KR100845549B1 - 백색 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR100845549B1 KR1020070006768A KR20070006768A KR100845549B1 KR 100845549 B1 KR100845549 B1 KR 100845549B1 KR 1020070006768 A KR1020070006768 A KR 1020070006768A KR 20070006768 A KR20070006768 A KR 20070006768A KR 100845549 B1 KR100845549 B1 KR 100845549B1
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Abstract

본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로서, 투광성을 갖는 기판 상에 형성된 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층 상의 소정 영역에 형성되고, 상기 제1 클래드층에 대하여 병렬적으로 형성되는 적어도 하나 이상씩의 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층; 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면에 형성되되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 기판의 상면 사이에 연속적으로 형성된 산화절연층; 상기 활성층이 형성되지 않으며, 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제1 클래드층 상에 형성된 다수개의 제1 전극; 및 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 형성된 다수개의 제2 전극;을 포함하는 백색 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다
백색 발광소자, 청색 발광층, 녹색 발광층, 적색 발광층, 산화절연층

Description

백색 발광소자 및 그 제조방법{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도 및 부분확대도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자가 실장된 발광다이오드 패키지의 단면도.
도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자가 실장된 발광다이오드 패키지의 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자와 등가를 이루는 구성의 회로도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.
도 7은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 또 다른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.
도 9a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자가 실장된 발광다이오드 패키지의 단면도.
도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자가 실장된 발광다이오드 패키지의 평면도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자와 등가를 이루는 구성의 회로도.
도 11 내지 도 16과 도 17a 및 18a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자의 일련의 제조방법을 나타낸 단면도.
도 11 내지 도 16과 도 17b 및 18b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자의 일련의 제조방법을 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 백색 발광소자 110 : 기판
120 : 버퍼층 130 : 제1 클래드층
140 : 활성층 141 : 청색 발광층
142 : 녹색 발광층 143 : 적색 발광층
144 : 산화절연층 150 : 제2 클래드층
160 : 투명 도전체층 170 : 제2 전극
180 : 제1 전극 210a: 제1 리드프레임
210b: 제2 리드프레임 210: 리드프레임
220: 패키지몰드 240: 본딩와이어
250: 산란제 260: 몰딩재
본 발명은 백색 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적색광, 녹색광 및 청색광을 발산할 수 있는 발광층들이 단일 소자 상에 병렬적으로 적층되고, 상기 발광층들 사이의 경계면에는 산화절연층이 형성되어 각각의 활성층들이 전기적으로 절연되어 있는 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 발광 소자는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다. 이러한 백색 발광 소자는 형광체를 이용하는 방식과 개별 LED(Light Emitting Device)로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식이 알려져 있다.
우선, 형광체를 이용하여 백색 발광소자를 제조하는 방법으로는, 청색 발광 소자를 이용하는 방법이 있다. 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 청색 발광소자에 황색 형광체를 결합하거나, 또는 적색 및 녹색 형광체를 결합하여 구성함으로써 청색 발광소자로부터 발산되는 청색광이 형광체를 여기시켜 최종적으로 백색광을 발광시킬 수 있게 된다. 그러나 형광체를 이용하여 백색광을 발생시키는 발광소자는 구성이 간단하다는 장점은 있으나, 색재현성이 떨어지고 장시간 사용할 경우에는 형광체의 열화로 인하여 백색광의 색감이 변하게 된다는 문제점이 있다.
위와 같이 형광체를 이용하여 백색광을 얻는 발광소자의 문제점을 해결하기 위하여, 형광체를 사용하는 대신에 청색, 적색 및 녹색을 발광하는 LED를 조합함으로써 보다 우수한 색재현성을 가지는 동시에 장시간을 사용하여도 색감의 열화가 없는 백색 발광소자가 알려져 있다.
도 1은 대한민국 공개특허공보 제2005-0001521호에 개시되어 있는 적색, 녹색 및 청색의 발광파장을 갖는 제1∼제3 발광다이오드(55,56,57)를 조합하여 백색광을 방출하는 다색 발광소자에 대한 종래기술의 한 예이다.
도 1에 따른 다색 발광소자는 적색, 녹색 및 청색의 발광파장을 갖는 제1∼제3 발광다이오드를 하나의 패키지에 실장함으로써 이루어진다. 회로 구성에 따라 적색, 녹색, 청색 및 청색과 녹색의 혼합광, 적색과 녹색의 혼합광, 청색과 적색의 혼합광 및 백색광을 낼 수 있으며, 구동 전압을 조절할 경우 다양한 색의 빛을 낼 수 있는 발광다이오드 패키지이다.
그러나 위와 같은 종래의 다색 발광소자와 같이 3종류의 발광파장을 각각 가지는 복수개의 발광다이오드를 하나의 패키지에 실장하는 경우, 상기 패키지를 제작하는 공정이 복잡해지는 문제점이 있으며, 또한 청색과 녹색의 발광다이오드는 GaN 계열로, 적색의 발광다이오드는 GsAs 계열의 물질로 이루어지기 때문에 서로 다른 성분을 갖는 활성층으로 이루어진 발광다이오드를 각각 동작시키는 구동전압이 서로 달라 이들을 제어하는 회로의 구성 역시 복잡하게 된다는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 다색 발광소자의 문제점을 해결하여, 동일한 계열의 물질로 이루어지되 각각이 방출하는 빛의 파장이 상이한 3종류의 발광층을 전기적으로 절연하여 하나의 발광소자상에 일체로 형성함으로써 패키지의 구성 및 발광다이오드의 제어회로를 단순하게 할 수 있고, 약간의 설계변경을 통하여도 용이하게 백색 발광소자의 구조를 변경할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 발광층들의 수 또는 그 비율, 또는 이들이 점유하는 면적을 조절함으로써 백색은 물론 그 외의 색을 가지는 광을 방출할 수 있는 백색 발광소자를 제공하는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 투광성을 갖는 기판 상에 형성된 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층 상의 소정 영역에 형성되고, 상기 제1 클래드층에 대하여 병렬적으로 형성되는 적어도 하나 이상씩의 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층; 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면에 형성되되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 기판의 상면 사이에 연속적으로 형성된 산화절연층; 상기 활성층이 형성되지 않으며, 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제1 클래드층 상에 형성된 다수개의 제1 전극; 및 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 형성된 다수개의 제2 전극;을 포함하는 백색 발광소자인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해, 투광성을 갖는 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계; 상기 제1 클래드층 상에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 제1 발광층을 형성하는 단계; 상기 제1 발광층의 일부분을 식각하는 제1 식각단계; 상기 제1 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층과는 다른 어느 하나의 제2 발광층을 재성장시키는 단계; 상기 제2 발광층의 일부분을 식각하는 제2 식각단계; 상기 제2 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층 및 제2 발광층과는 다른 나머지 하나의 제3 발광층을 재성장시키는 단계; 병렬적으로 형성된 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층의 위에 제2 클래드층을 형성시키는 단계; 상기 제1 클래드층의 일부를 노출하도록 메사 식각하는 단계; 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면을 식각하되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 기판의 상면 사이를 식각하는 제3 식각단계; 상기 제3 식각단계에 의하여 형성된 영역에 산화절연층을 형성하는 단계; 상기 활성층이 형성되지 않으며, 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제1 클래드층 상에 다수개의 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 다수개의 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 백색 발광소자의 제조방법인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 또한 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기함으로써 본 발명의 요지가 보다 일관적으로 표현되도록 하였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
우선, 도 2 내지 도 5, 도 11 내지 도 16과 도 17a 및 18a를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라, 적색과 녹색 및 청색의 발광층들(141,142,143)이 하나의 기판(110)상에 병렬적으로 형성되고, 상기 발광층들(141,142,143)이 서로 인접한 경계면에는 산화절연층(144)이 형성되어 각각의 발광층들(141,142,143)이 전기적으로 분리됨으로써, 상기 적색과 녹색 및 청색의 발광층들이 마치 독립된 발광다이오드처럼 작동할 수 있는 백색 발광소자(100)의 구조를 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2는 상기 백색 발광소자의 평면도이며, 도 11 내지 도 16과 도 17a 및 18a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자를 제조하는 일련의 과정을 도시한 도면들이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자(100)는, 기판(110) 상에 버퍼층(120), 제1 클래드층(130), 활성층(140), 제2 클래드층(150) 및 투명 도전체층(160)이 순차 적층되어 있다.
투광성을 가지는 상기 기판(110)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수도 있다. 그리고, 상기 버퍼층(120)은 GaN로 형성되며, 생략하는 것도 가능하다.
상기 제1 클래드층(130)과 제2 클래드층(150)은, 특히 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층으로 각각 형성되는 것이 바람직하며, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층은 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성된다. 이러한 질화물계 반도체로는 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 널리 사용되고 있다.
상기 활성층(140)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질이 사용되며, 바람직하게는 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물구조(Multiple Quantum Well)로 형성될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 제1 실시예에서 상기 활성층(140)은 적어도 하나 이상씩의 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 그 하층에 배치된 제1 클래드층(130)에 대하여 병렬적인 구조를 가지도록 형성되고, 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143) 사이의 경계면에는 상기 기판(110)의 상면까지 연장된 산화절연층(144)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기에서 사용된 "병렬적"이라는 용어는, 활성층(140)을 이루는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143) 모두가, 그 하층에 위치한 제1 클래드층(130) 상에 형성되어 있음을 의미하는 것이다. 즉 어떠한 발광층도 상하 방향으로 연속되게 형성되어 있지 않다는 것을 뜻하는 것이며, 따라서 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 발광층들이 상하로 연속되게 형성되어 있는 직렬적인 구성과 대비되는 것이다.
한편, 상기 활성층(140)을 이루는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)들은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질로 구성되어 있는데, 상기 각각의 발광층들이 방출하는 빛의 파장, 즉 빛의 색깔은 각각의 발광층에 포함되어 있는 인듐(In)의 양으로 조절되거나, 양자우물층의 두께로 조절된다. 보다 상세하게는 인듐의 양이 증가하거나 양자우물층의 두께가 두꺼울 수록 방출되는 빛의 파장은 길어지게 되며, 따라서 인듐의 양과 양자우물층의 두께를 조절함으로써 청색광으로부터 적색광에 이르는 다양한 파장의 빛을 방출할 수 있게 된다.
바람직하게는 상기 청색 발광층(141)은 420∼480㎚ 영역의 가시광선을 발산하고, 상기 녹색 발광층(142)은 500∼560㎚ 영역의 가시광선을 발산하며, 상기 적색 발광층(143)은 580∼680㎚ 영역의 가시광선을 발산하도록 인듐의 양 및/또는 양자우물층의 두께를 조절한다.
도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에는, 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 각각 하나씩 형성되어 있는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라서는 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143) 각각의 갯수 또는 그 비율은 물론, 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143) 각각이 기판(110) 상에서 점유하는 면적을 적절히 조절함으로써, 순도 높은 백색광은 물론 그 외의 다양한 색상을 가지는 빛을 방출하도록 조정하는 것도 가능하다.
그리고 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 사이와, 녹색 발광층(142)과 적색 발광층(143) 사이의 경계면에는 산화절연층(144)이 형성되어 있다. 이에 따라 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)은 상호 전기적으로 절연되어진다.
상기 산화절연층(144)은 SiO2, SiN2, HfO2, ZrO2, TiO2 및 (Ba, Sr)TiO3 로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 군에서 선택된 둘 이상의 물질의 혼합물로 이루어질 수 있다.
특히 본 발명의 제1 실시예에서는, 상기 산화절연층(144)이 백색 발광소자(100)의 최상면으로부터 기판(110)의 상면에 이르기까지 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 하나의 기판(110) 상에 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 모두 형성되어 있지만, 상기 발광층들(141,142,143)은 산화절연층(144)에 의해 상호 전기적으로 완전히 분리되어 있기 때문에 발광층 각각에는 자신만의 제1 및 제2 전극(170,180)이 구비된다. 즉, 하 나의 기판(110)을 공유하는 것을 제외하고는 마치 별개의 발광다이오드 소자인 것처럼 작동하게 되며, 이러한 제1 실시예에 따른 본원발명은 도 5에 도시된 회로와 등가를 이루게 된다.
또한, 병렬적으로 형성된 상기 발광층들(141,142,143) 중 백색 발광소자(100)의 외측에 위치하는 발광층들(141,143)의 외면에도 산화절연층(144)이 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 산화절연층(144)이 발광층의 외면을 통하여 누출될 수 있는 전류를 차단함으로써 백색 발광소자(100)의 발광효율을 높일 수 있기 때문이다.
상기 활성층(140) 상에는 제2 클래드층(150)이 형성되고, 필요에 따라서는 상기 제2 클래드층(150) 상에 전류를 확산시키기 위한 투명 도전체층(160)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 투명 도전체층(160)은 전류 주입 면적을 증가시켜 전류확산 효과를 향상시키기 위한 층으로, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 TCO(Transparent Conductive Oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
투명 도전체층(160)이 형성된 경우에도 상기 발광층들(141,142,143)은 서로 전기적으로 완전히 분리되어야 하기 때문에, 상기 산화절연층(144)은 상기 투명 도전체층(160) 역시 각각의 발광층(141,142,143)에 대응하는 영역으로 분리하여야 한다.
상기 산화절연층(144)에 의하여 분리된 투명 도전체층(160) 상에는 상기 발광층(141,142,143)에 대응되도록 제2 전극(170)이 각각 형성된다(물론, 투명 도전체층(160)이 포함되지 않은 경우에는 제2 전극(170)이 제2 클래드층(150) 상에 형성된다). 특히 상기 제2 클래드층(150)이 p형 질화물 반도체층인 경우, 상기 제2 전극(170)은 ITO로 이루어진 p형 전극으로 이루어진다. 여기에서 상기 p형 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, 백색 발광소자(100)의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.
상기 활성층(140)과 제2 클래드층(150) 및 투명 도전체층(160)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 제1 클래드층(130)의 일부를 노출하고 있다.
상기 메사 식각에 의해 노출된 제1 클래드층(130) 상의 소정 영역에는 제1 전극(180)이 형성되어 전극 역할을 수행하게 된다. 여기에서 상기 제1 클래드층(130)이 n형 질화물 반도체층인 경우에, 상기 제1 전극(180)은 n형 전극으로 이루어진다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 상기 산화절연층(144)이 백색 발광소자(100)의 최상면으로부터 기판(110)의 상면에 이르기까지 형성되어 있기 때문에, 메사 식각에 의해 노출된 제1 클래드층(130) 역시 발광층들(141,142,143)에 대응하여 전기적으로 분리되어진다. 따라서 상기 제1 전극(180) 역시 제2 전극(170)과 마찬가지로 상기 발광층(141,142,143)에 대응하여 각각 형성된다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자(100)가 실장된 발광다이오드 패키지에 대하여 도시하고 있다.
상기 발광다이오드 패키지는, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 제1 리드프레임(210a) 및 제2 리드프레임(210b)으로 이루어진 한 쌍의 리드프레임(210)과, 상기 리드프레임(210)의 일부를 내측에 수용하면서 몰딩재(260) 충진 공간을 정의하도록 형성된 패키지몰드(220)와, 상기 패키지몰드(220) 내부의 리드프레임(210) 중 어느 하나의 리드프레임(210a) 상에 실장된 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자(100), 및 상기 리드프레임(210)과 상기 백색 발광소자(100)의 전기적 연결을 위한 본딩와이어(240)를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자(100)에는 발광층들(141,142,143)의 갯수에 대응하여 제1 전극(180) 및 제2 전극(170)이 각각 제1 클래드층(130) 및 투명 도전체층(160) 상에 형성되어 있기 때문에, 각각의 제1/제2 전극(180,170)과 리드프레임(210)을 연결하는 본딩와이어(240) 역시 전극의 갯수에 대응하는 만큼 구비되어 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자(100)는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 각각 하나씩 형성된 것으로 예시되어 있기 때문에, 도 4a 및 도 4b에는 제1 리드프레임(210a)과 제2 리드프레임(210b)에 각각 3개씩의 본딩와이어(240)가 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다.
그리고, 상기 패키지몰드(220) 내부에는 상기 백색 발광소자(100) 및 본딩와이어(240)를 보호하는 몰딩재(260)가 충진되어 있다. 상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 몰딩재(260) 내에는 산란제(250)가 추가로 포함될 수 있다. 상기 산란제(250)는 상기 리드프레임(210)을 통해 백색 발광소자(100)에 전원이 인가되어 방출되는 청색과 녹색 및 적색의 빛이 상기 몰딩재(260) 내에서 원활하게 혼합되도록 함으로써, 발광다이오드 패키지 외부로 방출되는 백색광이 전체적으로 균일해지도록 도와주는 역할을 한다.
다음으로는 상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자의 제조방법을 도 11 내지 도 16과 도 17a 및 18a를 참고하여 상세히 설명한다.
도 11은 기판(110) 상에 버퍼층(120), 제1 클래드층(130) 및 활성층(140)을 이루는 세 개의 발광층 중 하나인 청색 발광층(141)이 순차 적층되어 있는 단계를 도시하고 있다. 여기에서 버퍼층(120)의 생략이 가능하다는 것은 앞서 설명한 바와 같다. 도 11에 의하면 세 개의 발광층 중 청색 발광층(141)이 먼저 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 청색 발광층(141)을 먼저 성장시킬 필요는 없으며, 어떤 발광층을 선택하여 먼저 성장시켜도 본 발명의 실시에는 별다른 영향이 없음을 유념하여야 한다.
도 12는 청색 발광층(141)의 일부분을 식각하여 녹색 발광층(142)을 재성장시킬 영역을 형성하는 제1 식각단계를 도시하는 것이며, 도 13은 상기 청색 발광층(141) 중 식각된 영역에 녹색 발광층(142)을 재성장시킨 결과를 도시한 것이다.
도 14는 녹색 발광층(142)의 일부분을 식각하여 적색 발광층(143)을 재성장시킬 영역을 형성하는 제2 식각단계를 도시하는 것이며, 도 15는 상기 녹색 발광층(142) 중 식각된 영역에 적색 발광층(143)을 재성장시킨 결과를 도시한 것이다.
상기 제1 식각단계와 제2 식각단계를 통하여 활성층(140)을 이루는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 모두 형성된다.
여기에서 상기 도 12 내지 도 15는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)의 순서로 발광층을 형성하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 각각의 발광층을 형성하는 순서 또는 영역을 변경하여도 본 발명의 실시에는 별다른 영향이 없음을 유념하여야 한다.
그리고 도 16에 도시된 바와 같이, 활성층(140)의 형성이 완성된 후에는 그 위에 제2 클래드층(150)을 형성시키고, 필요에 따라 상기 제2 클래드층(150) 상에 투명 도전체층(160)을 형성하게 된다. 투명 도전체층(160)의 형성이 완성된 후에는, 제1 클래드층(130)의 일부가 노출되도록 메사 식각(mesa etching)을 한다.
도 17a는 메사 식각 후에 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 사이, 그리 고 녹색 발광층(142)과 적색 발광층(143) 사이의 경계면을 식각하는 제3 식각단계를 도시한 것이다. 상기 제3 식각단계에 의하여 식각된 영역에는 산화절연층(144)이 형성되고(도 18a), 이에 따라 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 상호 전기적으로 절연되어진다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 상기 제3 식각단계에 의하여 백색 발광소자(100)의 최상면인 투명 도전체층(160)으로부터 기판(110)의 상면에 이르는 영역이 식각되는 것을 특징으로 한다. 특히, 제3 식각단계를 통하여 상기 발광층들(141,142,143) 중 백색 발광소자(100)의 외측에 위치하는 발광층들(141,143)의 외면에도 산화절연층(144)이 형성될 수 있는 영역을 형성하는 것이 보다 바람직하다. 이는 상기 산화절연층(144)이 발광층의 외면을 통하여 누출될 수 있는 전류를 차단함으로써 백색 발광소자(100)의 발광효율을 높이기 위함이라는 것은 앞서 설명한 바와 같다.
도 18a는 제3 식각단계에 의하여 형성된 영역에 산화절연층(144)을 형성하고, 전기적으로 분리된 각각의 발광층들(141,142,143)에 대하여 제1 클래드층(130)의 일부 노출된 부위에는 제1 전극(180)을, 그리고 투명 도전체층(160) 상에는 제2 전극(170)을 형성하는 단계를 도시하는 것으로서, 이에 따라 본 발명의 제1 실시예에 따른 백색 발광소자가 완성된다.
[실시예 2]
도 6 내지 도 10, 도 11 내지 도 16과 도 17b 및 18b를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 대한 상세한 설명에 앞서, 상기 제1 실시예와 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략할 것이며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용할 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)의 평면도이고, 도 7은 상기 도 6의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 11 내지 도 16과 도 17b 및 18b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자를 제조하는 일련의 과정을 도시한 도면들이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)는, 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 사이, 그리고 녹색 발광층(142)과 적색 발광층(143) 사이의 경계면에 산화절연층(144)이 형성되어 상기 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 상호 전기적으로 절연된다는 구성과 그 밖의 구성에 있어서는 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.
다만 본 발명의 제2 실시예는, 백색 발광소자(100)의 최상면으로부터 제1 클래드층(130)의 상면까지만 산화절연층(144)이 형성되어 있다는 점에서, 백색 발광소자(100)의 최상면으로부터 기판(110)의 상면까지 산화절연층(144)이 형성되어 있는 제1 실시예와 구별된다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에서는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 모두 제1 클래드층(13) 상에 형성되어 있기 때문에, 상기 발광층들(141,142,143)이 메사 식각에 의하여 일부분이 노출된 제1 클래드층(13) 상에 형성되는 제1 전극(180)을 공유하게 되며, 결과적으로 상기 제1 전극(180)은 하나만 구비되어도 충분하게 된다. 이러한 점에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)는 하나의 제1 클래드층(130)을 공유하는 것을 제외하고는 마치 별개의 발광다이오드 소자인 것처럼 작동하게 되고, 이러한 제2 실시예에 따른 본원발명은 도 10에 도시된 회로와 등가를 이루게 된다.
또한 균일한 전류확산을 위하여 상기 제1 전극(180)은 메사 식각에 의하여 일부분이 노출된 제1 클래드층(13) 상에 다수개로 형성될 수도 있으나, 도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 제1 전극(180)이 상기 제1 클래드층(13) 상에 충분히 길게 형성되어 상기 발광층들(141,142,143) 상에 각각 위치하는 다수개의 제2 전극(170)들 모두와 동일한 거리를 확보할 수 있도록 하는 것이 보다 바람직하다. 이는 보다 간단한 구성으로도 각각의 발광층들(141,142,143) 모두에 균일한 전류확산이 일어나도록 함으로써, 각각의 발광층들(141,142,143)에서 방출되는 빛 역시 균일하도록 하여 보다 순도 높은 백색광이 얻어질 수 있기 때문이다.
다음으로는 상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자의 제조방법을 도 11 내지 도 16과 도 17b 및 18b를 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제2 실시예 역시, 제1 실시예에서와 마찬가지로, 도 11 내지 도16에 도시된 단계를 거쳐 기판(110) 상에 버퍼층(120), 제1 클래드층(130), 활성층(140)을 이루는 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143), 제2 클래드층(150) 및 투명 도전체층(160)을 형성하고, 상기 제1 클래드층(130)의 일부가 노출되도록 메사 식각(mesa etching)을 한다.
다만 본 발명의 제2 실시예는 메사 식각 후에 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 사이, 그리고 녹색 발광층(142)과 적색 발광층(143) 사이의 경계면을 식각하는 제3 식각단계가 제1 실시예와 차이를 가지는데, 제2 실시예는 도 17b에 도시한 바와 같이 제3 식각단계에 의하여 백색 발광소자(100)의 최상면인 투명 도전체층(160)으로부터 제1 클래드층(130)의 상면까지만 식각되는 것을 특징으로 한다.
이러한 제3 식각단계에 의하여 청색 발광층(141)과 녹색 발광층(142) 및 적색 발광층(143)이 모두 제1 클래드층(13) 상에 형성되어 제1 전극(180)을 공유하게 되는 것이다.
도 18b는 제3 식각단계에 의하여 형성된 영역에 산화절연층(144)을 형성하고, 하나의 제1 전극(180) 및 발광층들(141,142,143)의 수에 대응하는 다수개의 제2 전극(170)을 형성하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)를 완성하는 단계를 도시한 것이다.
제2 실시예 역시 상기 발광층들(141,142,143) 중 백색 발광소자(100)의 외측에 위치하는 발광층들(141,143)의 외면에도 산화절연층(144)을 형성함으로써, 발광층의 외면을 통하여 누출될 수 있는 전류를 차단하여 백색 발광소자(100)의 발광효율을 높이는 것이 바람직하다는 것은 마찬가지이다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)는, 모든 발광층들(141,142,143)이 제1 전극(180)을 공유하기 때문에 각각의 발광층들(141,142,143)을 독립적으로 제어하는 데에 제한을 받게 된다는 점에서, 회로의 구성에 따라 각각의 발광층들(141,142,143)의 독립적인 제어가 가능하다는 장점을 가진 제1 실시예에 비하여 불리한 점이 있다. 그러나, 본 발명의 제2 실시예는 산화절연층(144)이 형성되는 영역을 확보하기 위하여 식각하는 깊이가 제1 실시예에 비하여 얕기 때문에 식각공정상 유리하고, 또한 장시간의 식각공정에 따라 제2 클래드층(150)과 활성층(140) 등이 훼손될 염려가 적다는 점에서 장점을 가지고 있다.
또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 백색 발광소자(100)가 실장된 발광다이오드 패키지에 대하여 도시하고 있는 도 9a와 도 9b로부터 알 수 있듯이, 상기 발광다이오드 패키지는 제1 전극(180)과 제2 리드프레임(210b)을 전기적으로 연결하는 본딩와이어(240)를 하나만 구비하여도 충분하다는 점에서, 본 발명의 제2 실시예는 발광다이오드 패키지 구성을 단순하게 할 수 있다는 장점도 가진다.
특히 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예는 산화절연층(144)이 형성되는 영역을 식각하는 제3 식각단계에서의 식각깊이만이 다를 뿐 동일한 공정상에서 용이하게 구현될 수 있기 때문에, 발광다이오드가 사용되는 환경이나 용도와 각 실시예의 장점을 고려하여 백색 발광소자(100)의 구조를 쉽게 설계 변경할 수 있다는 점에서 모두 우수하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 백색 발광소자는, 동일한 계열의 물질로 이루어지되 각각이 방출하는 빛의 파장이 상이한 3종류의 발광층을 전기적으로 절연하여 하나의 발광소자상에 일체로 형성함으로써 패키지의 구성 및 발광다이오드의 제어회로를 단순하게 할 수 있고, 약간의 설계변경을 통하여도 용이하게 백색 발광소자의 구조를 변경할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 발광층들의 수 또는 그 비율, 또는 이들이 점유하는 면적을 조절함으로써 백색은 물론 그 외의 색을 가지는 광을 방출할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (17)

  1. 투광성을 갖는 기판 상에 형성된 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상의 소정 영역에 형성되고, 상기 제1 클래드층에 대하여 병렬적으로 형성되는 적어도 하나 이상씩의 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층;
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면에 형성되되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 기판의 상면 사이에 연속적으로 형성된 산화절연층;
    상기 활성층이 형성되지 않으며, 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제1 클래드층 상에 형성된 다수개의 제1 전극; 및
    상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 형성된 다수개의 제2 전극;
    을 포함하는 백색 발광소자.
  2. 투광성을 갖는 기판 상에 형성된 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상의 소정 영역에 형성되고, 상기 제1 클래드층에 대하여 병렬적으로 형성되는 적어도 하나 이상씩의 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 클래드층;
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면에 형성되되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 제1 클래드층의 상면 사이에 연속적으로 형성된 산화절연층;
    상기 활성층이 형성되지 않은 제1 클래드층 상에 형성된 적어도 하나의 제1 전극; 및
    상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 형성된 다수개의 제2 전극;
    을 포함하는 백색 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 클래드층은 n형 질화물계 반도체층이고, 상기 제2 클래드층은 p형 질화물계 반도체층이며, 상기 제1 전극은 n형 전극이고, 상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층은 AlxInyGa(1-x-y)N의 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화절연층은 SiO2, SiN2, HfO2, ZrO2, TiO2 및 (Ba, Sr)TiO3 로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 군에서 선택된 둘 이상의 물질의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 백색 발광소자의 외측에 위치하는 발광층들의 외면에 형성된 산화절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 병렬적으로 형성된 각각의 발광층들의 수 또는 그 비율, 또는 이들이 점유하는 면적이 서로 다른 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 활성층이 형성되지 않은 제1 클래드층 상에는, 상기 다수개의 제2 전극들 모두와 동일한 거리를 확보할 수 있도록 길게 형성된 하나의 제1 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  9. 서로 전기적으로 절연된 한 쌍의 제1 리드프레임과 제2 리드프레임으로 이루어지는 리드프레임;
    상기 리드프레임상에 실장된 제1항 또는 제2항에 따른 백색 발광소자;
    상기 백색 발광소자의 제1 전극과 제2 전극을, 상기 제1 리드프레임과 제2 리드프레임에 각각 전기적으로 연결하는 와이어;
    상기 리드프레임의 상면과 하면에 형성되고, 상기 리드프레임의 상면에서 상기 백색 발광소자 및 상기 와이어를 둘러싸는 공간을 정의하는 패키지몰드; 및
    상기 백색 발광소자 및 상기 와이어를 포함하도록 상기 리드프레임의 상면에 형성된 공간에 충진되는 몰딩재;
    를 포함하는 발광다이오드 패키지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 몰딩재는 산란제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  11. 투광성을 갖는 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 제1 클래드층 상에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 제1 발광층을 형성하는 단계;
    상기 제1 발광층의 일부분을 식각하는 제1 식각단계;
    상기 제1 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층과는 다른 어느 하나의 제2 발광층을 재성장시키는 단계;
    상기 제2 발광층의 일부분을 식각하는 제2 식각단계;
    상기 제2 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층 및 제2 발광층과는 다른 나머지 하나의 제3 발광층을 재성장시키는 단계;
    병렬적으로 형성된 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층의 위에 제2 클래드층을 형성시키는 단계;
    상기 제1 클래드층의 일부를 노출하도록 메사 식각하는 단계;
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면을 식각하되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 기판의 상면 사이를 식각하는 제3 식각단계;
    상기 제3 식각단계에 의하여 형성된 영역에 산화절연층을 형성하는 단계;
    상기 활성층이 형성되지 않으며, 상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제1 클래드층 상에 다수개의 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 다수개의 제2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 백색 발광소자의 제조방법.
  12. 투광성을 갖는 기판 상에 제1 클래드층을 형성하는 단계;
    상기 제1 클래드층 상에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 제1 발광층을 형성하는 단계;
    상기 제1 발광층의 일부분을 식각하는 제1 식각단계;
    상기 제1 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층과는 다른 어느 하나의 제2 발광층을 재성장시키는 단계;
    상기 제2 발광층의 일부분을 식각하는 제2 식각단계;
    상기 제2 식각단계에 의하여 식각된 제1 발광층의 영역에 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 상기 제1 발광층 및 제2 발광층과는 다른 나머지 하나의 제3 발광층을 재성장시키는 단계;
    병렬적으로 형성된 상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층의 위에 제2 클래드층을 형성시키는 단계;
    상기 제1 클래드층의 일부를 노출하도록 메사 식각하는 단계;
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층이 서로 전기적으로 절연되도록 상기 발광층들 사이의 경계면을 식각하되, 상기 제2 클래드층의 외면으로부터 상기 제1 클래드층의 상면 사이를 식각하는 제3 식각단계;
    상기 제3 식각단계에 의하여 형성된 영역에 산화절연층을 형성하는 단계;
    상기 활성층이 형성되지 않은 제1 클래드층 상에 적어도 하나의 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 산화절연층에 의하여 전기적으로 분리된 각각의 제2 클래드층 상에 다수개의 제2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 백색 발광소자의 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제3 식각단계는 상기 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층 중 백색 발광소자의 외측에 위치하는 발광층들의 외면을 더 식각하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 클래드층은 n형 질화물계 반도체층이고, 상기 제2 클래드층은 p형 질화물계 반도체층이며, 상기 제1 전극은 n형 전극이고, 상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 청색 발광층과 녹색 발광층 및 적색 발광층은 AlxInyGa(1-x-y)N의 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 물질인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 산화절연층은 SiO2, SiN2, HfO2, ZrO2, TiO2 및 (Ba, Sr)TiO3 로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 군에서 선택된 둘 이상의 물질의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 병렬적으로 형성된 각각의 발광층들의 수 또는 그 비율, 또는 이들이 점유하는 면적이 서로 다른 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
KR1020070006768A 2007-01-22 2007-01-22 백색 발광소자 및 그 제조방법 KR100845549B1 (ko)

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