半导体发光装置制造方法
【专利摘要】本发明提供半导体发光装置，其将半导体发光元件及其驱动装置配置在同一半导体基板上、且抑制了驱动装置中的错误动作的产生。该半导体发光装置具有：半导体基板，其在主面上定义了发光区域和驱动装置区域；层叠体，其在半导体基板的主面上从发光区域连续地配置到驱动装置区域，且具有依次层叠由外延生长的氮化物半导体构成的n型半导体层、有源层和p型半导体层而成的结构；配置在层叠体上的层间绝缘膜；控制晶体管，其经由层叠体的至少一部分和层间绝缘膜配置在驱动装置区域的上方，控制层叠体中的发光；以及遮光膜，其在层间绝缘膜内配置在控制晶体管与层叠体之间。
【专利说明】半导体发光装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及在同一半导体基板上配置有半导体发光元件和半导体发光元件的驱动装置的半导体发光装置。
【背景技术】
[0002]在具有发光二极管(LED)和半导体激光器等半导体发光元件的半导体发光装置中，通过将半导体发光元件和驱动该发光元件的驱动装置集成到同一个半导体基板上而实现了半导体发光装置的小型化。例如，提出了如下方法:在硅基板上隔着经由层形成半导体发光元件，并且在硅基板上单片地形成半导体发光元件的驱动装置(例如参照专利文献I。)。
[0003]【专利文献I】日本特开平2-150081号公报
[0004]但是，在作为半导体发光元件的驱动装置而搭载在硅基板上的场效应晶体管(FET)中，可能产生PNP寄生晶体管，从而流过无法用栅电压进行控制的电流。此外，在基板流过电流时，有时形成NPN寄生晶体管，从而FET不进行正常动作。由此，在将半导体发光元件和驱动装置集成到同一个半导体基板上的情况下，半导体发光装置可能会由于驱动装置的错误动作而不正常进行动作。
【发明内容】
[0005]鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种将半导体发光元件及其驱动装置配置在同一个半导体基板上 、且抑制了驱动装置中的错误动作的产生的半导体发光装置。
[0006]根据本发明的一个方式，提供一种半导体发光装置，其具有:(I)半导体基板，其在主面上定义了发光区域和驱动装置区域；(2)层叠体，其在半导体基板的主面上从发光区域连续地配置到驱动装置区域，且该层叠体具有依次层叠由外延生长的氮化物半导体构成的η型半导体层、有源层和P型半导体层而成的结构；(3)配置在层叠体上的层间绝缘膜；(4)控制晶体管，其隔着层叠体的至少一部分和层间绝缘膜而配置在驱动装置区域的上方，控制层叠体中的发光；以及(5)遮光膜，其在层间绝缘膜内配置在控制晶体管与层叠体之间。
[0007]根据本发明，能够提供一种将半导体发光元件及其驱动装置配置在同一个半导体基板上、且抑制了驱动装置中的错误动作的产生的半导体发光装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是示出本发明实施方式的半导体发光装置的结构的示意性截面图。
[0009]图2是示出本发明实施方式的半导体发光装置的结构的示意性俯视图。
[0010]图3是示出本发明实施方式的半导体发光装置的等效电路图。
[0011]图4是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之
—X[0012]图5是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之二)。
[0013]图6是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之三)。
[0014]图7是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之四)。
[0015]图8是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之五)。
[0016]图9是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之六)。
[0017]图10是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之七)。
[0018]图11是用于说明本发明实施方式的半导体发光装置的制造方法的步骤截面图(之八)。
[0019]图12是示出本发明实施方式的变形例的半导体发光装置的结构的示意性截面图。
[0020]标号说明
[0021]1:半导体发光装置；10:半导体基板；11:娃基板；12:缓冲层；20:层置体；21:n型半导体层；22:有源层；23:p型半导体层；30:透明电极；40:层间绝缘膜；50:遮光膜；60:控制晶体管；61:npn构造；62:栅绝缘膜；63:栅区；71:布线层；100:半导体发光元件；101:发光区域；102:驱动装置区域；111:阳电极；112:阴电极；601:漏电极；602:源电极；603:栅电极。
【具体实施方式】
[0022]参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分给出相同或类似的符号。但是，应该注意，附图是示意性的，厚度和平面尺寸的关系、各层的厚度比率等与现实中的不同。因此，具体的厚度和尺寸，应参考以下的说明来判断。另外，当然即使附图相互之间，也包含相互的尺寸关系和比例不同的部分。
[0023]并且，以下所示的实施方式，例示了用于具体化本发明的技术思想的装置和方法，在本发明的实施方式中，结构部件的材质、形状、结构、配置等不限定于以下的内容。可以在权利要求的范围内，对本发明的实施方式实施各种变更。
[0024]如图1所示，本发明的实施方式的半导体发光装置I具有:半导体基板10，其在主面上定义了发光区域101和驱动装置区域102 ;层叠体20，其配置在半导体基板10的主面上，且具有依次层叠η型半导体层21、有源层22和P型半导体层23而成的结构；配置在层叠体20上的层间绝缘膜40 ;控制晶体管60，其隔着层叠体20的至少一部分和层间绝缘膜40配置在驱动装置区域102的上方；以及在层间绝缘膜40内配置在控制晶体管60与层叠体20之间的遮光膜50。层叠体20在半导体基板10的主面上从发光区域101连续地配置到驱动装置区域102。η型半导体层21、有源层22和ρ型半导体层23由通过外延生长形成的氮化物半导体构成。[0025]层间绝缘膜40从发光区域101上方连续地配置到驱动装置区域102上方，控制晶体管60的周围由层间绝缘膜40覆盖。遮光膜50嵌入到层间绝缘膜40内。在图1所示的例子中，遮光膜50包含第一遮光层51和第二遮光层52。如后所述,第一遮光层51和第二遮光层52通过不同的步骤形成。
[0026]半导体发光装置I还具有透明电极30，该透明电极30在发光区域101的上方配置于层叠体20与层间绝缘膜40之间，与ρ型半导体层23接触。配置在层间绝缘膜40上的阳电极111在形成于层间绝缘膜40的开口部中与透明电极30电连接。从阳电极111向透明电极30提供空穴。此外，在半导体基板10的与配置有层叠体20的主面相对的背面上，配置有阴电极112。
[0027]从阴电极112经由半导体基板10和η型半导体层21提供的电子、和从阳电极111经由透明电极30和ρ型半导体层23提供的空穴在有源层22中再结合而产生光。即，形成有在发光区域101上产生输出光L的半导体发光元件100。在层叠体20中产生的输出光L透过透明电极30和层间绝缘膜40，输出到半导体发光装置I的外部。
[0028]控制晶体管60作为驱动装置进行工作，其控制在膜厚方向上流过层叠体20的电流，控制半导体发光元件100中的发光。具体而言，控制晶体管60通过控制经由η型半导体层21的向有源层22的电子注入和经由ρ型半导体层23的向有源层22的空穴注入，控制层叠体20中的发光。即，通过向阳电极111与阴电极112之间施加预定的电压，驱动半导体发光兀件100。
[0029]控制晶体管60使用了如下结构的晶体管:ρ型区域和η型区域在与主面平行的方向即横向上相邻，且在与层叠体20相对的下表面配置有绝缘膜。在控制晶体管60中，主电流以横向流过。
[0030]控制晶体管60可采用例如薄膜晶体管(thin film transistor:TFT)结构等的结型场效应晶体管。图1所示的控制晶体管60具有在横向上依次配置有第一 η型区域611、P型区域612和第二 η型区域613的ηρη结构61。并且，以至少覆盖ρ型区域612整体的方式在ηρη结构61上配置有栅绝缘膜62，以隔着栅绝缘膜62与ρ型区域612相对的方式配置有栅区63。另外，在图1所示的控制晶体管60中，将第一 η型区域611设为漏区、第二 η型区域613设为源区。在ηρη结构61的下方，配置有层间绝缘膜40的膜厚方向的一部分、和层叠体20的膜厚方向的一部分。
[0031]在层间绝缘膜40上配置有漏电极601、源电极602和栅电极603。并且,第一 η型区域611与漏电极601连接，第二 η型区域613与源电极602连接，栅区63与栅电极603连接。控制晶体管60的各区域和各电极在设置于层间绝缘膜40的开口部和设置于第二遮光层52的开口部中分别连接。并且，如图1所示，控制晶体管60的源电极602和半导体发光元件100的阳电极111通过配置在层间绝缘膜40上的布线层71连接。
[0032]图1所示的半导体基板10是在硅基板11上配置有缓冲层12、在缓冲层12上配置有层叠体20的结构。但可以省略缓冲层12。
[0033]缓冲层12例如可采用交替层叠了由AlxMyGai_x_yN(M是铟(In)或硼(B)、0 < x≤1、
1> X + y = I)构成的第一子层、和由 AlaMbGal-a-bN (Μ 是 In 或 B、0 < a < 1、
O < b < l、a + b = l、a < x)构成的第二子层的多层结构。例如，第一子层是膜厚为0.5~5nm左右的氮化铝(AlN)膜，第二子层是膜厚为0.5~200nm左右的氮化镓(GaN)膜。[0034]η型半导体层21是例如作为η型杂质掺杂了硅(Si)的膜厚5 μ m左右的GaN膜，向有源层22提供电子。ρ型半导体层23是例如掺杂了 ρ型杂质的膜厚0.2 μ m左右的GaN膜，向有源层22提供空穴(孔)。P型杂质是镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、钙(Ca)、铍(Be)、碳(C)
坐寸ο
[0035]例如，有源层22具有交替层叠了 InGaN膜和GaN膜的多量子阱(MQW)结构。InGaN膜和GaN膜的膜厚分别是几μ m?几十μ m左右。
[0036]透明电极30和层间绝缘膜40由使在有源层22中产生的光透过的材料构成。透明电极30例如可以采用氧化铟锡(ITO)膜等。ITO膜的膜厚为50nm?500nm左右。层间绝缘膜40例如可以采用膜厚150nm?1500nm左右的氧化硅(SiO2)膜等。
[0037]遮光膜50适合使用例如钛(Ti)或钨(W)等。从半导体发光元件100向控制晶体管60方向出射的光被遮光膜50遮挡，从而光照射不到控制晶体管60。如图1所示，遮光膜50配置在控制晶体管60的与层叠体20相对的侧面和底面。遮光膜50嵌入到层间绝缘膜40的内部，因此遮光膜50几乎不会长时间暴露在大气或纯水等中。因此，可以抑制由水蒸气等导致的遮光膜50的劣化。
[0038]阳电极111和阴电极112例如可以采用金(Au)等。
[0039]在图2中示出从阳电极111 一侧观察的半导体发光装置I的俯视图。图1是沿图2的I 一 I方向的截面图。在图2中，在阳电极111、漏电极601、源电极602和栅电极603的内侧用虚线示出的区域是透过各电极观察到的层间绝缘膜40的开口部。
[0040]如图2所示，在发光区域101的上方整体配置有透明电极30。此外，以电流在透明电极30的整个区域流过的方式，沿着透明电极30的外周配置阳电极111。由此，可以使流过有源层22的电流均匀化，并且在有源层22的宽范围内产生光。
[0041]图3示出半导体发光装置I的等效电路图。如已述那样，控制晶体管60的源电极602与半导体发光元件100的阳电极111通过布线层71连接。半导体发光元件100的阴电极112被接地。并且，在向控制晶体管60的漏电极601施加了预定的漏电压Vdd的状态下，向栅电极603与源电极602之间施加阈值电压以上的栅电压Ves，从而控制晶体管60导通。其结果，电流在半导体发光元件100的阳电极111与阴电极112之间流过，从而半导体发光元件100发光。例如，漏电压Vdd为IOV左右、栅电压Ves为4V左右。通过截止控制晶体管60，半导体发光元件100的发光停止。
[0042]如以上所说明那样，在实施方式的半导体发光装置I中，在构成半导体发光元件100的作为外延生长膜的层叠体20上，配置有作为半导体发光元件100的驱动装置的控制晶体管60。对于控制晶体管60，具有以下结构的例如TFT等的结型场效应晶体管等适合用于控制晶体管60:主电流(漏电流)以横向流过，在与层叠体20相对的下表面配置有绝缘膜。因此，在半导体发光装置I中，不产生寄生晶体管。因此，不会产生流过无法用栅电压Vgs进行控制的电流、或者在半导体基板10中流过电流时不进行FET动作等问题。
[0043]此外，将控制晶体管60配置在作为半导体发光元件100的一部分的层叠体20上，因此与在硅基板11的其他区域中配置控制晶体管60的情况相比，能够减小半导体发光装置I的面积。
[0044]并且，遮光膜50形成在层间绝缘膜40的内部，通过遮光膜50覆盖控制晶体管60，以使得从半导体发光元件100出射的光照射不到控制晶体管60。通过将遮光膜50嵌入到层间绝缘膜40，能与遮光同时实现控制晶体管60与半导体发光元件100之间的绝缘。不需要遮光膜50用的多余区域，因此抑制了半导体发光装置I的面积增大。
[0045]参考图4?图11，说明在图1中示出的半导体发光装置I的制造方法。并且，以下描述的半导体发光装置I的制造方法是一个例子，当然除此以外的包含变形例的各种制造方法都能够实现。
[0046]首先，在硅基板11上形成缓冲层12来构成半导体基板10。在缓冲层12上通过外延生长法依次层叠η型半导体层21、有源层22和ρ型半导体层23，如图4所示地形成层叠体20。接着，如图5所示，使用干蚀刻法等将层叠体20和缓冲层12蚀刻为芯片尺寸，进行元件分离。
[0047]如图6所示，在形成控制晶体管60的区域中蚀刻去除层叠体20的上部的一部分。在图6所示的例子中，完全去除ρ型半导体层23和有源层22，并去除了 η型半导体层21的上部。另外，在层叠体20的所去除的部分的外延膜的侧面上，形成有层间绝缘膜40、布线层71、第一遮光层51和第二遮光层52。因此，优选在层叠体20的通过蚀刻露出的侧面与上表面之间附加45度左右的锥度。即，层叠体20的膜厚从驱动装置区域102朝向发光区域101逐渐变厚。
[0048]如图7所示，在发光区域101的ρ型半导体层23上形成了透明电极30后，在层叠体20的整个面上形成第一绝缘层41。接着，在驱动装置区域102的第一绝缘层41上形成第一遮光层51。另外，第一遮光层51被配置在发光区域101以外的区域中，还形成在作为发光区域101与驱动装置区域102之间的边界的层叠体20的侧面上。由此，遮挡从侧面方向入射到控制晶体管60的光。
[0049]在整个面上形成了第二绝缘层42后，如图8所示，在驱动装置区域102的第二绝缘层42上形成控制晶体管60。例如，为了形成ηρη结构61，使用以350°C进行热处理的等离子化学气相生长(PE - CVD)法或以650°C进行热处理的减压化学气相生长(LP — CVD)法等形成多晶硅层。用LP — CVD法进行的650°C的加热处理对于使ρ型杂质的镁(Mg)活化也是有效的，因此对用LP - CVD法形成多晶硅层的方法进行说明。S卩，在多晶硅层生长后，实施硅(Si)注入、和例如600°C的激光退火处理，从而形成晶粒较大的无定形Si。此处进行杂质的离子注入，形成第一 η型区域611、ρ型区域612和第二 η型区域613。然后，形成栅绝缘膜62和栅区63。栅区63可采用例如注入了杂质离子的多晶硅膜等。
[0050]接着，如图9所示，在整个面上形成了第三绝缘层43后，在驱动装置区域102的第三绝缘层43上形成第二遮光层52。然后，在第二遮光层52上形成用于对作为漏区的第一η型区域611、作为源区的第二 η型区域613以及栅区63和漏电极601、源电极602以及栅电极603分别进行连接的开口部。
[0051]之后，如图10所示，在整个面上形成第四绝缘层44。通过第一绝缘层41?第四绝缘层44构成图1所示的层间绝缘膜40。进而，在层间绝缘膜40上形成用于对第一 η型区域611、第二 η型区域613以及栅区63和漏电极601、源电极602以及栅电极603分别进行连接的开口部。此时，还在层间绝缘膜40上形成用于对阳电极111和透明电极30进行连接的开口部。
[0052]接着，如图11所示，嵌入形成于层间绝缘膜40和第二遮光层52的开口部，形成漏电极601、源电极602、栅电极603和阳电极111。还同时形成布线层71。然后,在半导体基板10的背面上形成阴电极112，从而完成图1所示的半导体发光装置I。
[0053]在上述说明的半导体发光装置I的制造方法中，通过干蚀刻将作为外延生长膜的层叠体20蚀刻为芯片尺寸，进行元件分离。控制晶体管60在外延生长步骤后形成，而控制晶体管60的形成步骤是在650°C以下进行的、比半导体发光元件100的各层的生长温度的温度低的步骤。因此，控制晶体管60的形成步骤几乎不会对外延膜产生不良影响。
[0054]另外，在外延生长步骤前形成栅电极用的膜的情况下，可能会由于之后的热处理和蚀刻处理引起的损害、应力等而使栅电极用的膜破损。此外，阈值电压Vth可能发生变动。
[0055]但是，在本发明实施方式的半导体发光装置I的制造方法中，在外延生长步骤后形成栅电极用的膜。因此，能够抑制外延生长时的应力引起的栅电极的膜的破损和阈值电压Vth的变动等。
[0056]<变形例>
[0057]在图1中，示出了层叠体20在发光区域101上的膜厚与在驱动装置区域102上的膜厚相比较厚的例子。根据图1所示的结构，能够将发光区域101和驱动装置区域102中的半导体发光装置I的高度设为相同。
[0058]但是，例如图12所示，可以在不去除配置有控制晶体管60的驱动装置区域102的层叠体20的上部的一部分的情况下，在ρ型半导体层23上配置控制晶体管60。由此，能够缩短半导体发光装置I的制造步骤。
[0059]如上所述，虽然本发明由实施方式记载，但是构成公开的一部分的论述和附图不应该理解为限定本发明。本领域技术人员，能够从该公开明确各种代替实施方式、实施例及应用技术。当然，本发明包含在此没有记载的各种实施方式等。因此，本发明的技术范围是从上述的说明，通过相应的权利要求中的发明特定事项来确定。
【权利要求】
1.一种半导体发光装置，其特征在于具有: 半导体基板，其在主面上定义了发光区域和驱动装置区域； 层叠体，其在所述半导体基板的所述主面上从所述发光区域连续地配置到所述驱动装置区域，且该层叠体具有依次层叠由外延生长的氮化物半导体构成的η型半导体层、有源层和P型半导体层而成的结构； 配置在所述层叠体上的层间绝缘膜； 控制晶体管，其隔着所述层叠体的至少一部分和所述层间绝缘膜而配置在所述驱动装置区域的上方，控制所述层叠体中的发光；以及 遮光膜，其在所述层间绝缘膜内配置在所述控制晶体管与所述层叠体之间。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于， 在所述控制晶体管的与所述层叠体相对的侧面和底面配置有所述遮光膜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述层叠体在所述发光区域上的膜厚比在所述驱动装置区域上的膜厚厚。
4.根据权利要求3所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述层叠体的膜厚从所述驱动装置区域朝向所述发光区域逐渐变厚。
5.根据权利要求1?4中的任意一项所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述控制晶体管具有P型区域和η型区域在与所述主面平行的方向上相邻的结构。
6.根据权利要求5所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述控制晶体管是结型场效应晶体管。
7.根据权利要求6所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述半导体发光装置还具有布线层，该布线层配置在所述层间绝缘膜上，且在设置于所述层间绝缘膜的开口部中与所述控制晶体管的源电极和所述P型半导体层连接。
8.根据权利要求1?7中的任意一项所述的半导体发光装置，其特征在于， 所述半导体发光装置还具有透明电极，该透明电极在所述发光区域的上方配置于所述层叠体与所述层间绝缘膜之间，且与所述P型半导体层接触。
【文档编号】H01L27/15GK103730478SQ201310464248
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2012年10月10日
【发明者】杉森畅尚 申请人:三垦电气株式会社