JP2024082120A - 半導体装置、表示装置、光電変換装置、電子機器、照明装置、移動体、ウェアラブルデバイス、および、半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、表示装置、光電変換装置、電子機器、照明装置、移動体、ウェアラブルデバイス、および、半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】レンズの表面形状の高精度な管理に有利な技術を提供する。【解決手段】基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置であって、前記画素領域には、下地層の上に前記下地層を露出しないように複数のレンズが配され、前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置、表示装置、光電変換装置、電子機器、照明装置、移動体、ウェアラブルデバイス、および、半導体装置の製造方法に関する。
光電変換素子や発光素子をそれぞれ含む複数の画素が配された半導体装置において、感度の向上や発光効率の向上のためにマイクロレンズアレイが設けられる場合がある。特許文献１には、画素の微細化に伴う感度の低下を抑制するために、マイクロレンズアレイのレンズとレンズとの間にレンズが形成されていない領域（ギャップ）を設けないギャップレス構造を用いた固体撮像素子が示されている。
特開２００６－２５３４６４号公報
マイクロレンズアレイのレンズとレンズとの間にギャップが存在する場合、ギャップ部分を基準として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などを用いてレンズの表面形状を測定することによって、レンズの表面形状の工程管理を容易に行うことができる。一方、ギャップレス構造の場合、レンズ間にギャップが設けられていないため基準点の設定ができず、ＡＦＭを用いてレンズの高さを測定することができない。
本発明は、レンズの表面形状の高精度な管理に有利な技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る半導体装置は、基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置であって、前記画素領域には、下地層の上に前記下地層を露出しないように複数のレンズが配され、前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、レンズの表面形状の高精度な管理に有利な技術を提供することができる。
本実施形態の半導体装置の構成例を示す図。 比較例の半導体装置の画素領域の構成例を示す平面図および断面図。 図１の半導体装置の画素領域の構成例を示す平面図および断面図。 図１の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す平面図。 図４の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す断面図。 図１の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す平面図。 図６の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す断面図。 図１の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す平面図。 図８の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す断面図。 図１の半導体装置の画素領域の構成例を示す平面図。 図１０の半導体装置の画素領域の構成例を示す断面図。 図１の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す平面図。 図１２の半導体装置のモニタ領域の構成例を示す断面図。 図１の半導体装置の画素の構成例を示す断面図。 本実施形態の半導体装置を用いた画像形成装置の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた表示装置の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた光電変換装置の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた電子機器の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた表示装置の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた照明装置の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いた移動体の一例を示す図。 本実施形態の半導体装置を用いたウェアラブルデバイスの一例を示す図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
図１～図１３を参照して、本開示の実施形態による半導体装置について説明する。図１は、本実施形態の半導体装置１０１の構成例を示す平面図である。図１には、半導体ウェーハを用いた基板１００に形成された半導体装置１０１が示されている。図１では説明のため、基板１００に形成された２つの半導体装置１０１が示されている。しかしながら、実際には、より多くの半導体装置１０１が、１つの基板１００上に設けられていてもよい。基板１００には、例えばシリコンなどの半導体ウェーハが用いられうる。
半導体装置１０１のそれぞれは、複数の画素が配された画素領域１０４と周辺領域１０３とを含みうる。画素領域１０４に配される複数の画素は、例えば、光電変換素子を含んでいてもよい。画素領域１０４に配される複数の画素のそれぞれが、光電変換素子を備えていてもよいし、複数の画素のうち少なくとも一部の画素が、光電変換素子を備えていてもよい。画素領域１０４に配された画素が光電変換素子を備える場合、半導体装置１０１は、光電変換装置とも呼ばれうる。また、画素領域１０４に配される複数の画素は、例えば、発光素子を含んでいてもよい。画素領域１０４に配される複数の画素のそれぞれが、発光素子を備えていてもよいし、複数の画素のうち少なくとも一部の画素が、発光素子を備えていてもよい。画素領域１０４に配された画素が発光素子を備える場合、半導体装置１０１は、発光装置とも呼ばれうる。以下、画素領域１０４に配された画素が発光素子を備えるとして説明する。半導体装置１０１は、例えば、発光素子として有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子や無機ＥＬ素子、発光ダイオードなどの自発光素子を画素に用いた装置であってもよい。また、例えば、半導体装置１０１は、液晶素子などを画素に用いた所謂、液晶表示装置などであってもよい。
半導体装置１０１には、画素領域１０４に隣り合うように基板１００にダミー画素が配されたダミー画素領域１０５がさらに配されていてもよい。ダミー画素領域１０５に配されるダミー画素は、発光素子を含んでいなくてもよい。また、例えば、ダミー画素は、発光素子を含むが、発光素子を発光させる構成を有していなくてもよい。さらに、例えば、ダミー画素は、画素領域１０４に配された画素と同様の構成を有していてもよいが、半導体装置１０１において発光する画素として使用されない構成となっていてもよい。このようなダミー画素が配されたダミー画素領域１０５に対して、画素領域１０４は、有効画素領域とも呼ばれうる。
周辺領域１０３には、画素領域１０４に配された画素を駆動するための駆動回路などが配されうる。また、周辺領域１０３には、画素領域１０４から出力される信号を処理する信号処理回路が配されていてもよい。また、例えば、周辺領域１０３には、半導体装置１０１の外部に配された外部回路との接続のための端子（パッド）などが設けられていてもよい。
半導体装置１０１の周辺領域１０３には、本実施形態において、モニタ領域１０６がさらに配される。モニタ領域１０６には、画素領域１０４に配されるレンズ（マイクロレンズ）の表面形状の管理を行うためのモニタ用レンズが配される。画素領域１０４には、例えば、複数の画素それぞれに対応するように複数のレンズが配されうる。本実施形態において、画素領域１０４に配されるレンズの形状が、画素領域１０４とは別に設けられたモニタ領域１０６に配されたモニタ用レンズによって管理可能になる。そのため、モニタ用レンズの形状を測定する際に、モニタ用レンズにダメージを与えてしまった場合であっても、画素領域１０４に配されたレンズにダメージを与えてしまう可能性は非常に小さい。つまり、半導体装置１０１の製造の工程などにおいて、レンズの形状を管理するためのモニタ用レンズを画素領域１０４の外のモニタ領域１０６に配することによって、画素領域１０４に表示される画像（絵や文字など）などに対する影響が非常に小さくなる。また、詳細は後述するが、画素領域１０４において、マイクロレンズアレイのレンズとレンズとの間にレンズが形成されていない領域（ギャップ）を設けないギャップレス構造を採用した場合、レンズそのものの形状の測定が困難になりうる。したがって、本実施形態において、モニタ領域１０６が配されている。
モニタ領域１０６は、ダミー画素領域１０５に配されていてもよい。換言すると、ダミー画素領域１０５の一部が、モニタ領域１０６であってもよい。モニタ領域１０６を画素領域１０４に隣り合うダミー画素領域１０５に配した場合、モニタ領域１０６が画素領域１０４から離れている場合と比較して、次のような利点がある。ダミー画素領域１０５は、画素領域１０４から距離が近いため、モニタ用レンズが配される下地層と基板１００との間の構造が、画素領域１０４のレンズが配される下地層と基板１００との間の構造に近似している場合が多い。そのため、モニタ用レンズ自体や、フォトリソグラフィ工程などを用いてモニタ用レンズを形成するためのパターンをパターニングする際の、露光時のフォーカス位置や露光光の下地構造からの反射の程度が、画素領域１０４における条件に近くなる。そのため、画素領域１０４に形成されるレンズにより近い形状のモニタ用レンズが、モニタ領域１０６に形成されうる。表示装置において、モニタ領域１０６の画素は、表示に寄与しない画素である。モニタ領域１０６の画素は、表示データに基づいて発光しない。モニタ領域１０６の画素は、画素領域１０４の画素と同様の構成を取りうるが、表示データが入力されないなど、表示に寄与しない構成となっている。一方、モニタ領域１０６の画素に表示データが入力される場合には、画素回路の一部や画素構成の一部が欠けているため、表示に寄与しない構成となっている。撮像装置において、モニタ領域１０６の画素は、撮像に寄与しない画素である。撮像に寄与しないことの例は、表示装置で述べた例と同様である。
次に、本実施形態に対する比較例として、画素領域１０４においてレンズアレイのレンズとレンズとの間にレンズが形成されていないギャップを設けた場合のレンズ、レンズの形状の工程管理方法に関して説明する。比較例に次いで、レンズとレンズとの間にレンズが形成されていないギャップを設けないギャップレス構造のレンズ、レンズの形状の工程管理を行う上での課題、さらに、本実施形態によって実現するレンズの形状の工程管理について説明する。
図２（ａ）、２（ｂ）は、比較例の半導体装置１０１の画素領域１０４に配された画素２０１について説明する平面図および断面図である。図２（ａ）には、互いに隣り合う２つのレンズ２０２の間にギャップがある、比較例のレンズ２０２の平面構造が示されている。図２（ａ）には、画素領域１０４の一部が示されており、画素領域１０４には、複数の画素２０１が２次元アレイ状に所定のピッチで配されている。さらに、１つのレンズ２０２が１つの画素２０１に対応するように、複数のレンズ２０２が所定のピッチで配されている。画素領域１０４には、レンズアレイ（マイクロレンズアレイ）が配されているともいえる。図２（ａ）に示される構成では、画素２０１は、六角形としているが、これに限られることはない。平面視において、画素２０１は、正方形や長方形などの矩形状であってもよいし、多角形であってもよい。ここで、本明細書において平面視とは、図２（ａ）に示される基板１００のレンズ２０２などを含む画素２０１が形成されている面に対する視野を示す。また、レンズ２０２が配されるピッチ（間隔）は、例えば、それぞれのレンズ２０２の頂部の間の距離で定義されうる。また、例えば、平面視において、それぞれのレンズ２０２の外縁によって定義されるレンズ２０２の形状の幾何学的重心位置をレンズ２０２の中心とする。レンズ２０２が配されるピッチ（間隔）は、この平面視におけるレンズ２０２の中心の間の距離で定義されてもよい。
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるＡ－Ａ’間の断面図である。図２（ｂ）に示される構成において、画素領域１０４に配された画素２０１は、構造体３０１、下部電極３０２、絶縁層３０３、発光層を含む有機層３０４、上部電極３０５、保護層３０６、平坦化層３０７、カラーフィルタ層３０８、下地層３０９、を含みうる。
構造体３０１は、画素２０１を駆動するためのトランジスタなど、基板１００に形成されたスイッチング素子や絶縁層、配線パターン層、コンタクトプラグなどの導電体を含みうる。構造体３０１は、例えば、酸化シリコンなどを含む絶縁膜や、銅、アルミニウムなどを主成分とした配線パターンなどを有しうる。
構造体３０１の上には、下部電極３０２が配されている。本明細書において、「上」とは、基板１００（構造体３０１）からレンズ２０２に向かう方向を指す。下部電極３０２は、画素２０１に含まれる発光素子の陽極または陰極として機能しうる。また、下部電極３０２は、有機層３０４に備わる発光層から発せられた光の反射層としての役割を有していてもよい。そのため、下部電極３０２には、反射率が大きいアルミニウムや銀などの金属、または、その合金が用いられてもよい。
絶縁層３０３は、下部電極３０２の端部を覆うように形成されうる。絶縁層３０３は、画素分離膜、バンクとも呼ばれうる。絶縁層３０３には、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化シリコンなどの所謂、酸化シリコン系の材料が用いられてもよい。下部電極３０２の配置と絶縁層３０３に設けられた開口部に露出する下部電極３０２とによって、それぞれの画素２０１の発光位置が定義されうる。
下部電極３０２および絶縁層３０３を覆うように、有機層３０４が配されている。有機層３０４は、発光層を含む複数の層から構成されていてもよい。複数の層は、ホール注入層、ホール輸送層、電子ブロック層、発光層、ホールブロック層、電子輸送層、電子注入層などを含んでもよい。
有機層３０４の上には、上部電極３０５が配されている。上部電極３０５は、画素２０１に含まれる発光素子の陰極または陽極として機能しうる。上部電極３０５は、有機層３０４に備わる発光層から発せられた光を透過する透光性を有する導電層である。上部電極３０５には、銀やマグネシウムを主成分とする合金や、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電材料が用いられうる。有機層３０４および上部電極３０５は、図２（ｂ）に示されるように、複数の画素２０１によって共有されていてもよい。
上部電極３０５の上には、保護層３０６が配されている。保護層３０６は、半導体装置１０１の外部からの水分やカラーフィルタ層３０８などからの不純物が、有機層３０４や構造体３０１へ拡散することを抑制するために配される。保護層３０６には、例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどが用いられうる。
保護層３０６の上には、平坦化層３０７が配されている。平坦化層３０７は、保護層３０６の上面の凹凸を平坦化するための層である。平坦化層３０７には、例えば、有機材料が用いられうる。例えば、平坦化層３０７に、スピンコートが可能な樹脂が用いられていてもよい。保護層３０６の上面の凹凸が大きくない場合や、研磨工程などを用いて保護層３０６の上面の凸凹を平坦化可能な場合など、平坦化層３０７が設けられていなくてもよい。
平坦化層３０７の上には、カラーフィルタ層３０８が配されている。カラーフィルタ層３０８は、特定の周波数帯の光を透過（または吸収）する複数の種類のフィルタを備えていてもよい。例えば、画素領域１０４において、それぞれの画素２０１にそれぞれ１つの色のフィルタが対応するように、原色を透過するフィルタが配されていてもよい。図２（ｂ）に示されるように、カラーフィルタ層３０８は、例えば、青色の光を透過するフィルタ３０８Ｂ、緑色の光を透過するフィルタ３０８Ｇ、および、赤色の光を透過するフィルタ３０８Ｒの３種類のフィルタを有していてもよい。
カラーフィルタ層３０８の上には、下地層３０９を介してレンズ２０２が配されている。下地層３０９は、下地層３０９よりも下層の表面（例えば、カラーフィルタ層３０８の上面）を平坦にする平坦化層でありうる。下地層３０９には、平坦化層３０７と同様の材料が用いられてもよい。また、カラーフィルタ層３０８の上面の凹凸が大きくない場合など、下地層３０９が設けられていなくてもよい。
次いで、レンズ２０２の形状の工程管理について説明する。レンズ２０２において、下地層３０９の上面を基準点とし、基準点の高さとレンズ２０２の頂部（頂点）の高さとの差分を、レンズ２０２の高さＨ１と定義する。例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いてレンズ２０２および下地層３０９を含む表面をスキャンすることによって、レンズ２０２の高さＨ１が測定可能であり、工程管理を実施することができる。
工程管理において、例えば、画素領域１０４のレンズ２０２を直接測定してもよい。また、上述したように、レンズ２０２の形状を測定する際のダメージの影響を抑制するために、ダミー画素領域１０５に配されたレンズ２０２を測定してもよい。また、例えば、周辺領域１０３に配置されたモニタ領域１０６に、レンズ２０２と同様のマスクパターンを用いて形成したモニタ用レンズの形状を測定してもよい。
次に、画素領域１０４において、互いに隣り合う２つのレンズの間にギャップがないギャップレス構造を用いた場合、レンズの形状の工程管理を行う上での課題に関して説明する。図３（ａ）、３（ｂ）は、本実施形態の半導体装置１０１の画素領域１０４に配された画素２０１について説明する平面図および断面図である。図３（ａ）には、互いに隣り合う２つのレンズ２１２の間にギャップがない、本実施形態のレンズ２１２の平面構造が示されている。具体的には、図３（ａ）には、画素領域１０４の一部が示されており、画素領域１０４には、複数の画素２０１が２次元アレイ状に所定のピッチで配されている。さらに、１つのレンズ２１２が１つの画素２０１に対応するように、下地層３０９の上に下地層３０９を露出しないように所定のピッチで複数のレンズ２１２が配されている。それぞれのレンズ２１２は、隣り合うレンズ２１２と互いに接しており、平面視において、レンズ２１２間の隙間にはレンズの下の下地層３０９が露出している領域がない。ここで、レンズ２１２が配されるピッチ（間隔）は、例えば、それぞれのレンズ２１２の頂部の間の距離で定義されうる。また、例えば、それぞれのレンズ２１２において互いに隣り合うレンズ２１２との間の谷を外縁として定義されるレンズ２１２の形状の、平面視における幾何学的重心位置をレンズ２１２の中心とする。レンズ２１２が配されるピッチ（間隔）は、この平面視におけるレンズ２１２の中心の間の距離で定義されてもよい。
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示されるＢ－Ｂ’間の断面図である。レンズ２１２と基板１００（構造体３０１）との間の構成は、上述の図２（ｂ）を用いて説明した構成と同様であってもよいため、ここでは説明を省略する。
ここで、レンズ２１２の形状の工程管理について考える。レンズ２１２において、下地層３０９の上面を基準点とし、基準点の高さとレンズ２１２の頂部の高さとの差分を、レンズ２１２の高さＨ２と定義する。例えば、レンズ２１２の形状の工程管理において、上述と同様に、ＡＦＭを用いてレンズ２１２の表面をスキャンし、レンズ２１２の凹凸を測定する。その場合、下地層３０９が計測される表面に露出していないため、下地層３０９の上面を基準点とすることができない。レンズ２１２の計測時の高さの基準点を互いに隣り合うレンズ２１２の谷の部分である点Ｐとすると、点Ｐの高さとレンズ２１２の頂部の高さとの差分は、図３（ｂ）に示されるようにＨ２’になる。この場合、Ｈ２≠Ｈ２’であり、実際のレンズ２１２の高さＨ２とは異なる値が測定されてしまう。したがって、図３（ａ）、３（ｂ）に示されるように、互いに隣り合うレンズ２１２の間に下地層３０９を露出させないようにレンズ２１２を配すると、レンズ２１２の高さＨ２を正確に測定することができないという課題がある。画素の微細化や高集積化が進むにつれて、ギャップレス構造が採用される可能性が高く、半導体装置１０１において、より高精細な表示を行うためには、レンズ２１２の形状の工程管理はより重要になりうる。
画素領域１０４においてレンズ２１２のギャップレス構造が採用された場合に、ＡＦＭを用いてレンズ２１２の高さＨ２を正確に測定できないという課題に対する本実施形態の構成について、次に説明する。図４、図５は、本実施形態の半導体装置１０１のモニタ領域１０６に配されたモニタ用レンズ２２２について説明する平面図および断面図である。図４には、モニタ領域１０６の一部が示されており、図５は、図４に示されるＣ－Ｃ’間の断面図である。
モニタ領域１０６には、下地層３０９の上に複数のモニタ用レンズ２２２が配されている。複数のモニタ用レンズ２２２は、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間で下地層３０９が露出しないように配されたモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの対。）と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間に下地層３０９が露出した露出部３１９が配されているモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｃとの対。）と、を含む。つまり、平面視において、モニタ領域１０６には、複数のモニタ用レンズ２２２と複数の露出部３１９とが、２次元的に配列されている。また、モニタ領域１０６において、モニタ用レンズ２２２の下の下地層３０９の一部が露出している。
本実施形態において、レンズ２１２の形状の工程管理において、モニタ用レンズ２２２の高さを測定することができる。モニタ用レンズ２２２の形状は、例えば、ＡＦＭを用いて、モニタ領域１０６のモニタ用レンズ２２２および露出部３１９を含む表面の凹凸をスキャンすることによって測定できる。この場合、画素領域１０４のレンズ２１２とは異なり、露出部３１９が設けられているため、露出部３１９をＡＦＭ計測における高さの基準点とすることができる。この基準点の高さとモニタ用レンズ２２２の頂部の高さとの差分が、図５に示されるように、モニタ用レンズ２２２の高さＨ３となり、モニタ用レンズ２２２の高さが正確に測定できる。
モニタ用レンズ２２２は、画素領域１０４のレンズ２１２の形状をモニタするために配される。したがって、モニタ用レンズ２２２は、レンズ２１２と同様の形状であると工程管理の精度が向上しうる。そのため、モニタ用レンズ２２２を形成するためのマスクパターンは、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２を形成するためのマスクパターンと同じマスクパターンを含んでいてもよい。例えば、モニタ用レンズ２２２を形成するためのマスクパターンは、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２を形成するためのマスクパターンの一部と同じであってもよい。そのため、例えば、複数のモニタ用レンズ２２２のうち下地層３０９が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの間隔。）は、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２が配されるピッチと同じであってもよい。また、例えば、モニタ領域１０６において、図５に示されるように、構造体３０１から下地層３０９までの構成が、画素領域１０４と同様であってもよい。つまり、レンズ２１２が配される画素２０１とモニタ用レンズ２２２が配されるモニタ用画素２０１’とは、同等の構成を有していてもよい。モニタ用レンズ２２２よりも基板１００（構造体３０１）の構成が、画素領域１０４と同様になることによって、モニタ用レンズ２２２を形成する際のフォトリソグラフィ工程の条件などがレンズ２１２と同等になり、レンズ２１２に近い形状のモニタ用レンズ２２２が形成されうる。しかしながら、これに限られることはなく、モニタ領域１０６において、構造体３０１から下地層３０９までの構成のうち少なくとも一部（例えば、構造体３０１の構成のうち一部など）が画素領域１０４と異なっていてもよい。また、例えば、モニタ領域１０６において、下部電極３０２や有機層３０４、上部電極３０５などの画素２０１の構成要素が形成されていなくてもよい。ここで、モニタ用レンズ２２２が配される間隔とは、例えば、それぞれのモニタ用レンズ２２２の頂部の間の距離であってもよい。また、例えば、それぞれのモニタ用レンズ２２２において互いに隣り合うモニタ用レンズとの間の谷を外縁として定義されるレンズ２１２の形状の、平面視における幾何学的重心位置をモニタ用レンズ２２２の中心とする。モニタ用レンズ２２２が配される間隔とは、この平面視におけるモニタ用レンズ２２２の中心の間の距離であってもよい。
上述のように、モニタ用レンズ２２２は、レンズ２１２に近い形状を有しうる。しかしながら、モニタ用レンズ２２２は、画素領域１０４に配されたレンズ２１２とは離れた位置に配されている。また、モニタ領域１０６には露出部３１９が配されている。それらの影響によって、レンズ２１２と同一のマスクパターンを用いてモニタ用レンズ２２２を形成した場合であっても、モニタ用レンズ２２２は、レンズ２１２と全く同一の形状にはならない可能性がある。ここで、露出部３１９が配される影響とは、モニタ用レンズ２２２を露光する際の露出部３１９からの露光光の光学的影響や、モニタ用レンズ２２２の形状の不均一性に起因する隣接するレンズ間の応力の違いの影響などを含みうる。しかし、レンズ２１２とモニタ用レンズ２２２との形状の相関関係を、試作時などにおいてＡＦＭ以外の測定方法を用いて予め取得する。例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてレンズ２１２とモニタ用レンズ２２２との断面形状を予め取得しておくことによって、モニタ用レンズ２２２をレンズ２１２の形状モニタ用として使用することが可能になる。
次に、本実施形態の半導体装置１０１の製造方法について説明する。本実施形態において、モニタ領域１０６に配される複数のモニタ用レンズ２２２は、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２と同時に形成されうる。ここでは、モニタ用レンズ２２２がレンズ２１２と同時に、階調露光法で製造される場合について説明する。また、階調露光法の一例として、面積階調マスクを用いる場合について説明する。面積階調マスクは、露光装置で解像しない微細な遮光部の密度変化、あるいは、微細な遮光部の面積の変化で露光光に階調を作る方法である。しかしながら、階調露光法としてハーフトーンマスクなど、他のマスクが用いられてもよい。また、モニタ用レンズ２２２およびレンズ２１２は、必ずしも階調露光法で製造する必要はなく、例えば、リフロー法やエッチバック法を用いて製造されてもよい。
まず、図３（ｂ）、図５に示される下地層３０９を形成するまでは、既知の半導体プロセスを用いて形成可能である。下地層３０９の形成後、下地層３０９の上に、画素領域１０４および周辺領域１０３に渡り、感光性の有機材料を用いたレンズ材料層（感光性の材料層）が形成される。例えば、レンズ材料層として、感光性の樹脂がスピンコート法を用いて塗布される。ここで、下地層３０９は省略し、レンズ材料層を用いてカラーフィルタ層３０８の上面を平坦化することも可能である。その場合、レンズ２１２およびモニタ用レンズ２２２が配される下地層として、下地層３０９に代わりカラーフィルタ層３０８が使用されるともいえる。
レンズ材料層を形成した後に、レンズ材料層に対して面積階調マスクを用いてレンズ材料層の任意の箇所を露光し、現像および焼成をする。以上の工程によって、画素領域１０４にレンズ２１２、モニタ領域１０６にモニタ用レンズ２２２がそれぞれ形成される。レンズ２１２、モニタ用レンズ２２２の形成後に、ＡＦＭなどを用いてモニタ領域１０６に形成されたモニタ用レンズ２２２を測定することによって、レンズ２１２の形状や高さがモニタされる。モニタ用レンズ２２２の高さＨ３を含む形状が所望の値である場合には、半導体装置１０１を製造する工程は、次の処理（工程）へと進む。一方、モニタ用レンズ２２２の高さＨ３を含む形状が所望の値でない場合には、レンズ２１２およびモニタ用レンズ２２２を基板１００（構造体３０１）上から除去してもよい。その場合、再度、レンズ２１２およびモニタ用レンズ２２２を形成し（リワーク）、モニタ用レンズ２２２の形状の測定が行われうる。
図６、図７は、上述の図４、図５に示される半導体装置１０１のモニタ領域１０６の変形例を示す平面図および断面図である。図６には、モニタ領域１０６の一部が示されており、図７は、図６に示されるＤ－Ｄ’間の断面図である。
図６、図７に示される構成においても、複数のモニタ用レンズ２２２は、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間で下地層３０９が露出しないように配されたモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの対。）と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間に下地層３０９が露出した露出部３１９が配されているモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｃとの対。）と、を含む。さらに、図６、図７に示される構成において、図４、図５を用いて上述した構成に追加して、複数のモニタ用レンズ２２２は、露出部３１９に接していないモニタ用レンズ２２２ｄを含んでいる。
図６、図７に示される構成においても、上述のように、モニタ用レンズ２２２を形成するためのマスクパターンは、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２を形成するためのマスクパターンと同様のマスクパターン用いて形成されうる。つまり、複数のモニタ用レンズ２２２のうち下地層３０９が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの間隔。）は、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２が配されるピッチと同じでありうる。そのため、図７には、破線２１３を用いて画素領域１０４に配されているレンズ２１２の概形が示されており、破線２１３で示されるように、レンズ２１２の高さはＨ２である。
露出部３１９と接しているモニタ用レンズ２２２ａは、露光時に、例えばマスクパターンがレンズ２１２と同じマスクパターンであっても、近接する露出部３１９の影響を受けてレンズ２１２とは同一の形状にはならない可能性がある。上述したように、露出部３１９が配される影響とは、モニタ用レンズ２２２を露光する際の露出部３１９からの露光光の光学的影響や、モニタ用レンズ２２２の形状の不均一性に起因する隣接するレンズ間の応力の違いの影響などを含みうる。それによって、例えば、モニタ用レンズ２２２ａは、レンズ２１２よりも高さが低くなってしまう可能性がある。つまり、図７に示されるように、モニタ用レンズ２２２ａの高さＨ３とレンズ２１２の高さＨ２との関係は、Ｈ３＜Ｈ２となる可能性がある。
一方、モニタ用レンズ２２２ｄは、露出部３１９に接しておらず、露出部３１９からある程度が離れた位置に形成されている。また、モニタ用レンズ２２２ｄは、全周を他のモニタ用レンズ２２２に接している。したがって、２次元アレイ状に配されるレンズ２１２と同様に、モニタ用レンズ２２２ｄにはモニタ用レンズ２２２における連続性が生じる。
そのため、モニタ用レンズ２２２ｄは、モニタ用レンズ２２２ａと比較して露出部３１９の影響を受け難く、モニタ用レンズ２２２ａよりもレンズ２１２に近い形状で形成されうる。結果として、モニタ用レンズ２２２ａの高さＨ３とモニタ用レンズ２２２ｄの高さＨ４とレンズ２１２の高さＨ２との関係は、Ｈ３＜Ｈ４＜Ｈ２となりうる。また、例えば、Ｈ４≒Ｈ２となりうる。
このように、モニタ用レンズ２２２の形状を測定する際に、露出部３１９に接していないモニタ用レンズ２２２ｄを測定対象とする。それによって、画素領域１０４に形成されているレンズ２１２により近い形状のモニタ用レンズ２２２がモニタされる。結果として、より高い精度でレンズ２１２の表面形状の工程管理が可能になる。
図８、図９は、上述の図６、図７に示される半導体装置１０１のモニタ領域１０６の変形例を示す平面図および断面図である。図８には、モニタ領域１０６の一部が示されており、図９は、図８に示されるＥ－Ｅ’間の断面図である。
図８、図９に示される構成において、複数のモニタ用レンズ２２２は、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間で下地層３０９が露出しないように配されたモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの対。）と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間に下地層３０９が露出した露出部３１９が配されているモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｅとの対。）と、を含む。また、複数のモニタ用レンズ２２２は、露出部３１９に接していないモニタ用レンズ２２２ｄを含んでいる。
ここで、上述した図４～図７に示される構成において、複数のモニタ用レンズ２２２のうち露出部３１９を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｃとの間隔。）は、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２が配されるピッチよりも広くなっている。モニタ領域１０６は、モニタ用レンズ２２２として画素領域１０４に所定のピッチで配される複数のレンズ２１２のうち一部を形成しない構成を有している領域ともいえる。一方で、図８、図９に示される構成において、複数のモニタ用レンズ２２２のうち露出部３１９を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｅとの間隔。）は、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２が配されるピッチと同じでありうる。
より具体的には、複数のモニタ用レンズ２２２のうち露出部３１９を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズは、複数のモニタ用レンズ２２２のうち何れかのモニタ用レンズに接するモニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄと、複数のモニタ用レンズ２２２のうち他のモニタ用レンズに接していないモニタ用レンズ２２２ｅと、を含んでいる。この場合に、モニタ用レンズ２２２ｅの直径は、平面視において、複数のモニタ用レンズ２２２のうち下地層３０９が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ（例えば、モニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄ）の直径よりも小さくなっている。それによって、モニタ領域１０６において、下地層３０９が露出する露出部３１９が配され、ＡＦＭ計測における高さの基準点を設定することが可能になる。モニタ用レンズ２２２ｅは、モニタ用レンズ２２２ｅ以外のモニタ用レンズ２２２とは異なるマスクパターンを用いて形成されうる。ここで、モニタ用レンズ２２２ｅの直径は、平面視において、モニタ用レンズ２２２ｅの頂部を通り外縁同士を結ぶ線の長さによって定義されうる。また、下地層３０９が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ（例えば、モニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄ）の直径は、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｄとが配されている間隔として定義されうる。モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｄとが配されている間隔の１／２が、モニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄの半径に相当しうるためである。
図９には、図７と同様に、破線２１３を用いて画素領域１０４に配されているレンズ２１２の概形が示されている。破線２１３で示されるように、レンズ２１２の高さはＨ２である。
モニタ用レンズ２２２ａは、露出部３１９に接しているため、上述したように露出部３１９の影響を受けレンズ２１２とは異なる形状となりうる。しかしながら、図７に示される構成と比較して、露出部３１９が小さく、図７では露出部３１９が配される部分の一部にモニタ用レンズ２２２ｅが存在する。それによって、露出部３１９がモニタ用レンズ２２２ａに与える影響が小さくなり、図９に示されるモニタ用レンズ２２２ａは、図７に示されるモニタ用レンズ２２２ａよりもさらにレンズ２１２に近い形状になりうる。図９に示されるモニタ用レンズ２２２ａの高さをＨ５とすると、図７に示されるモニタ用レンズ２２２ａの高さＨ３およびレンズ２１２の高さＨ２との関係は、Ｈ３＜Ｈ５＜Ｈ２となりうる。
また、上述と同様に、モニタ用レンズ２２２ｄは、露出部３１９に接しておらず、露出部３１９から受ける影響がさらに小さくなる。そのため、モニタ用レンズ２２２ｄは、図７に示される構成と比較して、さらに露出部３１９の影響を受け難く、レンズ２１２に近い形状で形成されうる。図８、図９に示される構成におけるモニタ用レンズ２２２ｄの高さを高さＨ６とすると、高さＨ６と、図６、図７に示されるモニタ用レンズ２２２ｄの高さＨ４およびレンズ２１２の高さＨ２と、の関係は、Ｈ４＜Ｈ６＜Ｈ２となりうる。また、例えば、Ｈ４＜Ｈ６≒Ｈ２となりうる。
このように、モニタ領域１０６において、複数のモニタ用レンズ２２２が、画素領域１０４に配される複数のレンズ２１２が配されるピッチと同じピッチで配される。この場合に、一部のモニタ用レンズ２２２を他のモニタ用レンズ２２２よりも小さく形成することによって、下地層３０９が露出する露出部３１９を設ける。それによって、画素領域１０４に形成されているレンズ２１２により近い形状のモニタ用レンズ２２２がモニタされる。結果として、より高い精度でレンズ２１２の表面形状の工程管理が可能になる。
図８、図９では、モニタ用レンズ２２２ｅとして、階調露光法などを用いて他のモニタ用レンズ２２２と同様のレンズ形状が形成される例が示されている。しかしながら、これに限られることはない。例えば、レンズ材料層を形成後、モニタ用レンズ２２２ｅが形成される部分のマスクは、階調を有していなくてもよい。この場合、例えば、モニタ用レンズ２２２ｅは、レンズ状ではなくメサ状の樹脂層として半導体装置１０１のモニタ領域１０６に配されうる。レンズ形状の頂部と比較して階調露光されないため、メサ状のモニタ用レンズ２２２ｅは、例えば、レンズ状に形成されるモニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄよりも下地層３０９からの高さが高くてもよい。また、例えば、メサ状のモニタ用レンズ２２２ｅは、レンズ状に形成されるモニタ用レンズ２２２ａ、２２２ｄよりも頂部が平坦であってもよい。さらに例えば、メサ状またはレンズ状のモニタ用レンズ２２２ｅが、レンズ２１２の形状のモニタに用いられてもよい。上述と同様に、レンズ２１２とモニタ用レンズ２２２ｅとの形状の相関関係を、試作時などにおいて予め取得しておくことによって、モニタ用レンズ２２２ｅをレンズ２１２の形状モニタ用として使用することが可能になる。メサ状のモニタ用レンズ２２２ｅは、頂部が平坦である可能性が高いため、頂部（頂点）が点状でありうるレンズ状のモニタ用レンズ２２２よりも、露出部３１９からの高さを正確かつ容易に測定できる可能性がある。また、例えば、モニタ領域１０６に、モニタ用レンズ２２２とは別に、複数のモニタ用レンズ２２２に接しておらず、かつ、頂部が平坦なメサ状の樹脂層が配されていてもよい。メサ状の樹脂層は、平面視において、露出部３１９に取り囲まれうる。メサ状の樹脂層は、モニタ用レンズ２２２ｅがメサ状に形成された場合と同様に、レンズ状に形成されたモニタ用レンズ２２２よりも下地層３０９からの高さが高くてもよい。メサ状の樹脂層は、平面視において、モニタ用レンズ２２２のそれぞれよりも大きくてもよい。また、モニタ領域１０６に、１つだけメサ状の樹脂層が配されていてもよいし、複数のメサ状の樹脂層が配されていてもよい。さらに、例えば、上述ではモニタ領域１０６において、レンズ材料層から複数のモニタ用レンズ２２２がパターニングされることを説明しているが、モニタ領域１０６を形成する際に、それぞれのモニタ用レンズ２２２をパターニングせずに、レンズ材料層からモニタ領域１０６において一体のメサ状の樹脂層が形成されていてもよい。この場合であっても、モニタ領域１０６の一部において、下地層３０９を露出された露出部３１９が配される。上述と同様に、レンズ２１２とメサ状の樹脂層との形状の相関関係を、試作時などにおいて予め取得しておくことによって、メサ状の樹脂層をレンズ２１２の形状モニタ用として使用することが可能になる。
上述の各実施形態では、半導体装置１０１の画素領域１０４に配された画素２０１が発光素子を備えるとして説明した。しかしながら、上述したように、画素領域１０４に配される複数の画素２０１が、光電変換素子を備えていてもよい。その場合の構成について、図１０～図１３を用いて説明する。上述の各構成と同様であってもよい構成については、適宜、説明を省略する。
図１０、図１１は、本実施形態の半導体装置１０１の画素領域１０４に配された光電変換素子を含む画素２０１について説明する平面図および断面図である。図１０には、互いに隣り合う２つのレンズ２１２の間にギャップがない、本実施形態のレンズ２１２の平面構造が示されている。具体的には、図１０には、画素領域１０４の一部が示されており、画素領域１０４には、複数の画素２０１が２次元アレイ状に所定のピッチで配されている。さらに、１つのレンズ２１２が１つの画素２０１に対応するように、下地層４０６の上に下地層４０６を露出しないように所定のピッチで複数のレンズ２１２が配されている。それぞれのレンズ２１２は、隣り合うレンズ２１２と互いに接しており、平面視において、レンズ２１２間の隙間にはレンズの下の下地層３０９が露出している領域がない。図１０に示される構成において、平面視における画素２０１の形状を矩形状としているが、それに限られることはなく、例えば、六角形などの多角形であってもよい。
図１１は、図１０に示されるＦ－Ｆ’間の断面図である。図１１に示される構成において、画素領域１０４に配された画素２０１は、基板１００、構造体４０２、保護層４０３、平坦化層４０４と、カラーフィルタ層４０５と、下地層４０６、を含みうる。下地層４０６の上には、レンズ２１２が設けられている。
基板１００には、画素領域１０４において、光電変換素子４０７が配されている。光電変換素子４０７は、光電変換素子４０７に入射する光の量に応じた信号を生成する。
基板１００の上には、構造体４０２が配されている。構造体４０２は、絶縁層、配線パターン層、コンタクトプラグなどの導電体を含みうる。構造体３０１は、例えば、酸化シリコンなどを含む絶縁膜や、銅、アルミニウムなどを主成分とした配線パターンなどを有しうる。配線パターン層は、複数の層が積層されていてもよい。
構造体４０２の上には、保護層４０３が配されている。保護層４０３は、半導体装置１０１の外部からの水分やカラーフィルタ層４０５などからの不純物が、構造体４０２や基板１００へ拡散することを抑制するために配される。保護層４０３には、例えば、窒化シリコン窒化膜などが用いられる。
保護層４０３の上には、平坦化層４０４が配されている。平坦化層４０４は、保護層４０３の上面の凹凸を平坦化するための層である。平坦化層４０４には、上述の平坦化層３０７と同様に、例えば、有機材料が用いられうる。例えば、平坦化層４０４に、スピンコートが可能な樹脂が用いられていてもよい。保護層４０３の上面の凹凸が大きくない場合や、研磨工程などを用いて保護層４０３の上面の凸凹を平坦化可能な場合など、平坦化層４０４が設けられていなくてもよい。
平坦化層４０４の上には、カラーフィルタ層４０５が配されている。カラーフィルタ層４０５は、特定の周波数帯の光を透過（または吸収）する複数の種類のフィルタを備えていてもよい。例えば、画素領域１０４において、それぞれの画素２０１にそれぞれ１つのフィルタが対応するように、カラーフィルタ層４０５が配されていてもよい。カラーフィルタ層４０５の主な構成は、カラーフィルタ層３０８と同様でありうる。
カラーフィルタ層４０５の上には、下地層４０６を介してレンズ２０２が配されている。下地層４０６は、下地層４０６よりも下層の表面（例えば、カラーフィルタ層４０５の上面）を平坦にする平坦化層でありうる。下地層４０６には、平坦化層４０４と同様の材料が用いられてもよい。また、カラーフィルタ層４０５の上面の凹凸が大きくない場合など、下地層４０６が設けられていなくてもよい。その場合、カラーフィルタ層４０５が、レンズ２１２の下地層として機能しうる。
レンズ２１２において、下地層４０６の上面を基準点とし、基準点の高さとレンズ２１２の頂部の高さとの差分を、レンズ２１２の高さＨ７と定義する。レンズ２１２の形状の工程管理において、上述と同様に、ＡＦＭを用いてレンズ２１２の表面をスキャンし、レンズ２１２の凹凸を測定する。その場合、図１１に示される場合においても、下地層４０６が計測される表面に露出していないため、下地層４０６の上面を基準点とすることができない。レンズ２１２の計測時の高さの基準点を互いに隣り合うレンズ２１２の谷の部分である点Ｑとすると、点Ｑの高さとレンズ２１２の頂部の高さとの差分は、図１１に示されるようにＨ７’になる。この場合、Ｈ７≠Ｈ７’であり、実際のレンズ２１２の高さＨ７とは異なる値が測定されてしまう。
そこで、上述の各実施形態のように、半導体装置１０１の周辺領域１０３にモニタ領域１０６を設け、モニタ用レンズ２２２の形状をモニタすることによって、レンズ２１２の形状の工程管理が行われる。図１２、図１３は、本実施形態の半導体装置１０１のモニタ領域１０６に配されたモニタ用レンズ２２２について説明する平面図および断面図である。図１２には、モニタ領域１０６の一部が示されており、図１３は、図１２に示されるＧ－Ｇ’－Ｇ’’間の断面図である。
モニタ領域１０６には、下地層４０６の上に複数のモニタ用レンズ２２２が配されている。複数のモニタ用レンズ２２２は、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間で下地層４０６が露出しないように配されたモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｂとの対。）と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズ２２２の間に下地層４０６が露出した露出部４１６が配されているモニタ用レンズ対（例えば、モニタ用レンズ２２２ａとモニタ用レンズ２２２ｃとの対。）と、を含む。つまり、平面視において、モニタ領域１０６には、複数のモニタ用レンズ２２２と複数の露出部４１６とが、２次元的に配列されている。また、モニタ領域１０６において、モニタ用レンズ２２２の下の下地層４０６の一部が露出している。
本実施形態において、レンズ２１２の形状の工程管理において、モニタ用レンズ２２２の高さを測定することができる。モニタ用レンズ２２２の形状は、例えば、ＡＦＭを用いて、モニタ領域１０６のモニタ用レンズ２２２および露出部４１６を含む表面の凹凸をスキャンすることによって測定できる。この場合、画素領域１０４のレンズ２１２とは異なり、露出部４１６が設けられているため、露出部４１６をＡＦＭ計測における高さの基準点とすることができる。この基準点の高さとモニタ用レンズ２２２の頂部の高さとの差分が、図１３に示されるように、モニタ用レンズ２２２の高さＨ８となり、モニタ用レンズ２２２の高さが正確に測定できる。
このように、半導体装置１０１の画素領域１０４に配される画素２０１に光電変換素子４０７が配される場合であっても、高い精度でレンズ２１２の表面形状の工程管理が可能になる。また、レンズ２１２およびモニタ用レンズ２２２は、画素２０１に光電変換素子４０７が配される場合であっても、画素２０１に発光素子が配される場合と同様に形成されうる。
図１２、図１３に示される構成において、上述の図４、図５に示される構造体３０１から下地層３０９までの構成が、基板１００から下地層４０６までの構成に入れ替えられている。しかし、これだけに限られることはなく、上述した図６～図９に示されるモニタ用レンズ２２２の配置や形状が、図１０～図１３に示される基板１００から下地層４０６までの構成と組み合わされていてもよい。
つまり、半導体装置１０１の画素領域１０４にレンズ２１２が配される場合に、画素２０１の構成に関わらず、上述したモニタ用レンズ２２２を配することによって、レンズ２１２の形状の工程管理を高精度に行うことが可能になる。それによって、画素領域１０４に発光素子が配された半導体装置１０１において、例えば、表示される画像の高精細化などが実現される。同様に、画素領域１０４に光電変換素子が配された半導体装置１０１において、例えば、撮像によって得られる画像の高精細化などが実現される。
ここで、上述のように画素領域１０４に配される画素２０１が発光素子を含み、発光装置として機能する本実施形態の半導体装置１０１を画像形成装置、表示装置、光電変換装置、電子機器、照明装置、移動体、および、ウェアラブルデバイスに適用した応用例について図１４（ａ）、１４（ｂ）～図２２（ａ）、２２（ｂ）を用いて説明する。上述のように、半導体装置１０１の画素領域１０４に配された画素２０１には発光素子、例えば、有機ＥＬ素子などの有機発光素子が配されているとして説明する。まず、上述の半導体装置１０１のうち画素領域１０４に配される各構成の詳細を示した後に、応用例を説明する。
有機発光素子の構成
有機発光素子は、基板の上に、絶縁層、第１電極、有機化合物層、第２電極を形成して設けられる。陰極の上には、保護層、カラーフィルタ、マイクロレンズなどが設けられていてもよい。カラーフィルタを設ける場合には、保護層とカラーフィルタとの間に平坦化層が設けられていてもよい。平坦化層は、アクリル樹脂などを用いて構成することができる。カラーフィルタとマイクロレンズとの間において、平坦化層を設ける場合も同様である。
基板
基板（上述の基板１００に対応する。）は、石英、ガラス、シリコンウエハ、樹脂、金属などが挙げられる。また、基板上には、トランジスタなどのスイッチング素子や配線パターンなどが備わり、その上に絶縁層が備わっていてもよい。絶縁層は、第１電極と基板との間に配線パターンが形成可能なように、コンタクトホールが形成可能で、かつ、接続しない配線パターンとの絶縁が確保できれば、材料は問わない。例えば、絶縁層には、ポリイミドなどの樹脂、酸化シリコン、窒化シリコンなどが用いられてもよい。
電極
電極として、一対の電極（上述の下部電極３０２および上部電極３０５に対応する。）を用いることができる。一対の電極は、陽極と陰極とであってもよい。有機発光素子が発光する方向に電界を印加する場合に、電位が高い電極が陽極であり、他方が陰極である。また、発光層にホールを供給する電極が陽極であり、電子を供給する電極が陰極であるということもできる。
陽極の構成材料として、仕事関数が大きい材料が選択されてもよい。例えば、金、白金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、コバルト、セレン、バナジウム、タングステンなどの金属単体やこれらを含む混合物、あるいは、これらを組み合わせた合金、また、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫インジウム（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウムなどの金属酸化物が使用できる。また、陽極の構成材料として、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性ポリマも使用できる。
これらの電極物質は、１種類を単独で使用してもよいし、２種類以上を併用して使用してもよい。また、陽極は１層で構成されていてもよく、複数の層で構成されていてもよい。
電極を反射電極として用いる場合には、例えば、クロム、アルミニウム、銀、チタン、タングステン、モリブデン、またはこれらの合金、これらを積層したものなどを用いることができる。上記の材料にて、電極としての役割を有さない、反射膜として機能することも可能である。また、電極として透明電極を用いる場合には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛などの酸化物透明導電層などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。電極の形成には、フォトリソグラフィ技術を用いることができる。
一方、陰極の構成材料として、仕事関数が小さな材料が選択されてもよい。例えば、リチウムなどのアルカリ金属、カルシウムなどのアルカリ土類金属、アルミニウム、チタン、マンガン、銀、鉛、クロムなどの金属単体やこれらを含む混合物が挙げられる。あるいは、これら金属単体を組み合わせた合金も使用することができる。例えば、マグネシウム－銀、アルミニウム－リチウム、アルミニウム－マグネシウム、銀－銅、亜鉛－銀などが使用できる。酸化錫インジウム（ＩＴＯ）などの金属酸化物の利用も可能である。これらの電極物質は、１種類を単独で使用してもよいし、２種類以上を併用して使用してもよい。また、陰極は、１層構成でもよく、多層構成でもよい。陰極として、銀が用いられてもよく、銀の凝集を低減するため、銀合金としてもよい。銀の凝集が低減できれば、合金の比率は問わない。例えば、銀：他の金属が、１：１、３：１などであってもよい。
陰極は、ＩＴＯなどの酸化物導電層を使用してトップエミッション素子としてもよいし、アルミニウム（Ａｌ）などの反射電極を使用してボトムエミッション素子としてもよいし、特に限定されない。陰極の形成方法としては、特に限定されないが、直流または交流スパッタリング法などを用いると、形成される膜のカバレッジがよく、陰極の抵抗が小さくなりうる。
画素分離層
画素分離層（上述の絶縁層３０３に対応する。）は、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を用いて形成された窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ）などの所謂シリコン酸化物で形成されてもよい。有機化合物層の面内方向の抵抗を上げるために、有機化合物層の膜厚、特に正孔輸送層は、画素分離層の側壁において薄く成膜されてもよい。具体的には、画素分離層の側壁のテーパー角や画素分離層の膜厚を大きくし、蒸着時のケラレを増加させることによって、側壁の有機加工物層の膜厚を薄く成膜することができる。
一方で、画素分離層は、その上に形成される保護層に空隙が形成されない程度に、画素分離層の側壁テーパー角や画素分離層の膜厚が調整されうる。保護層に空隙が形成されないことによって、保護層に欠陥が発生することを低減できる。保護層の欠陥の発生が低減されるため、ダークスポットの発生や、第２電極の導通不良の発生などの信頼性低下が低減されうる。
本実施形態によれば、画素分離層の側壁のテーパー角が急峻でなくとも、隣接画素への電荷漏れを効果的に抑制することが可能になる。本検討の結果、テーパー角が６０度以上かつ９０度以下の範囲であれば十分低減できることが分かった。画素分離層の膜厚は１０ｎｍ以上から１５０ｎｍ以下であってもよい。また、画素分離層を有さない画素電極のみで構成されていても同様の効果が得られる。ただし、この場合の画素電極の膜厚は、有機層の半分以下するか、画素電極端部を６０°未満の順テーパーにすることによって、有機発光素子の短絡が低減できる。
また、第１電極を陰極、第２電極を陽極とした場合についても電子輸送性材料および電荷輸送層、および、電荷輸送層上に発光層を形成することで高色域と低電圧駆動が可能になる。
有機化合物層
有機化合物層（上述の有機層３０４に対応する。）は、単層で形成されてもよいし、複数層で形成されてもよい。複数層を有する場合には、その機能によって、ホール注入層、ホール輸送層、電子ブロッキング層、発光層、ホールブロッキング層、電子輸送層、電子注入層などと呼ばれてもよい。有機化合物層は、主に有機化合物で構成されるが、無機原子や無機化合物を含んでいてもよい。有機化合物層は、例えば、銅、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、イリジウム、白金、モリブデン、亜鉛などを有してよい。有機化合物層は、第１電極と第２電極との間に配されていてもよく、第１電極および第２電極に接して配されていてもよい。
保護層
陰極の上に、保護層（上述の保護層３０６に対応する。）が設けられてもよい。例えば、陰極上に吸湿剤を設けたガラスを接着することで、有機化合物層に対する水分などの浸入を低減し、表示不良の発生を低減することができる。また、別の実施形態として、陰極上に窒化シリコンなどのパッシベーション層を設け、有機化合物層に対する水分などの浸入を低減してもよい。例えば、陰極を形成後に真空を破らずに別のチャンバーに搬送し、ＣＶＤ法で厚さ２μｍの窒化シリコンを形成することで、保護層としてもよい。ＣＶＤ法を用いた保護層の成膜の後に、原子堆積（ＡＬＤ）法を用いた保護層が設けられてもよい。ＡＬＤ法による保護層の材料は限定されないが、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどであってもよい。ＡＬＤ法で形成した保護層の上に、さらにＣＶＤ法で窒化シリコンを形成してよい。ＡＬＤ法で形成した保護層は、ＣＶＤ法で形成した保護層よりも小さい膜厚であってもよい。具体的には、ＡＬＤ法で形成した保護層の膜厚は、ＣＶＤ法で形成した保護層の膜厚の５０％以下、さらには、１０％以下であってもよい。
カラーフィルタ
保護層の上にカラーフィルタ（上述のカラーフィルタ層３０８に対応する。）が設けられていてもよい。例えば、有機発光素子のサイズを考慮したカラーフィルタを別の基板上に設け、カラーフィルタが形成された基板と有機発光素子を設けた基板とが貼り合わされてもよい。また、例えば、上述した保護層上にフォトリソグラフィ技術を用いて、カラーフィルタをパターニングしてもよい。カラーフィルタは、高分子で構成されていてもよい。
平坦化層
カラーフィルタと保護層との間に平坦化層（上述の平坦化層３０７に対応する。）が配されていてもよい。平坦化層は、平坦化層よりも下の層の凹凸を低減する目的で設けられる。目的を制限せずに、材質樹脂層と呼ばれる場合もある。平坦化層は有機化合物で構成されてよく、低分子であっても、高分子であってもよい。凹凸の低減を考慮し、平坦化層に、高分子の有機化合物が用いられてもよい。
平坦化層は、カラーフィルタの上下に設けられてもよい（カラーフィルタの上に設けられた平坦化層は、上述の下地層３０９に対応する。）。その場合に、それぞれの平坦化層の構成材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。具体的には、ポリビニルカルバゾール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、尿素樹脂などが、平坦化層の材料として挙げられる。
マイクロレンズ
有機発光装置は、その光出射側にマイクロレンズ（上述のレンズ２０２、２１２に対応する）などの光学部材を有していてもよい。マイクロレンズは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などで構成されうる。マイクロレンズは、有機発光装置から取り出す光量の増加、取り出す光の方向の制御を目的としてもよい。マイクロレンズは、半球の形状を有してよい。半球の形状を有する場合、当該半球に接する接線のうち、絶縁層と平行になる接線があり、その接線と半球との接点がマイクロレンズの頂点である。マイクロレンズの頂点は、任意の断面図においても同様に決定することができる。つまり、断面図におけるマイクロレンズの半円に接する接線のうち、絶縁層と平行になる接線があり、その接線と半円との接点がマイクロレンズの頂点（頂部）である。
また、マイクロレンズの中点を定義することもできる。マイクロレンズの断面において、円弧の形状が終了する点から別の円弧の形状が終了する点までの線分を仮想し、当該線分の中点がマイクロレンズの中点と呼ぶことができる。頂点、中点を判別する断面は、絶縁層に垂直な断面であってよい。
マイクロレンズは凸部を有する第１面と、第１面と反対の第２面を有する。第２面が第１面よりも機能層（発光層）側に配されうる。このような構成を取るためには、発光装置上にマイクロレンズを形成する必要がある。機能層が有機層の場合には、マイクロレンズの製造工程において高温になるプロセスは避けてもよい。また、第２面が第１面よりも機能層側に配されている構成を取る場合には、有機層を構成する有機化合物のガラス転移温度がすべて１００℃以上であってもよく、例えば、１３０℃以上であることが適している。
対向基板
平坦化層の上に、対向基板が配されていてもよい。対向基板は、前述の基板と対応する位置に設けられるため、対向基板と呼ばれる。対向基板の構成材料は、前述の基板と同じであってもよい。対向基板は、前述の基板を第１基板とした場合、第２基板であってよい。
本開示の実施形態に係る有機発光素子を構成する有機化合物層（正孔注入層、正孔輸送層、電子阻止層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層等）は、以下に示す方法により形成されてもよい。
本開示の実施形態に係る有機発光素子を構成する有機化合物層は、真空蒸着法、イオン化蒸着法、スパッタリング、プラズマなどのドライプロセスを用いることができる。またドライプロセスに代えて、適当な溶媒に溶解させて公知の塗布法（例えば、スピンコーティング、ディッピング、キャスト法、ラングミュア－ブロジェット（ＬＢ）法、インクジェット法など）により層を形成するウェットプロセスを用いることもできる。
ここで真空蒸着法や溶液塗布法などによって層を形成すると、結晶化などが起こり難く、経時安定性に優れる。また塗布法で成膜する場合は、適当なバインダ樹脂と組み合わせて膜を形成することもできる。
上記バインダ樹脂としては、ポリビニルカルバゾール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、尿素樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、これらバインダ樹脂は、ホモポリマまたは共重合体として１種類を単独で使用してもよいし、２種類以上を混合して使用してもよい。さらに必要に応じて、公知の可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤などの添加剤を併用してもよい。
画素回路
発光装置は、発光素子に接続されている画素回路を有してよい。画素回路は、第１発光素子、第２発光素子をそれぞれ独立に発光制御するアクティブマトリックス型であってよい。アクティブマトリックス型の回路は電圧プログラミングであっても、電流プログラミングであってもよい。駆動回路は、画素毎に画素回路を有する。画素回路は、発光素子、発光素子の発光輝度を制御するトランジスタ、発光タイミングを制御するトランジスタ、発光輝度を制御するトランジスタのゲート電圧を保持する容量、発光素子を介さずにＧＮＤに接続するためのトランジスタを有してよい。
発光装置は、表示領域と、表示領域の周囲に配されている周辺領域とを有する。表示領域には画素回路を有し、周辺領域には表示制御回路を有する。画素回路を構成するトランジスタの移動度は、表示制御回路を構成するトランジスタの移動度よりも小さくてよい。
画素回路を構成するトランジスタの電流電圧特性の傾きは、表示制御回路を構成するトランジスタの電流電圧特性の傾きよりも小さくてよい。電流電圧特性の傾きは、いわゆるＶｇ－Ｉｇ特性により測定できる。
画素回路を構成するトランジスタは、第１発光素子など、発光素子に接続されているトランジスタである。
画素
有機発光装置は、複数の画素を有する。画素は互いに他と異なる色を発光する副画素（上述の画素２０１に対応する。）を有する。副画素は、例えば、それぞれＲＧＢの発光色を有してよい。
画素は、画素開口とも呼ばれる領域が発光する。画素開口は１５μｍ以下であってよく、５μｍ以上であってよい。より具体的には、１１μｍ、９．５μｍ、７．４μｍ、６．４μｍなどであってよい。
副画素間の間隔は、１０μｍ以下であってよく、具体的には、８μｍ、７．４μｍ、６．４μｍであってよい。
画素は、平面図において、公知の配置形態をとりうる。例えば、ストライプ配置、デルタ配置、ペンタイル配置、ベイヤー配置であってよい。副画素の平面図における形状は、公知のいずれの形状をとってもよい。例えば、長方形、ひし形などの四角形、六角形などである。もちろん、正確な図形ではなく、長方形に近い形をしていれば、長方形に含まれる。副画素の形状と、画素配列と、を組み合わせて用いることができる。
本開示の実施形態に係る有機発光素子の用途
本開示の実施形態に係る有機発光素子は、表示装置や照明装置の構成部材として用いることができる。他にも、電子写真方式の画像形成装置の露光光源や液晶表示装置のバックライト、白色光源にカラーフィルタを有する発光装置などの用途がある。
表示装置は、エリアＣＣＤ、リニアＣＣＤ、メモリーカードなどからの画像情報を入力する画像入力部を有し、入力された情報を処理する情報処理部を有し、入力された画像を表示部に表示する画像情報処理装置でもよい。
また、撮像装置やインクジェットプリンタが有する表示部は、タッチパネル機能を有していてもよい。このタッチパネル機能の駆動方式は、赤外線方式でも、静電容量方式でも、抵抗膜方式であっても、電磁誘導方式であってもよく、特に限定されない。また表示装置はマルチファンクションプリンタの表示部に用いられてもよい。
次に、図面を参照しながらさらに説明を行う。図１４（ａ）は、上述の画素領域１０４の構成要素である画素の一例である。画素は、副画素８１０（上述の画素２０１に対応する。）を有している。副画素はその発光により、８１０Ｒ、８１０Ｇ、８１０Ｂに分けられている。発光色は、発光層から発光される波長で区別されても、副画素から出射する光がカラーフィルタなどによって、選択的透過または色変換が行われてもよい。それぞれの副画素は、層間絶縁層８０１（上述の構造体３０１の一部に対応する。）の上に第１電極である反射電極８０２（上述の下部電極３０２に対応する。）、反射電極８０２の端を覆う絶縁層８０３（上述の絶縁層３０３に対応する。）、第１電極と絶縁層とを覆う有機化合物層８０４（上述の有機層３０４に対応する。）、第２電極である透明電極８０５（上述の上部電極３０５に対応する。）、保護層８０６（上述の保護層３０６および平坦化層３０７に対応する。）、カラーフィルタ８０７（上述のカラーフィルタ層３０８に対応する。）を有している。
層間絶縁層８０１は、その下層または内部にトランジスタ、容量素子を配されていてもよい。トランジスタと第１電極とは不図示のコンタクトホールなどを介して電気的に接続されていてもよい。
絶縁層８０３は、バンク、画素分離膜とも呼ばれうる。絶縁層８０３は、第１電極の端を覆っており、第１電極を囲って配されている。第１電極のうち絶縁層８０３の配されていない部分が、有機化合物層８０４と接し、発光領域となる。
有機化合物層８０４は、正孔注入層８４１、正孔輸送層８４２、第一発光層８４３、第二発光層８４４、電子輸送層８４５を有する。
第２電極は、透明電極であっても、反射電極であっても、半透過電極であってもよい。
保護層８０６は、有機化合物層に水分が浸透することを低減する。保護層は、一層のように図示されているが、複数層であってよい。層ごとに無機化合物層、有機化合物層があってよい。
カラーフィルタ８０７は、その色により８０７Ｒ、８０７Ｇ、８０７Ｂに分けられる。カラーフィルタは、不図示の平坦化膜上に形成されてよい。また、カラーフィルタ上に不図示の樹脂保護層が配されていてもよい。また、カラーフィルタは、保護層８０６上に形成されてよい。また、カラーフィルタは、ガラス基板などの対向基板上に設けられた後に、貼り合わせられよい。
図１４（ｂ）の表示装置８００（上述の半導体装置１０１に対応する）は、有機発光素子８２６とトランジスタの一例としてＴＦＴ８１８とが記載されている。ガラス、シリコンなどの基板８１１とその上部に絶縁層８１２とが設けられている。絶縁層の上には、ＴＦＴ８１８などの能動素子が配されており、能動素子のゲート電極８１３、ゲート絶縁膜８１４、半導体層８１５が配置されている。ＴＦＴ８１８は、他にも半導体層８１５とドレイン電極８１６とソース電極８１７とで構成されている。ＴＦＴ８１８の上部には絶縁膜８１９が設けられている。絶縁膜に設けられたコンタクトホール８２０を介して有機発光素子８２６を構成する陽極８２１とソース電極８１７とが接続されている。
有機発光素子８２６に含まれる電極（陽極、陰極）とＴＦＴに含まれる電極（ソース電極、ドレイン電極）との電気接続の方式は、図１４（ｂ）に示される態様に限られるものではない。つまり、陽極または陰極のうちいずれか一方とＴＦＴソース電極またはドレイン電極のいずれか一方とが電気接続されていればよい。ＴＦＴは、薄膜トランジスタを指す。
図１４（ｂ）の表示装置８００では有機化合物層を１つの層の如く図示をしているが、有機化合物層８２２は、複数層であってもよい。陰極８２３の上には有機発光素子の劣化を低減するための第１保護層８２４や第２保護層８２５が設けられている。
図１４（ｂ）の表示装置８００ではスイッチング素子としてトランジスタを使用しているが、これに代えて他のスイッチング素子として用いてもよい。
また、図１４（ｂ）の表示装置８００に使用されるトランジスタは、単結晶シリコンウエハを用いたトランジスタに限らず、基板の絶縁性表面上に活性層を有する薄膜トランジスタでもよい。活性層として、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンなどの非単結晶シリコン、インジウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物などの非単結晶酸化物半導体が挙げられる。なお、薄膜トランジスタはＴＦＴ素子とも呼ばれる。
図１４（ｂ）の表示装置８００に含まれるトランジスタは、シリコン基板などの基板内に形成されていてもよい。ここで基板内に形成されるとは、シリコン基板などの基板自体を加工してトランジスタを作製することを意味する。つまり、基板内にトランジスタを有することは、基板とトランジスタとが一体に形成されていると見ることもできる。
本実施形態に係る有機発光素子はスイッチング素子の一例であるＴＦＴによって発光輝度が制御され、有機発光素子を複数面内に設けることでそれぞれの発光輝度により画像を表示することができる。ここで、本実施形態に係るスイッチング素子は、ＴＦＴに限られず、低温ポリシリコンで形成されているトランジスタ、シリコン基板などの基板上に形成されたアクティブマトリクスドライバであってもよい。基板上とは、その基板内ということもできる。基板内にトランジスタを設けるか、ＴＦＴを用いるかは、表示部の大きさによって選択され、例えば０．５インチ程度の大きさであれば、シリコン基板上に有機発光素子を設けてもよい。
図１５（ａ）～１５（ｃ）は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた画像形成装置の一例を表す模式図である。図１５（ａ）に示される画像形成装置９２６は、感光体９２７、露光光源９２８、現像部９３１、帯電部９３０、転写器９３２、搬送部９３３（図１５（ａ）の構成において、搬送ローラー）、定着器９３５を含む。
露光光源９２８から光９２９が照射され、感光体９２７の表面に静電潜像が形成される。この露光光源９２８に、半導体装置１０１が適用できる。現像部９３１は、現像剤としてトナーなどを含み、露光された感光体９２７に現像剤を付与する現像器として機能しうる。帯電部９３０は、感光体９２７を帯電させる。転写器９３２は、現像された画像を記録媒体９３４に転写する。搬送部９３３は、記録媒体９３４を搬送する。記録媒体９３４は、例えば、紙やフィルムなどでありうる。定着器９３５は、記録媒体に形成された画像を定着させる。
図１５（ｂ）および図１５（ｃ）には、露光光源９２８に発光部９３６が長尺状の基板に長手方向に沿って複数配置されている様子を示す模式図である。この発光部９３６に、半導体装置１０１が適用されうる。つまり、画素領域１０４に配された複数の画素２０１が、基板の長手方向に沿って配される。方向９３７は、感光体９２７の軸に平行な方向である。この列方向は、感光体９２７が回転する際の軸の方向と同じである。この方向９３７は、感光体９２７の長軸方向と呼ぶこともできる。
図１５（ｂ）は、発光部９３６を感光体９２７の長軸方向に沿って配置した形態である。図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）に示される発光部９３６の配置の変形例であり、第１列と第２列とのそれぞれにおいて発光部９３６が列方向に交互に配置されている形態である。第１列と第２列とでは、行方向に異なる位置に発光部９３６が配置されている。第１列には、複数の発光部９３６が間隔をあけて配され、第２列には、第１列の発光部９３６同士の間隙に対応する位置に発光部９３６が配される。また、行方向にも、複数の発光部９３６が間隔をあけて配されている。図１５（ｃ）に示される発光部９３６の配置は、たとえば格子状に配置されている状態、千鳥格子に配置されている状態、あるいは、市松模様と言い換えることもできる。
図１６は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた表示装置の一例を表す模式図である。表示装置１０００は、上部カバー１００１と、下部カバー１００９と、の間に、タッチパネル１００３、表示パネル１００５、フレーム１００６、回路基板１００７、バッテリー１００８を有していてもよい。タッチパネル１００３および表示パネル１００５は、フレキシブルプリント回路ＦＰＣ１００２、１００４が接続されている。回路基板１００７には、トランジスタなどの能動素子が配される。バッテリー１００８は、表示装置１０００が携帯機器でなければ、設けなくてもよいし、携帯機器であっても、この位置に設ける必要はない。表示パネル１００５に、半導体装置１０１が適用できる。表示パネル１００５として機能する半導体装置１０１の画素領域１０４に配された画素２０１は、回路基板１００７に配されたトランジスタなどの能動素子と接続され動作する。
図１６に示される表示装置１０００は、複数のレンズを有する光学部と、当該光学部を通過した光を受光し電気信号に光電変換する撮像素子とを有する光電変換装置（撮像装置とも呼ばれうる。）の表示部に用いられてもよい。光電変換装置は、撮像素子が取得した情報を表示する表示部を有してもよい。また、表示部は、光電変換装置の外部に露出した表示部であっても、ファインダ内に配置された表示部であってもよい。光電変換装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラであってもよい。
図１７は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた光電変換装置の一例を表す模式図である。光電変換装置１１００は、ビューファインダ１１０１、背面ディスプレイ１１０２、操作部１１０３、筐体１１０４を有してよい。光電変換装置１１００は、撮像装置とも呼ばれうる。表示部であるビューファインダ１１０１や背面ディスプレイ１１０２に、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。この場合、半導体装置１０１の画素領域１０４は、撮像する画像のみならず、環境情報、撮像指示などを表示してもよい。環境情報には、外光の強度、外光の向き、被写体の動く速度、被写体が遮蔽物に遮蔽される可能性などであってよい。
撮像に適するタイミングはわずかな時間である場合が多いため、少しでも早く情報を表示した方がよい。したがって、有機ＥＬ素子などの有機発光材料を用いた発光素子を含む画素２０１が画素領域１０４に配される半導体装置１０１が、ビューファインダ１１０１や背面ディスプレイ１１０２に用いられてもよい。有機発光材料は応答速度が速いためである。有機発光材料を用いた半導体装置１０１は、表示速度が求められる、これらの装置に、液晶表示装置よりも適している。
光電変換装置１１００は、不図示の光学部を有する。光学部は複数のレンズを有し、光学部を通過した光を受光する筐体１１０４内に収容されている光電変換素子（不図示）に結像する。複数のレンズは、その相対位置を調整することで、焦点を調整することができる。この操作を自動で行うこともできる。
半導体装置１０１は、電子機器の表示部に適用されてもよい。その際には、表示機能と操作機能との双方を有してもよい。携帯端末としては、スマートフォンなどの携帯電話、タブレット、ヘッドマウントディスプレイなどが挙げられる。
図１８は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた電子機器の一例を表す模式図である。電子機器１２００は、表示部１２０１と、操作部１２０２と、筐体１２０３を有する。筐体１２０３には、回路、当該回路を有するプリント基板、バッテリー、通信部を有してよい。操作部１２０２は、ボタンであってもよいし、タッチパネル方式の反応部であってもよい。操作部１２０２は、指紋を認識してロックの解除等を行う、生体認識部であってもよい。通信部を有する携帯機器は通信機器ということもできる。表示部１２０１に、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。
図１９（ａ）、１９（ｂ）は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた表示装置の一例を表す模式図である。図１９（ａ）は、テレビモニタやＰＣモニタなどの表示装置である。表示装置１３００は、額縁１３０１を有し表示部１３０２を有する。表示部１３０２に、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。表示装置１３００は、額縁１３０１と表示部１３０２とを支える土台１３０３を有していてもよい。土台１３０３は、図１９（ａ）の形態に限られない。例えば、額縁１３０１の下辺が土台１３０３を兼ねていてもよい。また、額縁１３０１および表示部１３０２は、曲がっていてもよい。その曲率半径は、５０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下であってよい。
図１９（ｂ）は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた表示装置の他の一例を表す模式図である。図１９（ｂ）の表示装置１３１０は、折り曲げ可能に構成されており、いわゆるフォルダブルな表示装置である。表示装置１３１０は、第１表示部１３１１、第２表示部１３１２、筐体１３１３、屈曲点１３１４を有する。第１表示部１３１１と第２表示部１３１２とに、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。第１表示部１３１１と第２表示部１３１２とは、つなぎ目のない１枚の表示装置であってよい。第１表示部１３１１と第２表示部１３１２とは、屈曲点で分けることができる。第１表示部１３１１と第２表示部１３１２とは、それぞれ異なる画像を表示してもよいし、第１表示部と第２表示部とで１つの画像を表示してもよい。
図２０は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた照明装置の一例を表す模式図である。照明装置１４００は、筐体１４０１と、光源１４０２と、回路基板１４０３と、光学フィルム１４０４と、光拡散部１４０５と、を有していてもよい。光源１４０２に、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。光学フィルム１４０４は光源の演色性を向上させるフィルタであってよい。光拡散部１４０５は、ライトアップなど、光源の光を効果的に拡散し、広い範囲に光を届けることができる。必要に応じて、最外部にカバーを設けてもよい。照明装置１４００は、光学フィルム１４０４と光拡散部１４０５との両方を有していてもよいし、何れか一方のみを有していてもよい。
照明装置１４００は例えば室内を照明する装置である。照明装置１４００は白色、昼白色、その他青から赤のいずれの色を発光するものであってよい。それらを調光する調光回路を有してよい。照明装置１４００は、光源１４０２として機能する半導体装置１０１の画素領域１０４に接続される電源回路を有していてもよい。電源回路は、交流電圧を直流電圧に変換する回路である。また、白とは色温度が４２００Ｋで昼白色とは色温度が５０００Ｋである。また、照明装置１４００は、カラーフィルタを有してもよい。また、照明装置１４００は、放熱部を有していてもよい。放熱部は装置内の熱を装置外へ放出するものであり、比熱の高い金属、液体シリコンなどが挙げられる。
図２１は、本実施形態の半導体装置１０１を用いた車両用の灯具の一例であるテールランプを有する自動車の模式図である。自動車１５００は、テールランプ１５０１を有し、ブレーキ操作などを行った際に、テールランプ１５０１を点灯する形態であってもよい。本実施形態の半導体装置１０１は、車両用の灯具としてヘッドランプに用いられてもよい。自動車は移動体の一例であり、移動体は船舶やドローン、航空機、鉄道車両、産業用ロボットなどであってもよい。移動体は、機体とそれに設けられた灯具を有してよい。灯具は機体の現在位置を知らせるものであってもよい。
テールランプ１５０１に、本実施形態の半導体装置１０１が適用できる。テールランプ１５０１は、テールランプ１５０１として機能する半導体装置１０１を保護する保護部材を有してよい。保護部材は、ある程度高い強度を有し、透明であれば材料は問わないが、ポリカーボネートなどで構成されてもよい。また、保護部材は、ポリカーボネートにフランジカルボン酸誘導体、アクリロニトリル誘導体などを混ぜてよい。
自動車１５００は、車体１５０３、それに取り付けられている窓１５０２を有してもよい。窓は、自動車の前後を確認するための窓であってもよいし、ヘッドアップディスプレイなど透明なディスプレイであってもよい。当該透明なディスプレイに、本実施形態の半導体装置１０１が用いられてもよい。この場合、半導体装置１０１が有する電極などの構成材料は透明な部材で構成される。
図２２（ａ）、２２（ｂ）を参照して、本実施形態の半導体装置１０１のさらなる適用例について説明する。半導体装置１０１は、例えば、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、スマートコンタクトのようなウェアラブルデバイスとして装着可能なシステムに適用できる。このような適用例に使用される撮像表示装置は、可視光を光電変換可能な撮像装置と、可視光を発光可能な発光装置とを有する。
図２２（ａ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６００（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６００のレンズ１６０１の表面側に、ＣＭＯＳセンサやＳＰＡＤのような撮像装置１６０２が設けられている。また、レンズ１６０１の裏面側には、本実施形態の半導体装置１０１が設けられている。
眼鏡１６００は、制御装置１６０３をさらに備える。制御装置１６０３は、撮像装置１６０２と各実施形態に係る半導体装置１０１に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置１６０３は、撮像装置１６０２と半導体装置１０１の動作を制御する。レンズ１６０１には、撮像装置１６０２に光を集光するための光学系が形成されている。
図２２（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６１０は、制御装置１６１２を有しており、制御装置１６１２に、撮像装置１６０２に相当する撮像装置と、半導体装置１０１が搭載される。レンズ１６１１には、制御装置１６１２内の撮像装置と、半導体装置１０１からの発光を投影するための光学系が形成されており、レンズ１６１１には画像が投影される。制御装置１６１２は、撮像装置および半導体装置１０１に電力を供給する電源として機能するとともに、撮像装置および半導体装置１０１の動作を制御する。制御装置１６１２は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減する。
赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。
より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。
本開示の実施形態に係る半導体装置１０１は、受光素子を有する撮像装置を有し、撮像装置からのユーザの視線情報に基づいて表示画像を制御してよい。
具体的には、半導体装置１０１は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１視界領域と、第１視界領域以外の第２視界領域とを決定する。第１視界領域、第２視界領域は、半導体装置１０１の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。半導体装置１０１の表示領域において、第１視界領域の表示解像度を第２視界領域の表示解像度よりも高く制御してもよい。つまり、第２視界領域の解像度を第１視界領域よりも低くしてよい。
また、表示領域は、第１表示領域、第１表示領域とは異なる第２表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第１表示領域および第２表示領域から優先度が高い領域が決定される。第１表示領域、第２表示領域は、半導体装置１０１の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。優先度の高い領域の解像度を、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高く制御してよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度を低くしてよい。
なお、第１視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、半導体装置１０１が有しても、撮像装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して、半導体装置１０１に伝えられる。
視認検知に基づいて表示制御する場合、外部を撮像する撮像装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用できる。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。
本明細書の開示は、以下の半導体装置、表示装置、光電変換装置、電子機器、照明装置、移動体、ウェアラブルデバイス、および、半導体装置の製造方法を含む。
（項目１）
基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置であって、
前記画素領域には、下地層の上に前記下地層を露出しないように複数のレンズが配され、
前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、
前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含むことを特徴とする半導体装置。
（項目２）
前記画素領域における前記複数のレンズは、所定のピッチで配され、
前記複数のモニタ用レンズのうち前記下地層が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチと同じであることを特徴とする項目１に記載の半導体装置。
（項目３）
前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチよりも広いことを特徴とする項目２に記載の半導体装置。
（項目４）
前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチと同じであることを特徴とする項目２に記載の半導体装置。
（項目５）
前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズは、前記複数のモニタ用レンズのうち何れかのモニタ用レンズに接する第１モニタ用レンズと、前記複数のモニタ用レンズのうち他のモニタ用レンズに接していない第２モニタ用レンズと、を含み、
前記第２モニタ用レンズの直径は、平面視において、前記複数のモニタ用レンズのうち前記下地層が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの直径よりも小さいことを特徴とする項目４に記載の半導体装置。
（項目６）
前記第２モニタ用レンズは、前記第１モニタ用レンズよりも前記下地層からの高さが高いことを特徴とする項目５に記載の半導体装置。
（項目７）
前記第２モニタ用レンズは、前記第１モニタ用レンズよりも頂部が平坦であることを特徴とする項目５または６に記載の半導体装置。
（項目８）
前記モニタ領域に、前記複数のモニタ用レンズに接しておらず、かつ、頂部が平坦な樹脂層が配され、
前記樹脂層は、前記複数のレンズと同じ材料によって形成されていることを特徴とする項目１乃至７の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目９）
前記複数のモニタ用レンズは、前記露出部に接していないモニタ用レンズを含むことを特徴とする項目１乃至８の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１０）
前記画素領域に隣り合うように前記基板にダミー画素が配されたダミー画素領域をさらに含み、
前記モニタ領域は、前記ダミー画素領域に配されていることを特徴とする項目１乃至９の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１１）
前記基板と前記複数のモニタ用レンズとの間に、カラーフィルタ層が配されていることを特徴とする項目１乃至１０の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１２）
前記下地層は、前記カラーフィルタ層を含むことを特徴とする項目１１に記載の半導体装置。
（項目１３）
前記下地層は、前記下地層よりも下層の表面を平坦にするための平坦化層を含むことを特徴とする項目１乃至１１の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１４）
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、光電変換素子を含むことを特徴とする項目１乃至１３の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１５）
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、発光素子を含むことを特徴とする項目１乃至１３の何れか１項目に記載の半導体装置。
（項目１６）
項目１５に記載の半導体装置と、前記半導体装置に接続されている能動素子と、を有することを特徴とする表示装置。
（項目１７）
複数のレンズを有する光学部と、前記光学部を通過した光を受光する撮像素子と、画像を表示する表示部と、を有し、
前記表示部は、前記撮像素子が撮像した画像を表示し、かつ、項目１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする光電変換装置。
（項目１８）
表示部が設けられた筐体と、前記筐体に設けられ、外部と通信する通信部と、を有し、
前記表示部は、項目１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする電子機器。
（項目１９）
光源と、光拡散部および光学フィルムの少なくとも一方と、を有する照明装置であって、
前記光源は、項目１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする照明装置。
（項目２０）
機体と、前記機体に設けられている灯具と、を有する移動体であって、
前記灯具は、項目１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする移動体。
（項目２０）
画像を表示するための表示装置を有するウェアラブルデバイスであって、
前記表示装置は、項目１５に記載の半導体装置を有することを特徴とするウェアラブルデバイス。
（項目２２）
基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置の製造方法であって、
前記画素領域には、下地層の上に複数のレンズが、前記下地層を露出しないように配され、
前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、
前記製造方法は、前記複数のモニタ用レンズを形成する工程を含み、
前記複数のモニタ用レンズを形成するためのマスクパターンは、前記複数のレンズを形成するためのマスクパターンと同じマスクパターンを含み、
前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含むことを特徴とする製造方法。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１００：基板、１０４：画素領域、１０６：モニタ領域、２０１：画素、２１２：レンズ、２２２：モニタ用レンズ、３０９：下地層、３１９：露出部

Claims (22)

  1. 基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置であって、
    前記画素領域には、下地層の上に前記下地層を露出しないように複数のレンズが配され、
    前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、
    前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含むことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記画素領域における前記複数のレンズは、所定のピッチで配され、
    前記複数のモニタ用レンズのうち前記下地層が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチと同じであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチよりも広いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズが配される間隔は、前記所定のピッチと同じであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  5. 前記複数のモニタ用レンズのうち前記露出部を介して互いに隣り合う２つのモニタ用レンズは、前記複数のモニタ用レンズのうち何れかのモニタ用レンズに接する第１モニタ用レンズと、前記複数のモニタ用レンズのうち他のモニタ用レンズに接していない第２モニタ用レンズと、を含み、
    前記第２モニタ用レンズの直径は、平面視において、前記複数のモニタ用レンズのうち前記下地層が露出しないように配された互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの直径よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第２モニタ用レンズは、前記第１モニタ用レンズよりも前記下地層からの高さが高いことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記第２モニタ用レンズは、前記第１モニタ用レンズよりも頂部が平坦であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  8. 前記モニタ領域に、前記複数のモニタ用レンズに接しておらず、かつ、頂部が平坦な樹脂層が配され、
    前記樹脂層は、前記複数のレンズと同じ材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  9. 前記複数のモニタ用レンズは、前記露出部に接していないモニタ用レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  10. 前記画素領域に隣り合うように前記基板にダミー画素が配されたダミー画素領域をさらに含み、
    前記モニタ領域は、前記ダミー画素領域に配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  11. 前記基板と前記複数のモニタ用レンズとの間に、カラーフィルタ層が配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  12. 前記下地層は、前記カラーフィルタ層を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 前記下地層は、前記下地層よりも下層の表面を平坦にするための平坦化層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  14. 前記複数の画素のうち少なくとも一部は、光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の半導体装置。
  15. 前記複数の画素のうち少なくとも一部は、発光素子を含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の半導体装置。
  16. 請求項１５に記載の半導体装置と、前記半導体装置に接続されている能動素子と、を有することを特徴とする表示装置。
  17. 複数のレンズを有する光学部と、前記光学部を通過した光を受光する撮像素子と、画像を表示する表示部と、を有し、
    前記表示部は、前記撮像素子が撮像した画像を表示し、かつ、請求項１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする光電変換装置。
  18. 表示部が設けられた筐体と、前記筐体に設けられ、外部と通信する通信部と、を有し、
    前記表示部は、請求項１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする電子機器。
  19. 光源と、光拡散部および光学フィルムの少なくとも一方と、を有する照明装置であって、
    前記光源は、請求項１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする照明装置。
  20. 機体と、前記機体に設けられている灯具と、を有する移動体であって、
    前記灯具は、請求項１５に記載の半導体装置を有することを特徴とする移動体。
  21. 画像を表示するための表示装置を有するウェアラブルデバイスであって、
    前記表示装置は、請求項１５に記載の半導体装置を有することを特徴とするウェアラブルデバイス。
  22. 基板に複数の画素が配された画素領域と、モニタ領域と、を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記画素領域には、下地層の上に複数のレンズが、前記下地層を露出しないように配され、
    前記モニタ領域には、前記下地層の上に複数のモニタ用レンズが配され、
    前記製造方法は、前記複数のモニタ用レンズを形成する工程を含み、
    前記複数のモニタ用レンズを形成するためのマスクパターンは、前記複数のレンズを形成するためのマスクパターンと同じマスクパターンを含み、
    前記複数のモニタ用レンズは、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間で前記下地層が露出しないように配されたモニタ用レンズ対と、互いに隣り合う２つのモニタ用レンズの間に前記下地層が露出した露出部が配されているモニタ用レンズ対と、を含むことを特徴とする製造方法。
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