KR102145193B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L2224/29294—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a liquid not provided for in groups H01L2224/292 - H01L2224/29291
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    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/8038—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/80399—Material
    • H01L2224/804—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/80463—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/80466—Titanium [Ti] as principal constituent
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    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
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    • H01L2224/80399—Material
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    • H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
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    • H01L2224/81463—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
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    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
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    • H01L2224/95101—Supplying the plurality of semiconductor or solid-state bodies in a liquid medium
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    • H01L2224/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H01L2224/9512—Aligning the plurality of semiconductor or solid-state bodies
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    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L2933/0008—Processes
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    • H01L2933/0066—Processes relating to semiconductor body packages relating to arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body
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    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • H01L33/0016—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions having at least two p-n junctions
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate
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    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0095—Post-treatment of devices, e.g. annealing, recrystallisation or short-circuit elimination
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
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    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
    • H01L33/382—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape the electrode extending partially in or entirely through the semiconductor body
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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자,및 상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며, 상기 반도체 발광소자는, 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극, 및 상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고, 상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위하여, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 소자(OLED) 디스플레이, 그리고 마이크로 LED 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 백라이트에 의해 생성된 광의 낮은 효율 등의 문제점이 존재하고, OLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않을 뿐 아니라 효율이 낮은 취약점이 존재한다.
이에 반해, 디스플레이에 100 마이크론 이하의 직경 또는 단면적을 가지는 반도체 발광소자(마이크로 LED (uLED))를 사용하면 디스플레이가 편광판 등을 사용하여 빛을 흡수하지 않기 때문에 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. 그러나 대형 디스플레이에는 수백만 개의 반도체 발광소자들을 필요로 하기 때문에 다른 기술에 비해 소자들을 전사하는 것이 어려운 단점이 있다.
전사공정으로 현재 개발되고 있는 기술은 픽앤플레이스(pick & place), 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 자가조립 등이 있다. 이 중에서, 자가조립 방식은 유체내에서 반도체 발광소자가 스스로 위치를 찾아가는 방식으로서, 대화면의 디스플레이 장치의 구현에 가장 유리한 방식이다.
최근에는 미국등록특허 제9,825,202에서 자가조립에 적합한 마이크로 LED 구조를 제시한 바 있으나, 아직 마이크로 LED의 자가조립을 통하여 디스플레이를 제조하는 기술에 대한 연구가 미비한 실정이다. 또한,
마이크로 LED를 전사하여 디스플레이로 만들기 위해서는 각 마이크로 LED에 전류 혹은 전압을 인가하기 위한 전기적 연결(즉, 배선)이 필수적이므로, 마이크로 LED의 자가조립에서도 배선을 고려한 새로운 형태의 구조 및 제조방법이 제시될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 마이크로 크기의 반도체 발광소자를 사용한 대화면 디스플레이에서, 높은 신뢰성을 가지는 새로운 제조공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 반도체 발광소자를 배선기판으로 자가조립할 때에, 조립 방향을 제어발 수 있는 디스플레이의 제조공정 및 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 배선기판의 수용홈과 반도체 발광소자가 비대칭 형상을 가지며, 이를 이용하여 수평형 칩으로 자가조립을 수행함에 있어서, 조립 방향도 확보되면서 조립 후 배선 공정도 단순하게 될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자, 및 상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며, 상기 반도체 발광소자는, 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극, 및 상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고, 상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가진다.
실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가질 수 있다. 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층의 단면은, 원형부분, 및 상기 원형부분의 양단을 연결하는 직선부분을 구비할 수 있다. 또는, 상기 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며, 상기 수용홈은 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 상기 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가진다.
상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 제1배선전극 및 제2배선전극과 각각 연결되고, 상기 제1배선전극 및 제2배선전극은 상기 패시베이션층의 일면으로 연장될 수 있다. 상기 기판은 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 복수의 페어 전극들을 구비할 수 있다. 상기 제1배선전극과 제2배선전극은 상기 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 복수의 페어 전극들의 반대측에 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기판을 조립위치로 이송하고, 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계와, 상기 유체 챔버내에서 상기 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 반도체 소자들을 상기 기판의 수용홈에 조립하는 단계, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결하는 단계를 포함하며, 상기 반도체 발광소자들이 상기 수용홈에 조립되면, 상기 반도체 발광소자들의 도전형 전극들이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 도전형 반도체층 중 적어도 하나는 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법을 개시한다.
실시 예에 있어서, 상기 조립하는 단계는, 상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 자기력을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기장을 가하는 단계, 및 상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 수용홈에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 수용홈으로 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 마이크로 발광 다이오드로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다. 또한, 본 발명은, 수용홈과 반도체 발광소자의 비대칭 형상을 이용하여 자가조립을 수행함에 의하여, 수평형 반도체 발광소자의 조립 방향을 확보하고, 조립 후 배선 공정도 단순하게 할 수 있는 장점을 가진다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적의 기판으로 바로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 기판 상에서 반도체 발광소자의 배선을 진행함에 따라, 임시기판이 없이 반도체 발광소자를 배선기판으로 바로 전사하는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 제조방법 및 장치에 따르면, 용액 중에 자기장과 전기장을 이용하여 반도체 발광소자를 정위치에 동시 다발적으로 전사함으로, 부품의 크기나 개수, 전사 면적에 상관없이 저비용, 고효율, 고속 전사 구현이 가능하다.
나아가, 전기장에 의한 조립이기 때문에 별도의 추가적인 장치나 공정없이 선별적 전기적 인가를 통하여 선택적 조립이 가능하게 된다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색의 마이크로 엘이디를 원하는 위치에 선택적으로 조립할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다.
도 8a 내지 도 8g는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 배선기판에 자가조립 후 디스플레이 장치를 제조하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 10a 내지 도 10d은 본 발명의 반도체 발광소자의 변형예를 나타내는 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 피씨(Slate PC), Tablet PC, Ultra Book, 디지털 TV, 디지털 사이니지, 헤드 마운팅 디스플레이(HMD), 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 디스플레이 모듈(140)에서 출력될 수 있다. 상기 디스플레이 모듈의 테두리를 감싸는 폐루프 형태의 케이스(101)가 상기 디스플레이 장치의 베젤을 형성할 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(140)은 영상이 표시되는 패널(141)을 구비하고, 상기 패널(141)은 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)와 상기 반도체 발광소자(150)가 장착되는 배선기판(110)을 구비할 수 있다.
상기 배선기판(110)에는 배선이 형성되어, 상기 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152) 및 p형 전극(156)과 연결될 수 있다. 이를 통하여, 상기 반도체 발광소자(150)는 자발광하는 개별화소로서 상기 배선기판(110) 상에 구비될 수 있다.
상기 패널(141)에 표시되는 영상은 시각 정보로서, 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 상기 배선을 통하여 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다.
본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자(150)의 일 종류로서 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 예시한다. 상기 마이크로 LED는 100마이크로 이하의 작은 크기로 형성되는 발광 다이오드가 될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(150)는 청색, 적색 및 녹색이 발광영역에 각각 구비되어 이들의 조합에 의하여 단위 화소가 구현될 수 있다. 즉, 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미하며, 상기 단위 화소 내에 적어도 3개의 마이크로 LED가 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 수직형 구조가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156) 상에 형성된 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154)상에 형성된 n형 반도체층(153), 및 n형 반도체층(153) 상에 형성된 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(156)은 배선기판의 p전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(152)은 반도체 발광소자의 상측에서 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(150)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다른 예로서 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
이러한 예로서, 상기 반도체 발광 소자(250)는 p형 전극(256), p형 전극(256)이 형성되는 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254) 상에 형성된 n형 반도체층(253), 및 n형 반도체층(253) 상에서 p형 전극(256)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(256)과 n형 전극(152)은 모두 반도체 발광소자의 하부에서 배선기판의 p전극 및 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 n형 반도체층(253)과 n형 전극(252)은 제1도전형 반도체층과 제1도전형 전극으로 정의될 수 있고, 상기 p형 전극(256) 및 p형 반도체층(255)은 제2도전형 전극과 제2도전형 반도체층으로 정의될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, n형이 제2도전형이고, p형이 제1도전형으로 정의될 수 있다.
상기 수직형 반도체 발광소자와 수평형 반도체 발광소자는 각각 녹색 반도체 발광소자, 청색 반도체 발광소자 또는 적색 반도체 발광소자가 될 수 있다. 녹색 반도체 발광소자와 청색 반도체 발광소자의 경우에 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 녹색이나 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 반도체 발광소자는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있으며, 구체적으로 상기 p형 반도체층은 P-type GaN 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaN 이 될 수 있다. 다만, 적색 반도체 발광소자의 경우에는, 상기 p형 반도체층은 P-type GaAs 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaAs 가 될 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 p 전극 쪽은 Mg가 도핑된 P-type GaN 이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다. 이 경우에, 전술한 반도체 발광소자들은 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드가 매우 작기 때문에 상기 디스플레이 패널은 자발광하는 단위화소가 고정세로 배열될 수 있으며, 이를 통하여 고화질의 디스플레이 장치가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에서는 웨이퍼 상에서 성장되어, 메사 및 아이솔레이션을 통하여 형성된 반도체 발광소자가 개별 화소로 이용된다. 이 경우에, 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)는 웨이퍼에 상기 디스플레이 패널의 기판 상의 기설정된 위치로 전사되어야 한다. 이러한 전사기술로 픽앤플레이스(pick and place)가 있으나, 성공률이 낮고 매우 많은 시간이 요구된다. 다른 예로서, 스탬프나 롤을 이용하여 한 번에 여러개의 소자를 전사하는 기술이 있으나, 수율에 한계가 있어 대화면의 디스플레이에는 적합하지 않다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 디스플레이 장치의 새로운 제조방법 및 제조장치으로 유체를 이용한 자가조립을 제시한다.
이를 위하여, 이하, 먼저 상기 플립칩 타입 반도체 발광 소자의 새로운 구조에 대하여 살펴본다.
본 발명의 반도체 발광소자는, 비대칭형 마이크로 LED의 구조를 가진다. 구체적으로, 상기 반도체 발광소자가 상기 배선기판의 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, n형 반도체층(253)이 비대칭 형상이고, p형 반도체층(255)는 대칭 형상이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 n형 반도체층(253)의 단면은 원형부분(253a) 및 직선부분(253b)을 구비할 수 있다. 상기 n형 반도체층(253)은 측면의 일부가 잘린 원기둥 형상으로서, 상측에서 바라보는 경우에 상기 원형부분(253a)의 양단을 상기 직선부분(253b)이 연결하는 형상을 가질 수 있다. 이에 반해, 상기 p형 반도체층(255)은 상기 직선부분이 보다 내측에 배치되는 구조가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 p형 반도체층(255)은 원형 또는 타원형의 단면을 가지는 것도 가능하다.
이 경우에, 상기 타방향은 상기 직선부분(253b)의 중심에 수직한 중심축(A1)을 따르는 방향이 될 수 있으며, 상기 일방향은 상기 직선부분(253b)과 평행하며, 상기 원형의 중심을 지나는 중심축(A2)을 따르는 방향이 될 수 있다. 이 때에, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치된다. 구체적으로, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 직선부분(253b)에 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
반도체 발광소자에서 면적이 가장 큰 부분이 n형 반도체층(253)이므로, 상기 n형 반도체층(253)의 형상에 부합하도록 배선기판(261)의 수용홈(290)의 형상이 설정될 수 있다. 따라서, 상기 배선기판(261)의 수용홈(290)은 원형부(290a) 및 직선부(290b, 이상 도 6 참조)를 구비할 수 있으며, 상기 원형부(290a)의 양단을 상기 직선부(290b)가 연결한다.
이러한 반도체 발광소자의 구조에 의하면, 상기 수용홈(290)에 상기 반도체 발광소자가 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극의 상대 위치가 항상 일정하게 될 수 있다. 따라서, 상기 반도체 발광소자의 직선 부분은 조립가이드가 될 수 있다.
한편, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비할 수 있다. 이러한, 자성체를 이용하여 추후 설명하는 자가조립에서 자기력을 이용할 수 있게 된다.
구체적인 예로서, 상기 n형 전극(252)은 상기 자성체를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 p형 전극(256)이 상기 자성체를 구비하는 것도 가능하다. 여기서 상기 자성체는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, SmCo 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
자성체는 입자 형태로 상기 n형 전극(252)에 구비될 수 있다. 또한, 이와 다르게, 자성체를 포함한 도전형 전극은, 도전형 전극의 일 레이어가 자성체로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 도 9에 도시된 것과 같이, 반도체 발광소자의 n형 전극(252)은, 제1층(252a) 및 제2층(252b)을 포함할 수 있다. 여기에서, 제1층(252a)은 자성체를 포함하도록 이루어질 수 있고, 제2층(252b)는 자성체가 아닌 금속소재를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1층(252a) 및 제2층(252b)의 사이에는 서로 다른 금속재질의 결합을 위하여, 버퍼금속(252c)이 배치될 수 있다.
또한, 본 예시에서는 자성체를 포함하는 제1층(252a)과 n형 반도체층(253)의 사이에는 또 다른 버퍼금속(252d)이 배치될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다른 예로, 상기 버퍼금속(252d)이 없이 상기 제1층(252a)이 n형 반도체층(253)과 맞닿도록 배치될 수 있다.
이 경우, 제1층(252a)은, 제2층(252b)과 제2도전형 반도체층(253) 사이에 배치된다. 상기 제2층(252b)은 배선기판의 제2전극과 연결되는 컨택 메탈이 될 수 있다.
상기와 같이 구성된 반도체 발광소자는 수평형이므로, n, p 배선을 동시에 할 수 있어서, 디스플레이 장치의 제조시에 비용과 시간이 절감될 수 있다. 이 경우에, 도너가 아닌 디스플레이 패널에 직접 전사할 수 있어서, 전사수율 극대화가 가능하게 된다. 본 발명에서는 이러한 반도체 발광소자의 구조를 이용하여, 이러한 효과를 발휘하기 위하여, 새로운 제조방법 및 제조장치를 제시한다.
이하, 먼저 디스플레이 장치의 새로운 제조방법에 대하여 살펴본다. 도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
본 명세서에서는, 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다. 또한, 수평형 반도체 발광소자를 이용하는 방식에 대하여 예시하나, 이는 수직형 반도체 발광소자를 자가조립하는 방식에도 적용 가능하다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(259)에 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254), 제2 도전형 반도체층(255)을 각각 성장시킨다(도 5a).
제1도전형 반도체층(253)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층(253) 상에 활성층(254)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(254) 상에 제2도전형 반도체층(255)을 성장시킨다. 이와 같이, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2도전형 반도체층(255)을 순차적으로 성장시키면, 도 5a에 도시된 것과 같이, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2도전형 반도체층(255)이 적층 구조를 형성한다.
이 경우에, 상기 제1도전형 반도체층(253)은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 반도체층(255)은 p형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 p형이 되고 제2도전형이 n형이 되는 예시도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 상기 활성층이 존재하는 경우를 예시하나, 전술한 바와 같이 경우에 따라 상기 활성층이 없는 구조도 가능하다. 이러한 예로서, 상기 p형 반도체층은 Mg가 도핑된 P-type GaN 이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다.
성장기판(259)(웨이퍼)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(259)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
다음으로, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)의 적어도 일부를 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 5b).
보다 구체적으로, 복수의 발광소자들이 어레이를 형성하도록, 아이솔레이션(isolation) 및 메사를 수행한다. 즉, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)을 수직방향으로 식각하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다.
수평형 반도체 발광소자를 이 단계에서 형성하기 위하여, 상기 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 제1도전형 반도체층(253)이 외부로 노출되는 메사 공정과, 이후에 제1도전형 반도체층을 식각하여 복수의 반도체 발광소자 어레이를 형성하는 아이솔레이션(isolation)이 수행될 수 있다. 이 경우에, 상기 반도체 발광소자는 지름 100um이하의 원형 크기로 아이솔레이션될 수 있다.
다음으로, 상기 제1도전형 반도체층(253)의 일면 상에 제1도전형 전극(252, 또는 n형 전극)를 형성하고, 상기 제2도전형 반도체층(255)의 일면 상에 제2도전형 전극(256, 또는 p형 전극)를 형성한다(도 5c).
상기 도전형 전극들은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층이 각각 n형 반도체층과 p형 반도체층인 경우에는, 상기 제2도전형 전극(256)은 n형 전극이 되는 것도 가능하다.
이 때에, 상기 제1도전형 전극(252) 및 제2도전형 전극(256) 중 적어도 하나는 자성체(257)를 가질수 있다. 상기 자성체(257)는 칩 상에 형성되는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, Sn, Fe, Co 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
그 다음에, 상기 성장기판(259)을 제거하여 복수의 반도체 발광소자(250)를 구비한다. 예를 들어, 성장기판(259)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다(도 5d).
이후에, 유체가 채워진 챔버에서 복수의 반도체 발광소자(250)이 기판에 안착되는 단계가 진행된다(도 5e).
예를 들어, 유체가 채워진 챔버 속에 상기 반도체 발광소자들(250a) 및 기판을 넣고 유동, 중력, 표면 장력 등을 이용하여 상기 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판에 스스로 조립되도록 한다.
본 발명에서는, 상기 기판은 배선기판(261)이 될 수 있다. 즉, 배선기판(261)을 유체 챔버내에 넣어, 상기 반도체 발광소자들(250)이 배선기판(261)에 바로 안착되도록 한다.
한편, 상기에서 설명된 자가조립 방법은 대화면 디스플레이의 제조에 적용하려면, 전사수율을 높여야만 한다. 본 발명에서는 전사수율을 높이기 위한 방법과 장치를 제안한다.
이 경우, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자에 상기 자성체에 자기력을 가하여 반도체 발광소자를 이동시키고, 이동과정에서 전기장을 이용하여 상기 반도체 발광소자를 기설정된 위치에 안착시킨다. 이하에서는, 이러한 전사 방법과 장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이고, 도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다. 또한, 도 8a 내지 도 8g는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 유체 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 유체 챔버(162)는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비한다. 상기 공간에는 유체가 채워질 수 있으며, 상기 유체는 조립용액으로서 물 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 유체 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 유체 챔버(162)에는 기판(261)이 상기 반도체 발광소자들(250)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(261)은 이송부에 의하여 조립위치로 이송되며, 상기 이송부는 기판이 장착되는 스테이지(165)를 구비할 수 있다. 상기 스테이지(165)가 제어부에 의하여 위치조절되며, 이를 통하여 상기 기판(261)은 상기 조립위치로 이송될 수 있다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(261)의 조립면이 상기 유체 챔버(162)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(261)의 조립면은 상기 유체 챔버(162)내의 유체에 잠기도록 배치된다. 따라서, 상기 반도체 발광소자(250)는 상기 유체내에서 상기 조립면으로 이동하게 된다.
상기 기판(261)은 전기장 형성이 가능한 조립기판이자, 이후에 배선이 형성되는 배선기판으로서, 베이스부(261a), 유전체층(261b) 및 복수의 전극들(261c, 261d)을 포함할 수 있다.
상기 베이스부(261a)는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 상기 복수의 전극들(261c)은 상기 베이스부(261a)의 일면에 패턴된 박막 또는 후막 bi-planar 전극이 될 수 있다. 상기 전극(261c)은 예를 들어, Ti/Cu/Ti 의 적층, Ag 페이스트 및 ITO 등으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전극(261c)는 상기 기판 상에서 배치되며, 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 제1전극 및 제2전극을 구비하는 복수의 페어 전극들이 될 수 있다.
상기 유전체층(261b)은, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등의 무기 물질로 이루어질 있다. 이와 다르게, 유전체층(261b)은, 유기 절연체로서 단일층이거나 멀티층으로 구성될 수 있다. 유전체층(261b)의 두께는, 수십 nm~수μm의 두께로 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 배선기판(261)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 수용홈(290)을 포함한다.
예를 들어, 반도체 발광소자들(250)이 배선기판(261)에 안착하는 것이 용이하도록, 상기 배선기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 끼워지는 수용홈(290)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 배선기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 배선전극에 얼라인되는 위치에 상기 반도체 발광소자들(250)이 안착되는 수용홈(290)이 형성된다. 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 유체 내에서 이동하다가, 상기 수용홈(290)에 조립된다.
상기 수용홈(290)은 일방향을 따라 순차적으로 배치되며, 셀을 구성할 수 있다. 수용홈(290)의 내부는 격벽(291)에 의하여 한정되는 공간이 될 수 있다. 상기 홈의 형상은 반도체 발광소자의 형상과 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 상기 수용홈(290)은, 전술한 바와 같이 상기 반도체 발광소자의 비대칭 형상에 부합하도록 비대칭 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 배선기판의 수용홈은 원형부(290a) 및 직선부(290b)를 구비할 수 있으며, 상기 원형부(290a)의 양단을 상기 직선부(290b)가 연결한다.
상기 수용홈(290)을 이루는 격벽(291)은, 이웃하는 셀들과 공유되도록 이루어진다. 이 경우에, 상기 격벽(291)은 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 격벽(291)은 상기 베이스부(261a)에서 돌출되며, 상기 격벽(291)에 의하여 상기 수용홈(290)이 일방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수용홈(290)은 열과 행 방향으로 각각 순차적으로 배치되며, 매트릭스 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 추후 공정에 의하여 상기 수용홈(290)의 내부에 상기 격벽(291)과 동일한 재질의 물질이 충전될 수 있다. 따라서, 상기 격벽(291)은 상기 반도체 발광소자들을 감싸는 패시베이션층으로 형태가 변형될 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 복수의 전극들은 상기 기판 상에서 배치되며, 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 제1전극 및 제2전극을 구비하고, 상기 제1전극 및 제2전극은 페어 전극(261c)으로 지칭될 수 있다. 본 발명에서는 상기 페어 전극(261c)이 복수로 구비되어, 각각의 수용홈의 바닥에 배치될 수 있다. 상기 제1전극 및 제2전극은 각각 전극라인으로 이루어지며, 상기 복수의 전극라인은 이웃한 셀로 연장되도록 이루어질 수 있다.
페어 전극들(261c)은 상기 수용홈(290)의 하측에 배치되며, 서로 다른 극성이 각각 인가되어 상기 수용홈(290) 내에 전기장을 생성한다. 상기 전기장 형성을 위하여, 상기 페어 전극들(261c)을 상기 유전체층이 덮고, 상기 유전체층이 상기 수용홈(290)의 바닥을 형성할 수 있다. 이런 구조에서, 각 수용홈(290)의 하측에서 페어 전극(261c)에 서로 다른 극성이 인가되면 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의하여 상기 수용홈(290)의 내부로 상기 반도체 발광소자가 삽입될 수 있다.
상기 조립위치에서 상기 기판(261)의 전극들은 전원공급부(171)와 전기적으로 연결된다. 상기 전원공급부(171)는 상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하는 기능을 수행한다.
도시에 의하면, 상기 자가조립 장치는 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하기 위한 자석(163)을 구비할 수 있다. 상기 자석(163)은 상기 유체 챔버(162)와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가하도록 이루어진다. 상기 자석(163)은 상기 기판(261)의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치될 수 있으며, 상기 자석(163)과 연결되는 위치 제어부(164)에 의하여 상기 자석의 위치가 제어된다. 상기 자석(163)의 자기장에 의하여 상기 유체내에서 이동하도록, 상기 반도체 발광소자(250)는 자성체를 구비할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 보다 구체적으로, 상기 자가조립 장치는 상기 유체 챔버의 상부에 x,y,z 축으로 자동 또는 수동으로 움직일 수 있는 자석 핸들러를 구비하거나, 상기 자석(163)을 회전시킬 수 있는 모터를 구비할 수 있다. 상기 자석 핸들러 및 모터는 상기 위치 제어부(164)를 구성할 수 있다. 이를 통하여, 상기 자석(163)은 상기 기판(261)과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 유체 챔버(162)에는 광투과성의 바닥판(166)이 형성되고, 상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판(166)과 상기 기판(161)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 바닥판(166)을 통하여 상기 유체 챔버(162)의 내부를 모니터링하도록, 이미지 센서(167)가 상기 바닥판(166)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 이미지 센서(167)는 제어부(172)에 의하여 제어되며, 기판(261)의 조립면을 관찰할 수 있도록 inverted type 렌즈 및 CCD 등을 구비할 수 있다.
상기에서 설명한 자가조립 장치는 자기장과 전기장을 조합하여 이용하도록 이루어지며, 이를 이용하면, 상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 전기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착될 수 있다. 이러한 새로운 제조공법은 도 5e를 참조하여 전술한 자가조립 방법의 상세한 예가 될 수 있다. 이하, 상기에서 설명한 자기조립 장치를 이용한 조립과정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 5a 내지 도 5d에서 설명한 과정을 통하여 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들(250)을 형성한다. 이 경우에, 도 5c의 제2도전형 전극을 형성하는 과정에서, 자성체를 상기 반도체 발광소자에 증착할 수 있다.
다음으로, 기판(261)을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들(250)을 유체 챔버(162)에 투입한다(도 8a).
전술한 바와 같이, 상기 기판(261)의 조립위치는 상기 기판(261)의 상기 반도체 발광소자들(250)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250) 중 일부는 유체 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 유체 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(250)이 수직방향으로 떠오르도록 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가한다(도 8b).
상기 자가조립 장치의 자석(163)이 원위치에서 상기 기판(261)의 조립면의 반대면으로 이동하면, 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 기판(261)을 향하여 상기 유체 내에서 떠오르게 된다. 상기 원위치는 상기 유체 챔버(162)로부터 벗어난 위치가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 전자석에 전기를 공급하여 초기 자기력을 생성하게 된다.
한편, 본 예시에서, 상기 자기력의 크기를 조절하면 상기 기판(261)의 조립면과 상기 반도체 발광소자들(250)의 이격거리가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(250)의 무게, 부력 및 자기력을 이용하여 상기 이격거리를 제어한다. 상기 이격거리는 상기 기판의 최외각으로부터 수 밀리미터 내지 수십 마이크로미터가 될 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(250)이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가한다. 예를 들어, 상기 자석(163)을 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동한다(도 8c). 이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 자기력에 의하여 상기 기판(261)과 이격된 위치에서 상기 기판(261)과 수평한 방향으로 따라 이동하게 된다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들(250)이 이동하는 과정에서 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들(250)을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계가 진행된다(도 8d). 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판(261)과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판(261)과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 안착된다.
상기 복수의 반도체 발광소자들은 전기장 및 자기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치로 유도되는 것이다.
보다 구체적으로, 기판(261)의 페어 전극, 즉 bi-planar 전극에 전원을 공급하여 전기장을 생성하고, 이를 이용하여 기설정된 위치에서만 조립이 되도록 유도한게 된다. 즉 선택적으로 생성한 전기장을 이용하여, 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판(261)의 조립위치에 스스로 조립되도록 한다. 이를 위하여, 상기 기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 끼워지는 셀들이 구비될 수 있다.
이 때에, 상기 반도체 발광소자들(250)의 자성체(257)는 상하 구분을 위한 포스트 역할을 하게 된다. 구제척으로, 자성체(257)가 있는 면이 페어 전극(261c)을 향하는 방향으로 상기 셀에 삽입되면, 반도체 발광소자는 상기 자성체(257)에 의하여 상기 셀의 바닥(상기 유전체층의 외면)에 안착되지 못하게 된다.
한편, 상기 반도체 발광소자들(250)을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(250)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석(163)을 상기 기판(261)과 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있다(도 8e). 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석인 경우에 전원공급을 중단하면, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(250)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 유체 챔버(162)의 바닥에 있는 반도체 발광소자들(250)을 회수하면, 상기 회수된 반도체 발광소자들(250)의 재사용이 가능하게 된다.
본 발명의 디스플레이 장치가 청색 반도체 발광소자들을 이용하는 경우, 즉 상기 반도체 발광소자들이 전부 청색 반도체 발광소자들인 경우에는, 상기 기판의 모든 셀에 청색 반도체 발광소자들이 조립될 수 있다.
한편, 본 예시에 의하면, 적색 반도체 발광소자, 녹색 반도체 발광소자 및 청색 반도체 발광소자의 각각이 원하는 위치로 배열할 수 있다. 만약, 전술한 반도체 발광소자(250)가 청색 반도체 발광소자인 경우라면, 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한 조립 과정은 청색 화소에 해당하는 셀에만 전기장을 생성하여 해당하는 위치로 청색 반도체 발광소자를 조립한다.
이 후에, 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한 조립 과정을 녹색 반도체 발광소자(250a)와 적색 반도체 발광소자(250b)를 이용하여 각각 수행한다(도 8f 및 도 8g). 다만, 배선기판(261)이 이미 조립위치로 로딩되어 있으므로, 기판을 조립 위치로 로딩하는 과정은 생략될 수 있다.
이후에, 상기 배선기판(261)의 언로딩 과정이 진행되며, 조립 공정이 완료된다.
상기에서 설명된 자가조립 장치 및 방법은 fluidic assembly에서 조립 수율을 높이기 위해 자기장을 이용하여 먼거리의 부품들을 미리 정해진 조립 사이트 근처에 집중시키고, 조립 사이트에 별도 전기장을 인가하여 조립 사이트에만 선택적으로 부품이 조립되도록 한다. 이때 조립기판을 수조 상부에 위치시키고 조립면이 아래로 향하도록 하여 부품의 무게에 의한 중력 영향을 최소화하면서 비특이적 결합을 막아 불량을 제거한다. 즉, 전사수율을 높이기 위해 조립 기판을 상부에 위치시켜 중력이나 마찰력 영향을 최소화하며, 비특이적 결합을 막는다.
또한, 청색 반도체 발광소자, 녹색 반도체 발광소자와 적색 반도체 발광소자를 각각 원하는 위치로 조립할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 반도체 발광소자로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다.
상기와 같이 조립과정이 끝나면, 디스플레이 장치를 제조하는 공정이 수행될 수 있다. 이하, 이러한 디스플레이 장치의 제조 공정에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 9a 내지 도 9e는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 배선기판에 자가조립 후 디스플레이 장치를 제조하는 공정을 나타내는 개념도이다.
전술한 공정에 의하여, 유체 챔버내에서 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 기판의 기설정된 위치에 조립하고 난 후에, 상기 반도체 발광소자들(250, 250a, 250b)이 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 조립된 상태에서 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이에는 패시베이션층(270)이 충전된다(도 9a 및 도 9b).
보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 배선기판(261)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 수용홈(290)을 포함하며, 상기 수용홈(290)과 상기 반도체 발광소자 사이에는 갭이 존재하게 된다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 격벽과 함께 상기 반도체 발광소자를 덮으면서 상기 갭을 채우게 된다.
이런 공정을 통하여, 디스플레이에서는 상기 반도체 발광소자를 패시베이션층(270)이 감싸는 구조가 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(270)은 상기 격벽과 일체화되도록 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 공정에 의하여 구현되는 도 9d에 도시된 디스플레이 장치에서, 상기 패시베이션층(270)은 복수의 수용홈을 구비하고, 상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 수용홈에 수용될 수 있다. 즉, 최종 구조에서 자가 조립단계에서 구비되었던 수용홈은 상기 패시베이션층(270)의 내부 공간으로 변하게 된다.
따라서, 상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며, 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지게 된다. 여기서 일방향은 상기 일방향은 수용홈의 직선부와 평행하며, 원형부의 중심을 지나는 중심축을 따르는 방향이 될 수 있다.
이 경우에, 전술한 바와 같이 도 9d를 참조하여 설명한 페어 전극들(261c)에 의하여 생성되는 전기장은 상기 셀들의 내부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 셀들은 매트릭스 구조로 배열되고, 상기 복수의 페어 전극들(261c)은 이웃한 셀들로 연장되는 구조가 된다.
다음으로, 이후에, 상기 패시베이션층(270)의 상면이 평탄화되도록, 평탄화 공정이 수행되고, 배선을 위하여 컨택홀(271, 272)이 형성될 수 있다(도 9c).
상기 컨택홀(271, 272)을 제1도전형 반도체층(253)과 제2도전형 반도체층(255) 각각에 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 컨택홀을 통하여 상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결한다(도 9d).
도 9d의 도시에 의하면, 상기 제1배선전극(281) 및 제2배선전극(282)은 상기 패시베이션층(270)의 일면으로 연장된 수 있다. 이 때에, 상기 패시베이션층(270)의 일면은 상기 유전체층(261b)을 덮는 면의 반대면이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1배선전극(281)은 상기 제1도전형 반도체층(253)의 상측에 형성되는 제1컨택홀(271)을 통하여, 상기 제1도전형 반도체층(253)에서 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장된다. 상기 제2배선전극(282)은 상기 제2도전형 반도체층(255)의 상측에 형성되는 제2컨택홀(272)을 통하여, 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장된다. 다만, 다른 예로서, 상기 제2도전형 반도체층(255)의 상면에 제2도전형 전극(256, 도 5d 참조)이 존재하는 경우에, 상기 제2배선전극(282)은 상기 제2도전형 전극에서 상기 제2컨택홀(272)을 통하여, 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 자가조립에 의하여 전사가 진행되나, 플립칩 타입의 반도체 발광소자의 배선이 구현될 수 있다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(270)이 상기 디스플레이 장치(100, 이하 도 1 참조)의 전면측에 배치될 수 있으며, 이 때에 상기 제1배선전극(281) 및 제2배선전극(282)은 투명전극이 될 수 있다. 이 때에, 상기 페어 전극(261c)은 금속 재질로서 반사층으로 활용될 수 있다.
다른 예로서, 상기 패시베이션층(270)이 상기 디스플레이 장치(100)의 후면측에 배치될 수 있으며, 이 때에는 상기 유전체층(261b)과 상기 기판(261)의 베이스부(261ab)가 투명 재질로 형성될 수 있다.
한편, 상기에서 설명된 본 발명의 공정 및 장치에 적용되는 반도체 발광소자는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 도 10a 내지 도 10d를 참조하여 설명한다. 도 10a 내지 도 10d은 본 발명의 반도체 발광소자의 변형예를 나타내는 평면도들이다.
도 10a를 참조하면, 반도체 발광소자의 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 일측에 편심될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 반도체 발광 소자(350)에서는 p형 전극(356)과 n형 전극(352)은 수평방향으로 이격 배치되며, n형 반도체층(353)이 일방향을 기준으로 비대칭이나 타방향을 기준으로 대칭인 달걀형이 될 수 있다. 보다 구체적으로, n형 반도체층(353)의 형상이 일측으로 길이가 더 긴 원추형이 될 수 있다. 이 경우에, p형 전극(356)과 n형 전극(352)은 각각 원형으로 형성되며, 상기 타방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 상기 n형 반도체층(353)의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심되도록 형성된다.
다른 예로서, 도 10b를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(450)는 n형 반도체층(453)이 타원형이고, n형 전극(452)이 p형 전극(456)을 가운데 두고, 양측에 배치되는 대칭구조가 될 수 있다.
또 다른 예로서, 도 10c 및 도 10d를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(550, 650)는 다각형 형태의 n형 반도체층(553, 653)을 가지며, 꼭지점 수 또는 변의 개수 이하만큼의 대칭축을 가지도록 이루어질 수 있다. 이 경우에, 각 꼭지점에 인접하게 n형 전극(552, 652)이 배치되며, p형 전극(556, 656)은 다각형의 중앙에 배치될 수 있다.
상기에서 설명된 반도체 발광소자의 형상, 특히 n형 반도체층의 형상에 부합하도록 상기 배선기판의 수용홈의 형상이 설정될 수 있다. 이러한 반도체 발광소자의 구조에 의하면, 상기 수용홈에 상기 반도체 발광소자가 조립되면, 상기 n형 전극 및 p형 전극의 상대 위치가 항상 일정하게 될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 공정 및 장치에 의하면, 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적 기판으로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.

Claims (12)

  1. 반도체 발광소자; 및
    상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며,
    상기 반도체 발광소자는,
    제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고,
    상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지고,
    상기 제2도전형 전극은 상기 제1도전형 전극보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층의 단면은,
    원형부분; 및
    상기 원형부분의 양단을 연결하는 직선부분을 구비하는 것을 특징으로 하는디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며,
    상기 수용홈은 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 상기 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 제1배선전극 및 제2배선전극과 각각 연결되고, 상기 제1배선전극 및 제2배선전극은 상기 패시베이션층의 일면으로 연장되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 복수의 페어 전극들을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1배선전극과 제2배선전극은 상기 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 복수의 페어 전극들의 반대측에 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 기판을 조립위치로 이송하고, 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계;
    상기 유체 챔버내에서 상기 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 반도체 발광소자들을 상기 기판의 수용홈에 조립하는 단계; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 반도체 발광소자들이 상기 수용홈에 조립되면, 상기 반도체 발광소자들의 도전형 전극들이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 도전형 반도체층 중 적어도 하나는 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조립하는 단계는,
    상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 자기력을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기장을 가하는 단계; 및
    상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 수용홈에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 수용홈으로 유도하는 단계를 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법.
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