WO2024019572A1 - 디스플레이 화소용 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

디스플레이 화소용 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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micro
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layer
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장원재
황성현
임충현
이민우
김명수
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • the embodiment relates to a semiconductor light emitting device for display pixels and a display device including the same.
  • the embodiment relates to simultaneous self-assembly technology for RGB Micro-LED for next-generation displays, semiconductor light-emitting devices for display pixels applied thereto, and display devices including the same.
  • Micro-LED displays are attracting attention as next-generation displays due to their various advantages, such as long lifespan and high brightness, compared to organic light-emitting diode (OLED) displays.
  • OLED organic light-emitting diode
  • micro LED technology is being commercialized for large-screen displays such as digital signage, and active research and development is also underway in other application fields such as augmented reality, flexible displays, and biometric imaging.
  • micro-LED transfer technology there are major obstacles such as high throughput, high yield, and production scalability up to 10th generation or more (2940 ⁇ 3370 mm 2 ) glass size. These obstacles must be overcome for micro-LED to enter the mainstream product market and compete with LCD and OLED.
  • a related-art stamp method was demonstrated to transfer red, blue, and green light-emitting diode (RGB) LEDs into individual RGB subpixels.
  • RGB red, blue, and green light-emitting diode
  • placement accuracy is another issue.
  • the area of the electrical pad and gap between the anode and cathode of the micro LED for electrical connection is designed considering placement accuracy. If the placement accuracy is poor, the size of micro-LED will be limited.
  • the related technology FSA Fluid Self-Assembly
  • transports micro-sized elements in a fluid attaches the micro-sized elements to molten solder, and self-aligns in the assembly hole by minimizing the surface free energy of the liquid solder.
  • One of the technical challenges of the embodiment is to overcome the hurdles of transfer technology to micro-LED technology.
  • the embodiment seeks to overcome key obstacles such as high throughput, high yield, and scalability of production to over 10 generations of glass size (2940 ⁇ 3370 mm 2 ).
  • one of the technical challenges of the embodiment is to accurately control the assembly direction of the LED chip in technology using fluid assembly.
  • a semiconductor light emitting device for a display pixel includes a light emitting structure including a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer, and the first conductivity type semiconductor layer.
  • the metal layer includes a magnetic material, and the weight ratio of the magnetic material to the weight of the semiconductor light emitting device may be 0.25% to 36.75%.
  • the magnetic material may include Ni.
  • the thickness of the magnetic material may be 10 nm to 2300 nm.
  • the first contact electrode is disposed surrounding the second contact electrode, and may be electrically connected to a first conductive semiconductor layer from which an upper portion of the light emitting structure is partially removed.
  • the display device includes first assembled electrodes and second assembled electrodes spaced apart from each other, a dielectric layer disposed on the first and second assembled electrodes, and a predetermined assembly hole disposed on the dielectric layer. It may include an insulating layer and a semiconductor light emitting device disposed on the assembly hole.
  • the semiconductor light emitting device may include any one of the above semiconductor light emitting devices.
  • the height of the assembly hole may be 4.0 ⁇ m or more.
  • the height of the assembly hole may be 4.5 ⁇ m to 5.0 ⁇ m.
  • the dielectric layer may include nitride.
  • the dielectric layer may include Si 3 N 4 .
  • a gap ratio which is a ratio of the distance between the first and second spaced lip electrodes to the size of the semiconductor light emitting device, may be 0.4 to 0.8.
  • the embodiment may present a new transcription method based on FSA (Fluidic Self-Assembly) technology, named MDSAT (Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology).
  • FSA Fluid Self-Assembly
  • MDSAT Magnetic Force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology
  • the MDSAT technology according to the embodiment has a special technical effect of achieving an RGB LED simultaneous transfer yield of 99.99% within 15 minutes by combining magnetic force and dielectrophoresis (DEP) force.
  • DEP dielectrophoresis
  • nickel a ferromagnetic material
  • this has a special technical effect in that not only the movement of the micro-LED but also the up and down assembly direction can be precisely controlled using a magnet.
  • a micro LED can be effectively moved using magnetic force in a fluid, and a disk-shaped LED chip with a back metal can be assembled using DEP force.
  • This has the special technical effect of perfectly controlling the assembly direction and securing an assembly rate (or transfer rate) of 99.99% that can be mass-produced as a display device.
  • the assembly hole may also be referred to as a receptor.
  • a light emitting panel was fabricated and showed damage-free transfer characteristics and uniform RGB electroluminescence emission, demonstrating that the MDSAT method according to the example is an excellent transfer technology candidate for mass production of mainstream commercial products.
  • an MDSAT method is proposed to simultaneously transfer RGB LEDs to a large-area substrate at high speed using a combination of magnetic force and dielectrophoresis (DEP), and the RGB LEDs are trapped within the assembly hole by magnetic force and DEP force. Because it is self-aligned, the transfer yield is superior to that of the FSA method of related technology.
  • DEP dielectrophoresis
  • MDSAT is a scalable process that can cover glass sizes in today's display production. For example, simply enlarging the size of the magnet array to match the glass ensures that the time the magnet array covers the glass remains unchanged. Therefore, the assembly time is not affected by the transfer area and the number of assembly holes in the glass. This is in sharp contrast to the stamp transfer method, where the process time scales linearly with the transfer area.
  • the embodiment achieved a transmission yield of 99.99% for RGB LED by optimizing assembly conditions, assembly hole design, and shape matching, which is suitable for implementing a flawless 4K resolution display when used with RPA (Redundancy Pixel Architecture). Therefore, MDSAT according to the embodiment is considered an ideal micro LED transfer technology for mass production of next-generation commercial products.
  • FIG. 1A is a diagram schematically depicting a Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology (MDSAT) method according to an embodiment.
  • MDSAT Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology
  • Figure 1b shows the DEP and magnetic force distribution data between two adjacent assembly holes (AH).
  • Figure 2 is an exemplary diagram of the relationship between the DEP force depending on the inclination angle on the surface of the assembly substrate (AS) of the micro-LED on the surface of the assembly hole (AH) in the embodiment.
  • Figure 3 is an exemplary diagram of a micro LED device according to an embodiment.
  • Figure 4 shows simulation result data of the DEP force vector for assembly angle (0-180°) relative to the assembly hole surface for various micro-LEDs.
  • Figure 8a shows transcription yield data related to DEP force and magnetic force.
  • Figure 8b shows transfer yield data related to back metal thickness and magnetic force.
  • Figure 8c shows comparison data of forward and reverse DEP forces depending on the presence or absence of a lower metal layer on the LED chip.
  • 9A to 9C are diagrams showing the assembly state of the micro LED according to the relationship between magnetic force and DEP force.
  • Figure 10 shows experimental result data for evaluating the reproducibility of transcription yield.
  • Figure 12 is a schematic diagram showing the inclination angle between the micro-LED and the assembly hole with mismatched shapes.
  • Figure 13 shows data on DEP force for shape-mismatched microLEDs as a function of assembly hole height.
  • Figure 15a is a schematic diagram of a PM panel showing red, green and blue LEDs and the interconnections between the LEDs and pads.
  • Figure 15b is a cross-sectional view of the RGB panel.
  • Figure 15c is a diagram showing I-V characteristics of red, green, and blue.
  • Figure 15d is EL spectrum data showing emission peaks at 451 nm, 532 nm and 630 nm, respectively.
  • Figure 17 shows change data of DEP force according to frequency.
  • Figure 18 shows variation data of DEP force with frequency using RGB micro LED with bottom metal layer.
  • 19 is a schematic diagram of a 3D model for COMSOL simulation.
  • Display devices described in this specification include digital TVs, mobile phones, smart phones, laptop computers, digital broadcasting terminals, personal digital assistants (PDAs), portable multimedia players (PMPs), navigation, and slates.
  • PDAs personal digital assistants
  • PMPs portable multimedia players
  • slates may include PCs, tablet PCs, ultra-books, desktop computers, etc.
  • the configuration according to the embodiment described in this specification can be applied to a device capable of displaying even if it is a new product type that is developed in the future.
  • FIG. 1A is a diagram schematically depicting a Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology (MDSAT) method according to an embodiment.
  • MDSAT Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology
  • Figure 1a shows the micro LED (MLD) and assembled substrate (AS) placed in a bath chamber using deionized water as the fluid medium (FM).
  • an assembled substrate (AS) and a micro-LED are placed in a bath chamber, and a micro-LED cluster can be formed by axial rotational movement of a magnet under the assembled substrate, as shown in the inserted figure.
  • the magnet can move in the direction of the arrow while maintaining axial rotational motion.
  • the magnet array (MA) may be disposed along the back side of the assembly substrate (AS) to apply magnetic force to a micro-LED (MLD) embedded with a ferromagnetic material, for example, nickel.
  • the magnet array (MA) may include a plurality of circular magnet rod arrays, but the embodiment is not limited thereto. The manufacturing method of micro-LED will be described later.
  • the micro-LED is shown as being disposed on the upper side of the assembled substrate (AS), but the embodiment is not limited thereto.
  • a micro-LED may be placed on the underside of the assembled substrate (AS).
  • the micro-LED cluster moves in response to the magnetic force of the magnet array (MA), and when it approaches the assembly hole (AH), each micro-LED in the cluster moves to each assembly hole (AH) by the DEP force. ) is trapped.
  • Figure 1b shows the DEP and magnetic force distribution between two adjacent assembly holes (AH).
  • the essential magnetic force and DEP are indicated by dotted and solid lines, respectively, and the circuit diagram in the background of the graph indicates where the magnetic force and DEP are calculated.
  • DEP forces can exceed magnetic forces by about 10 times and can control the final assembly process.
  • DEP is a short-range force, so it can be controlled so that it can be effectively exerted around the assembly hole (AH).
  • magnetic forces can act over long distances and help move micro-LEDs across the assembled substrate (AS).
  • Figure 2 is an exemplary diagram showing the relationship between the DEP force depending on the inclination angle on the surface of the assembly substrate (AS) of the micro-LED on the surface of the assembly hole (AH) in the embodiment.
  • Figure 3 is an exemplary diagram of a micro LED device according to an embodiment.
  • Figure 3(a) is an exemplary diagram of a Blue or Green micro LED device according to the first embodiment.
  • the blue or green micro LED device may include undoped GaN (u-GaN), n-type GaN (n-GaN), an active layer (not shown), and p-type GaN (p-GaN).
  • the Blue or Green micro LED device includes a bottom metal (B-metal) under undoped GaN (u-GaN), and an n-type contact electrode (n) on n-type GaN (n-GaN).
  • -contact may include a p-type contact electrode (p-contact) and passivation (PV) on p-type GaN (p-GaN).
  • the n-type contact electrode (n-contact) and the passivation (PV) may be spaced apart by a predetermined distance (S).
  • the blue or green micro LED device according to the first embodiment may be a GaN-based disk, and the lower metal (B-metal) may include Ti, but is not limited thereto.
  • the p-type contact electrode may be formed of ITO, but is not limited thereto.
  • n-type contact electrode may be formed of a single layer or a composite layer of Cr, Ti, and Ni.
  • the thickness of undoped GaN may be about 3.0 to 4.0 ⁇ m. Additionally, the thickness of n-type GaN (n-GaN) may be about 3.0 to 4.0 ⁇ m. Additionally, the thickness of p-type GaN (p-GaN) may be about 0.2 to 1.0 ⁇ m.
  • the thickness of the lower metal (B-metal) may be about 50 to 200 nm.
  • the passivation (PV) may include SiO 2 and its thickness may be about 300 to 800 nm.
  • Figure 3(b) is an exemplary diagram of a Red micro LED device according to the second embodiment.
  • Red micro LED device includes n-type GaInP (n-GaInP), n-type GaAs (n-GaAs), n-type AlInP (n-AlInP), active layer (not shown), p-type GaP (p- GaP) may be included.
  • n-GaInP n-type GaInP
  • n-GaAs n-type GaAs
  • n-AlInP n-type AlInP
  • active layer not shown
  • p-type GaP p- GaP
  • the Red micro LED device has a bottom metal (B-metal) under n-type GaInP (n-GaInP), and an n-type contact electrode (n-) on n-type AlInP (n- AlInP). contact), and may include a p-type contact electrode (p-contact) and passivation (PV) on p-type GaP (p-GaP).
  • the n-type contact electrode (n-contact) and the passivation (PV) may be spaced apart by a predetermined distance (S).
  • the Red micro LED device according to the second embodiment may be a GaAs-based disk, and the lower metal (B-metal) may include Ti, but is not limited thereto.
  • n-type contact electrode may be formed of a single layer or a composite layer of Au, AuGe, Ti, and Ni.
  • the p-type contact electrode may be formed of ITO, but is not limited thereto.
  • the thickness of n-type GaInP may be about 0.1 to 0.5 ⁇ m.
  • n-type GaAs may be about 0.02 to 0.10 ⁇ m. Additionally, the thickness of n-type AlInP (n-AlInP) may be about 3.0 to 5.0 ⁇ m. Additionally, the thickness of p-type GaP (p-GaP) may be 0.5 to 1.5 ⁇ m.
  • the thickness of the lower metal (B-metal) may be about 50 to 200 nm.
  • the passivation (PV) may include SiO 2 and its thickness may be about 300 to 800 nm.
  • Figure 4 shows simulation result data of the DEP force vector for assembly angle (0-180°) relative to the assembly hole surface for various micro-LEDs.
  • CM Clausius-Mossotti
  • Figure 2 shows the Z-axis component of the DEP force vector in the assembled electrode (AE) direction and cross-sectional views showing the position of the micro-LED for angles 0-90° and 90-180°. is inserted.
  • Figure 2 shows that the DEP force increases as the angle decreases. This indicates that as the angle decreases, the micro-LED is pulled into the assembly hole and is eventually assembled when the angle is less than 10° when the DEP force dominates the magnetic force.
  • the axial rotation of the magnet in the proposed MDSAT method which induces the rocking motion of the microLED, is expected to increase the likelihood that the microLED will meet this angular criterion for assembly.
  • the DEP force fluctuates around 0 when the angle exceeds 60° and becomes clearly negative after 165°. This indicates that the micro-LED is likely to be pushed out of the assembly hole (AH) at an angle of more than 60°, especially in the presence of external magnetic force.
  • Figures 5(a) and 5(b) show stage 1 in which micro LEDs are gathered around the assembly hole (AH) in response to the movement of magnetic force.
  • the micro-LED closest to the assembly hole (AH) responds to the generated DEP force, and its edge touches the perimeter of the assembly hole.
  • Figures 6(a) and 6(b) show the second stage in which the micro LED swings along the edge of the assembly hole (AH) in response to the rotational movement of the magnet. This indicates that it is in a transition state where there is a balance between DEP and magnetic force.
  • Figures 7(a) and 7(b) show that the micro-LED is assembled as the angle between the micro-LED and the assembly hole (AH) falls below a certain angle.
  • the transfer yield was studied as the applied peak-to-peak voltage (Vpp) relative to the DEP was varied based on the specified operation of the micro LED in the assembly hall (AH).
  • Figure 8a provides the experimentally obtained transfer yields along with the DEP force and magnetic force calculated from COMSOL simulations.
  • the magnetic force was calculated at 10 locations around the assembly hall (AH), and the results ranged from 1 ⁇ 10 -8 [N] to 1.2 ⁇ 10 -7 [N].
  • the size of the assembled board is approximately 75 mm ⁇ 75 mm and approximately 270 ⁇ 240 pixels.
  • the assembly board consists of approximately 64,800 assembly holes (AH), spaced 278 ⁇ m apart from each other.
  • Figure 8b shows transfer yield data related to the thickness of the back metal and magnetic force.
  • the micro LED is effectively moved using magnetic force in the fluid, and the assembly direction is perfectly controlled by assembling the disk-shaped LED chip with the back metal using DEP force, thereby increasing the assembly rate or transfer rate.
  • the assembly direction is perfectly controlled by assembling the disk-shaped LED chip with the back metal using DEP force, thereby increasing the assembly rate or transfer rate.
  • Figure 8c shows comparison data of forward and reverse DEP force depending on the presence or absence of a lower metal layer on the LED chip.
  • the LED chip (LED_E) according to the embodiment may have a lower metal at the bottom of the chip.
  • the LED (LED_R) according to the comparative example may not have a lower metal at the bottom of the chip.
  • the semiconductor light emitting device has a rear metal layer, so that it is more advantageous to distinguish the chip from top to bottom, and thus the assembly direction can be perfectly controlled.
  • the DEP force during forward assembly is significantly increased by more than 50% compared to the DEP force during reverse assembly.
  • the LED chip (LED_E) may have a rear metal, and the difference between the DEP force when a reverse electric force is applied and the DEP force when a 7V forward electric force is applied ( ⁇ DEP_E) may be about 3.0
  • the difference ( ⁇ DEP_R) between the DEP force when reverse electric force is applied and the DEP force when 7V forward electric force is applied may be about 2.0X10 -6 [N].
  • the semiconductor light emitting device has a rear metal layer, so that it is more advantageous to distinguish the top and bottom of the chip, and this has the special technical effect of perfectly controlling the assembly direction.
  • Table 1 below shows data on the thickness, weight, and ratio of Ni according to the strength of the magnet in the examples.
  • a semiconductor light emitting device may include a back metal layer, and the back metal layer may include a magnetic material.
  • the embodiment may include Ni as the metal layer, but is not limited thereto.
  • Table 1 shows the Ni thickness and the corresponding Ni ratio change data to have a magnetic force of about 1.2E-7[N] (see FIG. 1b), depending on the strength of the magnet.
  • the magnetic force used to assemble the 38 ⁇ m-class DSAT may be about 1.2E-7[N].
  • the ratio of Ni in a semiconductor light emitting device chip may be about 0.25% to 36.75%.
  • the experimental conditions in the example may be 12Vpp, frequency 100kHz, 430mT Neodymium magnet of 2mmx20mm size, and the distance between the micro LED and the magnet may be about 504.78 ⁇ m.
  • the thickness of the glass may be about 500 ⁇ m, and the thickness of the electrode and passivation may be about 0.28 ⁇ m.
  • the height of the assembly hole may be about 4.5 ⁇ m, the thickness of the magnetic material (Ni) of the GaN-based LED may be 220nm, and the electrode gap may be about 7.5 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the DEP force may be about 10 times greater than the magnetic force, for example, about 12 times greater.
  • the DEP force may be about 1.47E-6 [N] (FIG. 1b), and the magnetic force may be about 1.2E-7 [N], but are not limited thereto.
  • Figures 9a to 9c are diagrams showing the assembly state of the micro LED according to the relationship between magnetic force and DEP force.
  • Figure 10 shows experimental result data for evaluating the reproducibility of transcription yield.
  • Figure 9(a) shows the initial stage where the magnetic force dominates the DEP force. For example, it is shown that the micro LED seated in the assembly hole location is swept away by the movement of the magnet, resulting in an unassembled position as shown in FIG. 9(a).
  • Figure 9(b) shows that as the Vpp and DEP forces increase to levels above the magnetic force, the empty assembly hole (AH) is gradually filled with micro-LED (MLD) and remains stable.
  • Figure 9(c) shows that the transcription yield began to decrease after reaching 12Vpp.
  • the decrease in transfer yield is due to a defect in which multiple micro-LEDs (MLD1, MLD2) are arranged around one assembly hole (AH), as shown in Figure 9(c).
  • a gap may appear between the micro-LED and the assembly hole (AH) wall due to design tolerances.
  • the assembly hole (AH) matched the shape of each RGB micro-LED, and the size of the assembly hole (AH) was designed to be 4 ⁇ m larger than the LED in both axes.
  • Red micro-LED has a diameter of 42 ⁇ m
  • Green micro-LED has a diameter of 49 ⁇ m ⁇ 35 ⁇ m
  • Blue micro-LED has a diameter of 56 ⁇ m ⁇ 28 ⁇ m. .
  • R-MLD red micro LED
  • G-MLD green micro LED
  • B-MLD blue micro LED
  • Figure 11 is an image of three examples of shape mismatch defects.
  • a blue micro-LED (B-MLD) seated inside (G-AH) is shown, with the anode and cathode also indicated.
  • Figure 12 is a schematic diagram showing the inclination angle between the micro-LED and the assembly hole whose shape does not match.
  • one side of the micro LED was located at the bottom corner of the assembly hole and the other diagonal was placed above the assembly hole.
  • ⁇ i can be defined as the inclination angle between the micro LED and the assembly hole.
  • Figure 13 is a data plot for DEP force for shape-mismatched micro LEDs as a function of assembly hole height.
  • the maximum value of the magnetic force acting on the micro LED was calculated to be 1.2 ⁇ 10 -7 [N] based on COMSOL simulation and reflected in the chart.
  • Figure 14 is data on transfer yield as a function of assembly hole height in an example.
  • the transfer yield was investigated as a function of the assembly hole height in the range of 3 ⁇ m to 5 ⁇ m, and the results are shown in FIG. 14.
  • the size of the assembled board was 75mm ⁇ 75mm and consisted of 64,800 RGB assembly holes spaced 278 ⁇ m apart from each other.
  • the magnet head which is the same size as the assembly board, consists of an 8 ⁇ 8 magnet array, and each magnet is designed to synchronously scan a 13 mm ⁇ 13 mm area for 15 minutes.
  • each neodymium magnet bar (diameter: 5 mm, length: 20 mm) is 5000 gauss.
  • the magnetic array can move at 250 ⁇ m/s in both x and y directions while rotating axially at 420 revolutions per minute.
  • a 100mm x 100mm RGB micro LED display panel was manufactured using the MDSAT method. Previous studies reported the implementation of FSA-based micro LED displays, but they were based on monochromatic LEDs.
  • the panel according to the embodiment consists of 43,200 micro LEDs corresponding to a display resolution of 120 ⁇ 120 pixels and a pixel pitch of 834 ⁇ m.
  • Figure 15a is a schematic diagram of a PM panel showing red, green and blue LEDs and the interconnections between the LEDs and pads.
  • Figure 15b is a cross-sectional view of the RGB panel.
  • Figure 15b shows a focused ion beam (FIB) image of a cross-section of a PM panel showing two coplanar assembly electrodes, microLEDs in assembly holes, planarization layer, and power lines.
  • FIB focused ion beam
  • the assembly holes are shown as white dashed lines because they are faintly visible due to similar contrast between the organic materials.
  • a spray process was performed to fix the micro LED after self-assembly. Then, planarization was performed and contact holes were made to connect the power lines and pads for the anode and common electrode.
  • Figure 15c is a picture showing the I-V characteristics of red, green, and blue.
  • Figure 15c shows the I-V characteristics of red, green, and blue micro LEDs with forward voltages of 1.83, 2.3, and 2.65 V, respectively, at leakage currents of less than 10 ⁇ A and 10 nA.
  • Figure 15d provides the EL spectrum showing emission peaks at 451 nm, 532 nm, and 630 nm, respectively.
  • the embodiment exhibits electroluminescence (EL) light emission of an RGB panel with excellent light emission intensity and luminance uniformity, and it is possible to implement 3 ⁇ 3 pixels that clearly emit red, green, and blue light.
  • EL electroluminescence
  • the panel showed a 99.98% emitting pixel yield with 10 defective pixels.
  • the scalable MDSAT method can also potentially be integrated with existing active matrix (AM) backplanes by adjusting the magnet array size accordingly.
  • AM active matrix
  • RGB micro LEDs can be deposited on a transistor backplane with a front-emitting structure. The anode of the micro LED can then be connected to the driving circuit of the AM backplane and the cathodes connected together.
  • RGB LED DEP power difference between AlGaInP-based and GaN-based LEDs
  • Table 2 shows the input parameters for COMSOL: material, permittivity, and conductivity. Thin layers of multiple quantum wells (MQWs) were not included in COMSOL simulations because they were expected to have minimal impact on the results.
  • MQWs multiple quantum wells
  • DSAT has another major potential for simultaneously assembling RGB micro-LEDs by matching the shapes of the RGB LEDs to each assembly hole.
  • RGB LED can be transferred at once in a single chamber, which has the advantages of simplifying system design, reducing investment costs, and minimizing process costs.
  • round and oval shapes are more resistant to damage from LED-to-LED collisions due to their rounded shape compared to edged shapes (such as triangles, squares, or rectangles).
  • the design rule was set to 7 ⁇ m, which means that 35 ⁇ m is needed for three areas for three contact points and two spaces between contact points.
  • the purpose of separation is to eliminate the formation of LED-to-LED chains due to magnetization after self-assembly, as illustrated in Figures 3(a) and 3(b).
  • Figure 16 is a microscope image of an RGB micro LED according to an embodiment.
  • Figure 16 (a) is an image of an AlGaInP-based red LED with a micro LED size of 38 ⁇ m in diameter.
  • Figure 16 (b) is an image of a GaN-based green LED with a micro LED size of 45 ⁇ m ⁇ 31 ⁇ m.
  • Figure 16 (c) is an image of a GaN-based blue LED with a micro LED size of 52 ⁇ m ⁇ 24 ⁇ m (scale bar is 20 ⁇ m).
  • the separation (S) was set to 1.5 ⁇ m on both sides (left and right) of the micro-LED. Therefore, the diameter of the red micro-LED (R-MLD) was set to 38 ⁇ m considering the design rule (35 ⁇ m) and the two separations (3 ⁇ m).
  • the oval shape of the green micro-LED was designed to be 45 ⁇ m ⁇ 31 ⁇ m.
  • the long and short axes are respectively 7 ⁇ m larger and 7 ⁇ m smaller than the 38 ⁇ m diameter of the circular-shaped red micro LED.
  • the 45 ⁇ m long axis was determined based on process tolerances based on the photolithography and etching steps used to fabricate the micro LEDs and assembly holes.
  • the assembly hole diameter of the circular-shaped red micro LED was 42 ⁇ m, and the process tolerance was about 3 ⁇ m.
  • the long axis of the green micro-LED was selected at 45 ⁇ m to prevent the green micro-LED from being trapped in the circular assembly hole of the red micro-LED.
  • the oval shape of the blue micro-LED was designed in the same way that the green micro-LED was determined.
  • the long axis and short axis are respectively 7 ⁇ m larger and 7 ⁇ m smaller than the 45 ⁇ m ⁇ 31 ⁇ m of the green micro-LED (B-MLD), and as a result, the oval shape of the blue micro-LED was designed to be 52 ⁇ m ⁇ 24 ⁇ m as shown in (c) of Figure 16.
  • Figures 17 and 18 show data on the DEP force from COMSOL simulation.
  • Figure 17 shows change data of DEP force with frequency at a fixed value of applied voltage (12 Vpp).
  • Figure 18 shows the variation data of DEP force with frequency at a fixed value of applied voltage (12 Vpp) using a modified RGB micro LED with a bottom metal layer on the bottom surface.
  • Figure 17 shows the change in DEP power of RGB micro LED according to frequency.
  • the applied voltage and the gap between the two assembled electrodes are fixed to 12 Vpp and 7.5 ⁇ m, respectively. These were found to be the optimal conditions used in manufacturing display panels.
  • the three LEDs experience the highest DEP force at approximately 100 kHz.
  • the DEP force decreases above 100 kHz, while AlGaInP-based LEDs maintain the DEP force. Under this condition, all three LEDs cannot be assembled simultaneously with high yield because the frequency response of the DEP force is different.
  • the DEP force is applied to a polarizable particle in a non-uniform electric field, it is affected by the electric field magnitude, the frequency of the input voltage, the permittivity and conductivity of the particle (i.e. micro-LED), and the particle size (i.e. micro-LED chip size). Receive.
  • the difference in frequency response is due to the difference in conductivity between layer 4 of the AlGaInP-based LED and layer 3 of the GaN-based LED, as shown in Table 2. This can be explained by the CM factor, which is a function of frequency that includes both dielectric ( ⁇ 0 ⁇ r ) and conductive contributions ( ⁇ ).
  • micro-LEDs for the modified GaN-based and AlGaInP-based micro-LEDs are illustrated in Figures 3(a) and 3(b).
  • the DEP power is improved for all LEDs, especially at high frequencies above 100 kHz, GaN-based blue and green LEDs do not show a DEP power drop.
  • the common assembly frequency of RGB LEDs can be optimized over a wide frequency range depending on the configuration and design of the assembly board.
  • Adding a lower metal layer can maximize the difference in conductivity between the top and bottom surfaces of the micro LED, improving the ratio of the DEP force applied to the bottom surface to the top surface by approximately 1.5 times.
  • the micro LED structure with an added bottom metal layer has a special technical effect that improves MDSAT's ability to select the right LED surface for assembly.
  • the electrode gap (distance between two assembled electrodes) and the dielectric layer of the assembled electrode which are factors that affect the electric field size of the assembled substrate and the size of the LED chip, were investigated.
  • 19 is a schematic diagram of a 3D model for COMSOL simulation.
  • Figure 19 illustrates three factors that affect DPE force: the micro LED chip, the electrode gap, and the dielectric layer on the assembled electrode.
  • the LED chip according to the embodiment may include a lower metal layer such as titanium on the bottom surface and may include a GaN-based micro LED having a cylindrical shape.
  • the diameter of the micro LED can range from 10 to 50 ⁇ m to evaluate the effect of LED chip size on the DEP force.
  • the examples use 'gap ratio' instead of 'electrode gap' to investigate the independent influence of two factors (electrode gap and LED chip size) on DEP force. can be used.
  • 'Gap ratio' is defined as the ratio of the distance between two assembled electrodes to the micro LED chip size, and 'electrode gap' is the distance between two assembled electrodes.
  • Figure 19(b) shows the variation of DEP force with respect to LED size and gap ratio for SiO 2 dielectric layer and Figure 19(c) Si 3 N 4 dielectric layer.
  • Figures 19(b) and 19(c) show that as the LED chip size increases, the DEP force increases and the gap ratio for both SiO 2 and Si 3 N 4 dielectric layers decreases.
  • Figures 19(b) and 19(c) show that the dielectric layer on the assembled substrate (AS) is an essential element affecting the DEP force.
  • Materials with a high dielectric constant e.g. Si 3 N 4 dielectric layer
  • the MDSAT method according to the embodiment utilizes magnetic force to effectively transfer micro-LEDs, thereby dramatically improving transfer yield and allowing the two forces (magnetic force and DEP force) to be controlled to compete with each other during assembly. Therefore, when the assembly process occurs near the assembly hole, the DEP force can be controlled to be larger than the magnetic force.
  • the magnetic force acting on the micro-LED varies depending on the distance between the micro-LED and the magnet and can range from 1 ⁇ 10 -8 [N] to 1.2 ⁇ 10 -7 [N].
  • the DEP force near the assembly hole can be controlled to be greater than 1.2 ⁇ 10 -7 [N].
  • the DEP force should be higher than 1.2
  • the inability to assemble was studied.
  • the electrode gap and LED chip size can be selected at about 7.5 ⁇ m and about 38 ⁇ m, respectively, considering the process margin at the assembly electrode on the assembly board and the power line at the top of the LED chip, but are not limited to these.
  • an assembly board can be manufactured.
  • a triple layer of Mo/Al/Mo (20/100/20 nm) was deposited via e-beam evaporation and patterned to define the assembled electrode area.
  • photoresist DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM
  • DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM photoresist
  • the substrate was baked at 110°C for 2 minutes.
  • the Mo/Al/Mo layer was then wet etched using an aluminum etchant for 10 minutes, and the substrate was rinsed with deionized water.
  • the Si 3 N 4 dielectric layer of the assembled electrode was deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • Photoresist WPR-1052, JSR
  • WPR-1052, JSR photoresist
  • a developer AZ-300MIF, MERCK
  • micro LED After assembling the micro LED on an assembly board, spray a layer of photoresist (DPA-5000, DONGJIN SEMICHEM) to fix the micro LED, then soft bake at 100°C for 2 minutes, UV expose without a photomask, and bake in the oven. Bake at 200°C for 15 minutes.
  • a layer of photoresist DPA-5000, DONGJIN SEMICHEM
  • a layer of photoresist (SU-8, MICROCHEM) was spin-coated on the assembled substrate at 3000 rpm for 30 seconds. SU-8 was then baked in an oven at 200°C for 1 hour.
  • a photoresist (GXR601, MERCK) was rotated onto the photoresist (SU-8, MICROCHEM) and patterned into a circular shape to form the n-contact and p-contact on the micro-LED. defined.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the passivation layer (SiO 2 ) of the micro-LED was etched within the contact hole.
  • a transparent power line made of ITO Indium Tin Oxide
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the ITO layer was deposited on patterned photoresist (DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM).
  • DNR L-300 is then removed using acetone to peel off the overlying ITO layer, creating a transparent power line.
  • the Ti/Al power line was also manufactured using a lift-off process.
  • the power line was patterned by depositing a Ti/Al bilayer using e-beam onto patterned DNR L-300.
  • GaN-based micro LEDs can be manufactured.
  • a GaN-based epi layer was prepared on a sapphire wafer and ITO was deposited on it.
  • photoresist GXR601, MERCK
  • ITO a GaN-based epi layer
  • soft baking 100 °C for 2 min
  • exposing to UV and using a developer (AZ-300MIF, MERCK).
  • developer AZ-300MIF, MERCK
  • the ITO/GaN-based epitaxial layer was etched using an inductively coupled plasma (ICP) etch device to form a mesa shape, and the remaining photoresist was peeled off.
  • ICP inductively coupled plasma
  • photoresist DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM
  • DNR L-300 DONGJIN SEMICHEM
  • n-contact metal Cr/Ti/Ni/Ti, 20/20/100/70 nm was fabricated in the n region of the micro LED through electron beam deposition and lift-off processes.
  • Figure 3(a) shows a schematic diagram of the n-contact metal.
  • the Ni layer embedded in the n-contact metal can play a role in moving the micro-LED in response to magnetic force.
  • SiO 2 passivation layer
  • the passivation layer can improve hydrophilicity for free movement and prevent substrate adsorption (attachment of micro LEDs to the surface of the assembled substrate) and micro LED agglomeration. This has another advantage in that micro LEDs that are not assembled in the assembly hole can be recycled because there is no substrate adsorption. Additionally, the passivation layer spatially separates the Ni layer from the surface of the micro-LED and prevents the micro-LED from sticking to each other due to magnetization after magnetic manipulation.
  • Photoresist (GXR601, MERCK) was coated and patterned on the micro LED, and then a PSA (pressure-sensitive adhesive) film was applied on top.
  • a PSA (pressure-sensitive adhesive) film was applied on top.
  • LLO laser-lift-off
  • the micro LED on the PSA film was soaked in acetone to dissolve the patterned photoresist, and the micro LED was released from the PSA and dispersed in the acetone bath.
  • AlGaInP-based micro LEDs can be manufactured.
  • an ITO layer was deposited on an AlGaInP-based epi layer grown on a GaAs wafer.
  • the next process involves fabricating the mesa and outline of the micro LED, and this process is similar to that of GaN-based micro LED.
  • the same method was used for photolithography (spin coating, soft baking, UV exposure, development, and hard baking).
  • the ICP etcher Using the same ICP etcher, the ITO/GaAs-based epitaxial layer was etched to form a mesa shape, and the remaining photoresist was peeled off.
  • photoresist DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM
  • DNR L-300 DONGJIN SEMICHEM
  • n-contact metal AuGe/Au/Ti/Ni/Ti, 100/100/50/100/50 nm
  • a 500 nm thick silicon dioxide layer was applied to the side walls of the micro LED. deposited on the top surface.
  • photoresist (GXR601, MERCK) was coated on the micro LED. The sides of the photoresist were then attached onto the glass wafer using silicone adhesive.
  • a CLO (Chemical Lift-Off) process was performed to remove the GaAs wafer using a solution (NH 4 OH:H 2 O 2 :H 2 O), and then the passivation layer (SiO 2 ) formed between the micro LEDs was removed. It was removed by RIE.
  • Assembly can occur with the assembly board facing down or in a position where the micro-LED is placed on the bottom of the bath beneath the board. In this case, a stronger magnetic force is needed to overcome gravity to pull the micro-LED up to the assembly board.
  • the main advantage of this approach is that unintended particles, which most likely do not have magnetic properties, are excluded from the assembly process because they do not react to the magnetic field.
  • an array of glass tubes containing magnetic rods are prepared to feed the micro LEDs.
  • the magnetic rod moves vertically inward towards the end of the glass tube.
  • the micro-LED is attached to or dropped from the end surface of the glass tube through the vertical movement of the magnet inside the glass tube.
  • the amount supplied per magnetic tube is 2 to 3 mg in weight. According to the experimental example, there is no effect on assembly yield when the number of LEDs is 2 to 3 mg.
  • An array of magnetic tubes can drop the LEDs directly onto the assembly board in the bath chamber. The magnetic tube array can be reused after the self-assembly process to collect LEDs for recycling and preparation for the next run.
  • the MDSAT method has the advantage of being able to recycle micro LEDs.
  • Embodiments may be adopted in the field of displays that display images or information.
  • Embodiments may be adopted in the field of displays that display images or information using semiconductor light-emitting devices.
  • Embodiments can be adopted in the field of displays that display images or information using micro- or nano-level semiconductor light-emitting devices.

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Abstract

실시예에 따른 디스플레이 화소용 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다. 실시예에 따른 디스플레이 화소용 반도체 발광소자는, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 컨택 전극과, 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 메탈층과, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 컨택 전극 및 상기 발광구조물 상에 배치되는 패시베이션층을 포함할 수 있다. 상기 메탈층은, 자성물질을 포함하고, 상기 반도체 발광소자의 무게 대비 상기 자성물질의 무게 비율은 0.25%~36.75%일 수 있다.

Description

디스플레이 화소용 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치
실시예는 디스플레이 화소용 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
구체적으로 실시예는 차세대 디스플레이를 위한 RGB Micro-LED의 동시 자가 조립 기술, 및 이에 적용되는 디스플레이 화소용 반도체 발광소자와 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
마이크로LED 디스플레이(micro-LED Display)는 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이에 비해 장수명, 고휘도 등 다양한 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 그 결과 마이크로 LED 기술은 디지털 사이니지와 같은 대화면 디스플레이용으로 상용화되고 있으며, 증강현실, 플렉서블 디스플레이, 생체영상 등 다른 응용 분야에 대해서도 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
그러나 micro-LED의 전사 기술관점에서, 높은 처리량, 높은 수율, 10세대 이상(2940 × 3370mm2) 유리 크기까지의 생산 확장성과 같은 주요 장애물이 있다. micro-LED가 주류 제품 시장에 진입하고 LCD 및 OLED와 경쟁하려면 이러한 장애물이 극복되야 한다.
관련기술에서 스탬프 방법 및 유체 자기 조립(FSA)과 같은 전사 기술에서 발전이 이루어졌지만, 이러한 관련기술은 대량 시장을 해결할 가시적인 솔루션이 없는 소량 시장에만 적합하다.
예를 들어, 관련기술의 스탬프 방법은 적색, 청색 및 녹색 발광 다이오드(RGB) LED를 개별 RGB 하위 픽셀로 전사하는 것을 시연했다. 그러나 불량한 반복성 및 제한된 스탬프 크기와 같은 제한 사항은 높은 전사 처리량을 방해한다.
또한 배치 정확도는 또 다른 문제이며, 전기적 연결을 위한 마이크로 LED의 양극과 음극 사이의 전기 패드 및 간격의 면적은 배치 정확도를 고려하여 설계되었으며, 배치 정확도가 좋지 않으면 micro-LED의 크기가 제한된다.
반대로 관련기술의 FSA(Fluidic Self-Assembly)는 마이크로 크기의 소자를 유체로 운반하고 마이크로 크기의 소자는 용융된 솔더에 부착되며 액상 솔더의 표면 자유 에너지를 최소화하여 조립 홀에서 자체 정렬된다.
그러나 LED를 조립 홀로 이동시키는 가장 좋은 방법은 확인되지 않았다.
예를 들어 초소형 소자를 이송하기 위한 텀블링 운동, 중력, 흔들림 운동 등이 보고되었으나 모두 상용화를 위한 이송 수율이 높지 않다는 공통적인 단점을 가지고 있다.
또한 FSA 상용화에 대한 해결되지 않은 장애물이 가장 큰 과제로 남아 있다.
첫째, TV와 같은 대용량 소비자 시장을 다루기 위해서는 높은 처리량 전사가 필요하다. micro-LED 제품이 대부분의 소비자 응용 제품과 비용 호환성을 갖기 위해서는 시간당 5천만~1억 개의 LED 전사 속도가 목표 수준으로 제안되었다.
지금까지 보고된 가장 빠른 FSA 프로세스는 45초당 62,500개의 칩이며, 이는 시간당 약 5백만 개의 칩에 해당될 뿐이다. 이 속도를 기준으로 2,500만 개의 LED로 구성된 단일 4K 해상도 micro-LED 디스플레이를 조립하는 데 최대 5시간이 걸린다.
둘째, 마이크로 LED를 생산 규모의 기판으로 옮기기 위한 확장 가능한 기술이 필요하다.
셋째, RGB micro-LED의 선택적 FSA를 위한 기술 솔루션을 확보해야 한다. 지금까지 micro-LED FSA에 대한 대부분의 연구는 단색 LED만을 사용하여 수행되었습니다. 모양 일치 FSA 기술은 RGB LED 조립을 위한 잠재적 솔루션으로 제안되었지만 100μm보다 큰 크기의 Si 요소를 사용하여 실현 가능성이 입증되었을 뿐이다.
한편, 유체 어셈블리를 이용하는 기술에서 LED 칩의 n-contact 과 p-contact 영역과 점등배선과의 올바른 연결을 위해 칩의 조립 방향 구별은 매우 중요한 기술이다.
그러나 관련 기술에서 마이크로 LED의 조립방향을 90% 이상으로 구현 가능한 기술을 제시하지 못하는 실정이다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 micro-LED 기술에의 전사 기술의 장애물을 극복하는 것이다.
예를 들어, 실시예는 높은 처리량, 높은 수율, 10세대 이상(2940 × 3370mm2) 유리 크기까지의 생산 확장성과 같은 주요 장애물을 극복하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 유체 어셈블리를 이용하는 기술에서 LED 칩의 조립 방향을 정확하게 제어하고자 함이다.
실시예에의 기술적 과제는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 발명의 설명으부터 파악되는 것을 포함한다.
실시예에 따른 디스플레이 화소용 반도체 발광소자는, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 컨택 전극과, 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 메탈층과, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 컨택 전극 및 상기 발광구조물 상에 배치되는 패시베이션층을 포함할 수 있다.
상기 메탈층은, 자성물질을 포함하고, 상기 반도체 발광소자의 무게 대비 상기 자성물질의 무게 비율은 0.25%~36.75%일 수 있다.
상기 자성물질은 Ni을 포함할 수 있다.
상기 자성물질의 두께는 10nm 내지 2300nm일 수 있다.
상기 제1 컨택 전극은 상기 제2 컨택 전극의 둘레를 감싸면서 배치되며, 상기 발광구조물의 상측이 일부 제거된 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 서로 이격된 제1 조립 전극과 제2 조립 전극과, 상기 제1, 제2 조립 전극 상에 배치된 유전체층과, 소정의 조립 홀을 구비하여 상기 유전체층 상에 배치되는 절연층과, 상기 조립 홀 상에 배치되는 반도체 발광소자를 포함할 수 있다.
상기 반도체 발광소자는 상기 어느 하나의 반도체 발광소자를 포함할 수 있다.
상기 조립 홀의 높이는 4.0 ㎛ 이상일 수 있다.
상기 조립 홀의 높이는 4.5 ㎛ 내지 5.0㎛일 수 있다.
상기 유전체층은 질화물을 포함할 수 있다.
상기 유전체층은 Si3N4를 포함할 수 있다.
상기 반도체 발광소자의 크기에 대한 상기 이격된 제1, 제2 립 전극 사이의 거리 비율의 비율인 갭 비율이 0.4 내지 0.8일 수 있다.
실시예는 MDSAT(Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology)로 명명된 FSA(Fluidic Self-Assembly) 기술에 기반한 새로운 전사 방법을 제시할 수 있다.
실시예에 따른 MDSAT 기술은 자기력과 유전영동(DEP) 힘을 결합하여 15분 이내에 99.99%의 RGB LED 동시 전사 수율을 달성하는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 강자성 물질인 니켈을 micro-LED에 정밀하게 삽입하였고, 이를 통해 자석을 사용하여 micro-LED 움직임뿐만 아니라 위 아래 조립방향을 정밀하게 제어할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 유체에서 자력을 이용하여 마이크로 LED를 효과적으로 이동하고, 후면메탈을 구비하는 Disk 형태의 LED 칩을 DEP force를 이용하여 조립할 수 있다. 이를 통해 조립 방향성을 완벽하게 컨트롤하여 디스플레이 소자로써 양산할 수 있는 조립율 (혹은 전사율) 99.99%를 확보할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 따르면, 조립 홀을 중심으로 국부적인 DEP 힘을 가함으로써 이러한 마이크로 LED를 조립 홀에 효과적으로 포착하여 조립할 수 있는 기술적 효과가 있다. 조립 홀은 수용체로 칭해질 수도 있다.
또한 실시예에 따르면 마이크로 LED와 조립 홀 사이의 모양 일치를 통해 RGB LED의 동시 조립이 가능한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 따르면, 발광 패널이 제작되었고 손상 없는 전사 특성과 균일한 RGB 전계 발광 방출을 보였으며, 실시예에 따른 MDSAT 방법이 주류 상용 제품의 대량 생산을 위한 우수한 전사 기술 후보임을 입증했다.
실시예에 따르면, 자기력과 유전영동(DEP)의 조합을 활용하여 RGB LED를 대면적 기판에 고속으로 동시에 전사하는 MDSAT 방법을 제안하며, RGB LED들은 자기력과 DEP 힘에 의해 조립 구멍 내에서 트랩되고 자체 정렬되어 관련기술의 FSA 방법보다 전사 수율이 우수하다.
또한 실시예에 따른 MDSAT는 오늘날의 디스플레이 생산에서 유리 크기를 커버할 수 있는 확장 가능한 프로세스이다. 예를 들어, 유리와 일치하도록 자석 배열의 크기를 확대하기만 하면 자석 배열이 유리를 덮는 시간이 변경되지 않고 유지된다. 따라서 조립 시간은 이송 영역과 유리 내의 조립 홀 수에 영향을 받지 않는다. 이것은 프로세스 시간이 전사 영역에 따라 선형적으로 확장되는 스탬프 전사 방법과 뚜렷한 대조를 이룹니다.
실시예는 조립 조건, 조립 홀 디자인, 형상 매칭을 최적화하여 RGB LED의 전송 수율 99.99%를 달성했으며, 이는 RPA(Redundancy Pixel Architecture)와 함께 사용 시 무결점 4K 해상도 디스플레이를 구현하는 데 적합하다. 따라서 실시예에 따른 MDSAT는 차세대 상용 제품의 대량 생산을 위한 이상적인 마이크로 LED 전사 기술로 여겨진다.
실시예에의 기술적 효과는 본 항목에 기재된 것에 한정되지 않으며, 발명의 설명으부터 파악되는 것을 포함한다.
도 1a는 실시예에 따른 MDSAT(Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology) 방법을 개략적으로 묘사한 도면.
도 1b는 두 개의 인접한 조립 홀(AH) 사이의 DEP 및 자기력 분포를 데이터.
도 2는 실시예에서 조립 홀(AH)의 표면에서 micro-LED의 조립 기판(AS) 표면에서의 경사 각도에 따른 DEP 힘의 관계 예시도.
도 3은 실시예에 따른 마이크로 LED 소자의 예시도.
도 4는 다양한 micro-LED들에 대해 조립 홀 표면에 상대적인 조립 각도(0-180°)에 대한 DEP 힘 벡터의 시뮬레이션 결과 데이터.
도 5 내지 도 7은 조립 홀(AH) 근처에서 단색 마이크로 LED의 거동 모습들.
도 8a는 DEP 힘 및 자기력과 관련된 전사 수율 데이터.
도 8b는 후면 메탈의 두께, 자기력과 관련된 전사 수율 데이터.
도 8c는 LED 칩에 하부 메탈층의 유무에 따른 정방향, 역방향 DEP force 비교 데이터.
도 9a 내지 도 9c는 자력과 DEP 힘의 관계에 따른 마이크로 LED의 조립 상태를 나타내는 도면.
도 10은 전사 수율의 재현성을 평가하기 위한 실험결과 데이터.
도 11은 형상 불일치 결함의 3가지 예의 이미지.
도 12는 모양이 일치하지 않는 micro-LED와 조립 홀 사이의 경사각을 보여주는 개략도.
도 13은 조립 구멍 높이의 함수로서 형태 불일치 마이크로 LED에 대한 DEP 힘에 대한 데이터.
도 14는 실시예에서 조립 홀 높이의 함수로서 전사 수율의 데이터.
도 15a는 빨간색, 녹색 및 파란색 LED와 LED와 패드 사이의 상호 연결을 보여주는 PM 패널의 개략도.
도 15b는 RGB 패널의 단면도.
도 15c는 red, green, blue의 I-V 특성을 보여주는 그림.
도 15d는 각각 451 nm, 532 nm 및 630 nm에서 방출 피크를 보여주는 EL 스펙트럼 데이터.
도 17은 주파수에 따른 DEP 힘의 변화 데이터.
도 18은 하부 금속층이 있는 RGB 마이크로 LED를 사용하여 주파수에 따른 DEP 힘의 변화 데이터.
도 19는 COMSOL 시뮬레이션을 위한 3D 모델의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 '모듈' 및 '부'는 명세서 작성의 용이함이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이며, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것은 아니다. 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 다른 중간 요소가 존재할 수도 있는 것을 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 디스플레이 장치에는 디지털 TV, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트(Slate) PC, 태블릿(Tablet) PC, 울트라 북(Ultra-Book), 데스크탑 컴퓨터 등이 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 구성은 추후 개발되는 새로운 제품형태이라도, 디스플레이가 가능한 장치에도 적용될 수 있다.
이하 실시예에 따른 디스플레이 화소용 발광소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 설명한다.
도 1a는 실시예에 따른 MDSAT(Magnetic force-assisted Dielectrophoretic Self-Assembly Technology) 방법을 개략적으로 묘사한 도면이다.
도 1a에 의하면, 유체 매체(FM)로 탈 이온수를 사용한 욕조 챔버에 놓인 마이크로 LED(MLD) 및 조립 기판(AS)을 보여준다.
실시예에 의하면, 조립 기판(AS)과 micro-LED는 욕조 챔버에 배치되고 삽입된 그림과 같이 조립 기판 아래에 있는 자석의 축 회전 운동에 의해 micro-LED 클러스터가 형성될 수 있다. 자석은 축 방향 회전 운동을 유지하면서 화살표 방향으로 움직일 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 강자성 물질, 예를 들어 니켈이 내장된 micro-LED(MLD)에 자력을 가하기 위해 마그넷 어레이(MA)가 조립 기판(AS)의 뒷면을 따라 배치될 수 있다. 상기 마그넷 어레이(MA)는 복수의 원형 마그넷 라드 어레이드을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. micro-LED의 제조방법은 후술하기로 한다.
도 1a에서 micro-LED(MLD)가 조립 기판(AS)의 상측에 배치된 것으로 도시되었으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, micro-LED(MLD)는 조립 기판(AS)의 아래측에 배치될 수도 있다.
도 1a를 참조하면, 처음에 각 마그넷 어레이(MA)의 마그넷 라드에 축 방향 회전 운동(axial rotational motion)이 제공되며, 수많은 마이크로 LED(MLD)가 그 주위에 모여 있고, 이어서 마그넷 어레이(MA)가 X축과 Y축 방향으로 이동하여 조립 기판(AS)의 전체 영역을 스캔할 수 있다.
도 1a에서 볼 수 있듯이, micro-LED 클러스터는 마그넷 어레이(MA)의 자기력에 반응하여 움직이고, 조립 홀(AH)에 가까워지면 클러스터 중의 각각의 micro-LED가 DEP 힘에 의해 각각의 조립 홀(AH)에 갇히게 된다.
다음으로 도 1b는 두 개의 인접한 조립 홀(AH) 사이의 DEP 및 자기력 분포를 보여준다.
필수적인 자기력과 DEP는 각각 점선과 실선으로 표시되며 그래프 배경에 있는 회로도는 자기력과 DEP가 계산되는 위치를 나타낸다.
실시예에서 DEP 힘은 자기력을 약 10배 초과할 수 있으며, 최종 조립 프로세스를 제어할 수 있다.
한편, 실시예에 DEP는 단거리 힘이므로 조립 홀(AH) 주변에서 효과적으로 발휘될 수 있도록 제어될 수 있다. 대조적으로 자기력은 장거리에 걸쳐 작용할 수 있으며 조립 기판(AS)을 가로질러 micro-LED를 이동하는 데 도움이 된다.
도 2는 실시예에서 조립 홀(AH)의 표면에서 micro-LED의 조립 기판(AS) 표면에서의 경사 각도에 따른 DEP 힘의 관계 예시도이다.
실시예에 의하면, 조립 기판(AS)의 표면에 대해 다양한 각도에서 micro-LED가 조립 홀(AH)에 접근할 때 조립 전극(AE)에 의해 발생하는 DEP 힘에 의한 micro-LED의 다양한 움직임이 조사되었다.
도 2를 참조하면, 각도 범위가 0-90°¡Æ인 3D 모델의 단면도(왼쪽 위)에서, micro-LED 후면의 메탈층(B-metal)은 조립 전극(AE) 방향으로 이동한다.
반면, 90-180°¡Æ의 각도 범위에서 3D 모델의 단면도(오른쪽 상단)에서, 그래프의 각도가 90~180° 내에서 증가함에 따라 micro-LED 상단의 패시베이션층(PV)이 조립 전극(AE) 방향으로 이동한다.
도 3은 실시예에 따른 마이크로 LED 소자의 예시도이다.
예를 들어, 도 3(a)는 제1 실시예에 따른 Blue 또는 Green 마이크로 LED 소자의 예시도이다.
제1 실시예에 따른 Blue 또는 Green 마이크로 LED 소자는 undoped GaN(u-GaN), n형 GaN(n-GaN), 활성층(미도시), p형 GaN(p-GaN)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 실시예에 따른 Blue 또는 Green 마이크로 LED 소자는 undoped GaN(u-GaN) 아래에 하부 메탈(B-metal), n형 GaN(n-GaN) 상에 n형 컨택전극(n-contact), p형 GaN(p-GaN) 상에 p형 컨택전극(p-contact) 및 패시베이션(PV)을 포함할 수 있다. 상기 n형 컨택전극(n-contact)과 패시베이션(PV)은 소정 거리(S) 이격될 수 있다.
상기 제1 실시예에 따른 Blue 또는 Green 마이크로 LED 소자는 GaN 기반 디스크일 수 있으며, 하부 메탈(B-metal)은 Ti를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 p형 컨택전극(p-contact)은 ITO로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 n형 컨택전극(n-contact)은 Cr, Ti, Ni의 단일층 또는 복합층으로 형성될 수 있다.
또한 제1 실시예에서, undoped GaN(u-GaN)의 두께는 약 3.0~4.0㎛일 수 있다. 또한 n형 GaN(n-GaN)의 두께는 약 3.0~4.0㎛일 수 있다. 또한 p형 GaN(p-GaN)의 두께는 약 0.2~1.0㎛일 수 있다.
상기 하부 메탈(B-metal)의 두께는 약 50~200nm일 수 있다. 상기 패시베이션(PV)은 SiO2를 포함할 수 있으며, 그 두께는 약 300~800nm일 수 있다.
다음으로, 도 3(b)는 제2 실시예에 따른 Red 마이크로 LED 소자의 예시도이다.
제2 실시예에 따른 Red 마이크로 LED 소자는 n형 GaInP(n-GaInP), n형 GaAs(n-GaAs), n형 AlInP(n-AlInP), 활성층(미도시), p형 GaP(p-GaP)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 실시예에 따른 Red 마이크로 LED 소자는 n형 GaInP(n-GaInP) 아래에 하부 메탈(B-metal), n형 AlInP(n- AlInP) 상에 n형 컨택전극(n-contact), p형 GaP(p-GaP) 상에 p형 컨택전극(p-contact) 및 패시베이션(PV)을 포함할 수 있다. 상기 n형 컨택전극(n-contact)과 패시베이션(PV)은 소정 거리(S) 이격될 수 있다.
상기 제2 실시예에 따른 Red 마이크로 LED 소자는 GaAs 기반 디스크일 수 있으며, 하부 메탈(B-metal)은 Ti를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 n형 컨택전극(n-contact)은 Au, AuGe, Ti, Ni의 단일층 또는 복합층으로 형성될 수 있다.
또한 상기 p형 컨택전극(p-contact)은 ITO로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 제2 실시예에서, n형 GaInP(n-GaInP)의 두께는 약 0.1~0.5㎛일 수 있다.
또한 n형 GaAs(n-GaAs)의 두께는 약 0.02~0.10㎛일 수 있다. 또한 n형 AlInP(n-AlInP)의 두께는 약 3.0~5.0㎛일 수 있다. 또한 p형 GaP(p-GaP)의 두께는 0.5~1.5㎛일 수 있다.
상기 하부 메탈(B-metal)의 두께는 약 50~200nm일 수 있다. 상기 패시베이션(PV)은 SiO2를 포함할 수 있으며, 그 두께는 약 300~800nm일 수 있다.
도 4는 다양한 micro-LED들에 대해 조립 홀 표면에 상대적인 조립 각도(0-180°)에 대한 DEP 힘 벡터의 시뮬레이션 결과 데이터이다.
실시예에 의하면, 유한 요소법 접근법을 사용하는 COMSOL 시뮬레이션은 표면에 Maxwell 응력 텐서를 통합하여 micro-LED와 조립 홀(AH) 사이의 DEP 힘과의 관계가 연구되었다.
입자의 유도 쌍극자가 불균일한 전기장과 상호 작용할 때 DEP 힘은 입자가 움직이도록 영향을 미치며, 입자의 이동 방향에 대한 정보는 Clausius-Mossotti(CM) 계수의 부호로 제공된다. 예를 들어, 이 계수가 양수 또는 음수이면 입자는 그에 따라 전계 강도 최대값에 끌리거나 반발 된다.
다시 도 2를 참조하면, 도 2는 조립 전극(AE) 방향에서 DEP 힘 벡터의 Z축 구성요소를 보여주고 있으며, 0-90°및 90-180°각도에 대한 micro-LED의 위치를 나타내는 단면도가 삽입되어 있다.
도 2에 의하면, 각도가 감소함에 따라 DEP 힘이 증가함을 보여준다. 이는 각도가 감소함에 따라 micro-LED가 조립 홀로 당겨지고 DEP 힘이 자기력을 지배할 때 각도가 10° 미만일 때 결국 조립된다는 것을 나타낸다.
마이크로 LED의 흔들림 운동을 유도하는 제안된 MDSAT 방법에서 자석의 축 회전은 마이크로 LED가 조립을 위한 이 각도 기준을 충족할 가능성을 높일 것으로 예상된다.
그러나 DEP 힘은 각도가 60°를 초과하면 0 부근에서 변동하며 165° 이후에 분명히 음수로 바뀐다. 이는 micro-LED가 특히 외부 자기력이 있는 경우 60° 이상의 각도에서 조립 홀(AH)에서 밀려날 가능성이 있음을 나타낸다.
이 고유한 동작은 의도적으로 코팅된 하부 금속층(B-metal)으로 인해 바닥 면에서 더 높은 전도성을 나타내는 micro-LED의 설계에 기인한다.
시뮬레이션 결과를 실험적으로 검증하기 위해 초고속 카메라를 사용하여 조립 홀(AH) 근처에서 단색 마이크로 LED(직경 38μm의 GaN 기반 디스크)의 거동을 모니터링했으며, 녹화된 비디오에서 단계 1 내지 단계 3의 모습이 각각 도 5 (이상 stage 1), 도 6(이상 stage 2) 및 도 7(이상 stage 3)에 보여진다.
먼저, 도 5(a) 및 도 5(b)은 자기력의 움직임에 반응하여 조립 홀(AH) 주위에 마이크로 LED가 모여 있는 단계 1(stage 1)을 보여준다. 조립 홀(AH)에 가장 가까운 micro-LED는 발생하는 DEP 힘에 반응하고, 그 가장자리는 조립 홀의 둘레에 접한다.
다음으로, 도 6(a) 및 도 6(b)는 마이크로 LED가 자석의 회전 운동에 반응하여 조립 홀(AH)의 가장자리를 따라 흔들리는 2단계를 보여준다. 이는 DEP와 자기력 사이에서 균형을 이루는 전이 상태에 있음을 나타내다.
마지막으로 도 7(a)와 도 7(b)는 micro-LED와 조립 홀(AH) 사이의 각도가 특정 각도 아래로 떨어지면서 micro-LED가 조립되는 것을 보여준다.
실시예에 의하면 조립 홀(AH)에서 마이크로 LED의 명시된 동작을 기반으로 DEP와 관련된 적용된 피크 대 피크 전압(Vpp)이 변화함에 따라 전사 수율이 연구되었다.
다음으로 도 8a는 COMSOL 시뮬레이션에서 계산된 DEP 힘 및 자기력과 함께 실험적으로 얻은 전사 수율을 제공한다. 자기력은 조립 홀(AH) 주변 10개 위치에서 계산되었으며, 그 결과 1×10-8[N] ~ 1.2×10-7 [N] 범위였다. 조립 기판의 크기는 약 75mm × 75mm, 약 270 × 240 픽셀이다. 조립 기판은 약 64,800개의 조립 홀(AH)로 구성되어 있으며 서로 278μm 떨어져 있다.
도 8a에서 볼 수 있듯이 전사 수율은 Vpp가 최대 지점까지 증가함에 따라 초기에 증가한 후 떨어지기 시작한다. 이 현상은 Vpp에 의해 제어되는 DEP 힘이 증가함에 따라 수율이 향상될 것이라는 직관적인 예측에서 벗어난다.
이러한 거동을 설명하기 위해 조립현장의 영상을 CCD 카메라로 촬영하여 영상분석을 진행하였다. 이미지 분석 결과 하나의 수용체 부위 내에서 조립되지 않은 부위와 여러 개의 마이크로 LED와 같은 결함이 발견되어 전사 수율이 저하되었다.
다음으로 도 8b는 후면 메탈의 두께, 자기력과 관련된 전사수율 데이터이다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 유체에서 자력을 이용하여 마이크로 LED를 효과적으로 이동하고, 후면메탈이 있는 Disk 형태의 LED 칩을 DEP force를 이용하여 조립함으로써 조립 방향성을 완벽하게 컨트롤함으로써 조립율 혹은 전사율 99.99%를 확보할 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
다음으로 도 8c는 LED 칩에 하부 메탈층의 유무에 따른 정방향, 역방향 DEP force 비교 데이터이다.
도 8c를 참조하면, 실시예에 따른 LED 칩(LED_E)은 칩 하부에 하부 메탈을 구비할 수 있다. 반면, 비교예에 따른 LED(LED_R)은 칩 하부에 하부 메탈을 구비하지 않을 수 있다.
실시예에 따른 LED 칩(LED_E)과 비교예에 따른 LED(LED_R)에는 리버스 전기력이 가해지면 칩에 척력이 가해질 수 있고, 이에 따라 LED 칩은 조립 홀에서 멀어질 수 있다.
반면, 실시예에 따른 LED 칩(LED_E)과 비교예에 따른 LED(LED_R)에는 각각 포워드 전기력이 가해지면 칩에 인력이 가해질 수 있으며, 이에 따라 LED 칩은 조립 홀에 조립될 수 있다.
실시예에 따른 반도체 발광소자는 후면메탈층을 구비함로써, 칩의 상하 구분이 더 유리하며, 이에 따라 조립방향을 완벽하게 컨트롤 가능하다.
예를 들어, 실시예에 의하면 역방향 조립 시의 DEP force 대비 정방향 조립시의 DEP force가 50% 이상 현저히 증가하는 기술적 효과가 있다.
예를 들어, 도 8c를 참조하면, 실시예에 따른 LED 칩(LED_E)은 후면 메탈을 구비할 수 있으며, 리버스 전기력이 가해졌을 때의 DEP force와 7V 포워드 전기력이 가해졌을 때의 DEP force 차이(△DEP_E)는 약 3.0 X 10-6 [N]일 수 있다.
반면, 비교예에 따른 LED 칩(LED_R)은 리버스 전기력이 가해졌을 때의 DEP force와 7V 포워드 전기력이 가해졌을 때의 DEP force 차이(△DEP_R)는 약 2.0X10-6 [N]일 수 있다.
이에 따라 실시예에 따른 반도체 발광소자는 후면메탈층을 구비함로써, 칩의 상하 구분이 더 유리하며, 이에 따라 조립방향을 완벽하게 컨트롤 가능한 특별한 기술적 효과가 있다.
다음으로 아래 표 1은 실시예에서 자석의 세기에 따른 Ni의 두께, 무게, 비율의 데이터이다.
실시예에 따른 반도체 발광소자는 후면메탈층을 포함할 수 있고, 후면메탈층은 자성물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 후며메탈층으로 Ni을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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표 1은 자석의 세기에 따라, 자력 약 1.2E-7[N](도 1b 참조)을 갖기 위한 Ni의 두께 및 그에 따른 Ni의 비율 변화데이터이다.
예를 들어, 실시예에서 38㎛급 DSAT 조립에 사용되는 자력은 약 1.2E-7[N]일 수 있다. 실시예에 의하면 반도체 발광소자 칩에서 Ni의 비율은 약 0.25%~36.75%일 수 있다.
실시예에서의 실험 조건은 12Vpp, 주파수 100kHz, 2mmx20mm 크기의 430mT Neodymium 자석을 채용할 수 있으며, 마이크로 LED와 자석의 거리는 약 504.78 ㎛일 수 있다. 글라스의 두께는 약 500㎛일 수 있으며, 전극과 패시베이션의 두께는 약 0.28㎛일 수 있다. 조립 홀의 높이는 약 4.5㎛일 수 있고, GaN-based LED의 자성체 (Ni) 두께는 220nm있고, 전극 갭은 약 7.5㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 DEP force는 DEP force 가 자력보다 약 10배 이상, 예를 들어 약 12배 클 수 있다. 예를 들어, 실시예에 의하면 DEP force는 약 1.47E-6 [N] (도 1b)일 수 있고, 자력은 약 1.2E-7 [N]일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9a 내지 도 9c는 자력과 DEP 힘의 관계에 따른 마이크로 LED의 조립 상태를 나타내는 도면이다.
또한 도 10은 전사 수율의 재현성을 평가하기 위한 실험결과 데이터이다.
도 9(a)는 자기력이 DEP 힘을 지배하는 초기 단계를 보여준다. 예를 들어, 조립 홀 위치에 안착된 마이크로 LED가 자석의 움직임에 의해 휩쓸려 나가서 도 9(a)와 같이 조립되지 않은 위치에 있음을 초래함을 보여준다.
다음으로 도 9(b)는 Vpp 및 DEP 힘이 자력 이상의 수준으로 증가함에 따라 비어 있는 조립 홀(AH)이 점차 micro-LED (MLD)로 채워지고 안정적으로 유지된다.
다음으로 도 9(c)는 12Vpp에 도달한 후 전사 수율이 감소하기 시작했다. 전사 수율의 감소는 도 9(c)와 같이 여러 개의 micro-LED(MLD1, MLD2)가 하나의 조립 홀(AH) 주위에 배치된 결함에 기인한다.
micro-LED가 조립 홀(AH)에 조립된 후 디자인 공차로 인해 micro-LED와 조립 홀(AH) 벽 사이에 틈이 생길 수 있다.
특정 수준의 DEP 힘은 본질적으로 이 틈을 통해 나타나고 이 DEP 힘이 높은 Vpp에서 충분히 강해지면 근처의 다른 마이크로 LED를 캡처할 수 있다.
전사 수율의 재현성을 평가하기 위해 최적의 전압(12 Vpp)에서 15회 실험을 반복하였으며, 그 결과는 도 10와 같다.
실시예에 의하면, RGB micro-LED의 동시 자가 조립을 수행했으며 제안된 MDSAT 방법을 사용하여 높은 조립 수율을 얻을 수 있음을 입증했다.
조립 홀(AH)은 각각의 RGB micro-LED와 모양이 일치했으며, 조립 홀(AH)의 크기는 양 축 방향에서 LED보다 4μm 더 크게 설계되었다.
예를 들어, Red micro-LED (R-MLD)는 직경이 42μm, Green micro-LED(G-MLD)는 직경이 49μm×35μm, Blue micro-LED(B-MLD)는 직경이 56μm×28μm이다.
이 설계를 기반으로 마이크로 LED가 조립 홀에 고정되는 조율 수율로 99.81%의 수율을 얻었다.
모양 불일치 결함에는 총 6개의 조합이 있다. 예를 들어, 녹색 조립 홀 또는 파란색 조립 홀 안에 자리 잡은 빨간색 마이크로 LED (R-MLD), 빨간색 조립 홀 또는 파란색 조립 홀 안에 자리 잡은 녹색 마이크로 LED(G-MLD), 빨간색 조립 홀 또는 녹색 조립 홀에 자리 잡은 파란색 마이크로 LED(B-MLD)가 있을 수 있다.
도 11은 형상 불일치 결함의 3가지 예의 이미지이다.
도 11을 참조하면 녹색 조립 홀(G-AH) 안에 안착된 빨간색 micro-LED(R-MLD), 빨간색 조립 홀(R-AH) 안에 안착된 녹색 micro-LED(G-MLD), 녹색 조립 홀(G-AH) 안에 안착된 파란색 micro-LED(B-MLD)가 도시되어 있으며, 양극과 음극도 표시된다.
도 12는 모양이 일치하지 않는 micro-LED와 조립 홀 사이의 경사각을 보여주는 개략도이다.
결함을 면밀히 조사한 결과 마이크로 LED가 기울어진 방식으로 조립된 것으로 나타났다.
도 12에 도시된 바와 같이, 마이크로 LED(MLD)의 한쪽은 조립 홀의 하단 모서리에 위치하고 다른 대각선은 조립 홀 위에 놓였다.
도 12에 도시된 바와 같이, θi는 마이크로 LED와 조립 홀 사이의 경사각으로 정의될 수 있다.
도 13은 조립 구멍 높이의 함수로서 형태 불일치 마이크로 LED에 대한 DEP 힘에 대한 데이터 도면이다.
이러한 형상 불일치 결함을 자세히 조사하기 위해, 도 13에 도시된 바와 같이 형상 불일치의 6가지 조합의 모든 경우에 대해 조립 홀 높이의 함수로서 다양한 θ에서 DEP 힘의 정량적 분석을 수행하였다.
마이크로 LED에 작용하는 자기력의 최대값은 COMSOL 시뮬레이션을 기반으로 1.2×10-7[N]으로 계산되어 도표에 반영되었다.
조립 홀(AH)의 높이가 3μm에서 5μm로 증가함에 따라 θ가 증가하고 결과적으로 마이크로 LED에 가해지는 DEP 힘이 감소한다.
조립 홀(AH)의 높이가 약 4.3μm 이상으로 증가하면 DEP 수준은 6가지 형태 불일치 사례 모두에 대해 자력 수준 이하로 떨어진다.
이는 조립 홀(AH) 높이가 4.3μm 이상이면 결함이 있는 조립된 마이크로 LED가 자석의 움직임에 따라 분리될 가능성이 높다는 것을 의미한다.
이 프로세스는 적절한 모양이 일치하는 마이크로 LED가 얻어질 때까지 계속되며 이때 θ는 0에 가까워지고 마이크로 LED는 분리하기 어려울 것이다.
이 발견은 조립 홀(AH) 높이의 증가가 모양 불일치 결함의 자체 복구를 향상시킬 수 있음을 시사하는 중요한 통찰력을 제공한다.
도 14는 실시예에서 조립 홀 높이의 함수로서 전사 수율의 데이터이다.
실시예에 의하면, 위 이해를 바탕으로 3㎛에서 5㎛ 범위의 조립 홀 높이의 함수로서 전사 수율을 조사하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다.
조립 기판의 크기는 75mm×75mm이고 서로 278μm 떨어져 있는 64,800개의 RGB 조립 구멍으로 구성되었다.
조립 기판과 같은 크기의 자석 헤드는 8×8 자석 배열로 구성되었으며 각 자석은 15분 동안 13mm × 13mm 영역을 동기식으로 스캔하도록 설계되었다.
각 네오디뮴 자석 막대(직경: 5mm, 길이: 20mm)의 자기장 강도는 5000가우스이다. 자기 배열은 x 및 y 방향 모두에서 250μm/s로 이동하는 동시에 분당 420회전으로 축 방향으로 회전할 수 있다.
도 14에서 볼 수 있듯이 형상 불일치 결함이 감소한 결과 조립 홀 높이가 증가함에 따라 전사 수율이 크게 향상되었다.
조립 홀 높이를 3μm에서 4μm로 높임으로써 전사 수율과 불량률이 크게 향상되었고, 조립 홀 높이가 4.5μm와 5μm에 이르면 전사 수율이 99.99%에 달했다.
이건출원의 발명자들이 아는 한, 이것은 조립된 요소의 유형과 크기에 관계없이 FSA 기술에 대해 가장 높은 전사 수율로 RGB 마이크로 LED의 동시 전송을 시연하는 첫 번째 연구이다.
또한 실시예에 의하면 MDSAT 방법을 사용하여 100mm×100mm RGB 마이크로 LED 디스플레이 패널을 제작했다. 이전 연구에서는 FSA 기반의 마이크로 LED 디스플레이 구현에 대해 보고했지만 단색 LED 기반이었다.
반면, 실시예에 따른 패널은 120×120 픽셀의 디스플레이 해상도와 834μm의 픽셀 피치에 해당하는 43,200개의 마이크로 LED로 구성된다.
도 15a는 빨간색, 녹색 및 파란색 LED와 LED와 패드 사이의 상호 연결을 보여주는 PM 패널의 개략도이다.
도 15b는 RGB 패널의 단면도이다. 예를 들어, 도 15b는 2개의 동일 평면 조립 전극, 조립 홀 내의 마이크로LED, 평탄화층 및 전력선을 보여주는 PM 패널의 단면도의 집속 이온빔(FIB) 이미지를 보여준다.
조립 홀은 유기 물질 간의 유사한 대비로 인해 희미하게 보이기 때문에 흰색 점선으로 표시된다.
실시예에 의하면, 자체 조립 후 마이크로 LED를 고정하기 위해 스프레이 공정을 수행했다. 그런 다음 평탄화를 진행하고 양극과 공통전극용 전원선과 패드를 연결하는 콘택 홀을 제작하였다.
이들 구성요소를 나타내는 RGB 패널의 단면도가 도 15b에 도시되어 있다.
다음으로 도 15c는 red, green, blue의 I-V 특성을 보여주는 그림이다.
예를 들어, 도 15c는 10μA 및 10nA 미만의 누설 전류에서 순방향 전압이 각각 1.83, 2.3 및 2.65V인 빨간색, 녹색 및 파란색 마이크로 LED의 I-V 특성을 보여준다.
다음으로 도 15d는 각각 451 nm, 532 nm 및 630 nm에서 방출 피크를 보여주는 EL 스펙트럼을 제공한다.
실시예에 의하면 발광 강도와 휘도 균일성이 우수한 RGB 패널의 전계발광(EL) 발광을 나타내며, 적색, 녹색 및 청색으로 선명하게 발광하는 3×3 픽셀의 구현이 가능하다.
픽셀 수율 측면에서 해당 패널은 불량 픽셀이 10개로 99.98%의 발광 픽셀 수율을 보였다.
확장 가능한 MDSAT 방법은 그에 따라 자석 배열 크기를 조정하여 기존 능동 매트릭스(AM) 백플레인과 잠재적으로 통합될 수도 있다.
대면적 유리의 경우 조립 전극의 배선 증가로 인한 RC 지연을 고려해야 한다. 그러나 이 지연은 여러 개의 패드가 있는 회로 구조로 극복하여 블록 단위로 AC 전압을 인가할 수 있다. MDSAT 방식을 기존 AM 백플레인과 통합하면 RGB 마이크로 LED를 전면 방출 구조의 트랜지스터 백플레인 위에 증착할 수 있다. 그런 다음 마이크로 LED의 양극은 AM 백플레인의 구동 회로에 연결되고 음극은 함께 연결될 수 있다.
실험예 1
RGB LED: AlGaInP 기반과 GaN 기반 LED 간의 DEP 힘의 차이
최근 DEP 힘을 사용하여 LED, III-V족 소자 및 나노와이어와 같은 미세 부품의 자가 조립을 조사하는 연구가 꾸준히 증가하고 있다.
이 실험에서는 개별 RGB micro-LED에 대한 DEP 힘을 비교했다. 마이크로 LED의 3D 모델은 COMSOL을 사용하여 구성되었으며 적색의 경우 AlGaInP 기반 LED와 청색 및 녹색의 경우 GaN 기반 LED의 DEP 힘을 계산하는 데 사용되었다.
아래 표 2는 COMSOL의 입력 매개변수로 재료, 유전율 및 전도성을 나타낸다. 다중 양자 우물(MQW)의 얇은 층은 결과에 미치는 영향이 최소화될 것으로 예상되기 때문에 COMSOL 시뮬레이션에 포함되지 않았다.
Figure PCTKR2023010531-appb-img-000002
실시예에 따른 DSAT는 RGB LED를 각각의 조립 홀과 모양을 일치시켜 RGB micro-LED를 동시에 조립할 수 있는 또 다른 주요 잠재력을 가지고 있다.
micro-LED와 조립 홀의 모양을 차별화하면 단일 챔버에서 RGB LED를 한 번에 전사할 수 있으므로 시스템 설계가 간명하면서 투자 비용이 절감되며 공정 비용이 최소화되는 등의 이점이 있다.
이 작업에서는 빨간색 micro-LED에 대해 원형 모양을 선택하고 녹색 및 파란색 micro-LED에 대해 타원체의 장축 길이와 단축 길이가 다른 두 가지 다른 타원형 모양을 사용했다.
원형 1개와 타원형 2개를 선택한 이유는 다음과 같다. MDSAT 방식은 자기조립이 확률적으로 일어나기 때문에 회전하는 자석의 자기력에 의해 발생하는 난류 속에 무수한 마이크로 LED가 무작위로 분포한다.
따라서 무수한 마이크로 LED의 임의의 움직임은 자기 조립에 대한 회전 대칭의 의존성을 극복하여 원형과 타원형 사이의 조립 수율에 차이가 없다.
또한 원형 및 타원형은 모서리가 있는 모양(예: 삼각형, 정사각형 또는 직사각형)에 비해 둥근 모양으로 인해 LED-to-LED 충돌로 인한 손상에 강하다.
원형 모양의 빨간색 micro-LED의 크기에 대해 설계 규칙(단일 micro-LED 위에 하나의 양극(p-접촉) 및 두 개의 음극(n-접촉)을 제조하기 위한 허용 오차) 및 Ni 금속과 micro-LED 가장자리 사이의 분리(S)라는 두 가지 요소가 고려되었다.
실험예에서 디자인 룰을 7μm로 설정했는데, 이는 3개의 접점에 대해 3개의 영역과 접점 사이의 2개의 공간에 35μm가 필요함을 의미한다.
분리의 목적은 도 3(a), 도 3(b)에 설명된 것처럼 자기 조립 후 자화로 인한 LED-to-LED 체인의 형성을 제거하는 것이다.
도 16은 실시예에 따른 RGB 마이크로 LED의 현미경 이미지이다.
예를 들어, 도 16의 (a)는 마이크로 LED 크기가 38μm 직경인 AlGaInP 기반 적색 LED에 대한 이미지이다. 또한 도 16의 (b)는 마이크로 LED 크기가 45μm × 31μm인 GaN 기반 녹색 LED에 대한 이미지다. 또한 도 16의 (c)는 마이크로 LED 크기가 52μm × 24μm인 GaN 기반의 청색 LED에 대한 이미지이다(스케일 바는 20μm임).
도 16의 (a)를 참조하면, 분리(S)는 micro-LED의 양쪽(왼쪽 및 오른쪽)에서 1.5μm로 설정되었다. 따라서 적색 micro-LED(R-MLD)의 직경은 디자인 룰(35 μm)과 두 개의 분리(3 μm)를 고려하여 38 μm로 설정되었다.
다음으로 도 16의 (b)와 같이, 녹색 micro-LED(G-MLD)의 타원형 모양은 45μm×31μm로 설계되었다. 장축과 단축은 원형 모양의 빨간색 마이크로 LED의 직경 38μm보다 각각 7μm 크고 7μm 작다. 45μm 장축은 마이크로 LED 및 조립 홀을 제조하는 데 사용되는 포토리소그래피 및 에칭 단계를 기반으로 하는 공정 공차에 따라 결정되었다.
원형 모양의 적색 마이크로 LED의 조립 홀 직경은 42μm이고 공정 공차는 약3μm였다. 그 결과 녹색 micro-LED의 장축을 45μm로 선택하여 녹색 micro-LED가 적색 micro-LED의 원형 조립 홀에 갇히지 않도록 하였다.
다음으로 파란색 micro-LED(B-MLD)의 타원형 모양은 녹색 micro-LED가 결정된 것과 동일한 방식으로 설계되었다. 장축과 단축은 녹색 마이크로 LED(B-MLD)의 45μm × 31μm보다 각각 7μm 크고 7μm 작으며, 결과적으로 파란색 micro-LED의 타원형 모양은 도 16의 (c)와 같이 52μm × 24μm로 설계되었다.
다음으로 도 17과 도 18은 COMSOL 시뮬레이션의 DEP 힘에 관한 데이터이다.
예를 들어, 도 17은 적용된 전압의 고정 값(12 Vpp)에서 주파수에 따른 DEP 힘의 변화 데이터이다.
도 18은 하단 표면에 하부 금속층이 있는 수정된 RGB 마이크로 LED를 사용하여 인가된 전압의 고정 값(12Vpp)에서 주파수에 따른 DEP 힘의 변화 데이터이다.
구체적으로, 도 17은 주파수에 따른 RGB 마이크로 LED의 DEP 힘의 변화를 보여준다. 여기서 인가된 전압과 두 조립 전극 사이의 간격은 각각 12Vpp 및 7.5μm로 고정됩니다. 이것이 디스플레이 패널 제작에 사용되는 최적의 조건인 것으로 밝혀졌습니다.
또한 3개의 LED는 약 100kHz에서 가장 높은 DEP 힘을 받는다.
그러나 GaN 기반 LED의 경우 DEP 힘이 100kHz 이상으로 감소하는 반면 AlGaInP 기반 LED는 DEP 힘을 유지한다. 이 조건에서는 DEP 힘의 주파수 응답이 다르기 때문에 3개의 LED를 모두 높은 수율로 동시에 조립할 수 없다.
DEP 힘은 불균일한 전계에서 분극성 입자에 가해지기 때문에 전계 크기, 입력 전압의 주파수, 입자(즉, micro-LED)의 유전율 및 전도도, 입자 크기(즉, micro-LED 칩 크기)에 의해 영향을 받는다.
(DEP 힘에 대한 LED 칩 크기 및 전계 크기의 영향은 방법의 실험예 2에서 상술하기로 한다)
주파수 응답의 차이는 AlGaInP 기반의 레이어 4와 GaN 기반 LED의 레이어 3 사이의 전도도 차이에 기인하며, 표 2에 나와 있다. 이는 유전체(ε0εr)와 전도성 기여도(σ)가 모두 포함된 주파수 함수인 CM 인자로 설명될 수 있다.
높은 주파수에서는 입자 유전율이 지배적인 요소인 반면, 입자 전도도는 이 실험예에서 사용된 범위인 낮은 주파수에서 지배적이다. 따라서 GaN 기반 LED와 AlGaInP 기반 LED 간의 DEP 힘의 차이는 전도도의 차이로 설명할 수 있다.
다음으로 아래 표 3과 같이, 전도도 차이를 극복하기 위해 전도도가 제공되는 티타늄 하부 금속층이 LED 바닥 표면에 추가되었으며, 결과 주파수에 대한 DEP 힘 응답이 도 18에 설명되어 있다.
Figure PCTKR2023010531-appb-img-000003
수정된 GaN 기반 및 AlGaInP 기반 micro-LED에 대한 micro-LED의 구조는 도 3(a) 및 도 3(b)에 설명되어 있다.
도 18을 참조하면, DEP 힘은 모든 LED에 대해 향상되었으며 특히 100kHz 이상의 고주파수에서 GaN 기반 청색 및 녹색 LED는 DEP 힘 강하를 표시하지 않는다.
따라서 RGB LED의 공통 조립 주파수는 조립 기판의 구성 및 설계에 따라 넓은 주파수 범위에 걸쳐 최적화될 수 있다. 하부 금속층을 추가하면 마이크로 LED의 윗면과 아랫면 사이의 전도도 차이가 최대화되어 아랫면에 가해지는 DEP 힘이 윗면에 가해지는 비율이 약 1.5배 향상될 수 있다.
결과적으로 하부 금속층이 추가된 마이크로 LED 구조는 조립을 위해 올바른 LED 표면을 선택하는 MDSAT의 기능을 향상시키는 특별한 기술적 효과가 있다.
(실험예 2)
DEP 힘에 영향을 미치는 세 가지 요소: LED 칩 크기, 전극 간격 및 조립 전극의 유전체 층
제2 실험예는 조립 기판과 LED 칩 크기가 DEP 힘에 미치는 영향에 대한 연구를 COMSOL 시뮬레이션을 통해 수행했다.
특히, 본 실험예에서는 조립 기판의 전계 크기와 LED 칩 크기에 영향을 미치는 요소인 전극 갭(두 조립 전극 사이의 거리)과 조립 전극의 유전체 층을 조사했다.
COMSOL 시뮬레이션을 위해 구형파 AC 전압이 양극에 적용되었고 해당 전극이 입력 신호로 조립 기판에 접지되었다. 입력 교류 전압의 피크 대 피크 진폭과 주파수는 최적의 조건(12Vpp, 100kHz)을 마련하였다.
도 19는 COMSOL 시뮬레이션을 위한 3D 모델의 개략도이다.
도 19는 DPE force에 영향을 미치는 세가지 요소인, 마이크로 LED 칩, 전극 갭 및 조립 전극 상의 유전층을 설명한다.
도 19(a)에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 LED 칩은 바닥면에 티타늄 등의 하부 메탈층을 포함할 수 있고, 원기둥 모양을 갖는 GaN 기반 마이크로 LED를 포함할 수 있다.
마이크로 LED의 직경은 LED 칩 크기가 DEP 힘에 미치는 영향을 평가하기 위해 10~50 μm 범위일 수 있다.
도 19(b), (c)에 도시된 바와 같이, 실시예는 DEP 힘에 대한 2개의 인자(전극 갭 및 LED 칩 크기)의 독립적인 영향을 조사하기 위해 '전극 갭' 대신 '갭 비율'을 사용할 수 있다.
'갭 비율'은 마이크로 LED 칩 크기에 대한 두 조립 전극 사이의 거리 비율로 정의되며, '전극 갭'은 두 조립 전극 사이의 거리이다.
도 19(b)는 SiO2 유전층 및 도 19(c)는 Si3N4 유전층에 대한 LED 크기 및 갭 비율에 대한 DEP 힘의 변화를 보여준다.
도 19(b) 및 도 19(c)는 LED 칩 크기가 증가함에 따라 DEP 힘이 증가하고, SiO2 및 Si3N4 유전층 모두에 대한 갭 비율이 감소함을 보여준다.
또한, 도 19(b) 및 도 19(c)는 조립 기판(AS) 상의 유전체층이 DEP 힘에 영향을 미치는 필수적인 요소임을 나타낸다. 유전 상수가 높은 재료(예: Si3N4 유전층)는 쿨롱 힘으로 인해 DEP 힘을 증가시켜 더 작은 LED 칩의 조립을 가능한다.
실시예에 따른 MDSAT 방법은 자기력을 활용하여 micro-LED를 효과적으로 전사하므로 전사 수율이 혁신적으로 향상되고 두 가지 힘(자기력 및 DEP 힘)이 조립 중에 서로 경쟁할 수 있도록 제어될 수 있다. 따라서 조립 공정이 조립 홀 부근에서 발생할 때 DEP 힘은 자기력보다 크게 제어될 수 있다.
MDSAT 방식의 경우 micro-LED에 작용하는 자기력은 micro-LED와 자석 사이의 거리에 따라 달라지며, 1×10-8[N]에서 1.2×10-7[N]까지의 범위를 가질 수 있다.
이에 따라 micro-LED를 성공적으로 조립하려면 조립 홀 근처에서 DEP 힘이 1.2×10-7[N]보다 크도록 제어할 수 있다.
도 19(b)를 참조하면, SiO2 유전층의 경우에, 10μm에서 50μm까지 연구된 LED 칩 크기의 측면에서 DEP 힘이 1.2×10-7[N]보다 높아야 하는 경우에는 20μm 미만 크기의 LED 칩을 조립할 수 없는 점이 연구되었다.
반면, Si3N4 유전체층과 같은 고유전율 재료를 사용하면 저비용 산업용 애플리케이션에 필요한 20μm 미만 크기의 LED 칩도 조립할 수 있는 점이 연구되었다. 따라서 실험예에서 Si3N4 유전 층이 선택되었다.
전극 간극과 LED 칩 크기는 조립 기판 위의 조립 전극과 LED 칩 상단의 파워 라인에서 공정 마진을 고려하여 각각 약 7.5μm와 약 38μm를 선택할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예에 따란 조립 장치 제작에 대해 설명하기로 한다.
먼저 조립 기판이 제작될 수 있다.
예를 들어, Mo/Al/Mo(20/100/20 nm)의 3중 층이 e-빔 증발을 통해 증착되었고 조립 전극 영역을 정의하기 위해 패터닝되었다. 패터닝은 포토레지스트(DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM)를 2000 rpm에서 40초 동안 스핀 코팅한 후 100 °C에서 2분간 소프트 베이크한 후 110mJ/cm2 UV 광으로 패터닝하였다. UV 노출 후, 기판을 110℃에서 2분 동안 베이킹하였다. 그런 다음 Mo/Al/Mo 층을 알루미늄 식각액을 사용하여 10분 동안 습식 식각한 후 기판을 탈이온수로 헹굼했다.
이 헹굼 후 조립 전극의 Si3N4 유전층이 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에 의해 증착되었다. Si3N4 유전층은 조립 전극의 부식을 방지하며, 또한 마이크로 LED의 바닥면에 위치한 금속층을 통해 양극과 공통 전극 사이의 브리지로 인한 전기 화학적 물 분열(electrochemical water splitting) 및 단락을 방지한다.
다음으로 조립 홀을 제작했다. 포토레지스트(WPR-1052, JSR)를 1500rpm으로 적용하고 110°C에서 2분 동안 소프트 베이킹한 다음 200mJ/cm2 UV 노출과 110°C에서 2분 동안 노출 후 베이크했다. 마지막으로 현상액(AZ-300MIF, MERCK)을 사용하여 기판을 현상하고 오븐에서 200°C로 1시간 동안 베이킹하였다.
다음으로 파워 라인이 제작될 수 있다.
예를 들어, 조립 기판에 마이크로 LED를 조립한 후 포토레지스트(DPA-5000, DONGJIN SEMICHEM) 층을 스프레이하여 마이크로 LED를 고정한 다음 100°C에서 2분간 소프트 베이킹하고, 포토마스크 없이 UV 노출하고 오븐에서 200°C로 15분간 베이킹하였다.
다음으로, 평탄화를 위해 포토레지스트(SU-8, MICROCHEM) 층을 조립 기판 상에 3000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하였다. 그런 다음 SU-8을 오븐에서 200°C로 1시간 동안 베이킹하였다.
micro-LED와 파워라인 사이의 전기적 연결을 설정하기 위해 포토레지스트(GXR601, MERCK)를 포토레지스트(SU-8, MICROCHEM)에 회전시키고 원형 모양으로 패터닝하여 micro-LED에서 n-컨택 및 p-컨택을 정의했다.
이후 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 애싱(Ashing) 공정을 진행하여 SU-8에 원형 형태의 콘택홀을 만들고 마이크로 LED 표면에 형성된 이산화규소 패시베이션층을 RIE를 이용하여 홀을 통해 식각하였다.
그 후, 포토레지스트(GXR601, MERCK)를 벗겨냈다. 그런 다음 SU-8의 원형 모양의 접촉 구멍이 n-컨택 및 p-컨택을 위해 마이크로 LED 위에 형성되었다.
다음으로, micro-LED의 패시베이션층(SiO2)을 컨택트 홀 내에서 에칭했다.
다음으로 ITO(Indium Tin Oxide)로 만든 투명 파워라인을 리프트 오프 공정으로 제작하였으며, 이러한 투명 전력선을 Fig. 14b에 나타내었다. ITO 층은 패턴화된 포토레지스트(DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM) 위에 증착되었다. 그런 다음 아세톤을 사용하여 DNR L-300을 제거하면 위에 있는 ITO 레이어가 벗겨져 투명 파워라인이 생성된다.
마지막으로, Ti/Al 파워라인도 리프트 오프 공정으로 제작되었다. 파워라인은 패터닝된 DNR L-300 위에 e-빔을 사용하여 Ti/Al 이중층을 증착하여 패터닝되었다.
다음으로 GaN 기반 마이크로 LED가 제작될 수 있다.
예를 들어, 사파이어 웨이퍼 위에 GaN 기반 에피층을 준비하고 그 위에 ITO를 증착했다. 메사를 정의하기 위해 ITO에 포토레지스트(GXR601, MERCK)를 2000rpm에서 30초 동안 회전시키고, 100°C에서 2분 동안 소프트 베이킹하고, UV에 노출시키고, 현상액(AZ-300MIF, MERCK)을 사용하여 70초 동안 현상했고, 마지막으로 110 °C에서 2분 동안 하드 베이킹했다.
그런 다음, 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 장치를 사용하여 ITO/GaN 기반 에피층을 식각하여 메사 모양을 형성하고 남은 포토레지스트를 벗겨냈다.
다음으로, 상부에 포토레지스트(DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM)를 도포 및 패터닝하여 마이크로 LED의 외곽선을 정의하고 픽셀화한 후, 사파이어 웨이퍼가 노출될 때까지 마스킹되지 않은 에피택시 영역을 ICP 식각하였다.
마지막으로 전자빔 증착 및 리프트 오프 공정을 통해 마이크로 LED의 n 영역에 n-컨택 금속(Cr/Ti/Ni/Ti, 20/20/100/70 nm)을 제조하였다.
도 3(a)에는 n-컨택 금속의 개략도가 나와 있다. n-contact 금속에 내장된 Ni 층은 자기력에 반응하여 micro-LED를 움직이는 역할을 할 수 있다.
그 후 도 3(a)와 같이 각 micro-LED의 측벽과 상단 표면에 PECVD를 사용하여 500nm 두께의 SiO2(패시베이션 층)를 증착했다.
패시베이션층에 의해 건식 에칭 손상으로 인한 누설 전류 감소시킬 수 있다. 또한 패시베이션층은 자유 이동을 위한 친수성 개선 및 기판 흡착(조립 기판 표면에 마이크로 LED 부착) 및 마이크로 LED 뭉침을 방지할 수 있다. 이는 조립 홀에 조립되지 않은 마이크로 LED를 기판 흡착이 없어 재활용할 수 있다는 점에서 또 다른 장점이 있다. 또한 패시베이션층은 micro-LED의 표면에서 Ni 층을 공간적으로 분리하여 자기 조작(magnetic manipulation) 후 micro-LED가 자화에 의해 서로 달라붙는 것을 방지한다.
다음으로 GaN 기반 마이크로 LED의 유체 분산 공정이 진행될 수 있다.
마이크로 LED 위에 포토레지스트(GXR601, MERCK)를 코팅하고 패터닝한 다음 PSA(압력 감지 접착제) 필름을 그 위에 도포했다. 다음으로, LLO(laser-lift-off) 공정을 수행하여 사파이어 웨이퍼를 분리하고 DEP 힘 응답을 개선하기 위해 마이크로 LED의 노출된 바닥 표면에 약 100nm Ti 층을 증착했다(실험예 1 참조). 마지막으로, PSA 필름 위의 마이크로 LED를 아세톤에 담가 패턴화된 포토레지스트를 용해시켰고, 이에 따라 마이크로 LED가 PSA에서 방출되어 아세톤 수조에 분산되었다.
다음으로 AlGaInP 기반 마이크로 LED가 제작될 수 있다.
예를 들어, GaAs 웨이퍼 위에 성장된 AlGaInP계 에피층 위에 ITO층을 증착하였다.
그 다음 공정은 마이크로 LED의 메사 및 아웃라인 제작에 관련된 것이며, 이러한 프로세스는 GaN 기반 마이크로 LED의 프로세스와 유사하다.
동일한 방법이 포토리소그래피(스핀 코팅, 소프트 베이킹, UV 노출, 현상 및 하드 베이킹)에 사용되었다. 동일한 ICP 식각기를 사용하여 ITO/GaAs 기반 에피층을 식각하여 메사 모양을 형성하고 남은 포토레지스트를 벗겨냈다.
다음으로, 상부에 포토레지스트(DNR L-300, DONGJIN SEMICHEM)를 도포 및 패터닝하여 마이크로 LED의 외곽선을 정의하고 픽셀화한 후, 마스크되지 않은 에피택시 영역을 GaAs 웨이퍼가 노출될 때까지 ICP 식각하였다.
마지막으로 e-beam 증착을 통해 n-컨택 금속(AuGe/Au/Ti/Ni/Ti, 100/100/50/100/50 nm)을 적용한 후 500 nm 두께의 이산화규소층을 마이크로 LED의 측벽과 상단 표면에 증착했다.
다음으로 AlGaInP 기반 마이크로 LED의 유체 분산 공정이 진행될 수 있다.
예를 들어, 포토레지스트(GXR601, MERCK)를 마이크로 LED 위에 코팅했다. 그런 다음 실리콘 접착제를 사용하여 포토레지스트의 측면을 유리 웨이퍼 위에 부착했다.
다음으로 용액(NH4OH:H2O2:H2O)을 이용하여 GaAs 웨이퍼를 제거하기 위해 CLO(Chemical Lift-Off) 공정을 수행한 후 마이크로 LED 사이에 형성된 패시베이션층(SiO2)을 RIE로 제거하였다.
그 후, 마이크로 LED의 노출된 바닥 표면에 100nm Ti 층을 증착하여 DEP 힘 응답을 개선했다(실험예 1 참조). 마지막으로 유리 웨이퍼 위의 마이크로 LED를 아세톤에 담가 상부의 패턴화된 포토레지스트를 용해시키면 마이크로 LED가 유리 웨이퍼에서 분리되어 아세톤 수조에 분산되었다. AlGaInP 기반 micro-LED의 개략도는 도 3(b)에 제공된다.
다음으로, 실시예에 따른 MDSAT 시스템에 대해 설명하기로 한다.
조립은 조립 기판이 아래를 향한 상태에서 발생할 수 있으며 micro-LED가 기판 아래 욕조 바닥에 놓이는 위치에서도 발생할 수 있다. 이 경우 micro-LED를 조립 기판까지 끌어올릴 수 있도록 중력을 극복하려면 더 강한 자기력이 필요하다. 이 방식의 주요 장점은 자기 특성을 갖지 않을 가능성이 가장 높은 의도하지 않은 입자가 자기장에 반응하지 않기 때문에 조립 공정에서 제외된다는 것이다. 반면, 조립 균일성 및 수율에 악영향을 미칠 수 있는 조립 기판의 휘어짐은 불가피하므로 최소화해야 한다는 단점이 있다.
다음으로 실시예에 따른 이크로 LED의 재활용에 대해 설명하기로 한다.
위의 욕조 챔버에서 마이크로 LED를 공급하기 위해 자석 막대가 포함된 유리관 어레이(자기 튜브라고 함)가 준비된다. 자기 튜브 내부에서 자석 막대는 유리 튜브의 끝을 향해 수직으로 안쪽으로 이동한다. 결과적으로 micro-LED는 유리관 내부의 자석의 수직 이동을 통해 유리관의 끝면에 부착되거나 떨어진다. 자성관 1개당 공급되는 양은 무게 2~3mg이다. 실험예에 따르면 LED 개수가 2~3mg일 때 조립 수율에 영향을 미치지 않는다. 자기 튜브 배열은 욕조 챔버의 조립 기판 바로 위에 LED를 떨어뜨릴 수 있다. 자성관 어레이는 자체 조립 공정 후 다시 사용되어 재활용을 위해 LED를 수집하고 다음 실행을 준비할 수 있다.
반면에 micro-LED는 조립 기판의 표면에 부착되지 않기 때문에 MDSAT 방식에서는 자화에 의한 덩어리(micro-LED 집합체)가 형성되지 않는다. 따라서 MDSAT 방식은 마이크로 LED를 재활용할 수 있다는 장점이 있다.
실시예는 영상이나 정보를 디스플레이하는 디스플레이 분야에 채택될 수 있다.
실시예는 반도체 발광소자를 이용하여 영상이나 정보를 디스플레이하는 디스플레이 분야에 채택될 수 있다.
실시예는 마이크로급이나 나노급 반도체 발광소자를 이용하여 영상이나 정보를 디스플레이하는 디스플레이 분야에 채택될 수 있다.

Claims (10)

  1. 디스플레이 화소용 반도체 발광소자에 있어서,
    제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 컨택 전극;
    상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 메탈층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 컨택 전극; 및
    상기 발광구조물 상에 배치되는 패시베이션층;을 포함하고,
    상기 메탈층은, 자성물질을 포함하고,
    상기 반도체 발광소자의 무게 대비 상기 자성물질의 무게 비율은 0.25%~36.75%인, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성물질은
    Ni을 포함하는, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성물질의 두께는
    10nm 내지 2300nm인, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨택 전극은
    상기 제2 컨택 전극의 둘레를 감싸면서 배치되며,
    상기 발광구조물의 상측이 일부 제거된 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 디스플레이 화소용 반도체 발광소자.
  5. 서로 이격된 제1 조립 전극과 제2 조립 전극;
    상기 제1, 제2 조립 전극 상에 배치된 유전체층;
    소정의 조립 홀을 구비하여 상기 유전체층 상에 배치되는 절연층;
    상기 조립 홀 상에 배치되는 반도체 발광소자를 포함하고,
    상기 반도체 발광소자는 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는, 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조립 홀의 높이는 4.0 ㎛ 이상인, 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조립 홀의 높이는 4.5 ㎛ 내지 5.0㎛, 디스플레이 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유전체층은
    질화물을 포함하는, 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유전체층은
    Si3N4를 포함하는, 디스플레이 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자의 크기에 대한 상기 이격된 제1, 제2 립 전극 사이의 거리 비율의 비율인 갭 비율이 0.4 내지 0.8인, 디스플레이 장치.
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