JP5014477B2 - 棒状構造発光素子の製造方法および表示装置の製造方法 - Google Patents

棒状構造発光素子の製造方法および表示装置の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、棒状構造発光素子の製造方法および表示装置の製造方法に関する。
従来、棒状構造発光素子の製造方法としては、基板上部に平坦な第１極性層を形成した後、第１極性層上に発光する活性層に相当するナノスケールの複数のロッドを形成し、さらにロッドを包む第２極性層を形成するものがある(例えば、特開２００６−３３２６５０号公報(特許文献１)参照)。この棒状構造発光素子は、活性層である複数のロッドから光が放出される。
しかしながら、上記棒状構造発光素子は、ナノスケールの複数のロッドが設けられた基板ごと用いられるので、照明装置や表示装置に組み込む場合に基板の制約を受けるため、装置への実装の自由度が低いという問題がある。
特開２００６−３３２６５０号公報
そこで、この発明の課題は、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子の製造方法およびその棒状構造発光素子を備えた表示装置の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の棒状構造発光素子の製造方法は、
基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
を有すると共に、
上記露出工程は、上記切り離し工程により上記基板から切り離された上記第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアが、絶縁性基板上の予め設定された位置に配列された状態で、上記第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアの長手方向の一部分における上記半導体コアの外周面の少なくとも一部を露出させることを特徴とする。
上記構成によれば、基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成した後、半導体コアの表面を覆うように筒状の第２導電型の半導体層を形成する。ここで、半導体コアの基板と反対側の端面は半導体層に覆われていてもよいし、露出していてもよい。次に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。または、半導体層を有する半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離した後、半導体コアの外周面の一部を露出させる。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、切り離し工程により基板から切り離された第２導電型の半導体層を有する半導体コアが、絶縁性基板上の予め設定された位置に配列された状態で、所望の場所の第２導電型の半導体層を除去して、半導体コアの長手方向の一部分における半導体コアの外周面の少なくとも一部を露出させることができるので、複数の棒状構造発光素子の極性を揃えて配列する必要がなく、製造時に複数の棒状構造発光素子の極性(向き)を揃える工程が不要となり工程を簡略化できる。また、棒状構造発光素子の極性(向き)を識別するために、棒状構造発光素子にマークを設ける必要がなく、極性識別のために棒状構造発光素子を特別な形状にする必要がなくなる。したがって、棒状構造発光素子の製造工程を簡略化でき、製造コストも抑えることができる。
また、この発明の棒状構造発光素子の製造方法では、
基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
を有すると共に、
上記半導体層形成工程において、上記第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質により上記半導体コアの外周面の一部を覆った状態で、上記半導体コアの表面を覆う筒状の上記第２導電型の半導体層を形成し、
上記露出工程において、上記第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質を除去することにより、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる。
上記構成によれば、基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成した後、半導体コアの表面を覆うように筒状の第２導電型の半導体層を形成する。ここで、半導体コアの基板と反対側の端面は半導体層に覆われていてもよいし、露出していてもよい。次に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。または、半導体層を有する半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離した後、半導体コアの外周面の一部を露出させる。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、半導体層形成工程において、第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質により半導体コアの外周面の一部を覆った状態で、半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成し、その半導体層形成工程の後かつ切り離し工程の前に、露出工程において、第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質を除去することにより、半導体コアの外周面の一部を露出させる。または、半導体層形成工程において半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成し、切り離し工程において筒状の第２導電型の半導体層を有する半導体コアを基板から切り離した後、露出工程において、第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質を除去することにより、半導体コアの外周面の一部を露出させる。このように、半導体層形成工程において半導体層の形成を阻害する物質で、露出させたい箇所である半導体コアの外周面の一部を覆って半導体層形成工程後に上記物質を除去することにより、半導体コアの外周面の一部を容易に露出させることができる。
また、この発明の棒状構造発光素子の製造方法では、
基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
を有すると共に、
上記基板は、上記第１導電型の半導体からなり、
上記露出工程は、上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、上記第２導電型の半導体層のうちの上記半導体コアの表面を覆う部分を除く領域およびその領域に対応する上記基板の上側領域の厚さ方向の一部をエッチングにより除去することによって、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる。
上記構成によれば、基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成した後、半導体コアの表面を覆うように筒状の第２導電型の半導体層を形成する。ここで、半導体コアの基板と反対側の端面は半導体層に覆われていてもよいし、露出していてもよい。次に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。または、半導体層を有する半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離した後、半導体コアの外周面の一部を露出させる。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、半導体層形成工程の後かつ切り離し工程の前に、第２導電型の半導体層のうちの半導体コアの表面を覆う部分を除く領域およびその領域に対応する基板の上側領域の厚さ方向の一部をエッチングにより除去することによって、半導体コアが基板側に延長されて半導体コアの外周面の一部が露出するので、半導体層の外周面と半導体コアの外周面の露出部分との間に段差がないようにできる。これにより、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体コアの露出部分と電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させると共に、
上記半導体層形成工程において、上記半導体コアの上記基板と反対の側の端面を上記半導体層により覆う。
上記実施形態によれば、上記露出工程において半導体コアの基板側の外周面を露出させると共に、上記半導体層形成工程において半導体コアの基板と反対の側の端面を半導体層により覆うことによって、半導体コアの基板側の露出部分を一方の電極に接続し、半導体コアの基板と反対の側の端面が半導体層に覆われていることにより、半導体コアの基板と反対の側を覆う半導体層の部分に他方の電極を接続することができる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記切り離し工程において、超音波を用いて上記半導体層に覆われた上記半導体コアを上記基板から切り離す。
上記実施形態によれば、上記切り離し工程において、超音波を用いて半導体層に覆われた半導体コアを基板から切り離す。例えば、超音波を用いて基板平面に沿って基板を振動させることにより、基板上に立設する半導体コアの基板側に近い根元を折り曲げるように応力が働いて、半導体層に覆われた半導体コアが基板から切り離される。したがって、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を容易に切り離すことができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記切り離し工程において、切断工具を用いて上記半導体コアを上記基板から機械的に切り離す。
上記実施形態によれば、上記切り離し工程において、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に切り離すことによって、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記半導体コアと上記半導体層は、ＧaＮを母材とする半導体からなり、
上記露出工程においてドライエッチングを用いる。
上記実施形態によれば、上記露出工程においてドライエッチングを用いることによって、ＧaＮを母材とする半導体からなる半導体コアの外周面の一部を容易に露出させることができる。ＧaＮを母材とする半導体は、ウェットエッチングが困難なため、半導体コアと半導体層がＧaＮを母材とする半導体からなる場合、切り離し工程の前に予めドライエッチングにより半導体コアの外周面の一部を露出させることは、実装が容易な微細な棒状構造発光素子を実現する上で特に有効である。また、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程なしに半導体層で覆われた半導体コアを基板から切り離して微細な棒状構造発光素子を製造した場合も、この微細な棒状構造発光素子を絶縁性基板上に配列させた後にドライエッチングを用いて半導体コアの外周面の一部を電極接続用に容易に露出させることができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体層の外周面と段差なく連続するように上記半導体コアの外周面を露出させる。
上記実施形態によれば、上記露出工程において、半導体層の外周面と段差なく連続するように半導体コアの外周面を露出させることによって、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体層の外周面と半導体コアの外周面の露出部分との間に段差がないので、半導体コアの露出部分と電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体コアの上記半導体層に覆われた領域の外周面と上記半導体コアの露出領域の外周面とが連続している。
上記実施形態によれば、上記露出工程において、半導体コアの半導体層に覆われた領域の外周面と半導体コアの露出領域の外周面とが連続するようにして、半導体コアの露出領域が細くなっているので、上記切り離し工程において半導体コアの露出領域の基板側で折れやすくなり、切り離しが容易になる。
また、この発明の表示装置の製造方法では、
上記のいずれか１つの棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子を備えた表示装置の製造方法であって、
独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板を作成する基板作成工程と、
上記絶縁性基板上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの上記棒状構造発光素子を含んだ液体を塗布する塗布工程と、
上記少なくとも２つの電極に上記独立した電圧を夫々印加して、上記棒状構造発光素子を上記少なくとも２つの電極により規定される位置に配列させる配列工程と
を有することを特徴とする。
上記構成によれば、独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板を作成し、その絶縁性基板上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの上記棒状構造発光素子を含んだ液体を塗布する。その後、少なくとも上記２つの電極に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子を少なくとも２つの電極により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子を所定の基板上に容易に配列させることができる。
また、上記表示装置の製造方法では、微細な棒状構造発光素子のみを用いることによって、使用する半導体の量を少なくできると共に、薄型化と軽量化が可能な表示装置を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な表示装置を実現することができる。
以上より明らかなように、この発明の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い棒状構造発光素子を製造することができる。
また、この発明の表示装置の製造方法によれば、上記棒状構造発光素子を所定の基板上に容易に配列させることができる表示装置の製造方法を実現することができる。
図１Ａはこの発明の第１実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１Ｂは図１Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１Ｃは図１Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１Ｄは図１Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１Ｅは図１Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２Ａはこの発明の第２実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２Ｂは図２Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２Ｃは図２Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２Ｄは図２Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２Ｅは図２Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図３Ａはこの発明の第３実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図３Ｂは図３Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図３Ｃは図３Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図３Ｄは図３Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図４Ａはこの発明の第４実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図４Ｂは図４Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図４Ｃは図４Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図４Ｄは図４Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図５はこの発明の第５実施形態の表示装置の製造方法の絶縁性基板の平面図である。 図６は図５のF6−F6線から見た断面模式図である。 図７は上記棒状構造発光素子を配列する原理を説明する図である。 図８は上記棒状構造発光素子を配列するときに電極に与える電位を説明する図である。 図９は上記絶縁性基板上に棒状構造発光素子を配列した状態を示す平面図である。 図１０は上記表示装置の平面図である。 図１１は上記表示装置の表示部の要部の回路図である。 図１２はこの発明の第６実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１３は図１２に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１４は図１３に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１５は図１４に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１６は図１５に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１７は図１６に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８は図１７に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９は図１８に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２０は図１９に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２１は図２０に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２２は図２１に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２３は図２２に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２４は図２３に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２５は図２４に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２６は図２５に続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２７Ａは図２６に示す棒状構造発光素子を用いた表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図２７Ｂは図２７ＡのF27B−F27B線から見た表示装置の断面図である。 図２７Ｃは図２７ＡのF27C−F27C線から見た表示装置の断面図である。 図２７Ｄは図２７ＡのF27D−F27D線から見た表示装置の断面図である。 図２８Ａは図２７Ａ〜図２７Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図２８Ｂは図２８ＡのF28B−F28B線から見た表示装置の断面図である。 図２８Ｃは図２８ＡのF28C−F28C線から見た表示装置の断面図である。 図２８Ｄは図２８ＡのF28D−F28D線から見た表示装置の断面図である。 図２９Ａは図２８Ａ〜図２８Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図２９Ｂは図２９ＡのF29B−F29B線から見た表示装置の断面図である。 図２９Ｃは図２９ＡのF29C−F29C線から見た表示装置の断面図である。 図２９Ｄは図２９ＡのF29D−F29D線から見た表示装置の断面図である。 図３０Ａは図２９Ａ〜図２９Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図３０Ｂは図３０ＡのF30B−F30B線から見た表示装置の断面図である。 図３０Ｃは図３０ＡのF30C−F30C線から見た表示装置の断面図である。 図３０Ｄは図３０ＡのF30D−F30D線から見た表示装置の断面図である。 図３１Ａは図３０Ａ〜図３０Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図３１Ｂは図３１ＡのF31B−F31B線から見た表示装置の断面図である。 図３１Ｃは図３１ＡのF31C−F31C線から見た表示装置の断面図である。 図３１Ｄは図３１ＡのF31D−F31D線から見た表示装置の断面図である。 図３２Ａは図３１Ａ〜図３１Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図３２Ｂは図３２ＡのF32B−F32B線から見た表示装置の断面図である。 図３２Ｃは図３２ＡのF32C−F32C線から見た表示装置の断面図である。 図３２Ｄは図３２ＡのF32D−F32D線から見た表示装置の断面図である。 図３３Ａは図３２Ａ〜図３２Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図３３Ｂは図３３ＡのF33B−F33B線から見た表示装置の断面図である。 図３３Ｃは図３３ＡのF33C−F33C線から見た表示装置の断面図である。 図３３Ｄは図３３ＡのF33D−F33D線から見た表示装置の断面図である。 図３４Ａは図３３Ａ〜図３３Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図である。 図３４Ｂは図３４ＡのF34B−F34B線から見た表示装置の断面図である。 図３４Ｃは図３４ＡのF34C−F34C線から見た表示装置の断面図である。 図３４Ｄは図３４ＡのF34D−F34D線から見た表示装置の断面図である。
以下、この発明の棒状構造発光素子の製造方法および表示装置の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。なお、この実施の形態では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。
〔第１実施形態〕
図１Ａ〜図１Ｅはこの発明の第１実施形態の棒状構造発光素子の製造方法を示す工程図である。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。
まず、図１Ａに示すように、ｎ型ＧaＮからなる基板１１上に、成長穴１２aを有するマスク１２を形成する。マスク１２は、半導体層１４の形成を阻害する物質からなり、露出させたい箇所である半導体コア１３の外周面の一部を覆って半導体層形成工程後にマスク１２を除去することにより、半導体コア１３の外周面の一部を容易に露出させることができる。ここで、半導体層１４の形成を阻害する物質として、酸化シリコン(ＳiＯ2)あるいは窒化シリコン(Ｓi3Ｎ4)など半導体コアおよび半導体層に対して選択的にエッチング可能な材料を用いたが、半導体層の形成を阻害する物質はこれに限らず、半導体層の組成などに応じて適宜選択すればよい。成長穴の形成は、通常の半導体プロセスに使用する公知のリソグラフィー法とドライエッチング法が利用できる。この際、成長する半導体コアの径は上記マスクの成長穴のサイズに依存する。
次に、図１Ｂに示すように、半導体コア形成工程において、マスク１２の成長穴１２aにより露出した基板１１上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア１３を形成する。成長温度を９５０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ3)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ4)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ2)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板１１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。
次に、図１Ｃに示すように、半導体層形成工程において、棒状の半導体コア１３を覆うように基板１１全面にｐ型ＧaＮからなる半導体層１４を形成する。形成温度を９６０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ3)を、ｐ型不純物供給用にビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃp2Ｍg)を用いることによってマグネシウム(Ｍg)を不純物とするｐ型ＧaＮを成長させることができる。
次に、図１Ｄに示すように、露出工程において、リフトオフにより半導体コア１３を覆う半導体層１４の部分を除く領域とマスク１２を除去して、棒状の半導体コア１３の基板１１側に基板側の外周面を露出させて露出部分１３aを形成する。この状態で、上記半導体コア１３の基板１１と反対の側の端面は、半導体層１４aにより覆われている。マスクに酸化シリコン(ＳiＯ2)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともに半導体コアを覆う半導体層の部分を除く領域をリフトオフにより除去することができる。この実施形態の露出工程では、リフトオフを用いたがエッチングにより半導体コアの一部を露出させてもよい。ドライエッチングの場合、ＣＦ4やＸeＦ2を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともに半導体コアを覆う半導体層の部分を除く領域を除去することができる。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板１１を基板平面に沿って振動させることにより、基板１１上に立設する半導体コア１３の基板１１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３に対して応力が働いて、図１Ｅに示すように、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３が基板１１から切り離される。
こうして、基板１１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子１０を製造することができる。この第１実施形態では、棒状構造発光素子１０の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている。
この棒状構造発光素子１０は、半導体コア１３の露出部分１３aに一方の電極を接続し、半導体層１４aに他方の電極を接続して、ｐ型の半導体層１４aからｎ型の半導体コア１３に電流を流すことにより、ｎ型の半導体コア１３の外周面とｐ型の半導体層１４aの内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きて光が放出される。上記半導体層１４aで覆われた半導体コア１３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、高い発光効率が得られる。
上記構成の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子１０を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、基板から切り離された微細構造物として用いるので、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層１４aで覆われた半導体コア１３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、上記半導体コア１３の外周面の一部を露出させる露出工程において、半導体コア１３の基板１１側の外周面を露出させると共に、半導体層形成工程において半導体コア１３の基板１１と反対の側の端面を半導体層１４により覆うことによって、半導体コア１３の基板１１側の露出部分１３aをｎ側電極に接続し、半導体コア１３の基板１１と反対の側の端面が半導体層１４aに覆われていることにより、半導体コア１３の基板１１と反対の側を覆う半導体層１４aの部分にｐ側電極を接続することができる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。
また、上記切り離し工程において、超音波を用いて基板１１平面に沿って基板１１を振動させることにより、基板１１上に立設する半導体コア１３の基板１１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３に対して応力が働いて、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３が基板１１から切り離される。したがって、簡単な方法で基板１１上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を容易に切り離すことができる。
なお、上記切り離し工程において、切断工具を用いて半導体コア１３を基板１１から機械的に切り離してもよい。切断工具を用いて、基板１１上に立設する半導体コア１３の基板１１側に近い根元を折り曲げるようにし、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３に対して応力が働いて、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３が基板１１から切り離される。この場合、簡単な方法で基板１１上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
また、上記露出工程においてドライエッチングを用いてもよく、ＧaＮを母材とする半導体からなる半導体コア１３の外周面の一部を容易に露出させることができる。ＧaＮを母材とする半導体は、ウェットエッチングが困難なため、半導体コア１３と半導体層１４aがＧaＮを母材とする半導体からなる場合、切り離し工程の前に予めドライエッチングにより半導体コア１３の外周面の一部を露出させることは、実装が容易な微細な棒状構造発光素子を実現する上で特に有効である。また、上記半導体コア１３の外周面の一部を露出させる露出工程なしに半導体層１４aで覆われた半導体コア１３を基板１１から切り離して微細な棒状構造発光素子を製造した場合、この微細な棒状構造発光素子を絶縁性基板１１上に配列させた後にドライエッチングを用いて半導体コア１３の外周面の一部を電極接続用に容易に露出させることができる。
また、上記露出工程において、半導体コア１３の半導体層１４aに覆われた領域の外周面と半導体コア１３の露出領域の外周面とが連続するようにして、半導体コア１３の露出領域が細くなっているので、上記切り離し工程において半導体コア１３の露出領域の基板１１側で折れやすくなり、切り離しが容易になる。
さらに、上記棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子は、半導体層１４aが半導体コア１３の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層１４aにより半導体コア１３を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。
〔第２実施形態〕
図２Ａ〜図２Ｅはこの発明の第２実施形態の棒状構造発光素子の製造方法を示す工程図である。この第２実施形態の棒状構造発光素子は、量子井戸層を除いて第１実施形態の棒状構造発光素子と同一の構成をしている。
まず、図２Ａに示すように、ｎ型ＧaＮからなる基板２１上に、成長穴２２aを有するマスク２２を形成する。マスクには、酸化シリコン(ＳiＯ2)あるいは窒化シリコン(Ｓi3Ｎ4)など半導体コアおよび半導体層に対して選択的にエッチング可能な材料を用いることができる。成長穴の形成は、通常の半導体プロセスに使用する公知のリソグラフィー法とドライエッチング法が利用できる。この際、成長する半導体コアの径は上記マスクの成長穴のサイズに依存する。
次に、図２Ｂに示すように、半導体コア形成工程において、マスク２２の成長穴２２aにより露出した基板２１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア２３を形成する。成長温度を９５０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ3)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ4)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ2)を供給することによってＳiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板２１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の棒状の半導体コアが得られる。
次に、図２Ｃに示すように、量子井戸層,半導体層形成工程において、棒状の半導体コア２３を覆うように基板２１全面にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層２４を形成し、さらに基板２１全面に半導体層２５を形成する。ＭＯＣＶＤ装置内で前述のようにｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させた後、発光波長に応じて設定温度を６００℃から８００℃に変更し、キャリアガスに窒素(Ｎ2)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ3、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮの半導体コア２１上にＩnＧaＮ量子井戸層２４を形成することができる。その後、さらに設定温度を９６０℃にし、前述のように、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3を使用し、ｐ型不純物供給用にＣp2Ｍgを用いることによってｐ型ＧaＮからなる半導体層２５を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、図２Ｄに示すように、露出工程において、リフトオフにより量子井戸層２４,半導体層２５の半導体コア２３を覆う部分を除く領域とマスク２２を除去して、棒状の半導体コア２３の基板２１側に基板側の外周面を露出させて露出部分２３aを形成する。この状態で、上記半導体コア２３の基板２１と反対の側の端面は、量子井戸層２４aと半導体層２５aにより覆われている。マスクに酸化シリコン(ＳiＯ2)あるいは窒化シリコン(Ｓi3Ｎ4)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともに半導体コアを覆う半導体層の部分を除く領域をリフトオフにより除去することができる。この実施形態の露出工程では、リフトオフを用いたがエッチングにより半導体コアの一部を露出させてもよい。ドライエッチングの場合、ＣＦ4やＸeＦ2を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともに半導体コアを覆う半導体層の部分を除く領域を除去することができる。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板２１を基板平面に沿って振動させることにより、基板２１上に立設する半導体コア２３の基板２１側に近い根元を折り曲げるように、量子井戸層２４と半導体層２５aに覆われた半導体コア２３に対して応力が働いて、図２Ｅに示すように、量子井戸層２４と半導体層２５aに覆われた半導体コア２３が基板２１から切り離される。
こうして、基板２１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子２０を製造することができる。この第２実施形態では、棒状構造発光素子２０の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている。
この棒状構造発光素子２０は、半導体コア２３の露出部分２３aにｎ側電極を接続し、半導体層２５aにｐ側電極を接続して、ｐ型の半導体層２５aからｎ型の半導体コア２３に電流を流すことにより、量子井戸層２４aで電子と正孔の再結合が起きて光が放出される。上記半導体層２５aで覆われた半導体コア２３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、高い発光効率が得られる。
上記構成の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子２０を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体コア２３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
上記第２実施形態の棒状構造発光素子の製造方法は、第１実施形態の棒状構造発光素子の製造方法と同様の効果を有する。
また、ｎ型の半導体コア２３とｐ型の半導体層２５aとの間に形成された量子井戸層２４aで電子と正孔の再結合が起きて光が放出されることにより、量子井戸層２４aの量子閉じ込め効果により第１実施形態よりもさらに発光効率を高くできる。
〔第３実施形態〕
図３Ａ〜図３Ｄはこの発明の第３実施形態の棒状構造発光素子の製造方法を示す工程図である。この第３実施形態の棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分を除いて第１実施形態の棒状構造発光素子と同一の構成をしている。
まず、図３Ａに示すように、半導体コア形成工程において、ｎ型ＧaＮ基板３１上に、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア３３を形成する。この半導体コア３３の形成工程は、第１実施形態と同様に行って、マスクを削除する。
次に、図３Ｂに示すように、半導体層形成工程において、棒状の半導体コア３３を覆うように基板３１全面にｐ型ＧaＮからなる半導体層３４を形成する。
次に、図３Ｃに示すように、露出工程において、ドライエッチングにより半導体コア３３を覆う半導体層３４の部分を除く領域を除去して、棒状の半導体コア３３の基板３１側の外周面を露出させて露出部分３３aを形成する。この場合、ドライエッチングのＲＩＥ(Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング)にＳiＣl4を用いることにより、容易にＧaＮに異方性を持ってエッチングすることができる。この状態では、ドライエッチングにより半導体コア３３の基板３１と反対の側の端面が露出している。
ここで、半導体層３４aの外周面と半導体コア３３の露出部分３３aの外周面とが段差なく連続している。これにより、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体層３４aの外周面と半導体コア３３の露出部分３３aの外周面との間に段差がないので、半導体コア３３の露出部分３３aと電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板３１を基板平面に沿って振動させることにより、基板３１上に立設する半導体コア３３の基板３１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層３４aに覆われた半導体コア３３に対して応力が働いて、図３Ｄに示すように、半導体層３４aに覆われた半導体コア３３が基板３１から切り離される。
こうして、基板３１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子３０を製造することができる。この第３実施形態では、棒状構造発光素子３０の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている。
この棒状構造発光素子３０は、半導体コア３３の露出部分３３aにｎ側電極を接続し、半導体層３４aにｐ側電極を接続して、ｐ型の半導体層３４aからｎ型の半導体コア３３に電流を流すことにより、ｎ型の半導体コア３３の外周面とｐ型の半導体層３４aの内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きて光が放出される。上記半導体層３４aで覆われた半導体コア３３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、高い発光効率が得られる。
上記構成の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子３０を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
上記第３実施形態の棒状構造発光素子の製造方法は、第１実施形態の棒状構造発光素子の製造方法と同様の効果を有する。
また、図３Ｃに示すように、半導体層形成工程の後かつ切り離し工程の前に、半導体層３４のうちの半導体コア３３の表面を覆う部分を除く領域およびその領域に対応するｎ型ＧaＮ基板３１の上側領域の厚さ方向の一部をエッチングにより除去することによって、半導体コア３３の外周面の一部を露出させるので、半導体層３４aの外周面と半導体コア３３の外周面の露出部分３３aとの間に段差がないようにできる。これにより、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体コア３３の露出部分３３aと電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
〔第４実施形態〕
図４Ａ〜図４Ｄはこの発明の第４実施形態の棒状構造発光素子の製造方法を示す工程図である。この第４実施形態の棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分を除いて第２実施形態の棒状構造発光素子と同一の構成をしている。
まず、図４Ａに示すように、半導体コア形成工程において、ｎ型ＧaＮ基板４１上に、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア４３を形成する。この半導体コア４３の形成工程は、第１実施形態と同様に行って、マスクを削除する。
次に、図４Ｂに示すように、量子井戸層,半導体層形成工程において、棒状の半導体コア４３を覆うように基板４１全面にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層４４を形成し、さらに基板４１全面に半導体層４５を形成する。なお、この量子井戸層は、障壁層と量子井戸層を積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、図４Ｃに示すように、露出工程において、ドライエッチングにより量子井戸層４４,半導体層４５の半導体コア４３を覆う部分を除く領域を除去して、棒状の半導体コア４３の基板４１側に基板４１側の外周面を露出させて露出部分４３aを形成する。この場合、ドライエッチングのＲＩＥにＳiＣl4を用いることにより、容易にＧaＮに異方性を持ってエッチングすることができる。この状態では、ドライエッチングにより半導体コア４３の基板４１と反対の側の端面が露出している。
ここで、半導体層４５aの外周面と半導体コア４３の露出部分４３aの外周面とが段差なく連続している(量子井戸層４４aの外周面の露出部分と半導体コア４３の露出部分４３aの外周面とも段差がない)。これにより、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体層４５aの外周面と半導体コア４３の露出部分４３aの外周面との間に段差がないので、半導体コア４３の露出部分４３aと電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板４１を基板平面に沿って振動させることにより、基板４１上に立設する半導体コア４３の基板４１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層４５aに覆われた半導体コア４３に対して応力が働いて、図４Ｄに示すように、半導体層４５aに覆われた半導体コア４３が基板４１から切り離される。
こうして、基板４１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子４０を製造することができる。この第４実施形態では、棒状構造発光素子４０の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている。
この棒状構造発光素子４０は、半導体コア４３の露出部分４３aにｎ側電極を接続し、半導体層４５aにｐ側電極を接続して、ｐ型の半導体層４５aからｎ型の半導体コア４３に電流を流すことにより、量子井戸層４４aで電子と正孔の再結合が起きて光が放出される。上記半導体層４５aで覆われた半導体コア４３の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、高い発光効率が得られる。
上記構成の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子４０を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
上記第４実施形態の棒状構造発光素子の製造方法は、第１実施形態の棒状構造発光素子の製造方法と同様の効果を有する。
また、ｎ型の半導体コア４３とｐ型の半導体層４５aとの間に形成された量子井戸層４４aで電子と正孔の再結合が起きて光が放出されることにより、量子井戸層４４aの量子閉じ込め効果により第３実施形態よりもさらに発光効率を高くできる。
また、図４Ｃに示すように、半導体層形成工程の後かつ切り離し工程の前に、量子井戸層４４,半導体層４５のうちの半導体コア４３の表面を覆う部分を除く領域およびその領域に対応するｎ型ＧaＮ基板４１の上側領域の厚さ方向の一部をエッチングにより除去することによって、半導体コア４３の外周面の一部を露出させるので、半導体層４４aの外周面と半導体コア４３の外周面の露出部分４３aとの間に段差がないようにできる。これにより、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体コア４３の露出部分４３aと電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
〔第５実施形態〕
次に、この発明の第５実施形態の表示装置の製造方法について説明する。この第５実施形態では、上記第１〜第４実施形態の棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子を絶縁性基板に配列する。この棒状構造発光素子の配列は、本出願人が特願２００７−１０２８４８(特開２００８−２６００７３号公報)で出願した「微細構造体の配列方法及び微細構造体を配列した基板、並びに集積回路装置及び表示素子」の発明の技術を用いて行う。
図５はこの第５実施形態の表示装置の製造方法の絶縁性基板の平面図を示している。図５に示すように、絶縁性基板５０の表面に、金属電極５１,５２を形成している。絶縁性基板５０はガラス、セラミック、酸化アルミニウム、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。
上記金属電極５１,５２は、印刷技術を利用して所望の電極形状に形成している。なお、金属膜および感光体膜を一様に積層し、所望の電極パターンを露光し、エッチングして形成してもよい。
図５では省略されているが、金属電極５１,５２には外部から電位を与えられるように、パッドを形成している。この金属電極５１,５２が対向する部分(配列領域)に棒状構造発光素子を配列する。図５では、棒状構造発光素子を配列する配列領域が２×２個配列されているが、任意の個数を配列してよい。
図６は図５のF6−F6線から見た断面模式図である。
まず、図６に示すように、絶縁性基板５０上に、棒状構造発光素子６０を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)６１を薄く塗布する。ＩＰＡ６１の他に、エチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物でもよい。あるいは、ＩＰＡ６１は、他の有機物からなる液体、水などを用いることができる。
ただし、液体を通じて金属電極５１,５２間に大きな電流が流れてしまうと、金属電極５１,５２間に所望の電圧差を印加できなくなってしまう。そのような場合には、金属電極５１,５２を覆うように、絶縁性基板５０表面全体に、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の絶縁膜をコーティングすればよい。
棒状構造発光素子６０を含むＩＰＡ６１を塗布する厚さは、次に棒状構造発光素子６０を配列する工程で、棒状構造発光素子６０が配列できるよう、液体中で棒状構造発光素子６０が移動できる厚さである。したがって、ＩＰＡ６１を塗布する厚さは、棒状構造発光素子６０の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。塗布する厚さは薄すぎると、棒状構造発光素子６０が移動し難くなり、厚すぎると、液体を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡの量に対して、棒状構造発光素子６０の量は、１×１０4本／ｃｍ3〜１×１０7本／ｃｍ3が好ましい。
棒状構造発光素子６０を含むＩＰＡ６１を塗布するために、棒状構造発光素子６０を配列させる金属電極の外周囲に枠を形成し、その枠内に棒状構造発光素子６０を含むＩＰＡ６１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、棒状構造発光素子６０を含むＩＰＡ６１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
ＩＰＡやエチレングリコール、プロピレングリコール、…、またはそれらの混合物、あるいは、他の有機物からなる液体、または水などの液体は、棒状構造発光素子６０の配列工程のためには粘性が低いほど望ましく、また加熱により蒸発しやすい方が望ましい。
次に、金属電極５１,５２間に電位差を与える。この第５実施形態では、１Ｖの電位差とするのが適当であった。金属電極５１,５２の電位差は、０．１〜１０Ｖを印加することができるが、０．１Ｖ以下では棒状構造発光素子６０の配列が悪くなり、１０Ｖ以上では金属電極間の絶縁が問題になり始める。したがって、１〜５Ｖが好ましく、更には１Ｖ程度とするのが好ましい。
図７は上記棒状構造発光素子６０が金属電極５１,５２上に配列する原理を示している。図７に示すように、金属電極５１に電位ＶLを印加し、金属電極５２に電位ＶR(ＶL＜ＶR)を印加すると、金属電極５１には負電荷が誘起され、金属電極５２には正電荷が誘起される。そこに棒状構造発光素子６０が接近すると、棒状構造発光素子６０において、金属電極５１に近い側に正電荷が誘起され、金属電極５２に近い側に負電荷が誘起される。この棒状構造発光素子６０に電荷が誘起されるのは静電誘導による。すなわち、電界中に置かれた棒状構造発光素子６０は、内部の電界が０となるまで表面に電荷が誘起されることによる。その結果、各電極と棒状構造発光素子６０との間に静電力により引力が働き、棒状構造発光素子６０は、金属電極５１,５２間に生じる電気力線に沿うと共に、各棒状構造発光素子６０に誘起された電荷がほぼ等しいので、電荷による反発力により、ほぼ等間隔に一定方向に規則正しく配列する。しかしながら、例えば、第１実施形態の図１Ｅに示す棒状構造発光素子１０では、半導体層１４aに覆われた半導体コア１３の露出部分１３a側の向きは一定にならず、ランダムになる。
以上のように、この表示装置の製造方法によれば、棒状構造発光素子６０が金属電極５１,５２間に発生した外部電場により、棒状構造発光素子６０に電荷を発生させ、電荷の引力により金属電極５１,５２に棒状構造発光素子６０を吸着させるので、棒状構造発光素子６０の大きさは、液体中で移動可能な大きさであることが必要である。したがって、棒状構造発光素子６０の大きさは、液体の塗布量(厚さ)により変化する。液体の塗布量が少ない場合は、棒状構造発光素子６０はナノオーダーサイズでなければならないが、液体の塗布量が多い場合は、マイクロオーダーサイズであってもかまわない。
棒状構造発光素子６０が電気的に中性ではなく、正または負に帯電している場合は、金属電極５１,５２間に静的な電位差(ＤＣ)を与えるだけでは、棒状構造発光素子６０を安定して配列することができない。例えば、棒状構造発光素子６０が正味として正に帯電した場合は、正電荷が誘起されている金属電極５２との引力が相対的に弱くなる。そのため、棒状構造発光素子６０の配列が非対象になる。
そのような場合は、図８に示すように、金属電極５１,５２間にＡＣ電圧を印加することが好ましい。図８においては、金属電極５１に基準電位を、金属電極５２には振幅ＶPPL／２のＡＣ電圧を印加している。こうすることにより、棒状構造発光素子６０が帯電している場合でも、配列を対象に保つことができる。なお、この場合の金属電極５２に与える交流電圧の周波数は、１０Ｈz〜１ＭＨzとするのが好ましく、５０Ｈz〜１ｋＨzとするのが最も配列が安定し、より好ましい。さらに、金属電極５１,５２間に印加するＡＣ電圧は、正弦波に限らず、矩形波、三角波、ノコギリ波など、周期的に変動するものであればよい。なお、ＶPPLは１Ｖ程度とするのが好ましかった。
次に、金属電極５１,５２上に、棒状構造発光素子６０を配列させた後、絶縁性基板５０を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子６０を金属電極５１,５２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。
図９は上記絶縁性基板５０上に棒状構造発光素子６０を配列した状態を示している。
また、図１０は上記棒状構造発光素子６０を配列した絶縁性基板を備えた表示装置の平面図を示している。図１０に示すように、表示装置１００は、絶縁性基板１１０上に、表示部１０１、論理回路部１０２、論理回路部１０３、論理回路部１０４および論理回路部１０５を備える構成となっている。上記表示部１０１には、マトリックス状に配置された画素に棒状構造発光素子６０を配列している。
図１１は上記表示装置１００の表示部１０１の要部の回路図を示しており、上記表示装置１００の表示部１０１は、図１１に示すように、互いに交差する複数の走査信号線ＧＬ(図１１では１本のみを示す)と複数のデータ信号線ＳＬ(図１１では１本のみを示す)とを備えており、隣接する２本の走査信号線ＧＬと隣接する２本のデータ信号線ＳＬとで包囲された部分に、画素がマトリクス状に配置されている。この画素は、ゲートが走査信号線ＧＬに接続され、ソースがデータ信号線ＳＬに接続されたスイッチング素子Ｑ１と、そのスイッチング素子Ｑ１のドレインにゲートが接続されたスイッチング素子Ｑ２と、上記スイッチング素子Ｑ２のゲートに一端が接続された画素容量Ｃと、上記スイッチング素子Ｑ２により駆動される複数の発光ダイオードＤ１〜Ｄｎ(棒状構造発光素子６０)とを有している。
上記棒状構造発光素子６０のｐｎの極性は、一方に揃っておらず、ランダムに配列されている。このため、駆動時は交流電圧により駆動されて、異なる極性の棒状構造発光素子６０が交互に発光することになる。
また、上記表示装置の製造方法によれば、独立した電位が夫々与えられる２つの電極５１,５２を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板５０を作成し、その絶縁性基板５０上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの棒状構造発光素子６０を含んだ液体を塗布する。その後、２つの電極５１,５２に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子６０を２つの電極５１,５２により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子６０を所定の絶縁性基板５０上に容易に配列させることができる。
また、上記表示装置の製造方法では、使用する半導体の量を少なくできると共に、薄型化と軽量化が可能な表示装置を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子６０は、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な表示装置を実現することができる。
〔第６実施形態〕
図１２〜図３４はこの発明の第６実施形態の棒状構造発光素子の製造方法を示す工程図である。この第６実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。
まず、図１２に示す基板１１１の表面を洗浄する。基板には、Ｓi、ＳiC、サファイアなど、ＧaＮの成長が可能な基板を用いることができる。
次に、図１３に示すように、基板１１１上に、成長マスク層(以下、マスクという)１１２を形成する。マスクには、酸化シリコン(ＳiＯ2)などの半導体コアおよび半導体層に対して選択的にエッチング可能な材料を用いることができる。
次に、図１４に示すように、通常の半導体プロセスに使用する公知のリソグラフィー法を用いて、基板１１１上に塗布されたレジスト１２０にパターニングにより穴１２０aを形成する。
次に、図１５に示すように、パターンニングされたレジスト１２０の穴１２０aを用いて、マスク１１２に成長穴１１２aを形成する。成長穴の形成は、ドライエッチング法が利用できる。
次に、図１６に示すように、半導体コア成長用の触媒金属１１３を成膜する。触媒金属には、Ｎi、Ｆe、Ａuなど、半導体コアの半導体の成長を促進する材料を用いることができる。
次に、図１７に示すように、成長穴１１２a(図１５に示す)以外の領域に成膜された触媒金属１１３の領域およびレジスト１２０を除去する。ここではリフトオフを用いているが、リソグラフィー法とエッチングを利用してもよい。
この際、成長する半導体コアの径は上記マスクの成長穴のサイズと触媒金属の体積に依存する。
次に、図１８に示すように、半導体コア形成工程において、触媒金属１１３を有するマスク層１１２の成長穴１１２a内の基板１１１上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア１１４を形成する。成長温度を９５０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ3)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ4)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ2)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、基板１１１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、無極性面または半極性面を多く有する半導体コアが得られる。
次に、図１９に示すように、量子井戸層,半導体層形成工程において、棒状の半導体コア１１４を覆うように基板１１１全面にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１１５を形成し、さらに基板１１１全面に半導体層１１６を形成する。ＭＯＣＶＤ装置内で前述のようにｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させた後、発光波長に応じて設定温度を６００℃から８００℃に変更し、キャリアガスに窒素(Ｎ2)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ3、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮの半導体コア１１４上にＩnＧaＮ量子井戸層１１５を形成することができる。その後、さらに設定温度を９６０℃にし、前述のように、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3を使用し、ｐ型不純物供給用にＣp2Ｍgを用いることによってｐ型ＧaＮからなる半導体層１１６を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、図２０に示すように、触媒金属１１３(図１９に示す)をウェットエッチングにより除去した後、図２１に示すように導電膜１１７を半導体層１１６の表面に形成する。
次に、図２２に示すように異方性ドライエッチング(ＲＩＥ)により導電膜１１７のうちの筒状部分１１７aを除く先端部分１１７b(図２１に示す)と基板側部分１１７c(図２１に示す)を除去する。
次に、図２３に示すように、ドライエッチングにより半導体層１１６と量子井戸層１１５の半導体コア１１４を覆う部分を除く領域を除去する。図２３では、半導体コア１１４を量子井戸層１１５a,半導体層１１６a,導電膜１１７aで覆っている。
次に、図２４に示すように、マスク１１２(図２３に示す)をウェットエッチングで除去する。マスクが酸化シリコン(ＳiＯ2)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができる。
次に、図２５に示すように、基板１１１をドライエッチングによりエッチングする。この場合、ＣＦ4やＸeＦ2を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずに基板１１１をエッチングすることができる。これにより、半導体コア１１４直下の基板１１１に、凸部１１１aを形成する。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板１１１を基板平面に沿って振動させることにより、基板１１１上に立設する半導体コア１１４の基板１１１側に近い根元を折り曲げるように、量子井戸層１１５a,半導体層１１６a,導電膜１１７aに覆われた半導体コア１１４に対して応力が働いて、図２６に示すように、導電膜１１７a、半導体層１１６a、量子井戸層１１５aに覆われた半導体コア１１４が基板１１１から切り離される。
こうして、基板１１１から切り離なされた微細な棒状構造発光素子１１８を製造することができる。この第６実施形態では、棒状構造発光素子１１８の直径を１．５μｍ、長さを２５μｍとしている。なお、この棒状構造発光素子１１８の断面は、後述する図２７Ｃ,図２７Ｄに示すように、正三角形状としている。
次に、上記棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子１１８を絶縁性基板に配列する。この棒状構造発光素子１１８の配列は、第５実施形態の表示装置の製造方法を用いて行い、図２７Ａ〜図３４Ｄに従って以下に説明する。なお、図２７Ａ〜図３４Ｄにおいて、図２６に示す棒状構造発光素子１１８と同一の構成部は、同一参照番号を付している。
なお、この棒状構造発光素子１１８の断面を正三角形状としたが、棒状構造発光素子の断面形状はこれに限らず、断面が六角形,円形または楕円の棒状であってもよいし、断面が他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子の製造方法にこの発明を適用してもよい。
図２７Ａは図２６に示す棒状構造発光素子１１８を用いた表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図２７Ｂは図２７ＡのF27B−F27B線から見た表示装置の断面図、図２７Ｃは図２７ＡのF27C−F27C線から見た表示装置の断面図、図２７Ｄは図２７ＡのF27D−F27D線から見た表示装置の断面図である。
まず、図２７Ａ〜図２７Ｄに示すように、独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板１３０上に棒状構造発光素子１１８を配列した後、洗浄を行う。棒状構造発光素子１１８を絶縁性基板１３０上の所定の位置に所定の向き配列する方法は、第５実施形態で詳しく説明しており、ここでは詳しい説明は省略する。
図２７Ｂに示すように、絶縁性基板１３０の表面に、所定の間隔をあけて金属電極１３１,１３２を形成し、その金属電極１３１,１３２を覆うように絶縁膜１３３を形成している。絶縁性基板１３０はガラス、セラミック、酸化アルミニウム、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。また、金属電極を覆う絶縁膜は無くても良い。
上記金属電極１３１,１３２は、印刷技術を利用して所望の電極形状に形成している。なお、金属膜および感光体膜を一様に積層し、所望の電極パターンを露光し、エッチングして形成してもよい。
ここで、棒状構造発光素子１１８の両端の長さ３μｍの部分が、金属電極１３１,１３２に夫々重なっている。
なお、図２７Ａ〜図２７Ｄでは省略されているが、金属電極１３１,１３２には外部から電位を与えられるように、パッドを形成している。図２７Ａ〜図２７Ｄでは、棒状構造発光素子を配列する配列領域が１つ配置されているが、任意の個数を配列してよい。
なお、棒状構造発光素子１１８は、絶縁性基板１３０上の２つの金属電極１３１,１３２を架橋するように配列するが、後述するように、その向きには２通りの任意性がある。図２７Ａ〜図２７Ｄに描いた棒状構造発光素子１１８の向きと、棒状構造発光素子１１８の左右を入れ替えた向き(この第６実施形態の発光素子１１８では両者は区別できない)である。第５実施形態の表示装置の製造方法では、その２つの向きを意図して決定できないので、２つの向きがそれぞれ５０％の確率で出現する。
次に、図２８Ａは図２７Ａ〜図２７Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図２８Ｂは図２８ＡのF28B−F28B線から見た表示装置の断面図、図２８Ｃは図２８ＡのF28C−F28C線から見た表示装置の断面図、図２８Ｄは図２８ＡのF28D−F28D線から見た表示装置の断面図である。
図２８Ａ〜図２８Ｄに示すように、絶縁性基板１３０上にレジスト１４０を塗布した後にリソグラフィー法によりパターニングを行い、棒状構造発光素子１１８の一端(図２８Ａにおいて左端)を露出させる。
次に、図２９Ａは図２８Ａ〜図２８Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図２９Ｂは図２９ＡのF29B−F29B線から見た表示装置の断面図を示し、図２９Ｃは図２９ＡのF29C−F29C線から見た表示装置の断面図、図２９Ｄは図２９ＡのF29D−F29D線から見た表示装置の断面図である。
図２９Ａ〜図２９Ｄに示すように、パターニングされたレジスト１４０を用いて、導電膜１１７aをウェットエッチングにて除去した後、ドライエッチングにより半導体層１１６aと量子井戸層１１５aの一部を除去し、半導体コア１１４の露出部分１１４aを得る。このようにして、棒状構造発光素子１１８の一端の側の半導体コア１１４を露出させることができる。
前述のように、図２７Ａ〜図２７Ｄにおいて、絶縁性基板１３０上に棒状構造発光素子１１８を配列する際には、２通りの向きをとることができる。ここで、２通りの向きが生じるのは、図２７Ａ〜図２７Ｄにおいて、棒状構造発光素子１１８の左右が入れ替わった向きを互いに区別したためである。もっとも、棒状構造発光素子１１８は左右入れ替えても対称なので両者は区別できないが、例えば、第１〜第４実施形態の棒状構造発光素子は、そのような入替えが行なわれえた場合区別可能である。この第６実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、棒状構造発光素子１１８を絶縁性基板１３０上に配列(図２７)した後に、棒状構造発光素子１１８の半導体１１４の外周面の一部を露出させる露出工程(図２９)を行なうので、配列時に棒状構造発光素子１１８がどちらの向きで配列したとしても、絶縁性基板１３０上に配列した棒状構造発光素子１１８の所定の側の半導体コア１１４の外周面の一部を露出させることができる。それ故、棒状構造発光素子１１８を絶縁性基板１３０上に配列する際に、その向きを揃えて配列する必要がない。棒状構造発光素子１１８はアノード電極とカソード電極を有するダイオードであり、その向きを揃えることは重要であり、この第６実施形態によれば、そのような向きを揃える工程が不要となるため、プロセスを簡略化することができる。
次に、図３０Ａは図２９Ａ〜図２９Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図３０Ｂは図３０ＡのF30B−F30B線から見た表示装置の断面図、図３０Ｃは図３０ＡのF30C−F30C線から見た表示装置の断面図、図３０Ｄは図３０ＡのF30D−F30D線から見た表示装置の断面図である。また、図３１Ａは図３０Ａ〜図３０Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図３１Ｂは図３１ＡのF31B−F31B線から見た表示装置の断面図、図３１Ｃは図３１ＡのF31C−F31C線から見た表示装置の断面図、図３１Ｄは図３１ＡのF31D−F31D線から見た表示装置の断面図である。
図３０Ａ〜図３０Ｄに示すように、絶縁性基板１３０上にＳiＯ2からなる絶縁膜１４１を成膜し、その後、図３１Ａ〜図３１Ｄに示すように、ＳiＯ2からなる絶縁膜１４１をドライエッチングによりエッチングする。このとき、ＳiＯ2からなる絶縁膜１４１のすべてを除去せず、半導体コア１１４と絶縁性基板１３０との間にある量子井戸層１１５aと半導体層１１６aが露出せずに絶縁膜１４１のＳiＯ2に包まれており、かつ半導体コア１１４の露出領域１１４aが露出されるようにエッチングする(図３１Ｃ参照)。
次に、図３２Ａは図３１Ａ〜図３１Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図３２Ｂは図３２ＡのF32B−F32B線から見た表示装置の断面図、図３２Ｃは図３２ＡのF32C−F32C線から見た表示装置の断面図、図３２Ｄは図３２ＡのF32D−F32D線から見た表示装置の断面図である。
上記エッチングに用いたレジスト１４０を剥離した後、図３２Ａ〜図３２Ｄに示すように、再度レジスト１４２を塗布した後にリソグラフィー法によりパターニングを行い、棒状構造発光素子１１８の一端で半導体コア１１４の露出領域１１４aを露出させると共に、棒状構造発光素子１１８の他端で導電膜１１７aを露出させる。
次に、図３３Ａは図３２Ａ〜図３２Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図３３Ｂは図３３ＡのF33B−F33B線から見た表示装置の断面図、図３３Ｃは図３３ＡのF33C−F33C線から見た表示装置の断面図、図３３Ｄは図３３ＡのF33D−F33D線から見た表示装置の断面図である。また、図３４Ａは図３３Ａ〜図３３Ｄに続く表示装置の製造方法の工程を示す平面図を示し、図３４Ｂは図３４ＡのF34B−F34B線から見た表示装置の断面図、図３４Ｃは図３４ＡのF34C−F34C線から見た表示装置の断面図、図３４Ｄは図３４ＡのF34D−F34D線から見た表示装置の断面図である。
図３３Ａ〜図３３Ｄに示すように、メタルを蒸着法やスパッタリング法によりメタル層１４３を成膜し、その後、図３４Ａ〜図３４Ｄに示すように、リフトオフを行う。
これにより、棒状構造発光素子１１８は、半導体コア１１４の露出部分１１４aに一方の電極１４３Ａを接続し、導電膜１１７aに他方の電極１４３Ｂを接続して、導電膜１１７aを通じてｐ型の半導体層１１６aからｎ型の半導体コア１１４に電流を流すことにより、ｎ型の半導体コア１１４の外周面とｐ型半導体層１１６aの内周側とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きて光が放出される。上記半導体層１１６aで覆われた半導体コア１１４の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、高い発光効率が得られる。
上記第６実施形態において、半導体層１１６a上に形成された導電膜１１７aにＩＴＯ(錫添加酸化インジウム)を用いることによって、半導体層を透明な導電膜を介して電極に接続するので、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。なお、導電膜は、これに限らず、例えば厚さ５ｎｍのＡg／Ｎiの積層金属膜などを用いてもよい。
上記構成の棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子１１８を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子１１８は、基板から切り離された微細構造物として用いるので、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層１１６aで覆われた半導体コア１１４の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、上記露出工程は、上記切り離し工程より後に行なわれるので、棒状構造発光素子１１８を基板から切り離すまでの工程が少なく、高歩留まりで棒状構造発光素子１１８を作成することができる。
また、上記半導体層形成工程において半導体層１１６の形成を阻害する物質からなるマスク１１２で、露出させたい箇所である半導体コア１１４の外周面の一部を覆って半導体層形成工程後にマスク１１２を除去することにより、半導体コア１１４の外周面の一部を容易に露出させることができる。ここで、半導体層１１６の形成を阻害する物質として、酸化シリコン(ＳiＯ2)などの半導体コアおよび半導体層に対して選択的にエッチング可能な材料を用いたが、半導体層の形成を阻害する物質はこれに限らず、半導体層の組成などに応じて適宜選択すればよい。
また、上記切り離し工程において、超音波を用いて基板１０１平面に沿って基板１０１を振動させることにより、基板１０１上に立設する半導体コア１１４の基板１１１側に近い根元を折り曲げるように、半導体層１１６aに覆われた半導体コア１１４に対して応力が働いて、半導体層１１６aに覆われた半導体コア１１４が基板１１１から切り離される。したがって、簡単な方法で基板１０１上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子１１８を容易に切り離すことができる。
なお、上記切り離し工程において、切断工具を用いて半導体コア１１４を基板１１１から機械的に切り離してもよい。切断工具を用いて、基板１１１上に立設する半導体コア１１４の基板１１１側に近い根元を折り曲げるようにし、半導体層１１６aに覆われた半導体コア１１４に対して応力が働いて、半導体層１１６aに覆われた半導体コア１１４が基板１１１から切り離される。この場合、簡単な方法で基板１１１上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子１１８を短時間で切り離すことができる。
また、棒状構造発光素子１１８は、長手方向の中間点を通りかつ長手方向に対して直角な直線に対して両側がほとんど対称な構造であるので、配列をより行いやすい。これにより、より確実に高歩留まりの配列を行うことができる。
また、上記棒状構造発光素子１１８を配列基板(絶縁性基板１３０)上に配列した後に、半導体コア１１４の外周面の一部を露出させる露出工程において、棒状構造発光素子１１８は長手方向でほとんど対称な構造であり、かつ所望の場所の量子井戸層１１５a,半導体層１１６a,導電膜１１７aを除去して半導体コア１１４の一端の外周面を露出させることができるので、複数の棒状構造発光素子(発光ダイオード)の極性を揃えて配列する必要がなく、製造時に複数の棒状構造発光素子(発光ダイオード)の極性(向き)を揃える工程が不要となり工程を簡略化できる。また、棒状構造発光素子(発光ダイオード)の極性(向き)を識別するために、棒状構造発光素子にマークを設ける必要がなく、極性識別のために棒状構造発光素子を特別な形状にする必要がなくなる。よって、棒状構造発光素子の製造工程を簡略化でき、製造コストも抑えることができる。なお、発光ダイオードのサイズが小さな場合や発光ダイオードの個数が多い場合、極性を揃えて発光ダイオードを配列するものに比べて、上記製造工程を格段に簡略化できる。
さらに、上記露出工程の後、半導体コア１１４の露出部分１１４aをｎ側電極に接続し、半導体コア１１４の他端が量子井戸層、半導体層、導電膜に覆われていることにより、導電膜の部分にｐ側電極を接続することができる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。
さらに、上記棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子は、半導体層１１６が半導体コア１１４の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層１１６により半導体コア１１４を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。
上記第１〜第４,第６実施形態では、基板１１〜４１と半導体コア１３〜４３,１１４と半導体層１４a,２５a,３４a,４５a,１１６aに、ＧaＮを母材とする半導体を用いたが、ＧaＡs,ＡlＧaＡs,ＧaＡsＰ,ＩnＧaＮ,ＡlＧaＮ,ＧaＰ,ＺnＳe,ＡlＧaＩnＰなどを母材とする半導体を用いた発光素子にこの発明を適用してもよい。また、基板と半導体コアをｎ型とし、半導体層をｐ型としたが、導電型が逆の棒状構造発光素子の製造方法にこの発明を適用してもよい。また、六角柱形状および三角柱形状の半導体コアを有する棒状構造発光素子の製造方法について説明したが、これに限らず、断面が円形または楕円の棒状であってもよいし、断面が三角形などの他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子の製造方法にこの発明を適用してもよい。
また、上記第１〜第４,第６実施形態では、棒状構造発光素子の直径を１μｍまたは１．５μｍとし長さを１０μｍ〜３０μｍのマイクロオーダーサイズとしたが、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子でもよい。上記棒状構造発光素子の半導体コアの直径は５００ｎｍ以上かつ５０μｍ以下が好ましく、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの棒状構造発光素子に比べて半導体コアの直径のばらつきを抑えることができ、発光面積すなわち発光特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上できる。
また、上記第１〜第４,第６実施形態では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コア１３,２３,３３,４３,１１４を結晶成長させたが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアを形成してもよい。また、上記第１〜第４実施形態では、成長穴を有するマスクを用いて半導体コアを基板上に結晶成長させたが、第６実施形態のように、基板上に金属種を配置して、金属種から半導体コアを結晶成長させてもよい。
また、上記第１〜第４,第６実施形態では、半導体層１４a,２５a,３４a,４５a,１１６aに覆われた半導体コア１３〜４３,１１４を、超音波を用いて基板１１〜４１,１１１から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げて切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
また、上記第１〜第４,第６実施形態において、半導体層１４a,２５a,３４a,４５a,１１６a上にＩＴＯ(錫添加酸化インジウム)からなる透明電極を形成してもよい。これにより、半導体層を透明電極を介して電極に接続することにより、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。なお、透明電極は、これに限らず、例えば厚さ５ｎｍのＡg／Ｎiの積層金属膜などを用いてもよい。
また、上記第５,第６実施形態では、絶縁性基板５０(１３０)の表面に形成された２つの金属電極５１,５２(１３１,１３２)に電位差を与えて、金属電極５１,５２(１３１,１３２)間に棒状構造発光素子６０(１１８)を配列させたが、これに限らず、絶縁性基板の表面に形成された２つの電極間に、第３の電極を形成し、３つの電極に独立した電圧を夫々印加して、棒状構造発光素子を電極により規定される位置に配列させてもよい。
また、上記第５,第６実施形態では、棒状構造発光素子を備えた表示装置について説明したが、これに限らず、この発明の棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子をバックライトや照明装置などの他の装置に適用してもよい。
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第６実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
また、この発明の棒状構造発光素子の製造方法は、
基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と、
上記露出工程において露出された露出部分を含む上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と
を有することを特徴とする。
上記構成によれば、基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成した後、半導体コアの表面を覆うように筒状の第２導電型の半導体層を形成する。ここで、半導体コアの基板と反対側の端面は半導体層に覆われていてもよいし、露出していてもよい。次に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させると共に、
上記半導体層形成工程において、上記半導体コアの上記基板と反対の側の端面を上記半導体層により覆う。
上記実施形態によれば、上記露出工程において半導体コアの基板側の外周面を露出させると共に、上記半導体層形成工程において半導体コアの基板と反対の側の端面を半導体層により覆うことによって、半導体コアの基板側の露出部分を一方の電極に接続し、半導体コアの基板と反対の側の端面が半導体層に覆われていることにより、半導体コアの基板と反対の側を覆う半導体層の部分に他方の電極を接続することができる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記切り離し工程において、超音波を用いて上記半導体層に覆われた上記半導体コアを上記基板から切り離す。
上記実施形態によれば、上記切り離し工程において、超音波を用いて半導体層に覆われた半導体コアを基板から切り離す。例えば、超音波を用いて基板平面に沿って基板を振動させることにより、基板上に立設する半導体コアの基板側に近い根元を折り曲げるように応力が働いて、半導体層に覆われた半導体コアが基板から切り離される。したがって、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を容易に切り離すことができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記切り離し工程において、切断工具を用いて上記半導体コアを上記基板から機械的に切り離す。
上記実施形態によれば、上記切り離し工程において、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に切り離すことによって、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記半導体コアと上記半導体層は、ＧaＮを母材とする半導体からなり、
上記露出工程においてドライエッチングを用いる。
上記実施形態によれば、上記露出工程においてドライエッチングを用いることによって、ＧaＮを母材とする半導体からなる半導体コアの外周面の一部を容易に露出させることができる。ＧaＮを母材とする半導体は、ウェットエッチングが困難なため、半導体コアと半導体層がＧaＮを母材とする半導体からなる場合、切り離し工程の前に予めドライエッチングにより半導体コアの外周面の一部を露出させることは、実装が容易な微細な棒状構造発光素子を実現する上で特に有効である。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体層の外周面と段差なく連続するように上記半導体コアの外周面を露出させる。
上記実施形態によれば、上記露出工程において、半導体層の外周面と段差なく連続するように半導体コアの外周面を露出させることによって、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体層の外周面と半導体コアの外周面の露出部分との間に段差がないので、半導体コアの露出部分と電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。
また、一実施形態の棒状構造発光素子の製造方法では、
上記露出工程において、上記半導体コアの上記半導体層に覆われた領域の外周面と上記半導体コアの露出領域の外周面とが連続している。
上記実施形態によれば、上記露出工程において、半導体コアの半導体層に覆われた領域の外周面と半導体コアの露出領域の外周面とが連続するようにして、半導体コアの露出領域が細くなっているので、上記切り離し工程において半導体コアの露出領域の基板側で折れやすくなり、切り離しが容易になる。
また、この発明の表示装置の製造方法では、
上記のいずれか１つの棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子を備えた表示装置の製造方法であって、
独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板を作成する基板作成工程と、
上記絶縁性基板上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの上記棒状構造発光素子を含んだ液体を塗布する塗布工程と、
上記少なくとも２つの電極に上記独立した電圧を夫々印加して、上記棒状構造発光素子を上記少なくとも２つの電極により規定される位置に配列させる配列工程と
を有することを特徴とする。
上記構成によれば、独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板を作成し、その絶縁性基板上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの上記棒状構造発光素子を含んだ液体を塗布する。その後、少なくとも上記２つの電極に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子を少なくとも２つの電極により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子を所定の基板上に容易に配列させることができる。
また、上記表示装置の製造方法では、微細な棒状構造発光素子のみを用いることによって、使用する半導体の量を少なくできると共に、薄型化と軽量化が可能な表示装置を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子は、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な表示装置を実現することができる。
１１〜４１…基板
１２…マスク
１３〜４３…半導体コア
１４a,２５a,３４a,４５a…半導体層
２４a,４４a…量子井戸層
５０…絶縁性基板
５１,５２…金属電極
１０,２０,３０,４０,６０…棒状構造発光素子
１００…表示装置
１１１…基板
１１２…マスク
１１３…金属触媒
１１４…半導体コア
１１５a…量子井戸層
１１６a…半導体層
１１７a…導電膜
１３０…絶縁性基板
１３１,１３２…金属電極
１１８…棒状構造発光素子

Claims (10)

  1. 基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
    上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
    上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
    を有すると共に、
    上記露出工程は、上記切り離し工程により上記基板から切り離された上記第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアが、絶縁性基板上の予め設定された位置に配列された状態で、上記第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアの長手方向の一部分における上記半導体コアの外周面の少なくとも一部を露出させることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  2. 基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
    上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
    上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
    を有すると共に、
    上記半導体層形成工程において、上記第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質により上記半導体コアの外周面の一部を覆った状態で、上記半導体コアの表面を覆う筒状の上記第２導電型の半導体層を形成し、
    上記露出工程において、上記第２導電型の半導体層の形成を阻害する物質を除去することにより、上記半導体コアの外周面の一部を露出させることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  3. 基板上に棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
    上記半導体コアの表面を覆う筒状の第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    上記半導体層形成工程において形成された上記筒状の第２導電型の半導体層を有する上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と、
    上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、または、上記切り離し工程の後に、上記半導体コアの外周面の一部を露出させる露出工程と
    を有すると共に、
    上記基板は、上記第１導電型の半導体からなり、
    上記露出工程は、上記半導体層形成工程の後かつ上記切り離し工程の前に、上記第２導電型の半導体層のうちの上記半導体コアの表面を覆う部分を除く領域およびその領域に対応する上記基板の上側領域の厚さ方向の一部をエッチングにより除去することによって、上記半導体コアの外周面の一部を露出させることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  4. 請求項１または２に記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記露出工程において、上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させると共に、
    上記半導体層形成工程において、上記半導体コアの上記基板と反対の側の端面を上記半導体層により覆うことを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記切り離し工程において、超音波を用いて上記半導体層に覆われた上記半導体コアを上記基板から切り離すことを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  6. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記切り離し工程において、切断工具を用いて上記半導体コアを上記基板から機械的に切り離すことを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  7. 請求項１から６までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記半導体コアと上記半導体層は、ＧaＮを母材とする半導体からなり、
    上記露出工程においてドライエッチングを用いることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  8. 請求項１から７までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記露出工程において、上記半導体層の外周面と段差なく連続するように上記半導体コアの外周面を露出させることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  9. 請求項１から７までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法において、
    上記露出工程において、上記半導体コアの上記半導体層に覆われた領域の外周面と上記半導体コアの露出領域の外周面とが連続していることを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
  10. 請求項１から３までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子の製造方法により製造された棒状構造発光素子を備えた表示装置の製造方法であって、
    独立した電位が夫々与えられる少なくとも２つの電極を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板を作成する基板作成工程と、
    上記絶縁性基板上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの上記棒状構造発光素子を含んだ液体を塗布する塗布工程と、
    上記少なくとも２つの電極に上記独立した電圧を夫々印加して、上記棒状構造発光素子を上記少なくとも２つの電極により規定される位置に配列させる配列工程と
    を有することを特徴とする表示装置の製造方法。
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