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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-01
(45)【発行日】2024-04-09
(54)【発明の名称】マイクロLEDディスプレイ素子
(51)【国際特許分類】
   H01L 33/44 20100101AFI20240402BHJP
   G09F 9/33 20060101ALI20240402BHJP
   G09F 9/30 20060101ALI20240402BHJP
【FI】
H01L33/44
G09F9/33
G09F9/30 338
G09F9/30 348A
G09F9/30 349Z
【請求項の数】 10
(21)【出願番号】P 2021033238
(22)【出願日】2021-03-03
(65)【公開番号】P2022134238
(43)【公開日】2022-09-15
【審査請求日】2023-03-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000241463
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100087723
【弁理士】
【氏名又は名称】藤谷 修
(74)【代理人】
【識別番号】100165962
【弁理士】
【氏名又は名称】一色 昭則
(74)【代理人】
【識別番号】100206357
【弁理士】
【氏名又は名称】角谷 智広
(72)【発明者】
【氏名】五所野尾 浩一
【審査官】佐藤 美紗子
(56)【参考文献】
【文献】特表2021-506107(JP,A)
【文献】特開平10-153704(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 33/00-33/64
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フリップチップ型かつモノリシック型で複数の発光部がマトリクス状に配列されたマイクロLEDディスプレイ素子であって、
基板と、
前記基板上に位置するn層と、
前記n層上に位置する発光層と、
前記発光層上に位置するp層と、
前記p層上に位置し、前記発光部ごとに設けられた複数の第1電極と、
前記第1電極の上部、および前記p層上部であって前記第1電極の上部ではない領域に連続して位置し、光を吸収させる吸収構造体と、
を有し、
前記第1電極は透明電極であり、
前記吸収構造体は、誘電体からなる誘電体膜と金属からなる金属膜が交互に積層され、最上層を前記誘電体膜とする構造である、
ことを特徴とするマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項2】
前記吸収構造体のうち前記第1電極上部に当たる領域に貫通孔が設けられ、
前記吸収構造体の上部には、前記貫通孔を介して前記第1電極と接する第2電極と、
前記貫通孔によって露出する吸収構造体側壁に設けられた側壁絶縁膜と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項3】
前記誘電体膜は、TiOまたはNbである、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項4】
前記誘電体膜のうち、最上層はSiOであり、他の層はTiOまたはNbである、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項5】
前記吸収構造体上に、SiOからなる絶縁膜をさらに有する、ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項6】
前記金属膜は、W、Mo、V、Ta、Cr、Ti、またはNiである、ことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項7】
前記金属膜の層数は、2~5であることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項8】
前記誘電体膜および前記金属膜の厚さは、前記吸収構造体の反射率の入射角依存性が、前記発光層の発光波長の光に対し入射角が70°以下の範囲において最大反射率が20%以下となるように設定されている、ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項9】
前記誘電体膜および前記金属膜の厚さは、前記発光層の発光波長の光に対し入射角が50°以下の範囲において最大反射率が5%以下となるように設定されている、ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【請求項10】
前記誘電体膜および前記金属膜の厚さは、入射角0°の光に対し、波長400~700nmの範囲において最大反射率が10%以下となるように設定されている、ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載のマイクロLEDディスプレイ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光素子に関するものであり、特にフリップチップ型でモノリシック型のマイクロLEDディスプレイ素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、ディスプレイの高精細化が求められており、マイクロLEDディスプレイが注目されている(特許文献1~3)。マイクロLEDディスプレイは、1~100μmオーダーの微小なLEDをマトリクス状に配列したディスプレイである。マイクロLEDディスプレイには、マイクロLEDが個々のチップである構造と、1つの基板上に複数のマイクロLEDを作製したモノリシック型の構造が知られている(特許文献1)。モノリシック型は微細化の点で優れている。
【0003】
特許文献1には、n層、発光層、p層が順に積層された構造のマイクロLEDが記載され、n層に達する深さの溝を設けて画素ごとに分離し、溝の側面に傾斜を設け、溝の側面を絶縁膜で覆い、さらにその絶縁膜を金属膜で覆った構造が示されている。これにより、画素間のクロストークを防止し、コントラストの低下を防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】2020-88383号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来のモノリシック型のマイクロLEDでは、発光層から放射された光や外部からの光が透明電極、絶縁膜、接合電極などの界面で反射したり、電極側からの光が透過したりしてコントラストが低下する問題があった。たとえば、発光していないピクセルが、上記の光の反射や透過によって発光しているように見えたり、十分に暗くならない問題があった。
【0006】
そこで本発明の目的は、コントラストが向上されたモノリシック型のマイクロLEDを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、フリップチップ型かつモノリシック型で複数の発光部がマトリクス状に配列されたマイクロLEDディスプレイ素子であって、基板と、基板上に位置するn層と、n層上に位置する発光層と、発光層上に位置するp層と、p層上に位置し、発光部ごとに設けられた複数の第1電極と、第1電極の上部、およびp層上部であって第1電極の上部ではない領域に連続して位置し、光を吸収させる吸収構造体と、を有し、第1電極は透明電極であり、吸収構造体は、誘電体からなる誘電体膜と金属からなる金属膜が交互に積層され、最上層を誘電体膜とする構造である、ことを特徴とするマイクロLEDディスプレイ素子である。
【0008】
吸収構造体のうち第1電極上部に当たる領域に貫通孔が設けられ、吸収構造体の上部には、貫通孔を介して第1電極と接する第2電極と、記貫通孔によって露出する吸収構造体18の側壁に設けられた側壁絶縁膜と、をさらに有していてもよい。
【0009】
誘電体膜は、TiO2 またはNb2 5 であってもよい。
【0010】
誘電体膜のうち、最上層はSiO2 であり、他の層はTiO2 またはNb2 5 であってもよい。
【0011】
吸収構造体上に、SiO2 からなる絶縁膜をさらに有していてもよい。
【0012】
金属膜は、W、Mo、V、Ta、Cr、Ti、またはNiであってもよい。
【0013】
金属膜の層数は、2~5であってもよい。
【0014】
誘電体膜および金属膜の厚さは、吸収構造体の反射率の入射角依存性が、発光層の発光波長の光に対し入射角が70°以下の範囲において最大反射率が20%以下となるように設定されていてもよい。
【0015】
誘電体膜および金属膜の厚さは、発光層の発光波長の光に対し入射角が50°以下の範囲において最大反射率が5%以下となるように設定されていてもよい。
【0016】
誘電体膜および金属膜の厚さは、入射角0°の光に対し、波長400~700nmの範囲において最大反射率が10%以下となるように設定されていてもよい。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、吸収構造体によって素子内部での反射光や外部からの光を吸収させることができ、コントラストの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1】実施例1の発光素子の構成を示した図。
図2】吸収構造体の構成を示した図。
図3】吸収構造体の反射率の入射角依存性を示したグラフ。
図4】吸収構造体の反射率の波長依存性を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例1】
【0020】
図1は、実施例1の発光素子の構成を示した図である。実施例1の発光素子は、III 族窒化物半導体からなるマイクロLEDディスプレイ素子であり、1つの素子に複数の発光部がマトリクス状に配列されたモノリシック型である。また、実施例1の発光素子は単色であり、1つのピクセルは1つのサブピクセルで構成されている。実施例1の発光素子は、基板の裏面側から光を取り出すフリップチップ型であり、図示しない実装基板にフェイスダウンで実装されている。
【0021】
図1のように、実施例1の発光素子は、基板10と、n層11と、発光層12と、p層13と、透明電極16(本発明の第1電極に相当)と、p電極14(本発明の第2電極に相当)と、n電極15と、保護膜17と、吸収構造体18と、側壁絶縁膜19と、を有している。
【0022】
基板10は、III 族窒化物半導体を成長させる成長基板であり、たとえばサファイア、GaN、SiCである。
【0023】
n層11は、基板10上に設けられたn型の半導体層である。発光層12は、n層11上に設けられた半導体層であり、MQW構造やSQW構造の層である。たとえば、AlGaNからなる障壁層とInGaNからなる井戸層を交互に積層させた青色発光の層である。p層13は、発光層12上に設けられたp型の半導体層である。半導体層のうち素子外周はエッチングによりn層11に達する溝が設けられている。溝の底面にはn層11が露出している。実施例1の発光素子では、発光層12はピクセルごとに分離していないので、微細化が可能となっている。
【0024】
透明電極16は、p層13上に複数設けられ、マトリクス状のパターンに配列されている。このp電極14が配置されている領域の直下の発光層12がそれぞれ発光し、1ピクセルとなる。言い換えれば、透明電極16はピクセルごとに配置されている。透明電極16の材料は、たとえばITO、IZOなどである。
【0025】
保護膜17は、p層13、透明電極16、および溝により露出したn層11を覆うようにして設けられている。保護膜17の材料はたとえばSiO2 、SiN、である。
【0026】
吸収構造体18は、保護膜17上に設けられている。ただし、透明電極16やn電極15の上部に当たる領域には貫通孔が設けられ除去されている。また、吸収構造体18は、基板10の主面と平行な膜状に設けられている。
【0027】
吸収構造体18は、発光層12からの光や素子外部からの光を吸収し、マイクロLEDディスプレイのコントラストの低下を抑制するために設けたものである。吸収構造体18を設けない従来の構造では、発光層12から放射された光が透明電極16、p電極14、基板10とn層11の界面など、素子内部で反射し、発光していない発光部の上方から光が取り出される場合があった。同様に、素子外部からの光が素子内部で反射したり、透過したりすることで、発光していない発光部の上方から光が取り出される場合があった。その結果、発光していない発光部が発光して見えたり、十分に暗くならないなどし、コントラストが低下していた。
【0028】
これに対し実施例1では、吸収構造体18を設けているため、素子内部で反射したり透過して発光していない発光部の上方へ向かう光を吸収することができる。その結果、発光していない発光部を従来よりも暗く見えるようにすることができ、コントラストの向上を図ることができる。
【0029】
図2は、吸収構造体18の構成を示した図である。図2のように、吸収構造体18は、誘電体膜18Aと金属膜18Bを交互に積層させ、最後の層(最上層)を誘電体膜18Aとした積層体である。このような構造とすることで、光を効率的に吸収することができる。その理由は次の通りである。
【0030】
第1に、吸収構造体18では、多層膜の干渉によって反射を抑制し、それにより金属膜18Bによる光を効率的に吸収できるようにしている。つまり、誘電体膜18Aと金属膜18Bとの各界面で反射される光が互いに弱め合うように、誘電体膜18Aと金属膜18Bの厚さが設定されている。
【0031】
第2に、複数の金属膜18Bによる光吸収によって、吸収構造体による反射を低減している。金属膜18Bが単層の場合、光の一部は金属膜18Bを透過してしまうが、金属膜18Bを複数の層とすることでそのような透過光を低減することができる。
【0032】
また、上記構造の吸収構造体18は、反射率や吸収率の波長依存性を低く一定とすることができる。そのため、素子外部からの光であっても効率的に吸収することができる。また、フルカラーのマイクロLEDディスプレイ素子であっても、発光部からの光を効率的に吸収でき、色に変化を与えることも抑制されている。
【0033】
また、上記構造の吸収構造体18は、反射率や吸収率の入射角依存性を低く一定とすることができる。そのため、素子外部から斜めに入射する光や、発光部から斜めに放射された光であっても効率的に吸収させることができる。
【0034】
なお、最後の層を誘電体膜18Aとしているのは、吸収構造体18上にp電極14やn電極15が位置するので、それらとの短絡を防止するためである。最初の層(保護膜17と接する層)は誘電体膜18Aでもよいし金属膜18Bでもよい。
【0035】
誘電体膜18Aの材料は、屈折率の大きな材料が好ましい。誘電体膜18Aと金属膜18Bとの界面での反射を低減し、金属膜18Bによる光吸収をより効率的に行うためである。たとえば、TiO2 、Nb2 5 、などを用いることができる。
【0036】
複数の誘電体膜18Aのうち、全てを同一材料としてもよいが、異なるようにしてもよい。たとえば、最後の層をSiO2 などとし、他の層をTiO2 、Nb2 5 などの高屈折率材料としてもよい。また、最後の層の誘電体膜18A上に、さらにSiO2 などからなる絶縁膜を設けてもよい。最後をSiO2 とすることで保護膜として機能させることができる。
【0037】
金属膜18Bの材料は、可視光、特に発光波長に対して吸収率が高く、反射率が低い材料が好ましい。たとえばW、Mo、V、Ta、Cr、Ti、Ni、TiN、などを用いることができる。金属膜18Bは合金であってもよく、たとえば上に挙げた金属元素を主とする合金であってもよい。複数の金属膜18Bは全て同一材料であってもよいが、異なっていてもよい。
【0038】
誘電体膜18Aおよび金属膜18Bの厚さは、吸収構造体18の反射率の入射角依存性や波長依存性が次の範囲を満たすように設定されていることが好ましい。入射角依存性については、発光層12の発光波長の光に対し入射角が70°以下の範囲において最大反射率が20%以下、好ましくは10%以下である。特に、入射角が50°以下の範囲において最大反射率が5%以下であることが好ましい。波長依存性については、入射角0°(垂直入射)の場合に可視光(400~700nm)の範囲において最大反射率が10%以下、好ましくは5%以下である。
【0039】
吸収構造体18の総膜厚は、エッチング等の加工性を考慮して1μm以下とすることが好ましい。また、金属膜18Bの層数は、可視光、特に発光波長の光を十分に吸収できる層数であればよい。たとえば、層数を2~5とすることが好ましい。
【0040】
なお、吸収構造体18は、少なくとも透明電極16の上部に設けられていればよい。これは、実施例1において各発光部は透明電極16の直下の領域であり、透明電極16の上部での光吸収がコントラストの向上に最も効いてくるためである。もちろん、実施例1のように、透明電極16に覆われていないp層13の上部や、n電極15形成のための溝の上部に吸収構造体18を設けてもよく、これによりさらなるコントラストの向上を図ることができる。
【0041】
また、実施例1では吸収構造体18は保護膜17上に設けているが、吸収構造体18の最初の層を誘電体膜18Aとする場合には、保護膜17を介さずに直接透明電極16上に設けてもよい。
【0042】
側壁絶縁膜19は、p電極14やn電極1のための貫通孔によって露出する吸収構造体18の側壁に設けられていて、p電極14と吸収構造体18の間、n電極15と吸収構造体18の間に設けられている。側壁絶縁膜19は、吸収構造体18の金属膜18Bが端部で露出し、p電極14やn電極15に接して短絡してしまうことを防止するための層である。側壁絶縁膜19は、たとえば保護膜17と同一の材料としてもよい。側壁絶縁膜19の材料は、たとえばSiOである。
【0043】
p電極14は、各透明電極16の上部であって、吸収構造体18および側壁絶縁膜19上にドット状複数設けられている。そして、側壁絶縁膜19に設けられた孔を介してp電極14と透明電極16が接している。孔の中のp電極14と吸収構造体18との間には側壁絶縁膜19が位置しており、p電極14と吸収構造体18の金属膜18Bとの短絡が防止されている。p電極14の材料は、たとえばAgなどである。なお、透明電極16を設けずにp電極14を直接p層13に接触させる構造であってもよい。
【0044】
n電極15は、マイクロLEDディスプレイ素子の外周に沿った矩形の環状のパターンである。マイクロLEDディスプレイ素子1の外周はエッチングによりn層11に達する溝が設けられており、その溝の底面に露出するn層11上部であって、吸収構造体18および側壁絶縁膜19上にn電極15が設けられている。そして、側壁絶縁膜19に設けられた孔を介してn電極15はn層11と接している。孔の中のn電極15と吸収構造体18との間には側壁絶縁膜19が位置しており、n電極15と吸収構造体18の金属膜18Bとの短絡が防止されている。n電極は1つであり、各ピクセルに共通となっている。n電極15の材料は、たとえばTi/Alなどの積層体である。
【0045】
以上、実施例1の発光素子では、発光層12から放射された光の内部での反射光や、外部からの光の反射光、基板裏面側からの透過光などを吸収構造体18により吸収することができる。そのため、コントラストを向上させることができる。
【0046】
なお、実施例1の発光素子は青色発光の単色のマイクロLEDディスプレイ素子であるが、フルカラーのマイクロLEDディスプレイ素子にも当然適用可能である。実施例1の発光素子における吸収構造体18は、可視光の全波長範囲について反射率が低く、しかも一定の反射率であるため、マイクロLEDの色に影響を与えることがない。そのため、実施例1の吸収構造体18は、フルカラーのマイクロLEDディスプレイ素子に対して好適である。フルカラーのマイクロLEDディスプレイ素子の構造は従来知られている任意の構造でよく、青色、緑色、赤色の各色の発光層を有した構造でもよいし、青色と緑色の発光層を有し、赤色は青色光を変換することで得る構造でもよいし、紫外線を発光する発光層を有し、紫外線を青色、緑色、赤色の各色に変換する構造でもよい。また、実施例1の発光素子において、青色光を緑色や赤色の光に変換する層を設けることでフルカラー化を図ることも可能である。
【0047】
また、実施例1の発光素子は発光部を溝によって分離していないが、分離してもよい。分離することによりコントラストをより向上させることができる。ただし、実施例1のように分離していない場合の方が微細化や製造コストの点では優れている。また、分離していない場合はクロストークなどによりコントラストの低下が一層顕著となるため、本発明のように吸収構造体18を用いる意義がより大きくなる。
【0048】
また、実施例1では半導体材料としてIII 族窒化物半導体を用いているが、本発明は他の半導体材料を用いる場合にも適用できる。
【0049】
次に、実施例1に関するシミュレーション結果について説明する。GaN層上に透明電極、吸収構造体、電極が順に積層された構造(以下実施例1)について、GaN層側から光を入射した場合の反射率をシミュレーションによって算出した。透明電極は50nmのIZO、電極はTiとした。また、吸収構造体は、最初と最後の層をTiO2 とし、TiO2 とWを順に積層させた後に50nmのSiO2 を積層させた構造であり、TiO2 とWの厚さは、波長400~700nmの光の反射率の平均が最も低くなるように設定した。また、比較例として、吸収構造体を500nmのSiO2 の単層に置き換えた構造についても、同様に反射率を算出した。
【0050】
図3は、実施例1と比較例1の構造について反射率の入射角依存性を示したグラフである。光の波長は450nmとした。図3のように、実施例1では入射角50°以下では反射率が数%程度でほぼ一定、50°~70°で徐々に反射率が上昇していくがそれでも反射率10%以下であり、広い入射角で反射率を低減できていることがわかった。一方、比較例1では、入射角が35°以下で反射率が20~40%程度あり、入射角が35%を超えると臨界角以上となって反射率が100%近くとなった。
【0051】
図4は、実施例1と比較例1の構造について反射率の波長依存性を示したグラフである。図4のように、実施例1では波長400~700nmにわたって反射率が数%程度であり、広い波長範囲にわたって非常に低い反射率を実現できていることがわかった。一方、比較例1では、干渉のため波長により反射率が大きく変動し、反射率は最小でも25%程度であった。フルカラーのマイクロLEDディスプレイの場合、波長により反射率が異なると色に変化を生じてしまう可能性があるが、実施例1では紫~赤まで可視光の全範囲で反射率が低く、しかも一定であるため、色に変化を与えない。
【0052】
このように、実施例1の構造では比較例1よりも反射率が十分に低減できており、実施例1の吸収構造体を用いればマイクロLEDディスプレイのコントラストの向上に役立つことがわかった。
【0053】
実施例1において、波長450nm、入射角0°とし、金属膜18Bの層数を3~6の間で変化させたところ、層数が3の場合よりも4~6の場合の方が若干反射率が低くなったが、層数が3でも反射率は十分に低い値であった。このことから、層数がある一定数以上であればよいことがわかった。
【0054】
実施例1において、波長450nm、入射角0°とし、金属膜18Bの層数を3とし、金属膜18Bの材料をWからV、Mo、Crに替えたところ、Wの場合と同等の反射率であり、十分に低い値となった。また、Ti、Ni、TiN、Ta、Cr、Ptに替えたところ、Wの場合よりも反射率は高くなったが、十分に低い値であった。一方、Ag、Al、Au、Cuに替えたところ、反射率は非常に高くなった。この結果、金属膜18Bの材料は反射率が低く吸収率の高い材料が好ましいことがわかった。
【0055】
実施例1において、波長450nm、入射角0°とし、金属膜18Bの層数を5とし、誘電体膜18Aの材料をTiO2 からNb2 5 に替えたところ、TiO2 の場合と同等の反射率となった。また、Ta2 5 、ZrO2 、HfO2 に替えたところ、TiO2 の場合よりもやや高い反射率となった。また、SiO2 、Y2 3 、Al2 3 に替えたところ、Ta2 5 等の場合よりもさらに反射率が高くなった。この結果、誘電体膜18Aは屈折率の高い材料が好ましいことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【0056】
本発明は、マイクロLEDディスプレイに利用できる。
【符号の説明】
【0057】
10:基板
11:n層
12:発光層
13:p層
14:p電極
15:n電極
16:透明電極
17:保護膜
18:吸収構造体
18A:誘電体膜
18B:金属膜
19:側壁絶縁膜
図1
図2
図3
図4