(57)【要約】【課題】    発光しないＬＥＤ素子は給電されないようにする。【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、微小発光素子に疎水化処理を施し、透光性絶縁樹脂溶液を作成し、疎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
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【特許請求の範囲】
【請求項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疎水化処理を施し、
透光性絶縁樹脂溶液を作成し、疎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。
【請求項２】
前記金属である電極の最表面が、ＡｕまたはＣｕを含み、前記疎水化処理が前記微小発光素子の金属である電極に疎水化処理を行う請求項１に記載の発光装置の製造方法。
【請求項３】
前記透光性絶縁樹脂溶液が疎水性であり、前記疎水化処理を受けた前記金属である電極に馴染むものである請求項２に記載の発光装置の製造方法。
【請求項４】
前記疎水化処理が、前記金属である電極に対する、アルキル末端、又はフルオロ末端を持つチオール溶液を用いる処理、ヘキサメチルジシラザン溶液を用いる処理、フルオロチオール溶液を用いる処理、フッ素コーティング剤を用いる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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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の電極が金属電極であり疎水化処理の影響を維持するものであり、前記第２の電極が酸化物電極であり疎水化処理の影響を受けないものである発光装置。
【請求項９】
前記疎水化処理は、アルキル末端、又はフルオロ末端を持つチオール溶液を用いる処理、ヘキサメチルジシラザン溶液を用いる処理、フッ素コーティング剤を用いる処理のいずれかである請求項８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記多数の微小発光素子が、前記第１の透光性基板に金属電極である第１の電極が対向する第１種の素子群と、前記第１の透光性基板に酸化物電極である第２の電極が対向する第２種の素子群とを含み、前記第１種の素子群において前記透光性絶縁樹脂層が前記第２の電極を覆わないものの比率は１／３以下であり、前記第２種の素子群において前記上側基板の導電領域が前記第１の電極に接続されるものの比率が１／３以下である請求項８または９に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。      
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳＰ  ９，０８２，９３６
【特許文献２】特開２０１６−４０８２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
微小ＬＥＤ素子を印刷によって配置すると、上下の向きの選択はできない。直流電流を駆動されて発光するＬＥＤ素子の向きを表向きと呼ぶと、逆向きのＬＥＤ素子は給電されても発光しない。ＬＥＤ素子が逆方向の電圧を給電されると、リークや故障の原因ともなり得る。発光しないＬＥＤ素子は給電されないようにする方が安全である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
逆向きに配置された微小ＬＥＤ素子の上側電極を絶縁層で覆ってしまえば給電されない。逆向きに配置された時上側になるＬＥＤ素子の金等の電極面を疎水化処理する。疎水化処理した金等の電極面は疎水性になる。微小ＬＥＤ素子を、透光性絶縁樹脂を溶媒に溶解した樹脂溶液中に混合し、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、疎水化した電極面にはなじみ易い。電極面を絶縁樹脂層が覆うことにより、上側基板の配線は給電を行わなくなる。 
【発明の効果】
【００１２】
疎水化処理した電極面は、疎水性の樹脂溶液となじみ易く、ＬＥＤ素子の電極を絶縁樹脂層で覆い安全性を促進する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１−１】、
【図１−２】、および
【図１−３】図１Ａ〜図１Ｎは、実施例による微小ＬＥＤの配置方法の例を示す概略断面図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、下側基板上に、微小ＬＥＤのｎ側電極が配置された構造及び微小ＬＥＤのｐ側電極が配置された構造の概略断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
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    下側導電基板、
ＵＥ    上側導電基板。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、逆向き配置微小ＬＥＤ素子の金等で作成された金属電極を、チオール処理によって疎水性にする。これにより、逆向きに配置された上側の金属電極表面が疎水性である透光性絶縁樹脂溶液となじみ易くなる。電極表面が樹脂被膜で覆われ、印刷方式で実装された逆向き微小ＬＥＤ素子の安全性を向上する。尚、表向きに配置された微小ＬＥＤ素子は、従来同様の条件となろう。
（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ＩｎｘＧａ１−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２７０ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜をスパッタ法で成膜して形成する。ｐ側電極２１の整形は、例えば電極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て行う。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ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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／ｍ２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。ｎ側電極２７は、例えば、厚さ約５００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属積層を蒸着して形成する。電極領域を開口するレジストパターンを予め作成しておき、金属積層の形成後、レジストパターンごと不要部をリフトオフする。また、蒸着後、積層上にレジストパターンＲＰ４を形成し、不要部を除去してもよい。
（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。
【００１６】
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、疎水化処理を行うことができる。逆向きに配置される微小ＬＥＤ素子の上側電極はｎ側電極であり、最上層はＡｕ層である。このＡｕ層に疎水基を結合する。
【００１７】
エタノール中に疎水チオールを１０ｍｍоｌ/Ｌ混合し、１０分間撹拌し、チオール溶液３１を調製する。疎水基を持つチオールの例としては、アルキル末端を持つもの（1-octanethiol等）やフルオロ末端をもつもの(4-fluorobenzenethiol等)が挙げられる。アルカンチオール溶液やフルオロチオール溶液を用いることにより、金属電極表面にアルキル基やフルオロ基を形成し、疎水化を行うことができる。
【００１８】
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ｎ側電極２７表面のＡｕと結合し、ｎ側電極２７が疎水化する。ｐ側電極２１は、酸化物であるＩＴＯ膜で形成されており、チオール処理しても疎水性にはならない。
（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ｎ側電極２７を疎水化した発光素子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、疎水化されたｎ側電極２７となじみ、図１Ｍに示すようにｎ側電極２７表面の絶縁被膜が促進される。ｐ側電極２１は、疎水化されておらず、従来と同様である。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導電基板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。
【００１９】
図２Ａ，２Ｂは、本実施例によって得られる微小ＬＥＤの典型的構成を示す断面図である。
【００２０】
図２Ａは、下側基板ＬＥ上に微小ＬＥＤ１０のｎ側電極２７の金属電極が配置され、ｐ側電極２１の酸化物電極が上方に配置された第１種の構造を示す。上方に配置されたｐ側電極２１に、Ａｇペースト層３６が接続され、上側基板ＵＥの導電領域に接続された適格構造を示す。透光性絶縁樹脂層３２Ｓは微小ＬＥＤ１０の周囲を囲む。この微小ＬＥＤは適正に給電され、発光するもので、従来得られていたものと同様である。ｐ側電極２１とＡｇペースト層３６の間に透光性絶縁樹脂層３２Ｓが入り込み、適正に給電されず、動作しない欠格構造も生じるが、第１種の微小ＬＥＤ中に占める欠格構造の比率は１／３以下、好ましくは１／４以下である。
【００２１】
図２Ｂは、下側基板ＬＥ上に微小ＬＥＤ１０のｐ側電極２１の酸化物電極が配置され、ｎ側電極２７の金属電極が上方に配置された第２種の構造を示す。上方に配置された疎水性処理された金属電極であるｎ側電極２７上面は透光性絶縁樹脂層３２Ｓで覆われている。Ａｇペースト層３６は透光性絶縁樹脂層３２Ｓの上に配置され、微小ＬＥＤ１０に電気的には接続されない。逆極性に配置された微小ＬＥＤは給電されず、安全性を確保できる適格構造を示す。透光性絶縁樹脂層３２Ｓがｎ側電極２７を覆わず、上側基板ＵＥの導電領域が、ｎ側電極２７に接続されてしまう欠格構造も生じるが、第２種の微小ＬＥＤ中に占める欠格構造の比率は１／３以下、好ましくは１／４以下である。
【００２２】
なお、上記実施例においては疎水チオール基を形成することにより疎水化を行った。この他、電極表面にヘキサメチルジシラザン溶液を塗布したり、フルオロチオール溶液を塗布したり、フッ素コーティング剤を塗布したりすることにより、疎水化を行ってもよい。
【００２３】
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、金属電極の面積、形状は種々変更してもよい。
【００２４】
その他、種々の追加、置換、改良、組み合わせ等が可能である。
【図１−１】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図２】
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