超小型发光二极管电极组件及其制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及超小型发光二极管(LED，Light-emitting diode)电极组件及其制造 方法，更详细地，涉及使光提取效率极大化并以没有电路短路等不良的方式使纳米单位的 超小型发光二极管元件与超小型电极相连接的超小型发光二极管电极组件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着1992年日本日亚化学工业的中村等人适用低温的氮化镓(GaN)化合物缓冲层 来成功融合出优质的单晶体氮化镓氮化物半导体，导致发光二极管的开发变得活跃。发光 二极管作为利用化合物半导体的特性来使多个载体为电子的η型半导体结晶和多个载体为 空穴的Ρ型半导体结晶相互接合的半导体，是将电信号变换为具有所需区域的波段的光来 显现的半导体元件。
[0003] 由于这种发光二极管半导体的光变换效率高，因此能量消耗非常少，而且上述发 光二极管半导体还具有半永久性寿命并且环保，从而作为绿色材料来被誉为光的革命。近 来，随着化合物半导体技术的发展，开发出高亮度红色、橙色、绿色、蓝色及白色发光二极 管，上述发光二极管应用于信号灯、手机、汽车前照灯、室外电子屏幕、液晶显示器背光模组 (LCD BLU，Liquid Crystal Display back light unit)，还应用于室内外照明等多个领 域，而且在国内外持续进行对上述发光二极管的研究。尤其，具有较宽带隙的氮化镓类化合 物半导体为用于制造放射绿色、蓝色还有紫外线区域的光的发光二极管半导体的物质，可 利用蓝色发光二极管元件制造白色发光二极管元件，从而正在对此进行很多研究。
[0004] 并且，由于发光二极管半导体用于多种领域，对发光二极管半导体的研究也日益 增加，使得高功率的发光二极管半导体成为一种需求，提高发光二极管半导体的效率也变 得极为重要。但是，制造高效率高功率的蓝色发光二极管元件存在诸多困难。在提高上述蓝 色发光二极管元件的效率方面，难点缘于制造过程中的困难和所制造的蓝色发光二极管的 氮化镓类半导体和大气之间的高折射率。首先，制造过程中的困难在于很难准备具有与氮 化镓类半导体相同的晶格常数的基板。当氮化镓外延层晶格常数和基板的晶格常数大为不 同的情况下，形成于基板上的氮化镓外延层会产生很多缺陷，从而发生导致发光二极管半 导体的效率和性能下降的问题。
[0005] 接着，由于所制造的蓝色发光二极管的氮化镓类半导体和大气之间的高折射率， 导致从发光二极管的活性层区域放射的光无法向外部射出，而是在发光二极管的内部全反 射。全反射的光在发光二极管的内部再次被吸收，从而存在最终导致发光二极管的效率下 降的问题。将这种效率称为发光二极管元件的光提取效率，而为了解决上述问题，正进行很 多研究。
[0006] 另一方面，为了将发光二极管元件用于照明、显示器等，需要可向上述发光二极管 元件和上述元件施加电源的电极，并且，就使用目的、减少电极所占的空间或制造方法，对 发光二极管元件和互不相同的两个电极的配置进行了多种研究。
[0007] 对发光二极管元件和电极的配置的研究可分为使发光二极管元件在电极生长和 在使发光二极管元件独立生长后配置于电极。
[0008] 首先，对使发光二极管元件在电极生长的研究具有自下而上（bottom-up)方式， 即，通过在基板上放置薄膜型下部电极，并在下部电极上依次层叠η型半导体层、活性层、p 型半导体层、上部电极后进行蚀刻的方法，或者通过在层叠上部电极之前蚀刻已层叠的各 个层后层叠上部电极的方法等来在一系列的制造过程中同时生成及配置发光二极管元件 和电极。
[0009] 接着，在使发光二极管元件独立生长后配置于电极的方法为在通过单独的工序来 使发光二极管元件独立生长制造之后，将各个发光二极管元件一一配置于图案化的电极的 方法。
[0010] 上述前一方法存在如下问题，即，从结晶学角度出发，很难实现高结晶性/高效率 的薄膜及使发光二极管元件生长，而后一方法存在由于光提取效率降低，因而有可能导致 发光效率下降的问题。
[0011] 并且，在后一方法中，存在如下问题，即，若发光二极管元件为普通的发光二极管 元件，则可通过使三维的发光二极管元件直立来使发光二极管元件与电极相连接，但若发 光二极管元件为纳米单位的超小型元件，则很难使上述超小型元件直立于电极。在由本申 请的发明人申请的韩国特许申请第2011 -0040174号中，为了使纳米单位的超小型发光二极 管元件以三维的方式直立于电极来使上述超小型发光二极管元件与电极相连接，还在超小 型发光二极管元件设置有使超小型发光二极管元件容易与电极相结合的结合连接器，但当 将上述结合连接器实际体现于超小型电极时，存在很难使超小型发光二极管元件以三维的 方式直立于电极来使上述超小型发光二极管和电极相结合的问题。
[0012] 进而，独立制造的发光二极管元件需一一配置于图案化的电极，但在发光二极管 元件为大小为纳米单位的超小型发光二极管元件的情况下，存在如下问题，即，很难将发光 二极管元件配置于超小型的互不相同的两个电极的目的范围内，而且即使将发光二极管元 件配置于超小型的互不相同的两个电极，但在电极和超小型发光二极管的电连接中频频发 生由短路引起的不良现象，从而无法体现所需的电极组件。
[0013] 韩国特许申请第2010-0042321号公开了用于发光二极管模块的寻址电极线的结 构及制造方法。在上述申请中，在基板上放置薄膜型下部电极，并在下部电极上依次层叠绝 缘层、上部电极后通过蚀刻来制造电极线，之后在上部电极上安装发光二极管芯。但是，若 安装的发光二极管芯为纳米单位的大小，则存在如下问题，即，很难使三维的发光二极管芯 准确地直立于上部电极，即使在安装后也很难连接安装的纳米单位的发光二极管芯和下部 电极。并且，还存在如下问题，由于所安装的发光二极管芯由发光二极管芯的η型半导体层、 Ρ型半导体层以基板为基准来形成上、下，因此在活性层区域所产生的光被发光二极管芯的 电极遮挡而无法从发光二极管芯射出，因而在活性层区域所产生的光在发光二极管芯的内 部被吸收，从而导致光提取效率下降。
【发明内容】
[0014] 技术问题
[0015]本发明用于解决如上所述的问题，本发明所要解决的第一个问题为提供超小型发 光二极管电极组件的制造方法，上述超小型发光二极管电极组件的制造方法可使独立制造 的纳米单位的超小型发光二极管元件以无电路短路等不良的方式与互不相同的两个电极 相连接并可提尚光提取效率。
[0016] 本发明所要解决的第二个问题为提供超小型发光二极管电极组件的制造方法，上 述超小型发光二极管电极组件的制造方法可使凝聚的超小型发光二极管元件仅配置于电 极线区域中的特定部分或者在使元件不向外围扩散的状态下将上述元件集中分布于超小 型发光二极管元件目的安装区域。
[0017] 本发明所要解决的第三个问题为提供超小型发光二极管电极组件，上述超小型发 光二极管电极组件以没有短路的方式使纳米单位的超小型发光二极管元件和两个互不相 同电极相连接并具有优秀的光提取效率。
[0018] 技术方案
[0019] 为了解决上述第一个问题，本发明提供超小型发光二极管电极组件的制造方法， 其包括:步骤（1 )，向电极线投入包括多个超小型发光二极管元件的溶液，上述电极线包括 底座基板、第一电极及第二电极，上述第一电极形成于上述底座基板上，上述第二电极以与 上述第一电极相隔开的方式形成于与上述第一电极相同的平面上；以及步骤(2)，向上述电 极线施加电源来使多个超小型发光二极管元件自动整列（self-assembly)，从而使多个超 小型发光二极管元件与上述第一电极和第二电极这双方均连接，上述超小型发光二极管元 件包括:第一电极层;第一导电性半导体层，形成于上述第一电极层上;活性层，形成于上述 第一导电性半导体层上；第二导电性半导体层，形成于上述活性层上；以及第二电极层，形 成于上述第二导电性半导体层上，上述超小型发光二极管元件在外部面包括绝缘覆膜，上 述绝缘覆膜至少覆盖活性层部分的整个外部面，上述绝缘覆膜用于防止因超小型发光二极 管元件的活性层和电极线相接触而发生电路短路，上述第一电极的宽度X、第二电极的宽度 Y、第一电极和与上述第一电极相邻的第二电极之间的间距Z及超小型发光二极管元件的长 度Η满足如下关系式，
[0020] 关系式1:
[0021] 〇·5Ζ<Η<Χ+Υ+2Ζ，其中，100nm<X< 10ym，100nm<Y< 10ym，100nm<Z< ΙΟμπ?ο
[0022] 根据本发明的一优选实施例，上述步骤（1)中的第一电极及第二电极可通过螺旋 (spiral)配置方式及相互交叉(interdigitated)配置方式中的一个来相隔开。
[0023] 根据本发明的再一优选实施例，上述超小型发光二极管元件还可包括疏水性覆 膜，上述疏水性覆膜涂敷于绝缘覆膜的外部面，上述疏水性覆膜用于防止上述超小型发光 二极管元件相互间的凝聚。
[0024] 根据本发明另一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的第一电极层及第二电 极层有可未涂敷绝缘覆膜。
[0025] 根据本发明的还有一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的长度可以为 100nm 至 ΙΟμπι。
[0026] 根据本发明的又一优选实施例，上述步骤（1)可包括:步骤1-1)，制造电极线，上述 电极线包括底座基板、第一电极及第二电极，上述第一电极形成于上述底座基板上，上述第 二电极以与上述第一电极相隔开的方式形成于与上述第一电极相同的平面上；步骤1-2)， 在上述底座基板上形成绝缘隔板，上述绝缘隔板包围用于安装超小型发光二极管元件的电 极线区域；以及步骤1-3)，向被上述绝缘隔板包围的电极线区域投入包括多个超小型发光 二极管元件的溶液，从上述底座基板至绝缘隔板的上端为止的垂直距离为0.1~100μπι。
[0027] 根据本发明的又一优选实施例，在上述步骤（2)中所施加的电源的电压可以为 0.1V至1000V，频率可以为10Hz至100GHz。
[0028] 根据本发明的又一优选实施例，在上述步骤(2)中，在每100 X 100μπι2面积的电极 线中与第一电极和第二电极这双方均连接的超小型发光二极管元件的数量可以为2个至 100000个，超小型发光二极管元件安装于上述电极线。
[0029] 根据本发明的又一优选实施例，在上述步骤(2)之后还可包括步骤(3)，在第一电 极、第二电极和超小型发光二极管元件的连接部分形成金属欧姆层。
[0030] 根据本发明的又一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的纵横比（Aspect ratio)可以为 1.2 ~100〇
[0031] 并且，为了解决上述第二个问题，本发明提供超小型发光二极管电极组件的制造 方法，其包括:步骤(1 )，向电极线投入包括多个超小型发光二极管元件，上述电极线包括底 座基板、第一电极及第二电极，上述第一电极形成于上述底座基板上，上述第二电极以与上 述第一电极相隔开的方式形成于与上述第一电极相同的平面上；以及步骤(2)，向上述电极 线投入溶剂，并向上述电极线施加电源来使多个超小型发光二极管元件自动整列，从而使 多个超小型发光二极管元件与上述第一电极和第二电极这双方均连接，上述超小型发光二 极管元件包括:第一电极层;第一导电性半导体层，形成于上述第一电极层上;活性层，形成 于上述第一导电性半导体层上;第二导电性半导体层，形成于上述活性层上；以及第二电极 层，形成于上述第二导电性半导体层上，上述超小型发光二极管元件在外部面包括绝缘覆 膜，上述绝缘覆膜至少覆盖活性层部分的整个外部面，上述绝缘覆膜用于防止因超小型发 光二极管元件的活性层和电极线相接触而发生电路短路，上述第一电极的宽度X、第二电极 的宽度Y、第一电极和与上述第一电极相邻的第二电极之间的间距Z及超小型发光二极管元 件的长度Η满足如下关系式，
[0032]关系式1:
[0033] 〇·5Ζ<Η<Χ+Υ+2Ζ，其中，100nm<X< 10ym，100nm<Y< 10ym，100nm<Z< ΙΟμπ?ο
[0034] 另一方面，为了解决上述第三问题，本发明提供超小型发光二极管电极组件，上述 超小型发光二极管电极组件包括:底座基板；电极线，上述电极线包括第一电极及第二电 极，上述第一电极形成于上述底座基板上，上述第二电极以与上述第一电极相隔开的方式 形成于与上述第一电极相同的平面上；以及多个超小型发光二极管元件，上述多个超小型 发光二极管元件与上述第一电极和第二电极这双方均连接，上述超小型发光二极管元件包 括:第一电极层;第一导电性半导体层，形成于上述第一电极层上;活性层，形成于上述第一 导电性半导体层上；第二导电性半导体层，形成于上述活性层上；以及第二电极层，形成于 上述第二导电性半导体层上，上述超小型发光二极管元件在外部面包括绝缘覆膜，上述绝 缘覆膜至少覆盖活性层部分的整个外部面，上述绝缘覆膜用于防止因超小型发光二极管元 件的活性层和电极线相接触而发生电路短路，上述第一电极的宽度X、第二电极的宽度Υ、第 一电极和与上述第一电极相邻的第二电极之间的间距Ζ及超小型发光二极管元件的长度Η 满足如下关系式，
[0035]关系式1:
[0036] 〇·5Ζ<Η<Χ+Υ+2Ζ，其中，100nm<X< 10ym，100nm<Y< 10ym，100nm<Z< ΙΟμπ?ο
[0037] 根据本发明的一优选实施例，上述步骤（1)中的第一电极及第二电极可通过螺旋 (spiral)配置方式及相互交叉(interdigitated)配置方式中的一个来相隔开。
[0038] 根据本发明的再一优选实施例，上述超小型发光二极管元件还可包括疏水性覆 膜，上述疏水性覆膜涂敷于绝缘覆膜的外部面，上述疏水性覆膜用于防止上述超小型发光 二极管元件相互间的凝聚。
[0039]根据本发明另一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的第一电极层及第二电 极层有可未涂敷绝缘覆膜。
[0040]根据本发明的还有一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的长度可以为 100nm 至 ΙΟμπι。
[0041 ]根据本发明的又一优选实施例，在上述步骤(2)中，在每100 X 100μπι2面积的电极 线中与第一电极和第二电极这双方均连接的超小型发光二极管元件的数量可以为2个至 100000个，超小型发光二极管元件安装于上述电极线。
[0042] 根据本发明的又一优选实施例，为了提高光提取效率(extraction efficiency)， 相对于底座基板，可水平配置与上述第一电极及第二电极相连接的超小型发光二极管元 件，并且可在上述第一电极及第二电极中的一个以上的电极和超小型发光二极管元件的连 接部分形成金属欧姆层。
[0043] 根据本发明的又一优选实施例，上述超小型发光二极管电极组件还可包括绝缘隔 板，上述绝缘隔板包围与超小型发光二极管元件相连接的电极线区域，上述绝缘隔板形成 于底座基板上，从上述底座基板至绝缘隔板的上端为止的垂直距离可以为0.1~?οομπι。
[0044] 根据本发明的又一优选实施例，上述超小型发光二极管元件的纵横比（Aspect ratio)可以为 1.2 ~100〇
[0045] 在对本发明的实例进行说明的过程中，当记载各层、区域、图案或结构物形成于基 板、各层、区域、图案的"上方(on)"、"上部"、"上"、"下方(under)"、"下部"、"下"的情况下， "上方(on)"、"上部"、"上"、"下方(under)"、"下部"、"下"均包含"直接(directly)"、"间接 (indirectly)" 的含义。
[0046] 在对本发明的实例进行说明的过程中，"第一电极"和"第二电极"包括可实际安装 超小型发光二极管的电极区域或者与上述区域一同来可根据在底座基板上配置电极的方 法还可包括的电极区域。只是，本发明的超小型发光二极管电极组件意味着可实际安装超 小型发光二极管的电极区域。
[0047]在对本发明的实例进行说明的过程中，单位电极为配置有可通过排列超小型发光 二极管元件来独立驱动的两个电极的排列区域，单位电极面积为上述排列区域的面积。
[0048]在对本发明的实例进行说明的过程中，"连接"意味着超小型发光二极管元件安装 于互不相同的两个电极(例如，第一电极、第二电极）。并且，"电连接"意味着如下状态，超小 型发光二极管元件安装于互不相同的两个电极，同时可在当向电极线施加电源时，超小型 发光二极管兀件发光。
[0049]有益效果
[0050]本发明的超小型发光二极管电极组件及其制造方法具有如下优点。第一，独立制 造的纳米单位的超小型发光二极管元件以无电短路等不良的方式与超小型的互不相同的 两个电极相连接，从而可克服当使以往的超小型发光二极管元件直立来以三维形状使超小 型发光二极管元件与电极相结合时，无法使超小型发光二极管元件直立以及很难使