KR102187499B1 - 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템 - Google Patents

발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예의 발광소자는 요철 구조를 갖는 기판; 상기 기판의 요철 구조상의 적어도 일부 영역에 배치되고, 상기 요철 구조에 따른 형상을 갖는 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템{LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING SYSTEM HAVING THE SAME}
실시예는 발광소자에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 광 흡수율이 감소되어 광 추출효율을 향상시킬 수 있는 기판을 포함하는 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드로서, 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 생성될 수 있고 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 밴드갭 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 발광소자는 기판 상에 질화물 계의 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층되어 형성된다.
그리고, 상기 기판으로 사파이어 또는 실리콘 등이 사용될 수 있다.
그런데, 특히 실리콘 기판의 경우, 광 흡수율이 높기 때문에 기판을 향해 방출되는 광을 흡수하여 광 추출 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 실리콘 또는 사파이어 기판 상에 반도체층 성장시 기판과 발광구조물 재료의 격자 상수 차이 및 열팽창 계수 차이로 인하여 전위(Dislocation) 및 크랙(Crack)이 발생되어 발광 효율이 낮아지고 발광소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
실시예는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판 상에 요철 구조를 형성하고 반사층을 배치하여 기판의 광 흡수율을 줄임으로써, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
실시예의 발광소자는 요철 구조를 갖는 기판; 상기 기판의 요철 구조상의 적어도 일부 영역에 배치되고, 상기 요철 구조에 따른 형상을 갖는 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예의 발광소자는 상면을 갖는 돌기들을 포함하는 요철 구조를 갖는 기판; 상기 돌기들의 상면에 배치된 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층; 을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 포함할 수 있다.
실시예는 기판의 광 흡수율을 감소시켜 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 기판과 반도체층 사이에서 발생하는 크랙 및 전위를 제거하여 신뢰성을 향상시키고, 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 돌기의 단면도이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 발광소자 제조공정을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 6은 제 2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 7은 제 2 실시예에 따른 기판의 평면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도이고, 도 9는 다른 실시예에 따른 기판의 평면도이다.
도 10은 제 2 실시예의 발광소자 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 등방성 화학 식각이 가해진 기판 표면의 촬영 이미지이다.
도 12는 이방성 화학 식각이 가해진 기판 표면의 촬영 이미지이다.
도 13은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 14는 실시예에 따른 발광소자가 구비된 조명 시스템의 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판(110), 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
( 실시예 )
도 1은 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 적어도 일부 표면에 요철 구조를 갖는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 배치된 반사층(120)과, 상기 반사층(120) 상에 배치된 버퍼층(130)과, 상기 버퍼층(130) 상에 배치된 반도체층(140)을 포함할 수 있고, 상기 반도체층(140)은 제 1 도전형 반도체층(141)과, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 활성층(143)과, 상기 활성층(143) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(145)을 포함할 수 있다.
실시예에서 발광소자(100)는 기판(110)이 제거되지 않은 구조이므로, 수평형 발광소자로 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
실시에에서 상기 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
최근에는 값이 싸고 직경이 넓어 발광소자의 대량 생산이 가능한 실리콘 기판이 질화물 반도체의 기판(110)으로 주로 이용되고 있는 추세이다.
그런데, 상기 실리콘 기판의 경우, 방출되는 광을 흡수하는 정도가 커서, 광 추출 효율이 낮은 문제점이 있다.
또한, 실리콘 기판(110)은 질화물 반도체층(140)과 격자상수와 열팽창 계수차이가 커서 반도체층(140)에 크랙 및 전위가 과다하게 발생되는 문제점이 있다.
실시예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기판(110) 상에 요철 구조를 형성하고, 상기 요철 구조 상에 반사층(120)이 증착된 발광소자(100)를 제안하고자 한다.
좀더 상세히 도 1을 보면, 상기 기판(110)의 상면의 적어도 일부 영역에 복수의 돌기(200)들로 이루어진 요철 구조를 형성할 수 있다. 좀더 상세히, 상기 요철 구조는 수개에서 수백개의 돌기들로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이때, 상기 돌기(200)는 피라미드 형상, 사각 뿔, 오각 뿔, 원추형 또는 도립 원추형(inverted corn) 이나, 이러한 형상들의 조합을 가질 수 있다.
이러한 돌기(200)의 형상은 요철 구조 형성을 위한 식각 방법에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)에 마스크를 배치한 후 식각을 진행하여 돌기(200)의 형상을 제어할 수 있고, 식각액의 종류, 조성비 등을 변경하여 돌기(200)의 형상을 제어할 수 있다.
도 1의 요철 구조는 실리콘 기판(110)을 이방성 식각액을 사용함으로써, 피라미드 형상이나 사각 뿔 형상 등 각진 형상으로 식각된 돌기(200)들을 나타낸다.
상기 이방성 식각액으로는 염기성 화학용액인 KOH, NaOH 또는 TMAH 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
실시예에서는 기판(110) 상에 요철 구조의 형상을 달리한다.
도 2의 실시예에서 요철 구조는 등방성 식각액을 사용함으로써, 둥글게 움푹 파인 리세스(recess)를 형성할 수 있고, 이에 따라서 원추형의 돌기(210)들이 형성될 수 있다.
이때, 상기 등방성 식각액으로는 산성 화학용액인 HCl 또는 HF 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 돌기의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 기판(110)의 광 흡수율을 낮추기 위한 점과, 돌기(200) 형성을 위한 식각 공정의 편의를 위하여, 상기 돌기(200)는 활성층과 기판과의 거리가 고려하여 일정한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 돌기(200)의 높이(h)는 1~2um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 1.3um로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 돌기(200)의 밑변 길이(w)는 2~2.5um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 2.2um로 형성될 수 있다.
그리고, 돌기(200)와 돌기(200) 사이(l)는 0.5um 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 0.3um로 형성될 수 있다.
식각액의 종류, 조성비, 농도 및 식각 공정의 소요 시간을 제어하여, 돌기(200)를 상기 스펙 내로 형성할 수 있으며, 위 스펙을 갖는 돌기(200)들로 형성된 요철 구조에서 광 흡수율을 최소로 할 수 있다.
한편, 상기 기판(110)의 요철 구조 위에 적어도 일부 영역에는 반사층(120)이 배치된다. 상기 반사층(120)은 상기 기판(110)을 향해 방출되는 빛을 반사하여 기판(110)의 광 흡수율을 감소시키는 역할을 할 수 있다.
상기 반사층(120)은 요철 구조 상에 증착되어 배치될 수 있으며, 이러한 경우, 상기 반사층(120)은 상기 기판(110)의 요철 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사층(120)은 TiSiO2, ZnO, MgF TiSiO2, ZnO 또는 MgF 중 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이러한 상기 반사층(120)은 기판(110) 상의 요철 구조의 전면에 형성될 수 있다.
그런데, 상기 반사층(120)이 기판(110) 상면을 덮을 경우, 이후 반도체층(140) 성장시 기판(110)이 시드(seed) 역할을 할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
상기 기판(110) 상에 반사층(120)이 배치되어 기판(110)의 노출 영역에 감소되면, 기판(110)의 광 흡수율이 줄어드나 반도체층(140)의 성장은 어려울 수 있다.
원활한 반도체층(140) 성장을 위하여, 제 1 실시예의 반사층(120) 상에는 시드층(300)이 더 배치될 수 있다.
상기 시드층(300)은 반사층(120) 상에 증착 방법으로 배치될 수 있으며, 이후 반도체층(140) 성장에 필요한 시드 역할을 한다.
예를 들어, 상기 반사층(120)은 드라이 플레이팅(Physical Vapor Deposition) 공정으로 형성될 수 있다.
상기 드라이 플레디팅 공정은 저온 공정으로 메탈, 유리 등의 종류에 구애 받지 않고 반사층(120)을 증착시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 시드층(300)은 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 또는 AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 이러한 시드층(300)은 기판(110)과 반도체층(140)의 격자 부정합, 열팽창 계수를 완화시킬 수 있다.
그리고, 상기 시드층(300)은 반도체층(140) 성장을 위한 종자(seed) 역할을 할 수 있으므로, 이후 시드층(300) 상에는 반도체층(140)이 성장할 수 있다.
상기 시드층(300) 상에는 바로 반도체층(140)을 배치할 수 있으나, 버퍼층(130)을 먼저 성장시킬 수도 있다.
또한, 상기 시드층(300) 상에 바로 반도체층(140) 또는 버퍼층(130)을 배치할 수 있으나, 먼저, 일정 패턴을 갖는 마스크(310)를 형성한 후 반도체층(140) 또는 버퍼층(130)을 성장시킬 수 있다.
상기 시드층(300) 상에 일정 패턴을 갖는 마스크(310)를 형성하는 경우, 시드층(300) 상에 형성되는 반도체층(140) 또는 버퍼층(130)은 측방 과성장 방법(Epitaxial Lateral Overgrowth;ELOG)으로 형성될 수 있다.
상기 마스크(310)로는 SiN 또는 SiO2등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
측방 과성장으로 형성되는 반도체층(140)은 시드층(300)과의 격자 상수차이로 인하여 발생된 전위가 제거될 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 시드층(300) 상에 배치되는 버퍼층(130)은 발광구조물의 재료와 기판(110)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층(130)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 이때, 상기 버퍼층(130)은 화합물 반도체의 화학 조성비를 달리할 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(130)은 언도프트 질화갈륨층과 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)/GaN 초격자층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(130)인 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)/GaN 초격자층은 발광구조물의 재료와 기판(110)의 격자 부정합에 따른 전위(dislocations)를 더욱 효과적으로 차단시켜줄 수 있다.
상기 버퍼층(130)을 상면이 평평하게 형성된 후 상기 버퍼층(130) 상에 제 1 도전형 반도체층(141)을 배치될 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제 1 도전형 반도체층(141)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제 1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제 1 도전형 반도체층(141)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.
그리고, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에는 활성층(143)이 배치될 수 있다.
상기 활성층(143)은 제 1 도전형 반도체층(141)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제 2 도전형 반도체층(145)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(143)(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(143)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(143)은 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.
상기 활성층(143)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(143) 상에는 제 2 도전형 반도체층(145)이 배치될 수 있다.
상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 2 도전형 반도체층(145)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제 2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 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.
실시예에서 상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 n형 반도체층, 상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제 2 도전형 반도체층(145) 위에는 상기 제 2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층 (미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 발광소자 제조공정을 순서대로 나타낸 도면이다.
이하에서는 제 1 실시예의 발광소자 제조공정을 실시예의 특징을 중심으로 설명한다.
먼저, 기판(110)이 준비된다. 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
이후, 상기 기판(110) 상에 요철 구조 형성을 위하여, 식각 공정을 진행한다. 도 5에는 염기성 용액이 포함된 혼합 약액을 사용하여, 상기 기판(110) 상면에 각진 돌기(200)들을 포함하는 요철 구조가 형성될 수 있다.
이때, 상기 돌기(200)의 높이(h)는 1~2um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 1.3um로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 돌기(200)의 밑변 길이(w)는 2~2.5um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 2.2um로 형성될 수 있다. 그리고, 돌기(200)와 돌기(200) 사이(l)는 0.5um 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 약 0.3um로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 기판(110)의 요철 구조 상에는 반사층(120)이 증착된다. 상기 반사층(120)은 박막 증착(Sputtering) 방식으로 형성될 수 있다.
이때, 실시예에서 상기 반사층(120)은 상기 요철 구조 상면의 거의 전부를 덮도록 증착될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이후, 상기 반사층(120) 상에는 반도체층(140) 성장에 종자가 되는 시드층(300)을 형성할 수 있다.
상기 시드층(300)은 반사층(120) 상에 박막 증착 방법으로 형성될 수 있으며, 이후 반도체층(140) 성장에 필요한 종자 역할을 한다.
상기 시드층(300)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 시드층(300)을 종자로 버퍼층(130)을 성장시킬 수 있다. 이때, 상기 버퍼층(130)은 마스크(310)의 패턴 사이에 노출된 시드층(300)으로부터 측방 과성장시킬 수 있다.
상기 버퍼층(130)이 성장함에 따라 머지(merge)되고 평평한 상면을 갖게 되면, 이후 상기 버퍼층(130) 상에는 반도체층(140)을 성장시킬 수 있다.
마지막으로, 투명 전극층(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전극 패드(미도시)를 형성함으로써, 실시예의 발광소자(100)를 제조할 수 있다.
도 6은 제 2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다. 도 7은 제 2 실시예에 따른 기판(110)의 평면도이다.
제 2 실시예는 제 1 실시예와 기판(110)과 반사층(121)의 구조를 달리한 것으로, 다른 구성은 제 1 실시예에 그대로 적용될 수 있으며, 중복되는 구성에 대해서는 도면부호를 동일하게 기재한다.
이하에서는 전술한 내용과 중복되는 설명에 대해서는 기재를 생략하며, 제 1 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
실시예의 발광소자(100)는 적어도 일부 영역에 요철 구조를 갖는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 배치된 반사층(121)과, 상기 반사층(121) 상에 배치된 버퍼층(130)과, 상기 버퍼층(130) 상에 배치된 반도체층(140) 을 포함할 수 있고, 상기 반도체층(140)은 제 1 도전형 반도체층(141), 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 활성층(143), 상기 활성층(143) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(145)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
그리고, 상기 기판(110)의 상면의 적어도 일부 영역에 복수의 돌기(220)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 돌기(220)는 피라미드 형상, 사각 뿔, 오각 뿔, 원추형 또는 도립 원추형(inverted corn) 등이나, 이러한 형상들의 조합을 가질 수 있다.
이러한 돌기(220)의 형상은 요철 구조 형성을 위한 식각 방법에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)에 마스크를 배치한 후 식각을 진행하여 돌기(220)의 형상을 결정할 수 있고, 식각액의 종류 또는 조성비 등을 제어하여 돌기(220)의 형상을 결정할 수도 있다.
실시예에서는 상기 기판(110) 상에 일정 패턴의 마스크층을 형성한 후 마스크층이 형성되지 않은 영역(225)을 식각하여, 마스크층이 형성된 영역에 평평한 상면을 갖는 돌기(220)를 형성할 수 있다.
즉, 상기 기판(110)에서 마스크층이 형성되지 않은 영역(225)을 식각하여 마스크층이 형성된 영역을 돌출시킴으로써, 평평한 상면을 갖는 돌기(220)들을 형성할 수 있다.
이때, 마스크층의 패턴은 스트라이프, 격자형 또는 메쉬 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 6과 7을 보면, 실시예의 상기 기판(110) 상에 격자 패턴의 마스크층을 배치한 후 이방성 식각하여, 각지며 상면이 평평한 돌기(220)들을 형성할 수 있다.
이방성 식각액으로는 염기성 화학용액인 KOH, NaOH 또는 TMAH 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
그리고, 상기 돌기(220)의 평평한 상면에는 반사층(121)이 배치될 수 있다.
상기 반사층(121)은 TiSiO2, ZnO, MgF TiSiO2, ZnO 또는 MgF 등 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 기판(110)에서 식각된 영역에는 상기 반사층(121)이 형성되지 않음으로, 이 부분으로부터 버퍼층(130)을 성장시킬 수 있다.
즉, 상기 버퍼층(130)은 반사층(121)이 형성되지 않은 영(225)역으로부터 측방 과성장될 수 있다.
그리고, 상기 버퍼층(130) 상에는 반도체층(140)이 배치될 수 있다.
마지막으로, 발광소자(100)의 일면에는 투명 전극층(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전극 패드(미도시)가 배치될 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다. 도 9는 다른 실시예에 따른 기판(110)의 평면도이다.
실시예에서는 기판(110) 상에 요철 구조의 형상만을 달리하므로, 전술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 8과 9를 보면, 상기 기판(110) 상에 메쉬 패턴(mesh pattern)의 마스크층을 배치하고, 노출된 기판(110)을 등방성 식각하여 복수의 리세스(230)를 형성할 수 있다.
즉, 상기 기판(110)의 요철 구조는 메쉬 패턴을 갖는 리세스(230)들로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 등방성 식각액으로는 산성 화학용액인 HCl 또는 HF 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이후, 상기 마스크층은 제거되고, 상기 마스크층 패턴에는 다시 반사층(121)이 형성된다.
즉, 상기 기판(110)에서 리세스(230)를 제외한 평평한 영역에 반사층(121)이 형성된다.
상기 반사층(121)은 TiSiO2, ZnO, MgF TiSiO2, ZnO 또는 MgF 등을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)에서 식각된 영역에는 상기 반사층(121)이 형성되지 않음으로, 이를 종자로 버퍼층(130)을 성장시킬 수 있다.
즉, 상기 버퍼층(130)은 반사층(121)이 형성되지 않은 기판(110)의 영역으로부터 측방 과성장시킬 수 있다.
그리고, 상기 버퍼층(130) 상에는 반도체층(140)이 배치될 수 있다.
마지막으로, 발광소자(100)의 일면에는 투명 전극층(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전극 패드(미도시)가 배치될 수 있다.
도 10은 제 2 실시예의 발광소자 제조방법을 나타내는 도면이다.
이하에서는 제 2 실시예의 발광소자(100) 제조공정을 실시예의 특징을 중심으로 설명한다.
먼저, 상기 기판(110)이 준비된다. 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
이후, 상기 기판(110)에 격자 패턴의 마스크층(250)을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 마스크층(250)으로부터 노출된 기판(110) 영역에 식각 공정을 진행한다.
이때, 상기 이방성 식각을 진행하여, 상기 기판(110) 상에 일정 패턴의 리세스(230)를 형성할 수 있다.
그 다음, 상기 마스크층(250)이 제거될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 마스크층(250)이 제거된 후 상기 마스크층(250)이 형성되었던 기판(110)의 평평한 영역에는 반사층(121)을 배치할 수 있다.
그리고, 상기 기판(110)에서 리세스(230) 영역은 노출되어 있으므로, 노출된 기판(110) 영역으로부터 버퍼층(130)을 측방 과성장할 수 있다.
상기 버퍼층(130)이 성장함에 따라 머지(merge)되고 평평한 상면을 갖은 후에, 상기 버퍼층(130) 상에는 반도체층(140)을 성장시킬 수 있다.
이후, 투명 전극층(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전극 패드(미도시)를 형성함으로써, 실시예의 발광소자(100)를 제조할 수 있다.
도 11은 등방성 화학 식각이 가해진 기판(110) 표면의 촬영 이미지이고, 도 12는 이방성 화학 식각이 가해진 기판(110) 표면의 촬영 이미지이다.
도 11을 보면, 등방성 화학 식각에 경우 식각 공정의 조건들을 제어하여 요철구조를 다양한 형상으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이때, 식각 공정의 조건으로는 혼합 용액의 조성비, 농도 및 공정 시간 등이 해당될 수 있다.
따라서, 활성층(143)과 기판(110)의 거리 차 등을 고려하여 기판(110)의 광 수율을 최저로 하는 최적의 요철 구조를 구현할 수 있다.
도 12을 보면, 이방성 식각에 경우 식각 공정의 조건들을 제어하여 돌기들의 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 활성층(143)과 기판(110)의 거리 차 등을 고려하여 기판(110)의 광흡수율을 최저로 하는 최적의 요철 구조를 구현할 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 발광 소자 패키지(500)는 패키지 몸체부(505)와, 상기 패키지 몸체부(505) 상에 배치된 제3 전극층(513) 및 제4 전극층(514)과, 상기 패키지 몸체부(505) 상에 배치되어 상기 제3 전극층(513) 및 제4 전극층(514)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(530)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(505)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주상에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(513) 및 제4 전극층(514)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(513) 및 제4 전극층(514)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(505) 상에 배치되거나 상기 제3 전극층(513) 또는 제4 전극층(514) 상에 배치될 수 있다.
상기 발광소자(100)는 도 13에 도시된 수평형 발광소자일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제3 전극층(513) 및/또는 제4 전극층(514)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(513) 및 제4 전극층(514)과 각각 와이어를 통해 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(530)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(530)에는 형광체(532)가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 발광소자가 구비된 조명 시스템의 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 조명 장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시예에 따른 발광소자(100) 또는 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 커버(2100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(2100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
상기 커버(2100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(2100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(2100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
상기 커버(2100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(2100)는 외부에서 상기 광원 모듈(2200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(2100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 상기 방열체(2400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열은 상기 방열체(2400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다.
상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 상에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다. 상기 가이드홈(2310)은 상기 광원부(2210)의 기판(110) 및 커넥터(2250)와 대응된다.
상기 부재(2300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 부재(2300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(2300)는 상기 커버(2100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(2200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(2100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 부재(2300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)의 연결 플레이트(2230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(2400)와 상기 연결 플레이트(2230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(2300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(2230)와 상기 방열체(2400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(2400)는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(2600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)를 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다. 상기 가이드 돌출부(2510)는 상기 전원 제공부(2600)의 돌출부(2610)가 관통하는 홀을 갖는다.
상기 전원 제공부(2600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(2200)로 제공한다. 상기 전원 제공부(2600)는 상기 내부 케이스(2700)의 수납홈(2719)에 수납되고, 상기 홀더(2500)에 의해 상기 내부 케이스(2700)의 내부에 밀폐된다.
상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(2630)는 상기 베이스(2650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(2630)는 상기 홀더(2500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(2650)의 일 면 상에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(2200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(2200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(2670)는 상기 베이스(2650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(2670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(2800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
100: 발광소자
110: 기판
120: 반사층
130: 버퍼층
140: 반도체층
200: 돌기
300: 시드층
500: 발광소자 패키지

Claims (15)

  1. 요철 구조를 갖는 기판;
    상기 기판의 상기 요철 구조의 전면을 덮도록 배치되고, 상기 요철 구조에 따른 형상을 갖는 반사층;
    상기 반사층 위에 배치되며, 상기 반사층의 요철 구조에 대응되는 형상을 갖는 시드층;
    상기 시드층 상에 규칙 또는 불규칙한 패턴을 갖는 마스크층;
    상기 시드층 및 상기 마스크층 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층;
    상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층; 을 포함하는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판인 발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 요철 구조는 등방성 식각 공정으로 식각되어 형성된 리세스들로 이루어진 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 요철 구조는 이방성 식각 공정으로 식각되어 형성된 각진 돌기들로 이루어진 발광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 돌기의 높이는 1~2um 내로 형성되고, 밑변 길이는 2~2.5um 내로 형성되며, 상기 돌기들 사이의 최단 거리는 0.5um 이하인 발광소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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