KR20210057644A - 마이크로-led 기반 디스플레이의 제조방법 및 마이크로-led기반 디스플레이 - Google Patents
마이크로-led 기반 디스플레이의 제조방법 및 마이크로-led기반 디스플레이 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 다색 파장 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 및 다색 파장 마이크로-LED 기반 디스플레이에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 반도체 기판 상에, 복수 개의 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 단계; 상기 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 평탄층을 형성하여 평탄화하는 단계; 상기 평탄층에 비아홀을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화된 마이크로-LED 상에, 상기 서브픽셀 구동을 위한 TFT를 배열 및 증착하여 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계; 를 포함하는, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 및 및 상기 방법으로 제조된 마이크로-LED 기반 디스플레이에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 및 마이크로-LED 기반 디스플레이에 관한 것이다.
LCD (Liquid crystal display)와 OLED (Organic lighting emitting diodes)의 기술을 기반으로 하여 디스플레이가 발전되어왔다.
그러나 LCD는 자체 발광형 소자가 아니기 때문에 다른 장치들(편광필름, back light unit 등)을 필요로 하게 되며, 유기물 기반의 OLED는 자체발광형 소자이지만, 발광 효율이 무기물 반도체에 비해서 작거나 사용환경에 쉽게 산화되는 등 내구성이 약하다는 치명적인 단점을 지니고 있다.
무기물 반도체 기반의 LED를 이용하여 각각의 픽셀을 구성하는 디스플레이를 제작하면, 앞서 언급된 LCD와 OLED 기반 디스플레이 문제점을 한 번에 해결할 수 있다. LED의 경우 다른 발광 소자에 비해 높은 발광 효율을 가지고 있으며 다양한 색을 각각 구현할 수 있는 자체 발광형 소자이다. 또한, 무기물을 기반으로 하기 때문에 환경에 강한 내구성을 지니고 있는 것이 특징이다. 이 때문에 각각의 서브픽셀을 마이크로 사이즈의 LED를 이용하여 구성하는 디스플레이, 즉 마이크로-LED 기반 디스플레이는 꿈의 디스플레이로 각광받고 있다.
현재까지 마이크로-LED 기반 디스플레이 기술은, 마이크로 사이즈로 구성된 각각의 LED들(적색, 녹색, 청색 LED)을 디스플레이 패널 기판 위로 개별 전사하는 공정을 이용한다. 아주 작고, 많은 마이크로-LED를 직접 옮기는 개별 전사 과정은 미세 정밀한 기술을 요하게 되고, 그 복잡성 때문에 디스플레이 제작 공정의 난이도를 높이게 된다. 이러한 복잡한 2단계 공정에 의해서 제작 단가를 줄이는 것에 문제점을 가지고 있어 상용화에 많은 어려움을 겪고 있다.
본 발명은, 상기 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 기판 상에서 단일 공정으로 3차원 구조체의 다중 파장 발광체를 형성하고, 동일 기판 위에서 일련의 공정으로 TFT를 집적하여, 마이크로-LED 기반 디스플레이를 복잡한 전사 방법 없이 제적할 수 있는, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 제조방법으로 제조되고, 다양한 발광 영역의 마이크로-LED의 구성과 풀컬러 구현이 가능한, 능동 구동 마이크로-LED 기반의 디스플레이를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 기판 상에, 복수 개의 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 단계; 상기 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 평탄층을 형성하여 평탄화하는 단계; 상기 평탄층에 비아홀을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화된 마이크로-LED 상에, 상기 서브픽셀 구동을 위한 TFT를 배열 및 증착하여 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계; 를 포함하는, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로-LED를 형성하는 단계는, 단일 기판 상의 적어도 일부분 또는 전체에 걸쳐 단일 공정(single process)으로 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로-LED를 형성하는 단계는, n-형 반도체층 상에 서브픽셀 단위로 구역화하여 3차원 발광 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 3차원 발광 구조체 상에 p-형 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3차원 발광 구조체를 형성하는 단계는, 상기 n-형 반도체층 상에 3차원 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 3차원 구조체 상에 적어도 둘 이상의 파장이 다른 발광층 또는 광대역의 발광층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 n-형 반도체층 상에 3차원 구조체를 형성하는 단계는, n-형 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 패터닝하는 단계; 및 n-형 반도체층을 식각하거나 또는 n-형 반도체를 성장시켜 다양한 모양, 크기 또는 간격을 가지는 구조를 형성하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 p-형 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 3차원 발광 구조체 상에 형성하거나 또는 상기 3차원 발광 구조체를 매몰되게 형성하는 것이고, 상기 p-형 반도체층의 두께는 100 nm 내지 2 ㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3차원 발광 구조체는, 3차원 구조체의 형태, 크기 및 배열간격 중 적어도 하나에 의해 발광 파장이 조절되고, 상기 서브픽셀은, 동일하거나 또는 상이한 발광 파장을 갖는 3차원 발광 구조체를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 서브픽셀은, 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나를 발광하고, 다색 파장의 마이크로-LED로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 서브픽셀은, 백색광, 광대역 파장 또는 이 둘을 발광하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 누설전류 차단층을 형성하는 단계; 및 상기 누설전류 차단층이 형성된 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 전류 분산층을 형성하는 단계; 를 더 포함하고, 상기 누설전류 차단층은 상기 마이크로-LED의 p-형 반도체층 상에 형성되고, 상기 마이크로-LED의 상부 영역이 노출되도록 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 상기 전류 분산층은 상기 누설전류 차단층 및 상기 p-형 반도체층 상에 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 누설전류 차단층은, 스핀 온 글라스 물질(Spin on glass), 금속, 산화물 및 질화물 절연 물질 중 적어도 하나를 포함하고 가시광에 투명한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계; 를 더 포함하고, 상기 평탄층을 형성하여 평탄화하는 단계는, 상기 전류 분산층이 형성된 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 평탄층을 형성하여 평탄화하는 것이고, 상기 마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계는, 상기 마이크로-LED 상에 투명 전극, 금속 전극 또는 이 둘을 증착하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전류 분산층은, 상기 마이크로-LED의 p-형 반도체층 상에 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전류 분산층의 두께는, 1 nm 내지 500 nm이고, 상기 전류 분산층은 단일 또는 복수층인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전류 분산층은, 1 nm 내지 500 nm 두께의 투명 전극층, 1 nm 내지 50 nm 두께의 금속 전극층 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 평탄화하는 단계는, 상기 전류 분산층이 형성된 상기 마이크로-LED 영역 중 TFT가 집적되는 영역에 유기물, 산화물, 질화물 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 절연층을 증착하고 평탄화하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 평탄층은, 스핀 온 글라스 물질(Spin on glass), 금속, 산화물 및 질화물 절연 물질 중 적어도 하나를 포함하고 가시광에 투명한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 평탄층에 비아홀을 형성하는 단계는, 상기 마이크로-LED의 상부 영역 또는 측면 영역에 형성되는 것이고, 전류 분산층이 노출되는 깊이까지 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀을 통하여 TFT의 드레인 영역과 상기 전류 분산층이 접촉하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로-LED를 형성하는 단계 및 상기 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계는, 동일 반도체 기판 상에서 이루어지고, 상기 단계들 사이에 전사 공정-프리인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 서브픽셀에 대응하는 컬러필터를 증착하는 단계; 를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 백색광 또는 광대역 파장을 발광하는 서브픽셀; 및 상기 서브픽셀에 상응하는 컬러필터; 를 포함하고, TFT를 통해서 능동 구동되는, 마이크로-LED 기반 디스플레이에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 디스플레이는, 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나를 발광하는 서브픽셀을 포함하고, 상기 디스플레이는 다색 파장 마이크로-LED 기반인 것일 수 있다.
본 발명은, 단일 공정을 통하여 다중 파장의 마이크로-LED를 동일 기판 위에 형성하고, 능동 구동을 위한 액티브 매트릭스 소자(active matrix)까지 동일 기판 위에 제작할 뿐만 아니라, 전사 공정 없이 능동 구동 디스플레이를 제작할 수 있으므로, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조 공정을 간소화하고, 대량 생산을 실현시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법의 공정 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 3차원 구조체를 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 발광층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 p-형 반도체층을 형성하는 단계에서 p-형 반도체층의 형태를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 전류 분산층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 누설전류 차단층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 TFT 전극회로를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법의 공정 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 3차원 구조체를 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 발광층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 p-형 반도체층을 형성하는 단계에서 p-형 반도체층의 형태를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 전류 분산층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 누설전류 차단층을 형성하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 중 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계의 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 TFT 전극회로를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법의 공정 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법 및 마이크로-LED 기반 디스플레이에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은, 마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 단일 공정을 통하여 다양한 파장 영역을 갖고, 다중 파장의 마이크로-LED를 동일 기판 상에 형성할 뿐만 아니라, 능동 구동을 위한 액티브 매트릭스 소자(active matrix)까지 동일 기판 위에 제작할 수 있는, 능동 구동 마이크로-LED 기반 디스플레이를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 도 1에서 상기 제조방법은, 마이크로-LED(Micro light emitting diode)를 형성하는 단계(S100); 평탄화하는 단계(S300); 비아홀을 형성하는 단계(S400); 및 마이크로-LED와 TFT(Thin film transistor) 회로를 집적하는 단계(S500); 를 포함하고, 마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계(S200)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 마이크로-LED를 형성하는 단계(S100)는, 기판 상의 마이크로-LED 영역 내에서 복수개의 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 단계이다. 마이크로-LED를 형성하는 단계(S100)는, 반도체 기판을 준비하는 단계(S110), 3차원 발광 구조체를 형성하는 단계(S120); 및 p-형 반도체층을 형성하는 단계(S130);를 포함할 수 있다.
반도체 기판을 준비하는 단계(S110)는, 디스플레이 구동과 마이크로-LED를 형성하기 위한 반도체 기판(100)을 준비하는 단계이며, 예를 들어, 반도체 기판(100)은, 기판(110); 및 기판(110) 상에 형성된 반도체층(120)을 포함할 수 있다.
기판(110)은, 마이크로-LED의 적용 분야에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), Si, SiC, GaN, GaAs 및 AlN 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 사파이어(Al2O3) 또는 Si 기판이다.
반도체층(120)은, 서브픽셀 단위로 구역화되는 마이크로-LED 영역과 TFT 영역으로 구분되며, 상기 영역의 위치, 크기, 간격 등을 마이크로-LED 및 디스플레이의 구동을 위해서 디자인될 수 있다.
반도체층(120)은, n-형질화갈륨 반도체를 포함하고, 예를 들어, 상기 n-형 질화갈륨 반도체는, GaN, InGaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs 및 GaInNSb으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. n-형 질화물 반도체는, n-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 예를 들어, 상기 n-형 불순물은 N, P, As, Ge, Si, Cu, Ag, Au, Sb, 및 Bi으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
반도체층(120)은, 500 nm 내지 5 ㎛ 두께로 형성될 수 있고, 예를 들어, 2 ㎛ 내지 4 ㎛ 일 수 있다. 반도체층(120)의 두께가 500 nm 보다 얇으면 마이크로-LED 소자의 품질이 충분히 좋지 않을 수 있고, 5 ㎛ 보다 두꺼우면 반도체 기판층의 균열이 발생할 수 있다.
기판(110) 및 반도체층(120) 사이에 버퍼층(121)을 더 포함하고, 버퍼층(121)은, U-형 질화갈륨 반도체를 포함할 수 있다. 버퍼층(121)은, 기판과 질화물 반도체 물질의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것으로, U-GaN(undoped GaN), 고온 또는 저온 성장 u-GaN(undoped GaN), 저온 성장 GaN층 또는 AlN층 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 u-GaN(undoped GaN)이다. 버퍼층(120)은, 10 nm 내지 1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
반도체 기판(100)은, 소면적에서 대면적까지 선택될 수 있고, 예를 들어, 2 인치 이상; 5 인치 이상; 8 인치 이상, 또는 12 인치 이상의 웨이퍼 레벨의 대면적일 수 있다.
반도체층(120)은, MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등과 같은 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, n-형 질화물 반도체층은, 850 ℃ 내지 1100 ℃ 및 50 torr 내지 500 torr 조건에서 형성될 수 있다.
3차원 발광 구조체를 형성하는 단계(S120)는, 반도체층 상에 마스크층을 패터닝하는 단계(S121); 3차원 구조체를 형성하는 단계(S122); 및 발광층을 형성하는 단계(S123); 를 포함할 수 있다.
반도체층 상에 마스크층을 패터닝하는 단계(S121)는, 반도체층(120) 상에 마스크층을 형성하고, 패터닝하여 개구(홀)을 갖는 패터닝된 마스크층(130)을 형성하는 단계이다. 마스크층(130)은, 반도체층(120) 상의 마이크로-LED 영역에서 복수개의 서브픽셀로 구역화하여 패터닝되고, 마스크층(130)을 이용하여 반도체층(120) 상에 3차원 구조체(141)를 형성하므로, 전사 공정 없이 마이크로-LED 기반 디스플레이의 발광원을 동일 기판 상에서 단일 공정으로 제공할 수 있다.
상기 패터닝된 개구(홀)의 크기(또는, 직경 또는 너비) 및 개구(홀)의 배열 간격(예를 들어, 개구 중심 간의 간격)에 따라 3차원 구조체의 형태, 크기, 3차원 구조체의 발광층의 구성 등의 조절이 가능할 뿐만 아니라, 3차원 발광 구조체의 미세 발광 파장을 조절할 수 있다.
3차원 구조체를 형성하는 단계(S122)는, 마이크로-LED 영역의 서브픽셀 내에서 마스크층(130)을 이용하여 반도체층 상에 복수개의 3차원 구조체(141)를 형성하는 단계이며, 3차원 구조체(141)의 형태, 크기(예를 들어, 높이, 부피, 단면적, 직경, 길이, 밑면 길이, 등), 성분, 배열 방식(예를 들어, 중심 간의 간격, 배열 형태, 밀도, 등), 성분, 성장 방식 및 결정 구조 중 적어도 하나의 인자를 변화시켜 3차원 발광 구조체(140)의 발광 파장을 조절할 수 있다. 또한, 상기 인자의 2 이상의 값, 형태 또는 이 둘을 변화시켜 3차원 발광 구조체(140)의 발광 파장을 조절하거나 또는 서브픽셀을 구획화할 수 있다.
상기 서브픽셀 내 및/또는 전체 서브픽셀은, 원하는 파장대 및/또는 단일 또는 다양한 파장대(예를 들어, 풀 컬러 디스플레이)를 구현하기 위해서 동일하거나 또는 상이한 복수개의 3차원 구조체 또는 동일하거나 또는 상이한 발광 파장을 갖는 복수개의 3차원 구조체를 포함할 수 있다. 최종적으로 서브픽셀 단위로 발광 파장이 구분될 수 있다.
3차원 구조체(141)는, 반도체층(120)과 연속된 구조체이거나 또는 동일한 반도체물질을 포함하고, 3차원 구조체(141)는, 반도체층(120) 상에서 패터닝된 마스크층(130)의 개구(홀)을 통하여 식각 또는 성장을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 기판/u-GaN/n-GaN층 상에 패터닝된 마스크층(130)을 형성하고, 마스크층(130)의 패터닝된 개구(또는, 홀) 내에서 “Bottom-up” 방식으로 3차원 구조체(n-GaN)를 성장하거나 또는 “Top-down” 방식으로 식각하여 3차원 구조체(n-GaN)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 “Bottom-up”방식은, 900 ℃ 내지 1150 ℃ 및 50 torr 내지 500 torr에서 성장되고, MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용할 수 있다. 또한, “Top-down”방식은, 물리적 또는 화학적 식각을 이용할 수 있다.
3차원 구조체(141)는, 원뿔; 다각형뿔; 원기둥; 다각형 기둥; 원형의 링; 다각형의 링; 반구; 평평한 상부를 갖도록 끝이 잘린 형태의 원뿔, 다각형뿔, 원형의 링 및 다각형의 링 형태; 실리던 형태의 중공 함몰부를 포함하는 원뿔, 다각형뿔 및 다각형 기둥; 및 라인(line) 형태의 기둥; 의 구조체들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
발광층을 형성하는 단계(S123)는, 3차원 구조체(141) 상에 발광층(142)을 형성하여 3차원 발광 구조체(140)를 형성하는 단계이다. 3차원 발광 구조체(140)는, 반도체층과 연결되고, 단일 및/또는 다양한 파장대의 빛을 방출하는 구조체이다.
3차원 발광 구조체(140)는, 3차원 구조체(141)의 표면에 따라 발광층(142)이 형성되므로, 3차원 구조체(141)와 거의 동일한 크기, 형태 및 배열 간격(형태) 등을 가지며, 3차원 구조체의 형태, 크기 (예를 들어, 높이, 부피, 단면적, 직경, 길이, 밑면 길이, 등), 성분, 배열 방식(예를 들어, 중심 간의 간격, 배열 형태, 밀도 등), 성분, 성장 방식 및 결정 구조 중 적어도 하나의 인자 의해서 발광 파장이 조절될 수 있고, 추가적으로 발광층(142)의 구성에 의해서 더 조절될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 서브픽셀 단위로 발광파장이 구분되고, 서브픽셀 내에 3차원 구조체(141)의 형태, 크기 및/또는 간격을 조절하여 다양한 발광 파장, 즉, 가시광(적색, 녹색 및 청색), 백색광, 광대역 등의 다양한 파장의 발광 영역으로 구분된 서브픽셀을 형성할 수 있다.
3차원 발광 구조체(140)는, 50 nm 내지 30 ㎛ 직경(또는, 밑면 길이) 및/또는 50 nm 내지 10 ㎛ 높이(또는, 길이)를 가질 수 있다. 발광 구조체(140)는, 높이가 높을수록 더 장파장의 빛을 발광할 수 있다.
3차원 발광 구조체(140)는, 10 nm 내지 50 ㎛의 중심 간의 간격을 가지도록 배열된다. 즉, 3차원 발광 구조체(140)의 중심 간의 간격은 마스크층에 형성되는 패터닝된 개구의 중심 간의 간격 간의 간격에 대응되는 수준인 것일 수 있다. 3차원 발광 구조체(140)는, 구조체의 간격이 클수록 더 장파장의 빛을 발광할 수 있다.
발광층(142)은, 발광 물질을 포함하고, 단일 또는 복수층으로 형성된 활성층이다. 발광층(142)은, 두께, 성장률, 구성성분의 농도비, 마이그레이션, 층수 등을 조절하여 발광하는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 발광층(142)은, 발광하는 빛의 파장을 조절하기 위해서, 3차원 구조체(141)의 표면에 따라, 예를 들어, 옆면(또는, 빗면), 윗면 등에 따라 활성층의 두께, 성장률, 구성성분의 농도비 및 마이그레이션 및 층수로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 변화시켜 발광하는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 나타낸 바와 같이, InGaN/GaN 발광층의 형성 시 3차원 구조체(141)의 형태에 따라 발광 파장이 달라질 수 있다. 또한, 발광하는 빛의 파장을 조절하기 위해서, 3차원 구조체(141) 상에 발광층(142)의 성장 시 발광층(142) 내의 In-마이그레이션(migration) 정도를 조절할 수 있다.
발광층(142)은, 양자우물, 예를 들어, 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조를 포함하고, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs 및 GaInNSb으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 InGaN 또는 InGaN/GaN 이다. 발광층(142)은, 2 nm 내지 100 nm 두께로 형성되고, 단일 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발광층(142)는 3차원 구조체(141) 내의 위치 및 형태에 따라 두께를 달리할 수 있다.
발광층(142)은, 복수 층으로 형성될 경우 초격자층(super lattice layer)의 epi층 기반 LED 활성층을 더 포함할 수 있으며, 초격자층(super lattice layer)의 삽입에 의해서 장파장 발광을 유도할 수 있다. 상기 초격자층은, 단일 또는 복수층을 형성되고, 양자우물층을 포함할 수 있다.
발광층(142)은, MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy) 등을 이용하고, 500 ℃ 내지 850 ℃ 및 50 torr 내지 5500 torr 공정 조건을 이용하고, 원하는 발광층의 성장율에 따라 상기 온도 범위는 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 효과적인 발광 구조체를 형성하기 위해서 초격자층(super lattice layer)과 같은 epi층 기반 LED 활성층 형성 공정을 적용할 수 있다.
p-형 반도체층을 형성하는 단계(S130)는, 3차원 발광 구조체 상에 p-형 반도체층을 형성하는 단계이며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 3차원 발광 구조체(140) 상의 표면에 따라 적어도 일부분에 형성되거나 또는 3차원 발광 구조체(140)를 매몰되게 p-형 반도체층(143)을 형성할 수 있다. 또한, 3차원 발광 구조체(140)에 따라 두께를 달리할 수 있다.
p-형 반도체층(143)은, p-형 질화갈륨 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, p-형 질화갈륨 반도체는, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs 및 GaInNSb으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 바람직하게는 AlGaN electron blocking layer를 포함하는 p-형 GaN이다. 또한, p-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 p-형 불순물은 Mg, B, In, Ga, Al, Tl 등일 수 있다.
p-형 반도체층(143)의 두께는, 100 nm 내지 2 ㎛ 이고, 예를 들어, 100 nm 내지 2 ㎛; 200 nm 내지 2 ㎛; 400 nm 내지 2 ㎛; 500 nm 내지 2 ㎛; 550 nm 내지 2 ㎛; 600 nm 내지 1 ㎛; 또는 700 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 두께가 수십 nm 수준으로 얇게 형성될 경우 고품질의 박막을 형성하기 어려워지고, 2 ㎛ 이상으로 두껍게 될 경우 저항이 커지는 문제점이 발생할 수 있다. 도 4를 참조하면, p-형 반도체층은, 하부의 발광 구조체의 형상에 따라 nm 수준으로 얇게 형성되고, p-형 반도체층의 두께가 수 ㎛ 수준으로 두껍게 형성될 경우에, 발광 구조체의 단면 형상은 모두 p-형 반도체층 내에 매몰되고, 평평한 상면을 가지는 p-형 반도체층이 형성될 수 있다. 상기 평평한 상면을 가지는 p-형 반도체층을 형성할 경우에, 평탄화 단계(S300)를 생략할 수 있다. 즉, p-형 반도체층의 형성과 동시에 또는 이후에 절연층과 비아홀 형성하고, 다음으로, 전류 분산층을 형성하고, TFT 집적을 진행할 수 있다.
p-형 반도체층을 형성하는 단계(S130)는 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용할 수 있다.
마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계(S200)는, p-형 반도체층(143)이 형성된 마이크로-LED 상의 적어도 일부분 또는 전체에 투명 전극, 금속 전극 또는 이 둘을 포함하는 전류 분산층(150, Current spreading layer)을 증착하는 단계이다. 전류 분산층(150)은, 마이크로-LED를 포함하는 서브픽셀과 TFT 영역으로 확대하여 형성되어, 3차원 발광 구조체(140)들을 전기적으로 연결하고, 전류 분산층 상에 TFT 증착 시 전기적으로 연결되어 TFT로 전류주입이 가능하도록 한다.
전류 분산층(150)은, 투명 반도체 산화물, 질화물, 금속, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등을 포함할 수 있다.
상기 금속 전극은, Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, 및 Au으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 투명 전극은, 투명 반도체 산화물을 포함하고, 예를 들어, FTO(Fluorine doped tin oxide, SnO2 : F), ITO(Indium tin oxide), IZO(Indium zinc oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), AZO(Al-doped ZnO), AGZO(Aluminum Gallium Zinc Oxide), GZO(Ga-doped ZnO), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGTO(Indium Gallium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IZON(IZO Nitride), CTO(Cadmium stannate), SnO2, ZnO, IrOx, RuOx 및 NiO으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전류 분산층(150)은, 단일 또는 복수층이고, n-형 및/또는 p-형 전극일 수 있다. 전류 분산층(150)의 두께는, 1 nm 내지 500 nm이고, 예를 들어, 1 nm 내지 500 nm 두께의 투명 전극층, 1 nm 내지 50 nm 두께의 금속 전극층 또는 이 둘을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 투명 전극층의 두께는, 1 nm 내지 500 nm; 10 nm 내지 400 nm; 20 nm 내지 300 nm; 30 nm 내지 300 nm; 50 nm 내지 300 nm; 또는 50 nm 내지 200 nm의 두께일 수 있다. 상기 금속전극층의 두께는, 1 nm 내지 100 nm; 1 nm 내지 80 nm; 1 nm 내지 60 nm; 1 nm 내지 50 nm; 1 nm 내지 30 nm; 1 nm 내지 20 nm; 1 nm 내지 10 nm; 또는 1 nm 내지 5 nm일 수 있다.
전류 분산층(150)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 마이크로-LED 영역 내에 3차원 발광 구조체(140)의 위치에 따라 전기적 연결과 TFT로 전류주입을 위해서 3차원 발광 구조체(140)의 표면에 따라 형성되거나 3차원 발광 구조체(140)의 측면으로 더 연장될 수 있다.
예를 들어, 전류 분산층(150)은, p-형 반도체층(143)의 형태에 따라 p-형 반도체층(143) 상에 형성되거나 또는 TFT 영역으로 확대된 균일한 컨포멀한 층일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 도 6을 참조하면, 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 누설전류 차단층을 형성하는 단계(S140) 및 마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계(S200')를 포함할 수 있다.
마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 누설전류 차단층을 형성하는 단계(S140)는, 효과적인 전류 주입을 위해서 상기 마이크로-LED의 p-형 반도체층(143) 상에 누설전류 차단층(144, 144')을 형성하는 것이다.
예를 들어, 상기 마이크로-LED의 상부 영역, 즉 p-형 반도체층이 형성된 3차원 발광 구조체의 상부 영역이 노출되도록 하부 영역에서 일정한 높이로 형성되거나 및/또는 3차원 발광 구조체들 사이를 메우도록 바닥면에 형성될 수 있다.
선택적으로 상기 누설전류 차단층을 가공하는 단계(S150);를 더 포함할 수 있고, 이는 누설전류 차단층(144, 144')을 형성한 이후에 p-형 반도체층(143)이 형성된 3차원 발광 구조체(140)의 상부 영역이 노출되고, 원하는 위치 및/또는 두께를 갖도록 상기 누설전류 차단층(144, 144')을 일부분 제거, 식각 등의 공정으로 가공하는 단계이다. 예를 들어, 누설전류 차단층(144)를 형성한 이후에 누설전류 차단층(144')로 가공될 수 있다. 즉, 누설전류 차단층은, 바닥과 3차원 발광 구조 구조체 높이의 단차를 줄여 전류 분산층이 용이하게 덮이도록하고, 절연층으로 구성되어 누설되는 전류를 차단시킬 수 있다. 3차원 발광 구조 구조체의 상부 영역이 노출되면 p-형 반도체층과 전류 분산층이 접촉하게되어 전류 흐름을 원활하게 할 수 있다.
누설전류 차단층(144, 144')의 두께는 1 nm 이상; 10 nm 이상; 50 nm 이상; 또는 200 nm 이상일 수 있고, 또는 1 nm 내지 200 nm일 수 있다.
누설전류 차단층(144, 144')은, 투명층일 수 있고, 예를 들어, 가시광 영역에 투명한 것일 수 있다.
누설전류 차단층(144, 144')은, 유기물, 질화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이에 적용 가능한 절연성 물질이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 구체적으로, 스핀 온 글라스 물질(Spin on glass, SOG), 금속, 산화물, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시, 자일렌글라이콜, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지, 아크릴계 수지, 페놀계 수지, 금속알콕사이드, 우레탄계 수지, 절연성 무기 재료, 절연물질로 코팅된 금속 재료 등일 수 있다. PECVD, CVD, 스퍼터링, 코팅 등의 증착 방법 등을 이용할 수 있다.
상기 스핀 온 글라스 물질은, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 물질이며, 예를 들어, 실록산(siloxane), 하이드로젠 실세퀴옥산(hydrogen silsequioxane(HSQ)), 메틸 실세퀴옥산 (methylsilsequioxane(MSQ)), 퍼하이드로폴리실라잔(perhydropolysilazane), 폴리실라잔(polysilazane), 디비닐 실록산 비스벤조사이클로부탄(divinyl siloxane bis-benzocyclobutane; DVS-BCB)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 금속은, 예를 들어, Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, 및 Au으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 질화물 및 산화물은 상기 금속을 포함하고, 예를 들어, SiO2, SiNx, TiO2, Al2O3 등일 수 있다..
마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계(S200')는 누설전류 차단층이 형성된 마이크로-LED 상에 전류 분산층(150)을 형성하는 것이며, 상기 누설전류 차단층과 3차원 발광 구조체의 형태에 따라 형성되거나 또는 이들을 덮는 방식으로 형성할 수 있다. 이외 구성 및 공정은 전류 분산층을 형성하는 단계(S200)에서 언급한 바와 같다. 즉, 전류 분산층은 누설전류 차단층이 부분적으로 덮여있는 3차원 구조체 상에 증착되며, p-형 반도체와 맞닿아 접촉할 수 있다. 예를 들어, 각 서브픽셀 영역안의 3차원 구조체들을 전기적으로 연결하며, 각각의 서브픽셀 별로 전류 분산층이 증착될 수 있다.
평탄화하는 단계(S300)는, 마이크로-LED 상의 적어도 일부분 또는 전체에 걸쳐 평탄층(160)을 형성하여 평탄화하는 단계이며, 예를 들어, 마이크로-LED 상, 예를 들어, 상기 마이크로-LED 영역 중 TFT가 집적되는 영역에 형성되고, 전류분산층에 의해 픽셀별로 전기적 연결이 구분되어진 어레이 전체를 평탄화할 수 있다. 평탄층(160)은, 3차원 발광 구조체(140) 상 및/또는 3차원 발광 구조체(140) 상에 형성된 전류 분산층(150)에 따라 상기 마이크로-LED 영역에 형성되고, 이는 3차원 발광 구조체에 의해 굴곡진 부분을 평탄화시켜 TFT 증착을 용이하게 할 수 있다. 평탄화하는 단계(S300)는, 전류 분산층을 형성하는 단계(S200) 또는 전류 분산층을 형성하는 단계(S200') 이후에 이루어지고, 선택적으로 생략할 수 있다.
도 7을 참조하면, 평탄층(160)은, 발광 구조체의 위치에 따라 마이크로-LED 상에 일정한 두께로 형성되고, 유기물, 질화물, 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 절연층을 증착하고 평탄화한다.
예를 들어, 디스플레이에 적용 가능한 절연성 물질이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 구체적으로, 스핀 온 글라스 물질(Spin on glass, SOG), 금속, 산화물 투명 물질, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시, 자일렌글라이콜, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지, 아크릴계 수지, 페놀계 수지, 금속알콕사이드, 우레탄계 수지, 절연성 무기 재료, 절연물질로 코팅된 금속 재료 등일 수 있다. PECVD, CVD, 스퍼터링 등의 증착 방법을 이용하고, 화학적 또는 기계적 연마 공정에 의해 평탄도를 높일 수 있다.
예를 들어, 평탄층(160)은, 누설전류 차단층(144, 144')과 동일하거나 또는 상이한 절연 물질을 포함하고, 각각의 서브픽셀들끼리 전기적으로 절연할 수 있다.
상기 스핀 온 글라스 물질은, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 물질이며, 예를 들어, 실록산(siloxane), 하이드로젠 실세퀴옥산(hydrogen silsequioxane(HSQ)), 메틸 실세퀴옥산 (methylsilsequioxane(MSQ)), 퍼하이드로폴리실라잔(perhydropolysilazane), 폴리실라잔(polysilazane), 디비닐 실록산 비스벤조사이클로부탄(divinyl siloxane bis-benzocyclobutane; DVS-BCB)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 금속은, 예를 들어, Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, 및 Au으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 질화물 및 산화물은 상기 금속을 포함하고, 예를 들어, SiO2, SiNx, TiO2, Al2O3 등일 수 있다.
평탄층(160)은, 단일 또는 복수층일 수 있고, 평탄층(160)의 두께는 하부층의 형태에 따라 변화되며, 예를 들어, 평탄층(160)의 내부 두께는 3차원 구조체의 높이 단차에 따라 두께가 변화될 수 있고, 3차원 구조체의 표면 형상에 따라 변화될 수 있으나, 상부면은 평평한 형태를 형성할 수 있다.
평탄층(160)은, 투명층일 수 있고, 예를 들어, 가시광 영역에 투명한 것일 수 있다.
비아홀을 형성하는 단계(S400)는, 비아홀(161)을 통해서 TFT와 마이크로-LED가 전기적으로 접촉하기 위해서 평탄층(160)에서 마이크로-LED가 노출되도록 비아홀(161)을 형성하는 단계이다. 비아홀을 형성하는 단계(S400)는 선택적으로 생략할 수 있다. 도 1 및 도 6을 참조하면, 비아홀(161)은 마이크로-LED의 상부 영역 또는 측면 영역에 형성되고, 비아홀(161)은, 전류 분산층(150)이 노출되는 깊이까지 형성되고, 비아홀(161)을 통하여 TFT의 드레인 영역과 전류 분산층(150)이 접촉할 수 있다.
도 7을 참조하면, 비아홀(161)은 TFT의 드레인이 삽입되는 부분이며, 마이크로-LED의 발광 구조체의 상단 부분 또는 측면에 형성되고, 이는 TFT의 증착 위치에 따라 변경될 수 있다.
마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계(S500)는, 평탄화된 마이크로-LED 영역에 3차원 발광 구조체의 구동을 위해 각 서브픽셀에 해당하는 TFT(170) 회로를 배열 및 증착하여 마이크로-LED와 TFT(170) 회로를 집적하는 단계이다. 이는 기판 상에 마이크로-LED 전체에 걸쳐서 TFT를 모놀리식 증착 공정으로 집적한다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, TFT의 증착을 위해 미리 설계되어 있는 영역에 대하여 TFT 증착을 진행하고, TFT의 드레인(173) 쪽의 전극을 3차원 발광 구조체 위에 형성된 전류분산층(150)과 전기적으로 연결시켜 마이크로-LED와 TFT가 연결(집적)되도록 한다. 마이크로-LED와 TFT 접합에 따른 TFT 전극 회로 구성을 다양하게 설계할 수 있고, 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같은 TFT 전극 회로를 구성할 수 있다.
TFT(170)는, 실리콘 기반 TFT 또는 산화물 TFT이며, Amorphous-Silicon, Poly-silicon 중 하나 이상의 Si 구조 이거나 인듐-갈륨-아연-주석-알루미늄 중 하나 이상의 금속 성분을 가지는 산화물 반도체(예를 들어, In-O, Zn-O, Sn-O, In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, In-Sn-Zn-O, In-Ga-Zn-O, Al-In-Sn-Zn-O)를 갖는 TFT 구조를 포함할 수 있다. TFT의 증착 시 TFT 증착 온도가 평탄층의 유기물층의 특성이 저하되지 않는 온도의 범위에서 진행될 수 있다.
TFT(170)의 구성은, 게이트 절연체(171), 소스(172), 드레인(173), 액티브(174) 및 게이트(175) 등로 구성될 수 있고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 본 발명의 기술 분야에서 알려져 있고, 마이크로-LED 기반의 디스플레이에 적용 가능한 구성이라면, 제한 없이 적용될 수 있고, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 마이크로-LED를 형성하는 단계(S100) 내지 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계(S500)는, 동일 반도체 기판 상에서 이루어지고, 상기 단계들 사이에 전사 공정이 포함되지 않는 것이다(예를 들어, 전사 공정-프리).
이는, 기존의 마이크로-LED 기반의 디스플레이의 경우 공정이 완료된 각각의 LED 칩을 복잡한 전사 과정을 거쳐서 디스플레이를 구현하였으나, 본 발명은, 단일 기판 위에 3차원 발광 구조체에 의한 다중 파장 발광구조를 형성하고 동일 기판 위에서 일련의 공정으로 TFT 회로를 집적하여, 능동 구동 마이크로-LED 기반 디스플레이를 복잡한 전사 방법 없이 제작할 수 있다. 또한, 중/소형/대형 디스플레이의 제조공정을 간소화시키고, 디스플레이를 대량 제작 및 생산을 가능하게 한다. 더욱이, 사이즈가 작은 디스플레이가 될수록 픽셀을 구성하는 마이크로-LED가 작아져서 공정의 난이도가 급격하게 상승하게 되지만, 본 발명은, 마이크로-LED 기반의 중, 소형 디스플레이를 제작하는데 기술적 난이도를 낮출 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전류 분산층을 형성하는 단계(S200); 평탄화하는 단계(S300) 및 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계(S500)가 동일 기판 위에서 일련의 증착 공정으로 대면적 공정으로 진행되어 마이크로-LED와 TFT가 집적되고, 선택적으로 어느 하나의 공정이 생략되거나 또는 공정의 순서 또는 박막(예를 들어, 마이크로-LED)의 위치에 따라 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 서브픽셀은, 예를 들어, 청색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나를 발광하는 마이크로-LED이거나 또는, 상기 서브픽셀은, 백색광, 광대역 파장 또는 이 둘을 발광하는 마이크로-LED일 수 있다. 이는 도 8에 나타낸 바와 같이, 반도체층(120) 및 발광층(142)에 의해서 발광 파장을 조절하고, 예를 들어, n-GaN 반도체층을 적용하여 청색, 녹색 및 청색 발광 파장을 형성하고, n-INGaN 반도체층을 적용하여 백색광 또는 광대역 파장을 형성할 수 있다.
또한, 상기 백색광, 광대역 파장 또는 이 둘을 발광하는 마이크로-LED은, 적색, 녹색, 청색 구현을 위해서 컬러필터를 이용할 수 있다. 즉, 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계 이후에 컬러 필터를 증착하는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다. 상기 컬러필터에 의해 마이크로-LED의 서브픽셀의 발광 파장을 조절하고, 예를 들어, 백색광 또는 광대역 파장의 마이크로-LED의 구성 시 RGB 컬러(청색, 녹색 및 청색)의 구현뿐만 아니라, 컬러 품질을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 9를 참조하면, 백색광, 광대역 파장 또는 이 둘을 발광하는 마이크로-LED를 형성하는 단계(S100'); 평탄화하는 단계(S300'); 비아홀을 형성하는 단계(S400'); 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계(S500'); 및 컬러 필터를 증착하는 단계(S600');를 포함할 수 있다. 전류 분산층을 형성하는 단계(S200')를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 각 단계는, 선택적으로 생략하거나 순서를 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 디스플레이를 구동하기 위해서, 본 발명의 기술 분야에서 통상적으로 적용되는 구성을 도입 및/또는 형성하는 공정을 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극층은, p-형 전극층 및/또는 n-형 전극층을 포함할 수 있다. p-형 전극층은 투명 반도체 산화물, 금속 또는 이 둘을 포함할 수 있고, 예를 들어, Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연주석산화물(IZTO), 카드뮴주석산화물(CTO), PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 및 탄소나노튜브(CNT)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. n-형 전극층은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, n-형 전극층은 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다.
본 발명은, 마이크로-LED 기반의 디스플레이를 제공하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 디스플레이는, 본 발명에 의한 제조방법으로 제조된 것으로, 동일 기판 상에 마이크로-LED를 형성하고, 모놀리식 TFT 공정 방식으로 집적된 디스플레이이다.
상기 마이크로-LED 기반의 디스플레이는, 다색 파장의 고품질 풀컬러 디스플레이를 제공할 수 있다. 즉, 마이크로-LED 기반의 디스플레이는, 서브픽셀 단위로 구역화된 적색, 녹색 및 청색을 발광 영역을 갖는, 3차원 구조 마이크로-LED를 형성하고, TFT와 집적되어, 각 발광 영역은, 서브픽셀로 구분되어 다색 마이크로-LED 기반의 칼라, 또는 풀칼라 디스플레이를 구현할 수 있다.
다른 예로, 백색 또는 광대역의 스펙트럼을 가지는 3차원 발광 구조체가 각각의 서브픽셀로 형성되고 TFT와 집적이 된 이후에, 컬러필터를 증착하여 적색, 녹색 및 청색의 서브픽셀을 구현할 수 있다.
본 발명에 의한 마이크로-LED 기반의 디스플레이는, 스마트폰, 차량용 디스플레이, 스마트 워치 등의 소자에 사용되는 중, 소형 디스플레이뿐만 아니라, 대형 디스플레이로 적용되고, OLED 및 LCD 기반의 디스플레이를 대체할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (21)
- 반도체 기판 상에, 복수 개의 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 단계;
상기 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 평탄층을 형성하여 평탄화하는 단계;
상기 평탄층에 비아홀을 형성하는 단계; 및
상기 평탄화된 마이크로-LED 상에, 상기 서브픽셀 구동을 위한 TFT를 배열 및 증착하여 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계;
를 포함하는,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로-LED를 형성하는 단계는, 단일 기판 상의 적어도 일부분 또는 전체에 걸쳐 단일 공정(single process)으로 서브픽셀 단위로 구역화된 마이크로-LED를 형성하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로-LED를 형성하는 단계는, n-형 반도체층 상에 서브픽셀 단위로 구역화하여 3차원 발광 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 3차원 발광 구조체 상에 p-형 반도체층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 3차원 발광 구조체를 형성하는 단계는,
상기 n-형 반도체층 상에 3차원 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 3차원 구조체 상에 적어도 둘 이상의 파장이 다른 발광층 또는 광대역의 발광층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 n-형 반도체층 상에 3차원 구조체를 형성하는 단계는,
n-형 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 패터닝하는 단계; 및
n-형 반도체층을 식각하거나 또는 n-형 반도체를 성장시켜 다양한 모양, 크기 또는 간격을 가지는 구조를 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 p-형 반도체층을 형성하는 단계는, 상기 3차원 발광 구조체 상에 형성하거나 또는 상기 3차원 발광 구조체를 매몰되게 형성하는 것이고,
상기 p-형 반도체층의 두께는 100 nm 내지 2 ㎛인 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 3차원 발광 구조체는, 3차원 구조체의 형태, 크기 및 배열간격 중 적어도 하나에 의해 발광 파장이 조절되고,
상기 서브픽셀은, 동일하거나 또는 상이한 발광 파장을 갖는 3차원 발광 구조체를 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 서브픽셀은, 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나를 발광하고,
다색 파장의 마이크로-LED로 이루어진,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 서브픽셀은, 백색광, 광대역 파장 또는 이 둘을 발광하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 누설전류 차단층을 형성하는 단계; 및 상기 누설전류 차단층이 형성된 마이크로-LED 상의 적어도 일부분에 전류 분산층을 형성하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 누설전류 차단층은 상기 마이크로-LED의 p-형 반도체층 상에 형성되고, 상기 마이크로-LED의 상부 영역이 노출되록 형성되고,
상기 전류 분산층은, 상기 누설전류 차단층 및 상기 p-형 반도체층 상에 형성되는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 누설전류 차단층은, 유기물, 산화물, 질화물 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 절연성 물질을 포함하고, 가시광에 투명한 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로-LED 상에 전류 분산층을 형성하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 전류 분산층은, 상기 마이크로-LED의 p-형 반도체층 상에 형성되는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 전류 분산층의 두께는, 1 nm 내지 500 nm이고,
상기 전류 분산층은 단일 또는 복수층인 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 전류 분산층은, 1 nm 내지 500 nm 두께의 투명 전극층, 1 nm 내지 50 nm 두께의 금속 전극층 또는 이 둘을 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 평탄화하는 단계는,
상기 전류 분산층이 형성된 상기 마이크로-LED 영역 중 TFT가 집적되는 영역에 유기물, 산화물, 질화물 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 절연층을 증착하고 평탄화하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 평탄층은, 스핀 온 글라스 물질(Spin on glass), 금속, 산화물 및 질화물 절연 물질 중 적어도 하나를 포함하고 가시광에 투명한 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 평탄층에 비아홀을 형성하는 단계는, 상기 마이크로-LED의 상부 영역 또는 측면 영역에 형성되는 것이고,
전류 분산층이 노출되는 깊이까지 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀을 통하여 TFT의 드레인 영역과 상기 전류 분산층이 접촉하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로-LED를 형성하는 단계 및 상기 마이크로-LED와 TFT를 집적하는 단계는, 동일 반도체 기판 상에서 이루어지고,
상기 단계들 사이에 전사 공정-프리인 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 서브픽셀에 대응하는 컬러필터를 증착하는 단계;
를 더 포함하는 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이의 제조방법.
- 백색광 또는 광대역 파장을 발광하는 서브픽셀; 및
상기 서브픽셀에 상응하는 컬러필터; 를 포함하고,
TFT를 통해서 능동 구동되는,
마이크로-LED 기반 디스플레이.
- 제20항에 있어서,
상기 디스플레이는, 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 하나를 발광하는 서브픽셀을 포함하고,
상기 디스플레이는 다색 파장 마이크로-LED 기반인 것인,
마이크로-LED 기반 디스플레이.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| KR20190144340 | 2019-11-12 |
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|---|---|
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| KR1020200041605A KR102435381B1 (ko) | 2019-11-12 | 2020-04-06 | 마이크로-led 기반 디스플레이의 제조방법 및 마이크로-led기반 디스플레이 |
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| KR20180052977A (ko) * | 2016-11-11 | 2018-05-21 | 순천대학교 산학협력단 | 마이크로 픽셀 어레이 발광다이오드 및 이를 포함하는 조명 장치 |
| KR20180118488A (ko) * | 2017-04-21 | 2018-10-31 | 주식회사 루멘스 | 마이크로 led 디스플레이 장치 및 그 제조방법 |
| KR20190044492A (ko) * | 2017-10-20 | 2019-04-30 | 한국과학기술원 | 마이크로 led 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 디스플레이 |
-
2020
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