KR102459573B1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 플렉서블 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 복수의 반도체 발광소자들을 구비하는 디스플레이 장치를 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 구비된 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는, 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층에 적층되는 제2도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층의 상측에 형성되고, 상기 제2도전형 반도체층과 오버랩되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고, 상기 언도프된 반도체층은, 상기 반도체 발광소자의 폭방향으로 상기 제2도전형 반도체층보다 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치{DISPLAY DEVICE USING SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 플렉서블 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박형, 플렉서블 등의 우수한 특성을 가지는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 이에 반해, 현재 상용화된 주요 디스플레이는 LCD(Liguid Crystal Display)와 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)로 대표되고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 플렉서블의 구현이 어렵다는 문제점이 존재하고, AMOLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않다는 취약점이 존재한다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다. 따라서, 상기 반도체 발광소자를 이용하여 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
상술한 디스플레이 장치를 제조할 때, 성장기판에 성장된 반도체 발광소자를 분리하는 공정이 필요하다. 이에 따라, 성장기판에 제조된 반도체 발광소자들을 분리하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 성장기판에 성장된 반도체 발광소자들을 분리하는 과정에서 반도체 발광소자들이 파손될 수 있는데, 크기가 작은 반도체 발광소자의 특성상 이러한 파손은 디스플레이 장치의 품질에 큰 영향을 줄 수 있다. 이에, 본 발명에서는 성장기판에서 반도체 발광소자를 분리할 때 반도체 발광소자가 파손되는 것을 방지하는 구조 및 제조방법을 제시한다.
본 발명의 일 목적은 반도체 발광소자를 성장기판에서 분리할 때, 반도체 발광소자가 파손되는 것을 방지할 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 복수의 반도체 발광소자들을 구비하는 디스플레이 장치를 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 구비된 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는, 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층에 적층되는 제2도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층의 상측에 형성되고, 상기 제2도전형 반도체층과 오버랩되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고, 상기 언도프된 반도체층은, 상기 반도체 발광소자의 폭방향으로 상기 제2도전형 반도체층보다 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 언도프된 반도체층의 면적은 상기 제2도전형 반도체층의 면적보다 클 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 활성층, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 패시베이션층은 상기 활성층, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층의 측면을 감싸도록 형성되는 바디부 및 상기 바디부의 상단에서 상기 바디부의 수직한 방향으로 돌출되며, 상기 언도프된 반도체층과 오버랩 되도록 연장되는 돌출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 언도프된 반도체층은, 상기 언도프된 반도체층 측면에 배치되고, 상기 언도프된 반도체층의 상하로 연장되는 리세스부를 구비하고, 상기 리세스부가 형성된 영역에서, 상기 제2도전형 반도체층은 상기 언도프된 반도체층과 오버랩 되지 않을 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 리세스부가 형성된 영역에 배치되고, 제2도전형 반도체층의 일부와 오버랩 되는 도전형 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 언도프된 반도체층의 상면에는 요철구조가 형성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 언더프된 반도체층의 두께는 0.5 내지 3μm일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층은 P형 GaN층이고, 상기 제2도전형 반도체층은 N형 GaN층이며, 상기 언도프된 반도체층은 GaN층일 수 있다.
또한, 본 발명은 제1도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층에 적층되는 제2도전형 반도체층, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층 및 상기 제2도전형 반도체층의 상측에 형성되고, 상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부와 오버랩되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고, 상기 언도프된 반도체층은, 상기 제2도전형 반도체층의 면적보다 넓은 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
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본 발명에 따른 디스플레이 장치에서는, 성장 기판에 성장된 반도체 발광소자를 레이저, 감압 수단 등을 통해 성장 기판으로부터 분리시킬 때, 발생되는 열 및 충격을 언도프된 반도체층이 흡수하기 때문에, 도핑된 반도체층을 보호할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이다.
도 4는 도 3의 플립 칩 타입 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 7은 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 10 내지 14는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 15는 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분 확대도이다.
도 16은 도 15의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이다.
도 17은 도 15의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 반도체 발광소자(1050)의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 20은 본 발명에 따른 플립 칩 타입의 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
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, 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 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 플렉서블 디스플레이(flexible display)를 이용하여 표시될 수 있다.
플렉서블 디스플레이는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 디스플레이를 포함한다. 예를 들어, 플렉서블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 구부리거나, 접을 수 있거나 말 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
상기 플렉서블 디스플레이가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 상기 플렉서블 디스플레이의 디스플레이 영역이 평면이 된다. 상기 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 상기 디스플레이 영역이 곡면이 될 수 있다. 도시와 같이, 상기 제2상태에서 표시되는 정보는 곡면상에 출력되는 시각 정보가 될 수 있다. 이러한 시각 정보는 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다. 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미한다.
상기 플렉서블 디스플레이의 단위 화소는 반도체 발광소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자의 일 종류로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 예시한다. 상기 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 단위 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
이하, 상기 발광 다이오드를 이용하여 구현된 플렉서블 디스플레이에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이며, 도 4는 도 3a의 플립 칩 타입 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이고, 도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b의 도시에 의하면, 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(100)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광소자에도 적용 가능하다.
상기 디스플레이 장치(100)는 제1기판(110), 제1전극(120), 전도성 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광소자(150)를 포함한다.
제1기판(110)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 제1기판(110)은 유리나 폴리이미드(PI, Polyimide)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면, 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 제1기판(110)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
상기 제1기판(110)은 제1전극(120)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 따라서 상기 제1전극(120)은 제1기판(110) 상에 위치할 수 있다.
도시에 의하면, 절연층(160)은 제1전극(120)이 위치한 제1기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 상기 절연층(160)에는 보조전극(170)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1기판(110)에 절연층(160)이 적층된 상태가 하나의 배선기판이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(160)은 폴리이미드(PI, Polyimide), PET, PEN 등과 같이 절연성이 있고, 유연성 있는 재질로, 상기 제1기판(110)과 일체로 이루어져 하나의 기판을 형성할 수 있다.
보조전극(170)은 제1전극(120)과 반도체 발광소자(150)를 전기적으로 연결하는 전극으로서, 절연층(160) 상에 위치하고, 제1전극(120)의 위치에 대응하여 배치된다. 예를 들어, 보조전극(170)은 닷(dot) 형태이며, 절연층(160)을 관통하는 전극홀(171)에 의하여 제1전극(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극홀(171)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 절연층(160)의 일면에는 전도성 접착층(130)이 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연층(160)과 전도성 접착층(130)의 사이에 특정 기능을 수행하는 레이어가 형성되거나, 절연층(160)이 없이 전도성 접착층(130)이 제1기판(110)상에 배치되는 구조도 가능하다. 전도성 접착층(130)이 제1기판(110)상에 배치되는 구조에서는 전도성 접착층(130)이 절연층의 역할을 할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 접착성과 전도성을 가지는 층이 될 수 있으며, 이를 위하여 상기 전도성 접착층(130)에서는 전도성을 가지는 물질과 접착성을 가지는 물질이 혼합될 수 있다. 또한 전도성 접착층(130)은 연성을 가지며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 플렉서블 기능을 가능하게 한다.
이러한 예로서, 전도성 접착층(130)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 전도성 접착층(130)은 두께를 관통하는 Z 방향으로는 전기적 상호 연결을 허용하나, 수평적인 X-Y 방향으로는 전기절연성을 가지는 레이어로서 구성될 수 있다. 따라서 상기 전도성 접착층(130)은 Z축 전도층으로 명명될 수 있다(다만, 이하 '전도성 접착층'이라 한다).
상기 이방성 전도성 필름은 이방성 전도매질(anisotropic conductive medium)이 절연성 베이스부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정 부분만 이방성 전도매질에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이하, 상기 이방성 전도성 필름에는 열 및 압력이 가해지는 것으로 설명하나, 상기 이방성 전도성 필름이 부분적으로 전도성을 가지기 위하여 다른 방법도 가능하다. 이러한 방법은, 예를 들어 상기 열 및 압력 중 어느 하나만이 가해지거나 UV 경화 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도매질은 예를 들어, 도전볼이나 전도성 입자가 될 수 있다. 도시에 의하면, 본 예시에서 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정부분만 도전볼에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이방성 전도성 필름은 전도성 물질의 코어가 폴리머 재질의 절연막에 의하여 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있으며, 이 경우에 열 및 압력이 가해진 부분이 절연막이 파괴되면서 코어에 의하여 도전성을 가지게 된다. 이때, 코어의 형태는 변형되어 필름의 두께방향으로 서로 접촉하는 층을 이룰 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 열 및 압력은 이방성 전도성 필름에 전체적으로 가해지며, 이방성 전도성 필름에 의하여 접착되는 상대물의 높이차에 의하여 Z축 방향의 전기적 연결이 부분적으로 형성된다.
다른 예로서, 이방성 전도성 필름은 절연 코어에 전도성 물질이 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있다. 이 경우에는 열 및 압력이 가해진 부분이 전도성 물질이 변형되어(눌러 붙어서) 필름의 두께방향으로 전도성을 가지게 된다. 또 다른 예로서, 전도성 물질이 Z축 방향으로 절연성 베이스 부재를 관통하여 필름의 두께방향으로 전도성을 가지는 형태도 가능하다. 이 경우에, 전도성 물질은 뽀족한 단부를 가질 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재의 일면에 삽입된 형태로 구성되는 고정배열 이방성 전도성 필름(fixed array ACF)가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연성 베이스부재는 접착성을 가지는 물질로 형성되며, 도전볼은 상기 절연성 베이스부재의 바닥부분에 집중적으로 배치되며, 상기 베이스부재에서 열 및 압력이 가해지면 상기 도전볼과 함께 변형됨에 따라 수직방향으로 전도성을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이방성 전도성 필름은 절연성 베이스부재에 도전볼이 랜덤하게 혼입된 형태나, 복수의 층으로 구성되며 어느 한 층에 도전볼이 배치되는 형태(double-ACF) 등이 모두 가능하다.
이방성 전도 페이스트는 페이스트와 도전볼의 결합형태로서, 절연성 및 접착성의 베이스 물질에 도전볼이 혼합된 페이스트가 될 수 있다. 또한, 전도성 입자를 함유한 솔루션은 전도성 particle 혹은 nano 입자를 함유한 형태의 솔루션이 될 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 제2전극(140)은 보조전극(170)과 이격하여 절연층(160)에 위치한다. 즉, 상기 전도성 접착층(130)은 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치하는 절연층(160) 상에 배치된다.
절연층(160)에 보조전극(170)과 제2전극(140)이 위치된 상태에서 전도성 접착층(130)을 형성한 후에, 반도체 발광소자(150)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광소자(150)는 제1전극(120) 및 제2전극(140)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광소자는 p형 전극(156), p형 전극(156)이 형성되는 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154) 상에 형성된 n형 반도체층(153) 및 n형 반도체층(153) 상에서 p형 전극(156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(156)은 보조전극(170)과 전도성 접착층(130)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, n형 전극(152)은 제2전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 보조전극(170)은 일방향으로 길게 형성되어, 하나의 보조전극이 복수의 반도체 발광소자(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조전극을 중심으로 좌우의 반도체 발광소자들의 p형 전극들이 하나의 보조전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 열 및 압력에 의하여 전도성 접착층(130)의 내부로 반도체 발광소자(150)가 압입되며, 이를 통하여 반도체 발광소자(150)의 p형 전극(156)과 보조전극(170) 사이의 부분과, 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152)과 제2전극(140) 사이의 부분에서만 전도성을 가지게 되고, 나머지 부분에서는 반도체 발광소자의 압입이 없어 전도성을 가지지 않게 된다. 이와 같이, 전도성 접착층(130)은 반도체 발광소자(150)와 보조전극(170) 사이 및 반도체 발광소자(150)와 제2전극(140) 사이를 상호 결합시켜줄 뿐만 아니라 전기적 연결까지 형성시킨다.
또한, 복수의 반도체 발광소자(150)는 발광 소자 어레이(array)를 구성하며, 발광 소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
발광 소자 어레이는 자체 휘도값이 상이한 복수의 반도체 발광소자들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 발광소자(150)는 단위 화소를 구성하며, 제1전극(120)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1전극(120)은 복수 개일 수 있고, 반도체 발광소자들은 예컨대 수 열로 배치되며, 각 열의 반도체 발광소자들은 상기 복수 개의 제1전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 반도체 발광소자들이 플립 칩 형태로 접속되므로, 투명 유전체 기판에 성장시킨 반도체 발광소자들을 이용할 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광소자들은 예컨대 질화물 반도체 발광소자일 수 있다. 반도체 발광소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광소자(150)의 사이에 격벽(190)이 형성될 수 있다. 이 경우, 격벽(190)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 전도성 접착층(130)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광소자(150)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(190)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 격벽(190)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다. 화이트 절연체의 격벽을 이용할 경우 반사성을 높이는 효과가 있을 수 있고, 블랙 절연체의 격벽을 이용할 경우, 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)를 증가시킬 수 있다.
형광체층(180)은 반도체 발광소자(150)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자고이고, 형광체층(180)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(180)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(181) 또는 녹색 형광체(182)가 될 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광소자(151) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(181)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광소자(151) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(182)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광소자(151)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(120)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층될 수 있다. 따라서, 제1전극(120)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(140)을 따라서, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)이 차례로 배치될 수 있으며, 이를 통하여 단위 화소가 구현될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 반도체 발광소자(150)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들을 구현할 수 있다.
또한, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(191)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(191)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 각각의 반도체 발광소자(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.
이 경우, 반도체 발광소자(150)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광소자에 의하여 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 단위 화소들이 하나의 화소(pixel)를 이루며, 이를 통하여 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 반도체 발광소자는 황색 형광체층이 개별 소자마다 구비된 백색 발광 소자(W)를 구비할 수 있다. 이 경우에는, 단위 화소를 이루기 위하여, 백색 발광 소자(W) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비될 수 있다. 또한, 이러한 백색 발광 소자(W) 상에 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터를 이용하여 단위 화소를 이룰 수 있다.
도 5c를 참조하면, 자외선 발광 소자(UV) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비되는 구조도 가능하다. 이와 같이, 반도체 발광소자는 가시광선뿐만 아니라 자외선(UV)까지 전영역에 사용가능하며, 자외선(UV)이 상부 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용가능한 반도체 발광소자의 형태로 확장될 수 있다.
본 예시를 다시 살펴보면, 반도체 발광소자(150)는 전도성 접착층(130) 상에 위치되어, 디스플레이 장치에서 단위 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 화소를 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광소자(150)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
또한, 한 변의 길이가 10㎛인 정사각형의 반도체 발광소자(150)를 단위 화소로 이용하여도 디스플레이 장치를 이루기 위한 충분한 밝기가 나타난다. 따라서, 단위 화소의 크기가 한 변이 600㎛, 나머지 한변이 300㎛인 직사각형 화소인 경우를 예로 들면, 반도체 발광소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다. 따라서, 이러한 경우, HD화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치는 새로운 형태의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 상기 제조방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
본 도면을 참조하면, 먼저, 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치된 절연층(160) 상에 전도성 접착층(130)을 형성한다. 제1기판(110)에 절연층(160)이 적층되어 하나의 기판(또는 배선기판)을 형성하며, 상기 배선기판에는 제1전극(120), 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 배치된다. 이 경우에, 제1전극(120)과 제2전극(140)은 상호 직교 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 제1기판(110) 및 절연층(160)은 각각 유리 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 의하여 구현될 수 있으며, 이를 위하여 절연층(160)이 위치된 기판에 이방성 전도성 필름이 도포될 수 있다.
다음에, 보조전극(170) 및 제2전극(140)들의 위치에 대응하고, 개별 화소를 구성하는 복수의 반도체 발광소자(150)가 위치된 제2기판(112)을 상기 반도체 발광소자(150)가 보조전극(170) 및 제2전극(140)과 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광소자(150)를 성장시키는 성장기판으로서, 사파이어(sapphire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 웨이퍼(wafer) 단위로 형성될 때, 디스플레이 장치를 이룰 수 있는 간격 및 크기를 가지도록 함으로써, 디스플레이 장치에 효과적으로 이용될 수 있다.
그 다음에, 배선기판과 제2기판(112)을 열압착한다. 예를 들어, 배선기판과 제2기판(112)은 ACF press head 를 적용하여 열압착될 수 있다. 상기 열압착에 의하여 배선기판과 제2기판(112)은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광소자(150)와 보조전극(170) 및 제2전극(140)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(150)는 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때에, 반도체 발광소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광소자(150) 사이에 격벽이 형성될 수 있다.
그 다음에, 상기 제2기판(112)을 제거한다. 예를 들어, 제2기판(112)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2기판(112)을 제거하여 반도체 발광소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자고이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법이나 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광소자도 적용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 수직형 구조에 대하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 변형예 또는 실시예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 7은 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이며, 도 9은 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
본 도면들을 참조하면, 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광소자(250)를 포함한다.
기판(210)은 제1전극(220)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(220)은 기판(210) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(220)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(230)은 제1전극(220)이 위치하는 기판(210)상에 형성된다. 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(230)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도 이방성 전도성 필름에 의하여 전도성 접착층(230)이 구현되는 경우를 예시한다.
기판(210) 상에 제1전극(220)이 위치하는 상태에서 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광소자(250)는 제1전극(220) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전기적 연결은 전술한 바와 같이, 이방성 전도성 필름에서 열 및 압력이 가해지면 부분적으로 두께방향으로 전도성을 가지기 때문에 생성된다. 따라서, 이방성 전도성 필름에서는 두께방향으로 전도성을 가지는 부분(231)과 전도성을 가지지 않는 부분(232)으로 구획된다.
또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 전도성 접착층(230)은 반도체 발광소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광소자(250)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광소자는 p형 전극(256), p형 전극(256) 상에 형성된 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254)상에 형성된 n형 반도체층(253) 및 n형 반도체층(253) 상에 형성된 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(256)은 제1전극(220)과 전도성 접착층(230)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(252)은 후술하는 제2전극(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광소자(251)이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(280)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(280)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(281) 및 녹색 형광체(282) 일 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광소자(251) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(282)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광소자(251)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광소자들(250) 사이에 위치될 수 있다.
제2전극(240)은 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있으며, 제1전극과 상호 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(240)과 반도체 발광소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광소자(250)의 n형 전극이 될 수 있다. 예를 들어, n형 전극은 오믹(ohmic) 접촉을 위한 오믹 전극으로 형성되며, 상기 제2전극은 인쇄 또는 증착에 의하여 오믹 전극의 적어도 일부를 덮게 된다. 이를 통하여 제2전극(240)과 반도체 발광소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광소자(250)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(240)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(240)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 또는 투명 절연층에 이격되어 형성될 수도 있다.
만약 반도체 발광소자(250) 상에 제2전극(240)을 위치시키기 위하여는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극을 사용한다면, ITO 물질은 n형 반도체층과는 접착성이 좋지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 발광소자(250) 사이에 제2전극(240)을 위치시킴으로써, ITO와 같은 투명 전극을 사용하지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 투명한 재료 선택에 구속되지 않고, n형 반도체층과 접착성이 좋은 전도성 물질을 수평 전극으로 사용하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광소자(250) 사이에는 격벽(290)이 배치될 수 있다. 이 경우, 격벽(290)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 전도성 접착층(230)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광소자(250)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스 부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(290)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로서, 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 격벽(290)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다.
만일 제2전극(240)이 반도체 발광소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광소자(250) 사이에 위치시킬 수 있고, HD 화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 도시에 의하면, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체 사이에는 블랙 매트릭스(291)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(291)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
상기 설명과 같이, 반도체 발광소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 디스플레이 장치는 상기 형광체가 반도체 발광소자에 적층되어 있는 형태로 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들을 각각 구성하는 구성 물질과 제작공정이 서로 다르다는 문제가 있다. 따라서 디스플레이 장치의 구현에 있어서도 복잡한 공정 때문에 제조비가 높은 문제가 있다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 제시한다. 이하, 형광체와 반도체 발광소자가 일체형으로 구현된 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 10 내지 14는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 10을 참조하면, 반도체 발광소자(1050)는 전술된 수직형 반도체 발광소자와 같이, 제1도전형 반도체층(1055), 활성층(1054) 및 제2도전형 반도체층(1053)이 순서대로 적층된 반도체 발광소자일 수 있다. 반도체 발광소자를 디스플레이의 배선기판에 배치할 경우, 배선기판을 기준으로 제1도전형 반도체층(1055), 활성층(1054) 및 제2도전형 반도체층(1053)이 수직하게 적층된다.
본 명세서에서는 반도체 발광소자가 배선기판에 배치되었을 때, 시각정보가 출력되는 방향을 상측으로 정의하고, 이를 기준으로 상술한 반도체층들의 면들의 결합관계를 정의한다. 예를 들어, 제1도전형 반도체층(1055) 상면에는 활성층(1054)이 적층되고, 활성층(1054) 상면에는 제2도전형 반도체층(1053)이 적층된다.
한편, 제2도전형 반도체층(1053) 상측에는 언도프된(Undoped) 반도체층(1090)이 형성될 수 있다. 언도프된 반도체층(1090)은 제2도전형 반도체(1053)의 상면의 적어도 일부를 덮도록 배치된다.
성장기판에 반도체 발광소자를 성장시킬 때, 언도프된 반도체층(1090), 제2도전형 반도체층(1053), 활성층(1054) 및 제1도전형 반도체층(1055) 순으로 형성되는데, 이에 따라, 언도프된 반도체층(1090)은 성장기판과 가장 가까운 거리에 위치한다. 이 때문에, 언도프된 반도체층(1090)은 성장기판으로부터 반도체 발광소자를 분리시킬 때, 가장 많은 충격을 받게 된다.
언도프된 반도체층(1090)은 실질적으로 반도체 발광소자의 발광 기능에는 영향을 주지 않는 층이기 때문에, 반도체 발광소자의 분리 과정에서 언도프된 반도체층(1090)의 일부가 파손되더라도 반도체 발광소자의 발광성능에는 영향이 없다. 따라서, 언도프된 반도체층(1090)은 반도체 발광소자의 보호층으로 활용될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1도전형 반도체층(1055)은 P형 GaN층이고, 제2도전형 반도체층(1053)은 N형 GaN층이며, 언도프된 반도체층(1090)은 GaN층일 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 N형이 되고 제2도전형이 P형이 되는 예시도 가능하다.
한편, 언도프된 반도체층(1090)은 반도체 발광소자의 상면 및 하면이 파손되는 것뿐 아니라, 반도체 발광소자의 측면이 파손되는 것을 방지한다. 이를 위해, 언도프된 반도체층(1090)은 상기 반도체 발광소자의 폭방향으로 상기 제2도전형 반도체층(1053)보다 돌출되도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 언도프된 반도체층(1090)의 너비는 제2도전형 반도체층(1053)보다 넓게 형성될 수 있으며, 언도프된 반도체층(1090)의 면적은 제2도전형 반도체층(1053)의 면적보다 클 수 있다.
언도프된 반도체층(1090)의 테두리는 제2도전형 반도체층(1053)의 테두리보다 바깥쪽으로 형성될 수 있다. 즉, 언도프된 반도체층(1090)은 제2도전형 반도체층(1053)의 테두리로부터 반도체 발광소자의 폭 방향으로 소정거리 연장되도록 형성된다.
언도프된 반도체층(1090)의 테두리가 제2도전형 반도체층(1053)의 테두리보다 바깥쪽으로 형성되기 때문에, 언도프된 반도체층(1090)은 반도체 발광소자를 분리할 때, 반도체 발광소자의 측면으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 반도체 발광소자를 성장기판에서 분리시키는 과정에서 반도체 발광소자의 측면이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 구체적인 반도체 발광소자의 제조방법에 대하여는 후술한다.
한편, 언도핑된 반도체층(1090)의 두께는 0.5 내지 3㎛일 수 있다. 언도핑된 반도체층(1090)의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우, 반도체 발광소자를 성장기판에서 분리시킬 때 가해지는 충격을 언도핑된 반도체층(1090)이 온전히 흡수하기 어렵다. 한편, 언도핑된 반도체층(1090)의 두께가 3㎛를 초과하는 경우, 반도체 발광소자의 광추출율이 낮아질 수 있다.
한편, 언도핑된 반도체층(1090)의 면적은 제2도전형 반도체층(1053)의 면적 대비 최대 1.1배일 수 있다. 언도핑된 반도체층(1090)의 면적이 제2도전형 반도체층(1053)의 면적보다 과도하게 넓은 경우, 성장기판에 성장되는 반도체 발광소자 간의 간격이 지나치게 넓어져야 하기 때문에 반도체 발광소자의 생산효율이 떨어지게 된다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 반도체 발광소자에는 활성층(1054), 제1 및 제2도전형 반도체층(1055 및 1053)의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층(1060)을 더 포함할 수 있다.
상기 패시베이션층(1060)은 반도체 발광소자의 측면을 감싸서, 상기 반도체 발광소자 특성의 안정화를 기하도록 이루어지며, 절연 재질로 형성된다. 이와 같이, 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 사이가 상기 패시베이션층(1060)에 의해 전기적으로 단절되므로, 반도체 발광 소자의 P-type GaN 과 N-type GaN 은 서로 절연될 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층(1060)은 상기 제1도전형 반도체층(1155)과 상기 제2도전형 반도체층(1153)의 측면들로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비할 수 있다.
한편, 상기 패시베이션층(1060)은 활성층(1054), 제1 및 제2도전형 반도체층(1055 및 1053)의 측면을 감싸도록 형성되는 바디부(1061) 및 상기 바디부의 상단에서 상기 바디부의 수직한 방향으로 돌출되며, 언도프된 반도체층(1090)과 오버랩되도록 연장되는 돌출부(1062)를 포함할 수 있다. 상기 돌출부(1062)는 언도프된 반도체층(1090)의 하면의 테두리에 형성된다.
패시베이션층(1060)이 빛을 반사하도록 이루어지는 경우, 상기 돌출부(1062)는 언도프된 반도체층(1090) 상측에서 반사되는 빛을 재반사하여 디스플레이의 광량을 증가하도록 할 수 있다.
한편, 패시베이션층(1060)은 언도프된 반도체층(1090)의 측면을 에워싸지 않도록 형성될 수 있다. 패시베이션층(1060)이 언도프된 반도체층(1090)의 측면을 에워쌀 경우, 반도체 발광소자에서 발광된 빛이 과도하게 디스플레이 상측의 한 지점으로 집중될 수 있다. 이로 인해 디스플레이의 광균일도가 떨어질 수 있다. 이를 방지 하기 위해, 패시베이션층(1060)은 언도프된 반도체층(1090)의 측면을 에워싸지 않도록 형성될 수 있다.
한편, 도 12 및 13에 도시된 바와 같이, 반도체 발광소자는 제1도전형 전극(1056) 및 제2도전형 전극(1052)을 구비할 수 있다. 제1도전형 전극(1056)은 제1도전형 반도체층(1055)의 하측에 형성된다. 제1도전형 전극(1056)은 활성층(1054)의 하측에 배치되기 때문에 반도체 발광소자에서 출력되는 시각정보를 가리지 않는다. 다만, 제2도전형 전극(1052)은 제2도전형 반도체층(1053)과 연결되기 때문에 활성층(1054) 상측에서 반도체 발광소자와 오버랩된다.
언도프된 반도체층(1090)이 제2도전형 반도체층(1053)의 상면 전체를 덮을 경우, 제2도전형 전극(1052)이 제2도전형 반도체층(1053)에 연결될 수 없다. 이를 해결하기 위해, 언도프된 반도체층(1090)의 측면에는 리세스부(1091)가 구비될 수 있고, 상기 리세스부(1091)는 언도프된 반도체층(1090)의 상하방향으로 연장되어 제2도전형 반도체층(1053)의 일부가 언도프된 반도체층(1090)으로 덮이지 않도록 할 수 있다.
제2도전형 전극(1052)은 상기 리세스부(1091)에 배치되어 제2도전형 반도체층(1053)과 연결된다. 도 12와 같이, 상기 리세스부(1091)는 언도프된 반도체층(1090)의 측면 중앙부에 배치될 수 있다. 이를 다른 측면에서 바라볼 경우, 도 13과 같은 형태로 보여질 수 있다.
도 14와 같이, 언도프된 반도체층(1090)의 상면에는 요철구조(1092)가 형성될 수 있다. 언도프된 반도체층(1090)에 형성된 요철구조(1092)는 반도체 발광소자의 광추출 효율을 높일 수 있다. 이를 통해, 반도체 발광소자의 발광면적을 높일 수 있다.
상기 요철구조(1092)는 별도의 공정을 통해 형성되는 것이 아니라, 기판 상에 성장된 반도체 발광소자에 물리적 또는 화학적 힘을 가하여, 반도체 발광소자를 분리시킬 때, 언도프된 반도체층(1090)상에 형성될 수 있다. 이를 통해, 언도프된 반도체 발광소자는 반도체 발광소자를 보호할 뿐 아니라, 반도체 발광소자의 발광면적을 높이는 역할을 한다.
이하에서는, 상술한 반도체 발광소자가 적용된 디스플레이 장치에 대하여 설명한다.
도 15는 새로운 구조의 반도체 발광소자가 적용된 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한, 도 1의 A부분 확대도이고, 도 16은 도 15의 라인 E-E를 따라 취한 단면도이며, 도 17은 도 15의 라인 F-F를 따라 취한 단면도이다.
도 15 내지 17의 도시에 의하면, 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치(1000)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광소자에도 적용 가능하다.
디스플레이 장치(1000)는 기판(1010), 제1전극(1020), 충전층(1030), 제2전극(1040) 및 복수의 반도체 발광소자(1050)를 포함한다.
기판(1010)은 제1전극(1020)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능하다.
또한, 충전층(1030)은 백색 재질의 물질로 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 재료일 수 있다. 또한, 충전층(1030)은 제1전극(1020)이 위치하는 기판(1010)과 반도체 발광소자(1050) 사이에 배치되어 제1전극(1020)과 반도체 발광소자(1050)를 물리적으로 접촉시킬 수도 있다. 이에 반도체 발광소자(1050)와 제1전극(1020)이 서로 연결되어 전기적으로 도통될 수 있다.
덧붙여, 충전층(1030)에 접착층(1031)이 더 배치되어 반도체 발광소자(1050)와 기판(1010)을 접착시킬 수도 있다. 접착층(1031)은 실버 페이스트, 주석 페이스트 및 솔더 페이스트로 형성할 수 있다. 접착층(1031)에 대한 열거 사항은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 충전층(1030)이 배치된 구조에서는 반도체 발광소자(1050)들의 사이에 형성된 갭에는 전류가 흐르지 않는 물질이 충전될 수 있다.
다른 실시예에서, 충전층(1030)이 전술된 이등방성 전도성 필름으로 대체될 수도 있다. 즉, 복수의 반도체 발광소자(1050)는 상기 이등방성 전도성 필름에 의하여 결합되어, 제1전극(1020)과 제2전극(1040)과 전기적으로 연결된다.
반도체 발광소자(1050)에 구비된 언도프된 반도체층(1090)은 충전층(1030)의 상면과 동일 평면상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 언도프된 반도체층(1090)의 테두리는 충전층(1030)의 상면과 오버랩될 수 있다.
한편, 반도체 발광소자 상측에는 형광체(1080)가 배치될 수 있는데, 형광체와 반도체 발광소자 사이에는 투명물질로 이루어지는 광학갭층이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 광학갭층은 언도프된 반도체층(1090)을 덮는다. 이에 따라, 활성층(1054)에서 발광된 빛이 형광체층까지 도달하는 도중 제2도전형 반도체층(1055) 및 언도프된 반도체층(1090) 및 광학갭층을 지나게 된다. 제2도전형 반도체층(1055) 및 언도프된 반도체층(1090) 및 광학갭층의 굴절률을 순서대로 변화시킬 경우, 반도체 발광소자에서 발광된 빛이 형광체층에 도달하기 전 전반사되는 현상을 줄일 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 반도체 발광소자(1050)의 제조 방법을 나타낸 단면도들이고, 도 19a 및 도 19b는 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(W, 또는 반도체 웨이퍼)에 언도프된 반도체층(2090), 제2도전형 반도체층(2053), 활성층(2054), 제1 도전형 반도체층(2055)을 각각 성장시킨다(도 18a).
언도프된 반도체층(2090)이 성장하면, 제2도전형 반도체층(2053)을 성장시킨다. 이후, 제2도전형 반도체층(2053)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층(2052) 상에 활성층(2054)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(2054) 상에 제1도전형 반도체층(2055)을 성장시킨다. 이와 같이, 언도프된 반도체층(2090), 제2도전형 반도체층(2053), 활성층(2054) 및 제1도전형 반도체층(2055)을 순차적으로 성장시키면, 도시된 것과 같이, 언도프된 반도체층(2090) 제2도전형 반도체층(2053), 활성층(2054) 및 제1도전형 반도체층(2055)이 적층 구조를 형성한다.
성장기판(W)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(W)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.
상기 언도프된 반도체층(2090)은 GaN과 같은 질화물 반도체층이 될 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(2053)은 n형 반도체층으로서, n-GaN 과 같은 질화물 반도체층이 될 수 있다.
다음은, p형 반도체와 n형 반도체를 분리하고, 상기 기판상에서 서로 고립(isolation)된 복수의 반도체 발광소자를 형성하기 위한 식각 과정이 수행된다.
예를 들어, 도 18b를 참조하면, 상기 제1도전형 반도체층(2055), 활성층(2054), 제2도전형 반도체층(2053) 및 언도프된 반도체층(2090)의 적어도 일부를 식각하여, 상기 기판상에서 서로 고립(isolation)된 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 18b 참조). 이 경우에, 상기 식각은 기판이 드러날 때까지 진행될 수 있다. 한편, 언도프된 반도체층(2090)은 상기 제1도전형 반도체층(2055), 활성층(2054) 및 제2도전형 반도체층(2053)보다 넓은 폭을 가지도록 식각될 수 있다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들에 적어도 하나의 도전형 전극을 형성(도 18c)한다. 보다 구체적으로, 상기 제1도전형 반도체층(2055)의 일면에 상기 제1도전형 전극(2056)을 형성한다. 즉, 상기 기판상에서 반도체 발광소자들의 어레이를 형성한 후에, 상기 제1도전형 반도체층(2055)에는 제1도전형 전극(2056)이 적층된다.
이후에, 상기 반도체 발광소자들의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층(2060)을 형성한다(도 18d).
상기 패시베이션층(2060)은 절연재질로 이루지거나, 상기 측면으로 방출되는 빛을 반사하도록, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 레이어를 구비할 수 있다. 패시베이션층이 복수의 레이어를 구비하는 경우, 상기 복수의 레이어에서 상대적으로 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질이 반복하여 적층될 수 있다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(2060)의 돌출부는 언도프된 반도체층(2090)과 오버랩되도록 형성될 수 있다.
이와 같은 공정에 의하면, 패시베이션층(2060)이 상기 반도체 발광소자들에서 발광되는 빛을 반사하는 구조가 구현될 수 있다.
이후에, 상기 패시베이션층이 형성된 반도체 발광소자들을 배선기판과 연결하고 상기 기판을 제거하는 단계가 진행된다.
예를 들어, 반도체 발광소자들을 전도성 접착층을 이용하여 배선기판에 결합하며, 성장기판을 제거한다(도 19a). 여기서, 레이저를 통해 반도체 발광소자를 성장기판으로부터 분리시킬 수 있다. 이때 발생되는 충격은 성장기판과 가장 가까운 언도프된 반도체층(2090)으로 전달되며, 충격으로 인한 파손은 언도프된 반도체층(2090)에서만 일어난다. 언도프된 반도체층(2090)은 반도체 발광소자의 발광성능에는 영향을 주지 않기 때문에, 언도프된 반도체층(2090)의 일부가 파손되더라도 반도체 발광소자의 발광성능에는 영향이 없다.
상기 배선기판은 제1전극이 형성된 상태이며, 상기 제1전극은 하부 배선으로서 상기 전도성 접착층 내에서 도전볼 등에 의해 제1도전형 전극(2056)과 전기적으로 연결된다.
이후에, 언도프된 반도체층(2090)의 일부를 식각하여, 언도프된 반도체층의 측면에 리세스부를 형성한다. 리세스부가 형성됨에 따라, 제2도전형 반도체층(2053)이 외부로 노출된다. 외부로 노출된 제2도전형 반도체층(2053)의 일부분에 제2도전형 전극(2052)을 증착한 후에, 발광소자들의 제2도전형 전극(2052)을 연결하는 제2전극을 형성한다. 이후, 상기 반도체 발광소자를 덮도록 형광체층을 형성한다.
이상에서 설명된 제조방법에 의하면, 성장 기판에 성장된 반도체 발광소자를 분리시킬 때, 발생되는 열 및 충격을 언도프된 반도체층이 흡수하기 때문에, 도핑된 반도체층을 보호할 수 있게 된다.
한편, 이상에서 설명한 언도프된 반도체층은 플립 칩 타입의 반도체 발광소자에도 적용될 수 있다.
도 20은 본 발명에 따른 플립 칩 타입의 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 20을 참조하면, 반도체 발광소자(3050)는 전술된 플립 칩 타입 반도체 발광소자와 같이 제1도전형 전극(3056)과 제2도전형 전극(3052)이 같은 방향을 향해서 나란하게 배치되는 반도체 발광소자일 수 있다. 상세하게, 반도체 발광소자(3050)의 제1도전형 전극(3056)과 제2도전형 전극(3052)은 시각정보가 출력되는 면과 반대쪽에 배치되어, 시각정보가 출력되는 면에서 방출되는 빛을 제1도전형 전극(3056)과 제2도전형 전극(3052)에 의해 방해되는 것을 방지할 수 있는 형태일 수 있다.
반도체 발광소자(3050)는 제1도전형 전극(3056), 제1도전형 전극(3056)이 형성되는 제1도전형 반도체층(3055), 제1도전형 반도체층(3055) 상에 형성된 활성층(3054) 및 활성층(3054) 상에 형성된 제2도전형 반도체층(3053)을 포함한다.
도시에 의하면, 제1도전형 반도체층(3055)과 제2도전형 반도체층(3053) 사이에 활성층(3054)이 배치될 수 있다. 활성층(3054)은 제1도전형 반도체층(3055)을 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 활성층(3054)은 제2도전형 반도체층(3053)의 타면에서 제2도전형 반도체층(3053)의 적어도 일부와 오버랩될 수 있다.
또한, 제2도전형 반도체층(3053) 일면의 일부에 형성되는 언도프된(Undoped) 반도체층(3090)이 형성될 수 있다.
여기서, 언도프된 반도체층(3090)은 제2도전형 반도체층(3053)보다 큰 너비를 가질 수 있다. 한편, 상술한 수직형 반도체 발광소자와는 달리, 플립 칩 타입의 반도체 발광소자에 구비된 언도프된 반도체층에는 리세스부가 구비될 필요는 없다. 이는 제2도전형 전극(3056)이 제2도전형 반도체층(3053)의 하측에서 연결되기 때문이다. 따라서, 플립 칩 타입의 반도체 발광소자에서 언도프된 반도체층은 제2도전형 반도체층의 상면 전체를 덮도록 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 복수의 반도체 발광소자들을 구비하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 반도체 발광소자들 중 적어도 하나는,
    제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층에 적층되는 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및
    상기 제2도전형 반도체층의 상측에 형성되고, 상기 제2도전형 반도체층과 오버랩되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고,
    상기 언도프된 반도체층은,
    상기 반도체 발광소자의 폭방향으로 상기 제2도전형 반도체층보다 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 반도체층의 면적은 상기 제2도전형 반도체층의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성층, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층의 측면을 감싸도록 형성되는 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 패시베이션층은,
    상기 활성층, 상기 제1 및 제2도전형 반도체층의 측면을 감싸도록 형성되는 바디부; 및
    상기 바디부의 상단에서 상기 바디부의 수직한 방향으로 돌출되며, 상기 언도프된 반도체층과 오버랩 되도록 연장되는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 반도체층은,
    상기 언도프된 반도체층 측면에 배치되고, 상기 언도프된 반도체층의 상하로 연장되는 리세스부를 구비하고,
    상기 리세스부가 형성된 영역에서, 상기 제2도전형 반도체층은 상기 언도프된 반도체층과 오버랩 되지 않는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리세스부가 형성된 영역에 배치되고, 상기 제2도전형 반도체층의 일부와 오버랩 되는 도전형 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 반도체층의 상면에는 요철구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 언도프된 반도체층의 두께는 0.5 내지 3μm인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 P형 GaN층이고, 상기 제2도전형 반도체층은 N형 GaN층이며, 상기 언도프된 반도체층은 GaN층인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층에 적층되는 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및
    상기 제2도전형 반도체층의 상측에 형성되고, 상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부와 오버랩되는 언도프된(Undoped) 반도체층을 포함하고,
    상기 언도프된 반도체층은,
    반도체 발광소자의 폭방향으로 상기 제2도전형 반도체층보다 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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