(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体薄膜素子がプラスチック基板上に接合された半導体装置であって、
（ｂ）前記プラスチック基板の両面に積層された熱膨張差緩和層を有し、
（ｃ）前記プラスチック基板は熱膨張特性を備え、前記熱膨張差緩和層は熱収縮特性を備え、
（ｄ）前記プラスチック基板と熱膨張差緩和層とから成る積層体の熱膨張係数は、前記半導体薄膜素子の熱膨張係数と合致することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱膨張差緩和層は有機化合物から成る請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディスプレイ装置の軽量化及び薄型化の開発が進む中で、電子ペーパーに代表されるようなフレキシブルディスプレイへの必要性が高まっている。
【０００３】
従来、薄型ディスプレイの基板としては、リジッドなガラス基板を用いることが主流であった。しかしながら、ガラス基板に強い衝撃を与えてしまうと、割れ、ひび等の損傷が発生してしまうのに加え、ガラス基板の比重が大きいため装置全体が重くなってしまうというデメリットがあった。
【０００４】
そこで、ガラス基板の代わりにプラスチック基板を用いることが提案されている。該プラスチック基板を用いることによって、耐衝撃性の向上、及び、装置全体の軽量化を図ることができる。その上、製造上、プラスチック基板はフレキシブルに加工することが容易に行えるため、生産性の高いロール・ツー・ロールでプラスチック基板上に発光素子を形成することができる。したがって、今後、ディスプレイ分野で大きく飛躍すると期待されている分野である（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００５】
なお、フレキシブルディスプレイの発光素子として近年開発が進められているものには、リジッドタイプのディスプレイとして実績が多い液晶ディスプレイと、自発光タイプであることから鮮明画像が表示可能であるとされ、近年、大幅に開発が進められている有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス）ディスプレイとがある。
【０００６】
基板としてガラス基板を用いた装置の場合、液晶ディスプレイについては言うまでもなく、また、有機ＥＬディスプレイについても、依然として信頼性に課題を残すところはあるものの、かなりの高品質な製品又は開発品が製造されている。
【特許文献１】特開２００２−２６８０４６号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来のディスプレイ装置においては、プラスチック基板を用いて、液晶方式及び有機ＥＬ方式を採用したフレキシブルディスプレイを製作すること、すなわち、プラスチック基板上に信頼性を確保した発光素子を製作することは非常に困難である。ガラス基板の代わりにプラスチック基板を用いた装置の場合、依然として両者とも安定した製品の創出には至っていないのが現状である。これは、液晶ディスプレイの素子構造、又は、有機ＥＬディスプレイに用いられる有機発光層自体が変質しやすいものであることに起因している。
【０００８】
液晶ディスプレイでは、各々の配向方向が９０度捩（ねじ）れるように対向させた配向膜の間に、液晶を充填（てん）した素子を用いるのが一般的である。液晶ディスプレイを作動させるには、液晶の両極に電圧を印加することによって、液晶の配向をコントロールし、バックライトから放出される光の透過及び遮断をコントロールしている。ちなみに、対向する配向膜の間隔は、液晶パネル全域において均等になるように設けられたスペーサによって維持され、約５〔μｍ〕に設定されている。
【０００９】
ここで、液晶ディスプレイの基板がフレキシブルなものである場合を想定する。フレキシブルな基板を湾曲させると、外側の基板の配向膜と内側の基板の配向膜との位置関係及び間隔にずれが生じる。これにより、制御されていた液晶の配向にずれが生じてしまい、画像の歪（ゆが）み、画像の滲（にじ）み等が現れる。また、基板を極端に動かすと両側の配向膜に挟まれている容積が極端に変化するので、液晶が滲み出てしまうこともある。
【００１０】
このように、液晶ディスプレイの場合、液晶素子が完全な固体素子ではないために、基板をフレキシブルに動かした際に不具合が発生する。その上、プラスチック基板は、ガスバリア性がガラス基板ほど良好でないために、基板を透過するガスによる液晶の酸化又は気泡の発生によって、液晶ディスプレイの寿命を極端に低減させてしまう。これらの理由によって、液晶素子をフレキシブル基板としてのプラスチック基板上に形成するのは非常に困難とされている。
【００１１】
一方、有機ＥＬディスプレイの場合、有機ＥＬ素子が、液晶素子とは異なり、完全固体であるので、液晶ディスプレイの場合のような液晶が漏れることによる故障、又は、液晶の配向の崩れによる画像の歪み、滲み等は発生しない。したがって、フレキシブルディスプレイ分野では、液晶ディスプレイではなく、有機ＥＬディスプレイに注目が集められている。
【００１２】
しかしながら、有機ＥＬディスプレイに用いられる有機発光層は、非常に酸化による変質が起こりやすく、信頼性の観点から安定供給が非常に困難なものとされている。特に、プラスチック基板はガラス基板と比較してガスバリア性が高くないので、有機ＥＬディスプレイのフレキシブル基板としてプラスチック基板を用いる場合には、ガスバリア層に細心の注意を払う必要がある。
【００１３】
そこで、特許文献１に開示されているように、ガスバリア層が工夫されたプラスチック基板の開発が行われている。しかしながら、ガスバリア層に様々な工夫を施しても、やはりプラスチック基板のガスバリア性はガラス基板には及ばない。そのため、プラスチック基板を用いた有機ＥＬディスプレイの場合も、液晶ディスプレイの場合と同様に、信頼性を確保するのが非常に難しいというのが現状である。
【００１４】
また、特許文献２においては、発光性を有する有機薄膜素子をプラスチック基板上に形成する際、有機薄膜素子をプラスチック基板上に加熱転写した後の冷却工程及び加熱工程において、両者の熱膨張係数の違いによって引き起こされる電極や有機層のクラックや剥（は）がれが懸念されている。それゆえ、プラスチック基板としては、熱膨張係数が２０〔ｐｐｍ／℃〕以下のものを用いることが望ましいとされている。
【００１５】
熱膨張係数が有機薄膜素子よりも小さい半導体薄膜素子をプラスチック基板上に形成する場合、半導体薄膜素子を接合するプラスチック基板としては、半導体材料の熱膨張係数に近い値、例えば、６〔ｐｐｍ／℃〕程度の熱膨張係数が要求されることも十分に想定される。そのため、熱膨張に起因する応力による潜在ダメージを与えることなく、プラスチック基板上に半導体薄膜素子を集積化することは非常に困難であると考えられている。
【００１６】
プラスチック基板上に形成する発光素子又は任意の半導体素子の熱膨張係数は、一般的に、プラスチック基板の熱膨張係数の数倍又は数十倍になる。したがって、プラスチック基板上に発光素子又は任意の半導体素子を形成する場合、両者の熱膨張係数の違いによって、発光素子又は任意の半導体素子にダメージを与えてしまう。
【００１７】
本発明は、前記従来の半導体装置の問題点を解決して、半導体薄膜素子とプラスチック基板との間に熱膨張差緩和層を挿入することによって、プラスチック基板と熱膨張係数の異なる材料から成る半導体薄膜素子をプラスチック基板上に集積化することができ、半導体薄膜素子にダメージを与えることなく、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
そのために、本発明の半導体装置においては、半導体薄膜素子がプラスチック基板上に接合された半導体装置であって、前記プラスチック基板の両面に積層された熱膨張差緩和層を有し、前記プラスチック基板は熱膨張特性を備え、前記熱膨張差緩和層は熱収縮特性を備え、前記プラスチック基板と熱膨張差緩和層とから成る積層体の熱膨張係数は、前記半導体薄膜素子の熱膨張係数と合致する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体装置においては、半導体薄膜素子とプラスチック基板との間に熱膨張差緩和層が挿入されている。これにより、プラスチック基板と熱膨張係数の異なる材料から成る半導体薄膜素子をプラスチック基板上に集積化することができ、半導体薄膜素子にダメージを与えることなく、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【００２２】
図において、１０は、半導体薄膜素子としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）薄膜素子１２をプラスチック基板１１上に接合した半導体装置である。プラスチック基板１１の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、アラミドフィルム、あるいは、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を用いることができる。なお、本実施の形態において、プラスチック基板１１上に接合される半導体薄膜素子は、必ずしもＬＥＤ薄膜素子１２である必要はなく、他の種類の半導体薄膜素子であってもよく、任意の半導体薄膜素子を選択することができるが、ここでは、説明の都合上、半導体薄膜素子がＬＥＤ薄膜素子１２である場合について説明する。
【００２３】
そして、該ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間には、熱膨張差緩和層１３が形成されている。該熱膨張差緩和層１３は、熱膨張係数が相違するＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との熱膨張の差によって生じる応力を緩和するために前記ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に挿入された層である。したがって、熱膨張差緩和層１３の熱膨張係数の値は、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数とプラスチック基板１１の熱膨張係数との間の値である。なお、前記熱膨張差緩和層１３の材料は、有機化合物材料、メタル材料、酸化物材料又は窒化物材料のいずれかである。ここで、有機化合物材料としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂を用いることができる。メタル材料としては、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｌを用いることができる。酸化物材料としては、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 を用いることができる。窒化物材料としてはＳｉＮを用いることができる。
【００２４】
そして、前記ＬＥＤ薄膜素子１２は、熱膨張差緩和層１３として形成された有機化合物材料、メタル材料、酸化物材料又は窒化物材料の表面に、水素結合による分子間力によって強固に接合されている。
【００２５】
このように、ＬＥＤ薄膜素子１２と熱膨張差緩和層１３とが水素結合による分子間力によって強固に接合されるので、ＬＥＤ薄膜素子１２のボンディング（接合）面、及び、ボンディングされるプラスチック基板１１のボンディング面である表面は、表面粗さ、すなわち、凹凸のピークと谷との典型的な高低差が、約５〔ｎｍ〕以下となるように制御されていることが望ましい。
【００２６】
そして、前記ＬＥＤ薄膜素子１２のＬＥＤ薄膜は、公知の有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）、有機金属化学気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＩｎＰ基板、ガラス基板、石英基板、Ｓｉ基板等から成る親基板上に、エピタキシャル成長させたものである。また、前記ＬＥＤ薄膜は、少なくとも、上層から上側コンタクト層、上側クラッド層、活性層、下側クラッド層、下側コンタクト層等の複数の半導体層を積層した薄膜構造を有する半導体薄膜である。前記ＬＥＤ薄膜は、例えば、５〔μｍ〕以下の膜厚となるように、非常に薄膜化することが可能であるため、非常にフレキシブル性に富んでいる。また、前記ＬＥＤ薄膜は、液晶又は有機ＥＬとは異なり、非常に高品質及び高信頼性を有する材料として実績の高い、半導体エピタキシャル成長法によって形成された材料から成るので、品質が高く、かつ、信頼性の高いものである。
【００２７】
さらに、前記ＬＥＤ薄膜は、結晶成長基板である親基板との間に選択的にエッチングが可能な犠牲層を設けてエピタキシャル成長させ、その後、前記犠牲層を選択的にエッチングすることによってリフトオフさせたものである。
【００２８】
また、ＬＥＤ薄膜素子１２のＬＥＤ薄膜が、選択的に犠牲層をエッチングすることが困難な化合物半導体、例えば、ＧａＮ系の半導体から成るものである場合、薄膜化する手段の１つとして、親基板の裏面をグラインド処理することによって、ＬＥＤ薄膜として必要となるエピタキシャル成長層のみ、約５〔μｍ〕以下に薄膜化し、そのＬＥＤ薄膜を発光素子であるＬＥＤ薄膜素子１２として使用する。
【００２９】
フレキシブル基板としてのプラスチック基板１１上に形成されたＬＥＤ薄膜素子１２には、公知のホトリソグラフィ技術によって、カソード配線及びアノード配線としての薄膜配線１４が形成されている。なお、該薄膜配線１４には、ＬＥＤ薄膜素子１２を駆動するための図示されないアノードドライバＩＣ及びカソードドライバＩＣを接続することができる。この場合、アノードドライバＩＣには、各ＬＥＤ薄膜素子１２のアノード配線の一端が接続され、カソードドライバＩＣには、各ＬＥＤ薄膜素子１２のカソード配線の一端が接続される。
【００３０】
次に、前記構成の半導体装置１０の動作について説明する。
【００３１】
プラスチック基板１１上に形成されたＬＥＤ薄膜素子１２は、カソード配線とアノード配線との間に順バイアス方向に電流を注入することによって発光する。
【００３２】
前記ＬＥＤ薄膜素子１２のＬＥＤ薄膜は、例えば、５〔μｍ〕以下とすることが可能であるため、フレキシブルに扱うことが可能である。したがって、前記ＬＥＤ薄膜素子１２は、フレキシブルなプラスチック基板１１上に形成されても、高品質及び高信頼性を確保した発光素子として動作する。
【００３３】
このように、本実施の形態においては、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に熱膨張差緩和層１３が介在している。これにより、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数とプラスチック基板１１の熱膨張係数とが相違しても、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との熱膨張の差によって生じる応力が熱膨張差緩和層１３によって緩和され、ＬＥＤ薄膜素子１２が受ける応力が緩和される。したがって、ＬＥＤ薄膜素子１２がダメージを受けることがないので、半導体装置１０の信頼性を高めることができる。
【００３４】
また、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間の熱膨張係数の差が大きすぎると、ＬＥＤ薄膜素子１２の素子形成プロセスにおいて、ＬＥＤ薄膜素子１２にクラックが発生してしまうことがあるが、前記熱膨張差緩和層１３がＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に介在するので、ＬＥＤ薄膜素子１２にクラックが発生することがない。
【００３５】
前記「背景技術」及び「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、従来、液晶素子をフレキシブル基板としてのプラスチック基板上に形成した液晶ディスプレイは、液晶の配向の崩れによる画像の歪み、滲み等の問題や、配向膜間に充填された液晶の漏れなどの問題から、フレキシブルディスプレイとしての使用が困難であると考えられていた。また、完全固体である有機ＥＬ素子をフレキシブル基板としてのプラスチック基板上に形成した有機ＥＬディスプレイは、フレキシブルディスプレイとして適したものであると考えられているが、有機発光層が非常に変質しやすい材料から成るので、信頼性の観点から、非常に安定供給が困難であると考えられていた。
【００３６】
これに対し、本実施の形態における半導体装置１０は、高品質かつ高信頼性を兼ね備えた発光素子として実績の高い、エピタキシャル成長法によって形成されたＬＥＤ薄膜を備えるＬＥＤ薄膜素子１２をプラスチック基板１１上に接合したデバイス構造を有する。これにより、高品質かつ高信頼性を兼ね備えた発光素子であるＬＥＤ薄膜素子１２をプラスチック基板１１上に形成することが可能となる。また、前記ＬＥＤ薄膜は、例えば、５〔μｍ〕以下と薄膜化することが可能であるため、ＬＥＤ薄膜素子１２は、プラスチック基板１１の挙動に対し、柔軟に追従することが可能となる。
【００３７】
なお、前記ＬＥＤ薄膜素子１２の材料である、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の化合物半導体の熱膨張係数は約６〔ｐｐｍ／℃〕であるのに対し、プラスチック基板１１の熱膨張係数は、材料の種類によって異なるが、一般的に、約１５〔ｐｐｍ／℃〕から８０〔ｐｐｍ／℃〕である。すなわち、プラスチック基板１１の熱膨張係数は、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数の数倍から数十倍になる。しかし、前述のように、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に熱膨張差緩和層１３が介在しているので、ＬＥＤ薄膜素子１２が受ける応力が緩和され、ＬＥＤ薄膜素子１２がダメージを受けることがなく、ＬＥＤ薄膜素子１２にクラックが発生することがない。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００３９】
図２は本発明の第２の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【００４０】
本実施の形態において、半導体装置１０は、図２に示されるように、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に、複数段、例えば、３段に形成された熱膨張差緩和層１３を有する。
【００４１】
このように、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に挿入された熱膨張差緩和層１３が複数の層から成るので、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数とプラスチック基板１１の熱膨張係数との差が大きい場合であっても、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１とを接合することができる。また、高品質及び高信頼性を確保したＬＥＤ薄膜素子１２をプラスチック基板１１上に形成することができる。
【００４２】
なお、熱膨張差緩和層１３の熱膨張係数の値は、前記第１の実施の形態と同様に、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数とプラスチック基板１１の熱膨張係数との間の値である。そして、前記熱膨張差緩和層１３は、複数の層から成るので、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との熱膨張の差によって生じる応力を段階的に緩和することができる。また、前記熱膨張差緩和層１３の材料は、有機化合物材料、メタル材料、酸化物材料又は窒化物材料のいずれかである。
【００４３】
なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４４】
次に、本実施の形態における半導体装置１０の動作について説明する。
【００４５】
プラスチック基板１１上に形成されたＬＥＤ薄膜素子１２は、カソード配線とアノード配線との間に順バイアス方向に電流を注入することによって発光する。
【００４６】
前記ＬＥＤ薄膜素子１２のＬＥＤ薄膜は、例えば、５〔μｍ〕以下とすることが可能であるため、フレキシブルに扱うことが可能である。したがって、前記ＬＥＤ薄膜素子１２は、フレキシブルなプラスチック基板１１上に形成されても、高品質及び高信頼性を確保した発光素子として動作する。
【００４７】
このように、本実施の形態においては、前記第１の実施の形態と同様に、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に熱膨張差緩和層１３が介在している。これにより、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数とプラスチック基板１１の熱膨張係数とが相違しても、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との熱膨張の差によって生じる応力が熱膨張差緩和層１３によって緩和され、ＬＥＤ薄膜素子１２が受ける応力が緩和される。
【００４８】
しかも、前記熱膨張差緩和層１３は複数の層から成る。したがって、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との熱膨張の差が大きくても、それによって生じる応力を段階的に緩和することができる。
【００４９】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５０】
図３は本発明の第３の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【００５１】
本実施の形態において、半導体装置１０は、図３に示されるように、ＬＥＤ薄膜素子１２とプラスチック基板１１との間に形成された熱膨張差緩和層１３ａと、プラスチック基板１１の下面、すなわち、ＬＥＤ薄膜素子１２が接合される面と反対側の面に形成された熱膨張差緩和層１３ｂとを有する。
【００５２】
ここで、熱膨張差緩和層１３ａ及び熱膨張差緩和層１３ｂは、熱収縮特性を備えた有機化合物のフィルムを用いる。具体的には、プラスチック基板１１の材料として用いられる有機化合物（例えば、ＰＥＴ、ＰＩ、ＰＥＳ、アラミドフィルム、ＰＥＮ）を原料とし、延伸法を用いてフィルム状に加工したものを用いることができる。つまり、本実施の形態においては、熱膨張特性を備えるプラスチック基板１１を、表裏両面から熱収縮特性を備える材料から成る熱膨張差緩和層１３ａ及び熱膨張差緩和層１３ｂによって挟み込むように形成し、これにより、プラスチック基板１１と熱膨張差緩和層１３ａ及び熱膨張差緩和層１３ｂとから成る積層体の熱膨張係数を、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数と合致するように調整している。
【００５３】
なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００５４】
次に、本実施の形態における半導体装置１０の動作について説明する。
【００５５】
プラスチック基板１１上に形成されたＬＥＤ薄膜素子１２は、カソード配線とアノード配線との間に順バイアス方向に電流を注入することによって発光する。
【００５６】
前記ＬＥＤ薄膜素子１２のＬＥＤ薄膜は、例えば、５〔μｍ〕以下とすることが可能であるため、フレキシブルに扱うことが可能である。したがって、前記ＬＥＤ薄膜素子１２は、フレキシブルなプラスチック基板１１上に形成されても、高品質及び高信頼性を確保した発光素子として動作する。
【００５７】
このように、本実施の形態においては、ＬＥＤ薄膜素子１２の熱膨張係数と、熱膨張差緩和層１３ａ及び熱膨張差緩和層１３ｂが両面に積層されたプラスチック基板１１の熱膨張係数とを合致させることができる。これにより、前記プラスチック基板１１にＬＥＤ薄膜素子１２を接合させた後の加熱工程に対する耐性も向上し、ＬＥＤ薄膜素子１２が受ける応力が低減される。したがって、高品質及び高信頼性を確保したＬＥＤ薄膜素子１２をプラスチック基板１１上に接合することができる。
【００５８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０    半導体装置
１１    プラスチック基板
１２    ＬＥＤ薄膜素子
１３、１３ａ、１３ｂ    熱膨張差緩和層
【図１】
0004575966.tif 000002
【図２】
0004575966.tif 000003
【図３】
0004575966.tif 000004