KR20120077600A - 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광다이오드는 도전성 기판 상에 형성된 p형 전극, 상기 p형 전극 상에 형성된 p형 질화물 반도체층, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하여 구성되고, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에 요철부가 형성되어 있고, 상기 n형 전극은 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 철부 상에 형성되어 있고, 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 요부에는 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형광체의 도포 면적 및 형광변환효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.

Description

발광다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 형광체 도포 면적을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
백색광원 질화갈륨계 발광다이오드는 에너지 변환 효율이 높고, 수명이 길며, 빛의 지향성이 높고, 저전압 구동이 가능하며, 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고, 충격 및 진동에 강하기 때문에 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능해 향후 5년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 같은 기존의 광원을 대체할 고체 조명(solid-state lighting) 광원으로 기대되고 있다. 질화갈륨계 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다. 이러럼 고출력의 빛을 발하기 위해서 발광다이오드의 구조를 바꾸는 연구가 진행되고 있다. 현재 백색광원으로 널리 이용되고 있는 수평구조의 질화물갈륨계 발광다이오드는 상대적으로 제조단가가 작고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력의 광원으로 쓰이기에는 부적절하다는 원천적 결함이 있다. 이러한 수평구조 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드 적용이 용이한 소자가 수직구조 발광다이오드이다. 이러한 수직구조 발광다이오드는 기존의 수평구조 소자와 비교하여 여러 가지 장점을 가지고 있다. 수직구조 발광다이오드에서는 전류 확산 저항이 작아 매우 균일한 전류 확산을 얻을 수 있어 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 또는 반도체 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 보다 긴 소자 수명과 월등히 향상된 고출력 작동이 가능하다. 이러한 수직구조 발광다이오드에서는 최대 인가전류가 수평구조 발광다이오드에 비해 3-4 이상 증가되므로 조명용 백색광원으로 널리 이용될 것이 확실시 되어, 현재 일본의 Nichia chemical사, 미국의 Philips Lumileds사, 독일의 Osram사와 같은 국외 발광다이오드 선두 기업들과 서울반도체, 삼성전기, LG 이노텍과 같은 국내 기업들이 질화물갈륨계 수직 발광다이오드의 상용화 및 성능향상을 위해 활발한 연구 개발을 진행하고 있고, Osram과 같은 일부 기업에서는 이미 관련 제품을 판매하고 있는 실정이다.
이러한 발광다이오드의 구조를 바꾸는 연구뿐만 아니라 백색광원 발광다이오드를 위해 형광효율을 증가시키기 위한 연구도 진행되고 있다. 발광다이오드를 백색광원으로 사용하기 위해서는 칩 제작 단계 이후 패키지 단계에서 형광체 도포를 거치게 된다. 이때 형광체는 칩에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발산하게 되는데 이때 형광체의 광변환효율이 백색광원을 만드는데 있어 매우 중요하다. 고효율의 백색광원을 만들기 위해서는 칩의 광변환효율과 함께 형광체의 광변환효율이 동시에 향상되어야 한다. 하지만 형광체는 칩의 외부에 도포됨에 따라 형광체 도포 면적이 작고, 빛이 발생하는 MQW과는 상당히 거리를 가지게 되어 형광체 변환효율이 낮은 단점을 가지고 있다. 이러한 이유로 형광체 도포 면적을 넓히면서 빛의 발생하는 MQW과 형광체를 가까운 자리에 배치하기 위한 발광다이오드 구조에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나 뚜렷한 연구 성과가 없는 실정이다.
본 발명은 형광체의 도포 면적 및 형광변환효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드는 도전성 기판 상에 형성된 p형 전극, 상기 p형 전극 상에 형성된 p형 질화물 반도체층, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하여 구성되고, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에 요철부가 형성되어 있고, 상기 n형 전극은 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 철부 상에 형성되어 있고, 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 요부에는 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성된 투명전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 투명전극은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 투명전극의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 요부와 상기 형광체 사이에 형성된 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 보호막은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 요철부의 요부는 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 p형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고, 상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드는 입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판, 상기 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역 및 상기 제1 영역과 단차를 가지며 외부로 노출되어 있는 제2 영역으로 이루어진 n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성된 n형 전극 및 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극을 포함하고, 요철부가 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있고, 상기 요철부의 요부에는 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p형 전극 사이에 형성된 투명전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 투명전극은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 투명전극의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 요철부의 요부와 상기 형광체 사이에 형성된 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 보호막은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드에 있어서, 상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고, 상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드 제조방법은 도전성 기판 상에 p형 전극, p형 질화물 반도체층, 활성층, n형 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에 요철부를 형성하는 제2 단계, 상기 요철부의 요부에 형광체를 채우는 제3 단계, 상기 n형 질화물 반도체층의 철부와 상기 형광체 상에 투명전극을 형성하는 제4 단계 및 상기 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 제5 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 요철부의 요부는 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 p형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고, 상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드 제조방법은 입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계, 상기 p형 질화물 반도체층, 상기 발광층 및 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 노출시키는 제2 단계, 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 요철부를 형성하는 제3 단계, 상기 요철부의 요부에 형광체를 채우는 제4 단계, 상기 p형 질화물 반도체층의 철부와 상기 형광체 상에 투명전극을 형성하는 제5 단계 및 상기 투명전극상에 p형 전극을 형성하고 상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역 상에 n형 전극을 형성하는 제6 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 발광다이오드 제조방법에 있어서, 상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고, 상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형광체의 도포 면적 및 형광변환효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명 기술은 대면적 공정이 가능한 포토 리소그래피 및 나노 임프린트 방법을 이용하여 패턴을 형성 후 건식 에칭을 이용하여 제작한 필라형 또는 홀형태의 발광다이오드에 형광체를 삽입하여 만드는 소자 기술로서 발광다이오드의 제조 공정에 즉시 적용 가능하다. 일반적인 발광다이오드는 칩 형성 후, 칩의 주변에 형광체를 도포하여 형광체 도포 면적이 좁고 빛이 생성하는 MQW과 멀리 떨어져 있는 이유로 낮은 형광효율을 가지고 있는 반면, 본 발명에서 사용되는 소자구조에서는 형광체의 도포 면적을 증가시킬 뿐 아니라 빛이 생성하는 MQW과 가까운 위치에 형광체를 삽입함으로 형광변환효율을 획기적으로 증가시켜, 백색광원 질화갈륨계 발광다이오드를 이용한 고체 조명 시대의 도래를 보다 앞당길 수 있는 에너지 절약 친환경 기술이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드를 나타낸 도면이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 15 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드를 나타낸 도면이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드는 도전성 기판(100), p형 전극(110), p형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), n형 질화물 반도체층(140), 보호막(150), 형광체(160), 투명전극(170) 및 n형 전극(180)을 포함하여 구성된다.
도전성 기판(100) 상에는 p형 전극(110)이 형성되어 있다. 이 p형 전극(110)도 도전성을 띠며 후술하는 활성층(130)으로부터 발산되는 광을 반사하는 반사막의 기능도 수행한다.
p형 질화물 반도체층(120)은 p형 전극(110) 상에 형성되어 있다. 이 p형 질화물 반도체층(120)은 p형으로 도핑된 GaN일 수 있다.
활성층(130) 즉, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well, MQW)층은 p형 질화물 반도체층(120)과 n형 질화물 반도체층(140) 사이에 형성되어 있으며, p형 전극(110)과 후술하는 n형 전극(180)을 통해 인가되는 전위차에 따른 전자와 정공의 결합에 의해 생성된 엑시톤(exciton)이 바닥상태로 천이하는 과정에서 광을 방출하는 기능을 수행한다.
n형 질화물 반도체층(140)은 활성층(130) 상에 형성되어 있으며, n형으로 도핑된 GaN일 수 있다.
이 n형 질화물 반도체층(140)의 일부 영역에는 요철부가 형성되어 있다. 이 요철부는 함몰되어 있는 영역인 요부와 돌출되어 있는 영역인 철부로 구성된다.
하나의 예로, 요철부의 요부는 n형 질화물 반도체층(140)을 거의 관통할 정도 즉, 활성층(130)의 바로 위 부분까지 형성될 수 있다.
다른 예로, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 요철부의 요부는 n형 질화물 반도체층(141)과 활성층(131)을 관통하여 p형 질화물 반도체층(121)의 일부 영역에까지 형성될 수 있다. 즉, 요부는 p형 전극(110)의 바로 위 부분까지 형성될 수 있다.
형광체(160)는 이러한 n형 질화물 반도체층(140)에 형성되어 있는 요철부의 요부에 채워져 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 요철부를 형성하고, 이 요철부의 요부 내에 형광체(160)를 채움으로써, 형광체 도포 면적을 크게 증가시킬 수 있다.
한편, 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상일 수 있다.
또한 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 요철부의 요부는 n형 질화물 반도체층(141)과 활성층(131)을 관통하여 p형 질화물 반도체층(121)의 일부 영역에까지 형성되는 경우, 활성층(131)에 인접하는 요부 영역(A)에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워지는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 형광체의 형광변환효율이 획기적으로 증가하는 효과가 있다.
투명전극(170)은 n형 질화물 반도체층(140)과 n형 전극(180) 사이에 형성되어 있다. 예를 들어, 이 투명전극(170)은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이외에도 광투과성과 전기전도성이 우수한 물질이라면 투명전극(170)의 재료로 채택될 수 있다.
투명전극(170)의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것이 바람직하다. 투명전극(170)의 두께가 10nm 미만이면 전류를 흐르게 하는 전극으로서의 기능을 제대로 수행하지 못하며, 투명전극(170)의 두께가 300nm를 초과하면 광 투과성이 저하된다.
n형 전극(180)은 n형 질화물 반도체층(140)에 형성되어 있으며, 예를 들어 광 투과성을 높이기 위해 요철부의 철부 상에 형성될 수 있다.
한편 본 발명의 제1 실시 예는 보호막(150)을 더 포함할 수 있으며, 보호막(150)은 n형 질화물 반도체층(140)에 형성되어 있는 요철부의 요부와 형광체(160) 사이에 형성되어 있으며, n형 질화물 반도체층(140)을 보호하는 기능을 수행한다.
이러한 보호막(150)은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드는 기판(200), n형 질화물 반도체층(210), 활성층(220), p형 질화물 반도체층(230), 투명전극(260), n형 전극(280) 및 p형 전극(270)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(200)에는 후술하는 활성층(220)으로부터 입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있다. 예를 들어, 이 기판(200)은 사파이어(Al2O3)로 이루어질 수 있다.
n형 질화물 반도체층(210)은 기판(200) 상에 형성되어 있으며 제1 영역 및 제2 영역으로 이루어진다.
제1 영역은 후술하는 활성층(220)이 형성되는 영역이다. 제2 영역은 제1 영역과 단차를 가지며 외부로 노출되어 있는 영역이다.
활성층(220)은 n형 질화물 반도체층(210)의 제1 영역 상에 형성되어 있다.
p형 질화물 반도체층(230)은 활성층(220) 상에 형성되어 있다.
투명전극(260)은 p형 질화물 반도체층(230)과 후술하는 p형 전극(270) 사이에 형성되어 있다. 예를 들어, 이 투명전극(260)은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이외에도 광투과성과 전기전도성이 우수한 물질이라면 투명전극(260)의 재료로 채택될 수 있다.
투명전극(260)의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것이 바람직하다. 투명전극(260)의 두께가 10nm 미만이면 전류를 흐르게 하는 전극으로서의 기능을 제대로 수행하지 못하며, 투명전극(260)의 두께가 300nm를 초과하면 광 투과성이 저하된다.
n형 전극(280)은 n형 질화물 반도체층(210)의 제2 영역 상에 형성되어 있고, p형 전극(270)은 투명전극(260)을 개재하여 p형 질화물 반도체층(230) 상에 형성되어 있다.
본 발명의 제2 실시 예의 특징부인 요철부는 p형 질화물 반도체층(230)과 활성층(220)을 관통하여 n형 질화물 반도체층(210)의 일부 영역에까지 형성되어 있으며, 이 요철부의 요부에는 형광체(250)가 채워져 있다.
예를 들어, 도 5에 나타난 바와 같이 요철부의 요부에 채워진 형광체(251)는 2종 이상일 수 있으며, 활성층(220)에 인접하는 요부 영역(B)에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워지는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 형광체의 형광변환효율이 획기적으로 증가하는 효과가 있다.
한편 본 발명의 제2 실시 예는 보호막(240)을 더 포함할 수 있으며, 보호막(240)은 n형 질화물 반도체층(210)에 형성되어 있는 요철부의 요부와 형광체(250) 사이에 형성되어 있으며, n형 질화물 반도체층(210)을 보호하는 기능을 수행한다.
이러한 보호막(240)은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
도 6 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법은 도전성 기판(100) 상에 p형 전극(110), p형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), n형 질화물 반도체층(140)을 형성하는 제1 단계, n형 질화물 반도체층(140)의 일부 영역에 요철부를 형성하는 제2 단계, 요철부의 요부에 형광체(160)를 채우는 제3 단계, n형 질화물 반도체층(140)의 철부와 형광체(160) 상에 투명전극(170)을 형성하는 제4 단계 및 n형 질화물 반도체층(140) 상에 n형 전극(180)을 형성하는 제5 단계를 포함하여 구성된다.
먼저 도 6을 참조하면, 제1 단계에서는, 도전성 기판(100) 상에 p형 전극(110), p형 질화물 반도체층(120), 활성층(130), n형 질화물 반도체층(140)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 7과 도 8을 참조하면, 제2 단계에서는, n형 질화물 반도체층(140)에 건식 에칭 보호막(M)을 형성한 후, 이 건식 에칭 보호막(M)을 마스크로 이용하여 n형 질화물 반도체층(140)의 일부 영역에 요철부를 형성하는 과정이 수행된다. 이 요철부는 함몰된 영역인 요부와 돌출된 영역인 철부로 이루어진다.
예를 들어, 요철부의 요부는 n형 질화물 반도체층(140)을 거의 관통할 정도 즉, 활성층(130)의 바로 위 부분까지 형성될 수 있다.
다음으로 도 9와 도 10을 참조하면, 제3 단계에서는, 요철부의 요부에 형광체(160)를 채우는 과정이 수행된다.
먼저 n형 질화물 반도체층(140)을 보호하기 위한 보호막(150)을 요철부의 요부 상에 형성한 이후, 형광체(160)를 채운다. 보호막(150)은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
도 11을 참조하면, n형 질화물 반도체층(140) 상에 바로 n형 전극(180)을 형성할 수도 있으나, 도 12에 도시된 바와 같이, 투명전극(170)을 먼저 형성하는 것이 바람직하다.
즉 도 12를 참조하면, 제4 단계에서는, n형 질화물 반도체층(140)의 철부와 형광체 상에 투명전극(170)을 형성하는 과정이 수행된다.
예를 들어, 이 투명전극(170)은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이외에도 광투과성과 전기전도성이 우수한 물질이라면 투명전극(170)의 재료로 채택될 수 있다.
투명전극(170)의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것이 바람직하다. 투명전극(170)의 두께가 10nm 미만이면 전류를 흐르게 하는 전극으로서의 기능을 제대로 수행하지 못하며, 투명전극(170)의 두께가 300nm를 초과하면 광 투과성이 저하된다.
다음으로 도 13을 참조하면, 제5 단계에서는, n형 전극(180)을 투명전극(170)을 개재하여 n형 질화물 반도체층(140) 상에 형성하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 이 n형 전극(180)은 광 투과성을 높이기 위해 요철부의 철부 상에 형성될 수 있다.
한편 도 13과 도 14에 도시된 바와 같이, 요철부의 요부는 n형 질화물 반도체층(141)과 활성층(131)을 관통하여 p형 질화물 반도체층(121)의 일부 영역에까지 형성될 수 있다. 즉, 요부는 p형 전극(110)의 바로 위 부분까지 형성될 수 있다.
형광체(160)는 이러한 n형 질화물 반도체층(140)에 형성되어 있는 요철부의 요부에 채워져 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 요철부를 형성하고, 이 요철부의 요부 내에 형광체(160)를 채움으로써, 형광체 도포 면적을 크게 증가시킬 수 있다.
한편, 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상일 수 있다.
또한 도13과 도 14에 도시된 바와 같이, 요철부의 요부가 n형 질화물 반도체층(141)과 활성층(131)을 관통하여 p형 질화물 반도체층(121)의 일부 영역에까지 형성되는 경우, 활성층(131)에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워지는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 형광체의 형광변환효율이 획기적으로 증가하는 효과가 있다.
도 15 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 15 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 제조방법은 입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판(200) 상에 n형 질화물 반도체층(210), 발광층 및 p형 질화물 반도체층(230)을 형성하는 제1 단계, p형 질화물 반도체층(230), 발광층 및 n형 질화물 반도체층(210)의 일부를 메사 식각하여 n형 질화물 반도체층(210)의 일부를 노출시키는 제2 단계, p형 질화물 반도체층(230)과 활성층(220)을 관통하여 n형 질화물 반도체층(210)의 일부 영역에까지 요철부를 형성하는 제3 단계, 요철부의 요부에 형광체를 채우는 제4 단계, p형 질화물 반도체층(230)의 철부와 형광체 상에 투명전극(260)을 형성하는 제5 단계 및 투명전극(260) 상에 p형 전극(270)을 형성하고 n형 질화물 반도체층(210)의 노출 영역 상에 n형 전극(280)을 형성하는 제6 단계를 포함하여 구성된다.
먼저 도 15를 참조하면, 제1 단계에서는, 입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판(200) 상에 n형 질화물 반도체층(210), 발광층 및 p형 질화물 반도체층(230)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 16을 참조하면, 제2 단계에서는, p형 질화물 반도체층(230), 활성층(220) 및 n형 질화물 반도체층(210)의 일부를 메사 식각하여 n형 질화물 반도체층(210)의 일부를 외부로 노출시키는 과정이 수행된다.
다음으로 도 17을 참조하면, 제3 단계에서는, p형 질화물 반도체층(230)과 활성층(220)을 관통하여 n형 질화물 반도체층(210)의 일부 영역에까지 요철부를 형성하는 과정이 수행된다. 이 요철부는 요부와 철부로 이루어진다. 요부는 함몰된 영역이고, 철부는 돌출된 영역이다. 요철부의 요부는 p형 전극(270)의 바로 위 부분까지 형성될 수 있다.
다음으로 도 18을 참조하면, 제4 단계에서는, 요철부의 요부에 보호막을 형성한 후, 형광체를 채우는 과정이 수행된다.
형광체는 요철부의 요부에 채워져 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 요철부를 형성하고, 이 요철부의 요부 내에 형광체를 채움으로써, 형광체 도포 면적을 크게 증가시킬 수 있다.
한편, 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상일 수 있으며, 요철부의 요부가 n형 질화물 반도체층(210)과 활성층(220)을 관통하여 p형 질화물 반도체층(230)의 일부 영역에까지 형성되는 경우, 활성층(220)에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워지는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 형광체의 형광변환효율이 획기적으로 증가하는 효과가 있다.
다음으로 도 19를 참조하면, 제5 단계에서는, p형 질화물 반도체층(230)의 철부와 형광체 상에 투명전극(260)을 형성하는 과정이 수행된다.
다음으로 도 20을 참조하면, 제6 단계에서는, 투명전극(260)상에 p형 전극(270)을 형성하고 n형 질화물 반도체층(210)의 노출 영역 상에 n형 전극(280)을 형성하는 과정이 수행된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 형광체의 도포 면적 및 형광변환효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 발광다이오드 및 그 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명 기술은 대면적 공정이 가능한 포토 리소그래피 및 나노 임프린트 방법을 이용하여 패턴을 형성 후 건식 에칭을 이용하여 제작한 필라형 또는 홀형태의 발광다이오드에 형광체를 삽입하여 만드는 소자 기술로서 발광다이오드의 제조 공정에 즉시 적용 가능하다. 일반적인 발광다이오드는 칩 형성 후, 칩의 주변에 형광체를 도포하여 형광체 도포 면적이 좁고 빛이 생성하는 MQW과 멀리 떨어져 있는 이유로 낮은 형광효율을 가지고 있는 반면, 본 발명에서 사용되는 소자구조에서는 형광체의 도포 면적을 증가시킬 뿐 아니라 빛이 생성하는 MQW과 가까운 위치에 형광체를 삽입함으로 형광변환효율을 획기적으로 증가시켜, 백색광원 질화갈륨계 발광다이오드를 이용한 고체 조명 시대의 도래를 보다 앞당길 수 있는 에너지 절약 친환경 기술이다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100: 도전성 기판
110, 270: p형 전극
120, 121, 230: p형 질화물 반도체층
130, 131, 220: 활성층
140, 141, 210: n형 질화물 반도체층
150, 151, 240: 보호막
160, 161, 162, 250: 형광체
170, 260: 투명전극
180, 280: n형 전극
200: 기판
M: 건식 에칭 보호막

Claims (20)

  1. 발광다이오드에 있어서,
    도전성 기판 상에 형성된 p형 전극;
    상기 p형 전극 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 및
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하고,
    상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에 요철부가 형성되어 있고,
    상기 n형 전극은 상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 철부 상에 형성되어 있고,
    상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 요부에는 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층과 상기 n형 전극 사이에 형성된 투명전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 투명전극은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 투명전극의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층에 형성되어 있는 요철부의 요부와 상기 형광체 사이에 형성된 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 보호막은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부는 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 p형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고,
    상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드.
  9. 발광다이오드에 있어서,
    입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역 및 상기 제1 영역과 단차를 가지며 외부로 노출되어 있는 제2 영역으로 이루어진 n형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;
    상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성된 n형 전극; 및
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극을 포함하고,
    요철부가 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있고,
    상기 요철부의 요부에는 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층과 상기 p형 전극 사이에 형성된 투명전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 투명전극은 ITOX, ZnOX, CaOX, WOX, TiOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 투명전극의 두께는 10nm 이상 300nm 이하인 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부와 상기 형광체 사이에 형성된 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 보호막은 SiOX, SiNX, MgOX, AlOX, GaOX로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고,
    상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광 다이오드.
  16. 발광다이오드 제조방법에 있어서,
    도전성 기판 상에 p형 전극, p형 질화물 반도체층, 활성층, n형 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계;
    상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에 요철부를 형성하는 제2 단계;
    상기 요철부의 요부에 형광체를 채우는 제3 단계;
    상기 n형 질화물 반도체층의 철부와 상기 형광체 상에 투명전극을 형성하는 제4 단계; 및
    상기 n형 질화물 반도체층 상에 n형 전극을 형성하는 제5 단계를 포함하는, 발광다이오드 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부는 상기 n형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 p형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 제조방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고,
    상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 제조방법.
  19. 발광다이오드 제조방법에 있어서,
    입사되는 광을 산란시켜 반사시키기 위한 패턴이 형성되어 있는 기판 상에 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 형성하는 제1 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층, 상기 발광층 및 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 노출시키는 제2 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 상기 n형 질화물 반도체층의 일부 영역에까지 요철부를 형성하는 제3 단계;
    상기 요철부의 요부에 형광체를 채우는 제4 단계;
    상기 p형 질화물 반도체층의 철부와 상기 형광체 상에 투명전극을 형성하는 제5 단계; 및
    상기 투명전극상에 p형 전극을 형성하고 상기 n형 질화물 반도체층의 노출 영역 상에 n형 전극을 형성하는 제6 단계를 포함하는, 발광다이오드 제조방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 요철부의 요부에 채워진 형광체는 2종 이상이고,
    상기 활성층에 인접하는 요부 영역에는 열에너지를 가시광선으로 변환하는 프렛(Fret) 형광체가 채워진 것을 특징으로 하는, 발광다이오드 제조방법.
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