JP3911839B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば青色発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物を利用したフリップチップ型の半導体発光素子を備える半導体発光装置に係り、特に静電気による破壊を防止するための静電気保護素子を付帯して安定動作を可能とした半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN,GaAlN,InGaN及びInAlGaN等の窒化ガリウム系化合物の半導体の製造では、その表面において半導体膜を成長させるための結晶基板として、一般的には絶縁性のサファイアが利用される。このサファイアのような絶縁性の結晶基板を用いる場合では、結晶基板側から電極を出すことができないので、半導体層に設けるp,nの電極は結晶基板と対向する側の一面に形成されることになる。
【0003】
たとえば、GaN系化合物半導体を利用した発光素子は、絶縁性の基板としてサファイア基板を用いてその上面にn型層及びp型層を有機金属気相成長法によって積層形成し、p型層の一部をエッチングしてn型層を露出させ、これらのn型層とp型層のそれぞれにn側電極及びp側電極を形成するというものがその基本的な構成である。そして、p側電極を透明電極とした場合であれば、これらのp側及びn側の電極にそれぞれボンディングパッド部を形成して、リードフレームや基板にそれぞれワイヤボンディングされる。
【0004】
一方、サファイア基板側から光を取り出すようにしたフリップチップ型の半導体発光素子では、p側電極を透明電極としないままでこのp側及びn側の電極のそれぞれにマイクロバンプを形成し、これらのマイクロバンプを基板またはリードフレームのp側及びn側に接続する。
【0005】
図4はフリップチップ型の半導体発光素子を利用した従来のチップLEDの概略を示す縦断面図である。
【0006】
図において、発光素子1は、絶縁性の透明なサファイア基板1aの表面に、たとえばGaNバッファ層,n型GaN層,InGaN活性層,p型AlGaN層及びp型GaN層を順に積層し、InGaN活性層を発光層としたものである。そして、n型GaN層の上面にn側電極2が、及びp型GaN層の上面にはp側電極3がそれぞれ蒸着法によって形成され、更にこれらのn側電極2及びp側電極3の上にはそれぞれマイクロバンプ4,5を形成している。
【0007】
発光素子1は、基板6に導電性接着剤等で固定したリード6a,6bにそれぞれマイクロバンプ4,5をたとえば加熱圧着法等によって接合して固定し、モールド樹脂7によって封止され、基板6からの通電によって発光素子1に導通させることにより、発光層からの光が透明のサファイア基板1aを抜けて上方に放出される。また、p側電極3を含む面を厚膜化または光反射膜とすることによって、発光層からの光を上方に向けて反射して発光出力を上げることができる。
【0008】
ところが、このような絶縁性のサファイア基板1aに半導体層を積層したチップLEDでは、素子材料のたとえば誘電率ε等の物理定数や素子構造に起因して、静電気に対して非常に弱いことが知られている。たとえば、チップLEDと静電気がチャージされたコンデンサとを対向させて両者間に放電を生じさせたとき、順方向でおよそ100Vの静電圧で、逆方向ではおよそ30Vの静電圧で破壊されてしまう。
【0009】
これに対し、発光素子1による静電気の影響による破壊を防止するため、p−n接合の逆電圧を増大したとき破壊電圧(ツェナー降伏電圧)においては電流が増大しても電圧値は一定値をとるという特性を利用した定電圧ダイオードすなわちツェナーダイオードとして知られている静電気保護素子を備えることが有効とされている。この静電気保護素子は、本願出願人が先に提案して特願平9−18782号として既に出願した明細書及び図面に記載のものが適用できる。
【0010】
図5は静電気保護素子を備える場合のLEDランプの構成例の概略を示す縦断面図であり、図4に示した同じ部材については共通の符号で指示する。
【0011】
この例では、発光素子1は一方のリード6bに電気的に導通させて固定したSiダイオード素子20の上に搭載され、このSiダイオード素子20とリード6aとの間にワイヤ21をボンディングしている。Siダイオード素子20と発光素子1とは、逆極性の関係で接続すなわち互いのp電極とn電極とのうち逆極性の電極どうしを接続して発光素子1にリード6a,6bから高電圧が印加されないようにしたものである。
【0012】
このような構成であれば、リード6a,6bに高電圧が印加されたときには、発光素子1に印加される逆方向電圧はSiダイオード素子20の順方向電圧付近の電圧値で、及び発光素子1に印加される順方向電圧はSiダイオード素子20の逆方向ブレークダウン電圧付近の電圧値で、それぞれカットされる。したがって、静電気による発光素子1の破壊を確実に防ぐことができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
先に特願平9−18782号として出願した明細書及び図面におけるSiダイオード素子20は、n型シリコン基板のp電極側に相当する部分の表面の一部に不純物イオンの注入によりp型半導体領域20aを拡散形成したものである。そして、このp型半導体領域20aの上面とこれから外れた位置にそれぞれp側電極とn側電極とを形成し、p側電極の一部をボンディングパッドとしてこれにワイヤ21がボンディングされる。
【0014】
ところが、静電気保護用のSiダイオード素子20を発光素子1と別体として設ける場合では、リード6a側とこのSiダイオード素子20とを導通させるためのワイヤ21が必要である。このため、図4に示したチップLEDの場合に比べると、ワイヤ21を張る分だけの高さ方向の嵩が大きくなり、発光装置の薄型化への障害の一因となる。また、ワイヤ21を張る場合では鋭角的に曲げることができないので、Siダイオード素子20とリード6aとのボンディング点との間の距離を或る程度確保しなければならない。このため、リード6a,6bどうしの間の長さも大きくなり、高さ方向だけでなく幅方向の嵩も大きくなってしまう。
【0015】
更に、Siダイオード素子20を一方のリード6bの上に搭載するので、発光素子1は一対のリード6a,6bに対して左側に偏った配置となり、チップLED単体で使用するときには、発光点がチップ中心からずれてしまう。このため、たとえばリード6a,6bの内面を鏡面層としておき発光素子1の下側や側方へ漏れ出る光を反射させて発光出力を向上させようとした場合、リード6a,6bに対する偏りによって反射光の強度の分布を伴うことになり、発光の一様性が損なわれる恐れがある。
【0016】
このように静電気保護用のSiダイオード素子20を備えるものでは、発光装置の高さ及び幅方向の嵩が大きくて小型化及び薄型化の障害となるほか、発光点のずれによる発光障害を伴いやすいという問題がある。
【0017】
本発明において解決すべき課題は、静電気保護用の素子を組み込んでも装置の嵩を小さく抑えることができるとともに良好な発光が得られる半導体発光装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電気保護素子をリードフレームや基板等の基材の搭載面に搭載し、フリップチップ型の半導体発光素子を前記静電気保護素子の上面にp側及びn側の電極を逆極性で導通させて搭載し、前記半導体発光素子の搭載面側と反対側を主光取出し面とした半導体発光装置において、前記静電気保護素子は、前記基材と半導体発光素子との間の導通路を形成するn型半導体領域を縦方向の全長に形成させ、これらの半導体領域の上面及び下面にそれぞれn電極及びp電極を形成し、このn電極及びp電極を前記半導体発光素子及び基材に接合してなることを特徴とする。
【0019】
このような構成であれば、静電気保護素子を利用して基材側と発光素子側とを導通させることができるので、ワイヤボンディングが不要なアセンブリとすることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、静電気保護素子をリードフレームや基板等の基材の搭載面に搭載し、フリップチップ型の半導体発光素子を前記静電気保護素子の上面にp側及びn側の電極を逆極性で導通させて搭載し、前記半導体発光素子の搭載面側と反対側を主光取出し面とした半導体発光装置において、前記静電気保護素子は、前記基材と半導体発光素子との間の導通路を形成するn型半導体領域とp型半導体領域をそれぞれ静電気保護素子の縦方向の全長にわたって備え、前記n型半導体領域の上面及び下面にn電極を形成し、前記p型半導体領域の上面及び下面にp電極を形成し、上面に形成したn電極及びp電極を前記半導体発光素子と導通接続させ、下面に形成したn電極及びp電極を基材に導通接続してなるものであり、ワイヤボンディングを必要としないアセンブリによって小型化された発光装置が得られるという作用を有する。
【0021】
請求項2に記載の発明は、前記静電気保護素子をSiダイオードとし、このSiダイオードのシリコン基板の全断面の厚さを150μm以下としてなる請求項1記載の半導体発光装置であり、シリコン基板の表裏両面から拡散形成するp型及びn型の半導体領域をそれぞれ確実に重合させることができ、その製造時間の短縮化が図れるとともに半導体発光装置を薄型化できるという作用を有する。
【0022】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の一実施の形態による半導体発光装置であってチップLEDの例を示す概略縦断面図、図2は要部の拡大図である。なお、従来例で示したものと同じ部材については共通の符号で指示し、その詳細な説明は省略する。
【0023】
発光素子1は、たとえばその基板1aに下から順にGaNバッファ層,n型GaN層,InGaN活性層,p型AlGaN層及びp型GaN層を形成したいわゆるダブルヘテロ構造のものとすることができる。この半導体膜の積層構造では、通電によってInGaN活性層が発光層となり、発光層からの光がサファイア基板1aの主光取出し面(図1においてサファイア基板1aの上面)側及びp側電極3に向かう。
【0024】
リード6a,6bどうしの間には発光素子1の静電気による破壊を防止するための静電気保護素子としてSiダイオード素子8を架け渡して設け、このSiダイオード素子の上に発光素子1を搭載して電気的に導通させる。
【0025】
Siダイオード素子8はn型シリコン基板を用いたもので、n型半導体領域8aとp型半導体領域8bとに区分されたものである。すなわち、図4の従来例ではn型シリコン基板の上面からのみボロン等の不純物を拡散することで、上端側の一部をp型半導体領域20aとしたものであるのに対し、本発明においてはn型シリコン基板を上下両面からボロン等の不純物を拡散して縦方向の全長にp型半導体領域8bを拡散形成させたものである。
【0026】
このようなp型半導体領域8bの拡散形成のための具体的な製造方法は次のとおりであり、図3の概略の工程図を参照して説明する。
【0027】
まず、図1及び図2の例におけるSiダイオード素子8の材料としたn型シリコン基板10(図3の(a))の表面及び裏面側をそれぞれSiNx等による酸化膜11,12によって皮膜する(同図(b))。そして、形成しようとするp側拡散領域に対応する部分の酸化膜11,12をリソグラィー工程及びエッチング工程で取り除くことより、これらの酸化膜11,12のそれぞれにp型拡散窓11a,12aを形成する(同図(c))。
【0028】
次いで、形成されたp側拡散窓11a,12aにボロン等の不純物を注入する。この場合、n型シリコン基板10の全断面の厚さ(図3において上下方向の厚さ)が大きくなり過ぎると、n型シリコン基板10の表裏両面から拡散するp型半導体領域8bが上側と下側から完全に重合するまでの時間が長くなる。また、ボロン等の拡散はn型シリコン基板10の厚さ方向と同時に横方向にも拡散していくため、n型シリコン基板10が厚いとn側の領域が少なくなる。したがって、n型シリコン基板10の厚さには上限を設けることが好ましく、本発明者等はn型シリコン基板10の全断面の厚さは150μm以下とすることが好ましいことを知見によって得た。
【0029】
拡散の深さは、n型シリコン基板10の表側及び裏側から拡散される拡散層がn型シリコン基板10の内部で完全につながる必要があるので、拡散層の深さはn型シリコン基板10の全断面の厚さの50%以上、たとえば、n型シリコン基板10の総厚が150μmの場合、表側及び裏側からの拡散深さはそれぞれ75μm以上の深さにすることが好ましい。このボロン等の不純物による拡散は、n型シリコン基板10の表面及び裏面の両面から拡散させることによって、n型シリコン基板10に対してその表裏両面側からそれぞれp型拡散領域13,14が形成され(同図(d))、これらのp型拡散領域13,14によって一つに繋がったp型拡散層が形成されることになる。そして、拡散窓11a,12aから外れている部分は酸化膜11,12によって覆われているために拡散は行われず、n型領域が確保されたままとなる。
【0030】
次いで、拡散窓11a,12a以外の酸化膜11,12を取り除いた後、n型シリコン基板10の表面側及び裏面側の全面にアルミニウム等をスパッタ法等で成膜して金属膜15,16を形成する(同図(e))。成膜された金属膜15,16は、n型シリコン基板10のp型拡散領域13,14とこれらを除くn型領域部分の表面側には発光素子1のマイクロバンプ4を接合するためのp電極8b−1とn電極8a−1を形成し、更に裏面側にはリードフレームに接合するためのp電極8b−2とn電極8a−2ををそれぞれ対向する形となるようにリソグラフィー工程及びエッチング工程により形成する(同図(f))。
【0031】
以上の工程の後、熱処理を施すとともにダイシング工程によって切断することにより、図1及び図2に示したSiダイオード素子8を得ることができる。
【0032】
以上の工程によって作製された図示のSiダイオード素子8は、図中に示すようにその表面側にはp電極8b−1,n電極8a−1が形成されるとともに、裏面側にはp電極8b−2,n電極8a−2が形成されることになる。そして、p電極8b−1,8b−2どうしの間及びn電極8a−1,8a−2どうしの間はそれぞれ導通状態にある。
【0033】
このようなSiダイオード素子8の作製においては、GaN系化合物半導体のLED素子の順方向破壊電圧をVf1,逆方向破壊電圧をVb1とし、Siダイオード素子の順方向動作電圧をVf2,逆方向ブレークダウン電圧をVb2とし、更にGaN,LED素子の動作電圧をVFとするとき、Vf2<Vb1,Vb2<Vf1,Vb2>VFの関係が成り立つものであればよい。
【0034】
以上の製造方法でも説明したように、n型半導体領域8aの上面及び下面にはそれぞれn電極8a−1,8a−2を形成して、発光素子1のp側電極3のマイクロバンプ5及びリード6bにそれぞれ導通接続する。また、p型半導体領域8bの上面及び下面にもそれぞれp電極8b−1,8b−2を形成し、発光素子1のn側電極2のマイクロバンプ4及びリード6aにそれぞれ導通接続する。このような導通接続によって、発光素子1とSiダイオード素子8とは逆極性の関係で接続された複合素子としてアセンブリされることになる。
【0035】
以上の構成において、Siダイオード素子8を発光素子1に対して逆極性の関係で接続したことにより、リード6a,6b間に高電圧が印加されたとき、発光素子1に印加される逆方向電圧及び順方向電圧のいずれもが、破壊電圧に達する前にカットされる。したがって、静電気による発光素子1の破壊が確実に防止される。
【0036】
Siダイオード素子8にn型及びp型の半導体領域8a,8bをそれぞれのn電極8a−1,8a−2及びp電極8b−1,8b−2に導通させて形成しているので、発光素子1との逆極性による接続だけでリード6a,6bと発光素子1との間の電気的導通が得られる。したがって、従来のようにリード6aとの間のボンディングワイヤが不要となり、ワイヤ配線に必要な高さ及び幅方向の嵩の分に相当して全体を薄く幅も狭いものとすることができる。
【0037】
また、Siダイオード素子をリード6a,6bに架け渡す配置としてその上面に発光素子1を搭載するので、発光点を発光装置の中心に合わせた配置が得られる。このため、リード6a,6bの内面を反射層として利用するような場合、反射光の分布を一様化でき、良好な発光が得られる。
【0038】
なお、図示の例では、リード6a,6bに搭載してモールド樹脂7で封止されたものとしたが、各種のLEDランプや基板に直接搭載してモールド樹脂で封止しないタイプの光源等に本発明を適用できることは無論である。
【0039】
【発明の効果】
本発明では、静電気保護素子を利用して発光素子とリードフレーム等の基材側との間の導通路を形成することができるので、ワイヤボンディングが不要となり、そのための工程が削減できるとともに、ワイヤを張るのに必要な嵩に相当する分を小型化できる。したがって、静電気保護素子を組み込んでも、発光装置の高さや幅を小さくすることができ、静電気による破壊防止とコンパクト化の両面が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるフリップチップ型の半導体発光素子を備えた半導体発光装置の概略縦断面図
【図2】発光素子とSiダイオード素子の要部を示す図
【図3】本発明におけるSiダイオード素子の製造工程を順に示す概略図
【図4】フリップチップ型の発光素子を備えた従来の発光装置の概略縦断面図
【図5】静電気保護用のSiダイオード素子を備えた従来の発光装置の概略縦断面図
【符号の説明】
1 発光素子
1a 結晶基板
2 n側電極
3 p側電極
4,5 マイクロバンプ
6 基板
6a,6b リード
7 モールド樹脂
8 Siダイオード素子(静電気保護素子)
8a n型半導体領域
8a−1,8a−2 n電極
8b p型半導体領域
8b−1,8b−2 p電極
10 n型シリコン基板
11,12 酸化膜
11a,12a p型拡散窓
13,14 p型拡散領域
15,16 金属膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light-emitting device including a flip-chip type semiconductor light-emitting element using a gallium nitride compound used in an optical device such as a blue light-emitting diode, and more particularly to an electrostatic protection element for preventing breakdown due to static electricity The present invention relates to a semiconductor light emitting device that can be operated stably with the above.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of semiconductors of gallium nitride compounds such as GaN, GaAlN, InGaN, and InAlGaN, insulating sapphire is generally used as a crystal substrate for growing a semiconductor film on the surface thereof. In the case of using an insulating crystal substrate such as sapphire, the electrode cannot be provided from the crystal substrate side, so that the p and n electrodes provided on the semiconductor layer are formed on one surface facing the crystal substrate. become.
[0003]
For example, a light-emitting element using a GaN-based compound semiconductor uses a sapphire substrate as an insulating substrate, and an n-type layer and a p-type layer are stacked on the upper surface thereof by metal organic chemical vapor deposition. The basic structure is that an n-type layer is exposed by etching a portion and an n-side electrode and a p-side electrode are formed on each of the n-type layer and the p-type layer. If the p-side electrode is a transparent electrode, bonding pad portions are formed on the p-side and n-side electrodes, respectively, and wire-bonded to the lead frame and the substrate, respectively.
[0004]
On the other hand, in the flip-chip type semiconductor light emitting device in which light is extracted from the sapphire substrate side, the microelectrodes are formed on each of the p-side electrode and the n-side electrode without using the p-side electrode as a transparent electrode. Micro bumps are connected to the p side and n side of the substrate or lead frame.
[0005]
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an outline of a conventional chip LED using a flip-chip type semiconductor light emitting device.
[0006]
In the figure, the light-
[0007]
The
[0008]
However, it is known that a chip LED in which a semiconductor layer is laminated on such an insulating sapphire substrate 1a is very weak against static electricity due to a physical constant of the element material such as a dielectric constant ε and an element structure. It has been. For example, when a chip LED and a capacitor charged with static electricity are opposed to each other and a discharge is generated between them, the chip LED is destroyed at a static voltage of about 100 V in the forward direction and at a static voltage of about 30 V in the reverse direction.
[0009]
On the other hand, when the reverse voltage of the pn junction is increased in order to prevent the
[0010]
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an outline of a configuration example of an LED lamp in the case where an electrostatic protection element is provided, and the same members shown in FIG.
[0011]
In this example, the
[0012]
With such a configuration, when a high voltage is applied to the
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The
[0014]
However, in the case where the
[0015]
Further, since the
[0016]
In this way, the device including the
[0017]
The problem to be solved in the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of suppressing the bulk of the device even when an electrostatic protection element is incorporated and obtaining good light emission.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, an electrostatic protection element is mounted on a mounting surface of a base material such as a lead frame or a substrate, and a flip-chip type semiconductor light emitting element is electrically connected to the upper surface of the electrostatic protection element with p-side and n-side electrodes in reverse polarity. In the semiconductor light emitting device that is mounted and has the main light extraction surface opposite to the mounting surface side of the semiconductor light emitting element, the electrostatic protection element forms a conduction path between the base material and the semiconductor light emitting element. An n-type semiconductor region is formed over the entire length in the vertical direction, an n-electrode and a p-electrode are formed on the upper and lower surfaces of these semiconductor regions , respectively, and the n-electrode and the p-electrode are bonded to the semiconductor light emitting element and the substrate. It is characterized by becoming.
[0019]
With such a configuration, the base material side and the light emitting element side can be made conductive using the electrostatic protection element, so that an assembly that does not require wire bonding can be obtained.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, an electrostatic protection element is mounted on a mounting surface of a base material such as a lead frame or a substrate, and flip-chip type semiconductor light emitting elements are provided on the upper surface of the electrostatic protection element with p-side and n-side electrodes. In the semiconductor light emitting device having the main light extraction surface opposite to the mounting surface side of the semiconductor light emitting element, the electrostatic protection element is disposed between the substrate and the semiconductor light emitting element. n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region forming a conductive path each comprise over longitudinal entire length of the electrostatic protection element, the n-electrode is formed on the upper surface and the lower surface of the n-type semiconductor region, the upper surface of the p-type semiconductor region A p-electrode is formed on the lower surface, the n-electrode and the p-electrode formed on the upper surface are electrically connected to the semiconductor light emitting element, and the n-electrode and the p-electrode formed on the lower surface are electrically connected to the base material, Wirebo It has the effect of miniaturized light emitting device can be obtained by an assembly that does not require loading.
[0021]
The invention according to
[0022]
Hereinafter, specific examples of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of a chip LED, which is a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of a main part. In addition, about the same member as what was shown in the prior art example, it designates with a common code | symbol and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0023]
The light-emitting
[0024]
A
[0025]
The
[0026]
A specific manufacturing method for the diffusion formation of the p-
[0027]
First, the front and back sides of the n-type silicon substrate 10 (FIG. 3A), which is the material of the
[0028]
Next, impurities such as boron are implanted into the formed p-side diffusion windows 11a and 12a. In this case, if the thickness of the entire cross section of the n-type silicon substrate 10 (the thickness in the vertical direction in FIG. 3) becomes too large, the p-
[0029]
The diffusion depth is such that the diffusion layers diffused from the front side and the back side of the n-
[0030]
Next, after removing the
[0031]
After the above steps, the
[0032]
As shown in the figure, the illustrated
[0033]
In manufacturing the
[0034]
As described in the above manufacturing method, n-
[0035]
In the above configuration, since the
[0036]
The n-type and p-
[0037]
Further, since the
[0038]
In the illustrated example, it is mounted on the
[0039]
【The invention's effect】
In the present invention, since a conduction path between the light emitting element and the substrate side such as the lead frame can be formed using the electrostatic protection element, wire bonding is not necessary, and the process for that can be reduced, and the wire The amount corresponding to the bulk required to stretch the film can be reduced in size. Therefore, even if an electrostatic protection element is incorporated, the height and width of the light emitting device can be reduced, and both the prevention of breakdown due to static electricity and the miniaturization are achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a semiconductor light emitting device provided with a flip-chip type semiconductor light emitting element according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a main part of the light emitting element and Si diode element. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a Si diode element in order according to the present invention. FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view of a conventional light emitting device provided with a flip-chip type light emitting element. Schematic longitudinal sectional view of a conventional light emitting device [Explanation of symbols]
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8a n-
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