WO2018194242A1 - 마이크로 led 디스플레이 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2018194242A1
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light emitting
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partition wall
semiconductor layer
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신은성
조동희
김용필
문명지
장한빛
박재순
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주식회사 루멘스
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Definitions

  • the present invention relates to a micro LED display device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a micro LED display device having a partition structure between the micro LED pixel and the micro LED pixel and a method of manufacturing the same.
  • LIGHT EMITTING DEVICE is a kind of semiconductor device that converts electrical energy into light energy.
  • the light emitting device has advantages of low power consumption, semi-permanent life, fast response speed, safety, and environmental friendliness compared to conventional light sources such as fluorescent lamps and incandescent lamps.
  • the LED chip In general, if the LED chip is made small in the order of several to several tens of micro level, it is possible to overcome the disadvantages of bending when it is bent due to the characteristics of the inorganic material. In addition, it can be applied to a wide range of applications, from wearable devices to human implantable medical devices. However, in order to apply the LED light source in the above-mentioned applications, it is necessary to develop a thin and flexible micro-level light source, and in order to provide flexibility to the LED, the process of transferring the separated thin film GaN layer to the flexible substrate in an individual or desired arrangement is required. Required.
  • micro LED panel manufacturing technology that can realize one color (ie, red, green, and blue), but micro that can realize full color LED panel manufacturing technology has not yet been reported to academia and industry. Therefore, there is a need to develop a micro LED panel capable of realizing full color.
  • Still another object is to provide a micro LED display device having a structure in which a plurality of barrier ribs are repeatedly formed on a growth substrate corresponding to a position between the micro LED pixel and the micro LED pixel and a method of manufacturing the same.
  • Still another object is to provide a micro LED display device having a structure in which a plurality of barrier ribs are repeatedly formed on a first conductive semiconductor layer corresponding to a position between a micro LED pixel and a micro LED pixel, and a method of manufacturing the same.
  • Still another object is to provide a micro LED display device and a method of manufacturing the same, which can realize full color by injecting an R / G / B color conversion material between the partition walls.
  • Still another object is to provide a micro LED display device and a method for manufacturing the same, in which a white light emitting phosphor is injected between a partition wall and a partition, and a color filter is disposed thereon to realize full color.
  • a micro LED driving substrate in which a plurality of CMOS cells are arranged in rows and columns; And a micro LED panel flip-chip bonded onto the micro LED driver substrate and having a plurality of micro LED pixels electrically connected to the plurality of CMOS cells, wherein the micro LED panel comprises: a first surface of a light emitting structure; And a plurality of micro LED pixels formed by etching the plurality of micro LED pixels along the unit pixel area, and a plurality of partition walls formed on the second surface of the light emitting structure corresponding to the positions of the portions etched in the vertical direction. It provides a micro LED display device comprising a.
  • a method of manufacturing a micro LED backplane in which a plurality of CMOS cells are arranged in rows and columns; Manufacturing a micro LED panel formed by etching the first surface of the light emitting structure according to a unit pixel area, the micro LED panel including a plurality of micro LED pixels corresponding to the plurality of CMOS cells; Disposing a plurality of bumps on the micro LED driver substrate, and flip chip bonding the micro LED panel on the micro LED driver substrate on which the plurality of bumps are disposed; Coating a photoresist on the second surface of the light emitting structure, arranging a mask pattern on the photoresist, and then performing an exposure process of irradiating light; And forming a plurality of barrier ribs on the second surface of the light emitting structure by performing a developing process on the photosensitive agent that has undergone the exposure process.
  • micro LED display device and its manufacturing method according to embodiments of the present invention will be described below.
  • the color interference between the pixel and the pixel can be effectively eliminated, and R /
  • the G / B color light conversion material can be easily applied on the growth substrate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a drawing referred to to explain the number and size of pixels of a micro LED panel
  • FIG. 3 illustrates the operation of driving a micro LED panel through a CMOS backplane
  • 5A to 5G are views for explaining a method of manufacturing a micro LED display device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A to 7H are views for explaining a method of manufacturing a micro LED display device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining an example of the color filter structure according to the present invention.
  • 10A to 10H illustrate a method of manufacturing a micro LED display device according to a third embodiment of the present invention.
  • each layer (film), region, pattern or structures may be “top” or “bottom” of the substrate, each layer (film), region, pad or patterns.
  • “on” and “under” are “directly” or “indirectly through another layer.” "Includes all that are formed.
  • the criteria for up / down or down / down each layer will be described with reference to the drawings.
  • the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description.
  • the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
  • the present invention proposes a micro LED display device having a partition structure formed on a growth substrate or a light emitting structure corresponding to a position between pixels and capable of realizing full color, and a method of manufacturing the same.
  • the micro LED display device includes a micro LED panel including a plurality of micro LED pixels and a CMOS backplane including a plurality of CMOS cells for independently driving the plurality of micro LED pixels. Can be formed by flip chip bonding.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a first embodiment of the present invention.
  • the micro LED display apparatus 100 may include a micro LED driving substrate (or a CMOS backplane 130), a micro LED panel, and a plurality of bumps 135. It may include.
  • the micro LED panel is an LED panel having an array structure in which a plurality of micro LED pixels stacked on a wafer are arranged in a matrix, and outputting R / G / B light corresponding to an image signal of an image display device. Can be performed.
  • the plurality of micro LED pixels may be configured as any one of a blue light emitting device, a green light emitting device, a red light emitting device, and a UV light emitting device, but is not limited thereto.
  • the micro LED panel may include micro LED pixels arranged in a plurality of rows 720 and a plurality of columns 1280.
  • the plurality of micro LED pixels constituting the micro LED panel may be configured to each of the size of 8 ⁇ m * 8 ⁇ m.
  • the number and size of pixels of the micro LED panel may be changed and manufactured according to the use and type of the video display device.
  • the micro LED panel includes a light emitting structure (or a plurality of micro LED pixels 120), a growth substrate 110 on the light emitting structure 120, a plurality of partition walls 140 on the growth substrate 110, and a partition wall and a partition wall. It may include the R / G / B color light conversion material (150, 160, 170) located between.
  • the light emitting structure 120 may include a first conductive semiconductor layer, an active layer under the first conductive semiconductor layer, a second conductive semiconductor layer under the active layer, and a second conductive metal under the second conductive semiconductor layer.
  • the layer may include a first conductive metal layer and a passivation layer under the first conductive semiconductor layer.
  • the light emitting structure 120 may emit light having different wavelengths according to the composition ratio of the compound semiconductor.
  • the first conductive semiconductor layer may include a compound semiconductor of a group-group element doped with an n-type dopant.
  • a first conductivity type semiconductor layer is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), for example, InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN, etc. may be selected, and n-type dopants such as Si, Ge, Sn, and the like may be doped.
  • the active layer In the active layer, electrons (or holes) injected through the first conductivity type semiconductor layer and holes (or electrons) injected through the second conductivity type semiconductor layer meet each other to form an energy band according to the material of the active layer.
  • the layer emits light due to the band gap difference.
  • the active layer may be formed of any one of a single quantum well structure, a multi quantum well structure (MQW), a quantum dot structure, or a quantum line structure, but is not limited thereto.
  • the active layer may be formed of a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the active layer When the active layer is formed of a multi-quantum well structure, the active layer may be formed by alternately stacking a plurality of well layers and a plurality of barrier layers.
  • the second conductive semiconductor layer may include a compound semiconductor of a group-group element doped with a p-type dopant.
  • a second conductive metal layer (ie, p electrode) may be formed on the second conductive semiconductor layer, and a first conductive metal layer (ie, n electrode) may be formed on the first conductive semiconductor layer.
  • the first and second conductive metal layers provide power to a plurality of micro LED pixels formed in the micro LED panel.
  • the second conductive metal layer is disposed on the second conductive semiconductor layer corresponding to each of the micro LED pixels, and is formed through the CMOS cells 131 and the bumps 135 provided in the micro LED driving substrate 130. Can be electrically connected.
  • a reflective layer such as a distributed bragg reflector (DBR) is present on the second conductive semiconductor layer
  • the second conductive metal layer may be disposed on the reflective layer.
  • DBR distributed bragg reflector
  • the first conductive metal layer may be disposed on the mesa etched region of the first conductive semiconductor layer, and may be formed to be spaced apart from the plurality of micro LED pixels by a predetermined distance.
  • the first conductivity type metal layer may be formed to have a predetermined width along the periphery of the micro LED panel on the first conductivity type semiconductor layer.
  • the height of the first conductivity type metal layer may be formed to be substantially the same as the height of the plurality of micro LED pixels.
  • the first conductivity type metal layer is electrically connected to the common cell 132 of the micro LED driving substrate 130 by the bump 135 to function as a common electrode of the micro LED pixels.
  • the first conductivity type metal layer may be common ground.
  • a passivation layer may be formed on at least one side surface of the first conductive semiconductor layer, the active layer, the second conductive semiconductor layer, and the first and second conductive metal layers.
  • the passivation layer may be formed to electrically protect the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer.
  • SiO 2 , SiO x , SiO x N y , Si 3 N 4 It may be formed of Al 2 O 3 , but is not limited thereto.
  • the growth substrate 110 may be formed of at least one of a light transmitting material, for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • a light transmitting material for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • the plurality of separators 140 may be formed on a flat surface of the two surfaces of the growth substrate 110 on which the light emitting structures 120 are not stacked.
  • the plurality of partition walls 140 are disposed on the growth substrate 110 corresponding to a position between the pixel and the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched). Minimize color mixing between pixels.
  • the plurality of partition walls 140 may be manufactured through a photolithography process. Accordingly, the plurality of barrier ribs 140 may be formed of photo resist (PR).
  • Photoresist refers to a material that can selectively remove the light and the non-light portion during the subsequent development process by using the characteristic that the solubility in the developer is changed by receiving light of a specific wavelength.
  • the photosensitizer a polymer compound may be used, but is not limited thereto.
  • the plurality of partition walls 140 may be formed of a ceramic material instead of a polymer compound. In this case, a wet or dry etching process may be added to the photolithography process.
  • the heights of the barrier ribs 140 may be formed to be substantially the same, and the gap between the barrier ribs 140 and the barrier rib 140 may be formed to be equal to the pixel size.
  • R / G / B color light converting materials are disposed between the barrier ribs and the barrier ribs to change the wavelength of light emitted from each light emitting element (i.e. pixel). have.
  • the R / G / B color light conversion materials 150, 160, and 170 used in the micro LED panel 100 may be changed according to the type of wavelength emitted from the light emitting device.
  • red light-emitting phosphor 150 examples include GaAlAs; (Y, Gd) BO 3 : Eu 3+ ; Y 2 O 2 : Eu, etc. may be used, but is not limited thereto.
  • the green light emitting phosphor 160 may include GaP: N; Zn 2 SiO 4 : Mn; ZnS: Cu, Al, etc. may be used, but is not limited thereto.
  • As the blue light emitting phosphor 170 GaN; BaMgAl 14 O 23 : Eu 2+ ; ZnS: Ag or the like may be used, but is not limited thereto.
  • a quantum dot (or a quantum dot) may be used as the R / G / B color light conversion materials 150, 160, and 170.
  • Quantum dots are semiconductor nanoparticles with a diameter of several nanometers (nm) and have quantum mechanics such as quantum confinement effect or quantum confinement effect.
  • the quantum confinement effect refers to a phenomenon in which the band gap energy increases (conversely, the wavelength decreases) as the size of the semiconductor nanoparticles decreases.
  • Quantum dots made by chemical synthesis can achieve the desired color simply by changing the particle size without changing the material. For example, as shown in FIG. 4, according to the quantum confinement effect, the smaller the nanoparticle size may emit blue light having a shorter wavelength, and the larger the nanoparticle size may emit red light having a longer wavelength. .
  • the quantum dot may be a II-VI, III-V or IV material, and specifically, CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, InP, GaP, GaInP2, PbS, ZnO, TiO2, AgI, AgBr, It may be Hg12, PbSe, In2S3, In2Se3, Cd3P2, Cd3As2 or GaAs.
  • the quantum dot may have a core-shell structure.
  • the core includes any one material selected from the group consisting of CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe and HgS
  • the shell is CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, It may include any one material selected from the group consisting of ZnS, HgTe and HgS.
  • the micro LED driving substrate 130 may be disposed to face the micro LED panel, and may drive a plurality of micro LED pixels included in the micro LED panel in response to an input image signal.
  • the micro LED driving substrate 130 includes an active matrix circuit unit having a plurality of CMOS cells 131 for individually driving the plurality of micro LED pixels, and a common cell 132 disposed outside the active matrix circuit unit. can do.
  • CMOS cells 131 for individually driving the plurality of micro LED pixels
  • common cell 132 disposed outside the active matrix circuit unit.
  • a silicon (Si) substrate or a PCB substrate may be used, but is not limited thereto.
  • Each of the plurality of CMOS cells 131 included in the active matrix circuit unit is electrically connected to the corresponding micro LED pixel through the bump 135.
  • Each of the plurality of CMOS cells 131 is an integrated circuit (IC) for individually driving corresponding micro LED pixels.
  • each of the plurality of CMOS cells 131 may be a pixel driving circuit including two transistors and one capacitor, and flips the micro LED panel onto the micro LED driving substrate 130 using the bumps 135.
  • each micro LED pixel may be disposed between the drain terminal and the common ground terminal of the transistor of the pixel driving circuit in an equivalent circuit.
  • the common cell 132 disposed outside the active matrix circuit unit may include a data driver IC and a scan driver IC.
  • a plurality of micro LED pixels (not shown) constituting the micro LED panel may be located at intersections of the plurality of scanning lines 325 and the plurality of data lines 315. have.
  • the plurality of scanning lines 325 input to the plurality of micro LED pixels are controlled by the scan driver IC 320, and the plurality of data lines 315 input to the plurality of micro LED pixels are the data driver IC 310. Is controlled by
  • the scan driver IC 320 may scan all of the plurality of scanning lines 325 while providing image data.
  • the signal is turned on by inputting a high signal (H).
  • the data driver IC 310 supplies the image data to the plurality of data lines 315, pixels turned on in the scanning line pass the image data so that the corresponding image data is transferred through the micro LED panel. To be displayed. In this way, the scanning for one frame is completed as all scanning lines are sequentially scanned.
  • the micro LED display device by periodically arranging a plurality of barrier ribs on the growth substrate corresponding to the position between the pixel, the pixel interference between the pixel and the pixel Not only can it be effectively removed, but also the R / G / B color conversion material can be easily applied onto the growth substrate.
  • 5A to 5G illustrate a method of manufacturing a micro LED display device according to a first embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure 120 may be formed by sequentially growing the first conductive semiconductor layer 121, the active layer 122, and the second conductive semiconductor layer 123 on the growth substrate 110. Can be.
  • the growth substrate 110 may be formed of at least one of a light transmitting material, for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • a light transmitting material for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • the first conductive semiconductor layer 121 is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), for example InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN and the like may be selected, and n-type dopants such as Si, Ge, Sn, and the like may be doped.
  • the first conductivity type semiconductor layer 121 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, and xylene (SiH 4 ) gas together with hydrogen gas into a chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 xylene
  • An undoped semiconductor layer (not shown) and / or a buffer layer (not shown) may be further included between the growth substrate 110 and the first conductivity-type semiconductor layer 121,
  • the active layer 122 may be formed of a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the active layer 122 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, trimethyl indium (TMIn) gas, and ammonia (NH 3 ) gas into the chamber together with hydrogen gas.
  • TMGa trimethyl gallium
  • TMIn trimethyl indium
  • NH 3 ammonia
  • the second conductive semiconductor layer 123 is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), for example InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN and the like may be selected, and p-type dopants such as Mg, Zn, Ca, Sr, and Ba may be doped.
  • the second conductive semiconductor layer 123 may be formed of trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, bicetyl cyclopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg) ⁇ Mg (C 2 H 5 C 5 H 4 ) 2 ⁇ Can be formed by injecting the gas with the hydrogen gas into the chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • EtCp 2 Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • a plurality of light emitting devices may be formed by performing isolation etching on the light emitting structure 120 according to a unit pixel area.
  • the isolation etching may be performed by a dry etching method such as inductively coupled plasma (ICP).
  • ICP inductively coupled plasma
  • One top surface of the first conductivity-type semiconductor layer 121 is exposed through the isolation etching.
  • the edge region of the first conductivity-type semiconductor layer 121 may be etched to have a predetermined width.
  • a second conductive metal layer 124 may be formed on one top surface of the second conductive semiconductor layer 123, and may be formed on one top surface of the mesa-etched first conductive semiconductor layer 121.
  • the first conductivity type metal layer 125 may be formed.
  • the first and second conductive metal layers 124 and 125 may be formed by a deposition process or a plating process, but are not limited thereto.
  • a passivation layer 126 is formed on the growth substrate 110, the compound semiconductor layers 121, 122, and 123, the first conductive metal layer 125, and the second conductive metal layer 124.
  • the passivation layer 126 may be selectively removed to expose one upper surface of the first and second conductive metal layers 124 and 125 to the outside.
  • a plurality of bumps 135 are disposed on the CMOS cells 131 and the common cell 132 of the micro LED driving substrate 130.
  • the micro LED panel is inverted up and down so that the first and second conductivity type metal layers 124 and 125 face downward.
  • the micro LED driving substrate 130 and the micro LED panel in the state where the plurality of bumps 135 are disposed to face each other are brought into close contact with each other by one-to-one correspondence with the CMOS cells 131, and are heated. Then, the plurality of bumps 135 are melted, so that the CMOS cells 131 and the corresponding micro LED pixels are electrically connected to each other, and the common cell 132 of the micro LED driving substrate 130 and the corresponding ones are electrically connected.
  • the common electrode 125 of the micro LED panel is electrically connected.
  • the photosensitive agent PR 140 may be coated on the growth substrate 110 by using a spin coating method.
  • the surface of the growth substrate 110 may be chemically treated (eg, HMDS (HexaMethylDiSilazane) treatment) to improve adhesion between the growth substrate 110 and the photosensitive agent 140.
  • HMDS HexaMethylDiSilazane
  • the mask pattern 180 may be precisely aligned on the photosensitive agent 140, and then an exposure process of irradiating ultraviolet rays or the like may be performed.
  • the mask pattern 180 may be arranged in a matrix form, and the interval of the mask pattern 180 may correspond to the distance between the pixel and the pixel.
  • a plurality of partition walls 140 may be formed on the growth substrate 110 by performing a development process on the photosensitive agent 140 that has undergone the exposure process.
  • the plurality of partition walls 140 may be disposed on the growth substrate 110 corresponding to a position between the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched).
  • a water-soluble alkaline solution may be used as the developer for the photosensitive agent 140.
  • a material for forming a barrier rib is formed on a growth substrate, and a photoresist is stacked thereon, and then an exposure and development process is sequentially performed using a mask pattern, and the area exposed by the photoresist is wet.
  • a plurality of partitions may be formed on the growth substrate by dry etching.
  • an R phosphor 150 is injected between a first partition wall and a second partition wall formed on the growth substrate 110, and a G gap is formed between the second partition wall and the third partition wall formed on the growth substrate 110.
  • the phosphor 160 may be injected, and the B phosphor 170 may be injected between the third and fourth barrier ribs formed on the growth substrate 110. Accordingly, a pixel in which the R phosphor 150 is present between the barrier rib and the barrier rib may output red light, and a pixel in which the G phosphor 160 is present between the barrier rib and the barrier rib may output green light.
  • the pixel in which the B phosphor 170 is present between the barrier rib and the partition wall may output blue light.
  • the micro LED display apparatus 100 formed through the above-described processes may implement full color of high resolution (HD class).
  • the micro LED display device 100 may be applied to various display devices such as a head-up display (HUD), a head mounted display (HMD), and the like.
  • HUD head-up display
  • HMD head mounted display
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a second embodiment of the present invention.
  • an embodiment of the present invention may provide a micro LED display apparatus capable of minimizing scattering of light by removing a growth substrate.
  • the micro LED driving substrate 230, the light emitting structure 220, the plurality of partitions 240, and the R / G / B color light conversion materials 250, 260, and 270 are the micro LED driving substrate of FIG. 1. 130, the light emitting structure 120, the plurality of partitions 140, and the same as the R / G / B color light conversion materials 150, 160, and 170, a detailed description thereof will be omitted.
  • the micro LED display apparatus 200 may include a micro LED driving substrate 230, a micro LED panel, and a plurality of bumps 235.
  • the micro LED panel is an LED panel having an array structure in which a plurality of micro LED pixels stacked on a wafer are arranged in a matrix, and outputting R / G / B light corresponding to an image signal of an image display device. Can be performed.
  • the plurality of micro LED pixels may be configured as any one of a blue light emitting device, a green light emitting device, a red light emitting device, and a UV light emitting device, but is not limited thereto.
  • the micro LED panel may include a light emitting structure (or a plurality of micro LED pixels 220), a plurality of partitions 240 on the light emitting structure 220, and an R / G / B color light conversion material disposed between the partitions and the partitions. 250, 260, 270), and the like.
  • the light emitting structure 220 may include a first conductive semiconductor layer, an active layer, a second conductive semiconductor layer, a first conductive metal layer, a second conductive metal layer, and a passivation layer.
  • the light emitting structure 220 may emit light having different wavelengths according to the composition ratio of the compound semiconductor.
  • a second conductive metal layer (ie, a p electrode) may be formed on the second conductive semiconductor layer of the light emitting structure 220, and a first conductive metal layer (ie, n) may be formed on the first conductive semiconductor layer. Electrode) can be formed.
  • a passivation layer may be formed on at least one side surface of the first conductive semiconductor layer, the active layer, the second conductive semiconductor layer, and the first and second conductive metal layers. The passivation layer may be formed to electrically protect the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer.
  • SiO 2 , SiO x , SiO x N y , Si 3 N 4 It may be formed of Al 2 O 3 , but is not limited thereto.
  • the plurality of separators 240 may be formed on a flat surface that is not etched among two surfaces of the light emitting structure 220.
  • the plurality of partition walls 240 are disposed on the light emitting structure 220 corresponding to a position between the pixel and the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched) to minimize color mixing between the pixels. To perform the function.
  • the plurality of partition walls 240 may be manufactured through a photolithography process.
  • the heights of the barrier ribs 240 may be formed to be substantially the same, and the gap between the barrier ribs 240 and the barrier ribs 240 may be formed to be equal to the pixel size.
  • R / G / B color light converting materials are disposed between the barrier ribs and the barrier ribs to change the wavelength of light emitted from each light emitting element (ie, pixel).
  • the red light-emitting phosphor 250 include GaAlAs; (Y, Gd) BO 3 : Eu 3+ ; Y 2 O 2 : Eu; Quantum dots and the like may be used, but are not limited thereto.
  • the green light-emitting phosphor 260 include GaP: N; Zn 2 SiO 4 : Mn; ZnS: Cu, Al; Quantum dots and the like may be used, but are not limited thereto.
  • the blue light emitting phosphor 270 include GaN; BaMgAl 14 O 23 : Eu 2+ ; ZnS: Ag; Quantum dots and the like may be used, but are not limited thereto.
  • the micro LED driving substrate 230 may be disposed to face the micro LED panel, and may drive a plurality of micro LED pixels included in the micro LED panel in response to an input image signal.
  • the micro LED driving substrate 230 includes an active matrix circuit unit including a plurality of CMOS cells 231 for individually driving a plurality of micro LED pixels, and a common cell 232 disposed outside the active matrix circuit unit. It may include.
  • the micro LED display device by periodically arranging a plurality of partitions on the light emitting structure corresponding to the position between the pixel, thereby preventing color interference between the pixel and the pixel. It can effectively remove the light, minimize the scattering of light due to the growth substrate, and allow the R / G / B color conversion material to be easily applied onto the light emitting structure.
  • FIG. 7A to 7G illustrate a method of manufacturing a micro LED display device according to a second embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure 220 may be formed by sequentially growing the first conductive semiconductor layer 221, the active layer 222, and the second conductive semiconductor layer 223 on the growth substrate 210. Can be.
  • the growth substrate 210 may be formed of at least one of a light transmitting material, for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • a light transmitting material for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • the first conductive semiconductor layer 221 is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), for example InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN and the like may be selected, and n-type dopants such as Si, Ge, Sn, and the like may be doped.
  • the first conductivity type semiconductor layer 221 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, and xylene (SiH 4 ) gas together with hydrogen gas into a chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 xylene
  • the active layer 222 may be formed of a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the active layer 222 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, trimethyl indium (TMIn) gas, and ammonia (NH 3 ) gas into the chamber together with hydrogen gas.
  • TMGa trimethyl gallium
  • TMIn trimethyl indium
  • NH 3 ammonia
  • the second conductive semiconductor layer 223 includes trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, bicetyl cyclopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg) ⁇ Mg (C 2 H 5 C 5 H 4 ) 2 ⁇ Can be formed by injecting the gas with the hydrogen gas into the chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • EtCp 2 Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • a plurality of light emitting devices may be formed by performing isolation etching on the light emitting structure 220 according to a unit pixel area.
  • the isolation etching may be performed by a dry etching method such as inductively coupled plasma (ICP).
  • ICP inductively coupled plasma
  • a second conductive metal layer 224 may be formed on one top surface of the second conductive semiconductor layer 223, and may be formed on one top surface of the mesa-etched first conductive semiconductor layer 221.
  • the first conductivity type metal layer 225 may be formed.
  • the first and second conductive metal layers 225 and 224 may be formed by a deposition process or a plating process, but are not limited thereto.
  • a passivation layer 226 is formed on the growth substrate 210, the compound semiconductor layers 221, 222, and 223, the first conductive metal layer 225, and the second conductive metal layer 224.
  • the passivation layer 226 may be selectively removed to expose one top surface of the first and second conductivity-type metal layers 225 and 224 to the outside.
  • a plurality of bumps 235 are disposed on the CMOS cells 231 and the common cell 232 of the micro LED driving substrate 230.
  • the micro LED panel is inverted up and down so that the first and second conductivity type metal layers 225 and 224 face downward.
  • the micro LED driving substrate 230 and the micro LED panel in the state where the plurality of bumps 235 are disposed to face each other are brought into close contact with each other in a one-to-one correspondence, and then heated. Then, the plurality of bumps 235 are melted, so that the CMOS cells 231 and the corresponding micro LED pixels are electrically connected to each other, and the common cell 232 of the micro LED driving substrate 230 and the corresponding cells are electrically connected thereto.
  • the common electrode 225 of the micro LED panel is electrically connected.
  • the light emitting structure 220 using a laser lift off (LLO), chemical lift off (CLO), electrical lift off (ELO), an etching method, or the like.
  • LLO laser lift off
  • CLO chemical lift off
  • ELO electrical lift off
  • the growth substrate 210 attached thereto may be separated.
  • at least a portion of the growth substrate 210 may be removed by grinding the growth substrate 210 attached to the light emitting structure 220 flatly.
  • the photosensitive agent PR 240 may be coated on the light emitting structure 220 by using a spin coating method.
  • the surface of the light emitting structure 220 may be chemically treated (eg, HMDS (HexaMethylDiSilazane) treatment) to improve adhesion between the light emitting structure 220 and the photoresist 240.
  • HMDS HexaMethylDiSilazane
  • a protective layer for protecting the light emitting structure 220 may be formed between the light emitting structure 220 and the photosensitive agent 240.
  • the mask pattern 280 may be precisely aligned on the photosensitive agent 240, and then an exposure process of irradiating ultraviolet rays or the like may be performed.
  • a plurality of partition walls 240 may be formed on the light emitting structure 220 by performing a development process on the photosensitive agent 240 that has undergone the exposure process.
  • the plurality of partition walls 240 may be disposed on the light emitting structure 220 corresponding to the position between the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched).
  • a material for forming a barrier rib is formed on a growth substrate, and a photoresist is stacked thereon, and then an exposure and development process is sequentially performed using a mask pattern, and the area exposed by the photoresist is wet.
  • a plurality of partitions may be formed on the growth substrate by dry etching.
  • an R phosphor 250 is injected between a first partition wall and a second partition wall formed on the light emitting structure 220, and a G gap is formed between the second partition wall and the third partition wall formed on the light emitting structure 220.
  • the phosphor 260 may be injected, and the B phosphor 270 may be injected between the third and fourth barrier ribs formed on the light emitting structure 220. Accordingly, the pixel in which the R phosphor 250 is present between the barrier rib and the barrier rib may output red light, and the pixel in which the G phosphor 260 exists between the barrier rib and the barrier rib may output green light.
  • the pixel in which the B phosphor 270 is present between the barrier rib and the partition wall may output blue light.
  • the micro LED display apparatus 200 formed through the above-described processes can minimize light scattering by the growth substrate and can realize full color of high resolution (HD class).
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a micro LED display device according to a third embodiment of the present invention.
  • an embodiment of the present invention may provide a micro LED display apparatus capable of realizing full color by disposing a phosphor and a color filter between the barrier rib and the barrier rib.
  • the micro LED driving substrate 330, the light emitting structure 320, and the plurality of partitions 340 are the micro LED driving substrate 230, the light emitting structure 220, and the plurality of partitions 240 of FIG. 6. ), So a detailed description thereof will be omitted.
  • the micro LED display device 300 may include a micro LED driving substrate 330, a micro LED panel, and a plurality of bumps 335.
  • the micro LED panel is an LED panel having an array structure in which a plurality of micro LED pixels stacked on a wafer are arranged in a matrix, and outputting R / G / B light corresponding to an image signal of an image display device. Can be performed.
  • the plurality of micro LED pixels may be configured as any one of a blue light emitting device, a green light emitting device, a red light emitting device, and a UV light emitting device, but is not limited thereto.
  • the micro LED panel includes a light emitting structure (or a plurality of micro LED pixels 320), a plurality of partitions 340 on the light emitting structure 320, a phosphor 350 positioned between the partition walls and the phosphors 350, and the phosphor 350.
  • the plurality of separators 340 may be formed on a flat surface that is not etched among two surfaces of the light emitting structure 320.
  • the plurality of barrier ribs 340 are disposed on the light emitting structure 320 corresponding to a position between the pixel and the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched) to minimize color mixing between the pixels.
  • the plurality of partitions 340 may be manufactured through a photolithography process.
  • the heights of the barrier ribs 340 may be formed to be substantially the same, and the gap between the barrier ribs 340 and the barrier rib 340 may be formed to be equal to the pixel size.
  • the phosphor 350 may be disposed between the partition wall 340 and the partition wall 340 on the light emitting structure 320 to change the wavelength of light emitted from the plurality of micro LED pixels to a white wavelength.
  • a yellow phosphor (Y 3 Al 5 O 12: Ce-based (YAG: Ce)) may be used as the phosphor.
  • a phosphor mixed with a green phosphor and a red phosphor may be used as the phosphor.
  • the light emitting structure 320 is a UV LED
  • a phosphor mixed with a blue phosphor, a green phosphor, and a red phosphor may be used as the phosphor.
  • the color filters 360, 370, and 380 may be attached on the phosphor 350 in units of pixels to pass only light having a specific wavelength among the white light emitted from the phosphor 350. That is, the R filter 360 may pass only a wavelength of red light among the white light emitted from the phosphor 350, and the G filter 370 may pass only a wavelength of green light among the white light emitted from the phosphor 350. In addition, the B filter 380 may pass only a wavelength of blue light among the white light emitted from the phosphor 350.
  • the pixel in which the phosphor 350 and the R filter 360 are present between the partition wall and the partition wall may output red light
  • the pixel in which the phosphor 350 and the G filter 370 exist between the partition wall and the partition wall. May output green light
  • a pixel in which the phosphor 350 and the B filter 380 exist between the partition wall and the partition wall may output blue light.
  • the color filter 900 includes a transparent substrate 910, a black matrix 920, a color filter layer 930, 940, 950, and an over coat layer 960. ) And an ITO layer 970.
  • the transparent substrate 910 may be formed of thin glass or plastic.
  • the black matrix 920 is disposed on the transparent substrate 910 to be located in an optically inactivated area of the transparent substrate 910 to prevent light leakage.
  • the black matrix 920 should have a low reflectance for optimal contrast ratio.
  • the black matrix 920 may be formed of an inorganic material or an organic material, and chromium (Cr) may be preferably used.
  • the color filter layers 930, 940, 950 may be disposed on the transparent substrate 910 and include R / G / B dyes or pigments.
  • the over coat layer 960 protects the color filter layers 930, 940, and 950 from impurities and planarizes the surface of the color filter 900.
  • the over coat layer 960 may be formed of a transparent acrylic resin, polyimide resin, or polyurethane resin.
  • An ITO layer 970 may be formed on the over coat layer 960.
  • the micro LED driving substrate 330 is disposed to face the micro LED panel, and may function to drive a plurality of micro LED pixels provided in the micro LED panel in response to an input image signal.
  • the micro LED driving substrate 330 includes an active matrix circuit unit including a plurality of CMOS cells 331 for individually driving a plurality of micro LED pixels, and a common cell 332 disposed outside the active matrix circuit unit. It may include.
  • the micro LED display device by periodically arranging a plurality of partitions on the light emitting structure corresponding to the position between the pixel and the pixel, thereby preventing color interference between the pixel and the pixel. It can effectively remove, minimize the scattering of light due to the growth substrate, and allows the white light emitting phosphor to be easily applied on the light emitting structure.
  • 10A to 10G illustrate a method of manufacturing a micro LED display device according to a third embodiment of the present invention.
  • the light emitting structure 320 may be formed by sequentially growing the first conductive semiconductor layer 321, the active layer 322, and the second conductive semiconductor layer 323 on the growth substrate 310. Can be.
  • the growth substrate 310 may be formed of at least one of a light transmitting material, for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • a light transmitting material for example, sapphire (Al 2 O 3 ), a single crystal substrate, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge. It is not limited thereto.
  • the first conductive semiconductor layer 321 is a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), for example InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN and the like may be selected, and n-type dopants such as Si, Ge, Sn, and the like may be doped.
  • the first conductivity type semiconductor layer 321 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, and xylene (SiH 4 ) gas together with hydrogen gas into a chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 xylene
  • the active layer 322 may be formed of a semiconductor material having a composition formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the active layer 322 may be formed by injecting trimethyl gallium (TMGa) gas, trimethyl indium (TMIn) gas, and ammonia (NH 3 ) gas into the chamber together with hydrogen gas.
  • TMGa trimethyl gallium
  • TMIn trimethyl indium
  • NH 3 ammonia
  • the second conductive semiconductor layer 323 may be formed of trimethyl gallium (TMGa) gas, ammonia (NH 3 ) gas, bicetyl cyclopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg) ⁇ Mg (C 2 H 5 C 5 H 4 ) 2 ⁇ Can be formed by injecting the gas with the hydrogen gas into the chamber.
  • TMGa trimethyl gallium
  • NH 3 ammonia
  • EtCp 2 Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • Mg bicetyl cyclopentadienyl magnesium
  • a plurality of light emitting devices may be formed by performing isolation etching on the light emitting structure 320 according to a unit pixel area.
  • the isolation etching may be performed by a dry etching method such as inductively coupled plasma (ICP).
  • ICP inductively coupled plasma
  • a second conductive metal layer 324 may be formed on one top surface of the second conductive semiconductor layer 323, and may be formed on one top surface of the mesa-etched first conductive semiconductor layer 321.
  • the first conductivity type metal layer 325 may be formed.
  • the first and second conductivity-type metal layers 325 and 324 may be formed by a deposition process or a plating process, but is not limited thereto.
  • a passivation layer 326 is formed on the growth substrate 310, the compound semiconductor layers 321, 322, and 323, and the first and second conductivity type metal layers 325, and the first and second conductivity types are formed.
  • the passivation layer 326 may be selectively removed to expose one upper surface of the metal layers 325 and 324 to the outside.
  • a plurality of bumps 335 are disposed on the CMOS cells 331 and the common cell 332 of the micro LED driving substrate 330.
  • the micro LED panel is inverted up and down so that the first and second conductivity type metal layers 325 and 324 face downward.
  • the micro LED driving substrate 330 and the micro LED panel in the state where the plurality of bumps 335 are disposed face each other so that the CMOS cells 331 and the micro LED pixels are in close contact with each other and then heated. Then, the plurality of bumps 335 are melted, so that the CMOS cells 331 and the corresponding micro LED pixels are electrically connected to each other, and the common cell 332 of the micro LED driving substrate 330 and the corresponding ones thereof are electrically connected.
  • the common electrode 325 of the micro LED panel is electrically connected.
  • the light emitting structure 320 using a laser lift off (LLO), chemical lift off (CLO), electrical lift off (ELO), an etching method, or the like.
  • LLO laser lift off
  • CLO chemical lift off
  • ELO electrical lift off
  • the growth substrate 310 attached thereto may be separated.
  • the photoresist PR 340 may be coated on the light emitting structure 320 by using a spin coating method.
  • the surface of the light emitting structure 320 may be chemically treated (eg, HMDS (HexaMethylDiSilazane) treatment) to improve adhesion between the light emitting structure 320 and the photoresist 340.
  • HMDS HexaMethylDiSilazane
  • a protective layer for protecting the light emitting structure 320 may be formed between the light emitting structure 320 and the photosensitive agent 340.
  • the mask pattern 380 may be precisely aligned on the photosensitive agent 340, and then an exposure process of irradiating ultraviolet rays or the like may be performed.
  • a plurality of barrier ribs 340 may be formed on the light emitting structure 320 by performing a development process on the photoresist 340 that has undergone the exposure process.
  • the plurality of barrier ribs 340 may be disposed on the light emitting structure 320 corresponding to a position between the pixel (ie, the region where the active layer and the second conductive semiconductor layer are etched).
  • a material for forming a barrier rib is formed on a growth substrate, and a photoresist is stacked thereon, and then an exposure and development process is sequentially performed using a mask pattern, and the area exposed by the photoresist is wet.
  • a plurality of partitions may be formed on the growth substrate by dry etching.
  • the phosphor 350 may be injected between the partition wall 340 and the partition wall 340 formed on the light emitting structure 320. Accordingly, the phosphor 350 may change the wavelength of light emitted from the micro LED pixel to a white wavelength.
  • the color filters 360, 370, and 380 may be formed (or attached) on the plurality of partitions 340 and the phosphor 350. Accordingly, the R filter 360 of the color filters can pass only the wavelength of the red light of the white light emitted from the phosphor 350, the G filter 370 of the green light of the white light emitted from the phosphor 350 Only the wavelength may be passed, and the B filter 380 may pass only the wavelength of blue light among the white light emitted from the phosphor 350.
  • the micro LED display device 300 formed through the above-described processes can minimize light scattering by the growth substrate and can realize full color of high resolution (HD class).

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Abstract

본 발명은 고 해상도의 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치에 관한 것으로, 복수의 CMOS 셀들이 행과 열로 배열되는 마이크로 LED 구동기판(backplane); 및 상기 마이크로 LED 구동기판 상에 플립칩 본딩되며, 상기 복수의 CMOS 셀들과 전기적으로 연결되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구비하는 마이크로 LED 패널을 포함하되, 상기 마이크로 LED 패널은, 발광 구조물의 제1 면을 단위 픽셀 영역에 따라 식각(etching)하여 형성된 복수의 마이크로 LED 픽셀들과, 상기 발광 구조물을 수직 방향으로 식각한 부분들의 위치에 대응하는 상기 발광 구조물의 제2 면 상에 형성되는 복수의 격벽들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법
본 발명은 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 마이크로 LED 픽셀과 마이크로 LED 픽셀 사이에 격벽 구조를 갖는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 소자(LIGHT EMITTING DEVICE, LED)는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 반도체 소자의 일종이다. 발광 소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
이에 기존의 광원을 발광 소자로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 실내 외에서 사용되는 각종 램프, 액정표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 발광 소자를 사용하는 경우가 증가하고 있다.
최근, LED 산업은 기존의 전통조명의 범위를 넘어 다양한 산업에 적용되기 위한 새로운 시도가 이루어지고 있는데, 특히 저전력 구동 플렉서블 디스플레이, 인체 모니터링을 위한 부착형 정보표시소자, 생체반응 및 DNA 센싱, 광유전학 유효검증을 위한 바이오 융합 분야, 전도성 섬유와 LED 광원이 결합한 Photonics Textile 분야 등에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 LED 칩을 수 내지 수십 마이크로 수준으로 작게 제작하게 되면 무기물 재료의 특성상 휘어질 때 깨지는 단점을 극복할 수 있으며, 유연한 기판에 LED 칩을 전사함으로써 유연성(flexibility)을 부여하여 앞서 언급된 플렉서블 디스플레이 뿐만 아니라 웨어러블 기기 및 인체 삽입용 의료기기까지 다양한 응용 분야에 광범위하게 적용될 수 있다. 다만, 위에 언급된 응용 분야에서 LED 광원이 적용되기 위해서는 얇고 유연한 마이크로 수준의 광원 개발이 필수이고, LED에 유연성을 부여하기 위해서는 분리된 박막 GaN층을 개별 또는 원하는 배열로 유연한 기판에 전사하는 공정이 요구된다.
이러한 마이크로 LED 기술 분야에 대한 연구 및 개발에 따라, 현재 하나의 색상(즉, 적색, 녹색, 청색)을 구현할 수 있는 마이크로 LED 패널 제조 기술은 존재하지만, 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있는 마이크로 LED 패널 제조 기술은 아직 학계나 산업계에 보고되고 있지 않다. 따라서, 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있는 마이크로 LED 패널을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 마이크로 LED 픽셀과 마이크로 LED 픽셀 사이의 위치에 대응하는 성장 기판 상에 복수의 격벽들이 반복적으로 형성되는 구조를 갖는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 마이크로 LED 픽셀과 마이크로 LED 픽셀 사이의 위치에 대응하는 제1 도전형 반도체층 상에 복수의 격벽들이 반복적으로 형성되는 구조를 갖는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 격벽과 격벽 사이에 R/G/B 색광 변환 물질을 주입하여 풀 컬러를 구현할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 격벽과 격벽 사이에 백색 발광용 형광체를 주입하고, 그 위에 컬러 필터를 배치하여 풀 컬러를 구현할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 CMOS 셀들이 행과 열로 배열되는 마이크로 LED 구동기판(backplane); 및 상기 마이크로 LED 구동기판 상에 플립칩 본딩되며, 상기 복수의 CMOS 셀들과 전기적으로 연결되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구비하는 마이크로 LED 패널을 포함하되, 상기 마이크로 LED 패널은, 발광 구조물의 제1 면을 단위 픽셀 영역에 따라 식각(etching)하여 형성된 복수의 마이크로 LED 픽셀들과, 상기 발광 구조물을 수직 방향으로 식각한 부분들의 위치에 대응하는 상기 발광 구조물의 제2 면 상에 형성되는 복수의 격벽들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 CMOS 셀들이 행과 열로 배열되는 마이크로 LED 구동기판(backplane)을 제조하는 단계; 발광 구조물의 제1 면을 단위 픽셀 영역에 따라 식각(etching)하여 형성되며, 상기 복수의 CMOS 셀들에 대응하는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 포함하는 마이크로 LED 패널을 제조하는 단계; 상기 마이크로 LED 구동기판 상에 복수의 범프들을 배치하고, 상기 복수의 범프들이 배치된 마이크로 LED 구동기판 상에 상기 마이크로 LED 패널을 플립 칩 본딩하는 단계; 상기 발광 구조물의 제2 면에 감광제를 코팅하고, 상기 감광제 위에 마스크 패턴을 배치한 후 광을 조사하는 노광 공정을 수행하는 단계; 및 상기 노광 공정을 거친 감광제에 대해 현상 공정을 수행하여 상기 발광 구조물의 제2 면 상에 복수의 격벽을 형성하는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 성장기판 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, R/G/B 색광 변환 물질이 성장기판 상에 용이하게 도포될 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 발광 구조물 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있고, 성장 기판으로 인한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, R/G/B 색광 변환 물질이 발광 구조물 상에 용이하게 도포될 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 발광 구조물 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있고, 성장 기판으로 인한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, 백색 발광용 형광체가 발광 구조물 상에 용이하게 도포될 수 있도록 하는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도;
도 2는 마이크로 LED 패널의 픽셀 수 및 크기를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 CMOS 백플레인을 통해 마이크로 LED 패널을 구동하는 동작을 설명하는 도면;
도 4는 퀀텀닷의 크기와 발광 색상 간의 관계를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면;
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도;
도 7a 내지 도 7h는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면;
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도;
도 9는 본 발명과 관련된 컬러필터 구조의 일 예를 설명하는 도면;
도 10a 내지 도 10h는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면.
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. 이하, 본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 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 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 성장 기판 또는 발광 구조물 상에 형성되는 격벽 구조물을 구비하며, 풀 컬러를 구현할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제안한다. 이하, 본 실시 예에서, 마이크로 LED 디스플레이 장치는, 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 포함하는 마이크로 LED 패널과 상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 독립적으로 구동하기 위한 복수의 CMOS 셀들을 포함하는 CMOS 백플레인이 범프(bump)를 통해 플립칩 본딩함으로써 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1 실시 예
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치(100)는 마이크로 LED 구동기판(또는 CMOS 백플레인(backplane), 130), 마이크로 LED 패널 및 복수의 범프들(135)을 포함할 수 있다.
마이크로 LED 패널은 웨이퍼 상에 적층된 복수의 마이크로 LED 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 어레이(array) 구조를 갖는 LED 패널로서, 영상 표시 기기의 영상 신호에 대응하는 R/G/B 광을 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 복수의 마이크로 LED 픽셀들은, 청색 발광소자, 녹색 발광소자, 적색 발광소자 및 UV 발광소자 중 어느 하나로 구성될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다.
일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 LED 패널은, 복수의 행(720)과 복수의 열(1280)로 배열된 마이크로 LED 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 마이크로 LED 패널을 구성하는 복수의 마이크로 LED 픽셀들은 각각 8㎛ * 8㎛의 크기로 구성될 수 있다. 하지만, 영상 표시 기기의 용도 및 종류 등에 따라, 마이크로 LED 패널의 픽셀 수 및 크기 등을 변경하여 제작할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이러한 마이크로 LED 패널은 발광 구조물(또는 복수의 마이크로 LED 픽셀들, 120), 상기 발광 구조물(120) 상의 성장 기판(110), 상기 성장 기판(110) 상의 복수의 격벽(140), 및 격벽과 격벽 사이에 위치하는 R/G/B 색광 변환 물질(150, 160, 170) 등을 포함할 수 있다.
발광 구조물(120)은, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 아래의 활성층, 상기 활성층 아래의 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층 아래의 제2 도전형 메탈층, 상기 제1 도전형 반도체층 아래의 제1 도전형 메탈층 및 패시베이션 층을 포함할 수 있다. 이러한 발광 구조물(120)은 화합물 반도체의 조성비에 따라 서로 다른 파장의 광을 방사할 수 있다.
제1 도전형 반도체층은 n형 도펀트가 도핑된 족-족 원소의 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 이러한 제1 도전형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
활성층은 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 활성층의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다. 상기 활성층은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 활성층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 활성층이 다중 양자 우물 구조로 형성된 경우, 상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층은 p형 도펀트가 도핑된 족-족 원소의 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 이러한 제2 도전형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y=1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층 상에는 제2 도전형 메탈층(즉, p 전극)이 형성될 수 있고, 제1 도전형 반도체층 상에는 제1 도전형 메탈층(즉, n 전극)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층은 마이크로 LED 패널에 형성된 복수의 마이크로 LED 픽셀들로 전원을 제공한다.
제2 도전형 메탈층은 각각의 마이크로 LED 픽셀에 대응하는 제2 도전형 반도체층 상에 배치되며, 마이크로 LED 구동기판(130)에 구비된 각각의 CMOS 셀(131)과 범프(135)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 제2 도전형 반도체층 상에 DBR(Distributed Bragg Reflector) 등과 같은 반사층(미도시)이 존재하는 경우, 상기 제2 도전형 메탈층은 반사층 상에 배치될 수 있다.
제1 도전형 메탈층은 제1 도전형 반도체층의 메사 식각된 영역 상에 배치되며, 상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들과 일정 거리만큼 이격되도록 형성될 수 있다. 제1 도전형 메탈층은 제1 도전형 반도체층 상에서 마이크로 LED 패널의 외곽을 따라 소정의 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 제1 도전형 메탈층의 높이는 상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들의 높이와 대체로 동일하게 형성될 수 있다. 제1 도전형 메탈층은 범프(135)에 의해 마이크로 LED 구동기판(130)의 공통 셀(132)과 전기적으로 연결되어, 마이크로 LED 픽셀들의 공통 전극으로서 기능한다. 예를 들어, 제1 도전형 메탈층은 공통 접지일 수 있다.
제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제1 및 제2 도전형 메탈층의 적어도 일 측면에는 패시베이션층이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 보호하기 위하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
성장 기판(110)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 단 결정 기판, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
복수의 격벽(separator, 140)은, 성장 기판(110)의 두 면 중 발광 구조물(120)이 적층되지 않은 평평한 면 상에 형성될 수 있다. 상기 복수의 격벽(140)은, 픽셀(pixel)과 픽셀(pixel) 사이의 위치(즉, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 성장 기판(110) 상에 배치되어, 픽셀 간의 색상 혼합을 최소화하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 복수의 격벽(140)은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 격벽(140)은 감광제(photo resist, PR)로 형성될 수 있다. 감광제는 특정 파장의 빛을 받아 현상액에서의 용해도가 변하는 특성을 이용해 후속 현상 처리 과정 중 빛을 받은 부분과 그렇지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 물질을 일컫는다. 이러한 감광제로, 고분자(polymer) 화합물이 사용될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다. 한편, 다른 실시 예로, 상기 복수의 격벽(140)은 고분자 화합물이 아닌 세라믹 재질로 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 포토리소그래피 공정에 습식 또는 건식 에칭 공정이 추가될 수 있다.
격벽(140)들의 높이는 거의 동일하게 형성될 수 있고, 격벽(140)과 격벽(140) 사이의 간격은 픽셀 사이즈와 동일하게 형성될 수 있다.
R/G/B 색광 변환 물질(또는 R/G/B 형광체, 150, 160, 170)은 격벽과 격벽 사이에 배치되어, 각각의 발광소자(즉, 픽셀)로부터 방출되는 빛의 파장을 변경할 수 있다. 마이크로 LED 패널(100)에 사용되는 R/G/B 색광 변환 물질(150, 160, 170)은 발광소자에서 방사되는 파장(wavelength)의 종류에 따라 변경될 수 있다.
적색 발광용 형광체(150)로는 GaAlAs; (Y, Gd)BO3: Eu3+; Y2O2: Eu 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되는지 않는다. 녹색 발광용 형광체(160)로는 GaP : N; Zn2SiO4 : Mn; ZnS : Cu, Al 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되는지 않는다. 청색 발광용 형광체(170)로는 GaN; BaMgAl14O23: Eu2+; ZnS: Ag 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다.
또한, R/G/B 색광 변환 물질(150, 160, 170)로 퀀텀닷(또는 양자점, Quantum Dot)이 사용될 수 있다. 퀀텀닷은 지름이 수 나노미터(nm)인 반도체 나노 입자로 양자구속 혹은 양자가둠 효과(Quantum Confinement Effect)와 같은 양자 역학(Quantum Mechanics)적 특성을 지니고 있다. 여기서, 양자구속 효과란 반도체 나노 입자의 크기가 작아짐에 따라 띠 간격 에너지(band gap energy)가 커지는(역으로 파장은 작아지는) 현상을 의미한다. 화학 합성 공정으로 만들어지는 퀀텀닷은 재료를 바꾸지 않고 입자 크기를 조절하는 것 만으로도 원하는 색상을 구현할 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 양자구속 효과에 따라 나노 입자 크기가 작을수록 짧은 파장을 갖는 청색 빛을 발광할 수 있고, 나노 입자의 크기가 클수록 긴 파장을 갖는 적색 빛을 발광할 수 있다.
퀀텀닷은 Ⅱ-Ⅵ족, Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅳ족 물질일 수 있으며, 구체적으로 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, InP, GaP, GaInP2, PbS, ZnO, TiO2, AgI, AgBr, Hg12, PbSe, In2S3, In2Se3, Cd3P2, Cd3As2 또는 GaAs일 수 있다. 또한, 퀀텀닷은 코어-쉘 구조(core-shell)를 가질 수 있다. 여기서, 코어(core)는 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함하고, 쉘(shell)은 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
마이크로 LED 구동기판(130)은 마이크로 LED 패널과 마주보도록 배치되며, 입력 영상 신호에 대응하여 상기 마이크로 LED 패널에 구비되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구동하는 기능을 수행할 수 있다.
마이크로 LED 구동기판(130)은, 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 개별 구동시키기 위한 복수의 CMOS 셀들(131)을 구비하는 Active Matrix 회로부와, 상기 Active Matrix 회로부의 외곽에 배치되는 공통 셀(132)을 포함할 수 있다. 상기 마이크로 LED 구동기판(130)의 일 예로, 실리콘(Si) 기판 또는 PCB 기판이 사용될 수 있으며 이에 한정되는지 않는다.
Active Matrix 회로부에 구비되는 복수의 CMOS 셀들(131) 각각은 범프(135)를 통해 대응되는 마이크로 LED 픽셀에 전기적으로 연결된다. 복수의 CMOS 셀들(131) 각각은 대응되는 마이크로 LED 픽셀을 개별적으로 구동시키기 위한 집적회로(IC)이다. 따라서, 복수의 CMOS 셀들(131) 각각은, 두 개의 트랜지스터와 하나의 커패시터를 포함하는 픽셀 구동 회로일 수 있고, 범프들(135)을 이용하여 마이크로 LED 구동기판(130)에 마이크로 LED 패널을 플립칩 본딩하는 경우, 등가 회로상, 상기 픽셀 구동 회로의 트랜지스터의 드레인 단자와 공통 접지 단자 사이에 개개의 마이크로 LED 픽셀이 배치되는 형태로 구성될 수 있다.
Active Matrix 회로부의 외곽에 배치되는 공통 셀(132)은 데이터 드라이버 IC(data driver IC)와 스캔 드라이버 IC(scan driver IC)를 포함할 수 있다. 가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 LED 패널을 구성하는 복수의 마이크로 LED 픽셀들(미도시)은 복수의 스캐닝 라인(325)과 복수의 데이터 라인(315)의 교차 지점들에 위치할 수 있다. 복수의 마이크로 LED 픽셀들로 입력되는 복수의 스캐닝 라인(325)은 스캔 드라이버 IC(320)에 의해 제어되고, 복수의 마이크로 LED 픽셀들로 입력되는 복수의 데이터 라인(315)은 데이터 드라이버 IC(310)에 의해 제어된다.
이러한 마이크로 LED 구동기판(130)을 통한 마이크로 LED 패널의 제어 동작을 간단히 살펴보면, 스캔 드라이버 IC(320)는, 이미지 데이터 제공 시, 복수의 스캐닝 라인(325) 모두를 스캐닝하면서 그 중 어느 하나 이상에 H(high) 신호를 입력하여 턴 온(turn on) 시킨다. 한편, 데이터 드라이버 IC(310)에서 이미지 데이터를 복수의 데이터 라인들(315)로 공급하면, 상기 스캐닝 라인에서 턴 온 상태에 놓인 픽셀들이 상기 이미지 데이터들을 통과시켜 해당 이미지 데이터가 마이크로 LED 패널을 통해 표시되도록 한다. 이러한 방식으로 모든 스캐닝 라인이 순차적으로 스캐닝되면서 한 프레임(frame)에 대한 디스플레이가 완료된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치는, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 성장 기판 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, R/G/B 색광 변환 물질이 성장 기판 상에 용이하게 도포될 수 있도록 한다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 성장 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)을 순차적으로 성장하여 발광 구조물(120)을 형성할 수 있다.
성장 기판(110)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 단 결정 기판, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이를 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(121)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제1 도전형 반도체층(121)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 사일렌(SiH4) 가스를 수소 가스와 함께 챔버(chamber)에 주입하여 형성될 수 있다. 성장 기판(110)과 제1 도전형 반도체층(121) 사이에 언도프트 반도체층(미도시) 및/또는 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(122)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 이러한 활성층(122)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스, 암모니아(NH3) 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(123)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제2 도전형 반도체층(123)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 발광 구조물(120)을 단위 픽셀 영역에 따라 아이솔레이션 에칭(isolation etching)을 수행하여 복수 개의 발광 소자들(즉, 복수의 마이크로 LED 픽셀들)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 아이솔레이션 에칭은 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 건식 식각 방법에 의해 실시될 수 있다. 이러한 아이솔레이션 에칭을 통해 제1 도전형 반도체층(121)의 일 상면이 노출된다. 이때, 공통 전극(즉, n 전극, 125)을 형성하기 위해, 제1 도전형 반도체층(121)의 테두리 영역이 소정의 폭을 갖도록 식각될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제2 도전형 반도체층(123)의 일 상면에 제2 도전형 메탈층(124)을 형성할 수 있고, 메사 식각된 제1 도전형 반도체층(121)의 일 상면에 제1 도전형 메탈층(125)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(124, 125)은 증착 공정 또는 도금 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이후, 성장 기판(110), 화합물 반도체층(121, 122, 123), 제1 도전형 메탈층(125) 및 제2 도전형 메탈층(124) 상에 패시베이션층(126)을 형성하고, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(124, 125)의 일 상면이 외부로 노출되도록 상기 패시베이션층(126)을 선택적으로 제거할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 마이크로 LED 구동기판(130)의 CMOS 셀들(131)과 공통 셀(132)의 상부에 복수의 범프들(135)을 배치한다. 마이크로 LED 패널을 상/하로 반전하여 제1 및 제2 도전형 메탈층(124, 125)이 아래 방향을 향하도록 한다. 상기 복수의 범프들(135)이 배치된 상태의 마이크로 LED 구동기판(130)과 마이크로 LED 패널을 서로 마주보게 하여 CMOS 셀들(131)과 마이크로 LED 픽셀들을 일대일 대응시켜 밀착시킨 후 가열한다. 그러면, 상기 복수의 범프들(135)이 녹게 되고, 그에 따라 CMOS 셀들(131)과 그에 대응하는 마이크로 LED 픽셀들이 전기적으로 연결되고, 마이크로 LED 구동기판(130)의 공통 셀(132)과 그에 대응하는 마이크로 LED 패널의 공통 전극(125)이 전기적으로 연결되는 상태가 된다.
도 5e를 참조하면, 스핀 코팅(spin coating) 방식을 이용하여 감광제(PR, 140)를 성장 기판(110) 상에 코팅할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 코팅 공정 전에, 성장 기판(110)의 표면을 화학 처리(가령, HMDS (HexaMethylDiSilazane) 처리)하여 성장 기판(110)과 감광제(140) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이후, 감광제(140) 위에 마스크 패턴(180)을 정밀하게 정렬한 후 자외선 등을 조사하는 노광 공정을 수행할 수 있다. 이때, 마스크 패턴(180)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있고, 상기 마스크 패턴(180)의 간격은, 픽셀과 픽셀 사이의 거리에 대응할 수 있다.
도 5f를 참조하면, 노광 공정을 거친 감광제(140)에 대해 현상 공정을 수행하여 성장 기판(110) 상에 복수의 격벽(140)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 복수의 격벽(140)은 픽셀과 픽셀 사이의 위치(즉, 활성층과 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 성장 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 현상 공정에서, 감광제(140)에 대한 현상액으로 수용성 알칼리 용액이 사용될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 감광제를 통해 복수의 격벽을 형성하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않는다. 예컨대, 다른 실시 예로, 성장 기판 상에 격벽 형성을 위한 물질을 형성하고 그 위에 감광제를 적층한 다음, 마스크 패턴을 이용하여 노광 및 현상 공정을 순차적으로 수행하며, 상기 감광제에 의해 노출된 영역을 습식 또는 건식 에칭함으로써, 복수의 격벽을 성장 기판 상에 형성할 수도 있다.
도 5g를 참조하면, 성장 기판(110) 상에 형성된 제1 격벽과 제2 격벽 사이에 R 형광체(150)를 주입하고, 성장 기판(110) 상에 형성된 제2 격벽과 제3 격벽 사이에 G 형광체(160)를 주입하며, 성장 기판(110) 상에 형성된 제3 격벽과 제4 격벽 사이에 B 형광체(170)를 주입할 수 있다. 이에 따라, 격벽과 격벽 사이에 R 형광체(150)가 존재하는 픽셀은 적색 광을 출력할 수 있고, 격벽과 격벽 사이에 G 형광체(160)가 존재하는 픽셀은 녹색 광을 출력할 수 있으며, 격벽과 격벽 사이에 B 형광체(170)가 존재하는 픽셀은 청색 광을 출력할 수 있다.
이와 같이 상술한 공정들을 통해 형성된 마이크로 LED 디스플레이 장치(100)는 고 해상도(HD 급)의 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있다. 이러한 마이크로 LED 디스플레이 장치(100)는 차량용 헤드업 디스플레이(Head-Up Display, HUD), 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display, HMD) 등과 같은 다양한 표시 장치에 응용될 수 있다.
제2 실시 예
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도이다. 도 1의 마이크로 LED 디스플레이 장치(100)와 달리, 본 발명의 실시 예는 성장 기판을 제거하여 광의 산란을 최소화할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치를 제공할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 마이크로 LED 구동기판(230), 발광 구조물(220), 복수의 격벽(240) 및 R/G/B 색광 변환 물질(250, 260, 270)은 도 1의 마이크로 LED 구동기판(130), 발광 구조물(120), 복수의 격벽(140) 및 R/G/B 색광 변환 물질(150, 160, 170)과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치(200)는 마이크로 LED 구동기판(230), 마이크로 LED 패널 및 복수의 범프들(235)을 포함할 수 있다.
마이크로 LED 패널은 웨이퍼 상에 적층된 복수의 마이크로 LED 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 어레이(array) 구조를 갖는 LED 패널로서, 영상 표시 기기의 영상 신호에 대응하는 R/G/B 광을 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 복수의 마이크로 LED 픽셀들은, 청색 발광소자, 녹색 발광소자, 적색 발광소자 및 UV 발광소자 중 어느 하나로 구성될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다.
이러한 마이크로 LED 패널은 발광 구조물(또는 복수의 마이크로 LED 픽셀들, 220), 상기 발광 구조물(220) 상의 복수의 격벽(240), 및 격벽과 격벽 사이에 위치하는 R/G/B 색광 변환 물질(250, 260, 270) 등을 포함할 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제1 도전형 메탈층, 제2 도전형 메탈층 및 패시베이션 층을 포함할 수 있다. 이러한 발광 구조물(220)은 화합물 반도체의 조성비에 따라 서로 다른 파장의 광을 방사할 수 있다.
상기 발광 구조물(220)의 제2 도전형 반도체층 상에는 제2 도전형 메탈층(즉, p 전극)이 형성될 수 있고, 상기 제1 도전형 반도체층 상에는 제1 도전형 메탈층(즉, n 전극)이 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제1 및 제2 도전형 메탈층의 적어도 일 측면에는 패시베이션층이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 보호하기 위하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
복수의 격벽(separator, 240)은, 발광 구조물(220)의 두 면 중 식각되지 않은 평평한 면 상에 형성될 수 있다. 상기 복수의 격벽(240)은, 픽셀과 픽셀 사이의 위치(즉, 활성층과 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 발광 구조물(220) 상에 배치되어, 픽셀 간의 색상 혼합을 최소화하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 복수의 격벽(240)은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 제조될 수 있다.
격벽(240)들의 높이는 거의 동일하게 형성될 수 있고, 격벽(240)과 격벽(240) 사이의 간격은 픽셀 사이즈와 동일하게 형성될 수 있다.
R/G/B 색광 변환 물질(또는 R/G/B 형광체, 250, 260, 270)은 격벽과 격벽 사이에 배치되어, 각각의 발광소자(즉, 픽셀)로부터 방출되는 빛의 파장을 변경할 수 있다. 적색 발광용 형광체(250)로는 GaAlAs; (Y, Gd)BO3: Eu3+; Y2O2: Eu; 퀀텀닷 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되는지 않는다. 녹색 발광용 형광체(260)로는 GaP : N; Zn2SiO4 : Mn; ZnS : Cu, Al; 퀀텀닷 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되는지 않는다. 청색 발광용 형광체(270)로는 GaN; BaMgAl14O23: Eu2+; ZnS: Ag; 퀀텀닷 등이 사용될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다.
마이크로 LED 구동기판(230)은 마이크로 LED 패널과 마주보도록 배치되며, 입력 영상 신호에 대응하여 마이크로 LED 패널에 구비되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구동하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 마이크로 LED 구동기판(230)은, 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 개별 구동시키기 위한 복수의 CMOS 셀들(231)을 구비하는 Active Matrix 회로부와, 상기 Active Matrix 회로부의 외곽에 배치되는 공통 셀(232)을 포함할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치는, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 발광 구조물 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있고, 성장 기판으로 인한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, R/G/B 색광 변환 물질이 발광 구조물 상에 용이하게 도포될 수 있도록 한다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 7a를 참조하면, 성장 기판(210) 상에 제1 도전형 반도체층(221), 활성층(222) 및 제2 도전형 반도체층(223)을 순차적으로 성장하여 발광 구조물(220)을 형성할 수 있다.
성장 기판(210)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 단 결정 기판, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이를 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(221)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제1 도전형 반도체층(221)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 사일렌(SiH4) 가스를 수소 가스와 함께 챔버(chamber)에 주입하여 형성될 수 있다.
활성층(222)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 이러한 활성층(222)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스, 암모니아(NH3) 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(223)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y=1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제2 도전형 반도체층(223)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 발광 구조물(220)을 단위 픽셀 영역에 따라 아이솔레이션 에칭(isolation etching)을 수행하여 복수 개의 발광 소자들(즉, 복수의 마이크로 LED 픽셀들)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 아이솔레이션 에칭은 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 건식 식각 방법에 의해 실시될 수 있다. 이러한 아이솔레이션 에칭을 통해 제1 도전형 반도체층(221)의 일 상면이 노출된다.
도 7c를 참조하면, 제2 도전형 반도체층(223)의 일 상면에 제2 도전형 메탈층(224)을 형성할 수 있고, 메사 식각된 제1 도전형 반도체층(221)의 일 상면에 제1 도전형 메탈층(225)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(225, 224)은 증착 공정 또는 도금 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이후, 성장 기판(210), 화합물 반도체층(221, 222, 223), 제1 도전형 메탈층(225) 및 제2 도전형 메탈층(224) 상에 패시베이션층(226)을 형성하고, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(225, 224)의 일 상면이 외부로 노출되도록 상기 패시베이션층(226)을 선택적으로 제거할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 마이크로 LED 구동기판(230)의 CMOS 셀들(231)과 공통 셀(232)의 상부에 복수의 범프들(235)을 배치한다. 마이크로 LED 패널을 상/하로 반전하여 제1 및 제2 도전형 메탈층(225, 224)이 아래 방향을 향하도록 한다. 상기 복수의 범프들(235)이 배치된 상태의 마이크로 LED 구동기판(230)과 마이크로 LED 패널을 서로 마주보게 하여 CMOS 셀들(231)과 마이크로 LED 픽셀들을 일대일 대응시켜 밀착시킨 후 가열한다. 그러면, 상기 복수의 범프들(235)이 녹게 되고, 그에 따라 CMOS 셀들(231)과 그에 대응하는 마이크로 LED 픽셀들이 전기적으로 연결되고, 마이크로 LED 구동기판(230)의 공통 셀(232)과 그에 대응하는 마이크로 LED 패널의 공통 전극(225)이 전기적으로 연결되는 상태가 된다.
도 7e를 참조하면, 레이저 리프트 오프(laser lift off, LLO), 화학적 리프트 오프(chemical lift off, CLO), 전기적 리프트 오프(electrical lift off, ELO) 또는 식각 방법 등을 사용하여 발광 구조물(220)에 부착된 성장 기판(210)을 분리할 수 있다. 또 다른 실시 예로, 발광 구조물(220)에 부착된 성장 기판(210)을 평평하게 그라인딩(grinding)하여 상기 성장 기판(210)의 적어도 일 부분을 제거할 수 있다.
도 7f를 참조하면, 스핀 코팅(spin coating) 방식을 이용하여 감광제(PR, 240)를 발광 구조물(220) 상에 코팅할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 코팅 공정 전에, 발광 구조물(220)의 표면을 화학 처리(가령, HMDS (HexaMethylDiSilazane) 처리)하여 발광 구조물(220)과 감광제(240) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 코팅 공정 전에, 발광 구조물(220)을 보호하기 위한 보호층(미도시)을 발광 구조물(220)과 감광제(240) 사이에 형성할 수 있다. 이후, 감광제(240) 위에 마스크 패턴(280)을 정밀하게 정렬한 후 자외선 등을 조사하는 노광 공정을 수행할 수 있다.
도 7g를 참조하면, 노광 공정을 거친 감광제(240)에 대해 현상 공정을 수행하여 발광 구조물(220) 상에 복수의 격벽(240)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 복수의 격벽(240)은 픽셀과 픽셀 사이의 위치(즉, 활성층과 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 발광 구조물(220) 상에 배치될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 감광제를 통해 복수의 격벽을 형성하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않는다. 예컨대, 다른 실시 예로, 성장 기판 상에 격벽 형성을 위한 물질을 형성하고 그 위에 감광제를 적층한 다음, 마스크 패턴을 이용하여 노광 및 현상 공정을 순차적으로 수행하며, 상기 감광제에 의해 노출된 영역을 습식 또는 건식 에칭함으로써, 복수의 격벽을 성장 기판 상에 형성할 수도 있다.
도 7h를 참조하면, 발광 구조물(220) 상에 형성된 제1 격벽과 제2 격벽 사이에 R 형광체(250)를 주입하고, 발광 구조물(220) 상에 형성된 제2 격벽과 제3 격벽 사이에 G 형광체(260)를 주입하며, 발광 구조물(220) 상에 형성된 제3 격벽과 제4 격벽 사이에 B 형광체(270)를 주입할 수 있다. 이에 따라, 격벽과 격벽 사이에 R 형광체(250)가 존재하는 픽셀은 적색 광을 출력할 수 있고, 격벽과 격벽 사이에 G 형광체(260)가 존재하는 픽셀은 녹색 광을 출력할 수 있으며, 격벽과 격벽 사이에 B 형광체(270)가 존재하는 픽셀은 청색 광을 출력할 수 있다.
이와 같이 상술한 공정들을 통해 형성된 마이크로 LED 디스플레이 장치(200)는 성장 기판에 의한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, 고 해상도(HD 급)의 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있다.
제3 실시 예
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 단면도이다. 도 6의 마이크로 LED 디스플레이 장치(200)와 달리, 본 발명의 실시 예는 격벽과 격벽 사이에 형광체 및 컬러 필터를 배치하여 풀 컬러를 구현할 수 있는 마이크로 LED 디스플레이 장치를 제공할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 마이크로 LED 구동기판(330), 발광 구조물(320) 및 복수의 격벽(340)은 도 6의 마이크로 LED 구동기판(230), 발광 구조물(220) 및 복수의 격벽(240)과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치(300)는 마이크로 LED 구동기판(330), 마이크로 LED 패널 및 복수의 범프들(335)을 포함할 수 있다.
마이크로 LED 패널은 웨이퍼 상에 적층된 복수의 마이크로 LED 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 어레이(array) 구조를 갖는 LED 패널로서, 영상 표시 기기의 영상 신호에 대응하는 R/G/B 광을 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 복수의 마이크로 LED 픽셀들은, 청색 발광소자, 녹색 발광소자, 적색 발광소자 및 UV 발광소자 중 어느 하나로 구성될 수 있으며 이에 한정되지는 않는다.
이러한 마이크로 LED 패널은 발광 구조물(또는 복수의 마이크로 LED 픽셀들, 320), 상기 발광 구조물(320) 상의 복수의 격벽(340), 격벽과 격벽 사이에 위치하는 형광체(350), 상기 형광체(350) 상의 컬러 필터(360, 370, 380) 등을 포함할 수 있다.
복수의 격벽(separator, 340)은, 발광 구조물(320)의 두 면 중 식각되지 않은 평평한 면 상에 형성될 수 있다. 상기 복수의 격벽(340)은, 픽셀과 픽셀 사이의 위치(즉, 활성층과 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 발광 구조물(320) 상에 배치되어, 픽셀 간의 색상 혼합을 최소화하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 복수의 격벽(340)은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 제조될 수 있다.
격벽(340)들의 높이는 거의 동일하게 형성될 수 있고, 격벽(340)과 격벽(340) 사이의 간격은 픽셀 사이즈와 동일하게 형성될 수 있다.
형광체(350)는 발광 구조물(320) 상의 격벽(340)과 격벽(340) 사이에 배치되어, 복수의 마이크로 LED 픽셀들에서 방출되는 빛의 파장을 백색(white) 파장으로 변경할 수 있다. 가령, 발광 구조물(320)이 청색 LED인 경우, 상기 형광체로 황색 형광체(Y3Al5O12: Ce계(YAG:Ce))가 사용될 수 있다. 또한, 발광 구조물(320)이 청색 LED인 경우, 상기 형광체로 녹색 형광체와 적색 형광체를 혼합한 형광체가 사용될 수 있다. 또한, 발광 구조물(320)이 UV LED인 경우, 상기 형광체로 청색 형광체, 녹색 형광체, 및 적색 형광체를 혼합한 형광체가 사용될 수 있다.
컬러 필터(360, 370, 380)는 형광체(350) 상에 픽셀 단위로 부착되어, 상기 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 특정 파장의 빛만을 통과시킬 수 있다. 즉, R 필터(360)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 적색 광의 파장만을 통과시킬 수 있고, G 필터(370)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 녹색 광의 파장만을 통과시킬 수 있으며, B 필터(380)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 청색 광의 파장만을 통과시킬 수 있다. 이에 따라, 격벽과 격벽 사이에 형광체(350) 및 R 필터(360)가 존재하는 픽셀은 적색 광을 출력할 수 있고, 격벽과 격벽 사이에 형광체(350) 및 G 필터(370)가 존재하는 픽셀은 녹색 광을 출력할 수 있으며, 격벽과 격벽 사이에 형광체(350) 및 B 필터(380)가 존재하는 픽셀은 청색 광을 출력할 수 있다.
일 실시 예로, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러필터(900)는 투명 기판(910), 블랙 매트릭스(920), 컬러필터 층(930, 940, 950), Over Coat 층(960) 및 ITO 층(970)을 포함할 수 있다.
투명 기판(910)은 얇은 유리나 플라스틱으로 형성될 수 있다. 블랙 매트릭스(920)는 투명 기판(910) 상에 배치되어, 투명 기판(910)의 광학적으로 불활성화된 지역에 위치시켜 빛 유출을 방지한다. 블랙 매트릭스(920)는 최적의 명암비를 위해 반사율이 낮아야 한다. 블랙 매트릭스(920)는 무기물 또는 유기물로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 크롬(Cr)이 사용될 수 있다.
컬러필터 층(930, 940, 950)은 투명 기판(910) 상에 배치되어, R/G/B 염료 또는 색소를 포함할 수 있다. Over Coat 층(960)은 불순물로부터 컬러필터 층(930, 940, 950)을 보호해주고, 컬러필터(900)의 표면을 평면화시켜준다. 상기 Over Coat 층(960)은 투명 아크릴 레진, 폴리이미드(Polyimide) 레진 혹은 폴리우레탄 레진 등으로 형성될 수 있다. ITO 층(970)은 상기 Over Coat 층(960) 상에 형성될 수 있다.
마이크로 LED 구동기판(330)은 마이크로 LED 패널과 마주보도록 배치되며, 입력 영상 신호에 대응하여 마이크로 LED 패널에 구비되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구동하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 마이크로 LED 구동기판(330)은, 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 개별 구동시키기 위한 복수의 CMOS 셀들(331)을 구비하는 Active Matrix 회로부와, 상기 Active Matrix 회로부의 외곽에 배치되는 공통 셀(332)을 포함할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치는, 픽셀과 픽셀 사이의 위치에 대응하는 발광 구조물 상에 복수의 격벽을 주기적으로 배치함으로써, 픽셀과 픽셀 간의 색상 간섭을 효과적으로 제거할 수 있고, 성장 기판으로 인한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, 백색 발광용 형광체가 발광 구조물 상에 용이하게 도포될 수 있도록 한다.
도 10a 내지 도 10g는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 10a를 참조하면, 성장 기판(310) 상에 제1 도전형 반도체층(321), 활성층(322) 및 제2 도전형 반도체층(323)을 순차적으로 성장하여 발광 구조물(320)을 형성할 수 있다.
성장 기판(310)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 단 결정 기판, SiC, GaAs, GaN, ZnO, AlN, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이를 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(321)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제1 도전형 반도체층(321)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 사일렌(SiH4) 가스를 수소 가스와 함께 챔버(chamber)에 주입하여 형성될 수 있다.
활성층(322)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 이러한 활성층(322)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스, 암모니아(NH3) 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(323)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y=1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이러한 제2 도전형 반도체층(323)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 발광 구조물(320)을 단위 픽셀 영역에 따라 아이솔레이션 에칭(isolation etching)을 수행하여 복수 개의 발광 소자들(즉, 복수의 마이크로 LED 픽셀들)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 아이솔레이션 에칭은 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 건식 식각 방법에 의해 실시될 수 있다. 이러한 아이솔레이션 에칭을 통해 제1 도전형 반도체층(321)의 일 상면이 노출된다.
도 10c를 참조하면, 제2 도전형 반도체층(323)의 일 상면에 제2 도전형 메탈층(324)을 형성할 수 있고, 메사 식각된 제1 도전형 반도체층(321)의 일 상면에 제1 도전형 메탈층(325)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(325, 324)은 증착 공정 또는 도금 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 이후, 성장 기판(310), 화합물 반도체층(321, 322, 323), 제1 및 제2 도전형 메탈층(325) 상에 패시베이션층(326)을 형성하고, 상기 제1 및 제2 도전형 메탈층(325, 324)의 일 상면이 외부로 노출되도록 상기 패시베이션층(326)을 선택적으로 제거할 수 있다.
도 10d를 참조하면, 마이크로 LED 구동기판(330)의 CMOS 셀들(331)과 공통 셀(332)의 상부에 복수의 범프들(335)을 배치한다. 마이크로 LED 패널을 상/하로 반전하여 제1 및 제2 도전형 메탈층(325, 324)이 아래 방향을 향하도록 한다. 상기 복수의 범프들(335)이 배치된 상태의 마이크로 LED 구동기판(330)과 마이크로 LED 패널을 서로 마주보게 하여 CMOS 셀들(331)과 마이크로 LED 픽셀들을 일대일 대응시켜 밀착시킨 후 가열한다. 그러면, 상기 복수의 범프들(335)이 녹게 되고, 그에 따라 CMOS 셀들(331)과 그에 대응하는 마이크로 LED 픽셀들이 전기적으로 연결되고, 마이크로 LED 구동기판(330)의 공통 셀(332)과 그에 대응하는 마이크로 LED 패널의 공통 전극(325)이 전기적으로 연결되는 상태가 된다.
도 10e를 참조하면, 레이저 리프트 오프(laser lift off, LLO), 화학적 리프트 오프(chemical lift off, CLO), 전기적 리프트 오프(electrical lift off, ELO) 또는 식각 방법 등을 사용하여 발광 구조물(320)에 부착된 성장 기판(310)을 분리할 수 있다.
도 10f를 참조하면, 스핀 코팅(spin coating) 방식을 이용하여 감광제(PR, 340)를 발광 구조물(320) 상에 코팅할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 코팅 공정 전에, 발광 구조물(320)의 표면을 화학 처리(가령, HMDS (HexaMethylDiSilazane) 처리)하여 발광 구조물(320)과 감광제(340) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 코팅 공정 전에, 발광 구조물(320)을 보호하기 위한 보호층(미도시)을 발광 구조물(320)과 감광제(340) 사이에 형성할 수 있다. 이후, 감광제(340) 위에 마스크 패턴(380)을 정밀하게 정렬한 후 자외선 등을 조사하는 노광 공정을 수행할 수 있다.
도 10g를 참조하면, 노광 공정을 거친 감광제(340)에 대해 현상 공정을 수행하여 발광 구조물(320) 상에 복수의 격벽(340)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 복수의 격벽(340)은 픽셀과 픽셀 사이의 위치(즉, 활성층과 제2 도전형 반도체층이 식각된 영역)에 대응하는 발광 구조물(320) 상에 배치될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 감광제를 통해 복수의 격벽을 형성하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않는다. 예컨대, 다른 실시 예로, 성장 기판 상에 격벽 형성을 위한 물질을 형성하고 그 위에 감광제를 적층한 다음, 마스크 패턴을 이용하여 노광 및 현상 공정을 순차적으로 수행하며, 상기 감광제에 의해 노출된 영역을 습식 또는 건식 에칭함으로써, 복수의 격벽을 성장 기판 상에 형성할 수도 있다.
도 10h를 참조하면, 발광 구조물(320) 상에 형성된 격벽(340)과 격벽(340) 사이에 형광체(350)를 주입할 수 있다. 이에 따라, 형광체(350)는 마이크로 LED 픽셀에서 방출되는 빛의 파장을 백색 파장으로 변경할 수 있다.
이후, 복수의 격벽(340) 및 형광체(350) 상에 컬러 필터(360, 370, 380)를 형성(또는 부착)할 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 필터 중 R 필터(360)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 적색 광의 파장만을 통과시킬 수 있고, G 필터(370)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 녹색 광의 파장만을 통과시킬 수 있으며, B 필터(380)는 형광체(350)로부터 방사되는 백색 광 중 청색 광의 파장만을 통과시킬 수 있다.
이와 같이 상술한 공정들을 통해 형성된 마이크로 LED 디스플레이 장치(300)는 성장 기판에 의한 빛의 산란을 최소화할 수 있으며, 고 해상도(HD 급)의 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있다.
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 마이크로 LED 디스플레이 장치로서,
    복수의 CMOS 셀들이 행과 열로 배열되는 마이크로 LED 구동기판(backplane); 및
    상기 마이크로 LED 구동기판 상에 플립칩 본딩되며, 상기 복수의 CMOS 셀들과 전기적으로 연결되는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 구비하는 마이크로 LED 패널을 포함하되,
    상기 마이크로 LED 패널은, 발광 구조물의 제1 면을 단위 픽셀 영역에 따라 식각(etching)하여 형성된 복수의 마이크로 LED 픽셀들과, 상기 발광 구조물을 수직 방향으로 식각한 부분들의 위치에 대응하는 상기 발광 구조물의 제2 면 상에 형성되는 복수의 격벽들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 LED 패널은,
    상기 발광 구조물의 제2 면 상의 제1 격벽과 제2 격벽 사이에 주입되는 제1 색광 변환 물질, 상기 제2 격벽과 제3 격벽 사이에 주입되는 제2 색광 변환 물질, 상기 제3 격벽과 제4 격벽 사이에 주입되는 제3 색광 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 LED 패널은,
    상기 발광 구조물의 제2 면 상의 격벽과 격벽 사이에 주입되는 백색 발광용 형광체와, 상기 백색 발광용 형광체 상에 배치되는 컬러 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 백색 발광용 형광체는 상기 격벽의 높이와 동일하게 주입되며,
    상기 컬러 필터는, 상기 백색 발광용 형광체에서 방사되는 파장들 중에서 제1 파장만을 통과시키는 제1 필터, 상기 백색 발광용 형광체에서 방사되는 파장들 중에서 제2 파장만을 통과시키는 제2 필터, 및 상기 백색 발광용 형광체에서 방사되는 파장들 중에서 제3 파장만을 통과시키는 제3 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격벽은, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 제조되며, 고분자 화합물 또는 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격벽들은 서로 동일한 높이로 형성되며, 격벽과 격벽 사이의 간격은 픽셀 사이즈(pixel size)에 대응하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 수직구조는, 차례대로, 성장 기판, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제1 및 제2 도전형 메탈층을 포함하며,
    상기 복수의 격벽들은, 상기 성장 기판의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 수직구조는, 차례대로, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제1 및 제2 도전형 메탈층을 포함하고,
    상기 복수의 격벽들은, 상기 제1 도전형 반도체층의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들이 형성되지 않은 부분은, 식각 공정을 통해 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 선택적으로 제거되어 제1 도전형 반도체층이 노출되며,
    상기 노출된 제1 도전형 반도체층 상에는 상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들과 이격되게 제1 도전형 메탈층이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도전형 메탈층은 상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 마이크로 LED 패널의 외곽을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도전형 메탈층은 상기 복수의 마이크로 LED 픽셀들의 공통 전극으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 마이크로 LED 구동기판은, 상기 제1 도전형 메탈층에 대응되게 형성된 공통 셀을 포함하고, 상기 제1 도전형 메탈층과 상기 공통 셀은 범프에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED 디스플레이 장치.
  13. 복수의 CMOS 셀들이 행과 열로 배열되는 마이크로 LED 구동기판(backplane)을 제조하는 단계;
    발광 구조물의 제1 면을 단위 픽셀 영역에 따라 식각(etching)하여 형성되며, 상기 복수의 CMOS 셀들에 대응하는 복수의 마이크로 LED 픽셀들을 포함하는 마이크로 LED 패널을 제조하는 단계;
    상기 마이크로 LED 구동기판 상에 복수의 범프들을 배치하고, 상기 복수의 범프들이 배치된 마이크로 LED 구동기판 상에 상기 마이크로 LED 패널을 플립 칩 본딩하는 단계;
    상기 발광 구조물의 제2 면에 감광제를 코팅하고, 상기 감광제 위에 마스크 패턴을 배치한 후 광을 조사하는 노광 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 노광 공정을 거친 감광제에 대해 현상 공정을 수행하여 상기 발광 구조물의 제2 면 상에 복수의 격벽을 형성하는 단계;를 포함하는 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 제2 면 상의 제1 격벽과 제2 격벽 사이에 제1 색광 변환 물질을 주입하고, 상기 제2 격벽과 제3 격벽 사이에 제2 색광 변환 물질을 주입하며, 상기 제3 격벽과 제4 격벽 사이에 제3 색광 변환 물질을 주입하는 단계를 포함하는 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 제2 면 상의 격벽과 격벽 사이에 백색 발광용 형광체를 주입하는 단계; 및
    상기 백색 발광용 형광체 상에 컬러 필터를 배치하는 단계를 더 포함하는 마이크로 LED 디스플레이 장치의 제조방법.
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