KR100690322B1 - Light emitting diode employing a high refractive index material layer with a roughened surface - Google Patents

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Abstract

거칠어진 표면을 구비하는 고굴절률 물질층을 채택한 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 투명기판을 포함한다. N형 반도체층 및 P형 반도체층이 투명기판의 일면 상에 위치한다. N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 활성층이 개재된다. 한편, 투명기판의 다른 일면 상에 고굴절률 물질층이 위치한다. 이 고굴절률 물질층은 투명기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 거칠어진 표면(roughened surface)을 갖는다. 이에 따라, 투명기판을 통해 방출되는 광이 전반사없이 고굴절률 물질층으로 입사되고, 거칠어진 표면을 통해 출사되므로 광추출 효율이 증가된다.A light emitting diode employing a high refractive index material layer having a roughened surface is disclosed. This light emitting diode includes a transparent substrate. An N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer are located on one surface of the transparent substrate. An active layer is interposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer. Meanwhile, a high refractive index material layer is positioned on the other surface of the transparent substrate. This high refractive index material layer has a refractive index larger than that of the transparent substrate, and has a roughened surface. Accordingly, light emitted through the transparent substrate is incident on the high refractive index material layer without total reflection, and is emitted through the roughened surface, thereby increasing light extraction efficiency.

발광 다이오드, 광추출 효율, 고굴절률, 거칠어진 표면 Light Emitting Diode, Light Extraction Efficiency, High Refractive Index, Rough Surface

Description

거칠어진 표면을 구비하는 고굴절률 물질층을 채택한 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE EMPLOYING A HIGH REFRACTIVE INDEX MATERIAL LAYER WITH A ROUGHENED SURFACE}LIGHT EMITTING DIODE EMPLOYING A HIGH REFRACTIVE INDEX MATERIAL LAYER WITH A ROUGHENED SURFACE}

도 1은 종래기술에 따른 플립칩형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a flip chip type light emitting diode according to the related art.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩형 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a flip chip type light emitting diode according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명기판의 광 출사면 상에 거칠어진 표면을 구비하는 고굴절률 물질층을 형성하여 광추출 효율을 개선시킨 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly, to a light emitting diode having a high refractive index material layer having a roughened surface on a light exit surface of a transparent substrate to improve light extraction efficiency.

질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 약 10년 동안 적용되고 개발되어 왔다. GaN 계열의 LED는 LED 기술을 상당히 변화시켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.Gallium nitride (GaN) series light emitting diodes have been applied and developed for about 10 years. GaN-based LEDs have changed the LED technology considerably and are currently used in a variety of applications, including color LED displays, LED traffic signals and white LEDs.

최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.Recently, high-efficiency white LEDs are expected to replace fluorescent lamps. In particular, the efficiency of white LEDs has reached a level similar to that of conventional fluorescent lamps. However, there is a possibility that the LED efficiency is further improved, and thus continuous efficiency improvement is further required.

LED 효율을 개선하기 위해 두 가지의 주요한 접근이 시도되고 있다. 첫째는 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조에 의해 결정되는 내부 양자 효율(interna quantum efficiency)을 증가시키는 것이고, 둘째는 광추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.Two major approaches are being attempted to improve LED efficiency. The first is to increase the internal quantum efficiency, which is determined by the crystal quality and epilayer structure, and the second is to increase the light extraction efficiency.

내부 양자 효율은 현재 70~80%에 이르고 있어 개선의 여지가 많지 않으나, 광추출 효율은 개선의 여지가 많다. 광추출 효율 개선은, 열 방출 구조 및 거칠어진 표면을 채택하여 내부 광손실을 제거하는 것이 주요한 과제가 되고 있다.Internal quantum efficiency is currently 70-80%, so there is not much room for improvement, but light extraction efficiency has much room for improvement. Improving light extraction efficiency has been a major challenge to eliminate internal light loss by adopting a heat dissipation structure and a roughened surface.

도 1은 열방출 특성을 향상시켜 광추출 효율을 개선시킨 종래의 플립칩형 발광 다이오드를 나타낸다.1 shows a conventional flip chip type light emitting diode having improved heat emission characteristics to improve light extraction efficiency.

도 1을 참조하면, 종래의 플립칩형 발광 다이오드는 투명 사파이어 기판(21), N형 반도체층(23), N형 전극패드(29a), 활성층(25), P형 반도체층(27), P형 전극패드(29b), 솔더(31a, 31b) 및 서브마운트 기판(33)을 포함한다. 활성층(25)에서 발생된 광은 사파이어 기판(21)을 통해 방출된다.Referring to FIG. 1, a conventional flip chip type light emitting diode includes a transparent sapphire substrate 21, an N-type semiconductor layer 23, an N-type electrode pad 29a, an active layer 25, a P-type semiconductor layer 27, and a P. A type electrode pad 29b, solders 31a and 31b, and a submount substrate 33. Light generated in the active layer 25 is emitted through the sapphire substrate 21.

이러한 플립칩형 발광 다이오드는 서브마운트 기판(33)을 통해 열방출을 촉진시킬 수 있어 광추출 효율을 향상시킨다. 또한, 상기 플립칩형 발광 다이오드는, P형 반도체층(27)을 통해 광이 방출되는 구조의 발광 다이오드에 비해 P형 전극 및 P형 전극패드에 의한 광흡수를 감소시키는 장점이 있다. 그러나, 사파이어 기판 (21)과 공기(외부)의 계면에서 발생하는 전반사에 의한 광손실을 방지하지 못한다.The flip chip type light emitting diode can promote heat emission through the submount substrate 33, thereby improving light extraction efficiency. In addition, the flip chip type light emitting diode has an advantage of reducing light absorption due to the P-type electrode and the P-type electrode pad, compared to the light emitting diode having the structure in which light is emitted through the P-type semiconductor layer 27. However, the light loss due to total reflection occurring at the interface between the sapphire substrate 21 and air (outer) cannot be prevented.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 투명기판을 통해 광을 방출하는 발광 다이오드에 있어서, 투명기판과 공기의 계면에서 발생되는 전반사에 의한 광손실을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a light emitting diode that can prevent light loss due to total reflection occurring at an interface between a transparent substrate and air in a light emitting diode emitting light through a transparent substrate.

거칠어진 표면을 구비하는 고굴절률 물질층을 채택한 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 투명기판을 포함한다. N형 반도체층 및 P형 반도체층이 상기 투명기판의 일면 상에 위치한다. 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 활성층이 개재된다. 한편, 상기 투명기판의 다른 일면 상에 고굴절률 물질층이 위치한다. 이 고굴절률 물질층은 상기 투명기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 거칠어진 표면(roughened surface)을 갖는다. 이에 따라, 상기 투명기판을 통해 방출되는 광이 전반사없이 고굴절률 물질층으로 입사되고, 거칠어진 표면을 통해 출사되므로 광추출 효율이 증가된다.A light emitting diode employing a high refractive index material layer having a roughened surface is disclosed. This light emitting diode includes a transparent substrate. An N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer are located on one surface of the transparent substrate. An active layer is interposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer. On the other hand, a high refractive index material layer is located on the other surface of the transparent substrate. The high refractive index material layer has a refractive index greater than that of the transparent substrate, and has a roughened surface. Accordingly, light emitted through the transparent substrate is incident on the high refractive index material layer without total reflection and is emitted through the rough surface, thereby increasing light extraction efficiency.

상기 투명기판은 사파이어 기판일 수 있으며, 사파이어 기판은 약 1.7의 굴절률을 갖는다. 따라서, 상기 고굴절률 물질층은 1.7 이상의 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 고굴절률 물질층은 예컨대, 폴리머로 형성될 수 있다.The transparent substrate may be a sapphire substrate, the sapphire substrate has a refractive index of about 1.7. Therefore, the high refractive index material layer preferably has a refractive index of 1.7 or more. The high refractive index material layer may be formed of, for example, a polymer.

상기 N형 반도체층은 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층의 측면으로 연장된 연장부를 가질 수 있다. 상기 연장부에 N형 전극패드가 위치하며, 상기 P형 반도체층 상에 P형 전극패드가 위치할 수 있다. 상기 N형 전극패드 및 상기 P형 전극패드 는 서브마운트 기판에 본딩될 수 있다.The N-type semiconductor layer may have an extension portion extending to the side surfaces of the P-type semiconductor layer and the active layer. An N-type electrode pad may be positioned in the extension portion, and a P-type electrode pad may be positioned on the P-type semiconductor layer. The N-type electrode pad and the P-type electrode pad may be bonded to a submount substrate.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. And, in the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 투명기판(51)의 일면 상에 N형 반도체층(53)이 형성된다. 상기 투명기판(51)은 사파이어 기판일 수 있다. 사파이어는 약 1.7의 굴절률을 갖는다. 한편, 상기 N형 반도체층(53)과 투명기판(51) 사이에 버퍼층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다.Referring to FIG. 2, an N-type semiconductor layer 53 is formed on one surface of the transparent substrate 51. The transparent substrate 51 may be a sapphire substrate. Sapphire has a refractive index of about 1.7. A buffer layer (not shown) may be interposed between the N-type semiconductor layer 53 and the transparent substrate 51.

N형 반도체층(53) 상부에 P형 반도체층(57)이 위치하며, N형 반도체층(53)과 P형 반도체층(57) 사이에 활성층(55)이 개재된다. 상기 활성층(55)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰일 수 있다. 상기 N형 반도체층(53) 및 상기 P형 반도체층(57)은 상기 활성층(55)보다 넓은 밴드갭을 갖는다.The P-type semiconductor layer 57 is positioned on the N-type semiconductor layer 53, and the active layer 55 is interposed between the N-type semiconductor layer 53 and the P-type semiconductor layer 57. The active layer 55 may be a single quantum well or multiple quantum wells. The N-type semiconductor layer 53 and the P-type semiconductor layer 57 have a wider bandgap than the active layer 55.

상기 N형 반도체층(53), 활성층(55) 및 P형 반도체층(57)은 각각 (B, Al, Ga, In)N로 형성된 GaN 계열의 반도체층들일 수 있다. 그러나, 상기 반도체층들은 GaN 계열의 반도체층에 한정되는 것은 아니며, ZnO와 같은 다른 물질층들일 수 있 다.The N-type semiconductor layer 53, the active layer 55, and the P-type semiconductor layer 57 may be GaN-based semiconductor layers formed of (B, Al, Ga, In) N, respectively. However, the semiconductor layers are not limited to GaN-based semiconductor layers, and may be other material layers such as ZnO.

상기 N형 반도체층(53)은, 도시한 바와 같이, 상기 활성층(55) 및 P형 반도체층(57)의 측면으로 연장된 연장부를 갖는다. 상기 연장부 상에 N형 전극패드(59a)가 형성된다. 한편, 상기 P형 반도체층(57) 상에 P형 전극패드(59b)가 형성된다. 상기 전극패드들(59a, 59b)은 리프트 오프(lift off) 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 P형 전극패드(59b)는 반사층을 가질 수 있으며, 상기 반사층은 상기 활성층(55)에서 발생되어 P형 반도체층(57)을 통해 P형 전극패드(59b)로 입사된 광을 투명기판(51)으로 반사시킨다.As illustrated, the N-type semiconductor layer 53 has an extension portion extending to the side surfaces of the active layer 55 and the P-type semiconductor layer 57. An N-type electrode pad 59a is formed on the extension part. The P-type electrode pad 59b is formed on the P-type semiconductor layer 57. The electrode pads 59a and 59b may be formed using a lift off technique. The P-type electrode pad 59b may have a reflective layer, and the reflective layer may emit light incident from the active layer 55 and incident on the P-type electrode pad 59b through the P-type semiconductor layer 57. 51).

상기 전극패드들(59a, 59b)은 솔더(61a, 61b)에 의해 서브마운트 기판(63)에 본딩된다. 상기 서브마운트 기판(63)은 상기 전극패드들(59a, 59b)에 대응하는 패드들(도시하지 않음)을 가지며, 이 패드들에 본딩와이어가 연결될 수 있다. 상기 서브마운트 기판(63)은 예컨대, 실리콘(Si) 기판 또는 금속 기판일 수 있다.The electrode pads 59a and 59b are bonded to the submount substrate 63 by solders 61a and 61b. The submount substrate 63 has pads (not shown) corresponding to the electrode pads 59a and 59b, and bonding wires may be connected to the pads. The submount substrate 63 may be, for example, a silicon (Si) substrate or a metal substrate.

상기 N형 반도체층(53), 활성층(55), P형 반도체층(57)은 각각 금속유기화학기상증착(metalorganic chemical vapor deposition; MOCVD), 수소화물 기상성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE), 분자선 성장(molecular beam epitaxy; MBE) 기술 등을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 P형 반도체층(57) 및 활성층(55)을 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝함으로써 상기 N형 반도체층(53)의 일부를 노출시킬 수 있다. 상기 노출된 N형 반도체층(53), 앞에서 설명한 N형 반도체층의 연장부가 된다.The N-type semiconductor layer 53, the active layer 55, and the P-type semiconductor layer 57 each include metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), It may be formed using a molecular beam epitaxy (MBE) technique or the like. Meanwhile, a portion of the N-type semiconductor layer 53 may be exposed by patterning the P-type semiconductor layer 57 and the active layer 55 using photolithography and etching techniques. The exposed N-type semiconductor layer 53 becomes an extension of the N-type semiconductor layer described above.

한편, 상기 투명기판(51)의 다른 일면 상에 투명 또는 반투명한 고굴절률 물 질층(64)이 형성된다. 상기 고굴절률 물질층은 상기 투명기판(51)보다 큰 굴절률을 갖는다. 예컨대, 상기 투명기판(51)이 사파이어 기판인 경우, 상기 고굴절률 물질층(64)은 약 1.7 이상의 굴절률을 갖는다. 상기 고굴절률 물질층(64)은 예컨대, 폴리머로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 투명기판(51)보다 굴절률이 큰 물질은 어느 것이나 가능하다.On the other hand, a transparent or semi-transparent high refractive index material layer 64 is formed on the other surface of the transparent substrate 51. The high refractive index material layer has a refractive index greater than that of the transparent substrate 51. For example, when the transparent substrate 51 is a sapphire substrate, the high refractive index material layer 64 has a refractive index of about 1.7 or more. The high refractive index material layer 64 may be formed of, for example, a polymer, but is not limited thereto. Any material having a larger refractive index than the transparent substrate 51 may be used.

상기 고굴절률 물질층은 리세스들(64a) 및 돌출부(64b)들로 이루어진 거칠어진 표면을 갖는다. 상기 돌출부(64b)는 필라(pillar) 또는 콘(cone) 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 라인(line)일 수도 있다. 상기 리세스들(64a) 및 돌출부들(64b)은 투명기판(51) 상에 고굴절률 물질층(64)을 형성한 후, 이를 부분 식각하여 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 고굴절률 물질층(64)을 행렬로 부분식각함으로써 필라 또는 콘 모양의 돌출부들(64b) 및 리세스들(64a)을 형성할 수 있다.The high refractive index material layer has a roughened surface consisting of recesses 64a and protrusions 64b. The protrusion 64b may have a pillar or cone shape, but is not limited thereto and may be a line. The recesses 64a and the protrusions 64b may be formed by forming a high refractive index material layer 64 on the transparent substrate 51 and then partially etching them. For example, pillar- or cone-shaped protrusions 64b and recesses 64a may be formed by partially etching the high refractive index material layer 64 in a matrix.

전극패드들(59a, 59b)을 통해 전력이 공급되어 활성층(55)에서 방출된 광은 N형 반도체층(53) 및 투명기판(51)을 통해 고굴절률 물질층(64)으로 입사된다. 고굴절률 물질층(64)은 투명기판(51)에 비해 굴절률이 크기 때문에, 이들의 계면에서 전반사가 발생되지 않는다. 따라서, 활성층(55)에서 투명기판(51)으로 입사된 광은 전반사없이 고굴절률 물질층(64)으로 입사된다. 한편, 고굴절률 물질층(64)으로 입사된 광은 리세스들(64a) 및 돌출부들(64b)로 구성된 거칠어진 표면을 통해 외부로 방출된다. 거칠어진 표면에 의해 고굴절률 물질층(64)과 공기의 계면에서 발생되는 전반사에 의한 광손실을 감소시킬 수 있다. 특히, 상기 돌출부(64b)가 콘 모양에 가깝게 형성될 수록 전반사에 의한 광손실을 더욱 감소시킬 수 있다.Power supplied through the electrode pads 59a and 59b and emitted from the active layer 55 is incident to the high refractive index material layer 64 through the N-type semiconductor layer 53 and the transparent substrate 51. Since the high refractive index material layer 64 has a larger refractive index than the transparent substrate 51, total reflection does not occur at these interfaces. Accordingly, light incident on the transparent substrate 51 from the active layer 55 is incident on the high refractive index material layer 64 without total reflection. Meanwhile, light incident on the high refractive index material layer 64 is emitted to the outside through a roughened surface composed of recesses 64a and protrusions 64b. The roughened surface may reduce light loss due to total reflection generated at the interface between the high refractive index material layer 64 and the air. In particular, the closer the protrusion 64b is to the cone shape, the more the light loss due to total reflection can be reduced.

본 발명의 실시예들에 따르면, 투명기판을 통해 광을 방출하는 발광 다이오드에 있어서, 투명기판과 공기의 계면에서 발생되는 전반사에 의한 광손실을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.According to embodiments of the present invention, in the light emitting diode emitting light through the transparent substrate, it is possible to provide a light emitting diode that can prevent the light loss due to total reflection generated at the interface between the transparent substrate and the air.

Claims (5)

투명기판;Transparent substrate; 상기 투명기판의 일면 상에 형성된 N형 반도체층, P형 반도체층 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재된 활성층;An N-type semiconductor layer, a P-type semiconductor layer, and an active layer interposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer formed on one surface of the transparent substrate; 상기 투명기판의 다른 일면 상에 형성되고, 상기 투명기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 상기 투명기판의 반대편에 거칠어진 표면(roughened surface)을 갖는 고굴절률 물질층을 포함하는 발광 다이오드.And a high refractive index material layer formed on the other side of the transparent substrate and having a refractive index greater than that of the transparent substrate and having a roughened surface opposite to the transparent substrate. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 투명기판은 사파이어 기판이고,The transparent substrate is a sapphire substrate, 상기 고굴절률 물질층은 1.7 이상의 굴절률을 갖는 발광 다이오드.The high refractive index material layer has a refractive index of 1.7 or more. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 고굴절률 물질층은 폴리머로 형성된 발광 다이오드.The high refractive index material layer is a light emitting diode formed of a polymer. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 N형 반도체층은 상기 P형 반도체층 및 상기 활성층의 측면으로 연장된 연장부를 갖고,The N-type semiconductor layer has an extension extending to the side of the P-type semiconductor layer and the active layer, 상기 연장부에 형성된 N형 전극패드; 및An N-type electrode pad formed on the extension portion; And 상기 P형 반도체층 상에 형성된 P형 전극패드를 더 포함하는 발광 다이오드.The light emitting diode further comprising a P-type electrode pad formed on the P-type semiconductor layer. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 N형 전극패드 및 상기 P형 전극패드에 본딩된 서브마운트 기판을 더 포함하는 발광 다이오드.And a submount substrate bonded to the N-type electrode pad and the P-type electrode pad.
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