JP7463986B2

JP7463986B2 - マイクロｌｅｄディスプレイ素子

Info

Publication number: JP7463986B2
Application number: JP2021033238A
Authority: JP
Inventors: 浩一五所野尾
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: JP2022134238A

Description

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。

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。

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。

２０２０－８８３８３号公報

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。

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。

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。

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。

誘電体膜は、ＴｉＯ₂またはＮｂ₂Ｏ₅であってもよい。

誘電体膜のうち、最上層はＳｉＯ₂であり、他の層はＴｉＯ₂またはＮｂ₂Ｏ₅であってもよい。

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。

金属膜は、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、またはＮｉであってもよい。

金属膜の層数は、２～５であってもよい。

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。

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。

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。

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。

実施例１の発光素子の構成を示した図。吸収構造体の構成を示した図。吸収構造体の反射率の入射角依存性を示したグラフ。吸収構造体の反射率の波長依存性を示したグラフ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、Ｎｂ₂Ｏ₅、などを用いることができる。

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、Ｎｂ₂Ｏ₅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。

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。

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。

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。

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。

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。

側壁絶縁膜１９は、ｐ電極１４やｎ電極１５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_２である。

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上にドット状に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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｎｂ₂Ｏ₅に替えたところ、ＴｉＯ₂の場合と同等の反射率となった。また、Ｔａ₂Ｏ₅、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、Ｙ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃に替えたところ、Ｔａ₂Ｏ₅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。

本発明は、マイクロＬＥＤディスプレイに利用できる。

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

Claims

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。
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の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。
前記誘電体膜は、ＴｉＯ_２またはＮｂ_２Ｏ_５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。
前記誘電体膜のうち、最上層はＳｉＯ_２であり、他の層はＴｉＯ_２またはＮｂ_２Ｏ_５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。
前記吸収構造体上に、ＳｉＯ_２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。
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。
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。
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。
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。
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。