(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料で形成された台板と、絶縁材料で形成された蓋板と、前記台板と前記蓋板とを接着する接着層とで形成された空隙の中にアクティブマトリクス基板が保持され、
前記アクティブマトリクス基板は、
画素部に、
単結晶半導体を活性層とした絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタに電気的に接続された画素電極と、
前記画素電極上に設けられた陰極層と、
前記陰極層上に設けられた有機ＥＬ層と、
前記有機ＥＬ層上に設けられた透明導電膜と、を有し、
前記画素電極の表面は凹凸を有し、
前記陰極層は、前記画素部全面に形成されており、
前記アクティブマトリクス基板は前記台板に固定され、
前記蓋板は、前記画素部と重なる領域において、透光性の部材が設けられ、
前記空隙には不活性ガスと乾燥剤が封入されていることを特徴とする自発光装置。
【請求項２】
絶縁材料で形成された台板と、絶縁材料で形成された蓋板と、前記台板と前記蓋板とを接着する接着層とで形成された空隙の中にアクティブマトリクス基板が保持され、
前記アクティブマトリクス基板は、
画素部に、
単結晶半導体を活性層とした絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタに電気的に接続された画素電極と、
前記画素電極上に設けられた陰極層と、
前記陰極層上に設けられた有機ＥＬ層と、
前記有機ＥＬ層上に設けられた透明導電膜と、を有し、
前記画素電極の表面は凹凸を有し、
前記陰極層は、前記画素部全面に形成されており、
前記有機ＥＬ層は、白色発光可能な材料を用いて形成されており、
前記アクティブマトリクス基板は前記台板に固定され、
前記蓋板は、前記画素部と重なる領域において、透光性の部材が設けられ、前記透光性の部材は接着剤で前記蓋板に固定され、
前記空隙には不活性ガスと乾燥剤が封入されており、
前記蓋板において前記透光性の部材が設けられた位置にカラーフィルターが配置されていることを特徴とする自発光装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記陰極層は、フッ化リチウム、酸化リチウム、フッ化バリウム、酸化バリウム、フッ化カルシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムまたは酸化セシウムのいずれかを用いて形成されていることを特徴とする自発光装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記有機ＥＬ層に含まれるナトリウム濃度は、０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする自発光装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記単結晶半導体は単結晶シリコンであることを特徴とする自発光装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記台板と前記蓋板はセラミック材料で形成されていることを特徴とする自発光装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記不活性ガスはヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素のいずれかであることを特徴とする自発光装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
前記乾燥剤は、酸化バリウム、シリカゲルのいずれかであることを特徴とする自発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶半導体を活性層とした絶縁ゲート型電界効果トランジスタによる回路を有する自発光装置およびその作製方法に関する。特に本発明は、画素部と、その周辺に設けられた駆動回路を同一基板上に設けた自発光装置、および自発光装置を搭載した電子機器に好適に利用することができる。
【０００２】
本明細書において、自発光装置とは、基板上に形成した陽極と陰極と、その間に有機ＥＬ層を挟んだＥＬ素子をカバー材で封入したＥＬパネル及び、該ＥＬパネルに駆動回路を実装したＥＬモジュールを自発光装置と総称する。
【０００３】
【従来の技術】
液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Electro Luminescence）材料を用いた自発光装置などに代表される平板型表示装置（フラットパネルディスプレイ）において、単結晶半導体基板に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（以降、電界効果トランジスタをＦＥＴと記す）を用いてアクティブマトリクス型表示装置を作製する技術が知られている。これはガラス基板や石英基板上に薄膜トランジスタ（以降、ＴＦＴと記す）を形成してアクティブマトリクス型表示装置を作製する場合と異なり、大規模集積回路（ＬＳＩ）で培われた技術をそのまま応用することが可能であり、高速で低電圧駆動が可能な高性能のＦＥＴを基板上に高密度に集積形成できることに利点があった。しかし、その一方で基板が可視光に対して不透明であるため反射型、或いは自発光型の表示装置に限定される点や、単結晶半導体基板が市場で供給されるサイズに限定されるといったことが欠点と考えられていた。
【０００４】
表示装置の分野における高画質化やフルデジタル化といった技術指向において、アクティブマトリクス型表示装置に要求される性能向上は必然的に高まってきている。アクティブマトリクス型表示装置において画像表示を行う画素部には、数十から数百万個のトランジスタ（ＴＦＴやＦＥＴなど）が配置されていて、そのトランジスタのそれぞれに画素電極が接続される構成となっている。そして、各画素に印加する電圧をトランジスタのスイッチング機能により制御して、ＥＬ素子を発光させて画像を表示する仕組みになっている。自発光装置においては、それぞれの画素に設けられたスイッチ用トランジスタがオンになると、画像データに応じた信号により電流制御用トランジスタに電流が流れ、ＥＬ素子が自発光する仕組みになっている。
【０００５】
尚、本明細書において有機ＥＬ層とは、電場を加えることで発生するルミネッセンスが得られる有機化合物を含む層を指し、当該有機化合物におけるルミネッセンスには一重項励起状態から基底状態に戻る際の発光（蛍光）と、三重項励起状態から基底状態に戻る際の発光（りん光）の両者を含むものとする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自発光装置の基本部分となる有機ＥＬ層は極めて酸化に弱く、僅かな酸素の存在により容易に劣化してしまう。また、熱にも弱く、これもまた酸化を助長する原因となる。この酸化に弱いという欠点が有機ＥＬ素子における寿命の短さの原因であり、実用化する上で大きな障害となっていた。
【０００７】
本発明はこのような問題点を克服し、信頼性の高い自発光装置を提供することを課題とする。そして、そのような自発光装置を表示部として用いることにより表示部の信頼性が高い電子装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の構成は、単結晶半導体基板に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジスタ上に有機ＥＬ層が形成されたアクティブマトリクス型の自発光装置において、前記自発光装置は、絶縁材料で形成された台板と蓋板とを接着する充填材とで形成された空隙の中に前記単結晶半導体基板が保持され、前記空隙には不活性ガスと乾燥剤が封入されていることを特徴としている。
【０００９】
また、他の発明の構成は、単結晶半導体基板に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジスタ上に有機ＥＬ層が形成された画素部を有するアクティブマトリクス型の自発光装置において、前記自発光装置は、絶縁材料で形成された台板と蓋板とを接着する充填材とで形成された空隙の中に前記単結晶半導体基板が保持され、前記蓋板は、前記画素部と重なる領域において、透光性の部材で形成され、前記空隙には不活性ガスと乾燥剤が封入されていることを特徴としている。
【００１０】
前記単結晶半導体基板としては、単結晶シリコン基板を好適に用いることができる。また、前記空隙にはヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素から選ばれた不活性ガスと、酸化バリウム、シリカゲルから選ばれた乾燥剤が封入すると好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、図１を参照して本発明の自発光装置を説明する。本発明に係わる自発光装置は単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）上に形成した絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により、画素部およびその周辺に駆動回路を設けた構造である。
【００１２】
基板１０１は比較的高抵抗（例えば、ｎ型、１０Ωｃｍ程度）の単結晶シリコンから成り、ｐウエル１０２、ｎウエル１０３〜１０５が自己整合的に形成されている。隣接するＦＥＴはフィールド酸化膜１０６で分離されている。フィールド酸化膜１０６の形成に当たっては、ボロン（Ｂ）を選択的にイオン注入法により基板に導入し、チャネルストッパーを形成しても良い。
【００１３】
ゲート絶縁膜１１０、１１６、１２２、１２８は熱酸化法により形成したものである。ゲート１１１、１１７、１２３、１２９は多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により１００〜３００ｎｍの厚さで形成した多結晶シリコン層１１１ａ、１１７ａ、１２３ａ、１２９ａと、その上に５０〜３００ｎｍの厚さで形成したシリサイド層１１１ｂ、１１７ｂ、１２３ｂ、１２９ｂから成っている。多結晶シリコン層は低抵抗化するために予め１０21／ｃｍ3程度の濃度でリン（Ｐ）をドープしておいても良いし、多結晶シリコン膜を形成した後で濃いｎ型不純物を拡散させても良い。シリサイド層の材料はモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）などを適用することが可能であり、公知の方法に従い形成すれば良い。
【００１４】
ｐチャネル型ＦＥＴ２０１の低濃度ドレイン（ＬＤＤ）領域１０７にはｐ型の導電型を付与する不純物元素としてボロン（Ｂ）がドーズ量で１×１０13〜１×１０14／ｃｍ2添加されている。一方、ｎチャネル型ＦＥＴ２０２とｎチャネル型ＦＥＴで作製されるスイッチングＦＥＴ２０３、電流制御ＦＥＴ２０４のＬＤＤ領域１１３、１１９、１２５にはｎ型の導電型を付与する不純物元素としてリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）がやはり同様のドーズ量で添加されている。これらのＬＤＤ領域はゲートをマスクとしてイオン注入法またはイオンドープ法で自己整合的に形成されている。
【００１５】
サイドウオールスペーサ１１２、１１８、１２４、１３０はＬＤＤ領域を形成後、全面にＣＶＤ法で酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜を形成し、異方性ドライエッチングでこの膜を全面にわたって均一にエッチングし、ゲートの側壁に絶縁膜を残存させて形成したものである。各ＦＥＴのソース領域およびドレイン領域はこのサイドウオールスペーサをマスクに用い形成したものである。ｐチャネル型ＦＥＴ２０１には、ボロン（Ｂ）を５×１０14〜１×１０16／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入したソース領域１０８、ドレイン領域１０９が形成されている。ｎチャネル型ＦＥＴ２０２ｎチャネル型ＦＥＴで作製されるスイッチングＦＥＴ２０３、電流制御ＦＥＴ２０４には、それぞれ砒素（Ａｓ）を５×１０14〜１×１０16／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入したソース領域１１４、１２０、１２６とドレイン領域１１５、１２１、１２７が形成されている。
【００１６】
第１の層間絶縁膜１３１は好適にはプラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法で作製される酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などで１００〜２０００ｎｍの厚さ形成する。さらにその上にリンガラス（ＰＳＧ）、あるいはボロンガラス（ＢＳＧ）、もしくはリンボロンガラス（ＰＢＳＧ）の第２の層間絶縁膜１３２が形成されている。第２の層間絶縁膜１３２はスピンコート法や常圧ＣＶＤ法で作製されるもので、形成後実施される７００〜９００℃の熱処理を兼ねた熱活性化の処理により第２の層間絶縁膜１３２がリフローされ表面が平坦化される。
【００１７】
ソース配線１３３、１３５、１３７、１３９及びドレイン配線１３４、１３６、１３８、１４０は、第１の層間絶縁膜１３１および平坦化膜１３２にそれぞれのＦＥＴのソース領域及びドレイン領域に達するコンタクトホールを形成した後形成されるもので、低抵抗材料として通常良く用いられるアルミニウム（Ａｌ）を用いると良い。また、Ａｌとチタン（Ｔｉ）の積層構造としても良い。
【００１８】
パッシベーション膜１４１は、プラズマＣＶＤ法で窒化シリコン膜、または酸化シリコン膜、あるいは窒化酸化シリコン膜で形成されている。さらに、第３の層間絶縁膜を１４２は有機樹脂材料で１μｍ〜２μｍの厚さに形成されている。有機樹脂材料として、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、ベンゾ・シクロ・ブテン（ＢＣＢ）などを用いることができる。有機樹脂膜を用いることの利点は、膜の形成方法が簡単である点や、比誘電率が低いので寄生容量を低減できる点、平坦化するのに適している点などがある。勿論、上述した以外の有機樹脂膜を用いても良い。ここでは、基板に塗布した後で熱重合するタイプのポリイミドを用い、クリーンオーブンで３００℃に加熱し焼成して形成している。
【００１９】
画素電極１４３は電流制御ＦＥＴ２０４のドレイン配線に接続している。画素電極は、Ａｌに代表される低抵抗の材料で形成する。Ａｌ膜は公知の成膜法、例えば真空蒸着法やスパッタ法で容易に形成することができるが、コントラストを良くするために、画素電極１４３の表面を凹凸化して拡散反射面としても良い。
【００２０】
画素電極１４３まで形成したら、全ての画素電極の上に仕事関数の低い金属を含む陰極層１４４が形成される。これは数ｎｍ程度と膜厚が薄いため層状に形成されているのか島状に点在しているのか不明のため、輪郭を点線で示している。
【００２１】
上記仕事関数の低い金属を含む陰極層の材料としては、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）、フッ化バリウム（ＢａＦ2）、酸化バリウム（ＢａＯ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）または酸化セシウム（Ｃｓ2Ｏ）を用いることができる。これらは絶縁性であるため、層状に形成されたとしても画素電極間のショート（短絡）を招くようなことはない。勿論、ＭｇＡｇ電極のような公知の導電性を有する材料を陰極層として用いることも可能であるが、画素電極同士が短絡しないように、陰極自体を選択的に設けるか、パターニングを行う必要がある。
【００２２】
仕事関数の低い金属を含む陰極層１４４の上に有機ＥＬ層（エレクトロルミネッセンス層）１４５が形成される。有機ＥＬ層１４５は公知の材料や構造を用いることができるが本発明では白色発光の可能な材料を用いる。構造としては、再結合の場を提供する発光層だけで有機ＥＬ層としても良いし、必要に応じて電子注入層、電子輸送層、正孔輸送層、電子阻止層、正孔阻止層もしくは正孔注入層を積層しても良い。本明細書中では、キャリアの注入、輸送または再結合が行われる層をすべて含めて有機ＥＬ層と呼ぶ。
【００２３】
また、有機ＥＬ層１４５として用いる有機ＥＬ材料はポリマー系の高分子系有機ＥＬ材料を用いる。有機ＥＬ層１４５は、ＰＶＫ（ポリビニルカルバゾール）、Ｂｕ−ＰＢＤ（２−（４'−tert−ブチルフェニル）−５−（４''−ビフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール）、クマリン６、ＤＣＭ１（４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−ｐ−ジメチルアミノスチリル−４Ｈ−ピラン）、ＴＰＢ（テトラフェニルブタジエン）、ナイルレッドを１，２−ジクロロメタンまたはクロロホルムに溶解し、スピンコート法により塗布する。回転数は５００〜１０００rpm程度とし、２０〜６０秒間回転させ均一な塗布膜を形成する。
【００２４】
勿論、上記有機ＥＬ材料は少なくとも３回以上、好ましくは５回以上の精製（典型的には透析法）を施し、含まれるナトリウム濃度を０．１ｐｐｍ以下（好ましくは０．０１ｐｐｍ以下）にしてから成膜する。こうすることで図４（Ｃ）に示す有機ＥＬ層３４９中に含まれるナトリウム濃度は０．１ｐｐｍ以下（好ましくは０．０１ｐｐｍ以下）となり、体積抵抗値は１×１０11〜１×１０12Ωcm（好ましくは１×１０12〜１×１０13Ωcm）となる。
【００２５】
このようにして形成された有機ＥＬ層１４５の上には、陽極層１４６として透明導電膜が形成される。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物（ＩＴＯと呼ばれる）、酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物、酸化スズ（ＳｎＯ2）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを用いることが可能である。
【００２６】
また、陽極層１４６の上にはパッシベーション膜１４７として絶縁膜が設けられる。パッシベーション膜１４７としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙで表される）を用いることが好ましい。
【００２７】
ここまで完成した基板を本明細書ではアクティブマトリクス基板と呼ぶ。即ちＦＥＴと該ＦＥＴに電気的に接続された画素電極及びその画素電極を陰極とする有機ＥＬ素子（陰極層、有機ＥＬ層及び陽極からなるコンデンサ）の形成された基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。
【００２８】
図２（Ａ）はアクティブマトリクス基板の画素部の上面図であり、図２（Ｂ）はその回路構成である。実際には画素がマトリクス状に複数配列されて画素部（画像表示部）が形成される。なお、図２（Ａ）をＡ−Ａ’で切断した断面図が図１の画素部の断面図に相当する。従って図１及び図２で共通の符号を用いているので、適宜両図面を参照すると良い。また、図２（Ａ）の上面図では二つの画素を図示しているが、どちらも同じ構造である。図２（Ｂ）に示すように、有機ＥＬ素子２０５には、一画素当たり２つのＦＥＴが設けられる。いずれもｎチャネル型ＦＥＴであり、スイッチング用ＦＥＴ２０３と電流制御用ＦＥＴ２０４として機能している。
【００２９】
以上のようにして、単結晶シリコン基板に、ｐチャネル型ＦＥＴ２０１とｎチャネル型ＦＥＴ２０２とから成るＣＭＯＳ回路を基本とする駆動回路と、ｎチャネル型ＦＥＴで形成されるスイッチング用ＦＥＴ２０３と電流制御用ＦＥＴ２０４とを備えた画素部が形成することができる。ＣＭＯＳ回路を基本とする駆動回路は、ＣＭＯＳ回路を基本として例えば、シフトレジスタ回路、バッファ回路、サンプリング回路、Ｄ／Ａコンバータ、ラッチ回路などを形成することができる。そしてこのような回路は、単結晶シリコンを活性層とした絶縁ゲート型ＦＥＴで構成されることにより高速動作が可能であり、また、駆動電圧を３〜５Ｖとして低消費電力化をすることもできる。尚、本実施形態で説明したＦＥＴの構造はあくまで一実施形態であり、図１に示した構造に限定される必要はない。
【００３０】
図３はアクティブマトリクス基板の上面図である。図３において、１０００は基板、１００１は画素部、１００３はデータ線側駆動回路、１００２は走査線側駆動回路であり、それぞれの駆動回路の入力端子は基板１０００の端部に設けられるワイヤボンディング用のパッド１００６であり、配線１００４〜１００５を経て接続される。画素部のサイズは０．５インチクラスから２．５インチクラス程度のものが好適に作製することができる。
【００３１】
有機ＥＬ層が形成されたアクティブマトリクス基板は外部からの衝撃、埃、湿度などの雰囲気から遮断するためにパッケージに封入する。パッケージの形状や方式の一例を図４に示す。台板４０１はセラミックなどの絶縁材料で形成されたものであり、その上に有機ＥＬ層が形成されたアクティブマトリクス基板４１３が低融点ガラスまたはメタライズ層４０２で固定される。外部回路との接続はリードフレーム４０４により行うが、アクティブマトリクス基板４１３との接続はワイヤボンディング用のパッド４１１を用いて金（Ａｕ）のワイヤー４１２で接続している。
【００３２】
アクティブマトリクス基板４１３はセラミックの蓋板４０５で封止される。セラミックの蓋板４０５は台板４０１と接着層４０４によって接着されている。接着層４０４はパイロセラムセメント、酸化ビスマス系ガラス、酸化鉛系ガラスなどが使われる。台板４０１と同様に、セラミックなどの絶縁材料で形成された蓋板４０５がアクティブマトリクス基板４１３の画素部にかかる領域には透明石英板もしくは透明ガラス板などによる窓材４０６が設けられ、接着剤４０７で固定されている。このようにして、有機ＥＬ層が形成されたアクティブマトリクス基板４１３は封入され空隙４１４が形成される。さらに、空隙４１４には不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノン、窒素等）を充填しておいたり、酸化バリウム等の乾燥剤を設けておくことが望ましい。これによりＥＬ素子の水分等による劣化を抑制することが可能である。
【００３３】
本実施形態では図示しなかったが、アクティブマトリクス基板の有機ＥＬ層で形成した個々の画素に対応して、該有機ＥＬ層上にカラーフィルターやブラックマトリクス（遮光層）を設けることにより、カラー表示に対応することもできる。或いは、カラーフィルターを図４で示す窓４０６に設けても良い。
【００３４】
以上説明したような図４に示す状態は、リードフレーム４０４を外部機器の端子に接続することで画像信号などが入力され画素部に画像を表示することができる。本明細書中では、リードフレームを外部回路に取り付けることで画像表示が可能な状態となる物品を自発光装置と定義している。
【００３５】
【実施例】
本実施例では、アクティブマトリクス型の自発光装置をゴーグル型表示装置に応用する例を示す。図５は本実施例のゴーグル型表示装置の概略図を示す。ゴーグル型表示装置本体３６００には左右２つの表示部が設けられ、自発光装置３６０２Ｒ、３６０２Ｌ、回路基板３６０３Ｒ、３６０３Ｌ、レンズ３６０１Ｒ、３６０１Ｌから構成されている。
【００３６】
図６（Ａ）は図５におけるＡ部の断面図を示す。図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施例においては、ゴーグル型表示装置３６００の内部のレンズ３６０１Ｒに自発光装置３６０２Ｒが、信号制御回路等が形成されている回路基板３６０３Ｒにリードフレーム３６０６Ｒで接続されている。自発光装置３６０２Ｒから発光する光は図中で示す矢印の光路を経て、使用者の眼球３６０４Ｒに届くことにより画像を認識させることができる。
【００３７】
自発光装置は、視野角が広くゴーグル型表示装置に応用した場合、自発光装置と観察者の目の位置にずれが生じても画像の視認性は損なわれないという特徴を有している。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとＥＬ層が形成された単結晶半導体基板を、絶縁材料で形成された台板と蓋板とを接着する充填材とで形成された空隙の中に保持し、空隙には不活性ガスと乾燥剤が封入することにより、ＥＬ層の酸化を防止して信頼性の高い自発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  アクティブマトリクス型の自発光装置の断面図。
【図２】  自発光装置の画素部の上面構造及びその構成を示す図。
【図３】  アクティブマトリクス型の自発光装置の上面図。
【図４】  自発光装置の外観を示す図。
【図５】  自発光装置を搭載したゴーグル型表示装置の構成を示す図。
【図６】  自発光装置を搭載したゴーグル型表示装置の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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