KR100635346B1 - 색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩 및 그것을제조하는 방법 - Google Patents

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김재조
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Abstract

색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 교류용 발광 다이오드 칩은 기판 상에 형성된 복수개의 발광셀들을 포함한다. 색변환 물질층이 발광셀들을 덮는다. 이 색변환 물질층은 형광체를 함유한다. 한편, 금속배선들이 발광셀들을 전기적으로 연결한다. 이에 따라, 형광체를 함유하는 색변환물질층을 채택하여 칩 레벨에서 백색 구현이 가능하며, 교류전원에 연결하여 구동될 수 있는 교류용 발광 다이오드 칩을 제공할 수 있다.
발광 다이오드, 발광셀, SOG(spin-on glass), 형광체, 교류전원

Description

색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE CHIP HAVING A COLOR CONVERTING LAYER FOR AC POWER OPERATION AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드 칩의 동작을 설명하기 위한 개략적인 회로도들이다.
본 발명은 발광 다이오드 칩 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형광체를 함유하는 색변환 물질층을 구비하여 다양한 색의 광, 예컨대 백색광을 구현할 수 있으며, 복수개의 발광셀들을 구비하여 교류 구동이 가능한 발광 다이오드 칩 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 발광소자는 자외선 또는 청색광을 방출하는 질화갈륨(GaN) 계열 특히, 알루미늄-인디움-갈륨나이트라이드(AlxInyGazN) 계열의 발광 다이오드 및 발광 다이오드에서 방출된 광의 일부를 흡수하여 장파장의 광을 방출하는 형광체를 포함한다. 이러한 백색 발광소자는 광원으로서 단일파장의 광원을 사용하므로, 다양한 파장의 광원을 사용하는 백색 발광소자에 비해 구조가 매우 단순하고 가격이 싸다.
자외선 발광 다이오드를 채택한 백색 발광소자가 미국특허 제6,084,250호에 "백색 발광 다이오드"(White light emitting diode)라는 제목으로 쥐스텔 등(J
Figure 112005065690522-pat00001
stel et al.)에 의해 개시된 바 있다. 한편, 청색 발광 다이오드를 채택한 백색 발광소자가 미국특허 제6,252,254호에 "형광체 조성물을 구비한 발광 소자"(Light emitting device with phosphor composition)라는 제목으로 소울즈 등(Soules et al.)에 의해 개시된 바 있다. 상기 미국특허들에 따르면, 약 90 정도의 상당히 높은 연색평가수(color rendering index; CRI) 및 높은 광효율을 나타내는 백색 발광소자를 제공할 수 있다.
이러한 종래의 백색 발광소자는 패키지 레벨에서 백색광을 구현한다. 즉, 단색광을 방출하는 발광 다이오드 칩을 형광체를 함유하는 에폭시 수지 등의 색변환 물질층으로 덮어 백색광을 구현한다. 따라서, 종래의 백색 발광소자는 발광 다이오드 칩의 제조공정과 별도로 패키징 공정 중에서 형광체를 함유하는 색변환 물질층이 형성되므로, 발광 다이오드의 패키징 공정이 복잡하며, 이는 패키징 공정의 높은 공정불량률로 이어진다. 패키징 공정의 불량은 발광 다이오드 칩 제조공정의 불 량에 비해 상당히 큰 비용손실을 초래한다.
또한, 에폭시 수지 등의 액상 수지에 무기 형광체를 혼합하고 이를 이용하여 발광 다이오드 칩을 덮는 색변환 물질층을 형성할 경우, 형광체와 에폭시 수지의 비중차이에 기인하여 형광체가 아래로 침전하는 현상이 발생하기 쉽다. 형광체가 침전되면, 색변환 물질층 내에 형광체가 균일하게 분포되어 있지 못하게 되고, 이에 따라 발광소자가 균일한 광의 휘도를 나타내기 어렵다.
한편, 상기 종래의 백색 발광소자는 교류전원에 직접 연결하여 구동할 수 없는 단점을 갖고 있다. 발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조로 형성되어, 전자와 홀의 재결합에 의해 광을 방출하는 반도체 소자로, 일반적으로 일방향의 전류에 의해 구동된다. 따라서, 교류전원을 사용하여 발광 다이오드를 구동할 경우, 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 교류-직류 변환기가 요구된다. 교류-직류 변환기를 발광다이오드와 함께 사용함에 따라, 발광다이오드의 설치비용이 증가하며, 특히 발광다이오드를 일반 조명용으로 가정에서 사용하는 것을 어렵게 한다. 따라서, 기존의 형광등을 대체하여 백색 발광소자를 일반 조명용으로 사용하기 위해서는, 교류-직류 변환기 없이, 교류전원을 사용하여 직접 구동할 수 있는 발광소자가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 칩 레벨에서 다양한 색의 광을 구현할 수 있어 패키징 공정을 단순화할 수 있으며, 교류구동이 가능한 발광 다이오드 칩을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 색변환 물질층을 포함하는 교류용 백색 발광 다이오드 칩을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 태양은 색변환 물질층을 갖는 교류용 발광 다이오드 칩을 제공한다. 이 발광 다이오드 칩은 기판 상에 형성된 복수개의 발광셀들을 포함한다. 형광체를 함유하는 색변환 물질층이 상기 발광셀들을 덮는다. 또한, 금속배선들이 상기 발광셀들을 전기적으로 연결한다. 이에 따라, 상기 색변환 물질층에 의해 칩레벨에서 다양한 색의 광, 예컨대 백색광을 구현할 수 있는 교류용 발광 다이오드 칩을 제공할 수 있다.
상기 색변환 물질층은 SOG층일 수 있다. 상기 SOG층은 집적회로 제조공정에서 일반적으로 사용되는 물질층으로, 그 형성 공정이 단순하다. 따라서, SOG 물질과 형광체를 혼합하여 상기 SOG층을 형성하면, 간단한 공정으로 색변환 물질층을 형성할 수 있다.
상기 각 발광셀은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속배선들은 인접한 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들과 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 연결한다. 상기 활성층은 단일 양자웰 또는 다층양자웰 구조로 형성될 수 있으며, 상기 활성층을 채택하여 발광효율을 높일 수 있다.
한편, 제1 전극패드들이 상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 형 성되어 위치할 수 있으며, 제2 전극패드들이 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 형성되어 위치할 수 있다. 상기 금속배선들은 상기 제1 전극패드들과 상기 제2 전극패드들을 연결한다. 상기 제1 전극패드들은 상기 제1 도전형 반도체층들과 오믹콘택을 형성하여 접촉저항을 감소시킨다.
이에 더하여, 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 투명전극이 형성되어 위치할 수 있다. 상기 투명전극은 상기 제2 도전형 반도체층과 오믹콘택을 형성하여 접촉저항을 감소시키며, 상기 제2 도전형 반도체층으로 입력되는 전류를 분산시킨다.
상기 제2 전극패드는 상기 투명전극 상에 위치할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극패드는 상기 투명전극을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층에 접촉할 수 있다. 이 경우, 상기 전극패드와 상기 제2 도전형 반도체층의 접촉저항은 상기 투명전극과 상기 제2 도전형 반도체층의 접촉저항에 비해 상대적으로 큰 것이 바람직하다.
한편, 상기 SOG층은 상기 제1 전극패드들 및 상기 제2 전극패드들을 노출시키는 개구부들을 가질 수 있다. 이때, 상기 금속배선들은 상기 SOG층 상에 위치하며, 상기 개구부들을 통해 상기 전극패드들에 연결된다. 따라서, 상기 금속배선들이 상기 SOG층에 의해 지지될 수 있어, 금속배선들의 단선을 방지할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 다른 태양은 교류용 발광 다이오드 칩을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성하는 것을 포함한다. 상기 각 발광셀은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 그 후, 형광체를 함유하는 색변환 물질층이 형성된다. 상기 색변환 물질층은 상기 복수개의 발광셀들을 덮는다. 이에 따라, 칩 레벨에서 다양한 색, 예컨대 백색광을 구현할 수 있는 교류용 발광 다이오드 칩을 제조할 수 있다.
상기 색변환 물질층은 SOG층일 수 있다. 상기 SOG층은 SOG 물질과 형광체를 혼합하여 상기 복수개의 발광셀들을 갖는 기판 상에 스핀 코팅하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 SOG층을 패터닝하여 상기 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들의 상부 및 제2 도전형 반도체층들의 상부를 노출시키는 개구부들을 형성할 수 있다. 상기 개구부들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층들과 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 연결하는 금속배선들이 형성된다. 따라서, 상기 금속배선들은 상기 SOG층에 의해 지지될 수 있어, 금속배선들의 단선이 방지될 수 있다.
상기 SOG층을 형성하기 전, 상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 및 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 각각 제1 전극패드들 및 제2 전극패드들이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극패드들이 상기 SOG층의 개구부들에 의해 노출된다. 또한, 상기 금속배선들은 상기 제1 및 제2 전극패드들을 연결한다.
또한, 상기 제2 전극패드들을 형성하기 전, 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 투명전극들이 형성될 수 있다. 상기 투명전극들은 상기 제2 도전형 반도체층들과 오믹콘택을 형성하여 접촉저항을 감소시킨다. 상기 제2 전극패드들은 상기 투명전극들 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 전극패드들을 형성하기 전, 상기 투명전극들을 패터닝하여 상기 제2 도전형 반도체층들을 노출시키는 개구부들을 형성할 수 있다. 그 후, 상기 제2 전극패드는 상기 개구부들을 갖는 투명전극 상에 형성되어, 상기 개구부들을 통해 상기 제2 도전형 반도체층들에 접촉한다. 이 경우, 상기 제2 전극패드들은 상기 제2 도전형 반도체층들과 오믹콘택을 형성하지 않는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제2 전극패드들과 상지 제2 도전형 반도체층들의 접촉면을 통해 입력되는 전류의 양이 감소하여, 상기 제2 전극패드들 아래에서 방출되어 손실되는 광을 감소시킬 수 있어, 상기 발광셀들의 발광 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 백색 발광 다이오드 칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(21) 상에 복수개의 발광셀들(28)이 형성되어 위치한다. 상기 기판(21)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있다.
상기 발광셀들(28) 각각은 제1 도전형 반도체층(25), 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(29) 및 상기 제1 도전형 반도체 층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.
제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 제1 도전형 반도체층(25) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 상기 활성층(27)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
한편, 상기 발광셀들(28)과 상기 기판(21) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다. 버퍼층(23)은 기판(21)과 그 위에 형성될 제1 도전형 반도체층(25)의 격자부정합을 완화한다.
상기 제1 도전형 반도체층(25)의 다른 영역 상에 제1 전극패드(35)가 형성될 수 있다. 상기 제1 전극패드(35)는 제1 도전형 반도체층(25)에 오믹콘택된다. 한편, 제2 도전형 반도체층(29) 상에 제2 전극패드(33)가 위치한다. 또한, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 상에 투명전극(31)이 위치할 수 있다. 상기 투명전극(31)은 제2 도전형 반도체층(29)에 오믹콘택되며, 활성층(27)에서 방출된 광을 투과시킨다.
제2 전극패드(33)는 상기 투명전극(31)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(29)에 접촉할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 전극패드(33)는 제2 도전형 반도체층(29)과 접촉저항이 큰 것이 바람직하다.
형광체(38)를 함유하는 색변환 물질층(37)이 상기 발광셀들(28)을 덮는다. 상기 색변환 물질층(37)은 또한 발광셀들(28) 사이의 빈 공간을 채우며, 형광체(38)는 색변환 물질층(37) 내에 균일하게 분산되어 위치한다.
상기 색변환 물질층(37)은 SOG(spin-on glass)층일 수 있다. 에폭시, 실리콘과 같은 종래의 봉지재(encapsulant)는 발광셀들(28)에서 방출된 광에 의해 열화되어 시간에 따라 특성이 나빠진다. 그러나, SOG는 주로 산화실리콘(SiO2)이므로 시간에 따른 특성 열화가 거의 없다.
한편, 한 종류의 형광체에 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 형광체들(38)이 상기 색변환 물질층(37) 내에 함유될 수 있다. 상기 형광체들(38)은 공지된 것들을 채택하여 사용할 수 있다. 이러한 형광체들의 예는 미국특허 제6,084,250호, 미국특허 제6,252,254호 또는 일본특허공개공보 2001-143869호 등에 개시되어 있다. 상기 형광체들(38)은 상기 발광셀들에서 방출되는 광의 파장을 고려하여 변환효율이 큰 형광체들로 선택될 수 있다. 상기 형광체들은 YAG:Ce계 형광체, 오소실리케이트계 형광체 또는 황화물 형광체들일 수 있다. 이들 형광체의 구성원소들의 일부를 치환함으로써 방출파장을 다양하게 변경할 수 있다.
상기 색변환 물질층(37)은 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(25, 29)의 상부를 노출시키는 개구부들을 갖는다. 제1 및 제2 전극패드들(35, 33)이 형성된 경우, 상기 전극패드들이 색변환 물질층(37)의 개구부들에 노출된다.
금속배선들(39)이, 도시한 바와 같이, 인접한 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들(25)과 제2 도전형 반도체층들(29)을 전기적으로 연결한다. 상기 금속배선들 (39)은 상기 색변환 물질층(37) 상에 형성되며, 상기 개구부들을 통해 상기 제1 및 제2 전극패드들(35, 33)에 접촉한다. 따라서, 상기 금속배선들(39)이 색변환 물질층(37)에 의해 지지된다.
상기 금속배선들(39)은 발광셀들(28)을 직렬연결하여 발광셀들의 직렬 어레이를 형성한다. 이러한 어레이들이 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결될 수 있다. 또한, 발광셀들의 직렬 어레이에 연결된 브리지 정류기가 형성될 수 있으며, 상기 브리지 정류기에 의해 상기 발광셀들이 교류전원하에서 구동될 수 있다. 이에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 후술한다.
본 실시예에 있어서, 상기 금속배선들(39)이 상기 색변환 물질층(37) 상에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 발광셀들(28)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(39)을 형성한 후, 상기 색변환 물질층(37)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 금속배선들(39)은 색변환 물질층(37) 내에 매립될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극패드(33) 및 투명전극(31)의 위치는 서로 변경될 수 있다. 앞에서 제2 전극패드(33)가 투명전극(31)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(29)에 접촉하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2 전극패드(33)가 상기 투명전극(31) 상에 위치하고, 상기 제2 도전형 반도체층(29)과 직접 접촉하지 않을 수도 있다. 이와 달리, 제2 도전형 반도체층(29)의 일부 영역 상에 제2 전극패드(33)를 먼저 형성한 후, 투명전극(31)이 상기 제2 도전형 반도체층 (29) 의 다른 영역 및 상기 제2 전극패드(33)의 일부를 덮도록 형성될 수도 있다.
한편, 상기 금속배선들(39)이 제1 도전형 반도체층(25)에 오믹콘택되는 경우, 상기 제1 전극패드(35)는 생략될 수 있다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드 칩을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광 다이오드 칩을 제조하는 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)을 형성한다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(25)을 형성하기 전, 상기 기판(21) 상에 버퍼층(23)을 형성할 수 있다.
상기 기판(21)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으며, 기판(21) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 선택될 수 있다. 질화갈륨계 반도체층을 형성할 경우, 상기 기판(21)은 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판이 주로 사용되고 있다.
버퍼층(23)은 기판(21)과 그 위에 형성될 반도체층(25)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 상기 기판(21)이 전도성 기판인 경우, 상기 버퍼층(23)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 제1 도전형 반도체층(25) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 상기 활성층(27)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(25, 29) 및 활성층(27)은 금속유기화학 기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.
여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형일 수 있다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(29), 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)을 패터닝하여 서로 이격된 발광셀들(28)을 형성한다. 이때, 상기 버퍼층(23)도 함께 패터닝될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(25, 29) 및 활성층(27)은 사진 및 식각 공정을 사용하여 패터닝될 수 있다.
한편, 제2 도전형 반도체층(29) 및 활성층(27)은, 도시한 바와 같이, 패터닝된 제1 도전형 반도체층(25)의 일영역 상에 위치하도록 패터닝된다. 이에 따라, 상기 패터닝된 제1 도전형 반도체층(25)의 일부 영역이 노출된다.
도 4를 참조하면, 상기 패터닝된 제2 도전형 반도체층(29) 상에 투명전극 (31)을 형성한다. 투명전극(31)은 리프트-오프(lift-off) 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 투명전극(31)은, 활성층(27)에서 방출된 광을 투과시킬 수 있는 전극 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 Ni/Au 또는 인디움-틴 산화막(ITO)으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명전극(31)의 일부 영역 상에 제2 전극패드(33)가 형성된다. 제2 전극패드(33) 또한 리프트-오프 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극패드(33)를 형성하기 전, 상기 투면전극(31)을 패터닝하여 상기 제2 도전형 반도체층(29)을 노출시키는 개구부를 형성할 수 있다. 그 후, 상기 개구부 및 그 주변에 제2 전극패드(33)를 형성한다. 그 결과, 도시한 바와 같이, 상기 개구부를 통해 제2 전극패드(33)가 제2 도전형 반도체층(29)에 접촉된다.
한편, 제1 도전형 반도체층(25)의 다른 영역 상에 제1 전극패드(35)가 형성된다. 상기 제1 전극패드(35) 또한 리프트 오프 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극패드(33)와 동시에 형성될 수도 있다. 상기 제1 전극패드(35) 및/또는 제2 전극패드(33)는 Ti/Au로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 투명전극(31)을 형성한 후, 제2 전극패드(33)를 형성하는 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극패드(33)를 제2 도전형 반도체층(29)의 일부 영역 상에 형성한 후, 투명전극(31)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 투명전극(31)이 상기 제2 전극패드(33)의 일부 영역을 덮도록 형성함으로써, 제2 전극패드(33)가 제2 도전형 반도체층(29)으로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 발광셀들(28)을 덮는 색변환 물질층(37)을 형성한다. 상기 색변환 물질층(37)은 상기 발광셀들(28)에서 방출된 광을 그 보다 장파장으로 변환시키는 형광체(38)를 함유한다. 다양한 종류의 형광체들이 상기 색변환 물질층(37)에 함유될 수 있다. 상기 색변환 물질층(37)은 바람직하게는 SOG층일 수 있다.
상기 SOG층(37)은 형광체(38)와 SOG 물질을 혼합한 혼합물이 스핀 코팅되어 형성된다. 상기 SOG 물질은 집적회로 제조공정에서 일반적으로 사용되는 것으로, 프리베이크(pre-bake) 및 열처리(curing) 공정을 거쳐 절연층으로 형성된다. 상기 SOG 물질은 활성층(27)에서 방출된 광을 투과시키는 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 이러한 SOG 물질은 미국특허공개 2003/0203524호에 개시된 바 있다.
SOG 물질은 집적회로 제조공정에서 일반적으로 사용되는 물질로, 공정안정성이 인정된 물질이며, 증착 비용이 상당히 저렴하여 발광 다이오드 칩의 제조비용을 감소시킬 수 있다. 또한, SOG 물질과 형광체(38)의 비중차이가 크지 않으므로, SOG층(37) 내에서 형광체(38)가 침전되지 않고 고르게 분산된다. 따라서, 발광셀(28)에서 방출된 광이 형광체(38)에 의해 고르게 변환되어 균일한 휘도를 나타낼 수 발광 다이오드 칩을 제공할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 색변환 물질층, 예컨대 SOG층(38)을 패터닝하여 제1 및 제2 전극패드들(35, 33)을 노출시키는 개구부들을 형성한다. 상기 SOG층(38)은 사진 및 식각공정을 사용하여 패터닝할 수 있다. 한편, SOG 물질이 감광성인 경우, 열처리하기 전, 노광 및 현상 공정을 사용하여 상기 개구부들을 형성하고, 그 후 열처리 공정을 수행할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 개구부들을 갖는 SOG층(38) 상에 인접한 발광셀들(28)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(39)들을 형성한다. 상기 금속배선들(39)은 상기 개구부들을 통해 제1 및 제2 전극패드들(35, 33)에 연결된다.
금속배선들(39)은 리프트-오프 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 또는 증착법(evaporation), 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 등의 다양한 증착(deposition) 기술을 사용하여 금속층을 형성한 후, 상기 금속층을 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 금속배선들(39)에 의해 교류구동이 가능한 직렬연결된 발광셀들의 어레이(들)이 형성된다.
본 실시예에 있어서, SOG층(38)을 형성한 후, 금속배선들(39)을 형성하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, SOG층(38)을 형성하기 전, 에어브리지(air-bridge) 또는 스텝커버(step-cover) 공정을 사용하여 금속배선들을 형성한 후, SOG층(38)을 형성할 수도 있다. 다만, 에어브리지 공정을 사용하여 금속배선들을 형성하고 SOG층(38)을 형성할 경우, SOG를 스핀코팅하는 동안 금속배선들이 단선될 염려가 있으며, 이 때문에 본 실시예의 금속배선 형성 공정이 에어 브리지 공정에 비해 더 바람직하다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드 칩의 교류 동작을 설명하기 위한 회로도들이다. 여기서, 도 8은 직렬연결된 발광셀들의 두개의 어레이들이 서로 역병렬되어 구동되는 것을 설명하기 위한 회로도이고, 도 9는 직렬연결된 발광셀들의 어레이에 브리지 정류기를 연결하여 구동되는 것을 설명하기 위한 회로도이다.
도 8을 참조하면, 발광셀들(51a, 51b, 51c)이 직렬 연결되어 제1 직렬 발광셀 어레이(51)를 형성하고, 또 다른 발광셀들(53a, 53b, 53c)이 직렬 연결되어 제2 직렬 발광셀 어레이(53)를 형성한다. 여기서, "직렬 발광셀 어레이"는 직렬 연결된 발광셀들의 어레이를 의미한다.
상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)의 양 단부들은 각각 리드단자를 통해 교류전원(55) 및 접지에 연결된다. 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 교류전원(55)과 접지 사이에서 역병렬로 연결된다. 즉, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양 단부들은 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)은 서로 반대 방향으로 흐르는 전류에 의해 발광셀들이 구동되도록 배치된다. 즉, 도시한 바와 같이, 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들의 양극(anode) 및 음극(cathode)과 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들의 양극 및 음극은 서로 반대 방향으로 배치된다.
따라서, 교류전원(55)이 양의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들이 턴온되어 발광하며, 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들은 턴오프된다. 이와 반대로, 교류전원(55)이 음의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들이 턴오프되고, 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들이 턴온된다.
결과적으로, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)이 교류전원에 의해 턴온 및 턴오프를 교대로 반복함으로써, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들을 포함하는 발광다이오드 칩은 연속적으로 빛을 방출한다.
한편, 도 8의 회로는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양단부들이 교류전원(55) 및 접지에 각각 연결되도록 구성하였으나, 상기 양단부들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 각각 세 개의 발광셀들로 구성되어 있으나, 이는 설명을 돕기 위한 예시이고, 발광셀들의 수는 필요에 따라 더 증가될 수 있다. 그리고, 상기 직렬 어레이들의 수도 더 증가될 수 있다.
도 9를 참조하면, 발광셀들(61a, 61b, 61c, 61d, 61e, 61f)이 직렬 발광셀 어레이(61)를 구성한다. 한편, 교류전원(65)과 직렬 발광셀 어레이(61) 및 접지와 직렬 발광셀 어레이(61) 사이에 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)을 포함하는 브리지 정류기가 배치된다. 상기 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)은 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 광을 방출하지 않을 수도 있다. 상기 직렬 발광셀 어레이(61)의 애노드 단자는 상기 다이오드 셀들(D1, D2) 사이의 노드에 연결되고, 캐소드 단자는 다이오드 셀들(D3, D4) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 교류전원(65)의 단자는 다이오드 셀들(D1, D4) 사이의 노드에 연결되고, 접지는 다이오드 셀들(D2, D3) 사이의 노드에 연결된다.
상기 교류전원(65)이 양의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드 셀들(D1, D3)이 턴온되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴오프된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D1), 상기 직렬 발광셀 어레이(61) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D3)을 거쳐 접지로 흐른다.
한편, 상기 교류전원(65)이 음의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오 드 셀들(D1, D3)이 턴오프되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴온된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D2), 상기 직렬 발광셀 어레이(61) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D4)을 거쳐 교류전원으로 흐른다.
결과적으로, 직렬 발광셀 어레이(61)에 브리지 정류기를 연결하므로써, 교류전원(65)을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(61)를 계속적으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 브리지 정류기의 단자들이 교류전원(65) 및 접지에 연결되도록 구성하였으나, 브리지 정류기의 상기 단자들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 한편, 교류전원을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(61)를 구동함에 따라, 리플(ripple)이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 RC 필터(도시하지 않음)를 연결하여 사용할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하나의 직렬 발광셀 어레이를 교류전원에 전기적으로 연결하여 구동시킬 수 있으며, 도 8의 발광다이오드 칩에 비해 발광셀의 사용효율을 높일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 발광셀들의 연결은 발광셀들의 교류동작을 설명하기 위한 실시예들일 뿐이며, 상기 발광셀들을 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 금속배선들을 사용하여 복수개의 발광셀들을 전기적으로 연결하여 교류전원에 의해 구동가능하며, 형광체를 함유하는 색변환 물질층을 채택하여 다양한 색의 광, 예컨대 백색광을 구현할 수 있는 발광 다이오드 칩을 제 공할 수 있다. 또한, 색변환 물질층이 금속배선들을 지지할 수 있어, 외부충격 등에 의한 단선을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 발광 다이오드 칩의 불량률을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 실시예들에 따른 발광 다이오드 칩은 칩 레벨에서 색변환 물질층이 형성되므로, 패키징 공정에서 색변환 물질을 형성할 필요가 없다. 따라서, 발광 다이오드 칩의 패키징 공정을 단순화할 수 있어, 패키징 공정의 불량을 감소시킬 수 있다. 또한, SOG에 형광체를 혼합하여 색변환 물질층을 형성할 경우, 형광체가 침전되는 현상을 방지할 수 있어, 요구되는 파장의 균일한 광을 방출할 수 있는 발광 다이오드 칩을 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 기판 상에 형성된 복수개의 발광셀들;
    상기 발광셀들을 덮고, 형광체를 함유하는 색변환 물질층; 및
    상기 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 포함하는 교류용 발광 다이오드 칩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 색변환 물질층은 SOG층인 교류용 발광 다이오드 칩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 각 발광셀은 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하고,
    상기 금속배선들은 인접한 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들과 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 연결하는 교류용 발광 다이오드 칩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 형성된 제1 전극패드들; 및
    상기 제2 도전형 반도체층들 상에 형성된 제2 전극패드들을 더 포함하고,
    상기 금속배선들은 상기 제1 전극패드들과 상기 제2 전극패드들을 연결하는 교류용 발광 다이오드 칩.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 SOG층은 상기 제1 전극패드들 및 상기 제2 전극패드들을 노출시키는 개구부들을 갖고,
    상기 금속배선들은 상기 SOG층 상에 위치하되, 상기 개구부들을 통해 상기 전극패드들에 연결된 교류용 발광 다이오드 칩.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층들 상에 형성된 투명전극을 더 포함하고, 상기 제2 전극패드들은 상기 투명전극을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층들에 접촉하는 교류용 발광 다이오드 칩.
  7. 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성하되, 상기 각 발광셀은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들 사이에 개재된 활성층을 포함하고,
    상기 복수개의 발광셀들을 덮고, 형광체를 함유하는 색변환 물질층을 형성하는 것을 포함하는 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 색변환 물질층은 SOG층인 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 SOG층을 패터닝하여 상기 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들의 상부 및 제2 도전형 반도체층들의 상부를 노출시키는 개구부들을 형성하고,
    상기 개구부들을 통해 상기 제1 도전형 반도체층들과 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 형성하는 것을 더 포함하는 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 SOG층을 형성하기 전,
    상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 및 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 각각 제1 전극패드들 및 제2 전극패드들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전극패드들이 상기 SOG층의 개구부들에 의해 노출되고,
    상기 금속배선들은 상기 제1 및 제2 전극패드들을 연결하는 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 전극패드들을 형성하기 전, 상기 제2 도전형 반도체층들 상에 투명전극들을 형성하는 것을 더 포함하는 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 투명전극들을 패터닝하여 상기 제2 도전형 반도체층들을 노출시키는 개구부들을 형성하고,
    상기 제2 전극패드는 상기 개구부들을 갖는 투명전극 상에 형성되어, 상기 개구부들을 통해 상기 제2 도전형 반도체층들에 접촉하는 교류용 발광 다이오드 칩 제조방법.
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