JP4434757B2

JP4434757B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4434757B2
Application number: JP2004012822A
Authority: JP
Inventors: 健一永山
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP2005209430A

Description

本発明は、ＥＬ素子（エレクトロルミネッセント素子）などの半導体素子を封止する封止構造を有する半導体装置などに関する。

有機ＥＬパネルは、主に有機材料からなる発光層を備えた有機ＥＬ素子を有しており、有機ＥＬ素子は水分に曝されると劣化するため、外気から遮断すべく有機ＥＬ素子全体を被覆し封止する封止部材が設けられている。図１は、一般的な有機ＥＬパネルの封止構造を概略的に示す図である。図１に示される有機ＥＬパネル１００は、絶縁基板１０１と、この絶縁基板１０１上に形成される、第１電極層（陽極）１０２、発光層を含む有機機能層１０３および第２電極層（陰極）１０４からなる有機ＥＬ素子１０７とを備えている。この有機ＥＬ素子１０７が外気に曝されるのを防ぐため、有機ＥＬ素子１０７の全体を被覆するように高分子化合物などの保護膜１０５が形成されている。保護膜１０５の防湿性能は高くても、その機械的強度が低い場合が多いため、さらに、有機ＥＬ素子１０７と保護膜１０５とを被覆する封止部材１０６が基板１０１に接着され、有機ＥＬ素子１０７を密封している。

また、薄型化のために、フィルム状の可撓性の封止部材１０６と、樹脂材料からなる可撓性の絶縁基板１０１とを使用した有機ＥＬパネルが提供されている。この種の有機ＥＬパネルでは、図２に示すように封止部材１０６が変形した後に復元しようとする際に、封止部材１０６の内面１０６ｃが有機ＥＬ素子１０７を覆う保護膜１０５に接触し、接着したまま復元しようとする場合がある。かかる場合、保護膜１０５とともに有機ＥＬ素子１０７を絶縁基板１０１から剥離しようとする力が働くため、有機ＥＬ素子１０７の内部の微細にパターニングされた薄膜が破壊されたり、有機ＥＬ素子１０７を構成する層が他の層から剥がれることによって、有機ＥＬ素子１０７の素子構造の破壊や不可逆な変形が起こり、有機ＥＬ素子１０７の密封性能の低下や有機ＥＬ素子１０７の短寿命化を招来するという問題があった。

なお、有機ＥＬパネルの封止技術は、たとえば、特許文献１（特開２００１−１１８６７４号公報）および特許文献２（特開２００３−１０９７５６号公報）に開示されている。特許文献１記載の有機ＥＬ表示装置では、有機ＥＬ素子を密封するように可撓性のフィルム状の封止部が基板に接着されており、特許文献２記載の封止技術では、酸素や水分の透過を防止し得る無機材料からなる無機絶縁膜と、この無機絶縁膜よりも内部応力の小さい有機材料からなる有機絶縁膜とを積層して形成されたプラスチックのフィルムによって有機ＥＬ素子が密封されている。しかしながら、これら特許文献１，２に記載される封止構造では、上述の問題を回避することが難しい。
特開２００１−１１８６７４号公報（図１，第００１４段落〜第００１５段落，第００１０段落〜第００１２段落）特開２００３−１０９７５６号公報（図１，第００２４段落〜第００３８段落）

以上の状況などに鑑みて本発明の目的は、有機ＥＬ素子などの半導体素子の素子構造の破壊や不可逆な変形を防止するとともに高い密封性能を与え得る封止部材を備えた半導体装置を提供する点にある。

上記目的を達成すべく、請求項１記載の発明は、基板と、前記基板上に層状に形成された半導体素子を封止する封止部材とを有する半導体装置であって、前記封止部材の内面の水に対する接触角が、前記封止部材と対面する前記半導体素子の外面の水に対する接触角よりも大きいことを特徴としている。

以下、本発明に係る種々の実施例について説明する。

＜第１の実施例＞
図３は、本発明に係る第１の実施例の有機ＥＬパネル（半導体装置）１の断面を概略的に示す図である。この有機ＥＬパネル１は、絶縁基板１０と、この絶縁基板１０上に形成される、第１電極層１１、有機機能層１２および第２電極層１３からなる有機ＥＬ素子（半導体素子）１５とを備えている。前記絶縁基板１０は、可視光に対して透明性或いは半透明性を有し、可撓性を持つ厚みを有する。たとえば、絶縁基板１０として、ポリカーボネートなどを基材とした可撓性のプラスチック基板を用いればよい。また、有機ＥＬ素子１５が酸素や水分などの外気に曝されるのを防止し、外部からの衝撃から有機ＥＬ素子１５を守るべく、有機ＥＬ素子１５の全体を被覆し封止するように、外気を遮断するための封止部材１４が絶縁基板１０に接合されている。

なお、本実施例や、以下に説明する他の実施例では、有機ＥＬ素子１５の全体が封止部材１４で被覆されているが、更なる密封性能向上のために、有機ＥＬ素子１５の上に、窒化シリコンやエポキシ樹脂などの絶縁膜を形成することによって保護膜を形成し、この保護膜で覆われた有機ＥＬ素子１５を前記封止部材１４で密封してもよい。

前記封止部材１４としては、フッ素樹脂などのプラスチック材料、或いは、アルミニウムや銅などの金属材料からなる可撓性のフィルム状の部材を用いればよい。有機ＥＬ素子１５から発せられた光を封止部材１４の側から取り出す場合は、封止部材１４は、上記絶縁基板１０と同様に、可視光に対して透明性或いは半透明性を有する必要がある。また、封止部材１４は、上記絶縁基板１０と同様に可撓性を持つ厚みを有し、ポリカーボネートなどを基材とした可撓性のプラスチック板で構成されてもよい。封止部材１４の接合面１４ａ，１４ｂは、接着剤を用いて絶縁基板１０と接着されてもよいし、或いは、絶縁基板１０と熱圧着されてもよい。

このような封止部材１４の内面１４ｃの接触角、すなわち有機ＥＬ素子１５を向く面１４ｃの接触角は、封止部材１４と対面する有機ＥＬ素子１５の外面１５ａの接触角よりも大きいことが特徴である。一般に「接触角」とは、図４に示すように、固体１６が試液たる液滴１７と接触する場合において、固体１６と液滴１７との界面を形成する水平線１６ａと、液滴１７の端点での接線１７ａとがなす角度θを意味する。本発明において、「接触角」は、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards；日本工業規格）などの標準規格に従って、試液などの測定条件を同一にして測定されるものとする。液滴１７として純水（極性分子）を用いる場合は、この接触角θが大きい程に固体１６の表面のぬれ性は低くなり、接触角θが小さい程に固体１６の表面のぬれ性は高くなる。純水に対する接触角θが０°に近いときは、固体１６の表面は親水性を示し、接触角θが９０°以上のときは、固体１６の表面は疎水性を示すこととなる。

第１電極層１１が陽極である場合は、第１電極層１１は、有機機能層１２への正孔注入の観点から大きな仕事関数を有する導電材料からなることが好ましい。たとえば、ＩＴＯ（酸化インジウム・錫；Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（酸化亜鉛；Indium Zinc Oxide）または酸化スズなどの導電性金属酸化物の陽極材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法または気相成長法などによって絶縁基板１０上に堆積しパターニングすることで第１電極層１１を形成することができる。一方、第２電極層１３が陰極である場合は、第２電極層１３は、有機機能層１２への電子注入の観点から小さな仕事関数を有し且つ化学的に比較的安定している導電材料からなることが好ましい。たとえば、ＭｇＡｇ合金、マグネシウム、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの陰極材料を真空蒸着法などにより有機機能層１２の上に成膜しパターニングすることで第２電極層１３を形成することができる。

次に、図５は、有機機能層１２の一例を概略的に示す断面図である。図５を参照すると、有機機能層１２は、絶縁基板１０上に形成されている第１電極層１１の上に、正孔注入層２０，正孔輸送層２１，発光層２２および電子注入層２３を順次積層して構成される。電子注入層２３上には、第２電極層１３が形成されている。第１電極層１１が陽極、第２電極層１３が陰極である場合、外部からの電圧により第１電極層１１から正孔が注入され第２電極層１３から電子が注入されると、正孔と電子は有機機能層１２中を移動し、発光層２２において所定の確率で再結合する。再結合のエネルギーは、発光層２２を構成する有機分子の一重項励起状態および三重項励起状態のうち一方または双方を介して放出され、蛍光もしくはりん光、または蛍光とりん光の双方が発せられることとなる。正孔注入層２０および正孔輸送層２１の構成材料としては、銅フタロシアニンおよびＴＰＤ（トリフェニルアミンの２量体）、または、ポリチオフェンおよびポリアニリンを採用できる。また、発光層２２を構成する発光材料としては、Ａｌｑ₃（アルミキノリノール錯体）、ＢＡｌｑ₁（アルミキノリノール錯体）、ＤＰＶＢｉ（ジスチリルアリーレン誘導体）、ＥＭ２（オキサジアゾール誘導体）、ＢＭＡ−ｎＴ（オリゴチオフェン誘導体；ｎは正整数）などが挙げられる。そして、電子注入層２３の構成材料としてはＬｉ₂Ｏ（酸化リチウム）などが挙げられる。

なお、上記有機機能層１２は４層型素子であるが、この代わりに、有機機能層１２が、発光層２２からなる単層型素子、或いは、発光層２２と正孔輸送層２１と正孔注入層２０とからなる３層型素子でもよい。

次に、上記封止部材１４について詳説する。図４を参照して上述した通り、封止部材１４の内面１４ｃの水に対する接触角は、封止部材１４と対面する有機ＥＬ素子１５の外面１５ａの水に対する接触角よりも大きく設定されており、封止部材１４の内面１４ｃのぬれ性は有機ＥＬ素子１５の外面１５ａのぬれ性よりも小さい。よって、有機ＥＬ素子１５の外面１５ａに対する封止部材１４の内面１４ｃの接着性を小さくすることができる。このような構成を得るために、フッ素ガスを含むプラズマ処理を施すことで封止部材１４の内面１４ｃを疎水化し選択的に改質してもよい。ここで、有機ＥＬ素子１５の外面１５ａとは、有機ＥＬ素子１５を構成する層１１，１２，１３のうち、封止部材１４の内面１４ｃに対して露出し、内面１４ｃと接触し得る層の外面を意味する。図３に示した例では、封止部材１４の内面１４ｃと接触し得る層は、第２電極層１３と有機機能層１２であるため、内面１４ｃの接触角は、第２電極層１３の外面の接触角と有機機能層１２の外面の接触角とのいずれよりも大きくなるように設定されている。

また、封止部材１４の接合面１４ａ，１４ｂの水に対する接触角は、接合面１４ａ，１４ｂと絶縁基板１０との接着性を向上させるために、封止部材１４の内面１４ｃの水に対する接触角よりも小さく設定し、接合面１４ａ，１４ｂのぬれ性を高めるのが好ましい。このように接合面１４ａ，１４ｂのみのぬれ性を高めて絶縁基板１０との接着性を向上させるために、紫外線とオゾンを照射する光洗浄処理（ＵＶ／０３洗浄処理）、酸素を混合したアルゴンガスを用いた酸素プラズマ処理、或いは、サンドブラスト処理を選択的に施すことで接合面１４ａ，１４ｂを改質することができる。

一般に、固体表面のぬれ性を測る尺度として「表面自由エネルギー」が知られており、固体の表面自由エネルギーが高い程に、当該固体の水滴に対する接触角が小さくなる傾向にある。表面自由エネルギー（単位面積あたりのエネルギー量）は、表面張力（単位長さあたりの力）と等価である。図４を参照すると、平衡状態において、接触角θと、固体１６の表面自由エネルギーγ_S，液滴１７の表面自由エネルギーγ_Lおよび固体１６と液滴１７との間の界面自由エネルギーγ_SLとの間の関係式（Ｙｏｕｎｇの式）は、ｃｏｓθ＝（γ_S−γ_SL）／γ_L、で表すことができる。

このＹｏｕｎｇの式によれば、固体表面のぬれ性を低下させるためには固体１６の表面自由エネルギーγ_Sを小さく設定すればよい。よって、封止部材１４の内面１４ｃのぬれ性を低くして接着性を低下させるべく、封止部材１４の内面１４ｃの表面自由エネルギーを、有機ＥＬ素子１５の外面１５ａの表面自由エネルギーよりも小さく設定することが好ましい。表面自由エネルギーの測定法としては、たとえば、純水とヨウ化メチレンとに対して、それぞれ、封止部材１４の接触角θを計測し、上記Ｙｏｕｎｇの式に基づいて表面自由エネルギーを算出する二液法を採用することができる。

また、互いに接着する固体と液体とを引き離すのに必要なエネルギーは「接着仕事」と呼ばれている。図４を参照すると、固体１６と液滴１７との間の接着仕事Ｗａと、上記自由エネルギーγ_S，γ_L，γ_SLとの間の関係式（Ｄｕｐｒｅの式）は、Ｗａ＝γ_L＋γ_S−γ_SL、で表すことができる。本発明において、接着仕事は、所定の試液たる液滴１７を前提として規定されるものである。封止部材１４の内面１４ｃの接着性を低下させるためには、封止部材１４の内面１４ｃと水滴との間の接着仕事を、有機ＥＬ素子１５の外面１５ａと水滴との間の接着仕事よりも小さく設定することが好ましい。前記Ｄｕｐｒｅの式によれば、固体表面の接着性を低下させるべく接着仕事Ｗａを小さくするには、固体１６の表面自由エネルギーγ_Sを小さくすればよいことが分かる。

以上に説明した通り、第１の実施例の有機ＥＬパネル１の構成により、封止部材１４の内面１４ｃのぬれ性を有機ＥＬ素子１５の外面１５ａのぬれ性よりも低くすることが可能であるから、たとえ封止部材１４が変形し、封止部材１４の内面１４ｃが有機ＥＬ素子１５に接触したときでも、その内面１４ｃが有機ＥＬ素子１５の外面１５ａと強い力で接着することが防止される。よって、たとえ封止部材１４が変形した後に復元しようとするときでも、有機ＥＬ素子１５を絶縁基板１０から剥離しようとする力は弱いため、有機ＥＬ素子１５の素子構造の破壊や不可逆な変形を防止し、高い密封性能を維持することが可能となる。加えて、有機ＥＬパネル１の変形に対して、有機ＥＬ素子１０７の密封性能の低下や有機ＥＬ素子１０７の劣化を防止することができるため、有機ＥＬ素子１５の発光性能を長期間に亘って維持することが可能である。

＜第２の実施例＞
図６は、本発明に係る第２の実施例の有機ＥＬパネル（半導体装置）２の断面を概略的に示す図である。なお、図６中、図３に示した符号と同一符号の構成要素は、上記第１の実施例の構成要素と同一の構成および同一の機能を有するものとしてその詳細な説明を省略する。

この有機ＥＬパネル２は、絶縁基板１０と、この絶縁基板１０上に形成される、第１電極層１１、有機機能層１２および第２電極層１３からなる有機ＥＬ素子１５とを備えている。この有機ＥＬ素子１５の全体を被覆し封止するように、外気を遮断するための封止部材１４Ａが絶縁基板１０に接合されている。この封止部材１４Ａは可撓性を有し、当該封止部材１４Ａの外面３０ａを構成する被覆層３０と、当該封止部材１４Ａの内面３１ａを形成するフィルム状の剥離防止層３１とで構成されている。剥離防止層３１の内面（裏面）３１ａは、上記第１の実施例の封止部材１４の内面１４ｃと同様の、水に対する接触角、表面自由エネルギーおよび接着仕事を有している。

このような第２の実施例の有機ＥＬパネル２の構成によれば、高い外気遮断性能を有する被覆層３０と、大きな接触角を持つ剥離防止層３１とを組み合わせることで、上記第１の実施例の有機ＥＬパネル１と同様に、有機ＥＬパネル１が変形し易い構造を有していても、有機ＥＬ素子１５の素子構造の破壊や不可逆な変形を防止し、高い密封性能を維持することが可能となる。

次に、上記第２の実施例の変形例として、図７に示す有機ＥＬパネル３について説明する。この有機ＥＬパネル３は、図６に示した有機ＥＬパネル２の封止部材１４Ａと絶縁基板１０との間の密封空間に、少なくとも水分を吸着する水分吸収剤（乾燥剤）３２を設けたことを特徴としている。水分吸収剤３２は、被覆層３０の内面に接着されてもよいし、或いは、インク状のペーストをスクリーン印刷法などで塗布することで形成されてもよい。これにより、有機ＥＬパネル３の防湿性能の向上が可能となる。なお、水分吸収剤３２は、有機ＥＬ素子１５と接触しないように、有機ＥＬ素子１５の形成領域から離れた領域に設けるのが望ましい。

次に、上記第２の実施例の他の変形例として、図８に示す有機ＥＬパネル４について説明する。この有機ＥＬパネル４では、有機ＥＬ素子１５の全体を被覆し封止するように、外気を遮断するための封止部材１４Ｂが絶縁基板１０に接合されている。封止部材１４Ｂは、当該封止部材１４Ａの外面３０ａを構成する被覆層３０と、当該封止部材１４Ａの内面３１ａを形成するフィルム状の剥離防止層３１とで構成されている。剥離防止層３１の内面３１ａは、上記第１の実施例の封止部材１４の内面１４ｃと同様の、水に対する接触角、表面自由エネルギーおよび接着仕事を有している。

本変形例は、さらに、剥離防止層３１と被覆層３０との間に水分吸収剤（乾燥剤）３３を設け、剥離防止層３１が多孔性のメッシュ構造を有することを特徴としている。これにより、剥離防止層３１に形成されている無数の孔を通して水分が水分吸収剤３３へ移動し吸着されるため防湿性能が向上するとともに、水分吸収剤３３と有機ＥＬ素子１５との接触を確実に回避することが可能となる。

一般的な有機ＥＬパネルの封止構造を概略的に示す図である。一般的な有機ＥＬパネルの封止構造を概略的に示す図である。本発明に係る第１の実施例の有機ＥＬパネル（半導体装置）の断面を概略的に示す図である。接触角の原理を説明するための図である。第１の実施例に係る有機ＥＬ素子を構成する有機機能層の構成を概略的に示す断面図である。本発明に係る第２の実施例の有機ＥＬパネル（半導体装置）の断面を概略的に示す図である。第２の実施例の変形例の有機ＥＬパネルの断面を概略的に示す図である。第２の実施例の他の変形例の有機ＥＬパネルの断面を概略的に示す図である。

符号の説明

１〜４有機ＥＬパネル（半導体装置）
１０絶縁基板
１１第１電極層
１２有機機能層
１３第２電極層
１４，１４Ａ，１４Ｂ封止部材
１４ａ，１４ｂ接合面
１４ｃ封止部材の内面
１５有機ＥＬ素子（半導体素子）
３０被覆層
３１剥離防止層
３２，３３水分吸収剤（乾燥剤）

Claims

基板と、前記基板上に層状に形成された半導体素子を封止する封止部材とを有する半導体装置であって、前記封止部材の内面の水に対する接触角が、前記封止部材と対面する前記半導体素子の外面の水に対する接触角よりも大きいこと、並びに、前記封止部材は、当該封止部材の外面を形成する被覆層と、当該封止部材の内面を形成する剥離防止層とからなること、前記剥離防止層が多孔性を有し、前記被覆層と前記剥離防止層との間に水分吸収材が設けられていること、前記剥離防止層が多孔性のメッシュ構造を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、前記基板は可撓性を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２項に記載の半導体装置であって、前記封止部材は可撓性を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、前記半導体素子がエレクトロルミネッセント素子であることを特徴とする半導体装置。