特開 2022-183775 発光ダイオード素子基板およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022183775

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】発光ダイオード素子基板およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/22 20100101AFI20221206BHJP

   G09F 9/30 20060101ALI20221206BHJP

   G09F 9/33 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

H01L33/22

G09F9/30 338

G09F9/33

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021091256

(22)【出願日】2021-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 悟

【テーマコード（参考）】

5C094

5F241

【Ｆターム（参考）】

5C094AA05

5C094AA31

5C094AA43

5C094AA44

5C094BA25

5C094CA19

5C094DA13

5C094DB01

5C094EB10

5C094FB14

5C094FB15

5C094GB10

5F241AA21

5F241CA40

5F241CA65

5F241CA73

5F241CA74

5F241CA76

5F241CA88

5F241CA98

5F241CB21

5F241CB33

5F241FF01

(57)【要約】

【課題】低コスト且つ高精細化への対応が可能であり、個々のＬＥＤ（発光ダイオード）素子と駆動回路との良好な接続信頼性を備えた発光ダイオード素子基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】サファイア基板１上に化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、発光ダイオード素子をサファイア基板上に二次元的に配置した発光ダイオード素子基板であって、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された、化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長可能とするバッファー層２と、前記バッファー層の表面を二次元的に配置された画素に区画する、無機材料６からなる隔壁７と、前記隔壁によって区画された各画素の内部において、前記バッファー層上に形成された複数の化合物半導体結晶層の積層体からなる発光ダイオード素子８と、を備えていることを特徴とする発光ダイオード素子基板２０。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板上に化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、発光ダイオード素子をサファイア基板上に二次元的に配置した発光ダイオード素子基板であって、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された、化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長可能とするバッファー層と、
前記バッファー層の表面を二次元的に配置された画素に区画する、無機材料からなる隔壁と、
前記隔壁によって区画された各画素の内部において、前記バッファー層上に形成された複数の化合物半導体結晶層の積層体からなる発光ダイオード素子と、を備えていることを特徴とする発光ダイオード素子基板。

【請求項2】

前記バッファー層がＡｌＮ層であり、前記複数の化合物半導体結晶層の積層体が、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層からなる積層体であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子基板。

【請求項3】

サファイア基板上に化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させ、発光ダイオード素子を形成することによって作製される発光ダイオード素子基板の製造方法であって、
サファイア基板上に良質な化合物半導体結晶層を形成可能とするバッファー層を備えたサファイア基板のバッファー層の表面に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層に、型押し加工用の型を押圧することによって凹部を備えた樹脂パターンを形成する工程と、
前記凹部に無機材料を充填する工程と、
前記樹脂パターンを除去後、前記無機材料を熱処理することで、前記樹脂パターン以下の厚みを備え、底部にバッファー層が露出した隔壁を形成する工程と、
有機金属化学気相エピタキシー法により、化合物半導体結晶層からなる、少なくとも、ｎ型化合物半導体結晶層と、化合物半導体結晶層からなる発光層と、ｐ型化合物半導体結晶層を備えた発光ダイオード素子層を、少なくとも前記隔壁の内部に形成する工程と、
前記隔壁の内部以外に形成された前記発光ダイオード素子層を除去する工程と、
前記隔壁の内部に形成された前記発光ダイオード素子層の表面に透明電極を形成する工程と、
前記隔壁の内部に形成された前記発光ダイオード素子層と前記隔壁に跨った部位に、ｎ型層の上面を露出させる深さの穴を形成した後、ｎ型層と接続可能とする電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする発光ダイオード素子基板の製造方法。

【請求項4】

前記バッファー層がＡｌＮ層であり、前記化合物半導体結晶層からなる、前記ｎ型化合物半導体結晶層と、前記化合物半導体結晶層からなる発光層と、前記ｐ型化合物半導体結晶層が、それぞれ、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード素子基板の製造方法。

【請求項5】

前記型が、ナノインプリント用モールドであることを特徴とする請求項３または４に記載の発光ダイオード素子基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロＬＥＤ表示装置とその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、２μｍから５０μｍ程度のサイズの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップをマトリクス状に配列したマイクロＬＥＤと呼ばれる表示装置が提案されている。このマイクロＬＥＤ表示装置においては、表示単位である画素１つに対し、ＬＥＤチップ１つを割り当て、その各々を個別駆動して表示を行う。このため、液晶表示装置に比べて構造が簡単であり、かつ、表示品質が明るく、色再現性もよいとされている。

【0003】

このマイクロＬＥＤ表示装置の画素数は、１画素に１個のマイクロＬＥＤチップが必要であるため、例えば、フルＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｉｆｉｎｉｔｉｏｎ）仕様の場合、１９２０×１０８０（約２００万画素）、４Ｋ仕様の場合、３８４０×２１６０（約８００万画素）である。

【0004】

例えば、表示装置の画面となる基板上に数百万個を超える数のマイクロＬＥＤチップの１つ１つを実装するため、１つのマイクロＬＥＤチップを載置する時間の早さとその載置する位置の精度は非常に高いものが必要で、現状の半導体実装用装置の仕様であっても対応が難しい。

【0005】

このようなマイクロＬＥＤ表示装置の製造に関する問題点に関連する先行技術としては、例えば特許文献１には、パレット上に所望の配列で整列が行われた複数のＬＥＤチップに対し、前記ＬＥＤチップのそれぞれが前記配列に従い適宜な間隙をもって貫通する穴部が設けられ且つ前記ＬＥＤチップと略面一となるガイドマスクを被着し、この状態で吸着面側にメッシュシートが取付けられた吸着ヘッドで前記複数のＬＥＤチップの前記パレット上の全てを同時に吸着し、前記基板上に同時にダイボンドを行うことを特徴とするＬＥＤ表示装置の製造方法が提案されている。

【0006】

この技術は、多数のＬＥＤチップを一括して基板上にダイボンドすることを可能とする優れた技術であるが、あくまで個片化したＬＥＤチップを使用して、それをダイボンドすることにより基板上に実装する手法である。そのため、微細化への対応には従来と同様に限界があり、また、個々のＬＥＤチップと駆動回路とは、個別にワイヤボンディングなどにより数百万箇所以上の接続が必要となるため、実装したＬＥＤチップ全体の接続信頼性を高くすることは非常に難しい問題であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１１－３３８３８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記の事情に鑑み、本発明は、低コスト且つ高精細化への対応が可能であり、個々のＬＥＤ（発光ダイオード）素子と駆動回路との良好な接続信頼性を備えた発光ダイオード素子基板とその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、サファイア基板
上に化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、発光ダイオード素子をサファイア基板上に二次元的に配置した発光ダイオード素子基板であって、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成された、化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長可能とするバッファー層と、
前記バッファー層の表面を二次元的に配置された画素に区画する、無機材料からなる隔壁と、
前記隔壁によって区画された各画素の内部において、前記バッファー層上に形成された複数の化合物半導体結晶層の積層体からなる発光ダイオード素子と、を備えていることを特徴とする発光ダイオード素子基板である。

【0010】

また、請求項２に記載の発明は、前記バッファー層がＡｌＮ層であり、前記複数の化合物半導体結晶層の積層体が、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層からなる積層体であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子基板である。

【0011】

また、請求項３に記載の発明は、サファイア基板上に化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させ、発光ダイオード素子を形成することによって作製される発光ダイオード素子基板の製造方法であって、
サファイア基板上に良質な化合物半導体結晶層を形成可能とするバッファー層を備えたサファイア基板のバッファー層の表面に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層に、型押し加工用の型を押圧することによって凹部を備えた樹脂パターンを形成する工程と、
前記凹部に無機材料を充填する工程と、
前記樹脂パターンを除去後、前記無機材料を熱処理することで、前記樹脂パターン以下の厚みを備え、底部にバッファー層が露出した隔壁を形成する工程と、
有機金属化学気相エピタキシー法により、化合物半導体結晶層からなる、少なくとも、ｎ型化合物半導体結晶層と、化合物半導体結晶層からなる発光層と、ｐ型化合物半導体結晶層を備えた発光ダイオード素子層を、少なくとも前記隔壁の内部に形成する工程と、
前記隔壁の内部以外に形成された前記発光ダイオード素子層を除去する工程と、
前記隔壁の内部に形成された前記発光ダイオード素子層の表面に透明電極を形成する工程と、
前記隔壁の内部に形成された前記発光ダイオード素子層と前記隔壁に跨った部位に、ｎ型層の上面を露出させる深さの穴を形成した後、ｎ型層と接続可能とする電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする発光ダイオード素子基板の製造方法である。

【0012】

また、請求項４に記載の発明は、前記バッファー層がＡｌＮ層であり、前記化合物半導体結晶層からなる、前記ｎ型化合物半導体結晶層と、前記化合物半導体結晶層からなる発光層と、前記ｐ型化合物半導体結晶層が、それぞれ、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード素子基板の製造方法である。

【0013】

また、請求項５に記載の発明は、前記型が、ナノインプリント用モールドであることを特徴とする請求項３または４に記載の発光ダイオード素子基板の製造方法である。

【発明の効果】

【0014】

本発明の発光ダイオード素子基板によれば、サファイア基板上にバッファー層が形成された基板上に、表示装置の画素となる領域を区画する隔壁が形成されており、その隔壁の内部にバッファー層上に、発光ダイオード素子が形成され、二次元的に配置された構成となっている。そのため、１つ１つの発光ダイオードチップを実装する必要がなく、一括形
成することができる。また、発光ダイオードチップより隔壁により区画される領域のサイズを小さくできるため、微細化に対応することができる。また、各発光ダイオード素子に給電する配線との接続には１つ１つの発光ダイオード素子に対して接続する必要がないため、実装時間が大幅に短縮可能となり生産性が向上する。

【0015】

本発明の発光ダイオード素子基板の製造方法によれば、マイクロＬＥＤ表示装置となる発光ダイオード素子基板の発光ダイオードの配置精度が高く、生産性の高い製造プロセスを提供することが可能となる。また、本発明の発光ダイオード素子基板を用いることで、高い表示性能の表示装置が提供可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の発光ダイオード素子基板の製造方法を示したフロー図。

【図2】本発明の発光ダイオード素子基板の製造方法を示したフロー図。

【図3】本発明の発光ダイオード素子基板の断面図。

【図4】本発明の発光ダイオード素子の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜発光ダイオード基板の製造方法＞
本発明の発光ダイオード基板の製造方法について、図を用いて説明する。

【0018】

本発明の発光ダイオード基板の製造方法は、少なくとも下記の工程１～工程８を備えている。
工程１：サファイア基板１にバッファー層２および樹脂層３を形成する。
工程２：工程１で形成した樹脂層３に凹部１１を有する樹脂パターン５を形成する。
工程３：工程２で形成した凹部１１に無機材料６を充填する。
工程４：樹脂層３を除去する。
工程５：導体層と半導体層８をそれぞれ成膜する。
工程６：半導体層８をパターニングして発光素子８Ａとする。
工程７：発光素子８Ａに対する給電配線の形成（１）
工程８：発光素子８Ａに対する給電配線の形成（２）
工程１を図１（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。
まず、サファイア基板１は、加工する側の面を適宜な方法でクリーニングしたものを準備する（図１（ａ））。次にサファイア基板１のクリーニングした面にバッファー層を形成する（図１（ｂ））。バッファー層２はＡｌＮを５００℃～６００℃で低温堆積して形成する。低温堆積する方法としては有機金属化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法、有機金属気相体積（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。また、バッファー層２の材質としては、ＡｌＮのほかにＧａＮを用いることも可能である。

【0019】

次に、バッファー層２の表面に、樹脂層３を形成する（図１（ｃ））。樹脂層３は樹脂塗液を用いて膜厚０．１ｍｍ～１．０ｍｍとなるように以下の手順で形成した。

【0020】

ロールコータやスクリーン印刷機などの塗布装置を用いて樹脂塗液をサファイア基板１のバッファー層２上に塗布する。その後、クリーンオーブンなどの乾燥手段を用いて樹脂塗液中の溶剤分を揮発、乾燥させる。

【0021】

また、上記樹脂塗液をバッファー層２に熱圧着可能なように調製されたドライフィルム状にして、ラミネーター装置、プレス機等を用いて、樹脂層３を形成することも可能である。

【0022】

工程２を図１（ｄ）および（ｅ）を用いて説明する。
まず、工程１で形成した樹脂層３を、モールド型４を用いて熱圧プレス加工する（図１（ｄ））。このプレス加工により樹脂層３の一部が凹部１１となる（図１（ｅ））。

【0023】

工程３を、図２（ｆ）を用いて説明する。
まず、凹部１１を充填する無機材料６としては、５００℃～８００℃の範囲の加熱により焼結する組成物を用いた。本実施例で用いた組成物はＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－Ｒ_２Ｏ系やＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３－ＲＯ系のガラスフリットを、バインダー樹脂と溶剤とを混合して得られたものである。なお、Ｒ_２はアルカリ金属、Ｒはアルカリ土類金属を示す。

【0024】

次に、無機材料６を凹部１１に充填する方法としては、図示しないスクリーン印刷装置によって、上記のガラスフリットインキを凹部１１の上に塗布した後、図示しないオーブンで溶剤分を揮発させ、半固化させた状態でその表面を、図示しない研磨装置で研磨する。
こうすることで、無機材料６を充填した面には無機材料６と樹脂パターン５が露出する。この無機材料６の凹部１１への充填にスクリーン印刷装置を用いたが、これに限定されるものではなく、ディスペンサ装置を用いるなど適宜な装置で形成可能である。

【0025】

工程４を、図２（ｇ）を用いて説明する。
工程３で形成した無機材料６を隔壁７とするため、樹脂パターン５を除去する。

【0026】

樹脂パターン５の除去は、無機材料６と樹脂パターン５が露出したサファイア基板１を酸化性雰囲気中（例えば空気中）で５００℃～８００℃に設定した図示しない加熱炉で、加熱処理することにより、樹脂パターン５をガス化させて除去することができる。この処理は、同時に、無機材料６の焼結を進ませることができて、隔壁７とすることができる。

【0027】

こうして、樹脂パターン５を除去された部分は谷状となり、その底部にはバッファー層２が露出した開口部１５となる。

【0028】

工程５を、図２（ｈ）を用いて説明する。
工程５は発光素子８Ａとなる化合物半導体結晶物が積層した化合物半導体層８を形成する。まず、化合物半導体層８を形成するにあたり、工程４で加工されたサファイア基板１を図示しない有機金属化学気相エピタキシー装置に装着した後、まず１０００℃程度に加熱し、熱クリーニングを行う。

【0029】

次に、透明導電材料を全面成膜する。透明導電材料としてはＩＴＯ（インジウム－錫酸化物）この透明導電材料層は発光素子８Ａの片方の導体となるので、成膜後、フォトリソグラフィ法で透明導電材料の配線パターンを形成する。

【0030】

次に透明導電材料の配線パターンを絶縁するため、サファイア基板１に直接形成したバッファー層２と同じ方法でバッファー層となる材料を全面成膜したのち、開口部１５の底面部の導体パターン１０の上にあるバッファー層材料を除去する。除去にはレーザ加工装置でアブレーション処理をする。この除去はレーザ以外にもドライエッチングなどの方法を用いることが可能である。
こうして、第２バッファー層２Ａを形成する。

【0031】

次にサファイア基板１の温度を５００℃～６００℃にした後、ｎ型層、発光層、ｐ型層となる化合物半導体材料をエピタキシャル成長させて積層構造を形成する。

【0032】

ここで、ｐ型化合物半導体単結晶層、発光層となる化合物半導体単結晶層、ｎ型化合物半導体単結晶層からなる化合物半導体材料層８が形成される。ｐ型化合物半導体単結晶層
としてはｐ型ＧａＮ層、発光層としてはＩｎＧａＮ層、ｎ型化合物半導体単結晶層としてはｎ型ＧａＮ層を用いる。

【0033】

工程６を、図２（ｉ）を用いて説明する。
工程６は開口部１５の外側の隔壁７の頭頂部に形成された化合物半導体材料層８などを除去する。

【0034】

この除去には、図示しない研磨装置を用いることで、開口部１５の外側の隔壁７の頭頂部に形成された化合物半導体材料層８が除去され、それまでつながっていた化合物半導体材料層８が孤立したパターンとなる。また、工程３で形成した第２バッファー層であって、隔壁７の頭頂部の導体パーン上の部分も除去されるので、発光素子８Ａの片側の電極が露出する。

【0035】

工程７を、図３を用いて説明する。
工程７は孤立した化合物半導体材料層８に給電するための２本目の導体パターンを形成する。まず、工程３で使用したものと同じ透明導電材料を全面成膜する。次に、全面形成した透明導電材料について、工程６で作成した発光素子８Ａの片側の電極と、２本目の導体パターンとなる配線パターン、および、図示しない表示装置の駆動回路と各発光素子８Ａを電気的に接続する導体パターンとなるように透明導電材料をエッチング法により形成する。

【0036】

以上に説明したように、サファイア基板１上に、発光ダイオード素子として機能する発光ダイオード素子層８が二次元的に配置された発光ダイオード素子基板２０が得られる。

【0037】

＜発光ダイオード素子基板＞
図４に示す本願発明の製造方法により得られた発光ダイオード素子基板を図示しない画像表示ユニットの駆動回路を接続し、画像表示動作信号を駆動回路に送り込むことで、画像表示をすることができる。

【0038】

上記説明した、本発明の発光ダイオード素子基板の製造方法によれば、発光ダイオード表示装置を数百万個以上のＬＥＤチップを１つ１つ実装して形成していた従来の製造方法に比べてＬＥＤチップを一括して形成できるため生産性が高くできる。また、フォトリソグラフィの加工精度でＬＥＤチップを整列、位置決めができるので、メカニカルな載置に比べても高い精度が得られる。

【符号の説明】

【0039】

１・・・サファイア基板
２、２Ａ・・・バッファー層
３・・・樹脂層
４・・・モールド型
５・・・樹脂パターン
６・・・無機材料
７・・・隔壁
８・・・化合物半導体材料層
９・・・導体パターン
１０・・・導体パターン
１１・・・凹部
１２・・・ｎ型層
１３・・・発光層
１４・・・ｐ型層
１５・・・開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】