CN102097447A - 一种亮度可调的发光器件、阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体公开了一种亮度可调的发光器件、阵列及其制造方法。所述发光器件包括包括一个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上的MOSFET和发光二极管。发光二极管（LED）及其控制元件（MOSFET）集成在同一个芯片上，使单个芯片就可以实现图像的发射。由多个所述的发光器件还可以构成发光器件阵列。同时，本发明还公开了所述发光器件的制造方法。采用本发明所提出的发光器件制造的投影设备具有体积小、可便携性、功耗低等优点，而且，集成电路芯片的使用，使得投影设备系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。

Description

一种亮度可调的发光器件、阵列及其制造方法
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，特别涉及一种亮度可调的发光器件、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，其中CRT投影机已经濒临淘汰，占绝对主流地位的是LCD投影机，也就是大家常说的液晶投影机，DLP投影机也占有一定份额。
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及其控制元件芯片。目前，使用分开的光源和控制元件的投影机体积较大，不利于便携使用，而且功耗也较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种亮度可调的新型的半导体器件与芯片，采用该半导体器件与芯片制造的投影机具有积小、利于便携使用、功耗低等优点。
为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种亮度可调的发光器件，具体包括：一个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上形成的MOSFET和发光二极管（LED）,其中：
所述LED包括发光层、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MOSFET包括一个硅衬底、位于所述硅衬底之上的栅区、位于所述硅衬底内所述栅区两侧的源区和漏区；
所述MOSFET的硅衬底通过隔离结构与所述LED、所述半导体衬底相隔离；
所述MOSFET的源区与所述LED的p型区域通过金属连接，所述MOSFET控制所述LED发光。
进一步地，所述的半导体衬底为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC等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。
更进一步地，由多个所述的亮度可调的发光器件可以组成一个发光器件阵列，其中，所述MOSFET的漏极与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOSFET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。
同时，本发明还提出了所述亮度可调的发光器件的制造方法，包括：
提供一个半导体衬底；
在所述半导体衬底上加工出LED结构，包括LED的n型区域、发光层和p型区域；
形成第一层绝缘薄膜，并将所述第一层绝缘薄膜平坦化；
将所述第一层绝缘薄膜与倒扣后的硅片（硅片表面已氧化形成一层薄的氧化硅薄膜）键合，形成绝缘体上的硅（SOI）结构；
在所述硅片上加工出MOSFET结构，包括MOSFET的栅区、源区和漏区；
形成一层光刻胶；
形成第二层绝缘薄膜；
掩膜、曝光、刻蚀形成接触孔；
剥除剩余的光刻胶；
形成第一层导电薄膜，并刻蚀所述第一层导电薄膜形成金属接触，其中所述LED的p型区域与所述MOSFET的源区通过第一层导电薄膜连接。
进一步地，所述的第一层、第二层绝缘薄膜为SiO2或者为Si3N4。所述的第一层导电薄膜为Cu、Al、TiN、Ti、Ta、TaN或者为其它金属导电材料。
本发明所提出的亮度可调的发光器件，采用GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体做衬底，将LED及其控制元件MOSFET集成在同一个芯片上，使单个芯片就能实现图像的发射。因此，采用本发明技术制造的投影设备具有体积小、可便携性、功耗低等优点。而且，集成电路芯片的使用，使得投影设备系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。本发明所提出的亮度可调的发光器件非常适用于集成电路芯片的制造，特别是低功耗、可移动的投影设备的制造。
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2a为本发明提供的亮度可调的发光器件的一个实施例的截面图。
图2b为图2a所示发光器件的俯视图。
图2c为图2a所示发光器件的等效电路图。
图3a为由多个图2a所示发光器件组成的发光器件阵列的一个实施例的俯视图。
图3b为由多个图2a所示发光器件组成的发光器件阵列的等效电路图。
图4a至图4f为本发明提供的制造如图2a所示发光器件的的工艺流程图。
图5为本发明提供的可以产生三种基色光的发光器件阵列的等效电路图。
图6为本发明提供的采用本发明技术制造的投影机示意图。
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，本发明所示的实施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，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。
图2a是本发明所提出的一个亮度可调的发光器件的实施例，它是沿该器件沟道长度方向的剖面图，图2b是图2a所示发光器件的俯视图。如图2a、2b所示，该发光器件包括：一个半导体衬底101、以及在衬底上101形成的MOSFET 130和LED 120。半导体衬底101为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP、SiC或者其它III-V族的半导体。MOSFET 130与LED 120、衬底101通过厚氧化层105相隔离。LED 120包括n型区域102、发光层103和p型区域104，发光层103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。MOSFET 130形成于由厚氧化层105、薄氧化层106、硅层107构成的绝缘体上的硅（SOI）上，包括源区110、漏区111、以及由栅介质层108和栅极109组成的栅区。栅介质层108为SiO2，栅极109为TiN、TaN、RuO2、Ru、WSi等金属材料或者为掺杂的多晶硅。金属层114为漏极接触，金属层113连接了MOSFET的源区110和LED的p型区域104。绝缘层112是是该器件的钝化层，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。
图2a所示亮度可调的发光器件工作时的等效电路图如图2c所示，LED的负极端接低电平GND, 字线WL控制MOSFET的栅极，位线BL控制MOSFET的漏极，字线WL与位线BL共同控制MOSFET的导通，并控制LED发光。
图3a为由多个图2a所示亮度可调的发光器件组成的一个发光器件阵列的俯视图，图3b为图3a所示发光器件阵列工作时的等效电路图。如图3a、3b所示，MOSFET的漏极与阵列中的多条位线BL中的任意一条相连接，MOSFET的栅极与阵列中的多条字线BL中的任意一条相连接，所述阵列中的LED的负极接地。
本发明所公开的亮度可调的发光器件可以通过很多方法制造，以下所叙述的是制造如图2a所示的亮度可调的发光器件的的一个实施例工艺流程。
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位置，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）及刻蚀工艺加工出器件中的LED结构220，其中，LED 220包括n型区域202、发光层203和p型区域204。在本发明实施例中，以蓝光LED为例来描述亮度可调的发光体器件的制造工艺，半导体衬底201选择GaN材料，发光层203为由InGaN /GaN材料形成的单个或多重量子阱结构。图4a-1为图4a所示结构的俯视图。
接下来，淀积一层厚的钝化层205，比如为氧化硅，然后将钝化层205平坦化，如图4b所示。
接下来，将氧化硅层205与倒扣后的硅片207键合，其中硅层207的表面已经氧化生长了一层薄的二氧化硅206，由此，厚氧化硅层205、薄二氧化硅层206与硅片207形成绝缘体上的硅（SOI）结构，如图4c所示。
接下来，在硅片207表面氧化生长一层薄的二氧化硅208，然后依次淀积导电材料层209和一层光刻胶，接着掩膜、曝光、刻蚀形成MOSFET的栅区230，剥除光刻胶后如图4d所示。导电材料层209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210，然后掩膜、曝光、光刻形成MOSFET的源区和漏区需掺杂的图形，接着进行离子注入形成MOSFET的源区211和漏区212，如图4e所示。
剥除光刻胶210后，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，剥除剩余的光刻胶后淀积一层金属214，刻蚀所述金属形成金属接触，如图4f所示。
此外，将采用本发明技术制备的产生不同颜色的发光器件组合在一起，比如，将产生红光、蓝光、绿光这三种光的发光器件组合在一起，其等效电路图如图5所示，通过调节红光、蓝光、绿光这三种光的强度，可以实现全色彩的显示。
图6为本发明提供的一个采用本发明技术制造的投影机示意图。如图5，所示301为本发明提出的集成LED及其控制元件（MOSFET）芯片，所示302为合光透镜，所示303为投影透镜。
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 (9)

1.一种亮度可调的发光器件，其特征在于包括一个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上的MOSFET和发光二极管,
其特征在于，
所述发光二极管包括发光层、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MOSFET包括一个硅衬底、位于所述硅衬底之上的栅区、位于所述硅衬底内所述栅区两侧的源区和漏区；
所述MOSFET的硅衬底通过隔离结构与所述发光二极管、所述半导体衬底相隔离；
所述MOSFET的源区与所述发光二极管的p型区域通过金属连接，所述MOSFET控制所述发光二极管发光。
2.根据权利要求1所述的亮度可调的发光器件，其特征在于，所述的半导体衬底为GaN、GaP、GaAs、InGaAs、InP或SiC 。
3.根据权利要求1或2所述的亮度可调的发光器件，其特征在于，所述发光二极管的发光层为由AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP、InGaN、GaN或SiC材料构成的单个或多重量子阱结构。
4.一种亮度可调的发光器件阵列，其特征在于，由多个如权利要求1所述的亮度可调的发光器件组成，其中，所述MOSFET的漏极与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOSFET的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述发光二极管的负极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。
5.一种如权利要求1所述的亮度可调的发光器件的制造方法,其特征在于具体步骤包括：
提供一个半导体衬底；
在所述半导体衬底上加工出发光二极管结构，包括发光二极管的n型区域、发光层和p型区域；
形成第一层绝缘薄膜；
将所述第一层绝缘薄膜与倒扣后的表面已氧化形成一层薄的氧化硅薄膜的硅片键合，形成绝缘体上的硅结构；
在所述硅片上加工出MOSFET结构，包括MOSFET的栅区、源区和漏区；
形成第二层绝缘薄膜，并刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；
形成第一层导电薄膜，并刻蚀所述第一层导电薄膜形成金属接触，其中所述发光二极管的p型区域与所述MOSFET的源区通过所述第一层导电薄膜连接。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的半导体衬底为GaAs、InAs、InGaAs、InP或SiC。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述的第一层、第二层绝缘薄膜为SiO2或者为Si3N4。
8.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述的第一层导电薄膜为Cu、Al、TiN、Ti、Ta或TaN。
9.一种投影设备，其特征在于采用集成了如权利要求1—4之一所述发光器件 的芯片作为发射图像的光源。
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