半导体器件及其制造方法.pdf

一种半导体器件，包括衬底和接合到衬底的半导体薄膜，其中半导体薄膜包括多个分立工作区和隔离多个分立工作区的元件隔离区，且将元件隔离区蚀刻到比半导体薄膜的厚度更浅的深度，并且是比多个分立工作区更薄的区域。

1.  一种半导体器件，包括：
衬底(12、52)；和
接合到所述衬底(12、52)的半导体薄膜(14、54)；
其中所述的半导体薄膜(14、54)包括多个分立工作区(14a、54a)，每一个分立工作区具有工作层，以及元件隔离区(14b、54b)，其是将多个分立工作区(14a、54a)的所述工作层(23)相互隔离的所述半导体薄膜(14、54)的变薄区域。

2.  根据权利要求1的半导体器件，
其中所述的半导体薄膜(14、54)的接合面积比所述多个分立工作区(14a、54a)的总面积更大。

3.  根据权利要求1的半导体器件，
其中所述的衬底(12、52)是包括集成电路的驱动电路衬底。

4.  根据权利要求1的半导体器件，还包括：
分立互连层(32、72)，其从所述分立工作区(14a、54a)的顶部穿过所述元件隔离区(14b、54b)延伸到所述衬底(12、52)的顶部。

5.  根据权利要求1的半导体器件，
其中所述的半导体薄膜(14、54)包括多层半导体外延结构，从所述衬底(12、52)一侧依次包括下部接触层(21、61)、下部包层(22、62)、激活层(23、63)作为所述工作层、上部包层(24、64)和上部接触层(25、65)，
其中所述的元件隔离区(14b、54b)包括所述的下部接触层(21、61)和部分所述的下部包层(22、62)。

6.  根据权利要求1的半导体器件，
其中所述的半导体薄膜(14、54)包括多层半导体外延结构，从所述衬底(12、52)一侧依次包括下部接触层(21、61)、下部包层(22、62)、激活层(23、63)作为所述工作层、上部包层(24、64)和上部接触层(25、65)，
其中所述的元件隔离区(14b、54b)包括部分所述的下部接触层(21、61)。

7.  根据权利要求6的半导体器件，还包括：
公共互连层(74)，从所述元件隔离区(54b)的所述下部接触层(61)的顶部延伸到所述衬底(52)的顶部。

8.  根据权利要求1至7中任何之一的半导体器件，还包括：
介于所述衬底(12、52)和所述半导体薄膜(14、54)之间的金属层(13)。

9.  根据权利要求1至7中任何之一的半导体器件，其中使用粘接剂(53)接合所述的半导体薄膜(14、54)。

10.  根据权利要求1至7中任何之一的半导体器件，其中所述的多个分立工作区(14a、54a)每一个包括发光元件，并且多个所述的发光元件规则地排列。

11.  一种LED打印头(100)，包括：
根据权利要求1的所述半导体器件；和
用于支撑所述半导体器件的支架(101、102)。

12.  一种图像形成设备(200)，包括：
根据权利要求11的所述LED打印头(100)；和
面向所述LED打印头(100)安装的感光体。

13.  一种制造半导体器件的方法，包括：
在第一衬底(111)上形成包含多个分立工作区(14a、54a)的半导体薄膜(14、54)，每一个分立工作区具有工作层，以便所述的半导体薄膜(14、54)可以与第一衬底(111)分离；
将已与所述第一衬底(111)分离的所述半导体薄膜(14、54)接合到第二衬底(12、52)；以及
通过将除了接合到所述第二衬底(12、52)的所述半导体薄膜(14、54)的所述多个分立工作区(14a、54a)之外的区域进行蚀刻而形成元件隔离区(14b、54b)，以便相互隔离所述多个分立工作区(14a、54a)的所述工作层(23)。

14.  根据权利要求13的方法，其中所述的第二衬底(12、52)是包括集成电路的驱动电路衬底，
所述方法还包括：
形成分立互连层(32、72)，其从所述分立工作区(14a、54a)的顶部穿过所述元件隔离区(14b、54b)延伸到所述第二衬底(12、52)的顶部。

15.  根据权利要求13或14的方法，还包括：
在将所述半导体薄膜(14、54)接合到所述第二衬底(12、52)之前，在所述第二衬底(12、52)上形成金属层(13)，
其中在将所述半导体薄膜(14、54)接合到所述第二衬底(12、52)的步骤中，将所述半导体薄膜(14、54)接合到所述金属层(13)。

16.  根据权利要求13或14的方法，其中使用粘接剂(53)接合所述半导体薄膜(14、54)。

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及通过将半导体薄膜例如LED外延膜接合到衬底上形成的半导体器件、使用该半导体器件的LED打印头、使用该LED打印头的图像形成设备以及制造半导体器件的方法。
背景技术
在常规技术中，通过接合引线进行LED芯片和用于驱动和控制LED芯片的驱动器IC芯片之间的电连接(例如，日本专利特许公开No.2001-244543)。图13是表示其中LED芯片和驱动器IC芯片通过接合引线连接的常规半导体器件的透视图，而图14是示出图13的LED芯片放大了的透视图。如图13或图14中所示，半导体器件包括单元板301、LED芯片302和驱动器IC芯片303。LED芯片302包括发光部件304、分立电极305和电极焊垫306。LED芯片302的电极焊垫306和接合IC芯片303的电极焊垫307通过接合引线308连接。而且，驱动器IC芯片303的电极焊垫309和单元板301的电极焊垫310通过接合引线311连接。
然而，在前述的常规半导体器件中，电极焊垫306的表面积(例如，约为100μm×100μm的量级)比由LED芯片302上的发光部件304所占的表面积更大。因此，只要提供电极焊垫306，就难以减少LED芯片302的芯片宽度，且难以降低LED芯片302的材料成本。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种允许材料成本较大降低的半导体器件、使用该半导体器件的LED打印头、使用该LED打印头的图像形成设备，以及制造半导体器件的方法。
根据本发明的半导体器件包括衬底，和接合到衬底的半导体薄膜。半导体薄膜包括多个分立的工作区，每一个分立工作区具有工作层，以及元件隔离区，其是将多个分立工作区的工作层相互隔离的所述半导体薄膜的变薄区域。
根据本发明的LED打印头包括上述的半导体器件和用于支撑半导体器件的支架。
根据本发明的图像形成包括上述的LED打印头和面对LED打印头安装的感光体。
根据本发明制造半导体器件的方法，包括：在第一衬底上形成包括多个分立工作区的半导体薄膜，每一个分立工作区具有工作层，以便半导体薄膜可以与第一衬底分离；将已与第一衬底分离的半导体薄膜接合到第二衬底；以及通过将除了接合到第二衬底的半导体薄膜的多个分立工作区以外的区域进行蚀刻而形成元件隔离区，以便相互隔离多个分立工作区的工作层。
附图说明
从以下给出的详细说明和附图，本发明将变得更充分理解，其仅仅是通过示例的方式给出，因此不是本发明的限定，且其中：
图1是表示根据本发明第一实施例的半导体器件结构的透视图；
图2是表示图1的半导体器件的驱动器IC芯片、金属层和LED外延膜的透视图；
图3是表示图1的半导体器件中穿过线S₃-S₃的剖面的剖面图；
图4是表示根据第一实施例用于制造半导体器件的工艺的剖面图；
图5是表示根据第一实施例用于制造半导体器件工艺的剖面图；
图6是表示比较例中的半导体器件结构的透视图；
图7是表示图6的半导体器件的驱动器IC芯片、金属层和LED外延膜的透视图；
图8是表示图6的半导体器件中穿过线S₈-S₈的剖面的剖面图；
图9是表示根据本发明第二实施例的半导体器件结构的透视图；
图10是表示图9的半导体器件中穿过线S₁₀-S₁₀的剖面的剖面图；
图11是表示根据本发明第三实施例的LED打印头结构的剖面图；
图12是表示根据本发明第四实施例的图像形成设备结构的剖面图；
图13是表示常规半导体器件的透视图；以及
图14是图13地半导体器件中部分LED芯片放大了的透视图。
具体实施方式
从下文给出的详细说明，本发明的适用范围将变得显而易见。然而，应当理解，表示本发明优选实施例的详细说明和具体实例仅是通过示例的方式给出，因此对于本领域技术人员来说，从详细地说明中各种改变和变型将变得显而易见。
第一实施例
图1是表示根据本发明第一实施例的半导体器件结构的透视图。图2是示出图1的半导体器件的驱动器IC芯片、金属层和LED外延膜的透视图，以及图3是表示图1的半导体器件中穿过线S₃-S₃的剖面的剖面图。
如图1、图2或图3所示，根据第一实施例的半导体器件包括单元板11、固定在单元板11上的驱动器IC芯片12、形成在驱动器IC芯片12上的金属层13、以及LED外延膜14，LED外延膜14是接合在金属层13上的半导体薄膜。
驱动器IC芯片12为Si衬底，在其中形成LED控制驱动器IC。在驱动器IC芯片12的表面上提供连接到驱动器IC的多个电极端子12a和多个电极端子12b。
LED外延膜14包括多个分立工作区(发光部件，即LED)14a和与将多个分立工作区14a彼此电隔离的元件隔离区14b。元件隔离区14b是其中将LED外延膜14蚀刻为比LED外延膜14的厚度更浅的深度的区域，并且是比多个分立工作区14a更薄的区域。如图3所示，LED外延膜14具有多层半导体外延结构，其中从驱动器IC芯片12的一侧依次提供下部接触层21、下部包层22、激活层23作为工作层、上部包层24以及上部接触层25。例如，下部接触层21为n-GaAs层，下部包层22为n-Al_zGa_1-zAs层，激活层23为Al_yGa_1-yAs层，上部包层24为p-Al_xGa_1-xAs层，上部接触层25为p-GaAs层。这里，将x、y和z的值分别设置为从零到一的范围内，以便获得高的发光效率。形成LED外延膜14的外延层不限于上述的实例。
LED外延膜14的厚度T可以从各种厚度中选择，但可以将厚度T制作为约2μm薄。需要隔离发光区14a的蚀刻深度可以直接在激活层23以上(当激活层23未掺杂时)、或可以在下部包层22的顶表面以下。图3示出进行蚀刻到下部包层22的顶表面以下的情况。
例如，金属层13形成在形成驱动器IC的区域中或者与形成驱动器IC的区域相邻接的区域中，在驱动器IC芯片12的表面上，其中形成驱动器IC的区域是平坦区域。金属层13例如可以是钯、金等。金属层13例如可以通过化学汽相淀积或溅射形成。将LED外延膜14接合到金属层13的表面。金属层13具有将粘附于金属层13的LED外延膜14固定到驱动器IC芯片12上的功能，以及电连接LED外延膜14的下表面上的公共端子区(下部接触层21)和驱动器IC芯片12的公共端子区(未示出)的功能。优选，在金属层13和LED外延膜14中的下部接触层21之间、以及金属层13和驱动器IC芯片12的公共端子区之间形成欧姆接触。例如LED外延膜14到金属层13的接合可以通过外延膜和金属层之间的分子间力、以及通过外延膜和金属层之间的反应(界面的原子重排列)来实现。
如图1和图3所示，根据第一实施例的半导体器件还包括从分立工作区14a的顶部、穿过元件隔离区14b到达驱动器IC芯片12延伸的分立互连层(薄膜互连)32。如图3中所示，在LED外延膜14和分立互连层32之间提供层间绝缘膜31，分立互连层32通过层间绝缘膜31中的开口31a连接到上部接触层25。分立互连层32电连接LED外延膜14的发光部件14a上表面，以及IC芯片12的分立端子区12a。分立互连层32为薄膜金属互连等，例如Au层、Pd层、Pd/Au叠层、Al层或多晶硅层。利用光刻技术可以同时形成所有的多个分立互连层32。
单元板11在其表面上具有电极焊垫11a。驱动器IC芯片12的电极端子12b和单元板11的电极焊垫11a通过接合引线33连接。
接着，将描述根据第一实施例的制造半导体器件的方法。图4和图5是表示根据第一实施例用于制造半导体器件的工艺的剖面图。如图4所示，首先，在制造衬底(例如，GaAs衬底)111上形成分离层(牺牲层)112用于形成LED外延层114，在牺牲层112上形成包括多个分立工作区的LED外延层(半导体薄膜)114。可以通过金属氧化物化学汽相淀积方法(MOCVD方法)、金属氧化物汽相外延方法(MOVPE方法)、分子束外延方法(MBE方法)等公知技术制造LED外延层114。LED外延层114包括n-GaAs层121、n-Al_zGa_1-zAs层122、Al_yGa_1-yAs层123、p-Al_xGa_1-xAs层124和p-GaAs层125，其分别对应下部接触层21、下部包层22、激活层23、上部包层24和上部接触层25。
另一方面，如图1中所示，通过化学汽相淀积或溅射，在驱动器IC芯片(Si衬底)12上形成金属层13。接着，通过如图5所示的蚀刻部分LED外延层114和牺牲层112，并通过化学剥离方法从GaAs衬底111上剥离(即，分离)LED外延层114，从而获得LED外延膜(LED外延层114)，且将LED外延膜接合到驱动器IC芯片12的金属层13。
接着，如图1中所示，通过将除了接合到驱动器IC芯片的LED外延膜14的多个分立工作区14a之外的区域蚀刻为比LED外延膜14的厚度更浅的深度，来形成电隔离多个分立工作区14a的元件隔离区14b。在蚀刻中，使用抗蚀剂以防止分立工作区14a的蚀刻，并蚀刻元件隔离区14b。使用的蚀刻溶液例如可以是磷酸溶液，且蚀刻温度例如可以是30℃的量级。基于预先获得的蚀刻速率和希望的蚀刻深度确定蚀刻时间。然而，蚀刻条件并不限于这些实例。接着，形成层间绝缘膜31，并通过光刻技术形成分立互连层32，该分立互连层32从元件隔离区14b之上的分立工作区14a的顶部延伸到驱动器IC芯片12的分立电极端子12a的顶部。
如上所述，在根据第一实施例的半导体器件中，使用具有几微米厚度的薄LED外延膜14作为发光元件器件，因此LED外延膜14的发光部件14a和驱动器IC芯片12的分立电极端子12a可以通过分立互连层32连接。因此，没有必要在LED外延膜14上提供电极焊垫，且由于LED外延膜14的表面积的缩减，可以获得主要材料的成本节省。
在根据第一实施例的半导体器件中，形成元件隔离区14b以致于不缩减LED外延膜14和驱动器IC芯片12之间的接触面积，由此可以增强分立工作区14a的电特性，而不减小驱动器IC芯片12上的LED外延膜14的粘附强度。
同样，在根据第一实施例的半导体器件中，具有驱动器IC芯片12的LED外延膜14的接触表面积很大，所以可以降低接触电阻。这里，为了参考的目的，通过完全蚀刻除LED外延膜的发光部件之外的区域来分离元件的情况下，将进行比较(比较例)。图6是表示根据该比较例的半导体器件结构的透视图。图7是示出图6中半导体器件的驱动器IC芯片、金属层和LED外延膜的透视图，图8是表示图6的半导体器件中穿过线S₈-S₈的剖面的剖面图。在图6至图8中示出的比较例的情况下，由于半导体薄膜仅是发光部件14a，所以接触面积极小，但第一实施例中半导体器件的LED外延膜14的接触表面积是发光部件14a和元件隔离区14b的表面积总和，因此接触表面积极大。
在根据第一实施例的半导体器件中，将金属层13设置于LED外延膜14的下表面上，因此，从发光部件14a在下表面的方向中(即，朝向驱动器IC芯片12)发出的光可以在如由金属层13反射的光的表面方向中被提取，且由此增加了发光的功率。
而且，在根据第一实施例的半导体器件中，部分LED外延膜14保留在LED外延膜14的元件隔离区14b上，由此减少了LED外延膜14上的步骤，且可以减少薄膜互连，例如分立互连层中的破裂情况的发生。
在前述的说明中，描述了半导体器件为发光元件阵列的情况，但本发明也可以应用除了发光元件阵列之外的半导体器件。
第二实施例
图9是表示根据本发明第二实施例的半导体器件结构的透视图。图10是表示图9的半导体器件中穿过线S₁₀-S₁₀的剖面的剖面图。
如图9或图10所示，根据第二实施例的半导体器件包括单元板51、固定到单元板51的驱动器IC芯片52、以及LED外延膜54，该LED外延膜54是接合到驱动器IC芯片52的半导体薄膜。驱动器IC芯片52和LED外延膜54通过粘接剂接合。
LED外延膜54包括多个分立工作区(发光区，即LED)54a，和将多个分立工作区54a彼此电隔离的元件隔离区54b。元件隔离区54b是其中将LED外延膜54蚀刻到比LED外延膜54的厚度更浅的深度的区域，并且是比多个分立工作区54a更薄的区域。如图10所示，LED外延膜54具有多层半导体外延结构，从驱动器IC芯片52一侧依次包括下部接触层61、下部包层62、激活层63、上部包层64和上部接触层65。例如，下部接触层61为n-GaAs层，下部包层62为n-Al_zGa_1-zAs层，激活层63为Al_yGa_1-yAs层，上部包层64为p-Al_xGa_1-xAs层，而上部接触层65为p-GaAs层。这里，将x、y和z的值分别设置为从零到一的范围内，以便获得高的发光效率。形成LED外延膜54的外延层不限于上述的实例。
LED外延膜54的厚度T可以从各种厚度中选择，但可以将厚度T制作为约2μm薄。而且，在第二实施例中，由部分下部接触层61构成元件隔离区54b。这里，示出了其中用于电隔离发光部件54的蚀刻深度延伸到下部接触层61中的中间的情况。结果，使下部接触层61的厚度比第一实施例中的接触层21的厚度更大。可以将下部接触层61的厚度设置于其中蚀刻可以停止在下部接触层61中的中间的范围内。
如图9和图10所示，根据第二实施例的半导体器件还包括分立互连层(薄膜互连)72，其从元件隔离区54b之上的分立工作区54a的顶部延伸到驱动器IC芯片52的顶部。如图10所示，在LED外延膜54和分立互连层72之间提供层间绝缘膜71，分立互连层72通过层间绝缘膜71中的开口71a连接上部接触层65。分立互连层72电连接LED外延膜54的发光部件上表面和驱动器IC芯片52的分立端子区52a。
单元板51在其表面上具有电极焊垫51a。驱动器IC芯片52的电极端子52b和单元板51的电极焊垫51a通过接合引线73连接。
如图9和图10所示，在下部接触层61上提供电极焊垫74，电极焊垫74和驱动器IC芯片52的公共电极端子52c通过公共互连层(薄膜互连)75连接。分立互连层72和公共互连层75例如可以是薄膜金属互连，且可以通过光刻技术同时全部形成。因此，在第二实施例中，在LED外延膜54的上侧面上提供分立互连层72和公共互连层75，所以不必考虑LED外延膜54下侧的接触电阻。结果，在用于提高LED外延膜54的接合强度的粘接剂53方面具有更大的选择自由度，且可以增强粘附强度。同样，由于LED外延膜54的整体通过下部接触层61连接，与第一实施例相比，其可以通过公共电极焊垫74加宽，且可以降低接触电阻。
在根据第二实施例的半导体器件中，以与第一实施例相同的方式，可以获得主要材料的成本降低、提高的LED外延膜54的粘附强度、以及改善的分立工作区的电特性。除了上述几点外，第二实施例的半导体器件与第一实施例相同。
第三实施例
图11是表示根据本发明第三实施例的LED打印头结构的剖面图。
如图11所示，第三实施例的LED打印头100包括基座部件101、固定到基座部件101的LED单元102、包含多个杆状光学元件排列的杆透镜阵列103、支撑杆透镜阵列103的支架104、以及夹持且固定这些组件101-104的夹具105。在图中，101a和104a是夹具105从其中穿过的开口。LED单元102包括LED阵列芯片102a。LED阵列芯片102a包括第一或第二实施例的半导体器件中的一个或多个。由LED阵列芯片102a产生的光穿过杆透镜阵列103并向外部发射。使用LED打印头100作为用于形成电子照相印刷机或电子照相复印机中静电潜像的曝光设备。包括第一或第二实施例的半导体器件的LED打印头的结构并不限于图11中示出的结构。
在第三实施例的LED打印头中，LED单元102使用第一或第二实施例的半导体器件，因此可以获得优良的发光特性、器件紧凑性和主要材料的成本降低。
第四实施例
图12是表示根据本发明第四实施例的图像形成设备的结构的剖面图。
如图12所示，第四实施例的图像形成设备200包括四个处理单元201-204，其通过电子照相技术形成黄色(Y)、品红色(M)、青色(C)和黑色(K)图像。处理单元201-204前后串列地排列于记录媒质205的输送路径中。处理单元201-204每一个包括感光鼓203a、充电器件203b和曝光器件203c，其中感光鼓203a用作图像载体，充电器件203b设置于感光鼓203a附近并为感光鼓203a的表面充电，曝光器件203c通过用光选择地辐照充电的感光鼓203a的表面而形成静电潜像。曝光器件203c可以用于第三实施例中描述的LED打印头100，且包含第一或第二实施例中描述的半导体器件。
图像形成设备200也包括显影器件203d和清洗器件203e，其中显影器件203d将调色剂传送到其上形成静电潜像的感光鼓203a的表面，清洗器件203e去除残留在感光鼓203a表面上的调色剂。通过包括未示出的电源和传动装置的驱动机构使每个感光鼓203a在箭头的方向中旋转。图像形成设备200还包括存纸盒206和跳动滚轴207，其中存纸盒206容纳例如纸等的记录媒质205，跳滚轴207一次一张地分开并传送记录媒质205。压带滚轴208、209和阻挡滚轴210、211安装在记录媒质205的传送方向中跳动滚轴的下游处，其中阻挡滚轴210、211与压带滚轴208、209一起校正记录媒质205的偏斜并将其传送到处理单元201-204。跳动滚轴207和阻挡滚轴210、211与未示出的电源同步旋转。
图像形成设备200还包括面向感光鼓203a设置的传送滚轴212。传送滚轴212每一个由半导电橡胶等构成。设置感光鼓203a和传送滚轴212的电位以便将感光鼓203a上的调色剂图像传送到记录媒质205。此外，图像形成设备200提供有固定器件213和滚轴214、216和215、217，其中固定器件213加热并加压记录媒质205上的调色剂图像，滚轴214、216和215、217用于弹出穿过固定器件213的记录媒质205。
通过跳动滚轴207使堆叠于存纸盒206中的记录媒质205每次一张地分开并传送。记录媒质205穿过阻挡滚轴210、211以及压带滚轴208、209，并依次穿过处理单元201-204。在处理单元201-204中，记录媒质205穿过感光鼓203a和传送滚轴212之间，在其上顺次传送彩色调色剂图像，并通过固定器件213加热/加压，以便将彩色调色剂图像固定在记录媒质205上。随后，通过弹出滚轴将记录媒质205弹出到堆积机218。包括第一或第二实施例的半导体器件或第三实施例的LED打印头的图像形成设备的结构并不限于图12中示出的。
在第四实施例的图像形成设备200中，使用第三实施例的LED打印头100，以便通过曝光器件优良的发光特性可以形成高质量的图像。此外，由于曝光器件的紧凑性，节省了空间，且可以实现主要材料的成本降低。也可以将本发明应用到单色打印机，在具有多个曝光单元的全彩色打印机的情况下获得了特别大的优点。