JPH069257B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法Info
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- JPH069257B2 JPH069257B2 JP1076652A JP7665289A JPH069257B2 JP H069257 B2 JPH069257 B2 JP H069257B2 JP 1076652 A JP1076652 A JP 1076652A JP 7665289 A JP7665289 A JP 7665289A JP H069257 B2 JPH069257 B2 JP H069257B2
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- compound semiconductor
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- light emitting
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、マグネシウムを添加した窒化ガリウム系化合
物半導体層を有する純青色発光素子の作製方法に関する
ものである。
物半導体層を有する純青色発光素子の作製方法に関する
ものである。
(従来の技術) 従来、有機金属化合物気相成長法(以下、MOVPE法
と記す)を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体(Ga
1-XAlxN但し1>x≧0)をサファイア基板上に気
相成長させた構造の青色発光素子が研究されている。
と記す)を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体(Ga
1-XAlxN但し1>x≧0)をサファイア基板上に気
相成長させた構造の青色発光素子が研究されている。
これらの材料により青色発光素子を作製する場合には、
従来絶縁層を形成するため、及び青色発光中心の形成を
狙いとして亜鉛が添加される。亜鉛添加窒化ガリウム系
化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)に於け
る発光素子の発光ピーク波長は425nm付近の紫色、及
び490nm付近の青緑色領域であった。
従来絶縁層を形成するため、及び青色発光中心の形成を
狙いとして亜鉛が添加される。亜鉛添加窒化ガリウム系
化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)に於け
る発光素子の発光ピーク波長は425nm付近の紫色、及
び490nm付近の青緑色領域であった。
(発明が解決しようとする課題) 窒化ガリウム系化合物半導体を用いて青色発光素子を作
製する場合、添加する不純物に必要となる役割は二つあ
る。一つには絶縁層の形成が可能であること、もう一つ
は添加した不純物自体或はそれが関係して青色発光中心
を形成することである。窒化ガリウム系化合物半導体に
於て一般的に用いられる亜鉛の場合、絶縁層の形成は可
能であるが、それが関係して形成される発光中心に問題
があった。即ち、形成される発光中心は前述のごとく紫
色及び青緑色領域に発光ピークがあった。明所視で目視
により青色と観測される光の波長は450nmから480nm
の範囲内であり、亜鉛添加窒化ガリウム系化合物半導体
(Ga1-XAlxN但し1>x≧0)による発光素子では
色純度の問題があった。
製する場合、添加する不純物に必要となる役割は二つあ
る。一つには絶縁層の形成が可能であること、もう一つ
は添加した不純物自体或はそれが関係して青色発光中心
を形成することである。窒化ガリウム系化合物半導体に
於て一般的に用いられる亜鉛の場合、絶縁層の形成は可
能であるが、それが関係して形成される発光中心に問題
があった。即ち、形成される発光中心は前述のごとく紫
色及び青緑色領域に発光ピークがあった。明所視で目視
により青色と観測される光の波長は450nmから480nm
の範囲内であり、亜鉛添加窒化ガリウム系化合物半導体
(Ga1-XAlxN但し1>x≧0)による発光素子では
色純度の問題があった。
そこで純青色発光中心が形成され、かつ絶縁層の形成が
可能な不純物を各種探索した結果、Mgがその二つの役
割を果たすことを見いだした。
可能な不純物を各種探索した結果、Mgがその二つの役
割を果たすことを見いだした。
(課題を解決するための手段) 本発明は水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内にサフ
ァイヤ等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有機ガ
リウム化合物、有機III族元素化合物及びアンモニアを
ガス状で導入し、基板上にて気相成長法によりGa1-XA
lxN(但し1>x≧0)の単結晶層からなるn型窒化
ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガスに有機マ
グネシウム化合物をガス状で反応管内に導入し、絶縁層
及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加したi型
の窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1
>x≧0)層を作製することを特徴とする窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子の作製方法にある。
ァイヤ等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有機ガ
リウム化合物、有機III族元素化合物及びアンモニアを
ガス状で導入し、基板上にて気相成長法によりGa1-XA
lxN(但し1>x≧0)の単結晶層からなるn型窒化
ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガスに有機マ
グネシウム化合物をガス状で反応管内に導入し、絶縁層
及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加したi型
の窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1
>x≧0)層を作製することを特徴とする窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子の作製方法にある。
(作 用) 本発明の好ましい実施例では前記マグネシウム(Mg)
添加窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し
1>x≧0)層に於て、添加するマグネシウム(Mg)
のIII族元素に対する濃度は絶縁層形成のため1018cm-3
以上であることが好ましい。また必要以上に高濃度に添
加された場合、他の発光中心が形成され、純青色発光の
効率が低下するため2×1020cm-3以内であることが好ま
しい。
添加窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し
1>x≧0)層に於て、添加するマグネシウム(Mg)
のIII族元素に対する濃度は絶縁層形成のため1018cm-3
以上であることが好ましい。また必要以上に高濃度に添
加された場合、他の発光中心が形成され、純青色発光の
効率が低下するため2×1020cm-3以内であることが好ま
しい。
また作製した発光素子に於て、最も大きい光強度を示す
発光波長が430nmから480nmの範囲であることが特徴
である。
発光波長が430nmから480nmの範囲であることが特徴
である。
(実施例) 以下、添付図面を参照して本発明による純青色発光素子
の作製法の実施例を説明する。しかし、図示し且つ以下
に説明する実施例は、本発明の方法を例示するものに過
ぎず、本発明を限定するものではない。
の作製法の実施例を説明する。しかし、図示し且つ以下
に説明する実施例は、本発明の方法を例示するものに過
ぎず、本発明を限定するものではない。
第1図は純青色発光素子を作製するために使用する窒化
ガリウム系化合物半導体のエピタキシアル結晶成長装置
の概略図である。第1図において、1は反応管、2は基
板加熱用サセプタ、3はその上に載置した基板を示し、
4は原料ガス供給管、5は反応管に連設した試料予備
室、6はターボ真空ポンプ、7,8はロータリー真空ポ
ンプを示す。9は原料ガスと水素との供給装置であっ
て、10は水素供給口、11はアンモニアガス(NH3)供
給口、12A,12B,12C,12D,12E,12F,12Gは水
素流量計、13はビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(CP2Mg)又はビスメチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム(MCP2Mg)の貯留槽、14はトリメチル
アルミニウム(TMA)の貯留槽、15はトリメチルガリ
ウム(TMG)の貯留槽、16〜31は流量制御弁、32〜34
は切換混合弁を示す。
ガリウム系化合物半導体のエピタキシアル結晶成長装置
の概略図である。第1図において、1は反応管、2は基
板加熱用サセプタ、3はその上に載置した基板を示し、
4は原料ガス供給管、5は反応管に連設した試料予備
室、6はターボ真空ポンプ、7,8はロータリー真空ポ
ンプを示す。9は原料ガスと水素との供給装置であっ
て、10は水素供給口、11はアンモニアガス(NH3)供
給口、12A,12B,12C,12D,12E,12F,12Gは水
素流量計、13はビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(CP2Mg)又はビスメチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム(MCP2Mg)の貯留槽、14はトリメチル
アルミニウム(TMA)の貯留槽、15はトリメチルガリ
ウム(TMG)の貯留槽、16〜31は流量制御弁、32〜34
は切換混合弁を示す。
サファイヤ等の絶縁体基板上に窒化ガリウム系化合物半
導体を気相でエピタキシアル成長させて単結晶を形成す
るには、上記の反応管1は予め真空に吸引し、水分、酸
素その他の不純物を除き大気圧の水素雰囲気として、反
応管1をヒーター35により加熱して結晶成長温度に保つ
ようにし、反応管1内に設けた基板加熱用サセプタ2上
に例えばサファイア等の結晶成長用絶縁体基板3を設置
し、高周波誘導加熱等により外部より反応管1を加熱
し、結晶成長温度に基板加熱用サセプタ2を保持しつ
つ、結晶成長効率及び不純物添加効率をあげるために設
置された原料導入管4により原料ガスを導入し、導入ガ
スを基板上で気相でエピタキシアル成長法で必要な結晶
成長層厚さになるまで結晶成長を行う。発光ダイオード
を作製するにはサファイア等の基板3の上に故意に不純
物を添加していないn型の該窒化ガリウム系化合物半導
体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)の単結晶を形成の
後、Mg成分をビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(CP2Mg)又はビスメチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム(MCP2Mg)等の有機マグネシウム化合
物をガス態で原料ガスに混合し、Mg成分を添加した窒
化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x
≧0)層を作製する。固体中のMg添加量の制御は、M
gとGaの流量比を切換混合弁32〜34により行い、第2
図に示すようにMg原料ガス供給量に加減により制御す
る。
導体を気相でエピタキシアル成長させて単結晶を形成す
るには、上記の反応管1は予め真空に吸引し、水分、酸
素その他の不純物を除き大気圧の水素雰囲気として、反
応管1をヒーター35により加熱して結晶成長温度に保つ
ようにし、反応管1内に設けた基板加熱用サセプタ2上
に例えばサファイア等の結晶成長用絶縁体基板3を設置
し、高周波誘導加熱等により外部より反応管1を加熱
し、結晶成長温度に基板加熱用サセプタ2を保持しつ
つ、結晶成長効率及び不純物添加効率をあげるために設
置された原料導入管4により原料ガスを導入し、導入ガ
スを基板上で気相でエピタキシアル成長法で必要な結晶
成長層厚さになるまで結晶成長を行う。発光ダイオード
を作製するにはサファイア等の基板3の上に故意に不純
物を添加していないn型の該窒化ガリウム系化合物半導
体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)の単結晶を形成の
後、Mg成分をビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(CP2Mg)又はビスメチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム(MCP2Mg)等の有機マグネシウム化合
物をガス態で原料ガスに混合し、Mg成分を添加した窒
化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x
≧0)層を作製する。固体中のMg添加量の制御は、M
gとGaの流量比を切換混合弁32〜34により行い、第2
図に示すようにMg原料ガス供給量に加減により制御す
る。
第3図にMgを適量添加した場合(a:4×1019c
m-3)、及び適量以上添加した場合(b:3×1020c
m-3)の窒化ガリウムのフォトルミネッセンス(PL)
スペクトルを示す。Mgを適量添加した場合には純青色
発光が明瞭に観測されるが、ある濃度を越えると純青色
発光強度は小さくなり、長波長緑色発光が主体となる。
Mg添加量に関する詳細な実験の結果、発光色の変化す
るMg添加量が2×1020cm-3程度であることを見いだし
た。またこれらの試料を用いて発光ダイオードを作製
し、フォトルミネッセンスと同様、エレクトロルミネッ
センスに於いても同様の結果を示すことが確かめられ
た。
m-3)、及び適量以上添加した場合(b:3×1020c
m-3)の窒化ガリウムのフォトルミネッセンス(PL)
スペクトルを示す。Mgを適量添加した場合には純青色
発光が明瞭に観測されるが、ある濃度を越えると純青色
発光強度は小さくなり、長波長緑色発光が主体となる。
Mg添加量に関する詳細な実験の結果、発光色の変化す
るMg添加量が2×1020cm-3程度であることを見いだし
た。またこれらの試料を用いて発光ダイオードを作製
し、フォトルミネッセンスと同様、エレクトロルミネッ
センスに於いても同様の結果を示すことが確かめられ
た。
この結果は、窒化ガリウムの例を示したがAlを含む窒
化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x
≧0)に於いても同様の結果を示すことが確かめられ
た。
化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x
≧0)に於いても同様の結果を示すことが確かめられ
た。
以上の結果より、添加するMgの量は2×1020cm-3以下
であることが好ましい。また添加するMg量が1018cm-3
より少なくなると発光ダイオードに於ける絶縁層の形成
が困難となるため、それ以上添加する必要がある。
であることが好ましい。また添加するMg量が1018cm-3
より少なくなると発光ダイオードに於ける絶縁層の形成
が困難となるため、それ以上添加する必要がある。
窒化ガリウム系化合物半導体の気相エピタキシアル成長
に際して、Ga成分に対するMg成分の混合割合は0.1
〜10atm%であり、Gaの原料ガスとして使用するトリ
メチルガリウム(TMG)の蒸気圧は30mmHg/−15℃
である。
に際して、Ga成分に対するMg成分の混合割合は0.1
〜10atm%であり、Gaの原料ガスとして使用するトリ
メチルガリウム(TMG)の蒸気圧は30mmHg/−15℃
である。
(発明の効果) 以上の説明のように、本発明による発光素子の作製方法
によれば結晶成長用基板上にn型該窒化ガリウム系化合
物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)単結晶から
なるn型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、絶縁
層及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加した窒
化ガリウム系化合物半導体(Ga1-XAlxN但し1>x
≧0)層を形成することにより、純青色発光ダイオード
を作製することが可能である。従来知られている青色発
光ダイオードとよばれているものは発光波長が紫色また
は青緑色領域にかたよっているもの、或はより長波長の
発光が無視できず色純度に問題のあるものが殆どであっ
た。第3図(a)のように450nm付近に発光ピーク波
長を持ち、かつより長波長の発光が殆ど観測されない発
光スペクトルを示すダイオードは現在まで報告された例
はなかった。
によれば結晶成長用基板上にn型該窒化ガリウム系化合
物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)単結晶から
なるn型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、絶縁
層及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加した窒
化ガリウム系化合物半導体(Ga1-XAlxN但し1>x
≧0)層を形成することにより、純青色発光ダイオード
を作製することが可能である。従来知られている青色発
光ダイオードとよばれているものは発光波長が紫色また
は青緑色領域にかたよっているもの、或はより長波長の
発光が無視できず色純度に問題のあるものが殆どであっ
た。第3図(a)のように450nm付近に発光ピーク波
長を持ち、かつより長波長の発光が殆ど観測されない発
光スペクトルを示すダイオードは現在まで報告された例
はなかった。
本発明による発光素子の作製方法を用いれば、特別な色
フィルターを使用することなく純青色発光ダイオードの
作製が可能となるため、フィルターによる損失がなく従
来のものと比較して効率の高い青色発光ダイオードの実
現が可能である。本発明により現在まで実用化の遅れて
いる青色発光ダイオードの実用化が可能となる工業上大
なる利益がある。
フィルターを使用することなく純青色発光ダイオードの
作製が可能となるため、フィルターによる損失がなく従
来のものと比較して効率の高い青色発光ダイオードの実
現が可能である。本発明により現在まで実用化の遅れて
いる青色発光ダイオードの実用化が可能となる工業上大
なる利益がある。
第1図は本発明を実現するための結晶成長装置の概略構
成図、 第2図はMg原料ガス供給量と窒化ガリウムに添加され
たMg量の関係を示す特性図、 第3図は本発明の発光素子において、発光波長と発光強
度フォトルミネッセンスPLとの特性図で、 (a)曲線はMgを4×1019cm-3添加した試料の室温で
のフォトルミネッセンススペクトル特性図、(b)曲線
はMgを3×1020cm-3添加した試料の室温でのフォトル
ミネッセンススペクトル特性図である。 1…結晶成長用反応管 2…基板加熱用サセプタ 3…基板 4…原料導入管 5…試料予備室 6…ターボ真空ポンプ 7,8…ロータリー真空ポンプ 9…原料ガスと水素との供給装置 10…水素供給口 11…アンモニアガス(NH3)供給口 12A〜12G…水素流量計 13…CP2Mg又はMCP2Mg等の有機Mg化合物の
貯留槽 14…トリメチルアルミニウム(TMA)の貯留槽 15…トリメチルガリウム(TMG)の貯留槽 16〜31…流量制御弁 32〜34…切換混合弁 35〜36…排出口 37〜40…流量制御弁
成図、 第2図はMg原料ガス供給量と窒化ガリウムに添加され
たMg量の関係を示す特性図、 第3図は本発明の発光素子において、発光波長と発光強
度フォトルミネッセンスPLとの特性図で、 (a)曲線はMgを4×1019cm-3添加した試料の室温で
のフォトルミネッセンススペクトル特性図、(b)曲線
はMgを3×1020cm-3添加した試料の室温でのフォトル
ミネッセンススペクトル特性図である。 1…結晶成長用反応管 2…基板加熱用サセプタ 3…基板 4…原料導入管 5…試料予備室 6…ターボ真空ポンプ 7,8…ロータリー真空ポンプ 9…原料ガスと水素との供給装置 10…水素供給口 11…アンモニアガス(NH3)供給口 12A〜12G…水素流量計 13…CP2Mg又はMCP2Mg等の有機Mg化合物の
貯留槽 14…トリメチルアルミニウム(TMA)の貯留槽 15…トリメチルガリウム(TMG)の貯留槽 16〜31…流量制御弁 32〜34…切換混合弁 35〜36…排出口 37〜40…流量制御弁
Claims (3)
- 【請求項1】水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内に
サファイヤ等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有
機ガリウム化合物、有機III族元素化合物及びアンモニ
アをガス状で導入し、基板上にて気相成長法によりGa
1-XAlxN(但し1>x≧0)の単結晶層からなるn
型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガスに
有機マグネシウム化合物をガス状で反応管内に導入し、
絶縁層及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加し
たi型の窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAlxN
(但し1>x≧0)層を作製することを特徴とする窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法。 - 【請求項2】前記マグネシウム(Mg)添加窒化ガリウ
ム系化合物半導体Ga1-XAlxN(但し1>x≧0)層
に於て、添加するマグネシウム(Mg)のIII族元素に
対する濃度が1018cm-3から2×1020cm-3の範囲内である
請求項1記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の
作製方法。 - 【請求項3】作製した発光素子に於て、最も大きい光強
度を示す発光波長が430nmから480nmの範囲内である
ことを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1076652A JPH069257B2 (ja) | 1989-03-30 | 1989-03-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1076652A JPH069257B2 (ja) | 1989-03-30 | 1989-03-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1303195A Division JP2767392B2 (ja) | 1995-01-30 | 1995-01-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
| JP13616696A Division JP2916613B2 (ja) | 1996-05-30 | 1996-05-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02257678A JPH02257678A (ja) | 1990-10-18 |
| JPH069257B2 true JPH069257B2 (ja) | 1994-02-02 |
Family
ID=13611335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1076652A Expired - Lifetime JPH069257B2 (ja) | 1989-03-30 | 1989-03-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH069257B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2006-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
Families Citing this family (10)
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|---|---|---|---|---|
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| JPH088217B2 (ja) † | 1991-01-31 | 1996-01-29 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
| US5290393A (en) * | 1991-01-31 | 1994-03-01 | Nichia Kagaku Kogyo K.K. | Crystal growth method for gallium nitride-based compound semiconductor |
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| JP2657743B2 (ja) * | 1992-10-29 | 1997-09-24 | 豊田合成株式会社 | 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 |
| KR100374479B1 (ko) * | 2000-01-07 | 2003-03-04 | 엘지전자 주식회사 | 질화물계 반도체 성장 방법 |
| JP2006193348A (ja) | 2005-01-11 | 2006-07-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Iii族窒化物半導体基板およびその製造方法 |
| US8778078B2 (en) | 2006-08-09 | 2014-07-15 | Freiberger Compound Materials Gmbh | Process for the manufacture of a doped III-N bulk crystal and a free-standing III-N substrate, and doped III-N bulk crystal and free-standing III-N substrate as such |
| JP5629340B2 (ja) * | 2013-03-04 | 2014-11-19 | フライベルガー・コンパウンド・マテリアルズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツングFreiberger Compound Materials Gmbh | ドープiii−nバルク結晶及び自立型ドープiii−n基板 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS63188935A (ja) * | 1987-01-31 | 1988-08-04 | Toyoda Gosei Co Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置 |
-
1989
- 1989-03-30 JP JP1076652A patent/JPH069257B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2006-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US7616672B2 (en) | 1994-09-14 | 2009-11-10 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2015-01-13 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02257678A (ja) | 1990-10-18 |
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