特開 2023-44228 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023044228

(43)【公開日】2023-03-30

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/58 20100101AFI20230323BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20230323BHJP

【ＦＩ】

H01L33/58

H01L31/10 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021152143

(22)【出願日】2021-09-17

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116964

【弁理士】

【氏名又は名称】山形 洋一

(74)【代理人】

【識別番号】100120477

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 賢改

(74)【代理人】

【識別番号】100135921

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100123375

【弁理士】

【氏名又は名称】半田 淳一

(72)【発明者】

【氏名】中井 佑亮

(72)【発明者】

【氏名】石川 琢磨

(72)【発明者】

【氏名】谷川 兼一

(72)【発明者】

【氏名】川田 寛人

【テーマコード（参考）】

5F142

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F142AA22

5F142BA32

5F142CB14

5F142CD15

5F142CD16

5F142CG32

5F142DB12

5F142DB24

5F142GA01

5F149BB03

5F149DA41

5F149JA12

5F149XB24

5F849BB03

5F849DA41

5F849JA12

5F849XB24

(57)【要約】

【課題】光学素子フィルムを積層した半導体装置において、その表面にマイクロレンズを配置することでより高性能化が実現できるが、積層した光学素子フィルムによってレンズからの距離が異なるため、光学素子フィルムによってレンズによる集光率に差が出てしまうため、一つのレンズで効率よく望ましい色特性を実現することは困難であった。
【解決手段】本発明による半導体装置は、緑色発光素子１４Ｇを含むＧ層１２Ｇと、緑色発光素子１４Ｇよりも変換効率が低い赤色発光素子１４Ｒを含むＲ層１２Ｒと、マイクロレンズ１１５とを有し、緑色発光素子１４Ｇと赤色発光素子１４Ｒとが、マイクロレンズ１１５の光軸方向においてマイクロレンズ１１５とその焦点１１５ａとの間にあって、同光軸方向からみて少なくとも一部が重なり、緑色発光素子１４Ｇより赤色発光素子１４Ｒが前記焦点の近くとなるように配置される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の光半導体素子を含む第１の層と、
前記第１の光半導体素子よりも変換効率が低い第２の光半導体素子を含む第２の層と、
レンズ部材と
を有し、
前記第１の光半導体素子と前記第２の光半導体素子とが、
前記レンズ部材の光軸方向において前記レンズ部材と前記レンズ部材の焦点との間にあって、前記光軸方向からみて少なくとも一部が重なり、前記第１の光半導体素子より前記第２の光半導体素子が前記焦点の近くとなるように配置されたことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

第３の光半導体素子を含む第３の層と、
前記第１の光半導体素子と前記第２の光半導体素子と前記第３の光半導体素子を制御する制御基板を有し、
前記第２の層は前記制御基板上に配置され、
前記第１の層は前記第２の層上に配置され、
前記第３の層は前記第１の層上に配置され、
前記レンズ部材は、前記第３の層上に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記焦点が、前記制御基板の内部に位置することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

第３の光半導体素子を含む第３の層と、
前記第１の光半導体素子と前記第２の光半導体素子と前記第３の光半導体素子を制御する制御基板を有し、
前記第３の層は前記制御基板上に配置され、
前記第２の層は前記第３の層上に配置され、
前記第１の層は前記第２の層上に配置され、
前記レンズ部材は、前記第１の層上に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１の光半導体素子及び第２の光半導体素子は発光層を備え、前記発光層が、前記レンズ部材の外周と前記焦点とで囲まれる円錐内に配置されることを特徴とする請求項１から４までの何れかに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１の光半導体素子は、第１の発光素子であり、
前記第２の光半導体素子は、第２の発光素子であり、
前記第２の発光素子は、
前記第１の発光素子が発光する光よりも波長の長い光を発光することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１の光半導体素子及び第２の光半導体素子は光電変換素子を備え、前記光電変換素子が、前記レンズ部材の外周と前記焦点とで囲まれる円錐内に配置されることを特徴とする請求項１から４までの何れかに記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１の光半導体素子は、光を検出する第１の受光素子であり、
前記第２の光半導体素子は、光を検出する第２の受光素子であり、
前記第２の受光素子は、前記第１の受光素子が検出する光よりも波長の長い光を検出することを特徴とする請求項７記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第１の光半導体素子と前記第２の光半導体素子と前記レンズ部材とからなる集合部が、前記光軸方向と垂直な平面に沿って複数、互いに隣接して配置されたことを特徴とする請求項１から８までの何れか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、マイクロ受発光装置における、光半導体素子とレンズの構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

対角サイズが１インチ未満で高解像度のマイクロディスプレイ、或いは高解像度の撮像素子において、高輝度、高精細、フルカラーなどの要望がある。高精細を実現するための方策としては、１００μｍ以下の発光素子や受光素子を用いることが提案されている。しかし、例えば従来のＬＥＤ実装技術であるフリップチップ実装では、１インチ未満のマイクロディスプレイに、マイクロＬＥＤを高精度で実装することは難しかった。他方、フリップチップ実装に対して、ウェハ接合によるモノリシック構造により、高精度の加工が可能になるが、モノリシック構造においては、フルカラーを実現することが難しかった。

【0003】

その対策として、薄膜化したＬＥＤフィルムを積層することで、フルカラーを実現する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

また、マイクロＬＥＤは有機ＥＬなどの他のマイクロ発光素子に対して高輝度であるが、さらなる高輝度化を実現するために、マイクロＬＥＤの直上に微細なマイクロレンズを形成し、光の出射方向を制御することで、直上の輝度を向上させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－６２３５１号公報（第６頁、図１）

【特許文献2】特開２０１４－１５３３８５号公報（第５頁、図２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

光半導体素子フィルムを積層した半導体装置において、その表面にマイクロレンズを配置することでより高性能化が実現できるが、積層した光半導体素子フィルムによってレンズからの距離が異なるため、光半導体素子フィルムによってレンズによる集光率に差が出てしまうため、一つのレンズで効率よく望ましい色特性を実現することは困難であった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による半導体装置は、
第１の光半導体素子を含む第１の層と、前記第１の光半導体素子よりも変換効率が低い第２の光半導体素子を含む第２の層と、レンズ部材とを有し、
前記第１の光半導体素子と前記第２の光半導体素子とが、前記レンズ部材の光軸方向において前記レンズ部材と前記レンズ部材の焦点との間にあって、前記光軸方向からみて少なくとも一部が重なり、前記第１の光半導体素子より前記第２の光半導体素子が前記焦点の近くとなるように配置されたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、高密度実装を可能とする半導体装置において、変換効率の低い光半導体素子の変換効率をレンズ部材の集光率で補うことができるため、望ましい色特性を備えた半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明による実施の形態１の半導体装置の一部分を拡大した平面図である。

【図2】図１におけるＡ－Ａ断面図である。

【図3】図１におけるＢ－Ｂ断面図である。

【図4】実施の形態１の半導体装置を用いたディスプレイモジュールを示す概略平面図である。

【図5】マイクロレンズとその焦点距離ｆ等の説明に供する図である。

【図6】本発明による実施の形態２の半導体装置の一部分を拡大した平面図である。

【図7】図６におけるＡ－Ａ断面図である。

【図8】図６におけるＢ－Ｂ断面図である。

【図9】本発明による実施の形態３の半導体装置の一部分を拡大した平面図である。

【図10】図９におけるＣ－Ｃ断面図である。

【図11】図９におけるＤ－Ｄ断面図である。

【図12】実施の形態３の変形例１の半導体装置の一部分を拡大した平面図である。

【図13】図１２におけるＣ－Ｃ断面図である。

【図14】図１２におけるＤ－Ｄ断面図である。

【図15】光線追跡による光学シミュレーションの説明に供する図であり、（ａ）は、下地絶縁層上に発光素子が形成された状態を基準としたその場合の全光束Ｌ（Ａｌｌ）を示し、（ｂ）は、発光素子からマイクロレンズへ入射する光束Ｌ（Ｌｅｎｓ－ｉｎ）、更にそのマイクロレンズ１１５から出射される全光束Ｌ（Ｌｅｎｓ－ｏｕｔ）を示し、（ｃ）は、マイクロレンズから上面の片側１５度範囲の立体角に出射された光束Ｌ（Ｌｅｎｓ１５）を示す。

【図16】（ａ）は、表１の結果から、距離と、Ｅ（ｉｎｓ）及びＥ（１５）の関係をプロットしたグラフであり、（ｂ）は、表１の結果から、距離と、Ｅ（ｌｅｎｓ）の関係をプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

実施の形態１．
図１は、本発明による実施の形態１の半導体装置１００の一部分を拡大した平面図であり、図２は、図１におけるＡ－Ａ断面図であり、図３は、図１におけるＢ－Ｂ断面図である。

【0011】

図２、図３の各断面図に示すように、半導体装置１００は、下から駆動回路基板１１、Ｒ（Ｒｅｄ）層１２Ｒ、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）層１２Ｇ、及びＢ（Ｂｌｕｅ）層１２Ｂが積層した構成を成している。これ等の各層は、下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂによって仕切られ、各下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂには、上方からみて重なる位置に、赤色発光素子１４Ｒ、緑色発光素子１４Ｇ，青色発光素子１４Ｂが配置されている。これ等の発光素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ及、及び後述するマイクロレンズ１１５からなる集合部としてのカラー発光部１５は、図１に示すように、格子状に互いに隣接して複数形成されている。

【0012】

ここで、各下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは、可視光に対して透明の絶縁材料で形成されている。また、それぞれの下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは同一材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。

【0013】

各カラー発光部１５は、同一の構成を有し、また各カラー発光部１５内の、Ｒ（Ｒｅｄ）層１２Ｒに形成された赤色発光素子１４Ｒ、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）層１２Ｇに形成された緑色発光素子１４Ｇ、及びＢ（Ｂｌｕｅ）層１２Ｂに形成された青色発光素子１４Ｂは、互いに対応する箇所が略同一形状に形成されているため同一番号を付し、その番号末尾に大文字の（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を付して区別する。同様に、互いに同一の機能を有する構成要素には同一番号を付し、その番号末尾に関連する発光素子１４の色に応じて大文字の（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を付して区別する。但し説明過程で、特に区別する必要のない場合には（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を省略する場合がある。

【0014】

第２の層としてのＲ層１２Ｒに形成された第２の光半導体素子としの赤色発光素子１４Ｒは、積層された、アノード層１０１Ｒ、発光層１１７Ｒ、及びカソード層１０２Ｒを有し、各層が、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの材料で構成される単層又は複数の層からなり、赤色の発光素子として機能する。

【0015】

また第１の層としてのＧ層１２Ｇに形成された第１の光半導体素子としての緑色発光素子１４Ｇは、積層された、アノード層１０１Ｇ、発光層１１７Ｇ、及びカソード層１０２Ｇを有し、各層が、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの材料で構成される単層又は複数の層からなり、緑色の発光素子として機能する。

【0016】

また第３の層としてのＢ層１２Ｂに形成された第３の光半導体素子としての青色発光素子１４Ｂは、積層されたアノード層１０１Ｂ、発光層１１７Ｂ、及びカソード層１０２Ｂを有し、各層が、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの材料で構成される単層又は複数の層からなり、青色の発光素子として機能する。

【0017】

各アノード電極１０３は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜、ＡｕやＡｌ、Ｐｔ、Ｔｉなどの金属、又はそれらの合金の、単層又は複数積層されたものからなり、対応するアノード層１０１及び後述のアノード電極パッド１０８と電気的に接続されている。各カソード電極１０４は、ＩＴＯなどの透明導電膜、ＡｕやＡｌなどの金属、又はそれらの合金の、単層又は複数積層されたものからなり、対応するカソード層１０２及び後述のカソード電極パッド１０９Ｇ，１０９Ｂと電気的に接続されている。

【0018】

層間絶縁層１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂは、各下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ上に形成された各発光素子１４を埋めるように形成される。また、可視光に対して透明な有機膜や無機膜からなる。各絶縁層１０７は、有機絶縁膜や無機絶縁膜であり、アノード層１０１、発光層１１７、及びカソード層１０２とアノード電極１０３との間、アノード層１０１、発光層１１７、及びカソード層１０２とカソード電極１０４との間に形成され、両者を電気的に絶縁している。

【0019】

各アノード電極パッド１０８は、本実施の形態においては各下地絶縁層１３を貫通した穴を覆うように形成され、各アノード電極パッド１０８の下面は各下地絶縁層１３の下面と同一平面に形成され、ＡｕやＡｌ、Ｐｔ、Ｔｉなどの金属、又はそれらの合金の単層又は複数層積層されたものからなり、各アノード電極１０３と、後述のアノード電極ピラー１１０Ｇ，１１０Ｂや対応する後述のアノードパッド１１３と電気的に接続されている。しかしそれに限らず、各アノード電極パッド１０８の下面が各下地絶縁層１３の下面よりも突出している構造でもよい。

【0020】

カソード電極パッド１０９Ｇ、１０９Ｂは、本実施の形態においては各下地絶縁層１３を貫通した穴を覆うように形成され、カソード電極パッド１０９Ｇ、１０９Ｂの下面は各下地絶縁層１３の下面と同一平面に形成され、ＡｕやＡｌ、Ｐｔ、Ｔｉなどの金属、又はそれらの合金の、単層又は複数層積層されたものからなり、カソード電極１０４と後述の各カソード電極ピラー１１１とに電気的に接続されている。しかしそれに限らず、カソード電極パッド１０９Ｇ、１０９Ｂの下面が各下地絶縁層１３の下面よりも突出している構造でもよい。

【0021】

アノード電極ピラー１１０Ｇ，１１０Ｂは、アノード電極１０３上に形成され、アノード電極ピラー１１０Ｇ，１１０Ｂの上面は層間絶縁層１６Ｇ、１６Ｂの上面と同一平面上に形成され、ＣｕやＮｉ、Ｔｉなどの金属の単層又は複数層積層されたものからなり、対応するアノード電極１０３及びアノードパッド１１３と電気的に接続されている。各カソード電極ピラー１１１は、カソード電極１０４上に形成され、アノード電極ピラー１１０Ｇ，１１０Ｂの上面は層間絶縁層１６Ｇ、１６Ｂの上面と同一平面上に形成され、ＣｕやＮｉ、Ｔｉなどの金属の単層又は複数層積層されたものからなり、各カソード電極１０４、図示しないカソードパッド、及び後述のカソード共通配線１１４と電気的に接続されている。

【0022】

制御基板としての駆動回路基板１１は、Ｓｉやガラス基板上に、公知のＣＭＯＳ技術やＴＦＴ技術により発光素子の駆動回路を形成したもので、発光素子１４の点灯を駆動制御する。アノードパッド１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは駆動回路基板１１の表面に形成され、対応する各発光素子１４と、アノード電極パッド１０８やアノード電極ピラー１１０を介して電気的に接続されており、駆動回路から発光素子へ電流を供給する。尚、カソード電極ピラー１１１に対応する位置にはダミーパッド１１６が形成されている。

【0023】

カソード共通配線１１４は、ＡｕやＡｌ、Ｔｉなどの金属、又はそれらの合金の単層又は複数積層されたものからなり、各カソード電極ピラー１１１、各カソード電極１０４、及び各カソード電極パッド１０９を介して、半導体装置１００内の全てのカソード層１０２と駆動回路基板１１上に設けられた図示しないカソードパッドとに電気的に接続されている。

【0024】

尚、ここでは、カソード共通配線１１４を駆動回路基板１１上の図示しないカソードパッドに接続する形態を説明したが、カソードパッドは必ずしも駆動回路基板１１上にある必要はなく、別の回路基板上のカソードパッドへ例えば公知のワイヤボンディングなどにより接続する構成としてもよい。また、ダミーパッドをカソードパッドとして構成し、下地絶縁層１３Ｒにカソード電極パッド１０９Ｒ（図示しない）を形成し、カソード電極パッド１０９Ｒを介して各発光素子と電気的に接続されてもよい。

【0025】

以上のように各カラー発光部１５において、赤色発光素子１４Ｒ、緑色発光素子１４Ｇ、及び青色発光素子１４Ｂに流す電流経路が形成されているため、各アノードパッド１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂとカソードパッド間に所定の電流を流すことにより、これ等を個別に発光することができる。

【0026】

また、赤色発光素子１４Ｒが発光する光は、緑色発光素子１４Ｇ及び青色発光素子１４Ｂよりも、波長の長い光であり、緑色発光素子１４Ｇが発光する光は、青色発光素子１４Ｂよりも波長の長い光である。例えば、赤色発光素子１４Ｒが発光する光の波長は、６０１～７８０ｎｍであり、緑色発光素子１４Ｇが発光する光の波長は、４９１～６００ｎｍであり、青色発光素子１４Ｂが発光する光の波長は、４００～４９０ｎｍである。

【0027】

また、各カラー発光部において、発光効率（与える電力（Ｗ＝ワット）に対する光源から発する全光束（ｌｍ＝ルーメン）の効率）が異なる。それによって、発光効率はＲ＜Ｇ＜Ｂという関係になっている。

【0028】

レンズ部材としてのマイクロレンズ１１５は、層間絶縁層１６Ｂ及びカソード共通配線１１４上に、可視光において透明な有機材料又は無機材料により形成されており、後述するように、マイクロレンズ１１５の曲率半径及び屈折率、層間絶縁層１６、下地絶縁層１３の各材料の屈折率等により焦点距離ｆが設定される。

【0029】

図４は、半導体装置１００を用いたディスプレイモジュール２００を示す概略平面図である。

【0030】

同図に示すように、ディスプレイモジュール２００は、半導体装置１００と、半導体装置１００の駆動回路基板１１の上面に形成された接続パッド１１ａと、接続パッド１１ａと図示しない異方性導電フィルムなどを介して電気的に接続されたフレキシブル基板１２０からなる。尚、図１に示す平面図は、図４に点線で示す半導体装置１００の一部領域１９０の部分拡大図に相当する。

【0031】

フレキシブル基板１２０は、ここではディスプレイとして動作する半導体装置１００で表示する画像のデータ信号や半導体装置１００の電源電圧等を供給する外部装置に電気的に接続され、これ等のデータ信号や電源等がフレキシブル基板１２０を介して半導体装置１００に供給される。

【0032】

図５は、マイクロレンズ１１５とその焦点距離ｆ等の説明に供する図である。図５を参照しながら、これらについて説明する。

【0033】

マイクロレンズ１１５の直径をＷ１、マイクロレンズ１１５の光軸と垂直に、且つその中心が光軸上に配置される発光素子１４の発光層１１７の下面１１９の直径をＷ２、マイクロレンズ１１５の焦点距離をｆ、マイクロレンズ１１５の外周とその焦点１１５ａとで形成される円錐の内面に接する発光層１１７の下面１１９の、マイクロレンズ１１５の下面からの内接距離をｄ０とすると、ｄ０は、下式で求められる。尚、ここでは、発光層１１７の下面１１９が、直径Ｗ２の円で囲まれた領域に形成されているものとする。

【数1】

【0034】

更にマイクロレンズ１１５の焦点距離ｆは下式で求められる。

【数2】

ここで、ｒはマイクロレンズ１１５の曲率半径、ｎ１はマイクロレンズ１１５の屈折率、ｎ２は層間絶縁層１６の屈折率である。尚、本実施の形態においては、マイクロレンズは球面レンズとしているが、それに限らず非球面レンズで形成されてもよい。

【0035】

ここで、層間絶縁層１６の屈折率ｎ２は、ＲＧＢのうち、発光層１１７の下面１１９の直径Ｗ２のサイズの発光素子１４における発光効率が最も低い波長（ここでは赤色）における値である。

【0036】

一般的に、レンズの集光率が最も良いのはレンズの焦点であるが、図５に示すようにマイクロレンズ１１５の直径Ｗ１と発光素子１４の発光層１１７の下面１１９の直径Ｗ２の差が小さい場合において、下面１１９を焦点距離ｆの位置に配置した場合、発光素子１４の中央の集光率は良くなるが、中央以外の領域から出射された光は、マイクロレンズ１１５に入射した後、マイクロレンズ１１５から出射する際に、屈折により外側に広がる方向に曲がってしまい、結果的に発光素子１４全体からの出射光の集光率を十分にあげることができない。

【0037】

そこで、図５に示すように、発光素子１４の発光層１１７の下面１１９を、マイクロレンズ１１５からの内接距離ｄ０の位置に配置することにより、発光素子１４全体からの全出射光の、マイクロレンズ１１５への入射効率を上げつつ、集光率を最大化することができる。

【0038】

上記構造を実証するために、光線追跡による光学シミュレーションを行った結果を図１５を参照して説明する。

【0039】

シミュレーションは、まず図１５（ａ）に示すように、下地絶縁層１３上に発光素子１４が形成された状態を基準としてその場合の全光束をＬ（Ａｌｌ）とし、次に、図１５（ｂ）に示すように、発光素子１４を層間絶縁層１６で覆い、その上にマイクロレンズ１１５を形成した状態で、発光素子１４からマイクロレンズ１１５へ入射する光束をＬ（Ｌｅｎｓ－ｉｎ）、更にそのマイクロレンズ１１５から出射される全光束Ｌを（Ｌｅｎｓ－ｏｕｔ）とし、図１５（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１１５から上面の片側１５度範囲の立体角に出射された光束をＬ（Ｌｅｎｓ１５）とする。

【0040】

この時、マイクロレンズ１１５への入射効率Ｅ（ｉｎｓ）を
Ｅ（ｉｎｓ）＝Ｌ（Ｌｅｎｓ－ｉｎ）／Ｌ（Ａｌｌ） と定義し、
マイクロレンズ１１５に入射した光の中で片側１５度範囲の立体角の範囲に出射される光束の割合Ｅ（１５）を
Ｅ（１５）＝Ｌ（Ｌｅｎｓ１５）／Ｌ（Ｌｅｎｓ－ｉｎ） と定義し、
発光素子１４から出射された全光束の中で、マイクロレンズ１１５透過後の片側１５度範囲の立体角における光束割合Ｅ（ｌｅｎｓ）を
Ｅ（ｌｅｎｓ）＝Ｌ（Ｌｅｎｓ１５）／Ｌ（Ａｌｌ）＝Ｅ（ｉｎ）×Ｅ（１５）
と定義し、
マイクロレンズ１１５と発光素子１４との距離を変えた場合に、それぞれの割合がどの程度になるかを表１に示す。

【表1】

【0041】

図１６（ａ）は、表１の結果から、距離と、Ｅ（ｉｎｓ）及びＥ（１５）の関係をプロットしたグラフであり、図１６（ｂ）は、表１の結果から、距離と、Ｅ（ｌｅｎｓ）の関係をプロットしたグラフである。これらの結果が示すように、Ｅ（ｉｎｓ）は、マイクロレンズ１１５に発光素子１４を近づけることで向上するが、Ｅ１５は、マイクロレンズ１１５の焦点ｆに近づけることで向上する。その結果、マイクロレンズ１１５透過後の片側１５度範囲の立体角における光束割合Ｅ（ｌｅｎｓ）は、焦点ｆよりもマイクロレンズ１１５側に近づいたところが最も高くなる。

【0042】

本実施の形態の半導体装置１００は、図２に示すように、下から駆動回路基板１１、Ｒ層１２Ｒ、Ｇ層１２Ｇ、及びＢ層１２Ｂが積層した構成で、マイクロレンズ１１５の光軸に対して図５で説明した関係で配置された各発光層１１７Ｒ，１１７Ｇ，１１７Ｂの下面が、マイクロレンズ１１５の下面からそれぞれ距離ｄ１、ｄ２、ｄ３の位置に配置されている。

【0043】

そして上記した考察を踏まえて、赤色発光素子１４Ｒ、緑色発光素子１４Ｇ、及び青色発光素子１４Ｂのうち、最も発光効率の悪い赤色発光素子１４Ｒの発光層１１７Ｒの距離ｄ１に、内接距離ｄ０が最も接近するようにマイクロレンズ１１５の焦点距離ｆが設定されている。ここでは図２に示すように、内接距離ｄ０と、発光層１１７Ｒの下面の、マイクロレンズ１１５の下面からの距離ｄ１がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されている。

【0044】

本実施形態では、駆動回路基板１１とＲ層１２Ｒとの界面よりもマイクロレンズ１１５から離れるように焦点１１５ａが位置している。言い換えると、駆動回路基板１１の内部に焦点１１５ａが位置する。しかし、それに限らず、少なくとも発光層１１７よりもマイクロレンズ１１５から離れるように焦点１１５ａが配置されていてもよい。

【0045】

これにより、赤色発光素子１４Ｒの発光効率の低さが、他の位置に配置された発光素子１４Ｇ，１４Ｂに対してよりも向上するマイクロレンズ１１５の集光率によって補われ、各色の発光素子１４の光量差が補われる。

【0046】

尚、本実施の形態では、下から駆動回路基板１１、Ｒ層１２Ｒ、Ｇ層１２Ｇ、及びＢ層１２Ｂが積層した構成としたが、これに限定されるものではなく、下から駆動回路基板１１、Ｒ層１２Ｒ、Ｂ層１２Ｂ、及びＧ層１２Ｇが積層した構成としてもよい。

【0047】

以上のように、本実施の形態の半導体装置１００によれば、積層された発光効率の異なる複数の発光素子１４のうち、発光効率が最も低い発光素子１４Ｒの発光効率の低さをマイクロレンズ１１５の集光率で補い、各色の発光素子１４の光量差を補うことが可能となり、例えば効率よく白色を実現することできる。

【0048】

また、内接距離ｄ０と、発光層１１７Ｒの下面の、マイクロレンズ１１５の下面からの距離ｄ１がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されていると説明したが、本実施形態はそれに限らず、赤色発光素子１４Ｒと緑色発光素子１４Ｇと青色発光素子１４Ｂをマイクロレンズ１１５と焦点との間（例えば、焦点１１５ａとマイクロレンズ１１５の外周とで囲まれた円錐（図２に点線で示す）内）に配置し、赤色発光素子１４Ｒを、発光素子１４Ｇ，１４Ｂよりも焦点距離ｆの近くに配置するようにすればよい。それによって、例えば、マイクロレンズ１１５と赤色発光素子１４Ｒを、発光素子１４Ｇ又は１４Ｂよりも離れた位置に配置した場合よりも、発光素子１４Ｒの発光効率の低さをマイクロレンズ１１５の集光率で補い、各色の発光素子１４の光量差を補うことが可能となる。

【0049】

尚、発光素子の発光効率の差を補うには、各発光素子に流す電流量を調整するなどの方法があるが、この方法では、発光効率の低い発光素子に対しては電流調整のためのレンジを広げる必要があるなど、制御が複雑になりコストアップにつながる恐れがあった。

【0050】

実施の形態２．
図６は、本発明による実施の形態２の半導体装置４００の一部分を拡大した平面図であり、図７は、図６におけるＡ－Ａ断面図であり、図８は、図６におけるＢ－Ｂ断面図である。

【0051】

この半導体装置４００の構成が、前記した図１、図２、図３に示す実施の形態１の半導体装置１００の構成と主に異なる点は、積層構造の積層順が下から、駆動回路基板１１、Ｂ（Ｂｌｕｅ）層１２Ｂ、Ｒ（Ｒｅｄ）層１２Ｒ、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）層１２Ｇになっている点である。従って、本実施の形態の半導体装置４００が、前記した実施の形態１の半導体装置１００と共通する部分には同符号を付して、或いは図面を省いて説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。

【0052】

図７、図８に示すように、本実施の形態の半導体装置４００は、下から駆動回路基板１１、Ｂ（Ｂｌｕｅ）層１２Ｂ、Ｒ（Ｒｅｄ）層１２Ｒ、及びＧ（Ｇｒｅｅｎ）層１２Ｇが積層した構成を成している。これ等の各層は、下地絶縁層１３Ｂ，１３Ｒ，１３Ｇによって仕切られ、各下地絶縁層１３Ｂ，１３Ｒ，１３Ｇには、上方からみて重なる位置に、青色発光素子１４Ｂ、赤色発光素子１４Ｒ、緑色発光素子１４Ｇが配置されている。これ等の発光素子１４及びレンズ部材としてのマイクロレンズ４１５からなる集合部としてのカラー発光部２５は、図６に示すように（図１のカラー発光部１５に相当）、格子状に互いに隣接して複数形成されている。

【0053】

また半導体装置４００は、各層１２の発光素子１４の発光層１１７Ｂ，１１７Ｒ，１１７Ｇの下面が、マイクロレンズ４１５の下面からそれぞれ距離ｄ１、ｄ２、ｄ３の位置に配置されている。

【0054】

そして図５を参照して記述した上記考察を踏まえて、青色発光素子１４Ｂ、赤色発光素子１４Ｒ、及び緑色発光素子１４Ｇのうち、最も発光効率の悪い赤色発光素子１４Ｒの発光層１１７Ｒの距離ｄ２に、内接距離ｄ０が最も接近するようにマイクロレンズ４１５の焦点距離ｆが設定されている。ここでは図７に示すように、内接距離ｄ０と、発光層１１７Ｒの下面の、マイクロレンズ４１５の下面からの距離ｄ２がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されている。

【0055】

これにより、赤色発光素子１４Ｒの発光効率の低さが、他の位置に配置された発光素子１４Ｇ，１４Ｂに対してよりも向上するマイクロレンズ４１５の集光率によって補われ、各色の発光素子１４の光量差が補われる。

【0056】

以上のように、本実施の形態の半導体装置４００によれば、積層された発光効率の異なる複数の発光素子１４のうち、最も発光効率が低い発光素子１４の発光効率の低さをマイクロレンズ４１５の集光率で補い、各色の発光素子１４の光量差を補うことが可能となる。更に、最も発光効率が低い赤色発光素子１４Ｒが、実施の形態１の場合と比較して、マイクロレンズ４１５に近い位置に配置されているため、よりマイクロレンズ４１５への入射効率を高めることが可能となる。

【0057】

また、内接距離ｄ０と、発光層１１７Ｒの下面の、マイクロレンズ１１５の下面からの距離ｄ２がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されていると説明したが、本実施形態はそれに限らず、赤色発光素子１４Ｒと緑色発光素子１４Ｇをマイクロレンズ４１５と焦点との間（例えば、焦点１１５ａとマイクロレンズ１１５の外周とで囲まれた円錐（図２に点線で示す）内）に配置し、赤色発光素子１４Ｒを、発光素子１４Ｇよりも焦点距離ｆの近くに配置するようにすればよい。それによって、例えば、マイクロレンズと赤色発光素子１４Ｒを、発光素子１４Ｇよりも離れた位置に配置した場合よりも発光素子１４Ｒの発光効率の低さをマイクロレンズ４１５の集光率で補い、各色の発光素子１４の光量差を補うことが可能となる。

【0058】

尚、青色発光素子１４Ｂは、実施の形態１の場合と比較してマイクロレンズ４１５への入射効率が下がってしまうが、青色は、赤色よりも発光効率が高く、且つ白色を実現する際の混色においてその比率が低いため、マイクロレンズ４１５への入射効率が下がっても、それを補うだけ赤色の入射効率が向上し、結果として効率よく白色を実現することが可能となる。

【0059】

実施の形態３．
図９は、本発明による実施の形態３の半導体装置５００の一部分を拡大した平面図であり、図１０は、図９におけるＣ－Ｃ断面図であり、図１１は、図９におけるＤ－Ｄ断面図である。

【0060】

この半導体装置５００の構成が、前記した図１～図３に示す実施の形態１の半導体装置１００の構成と主に異なる点は、発光素子１４に代えて受光素子５１４が配置されている点である。従って、本実施の形態の半導体装置５００が、前記した実施の形態１の半導体装置１００と共通する部分には同符号を付して、或いは図面を省いて説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。

【0061】

図１０、図１１の各断面図に示すように、半導体装置５００は、下から個別電極選択回路基板５１１、Ｒ（Ｒｅｄ）層５１２Ｒ、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）層５１２Ｇ、及びＢ（Ｂｌｕｅ）層５１２Ｂが積層した構成を成している。これ等の各層は、下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂによって仕切られ、各下地絶縁層１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂには、上方からみて重なる位置に、赤色受光素子５１４Ｒ、緑色受光素子５１４Ｇ，青色受光素子５１４Ｂが配置されている。これ等の受光素子５１４Ｒ，５１４Ｇ，５１４Ｂ、及び後述するマイクロレンズ１１５からなる集合部としてのカラー受光部５１５は、図９に示すように、格子状に互いに隣接して複数形成されている。

【0062】

各カラー受光部５１５は、同一の構成を有し、また各カラー受光部５１５内の、Ｒ層５１２Ｒに形成された赤色受光素子５１４Ｒ、Ｇ層５１２Ｇに形成された緑色受光素子５１４Ｇ、及びＢ層５１２Ｂに形成された青色受光素子５１４Ｂは、互いに対応する箇所が略同一形状に形成されているため同一番号を付し、その番号末尾に大文字の（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を付して区別する。同様に、互いに同一の機能を有する構成要素には同一番号を付し、その番号末尾に関連する受光素子５１４の色に応じて大文字の（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を付して区別する。但し説明過程で、特に区別する必要のない場合には（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）を省略する場合がある。

【0063】

第２の層としてのＲ層５１２Ｒに形成された第２の光半導体素子としの赤色受光素子５１４Ｒは、積層された、個別電極６０１Ｒ、光電変換素子６１７Ｒ、及び共通電極６０２Ｒを有して赤色の受光素子として機能し、第１の層としてのＧ層５１２Ｇに形成された第１の光半導体素子としての緑色受光素子５１４Ｇは、積層された、個別電極６０１Ｇ、光電変換素子６１７Ｇ、及び共通電極６０２Ｇを有して緑色の受光素子として機能し、第３の層としてのＢ層５１２Ｂに形成され第３の光半導体素子としての青色受光素子５１４Ｂは、積層された、個別電極６０１Ｂ、光電変換素子６１７Ｂ、及び共通電極６０２Ｂを有して青色の受光素子として機能する。

【0064】

光電変換素子６１７は有機半導体からなり、特定の波長の光を吸収して電子－正孔対を発生させる。例えば、光電変換素子６１７Ｒは赤色、光電変換素子６１７Ｇは緑色、光電変換素子６１７Ｂは青色をそれぞれ選択的に吸収し、個別電極６０１Ｒ，６０１Ｇ，６０１Ｂ、及び共通電極６０２Ｒ，６０２Ｇ，６０２Ｂは、例えばＩＴＯなどの透明導電膜からなり、光電変換素子６１７を個別電極６０１と共通電極６０２で挟み込み、光電変換素子６１７で発生した電荷を取り出す。

【0065】

各個別電極パッド６０８及び共通電極パッド６０９は、ＩＴＯなどの透明導電膜、ＡｕやＡｌなどの金属、又はそれらの合金の、単層又は複数積層されたものからなり、対応する個別電極６０１及び共通電極６０２と、後述の対応する個別電極ピラー６１０及び共通電極ピラー６１１に電気的に接続されている。個別電極ピラー６１０Ｇ、６１０Ｂ及び共通電極ピラー６１１Ｒ，６１１Ｇ，６１１Ｂは、ＣｕやＮｉ、Ｔｉなどの金属の単層又は複数層積層されたものからなり、対応する上下の、個別電極パッド６０８間又は共通電極パッド６０９間を電気的に接続している。

【0066】

制御基板としての個別電極選択回路基板５１１は、Ｓｉやガラス基板上に、公知のＣＭＯＳ技術やＴＦＴ技術により個別電極選択回路を形成したもので、選択した受光素子５１４（画素）からの信号を取り出す。個別パッド６１３Ｒ，６１３Ｇ，６１３Ｂは、個別電極選択回路基板５１１の表面に形成され、対応する各受光素子５１４と、個別電極パッド６０８や個別電極ピラー６１０を介して電気的に接続されており、受光素子５１４からの信号を個別電極選択回路基板５１１の個別電極選択回路へ伝達する。尚、共通電極ピラー６１１に対応する位置にはダミーパッド１１６が形成されている。

【0067】

共通電極配線６１４は、ＡｕやＡｌなどの金属、又はそれらの合金の単層又は複数積層されたものからなり、各共通電極ピラー６１１及び各共通電極パッド６０９を介して、半導体装置５００内の全ての共通電極６０２と個別電極選択回路基板５１１上に設けられた図示しない共通電極接続パッドとに電気的接続されている。

【0068】

マイクロレンズ１１５は、層間絶縁層１６Ｂ及び共通電極配線６１４上に、可視光において透明な有機材料又は無機材料により形成されており、マイクロレンズ１１５の曲率半径及び屈折率、層間絶縁層１６の屈折率等により、式（２）で求めた焦点距離ｆが設定される。

【0069】

本実施の形態において、各光電変換素子６１７の光電変換効率の関係は、
光電変換素子６１７Ｒ＜光電変換素子６１７Ｇ＜光電変換素子６１７Ｂ
となっており、図１０に示すように、マイクロレンズ１１５の光軸に対して、図５で説明した発光層１１７の下面１１９の関係で配置された各光電変換素子６１７Ｒ，６１７Ｇ，６１７Ｂの各下面が、マイクロレンズ１１５の下面からそれぞれ距離ｄ１、ｄ２、ｄ３の位置に配置され、式（１）で求められるマイクロレンズ１１５の下面からの、光電変換素子６１７の下面の内接距離をｄ０としている。

【0070】

尚、ここでの内接距離ｄ０は、図５において、発光層１１７の下面１１９の代わりに、直径Ｗ２の光電変換素子６１７の下面を配置した場合を想定して求めている。つまり、ここでの式（１）のＷ２は、光電変換素子６１７の下面の直径である。

【0071】

そして図５を参照して前記した考察を踏まえて、赤色受光素子５１４Ｒ、緑色受光素子５１４Ｇ、及び青色受光素子５１４Ｂのうち、最も光電変換効率の悪い赤色受光素子５１４Ｒの光電変換素子６１７Ｒの距離ｄ１に、内接距離ｄ０が最も接近するようにマイクロレンズ１１５の焦点距離ｆが設定されている。ここでは図１０に示すように、内接距離ｄ０と、光電変換素子６１７Ｒの下面の、マイクロレンズ１１５の下面からの距離ｄ１がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されている。

【0072】

これにより、赤色受光素子５１４Ｒの光電変換効率の低さが、他の位置に配置された受光素子５１４Ｇ，５１４Ｂに対してよりも向上するマイクロレンズ１１５の集光率によって補われる。

【0073】

また、内接距離ｄ０と、赤色受光素子５１４Ｒの下面の、マイクロレンズ１１５の下面からの距離ｄ１がほぼ等しくなるように焦点距離ｆが設定されていると説明したが、本実施形態はそれに限らず、第２の光半導体素子としての赤色受光素子５１４Ｒ、第１の光半導体素子としての緑色受光素子５１４Ｇ、及び青色受光素子５１４Ｂをマイクロレンズ１１５と焦点との間に配置し、赤色受光素子５１４Ｒを、緑色受光素子５１４Ｇ及び青色受光素子５１４Ｂよりも焦点距離ｆの近くに配置するようにすればよい。それによって、例えば、マイクロレンズ１１５と赤色受光素子５１４Ｒを、緑色受光素子５１４Ｇ及び青色受光素子５１４Ｂよりも離れた位置に配置した場合よりも、赤色受光素子５１４Ｒの光電変換効率の低さをマイクロレンズ１１５の集光率で補い、各色の受光素子の光電変換効率差を補うことが可能となる。

【0074】

（変形例１）
図１２は、本発明による実施の形態３の変形例１の半導体装置７００の一部分を拡大した平面図であり、図１３は、図１２におけるＣ－Ｃ断面図であり、図１４は、図１２におけるＤ－Ｄ断面図である。

【0075】

この変形例１の半導体装置７００の構成が、前記した図９、図１０、図１１に示す実施の形態３の半導体装置５００の構成と主に異なる点は、各受光素子５１４の光電変換素子７１７（図１０では６１７）の形成範囲が広がっている点である。従って、変形例１の半導体装置７００が、前記した実施の形態３の半導体装置５００と共通する部分には同符号を付して、或いは図面を省いて説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。

【0076】

図９～図１１に示すように、実施の形態３の半導体装置５００では、光電変換素子６１７が、個別電極６０１と共通電極６０２によって挟まれる領域にのみ形成されているが、本変形例１の半導体装置７００では、図１２～図１４に示すように、光電変換素子７１７が、個別電極６０１と共通電極６０２によって挟まれる領域を超えて形成されている。

【0077】

ここでは、光電変換素子７１７の形成領域を、個別電極６０１及び共通電極６０２に合わせる必要がないため、その分製造過程が容易となる。但し、光電変換素子７１７によって実際に光電変換が行われる領域は、個別電極６０１と共通電極６０２によって挟まれる領域に限られる。

【0078】

尚、本実施の形態では、下から個別電極選択回路基板５１１、Ｒ層５１２Ｒ、Ｇ層５１２Ｇ、及びＢ層５１２Ｂが積層した構成としたが、これに限定されるものではなく、下から個別電極選択回路基板５１１、Ｒ層５１２Ｒ、Ｂ層５１２Ｂ、及びＧ層５１２Ｇが積層した構成としてもよいし、更に前記実施の形態２と同様に、下から個別電極選択回路基板５１１、Ｂ層５１２Ｂ、Ｒ層５１２Ｒ、及びＧ層５１２Ｇが積層した構成としてもよい。

【0079】

以上のように、本実施の形態の半導体装置（５００、７００）によれば、積層された光電変換効率の異なる複数の受光素子５１４のうち、光電変換効率が最も低い受光素子５１４の光電変換効率の低さをマイクロレンズ１１５の集光率で補い、各色の受光素子５１４の光電変換効率の差を補うことが可能となり、各色の変換効率を均一にすることが可能となる。

【0080】

また、前記した特許請求の範囲、及び実施の形態の説明において、「上」、「下」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、半導体装置を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0081】

上記した実施形態では、マイクロディスプレイ或いは撮像素子単体として本発明を説明したが、本発明は、映像装置、カメラ、ビデオカメラ等に利用可能である。

【符号の説明】

【0082】

１１ 駆動回路基板、 １１ａ 接続パッド、 １２Ｒ Ｒ層、 １２Ｇ Ｇ層、 １２Ｂ Ｂ層、 １３ 下地絶縁層、 １４Ｒ 赤色発光素子、 １４Ｇ 緑色発光素子、 １４Ｂ 青色発光素子、 １５ カラー発光部、 １６ 層間絶縁層、 ２５ カラー発光部、 １００ 半導体装置、 １０１ アノード層、 １０２ カソード層、 １０３ アノード電極、 １０４ カソード電極、 １０７ 絶縁層、 １０８ アノード電極パッド、 １０９Ｇ カソード電極パッド、 １０９Ｂ カソード電極パッド、 １１０Ｇ アノード電極ピラー、 １１０Ｂ アノード電極ピラー、 １１１ カソード電極ピラー、 １１３ アノードパッド、 １１４ カソード共通配線、 １１５ マイクロレンズ、 １１５ａ マイクロレンズの焦点、 １１６ ダミーパッド、 １１７ 発光層、 １１９ 発光層１１７の下面、 １２０ フレキシブル基板、 ２００ ディスプレイモジュール、 ３０２ 光軸、 ４００ 半導体装置、 ４１５ マイクロレンズ、 ５００ 半導体装置、 ５１１ 個別電極選択回路基板、 ５１２Ｒ Ｒ層、 ５１２Ｇ Ｇ層、 ５１２Ｂ Ｂ層、 ５１４Ｒ 赤色受光素子、 ５１４Ｇ 緑色受光素子、 ５１４Ｂ 青色受光素子、 ５１５ カラー受光部、 ６０１ 個別電極、 ６０２ 共通電極、 ６０８ 個別電極パッド、 ６０９ 共通電極パッド、 ６１０ 個別電極ピラー、 ６１１ 共通電極ピラー、 ６１３ 個別パッド、 ６１４ 共通電極配線、 ６１７ 光電変換素子、 ７００ 半導体装置、 ７１７ 光電変換素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】