KR20210102741A - 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 상면 및 하면을 가지는 기판, 기판의 상면 상에 배치되는 제1 절연층, 제1 절연층 상에 배치되며 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 복수의 발광 구조체, 제2 반도체층들 각각에 소정 깊이로 홈이 형성되고 홈을 채우는 복수의 광학층, 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며 기판을 관통하는 복수의 제1 전극, 복수의 발광 구조체 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층, 및 제2 반도체층의 최상면 및 제2 절연층을 덮도록 복수의 발광 구조체에 이어지며 배치되고 기판을 관통하는 제2 전극을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광 특성이 우수한 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 종래에는 디스플레이 장치가 주로 디스플레이 패널과 백라이트로 구성되었으나, 최근에는 반도체 발광 소자 자체를 하나의 픽셀로 사용하는 디스플레이 장치가 제안되었다. 이에 따라, 반도체 발광 소자가 더욱 우수한 발광 특성을 가지면서도, 제품 불량이 낮은 간단한 구조를 가지는 것이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 광학층의 배치를 위한 별도의 격벽 구조가 필요 없어 제품 불량이 낮은 간단한 구조를 가질 수 있고, 빛샘 현상이 없어 발광 특성이 우수한 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 상면 및 하면을 가지는 기판; 상기 기판의 상기 상면 상에 배치되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 복수의 발광 구조체; 상기 제2 반도체층들 각각에 소정 깊이로 홈이 형성되고, 상기 홈을 채우는 복수의 광학층; 상기 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 기판을 관통하는 복수의 제1 전극; 상기 복수의 발광 구조체 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층; 및 상기 제2 반도체층의 최상면 및 상기 제2 절연층을 덮도록 상기 복수의 발광 구조체에 이어지며 배치되는 제2 전극;을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 상면 및 하면을 가지는 기판; 상기 기판의 상기 상면 상에 배치되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 3N(N은 2 이상의 정수, 이하 동일)개의 발광 구조체들; 상기 제2 반도체층들 각각에 소정 깊이로 홈이 형성되고, 상기 홈을 채우는 3N개의 광학층들; 상기 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 기판을 관통하는 3N개의 제1 전극들; 상기 3N개의 발광 구조체들 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층; 및 상기 제2 반도체층의 최상면 및 상기 제2 절연층을 덮도록 상기 3N개의 발광 구조체들에 이어지며 배치되고, 상기 기판을 관통하는 제2 전극;을 포함하고, 3개의 상기 발광 구조체들이 하나의 픽셀을 구성하여, N개의 픽셀 어레이를 형성한다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 상면 및 하면을 가지는 기판; 상기 기판의 상기 상면 상에 배치되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 제1 내지 제3 발광 구조체들; 상기 제1 발광 구조체의 제2 반도체층이 형성하는 돌출 구조로 소정 깊이의 홈이 배치되고, 상기 홈을 채우며 적색광으로의 파장 변환 물질을 포함하는 제1 광학층; 상기 제2 발광 구조체의 제2 반도체층이 형성하는 돌출 구조로 소정 깊이의 홈이 배치되고, 상기 홈을 채우며 녹색광으로의 파장 변환 물질을 포함하는 제2 광학층; 상기 제3 발광 구조체의 제2 반도체층이 형성하는 돌출 구조로 소정 깊이의 홈이 배치되고, 상기 홈을 채우며 청색광으로의 파장 변환 물질 또는 투명 물질을 포함하는 제3 광학층; 상기 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 기판을 관통하는 복수의 제1 전극; 상기 제1 내지 제3 발광 구조체들 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층; 및 상기 제2 반도체층의 최상면 및 상기 제2 절연층을 덮도록 상기 제1 내지 제3 발광 구조체들에 이어지며 배치되고, 상기 기판을 관통하는 제2 전극;을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자는, 광학층의 배치를 위한 별도의 격벽 구조가 필요 없어 제품 불량이 낮은 간단한 구조를 가질 수 있고, 빛샘 현상이 없어 발광 특성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부분을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 도면들이다.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략 사시도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서를 나타낸 블록도이다.
도 12 내지 도 20은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 반도체 발광 소자(10)를 복수로 포함하는 디스플레이 장치(1)를 나타내며, 상기 디스플레이 장치(1)는 회로 기판(3) 및 상기 회로 기판(3) 상에 배열된 디스플레이 패널(2)을 포함할 수 있다.
디스플레이 패널(2)은 적색(Red, R), 녹색(Green, G), 청색(Blue, B)의 광이 혼합된 광을 방출할 수 있는 반도체 발광 소자(10)를 복수로 포함할 수 있다. 반도체 발광 소자들(10) 각각은 디스플레이 패널(2)에서 하나의 픽셀(pixel)을 구성할 수 있으며, 회로 기판(3) 상에 행과 열을 이루어 배열될 수 있다. 도면에는 15행과 15열로 반도체 발광 소자들(10)이 배열된 형태를 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 실제로는 필요한 해상도에 따른 더 많은 수의 반도체 발광 소자(10)가 배열될 수 있음은 물론이다.
각각의 반도체 발광 소자(10)는 RGB의 광원에 해당하는 복수의 서브-픽셀(sub-pixel)을 포함할 수 있으며, 하나의 반도체 발광 소자(10) 내에서 복수의 서브-픽셀은 이웃하여 배치된 구조로 제공될 수 있다. 이에 대해, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 도 3a 내지 도 3c에서는 하나의 픽셀에 RGB의 광원에 해당하는 3개의 서브-픽셀이 포함된 형태를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 4개 이상의 서브-픽셀이 포함될 수도 있다. 예를 들어, 서브-픽셀로 CYMK(Cyan, Yellow, Magenta, Black)와 같은 다양한 색이 사용될 수도 있다.
회로 기판(3)에는 상기 디스플레이 패널(2)의 상기 반도체 발광 소자(10)에 전원을 공급하도록 구성된 구동부 및 상기 구동부를 제어하는 제어 회로가 배치될 수 있다. 상기 회로 기판(3)에는 각각의 픽셀(및 이의 서브-픽셀들)을 독립적으로 구동하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 회로 기판(3)은 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부분을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 2를 참조하면, 디스플레이 패널(2)은 복수의 반도체 발광 소자(10)가 배치되는 영역을 정의하는 제1 구조체(4)를 포함할 수 있고, 복수의 반도체 발광 소자(10) 각각은 제2 구조체(5)에 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
제2 구조체(5)는 각각의 반도체 발광 소자(10)를 전기적으로 분리시켜, 각각의 반도체 발광 소자(10)가 하나의 픽셀로서, 서로 독립적으로 구동될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 상기 제2 구조체(5)는 복수의 반도체 발광 소자(10)를 디스플레이 패널(2) 상에 견고하게 고정시키는 역할을 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 및 제2 구조체(4, 5)는 생략될 수도 있다.
제1 및 제2 구조체(4, 5)는 매트릭스(matrix)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스는 상기 디스플레이 패널(2)의 둘레에 배치되어 복수의 반도체 발광 소자(10)의 탑재 영역을 정의하는 가이드라인으로서 역할을 할 수 있다. 상기 매트릭스는 블랙(black) 색상에 한정되는 것은 아니며, 제품의 용도 및 사용처 등에 따라 백색(white) 또는 녹색(green) 등 다른 색을 사용할 수 있다. 필요에 따라, 투명 재질의 매트릭스를 사용할 수도 있다.
상기 매트릭스는 수지(resin)를 포함하는 폴리머, 세라믹, 반도체, 또는 금속과 같은 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 매트릭스가 백색인 경우, 반사 물질 또는 산란 물질을 더 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 도면들이다.
구체적으로, 도 3a는 반도체 발광 소자(10)를 나타내는 사시도이고, 도 3b는 반도체 발광 소자(10)를 나타내는 평면도이고, 도 3c는 도 3a의 C-C' 선을 따라 절단한 반도체 발광 소자(10)를 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c를 함께 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 반도체 발광 소자(10)를 나타낸다.
기판(110)은, 필요에 따라 절연성 기판, 도전성 기판, 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 상기 기판(110)을 구성하는 물질은 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 저머늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘저머늄(SiGe), 실리콘카바이드(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(110)은 복수의 발광 구조체(120)와 서로 마주보도록 배치되며, 상기 복수의 발광 구조체(120)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 상기 기판(110)은 베이스층(미도시)을 통하여 상기 복수의 발광 구조체(120)로부터 발생한 열을 전달받을 수 있으며, 전달받은 열을 외부로 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 기판(110)은 광 투과성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 기판(110)은 광 투과성 물질을 사용하거나, 또는 일정 두께 이하로 형성하는 경우 광 투과성을 가질 수 있는 물질을 사용할 수 있다.
복수의 발광 구조체(120) 각각은 제1 반도체층(121), 활성층(123), 및 제2 반도체층(122)을 구비하며, 서로 분리되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 발광 구조체(120)는 하나의 픽셀을 구성하는 요소로서, 상기 복수의 발광 구조체(120) 각각은 서브-픽셀로서 동작할 수 있다. 도면에는 하나의 반도체 발광 소자(10)가 3개의 서브-픽셀들(즉, 3개의 발광 구조체들)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 이와 달리, 하나의 반도체 발광 소자(10)는 이보다 더 많은 수의 서브-픽셀들을 포함할 수도 있다.
제1 반도체층(121)은 p형 InxAlyGa1 -x- yN(여기서, 0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체층일 수 있으며, p형 불순물로 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 반도체층(121)은 단층 구조로 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 반도체층(121)은 서로 다른 조성을 갖는 다층 구조로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 반도체층(121)은 전자 차단층, 저농도의 p형 GaN층, 및 고농도의 p형 GaN층을 포함할 수 있다. 상기 전자 차단층의 에너지 밴드갭(Eg)은 활성층(123)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 차단층을 구성하는 물질 중 알루미늄(Al)은 활성층(123)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
활성층(123)은 양자 우물층과 양자 장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자 우물층과 상기 양자 장벽층은 서로 다른 조성을 갖는 InxAlyGa1 -x- yN(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 양자 우물층은 InxGa1 - xN(여기서, 0<x≤1)이며, 상기 양자 장벽층은 GaN층 또는 AlGaN층일 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 활성층(123)은 다중 양자 우물 구조에 한정되지 않고, 단일 양자 우물 구조(SQW)일 수도 있다.
제2 반도체층(122)은 n형 InxAlyGa1 -x- yN(여기서, 0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, n형 불순물은 실리콘(Si)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반도체층(122)은 n형 GaN층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 반도체층(122)은 컨택층 및 전류 확산층을 포함할 수 있다. 상기 전류 확산층은 서로 다른 조성을 갖거나, 서로 다른 불순물 함량을 갖는 복수의 InxAlyGa(1-x-y)N(여기서, 0≤x, y≤1, 0≤x+y≤1)층이 반복해서 적층되는 구조일 수 있다.
상기 제2 반도체층(122)에는 소정 깊이로 형성된 홈(122H)이 배치되고, 상기 홈(122H)을 둘러싸는 돌출 구조(122P)가 일체형으로 구성된다. 상기 돌출 구조(122P)는 기판(110)에 가까울수록 폭이 커지는 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 돌출 구조(122P)의 내측면(122U)은 상기 기판(110)의 상면과 약 90˚ 이하의 경사(θ)를 가질 수 있다.
단면도에서 보았을 때, 상기 제2 반도체층(122)은 U자 형의 구조를 가질 수 있으며, 상기 제2 반도체층(122)의 상면은 요철 구조를 가질 수 있다. 상기 홈(122H)이 소정 깊이로 형성되므로 인하여, 상기 제1 반도체층(121)의 최하면에서부터 상기 홈(122H)의 바닥면까지의 제1 높이(120T1)는 약 0.5㎛ 내지 약 9㎛ 범위일 수 있고, 상기 제1 반도체층(121)의 최하면에서부터 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)까지의 제2 높이(120T2)는 약 10㎛ 이하의 범위일 수 있다. 여기서, 상기 제1 높이(120T1)보다 상기 제2 높이(120T2)가 더 클 수 있다.
제1 전극(130)이 제1 반도체층(121)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 상기 제1 반도체층(121)의 하면과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극(130)은 상기 제1 반도체층(121)의 하면과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제1 전극(130)은 예를 들어, Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 전극(130)은 예를 들어, ITO와 같은 투명 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극(130)은 반사도가 높은 금속 물질을 포함하여, 반사 전극으로 역할을 할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 상기 제1 전극(130)과 상기 제1 반도체층(121)의 사이에 오믹 전극이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(130)은 제1 상부 부분(131) 및 제1 하부 부분(133)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 상부 부분(131)은 상기 제1 하부 부분(133)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제1 하부 부분(133)은 기판(110)을 관통하며, 상기 제1 하부 부분(133)의 일단은 제1 상부 부분(131)에 연결될 수 있고, 상기 제1 하부 부분(133)의 타단은 기판(110)의 하면에서 노출될 수 있다. 즉, 상기 제1 하부 부분(133)은 기판(110)의 상면에 대하여 수직인 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
제1 절연층(141)은 기판(110)의 상면, 제1 전극(130)의 측면, 및 제1 반도체층(121)의 하면을 덮을 수 있다. 상기 제1 절연층(141)은 제1 반도체층(121)의 하면 중 제1 전극(130)과 접촉하지 않는 부분을 덮을 수 있다. 상기 제1 절연층(141)은 각각의 발광 구조체(120)를 기판(110)으로부터 이격시킬 수 있다.
상기 제1 절연층(141)은 예를 들어, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도면에는 상기 제1 절연층(141)이 단일층으로 도시되었지만, 이와 달리, 상기 제1 절연층(141)은 복수의 절연층이 적층된 다층 구조일 수 있다. 예를 들어, 이러한 다층 구조는 제1 굴절률 및 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가지는 절연층이 교대로 적층된 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)일 수 있다.
제2 절연층(143)은 각각의 발광 구조체(120)의 상부 표면을 덮을 수 있다. 상기 제2 절연층(143)은 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 노출하도록 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(143)으로부터 노출된 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 통하여, 상기 제2 반도체층(122)과 제2 전극(150)이 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 절연층(143)은 제1 반도체층(121)의 측면, 활성층(123)의 측면, 제2 반도체층(122)의 외측면(122S)과 내측면(122U), 및 홈(122H)의 바닥면을 컨포멀하게(conformally) 덮을 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 제외한 발광 구조체(120)의 나머지 부분을 덮을 수 있다.
상기 제2 절연층(143)은 예를 들어, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘산질화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 도면에는 상기 제2 절연층(143)이 단일층으로 도시되었지만, 상기 제2 절연층(143)은 복수의 절연층이 적층된 다층 구조일 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(141, 143)은 발광 구조체(120)가 제1 및 제2 전극(130, 150)과 접촉하는 부분을 제외한 나머지 부분을 덮음으로써, 상기 발광 구조체(120)를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 반도체층(121)이 제2 전극(150)과 접촉하거나, 또는 제2 반도체층(122)이 제1 전극(130)과 접촉하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
제2 전극(150)이 복수의 발광 구조체(120)의 측면 및 상면을 덮도록 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 제2 반도체층(122)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150)은 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 예를 들어, Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제2 전극(150)은 예를 들어, ITO와 같은 투명 전극일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150)은 반사도가 높은 금속 물질을 포함하여, 반사 전극으로 역할을 할 수 있다.
상기 제2 전극(150)은 제2 상부 부분(151) 및 제2 하부 부분(153)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 상부 부분(151)은 상기 제2 하부 부분(153)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제2 하부 부분(153)은 기판(110)을 관통하며, 상기 제2 하부 부분(153)의 일단은 제2 상부 부분(151)에 연결될 수 있고, 상기 제2 하부 부분(153)의 타단은 기판(110)의 하면에서 노출될 수 있다. 즉, 상기 제2 하부 부분(153)은 기판(110)의 상면에 대하여 수직인 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제2 하부 부분(153)은 기판(110)을 관통하지 않을 수 있다.
상기 제2 전극(150)의 상기 제2 상부 부분(151)은, 제2 반도체층(122)의 최상면(122T) 및 제2 절연층(143)을 덮으며, 복수의 발광 구조체(120)에 이어지도록 배치될 수 있다. 따라서, 복수의 발광 구조체(120)에서 발생하는 대부분의 광이 상기 제2 전극(150)에 의해 반사되므로, 빛샘 현상이 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 상기 제2 상부 부분(151)이 서로 분리된 복수의 발광 구조체(120)의 제2 반도체층들(122)에 이어지므로, 복수의 발광 구조체(120)는 하나의 제2 전극(150)으로부터 동작 전압을 공급받을 수 있다.
복수의 광학층(160)은 파장 변환 물질을 포함하는 수지로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 파장 변환 물질은 형광 물질이고, 상기 수지는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 또는 이들의 혼합 수지일 수 있다. 또한, 상기 복수의 광학층(160)을 구성하는 파장 변환 물질은 수지와 같은 유기 물질뿐만 아니라, InxAlyGa1 -x- yN와 같은 무기 물질일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 상기 복수의 광학층(160)은 전기적으로 절연성을 가질 수 있다.
상기 복수의 광학층(160)은 서로 다른 파장의 광을 제공하는 물질로 구성되는 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 광학층(161)은 적색 형광성 물질(R)을 포함할 수 있고, 상기 제2 광학층(162)은 녹색 형광성 물질(G)을 포함할 수 있고, 상기 제3 광학층(163)은 청색 형광성 물질(B)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제3 광학층(163)은 파장 변환 물질이 포함되지 않은 투명 물질로 구성될 수도 있다. 다만, 상기 복수의 광학층(160)을 구성하는 물질이 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 복수의 광학층(160)은 복수의 발광 구조체(120)로부터 방출되는 빛의 적어도 일부의 파장을 변환시키는 경우, 파장 변환층으로 지칭될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 광학층은 파장 변환 물질을 포함하는 경우뿐만 아니라, 파장 변환 물질을 포함하지 않는 경우까지 포섭하는 의미로 해석될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 복수의 광학층(160)을 구성하는 파장 변환 물질로써 양자점(quantum dot)이 사용될 수 있다. 상기 양자점은 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 이용하여 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, CdSe, InP 등과 같은 코어 및 ZnS, ZnSe 등과 같은 쉘을 가질 수 있다. 또한, 상기 양자점은 코어 및 쉘의 안정화를 위한 리간드를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 코어의 직경은 약 1 내지 약 30㎚, 바람직하게 약 3 내지 약 10㎚일 수 있다. 상기 쉘의 두께는 약 0.1 내지 약 20㎚, 바람직하게 약 0.5 내지 약 2㎚일 수 있다.
상기 양자점은 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 특히, 상기 양자점이 광학층(160)을 대체하는 물질로 사용되는 경우, 파장 변환 물질로서 사용될 수 있다. 상기 양자점을 사용하는 경우, 협반치폭(예를 들어, 약 35㎚)을 구현할 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 복수의 광학층(160)은 수지 내에 파장 변환 물질이 분산된 것, 파장 변환 물질의 입자가 뭉쳐 소결된 세라믹 형광체인 것, 단결정 내 파장 변환 기능을 제공하는 층이 포함된 것 등을 포함하는 개념일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 제2 반도체층(122)의 홈(122H)을 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 반도체층(122)의 돌출 구조(122P)에 의하여 발광 구조체(120)의 내부에 가두어 질 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각과 상기 제2 반도체층(122)의 사이에는 제2 절연층(143)이 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면의 레벨은 제2 전극(150)의 최상면의 레벨과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 전극(150) 및 상기 제2 절연층(143)과 직접 접촉할 수 있다.
단면도에서 보았을 때, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 역사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 돌출 구조(122P)의 최상면(122T)의 제1 폭(120W1)은 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면의 제2 폭(120W2)보다 작을 수 있다. 또한, 평면도에서 보았을 때, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각이 차지하는 평면적은 이에 대응하는 상기 제1 전극(130)이 차지하는 평면적보다 작을 수 있다.
최근 반도체 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 종래에는 디스플레이 장치가 주로 디스플레이 패널과 백라이트로 구성되었으나, 최근에는 반도체 발광 소자 자체를 하나의 픽셀로 사용하는 디스플레이 장치가 제안되었다. 이에 따라, 반도체 발광 소자가 더욱 우수한 발광 특성을 가지면서도, 제품 불량이 낮은 간단한 구조를 가지는 것이 요구되고 있다.
이러한 요구를 만족시키기 위하여, 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자(10)는, 광학층(160)의 배치를 위한 별도의 격벽 구조가 필요 없이, 제2 반도체층(122)의 홈(122H)에 광학층(160)을 배치할 수 있으므로, 제품 불량이 낮은 간단한 구조를 가질 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자(10)는, 복수의 발광 구조체(120)에서 발생하는 광이 제1 및 제2 전극(130, 150)에 의해 대부분 반사되므로, 빛샘 현상이 현저하게 줄어들 수 있다.
궁극적으로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자(10)는, 제품 불량이 낮으므로 생산성이 높고, 빛샘 현상이 없으므로 발광 특성이 우수하다.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
이하에서 설명하는 반도체 발광 소자들(20, 30, 40, 50)을 구성하는 대부분의 구성 요소 및 상기 구성 요소를 이루는 내용은, 앞서 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 따라서, 중복되는 설명의 방지를 위하여, 앞서 설명한 반도체 발광 소자(10)와 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130A), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 반도체 발광 소자(20)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(20)에서, 제1 전극(130A)이 제1 반도체층(121)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(130A)은 상기 제1 반도체층(121)의 하면과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극(130A)은 상기 제1 반도체층(121)의 하면과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극(130A)은 반사도가 높은 금속 물질을 포함하여, 반사 전극으로 역할을 할 수 있다.
상기 제1 전극(130A)은 제1 상부 부분(131A) 및 제1 하부 부분(133A)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 상부 부분(131A)은 상기 제1 하부 부분(133A)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제1 상부 부분(131A)에서 중심부는 제1 반도체층(121)과 접촉하고, 주변부는 제1 반도체층(121)과 접촉하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제1 상부 부분(131A)은 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 단면도에서 보았을 때, 상기 제1 반도체층(121)의 최대 폭(121W)보다 이에 대응하는 상기 제1 전극(130)의 상기 제1 상부 부분(131A)의 최대 폭(131AW)이 더 클 수 있다. 이와 같이 상기 제1 상부 부분(131A)이 형성됨으로써, 복수의 발광 구조체(120)에서 발생하는 대부분의 광이 상기 제1 전극(130)에 의해 반사되므로, 빛샘 현상이 현저하게 줄어들 수 있다.
상기 제1 하부 부분(133A)은 기판(110)을 관통하며, 상기 제1 하부 부분(133A)의 일단은 제1 상부 부분(131A)에 연결될 수 있고, 상기 제1 하부 부분(133A)의 타단은 기판(110)의 하면에서 노출될 수 있다. 즉, 상기 제1 하부 부분(133A)은 기판(110)의 상면에 대하여 수직인 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
제1 절연층(141)은 기판(110)의 상면, 제1 전극(130A)의 측면, 제1 전극(130A)의 상면의 일부, 및 제1 반도체층(121)의 하면을 덮을 수 있다. 상기 제1 절연층(141)은 제1 반도체층(121)의 하면 중 제1 전극(130A)과 접촉하지 않는 부분을 덮을 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143A), 제2 전극(150), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 반도체 발광 소자(30)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(30)에서, 제2 절연층(143A)은 발광 구조체(120)의 상부 표면을 덮을 수 있다. 다만, 상기 제2 절연층(143A)은 제2 반도체층(122)의 최상면(122T), 제2 반도체층(122)의 내측면(122U), 및 홈(122H)의 바닥면을 노출하도록 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(143A)으로부터 노출된 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 통하여, 상기 제2 반도체층(122)과 제2 전극(150)이 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 제2 절연층(143A)은 제1 반도체층(121)의 측면, 활성층(123)의 측면, 및 제2 반도체층(122)의 외측면(122S)을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 반도체층(122)의 홈(122H)을 제외한 나머지 부분을 덮을 수 있다.
상기 제1 및 제2 절연층(141, 143A)은 발광 구조체(120)가 제1 및 제2 전극(130, 150)과 접촉하는 부분 및 광학층(160)과 접촉하는 부분을 제외한 나머지 부분을 덮음으로써, 상기 발광 구조체(120)를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 반도체층(121)이 제2 전극(150)과 접촉하거나, 또는 제2 반도체층(122)이 제1 전극(130)과 접촉하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 제2 반도체층(122)의 홈(122H)을 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 반도체층(122)의 돌출 구조(122P)에 의하여 발광 구조체(120) 내부에 가두어 질 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각과 상기 제2 반도체층(122)은 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 전극(150) 및 상기 제2 반도체층(122)과 직접 접촉할 수 있다.
도 6을 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 복수의 광학층(160), 및 투명 보호층(170)을 포함하는 반도체 발광 소자(40)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(40)에서, 투명 보호층(170)은 복수의 광학층(160)을 보호하여, 반도체 발광 소자(40)를 구조적으로 안정화시킬 수 있다. 상기 투명 보호층(170)은 빛을 투과할 수 있다. 상기 투명 보호층(170)은 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘산질화막, 탄성 수지, 에폭시 수지, 고분자, 또는 플라스틱과 같은 투명한 물질로 구성될 수 있다.
상기 투명 보호층(170)은 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면을 덮으며, 제2 전극(150)의 제2 상부 부분(151)의 최상면의 일부를 덮을 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 투명 보호층(170)은 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면 및 제2 전극(150)의 제2 상부 부분(151)의 최상면을 모두 덮을 수도 있다.
도 7을 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 복수의 광학층(160), 및 투명 보호층(170A)을 포함하는 반도체 발광 소자(50)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(50)에서, 투명 보호층(170A)은 복수의 광학층(160)을 보호하여, 반도체 발광 소자(50)를 구조적으로 안정화시킬 수 있다. 상기 투명 보호층(170A)은 빛을 투과할 수 있다. 상기 투명 보호층(170A)은 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘산질화막, 탄성 수지, 에폭시 수지, 고분자, 또는 플라스틱과 같은 투명한 물질로 구성될 수 있다.
상기 투명 보호층(170A)은 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면을 덮으며, 제2 전극(150)의 상면을 모두 덮을 수 있다. 다시 말해, 상기 투명 보호층(170A)은 반도체 발광 소자(50)의 상면 전체를 컨포멀하게 덮도록 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치의 개략 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 반도체 발광 소자(60)를 포함하는 디스플레이 장치(1a)를 나타내며, 상기 디스플레이 장치(1a)는 회로 기판(3a) 및 상기 회로 기판(3a) 상에 배열된 디스플레이 패널(2a)을 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(1a)는 복수의 반도체 발광 소자(60)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 장치(1a)는 상기 반도체 발광 소자(60)를 제1 방향(X 방향)으로 m개 및 상기 제1 방향(X 방향)에 수직인 제2 방향(Y 방향)으로 n개를 포함할 수 있다. 여기서, m 및 n은 각각 자연수일 수 있다.
하나의 반도체 발광 소자(60)는 제1 방향(X 방향)으로 p개의 픽셀들 및 제2 방향(Y 방향)으로 q개의 픽셀들을 갖는 멀티 픽셀로 구성될 수 있다. 여기서, p 및 q는 각각 2 이상의 정수일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 하나의 반도체 발광 소자(60)를 구성하는 복수의 픽셀 각각은 3×1, 2×2, 또는 1×3 형태로 조합되는 서브-픽셀로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이웃하는 3개의 서브-픽셀들(100S, 도 9a 참조)이 모여서 하나의 픽셀(100, 도 9a 참조)을 구성할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 도면들이다.
구체적으로, 도 9a는 반도체 발광 소자(60)를 나타내는 사시도이고, 도 9b는 반도체 발광 소자(60)를 나타내는 평면도이고, 도 9c는 도 9a의 C-C' 선을 따라 절단한 반도체 발광 소자(60)를 나타내는 단면도이다.
이하에서 설명하는 반도체 발광 소자(60)를 구성하는 대부분의 구성 요소 및 상기 구성 요소를 이루는 내용은, 앞서 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 따라서, 중복되는 설명의 방지를 위하여, 앞서 설명한 반도체 발광 소자(10)와 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 9a 내지 도 9c를 함께 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 멀티 픽셀(100)의 반도체 발광 소자(60)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(60)는 제1 방향(X 방향)으로 2개의 픽셀들(100) 및 제2 방향(Y 방향)으로 2개의 픽셀들(100)을 갖는 멀티 픽셀(100)이 어레이(array)로 구성될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 도 8에서 p=2 및 q=2인 경우로서, 상기 반도체 발광 소자(60)에 4개의 픽셀(100)이 포함되도록 구성된 형태를 도시하였지만, 상기 반도체 발광 소자(60)에 포함되는 픽셀(100)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 상기 하나의 반도체 발광 소자(60)를 구성하는 복수의 픽셀(100) 각각은 3×1 형태로 조합되는 서브-픽셀(100S)로 구성될 수 있다. 상기 서브-픽셀(100S)은 하나의 광학층(160)을 포함하도록 구성될 수 있다.
다시 말해, 상기 반도체 발광 소자(60)에는, 3N(여기서, N은 2 이상의 정수)개의 발광 구조체들(120)이 포함될 수 있다. 3개의 발광 구조체들(120)이 짝을 이루어 하나의 픽셀(100)을 구성함으로써, 상기 반도체 발광 소자(60)는 N개의 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
상기 서브-픽셀(100S)에 포함되는 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 제2 반도체층(122)의 홈(122H)을 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 서브-픽셀(100S)에 포함되는 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 반도체층(122)의 돌출 구조(122P)에 의하여 발광 구조체(120) 내부에 가두어 질 수 있다.
상기 서브-픽셀(100S)에 포함되는 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각과 상기 제2 반도체층(122)의 사이에는 제2 절연층(143)이 배치될 수 있다. 상기 서브-픽셀(100S)에 포함되는 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면의 레벨은 제2 전극(150)의 최상면의 레벨과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
이하에서 설명하는 반도체 발광 소자들(70, 80)을 구성하는 대부분의 구성 요소 및 상기 구성 요소를 이루는 내용은, 앞서 도 9a 내지 도 9c에서 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 따라서, 중복되는 설명의 방지를 위하여, 앞서 설명한 반도체 발광 소자(60)와 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 10a를 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150A), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 멀티 픽셀(100)의 반도체 발광 소자(70)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(70)에서, 제2 전극(150A)이 발광 구조체(120)의 측면 및 상면을 덮도록 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(150A)은 제2 반도체층(122)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150A)은 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150A)은 반사도가 높은 금속 물질을 포함하여, 반사 전극으로 역할을 할 수 있다.
상기 제2 전극(150A)은 제2 상부 부분(151A) 및 제2 하부 부분(153A)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 상부 부분(151A)은 상기 제2 하부 부분(153A)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제2 하부 부분(153A)은 기판(110)을 관통하며, 상기 제2 하부 부분(153A)의 일단은 제2 상부 부분(151A)에 연결될 수 있고, 상기 제2 하부 부분(153A)의 타단은 기판(110)의 하면에서 노출될 수 있다. 즉, 상기 제2 하부 부분(153A)은 기판(110)의 상면에 대하여 수직인 제3 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
상기 제2 하부 부분(153A)은 상기 반도체 발광 소자(70)를 구성하는 멀티 픽셀(100)에 공통 전극으로 역할을 할 수 있다. 도면에는, 상기 반도체 발광 소자(70)에 1개의 제2 하부 부분(153A)이 공통 전극으로 구성된 형태를 도시하였지만, 상기 반도체 발광 소자(70)에 포함되는 공통 전극의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제2 하부 부분(153A)은 상기 반도체 발광 소자(70)를 구성하는 멀티 픽셀(100)의 사이에 배치될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150B), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는 멀티 픽셀(100)의 반도체 발광 소자(80)를 나타낸다.
반도체 발광 소자(80)에서, 제2 전극(150B)이 발광 구조체(120)의 측면 및 상면을 덮도록 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(150B)은 제2 반도체층(122)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150B)은 상기 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극(150B)은 반사도가 높은 금속 물질을 포함하여, 반사 전극으로 역할을 할 수 있다.
상기 제2 전극(150B)은 제1 부분(151B) 및 제2 부분(153B)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 부분(151B)은 상기 제2 부분(153B)과 직접 접촉할 수 있다. 상기 제2 부분(153B)은 기판(110)을 관통하지 않고, 상기 제2 부분(153B)의 일단은 제1 부분(151B)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 제2 부분(153B)은 기판(110)의 상면에 대하여 수직인 제3 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
상기 제2 부분(153B)은 상기 반도체 발광 소자(80)를 구성하는 멀티 픽셀(100)에 공통 전극으로 역할을 할 수 있다. 도면에는, 상기 반도체 발광 소자(80)에 1개의 제2 부분(153B)이 공통 전극으로 구성된 형태를 도시하였지만, 상기 반도체 발광 소자(80)에 포함되는 공통 전극의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제2 부분(153B)은 상기 반도체 발광 소자(80)를 구성하는 멀티 픽셀(100)의 외곽에 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서를 나타낸 블록도이다.
도 11을 참조하면, 반도체 발광 소자의 제조 방법(S10)은 다음과 같은 공정 순서를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법(S10)은, 성장 기판 상에 제2 예비 반도체층, 예비 활성층, 및 제1 예비 반도체층을 순차적으로 형성하는 제1 단계(S110), 제1 예비 반도체층 상에 제1 전극의 제1 상부 부분 및 제1 절연층을 형성하는 제2 단계(S120), 제1 절연층 상에 기판을 접착하고 성장 기판을 제거하는 제3 단계(S130), 제2 예비 반도체층, 예비 활성층, 및 제1 예비 반도체층을 식각하여 복수의 발광 구조체로 분리하는 제4 단계(S140), 제2 반도체층에 소정 깊이의 홈을 형성하는 제5 단계(S150), 복수의 발광 구조체의 측면 및 제1 절연층의 상면 상에 제2 절연층을 형성하는 제6 단계(S160), 제2 절연층의 측면 및 제2 반도체층의 최상면에 제2 전극의 제2 상부 부분을 형성하는 제7 단계(S170), 제2 반도체층의 홈에 광학층을 형성하는 제8 단계(S180), 제1 및 제2 전극을 형성하는 제9 단계(S190)를 포함한다.
여기서, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
상기 제1 내지 제9 단계(S110 내지 S190) 각각에 대한 기술적 특징은 후술하는 도 12 내지 도 20을 통하여 상세히 설명하도록 한다.
도 12 내지 도 20은 본 발명의 기술적 사상의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 12를 참조하면, 성장 기판(101) 상에 제2 예비 반도체층(122L), 예비 활성층(123L), 및 제1 예비 반도체층(121L)을 순차적으로 형성한다.
성장 기판(101)은, 필요에 따라 절연성 기판, 도전성 기판, 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(101)을 구성하는 물질은, 사파이어(Al2O3), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 저머늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘저머늄(SiGe), 실리콘카바이드(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 성장 기판(101) 상에 제2 예비 반도체층(122L), 예비 활성층(123L), 및 제1 예비 반도체층(121L)을 순차적으로 형성한다. 여기서, 상기 제2 예비 반도체층(122L)의 두께가, 예비 활성층(123L)의 두께 또는 제1 예비 반도체층(121L)의 두께보다 더 클 수 있다.
상기 제2 예비 반도체층(122L), 상기 예비 활성층(123L), 및 상기 제1 예비 반도체층(121L) 각각은 에피택셜 성장(epitaxial growth)에 의하여 형성될 수 있다. 이들의 성분과 구성은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 제1 예비 반도체층(121L) 상에 제1 상부 부분(131) 및 제1 절연층(141)을 형성한다.
제1 상부 부분(131)을 형성하기 위하여 먼저 상기 제1 예비 반도체층(121L) 상에 제1 물질층을 형성한다. 상기 제1 물질층은 예를 들어, Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질층은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD), 또는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)과 같은 공정에 의하여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 물질층 상에 패터닝을 위한 마스크를 형성한다. 상기 마스크는 하드마스크 또는 포토레지스트일 수 있다. 상기 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 물질층을 식각하여, 제1 상부 부분(131)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 상부 부분(131)은 리프트-오프(lift-off) 공정에 의하여 형성될 수도 있다.
이어서, 상기 제1 상부 부분(131)을 덮는 제1 절연층(141)을 형성할 수 있다. 상기 제1 절연층(141)의 성분과 구성은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 절연층(141)은 실리콘산화물이고, 스핀-온 글래스(spin-on glass, SoG)를 스핀 코팅하고 이를 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 절연층(141)은 CVD, PVD, 또는 ALD 공정에 의하여 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 절연층(141) 상에 기판(110)을 접착한다.
기판(110)으로는 사파이어(Al2O3) 기판 또는 실리콘(Si) 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 기판(110)은 광 투과성을 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 기판(110)은 광 투과성 물질을 사용하거나, 일정 두께 이하로 형성하는 경우 광 투과성을 가질 수 있는 물질을 사용할 수 있다.
상기 기판(110)을 제1 절연층(141) 상에 접합하기 위해서, 상기 기판(110)과 상기 제1 절연층(141)의 사이에 접착 물질을 매개체로 사용할 수 있다. 상기 접착 물질로는 SoG, 폴리머 등이 사용될 수 있다.
이어서, 제2 예비 반도체층(122L)으로부터 성장 기판(101)을 제거한다. 예를 들어, 상기 성장 기판(101)으로 레이저 광을 조사하여 상기 성장 기판(101)과 상기 제2 예비 반도체층(122L)의 사이에서 열적 반응을 일으켜 재료 분리가 일어나게 할 수 있다. 또는, 상기 성장 기판(101)을 상기 제2 예비 반도체층(122L)으로부터 폴리싱(polishing)과 같은 물리적 연마 공정을 수행하여 제거하거나, 드라이 에칭(dry etching)을 수행하여 제거할 수 있다. 또는, 상기 성장 기판(101)에 화학적 에칭을 수행하여 제거할 수 있다.
도 15를 참조하면, 제2 예비 반도체층(122L, 도 14 참조), 예비 활성층(123L, 도 14 참조), 및 제1 예비 반도체층(121L, 도 14 참조)을 식각하여, 복수의 발광 구조체(120)로 분리한다.
제2 예비 반도체층(122L, 도 14 참조) 상에 마스크를 형성한 후 이방성 식각을 수행함으로써, 제2 예비 반도체층(122L, 도 14 참조), 예비 활성층(123L, 도 14 참조), 및 제1 예비 반도체층(121L, 도 14 참조)을 순차적으로 식각하여, 복수의 발광 구조체(120)로 분리할 수 있다. 복수의 발광 구조체(120)로 분리된 결과, 각각의 발광 구조체(120)에 속하는 제1 반도체층(121), 활성층(123), 및 제2 반도체층(122)이 형성된다.
일부 실시예들에서, 상기 이방성 식각은 제1 절연층(141)을 식각 정지막으로 이용하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 이방성 식각에 의하여 복수의 발광 구조체(120)로 분리되면, 상기 제1 절연층(141)의 상면이 일부 노출될 수 있다.
상기 기판(110)에 수직하는 방향으로 제2 반도체층(122)의 두께가 제1 반도체층(121)의 두께보다 더 크기 때문에, 상기 이방성 식각 과정에서 활성층(123)이 입는 손상이 현저하게 적을 수 있다.
도 16을 참조하면, 제2 반도체층(122)의 중심부를 식각하여, 소정 깊이의 홈(122H)을 형성한다.
제2 반도체층(122) 상에 마스크를 형성한 후 이방성 식각을 수행함으로써 소정 깊이의 홈(122H)을 형성한다. 홈(122H)이 형성된 결과, 상기 제2 반도체층(122)은 상기 홈(122H)을 둘러싸는 돌출 구조(122P)를 가질 수 있고, 상기 제2 반도체층(122)의 외측면(122S), 최상면(122T), 및 내측면(122U)이 정의될 수 있다.
도 17을 참조하면, 복수의 발광 구조체(120)의 측면 및 제1 절연층(141)의 상면 상에 제2 절연층(143)을 형성한다.
제2 절연층(143)은 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 노출하는 영역을 포함하도록 형성한다. 상기 제2 절연층(143)은 예를 들어, CVD, PVD, 또는 ALD 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(143)의 성분과 구성은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
구체적으로, 제2 절연층(143)을 형성하기 위하여 먼저 상기 복수의 발광 구조체(120) 상에 절연 물질층을 컨포멀하게 형성한다. 상기 절연 물질층은 CVD, PVD, 또는 ALD 공정에 의하여 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 절연 물질층 상에 패터닝을 위한 마스크를 형성한다. 상기 마스크는 하드마스크 또는 포토레지스트일 수 있다. 상기 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 절연 물질층을 식각하여, 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)을 노출하는 제2 절연층(143)을 형성할 수 있다.
도 18을 참조하면, 제2 절연층(143)의 측면 및 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)에 제2 상부 부분(151)을 형성한다.
제2 상부 부분(151)을 형성하기 위하여, 먼저 상기 제2 절연층(143)의 전면 및 제2 반도체층(122)의 최상면(122T) 상에 제2 물질층을 형성한다. 상기 제2 물질층은 예를 들어, Ag, Al, Ni, Cr, Cu, Au, Pd, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질층은 CVD, PVD, 또는 ALD 공정에 의하여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제2 물질층 상에 패터닝을 위한 마스크를 형성한다. 상기 마스크는 하드마스크 또는 포토레지스트일 수 있다. 상기 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 제2 물질층을 식각하여, 제2 상부 부분(151)을 형성할 수 있다.
제2 상부 부분(151)은 상기 제2 절연층(143)에서 노출되는 제2 반도체층(122)의 최상면(122T)과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 상기 제2 상부 부분(151)은 상기 제2 반도체층(122)과 접촉함으로써 제2 전극(150, 도 20 참조)으로서 역할을 수행할 수 있다.
도 19를 참조하면, 돌출 구조(122P)에 의하여 정의되는 제2 반도체층(122)의 홈(122H)에 복수의 광학층(160)을 각각 채운다.
제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 제2 반도체층(122)의 홈(122H)을 채우도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 반도체층(122)의 돌출 구조(122P)에 의하여 발광 구조체(120) 내부에 가두어 질 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163)의 성분과 구성은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각과 상기 제2 반도체층(122)의 사이에는 제2 절연층(143)이 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각의 최상면의 레벨은 제2 전극(150)의 최상면의 레벨과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 광학층들(161, 162, 163) 각각은 상기 제2 전극(150) 및 상기 제2 절연층(143)과 직접 접촉할 수 있다.
도 20을 참조하면, 제1 상부 부분(131)에 제1 하부 부분(133)을 연결하여 제1 전극(130)을 형성하고, 제2 상부 부분(151)에 제2 하부 부분(153)을 연결하여 제2 전극(150)을 형성한다.
기판(110) 및 제1 절연층(141)을 관통하는 제1 하부 부분(133) 및 제2 하부 부분(153)을 형성하기 위하여, 먼저 상기 기판(110)의 하면에 마스크를 형성한다. 상기 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 기판(110) 및 상기 제1 절연층(141)을 관통하여, 제1 상부 부분(131) 및 제2 상부 부분(151)을 노출하는 관통홀을 형성한다. 다음으로, 시드층 형성 및 도금 공정에 의하여 상기 관통홀을 매립하는 제1 하부 부분(133) 및 제2 하부 부분(153)을 형성할 수 있다.
이로써, 제1 상부 부분(131)에 제1 하부 부분(133)을 연결하여 제1 전극(130)을 형성하고, 제2 상부 부분(151)에 제2 하부 부분(153)을 연결하여 제2 전극(150)을 형성할 수 있다.
다음으로, 절단 라인(CL)을 따라 상기 기판(110) 및 각종 물질층을 절단하여, 각각의 반도체 발광 소자(10, 도 3c 참조)로 물리적으로 분리한다.
이와 같은 방식으로, 기판(110), 복수의 발광 구조체(120), 복수의 제1 전극(130), 제1 및 제2 절연층(141, 143), 제2 전극(150), 및 복수의 광학층(160)을 포함하는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자(10, 도 3c 참조)를 제조할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형상으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 1a: 디스플레이 장치
2, 2a: 디스플레이 패널
3, 3a: 회로 기판
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80: 반도체 발광 소자
101: 성장 기판 110: 기판
120: 발광 구조체 130: 제1 전극
141: 제1 절연층 143: 제2 절연층
150: 제2 전극 160: 광학층

Claims (20)

  1. 상면 및 하면을 가지는 기판;
    상기 기판의 상기 상면 상에 배치되는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 복수의 발광 구조체;
    상기 제2 반도체층들 각각에 소정 깊이로 홈이 형성되고, 상기 홈을 채우는 복수의 광학층;
    상기 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 기판을 관통하는 복수의 제1 전극;
    상기 복수의 발광 구조체 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층; 및
    상기 제2 반도체층의 최상면 및 상기 제2 절연층을 덮도록 상기 복수의 발광 구조체에 이어지며 배치되는 제2 전극;을 포함하는,
    반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층들 각각의 최상면은 상기 제2 전극과 접촉하여 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 전극의 최상면의 레벨 및 상기 복수의 광학층 각각의 최상면의 레벨은 서로 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층들 각각은 상기 홈을 둘러싸는 돌출 구조로 형성되고,
    상기 돌출 구조는 상기 기판에 가까울수록 폭이 커지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    측단면에서 보았을 때,
    상기 복수의 광학층 각각은 역사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 복수의 제1 전극 각각은 반사 전극 또는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    평면에서 보았을 때,
    상기 광학층이 차지하는 평면적은 대응하는 상기 제1 전극이 차지하는 평면적보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    측단면에서 보았을 때,
    상기 제1 반도체층의 최대 폭보다 대응하는 상기 제1 전극의 최대 폭이 더 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층과 상기 광학층의 사이에 상기 제2 절연층이 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광학층은 상기 제2 전극 및 상기 제2 절연층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학층은 상기 제2 반도체층과 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학층은 각각,
    상기 복수의 발광 구조체에서 나오는 광을 서로 다른 파장으로 변환시키는 물질; 또는
    상기 복수의 발광 구조체에서 나오는 광을 투과하는 투명 물질;
    인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 반도체층이고,
    상기 제2 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극의 일부는 상기 기판을 관통하고,
    상기 제2 전극 및 상기 복수의 제1 전극 각각은 상기 기판의 하면으로 일부분이 노출되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광학층 각각의 상면을 덮는 투명 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 복수의 광학층을 모두 덮는 투명 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  16. 상면 및 하면을 가지는 기판;
    상기 기판의 상기 상면 상에 배치되는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층을 각각 구비하며 서로 분리된 3N(N은 2 이상의 정수, 이하 동일)개의 발광 구조체들;
    상기 제2 반도체층들 각각에 소정 깊이로 홈이 형성되고, 상기 홈을 채우는 3N개의 광학층들;
    상기 제1 반도체층들 각각에 전기적으로 연결되며, 상기 기판을 관통하는 3N개의 제1 전극들;
    상기 3N개의 발광 구조체들 각각의 측면을 덮도록 배치되는 제2 절연층; 및
    상기 제2 반도체층의 최상면 및 상기 제2 절연층을 덮도록 상기 3N개의 발광 구조체들에 이어지며 배치되고, 상기 기판을 관통하는 제2 전극;을 포함하고,
    3개의 상기 발광 구조체들이 하나의 픽셀을 구성하여, N개의 픽셀 어레이를 형성하는,
    반도체 발광 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 제1 절연층의 상부에 형성되는 상부 부분; 및
    상기 상부 부분에 연결되며, 상기 기판을 관통하는 하부 부분;을 포함하고,
    상기 하부 부분은, 상기 발광 구조체들의 사이 또는 상기 발광 구조체들의 외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하부 부분은 상기 N개의 픽셀 어레이에 공통 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 반도체층의 최상면은 상기 제2 전극과 연결되고,
    상기 제2 전극의 최상면의 레벨과 상기 광학층들의 최상면의 레벨들은 서로 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 발광 구조체들 각각은 상기 하나의 픽셀을 구성하는 서브-픽셀에 해당되고,
    상기 하나의 픽셀을 구성하는 상기 광학층들은 상기 발광 구조체들로부터 방출되는 광을 적색광, 녹색광, 및 청색광으로 방출시키는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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