專利名稱：一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件、陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，特別 涉及一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件、陣列及其制造方法。
背景技術(shù)：
投影機是一種用來放大顯示圖像的投影裝置。目前已經(jīng)應(yīng)用于會議室演示以及在 家庭中通過連接DVD影碟機等設(shè)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(shù)碼影院放映機，被用作面向硬盤數(shù)字數(shù)據(jù)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(jīng)瀕臨淘汰，占絕對主流地位的是IXD 投影機，也就是大家常說的液晶投影機，DLP投影機也占有一定份額。IXD投影機是被動發(fā)光從而成像的，其核心部件為IXD液晶面板。主流的IXD投影 機采用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(fā)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，并透過反射鏡和聚光 鏡將過濾后的光線送至雙色鏡。接著，紅光首先被分離出來，并經(jīng)反射鏡和聚光鏡后被投射 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，綠光和藍光也先后被分離出來，然后分別經(jīng)反射鏡和聚光鏡后被投射到各 自的液晶面板上，并形成了綠光信息和藍光信息。最后，紅、綠、藍三種顏色的光在合光棱鏡 中會聚，并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(shù)是一種全數(shù)字反射式的投影技術(shù)，其核心部件為DMD ( Digital -Micromirror - Device)芯片。DLP投影機的成像原理及成像過程參見圖lb。首先，燈泡 發(fā)射的白光通過一高速旋轉(zhuǎn)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，然后將處理好的三種光線投射到到DMD設(shè)備上，經(jīng)由成千上萬個微透鏡 組成的芯片高速切換光像素來產(chǎn)生投影圖像，最后將紅、綠、藍三種光線的投影圖像通過光 學(xué)透鏡投射在屏幕上形成圖像投影。由于微鏡的晃動及色輪的旋轉(zhuǎn)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，于是在投影的圖 像上看到混合后的色彩。IXD投影機和DLP投影機都是使用同一光源，然后通過IXD對光源進行濾光或者通 過微鏡對光源進行反射角調(diào)節(jié)，從而形成圖像，而沒有使用集成的光源及其控制元件芯片。 目前，使用分開的光源和控制元件的投影機體積較大，不利于便攜使用，而且功耗也較大。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種亮度可調(diào)的新型的半導(dǎo)體器件與芯片，采 用該半導(dǎo)體器件與芯片制造的投影機具有積小、利于便攜使用、功耗低等優(yōu)點。為達到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件，具體包括一 個半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底之上形成的MOSFET和發(fā)光二極管(LED)，其中
所述LED包括發(fā)光層、位于所述發(fā)光層之上的ρ型區(qū)域、位于所述發(fā)光層之下的η型區(qū)域；
所述MOSFET包括一個硅襯底、位于所述硅襯底之上的柵區(qū)、位于所述硅襯底內(nèi)所述柵 區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)；
所述MOSFET的硅襯底通過隔離結(jié)構(gòu)與所述LED、所述半導(dǎo)體襯底相隔離； 所述MOSFET的源區(qū)與所述LED的ρ型區(qū)域通過金屬連接，所述MOSFET控制所述LED 發(fā)光。進一步地，所述的半導(dǎo)體襯底為GaN、GaP、GaAs JnGaAs JnP、SiC等III-V族的半 導(dǎo)體。所述 LED 的發(fā)光層為由 AlGaAs, InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP, InGaN, GaN, SiC 等 材料構(gòu)成的單個或多重量子阱結(jié)構(gòu)。更進一步地，由多個所述的亮度可調(diào)的發(fā)光器件可以組成一個發(fā)光器件陣列，其 中，所述MOSFET的漏極與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所述MOSFET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。同時，本發(fā)明還提出了所述亮度可調(diào)的發(fā)光器件的制造方法，包括 提供一個半導(dǎo)體襯底；
在所述半導(dǎo)體襯底上加工出LED結(jié)構(gòu)，包括LED的η型區(qū)域、發(fā)光層和ρ型區(qū)域； 形成第一層絕緣薄膜，并將所述第一層絕緣薄膜平坦化；
將所述第一層絕緣薄膜與倒扣后的硅片(硅片表面已氧化形成一層薄的氧化硅薄膜) 鍵合，形成絕緣體上的硅(SOI)結(jié)構(gòu)；
在所述硅片上加工出MOSFET結(jié)構(gòu)，包括MOSFET的柵區(qū)、源區(qū)和漏區(qū)；
形成一層光刻膠；
形成第二層絕緣薄膜；
掩膜、曝光、刻蝕形成接觸孔；
剝除剩余的光刻膠；
形成第一層導(dǎo)電薄膜，并刻蝕所述第一層導(dǎo)電薄膜形成金屬接觸，其中所述LED的ρ型 區(qū)域與所述MOSFET的源區(qū)通過第一層導(dǎo)電薄膜連接。進一步地，所述的第一層、第二層絕緣薄膜為SiA或者為Si3N4。所述的第一層導(dǎo) 電薄膜為Cu、Al、TiN、Ti、Ta、TaN或者為其它金屬導(dǎo)電材料。本發(fā)明所提出的亮度可調(diào)的發(fā)光器件，采用GaN、GaP、GaAS JnGaAs JnP、SiC或者 其它III-V族的半導(dǎo)體做襯底，將LED及其控制元件MOSFET集成在同一個芯片上，使單個 芯片就能實現(xiàn)圖像的發(fā)射。因此，采用本發(fā)明技術(shù)制造的投影設(shè)備具有體積小、可便攜性、 功耗低等優(yōu)點。而且，集成電路芯片的使用，使得投影設(shè)備系統(tǒng)大大簡化，降低了生產(chǎn)成本， 并且可以大大提高像素及亮度。本發(fā)明所提出的亮度可調(diào)的發(fā)光器件非常適用于集成電路 芯片的制造，特別是低功耗、可移動的投影設(shè)備的制造。


圖Ia為現(xiàn)有技術(shù)的一種LED投影機的內(nèi)部工作原理圖。圖Ib為現(xiàn)有技術(shù)的一種DLP投影機的內(nèi)部工作原理圖。圖加為本發(fā)明提供的亮度可調(diào)的發(fā)光器件的一個實施例的截面圖。
圖2b為圖加所示發(fā)光器件的俯視圖。圖2c為圖加所示發(fā)光器件的等效電路圖。圖3a為由多個圖加所示發(fā)光器件組成的發(fā)光器件陣列的一個實施例的俯視圖。圖北為由多個圖加所示發(fā)光器件組成的發(fā)光器件陣列的等效電路圖。圖如至圖4f為本發(fā)明提供的制造如圖加所示發(fā)光器件的的工藝流程圖。圖5為本發(fā)明提供的可以產(chǎn)生三種基色光的發(fā)光器件陣列的等效電路圖。圖6為本發(fā)明提供的采用本發(fā)明技術(shù)制造的投影機示意圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發(fā)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(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。參考圖是本發(fā)明的理想化實施例的 示意圖，本發(fā)明所示的實施例不應(yīng)該被認為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括所 得到的形狀，比如制造引起的偏差。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(fā)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(yīng)該被認為是限制本發(fā)明 的范圍。同時在下面的描述中，所使用的術(shù)語襯底可以理解為包括正在工藝加工中的半導(dǎo) 體晶片，可能包括在其上所制備的其它薄膜層。圖加是本發(fā)明所提出的一個亮度可調(diào)的發(fā)光器件的實施例，它是沿該器件溝道 長度方向的剖面圖，圖2b是圖加所示發(fā)光器件的俯視圖。如圖h、2b所示，該發(fā)光器件包 括一個半導(dǎo)體襯底101、以及在襯底上101形成的MOSFET 130和LED 120。半導(dǎo)體襯底 101 為 feiN、GaP、GaAs, InGaAs, InP, SiC 或者其它 III-V 族的半導(dǎo)體。MOSFET 130 與 LED 120、襯底101通過厚氧化層105相隔離。LED 120包括η型區(qū)域102、發(fā)光層103和ρ型區(qū) 域 104，發(fā)光層 103 為由 AlGaAs, InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGaInP, InGaN, GaN、SiC 等材料構(gòu) 成的單個或多重量子阱結(jié)構(gòu)。MOSFET 130形成于由厚氧化層105、薄氧化層106、硅層107 構(gòu)成的絕緣體上的硅(SOI)上，包括源區(qū)110、漏區(qū)111、以及由柵介質(zhì)層108和柵極109組 成的柵區(qū)。柵介質(zhì)層108為SiO2，柵極109為TiN、TaN、Ru02、Ru、WSi等金屬材料或者為摻 雜的多晶硅。金屬層114為漏極接觸，金屬層113連接了 MOSFET的源區(qū)110和LED的ρ型 區(qū)域104。絕緣層112是是該器件的鈍化層，它們將所述器件與其它器件隔開，并對所述器 件保護不受外界環(huán)境的影響。圖加所示亮度可調(diào)的發(fā)光器件工作時的等效電路圖如圖2c所示，LED的負極端接 低電平GND，字線札控制MOSFET的柵極，位線BL控制MOSFET的漏極，字線札與位線BL 共同控制MOSFET的導(dǎo)通，并控制LED發(fā)光。圖3a為由多個圖加所示亮度可調(diào)的發(fā)光器件組成的一個發(fā)光器件陣列的俯視 圖，圖北為圖3a所示發(fā)光器件陣列工作時的等效電路圖。如圖3a、!3b所示，MOSFET的漏 極與陣列中的多條位線BL中的任意一條相連接，MOSFET的柵極與陣列中的多條字線BL中 的任意一條相連接，所述陣列中的LED的負極接地。本發(fā)明所公開的亮度可調(diào)的發(fā)光器件可以通過很多方法制造，以下所敘述的是制 造如圖加所示的亮度可調(diào)的發(fā)光器件的的一個實施例工藝流程。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確反映出實際的尺寸，它們還是完整的反映了區(qū)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(guān)系。
首先，在提供的半導(dǎo)體襯底201上，通過外延工藝(優(yōu)選為MOCVD)及刻蝕工藝加工 出器件中的LED結(jié)構(gòu)220，其中，LED 220包括η型區(qū)域202、發(fā)光層203和ρ型區(qū)域204。 在本發(fā)明實施例中，以藍光LED為例來描述亮度可調(diào)的發(fā)光體器件的制造工藝，半導(dǎo)體襯 底201選擇GaN材料，發(fā)光層203為由hGaN /GaN材料形成的單個或多重量子阱結(jié)構(gòu)。圖 4a-l為圖如所示結(jié)構(gòu)的俯視圖。接下來，淀積一層厚的鈍化層205，比如為氧化硅，然后將鈍化層205平坦化，如圖 4b所示。接下來，將氧化硅層205與倒扣后的硅片207鍵合，其中硅層207的表面已經(jīng)氧化 生長了一層薄的二氧化硅206，由此，厚氧化硅層205、薄二氧化硅層206與硅片207形成絕 緣體上的硅(SOI)結(jié)構(gòu)，如圖如所示。接下來，在硅片207表面氧化生長一層薄的二氧化硅208，然后依次淀積導(dǎo)電材料 層209和一層光刻膠，接著掩膜、曝光、刻蝕形成MOSFET的柵區(qū)230，剝除光刻膠后如圖4d 所示。導(dǎo)電材料層209為TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶硅。接下來，淀積一層光刻膠210，然后掩膜、曝光、光刻形成MOSFET的源區(qū)和漏區(qū)需 摻雜的圖形，接著進行離子注入形成MOSFET的源區(qū)211和漏區(qū)212，如圖如所示。剝除光刻膠210后，淀積絕緣介質(zhì)層213和一層光刻膠，然后掩膜、曝光、刻蝕形 成接觸孔，剝除剩余的光刻膠后淀積一層金屬214，刻蝕所述金屬形成金屬接觸，如圖4f所
7J\ ο此外，將采用本發(fā)明技術(shù)制備的產(chǎn)生不同顏色的發(fā)光器件組合在一起，比如，將產(chǎn) 生紅光、藍光、綠光這三種光的發(fā)光器件組合在一起，其等效電路圖如圖5所示，通過調(diào)節(jié) 紅光、藍光、綠光這三種光的強度，可以實現(xiàn)全色彩的顯示。圖6為本發(fā)明提供的一個采用本發(fā)明技術(shù)制造的投影機示意圖。如圖5，所示301 為本發(fā)明提出的集成LED及其控制元件(MOSFET)芯片，所示302為合光透鏡，所示303為 投影透鏡。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的 實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體 實例。
權(quán)利要求
1.一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件，其特征在于包括一個半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底 之上的MOSFET和發(fā)光二極管，其特征在于，所述發(fā)光二極管包括發(fā)光層、位于所述發(fā)光層之上的P型區(qū)域、位于所述發(fā)光層之下 的η型區(qū)域；所述MOSFET包括一個硅襯底、位于所述硅襯底之上的柵區(qū)、位于所述硅襯底內(nèi)所述柵 區(qū)兩側(cè)的源區(qū)和漏區(qū)；所述MOSFET的硅襯底通過隔離結(jié)構(gòu)與所述發(fā)光二極管、所述半導(dǎo)體襯底相隔離； 所述MOSFET的源區(qū)與所述發(fā)光二極管的ρ型區(qū)域通過金屬連接，所述MOSFET控制所 述發(fā)光二極管發(fā)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亮度可調(diào)的發(fā)光器件，其特征在于，所述的半導(dǎo)體襯底為 GaN, GaP、GaAs, InGaAs, InP 或 SiC。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的亮度可調(diào)的發(fā)光器件，其特征在于，所述發(fā)光二極管的發(fā) 光層為由AlGaAs、InGaAsP,GaP,GaAsP, AlGaInP, InGaN,GaN或SiC材料構(gòu)成的單個或多重量子阱結(jié)構(gòu)。
4.一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件陣列，其特征在于，由多個如權(quán)利要求1所述的亮度可調(diào) 的發(fā)光器件組成，其中，所述MOSFET的漏極與陣列中的多條位線中的任意一條相連接，所 述MOSFET的柵極與陣列中的多條字線中的任意一條相連接，所述發(fā)光二極管的負極與陣 列中的多條地線中的任意一條相連接。
5.一種如權(quán)利要求1所述的亮度可調(diào)的發(fā)光器件的制造方法，其特征在于具體步驟包括提供一個半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上加工出發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括發(fā)光二極管的η型區(qū)域、發(fā)光層和ρ 型區(qū)域；形成第一層絕緣薄膜；將所述第一層絕緣薄膜與倒扣后的表面已氧化形成一層薄的氧化硅薄膜的硅片鍵合， 形成絕緣體上的硅結(jié)構(gòu)；在所述硅片上加工出MOSFET結(jié)構(gòu)，包括MOSFET的柵區(qū)、源區(qū)和漏區(qū)； 形成第二層絕緣薄膜，并刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成接觸孔； 形成第一層導(dǎo)電薄膜，并刻蝕所述第一層導(dǎo)電薄膜形成金屬接觸，其中所述發(fā)光二極 管的P型區(qū)域與所述MOSFET的源區(qū)通過所述第一層導(dǎo)電薄膜連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體襯底為GaAs、InAs, InGaAs,InP 或 SiC。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述的第一層、第二層絕緣薄膜 為SW2或者為Si3N4。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述的第一層導(dǎo)電薄膜為Cu、 Al, TiN, Ti, Ta ^ TaN0
9.一種投影設(shè)備，其特征在于采用集成了如權(quán)利要求1一4之一所述發(fā)光器件的芯片 作為發(fā)射圖像的光源。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種亮度可調(diào)的發(fā)光器件、陣列及其制造方法。所述發(fā)光器件包括包括一個半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底之上的MOSFET和發(fā)光二極管。發(fā)光二極管(LED)及其控制元件(MOSFET)集成在同一個芯片上，使單個芯片就可以實現(xiàn)圖像的發(fā)射。由多個所述的發(fā)光器件還可以構(gòu)成發(fā)光器件陣列。同時，本發(fā)明還公開了所述發(fā)光器件的制造方法。采用本發(fā)明所提出的發(fā)光器件制造的投影設(shè)備具有體積小、可便攜性、功耗低等優(yōu)點，而且，集成電路芯片的使用，使得投影設(shè)備系統(tǒng)大大簡化，降低了生產(chǎn)成本，并且可以大大提高像素及亮度。
文檔編號H01L33/00GK102097447SQ20101054512
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者劉昕彥, 張衛(wèi), 林曦, 王鵬飛 申請人:復(fù)旦大學(xué)