熱用の台座を設けても、熱が基板を通過しにくく、発光素子内に熱がこもってしまい、発光量を増加させることができなかった。
一方、このような基板への放熱の問題を解決するためにいろいろな方法が検討されてきた。
1.基板を研磨などの方法を用いて数μmの厚さにする。
2.放熱性の高い基板(SiCなど)の上に発光素子を形成する(例えば、特許文献2参照)。
3.基板より発光素子部分のみ剥離し、他の基板に貼り付ける(例えば、特許文献3参照)。
1の方法については、従来からの基板研磨の方法を変えることなく、基板の厚さを薄くすることを実施しているが、基板を均一に研磨することの困難さや、研磨工程が長くなるため、発光素子の歩留まりが著しく低下し、生産性に問題がある。また、2の方法については、放熱性の高い基板の製造コストが高く、発光素子の基板に使用可能な価格になるにはまだ基板の製造方法に課題がある。
従って、現在可能な放熱性の問題を解決する方法は、前記3の方法が実現性が高い。しかしながら、例えば特許文献3などにも記載されているように、他の基板に張り合わせる方法は金属や導電性ペーストを用いた接合であり、また基板から発光構造の剥離についてはレーザ光を照射して基板と発光構造の間に形成した緩衝層を光と熱で破壊して剥離することで実施しており、安定した歩留まりや発光素子特性は達成できていない。
特開2005−197505号公報(図2、図3) 特開2005−5544号公報(図1、図2) 特開2005−123585号公報(図4)
本発明は、ドット状発光層を有する発光素子の製造方法において、安定した歩留まりおよび発光素子特性を得ることが可能な発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明は、第1の基板上にドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程と、前記発光素子構造の表面にイオン照射を行った後、第1の導電性酸化膜層を形成する工程と、第2の基板の表面にイオン照射を行った後、前記第1の導電性酸化膜層と同じ材料を用いた第2の導電性酸化膜を形成する工程と、真空中で前記第1の導電性酸化膜層と前記第2の導電性酸化膜層のそれぞれの表面にイオン照射を行った後、第1の導電性酸化膜層の表面と第2の導電性酸化膜の表面同士を接触させ、温度をかけ、第1の導電性酸化膜層と第2の導電性酸化膜層を接着させる工程と、化学薬品を用いて前記第1の基板から前記ドット状発光層を有する発光素子構造を剥離する工程と、前記第1の基板から剥離した前記ドット状発光層の剥離した表面にイオン照射を行った後、第3の導電性酸化膜層を形成する工程と、前記第2の基板上に剥離、接着した前記第1の導電性酸化膜層、第2の導電性酸化膜層、ドット状発光層を有する発光素子構造、第3の導電性酸化膜層上に加工を施して、発光素子を形成する工程とを具備することを特徴とする。
これにより、第1の導電性酸化膜と第2の導電性酸化膜は強固に接合し、同一の導電性酸化膜層と同等の特性を持つようになり、第1の基板から発光素子構造を剥離しても発光素子構造は第2の基板に密着することになる。このような作用により、安定した歩留まりおよび発光素子特性が得られる。
本発明によれば、ドット状発光層を有する発光素子の製造方法において、安定した歩留まりおよび発光素子特性を得ることが可能になる。
本発明の実施形態によれば、第2の基板へ密着させる工程、発光素子構造を第1の基板から剥離する工程、剥離後に第3の導電性酸化膜を形成する工程、その後加工を施して個別の発光素子にする工程を実施しても、素子特性の変化が少ない発光素子構造が得られる。
本発明の実施態様として、第1の基板は、絶縁体であるサファイア(Al)もしくは窒化ガリウム(GaN)もしくは酸化亜鉛(ZnO)もしくは炭化窒素(SiO)を用いることが可能である。後述するように、第1の基板は発光素子構造を剥離後、適切な処理を行うことにより、基板として再使用可能となるため、基板の製造コストは高くなっても良い。従って、発光素子構造を製造しやすい最適な基板を選択することが可能となる。
また、実施態様として、第2の基板は、半絶縁性シリコン、導電性シリコン、半導体回路を形成したシリコン、導電性ポリマーシート、金属のうちいずれかを用いることが可能である。第2の基板上に発光素子構造が密着可能となるため、放熱性が高く、低コストなSi材料や金属、別機能を付加することが可能な半導体回路を形成したSiや導電性ポリマーシートなどを基板とすることができる。
また、実施態様として、前記化学薬品を用いての剥離は、アルカリ性の薬品液に前記構造を含浸し、水洗後、過酸化水素水の入った酸性の薬品液で処理することが可能である。これにより、光や熱による緩衝層の破壊を行っていないため、発光素子構造にダメージを与えることなく、安定して発光素子構造を剥離することができる。
また、実施態様として、第1の基板上にドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程は、基板、第1導電クラッド層、第2導電クラッド層、第1導電クラッド層と第2導電クラッド層の間に形成された少なくとも1つのドット状発光層、ここで該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層の間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、さらに第2導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を形成する工程を含む、とすることができる。
また、実施態様として、イオン照射は、少なくとも大気圧よりも低い圧力下で、第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜もしくは第3の導電性酸化膜を形成する元素のうち、少なくとも1種類の元素をイオン化し、対象物に照射する、とすることができ、このイオン照射の工程を終了した第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜の表面粗さは、最大の段差で50オングストローム以下とすることができる。これにより、導電性酸化膜上が活性元素で覆われ、また導電性酸化膜表面上が平坦になるため、真空中の張り合わせ、および熱処理を行うことで強固な密着力が得られる。
また、実施態様として、第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜は、MOCVD(有機金属気層成長)法、スパッタ蒸着法、イオンビーム蒸着法のいずれかを用いて形成することができ、第3の導電性酸化膜は、600度以下での膜形成が可能な薄膜スパッタ蒸着法、イオンビーム蒸着法のいずれかを用いて形成することができる。
また、実施態様として、第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜、第3の導電性酸化膜は、インジウム酸化物(ITO)もしくは不純物をドープした酸化亜鉛(ZnO)もしくは不純物をドープした酸窒化ガリウム(GaON)で形成することができる。特に、第3の導電性酸化膜を、前記ドット状発光層から発光する光の波長に対して80%以上の透過率をもつ透明導電性酸化膜とすることで、発光効率が高い発光素子構造が得られる。
また、実施態様として、薬液での剥離を実施しやすくするために、第1の基板上に前記ドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程において、前記第1の基板と前記第1のクラッド層の間に多孔質層を有する構造を形成することができる。
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る発光素子の構造を説明する為の断面図であり、図2から図4はその製造方法を説明する為の断面工程図である。本実施形態で製造される発光素子は、基板と反対の面に電極を設ける表面2電極型と呼ばれる構造を示している。
初めに、図2(A)に示すように、サファイア基板11上に高温で700度以上の高温で形成された多孔質層12、n型GaN導電クラッド層13、InGaNおよびGaNから構成される山型のキャリアトラップ層を上側障壁層と下側障壁層の間に持ったドット状層が複数層からなるドット状発光層14、p型GaN導電クラッド層15、p型GaNコンタクト層16をMOCVD法で形成し、ドット状発光層を有する発光素子構造を得る。
次いで、図2(B−1)に示すように、前記発光素子構造のp型GaNコンタクト層16の表面にInイオンとArイオンを照射し、p型GaNコンタクト層16の表面上に活性化したInが付着するように処理を行う。
同様に図2(B−2)に示すように、後述する張り合わせ側の基板となるSi基板21の表面にもInイオンとArイオンを照射し、表面上に活性化したInが付着するように処理を行う。
次いで、図3(C−1)および図3(C−2)に示すように、活性化したInが付着した表面にそれぞれ導電性酸化膜であるITO膜17、27をスパッタ蒸着法で蒸着し、その後、ITO膜の表面にInイオンとArイオンを照射し、表面の処理を行う。このときの表面処理は、表面の平坦性を上げることを目的としており、平坦性は、最大の段差で50オングストローム以下になるように処理条件を制御している。また、図3(C−1)および図3(C−2)に示した処理は同一の処理装置内もしくは大気圧以下の状態で互いを搬送できる装置内で実施している。
次いで、図3(D)に示すようにそれぞれのITO膜17、27の表面を処理した面どうしを密着させ、1kgf/cm以上の圧力をサファイア基板11とSi基板21にかけ、300度30分のアニール処理を行い、ITO膜17、27を接合させる。
次に、図3(E)に示すように接合した発光素子構造のSi基板21側に薬液保護シートを貼り付け、アンモニア系薬品(フッ化アンモニウム溶液など)で処理、水洗の後、過酸化水素および酸系薬品(希塩酸など)で処理を行い、サファイア基板11上に形成した多孔質層12をエッチングすることで、発光素子構造からサファイア基板11を剥離する。さらにサファイア基板11を剥離した後の表面となるn型GaNクラッド層13の表面にZnイオンおよびArイオンを照射し表面上に活性化したZnが付着するように処理を行う。
本実施形態では、サファイア基板11を剥離する際、多孔質層12のみをエッチングする薬液を用いているため、サファイア基板11はエッチングなどのダメージを受けていない。従って、適切な表面洗浄を行うだけで、再度発光素子構造のための基板として再利用することができる。
次いで、図4(F)に示すように活性化したZnが付着したn型GaNクラッド層13表面に導電性酸化膜であるZnO膜28をスパッタ蒸着法で蒸着し、その後、ZnO膜の表面にZnイオンとArイオンを照射し、表面の処理を行う。このときの表面処理は、表面の平坦性を上げることを目的としており、平坦性は、最大の段差で50オングストローム以下になるように処理条件を制御している。
この工程により、サファイア基板11上に形成したドット状発光層を持つ発光素子構造において、発光素子構造のみがSi基板21上に移されたことになる。
最後に、このSi基板21上に移された発光素子構造に通常のLED発光素子形成プロセス(加工、電極形成、素子分離など)を行い、図4(G)に示す発光素子が形成される。
以上、本発明の第1の実施形態によれば、高効率のドット状発光層を持つ発光素子構造を製造に適切な基板(サファイア基板)で製造し、それをウエハ状態のまま放熱特性の高いSi基板に貼り付けることができ、LED発光素子の製造方法を従来の方法と大きく変えることなく、高性能な発光素子を製造することができる。
また、Si基板上には電子デバイス(受光素子やLED駆動素子、または制御ICなど)を製造できることから、発光素子との組み合わせも容易である。特にSi基板と発光素子構造の間に導電性酸化膜を使用していることから、発光素子部分から基板側へ向かう光の量も導電性酸化膜の屈折率を変えることで制御できることも利点である。
なお、本実施形態で発光素子構造の製造のためにサファイアを基板に用いたが、発光素子構造の発光特性を高くすることができる基板であれば、特に限定はされない。価格の高いSiC基板やZnO基板を使用しても、基板を再利用することが可能であり、基板の材料費用は無視できるものとなる。さらに張り合わせる基板をSi基板としたが、基板は300度程度の温度に対して安定している材料であれば、他の材料、金属でもよい。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る発光素子の構造を説明する為の断面図であり、図6、図7はその製造方法を説明する為の断面工程図である。本実施形態で製造される発光素子は、基板側と表面側のそれぞれに電極を設けており、垂直電流注入型と呼ばれる構造を示している。
初めに、図6(A)は第1の実施形態と同様にサファイア基板31上にMOCVD法で形成し、ドット状発光層を有する発光素子構造を得ることを示している。
次いで、図6(B−1)に示すように、前記発光素子構造のp型GaNコンタクト層36の表面にZnイオンとArイオンを照射し、p型GaNコンタクト層36の表面上に活性化したZnが付着するように処理を行う。
次いで、図6(C−1)に示すように、活性化したZnが付着した表面に導電性酸化膜であるZnO膜37をMOCVD法で形成する。
発光素子構造、イオン照射、導電性酸化膜の各工程は、各工程部分が接続された同一の装置で行っており、各工程での処理時間が短くなり、歩留まりが向上している。
他方、張り合わせる側の基板は、図6(B−2)に示すように、基板となる導電性ポリマーシート41の表面にZnイオンとArイオンを照射し、表面上に活性化したZnが付着するように処理を行い、図6(C−2)に示すように、活性化したZnが付着した表面に導電性酸化膜であるZnO膜47をスパッタ蒸着法で蒸着する。
次いで、図7(D)に示すように、図6(C−1)、図6(C−2)の工程で作成されたそれぞれのZnO膜の表面にZnイオンとArイオンを照射し、表面の処理を行い、表面を処理した面どうしを密着させ、1kgf/cm以上の圧力をサファイア基板31と導電性ポリマーシート41にかけ、200度60分のアニール処理を行い、ZnO膜37、47を接合させる。
このときのZnイオンとArイオンによる表面処理は、表面の平坦性を上げることを目的としており、平坦性は、最大の段差で50オングストローム以下になるように処理条件を制御している。
以降は、前述の第1の実施形態で説明した工程と同じ工程を使用し、サファイア基板31の剥離、表面側への導電性酸化膜の形成、LED発光素子形成プロセスの実施を行うことにより、図5に示す発光素子が形成される。
以上、第2の実施形態によれば、第1の実施形態で説明した特徴とともに、導電性ポリマーシート上に発光素子構造が形成されているため、電流を発光素子の表面側から導電性ポリマーシート側に流すことができ、発光素子の電極の数が1個に減らすことができるため、発光素子の実装が容易になる。
また、電子デバイスの実装で主流となっているフリップチップ実装に対応することが可能となり、生産性が向上する。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に基板の種類、導電性酸化膜の種類、導電性酸化膜の製造方法は限定されず、好適な種類、方法を選択することができる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、p型とn型の導電型は入れ替えても発光素子構造の形態を変えるものではない。また、ドット状発光素子構造はInGaN系材料を用いて、青および緑ないしは青+緑の発光を前提として説明をしているが、ドット状発光層にAlを添加して、紫外および近紫外の発光をする発光素子構造においても素子からの放熱の問題があり、本発明の方法で解決が可能である。
本発明の第1の実施形態に係る発光素子の構造を説明する為の断面図。 本発明の第1の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。 本発明の第1の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。 本発明の第1の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。 本発明の第2の実施形態に係る発光素子の構造を説明する為の断面図。 本発明の第2の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。 本発明の第2の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。 従来のインジウム窒化ガリウム系発光素子(InGaN系LED)の構造を説明する為の断面図。
符号の説明
11,31…サファイア基板、12,32…多孔質層、13,33…n型GaN導電クラッド層、14,34…ドット状発光層、15,35…p型GaN導電クラッド層、16,36…p型GaNコンタクト層、17,27…ITO膜、21…Si基板、28,48…ZnO膜、29,49…金属電極、37,47…ZnO膜、41…導電性ポリマーシート。

Claims (12)

  1. 第1の基板上にドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程と、
    前記発光素子構造の表面にイオン照射を行った後、第1の導電性酸化膜層を形成する工程と、
    第2の基板の表面にイオン照射を行った後、前記第1の導電性酸化膜層と同じ材料を用いた第2の導電性酸化膜を形成する工程と、
    真空中で前記第1の導電性酸化膜層と前記第2の導電性酸化膜層のそれぞれの表面にイオン照射を行った後、第1の導電性酸化膜層の表面と第2の導電性酸化膜の表面同士を接触させ、温度をかけ、第1の導電性酸化膜層と第2の導電性酸化膜層を接着させる工程と、
    化学薬品を用いて前記第1の基板から前記ドット状発光層を有する発光素子構造を剥離する工程と、
    前記第1の基板から剥離した前記ドット状発光層の剥離した表面にイオン照射を行った後、第3の導電性酸化膜層を形成する工程と、
    前記第2の基板上に剥離、接着した前記第1の導電性酸化膜層、第2の導電性酸化膜層、ドット状発光層を有する発光素子構造、第3の導電性酸化膜層上に加工を施して、発光素子を形成する工程と
    を具備することを特徴とする発光素子の製造方法。
  2. 前記第1の基板は、絶縁体であるサファイア(Al)もしくは窒化ガリウム(GaN)もしくは酸化亜鉛(ZnO)もしくは炭化窒素(SiC)を用いることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  3. 前記第2の基板は、半絶縁性シリコン、導電性シリコン、半導体回路を形成したシリコン、導電性ポリマーシート、金属のうちいずれかを用いることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  4. 前記化学薬品を用いての剥離は、アルカリ性の薬品液に前記構造を含浸し、水洗後、過酸化水素水の入った酸性の薬品液で処理することを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  5. 前記第1の基板上にドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程は、
    基板、第1導電クラッド層、第2導電クラッド層、第1導電クラッド層と第2導電クラッド層の間に形成された少なくとも1つのドット状発光層、ここで該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層の間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、
    さらに第2導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を形成する工程を含むこと
    を特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  6. 前記イオン照射は、少なくとも大気圧よりも低い圧力下で、第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜もしくは第3の導電性酸化膜を形成する元素のうち、少なくとも1種類の元素をイオン化し、対象物に照射することを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  7. 前記イオン照射の工程を終了した前記第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜の表面粗さは、最大の段差で50オングストローム以下であることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  8. 前記第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜は、MOCVD(有機金属気層成長)法、スパッタ蒸着法、イオンビーム蒸着法のいずれかを用いて形成されることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  9. 前記第3の導電性酸化膜は、スパッタ蒸着法、イオンビーム蒸着法のいずれかを用いて形成されることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  10. 前記第1の導電性酸化膜、第2の導電性酸化膜、第3の導電性酸化膜は、インジウム酸化物(ITO)もしくは不純物をドープした酸化亜鉛(ZnO)もしくは不純物をドープした酸窒化ガリウム(GaON)で形成されることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  11. 前記第3の導電性酸化膜は、前記ドット状発光層から発光する光の波長に対して80%以上の透過率をもつ透明導電性酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の発光素子の製造方法。
  12. 前記第1の基板上に前記ドット状発光層を有する発光素子構造を形成する工程において、前記第1の基板と前記第1のクラッド層の間に多孔質層を設けることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1項記載の発光素子の製造方法。
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