KR20060129801A - 발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 제조 방법은 기판 상부에 N- GaN층, 발광층, P- GaN층을 순차적으로 적층하는 단계와, P- GaN층 및 발광층을 식각하여 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 P- GaN 패턴과 발광 패턴을 형성하는 단계와, N- GaN층을 식각하여 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴을 형성하는 단계와, 결과물 전면에 갭필막을 형성하고, 그 표면을 평탄화하는 단계와, 평탄화된 갭필 절연막 상부에 N- GaN 패턴과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴을 형성하는 단계와, N- GaN 패턴과 투명 전극 패턴에 각각 연결된 다수개의 전극들을 형성하는 단계를 포함한다. 그러므로 본 발명은 LCD, PDP 등의 평판 디스플레이를 발광 다이오드로 제조하여 발광다이오드 자체의 빠른 응답속도와 낮은 전력소모, 박형화, 색상의 선명도 및 넓은 시야각과 장수명 등의 장점과 더불어 환경친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높은 디스플레이 소자의 구현이 가능하다.

발광다이오드, 디스플레이소자, 어레이

Description

발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법{LED display device and method for manufacturing same}

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 발광다이오드 디스플레이소자를 나타낸 사시도,

도 2a 내지 도 2s는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 디스플레이 소자의 제조 방법을 순차적으로 설명하기 위한 공정 순서도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 사파이어 기판 12a : N- GaN 패턴

14a : 발광 패턴 16a : P- GaN 패턴

본 발명은 발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 다수개의 어레이로 구성된 발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 전자수첩, 노트북 컴퓨터, 모니터 등에 널리 사용되고 있는 평판 디스플레이소자로서 많은 소자가 제안되고 있는데, 지금까지는 각 디스플레이의 기술적 특성에 따라 시장이 분화됨으로써 주로 대형 디스플레이는 PDP(Plasma Display Panel), 중소형은 TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display), 그리고, 소형은 OLED(Organic Light Emitting Device)로 개발되고 있으나, 기술적 제한으로 대형화와 박형화가 한계에 있으며, 수요의 고급화에 대한 넓은 시야각 확보와 색상의 선명도 그리고 수명의 한계에 대한 극복이 필요하다.

한편, 발광다이오드는 자체적으로 발광하는 반도체 소자로써 빠른 응답속도와 낮은 전력소모 등의 장점뿐만 아니라 넓은 시야각 및 색상의 선명도와 반영구적으로 사용이 가능하며, 자외선과 같은 유해파 방출이 없고, 수은 및 방전용 가스, 수소 등의 물질을 포함하지 않아 환경친화적이면서도 에너지 절약효과가 높다.　 더욱이 90년대 중반 이후 GaN 청색의 발광다이오드가 개발되면서 총 천연색 디스플레이가 가능하게 되었다. 이러한 발광다이오드는 P형과 N형 반도체의 접합으로 이뤄져 있으며 전압을 가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭(band gap)에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 방출하는 소자이다.

최근에는 질화물 반도체 계열(InGaN 등)의 청색 및 녹색 발광다이오드와 InGaAlP를 이용한 적색 발광다이오드의 발광 효율이 급속히 증가되었다.

하지만, 아직까지 발광다이오드를 LCD, PDP, OLED와 같이 다수개의 어레이로 구성된 디스플레이소자의 제조 공정은 개발, 연구 중에 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발광다이오드의 N- GaN, 발광층, P- GaN을 다수개의 픽셀 어레이 형태로 구성함으로써 LCD, PDP 등과 같은 평판 디스플레이소자로 사용할 수 있는 발광다이오드 디스플레이소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광다이오드가 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 디스플레이 소자에 있어서, 기판 상부에 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴과, N- GaN 패턴 위에 각각 픽셀 단위로 스택 형태로 구성되며 순차 적층된 발광 패턴 및 P- GaN 패턴과, 결과물에서 P- GaN 패턴 사이의 내부 공간에 채워진 평탄화된 갭필막과, 갭필막 상부에 N- GaN 패턴과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴과, N- GaN 패턴과 투명 전극 패턴과 각각 연결된 다수개의 전극들을 포함한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광다이오드가 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 디스플레이 소자의 제조 방법에 있어서, 기판 상부에 N- GaN층, 발광층, P- GaN층을 순차적으로 적층하는 단계와, P- GaN층 및 발광층을 식각하여 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 P- GaN 패턴과 발광 패턴을 형성하는 단계와, N- GaN층을 식각하여 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴을 형성하는 단 계와, 결과물 전면에 갭필막을 형성하고, 그 표면을 평탄화하는 단계와, 평탄화된 갭필 절연막 상부에 N- GaN 패턴과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴을 형성하는 단계와, N- GaN 패턴과 투명 전극 패턴과 각각 연결된 다수개의 전극들을 형성하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 발광다이오드 디스플레이소자를 나타낸 사시도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발광다이오드 디스플레이소자는 사파이어(Al2O3) 기판(10) 위에 스트라이프(stripe) 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴(12a)이 형성되고, 각 N- GaN 패턴(12a) 위에 마이크로(㎛) 사이즈를 갖는 픽셀 어레이 형태의 발광 패턴(14a)과 P- GaN 패턴(16a)이 순차 적층된다. 여기서, 발광 패턴(14a)은 InGaN 또는 GaN 양자우물(quantum well)층으로 형성된다. 그리고 발광 패턴(14a) 및 P- GaN 패턴(16a)은 서로 분리된 스택 패턴으로 구성된다.

도 1b에 도시된 바와 같이, N- GaN 패턴(12a)과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴(28a)이 형성된다. 여기서, 투명 전극 패턴(28a)은 Ni/Au의 조합이나 ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 형성된다.

N- GaN 패턴(12a)과 투명 전극 패턴(28a) 사이의 공간에는 평탄화된 갭필막 (26a)이 채워진다. 그리고 사파이어 기판(10) 상부에는 N- GaN 패턴(12a)과 각각 연결되는 다수개의 N 전극(40)이 형성되며 평탄화된 갭필막(26a) 상부에는 투명 전극 패턴(28a)과 각각 연결되는 다수개의 P 전극(42)이 형성된다.

본 발명의 디스플레이소자는 N- GaN 패턴(12a), 발광 패턴(14a), P- GaN 패턴(16a)이 서로 적층된 부분이 하나의 발광다이오드로 구성되며 하나의 발광다이오드 영역이 디스플레이소자의 한 픽셀 영역에 해당한다.

이에 따라 N 전극(40) 및 P 전극(42)에 기설정된 전압이 공급되면, 본 발명에 따른 발광다이오드 디스플레이소자는 임의의 픽셀에 대응하는 투명 전극 패턴(28a)을 통해 P- GaN 패턴(16a)과 N- GaN 패턴(12a)에서 정공(hole)과 전자(electron)가 결합하며 이로 인해 이들 패턴(16a, 12a) 사이의 발광 패턴(14a)에서 적색, 녹색, 청색 등의 빛이 발광하게 된다.

도 2a 내지 도 2s는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 디스플레이 소자의 제조 방법을 순차적으로 설명하기 위한 공정 순서도이다. 이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 공정은 다음과 같이 진행된다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10) 위에 유기금속 화학기상증착법(MOCVD : Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)으로 N- GaN층(12)을 형성하고, 그 위에 발광층(14)과 P- GaN층(16)을 순차적으로 적층한다. 여기서, N- GaN층(12)은 GaN층에 N형 도펀트(예를 들어, Si, P, As)가 저농도로 도핑되어 있으며 P- GaN층에 P형 도펀트(예를 들어, Mg, B, BF)가 저농도로 도핑되어 있다. 발광층 (14)은 InGaN 또는 GaN 양자우물층으로 형성된다.

도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, P- GaN층(16) 상부에 스핀 코팅 장비를 이용하여 포토레지스트(18)를 1차로 도포하고, 다수개의 픽셀 어레이 영역(20a)이 정의된 포토마스크(20)를 이용한 노광 공정으로 포토레지스트(18)를 노광한다. 계속해서 도 2d에 도시된 바와 같이, 노광된 포토레지스트(18)를 현상 공정으로 진행하여 다수개의 픽셀 어레이 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(18a)을 형성한다.

그 다음 도 2e에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(18a)에 의해 드러난 P- GaN층 및 발광층을 건식 식각하여 다수개의 픽셀 어레이로 구성되며 스택 형태를 갖는 P- GaN 패턴(16a)과 발광 패턴(14a)을 형성한다. 예를 들어, 건식 식각 공정은 Cl2, BCl3 등의 반응성 가스를 이용하는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 식각 공정을 이용한다.

도 2f에 도시된 바와 같이, 에싱(ashing) 공정으로 포토레지스트 패턴을 제거한다. 이에 따라 N- GaN층(12) 상부에 마이크로 사이즈를 갖는 다수개의 픽셀 어레이 형태의 P- GaN 패턴(16a)과 발광 패턴(14a)이 형성된다.

계속해서 도 2g에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 스핀 코팅 장비를 이용하여 포토레지스트(22)를 2차로 도포한다. 이에 P- GaN 패턴(16a) 상부면과 N- GaN층(12) 상부면에 포토레지스트(22)가 도포된다. 그리고 도 2h 및 도 2i에 도시된 바와 같이, 다수개의 스트라이프 영역(24a)이 정의된 포토마스크(24)를 이용한 노광 공정으로 포토레지스트(22)를 노광하고, 노광된 포토레지스트(22)를 현상 공정으로 진행하여 다수개의 스트라이프 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴 (22a)을 형성한다. 이에 P- GaN 패턴(16a) 상부면과 N- GaN층(12) 상부면에 스트라이프 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(22a)이 형성된다.

그 다음 도 2j에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(22a)에 의해 드러난 N- GaN층을 건식 식각하여 스트라이프 형태로 배열된 N- GaN 패턴(12a)을 형성한다. 이때 건식 식각 공정은 Cl2, BCl3 등의 반응성 가스를 이용하는 ICP 식각 공정을 이용한다.

도 2k에 도시된 바와 같이, 에슁 공정으로 포토레지스트 패턴을 제거한다. 이에 사파이어 기판(10) 상부에 행 또는 열 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴(12a)이 형성되며 스트라이프 형태의 N- GaN 패턴(12a) 상부에 다수개의 픽셀 어레이 형태를 갖는 발광 패턴(14a)과 P- GaN 패턴(16a) 순차 적층된다.

그 다음 도 2l에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 갭필막(gap-fill layer)(26)을 증착한다. 이에 N- GaN 패턴(12a) 사이의 공간인 사파이어 기판(10)과, N- GaN 패턴(12a) 및 P- GaN 패턴(16a) 상부에 갭필막(26)이 증착된다. 여기서, 갭필막(26)은 SiO2, Si3N4, SiO2와 Si3N4의 조합, 폴리아미드(polyamide), ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2 등의 절연 물질을 사용한다. 이러한 갭필막(26)은 각 픽셀에 대응되는 N- GaN 패턴(12a) 내지 P- GaN 패턴(16a) 사이의 공간을 절연하면서 후속 열처리에 대해 열적으로 안정적일 뿐만 아니라, 공기보다 굴절율이 높아 발광 빛의 프레넬(fresnel) 손실을 감소시키는 역할을 한다.

도 2m에 도시된 바와 같이, 상기 갭필막 상부에 투명 전극층을 증착하기 위 하여 갭필막 표면을 평탄화하는데, 화학적기계적 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 P- GaN 패턴(16a) 표면이 드러날 때까지 갭필막 표면을 연마한다. 이에 따라 평탄화된 갭필막(26a)에 의해 상기 결과물 상부면이 균일한 표면을 가지게 된다. 한편, 평탄화 공정은 갭필막 상부에 희생막, 예를 들어, Si3N4, 포토레지스트 등을 추가 형성한 후에 건식 식각(전면 식각)하는 방식을 이용할 수도 있다.

도 2n에 도시된 바와 같이, 평탄화된 절연막(26a) 상부에 투명 전극층(28)을 형성한다. 여기서, 투명 전극층(28)은 NiO/Au의 조합이나 ITO 등으로 형성된다.

그리고 도 2o 및 도 2p에 도시된 바와 같이, 투명 전극(28) 상부 전면에 스핀 코팅 장비를 이용하여 포토레지스트(30)를 3차로 도포하고, 다수개의 스트라이프 영역(32a)이 정의된 포토마스크(32)를 이용한 노광 공정으로 포토레지스트(30)를 노광한다. 이때, 스트라이프 영역(32a)은 N- GaN 패턴(12a)과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태가 배열된다. 도 2q에 도시된 바와 같이, 노광된 포토레지스트를 현상 공정으로 진행하여 다수개의 스트라이프 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(30a)을 형성한다. 이에 투명 전극층(28a) 상부면에 N- GaN 패턴(12a)과 수직으로 교차되는 스트라이프 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(30a)이 형성된다.

그리고나서 도 2r 및 도 2s에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(30a)에 의해 드러난 투명 전극층을 건식 식각하여 N- GaN 패턴(12a)과 수직으로 교차되는 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴(28a)을 형성한 후에 포토레지 스트 패턴(30a)을 제거한다.

이후 도면에 도시되지는 않았지만, 금속 배선 공정을 진행하여 도 1b와 같이 사파이어 기판 상부에 N- GaN 패턴(12a)에 각각 연결되는 다수개의 N 전극(미도시됨)을 형성하며 갭필막(26a) 상부에 투명 전극 패턴(28a)과 각각 연결되는 다수개의 P 전극(미도시됨)을 형성한다.

한편, 본 발명은 N- GaN층, 발광층, P- GaN층을 순차적으로 적층되며 이들 층이 식각되어 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 발광다이오드 디스플레이의 구조 및 그 제조 방법에 대해서만 설명하였지만, 상기 발광다이오드 디스플레이에서 발광층을 서로 보색관계(청색 및 적색)에 있는 두 개 이상의 디스플레이소자를 접합하여 백색광의 다수개 픽셀 어레이 주로의 발광다이오드 디스플레이를 제조할 수도 있다. 예를 들어, N-GaN층, 청색 또는 녹색 발광층, P-GaN층으로 구성된 에피웨이퍼와 N-GaAs층, 적색 발광층, AlGaInP(또는 GaP 에피층)층으로 구성된 에피웨이퍼를 접합한 후에, 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 청색 또는 녹색 빛을 내는 제 1발광다이오드 디스플레이와 보색의 적색 빛을 내는 제 2발광다이오드 디스플레이 소자를 제조할 수도 있다.

즉, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 LCD, PDP 등의 평판 디스플레이를 발광 다이오드로 제조하여 발광다이오드 자체의 빠른 응답속도와 낮은 전력소모, 박형화, 색상의 선명도 및 넓은 시야각과 장수명 등의 장점과 더불어 환경친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높은 디스플레이 소자의 구현이 가능하다.

Claims (11)

1. 발광다이오드가 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 디스플레이 소자에 있어서,

   기판 상부에 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴;

   상기 N- GaN 패턴 위에 각각 픽셀 단위로 스택 형태로 구성되며 순차 적층된 발광 패턴 및 P- GaN 패턴;

   상기 결과물에서 상기 P- GaN 패턴 사이의 내부 공간에 채워진 평탄화된 갭필막;

   상기 갭필막 상부에 상기 N- GaN 패턴과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴; 및

   상기 N- GaN 패턴과 상기 투명 전극 패턴과 각각 연결된 다수개의 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발광 패턴은 InGaN 또는 GaN 양자우물층인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 갭필막은 SiO2, Si3N4, SiO2와 Si3N4의 조합, 폴리아미드(polyamide), ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2 중에서 어는 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 투명 전극 패턴은 Ni/Au의 조합 또는 ITO로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 평탄화된 갭필막은 상기 P- GaN 패턴의 높이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자.
6. 발광다이오드가 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 디스플레이 소자에 있어서,

   기판 상부에 N- GaN층, 발광층, P- GaN층을 순차적으로 적층하는 단계;

   상기 P- GaN층 및 발광층을 식각하여 상기 다수개의 픽셀 어레이로 구성된 P- GaN 패턴과 발광 패턴을 형성하는 단계;

   상기 N- GaN층을 식각하여 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 N- GaN 패턴 을 형성하는 단계;

   상기 결과물 전면에 갭필막을 형성하고, 그 표면을 평탄화하는 단계;

   상기 평탄화된 갭필 절연막 상부에 상기 N- GaN 패턴과 수직으로 교차하는 방향으로 스트라이프 형태로 배열된 다수개의 투명 전극 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 N- GaN 패턴과 상기 투명 전극 패턴과 각각 연결된 다수개의 전극들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 발광 패턴은 InGaN 또는 GaN 양자우물층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 갭필막은 SiO2, Si3N4, SiO2와 Si3N4의 조합, 폴리아미드(polyamide), ZrO2/SiO2, HfO2/SiO2 중에서 어는 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 투명 전극 패턴은 Ni/Au의 조합 또는 ITO로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 갭필막을 평탄화하는 단계는, 화학적기계적연마 공정으로 상기 P- GaN 패턴의 높이까지 평탄화하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.
11. 제 6항에 있어서,

    상기 갭필막을 평탄화하는 단계는, 상기 갭필막 상부에 희생막을 추가하며 상기 희생막 및 갭필막을 상기 P- GaN 패턴의 높이까지 건식 식각하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 디스플레이소자의 제조 방법.

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