KR20120055391A - 나노로드 발광소자 - Google Patents
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Abstract
발광 소자가 개시된다. 개시된 발광 소자는 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층; 상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 전자차단층; 상기 전자차단층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함한다.
Description
본 개시는 나노로드 발광소자에 대한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device; LED)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 PN접합을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근, 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물을 이용하여 구현된 청색 LED 및 자외선 LED가 등장하였고, 또한 청색 또는 자외선 LED와 형광물질을 이용하여 백색광 또는 다른 단색광을 만들 수 있게 됨으로써 발광소자의 응용범위가 넓어지고 있다.
발광소자의 기본 동작 원리는, 활성층에 주입된 전자와 정공들이 결합하여 빛을 방출하는 것이다. 그런데, 질화물계 화합물 반도체 결정 내에는 일반적으로 결정결함이 다수 존재하고 있어, 이 결정결함을 통해 전자와 정공이 결합하는 경우, 빛에너지가 아닌 열에너지로 방출하게 된다. 이러한 비발광 재결합을 감소시키는 것이 반도체 발광소자의 발광효율 향상을 위해 중요하다.
비발광 재결합의 원인이 되는 결정 결함은 성장 기판과 화합물 반도체 사이의 격자 상수 부정합이나 열팽창 계수의 차이 등에 의해 발생한다. 이러한 단점을 개선하기 위하여, 나노로드의 형태를 가지는 나노 스케일의 발광 구조를 형성하는 기술이 연구되고 있다. 이와 같은 구조는 1차원적 성장의 경우 박막 형태의 경우보다 기판과의 격자상수 불일치나 열팽창 계수의 차이에 의한 영향을 덜 받기 때문에 이종의 기판 위에서도 쉽게 대면적 성장이 가능한 것으로 알려져 있다.
최근, 코어/셀 (Core/Shell) 형태의 나노로드 구조가 제안되고 있다. 이러한구조의 장점으로는, 첫째 결정결함을 최소화한다는 것이다. 일반적인 평면박막구조 발광소자는 크게 2가지 종류의 결정결함을 가지고 있다. 하나는 InGaN으로 구성되는 양자우물층과 GaN으로 구성되는 양자장벽층 사이의 격자 부정합에 기인하여 형성되는 부정합 전위로, 이 경우 전위는 성장면내에 평행하게 존재하게 된다. 다른 하나는 사파이어와 질화갈륨의 계면에서 형성되어 발광소자 구조가 성장 동안 성장방향으로 길어지면서 발광층까지 도달하게 되는 관통 전위이다. 나노로드 구조에서는 GaN층이 수평방향으로의 변형 또한 가능하기에 일반적인 평면박막 발광소자에 비해 격자부정합 전위 형성을 줄일 수 있다. 또한 기판상에서 차지하는 면적이 적으므로, 관통전위의 일부만이 활성층으로 전파되고, 전위가 형성되어도, 가까운 표면으로 이동, 소멸될 가능성이 크다. 둘째, 활성층이 껍질(Shell) 층의 형태로 코어(Core) 표면을 따라 형성되어 발광표면적이 증가하게 되고 실질적인 전류밀도가 감소하여 광효율이 향상된다.
본 개시는 전자-정공의 결합율을 높여 발광효율을 높일 수 있는 나노로드 발광소자의 구조를 제시하고자 한다.
일 유형에 따르는 발광 소자는 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층; 상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 전자차단층; 상기 전자차단층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함한다.
상기 전자차단층은 단일층으로 된 p-AlxGa1 - xN(0≤x≤1)층으로 구성될 수 있으며, 또는, 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차적으로 Al 함량이 줄어드는 형태의 p-AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 물질로 이루어진 복수층으로 구성될 수 있다. 되는 발광소자.
상기 전자차단층은 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차 배치된 p-GaN층, p-AlxGa1 - xN층(0≤x≤1), InxGa1 - xN층(0≤x≤1), GaN층으로 구성될 수 있으며, 또는, 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차 배치된 p-AlxGa1-xN층(0≤x≤1), p-GaN층, InxGa1 - xN층(0≤x≤1), GaN층으로 구성될수 있다.
상기 마스크층은 SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반도체 나노코어의 수평 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 형상이 될 수 있다.
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며, 상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련될 수 있다.
상기 투명전극층과 상기 마스크층 사이에 절연층이 더 구비될 수 있다.
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고, 상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면 일영역에 마련될 수 있으며, 이 경우, 상기 제1반도체층의 하부에는 반사금속층이 마련될 수 있다.
상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련될 수 있고, 이 경우, 상기 제1전극은 반사금속 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지며, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고, 상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지며, 상기 제1반도체층의 하면에 마련될 수 있다.
상술한 발광 소자는 활성층과 제2반도체층 사이에 최소 개수의 층 구조로 전자차단층을 채용하여, 비교적 간소한 구성으로 전자, 정공의 재결합효율을 높이고, 광효율을 높이고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 2는 도 1의 발광 나노로드에 채용된 전자차단층의 상세한 구성을 보인다.
도 3은 도 1의 발광 나노로드를 가로지르는 방향으로 에너지 밴드갭 구조를 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100, 200, 300... 발광소자 110...기판
120...제1반도체층 130...마스크층
140...발광 나노로드 141...반도체 나노코어
143...활성층 145...전자차단층
147...제2반도체층 160...투명전극층
170, 174...제2전극 180, 182, 184...제1전극
190...반사전극층
도 2는 도 1의 발광 나노로드에 채용된 전자차단층의 상세한 구성을 보인다.
도 3은 도 1의 발광 나노로드를 가로지르는 방향으로 에너지 밴드갭 구조를 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100, 200, 300... 발광소자 110...기판
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170, 174...제2전극 180, 182, 184...제1전극
190...반사전극층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자(100)의 개략적인 구성을 보이며, 도 2는 도 1의 발광 나노로드(140)에 채용된 전자차단층(145)의 상세한 구성을 보이며, 도 2는 도 1의 발광 나노로드(140)를 가로지르는 방향으로 에너지 밴드갭 구조를 보인다.
도면들을 참조하면, 발광 소자(100)는 발광 나노로드(140)를 포함하며, 발광 나노로드(140)는 제1반도체층(120)으로부터 성장된 것으로 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어(141)와 반도체 나노코어(141)의 표면을 둘러싸는 활성층(143), 활성층(143)의 표면을 둘러싸는 전자차단층(145), 전자차단층(145)의 표면을 둘러싸며, 제2형으로 도핑된 제2반도체층(147)을 포함한다.
보다 구체적인 구성을 전체적으로 살펴보면 다음과 같다.
기판(110)은 반도체 단결정 성장을 위한 성장 기판으로서, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 사파이어(Sapphire) 기판 등이 사용될 수 있고, 이 외에도, 기판(110) 상에 형성될 제1반도체층(120)의 성장에 적합한 물질, 예를 들어, ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다.
기판(110) 상에 다수의 관통홀을 구비하는 마스크층(130)이 마련된다. 마스크층(130)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등으로 이루어질 수 있다. 마스크층(130)은 이러한 절연물질로 된 막을 제1반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
기판(110)과 마스크층(130) 사이에는 제1형으로 도핑된 제1반도체층(120)이 더 형성될 수 있다. 제1반도체층(120)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다. 제1반도체층(120)은 혼성 기상 결정 성장(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD)등의 방법으로 형성될 수 있다.
기판(110)과 제1반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제1반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다. 제1반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.
반도체 나노코어(141)는 제1반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어지며, 예를 들어, n-AlxGayInzN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있다. 반도체 나노코어(142)는 마크크층(130)에 형성된 관통홀을 통해 제1반도체층(120)으로부터 수직 성장된 형태를 가지며, 관통홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다.
도면에서, 반도체 나노코어(141)의 폭은 관통홀의 폭과 동일하게 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이고, 통상, 관통홀의 폭보다 다소 넓게 형성된다. 또한, 반도체 나노코어(141)의 상단 형상이 평탄하게 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 성장 공정에 따라, 위쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 뿔 형상이나 뿔대 형상을 가질 수 있다.
활성층(143)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일양자우물 (single quantum well) 또는 다중양자우물(multi quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 형태로 쌍을 이루어 양자우물구조를 형성할 수 있으며, InGaN층에서의 In 몰분율에 따라 밴드갭 에너지가 제어되어 발광파장대역이 조절될 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다.
전자차단층(electron blocking layer)(145)은 활성층(146)의 표면을 덮는 형태로 마련된다. 전자차단층(145)은 발광 소자(100)의 내부 양자효율을 높이기 위해 마련되는 것이다. 전자차단층(145)은 n형인 제1반도체층(120)으로부터 유입된 전자가 p형인 제2반도체층(147)으로 이동하는 것을 차단하기 위한 것이다. 활성층(143)에서의 전자, 정공 결합에 이용되지 않고 제2반도체층(147)으로 이동되는 전자가 많아지면 내부 양자 효율이 저하되고 발광 효율이 낮아진다. 실시예에서는 활성층(143)에서의 전자 정공 재결합율을 높이기 위해 전자차단층(145)을 채용하고 있다.
전자차단층(145)은 p-AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 단일층으로 구성되거나, Al의 함량을 바꾸어 복수층, 대략 4층 이하로 구성될 수 있다. 전자차단층(145)은 제2반도체층(147)에서 활성층(143) 방향의 순서로 Al 함량이 점차 줄어드는 형태로, p-AlxGa1-xN(0≤x≤1) 물질로 된 복수층으로 이루어질 수 있다. 또는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2반도체층(147)에서 활성층(143) 방향의 순서로, p-GaN층, p-AlxGa1-xN(0≤x≤1)층, InxGa1 - xN(0≤x≤1)층, GaN층으로 구성될 수 있다. 또는, p-AlxGa1-xN(0≤x≤1)층, p-GaN층, InxGa1 - xN(0≤x≤1)층, GaN층의 순서로 구성될 수도 있다. 전자차단층(145)의 도핑 농도는 제2반도체층(147)의 도핑 농도와 같거나, 이보다 작을 수 있다.
도 3의 에너지 밴드를 참조하면, 전자차단층(145)에 의해 활성층(143) 쪽의 영역에 양자 가둠(quantum confinement) 효과가 크게 나타남을 볼 수 있다. 코어-셀 형의 발광구조에서, 활성층(143)의 표면에 형성되는 상술한 구조의 전자차단층(145)도 셀 형태로 형성되기 때문에, 에너지 밴드갭 변화에 의해 전자-정공이 활성층 쪽으로 일차원 전자개스층을 형성함으로써 전자, 정공의 농도가 높아지고 결합 효율도 상승하게 된다. 즉, 상술한 구조를 한 쌍으로 해서, 통상 8쌍 정도의 복수 쌍이 구비되어야 하는 일반적인 박막 구조에 비해, 단일 조성의 단일층 또는 4층 이하의 층으로 구성된 한 쌍의 구조로도 충분한 양자 가둠 효과를 얻을 수 있다.
제2반도체층(147)은 전자차단층(146)의 표면을 덮는 형태로 마련된다. 제2반도체층(148)은 p-AlxGayInzN(x+y+z=1) (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
제1전극(180) 및 제2전극(170)은 각각 제1반도체층(120) 및 제2반도체층(146)과 전기적으로 연결되어, 활성층(143)에 전자, 정공 주입을 위한 전압이 인가되도록 마련된다. 제1전극(180)은 제1반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2전극(170)은, 다수의 발광 나노로드(140)를 덮는 형태로 마련된 투명전극층(160) 상에 마련될 수 있다. 투명전극층(160)은 발광 나노로드(140)에 전류를 공급하는 경로가 되고, 또한, 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 투과시킬 수 있도록 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide;TCO)로 형성될 수 있다. 예를 들어 ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성될 수 있다.
마스크층(130)과 투명전극층(160) 사이에는 도시되지는 않았으나, 절연층이 더 마련될 수 있으며, 삽입되는 절연층의 두께는 효율적인 전류 경로를 위해 적절히 정해질 수 있다.
기판(110)의 하면에는 반사전극층(190)이 더 마련될 수 있다. 반사전극층(190)은 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 위쪽으로 반사시키기 위한 것이다. 발광 나노로드(140)의 활성층(143)에서 생성되는 광은 자발 방출(spontaneous emission)이기 때문에 특별한 방향성이 없어서 모든 방향을 향하는데, 이 중, 아래쪽을 향하는 광을 위쪽으로 반사시켜 발광 방향을 앞쪽(front)으로 형성하기 위한 것이다. 반사전극층(190)은 반사성이 좋은 반사 금속, 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 제1전극(182)의 위치에서 도 1의 발광 소자(100)와 차이가 있다. 반도체 성장기판으로 사용된 기판(도 1의 110)을 떼어내고, 제1반도체층(120)의 하면에 제1전극(182)을 형성하고 있다. 기판(도 1의 110)이 전도성이 있는 기판인 경우, 기판(도 1의 110)을 떼어내지 않고, 기판의 하면에 제1전극(182)을 형성하는 것도 가능하다. 제1전극(182)은 또한, 발광 나노로드(140)에서 생성되어 하부를 향한 광을 다시 전면으로 반사시킬 수 있도록 반사금속 물질로 형성될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 발광 방향이 배면이 되도록 구성한 점에서 도 1의 발광 소자(100), 도 4의 발광 소자(200)와 차이가 있다. 제2전극(174)은 반사금속 물질로 형성되어 발광 나노로드(140)의 표면을 둘러싸는 형태로 마련된다. 제1전극(184)은 투명전극 물질로 이루어지고, 제1반도체층(120)의 하면에 마련된다. 이에 따라, 발광 나노로드(140)에서 생성된 광은 발광 나노로드(140)의 표면에 접한 반사금속 물질에 의해 반사되고 모두 배면쪽을 향하게 된다.
이상, 활성층(143)과 제2반도체층(147) 사이에 최소 층 구조의 전자차단층(145)이 구비된 발광 나노로드(140)를 이용한 다양한 구조의 발광소자를 설명하였다. 설명에서의 구체적인 사항은 모두 예시적인 것이며, 예를 들어, 전극 구조나, 발광 나노로드의 상단부의 구체적인 형상등은 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제1형은 n형, 제2형은 p형을 예시하여 설명하였으나 이는 서로 바뀔 수 있다.
이러한 본원 발명인 발광소자 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (15)
- 관통홀을 구비하는 마스크층;
상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어;
상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층;
상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 전자차단층;
상기 전자차단층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층;
상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자차단층은 4층 이하의 복수층으로 구성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자차단층은 단일층으로 된 p-AlxGa1 - xN(0≤x≤1)층으로 구성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자차단층은 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차적으로 Al 함량이 줄어드는 형태의 p-AlxGa1 - xN(0≤x≤1) 물질로 이루어진 복수층으로 구성되는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자차단층은 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차 배치된 p-GaN층, p-AlxGa1 - xN층(0≤x≤1), InxGa1 - xN층(0≤x≤1), GaN층으로 구성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자차단층은 상기 제2반도체층에서 상기 활성층 방향으로 순차 배치된 p-AlxGa1 - xN층(0≤x≤1), p-GaN층, InxGa1 - xN층(0≤x≤1), GaN층으로 구성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 마스크층은 SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 나노코어의 수평 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며,
상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제9항에 있어서,
상기 투명전극층과 상기 마스크층 사이에 절연층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제9항에 있어서,
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고,
상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면 일영역에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제11항에 있어서,
상기 제1반도체층의 하부에는 반사금속층이 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제13항에 있어서,
상기 제1전극은 반사금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지며, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고,
상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지며, 상기 마스크층의 하면에 마련되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9608163B2 (en) | 2013-01-29 | 2017-03-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nano-structure semiconductor light emitting device |
| US9842966B2 (en) | 2013-01-29 | 2017-12-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nano-structured semiconductor light-emitting element |
| US9099573B2 (en) | 2013-10-31 | 2015-08-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nano-structure semiconductor light emitting device |
| US9257605B2 (en) | 2013-10-31 | 2016-02-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nano-structure semiconductor light emitting device |
| US9312439B2 (en) | 2014-01-09 | 2016-04-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
| US9941443B2 (en) | 2014-01-09 | 2018-04-10 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
| KR20150097322A (ko) * | 2014-02-18 | 2015-08-26 | 삼성전자주식회사 | 나노구조 반도체 발광소자 |
| US9269865B2 (en) | 2014-02-18 | 2016-02-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nanostructure semiconductor light emitting device |
| US9123871B1 (en) | 2014-02-21 | 2015-09-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of manufacturing light emitting diode package |
| KR20160022463A (ko) * | 2014-08-19 | 2016-03-02 | 삼성전자주식회사 | 반도체 발광소자 |
| KR20160027352A (ko) * | 2014-08-28 | 2016-03-10 | 삼성전자주식회사 | 나노구조 반도체 발광소자 |
| KR20160029982A (ko) * | 2014-09-05 | 2016-03-16 | 삼성전자주식회사 | 나노구조 반도체 발광소자 |
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