KR101145291B1 - 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자 - Google Patents

광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자가 개시된다. 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 기판, 제 1 전극, 및 한 쌍의 제 2 전극을 포함한다. 기판은 제 2 질화물 반도체층, 활성층, 제 1 질화물 반도체층, 및 투명 전극층이 순차적으로 적층되어 있고, 제 1 전극은 기판의 중심점을 가로지르며, 기판의 중심점에 대해서 대칭인 'S'자 형상이고, 한 쌍의 제 2 전극은 제 1 전극의 양단부를 각각 감싸며, 기판의 중심점을 기준으로 서로 대칭이며, 양단부가 기판의 중심점을 기준으로 서로 다른 사분면에 배치되고, 제 1 전극 및 한 쌍의 제 2 전극 중, 하나는 상기 제 2 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되도록 형성되며, 나머지 하나는 투명 전극층 위에 형성된다. 이러한 구성으로 인해, 반도체 발광소자의 일부를 제거하지 않고도 소자 내부의 열 발생을 억제할 수 있으며, 전자와 정공의 직접적인 반응이 일어나는 활성층 영역을 제거하지 않으므로, 유효발광면적을 유지할 수 있다. 또한, 이와 같은 전극 패턴으로, 전류의 균일한 분산을 유도할 수 있으므로, 불균일한 전류 분포로 인해 발생하는 조기 광 포화문제, 국부적인 광분포 및 그에 따른 발열 현상, 높은 소비전력 등의 문제점을 해결할 수 있어, 반도체 발광소자의 휘도 특성 및 광추출 효율을 향상시킴과 동시에 소자의 특성과 신뢰성을 개선할 수 있다.

Description

광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자{LEDs comprising electrode pattern for enhancing the efficiency}
본 발명은 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 혼잡화를 최소화시킬 수 있는 전극 패턴을 형성하여, 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
최근 들어 반도체 발광소자 기술은 조명 광원으로서의 적용이 고려될 만큼 획기적으로 발전해 왔다.
하지만, 발광소자가 백열 조명원을 대체하기 위해서는 반도체 발광소자 자체의 신뢰성, 낮은 소비전력 및 낮은 제조비용을 유지하면서, 대면적 및 고휘도 출력을 제공해야 한다. 특히, 안정적인 조명산업의 진입을 위해서는 대면적화가 필수적으로 요구되지만, 칩 사이즈가 커지는 만큼, 전체 구조에 걸쳐 전류를 균일하게 유포하기 어렵다는 제약요소 때문에, 많은 연구소와 기업들이 발광소자의 조명 광원화에 어려움을 겪고 있다.
반도체 발광소자에 전류가 불균일하게 주입될 경우, 불균일하게 주입된 전류는 반도체 발광소자 상의 특정 부분들에 축적되어, 발광 반도전성 재료의 효율적인 사용을 방해하게 되는데, 이 현상을 "전류 혼잡화(current crowding)"라고 한다.
전류 혼잡화는 전하 운반자들이 최소 저항의 경로로 이동하는 경향 때문에, 반도체 발광소자의 전기 접촉들의 말단에서 발생하는 경향이 있으며, 전류를 받아들이고 퍼뜨리는 영역들의 각각에 대한 용량에 의존하는 전기접촉들의 임의 영역들에서도 발생한다.
이러한 전류 혼잡화는 반도체 발광소자 상에 밝은 부분들과 어두운 부분들을 갖는 불안정한 광선속이 되게 하고, 더 많은 전류가 반도체 발광소자에 주입되도록 하므로, 소비전력이 높아지게 함과 동시에 반도체 발광소자에 절연파괴를 일으킬 수 있다. 즉, 광은 효율적으로 방출되지 않고, 소비전력이 커지게 된다는 문제점이 있다.
더불어, 현재 획득 가능한 더 큰 크기의 반도체 발광소자들은 그들의 제한된 전력과 제한된 광선속 출력에 추가로 기여하는 부가적인 제약요소를 포함하고 있는데, 이러한 제약요소에는 비효율적인 열소산, 부족한 광학적 향상구조, 및 기기구조 내에서의 높은 광 재흡수를 일으키는 제한된 수의 발광영역들이 포함된다.
도 1-(a)는 전류 혼잡화 및 비효율적인 열소산을 줄이기 위한 전극 패턴이 형성된 종래 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 1-(b)는 도 1-(a)의 반도체 발광소자의 A-A' 라인을 따른 단면도이며, 도 1-(c)는 도 1-(a)의 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)을 나타내는 도면이다.
도 1-(a) 및 도 1-(b)를 참조하면, 전류 혼잡화 및 비효율적인 열소산을 줄이기 위한 전극 패턴이 형성된 종래 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 순차적으로 성장되는 버퍼층(110), 제 2 질화물 반도체층(n형 질화물 반도체층(120)), 활성층(130), 제 1 질화물 반도체층(p형 질화물 반도체층(140)), 투명 전극층(150), 및 제 1 전극(p형 전극(170))과, 제 1 질화물 반도체층(140) 및 활성층(130)이 식각되어 노출된 제 2 질화물 반도체층(120) 위에 형성되는 제 2 전극(n형 전극(160))으로 구성된다.
특히, 반도체 발광소자의 중심부에 투명 전극층(150) 또는 적어도 활성층(130)까지를 제거한 제거 부분(180)을 형성하고, 제 1 전극(170)은 소자의 테두리 부분과 제거 부분(180)의 둘레를 따라 형성하며, 상대 전극인 제 2 전극(160)은 제 1 전극(170)과 마주 보도록 소자의 내부로 형성한다.
이 경우, 일반적인 반도체 발광소자에 비해서 소자 내부의 열 발생을 억제하며 전류 혼잡화를 줄일 수 있지만, 제거 부분(180)으로 인해, 전자와 정공의 리콤비네이션 반응이 이루어지는 활성층(130)의 영역이 줄어듦으로써 유효 발광면적이 줄어들고, 여전히 전류를 균일하게 확산시키지 못하므로, 도 1-(c)에서와 같이, 도면상의 소자 하부 측과 상부 측 내부양자효율(주입되어 재결합한 전자의 수에 대하여 만들어진 광자의 비율)의 불균형을 초래할 수 있다.
결국, 도 1의 반도체 발광소자와 같이 소자의 전극 패턴을 형성한다 하더라도, 전류 혼잡화, 유효 발광면적의 감소 및 내부양자효율의 불균형으로 인해 외부로 추출되는 전체 광량이 감소한다는 문제점은 여전히 존재하므로, 고출력(high power), 고광선속(high luminous flux)의 LED 칩들을 개발하기 위해서는 상술한 문제점들을 해결할 수 있는 전극 패턴의 설계가 필요하다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 효율적인 전극의 위치 선정을 통해, 불균일한 전류 분포로 인해 발생하는 조기 광 포화문제, 국부적인 광분포 및 그에 따른 발열 현상, 높은 소비전력 등의 문제점을 해결하여, 반도체 발광소자의 성능 및 신뢰성을 개선하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자는 기판, 제 1 전극, 및 한 쌍의 제 2 전극을 포함한다.
기판은 제 2 질화물 반도체층, 활성층, 제 1 질화물 반도체층, 및 투명 전극층이 순차적으로 적층되어 있고, 제 1 전극은 기판의 중심점을 가로지르며, 기판의 중심점에 대해서 대칭인 'S'자 형상이고, 한 쌍의 제 2 전극은 제 1 전극의 양단부를 각각 감싸며, 기판의 중심점을 기준으로 서로 대칭이며, 양단부가 기판의 중심점을 기준으로 서로 다른 사분면에 배치되고, 제 1 전극 및 한 쌍의 제 2 전극 중, 하나는 상기 제 2 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되도록 형성되며, 나머지 하나는 투명 전극층 위에 형성된다.
이러한 구성으로 인해, 반도체 발광소자의 일부를 제거하지 않고도 소자 내부의 열 발생을 억제할 수 있으며, 전자와 정공의 직접적인 반응이 일어나는 활성층 영역을 제거하지 않으므로, 유효발광면적을 유지할 수 있다.
또한, 동일 전극 특성을 가지는 한 쌍의 전극을 서로 대향하는 위치에 구성함으로써, 전류의 균일한 분산을 유도할 수 있으므로, 불균일한 전류 분포로 인해 발생하는 조기 광 포화문제, 국부적인 광분포 및 그에 따른 발열 현상, 높은 소비전력 등의 문제점을 해결할 수 있어, 반도체 발광소자의 휘도 특성 및 광추출 효율을 향상시킴과 동시에 소자의 특성과 신뢰성을 개선할 수 있다.
또한, 제 1 전극은 기판의 중심점에 대해서 대칭인 'S'자 형상 또는 'S'자가 뒤집어진 형상일 수 있다.
또한, 제 1 전극은 제 1 본딩 전극, 제 2 본딩 전극, 제 1 서브 전극, 제 2 서브 전극, 및 제 3 서브 전극을 포함할 수 있는데, 제 1 본딩 전극은 제 1 서브 전극과 제 2 서브 전극을 연결하고, 제 2 본딩 전극은 제 2 서브 전극과 제 3 서브 전극을 연결한다.
또한, 제 1 서브 전극은 제 1 본딩 전극을 기준으로, 기판의 테두리를 따라연장될 수 있고, 제 2 서브 전극은 기판의 중심점을 가로지르며 제 1 본딩 전극과 제 2 본딩 전극에 의해 제 1 서브 전극 및 제 3 서브 전극과 연결될 수 있으며, 제 3 서브 전극은 제 2 본딩 전극을 기준으로, 기판의 테두리를 따라 연장될 수 있다.
또한, 제 1 서브 전극은 순차적으로 연결되는 1-1 서브 전극 내지 1-6 서브 전극으로 구성될 수 있고, 제 2 서브 전극은 순차적으로 연결되는 2-1 서브 전극 내지 2-5 서브 전극으로 구성될 수 있으며, 제 3 서브 전극은 순차적으로 연결되는 3-1 서브 전극 내지 3-6 서브 전극으로 구성될 수 있다.
또한, 각 서브 전극들은 90°보다 큰 각을 형성하며 서로 연결될 수 있다.
또한, 제 1 본딩 전극은 1-6 서브 전극과 2-1 서브 전극이 일직선상에 놓이도록 연결할 수 있고, 제 2 본딩 전극은 2-5 서브 전극과 3-1 서브 전극이 일직선상에 놓이도록 연결할 수 있다.
또한, 1-1, 1-3, 2-2, 2-4, 3-4, 및 3-6 서브 전극은 서로 평행일 수 있다.
또한, 1-5 서브 전극 및 3-2 서브 전극은 서로 평행이며, 1-1 서브 전극과 수직일 수 있다.
또한, 1-4 서브 전극 및 3-3 서브 전극은 서로 평행일 수 있다.
또한, 1-2 서브 전극, 2-3 서브 전극, 및 3-5 서브 전극은 서로 평행일 수 있다.
또한, 2-3 서브 전극은 기판의 중심점을 지날 수 있다.
또한, 1-3 서브 전극과 1-5 서브 전극, 및 3-2 서브 전극과 3-4 서브 전극은 기판의 4개의 모서리 중 대각선 방향으로 위치한 두 개의 모서리 각각에 근접하도록 테두리를 따라 배치될 수 있다.
또한, 한 쌍의 제 2 전극 각각은 제 3 본딩 전극, 제 4 서브 전극, 및 제 5 서브 전극을 포함할 수 있는데, 제 3 본딩 전극은 제 4 서브 전극과 제 5 서브 전극을 연결할 수 있고, 제 4 서브 전극은 제 3 본딩 전극을 기준으로, 기판의 테두리를 따라 연장될 수 있으며, 제 5 서브 전극은 제 3 본딩 전극을 기준으로, 기판의 내측으로 연장될 수 있다.
또한, 제 4 서브 전극은 제 5 서브 전극보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 제 4 서브 전극은 순차적으로 연결되는 4-1 서브 전극 내지 4-4 서브 전극으로 구성될 수 있고, 제 5 서브 전극은 순차적으로 연결되는 5-1 서브 전극 내지 5-4 서브 전극으로 구성될 수 있다.
또한, 각 서브 전극들은 90°보다 큰 각을 형성하며 서로 연결될 수 있다.
또한, 제 3 본딩 전극은 4-4 서브 전극과 5-1 서브 전극이 일직선상에 놓이도록 연결할 수 있다.
또한, 4-1, 5-2, 및 5-4 서브 전극은 서로 평행일 수 있다.
또한, 4-3 서브 전극은 4-1 서브 전극과 수직일 수 있다.
또한, 4-2 서브 전극 및 5-3 서브 전극은 서로 평행일 수 있다.
또한, 4-1 서브 전극 및 4-3 서브 전극은 기판의 4개의 모서리 중 제 1 전극의 일단부에 근접한 모서리를 이루는 테두리를 따라 배치될 수 있다.
또한, 제 1 전극 및 한 쌍의 제 2 전극은 서로 미리 설정된 이격 거리를 유지하며 배치될 수 있다.
본 발명에 의해 'S'자 형상으로 소자의 중심점을 가로지르는 하나의 전극, 및 상기 하나의 전극의 양단부를 각각 감싸며 소자의 중심점을 기준으로 서로 대칭인 한 쌍의 전극으로 형성된 전극 패턴을 설계하여, 반도체 발광소자의 일부를 제거하지 않고도 소자 내부의 열 발생을 억제할 수 있으며, 전자와 정공의 직접적인 반응이 일어나는 활성층 영역을 제거하지 않으므로, 유효발광면적을 유지할 수 있다.
또한, 이와 같은 전극 패턴으로, 전류의 균일한 분산을 유도할 수 있으므로, 불균일한 전류 분포로 인해 발생하는 조기 광 포화문제, 국부적인 광분포 및 그에 따른 발열 현상, 높은 소비전력 등의 문제점을 해결할 수 있어, 반도체 발광소자의 휘도 특성 및 광추출 효율을 향상시킴과 동시에 소자의 특성과 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 1-(a)는 전류 혼잡화 및 비효율적인 열소산을 줄이기 위한 전극 패턴이 형성된 종래 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타내는 평면도.
도 1-(b)는 도 1-(a)의 반도체 발광소자의 A-A' 라인을 따른 단면도.
도 1-(c)는 도 1-(a)의 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)을 나타내는 도면.
도 2-(a)는 본 발명에 따른 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자의 바람직한 일 실시예를 나타내는 평면도.
도 2-(b)는 도 2-(a)의 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)을 나타내는 도면.
도 3-(a)는 본 발명에 따른 n형 전극의 일 실시예를 도시한 도면.
도 3-(b)는 본 발명에 따른 p형 전극의 일 실시예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자의 또 다른 일 실시예를 나타내는 평면도.
도 5-(a)는 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 순방향 전압특성을 그래프로 나타낸 도면.
도 5-(b)는 도 5-(a)의 그래프에서 약 4.95V의 순방향 전압에 해당하는 부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 6은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 광추출효율 특성을 그래프로 나타낸 도면.
도 7은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 출력전력 특성을 그래프로 나타낸 도면.
도 8은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 평균 온도 특성을 그래프로 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 발명의 이해를 보다 명확하게 하기 위해 동일한 구성요소에 대해서는 상이한 도면에서도 동일한 부호를 사용하도록 한다.
도 2-(a)는 본 발명에 따른 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자의 바람직한 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 상술한 도 1의 반도체 발광소자와 같이, 기판(100) 위에 버퍼층(110), 제 2 질화물 반도체층(120), 활성층(130), 제 1 질화물 반도체층(140), 및 투명 전극층(150)이 순차적으로 성장된 구조로 형성될 수 있으며, 투명 전극층(150)은 제 1 질화물 반도체층(140)의 거의 전면에 형성될 수 있다.
또한, 제 2 전극(160)은 제 1 질화물 반도체층(140) 및 활성층(130)이 식각되어 노출된 제 2 질화물 반도체층(120) 위에 형성되고, 제 1 전극(170)은 투명 전극층(150) 위에 형성될 수 있다.
이하에서는, 제 2 질화물 반도체층(120)은 n형 질화물 반도체층으로, 제 1 질화물 반도체층(140)은 p형 질화물 반도체층으로, 제 2 전극(160)은 n형 전극으로, 제 1 전극(170)은 p형 전극으로 설정하여 설명하고자 한다.
(또한, 제 2 질화물 반도체층(120)은 p형 질화물 반도체층으로, 제 1 질화물 반도체층(140)은 n형 질화물 반도체층으로 설정할 수도 있으며, 이 경우에는 제 2 전극(160)은 p형 전극으로, 제 1 전극(170)은 n형 전극으로 설정됨이 바람직할 것이다.)
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 한 쌍의 n형 전극(160)과 하나의 p형 전극(170)의 위치를 조절하여 광효율 향상에 적합하도록 설계된 전극 패턴을 포함한다.
전극 패턴은 'S'자 형상으로 반도체 발광소자의 중심점을 가로지르는 하나의 p형 전극(170), 및 상기 p형 전극(170)의 양단부를 각각 감싸며 반도체 발광소자의 중심점을 기준으로 서로 대칭인 한 쌍의 n형 전극(160)으로 형성될 수 있다.
도 3-(a)는 본 발명에 따른 n형 전극(160)의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 3-(b)는 본 발명에 따른 p형 전극(170)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3-(a)를 참조하면, 한 쌍의 n형 전극(160) 각각은 제 4 서브 전극(210), 제 5 서브 전극(220), 및 제 3 본딩 전극(200)을 포함하는데, 제 3 본딩 전극(200)은 제 4 서브 전극(210)과 제 5 서브 전극(220)이 만나는 지점에 형성될 수 있고, 제 4 서브 전극(210)은 제 3 본딩 전극(200)을 기준으로, 투명 전극층(150)의 테두리를 따라 연장될 수 있으며, 제 5 서브 전극(220)은 제 3 본딩 전극(200)을 기준으로, 투명 전극층(150)의 내측으로 연장될 수 있다.
이때, 제 4 서브 전극(210)은 제 5 서브 전극(220)보다 짧게 형성될 수 있으며, 각 서브 전극의 말단부는 투명 전극층(150)의 중심점을 기준으로 나누어진 서로 다른 사분면에 배치될 수 있다.
제 4 서브 전극(210)은 4-1 서브 전극(212), 4-2 서브 전극(214), 4-3 서브 전극(216), 및 4-4 서브 전극(218)으로 구성될 수 있고, 제 5 서브 전극(220)은 5-1 서브 전극(222), 5-2 서브 전극(224), 5-3 서브 전극(226), 및 5-4 서브 전극(228)으로 구성될 수 있다.
이러한 각 서브 전극들은 90°보다 큰 각을 형성하며 순차적으로 서로 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 한 쌍의 n형 전극(160) 각각에서, 제 3 본딩 전극(200)은 4-4 서브 전극(218)과 5-1 서브 전극(222)이 일직선상에 놓이도록 연결하여, 제 4 서브 전극(210)과 제 5 서브 전극(220)을 연결할 수 있다.
또한, 4-1 서브 전극(212), 5-2 서브 전극(224), 및 5-4 서브 전극(228)은 서로 평행일 수 있고, 4-3 서브 전극(216)은 4-1 서브 전극(212)과 수직일 수 있고, 4-2 서브 전극(214) 및 5-3 서브 전극(226)은 서로 평행일 수 있다.
즉, 상술한 바와 같은 구성으로 인해, 한 쌍의 n형 전극(160) 각각은 전체적으로 형태는 물음표(question mark)에서 점(dot)을 뺀 형상일 수 있다.
또한, 4-1 서브 전극(212) 및 4-3 서브 전극(216)은 투명 전극층(150)의 4개의 모서리(151, 153, 155, 157) 중 p형 전극(170)의 일단부에 근접한 모서리를 이루는 테두리를 따라, 테두리에 접하거나 소정 거리 이격되도록 배치될 수 있다.
예컨대, p형 전극(170)의 일단부가 모서리 151에 근접할 경우에 4-1 서브 전극(212) 및 4-3 서브 전극(216)이 따르는 테두리는 152 및 154가 될 수 있고, p형 전극(170)의 일단부가 모서리 155에 근접할 경우에 테두리는 156 및 158이 될 수 있다.
또한, 5-2 서브 전극(224)의 길이는 4-1 서브 전극(212)의 길이보다 길고, 또한, 5-3 서브 전극(226)의 길이는 5-4 서브 전극(228)의 위치가 4-3 서브 전극(216)의 중간 지점에 위치하도록 하는 길이가 됨이 바람직할 것이다.
다음으로, 도 3-(b)를 참조하면, p형 전극(170)은 제 1 서브 전극(310), 제 2 서브 전극(320), 제 3 서브 전극(330), 제 1 본딩 전극(300), 및 제 2 본딩 전극(400)을 포함하는데, 제 1 본딩 전극(300)은 제 1 서브 전극(310)과 제 2 서브 전극(320)이 만나는 지점에 형성될 수 있고, 제 2 본딩 전극(400)은 제 2 서브 전극(320)과 제 3 서브 전극(330)이 만나는 지점에 형성될 수 있다.
또한, 제 1 서브 전극(310)은 제 1 본딩 전극(300)을 기준으로, 투명 전극층(150)의 테두리를 따라 연장될 수 있고, 제 2 서브 전극(320)은 투명 전극층(150)의 중심점을 가로지르며 제 1 본딩 전극(300)과 상기 제 2 본딩 전극(400)에 의해 제 1 서브 전극(310) 및 제 3 서브 전극(330)과 연결될 수 있으며, 제 3 서브 전극(330)은 제 2 본딩 전극(400)을 기준으로, 투명 전극층(150)의 테두리를 따라 연장될 수 있다.
제 1 서브 전극(310)은 1-1 서브 전극(311), 1-2 서브 전극(312), 1-3 서브 전극(313), 1-4 서브 전극(314), 1-5 서브 전극(315), 및 1-6 서브 전극(316)으로 구성될 수 있고, 제 2 서브 전극(320)은 2-1 서브 전극(321), 2-2 서브 전극(322), 2-3 서브 전극(323), 2-4 서브 전극(324), 및 2-5 서브 전극(325)으로 구성될 수 있으며, 제 3 서브 전극(330)은 3-1 서브 전극(331), 3-2 서브 전극(332), 3-3 서브 전극(333), 3-4 서브 전극(334), 3-5 서브 전극(335), 및 3-6 서브 전극(336)으로 구성될 수 있다.
이러한 각 서브 전극들은 90°보다 큰 각을 형성하며 순차적으로 서로 연결될 수 있다.
또한, 이와 같이 구성된 p형 전극(170)에서, 제 1 본딩 전극(300)은 1-6 서브 전극(316)과 2-1 서브 전극(321)이 일직선상에 놓이도록 연결하여, 제 1 서브 전극(310) 및 제 2 서브 전극(320)을 연결할 수 있다.
또한, 제 2 본딩 전극(400)은 2-5 서브 전극(325)과 3-1 서브 전극(331)일직선상에 놓이도록 연결하여, 제 2 서브 전극(320) 및 제 3 서브 전극(330)을 연결할 수 있다.
또한, p형 전극(170)에서, 1-1 서브 전극(311), 1-3 서브 전극(313), 2-2 서브 전극(322), 2-4 서브 전극(334), 및 3-6 서브 전극(336)은 서로 평행일 수 있고, 1-4 서브 전극(314) 및 3-3 서브 전극(333)도 서로 평행일 수 있다.
또한, p형 전극(170)에서, 1-5 서브 전극(315) 및 3-2 서브 전극(332)도 서로 평행일 수 있으며, 1-5 서브 전극(315) 및 3-2 서브 전극(332)은 1-1 서브 전극(311)과 수직일 수 있다.
또한, p형 전극(170)에서, 1-2 서브 전극(312), 1-6 서브 전극(316)과 제 1 본딩 전극(300)과 2-1 서브 전극(321)이 연결된 전극, 2-3 서브 전극(323), 2-5 서브 전극(325)과 제 2 본딩 전극(400)과 3-1 서브 전극(331)이 연결된 전극, 및 3-5 서브 전극(335)은 서로 평행일 수 있다.
또한, 2-3 서브 전극(323)은 투명 전극측(150)의 중심점을 지날 수 있다.
이와 같이 구성된 p형 전극(170)의 형태는 전체적으로 'S'자 형상일 수 있으며, 본 발명에 따른 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자의 또 다른 일 실시예를 나타내는 평면도인 도 4와 같이 'S'자 이외에 'S'자가 뒤집어진 형상일 수도 있다.
또한, 1-3 서브 전극(313)과 1-5 서브 전극(315), 및 3-2 서브 전극(332)과 3-4 서브 전극(334)은 투명 전극층(150)의 4개의 모서리(151, 153, 155, 157) 중 대각선 방향으로 위치하며, 한 쌍의 n형 전극(160)이 근접하지 않은 두 개의 모서리에 각각 근접하도록 테두리를 따라 배치될 수 있다.
예컨대, 한 쌍의 n형 전극(160)이 모서리가 151 및 155에 근접할 경우에, p형 전극(170)이 근접하는 모서리는 153 및 157이 될 수 있다.
또한, p형 전극(170)이 근접하는 모서리가 153일 경우에 1-3 서브 전극(313)과 1-5 서브 전극(315)이 따르는 테두리는 154 및 156이 될 수 있고, 모서리가 157일 경우에 테두리는 152 및 158이 될 수 있다.
더불어, 전류가 부분적으로 집중되는 현상을 방지하기 위해, n형 전극(160)의 4-1 서브 전극(212)과 p형 전극(170)의 1-1 서브 전극(311)(또는 3-6 서브 전극(336)) 사이의 거리, p형 전극(170)의 1-1 서브 전극(311)(또는 3-6 서브 전극(336))과 n형 전극(160)의 5-2 서브 전극(224) 사이의 거리는 일정한 거리가 되도록 배치되는 것이 바람직할 것이다.
마찬가지로, p형 전극(170)의 1-3 서브 전극(313)(또는 2-2 서브 전극(322))과 n형 전극(160)의 5-4 서브 전극(228) 사이의 거리, 및 n형 전극(160)의 5-4 서브 전극(228)과 p형 전극(170)의 2-4 서브 전극(324)(또는 3-4 서브 전극(334)) 사이의 거리는 일정한 거리가 되도록 배치되는 것이 바람직할 것이다.
다시, 도 2를 참조하면, 도 2-(b)는 도 2-(a)의 반도체 발광소자의 내부양자효율(IQE)을 나타내는 도면을 나타낸다.
내부양자효율은 반도체 발광소자에 주입되어 재결합한 전자의 수에 대하여 만들어진 광자의 비율을 의미하며, 여기 에너지(excited energy)가 빛으로 변환된 비율이라고도 표현할 수 있다.
도 2-(b)로부터, 도 1-(c)에서 도시된 바와 같은 도면상의 소자 하부 측과 상부 측 내부양자효율의 불균형이 완화된 것을 볼 수 있으므로, 도 2-(a)의 소자는 도 1-(a)의 종래의 소자보다 효율이 높아진 것을 알 수 있다.
도 5-(a)는 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 순방향 전압특성을 그래프로 나타낸 도면이고, 도 5-(b)는 도 5-(a)의 그래프에서 약 4.95V의 순방향 전압에 해당하는 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
"■" dot으로 나타낸 그래프가 도 1의 반도체 발광소자에 대한 그래프를 나타내고, "●" dot으로 나타낸 그래프가 도 2의 반도체 발광소자에 대한 그래프를 나타낸다.
도 5-(b)를 보면, 각 반도체 발광소자에 약 4.95V의 순방향 전압을 인가하였을 경우(정확하게는, 도 1, 도 2의 순서로 각각 4.95V, 4.94V를 인가), 도 2의 소자가 도 1의 소자보다 흐르는 전류의 양이 많음을 알 수 있다(도 2는 약 356mA의 전류가 흐르고, 도 1은 약 349mA의 전류가 흐름).
반도체 발광소자(LED)는 빛을 내는 다이오드(Diode)로 다이오드 특성상 전기적 극성이 일치하고 일정 전압 이상에서 급격히 전류가 증가하며, 밝기는 전류 크기에 정비례하는 독특한 특성을 지니고 있기에, 도 2의 반도체 발광소자가 도 1의 반도체 발광소자보다, 같은 전압으로 더 많은 전류를 흘릴 수 있어 광도를 높일 수 있다.
도 6은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 광추출효율 특성을 그래프로 나타낸 도면이고, 도 7은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 출력전력 특성을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6에서, 도 1의 소자는 23.44%의 광추출효율을 나타내고, 도 2의 소자는 24.15%의 광추출효율을 나타내며, 도 7에서, 도 1의 소자는 428.85mW의 출력전력을 나타내고, 도 2의 소자는 429.48mW의 출력전력을 나타냄을 볼 수 있으므로, 실제로 본 발명으로부터 효율이 높은 반도체 발광소자를 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자의 평균 온도 특성을 그래프로 나타낸 도면으로, 도 1의 소자는 평균 324.5K의 온도를 나타내고, 도 2의 소자는 평균 324.2K의 온도를 나타냄을 볼 수 있으며, 이로 인해, 본 발명에 따른 도 2의 소자가, 투명 전극층(150) 또는 n형 질화물 반도체층(140)의 일부를 제거한 도 1의 종래 기술의 소자보다, 소자 내부에서 발생하는 열을 상대적으로 많이 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상술한 도 5 내지 도 8을 참조하여 확인한 본 발명의 효과는 상술한 도 4의 본 발명의 또 다른 실시예에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 'S'자 형상 또는 'S'자가 뒤집힌 형상으로 소자의 중심점을 가로지르는 하나의 p형 전극(170), 및 상기 p형 전극(170)의 양단부를 각각 감싸며 소자의 중심점을 기준으로 서로 대칭인 한 쌍의 n형 전극(160)으로 형성된 전극 패턴으로 인해, 전류의 균일한 분산을 유도할 수 있다.
또한, 이러한 전극 패턴으로 인해, 반도체 발광소자의 일부를 제거하지 않고도 소자 내부의 열 발생을 억제할 수 있어, 전자와 정공의 직접적인 반응이 일어나는 활성층(130) 영역을 제거하지 않아도 되므로, 유효발광면적을 유지할 수 있다.
또한, 이러한 전극 패턴으로 인해, 전류의 균일한 분산을 유도할 수 있으므로, 불균일한 전류 분포로 인해 발생하는 조기 광 포화문제, 국부적인 광분포 및 그에 따른 발열 현상, 높은 소비전력 등의 문제점을 해결할 수 있어, 반도체 발광소자의 휘도 특성 및 광추출효율을 향상시킴과 동시에 소자의 특성과 신뢰성을 개선할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 기판
110 버퍼층
120 제 1 질화물 반도체층(n형 질화물 반도체층)
130 활성층
140 제 2 질화물 반도체층(p형 질화물 반도체층)
150 투명 전극층
151, 153, 155, 157 투명 전극층의 4 개의 모서리
152, 154, 156, 158 투명 전극층의 4 개의 테두리
160 제 1 전극(n형 전극)
200 제 3 본딩 전극
210 제 4 서브 전극
212, 214, 216, 218 제 4 서브 전극의 4-1 서브 전극, 4-2 서브 전극, 4-3 서브 전극, 4-4 서브 전극
220 제 5 서브 전극
222, 224, 226, 228 제 5 서브 전극의 5-1 서브 전극, 5-2 서브 전극, 5-3 서브 전극, 5-4 서브 전극
170 제 2 전극(p형 전극)
300 제 1 본딩 전극
310 제 1 서브 전극
311, 312, 313, 314, 315, 316 제 1 서브 전극의 1-1 서브 전극, 1-2 서브 전극, 1-3 서브 전극, 1-4 서브 전극, 1-5 서브 전극, 1-6 서브 전극
320 제 2 서브 전극
321, 322, 323, 324, 325 제 2 서브 전극의 2-1 서브 전극, 2-2 서브 전극, 2-3 서브 전극, 2-4 서브 전극, 2-5 서브 전극
330 제 3 서브 전극
331, 332, 333, 334, 335, 336 제 3 서브 전극의 3-1 서브 전극, 3-2 서브 전극, 3-3 서브 전극, 3-4 서브 전극, 3-5 서브 전극
400 제 2 본딩 전극

Claims (22)

  1. 제 2 질화물 반도체층, 활성층, 제 1 질화물 반도체층, 및 투명 전극층이 순차적으로 적층되어 있는 기판;
    기판의 중심점을 가로지르며, 상기 기판의 중심점에 대해서 대칭인 'S'자 형상의 제 1 전극; 및
    상기 제 1 전극의 양단부를 각각 감싸며, 상기 기판의 중심점을 기준으로 서로 대칭이며, 양단부가 상기 기판의 중심점을 기준으로 서로 다른 사분면에 배치되는 한 쌍의 제 2 전극; 을 포함하고,
    상기 제 1 전극 및 상기 한 쌍의 제 2 전극 중, 하나는 상기 제 2 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되도록 형성되며, 나머지 하나는 상기 투명 전극층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    상기 기판의 중심점에 대해서 대칭인 'S'자 형상 또는 'S'자가 뒤집어진 형상인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    제 1 서브 전극과 제 2 서브 전극을 연결하는 제 1 본딩 전극;
    상기 제 2 서브 전극과 제 3 서브 전극을 연결하는 제 2 본딩 전극;
    상기 제 1 본딩 전극을 기준으로, 상기 기판의 테두리를 따라 연장되는 상기 제 1 서브 전극;
    상기 기판의 중심점을 가로지르며 상기 제 1 본딩 전극과 상기 제 2 본딩 전극에 의해 상기 제 1 서브 전극 및 상기 제 3 서브 전극과 연결되는 상기 제 2 서브 전극; 및
    상기 제 2 본딩 전극을 기준으로, 상기 기판의 테두리를 따라 연장되는 상기 제 3 서브 전극; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 서브 전극은,
    순차적으로 연결되는 1-1 서브 전극 내지 1-6 서브 전극으로 구성되고,
    상기 제 2 서브 전극은,
    순차적으로 연결되는 2-1 서브 전극 내지 2-5 서브 전극으로 구성되며,
    상기 제 3 서브 전극은,
    순차적으로 연결되는 3-1 서브 전극 내지 3-6 서브 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 각 서브 전극들은,
    90°보다 큰 각을 형성하며 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 본딩 전극은,
    상기 1-6 서브 전극과 상기 2-1 서브 전극이 일직선상에 놓이도록 연결하고,
    상기 제 2 본딩 전극은,
    상기 2-5 서브 전극과 상기 3-1 서브 전극일직선상에 놓이도록 연결하는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 1-1, 1-3, 2-2, 2-4, 3-4, 및 3-6 서브 전극은,
    서로 평행인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 1-5 서브 전극 및 상기 3-2 서브 전극은,
    서로 평행이며, 상기 1-1 서브 전극과 수직인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 1-4 서브 전극 및 상기 3-3 서브 전극은,
    서로 평행인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 1-2 서브 전극, 상기 2-3 서브 전극, 및 상기 3-5 서브 전극은,
    서로 평행인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 2-3 서브 전극은,
    상기 기판의 중심점을 지나는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 1-3 서브 전극과 상기 1-5 서브 전극, 및 상기 3-2 서브 전극과 상기 3-4 서브 전극은,
    상기 기판의 4개의 모서리 중 대각선 방향으로 위치한 두 개의 모서리 각각에 근접하도록 테두리를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 2 전극 각각은,
    제 4 서브 전극과 제 5 서브 전극을 연결하는 제 3 본딩 전극;
    상기 제 3 본딩 전극을 기준으로, 상기 기판의 테두리를 따라 연장되는 상기 제 4 서브 전극; 및
    상기 제 3 본딩 전극을 기준으로, 상기 기판의 내측으로 연장되는 상기 제 5 서브 전극; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 4 서브 전극은,
    상기 제 5 서브 전극보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 4 서브 전극은,
    순차적으로 연결되는 4-1 서브 전극 내지 4-4 서브 전극으로 구성되고,
    상기 제 5 서브 전극은,
    순차적으로 연결되는 5-1 서브 전극 내지 5-4 서브 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 각 서브 전극들은,
    90°보다 큰 각을 형성하며 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제 3 본딩 전극은,
    상기 4-4 서브 전극과 상기 5-1 서브 전극이 일직선상에 놓이도록 연결하는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 4-1, 5-2, 및 5-4 서브 전극은,
    서로 평행인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 4-3 서브 전극은,
    상기 4-1 서브 전극과 수직인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 4-2 서브 전극 및 상기 5-3 서브 전극은,
    서로 평행인 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 4-1 서브 전극 및 상기 4-3 서브 전극은,
    상기 기판의 4개의 모서리 중 상기 제 1 전극의 일단부에 근접한 모서리를 이루는 테두리를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 한 쌍의 제 2 전극은,
    서로 미리 설정된 이격 거리를 유지하며 배치되는 것을 특징으로 하는 광효율 향상을 위한 전극 패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
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