JP3902252B2 - 高速高解像度led形成方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、発光ダイオードアレイに関し、更に詳細には、他の同様のLEDアレイと連結してフルページ幅の画像書き込みバーを形成する多孔シリコン発光ダイオードアレイ(Porous Silicon Light Emitting Diode Array)の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ゼログラフィック(電子写真)タイプの画像形成システムの受光体(例えば、感光体)のような、記録部材上に画像を書き込むための発光ダイオードのアレイ(LED)の使用は、電子画像プリンタにおける今日の関心において新たなる関心を有する。理解されるように、LEDアレイは、典型的には、単一のチップ又は基体上で互いに近接して並列する1本以上のLEDの線形列を備える。電子プリンタの実施においては、アレイの個々のLEDは、画像信号入力に従ってアクチュエート(作動)される。LEDによって形成され、受光体上に焦点が合わされた結果としての画像光線は、受光体が同調して移動されるときに受光体上に静電潛像を形成又は書き込む。これに引き続いて静電潛像は現像され、コピーシートのような適切なコピー基体に転写され、その後定着又は固着されて永久コピーを提供する。
【0003】
しかしながら、単一チップ又はウエハ上にパックされうるLEDの数は限られており、この数が単一LEDアレイで達成されうる画像解像度も制限する。幾つかのより小さなLEDアレイを結合してより長いアレイを形成すること、特に、プリンタ光学系の単純化と共に解像度が増加したフルページ幅のアレイを形成することが望ましい。
【0004】
フルページ幅のLEDアレイの解像度及び濃度の第1の制限は、各LEDの各々をオフチップ(チップ外)ドライバ回路にワイヤ(配線)することの必要性である。ドライバ回路がLEDと同じチップ上にあるならば、より高い解像度及び低コストが達成される。これが、一般的に要求されるハイブリッド配線の多くを除去する。更に、もしこれらの自己駆動チップが正確にカットされ当接されて連続する単一ラインLEDアレイを形成するなら、高価な光学的又は電子的ステッチ(つぎ目接合)方法は除去される。基体として使用されるときGaP及びGaAsのようなIII−VクラスのLED材料はソーカットによって容易に破損される。従って、LEDチップ又はアレイは一般には効果的に当接され得ないが、その代わり列状にスタガー(互い違いに配列)され、屈折率分布型ファイバレンズのようなより複雑で比較的高価な光学系手段と選択的にインターレース(組合わせ)されなければならない。更に、III−V材料がベースになる現在の技術水準マイクロエレクトロニクスは、オンチップ回路の使用及び制御を制限する。LEDアレイがシリコン技術と十分に適合して作られるなら、制御回路がオンチップに集積され、低コストで小さく信頼性のあるシステムが得られる。
【0005】
近年、シリコンの海綿相である多孔シリコン(ポーラスシリコン)は効率的に発光することが示されてきた。微小結晶半導体:材料科学及び装置、リサーチ社会シンポジウム会報283巻、1993年(Microcrystalline Semiconductors: Material Science & Devices, Research Society Symposium Proceedings, Vol 283, 1993)及び米国特許第5、272、335号を参照すると、多孔シリコンと単純な電極のサンドイッチ構造を使用した粗製のエレクトロルミネッセンス(電界発光)装置が作られることが述べられており、該特許は、電気化学的にシリコンウエハをエッチングして多孔シリコン領域を形成し、多孔シリコン領域上に透明半導体層を付着し、ウエハ上にバックコンタクト(裏面接点)を形成することを含む多孔シリコンエレクトロルミネッセンス装置を形成するための方法を開示している。これらの従来の多孔シリコン装置は低解像度ディスプレイでの使用の見込みを示すのが、LEDアレイの高速、高解像度LEDを形成するためには不適切である。
【0006】
本発明は、上記に述べられた及び他の様々な問題を克服し、上記の及び他の様々な特徴と利点を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うと、スイッチダイオード、多孔シリコンLED及びシリコンウエハを含む半導体発光ダイオード(LED)装置が提供される。スイッチ及び多孔シリコンLEDはシリコンウエハの表面に形成される。
【0008】
本発明の別の態様に従うと、カラー及びグレースケール可能、高速、高解像度シリコンベースLEDアレイの製造方法が提供されており、シリコンチップ上に駆動回路を製造するステップと、シリコンチップ上に領域を定めるステップと、領域に結晶シリコンを付着するステップと、結晶シリコンを電気化学エッチングするステップと、を含み、電気化学エッチングステップはエッチング中に駆動回路を介して結晶シリコンに電流を流し、領域の結晶シリコンから多孔シリコンLED素子を形成することを含む。
【0009】
本発明の請求項1の態様では、半導体発光ダイオード(LED)デバイスであって、スイッチダイオードを有し、多孔シリコンLEDを有し、シリコンウエハを有し、前記スイッチダイオード及び前記シリコンLEDは前記シリコンウエハの表面に形成される、ことを含む。
【0010】
本発明の請求項2の態様では、高速、高解像度LED形成方法であって、シリコンチップ上に駆動回路を製造するステップと、前記シリコンチップ上に領域を定めるステップと、前記領域に結晶シリコンを付着するステップと、前記結晶シリコンを電気化学的エッチングするステップを有し、前記電気化学的エッチングステップは、駆動回路を介して結晶シリコンに電流を流し、前記領域における前記結晶シリコンから多孔シリコンLED素子を形成する、ことを含む。
【0011】
本発明の他の態様は、以下の記述を読み進め、図面を参照することによって明らかになる。
【0012】
【実施例】
本発明は好適実施例と関連して述べられているが、本発明はこの実施例に限られないことが理解される。それどころか、本発明の精神及び請求の範囲内に含まれる全ての実施例、変更、等価物を含むことが意図される。本発明の特徴の全体的な理解のために、参照番号が図面に付与される。図面においては、同一番号は同一要素を示すために使用されている。
【0013】
図16及び17を参照すると、本発明の半導体全幅書き込みバー10が示されている。書き込みバーは、発光ダイオード(LED)14の少なくとも一本の線形アレイ12を有する。ここに述べられる例示的な装置においては、書き込みバー10は、画像信号又は画素入力に従ってアレイ12の各LED14の選択的な作動によるゼログラフィックシステムの予め帯電された受光体(図示せず)のような、移動記録部材上に直接又は適切なレンズ手段を介して画像を書き込むために使用される。この目的のために、書き込みバー10は、受光体の有効幅と同じかやや大きい全長を有する。当業者には公知であるように、普通は、書き込みバー10は受光体の移動方向と直角に配置され、受光体表面と予め決められた距離だけ離間されている。結果的に、受光体が書き込みバー10を通過するように移動する時、書き込みバー10は受光体に1回1行書き込む、即ち露光して書き込みバー10への画像信号入力によって表される静電潛像を形成する。書き込みバー10による受光体上の画像の書き込みに引き続いて、LED書き込みバー10によって受光体上に形成された静電潛像は現像されてコピーシートのような適切なコピー基体材料に転写される。転写画像を保持するコピーシートは、その後永久コピーとされるために定着又は固着される一方、受光体は再帯電に備えてクリーニングされる。
【0014】
書き込みバー10は、一般的には、ソーイング又は他の適切な手段によって一つ以上の円形シリコンウエハ(図示せず)から分割された複数のほぼ矩形基体又はチップ16から形成される。チップ16は図16に示されるようにスタガ関係に(互い違いに)組み立てられるか図17に示されるように端同士を当接されて所望の長さの書き込みバー10を形成する。チップ16がスタガ方法で配置される場合、例えば、チップは画像ラインを書き込むときにチップ結合部の画像のロス又は歪みがなく一つのチップから次のチップへクロスオーバーするのに有効な、適切な電気回路によって機能的に連結又はスティッチされる。或いは、チップ16は光学的に連結又はスティッチされ、効果においてスタガを除去し、各チップによって記録部材に形成された画像をチップ同士間の結合部での画像のロス又は歪みがなく位置合わせする。複数のチップ16が端同士当接した関係で配置される場合、チップは互いに位置合わせされた後、適切な手段によって共に連結され、所望の長さの書き込みバー10を提供する。
【0015】
図1を参照すると、駆動回路がスイッチダイオード40のアレイのようなチップ16上に製造されている。スイッチダイオード40はLED製造中多孔シリコンLED素子を形成し、LEDが製造された後LEDを駆動させるために使用される。図18に示されるように、スイッチダイオードは、ダイオードと直列の高電圧ドライバ金属酸化物半導体トランジスタ(MOSFET)から構成されることが好ましい。図2に示されるように、n側が多孔シリコンLED素子であるp−nダイオードは、ラテラルパワーp−MOSFETに直列で使用され電流を供給する。同様に、図3に示されるように、p側が多孔シリコンLEDであるp−nダイオードは、ラテラルパワーn−MOSFETに直列で使用され電流を供給する。図4及び5に示されるように、垂直パワーMOSFET、絶縁ゲートトランジスタ又はバイポーラトランジスタがベースとなる他のスイッチダイオードも本発明において使用されうることは明白である。
【0016】
nMOS,CMOS又はBICMOSのような、従来のシリコン集積回路(IC)技術を使用して、多孔シリコンLED素子の製造の前に、適切なアドレス回路及び信号処理回路のような支援回路35がチップ16上に製造される。信号処理回路35はチップに並列か既存のシーケンスでバー10の全てのチップに直列か、或いは直列/並列の適切な組み合わせで書き込みバー10のチップ16に画像信号を入力する。
【0017】
支援回路35、スイッチダイオード40及びLED14の素子はチップ上に同時に製造されることが好ましい。この処理は複雑なマスク処理をより少なくするため、図1に概略的に示されるように、上に集積された支援回路、スイッチダイオード及びLEDを有する低コストモノリシック集積回路チップをもたらす。チップ16は、信号処理回路35、スイッチダイオード40、及びLED14の3つのタイプの電気素子に分割される。図1における概略的な例示においては、スイッチダイオード及びLEDアレイは、256個の素子から構成されており、その中の4つずつが同時にアドレスされる。他のアドレス方式及び素子数も可能であることは明らかである。
【0018】
本発明に関しては、チップ16の製造方法はp−nダイオードに直列なラテラルパワーp−MOSFETの一つの例を使用して以下に詳細に述べられる。軽くドープされたpタイプの<100>配向のシリコンウェハが使用される。光学的位置合わせマークはチップ16にピットをエッチングすることによって定められる。次に2ミクロンの厚みの酸化膜が付着され、深いn−ウェルインプラントに対してマスクするためにパターン形成される。n−ウェルをドライブインするために高温焼きなまし(アニーリング)が使用される。マスク酸化膜をストリップした後、薄いパッド酸化物(SiO2 )が成長され、窒化層が付着されパターン形成される。n型チャネルストップインプラントが行われた後、厚い電界酸化膜が成長され、信号処理回路35、スイッチダイオード40及びLED素子42が形成されるアクティブ領域を定める。
【0019】
窒化シリコン層及び下層のSiO2 層を除去した後、犠牲酸化膜が成長する。トランジスタしきい値調節インプラントを受けるために必要な領域を定めるためにフォトレジストマスクが使用される。マスク層をストリップした後、犠牲酸化膜層はエッチングされ高品質ゲート酸化物が成長し、その後ポリシリコン付着及びドーピングが行われる(図7)。フォトレジストマスク層を使用してポリシリコンがエッチングされ、パワートランジスタ及びロジック制御電子ゲートを定める。ポリシリコンは全LED領域にわたって除去される。次に、ブランケット低ドーズpタイプインプラント(ホウ素)が形成され、このインプラントはドライバトランジスタにおけるドリフト領域を定め、ダイオードの高ドープp側とフィールド酸化膜エッジの間に保護環(ガードリング)を提供する。フォトレジストマスクは、高ドープソース/ドレイン領域及びLEDダイオードのp+側を定めるために使用される。更に、ドライバソース接点のうちの幾つか、好ましくは四個に一個がマスクされp+インプラントから接点をシールドする。処理におけるこの段階で、図8はp−MOSFETドライバトランジスタを例示しており、図11はLEDを例示している。
【0020】
次にフォトレジストマスクがパターン形成され、高ドープされたn+インプラントは、n−ウェルと接触し、p−MOSFETドライバのソースの下にシールドを提供し、信頼性があるスナップバックの頑強なドライバトランジスタを得るために使用される。n−ウェル接点はチップ16の頂部表面にわたった優れた接地を提供するため、寄生バイポーラ影響を最小化させる。次に700ナノミリの厚みのホスホシリケートガラス(PSG1)が付着され、パターン形成され、高密度化され、ソース/ドレイン、及びドライバにおけるゲート接点孔(図9に示される)及びLEDへの接点孔及びアクティブLED領域(図12に示される)を定める。
【0021】
次に、インターコネクト(相互接続)金属化アルミニウムが付着され、パターン形成され、合金化される。p−MOSFETドライバのドレインはLED素子42のp+側と接触する。2ミクロンの厚みのホスホシリケートガラス(PSG2)が付着され、パターン形成され、高密度化されてLED素子42のアクティブ領域を定める。PSG2層の厚みは多孔シリコン層の所望の厚みによって決定される。図10に示されるように、処理のこの段階でp−MOSFETドライバは完成される。ドライバは十分に機能的で、適切なゲート、ソース、及びドレインバイアスを印加することによって作動されうる。次に、プロセスシリコンLED素子が製造される。
【0022】
図13を参照すると、結晶シリコンLED素子は、LEDダイオードのn+ 多孔シリコン側を形成するLED素子領域42において成長する。結晶シリコン(nタイプ高ドープエピシリコンであることが好ましい)は、選択的エピタキシー(気相成長)を使用してLED素子領域において成長する。選択的なエピタキシーを使用した結果、エピシリコンのみがLED素子領域42に成長する。
【0023】
LED素子領域42におけるエピシリコンは、HF:H2 O(1:3)の電気化学的エッチング(10mA/cm2 )を用いることによって更に処理されて多孔シリコンを形成する。処理のこの点で、多孔シリコンに変換される必要のあるシリコンのみが露出するため、フォトレジスト層は必要無い。これは十分にセルフアラインメント(自己整合)した方法である。個々のチップ16を含むウエハは、電気化学セル(HF/エタノール)に浸され、光線、好ましくは可視から紫外線の範囲の光線によって照射される。p−MOSFETドライバはインターコネクト100を介してエピシリコンに電流を流す。各チップ16上の接地パス及びVDDパスは犠牲金属接続の使用によってショートされる。この層は異なるチップのボンディングパスをショートさせ、ウエハダイシング(ウエハ切断)中にチップが分割されるときカットされる。ウエハとの外部接続は二つだけ作られる必要があり、それらはグラウンド(接地)及び供給電圧である。
【0024】
次に、多孔シリコン製造中、適切なバイアス状態がp−MOSFETドライバに与えられる。図15は多孔シリコン製造前(1)、及びその後(2)に基づくスイッチダイオード(即ち、図18のp−nダイオードに接続されるp−MOSFET)の電流−電圧特性のグラフによる例示である。多孔シリコン製造前、ダイオードのエピタキシャルn+ シリコン側は低直列抵抗を有する。電気化学エッチング中、エピタキシャルシリコンにおける多孔(即ち、コラム(列)状)構造体が形成される。三つの電気動作領域が図15において区別されている。スイッチダイオードはMOSFETと直列なダイオードから構成されており、従ってダイオードを横切る電圧は、デバイスが通電流をスタートさせる前は少なくとも0.7ボルトでなければならない(即ち、V<0.7ボルトでは、装置はp−nダイオードに制限される)。低p−MOSFETドライバゲートバイアスでは、p−MOSFETの抵抗はスイッチダイオードの挙動を決定する(低VG では装置はMOSに制限される)。p−MOSFETドライバが十分にオン(即ち、構造体の全抵抗によって要求されるよりも高いゲート電圧)の場合は、スイッチダイオードは多孔シリコンの直列抵抗によって制限される(即ち、多孔シリコンLED抵抗に制限される)。図15のライン(2)によって示されるように、抵抗は多孔シリコン形成中増大し、電流−電圧特性はより高い電圧に移動する。エッチング中、初期電圧はロー(V1)であり、所与の電流に対する(V1)はエッチング時間に従って増大する。製造中全てのLEDは同時にエッチングされ、従って全てのp−MOSFETドライバが同時にオンされることが好ましい。従って電流は、チップインターコネクト(相互接続)が支援できるほどに十分に低くなければならない。LED作動中(即ち、デバイスが仕上げられた後)、4個又は8個のLEDが一度にアドレスされ、インターコネクト層がそのタイプの電流密度に最適化される。製造中、全てのLEDは一度にアドレスされるため、個々のLEDにおける電流は図15における(IF , VF )条件によって示されるように制限されなければならない。
【0025】
コラム状Si構造体が、可視から赤外光を効率的にエミット(発光)することができ、直径がおよそ50から100ナノメートルであるとき、電気化学エッチングは終了する。しかしながら、本発明の利点的な特徴は発光波長が電気化学的条件によって制御されることである。電気化学エッチングによってLEDの発光波長は>750ナノミリメートル(10mA/cm2 で10分エッチング)から560ナノミリメートル(10mA/cm2 で120分エッチング)まで変化されうる。更に、発光の青方偏移(<500ナノミリメートル)は、酸素中で焼きなまし(800℃)し、その後電気化学エッチングをすることによって達成されうる。又、チップが電気化学的にエッチングされている間、論理回路はチップ上の各ドライバを別々に制御できるので、同じチップ上の各LEDは各LEDチップに対する各ドライバを選択的にオン及びオフすることによって異なる光波長発光を有することができることを意図している。
【0026】
図14に示されるように、多孔シリコンLEDアレイ製造は、インジウム酸化物(ITO)のような、多孔シリコンLED素子を接地バスに接続させる透明電極を付着し、パターン形成することによって完了する。
【0027】
素子の上記の記述及びチップにおける互いに関する構造と共に各々のLEDダイオードの作動は以下に述べられる。ここに記述されるLEDダイオードの実施例は、n領域である多孔シリコンを有するp−n接合である。順バイアスの下で正孔が下側のp+領域から多孔シリコン価電子帯へ注入されると同時に最頂の透明電極は多孔シリコン導電バンドに電子を注入する。これらの二つのキャリヤ(正孔及び電子)は多孔シリコン内で放射線的に再結合し、それによって発光(エレクトロルミネッセンス)を生成する。発光の波長は多孔シリコンにおける導電バンド(即ち、バンドギャップ)及び原子価の相対位置(エネルギー)によって制御される。バンドギャップはコラム状構造体(コラムが狭くなるとバンドギャップは広がる)の相対的な直径によって制御される。
【0028】
【発明の効果】
本発明の一つの利点的な特徴は、1インチ当たりより多くの素子を配置することによって、高解像度LEDアレイが製造されうることである。これは、標準的なマイクロエレクトロニクス製造技術によって達成されうる。本発明の別の利点的な特徴はグレイスケールが可能なことである。チップ上の各LED又は全LEDの発光強度は、LEDのドライバ(単数又は複数)に対する電流又は供給電圧を変えることによって変化する。例えば、駆動電流は供給電圧を変化させることによって変化されうる。
【0029】
要約すると、同一のシリコンチップ又はウエハ上に集積された支援回路を有する発光ダイオード(LED)の製造方法が提供されている。スイッチダイオードはチップ上に製造され、多孔シリコンLED素子を製造するために使用される。同一のスイッチダイオードは、製造された後LED素子を駆動する。個々のLED素子は、LED素子を配置するためにチップ上の領域を定めることによって形成される。領域の寸法はLED解像度に依存する。高ドープされたエピタキシャル(epi)シリコンが定められた領域に成長し、スイッチダイオードが作動モードである間、epiシリコンは電気化学的エッチングされて多孔シリコンを生成する。この手順がナノメートル寸法の定められた領域にコラム状シリコン構造体を形成し、該構造体は室温で青(<500ナノミリメートル)から赤外光(>750ナノミリメートル)を効率的に発光する。このように、LEDと駆動回路の両方を支持するチップはシリコンで形成され、公知の技術によってカットされ正確にバット(当接)されてカラー及びグレースケール可能で低コスト、高解像度全幅LEDアレイを形成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のLEDチップの例示的な概略図である。
【図2】本発明において使用されるスイッチダイオードの例示的な実施例である。
【図3】本発明において使用されるスイッチダイオードの例示的な実施例である。
【図4】本発明において使用されるスイッチダイオードの例示的な実施例である。
【図5】本発明において使用されるスイッチダイオードの例示的な実施例である。
【図6】本発明のLEDチップの一部の平面図である。
【図7】スイッチダイオード及びLEDが形成されるアクティブ領域の側面図である。
【図8】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のa−a’面)である。
【図9】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のa−a’面)である。
【図10】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のa−a’面)である。
【図11】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のb−b’面)である。
【図12】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のb−b’面)である。
【図13】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のb−b’面)である。
【図14】本発明の教示に従った製造の例示的なモードにおける、本発明において使用されるスイッチダイオードの側面図(図6のb−b’面)である。
【図15】多孔シリコンLED製造前(1)、及び後(2)のスイッチダイオードの電流−電圧特性を例示した図表である。
【図16】全幅書き込みバーを形成するためにスタガ方法で組み立てられた複数のLEDチップを例示した図である。
【図17】全幅書き込みバーを形成するために端から端までバットされた複数のLEDチップを例示した図である。
【図18】スイッチダイオードと接続する多孔シリコンLEDの例示的な概略図である。
【符号の説明】
10 半導体全幅書き込みバー
12 線形アレイ
14 LED
16 チップ
40 スイッチダイオード
Claims (1)
- 高速、高解像度LED形成方法であって、
シリコンチップ上に駆動回路を製造するステップと、
前記シリコンチップ上に領域を定めるステップと、
前記領域に結晶シリコンを付着するステップと、
前記結晶シリコンを電気化学的エッチングするステップを有し、前記電気化学的エッチングステップは、駆動回路を介して結晶シリコンに電流を流し、前記領域における前記結晶シリコンから多孔シリコンLED素子を形成する、
高速高解像度LED形成方法。
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