一種mos管控制發光二極體的器件、陣列及其製造方法
2023-06-04 07:00:11 1
專利名稱：一種mos管控制發光二極體的器件、陣列及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件及其製造方法，特別涉及一種MOS管控制發光二極體的半導體器件、陣列及其製造方法，屬於半導體器件領域。
背景技術：
投影機是一種用來放大顯示圖像的投影裝置。目前已經應用於會議室演示以及在家庭中通過連接DVD影碟機等設備在大屏幕上觀看電影。在電影院，也同樣已開始取代老電影膠片的數碼影院放映機，被用作面向硬碟數字數據的銀幕。按照工作原理的不同，投影機可以分為CRT、IXD、DLP三大類，其中CRT投影機已經瀕臨淘汰，佔絕對主流地位的是IXD 投影機，也就是大家常說的液晶投影機，DLP投影機也佔有一定份額。IXD投影機是被動發光從而成像的，其核心部件為IXD液晶面板。主流的IXD投影機採用3片LCD液晶面板，其成像原理及成像過程參見圖la。首先，燈泡發射的白色光通過濾光片，濾掉對LCD鏡片有損害作用的紅外線和紫外線等不可見光，並透過反射鏡和聚光鏡將過濾後的光線送至雙色鏡。接著，紅光首先被分離出來，並經反射鏡和聚光鏡後被投射到紅色液晶面板上，液晶板〃記錄〃下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅光信息。同樣，綠光和藍光也先後被分離出來，然後分別經反射鏡和聚光鏡後被投射到各自的液晶面板上，並形成了綠光信息和藍光信息。最後，紅、綠、藍三種顏色的光在合光稜鏡中會聚，並由投影鏡頭投射到屏幕上形成一幅全彩色圖像。DLP投影機的技術是一種全數字反射式的投影技術，其核心部件為 DMD(Digital-Micromirror-Device)晶片。DLP投影機的成像原理及成像過程參見圖lb。 首先，燈泡發射的白光通過一高速旋轉的三色透鏡(色輪)，通過色輪完成對紅光、綠光、藍光三種光線的的分離和處理，然後將處理好的三種光線投射到到DMD設備上，經由成千上萬個微透鏡組成的晶片高速切換光像素來產生投影圖像，最後將紅、綠、藍三種光線的投影圖像通過光學透鏡投射在屏幕上形成圖像投影。由於微鏡的晃動及色輪的旋轉速度較快， 給人的視覺器官造成錯覺，人的肉眼錯將紅、綠、藍三種快速閃動的有色光混在一起，於是在投影的圖像上看到混合後的色彩。IXD投影機和DLP投影機都是使用同一光源，然後通過IXD對光源進行濾光或者通過微鏡對光源進行反射角調節，從而形成圖像，而沒有使用集成的光源和集成的調製器件。目前，使用分開的光源和光調節裝置的投影機設備體積較大，功耗也較大，不利於便攜使用。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提出一種新型的半導體器件與晶片，採用該半導體器件與晶片製造的投影機在使用集成的光源和光調節裝置的同時，還具有積較小、功耗低、 利於便攜使用等優點。為達到本發明的上述目的，本發明提出了兩種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件。第一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件包括至少一個半導體襯底，以及在所述半導體襯底上形成的一個MOS電晶體和一個發光二極體(LED)，其特徵在於所述LED包括至少一個發光層、位於所述發光層之上的ρ型區域、位於所述發光層之下的η型區域；所述MOS電晶體包括至少一個源區、一個漏區、一個襯底區和一個柵區；所述MOS電晶體的襯底區與所述的LED發光層之上的ρ型區域為同一層，但通過隔離結構與所述的LED的ρ型區域相隔離；所述MOS電晶體的ρ型襯底區之下為發光層，該發光層與所述的LED的發光層相同，但通過隔離結構與所述的LED的發光層相隔離；所述的MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED的ρ型區域通過金屬連接。進一步地，由多個第一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件可以組成一個半導體器件陣列，其中，所述MOS電晶體的漏極(或源極)與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所述MOS電晶體的柵極與陣列中的多條字線中的任意一條相連接，所述LED的負極與陣列中的多條地線中的任意一條相連接。第二種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件包括至少一個半導體襯底，以及在所述半導體襯底上形成的一個MOS電晶體和一個發光二極體(LED)，其特徵在於所述LED包括至少一個發光層、位於所述發光層之上的ρ型區域、位於所述發光層之下的η型區域；所述MOS電晶體包括至少一個源區、一個漏區、一個襯底區和一個柵區；所述MOS電晶體的襯底區與所述的LED發光層之上的ρ型區域為同一層，但通過隔離結構與所述的LED的ρ型區域相隔離；所述MOS電晶體的ρ型襯底區之下為發光層，該發光層與所述的LED的發光層相同，但通過隔離結構與所述的LED的發光層相隔離；所述的MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED的η型區域通過金屬連接。進一步地，由多個第二種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件也可以組成一個半導體器件陣列，其中，所述LED的正極與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所述 MOS電晶體的柵極與陣列中的多條字線中的任意一條相連接，所述MOS電晶體的漏極(或源極)與陣列中的多條地線中的任意一條相連接。更進一步地，針對上述兩種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件，所述半導體襯底為GaN、GaP、GaAs JnGaAs JnP、SiC或者其它III-V族的半導體。所述LED的發光層為由 AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGahPJn(iaN、(;aN、SiC 等材料構成的單個或多重量子阱結構。採用不同材料製備的LED可以發不同顏色的光。比如，在GaAs襯底上，以AKialnP 等材料做發光層可以製造發紅光的LED。在GaN襯底上，以AWaN、GaN等材料做發光層可以製造發藍、綠光的LED。同時，本發明還提出了上述兩種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的製造方法，包括提供一個半導體襯底；通過外延工藝形成LED的η型區域、發光層、ρ型區域；
澱積第一層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成開口結構；剝除第一層光刻膠；在所述開口內填充第一種絕緣介質形成淺槽隔離結構；依次澱積第一層絕緣薄膜、第一層導電薄膜和第二層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成MOS電晶體的柵區；剝除第二層光刻膠；澱積第三層光刻膠；掩膜、曝光、光刻形成MOS電晶體源區和漏區需摻雜的圖形；進行離子注入，形成MOS電晶體的源區與漏區；剝除第三層光刻膠；澱積第四層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成LED的底部電極開口 ；剝除第四層光刻膠；澱積第二層絕緣薄膜，並刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成接觸孔；澱積第二層導電薄膜，並刻蝕所述第二層導電薄膜形成金屬接觸。進一步地，所述半導體襯底為GaAs、InAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族材料的半導體。所述第一層絕緣薄膜為SiO2、高k材料或者為它們之間的混合層。所述第一種絕緣介質、第二層絕緣薄膜為Si02、Si3N4或者為它們之間的混合物。所述第一層導電薄膜為TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶矽。所述第二層導電薄膜為 Cu、Al、TiN、Ti、Ta、TaN或者為其它金屬導電材料。更進一步的，在上述製造方法中的最後的接觸孔和金屬接觸的形成過程中，如果形成MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED的ρ型區域的金屬連接，則形成第一種MOS 電晶體控制發光二極體的半導體器件；如果形成MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED 的η型區域的金屬連接，則形成第二種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件。本發明所提出的MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的優點是採用GaN、 GaP, GaAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半導體做襯底，將發光二極體及MOS電晶體集成在同一個晶片上，使單個晶片就可以實現圖像的發射。因此，採用本發明技術的半導體器件製造的投影機具有體積小、功耗低、可便攜性等優點。而且，集成電路晶片的使用，使得投影機系統大大簡化，降低了生產成本，並且可以大大提高像素及亮度。
圖Ia為現有技術的一種LED投影機的內部工作原理圖。圖Ib為現有技術的一種DLP投影機的內部工作原理圖。圖2為本發明提供的MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的一個實施例的截面圖。圖3a至圖3f為本發明提供的如圖2所示半導體器件的一個實施例製造工藝流程圖。圖3g為圖3f所示半導體器件工作時的等效電路圖。
圖池為多個圖3f所示半導體器件組成的半導體器件陣列工作時的等效電路圖。圖如本發明提供的個MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的另一個實施例的截面圖。圖4b為圖如所示半導體器件工作時的等效電路圖。圖如為多個圖如所示半導體器件組成的半導體器件陣列工作時的等效電路圖。圖5為本發明提供的使用集成LED光源及其控制元件的晶片進行投影成像的一個實施例示意圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明的示例性實施方式作詳細說明。在圖中，為了方便說明， 放大了層和區域的厚度，所示大小並不代表實際尺寸。參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅限於圖中所示區域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如製造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點，但在本發明實施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應該被認為是限制本發明的範圍。同時在下面的描述中，所使用的術語襯底可以理解為包括正在工藝加工中的半導體晶片，可能包括在其上所製備的其它薄膜層。圖2是本發明所公開的一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的實施例， 它是沿該器件溝道長度方向的剖面圖。該半導體器件200包括，一個半導體襯底以及在所述半導體襯底上形成的MOS電晶體和LED。半導體襯底201為GaN、GaP、GaAs、hGaAs、hP、 SiC或者其它III-V族的半導體。所述LED包括η型區域202、發光層203和ρ型區域204， 所述發光層 203 為由 AlGaAs、InGaAsP, GaP、GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN、SiC 等材料構成的單個或多重量子阱結構。MOS電晶體包括源區209、漏區210、以及由柵介質層206和柵電極207組成的柵區。柵介質層206為SiO2、高k材料中的一層或兩層，所述柵電極207為 TiN、TaN、Ru02、Ru、WSi等金屬材料或者為摻雜的多晶矽。MOS電晶體以LED的ρ型區域作為襯底。淺槽隔離結構205用做MOS電晶體與LED的隔離層(淺槽隔離結構205將形成的發光層203和ρ型區域204分割為左右兩個部分)。絕緣層212是是該器件的鈍化層，它們將所述器件與其它器件隔開，並對所述器件保護不受外界環境的影響。導體213、214、215、 216是金屬材料，作為該器件的金屬電極。如圖2所示，MOS電晶體的源區209與LED的ρ型區域通過金屬層214相連接。將 LED的η型區域202接地，當對MOS電晶體的柵極施加合適的正向偏置，會在柵介質層206 的下方形成導電溝道，對MOS電晶體的漏極加合適的正電壓後，MOS電晶體會導通，電流由漏區210流向源區209，並流過LED，從而控制LED的發光層203發光。需要注意的是，MOS 電晶體的導通會控制淺槽隔離結構205左側的發光層發光，而淺槽隔離結構205右側的發光層中由於沒有電流流過而不能發光。本發明所公開的MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件可以通過很多方法製造。以下所敘述的是本發明所公開的如圖2所示MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的製造方法的一個實例。圖3a至圖3f描述了製造一個如圖2所示MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的工序。儘管這些圖並不能完全準確反映出實際的尺寸，它們還是完整的反映了區域和組成元件之間的相互位置，特別是組成元件之間的上下和相鄰關係。首先，在提供的半導體襯底201上，通過外延工藝(優選為M0CVD)依次生長LED 的η型區域202、發光層203、ρ型區域204，如圖3a所示。在本發明實施例中，以藍光LED 為例來描述圖2所示半導體器件的製造工藝。半導體襯底201選擇GaN材料，所述發光層 203為由hGaN/GaN材料形成的單個或多重量子阱結構。接下來，澱積一層光刻膠，然後掩膜、曝光、刻蝕形成開口結構，接著在所形成的開口中填充絕緣介質205形成淺槽隔離結構，剝除剩餘的光刻膠後的結構如圖北所示。絕緣介質205優選為SiO2。接下來，依次澱積絕緣介質層206、導電材料層207和一層光刻膠，然後掩膜、曝光、刻蝕形成MOS電晶體的柵區，接著剝除剩餘的光刻膠，如圖3c所示。絕緣介質層206為由SW2和高k材料形成的一層或兩層結構。導電材料層207為TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶矽。接下來，澱積一層光刻膠208，然後掩膜、曝光、光刻形成MOS電晶體的源區和漏區需摻雜的圖形，接著進行離子注入形成MOS電晶體的源區209和漏區210，如圖3d-l所示。接下來，剝除光刻膠208，所形成結構的俯視圖如圖3d-2所示。接下來，澱積一層光刻膠211，然後掩膜、曝光、刻蝕形成LED的底部電極開口，如圖3e所示。最後，剝除光刻膠211，並澱積絕緣介質層212和一層光刻膠，然後掩膜、曝光、刻蝕形成接觸孔，剝除光刻膠後澱積一層金屬，刻蝕所述金屬形成金屬電極213、214、215、 216，如圖3f所示。如圖3f所示，MOS電晶體的源區209與LED的ρ型區域204通過金屬層214相連接，該器件進行工作的等效電路圖如圖3g所示。LED的負極端接低電平GND，字線WL控制 MOS電晶體的柵極，位線BL控制MOS電晶體的漏極，字線WL與位線BL共同控制MOS電晶體的導通，並控制LED的導通及發光。由多個圖3f所示的半導體器件可以組成一個半導體器件陣列，其工作時的等效電路圖如圖池所示，MOS電晶體的漏極與陣列中的多條位線BL中的任意一條相連接，MOS 電晶體的柵極與陣列中的多條字線WL中的任意一條相連接，LED的負極與陣列中的多條地線GND中的任意一條相連接。需要注意的是，在進行到上述圖3d-l所示的結構後，如果控制LED的底部電極開口的位置，在形成接觸孔和金屬接觸時，還可以形成如圖如所示的結構。如圖如所示，MOS 電晶體的漏區209通過金屬層214與LED的η型區域202相連接，這樣就構成了本發明提供的MOS電晶體控制LED的半導體器件的又一個實施例。圖如所示的半導體器件結構與圖3f所示的半導體器件結構相比，僅僅在MOS電晶體與LED的連接方式有所不同，在本發明實施例中，為了方便說明，圖如使用了與圖3f相同的標號，但是需要注意的是，相同的標號可以不代表相同的結構，而僅僅代表相同的材料。圖如所示半導體器件工作時的等效電路圖如圖4b所示，LED的負極端接低電平 GND,字線WL控制MOS電晶體的柵極，位線BL控制LED的正極端，字線WL與位線BL共同控制MOS電晶體的導通，並控制LED的導通及發光。由圖如所示半導體器件組成的半導體器件陣列的等效電路示意圖如圖如所示，LED的正極端與陣列中的多條位線BL中的任意一條相連接，MOS電晶體的柵極與陣列中的多條字線WL中的任意一條相連接，MOS電晶體的源極與陣列中的多條地線中的任意一條相連接。圖5為本發明提供的一種通過集成LED光源及其控制元件的晶片進行投影成像的實施例示意圖。如圖5，所示301為本發明提出的集成LED光源及其控制元件(M0S電晶體) 的晶片，所示302為透鏡，所示303為示意給出的成像屏幕。此外，由本發明提供的產生不同顏色的器件可以實現彩色顯示。比如，將紅色、藍色、綠色三種顏色的本發明提出的器件組合在一起，通過調節這三種顏色的強度，可以實現全色彩的顯示。如上所述，在不偏離本發明精神和範圍的情況下，還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發明不限於在說明書中所述的具體實例。
權利要求
1.一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件，包括至少一個半導體襯底、位於所述半導體襯底之上形成的一個MOS電晶體和一個發光二極體(LED)，其特徵在於，所述LED包括至少一個發光層、位於所述發光層之上的ρ型區域、位於所述發光層之下的η型區域；所述MOS電晶體包括至少一個源區、一個漏區、一個襯底區和一個柵區； 所述MOS電晶體的襯底區與所述的LED發光層之上的ρ型區域為同一層，但通過隔離結構與所述的LED的ρ型區域相隔離；所述MOS電晶體的ρ型襯底區之下為發光層，該發光層與所述的LED的發光層相同，但通過隔離結構與所述的LED的發光層相隔離；所述的MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED的ρ型區域通過金屬連接。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，所述半導體襯底為GaN、GaP、GaAS、 InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半導體。
3.根據權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，所述LED的發光層為由AWaAs、 InGaAsP, GaP, GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN, SiC等材料構成的單個或多重量子阱結構。
4.一種如權利要求1所述MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件的製造方法，包括提供一個半導體襯底；在所述襯底上依次形成LED的η型區域、發光層、ρ型區域；刻蝕所述LED的ρ型區域、發光層、η型區域形成開口 ；在所述開口內填充第一種絕緣介質形成淺槽隔離結構；依次澱積形成第一層絕緣薄膜、第一層導電薄膜；刻蝕所述第一層絕緣薄膜、第一層導電薄膜形成MOS電晶體的柵區；進行離子注入，形成MOS電晶體的源區和漏區；刻蝕所述LED的ρ型區域、發光層、η型區域形成LED的底部電極開口 ；澱積第二層絕緣薄膜，並刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成接觸孔；澱積第二層導電薄膜，並刻蝕所述第二層導電薄膜形成金屬接觸。
5.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述半導體襯底為GaAs、InAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族材料的半導體。
6.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述第一層絕緣薄膜為SiO2、高k材料或者為它們之間的混合層。
7.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述第一種絕緣介質、第二層絕緣薄膜為Si02、Si3N4或者為它們之間的混合物。
8.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述第一層導電薄膜為TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶矽。
9.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述第二層導電薄膜為Cu、Al、TiN、 Ti、Ta、TaN或者為其它金屬導電材料。
10.一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件陣列，其特徵在於，由多個權利要求 1所述的半導體器件組成一個半導體器件陣列，所述MOS電晶體的漏極(或源極)與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所述MOS電晶體的柵極與陣列中的多條字線中的任意一條相連接，所述LED的負極與陣列中的多條地線中的任意一條相連接。
11.一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件，包括至少一個半導體襯底、位於所述半導體襯底之上形成的一個MOS電晶體和一個發光二極體(LED)，其特徵在於，所述LED包括至少一個發光層、位於所述發光層之上的ρ型區域、位於所述發光層之下的η型區域；所述MOS電晶體包括至少一個源區、一個漏區、一個襯底區和一個柵區；所述MOS電晶體的襯底區與所述的LED發光層之上的ρ型區域為同一層，但通過隔離結構與所述的LED的ρ型區域相隔離；所述MOS電晶體的ρ型襯底區之下為發光層，該發光層與所述的LED的發光層相同，但通過隔離結構與所述的LED的發光層相隔離；所述的MOS電晶體的源極(或漏極)與所述的LED的η型區域通過金屬連接。
12.根據權利要求11所述的半導體器件，其特徵在於，所述半導體襯底為GaN、GaP, GaAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半導體。
13.根據權利要求11所述的半導體器件，其特徵在於，所述LED的發光層為由MGaAs、 InGaAsP, GaP, GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN, SiC等材料構成的單個或多重量子阱結構。
14.一種MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件陣列，其特徵在於，由多個權利要求 11所述的半導體器件組成一個半導體器件陣列，所述LED的正極與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所述MOS電晶體的柵極與陣列中的多條字線中的任意一條相連接，所述 MOS電晶體的漏極(或源極)與陣列中的多條地線中的任意一條相連接。
全文摘要
本發明公開了一種使用MOS電晶體控制發光二極體的半導體器件。將發光二極體及MOS電晶體集成在同一個晶片上，使單個晶片就可以實現圖像的發射。由多個所述半導體器件還可以構成一個半導體器件陣列。同時，本發明還公開了所述半導體器件的製造方法。採用本發明技術製造的投影機具有體積小、功耗低、可便攜性等優點，而且，集成電路晶片的使用，使得投影機系統大大簡化，降低了生產成本，並且可以大大提高像素及亮度。
文檔編號H01L21/77GK102315216SQ20101022324
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者劉偉, 劉磊, 王鵬飛 申請人:蘇州東微半導體有限公司