特許 7575011 ＬＥＤアレイ

(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】2024-10-21

(45)【発行日】2024-10-29

(54)【発明の名称】ＬＥＤアレイ

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/08 20100101AFI20241022BHJP

   H01L 33/22 20100101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

H01L33/08

H01L33/22

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022134362

(22)【出願日】2022-08-25

(65)【公開番号】P2024031061

(43)【公開日】2024-03-07

【審査請求日】2023-07-14

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）本願は、令和２年度、国立研究開発法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ）、研究成果最適展開支援プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）「高臨場感ＶＲ／ＡＲディスプレイのための高輝度フルカラーモノリシックＬＥＤの開発」委託研究の成果である、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】上田 吉裕

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 素顕

(72)【発明者】

【氏名】末広 好伸

(72)【発明者】

【氏名】今泉 雄太

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 竜成

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２０７２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５０３６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０８８４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７３６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１５３３３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭６０－１３６７８８（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】

凹凸構造が表面に形成された基板と、
前記凹凸構造の上に形成された平坦化層と、
前記平坦化層の上に形成され、一対の電極を有する第１画素と、
前記第１画素に隣接し、他の一対の電極を有する第２画素と、を備え、
前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれが、
第１色を発光する第１発光層を含む第１発光素子と、
前記第１発光層と、第２色を発光するために前記第１発光層の上方に積層された第２発光層とを含む第２発光素子と、
前記第１発光層と、前記第２発光層と、第３色を発光するために前記第２発光層の上方に積層された第３発光層とを含む第３発光素子と、を含み、
前記第１画素に含まれる第１発光素子と、前記第２画素に含まれる第１発光素子との間に形成されて前記第１発光層から前記凹凸構造に向かって前記平坦化層の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝をさらに備え、
前記迷光減衰溝は、前記一対の電極を有する前記第１画素と前記他の一対の電極を有する前記第２画素とのそれぞれの周囲を途切れなく囲み、
前記迷光減衰溝は、４μｍを超える深さを有するＬＥＤアレイ。

【請求項2】

前記凹凸構造が傾斜面を含み、
前記基板に平行な方向における前記傾斜面の寸法が、前記第１発光層を含む前記第１発光素子からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下である請求項１に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項3】

前記凹凸構造が傾斜面を含み、
前記基板に垂直な方向における前記傾斜面の寸法が、前記第１発光層を含む前記第１発光素子からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下である請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項4】

前記凹凸構造が傾斜面を含み、
前記傾斜面は、前記第１発光層を含む前記第１発光素子から出射した光を反射して前記迷光減衰溝へ導く傾斜角度で傾斜する請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項5】

前記凹凸構造が複数の凹凸単位を含み、
各前記第１発光素子に対応する領域当たりの前記凹凸単位の数が１個以上である請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項6】

前記凹凸構造が、前記表面に形成された凸部を含み、
前記凸部に傾斜面が形成される請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項7】

前記凹凸構造が、前記表面に形成された凹部を含み、
前記凹部に傾斜面が形成され、
前記凹凸構造が、前記傾斜面に繋がる底面をさらに含み、
前記底面は、円、楕円、又は多角形の形状を有する請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項8】

前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれは、前記第１色を発光する前記第１発光層と、前記第２色を発光する前記第２発光層と、前記第３色を発光する前記第３発光層とが積層された多層積層構造を有する請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項9】

前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれは、前記第１発光層と前記第２発光層との間に設けられた第１半導体層と、前記第２発光層と前記第３発光層との間に設けられた第２半導体層とを含む請求項８に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項10】

前記第１発光層と前記第２発光層との間の厚さ、及び、前記第２発光層と前記第３発光層との間の厚さが１μｍ以上である請求項８に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項11】

前記迷光減衰溝は、前記基板の前記表面から３μｍ以下の厚みの前記平坦化層を残した位置まで延伸する請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【請求項12】

前記迷光減衰溝の側壁を覆うように形成された誘電体膜をさらに備える請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数のマイクロＬＥＤ素子を備えたＬＥＤアレイに関する。

【背景技術】

【0002】

凹凸構造が表面に形成された基板と、凹凸構造の上に形成された平坦化層と、平坦化層の上に形成されて紫外領域の光を発光する発光層とを備え、基板の凹凸構造の凸部の上方に空洞が設けられた発光素子が従来技術として知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第2015/025631号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、複数のマイクロＬＥＤ素子を含むＬＥＤアレイでは、複数のマイクロＬＥＤ素子のうちの一つのみ発光させると、周辺の非発光のマイクロＬＥＤ素子へ迷光が伝搬し、非発光のマイクロＬＥＤ素子の側壁で反射した光が正面に取り出されて、非発光のマイクロＬＥＤ素子が疑似的に点灯しているように見えるという課題が存在する。ＬＥＤアレイを備えた表示パネルで疑似点灯が起こると、画像が正確に表示されず、大きな技術課題となる。

【0005】

本開示の一態様は、マイクロＬＥＤ素子から出射された光に起因する迷光を減衰させることができるＬＥＤアレイを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るＬＥＤアレイは、凹凸構造が表面に形成された基板と、前記凹凸構造の上に形成された平坦化層と、前記平坦化層の上に形成された複数のマイクロＬＥＤ素子と、前記複数のマイクロＬＥＤ素子のうちの互いに隣接する一対の間に形成されて前記マイクロＬＥＤ素子側から前記凹凸構造に向かって前記平坦化層の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝とを備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様によれば、マイクロＬＥＤ素子から出射された光に起因する迷光を減衰させることができるＬＥＤアレイを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係るＬＥＤアレイの平面図である。

【図2】図１に示される面ＡＡに沿った断面図である。

【図3】比較例に係るＬＥＤアレイの断面図である。

【図4】上記ＬＥＤアレイの光学シミュレーションの条件としてのマイクロＬＥＤ素子の寸法を示す平面図である。

【図5】上記ＬＥＤアレイの光学シミュレーションの条件を示す断面図である。

【図6】凹凸構造が基板に形成されない場合に発生する迷光のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図7】上記凹凸構造を基板に形成した場合に発生する迷光を示すグラフである。

【図8】上記凹凸構造の寸法を小さくした場合に発生する迷光を示すグラフである。

【図9】迷光減衰溝が無いときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図10】深さ３μｍの迷光減衰溝があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図11】深さ４μｍの迷光減衰溝があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図12】深さ５μｍの迷光減衰溝があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図13】図９に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図14】図１０に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図15】図１１に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図16】図１２に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。

【図17】迷光減衰溝が形成されないときの迷光の実験結果を示す画像である。

【図18】深さ３μｍの迷光減衰溝が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。

【図19】深さ４μｍの迷光減衰溝が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。

【図20】深さ５μｍの迷光減衰溝が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。

【図21】上記凹凸構造の周辺の光線の追跡結果を示す画像である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

〔実施形態１〕
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。

【0010】

（ＬＥＤアレイ１の構成）
図１は実施形態に係るＬＥＤアレイ１の平面図である。図２は図１に示される面ＡＡに沿った断面図である。

【0011】

図１に示すように、ＬＥＤアレイ１は、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に形成された複数のマイクロＬＥＤ素子４を備える。

【0012】

図２に示すように、ＬＥＤアレイ１は、周期的な凹凸構造６が表面に形成された基板２と、凹凸構造６の上に形成された平坦化層３と、平坦化層３の上にＸ方向及びＹ方向に沿ってアレイ状に形成された複数のマイクロＬＥＤ素子４と、複数のマイクロＬＥＤ素子４のうちの互いに隣接する一対の間に形成されてマイクロＬＥＤ素子４側から凹凸構造６に向かって平坦化層３の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝５とを備える。この迷光減衰溝５は、４μｍを超える深さを有することが好ましい。平坦化層３は半導体層により構成される。

【0013】

基板２は、一般的なＣ面サファイア基板を用いて構成することができる。

【0014】

平坦化層３は、基板２に形成された凹凸構造６による凹凸を平坦化する機能を有する層であり、半導体材料によって構成される。

【0015】

迷光減衰溝５とは、具体的には、複数のマイクロＬＥＤ素子４を素子分離するとともに、平坦化層３の少なくとも途中まで掘られた溝である。

【0016】

凹凸構造６は、基板２の表面に形成された複数の凹凸単位７を含む。図２に示す例では、基板２の表面に凸部を形成することにより凹凸単位７が形成されている。基板２の表面に凹部を形成することにより凹凸単位７が形成されてもよい。

【0017】

各凹凸単位７は、傾斜面８と、傾斜面８に繋がる底面９とを含む。底面９は、平面視において円、楕円、又は多角形の形状を有していてもよく、底面９の形状は特に限定されない。

【0018】

基板２の表面に平行な方向における傾斜面８の寸法（以下、第１寸法）は、マイクロＬＥＤ素子４からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下であることが好ましい。第１寸法とは、基板２の表面に対して垂直な方向から前記凸部または前記凹部を平面視した場合における、傾斜面８の幅を意味する。傾斜面８の幅とは、基板２の表面に凸部が形成されている場合には、基板２を平面視したときの、当該凸部の先端部が描く稜線と底面９の外縁との間の最短距離を意味する。また、基板２の表面に凹部が形成されている場合には、傾斜面８の幅とは、基板２を平面視したときの、当該凹部としての切欠き溝と、図２の底面９に相当する凸部の外縁との間の最短距離を意味する。

【0019】

基板２に垂直な方向における傾斜面８の寸法、すなわち、前記凸部の高さまたは前記凹部の深さは、マイクロＬＥＤ素子４からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下である。この傾斜面８は、マイクロＬＥＤ素子４から出射した光を反射して迷光減衰溝５へ導く傾斜角度で傾斜する。

【0020】

以上のように、凹凸構造６は、基板２の表面に形成された凸部を含んでもよい。この凸部に傾斜面８が形成されてもよい。凹凸構造６は、この傾斜面８に繋がる底面９をさらに含んでもよい。また、凹凸構造６は、基板２の表面に形成された凹部を含んでもよい。この凹部に傾斜面８が形成されてもよい。凹凸構造６は、傾斜面８に繋がる底面９をさらに含んでもよい。底面９は、円、楕円、又は多角形の形状を有していてもよい。

【0021】

各マイクロＬＥＤ素子４に対応する基板２上の領域（すなわち、１つのマイクロＬＥＤ素子４が占有する基板２の表面の面積）当たりの凹凸単位７の数は１個以上であることが好ましい。

【0022】

図１に示すように、複数のマイクロＬＥＤ素子４は、第１発光素子１５と、第２発光素子１６と、第３発光素子１７との何れかであればよい。第１発光素子１５は、青色光（第１色）を発光する第１発光層１０を含む発光素子である。第２発光素子１６は、第１発光層１０と、緑色光（第２色）を発光するために第１発光層１０の上方に積層された第２発光層１１とを含む発光素子である。第３発光素子１７は、第１発光層１０と、第２発光層１１と、赤色光（第３色）を発光するために第２発光層１１の上方に積層された第３発光層１２とを含む発光素子である。第１発光素子１５、第２発光素子１６、及び第３発光素子１７は、それぞれアノード１８及びカソード１９を備える。

【0023】

第２発光素子１６は、第３発光素子１７から第３発光層１２に係る部分を削除することにより形成する。第１発光素子１５は、第３発光素子１７から第３発光層１２に係る部分及び第２発光層１１に係る部分を削除することにより形成する。

【0024】

図２では、説明の簡素化のために、第３発光層１２、第２発光層１１、及び第１発光層１０が全て積層された第３発光素子１７の多層積層構造の態様を図示している。この第３発光素子１７は、第３発光層１２が発光し、第２発光層１１及び第１発光層１０は積層されているだけで発光はしない。第２発光素子１６は、第２発光層１１及び第１発光層１０が積層され、第２発光層１１が発光し、第１発光層１０は積層されているだけで発光はしない。第１発光素子１５は、第１発光層１０のみが積層され、第１発光層１０が発光する。図２は、第３発光層１２が発光する第３発光素子１７の多層構造を示すものであるが、説明の便宜上、第１発光素子１５の第１発光層１０が発光する際の光の進路を図示している。

【0025】

以上のように、マイクロＬＥＤ素子４は、青色光（第１色）を発光する第１発光層１０と、緑色光（第２色）を発光する第２発光層１１と、赤色光（第３色）を発光する第３発光層１２とが積層された多層積層構造を有する。

【0026】

マイクロＬＥＤ素子４の第３発光素子１７は、第１発光層１０と第２発光層１１との間に設けられた第１半導体層１３と、第２発光層１１と第３発光層１２との間に設けられた第２半導体層１４とを含む。第１発光層１０と第２発光層１１との間の厚さ、及び、第２発光層１１と第３発光層１２との間の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。

【0027】

このように、各マイクロＬＥＤ素子４は、赤、緑、及び青の各色をそれぞれ発光する第３発光層１２、第２発光層１１、及び第１発光層１０が基板２に交差する方向に積層されたモノリシック構造を有することが好ましい。第１発光素子１５、第２発光素子１６、及び第３発光素子１７は、ＬＥＤアレイ１の１画素を構成する。１画素内にサブ画素となる第１発光素子１５、第２発光素子１６、及び第３発光素子１７が含まれ、各サブ画素は発光する光の波長以上の高さを有する。各サブ画素間及び画素間は、迷光減衰溝５により１μｍ以上の間隔を空けて配列される。各サブ画素間及び画素間は、基板２の表面まで平坦化層３がエッチング除去されて迷光減衰溝５が形成されてもよい。

【0028】

迷光減衰溝５は、基板２の表面から３μｍ以下の厚みの平坦化層３を残した位置まで延伸することが好ましい。換言すれば、平坦化層３の厚さが３μｍ以下となるように、平坦化層３をエッチング除去することが好ましい。

【0029】

この時、迷光減衰溝５の側壁を、素子構造の保護及び隣接素子間の絶縁確保のため誘電体膜で覆ってもよい。この誘電体膜として、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等、半導体プロセスで一般に用いられる無機化合物や、有機ＥＬ素子等に用いられるアクリル系、エポキシ系、シリコーン系等の各種絶縁性樹脂やポリイミド等の有機物を用いることができる。

【0030】

（ＬＥＤアレイ１の動作）
このように構成されたＬＥＤアレイ１においては、第３発光素子１７の第３発光層１２から発光した赤色光は、消灯している第２発光層１１及び第１発光層１０を透過して基板２の凹凸構造６に向かう。そして、第２発光素子１６の第２発光層１１から発光した緑色光は、消灯している第１発光層１０を透過して基板２の凹凸構造６に向かう。また、第１発光素子１５の第１発光層１０から発光した青色光は、直接、基板２の凹凸構造６に向かう。

【0031】

以下、第１発光層１０から発光した青色光を例に挙げて説明すると、まず、凹凸単位７の傾斜面８に入射した青色光が、迷光減衰溝５に向かって迷光として反射される。そして、迷光減衰溝５に向かって反射された迷光は、迷光減衰溝５に入射して迷光減衰溝５の側壁の一方により反射される。次に、迷光減衰溝５の側壁の一方により反射された迷光は、側壁の他方により反射される。このようにして、迷光は迷光減衰溝５の側壁の一方及び他方により多重反射されて散乱され減衰する。この結果、発光画素から非発光画素に伝搬する迷光が抑制される。

【0032】

傾斜面８に入射した青色光の他の一部は、傾斜面８の他の箇所で第１発光層１０に戻る方向に向かって反射される。第１発光層１０から凹凸単位７の底面９に入射した青色光は、底面９を透過して基板２の内部を伝搬する。

【0033】

第２発光素子１６の第２発光層１１から発光した緑色光、第３発光素子１７の第３発光層１２から発光した赤色光についても、第１発光素子１５の第１発光層１０から発光した青色光と同様に、発光画素から非発光画素に伝搬する迷光が抑制される。

【0034】

（比較例）
図３は比較例に係るＬＥＤアレイ９０の断面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0035】

第１発光層１０から発した青色光は、半導体積層構造の積層方向に強度分布を持つ。半導体層９３と大気との間の界面に比べて半導体層９３と基板２との間の界面の屈折率差が小さいことにより、積層方向に分布する光の一部が基板２の面内方向に広がり迷光となる。この迷光は、基板２の面内方向に伝搬しつつ、各画素の側壁でパネル正面方向に反射し、消灯しているはずの非発光画素およびその周囲に疑似点灯を生じる。非発光画素に疑似点灯が生じると、本来消灯しているべき非発光画素があたかも発光しているかのように作用するため、画像を正確に表示できない。

【0036】

光学シミュレーションおよび実験によって、疑似点灯を生じる要因および光学経路は複数存在することがわかっており、それぞれ対策が必要である。本開示は、複数の要因の内、発光画素に隣接する非発光画素周辺で強く現れる迷光を抑制する構造を提供する。

【0037】

基板２に達した光は半導体層９３と基板２との間の界面で屈折して基板２に入射し、基板２の裏面から広がりを持って出射する。この時、半導体層９３と基板２との間の界面近傍で基板２の面内方向に広がる成分が比較的に強い強度を持つため、発光画素の周囲に強い迷光を生じる。この迷光は半導体層９３と基板２との間の界面を伝搬して隣接画素の側壁間を多重反射した成分によるものであるから、半導体層９３と基板２との間の界面の基板面内への伝搬を抑制する、または、隣接画素間の多重反射を抑制することで対策が可能である。本開示は、より本質的な半導体層９３と基板２との間の界面での基板面内への伝搬を抑制する構造に関する。

【0038】

本実施形態においては、基板２の表面に傾斜面８を含む凹凸構造６を設け、平坦化層３としての半導体層で平坦に埋め込む。このようにして平坦化した基板２上に画素構造としての複数のマイクロＬＥＤ素子４を作製する。

【0039】

凹凸構造６と平坦化層３としての半導体層との間の屈折率差によりマイクロＬＥＤ素子４からの光は反射を生じるが、凹凸構造６の傾斜面８が、基板２の表面に対して垂直でない角度を持つことにより、傾斜面８に入射した光は基板２の表面に対して浅い角度（小さい角度）で反射する。この時、凹凸構造６での十分な反射のため凹凸のサイズ、例えば凹凸単位７の底面９の寸法は、マイクロＬＥＤ素子４から出射する光の波長程度以上であることが望ましい。凹凸の高さまたは深さも同様に上記光の波長程度以上が望ましいが、半導体結晶成長により凹凸を平坦に埋め込む必要があり、凹凸の高さまたは深さは２μｍ以下であることが望ましい。

【0040】

（画素間の半導体層除去およびモノリシック構造）
上記凹凸構造６による反射は、基板２の表面に対して浅い角度を持つため、画素間の半導体層としての平坦化層３が少しでも存在する場合には、その半導体層中を基板全面にわたって伝搬する光が存在し、広い範囲に迷光を生じる。この機構は例えば特許文献１に記載の光取り出し効果向上と同じである。一方、本開示のＬＥＤアレイ１は、マイクロＬＥＤ素子４のモノリシック構造、及び、画素間の平坦化層３としての半導体層を少なくとも基板２の表面の凹凸の最表面から３μｍを残して除去した構造により、広い範囲に伝搬する迷光を抑制する。

【0041】

基板２の表面の凹凸構造６により、基板２の表面に対して浅い角度で反射した光は、やはり浅い角度で上方に伝搬するが、画素間の平坦化層３としての半導体層を除去したことにより、大気と半導体層との間の界面、または大気と基板２との間の界面で、基板２の表面に対してより浅い角度に屈折し、迷光減衰溝５の隣接画素側の側壁と発光素子側の側壁との間で多重反射しながら上方に伝搬する。その際、大気と半導体層との間の界面の反射は１００％より低く、かつ大気と半導体層との双方の吸収も０％より大きい。さらに、モノリシック構造によって従来の素子構造よりも厚い総層厚を有するため、より多くの多重反射を繰り返すことにより、正面方向に脱出できる光の強度はほぼ０にまで減衰する。

【0042】

このように、基板２の表面の凹凸構造６と、モノリシック型素子構造と、画素間の平坦化層３としての半導体層とにより効果的に迷光を抑制する効果が得られる。

【0043】

（光学シミュレーション）
図４はＬＥＤアレイ１の光学シミュレーションの条件としてのマイクロＬＥＤ素子４の寸法を示す平面図である。図５はＬＥＤアレイ１の光学シミュレーションの条件を示す断面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0044】

赤色光を発光する第３発光素子１７と、青色光を発光する第１発光素子１５と、緑色光を発光する第２発光素子１６とが、Ｙ方向に沿って並んで１画素を構成する。そして、その周囲に同じ構成の隣接画素がアレイ状に配列される。

【0045】

第３発光素子１７と第１発光素子１５と第２発光素子１６とのそれぞれは、アノード１８及びカソード１９を有する。各発光素子のアノード１８及びカソード１９を電源に接続すると、当該発光素子の全体が光る。本光学シミュレーションでは、第１発光素子１５を波長４５０ｎｍの青色で光らせたときに、光の向きがどうなるかをシミュレーションした。

【0046】

図５に示すように、基板２上に凹凸構造６が形成される。そして、平坦化層３上に第１発光素子１５、第２発光素子１６、及び第３発光素子１７が配置される。第１発光素子１５と第２発光素子１６との間、及び、第１発光素子１５と第３発光素子１７との間は、迷光減衰溝５により完全に分離されている。

【0047】

図６は凹凸構造６が基板２に形成されない場合に発生する迷光のシミュレーション結果を示すグラフである。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0048】

凹凸構造６が基板２に形成されない場合、図６に示すように、光学シミュレーションの結果、発光画素に隣接する非発光画素の外側に迷光が発生した。

【0049】

図７は凹凸構造６を基板２に形成した場合に発生する迷光の状況を示すグラフである。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0050】

凹凸構造６を基板２に形成した場合、図７に示すように、発光画素に隣接する非発光画素の外側に発生していた迷光が消滅した。この凹凸構造６の底面９の寸法は３００ｎｍであり、傾斜面８の基板２に垂直な方向の寸法は３００ｎｍであり、基板２の表面方向の寸法は２５０ｎｍである。

【0051】

図８は凹凸構造６の寸法を小さくした場合に発生する迷光を示すグラフである。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0052】

凹凸構造６の底面９の寸法を３００ｎｍにし、傾斜面８の基板２に垂直な方向の寸法を３００ｎｍから１５０ｎｍに小さくし、傾斜面８の基板２の表面方向の寸法を２５０ｎｍにすると、図８に示すように、発光画素に隣接する非発光画素の外側に迷光が復活した。

【0053】

これは、波長４５０ｎｍの青色光にとっては、１５０ｎｍの傾斜面８の寸法は、その波長の１／２未満の寸法であるため、波長４５０ｎｍの青色光が凹凸として反応しない寸法であるためと考えられる。これに対して、図７の傾斜面８の寸法は、３００ｎｍであり、その波長の１／２以上の寸法である。このため、波長４５０ｎｍの青色光が凹凸として反応し、青色光が傾斜面８により反射されて、迷光減衰溝５へ導かれたため、迷光減衰溝５の両側壁で多重反射されて迷光が消滅したものと考えられる。

【0054】

（迷光減衰溝５の深さの臨界的意義）
以下、迷光減衰溝５の４μｍを超える深さの臨界的意義を説明する。

【0055】

図９はＬＥＤアレイ１において迷光減衰溝５が無いときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１０は深さ３μｍの迷光減衰溝５があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１１は深さ４μｍの迷光減衰溝５があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１２は深さ５μｍの迷光減衰溝があるときの迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１３は図９に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１４は図１０に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１５は図１１に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。図１６は図１２に画素形状を重ねた迷光のシミュレーション結果を示す画像である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0056】

この一連のシミュレーション結果は、図４～図８で前述した光学シミュレーションの条件と同様に条件に従い、且つ、基板２に凹凸構造６が形成されていないという条件で計算した。図９～図１６では、マイクロＬＥＤ素子４から発光されて迷光となった光が白い斑点状に表されている。

【0057】

ＬＥＤアレイ１において迷光減衰溝５が無いときは、図９及び図１３に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が発生する。

【0058】

深さ３μｍの迷光減衰溝５があるときは、図１０及び図１４に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が、依然として発生し殆ど減少しない。深さ４μｍの迷光減衰溝５があるときも、図１１及び図１５に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が、依然として発生し殆ど減少しない。

【0059】

しかしながら、深さ５μｍの迷光減衰溝５があるときは、図１２及び図１６に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光は、劇的に減少した。

【0060】

図１７は迷光減衰溝５が形成されないときの迷光の実験結果を示す画像である。図１８は深さ３μｍの迷光減衰溝５が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。図１９は深さ４μｍの迷光減衰溝５が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。図２０は深さ５μｍの迷光減衰溝５が形成されたときの迷光の実験結果を示す画像である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0061】

図９～図１６を参照して前述した光学シミュレーション結果と同様に、迷光減衰溝５が無いときは、図１７に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が発生する。深さ３μｍの迷光減衰溝５があるときは、図１８に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が、依然として発生し殆ど減少しない。深さ４μｍの迷光減衰溝５があるときも、図１９に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光が、依然として発生し殆ど減少しない。

【0062】

しかしながら、深さ５μｍの迷光減衰溝５があるときは、図２０に示すように、マイクロＬＥＤ素子４からの発光に起因する迷光は、劇的に減少した。

【0063】

このように、マイクロＬＥＤ素子４の間の迷光減衰溝５による迷光低減効果は、深さ４μｍを超える深さで、実験結果とシミュレーション結果との双方で確認できるが、迷光の抑制には不十分と考えられる。そこで、さらに凹凸構造６を導入することにより、迷光を十分に抑制することができる。

【0064】

図２１は凹凸構造６の周辺の光線の追跡結果を示す画像である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

【0065】

第１発光層１０から基板２の表面に対して垂直に近い角度で凹凸構造６の傾斜面８に入射した光は、図２１に示すように、基板２の表面に対して浅い角度で反射される。傾斜面８により反射された光は、迷光減衰溝５に入射して迷光減衰溝５の側壁の一方及び他方により多重反射されて散乱され減衰する。この結果、発光画素から非発光画素に伝搬する迷光が抑制される。

【0066】

〔まとめ〕
本開示の態様１に係るＬＥＤアレイ１は、凹凸構造６が表面に形成された基板２と、凹凸構造６の上に形成された平坦化層３と、平坦化層３の上に形成された複数のマイクロＬＥＤ素子４と、複数のマイクロＬＥＤ素子４のうちの互いに隣接する一対の間に形成されてマイクロＬＥＤ素子４側から凹凸構造６に向かって平坦化層３の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝５とを備えている。

【0067】

上記の構成によれば、マイクロＬＥＤ素子のうちの互いに隣接する一対の一方から出射した光が、基板の凹凸構造により反射されて、複数のマイクロＬＥＤ素子のうちの互いに隣接する一対の間に形成されてマイクロＬＥＤ素子側から凹凸構造に向かって平坦化層の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝に向かう。そして、基板の凹凸構造により反射された光が迷光減衰溝に入射する。迷光減衰溝に入射した光は、迷光減衰溝の両側壁により多重反射されて減衰する。このため、マイクロＬＥＤ素子から出射された光に起因する迷光を減衰させることができる。

【0068】

本開示の態様２に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１において、前記迷光減衰溝は、４μｍを超える深さを有することが好ましい。

【0069】

上記の構成によれば、迷光減衰溝が、迷光減衰溝に入射した光を多重反射させて減衰させるために十分大きい寸法を有する。

【0070】

本開示の態様３に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が傾斜面８を含み、前記基板２に平行な方向における前記傾斜面８の寸法が、前記マイクロＬＥＤ素子４からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下であることが好ましい。

【0071】

上記の構成によれば、基板に平行な方向における傾斜面の寸法が、マイクロＬＥＤ素子からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下であるので、マイクロＬＥＤ素子４からの出射光が、凹凸構造の傾斜面に対して凹凸として反応し、傾斜面により反射される。

【0072】

本開示の態様４に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が傾斜面８を含み、前記基板２に垂直な方向における前記傾斜面８の寸法が、前記マイクロＬＥＤ素子４からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下であることが好ましい。

【0073】

上記の構成によれば、基板に垂直な方向における傾斜面の寸法が、マイクロＬＥＤ素子からの出射光の波長の１／２以上、且つ、２μｍ以下であるので、マイクロＬＥＤ素子４からの出射光が、凹凸構造の傾斜面に対して凹凸として反応し、傾斜面により反射される。

【0074】

本開示の態様５に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が傾斜面８を含み、前記傾斜面８は、前記マイクロＬＥＤ素子４から出射した光を反射して前記迷光減衰溝５へ導く傾斜角度で傾斜することが好ましい。

【0075】

上記の構成によれば、マイクロＬＥＤ素子から出射した光を傾斜面で反射して迷光減衰溝へ導くことができる。

【0076】

本開示の態様６に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が複数の凹凸単位７を含み、各マイクロＬＥＤ素子４に対応する領域当たりの前記凹凸単位の数が１個以上であることが好ましい。

【0077】

上記の構成によれば、凹凸単位の密度が向上するので、マイクロＬＥＤ素子から出射したより多くの光を反射して迷光減衰溝へ導くことができる。マイクロＬＥＤ素子から出射された光に起因する大量の迷光を減衰させることができる。

【0078】

本開示の態様７に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が、前記表面に形成された凸部を含み、前記凸部に傾斜面８が形成され、前記凹凸構造６が、前記傾斜面８に繋がる底面９をさらに含み、前記底面９は、円、楕円、又は多角形の形状を有することが好ましい。

【0079】

上記の構成によれば、基板表面に形成された凸部の傾斜面により、マイクロＬＥＤ素子から出射した光を反射して迷光減衰溝へ導くことができる。

【0080】

本開示の態様８に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記凹凸構造６が、前記表面に形成された凹部を含み、前記凹部に傾斜面８が形成され、前記凹凸構造６が、前記傾斜面８に繋がる底面９をさらに含み、前記底面９は、円、楕円、又は多角形の形状を有することが好ましい。

【0081】

上記の構成によれば、基板表面に形成された凹部の傾斜面により、マイクロＬＥＤ素子から出射した光を反射して迷光減衰溝へ導くことができる。

【0082】

本開示の態様９に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記マイクロＬＥＤ素子４は、第１色を発光する第１発光層１０と、第２色を発光する第２発光層１１と、第３色を発光する第３発光層１２とが積層された多層積層構造を有することが好ましい。

【0083】

上記の構成によれば、マイクロＬＥＤ素子が多層積層構造を有するので、複数のマイクロＬＥＤ素子のうちの互いに隣接する一対の間に形成されてマイクロＬＥＤ素子側から凹凸構造に向かって平坦化層の少なくとも途中まで延伸する迷光減衰溝を深く構成することができる。このため、迷光減衰溝に入射した光を、迷光減衰溝の深く構成された両側壁により多重反射させて大きく減衰させることができる。

【0084】

本開示の態様１０に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様９において、前記マイクロＬＥＤ素子４は、前記第１発光層１０と前記第２発光層１１との間に設けられた第１半導体層１３と、前記第２発光層１１と前記第３発光層１２との間に設けられた第２半導体層１４とを含むことが好ましい。

【0085】

上記の構成によれば、第１発光層と第２発光層との間に設けられた第１半導体層と、第２発光層と第３発光層との間に設けられた第２半導体層とが、多層積層構造に積層されるので、迷光減衰溝をより一層深く構成することができる。

【0086】

本開示の態様１１に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様９において、前記第１発光層１０と前記第２発光層１１との間の厚さ、及び、前記第２発光層１１と前記第３発光層１２との間の厚さが１μｍ以上であることが好ましい。

【0087】

上記の構成によれば、第１発光層と第２発光層との間の厚さ、及び、第２発光層と第３発光層との間の厚さが１μｍ以上であるので、迷光減衰溝をより一層深く構成することができる。

【0088】

本開示の態様１２に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記複数のマイクロＬＥＤ素子４は、第１色を発光する第１発光層１０を含む第１発光素子１５と、前記第１発光層１０と、第２色を発光するために前記第１発光層１０の上方に積層された第２発光層１１とを含む第２発光素子１６と、前記第１発光層１０と、前記第２発光層１１と、第３色を発光するために前記第２発光層１１の上方に積層された第３発光層１２とを含む第３発光素子１７との何れかであることが好ましい。

【0089】

上記の構成によれば、赤、緑、及び青の各色をそれぞれ発光する第３発光層、第２発光層、及び第１発光層が基板２に交差する方向に積層されたモノリシック構造によって、従来の素子構造よりも厚い総層厚を有するため、より多くの多重反射を繰り返すことにより、正面方向に脱出できる光の強度をほぼ０にまで減衰させることができる。

【0090】

本開示の態様１３に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記迷光減衰溝５は、前記基板２の前記表面から３μｍ以下の厚みの前記平坦化層３を残した位置まで延伸することが好ましい。

【0091】

上記の構成によれば、迷光減衰溝が基板の表面から３μｍ以下の厚みの平坦化層を残した位置まで延伸するので、迷光減衰溝が深くなり、広い範囲に伝搬する迷光を抑制することができる。

【0092】

本開示の態様１４に係るＬＥＤアレイ１は、上記態様１または２において、前記迷光減衰溝５の側壁を覆うように形成された誘電体膜をさらに備えることが好ましい。

【0093】

上記の構成によれば、素子構造を確実に保護し、及び、隣接素子間の絶縁を確実に確保することができる。

【0094】

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【符号の説明】

【0095】

１ ＬＥＤアレイ
２ 基板
３ 平坦化層
４ マイクロＬＥＤ素子
５ 迷光減衰溝
６ 凹凸構造
７ 凹凸単位
８ 傾斜面
９ 底面
１０ 第１発光層
１１ 第２発光層
１２ 第３発光層
１３ 第１半導体層
１４ 第２半導体層
１５ 第１発光素子
１６ 第２発光素子
１７ 第３発光素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】