TWI388055B - 半導體裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種使用矽之發光元件，特別係關於一種使用極薄矽膜之發光元件。
我們生活中存在著各種發光元件，例如，愛迪生(Edison)發明之白熾燈、螢光燈、LED(Light Emitting Diode，發光二極體)、有機EL(Electroluminescence，電致發光)等，該等發光元件各具優缺點，並根據照明、電視機、顯示器等之各種用途來分別使用。其中使用化合物半導體之LED，由於將電流轉換成光之量子效率較高，故一直作為高亮度且低耗電之發光元件來使用。最近，化合物半導體之結晶成長技術不斷發展進步，由此20世紀中曾被認為不可能之藍色發光二極體亦開始得到廣泛應用，例如，目前正實際應用於信號機等之中。藉由開始能夠實現藍色，使得在包含化合物半導體之LED中開始能夠表現全部三原色，故藉由將化合物半導體與螢光性(fluorescence)材料組合起來，便可顯示白色。
因此，包含化合物半導體之LED已作為行動電話用液晶顯示屏之背光用光源而廣泛普及。包含化合物半導體之LED具有量子效率高且耗電低等之性能高之優點，但化合物半導體基板價格昂貴，故製造成本將增高，因此通常並不適用於大面積。但是，在車站或機場等的公共設施中所見到的巨大顯示器用途中亦可使用利用化合物半導體之LED。在顯示器或照明等之用途中，最近受到關注之LED係使用有機半導體之有機EL元件(或者有時亦簡稱為Organic LED、OLED)。自20世紀80年代後半期開始，有機EL元件之研究得到急遽發展。成為其開端的係C. W. Tang等人之非專利文獻1，彼等成功地藉由使在有機薄膜之上下形成有電極之構造通電而實現了高效發光。然而，有機EL元件最初亦由於壽命短而未達到實際應用。時至最近，有機半導體材料、元件構造、密封技術等終於發展起來，故而開始搭載於行動電話等之中，並且終於開始認真地探討其在電視中之應用。
如上所述，LED技術之進步日新月異，為了製作低成本、高效率、低耗電、大面積、高可靠性之LED，業界正在進行研究開發。
作為LED之發光材料，一直係使用半導體，而最常用作半導體之材料係矽。存在於地球上之地表附近之元素之比例係作為克拉克數(Clarke number)而廣為人知，矽之克拉克數為25.8%，係繼氧之49.5%之後、地球表面上第二蘊藏豐富之元素。製造成本必然便宜，且高純化技術亦得到確立，因此眾所周知，一直使用矽來作為支持LSI(Large Scale Integration，大規模積體電路)等電子器件之基板材料。矽作為半導體材料具有各種優異之性質，但亦存在難以高效發光之亦可稱為唯一之缺點。其原因在於，當矽為塊狀(bulk)狀態時為間接過渡型半導體。若可將矽用作發光材料，則可大量製造更便宜、更可靠之發光元件，因此毋庸置言，其產業意義甚大。
因此，已進行有大量之使矽發光之研究開發。其中尤其大量進行的是非專利文獻2中L. T. Canham所提倡之藉由量子封閉效應來提高發光效率之研究。所謂量子封閉效應，係指電子狀態根據多孔矽或奈米結晶矽等之低維構造而改變之效應，藉由量子封閉效應，於塊狀狀態下不會發光之矽在低維奈米構造中會變得發光。事實上，已揭示有大量之藉由光致發光而高效率發光之技術。例如，於非專利文獻3中，於非晶質矽與二氧化矽之積層構造中已觀測到高效率之光致發光。
然而，若設為低維奈米構造，則存在難以注入電流之問題。其產生原因在於，矽之表面非常容易氧化，故當被氧化時，會變為稱作二氧化矽之帶隙較大之絕緣體。亦即，若欲使塊狀時不會發光之矽以高效率發光，則必需設為低維奈米構造，雖然越是設為更低維之微細構造，發光效率越升高，但是因此絕緣膜越容易覆蓋矽奈米構造之周圍，因而導致電流無法流動。此為根本之問題，因此曾一直認為解決該兩難困境非常困難。先前之裝置中，例如，係於極薄矽薄膜與二氧化矽之積層構造中，使電流垂直流動，因此只有藉由使作為絕緣體之二氧化矽穿隧才能注入載子。於上下形成p型及n型之電極，於使用化合物半導體或有機半導體之LED中亦為共同之構造，使用如此構造之矽LED之效率極差。
然而，我等之研究組提出了若使用不斷發展之矽之微細加工技術則可容易地解決上述根本之兩難困境之裝置構造。其係專利文獻1(日本專利特開2007-294628號公報)中所揭示之水平電流注入型之極薄單晶矽發光元件。該元件係於SOI(Silicon-On-Insulator，絕緣體上矽)基板上，藉由氧化步驟而使將(100)面設為表面結晶構造之單晶矽局部地變薄，藉此來製作二維奈米構造。具有量子封閉效應之二維單晶矽薄膜，由於未經由二氧化矽絕緣膜而與高濃度摻雜之厚矽電極連接，故係直接連接，因此能夠高效率地注入電流。其結果為，成功地實現了將矽作為發光材料之高效率之發光元件。矽元件原本為二維平面(planar)構造，適於製作成平面狀。因此，藉由引入在LED中設為使通常之垂直型構造旋轉90度之平面構造之構思，可以思考出更適合矽LED之裝置構造。
[專利文獻1]日本專利特開2007-294628號公報
[非專利文獻1]C. W. Tang與S. A. VanSlyke，應用物理通訊(Applied Physics Letters)，1987年，51卷，pp. 913-915。
[非專利文獻2]L. T. Canham，應用物理通訊(Applied Physics Letters)，1990年，57卷，pp. 1046~1048
[非專利文獻3]D. J. Lockwood，Z. H. Lu與J. M. Baribeau，應用物理通訊(Applied Physics Letters)，1996年，76卷，pp. 539~541
如上所述，專利文獻1所揭示之極薄單晶矽發光二極體具有係可直接注入電流之矽發光元件這一優異之特徵。但是，由於將單晶矽作為發光層，故而存在必需使用昂貴之SOI基板作為基板從而導致製造成本增高之問題。
並且，對於顯示器等大畫面之顯示元件而言，不僅成本增高，而且就技術方面而言，目前市場上尚無300mm以上之SOI基板出售，因此存在無法應用於大畫面顯示器或電視機等之大型基板之問題。此外，為了使矽發出可見光，必需以形成數nm以下之奈米構造之原子層級進行控制。因此，存在難以均勻地以高良率來製作使多個LED積體化之顯示器即主動矩陣(active matrix)型顯示器之問題。
特別是當矽奈米構造之侷限方向之大小發生0.5nm偏離時，發光波長會產生變化，因此出現例如應顯示為藍色之地方顯示為綠色等之問題。故此，存在如下之課題，即，必需設計出即使於因設計而產生微細變化之情形時亦不會成為不合格品之更穩固之裝置。
又，使用矽以外之材料、例如化合物半導體來製作LED時，存在即使能夠顯示白色成本亦會增高之問題。因此’存在期望使用矽材料來實現能夠代換如螢光燈般廉價之照明器具之低成本白色LED之課題。
並且，專利文獻1所揭示之極薄單晶矽發光二極體為線發光元件，因此存在如下之問題：當pn(positive-negative，正-負)接合或pin(positive-intrinsic-negative，正-本-負)接合為直線形狀時，僅於像素之直線狀接合部會產生發光，從而無法增大像素整個面之亮度。因此，存在期望在發光二極體之更廣區域產生發光以使整個像素變亮之課題。
又，如有機EL般被認為是下一代平板顯示器之有力候補之自發光之LED中，存在著當有機物通電時容易損壞而可靠性較低之問題。因此，存在期望使用作為LSI或TFT(Thin-Film-Transistor，薄膜電晶體)具有豊富之實用化實績之矽來實現可靠性較高之發光LED之課題。
此外，於先前之有機EL等之發光元件中，必需反映縱向構造為pn接合而使用透明電極來作為使光射出之部分之電極。然而，通常用作透明電極之ITO(indium-Tin-Oxide，氧化銦錫)中所使用之銦為稀有金屬，不僅成本高，而且可能出現資源枯竭，再者，銦有存在給健康帶來危害影響之隱患等、可能增加環境負荷之虞。因此，存在期望不導入ITO等之透明電極且不使用稀有金屬而使用環境負荷較小之材料來開發發光元件之課題。
本發明係鑒於上述先前之課題而完成者，其目的在於全部解決上述課題。亦即，在於提供一種如下之發光元件及其製造方法：藉由可使用通常之矽製程容易形成之低成本製作方法，而在矽或玻璃等之基板上以非晶質或多晶之矽薄膜為發光層。又，本發明之另一目的在於提供一種以矽為發光層之可見發光顯示器及其製造方法。又，本發明之另一目的在於提供一種以用以照亮整個像素之矽為發光層之發光元件及其製造方法。又，本發明之另一目的在於提供一種能夠顯示可用於照明或顯示之白色或任意顏色之發光元件及其製造方法。
又，本發明之另一目的在於提供一種即使於製造步驟中膜厚等設計參數自設計值變動時，發光波長亦不會自設計值大幅變動之穩固之發光元件及其製造方法。又，本發明之另一目的在於提供一種不使用透明電極或稀有金屬而以環境負荷較小且於地球上蘊藏豊富之矽與氧作為主材料之發光元件及其製造方法。
簡單說明本發明中所揭示之發明中具有代表性者之概要如下。
本發明之發光元件之特徵在於：包含注入電子之第1電極部、注入電洞之第2電極部及與第1電極部以及第2電極部電性連接之發光部，使發光部為包含單層或複數層之非晶質或多晶之矽，且使該矽之至少一方向之大小為數nm。
使用非晶質或多晶之矽作為發光層相較於使用以(100)為表面構造之單晶矽，至載子再結合為止之壽命變長，但對於不製作直接調變雷射等之超高速裝置，而以顯示等顯示器用途為主要目的之LED應用則不成問題。
簡單說明本申請案中所揭示之發明中由具有代表性者所獲得之效果如下。
根據本發明，能夠低價提供一種可於矽等之基板上使用通常之矽製程容易形成之自發光之矽發光顯示器。特別是因使用非晶質或多晶之矽作為發光層，而無需使用昂貴之SOI基板，因此可大幅降低成本。
以下，根據圖式來詳細說明本發明之實施例。再者，於用以說明實施例之所有圖式中，對於具有相同功能之構件使用相同之符號，並且省略對其重複說明。又，由於係以易於理解之方式而製作圖式，故對主要部分進行了強調等，但未必需要準確地按照縮尺。又，毋庸置言，除了本實施例中所介紹之方法以外，亦可進行改變材料或製造步驟之組合等之多種變更。
於本實施例中，揭示藉由可使用通常之矽製程而容易地形成之方法來製成之矽發光顯示器及其製造方法。根據本發明之矽發光二極體，簡稱作SiLED且命名為矽LED。
圖1表示根據本發明之矽發光顯示器之基本電路圖。於成為重要之發光部之SiLED中準備有三種LED以顯示紅、綠、藍之三原色，該三種LED分別記作(R)、(G)、(B)。將該等三個子像素合起來構成一個像素，並將多個像素加以積體化作為整體而構成顯示器。當然，於無需進行全彩顯示之情形時，亦可製作紅、綠、藍中之任一色、或者將該等中之任意色組合而成之顯示器。並且，當僅欲實現開關等點亮、閃爍、熄滅之情形時，顯然僅使用一個SiLED即可。
圖1之電路為主動矩陣型，於各子像素中裝有兩個電晶體，即，用以選擇像素之選擇電晶體(Trselect)以及用以驅動SiLED之驅動電晶體(Trdrive)，於選擇電晶體(Trselect)中，藉由相對於保持電容器(Cstrage)而輸入輸出電荷來切換驅動電晶體(Trdrive)中之閘極電壓之接通與斷開。於圖1之電路中，將供給電源之資料線Vsupply與供給亮度資料之資料線Vdata縱向配置，且將用以驅動選擇電晶體(Trselect)之閘極線Vselect與連接著SiLED之一個電極之地線Vground橫向配置。當然，配線之縱橫配置並不限定於此。本實施例中，以驅動橫向×縱向為1920×1080個像素之方式而布置配線，來實現全高畫質(full high vision)顯示器。
首先，準備矽基板1，利用公知之電晶體製造方法來製作選擇電晶體(Trselect)、驅動電晶體(Trdrive)、保持電容器(Cstrage)。於本實施例中，製作使用單晶之矽基板作為基板且以單晶矽作為通道之高性能電晶體，但亦可將使用玻璃基板且以非晶質矽或多晶矽作為通道之TFT設為選擇電晶體或驅動電晶體。又，亦可將氧化物半導體等之材料用於電晶體中。當使用玻璃基板作為基板，且使用透明氧化物半導體作為電晶體之情形時，成為發光部之SiLED亦可使厚度變薄而達到透明，因此可使顯示器幾乎完全透明。
透明顯示器可期待應用於新的用途，例如用作安裝於汽車之擋風玻璃上之顯示器、或者將窗玻璃本身用作顯示器等。將單晶矽或多晶矽用作基板之優點在於，可於製作顯示面板之同時製作用於驅動顯示器之驅動器等之大規模集積電路(LSI)。本實施例中，選擇電晶體(Trselect)與驅動電晶體(Trdrive)均是利用可高速運行之n型通道電晶體來製作的，但亦可利用p型通道電晶體。本實施例中使用之選擇電晶體(Trselect)、驅動電晶體(Trdrive)所使用之通道長小達0.1μm，因此具有高性能，為了降低成本，亦可使用通道長更大之電晶體。事實上，於本實施例中，係使驅動器電路(未圖示)集積於顯示器之周邊。當使用利用玻璃基板且包含非晶質矽之TFT時，具有可降低成本之優點。
於本發明之SiLED以及使用SiLED之顯示器中，藉由活用該等公知之電晶體技術而可實現低耗電之主動矩陣顯示器，但是即使不使用電晶體，由於SiLED本身亦是二極體，因此亦可藉由縱橫配置之陣列來選擇像素，從而亦可實現被動矩陣顯示器。
其次，揭示SiLED之製造步驟。圖2至圖9係表示根據本實施例之SiLED之製造步驟順序之剖面模式圖。
如圖2所示，使二氧化矽2、多晶矽3、二氧化矽4沈積於矽基板1上。此處，雖於圖2中未圖示，但選擇電晶體(Trselect)、驅動電晶體(Trdrive)、保持電容器(Cstrage)分別於矽基板1上形成於較多晶矽3更下方之位置，藉此可增大像素中之發光部分之面積。當利用多晶矽3來形成選擇電晶體或驅動電晶體等、與SiLED同層而形成之情形時，雖然存在使發光部分之面積縮小之缺點，但亦具有使製造製程數減少等之可降低製造成本之優點。亦可使用非晶質矽來代替多晶矽3。當使用非晶質矽時，雖與使用多晶矽時相比，遷移率更低因而使電阻增大，但亦具有可降低製程溫度等之優點。
其次，如圖3所示，於使用現有之光微影技術而形成光阻圖案之後進行離子注入，然後去除光阻劑而實施活化退火處理，藉此僅於所期望之區域形成摻有雜質之p型Si電極5及n型Si電極6。
其次，藉由使用HF之洗浄步驟而去除二氧化矽4之後，使用現有之光微影技術而形成光阻圖案，其後對多晶矽3實施乾式蝕刻，藉此對p型Si電極5與n型Si電極6進行加工，而形成為圖4所示之狀態。
其次，利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法，使極薄非晶質矽7沈積於整個面，而形成為圖5之狀態。關於用以使極薄非晶質矽沈積之方法，除CVD法以外，已知的亦有濺鍍法等許多其它方法，但當存在微細凹凸之情形時，理想的是膜不會斷開而進行沈積之CVD法。亦可使用多晶矽來代替非晶質矽。為了確定SiLED之發光波長，必需對極薄非晶質矽7加以精密控制。為了作為發光波長分別顯示紅色、綠色、藍色，理想的是將極薄非晶質矽7之膜厚分別設定為2.0±0.5nm、1.5±0.5nm、1.0±0.5nm左右。當然，發光波長除依賴於膜厚以外，亦若干依賴於膜之微細結晶構造或氫氣濃度等之原子組成、膜之凹凸等，因此用以根據該等而射出所期望之波長之膜厚亦有時會偏離數nm左右。並且，亦可將極薄非晶質矽7形成為一維形狀之奈米線而不形成為二維狀之薄膜。於本實施例中，首先，為了製作發出紅色光之SiLED，而使膜厚2.0nm之極薄非晶質矽7沈積。
繼而，為了保護表面，利用CVD法形成厚度為10nm之二氧化矽8，而形成為圖6之狀態。二氧化矽8之形成亦可不如本實施例般使用CVD法，而藉由如下方式來進行，即，自圖4之狀態變為圖5之狀態時，使極薄非晶質矽7沈積至厚於2.0nm，然後，藉由熱氧化步驟而使極薄非晶質矽7氧化，直至達到2.0nm為止，藉此來形成二氧化矽8。又，亦可不形成二氧化矽8而使用氮化矽。當使用氮化矽之情形時，由於氮化矽中所含之大量之氫氣，故而亦具有改善長期可靠性之效果。
其次，藉由使用現有之光微影技術而形成光阻圖案來保護發出紅色光之SiLED，其後，實施利用濕式蝕刻之洗浄處理，藉此去除形成於發出綠色或藍色光之像素部分之極薄非晶質矽(未圖示)。於此狀態下，發出綠色或藍色光之像素部分之構造與圖4所示之狀態相同。繼而，為了形成發出綠色光之SiLED，利用CVD法而形成1.5nm之極薄非晶質矽7，使發出綠色光之像素部分形成為圖5之狀態。繼而，為了保護發出綠色光之像素部分之表面，利用CVD法形成厚度為10nm之二氧化矽8，而形成為圖6之狀態。
此處，發出綠色光之厚度為1.5nm之極薄非晶質矽亦沈積於發出紅色光之像素部分(未圖示)。該發出綠色光之厚度為1.5nm之極薄非晶質矽並未與發出紅色光之像素部分之電極連接，因此並不會幫助電流注入發光，為了提高光之色純度，理想的是加以去除。因此，藉由使用現有之光微影技術而形成光阻圖案來保護發出綠色光之SiLED之後，實施利用濕式蝕刻之洗浄處理，藉此去除形成於發出紅色或藍色光之像素部分之發出綠色光之厚度為1.5nm之極薄非晶質矽(未圖示)。
藉由對藍色像素部分亦實施同樣之步驟，而於藍色發光像素部分形成厚度1.0nm之極薄非晶質矽以及保護其表面之二氧化矽，然後，去除沈積於紅色與綠色之像素部分之厚度1.0nm之極薄非晶質矽(未圖示)。圖10或圖11係表示SiLED之情況之俯視圖。此處，為了易於理解，並未圖示二氧化矽8。通常之布局具有如圖10所示之像素構造。但是，此時，僅於中央會產生線狀發光，因此不會充分使得整個像素變亮。因此，於本實施例中，如圖11所示，將p型Si電極5與n型Si電極6分別加工成串狀。藉由如此之方式，可擴大實際有效之寬度，從而成功地於發光時使整個像素變亮。
其次，使用現有之光微影技術而形成光阻圖案，並且使用HF而進行濕式蝕刻，藉此如圖7所示，於電極之一部分設置開口部9。此處，於像素與像素之間之間隙處，藉由上述之洗浄處理而去除多餘之極薄非晶質矽，形成極薄非晶質矽去除部10。
其次，使TiN以及Al沈積於整個面上之後，使用光微影技術而形成光阻圖案，藉此使光阻劑僅殘留於所期望之區域，然後使用含有磷酸、醋酸及硝酸之蝕刻溶液對Al進行濕式蝕刻，其後，使用含有氨及過氧化氫之蝕刻溶液對TiN進行濕式蝕刻。其結果為，使TiN電極11以及Al電極12形成圖案而加工成圖8之狀態。
繼而，對配線層間進行蒸鍍後，實施所期望之配線步驟，藉此構成圖1之電路，將各配線與驅動器電路連接。
其次，使抗反射膜13沈積於整個面，以能夠使外部光不反射而顯示黑色。抗反射膜13包含單層或複數層之介電質，且以使可見之外部光不反射而易於透過之方式來設計膜厚。透過抗反射膜13之外部光被矽基板1所吸收。再者，於SiLED正下方存在著選擇電晶體、驅動電晶體，若外部光入射至該等電晶體時，因外部光而產生之光電流會流動，故而欠佳。於此情形時，理想的是於該等電晶體之上部預先配置用以吸收外部光之多晶矽等。反之，藉由在像素之下方之一部分預先形成光二極體，可針對每個子像素觀察來自SiLED之發光，並可將其結果反饋至像素控制電路，因此即使成為發光層之極薄非晶質矽之膜厚局部地存在原子級之不均時，亦可進行修正以獲得所期望之發光強度。並且，即使形成上述抗反射膜13，外部光亦會藉由金屬而於Al電極12或配線之上部產生反射，因此於該等之上部，形成有呈黑色矩陣之黑色顯示部14。作為黑色顯示部14之材料，可使用鉻與氧化鉻之積層或者樹脂，並可使用現有之光微影技術而容易地進行加工。
其後，於400℃之溫度下實施氫退火處理，對製程中所產生之缺陷進行氫終結之處理，藉此完成顯示器之製作。
所試製之顯示器可顯示所有色彩，由於是自發光，因此亮度亦可針對每個像素來進行控制。並且，由於每個像素均附有發光開關，因此消耗較小。又，由於使用已確保可靠性之矽作為發光材料，故而亦可確認將確保10年以上之壽命。並且，由於能夠以1μs以下之速度對發光進行切換，因此響應速度極快，顯然適用於顯示體育等之動態圖像。本實施例中所揭示之矽顯示器，可不進行特別之投資而於現有之矽LSI製程線或液晶用TFT生產線上進行製作。因此，可不進行設備投資，而以先前之液晶步驟之1/3左右之步驟數來製作自發光之矽顯示器。
於本實施例中，揭示藉由將發出白色光之SiLED與彩色濾光片組合起來而實現全彩顯示器之實施例。
如圖12所示，使二氧化矽2、氮化矽19沈積於矽基板1上。作為基板，亦可不使用矽基板而使用玻璃基板。與實施例1同樣地，於矽基板1上，預先集積著圖1之電路圖中所示之像素控制用電晶體、驅動用驅動電路。繼而，利用CVD(Chemical Vapor Deposition)法，而使二氧化矽8與極薄非晶質矽7交替積層。
此處，二氧化矽8之膜厚固定減少至10nm，極薄非晶質矽7則設為0.5nm、1.0nm、1.5nm、2.0nm、2.5nm此五種不同之膜厚。其中，主要幫助發出可見光的係具有1.0nm、1.5nm、2.0nm之膜厚之極薄非晶質矽，分別發出藍色、綠色、紅色之光。藉由插入具有0.5nm與2.5nm之膜厚之極薄非晶質矽，而實施針對製程中可能產生之膜厚不均之穩固設計。亦即，即使膜厚自±0.5nm設計產生偏差之情形時，亦以可發出作為目標之藍色、綠色、紅色之光之方式來進行設計。其結果為，成功地飛躍性地提高了元件之良率。
並且，同時使用具有複數種膜厚之極薄非晶質矽之優點此外亦存在許多。例如，人眼對綠色之靈敏度較其他顏色更強。考慮到此，藉由將極薄非晶質矽7之膜厚設為例如1.0nm、1.0nm、1.5nm、2.0nm、2.0nm此五層，亦可獲得更自然之白色光。又，即便一概稱為白色，但各人之喜好不同，因此可配合各人之喜好，來表現增強了紅色或藍色等之各種白色。將極薄非晶質矽與二氧化矽加以交替之積層對之數量並不限於5層，10層或100層均可。如上所述可自由地對白色光進行控制，因此，本發明之白色SiLED顯然可用於照明。並且，不僅可表現白色，而且僅對複數層極薄非晶質矽之膜厚進行控制，便亦可表現粉色或橙色等微妙之柔和色。
其次，使用現有之光微影技術而形成光阻圖案，並且進行乾式蝕刻，藉此對二氧化矽8與極薄非晶質矽7進行加工之後，藉由光阻灰化(asher)以及洗浄步驟而去除光阻劑。於該乾式蝕刻中，將氮化矽19作為蝕刻之緩衝層。繼而，藉由在含有氟酸之溶液中實施洗浄處理，而使二氧化矽8之側面稍微後退，使得極薄非晶質矽7之側面露出，而加工成圖13所示之狀態。
其次，利用CVD法將多晶矽3沈積於整個面，而形成為圖14之狀態。
其次，利用CVD法將二氧化矽沈積於整個面上之後(未圖示)，使用現有之光微影技術而形成光阻圖案，並且實施離子注入處理，其後，重複進行去除光阻劑之步驟。繼而，於氮氣環境中實施退火處理，藉此使所注入之雜質活化，然後於含有HF之溶液中實施洗浄處理，藉此去除二氧化矽，形成p型Si電極5與n型Si電極6，而形成為圖15之狀態。
其次，使用現有之光微影技術而形成光阻圖案，並且進行乾式蝕刻，藉此對多晶矽3進行加工後，藉由光阻灰化以及洗浄步驟而去除光阻劑，藉此形成為圖16之狀態。於該乾式蝕刻中，將最上部之二氧化矽8用作蝕刻緩衝層。
繼而，利用與實施例1同樣之製造方法，藉由層間膜之沈積、開口、TiN或Al之加工等之配線步驟，而形成所期望之電路，然後使抗反射膜沈積，以製作呈黑色矩陣之黑色顯示部。其後，於400℃之溫度下實施氫氣退火處理，對製程中所產生之缺陷進行氫終結之處理。繼而，利用公知之製法，將彩色濾光片配置於所期望之像素上而完成顯示器之製作。
所製作之顯示器可顯示所有色彩。根據本實施例之顯示器，係將白色SiLED與彩色濾光片組合起來，故而會因濾光片而去除白色光中所含之一部分光。因此，與實施例1中所揭示之直接發出紅色、綠色、藍色光之顯示器相比耗電更大，但是耗電之增大至多為3倍左右，SiLED之耗電原本較低，因此仍處於容許之範圍內。根據本實施例之顯示器由於提高了對原子層級之膜厚不均之耐性，故而最終之顯示器之良率亦得到提高。
又，根據本實施例，實現了使用矽製程之低成本大面積之白色LED，因此顯然亦可用作液晶顯示器之背光源等。此時，可使整個面板模組大幅變薄且變輕。與現有之液晶技術之組合，提高了對電視機等之大畫面之適應性。當大畫面中亦可均勻地形成極薄非晶質矽時，不特意使用液晶而設為自發光顯示器，顯然自耗電或成本之方面而言亦佳。並且，由於實現了低成本之白色LED，故而亦可應用於照明。當應用於照明時，不一定需要抗反射膜或黑色顯示部。又，於照明應用之情形時，除了不必顯示黑色之外，亦期望發光強度強，因此理想的是，藉由在白色SiLED之下部配置Al等之金屬，而使向下側放射之光朝向上側反射。
於本實施例中，揭示藉由將包含奈米結晶矽以及極薄非晶質矽之矽薄膜作為發光層來提高發光效率之顯示器及其製造方法。
首先，利用與實施例1同樣之方法，對p型Si電極5與n型電極6進行加工，而形成為圖4所示之狀態。
其次，如圖17所示，利用CVD法，使奈米結晶矽20堆積於整個面。奈米結晶矽20之大小為5nm以下，且存在數nm左右之大小之不均。奈米結晶矽之密度雖然越大越好，但若是過大，則奈米結晶矽彼此將連接在一起，故而理想的是適度之密度。於本實施例中，以達到3×1012
cm-2
左右之方式來排列奈米結晶矽。理想的是，配合設計發光波長來控制奈米結晶矽之大小。
其次，如圖17所示，利用CVD法，使極薄非晶質矽7沈積於整個面，而形成為圖18之狀態。此處，極薄非晶質矽7之膜厚設為0.7nm。極薄非晶質矽之作用在於，自電極向奈米結晶矽供給載子，但是若極薄非晶質矽之膜厚較大，則載子將難以向奈米結晶矽移動，故而理想的是極薄非晶質矽之膜厚較薄。更具體而言，理想的是，於極薄非晶質矽中因量子封閉效應而增大之帶隙之值大於奈米結晶矽中之帶隙之值。此情況只要調查因光致發光而產生之發光波長，即可容易地確認。其原因在於，因光致發光而產生之發光波長之峰值表示帶隙。事實上，極薄非晶質矽7之膜厚為0.7nm之發光波長峰值約為416nm，而與此相對，奈米結晶矽之波長峰值約為450nm。其結果為，實現了載子自極薄非晶質矽順利地移動至奈米結晶矽。
其後，將二氧化矽作為鈍化層間膜，經由與實施例1或實施例2同樣之配線步驟而完成顯示器之製作。再者，於根據本實施例之SiLED中，為了僅發出藍色光，並非如實施例2中使用彩色濾光片，而是於紅色與綠色之像素部分配置分別發出所期望之顏色之螢光體。毋庸置言，於藍色像素部中亦無需彩色濾光片及螢光體。
本實施例之全彩顯示器係使用奈米結晶矽，故而由電向光之轉換效率高而耗電低。並且，亦可簡化製程之步驟數，故而製造成本亦可控制得較低。
於本實施例中，揭示藉由在SiLED中形成閘極電極來使得無需驅動電晶體之包含矽發光電晶體之顯示器及其製造方法。
本實施例中，採用使用玻璃基板21作為基板之頂部閘極構造。亦即，閘極電極形成於通道之上部，且發光係自基板側輸出。亦可使用矽基板作為基板，此時，只要設為底部閘極構造而使光自基板之上部射出即可。
首先，利用與實施例1同樣之方法，而形成包含多晶矽之選擇電晶體、保持電容器等之後，形成顯示紅色、綠色、藍色之各子像素之SiLED，從而加工成圖6之狀態。驅動電晶體之功能由於在發光二極體中具備，故而無需另外準備。
其次，利用CVD法，使摻有高濃度之雜質之多晶矽沈積於整個面上之後，利用公知之光微影及乾式蝕刻技術，使多晶矽閘極電極22形成圖案。作為雜質，既可為n型亦可為p型，於本實施例中，藉由摻雜磷而形成為n型。如此，於SiLED上形成閘極電極，藉此使SiLED具備驅動電晶體之功能。換言之，製成了可利用閘極來對發光強度進行調變之矽發光電晶體。
其後，經由與實施例1同樣之配線步驟等，而完成顯示器之製作。再者，於本實施例中，由於使光輸出至與玻璃基板之裝置形成面相對之側，故而必需對該玻璃基板之下側實施抗反射處理。並且，藉由閘極電極，使向上側發出之光亦向下側反射，故而可提高光之射出效率，另一方面，必需設法進行來自玻璃基板之下側之外部光之抗反射處理。其可藉由公知之方法來處理。亦即，只要在成為光之射出側的玻璃基板之下側設置1/4波長板與圓偏光板即可。藉此，可完全消除外部光。另一方面，來自矽發光電晶體之發光亦會減去一半，但其效果可藉由利用閘極電極而增大之光之射出效率之增大來抵補。
本實施例之矽顯示器之試製結果為，可以去除驅動電晶體，因此可以擴大像素中之發光元件之面積。
1．．．矽基板
2．．．二氧化矽
3．．．多晶矽
4．．．二氧化矽
5．．．p型Si電極
6．．．n型Si電極
7．．．極薄非晶質矽
8．．．二氧化矽
9．．．開口部
10．．．極薄非晶質矽去除部
11．．．TiN電極
12．．．Al電極
13．．．抗反射膜
14．．．黑色顯示部
15．．．二氧化矽
16．．．開口部
17．．．TiN電極
18．．．Al電極
19．．．氮化矽
20．．．奈米結晶矽
21．．．玻璃基板
22．．．多晶矽閘極電極
圖1係利用本發明之第1實施例之矽發光二極體之顯示器之電路圖。
圖2係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖3係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖4係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖5係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖6係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖7係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖8係表示本發明之第1實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖9係本發明之第1實施例之矽發光二極體之完成剖面圖。
圖10係表示本發明之第1實施例之矽雷射之製造步驟順序之俯視圖。
圖11係表示本發明之第1實施例之矽雷射之製造步驟順序之俯視圖。
圖12係表示本發明之第2實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖13係表示本發明之第2實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖14係表示本發明之第2實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖15係表示本發明之第2實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖16係本發明之第2實施例之矽發光二極體之完成剖面圖。
圖17係表示本發明之第3實施例之矽發光二極體之製造步驟順序之剖面圖。
圖18係本發明之第3實施例之矽發光二極體之完成剖面圖。
圖19係本發明之第4實施例之矽發光電晶體之完成剖面圖。
1．．．矽基板
2．．．二氧化矽
5．．．p型Si電極
6．．．n型Si電極
7．．．極薄非晶質矽
8．．．二氧化矽
19．．．氮化矽
Claims (10)
- 一種半導體裝置，其特徵在於包含：基板；第1絕緣膜，其係設於上述基板上；p型及n型矽電極，其等係設於上述第1絕緣膜之上；發光部，其係設於上述p型矽電極與上述n型矽電極之間的上述第1絕緣膜之上、且包含具有5 nm以下膜厚之非晶質或多晶構造之矽膜；及第2絕緣膜，其係設於上述p型矽電極與上述n型矽電極之間的上述發光部之上；上述p型矽電極、上述發光部及上述n型矽電極係電性連接。
- 一種半導體裝置，其特徵在於包含：第1矽膜，其係設於基板上且具有第1膜厚；第2矽膜，其係經由絕緣膜而設於上述第1矽膜上且具有第2膜厚；第3矽膜，其係經由絕緣膜而設於上述第2矽膜上且具有第3膜厚；p型矽電極，其係與上述第1至第3矽膜各自之一端電性連接；及n型矽電極，其係與上述第1至第3矽膜各自之另一端電性連接；至少包含下述元件而構成一個像素：第1元件，其係包含上述第1矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極 而成；第2元件，其係包含上述第2矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成；及第3元件，其係包含上述第3矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成，上述第1至第3膜厚各不相同。
- 如請求項2之半導體裝置，其中上述第1至第3矽膜均為非晶質或多晶構造。
- 如請求項3之半導體裝置，其中上述第1至第3矽膜係任一之膜厚產生紅色發光且為1.5 nm以上2.5 nm以下，任一之膜厚產生綠色發光且為1.0 nm以上2.0 nm以下，任一之膜厚產生藍色發光且為0.5 nm以上1.5 nm以下。
- 如請求項3之半導體裝置，其中上述p型矽電極或上述n型矽電極與場效電晶體連接。
- 如請求項2之半導體裝置，其中包含：檢測自上述第1至第3矽膜所發出之光之元件；及控制元件，其係在上述光之波長自特定值偏離時，調整施加至上述第1至第3元件之電壓。
- 一種半導體裝置，其特徵在於包含：矽膜，其係設於基板上；p型矽電極與n型矽電極，其以夾著上述矽膜之方式對峙地設於上述基板上；及電極，其係經由絕緣膜而配置於上述矽膜上；上述矽膜係具有5 nm以下膜厚之非晶質或多晶構造之矽膜。
- 一種半導體裝置，其特徵在於包含： 第1矽膜，其係設於基板上且具有第1膜厚；第2矽膜，其係經由絕緣膜而設於上述第1矽膜上且具有第2膜厚；第3矽膜，其係經由絕緣膜而設於上述第2矽膜上且具有第3膜厚；p型矽電極，其係與上述第1至第3矽膜各自之一端電性連接；及n型矽電極，其係與上述第1至第3矽膜各自之另一端電性連接；至少設有一個第4矽膜，其係設於上述基板與上述第1矽膜之間，或經由絕緣膜而設於上述第3矽膜上，且具有第4膜厚，於上述第4矽膜之一端連接上述p型矽電極，於上述第4矽膜之另一端連接上述n型矽電極；包含：第1元件，其係包含上述第1矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成；第2元件，其係包含上述第2矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成；第3元件，其係包含上述第3矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成；及第4元件，其係包含上述第4矽膜以及上述p型矽電極及上述n型矽電極而成；包含上述第1至第4元件中之任三個元件而構成一個像素；上述第1至第4膜厚各不相同。
- 如請求項8之半導體裝置，其中上述第1至第4矽膜均為非晶質或多晶構造。
- 如請求項9之半導體裝置，其中上述第1至第4矽膜係任一之膜厚產生紅色發光且為1.5 nm以上2.5 nm以下，任一之膜厚產生綠色發光且為1.0 nm以上2.0 nm以下，任一之膜厚產生藍色發光且為0.5 nm以上1.5 nm以下。
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