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JP4449113B2 - 2D display device - Google Patents

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JP4449113B2
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  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自発光素子を用いる2次元表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、発光ダイオード(以下、「LED」という。)を並べた平面ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト、プロジェクションの光源等が試みられているが、LEDの発光効率が十分でないこと、大きな面積を均一に発光することが困難であることが問題点として挙げられる。また、エレクトロルミネセント(以下、「EL」という。)ディスプレイにおいても発光効率が十分ではない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
発光効率は内部量子効率×外部取り出し効率で表せる。外部取り出し効率は主にLED、ELを構成している部品の屈折率の差で決まる。そこで、図24に示すような、GaN−LEDでサファイア基板側から光を取り出す構造について具体的に説明する。発光層に接する層(GaN)2とサファイア基板6の屈折率はそれぞれ、2.46、1.76である。発光層1の発光角度分布は等方的である。つまり、立体角で4πの大きさである。サファイア基板6との界面で屈折率差で決まる臨界角を超える光線は発光層に接する層(GaN)2に閉じ込められる。ここで、臨界角は46°となり、この範囲の立体角は2π×0.3となる。裏面のp電極3の表面で100%反射した場合でも30%の光しかサファイア基板6に入らない。
【0004】
同様にサファイア基板6から、図25に示すようなボールレンズ8(屈折率1.5)に入射する界面でも臨界角58°を超える光線は、図24に示すように、裏面側に反射する。結局20%の光線のみ前面に出射する。
【0005】
サファイア基板側を裏面としてその裏面に反射膜を形成した構造でも同様である。すなわち、一般的なGaN−LEDの構造は、図26Aに示すように、サファイア基板6が下にある構造である。発光層から発せられた光線の角度分布は4πの大きさであるが、サファイア基板6側に出射した光線の内サファイア基板6との屈折率差で決まる臨界角を超える光線はサファイア基板6との界面で全反射し、透明電極25側に向かう。透明電極25としてITOを使うと屈折率は一般的にサファイア基板6より大きく(1.8〜1.9)、サファイア基板6との界面で全反射した光線はITOの界面でも全反射し、外部には出てこない。サファイア基板6を通過した光線は裏面の反射板で反射し、透明電極25側に向かう。
【0006】
透明電極25を通過した光線の内、透明電極25の屈折率と、図26Bに示すボールレンズ8の屈折率の比で決まる臨界角を超える光線は全反射する。結局、ボールレンズ8に入射できる光線の比率はGaNの屈折率とボールレンズ8の屈折率の比で決まる臨界角に依存する。全反射を繰り返し側面から漏れる光線を無視すればおよそ20%程度になる。
なお、上述のことは、GaN以外の材料についても同様である。
【0007】
さらに、ELデバイス(有機、無機)についても外部取り出し効率が問題となる。有機ELを構成する材料は屈折率が1.5程度のものが多いが外部取り出し効率は高々25%程度である。
【0008】
もうひとつの問題点は、全光束を増加するために発光面積を増加した場合、電極近傍に電流が集中することで有効発光面積を広くできないことが挙げられる。図27にLEDで投入電流を変えたときの発光強度分布例を示す。すなわち、図27Bに示すように、n電極7を通るa−a線上で発光強度の変化をみると、図27Aに示すようになる。n電極7から離れるに従い発光強度は小さくなる。この傾向は、投入電流が大きくなると、顕著であり、均一な発光強度分布を得ることが困難であることがわかる。
【0009】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光効率を向上させることができる自発光素子を用いる2次元表示装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の2次元表示装置は、発光層と、透明電極層を介して、発光層に接する層と、上記発光層の、上記発光層に接する層と反対側に形成された反射機能を有する電極とを含み、上記発光層に接する層の、上記発光層と反対側の面から光を出射する1または2以上の自発光素子を1画素とする2次元表示装置において、上記自発光素子が、(イ)上記発光層の屈折率が、1.5程度で、上記透明電極層の屈折率より小さく、上記発光層に接する層の屈折率が、上記発光層の屈折率と同じか又は上記発光層の屈折率より大きく、(ロ)上記発光層に接する層は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、その側面の断面形状が放物線形状の一部となり、上記発光層に接する層の出射側のサイズL1=100としたとき、放物面焦点距離=8.2、上記発光層のサイズL2=37、上記発光層に接する層の厚さd=66であり、(ハ)上記側面の少なくとも1部は、上記発光層からの光を全反射する形状を有することを特徴とする。
【0014】
本発明の自発光素子を用いる2次元表示装置によれば、発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも1部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、外部取り出し効率を向上させることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、自発光素子、たとえばLED、ELなどに係る発明の実施の形態について、図1〜4を参照しながら説明する。
【0016】
自発光素子においては、全反射条件で内部に閉じ込められた光線は界面で反射を繰り返しながら基板と直交する方向に導光される。例えば裏面が電極、前面にサファイア基板が位置するGaN−LED構造の場合、サファイア基板とGaN界面で全反射し、対向する電極面で金属反射をしながら導光される。この時金属表面の反射は必ず吸収を伴うこと、および、発光層を交差するとき発光層での吸収も起こるので、反射の回数の増加に伴って光量は減衰する。その一部は端面から外部に出射するが基板と直交する方向であり、有効な光線とはなり得ない。
本発明は、この側面方向への無効発光を有効に利用する構造であり、具体的には側面が基板法線方向から傾斜した構造を特徴とする。
【0017】
この傾斜角度を、基板と平行な光線に対し、界面が全反射条件となるように設定する。この臨界角をθ1とする。この条件を満たすことで概ね全ての発光に対して側面の全反射条件を満たすことができる。裏面に金属電極を位置することを前提にすれば、基板と平行な角度よりも下側の角度の光線については裏面電極で反射して側面の全反射条件を満たすことになる。ただし、裏面電極で反射しないで直接側面に達する光線については満たさない場合がある。よって、発光層の位置はできるだけ裏面電極に近いほうが望ましい。
【0018】
つぎに、基板との界面での全反射条件を考える。傾斜した側面で仕切られた発光層の端部から基板側に出射した光線で対向する側面と基板との界面の境界点を結んだ線が基板への最大入射角となる。この臨界角をθ2とする。この角度が臨界角を超えないように設定する。
【0019】
上記2つの条件を満たすことで、基板側に概ね全ての光線が出射する。この2つの条件を満たす形状について、図1を参照しながら、具体的に説明する。図1に示すように、この2つの条件を満たす形状は側面が放物面形状の一部となる。
図1に示す自発光素子においては、発光層1から発生した光を発光層に接する層(GaN)2を通して、サファイア基板6から出射している。
【0020】
図1において、発光層1は、p電極3およびn電極(図示していない)の間に電圧をかけることにより、光を発光させる層である。また、発光層に接する層(GaN)2は、GaNからなり発光層1に接している。GaNの屈折率とエアーの屈折率で決まる臨界角θ1は24°、GaNの屈折率とサファイア基板6の屈折率で決まる臨界角θ2は46°である。この二つの条件を満たす放物面形状は例えば出射側のサイズL1を100としたとき、放物面の焦点距離が、6.2、発光層のサイズL2が55.6、GaNの厚さdが70となる。
【0021】
発光層に接する層(GaN)2の光の出射側には、サファイア基板6が接合されている。
p電極3は、発光層1に対して、発光層に接する層(GaN)2の反対側に形成されている。また、p電極3は、p側GaN19を介して、発光層1と接している。このp電極3は、金属からなり反射機能を有している。
【0022】
なお、図1における、発光層に接する層(GaN)2、発光層1、およびp側GaN19からなる構造を詳細に表すと、図2に示すような構造となっている。すなわち、図1における発光層に接する層(GaN)2および発光層1がそれぞれ、図2のn側GaN17および発光層(GaInN)20に相当する。また、図1においては、発光層1とp電極3の間は、p側GaN19のみとしているが、実際には図2に示すように、AlGaN18およびp側GaN19の2層が存在しいる。ここで、発光層(GaInN)20およびAlGaN18は、光の波長に対して充分薄いので、p電極3とサファイア基板6との間はGaNの屈折率で代表することができる。また、図1に示すように、図2のAlGaN18を省略できる。
【0023】
上述したように、発光層に接する層(GaN)2は、その外部取り出し効率を向上させるため、図3Aに示すような放物面形状が望ましい。ただし、発光層に接する層(GaN)2は、上述の放物面形状に限定されるわけではない。その変形例として、図3BおよびCに示すような円錐および6角錐、図4Aに示すような4角錐、並びに、図4BおよびCに示すような分割形状が6角形、正方形でそれぞれの断面形状が放物線形状のもの等を挙げることができる。要するに、発光層に接する層(GaN)2は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有しているもの、すなわちその側面が出射面に対して裏面を凸とするように傾斜しているものであり、側面の少なくとも1部が発光層からの光を全反射する形状を有しているものであれば、外部取り出し効率を向上させることができる。
【0024】
つぎに、照明装置に係る発明の実施の形態について、図5〜13を参照しながら説明する。
上述した自発光素子の実用的な寸法は、発光層に接する層(GaN)2の厚さをどの程度厚くするかで決まる。発光層に接する層(GaN)2を例えば7μmに設定した場合、チップサイズは10μmとなり、照明装置として絶対光量を得るには複数個配列する必要がある。それぞれの自発光素子の配列については、図5および6のようにさまざまな配列が考えられる。また、図7に示すような、断面形状が放物線または台形の1次元構造も考えられる。
【0025】
照明装置として、実現した構造の例が図8および9である。図9に示す、各自発光素子のp電極3は、図8に示すサブマウント基板13のp電極接合パッド11と半田等で電気的に接続する。また、n電極7は発光領域をできる限り小さくするため、側面に形成している。図9Aに示すn電極取り出し部14は、無効発光領域であり、上述サブマウント基板13のn電極接合パッド12と半田等で電気的に接続する。分割数は必要光量、駆動条件、プロセス上の制約からくる発光層に接する層(GaN)2の厚さ等で決まる。
【0026】
図9に示すように、分割された各素子は並列に駆動することになる。n側は分割された各素子が側面に形成された電極で直列に配線されることになる。分割された各素子に均一に電流を注入するためにはn側の配線抵抗を小さくするか、各素子に直列な抵抗を大きくする必要がある。各素子の直列抵抗を大きくすると駆動電圧が上昇すること、直列抵抗分効率が低下することが問題となる。n側の配線抵抗を小さくすることがこの意味で望ましい。本構造は側面を利用することで、比較的厚い配線電極を形成することができる。それにより、配線抵抗を小さくでき、各分割された素子間でばらつきなく駆動することができる。
【0027】
また、配線の方法は、図10に示すように全発光領域を複数に分割し、それぞれを直列に接続する構造も採用することができる。すなわち、図10Bに示すように、分割された一部の凸部(GaN)16の裏面とそれと隣接する凸部(GaN)16の側面が電気的に接続されている構造である。図9で述べた例と同じ材料をつかった場合、比較的電極膜厚が薄くても均一に駆動させることができる。ただし、直列の分割数倍駆動電圧は上昇する。
【0028】
また、n側の電極形成に関しては、結晶成長後サファイア基板を除去し、透明電極を平面的に形成することもできる。この場合、透明電極のみでは抵抗が高い可能性があるため、図11に示すようなメッシュ電極24、または図12に示すようなストライプ電極27からなるバス電極を形成することもできる。
【0029】
本構造によりサファイア基板側に100%に近い光線を出射させることができるが、エアー中に効率良く取り出すためにはサファイア基板をボールレンズ状に加工するか、基板と近い屈折率の材料でボールレンズを形成することが望ましい。ここで、ボールレンズとは、図13に示すように、発光層に接する層(GaN)2とサファイア基板6の界面位置を中心とした球面形状のレンズのことである。また、サファイア基板6とボールレンズ8を接着する材料は屈折率が両者と近い材料が望ましい。この理由は、サファイア基板6とボールレンズ8の界面の反射を低減し、外部取り出し効率を高くするためである。
【0030】
一般的に光学レンズに用いる材料および基板とレンズを接着する接着材料はサファイアの屈折率よりも小さなものが多い。ボールレンズの屈折率が1.5とした場合に総合的外部取り出し効率を改善するには発光層に接する層(GaN)2の形状を見直すことで可能となる。上述した基板とGaNとの全反射条件を決める上で基板の屈折率を1.5として設計する。その時臨界角は38°となる。L1を100とした場合、放物面の焦点距離は5.4、発光層サイズL2は49、深さdは88となる。
【0031】
もう一歩進めて、基板屈折率をエアーとすることでボールレンズがない状態でエアー中への取り出し効率を100%に近くすることができる。この時臨界角は24°、L1を100とすると、放物面の焦点距離は4.1、発光層サイズL2は37、深さdは133となる。
【0032】
以上のようにL1に対して、dを大きくすることでレンズ機能を付加することができ照明装置全体の簡素化が可能となる。一方、発光層の大きさは小さくなるため、同じ光量を得るためにはチップサイズを大きくする必要がある。よって、L1とdの比率はLED作成プロセス歩留まり、基板サイズとチップサイズの関係できまる取り個数、照明装置全体設計等の制約の中で決定される。
【0033】
つぎに、自発光素子の製造方法に係る発明の実施の形態について、図14〜17を参照しながら説明する。
ここでのプロセス例は、反応性イオンエッチングを使う方法である。すなわち、サファイア基板上に通常のプレナー結晶成長を行い、その後SiO2 等をマスクとして反応性イオンエッチングによりGaN層を傾斜した側面構造に分割するものである。最終的な自発光素子の断面図は図14に示すとおりである。
【0034】
つぎに、反応性イオンエッチングを用いる、自発光素子の製造方法について、図15〜17を参照しながら説明する。
まず、図15に示すように、工程1のLED構造成長の工程においては、サファイア基板6上に通常のプレナー結晶成長を行い、サファイア基板6上に発光層(GaInN)20およびn側GaN17(発光層に接する層)などを形成する。
【0035】
工程2のSiO2 層形成の工程においては、LED構造を成長したウェハ上に厚さ200μm程度の酸化シリコン膜(SiO2 )29を真空蒸着、スパッタリング、プラズマCVDなどの方法により形成する。
【0036】
工程3のフォトレジストのパターン形成の工程においては、酸化シリコンを除去する部分が開口部となるようにフォトレジスト30のパターンを形成する。
【0037】
工程4のエッチングの工程においては、酸化シリコン膜に、開口部を形成する。これはウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。ウェットエッチングの場合はBuffered−HFやHFなどを用いて酸化シリコンのみ除去する。
【0038】
工程5のフォトレジスト除去の工程においては、酸化シリコンのエッチングマスクに使ったレジストを除去する。工程4でウェットエッチングを使った場合は適当な有機溶剤でレジストを除去する。また、工程4でドライエッチングを使った場合はレジストが変質しているので普通の有機溶剤では除去できない。そこで、酸素プラズマによりレジストをアッシング(灰化)処理してレジスト剥離液により完全に除去する。
【0039】
図16に示すように、工程6の反応性イオンエッチングの工程においては、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する。すなわち、パターン転写された酸化シリコン膜をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチングによりnクラッド層を露出させる。エッチング条件は例えば、Cl(塩素)ガスを12sccm、Ar(アルゴン)を2sccmの流量で、ガス圧力0.12Pa、RFパワー100Wで行う。このとき、酸化シリコン膜のエッチング速度はLEDを構成しているGaN系材料のエッチング速度より小さいが、酸化シリコン膜も同様にエッチングされ、酸化シリコン膜のパターンの側面が少し後退する。この性質によりエッチングが進むほど酸化シリコンのパターン幅が狭くなり、図16の6に示したように、GaN系材料はテーパ状(台地状)にエッチングされる。すなわち、凹部は、底に行くほど狭くなっている。酸化シリコン膜が薄いほどエッチングによる後退が大きくなって、テーパ角を大きくすることができる。
【0040】
工程7のフォトレジストのパターン形成の工程においては、台地状に残ったLED構造の底面(エッチングにより露出したn側GaN17)が開口するようにレジストパターンを形成する。
【0041】
工程8のn電極形成の工程においては、真空蒸着などを用いてn電極を形成する。材料と膜厚は、例えばTi/Al/Pt/Au(Tiが最初の層)=10/100/100/300nmを採用することができる。
【0042】
工程9のフォトレジスト除去およびアロイ処理の工程においては、リフトオフ法を用いて、レジスト開口部に形成された電極のみを残し、それ以外の部分を除去する。この後、窒素雰囲気中で800℃、10分の熱処理を行う。これにより、n側GaN17も加熱されるので、この層に含まれる水素が除去され、p側GaN19の低抵抗化も行われる。
【0043】
図17に示すように、工程10のフォトレジストのパターン形成の工程においては、p側の電極形成のために、エッチングで残った台地状の上面が開口部となるように、フォトレジスト30をパターニングする。
【0044】
工程11のエッチングの工程においては、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、その下の酸化シリコン膜を除去する。エッチングの方法は工程4で説明したと同じ方法を用いることができる。
【0045】
工程12のp電極形成の工程においては、p側電極を真空蒸着などで形成する。材料と膜厚は、例えばNi/Pt/Au(Niが最初)=10/100/300nmを採用することができる。
【0046】
工程13のフォトレジスト除去の工程においては、アセトンなどの有機溶剤を用いて、p側形成された電極3以外を除去する。フォトレジスト除去の方法は工程9で説明したと同じ方法を用いることができる。
【0047】
つぎに、2次元表示装置に係る発明の実施の形態について、図18〜20を参照しながら説明する。
本発明の自発光素子は、単なる光源としてではなく、1または2以上の自発光素子を、1画素とする2次元表示装置、すなわちマトリクスディスプレイへの応用もできる。つまり、個々の自発光素子もしくは複数の自発光素子が1画素を形成し、全体でXYマトリクスのディスプレイとして機能するものである。
【0048】
図18および19は、各自発光素子のp側電極にTFTスイッチを接続した例である。これにより、LEDをつかったマトリクスディスプレイ素子が実現する。すなわち、アクティブマトリクス駆動のために、個々の自発光素子もしくは複数の自発光素子の裏面側に1画素に対応したアクティブ素子が接続されている。
【0049】
図18において回路の動作を説明すると、まず、信号線31に線順次走査に対応したデータ信号を供給する。つぎに、走査線38に走査パルスを入力し、スイッチングTFT36を開く。スイッチングTFT36が開いている間、容量線38の電位と信号線31の電位の差の電位が蓄積容量37に充電される。つぎに、スイッチングTFT36が閉じ、つぎのフレーム周期での走査パルスが入力されるまで、蓄積容量37はデータを保持する。蓄積容量37に保持された電圧に対応した電流が電源ライン32からLED34に供給され、つぎのフレームまで点灯する。
【0050】
図19に示すマトリックスディスクプレイの例においては、個々の凸部(GaN)16の周囲(側面を含む)にコモン電極33が形成されている。ここで、ゲート40は、蓄積容量に接続しており、駆動TFTを所定の電流値で動作させるものである。また、ドレイン41は、凸部(GaN)16のLEDと駆動TFTドレインを接続するものである。ソース42は、駆動TFTソース側と電源ラインとを接続するものである。
【0051】
また、図20はXY単純マトリクスディスプレイへの応用例である。図20に示すように、単純マトリクス駆動のために、個々の凸部(GaN)16もしくは複数の凸部(GaN)16の裏面が行もしくは列電極に接続されでいる。また、上記の行もしくは列電極と直交する方向に列もしくは行電極が形成されている。凸部(GaN)16の前面側に形成されているn電極7は、少なくとも一部が透明である必要がある。
【0052】
以上の説明はGaNについて述べたがそれ以外の材料についても同様の形状にすることでLED素子の発光効率を向上させることができる。例えば、AlGaNInPの4元混晶の場合、屈折率は3.4程度と見積もられる。1.5のボールレンズに入射する最適形状を見積もると、臨界角26°、L1を100として放物面焦点距離3.62、発光層サイズL2は47、深さdは135となる。GaNではサファイア基板が透明であるが、この4元系混晶にはGaAsを基板として使う。GaAsは不透明であるため結晶成長後除去する必要がある。この点を除けばプロセスは上述のGaNの場合と同様である。
【0053】
つぎに、照明装置、および2次元表示装置に係る他の発明の実施の形態について、図21〜23を参照しながら説明する。
本発明はLEDにとどまらない。EL(有機、無機)デバイスについても外部取り出し効率を向上させることができる。
【0054】
例えば、図21に示すように、基板47上に、電極(反射層)46、発光層45、透明電極44、および凸部43を順次張り合わせた構造が考えられる。ここで、凸部43は、透明電極44を介して、発光層45に接している。発光層45の屈折率が1.5程度の場合、透明電極44の材料より屈折率が小さい。発光層内で全反射するのは、接する材料の屈折率が発光層の材料の屈折率よりも小さい場合であり、ここではその問題は生じない。
【0055】
なお、図21に示すような凸部43を発光層45と直接かかわらない部分で構成している場合、凸部43の材料の選択には屈折率が問題となる。この場合、発光層45の屈折率よりも小さい材料で構成すると透明電極44と凸部43の界面で全反射条件を超える角度が存在することになる。そこで、凸部43の材料の屈折率は、発光層45の材料の屈折率と同じか大きいことが必要である。
【0056】
エアーとの界面臨界角は41.8°である。透明電極44上に凸部43がない場合では外部取り出し効率は高々25%であるが、発光エリアと凸部43が一対一の対応をしていて、凸部43に比べて十分発光層が薄ければ100%に近い取り出し効率が得られる。理想的な凸部43の形状はL1を100とした場合、放物面焦点距離8.2、発光層サイズL2は37、深さdは66となる。
【0057】
図22は発光層45の1画素と比べ凸部43が小さく、1画素に複数の凸部43が対応している構造である。この構造では、発光部と凸部43の位置合わせが不要であることが利点である。
【0058】
図23に示すように発光角度、位置で凸部43の効果は違う。凸部43下で発光した光線は凸部43内面で全反射し、外部に出射する。凸部43下以外の発光は界面で全反射する光線と臨界角以下の光線の場合がある。臨界角以下の光線は屈折率の小さい材料(エアーの場合もある)に出射し、概ね全て凸43部に入射する。つぎに、凸部43内面で全反射し、外部に概ね出射する。臨界角より大きい角度の光線は裏面と屈折率の小さな材料との間で全反射を繰り返し、いずれは凸部43に入射し、外部に取り出される。この構造では隣接画素に光漏れが生ずる場合があるので、隣接画素との間に反射層48があることが望ましい。
【0059】
以上のことから、本発明の実施の形態によれば、発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも1部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、または、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する工程とを含み、凹部が底に行くほど狭くなるので、または、照明装置が自発光素子を複数個配列するので、または、2次元表示装置が、1または2以上の自発光素子を、1画素とするので、外部取り出し効率を向上させることができ、発光強度の面的なむらの発生を抑制できる。したがって、発光効率を向上させることができ、大きな面積を均一に発光させることができる。
【0060】
それによって、低消費電力で明るい光源、照明装置(直視型大画面XY表示装置、LCDバックライト、プロジェクター光源、各種照明装置)が可能となる。また、XYマトリクス(パッシブ、アクティブ)駆動の2次元表示装置が可能である。
【0061】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0062】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
発光層に接する層の側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、側面の少なくとも1部が、発光層からの光を全反射する形状を有するので、または、開口部から、反応性イオンエッチングにより、発光層に接する層に凹部を形成する工程とを含み、凹部が底に行くほど狭くなるので、または、2次元表示装置が、1または2以上の自発光素子を、1画素とするので、発光効率を向上させることができる。
また、照明装置が自発光素子を複数個配列するので、発光効率を向上させることができ、かつ大きな面積を均一に発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】自発光素子に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図2】GaN−LEDの素子構造の例を示す図である。
【図3】自発光素子に係る凸部の例を示す図である(その1)。
【図4】自発光素子に係る凸部の例を示す図である(その2)。
【図5】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である(その1)。
【図6】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である(その2)。
【図7】自発光素子に係る凸部の配列の例を示す図である(その3)。
【図8】照明装置に係る発明に用いるサブマウント基板を示す図である。
【図9】照明装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図10】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図11】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図12】照明装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図13】自発光素子を配列したものにボールレンズを接着した例を示す図である。
【図14】本発明に係る自発光素子の例を示す断面図である。
【図15】自発光素子の製造工程の例を示す図である(その1)。
【図16】自発光素子の製造工程の例を示す図である(その2)。
【図17】自発光素子の製造工程の例を示す図である(その3)。
【図18】2次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図19】2次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図20】2次元表示装置に係る発明の実施の形態を示す図である。
【図21】照明装置または2次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図22】照明装置または2次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図23】照明装置または2次元表示装置に係る他の発明の実施の形態を示す図である。
【図24】従来の自発光素子の例を示す図である。
【図25】従来の自発光素子をボールレンズに接着した例を示す図である。
【図26】従来の自発光素子の他の例を示す図である。
【図27】従来の自発光素子における、投入電流を変えたときの発光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
1‥‥発光層、2‥‥発光層に接する層(GaN)、3‥‥p電極、4‥‥自発光素子、5‥‥側面、6‥‥サファイア基板、7‥‥n電極、8‥‥ボールレンズ、9‥‥p側入力端子、10‥‥n側入力端子、11‥‥p電極接合パッド、12‥‥n電極接合パッド、13‥‥サブマウント基板、14‥‥n電極取り出し部、15‥‥LED基板、16‥‥凸部(GaN)、17‥‥n側GaN、18‥‥AlGaN、19‥‥p側GaN、20‥‥発光層(GaInN)、21‥‥p電極取り出し部、22‥‥絶縁層、23‥‥コンタクト電極、24‥‥メッシュ電極、25‥‥透明電極、26‥‥ワイヤーボンディング、27‥‥ストライブ電極、28‥‥GaNバッファ、29‥‥SiO2 、30‥‥フォトレジスト、31‥‥信号線、32‥‥電源ライン、33‥‥コモン電極、34‥‥LED、35‥‥駆動TFT、36‥‥スイッチングTFT、37‥‥蓄積容量、38‥‥容量線、39‥‥走査線、40‥‥ゲート、41‥‥ドレイン、42‥‥ソース、43‥‥凸部、44‥‥透明電極、45‥‥発光層、46‥‥電極(反射膜)、47‥‥基板、48‥‥反射層、49‥‥電極、50‥‥端子(反射板)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a self-luminous element.UseThe present invention relates to a two-dimensional display device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a flat display in which light emitting diodes (hereinafter referred to as “LEDs”) are arranged, a backlight of a liquid crystal display, a light source for projection, and the like have been tried. However, the luminous efficiency of the LEDs is not sufficient, and a large area is made uniform. The problem is that it is difficult to emit light. Further, even in an electroluminescent (hereinafter referred to as “EL”) display, luminous efficiency is not sufficient.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Luminous efficiency can be expressed as internal quantum efficiency x external extraction efficiency. The external extraction efficiency is mainly determined by the difference in refractive index between the components constituting the LED and EL. Therefore, a structure for extracting light from the sapphire substrate side with a GaN-LED as shown in FIG. 24 will be specifically described. The refractive indexes of the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer and the sapphire substrate 6 are 2.46 and 1.76, respectively. The emission angle distribution of the light emitting layer 1 is isotropic. That is, the solid angle is 4π. Light rays exceeding the critical angle determined by the refractive index difference at the interface with the sapphire substrate 6 are confined in the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer. Here, the critical angle is 46 °, and the solid angle in this range is 2π × 0.3. Even when 100% of light is reflected by the surface of the p-electrode 3 on the back surface, only 30% of light enters the sapphire substrate 6.
[0004]
Similarly, light rays exceeding the critical angle of 58 ° are reflected from the sapphire substrate 6 to the back surface side as shown in FIG. 24 even at the interface incident on the ball lens 8 (refractive index 1.5) as shown in FIG. Eventually, only 20% of the light is emitted to the front.
[0005]
The same applies to a structure in which the sapphire substrate side is the back surface and a reflective film is formed on the back surface. That is, the structure of a general GaN-LED is a structure in which the sapphire substrate 6 is below as shown in FIG. 26A. The angular distribution of the light emitted from the light emitting layer is 4π, but the light emitted to the sapphire substrate 6 side exceeds the critical angle determined by the refractive index difference with the sapphire substrate 6. It is totally reflected at the interface and travels toward the transparent electrode 25 side. When ITO is used as the transparent electrode 25, the refractive index is generally larger than that of the sapphire substrate 6 (1.8 to 1.9), and the light beam totally reflected at the interface with the sapphire substrate 6 is totally reflected at the interface of ITO, and externally. Does not come out. The light beam that has passed through the sapphire substrate 6 is reflected by the reflector on the back surface and travels toward the transparent electrode 25 side.
[0006]
Of the light rays that have passed through the transparent electrode 25, light rays that exceed the critical angle determined by the ratio between the refractive index of the transparent electrode 25 and the refractive index of the ball lens 8 shown in FIG. 26B are totally reflected. Eventually, the ratio of light rays that can enter the ball lens 8 depends on the critical angle determined by the ratio between the refractive index of GaN and the refractive index of the ball lens 8. If light rays leaking from the side face are ignored, the total reflection is about 20%.
The same applies to materials other than GaN.
[0007]
Furthermore, the external extraction efficiency becomes a problem for EL devices (organic and inorganic). Many materials constituting the organic EL have a refractive index of about 1.5, but the external extraction efficiency is about 25% at most.
[0008]
Another problem is that when the light emitting area is increased in order to increase the total luminous flux, the effective light emitting area cannot be increased due to the concentration of current near the electrodes. FIG. 27 shows a light emission intensity distribution example when the input current is changed by the LED. That is, as shown in FIG. 27B, the change in the emission intensity on the aa line passing through the n-electrode 7 is as shown in FIG. 27A. As the distance from the n-electrode 7 increases, the emission intensity decreases. This tendency is remarkable when the input current is increased, and it is found that it is difficult to obtain a uniform emission intensity distribution.
[0009]
  The present invention has been made in view of such problems, and a self-luminous element capable of improving luminous efficiency.UseTo provide a two-dimensional display deviceTo do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The two-dimensional display device of the present invention isA light emitting layer;Transparent electrode layerAnd a layer in contact with the light emitting layer, and the light emitting layer formed on the opposite side of the layer in contact with the light emitting layer.Reflective functionIncluding electrodesAboveOf the layer in contact with the light emitting layer,the aboveLight is emitted from the surface opposite to the light emitting layerOne or moreSelf-luminous elementDimensional display device with one pixelInThe self-luminous element is (i) the refractive index of the light emitting layer is about 1.5, which is smaller than the refractive index of the transparent electrode layer, and the refractive index of the layer in contact with the light emitting layer is the refractive index of the light emitting layer. Equal to or greater than the refractive index of the light emitting layer, (b) aboveThe layer in contact with the light emitting layer has a shape in which the side surface is open in the direction of emitting light, and the cross-sectional shape of the side surface becomes a part of a parabolic shape.Thus, when the size L1 on the emission side of the layer in contact with the light emitting layer is 100, the parabolic focal length is 8.2, the size L2 of the light emitting layer is 37, and the thickness d of the layer in contact with the light emitting layer is d = 66, (c)At least a part of the side surface isthe aboveIt has a shape that totally reflects light from the light emitting layer.
[0014]
  Self-luminous element of the present inventionUseAccording to the two-dimensional display device, the side surface of the layer in contact with the light emitting layer has a shape that is open in the direction of emitting light, and at least one part of the side surface has a shape that totally reflects light from the light emitting layer. To improve the external extraction efficiencyit can.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
First, embodiments of the invention relating to self-luminous elements such as LEDs and EL will be described with reference to FIGS.
[0016]
In the self-luminous element, the light beam confined inside under the total reflection condition is guided in a direction orthogonal to the substrate while being repeatedly reflected at the interface. For example, in the case of a GaN-LED structure in which the back surface is an electrode and the sapphire substrate is located on the front surface, the light is guided while being totally reflected at the sapphire substrate and the GaN interface and being reflected by the opposing electrode surface. At this time, reflection on the metal surface always involves absorption, and absorption also occurs in the light emitting layer when crossing the light emitting layer, so that the amount of light attenuates as the number of reflections increases. A part of the light is emitted from the end face to the outside, but is in a direction perpendicular to the substrate and cannot be an effective light beam.
The present invention is a structure that effectively uses the ineffective light emission in the side surface direction, and specifically has a structure in which the side surface is inclined from the normal direction of the substrate.
[0017]
This inclination angle is set so that the interface satisfies the total reflection condition for light rays parallel to the substrate. This critical angle is defined as θ1. By satisfying this condition, the side total reflection condition can be satisfied for almost all light emission. Assuming that the metal electrode is positioned on the back surface, light rays having an angle lower than the angle parallel to the substrate are reflected by the back electrode to satisfy the total reflection condition of the side surface. However, there are cases where light rays that reach the side surface directly without being reflected by the back electrode are not satisfied. Therefore, it is desirable that the position of the light emitting layer is as close to the back electrode as possible.
[0018]
Next, the total reflection condition at the interface with the substrate is considered. A line connecting the boundary point of the interface between the side surface and the substrate facing each other by the light beam emitted from the end of the light emitting layer partitioned by the inclined side surface to the substrate side is the maximum incident angle to the substrate. Let this critical angle be θ2. This angle is set so as not to exceed the critical angle.
[0019]
By satisfying the above two conditions, almost all light rays are emitted to the substrate side. A shape that satisfies these two conditions will be specifically described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the shape satisfying these two conditions has a side surface that is a part of a parabolic shape.
In the self-luminous element shown in FIG. 1, light generated from the light emitting layer 1 is emitted from the sapphire substrate 6 through the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer.
[0020]
In FIG. 1, a light emitting layer 1 is a layer that emits light by applying a voltage between a p-electrode 3 and an n-electrode (not shown). The layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer is made of GaN and is in contact with the light emitting layer 1. The critical angle θ1 determined by the refractive index of GaN and the refractive index of air is 24 °, and the critical angle θ2 determined by the refractive index of GaN and the refractive index of the sapphire substrate 6 is 46 °. The parabolic shape satisfying these two conditions is, for example, when the output side size L1 is 100, the parabolic focal length is 6.2, the light emitting layer size L2 is 55.6, and the GaN thickness d. Becomes 70.
[0021]
A sapphire substrate 6 is bonded to the light emission side of the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer.
The p-electrode 3 is formed on the opposite side of the light-emitting layer 1 from the layer (GaN) 2 in contact with the light-emitting layer. The p-electrode 3 is in contact with the light emitting layer 1 through the p-side GaN 19. The p electrode 3 is made of metal and has a reflection function.
[0022]
In FIG. 1, the structure composed of the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer, the light emitting layer 1, and the p-side GaN 19 is shown in detail as shown in FIG. That is, the layer (GaN) 2 and the light emitting layer 1 in contact with the light emitting layer in FIG. 1 correspond to the n-side GaN 17 and the light emitting layer (GaInN) 20 in FIG. In FIG. 1, only the p-side GaN 19 is provided between the light-emitting layer 1 and the p-electrode 3, but actually there are two layers of AlGaN 18 and p-side GaN 19 as shown in FIG. 2. Here, since the light emitting layer (GaInN) 20 and the AlGaN 18 are sufficiently thin with respect to the wavelength of light, the space between the p electrode 3 and the sapphire substrate 6 can be represented by the refractive index of GaN. Further, as shown in FIG. 1, the AlGaN 18 of FIG. 2 can be omitted.
[0023]
As described above, the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer preferably has a parabolic shape as shown in FIG. 3A in order to improve the external extraction efficiency. However, the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer is not limited to the above-mentioned paraboloid shape. 3B and C, a quadrangular pyramid as shown in FIG. 4A, and a split shape as shown in FIGS. 4B and 4C are hexagonal and square, and each cross-sectional shape is a variation. Parabolic shapes and the like can be mentioned. In short, the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer has a side surface that is open in the direction of emitting light, that is, the side surface is inclined so that the back surface is convex with respect to the emission surface. If at least a part of the side surface has a shape that totally reflects light from the light emitting layer, the external extraction efficiency can be improved.
[0024]
Next, an embodiment of the invention relating to the lighting device will be described with reference to FIGS.
The practical dimensions of the self-luminous element described above are determined by how much the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer is thickened. When the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer is set to 7 μm, for example, the chip size is 10 μm, and it is necessary to arrange a plurality of light sources in order to obtain an absolute light amount. Various arrangements of the self-luminous elements can be considered as shown in FIGS. A one-dimensional structure having a parabolic or trapezoidal cross-sectional shape as shown in FIG. 7 is also conceivable.
[0025]
8 and 9 show examples of structures realized as the lighting device. The p-electrode 3 of each self-luminous element shown in FIG. 9 is electrically connected to the p-electrode bonding pad 11 of the submount substrate 13 shown in FIG. The n-electrode 7 is formed on the side surface in order to make the light emitting region as small as possible. 9A is an ineffective light emitting region, and is electrically connected to the n-electrode bonding pad 12 of the submount substrate 13 by solder or the like. The number of divisions is determined by the required amount of light, driving conditions, the thickness of the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer due to process restrictions, and the like.
[0026]
As shown in FIG. 9, the divided elements are driven in parallel. On the n side, each divided element is wired in series with an electrode formed on the side surface. In order to inject current uniformly into each divided element, it is necessary to reduce the n-side wiring resistance or increase the resistance in series with each element. When the series resistance of each element is increased, the drive voltage increases and the efficiency of the series resistance decreases. In this sense, it is desirable to reduce the n-side wiring resistance. This structure can form a relatively thick wiring electrode by using the side surface. As a result, the wiring resistance can be reduced, and driving can be performed without variation among the divided elements.
[0027]
Further, as shown in FIG. 10, the wiring method may employ a structure in which the entire light emitting region is divided into a plurality of parts and each is connected in series. That is, as shown in FIG. 10B, the rear surface of a part of the divided projections (GaN) 16 and the side surfaces of the projections (GaN) 16 adjacent thereto are electrically connected. When the same material as the example described in FIG. 9 is used, it can be driven uniformly even if the electrode film thickness is relatively thin. However, the series division number times drive voltage rises.
[0028]
As for n-side electrode formation, the sapphire substrate can be removed after crystal growth, and the transparent electrode can be formed in a planar manner. In this case, since the resistance may be high only with the transparent electrode, it is also possible to form a bus electrode composed of the mesh electrode 24 as shown in FIG. 11 or the stripe electrode 27 as shown in FIG.
[0029]
With this structure, it is possible to emit nearly 100% light to the sapphire substrate side, but in order to efficiently extract it into the air, the sapphire substrate is processed into a ball lens shape or a ball lens made of a material having a refractive index close to that of the substrate. It is desirable to form. Here, the ball lens is a spherical lens centering on the interface position between the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer and the sapphire substrate 6 as shown in FIG. The material for bonding the sapphire substrate 6 and the ball lens 8 is preferably a material having a refractive index close to both. This is because the reflection at the interface between the sapphire substrate 6 and the ball lens 8 is reduced and the external extraction efficiency is increased.
[0030]
In general, many materials used for optical lenses and adhesive materials for bonding a substrate and a lens are smaller than the refractive index of sapphire. When the refractive index of the ball lens is 1.5, it is possible to improve the overall external extraction efficiency by reviewing the shape of the layer (GaN) 2 in contact with the light emitting layer. In determining the total reflection condition between the substrate and GaN described above, the substrate is designed with a refractive index of 1.5. At that time, the critical angle is 38 °. When L1 is 100, the focal length of the paraboloid is 5.4, the light emitting layer size L2 is 49, and the depth d is 88.
[0031]
Taking it one step further, by setting the substrate refractive index to air, the extraction efficiency into the air can be made close to 100% without the ball lens. At this time, if the critical angle is 24 ° and L1 is 100, the focal length of the paraboloid is 4.1, the light emitting layer size L2 is 37, and the depth d is 133.
[0032]
As described above, by increasing d with respect to L1, a lens function can be added, and the entire lighting device can be simplified. On the other hand, since the size of the light emitting layer is reduced, it is necessary to increase the chip size in order to obtain the same amount of light. Therefore, the ratio between L1 and d is determined within the constraints of the yield of the LED manufacturing process, the number of substrates that can be obtained by the relationship between the substrate size and the chip size, the overall design of the lighting device, and the like.
[0033]
Next, an embodiment of the invention relating to a method for manufacturing a self-luminous element will be described with reference to FIGS.
An example of the process here is a method using reactive ion etching. That is, normal planar crystal growth is performed on a sapphire substrate, and then SiO 22The GaN layer is divided into inclined side structures by reactive ion etching using the above as a mask. A sectional view of the final self-luminous element is as shown in FIG.
[0034]
Next, a method for manufacturing a self-luminous element using reactive ion etching will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 15, in the LED structure growth step of Step 1, normal planar crystal growth is performed on the sapphire substrate 6, and the light emitting layer (GaInN) 20 and the n-side GaN 17 (light emission) are formed on the sapphire substrate 6. A layer in contact with the layer) or the like.
[0035]
Step 2 SiO2In the layer formation process, a silicon oxide film (SiO2) having a thickness of about 200 μm is formed on the wafer on which the LED structure is grown.2) 29 is formed by a method such as vacuum deposition, sputtering, or plasma CVD.
[0036]
In the step of forming a photoresist pattern in step 3, the pattern of the photoresist 30 is formed so that the portion from which silicon oxide is removed becomes an opening.
[0037]
In the etching step of step 4, an opening is formed in the silicon oxide film. This may be wet etching or dry etching. In the case of wet etching, only silicon oxide is removed using Buffered-HF or HF.
[0038]
In step 5 of removing the photoresist, the resist used for the silicon oxide etching mask is removed. If wet etching is used in step 4, the resist is removed with a suitable organic solvent. Further, when dry etching is used in step 4, the resist is altered and cannot be removed with a normal organic solvent. Therefore, the resist is ashed with oxygen plasma and completely removed with a resist stripping solution.
[0039]
As shown in FIG. 16, in the reactive ion etching step of step 6, a concave portion is formed in the layer in contact with the light emitting layer from the opening by reactive ion etching. That is, the n-clad layer is exposed by reactive ion etching using the silicon oxide film having the pattern transferred as an etching mask. Etching conditions include, for example, Cl (chlorine) gas at a flow rate of 12 sccm, Ar (argon) at a flow rate of 2 sccm, a gas pressure of 0.12 Pa, and an RF power of 100 W. At this time, the etching rate of the silicon oxide film is smaller than the etching rate of the GaN-based material constituting the LED, but the silicon oxide film is similarly etched, and the side surface of the pattern of the silicon oxide film slightly recedes. Due to this property, as the etching progresses, the pattern width of the silicon oxide becomes narrower, and the GaN-based material is etched in a taper shape (a plateau shape) as shown in 6 of FIG. That is, the recess becomes narrower toward the bottom. The thinner the silicon oxide film, the greater the receding by etching, and the taper angle can be increased.
[0040]
In the step of forming a photoresist pattern in step 7, a resist pattern is formed so that the bottom surface (the n-side GaN 17 exposed by etching) of the LED structure remaining in a plateau shape is opened.
[0041]
In the n-electrode formation step of step 8, the n-electrode is formed using vacuum deposition or the like. For example, Ti / Al / Pt / Au (Ti is the first layer) = 10/100/100/300 nm can be adopted as the material and film thickness.
[0042]
In step 9 of removing the photoresist and alloying, the lift-off method is used to leave only the electrode formed in the resist opening and remove the other portions. Thereafter, heat treatment is performed at 800 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. As a result, the n-side GaN 17 is also heated, so that the hydrogen contained in this layer is removed, and the resistance of the p-side GaN 19 is reduced.
[0043]
As shown in FIG. 17, in the step of forming a photoresist pattern in Step 10, the photoresist 30 is patterned so that the plateau-like upper surface left by etching becomes an opening for forming the p-side electrode. To do.
[0044]
In the etching step of Step 11, the silicon oxide film under the photoresist pattern is removed using the photoresist pattern as an etching mask. As the etching method, the same method as described in Step 4 can be used.
[0045]
In the step of forming the p electrode in step 12, the p-side electrode is formed by vacuum deposition or the like. For example, Ni / Pt / Au (Ni is first) = 10/100/300 nm can be adopted as the material and film thickness.
[0046]
In step 13 of removing the photoresist, an organic solvent such as acetone is used to remove other than the electrode 3 formed on the p side. As the method for removing the photoresist, the same method as described in Step 9 can be used.
[0047]
Next, an embodiment of the invention relating to a two-dimensional display device will be described with reference to FIGS.
The self-luminous element of the present invention can be applied not only as a light source but also to a two-dimensional display device having one or two or more self-luminous elements as one pixel, that is, a matrix display. That is, each self-light-emitting element or a plurality of self-light-emitting elements forms one pixel and functions as an XY matrix display as a whole.
[0048]
18 and 19 are examples in which a TFT switch is connected to the p-side electrode of each self-luminous element. Thereby, a matrix display element using LEDs is realized. That is, for active matrix driving, an active element corresponding to one pixel is connected to the back side of each self-light-emitting element or a plurality of self-light-emitting elements.
[0049]
The operation of the circuit will be described with reference to FIG. 18. First, a data signal corresponding to line sequential scanning is supplied to the signal line 31. Next, a scanning pulse is input to the scanning line 38, and the switching TFT 36 is opened. While the switching TFT 36 is open, the potential of the difference between the potential of the capacitor line 38 and the signal line 31 is charged in the storage capacitor 37. Next, the storage capacitor 37 holds data until the switching TFT 36 is closed and a scanning pulse in the next frame period is input. A current corresponding to the voltage held in the storage capacitor 37 is supplied from the power supply line 32 to the LED 34 and is lit until the next frame.
[0050]
In the example of the matrix display shown in FIG. 19, a common electrode 33 is formed around each convex portion (GaN) 16 (including side surfaces). Here, the gate 40 is connected to the storage capacitor and operates the driving TFT with a predetermined current value. The drain 41 connects the LED of the convex portion (GaN) 16 and the driving TFT drain. The source 42 connects the drive TFT source side and the power supply line.
[0051]
FIG. 20 shows an application example to an XY simple matrix display. As shown in FIG. 20, for simple matrix driving, the back surface of each convex portion (GaN) 16 or the plurality of convex portions (GaN) 16 is connected to a row or column electrode. In addition, column or row electrodes are formed in a direction orthogonal to the row or column electrodes. At least a part of the n-electrode 7 formed on the front side of the convex portion (GaN) 16 needs to be transparent.
[0052]
Although the above description has been made on GaN, the luminous efficiency of the LED element can be improved by using the same shape for other materials. For example, in the case of a quaternary mixed crystal of AlGaNInP, the refractive index is estimated to be about 3.4. Estimating the optimum shape incident on a ball lens of 1.5 gives a parabolic focal length of 3.62, a light emitting layer size L2 of 47, and a depth d of 135 with a critical angle of 26 °, L1 of 100. In GaN, the sapphire substrate is transparent, but GaAs is used as the substrate for this quaternary mixed crystal. Since GaAs is opaque, it must be removed after crystal growth. Except for this point, the process is the same as that of GaN described above.
[0053]
Next, other embodiments of the illumination device and the two-dimensional display device will be described with reference to FIGS.
The present invention is not limited to LEDs. External extraction efficiency can also be improved for EL (organic, inorganic) devices.
[0054]
For example, as shown in FIG. 21, a structure in which an electrode (reflective layer) 46, a light emitting layer 45, a transparent electrode 44, and a convex portion 43 are sequentially laminated on a substrate 47 can be considered. Here, the convex portion 43 is in contact with the light emitting layer 45 through the transparent electrode 44. When the refractive index of the light emitting layer 45 is about 1.5, the refractive index is smaller than the material of the transparent electrode 44. The total reflection in the light emitting layer occurs when the refractive index of the material in contact is smaller than the refractive index of the material of the light emitting layer, and this problem does not occur here.
[0055]
In addition, when the convex part 43 as shown in FIG. 21 is comprised in the part which is not directly related to the light emitting layer 45, a refractive index becomes a problem for selection of the material of the convex part 43. FIG. In this case, if it is made of a material smaller than the refractive index of the light emitting layer 45, an angle exceeding the total reflection condition exists at the interface between the transparent electrode 44 and the convex portion 43. Therefore, the refractive index of the material of the convex portion 43 needs to be the same as or larger than the refractive index of the material of the light emitting layer 45.
[0056]
The interface critical angle with air is 41.8 °. When there is no convex 43 on the transparent electrode 44, the external extraction efficiency is at most 25%. However, the light emitting area and the convex 43 have a one-to-one correspondence, and the light emitting layer is sufficiently thinner than the convex 43. If it is, the extraction efficiency close to 100% can be obtained. Assuming that L1 is 100, the ideal convex portion 43 has a paraboloid focal length of 8.2, a light emitting layer size L2 of 37, and a depth d of 66.
[0057]
FIG. 22 shows a structure in which the convex portion 43 is smaller than one pixel of the light emitting layer 45 and a plurality of convex portions 43 correspond to one pixel. This structure is advantageous in that it is not necessary to align the light emitting portion and the convex portion 43.
[0058]
As shown in FIG. 23, the effect of the convex portion 43 differs depending on the light emission angle and position. The light beam emitted under the convex portion 43 is totally reflected by the inner surface of the convex portion 43 and is emitted to the outside. Light emission other than under the convex portion 43 may be a light beam totally reflected at the interface or a light beam having a critical angle or less. Light rays having a critical angle or less are emitted to a material having a small refractive index (which may be air) and are almost all incident on the convex portion 43. Next, the light is totally reflected on the inner surface of the convex portion 43 and then emitted to the outside. A light beam having an angle larger than the critical angle repeats total reflection between the back surface and the material having a small refractive index, and eventually enters the convex portion 43 and is extracted outside. In this structure, since light leakage may occur in adjacent pixels, it is desirable that there is a reflective layer 48 between the adjacent pixels.
[0059]
From the above, according to the embodiment of the present invention, the side surface of the layer in contact with the light emitting layer has a shape that is open in the direction of emitting light, and at least one part of the side surface completely transmits the light from the light emitting layer. A step of forming a recess in the layer in contact with the light emitting layer by reactive ion etching from the opening, or the recess becomes narrower toward the bottom, or the lighting device is Since a plurality of light emitting elements are arranged, or in the two-dimensional display device, one or two or more self-light emitting elements are used as one pixel, so that external extraction efficiency can be improved, and unevenness in emission intensity is uneven. Can be suppressed. Therefore, the light emission efficiency can be improved and a large area can be emitted uniformly.
[0060]
As a result, a bright light source and illumination device (direct-view large-screen XY display device, LCD backlight, projector light source, and various illumination devices) with low power consumption can be realized. Further, a two-dimensional display device driven by an XY matrix (passive and active) is possible.
[0061]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
[0062]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
The side surface of the layer in contact with the light emitting layer has a shape that is open in the light emitting direction, and at least one part of the side surface has a shape that totally reflects the light from the light emitting layer, or from the opening, the reactivity Forming a recess in a layer in contact with the light emitting layer by ion etching, and the recess becomes narrower toward the bottom, or the two-dimensional display device has one or more self-luminous elements as one pixel. Therefore, the light emission efficiency can be improved.
In addition, since the lighting device has a plurality of self-luminous elements arranged, the light emission efficiency can be improved and a large area can be emitted uniformly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the invention relating to a self-luminous element.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a device structure of a GaN-LED.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a convex portion relating to a self-luminous element (No. 1).
FIG. 4 is a diagram showing an example of a convex portion relating to a self-luminous element (part 2).
FIG. 5 is a diagram showing an example of an arrangement of convex portions related to a self-light-emitting element (part 1);
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an array of convex portions related to a self-light-emitting element (part 2);
FIG. 7 is a diagram showing an example of an array of convex portions related to a self-light emitting element (part 3);
FIG. 8 is a diagram showing a submount substrate used in the invention relating to the illumination device.
FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of the invention relating to a lighting device.
FIG. 10 is a diagram showing another embodiment of the invention relating to the lighting device.
FIG. 11 is a diagram showing another embodiment of the invention relating to the lighting device.
FIG. 12 shows another embodiment of the lighting device.
FIG. 13 is a view showing an example in which a ball lens is bonded to an array of self-luminous elements.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a self-luminous element according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the self-luminous element (No. 1).
FIG. 16 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the self-luminous element (No. 2).
FIG. 17 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the self-luminous element (No. 3).
FIG. 18 is a diagram showing an embodiment of the invention relating to a two-dimensional display device.
FIG. 19 is a diagram showing an embodiment of the invention relating to a two-dimensional display device.
FIG. 20 is a diagram showing an embodiment of the invention relating to a two-dimensional display device.
FIG. 21 is a diagram showing another embodiment of the illumination device or a two-dimensional display device.
FIG. 22 is a diagram showing another embodiment of the illumination device or a two-dimensional display device.
FIG. 23 is a diagram showing another embodiment of an illumination device or a two-dimensional display device.
FIG. 24 is a diagram showing an example of a conventional self-luminous element.
FIG. 25 is a view showing an example in which a conventional self-luminous element is bonded to a ball lens.
FIG. 26 is a diagram showing another example of a conventional self-luminous element.
FIG. 27 is a diagram showing a light emission intensity distribution when a supplied current is changed in a conventional self-light-emitting element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting layer, 2 ... Layer in contact with light emitting layer (GaN), 3 ... p electrode, 4 ... Self-light emitting element, 5 ... side, 6 ... sapphire substrate, 7 ... n electrode, 8 ... Ball lens, 9 ... p-side input terminal, 10 ... n-side input terminal, 11 ... p-electrode bonding pad, 12 ... n-electrode bonding pad, 13 ... submount substrate, 14 ... n-electrode lead-out part 15 ... LED substrate, 16 ... convex (GaN), 17 ... n-side GaN, 18 ... AlGaN, 19 ... p-side GaN, 20 ... light emitting layer (GaInN), 21 ... p-electrode extraction , 22 ... Insulating layer, 23 ... Contact electrode, 24 ... Mesh electrode, 25 ... Transparent electrode, 26 ... Wire bonding, 27 ... Stripe electrode, 28 ... GaN buffer, 29 ... SiO2, 30 ... Photoresist, 31 ... Signal line, 32 ... Power line, 33 ... Common electrode, 34 ... LED, 35 ... Drive TFT, 36 ... Switching TFT, 37 ... Storage capacitor, 38 ... ... Capacitance line, 39 ... Scanning line, 40 ... Gate, 41 ... Drain, 42 ... Source, 43 ... Projection, 44 ... Transparent electrode, 45 ... Light emitting layer, 46 ... Electrode (reflection film) ), 47 ... Substrate, 48 ... Reflective layer, 49 ... Electrode, 50 ... Terminal (Reflector)

Claims (1)

発光層と、透明電極層を介して、発光層に接する層と、上記発光層の、上記発光層に接する層と反対側に形成された反射機能を有する電極とを含み、上記発光層に接する層の、上記発光層と反対側の面から光を出射する1または2以上の自発光素子を1画素とする2次元表示装置において、
上記自発光素子が、
(イ)上記発光層の屈折率が、1.5程度で、上記透明電極層の屈折率より小さく、上記発光層に接する層の屈折率が、上記発光層の屈折率と同じか又は上記発光層の屈折率より大きく、
(ロ)上記発光層に接する層は、その側面が光を出射する方向に開いた形状を有し、その側面の断面形状が放物線形状の一部となり、上記発光層に接する層の出射側のサイズL1=100としたとき、放物面焦点距離=8.2、上記発光層のサイズL2=37、上記発光層に接する層の厚さd=66であり、
(ハ)上記側面の少なくとも1部は、上記発光層からの光を全反射する形状を有することを特徴とする2次元表示装置。
A light emitting layer, via the transparent electrode layer, and the layer in contact with the light-emitting layer, the light emitting layer, an electrode having a reflection function is formed on the opposite side of the layer in contact with the light emitting layer seen including, in the light-emitting layer the contact layer, the two-dimensional display device according to one or more of one pixel self-luminous element that emits light from the surface opposite to the light emitting layer,
The self-luminous element is
(A) The refractive index of the light emitting layer is about 1.5, which is smaller than the refractive index of the transparent electrode layer, and the refractive index of the layer in contact with the light emitting layer is the same as the refractive index of the light emitting layer or the light emission. Greater than the refractive index of the layer,
(B) a layer in contact with the light emitting layer has a shape open in the direction in which the side surface for emitting light, Ri Do sectional shape of the side surface and part of a parabola shape, emission of the layer in contact with the light emitting layer When the side size L1 = 100, the parabolic focal length = 8.2, the light emitting layer size L2 = 37, and the layer thickness d = 66 in contact with the light emitting layer,
(C) at least a portion of the side, the two-dimensional display device characterized by having a shape that totally reflects the light from the light emitting layer.
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