KR100727472B1 - 발광 다이오드 및 그 형성 방법 - Google Patents

발광 다이오드 및 그 형성 방법 Download PDF

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KR100727472B1 KR1020060100651A KR20060100651A KR100727472B1 KR 100727472 B1 KR100727472 B1 KR 100727472B1 KR 1020060100651 A KR1020060100651 A KR 1020060100651A KR 20060100651 A KR20060100651 A KR 20060100651A KR 100727472 B1 KR100727472 B1 KR 100727472B1
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박영호
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발광 다이오드 및 그 형성 방법이 제공된다. 상기 발광 다이오드는 도전성 기판 상에 위치하는 본딩층, 상기 본딩층 상에 위치하는 반사층, 상기 반사층 상에 위치하는 발광 구조물, 및 상기 발광 구조물의 측벽을 덮는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하부에서 상기 발광 구조물의 하부로 신장되어 상기 발광 구조물을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 포함하며, 상기 반사층과 상기 보호막의 상기 제2 부분은 같은 두께를 갖는다.
발광 다이오드, 발광 구조물, 반사층, 보호막

Description

발광 다이오드 및 그 형성 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR FORMING THEREOF}
도 1은 종래 기술에 따른 GaN 발광 다이오드의 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 수직형 GaN 발광 다이오드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명 ♧
110,210 : 절연성 기판 120,220 : 발광 구조물
121,221 : 제1 질화물계 반도체층 122,222 : 활성층
123,223 : 제2 질화물계 반도체층 130,230 : 보호막
140,240 : 반사층 150,250 : 본딩층
160,260 :도전성 기판
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 다이오드 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(LED:light emitting diode)는 전자와 홀의 재결합에 기초하는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용하는 반도체 장치이다.
발광 다이오드에서 발생되는 광의 주파수(또는 파장)는 사용되는 반도체 재료의 밴드 갭 함수이다. 즉, 작은 밴드 갭에서는 낮은 에너지와 긴 파장의 광자를 발생하고, 큰 밴드 갭에서는 짧은 파장의 광자를 발생한다. 예들 들어, 비교적 큰 밴드 갭을 갖는 반도체 재료인 Ⅲ족 질화물계 반도체, 특히 질화 갈륨(GaN)은 청색 또는 자외선 파장을 갖는 빛을 생성한다. 단파장 LED는 광기록 장치(optical storage)의 저장 공간을 증가시킬 수 있는 장점을 갖고 있다.
GaN는 다른 Ⅲ족 질화물계 반도체와 마찬가지로 벌크 단결정체로 형성될 수 없다. 따라서, GaN결정의 성장을 위해 적절한 기판을 사용하여야 한다. GaN결정을 성장시키기 위한 기판으로는 사파이어, 즉 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 기판이 대표적이다. 그러나, 이러한 사파이어 기판은 절연성이기 때문에 GaN 발광 다이오드의 구조를 형성하는데 큰 제약을 받는다.
도 1은 종래 기술에 따른 GaN 발광 다이오드의 단면도이다. 도 1을 참조하 면, GaN 발광 다이오드는 사파이어 기판(10)을 포함한다. 사파이어 기판(10) 상에 n형 GaN층(21), 다중 양자 우물(MQW:multi-quantum well) 구조의 활성층(22), 및 p형 GaN층(23)이 차례로 위치한다. p형 GaN층(23) 상에 투명전극(transparent electrode,40)이 위치한다. n형 GaN층(21)의 노출된 상부에 n형 전극(70)이 위치하고, 투명 전극(40) 상부에 p형 전극(72)이 위치한다.
이와 같이, 종래의 GaN 발광 다이오드는 절연 물질인 사파이어를 기판(10)으로 사용하기 때문에 두 전극(70,72)이 거의 수평한 방향으로 형성될 수 밖에 없다. 따라서, 전압인가시에 p형 전극(72)으로부터 활성층을 통해 n형 전극(70)으로 향하는 전류 흐름이 수평 방향을 따라 협소하게 형성된다. 이러한 협소한 전류흐름으로 인해 GaN 발광 다이오드는 순방향 전압이 증가하여 전류효율이 저하된다.
그리고, 종래의 GaN 발광 다이오드는 n형 전극(70)을 형성하기 위해서 활성층(22)의 일부를 제거해야 하므로 발광 면적이 감소하여 발광 효율이 저하될 수 있다. 또, 종래의 GaN 발광 다이오드는 전류 밀도의 증가에 의해 열발생량이 큰데 반하여 사파이어 기판(10)은 열전도성이 낮아 열방출이 원활히 이루어지지 못하여, 소자의 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 이러한 GaN 발광 다이오드의 단점을 보완할 수 있는 수직형 GaN 발광 다이오드가 제안되었다.
도 2는 종래 기술에 따른 수직형 GaN 발광 다이오드의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 수직형 GaN 발광 다이오드는 도전성 기판(60)을 포함한다. 도전성 기판(60) 상에 본딩층(50)과 반사층(40)이 위치한다. 반사층(40) 상에 p형 GaN 층(23), 다중 양자 우물(MQW:multi-quantum well) 구조의 활성층(22), 및 n형 GaN층(21)이 차례로 위치한다. n형 GaN층(21) 상에 n형 전극(70)이 위치한다. 도전성 기판(60)이 p형 전극으로 사용되거나, 도전성 기판(60) 하부면에 p형 전극이 더 배치될 수도 있다.
이와 같이 수직형 GaN 발광 다이오드에서는 n형 전극(70)과 p형 전극인 도전성 기판(60)이 발광 다이오드의 상부와 하부에 형성된다. 수직형 GaN 발광 다이오드는 두 전극이 발광 구조물의 상부와 하부에 형성되기 때문에 전류의 흐름이 양호하여 동작 전압을 낮추며 활성층(22)에서의 전류의 균일도가 좋은 특성을 가질 수 있다.
그리고, 수직형 GaN 발광 다이오드는 n형 전극(70)을 형성하기 위해 종래의 GaN 발광 다이오드의 경우 처럼 상기 활성층(22)의 일부 영역을 제거할 필요가 없으며, 그로 인해 발광 면적을 넓힐 수 있어 발광 효율이 증가된다.
그러나, n형 전극(70)을 형성하기 위해서는 n형 GaN층(21)으로부터 사파이어 기판(미도시)을 레이저 빔으로 분리시켜야 하는데, 이때 n형 GaN층(21)의 단결정면이 손상될 수 있다. 즉, 상기 레이저 빔에 의해 사파이어 기판에 열을 가하는 경우, 사파이어 기판과 n형 GaN층(21)의 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이로 인해 n형 GaN층(21)의 단결정면이 손상될 수 있다. 발광 다이오드 소자가 대면적일 경우 n형 GaN층(21)의 단결정면이 입는 손상은 더욱 크게 되고, 이에 의해 발광 다이오드의 신뢰성 및 수율이 저하될 수 있다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신뢰성 및 수율이 향상된 수직형 발광 다이오드 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는: 도전성 기판 상에 위치하는 본딩층; 상기 본딩층 상에 위치하는 반사층; 상기 반사층 상에 위치하며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물의 측벽을 덮는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하부에서 상기 발광 구조물의 하부로 신장되어 상기 발광 구조물을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 포함하며, 상기 반사층과 상기 보호막의 상기 제2 부분은 동일한 두께를 갖는다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 반사층은 상기 개구부에 배치되고, 상기 반사층과 상기 제2 부분은 동일 높이의 하부면을 가질 수 있다. 상기 반사층은 상기 발광 구조물에 비하여 작은 폭을 가질 수 있다. 상기 반사층은 하부의 장벽 금속층과 상부의 반사 금속층을 포함할 수 있다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 본딩층은 제1 본딩 금속층 및 제2 본딩 금속층을 포함할 수 있다. 상기 제1 본딩 금속층은 상기 도전성 기판과 접촉하고, 상기 제2 본딩 금속층은 상기 반사층 및 상기 보호막의 상기 제2 부분의 하부면과 접촉할 수 있다. 상기 제1 본딩 금속층은 1㎛ 이상의 두께를 갖고, 상기 제2 본딩 금속층은 제2 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는: 도전성 기판 상에 위치하는 본딩 층; 상기 본딩층 상에 위치하는 반사층; 상기 반사층 상에 위치하며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물 및 상기 반사층의 측벽을 덮는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하부에서 상기 반사층의 하부로 신장되어 상기 반사층을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 포함하며, 상기 본딩층은 상기 보호막의 상기 제2 부분의 하부면과 접촉하고 상기 개구부 내에 삽입되는 제1 본딩 금속층과, 상기 도전성 기판과 접촉하는 제2 본딩 금속층을 포함한다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 반사층과 상기 발광 구조물은 서로 같은 폭을 가질 수 있다. 상기 반사층은 하부의 장벽 금속층과 상부의 반사 금속층을 포함할 수 있다.
상기 발광 다이오드에서, 상기 제1 본딩 금속층은 1㎛ 이상의 두께를 갖고, 상기 제2 본딩 금속층은 제2 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법은: 절연성 기판 상에 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물의 측벽을 덮는 제1 부분과 상기 제1 부분의 상부에서 상기 발광 구조물의 상부로 신장하여 상기 발광 구조물을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 형성하는 단계; 상기 개구부에 상기 보호막의 상기 제2 부분과 동일한 두께를 갖는 반사층을 형성하는 단계; 상기 보호막의 상기 제2 부분 및 상기 반사층 상에 제1 본딩층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 본딩층 상에 도전성 기판을 접합시키는 단계를 포함한다.
상기 형성 방법에서, 상기 반사층을 형성하는 단계는: 상기 발광 구조물 상에 반사 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 반사 금속층 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 형성 방법에서, 상기 도전성 기판을 접합시키는 단계는: 상기 도전성 기판 상에 제2 본딩 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 본딩 금속층과 상기 제2 본딩 금속층을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 본딩 금속층은 1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성되고, 상기 제2 본딩 금속층은 제2 ㎛ 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법은: 절연성 기판 상에 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 반사층을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 및 상기 반사층의 측벽을 덮는 제1 부분과 상기 제1 부분의 상부에서 상기 반사층의 상부로 신장하여 상기 반사층을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막의 상기 제2 부분 상에 제1 본딩층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 본딩층 상에 도전성 기판을 접합시키는 단계를 포함한다.
상기 형성 방법에서, 상기 반사층을 형성하는 단계는: 상기 발광 구조물 상에 반사 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 반사 금속층 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 형성 방법에서, 상기 제1 본딩층은 상기 개구부 내에 삽입될 수 있다.
상기 형성 방법에서, 상기 도전성 기판을 접합시키는 단계는: 상기 도전성 기판 상에 제2 본딩 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 본딩 금속층과 상기 제2 본딩 금속층을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 본딩 금속층은 1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성되고, 상기 제2 본딩 금속층은 제2 ㎛ 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 구성요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 도면들에서, 막 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 '상부면'과 '하부면'은 상대적인 개념으로 사용된다. 즉, 기판의 회전에 따라 상부면이 하부면으로, 하부면이 상부면으로 바뀔 수 있다.
(발광 다이오드의 구조)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 발광 구조물(120), 보호막(130), 반사층(140), 본딩층(150), 및 도전성 기판(160)을 포함한다.
발광 구조물(120)은 제1 질화물계 반도체층(121), 다중 양자 우물(MQW:multi quantum well) 구조의 활성층(122), 및 제2 질화물계 반도체층(123)을 포함한다. 예컨대, 제1 질화물계 반도체층(121)은 n형 GaN층이고, 제2 질화물계 반도체층(123)은 p형 GaN층일 수 있다.
보호막(130)이 발광 구조물(120)의 측벽과 하부면의 일부를 덮는다. 보호막(130)은 제1 부분(131)과 제2 부분(132)을 포함한다. 제1 부분(131)은 발광 구조물(120)의 측벽을 덮고, 제2 부분(132)은 제1 부분(131)의 하부에서 발광 구조물(120)의 하부로 신장되고, 발광 구조물(120)을 노출하는 개구부(135)를 갖는다. 따라서, 보호막(130)의 단면은 "L"형의 모양을 갖는다. 보호막(130)은 절연막으로, 누설 전류를 방지하고 소자를 보호하는 기능을 한다.
반사층(140)이 발광 구조물(120) 하부의 개구부(135)에 위치한다. 반사층(140)과 보호막의 제2 부분(132)은 서로 같은 두께를 갖는다. 따라서, 반사층(140)의 하부면과 보호막의 제2 부분(132)의 하부면은 동일 평면 상에 배치된다. 또, 반사층(140)과 보호막의 제2 부분(132)의 측벽은 서로 접촉한다. 보호막의 제2 부분(132)이 발광 구조물(120)의 하부면을 일부 덮기 때문에, 반사층(140)은 발광 구조물(120)에 비하여 작은 폭을 갖는다.
반사층(140)은 상부의 반사 금속층(141)과 하부의 장벽 금속층(142)을 포함할 수 있다. 반사 금속층(141)은 Ni, Au, Ag, Al, ITO(Indium Tin Oxide), Rh 및 그 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 반사율이 높은 금속을 포함할 수 있다. 장벽 금속층(142)은 반사 금속층(141)과 본딩층(150)의 금속 물질 서로 혼합되는 것을 방지하여 반사 금속층(141)을 보호한다. 장벽 금속층(142)은 생략될 수 있으며, 반사층(140)은 반사 금속층(141)만을 포함할 수 있다.
본딩층(150)이 반사층(140)과 도전성 기판(160) 사이에 배치된다. 본딩층(150)은 제1 본딩 금속층(151)과 제2 본딩 금속층(152)을 포함한다. 제1 본딩 금속층(151)은 반사층(140) 및 보호막의 제2 부분(132)의 하부면과 접촉하고, 제2 본딩층(152)은 도전성 기판(160)과 접촉한다. 이에 의해, 발광 구조물(120)과 도전성 기판(160)이 서로 전기적으로 연결된다. 반사층(140) 및 보호막의 제2 부분(132)의 하부면이 서로 동일 평면 상에 배치되므로, 제1 본딩 금속층(151)은 평탄한 상부면과 하부면을 가질 수 있다. 따라서, 제1 본딩 금속층(151)의 하부면은 전부 제2 본딩 금속층(152)의 상부면과 접촉할 수 있다. 이에 의해, 제1 본딩 금속층(151)과 제2 본딩 금속층(152)은 서로 강하게 접착될 수 있다. 제1 본딩 금속층(151)은 1㎛ 이상의 두께를 가질 수 있고, 제2 본딩 금속층(152)은 2㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 이와 같이, 적절한 두께를 갖는 제1 및 제2 본딩 금속층(151,152)은 발광 구조물(120), 특히 제2 질화물계 반도체층(123)과 제2 본딩 금속층(152) 사이에서 발생할 수 있는 스트레스를 최소로 할 수 있다. 이에 의해, 층간 분리되는 현상이 방지될 수 있다. 특히, 발광 구조물(120), 반사층(140), 또 는/및 본딩층(150)이 서로 분리되는 것이 방지될 수 있다.
도전성 기판(160)은 Si 기판, Cu 기판, GaAs 기판, Ge 기판, 또는 Mo 기판을 포함할 수 있다. 도전성 기판(160)은 그 자체가 p형 전극으로 사용될 수도 있고, 도전성 기판(160) 하부면에 p형 전극이 더 배치될 수도 있다. 도전성 기판(160)으로 열전달이 우수한 물질을 포함하는 기판을 사용함으로써 소자 구동시 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있고, 이에 의해, 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
발광 구조물의 제1 질화물계 반도체층(121) 상에 n형 전극(170)이 배치된다. n형 전극(170)은 도시된 것과 달리 다양한 형태로 배치될 수 있다. 이에 의해, 발광 다이오드는 수직구조를 갖는다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 수직형 발광 다이오드는 발광 구조물(220), 보호막(230), 반사층(240), 본딩층(250), 및 도전성 기판(260)을 포함한다.
발광 구조물(220)은 제1 질화물계 반도체층(221), 다중 양자 우물(MQW:multi quantum well) 구조의 활성층(222), 및 제2 질화물계 반도체층(223)을 포함한다. 예컨대, 제1 질화물계 반도체층(221)은 n형 GaN층이고, 제2 질화물계 반도체층(223)은 p형 GaN층일 수 있다.
반사층(240)이 발광 구조물(220) 하부에 위치한다. 반사층(240)과 발광 구조물(220)은 서로 같은 폭을 갖는다. 반사층(240)은 상부의 반사 금속층(241)과 하부의 장벽 금속층(242)을 포함할 수 있다. 반사 금속층(241)은 Ni, Au, Ag, Al, ITO, Rh 및 그 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 반사율이 높은 금속을 포함할 수 있다. 장벽 금속층(242)은 반사 금속층(241)과 본딩층(250)의 금속 물질 서로 혼합되는 것을 방지하여 반사 금속층(241)을 보호한다. 장벽 금속층(242)은 생략될 수 있으며, 반사층(240)은 반사 금속층(241)만을 포함할 수 있다.
보호막(230)이 발광 구조물(220) 및 반사층(240)의 측벽과 반사층(240)의 하부면의 일부를 덮는다. 보호막(230)은 제1 부분(231)과 제2 부분(232)을 포함한다. 제1 부분(231)은 발광 구조물(220) 및 반사층(240)의 측벽을 덮고, 제2 부분(232)은 제1 부분(231)의 하부에서 반사층(240)의 하부로 신장되고, 반사층(240)을 노출하는 개구부(235)를 갖는다. 따라서, 보호막(230)의 단면은 "L"형의 모양을 갖는다. 보호막(230)은 절연막으로, 누설 전류를 방지하고 소자를 보호하는 기능을 한다.
본딩층(250)이 반사층(240)과 도전성 기판(260) 사이에 배치된다. 본딩층(250)은 제1 본딩 금속층(251)과 제2 본딩 금속층(252)을 포함한다. 제1 본딩 금속층(251)은 보호막의 제2 부분(232)의 하부면과 접촉한다. 또, 제1 본딩 금속층(251)은 개구부(235) 내로 삽입되어, 보호막의 제2 부분(232)의 측벽 및 반사층(240) 하부면과 접촉할 수 있다. 제2 본딩 금속층(252)은 도전성 기판(260)과 접촉한다. 이에 의해, 발광 구조물(220)과 도전성 기판(260)이 서로 전기적으로 연결된다. 제1 본딩 금속층(251)이 보호막의 제2 부분(232) 사이로 삽입되어 제1 본딩 금속층(251)의 중앙부는 제2 본딩 금속층(252)과 접촉하지 않을 수 있다. 그러나, 제1 본딩 금속층(251)의 분리된 양쪽 하부면들이 모두 제2 본딩 금속층(252)과 접촉한다. 이에 의해, 제1 본딩 금속층(251)과 제2 본딩 금속층(252)은 서로 강하게 접착될 수 있다. 제1 본딩 금속층(251)은 1㎛ 이상의 두께를 가질 수 있고, 제2 본딩 금속층(252)은 2㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 이와 같이, 적절한 두께를 갖는 제1 및 제2 본딩 금속층(251,252)은 발광 구조물(220), 특히 제2 질화물계 반도체층(223)과 제2 본딩 금속층(252) 사이에서 발생할 수 있는 스트레스를 최소로 할 수 있다. 이에 의해, 층간 분리되는 현상이 방지될 수 있다.
도전성 기판(260)이 본딩층(250) 하부에 위치한다. 도전성 기판(260)은 Si 기판, Cu 기판, GaAs 기판, Ge 기판, 또는 Mo 기판을 포함할 수 있다. 도전성 기판(260)은 그 자체가 p형 전극으로 사용될 수도 있고, 도전성 기판(260) 하부면에 p형 전극이 더 배치될 수도 있다. 도전성 기판(260)으로 열전달이 우수한 물질을 포함하는 기판을 사용함으로써 소자 구동시 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있고, 이에 의해, 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
발광 구조물의 제1 질화물계 반도체층(221) 상에 n형 전극(270)이 배치된다. n형 전극(270)은 도시된 것과 달리 다양한 형태로 배치될 수 있다. 이에 의해, 발광 다이오드는 수직구조를 갖는다.
(발광 다이오드의 형성 방법)
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 절연성 기판(110) 상에 증착 공정을 수행하여 제1 질화물계 반도체층(121), 다중 양자 우물 구조의 활성층(122), 및 제2 질화물계 반도체층(123)이 차례로 형성된다. 절연성 기판(110)으로 사파이어 기판이 사용될 수 있다. 상기 증착 공정은 MOCVD(metal organic chemical vapor diposition) 공정 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 질화물계 반도체층(121)은 n형 GaN으로 형성될 수 있고, 제2 질화물계 반도체층(123)은 p형 GaN으로 형성될 수 있다. 활성층(122)은 발광 파장에 따라 다양한 물질로 형성될 수 있다. 절연성 기판(110) 상에 제1 질화물계 반도체층(121)을 형성하기 전에 절연성 기판(110)과의 격자 정합을 향상시키키 위한 버퍼층이 더 형성될 수도 있다.
제2 질화물계 반도체층(123) 상에 마스크 패턴(125)을 형성한 후, 마스크 패턴(125)을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정이 수행된다. 상기 식각 공정에 의해, 제1 질화물계 반도체층(121), 활성층(122), 및 제2 질화물계 반도체층(123)이 패터닝되어, 다수의 발광 구조물(120)이 형성된다.
도 7을 참조하면, 마스크 패턴(125)을 제거한 후 발광 구조물(120)의 측벽과 상부면의 일부를 덮는 보호막(130)이 형성된다. 보호막(130)은 기판 전면에 절연막을 형성한 후 사진 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 보호막(130)은 예컨대, SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3로 형성될 수 있다. 보호막(130)은 발광 구조물(120)의 측벽을 덮는 제1 부분(131)과, 제1 부분(131)의 상부에서 발광 구조물(120)의 상부로 신장하는 제2 부분(132)을 포함할 수 있다. 보호막의 제2 부분(132)은 발광 구조물(120)의 상부면을 노출하는 개구부(135)를 갖는다. 도면에는 보호막(130)이 절연성 기판(110)의 표면 상에서 단절되어 있지만, 이와 달리 연결될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 개구부(135) 내에 반사층(140)이 형성된다. 반사층(140)은 기판 전면에 증착 공정을 수행하여 금속층을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 또는, 보호막(120)을 형성하기 위한 사진 공정에서 사용된 포토레지스트 패턴을 제거하지 않은 상태에서 기판 전면에 금속층을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로써, 포토레지스트 패턴 상의 금속층은 제거되고 개구부(135) 내에만 반사층(140)이 형성될 수 있다.
상기 증착 공정은 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 반사층(140)은 보호막의 제2 부분(132)과 같은 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 반사층(140)은 보호막의 제2 부분(132)의 상부면과 같은 높이의 상부면을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 반사층(140)과 보호막의 제2 부분(132)은 그 상부면들이 동일 평면상에 평탄하게 배치되도록 형성될 수 있다.
반사층(140)은 반사 금속층(142)과 장벽 금속층(144)의 적층구조로 형성될 수 있다. 반사 금속층(141)은 예컨대, Ni, Au, Ag, Al, ITO(Indium Tin Oxide), Rh 및 그 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 반사율이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 장벽 금속층(142)은 그 상부에 형성되는 본딩층(도 10 참조)의 금속 물질이 반사 금속층(141)으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 장벽 금속층(142)은 형성되지 않고, 반사 금속층(141)만이 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 반사층(140) 및 보호막(130) 상에 제1 본딩 금속층(151)이 형성된다. 제1 본딩 금속층(251)은 기판 전면에 증착 공정을 수행하여 금속층을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 증착 공정은 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 반사층(140)과 보호막의 제2 부분(132)의 상부면이 서로 평탄하게 형성되기 때문에, 제1 본딩 금속층(151)도 그 상부면과 하부면이 평탄하게 형성될 수 있다. 제1 본딩 금속층(151)은 1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 도전성 기판(160) 상에 제2 본딩 금속층(152)이 형성된다. 도전성 기판(160)으로 Si 기판, Cu 기판, GaAs 기판, Ge 기판, 또는 Mo 기판 등이 사용될 수 있다. 제2 본딩 금속층(152)은 기판 전면에 증착 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 상기 증착 공정은 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 제2 본딩 금속층(152)은 2㎛ 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
제1 본딩 금속층(151)과 제2 본딩 금속층(152)이 접착되어, 본딩층(150)이 형성된다. 평탄하게 형성된 제1 본딩 금속층(151)의 상부면은 전부 제2 본딩 금속층(152)의 하부면과 접촉할 수 있다. 이에 의해, 제1 본딩 금속층(151)과 제2 본딩 금속층(152)은 서로 강하게 접착될 수 있다.
이어서, 절연성 기판(110)이 분리되어 제거되고, 발광 구조물(120) 상에 n형 전극이, 도전성 기판(160) 상에 p형 전극이 형성되면, 도 3에 도시된 발광 다이오드가 완성된다. 단, 전술한 바와 같이 p형 전극이 형성되지 않고, 도전성 기판(160)이 p형 전극으로 사용될 수도 있다.
절연성 기판(110)은 그 하부면에 조사되는 레이저 빔에 의해 발광 구조물(120)로부터 분리될 수 있다. 레이저는 355nm Nd-YAG레이저나 248nm KrF레이저가 사용될 수 있다. 이때, 절연성 기판(110)과 제1 질화물계 반도체층(121)의 열팽창계수의 차이와 격자부정합으로 인해 스트레스가 발생할 수 있다. 예컨대, 절연성 기판(110)으로 사용되는 사파이어 기판의 열팽창계수는 약 7.5×10-6/K인데 반하여 제1 질화물계 반도체층(121)으로 사용되는 GaN층의 열팽창계수는 5.59×10-6/K이므로 두 층간에 약 16%의 격자부정합이 발생할 수 있다. 이에 의해, 레이저 빔에 의한 열발생시에 절연성 기판(110)과 제1 질화물계 반도체층(121)의 접촉면에는 각각 큰 압축응력과 인장응력 등 스트레스가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 절연성 기판(110)을 레이저 빔으로 분리하기 전에 발광 구조물(120)이 소면적으로 패터닝되기 때문에, 절연성 기판(110)과 제1 질화물계 반도체층(121)의 접촉면에서 발생하는 스트레스는 충분히 감소될 수 있다. 따라서, 절연성 기판(110)이 분리될 때 제1 질화물계 반도체층(121) 표면에서 발생할 수 있는 크랙(crack)이 방지될 수 있다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11 및 도 12을 참조하면, 절연성 기판(210) 상에 증착 공정을 수행하여 제1 질화물계 반도체층(221), 다중 양자 우물 구조의 활성층(222), 제2 질화물계 반도체층(223), 반사 금속층(241), 및 장벽 금속층(242)이 차례로 형성된다. 절연 성 기판(210)으로 사파이어 기판이 사용될 수 있다.
제1 질화물계 반도체층(221), 활성층(222), 및 제2 질화물계 반도체층(223)의 증착 공정은 MOCVD(metal organic chemical vapor diposition) 공정 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 공정을 포함할 수 있고, 반사 금속층(241) 및 장벽 금속층(242)는 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 질화물계 반도체층(221)은 n형 GaN으로 형성될 수 있고, 제2 질화물계 반도체층(223)은 p형 GaN으로 형성될 수 있다. 활성층(222)은 발광 파장에 따라 다양한 물질로 형성될 수 있다. 반사 금속층(241)은 예컨대, Ni, Au, Ag, Al, ITO(Indium Tin Oxide), Rh 및 그 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 반사율이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 장벽 금속층(242)은 그 상부에 형성되는 본딩층(도 15 참조)의 금속 물질이 반사 금속층(241)으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 장벽 금속층(242)은 형성되지 않고, 반사 금속층(241)만이 형성될 수 있다. 절연성 기판(210) 상에 제1 질화물계 반도체층(221)을 형성하기 전에 절연성 기판(210)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 버퍼층이 더 형성될 수도 있다.
장벽 금속층(242) 상에 마스크 패턴(225)을 형성한 후, 마스크 패턴(225)을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정이 수행된다. 상기 식각 공정에 의해, 제1 질화물계 반도체층(221), 활성층(222), 제2 질화물계 반도체층(223), 반사 금속층(241) 및 장벽 금속층(242)이 패터닝되어 다수의 발광 구조물(220)과, 발광 구조물(220) 상에 반사층(240)이 형성된다.
도 13을 참조하면, 마스크 패턴(225)을 제거한 후 발광 구조물(220) 및 반사층(240)의 측벽과 반사층(240)의 상부면의 일부를 덮는 보호막(230)이 형성된다. 보호막(130)은 기판 전면에 절연막을 형성한 후 사진 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 보호막(230)은 예컨대, SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3로 형성될 수 있다. 보호막(230)은 발광 구조물(220) 및 반사층(240)의 측벽을 덮는 제1 부분(231)과, 제1 부분(231)의 상부에서 반사층(240)의 상부로 신장하는 제2 부분(232)을 포함할 수 있다. 보호막의 제2 부분(232)은 반사층(240)을 노출하는 개구부(235)를 갖는다. 도면에는 보호막(130)이 절연성 기판(110)의 표면 상에서 단절되어 있지만, 이와 달리 연결될 수도 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 반사층(240) 및 보호막(230) 상에 제1 본딩 금속층(251)이 형성된다. 제1 본딩 금속층(251)은 개구부(232) 내로 삽입될 수 있다. 제1 본딩 금속층(251)은 기판 전면에 증착 공정을 수행하여 금속층을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 증착 공정은 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 제1 본딩 금속층(251)은 1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 도전성 기판(260) 상에 제2 본딩 금속층(252)이 형성된다. 도전성 기판(260)으로 Si 기판, Cu 기판, GaAs 기판, Ge 기판, 또는 Mo 기판 등이 사용될 수 있다. 제2 본딩 금속층(152)은 기판 전면에 증착 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 상기 증착 공정은 열 증착(thermal evaporation) 공정, 전자선 증착(electron beam evaporation) 공정, 또는 스퍼터링 공정을 포함할 수 있다. 제2 본딩 금속층(252)은 2㎛ 이하의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
제1 본딩 금속층(251)과 제2 본딩 금속층(252)이 접착되어, 본딩층(250)이 형성된다. 제1 본딩 금속층(251)이 보호막의 제2 부분(232) 사이로 삽입되어 제1 본딩 금속층(251)의 중앙부는 제2 본딩 금속층(252)과 접촉하지 않을 수 있다. 그러나, 제1 본딩 금속층(251)의 분리된 양쪽 하부면들이 모두 제2 본딩 금속층(252)과 접촉한다. 이에 의해, 제1 본딩 금속층(251)과 제2 본딩 금속층(252)은 서로 강하게 접착될 수 있다.
이어서, 절연성 기판(210)이 분리되어 제거되고, 발광 구조물(220) 상에 n형 전극이, 도전성 기판(260) 상에 p형 전극이 형성되면, 도 4에 도시된 발광 다이오드가 완성된다. 단, p형 전극이 형성되지 않고, 도전성 기판(260)이 p형 전극으로 사용될 수도 있다.
절연성 기판(210)은 전술한 실시예와 같이 355nm Nd-YAG레이저나 248nm KrF레이저와 같은 레이저 빔을 그 하부면에 조사함으로써 발광 구조물(220)로부터 분리될 수 있다. 이때, 레이저 빔에 의한 열발생시에 절연성 기판(210)과 제1 질화물계 반도체층(221)의 접촉면에는 각각 큰 압축응력과 인장응력 등 스트레스가 발생할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서도 전술한 실시예와 같이 절연성 기판(210)을 레이저 빔으로 분리하기 전에 발광 구조물(220)이 소면적으로 패터닝되기 때문에, 절연성 기판(210)과 제1 질화물계 반도체층(221)의 접촉면에서 발생하는 스트레스는 충분히 감소될 수 있다. 따라서, 절연성 기판(210)이 분리될 때 제1 질화 물계 반도체층(221) 표면에서 발생할 수 있는 크랙(crack)이 방지될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예들에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접착력이 강한 본딩층에 의해 다수의 발광 구조물들이 도전성 기판에 안정적으로 연결될 수 있다. 따라서, 수직형 발광 다이오드의 신뢰성 및 수율이 향상될 수 있다.

Claims (19)

  1. 도전성 기판 상에 위치하는 본딩층;
    상기 본딩층 상에 위치하는 반사층;
    상기 반사층 상에 위치하며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물의 측벽을 덮는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하부에서 상기 발광 구조물의 하부로 신장되어 상기 발광 구조물을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 포함하며,
    상기 반사층과 상기 보호막의 상기 제2 부분은 같은 두께를 갖는 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 개구부에 배치되고, 상기 반사층의 하부면과 상기 제2 부분의 하부면은 같은 높이에 위치하는 발광 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 발광 구조물에 비하여 작은 폭을 갖는 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 하부의 장벽 금속층과 상부의 반사 금속층을 포함하는 발광 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층은 제1 본딩 금속층 및 제2 본딩 금속층을 포함하며,
    상기 제1 본딩 금속층은 상기 도전성 기판과 접촉하고,
    상기 제2 본딩 금속층은 상기 반사층 및 상기 보호막의 상기 제2 부분의 하부면과 접촉하는 발광 다이오드.
  6. 삭제
  7. 도전성 기판 상에 위치하는 본딩층;
    상기 본딩층 상에 위치하는 반사층;
    상기 반사층 상에 위치하며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물 및 상기 반사층의 측벽을 덮는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 하부에서 상기 반사층의 하부로 신장되어 상기 반사층을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 포함하며,
    상기 본딩층은 상기 보호막의 상기 제2 부분의 하부면과 접촉하고 상기 개구부 내에 삽입되는 제1 본딩 금속층과, 상기 도전성 기판과 접촉하는 제2 본딩 금속층을 포함하는 발광 다이오드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 발광 구조물은 서로 같은 폭을 갖는 발광 다이오드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사층은 하부의 장벽 금속층과 상부의 반사 금속층을 포함하는 발광 다이오드.
  10. 삭제
  11. 절연성 기판 상에 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물의 측벽을 덮는 제1 부분과 상기 제1 부분의 상부에서 상기 발광 구조물의 상부로 신장하여 상기 발광 구조물을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 상기 보호막의 상기 제2 부분과 같은 두께를 갖는 반사층을 형성하는 단계;
    상기 보호막의 상기 제2 부분 및 상기 반사층 상에 제1 본딩층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 본딩층 상에 도전성 기판을 접합시키는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반사층을 형성하는 단계는:
    상기 발광 구조물 상에 반사 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 반사 금속층 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전성 기판을 접합시키는 단계는:
    상기 도전성 기판 상에 제2 본딩 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 본딩 금속층과 상기 제2 본딩 금속층을 접합시키는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  14. 삭제
  15. 절연성 기판 상에 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 반사층을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물 및 상기 반사층의 측벽을 덮는 제1 부분과 상기 제1 부분의 상부에서 상기 반사층의 상부로 신장하여 상기 반사층을 노출하는 개구부를 갖는 제2 부분을 포함하는 보호막을 형성하는 단계;
    상기 보호막 상에 제1 본딩층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 본딩층 상에 도전성 기판을 접합시키는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 반사층을 형성하는 단계는:
    상기 발광 구조물 상에 반사 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 반사 금속층 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 본딩층은 상기 개구부 내에 삽입되는 발광 다이오드의 형성 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 도전성 기판을 접합시키는 단계는:
    상기 도전성 기판 상에 제2 본딩 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 본딩 금속층과 상기 제2 본딩 금속층을 접합시키는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 형성 방법.
  19. 삭제
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