KR20230070473A - 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층; 상기 제2 도전형 반도체층의 상기 활성층과 이격하여 위치하는 일면에 형성되는 MS(Metal-Semiconductor) 컨택층; 및 제1 도전형 반도체층에 형성되는 제1 금속층 및 상기 MS 컨택층을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층;을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층의 일면과 상기 MS 컨택층이 접하는 면적은 상기 활성층의 면적과 다르다.

Description

반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치
본 발명은 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 박형, 플렉서블 등의 우수한 특성을 가지는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 이에 반해, 현재 상용화된 주요 디스플레이는 LCD(Liguid Crystal Display)와 AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)로 대표되고 있다.
한편, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다. 따라서, 상기 반도체 발광 소자를 이용하여 플렉서블 디스플레이를 구현하여, 상기의 문제점을 해결하는 방안이 제시될 수 있다.
기술의 발전 및 소비자의 대화면, 저전력 및 고해상도 등의 요구에 따라 반도체 발광 소자를 구동하는 구동 전류의 크기가 제한된다. 반도체 발광 소자의 칩 사이즈가 동일하다고 할 때, 구동 전류의 크기가 감소하면서 반도체 발광 소자의 발광 효율에 대한 문제를 야기한다.
본 발명의 일 목적은 구동 전류가 낮아지는 경우 야기될 수 있는 반도체 발광 소자의 발광 효율이 감소하는 문제를 해결할 수 있는 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층; 상기 제2 도전형 반도체층의 상기 활성층과 이격하여 위치하는 일면에 형성되는 MS(Metal-Semiconductor) 컨택층; 및 상기 제1 도전형 반도체층에 형성되는 제1 금속층 및 상기 MS 컨택층을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층;을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층의 일면과 상기 MS 컨택층이 접하는 면적은 상기 활성층의 면적과 다르다.
상기 제2 도전형 반도체층의 일면의 면적은 상기 활성층과 접하는 타면의 면적과 다를 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 메사(mesa) 구조로 형성될 수 잇다.
상기 제2 도전형 반도체층의 일면의 면적은 유효발광면적에 대응될 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 수평투영면적이 동일할 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 단면적이 동일할 수 있다.
상기 MS 컨택층은 오믹 컨택(ohmic contact)으로 형성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 각각, 데이터 라인(data line) 및 스캔 라인(scan line)에 연결되는 다수의 픽셀을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서, 상기 다수의 픽셀은 각각, 반도체 발광 소자를 적어도 하나 이상 포함하는 발광부; 및 상기 반도체 발광 소자로 구동 전류를 공급하는 구동부;를 포함하고, 상기 반도체 발광 소자의 크기와 상기 구동 전류의 전류 밀도 사이에 반비례 관계가 성립되지 않는다.
상기 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층; 상기 제2 도전형 반도체층의 상기 활성층과 이격하여 위치하는 일면에 적층되는 오믹(ohmic contact) 컨택층; 및 상기 제1 도전형 반도체층에 형성되는 제1 금속층 및 상기 오믹 컨택층을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층;을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층의 일면과 상기 오믹 컨택층이 접하는 면적은 상기 활성층의 면적과 다를 수 있ㄷ.
상기 제2 도전형 반도체층은 메사(mesa) 구조로 형성될 수 있다.
상기 구동 전류의 전류 밀도는 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 오믹 컨택층이 접하는 면적에 반비례할 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 수평투영면적 또는 단면적이 동일할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층은 제1 영역에 대해 제1 방향으로 제2 영역이 단차를 갖게 형성되고, 상기 활성층은 상기 제2 영역에 형성되고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 면적이 동일할 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 제2 방향으로 대향하여 형성될 수 있다.
상기 다수의 픽셀은 각각, 상기 데이터 라인 및 상기 스캔 라인과 연결되어 상기 구동부의 활성화를 달리하는 스위칭부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 의하면, 반도체 발광 소자의 칩 사이즈와 무관하게 구동 전류의 전류 밀도를 증가시킬 수 있어, 반도체 발광 소자의 발광 효율, 특히 외부 양자 효율을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 의하면, 전류 밀도의 증가에 따라 디스플레이 장치가 저계조를 표현함에 있어 선형적 휘도 특성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 의하면, 구동 전류가 고정된 상태에서 발광 효율을 높이면서도 반도체 발광 소자의 칩 사이즈를 줄이지 않아도 되어, 공정 난이도를 낮춰 제품의 수율을 향상시키면서도 생산 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 A부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이다.
도 4는 도 3의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러 가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 정면에서 본 형상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 위에서 본 형상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 정면에서 본 형상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 13는 본 발명의 실시예에 따른 제2 도전형 반도체층을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율 및 전류 밀도의 구동 전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 일반적인 반도체 발광 소자의 칩 사이즈의 크기에 따른 외부 양자 효율과 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 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 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
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 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 피씨(Slate PC), Tablet PC, Ultra Book, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에는 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 플렉서블 디스플레이(flexible display)를 이용하여 표시될 수 있다.
플렉서블 디스플레이는 외력에 의하여 휘어질 수 있는, 구부러질 수 있는, 비틀어질 수 있는, 접힐 수 있는, 말려질 수 있는 디스플레이를 포함한다. 예를 들어, 플렉서블 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이의 디스플레이 특성을 유지하면서, 종이와 같이 휘어지거나, 구부리거나, 접을 수 있거나 말 수 있는 얇고 유연한 기판 위에 제작되는 디스플레이가 될 수 있다.
상기 플렉서블 디스플레이가 휘어지지 않는 상태(예를 들어, 무한대의 곡률반경을 가지는 상태, 이하 제1상태라 한다)에서는 상기 플렉서블 디스플레이의 디스플레이 영역이 평면이 된다. 상기 제1상태에서 외력에 의하여 휘어진 상태(예를 들어, 유한의 곡률반경을 가지는 상태, 이하, 제2상태라 한다)에서는 상기 디스플레이 영역이 곡면이 될 수 있다. 도시와 같이, 상기 제2상태에서 표시되는 정보는 곡면상에 출력되는 시각 정보가 될 수 있다. 이러한 시각 정보는 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다. 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미한다.
상기 플렉서블 디스플레이의 단위 화소는 반도체 발광 소자에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자의 일 종류로서 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 예시한다. 상기 발광 다이오드는 작은 크기로 형성되며, 이를 통하여 상기 제2상태에서도 단위 화소의 역할을 할 수 있게 된다.
이하, 상기 발광 다이오드를 이용하여 구현된 플렉서블 디스플레이에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A 부분의 부분 확대도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 라인 B-B 및 C-C를 따라 취한 단면도들이며, 도 4는 도 3a의 플립 칩 타입 반도체 발광 소자를 나타내는 개념도이고, 도 5a 내지 도 5c는 플립 칩 타입 반도체 발광 소자와 관련하여 컬러를 구현하는 여러 가지 형태를 나타내는 개념도들이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b의 도시에 의하면, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)로서 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치(100)를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다.
상기 디스플레이 장치(100)는 기판(110), 제1전극(120), 전도성 접착층(130), 제2전극(140) 및 복수의 반도체 발광 소자(150)를 포함한다.
기판(110)은 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 기판(110)은 유리나 폴리이미드(PI, Polyimide)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면, 예를 들어 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 어느 것이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질 어느 것이나 될 수 있다.
상기 기판(110)은 제1전극(120)이 배치되는 배선기판이 될 수 있으며, 따라서 상기 제1전극(120)은 기판(110) 상에 위치할 수 있다.
도시에 의하면, 절연층(160)은 제1전극(120)이 위치한 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 상기 절연층(160)에는 보조전극(170)이 위치할 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(110)에 절연층(160)이 적층된 상태가 하나의 배선기판이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연층(160)은 폴리이미드(PI, Polyimide), PET, PEN 등과 같이 절연성이 있고, 유연성 있는 재질로, 상기 기판(110)과 일체로 이루어져 하나의 기판을 형성할 수 있다.
보조전극(170)은 제1전극(120)과 반도체 발광 소자(150)를 전기적으로 연결하는 전극으로서, 절연층(160) 상에 위치하고, 제1전극(120)의 위치에 대응하여 배치된다. 예를 들어, 보조전극(170)은 닷(dot) 형태이며, 절연층(160)을 관통하는 전극홀(171)에 의하여 제1전극(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극홀(171)은 비아 홀에 도전물질이 채워짐에 의하여 형성될 수 있다.
본 도면들을 참조하면, 절연층(160)의 일면에는 전도성 접착층(130)이 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연층(160)과 전도성 접착층(130)의 사이에 특정 기능을 수행하는 레이어가 형성되거나, 절연층(160)이 없이 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조도 가능하다. 전도성 접착층(130)이 기판(110)상에 배치되는 구조에서는 전도성 접착층(130)이 절연층의 역할을 할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 접착성과 전도성을 가지는 층이 될 수 있으며, 이를 위하여 상기 전도성 접착층(130)에서는 전도성을 가지는 물질과 접착성을 가지는 물질이 혼합될 수 있다. 또한 전도성 접착층(130)은 연성을 가지며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 플렉서블 기능을 가능하게 한다.
이러한 예로서, 전도성 접착층(130)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 상기 전도성 접착층(130)은 두께를 관통하는 Z 방향으로는 전기적 상호 연결을 허용하나, 수평적인 X-Y 방향으로는 전기절연성을 가지는 레이어로서 구성될 수 있다. 따라서 상기 전도성 접착층(130)은 Z축 전도층으로 명명될 수 있다(다만, 이하 '전도성 접착층'이라 한다).
상기 이방성 전도성 필름은 이방성 전도매질(anisotropic conductive medium)이 절연성 베이스부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정 부분만 이방성 전도매질에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이하, 상기 이방성 전도성 필름에는 열 및 압력이 가해지는 것으로 설명하나, 상기 이방성 전도성 필름이 부분적으로 전도성을 가지기 위하여 다른 방법도 가능하다. 이러한 방법은, 예를 들어 상기 열 및 압력 중 어느 하나만이 가해지거나 UV 경화 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도매질은 예를 들어, 도전볼이나 전도성 입자가 될 수 있다. 도시에 의하면, 본 예시에서 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재에 혼합된 형태의 필름으로서, 열 및 압력이 가해지면 특정부분만 도전볼에 의하여 전도성을 가지게 된다. 이방성 전도성 필름은 전도성 물질의 코어가 폴리머 재질의 절연막에 의하여 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있으며, 이 경우에 열 및 압력이 가해진 부분이 절연막이 파괴되면서 코어에 의하여 도전성을 가지게 된다. 이때, 코어의 형태는 변형되어 필름의 두께방향으로 서로 접촉하는 층을 이룰 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 열 및 압력은 이방성 전도성 필름에 전체적으로 가해지며, 이방성 전도성 필름에 의하여 접착되는 상대물의 높이차에 의하여 Z축 방향의 전기적 연결이 부분적으로 형성된다.
다른 예로서, 이방성 전도성 필름은 절연 코어에 전도성 물질이 피복된 복수의 입자가 함유된 상태가 될 수 있다. 이 경우에는 열 및 압력이 가해진 부분이 전도성 물질이 변형되어(눌러 붙어서) 필름의 두께방향으로 전도성을 가지게 된다. 또 다른 예로서, 전도성 물질이 Z축 방향으로 절연성 베이스 부재를 관통하여 필름의 두께방향으로 전도성을 가지는 형태도 가능하다. 이 경우에, 전도성 물질은 뽀족한 단부를 가질 수 있다.
도시에 의하면, 상기 이방성 전도성 필름은 도전볼이 절연성 베이스 부재의 일면에 삽입된 형태로 구성되는 고정배열 이방성 전도성 필름(fixed array ACF)가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 절연성 베이스부재는 접착성을 가지는 물질로 형성되며, 도전볼은 상기 절연성 베이스부재의 바닥부분에 집중적으로 배치되며, 상기 베이스부재에서 열 및 압력이 가해지면 상기 도전볼과 함께 변형됨에 따라 수직방향으로 전도성을 가지게 된다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이방성 전도성 필름은 절연성 베이스부재에 도전볼이 랜덤하게 혼입된 형태나, 복수의 층으로 구성되며 어느 한 층에 도전볼이 배치되는 형태(double-ACF) 등이 모두 가능하다.
이방성 전도 페이스트는 페이스트와 도전볼의 결합형태로서, 절연성 및 접착성의 베이스 물질에 도전볼이 혼합된 페이스트가 될 수 있다. 또한, 전도성 입자를 함유한 솔루션은 전도성 particle 혹은 nano 입자를 함유한 형태의 솔루션이 될 수 있다.
다시 도면을 참조하면, 제2전극(140)은 보조전극(170)과 이격하여 절연층(160)에 위치한다. 즉, 상기 전도성 접착층(130)은 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치하는 절연층(160) 상에 배치된다.
절연층(160)에 보조전극(170)과 제2전극(140)이 위치된 상태에서 전도성 접착층(130)을 형성한 후에, 반도체 발광 소자(150)를 열 및 압력을 가하여 플립 칩 형태로 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 제1전극(120) 및 제2전극(140)과 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156)이 형성되는 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154) 상에 형성된 n형 반도체층(153) 및 n형 반도체층(153) 상에서 p형 전극(156)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(156)은 보조전극(170)과 전도성 접착층(130)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, n형 전극(152)은 제2전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 보조전극(170)은 일방향으로 길게 형성되어, 하나의 보조전극이 복수의 반도체 발광 소자(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조전극을 중심으로 좌우의 반도체 발광 소자들의 p형 전극들이 하나의 보조전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 열 및 압력에 의하여 전도성 접착층(130)의 내부로 반도체 발광 소자(150)가 압입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150)의 p형 전극(156)과 보조전극(170) 사이의 부분과, 반도체 발광 소자(150)의 n형 전극(152)과 제2전극(140) 사이의 부분에서만 전도성을 가지게 되고, 나머지 부분에서는 반도체 발광 소자의 압입이 없어 전도성을 가지지 않게 된다. 이와 같이, 전도성 접착층(130)은 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 사이 및 반도체 발광 소자(150)와 제2전극(140) 사이를 상호 결합시켜줄 뿐만 아니라 전기적 연결까지 형성시킨다.
또한, 복수의 반도체 발광 소자(150)는 발광 소자 어레이(array)를 구성하며, 발광 소자 어레이에는 형광체층(180)이 형성된다.
발광 소자 어레이는 자체 휘도값이 상이한 복수의 반도체 발광 소자들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 발광 소자(150)는 단위 화소를 구성하며, 제1전극(120)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제1전극(120)은 복수 개일 수 있고, 반도체 발광 소자들은 예컨대 수 열로 배치되며, 각 열의 반도체 발광 소자들은 상기 복수 개의 제1전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 반도체 발광 소자들이 플립 칩 형태로 접속되므로, 투명 유전체 기판에 성장시킨 반도체 발광 소자들을 이용할 수 있다. 또한, 상기 반도체 발광 소자들은 예컨대 질화물 반도체 발광 소자일 수 있다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(150)의 사이에 격벽(190)이 형성될 수 있다. 이 경우, 격벽(190)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 전도성 접착층(130)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(150)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(190)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 격벽(190)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다. 화이트 절연체의 격벽을 이용할 경우 반사성을 높이는 효과가 있을 수 있고, 블랙 절연체의 격벽을 이용할 경우, 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)를 증가시킬 수 있다.
형광체층(180)은 반도체 발광 소자(150)의 외면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 형광체층(180)은 상기 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키는 기능을 수행한다. 상기 형광체층(180)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(181) 또는 녹색 형광체(182)가 될 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(181)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(151) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(182)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(151)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다. 보다 구체적으로, 제1전극(120)의 각 라인을 따라 하나의 색상의 형광체가 적층될 수 있다. 따라서, 제1전극(120)에서 하나의 라인은 하나의 색상을 제어하는 전극이 될 수 있다. 즉, 제2전극(140)을 따라서, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)이 차례로 배치될 수 있으며, 이를 통하여 단위 화소가 구현될 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 형광체 대신에 반도체 발광 소자(150)와 퀀텀닷(QD)이 조합되어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들을 구현할 수 있다.
또한, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체층들의 사이에는 블랙 매트릭스(191)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(191)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 각각의 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.
이 경우, 반도체 발광 소자(150)는 각각 단위 화소(sub-pixel)를 이루기 위하여 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자일 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자(R, G, B)가 교대로 배치되고, 적색, 녹색 및 청색 반도체 발광 소자에 의하여 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue)의 단위 화소들이 하나의 화소(pixel)를 이루며, 이를 통하여 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 반도체 발광 소자는 황색 형광체층이 개별 소자마다 구비된 백색 발광 소자(W)를 구비할 수 있다. 이 경우에는, 단위 화소를 이루기 위하여, 백색 발광 소자(W) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비될 수 있다. 또한, 이러한 백색 발광 소자(W) 상에 적색, 녹색, 및 청색이 반복되는 컬러 필터를 이용하여 단위 화소를 이룰 수 있다.
도 5c를 참조하면, 자외선 발광 소자(UV) 상에 적색 형광체층(181), 녹색 형광체층(182), 및 청색 형광체층(183)이 구비되는 구조도 가능하다. 이와 같이, 반도체 발광 소자는 가시광선뿐만 아니라 자외선(UV)까지 전영역에 사용가능하며, 자외선(UV)이 상부 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용가능한 반도체 발광 소자의 형태로 확장될 수 있다.
본 예시를 다시 살펴보면, 반도체 발광 소자(150)는 전도성 접착층(130) 상에 위치되어, 디스플레이 장치에서 단위 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(150)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 화소를 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(150)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
또한, 한 변의 길이가 10㎛인 정사각형의 반도체 발광 소자(150)를 단위 화소로 이용하여도 디스플레이 장치를 이루기 위한 충분한 밝기가 나타난다. 따라서, 단위 화소의 크기가 한 변이 600㎛, 나머지 한변이 300㎛인 직사각형 화소인 경우를 예로 들면, 반도체 발광 소자의 거리가 상대적으로 충분히 크게 된다. 따라서, 이러한 경우, HD화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있게 된다.
상기에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 새로운 형태의 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 상기 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
본 도면을 참조하면, 먼저, 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 위치된 절연층(160) 상에 전도성 접착층(130)을 형성한다. 제1기판(110)에 절연층(160)이 적층되어 하나의 기판(또는 배선기판)을 형성하며, 상기 배선기판에는 제1전극(120), 보조전극(170) 및 제2전극(140)이 배치된다. 이 경우에, 제1전극(120)과 제2전극(140)은 상호 직교 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 제1기판(110) 및 절연층(160)은 각각 유리 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다.
상기 전도성 접착층(130)은 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 의하여 구현될 수 있으며, 이를 위하여 절연층(160)이 위치된 기판에 이방성 전도성 필름이 도포될 수 있다.
다음에, 보조전극(170) 및 제2전극(140)들의 위치에 대응하고, 개별 화소를 구성하는 복수의 반도체 발광 소자(150)가 위치된 제2기판(112)을 상기 반도체 발광 소자(150)가 보조전극(170) 및 제2전극(140)과 대향하도록 배치한다.
이 경우에, 제2기판(112)은 반도체 발광 소자(150)를 성장시키는 성장 기판으로서, 사파이어(spire) 기판 또는 실리콘(silicon) 기판이 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자는 웨이퍼(wafer) 단위로 형성될 때, 디스플레이 장치를 이룰 수 있는 간격 및 크기를 가지도록 함으로써, 디스플레이 장치에 효과적으로 이용될 수 있다.
그 다음에, 배선기판과 제2기판(112)을 열압착한다. 예를 들어, 배선기판과 제2기판(112)은 ACF press head 를 적용하여 열압착될 수 있다. 상기 열압착에 의하여 배선기판과 제2기판(112)은 본딩(bonding)된다. 열압착에 의하여 전도성을 갖는 이방성 전도성 필름의 특성에 의해 반도체 발광 소자(150)와 보조전극(170) 및 제2전극(140)의 사이의 부분만 전도성을 가지게 되며, 이를 통하여 전극들과 반도체 발광소자(150)는 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때에, 반도체 발광 소자(150)가 상기 이방성 전도성 필름의 내부로 삽입되며, 이를 통하여 반도체 발광 소자(150) 사이에 격벽이 형성될 수 있다.
그 다음에, 상기 제2기판(112)을 제거한다. 예를 들어, 제2기판(112)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2기판(112)을 제거하여 반도체 발광 소자들(150)을 외부로 노출시킨다. 필요에 따라, 반도체 발광 소자(150)가 결합된 배선기판 상을 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 코팅하여 투명 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반도체 발광 소자(150)의 일면에 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(150)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 적색 형광체 또는 녹색 형광체가 상기 청색 반도체 발광 소자의 일면에 레이어를 형성할 수 있다.
이상에서 설명된 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 제조 방법이나 구조는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다. 그 예로서, 상기에서 설명된 디스플레이 장치에는 수직형 반도체 발광 소자도 적용될 수 있다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 수직형 구조에 대하여 설명한다.
또한, 이하 설명되는 변형예 또는 실시예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 7은 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 다른 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 라인 D-D를 따라 취한 단면도이며, 도 9은 도 8의 수직형 반도체 발광소자를 나타내는 개념도이다.
본 도면들을 참조하면, 디스플레이 장치는 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 수직형 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치가 될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 기판(210), 제1전극(220), 전도성 접착층(230), 제2전극(240) 및 복수의 반도체 발광 소자(250)를 포함한다.
기판(210)은 제1전극(220)이 배치되는 배선기판으로서, 플렉서블(flexible) 디스플레이 장치를 구현하기 위하여 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 이외에도 절연성이 있고, 유연성 있는 재질이면 어느 것이라도 사용 가능할 것이다.
제1전극(220)은 기판(210) 상에 위치하며, 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 상기 제1전극(220)은 데이터 전극의 역할을 하도록 이루어질 수 있다.
전도성 접착층(230)은 제1전극(220)이 위치하는 기판(210)상에 형성된다. 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치와 같이, 전도성 접착층(230)은 이방성 전도성 필름(anistropy conductive film, ACF), 이방성 전도 페이스트(paste), 전도성 입자를 함유한 솔루션(solution) 등이 될 수 있다. 다만, 본 실시예에서도 이방성 전도성 필름에 의하여 전도성 접착층(230)이 구현되는 경우를 예시한다.
기판(210) 상에 제1전극(220)이 위치하는 상태에서 이방성 전도성 필름을 위치시킨 후에, 반도체 발광 소자(250)를 열 및 압력을 가하여 접속시키면, 상기 반도체 발광 소자(250)가 제1전극(220)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 반도체 발광 소자(250)는 제1전극(220) 상에 위치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 전기적 연결은 전술한 바와 같이, 이방성 전도성 필름에서 열 및 압력이 가해지면 부분적으로 두께방향으로 전도성을 가지기 때문에 생성된다. 따라서, 이방성 전도성 필름에서는 두께방향으로 전도성을 가지는 부분과 전도성을 가지지 않는 부분으로 구획된다.
또한, 이방성 전도성 필름은 접착 성분을 함유하기 때문에, 전도성 접착층(230)은 반도체 발광 소자(250)와 제1전극(220) 사이에서 전기적 연결뿐만 아니라 기계적 결합까지 구현한다.
이와 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 이와 같은 개별 반도체 발광 소자(250)의 크기는 한 변의 길이가 80㎛ 이하일 수 있고, 직사각형 또는 정사각형 소자일 수 있다. 직사각형인 경우에는 20X80㎛ 이하의 크기가 될 수 있다.
상기 반도체 발광 소자(250)는 수직형 구조가 될 수 있다.
수직형 반도체 발광 소자들의 사이에는, 제1전극(220)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되고, 수직형 반도체 발광 소자(250)와 전기적으로 연결된 복수의 제2전극(240)이 위치한다.
도 9를 참조하면, 이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(256), p형 전극(256) 상에 형성된 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254)상에 형성된 n형 반도체층(253) 및 n형 반도체층(253) 상에 형성된 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(256)은 제1전극(220)과 전도성 접착층(230)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(252)은 후술하는 제2전극(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(250)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(250)의 일면에는 형광체층(280)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 발광 소자(250)는 청색(B) 광을 발광하는 청색 반도체 발광 소자(251)이고, 이러한 청색(B) 광을 단위 화소의 색상으로 변환시키기 위한 형광체층(280)이 구비될 수 있다. 이 경우에, 형광체층(280)은 개별 화소를 구성하는 적색 형광체(281) 및 녹색 형광체(282) 일 수 있다.
즉, 적색의 단위 화소를 이루는 위치에서, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에는 청색 광을 적색(R) 광으로 변환시킬 수 있는 적색 형광체(281)가 적층될 수 있고, 녹색의 단위 화소를 이루는 위치에서는, 청색 반도체 발광 소자(251) 상에 청색 광을 녹색(G) 광으로 변환시킬 수 있는 녹색 형광체(282)가 적층될 수 있다. 또한, 청색의 단위 화소를 이루는 부분에는 청색 반도체 발광 소자(251)만 단독으로 이용될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 적용된 디스플레이 장치에서 전술한 바와 같이, 청색, 적색, 녹색을 구현하기 위한 다른 구조가 적용될 수 있다.
다시 본 실시예를 살펴보면, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치하고, 반도체 발광 소자들(250)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 반도체 발광 소자들(250)은 복수의 열로 배치되고, 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250)의 열들 사이에 위치할 수 있다.
개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250) 사이의 거리가 충분히 크기 때문에 제2전극(240)은 반도체 발광 소자들(250) 사이에 위치될 수 있다.
제2전극(240)은 일 방향으로 긴 바(bar) 형태의 전극으로 형성될 수 있으며, 제1전극과 상호 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)는 제2전극(240)에서 돌출된 연결 전극에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 연결 전극이 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 될 수 있다. 예를 들어, n형 전극은 오믹(ohmic) 접촉을 위한 오믹 전극으로 형성되며, 상기 제2전극은 인쇄 또는 증착에 의하여 오믹 전극의 적어도 일부를 덮게 된다. 이를 통하여 제2전극(240)과 반도체 발광 소자(250)의 n형 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 상에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 반도체 발광 소자(250)가 형성된 기판(210) 상에 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 포함하는 투명 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 절연층이 형성된 후에 제2전극(240)을 위치시킬 경우, 상기 제2전극(240)은 투명 절연층 상에 위치하게 된다. 또한, 제2전극(240)은 전도성 접착층(230) 또는 투명 절연층에 이격되어 형성될 수도 있다.
만약 반도체 발광 소자(250) 상에 제2전극(240)을 위치시키기 위하여는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극을 사용한다면, ITO 물질은 n형 반도체층과는 접착성이 좋지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 반도체 발광 소자(250) 사이에 제2전극(240)을 위치시킴으로써, ITO와 같은 투명 전극을 사용하지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 투명한 재료 선택에 구속되지 않고, n형 반도체층과 접착성이 좋은 전도성 물질을 수평 전극으로 사용하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도시에 의하면, 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 위치할 수 있다. 즉, 개별 화소를 이루는 반도체 발광 소자(250)를 격리시키기 위하여 수직형 반도체 발광 소자(250) 사이에는 격벽(290)이 배치될 수 있다. 이 경우, 격벽(290)은 개별 단위 화소를 서로 분리하는 역할을 할 수 있으며, 상기 전도성 접착층(230)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이방성 전도성 필름에 반도체 발광 소자(250)가 삽입됨에 의하여 이방성 전도성 필름의 베이스부재가 상기 격벽을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이방성 전도성 필름의 베이스 부재가 블랙이면, 별도의 블랙 절연체가 없어도 상기 격벽(290)이 반사 특성을 가지는 동시에 대비비(contrast)가 증가될 수 있다.
다른 예로서, 상기 격벽(190)으로서, 반사성 격벽이 별도로 구비될 수 있다. 격벽(290)은 디스플레이 장치의 목적에 따라 블랙(Black) 또는 화이트(White) 절연체를 포함할 수 있다.
만일 제2전극(240)이 반도체 발광 소자(250) 사이의 전도성 접착층(230) 상에 바로 위치된 경우, 격벽(290)은 수직형 반도체 발광 소자(250) 및 제2전극(240)의 사이사이에 위치될 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자(250)를 이용하여 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있고, 반도체 발광 소자(250)의 거리가 상대적으로 충분히 크게 되어 제2전극(240)을 반도체 발광 소자(250) 사이에 위치시킬 수 있고, HD 화질을 가지는 플렉서블 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 도시에 의하면, 대비비(contrast) 향상을 위하여 각각의 형광체 사이에는 블랙 매트릭스(291)가 배치될 수 있다. 즉, 이러한 블랙 매트릭스(291)는 명암의 대조를 향상시킬 수 있다.
상기 설명과 같이, 반도체 발광 소자(250)는 전도성 접착층(230) 상에 위치되며, 이를 통하여 디스플레이 장치에서 개별 화소를 구성한다. 반도체 발광 소자(250)는 휘도가 우수하므로, 작은 크기로도 개별 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자에 의하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 단위 화소들이 하나의 화소를 이루는 풀 칼라 디스플레이가 구현될 수 있다.
이상에서 설명된 디스플레이 장치의 배선 기판은 구동 방식, 즉 PM(Passive Matrix) 구동 또는 AM(Active Matrix) 구동에 따라 달리 구현될 수 있다. 예를 들어, AM 구동 방식의 경우, 비정질 실리콘의 박막 트랜지스터(TFT)가 형성된 백플레인(backplane)으로 구현될 수 있다. 이 경우, TFT의 채널 크기 및 배선 저항 등에 따라 개별 화소로 인가되는 구동 전류의 크기가 제한될 수 있다. 구동 전류의 크기가 제한되는 상황에서도, 제품의 소비 전력 및 수명 등의 관계에서 반도체 발광 소자의 발광 효율에 대해 높은 수준의 요구가 존재한다.
이하에서는, 구동 전류가 제한된 조건 하에서도 반도체 발광 소자의 발광 효율을 개선할 수 있는 방안에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 정면에서 본 형상을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 위에서 본 형상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자(1000)는, 제1 도전형 반도체층(1010), 제2 도전형 반도체층(1020), 활성층(1030), MS 컨택층(Metal-Semiconductor contact layer, 1040), 및 금속층(EELTa, EELTb)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020)은 각각, n형 반도체층 및 p형 반도체층일 수 있다. 즉, 제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020)은 각각, 성장 기판(GSUB) 상에서 성장된 반도체 결정에 n형 및 p형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 성장 기판(GSUB)은 사파이어 기판일 수 있고, 제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020)은 각 n형 GaN층 및 p형 GaN층일 수 있다.
도시되지는 않았으나, 성장 기판(GSUB)과 제1 도전형 반도체층(1010) 사이에는 버퍼층이 형성될 수 있다. 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 GaN로 형성되고, 후술되는 전사 과정에서 성장 기판(GSUB)이 분리되는 때에 활성층(1030)을 보호하는 기능 등을 수행할 수 있다.
도 10 및 도 11은 도 4의 플립 칩 타입(수평형)의 반도체 발광 소자와 같이 제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020)이 형성되는 예를 도시하고 있다. 그러나, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자(1000)를 나타내는 도 12에 도시된 바와 같이, 반도체 발광 소자(1000)는 도 9와 같이 수직형 반도체 발광 소자이고, 제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020)은 각각, 도 9의 n형 반도체층(253) 및 p형 반도체층(255)과 같이 형성될 수 있다.
다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 달리 언급하지 않는 한, 플립 칩 타입의 예를 위주로 기술되고, 이는 수직형 반도체 발광 소자의 경우에도 그대로 적용될 것이다.
계속해서 도 10 및 도 11을 참조하면, 제1 도전형 반도체층(1010)의 일면은 동일한 면적의 제1 영역 및 제2 영역으로 구분될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(1010)은 제1 영역 및 제2 영역은 서로 단차를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 단차는 약 0.5~2μm 정도일 수 있다. 예를 들어, 성장 기판(GSUB) 상에 동일 면적의 제1 도전형 반도체층(1010), 활성층(1030) 및 제2 도전형 반도체층(1020)이 순차적으로 적층된 후, 제1 도전형 반도체층(1010)의 제1 영역에 해당하는 부분을 식각하여 노출되게 함으로써 단차가 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(1010) 및 제2 도전형 반도체층(1020) 사이에 위치하여 빛을 발광하는 활성층(1030)은, 제1 도전형 반도체층(1010)의 일면의 일부에 형성될 수 있는데, 예를 들어, 제1 영역보다 단차 만큼 높게 형성되는 제2 영역에 위치할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(1020)의 일면의 면적은 제2 도전형 반도체층(1020)이 활성층(1030)과 접하는 제2 도전형 반도체층(1020)의 타면의 면적과 다를 수 있다. 제2 도전형 반도체층(1020)의 타면은 활성층(1030)과 동일하거나 유사한 면적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(1020)은 메사(mesa) 구조로 구현될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 제2 도전형 반도체층(1020)은 도 13과 같이, 상단부(1022) 및 하단부(1024)을 포함하고, 하단부(1024)의 단면적이 상단부(1022)의 단면적보다 넓은 메사 구조로 형성될 수 있다.
상단부(1022)의 면적 및 높이(또는 하단부(1024)의 높이)는 후술되는 유효발광 면적(E)이 상단부(1022)의 면적에 대응되어 형성되는데 작용하는, 제2 도전형 반도체층(1020)의 측면 방향(수평 방향)으로의 면저항과의 관계에서 설정될 수 있다. 예를 들어, 상단부(1022)의 면적이 좁아질수록 제2 도전형 반도체층(1020)의 측면 방향의 면저항이 커지게 되어, 유효발광 면적(E)은 상단부(1022)의 면적과 동일하거나 유사한 면적으로 형성될 수 있다.
이러한 메사 구조는 제2 도전형 반도체층(1020)이 형성된 후, 제2 도전형 반도체층(1020)의 일면에 제2 도전형 반도체층(1020)의 타면보다 좁은 면적의 포토 레지스터를 형성한 후 이를 식각하여 형성할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 제2 도전형 반도체층(1020)은, 그 일면과 MS 컨택층(1040)이 접하는 면적은 활성층(1030)의 면적과 다를 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(1020)은 밑면이 윗면보다 넓은 각뿔대 형상으로 형성될 수 있다.
계속해서 도 10 및 도 11을 참조하면, MS 컨택층(1040)은 제2 도전형 반도체층(1020)의 일면에 형성된다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(1020)이 도 13의 메사 구조로 형성되는 경우, MS 컨택층(1040)은 메사 구조의 상단부(1022)의 상부면에 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(1020)의 일면과 MS 컨택층(1040)이 접하는 면적은 메사 구조의 상단부(1022)의 상부면의 면적과 동일하고 활성층(1030)의 면적과 다르다.
MS 컨택층(1040)은 인접하는 반도체층과 금속층이 함유하는 물질을 조절하여 형성되거나 별도의 레이어로 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(1020)이 p형 반도체층인 경우, MS 컨택층(1040)은 제2 도전형 반도체층(1020) 상에 ITO, 또는 오믹 메탈(예를 들어, Pt, Pd, NiAu합금 등)을 적층하여 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성함으로써 구현될 수 있다.
금속층(EELTa, EELTb)은 제1 도전형 반도체층(1010)에 형성되는 제1 금속층(EELTa) 및 MS 컨택층(1040)을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층(EELTb)을 포함한다. 제1 도전형 반도체층(1010)이 n형 반도체층이고 제1 금속층(EELTa)이 Ti, Cr 등을 포함하는 경우, 추가적인 구조 없이 오믹 컨택이 형성될 수 있다.
제2 금속층(EELTb)은 MS 컨택층(1040)을 커버하고 나아가 MS 컨택층(1040)의 주변 영역에 더 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(1020)이 도 13과 같은 메사 구조로 형성되는 경우, 제2 금속층(EELTb)은 MS 컨택층(1040) 및 상단부(1022)의 측벽, 그리고 하단부(1024)의 상부면의 일부 또는 전부를 커버하여 적층될 수 있다.
이때, 도 11에 도시되는 바와 같이, 위에서 봤을 때의 제1 금속층(EELTa) 및 제2 금속층(EELTb)의 면적, 즉 수평투영면적이 동일할 수 있다. 또는, 제2 도전형 반도체층(1020)과 같이 메사 구조를 갖는 제2 금속층(EELTb) 전체의 단면적은 제1 금속층(EELTa)의 단면적과 동일할 수 있다. 즉, 반도체 발광 소자(1000)의 발광 효율이 최적화될 수 있는 구동 전류의 전류 밀도를 설정함에 있어, 칩 사이즈를 일정 크기로 유지할 수 있으므로, 금속층 등 다른 구성 요소의 크기 또한 일정 크기로 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자(1000)는 상기와 같은 구조로 구현되어, 반도체 발광 소자(1000)에 대한 구동 전류가 제한된 조건 하에, 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈와 무관하게, 반도체 발광 소자(1000)의 발광 효율을 개선할 수 있다. 예를 들어, 구동 전류의 크기가 동일한 상태에서 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈와 반도체 발광 소자(1000)에 대한 구동 전류가 반비례 비례가 성립되지 않는다. 즉, 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈를 유지하면서도, 반도체 발광 소자(1000)의 유효발광 면적(E)을 조율하여 구동 전류의 전류 밀도를 조율할 수 있다. 이에 대하여 더 자세히 설명한다.
도 14는 일반적인 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율 및 전류 밀도의 구동 전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 일반적인 반도체 발광 소자의 칩 사이즈가 고정된 값을 갖는 상황에서, 반도체 발광 소자에 공급되는 구동전류에 따라 전류밀도와 외부 양자 효율의 관계를 다음과 같이 3구간으로 구분하여 나타낼 수 있다.
첫 번째 구간(↘) 동안, 반도체 발광 소자에 공급되는 구동 전류가 인가됨에 따라 구동 전류의 전류 밀도도 증가되고, 마찬가지로 외부 양자 효율도 증가될 것이다.
도 10 등의 활성층(1030)에서의 외부 양자 효율은 동일한 에너지가 주어졌을 때의 휘도 값에 대응될 수 있다. 즉, 외부 양자 효율이 높으면 동일한 에너지 하에서 휘도 값이 높은 것을 의미하고, 따라서 이를 구비하는 디스플레이 장치의 소비 전력을 줄이고, 수명이 증가될 수 있다. 참고로, 외부 양자 효율은, 반도체 발광 소자의 기판, 전극, 및 유기 물질 등에 따라 달라질 수도 있으나, 본원에서는 구동 전류와의 관계에 한해 설명된다.
두 번째 구간(♭)에서 외부 양자 효율의 피크값(최대값)이 존재한다. 즉, 구동 전류가 증가하더라도 두 번째 구간(♭) 중 임의의 지점에서 외부 양자 효율을 감소하기 시작한다. 그 후 세 번째(♩) 구간에는 구동 전류가 증가하더라도 외부 양자 효율이 일괄적으로 감소한다. 따라서, 저전력 특성을 구현하기 위해서 구동 전류는 두 번째 구간(♭)에 해당하는 값으로 설정되어야 할 것이다.
그런데, 전술한 구동 전류의 제한에 의해, 즉 구동 전류의 크기가 매우 작은 값으로 제한됨으로써, 구동 전류 값이 첫 번째 구간(↘)에 위치하게 설정될 수 있다. 반도체 발광 소자가 두 번째 구간(♭)이 아닌, 첫 번째 구간(↘)에서 동작하므로, 반도체 발광 소자의 발광 효율이 감소될 수 있다. 이때, 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈를 줄여 비록 구동 전류의 크기가 제한되더라도 반도체 발광 소자가 두 번째 구간(♭)에서 동작하도록 제어할 수 있다.
이는 외부 양자 효율이 반도체 발광 소자의 칩 사이즈에 따라 구동 전류의 전류 밀도에 대해 다른 값을 갖기 때문이다.
도 15는 일반적인 반도체 발광 소자의 칩 사이즈의 크기에 따른 외부 양자 효율과 구동 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 칩 사이즈가 작은 경우(A), 칩 사이즈가 큰 경우(B) 보다 특정 전류값 이하에서는 외부 양자 효율의 값이 커지는 구간이 발생 할 수 있다. 따라서, 반도체 발광 소자의 칩 사이즈를 줄이는 경우, 비록 구동 전류의 크기가 제한되더라도, 반도체 발광 소자는 두 번째 구간(♭)에서 동작하여, 그 발광 효율을 최적화할 수 있다.
그런데, 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈는 전술된 전사 과정에서의 공정 난이도를 증가시키고 결국 수율의 문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자(1000)는 전술된 구조로 구비됨으로써, 그 칩 사이즈를 유지하면서도 발광 효율을 최적화할 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, 유효발광면적(E)은 제2 도전형 반도체층(1020)의 일면과 MS 컨택층(1040)이 접하는 면적에 대응하여 설정될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(1020)이 도 13과 같이 메사 구조로 형성될 경우, 제2 도전형 반도체층(1020)의 평균 두께가 감소됨으로써, 제2 도전형 반도체층(1020)의 측면 방향(수평 방향)으로의 면저항이 증가하게 된다.
따라서, 구동 전류는 제2 도전형 반도체층(1020)의 측면 방향으로 흐르지 못해 유효발광면적(E)은 제2 도전형 반도체층(1020)과 MS 컨택층(1040)이 접하는 면적만큼만 형성된다. 즉, 유효발광면적(E)은 제2 도전형 반도체층(1020)과 MS 컨택층(1040)이 접하는 면적, 즉 메사 구조 중 상단부(1022)의 상부면의 면적에 대응되어 형성될 수 있다.
이때, 제2 도전형 반도체층(1020)의 하단부(1024)의 측벽 높이(t)에 따라 제2 도전형 반도체층(1020)의 측면 방향으로의 면저항을 조율할 수 있고, 이에 따라 유효발광면적(E)이 요구되는 크기로 정확히 형성되게 할 수 있다.
이에 따라, 칩 사이즈의 축소에 따른 공정 마진이 감소하는 리스크 방지할 수 있다. 즉, 전술된 바와 같이, 반도체 발광 소자(1000)의 각 구성 요소의 크기를 유지하면서, 구동 전류가 그 크기의 제한에도 불구하고 도 14의 그래프 상 두 번째 구간(♭)에서 동작하게 할 수 있다. 예를 들어, 반도체 제2 금속층(EELTb)이 제1 금속층(EELTa)과 동일하거나 유사한 크기로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 소자(1000)는 구동 전류가 고정된 상태에서 발광 효율을 높이면서도 위해 반도체 발광 소자의 칩 사이즈를 줄이지 않아도 되어, 공정 난이도를 낮춰 제품의 수율을 향상시키면서도 생산 비용을 줄일 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(1600)는 데이터 라인(data line, DL) 및 스캔 라인(scan line, SL)에 연결되는 픽셀(PX)을 다수 포함한다. 도 16은 편의 상 하나의 픽셀(PX)만을 도시하였으나, 동일한 구조의 픽셀이 어레이의 형태로 다수 형성될 것이다.
데이터 라인(DL)으로 인가되는 데이터 신호가 다수의 컬러 신호를 포함하는 경우, 픽셀(PX)은 다수의 컬러 신호 중 하나에 대응되는 컬러를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(1600)가 R(Red), G(Green), B(Blue)의 컬러 신호로 이미지를 디스플레이하는 경우, 각각 R, G, B 중 하나를 나타내는 3개의 픽셀(PX)에 의해 디스플레이되는 이미지의 한 점의 디지털 값이 결정될 수 있다.
픽셀(PX)은 발광부(1620) 및 구동부(1640)를 포함한다.
발광부(1620)는 전술된 반도체 발광 소자(1000)를 적어도 하나 이상 포함하고, 대응되는 컬러로 발광한다. 이때, 반도체 발광 소자(1000) 자체가 대응되는 컬러를 발광하거나, 디스플레이 장치(1600)에 구비되는 별도의 컬러 필터에 의해 대응되는 컬러를 나타낼 수 있다.
반도체 발광 소자(1000)는 하나의 픽셀(PX)에 대해, 하나 또는 다수로 구비될 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀(PX)에 대해, 4개의 반도체 발광 소자(1000)가 구비될 수 있다. 이때, 4개의 반도체 발광 소자(1000)는 픽셀(PX) 내에서 서로 등간격이 되도록 위치할 수 있다.
구동부(1640)는 반도체 발광 소자(1000)로 구동 전류를 공급한다. 구동부(1640)는 박막 트랜지스터(Q2) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 디스플레이 장치(1600)에 요구되는 동작 특성에 대응되어 다양한 형태로 구현될 수 있다.
전술된 바와 같이, 반도체 발광 소자(1000)가 칩 사이즈와 무관하게 전류 밀도의 증가 또는 외부 양자 효율의 개선을 기대할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(1600)에서 구동 전류가 고정된 전제 하에, 반도체 발광 소자(1000)의 크기와 구동 전류의 전류 밀도 사이에 반비례 관계가 성립되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(1600)에서 구동 전류의 전류 밀도는 도 10 등의 유효발광면적(E)에 반비례한다.
따라서, 본 발명에 따른 디스플레이 장치(1600)는 반도체 발광 소자(1000)의 칩 사이즈와 무관하게 구동 전류의 전류 밀도를 증가시킬 수 있어, 반도체 발광 소자(1000)의 발광 효율, 특히 외부 양자 효율을 개선할 수 있고, 전류 밀도가 커짐에 따라 디스플레이 장치가 저계조를 표현함에 있어 휘도 특성을 유지할 수 있으며, 구동 전류가 고정된 상태에서 발광 효율을 높이면서도 반도체 발광 소자의 칩 사이즈를 줄이지 않아도 되어, 공정 난이도를 낮춰 제품의 수율을 향상시키면서도 생산 비용을 줄일 수 있다.
계속해서 도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치(1600)의 픽셀(PX) 각각은 개별적으로 구동될 수 있다. 이를 위해, 각각의 픽셀(PX)은 스위칭부(1660)를 더 포함할 수 있다. 스위칭부(1660)는 데이터 라인(DL)으로 인가되는 데이터 전압과 스캔 라인(SL)으로 인가되는 스캔 전압에 따라 온(on) 또는 오프(off)된다.
스위칭부(1660)는 상기의 온-오프 동작을 수행하는 박막 트랜지스터(Q1)를 포함할 수 있다. 도 16은 설명의 편의를 위해 스위칭부(1660)가 하나의 박막 트랜지스터(Q1)만을 구비하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스위칭부(1660)는 디스플레이 장치(1600)에 요구되는 동작 특성에 대응되어, 2개 이상의 박막 트랜지스터를 포함하거나, 박막 트랜지스터가 아닌 다른 소자를 포함하거나, 기생 커패시터 등을 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(1600)는 도 16과 달리 패시브 매트릭스 모드로 구동되도록 구현될 수도 있다.
이상에서 설명한 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층;
    상기 제2 도전형 반도체층의 상기 활성층과 이격하여 위치하는 일면에 형성되는 MS(Metal-Semiconductor) 컨택층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층에 형성되는 제1 금속층 및 상기 MS 컨택층을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층;을 포함하고,
    상기 제2 도전형 반도체층의 일면과 상기 MS 컨택층이 접하는 면적은 상기 활성층의 면적과 다른 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 일면의 면적은 상기 활성층과 접하는 타면의 면적과 다른 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 메사(mesa) 구조로 형성되는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 일면의 면적은 유효발광면적에 대응되는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 수평투영면적이 동일한 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 단면적이 동일한 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 MS 컨택층은 오믹 컨택(ohmic contact)으로 형성되는 반도체 발광 소자.
  8. 각각, 데이터 라인(data line) 및 스캔 라인(scan line)에 연결되는 다수의 픽셀을 포함하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 다수의 픽셀은 각각,
    반도체 발광 소자를 적어도 하나 이상 포함하는 발광부; 및
    상기 반도체 발광 소자로 구동 전류를 공급하는 구동부;를 포함하고,
    상기 반도체 발광 소자의 크기와 상기 구동 전류의 전류 밀도 사이에 반비례 관계가 성립되지 않는 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자는,
    제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하는 활성층;
    상기 제2 도전형 반도체층의 상기 활성층과 이격하여 위치하는 일면에 적층되는 오믹(ohmic contact) 컨택층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층에 형성되는 제1 금속층 및 상기 오믹 컨택층을 커버(cover)하여 형성되는 제2 금속층;을 포함하고,
    상기 제2 도전형 반도체층의 일면과 상기 오믹 컨택층이 접하는 면적은 상기 활성층의 면적과 다른 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 메사(mesa) 구조로 형성되는 디스플레이 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 구동 전류의 전류 밀도는 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 오믹 컨택층이 접하는 면적에 반비례하는 디스플레이 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층의 수평투영면적 또는 단면적이 동일한 디스플레이 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 제1 영역에 대해 제1 방향으로 제2 영역이 단차를 갖게 형성되고,
    상기 활성층은 상기 제2 영역에 형성되고,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 면적이 동일한 디스플레이 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 제2 방향으로 대향하여 형성되는 디스플레이 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 픽셀은 각각,
    상기 데이터 라인 및 상기 스캔 라인과 연결되어 상기 구동부의 활성화를 달리하는 스위칭부;를 더 포함하는 디스플레이 장치.
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