WO2019203405A1 - 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2019203405A1
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light emitting
semiconductor light
conductive
electrode
semiconductor layer
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PCT/KR2018/011534
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김정훈
박창서
심봉주
조병권
조현우
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엘지전자 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01L2224/93—Batch processes
    • H01L2224/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H01L2224/951—Supplying the plurality of semiconductor or solid-state bodies
    • H01L2224/95101—Supplying the plurality of semiconductor or solid-state bodies in a liquid medium

Definitions

  • the present invention relates to a display device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a display device using a semiconductor light emitting device.
  • LCDs liquid crystal displays
  • OLED organic light emitting diode
  • micro LED displays are competing to realize large-area displays in the display technology field.
  • micro LED micro LED
  • uLED semiconductor light emitting element
  • large displays require millions of semiconductor light emitting devices, which makes it difficult to transfer the devices compared to other technologies.
  • the self-assembly method is a method in which the semiconductor light emitting device finds its own position in the fluid, and is the most advantageous method for implementing a large display device.
  • an electrical connection i.e., wiring
  • a new type of structure and manufacturing method considering wiring can be proposed even in the self-assembly of the micro LED. Can be.
  • One object of the present invention is to provide a new manufacturing process having a high reliability in a large screen display using a micro-sized semiconductor light emitting device.
  • Still another object of the present invention is to provide a manufacturing process and structure of a display capable of controlling the assembly direction when self-assembling a semiconductor light emitting device into a wiring board.
  • the receiving groove of the wiring board and the semiconductor light emitting device have an asymmetric shape, and in performing self-assembly with a horizontal chip using the same, the assembling direction is secured and the wiring process after assembly is simplified. Can be.
  • the display apparatus includes a semiconductor light emitting device, and a substrate having a receiving groove accommodating the semiconductor light emitting device, wherein the semiconductor light emitting device includes a first conductive semiconductor layer and the first conductive type.
  • a second conductive semiconductor layer disposed on the semiconductor layer, a first conductive electrode disposed on the first conductive semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer and disposed along the horizontal direction; And a second conductive electrode spaced apart from the conductive electrode, wherein the first conductive electrode and the second conductive electrode are arranged in a predetermined position when the semiconductor light emitting device is assembled into the receiving groove.
  • the conductive semiconductor layer has a shape asymmetric with respect to at least one direction.
  • the first conductive semiconductor layer may have a symmetrical shape with respect to another direction perpendicular to the one direction.
  • the first conductive electrode and the second conductive electrode may be arranged in a line along the other direction.
  • a cross section of the first conductive semiconductor layer may include a circular portion and a straight portion connecting both ends of the circular portion.
  • a cross section of the first conductive semiconductor layer may be eccentric to one side along the other direction.
  • the receiving groove is formed in the passivation layer, the receiving groove has a shape asymmetrical with respect to the one direction to match the shape of the first conductive semiconductor layer.
  • the first conductive electrode and the second conductive electrode may be connected to the first wiring electrode and the second wiring electrode, respectively, and the first wiring electrode and the second wiring electrode may extend to one surface of the passivation layer.
  • the substrate may include a plurality of pair electrodes that generate an electric field when a current is supplied.
  • the first wiring electrode and the second wiring electrode may be formed on opposite sides of the plurality of pair electrodes based on the semiconductor light emitting devices.
  • At least one of the first conductive electrode and the second conductive electrode may include a magnetic material.
  • the present invention the step of transferring the substrate to the assembly position, the step of introducing a semiconductor light emitting device having a first conductive semiconductor layer and a second conductive semiconductor layer into the fluid chamber, the semiconductor light emitting in the fluid chamber Inducing movement of the devices, assembling the semiconductor devices into the receiving grooves of the substrate, and connecting a first wiring electrode and a second wiring electrode to the plurality of semiconductor light emitting devices, wherein the semiconductor light emission is performed.
  • the elements are assembled in the receiving groove, at least one of the conductive semiconductor layers of the plurality of semiconductor light emitting devices has an asymmetrical shape in one direction so that the conductive electrodes of the semiconductor light emitting devices are arranged at a predetermined position.
  • Disclosed is a method of manufacturing a display device.
  • the assembling may include applying a magnetic field to the semiconductor light emitting devices such that the semiconductor light emitting devices move along a magnetic force in the fluid chamber, and the substrate in the process of moving the semiconductor light emitting devices. Inducing the semiconductor light emitting device to the receiving groove by applying an electric field to be seated in the receiving groove of the.
  • the present invention having the above configuration, in a display device in which individual pixels are formed of micro light emitting diodes, a large amount of semiconductor light emitting elements can be assembled at one time.
  • the present invention has the advantage of ensuring the assembly direction of the horizontal semiconductor light emitting device by using the asymmetrical shape of the receiving groove and the semiconductor light emitting device, and to simplify the wiring process after assembly. .
  • a large amount of semiconductor light emitting devices can be pixelated on a small size wafer and then transferred directly to a large-area substrate.
  • the semiconductor light emitting device can be directly transferred to the wiring board without a temporary substrate. Through this, it is possible to manufacture a large-area display device at low cost.
  • the assembly by the electric field can be selectively assembled through the selective electrical application without any additional device or process.
  • the red, green and blue micro LEDs can be selectively assembled in a desired position.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of a display device using the semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion A of the display device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the semiconductor light emitting device of FIG. 2.
  • 4A and 4B are plan and cross-sectional views illustrating another embodiment of the semiconductor light emitting device of FIG. 2.
  • 5A to 5E are conceptual views for explaining a new process of manufacturing the above-described semiconductor light emitting device.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an example of a self-assembly apparatus of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of the self-assembly of FIG. 6.
  • 8A to 8G are conceptual views illustrating a process of self-assembling a semiconductor light emitting device using the self-assembly of FIG. 6.
  • 9A to 9D are conceptual views illustrating a process of manufacturing a display device after self-assembling a semiconductor light emitting device on a wiring board using the self-assembly device of FIG. 6.
  • 10A to 10D are plan views illustrating modified examples of the semiconductor light emitting device of the present invention.
  • the display device described herein includes a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), navigation, and a slate PC. , Tablet PC, Ultra Book, Digital TV, Digital Signage, Head Mounted Display (HMD), Desktop Computer.
  • PDA personal digital assistant
  • PMP portable multimedia player
  • HMD Head Mounted Display
  • Desktop Computer Desktop Computer
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of a display device using the semiconductor light emitting device of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion A of the display device of FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of the semiconductor light emitting device of FIG. 2.
  • 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating another embodiment of the semiconductor light emitting device of FIG. 2.
  • information processed by the controller of the display apparatus 100 may be output from the display module 140.
  • a closed loop-shaped case 101 surrounding the edge of the display module may form a bezel of the display device.
  • the display module 140 includes a panel 141 for displaying an image, and the panel 141 includes a micro-sized semiconductor light emitting device 150 and a wiring board 110 on which the semiconductor light emitting device 150 is mounted. It may be provided.
  • Wiring may be formed on the wiring board 110 to be connected to the n-type electrode 152 and the p-type electrode 156 of the semiconductor light emitting device 150.
  • the semiconductor light emitting device 150 may be provided on the wiring board 110 as individual pixels emitting light.
  • the image displayed on the panel 141 is visual information, and the light emission of sub-pixels arranged in a matrix form is independently controlled through the wiring.
  • a micro LED Light Emitting Diode
  • the micro LED may be a light emitting diode having a small size of less than 100 micro.
  • the semiconductor light emitting device 150 includes blue, red, and green light emitting regions, respectively, and a unit pixel may be implemented by a combination thereof. That is, the unit pixel refers to a minimum unit for implementing one color, and at least three micro LEDs may be provided in the unit pixel.
  • the semiconductor light emitting device 150 may have a vertical structure.
  • the semiconductor light emitting device 150 is mainly composed of gallium nitride (GaN), and indium (In) and / or aluminum (Al) is added together to implement a high output light emitting device that emits various lights including blue. Can be.
  • GaN gallium nitride
  • In indium
  • Al aluminum
  • the vertical semiconductor light emitting device includes a p-type electrode 156, a p-type semiconductor layer 155 formed on the p-type electrode 156, an active layer 154 formed on the p-type semiconductor layer 155, and an active layer 154.
  • the lower p-type electrode 156 may be electrically connected to the p-electrode of the wiring board
  • the upper n-type electrode 152 may be electrically connected to the n-electrode above the semiconductor light emitting device. Since the vertical semiconductor light emitting device 150 can arrange electrodes up and down, the vertical semiconductor light emitting device 150 has a great advantage of reducing the chip size.
  • the semiconductor light emitting device may be a flip chip type light emitting device.
  • the semiconductor light emitting device 250 may include a p-type electrode 256, a p-type semiconductor layer 255 on which the p-type electrode 256 is formed, and an active layer 254 formed on the p-type semiconductor layer 255. , An n-type semiconductor layer 253 formed on the active layer 254, and an n-type electrode 252 disposed horizontally spaced apart from the p-type electrode 256 on the n-type semiconductor layer 253.
  • both the p-type electrode 256 and the n-type electrode 152 may be electrically connected to the p-electrode and the n-electrode of the wiring board under the semiconductor light emitting device.
  • the n-type semiconductor layer 253 and the n-type electrode 252 may be defined as a first conductive semiconductor layer and a first conductive electrode, and the p-type electrode 256 and the p-type semiconductor layer 255 may be defined. ) May be defined as the second conductive electrode and the second conductive semiconductor layer.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and n-type may be defined as the second conductive type and p-type may be defined as the first conductive type.
  • the vertical semiconductor light emitting device and the horizontal semiconductor light emitting device may be green semiconductor light emitting devices, blue semiconductor light emitting devices, or red semiconductor light emitting devices, respectively.
  • gallium nitride (GaN) is mainly used, and indium (In) and / or aluminum (Al) is added together to realize a high output light emitting device that emits green or blue light. Can be.
  • the semiconductor light emitting device may be a gallium nitride thin film formed of various layers such as n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan, and specifically, the p-type semiconductor layer is P-type GaN, and the n The type semiconductor layer may be N-type GaN.
  • the p-type semiconductor layer may be P-type GaAs
  • the n-type semiconductor layer may be N-type GaAs.
  • the p-type semiconductor layer may be a P-type GaN doped with Mg at the p electrode side, and an N-type GaN doped with Si at the n-type semiconductor layer.
  • the above-described semiconductor light emitting devices can be semiconductor light emitting devices without an active layer.
  • the display panel may have a unit pixel for self-emission having a high definition, and a high quality display device may be realized.
  • a semiconductor light emitting device grown on a wafer and formed through mesa and isolation is used as an individual pixel.
  • the micro-sized semiconductor light emitting device 150 must be transferred to a wafer at a predetermined position on the substrate of the display panel.
  • Such transfer techniques include pick and place, but have a low success rate and require a lot of time.
  • there is a technique of transferring a plurality of devices at a time by using a stamp or a roll but the yield is limited, which is not suitable for a large screen display.
  • the present invention proposes a self-assembly using a fluid as a novel manufacturing method and apparatus for manufacturing a display device that can solve this problem.
  • the semiconductor light emitting device of the present invention has a structure of an asymmetric micro LED. Specifically, when the semiconductor light emitting device is assembled into the receiving groove of the wiring board, the first conductive semiconductor layer is arranged in at least one direction such that the first conductive electrode and the second conductive electrode are arranged in a predetermined position. It may have an asymmetric shape. In addition, the first conductive semiconductor layer may have a symmetrical shape with respect to the other direction perpendicular to the one direction.
  • the n-type semiconductor layer 253 may be asymmetrical and the p-type semiconductor layer 255 may be symmetrical.
  • the cross section of the n-type semiconductor layer 253 may include a circular portion 253a and a straight portion 253b.
  • the n-type semiconductor layer 253 may have a cylindrical shape in which a portion of a side surface is cut, and may have a shape in which the straight portion 253b connects both ends of the circular portion 253a when viewed from above.
  • the p-type semiconductor layer 255 may have a structure in which the straight portion is disposed inward.
  • the p-type semiconductor layer 255 may have a circular or elliptical cross section.
  • the other direction may be a direction along the central axis A1 perpendicular to the center of the straight portion 253b, and the one direction is parallel to the straight portion 253b, and the center of the circle is defined. Passing may be in the direction along the central axis (A2).
  • the first conductive electrode and the second conductive electrode are arranged in a line along the other direction. Specifically, the first conductive electrode and the second conductive electrode may be arranged in a line in a direction perpendicular to the straight portion 253b.
  • the shape of the receiving groove 290 of the wiring board 261 may be set to match the shape of the n-type semiconductor layer 253.
  • the receiving groove 290 of the wiring board 261 may include a circular portion 290a and a straight portion 290b (see FIG. 6 above), and both ends of the circular portion 290a may be disposed in the straight portion ( 290b) connects.
  • the linear portion of the semiconductor light emitting device may be an assembly guide.
  • At least one of the first conductive electrode and the second conductive electrode may be provided with a magnetic material.
  • the magnetic force can be used in the self-assembly described later using the magnetic material.
  • the n-type electrode 252 may include the magnetic material.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and the p-type electrode 256 may include the magnetic material.
  • the magnetic body may mean a metal having magnetic properties.
  • the magnetic material may be Ni, SmCo, or the like, and as another example, may include a material corresponding to at least one of Gd, La, and Mn.
  • Magnetic material may be provided in the n-type electrode 252 in the form of particles.
  • one layer of the conductive electrode may be formed of the magnetic body.
  • the n-type electrode 252 of the semiconductor light emitting device may include a first layer 252a and a second layer 252b.
  • the first layer 252a may be formed to include a magnetic material
  • the second layer 252b may include a metal material which is not a magnetic material.
  • a buffer metal 252c may be disposed between the first layer 252a and the second layer 252b in order to combine different metal materials.
  • another buffer metal 252d may be disposed between the first layer 252a including the magnetic material and the n-type semiconductor layer 253.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and as another example, the first layer 252a may be disposed to contact the n-type semiconductor layer 253 without the buffer metal 252d.
  • the first layer 252a is disposed between the second layer 252b and the second conductive semiconductor layer 253.
  • the second layer 252b may be a contact metal connected to the second electrode of the wiring board.
  • the semiconductor light emitting device configured as described above is horizontal, the n and p wirings can be simultaneously formed, thereby reducing the cost and time in manufacturing the display device. In this case, it is possible to directly transfer to the display panel instead of the donor, thereby maximizing the transfer yield.
  • the present invention proposes a new manufacturing method and apparatus for achieving such an effect using the structure of the semiconductor light emitting device.
  • 5A to 5E are conceptual views for explaining a new process of manufacturing the above-described semiconductor light emitting device.
  • a display device using a passive matrix (PM) type semiconductor light emitting device is illustrated.
  • PM passive matrix
  • AM active matrix
  • a method of using a horizontal semiconductor light emitting device is illustrated, but this may be applied to a method of self-assembling a vertical semiconductor light emitting device.
  • the first conductive semiconductor layer 253, the active layer 254, and the second conductive semiconductor layer 255 are grown on the growth substrate 259 (FIG. 5A).
  • the first conductive semiconductor layer 253 grows, next, an active layer 254 is grown on the first conductive semiconductor layer 253, and then a second conductive semiconductor is formed on the active layer 254. Grow layer 255.
  • the first conductive semiconductor layer 253 may be formed.
  • the active layer 254 and the second conductive semiconductor layer 255 form a stacked structure.
  • the first conductive semiconductor layer 253 may be an n-type semiconductor layer
  • the second conductive semiconductor layer 255 may be a p-type semiconductor layer.
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and an example in which the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type is also possible.
  • the present embodiment illustrates the case where the active layer is present, but as described above, a structure without the active layer may be possible in some cases.
  • the p-type semiconductor layer may be a P-type GaN doped with Mg
  • the n-type semiconductor layer may be a case where the n-electrode side is an N-type GaN doped with Si.
  • the growth substrate 259 may be formed of a material having a light transmissive property, for example, any one of sapphire (Al 2 O 3), GaN, ZnO, and AlO, but is not limited thereto.
  • the growth substrate 259 may be formed of a carrier wafer or a material suitable for growing a semiconductor material.
  • At least one of Si, GaAs, GaP, InP, and Ga2O3 may be formed of a material having high thermal conductivity, including a conductive substrate or an insulating substrate, for example, a SiC substrate having a higher thermal conductivity than a sapphire (Al2O3) substrate. Can be used.
  • isolation and mesa are performed so that a plurality of light emitting elements form an array. That is, the plurality of semiconductor light emitting devices are formed by etching the first conductive semiconductor layer 253, the active layer 254, and the second conductive semiconductor layer 255 in the vertical direction.
  • the active layer 254 and the second conductive semiconductor layer 255 are partially removed in the vertical direction, so that the first conductive semiconductor layer 253 is moved to the outside.
  • the exposed mesa process may be performed, and then isolation may be performed to etch the first conductive semiconductor layer to form a plurality of semiconductor light emitting device arrays.
  • the semiconductor light emitting device can be isolated to a circular size of 100um or less in diameter.
  • a first conductive electrode 252 or an n-type electrode is formed on one surface of the first conductive semiconductor layer 253, and a second surface is formed on one surface of the second conductive semiconductor layer 255.
  • a conductive electrode 256 or a p-type electrode is formed (FIG. 5C).
  • the conductive electrodes may be formed by a deposition method such as sputtering, but the present invention is not necessarily limited thereto. However, when the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer are n-type semiconductor layers and p-type semiconductor layers, the second conductive electrode 256 may be an n-type electrode.
  • At least one of the first conductive electrode 252 and the second conductive electrode 256 may have a magnetic material 257.
  • the magnetic body 257 may refer to a metal having magnetic properties formed on a chip.
  • the magnetic material may be Ni, Sn, Fe, Co, or the like, and as another example, may include a material corresponding to at least one of Gd, La, and Mn.
  • the growth substrate 259 is removed to provide a plurality of semiconductor light emitting devices 250.
  • the growth substrate 259 may be removed using a laser lift-off (LLO) or chemical lift-off (CLO) (FIG. 5D).
  • LLO laser lift-off
  • CLO chemical lift-off
  • the plurality of semiconductor light emitting devices 250 are seated on the substrate in the fluid filled chamber (FIG. 5E).
  • the semiconductor light emitting devices 250a and the substrate are placed in a fluid-filled chamber, and the semiconductor light emitting devices 250 are assembled to the substrate by using flow, gravity, and surface tension.
  • the substrate may be a wiring substrate 261. That is, the wiring board 261 is placed in the fluid chamber so that the semiconductor light emitting devices 250 are directly seated on the wiring board 261.
  • the present invention proposes a method and apparatus for increasing the transfer yield.
  • the display apparatus moves the semiconductor light emitting device by applying a magnetic force to the magnetic material to the semiconductor light emitting device, and seats the semiconductor light emitting device at a predetermined position using an electric field during the movement.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an example of a self-assembly apparatus of a semiconductor light emitting device according to the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram of the self-assembly apparatus of FIG. 6.
  • 8A to 8G are conceptual views illustrating a process of self-assembling a semiconductor light emitting device using the self-assembly of FIG. 6.
  • the self-assembly device 160 of the present invention may include a fluid chamber 162, a magnet 163, and a position controller 164.
  • the fluid chamber 162 has a space for accommodating a plurality of semiconductor light emitting devices.
  • the space may be filled with a fluid, and the fluid may include water or the like as an assembly solution.
  • the fluid chamber 162 may be a water tank and may be configured as an open type.
  • the present invention is not limited thereto, and the fluid chamber 162 may have a closed shape in which the space is closed.
  • the substrate 261 may be disposed in the fluid chamber 162 such that an assembly surface on which the semiconductor light emitting devices 250 are assembled may face downward.
  • the substrate 261 may be transferred to an assembly position by a transfer unit, and the transfer unit may include a stage 165 on which the substrate is mounted.
  • the stage 165 is positioned by the control unit, through which the substrate 261 may be transferred to the assembly position.
  • the assembly surface of the substrate 261 at the assembly position is toward the bottom of the fluid chamber 162.
  • the assembly surface of the substrate 261 is arranged to be submerged in the fluid in the fluid chamber 162. Therefore, the semiconductor light emitting device 250 is moved to the assembly surface in the fluid.
  • the substrate 261 is an assembled substrate capable of forming an electric field and a wiring substrate formed thereon, and may include a base portion 261a, a dielectric layer 261b, and a plurality of electrodes 261c and 261d.
  • the base portion 261a is made of an insulating material, and the plurality of electrodes 261c may be a thin film or thick film bi-planar electrode patterned on one surface of the base portion 261a.
  • the electrode 261c may be formed of, for example, a stack of Ti / Cu / Ti, Ag paste, ITO, or the like.
  • the electrode 261c may be disposed on the substrate, and may be a plurality of pair electrodes including a first electrode and a second electrode which generate an electric field when a current is supplied.
  • the dielectric layer 261b may be made of an inorganic material such as SiO 2, SiN x, SiON, Al 2 O 3, TiO 2, HfO 2, or the like. Alternatively, dielectric layer 261b may be composed of a single layer or multiple layers as an organic insulator. The dielectric layer 261b may have a thickness of several tens of nm to several ⁇ m.
  • the wiring board 261 according to the present invention includes a plurality of receiving grooves 290 partitioned by partition walls.
  • the wiring board 261 includes a receiving groove 290 into which the semiconductor light emitting devices 250 are fitted.
  • the wiring substrate 261 is formed with a receiving groove 290 in which the semiconductor light emitting devices 250 are seated at a position where the semiconductor light emitting devices 250 are aligned with the wiring electrodes.
  • the semiconductor light emitting devices 250 move in the fluid and are assembled to the receiving groove 290.
  • the receiving grooves 290 may be sequentially arranged along one direction, and constitute a cell.
  • the interior of the accommodation groove 290 may be a space defined by the partition 291.
  • the shape of the groove may be the same as or similar to that of the semiconductor light emitting device. That is, the receiving groove 290 may have an asymmetrical shape to match the asymmetrical shape of the semiconductor light emitting device as described above. Therefore, the accommodating groove of the wiring board may include a circular portion 290a and a straight portion 290b, and the straight portion 290b connects both ends of the circular portion 290a.
  • the partition 291 constituting the accommodation groove 290 is configured to be shared with neighboring cells.
  • the partition 291 may be made of a polymer material.
  • the partition 291 may protrude from the base portion 261a, and the accommodation groove 290 may be sequentially disposed along one direction by the partition 291. More specifically, the receiving grooves 290 may be sequentially disposed in the column and row directions, respectively, and may have a matrix structure.
  • a material having the same material as that of the barrier rib 291 may be filled in the accommodation groove 290 by a later process. Accordingly, the partition 291 may be modified into a passivation layer surrounding the semiconductor light emitting devices. This will be described later.
  • a plurality of electrodes may be disposed on the substrate, and may include a first electrode and a second electrode which generate an electric field when a current is supplied, and the first electrode and the second electrode may be referred to as a pair electrode 261c.
  • a plurality of pair electrodes 261c may be provided and disposed at the bottom of each receiving groove.
  • the first electrode and the second electrode may be formed of electrode lines, respectively, and the plurality of electrode lines may be formed to extend to neighboring cells.
  • the pair electrodes 261c are disposed below the accommodating groove 290, and different polarities are respectively applied to generate an electric field in the accommodating groove 290.
  • the pair of electrodes 261c may cover the dielectric layer, and the dielectric layer may form a bottom of the receiving groove 290.
  • an electric field is formed, and the semiconductor light emitting device is inserted into the accommodating grooves 290 by the electric field. Can be.
  • the electrodes of the substrate 261 are electrically connected to the power supply unit 171.
  • the power supply unit 171 applies a power to the plurality of electrodes to perform the function of generating the electric field.
  • the self-assembly device may include a magnet 163 for applying a magnetic force to the semiconductor light emitting devices.
  • the magnet 163 is spaced apart from the fluid chamber 162 to apply a magnetic force to the semiconductor light emitting devices 250.
  • the magnet 163 may be disposed to face the opposite surface of the assembly surface of the substrate 261, and the position of the magnet is controlled by the position controller 164 connected to the magnet 163.
  • the semiconductor light emitting device 250 may include a magnetic material to move in the fluid by the magnetic field of the magnet 163.
  • the self-assembly device includes a magnet handler capable of automatically or manually moving in the x, y, z axis on the upper portion of the fluid chamber, or the magnet 163.
  • the motor which can rotate can be provided.
  • the magnet handler and the motor may configure the position controller 164. As a result, the magnet 163 is rotated in a direction horizontal, clockwise or counterclockwise with the substrate 261.
  • a light transmissive bottom plate 166 may be formed in the fluid chamber 162, and the semiconductor light emitting devices may be disposed between the bottom plate 166 and the substrate 161.
  • An image sensor 167 may be disposed to face the bottom plate 166 to monitor the interior of the fluid chamber 162 through the bottom plate 166.
  • the image sensor 167 is controlled by the controller 172 and may include an inverted type lens, a CCD, or the like to observe the assembly surface of the substrate 261.
  • the self-assembly apparatus described above is configured to use a combination of a magnetic field and an electric field.
  • the semiconductor light emitting devices may be seated at a predetermined position of the substrate by an electric field in the process of moving by the change of the position of the magnet. Can be.
  • This new manufacturing method may be a detailed example of the self-assembly method described above with reference to Figure 5e.
  • the assembly process using the above-described self-assembly device will be described in more detail.
  • a plurality of semiconductor light emitting devices 250 including magnetic materials are formed through the process described with reference to FIGS. 5A to 5D.
  • a magnetic material may be deposited on the semiconductor light emitting device.
  • the substrate 261 is transferred to the assembly position, and the semiconductor light emitting elements 250 are introduced into the fluid chamber 162 (FIG. 8A).
  • the assembly position of the substrate 261 may be a position disposed in the fluid chamber 162 such that an assembly surface on which the semiconductor light emitting elements 250 of the substrate 261 are assembled faces downward. Can be.
  • some of the semiconductor light emitting devices 250 may sink to the bottom of the fluid chamber 162 and some may float in the fluid.
  • some of the semiconductor light emitting devices 250 may sink to the bottom plate 166.
  • magnetic force is applied to the semiconductor light emitting devices 250 such that the semiconductor light emitting devices 250 float in the fluid chamber 162 in a vertical direction (FIG. 8B).
  • the semiconductor light emitting devices 250 float in the fluid toward the substrate 261.
  • the home position may be a position away from the fluid chamber 162.
  • the magnet 163 may be formed of an electromagnet. In this case, the initial magnetic force is generated by supplying electricity to the electromagnet.
  • the distance between the assembly surface of the substrate 261 and the semiconductor light emitting devices 250 may be controlled by adjusting the magnitude of the magnetic force.
  • the separation distance is controlled by using the weight, buoyancy, and magnetic force of the semiconductor light emitting devices 250.
  • the separation distance may be several millimeters to several tens of micrometers from the outermost portion of the substrate.
  • a magnetic force is applied to the semiconductor light emitting devices 250 such that the semiconductor light emitting devices 250 move in one direction in the fluid chamber 162.
  • the magnet 163 is moved in a direction horizontal to the substrate, clockwise or counterclockwise (FIG. 8C).
  • the semiconductor light emitting devices 250 move in a horizontal direction with the substrate 261 at a position spaced apart from the substrate 261 by the magnetic force.
  • the plurality of semiconductor light emitting devices are induced to a predetermined position of the substrate by an electric field and a magnetic field.
  • the electric field is generated by supplying power to the pair electrode of the substrate 261, that is, the bi-planar electrode, and induced to be assembled only at a predetermined position by using the electric field. That is, the semiconductor light emitting devices 250 are assembled by themselves at the assembly position of the substrate 261 using the selectively generated electric field.
  • the substrate 261 may be provided with cells into which the semiconductor light emitting devices 250 are fitted.
  • the magnetic material 257 of the semiconductor light emitting devices 250 serves as a post for vertically dividing.
  • the semiconductor light emitting element is seated on the bottom (outer surface of the dielectric layer) of the cell by the magnetic material 257. You won't be.
  • 163 may be moved in a direction away from the substrate 261 (FIG. 8E).
  • the semiconductor light emitting elements 250 remaining in the fluid chamber 162 fall to the bottom of the fluid chamber 162.
  • the recovered semiconductor light emitting devices 250 may be reused.
  • the blue semiconductor light emitting devices may be assembled in all cells of the substrate.
  • each of the red semiconductor light emitting device, the green semiconductor light emitting device, and the blue semiconductor light emitting device can be arranged at a desired position. If the above-described semiconductor light emitting device 250 is a blue semiconductor light emitting device, the assembling process described with reference to FIGS. 8A to 8E generates an electric field only in a cell corresponding to a blue pixel to generate a blue semiconductor light emitting device at a corresponding position. Assemble
  • the self-assembly apparatus and method described above uses magnetic fields to concentrate distant parts near a predetermined assembly site by using a magnetic field to increase assembly yield in a fluidic assembly.
  • the assembly board is placed in the upper part of the tank and the assembly surface is faced downward, thereby minimizing the influence of gravity due to the weight of the parts and preventing nonspecific binding to remove defects. That is, the assembly board is placed on the top to increase the transfer yield, thereby minimizing the influence of gravity or friction and preventing nonspecific binding.
  • the blue semiconductor light emitting device, the green semiconductor light emitting device, and the red semiconductor light emitting device may be assembled at desired positions.
  • a large amount of semiconductor light emitting devices can be assembled at a time in a display device in which individual pixels are formed of semiconductor light emitting devices.
  • 9A to 9D are conceptual views illustrating a process of manufacturing a display device after self-assembling a semiconductor light emitting device on a wiring board using the self-assembly device of FIG. 6.
  • the semiconductor light emitting elements 250, 250a, 250b of the substrate 261 The passivation layer 270 is filled between the plurality of semiconductor light emitting devices in a state of being assembled at a predetermined position (FIGS. 9A and 9B).
  • the wiring board 261 includes a plurality of receiving grooves 290 partitioned by partition walls, and a gap exists between the receiving groove 290 and the semiconductor light emitting device.
  • the passivation layer 270 fills the gap while covering the semiconductor light emitting device together with the partition wall.
  • the passivation layer 270 may be made of a polymer material to be integrated with the partition wall.
  • the passivation layer 270 may include a plurality of accommodation grooves, and the plurality of semiconductor light emitting devices may be accommodated in the accommodation groove. That is, the receiving groove provided in the self-assembly step in the final structure is changed into the internal space of the passivation layer 270.
  • the receiving groove is formed in the passivation layer, and has an asymmetrical shape in one direction so as to match the shape of the first conductive semiconductor layer.
  • one direction may be a direction along a central axis passing parallel to the straight portion of the receiving groove, the center of the circular groove.
  • the electric field generated by the pair electrodes 261c described with reference to FIG. 9D may be formed inside the cells.
  • the plurality of cells are arranged in a matrix structure, and the plurality of pair electrodes 261c extend to neighboring cells.
  • a planarization process may be performed to planarize the top surface of the passivation layer 270, and contact holes 271 and 272 may be formed for wiring (FIG. 9C).
  • the contact holes 271 and 272 may be formed in the first conductive semiconductor layer 253 and the second conductive semiconductor layer 255, respectively.
  • a first wiring electrode and a second wiring electrode are connected to the plurality of semiconductor light emitting devices through the contact hole (FIG. 9D).
  • the first wiring electrode 281 and the second wiring electrode 282 may extend to one surface of the passivation layer 270.
  • one surface of the passivation layer 270 may be an opposite surface to the surface covering the dielectric layer 261b.
  • the first wiring electrode 281 is formed in the first conductive semiconductor layer 253 through the first contact hole 271 formed above the first conductive semiconductor layer 253. It extends to the top surface of the passivation layer 270.
  • the second wiring electrode 282 extends to the top surface of the passivation layer 270 through the second contact hole 272 formed on the second conductive semiconductor layer 255.
  • the second conductive electrode 256 (refer to FIG. 5D) is present on the upper surface of the second conductive semiconductor layer 255, the second wiring electrode 282 is the second conductive.
  • the electrode may extend to the top surface of the passivation layer 270 through the second contact hole 272.
  • the transfer proceeds by self-assembly, but the wiring of the flip chip type semiconductor light emitting device can be implemented.
  • the passivation layer 270 may be disposed on the front side of the display apparatus 100 (see FIG. 1 below), wherein the first wiring electrode 281 and the second wiring electrode 282 are It can be a transparent electrode.
  • the pair electrode 261c may be used as a reflective layer as a metal material.
  • the passivation layer 270 may be disposed on the rear side of the display apparatus 100, wherein the dielectric layer 261b and the base portion 261ab of the substrate 261 are formed of a transparent material. Can be.
  • FIGS. 10A-10D are plan views illustrating modified examples of the semiconductor light emitting device of the present invention.
  • a center of the cross section of the first conductive semiconductor layer of the semiconductor light emitting device may be eccentric to one side.
  • the p-type electrode 356 and the n-type electrode 352 are spaced apart in the horizontal direction, and the n-type semiconductor layer 353 has an asymmetry or the other direction with respect to one direction. It can be symmetrical oval as a reference. More specifically, the shape of the n-type semiconductor layer 353 may be a cone having a longer length to one side. In this case, the p-type electrode 356 and the n-type electrode 352 are each formed in a circular shape, and may be arranged in a line along the other direction. According to this structure, the cross section of the n-type semiconductor layer 353 is formed such that the center thereof is eccentric to one side along the other direction.
  • an n-type semiconductor layer 453 is elliptical, and an n-type electrode 452 is disposed on both sides of the p-type electrode 456. It can be symmetrical.
  • the semiconductor light emitting devices 550 and 650 have n-type semiconductor layers 553 and 653 having a polygonal shape and have an axis of symmetry equal to or less than the number of vertices or sides. It can be made to.
  • n-type electrodes 552 and 652 may be disposed adjacent to each vertex, and p-type electrodes 556 and 656 may be disposed in the center of the polygon.
  • the shape of the receiving groove of the wiring board may be set to match the shape of the semiconductor light emitting device described above, in particular, the shape of the n-type semiconductor layer. According to the structure of the semiconductor light emitting device, when the semiconductor light emitting device is assembled in the receiving groove, the relative position of the n-type electrode and the p-type electrode can be always constant.

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자,및 상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며, 상기 반도체 발광소자는, 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극, 및 상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고, 상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법
본 발명은 디스플레이 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근에는 디스플레이 기술분야에서 대면적 디스플레이를 구현하기 위하여, 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 소자(OLED) 디스플레이, 그리고 마이크로 LED 디스플레이 등이 경쟁하고 있다.
그러나, LCD의 경우에 빠르지 않은 반응 시간과, 백라이트에 의해 생성된 광의 낮은 효율 등의 문제점이 존재하고, OLED의 경우에 수명이 짧고, 양산 수율이 좋지 않을 뿐 아니라 효율이 낮은 취약점이 존재한다.
이에 반해, 디스플레이에 100 마이크론 이하의 직경 또는 단면적을 가지는 반도체 발광소자(마이크로 LED (uLED))를 사용하면 디스플레이가 편광판 등을 사용하여 빛을 흡수하지 않기 때문에 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. 그러나 대형 디스플레이에는 수백만 개의 반도체 발광소자들을 필요로 하기 때문에 다른 기술에 비해 소자들을 전사하는 것이 어려운 단점이 있다.
전사공정으로 현재 개발되고 있는 기술은 픽앤플레이스(pick & place), 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 자가조립 등이 있다. 이 중에서, 자가조립 방식은 유체내에서 반도체 발광소자가 스스로 위치를 찾아가는 방식으로서, 대화면의 디스플레이 장치의 구현에 가장 유리한 방식이다.
최근에는 미국등록특허 제9,825,202에서 자가조립에 적합한 마이크로 LED 구조를 제시한 바 있으나, 아직 마이크로 LED의 자가조립을 통하여 디스플레이를 제조하는 기술에 대한 연구가 미비한 실정이다. 또한,
마이크로 LED를 전사하여 디스플레이로 만들기 위해서는 각 마이크로 LED에 전류 혹은 전압을 인가하기 위한 전기적 연결(즉, 배선)이 필수적이므로, 마이크로 LED의 자가조립에서도 배선을 고려한 새로운 형태의 구조 및 제조방법이 제시될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 마이크로 크기의 반도체 발광소자를 사용한 대화면 디스플레이에서, 높은 신뢰성을 가지는 새로운 제조공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 반도체 발광소자를 배선기판으로 자가조립할 때에, 조립 방향을 제어발 수 있는 디스플레이의 제조공정 및 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 배선기판의 수용홈과 반도체 발광소자가 비대칭 형상을 가지며, 이를 이용하여 수평형 칩으로 자가조립을 수행함에 있어서, 조립 방향도 확보되면서 조립 후 배선 공정도 단순하게 될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자, 및 상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며, 상기 반도체 발광소자는, 제1도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극, 및 상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고, 상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가진다.
실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가질 수 있다. 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
상기 제1도전형 반도체층의 단면은, 원형부분, 및 상기 원형부분의 양단을 연결하는 직선부분을 구비할 수 있다. 또는, 상기 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며, 상기 수용홈은 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 상기 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가진다.
상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 제1배선전극 및 제2배선전극과 각각 연결되고, 상기 제1배선전극 및 제2배선전극은 상기 패시베이션층의 일면으로 연장될 수 있다. 상기 기판은 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 복수의 페어 전극들을 구비할 수 있다. 상기 제1배선전극과 제2배선전극은 상기 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 복수의 페어 전극들의 반대측에 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기판을 조립위치로 이송하고, 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계와, 상기 유체 챔버내에서 상기 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 반도체 소자들을 상기 기판의 수용홈에 조립하는 단계, 및 상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결하는 단계를 포함하며, 상기 반도체 발광소자들이 상기 수용홈에 조립되면, 상기 반도체 발광소자들의 도전형 전극들이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 도전형 반도체층 중 적어도 하나는 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법을 개시한다.
실시 예에 있어서, 상기 조립하는 단계는, 상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 자기력을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기장을 가하는 단계, 및 상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 수용홈에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 수용홈으로 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 마이크로 발광 다이오드로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다. 또한, 본 발명은, 수용홈과 반도체 발광소자의 비대칭 형상을 이용하여 자가조립을 수행함에 의하여, 수평형 반도체 발광소자의 조립 방향을 확보하고, 조립 후 배선 공정도 단순하게 할 수 있는 장점을 가진다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적의 기판으로 바로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 기판 상에서 반도체 발광소자의 배선을 진행함에 따라, 임시기판이 없이 반도체 발광소자를 배선기판으로 바로 전사하는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 제조방법 및 장치에 따르면, 용액 중에 자기장과 전기장을 이용하여 반도체 발광소자를 정위치에 동시 다발적으로 전사함으로, 부품의 크기나 개수, 전사 면적에 상관없이 저비용, 고효율, 고속 전사 구현이 가능하다.
나아가, 전기장에 의한 조립이기 때문에 별도의 추가적인 장치나 공정없이 선별적 전기적 인가를 통하여 선택적 조립이 가능하게 된다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색의 마이크로 엘이디를 원하는 위치에 선택적으로 조립할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다.
도 8a 내지 도 8g는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 배선기판에 자가조립 후 디스플레이 장치를 제조하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 10a 내지 도 10d은 본 발명의 반도체 발광소자의 변형예를 나타내는 평면도들이다.
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, 디지털 사이니지, 헤드 마운팅 디스플레이(HMD), 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 개념도이고, 도 2는 도 1의 디스플레이 장치의 A 부분의 부분 확대도이고, 도 3은 도 2의 반도체 발광소자의 확대도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 2의 반도체 발광소자의 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도시에 의하면, 디스플레이 장치(100)의 제어부에서 처리되는 정보는 디스플레이 모듈(140)에서 출력될 수 있다. 상기 디스플레이 모듈의 테두리를 감싸는 폐루프 형태의 케이스(101)가 상기 디스플레이 장치의 베젤을 형성할 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(140)은 영상이 표시되는 패널(141)을 구비하고, 상기 패널(141)은 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)와 상기 반도체 발광소자(150)가 장착되는 배선기판(110)을 구비할 수 있다.
상기 배선기판(110)에는 배선이 형성되어, 상기 반도체 발광소자(150)의 n형 전극(152) 및 p형 전극(156)과 연결될 수 있다. 이를 통하여, 상기 반도체 발광소자(150)는 자발광하는 개별화소로서 상기 배선기판(110) 상에 구비될 수 있다.
상기 패널(141)에 표시되는 영상은 시각 정보로서, 매트릭스 형태로 배치되는 단위 화소(sub-pixel)의 발광이 상기 배선을 통하여 독자적으로 제어됨에 의하여 구현된다.
본 발명에서는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광소자(150)의 일 종류로서 마이크로 LED(Light Emitting Diode)를 예시한다. 상기 마이크로 LED는 100마이크로 이하의 작은 크기로 형성되는 발광 다이오드가 될 수 있다. 상기 반도체 발광소자(150)는 청색, 적색 및 녹색이 발광영역에 각각 구비되어 이들의 조합에 의하여 단위 화소가 구현될 수 있다. 즉, 상기 단위 화소는 하나의 색을 구현하기 위한 최소 단위를 의미하며, 상기 단위 화소 내에 적어도 3개의 마이크로 LED가 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(150)는 수직형 구조가 될 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 발광 소자(150)는 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 청색을 비롯한 다양한 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다.
이러한 수직형 반도체 발광 소자는 p형 전극(156), p형 전극(156) 상에 형성된 p형 반도체층(155), p형 반도체층(155) 상에 형성된 활성층(154), 활성층(154)상에 형성된 n형 반도체층(153), 및 n형 반도체층(153) 상에 형성된 n형 전극(152)을 포함한다. 이 경우, 하부에 위치한 p형 전극(156)은 배선기판의 p전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상부에 위치한 n형 전극(152)은 반도체 발광소자의 상측에서 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 수직형 반도체 발광 소자(150)는 전극을 상/하로 배치할 수 있으므로, 칩 사이즈를 줄일 수 있다는 큰 강점을 가지고 있다.
다른 예로서 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 타입(flip chip type)의 발광 소자가 될 수 있다.
이러한 예로서, 상기 반도체 발광 소자(250)는 p형 전극(256), p형 전극(256)이 형성되는 p형 반도체층(255), p형 반도체층(255) 상에 형성된 활성층(254), 활성층(254) 상에 형성된 n형 반도체층(253), 및 n형 반도체층(253) 상에서 p형 전극(256)과 수평방향으로 이격 배치되는 n형 전극(252)을 포함한다. 이 경우, p형 전극(256)과 n형 전극(152)은 모두 반도체 발광소자의 하부에서 배선기판의 p전극 및 n전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 n형 반도체층(253)과 n형 전극(252)은 제1도전형 반도체층과 제1도전형 전극으로 정의될 수 있고, 상기 p형 전극(256) 및 p형 반도체층(255)은 제2도전형 전극과 제2도전형 반도체층으로 정의될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, n형이 제2도전형이고, p형이 제1도전형으로 정의될 수 있다.
상기 수직형 반도체 발광소자와 수평형 반도체 발광소자는 각각 녹색 반도체 발광소자, 청색 반도체 발광소자 또는 적색 반도체 발광소자가 될 수 있다. 녹색 반도체 발광소자와 청색 반도체 발광소자의 경우에 질화 갈륨(GaN)을 주로 하여, 인듐(In) 및/또는 알루미늄(Al)이 함께 첨가되어 녹색이나 청색의 빛을 발광하는 고출력의 발광 소자로 구현될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 반도체 발광소자는 n-Gan, p-Gan, AlGaN, InGan 등 다양한 계층으로 형성되는 질화갈륨 박막이 될 수 있으며, 구체적으로 상기 p형 반도체층은 P-type GaN 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaN 이 될 수 있다. 다만, 적색 반도체 발광소자의 경우에는, 상기 p형 반도체층은 P-type GaAs 이고, 상기 n형 반도체층은 N-type GaAs 가 될 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 p 전극 쪽은 Mg가 도핑된 P-type GaN 이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다. 이 경우에, 전술한 반도체 발광소자들은 활성층이 없는 반도체 발광소자가 될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 발광 다이오드가 매우 작기 때문에 상기 디스플레이 패널은 자발광하는 단위화소가 고정세로 배열될 수 있으며, 이를 통하여 고화질의 디스플레이 장치가 구현될 수 있다.
상기에서 설명된 본 발명의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치에서는 웨이퍼 상에서 성장되어, 메사 및 아이솔레이션을 통하여 형성된 반도체 발광소자가 개별 화소로 이용된다. 이 경우에, 마이크로 크기의 반도체 발광소자(150)는 웨이퍼에 상기 디스플레이 패널의 기판 상의 기설정된 위치로 전사되어야 한다. 이러한 전사기술로 픽앤플레이스(pick and place)가 있으나, 성공률이 낮고 매우 많은 시간이 요구된다. 다른 예로서, 스탬프나 롤을 이용하여 한 번에 여러개의 소자를 전사하는 기술이 있으나, 수율에 한계가 있어 대화면의 디스플레이에는 적합하지 않다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 디스플레이 장치의 새로운 제조방법 및 제조장치으로 유체를 이용한 자가조립을 제시한다.
이를 위하여, 이하, 먼저 상기 플립칩 타입 반도체 발광 소자의 새로운 구조에 대하여 살펴본다.
본 발명의 반도체 발광소자는, 비대칭형 마이크로 LED의 구조를 가진다. 구체적으로, 상기 반도체 발광소자가 상기 배선기판의 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, n형 반도체층(253)이 비대칭 형상이고, p형 반도체층(255)는 대칭 형상이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 n형 반도체층(253)의 단면은 원형부분(253a) 및 직선부분(253b)을 구비할 수 있다. 상기 n형 반도체층(253)은 측면의 일부가 잘린 원기둥 형상으로서, 상측에서 바라보는 경우에 상기 원형부분(253a)의 양단을 상기 직선부분(253b)이 연결하는 형상을 가질 수 있다. 이에 반해, 상기 p형 반도체층(255)은 상기 직선부분이 보다 내측에 배치되는 구조가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 p형 반도체층(255)은 원형 또는 타원형의 단면을 가지는 것도 가능하다.
이 경우에, 상기 타방향은 상기 직선부분(253b)의 중심에 수직한 중심축(A1)을 따르는 방향이 될 수 있으며, 상기 일방향은 상기 직선부분(253b)과 평행하며, 상기 원형의 중심을 지나는 중심축(A2)을 따르는 방향이 될 수 있다. 이 때에, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치된다. 구체적으로, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 직선부분(253b)에 수직한 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다.
반도체 발광소자에서 면적이 가장 큰 부분이 n형 반도체층(253)이므로, 상기 n형 반도체층(253)의 형상에 부합하도록 배선기판(261)의 수용홈(290)의 형상이 설정될 수 있다. 따라서, 상기 배선기판(261)의 수용홈(290)은 원형부(290a) 및 직선부(290b, 이상 도 6 참조)를 구비할 수 있으며, 상기 원형부(290a)의 양단을 상기 직선부(290b)가 연결한다.
이러한 반도체 발광소자의 구조에 의하면, 상기 수용홈(290)에 상기 반도체 발광소자가 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극의 상대 위치가 항상 일정하게 될 수 있다. 따라서, 상기 반도체 발광소자의 직선 부분은 조립가이드가 될 수 있다.
한편, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비할 수 있다. 이러한, 자성체를 이용하여 추후 설명하는 자가조립에서 자기력을 이용할 수 있게 된다.
구체적인 예로서, 상기 n형 전극(252)은 상기 자성체를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 p형 전극(256)이 상기 자성체를 구비하는 것도 가능하다. 여기서 상기 자성체는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, SmCo 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
자성체는 입자 형태로 상기 n형 전극(252)에 구비될 수 있다. 또한, 이와 다르게, 자성체를 포함한 도전형 전극은, 도전형 전극의 일 레이어가 자성체로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 도 9에 도시된 것과 같이, 반도체 발광소자의 n형 전극(252)은, 제1층(252a) 및 제2층(252b)을 포함할 수 있다. 여기에서, 제1층(252a)은 자성체를 포함하도록 이루어질 수 있고, 제2층(252b)는 자성체가 아닌 금속소재를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1층(252a) 및 제2층(252b)의 사이에는 서로 다른 금속재질의 결합을 위하여, 버퍼금속(252c)이 배치될 수 있다.
또한, 본 예시에서는 자성체를 포함하는 제1층(252a)과 n형 반도체층(253)의 사이에는 또 다른 버퍼금속(252d)이 배치될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다른 예로, 상기 버퍼금속(252d)이 없이 상기 제1층(252a)이 n형 반도체층(253)과 맞닿도록 배치될 수 있다.
이 경우, 제1층(252a)은, 제2층(252b)과 제2도전형 반도체층(253) 사이에 배치된다. 상기 제2층(252b)은 배선기판의 제2전극과 연결되는 컨택 메탈이 될 수 있다.
상기와 같이 구성된 반도체 발광소자는 수평형이므로, n, p 배선을 동시에 할 수 있어서, 디스플레이 장치의 제조시에 비용과 시간이 절감될 수 있다. 이 경우에, 도너가 아닌 디스플레이 패널에 직접 전사할 수 있어서, 전사수율 극대화가 가능하게 된다. 본 발명에서는 이러한 반도체 발광소자의 구조를 이용하여, 이러한 효과를 발휘하기 위하여, 새로운 제조방법 및 제조장치를 제시한다.
이하, 먼저 디스플레이 장치의 새로운 제조방법에 대하여 살펴본다. 도 5a 내지 도 5e는 전술한 반도체 발광 소자를 제작하는 새로운 공정을 설명하기 위한 개념도들이다.
본 명세서에서는, 패시브 매트릭스(Passive Matrix, PM) 방식의 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치를 예시한다. 다만, 이하 설명되는 예시는 액티브 매트릭스(Active Matrix, AM) 방식의 반도체 발광 소자에도 적용 가능하다. 또한, 수평형 반도체 발광소자를 이용하는 방식에 대하여 예시하나, 이는 수직형 반도체 발광소자를 자가조립하는 방식에도 적용 가능하다.
먼저, 제조방법에 의하면, 성장기판(259)에 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254), 제2 도전형 반도체층(255)을 각각 성장시킨다(도 5a).
제1도전형 반도체층(253)이 성장하면, 다음은, 상기 제1도전형 반도체층(253) 상에 활성층(254)을 성장시키고, 다음으로 상기 활성층(254) 상에 제2도전형 반도체층(255)을 성장시킨다. 이와 같이, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2도전형 반도체층(255)을 순차적으로 성장시키면, 도 5a에 도시된 것과 같이, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2도전형 반도체층(255)이 적층 구조를 형성한다.
이 경우에, 상기 제1도전형 반도체층(253)은 n형 반도체층이 될 수 있으며, 상기 제2도전형 반도체층(255)은 p형 반도체층이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1도전형이 p형이 되고 제2도전형이 n형이 되는 예시도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 상기 활성층이 존재하는 경우를 예시하나, 전술한 바와 같이 경우에 따라 상기 활성층이 없는 구조도 가능하다. 이러한 예로서, 상기 p형 반도체층은 Mg가 도핑된 P-type GaN 이고, n형 반도체층은 n 전극 쪽은 Si가 도핑된 N-type GaN 인 경우가 될 수 있다.
성장기판(259)(웨이퍼)은 광 투과적 성질을 가지는 재질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), GaN, ZnO, AlO 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 성장기판(259)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하여 예를 들어, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판 또는 Si, GaAs, GaP, InP, Ga2O3 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
다음으로, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)의 적어도 일부를 제거하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다(도 5b).
보다 구체적으로, 복수의 발광소자들이 어레이를 형성하도록, 아이솔레이션(isolation) 및 메사를 수행한다. 즉, 제1도전형 반도체층(253), 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)을 수직방향으로 식각하여 복수의 반도체 발광소자를 형성한다.
수평형 반도체 발광소자를 이 단계에서 형성하기 위하여, 상기 활성층(254) 및 제2 도전형 반도체층(255)은 수직방향으로 일부가 제거되어, 상기 제1도전형 반도체층(253)이 외부로 노출되는 메사 공정과, 이후에 제1도전형 반도체층을 식각하여 복수의 반도체 발광소자 어레이를 형성하는 아이솔레이션(isolation)이 수행될 수 있다. 이 경우에, 상기 반도체 발광소자는 지름 100um이하의 원형 크기로 아이솔레이션될 수 있다.
다음으로, 상기 제1도전형 반도체층(253)의 일면 상에 제1도전형 전극(252, 또는 n형 전극)를 형성하고, 상기 제2도전형 반도체층(255)의 일면 상에 제2도전형 전극(256, 또는 p형 전극)를 형성한다(도 5c).
상기 도전형 전극들은 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층이 각각 n형 반도체층과 p형 반도체층인 경우에는, 상기 제2도전형 전극(256)은 n형 전극이 되는 것도 가능하다.
이 때에, 상기 제1도전형 전극(252) 및 제2도전형 전극(256) 중 적어도 하나는 자성체(257)를 가질수 있다. 상기 자성체(257)는 칩 상에 형성되는 자성을 띄는 금속을 의미할 수 있다. 상기 자성체는 Ni, Sn, Fe, Co 등이 될 수 있으며, 다른 예로서 Gd 계, La계 및 Mn계 중 적어도 하나에 대응되는 물질을 포함할 수 있다.
그 다음에, 상기 성장기판(259)을 제거하여 복수의 반도체 발광소자(250)를 구비한다. 예를 들어, 성장기판(259)은 레이저 리프트 오프법(Laser Lift-off, LLO) 또는 화학적 리프트 오프법(Chemical Lift-off, CLO)을 이용하여 제거할 수 있다(도 5d).
이후에, 유체가 채워진 챔버에서 복수의 반도체 발광소자(250)이 기판에 안착되는 단계가 진행된다(도 5e).
예를 들어, 유체가 채워진 챔버 속에 상기 반도체 발광소자들(250a) 및 기판을 넣고 유동, 중력, 표면 장력 등을 이용하여 상기 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판에 스스로 조립되도록 한다.
본 발명에서는, 상기 기판은 배선기판(261)이 될 수 있다. 즉, 배선기판(261)을 유체 챔버내에 넣어, 상기 반도체 발광소자들(250)이 배선기판(261)에 바로 안착되도록 한다.
한편, 상기에서 설명된 자가조립 방법은 대화면 디스플레이의 제조에 적용하려면, 전사수율을 높여야만 한다. 본 발명에서는 전사수율을 높이기 위한 방법과 장치를 제안한다.
이 경우, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 반도체 발광소자에 상기 자성체에 자기력을 가하여 반도체 발광소자를 이동시키고, 이동과정에서 전기장을 이용하여 상기 반도체 발광소자를 기설정된 위치에 안착시킨다. 이하에서는, 이러한 전사 방법과 장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 자가조립 장치의 일 예를 나타내는 개념도이고, 도 7은 도 6의 자가조립 장치의 블록 다이어그램이다. 또한, 도 8a 내지 도 8g는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 자가조립하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 6 및 도 7의 도시에 의하면, 본 발명의 자가조립 장치(160)는 유체 챔버(162), 자석(163) 및 위치 제어부(164)를 포함할 수 있다.
상기 유체 챔버(162)는 복수의 반도체 발광소자들을 수용하는 공간을 구비한다. 상기 공간에는 유체가 채워질 수 있으며, 상기 유체는 조립용액으로서 물 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 유체 챔버(162)는 수조가 될 수 있으며, 오픈형으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 챔버(162)는 상기 공간이 닫힌 공간으로 이루어지는 클로즈형이 될 수 있다.
상기 유체 챔버(162)에는 기판(261)이 상기 반도체 발광소자들(250)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(261)은 이송부에 의하여 조립위치로 이송되며, 상기 이송부는 기판이 장착되는 스테이지(165)를 구비할 수 있다. 상기 스테이지(165)가 제어부에 의하여 위치조절되며, 이를 통하여 상기 기판(261)은 상기 조립위치로 이송될 수 있다.
이 때에, 상기 조립위치에서 상기 기판(261)의 조립면이 상기 유체 챔버(162)의 바닥을 향하게 된다. 도시에 의하면, 상기 기판(261)의 조립면은 상기 유체 챔버(162)내의 유체에 잠기도록 배치된다. 따라서, 상기 반도체 발광소자(250)는 상기 유체내에서 상기 조립면으로 이동하게 된다.
상기 기판(261)은 전기장 형성이 가능한 조립기판이자, 이후에 배선이 형성되는 배선기판으로서, 베이스부(261a), 유전체층(261b) 및 복수의 전극들(261c, 261d)을 포함할 수 있다.
상기 베이스부(261a)는 절연성 있는 재질로 이루어지며, 상기 복수의 전극들(261c)은 상기 베이스부(261a)의 일면에 패턴된 박막 또는 후막 bi-planar 전극이 될 수 있다. 상기 전극(261c)은 예를 들어, Ti/Cu/Ti 의 적층, Ag 페이스트 및 ITO 등으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전극(261c)는 상기 기판 상에서 배치되며, 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 제1전극 및 제2전극을 구비하는 복수의 페어 전극들이 될 수 있다.
상기 유전체층(261b)은, SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, TiO2, HfO2 등의 무기 물질로 이루어질 있다. 이와 다르게, 유전체층(261b)은, 유기 절연체로서 단일층이거나 멀티층으로 구성될 수 있다. 유전체층(261b)의 두께는, 수십 nm~수μm의 두께로 이루어질 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 배선기판(261)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 수용홈(290)을 포함한다.
예를 들어, 반도체 발광소자들(250)이 배선기판(261)에 안착하는 것이 용이하도록, 상기 배선기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 끼워지는 수용홈(290)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 배선기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 배선전극에 얼라인되는 위치에 상기 반도체 발광소자들(250)이 안착되는 수용홈(290)이 형성된다. 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 유체 내에서 이동하다가, 상기 수용홈(290)에 조립된다.
상기 수용홈(290)은 일방향을 따라 순차적으로 배치되며, 셀을 구성할 수 있다. 수용홈(290)의 내부는 격벽(291)에 의하여 한정되는 공간이 될 수 있다. 상기 홈의 형상은 반도체 발광소자의 형상과 동일 또는 유사할 수 있다. 즉, 상기 수용홈(290)은, 전술한 바와 같이 상기 반도체 발광소자의 비대칭 형상에 부합하도록 비대칭 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 배선기판의 수용홈은 원형부(290a) 및 직선부(290b)를 구비할 수 있으며, 상기 원형부(290a)의 양단을 상기 직선부(290b)가 연결한다.
상기 수용홈(290)을 이루는 격벽(291)은, 이웃하는 셀들과 공유되도록 이루어진다. 이 경우에, 상기 격벽(291)은 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 격벽(291)은 상기 베이스부(261a)에서 돌출되며, 상기 격벽(291)에 의하여 상기 수용홈(290)이 일방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수용홈(290)은 열과 행 방향으로 각각 순차적으로 배치되며, 매트릭스 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 추후 공정에 의하여 상기 수용홈(290)의 내부에 상기 격벽(291)과 동일한 재질의 물질이 충전될 수 있다. 따라서, 상기 격벽(291)은 상기 반도체 발광소자들을 감싸는 패시베이션층으로 형태가 변형될 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 복수의 전극들은 상기 기판 상에서 배치되며, 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 제1전극 및 제2전극을 구비하고, 상기 제1전극 및 제2전극은 페어 전극(261c)으로 지칭될 수 있다. 본 발명에서는 상기 페어 전극(261c)이 복수로 구비되어, 각각의 수용홈의 바닥에 배치될 수 있다. 상기 제1전극 및 제2전극은 각각 전극라인으로 이루어지며, 상기 복수의 전극라인은 이웃한 셀로 연장되도록 이루어질 수 있다.
페어 전극들(261c)은 상기 수용홈(290)의 하측에 배치되며, 서로 다른 극성이 각각 인가되어 상기 수용홈(290) 내에 전기장을 생성한다. 상기 전기장 형성을 위하여, 상기 페어 전극들(261c)을 상기 유전체층이 덮고, 상기 유전체층이 상기 수용홈(290)의 바닥을 형성할 수 있다. 이런 구조에서, 각 수용홈(290)의 하측에서 페어 전극(261c)에 서로 다른 극성이 인가되면 전기장이 형성되고, 상기 전기장에 의하여 상기 수용홈(290)의 내부로 상기 반도체 발광소자가 삽입될 수 있다.
상기 조립위치에서 상기 기판(261)의 전극들은 전원공급부(171)와 전기적으로 연결된다. 상기 전원공급부(171)는 상기 복수의 전극에 전원을 인가하여 상기 전기장을 생성하는 기능을 수행한다.
도시에 의하면, 상기 자가조립 장치는 상기 반도체 발광소자들에 자기력을 가하기 위한 자석(163)을 구비할 수 있다. 상기 자석(163)은 상기 유체 챔버(162)와 이격 배치되어 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가하도록 이루어진다. 상기 자석(163)은 상기 기판(261)의 조립면의 반대면을 마주보도록 배치될 수 있으며, 상기 자석(163)과 연결되는 위치 제어부(164)에 의하여 상기 자석의 위치가 제어된다. 상기 자석(163)의 자기장에 의하여 상기 유체내에서 이동하도록, 상기 반도체 발광소자(250)는 자성체를 구비할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 보다 구체적으로, 상기 자가조립 장치는 상기 유체 챔버의 상부에 x,y,z 축으로 자동 또는 수동으로 움직일 수 있는 자석 핸들러를 구비하거나, 상기 자석(163)을 회전시킬 수 있는 모터를 구비할 수 있다. 상기 자석 핸들러 및 모터는 상기 위치 제어부(164)를 구성할 수 있다. 이를 통하여, 상기 자석(163)은 상기 기판(261)과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 유체 챔버(162)에는 광투과성의 바닥판(166)이 형성되고, 상기 반도체 발광소자들은 상기 바닥판(166)과 상기 기판(161)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 바닥판(166)을 통하여 상기 유체 챔버(162)의 내부를 모니터링하도록, 이미지 센서(167)가 상기 바닥판(166)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 이미지 센서(167)는 제어부(172)에 의하여 제어되며, 기판(261)의 조립면을 관찰할 수 있도록 inverted type 렌즈 및 CCD 등을 구비할 수 있다.
상기에서 설명한 자가조립 장치는 자기장과 전기장을 조합하여 이용하도록 이루어지며, 이를 이용하면, 상기 반도체 발광소자들이 상기 자석의 위치변화에 의하여 이동하는 과정에서 전기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치에 안착될 수 있다. 이러한 새로운 제조공법은 도 5e를 참조하여 전술한 자가조립 방법의 상세한 예가 될 수 있다. 이하, 상기에서 설명한 자기조립 장치를 이용한 조립과정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 5a 내지 도 5d에서 설명한 과정을 통하여 자성체를 구비하는 복수의 반도체 발광소자들(250)을 형성한다. 이 경우에, 도 5c의 제2도전형 전극을 형성하는 과정에서, 자성체를 상기 반도체 발광소자에 증착할 수 있다.
다음으로, 기판(261)을 조립위치로 이송하고, 상기 반도체 발광소자들(250)을 유체 챔버(162)에 투입한다(도 8a).
전술한 바와 같이, 상기 기판(261)의 조립위치는 상기 기판(261)의 상기 반도체 발광소자들(250)이 조립되는 조립면이 아래를 향하도록 상기 유체 챔버(162)에 배치되는 위치가 될 수 있다.
이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250) 중 일부는 유체 챔버(162)의 바닥에 가라앉고 일부는 유체 내에 부유할 수 있다. 상기 유체 챔버(162)에 광투과성의 바닥판(166)이 구비되는 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250) 중 일부는 바닥판(166)에 가라앉을 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(250)이 수직방향으로 떠오르도록 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가한다(도 8b).
상기 자가조립 장치의 자석(163)이 원위치에서 상기 기판(261)의 조립면의 반대면으로 이동하면, 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 기판(261)을 향하여 상기 유체 내에서 떠오르게 된다. 상기 원위치는 상기 유체 챔버(162)로부터 벗어난 위치가 될 수 있다. 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 전자석에 전기를 공급하여 초기 자기력을 생성하게 된다.
한편, 본 예시에서, 상기 자기력의 크기를 조절하면 상기 기판(261)의 조립면과 상기 반도체 발광소자들(250)의 이격거리가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(250)의 무게, 부력 및 자기력을 이용하여 상기 이격거리를 제어한다. 상기 이격거리는 상기 기판의 최외각으로부터 수 밀리미터 내지 수십 마이크로미터가 될 수 있다.
다음으로, 상기 유체 챔버(162) 내에서 상기 반도체 발광소자들(250)이 일방향을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들(250)에 자기력을 가한다. 예를 들어, 상기 자석(163)을 상기 기판과 수평한 방향, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동한다(도 8c). 이 경우에, 상기 반도체 발광소자들(250)은 상기 자기력에 의하여 상기 기판(261)과 이격된 위치에서 상기 기판(261)과 수평한 방향으로 따라 이동하게 된다.
다음으로, 상기 반도체 발광소자들(250)이 이동하는 과정에서 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들(250)을 상기 기설정된 위치로 유도하는 단계가 진행된다(도 8d). 예를 들어, 상기 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판(261)과 수평한 방향으로 따라 이동하는 도중에 상기 전기장에 의하여 상기 기판(261)과 수직한 방향으로 이동하여 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 안착된다.
상기 복수의 반도체 발광소자들은 전기장 및 자기장에 의하여 상기 기판의 기설정된 위치로 유도되는 것이다.
보다 구체적으로, 기판(261)의 페어 전극, 즉 bi-planar 전극에 전원을 공급하여 전기장을 생성하고, 이를 이용하여 기설정된 위치에서만 조립이 되도록 유도한게 된다. 즉 선택적으로 생성한 전기장을 이용하여, 반도체 발광소자들(250)이 상기 기판(261)의 조립위치에 스스로 조립되도록 한다. 이를 위하여, 상기 기판(261)에는 상기 반도체 발광소자들(250)이 끼워지는 셀들이 구비될 수 있다.
이 때에, 상기 반도체 발광소자들(250)의 자성체(257)는 상하 구분을 위한 포스트 역할을 하게 된다. 구제척으로, 자성체(257)가 있는 면이 페어 전극(261c)을 향하는 방향으로 상기 셀에 삽입되면, 반도체 발광소자는 상기 자성체(257)에 의하여 상기 셀의 바닥(상기 유전체층의 외면)에 안착되지 못하게 된다.
한편, 상기 반도체 발광소자들(250)을 상기 기설정된 위치로 유도한 후에, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(250)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지도록 상기 자석(163)을 상기 기판(261)과 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있다(도 8e). 다른 예로서, 상기 자석(163)이 전자석인 경우에 전원공급을 중단하면, 상기 유체 챔버(162) 내에 남아있는 반도체 발광소자들(250)이 상기 유체 챔버(162)의 바닥으로 떨어지게 된다.
이후에, 상기 유체 챔버(162)의 바닥에 있는 반도체 발광소자들(250)을 회수하면, 상기 회수된 반도체 발광소자들(250)의 재사용이 가능하게 된다.
본 발명의 디스플레이 장치가 청색 반도체 발광소자들을 이용하는 경우, 즉 상기 반도체 발광소자들이 전부 청색 반도체 발광소자들인 경우에는, 상기 기판의 모든 셀에 청색 반도체 발광소자들이 조립될 수 있다.
한편, 본 예시에 의하면, 적색 반도체 발광소자, 녹색 반도체 발광소자 및 청색 반도체 발광소자의 각각이 원하는 위치로 배열할 수 있다. 만약, 전술한 반도체 발광소자(250)가 청색 반도체 발광소자인 경우라면, 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한 조립 과정은 청색 화소에 해당하는 셀에만 전기장을 생성하여 해당하는 위치로 청색 반도체 발광소자를 조립한다.
이 후에, 도 8a 내지 도 8e를 참조하여 설명한 조립 과정을 녹색 반도체 발광소자(250a)와 적색 반도체 발광소자(250b)를 이용하여 각각 수행한다(도 8f 및 도 8g). 다만, 배선기판(261)이 이미 조립위치로 로딩되어 있으므로, 기판을 조립 위치로 로딩하는 과정은 생략될 수 있다.
이후에, 상기 배선기판(261)의 언로딩 과정이 진행되며, 조립 공정이 완료된다.
상기에서 설명된 자가조립 장치 및 방법은 fluidic assembly에서 조립 수율을 높이기 위해 자기장을 이용하여 먼거리의 부품들을 미리 정해진 조립 사이트 근처에 집중시키고, 조립 사이트에 별도 전기장을 인가하여 조립 사이트에만 선택적으로 부품이 조립되도록 한다. 이때 조립기판을 수조 상부에 위치시키고 조립면이 아래로 향하도록 하여 부품의 무게에 의한 중력 영향을 최소화하면서 비특이적 결합을 막아 불량을 제거한다. 즉, 전사수율을 높이기 위해 조립 기판을 상부에 위치시켜 중력이나 마찰력 영향을 최소화하며, 비특이적 결합을 막는다.
또한, 청색 반도체 발광소자, 녹색 반도체 발광소자와 적색 반도체 발광소자를 각각 원하는 위치로 조립할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 개별화소를 반도체 발광소자로 형성하는 디스플레이 장치에서, 다량의 반도체 발광소자를 한번에 조립할 수 있다.
상기와 같이 조립과정이 끝나면, 디스플레이 장치를 제조하는 공정이 수행될 수 있다. 이하, 이러한 디스플레이 장치의 제조 공정에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
[규칙 제91조에 의한 정정 30.10.2018]　
도 9a 내지 도 9d는 도 6의 자가조립 장치를 이용하여 반도체 발광소자를 배선기판에 자가조립 후 디스플레이 장치를 제조하는 공정을 나타내는 개념도이다.
전술한 공정에 의하여, 유체 챔버내에서 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 기판의 기설정된 위치에 조립하고 난 후에, 상기 반도체 발광소자들(250, 250a, 250b)이 상기 기판(261)의 기설정된 위치에 조립된 상태에서 상기 복수의 반도체 발광소자들의 사이에는 패시베이션층(270)이 충전된다(도 9a 및 도 9b).
보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 배선기판(261)은 격벽에 의하여 구획되는 복수의 수용홈(290)을 포함하며, 상기 수용홈(290)과 상기 반도체 발광소자 사이에는 갭이 존재하게 된다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 격벽과 함께 상기 반도체 발광소자를 덮으면서 상기 갭을 채우게 된다.
이런 공정을 통하여, 디스플레이에서는 상기 반도체 발광소자를 패시베이션층(270)이 감싸는 구조가 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(270)은 상기 격벽과 일체화되도록 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 공정에 의하여 구현되는 도 9d에 도시된 디스플레이 장치에서, 상기 패시베이션층(270)은 복수의 수용홈을 구비하고, 상기 복수의 반도체 발광소자들은 상기 수용홈에 수용될 수 있다. 즉, 최종 구조에서 자가 조립단계에서 구비되었던 수용홈은 상기 패시베이션층(270)의 내부 공간으로 변하게 된다.
따라서, 상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며, 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지게 된다. 여기서 일방향은 상기 일방향은 수용홈의 직선부와 평행하며, 원형부의 중심을 지나는 중심축을 따르는 방향이 될 수 있다.
이 경우에, 전술한 바와 같이 도 9d를 참조하여 설명한 페어 전극들(261c)에 의하여 생성되는 전기장은 상기 셀들의 내부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 셀들은 매트릭스 구조로 배열되고, 상기 복수의 페어 전극들(261c)은 이웃한 셀들로 연장되는 구조가 된다.
다음으로, 이후에, 상기 패시베이션층(270)의 상면이 평탄화되도록, 평탄화 공정이 수행되고, 배선을 위하여 컨택홀(271, 272)이 형성될 수 있다(도 9c).
상기 컨택홀(271, 272)을 제1도전형 반도체층(253)과 제2도전형 반도체층(255) 각각에 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 컨택홀을 통하여 상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결한다(도 9d).
도 9d의 도시에 의하면, 상기 제1배선전극(281) 및 제2배선전극(282)은 상기 패시베이션층(270)의 일면으로 연장된 수 있다. 이 때에, 상기 패시베이션층(270)의 일면은 상기 유전체층(261b)을 덮는 면의 반대면이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1배선전극(281)은 상기 제1도전형 반도체층(253)의 상측에 형성되는 제1컨택홀(271)을 통하여, 상기 제1도전형 반도체층(253)에서 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장된다. 상기 제2배선전극(282)은 상기 제2도전형 반도체층(255)의 상측에 형성되는 제2컨택홀(272)을 통하여, 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장된다. 다만, 다른 예로서, 상기 제2도전형 반도체층(255)의 상면에 제2도전형 전극(256, 도 5d 참조)이 존재하는 경우에, 상기 제2배선전극(282)은 상기 제2도전형 전극에서 상기 제2컨택홀(272)을 통하여, 상기 패시베이션층(270)의 상면으로 연장될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 자가조립에 의하여 전사가 진행되나, 플립칩 타입의 반도체 발광소자의 배선이 구현될 수 있다. 이 경우에, 상기 패시베이션층(270)이 상기 디스플레이 장치(100, 이하 도 1 참조)의 전면측에 배치될 수 있으며, 이 때에 상기 제1배선전극(281) 및 제2배선전극(282)은 투명전극이 될 수 있다. 이 때에, 상기 페어 전극(261c)은 금속 재질로서 반사층으로 활용될 수 있다.
다른 예로서, 상기 패시베이션층(270)이 상기 디스플레이 장치(100)의 후면측에 배치될 수 있으며, 이 때에는 상기 유전체층(261b)과 상기 기판(261)의 베이스부(261ab)가 투명 재질로 형성될 수 있다.
한편, 상기에서 설명된 본 발명의 공정 및 장치에 적용되는 반도체 발광소자는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 도 10a 내지 도 10d를 참조하여 설명한다. 도 10a 내지 도 10d은 본 발명의 반도체 발광소자의 변형예를 나타내는 평면도들이다.
도 10a를 참조하면, 반도체 발광소자의 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 일측에 편심될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 반도체 발광 소자(350)에서는 p형 전극(356)과 n형 전극(352)은 수평방향으로 이격 배치되며, n형 반도체층(353)이 일방향을 기준으로 비대칭이나 타방향을 기준으로 대칭인 달걀형이 될 수 있다. 보다 구체적으로, n형 반도체층(353)의 형상이 일측으로 길이가 더 긴 원추형이 될 수 있다. 이 경우에, p형 전극(356)과 n형 전극(352)은 각각 원형으로 형성되며, 상기 타방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 상기 n형 반도체층(353)의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심되도록 형성된다.
다른 예로서, 도 10b를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(450)는 n형 반도체층(453)이 타원형이고, n형 전극(452)이 p형 전극(456)을 가운데 두고, 양측에 배치되는 대칭구조가 될 수 있다.
또 다른 예로서, 도 10c 및 도 10d를 참조하면, 상기 반도체 발광 소자(550, 650)는 다각형 형태의 n형 반도체층(553, 653)을 가지며, 꼭지점 수 또는 변의 개수 이하만큼의 대칭축을 가지도록 이루어질 수 있다. 이 경우에, 각 꼭지점에 인접하게 n형 전극(552, 652)이 배치되며, p형 전극(556, 656)은 다각형의 중앙에 배치될 수 있다.
상기에서 설명된 반도체 발광소자의 형상, 특히 n형 반도체층의 형상에 부합하도록 상기 배선기판의 수용홈의 형상이 설정될 수 있다. 이러한 반도체 발광소자의 구조에 의하면, 상기 수용홈에 상기 반도체 발광소자가 조립되면, 상기 n형 전극 및 p형 전극의 상대 위치가 항상 일정하게 될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 공정 및 장치에 의하면, 작은 크기의 웨이퍼 상에서 반도체 발광소자를 다량으로 화소화시킨 후 대면적 기판으로 전사시키는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여, 저렴한 비용으로 대면적의 디스플레이 장치를 제작하는 것이 가능하게 된다.

Claims (12)

  1. 반도체 발광소자; 및
    상기 반도체 발광소자가 수용되는 수용홈을 구비하는 기판을 포함하며,
    상기 반도체 발광소자는,
    제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층의 상부에 배치되는 제2도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층에 배치되는 제1도전형 전극; 및
    상기 제2도전형 반도체층에 배치되며, 수평방향을 따라 상기 제1도전형 전극과 이격되는 제2도전형 전극을 구비하고,
    상기 반도체 발광소자가 상기 수용홈에 조립되면, 상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 제1도전형 반도체층은 적어도 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 상기 일방향과 수직한 타방향을 기준으로 대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 상기 타방향을 따라 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층의 단면은,
    원형부분; 및
    상기 원형부분의 양단을 연결하는 직선부분을 구비하는 것을 특징으로 하는디스플레이 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층의 단면은 중심이 상기 타방향을 따라 일측에 편심되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수용홈은 패시베이션층에 형성되며,
    상기 수용홈은 상기 제1도전형 반도체층의 형상에 부합하도록, 상기 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극은 제1배선전극 및 제2배선전극과 각각 연결되고, 상기 제1배선전극 및 제2배선전극은 상기 패시베이션층의 일면으로 연장되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 전류가 공급되면 전기장을 생성하는 복수의 페어 전극들을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1배선전극과 제2배선전극은 상기 반도체 발광소자들을 기준으로 상기 복수의 페어 전극들의 반대측에 형성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 전극 및 제2도전형 전극 중 적어도 하나는 자성체를 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  11. 기판을 조립위치로 이송하고, 제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층을 구비하는 반도체 발광소자들을 유체 챔버에 투입하는 단계;
    상기 유체 챔버내에서 상기 반도체 발광소자들의 이동을 유도하여, 상기 반도체 소자들을 상기 기판의 수용홈에 조립하는 단계; 및
    상기 복수의 반도체 발광소자들에 제1배선전극 및 제2배선전극을 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 반도체 발광소자들이 상기 수용홈에 조립되면, 상기 반도체 발광소자들의 도전형 전극들이 기설정된 위치로 배열되도록, 상기 복수의 반도체 발광소자들의 도전형 반도체층 중 적어도 하나는 일방향을 기준으로 비대칭인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조립하는 단계는,
    상기 유체 챔버 내에서 상기 반도체 발광소자들이 자기력을 따라 이동하도록, 상기 반도체 발광소자들에 자기장을 가하는 단계; 및
    상기 반도체 발광소자들이 이동하는 과정에서 상기 기판의 수용홈에 안착되도록, 전기장을 가하여 상기 반도체 발광소자들을 상기 수용홈으로 유도하는 단계를 포함하는 디스플레이 장치의 제조방법.
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