JP5151764B2 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

発光素子及び発光素子の製造方法 Download PDF

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本発明は、2つの電極が同じ側に形成される発光素子及びその製造方法に関する。
従来、発光ダイオード素子等の発光素子では、フリップチップタイプのように、n側とp側の2つの電極を同じ側に形成するものが知られている(特許文献1から3参照)。特許文献1では、n側電極とp側電極の上にn側バンプとp側バンプが形成され、p側バンプの上面がn側バンプの上面よりも高くなっている。また、特許文献2及び3では、p側バンプの上面とn側バンプの上面とが同じ高さとなっている。
特開平11−191641号公報 特開2004−153110号公報 特開2004−266296号公報
しかしながら、n側バンプとp側バンプがはんだ材で形成されており、はんだにより実装基板に接合する場合には、n側電極とp側電極のバンプの上面が同じ高さであったり、面積の大きなp側電極のバンプの上面が高い場合、発光素子が実装される実装基板等と当該発光素子との平行度が悪いと、n側バンプと実装基板等の電極パターン等とが接合されなかったり、n側バンプの内部にボイドが生じたりすることがある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実装基板等とのバンプ接合時に面積の小さな電極側で接合不良やボイドが生じることのない発光素子及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、n型コンタクト層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層と、前記p型コンタクト層上に形成されたp側電極と、成長基板に対して前記p側電極と同じ側に設けられ、前記p側電極の面積より小さい面積で前記n型コンタクト層上に形成されたn側電極と、前記p側電極上に形成される側バンプと、前記n側電極上に形成され、前記側バンプよりも高さが高い側バンプと、を備え、前記p側電極は、前記p型コンタクト層上に設けられた拡散電極、当該拡散電極上の一部の領域に設けられた中間電極、及び当該中間電極上に設けられたp側接合電極より構成され、前記n側電極は、前記n型コンタクト層上に設けられ、前記p側電極の前記中間電極よりも高さが高いオーミック電極、及び前記p側接合電極と同じ高さを有して前記オーミック電極上に設けられたn側接合電極より構成され、前記n側バンプが、前記n側電極の前記オーミック電極と前記p側電極の前記中間電極との高さの差に応じて前記p側バンプより高く構成されている発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記第2電極の上面に、溶融した前記第2バンプを受容可能な凹部を形成した構成が好ましい。
また、上記目的を達成するために、成長基板上にn型コンタクト層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を成長する成長工程と、前記III族窒化物半導体層の前記p型コンタクト層、前記p型クラッド層、前記発光層及び前記n型クラッド層の一部を切除して前記n型コンタクト層を露出させる露出工程と、前記p型コンタクト層上に拡散電極を、当該拡散電極上の一部の領域に中間電極を、当該中間電極上にp側接合電極を、それぞれ形成することにより、前記p型コンタクト層上にp側電極を形成するp側電極形成工程と、前記n型コンタクト層上に前記中間電極よりも高さが高いオーミック電極を、当該オーミック電極上に前記p側接合電極と同じ高さのn側接合電極を、それぞれ形成することにより、成長基板に対して前記p側電極と同じ側における前記n型コンタクト層上に前記p側電極の面積よりも面積が小さいn側電極を形成するn側電極形成工程と、前記p側電極上にp側バンプを、前記n側電極上にn側バンプを、それぞれ形成するバンプ形成工程と、を含み、前記バンプ形成工程は、前記n側電極の前記オーミック電極と前記p側電極の前記中間電極との高さの差に応じて前記n側バンプを前記p側バンプより高くする発光素子の製造方法が提供される。
上記発光素子の製造方法において、前記電極形成工程にて、前記n側電極の表面に、溶融した前記n側バンプを受容可能な凹部を形成することが好ましい。
本発明によれば、実装基板等とのバンプ接合時に面積の小さな電極側で接合不良やボイドが生じることはない。
図1から図5は本発明の第1の実施形態を示し、図1は発光素子の平面図である。
図1に示すように、発光素子1は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード(LED)である。この発光素子1は、順電圧が3.5Vで、順電流が20mAの場合に、ピーク波長が470nmの光を発する。また、発光素子1は上面視にて四角形状に形成される。発光素子1の平面寸法は、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略1.0mmである。
発光素子1は、第1電極としてのp側電極10と、第2電極としてのn側電極20と、p側電極10上に形成される第1バンプとしてのp側バンプ30と、n側電極20上に形成される第2バンプとしてのn側バンプ40と、を備えている。発光素子1は、p側電極10とn側電極20が同じ面に形成されるフリップチップタイプであり、平面視にて略正方形状を呈している。
p側電極10は、平面視にて、n側電極20よりも面積が大きい。本実施形態においては、p側電極10の拡散電極11は、平面視にて櫛状に形成され、拡散電極11における櫛の歯に対応する部分上に、接合電極13(図1中不図示)を介して互いに平行な長尺の複数のp側バンプ30が形成されている。幅方向について外側の接合電極13及びp側バンプ30は、他の接合電極13及びp側バンプ30よりも短く形成されている。
n側電極20のオーミック電極21は、p側電極10のメサ部分に形成される。オーミック電極21上には接合電極22(図1中不図示)を介してn側バンプ40が形成されている。本実施形態においては、n側電極20の接合電極22及びn側バンプ40は、発光素子1の2つの角部に形成され、短く形成されたp側の接合電極13及びp側バンプ30の先端と平面視にて対向している。
図2は、図1のA−A断面図である。
図2に示すように、発光素子1は、(0001)面を有するサファイア基板50と、サファイア基板50の上に設けられるバッファ層60と、バッファ層60の上に設けられるn側コンタクト層61と、n側コンタクト層61の上に設けられるn側クラッド層62と、n側クラッド層62の上に設けられる発光部としての発光層63と、発光層63の上に設けられるp側クラッド層64と、p側クラッド層64の上に設けられるp側コンタクト層65とを備える。
バッファ層60と、n側コンタクト層61と、n側クラッド層62と、発光層63と、p側クラッド層64と、p側コンタクト層65は、それぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。バッファ層20からp側コンタクト層65までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy : MBE)、ハライド気相エピタキシー法(Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE)等によって形成される。
本実施形態においては、バッファ層60は、AlNから形成される。そして、n側コンタクト層61とn側クラッド層62は、所定量のSiをn型ドーパントとしてドーピングしたn−GaNからそれぞれ形成される。また、発光層63は、InGa1−xN/GaNから形成される多重量子井戸構造を有する。さらに、p側クラッド層64とp側コンタクト層65は、所定量のMgをp型ドーパントとしてドーピングしたp−GaNからそれぞれ形成される。尚、バッファ層20はGaNから形成されていてもよいし、発光層30の量子井戸構造は多重量子井戸構造でなく単一量子井戸の構造であってもよい。
また、発光素子1のp側電極10は、p側コンタクト層65の上に設けられる前述の拡散電極11と、拡散電極11上の一部の領域に設けられる中間電極12と、を有している。拡散電極11は、中間電極12の部分を除いて絶縁部70により覆われ、絶縁部70の内部には反射部80が配置されている。絶縁部70は、中間電極12を露出させる開口71を有している。また、p側電極10は、絶縁部70の上面を覆い中間電極12と接触する接合電極13を有している。
本実施形態においては、p側電極10の拡散電極11は透明電極であり、ITO(Indium Tin Oxide)から形成される。また、絶縁部70は、二酸化シリコン(SiO)から形成される。また、反射部80は、アルミニウム(Al)から形成される。尚、絶縁部70は、酸化チタン(TiO)、アルミナ(Al)、五酸化タンタル(Ta)等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。また、反射部80は、Agから形成することもでき、Al又はAgを主成分として含む合金から形成することもできる。また、反射部80は、屈折率の異なる2つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector : DBR)であってもよい。
中間電極12は、拡散電極11との接触部分に形成されるNi層と、接合電極13との接触部分に形成されるAl層と、Ni層とAl層の間に形成されるAu層と、を有する。
接合電極13は、絶縁部70及び中間電極12と接触する接触メタルと、接触メタルの上に形成される拡散防止部としての第1バリアメタルと、第1バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第2バリアメタルと、第2バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第3バリアメタルと、第3バリアメタルの上に形成されるはんだ電極を有する。本実施形態においては、接触メタルはTiから構成され、第1バリアメタル及び第3バリアメタルはNiから構成され、第2バリアメタルはTiから構成され、はんだ電極は所定の温度で溶融するAuとSnとの合金材料から構成される。
接合電極13の上に、所定高さのp側バンプ30が形成されている。本実施形態においては、p側バンプ30は、表層がAuのAu−Snはんだから構成されている。
n側電極20は、n側コンタクト層61の上に設けられる前述のオーミック電極21と、オーミック電極21上に設けられる接合電極22と、を有している。オーミック電極21は、Ti、Al、Pd、Pt、V、Ir、及びRhの金属よりなる群から選ばれた少なくとも1種の金属を含んで形成される。絶縁部70は、オーミック電極21の形成領域を除いてn側コンタクト層61を覆っている。絶縁部70は、オーミック電極21を露出させる開口72を有している。
接合電極22は、オーミック電極21と接触する接触メタルと、接触メタルの上に形成される拡散防止部としての第1バリアメタルと、第1バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第2バリアメタルと、第2バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第3バリアメタルと、第3バリアメタルの上に形成されるはんだ電極を有する。本実施形態においては、接触メタルはTiから構成され、第1バリアメタル及び第3バリアメタルはNiから構成され、第2バリアメタルはTiから構成され、はんだ電極は所定の温度で溶融するAuとSnとの合金材料から構成される。本実施形態においては、n側電極20の接合電極22は、p側電極10の接合電極13と同じ層構成で同じ厚さ寸法となっている。
p側バンプ30及びn側バンプ40は、それぞれAu−Snはんだからなり、めっき法、スクリーン印刷法、スパッタ法、真空蒸着法等により接合電極13,22上に形成される。n側電極20の接合電極22は、平面視にて、p側電極10の接合電極13よりも小さく、小さい方のn側の接合電極22のn側バンプ40がp側バンプ30よりも高く形成されている。本実施形態においては、p側バンプ30とn側バンプ40の高さ寸法は同じであるが、p側バンプ30とn側バンプ40の高さが異なるよう構成されている。n側バンプ40は製造時の誤差を考慮してp側バンプ30よりも高く形成され、製造時の誤差によってp側バンプ30の方が高くなってしまうことはない。
(発光素子1の製造工程)
図3から図5は、第1の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一例を示す。図3(a)は、n側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図である。図3(b)は、n側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図である。また、図3(c)は、拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図である。さらに、図3(d)は、拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。
まず、サファイア基板50を準備し、このサファイア基板50の上に、バッファ層60と、n側コンタクト層61と、n側クラッド層62と、発光層63と、p側クラッド層64と、p側コンタクト層65とをこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する。
続いて、フォトレジストによるマスク200をp側コンタクト層65上にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する(図3(a))。次に、マスク200が形成された部分以外をp側コンタクト層65からn側コンタクト層61の一部までエッチングした後、マスク200を除去する。これにより、n側クラッド層62からp側コンタクト層65までの複数の化合物半導体層から構成されるメサ部分が形成される(図3(b))。
この後、n側コンタクト層61及びp側コンタクト層65の上に、全体的に拡散電極11を形成する。本実施形態において拡散電極11はITOであり、真空蒸着法を用いて形成される。尚、拡散電極11は、スパッタリング法、CVD法、ゾルゲル法等により形成することもできる。そして、拡散電極11を残す領域にフォトレジストによるマスク201を形成する(図3(c))。続いて、拡散電極11におけるマスク201に被覆されていない領域をエッチングする。これにより、p側コンタクト層65の所定領域に拡散電極11が形成される(図3(d))。
図4(a)は、n側のオーミック電極を形成した後の縦断面図である。また、図4(b)は、中間電極を形成した後の縦断面図である。さらに、図4(c)は、反射部を形成した後の縦断面図である。
次いで、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、オーミック電極21を、n側コンタクト層61の予め定められた領域に形成する(図4(a))。尚、n側コンタクト層61の上にオーミック電極21の熱処理前の材料を設けておき、オーミック電極21に熱処理を施すようにしてもよい。
続いて、拡散電極11の所定の位置に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて中間電極12を形成する(図4(b))。オーミック電極21と中間電極12の上面高さは、オーミック電極21の方が高くなっている。本実施形態においては、この段階におけるオーミック電極21と中間電極12の上面高さの差が、p側バンプ30とn側バンプ40の上面高さの差となる。次に、n側コンタクト層61、n側オーミック電極21、メサ部分、拡散電極11及び中間電極12を覆う絶縁部70を、真空蒸着法により形成する。そして、絶縁部70上における中間電極12及びオーミック電極21の上方を除く所定の領域に、蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて反射部80を形成する(図4(c))。
図5(a)は、反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図である。また、図5(b)は、絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図である。さらに、図5(c)は、接合電極を形成した後の縦断面図である。
この後、真空蒸着法を用いて、絶縁部70が素子の上側に全体的に形成される(図5(a))。続いて、オーミック電極21上の絶縁部70と、中間電極12上の絶縁部70を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去する。これにより、中間電極12上に開口71が形成されると共に、オーミック電極21上に開口72が形成される(図5(b))。
次に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、開口71及び開口72のそれぞれ内側に、p側の接合電極13及びn側の接合電極22を形成する(図5(c))。本実施形態においては、p側の接合電極13及びn側の接合電極22は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。なお、n側コンタクト層61、中間電極12及び接合電極13,22は、それぞれ、スパッタリング法により形成することもできる。また、絶縁部70は、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition : CVD)により形成することもできる。
そして、めっき法により各接合電極13,22上にAu−Snはんだを成長させ、p側バンプ30及びn側バンプ40を作製する。このとき、n側バンプ40の上面高さが、p側バンプ30の上面高さよりも高くなるようにし、発光素子1が完成する(図1)。本実施形態においては、p側バンプ30とn側バンプ40は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。
以上の工程を経て形成された発光素子1は、導電性材料の配線パターンが予め形成されたセラミック等から構成されるサブマウントの所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。このとき、n側バンプ40の上面高さがp側バンプ30よりも高いので、n側バンプ40がサブマウント側の配線パターンと的確に接続される。また、p側バンプ30は、n側バンプ40より低いものの、n側バンプ40と比べると体積が大きいためサブマウント側の配線パターンとの接続に支障をきたすことはない。そして、基板に実装された発光素子1を、エポキシ樹脂、ガラス等の封止材で一体として封止することにより、発光素子1はパッケージ化される。
以上のように構成された発光素子1によれば、面積の小さなn側電極20のn側バンプ40の上面高さを、p側バンプ30よりも高く形成したので、実装時にn側バンプ40の量が不足してボイドが生じる、接合不良となる等の不具合を生じることはなく、発光素子1の信頼性、放熱性等を確実に保証することができる。
尚、前記実施形態においては、p側電極の面積が大きいため、第1電極をp側電極とし第2電極をn側電極としたものを示したが、n側電極の面積が大きい場合は、第1電極をn側電極とし第2電極をp側電極とすればよい。この場合、p側電極のp側バンプの上端の高さがn側バンプよりも高くなる。
また、前記実施形態においては、III族窒化物半導体層を備えた発光素子を示したが、他の半導体層を備えたものであってもよい。
図6及びは図7は本発明の第2の実施形態を示し、図6は発光素子の平面図である。
図6に示すように、第2の実施形態の発光素子101は、n側電極20に凹部25を形成した点で第1の実施形態の発光素子1と構成を異にしている。凹部25は、平面視にて、角部に形成される2つのn側バンプ40にそれぞれ隣接して設けられる。本実施形態においては、各凹部25は、溝状に形成され、発光素子101の外縁側から中央側(図6中下方向)へ向かうよう形成されている。
図7は、図6のB−B断面図である。
図7に示すように、凹部25は、n側電極20の接合電極21におけるp側電極10側を凹ますことにより形成されている。これにより、発光素子101の実装基板への実装時に、n側バンプ40が溶融すると、凹部25に溶融したバンプが流入するようになっている。これにより、n側バンプ40が流出して、n側とp側とで短絡することを防止することができる。
尚、第2の実施形態では、各凹部25が溝状であるものを示したが、各凹部の形状は任意である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の全ての組合せが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
図1は、本発明の第1の実施形態を示す発光素子の平面図である。 図2は、図1のA−A断面図である。 図3は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)はn側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図、(b)はn側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図、(c)は拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図、(d)は拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。 図4は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)はn側のオーミック電極を形成した後の縦断面図、(b)は中間電極を形成した後の縦断面図、(c)は反射部を形成した後の縦断面図である。 図5は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)は反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図、(b)は絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図、(c)は、接合電極を形成した後の縦断面図である。 図6は、本発明の第2の実施形態を示す発光素子の平面図である。 図7は、図6のB−B断面図である。
符号の説明
1 発光素子
10 p側電極
11 拡散電極
12 中間電極
13 接合電極
20 n側電極
21 オーミック電極
22 接合電極
25 凹部
30 p側バンプ
40 n側バンプ
50 サファイア基板
60 バッファ層
61 n側コンタクト層
62 n側クラッド層
63 発光層
64 p側クラッド層
65 p側コンタクト層
70 絶縁部
71 開口
72 開口
80 反射部
101 発光素子
200 マスク
201 マスク

Claims (4)

  1. n型コンタクト層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層と、
    前記p型コンタクト層上に形成されたp側電極と、
    成長基板に対して前記p側電極と同じ側に設けられ、前記p側電極の面積より小さい面積で前記n型コンタクト層上に形成されたn側電極と、
    前記p側電極上に形成される側バンプと、
    前記n側電極上に形成され、前記側バンプよりも高さが高い側バンプと、を備え
    前記p側電極は、前記p型コンタクト層上に設けられた拡散電極、当該拡散電極上の一部の領域に設けられた中間電極、及び当該中間電極上に設けられたp側接合電極より構成され、
    前記n側電極は、前記n型コンタクト層上に設けられ、前記p側電極の前記中間電極よりも高さが高いオーミック電極、及び前記p側接合電極と同じ高さを有して前記オーミック電極上に設けられたn側接合電極より構成され、
    前記n側バンプが、前記n側電極の前記オーミック電極と前記p側電極の前記中間電極との高さの差に応じて前記p側バンプより高く構成されている発光素子。
  2. 前記第2電極の上面に、溶融した前記第2バンプを受容可能な凹部を形成した請求項1に記載の発光素子。
  3. 成長基板上にn型コンタクト層と、n型クラッド層と、発光層と、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、を含むIII族窒化物半導体層を成長する成長工程と、
    前記III族窒化物半導体層の前記p型コンタクト層、前記p型クラッド層、前記発光層及び前記n型クラッド層の一部を切除して前記n型コンタクト層を露出させる露出工程と、
    前記p型コンタクト層上に拡散電極を、当該拡散電極上の一部の領域に中間電極を、当該中間電極上にp側接合電極を、それぞれ形成することにより、前記p型コンタクト層上にp側電極を形成するp側電極形成工程と、
    前記n型コンタクト層上に前記中間電極よりも高さが高いオーミック電極を、当該オーミック電極上に前記p側接合電極と同じ高さのn側接合電極を、それぞれ形成することにより、成長基板に対して前記p側電極と同じ側における前記n型コンタクト層上に前記p側電極の面積よりも面積が小さいn側電極を形成するn側電極形成工程と、
    前記p側電極上にp側バンプを、前記n側電極上にn側バンプを、それぞれ形成するバンプ形成工程と、を含み、
    前記バンプ形成工程は、前記n側電極の前記オーミック電極と前記p側電極の前記中間電極との高さの差に応じて前記n側バンプを前記p側バンプより高くする発光素子の製造方法。
  4. 前記n側電極形成工程、前記n側電極の表面に、溶融した前記n側バンプを受容可能な凹部を形成する工程を含む請求項に記載の発光素子の製造方法。
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