KR20120099173A - 발광소자 및 발광소자 제조방법 - Google Patents

발광소자 및 발광소자 제조방법 Download PDF

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KR20120099173A
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Abstract

실시예에 따른 발광소자는, 지지 기판과, 지지 기판상에 형성되며 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 활성층을 포함하는 발광 구조물, 및 발광 구조물의 측면에 형성되는 광 추출 구조를 포함한다.

Description

발광소자 및 발광소자 제조방법{Light emitting device and Manufacturing method for light emitting device}
실시예는 발광소자 및 발광소자 제조방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
이와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등에 요구되는 휘도가 높이지는 바, LED의 발광휘도를 증가시키는 것이 중요하다.
실시예는 내부 양자효율 및 결정결함이 개선되고 광 추출효율이 향상된 발광소자를 제공하는 데 있다.
실시예에 따른 발광소자는, 지지 기판, 지지 기판상에 형성되며 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층, 및 활성층을 포함한 발광 구조물, 및 발광 구조물의 측면에 형성된 광 추출 구조를 포함한다.
실시예에 따른 발광소자는 발광소자의 발광 구조물이 비극성 또는 반극성 성장면을 갖도록 형성됨으로써, 발광소자의 내부 양자효율 및 결정결함이 개선될 수 있다.
또한, 발광소자의 측면의 적어도 일 영역에 광 추출 구조가 형성됨으로써, 발광소자의 광추출 효율이 개선될 수 있다.
또한, 발광 구조물의 성장면이 비극성 또는 반극성 결정면이므로 C-면{0001}의 Ga-face 또는 N-face가 발광 구조물의 측면에 형성되어 습식 식각 공정을 통해서 발광소자의 측면에 광 추출 구조를 용이하게 형성할 수 있어서 발광소자 및 발광소자 제조 공정의 경제성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 기판, 및 질화물 반도체층의 결정 구조를 설명하기 위한 참조도면으로서 육방결정구조의 각 면을 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b 는 제2 성장면을 갖는 성장 기판 상에 제1 성장면을 갖는 질화물 반도체층을 성장할 때 성장 형태를 나타낸 도면,
도 3a 는 실시예에 따른 수직형 발광소자를 나타낸 단면도,
도 3b 는 실시예에 따른 수평형 발광소자를 나타낸 단면도,
도 4는 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도,
도 5는 성장 기판상에 질화물 반도체층이 성장되어 발광 구조물이 형성된 것을 나타낸 도면,
도 6은 발광 구조물 상에 지지 기판이 형성된 것을 나타낸 도면,
도 7은 성장 기판을 제거하는 단계를 나타낸 도면,
도 8은 상기 결과물을 식각액에 담가서 습식 식각 공정을 수행하는 단계를 나타낸 도면,
도 9a 및 도 9b 는 상기 식각 공정에 따라서 식각이 수행된 발광소자를 나타낸 도면,
도 10a는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 사시도,
도 10b는 도 10a에 나타난 발광소자 패키지의 단면도,
도 11a는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도,
도 11b는 도 11a의 조명 시스템의 D - D' 단면을 도시한 단면도,
도 12는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도, 그리고
도 13은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
실시예에 대한 설명에서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴이나 타 구조물의 "위(on)"에, "아래(under)"에, 상측(upper)에, 또는 하측(lower)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)", "아래(under)", 상측(upper), 및 하측(lower)은 "직접(directly)" 또는 "다른 층, 또는 구조물을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 층, 또는 구조물들간의 위치관계에 대한 설명은 본 명세서, 또는 본 명세서에 첨부되는 도면을 참조하도록 한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광소자에 대해 설명하도록 한다.
도 1a 내지 1d 는 성장 기판, 및 질화물 반도체층의 결정 구조를 설명하기 위한 참조도면으로서, 육방결정구조의 C-면{0001}, A-면{11-20}, R-면{1-102}, M-면{1-100}을 도시한다.
질화물 반도체층 및 그의 합금들은 육방정계 결정구조(특히, hexagonal wurzite structure)에서 가장 안정적이다. 이러한 결정구조는 도 1a 내지 도 1d에서 도시하는 바와 같이, 서로에 대하여 120도 회전 대칭을 가지고, 수직방향인 C-축[0001]에 대하여 모두 수직인 세 개의 기본 축[a1, a2, a3]들로 표시된다.
결정방향지수는 [0000], 한 결정방향지수와 등가인 결정방향지수의 Family지수는 <0000>로 표시하고, 면방향지수는 (0000), 한 면방향지수와 등가인 면방향지수의 Family지수는 {0000}로 표시한다.
따라서, 위에서 설명한 A-면{11-20}은 (11-20)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1-120), (-12-10),(1-210),(-2110),(2-1-10) 면도 A-면{11-20}에 속한다.
마찬가지로, R-면{1-102}은 (1-102)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1102), (10-12),(-1012), (01-12),(0-112) 면도 R-면{1-102} 에 속한다.
마찬가지로, M-면{1-100}은 (1-100)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1100), (10-10),(-1010), (01-10),(0-110) 면도 R-면{1-102} 에 속한다.
도 1a 내지 도 1d 를 참조하면, 성장 기판과 질화물 반도체층은 육방결정구조를 갖는다. 즉, 성장 기판은 육방결정구조를 갖는 물질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO 등의 물질로 형성될 수 있다.
도시된 결정 구조의 기판에서 질화물 반도체층을 성장할 때, 질화물 반도체층을 C-면{0001} 방향으로 성장 시 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 하지만 C-면{0001} 방향으로 성장되는 질화물 반도체층은 분극효과(polarization effect)가 발생한다. 이러한 분극효과에는 갈륨층과 질소층이 반복되게 적층되면서 결정구조내에 포함된 대칭 요소들이 C축을 따라서 생성되는 자발분극(spontaneous polarizaion)과 이종접합 구조를 형성할 때 질화물 간의 격자상수 차이 및 같은 C축 배향성을 가진다는 특성으로 인한 응력이 발생하여 생기는 압전분극(piezoelectric polariziton)이 있다. 질화물의 압전계수는 거의 모든 반도체 재료에 비하여 큰 값을 가지므로 작은 변형(strain)에도 매우 큰 분극을 초래할 수 있다. 두 개의 분극으로 유발된 정전기장(electric field)은 양자우물 구조의 에너지 밴드 구조를 변화시켜 이에 따른 전자와 정공의 분포를 왜곡시키게 된다. 이러한 효과를 양자 구속 스타크 효과(quantum confined stark effect, QCSE)라고 하는데 이는 전자와 정공의 재결합으로 빛을 방생시키는 발광소자에 있어서 낮은 내부양자효율을 유발하고 발광 스펙트럼의 적색 편이(red shift) 등 발광소자의 전기적, 광학적 특성에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한, C-면{0001}의 빠른 성장 속도는 질화물 반도체층의 결정 결함을 증가시키는 경향이 있다.
육방 결정구조에서 A-면{11-20}, R-면{1-102}, 및 M-면{1-100}은 비극성 또는 반극성의 특징을 가지는 면으로서, C-면{0001}에 비해 질화물 반도체층의 성장이 어려우나, C-면{0001}에서 발생하는 분극 효과에 의한 정전기장을 생성하지 않거나 정전기장의 생성이 감소하는 특징이 있다.
한편, 갈륨나이트라이드(GaN) 결정구조에서 비극성 면은 C-축[0001]에 평행한 M-면{1-100}과 A-면{11-20}이고, 반극성 면은 C-축[0001]과 경사를 갖는 R-면{1-102}이다.
도 2a 및 도 2b 는 제2 성장면을 갖는 성장 기판 상에 제1 성장면을 갖는 반도체층을 성장할 때 성장 형태를 나타낸 도면이다.
여기서 제2 성장면(240)은 질화물 반도체층(220)이 성장되는 성장 기판(410)의 일면을 의미하고, 제1 성장면(230)은 성장 기판(210) 상에 성장되는 질화물 반도체층(220)의 성장방향과 수직을 이루는 면을 의미한다.
실시예에서는 발광소자를 제조하기 위해 성장 기판(210)으로서 사파이어 기판을 사용하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 SiC 등의 전도성 또는 절연성 기판이 사용될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b 를 참조하면, 제1 성장면(230)은 A-면{11-20}일 수 있으며, 제2 성장면(240)은 R-면{1-120}일 수 있다. 제1 성장면(230)은 제1 결정 방향 d1 을 형성하며, 제2 성장면(240)은 제2 결정 방향 d2 를 형성할 수 있다. 제1 성장면(230)이 A-면{11-20}임에 따라서, 제1 결정 방향 d1 은 <11-20>방향일 수 있다.
질화물 반도체층(220)의 제1 성장면(230) 및 성장 기판(210)의 제2 성장면(240)이 비극성 또는 반극성 면이므로, 압전분극 효과가 억제되어 발광소자의 내부양자효율이 향상되고 결정 결함이 개선될 수 있다.
또한, 질화물 반도체층(220)의 제1 성장면(230)이 비극성 또는 반극성 결정면이므로, 반도체층(220)의 각각의 측면(226, 227)은 C-면{0001}일 수 있으며, 따라서 C-면{0001}의 Ga-face 또는 N-face가 질화물 반도체층(220)의 각각의 측면(226, 227)에 형성될 수 있다.
C-면{0001}의 Ga-face 및 N-face는 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각될 수 있으므로, 질화물 반도체층(220)의 제1 성장면(230)이 비극성 또는 반극성 결정면일 경우 질화물 반도체층(220)의 각각의 측면(226, 227)은 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각될 수 있으며, 따라서 요철 구조와 같은 광 추출 구조(미도시)가 질화물 반도체층(220)의 각각의 측면(226, 227)에 형성될 수 있다.
한편, 도 2a 에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체층(220)의 상면(222)은 제1 결정 방향 d1 으로 첨두(224)가 돌출되게 형성될 수 있고, 또는 도 2b 에 도시된 바와 같이 평탄한 형상을 갖도록 형성될 수도 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
도 3a 및 도 3b 은 실시예에 따른 수직형 발광소자 및 수평형 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(300)는 지지 기판(310)과, 지지 기판(310) 상에 형성되며 제1 도전형 반도체층(332), 활성층(334), 제2 도전형 반도체층(336)을 포함하는 발광 구조물(320), 및 발광 구조물(320)의 측면에 형성된 광 추출 구조(340)를 포함할 수 있다.
지지 기판(310)은 열전도성이 우수한 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 또한 전도성 물질로 형성할 수 있는데, 금속 물질 또는 전도성 세라믹을 이용하여 형성할 수 있다. 전도성 지지 기판(310)은 단일층으로 형성될 수 있고, 이중 구조 또는 그 이상의 다중 구조로 형성될 수 있다.
즉, 지지 기판(310)은 금속, 예를 들어 Au, Ni, W, Mo, Cu, Al, Ta, Ag, Pt, Cr중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 서로 다른 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다. 또한 지지 기판(310)은 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, GaN, Ga2O3 와 같은 캐리어 웨이퍼로 구현될 수 있다.
이와 같은 지지 기판(310)은 발광소자(300)에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광소자(300)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 지지 기판(310) 상에는 제1 전극층(320)이 형성될 수 있으며, 제1 전극층(320)은 오믹층(ohmic layer)(미도시), 반사층(reflective layer)(미도시), 본딩층(bonding layer)(미도시) 중 적어도 한 층을 포함할 수 있다. 예를 들어 제1 전극층(320)은 오믹층/반사층/본딩층의 구조이거나, 오믹층/반사층의 적층 구조이거나, 반사층(오믹 포함)/본딩층의 구조일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예컨대, 제1 전극층(320)은 절연층상에 반사층 및 오믹층이 순차로 적층된 형태일 수 있다.
발광 구조물(330)은 적어도 제1 도전형 반도체층(332), 활성층(334) 및 제2 도전형 반도체층(336)을 포함할 수 있고, 제1 도전형 반도체층(332)과 제2 도전형 반도체층(336) 사이에 활성층(334)이 개재된 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극층(320) 상에는 제1 도전형 반도체층(332)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(332)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(332) 상에는 활성층(334)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(134)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(334)이 양자우물구조로 형성된 경우 예컨데, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0 ≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 갖을 수 있다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(334)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층(미도시)은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(334)의 밴드 갭보다는 큰 밴드 갭을 가질 수 있다.
활성층(334) 상에는 제2 도전형 반도체층(336)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(336)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 예컨데, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트가 도핑된다.
한편, 제2 도전형 반도체층(336) 상에는 p-roughness(미도시) 와 같은 광 추출 구조(미도시)가 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
제2 도전형 반도체층(336)상에는 제2 도전형 반도체층(336)과 전기적으로 연결된 제2 전극층(350)이 형성될 수 있으며, 제2 전극층(350)은 적어도 하나의 패드 또는/및 소정 패턴을 갖는 전극을 포함할 수 있다. 제2 전극층(350)은 제2 도전형 반도체층(336)의 상면 중 센터 영역, 외측 영역 또는 모서리 영역에 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 제2 전극층(350)은 상기 제2 도전형 반도체층(336)의 위가 아닌 다른 영역에 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제2 전극층(350)은 전도성 물질, 예를들어 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속 또는 합금을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
한편, 발광 구조물(330)은 상기 제1 도전형 반도체층(332) 아래에 제1 도전형 반도체층(332)과 반대의 극성을 갖는 제3 도전형 반도체층(미도시)을 포함할 수 있다. 또한 제1 도전형 반도체층(332)이 n 형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층(336)이 p 형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 이에 따라 발광 구조층(330)은 N-P 접합, P-N 접합, N-P-N 접합 및 P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광 구조물(330)의 측면에는 광 추출 구조(340)가 형성될 수 있다.
광 추출 구조(340)는 발광 구조물(330)의 측면의 적어도 일 영역에 형성될 수 있으며, 수개의 영역 또는 전체 영역에 형성될 수도 있고, 이에 한정하지 아니한다. 광 추출 구조(340)는 발광 구조물(330)의 측면의 적어도 일 영역에 대해 에칭을 수행함으로써 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
한편, 상기 에칭 과정은 습식 및/또는 건식 에칭 공정을 포함할 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
바람직하게는, 상기 에칭 과정은 PEC(photo electro chemical), 또는 KOH 용액과 같은 식각액을 사용한 습식 식각 과정을 통해서 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이 발광 구조물(330)의 성장면이 비극성 또는 반극성 결정면이므로 C-면{0001}의 Ga-face 또는 N-face가 발광 구조물(330)의 측면에 형성되며, C-면{0001}의 Ga-face 및 N-face는 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각될 수 있으므로, 발광 구조물(330)의 측면이 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각되어서 광 추출 구조(340)가 발광 구조물(330)의 측면에 형성될 수 있다.
에칭 과정을 거침에 따라서, 발광 구조물(330)의 측면에는 광 추출 구조(340)가 형성되며, 그 높이는 0.1 um 내지 3 um 로 형성될 수 있다. 광 추출 구조(340)는 랜덤한 크기로 불규칙하게 형성되거나, 또는 원하는 형상 및 배열을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 아니한다. 광 추출 구조(340)는 평탄하지 않은 면으로서, 텍스쳐(texture) 패턴, 요철 패턴, 평탄하지 않는 패턴(uneven pattern) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광 추출 구조(340)의 형상은 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 다각뿔대 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 뿔 형상을 포함한다.
한편, 상기와 같은 광 추출 구조(340)는 도 3a 에 도시된 것과 같은 수직형(vertical) 발광소자 외에 도 3b에 도시된 바와 같이 수평형(lateral) 발광소자에 대해서도 적용될 수 있음은 자명하다.
발광 구조물(330)이 비극성 또는 반극성 성장면을 갖도록 형성됨으로써, 발광소자(300)의 내부 양자 효율이 향상되며 결정결함이 개선될 수 있다.
또한, 발광 구조물(330)의 측면에 광 추출 구조(340)가 형성됨에 따라서, 활성층(334)으로부터 생성된 빛이 발광 구조물(330)의 측면으로부터 전반사되어 발광 구조물(330) 내에서 재흡수되거나 산란되는 것이 방지될 수 있으므로, 발광소자(300)의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(400)는 투광성 전극층(450)을 포함할 수 있다.
투광성 전극층(450)은 제2 도전형 반도체층(426)상에 형성될 수 있다.
투광성 전극층(450)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(426)의 상부에 형성됨으로써, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
한편, 제2 전극층(460)은 투광성 전극층(450) 상에 형성되거나, 또는 투광성 전극층(450)의 일부가 개방되고 제2 전극층(460)과 제2 도전형 반도체층(426)이 접하게 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
바람직하게는, 투광성 전극층(450)은 광 추출 구조(452)를 포함할 수 있다. 광 추출 구조(452)는 도 4에 도시된 바와 같이 랜덤한 크기로 불규칙하게 형성되거나, 또는 원하는 형상 및 배열을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 아니한다. 광 추출 구조(452)는 평탄하지 않은 면으로서, 텍스쳐(texture) 패턴, 요철 패턴, 평탄하지 않는 패턴(uneven pattern) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광 추출 구조(452)의 형상은 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 다각뿔대 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 뿔 형상을 포함한다.
제2 도전형 반도체층(426) 상에 투광성 전극층(450)이 형성되며 투광성 전극층(450)의 상부에 광 추출 구조(452)가 형성됨으로써, 발광소자(400)의 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
도 5 내지 도 9 는 실시예에 따른 발광소자의 제조 공정을 설명한 도면이다.
이하에서는, 도 5 내지 도 9 를 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조 공정을 설명한다.
도 5는 성장 기판상에 질화물 반도체층이 성장되어 발광 구조물이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
성장 기판(510)상에 질화물 반도체층이 성장되어 성장 기판(510)상에 제1 도전형 반도체층(522), 활성층(524), 및 제2 도전형 반도체층(526)을 포함하는 발광 구조물(520)이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층(522) 상에 금속 또는 도전성 재질의 지지 기판(530)을 형성한다. 지지 기판(530)은 별도의 시트(sheet)로 준비되어 본딩 방식에 의해 형성되거나, 도금 방식, 증착 방식 등에 의해 형성될 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 한편, 도시하지는 아니하였으나 발광 구조물(520) 상에 지지 기판(530)을 형성하기 전에 반사층(미도시), 전극층(미도시)과 같은 층을 형성할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
이후, 도 7에 도시된 바와 같이 발광소자(500)를 180도 뒤집은 후에, 성장 기판(510)을 제거할 수 있다. 성장 기판(510)은 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 또는 에칭 중 적어도 하나의 방법에 의해 제거될 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
도 8은 상기 결과물을 식각액에 담가서 습식 식각 공정을 수행하는 것을 나타낸 도면이다.
습식 식각 공정은, 예컨대 수산화칼륨(KOH), 또는 수산화나트륨(NaOH)과 같은 식각액(540)이 담겨져 있는 용기에 상기 결과물(500)을 담금으로써 이루어질 수 있다.
도 9는 상기 식각 공정에 따라서 식각이 수행된 발광소자를 나타낸 도면이다.
제2 도전형 반도체층(526)의 상면에는 전극층(570)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 C-면{0001}의 Ga-face 또는 N-face가 발광 구조물(500)의 측면에 형성되며, C-면{0001}의 Ga-face 및 N-face는 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각될 수 있으므로, 발광 구조물(500)의 측면이 습식 식각 공정을 통해서 용이하게 식각될 수 있다.
따라서, 습식 식각 공정을 통해서 제1 도전형 반도체층(522), 활성층(524), 제2 도전형 반도체층(526)의 측면, 즉 발광 구조물(520)의 측면에 광 추출 구조(550)를 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 발광 구조물(520)의 측면에 형성된 광 추출 구조(550)가 습식 식각 공정을 통해 형성되므로, 광 추출 구조(550)의 형성이 용이하게 이루어질 수 있으며 발광소자(500) 및 발광소자 제조 공정의 경제성이 향상될 수 있다. 또한 습식 식각 공정을 통해 광 추출 구조(550)가 형성되므로, 광 추출 구조(550)의 형성 과정 중 발생할 수 있는 발광 구조물(520)에 대한 손상이 방지되어서 발광소자(500) 및 발광소자 제조 공정의 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 도 9b를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(500)는 제2 도전형 반도체층(526)상에 형성된 투광성 전극층(560)을 포함할 수 있으며, 투광성 전극층(560)은 광 추출 구조(562)를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(526)상에 투광성 전극층(560)이 형성되며 투광성 전극층(560)의 상부에 광 추출 구조(562)가 형성됨으로써, 발광소자(500)의 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
도 10a는 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 사시도이며, 도 10b는 도 10b에 나타난 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 10a 및 도 10b 를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자 패키지(1000)는 캐비티가 형성된 몸체(1010), 몸체(1010)에 실장된 제1 및 제2 전극(1040, 1050), 제1 및 제2 전극(1040, 1050) 과 전기적으로 연결되는 발광소자(1020) 및 캐비티에 형성되는 봉지재(1030)를 포함할 수 있고, 봉지재(1030)는 형광체(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(1010)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board), 세라믹 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(1010)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(1010)의 내측면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(1020)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
몸체(1010)에 형성되는 캐비티를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 특히 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
봉지재(1030)는 캐비티에 충진될 수 있으며, 형광체(미도시)를 포함할 수 있다. 봉지재(1030)는 투명한 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐비티 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
형광체(미도시)는 발광소자(1020)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광소자 패키지(1000)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
봉지재(1030)에 포함되어 있는 형광체(미도시)는 발광소자(1020)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
즉, 형광체(미도시)는 발광소자(1020)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(1020)가 청색 발광 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(1000)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
이와 유사하게, 발광소자(1020)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체(미도시)를 혼용하는 경우, 발광소자(1020)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.
이러한 형광체(미도시)는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 것일 수 있다.
한편, 몸체(1010)에는 제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)이 실장될 수 있다. 제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)은 발광소자(1020)와 전기적으로 연결되어 발광소자(1020)에 전원을 공급할 수 있다.
제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광소자(1020)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있고, 또한 발광소자(1020)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수 있다.
도 10b 에서는 발광소자(1020)가 제1 전극(1050) 상에 실장되었으나, 이에 한정되지 않으며, 발광소자(1020)와 제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)은 와이어 본딩(wire bonding) 방식, 플립 칩(flip chip) 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
이러한 제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(1040) 및 제2 전극(1050)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광소자(1020)는 제1 전극(1040) 상에 실장되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광소자(1020)는 한 개 이상 실장될 수 있다.
또한, 발광소자(1020)는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩(flip chip) 모두에 적용 가능하다.
한편, 발광소자(1020)의 측면에는 광 추출 구조(미도시)가 형성되어서 발광소자(1020)의 광 추출 효율이 개선됨으로써, 발광소자 패키지(1000)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(1000)는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광소자 패키지(1000)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
이러한 발광소자 패키지(1000), 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자(100) 또는 발광소자 패키지(1000)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 11a는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템을 도시한 사시도이며, 도 11b는 도 11a의 조명 시스템의 D -D' 단면을 도시한 단면도이다.
즉, 도 11b 는 도 11a의 조명 시스템(1100)을 길이방향(Z)과 높이방향(X)의 면으로 자르고, 수평방향(Y)으로 바라본 단면도이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 조명 시스템(1100)은 몸체(1110), 몸체(1110)와 체결되는 커버(1130) 및 몸체(1110)의 양단에 위치하는 마감캡(1150)을 포함할 수 있다.
몸체(1110)의 하부면에는 발광소자 모듈(1140)이 체결되며, 몸체(1110)는 발광소자 패키지(1144)에서 발생한 열이 몸체(1110)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
특히, 발광소자 패키지(1144)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 측면의 적어도 일 영역에 광 추출 구조(미도시)가 형성되어 발광소자의 광 추출 효율이 개선됨으로써, 발광소자 패키지(1144) 및 조명 시스템(1100)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
발광소자 패키지(1144)는 기판(1142) 상에 다색, 다열로 실장되어 모듈을 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 기판(1142)으로 MCPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 를 사용할 수 있다.
커버(1130)는 몸체(1110)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
커버(1130)는 내부의 발광소자 모듈(1140)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(1130)는 발광소자 패키지(1144)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(1130)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(1130)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.
한편, 발광소자 패키지(1144)에서 발생하는 광은 커버(1130)를 통해 외부로 방출되므로, 커버(1130)는 광투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(1144)에서 발생하는 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는 바, 커버(1130)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
마감캡(1150)은 몸체(1110)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(1150)에는 전원 핀(1152)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명 시스템(1100)은 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.
도 12는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 12는 에지-라이트 방식으로, 액정 표시 장치(1200)는 액정표시패널(1210)과 액정표시패널(1210)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(1270)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(1210)은 백라이트 유닛(1270)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(1210)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(1212) 및 박막 트랜지스터 기판(1214)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 기판(1212)은 액정표시패널(1210)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(1214)은 구동 필름(1217)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로기판(1218)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(1214)은 인쇄회로기판(1218)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로기판(1218)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(1214)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(1270)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(1220), 발광소자 모듈(1220)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(1210)로 제공하는 도광판(1230), 도광판(1230)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(1250, 1266, 1264) 및 도광판(1230)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(1230)으로 반사시키는 반사 시트(1240)로 구성된다.
발광소자 모듈(1220)은 복수의 발광소자 패키지(1224)와 복수의 발광소자 패키지(1224)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(1222)을 포함할 수 있다.
특히, 발광소자 패키지(1224)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 측면의 적어도 일 영역에 광 추출 구조(미도시)가 형성되어 발광소자(미도시)의 광 추출 효율이 개선됨으로써, 발광소자 패키지(1224) 및 액정 표시 장치(1200)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
한편, 백라이트유닛(1270)은 도광판(1230)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(1210) 방향으로 확산시키는 확산필름(1266)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(1250)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(1250)를 보호하기 위한 보호필름(1264)을 포함할 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 12에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.
도 13은 직하 방식으로, 액정 표시 장치(1300)는 액정표시패널(1310)과 액정표시패널(1310)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(1370)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(1310)은 도 12에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(1370)은 복수의 발광소자 모듈(1323), 반사시트(1324), 발광소자 모듈(1323)과 반사시트(1324)가 수납되는 하부 섀시(1330), 발광소자 모듈(1323)의 상부에 배치되는 확산판(1340) 및 다수의 광학필름(1360)을 포함할 수 있다.
발광소자 모듈(1323) 복수의 발광소자 패키지(1322)와 복수의 발광소자 패키지(1322)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(1321)을 포함할 수 있다.
특히, 발광소자 패키지(1322)는 발광소자(미도시)를 포함하며, 발광소자(미도시)는 측면의 적어도 일 영역에 광 추출 구조(미도시)가 형성되어 발광소자(미도시)의 광 추출 효율이 개선됨으로써, 발광소자 패키지(562) 및 액정 표시 장치(1300)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
반사 시트(1324)는 발광소자 패키지(1322)에서 발생한 빛을 액정표시패널(1310)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.
한편, 발광소자 모듈(1323)에서 발생한 빛은 확산판(1340)에 입사하며, 확산판(1340)의 상부에는 광학 필름(1360)이 배치된다. 광학 필름(1360)은 확산 필름(1366), 프리즘필름(1350) 및 보호필름(1364)를 포함하여 구성된다.
실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 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.
300 : 발광소자 310 : 지지 기판
320 : 제1 전극층 330 : 발광 구조물
332 : 제1 도전형 반도체층 334 : 활성층
336 : 제2 도전형 반도체층 340 : 광 추출 구조
350 : 제2 전극층

Claims (12)

  1. 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물의 측면에 형성되는 광 추출 구조를 포함하고,
    상기 광 추출 구조는 C-면{0001}에 형성되는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 C-면{0001}은 Ga-face 또는 N-face 인 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 추출 구조의 높이는 0.1 um 내지 3 um 인 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에 형성된 투광성 전극층을 더 포함하는 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투광성 전극층은 광 추출 구조를 포함하는 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물은 제1 성장면을 포함하고,
    상기 제1 성장면은
    비극성 결정면 및 반극성 결정면 중 적어도 하나인 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 성장면은 A-면{11-20}, R-면{1102}, M-면{1-100}중 어느 하나인 발광소자
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 추출 구조는 습식 식각 공정을 통해서 형성되는 발광소자.
  9. 성장 기판을 마련하는 제1 단계;
    상기 성장 기판상에 질화물 반도체층을 성장하는 제2 단계;
    상기 질화물 반도체층 상에 지지 기판을 형성하는 제3 단계;
    상기 성장 기판을 제거하는 제4 단계;
    상기 질화물 반도체층을 식각하여 광 추출 구조를 형성하는 제5 단계;를 포함하며,
    상기 질화물 반도체층은 제1 성장면을 포함하고, 상기 성장 기판은 제2 성장면을 포함하며,
    상기 제1 성장면 및 상기 제2 성장면은 비극성 결정면 및 반극성 결정면 중 어느 하나인 발광소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 성장면은 A-면{11-20}, R-면{1102}, M-면{1-100}중 어느 하나인 발광소자 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 성장면은 A-면{11-20}, R-면{1102}, M-면{1-100}중 어느 하나인 발광소자 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제5 단계는 습식 식각 공정 단계인 발광소자 제조방법.
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