KR20230009413A - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치 Download PDF

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김정섭
김명수
권태인
임충현
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 반도체 발광소자는 제1 도전형 전극; 일면 상에는 상기 제1 도전형 전극이 형성되고, 타면 상에는 언도프드 반도체층이 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하고, 상기 언도프드 반도체층을 기준으로 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면의 타면에 전기 전도성 있는 물질로 형성된 광투과층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치
본 발명은 반도체 발광소자, 특히, 수 내지 수십 ㎛ 크기를 갖는 반도체 발광소자 및 이를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위해 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광소자 디스플레이(OLED), 그리고 반도체 발광소자 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
디스플레이에 100㎛ 이하의 단면적을 갖는 반도체 발광소자(이하, 마이크로 LED)를 사용하면 디스플레이가 편광판 등을 사용하여 빛을 흡수하지 않기 때문에 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. 그러나 대면적 디스플레이를 구현하기 위해서는 수백만 개의 반도체 발광소자들을 필요로 하기 때문에 다른 종류의 디스플레이들에 비해 전사 공정이 어려운 문제가 있다.
현재 마이크로 LED는 픽앤플레이스(pick&place), 레이저 리프트 오프법(laser lift-off) 또는 자가조립(self-assembly) 방식으로 전사될 수 있다. 이 중에서 자가조립 방식은 유체 내에서 반도체 발광소자들이 스스로 위치를 찾아가는 방식으로 대면적의 디스플레이 장치를 구현하는데 가장 유리한 방식이다.
한편, 자가조립 방식에는 반도체 발광소자들을 제품에 사용될 최종 기판에 직접 조립하는 방식(직접 전사 방식) 및 반도체 발광소자들을 조립 기판에 조립한 후 추가 전사 공정을 통해 최종 기판으로 전사하는 방식(하이브리드 전사 방식)이 있다. 직접 전사 방식은 공정 측면에서 효율적이며, 하이브리드 전사 방식은 자가조립을 위한 구조를 제한없이 추가할 수 있는 점에서 장점이 있어, 두 가지 방식이 선택적으로 사용되고 있다.
본 발명은 자가조립 수율을 향상시킬 수 있는 구조의 반도체 발광소자와 상기 반도체 발광소자들로 구성된 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광 추출 효율이 향상된 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는, 제1 도전형 전극; 일면 상에는 상기 제1 도전형 전극이 형성되고, 타면 상에는 언도프드 반도체층이 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하고, 상기 언도프드 반도체층을 기준으로 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면의 타면에 전기 전도성 있는 물질로 형성된 광투과층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 적어도 일면이 표면 거칠기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 투명 전극층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 30nm 내지 500nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, n형 도펀트로 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 상기 제1 도전형 반도체층의 전기 전도도와 동일하거나 상기 제1 도전형 반도체층의 전기 전도도보다 큰 전기 전도도를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 50nm 이상 200nm 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 베이스부; 상기 베이스부 상에 배치되며, 도전형 전극을 포함하는 반도체 발광소자; 상기 베이스부 상에 배치되며, 상기 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 배선 전극을 포함하고, 상기 반도체 발광소자는, 제1 도전형 전극; 일면 상에는 상기 제1 도전형 전극이 형성되고, 타면 상에는 언도프드 반도체층이 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하며, 상기 언도프드 반도체층을 기준으로 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면의 타면에 전기 전도성 있는 물질로 형성된 광투과층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 반도체 발광소자는, 상기 광투과층이 상기 베이스부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 베이스부는, 적어도 상기 반도체 발광소자가 배치되는 위치와 대응되는 위치에 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 반도체 발광소자의 제1 도전형 전극 및 제2 도전형 전극에서 상기 배선 전극으로 연장되는 연결 전극을 더 포함하며, 상기 연결 전극은, 투명한 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 베이스부는, 광투과성 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 적어도 일면이 표면 거칠기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, 투명 전극층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광투과층은, n형 도펀트로 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 자가조립 시 유전 영동력이 증가되며, 이에 반도체 발광소자의 조립율은 향상될 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 반도체 발광소자의 유전 영동력은 광투과층에 의해 증가되므로, 상기 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 광 추출 효율이 개선될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 반도체 발광소자를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자 자가조립 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자들을 기판에 자가조립 하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
도 9는 도 8a 내지 도 8e의 자가조립 공정에 사용되는 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 자가조립 공정 후 반도체 발광소자의 또 다른 전사 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 11 내지 도 13은 적색, 녹색, 청색을 발광하는 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 도 8a 내지 도 8e의 자가조립 공정에 사용되는 종래 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 15는 자가조립 공정에 사용되는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15에 따른 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
도 17은 자가조립 공정에 사용되는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 18은 도 17에 따른 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
도 19는 본 발명에 따른 반도체 발광소자와 종래 반도체 발광소자의 유전 영동력을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 20은 도 14에 따른 반도체 발광소자를 이용한 종래 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
도 21은 도 15 또는 도 17에 따른 반도체 발광소자를 이용한 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 22는 도 15 또는 도 17에 따른 반도체 발광소자를 이용한 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 “상(on)”에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 테블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 디지털 TV(digital TV), 데스크톱 컴퓨터(desktop computer) 등이 포함될 수 있다. 그러나 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태라도 디스플레이를 포함할 수 있다면 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 반도체 발광소자를 확대하여 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 디스플레이 모듈(140)을 통해 출력될 수 있다. 상기 디스플레이 모듈(140)의 테두리를 감싸는 폐루프 형태의 케이스(101)는 상기 디스플레이 장치(100)의 베젤(bezel)을 형성할 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(140)은 영상이 표시되는 패널(141)을 구비하고, 상기 패널(141)은 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)와 상기 반도체 발광소자(150)가 장착되는 배선기판(110)을 구비할 수 있다.
상기 배선기판(110)에는 배선이 형성되어, 상기 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152) 및 p형 전극(156)과 연결될 수 있다. 이를 통하여, 상기 반도체 발광소자(150)는 자발광하는 개별화소로서 상기 배선기판(110) 상에 구비될 수 있다.
상기 패널(141)에 표시되는 영상은 시각 정보로서, 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소의 발광이 상기 배선을 통하여 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다.
본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자(150)의 일 종류로서 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 예시한다. 상기 마이크로 LED는 100㎛ 이하의 작은 크기로 형성되는 발광다이오드가 될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(150)는 청색, 적색 및 녹색이 발광영역에 각각 구비되며, 이들의 조합으로 단위 화소가 구현될 수 있다. 즉, 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미하며, 상기 단위 화소 내에 적어도 3개의 마이크로 LED가 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 수직형 구조가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156) 상에 형성된 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154)상에 형성된 n형 반도체층(153), 및 n형 반도체층(153) 상에 형성된 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(156)은 배선기판의 p전극(111)과 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(152)은 반도체 발광소자의 상측에서 n전극(112)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(150)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다른 예로서, 도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입 (flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
이러한 예로서, 상기 반도체 발광 소자(250)는 p형 전극(256), p형 전극 (256)이 형성되는 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층 (254), 활성층(254) 상에 형성된 n형 반도체층(253), 및 n형 반도체층(253) 상에서 p형 전극(256)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(256)과 n형 전극(252)은 모두 반도체 발광소자의 하부에서 배선기판의 p전극 및 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 수직형 반도체 발광소자와 플립 칩 타입의 반도체 발광소자는 각각 녹색 반도체 발광소자, 청색 반도체 발광소자 또는 적색 반도체 발광소자가 될 수 있다. 녹색 반도체 발광소자와 청색 반도체 발광소자의 경우에 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 녹색이나 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 반도체 발광소자는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있으며, 구체적으로 상기 p형 반도체층은 P-type GaN이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaN 이 될 수 있다. 다만, 적색 반도체 발광소자의 경우에는, 상기 p형 반도체층은 P-type GaAs이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaAs 가 될 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 p 전극 쪽은 Mg가 도핑된 P-type GaN이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다. 이 경우에, 전술한 반도체 발광소자들은 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드가 매우 작기 때문에 상기 디스플레이 패널은 자발광하는 단위 화소가 고정세로 배열될 수 있으며, 이를 통하여 고화질의 디스플레이 장치가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에서는 웨이퍼 상에서 성장되며, 메사 및 아이솔레이션을 통해 형성된 반도체 발광소자가 개별 화소로 이용된다. 웨이퍼 상에 형성된 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)는 상기 디스플레이 패널의 기판 상의 기설정된 위치로 전사되어야 한다. 이러한 전사기술로 픽앤플레이스(pick and place)가 있으나 성공률이 낮고 매우 많은 시간이 요구된다. 다른 예로서, 스탬프(stamp)나 롤(roll)을 이용하여 한 번에 여러개의 소자를 전사하는 기술이 있으나 수율에 한계가 있어 대화면의 디스플레이에는 적합하지 않다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 디스플레이 장치의 새로운 제조방법 및 제조장치를 제시한다.
이를 위하여, 먼저 디스플레이 장치의 새로운 제조방법에 대하여 살펴본다. 도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
본 명세서에서는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치를 예시한다. 다만, 이하에서 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 자가조립 방식은 수평형 반도체 발광소자 및 수직형 반도체 발광소자에 모두 적용될 수 있다.
먼저, 디스플레이 장치의 제조방법을 살펴보면, 성장기판(159)에 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154), 제2 도전형 반도체층(155)을 각각 성장시킨다(도 5a).
제1도전형 반도체층(153)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층(153) 상에 활성층(154)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(154) 상에 제2 도전형 반도체층(155)을 성장시킨다. 이와 같이, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2도전형 반도체층(155)을 순차적으로 성장시키면, 도 5a에 도시된 것과 같이, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2도전형 반도체층(155)이 적층 구조를 형성한다.
이 경우에, 상기 제1도전형 반도체층(153)은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 반도체층(155)은 p형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 p형이 되고 제2도전형이 n형이 되는 예시도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 상기 활성층이 존재하는 경우를 예시하나, 전술한 바와 같이 경우에 따라 상기 활성층이 없는 구조도 가능하다. 이러한 예로서, 상기 p형 반도체층은 Mg가 도핑된 P-type GaN이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다.
성장기판(159)(웨이퍼)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(1059)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
다음으로, 제1도전형 반도체층(153), 활성층(154) 및 제2 도전형 반도체층 (155)의 적어도 일부를 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 5b).
보다 구체적으로, 복수의 발광소자들이 발광 소자 어레이를 형성하도록, 아이솔레이션(isolation)을 수행한다. 즉, 제1도전형 반도체층(153), 활성층 (154) 및 제2 도전형 반도체층(155)을 수직방향으로 식각하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다.
만약, 수평형 반도체 발광소자를 형성하는 경우라면, 상기 활성층(154) 및 제2 도전형 반도체층(155)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 제1도전형 반도체층(153)이 외부로 노출되는 메사 공정과, 이후에 제1도전형 반도체층을 식각하여 복수의 반도체 발광소자 어레이를 형성하는 아이솔레이션(isolation)이 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 제2도전형 반도체층(155)의 일면 상에 제2도전형 전극(156, 또는 p형 전극)를 각각 형성한다(도 5c). 상기 제2도전형 전극(156)은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층이 각각 n형 반도체층과 p형 반도체층인 경우에는, 상기 제2도전형 전극(156)은 n형 전극이 되는 것도 가능하다.
그 다음에, 상기 성장기판(159)을 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 구비한다. 예를 들어, 성장기판(1059)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다(도 5d).
이후에, 유체가 채워진 챔버에서 반도체 발광소자들(150)이 기판에 안착되는 단계가 진행된다(도 5e).
예를 들어, 유체가 채워진 챔버 속에 상기 반도체 발광소자들(150) 및 기판을 넣고 유동, 중력, 표면 장력 등을 이용하여 상기 반도체 발광소자들이 상기 기판(1061)에 스스로 조립되도록 한다. 이 경우에, 상기 기판은 조립기판(161)이 될 수 있다.
다른 예로서, 상기 조립기판(161) 대신에 배선기판을 유체 챔버 내에 넣어, 상기 반도체 발광소자들(150)이 배선기판에 바로 안착되는 것도 가능하다. 이 경우에, 상기 기판은 배선기판이 될 수 있다. 다만, 설명의 편의상, 본 발명에서는 기판이 조립기판(161)으로서 구비되어 반도체 발광소자들(1050)이 안착되는 것을 예시한다.
반도체 발광소자들(150)이 조립 기판(161)에 안착하는 것이 용이하도록, 상기 조립 기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(150)이 끼워지는 셀들 (미도시)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 조립기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(150)이 배선전극에 얼라인되는 위치에 상기 반도체 발광소자들 (150)이 안착되는 셀들이 형성된다. 상기 반도체 발광소자들(150)은 상기 유체 내에서 이동하다가, 상기 셀들에 조립된다.
상기 조립기판(161)에 복수의 반도체 발광소자들이 어레이된 후에, 상기 조립기판(161)의 반도체 발광소자들을 배선기판으로 전사하면, 대면적의 전사가 가능하게 된다. 따라서, 상기 조립기판(161)은 임시기판으로 지칭될 수 있다.
한편, 상기에서 설명된 자가조립 방법은 대화면 디스플레이의 제조에 적용하려면, 전사수율을 높여야만 한다. 본 발명에서는 전사수율을 높이기 위하여, 중력이나 마찰력의 영향을 최소화하고, 비특이적 결합을 막는 방법과 장치를 제안한다.
이 경우, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자에 자성체를 배치시켜 자기력을 이용하여 반도체 발광소자를 이동시키고, 이동과정에서 전기장을 이용하여 상기 반도체 발광소자를 기 설정된 위치에 안착시킨다. 이하에서는, 이러한 전사 방법과 장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이고, 도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다. 또한, 도 8a 내지 도 8d는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립 하는 공정을 나타내는 개념도이며, 도 9는 도 8a 내지 도 8d의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 유체 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 유체 챔버(162)는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비한다. 상기 공간에는 유체가 채워질 수 있으며, 상기 유체는 조립용액으로서 물 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 유체 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 유체 챔버(162)에는 기판(161)이 상기 반도체 발광소자들(150)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(161)은 이송부에 의하여 조립위치로 이송되며, 상기 이송부는 기판이 장착되는 스테이지(165)를 구비할 수 있다. 상기 스테이지(165)가 제어부에 의하여 위치 조절되며, 이를 통하여 상기 기판(161)은 상기 조립위치로 이송될 수 있다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(161)의 조립면이 상기 유체 챔버(150)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(161)의 조립면은 상기 유체 챔버(162)내의 유체에 잠기도록 배치된다. 따라서, 상기 반도체 발광소자(150)는 상기 유체내에서 상기 조립면으로 이동하게 된다.
상기 기판(161)은 전기장 형성이 가능한 조립기판으로서, 베이스부(161a), 유전체층(161b) 및 복수의 전극들(161c)을 포함할 수 있다.
상기 베이스부(161a)는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 상기 복수의 전극들(161c)은 상기 베이스부(161a)의 일면에 패턴된 박막 또는 후막 bi-planar 전극이 될 수 있다. 상기 전극(161c)은 예를 들어, Ti/Cu/Ti의 적층, Ag 페이스트 및 ITO 등으로 형성될 수 있다.
상기 유전체층(161b)은, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등의 무기 물질로 이루어질 있다. 이와 다르게, 유전체층(161b)은, 유기 절연체로서 단일층이거나 멀티층으로 구성될 수 있다. 유전체층(161b)의 두께는, 수십 nm~수μm의 두께로 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 기판(161)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 셀들(161d)을 포함한다. 셀들(161d)은, 일방향을 따라 순차적으로 배치되며, 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 셀들(161d)을 이루는 격벽(161e)은, 이웃하는 셀들(161d)과 공유되도록 이루어진다. 상기 격벽 (161e)은 상기 베이스부(161a)에서 돌출되며, 상기 격벽(161e)에 의하여 상기 셀들(161d)이 일방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 셀들(161d)은 열과 행 방향으로 각각 순차적으로 배치되며, 매트릭스 구조를 가질 수 있다.
셀들(161d)의 내부는, 도시와 같이, 반도체 발광소자(150)를 수용하는 홈을 구비하며, 상기 홈은 상기 격벽(161e)에 의하여 한정되는 공간이 될 수 있다. 상기 홈의 형상은 반도체 발광소자의 형상과 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광소자가 사각형상인 경우, 홈은 사각형상일 수 있다. 또한, 비록 도시되지는 않았지만, 반도체 발광소자가 원형인 경우, 셀들 내부에 형성된 홈은, 원형으로 이루어질 수 있다. 나아가, 셀들 각각은, 단일의 반도체 발광소자를 수용하도록 이루어진다. 즉, 하나의 셀에는, 하나의 반도체 발광소자가 수용된다.
한편, 복수의 전극들(161c)은 각각의 셀들(161d)의 바닥에 배치되는 복수의 전극라인을 구비하며, 상기 복수의 전극라인은 이웃한 셀로 연장되도록 이루어질 수 있다.
상기 복수의 전극들(161c)은 상기 셀들(161d)의 하측에 배치되며, 서로 다른 극성이 각각 인가되어 상기 셀들(161d) 내에 전기장을 생성한다. 상기 전기장 형성을 위하여, 상기 복수의 전극들(161c)을 상기 유전체층이 덮으면서, 상기 유전체층이 상기 셀들(161d)의 바닥을 형성할 수 있다. 이런 구조에서, 각 셀들(161d)의 하측에서 한 쌍의 전극(161c)에 서로 다른 극성이 인가되면 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의하여 상기 셀들(161d) 내부로 상기 반도체 발광소자가 삽입될 수 있다.
상기 조립위치에서 상기 기판(161)의 전극들은 전원공급부(171)와 전기적으로 연결된다. 상기 전원공급부(171)는 상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하는 기능을 수행한다.
도시에 의하면, 상기 자가조립 장치는 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하기 위한 자석(163)을 구비할 수 있다. 상기 자석(163)은 상기 유체 챔버(162)와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들(150)에 자기력을 가하도록 이루어진다. 상기 자석(163)은 상기 기판(161)의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치될 수 있으며, 상기 자석(163)과 연결되는 위치 제어부(164)에 의하여 상기 자석의 위치가 제어된다.
상기 자석(163)의 자기장에 의하여 상기 유체내에서 이동하도록, 상기 반도체 발광소자(1050)는 자성체를 구비할 수 있다.
도 9를 참조하면, 자성체를 구비하는 반도체 발광 소자는 제1도전형 전극(1052) 및 제2도전형 전극(1056), 상기 제1도전형 전극(1052)이 배치되는 제1도전형 반도체층(1053), 상기 제1도전형 반도체층(1052)과 오버랩되며, 상기 제2도전형 전극(1056)이 배치되는 제2도전형 반도체층(1055), 그리고 상기 제1 및 제2도전형 반도체층(1053, 1055) 사이에 배치되는 활성층(1054)을 포함할 수 있다.
여기에서, 제1도전형은 p형이고, 제2도전형은 n형으로 구성될 수 있으며, 그 반대로도 구성될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 제1도전형 전극(1052)는 반도체 발광소자의 자가조립 등에 의하여, 반도체 발광소자가 배선기판에 조립된 이후에 생성될 수 있다. 또한, 본 발명에서, 상기 제2도전형 전극(1056)은 상기 자성체를 포함할 수 있다. 자성체는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, SmCo 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
자성체는 입자 형태로 상기 제2도전형 전극(1056)에 구비될 수 있다. 또한, 이와 다르게, 자성체를 포함한 도전형 전극은, 도전형 전극의 일 레이어가 자성체로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 도 9에 도시된 것과 같이, 반도체 발광소자(1050)의 제2도전형 전극(1056)은, 제1층(1056a) 및 제2층(1056b)을 포함할 수 있다. 여기에서, 제1층(1056a)은 자성체를 포함하도록 이루어질 수 있고, 제2층(1056b)는 자성체가 아닌 금속소재를 포함할 수 있다.
도시와 같이, 본 예시에서는 자성체를 포함하는 제1층(1056a)이, 제2 도전형 반도체층(1055)과 맞닿도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1층(1056a)은, 제2층(1056b)과 제2도전형 반도체층(1055) 사이에 배치된다. 상기 제2층 (1056b)은 배선기판의 제2전극과 연결되는 컨택 메탈이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자성체는 상기 제1도전형 반도체층의 일면에 배치될 수 있다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, 보다 구체적으로, 상기 자가조립 장치는 상기 유체 챔버의 상부에 x,y,z 축으로 자동 또는 수동으로 움직일 수 있는 자석 핸들러를 구비하거나, 상기 자석(163)을 회전시킬 수 있는 모터를 구비할 수 있다. 상기 자석 핸들러 및 모터는 상기 위치 제어부(164)를 구성할 수 있다. 이를 통하여, 상기 자석(163)은 상기 기판(161)과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 유체 챔버(162)에는 광투과성의 바닥판(166)이 형성되고, 상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판(166)과 상기 기판(161)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 바닥판(166)을 통하여 상기 유체 챔버(162)의 내부를 모니터링하도록, 이미지 센서(167)가 상기 바닥판(166)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 이미지 센서(167)는 제어부(172)에 의하여 제어되며, 기판(161)의 조립면을 관찰할 수 있도록 inverted type 렌즈 및 CCD 등을 구비할 수 있다.
상기에서 설명한 자가조립 장치는 자기장과 전기장을 조합하여 이용하도록 이루어지며, 이를 이용하면, 상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 전기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착될 수 있다. 이하, 상기에서 설명한 자기조립 장치를 이용한 조립과정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 5a 내지 도 5c에서 설명한 과정을 통하여 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들(1050)을 형성한다. 이 경우에, 도 5c의 제2도전형 전극을 형성하는 과정에서, 자성체를 상기 반도체 발광소자에 증착할 수 있다.
다음으로, 기판(161)을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들 (1050)을 유체 챔버(162)에 투입한다(도 8a).
전술한 바와 같이, 상기 기판(161)의 조립위치는 상기 기판(161)의 상기 반도체 발광소자들(1050)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 유체 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 유체 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(1050)이 수직방향으로 떠오르도록 상기 반도체 발광소자들(1050)에 자기력을 가한다(도 8b).
상기 자가조립 장치의 자석(163)이 원위치에서 상기 기판(161)의 조립면의 반대면으로 이동하면, 상기 반도체 발광소자들(1050)은 상기 기판(161)을 향하여 상기 유체 내에서 떠오르게 된다. 상기 원위치는 상기 유체 챔버(162)로부터 벗어난 위치가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 전자석에 전기를 공급하여 초기 자기력을 생성하게 된다.
한편, 본 예시에서, 상기 자기력의 크기를 조절하면 상기 기판(161)의 조립면과 상기 반도체 발광소자들(1050)의 이격거리가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(1050)의 무게, 부력 및 자기력을 이용하여 상기 이격거리를 제어한다. 상기 이격거리는 상기 기판의 최외각으로부터 수 밀리미터 내지 수십 마이크로미터가 될 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(1050)이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들(1050)에 자기력을 가한다. 예를 들어, 상기 자석(163)을 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동한다(도 8c). 이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(1050)은 상기 자기력에 의하여 상기 기판(161)과 이격된 위치에서 상기 기판(161)과 수평한 방향으로 따라 이동하게 된다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들(1050)이 이동하는 과정에서 상기 기판(161)의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들(1050)을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계가 진행된다(도 8c). 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(1050)이 상기 기판(161)과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판(161)과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판(161)의 기설정된 위치에 안착된다.
보다 구체적으로, 기판(161)의 bi-planar 전극에 전원을 공급하여 전기장을 생성하고, 이를 이용하여 기설정된 위치에서만 조립이 되도록 유도한게 된다. 즉 선택적으로 생성한 전기장을 이용하여, 반도체 발광소자들(1050)이 상기 기판(161)의 조립위치에 스스로 조립되도록 한다. 이를 위하여, 상기 기판(161)에는 상기 반도체 발광소자들(1050)이 끼워지는 셀들이 구비될 수 있다.
이후에, 상기 기판(161)의 언로딩 과정이 진행되며, 조립 공정이 완료된다. 상기 기판(161)이 조립 기판인 경우에, 전술한 바와 같이 어레인된 반도체 발광소자들을 배선기판으로 전사하여 디스플레이 장치를 구현하기 위한 후공정이 진행될 수 있다.
한편, 상기 반도체 발광소자들(1050)을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석(163)을 상기 기판(161)과 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있다(도 8d). 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석인 경우에 전원공급을 중단하면, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(1050)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 유체 챔버(162)의 바닥에 있는 반도체 발광소자들(1050)을 회수하면, 상기 회수된 반도체 발광소자들(1050)의 재사용이 가능하게 된다.
상기에서 설명된 자가조립 장치 및 방법은 fluidic assembly에서 조립 수율을 높이기 위해 자기장을 이용하여 먼거리의 부품들을 미리 정해진 조립 사이트 근처에 집중시키고, 조립 사이트에 별도 전기장을 인가하여 조립 사이트에만 선택적으로 부품이 조립되도록 한다. 이때 조립기판을 수조 상부에 위치시키고 조립면이 아래로 향하도록 하여 부품의 무게에 의한 중력 영향을 최소화하면서 비특이적 결합을 막아 불량을 제거한다. 즉, 전사수율을 높이기 위해 조립 기판을 상부에 위치시켜 중력이나 마찰력 영향을 최소화하며, 비특이적 결합을 막는다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 반도체 발광소자로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적 기판으로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명은 상술한 자가 조립 공정의 수율 및 자가 조립 이후 공정 수율을 높이기 위한 조립 기판의 구조 및 방법을 제공한다. 본 발명은 상기 기판(161)이 조립 기판으로 사용될 때로 한정된다. 즉, 후술할 조립 기판은 디스플레이 장치의 배선 기판으로 사용되는 것이 아니다. 이에, 이하에서는 상기 기판(161)을 조립 기판(161)이라 칭한다.
본 발명은 두 가지 관점에서 공정 수율을 향상시킨다. 첫 번째, 본 발명은 원하지 않는 위치에 전기장이 강하게 형성되어, 반도체 발광소자가 원하지 않는 위치에 안착되는 것을 방지한다. 두 번째, 본 발명은 조립 기판에 안착된 반도체 발광소자들을 다른 기판으로 전사할 때, 반도체 발광소자가 조립 기판 상에 잔류하는 것을 방지한다.
상술한 해결과제는 서로 다른 구성 요소에 의해 개별적으로 달성되는 것이 아니다. 상술한 두 가지 해결과제는 후술할 구성요소와 기 설명한 조립 기판 (161)의 유기적인 결합에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 자가 조립 후 디스플레이 장치를 제조하기 위한 후공정에 대하여 설명한다.
도 10a 내지 10c는 본 발명에 따른 자가 조립 공정 후 반도체 발광소자가 전사되는 모습을 나타내는 개념도들이다.
도 8a 내지 8e에서 설명한 자가 조립 공정이 종료되면, 조립 기판(161)의 기설정된 위치에는 반도체 발광소자들이 안착된 상태가 된다. 상기 조립 기판(161)에 안착된 반도체 발광소자들은 적어도 한 번 다른 기판으로 전사된다. 본 명세서에서는 상기 조립 기판(161)에 안착된 반도체 발광소자들이 2회 전사되는 일 실시 예에 대하여 설명하지만 이에 한정되지 않고, 상기 조립 기판(161)에 안착된 반도체 발광소자들은 1회 또는 3회 이상 다른 기판으로 전사될 수 있다.
한편, 자가 조립 공정이 종료된 직후에는 조립 기판(161)의 조립면이 하측 방향(또는 중력 방향)을 향하고 있는 상태이다. 자가 조립 후 공정을 위해 상기 조립 기판(161)은 반도체 발광소자가 안착된 상태로 180도 뒤집어질 수 있다. 이 과정에서 반도체 발광소자가 조립 기판(161)으로부터 이탈할 위험이 있기 때문에, 상기 조립 기판(161)을 뒤집는 동안 상기 복수의 전극들(161c, 이하 조립 전극들)에는 전압이 인가되어야 한다. 상기 조립 전극들간에 형성되는 전기장은 상기 조립 기판(161)이 뒤집어지는 동안 반도체 발광소자가 조립 기판(161)으로부터 이탈하는 것을 방지한다.
자가 조립 공정 후 조립 기판(161)을 180도로 뒤집으면 도 10a와 같은 형상이 된다. 구체적으로, 도 10a와 같이, 조립 기판(161)의 조립면은 상측(또는 중력의 반대 방향)을 향하는 상태가 된다. 이 상태에서, 전사 기판(400)이 상기 조립 기판(161) 상측에 얼라인 된다.
상기 전사 기판(400)은 상기 조립 기판(161)에 안착된 반도체 발광소자들을 이탈시켜 배선 기판으로 전사하기 위한 기판이다. 상기 전사 기판 (400)은 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 전사 기판(400)은 PDMS 기판으로 지칭될 수 있다.
상기 전사 기판(400)은 상기 조립 기판(161)에 얼라인된 후 상기 조립 기판(161)에 압착된다. 이후, 상기 전사 기판(400)을 상기 조립 기판(161)의 상측으로 이송하면, 전사 기판(400)의 부착력에 의하여, 조립 기판(161)에 배치된 반도체 발광소자들(350)은 상기 전사 기판(400)으로 이동하게 된다.
이를 위해, 상기 반도체 발광소자(350)와 전사 기판(400)간의 표면 에너지는 상기 반도체 발광소자(350)와 유전체층(161b) 간의 표면 에너지보다 높아야 한다. 상기 반도체 발광소자(350)와 전사 기판(400)간의 표면 에너지와 상기 반도체 발광소자(350)와 유전체층(161b) 간의 표면 에너지의 차이가 클수록, 반도체 발광소자(350)가 조립 기판(161)으로부터 이탈될 확률이 높아지므로, 상기 두 표면 에너지의 차이는 클수록 바람직하다.
한편, 상기 전사 기판(400)을 상기 조립 기판(161)에 압착시킬 때, 전사 기판(400)에 의해 가해지는 압력이 반도체 발광소자(350)에 집중되도록, 상기 전사 기판(400)은 복수의 돌기부(410)를 포함할 수 있다. 상기 돌기부(410)는 상기 조립 기판(161)에 안착된 반도체 발광소자들과 동일한 간격으로 형성될 수 있다. 상기 돌기부(410)가 상기 반도체 발광소자들(350)과 오버랩되도록 얼라인 한 후, 상기 전사 기판(400)을 조립 기판(161)에 압착시킬 경우, 전사 기판 (400)에 의한 압력이 반도체 발광소자들(350)에만 집중될 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 반도체 발광소자가 조립 기판(161)으로부터 이탈될 확률을 증가시킨다.
한편, 상기 반도체 발광소자들이 상기 조립 기판(161)에 안착된 상태에서 반도체 발광소자의 일부는 홈 외부로 노출되는 것이 바람직하다. 반도체 발광소자들(350)이 홈 외부로 노출되지 않는 경우, 전사 기판(400)에 의한 압력이 반도체 발광소자들(350)에 집중되지 않아 반도체 발광소자(350)가 조립 기판(161)으로부터 이탈할 확률이 낮아질 수 있다.
마지막으로, 도 10c를 참조하면, 상기 전사 기판(400)을 배선 기판(500)에 압착시켜, 반도체 발광소자들(350)을 상기 전사 기판(400)에서 상기 배선 기판 (500)으로 전사시키는 단계가 진행된다. 이때, 상기 배선 기판(500)에는 돌출부(510)가 형성될 수 있다. 상기 전사 기판(400)에 배치된 반도체 발광소자들(350)과 상기 돌출부(510)가 오버랩되도록, 상기 전사 기판(400)과 상기 배선 기판(500)을 얼라인 시킨다. 이후, 상기 전사 기판(400)과 상기 배선 기판(500)을 압착시킬 경우, 상기 돌출부(510)로 인하여 상기 반도체 발광소자들(350)이 상기 전사 기판(400)으로부터 이탈할 확률이 증가할 수 있다.
한편, 전사 기판(400)에 배치된 반도체 발광소자들(350)이 배선 기판 (500)으로 전사되기 위해서는, 상기 반도체 발광소자(350)와 상기 배선 기판(500) 간의 표면 에너지가 상기 반도체 발광소자(350)와 전사 기판(400)간의 표면 에너지보다 높아야 한다. 상기 반도체 발광소자(350)와 상기 배선 기판 (500) 간의 표면 에너지와 상기 반도체 발광소자(350)와 전사 기판(400)간의 표면 에너지의 차이가 클수록, 반도체 발광소자(350)가 전사 기판(400)으로부터 이탈될 확률이 높아지므로, 상기 두 표면 에너지의 차이는 클수록 바람직하다.
상기 배선 기판(500)으로 상기 전사 기판(400)에 배치된 반도체 발광소자를(350) 모두 전사한 후, 상기 반도체 발광소자들(350)과 배선 기판에 형성된 배선 전극 간에 전기적 연결을 형성하는 단계가 진행될 수 있다. 상기 배선 전극의 구조 및 전기적 연결을 형성하는 방법은 반도체 발광소자(350)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만, 상기 배선 기판(500)에는 이방성 전도성 필름이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 전사 기판(400)과 상기 배선 기판(500)을 압착시키는것 만으로 반도체 발광소자들(350)과 배선 기판(500)에 형성된 배선 전극들간에 전기적 연결이 형성될 수 있다.
한편, 서로 다른 색을 발광하는 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치를 제조하는 경우, 도 10a 내지 10c에서 설명한 방법은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이하, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 발광하는 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 11 내지 13은 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 발광하는 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
서로 다른 색을 발광하는 반도체 발광소자들은 서로 다른 조립 기판에 개별적으로 조립될 수 있다. 구체적으로, 상기 조립 기판(161)은 제1색을 발광하는 반도체 발광소자들이 안착되는 제1조립 기판, 상기 제1색과 다른 제2색을 발광하는 반도체 발광소자들이 안착되는 제2조립 기판, 상기 제1색 및 제2색과 다른 제3색을 발광하는 반도체 발광소자들이 안착되는 제3조립 기판을 포함할 수 있다. 각각의 조립 기판에는 도 8a 내지 8e에서 설명한 방법에 따라, 서로 다른 종류의 반도체 발광소자들이 조립된다. 예를 들어, 제1 내지 제3조립 기판 각각에는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 발광하는 반도체 발광소자 각각이 조립될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 내지 제3조립 기판(RED TEMPLATE, GREEN TEMPLATE, BLUE TEMPLATE) 각각에 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각이 조립될 수 있다. 이 상태에서, 상기 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각은 서로 다른 전사 기판에 의해 배선 기판으로 전사될 수 있다.
구체적으로, 조립 기판에 안착된 반도체 발광소자들을 배선 기판으로 전사하는 단계는, 상기 제1조립 기판(RED TEMPLATE)에 제1전사 기판 (스탬프(R))을 압착시켜, 상기 제1색을 발광하는 반도체 발광소자들(RED 칩)을 상기 제1조립 기판(RED TEMPLATE)에서 상기 제1전사 기판(스탬프(R))으로 전사시키는 단계, 상기 제2조립 기판(GREEN TEMPLATE)에 제2전사 기판 (스탬프(G))을 압착시켜, 상기 제2색을 발광하는 반도체 발광소자들(GREEN 칩)을 상기 제2조립 기판(GREEN TEMPLATE)에서 상기 제2전사 기판(스탬프(G))으로 전사시키는 단계 및 상기 제3조립 기판(BLUE TEMPLATE)에 제3전사 기판 (스탬프(B))을 압착시켜, 상기 제3색을 발광하는 반도체 발광소자들(BLUE 칩)을 상기 제3조립 기판(BLUE TEMPLATE)에서 상기 제3전사 기판(스탬프(B))으로 전사시키는 단계를 포함할 수 있다.
이후, 상기 제1 내지 제3전사 기판 각각을 상기 배선 기판에 압착시켜, 상기 제1 내지 제3색을 발광하는 반도체 발광소자들을 상기 제1 내지 제3전사 기판 각각에서 상기 배선 기판으로 전사시키는 단계가 진행된다.
도 11에 따른 제조방법에 따르면, RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩을 포함하는 디스플레이 장치를 제조하기 위해 세 종류의 조립 기판 및 세 종류의 전사 기판을 필요로 한다.
이와 달리, 도 12를 참조하면, 제1 내지 제3조립 기판(RED TEMPLATE, GREEN TEMPLATE, BLUE TEMPLATE) 각각에 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각이 조립될 수 있다. 이 상태에서, 상기 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각은 동일한 전사 기판에 의해 배선 기판으로 전사될 수 있다.
구체적으로, 상기 조립 기판 상에 안착된 반도체 발광소자들을 배선 기판으로 전사하는 단계는, 상기 제1조립 기판(RED TEMPLATE)에 전사 기판(RGB 통합 스탬프)을 압착시켜, 상기 제1색을 발광하는 반도체 발광소자들(RED 칩)을 상기 제1조립 기판(RED TEMPLATE)에서 상기 전사 기판(RGB 통합 스탬프)으로 전사시키는 단계, 상기 제2조립 기판(GREEN TEMPLATE)에 상기 전사 기판(RGB 통합 스탬프)을 압착시켜, 상기 제2색을 발광하는 반도체 발광소자들(GREEN 칩)을 상기 제2조립 기판(GREEN TEMPLATE)에서 상기 전사 기판(RGB 통합 스탬프)으로 전사시키는 단계, 상기 제3조립 기판(BLUE TEMPLATE)에 상기 전사 기판(RGB 통합 스탬프)을 압착시켜, 상기 제3색을 발광하는 반도체 발광소자들(BLUE 칩)을 상기 제3조립 기판(BLUE TEMPLATE)에서 상기 전사 기판(RGB 통합 스탬프)으로 전사시키는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 제1 내지 제3조립 기판 각각과 상기 전사 기판 간의 얼라인 위치가 서로 달라질 수 있다. 예를 들어, 조립 기판과 전사 기판 간의 얼라인이 완료되었을 때, 상기 제1조립 기판에 대한 상기 전사 기판의 상대적 위치와 상기 제2조립 기판에 대한 상기 전사 기판의 상대적 위치는 서로 다를 수 있다. 상기 전사 기판은 조립 기판의 종류가 바뀔 때마다, SUB PIXEL의 PITCH 만큼 얼라인 위치를 쉬프트할 수 있다. 이러한 방식을 통해, 상기 전사 기판을 상기 제1 내지 제3조립 기판에 순차적으로 압착시켰을 때, 세 종류의 칩이 모두 상기 전사 기판으로 전사되도록 할 수 있다.
이 후, 도 11과 마찬가지로, 상기 전사 기판을 상기 배선 기판에 압착시켜, 상기 제1 내지 제3색을 발광하는 반도체 발광소자들을 상기 전사 기판에서 상기 배선 기판으로 전사시키는 단계가 진행된다.
도 12에 따른 제조방법에 따르면, RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩을 포함하는 디스플레이 장치를 제조하기 위해 세 종류의 조립 기판 및 한 종류의 전사 기판을 필요로 한다.
상술한 도 11 및 12와는 달리, 도 13에 따르면, 하나의 조립 기판(RGB 통합 TEMPLATE)에 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각이 조립될 수 있다. 이 상태에서, 상기 RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩 각각은 동일한 전사 기판(RGB 통합 스탬프)에 의해 배선 기판으로 전사될 수 있다.
도 13에 따른 제조방법에 따르면, RED 칩, GREEN 칩, BLUE 칩을 포함하는 디스플레이 장치를 제조하기 위해 한 종류의 조립 기판 및 한 종류의 전사 기판을 필요로 한다.
상술한 바와 같이, 서로 다른 색을 발광하는 반도체 발광소자들을 포함하는 디스플레이 장치를 제조하는 경우, 그 제조방법은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
한편, 도 8a 내지 도 8e에 나타난 자가조립 공정에 따르면, 반도체 발광소자는 유전영동력(Dielectrophoretic force)에 의해 조립기판에 안착된다. 이 때, 반도체 발광소자의 조립력을 향상시키기 위해서는, 반도체 발광소자에서 조립기판에 안착되는 면의 전기 전도도가 높아야 한다.
도 14는 도 8a 내지 도 8e의 자가조립 공정에 사용되는 종래 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 14는 조립기판에 안착되는 면의 전기 전도도를 향상시킨 자가조립 공정에 사용되는 반도체 발광소자(1150)를 나타낸다.
자가조립 공정에는 원형, 타원형 등 대칭형 구조의 반도체 발광소자가 사용되며, 이하에서 설명하는 자가조립 공정에 사용되는 반도체 발광소자들은 원형 또는 타원형 형상일 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광소자들은 자성체, 예를 들어, Ni을 포함하는 도전형 전극을 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 반도체 발광소자(1150)는 제1 도전형 전극(1156), 제1 도전형 전극(1156)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(1155), 제1 도전형 반도체층(1155) 상에 형성된 활성층(1154), 활성층(1154) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(1153) 및 제2 도전형 반도체층(1153) 상에 형성된 제2 도전형 전극(1152)을 포함하며, 패시베이션층(1151)이 표면을 덮는 구조를 갖는다.
도 14에 따르면, 반도체 발광소자(1150)는 조립기판에 안착되는 면의 전기 전도도를 향상시키기 위해 해당 면에 전도성층(1158)을 더 포함할 수 있다. 전도성층(1158)은 제1 도전형 반도체층(1155)을 기준으로 제1 및 제2 도전형 전극(1156, 1152)과 반대측에 형성될 수 있다. 전도성층(1158)은 Ti, In, Sn, Au, Cr, Mo 등과 같은 금속을 증착하여 형성된 금속층일 수 있다. 또는 상기와 같은 금속을 증착한 후, 플라즈마 및 O2 처리하여 표면에 산화막을 더 형성할 수 있다. 이 경우, 전도성층(1158)은 금속층 및 금속 산화물층의 멀티 레이어로 구성될 수 있다. 한편, 제1 도전형 반도체층(1155)과 전도성층(1158) 사이에는 언도프드 반도체층(또는 버퍼층)(1157)이 배치될 수 있다. 전도성층(1158)은 언도프드 반도체층(1157) 상에 형성되어 에피층(epitaxial layer)과 전기적으로 절연될 수 있다.
한편, 도 14에 나타난 구조에 따른 반도체 발광소자(1150)는 전술한 것과 같이 조립기판에 안착되는 면의 전기 전도도가 향상되어 조립율이 개선될 수 있으나, 반도체 발광소자(1150)에서 생성된 광의 파장 영역(가시광 영역)에서 90% 이하의 반사도를 가지므로 광 추출 효율이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 90% 이상의 높은 반사도를 갖는 Ag, Al 등으로 전도성층(1158)을 형성하는 경우, 광 추출 효율은 개선될 수 있으나, 유체 중에 반도체 발광소자를 분산시키기 위해 사용되는 용매 등에 의해 부식될 우려가 있고, 언도프드 반도체층(1157)과의 접합력이 좋지 않아 반도체 발광소자(1150)로부터 쉽게 박리될 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조립기판에 안착되는 면이 높은 전기 전도도를 갖는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 제안한다. 이하에서는, 도 15 내지 도 18을 참조하여, 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 구조에 대해 설명한다.
도 15는 자가조립 공정에 사용되는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15에 따른 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다. 도 17은 자가조립 공정에 사용되는 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 18은 도 17에 따른 반도체 발광소자를 제작하는 공정을 나타내는 개념도들이다.
도 15 및 도 17을 참조하면, 반도체 발광소자(2050, 3050)는 제1 도전형 전극(2056, 3056), 제1 도전형 전극(2056, 3056)이 형성된 제1 도전형 반도체층(2055, 3055), 제1 도전형 반도체층(2055, 3055) 상에 형성된 활성층(2054, 3054), 활성층(2054, 3054) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(2053, 3053), 제2 도전형 반도체층(2053, 3053) 상에 형성된 제2 도전형 전극(2052, 3052)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 일면에는 전술한 제1 도전형 전극(2056, 3056)과 활성층(2054, 3054)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 타면에는 언도프드 반도체층(또는 버퍼층)(2057, 3057)이 형성될 수 있다. 또한, 언도프드 반도체층(2057, 3057)을 기준으로 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 반대측에는 광투과층(2058, 3058)이 형성될 수 있다. 즉, 언도프드 반도체층(2057, 3057)의 일면에는 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)이 형성되고, 언도프드 반도체층(2057, 3057)의 타면에는 광투과층(2058, 3058)이 형성될 수 있다. 광투과층(2058, 3058)은 반도체 발광소자(2050, 3050)의 유전 영동력을 향상시키기 위해 구비된 것으로, 전기 전도성 있는 물질로 형성될 수 있으며, 자가조립 시 조립기판에 안착되는 면에 형성된 층일 수 있다.
일 실시예로, 광투과층은 투명 전극층(2058)일 수 있다. 투명 전극층(2058)은 가시광 영역에서 90% 이상의 광 투과도를 가지면서, 전기 전도도는 1S/m 이상인 소재로 형성될 수 있다. 이를 위해, ITO(Indium Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide) 등이 투명 전극층(2058)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 투명 전극층(2058)은 30nm 내지 500nm의 두께로 형성될 수 있다. 만일, 투명 전극층(2058)이 30nm보다 얇게 형성되는 경우에는 전기 전도도가 낮아 유전 영동력 증가에 영향을 미치지 못하게 되며, 500nm보다 두껍게 형성되는 경우에는 광투과도가 감소하게 된다. 또한, 투명 전극층(2058)은 박막 형태로 형성되거나, 복수의 돌기들을 포함하도록 패턴화 되어 표면 거칠기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(2050)를 제조하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 성장기판(wafer) 상에 에피층을 성장시키고 전극을 형성하여 복수의 반도체 발광소자들(2050)을 형성할 수 있다. 성장기판(wafer)은 유리 기판, 사파이어 기판과 같이 광투과성 재질의 절연성 기판일 수 있다. 또한, 성장기판(wafer)은 열 전도성이 우수한 Si, SiC, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs 등에서 선택된 것일 수 있다.
성장기판(wafer) 상에는 유기금속 화학 증착법(MOCVD, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE, Molecular Beam Epitaxy), 화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 물리적 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 수소 기상 성장법(HVPE, Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 통해 에피층을 성장시킬 수 있다. 본 실시예에서, 제1 도전형 반도체층(2055), 활성층(2054) 및 제2 도전형 반도체층(2053)이 에피층에 해당할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(2055), 활성층(2054) 및 제2 도전형 반도체층(2053)은 성장기판(wafer) 상에 순차적으로 형성될 수 있다. 이 때, 제1 도전형은 n형이고, 제2 도전형은 p형일 수 있다. 예를 들어, 청색 반도체 발광소자와 녹색 반도체 발광소자는 질화갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 첨가된 다양한 계층으로 형성될 수 있다. 반면, 적색 반도체 발광소자는 갈륨비소(GaAs)를 주로 하는 다양한 계층들로 형성될 수 있다. 한편, 본 발명에 따르면, 성장기판(wafer)에는 언도프드 반도체층(2057)이 형성된 후 전술한 에피층이 형성될 수 있다.
성장기판(wafer) 상에 에피층이 형성된 상태에서, 메사 및 아이솔레이션 식각 공정을 통해 복수의 반도체 발광소자들(2050)을 형성할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(2055)이 노출된 부분에는 제1 도전형 전극(2056)을 형성하고, 제2 도전형 반도체층(2053) 상에는 제2 도전형 전극(2052)을 형성할 수 있다. 이 때, 자가조립을 위해 제1 도전형 전극(2056) 및 제2 도전형 전극(2052) 중 어느 하나는 자성층을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 전극(2056)은 100nm 이상의 두께를 갖는 Ni층을 포함할 수 있다.
다음으로, 성장기판(wafer) 상에 형성된 반도체 발광소자들(2050)의 일면에 임시기판(4000)을 압착시킨 후, 반도체 발광소자들(2050)을 성장기판(wafer)으로부터 분리시킬 수 있다. 구체적으로, 임시기판(4000)의 일면에 반도체 발광소자들(2050)이 전사된 상태에서, 성장기판(wafer)의 후면에서 반도체 발광소자들(2050)이 형성된 부분에 레이저 빔을 조사하여 반도체 발광소자들(2050)을 성장기판(wafer)으로부터 분리시킬 수 있다.
다음으로, 반도체 발광소자들(2050)이 전사된 임시기판(4000)의 일면 상에 투명 전극층(2058)을 증착할 수 있다. 따라서, 투명 전극층(2058)은 언도프드 반도체층(2057) 상에 형성될 수 있다. 투명 전극층(2058)은 ITO 등의 소재로 형성될 수 있으며, E-beam, 스퍼터링, 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma-Enhanced Chemical Vapor deposition), 화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 원자층 적층법(ALD, Atomic Layer Deposition) 등을 통해 30 내지 500nm의 두께로 증착될 수 있다. 투명 전극층(2058)은 박막 형태로 형성되거나 또는 복수의 돌기들을 포함하는 패턴으로 형성될 수 있다. 투명 전극층(2058)이 형성되면, 반도체 발광소자들(2050)은 임시기판(4000)으로부터 분리되어 유체 중에 분산될 수 있다.
다른 실시예로, 광 투과층은 n형 도펀트로 도핑된 반도체층(이하, 반도체층)(3058)일 수 있다. 반도체층(3058)은 제1 도전형 반도체층(3055)의 전기 전도도와 동일하거나 제1 도전형 반도체층(3055)의 전기 전도도보다 큰 전기 전도도를 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 반도체층(3058)은 n형 도펀트, 예를 들어, Si 등이 고농도로 도핑된 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 반도체층(3058)은 100S/m 이상 40000S/m 이하의 전기 전도도를 갖도록 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 반도체층(3058)은 50nm 이상 200nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 만일, 반도체층(3058)이 50nm보다 얇게 형성되는 경우에는 전기 전도도가 낮아 유전 영동력 증가에 영향을 미치지 못하게 되며, 200nm보다 두껍게 형성되는 경우에는 후속 에피층 성장에 방해가 될 수 있다. 또한, 반도체층(3058)은 박막 형태로 형성되거나, 불규칙한 패턴으로 형성되어 표면 거칠기를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자(3050)를 제조하는 방법은 다음과 같다.
본 실시예에 따르면, 성장기판(wafer) 상에 n형 도펀트로 도핑된 반도체층(이하, 반도체층)(3058)을 형성한 후, 반도체층(3058) 상에 언도프드 반도체층(3057) 및 전술한 에피층을 형성할 수 있다. 자세하게, 반도체층(3058)은 에피층의 제1 도전형 반도체층(3055)과 동일한 전기 전도도를 갖거나 또는 더 큰 전기 전도도를 갖도록 형성될 수 있으며, 따라서 n형 도펀트가 고농도로 도핑된 층일 수 있다. 반도체층(3058)은 MOCVD, MBE, CVD, PVD, HVPE 등을 통해 50 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 반도체층(3058)은 박막 형태로 형성되거나 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있다. 특히, 반도체층(3058)은 저온에서 성장한 경우, 표면 거칠기를 갖도록 형성될 수 있으며, 불연속적인 아일랜드(island) 구조로 형성될 수도 있다.
다음으로, 반도체층(3058) 상에 언도프드 반도체층(3057) 및 에피층을 차례로 성장시키고, 전극을 형성하여 복수의 반도체 발광소자들(3050)을 형성할 수 있다. 해당 과정 및 이후의 과정들은 앞에서 설명한 내용으로 갈음한다.
도 19는 본 발명에 따른 반도체 발광소자와 종래 반도체 발광소자의 유전 영동력을 비교하여 나타낸 그래프이다.
자가조립이 진행되는 교류 전압 주파수(104 내지 106 Hz)를 인가하였을 때, 지름 50㎛인 원형의 반도체 발광소자들(A 내지 D)의 유전 영동력을 측정하였다. A는 도 14에 따른 반도체 발광소자(Ti층 포함), B는 도 15에 따른 반도체 발광소자(ITO층 포함), C는 도 17에 따른 반도체 발광소자(n-GaN층 포함), D는 언도프된 반도체층만 포함하는 반도체 발광소자이다.
구분 유전율 전기 전도도 (단위: S/m) 두께(단위: nm)
A 1 1.8e6 30
B 9.7 2e4 내지 4e4 30
C 3.5 20 30
D 9.7 0.00238 -
그래프에 따르면, 언도프된 반도체층만 포함하는 반도체 발광소자(D) 대비 전기 전도성을 갖는 층을 추가로 포함하는 경우, 유전 영동력이 개선됨을 확인할 수 있다. 특히, n-GaN층을 포함하는 반도체 발광소자(C)의 경우, 언도프된 반도체층만 포함하는 반도체 발광소자(D) 대비 유전 영동력이 약 2.5배 이상 개선되었으며, 종래 Ti층을 포함하는 반도체 발광소자(A) 보다도 유전 영동력이 높게 나타났다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 유전 영동력이 증가된 구조를 통해 자가조립율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다음으로는, 본 발명에 따른 반도체 발광소자를 이용한 디스플레이 장치에 대해 설명한다. 이에 앞서, 도 20을 참조하여, 종래 디스플레이 장치의 구조가 갖는 문제점에 대해 설명한다.
도 20은 도 14에 따른 반도체 발광소자를 이용한 종래 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
디스플레이 장치(1000)는 베이스부(또는 기판)(1010), 베이스부(1010) 상에 배치되는 배선 전극들(1020) 및 베이스부(1010) 상에 배선 전극들(1020)과 전기적으로 연결되도록 배치되는 반도체 발광소자들(1150)을 포함할 수 있다.
베이스부(1010)는 플랙서블 기판일 수 있으며, 플랙서블을 구현할 수 있도록 절연성 및 유연성 있는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리 또는 폴리이미드(Polyimide, PI)를 포함할 수 있으며, PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등이 사용될 수도 있다. 또한, 베이스부(1010)는 투명한 재질, 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
베이스부(1010) 상에는 배선 전극들(1020) 및 반도체 발광소자들(1150)이 배치될 수 있다. 또한, 배선 전극들(1020)과 반도체 발광소자들(1150) 사이에는 절연층(1030) 등이 배치될 수 있다.
베이스부(1010) 상에 배치된 배선 전극들(1020)과 반도체 발광소자들(1150)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 배선 전극들(1020)은 반도체 발광소자의 제1 도전형 전극(1156) 및 제2 도전형 전극(1152)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시예로, 수평형 타입의 반도체 발광소자의 경우, 도면에 도시된 것과 같이 반도체 발광소자의 도전형 전극에서 각각 연장되는 연결 전극(1060)을 통해 배선 전극(1020)과 연결될 수 있다.
또한, 디스플레이 장치(1000)는 반도체 발광소자(1150)가 배치된 상태에서, 반도체 발광소자(1150)들의 상면을 덮는 평탄화층(1040)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평탄화층(1040)은 광투과성의 투명 유기막 재료로 형성될 수 있다.
종래 도 14에 따른 반도체 발광소자들로 구성된 디스플레이 장치(1000)는 전면 발광 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 반도체 발광소자(1150)에서 생성된 광의 일부는 기판의 전면을 향하고, 기판의 후면을 향하는 광은 반도체 발광소자의 후면에 형성된 전도성층(또는 금속층)(1158)에서 반사되어 다시 전면으로 추출되는 구조를 가질 수 있다. 이 때, 배선 전극들(1020)과 반도체 발광소자의 도전형 전극(1156, 1152)을 연결하는 연결 전극(1060)은 투명 전극으로 형성될 수 있다.
전도성층(1158)은 자가조립을 통해 반도체 발광소자(1150)가 조립기판에 안착되는 면의 전기 전도도를 향상시키기 위해 구비된 층으로, Ti, In, Sn, Au, Cr, Mo 등의 금속을 증착하여 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 그러나 전도성층(1158)을 형성하는 금속들은 반도체 발광소자(1150)에서 생성되는 가시광에 대하여 90% 이하의 낮은 반사도를 가져 상당한 광 손실이 일어날 수 있다. 또한, 후면 측에서 손실되는 광 외에도 반도체 발광소자(1150)의 측면으로 누설되는 광 등을 고려하였을 때, 전반적으로 디스플레이 장치(1000)의 광 추출 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 효율적인 자가조립이 가능하면서, 광 추출 효율도 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 반도체 발광소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제안한다. 이하에서는, 도 21 및 도 22를 참조하여, 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 구조에 대해 설명한다.
도 21은 도 15 또는 도 17에 따른 반도체 발광소자를 이용한 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이고, 도 22는 도 15 또는 도 17에 따른 반도체 발광소자를 이용한 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따르면, 디스플레이 장치(2000, 3000)는 베이스부(2010, 3010)와, 베이스부(2010, 3010) 상에 배치되는 배선 전극들(2020, 3020) 및 반도체 발광소자들(2050, 3050)을 포함할 수 있다. 배선 전극들(2020, 3020)은 반도체 발광소자들의 도전형 전극, 즉, 제1 도전형 전극(2056, 3056) 및 제2 도전형 전극(2052, 3052)과 전기적으로 연결될 수 있다. 배선 전극들(2020, 3020)과 반도체 발광소자들(2050, 3050) 사이에는 절연층(2030)이 배치될 수 있다. 한편, 도면에 도시된 구조는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 실제 디스플레이 장치에서 배선 전극의 배치, 반도체 발광소자와 배선 전극의 전기적 연결 구조 등은 디스플레이 장치의 구동 방식 및 반도체 발광소자의 형태 등에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 어느 하나의 형태로 한정되지 않는다. 또한, 디스플레이 장치(2000, 30000)는 반도체 발광소자(2050, 3050)가 배치된 상태에서, 반도체 발광소자(2050, 3050)들의 상면을 덮는 평탄화층(2040, 3040)을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000, 3000)는 전술한 종래 디스플레이 장치(1000)와 상이한 구조의 반도체 발광소자들(2050, 3050)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 반도체 발광소자(2050, 3050)는 제1 도전형 전극(2056, 3056)이 형성된 제1 도전형 반도체층(2055, 3055), 제1 도전형 반도체층(2055, 3055) 상에 형성된 활성층(2054, 3054), 활성층(2054, 3054) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(2053, 3053), 제2 도전형 반도체층(2053, 3053) 상에 형성된 제2 도전형 전극(2052, 3052)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 일면에는 전술한 제1 도전형 전극(2056, 3056)과 활성층(2054, 3054)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 타면에는 언도프드 반도체층(또는 버퍼층)(2057, 3057)이 형성될 수 있다. 또한, 언도프드 반도체층(2057, 3057)을 기준으로 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)의 반대측에는 광투과층(2058, 3058)이 형성될 수 있다. 즉, 언도프드 반도체층(2057, 3057)의 일면에는 제1 도전형 반도체층(2055, 3055)이 형성되고, 언도프드 반도체층(2057, 3057)의 타면에는 광투과층(2058, 3058)이 형성될 수 있다. 광투과층(2058, 3058)은 반도체 발광소자(2050, 3050)의 유전 영동력을 향상시키기 위해 구비된 것으로, 전기 전도성 있는 물질로 형성될 수 있으며, 자가조립 시 조립기판에 안착되는 면에 형성된 층일 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치(2000, 3000)에서 광투과층(2058, 3058)은 베이스부(2010, 3010)를 향하도록 배치될 수 있으며, 광투과층(2058, 3058)은 베이스부(2010, 3010) 상에 배치된 배선 전극들(2020, 3020)과 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 광투과층은 ITO(Indium Tin Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IZTO(Indium Zinc Tin Oxide) 등으로 형성된 투명 전극층(2058)이거나, 또는 n형 도펀트가 고농도로 도핑된 반도체층(이하, 반도체층)(3058)일 수 있다. 광투과층을 형성하는 반도체층(3058)은 제1 도전형 반도체층(3055)과 동일하거나 제1 도전형 반도체층(3055)보다 높은 전기 전도도를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 디스플레이 장치는 기판의 전면으로 발광되는 구조와 기판의 배면으로 발광되는 구조를 구현할 수 있다. 일 실시예로, 디스플레이 장치(2000)는 전면 발광을 구현하기 위해 베이스부(2010) 상에 반사층(2070)을 더 포함할 수 있다. 반사층(2070)은 베이스부(2010) 상의 전면에 형성되거나 또는 적어도 반도체 발광소자(2050, 3050)가 배치되는 위치와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자(2050, 3050)의 광투과층(2058, 3058)을 통과한 광이 광투과층(2058, 3058)의 하부에 배치된 반사층(2070)에서 다시 전면을 향하여 재반사될 수 있다. 이 때, 반사층(2070)은 가시광에 대한 반사도가 우수한 Ag, Al 등으로 형성되어, 광손실을 최소화할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 평탄화층(2040)은 투명 유기막 재료로 형성될 수 있으며, 반도체 발광소자의 도전형 전극과 배선 전극을 전기적으로 연결하는 연결 전극(2060)은 투명한 재질, 예를 들어, 투명 전극으로 형성될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자의 제2 도전형 전극(2052)도 투명 전극으로 형성될 수 있다.
다른 실시예로, 디스플레이 장치(3000)는 기판 측으로 광이 추출되는 배면 발광을 구현할 수 있으며, 이를 위해 베이스부(3010)는 광투과성 재질로 구비될 수 있다. 또한, 평탄화층(3040)은 높은 반사율을 갖는 물질, 예를 들어, 화이트 절연체 또는 반사성 있는 비전도성 물질로 코팅되어 형성될 수 있으며, 연결 전극(3060) 및 반도체 발광소자의 제2 도전형 전극(3052) 또한 반사도가 높은 Ag, Al 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반도체 발광소자(2050, 3050)에서 생성된 광 중 기판의 후면을 향하는 광은 광투과층(3058) 및 베이스부(3010)를 투과하여 기판 측에서 광 추출이 가능하며, 기판의 전면을 향하는 광은 연결 전극(3060) 및/또는 평탄화층(3040)에서 기판의 후면 측으로 반사될 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 디스플레이 장치 또는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 디스플레이 장치일 수 있다.
이상에서 설명한 디스플레이 장치는 상기 실시예들의 구성과 방법으로 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 제1 도전형 전극;
    일면 상에는 상기 제1 도전형 전극이 형성되고, 타면 상에는 언도프드 반도체층이 형성된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하고,
    상기 언도프드 반도체층을 기준으로 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면의 타면에 전기 전도성 있는 물질로 형성된 광투과층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광투과층은, 적어도 일면이 표면 거칠기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광투과층은, 투명 전극층인 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광투과층은, 30nm 내지 500nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광투과층은, n형 도펀트로 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광투과층은, 상기 제1 도전형 반도체층의 전기 전도도와 동일하거나 상기 제1 도전형 반도체층의 전기 전도도보다 큰 전기 전도도를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광투과층은, 50nm 이상 200nm 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  8. 베이스부;
    상기 베이스부 상에 배치되며, 도전형 전극을 포함하는 반도체 발광소자;
    상기 베이스부 상에 배치되며, 상기 반도체 발광소자의 도전형 전극과 전기적으로 연결되는 배선 전극을 포함하고,
    상기 반도체 발광소자는, 제1 도전형 전극;
    일면 상에는 상기 제1 도전형 전극이 형성되고, 타면 상에는 언도프드 반도체층이 형성된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 도전형 전극을 포함하며,
    상기 언도프드 반도체층을 기준으로 상기 제1 도전형 반도체층이 형성된 면의 타면에 전기 전도성 있는 물질로 형성된 광투과층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는, 상기 광투과층이 상기 베이스부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스부는, 적어도 상기 반도체 발광소자가 배치되는 위치와 대응되는 위치에 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자의 제1 도전형 전극 및 제2 도전형 전극에서 상기 배선 전극으로 연장되는 연결 전극을 더 포함하며,
    상기 연결 전극은, 투명한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 베이스부는, 광투과성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 광투과층은, 적어도 일면이 표면 거칠기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 광투과층은, 투명 전극층인 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 광투과층은, n형 도펀트로 도핑된 반도체층인 것을 특징으로 하는, 반도체 발광소자.
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