KR101582329B1 - 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101582329B1
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 하면을 패터닝하여 형성되는 광 추출 구조에 의하여 전체적인 광 추출 효율을 향상시키기 위한 발광 다이오드 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는 대향하는 상면 및 하면을 가지는 기판; n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하고, 상기 기판의 상면 상에 위치하는 반도체 적층 구조물; 및 상기 기판의 하면 하에 위치하는 반사층을 포함하고, 상기 기판의 하면에는 제 1 광 추출 구조가 형성된다.

Description

발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법{Light emitting diode device, light emitting diode module and method of fabricating the same}
본 발명은 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 하면을 패터닝하여 형성되는 광 추출 구조에 의하여 전체적인 광 추출 효율을 향상시키기 위한 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보 기술과 이동 통신 기술 등의 비약적인 발전과 함께 정보를 시각적으로 표시해줄 수 있는 디스플레이 장치의 발전 또한 비약적으로 이루어지고 있으며, 디스플레이 장치는 그 구동 형태에 따라 투사형, 직시형, 허상 이용형, 홀로그램 등이 있으며, 직시형 디스플레이는 크게 재질 자체가 발광 특성을 갖는 자체 발광형 디스플레이와 다른 외부의 요인으로 발광하게 할 수 있는 비발광형으로 분류되고 있다.
그리고, 최근의 개발 추이는 고휘도, 고속응답특성, 높은 발광강도, 전체 제조 공정수 등의 다양한 요구를 만족시키기 위해 LCD(Lyquid Crystal Display, 액정 표시 장치), PDP(Plasma Display Pannel), 유기 EL(Organic Electroluminescent), LED(Light Emitting Diode) 등이 기존 디스플레이 장치 시장을 급속하게 대체해 나가고 있는 실정이다.
이 중에서 특히, 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 소형, 저소비전력, 고신뢰성 등의 특징을 겸비하여 표시용 광원으로서 널리 이용되고 있으며, 실용화되어 있는 발광 다이오드의 재료로서는 AlGaAs, GaAlP, GaP, InGaAlP 등의, 5족 원소로 As, P를 사용한 3-5족 화합물 반도체가 적색, 등색(橙色), 황색, 녹색 발광용으로서 이용되고, 녹색, 청색, 자외(紫外) 영역용으로서는 GaN계 화합물 반도체가 이용되며, 발광 강도가 높은 발광 다이오드가 실현되고 있다.
이와 같은 일반적인 발광 다이오드 소자의 적층 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(1)상에 버퍼층(6), n형 반도체층(2), 활성층(3), p형 반도체층(4), 투명 전극(7), n형 금속 전극(8) 및 p형 금속 전극(9)으로 형성되며, 개략적인 제조 공정은 상기 사파이어 기판(1) 상에 버퍼층(6), n형 반도체층(2), 활성층(3), p형 반도체층(4)을 순차적으로 결정 성장시키고, n형 금속 전극(8)의 형성을 위해 일부분을 n형 반도체층(8)까지 식각하며, p형 반도체층(9) 전면에 투명 전극(7)을 증착하며, n형 금속 전극(8)과 p형 금속 전극(9)을 증착함으로써 형성된다.
이러한 발광 다이오드 소자에서 발생하는 광의 효율은 내부 양자 효율과 외부 양자 효율 즉, 광 추출 효율로 나누어지는데, 내부 양자 효율은 활성층의 설계나 품질에 따라 결정되며, 광 추출 효율의 경우에는 활성층에서 발생되는 광이 발광 다이오드 소자의 외부로 나오는 정도에 따라 결정되며, 이는 굴절률과 임계각에 따라 결정된다고 할 수 있다.
즉, 광 추출 효율의 경우에 일정한 굴절률을 갖는 질화 갈륨(GaN) 물질이나 사파이어의 경우 굴절률이 1인 공기 중으로 광이 방출되기 위해서는 임계각을 넘어야 하는데, 종래의 발광 다이오드 소자의 경우 반도체 적층 구조물과 공기의 높은 굴절률 차이에 의하여 활성층에서 발생되는 광이 소자 내부의 전반사에 의하여 외부로 방출될 수 있는 확률이 매우 낮았다. 또한, 사파이어 기판과 반도체 적층 구조물의 굴절률 차이 및 패키지 공정시 상기 패키지에서의 광 흡수에 의하여 활성층에서 발생하는 광이 소멸되거나 발광 다이오드 소자의 외부로 방출되지 못하는 문제가 발생하였다.
이를 위하여, 대한민국 등록특허공보 제10-1141269호에서는 기판과 활성층 사이에 형성되는 패턴부를 구비하여 광 추출 효율을 향상시키기 위한 발광 다이오드 소자를 제시하고 있으나, 상기한 기술에 의하여도 발광 다이오드 소자의 측면이나 하부로 방출되는 광의 손실은 최소화할 수 없는 문제점이 있으며, 아직까지 광 추출 효율은 개선의 여지가 있어 이를 극대화할 필요성이 여전히 존재한다.
KR 10-1141269 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 발광 다이오드 소자의 경우 굴절률의 차이 및 이에 따른 소자 내부의 전반사에 의하여 외부로 방출되는 광의 추출 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 기판의 하면을 패터닝하여 형성되는 광 추출 구조에 의하여 전체적인 광 추출 효율을 향상시키기 위한 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는,
대향하는 상면 및 하면을 가지는 기판; n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하고, 상기 기판의 상면 상에 위치하는 반도체 적층 구조물; 및 상기 기판의 하면 하에 위치하는 반사층을 포함하고, 상기 기판의 하면에는 제 1 광 추출 구조가 형성되고,
상기 제 1 광 추출 구조는 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 구조를 가질 수 있으며,
상기 볼록부 또는 오목부는 상기 기판의 하면을 패터닝하여 형성될 수 있으며,
상기 기판의 상면에는 제 2 광 추출 구조가 형성될 수 있으며,
상기 제 2 광 추출 구조는 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 구조를 가질 수 있으며,
상기 제 2 광 추출 구조의 볼록부 또는 오목부는 상기 제 1 광 추출 구조에 형성되는 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 각각 배열될 수 있으며,
상기 기판 및 반도체 적층 구조물 중 적어도 하나의 측면은 상기 기판의 수직 방향에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈은 상기의 발광 다이오드 소자; 및 상기 발광 다이오드 소자를 내부에 수용하고, 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 컵의 형상으로 형성되어 상기 발광 다이오드 소자의 측면으로 방출되는 광을 상부로 반사하는 반사 컵을 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자의 제조 방법은,
기판의 하면을 패터닝하는 과정; 상기 기판의 하면 하에 반사층을 형성하는 과정; 및 상기 기판의 상면 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물을 형성하는 과정을 포함하고,
상기 기판의 하면을 패터닝하는 과정은 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 형상으로 형성할 수 있으며,
상기 볼록부 또는 오목부는 상기 기판의 하면을 건식 또는 습식 식각하여 형성할 수 있으며,
상기 기판의 상면을 패터닝하는 과정을 더 포함할 수 있으며,
상기 기판의 상면을 패터닝하는 과정은 상기 기판의 하면에 형성되는 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되도록 형성할 수 있으며,
상기 기판 및 반도체 적층 구조물 중 적어도 하나의 측면은 상기 기판의 수직 방향에 대하여 경사지도록 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법에 의하면, 발광 다이오드 소자의 하부에 반사층을 형성하여, 하부로 방출되는 광의 손실을 최소화할 수 있으며, 기판의 하면을 패터닝하여 형성되는 광 추출 구조에 의하여 발광 다이오드 소자의 측면으로 방출되는 광량을 증가시켜 전체적인 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 상기 광 추출 구조는 일정한 형상을 갖는 요철 구조로 형성하여, 상기 요철 구조에 의하여 광의 입사각을 변화시키고 광 손실을 최소화하여, 활성층에서 발생되는 광이 발광 다이오드 소자의 외부로 방출되는 광 추출 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 현저한 효과가 있다.
뿐만 아니라, 소정의 두께를 갖는 기판의 하면을 건식 또는 습식 식각 방법으로 직접 패터닝하여 제 1 광 추출 구조를 형성함으로써, 제조 공정을 단순화할 수 있으며 이를 이용한 발광 다이오드 모듈, 평판 디스플레이 등의 안정성 확보 및 광 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드 소자를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 다양한 형태를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 형태의 발광 다이오드 소자의 광 출력 크기를 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 광 경로를 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 형태를 도시하는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈 및 광 경로를 도시하는 단면도.
본 발명에 따른 발광 다이오드 소자, 발광 다이오드 모듈 및 이의 제조 방법은 기판의 하면을 패터닝하여 형성되는 광 추출 구조에 의하여 전체적인 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 다양한 형태를 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100)는 대향하는 상면 및 하면을 가지는 기판(10); n형 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 반도체층(50)을 포함하고, 상기 기판(10)의 상면 상에 위치하는 반도체 적층 구조물(60); 및 상기 기판(10)의 하면 하에 위치하는 반사층(80)을 포함하고, 상기 기판(10)의 하면에는 제 1 광 추출 구조(14)가 형성된다.
여기에서 각각의 층 사이의 관계에서 상/하의 기재는 설명의 편의를 위하여 사용하는 것으로, 복수의 층이 반드시 서로 직접 접할 필요는 없으며, 각 층의 사이에 여타의 기능을 갖는 하나 이상의 다른 층이 삽입될 수도 있음은 물론이다.
기판(10)은 서로 대향하는 상면 및 하면을 가지며, 화합물 반도체를 단결정 또는 에피택셜로 성장시키기에 적합한 기판(10)으로 형성된다. 상기 기판(10)은 사파이어, 질화 갈륨(GaN), 징크 옥사이드(ZnO), 실리콘 카바이드(SiC), 질화 알루미늄(AlN), 유리, 실리콘 또는 PET 등의 투광성 재료로 이루어질 수 있으나, 이들 재료에 특별히 한정되는 것은 아니다.
반도체 적층 구조물(60)은 n형 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 반도체층(50)을 포함하고, 상기 반도체 적층 구조물(60)은 기판(10)의 상면 상에 위치한다. 또한, n형 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 반도체층(50)은 각 도전형 불순물이 도핑된 화합물 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 n형 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 반도체층(50)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 질화 갈륨계 화합물 반도체 물질로 형성될 수 있으나, 이들 재료에 특별히 한정되는 것은 아니다.
n형 반도체층(30)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 화합물 반도체층으로 형성될 수 있으며, 상기 n형 도전형 불순물로는 예를 들어 Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.
활성층(40)은 하나의 양자 우물층 또는 더블 헤테로(double hetero) 구조 또는 InGaN/GaN층으로 구성된 다중 양자 우물층(Multi Quantum Well)으로 형성될 수 있다.
p형 반도체층(50)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있으며, 상기 p형 도전형 불순물 도핑으로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.
반도체 적층 구조물(60)은 기판(10) 상에 사파이어와 같은 물질로 형성되는 기판(10)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 GaN 버퍼층(20), n형/p형 클래드층, p형 캡층 등의 여러 가지 기능을 수행하는 기능성 층들을 추가적으로 더 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 식각 공정을 통하여 반도체 적층 구조물(60)의 일부를 제거하여 노출된 n형 반도체층(30)과 p형 반도체층(50)에는 각각 n형 전극(미도시)과 p형 전극(미도시)이 전기적으로 오믹(ohmic) 접촉되도록 형성될 수 있다. 투명 전극(70)은 반도체 적층 구조물(60) 상에 위치하며, 상기 투명 전극(70), n형 전극 및 p형 전극의 구조는 공지된 기술과 동일한바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
반사층(80)은 기판(10)의 하면 하, 즉 하면의 하부에 위치한다. 상기 반사층(80)은 반도체 적층 구조물(60)의 활성층(40)에서 발생되는 광을 하부로 방출되거나 흡수되어 소멸되지 않도록, 발광에 기여할 수 있는 상부 방향으로 광을 반사시키기 위한 층으로서, 금속으로 이루어져 거울면을 형성하는 금속 반사층이나 서로 다른 굴절율을 갖는 산화물층들(예를 들어, SiO2와 TiO2)를 교번 적층하여 형성하는 분산 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflecting layer: DBR층)일 수 있다. 또한, 기판(10)과의 접합성을 향상시키기 위하여 금속 반사층과 기판(10) 사이에 SiO2층을 더 포함하거나, 분사 브래그 반사층에서 SiO2층을 기판(10)에 접하도록 형성할 수 있다.
기판(10)의 하면에는 활성층(40)에서 발생되는 광의 입사각을 변화시켜 발광 다이오드 소자(100)의 상부 또는 측면으로 효과적으로 방출시키기 위한 제 1 광 추출 구조(14)가 형성된다. 즉, 반사층(80)의 반사면에 입사하는 광의 입사각과는 다른 입사각으로 광이 입사하도록 제 1 광 추출 구조(14)는 광의 입사각을 변화시키는 반사면 또는 굴절면을 갖고 있어, 활성층(40)으로부터 발생되어 화합물 반도체 구조를 통과하여 기판(10)의 하면에 도달하는 광을 다른 각도록 반사하거나 굴절하여 광의 경로를 변화시킴으로써, 발광 다이오드 소자(100)의 상부 또는 측면으로 광이 효과적으로 방출되도록 하기 위한 것으로, 반구형, 피라미드형, 콘형, 쐐기형, 삼각뿔형, 사각뿔형 또는 일 방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
제 1 광 추출 구조(14)는 볼록부 또는 도 2에 도시된 바와 같은 오목부가 다수 배열되는 요철 구조를 가질 수 있으며, 상기 볼록부 또는 오목부는 기판(10)의 하면을 패터닝하여 형성된다.
보다 상세하게는, 기판(10)의 하면에 볼록부 또는 오목부를 다수 배열하여 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하기 위하여는, 기판(10)의 하면에 원하는 형상의 개구부를 갖는 식각 마스크를 형성하여 습식 식각 또는 건식 식각의 방법으로 기판(10)을 패터닝하여 요철 구조를 형성한 후에, 기판(10)의 하면 하에 반사층(80)을 형성하여 상기 반사층(80)을 이루는 물질이 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부를 채움으로써 상기와 같은 요철 구조의 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하게 된다.
또한, 기판(10)의 하면에 형성되는 제 1 광 추출 구조(14)는 기판(10)의 하면 하에 산화물층(예를 들어, SiO2층)을 형성하고, 상기 산화물층을 식각 마스크를 이용하여 패터닝하여 요철 구조를 형성한 후에, 상기 요철 구조 상에 반사층(80)을 형성하여 이루어질 수도 있다. 그러나, 미세한 두께를 갖는 산화물층을 식각하는 것보다 소정의 두께를 갖는 기판(10)을 직접 식각하는 것이 보다 용이하고, 제조 공정의 추가에 따른 비용 상승의 문제 등을 고려할 때 기판(10)의 하면을 패터닝하여 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하는 것이 보다 효율적이다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100)의 기판(10) 상면에는 활성층(40)에서 발생되는 광의 입사각을 변화시켜, 화합물 반도체 구조를 통과하여 기판(10)의 내부로 진입되거나 발광 다이오드 소자(100)의 측면으로 효과적으로 방출시키기 위한 제 2 광 추출 구조(12)가 더 형성될 수 있다.
제 2 광 추출 구조(12)는 화합물 반도체 구조와 다른 굴절율을 가지고 있어 활성층(40)으로부터 광이 화합물 반도체 구조를 통과하여 기판(10)의 상면에 도달하면, 입사각을 변화시켜 이를 굴절 또는 반사하여 발광 다이오드 소자(100)의 상부 또는 측면으로 효과적으로 방출하기 위한 것으로, 반구형, 피라미드형, 콘형, 쐐기형, 삼각뿔형, 사각뿔형 또는 일 방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 제 2 광 추출 구조(12)는 기판(10)의 상면에 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 구조로 형성될 수 있다. 상기 요철 구조는 식각 마스크를 이용하여 기판(10)을 건식 또는 습식으로 패터닝하여 형성될 수 있으며, 이 경우 볼록부는 기판(10)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 사파이어 기판(10)의 경우 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부도 사파이어로 이루어지고 그 굴절률은 1.78로, 굴절률이 2.4인 질화 갈륨계 반도체 적층 구조를 광이 통과하여 볼록부에 도달하면 굴절률 차이로 인하여 볼록부에서 광의 경로가 굴절된다. 또한, 상기 볼록부는 기판(10)의 상면 상에 산화물층(예를 들어, 굴절률이 1.4인 SiO2층)을 형성하고, 이를 식각하여 형성할 수도 있음은 물론이다.
한편, 기판(10)의 상면에 형성되는 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부는 기판(10) 상에 형성되는 반도체 적층 구조물(60)의 성장을 위한 핵 생성 위치를 제공하기 위하여 서로 떨어져서 제공될 수 있다. 이와 같이 볼록부 사이의 일부가 노출된 기판(10) 상에 반도체 적층 구조물(60)을 형성하게 되면, 상기 반도체 적층 구조물(60)이 볼록부 사이에서 빈 공간을 형성하지 아니한 채 단결정 또는 에피택셜로 성장할 수 있게 된다.
또한, 제 2 광 추출 구조(12)는 기판(10)의 상면에서 기판(10) 내측으로 함몰되는 오목부로 형성될 수도 있다. 상기 오목부는 공기(굴절률 1), 산화물(예를 들어, 굴절률이 1.4인 SiO2) 또는 반도체 적층 구조물(60) 중의 적어도 하나로 채워질 수 있다. 위와 같 기판(10)의 상면에 오목부를 형성한 경우에는 굴절률이 2.4인 질화 갈륨계 반도체 적층 구조물(60)의 일부를 광이 통과하여 오목부에 도달하면 공기/반도체, 산화물, 반도체, 반도체/기판(10) 사이의 굴절률 차이로 인하여 광의 경로가 변화하게 된다.
한편, 도 2 (c)에 도시된 바와 같이, 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부 또는 오목부는 상기 제 1 광 추출 구조(14)에 형성되는 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 각각 배열되도록 형성될 수 있다. 상기 구조의 제 2 광 추출 구조(12)가 형성되는 발광 다이오드 소자(100)의 광 출력의 크기는 도 3의 타입 E와 관련하여 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 형태의 발광 다이오드 소자의 광 출력 크기를 도시하는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 광 경로를 도시하는 단면도이다.
보다 상세하게는, 도 3에 도시된 그래프는 종래 기술에 따른 기판(10)의 상면과 하면에 별도의 광 추출 구조가 형성되지 아니한 구조(이하, A 타입이라 함) 및 기판(10)의 상면에만 광 추출 구조가 형성되는 구조(이하, B 타입이라 함)의 광 출력 크기와, 본 발명의 실시예에 따른 기판(10)의 하면에 제 1 광 추출 구조(14)가 형성되는 구조(이하, C 타입이라 함), 기판(10)의 하면과 상면에 각각 제 1 광 추출 구조(14)와 제 2 광 추출 구조(12)가 형성되는 구조(이하, D 타입이라 함) 및 제 1 광 추출 구조(14)의 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부 또는 오목부를 각각 배열하는 구조(이하, E 타입이라 함)의 광 출력 크기를 비교하는 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, A 타입의 경우 발광 다이오드 소자(100)의 상부 면을 통하여 방출되는 광의 출력이 측면을 통하여 방출되는 광의 출력보다 크며, 하부 면에는 반사층(80)이 형성되어 하부 면을 통한 광 방출은 거의 일어나지 않으므로, 발광 다이오드 소자(100)의 전체 광 출력의 크기는 상부 면과 측면을 통한 광 출력을 합산한 것과 유사함을 알 수 있다.
기판(10)의 상면에만 광 추출 구조를 형성하는 B 타입의 경우, A 타입과 비교했을 때 발광 다이오드 소자(100)의 상부 면 또는 측면을 통하여 방출되는 광 출력 크기가 증가하여 전체적인 광 출력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으나, 기판(10)의 상면에만 광 추출 구조를 형성하는 경우에 충분한 광 출력의 향상이 일어나지 않게 된다.
일반적으로, 발광 다이오드 소자의 활성층에서 발생된 광은 상부면, 하부면 또는 측면으로 탈출할 수 있으나, 공기와 반도체층(예를 들어, 2.4의 굴절률을 갖는 질화 갈륨계 반도체층) 사이에서 발생하는 굴절률 차이로 인하여 발광 다이오드 소자의 측면으로 탈출할 수 있는 확률은 줄어든다. 한편, 하부면을 향하는 광이 사파이어 기판으로 들어가게 되면 기판 내부에서 흡수되거나 발광 다이오드 소자의 패키지에 의하여 흡수된다. 이에 사파이어 기판 하부에 반사층(80)을 형성하여(A 타입 참조), 발광 다이오드 소자의 패키지 등에 의해 흡수되는 확률을 최소화할 수 있으나, 반사층(80)에서 상부 방향으로 반사된 광 역시 사파이어 기판, 질화 갈륨계 반도체층, 공기의 높은 굴절률 차이에 의하여 구조 내에서 계속하여 내부 굴절 혹은 반사하여 소멸하게 된다. 따라서, 광 추출이 용이하고, 기판 및 반도체 적층 구조 내부에서의 광 경로가 길어져서 광 흡수가 많이 일어나지 않도록, 발광 다이오드 소자의 측면을 통하여 광이 추출되도록 하는 구조가 필요하게 된다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 기판(10)의 하면에 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하는 C 타입의 경우, A 타입의 경우와 비교했을 때 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 통하여 방출되는 광의 출력이 크게 증가하였으며, B 타입의 경우와 비교해도 광의 출력이 증가하였음을 알 수 있다. 한편, 상부 면을 통한 광 출력의 증가는 다소 증가하기는 하나, 측면을 통한 광 출력의 증가가 훨씬 더 커서 전체 광 출력의 증가는 주로 측면을 통한 광 출력의 증가에 기인하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 종래 기술에 따른 기판(10)의 상면에 광 추출 구조를 형성하는 구조에 비해 본 발명의 실시예에 따른 기판(10)의 하면에 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하는 구조의 광의 출력이 증가하는 이유는, 활성층(40)에서 하부면을 향하여 방출되는 빛들이 반사층(80)에 입사하는 입사각과는 다른 입사각으로 제 1 광 추출 구조(14)에 입사하게 되면, 입사된 빛이 제 1 광 추출 구조(14)의 반사면 또는 굴절면에서 반사 또는 굴절되어 발광 다이오드 소자의 측면을 향하도록 하고, 또한 발광 다이오드 소자(100)의 측면에서 다시 내부 반사 또는 내부 굴절이 일어나지 않고 발광 다이오드 소자(100)의 측면으로 보다 많은 양의 광이 방출되기 때문이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기판(10)의 하면과 상면에 각각 제 1 광 추출 구조(14)와 제 2 광 추출 구조(12)가 형성되는 D 타입의 경우, 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 통하여 방출되는 광의 출력이 크게 증가하여 전체적인 광량이 증가하였음을 알 수 있으며, E 타입과 같이 제 1 광 추출 구조(14)의 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부 또는 오목부를 각각 배열하는 구조의 경우 D 타입에 비해서 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 통하여 방출되는 광의 출력이 더욱 증가하였다. 또한, E 타입 발광 다이오드 소자(100)의 경우 일반적인 A 타입이나 B 타입의 발광 다이오드 소자(100)에 비하여 측면을 통하여 방출되는 광 출력은 두 배 이상 향상되는 것을 알 수 있다.
이는, 제 1 광 추출 구조(14) 및 제 2 광 추출 구조(12)에 의하여 발광 다이오드 소자(100) 내에서 내부 굴절로 의하여 소멸될 수 있는 광의 입사각을 변화시켜 측면으로 용이하게 방출되기 때문인 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 C 타입,D 타입 및 E 타입의 경우 종래 기술에 비하여 측면으로 방출되는 광의 광 출력이 매우 효과적으로 향상되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(10) 및 p형 반도체층(50), 활성층(40), n형 반도체층(30)을 포함하는 반도체 적층 구조물(60) 중 적어도 하나의 측면이 기판(10)의 수직 방향에 대하여 경사지도록 형성하여 기판(10)의 하면으로부터 측면으로 반사되는 광을 더욱 효과적으로 방출하게 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 기판(10) 및 반도체 적층 구조물(60) 중 적어도 하나 이상을 상부로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 측면으로 더욱 용이하면서도 더욱 많은 양의 광을 방출할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈 및 광 경로를 도시하는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 모듈은 상기한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100); 및 상기 발광 다이오드 소자(100)를 내부에 수용하고, 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 컵의 형상으로 형성되어, 상기 발광 다이오드 소자(100)의 측면으로 방출되는 광을 상부로 반사하는 반사 컵(200)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 기판(10)의 하면에 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하는 경우 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 통하여 방출되는 광의 출력이 크게 증가하여 전체적인 광량이 증가하는 바, 금속으로 이루어지거나 내부의 경사면과 바닥면이 거울면 코팅(Mirror Coating)된 반사 컵(200)에 의하여 발광 다이오드 소자(100)의 측면으로 방출되는 광을 상부로 굴절시켜 광 추출 효율을 향상시키고, 발광 손실을 최소화할 수 있게 된다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자의 구조와 관련하여 상기 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100)의 제조 방법은 기판(10)의 하면을 패터닝하는 과정; 상기 기판(10)의 하면 하에 반사층(80)을 형성하는 과정; 및 상기 기판(10)의 상면 상에 n형 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 반도체층(50)을 포함하는 반도체 적층 구조물(60)을 형성하는 과정을 포함한다. 또한, 상기 기판(10)의 하면을 패터닝하는 과정은 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 형상으로 제 1 광 추출 구조(14)를 형성할 수 있으며, 상기 제 1 광 추출 구조(14)의 형상은 반구형, 피라미드형, 콘형 쐐기형 또는 일 방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
제 1 광 추출 구조(14)는 발광 다이오드 소자(100)의 측면으로 입사하는 광의 입사각을 변화시키는 반사면 또는 굴절면을 갖고 있어, 활성층(40)으로부터 발생되어 화합물 반도체 구조를 통과하여 기판(10)의 하면에 도달하는 광을 다른 각도로 반사하거나 굴절하여 광의 경로를 변화시킴으로써 발광 다이오드 소자(100)의 상부 또는 측면으로 광이 효과적으로 방출되도록 한다. 즉, 제 1 광 추출 구조(14)에 의하여 더 많은 양의 광이 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 향하도록 반사되거나 굴절되고, 아울러 제 1 광 추출 구조(14)에 의하여 반사되거나 굴절된 광은 발광 다이오드 소자(100)의 측면에 일반적인 경우보다 큰 입사각으로 입사하여 발광 다이오드 소자(100)의 측면에서 내부를 향하여 다시 반사되거나 굴절되지 않고 외부로 방출될 수 있게 된다.
기판(10)의 하면에 볼록부 또는 오목부를 다수 배열하여 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하기 위하여는, 기판(10)의 하면에 원하는 형상의 개구부를 갖는 식각 마스크를 형성하여 습식 식각 또는 건식 식각의 방법으로 기판(10)을 패터닝하여 요철 구조를 형성한 후에, 기판(10)의 하면 하에 반사층(80)을 형성하여 상기 반사층(80)을 이루는 물질이 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부를 채움으로써 상기와 같은 요철 구조의 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하게 된다.
여기서, 상기 제 1 광 추출 구조(14)는 기판(10)의 하면 하에 산화물층(예를 들어, SiO2층)을 형성하고, 상기 산화물층을 식각 마스크를 이용하여 패터닝하여 요철 구조를 형성한 후에, 기판(10)의 하면 하에 반사층(80)을 형성하여 이루어질 수도 있으나, 미세한 두께를 갖는 산화물층을 식각하는 것보다 소정의 두께를 갖는 기판(10)을 직접 식각하는 것이 보다 용이하고, 제조 공정의 추가에 따른 비용 상승의 문제 등을 고려할 때 기판(10)의 하면을 패터닝하여 제 1 광 추출 구조(14)를 형성하는 것이 보다 효율적임은 전술한 바와 같다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 소자(100)의 제조 방법은 기판(10)의 상면을 패터닝하여 제 2 광 추출 구조(12)를 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
제 2 광 추출 구조(12)는 화합물 반도체 구조와 다른 굴절율을 가지고 있어 활성층(40)으로부터 광이 화합물 반도체 구조를 통과하여 기판(10)의 상면에 도달하면, 입사각을 변화시켜 이를 굴절 또는 반사하여 발광 다이오드 소자(100)의 상부 또는 측면으로 효과적으로 방출하기 위한 것으로, 반구형, 피라미드형, 콘형, 쐐기형, 삼각뿔형, 사각뿔형 또는 일 방향으로 연장되는 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 제 2 광 추출 구조(12)는 기판(10)의 상면에 볼록부 또는 오목부가 다수 배열되는 요철 구조로 형성될 수 있다. 상기 요철 구조는 식각 마스크를 이용하여 기판(10)을 건식 또는 습식으로 패터닝하여 형성될 수 있으며, 이 경우 볼록부는 기판(10)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
뿐만 아니라, 기판(10)의 상면을 패터닝하는 과정에서 기판(10)의 하면에 형성되는 제 1 광 추출 구조(14)의 볼록부 또는 오목부 사이에 대응하는 위치에 기판(10)의 상면에 형성되는 제 2 광 추출 구조(12)의 볼록부 또는 오목부를 각각 배열되도록 형성하는 경우 발광 다이오드 소자(100)의 측면을 통하여 방출되는 광의 출력이 더욱 증가함은 전술한 바와 같다.
본 발명의 실시예에 다른 발광 다이오드 소자(100)의 제조 방법은 기판(10) 및 p형 반도체층(50), 활성층(40), n형 반도체층(30)을 포함하는 반도체 적층 구조물(60) 중 적어도 하나의 측면을 경사지도록 형성하여 기판(10)의 하면으로부터 측면으로 반사되는 광을 더욱 효과적으로 방출하게 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 기판(10) 및 반도체 적층 구조물(60) 중 적어도 하나 이상을 상부로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성하여 측면으로 방출되는 광을 상부로 용이하게 굴절되도록 할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 기판 12: 제 2 광 추출 구조
14: 제 1 광 추출 구조 20: 버퍼층
30: n형 반도체층 40: 활성층
50: p형 반도체층 60: 반도체 적층 구조물
70: 투명 전극 80: 반사층
100: 발광 다이오드 소자 200: 반사 컵

Claims (12)

  1. 대향하는 상면 및 하면을 가지며, 상기 상면 및 하면에 볼록부 또는 오목부가 이격되어 다수 배열되는 요철 구조가 형성되는 기판;
    n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하고, 상기 기판의 상면 상에 위치하는 반도체 적층 구조물; 및
    상기 기판의 하면 하에 위치하는 반사층을 포함하고,
    상기 기판의 상면에 형성되는 볼록부 또는 오목부는 상기 기판의 하면에 형성되는 볼록부 또는 오목부 사이의 대응하는 위치에 각각 배열되며,
    상기 기판의 하면에는 상기 기판의 하면에 형성된 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부를 반사층으로 채워 제 1 광 추출 구조가 형성되고,
    상기 기판의 상면에는 상기 기판의 상면에 형성된 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부를 반도체 적층 구조물로 채워 제 2 광 추출 구조가 형성되고,
    상기 기판 및 반도체 적층 구조물 중 적어도 하나의 측면은 상부로 갈수록 폭이 좁아지도록 상기 기판의 수직 방향에 대하여 경사 형성되어, 상기 제 1 광 추출 구조에 의하여 반사되는 광 및 상기 제 2 광 추출 구조에 의하여 굴절 또는 반사되는 광을 상기 경사 형성된 측면으로 방출하는 발광 다이오드 소자.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼록부 또는 오목부는 상기 기판의 상면 및 하면을 각각 패터닝하여 형성되는 발광 다이오드 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 3 중 어느 한 항의 발광 다이오드 소자; 및
    상기 발광 다이오드 소자를 내부에 수용하고, 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 컵의 형상으로 형성되어 상기 발광 다이오드 소자의 측면으로 방출되는 광을 상부로 반사하는 반사 컵을 포함하는 발광 다이오드 모듈.
  8. 기판의 상면 및 하면을 각각 패터닝하여 볼록부 또는 오목부가 이격되어 다수 배열되는 요철 구조를 형성하는 과정;
    상기 기판의 하면 하에 반사층을 형성하는 과정; 및
    상기 기판의 상면 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물을 형성하는 과정을 포함하고,
    상기 반사층을 형성하는 과정 중에 상기 반사층을 이루는 물질을 상기 기판의 하면에 형성되는 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부에 채움으로써 제 1 광 추출 구조를 형성하고,
    상기 반도체 적층 구조물을 형성하는 과정 중에 상기 반도체 적층 구조물을 이루는 물질을 상기 기판의 상면에 형성되는 볼록부의 사이 또는 오목부의 적어도 일부에 채움으로써 제 2 광 추출 구조를 형성하고,
    상기 제 1 광 추출 구조에 의하여 반사되는 광 및 상기 제 2 광 추출 구조에 의하여 굴절 또는 반사되는 광을 측면으로 방출시키기 위하여, 상기 기판 및 반도체 적층 구조물 중 적어도 하나의 측면을 상부로 갈수록 폭이 좁아지도록 상기 기판의 수직 방향에 대하여 경사지도록 형성하는 과정을 더 포함하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록부 또는 오목부는 상기 기판의 상면 및 하면을 각각 건식 또는 습식 식각하여 형성하는 발광 다이오드 소자의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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