KR20180126796A - Method for manufacturing color light-emitting diode using wafer bonding and vertically deposited color light-emitting diode - Google Patents
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Abstract
Description
실시예들은 웨이퍼 접합(wafer bonding)을 통한 컬러 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)의 제조 방법 및 수직 적층형 LED에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 각 색상의 발광층을 수직 방향으로 적층시키고 1회 전사에 의해 풀 컬러(full color) LED를 구현하는 기술에 대한 것이다. Embodiments relate to a method of manufacturing a color light emitting diode (LED) through wafer bonding and a vertical stacked type LED, more specifically, to a method of stacking light emitting layers of respective colors vertically, To a full color LED.
디스플레이 장치는 기술의 발전에 힘입어 소형화를 거듭하고 있으며, 웨어러블(wearable) 장치나 플렉서블(flexible) 장치 등이 최근 주목을 받으면서 초소형 디스플레이 장치에 대한 수요가 높아지고 있다. 향후에는 홀로그래픽(holographic display), 가상현실(Virtual Reality) 또는 증강현실(Augmented Reality) 기술 등이 보다 광범위하게 적용되면서, 높은 해상도를 가진 초소형 디스플레이 장치의 필요성이 증대될 것으로 예상된다. 2. Description of the Related Art [0002] Display devices have been miniaturized due to technological advancement, and wearable devices and flexible devices have recently received a great deal of attention, and demand for ultra-small display devices is increasing. In the future, a holographic display, a virtual reality, or augmented reality technology is more widely used, and it is expected that the need for an ultra-small display device with high resolution will increase.
이러한 소형 디스플레이 장치로 주목을 받고 있는 것이 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)이다. 그러나, 현재까지 LED가 적용된 디스플레이 장치는 전력 소모가 심하여 소형화하는 데 한계가 있고, 이는 웨어러블 장치 등의 시장 성장을 저하시키는 요소로 작용하고 있다. 또한, 현재 기술로는 LED의 픽셀 피치(pixel pitch)를 일정 수준 이하로 줄이는 것이 어려워, 웨어러블 장치에 적용 시 픽셀이 눈에 보이고 사용자의 어지러움을 유발하는 문제점이 있다. A light-emitting diode (LED) is attracting attention as such a small-sized display device. However, the display device to which the LED is applied up to now has a limitation in miniaturization due to severe power consumption, which is a factor that deteriorates the market growth of wearable devices and the like. Further, it is difficult to reduce the pixel pitch of the LED to a certain level or less in the current technology, and there is a problem that when applied to a wearable device, the pixel is visible and causes dizziness of the user.
도 1은 종래의 용도별 LED 특성을 나타내는 그래프이다. FIG. 1 is a graph showing a conventional LED characteristic for use.
도 1을 참조하면, 종래의 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode; OLED) 또는 양자점 발광 다이오드(Quantum Dot Light-Emitting Diode; QLED)의 경우 픽셀 피치를 줄여 소형화하는 것은 용이하지만, 재료의 한계로 인하여 단위 면적당 밝기가 제한되어 저전력화하기는 어렵다. 일반 조명이나 백색 조명 등에 적용되는 종래의 무기 LED는 상대적으로 소모 전력이 적지만, 무기 LED를 기반으로 초소형 디스플레이 장치에 필요한 픽셀 피치를 구현할 수 있는 기술이 존재하지 않았다. 1, in the case of a conventional organic light-emitting diode (OLED) or a quantum dot light-emitting diode (QLED), it is easy to downsize the pixel pitch by reducing the pixel pitch. However, The brightness per unit area is limited and it is difficult to reduce power consumption. Conventional inorganic LEDs applied to general illumination or white illumination have relatively low power consumption, but there is no technology capable of realizing the pixel pitch necessary for an ultra-small display device based on an inorganic LED.
도 2a는 종래 기술에 따라 제작된 LED를 나타내는 도면이다. 2A is a diagram showing an LED manufactured according to the prior art.
도 2a를 참조하면, 종래의 무기 LED는 기판(1) 위에 청색 또는 자외선 등을 발생시키는 LED층(2)을 형성하고, LED 층(2)의 빛이 형광체(3)를 거쳐 백색광으로 발현되도록 하였다. 이때 컬러는 LED 위에 위치하며 각 색상 영역을 가진 컬러 필터(color filter)(4)에 의하여 구현되었다. 그러나, 이러한 종래 기술의 경우 부가적인 컬러 필터 설계가 필요하고 구조가 복잡하여 소형화가 곤란하며, 형광체(3) 및 컬러 필터(4)에서 발생하는 광 손실을 감안하여 출력을 높여야 하므로 저전력화가 곤란한 한계가 있다. 2A, a conventional inorganic LED includes an
도 2b는 또 다른 종래 기술에 따라 제작된 LED를 나타내는 도면이다. FIG. 2B is a view showing an LED manufactured according to another conventional technique. FIG.
도 2b를 참조하면, 무기 LED에서 픽셀 피치를 줄이기 위하여 서로 다른 각 색상의 LED(6, 7, 8)를 별도의 기판에서 제작한 후 최종 기판(5)에 전사(transfer)하여 컬러 LED를 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 종래 기술의 경우에도 수백만 픽셀에 달하는 LED들을 색상 별로 정확한 위치에 전사하여야 하므로 소형화에 한계가 있으며, 각 색상 LED가 서로 다른 기판에서 제작되므로 복수 회(예컨대, RGB 3색 LED를 사용하는 경우 3회)의 전사 공정이 필요하여 공정 수율이 낮은 단점이 있다.2B, in order to reduce the pixel pitch in the inorganic LED,
본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 종래 기술의 단점을 해소하여 1회 전사에 의해 풀 컬러(full color) 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)의 구현이 가능하며 전사 시 정렬이 불필요하여 공정이 용이하고, 각 색상의 발광 소자가 별도로 면적을 차지하지 않아 컬러 LED의 소형화 및 저전력화가 가능한 컬러 LED의 제조 방법과, 수직 적층형 컬러 LED 및 이를 포함하는 반도체 소자를 제공할 수 있다. According to one aspect of the present invention, a full color light-emitting diode (LED) can be realized by one-time transfer by eliminating the disadvantages of the conventional art described above, And a light emitting device of each color does not occupy an area separately, thereby making it possible to provide a method of manufacturing a color LED in which color LEDs can be downsized and power can be reduced, and a vertical stacked color LED and a semiconductor device including the same.
일 실시예에 따른 컬러 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)의 제조 방법은, 광학적으로 투명한 제1 기판상에, 에피택시 성장 방식으로, 제1 밴드갭을 가진 제1 다중양자우물층을 포함하며 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제1 발광층을 형성하는 단계; 제2 기판상에, 에피택시 성장 방식으로, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁은 제2 밴드갭을 가진 제2 다중양자우물층을 포함하고 인화갈륨(GaP) 또는 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP) 기반의 물질로 이루어진 제2 발광층을 형성하는 단계; 상기 제2 발광층과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층을 포함하는 접합층을 이용하여 상기 제2 발광층을 상기 제1 발광층상에 접합하는 단계; 상기 접합하는 단계 전 또는 상기 접합하는 단계 후에, 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계; 및 패터닝된 상기 제2 발광층과 접합된 상기 제1 발광층을 패터닝하는 단계를 포함한다. A method of fabricating a color light-emitting diode (LED) according to one embodiment includes forming a first multi-quantum well layer having a first band gap on an optically transparent first substrate in an epitaxial growth manner Forming a first light emitting layer made of gallium nitride (GaN) based material; (GaP) or aluminum indium gallium phosphide (Al (In)) and a second quantum well layer having a second bandgap narrower than the first bandgap in an epitaxial growth manner on a second substrate, Forming a second light emitting layer made of GaP based material; Bonding the second light emitting layer onto the first light emitting layer using a bonding layer including at least one oxide layer having a different refractive index from the second light emitting layer; Patterning the second light emitting layer before or after the bonding step; And patterning the first light emitting layer bonded to the patterned second light emitting layer.
일 실시예에서, 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계는 상기 접합하는 단계 후에 수행되며, 상기 접합하는 단계 후 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계 전에, 상기 제2 발광층상에 위치하는 상기 제2 기판을 식각에 의해 제거하는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the step of patterning the second light-emitting layer is performed after the bonding step, and before the step of patterning the second light-emitting layer after the bonding step, the step of patterning the second substrate located on the second light- And removing by etching.
일 실시예에서, 상기 제2 발광층을 형성하는 단계는, 상기 제2 기판과 상기 제2 다중양자우물층 사이에 희생층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계는 상기 접합하는 단계 전에 수행된다. 또한, 컬러 LED 제조 방법은, 상기 접합하는 단계 후 상기 제1 발광층을 패터닝하는 단계 전에, 상기 제2 기판을 제거하기 위해 상기 희생층을 식각하는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the step of forming the second light emitting layer includes forming a sacrificial layer between the second substrate and the second multiple quantum well layer, wherein patterning the second light emitting layer comprises: . Further, the method of manufacturing a color LED further includes etching the sacrificial layer to remove the second substrate before the step of patterning the first light emitting layer after the joining step.
일 실시예에서, 상기 제1 다중양자우물층은 인듐질화갈륨(InGaN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함한다.In one embodiment, the first multiple quantum well layer comprises indium gallium nitride (InGaN) and gallium nitride (GaN).
일 실시예에서, 상기 제1 기판은 사파이어(sapphire)를 포함한다.In one embodiment, the first substrate comprises a sapphire.
일 실시예에서, 상기 제2 다중양자우물층은 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP)을 포함한다.In one embodiment, the second multiple quantum well layer comprises aluminum indium gallium phosphide (Al (In) GaP).
일 실시예에서, 상기 제2 기판은 비소화갈륨(GaAs)을 포함한다.In one embodiment, the second substrate comprises gallium arsenide (GaAs).
일 실시예에 따른 컬러 LED 제조 방법은, 상기 접합하는 단계 전에, 상기 제1 발광층상에, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁고 상기 제2 밴드갭에 비하여 넓은 제3 밴드갭을 가지는 제3 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제3 발광층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 이때, 상기 접합하는 단계에서 상기 제2 발광층은 상기 제3 발광층을 통하여 상기 제1 발광층에 접합된다.A method of manufacturing a color LED according to an exemplary embodiment of the present invention is characterized in that before the bonding step, a third multiple quantum well having a third bandgap narrower than the first bandgap and wider than the second bandgap, Forming a third light emitting layer comprising a gallium nitride (GaN) based material including a well layer. At this time, in the bonding step, the second light emitting layer is bonded to the first light emitting layer through the third light emitting layer.
일 실시예에서, 상기 제3 발광층을 형성하는 단계는, 상기 제2 발광층상에서 에피택시 성장 방식으로 상기 제3 발광층을 형성하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the step of forming the third light emitting layer includes forming the third light emitting layer in an epitaxial growth manner on the second light emitting layer.
일 실시예에서, 상기 제3 발광층을 형성하는 단계는, 제3 기판상에 상기 제3 발광층을 형성하는 단계; 상기 제3 발광층을 상기 제1 발광층상에 접합하는 단계; 및 상기 제3 발광층이 상기 제1 발광층상에 접합된 상태에서 상기 제3 기판을 제거하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the forming of the third light emitting layer includes: forming the third light emitting layer on a third substrate; Bonding the third light emitting layer onto the first light emitting layer; And removing the third substrate with the third light emitting layer bonded to the first light emitting layer.
일 실시예에서, 상기 제3 다중양자우물층은 인듐질화갈륨 및 질화갈륨을 포함한다. In one embodiment, the third multiple quantum well layer comprises indium gallium nitride and gallium nitride.
일 실시예에 따른 컬러 LED 제조 방법은, 패터닝된 상기 제1 발광층 또는 패터닝된 상기 제2 발광층에 전기적으로 접촉된 하나 이상의 전극을 형성하는 단계를 더 포함한다.The method of manufacturing a color LED according to an exemplary embodiment of the present invention further includes forming at least one electrode electrically contacted with the patterned first light emitting layer or the patterned second light emitting layer.
일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED는, 광학적으로 투명한 기판; 상기 기판상에 위치하며, 제1 밴드갭을 가진 제1 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제1 발광층; 상기 제1 발광층상에 위치하며, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁은 제2 밴드갭을 가진 제2 다중양자우물층을 포함하고 인화갈륨(GaP) 또는 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP) 기반의 물질로 이루어진 제2 발광층; 및 상기 제1 발광층과 상기 제2 발광층 사이에 위치하며 상기 제2 발광층과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층을 포함하는 접합층을 포함한다.A vertical stacked color LED according to an embodiment includes an optically transparent substrate; A first light emitting layer on the substrate, the first light emitting layer comprising a first multi quantum well layer having a first bandgap and made of a gallium nitride (GaN) based material; And a second multiple quantum well layer having a second bandgap narrower than the first bandgap, the second multi quantum well layer being disposed on the first emission layer and being formed of gallium phosphide (GaP) or aluminum indium gallium phosphide (Al (In) GaP) A second light emitting layer made of a material of And a bonding layer disposed between the first emitting layer and the second emitting layer and including at least one oxide layer having a different refractive index from the second emitting layer.
일 실시예에서, 상기 제1 발광층 및 상기 제2 발광층 각각은, 상기 제1 다중양자우물층 또는 상기 제2 다중양자우물층의 일 측면에 위치하는 하나 이상의 반도체층을 더 포함한다. In one embodiment, each of the first light emitting layer and the second light emitting layer further comprises at least one semiconductor layer located on one side of the first multiple quantum well layer or the second multiple quantum well layer.
일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED는, 상기 제1 발광층 및 상기 제2 발광층 사이에 위치하며, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁고 상기 제2 밴드갭에 비하여 넓은 제3 밴드갭을 가지는 제3 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제3 발광층을 더 포함한다.The vertical multi-layered color LED according to an exemplary embodiment of the present invention may include a third multi-layered multi-layer LED having a third band gap narrower than the first band gap and having a third band gap larger than the second band gap, And a third light emitting layer comprising a quantum well layer and made of a gallium nitride (GaN) based material.
일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED는, 전력을 인가하기 위해 상기 제1 발광층 또는 상기 제2 발광층에 전기적으로 접촉된 하나 이상의 전극을 더 포함한다.The vertical stacked color LED according to an embodiment further includes at least one electrode electrically connected to the first light emitting layer or the second light emitting layer for applying electric power.
일 실시예에 따른 반도체 소자는 전술한 실시예들에 따른 수직 적층형 컬러 LED를 포함한다. A semiconductor device according to an embodiment includes a vertical stacked color LED according to the above-described embodiments.
본 발명의 일 측면에 따른 컬러 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)의 제조 방법에 의하면, 서로 다른 색상의 발광 소자를 하나의 기판상에 수직 방향으로 적층함으로써, 1회의 전사 만으로 풀 컬러 LED를 구현할 수 있으며 전사 시 정렬이 불필요하여 공정이 용이하고, 각 색상의 발광 소자가 별도로 면적을 차지하지 않아 장치의 소형화 및 저전력화가 가능한 이점이 있다. According to the method of manufacturing a color light-emitting diode (LED) according to an aspect of the present invention, by laminating light-emitting elements of different colors in a vertical direction on one substrate, And it is advantageous that the device can be miniaturized and the power consumption can be reduced because the light emitting device of each color does not occupy an area separately.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 컬러 LED에서는 각 색상 발광 소자의 밴드갭(bandgap)을 고려하여 밴드갭이 좁은 발광 소자로부터 밴드갭이 더 넓은 발광 소자의 방향으로 빛이 조사되도록 구성되어 있어, 장치 내에서의 광 흡수 손실 문제를 방지할 수 있는 이점이 있다. In the color LED according to one aspect of the present invention, the light is emitted in the direction of the light emitting device having a narrower bandgap than the light emitting device having a narrow bandgap considering the bandgap of each color light emitting device, There is an advantage that the problem of light absorption loss in the apparatus can be prevented.
도 1은 종래의 용도별 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2a 및 2b는 종래 기술에 따라 제작된 LED를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED의 사시도이다.
도 4a 내지 4f는 일 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 5c는 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6a 내지 6f는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7a 및 7b는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다.
도 8a 내지 8d는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다.
도 9a 내지 9e는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다.
도 10a 및 10b는 각각 표면 폴리싱 전후의 표면 특성을 나타내는 사진이다.
도 11은 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED의 밴드갭(bandgap) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED에서 접합층 구성에 따른 파장별 반사도를 나타내는 그래프이다. FIG. 1 is a graph showing a conventional light-emitting diode (LED) characteristic.
2A and 2B are diagrams illustrating LEDs manufactured according to the prior art.
3 is a perspective view of a vertical stacked color LED according to one embodiment.
4A to 4F are cross-sectional views showing respective steps of a method of manufacturing a color LED according to an embodiment.
5A to 5C are cross-sectional views showing some steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment.
6A to 6F are cross-sectional views showing respective steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment.
7A and 7B are cross-sectional views showing some steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment.
8A to 8D are cross-sectional views showing some steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment.
9A to 9E are cross-sectional views showing some steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment.
10A and 10B are photographs showing surface characteristics before and after surface polishing, respectively.
11 is a graph showing bandgap characteristics of a vertical stacked color LED according to an embodiment.
FIG. 12 is a graph illustrating the reflectance of each layer according to the structure of a junction layer in a vertical stacked color LED according to an exemplary embodiment. Referring to FIG.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 명세서에서 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.Where reference in the specification to "above " another part, it may be directly on the other part or be accompanied by another part therebetween. In contrast, when a section is referred to as being "directly above" another section, no other section is involved.
본 명세서에서 제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.The terms first, second and third, etc. are used herein to describe various portions, components, regions, layers and / or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish any moiety, element, region, layer or section from another moiety, moiety, region, layer or section. Thus, a first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as a second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified and that the presence or absence of other features, regions, integers, steps, operations, elements, and / It does not exclude addition.
본 명세서에서 "아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.The term " below ", "above ", and the like, which denote relative space in this specification, can be used to more easily describe the relationship to other parts of a part shown in the drawings. These terms are intended to include other meanings or acts of the apparatus in use, as well as intended meanings in the drawings. For example, when inverting a device in the figures, certain parts that are described as being "below" other parts are described as being "above " other parts. Thus, an exemplary term "below" includes both up and down directions. The device can be rotated 90 degrees or rotated at different angles, and the term indicating the relative space is interpreted accordingly.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.
도 3은 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)의 사시도이다. 3 is a perspective view of a vertical stacked color light-emitting diode (LED) according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED는 기판(100), 기판(100)상에 위치한 제1 발광층(10) 및 제1 발광층(10)상에 위치한 제2 발광층(20)을 포함한다. 일 실시예에서, LED는 제1 발광층(10)과 제2 발광층(20) 사이에 위치하는 제3 발광층(30)을 더 포함한다. 또한 일 실시예에서, LED는 이들 발광층에 전력을 인가하기 위한 전극(40)을 더 포함한다. 3, the LED according to the present embodiment includes a
기판(100)은 제1 내지 제3 발광층(10, 20, 30)을 지지한다. 또한, 기판(100)은 제1 내지 제3 발광층(10, 20, 30)으로부터 발생된 빛(50)이 기판(100)을 투과하여 표시를 위해 출력될 수 있도록 광학적으로 투명한 성질을 갖는다. 예를 들어, 기판(100)은 사파이어(sapphire)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The
제1 발광층(10)은 기판(100) 상에서 에피택시(epitaxy) 방식으로 성장되는 무기 발광층이다. 한편, 제2 발광층(20)은 다른 기판(미도시)상에서 성장된 후 제1 발광층(10)상에 전사(transfer)되는 무기 발광층이다. 제1 발광층(10)은 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어지며, 제2 발광층(20)은 인화갈륨(GaP) 또는 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP) 기반의 물질로 이루어진다. The first
제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20) 각각은 다중양자우물(Multi Quantum Wall; MQW)층을 가질 수 있다. 다중양자우물 구조는 활성층(active layer)(또는, 발광층)과 절연층(또는, 배리어(barrier)층)이 교대로 적층된 우물 구조를 다층으로 형성한 것이며, 이는 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다. 또한, 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20) 각각은 다중양자우물층의 일 측면 또는 양 측면에 위치하는 하나 이상의 반도체층을 더 포함할 수 있다. Each of the first
제1 발광층(10)으로부터 발생된 빛은 기판(100)을 통과하여 출력되는 한편, 제2 발광층(20)으로부터 발생된 빛은 제1 발광층(10) 및 기판(100)을 통과하여 출력된다. 이때, 제2 발광층(20)으로부터 발생된 빛이 제1 발광층(10)에 흡수되어 손실이 발생되지 않도록 하기 위하여, 제1 발광층(10)의 다중양자우물 구조의 밴드갭(bandgap)(또는, 제1 밴드갭)이 제2 발광층(20)의 다중양자우물 구조의 밴드갭(또는, 제2 밴드갭)에 비해 더 넓도록 층들을 배치한다. 예를 들어, 제1 발광층(10)은 녹색 또는 청색 빛을 발생시키는 발광 소자로서 인듐질화갈륨(InGaN) 및 GaN의 다중양자우물 구조를 포함하며, 제2 발광층(20)은 적색 빛을 발생시키는 발광 소자로서 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP)을 포함할 수 있다. Light generated from the first
일 실시예에서 컬러 LED가 제3 발광층(30)을 더 포함하는 경우, 전술한 것과 마찬가지로 광 흡수에 의한 손실을 방지하기 위해 제3 발광층(30)의 다중양자우물 구조의 밴드갭(또는, 제3 밴드갭)은 제1 밴드갭에 비하여 좁고 제2 밴드갭에 비하여 넓다. 또한, 제3 발광층(30)은 제1 발광층(10)과 마찬가지로 GaN 기반의 물질로 이루어진다. 예를 들어, 제1 발광층(10)은 청색 빛을 발생시키는 발광 소자이고, 제3 발광층(30)은 녹색 빛을 발생시키는 발광 소자이며, 제2 발광층(20)은 적색 빛을 발생시키는 발광 소자일 수 있다. 이때, 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)은 모두 InGaN 및 GaN의 다중양자우물 구조를 포함하되, InGaN 및 GaN의 조성비에 따라 발현되는 빛의 색상을 전술한 것과 같이 상이하게 할 수 있다. If the color LED further includes the third
한편, 제1 발광층(10)(또는, 제3 발광층(30)이 존재하는 경우 제3 발광층(30))과 제2 발광층(20) 사이에는 접합을 위한 접합층(미도시)이 존재한다. 접합층은 격자 부정합이 큰 GaN 기반의 제1 발광층(또는, 제3 발광층(30)이 존재하는 경우 제3 발광층(30))과 GaP 또는 Al(In)GaP 기반의 제2 발광층(20)을 웨이퍼 접합(wafer bonding) 방식으로 접합하는 역할을 한다. 또한, 다중양자우물의 밴드갭이 더 큰 제1 발광층(10) 및/또는 제3 발광층(30)으로부터 제2 발광층(20)으로 입사되는 빛을 반사하기 위해, 접합층은 GaP 또는 Al(In)GaP와 굴절률이 상이한 한 층 이상의 산화물로 이루어질 수 있다. 접합층의 구성에 대해서는 상세히 후술한다. A bonding layer (not shown) for bonding exists between the first light emitting layer 10 (or the third
도 4a 내지 4f는 일 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도이다. 4A to 4F are cross-sectional views showing respective steps of a method of manufacturing a color LED according to an embodiment.
도 4a를 참조하면, 제1 기판(100)상에 제1 발광층(10)을 에피택시 방식으로 성장시키고, 또한 제2 기판(200)상에 제2 발광층(20)을 에피택시 방식으로 성장시킬 수 있다. 일 실시예에서, 제2 기판(200)과 제2 발광층(20) 사이에는 식각을 위한 희생층(210)이 더 형성된다. 4A, a first
제1 기판(100)은 사파이어로 이루어지며, 제1 발광층(10)의 각 층은 GaN 기반의 물질로 이루어질 수 있다. 제1 발광층(10)은 n형 반도체층(101), 제1 다중양자우물층(102) 및 p형 반도체층(103)을 포함할 수 있고, 이들 층들을 순차적으로 에피택시 성장시킴으로써 제1 발광층(10)이 형성된다. 예를 들어, n형 반도체층(101)은 n-GaN으로 이루어지며, 제1 다중양자우물층(102)은 InGaN 및 GaN으로 이루어지고, p형 반도체층(103)은 p-GaN으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The
제2 기판(200)은 비소화갈륨(GaAs)으로 이루어지며, 희생층(210)은 알루미늄비소화갈륨(AlGaAs)으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 발광층(20)의 각 층은 GaP 또는 Al(In)GaP 기반의 물질로 이루어질 수 있다. 제2 발광층(20)은 n형 반도체층(201), 제2 다중양자우물층(202) 및 p형 반도체층(203)을 포함할 수 있고, 이들 층들을 순차적으로 에피택시 성장시킴으로써 제2 발광층(20)이 형성된다. 에를 들어, n형 반도체층(201)은 n-Al(In)GaP로 이루어지며, 제2 다중양자우물층(202)은 Al(In)GaP로 이루어지고, p형 반도체층(203)은 p-GaP로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The
도 4b를 참조하면, 위와 같이 준비된 제1 발광층(10) 및/또는 제2 발광층(20) 상에 접합층(104, 204)을 형성할 수 있다. 접합층(104, 204)은 GaP와 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층으로 이루어지며, 제1 발광층(10)과 제2 발광층(20)을 접합시키는 한편 제1 발광층(10)에서 발생된 빛이 제2 발광층(20)에 의해 흡수되지 않도록 반사시키는 기능을 한다. 도면에서는 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20)상에 각각 접합층(104, 204)이 형성되었으나, 이들 중 어느 한 쪽에만 접합층을 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 4B, the bonding layers 104 and 204 may be formed on the first and second
일 실시예에서는, 제1 발광층(10)과 접합층(104) 사이에 도전층(110)이 더 형성된다. 도전층(110)은 p형 반도체층(103)이 p-GaN과 같이 이동도가 낮아 전도도가 상대적으로 좋지 않은 물질로 이루어진 경우 효과적인 전류 확산(spreading)을 위한 것으로서, 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide; ITO) 등 전도성 산화물로 이루어진다. In one embodiment, a
일 실시예에서는, 이상과 같이 준비된 접합층(104, 204)의 표면을 화학기계폴리싱(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 처리한다. 폴리싱 처리는 스포이드, 스퀴즈 보틀(squeeze bottle) 등을 이용하여 폴리싱 슬러리(slurry)를 지속적으로 공급하는 상태에서 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 슬러리를 탈이온수(Deionized water; DI)와 혼합하여 사용할 수도 있다. 또한, 폴리싱 가공을 위한 기판의 회전 속도(단위: RPM) 및 회전 시간(단위: 초(s))을 다양하게 변화시켜가며 실험한 결과, 하기 표 1과 같은 공정 조건들을 얻을 수 있었다.In one embodiment, the surfaces of the bonding layers 104 and 204 prepared as described above are subjected to chemical mechanical polishing (CMP). The polishing process is preferably performed while continuously supplying a polishing slurry by using a syringe, a squeeze bottle, or the like. In this case, the slurry may be mixed with deionized water (DI). Further, experiments were carried out by variously changing the rotation speed (unit: RPM) and the rotation time (unit: second (s)) of the substrate for polishing, and as a result, the processing conditions as shown in Table 1 were obtained.
15s40 RPM
30s40 RPM
20s40 RPM
15s40 RPM
15s40 RPM
15s
스퀴즈 보틀Slurry: DI (1: 1)
15s40 RPM
15s50 RPM
30s30 RPM
15s30 RPM
15s
스포이드Slurry: DI (1: 1)
15s40 RPM
30s40 RPM
30s
도 10a 및 10b는 각각 표면 폴리싱 전후의 표면 특성을 나타내는 사진이다. 도 10a 및 10b는, 표 1에 도시된 공정 조건 중 40 RPM 30s의 공정 조건을 이용하여 폴리싱된 표면을 원자 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)으로 측정한 것이다.10A and 10B are photographs showing surface characteristics before and after surface polishing, respectively. 10A and 10B are measurement results of the polished surface using an atomic force microscope (AFM) using the process conditions of 40 RPM 30s among the process conditions shown in Table 1. [
도 10a는 질화갈륨(GaN)상에 산화물층으로서 약 300 nm 두께의 산화이트륨(Y2O3)을 형성한 후 폴리싱하기 전 상태를 나타내는 사진이며, 도 10b는 도 10a에 도시된 산화이트륨(Y2O3)을 폴리싱한 후의 사진이다. 폴리싱 전 도 10a의 사진에서 피크간 거리는 최대 7nm이며, 피크의 제곱평균제곱근(Root Mean Square; RMS)는 약 1.4 nm인 반면, 폴리싱 후 도 10b의 사진에서 피크간 거리는 최대 3nm로 감소하였고, 피크의 RMS도 약 0.7nm로 감소하여, 폴리싱에 의해 표면 개질이 이루어짐을 확인할 수 있다. 10A is a photograph showing a state before the wafer is polished after about 300 nm thick yttria (Y 2 O 3 ) is formed as an oxide layer on gallium nitride (GaN), and FIG. 10B is a photograph showing the state of the yttrium oxide Y 2 O 3 ) is polished. 10A, the peak-to-peak distance is a maximum of 7 nm and the root mean square (RMS) of the peak is about 1.4 nm. On the other hand, the distance between peaks in the photograph of FIG. 10B after polishing is reduced to a maximum of 3 nm, The RMS of the silicon oxide film was also reduced to about 0.7 nm, and it was confirmed that the surface was modified by polishing.
도 4c를 참조하면, 도 4b에 도시된 것과 같이 접합층(104, 204)이 형성된 상태에서 접합층(204)을 접합층(104)상에 웨이퍼 접합시킴으로서 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20)이 수직 적층된 구조를 형성한다. Referring to FIG. 4C, the
다음으로, 도 4d에 도시된 것과 같이 제2 기판(200) 및 희생층(210)을 식각에 의해 제거한다. Next, as shown in FIG. 4D, the
다음으로, 도 4e에 도시된 것과 같이 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20)의 일부 영역을 식각에 의하여 제거함으로써 픽셀(pixel) 영역을 패터닝(patterning)하게 된다. Next, as shown in FIG. 4E, a part of the first
한편, 다른 실시예에서는 제2 발광층(20)에서 픽셀 영역이 미리 정의된 후 접합층의 웨이퍼 접합이 이루어질 수도 있다. 도 5a 내지 5c는 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도로서, 도 4c 내지 4d에 도시된 과정을 대체하여 도 5a 내지 5c에 도시된 과정이 이루어질 수도 있다. On the other hand, in another embodiment, the wafer bonding of the bonding layer may be performed after the pixel region is predefined in the second
도 5a를 참조하면, 도 4b에 도시된 것과 같이 제1 발광층(10) 및/또는 제2 발광층(20)상에 접합층(104, 204)이 형성된 상태에서, 픽셀 영역을 미리 정의하도록 제2 발광층(20) 및 제2 발광층(20)상의 접합층(204)을 패터닝할 수 있다. Referring to FIG. 5A, in the state where the bonding layers 104 and 204 are formed on the first and second
다음으로, 도 5b에 도시된 것과 같이 패터닝된 접합층(204) 및 제2 발광층(20)을 접합층(104)상에 웨이퍼 접합할 수 있다. Next, the patterned
다음으로, 도 5c에 도시된 것과 같이 제2 기판(200) 및 희생층(210)을 제거할 수 있다. 이 과정은, 제2 발광층(20)에는 영향을 미치지 않고 희생층(210)만을 선택적으로 식각하는 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의해 수행될 수 있다. ELO에 의한 희생층(210)의 식각은 불화수소(HF)이나 염화수소(HCl) 등을 식각 용액으로 이용하여 수행될 수 있다. Next, as shown in FIG. 5C, the
도 5c에 도시된 상태에서 접합층(204) 및 제2 발광층(20)은 이미 패터닝되어 있으므로, 제2 발광층(20)에 제거된 영역에서 드러난 접합층(104) 및 제1 발광층(10)을 패터닝하여 픽셀 영역을 정의함으로써 전술한 실시예의 도 4e에 도시된 것과 동일한 구조를 얻을 수 있다. Since the
도 4f를 참조하면, 마지막으로 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20)의 각 다중양자우물층에 전력을 인가하기 위해 다중양자우물층 양측의 반도체층에 전기적으로 연결되는 전극(40)을 형성함으로써 컬러 LED를 완성한다. 도면에서 영역(401)은 제1 다중양자우물층(102)이 청색 또는 녹색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응되며, 영역(402)은 제2 다중양자우물층(202)이 적색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응된다. 4f, an
한편, 전술한 실시예들에서는 제1 발광층(10) 및 제2 발광층(20)의 두 종류의 발광 소자를 포함하여 2가지 색을 가지는 컬러 LED의 제조 방법을 설명하였다. 그러나, 이하에서 설명하는 것과 같이 제3 발광층을 더 포함하여 3색을 가지는 컬러 LED를 제조할 수도 있다. Meanwhile, in the above-described embodiments, a method of manufacturing a color LED having two colors including two types of light emitting devices, i.e., the first
도 6a 내지 6f는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도이다. 도 6a 내지 6f에 도시된 실시예의 설명에 있어서, 도 4a 내지 4f를 참조하여 전술한 실시예와 동일하거나 이로부터 용이하게 이해될 수 있는 사항에 대해서는 설명의 중복을 피하기 위하여 자세한 설명을 생략한다. 6A to 6F are cross-sectional views showing respective steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment. In the description of the embodiment shown in Figs. 6A to 6F, the same or similar elements as those of the embodiment described above with reference to Figs. 4A to 4F will not be described in detail in order to avoid duplication of description.
도 6a를 참조하면, 도 4a를 참조하여 전술한 것과 동일한 방식으로 제1 기판(100)상에 제1 발광층(10)을 형성하며, 또한 제2 기판(200)상에 제2 발광층(20)을 형성한다. 다음으로, 제1 발광층(10)상에 에피택시 성장 방식으로 제3 발광층(30)을 더 형성한다. 6A, a first
제3 발광층(30)은 제1 발광층(10)과 마찬가지로 GaN 기반의 물질로 이루어지되, 다중양자우물 구조의 차이에 의해 제1 발광층(10)과 상이한 색상의 빛을 발생시키기 위한 것이다. 제3 발광층(10)은 제3 다중양자우물층(301) 및 n형 반도체층(302)을 포함할 수 있고, 이들 층들을 제1 발광층(10)의 p형 반도체층(103)상에 순차적으로 에피택시 성장시킴으로써 제3 발광층(30)이 형성된다. 예를 들어, 제3 다중양자우물층(301)은 InGaN 및 GaN으로 이루어지고, n형 반도체층(302)은 n-GaN으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The third
이 경우, p형 반도체층(103)은 제1 발광층(10)과 제3 발광층(30)에 의해 공통으로 사용된다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 제3 발광층(30)이 제1 발광층(10)과 별도로 p형 반도체층을 포함하도록 구성할 수도 있다.In this case, the p-
다음으로, 도 6b에 도시된 것과 같이 제3 발광층(30) 및/또는 제2 발광층(20) 상에 접합층(104, 204)을 형성할 수 있다. 또한, 제3 발광층(30)과 접합층(104) 사이에 도전층(110)이 더 형성될 수도 있다. 접합층(104, 204) 및 도전층(110)의 구성은 도 4b를 참조하여 전술한 것과 동일하다. Next, the bonding layers 104 and 204 may be formed on the third
다음으로, 도 6c에 도시된 것과 같이 접합층(204)을 접합층(104)상에 웨이퍼 접합시킴으로서 제1 발광층(10), 제3 발광층(30) 및 제2 발광층(20)이 수직 적층된 구조를 형성한다. Next, the first
다음으로, 도 6d에 도시된 것과 같이 제2 기판(200) 및 희생층(210)을 식각에 의해 제거한다. Next, as shown in FIG. 6D, the
다음으로, 도 6e에 도시된 것과 같이 제1 발광층(10), 제3 발광층(30) 및 제2 발광층(20)의 일부 영역을 식각에 의하여 제거함으로써 픽셀 영역을 패터닝하게 된다. Next, as shown in FIG. 6E, the pixel region is patterned by removing a portion of the first
도 6c 내지 6d에 도시된 과정과 관련하여, 도 5a 내지 5c를 참조하여 전술한 것과 마찬가지로 제2 발광층(20)에서 픽셀 영역이 미리 정의된 후 접합층의 웨이퍼 접합이 이루어질 수도 있다. 도 7a 내지 7c는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도로서, 도 6c 내지 6d에 도시된 과정을 대체하여 도 7a 내지 7c에 도시된 과정이 이루어질 수도 있다. With respect to the process shown in Figs. 6C to 6D, the wafer bonding of the bonding layer may be performed after the pixel region is predefined in the second
도 7a를 참조하면, 도 6b에 도시된 것과 같이 제3 발광층(30) 및/또는 제2 발광층(20)상에 접합층(104, 204)이 형성된 상태에서, 픽셀 영역을 미리 정의하도록 제2 발광층(20) 및 제2 발광층(20)상의 접합층(204)을 패터닝하고, 패터닝된 접합층(204) 및 제2 발광층(20)을 접합층(104)상에 웨이퍼 접합할 수 있다. Referring to FIG. 7A, in a state where the bonding layers 104 and 204 are formed on the third
다음으로, 도 7b에 도시된 것과 같이 제2 기판(200) 및 희생층(210)을 제거할 수 있다. 이 과정은, 도 5c를 참조하여 전술한 것과 동일한 ELO 공정에 의해 수행될 수 있다. Next, as shown in FIG. 7B, the
도 7b에 도시된 상태에서 접합층(204) 및 제2 발광층(20)은 이미 패터닝되어 있으므로, 제2 발광층(20)에 제거된 영역에서 드러난 접합층(104), 제3 발광층(30) 및 제1 발광층(10)을 패터닝하여 픽셀 영역을 정의함으로써 전술한 실시예의 도 6e에 도시된 것과 동일한 구조를 얻을 수 있다. Since the
도 6f를 참조하면, 마지막으로 제1 발광층(10), 제3 발광층(30) 및 제2 발광층(20)의 각 다중양자우물층에 전력을 인가하기 위해 다중양자우물층 양측의 반도체층에 전기적으로 연결되는 전극(40)을 형성함으로써 컬러 LED를 완성한다. 도면에서 영역(401)은 제1 다중양자우물층(102)이 청색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응되며, 영역(403)은 제3 다중양자우물층(301)이 녹색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응되고, 영역(402)은 제2 다중양자우물층(202)이 적색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응된다. Referring to FIG. 6F, in order to apply electric power to each of the multiple quantum well layers of the first
본 실시예에서 제1 발광층(10)과 제3 발광층(30)은 p형 반도체층(103)을 공유하고 있으므로, p형 반도체층(103)에 접촉하는 전극(40)은 제1 발광층(10)과 제3 발광층(30)에 의해 공통으로 사용된다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 제1 발광층(10)과 제3 발광층(30)이 각각 전력을 인가하기 위한 2개씩의 전극선과 전기적으로 접촉하도록 구성할 수도 있으며, 이는 후술하는 도 9e에 도시되어 있다. The first
도 6a 내지 도 7b를 참조하여 전술한 실시예에서, 제3 발광층(30)은 제1 발광층(10)상에 에피택시 성장 방식으로 성장되었다. 따라서, 제2 발광층(20)을 제3 발광층(30)상에 웨이퍼 접합하는 한 차례의 전사 과정에 의해 제1 발광층(10), 제3 발광층(30) 및 제2 발광층(20)이 순차적으로 수직 적층된 구조를 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 제3 발광층(30) 역시 제2 발광층(20)과 마찬가지로 별도 기판에서 성장된 후 제1 발광층(10) 상에 웨이퍼 접합을 통해 전사될 수도 있다. In the embodiment described above with reference to Figs. 6A to 7B, the third
도 8a 내지 8d는 제3 발광층이 제1 발광층 상에 접합되는 또 다른 실시예에 따른 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다. 도 8a 내지 8d에 도시된 실시예의 설명에 있어서, 도 6a 내지 6f를 참조하여 전술한 실시예와 동일하거나 이로부터 용이하게 이해될 수 있는 사항에 대해서는 설명의 중복을 피하기 위하여 자세한 설명을 생략한다.8A to 8D are cross-sectional views showing some steps of a method of manufacturing a color LED according to another embodiment in which the third light emitting layer is bonded onto the first light emitting layer. In the description of the embodiment shown in Figs. 8A to 8D, the same or similar elements as those of the above-described embodiments with reference to Figs. 6A to 6F will be omitted in order to avoid duplication of description.
도 8a를 참조하면, 제1 기판(100)상에 제1 발광층(10)을 에피택시 성장 방식으로 성장하고, 또한 제3 기판(300)상에 제3 발광층(30)을 에피택시 성장 방식으로 성장시킬 수 있다. 8A, a first
제3 기판(300)은 사파이어로 이루어지며, 제3 발광층(30)의 각 층은 GaN 기반의 물질로 이루어질 수 있다. 제3 발광층(30)은 n형 반도체층(302), 제3 다중양자우물층(301) 및 p형 반도체층(303)을 포함할 수 있고, 이들 층들을 순차적으로 에피택시 성장시킴으로써 제3 발광층(30)이 형성된다. 예를 들어, n형 반도체층(302)은 n-GaN으로 이루어지며, 제3 다중양자우물층(301)은 InGaN 및 GaN으로 이루어지고, p형 반도체층(303)은 p-GaN으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The
다음으로, 도 8b에 도시된 것과 같이 제1 발광층(10) 및/또는 제3 발광층(30) 상에 접합층(114, 304)을 형성할 수 있다. 접합층(114, 304)은 GaN과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층으로 이루어지며, 제1 발광층(10)과 제3 발광층(30)을 접합시키는 한편 제1 발광층(10)에서 발생된 빛이 제3 발광층(30)에 의해 흡수되지 않도록 반사시키는 기능을 한다. 도면에서는 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)상에 각각 접합층(114, 304)이 형성되었으나, 이들 중 어느 한 쪽에만 접합층을 형성할 수도 있다. Next, the bonding layers 114 and 304 may be formed on the first
일 실시예에서는, 제1 발광층(10)과 접합층(114) 사이에 도전층(120)이 더 형성되거나, 또는/또한 제3 발광층(30)과 접합층(304) 사이에 도전층(310)이 더 형성된다. A
다음으로, 도 8c에 도시된 것과 같이 접합층(114) 상에 접합층(304)을 웨이퍼 접합시킨다. 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)이 수직 적층된 구조를 형성할 수 있다. Next, the
다음으로, 도 8d에 도시된 것과 같이 제3 기판(300)을 식각에 의하여 제거한다. 그 결과 얻어지는 구조는 도 6a에 도시된 에피택시 성장에 의한 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)의 수직 적층 구조와 동일하며, 다만 접합층(114, 304) 및 제3 발광층(30)의 p형 반도체층(303)을 더 포함하는 점에서만 차이가 있다. 도 8d에 도시된 구조를 대상으로 도 6b 내지 6f 또는 도 7a 및 7b에 도시된 공정이 동일하게 수행될 수 있으며, 이에 대해서는 자세한 설명을 생략한다. Next, as shown in FIG. 8D, the
전술한 실시예들은, 컬러 LED에 포함되는 발광 소자의 종류가 2종류인지(도 4a 내지 4f, 도 5a 내지 5c) 또는 3종류인지(도 6a 내지 6f, 도 7a 및 7b), 제2 발광층이 후면 식각에 의한 기판 제거 후 패터닝되는지(도 4a 내지 4f, 도 6a 내지 6f) 또는 제2 발광층이 미리 패터닝된 후 ELO에 의해 기판이 제거되는지(도 5a 내지 5c, 도 7a 및 7b), 또는 제3 발광층이 제1 발광층상에 에피택시 성장되는지(도 4a 내지 7b) 또는 접합되는지(도 8a 내지 8d)에 의하여 구분되었다. The above-described embodiments are based on the assumption that two kinds of light emitting elements included in the color LEDs (Figs. 4A to 4F, Figs. 5A to 5C) or three types (Figs. 6A to 6F, 7A and 7B) (Figs. 4A to 4F, Figs. 6A to 6F), or the substrate is removed by ELO after the second light emitting layer is previously patterned (Figs. 5A to 5C, Figs. 7A and 7B) 3 emissive layer is epitaxially grown on the first light emitting layer (Figs. 4A to 7B) or bonded (Figs. 8A to 8D).
한편, 전술한 실시예들중 임의의 실시예에 있어서, GaN 기반의 제1 발광층(10) 및/또는 제3 발광층(30)에 대해 미리 픽셀 영역의 패터닝하는 공정을 실시한 후 GaP 또는 Al(In)GaP 기반의 제2 발광층(20)을 웨이퍼 접합하는 것도 가능하다. 이러한 변형의 일 예로, 도 9a 내지 9e는 발광 소자의 종류가 3종류이며 제3 발광층과 제1 발광층이 서로 접합되는 실시예에 있어서, GaN 기반의 층들이 미리 패터닝되는 컬러 LED의 제조 방법의 일부 단계를 나타내는 단면도이다.Meanwhile, in any of the above-described embodiments, the pixel region may be patterned in advance with respect to the GaN-based first
도 9a를 참조하면, 도 8d에 도시된 것과 같이 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)이 수직 적층된 구조가 얻어진 후 제1 발광층(10), 접합층(114, 304), 제2 발광층(303) 등을 패터닝하여 픽셀 영역을 정의하며, 각 발광층(10, 30)의 다중양자우물층(102, 301)에 전력을 인가하기 위한 하나 이상의 전극(40)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 9A, after the first
다음으로, 도 9b에 도시된 것과 같이 픽셀 영역이 패터닝된 제1 발광층(10) 및 제3 발광층(30)과 이에 접촉하는 전극(40)을 전체적으로 덮도록 접합층(124)을 형성할 수 있다. 접합층(124)은 도 4b 및 6b에 도시된 접합층(104)과 동일한 구성을 가질 수 있다. 한편, 도 4a 및 6b에 도시된 것과 마찬가지로 제2 기판(200) 상의 제2 발광층(20) 상에도 접합층(204)이 형성될 수 있다. Next, as shown in FIG. 9B, the
다음으로, 도 9c에 도시된 것과 같이 접합층(124) 상에 접합층(204)을 웨이퍼 접합시킬 수 있다. 이는 도 4c 및 6c에 도시된 접합층(104, 204)의 웨이퍼 접합과 동일한 과정에 의해 수행된다. Next, the
다음으로, 도 9d에 도시된 것과 같이 식각에 의하여 제2 기판(200)을 제거할 수 있다. 제2 기판(200)과 제2 발광층(20) 사이에 희생층(210)이 존재하는 경우 희생층(210) 역시 제거될 수 있다. Next, as shown in FIG. 9D, the
다음으로, 도 9e에 도시된 것과 같이 드러난 제2 발광층(20)을 식각함으로써 픽셀 영역을 정의한다. 그 결과, 도면에서 영역(401)은 제1 다중양자우물층(102)이 청색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응되며, 영역(403)은 제3 다중양자우물층(301)이 녹색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응되고, 영역(402)은 제2 다중양자우물층(202)이 적색 빛을 발생시키는 발광 소자에 대응된다.Next, a pixel region is defined by etching the exposed second
도 9a 내지 9e에서는 접합층(124, 204)의 웨이퍼 접합 후 식각에 의해 제2 기판(200)이 제거되고 제2 발광층(20)이 패터닝되는 예를 설명하였으나, 도 7a 및 7b에 도시한 것과 유사하게 제2 발광층(20)을 미리 패터닝한 후 접합층(124, 204)을 접합하고, ELO에 의해 제2 기판(200)을 제거하는 것도 가능하다. 9A to 9E, the
이상에서 설명한 실시예들에 따라 구성된 컬러 LED는, 서로 다른 색상의 2종 또는 3종의 발광 소자가 최소 1회의 전사 과정에 의해 기판상에 수직 적층된 구조를 가지며, 발광 소자들로부터 발생된 빛은 광학적으로 투명한 제1 기판(100)을 통과하여 출력되고, 색 구현을 별도의 컬러 필터(color filter) 등을 필요로 하지 않는다. 또한, 본 실시예들에 따른 LED는 각 색상 발광 소자의 밴드갭을 고려하여 밴드갭이 좁은 발광 소자로부터 밴드갭이 더 넓은 발광 소자의 방향으로 빛이 조사되도록 구성되어 있어, 장치 내에서의 광 흡수 손실 문제가 없다. The color LED constructed in accordance with the embodiments described above has a structure in which two or three kinds of light emitting devices of different colors are stacked vertically on a substrate by at least one transfer process and light emitted from the light emitting devices Is output through the optically transparent
도 11은 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED의 밴드갭 특성을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing band gap characteristics of a vertical stacked color LED according to an embodiment.
도 11을 참조하면, 제1 발광층의 제1 밴드갭(1110) 및 제3 발광층의 제3 밴드갭(1130)이 제2 발광층의 제2 밴드갭(1120)에 비하여 크기 때문에, 제2 발광층으로부터 발생된 적색 빛은 제1 발광층 및/또는 제3 발광층에 의해 흡수되지 않고 출력된다. 한편, 반대로 녹색 및/또는 청색 빛이 제2 발광층에 입사되어 흡수되는 경우가 생길 수 있다. 이와 같이 제2 발광층에 입사되는 빛을 반사하기 위하여, 제2 발광층의 접합을 위한 접합층은 인화갈륨(GaP)과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물로 이루어진다. 또한, 접합층은 서로 굴절률이 상이한 복수 개의 산화물층으로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 11, since the
일 실시예에서, 접합층은 반사시키고자 하는 빛(즉, 청색 또는 녹색 빛)의 파장을 λ, 산화물층의 굴절률을 n이라고 할 때 Nλ/4n (N=1, 3, 5 등 홀수)의 두께를 가지는 서로 상이한 두 산화물층의 쌍을 포함한다. 또한, 접합층은 이러한 산화물층의 쌍을 복수 개 포함할 수도 있다. 이와 같이 설계된 접합층을 사용함으로써, LED 내에서 발생하는 광 흡수 손실 없이 저전력 고효율의 컬러 LED를 구현할 수 있다. (N = 1, 3, 5, etc., odd numbers), where λ is the wavelength of the light to be reflected (ie, blue or green light), and n is the index of refraction of the oxide layer And a pair of two different oxide layers having different thicknesses. Further, the bonding layer may include a plurality of such pairs of oxide layers. By using the bonding layer designed in this way, it is possible to realize a color LED of low power and high efficiency without light absorption loss occurring in the LED.
도 12는 일 실시예에 따른 수직 적층형 컬러 LED에서 접합층 구성에 따른 파장별 반사도를 나타내는 그래프이다. FIG. 12 is a graph illustrating the reflectance of each layer according to the structure of a junction layer in a vertical stacked color LED according to an exemplary embodiment. Referring to FIG.
도 12의 그래프(1200)는 접합층이 사용되지 않았을 경우의 파장별 반사도를 나타내며, 그래프(1210)은 두께 78nm의 산화실리콘(SiO2) 단일층이 접합층으로 사용되었을 경우의 파장별 반사도를 나타내고, 그래프(1220)는 두께 78nm의 산화실리콘(SiO2) 및 두께 41nm의 산화티타늄(TiO2) 이중층이 접합층으로 사용되었을 경우의 반사되를 나타낸다. 산화실리콘(SiO2) 및 산화티타늄(TiO2) 이중층은 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector; DBR)를 정의하며, 산화티타늄(TiO2)층이 제2 발광층에 인접하여 배치되었다. The
도시되는 바와 같이, 접합층을 사용하는 경우 반사도가 증가되었고, 특히 이중층으로 된 접합층을 사용하는 경우 큰 폭으로 반사도가 증가한 것을 확인할 수 있다. As shown in the figure, when the bonding layer is used, the reflectivity is increased. In particular, when the bonding layer is used as the double layer, the reflectivity increases greatly.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (20)
제2 기판상에, 에피택시 성장 방식으로, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁은 제2 밴드갭을 가진 제2 다중양자우물층을 포함하고 인화갈륨(GaP) 또는 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP) 기반의 물질로 이루어진 제2 발광층을 형성하는 단계;
상기 제2 발광층과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층을 포함하는 접합층을 이용하여 상기 제2 발광층을 상기 제1 발광층상에 접합하는 단계;
상기 접합하는 단계 전 또는 상기 접합하는 단계 후에, 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계; 및
패터닝된 상기 제2 발광층과 접합된 상기 제1 발광층을 패터닝하는 단계를 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
Forming, on an optically transparent first substrate, a first light emitting layer comprising a first multiple quantum well layer having a first bandgap and a gallium nitride (GaN) based material in an epitaxial growth manner;
(GaP) or aluminum indium gallium phosphide (Al (In)) and a second quantum well layer having a second bandgap narrower than the first bandgap in an epitaxial growth manner on a second substrate, Forming a second light emitting layer made of GaP based material;
Bonding the second light emitting layer onto the first light emitting layer using a bonding layer including at least one oxide layer having a different refractive index from the second light emitting layer;
Patterning the second light emitting layer before or after the bonding step; And
And patterning the first light emitting layer bonded to the patterned second light emitting layer.
상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계는 상기 접합하는 단계 후에 수행되며,
상기 접합하는 단계 후 상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계 전에, 상기 제2 발광층상에 위치하는 상기 제2 기판을 식각에 의해 제거하는 단계를 더 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of patterning the second light emitting layer is performed after the step of bonding,
Further comprising the step of removing the second substrate located on the second light emitting layer by etching before the step of patterning the second light emitting layer after the bonding step.
상기 제2 발광층을 형성하는 단계는, 상기 제2 기판과 상기 제2 다중양자우물층 사이에 희생층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 발광층을 패터닝하는 단계는 상기 접합하는 단계 전에 수행되며,
상기 접합하는 단계 후 상기 제1 발광층을 패터닝하는 단계 전에, 상기 제2 기판을 제거하기 위해 상기 희생층을 식각하는 단계를 더 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein forming the second light emitting layer includes forming a sacrificial layer between the second substrate and the second multiple quantum well layer,
Wherein the step of patterning the second light emitting layer is performed before the step of bonding,
Further comprising etching the sacrificial layer to remove the second substrate before patterning the first emissive layer after the bonding step.
상기 제1 다중양자우물층은 인듐질화갈륨 및 질화갈륨을 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first multiple quantum well layer comprises indium gallium nitride and gallium nitride.
상기 제1 기판은 사파이어를 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the first substrate comprises sapphire.
상기 제2 다중양자우물층은 알루미늄인듐인화갈륨을 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
And the second multiple quantum well layer comprises aluminum indium gallium phosphide.
상기 제2 기판은 갈륨비소를 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the second substrate comprises gallium arsenide.
상기 접합하는 단계 전에, 상기 제1 발광층상에, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁고 상기 제2 밴드갭에 비하여 넓은 제3 밴드갭을 가지는 제3 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제3 발광층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 접합하는 단계에서 상기 제2 발광층은 상기 제3 발광층을 통하여 상기 제1 발광층에 접합되는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
And a third multi quantum well layer having a third band gap narrower than the first band gap and wider than the second band gap on the first light emitting layer, Lt; RTI ID = 0.0 > of a < / RTI > material,
Wherein the second light emitting layer is bonded to the first light emitting layer through the third light emitting layer in the bonding step.
상기 제3 발광층을 형성하는 단계는, 상기 제2 발광층상에서 에피택시 성장 방식으로 상기 제3 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the forming of the third light emitting layer includes forming the third light emitting layer on the second light emitting layer by an epitaxial growth method.
상기 제3 발광층을 형성하는 단계는,
제3 기판상에 상기 제3 발광층을 형성하는 단계;
상기 제3 발광층을 상기 제1 발광층상에 접합하는 단계; 및
상기 제3 발광층이 상기 제1 발광층상에 접합된 상태에서 상기 제3 기판을 제거하는 단계를 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The forming of the third light emitting layer may include:
Forming the third light emitting layer on a third substrate;
Bonding the third light emitting layer onto the first light emitting layer; And
And removing the third substrate with the third light emitting layer bonded to the first light emitting layer.
상기 제3 다중양자우물층은 인듐질화갈륨 및 질화갈륨을 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
And the third multiple quantum well layer comprises indium gallium nitride and gallium nitride.
패터닝된 상기 제1 발광층 또는 패터닝된 상기 제2 발광층에 전기적으로 접촉된 하나 이상의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 컬러 발광 다이오드의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Forming at least one electrode electrically contacting the patterned first light emitting layer or the patterned second light emitting layer.
상기 기판상에 위치하며, 제1 밴드갭을 가진 제1 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제1 발광층;
상기 제1 발광층상에 위치하며, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁은 제2 밴드갭을 가진 제2 다중양자우물층을 포함하고 인화갈륨(GaP) 또는 알루미늄인듐인화갈륨(Al(In)GaP) 기반의 물질로 이루어진 제2 발광층; 및
상기 제1 발광층과 상기 제2 발광층 사이에 위치하며 상기 제2 발광층과 굴절률이 상이한 하나 이상의 산화물층을 포함하는 접합층을 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
An optically transparent substrate;
A first light emitting layer on the substrate, the first light emitting layer comprising a first multi quantum well layer having a first bandgap and made of a gallium nitride (GaN) based material;
And a second multiple quantum well layer having a second bandgap narrower than the first bandgap, the second multi quantum well layer being disposed on the first emission layer and being formed of gallium phosphide (GaP) or aluminum indium gallium phosphide (Al (In) GaP) A second light emitting layer made of a material of And
And a bonding layer disposed between the first light emitting layer and the second light emitting layer and including at least one oxide layer having a different refractive index from the second light emitting layer.
상기 제1 다중양자우물층은 인듐질화갈륨 및 질화갈륨을 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
14. The method of claim 13,
Wherein the first multiple quantum well layer comprises indium gallium nitride and gallium nitride.
상기 제2 다중양자우물층은 알루미늄인듐인화갈륨을 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
14. The method of claim 13,
And the second multi-quantum well layer comprises aluminum indium gallium phosphide.
상기 제1 발광층 및 상기 제2 발광층 각각은, 상기 제1 다중양자우물층 또는 상기 제2 다중양자우물층의 일 측면에 위치하는 하나 이상의 반도체층을 더 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
14. The method of claim 13,
Wherein each of the first light emitting layer and the second light emitting layer further comprises one or more semiconductor layers located on one side of the first multiple quantum well layer or the second multiple quantum well layer.
상기 제1 발광층 및 상기 제2 발광층 사이에 위치하며, 상기 제1 밴드갭에 비하여 좁고 상기 제2 밴드갭에 비하여 넓은 제3 밴드갭을 가지는 제3 다중양자우물층을 포함하고 질화갈륨(GaN) 기반의 물질로 이루어진 제3 발광층을 더 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
14. The method of claim 13,
A third multi quantum well layer positioned between the first emitting layer and the second emitting layer and having a third bandgap narrower than the first bandgap and wider than the second bandgap, And a second light emitting layer formed on the first light emitting layer.
상기 제3 다중양자우물층은 인듐질화갈륨 및 질화갈륨을 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
18. The method of claim 17,
And the third multi-quantum well layer comprises indium gallium nitride and gallium nitride.
전력을 인가하기 위해 상기 제1 발광층 또는 상기 제2 발광층에 전기적으로 접촉된 하나 이상의 전극을 더 포함하는 수직 적층형 컬러 발광 다이오드.
14. The method of claim 13,
Further comprising at least one electrode electrically connected to the first light emitting layer or the second light emitting layer for applying electric power.
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