KR100636542B1 - 이중 활성층을 갖는 발광 소자 - Google Patents

이중 활성층을 갖는 발광 소자 Download PDF

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KR100636542B1 KR1020050059890A KR20050059890A KR100636542B1 KR 100636542 B1 KR100636542 B1 KR 100636542B1 KR 1020050059890 A KR1020050059890 A KR 1020050059890A KR 20050059890 A KR20050059890 A KR 20050059890A KR 100636542 B1 KR100636542 B1 KR 100636542B1
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Abstract

본 발명은 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 관한 것으로, 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층과; 상기 제 1 반도체층 상부에 형성되며, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층과; 상기 제 1 활성층 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층과; 상기 제 2 반도체층 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층에서 방출된 광을 입사받아 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과; 상기 제 2 활성층에서 방출된 광을 투과시키는 반도체 스페이서(Spacer)층과; 상기 반도체 스페이서층 상부에 형성되어 상기 제 2 활성층에서 방출된 광에 에너지를 제공하는 금속층을 포함하여 구성된다.
따라서, 본 발명은 제 1 활성층에서 방출된 광으로 제 2 활성층을 여기시켜 광을 방출하고, 제 2 활성층의 광을 금속층에 입사시켜 광자 에너지를 얻어 증폭시킴으로써, 광출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
발광소자, 이중, 활성층, 에너지, 금속층, 증폭

Description

이중 활성층을 갖는 발광 소자 { Light emitting device having double active layer }
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도
도 3은 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자가 광을 방출하는 동작을 설명하기 위한 개념도
도 4는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자와 종래의 단일 활성층을 갖는 발광 소자의 광출력을 측정한 그래프
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도
도 8은 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 전극단자가 형성된 상태의 단면도
도 9는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 전극단자가 형성된 상태의 다른 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,120 : 반도체층 110,130 : 활성층
140 : 반도체 스페이서 150 : 금속층
155 : 다층막 160,310 : 제 1 전극
170,320 : 제 2 전극 200,300 : 기판
210 : 돌출부
본 발명은 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제 1 활성층에서 방출된 광으로 제 2 활성층을 여기시켜 광을 방출하고, 제 2 활성층의 광을 금속층에 입사시켜 광자 에너지를 얻어 증폭시킴으로써, 광출력을 향상시킬 수 있는 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 관한 것이다.
1993년 이래 InGaN계 발광 다이오드 소자가 개발, 상용화되어 사용되어 오고 있으나, 아직까지 반도체 조명용 소자로서 널리 이용되지 못하고 있다.
그 이유로서 내부광 발생 효율(내부 양자 효율) 및 광적출 효율(외부 양자 효율)이 100%에 근접한 레벨에 도달하지 못하고 있고, 제조 단가 또한 매우 비싸기 때문이다.
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 단면도로서, N-GaN층(10) 상부에 활성층(11)과 P-GaN층(12)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-GaN층(12) 상부에 P-전극패드(13)가 형성되어 있고; 상기 N-GaN층(10) 하부에 N-전극패드(14)가 형성되어 있는 구조로 발광 다이오드는 구성된다.
상기의 발광 다이오드는 상기 P-전극패드(13)와 N-전극패드(14)로 인가된 전압에 의해 상기 활성층(11)으로 정공과 전자가 주입되고, 주입된 정공과 전자는 활성층(11)에서 재결합되면서 여분의 에너지가 광으로 변환되어 발광 다이오드의 외부로 방출된다.
즉, 발광 다이오드는 기본적인 구조가 활성층 상, 하부에 상호 극성이 다른 반도체층이 존재하고, 이 극성이 다른 반도체층에서 활성층으로 정공과 전자와 같은 극성이 다른 캐리어가 주입되는 구조로 되어 있다.
따라서, 일반적인 발광 다이오드는 활성층에 주입된 캐리어에 의해서 발광되는 구조이므로 광출력을 향상시키는 데는 한계가 있고, 현재의 기술에서는 이 구조를 벗어나는 신개념의 발광원 개발이 이루어지지 않아 낮은 광출력을 갖는 발광 다이오드를 계속적으로 사용하여 기술의 진보를 이룰 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 제 1 활성층에서 방 출된 광으로 제 2 활성층을 여기시켜 광을 방출하고, 제 2 활성층의 광을 금속층에 입사시켜 광자 에너지를 얻어 증폭시킴으로써, 광출력을 향상시킬 수 있는 이중 활성층을 갖는 발광 소자를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는,
제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층과;
상기 제 1 반도체층 상부에 형성되며, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층과;
상기 제 1 활성층 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층과;
상기 제 2 반도체층 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층에서 방출된 광을 입사받아 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과;
상기 제 2 활성층에서 방출된 광을 투과시키는 반도체 스페이서(Spacer)층과;
상기 반도체 스페이서층 상부에 형성되어 상기 제 2 활성층에서 방출된 광에 에너지를 제공하는 금속층을 포함하여 구성된 이중 활성층을 갖는 발광 소자가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는,
제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층과;
상기 제 1 반도체층 상부에 형성되며, 광을 방출하는 활성층과;
상기 활성층 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반 도체층과;
상기 제 2 반도체층 상부에 형성되며, 상기 활성층에서 방출된 광을 입사받아 광에 에너지를 제공하는 금속막을 포함하여 광을 증폭시키는 다층막으로 구성된 이중 활성층을 갖는 발광 소자가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도로서, 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층(100)과; 상기 제 1 반도체층(100) 상부에 형성되며, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층(110)과; 상기 제 1 활성층(110) 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층(120)과; 상기 제 2 반도체층(120) 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층(110)에서 방출된 광을 입사받아 광에 에너지를 제공하여 금속막을 포함하여 광을 증폭시키는 다층막(155)으로 구성된다.
여기서, 상기 다층막(155)은 상기 제 2 반도체층(120) 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층(110)에서 방출된 광을 입사받아 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층(130)과; 상기 제 2 활성층(130)에서 방출된 광을 투과시키는 반도체 스페이서(Spacer)층(140)과; 상기 반도체 스페이서층(140) 상부에 형성되어 상기 제 2 활성층(130)에서 방출된 광에 에너지를 제공하는 금속층(150)으로 구성된다.
전술된 금속층(150) 물질은 Ag인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 반도체 스페이서층(140)의 두께는, 90 ~ 120Å인 것이 바람직하고, 도핑되지 않은 반도체층으로 이루어진다.
또한, 상기 금속층(150)의 두께는, 50 ~ 120Å인 것이 바람직하고, 상기 금속층(150)은 다양한 형태의 기하학적인 패턴으로 형성할 수 있는데, 본 발명에서는 그 패턴에 대해서는 구체적으로 한정하지 않는다.
한편, 상기 제 1 반도체층(100)의 제 1 극성이 n타입이면, 상기 제 2 반도체층(120)의 제 2 극성이 p타입이다.
그리고, 상기 제 1과 2 반도체층(100,120) 및 반도체 스페이서층(140)은 동일한 반도체 물질이 포함되어 있고, 이 반도체 물질은 GaN인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자가 광을 방출하는 동작을 설명하기 위한 개념도로서, 먼저, 제 1 활성층(110)으로 제 1과 2 캐리어가 주입되면, 상기 제 1 활성층(110)에서는 광을 방출한다.
여기서, 상기 제 1 활성층(110)에서 방출된 광은 제 2 활성층(130)에 흡수되고, 상기 제 2 활성층(130)은 흡수된 광으로 여기되어 새로운 광을 방출하는 데, 이 광은 반도체 스페이서층(140)을 통과하여 금속층(150)에서 반사된다.
이 때, 상기 금속층(150)에 입사된 광은 금속층(150)에 있는 자유전자를 여기시켜서 불안정 높은 에너지 상태(즉, 마치 플라즈마 상태)를 만들고, 이 높은 에너지 상태의 자유전자가 에너지를 잃으면서 광자에너지를 생성하는데, 이 광자에너지는 상기 입사된 광을 증폭하여 다시 제 2 활성층(130)에 입사된다.
이렇게 상기 제 2 활성층(130)과 상기 금속층(150)간에 광이 계속적인 공진을 하면서 상기 금속층(150)으로부터 에너지를 얻게되어 광은 증폭된다.
이 증폭된 광이 소자의 외부로 출사되는 것이다.
또한, 상기 금속층(150)에서 반사되어 에너지를 얻은 광은 상기 제 2 활성층(130)에서 생성된 광과 합쳐져서 광 증폭되는 성분도 존재한다.
한편, 상기 제 1 활성층(130)에서 방출되는 광은 상기 제 2 활성층(130)의 에너지 밴드갭과 동일한 파장의 광이거나 또는 상기 제 2 활성층(130)의 에너지 밴드갭보다 작은 파장의 광이어야, 상기 제 1 활성층(130)에서 방출되는 광이 제 2 활성층(130)에서 흡수되어 광을 방출할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자와 종래의 단일 활성층을 갖는 발광 소자의 광출력을 측정한 그래프로서, 종래의 단일 활성층에서 방출되는 광의 출력(A)보다 본 발명의 이중 활성층에서 방출되는 광의 출력(B)이 더 큰 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도로서, 투명하고 비전도성인 기판(200)과; 상기 기판(200) 상부에 형성되며, 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층(100)과; 상기 제 1 반도체층(100) 상부에 형성되며, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층(110)과; 상기 제 1 활성층(110) 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층(120)과; 상기 제 2 반도체층(120) 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층(110)에서 방출된 광을 입사받아 광에 에너지를 제공하여 광을 증폭시키는 다층막(155)으로 구성된다.
전술된 바와 같이, 상기 다층막(155)은 상기 제 2 반도체층(120) 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층(110)에서 방출된 광을 입사받아 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층(130)과; 상기 제 2 활성층(130)에서 방출된 광을 투과시키는 반도체 스페이서(Spacer)층(140)과; 상기 반도체 스페이서층(140) 상부에 형성되어 상기 제 2 활성층(130)에서 방출된 광에 에너지를 제공하는 금속층(150)으로 구성된다.
상기의 본 발명의 제 1 실시예에는 사파이어 기판과 같은 투명하고 비전도성 기판에 소자를 형성한 것을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도로서, 본 발명의 제 2 실시예는 투명하고 비전도성인 기판(200) 하부에 반사막(250)을 형성함으로써, 제 1과 2 활성층(110,130)에서 생성된 광을 소자 상부로 출사시킴으로, 소자에서 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 것이다.
여기서, 상기 반사막(250)은 DBR(Distributed Bragg Reflector)층이 바람직하며, 이 DBR층은 l/4n(n은 광의 파장, 즉, 제 1과 2 활성층에서 방출되는 파장)의 두께로 SiO2와 TiO2를 교대로 복수번 적층한 것이다.
이 때, 상기 DBR층은 SiO2와 TiO2를 교대로 3번 적층한 것이 바람직하면, 즉, SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2으로 이루어진 막을 형성한다.
그리고, 이 DBR층 각각의 막은 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD) 또는 스퍼터(sputtering)법을 사용한다.
이러한, DBR층이 구비된 소자는 전술된 제 1 실시예의 소자 대비 광출력이 3.8배가 증가된다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자의 단면도로서, 본 발명의 제 3 실시예에서는 투명하고 비전도성인 기판(200) 상부에 복수개의 돌출부(210)을 형성함으로써, 제 1과 2 활성층(110,130)에서 생성된 광을 상기 기판(200)면에서 전반사시키는 광량을 줄여, 기판을 통하여 소자 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있는 것이다.
이러한, 돌출부(210)는 기판(200) 상부를 리소그래피와 건식식각법을 활용하여 형성하는데, 광을 산란시키는 구조이다.
이 돌출부(210)는 원형, 직사각형, 삼각형, 육각형 등 특정 형태에 제약받지 않는다.
그러므로, 상기 기판(200) 상부에는 복수개의 돌출부(210)가 형성되어 있어, 제 1 반도체층은 상기 돌출부(210)를 감싸며 상기 기판(200) 상부에 형성되어 있는 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 전극단자가 형성된 상태의 단면도로서, 투명하고 비전도성인 기판(200) 상부에 제 1 반도체층(100), 제 1 활성층(110), 제 2 반도체층(120), 제 2 활성층(130)과 반도체 스페이서(Spacer)층(140)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 반도체 스페이서층에서 상기 제 1 반도체층(100) 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 반도체 스페이서층(140) 상부에 금속층(150)이 형성되어 있고; 상기 메사 식각된 제 1 반도체층(100) 상부에 제 1 전극(160)이 형성되어 있고; 상기 금속층(150) 상부에 제 2 전극(170)이 형성되어 있는 구조로 이루어진다.
도 9는 본 발명에 따른 이중 활성층을 갖는 발광 소자에 전극단자가 형성된 상태의 다른 단면도로서, 전도성 기판(300) 상부에 제 1 반도체층(100), 제 1 활성층(110), 제 2 반도체층(120), 제 2 활성층(130), 반도체 스페이서(Spacer)층(140)과 금속층(150)이 순차적으로 적층되어 있고; 상기 전도성 기판(300) 하부에 제 1 전극(310)이 형성되어 있고; 상기 금속층(150) 상부에 제 2 전극(320)이 형성되어 있는 구조로 이루어진다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 제 1 활성층에서 방출된 광으로 제 2 활성층을 여기시켜 광을 방출하고, 제 2 활성층의 광을 금속층에 입사시켜 광자 에너지를 얻어 증폭시킴으로써, 광출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (17)

  1. 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층과;
    상기 제 1 반도체층 상부에 형성되며, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 활성층과;
    상기 제 1 활성층 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층과;
    상기 제 2 반도체층 상부에 형성되며, 상기 제 1 활성층에서 방출된 광을 입사받아 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 활성층과;
    상기 제 2 활성층에서 방출된 광을 투과시키는 반도체 스페이서(Spacer)층과;
    상기 반도체 스페이서층 상부에 형성되어 상기 제 2 활성층에서 방출된 광에 에너지를 제공하는 금속층을 포함하여 구성된 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층 하부에는 기판이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은,
    투명하고 비전도성 기판인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판,
    전도성 기판인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속막 물질은,
    Ag인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막의 두께는,
    50 ~ 120Å인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 스페이서의 두께는,
    90 ~ 120Å인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 하부에는,
    반사막이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사막은,
    DBR(Distributed Bragg Reflector)층인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 상부에는 복수개의 돌출부가 형성되어 있어, 상기 제 1 반도체층은 상기 돌출부를 감싸며 상기 기판 상부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1과 2 반도체층 및 반도체 스페이서층은,
    동일한 반도체 물질이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 동일한 반도체 물질은,
    GaN인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 활성층에서 방출되는 광은,
    상기 제 2 활성층의 에너지 밴드갭 이하의 파장을 갖는 광인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층의 제 1 극성은 n타입이고,
    상기 제 2 반도체층의 제 2 극성은 p타입인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  15. 제 1 극성을 갖는 제 1 반도체층과;
    상기 제 1 반도체층 상부에 형성되며, 광을 방출하는 활성층과;
    상기 활성층 상부에 형성되고 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 제 2 반도체층과;
    상기 제 2 반도체층 상부에 형성되며, 상기 활성층에서 방출된 광을 입사받아 광에 에너지를 제공하는 금속막을 포함하여 광을 증폭시키는 다층막으로 구성된 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속막에는 활성층이 포함되어 있으며,
    상기 제 1 반도체층 상부에 형성된 활성층에서 방출되는 광은,
    상기 금속막에 포함된 활성층의 에너지 밴드갭 이하의 파장을 갖는 광인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 스페이서층은,
    도핑되지 않은 반도체층인 것을 특징으로 하는 이중 활성층을 갖는 발광 소자.
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