JP2019161172A - Led・トランジスタ複合素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の発光素子をアクティブマトリクス駆動することを前提にして、TFT基板を不要にして、複数の発光素子を薄型且つ高密度に配置できるようにする。【解決手段】LED・トランジスタ複合素子1は、基板上の13族窒化物系化合物薄膜結晶層に13族窒化物系化合物のn型又はp型半導体層を複数積層した積層部は、発光層102を挟んだn型半導体層101とp型半導体層103とを備える第1積層部100と、第1積層部上に積層され、n型半導体層201,203とp型半導体層202とが交互に積層された第2積層部200と、第2積層部上に中間絶縁膜11を介して積層され、n型半導体層301,303とp型半導体層302とが交互に積層された第3積層部300とを備え、第1積層部100によってLED110を構成し、第2積層部200によって第1トランジスタ210を構成し、第3積層部300によって第2トランジスタ310を構成した。【選択図】図1

Description

本発明は、LEDとトランジスタを同一基板上に形成したLED・トランジスタ複合素子に関するものである。
従来、高電子移動度トランジスタ(HEMT)が定電流素子として用いうることに着目して、外部に定電流回路を必要としない半導体発光素子として、13族窒化物系化合物半導体の積層構造からなる発光部を有する半導体発光素子において、発光部と、13族窒化物系化合物半導体からなる定電流素子とが同一基板上に形成された複合半導体発光素子が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。
特開2009−71220号公報
前述した従来技術によると、外部に定電流回路を必要としないので、発光素子と駆動回路を含む発光装置全体のコンパクト化とコスト低減が期待できる。しかしながら、複数の発光素子をディスプレイの画素として配列してアクティブマトリクス駆動することを前提にすると、個々の発光素子を駆動するためのTFT基板が外部に必要になる。また、発光素子とTFT基板との接続を考慮した場合には、複数の発光素子を高密度に配置することができないといった問題があった。
本発明は、このような問題に対処することを課題とするものであり、複数の発光素子をアクティブマトリクス駆動することを前提にして、TFT基板を不要にして、複数の発光素子を薄型且つ高密度に配置できるようにすることを課題としている。
このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
基板上の13族窒化物系化合物薄膜結晶層に13族窒化物系化合物のn型又はp型半導体層を複数積層した積層部を備え、前記積層部は、発光層を挟んだn型半導体層とp型半導体層とを備える第1積層部と、前記第1積層部上に積層され、n型半導体層とp型半導体層とが交互に積層された第2積層部と、前記第2積層部上に中間絶縁膜を介して積層され、n型半導体層とp型半導体層とが交互に積層された第3積層部とを備え、前記第1積層部によってLEDを構成し、前記第2積層部によって第1トランジスタを構成し、前記第3積層部によって第2トランジスタを構成したことを特徴とするLED・トランジスタ複合素子。
本発明の実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の構成例を示した説明図である。 図1に示したLED・トランジスタ複合素子の回路構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の形成方法を示した説明図((a)が各層の成膜状態を示しており、(b)が成膜後のエッチング工程を示している。)である。 本発明の実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の形成方法を示した説明図((a)が導電部材の充填とゲート絶縁膜の形成状態を示した断面図であり、(b)が平面図である。)である。 2連のLED・トランジスタ複合素子を示した説明図((a)が端子の配置状態を示した平面図であり、(b)が断面図を示している。)である。 本発明の他の実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子を示した説明図((a)が平面図、(b)がX1−X1断面図、(c)がX2−X2断面図)である。 図6に示した実施形態の回路構成を示した説明図である。 図6に示した実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の形成方法を示した説明図((a)が平面図、(b)がX3−X3断面図、(c)が正面図)である。 図6に示した実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の形成方法を示した説明図((a)が平面図、(b)がX3−X3断面図、(c)が正面図)である。 図6に示した実施形態に係るLED・トランジスタ複合素子の形成方法を示した説明図((a)が平面図、(b)がX3−X3断面図、(c)がX4−X4断面図)である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。また、13族窒化物系化合物の例として、窒化ガリウム(GaN)を挙げて説明するが、特にこれに限定されるものではない。
図1に示すように、LED・トランジスタ複合素子1は、基板10上のGaN薄膜結晶層にGaNのn型又はp型半導体層を複数積層した積層部(第1積層部100、第2積層部200、第3積層部300)を備えている。基板10は、例えば、サファイヤウエハー基板若しくはシリコン結晶基板を用いることができる。
第1積層部100は、発光層(MQW)102を挟んだn型半導体層(n−GaN層)101とp型半導体層(p−GaN層)103を備えており、これらの層によってLED110が構成されている。
第2積層部200は、第1積層部100上に積層されており、n型半導体層(n−GaN層)201とp型半導体層(p−GaN層)202とn型半導体層(n−GaN層)203を備えており、これらの層によって、駆動用トランジスタ(第1トランジスタ)210が構成されている。
また、第3積層部300は、第2積層部200上に中間絶縁膜11を介して積層され、n型半導体層(n−GaN層)301とp型半導体層(p−GaN層)302とn型半導体層(n−GaN層)303を備えており、これらの層によって、アクティブマトリクス選択用トランジスタ(第2トランジスタ)310が構成されている。そして、第3積層部300上には、外部絶縁膜12が形成されている。
LED110の端子構成について説明する。先ず、カソード分離溝20が外部絶縁膜12からバッファ層である第1積層部100のn型半導体層(n−GaN層)101に至るまで設けられ、このカソード分離溝20によって分離された領域の外部絶縁膜12上にカソード端子21が設けられている。このカソード端子21は、外部絶縁膜12からn型半導体層(n−GaN層)101に至るホールに埋められた導電部材22を介してn型半導体層(n−GaN層)101に接続されている。カソード端子21の位置は、動作としてはn型半導体層(n−GaN層)101上であるが、本実施例では、アクティブマトリクス選択用に考慮し、全ての電極高さを同一平面上になるように配置している。LED110のアノード側になる第1積層部100のp型半導体層(p−GaN層)103は、第1トランジスタ210のソース層となる第2積層部200のn型半導体層(n−GaN層)201に接続されている。
第1トランジスタ210と第2トランジスタ310は、外部絶縁膜12から中間絶縁膜11に至るトランジスタ分離溝23によって互いに分離されている。第1トランジスタ210の端子構造について説明すると、外部絶縁膜12上のドレイン端子24が、外部絶縁膜12から第2積層部200のn型半導体層(n−GaN層)203に至るホールに埋められた導電部材25を介してドレイン層になるn型半導体層(n−GaN層)203に接続されており、前述したように、ソース層となる第2積層部200のn型半導体層(n−GaN層)201がLED110のp型半導体層(p−GaN層)103に接続されている。ドレイン端子24の位置も前述と同様に、動作としてはn型半導体層(n−GaN層)203上ではあるが、本実施例ではアクティブマトリクス選択用を考慮し全ての電極高さを同一平面上になるように配置している。
第1トランジスタ210のゲート端子26は、トランジスタ分離溝23内に設けられている。そして、ゲート端子26と第1トランジスタ210のチャネル層になる第2積層部200のp型半導体層(p−GaN層)202との間に、ゲート絶縁膜27が設けられている。ゲート絶縁膜27は、トランジスタ分離溝23から更に第2積層部200のn型半導体層(n−GaN層)201に至るホール内に形成されており、そのホール内のゲート絶縁膜27上に設けた導電部材28がゲート端子26に接続されている。
第2トランジスタ310の端子構造を説明する。先ず、外部絶縁膜12上のドレイン端子30が外部絶縁膜12を貫通するホールを埋めた導電部材31を介してドレイン層になる第3積層部300のn型半導体層(n−GaN層)303に接続されている。そして、第2トランジスタ310のソース層になる第3積層部300のn型半導体層(n−GaN層)301が、第1トランジスタ210のゲート端子26に接続されている。
更に、外部絶縁膜12上のゲート端子32と第2トランジスタ310のチャネル層になるp型半導体層(p−GaN層)302との間に、第2トランジスタ310のゲート絶縁膜33が設けられている。ゲート絶縁膜33は、外部絶縁膜12から第3積層部300のn型半導体層(n−GaN層)301に至るホール内に形成されており、そのホール内のゲート絶縁膜33上に設けた導電部材34が、第2トランジスタ310のゲート端子32に接続されている。
このようなLED・トランジスタ複合素子1は、第3積層部300上の外部絶縁膜12における同一平面に、LED110のカソード端子21と、第1トランジスタ210のドレイン端子24と、第2トランジスタ310のドレイン端子30及びゲート端子32が形成されている。これによって、外部絶縁膜12上の各端子をフリップチップとして利用することができる。
この際、外部絶縁膜12から中間絶縁膜11に至るトランジスタ分離溝23によって分離される一方の領域に第1トランジスタ210の端子が設けられ、トランジスタ分離溝23によって分離される他方の領域に第2トランジスタ310の端子が設けられている。また、外部絶縁膜12からバッファ層である第1積層部100のn型半導体層(n−GaN層)101に至るカソード分離溝20によって分離される一方の領域に、LED210のカソード端子21が設けられ、カソード分離溝20によって分離される他方の領域に第1トランジスタ210と第2トランジスタ310の端子が設けられている。
このようなLED・トランジスタ複合素子1は、図2に示す配線構成にすることで、LED110をアクティブマトリクス駆動することができる。この例では、LED110のカソード端子21はGNDに接続され、駆動用トランジスタである第1トランジスタ210のドレイン端子24は、電源線Pに接続される。そして、アクティブマトリクス選択用トランジスタである第2トランジスタ310のゲート端子32は、選択線Qに接続され、第2トランジスタ310のドレイン端子30は、データ線Rに接続される。
LED・トランジスタ複合素子1を形成するには、先ず、図3(a)に示すように、基板10上に第1積層部100の各層、第2積層部200の各層、中間絶縁膜11、第3積層部300の各層を順次成膜し、更にその上に外部絶縁膜12を成膜する。その後は、図3(b)に示すように、前述したカソード分離溝20とトランジスタ分離溝23をエッチングによって形成し、更に、前述した導電部材22を埋めるためのホールH1、導電部材25を埋めるためのホールH2、ゲート絶縁膜27を形成するためのホールH3、ゲート絶縁膜33を形成するためのホールH4、導電部材31を設けるためのホールH5をそれぞれエッチングによって形成する。
その後は、図4に示すように、ホールH1,H2,H5に対して導電部材22,25,31を充填し、ホールH3に対しては、ゲート絶縁膜27を形成した後に導電部材28を充填し、ホールH4に対しては、ゲート絶縁膜33を形成した後に導電部材34を充填する。その後は、図5に示すように、導電部材22,25,28,34,31に接続する端子(カソード端子21,ドレイン端子24,ゲート端子26,ゲート端子32,ドレイン端子30)が外部絶縁膜12上に形成される。
図5は、同一の基板10上に複数(多連)のLED・トランジスタ複合素子1を形成した状態を示している。図示のように、外部絶縁膜12からバッファ層である第1積層部100のn型半導体層(n−GaN層)101に至る分離溝40を各LED・トランジスタ複合素子1毎に設けることで、多連のLED・トランジスタ複合素子1を高密度に基板10上に形成することができる。
また、それぞれの複合素子にあるカソード端子21は全てのLED・トランジスタ複合素子で共通のn型半導体層(n−GaN層)101上となるため、電極端子を共通化することができ、接続端子数の削減が可能である。
このようなLED・トランジスタ複合素子1は、LED作成用のGaNからなる第1積層部100上に、駆動用トランジスタを形成するためのGaNからなる第2積層部200を成膜し、中間絶縁膜11を成膜した後に、アクティブマトリクス選択用トランジスタを形成するためのGaNからなる第3積層部300を成膜するので、LED製作用のMO−CVD装置によって、LED用の各層と各トランジスタ層を全て製作することができる。
そして、各LED・トランジスタ複合素子1は、アクティブマトリクス選択用の第2トランジスタ310を備えるので、データ線Rと選択線Qと電源線Pとの接続のみでLED110をアクティブ駆動することができ、TFT基板を別途設けることが不要になる。これによって、LED・トランジスタ複合素子1を各画素とするディスプレイの薄型化、高密度化が可能になる。
図6及び図7は、LED・トランジスタ複合素子の他の形態例を示している。このLED・トランジスタ複合素子1Aは、基板10上に、n型半導体層(n−GaN層)401と発光層(MQW)402とp型半導体層(p−GaN層)403からなる第1積層部400が積層され、その上に中間絶縁膜500を介して、半導体層(アンドープGaN層)600が積層され、その上に半導体層(アンドープAlGaN層)601が積層されている。
そして、発光層402とp型半導体層403と中間絶縁膜500と半導体層600と半導体層601は、平面視T字状の分離溝700によって、平面的に3つの領域(1A1領域,1A2領域,1A3領域)に分離されている。そして、分離溝700によって分離された3つの領域(1A1領域,1A2領域,1A3領域)では、半導体層601の上に外部絶縁膜501が形成されている。
そして、1A1領域におけるLED用の第1積層部400によってLED410が形成されており、1A2領域における半導体層600,601によってアクティブマトリクス選択用トランジスタである第1トランジスタ420が形成され、1A3領域における半導体層600,601によって駆動用トランジスタである第2トランジスタ430が形成されている。
電源線Pに接続されるLED410のアノード端子50は、導電部材60を介してp型半導体層(p−GaN層)403に接続され、アノード端子50とは分離溝700にで分離されたカソード端子51が、n型半導体層(n−GaN層)401に接続されている。ここで、アノード端子50とカソード端子51は、それぞれ導電部材60と導電部材61を介することで、同一平面上に配置されている。
LED410のカソード端子51は、第2トランジスタ430のドレイン端子51Aと一体になっており、第2トランジスタ430のソース端子52は、GNDに接続されている。また、第2トランジスタ430のケート端子53は、ゲート絶縁膜となる外部絶縁膜501上に形成され、分離溝700を跨いで第1トランジスタ420のソース端子53Aと一体になっている。1A2領域においては、半導体層601に第1トランジスタ420のドレイン端子54が接続され、半導体層601上にゲート絶縁膜となる外部絶縁膜501を介してゲート端子55が形成されている。そして、アクティブマトリクス選択用の第1トランジスタ420のゲート端子55は、選択線Qに接続され、ドレイン端子54は、データ線Rに接続されている。
図8〜図11は、LED・トランジスタ複合素子1Aの形成工程を示している。LED・トランジスタ複合素子1Aを形成するには、先ず、基板10上にn型半導体層(n−GaN層)401、発光層402、p型半導体層(p−GaN層)403、中間絶縁膜500、半導体層(アンドープGaN層)600、半導体層(アンドープAlGaN層)601を順次積層し、図8に示すように、平面視T字状の分離溝700とホール701,702を形成する。この際、ホール701は、エッチングでp型半導体層403が露出する深さまで形成され、分離溝700とホール702は、エッチングでn型半導体層401が露出する深さまで形成される。
次に、図9に示すように、外部絶縁膜501を形成する。その際、ホール701は、内部にp型半導体層403が露出するように、ホール702は、内部にn型半導体層401が露出するように、それぞれホール701,702内をマスクで覆うか或いは外部絶縁膜501の成膜後に内部の外部絶縁膜501をエッチングなどで部分除去する。また、電極形成用に外部絶縁膜501が部分的に除去された半導体層601の露出領域601A,601B,601C,601Dを形成する。
その後、図10に示すように、ホール701,702内に導電部材60,61を蒸着させ、更には、分離溝700を一部埋めるようにして、導電部材を蒸着させてゲート端子53を形成する。その後は、図6に示すように、導電部材60上にアノード端子50を形成し、露出領域601A上にドレイン端子54を形成し、導電部材61と露出領域601C上にカソード端子51を形成し、露出領域601D上にソース端子52を形成する。また、露出領域601A,601B間の外部絶縁膜501上にゲート端子55を形成する。
このようなLED・トランジスタ複合素子1Aは、前述した例と同様に、LED作成用のMO−CVD装置によってトランジスタ層を含む全ての層を成膜することが可能になる。また、前述した例と同様に、TFT基板を別途設けることが不要になるので、LED・トランジスタ複合素子1Aを各画素とするディスプレイの薄型化、高密度化が可能になる。そして、前述した例と比較すると、層数が少なくなるので、成膜工程を簡略化でき製作が容易になる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
1,1A:LED・トランジスタ複合素子,10:基板,
11,500:中間絶縁膜,12,501:外部絶縁膜,
20:カソード分離溝,
23:トランジスタ分離溝,40,700:分離溝,
22,25,28,31,34,60,61:導電部材,
21,51:カソード端子,24,30,51A,54:ドレイン端子,
26,32,53,55:ゲート端子,
50:アノード端子,52,53A:ソース端子,
100,400:第1積層部,110,410:LED,
200:第2積層部,210,420,第1トランジスタ,
300:第3積層部,310,430第2トランジスタ,
101,201,203,301,303,401:n型半導体層(n−GaN層),
102,402:発光層(MQW),
103,202,302,403:p型半導体層(p−GaN層),
600:半導体層(アンドープGaN層),
601:半導体層(アンドープAlGaN層),
P:電源線,Q:選択線,R:データ線

Claims (11)

  1. 基板上の13族窒化物系化合物薄膜結晶層に13族窒化物系化合物のn型又はp型半導体層を複数積層した積層部を備え、
    前記積層部は、
    発光層を挟んだn型半導体層とp型半導体層とを備える第1積層部と、
    前記第1積層部上に積層され、n型半導体層とp型半導体層とが交互に積層された第2積層部と、
    前記第2積層部上に中間絶縁膜を介して積層され、n型半導体層とp型半導体層とが交互に積層された第3積層部とを備え、
    前記第1積層部によってLEDを構成し、前記第2積層部によって第1トランジスタを構成し、前記第3積層部によって第2トランジスタを構成したことを特徴とするLED・トランジスタ複合素子。
  2. 前記第3積層部上に外部絶縁膜を設け、該外部絶縁膜上の同一平面に、前記LEDと前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの各端子が形成されていることを特徴とする請求項1記載のLED・トランジスタ複合素子。
  3. 前記外部絶縁膜から前記中間絶縁膜に至るトランジスタ分離溝を設け、該トランジスタ分離溝によって分離される一方の領域に前記第1トランジスタの端子を設け、前記トランジスタ分離溝によって分離される他方の領域に前記第2トランジスタの端子を設けたことを特徴とする請求項2記載のLED・トランジスタ複合素子。
  4. 前記外部絶縁膜上に前記第1トランジスタのドレイン端子を設け、前記第3積層部を貫通するホールを埋めた導電部材を介して前記ドレイン端子が前記第2積層部におけるドレイン層に接続されており、
    前記トランジスタ分離溝内の前記中間絶縁膜上に前記第1トランジスタのゲート端子を設け、前記第2積層部におけるチャネル層に至るホール内に設けたゲート絶縁膜上の導電部材が前記ゲート端子に接続されており、
    前記第2積層部における前記第1トランジスタのソース層が前記第1積層部上に積層されていることを特徴とする請求項3記載のLED・トランジスタ複合素子。
  5. 前記外部絶縁膜上に前記第2トランジスタのドレイン端子とゲート端子を設け、前記第2トランジスタのドレイン端子が前記第3積層部のドレイン層に接続されており、
    前記第2トランジスタのゲート端子が前記第3積層部におけるソース層に至るホール内に設けたゲート絶縁膜上の導電部材に接続されており、
    前記第1トランジスタのゲート端子に、前記第3積層部における前記第2トランジスタのソース層が接続されていることを特徴とする請求項4記載のLED・トランジスタ複合素子。
  6. 前記外部絶縁膜から前記基板上の一つの半導体層に至るカソード分離溝を設け、該カソード分離溝によって分離される一方の領域に前記LEDのカソード端子が設けられ、前記カソード分離溝によって分離される他方の領域に前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの各端子が設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載のLED・トランジスタ複合素子。
  7. 前記カソード端子は、前記外部絶縁膜から前記基板上の一つの半導体層に至るホールを埋めた導電材料を介して前記LEDに接続されていることを特徴とする請求項6記載のLED・トランジスタ複合素子。
  8. 基板上の13族窒化物系化合物薄膜結晶層に13族窒化物系化合物のn型又はp型半導体層を複数積層した積層部を備え、
    前記積層部は、
    発光層を挟んだn型半導体層とp型半導体層とを備えるLED用積層部と、
    前記LED用積層部上に絶縁層を介して積層された複数の半導体層を備え、
    前記LED用積層部にLEDを形成し、
    前記絶縁層を部分的除去する溝によって分離された前記半導体層の一方と他方に第1トランジスタと第2トランジスタを独立して形成したことを特徴とするLED・トランジスタ複合素子。
  9. 第1トランジスタと第2トランジスタの一方が、駆動用トランジスタであり、第1トランジスタと第2トランジスタの他方が、アクティブマトリクス選択用トランジスタであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載のLED・トランジスタ複合素子。
  10. 前記基板がサファイヤウエハー基板又はシリコン結晶基板であり、前記13族窒化物系化合物が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載のLED・トランジスタ複合素子。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載されたLED・トランジスタ複合素子を共通の前記基板上に独立して多連に設けたことを特徴とする多連LED・トランジスタ複合素子。
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