KR102099441B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층; 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상의 광추출 구조를 포함하고, 상기 광추출 구조는 복수 개의 광추출 유닛을 포함하고, 상기 복수 개의 광추출 유닛은 내부에 보이드(void)가 형성된 실린더 형상인 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTNG DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자는 사파이어 등으로 이루어진 기판 위에 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치된다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층에서 방출되는 빛은 활성층을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 또는 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
발광 구조물의 표면에서의 광추출 효율을 향상시키기 위하여 발광구조물의 표면을 식각하여 요철을 형성할 수 있다. 도 1a는 습식 식각을 통하여 형성된 요철을 나타내고, 도 1b는 건식 식각을 통하여 형성된 요철을 나타낸다.
도 1a와 도 1b에서 제1 도전형 반도체층(22a, 22b)의 표면에 요철이 형성되고, 활성층(24a, 24b)과 제2 도전형 반도체층(26a, 26b)의 표면에는 요철이 형성되지 않을 수 있다.
도 1a에 도시된 습식 식각을 통하여 형성된 요철의 경우, 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있으나, 등방성을 가지는 습식 식각의 특성 때문에 제1 도전형 반도체층(22a)의 결정성이 취약한 부분에서 에칭 비율(Etch-rate)이 높아서 발광소자의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 활성층(24a)에 근접하는 영역까지 식각되었을 경우, 발광소자의 전기적 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
도 1b에 도시된 건식 식각을 통하여 형성된 요철의 경우, 규칙적인 패턴의 형성을 통하여 공정 수율이 개선될 수 있으나,동일한 패턴을 가지는 요철의 형성으로 인하여 이웃한 요철에 의하여 발광 구조물의 내부로 빛이 재입사할 수 있고, 발광 구조물의 내부로 빛이 전반사되어 광추출 효율을 저하시킬 수도 있다.
실시예는 발광소자의 광추출 효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층; 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상의 광추출 구조를 포함하고, 상기 광추출 구조는 복수 개의 광추출 유닛을 포함하고, 상기 복수 개의 광추출 유닛은 내부에 보이드(void)가 형성된 실린더 형상인 발광소자를 제공한다.
각각의 광추출 유닛의 사이에서, 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 요철이 형성될 수 있다.
각각의 광추출 유닛은, 상부 표면에 요철이 형성될 수 있다.
각각의 광추출 유닛의 보이드에서, 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 요철이 형성될 수 있다.
각각의 광추출 유닛의 높이는 1.5 마이크로 미터 내지 2.5 마이크로 미터일 수 있다.
보이드의 직경은 0.5 마이크로 미터 내지 5 마이크로 미터일 수 있다.
각각의 광추출 유닛은 서로 0.5 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터 이격될 수 있다.
각각의 광추출 유닛의 실린더는 0.5 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터의 두께를 가질 수 있다.
복수 개의 광추출 유닛은 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
복수 개의 광추출 유닛은 서로 동일한 형상으로 배치될 수 있다.
실린더는 상부가 개방될 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 요철이 형성된 광추출 구조가 발광구조물의 표면에 형성되며, 건식 식각을 통하여 형성된 광추출 구조는 규칙적인 패턴을 이루고 후술하는 제조 공정 상의 수율이 향상될 수 있고, 습식 식각을 통하여 형성되는 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 광추출 구조를 상세히 나타낸 도면이고,
도 4는 광추출 구조의 배열과 형상을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 광추출 구조의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6g는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일시시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광소자가 배치된 백라이트 유닛의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광소자가 배치된 살균장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 광추출 구조를 상세히 나타낸 도면이고, 도 4는 광추출 구조의 배열과 형상을 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 도전성 지지기판(180)과 접합층(170)과 반사층(160)과 오믹층(150)과 발광 구조물(120) 및 패시베이션층(190)을 포함하여 이루어지고, 발광 구조물(120)의 표면에는 광추출 구조(200)이 형성된다.
발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하여 이루어지고, 광추출 구조(200)는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 예컨대, InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
발광 구조물(120)의 하부에 도시된 오믹층(150)과 반사층(160)과 접합층(170) 및 도전성 지지기판(180)이 제2 전극으로 작용할 수 있다.
오믹층(150)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(150)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반사층(160)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
도전성 지지기판(metal support, 180)은 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 발광소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
도전성 지지기판(180)은 금속 또는 반도체 물질등으로 형성될 수 있다. 또한 전기전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 도전성 지지기판(180)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
접합층(170)은 반사층(160)과 도전성 지지기판(180)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라디움(Pd) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 제2 도전형 반도체층(126)의 상부에는 제1 전극이 배치될 수 있다. 제1 전극은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)의 둘레에는 패시베이션층(190)이 배치되고 있다. 패시베이션층(190)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(190)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
광추출 구조(200)는 복수 개의 광추출 유닛(light extraction unit)을 포함하여 이루어진다. 도 3a는 도 2의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a의 'B' 영역의 I-I' 방향의 단면도이고, 도 3c는 도 3a의 'B' 영역의 사시도이다.
도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(122)의 표면에는 복수 개의 광추출 유닛으로 이루어지는 광추출 구조가 형성되고, 각각의 광추출 유닛은 내부에 보이드(void)가 형성된 실린더 형상일 수 있다. 실린더는 원기둥 외에 다각형 형상일 수도 있다. 실린더 형상의 광추출 유닛은 내부에 보이드가 형성되고 상부가 개방되며 속이 빈 실린더 형상일 수 있고, 상기 보이드의 아래에는 제2 도전형 반도체층(122)이 배치되고, 상기 보이드의 상부는 개방될 수 있다.
도 3a에서 각각의 광추출 구조의 배열이 도시되고 있는데, 각각의 광추출 구조는 동일한 형상으로 일정하게 배치될 수 있다.
도 4는 광추출 구조의 배열과 형상을 나타낸 도면이다.
도 4에서 광추출 유닛의 외벽을 이루는 실린더 내부의 보이드의 직경 내지 크기(d1)은 적어도 0.5 마이크로 미터이되 5 마이크로 미터보다 작을 수 있다. 상술한 직경 내지 크기(d1)는 실린더가 원기둥 형상일 때는 내벽의 지름이고, 다각형 형상일 때는 내벽의 대각선의 길이일 수 있다. 보이드의 직경 내지 크기(d1)은 건식 식각 방법으로 0.5 마이크로 미터 이내로 형성하기 어렵고, 5 마이크로 미터 이상이면 광추출 효율의 향상을 기대하기 어렵다.
그리고, 각각의 광추출 유닛 간의 이격 거리(d3)는 0.5 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터 이격될 수 있는데, 각각의 광추출 유닛 간의 이격 거리(d3)는 보이드의 직경 내지 크기(d1)보다 작으며 일정할 수 있다. 각각의 광추출 유닛 간의 이격 거리(d3)는 건식 식각 방법으로 0.5 마이크로 이내로 형성하기 어렵고, 3 마이크로 미터 이상이면 광추출 효율의 향상을 기대하기 어렵다.
그리고, 각각의 광추출 유닛의 실린더의 두께(d2)는 0.5 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터일 수 있으며, 각각의 광추출 유닛의 두께(d2)는 각각의 광추출 유닛 간의 이격 거리(d3)보다 작을 수 있다. 각각의 광추출 유닛의 두께(d2)를 건식 식각 방법으로 0.5 마이크로 이내로 형성하기 어렵고, 2 마이크로 미터 이상이면 내부 전반사가 증가되어 광추출 효율의 향상을 기대하기 어렵다.
각각의 광추출 유닛의 높이(h1)는 1.5 마이크로 미터 내지 2.5 마이크로 미터인데, 상술한 높이(h1)는 광추출 유닛의 가로 방향의 크기 내지 간격에 따라 달라질 수 있는데 너무 낮거나 높으면 광추출 효율의 향상이 어려울 수 있다.
광추출 구조를 이루는 실린더의 내측면과 외측면 및 상부면은 각각 곡률을 이룰 수 있는데, 내측면의 곡률(R2)과 외측면의 곡률(R1)은 광추출 유닛의 크기에 따라 달라질 수 있으며, 상부면의 곡률(R3)도 내측면의 곡률(R2)과 외측면의 곡률(R1)에 따라 달라질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 광추출 구조의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 광추출 구조는 상술한 실시예와 유사하나, 습식 식각을 통하여 표면에 미세한 요철 구조가 추가로 형성된 차이점이 있다. 각각의 광추출 유닛의 사이에서 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 요철(250)이 형성되고, 각각의 광추출 유닛의 보이드의 내부에서도 노출되는 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 요철(250)이 형성될 수 있다. 그리고, 광추출 유닛의 외벽을 이루는 실린더의 상부 표면에도 요철(250)이 형성될 수 있다.
상술한 요철(250)은 건식 식각으로 광추출 구조를 형성한 후, 습식 식각을 진행하여 형성되며, 크기가 매우 미세하고 불규칙적일 수 있다. 그리고, 건식 식각을 통하여 형성된 광추출 구조는 규칙적인 패턴을 이루고 후술하는 제조 공정 상의 수율이 향상될 수 있고, 습식 식각을 통하여 형성되는 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
6a 내지 도 6g는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이 기판(110) 위에 발광 구조물(120)을 성장시킨다. 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, SiO2, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
도시되지는 않았으나 발광 구조물(120)의 성장 이전에 기판(110) 상에는 버퍼층이 성장될 수 있다. 버퍼층 기판(110)과의 재료의 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 물질, 예를 들면 GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN을 성장시킬 수 있다. 버퍼층은 150 나노미터 내지 250 나노미터의 두께로 성장시킬 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 n형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(162)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
활성층(124)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 예를 들어 상기 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 도전형 반도체층(126)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이 발광 구조물(120) 위에 오믹층(150)과 반사층(160)과 접합층(170) 및 도전성 지지기판(280)을 배치할 수 있다. 오믹층(150)과 반사층(160)의 조성은 상술한 바와 같으며, 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
도전성 지지기판(180)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱(Eutetic) 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용하거나, 별도의 접합층(170)을 형성할 수 있다.
그리고, 도 6c에 도시된 바와 같이 기판(110)을 분리하다. 기판(110)의 제거는 사파이어 기판의 경우 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 기판(110) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 기판(110)과 발광 구조물(120)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(110)의 분리가 일어나며, 이때 버퍼층도 건식 식각 공정으로 분리할 수 있다.
실리콘 기판의 경우 습식 식각 공정을 통하여 기판(110)을 분리할 수 있고, 버퍼층도 건식 식각 공정으로 분리할 수 있다.
그리고, 도 6d에 도시된 바와 같이 마스크(300)를 사용하여 발광 구조물(120) 내의 제1 도전형 반도체층(122)의 표면을 건식 식각하여 광추출 구조를 형성한다.
그리고, 도 6e에 도시된 바와 같이 광추출 구조(200)가 형성된 발광 구조물(120)의 표면을 습식 식각하여, 제1 도전형 반도체층(122)의 표면과 광추출 구조(200)의 표면에 요철을 형성할 수 있다.
도 6f에서 광추출 구조(200)와 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 요철이 형성되고 있다.
도 6g에 상술한 건식 식각과 습식 식각을 통하여 발광 구조물(120)의 표면에 광추출 구조와 요철이 형성된 발광소자(100)가 도시되고 있다.
도 7은 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(400)는 캐비티를 포함하는 몸체(410)와, 상기 몸체(410)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 421) 및 제2 리드 프레임(422)과, 상기 몸체(410)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)과 전기적으로 연결되는 발광소자(200a)와, 캐비티에 형성된 몰딩부(470)를 포함한다.
몸체(410)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(410)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(410)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(421, 422) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200a)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 발광소자(200a)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200a)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200a)는 상술한 실시예들에 따르며, 건식 식각을 통하여 형성된 광추출 구조는 규칙적인 패턴을 이루고 후술하는 제조 공정 상의 수율이 향상될 수 있고, 습식 식각을 통하여 형성되는 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
발광소자(200a)는 제1 리드 프레임(421)에 도전성 페이스트(미도시) 등으로 고정될 수 있고, 전극(430)은 제2 리드 프레임에 와이어(450)로 본딩될 수 있다.
상기 몰딩부(470)는 상기 발광소자(200a)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(470) 상에는 형광체(480)가 포함될 수 있다. 이러한 구조는 형광체(480)가 분포되어, 발광소자(200a)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(400)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자 패키지(400)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 영상표시장치와 살균 장치 및 조명장치를 설명한다.
도 8은 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)는 상술한 바와 같이 건식 식각을 통하여 형성된 광추출 구조는 규칙적인 패턴을 이루고 후술하는 제조 공정 상의 수율이 향상될 수 있고, 습식 식각을 통하여 형성되는 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
도 9는 발광소자가 배치된 살균장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 살균장치(600)는, 하우징(601)의 일면에 실장된 발광 모듈부(610)와, 방출된 심자외선 파장 대역의 광을 난반사시키는 난반사 반사 부재(630a, 630b)와, 발광 모듈부(610)에서 필요한 가용전력을 공급하는 전원 공급부(620)를 포함할 수 있고, 발광 모듈부(610)는 자외선이나 근자외선 또는 심자외선 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
하우징(601)은 장방형 구조로 이루어지며 발광 모듈부(610)와 난반사 반사부재(630a, 630b) 및 전원 공급부(620)를 모두 내장하는 일체형 즉 콤팩트한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 하우징(601)은 살균장치(600) 내부에서 발생된 열을 외부로 방출시키기에 효과적인 재질 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(601)의 재질은 Al, Cu 및 이들의 합금 중 어느 하나의 재질로 이루어 질 수 있다. 따라서, 하우징(601)의 외기와의 열전달 효율이 향상되어, 방열 특성이 개선될 수 있다.
또는, 하우징(601)은 특유한 외부 표면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(601)은 예를 들어 코러게이션(corrugation) 또는 메쉬(mesh) 또는 불특정 요철 무늬 형상으로 돌출 형성되는 외부 표면 형상을 가질 수 있다. 따라서, 하우징(601)의 외기와의 열전달 효율이 더욱 향상되어 방열 특성이 개선될 수 있다.
한편, 이러한 하우징(601)의 양단에는 부착판(650)이 더 배치될 수 있다. 부착판(650)은 도시된 바와 같이 하우징(601)을 전체 설비 장치에 구속시켜 고정하는데 사용되는 브라켓 기능의 부재를 의미한다. 이러한 부착판(650)은 하우징(601)의 양단에서 일측 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 일측 방향은 심자외선이 방출되고 난반사가 일어나는 하우징(601)의 내측 방향일 수 있다.
따라서, 하우징(601)으로부터 양단 상에 구비된 부착판(650)은 전체 설비 장치와의 고정 영역을 제공하여, 하우징(601)이 보다 효과적으로 고정 설치될 수 있도록 한다.
부착판(650)은 나사 체결 수단, 리벳 체결 수단, 접착 수단 및 탈착 수단 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있으며, 이들 다양한 결합 수단의 방식은 당업자의 수준에서 자명하므로, 여기서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 발광 모듈부(610)는 전술한 하우징(601)의 일면 상에 실장 되는 형태로 배치된다. 발광 모듈부(510)는 공기 중의 미생물을 살균 처리하도록 심자외선을 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 발광 모듈부(610)는 기판(612)과, 기판(612)에 탑재된 다수의 발광 소자 패키지(200)를 포함하며, 상술한 바와 같이 광추출 구조가 규칙적인 패턴을 이루고, 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
기판(612)은 하우징(601)의 내면을 따라 단일 열로 배치되어 있으며, 회로 패턴(미도시)을 포함하는 PCB일 수 있다. 다만, 기판(612)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성(flexible) PCB 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
다음으로, 난반사 반사부재(630a, 630b)는 전술한 발광 모듈부(510)에서 방출된 심자외선을 강제로 난반사시키도록 형성되는 반사판 형태의 부재를 의미한다. 이러한 난반사 반사부재(630a, 630b)의 전면 형상 및 배치 형상은 다양한 형상을 가질 수 있다. 난반사 반사부재(630a, 630b)의 면상 구조(예: 곡률반경 등)를 조금씩 변경하여 설계함에 따라, 난반사된 심자외선이 중첩되게 조사되어 조사 강도가 강해지거나, 또는 조사 영역되는 영역의 폭이 확장될 수 있다.
전원 공급부(620)는 전원을 도입 받아 전술된 발광 모듈부(610)에서 필요한 가용전력을 공급하는 역할을 한다. 이러한 전원 공급부(620)는 전술한 하우징(601) 내에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원 공급부(620)는 난반사 반사부재(630a, 630b)와 발광 모듈부(610) 사이의 이격 공간의 내벽 쪽에 배치될 수 있다. 외부 전원을 전원 공급부(620) 측으로 도입시키기 위해 상호 간을 전기적으로 연결하는 전원 연결부(640)가 더 배치될 수 있다.
전원 연결부(640)의 형태는 면상일 수 있으나, 외부의 전원 케이블(미도시)이 전기적으로 접속될 수 있는 소켓 또는 케이블 슬롯의 형태를 가질 수 있다. 그리고 전원 케이블은 플렉시블한 연장 구조를 가져, 외부 전원과의 연결이 용이한 형태로 이루어질 수 있다.
도 10은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하여, 상술한 바와 같이 내부에 배치된 발광소자는 광추출 구조는 규칙적인 패턴을 이루고, 습식 식각을 통하여 형성되는 요철은 발광 구조물 표면의 거칠기로 발광 구조물의 내부 전반사를 제어하여 광추출 효율을 개선시킬 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 발광소자 110: 기판
20a, 20b, 120: 발광 구조물
22a, 22b, 122: 제1 도전형 반도체층
24a, 24b, 124: 활성층
26a, 26b, 126: 제2 도전형 반도체층
150: 오믹층 160: 반사층
170: 접합층 180: 도전성 지지기판
190: 패시베이션층 200: 광추출 구조
250: 요철 300: 마스크
400: 발광소자 패키지 500: 영상표시장치
600: 살균 장치

Claims (11)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층;
    상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 상의 광추출 구조를 포함하고,
    상기 광추출 구조는 복수 개의 광추출 유닛을 포함하고, 상기 복수 개의 광추출 유닛은 내부에 보이드(void)가 형성된 실린더 형상이고,
    상기 각각의 광추출 유닛은 상부 표면에 요철이 형성되고,
    상기 각각의 광추출 유닛의 보이드에서, 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 요철이 형성되고,
    상기 각각의 광추출 유닛의 사이에서, 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 요철이 형성되고,
    상기 실린더는 규칙적으로 배열되고, 상기 실린더는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 수직한 방향으로 배치되고,
    상기 광추출 유닛의 상부 표면과 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 형성된 요철은 요부와 철부가 불규칙하게 배치된 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 광추출 유닛의 높이는 1.5 마이크로 미터 내지 2.5 마이크로 미터이고, 상기 보이드의 직경은 0.5 마이크로 미터 내지 5 마이크로 미터이고, 상기 각각의 광추출 유닛은 서로 0.5 마이크로 미터 내지 3 마이크로 미터 이격되고, 상기 각각의 광추출 유닛의 실린더는 0.5 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터의 두께를 가지는 발광소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 실린더는 상부가 개방된 발광소자.
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