专利名称：一种mos管控制发光二极管的器件、阵列及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，特别涉及一种MOS管控制发光二极管的半导体器件、阵列及其制造方法，属于半导体器件领域。
背景技术：
投影机是一种用来放大显示图像的投影装置。目前已经应用于会议室演示以及在家庭中通过连接DVD影碟机等设备在大屏幕上观看电影。在电影院，也同样已开始取代老电影胶片的数码影院放映机，被用作面向硬盘数字数据的银幕。按照工作原理的不同，投影机可以分为CRT、IXD、DLP三大类，其中CRT投影机已经濒临淘汰，占绝对主流地位的是IXD 投影机，也就是大家常说的液晶投影机，DLP投影机也占有一定份额。IXD投影机是被动发光从而成像的，其核心部件为IXD液晶面板。主流的IXD投影机采用3片LCD液晶面板，其成像原理及成像过程参见图la。首先，灯泡发射的白色光通过滤光片，滤掉对LCD镜片有损害作用的红外线和紫外线等不可见光，并透过反射镜和聚光镜将过滤后的光线送至双色镜。接着，红光首先被分离出来，并经反射镜和聚光镜后被投射到红色液晶面板上，液晶板〃记录〃下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红光信息。同样，绿光和蓝光也先后被分离出来，然后分别经反射镜和聚光镜后被投射到各自的液晶面板上，并形成了绿光信息和蓝光信息。最后，红、绿、蓝三种颜色的光在合光棱镜中会聚，并由投影镜头投射到屏幕上形成一幅全彩色图像。DLP投影机的技术是一种全数字反射式的投影技术，其核心部件为 DMD(Digital-Micromirror-Device)芯片。DLP投影机的成像原理及成像过程参见图lb。 首先，灯泡发射的白光通过一高速旋转的三色透镜(色轮)，通过色轮完成对红光、绿光、蓝光三种光线的的分离和处理，然后将处理好的三种光线投射到到DMD设备上，经由成千上万个微透镜组成的芯片高速切换光像素来产生投影图像，最后将红、绿、蓝三种光线的投影图像通过光学透镜投射在屏幕上形成图像投影。由于微镜的晃动及色轮的旋转速度较快， 给人的视觉器官造成错觉，人的肉眼错将红、绿、蓝三种快速闪动的有色光混在一起，于是在投影的图像上看到混合后的色彩。IXD投影机和DLP投影机都是使用同一光源，然后通过IXD对光源进行滤光或者通过微镜对光源进行反射角调节，从而形成图像，而没有使用集成的光源和集成的调制器件。目前，使用分开的光源和光调节装置的投影机设备体积较大，功耗也较大，不利于便携使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型的半导体器件与芯片，采用该半导体器件与芯片制造的投影机在使用集成的光源和光调节装置的同时，还具有积较小、功耗低、 利于便携使用等优点。为达到本发明的上述目的，本发明提出了两种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件。第一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件包括至少一个半导体衬底，以及在所述半导体衬底上形成的一个MOS晶体管和一个发光二极管(LED)，其特征在于所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的ρ型区域、位于所述发光层之下的η型区域；所述MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区；所述MOS晶体管的衬底区与所述的LED发光层之上的ρ型区域为同一层，但通过隔离结构与所述的LED的ρ型区域相隔离；所述MOS晶体管的ρ型衬底区之下为发光层，该发光层与所述的LED的发光层相同，但通过隔离结构与所述的LED的发光层相隔离；所述的MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED的ρ型区域通过金属连接。进一步地，由多个第一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件可以组成一个半导体器件阵列，其中，所述MOS晶体管的漏极(或源极)与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述LED的负极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。第二种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件包括至少一个半导体衬底，以及在所述半导体衬底上形成的一个MOS晶体管和一个发光二极管(LED)，其特征在于所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的ρ型区域、位于所述发光层之下的η型区域；所述MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区；所述MOS晶体管的衬底区与所述的LED发光层之上的ρ型区域为同一层，但通过隔离结构与所述的LED的ρ型区域相隔离；所述MOS晶体管的ρ型衬底区之下为发光层，该发光层与所述的LED的发光层相同，但通过隔离结构与所述的LED的发光层相隔离；所述的MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED的η型区域通过金属连接。进一步地，由多个第二种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件也可以组成一个半导体器件阵列，其中，所述LED的正极与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述 MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述MOS晶体管的漏极(或源极)与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。更进一步地，针对上述两种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件，所述半导体衬底为GaN、GaP、GaAs JnGaAs JnP、SiC或者其它III-V族的半导体。所述LED的发光层为由 AlGaAs、InGaAsP、GaP、GaAsP、AlGahPJn(iaN、(;aN、SiC 等材料构成的单个或多重量子阱结构。采用不同材料制备的LED可以发不同颜色的光。比如，在GaAs衬底上，以AKialnP 等材料做发光层可以制造发红光的LED。在GaN衬底上，以AWaN、GaN等材料做发光层可以制造发蓝、绿光的LED。同时，本发明还提出了上述两种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法，包括提供一个半导体衬底；通过外延工艺形成LED的η型区域、发光层、ρ型区域；
淀积第一层光刻胶；掩膜、曝光、刻蚀形成开口结构；剥除第一层光刻胶；在所述开口内填充第一种绝缘介质形成浅槽隔离结构；依次淀积第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜和第二层光刻胶；掩膜、曝光、刻蚀形成MOS晶体管的栅区；剥除第二层光刻胶；淀积第三层光刻胶；掩膜、曝光、光刻形成MOS晶体管源区和漏区需掺杂的图形；进行离子注入，形成MOS晶体管的源区与漏区；剥除第三层光刻胶；淀积第四层光刻胶；掩膜、曝光、刻蚀形成LED的底部电极开口 ；剥除第四层光刻胶；淀积第二层绝缘薄膜，并刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；淀积第二层导电薄膜，并刻蚀所述第二层导电薄膜形成金属接触。进一步地，所述半导体衬底为GaAs、InAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族材料的半导体。所述第一层绝缘薄膜为SiO2、高k材料或者为它们之间的混合层。所述第一种绝缘介质、第二层绝缘薄膜为Si02、Si3N4或者为它们之间的混合物。所述第一层导电薄膜为TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金属栅材料或者为掺杂的多晶硅。所述第二层导电薄膜为 Cu、Al、TiN、Ti、Ta、TaN或者为其它金属导电材料。更进一步的，在上述制造方法中的最后的接触孔和金属接触的形成过程中，如果形成MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED的ρ型区域的金属连接，则形成第一种MOS 晶体管控制发光二极管的半导体器件；如果形成MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED 的η型区域的金属连接，则形成第二种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件。本发明所提出的MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的优点是采用GaN、 GaP, GaAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半导体做衬底，将发光二极管及MOS晶体管集成在同一个芯片上，使单个芯片就可以实现图像的发射。因此，采用本发明技术的半导体器件制造的投影机具有体积小、功耗低、可便携性等优点。而且，集成电路芯片的使用，使得投影机系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。
图Ia为现有技术的一种LED投影机的内部工作原理图。图Ib为现有技术的一种DLP投影机的内部工作原理图。图2为本发明提供的MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的一个实施例的截面图。图3a至图3f为本发明提供的如图2所示半导体器件的一个实施例制造工艺流程图。图3g为图3f所示半导体器件工作时的等效电路图。
图池为多个图3f所示半导体器件组成的半导体器件阵列工作时的等效电路图。图如本发明提供的个MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的另一个实施例的截面图。图4b为图如所示半导体器件工作时的等效电路图。图如为多个图如所示半导体器件组成的半导体器件阵列工作时的等效电路图。图5为本发明提供的使用集成LED光源及其控制元件的芯片进行投影成像的一个实施例示意图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明， 放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。图2是本发明所公开的一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的实施例， 它是沿该器件沟道长度方向的剖面图。该半导体器件200包括，一个半导体衬底以及在所述半导体衬底上形成的MOS晶体管和LED。半导体衬底201为GaN、GaP、GaAs、hGaAs、hP、 SiC或者其它III-V族的半导体。所述LED包括η型区域202、发光层203和ρ型区域204， 所述发光层 203 为由 AlGaAs、InGaAsP, GaP、GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN、SiC 等材料构成的单个或多重量子阱结构。MOS晶体管包括源区209、漏区210、以及由栅介质层206和栅电极207组成的栅区。栅介质层206为SiO2、高k材料中的一层或两层，所述栅电极207为 TiN、TaN、Ru02、Ru、WSi等金属材料或者为掺杂的多晶硅。MOS晶体管以LED的ρ型区域作为衬底。浅槽隔离结构205用做MOS晶体管与LED的隔离层(浅槽隔离结构205将形成的发光层203和ρ型区域204分割为左右两个部分)。绝缘层212是是该器件的钝化层，它们将所述器件与其它器件隔开，并对所述器件保护不受外界环境的影响。导体213、214、215、 216是金属材料，作为该器件的金属电极。如图2所示，MOS晶体管的源区209与LED的ρ型区域通过金属层214相连接。将 LED的η型区域202接地，当对MOS晶体管的栅极施加合适的正向偏置，会在栅介质层206 的下方形成导电沟道，对MOS晶体管的漏极加合适的正电压后，MOS晶体管会导通，电流由漏区210流向源区209，并流过LED，从而控制LED的发光层203发光。需要注意的是，MOS 晶体管的导通会控制浅槽隔离结构205左侧的发光层发光，而浅槽隔离结构205右侧的发光层中由于没有电流流过而不能发光。本发明所公开的MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件可以通过很多方法制造。以下所叙述的是本发明所公开的如图2所示MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法的一个实例。图3a至图3f描述了制造一个如图2所示MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的工序。尽管这些图并不能完全准确反映出实际的尺寸，它们还是完整的反映了区域和组成元件之间的相互位置，特别是组成元件之间的上下和相邻关系。首先，在提供的半导体衬底201上，通过外延工艺(优选为M0CVD)依次生长LED 的η型区域202、发光层203、ρ型区域204，如图3a所示。在本发明实施例中，以蓝光LED 为例来描述图2所示半导体器件的制造工艺。半导体衬底201选择GaN材料，所述发光层 203为由hGaN/GaN材料形成的单个或多重量子阱结构。接下来，淀积一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成开口结构，接着在所形成的开口中填充绝缘介质205形成浅槽隔离结构，剥除剩余的光刻胶后的结构如图北所示。绝缘介质205优选为SiO2。接下来，依次淀积绝缘介质层206、导电材料层207和一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成MOS晶体管的栅区，接着剥除剩余的光刻胶，如图3c所示。绝缘介质层206为由SW2和高k材料形成的一层或两层结构。导电材料层207为TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金属栅材料或者为掺杂的多晶硅。接下来，淀积一层光刻胶208，然后掩膜、曝光、光刻形成MOS晶体管的源区和漏区需掺杂的图形，接着进行离子注入形成MOS晶体管的源区209和漏区210，如图3d-l所示。接下来，剥除光刻胶208，所形成结构的俯视图如图3d-2所示。接下来，淀积一层光刻胶211，然后掩膜、曝光、刻蚀形成LED的底部电极开口，如图3e所示。最后，剥除光刻胶211，并淀积绝缘介质层212和一层光刻胶，然后掩膜、曝光、刻蚀形成接触孔，剥除光刻胶后淀积一层金属，刻蚀所述金属形成金属电极213、214、215、 216，如图3f所示。如图3f所示，MOS晶体管的源区209与LED的ρ型区域204通过金属层214相连接，该器件进行工作的等效电路图如图3g所示。LED的负极端接低电平GND，字线WL控制 MOS晶体管的栅极，位线BL控制MOS晶体管的漏极，字线WL与位线BL共同控制MOS晶体管的导通，并控制LED的导通及发光。由多个图3f所示的半导体器件可以组成一个半导体器件阵列，其工作时的等效电路图如图池所示，MOS晶体管的漏极与阵列中的多条位线BL中的任意一条相连接，MOS 晶体管的栅极与阵列中的多条字线WL中的任意一条相连接，LED的负极与阵列中的多条地线GND中的任意一条相连接。需要注意的是，在进行到上述图3d-l所示的结构后，如果控制LED的底部电极开口的位置，在形成接触孔和金属接触时，还可以形成如图如所示的结构。如图如所示，MOS 晶体管的漏区209通过金属层214与LED的η型区域202相连接，这样就构成了本发明提供的MOS晶体管控制LED的半导体器件的又一个实施例。图如所示的半导体器件结构与图3f所示的半导体器件结构相比，仅仅在MOS晶体管与LED的连接方式有所不同，在本发明实施例中，为了方便说明，图如使用了与图3f相同的标号，但是需要注意的是，相同的标号可以不代表相同的结构，而仅仅代表相同的材料。图如所示半导体器件工作时的等效电路图如图4b所示，LED的负极端接低电平 GND,字线WL控制MOS晶体管的栅极，位线BL控制LED的正极端，字线WL与位线BL共同控制MOS晶体管的导通，并控制LED的导通及发光。由图如所示半导体器件组成的半导体器件阵列的等效电路示意图如图如所示，LED的正极端与阵列中的多条位线BL中的任意一条相连接，MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线WL中的任意一条相连接，MOS晶体管的源极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。图5为本发明提供的一种通过集成LED光源及其控制元件的芯片进行投影成像的实施例示意图。如图5，所示301为本发明提出的集成LED光源及其控制元件(M0S晶体管) 的芯片，所示302为透镜，所示303为示意给出的成像屏幕。此外，由本发明提供的产生不同颜色的器件可以实现彩色显示。比如，将红色、蓝色、绿色三种颜色的本发明提出的器件组合在一起，通过调节这三种颜色的强度，可以实现全色彩的显示。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
权利要求
1.一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件，包括至少一个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上形成的一个MOS晶体管和一个发光二极管(LED)，其特征在于，所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的ρ型区域、位于所述发光层之下的η型区域；所述MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区； 所述MOS晶体管的衬底区与所述的LED发光层之上的ρ型区域为同一层，但通过隔离结构与所述的LED的ρ型区域相隔离；所述MOS晶体管的ρ型衬底区之下为发光层，该发光层与所述的LED的发光层相同，但通过隔离结构与所述的LED的发光层相隔离；所述的MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED的ρ型区域通过金属连接。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体衬底为GaN、GaP、GaAS、 InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半导体。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述LED的发光层为由AWaAs、 InGaAsP, GaP, GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN, SiC等材料构成的单个或多重量子阱结构。
4.一种如权利要求1所述MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件的制造方法，包括提供一个半导体衬底；在所述衬底上依次形成LED的η型区域、发光层、ρ型区域；刻蚀所述LED的ρ型区域、发光层、η型区域形成开口 ；在所述开口内填充第一种绝缘介质形成浅槽隔离结构；依次淀积形成第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜；刻蚀所述第一层绝缘薄膜、第一层导电薄膜形成MOS晶体管的栅区；进行离子注入，形成MOS晶体管的源区和漏区；刻蚀所述LED的ρ型区域、发光层、η型区域形成LED的底部电极开口 ；淀积第二层绝缘薄膜，并刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成接触孔；淀积第二层导电薄膜，并刻蚀所述第二层导电薄膜形成金属接触。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为GaAs、InAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族材料的半导体。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一层绝缘薄膜为SiO2、高k材料或者为它们之间的混合层。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一种绝缘介质、第二层绝缘薄膜为Si02、Si3N4或者为它们之间的混合物。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一层导电薄膜为TiN、TaN, RuO2, Ru、WSi等金属栅材料或者为掺杂的多晶硅。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第二层导电薄膜为Cu、Al、TiN、 Ti、Ta、TaN或者为其它金属导电材料。
10.一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件阵列，其特征在于，由多个权利要求 1所述的半导体器件组成一个半导体器件阵列，所述MOS晶体管的漏极(或源极)与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述LED的负极与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。
11.一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件，包括至少一个半导体衬底、位于所述半导体衬底之上形成的一个MOS晶体管和一个发光二极管(LED)，其特征在于，所述LED包括至少一个发光层、位于所述发光层之上的ρ型区域、位于所述发光层之下的η型区域；所述MOS晶体管包括至少一个源区、一个漏区、一个衬底区和一个栅区；所述MOS晶体管的衬底区与所述的LED发光层之上的ρ型区域为同一层，但通过隔离结构与所述的LED的ρ型区域相隔离；所述MOS晶体管的ρ型衬底区之下为发光层，该发光层与所述的LED的发光层相同，但通过隔离结构与所述的LED的发光层相隔离；所述的MOS晶体管的源极(或漏极)与所述的LED的η型区域通过金属连接。
12.根据权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体衬底为GaN、GaP, GaAs, InGaAs, InP, SiC或者其它III-V族的半导体。
13.根据权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述LED的发光层为由MGaAs、 InGaAsP, GaP, GaAsP, AlGaInP, InGaN, GaN, SiC等材料构成的单个或多重量子阱结构。
14.一种MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件阵列，其特征在于，由多个权利要求 11所述的半导体器件组成一个半导体器件阵列，所述LED的正极与阵列中的多条位线中的任意一条相连接，所述MOS晶体管的栅极与阵列中的多条字线中的任意一条相连接，所述 MOS晶体管的漏极(或源极)与阵列中的多条地线中的任意一条相连接。
全文摘要
本发明公开了一种使用MOS晶体管控制发光二极管的半导体器件。将发光二极管及MOS晶体管集成在同一个芯片上，使单个芯片就可以实现图像的发射。由多个所述半导体器件还可以构成一个半导体器件阵列。同时，本发明还公开了所述半导体器件的制造方法。采用本发明技术制造的投影机具有体积小、功耗低、可便携性等优点，而且，集成电路芯片的使用，使得投影机系统大大简化，降低了生产成本，并且可以大大提高像素及亮度。
文档编号H01L21/77GK102315216SQ20101022324
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘伟, 刘磊, 王鹏飞 申请人:苏州东微半导体有限公司