KR100924453B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

발광소자를 제공한다. 기판, 상기 기판 상의 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층 상에 제공되고, 실질적으로 빛을 방사하지 않는 양자 우물층들을 포함하는 전자주입 촉진층, 상기 전자주입 촉진층 상에 제공되고, 실질적으로 빛을 방사하는 양자 우물층을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층 상의 제 2 반도체층을 포함한다.
발광 소자, 전자주입 촉진, MQW, 스트레인, 재흡수, 밴드갭

Description

발광 소자{Light Emitting Diode}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자주입 특성, 결정성 및 재흡수 특성을 개선할 수 있는 발광소자에 관한 것이다.
발광 소자(Light Emitting Diode: LED)는 P-N 접합 다이오드의 일종으로 순 방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자로서, 발광 소자로부터 방출되는 빛의 파장은 사용되는 소재의 밴드 갭 에너지(Bandgap Energy, Eg)에 의해 결정된다. 발광 소자 기술의 초기에는 주로 적외선과 적색광을 방출할 수 있는 발광소자가 개발되었으며, 청색 LED는 1993년에 니치아(Nichia) 화학의 Nakamura가 GaN를 이용하여 청색광을 생성할 수 있음을 발견한 이후에야, 본격적으로 연구되고 있다. 백색은 적색, 녹색 및 청색의 조합을 해 만들 수 있다는 점에서, 상기 GaN에 기반한 청색 발광소자의 개발은, 이미 개발되었던 적색 및 녹색 발광 소자들과 함께, 백색 발광소자의 구현을 가능하게 만들었다.
한편, 발광소자의 시장성(marketability)을 증대시키기 위해서는, 그것의 발광 효율(Light-Emitting Efficiency) 및 수명(Lifetime)을 증가시킬 필요가 있다. 하지만, 상기 GaN에 기반한 청색 발광소자는, GaN과 공기 사이의 굴절률의 차이에 의해, 활성층에서 생성된 빛의 일부만이 발광에 이용되고, 대부분의 빛은 소자의 내부로 재흡수되어 소멸된다. 이에 따라, 대부분의 청색 발광 소자의 발광 효율은 대략 4%의 수준에 머무르고 있지만, 최근 상기 발광 효율을 증대시키기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전자주입 특성이 개선된 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 반도체 층의 결정성 특성이 개선된 발광소를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 빛의 재흡수를 방지하여 발광 효울이 개선된 발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 발광 소자를 제공한다. 기판, 상기 기판 상의 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층 상에 제공되고, 실질적으로 빛을 방사하지 않는 양자 우물층들을 포함하는 전자주입 촉진층, 상기 전자주입 촉진층 상에 제공되고, 실질적으로 빛을 방사하는 양자 우물층을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층 상의 제 2 반도체층을 포함한다.
활성층 아래에 전자주입 촉진층을 제공함으로써 발광 효율을 개선할 수 있다 또한, 스트레인을 감소시켜 양자우물층들의 결정 격자결함을 줄일 수 있다. 또한 빛의 재흡수를 방지할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서, 도전성막, 반도체막, 또는 절연성막 등의 어떤 물질막이 다른 물질막 또는 기판"상"에 있다고 언급되는 경우에, 그 어떤 물질막은 다른 물질막 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 또 다른 물질막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2. 제 3 등의 용어가 물질막 또는 공정 단계를 기술하기 위해서 사용되었지만, 이는 단지 어느 특정 물질막 또는 공정 단계를 다른 물질막 또는 다른 공정 단계와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이며, 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상 의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(제 1 실시예)
본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자가 제공된다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면의 에너지 밴드도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 기판(100) 상에 제 1 반도체층(110)이 제공된다. 상기 기판(100)은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZrB2 및 GaP 중 하나일 수 있으며, 질화물 반도체의 격자 상수(lattice constant)에 가까운 격자 상수를 갖는 단결정성 산 화물이 사용될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(110)은 제 1 및 제 2 하부층들을 포함할 수 있다. 상기 제 1 하부층은 도핑되지 않은 질화갈륨층(undoped-GaN층)(이하, u-GaN층)일 수 있다. 상기 제 2 하부층은 n형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, n-GaN층)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 u-GaN층은 2 내지 3 마이크로 미터의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 2 하부층은 상기 제 1 하부층을 씨드층으로 사용하는 에피택시얼 공정을 통해 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 반도체층(110)은 수 마이크로미터의 두께로 형성되는 실리콘이 도핑된 GaN막(Si-doped GaN)일 수 있다. 상기 제 1 반도체층(110)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 제 1 반도체층(110) 상에 전자주입 촉진층(120)이 제공될 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(120)은 계단형 밴드갭 구조를 가질 수 있다. 본 발명에 있어, 상기 계단형 밴드갭 구조란 불연속적으로 감소하는 밴드갭을 갖는 다수의 양자 우물층을 포함하는 구조를 말한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자주입 촉진층(120)은 제 1 양자 우물층(121) 및 제 2 양자 우물층(122)을 포함할 수 있다.본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 전자주입 촉진층(120)은 2 이상의 양자우물층들을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어, 다수의 양자 우물층들이 존재할 수 있으나, 실질적으로 빛을 방사하는 것은 이하 설명될 활성층의 양자 우물층에 한정될 수 있다. 따라서, 그 외의 양자 우물층들은 실질적으로 빛을 방사하지 않을 수 있다. 상기 제 1 양자 우물층(121) 및 제 2 양자 우물층(122)은 실질적으로 빛을 방 사하지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자주입촉진층(120)의 두께는 5 ∼ 200 Å일 수 있다. 상기 제 1 양자 우물층(121) 및 상기 제 2 양자 우물층(122)은 각 우물들 사이에 장벽층들이 제공될 수 있다. 상기 제 2 양자 우물층(122)의 밴드갭은 상기 제 1 양자 우물층(121)의 밴드갭 보다 작을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 양자 우물층(121)의 밴드갭은 370∼400nm일 수 있다. 본 명세서에서 밴드갭이 370∼400nm라는 것은 양자 우물층에서 발생하는 빛의 파장이 370∼400nm임을 의미한다. 또한 상기 제 2 양자 우물층(122)의 밴드갭은 400∼430nm일 수 있다. 상기 제 1 양자 우물층(121), 상기 제 2 양자 우물층(122) 및 상기 장벽층들은 서로 조성이 다른 InxGa1-xN(0≤x<1)층일 수 있다. 상기 제 2 양자 우물층(122)의 인듐(In) 조성은 상기 제 1 양자 우물층(121)의 인듐 조성보다 클 수 있다.
이와 같이 상기 전자주입 촉진층(120)이 계단형 에너지 밴드갭 구조를 갖는 경우, 전자가 상기 제 1 반도체 영역(110)으로부터 이하 설명될 활성층으로 주입되는 효율이 증가할 수 있다. 또한 이와 같은 계단형 에너지 밴드갭 구조는 양자우물층들에서 발생하는 스트레인(strain)을 완화할 수 있다. 따라서 상기 양자우물층들의 결정성이 회복되고, 격자 결함으로 인한 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한 이와 같은 계단형 에너지 밴드갭 구조는 이하 설명될 활성층에서 발생하는 빛의 재흡수를 방지하여 발광 효율을 높일 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(120)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에 피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 전자주입 촉진층(120) 상에 활성층(130)이 제공될 수 있다. 상기 활성층(130)은 제 3 양자 우물층(Multi Quantum Well: MQW)을 포함할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층은 다수의 양자 우물들을 포함할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층 사이에 장벽층들이 제공될 수 있다. 상기 제 3 양자우물층은 상기 제 1 양자 우물층(121) 및 상기 제 2 양자 우물층(122)과는 달리 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 방사할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층은 상기 제 2 양자 우물층(122) 보다 좁은 밴드갭을 가질 수 있다. 따라서 상기 전자주입 촉진층(120)과 상기 활성층(130)은 계단형을 이룰 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층 및 장벽층들은 조성이 서로 다른 InxGa1-xN(0≤x<1)층일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 3 양자 우물층의 밴드갭은 430∼480nm일 수 있다. 상기 활성층(130)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 활성층(130) 상에 제 2 반도체층(140)이 제공될 수 있다. 상기 제 2 반도체층(140)은 p형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, p-GaN층)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 반도체층(140)은 마그네슘이 도핑된 GaN막(Mg-doped GaN)일 수 있다. 상기 제 2 반도체층(140)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(110) 및 상기 제 2 반도체층(140) 상에 각각 제 1 전극(160) 및 제 2 전극(150)이 제공될 수 있다.
(제 2 실시예)
본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자가 제공된다. 전류 확산층의 차이를 제외하면, 이 실시예는 앞서 제 1 실시예의 그것과 유사하다. 따라서 설명의 간결함을 위해, 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 아래에서 생략된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다. 도 4는 도 3의 B-B'에 따른 단면의 에너지 밴드도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 기판(200) 상에 제 1 반도체층(210)이 제공된다. 상기 기판(200)은 사파이어, GaN, SiC, Si, ZrB2 및 GaP 중 하나일 수 있으며, 질화물 반도체의 격자 상수(lattice constant)에 가까운 격자 상수를 갖는 단결정성 산화물이 사용될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(210)은 제 1 및 제 2 하부층들을 포함할 수 있다. 상기 제 1 하부층은 도핑되지 않은 질화갈륨층(undoped-GaN층)(이하, u-GaN층)일 수 있다. 상기 제 2 하부층은 n형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, n-GaN층)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 u-GaN층은 2 내지 3 마이크로 미터의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 2 하부층은 상기 제 1 하부층을 씨드층으로 사용하는 에피택시얼 공정을 통해 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 반도체층(210)은 수 마이크로미터의 두께로 형성되는 실리콘이 도핑된 GaN막(Si-doped GaN)일 수 있다. 상기 제 1 반도체층(210)은 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 제 1 반도체층(210) 상에 전자주입 촉진층(220)이 제공될 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220)은 연속형 밴드갭을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연속형 밴드갭이란, 상기 제 1 반도체층(210) 쪽으로 부터 이하 설명될 활성층까지 밴드갭이 연속적으로 감소하는 것을 말한다. 상기 전자주입 촉진층(220) 내에는 다수의 양자 우물들이 존재할 수 있다. 본 발명에 있어, 다수의 양자 우물층들이 존재할 수 있으나, 실질적으로 빛을 방사하는 것은 이하 설명될 활성층의 양자 우물층에 한정될 수 있다. 따라서, 그 외의 양자 우물층들은 실질적으로 빛을 방사하지 않을 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220) 내의 양자 우물들은 실질적으로 빛을 방사하지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자주입촉진층(220)의 두께는 5 ∼ 200 Å일 수 있다. 상기 양자 우물들 사이에 장벽층들이 제공될 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220)의 밴드갭은 이하 설명될 활성층의 밴드갭 보다 클 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220)은 서로 조성이 다른 InxGa1-xN(0≤x<1)층일 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220)의 인듐(In) 조성은 연속적으로 증가할 수 있다.
이와 같이 상기 전자주입 촉진층(220)이 연속형 밴드갭 구조를 갖는 경우, 전자가 상기 제 1 반도체 영역(210)으로부터 이하 설명될 활성층으로 주입되는 효율이 증가할 수 있다. 또한 이와 같은 연속형 밴드갭 구조는 양자우물층들에서 발 생하는 스트레인(strain)을 완화할 수 있다. 따라서 상기 양자우물층들의 결정성이 회복되고, 격자 결함으로 인한 발광 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한 이와 같은 연속형 에너지 밴드갭 구조는 이하 설명될 활성층에서 발생하는 빛의 재흡수를 방지하여 발광 효율을 높일 수 있다. 상기 전자주입 촉진층(220)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 전자주입 촉진층(220) 상에 활성층(230)이 제공될 수 있다. 상기 활성층(230)은 제 3 양자 우물층(Multi Quantum Well: MQW)을 포함할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층은 다수의 양자 우물들을 포함할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층 사이에 장벽층들이 제공될 수 있다. 상기 제 3 양자우물층은 상기 전자주입 촉진층(220) 내의 양자 우물들과는 달리 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 방사할 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층은 상기 전자주입 촉진층(220) 보다 좁은 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층 및 장벽층들은 조성이 서로 다른 InxGa1-xN(0≤x<1)층일 수 있다. 상기 제 3 양자 우물층의 밴드갭은 450∼480nm일 수 있다. 상기 활성층(230)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다.
상기 활성층(230) 상에 제 2 반도체층(240)이 제공될 수 있다. 상기 제 2 반도체층(240)은 p형의 도전형을 갖는 반도체막(예를 들면, p-GaN층)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 반도체층(240)은 마그네슘이 도핑된 GaN막(Mg-doped GaN)일 수 있다. 상기 제 2 반도체층(240)은 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD) 또는 기상에피택시(Vapor-Phase Epitaxy:VPE)에 의해 형성될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(210) 및 상기 제 2 반도체층(240) 상에 각각 제 1 전극(260) 및 제 2 전극(250)이 제공될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 도 1 의 A-A'에 따른 단면의 에너지 밴드도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 도 3의 B-B'에 따른 단면의 에너지 밴드도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100,200: 기판
110,210:제 1 반도체층
120,220:전자주입 촉진층
130,230:활성층
140,240:제 2 반도체층
150, 250:제 2 전극
160, 260:제 1 전극

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 제 1 반도체층;
    상기 제 1 반도체층 상에 접촉하여 제공되고, 빛을 방사하지 않는 양자 우물층들을 포함하는 전자주입 촉진층;
    상기 전자주입 촉진층 상에 제공되고, 빛을 방사하는 양자 우물층을 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층 상의 제 2 반도체층을 포함하는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층은 상기 활성층 보다 넓은 밴드갭을 갖는 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층은 n형 GaN이고, 상기 제 2 반도체층은 p형 GaN인 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층 및 상기 활성층은 InxGa1-xN(0≤x<1)을 포함하는 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층의 두께는 5 ∼ 200 Å인 발광 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층은 계단형 밴드갭 구조를 갖는 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층은:
    상기 제 1 반도체 상의 제 1 양자 우물층; 및
    상기 제 1 양자 우물층 상의 제 2 양자 우물층을 포함하고,
    상기 제 2 양자 우물층은 상기 제 1 양자 우물층 보다 좁고 상기 활성층 보다 넓은 밴드갭을 갖는 발광 소자.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층은 연속형 밴드갭 구조를 갖는 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자주입 촉진층은;
    상기 제 1 반도체층 쪽으로부터 상기 활성층까지 연속적으로 감소하는 밴드갭을 갖는 발광 소자.
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KR20130096336A (ko) * 2012-02-17 2013-08-30 엘지이노텍 주식회사 발광소자
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