KR20130023777A - 발광소자 - Google Patents

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KR20130023777A
KR20130023777A KR1020110086790A KR20110086790A KR20130023777A KR 20130023777 A KR20130023777 A KR 20130023777A KR 1020110086790 A KR1020110086790 A KR 1020110086790A KR 20110086790 A KR20110086790 A KR 20110086790A KR 20130023777 A KR20130023777 A KR 20130023777A
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light emitting
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semiconductor layer
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groove
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KR1020110086790A
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송용선
심종인
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 다수의 요철구조를 포함하면서, 상기 요철구조의 철부 사이에 홈이 형성된 기판; 상기 기판상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 홈과 상기 발광 구조물 사이에는 보이드가 형성되는 발광 소자를 제공한다.

Description

발광소자 {Light emitting diode }
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
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.
한편, 도 1은 미국공개특허공보 제2005-082546호에 개시된 발광소자를 도시한 도면으로, 기판(50)에 철부(51)를 형성하고, 3족 질화물 반도체층(52)을 성장시킨 기술을 개시하고 있다. 그런데, 철부(51)가 형성된 기판 상에 3족 질화물 반도체층(52)을 성장시킬 경우, 분극(polarization) 발생에 따른 압전계(piezo field)에 의해 발광소자의 전류 특성이 좋지 않은 문제점이 있었다.
실시예는 발광 소자의 전류 특성을 개선하여 발광효율을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 높이고자 하는 것이다.
실시예는 다수의 요철구조를 포함하면서, 상기 요철구조의 철부 사이에 홈이 형성된 기판; 상기 기판상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 홈과 상기 발광 구조물 사이에는 보이드가 형성되는 발광 소자를 제공한다.
이 때, 상기 홈의 깊이는 1~5㎛, 폭은 1~5㎛의 범위로 형성될 수 있다.
또한, 상기 보이드는 상기 홈의 상부 및 상기 철부의 측면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈 내부는 상기 버퍼층 또는 상기 발광 구조물로 충진되지 않으며, 상기 홈 상으로 상기 보이드가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형 반도체층의 표면에는 거칠기가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 오믹층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광 소자는 상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성되는 제1 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극은 상기 발광 구조물의 측면을 식각하여 노출된 상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 전류 특성을 개선시켜 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 발광 소자를 도시한 도면,
도 2는 발광 다이오드를 포함하는 발광 소자의 일실시예의 단면을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 일실시예를 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 4는 실시예의 기판을 다른 각도에서 도시한 도면,
도 5는 실시예의 기판을 도시한 사시도,
도 6은 종래 기술의 발광 소자와 일실시예의 발광 소자의 전류 특성을 비교한 도면이고,
도 7는 발광소자 패키지의 일실시예의 단면도,
도 8은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 실시 예의 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. 이하, 본 발명에 따른 실시 예의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 이하, 본 발명에 따른 실시 예의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명에 따른 실시 예가 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명에 따른 실시 예를 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어 있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시 예는 상보적인 도전형의 실시 예를 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 백라이트 유닛 및 표시 장치에 대해 설명한다.
도 2는 발광 소자의 일실시예의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이. 제1 실시예의 발광 소자는 기판(100) 에 배치되는 결합층(150), 결합층(150) 상에 배치되는 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120), 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극(200), 제2 도전형 반도체층(126) 상에 배치되는 제2 전극(110)을 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판으로 이루어질 수 있으며, 예를들어, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, 그리고 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)의 표면은 요철 구조가 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있으며, 예를들어, 상기 기판(100)은 홈(310)을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 기판(100) 상으로는 발광 구조물(120)이 형성될 수 있는데, 실시예에 따라 기판(100)과 발광 구조물(120) 사이에 버퍼층(150)이 형성될 수도 있다.
이 때, 상기 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)은 기판(100)에 형성된 특정 사이즈의 홈(310) 상으로 형성되어, 기판(100)과 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120) 사이에 보이드(voide)가 형성되게 된다. 홈(310)의 깊이는 1~5㎛, 폭은 1~5㎛의 범위로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(150)은 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(100) 위에는 2족 내지 6족 원소의 화합물 반도체를 이용한 층 또는 패턴이 예컨대, ZnO층(미도시), 버퍼층(150), 언도프드 반도체층(미도시) 중 적어도 한 층이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 또는 언도프드 반도체층은 3족-5족 원소의 화합물 반도체를 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 버퍼층은 상기 기판과의 격자 상수의 차이를 줄여주게 되며, 상기 언도프드 반도체층은 도핑하지 않는 GaN계 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 수십nm의 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도퍼트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 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, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
그리고, 상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 캐리어(Carrier)가 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(124)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(124)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(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(124)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 갖을 수 있다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체, 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 , 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물(120)은, 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126) 표면에는 제2 전극(110)을 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(110)은 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제2 전극(110)은 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 제1 전극(200)은 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 식각되어 노출된 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(200)의 재료는 상술한 제2 전극(110)과 동일할 수 있다.
각 구성에 대한 상세 설명은 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 일실시예의 제조공정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, 그리고 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)에 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 요철 구조는 주기적 또는 비주기적으로 형성될 수 있으며, 요철 형상은 제한받지 않는다.
예를 들어, 요철 형상은 사각, 반구, 세모, 사다리꼴 등 단일 또는 복합적인 형태의 형상을 포함할 수 있다. 상기 요철은 특정 형상의 철부를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 요철 구조는 습식 에칭 공정 또는 드라이 에칭 공정을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 드라이 에칭 방법은 플래즈마 에칭, 스퍼터 에칭, 이온 에칭 등이 사용될 수 있으며, 습식 에칭 공정은 PEC(Photo Chemical Wet-etching) 공정 등이 사용될 수 있다.
이 때, PEC 공정의 경우, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 철부의 형상을 조절할 수 있다. 또한, 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 철부 형상을 주기적으로 조정할 수도 있다.
그리고, 도 3b에 도시된 바와 같이 기판(100)에 홈(310)을 형성한다. 홈(310)은 기판(100)을 식각하여 형성할 수 있다. 이 때, 홈(310)은 기판(100)에 형성된 요철 구조 간 사이를 소정의 깊이로 식각하여 형성할 수 있으며, 홈(310)의 모양은 제한되지 않는다.
상기 홈(310)은 습식 에칭 공정 또는 드라이 에칭 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 홈(310)의 깊이는 1~5㎛, 폭은 1~5㎛의 범위로 형성될 수 있다.
홈(310)의 깊이 및 폭이 너무 작으면, 홈(310) 상으로 버퍼층(150) 및 발광 구조물(120) 성장 시 보이드(void, 311)가 너무 작게 형성되고, 홈(310)의 깊이 및 폭이 너무 크면 홈(310) 내부가 버퍼층(150) 및 발광 구조물(120)로 메꿔져 홈 상으로 보이드(void, 311)가 형성되지 않는다.
상기 드라이 에칭 방법은 플래즈마 에칭, 스퍼터 에칭, 이온 에칭 등이 사용될 수 있으며, 습식 에칭 공정은 PEC(Photo Chemical Wet-etching) 공정 등이 사용될 수 있다.
이 때, PEC 공정의 경우, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 홈의 깊이 및 형상을 조절할 수 있다. 또한, 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 홈을 일정 패턴으로 형성할 수도 있다.
그리고, 도 3c와 같이, 상기 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(150)을 성장시켜서, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있다. 상기 버퍼층(150)은 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상기 버퍼층(150) 또는 상기 발광 구조물(120)은, 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)은 기판(100)에 형성된 홈(310) 상으로 형성되어, 기판(100)과 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120) 사이에 보이드(311)가 형성되게 된다. 즉, 기판(100)에 형성된 홈(310) 내부는 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)로 충진되지 않으며, 빈 공간인 채로 상부에 보이드(311)가 형성되게 된다.
따라서, 상기 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)의 성장 시 발생하는 스트레인이 보이드(311)로 분산되어 기판 자체에 가해지는 스트레인이 작아지는 효과가 있다.
예를 들어, 활성층(124)의 양자우물구조의 경우, 양자 우물 구조를 이루는 질화물층들의 격자 상수 차이에 의해 압축 압력(compressive strain)을 받게 되므로, 압전계(piezo field)가 발생하게 되어, 캐리어 분포가 불균일해지는 문제점이 생긴다.
실시예는 상기 응력이 보이드(311)로 분산되므로, 압전계(piezo field)를 감소시켜, 발광 구조물의 캐리어 분포를 균일하게 개선하므로, 발광 소자의 전류특성이 좋아지게 된다.
따라서, 압전계(piezo field)와 연관하여 발생하는 캐리어 오버플로우가 감소하므로, 수직 방향으로의 캐리어 분포 특성이 좋아져, 발광소자의 전류 특성이 개선되는 효과가 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)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.
상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 캐리어(Carrier)가 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(124)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(124)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(124)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 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(124)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)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 제1 도전형 반도체층(122)은 P형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 N형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(126) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 상기 제 2도전형 반도체층이 P형 반도체층일 경우 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물(120)은 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.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126)에서 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 메사(Mesa) 식각한다.
예를 들어, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상기 제2 도전형 반도체층(126)부터 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126) 상에 거칠기(roughness)를 형성한다. 이 때, 거칠기는, PEC 방법이나 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 형성할 수 있다
상기 PEC 방법에서, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 거칠기의 형상을 조절할 수 있다. 상기 거칠기는 주기적 도는 비주기적으로 형성될 수 있다.
실시예에 따라 상기 제2 도전형 반도체층(126) 상으로는 제2 전극(110)과의 전기적 접촉을 위해 오믹층이 형성될 수 있으며 이에 대해 한정하지 않는다. 상기 오믹층을 이루는 물질로는 예를 들어, ITO(indium tin oxide)가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126) 표면에 제2 전극(110)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(110)은 예를 들어, 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제2 전극(110)은 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(122) 표면의 식각되어 노출된 영역에 제1 전극(200)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(200)의 재료는 상술한 제2 전극(110)과 동일하다.
도 4는 실시예의 기판을 다른 각도에서 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예의 기판은 표면에 요철 구조를 포함하고, 홈(310)을 포함할 수 있다. 상기 홈(310)은 요철 구조들 간의 철부 사이에 형성될 수 있다.
도 5는 실시예의 기판을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 실시예의 기판(100)은 표면에 복수의 철부(401)을 포함하여 요철 구조를 가질 수 있다. 이 때, 상술한 바와 같이 철부(401)의 모양은 제한되지 않는다.
또한, 기판(100)은 홈(310)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 홈(310)의 모양 또한 제한되지 않으며, 상기 홈(310)은 요철 구조의 철부(401)들 사이에 형성될 수 있다.
홈(310)은 기판(100)을 식각하여 형성할 수 있다. 이 때, 홈(310)은 기판(100)에 형성된 철부 사이를 소정의 깊이로 식각하여 형성할 수 있다.
상기 홈(310)은 습식 에칭 공정 또는 드라이 에칭 공정을 사용하여 형성하거나, 습식 에칭 공정 및 드라이 에칭 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 홈(310)의 깊이는 1~5㎛, 폭은 1~5㎛의 범위로 형성될 수 있다.
홈(310)의 깊이 및 폭이 너무 작으면, 홈(310) 상으로 버퍼층(150) 및 발광 구조물(120) 성장 시 보이드(void, 311)가 너무 작게 형성되고, 홈(310)의 깊이 및 폭이 너무 크면 홈(310) 내부가 버퍼층(150) 및 발광 구조물(120)로 메꿔져 홈 상으로 보이드(void, 311)가 형성되지 않을 수 있음은 상술한 바와 같다.
상기 드라이 에칭 방법은 플래즈마 에칭, 스퍼터 에칭, 이온 에칭 등이 사용될 수 있으며, 습식 에칭 공정은 PEC(Photo Chemical Wet-etching) 공정 등이 사용될 수 있다.
이 때, PEC 공정의 경우, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 홈의 깊이 및 형상을 조절할 수 있다. 또한, 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 홈을 일정 패턴으로 형성할 수도 있다.
상기 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)은 기판(100)에 형성된 홈(310) 상으로 형성되어, 기판(100)과 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120) 사이에 보이드(311)가 형성되게 된다.
따라서, 실시예는 상기 버퍼층(150) 또는 발광 구조물(120)의 성장 시 발생하는 스트레인이 보이드(311)로 분산되어 기판 자체에 가해지는 스트레인이 작아지는 효과가 있다.
예를 들어, 활성층(124)의 양자우물구조의 경우, 양자 우물 구조를 이루는 질화물층들의 격자 상수 차이에 의해 압축 압력(compressive strain)을 받게 되므로, 압전계(piezo field)가 발생하게 되어, 캐리어 분포가 불균일해지는 문제점이 생긴다.
실시예는 상기 압축 압력이 보이드(311)로 분산되므로, 압전계(piezo field)를 감소시켜, 발광 구조물의 캐리어 분포를 균일하게 개선하므로, 발광 소자의 전류 특성이 좋아지게 된다.
따라서, 압전계(piezo field)와 연관하여 발생하는 캐리어 오버 플로우가 감소하므로, 수직 방향으로의 캐리어 분포 특성이 좋아져, 발광소자의 전류 특성이 개선되는 효과가 있다.
이상에서는 수평형 발광소자의 기판에 홀이 형성되는 실시예를 설명하였으나, 수직형 발광소자에도 적용 가능하다.
도 6은 실시예에 따른 발광 소자의 전류 특성이 개선되는 효과를 도시하는 도면이다.
도 6에 참조된 바와 같이, 기판에 홈이 형성되지 않은 종래 기술의 전류 특성(601)과 실시예의 전류 특성(602)을 비교하면, 실시예의 발광 소자가 높은 전류 밀도에서 발광 효율이 개선되는 것을 알 수 있다.
즉, 기판에 홈이 형성되는 경우, 발광 구조물 성장 시 스트레인이 보이드로 분산되어 기판 자체에 가해지는 스트레인이 작아지므로 전류 특성이 개선되게 된다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 7은 발광소자 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(720)와, 상기 패키지 몸체(720)에 설치된 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과, 상기 패키지 몸체(720)에 설치되어 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(700)와, 상기 발광 소자(700)를 포위하는 몰딩부(740)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(720)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(700)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(700)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)은 상기 발광 소자(700)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(700)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(700)는 상기 패키지 몸체(720) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(711) 또는 제2 전극층(712) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(700)는 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 8은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 표시장치(800)는 광원 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 상기 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 상기 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 상기 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 기판(830) 상의 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 상기 바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 상기 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 상기 도광판(840)의 후면이나, 상기 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(840)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 도광판이 생략되어 반사판(820)과 제1 프리즘 시트(850) 사이의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드(Air Guide) 방식으로 구성될 수도 있다.
상기 제1 프리즘 시트(850)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(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
도시되지는 않았으나 상기 각각의 프리즘 시트 상에는 보호 시트가 구비될 수 있는데, 지지필름의 양면에 광확산성 입자와 바인더를 포함하는 보호층이 구비될 수 있다.
또한, 상기 프리즘층은 폴리우레탄, 스티렌부타디엔 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 엘라스토머, 폴리이소프렌, 폴리실리콘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 중합체 재료로 이루어질 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산시트가 배치될 수 있다. 상기 확산시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다.
상기 확산시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
상기 지지층은 메타크릴산-스틸렌 공중합체와 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체가 혼합된 수지 100 중량부에 대하여, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 실록산계 광확산제 0.1~10중량부, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 아크릴계 광확산제 0.1~10중량부가 포함될 수 있다.
상기 제1 레이어와 제2 레이어는 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체 수지 100 중량부에 대하여, 자외선 흡수제 0.01 ~ 1 중량부, 대전 방지제 0.001 ~ 10중량부로 포함될 수 있다.
상기 확산시트에서 상기 지지층의 두께는 100~10000 마이크로 미터이고, 상기 각각의 레이어의 두께는 10~1000 마이크로 미터일 수 있다.
본 실시예에서 상기 확산시트와 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)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(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(870)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(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 상기 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.
100 : 기판 110 : 제1 전극
120 : 발광구조물 122 : 제1 도전형 반도체층
124 : 활성층 126 : 제2 도전형 반도체층
130 : 홈 131 : 보이드
150 : 버퍼층 200 : 제2 전극
700 : 발광소자 711 : 제1 전극층
712 : 제2 전극층 720 : 패키지 몸체
740 : 몰딩부

Claims (8)

  1. 다수의 요철구조를 포함하면서, 상기 요철구조의 철부 사이에 홈이 형성된 기판;
    상기 기판상에 배치되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 배치되는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고,
    상기 홈과 상기 발광 구조물 사이에는 보이드가 형성되는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 1~5㎛, 폭은 1~5㎛의 범위로 형성되는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보이드는 상기 홈의 상부 및 상기 철부의 측면에 형성되는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈 내부는 상기 버퍼층 또는 상기 발광 구조물로 충진되지 않으며, 상기 홈 상으로 상기 보이드가 형성되는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 표면에는 거칠기가 형성된 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 오믹층을 더 포함하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성되는 제1 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 발광 구조물의 측면을 식각하여 노출된 상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성되는 발광 소자.
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