Search

JP-2026514689-A - マイクロ光電子チップおよびその作製方法ならびに応用

JP2026514689AJP 2026514689 AJP2026514689 AJP 2026514689AJP-2026514689-A

Abstract

本出願は、マイクロ光電子チップおよびその作製方法ならびに応用を開示する。前記マイクロ光電子チップは、基板上に順次積層された第１ドープ半導体層、活性層および第２ドープ半導体層を含む半導体構造層と、半導体構造層内に分布するイオン注入領域であって、半導体構造層内にアレイに配列された複数の光電子チップ構造を電気的に分離するために使用されるイオン注入領域と、対応のイオン注入領域内に開設され、少なくとも任意の隣接する２つの光電子チップ構造の第２ドープ半導体層を相互に隔離するために使用される絶縁トレンチと、絶縁トレンチ内に設けられ、少なくとも光が第２ドープ半導体層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断するために使用される遮光構造と、を含む。本出願は、マイクロ光電子チップアレイ内の光クロストーク問題を効果的に解消し、優れた光電変換効率と表示性能を有するようにすることができる。 【選択図】図１

Inventors

  • 張 暁東
  • 夏 先海
  • 査 強
  • 曾 中明
  • 張 宝順

Assignees

  • 中国科学院蘇州納米技術与納米▲ファン▼生研究所

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20230619
Priority Date
20230426

Claims (10)

  1. 基板と、 前記基板上に設けられた半導体構造層であって、前記半導体構造層は前記基板上に順次積層された第１ドープ半導体層、活性層および第２ドープ半導体層を含む半導体構造層と、 前記半導体構造層内に分布するイオン注入領域と絶縁トレンチと、前記イオン注入領域は、前記半導体構造層内にアレイに配列された複数の光電子チップ構造を電気的に分離するために使用され、 前記イオン注入領域内に開設された絶縁トレンチであって、前記絶縁トレンチは少なくとも任意の隣接する２つの光電子チップ構造の第２ドープ半導体層を相互に隔離するために使用される絶縁トレンチと、 前記絶縁トレンチ内に設けられた遮光構造であって、前記遮光構造は少なくとも光が前記第２ドープ半導体層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断するために使用される遮光構造と、を含む、ことを特徴とするマイクロ光電子チップ。
  2. 前記イオン注入領域は少なくとも前記第２ドープ半導体層の頂端面から前記活性層の頂端面まで連続的に延伸し、前記絶縁トレンチ全体は前記イオン注入領域内に位置し、前記絶縁トレンチの溝底面は前記イオン注入領域の底端面よりも高く、かつ前記第２ドープ半導体層の底端面と面一であるか、または前記第２ドープ半導体層の底端面よりも低く、前記第２ドープ半導体層の頂端面は第２ドープ半導体層の基板から離れた側の表面であり、 好ましくは、前記イオン注入領域の底端面は前記第１ドープ半導体層内部に位置し、前記絶縁トレンチの溝開口は前記第２ドープ半導体層の頂端面上に設けられ、溝底は前記第１ドープ半導体層内部に位置し、および前記遮光構造は少なくとも光が前記第２ドープ半導体層および活性層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断するために使用される、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ光電子チップ。
  3. 少なくとも１つの絶縁層をさらに含み、前記絶縁層は少なくとも前記絶縁トレンチの側壁上を連続的に被覆し、前記絶縁トレンチの側壁と遮光構造間に位置し、および前記遮光構造は少なくとも前記絶縁層上を連続的に被覆する金属光隔離層を含む、ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ光電子チップ。
  4. 前記マイクロ光電子チップは異なる屈折率を有する複数の絶縁層を含み、複数の前記絶縁層は少なくとも前記絶縁トレンチの側壁上に順次積層され、イオン注入領域と組み合わせて分布型ブラッグ反射鏡構造を形成し、 および／または、前記絶縁層は熱伝導絶縁材料から形成され、前記熱伝導絶縁材料の熱膨脹係数は、前記金属光隔離層を構成する材料の熱膨脹係数と前記イオン隔離領域を構成する材料の熱膨脹係数間にあり、および／または、前記熱伝導絶縁材料は、前記金属光隔離層を構成する材料および前記イオン隔離領域を構成する材料の両方に対して良好な密着性を有し、 および／または、前記マイクロ光電子チップは熱伝導性パッシベーション層をさらに含み、前記熱伝導性パッシベーション層は前記半導体構造層の表面を被覆し、前記金属光隔離層と熱伝導可能に接続され、 および／または、前記金属光隔離層はさらに前記半導体構造層の表面まで延伸して電流拡散層を形成し、 好ましくは、前記絶縁層の材質は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化チタンまたは酸化ハフニウムを含み、 好ましくは、前記金属光隔離層の材質は、金、チタン、アルミニウム、ニッケル、クロム、モリブデンまたは銅を含み、 好ましくは、前記熱伝導絶縁材料は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素またはダイヤモンドを含む、ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ光電子チップ。
  5. 前記イオン注入領域は対応の光電子チップ構造を囲んで設けられ、前記イオン注入領域、光電子チップ構造の寸法は１μｍ～５０μｍであり、および／または、前記イオン注入領域を形成するための注入イオンはＨイオン、Ｆイオン、ＮイオンまたはＯイオンを含み、および／または、前記絶縁トレンチの内壁と対応のイオン注入領域の外壁の距離は１００ｎｍ～２０μｍであり、および／または、前記半導体構造層の材質はＩＩＩ－Ｖ族化合物を含み、好ましくはＩＩＩ族窒化物であり、および／または、前記光電子チップ構造はＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップ構造を含む、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のマイクロ光電子チップ。
  6. マイクロ光電子チップを作製する方法であって、以下のステップを含み： 基板上に半導体構造層を形成し、前記半導体構造層は前記基板上に順次積層された第１ドープ半導体層、活性層および第２ドープ半導体層を含み、 前記半導体構造層に対してイオン注入処理を施し、前記半導体構造層内にイオン注入領域を形成し、前記半導体構造層内にアレイに配列された複数の光電子チップ構造を電気的に分離し、 前記イオン注入領域に対してエッチングを施し、前記イオン注入領域内に絶縁トレンチを形成し、少なくとも任意の隣接する２つの光電子チップ構造の第２ドープ半導体層を相互に隔離し、 前記絶縁トレンチ内に遮光構造を設け、少なくとも光が前記第２ドープ半導体層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断する、ことを特徴とする作製方法。
  7. 前記作製方法は具体的に以下のステップを含み： 少なくとも前記第２ドープ半導体層の頂端面から前記半導体構造層に対してイオン注入処理を施し、イオン注入深度が少なくとも前記活性層の頂端面に達するようにして、前記イオン注入領域を形成し、 前記イオン注入領域に対してエッチングを施し、エッチング深度が前記イオン注入深度よりも小さいが少なくとも前記第２ドープ半導体層の底端面に達するようにして、前記絶縁トレンチを形成し、 ここで、前記第２ドープ半導体層の頂端面は第２ドープ半導体層の基板から離れた側の表面であり、 好ましくは、前記作製方法は具体的に以下のステップを含み： 少なくとも前記第２ドープ半導体層の頂端面から前記半導体構造層に対してイオン注入処理を施し、イオン注入深度が前記第１ドープ半導体層内部に達するようにして、前記イオン注入領域を形成し、 前記イオン注入領域に対してエッチングを施し、エッチング深度が前記イオン注入深度よりも小さいが前記第１ドープ半導体層内部に達するようにして、前記絶縁トレンチを形成し、 および、前記絶縁トレンチ内に遮光構造を設け、光が前記第２ドープ半導体層および活性層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断する、ことを特徴とする請求項６に記載の作製方法。
  8. 前記作製方法はさらに以下のステップを含み： 少なくとも１つの絶縁層を作製し、前記絶縁層が少なくとも前記絶縁トレンチの側壁を連続的に被覆するようにし、 金属光隔離層を作製し、前記金属光隔離層が少なくとも前記絶縁層を連続的に被覆するようにして、前記遮光構造を形成し、 好ましくは、前記作製方法は具体的に以下のステップを含み： 少なくとも前記絶縁トレンチの側壁上に、交互に積層された異なる屈折率を有する複数の絶縁層を形成し、複数の前記絶縁層がイオン注入領域と組み合わせて分布型ブラッグ反射鏡構造を形成するようにし、 および／または、熱伝導絶縁材料によって少なくとも前記絶縁トレンチの側壁上に前記絶縁層を形成し、前記熱伝導絶縁材料の熱膨脹係数は、前記金属光隔離層を構成する材料の熱膨脹係数と前記イオン隔離領域を構成する材料の熱膨脹係数間にあり、および／または、前記熱伝導絶縁材料は、前記金属光隔離層を構成する材料および前記イオン隔離領域を構成する材料の両方に対して良好な密着性を有し、 および／または、前記半導体構造層表面上に熱伝導性パッシベーション層を形成し、前記熱伝導性パッシベーション層と前記金属光隔離層が熱伝導可能に接続され、 および／または、前記金属光隔離層が延伸して前記半導体構造層表面を被覆し、電流拡散層を形成し、 好ましくは、前記絶縁層の材質は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化チタンまたは酸化ハフニウムを含み、および／または、前記金属光隔離層の材質は、金、チタン、アルミニウム、ニッケル、クロム、モリブデンまたは銅を含み、および／または、前記熱伝導性パッシベーション層の材質は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素またはダイヤモンドを含む、ことを特徴とする請求項７に記載の作製方法。
  9. 前記イオン注入領域は対応の光電子チップ構造を囲んで設けられ、前記イオン注入領域、光電子チップ構造の寸法は１μｍ～５０μｍであり、および／または、前記イオン注入処理で採用されるイオンはＨイオン、Ｆイオン、ＮイオンまたはＯイオンを含み、および／または、前記絶縁トレンチの内壁と対応のイオン注入領域の外壁の距離は１００ｎｍ～２０μｍであり、および／または、前記半導体構造層の材質はＩＩＩ－Ｖ族化合物を含み、好ましくはＩＩＩ族窒化物であり、および／または、前記光電子チップ構造はＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップ構造を含む、ことを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の作製方法。
  10. 請求項１～５のいずれか１項に記載のマイクロ光電子チップを含む、ことを特徴とするＭｉｃｒｏ－ＬＥＤ装置。

Description

（関連出願） 本出願は、２０２３年０４月２６日に出願された出願番号２０２３１０４６２８２６９、出願名称「マイクロ光電子チップおよびその作製方法ならびに応用」の中国特許出願に基づく優先権を主張する。 （技術分野） 本出願は、半導体光電子デバイスに関し、具体的にマイクロ光電子チップおよびその作製方法ならびに応用に関し、半導体デバイス製造の技術分野に属する。 Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤは、理想的な新型マイクロディスプレイ技術である。チップフリップまたはウェハレベルボンディング技術により、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤアレイは能動型シリコンベース表示駆動チップと組み合わせて、高発光効率とより優れた色度表現を有する自発光型Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤマイクロ表示チップを形成する。ＬＣＤと比較すると、自発光型Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤマイクロ表示チップはバックライトを必要としないため、各種の集光投射光学コンポーネントを搭載する必要がないため、光エンジンの体積を大幅に縮小することができる。同時に、各Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤ画素は独立してオンオフでき、光効率と動的コントラスト比を顕著に向上させることができる。有機材料のＯＬＥＤと比較すると、無機材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤの動作温度範囲がより広く、より高い電流密度に耐えられ、マイクロチップの表示輝度は百万ニトルに達することができ、これはＯＬＥＤ輝度の数十から数百倍であり、いくつかの特殊な応用シナリオ、または国防軍事応用分野に適用することができる。 現在、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤの技術の主流は、まずドライエッチング（ＲＩＥ、ＥＣＲ、ＩＣＰ）などの半導体微細加工技術を用いて従来のＬＥＤから数十マイクロメータ乃至それ以下の寸法のＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップを加工し、その後大規模並列転送技術（Ｍａｓｓｉｖｅｌｙ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ）または単一チップアレイ集積技術（Ａｒｒａｙｓ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）によってＲＧＢフルカラー画像表示を実現する方法である。しかしながら、ドライエッチングプロセスはＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの縁部の側壁を露出させることができ、同時に高エネルギーエッチング粒子が材料結晶格子を損傷し、材料表面にダングリングボンドを形成し、エッチング粒子が材料内部に侵入して側壁損傷を引き起こし、かつ損傷影響がチップ内部に数マイクロメータの深度にわたって及ぶ可能性があり、これらの損傷は、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの縁部領域に大量の欠陥準位が存在すること意味し、ダングリングボンドはキャリアのリーク経路が増加することを意味し、これらは、より優れた光学・電気的特性を有するＭｉｃｒｏ－ＬＥＤマイクロ表示デバイスの実現を妨げる重大な要因となっている。具体的に、これらの欠陥と損傷はＭｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスの量子効率や有効発光面積などを大幅に低減し、例えば、側壁損傷の影響により５μｍ×５μｍ Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの有効発光面積が全体寸法の約４％に過ぎない場合があり、同時に、側壁損傷に伴う欠陥は、材料内部に深いエネルギー準位（非発光再結合中心）を形成し、デバイス非発光再結合率を著しく増大させるため、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤのピーク発光効率が通常１０％未満になる。加えて、エッチングされたＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップ間に深刻な光学クロストークが生じ、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤディスプレイの使用過程中のマイクロ表示性能に悪影響を及ぼし、例えば、１つのＭｉｃｒｏ－ＬＥＤ画素の発光が隣接するＭｉｃｒｏ－ＬＥＤの発光を誘起する場合があり、表示過程中、発光画素の周囲を黒表示としてコントラスト比を高める必要がある場合、マイクロ表示のコントラスト比が光学クロストークの存在により大幅に劣化される。さらに、光学クロストークによる光伝送の散逸に起因して、局所のＭｉｃｒｏ－ＬＥＤの輝度も大幅に低下する。 近年、イオン注入隔離方法を採用することにより、ＬＥＤ発光面積の微細化を図る同時に、エッチングプロセスによる側壁損傷に起因するＭｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスアレイ性能低下を回避し、トレンチ構造によるＭｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスアレイの製造プロセスコストや可能な歩留まりに対する影響を低減し、さらに作製したＭｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスアレイが平坦化などの利点を有することが研究者によって指摘されている。しかしながら、イオン注入隔離方法は、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスアレイの製造過程で明らかな欠点も存在する。例えば、イオン注入隔離方法で製造されたＭｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイスアレイは真の光学的隔離を実現できず、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤデバイス間の光学クロストークを低減する上で不十分であり、最終的なＭｉｃｒｏ－ＬＥＤマイクロ表示デバイスの表示性能に影響を及ぼす可能性がある。特に、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤチップ寸法と隣接するピッチの微細化に伴い、イオン注入領域の寸法も縮小する必要があるが、横方向の光拡散により隣接するＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップ間の光クロストークの問題が一層深刻化し、その結果、Ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの色度均一性および解像度がさらに低下する。 本出願の一部を構成する明細書の添付図面は本出願のさらなる理解を提供するために使用され、本出願の例示的な実施例およびその説明は本出願を解釈するためのものであり、本出願を不当に限定するものではない。 実施例１のＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの概略図である。実施例１のＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップのエピタキシャルウェハの構造概略図である。図２に示すエピタキシャルウェハに対してイオンを注入した後に形成されたデバイスの構造概略図である。図３に示すデバイスのイオン注入領域に対してエッチングして溝を開いた後に形成されたデバイスの構造概略図である。図４に示すデバイスの絶縁トレンチ内に遮光構造を充填して形成されたデバイスの構造概略図である。実施例３のＭｉｃｒｏ－ＬＥＤチップの概略図である。図６のＡ領域の局所拡大概略図である。実施例３の絶縁層の異なる波長光に対する反射率テスト図である。実施例４の絶縁層の異なる波長光に対する反射率テスト図である。実施例５の絶縁層の異なる波長光に対する反射率テスト図である。 従来のエッチングプロセスを用いてマイクロ光電子チップアレイを形成する場合に存在する側壁損傷などの問題、およびイオン注入隔離方式を用いてマイクロ光電子チップアレイを形成する場合に存在する光クロストークなどの欠陥を考慮して、本出願者は長期間研究と実践を通じて、本出願の技術的解決策を提案し、最終的な表示性能に影響を与える可能性のある光学クロストークの影響を低減する同時に、イオン注入隔離手段により光電変換効率の向上に有利であるという利点を有し、それにより、マイクロ光電子チップアレイの光電性能を向上させ、その表示性能を最適化する。以下、本出願の技術的解決策をさらに詳細に説明する。 本出願のいくつかの実施例が提供するマイクロ光電子チップは、 基板と、 前記基板上に設けられた半導体構造層であって、前記基板上に順次積層された第１ドープ半導体層、活性層および第２ドープ半導体層を含む半導体構造層と、 前記半導体構造層内に分布するイオン注入領域と絶縁トレンチと、前記イオン注入領域は、前記半導体構造層内にアレイに配列された複数の光電子チップ構造を電気的に分離するために使用され、 前記イオン注入領域内に開設された絶縁トレンチと、前記絶縁トレンチは少なくとも任意の隣接する２つの光電子チップ構造の第２ドープ半導体層を相互に隔離するために使用され、 前記絶縁トレンチ内に設けられた遮光構造とを含み、前記遮光構造は少なくとも光が前記第２ドープ半導体層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを遮断するために使用される。 本出願では、イオン注入隔離方式を用いてマイクロ光電子チップアレイを実現し、イオン注入領域に絶縁トレンチを開設し、および絶縁トレンチに遮光構造を設けることにより、チップの微細化をより良く実現でき、エッチングプロセスによるチップ側壁損傷とダングリングボンドを回避し、チップの量子効率と有効使用面積を保証および向上させ、より優れた光学および電気的特性を持たせることができ、同時に光がマイクロ光電子チップアレイ中の隣接するチップ間で伝送されるのを効果的に阻止し、光学クロストークを解消し、それにより、マイクロ光電子のチップアレイのコントラスト比と輝度などの表示性能を改善することができる。 一実施例では、前記イオン注入領域は少なくとも前記第２ドープ半導体層の頂端面から前記活性層の頂端面まで連続的に延伸し、前記絶縁トレンチ全体は前記イオン注入領域内に位置し、前記絶縁トレンチの溝底面は前記イオン注入領域の底端面よりも高く、かつ前記第２ドープ半導体層の底端面と面一であるか、または前記第２ドープ半導体層の底端面よりも低く、前記第２ドープ半導体層の頂端面は第２ドープ半導体層の基板から離れた側の表面である。絶縁トレンチ全体をイオン注入領域内に配置する方式を採用することにより、一方では絶縁トレンチの作製過程でエッチングによる半導体材料の損傷リスクをさらに低減し、他方ではイオン注入領域を利用して絶縁トレンチ内の導電性充填材料と第２ドープ半導体層および活性層などの構造層中の半導体材料とを電気的に分離し、デバイスの正常な動作性能を保証することができる。 ここで、前記イオン注入領域を形成するための注入イオンは、Ｈイオン、Ｆイオン、ＮイオンまたはＯイオンなどを含むが、これらに限定されない。 ここで、前記イオン注入領域は１つまたは複数であってもよい。例示的に、前記半導体構造層の表面上に、前記イオン注入領域は網目状であり得、各網目によって囲まれた領域は非イオン注入領域であり、光電子チップ構造を作製するために使用される。これに対応して、前記絶縁トレンチは１つまたは複数であってもよく、例示的に、前記半導体構造層の表面上で網目状構造を呈してもよい。 本出願では前記イオン注入領域は対応の非イオン注入領域を囲んで設けられ、この対応の非イオン注入領域に光電子チップ構造が形成される。前記イオン注入領域および光電子チップ構造の寸法はいずれも実際のニーズに応じて設定することができる。例示的に、前記イオン注入領域、光電子チップ構造の寸法は１μｍ～５０μｍである。ここで、前記イオン注入領域および光電子チップ構造の寸法は主に、半導体構造層の層平面と平行な方向上の寸法を指し、その長さおよび幅またはその直径と見なすこともできる。 さらに、前記イオン注入領域の底端面は前記第１ドープ半導体層内部に位置し、前記絶縁トレンチの溝開口は前記第２ドープ半導体層の頂端面上に設けられ、溝底は前記第１ドープ半導体層内部に位置し、および、前記遮光構造は少なくとも光が前記第２ドープ半導体層及び活性層を介して任意の隣接する２つの光電子チップ構造間で伝送されるのを阻止するために使用される。このような設計により、光がマイクロ光電子チップアレイ内で伝送されるのをよりよく遮断し、光クロストーク問題をより徹底的に克服することができる。 本出願では、前記絶縁トレンチの内壁と対応のイオン注入領域の外壁間に一定距離があり、すなわち、イオン注入領域は一定の壁厚を有し、例示的に、１００ｎｍ～２０μｍであり得る。 一実施例では、前記マイクロ光電子チップは少なくとも１つの絶縁層をさらに含み、前記絶縁層は少なくとも前記絶縁トレンチの側壁上を連続的に被覆し、前記絶縁トレンチの側壁と遮光構造間に位置し、および前記遮光構造は少なくとも前記絶縁層上を連続的に被覆する金属光隔離層を含む。ここで、前記絶縁層を設けることにより、一方では絶縁トレンチ側壁の保護を実現でき、他方では絶縁トレンチ内の導電性充填材料と第２ドープ半導体層および活性層などの構造層中の半導体材料を電気的に分離することができる。および、前記絶縁層を利用して、蒸着などのプロセスによっ