KR20150041990A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

발광 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 발광 소자는, 발광 구조체, 및 상기 발광 구조체 상에 위치하는 기판을 포함하는 발광 다이오드, 및 상기 기판 상에 위치하는 산화 알루미늄층을 포함하고, 상기 산화 알루미늄층은 그것을 상하 방향으로 관통하는 복수의 나노홀을 포함한다. 이에 따라, 발광 소자의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 광 추출 효율이 증가된 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광 소자는 전자와 정공의 재결합으로 발생되는 광을 발하는 무기 반도체 소자로서, 최근, 디스플레이, 자동차 램프, 일반 조명 등의 여러 분야에서 사용되고 있다.
일반적으로 폭넓게 사용되는 수평형 발광 소자는 그 제조 방법이 비교적 간단하나, 하부 반도체층의 전극을 형성하기 위하여 활성층의 일부를 제거하므로 발광 면적이 감소한다. 또한, 전극들의 수평 배치로 인한 전류쏠림현상이 발생하여 발광 소자의 발광 효율이 감소된다. 뿐만 아니라, 수평형 발광 소자의 성장기판으로 사파이어 기판이 가장 폭 넓게 사용되는데, 사파이어 기판은 열전도성이 낮아 발광 소자의 열방출이 어렵다. 이에 따라, 발광 소자의 접합 온도가 높아지며, 상기 발광 소자의 내부 양자 효율이 저하된다.
상기와 같은 수평형 발광 소자가 갖는 문제점을 해결하기 위하여, 수직형 발광 소자 또는 플립칩형 발광 소자가 개발되고 있다. 특히, 플립칩형 발광 소자는 금속 범프 등에 의해 전극이 서브마운트에 직접적으로 접촉되므로, 수평형 발광 소자에서의 낮은 열방출 효율로 인하여 발생되는 문제점들이 개선될 수 있다. 또한, 플립칩형 발광 소자는 수직형 발광 다이오드와 같이 성장 기판 분리 공정이 없이도 제조될 수 있으므로, 그것을 제조하는 공정 수율이 수직형 발광 소자에 비해 매우 높다.
플립칩형 발광 소자는 하부에 n형 및 p형 전극이 나란하게 형성되므로, 사파이어 기판과 같은 성장 기판을 통해 광이 방출된다. 그런데, 사파이어 기판과 공기는 서로 다른 굴절률로 인하여, 광 방출면인 사파이어 기판의 표면에서 광이 전반사된다. 이로 인하여, 발광 소자의 광 추출 효율은 매우 떨어져 광 출력의 증가를 어렵게 만든다.
상술한 광 출력이 감소되는 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0055739호 등에는 광 추출 효율이 개선된 플립칩형 발광 소자가 개시되어 있다. 상기 공개특허공보 제10-2006-0055739호에는 사파이어 기판의 표면에 요철을 형성하여 광 추출 효율을 증가시키는 기술이 개시되어 있다. 또한, 이에 더하여, 사파이어 기판의 광 추출면에 반사 방지층 등을 형성하여 광이 전반사되는 비율을 감소시켜 광 추출 효율을 증가시키는 기술이 개시된 바 있다.
그런데, 사파이어는 매우 단단한 물질이고(모스 경도 9.0), 또한, 산 용액과의 반응성이 낮다. 이와 같은 사파이어의 특성으로 인하여, 사파이어 기판을 물리적 및/또는 화학적으로 가공하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 건식 식각을 이용하여 사파이어 기판에 요철을 형성하는 경우, 가공 시간이 길며, 요철의 크기가 제한적이다. 또한, 습식 식각을 이용하여 사파이어 기판에 요철을 형성하는 경우에는, 식각률(etching rate)이 매우 낮아 공정 시간이 길어지며, 식각 용액에 의해 반도체층에 손상이 발생할 가능성이 높다. 이에 따라, 종래에는 사파이어 기판 표면에 약 2um 정도 높이의 작고 조밀한 패턴만을 형성할 수 있는 한계가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0055739호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수십 ㎛이상의 두꺼운 두께를 갖는 패턴층을 사파이어 기판 표면에 형성하여 광 추출 효율이 향상된 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 발광 구조체, 및 상기 발광 구조체 상에 위치하는 기판을 포함하는 발광 다이오드; 및 상기 기판 상에 위치하는 산화 알루미늄층을 포함하고, 상기 산화 알루미늄층은 그것을 상하 방향으로 관통하는 복수의 나노홀을 포함한다. 본 발명의 발광 소자는 산화 알루미늄층을 포함함으로써, 수십㎛ 이상의 두께를 갖는 광 추출 구조체를 포함할 수 있고, 이에 따라, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
상기 산화 알루미늄층의 두께는 2 내지 100㎛일 수 있다.
나아가, 상기 나노홀의 직경은 40 내지 80nm일 수 있고, 상기 복수의 나노홀들 간의 간격은 90 내지 120nm일 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 기판과 상기 산화 알루미늄층 사이에 위치하는 투명 도전층을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 도전층은 MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 상기 발광 구조체 아래에 위치하는 제1 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 발광 구조체는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 서로 이격되어 배치되고, 각각 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 메사들; 상기 복수의 메사들 각각의 아래에 위치하여 상기 제2 도전형 반도체층에 오믹 콘택하는 반사 전극들; 및 상기 복수의 메사들 및 상기 제1 도전형 반도체층을 덮되, 상기 메사 각각의 아래 영역 내에 위치하고, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 가지며, 상기 제1 도전형 반도체층에 오믹 콘택하고, 상기 복수의 메사들로부터 절연된 전류 분산층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 메사들은 일측 방향으로 서로 평행하고 연장하는 기다란 형상을 가질 수 있고, 상기 전류 분산층의 개구부들은 상기 복수의 메사들의 동일 단부 측에 치우쳐 위치할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮되, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층; 및 상기 상부 절연층 상에 위치하고, 상기 상부 절연층의 개구부들을 통해 노출된 반사 전극들에 접속하는 제2 전극 패드를 더 포함할 수 있다.,
나아가, 상기 발광 소자는, 상기 전류 분산층에 접속하는 제1 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법은, 발광 구조체, 및 상기 발광 구조체 상에 위치하는 기판을 포함하는 발광 다이오드를 준비하고; 상기 기판 상에 알루미늄층을 형성하고; 상기 알루미늄층을 양극 산화하여 복수의 나노홀을 포함하는 산화 알루미늄층을 형성하는 것을 포함하되, 상기 복수의 나노홀은 상기 산화 알루미늄층을 상하 방향으로 관통한다.
상기 산화 알루미늄층의 두께는 상기 알루미늄층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 산화 알루미늄층을 형성하는 것은, 상기 알루미늄층을 2단계 양극 산화하는 것을 포함할 수 있다.,
나아가, 상기 발광 소자 제조 방법은, 상기 알루미늄층을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 투명 도전층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 도전층은 MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화 알루미늄층을 형성함으로써, 상기 알루미늄층이 잔류하지 않을 수 있다.
상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.
본 발명에 따르면, 발광 소자가 산화 알루미늄층을 포함함으로써, 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 특히, 수십㎛ 이상의 두께를 갖는 산화 알루미늄층을 광 방출면에 형성하여, 종래의 발광 소자에 비해 높은 광 출력을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 발광 소자 제조 방법에 따르면, 발광 소자에 손상을 발생시키지 않고 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 공정을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구성을 설명하기 위한 단면도들 및 평면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 발광 소자는, 발광 구조체(120) 및 기판(110)을 포함하는 발광 다이오드(100) 및 산화 알루미늄층(210)을 포함한다. 나아가, 상기 발광 소자는 발광 구조체(120) 아래에 위치하는 전극들(131, 133)을 더 포함할 수 있다.
발광 구조체(120)는 광을 방출할 수 있는 반도체층들을 포함하는 구조이면 제한되지 않으며, 예를 들어, n형 반도체층, p형 반도체층 및 상기 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 구조일 수 있다. 발광 구조체(120)는 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자"라 함.)에게 알려진 다양한 구조일 수 있다. 예를 들어, 발광 구조체(120) 아래에 제1 전극(131) 및 제2 전극(133)이 형성될 수 있는 플립칩 구조일 수 있다.
기판(110)은 발광 구조체(120)을 형성할 수 있는 기판이면 한정되지 않으며, 예를 들어, 반도체층들을 성장시킬 수 있는 성장 기판일 수 있다. 기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 질화물 기판, 실리콘 기판 등을 포함할 수 있으며, 특히, 본 실시예에서 상기 기판(110)은 사파이어 기판일 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 11을 참조하여, 발광 구조체 및 기판을 포함하는 발광 다이오드의 일례를 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이하 설명되는 발광 다이오드의 구조는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면들로서, 각 도면들에서 (a)는 평면도를 (b)는 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
우선, 도 7을 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(23)이 형성되고, 상기 제1 도전형 반도체층(23) 상에 서로 이격된 복수의 메사들(M)이 형성된다. 복수의 메사들(M)은 각각 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함한다. 활성층(25)은 제1 도전형 반도체층(23)과 제2 도전형 반도체층(27) 사이에 위치한다. 한편, 상기 복수의 메사들(M) 상에는 각각 반사 전극들(30)이 위치한다.
상기 복수의 메사(M)들은 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함하는 에피층을 금속 유기화학 기상 성장법(MOCVD) 등을 이용하여 성장시킨 후, 제1 도전형 반도체층(23)이 노출되도록 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 복수의 메사들(M)의 측면은 포토레지스트 리플로우와 같은 기술을 사용함으로써 경사지게 형성될 수 있다. 메사(M) 측면의 경사진 프로파일은 활성층(25)에서 생성된 광의 추출 효율을 향상시킨다.
복수의 메사들(M)은 도시한 바와 같이 일측 방향으로 서로 평행하게 연장하는 기다란 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상은 기판(21) 상에서 복수의 칩 영역에 동일한 형상의 복수의 메사들(M)을 형성하는 것을 단순화시킨다.
한편, 상기 반사 전극들(30)은 복수의 메사(M)들이 형성된 후, 각 메사(M) 상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 도전형 반도체층(27)을 성장시키고 메사(M)들을 형성하기 전에 제2 도전형 반도체층(27) 상에 미리 형성될 수도 있다. 반사 전극(30)은 메사(M)의 상면을 대부분 덮으며, 메사(M)의 평면 형상과 대체로 동일한 형상을 갖는다.
반사전극들(30)은 반사층(28)을 포함하며, 나아가 장벽층(29)을 포함할 수 있으며, 장벽층(29)은 반사층(28)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. 예컨대, 반사층(28)의 패턴을 형성하고, 그 위에 장벽층(29)을 형성함으로써, 장벽층(29)이 반사층(28)의 상면 및 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사층(28)은 Ag, Ag 합금, Ni/Ag, NiZn/Ag, TiO/Ag층, Pt/Ag층을 증착 및 패터닝하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 장벽층(29)은 Ni, Cr, Ti, Pt, W, Mo 또는 그 복합층으로 형성될 수 있으며, 반사층의 금속 물질이 확산되거나 오염되는 것을 방지한다.
상기 복수의 메사들(M)이 형성된 후, 상기 제1 도전형 반도체층(23)의 가장자리 또한 식각될 수 있다. 이에 따라, 기판(21)의 상부면이 노출될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(23)의 측면 또한 경사지게 형성될 수 있다.
상기 복수의 메사들(M)은 도 1에 도시한 바와 같이 제1 도전형 반도체층(23)의 상부 영역 내부에 한정되어 위치하도록 형성될 수 있다. 즉, 복수의 메사들(M)이 제1 도전형 반도체층(23)의 상부 영역 상에 아일랜드 형태로 위치할 수 있다.
도 8을 참조하면, 복수의 메사들(M) 및 제1 도전형 반도체층(23)을 덮는 하부 절연층(31)이 형성된다. 하부 절연층(31)은 특정 영역에서 제1 도전형 반도체층(23) 및 제2 도전형 반도체층(27)에 전기적 접속을 허용하기 위한 개구부들(31a, 31b)을 갖는다. 예컨대, 하부 절연층(31)은 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 개구부들(31a)과 반사전극들(30)을 노출시키는 개구부들(31b)을 가질 수 있다.
상기 개구부들(31a)은 메사들(M) 사이의 영역 및 기판(21) 가장자리 근처에 위치할 수 있으며, 메사들(M)을 따라 연장하는 기다란 형상을 가질 수 있다. 한편, 개구부들(31b)은 메사(M) 상부에 한정되어 위치하며, 메사들의 동일 단부 측에 치우쳐 위치한다.
상기 하부 절연층(31)은 화학기상증착(CVD), 전자선 증착 등의 기술을 사용하여 SiO2 등의 산화막, SiNx 등의 질화막, MgF2의 절연막으로 형성될 수 있다. 상기 하부 절연층(31)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다중층으로 형성될 수도 있다. 나아가, 하부 절연층(31)은 저굴절 물질층과 고굴절 물질층이 교대로 적층된 분포 브래그 반사기(DBR)로 형성될 수 있다. 예컨대, SiO2/TiO2나 SiO2/Nb2O5 등의 층을 적층함으로써 반사율이 높은 절연 반사층을 형성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 하부 절연층(31) 상에 전류 분산층(33)이 형성된다. 상기 전류 분산층(33)은 상기 복수의 메사들(M) 및 상기 제1 도전형 반도체층(23)을 덮는다. 또한, 전류 분산층(33)은 상기 각각의 메사(M) 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들(33a)을 갖는다. 상기 전류 분산층(33)은 하부 절연층(31)의 개구부들(31a)을 통해 상기 제1 도전형 반도체층(23)에 오믹콘택할 수 있다. 전류 분산층(33)은 하부 절연층(31)에 의해 복수의 메사들(M) 및 반사 전극들(30)로부터 절연된다.
상기 전류 분산층(33)의 개구부들(33a)은 전류 분산층(33)이 반사 전극들(30)에 접속하는 것을 방지하도록 각각 하부 절연층(31)의 개구부들(31b)보다 더 넓은 면적을 갖는다. 따라서, 상기 개구부들(33a)의 측벽은 하부 절연층(31) 상에 위치한다.
상기 전류 분산층(33)은 개구부들(33a)을 제외한 기판(31)의 거의 전 영역 상부에 형성된다. 따라서, 상기 전류 분산층(33)을 통해 전류가 쉽게 분산될 수 있다. 전류 분산층(33)은 Al층과 같은 고반사 금속층을 포함할 수 있으며, 고반사 금속층은 Ti, Cr 또는 Ni 등의 접착층 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 고반사 금속층 상에 Ni, Cr, Au 등의 단층 또는 복합층 구조의 보호층이 형성될 수 있다. 상기 전류 분산층(33)은 예컨대, Ti/Al/Ti/Ni/Au의 다층 구조를 가질 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 전류 분산층(33) 상에 상부 절연층(35)이 형성된다. 상부 절연층(35)은 전류 분산층(33)을 노출시키는 개구부(35a)와 함께, 반사 전극들(30)을 노출시키는 개구부들(35b)을 갖는다. 상기 개구부(35a)는 메사(M)의 길이 방향에 수직한 방향으로 기다란 형상을 가질 수 있으며, 개구부들(35b)에 비해 상대적으로 넓은 면적을 갖는다. 개구부들(35b)은 전류 분산층(33)의 개구부들(33a) 및 하부 절연층(31)의 개구부들(31b)을 통해 노출된 반사 전극들(30)을 노출시킨다. 개구부들(35b)은 전류 분산층(33)의 개구부들(33a)에 비해 더 좁은 면적을 갖고, 한편, 하부 절연층(31)의 개구부들(31b)보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 전류 분산층(33)의 개구부들(33a)의 측벽들은 상부 절연층(35)에 의해 덮일 수 있다.
상기 상부 절연층(35)은 산화물 절연층, 질화물 절연층 또는 폴리이미드, 테플론, 파릴렌 등의 폴리머를 이용하여 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 상부 절연층(35) 상에 제1 패드(37a) 및 제2 패드(37b)가 형성된다. 제1 패드(37a)는 상부 절연층(35)의 개구부(35a)를 통해 전류 분산층(33)에 접속하고, 제2 패드(37b)는 상부 절연층(35)의 개구부들(35b)을 통해 반사 전극들(30)에 접속한다. 상기 제1 패드(37a) 및 제2 패드(37b)는 발광 다이오드를 서브마운트, 패키지 또는 인쇄회로기판 등에 실장하기 위해 범프를 접속하거나 SMT를 위한 패드로 사용될 수 있다.
상기 제1 및 제2 패드(37a, 37b)는 동일 공정으로 함께 형성될 수 있으며, 예컨대 사진 및 식각 기술 또는 리프트 오프 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 패드(37a, 37b)는 예컨대 Ti, Cr, Ni 등의 접착층과 Al, Cu, Ag 또는 Au 등의 고전도 금속층을 포함할 수 있다.
그 후, 기판(21)을 개별 발광 다이오드 칩 단위로 분할함으로써 발광 다이오드가 완성된다. 이때, 기판(21)은 스크라이빙 공정을 이용하여 분할될 수 있으며, 예를 들어, 레이저 스크라이빙 공정을 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조에 대해 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.
상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층(23), 메사들(M), 반사 전극들(30), 전류 분산층(33)을 포함하며, 기판(21), 하부 절연층(31), 상부 절연층(35) 및 제1 패드(37a)와 제2 패드(37b)를 포함할 수 있다.
기판(21)은 질화갈륨계 에피층들을 성장시키기 위한 성장기판, 예컨대 사파이어, 탄화실리콘, 실리콘, 질화갈륨 기판일 수 있으며, 본 실시예에 있어서, 상기 기판(21)은 사파이어 기판일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(23)은 연속적이며, 제1 도전형 반도체층(23) 상에 복수의 메사들(M)이 서로 이격되어 위치한다. 메사들(M)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)을 포함하며, 일측을 향해 연장하는 기다란 형상을 갖는다. 여기서 메사들(M)은 질화갈륨계 화합물 반도체의 적층 구조이다. 상기 메사들(M)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(23)의 상부 영역 내에 한정되어 위치할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)은 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(23)은 n형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층(27)은 p형 반도체층일 수 있으며, 또한 그 반대일 수도 있다. 한편, 활성층(25)은 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 활성층(25)에서 발광하는 광의 피크 파장을 질화물 반도체의 조성비를 조절하여 결정할 수 있다. 특히, 본 실시예에 있어서, 상기 활성층(25)은 AlGaN을 포함하여 자외선 영역의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
반사 전극들(30)은 각각 상기 복수의 메사들(M) 상에 위치하여 제2 도전형 반도체층(27)에 오믹 콘택한다. 반사 전극들(300은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 반사층(28)과 장벽층(29)을 포함할 수 있으며, 장벽층(29)이 반사층(28)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다.
전류 분산층(33)은 상기 복수의 메사들(M) 및 상기 제1 도전형 반도체층(23)을 덮는다. 상기 전류 분산층(33)은 상기 각각의 메사(M) 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들(30)을 노출시키는 개구부들(33a)을 갖는다. 전류 분산층(33)은 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(23)에 오믹콘택하고 상기 복수의 메사들(M)로부터 절연된다. 상기 전류 분산층(33)은 Al과 같은 반사 금속을 포함할 수 있다.
상기 전류 분산층(33)은 하부 절연층(31)에 의해 복수의 메사들(M)로부터 절연될 수 있다. 예컨대, 하부 절연층(31)은 상기 복수의 메사들(M)과 상기 전류 분산층(33) 사이에 위치하여 상기 전류 분산층(33)을 상기 복수의 메사들(M)로부터 절연시킬 수 있다. 또한, 상기 하부 절연층(31)은 상기 각각의 메사(M) 상부 영역 내에 위치하고 상기 반사 전극들(30)을 노출시키는 개구부들(31b)을 가질 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(23)을 노출시키는 개구부들(31a)을 가질 수 있다. 상기 전류 분산층(33)은 개구부들(31a)을 통해 제1 도전형 반도체층(23)에 접속할 수 있다. 상기 하부 절연층(31)의 개구부들(31b)은 전류 분산층(33)의 개구부들(33a)보다 좁은 면적을 가지며, 개구부들(33a)에 의해 모두 노출된다.
상부 절연층(35)은 상기 전류분산층(33)의 적어도 일부를 덮는다. 또한, 상부 절연층(35)은 상기 반사 전극들(30)을 노출시키는 개구부들(35b)을 갖는다. 나아가, 상부 절연층(35)은 전류 분산층(33)을 노출시키는 개구부(35a)를 가질 수 있다. 상기 상부 절연층(35)은 상기 전류 분산층(33)의 개구부들(33a)의 측벽들을 덮을 수 있다.
제1 패드(37a)는 전류 분산층(33) 상에 위치할 수 있으며, 예컨대 상부 절연층(35)의 개구부(35a)를 통해 전류 분산층(33)에 접속할 수 있다. 또한, 제2 패드(37b)는 개구부들(35b)을 통해 노출된 반사전극들(30)에 접속한다.
본 발명에 따르면, 전류 분산층(33)이 메사들(M) 및 메사들(M) 사이의 제1 도전형 반도체층(23)의 거의 전 영역을 덮는다. 따라서, 전류 분산층(33)을 통해 전류가 쉽게 분산될 수 있다.
나아가, 상기 전류 분산층(23)이 Al과 같은 반사 금속층을 포함하거나, 하부 절연층을 절연 반사층으로 형성함으로써 반사 전극들(30)에 의해 반사되지 않는 광을 전류 분산층(23) 또는 하부 절연층(31)을 이용하여 반사시킬 수 있어 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 이상 설명한 발광 다이오드가 이용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 기판(110) 상에 위치하는 산화 알루미늄층(210)을 포함한다. 산화 알루미늄층(210)은 광 투과성을 가질 수 있고, 상기 산화 알루미늄층(210)은 알루미늄층을 양극 산화함으로써 수득될 수 있다. 또한, 산화 알루미늄층(210)은 2 내지 100㎛의 두께를 가질 수 있다.
산화 알루미늄층(210)은 그것을 상하 방향으로 관통하는 복수의 나노홀(211)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노홀(211)은 산화 알루미늄층(210)을 상하 방향으로 관통하므로, 상기 나노홀(211)들의 하면에는 기판(110)의 상면이 부분적으로 노출될 수 있다.
복수의 나노홀(211)은 다양한 패턴으로 형성될 수 있고, 예를 들어, 규칙적인 간격과 단면 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노홀(211)들은 40 내지 80nm의 직경을 가질 수 있고, 또한, 90 내지 120nm의 이격 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 나노홀(211)의 제조 시 공정 조건을 조절함으로써 다양한 직경 및 간격을 갖도록 형성될 수 있다.
산화 알루미늄층(210)은 기판(110) 상에 형성됨으로써, 기판(110)의 상면으로 방출되는 광의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 산화 알루미늄층(210)은 복수의 나노홀(211)을 포함하여, 기판(110)의 상면과 산화 알루미늄층(211) 하면 간의 계면에서의 광의 전반사 현상 발생 비율을 감소시킴으로써, 발광 소자의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 나아가, 나노 스케일의 복수의 나노홀(211)이 형성된 산화 알루미늄층(210)은 외부 공기와의 계면에서의 전반사 현상도 감소시킬 수 있어서, 광 추출 효율이 더욱 개선될 수 있다. 뿐만 아니라, 종래의 요철 패턴은 약 2㎛ 정도의 높이를 갖는 반면, 본 발명의 산화 알루미늄층(211)은 수십㎛ 이상의 높이를 가질 수 있으므로, 종래의 발광 소자에 비해 광 추출 효율이 더욱 높을 수 있다. 특히, 사파이어 기판과 같은 가공이 어려운 기판(110)을 포함하는 발광 소자의 경우, 사파이어 기판을 가공하지 않고, 그 상면에 별도의 산화 알루미늄층(210)을 형성하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 기판(110)을 가공하는 것에 의해 발생할 수 있는 발광 소자의 손상이나, 복수의 발광 소자 간에 나타날 수 있는 광 출력의 편차를 최소화할 수 있다.
한편, 상기 발광 소자는, 발광 구조체(120) 아래에 위치하는 제1 전극(131) 및 제2 전극(133)을 더 포함할 수 있다. 제1 전극(131)과 제2 전극(133)은 외부 전원과 상기 발광 소자를 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2에 도시된 발광 소자는 도 1을 참조하여 설명한 발광 소자와 대체로 유사하나, 산화 알루미늄층(210)과 기판(110) 사이에 위치하는 투명 도전층(220)을 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 도 2의 발광 소자에 대해 설명하며, 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 발광 소자는, 도 1을 참조하면, 본 발명의 발광 소자는, 발광 구조체(120), 기판(110) 및 산화 알루미늄층(210)을 포함하며, 나아가, 투명 도전층(220)을 더 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 발광 구조체(120) 아래에 위치하는 전극들(131, 133)을 더 포함할 수 있다.
투명 도전층(220)은 기판(110)과 산화 알루미늄층(210) 사이에 위치할 수 있으며, 광 투과성 및 도전성을 가질 수 있다. 투명 도전층(220)은, 예를 들어, MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
투명 도전층(220)을 더 형성함으로써, 산화 알루미늄층(210)이 더욱 잘 정렬된 복수의 나노홀(211)들을 포함할 수 있으며, 이와 관련하여서는 후술하여 상세하게 설명한다. 따라서, 도 2의 발광 소자는 도 1의 발광 소자에 비해 더 규칙적으로 정렬된 복수의 나노홀(211)들을 포함할 수 있고, 이에 따라, 발광 소자들 간에 광 출력의 편차를 최소화할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 구성들과 동일한 도면부호를 갖는 구성들은 실질적으로 동일한 구성이므로, 이와 관련되어 동일한 내용의 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 발광 구조체(120) 상에 기판(110)이 배치된 발광 다이오드(100)를 준비하고, 상기 기판(110) 상에 알루미늄층(210a)을 형성한다. 알루미늄층(210a)은 Al을 포함할 수 있으며, 후술하는 공정에서 얻고자하는 산화 알루미늄층(210)의 두께에 따라 다양한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 다른 실시예들에 있어서, 기판(110) 상에 알루미늄층(210a)을 형성하기 전에, 기판(110) 상에 투명 도전층(220)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 투명 도전층(220)은, 예를 들어, MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 알루미늄층(210a)을 양극 산화하여, 복수의 나노홀(211)을 포함하는 산화 알루미늄층(210)을 형성한다. 상기 알루미늄층(210a)을 양극 산화하는 것은, 2단계 양극 산화하는 것을 포함할 수 있다. 이하, 이에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 알루미늄층(210a)을 용액에 담그고, 알루미늄층(210a)을 양극 전극과 연결하고, 용액에 음극 전극을 담가 전류를 공급한다. 전류가 공급됨에 따라, 알루미늄층(210a)이 산화되면서 용액과 맞닿아 있는 부분으로부터 산화 알루미늄층(210b)이 형성된다. 이때, 상기 용액은 산성 용액을 포함할 수 있고, 예를 들어, 황산, 인산, 옥살산 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 1단계 양극 산화 공정을 거쳐, 알루미늄층(210a)이 부분적으로 양극 산화될 수 있다. 또한, 양극 산화 공정을 통해 산화된 산화 알루미늄층(210b)은 도 4에 도시된 바와 같이, 다공성 채널과 같은 형태의 복수의 나노홀(211b)을 포함할 수 있다.
상기 다공성 채널과 같은 형태의 복수의 나노홀(211b)이 형성되는 것은, 양극 산화 과정에서 알루미늄층(210b)에 국부적인 전기장의 집중으로 인하여 다공성 채널이 형성되는 것으로 설명될 수 있다. 이에 따라, 상기 산화 알루미늄층(210b)은 복수의 나노홀(211b)이 형성되면서 상부로 성장될 수 있다. 따라서 산화 알루미늄층(210b)의 두께는 알루미늄층(210a)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 다공성 채널과 같은 형태의 복수의 나노홀(211b)이 형성되는 메카니즘은 통상의 기술자에게 공지된 것이므로, 이하 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 도 5를 참조하면, 1단계 양극 산화 과정을 거쳐 형성된 산화 알루미늄(210b)을 제거한다. 이에 따라, 산화되지 않고 잔류하는 알루미늄층(210a)의 상면이 노출된다.
도 6을 참조하면, 1단계 양극 산화 공정과 동일한 방법으로 상기 잔류하는 알루미늄층(210a)을 다시 양극 산화한다(2단계 양극 산화). 이에 따라, 다공성 채널과 같은 형태의 복수의 나노홀(211c)을 갖는 산화 알루미늄층(210c) 형성된다. 2단계 양극 산화 공정을 통해, 산화 알루미늄층(210c)은 상부로 성장하며, 상하로 길게 형성된 복수의 나노홀(211c)들이 형성된다.
산화 알루미늄층(210c)은 알루미늄층(210a)이 모두 제거될 때까지 계속 성장하여 형성될 수 있다. 따라서, 알루미늄층(210a)의 두께에 따라, 산화 알루미늄층(210c)의 두께가 결정될 수 있으며, 예를 들어, 산화 알루미늄층(210a)은 2 내지 100㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 양극 산화 공정에서, 알루미늄층(210a)은 전류를 공급받음으로써 산화되어 산화 알루미늄층(210c)으로 형성될 수 있는데, 알루미늄층(210a)의 표면 전체에서 균일하게 산화되지 않고 일부분이 더 빨리 산화되어 알루미늄층(210a)의 일부가 아일랜드 형태로 잔류할 수 있다. 이 경우, 아일랜드 형태로 잔류한 알루미늄층(210a)에는 전류가 공급되지 않아 산화되지 않을 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예 들에서, 투명 도전층(220)을 알루미늄층(210a) 아래에 형성함으로써, 이와 같이 산화되지 않고 잔류하는 알루미늄층(210a)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 투명 도전층(220)은 양극 산화 공정에서 전류 경로(current path)로 이용될 수 있고, 이에 따라, 상기와 같이 아일랜드 형태로 잔류하는 알루미늄층(210c)의 일부분에도 전류가 공급되도록 할 수 있다. 따라서 투명 도전층(220)을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 소자 제조 방법에 따르면, 양극 산화 공정이 종료된 후, 기판(110) 상에 알루미늄층(210a)이 잔류하지 않고 모두 산화될 수 있다.
상기 양극 산화 공정을 통해 형성되는 복수의 나노홀(211c)들의 직경 및 간격은 산화 공정 조건을 조절함으로써 다양하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 용액의 종류, 인가 전압 등을 조절함으로써, 그 직경 및 간격이 조절될 수 있다.
양극 산화 공정이 종료되면, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 발광 소자가 제공된다.
상기 제조 방법에 따르면, 기판(110)을 가공하지 않고도, 산화 알루미늄층(210)을 형성함으로써 발과 소자의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 양극 산화 공정을 이용하므로, 기판(110) 가공시 발생할 수 있는 반도체층의 손상이 방지될 수 있고, 또한, 대량으로 동시에 공정 진행이 가능하다. 따라서, 제조된 발광 소자의 신뢰성이 향상될 수 있고, 공정 수율 및 공정 효율이 향상될 수 있다.

Claims (18)

  1. 발광 구조체, 및 상기 발광 구조체 상에 위치하는 기판을 포함하는 발광 다이오드; 및
    상기 기판 상에 위치하는 산화 알루미늄층을 포함하고,
    상기 산화 알루미늄층은 그것을 상하 방향으로 관통하는 복수의 나노홀을 포함하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화 알루미늄층의 두께는 2 내지 100㎛인 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 나노홀의 직경은 40 내지 80nm이고, 상기 복수의 나노홀들 간의 간격은 90 내지 120nm인 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판과 상기 산화 알루미늄층 사이에 위치하는 투명 도전층을 더 포함하는 발광 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 투명 도전층은 MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드는, 상기 발광 구조체 아래에 위치하는 제1 및 제2 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체는,
    제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 아래에 서로 이격되어 배치되고, 각각 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 메사들;
    상기 복수의 메사들 각각의 아래에 위치하여 상기 제2 도전형 반도체층에 오믹 콘택하는 반사 전극들; 및
    상기 복수의 메사들 및 상기 제1 도전형 반도체층을 덮되, 상기 메사 각각의 아래 영역 내에 위치하고, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 가지며, 상기 제1 도전형 반도체층에 오믹 콘택하고, 상기 복수의 메사들로부터 절연된 전류 분산층을 포함하는 발광 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 메사들은 일측 방향으로 서로 평행하고 연장하는 기다란 형상을 갖고, 상기 전류 분산층의 개구부들은 상기 복수의 메사들의 동일 단부 측에 치우쳐 위치하는 발광 소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전류 분산층의 적어도 일부를 덮되, 상기 반사 전극들을 노출시키는 개구부들을 갖는 상부 절연층; 및
    상기 상부 절연층 상에 위치하고, 상기 상부 절연층의 개구부들을 통해 노출된 반사 전극들에 접속하는 제2 전극 패드를 더 포함하는 발광 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류 분산층에 접속하는 제1 전극 패드를 더 포함하는 발광 소자.
  12. 발광 구조체, 및 상기 발광 구조체 상에 위치하는 기판을 포함하는 발광 다이오드를 준비하고;
    상기 기판 상에 알루미늄층을 형성하고;
    상기 알루미늄층을 양극 산화하여 복수의 나노홀을 포함하는 산화 알루미늄층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 복수의 나노홀은 상기 산화 알루미늄층을 상하 방향으로 관통하는 발광 소자 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 산화 알루미늄층의 두께는 상기 알루미늄층의 두께보다 두꺼운 발광 소자 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 산화 알루미늄층을 형성하는 것은, 상기 알루미늄층을 2단계 양극 산화하는 것을 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 알루미늄층을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 투명 도전층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 투명 도전층은 MgO, ITO, ZnO 및 도전성 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자 제조 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 산화 알루미늄층을 형성함으로써, 상기 알루미늄층이 잔류하지 않는 발광 소자 제조 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 발광 소자 제조 방법.
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