JP2016092147A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型半導体層12nと、n型半導体層12n上の一部に設けられたp型半導体層12pと、n型半導体層12n上の他の一部に設けられたn側絶縁膜16aと、n側絶縁膜16aを被覆するn側透光性電極14aと、n側透光性電極14a上でn側透光性電極14aと電気的に接続されたn側パッド電極13と、p型半導体層12p上に設けられたp側電極と、半導体積層体12及び前記n側透光性電極14aを少なくとも被覆する保護膜17と、を備え、n側パッド電極13は、外部接続部13a及び当該外部接続部13aに接続された延伸部13bを有しており、平面視において、外部接続部13aの少なくとも一部がn側絶縁膜16aに重なり、かつ、延伸部13bの少なくとも一部がn型半導体層12nに接している。
【選択図】図2
Description
そこで、発光素子の製造工程を簡略化する製造方法の一つが、例えば、特許文献3で提案されている。特許文献3によれば、透光性電極(全面電極)上を含む発光素子の表面全体を保護膜で被覆した後に、パッド電極を形成する領域に開口部を有するレジストパターンをフォトリソグラフィ法により形成し、当該レジストパターンの開口部内の保護膜をエッチングにより除去することでパターニングされた保護膜が形成される。次に、パッド電極となる金属膜を形成し、その後に前記したレジストパターンを除去することで金属膜がパターニングされる。これによって、パッド電極が形成される。この方法によれば、保護膜を形成するためのレジストパターンと、金属膜を形成するためのレジストパターンとを共用できるため、製造工程を簡略化することができる。
本開示に係る発光素子の製造方法によれば、パッド電極によって吸収される光を軽減させることができ、さらに、順方向電圧を低下させることができる発光素子を簡便に製造することができる。
なお、以下の説明において参照する図面は、各実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。
[発光素子の構成]
図1、図2を参照して、第1実施形態に係る発光素子の構成について説明する。
なお、図1(a)は第1実施形態に係る発光素子1の構成を模式的に示す斜視図である。図1(b)は、図1(a)の発光素子1について、p型半導体層12p上のp側透光性電極14bの配置とn型半導体層12n上のn側透光性電極14aの配置を概略的に示す平面図である。また、図2(a)〜(c)は、それぞれ、図1(a)のI−I線に相当する箇所における断面、II−II線に相当する箇所における断面、III−III線に相当する箇所における断面を示す図であるが、構成及び説明を分かり易くするために、水平方向および上下方向のスケールを部分的に縮小又は伸長して示している。また、各部材についても、形状、サイズ、位置関係を適宜に簡略化したり、誇張したりしている場合がある。なお、n側パッド電極13の延伸部13bは、厳密には、その下部が極わずか保護膜17の上面にかかるように設けられる場合があるが、ここでは便宜上、そのような形態の図示を省略している。
基板11は、半導体積層体12をエピタキシャル成長させるための成長基板である。基板11としては、例えば、半導体積層体12をGaNなどの窒化物半導体を用いて形成する場合には、C面、R面、A面の何れかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板、またSiC、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジム等の酸化物基板が挙げられる。
半導体積層体12は、基板11の上面である一方の主面上に、n型半導体層12nとp型半導体層12pとが順次積層され設けられた層である。半導体積層体12は、n側パッド電極13及びp側パッド電極15間に電流を通電することにより発光するようになっている。また、半導体積層体12は、n型半導体層12nとp型半導体層12pとの間に活性層12aを備えることが好ましい。
なお、第1露出部12b及び第2露出部12cは、完成した発光素子1においては、保護膜17、n側パッド電極13、透光性電極14、又は絶縁膜16によって被覆されているが、便宜的に「露出部」と呼ぶ。
絶縁膜16は、n側絶縁膜16aとp側絶縁膜16bとから構成されている。
n側絶縁膜16aは、n型半導体層12n上の他の一部に設けられている。ここで、「他の一部」とは、n型半導体層12n上におけるp型半導体層12pが設けられていない領域であり、ここでは、第1円形露出部12b1上の所定領域である。なお、n側絶縁膜16aは、n型半導体層12nの露出部のみに設けられる場合に限られるものではない。例えば、n側絶縁膜16aは、p型半導体層12pに乗り上げていてもよい。
n側絶縁膜16aは、p型半導体層12pから露出したn型半導体層12n上に設けられた透光性材料からなる膜である。n側絶縁膜16aは、n型半導体層12n上であって、n側パッド電極13の外部接続部13aが配置された領域の直下領域及びその近傍領域に、平面視でn側パッド電極13の外部接続部13aとn側透光性電極14aを介して対向するように設けられている。なお、n側絶縁膜16aは、便宜上、外部接続部13aが配置された領域の直下領域に設けられた状態で図示しているが、以下、「直下領域及びその近傍領域」として説明する。
n側絶縁膜16aをn型半導体層12n上に設けることにより、n型半導体層12nとn側絶縁膜16aとの界面で、半導体積層体12内を上方に伝播する光をスネルの法則に基づいて全反射させることができる。従って、n側絶縁膜16aをn側パッド電極13の直下領域及びその近傍領域に設け、n側パッド電極13に向かう光を手前で効率的に反射させることにより、n側パッド電極13による光吸収を低減させることができる。これにより、発光素子1の発光効率が向上する。
絶縁膜16としては、例えば、SiO2、TiO2、Al2O3などの酸化物、SiNなどの窒化物、MgFなどのフッ化物を好適に用いることができる。これらの中で、屈折率が低いSiO2をより好適に用いることができる。
また、絶縁膜16の膜厚は、0.05μm以上1.5μm以下程度が好ましく、更に好ましくは0.2μm以上1.0μm以下程度である。
透光性電極14は、n側透光性電極14aとp側透光性電極14bとから構成されている。
n側透光性電極14aは、n側絶縁膜16aを被覆する電極である。n側透光性電極14aは、発光素子1の製造時において、n側絶縁膜16aを保護するバリア層として機能する。発光素子1は、後記するように、保護膜17を形成した後、保護膜17をエッチングによりパターニングする。この際に、n側絶縁膜16aがn側透光性電極14aに被覆されているため、エッチング液の接触によりn側絶縁膜16aが浸食されることが防止される。なお、n側透光性電極14aは、n側絶縁膜16aの全てを被覆する場合に限られるものではない。例えば、n側透光性電極14aは、n側絶縁膜16aの一部を被覆しているものであってもよい。
また、p側透光性電極14bは、p側絶縁膜16bを被覆するように設けられているので、発光素子1の製造時において、p側絶縁膜16bを保護するバリア層として機能する。これにより、n側透光性電極14aの機能と同様に、p側絶縁膜16bがエッチング液により浸食されることが防止される。
また、透光性電極14の膜厚は、0.02μm以上0.3μm以下程度が好ましく、更に好ましくは0.04μm以上0.2μm以下程度である。
n側パッド電極13は、発光素子1に外部からの電流を供給するための負極側のパッド電極である。n側パッド電極13は、n側透光性電極14aの上面の一部に設けられ、n側透光性電極14a上でn側透光性電極14aと電気的に接続されている。n側パッド電極13は、平面視で略円形状に形成され、外部と接続するための領域である外部接続部13aと、外部接続部13aに接続された延伸部13bとから構成されている。延伸部13bは、外部接続部13aの周縁から両側に延伸し、平面視でp側パッド電極15の方向に湾曲して伸びるように形成されている。
外部接続部13aは、外部と接続するための領域であり、延伸部13bは、外部接続部13aを介して供給される電流を、n型半導体層12nの全領域に効率的に拡散させるための機能を有する。
また、n側パッド電極13は、平面視において、外部接続部13aの少なくとも一部がn側絶縁膜16aに重なっている。すなわち、平面視でn側パッド電極13の外部接続部13aが配置された領域の直下領域及びその近傍領域において、n型半導体層12nとn側透光性電極14aの間にn側絶縁膜16aが設けられている。
p側パッド電極15は、発光素子1に外部からの電流を供給するための正極側のパッド電極である。p側パッド電極15は、p側透光性電極14bの上面の一部に設けられ、p側透光性電極14b上でp側透光性電極14bと電気的に接続されている。なお、p側透光性電極14bとp側パッド電極15とで、p型半導体層12p上に設けられたp側電極を構成している。p側パッド電極15は、平面視で略円形状に形成され、外部と接続するための領域である外部接続部15aと、外部接続部15aに接続された延伸部15b、15c、15dとから構成されている。延伸部15b、15cは、外部接続部15aから3方向に延伸し、延伸部15bは、平面視でn側パッド電極13の方向に直線状に伸びるように外部接続部15aから延伸して形成されている。また、延伸部15cは、平面視で発光素子1の2つ辺に沿ってそれぞれ湾曲して基板11周縁まで延伸して形成されている。延伸部15dは、平面視で延伸部15cからさらに分岐し、n側パッド電極13を囲むようにそれぞれ湾曲して形成されている。なお、延伸部15dの端部は、n側パッド電極13の外部接続部13aを超える位置で互いに対向するように配置されている。
外部接続部15aは、外部と接続するための領域であり、延伸部15b、15c、15dは、外部接続部15aを介して供給される電流を、p型半導体層12pの全領域に効率的に拡散させるための機能を有する。
また、p側パッド電極15は、平面視において、外部接続部15aの少なくとも一部、及び、延伸部15bの少なくとも一部が、p側絶縁膜16bに重なっている。すなわち、平面視でp側パッド電極15の外部接続部15a及び延伸部15bが配置された領域の直下領域及びその近傍領域において、p型半導体層12pとp側透光性電極14bの間にp側絶縁膜16bが設けられている。なお、図示しないが、延伸部15c、15dにおいても同様である。
保護膜17は、透光性及び絶縁性を有し、半導体積層体12及び透光性電極14を少なくとも被覆する膜である。具体的には、基板11の側面及び下面を除き、発光素子1の上面及び側面の略全体を被覆する膜である。また、保護膜17は、第1円形露出部12b1の底面のn側絶縁膜16aが配置された領域上の一部に開口部17nを有し、当該開口部17n内に、n側パッド電極13の外部接続部13aが露出するように構成されている。また、保護膜17は、第1延伸露出部12b2の底面の領域上の一部に開口部17nを有し、当該開口部17n内に、n側パッド電極13の延伸部13bが露出するように構成されている。また、保護膜17は、p側絶縁膜16bが配置された領域上の一部に開口部17pを有し、当該開口部17p内に、p側パッド電極15の外部接続部15a及び延伸部15bが露出するように構成されている。なお、図示しないが、延伸部15c、15dにおいても同様である。
保護膜17としては、前記した絶縁膜16と同様の材料を用いることができ、例えば、SiO2を好適に用いることができる。
また、保護膜17の膜厚は、0.01μm以上1.0μm以下程度が好ましく、更に好ましくは0.1μm以上0.3μm以下程度である。
次に、図1、2を参照して、実施形態に係る発光素子1の動作について説明する。
発光素子1は、実装基板やワイヤなどを介して外部接続部13a及び外部接続部15a間に外部電源が接続されると、n型半導体層12n及びp型半導体層12p間に電流が供給されて活性層12aが発光する。
発光素子1の活性層12aが発した光は、半導体積層体12内を伝播して、主として発光素子1の上面から外部に取り出される。
半導体積層体12内を伝播して、n側パッド電極13の外部接続部13aの直下領域のn側透光性電極14aに向かう光線(L1)は、一部がn型半導体層12nとn側絶縁膜16aの界面で反射され(L2)、一部がn側絶縁膜16aとn側透光性電極14aの界面で反射され(L3)、さらに他の一部がn側パッド電極13の外部接続部13aの下面で反射される(L4)。光線(L1)は、外部接続部13aによって一部が吸収されるものの、外部接続部13aに到達する前に前記した各部位で反射して外部に出力されるため、光吸収量を低減することができる。その結果として、発光素子1の外部への光取り出し効率を向上させることができる。なお、図示しないが、p側パッド電極15の外部接続部15a及び延伸部15b、15c、15dにおいても同様である。
次に、図3を参照して、図1に示した発光素子1の製造方法について説明する。
図3に示すように、発光素子1の製造方法は、半導体積層工程S101と、n型半導体層露出工程S102と、絶縁膜形成工程S103と、透光性電極形成工程S104と、第1レジストパターン形成工程S105と、透光性電極エッチング工程S106と、第1レジストパターン除去工程S107と、保護膜形成工程S108と、第2レジストパターン形成工程S109と、保護膜エッチング工程S110と、金属膜形成工程S111と、第2レジストパターン除去工程S112と、個片化工程S113と、を含み、この順で各工程が行われる。
また、その他の各部材についても、形状、サイズ、位置関係を適宜に簡略化したり、誇張したりしている場合がある。
まず、半導体積層体準備工程において、第1露出部12b及び第2露出部12cを有する半導体積層体12を準備する。この工程には、サブ工程として、半導体積層工程S101とn型半導体層露出工程S102とが含まれる。
なお、この工程から、第2レジストパターン除去工程S112までの工程は、1枚の基板11のウエハ上に、複数の発光素子1が形成されるウエハレベルプロセスで行われる。すなわち、基板11上に複数の発光素子1が2次元配列するように形成される。従って、図4〜図15の各図において上段に示した断面図(図4(a)、図5(a)など)は、1個の発光素子領域についてのみ示しているが、左右方向にも同形状の発光素子1が連続して形成される。
第1露出部12b及び第2露出部12cは、フォトリソグラフィ法により、第1露出部12b及び第2露出部12cを形成する領域に開口部を有するレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをエッチングマスクとして、半導体積層体12を上面側からn型半導体層12nが露出するまでエッチングすることで形成される。
絶縁膜形成工程S103は、n型半導体層12n上において、平面視で、n側パッド電極13の外部接続部13aが形成される領域の少なくとも一部と重なるとともに、n側パッド電極13の延伸部13bが形成される領域の少なくとも一部が露出する領域に、n側絶縁膜16aを形成する工程である。ここで、「延伸部13bが形成される領域の少なくとも一部が露出する領域にn側絶縁膜16aを形成する」とは、延伸部13bが形成される領域の少なくとも一部において、n型半導体層12nが露出するようにn側絶縁膜16aを形成するということである。本製造方法では、延伸部13bが形成される領域にはn側絶縁膜16aを形成しない。
また、本製造方法では、p型半導体層12p上において、平面視で、p側パッド電極15の外部接続部15aが形成される領域の少なくとも一部と重なるとともに、p側パッド電極15の延伸部15bが形成される領域の全てに、n側絶縁膜16aを形成する。
すなわち、絶縁膜形成工程S103において、まず、半導体積層体12の表面全体に、SiO2などの絶縁性及び透光性を有する材料を用いて、スパッタリング法などにより絶縁膜16を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、完成時にn側絶縁膜16a及びp側絶縁膜16bが配置される領域を被覆するようにレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンをエッチングマスクとして、絶縁膜16をエッチングすることで、所定形状にパターニングする。その後に、レジストパターンを除去する。
次に、透光性電極を形成する工程において、p型半導体層12p上、n側絶縁膜16a上、及びp側絶縁膜16b上の略全面を被覆するように透光性電極14を形成する。この工程には、サブ工程として、透光性電極形成工程S104、第1レジストパターン形成工程S105、透光性電極エッチング工程S106及び第1レジストパターン除去工程S107が含まれる。
次に、保護膜を形成する工程において、ウエハ表面の略全体を被覆するように、保護膜17を形成する。この工程により、半導体積層体12、n側透光性電極14a及びp側透光性電極14bが保護膜17で被覆される。保護膜17は、n側パッド電極13が配置される領域に開口部17nを有し、p側パッド電極15が配置される領域に開口部17pを有する。この工程には、サブ工程として、保護膜形成工程(第4工程)S108、第2レジストパターン形成工程(第5工程)S109及び保護膜エッチング工程(第6工程)S110が含まれる。
次に、パッド電極形成工程において、保護膜17の開口部17n,17p内に、発光素子1のパッド電極であるn側パッド電極13及びp側パッド電極15を形成する。この工程には、サブ工程として、金属膜形成工程S111及び第2レジストパターン除去工程S112が含まれる。また、この工程では、前工程である保護膜を形成する工程で形成した第2レジストパターン21を用いて、リフトオフ法により、パッド電極であるn側パッド電極13及びp側パッド電極15を形成する。
ここで、従来の発光素子では、このように、パッド電極形成後の熱処理温度が低い、あるいは熱処理を行わない製造方法で製造すると、特にn側の電極構造において、パッド電極と透光性電極との接触抵抗が低減しにくい傾向にある。これにより、発光素子の順方向電圧が高くなる傾向にある。
しかしながら、実施形態に係る発光素子1は、n側パッド電極13の延伸部13bをn型半導体層12nに直接接触させることで、発光素子1の順方向電圧を低下させることができる。
次に、個片化工程S113において、第2露出部12c(図2(a)参照)上に設定された境界線に沿って、ダイシング法やスクライブ法などにより切断することで、発光素子1を個片化する。なお、個片化をより容易にするために、ウエハを切断する前に、基板11の裏面を研磨して薄肉化するようにしてもよい。
以上の工程により、発光素子1が形成される。
なお、図16(a)、図17(a)は、それぞれ、第2実施形態及び第3実施形態について、p型半導体層12p上のp側透光性電極14bの配置とn型半導体層12n上のp側透光性電極14bの配置を概略的に示す平面図である。これらの実施形態に係る発光素子1A、1Bの模式的な構成は図1(a)の斜視図と同様である。
また、図16(b)は、図16(a)のIV−IV線に相当する箇所における断面図であり、n側パッド電極13の延伸部13bの配置領域の一部(延伸方向の途中まで)にn側絶縁膜16aと、このn側絶縁膜16aを被覆するn側透光性電極14aが設けられているが設けられている形態の発光素子1Aを模式的に示すものである。
また、図17(b)は、図17(a)のV−V線に相当する箇所における断面図であり、n側パッド電極13の延伸部13bの配置領域の一部(延伸部13bの配置領域の周縁、すなわち、第1円形露出部12b1の外周端部)にn側透光性電極14aが設けられている形態の発光素子1Bを模式的に示すものである。
なお、図16(b)、図17(b)は、構成及び説明を分かり易くするために、水平方向および上下方向のスケールを部分的に縮小又は伸長して示している。また、各部材についても、形状、サイズ、位置関係を適宜に簡略化したり、誇張したりしている場合がある。また、ここでは、n側パッド電極13及び保護膜17の配置についても図示している。
このように、延伸部13bの一部にn側絶縁膜16aを配置することで、発光素子1Aの順方向電圧を低下させることができるとともに、n側パッド電極13の延伸部13bによる光吸収を低減させることができる。これにより、発光素子1Aの電力効率及び発光効率がより向上する。
なお、その他の構成については、発光素子1と同様である。
このように、第1円形露出部12b1の一部にn側透光性電極14aを配置することで、発光素子1Bの順方向電圧を低下させることができるとともに、n側パッド電極13の延伸部13bによる光吸収を低減させることができる。これにより、発光素子1Bの電力効率及び発光効率がより向上する。
なお、その他の構成については、発光素子1と同様である。
次に、半導体積層体の表面全体に、SiO2を用いて、スパッタリング法により絶縁膜を形成した。次に、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成してエッチングマスクとし、絶縁膜をエッチングすることでn側絶縁膜及びp側絶縁膜を形成した。
次に、ウエハの表面全体に、SiO2を用いて、スパッタリング法により保護膜を形成した。次に、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成してエッチングマスクとし、保護膜をエッチングすることでn側電極及びp側電極を配置する領域に開口部を形成した。
次に、レジストパターンを、その上面に形成された金属膜とともに除去(リフトオフ)して、n側電極及びp側電極を形成した。
次に、このウエハを切断することで、発光素子を個片化して、発光素子1、1A、1Bを作製した。
11 基板
12 半導体積層体
12n n型半導体層
12a 活性層
12p p型半導体層
12b 第1露出部
12b1 第1円形露出部
12b2 第1延伸露出部
12c 第2露出部
13 n側パッド電極
13a 外部接続部
13b 延伸部
14 透光性電極
14a n側透光性電極
14b p側透光性電極
15 p側パッド電極
15a 外部接続部
15b 延伸部
16 絶縁膜
16a n側絶縁膜
16b p側絶縁膜
17 保護膜
17n,17p 開口部
20 第1レジストパターン
20a 開口部
21 第2レジストパターン
21a 開口部
31 金属膜
Claims (8)
- n型半導体層と、
前記n型半導体層上の一部に設けられたp型半導体層と、
前記n型半導体層上の他の一部に設けられたn側絶縁膜と、
前記n側絶縁膜を被覆するn側透光性電極と、
前記n側透光性電極上で前記n側透光性電極と電気的に接続されたn側パッド電極と、
前記p型半導体層上に設けられたp側電極と、
前記半導体積層体及び前記n側透光性電極を少なくとも被覆する保護膜と、を備え、
前記n側パッド電極は、外部接続部及び当該外部接続部に接続された延伸部を有しており、
平面視において、前記外部接続部の少なくとも一部が前記n側絶縁膜に重なり、かつ、前記延伸部の少なくとも一部が前記n型半導体層に接していることを特徴とする発光素子。 - 前記延伸部は、前記n型半導体層に全て接していることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記n側絶縁膜は、さらに前記延伸部の一部と重なることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記n側絶縁膜は、さらに前記延伸部の周縁に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- n型半導体層と、前記n型半導体層上の一部に設けられたp型半導体層と、前記n型半導体層上の他の一部に設けられ、外部接続部及び当該外部接続部に接続された延伸部を有するn側パッド電極と、前記p型半導体層上に設けられたp側電極と、を備える発光素子の製造方法であって、
前記半導体積層体を準備する第1工程と、
前記n型半導体層上において、平面視で前記外部接続部が形成される領域の少なくとも一部と重なるとともに、前記延伸部が形成される領域の少なくとも一部が露出する領域に、n側絶縁膜を形成する第2工程と、
前記n側絶縁膜を被覆するn側透光性電極を形成する第3工程と、
前記半導体積層体及び前記n側透光性電極を被覆する保護膜を形成する第4工程と、
前記n側パッド電極が形成される領域が開口するように前記保護膜の上面にマスクを形成する第5工程と、
前記マスクに形成された前記開口を介して露出した前記保護膜を除去する第6工程と、
前記保護膜が除去されて露出した前記n側透光性電極の上面及び前記n型半導体層の上面と、前記マスクの上面とに金属膜を形成した後、前記マスクを除去することによって前記n側パッド電極を形成する第7工程と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記第2工程において、前記n側絶縁膜は、前記延伸部が形成される領域の全てが露出するように、前記外部接続部が形成される領域に設けられていることを特徴とする請求項5に記載の発光素子の製造方法。
- 前記第2工程において、前記n側絶縁膜は、前記外部接続部が形成される領域と、前記延伸部が形成される領域の一部とに連続して設けられていることを特徴とする請求項5に記載の発光素子の製造方法。
- 前記第2工程において、前記n側絶縁膜は、前記延伸部が形成される領域の周縁に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の発光素子の製造方法。
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