KR20220074673A - Led 소자 및 그 제조방법과, led 소자를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

Led 소자 및 그 제조방법과, led 소자를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

LED 소자 및 그 제조방법과, LED 소자를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 LED 소자는, LED 소자는, 제1 면 및 제1 면과 마주보게 배치되고 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층, 제1 면 상에 배치되어 제1 반도체층의 오픈 영역을 형성하는 절연층, 오픈 영역을 통해 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및 제2 반도체층 상에 형성되어 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 절연층이 활성층 및 제2 반도체층과 접하는 면과 절연층이 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 작을 수 있다.

Description

LED 소자 및 그 제조방법과, LED 소자를 포함하는 디스플레이 장치{LED Device And Method For Manufacturing The LED Device, And Display Apparatus Including The LED Device}
LED 소자 및 그 제조방법과, LED 소자를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
디스플레이 장치로 LCD(liquid crystal display)와 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디스플레이 등이 널리 사용되고 있다. 최근에는 마이크로 사이즈의LED 소자(Micro Light Emitting Diode Device)를 이용하여 고해상도 디스플레이 장치를 제작하는 기술이 각광을 받고 있다.
LED 소자 및 그 제조방법과, LED 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 LED 소자는, 제1 면 및 제1 면과 마주보게 배치되고 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층, 제1 면 상에 배치되어 제1 반도체층의 오픈 영역을 형성하는 절연층, 오픈 영역을 통해 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및 제2 반도체층 상에 형성되어 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 절연층이 활성층 및 제2 반도체층과 접하는 면과 절연층이 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 작을 수 있다.
다른 실시예에 따른 LED 소자는, 제1 면 및 제1 면과 마주보게 배치되고 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층, 제1 면 상에 배치되어 제1 반도체층의 오픈 영역을 형성하는 절연층, 오픈 영역을 통해 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및 제2 반도체층 상에 형성되어 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 활성층이 절연층과 접하는 면과 활성층이 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 클 수 있다.
일 실시예에 따른 LED 소자의 제조방법은, 기판 상부에 멤브레인을 형성하는 단계, 멤브레인 상부에 제1 반도체층을 형성하는 단계, 제1 반도체층의 일부를 덮는 절연층을 형성하는 단계, 절연층이 형성되지 않은 제1 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계, 활성층 상에 제2 반도체층을 형성하는 단계, 절연층의 일부를 제거하여 제1 반도체층이 노출되는 오픈 영역을 형성하는 단계, 및 오픈 영역에 제1 반도체층에 접촉하는 제1 전극을 형성하고, 제2 반도체층에 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 제1 색상을 방출하는 제1 픽셀 및 제2 색상을 방출하는 제2 픽셀을 포함하는 단위 픽셀이 2차원 어레이로 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 제1 픽셀 및 제2 픽셀은 서로 다른 LED 소자를 포함하고, LED 소자 중 적어도 하나는, 제1 면 및 제1 면과 마주보며 배치되고 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층, 제1 면 상에 배치되어 제1 반도체층의 오픈 영역을 형성하는 절연층, 오픈 영역을 통해 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및 제2 반도체층 상에 형성되어 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 절연층이 활성층 및 제2 반도체층과 접하는 면과 절연층이 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 발광층이 캐비티를 사이에 두고 기판으로부터 이격되어 있는 결정화된 멤브레인 상에 성장됨으로써 발광층 내에 발생될 수 있는 응력을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, 결함 밀도가 작은 고품질의 발광층을 형성할 수 있다. 또한 전극 형성을 위한 에칭 영역이 없기 때문에 에칭 공정에서 발생하는 결함에 의한 발광 효율 감소가 없다. 따라서 신뢰성 및 출광 효율이 높은 LED 소자를 구현할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도의 일 예이고, 도 1c는 도 1a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도의 다른 예이고, 도 1d는 도 1a의 LED 소자에 포함된 제1 반도체층의 출광면의 평면도이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 LED 소자에 포함된 제1 반도체층을 전극 형성면 방향에서 바라본 사시도이다.
도 3a는 또 다른 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5a 내지 도 5l은 일 실시예에 따른 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도의 일 예이고, 도 1c는 도 1a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도의 다른 예이고, 도 1d는 도 1a의 제1 반도체층의 출광면의 평면도이다.
도 1a를 참조하면, LED 소자(1000)는 수평형 전극 구조를 가진다. 구체적으로, LED소자(1000)는 발광층(LEL)과, 발광층(LEL)의 일측에 마련되는 제1 및 제2 전극(150, 160)을 포함한다. 여기서, 발광층(LEL)은 무기물 기반의 LED 층(Light Emitting Diode layer)일 수 있다.
발광층(LEL)은 제1 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)을 포함할 수 있다. 제1 반도체층(110)은 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)에 비해 비교적 두꺼운 두께를 가지는 3차원 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 제1 반도체 층(110)은 제1 폭(We)을 가지는 전극 형성면(110a)과, 제1 폭 보다 큰 제2 폭(Wl)을 가지는 출광면(110b)을 포함할 수 있고, 전극 형성면(110a)의 면적은 출광면(110b)의 면적보다 작을 수 있다. 전극 형성면(110a)은 제1 및 제2 전극(150, 160)이 형성되는 방향의 면일 수 있고, 출광면(110b)은 발광층(LEL)에서 발생한 광이 외부로 방출되는 방향의 면일 수 있다.
제1 반도체층(110)은 n형 반도체 또는 p형 반도체일 수 있으며, 여기에서는 n형 반도체인 경우를 예로 설명한다. 제1 반도체층(110)은 Ⅲ-Ⅴ족 계열의 n형 반도체, 예컨대, n형 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 질화물 반도체는 예를 들면, GaN, InN, AlN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 예를 들어 제1 반도체층(110)은 n-GaN을 포함할 수 있다. 제1 반도체층(110)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
활성층(120) 및 제2 반도체층(130)은 제1 반도체층(110)에 비해 비교적 얇은 두께를 가질 수 있다. 활성층(120)은 3차원 형상의 제1 반도체층(110)의 전극 형성면(110a)의 전체 또는 일부를 덮도록 마련될 수 있고, 전극 형성면(110a) 외에도 측면(110c)의 전체 또는 일부, 출광면(110b)의 일부를 덮도록 마련될 수도 있다.
활성층(120)은 다중 양자 우물(MQW; Multi-Quantum Well) 또는 단일 양자 우물(SQW; Single-Quantum Well) 구조를 가질 수 있고, 전자와 정공이 결합하면서 소정 파장 대역의 빛을 발생시킬 수 있다. 활성층(120)은 Ⅲ-Ⅴ족 계열의 반도체, 예컨대, 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(120)은 GaN을 포함할 수 있다.
제2 반도체층(130)은 활성층(120)을 덮도록 마련될 수 있다. 제2 반도체층(130)은 제1 반도체층(110)과 다른 타입으로 도핑된 반도체 층일 수 있으며, 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 계열의 p형 반도체, 예컨대, p형 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반도체층(130)은 p-GaN을 포함할 수 있다. 제2 반도체층(130)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
절연층(140)은 제1 반도체층(110)의 전극 형성면(110a)의 일부를 덮도록 형성될 수 있고, 도시 되지는 않았지만 절연층(140)은 측면(110c)의 일부 또는 전체를 덮도록 연장될 수도 있다. 절연층(140)은 제1 반도체층(110)의 전극 형성면(110a) 및/또는 측면(110c)에 활성층(120)과 제2 반도체층(130)이 형성되지 않은 영역인 오픈 영역을 형성할 수 있다. 다른 말로 표현하면, 오픈 영역은 제1 전극(150)이 제1 반도체층(110)과 접촉하는 영역일 수 있다. 절연층(140)은 또한 제1 전극(150)이 제2 반도체층(130)과 전기적으로 접속되지 않도록 제1 전극(150)과 제2 반도체층(130) 사이에 배치될 수 있다.
절연층(140)은 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)의 성장을 저해하는 물질 (Anti-Growth Material), 예를 들면, SiO2, SiN 등을 포함할 수 있다.
도 1a의 부분 확대도를 참조하면, 절연층(140)이 제1 반도체층(110)과 접촉하는 면(140a), 즉, 전극 형성면(110a) 중 절연층(140)과 접촉하는 부분과, 절연층(140)이 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)과 접촉하는 면(140b)이 이루는 각도(θi)는 90도(°) 보다 작을 수 있다.
또한, 활성층(120)이 제1 반도체층(110)과 접촉하는 면(120a), 즉, 전극 형성면(110a) 중 활성층(120)과 접촉하는 부분과, 절연층(140)이 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)과 접촉하는 면(140b)이 이루는 각도(θa)는 90도보다 클 수 있다.
도 1a의 절연층(140)은 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)의 일부를 식각하여 제거한 영역에 형성되는 것이 아니라, 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)보다 먼저 형성되기 때문에 앞서 설명한 것과 같이 접촉 구조가 형성될 수 있다.
제1 전극(150)은 제1 반도체층(110)과 전기적으로 연결되도록 마련되어 있다. 구체적으로, 제1 전극(150)은 절연층(140)이 구비되지 않은 오픈 영역을 통해 제1 반도체층(110)의 전극 형성면(110a)의 일부 및/또는 측면(110c)의 일부 또는 전체에 접촉할 수 있다. 제1 전극(150)은 절연층(140) 상부로 연장된 연장부를 포함할 수 있다.
제2 전극(160)은 제2 반도체층(130)과 전기적으로 연결되도록 마련되어 있다. 구체적으로, 제2 전극(160)은 제2 반도체층(130) 상에 배치될 수 있다.
제1 및 제2 전극(150, 160)은 반사 전극일 수 있고, 도전성이 우수한 금속 물질을 포함할 수 있다. 제1 전극(150)은 n형 전극이고, 제2 전극(160)은 p형 전극일 수 있다. 제1 및 제2 전극(150, 160)은 전극이 구비된 면이 동일한 수평 전극 구조를 가질 수 있으며, 제1 및 제2 전극(150, 160)의 구동부 접속면(150a, 160a)은 출광면(110b)을 기준으로 동일한 거리(De)에 형성될 수 있다. 구동부 접속면(150a, 160a)은 LED 소자(1000)를 구동하는 구동부(미도시)와 제1 및 제2 전극(150, 160)이 접속하는 면을 나타낼 수 있다.
도 1b를 참조하면, 제1 전극(150)은 LED 소자(1000)의 가장자리를 감싸는 영역에 배치되고, 제2 전극(160)은 LED 소자(1000)의 중심부에 배치될 수 있다. 다만, 도 1b의 전극 배치는 하나의 예시일 뿐이고, 도 1c와 같이 제1 전극(150)이 LED 소자(1000)의 4개의 모서리 영역에 배치되는 등 다양한 배치가 가능하다.
도 1d를 참조하면, LED 소자(1000)는 제1 반도체층(110)의 출광면(110b)에 형성된 하나 또는 복수의 결함선(111)(Defect Line)을 포함할 수 있다. 결함선(111)은 서로 다른 위치에서 별도로 성장하는 복수의 반도체가 만나 한 덩이로 결합할 때 발생하는 결함(Defect)에 의해 발생할 수 있다. 결함선(111) 주위에는 다른 위치에 비해 결함, 예를 들면, 전위(Dislocation)의 양이 많을 수 있다. 결함선(111)은 또한 다른 영역보다 진한 어두운 색깔로 표시될 수 있다.
결함선(111)은 출광면(110b)의 한 변과 평행한 방향으로 배열될 수 있으며, 2개 이상의 결함선(111)을 포함하는 경우, 결함선(111)과 결함선(111) 사이의 간격(Wli)은 결함선(111)과 출광면(110b)의 한 변 사이의 간격(Wlo)보다 작을 수 있다.
앞서 설명한 구조의 LED 소자(1000)에서 제1 및 제2 전극(150, 160)에 각각 전압을 인가하면 발광층(LEL)의 활성층(120)에서 전자와 정공이 결합하면서 소정 파장 대역의 빛을 발생시켜 LED 소자(1000)의 외부로 방출하게 된다. 발광층(LEL)을 구성하는 물질 및/또는 구조를 적절히 선택하여 밴드갭을 조절함으로써 LED 소자(1000)가 원하는 파장 대역의 빛을 방출하도록 할 수 있다. 예를 들면, LED 소자(1000)는 디스플레이 장치의 픽셀로 적용되어, 적색광, 녹색광 또는 청색광을 방출하도록 구성될 수 있다.
LED 소자(1000)는 마이크로 사이즈의 LED 소자를 포함할 수 있다. 구체적으로, LED 소자(1000)는 예를 들면, 대략 100㎛ ⅹ 100㎛ 이하의 크기를 가질 수 있으며, 대략 10㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
도 1a의 LED 소자는, 아래에서 도 5a 내지 도 5l를 참조하여 설명하는 것과 같이, 발광층(LEL)이 캐비티를 사이에 두고 기판에서 이격된 결정화된 멤브레인 상에 성장되고, 활성층(120)이 에칭 영역을 포함하지 않기 때문에 출광 효율이 개선될 수 있다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 제1 반도체층을 전극 형성면 방향에서 바라본 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, LED 소자(1000')는 제1 반도체층(110'), 활성층(120') 및 제2 반도체층(130')을 포함하는 발광층(LEL')과, 발광층(LEL')의 일측에 마련되는 제1 및 제2 전극(150, 160)을 포함한다. 여기에서는 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 2a 및 도 2b의 발광층(LEL')은 제1 반도체층(110')의 전극 형성면(110'a)에 형성된 노치부(NC')를 포함할 수 있다. 노치부(NC')는 전극 형성면(110'a)에서 출광면(110'b) 방향으로 'V'자 형상으로 오목하게 패인 영역일 수 있으며, LED 소자(1000')의 한 변에 평행한 방향으로 형성될 수 있다. 도 2a의 LED 소자(1000')는 노치부(NC')를 포함하기 때문에 활성층(120')의 발광 면적이 확대될 수 있고, 발광 효율이 향상될 수 있다. 노치부(NC')는 도 1d에서 설명한 결함선(111)과 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
도 3a는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 LED 소자의 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 LED 소자를 전극 형성면 측에서 바라본 평면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, LED 소자(1000")는 제1 반도체층(110"), 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)을 포함하는 발광층(LEL")과, 발광층(LEL")의 일측에 마련되는 제1 및 제2 전극(150, 160)을 포함한다. 여기에서도 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 3a 및 도 3b의 제1 반도체층(110")은 전극 형성면(110"a)에 형성된 밸리부(VA")를 포함할 수 있다. 밸리부(VA")는 전극 형성면(110'a)의 표면에서 출광면(110'b) 방향으로 'U'자 형상으로 오목하게 패인 영역일 수 있다. 밸리부(VA")는 제1 전극(150)이 제2 반도체층(130) 등의 다른 영역들과 격리될 수 있도록 제1 전극(150) 주변을 따라 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3b와 같이, 밸리부(VA")가 제1 전극(150)과 제2 반도체층(130) 사이에 배치된 절연층(140") 영역에 구비될 수 있다.
LED 소자(1000")를 구동 기판(미도시) 등에 결합시킬 때, 제1 및 제2 전극(150, 160)에 압력이 가해질 수 있으며, 압력에 의해 제1 및 제2 전극(150, 160)이 눌려져 수평 방향으로 퍼지는 경우에도, 밸리부(VA")에 의해 제1 전극(150)이 제2 반도체층(130)및/또는 제2 전극(160)과 접속되는 것이 방지될 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 4에 도시된 디스플레이 장치(10)는 예를 들면 마이크로 LED 디스플레이 장치가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 디스플레이 장치(10)는 복수의 단위 픽셀(11)을 포함한다. 도 4에는 편의상 9개의 단위 픽셀(11)이 도시되어 있다. 디스플레이 장치(10)가 컬러 화상을 구현하기 위해서 복수의 단위 픽셀(11) 각각은 서로 다른 색상의 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 단위 픽셀들(11) 각각은 서로 다른 색상의 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)은 각각 청색, 녹색 및 적색 픽셀일 수 있다.
제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)은 각각 서로 다른 파장 대역의 빛을 방출하는 제1, 제2 및 제3 LED 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)이 각각 청색, 녹색 및 적색 픽셀인 경우, 제1, 제2 및 제3 LED 소자는 각각 적색, 녹색 및 청색 LED 소자가 될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 LED 소자 각각은 앞선 실시예들에 따른 LED 소자(1000, 1000', 1000")일 수 있다.
제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)은 동일한 파장 대역의 빛을 방출하는 복수의 LED 소자를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)이 각각 청색, 녹색 및 적색 픽셀인 경우, 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)은 모두 청색 LED 소자를 포함할 수 있다. 이 경우, 녹색 픽셀인 제2 픽셀(G)은 청색광을 녹색광으로 변환시키는 녹색 변환층을 더 포함할 수 있으며, 적색 픽셀인 제3 픽셀(R)은 청색광을 적색광으로 변환시키는 적색 변환층을 더 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)이 각각 청색, 녹색 및 적색 픽셀인 경우, 제1, 제2 및 제3 픽셀(B, G, R)이 모두 자외선 LED 소자를 포함하는 것도 가능하다. 이 경우, 청색 픽셀인 제1 픽셀(B)은 자외선을 청색광으로 변환시키는 청색 변환층을 더 포함할 수 있고, 녹색 픽셀인 제2 픽셀(G)는 자외선을 녹색광으로 변환시키는 녹색 변환층을 더 포함할 수 있으며, 적색 픽셀인 제3 픽셀(R)은 자외선을 적색광으로 변환시키는 적색 변환층을 더 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5l은 예시적인 실시예에 따른 LED 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(210)의 상면에 희생층 패턴(220)을 형성한다. 기판(210)은 예를 들면, 사파이어 기판, 실리콘 기판, SiC 기판, GaAs 기판 등을 포함할 수 있다.
희생층 패턴(220)은 예를 들면, 포토레지스트, 나노임프린트용 수지 또는 유기물 나노 입자 등을 포함할 수 있다. 이러한 희생층 패턴(220)은 예를 들면, 포토리소그래피(Photolithography) 방법, 나노임프린트(Nano-Imprint) 방법, 유기물 나노입자 부착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 희생층 패턴(220)은 필요에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있고, 예를 들면, 일 방향으로 길게 연장된 사각 막대 패턴으로 형성될 수 있다. 희생층 패턴의 폭, 개수, 간격, 및/또는 길이는 제조하고자 하는 LED 소자의 크기를 고려하여 다양하게 설계될 수 있다. 여기에서는, 희생층 패턴(220)이 평행하게 배열된 3개의 사각 막대 형태인 것을 예로 설명한다.
도 5b를 참조하면, 기판(210)의 상면에 희생층 패턴(220)을 덮도록 멤브레인 물질층(230)을 형성한다. 멤브레인 물질층(230)은 이후의 공정에서 기판(210)과의 사이에 캐비티(Cavity)를 형성하기 위한 것으로, 희생층 패턴(220)이 변형되지 않는 온도 내에서 형성될 수 있다. 멤브레인 물질층(230)은 희생층 패턴(220)이 제거된 후에도 구조물의 형상이 안정적으로 유지될 수 있는 두께로 형성될 수 있다.
멤브레인 물질층(230)은 원자층 증착(A1000; Atomic Layer Deposition), 습식 합성(Wet Synthesis), 금속 박막 형성 후 산화 공정(Metal Deposition And Oxidation), 스퍼터링 등과 같은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인 물질층(230)은 비정질 형태 또는 미세한 입자의 다결정 형태로 형성될 수 있다.
멤브레인 물질층(230)은 예를 들면, 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있으며, 알루미나(Al2O3) 외에도 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이크리아(Y2O3)-지르코니아, 산화 구리(CuO, Cu2O), 산화 탄탈륨(Ta2O5), 질화 알루미늄(AlN), 질화 실리콘(Si3N4) 등을 포함할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 기판(210)으로부터 희생층 패턴(220)을 선택적으로 제거한다. 희생층 패턴(220)은 예를 들면, 가열이나 애싱(ashing) 또는 유기 용매를 이용하여 제거될 수 있다. 희생층 패턴(220)이 제거된 공간은 기판(210)과 멤브레인 물질층(230)에 의해 캐비티(240)로 형성될 수 있다.
앞선 공정으로 형성된 멤브레인 물질층(230)은 일반적으로 비정질 형태 또는 매우 작은 입자의 다결정 형태인 것이 보통이다. 희생층 패턴(220)을 제거한 후에는 열처리를 통해 멤브레인 물질층(230)을 결정화시켜 멤브레인(230')을 형성할 수 있다. 여기서, 캐비티(240)의 양측에는 멤브레인(230')의 다리 부분들(Leg Parts)이 기판(210)과 접촉하도록 마련된다.
기판(210)과 멤브레인 물질층(230)이 같은 조성을 가지는 경우, 예를 들면, 기판(210)이 사파이어 기판을 포함하고 멤브레인 물질층(230)이 알루미나를 포함하는 경우에는, 고온, 예를 들면 대략 1000℃ 정도의 열처리를 통해 멤브레인 물질층(230)을 기판(210)과 같은 결정 구조로 결정화시켜 멤브레인(230')을 형성할 수 있다. 이는 고온 열처리 동안 기판(210)과 직접 접촉하고 있는 멤브레인 물질층(230) 부분에서 고체상 에피성장(Solid Phase Epitaxy)이 일어나면서 기판(210)의 결정 방향에 따라 결정화가 일어나기 때문이다.
결정화 공정으로 형성된 멤브레인(230')은 큰 입자들을 포함하는 다결정 형태 또는 단결정 형태로 형성될 수 있다. 캐비티(240) 위의 멤브레인(230')은 이후의 공정에서 질화물 반도체 에피층 성장 시 시드층의 역할을 하게 되므로 결정화되어 있는 것이 좋다.
도 5d를 참조하면, 캐비티(240) 위의 멤브레인(230') 상에 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)을 성장한다. 예를 들면, 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)에 의해 각 캐비티(240a, 240b, 240c) 상부에 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)이 성장될 수 있다. 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)들은 캐비티(240a, 240b, 240c)와 접촉하는 하부면의 넓이가 상부면의 넓이보다 큰 형상, 즉, 단면이 사다리꼴인 형상으로 성장될 수 있다. 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)은 예를 들면, n형 질화물 반도체를 일 수 있으며, n-GaN을 포함할 수 있다.
도 5e를 참조하면, 각 캐비티(240a, 240b, 240c) 상부에 성장하던 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)들이 밑변에서부터 한 덩이로 결합될 수 있다. 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)이 결합되어 제1 반도체층(110')이 되고, 제1 반도체층(110')의 상부 면이 전극 형성면(110'a )이 될 수 있다. 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)들의 결합에 의해 전극 형성면(110'a)에 노치부(NC')가 형성되고, 결합하는 부위에서 결함이 발생하여 도 1d의 결함선(111)이 생길 수 있다. 제1 반도체 물질(110a, 110b, 110c)을 계속 성장시키면 전극 형성면(110'a)의 노치부(NC')의 깊이가 점차 줄어들 수 있다. 도 5f는 도 5e의 제1 반도체층(110')의 사시도이다. 도 5e 및 도 5f의 제1 반도체층(110')과 같이, 노치부(NC')가 완전히 사라지기 전에 제1 반도체층(110')의 성장을 멈추고 LED 소자를 제조하면, 도 2a와 같이 노치부(NC')를 포함한 LED 소자(1000')가 제조될 수 있으며, 여기에서는 도 1과 같이 노치부(NC')가 없는 LED 소자(1000)를 제조하는 방법을 예로 설명한다.
도 5g를 참조하면, 제1 반도체층(110')을 계속 성장시켜 노치부(NC')가 사라지고 전극 형성면(110a)이 평탄화된 제1 반도체층(110)을 형성한다.
도 5h를 참조하면, 제1 반도체층(110) 상부의 일부 영역에 절연층(140)을 형성한다. 절연층(140)은 제1 반도체층(110)과 접촉하는 제1 전극(150)의 위치 및 크기를 고려하여 제1 전극(150) 보다 큰 영역에 형성할 수 있다. 절연층(140)은 이후 공정에서 활성층 및 제2 반도체층의 성장을 저해하는 물질일 수 있으며, 예를 들면, SiO2, SiN을 포함할 수 있다.
도 5i를 참조하면, 절연층(140)이 형성되지 않은 제1 반도체층(110) 상에 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)을 성장한다. 예를 들면, 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)으로 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)이 성장될 수 있다. 활성층(120) 및 제2 반도체층(130)은 예를 들면, 질화물 반도체를 포함할 수 있고, GaN, InN, AlN 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 5j를 참조하면, 제1 전극(150)이 형성될 부분에 형성된 절연층(140)을 제거한다. 포토 공정을 통해 원하는 부분의 절연층(140)을 제거할 수 있다.
도 5k를 참조하면, 제1 반도체층(110)의 노출부에 제1 전극(150)을 형성하고, 제2 반도체층(130)의 일부 영역에 제2 전극(160)을 형성할 수 있다. 전극들(150, 160)이 형성되지 않는 영역은 포토레지스트로 가리고, 전자빔 증착(Electron Beam Deposition) 등을 이용하여 도전성이 우수한 금속 물질을 증착함으로써 전극들(150, 160)이 형성될 수 있다.
도 5l을 참조하면, 제조된 LED 소자(1000)를 기판(210)으로부터 분리할 수 있다. 기계적인 힘을 가하여 멤브레인(230')의 다리 부분들(Leg Parts)를 붕괴시킴으로써 기판(210)으로부터 LED 소자(1000)를 분리할 수 있다. 제1 반도체층(110)의 출광면(110b)에 잔류한 멤브레인(230')은 인산(H3PO4) 등을 이용하여 제거할 수 있다.
앞서 설명한 LED 소자의 제조방법은 멤브레인(230')을 이용하기 때문에 결함 밀도가 작은 고품질 소자를 제조할 수 있다. 멤브레인(230')은 전위(Dislocation)를 발생시킬 수 있는 응력(Stress)을 그 위에 성장된 발광층(LEL)과 나누어서 분산할 수 있기 때문에 멤브레인(230') 상에서 성장된 발광층(LEL)은 결함 밀도가 작은 고품질을 가질 수 있다.
일반적으로 성장 기판과 그 위에 성장되는 박막의 물리적 차이에 의한 응력은 계면에서 탄성에너지로 변환되어 전위를 생성하는 구동력(Driving Force)이 될 수 있다. 보통의 경우 성장 기판이 박막에 비해 두께가 상당히 두껍기 때문에 변형되기가 어렵고 따라서 박막에 전위가 생성되면서 응력이 해소될 수 있다. 이 때, 박막이 일정 두께 이상으로 성장하게 되면 계면에서의 탄성에너지가 전위의 생성에너지보다 커짐에 따라 전위가 발생하기 시작한다. 그러나, 멤브레인(230')이 발광층(LEL) 보다 얇은 경우에는 발광층(LEL)에서의 전위 발생이 줄어들게 됨으로써 결함 밀도가 적은 고품질의 발광층(LEL)이 형성될 수 있다.
그리고, 기판(210)과 발광층(LEL) 사이에 캐비티(240)가 존재하기 때문에 기판(210)과 발광층(LEL) 사이에 열팽창 계수 차이가 있는 경우에도 캐비티(240)가 변형에 의해 응력 에너지를 소모시킬 수 있으므로, 발광층(LEL)에 가해지는 열응력을 감소시킬 수 있고, 기판(210)이 휘어지는 현상도 줄일 수 있다.
이와 같이, 캐비티(240) 위의 멤브레인(230') 상에 우수한 물성을 가지는 발광층(LEL)을 형성할 수 있으며, 이에 따라, 고효율, 고신뢰성을 가질 수 있고 광 추출 효율을 증대시킬 수 있는 고품질의 LED 소자를 구현할 수 있다.
또한, 활성층(120)이 에칭으로 손상된 영역을 포함하지 않기 때문에 광 방출 효율이 개선될 수 있다.
이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
1000:LED 소자, LEL:발광층
150,160:전극, 110:제1 반도체층
120:활성층, 130:제2 반도체층
110a:전극 형성면, 110b:출광면
140:절연층

Claims (31)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면과 마주보게 배치되고 상기 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 상기 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 상기 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층,
    상기 제1 면 상에 배치되어 상기 제1 반도체층의 오픈 영역을 정의하는 절연층,
    상기 오픈 영역을 통해 상기 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및
    상기 제2 반도체층 상에 구비되어 상기 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 절연층이 상기 활성층 및 상기 제2 반도체층과 접하는 면과 상기 절연층이 상기 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 작은,
    LED 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 반도체층 표면에 접촉하는,
    LED 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 반사 전극인,
    LED 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LED 소자는 100 ㎛ x 100 ㎛ 이하의 크기를 가지는,
    LED 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극이 상기 제1 면에 마주하는 방향에 구비된 수평 전극 구조를 가진,
    LED 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 구동부 접속면은 상기 제2 면으로부터 동일한 거리에 형성된,
    LED 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 절연층 상부로 연장된 연장부를 포함하는,
    LED 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제2 면에 형성된 결함선을 포함하는,
    LED 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 결함선은 상기 제1 반도체층의 한 변과 평행한,
    LED 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제1 면에 형성되고 상기 제2 면 방향으로 오목하게 패인 노치부를 포함하는,
    LED 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 노치부는 상기 LED 소자의 한 변에 평행한 방향으로 형성된,
    LED 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제1 면에 상기 제1 전극 주변을 따라 형성되고, 상기 제2 면 방향으로 오목하게 패인 밸리부를 포함하는,
    LED 소자.
  13. 제1 면 및 상기 제1 면과 마주보게 배치되고 상기 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 상기 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 상기 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층,
    상기 제1 면 상에 배치되어 상기 제1 반도체층의 오픈 영역을 정의하는 절연층,
    상기 오픈 영역을 통해 상기 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및
    상기 제2 반도체층 상에 구비되어 상기 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 활성층이 상기 절연층과 접하는 면과 상기 활성층이 상기 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 큰,
    LED 소자.
  14. 기판 상부에 멤브레인을 형성하는 단계;
    상기 멤브레인 상부에 제1 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층의 일부를 덮는 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층이 형성되지 않은 상기 제1 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 제2 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일부를 제거하여 상기 제1 반도체층이 노출되는 오픈 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 오픈 영역에 상기 제1 반도체층에 접촉하는 제1 전극을 형성하고, 상기 제2 반도체층에 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는,
    LED 소자의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
    상기 기판에 희생층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판에 상기 희생층 패턴을 덮도록 멤브레인 물질층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 패턴을 제거하는 단계; 및
    상기 멤브레인 물질층을 결정화시키는 단계;를 포함하는
    LED 소자의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판을 포함하고, 상기 멤브레인은 알루미나(alumina)를 포함하는,
    LED 소자의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 평행하게 배열된 복수개의 사각 막대 패턴을 포함하는,
    LED 소자의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 반도체층을 형성하는 단계는,
    제1 사각 막대 패턴에서 성장한 제1 반도체 물질과 상기 제1 사각 막대 패턴과 인접한 제2 사각 막대 패턴 상부에서 성장한 제2 반도체 물질을 결합하는 단계를 포함하는,
    LED 소자의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 반도체층을 덮는 절연층을 형성하고, 상기 절연층의 일부를 포토 공정으로 제거하는 단계인,
    LED 소자의 제조방법.
  20. 제1 색상 광을 방출하는 제1 픽셀 및 제2 색상 광을 방출하는 제2 픽셀을 포함하는 단위 픽셀이 2차원 어레이로 배열된 픽셀 어레이를 포함하고,
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 서로 다른 LED 소자를 포함하고,
    상기 LED 소자 중 적어도 하나는,
    제1 면 및 상기 제1 면과 마주보며 배치되고 상기 제1 면보다 면적이 큰 제2 면을 포함하는 제1 반도체층, 상기 제1 면 상에 배치된 활성층, 및 상기 활성층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하는 발광층,
    상기 제1 면 상에 배치되어 상기 제1 반도체층의 오픈 영역을 정의하는 절연층,
    상기 오픈 영역을 통해 상기 제1 반도체층과 접촉하는 제1 전극, 및
    상기 제2 반도체층 상에 구비되어 상기 제2 반도체층과 접촉하는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 절연층이 상기 활성층 및 상기 제2 반도체층과 접하는 면과 상기 절연층이 상기 제1 반도체층과 접하는 면이 이루는 각도는 90° 보다 작은,
    디스플레이 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 반도체층 표면에 접촉하는,
    디스플레이 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 반사 전극인,
    디스플레이 장치.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 LED 소자는 100 ㎛ x 100 ㎛ 이하의 크기를 가지는,
    디스플레이 장치.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극이 상기 제1 면에 마주하는 방향에 구비된 수평 전극 구조를 가진,
    디스플레이 장치.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 구동부 접속면은 상기 제2면으로부터 동일한 거리에 형성되는,
    디스플레이 장치.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 절연층 상부로 연장된 연장부를 포함하는,
    디스플레이 장치.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제2 면에 형성된 결함선을 포함하는,
    디스플레이 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 결함선은 상기 제1 반도체층의 한 변과 평행한,
    디스플레이 장치.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제1 면에 형성되고 상기 제2 면 방향으로 오목하게 패인 노치부를 포함하는,
    디스플레이 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 노치부는 상기 LED 소자의 한 변에 평행한 방향으로 형성된,
    디스플레이 장치.
  31. 제20항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제1 면에 상기 제1 전극 주변을 따라 형성되고, 상기 제2 면 방향으로 오목하게 패인 밸리부를 포함하는,
    디스플레이 장치.
KR1020210025973A 2020-11-27 2021-02-25 Led 소자 및 그 제조방법과, led 소자를 포함하는 디스플레이 장치 KR20220074673A (ko)

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