JP2018041876A - 発光装置の製造方法及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子への給電が損なわれ、ＬＥＤ素子が発光しなくなる可能性を減少する。【解決手段】発光装置の製造方法は、半導体積層と、半導体積層の両面に形成され、少なくとも一方が金属である電極とを有し、平面形状の寸法が５０μｍ以下であり、厚さが１０μｍ以下である、複数の微小発光素子を形成し、微小発光素子に親水化処理を施し、透光性絶縁樹脂溶液を作成し、親水化処理を受けた微小発光素子を混合し、微小発光素子を含む透光性絶縁樹脂溶液を下側基板上に印刷し、下側基板上の印刷に上側基板を結合する。【選択図】 図１−３

Description

本発明は、多数の微小な発光素子を含む発光装置の製造方法、発光装置に関する。

車載ランプ、ディスプレイ、照明などの製品分野においては、精細でデザイン性が高く、自由曲面での発光が可能な発光装置への期待が高まっており、たとえば有機ＥＬ(electroluminescence)素子を使用した発光装置が実用化されつつある。

本発明者は、たとえば多数の微小な半導体発光素子、一例として平面形状が一辺５０μｍ以下の正方形であり、高さ（厚さ）が１０μｍ以下の上下電極型発光ダイオード(light emitting diode; LED)を用いて、面状に分布した発光装置を製造することを検討している。

しかしながら、ピックアップ実装等の手段によって、多数の微小サイズのＬＥＤを基材上に配置することは困難であり、可能であっても時間がかかって非実用的になる。

微小サイズのＬＥＤをピックアップせずに、所定領域に配置する方法として、印刷技術によって微小ＬＥＤを基材上に配置する方法が考えられる（例えば特許文献1，２）。多数の微小ＬＥＤ素子をキャリア液の中に混合し、キャリア液を配線を有する支持シート上に印刷する。キャリア液として、透光性絶縁樹脂を溶媒中に溶解したものを用いると、透光性絶縁樹脂が出射光を透過できる絶縁層を形成する。所定面積内に多数の発光素子を配置した発光装置を形成する場合、発光面積内の多数の発光素子の分布がほぼ均一であれば、個々の発光素子の位置はあまり問題とはならないと考えられる。

ｎ型半導体層、半導体発光層、ｐ型半導体層を含む半導体積層構造の両面にｎ側電極、ｐ側電極を形成した微小ＬＥＤ素子を透光性絶縁樹脂溶液中に混合し、表面に導電層を有する支持シートの上に、多数の微小ＬＥＤ素子を含む透光性絶縁樹脂溶液を印刷し、溶媒を乾燥させることによって、微小ＬＥＤ素子を導電層上に配置することが可能であろう。

印刷技術としては、スクリーン印刷、凸版印刷、平板印刷、凹版印刷、オフセット印刷等が知られているが、本出願ではスクリーン印刷を対象とする。スクリーン印刷では、繊維状のスクリーンを枠に張って固定し、その上に開口領域を有する版膜（レジスト）を作り、絶縁樹脂を通過させる印刷領域以外の目を塞いだスクリーン版を作製する。スクリーン版の枠内に絶縁樹脂を載せ、スキージで絶縁樹脂を摺動することにより、レジストのない印刷領域のスクリーンを通して絶縁樹脂を被印刷物上に転写する。絶縁樹脂に一定密度の発光素子を含ませることにより、絶縁性樹脂に含まれた発光素子を被印刷物上に配置することができる。

ＵＳＰ ９，０８２，９３６ 特開２０１６−４０８２８号

印刷用の透光性絶縁樹脂溶液は、一般的に、アクリル樹脂等の透光性絶縁樹脂を溶媒中に溶解して作成する。ｎ型半導体層、半導体発光層、ｐ型半導体層を含む半導体積層構造の両面に電極を形成した、多数の微小ＬＥＤ素子電極を透光性絶縁樹脂溶液中に混合する。多数の微小ＬＥＤ素子を保持する部材として、可撓性、透光性を有し、導電層を備えた基板を用意する。導電層を上側にした下側基板の上に、多数の微小ＬＥＤ素子を含む透光性絶縁樹脂溶液を印刷する。微小ＬＥＤ素子の一方の電極が下側基板の導電層上に配置され、電気的に接続されるようにする。多数の微小ＬＥＤ素子の上方に、導電層を下側にした上側基板を配置し、多数の微小ＬＥＤ素子の他方の電極に、上側基板の導電層を接続するようにする。微小ＬＥＤ素子の外側の透光性絶縁樹脂溶液は、一部蒸発し、残る絶縁樹脂が上側と下側の基板の間に絶縁層を形成する。

微小ＬＥＤ素子の上側電極の表面上に絶縁樹脂が残ると、ＬＥＤ素子への給電が損なわれ、ＬＥＤ素子が発光しなくなる可能性が生じる。透光性絶縁樹脂溶液から溶媒が蒸発してしまった後では、絶縁樹脂の除去は困難になると考えられる。透光性絶縁樹脂溶液が液体の状態の間に、電極表面から透光性絶縁樹脂溶液を排除することが望まれる。

上下両面に電極を備えた微小ＬＥＤ素子の金属の電極面を親水化処理する。親水化処理した金属の電極面は親水性になる。微小ＬＥＤ素子を、透光性絶縁樹脂を溶媒に溶解した溶液中に混合し、下側基板の導電層上に透光性絶縁樹脂溶液を印刷する。疎水性の透光性絶縁樹脂溶液は、親水化した電極面にはなじみにくく、弾かれ易い。露出した電極面に上側基板の配線を接続する。

親水化処理した金属の電極面は、疎水性の樹脂溶液を弾き、ＬＥＤ素子への給電障害を低減する。

、 、および 図１Ａ〜図１Ｎは、実施例による微小ＬＥＤの配置方法を示す概略断面図である。 図２Ａは下側基板上において親水処理された電極が上向きに配置されたサンプルＳＡを示す断面図、図２Ｂは下側基板上において親水処理された電極が下向きに配置されたサンプルＳＢを示す断面図、図２Ｃは対向基板間に多数のサンプルＳＡとＳＢとが配置された発光装置を示す概略図である。 図３は、他の微小ＬＥＤの構成例を示す断面図である。

ＧＳ 成長基板、 １１ 下地層、 １２ ｎ型ＧａＮ層、
１４ 発光層、 １６ ｐ型ＧａＮ層、 ＲＰ レジストパターン、
Ｇ 溝、 ２１ ｐ側電極、 ２２ 絶縁層、 ＳＳ 支持基板、
２３ ウエハ接合剤、 ２７ ｎ側電極、 ３１ チオール溶液、
３２ 透光性絶縁樹脂溶液、 ３３ スキージ、 ３４ スクリーン版、
３５ 開口領域、 ３６ Ａｇペースト層（接続剤）、 ＬＥ 下側基板、
ＵＥ 上側基板。

以下、図面を参照して、実施例による発光装置の製造方法を説明する。本実施例においては、微小ＬＥＤ素子の金等で作成された電極を、チオール処理によって親水性にする。これにより、疎水性の透光性絶縁樹脂溶液を弾くようになる。電極表面上の樹脂被膜が抑制され、印刷方式で実装された微小ＬＥＤ素子の発光不良を抑制する。
（工程１：図１Ａ参照）
両面研磨されたｃ面サファイア基板を成長基板として用いる。成長基板上に、ＭＯＣＶＤを用いて厚み１０μm以下のＬＥＤ構造用半導体積層を成長する。まず成長基板ＧＳ表面上に、低温でＧａＮバッファ層を成長し、基板温度を結晶化温度に昇温して結晶化を促進し、その後同じ温度でアンドープＧａＮ層を成長する。良好な結晶性を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（ＧａＮ系層と呼ぶことがある）の成長が可能となる。ＧａＮバッファ層とアンドープＧａＮ層をまとめて下地層１１と呼ぶことにする。下地層の図示は、以下適宜省略する。下地層１１の上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層１４、およびｐ型ＧａＮ層１６を形成する。ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の発光層は、ＩｎＧａＮ層を井戸層、ＧａＮ層を障壁層とする多重量子井戸層である。
（工程２：図１Ｂ参照）
半導体積層の上に微小ＬＥＤ素子の形状を有するレジストパターンＲＰ１を形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等により、露出領域の半導体積層をエッチングして、素子間に配置され、成長基板ＧＳを露出する溝Ｇを形成する。半導体積層の各素子領域１０が、溝Ｇで画定される。その後、レジストパターンＲＰ１を除去する。ｐ型ＧａＮ層１６が露出する。
（工程３：図１Ｃ参照）
ｐ型ＧａＮ層１６の上に、ｐ側電極２１を形成する。ｐ側電極２１は、たとえば厚さ約５００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層を蒸着して形成する。なお、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとの表記は、Ｔｉ側が最下層であり、Ｐｔ、Ａｕの順に積層されていることを表す。以下の表記も同様である。最上層は金（Ａｕ）層である。ｐ側電極２１の整形は、例えば電極積層の上にレジストパターンＲＰ２を形成し、不要電極層をエッチングし、その後レジストパターンＲＰ２は除去する。また、電極層形成前に不要部を覆うレジストパターンを形成し、電極層を形成し、その後レジストパターンごと不要部の電極層をリフトオフしてもよい。
（工程４：図１Ｄ参照）
ｐ側電極２１をレジストパターンＲＰ３で覆い、発光層の絶縁保護のため、例えばスパッタ法により、厚さ約２００ｎｍのＳｉＯ_２膜２２を形成する。露出している半導体積層表面は絶縁層２２により覆われる。尚、絶縁層は、ＳｉＯ_２膜に限らない。窒化膜等を組み合わせて用いてもよい。その後、レジストパターンＲＰ３は除去する。ｐ側電極２１の表面が露出する。
（工程５：図１Ｅ参照）
成長基板ＧＳを剥離するために、ＬＥＤ素子構造に支持部材を取り付ける。素子の上部側（ｐ側電極側）を、ウェハ接合剤２３を介してサファイア基板（支持基板）ＳＳに貼り付ける。支持基板ＳＳは、サファイア等の高耐久性材料で形成されることが望ましい。例として、支持基板ＳＳへの貼り付けは、素子上部にウェハ接合剤２３をスピンコートにより５０μｍの厚さに塗布し、１３０℃で１０分間、２５０Ｎ／ｍ^２の圧力で支持基板ＳＳに押圧することで行った。微小ＬＥＤ素子構造１０が、ウエハ接合剤２３に囲まれ、一対のサファイア基板ＧＳ，ＳＳに挟まれる。なお、ウェハ接合剤としては、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ 社の Ｂｒｅｗｅｒ ＢＯＮＤ ２２０ を用いることができる。
（工程６：図１Ｆ参照）
レーザリフトオフ法により、成長基板ＧＳを剥離する。一例として、波長２４８ｎｍのエキシマレーザの光を成長基板ＧＳ側から照射し、ＧａＮ下地層１１を加熱分解して、成長基板ＧＳを剥離させる。レーザリフトオフで発生したＧａを熱水等で除去し、表面処理を行うことにより、ｎ型ＧａＮ層１２が露出する。
（工程７：図１Ｇ参照）
露出したｎ型ＧａＮ層１２上に、ｎ側電極２７を形成する。例えば、ｎ側電極２７に対応する開口を有するレジストパターンＲＰ４を予め形成しておき、例えば、厚さ約２７０ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜をスパッタ法で成膜し、スパッタリング後レジストパターンＲＰ４上に堆積した不要層をリフトオフして除去する。
（工程８：図１Ｈ参照）
支持基板ＳＳから発光素子１０の分離を行う。素子側から表面に粘着性をもったフィルムＨＳに基板を貼り付け、リムーバ液中に投入し、支持基板ＳＳを取り除く。フィルムＨＳ上に素子を回収できる。フィルムＨＳは、たとえば材質がポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の半導体素子ハンドリング用フィルムである。
（工程９：図１Ｉ参照）
ハンドリング用フィルムＨＳから、各ＬＥＤ素子を外すと、個々の微小ＬＥＤ素子が得られる。この工程までは、発明者が従来行った工程であり、他の公知の工程に適宜交換したり、組み合わせることも可能である。例えば、同一出願人の特開２０１４−１４６６７２号公報の実施例の開示を取り入れることができる。
以下、本実施例の中心をなす工程を説明する。
（工程１０：図１Ｊ参照）
ＬＥＤ素子の金属電極にチオール処理を行って、親水化処理を行うことができる。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層で形成された金属電極の最上層Ａｕに、効率的なチオール処理を行うことができる。チオール処理はＣｕ等の金属層にも行うことができる。

エタノール中に親水チオールを１０ｍｍоｌ/Ｌ混合し、１０分間撹拌し、チオール溶液３１を調製する。親水基を持つチオールの例としては、カルボキシル末端を持つもの（10-Carboxy-1-decanethiol等）やアミノ末端を持つもの（11-Amino-1-undecanethiol等）が挙げられる。これらのチオール溶液を用いることにより、電極表面にカルボキシル基やアミン基を形成し、親水化を行うことができる。チオール溶液３１中に発光素子１０を混合し、１０分間撹拌したあと、窒素雰囲気中で１時間静置する。これによりチオールが発光素子１０のｐ側電極２１表面のＡｕと結合し、ｐ側電極２１が親水化する。ｎ側電極２７は、ＩＴＯ膜で形成されており、チオール処理しても親水性にはならない。
（工程１１：図１Ｋ参照）
透光性絶縁樹脂溶液３２を準備し、チオール処理を行ってｐ側電極２１を親水化した発光素子１０を混合して発光素子入り透光性絶縁樹脂溶液を作製する。例えばアクリルや塩酢ビニルを含むような疎水性かつ透光性絶縁樹脂を溶剤に溶解したものを使用する。透光性絶縁樹脂溶液３２は、透光性絶縁樹脂、溶剤（溶媒）と、必要な顔料を混ぜて作られる。透光性絶縁樹脂は塩酢ビニル、塩化ゴム、塩素化ポリプロピレン、アクリル、ポリアミド、ポリウレタン等を用いる。いずれも疎水性の材料である。溶剤（溶媒）は、主に酢酸エチルやイソプロピルアルコール等が用いられ、粘度調整及び乾燥速度調整も行う。顔料は、用途に応じて用いられる任意性部材である。例えば、素子の発光と組み合わせて、異なる波長の光を取り出すような蛍光顔料を用いる。例えば、青色発光素子と組み合わせて黄色蛍光顔料を用い、白色光を取り出す。また発光素子の発光波長の一部を吸収する顔料を用いることもできる。赤外発光素子は、可視赤色光も発光する場合があり、赤見えを防ぎたい場合は、赤色の発光を吸収する顔料を組み合わせ、赤見えを防止する。
（工程１２：図１Ｌ参照）
発光素子１０入り透光性絶縁樹脂溶液３２をスクリーン印刷によって導電領域を有する下側基板ＬＥ上に塗布する。下側基板ＬＥは、例えば表面に導電領域を備えたフィルム状支持材で形成する。スクリーン印刷装置のスクリーン版３４の枠内に透光性絶縁樹脂溶液３２を載せ、スキージ３３で透光性絶縁樹脂溶液３２を摺動することにより、レジストのない開口領域３５のスクリーンを通して透光性絶縁樹脂溶液３２を被印刷物である下側基板ＬＥ上に転写する。例で用いたスクリーンは４０μｍ程度のメッシュであり、メッシュを通す微小ＬＥＤ素子の面内寸法は１８〜１９μｍ程度、厚さは５〜６μｍ程度とした。得られる結果から、スキージ３３で押し込まれる際に、薄板状の発光素子１０はスクリーン版３４に平行な向きに姿勢制御されると考えられる。透光性絶縁樹脂溶液３２に一定密度の発光素子１０を含ませておくことにより、所望密度の発光素子１０を下側基板ＬＥ上に配置することができる。
（工程１３：図１Ｍ参照）
下側基板上に塗布された発光素子１０を含む透光性絶縁樹脂溶液３２を概略的に示す。透光性絶縁樹脂溶液３２は疎水性であるので、親水化されたｐ側電極２１を弾いて付着せず図１Ｍに示すようにｐ側電極２１表面への被膜が抑制される。一方、ｎ側電極２７は親水化されておらず、疎水性の透光性絶縁樹脂溶液３２となじむ。ＩＴＯは親水化しない。ｎ側電極２７は固体化した透光性絶縁樹脂溶液３２Ｓで覆われ易い。発光素子１０入り透光性絶縁樹脂溶液３２をスクリーン印刷によって下側基板ＬＥ上に塗布した後、印刷物を常温環境に３０分おき、透光性絶縁樹脂溶液３２を乾燥させる。
（工程１４：図１Ｎ参照）
乾燥後、微小ＬＥＤ素子１０と透光性絶縁樹脂層３２Ｓを含む塗布物の上部に、たとえばＡｇペースト層等の接続剤３６を塗布し、ｐ型電極２１に接続された導電層を形成する。尚、発光パターン以外の領域にはＡｇペースト層３６を形成する必要はない。Ａｇペースト層３６の上に、上側基板ＵＥの導電領域を載せ、押圧する。１５０℃で３０分間乾燥させて固定する。上側基板ＵＥは、例えば表面に導電領域を備えたフィルム状支持材で形成する。上側基板ＵＥ、下側基板ＬＥのフィルム部分をアクリル等の透光性絶縁樹脂で形成すると、可撓性を有する透光性発光装置を形成することが可能である。

なお、上記実施例においては親水チオール基を形成することにより親水化を行った。この他、シランカップリング剤を塗布して電極表面にシラノール基を形成したり、電極表面に酸素プラズマによる表面処理を行い、電極表面に親水性官能基を付与することにより、親水化を行ってもよい。

図２Ａ〜図２Ｃは、研究結果から予測される、多数の微小ＬＥＤを含む発光装置を示す。

図２Ａは下側基板ＬＥ上にＩＴＯで形成されたｎ側電極２７が配置され、上側にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層で形成されたｐ側電極２１が配置された微小ＬＥＤ構造を示す。ｐ側電極２１は親水化チオール処理され、効率的に接続剤３６と接触、接続されている。上側に配置された電極が、ｐ側電極２１（金属電極）であるサンプルをＳＡと呼ぶ。

図２Ｂは下側基板ＬＥ上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層で形成されたｐ側電極２１が配置され、上側にＩＴＯで形成されたｎ側電極２７が配置された微小ＬＥＤ構造を示す。ｎ側電極２１は親水化チオール処理による影響を受けず、透光性絶縁樹脂で覆われ、接続剤３６は有効な接続を形成していない。上側に配置された電極が、ｎ側電極２７（金属電極ではない）サンプルをＳＢと呼ぶ。

図２Ｃは、対向基板間に多数の微小ＬＥＤ素子が配置された発光装置を示す平面図である。微小ＬＥＤ素子に付したＳＡ，ＳＢは、図２Ａ，２Ｂに示したように、上側に配置された電極が金属電極であるサンプルＳＡ，金属電極ではないサンプルＳＢを指す。微小ＬＥＤ内に示した○印は良好な接続を形成しているサンプルを示し、×印は適切な接続が形成されていないサンプルを示し、△印は不十分な接続が形成されたサンプルを示す。

金属電極が上側に配置された微小ＬＥＤ素子は、チオール処理の効果を適切に維持し、上側に配置された電極が金属電極でなく（酸化物電極であり）、チオール処理の影響を受けない微小ＬＥＤ素子と較べて、格段に高い確率の適切な接続を実現できる。上側に配置された電極が親水処理された金属電極である素子を第１種とし、上側に配置された電極が金属電極でなく、チオール処理の影響を受けない素子を第２種とした時、第１種の素子の給電可能比率は、第２種の素子の給電可能比率と比較して、少なくとも２割以上、典型的には５割以上、高い。

以上実施例に沿って発明を説明したが、実施例で用いた構成、材料、数値などは制限的なものではない。例えば、半導体積層の一方の面に金属電極、他方の面に透明電極を形成する場合を説明したが、図３に示すように、微小ＬＥＤ素子のｐ側電極２１とｎ側電極２７が、共に金属積層で形成され、共に有効なチオール処理を受けるものであってもよい。金属電極の面積、形状は種々変更してもよい。

その他、種々の追加、置換、改良、組み合わせ等が可能である。

Claims (10)

1. 半導体積層と、前記半導体積層の両面に形成され、少なくとも一方が金属である電極とを有し、平面形状の寸法が５０μｍ以下であり、厚さが１０μｍ以下である、複数の微小発光素子を形成し、
   前記微小発光素子に親水化処理を施し、
   透光性絶縁樹脂溶液を作成し、親水化処理を受けた前記微小発光素子を混合し、
   前記微小発光素子を含む前記透光性絶縁樹脂溶液を下側基板上に印刷し、
   前記下側基板上の印刷に上側基板を結合する
   発光装置の製造方法。
2. 前記金属である電極の最表面が、ＡｕまたはＣｕを含み、前記親水化処理が前記微小発光素子の金属である電極に親水化処理を行う請求項１に記載の発光装置の製造方法。
3. 前記透光性絶縁樹脂溶液が疎水性であり、前記親水化処理を受けた前記金属である電極に弾かれるものである請求項２に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記親水化処理が、前記金属である電極に対する、カルボキシル末端、又はアミノ末端を持つチオール溶液を用いる処理、シランカップリング剤の塗布、酸素プラズマ処理による表面処理のいずれかを含む請求項３に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記印刷がスクリーン版を用いるスクリーン印刷であり、前記透光性絶縁樹脂溶液をスクリーン版上に配置し、スキージを用いてスクリーン版を通過させることを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. 前記下側基板及び前記上側基板が透光性フィルム状支持体の上に導電領域を有するものである請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
7. さらに、前記微小発光装置と前記上側基板の間に接続剤を用いる請求項６に記載の発光装置の製造方法。
8. 対向配置され、それぞれ導電領域を有する、第１、第２の透光性基板と、
   前記導電領域を対向させた、前記第１、第２の透光性基板の間に配置された多数の微小発光素子であって、各微小発光素子は半導体積層とその両面上に形成された第１、第２の電極とを有し、面内の寸法が５０μｍ以下であり、厚さが１０μｍ以下である、多数の微小発光素子と、
   前記多数の発光素子を包囲し、前記一対の透光性基板の間に配置された透光性絶縁樹脂層と、
   を有し、前記第１、第２の電極は少なくとも一方が金属電極であり、親水化処理の影響を維持するものである発光装置。
9. 前記親水化処理は、カルボキシル末端、又はアミノ末端を持つチオール溶液を用いる処理、シランカップリング剤の塗布、酸素プラズマ処理による表面処理のいずれかである請求項８に記載の発光装置。
10. 前記多数の微小発光素子が、前記第１の透光性基板に第１の電極が対向する第１種の素子群と、前記第２の透光性基板に第１の電極が対向する第２種の素子群とを含み、前記第１種の素子群と前記第２種の素子群において、給電可能な素子の比率が２割以上異なる請求項８または９に記載の発光装置。
    

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