CN101976668B - 一种硅基mos管控制发光二极管的器件、阵列及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种使用硅基MOS管控制发光二极管的半导体器件、阵列及制备方法。本半导体器件包括至少两个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上形成的一个硅基MOS晶体管和一个发光二极管。本发明将发光二极管及硅基MOS晶体管集成在同一个芯片上，使单个芯片就可以实现图像的发射。由多个所述半导体器件还可以构成一个半导体器件阵列。采用本发明技术制造的投影机具有体积小、功耗低、可便携性等优点，而且，集成电路芯片的使用，使得投影机系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。

Description

一种硅基MOS管控制发光二极管的器件、阵列及制造方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体器件及其制造方法，特别涉及一种硅基MOS管控制发光二极管的半导体器件、阵列及其制造方法。 

背景技术

投影机是一种用来放大显示图像的投影装置。目前已经应用于会议室演示以及在家庭中通过连接DVD影碟机等设备在大屏幕上观看电影。在电影院，也同样已开始取代老电影胶片的数码影院放映机，被用作面向硬盘数字数据的银幕。按照工作原理的不同，投影机可以分为CRT、LCD、DLP三大类。

CRT投影机又名三枪投影机，它主要是由三个CRT管组成。CRT(Cathode Ray Tube)是阴极射线管，主要是由电子枪、偏转线圈及管屏组成。为了使CRT管在屏幕上显示图像信息，CRT投影机把输入的信号源分解到R(红)、G(绿)、B(蓝)三个CRT管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚在大屏幕上显示出彩色图像。 CRT投影机根据CRT管的管径不同还可分为三个档次，分别是7英寸管投影机、8英寸管投影机、9英寸管投影机。CRT投影机显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；缺点是亮度较低，操作复杂，体积庞大，对安装环境要求较高。

LCD投影机是被动发光从而成像的，其核心部件为LCD液晶面板。主流的LCD投影机采用3片LCD液晶面板，其成像原理及成像过程参见图1a。首先，灯泡发射的白色光通过滤光片，滤掉对LCD镜片有损害作用的红外线和紫外线等不可见光，并透过反射镜和聚光镜将过滤后的光线送至双色镜。接着，红光首先被分离出来，并经反射镜和聚光镜后被投射到红色液晶面板上，液晶板"记录"下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红光信息。同样，绿光和蓝光也先后被分离出来，然后分别经反射镜和聚光镜后被投射到各自的液晶面板上，并形成了绿光信息和蓝光信息。最后，红、绿、蓝三种颜色的光在合光棱镜中会聚，并由投影镜头投射到屏幕上形成一幅全彩色图像。

DLP投影机的技术是一种全数字反射式的投影技术，其核心部件为DMD( Digital - Micromirror - Device)芯片。DLP投影机的成像原理及成像过程参见图1b。首先，灯泡发射的白光通过一高速旋转的三色透镜（色轮），通过色轮完成对红光、绿光、蓝光三种光线的的分离和处理，然后将处理好的三种光线投射到到DMD设备上，经由成千上万个微透镜组成的芯片高速切换光像素来产生投影图像，最后将红、绿、蓝三种光线的投影图像通过光学透镜投射在屏幕上形成图像投影。由于微镜的晃动及色轮的旋转速度较快，给人的视觉器官造成错觉，人的肉眼错将红、绿、蓝三种快速闪动的有色光混在一起，于是在投影的图像上看到混合后的色彩。

LCD投影机和DLP投影机都是使用同一光源，然后通过LCD对光源进行滤光或者通过微镜对光源进行反射角调节，从而形成图像，而没有使用集成的光源和集成的调制器件。目前，使用分开的光源和光调节装置的投影机设备体积较大，功耗也较大，不利于便携使用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的半导体器件与芯片及制备方法，使得采用该半导体器件与芯片制造的投影机在使用集成的光源和光调节装置的同时，还具有积较小、功耗低、利于便携使用等优点。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种用硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件。该硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件包括至少一个硅基MOS晶体管和一个发光二极管（LED），其中：

所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的p型区域、位于所述发光层之下的n型区域；

所述硅基MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区；

所述硅基MOS晶体管的衬底区位于发光二极管（LED）的p型区域之上，通过SiO₂实现电学隔离。

所述硅基MOS晶体管的源极（或漏极）与所述的LED的p型区域通过金属连接。 

进一步地，由多个第一种硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件可以组成一个半导体器件阵列，其中，所述硅MOS晶体管的漏极（或源极）与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述硅基MOS晶体管的栅极欲阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述LED的负极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。

更进一步地，针对上述这种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件，所述半导体衬底为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体。所述LED的发光层为由AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP、InGaN、GaN、SiC等材料构成的单个或多重量子阱结构。采用不同材料制备的LED可以发不同颜色的光。比如，在GaAs衬底上，以AlGaInP等材料做发光层可以制造发红光的LED。在GaN衬底上，以AlGaN、GaN等材料做发光层可以制造发蓝、绿光的LED。

同时，本发明还提出了上述这种用硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法，具体步骤包括：

提供一个衬底；

通过外延工艺形成LED的n型区域、发光层、p型区域；

通过PVD方法生长一层绝缘层并键合一层硅原片作为硅基MOS管的衬底；

依次淀积第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜和第一层光刻胶；

掩膜、曝光、刻蚀形成硅基MOS晶体管的栅区；

剥除第一层光刻胶；

淀积第二层光刻胶；

掩膜、曝光、光刻形成MOS晶体管源区和漏区需掺杂的图形；

进行离子注入，形成硅基MOS晶体管的源区与漏区；

剥除第二层光刻胶；

淀积第三层光刻胶；

掩膜、曝光、刻蚀形成LED的顶部电极开口；

剥除第三层光刻胶；

淀积第四层光刻胶；

掩膜、曝光、刻蚀形成LED的底部电极开口；

剥除第四层光刻胶；

淀积第二层绝缘薄膜，并刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；

淀积第二层导电薄膜，并刻蚀所述第二层导电薄膜形成金属接触。

本发明所提出的用硅MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的优点是：采用GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体做衬底，将发光二极管及硅基MOS晶体管集成在同一个芯片上，使单个芯片就可以实现图像的发射。并且，充分利用了硅基工艺的高度集成性以及可微缩性，同时体现了III-V族材料的高频特性和大功率特性，可以制备出高工作频率、大功率、高发光效率及发光强度的投影设备。因此，采用本发明技术的半导体器件制造的投影机具有体积小、性能高，适合多种工作频率和工作电压的优良特性。而且，集成电路芯片的使用，使得投影机系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。

附图说明

图1a为现有技术的一种LED投影机的内部工作原理图。

图1b为现有技术的一种DLP投影机的内部工作原理图。

图2为本发明提供的硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的一个实施例的截面图。

图3a至图3f为本发明提供的如图2所示半导体器件的一个实施例制造工艺流程图。

图3g为图3f所示半导体器件工作时的等效电路图。

图3h为多个图3f所示半导体器件组成的半导体器件阵列工作时的等效电路图。

图3i为由多个3g所示的半导体器件可以组成一个半导体器件阵列工作时的等效电路图。

图4a为本发明提供的硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的另一个实施例的截面图。

图4b为图4a所示半导体器件工作时的等效电路图。

图4c为多个图4a所示半导体器件组成的半导体器件阵列工作时的等效电路图。

图4d为由图4a所示半导体器件组成的半导体器件阵列的等效电路示意图。

图5为本发明提供的使用集成LED光源及其控制元件的芯片进行投影成像的一个实施例示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的是示例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的属于衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括其上所制备的其它薄膜层。

图2是本发明所公开的一种硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的实施例，它是延该器件沟道长度方向的剖面图。该半导体器件200包括，两个半导体衬底以及其上所形成的硅基MOS晶体管和LED。半导体衬底201为蓝宝石（a-Al₂O₃）。半导体202，所述LED的n型区域203和p型区域206为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体。所述LED的发光层204以及外延缓冲层205为由AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP、InGaN、GaN、SiC等材料构成的单个或多重量子阱结构。硅基MOS晶体管包括阈值电压调节区209、源区210、漏区211、栅介质及侧墙207和栅电极212组成的栅区。栅介质207、侧墙219，LED与硅基晶体管的电学隔离层218，以上材料可为SiO₂、高k材料中的一层或两层，所述栅电极212为TiN、TaN、RuO₂、Ru、WSi等金属材料或者为掺杂的多晶硅。绝缘层213是该器件的钝化层，它们将所述器件与其它器件隔开，并对所述器件保护不受外界环境的影响。导体214、215、216、217是金属材料，作为该器件的金属电极。

如图2所示，硅基MOS晶体管的源区210与LED的p型区域通过金属层215相连接。将LED的n型区域203接地，当对硅基MOS晶体管的栅极施加合适的正向偏置，会在栅介质层207的下方形成导电沟道，对硅基MOS晶体管的漏极施加合适的正电压后，硅基MOS晶体管会导通，电流由漏区211流向源区210，并流过LED，从而控制LED的发光层205发光。需要注意的是，硅基MOS晶体管的导通会控制电学隔离层218左侧的发光层发光，而电学隔离层218以下的发光层由于没有电流流过而不能发光。

本发明所公开的硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件可以通过很多方法制造。以下所叙述的是本发明所公开的如图2所示硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法的一个实例。图3a至图3h描述了制造一个如图2所示硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的工序。

尽管这些图并不能完全准确反映出实际的尺寸，它们还是完整的反映了区域和组成元件之间的相互未知，特别是组成元件之间的上下和相邻关系。

首先，在提供的半导体衬底201上，通过外延工艺（优选为MOCVD）依次生长LED的衬底缓冲层202、n型区域203、发光区域缓冲层204、发光层205、p型区域206，如图3a所示。在本发明实施例中，以蓝光LED为例来描述图2所示半导体器件的制造工艺。半导体衬底201选择蓝宝石（a-Al₂O₃）材料，衬底缓冲层202、n型区域203、p型区域206采用GaN材料，所述发光区域缓冲层204以及发光层205为由InGaN/GaN材料形成的单个或多重量子阱结构。

接下来，采用PVD方法生长一层电学隔离层218，其材料可优选SiO₂，并在其上采用键合的方式，形成一层硅单晶结构208，如图3b。

接下来，依次淀积绝缘介质207、导电介质212和一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成硅基MOS晶体管的栅区，接着剥除剩余光刻胶，如图3c所示。绝缘介质层207为由SiO₂和高k材料形成的一层或两层结构。导电材料层212为TiN、TaN、RuO₂、Ru、WSi等金属栅材料或者为掺杂的多晶硅。

接下来，淀积一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成源区和漏区，接着进行沟道阈值电压调节离子注入，实现LDD区域209。接着，剥除多余的光刻胶，并淀积一层绝缘材料，可以为SiO₂或高k材料的一种或几种，再淀积一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀，形成侧墙219，并剥除多余光刻胶。其结果如图3d-1所示。

接下来，淀积一层光刻胶220，然后掩膜、曝光、光刻形成硅基MOS晶体管的源区和漏区需掺杂的图形，接着进行离子注入形成硅基MOS晶体管的源区210和漏区211，如图3d-2所示。

接下来，剥除多余的光刻胶，淀积一层光刻胶221，然后掩膜、曝光、刻蚀形成LED的顶部电极开口，如图3e所示。

接下来，剥除多余的光刻胶，淀积一层光刻胶222，然后掩膜、曝光、刻蚀形成LED的底部电极开口，如图3f-1所示。

接下来，剥除光刻胶222，所形成的结构的俯视图如图3f-2所示。

最后，剥除光刻胶222，并淀积绝缘介质层213和一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成接触孔，剥除光刻胶后淀积一层金属，刻蚀所述金属形成的金属电极214、215、216、217，如图3g所示。

如图3h所示，硅基MOS晶体管的源区210与LED的p型区域206通过金属层215相连接，该器件进行工作的等效电路图如图3h所示。LED的负极端接低电平GND，字线WL控制硅基MOS晶体管的栅极，位线BL控制硅基MOS晶体管的漏极，字线WL与位线BL共同控制硅基MOS晶体管的导通，并控制LED的导通及发光。

由多个图3g所示的半导体器件可以组成一个半导体器件阵列，其工作时的等效电路图如图3i所示，硅基MOS晶体管的漏极与阵列中的多条位线BL中的任意一条相连接，硅基MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线WL中的任意一条相连接，LED的负极与阵列中的多条地线GND中的任意一条相连接。

需要注意的是，在进行到上述图3d-2所示的结构后，如果控制LED的底部电极开口的位置，在形成接触孔和金属接触时，还可以形成如图4a所示的结构。如图4a所示，硅基MOS晶体管的漏区210通过金属层与LED的n型区域203相连接，这样就构成了本发明提供的硅基MOS晶体管控制LED的半导体器件的又一个实施例。图4a所示的半导体器件结构与图3g所示的半导体器件结构相比，仅仅在硅基MOS晶体管与LED的链接方式有所不同，在本发明实施例中，为了方便说明，图4a使用了与图3g相同的标号，但是需要注意的是，相同的标号可以不代表相同的结构，而仅仅代表相同的材料。

如图4b，所示为图4a所示的结构的俯视图（不包括绝缘钝化层213以及金属引线214，215，216，217）。

图4a所示半导体器件工作时的等效电路图如图4c所示，LED的负极端接低电平，字线WL控制硅基MOS晶体管的栅极，位线BL控制LED的正极端，字线WL与BL共同控制硅基MOS晶体管的导通，并控制LED的导通及发光。

由图4a所示半导体器件组成的半导体器件阵列的等效电路示意图如图4d所示，LED的正极端与阵列中的多条位线BL中的任意一条相连接，硅基MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线WL中的任意一条相连接，硅基MOS晶体管的源极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。

图5为本发明提供的一种通过集成LED光源及其控制元件的芯片进行投影成像的实施例示意图。如图5，所示301为本发明提出的集成LED光源及其控制元件（硅基MOS晶体管）的芯片，所示302为透镜，所示303为示意给出的成像屏幕。

此外，由本发明提供的产生不同颜色的器件可以实现彩色显示。比如，将红色、蓝色、绿色三种颜色的本发明提出的器件组合在一起，通过调节这三种颜色的强度可以实现全色彩的显示。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (10)

1.一种硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件，其特征在于包括至少两个相互叠置的半导体衬底、位于所述半导体衬底之上形成的一个硅基MOS晶体管和一个发光二极管，发光二极管记为LED，其中：

所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的p型区域、位于所述发光层之下的n型区域；

所述硅基MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区；

所述硅基MOS晶体管的衬底区位于发光二极管的p型区域之上，通过SiO₂实现电学隔离；

所述硅基MOS晶体管的源极或漏极与所述的LED的p型区域通过金属连接。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体衬底为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体。

3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述LED的发光层为由AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP、InGaN、GaN或SiC材料构成的单个或多重量子阱结构。

4.一种如权利要求1所述硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法，其特征在于具体步骤包括：

提供一个半导体衬底；

在所述衬底上一次形成LED的n型区域、发光层、p型区域；

淀积形成SiO₂隔离层，并在其上键合一层硅原片作为MOS器件的衬底；

依次淀积形成第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜；

刻蚀所述第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜形成硅基MOS晶体管的栅区；

进行离子注入，形成硅基MOS晶体管的源区和漏区； 

刻蚀前述硅原片的多余部分和前述第一层绝缘薄膜的多余部分，形成LED的p型电极开口；

刻蚀前述LED的p型区域和发光层，形成LED的n型电极开口；

淀积第二层绝缘薄膜，并刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；

淀积第二层导电薄膜，并刻蚀所述第二层导电薄膜形成金属接触。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为GaAs、InAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族材料的半导体。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一层绝缘薄膜为SiO₂、高k材料或者为他们之间的混合层。

7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一层绝缘薄膜、第二层绝缘薄膜为SiO₂、Si₃N₄或者为他们之间的混合物。

8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一层导电薄膜为TiN、TaN、RuO₂、Ru或WSi金属栅材料，或者为掺杂的多晶硅。

9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第二层导电薄膜为Cu、Al、Ti、Ta或TaN的金属导电材料。

10.一种硅基MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件阵列，其特征在于，由多个如权利要求1所述的半导体器件组成一个半导体器件阵列，所述硅基MOS晶体管的漏极或源极与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述LED的负极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。

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