WO2023119950A1 - マイクロledディスプレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a micro LED display and its manufacturing method.
- micro LED displays have been expected as next-generation displays for AR (augmented reality) and VR (virtual reality). Since the micro LED has a very small chip size of 100 ⁇ m or less, it is difficult to make the light emission intensity uniform within the wafer surface.
- the pixels are arranged in an array with the object of preventing light leakage to adjacent pixels of the image display element and enhancing the light output in the front direction of the image display element to improve the luminous efficiency.
- a driving circuit board including a micro light emitting device, a driving circuit for supplying current to the micro light emitting device to emit light;
- a configuration is disclosed in which a barrier wall that does not transmit light emitted by the micro light-emitting elements is arranged around the control unit.
- the present invention has been made in view of such problems, and its object is to provide a micro LED display with improved luminous efficiency without using different types of micro LEDs for each color, and a method of manufacturing the same. It is in.
- the present invention provides a first conductivity type electrode, a plurality of micro LEDs spaced apart on the first conductivity type electrode and each emitting ultraviolet light having a wavelength of 405 nm or less, and an electrode of the second conductivity type formed; a reflective barrier material standing between the plurality of micro LEDs and reflecting light from the side surfaces of the micro LEDs; a film-shaped wiring substrate having a wiring structure connected to the electrodes of the second conductivity type of the three micro LEDs so that each micro LED constitutes one pixel; and a film-shaped wavelength conversion layer comprising phosphors for wavelength-converting light from the three micro LEDs into red, green, and blue, respectively, and the side surfaces of the micro LEDs are separated from the electrodes of the first conductivity type.
- An inclined surface is formed so that the width of the micro-LED is gradually narrowed toward the electrode of the second conductivity type, and the reflective barrier material is arranged parallel to the stacking direction of the plurality of micro-LEDs and with the micro-LEDs. It is a micro LED display that stands up to the same height.
- One embodiment of the present invention further comprises a phosphor dispersed resin filled between the micro LED and the reflective barrier layer.
- said electrode of first conductivity type is a copper-tungsten conductive substrate.
- the present invention comprises steps of crystal-growing a GaN buffer layer, an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer in this order on a sapphire substrate, forming a transparent electrode on the p-layer by vapor deposition, and forming the transparent electrode.
- a film-like wavelength conversion layer comprising phosphors for converting the wavelengths of the light from the three micro LEDs into red, green, and blue, respectively, wherein the micro A side surface of the LED is formed with an inclined surface so that the width of the micro LED gradually narrows from the conductive substrate toward the n-type layer, and the reflection barrier material is parallel to the stacking direction of the plurality of micro LEDs. , and erected up to the same height as the micro LED.
- a step of standingly forming a reflective barrier material between the plurality of micro LEDs, and three micro LEDs adjacent to each other among the plurality of micro LEDs form one pixel.
- the step of forming a film-like wiring board on the n-electrode is carried out at the same time.
- resin in which a phosphor is dispersed is filled between the micro LEDs and the reflective barrier layer. It further has a step of performing.
- the conductive substrate is copper tungsten.
- micro LED display with improved luminous efficiency and a manufacturing method thereof without using different types of micro LEDs for each color.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of a micro LED according to an embodiment
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a micro LED display of an embodiment
- FIG. 1 is a schematic plan view of a micro LED display of an embodiment
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (part 1) showing a method for manufacturing a micro LED display according to an embodiment
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (part 2) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- 3 is a schematic cross-sectional view (No. 3) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view (part 4) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of a micro LED according to an embodiment
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a micro LED display of an embodiment
- FIG. 1 is a schematic plan view of a micro LED
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (No. 5) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view (No. 6) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. 7 is a schematic cross-sectional view (No. 7) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. 1 is a plan view of a film wiring board according to an embodiment
- FIG. 8 is a schematic cross-sectional view (No. 8) showing the method for manufacturing the micro LED display of the embodiment
- FIG. It is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing method of the micro LED display of the first modification.
- FIG. 11 is a schematic cross-sectional view (No. 1) showing a method of manufacturing a micro LED display of the second modified example
- FIG. 11 is a schematic cross-sectional view (part 2) showing a method of manufacturing a micro LED display of the second modified example;
- FIG. 1 shows a basic schematic cross-sectional view of the micro LED used in the micro LED display in this embodiment.
- the micro LED 1 is an LED that has a rectangular planar shape with at least one side of 100 ⁇ m or less, more preferably 50 ⁇ m or less, and emits ultraviolet light (UV) with a wavelength of 405 nm or less.
- the micro LED 1 of this embodiment does not have a flip-chip structure in which electrodes are arranged in parallel, but a vertical V-chip structure in which electrodes are arranged vertically.
- the micro LED 1 has a conductive substrate 10 of, for example, copper tungsten (CuW) with a thickness of about 100 ⁇ m. Laminated.
- the substrate 10 corresponds to a first conductivity type electrode, and the n-electrode 20 corresponds to a second conductivity type electrode.
- the p-type layer 14 is composed of a p-GaN (GaN; Mg) contact layer and an (AlGaN; Mg/GaN; Mg) p-SLS (superlattice structure) layer. That is, the p-GaN contact layer is formed on the substrate 10 having heat dissipation property via the ITO transparent electrode 12 .
- the light emitting layer 16 is composed of (InGaN/AlGaN) MQW (multiple quantum well) layers.
- the n-type layer 18 is composed of an (AlInGaN)/(InGaN;Si) n-SLS (superlattice structure) layer and a (GaN;Si) contact layer.
- (GaN;Si) indicates Si-doped GaN.
- the emission wavelength in such a configuration is specifically 385 nm, it may be other than that, for example, 400 nm.
- both 385 nm and 400 nm have the same basic epitaxial structure, 385 nm has more Al content and less In content in the (InGaN/AlInGaN) MQW light emitting layer 16 than 400 nm due to the relationship of bandgap energy. .
- the side surface of the micro LED 1 is formed with an inclined surface (taper) so that the width of the micro LED 1 gradually narrows in the stacking direction from the substrate 10 to the n-electrode 20. is formed with a passivation layer 22 of SiO2 .
- the angle formed by the inclined surfaces is arbitrary, an angle of 45 degrees, for example, is preferable from the viewpoint of maximizing extraction efficiency.
- the area ratio of the side surface relatively increases as the size is reduced. improves.
- the shape of the side surface an inclined surface shape, the area of the side surface of the light emitting layer 16 can be made larger than when the side surface is vertical, and the light extraction efficiency from the side surface is further improved.
- the substrate 10 with excellent heat dissipation properties such as copper tungsten on the p-electrode side, the heat dissipation properties are improved, and a larger current can be supplied, so that a decrease in luminous efficiency due to heat generation can be suppressed.
- FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of a micro LED display using the micro LED 1 shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as micro UV-LED chip 1).
- a plurality of micro UV-LED chips 1 (only three are shown in the drawing) are spaced apart from each other on a common copper tungsten (CuW) substrate 10 . Note that the plurality of micro UV-LED chips 1 are arranged in a two-dimensional array on a plane.
- a reflective barrier material 24 is erected parallel to the lamination direction of the micro UV-LED chips 1, in other words, parallel to the normal direction of the surface of the substrate 10.
- the reflective barrier material 24 prevents light from the adjacent micro UV-LED chip 1 from leaking to other micro UV-LED chips 1, and reflects light from the lateral direction of the micro UV-LED chip 1.
- a material that has the function of increasing the light extraction efficiency in the light extraction direction (upward direction in the figure) and therefore reflects light (ultraviolet light with a wavelength of 405 nm or less) from the side surface of the micro UV-LED chip 1, such as aluminum consists of Also, the height of the reflective barrier material 24 is the same as the height of the micro UV-LED chip 1 .
- a plurality of micro UV-LED chips 1 are surrounded by a reflective barrier material 24 and separated from each other.
- FIG. 2B shows a schematic plan view showing the positional relationship between the micro UV-LED chip 1 and the reflective barrier material 24.
- the reflective barrier material 24 is formed around the micro UV-LED chip 1 having a rectangular planar shape. 2A, the reflective barrier material 24 is formed over the passivation layer 22 of SiO2. Since the periphery of the micro UV-LED chip 1 is surrounded by the reflective barrier material 24 , all the light emitted from the side surface of the light emitting layer 16 is reflected by the reflective barrier material 24 .
- a film-like wiring substrate 26 is formed on the plurality of micro UV-LED chips 1.
- FIG. The film-like wiring substrate 26 is formed with three n-type electrodes facing the n-electrodes 20 of the three adjacent micro UV-LED chips 1, respectively.
- a film-like wiring substrate 26 is attached so that each n-electrode 20 of 1 and the three n-type electrodes are joined.
- the wiring board 26 has a drive circuit for driving the micro UV-LED chips 1 .
- the drive circuit includes a row selection circuit that selects each row of the micro UV-LED chips 1 arranged in a two-dimensional array, a column selection circuit that selects each column, and an image processing circuit that generates a light emission signal from an input signal.
- R phosphors 28R, G phosphors 28G, and B phosphors 28B are further applied on the film-like wiring board 26, and a barrier material 30 is provided to partition these phosphors 28R, 28G, and 28B from each other.
- the R phosphor 28R is configured by, for example, dispersing a phosphor powder that receives ultraviolet light from the micro UV-LED chip 1 and emits red light having a longer wavelength than the ultraviolet light in a cured transparent resin material. be done. Examples of the red phosphor powder include LOS:Eu.
- the green phosphor powder is, for example, BAM:Eu, Mn
- the blue phosphor powder is, for example, BAM:Eu, but the present invention is not limited to these.
- LOS is La2O2S
- BAM is (Ba,Mg) Al10O17 .
- the R phosphor 28R is arranged on the micro UV-LED chip 1 located on the left side of the three adjacent micro UV-LED chips 1, and on the micro UV-LED chip 1 located in the center.
- a G phosphor 28G is arranged on the micro UV-LED chip 1 located on the right side
- a B phosphor 28B is arranged on the micro UV-LED chip 1 located on the right side. 28B constitutes one pixel.
- the ultraviolet light from the micro UV-LED chip 1 located on the left side among the three adjacent micro UV-LED chips 1 is converted into a red wavelength by the R phosphor 28R and emitted to the outside.
- Ultraviolet light from the micro UV-LED chip 1 located in the center is converted into a green wavelength by the G phosphor 28G and emitted to the outside.
- Ultraviolet light from the micro UV-LED chip 1 located on the right side is converted into a blue wavelength by the B phosphor 28B and emitted to the outside.
- the ultraviolet light emitted from the inclined side surface of the micro UV-LED chip 1 located on the left side of the three adjacent micro UV-LED chips 1 is reflected by the reflection formed so as to surround the micro UV-LED chip 1.
- the visible light component of the spectrum of the micro UV-LED chip 1 is weak, even if there are variations in the characteristics of the UV-LED, the emitted color of the phosphor is less affected.
- the area ratio of the side surface is relatively increased, so the V-chip can improve the light extraction efficiency from the side surface. Such an improvement in light extraction efficiency becomes even more remarkable when the side surface of the micro UV-LED chip 1 is inclined and the reflective barrier material 24 is used in combination.
- the substrate 10 of copper tungsten (CuW) the heat dissipation characteristics are improved, and a larger drive current can be applied. In addition, it is possible to suppress a decrease in luminous efficiency due to heat generated during driving.
- 3 to 11 are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing a micro LED display.
- a GaN buffer layer 32, an n-type layer 18, a light-emitting layer 16, and a p-type layer 14 are grown in this order on a sapphire substrate 30 using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
- MOCVD metal organic chemical vapor deposition
- the n-type layer 18 includes an SLS (superlattice structure) layer
- the p-type layer 14 also includes an SLS (superlattice structure) layer.
- the light emitting layer 16 includes an (InGaN/AlGaN) MQW layer.
- an ITO transparent electrode 12 is deposited on the p-type layer, and a conductive substrate 10 having a thickness of about 100 ⁇ m, for example, a copper tungsten (CuW) substrate 10 is bonded thereon.
- a conductive substrate 10 having a thickness of about 100 ⁇ m, for example, a copper tungsten (CuW) substrate 10 is bonded thereon.
- CuW copper tungsten
- the side surface of the micro LED chip is etched so as to form an inclined surface (tapered surface).
- the angle of the inclined surface that is, the angle formed with respect to the stacking direction of the micro LED chips is, for example, 45 degrees.
- an n-electrode 20 is vapor-deposited on the n-type layer surface of each of the plurality of isolated micro LED chips.
- a passivation layer 22 of SiO 2 is formed on the regions other than the n-electrodes 20 on the n-layer side of all the micro LED chips to passivate them.
- a reflective barrier material 24 made of a highly reflective material such as aluminum is formed between adjacent micro LED chips.
- a film-like wiring substrate 26 having an n-type electrode 25 is attached so that the n-electrodes 20 and the n-type electrodes 25 of all the micro LED chips are bonded.
- FIG. 10 shows a partial plan view of the film-like wiring board 26.
- FIG. It is a configuration for one pixel corresponding to three adjacent micro LED chips.
- Three n-type electrodes 25 are arranged and these three n-type electrodes 25 are connected to a drive circuit 27 .
- a film-like wavelength conversion layer 32 applied with R phosphors 28R, G phosphors 28G, and B phosphors 28B separated from each other by a barrier material 30 is pasted on the micro LED chip. .
- micro LED display By manufacturing a micro LED display using the above process, mass transfer can be used instead of pick and place, and the time required for mounting can be shortened. That is, when RGB and UV LED chips are individually manufactured and used for pixels to manufacture a display, it is essential to mount extremely small LEDs of 50 ⁇ m or less in large quantities and with high precision. The time can be greatly reduced compared to picking up chips individually and mounting them individually.
- the sapphire substrate 30 and the GaN buffer layer 32 are lifted off for manufacturing, there is no process of dicing the sapphire substrate 30 with a laser, and there is no damage to the side surface of the LED chip due to heat generated by laser irradiation. Efficiency loss can be avoided. That is, when adopting a flip-chip structure, a red GaP-based LED is attached to a sapphire substrate to ensure strength, and diced by an excimer laser in the same manner as the green and blue InGaN-based LEDs, this dicing process can be used to cut the side surface of the chip. is greatly damaged by heat, and the luminous efficiency of the chip is lowered due to blackening or the like. However, the manufacturing method of the present embodiment can prevent such heat damage and avoid a decrease in luminous efficiency.
- V-chip structure instead of a flip-chip structure in which electrodes are arranged in parallel, the space for arranging the n-electrodes of the flip-chip becomes unnecessary, so the number of chips that can be manufactured from a grown wafer increases (approximately 2 double).
- the area of the side surface of the light emitting layer is increased, and together with the reflection barrier material 24 standing parallel to the stacking direction of the LED chip, the horizontal The light extraction efficiency from the direction is improved.
- the reflective barrier material 24 is erected between the micro LED chips, and then the film-like wiring board 26 is attached.
- the reflective barrier material 24 may be positioned between the micro LED chips and attached together.
- FIG. 12 shows a cross-sectional view of the first modified example.
- a film-like wiring substrate 26 provided with a reflective barrier material 24 formed according to the pixel size is placed between the micro LED chips.
- the n-electrodes 20 of the micro LED chips and the n-type electrodes 25 of the wiring board 26 are joined.
- the wiring board 26 and the reflection barrier material 24 are integrated, the arrangement position of the reflection barrier material 24 can be fixed more firmly, and the manufacturing process can be simplified.
- the reflective barrier material 24 is erected between the micro LED chips, and then the film-like wiring board 26 is bonded. and the reflection barrier material 24 may be filled with a silicon-based resin in which a phosphor is dispersed, and then the film-like wiring board 26 may be attached.
- FIG. 13 shows a cross-sectional view of the second modified example.
- silicon-based resins 29R and 29G in which phosphors are dispersed in the gap between the micro LED chip and the reflection barrier material 24 after the reflection barrier material 24 is set up between the micro LED chips, Fill 29B. Then, as shown in FIG. 14, a film-like wiring board 26 is attached.
- the silicon-based resin in which the phosphor is dispersed is filled, it is not necessary to place the phosphor after the film-like wiring board 26 is bonded as shown in FIG. 11, and the process is simplified. It has the effect of transforming If necessary, the film-like wavelength conversion layer 32 may be pasted on the micro LED chip after the silicon-based resin is filled.
- micro LED micro UV-LED chip
- 10 substrate 16 light-emitting layer
- 20 n-electrode 22 passivation layer
- 24 reflective barrier material 26 wiring substrate
- 28R R red
- 28G G green
- 28B B blue
- barrier material 32 wavelength conversion layer.
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Abstract
色毎に異なる種類のマイクロLEDを用いることなく、かつ、発光効率を向上させたマイクロLEDディスプレイ及びその製造方法を提供する。マイクロLEDディスプレイは、複数のマイクロUV-LEDチップ1と、マイクロUV-LEDチップ1からの紫外光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する蛍光体28R,20G、28Bを備えるフィルム状の波長変換層32を備える。マイクロUV-LEDチップ1の側面は傾斜面が形成され、マイクロUV-LEDチップ1は、側面から出射した紫外光を反射する反射障壁材24で囲まれる。
Description
本発明は、マイクロLEDディスプレイ及びその製造方法に関する。
近年、AR(拡張現実)やVR(仮想現実)用の次世代ディスプレイとしてマイクロLEDディスプレイが期待されている。マイクロLEDは、チップサイズが100μm以下と極めて小さいため、ウェハ面内で発光強度を均一にすることが困難である。
特許文献1には、画像表示素子の隣接画素への光漏洩を防止し、画像表示素子の正面方向の光出力を強化することで発光効率を向上することを課題として、アレイ状に配列されたマイクロ発光素子と、マイクロ発光素子に電流を供給して発光させる駆動回路を含む駆動回路基板と、マイクロ発光素子の光放出面上に配置された配光制御部(70)とを含み、配光制御部の周囲に、マイクロ発光素子が放出する光を透過しない隔壁を配置する構成が開示されている。
ところで、チップサイズが100μm以下のマイクロLEDディスプレイでは、
(1)微細化したマイクロLEDチップは、チップサイズが50μm以下になると、特にGaP系材料を使用する赤色LEDチップの発光効率が急激に劣化する
(2)赤色にGaP系材料、青色、緑色にInGaN系材料を使用すると、駆動電圧と電流が異なるため、制御が複雑になるだけでなく、電気特性がばらつくので色むらが発生する
(3)赤色、緑色、青色の3色のマイクロLEDチップを色毎にピックアンドプレイスで実装するのに時間を要し、製造コストが増大する
という課題がある。
(1)微細化したマイクロLEDチップは、チップサイズが50μm以下になると、特にGaP系材料を使用する赤色LEDチップの発光効率が急激に劣化する
(2)赤色にGaP系材料、青色、緑色にInGaN系材料を使用すると、駆動電圧と電流が異なるため、制御が複雑になるだけでなく、電気特性がばらつくので色むらが発生する
(3)赤色、緑色、青色の3色のマイクロLEDチップを色毎にピックアンドプレイスで実装するのに時間を要し、製造コストが増大する
という課題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであり、その目的は、色毎に異なる種類のマイクロLEDを用いることなく、かつ、発光効率を向上させたマイクロLEDディスプレイ及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、第1導電型の電極と、前記第1導電型の電極上に離間形成され、それぞれ波長405nm以下の紫外光を発光する複数のマイクロLEDと、前記複数のマイクロLED上のそれぞれに形成された第2導電型の電極と、前記複数のマイクロLEDの間に立設され、前記マイクロLEDの側面からの光を反射する反射障壁材と、前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記3個のマイクロLEDの前記第2導電型の電極と接続される配線構造を有するフィルム状の配線基板と、前記配線基板上に設けられ、前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する蛍光体を備えるフィルム状の波長変換層と、を有し、前記マイクロLEDの側面は、前記第1導電型の電極から前記第2導電型の電極に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、マイクロLEDディスプレイである。
本発明の1つの実施形態では、前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に充填された、蛍光体を分散させた樹脂をさらに有する。
本発明の他の実施形態では、前記第1導電型の電極は、銅タングステンの導電性基板である。
本発明の他の実施形態では、前記第1導電型の電極は、銅タングステンの導電性基板である。
また、本発明は、サファイア基板上に、GaNバッファ層、n型層、発光層、p型層の順に結晶成長させる工程と、前記p層上に透明電極を蒸着形成する工程と、前記透明電極上に導電性基板をボンディングする工程と、前記サファイア基板と前記GaNバッファ層をリフトオフする工程と、前記n型層側からエッチングすることで複数のマイクロLEDを形成するとともに、前記マイクロLEDの側面に傾斜面を形成する工程と、前記複数のマイクロLEDのそれぞれにn電極を蒸着形成する工程と、前記複数のマイクロLEDの前記n電極以外の部分にパッシベーション層を形成する工程と、前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程と、前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記n電極上にフィルム状の配線基板を形成する工程と、前記配線基板上に前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する蛍光体を備えるフィルム状の波長変換層を形成する工程と、を備え、前記マイクロLEDの側面は、前記導電性基板から前記n型層に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、マイクロLEDディスプレイの製造方法である。
本発明の1つの実施形態では、前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程と、前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記n電極上にフィルム状の配線基板を形成する工程は同時に実施される。
本発明の他の実施形態では、前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程の後に、前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に、蛍光体を分散させた樹脂を充填する工程をさらに有する。
本発明のさらに他の実施形態では、前記導電性基板は、銅タングステンである。
本発明によれば、色毎に異なる種類のマイクロLEDを用いることなく、かつ、発光効率を向上させたマイクロLEDディスプレイ及びその製造方法を提供できる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態におけるマイクロLEDディスプレイに用いられるマイクロLEDの基本的な模式的断面図を示す。
マイクロLED1は、そのチップサイズが矩形状の平面形状において少なくともその一辺が100μm以下、より好ましくは50μm以下であり、波長405nm以下の紫外光(UV)を発光するLEDである。本実施形態のマイクロLED1は、電極配置が並行するフリップチップ構造ではなく、電極配置が上下に位置する縦型(Vertical)のVチップ構造である。
マイクロLED1は、厚さ100μm程度の導電性の、例えば銅タングステン(CuW)の基板10上に、ITOの透明電極12、p型層14、発光層16、n型層18、n電極20が順次積層される。基板10は第1導電型の電極に相当し、n電極20は第2導電型の電極に相当する。
p型層14は、p-GaN(GaN;Mg)コンタクト層、及び(AlGaN;Mg/GaN;Mg)p-SLS(超格子構造)層から構成される。すなわち、p―GaNコンタクト層は、ITOの透明電極12を介して放熱性のある基板10に形成される。
発光層16は、(InGaN/AlGaN)MQW(多重量子井戸)層から構成される。
n型層18は、(AlInGaN)/(InGaN;Si)n―SLS(超格子構造)層、及び(GaN;Si)コンタクト層から構成される。
ここで、例えば(GaN;Si)は、SiがドープされたGaNであることを示す。
かかる構成における発光波長は具体的には385nmであるが、それ以外、例えば400nmとしてもよい。385nm及び400nmともに基本的なエピタキシャル構造は同じであるが、バンドギャップエネルギの関係から385nmの方が400nmに比べて(InGaN/AlInGaN)MQW発光層16のAl含有量が多く、In含有量が少ない。
かかる構成における発光波長は具体的には385nmであるが、それ以外、例えば400nmとしてもよい。385nm及び400nmともに基本的なエピタキシャル構造は同じであるが、バンドギャップエネルギの関係から385nmの方が400nmに比べて(InGaN/AlInGaN)MQW発光層16のAl含有量が多く、In含有量が少ない。
また、マイクロLED1の側面は、基板10からn電極20までの積層方向に対してマイクロLED1の幅が順次狭くなるように傾斜面(テーパ)が形成されており、この傾斜面が形成された側面はSiO2のパッシベーション層22が形成される。傾斜面のなす角度は任意であるが、例えば45度とすることが取り出し効率を極大化する観点から好ましい。
マイクロLED1では、一般にマイクロサイズ化に伴って相対的に側面の面積比が増大することになるところ、本実施形態ではフリップチップ構造ではなくVチップ構造とすることで、側面からの光取り出し効率が向上する。また、当該側面の形状を傾斜面形状とすることで、発光層16の側面の面積を側面が垂直の場合と比較して大きくとることができ、側面からの光取り出し効率がさらに向上する。
また、p電極側に銅タングステン等の放熱特性に優れた基板10を用いることで、放熱性を向上し、より大きな電流を投入することが可能となるので発熱による発光効率の低下を抑制できる。
図2Aに、図1に示すマイクロLED1(以下では、これをマイクロUV-LEDチップ1と称する)を用いたマイクロLEDディスプレイの模式的断面図を示す。
共通の銅タングステン(CuW)の基板10上に複数(図では3個のみ示す)のマイクロUV-LEDチップ1が互いに離間して形成される。なお、平面上では複数のマイクロUV-LEDチップ1は2次元アレイ状に配置される。
共通の銅タングステン(CuW)の基板10上に複数(図では3個のみ示す)のマイクロUV-LEDチップ1が互いに離間して形成される。なお、平面上では複数のマイクロUV-LEDチップ1は2次元アレイ状に配置される。
隣接するマイクロUV-LEDチップ1の間には、マイクロUV-LEDチップ1の積層方向に平行に、言い換えれば基板10の表面の法線方向に平行に反射障壁材24が立設される。反射障壁材24は、隣接するマイクロUV-LEDチップ1からの光の他のマイクロUV-LEDチップ1への漏洩を防止するとともに、マイクロUV-LEDチップ1の横方向からの光を反射して光取り出し方向(図における上方向)への光取り出し効率を増大させる機能を有し、このためマイクロUV-LEDチップ1の側面からの光(波長405nm以下の紫外光)を反射する材料、例えばアルミニウムで構成される。また、反射障壁材24の高さは、マイクロUV-LEDチップ1の高さと同一である。複数のマイクロUV-LEDチップ1は、それぞれその周囲が反射障壁材24で囲まれて互いに分割される。
図2Bに、マイクロUV-LEDチップ1と反射障壁材24との位置関係を示す模式的平面図を示す。反射障壁材24は、平面形状が矩形状のマイクロUV-LEDチップ1を囲むようにその周囲に形成される。なお、図2Aから分かるように、反射障壁材24は、SiO2のパッシベーション層22の上に形成される。マイクロUV-LEDチップ1の周囲は反射障壁材24で囲まれているので、発光層16の側面から出射した光は、全て反射障壁材24で反射される。
再び図2Aに戻り、複数のマイクロUV-LEDチップ1上には、フィルム状の配線基板26が形成される。フィルム状の配線基板26には、隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1のそれぞれのn電極20と対向する3つのn型電極が形成されており、隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1のそれぞれのn電極20と3つのn型電極とが接合するようにフィルム状の配線基板26を貼り合わせる。このとき、反射障壁材24の高さとマイクロUV-LEDチップ1の高さは同一であるため、フィルム状の配線基板26の貼り合わせが容易化・均一化される。配線基板26は、複数のマイクロUV-LEDチップ1を駆動する駆動回路を備える。駆動回路は、2次元アレイ状に配置されたマイクロUV-LEDチップ1の各行を選択する行選択回路、各列を選択する列選択回路、入力信号から発光信号を生成する画像処理回路を含む。
フィルム状の配線基板26上には、さらに、R蛍光体28R、G蛍光体28G、B蛍光体28Bを施し、これらの蛍光体28R、28G、28Bを互いに仕切る障壁材30を備えた紫外線透過性の高いフィルム状の波長変換層32が形成される。R蛍光体28Rは、例えば透明樹脂硬化物中にマイクロUV-LEDチップ1からの紫外光を受光して、当該紫外光よりも波長の長い赤色の光を発光する蛍光体粉末を分散させて構成される。赤色蛍光体粉末としては、例えばLOS:Euである。また、緑色蛍光体粉末としては、例えばBAM:Eu,Mnであり、青色蛍光体粉末としては、例えばBAM:Euであるが、これに限定されない。ここで、LOSは、La2O2Sであり、BAMは、(Ba,Mg)Al10O17である。
図2Aにおいて、隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1のうちの左側に位置するマイクロUV-LEDチップ1上にはR蛍光体28Rが配置され、中央に位置するマイクロUV-LEDチップ1上にはG蛍光体28Gが配置され、右側に位置するマイクロUV-LEDチップ1上にはB蛍光体28Bが配置され、これら隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1及び蛍光体28R,28G,28Bで1つの画素が構成される。隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1のうちの左側に位置するマイクロUV-LEDチップ1からの紫外光は、R蛍光体28Rで赤色の波長に変換されて外部に出射する。中央に位置するマイクロUV-LEDチップ1からの紫外光は、G蛍光体28Gで緑色の波長に変換されて外部に出射する。右側に位置するマイクロUV-LEDチップ1からの紫外光は、B蛍光体28Bで青色の波長に変換されて外部に出射する。
また、隣接する3個のマイクロUV-LEDチップ1のうちの左側に位置するマイクロUV-LEDチップ1の傾斜側面から出射した紫外光は、マイクロUV-LEDチップ1を囲むように形成された反射障壁材24により反射され、その一部がR蛍光体28Rで赤色の波長に変換されて外部に出射する。他のマイクロUV-LEDチップ1についても同様である。
このように、本実施形態では、同一種類のマイクロUV-LEDチップ1で赤色、緑色、青色の蛍光体を励起することでフルカラーを得るので、ピックアンドプレイスではなく、転写によるマストランスファーが可能となる。
また、マイクロUV-LEDチップ1のスペクトルは可視光成分が微弱であるので、仮にUV-LEDの特性にばらつきがあったとしても、蛍光体の発光色に影響が少ない。
また、マイクロUV-LEDチップ1のマイクロサイズ化に伴って相対的に側面の面積比が増大するので、Vチップ化により側面からの光取り出し効率を向上させることができる。そして、このような光取り出し効率の向上は、マイクロUV-LEDチップ1の側面の傾斜面化と反射障壁材24との併用によってさらに顕著なものとなる。
また、銅タングステン(CuW)の基板10を用いることにより放熱特性が向上し、より大きな駆動電流を投入することができる。また、駆動時の発熱による発光効率の低下も抑制できる。
次に、本実施形態におけるマイクロLEDディスプレイの製造方法について説明する。
図3~図11は、マイクロLEDディスプレイの製造方法を示す模式的断面図である。まず、図3に示すように、サファイア基板30上に、GaNバッファ層32、n型層18、発光層16、p型層14の順に有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて結晶成長し、LED構造を形成する。ここで、n型層18にはSLS(超格子構造)層が含まれ、p型層14にもSLS(超格子構造)層が含まれる。また、発光層16には(InGaN/AlGaN)のMQW層が含まれる。
そして、p型層の上にITOの透明電極12を蒸着形成し、その上に厚さ100μm程度の導電性のある基板10、例えば銅タングステン(CuW)の基板10をボンディングする。
次に、図4に示すように、サファイア基板30とGaNバッファ層32をリフトオフした後、図5に示すように、n層側からアイソレーションエッチングすることでサイズ100μm以下、より好ましくは50μm以下の複数のマイクロLEDチップを形成する。このアイソレーションエッチングの工程では、マイクロLEDチップの側面が傾斜面(テーパ面)となるようにエッチングする。エッチングによる傾斜面の形成技術は公知である。傾斜面の角度、すなわちマイクロLEDチップの積層方向に対してなす角度は、例えば45度とする。
次に、図6に示すように、アイソレーションされた複数のマイクロLEDチップのそれぞれのn型層表面にn電極20を蒸着形成する。
次に、図7に示すように、全てのマイクロLEDチップのn層側のn電極20以外の領域にSiO2のパッシベーション層22を形成して不動態化する。
次に、図8に示すように、隣接するマイクロLEDチップの間に、例えばアルミニウムのような反射率の高い材料からなる反射障壁材24を形成する。
次に、図9に示すように、n型電極25を有するフィルム状の配線基板26を、全てのマイクロLEDチップのn電極20とn型電極25とが接合するように貼り合わせる。
図10は、フィルム状の配線基板26の一部平面図を示す。隣接する3つのマイクロLEDチップに対応する1画素分の構成である。3つのn型電極25が配置され、これら3つのn型電極25は駆動回路27に接続される。
そして、図11に示すように、障壁材30で互いに区切られたR蛍光体28R、G蛍光体28G、B蛍光体28Bを施したフィルム状の波長変換層32をマイクロLEDチップの上に貼り合わせる。
以上のような工程でマイクロLEDディスプレイを製造することにより、ピックアンドプレイスに代えてマストランスファーすることができ、実装に要する時間を短縮することができる。すなわち、RGBやUVのLEDチップを個別に製造し、これらを画素に用いてディスプレイを製造する場合、50μm以下の極めて小さいLEDを大量かつ高精度に実装することが必須となるが、これらのLEDチップを個別にピックアップし個別に実装していく場合と比較して大幅に時間を短縮化できる。
また、サファイア基板30とGaNバッファ層32をリフトオフして製造するので、サファイア基板30をレーザにてダイシングする工程が無く、レーザ照射に起因する発熱によるLEDチップ側面へのダメージが無く、これによる発光効率の低下を回避できる。すなわち、フリップチップ構造を採用し、赤色のGaP系LEDを強度確保のためサファイア基板に貼り合わせ、緑色、青色のInGaN系LEDと同様にエキシマレーザによりダイシングする場合には、このダイシング工程によりチップ側面は熱による大きなダメージを受け、黒化する等によりチップの発光効率が低下するが、本実施形態の製造方法ではかかる熱によるダメージを防止して発光効率の低下を回避できる。
また、電極配置が並行するフリップチップ構造ではなくVチップ構造を用いることで、フリップチップのn電極が配置されるべきスペースが不要化されるので、成長ウェハから製造できるチップ数が増大(約2倍)する。
さらに、アイソレーションエッチングの工程でLEDチップ側面に傾斜面を形成することで発光層側面の面積を増大させ、LEDチップの積層方向に平行に立設する反射障壁材24と相俟って、横方向からの光取り出し効率が向上する。
<第1変形例>
実施形態では、マイクロLEDチップの間に反射障壁材24を立設し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせているが、反射障壁材24を備えたフィルム状の配線基板26を、当該反射障壁材24がマイクロLEDチップの間に位置するように位置決めしつつ貼り合わせてもよい。
実施形態では、マイクロLEDチップの間に反射障壁材24を立設し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせているが、反射障壁材24を備えたフィルム状の配線基板26を、当該反射障壁材24がマイクロLEDチップの間に位置するように位置決めしつつ貼り合わせてもよい。
図12に、第1変形例の断面図を示す。図7に示すように、SiO2のパッシベーション層22を形成した後、画素サイズに合わせて形成された反射障壁材24を備えるフィルム状の配線基板26を、反射障壁材24がマイクロLEDチップの間に挿入されるように貼り合わせ、マイクロLEDチップのそれぞれのn電極20と配線基板26のn型電極25とを接合する。
この製造方法によれば、配線基板26と反射障壁材24とが一体となっているので反射障壁材24の配置位置をより強固に固定することができるとともに、製造工程をより簡易化できる。
<第2変形例>
また、本実施形態では、マイクロLEDチップの間に反射障壁材24を立設し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせているが、反射障壁材24を立設した後、マイクロLEDチップと反射障壁材24との間の隙間に蛍光体を分散させたシリコン系樹脂を充填し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせてもよい。
また、本実施形態では、マイクロLEDチップの間に反射障壁材24を立設し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせているが、反射障壁材24を立設した後、マイクロLEDチップと反射障壁材24との間の隙間に蛍光体を分散させたシリコン系樹脂を充填し、その後にフィルム状の配線基板26を貼り合わせてもよい。
図13に、第2変形例の断面図を示す。図8に示すように、マイクロLEDチップの間に反射障壁材24を立設した後、マイクロLEDチップと反射障壁材24との間の隙間に蛍光体を分散させたシリコン系樹脂29R、29G、29Bを充填する。そして、図14に示すようにフィルム状の配線基板26を貼り合わせる。
この構成によれば、蛍光体を分散させたシリコン系樹脂を充填するため、図11のようにフィルム状の配線基板26を貼り合わせたあとにさらに蛍光体をのせる必要がなくなり、工程の簡素化ができる効果がある。なお、必要に応じ、シリコン系樹脂を充填した後に、フィルム状の波長変換層32をマイクロLEDチップの上に貼り合わせてもよい。
1 マイクロLED(マイクロUV-LEDチップ)、10 基板、16 発光層、20 n電極、22 パッシベーション層、24 反射障壁材、26 配線基板、28R R(赤色)蛍光体、28G G(緑色)蛍光体、28B B(青色)蛍光体、30 障壁材、32 波長変換層。
Claims (9)
- 第1導電型の電極と、
前記第1導電型の電極上に離間形成され、それぞれ波長405nm以下の紫外光を発光する複数のマイクロLEDと、
前記複数のマイクロLED上のそれぞれに形成された第2導電型の電極と、
前記複数のマイクロLEDの間に立設され、前記マイクロLEDの側面からの光を反射する反射障壁材と、
前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記3個のマイクロLEDの前記第2導電型の電極と接続される配線構造を有するフィルム状の配線基板と、
前記配線基板上に設けられ、前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する蛍光体を備えるフィルム状の波長変換層と、
を有し、
前記マイクロLEDの側面は、前記第1導電型の電極から前記第2導電型の電極に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、
前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、
マイクロLEDディスプレイ。 - 請求項1に記載のマイクロLEDディスプレイにおいて、
前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に充填された、蛍光体を分散させた樹脂
をさらに有するマイクロLEDディスプレイ。 - 第1導電型の電極と、
前記第1導電型の電極上に離間形成され、それぞれ波長405nm以下の紫外光を発光する複数のマイクロLEDと、
前記複数のマイクロLED上のそれぞれに形成された第2導電型の電極と、
前記複数のマイクロLEDの間に立設され、前記マイクロLEDの側面からの光を反射する反射障壁材と、
前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記3個のマイクロLEDの前記第2導電型の電極と接続される配線構造を有するフィルム状の配線基板と、
前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に充填された、蛍光体を分散させた樹脂であり、前記蛍光体が前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する樹脂と、
を有し、
前記マイクロLEDの側面は、前記第1導電型の電極から前記第2導電型の電極に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、
前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、
マイクロLEDディスプレイ。 - 請求項1~3のいずれかに記載のマイクロLEDディスプレイにおいて、
前記第1導電型の電極は、銅タングステンの導電性基板である、
マイクロLEDディスプレイ。 - サファイア基板上に、GaNバッファ層、n型層、発光層、p型層の順に結晶成長させる工程と、
前記p層上に透明電極を蒸着形成する工程と、
前記透明電極上に導電性基板をボンディングする工程と、
前記サファイア基板と前記GaNバッファ層をリフトオフする工程と、
前記n型層側からエッチングすることで複数のマイクロLEDを形成するとともに、前記マイクロLEDの側面に傾斜面を形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDのそれぞれにn電極を蒸着形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDの前記n電極以外の部分にパッシベーション層を形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記n電極上にフィルム状の配線基板を形成する工程と、
前記配線基板上に前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する蛍光体を備えるフィルム状の波長変換層を形成する工程と、
を備え、
前記マイクロLEDの側面は、前記導電性基板から前記n型層に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、
前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、
マイクロLEDディスプレイの製造方法。 - 請求項5に記載の製造方法において、
前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程と、前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記n電極上にフィルム状の配線基板を形成する工程は同時に実施される、
マイクロLEDディスプレイの製造方法。 - 請求項5に記載の製造方法において、
前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程の後に、前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に、蛍光体を分散させた樹脂を充填する工程をさらに有する、
マイクロLEDディスプレイの製造方法。 - サファイア基板上に、GaNバッファ層、n型層、発光層、p型層の順に結晶成長させる工程と、
前記p層上に透明電極を蒸着形成する工程と、
前記透明電極上に導電性基板をボンディングする工程と、
前記サファイア基板と前記GaNバッファ層をリフトオフする工程と、
前記n型層側からエッチングすることで複数のマイクロLEDを形成するとともに、前記マイクロLEDの側面に傾斜面を形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDのそれぞれにn電極を蒸着形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDの前記n電極以外の部分にパッシベーション層を形成する工程と、
前記複数のマイクロLEDの間に反射障壁材を立設形成する工程と、
前記マイクロLEDと前記反射障壁層の間に蛍光体を分散させた樹脂を充填する工程であり、前記蛍光体が前記3個のマイクロLEDからの光をそれぞれ赤色、緑色、青色に波長変換する、工程と、
前記複数のマイクロLEDのうち互いに隣接する3個のマイクロLEDで1画素となるように、前記n電極上にフィルム状の配線基板を形成する工程と、
を備え、
前記マイクロLEDの側面は、前記導電性基板から前記n型層に向けて前記マイクロLEDの幅が順次狭くなるように傾斜面が形成され、
前記反射障壁材は、前記複数のマイクロLEDの積層方向に平行に、かつ前記マイクロLEDと等しい高さまで立設される、
マイクロLEDディスプレイの製造方法。 - 請求項5~8のいずれかに記載の製造方法において、
前記導電性基板は、銅タングステンである、
マイクロLEDディスプレイの製造方法。
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