專利名稱：具有半導體薄膜的組合半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體裝置，它可用在例如電子照相打印機的發光二極管(LED) 打印頭中。
背景技術：
參考圖28，常規的LED打印頭900包括了一電路板901，其上面裝配了具有電極焊盤903的多個LED陣列芯片902，以及具有電極焊盤905的多個驅動器集成電路(IC)芯片 904。電極焊盤903，905通過接合線906互連，從驅動IC芯片904經接合線906向形成在 LED陣列芯片902中的LED907提供電流。驅動IC芯片904上的其它電極焊盤909通過其它接合線911與電路板901上的接合焊盤910連接。
為了得到可靠的引線接合，電極焊盤903，905，909必須相當大，如一百微米見方 (100 umX IOOum),并且LED陣列芯片902必須具有與驅動IC芯片904 (典型250-300 u m) 大約相同的厚度，盡管LED陣列芯片902的功能部分(LED 907)距離表面僅有約5 u m的深度。為了適應引線接合的需要，僅僅為了容納LED907，LED陣列芯片902就必須比必要量要大許多和厚許多。這些要求提高了 LED陣列芯片902的尺寸和材料成本。
正如圖29中的平面圖所示，在每個LED陣列芯片902上電極焊盤903可能必需排成交叉的形式。這種排列進一步增加了芯片面積，并且由于增加了從一些LED907它們的電極焊盤903的路徑長度而增加了相關的電壓降。
還不得不增加驅動IC芯片904的尺寸來容納大量的接合焊盤905，驅動IC芯片 904通過接合焊盤905與LED陣列芯片902互連。
在日本尚未審查的專利申請公布號No 10-063807(圖3-6，圖8和段落0021)中公開了具有薄膜結構的發光元件，但是這些發光元件具有焊料凸點的電極焊盤，經過它來提供電流。一個這種發光元件的陣列占用與常規LED陣列芯片902基本上相同的面積。發明內容
本發明的總的目的是減小半導體裝置的尺寸和材料成本。
更具體的目的是減小包含有發光元件陣列和它們的驅動電路的半導體裝置的尺寸和材料成本。
本發明提供了一種集成半導體裝置，其中與襯底分開形成一對半導體薄膜，然后將這對薄膜接合到襯底上。第一半導體薄膜包括至少一個半導體器件。第二半導體薄膜包括了一集成電路和端子以驅動第一半導體膜中的半導體器件。一單獨互連線從第一半導體薄膜延伸到第二半導體薄膜，部分地經過襯底并且將第一半導體薄膜中的半導體器件與第二半導體薄膜中的端子電連接。如果需要的話，可以提供電介質膜以使得單獨互連線與部分半導體薄膜以及與襯底絕緣。在第一半導體薄膜中的半導體器件可以是LED。該半導體薄膜可以包括由位于第 ニ半導體薄膜中的集成電路所驅動的LED陣列。與包含LED陣列芯片和分離的驅動IC芯 片的常規半導體裝置相比，本發明的半導體裝置減少了材料成本，這是因為LED陣列和集 成電路簡化成薄膜并且由此減小了裝置的總體尺寸。因為取消了常規的用于互連LED和它 們的驅動電路的大的引線接合焊盤，并且因為減小了 LED和它們的驅動電路之間的距離， 所以總體尺寸縮小了。
在附圖中圖1是示意性示出根據本發明第一實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的透視 圖；圖2是示意性示出圖1中的集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖3是更詳細的示意性示出圖1中的部分集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖4是示意性示出圖3中的經過線S4_、剖面部分的剖視圖；圖5是半導體晶片的平面圖，在該晶片上根據本發明第一實施例制作了集成LED/ 驅動IC芯片；圖6A到6E是示意性示出制作圖1中的集成LED/驅動IC芯片的制作エ藝步驟的 平面圖；圖7是示意性示出在LED外延薄膜制作エ藝中第一階段的剖視圖；圖8是示意性示出在LED外延薄膜制作エ藝中第二階段的剖視圖；圖9是示意性示出在LED外延薄膜制作エ藝中第三階段的剖視圖；圖10是示意性示出圖9中的經過線S9^9剖面部分的剖視圖；圖11A，IlB和IlC是示意性示出制作圖1中集成電路薄膜的エ藝步驟的剖視圖；圖12是示意性示出根據本發明第二實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面 圖；圖13是示意性示出根據第三實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖14是示意性示出圖13中的經過線S14-S14剖面部分的剖視圖；圖15是示意性示出根據本發明第四實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面 圖；圖16是示意性示出圖15中的部分集成LED/驅動IC芯片的透視圖；圖17是示意性示出圖15中的經過線S17-S17剖面部分的剖視圖；圖18是示意性示出根據本發明第五實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的透視 圖；圖19是示意性示出圖18中的部分集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖20是示意性示出根據本發明第六實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面 圖；圖21是示意性示出根據第七實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖22是示意性示出根據第八實施例的部分集成LED/驅動IC芯片的平面圖23是示意性示出圖22中的部分集成LED/驅動IC芯片的透視圖；圖M是舉例說明制作第八實施例中的集成電路薄膜的平面圖；圖25是示意性示出根據本發明第九實施例的集成LED/驅動IC芯片的平面圖；圖沈是示意性示出使用本發明半導體裝置的LED打印頭的剖視圖；圖27是示出使用本發明的半導體裝置的LED打印頭的示意性切去一部分的側視 圖；圖28是示意性示出常規的LED打印頭的一部分的透視圖；和圖四是示意性示出在常規的LED打印頭中的部分LED陣列芯片的平面圖。
具體實施例方式現在將參考
本發明的實施例，其中相同的參考符號表示相同的元件。第一實施例在圖1透視圖中和圖2和3的平面圖中示意性示出了的本發明半導體裝置的第一 實施例，它是集成LED/驅動IC芯片100，包括襯底101、金屬層102、多個半導體薄膜和集成 電路薄膜104，金屬層102與襯底101的部分表面緊密接觸，下文中稱為LED外延膜103的 多個半導體薄膜接合到金屬層102的表面，集成電路薄膜104接合到襯底101的表面，通過 多個單獨互連線105與LED外延膜103互連，如圖3更清晰所示。襯底101可以是絕緣襯底，如玻璃，樹脂或者陶瓷襯底。可選的，襯底101可以是 金屬襯底或者半導體襯底。在襯底101的表面上與接合集成電路薄膜104的部分相鄰但沒有覆蓋的區域內形 成金屬層102。金屬層102例如是厚度約100納米(IOOnm = 0. 1 u m)的鈀或金膜。LED夕卜 延膜103接合到金屬層102的表面。金屬層102的功能既包括與LED外延膜103的接合又 包括將位于LED底部表面上的公共端子區(沒有示出)與襯底101上的公共端子區(沒有 示出)的電連接。優選在金屬層102和襯底101上的公共端子區之間形成歐姆接觸。在這 個實施例中，LED外延膜103的公共端子區是占據LED外延薄膜的全部底面的n型GaAs層。 襯底101的公共端子區表示與提供在襯底101上的金屬層102接觸的襯底區。在第一實施例的變化中，襯底101的公共端子區包括襯底101上形成的端子，它使 得既與金屬層102接觸又與集成電路薄膜104接觸。在另ー個變化中，金屬層102覆蓋了襯 底101的整個表面并且LED外延膜103和集成電路薄膜104都接合到金屬層102的表面。如圖3所示，在LED外延膜103中以規則的間隔形成多個發光二極管106(LED，下 文也稱為是發光部分或發光區域)。LED106沿著襯底101的縱向方向或X方向對齊以形成 具有圖3中的陣列間距P1的一行LED。在正交方向或Y方向，LED外延膜103的寬度W1比 發光區域或LED106的寬度W2要寬。例如，LED寬度W2可以是20 iim而LED外延膜103的 寬度W1可以是50iim，LED106的兩邊都留下15 ym的邊距。LED外延膜103的寬度W1比具 有電極焊盤的常規LED陣列芯片的襯底厚度(典型約400 ym)小許多。本發明不限于單個規則LED行。LED106可以在偏移于Y方向上被布置成兩個或 更多的線性陣列，并且LED106之間的間隔不需要都相同。LED的數量不局限于在圖2中所 示的96個。LED外延膜103的寬度W1和發光區域105的寬度W2都不局限于上面提到的數 值。
正如下面將要說明的，在分開的襯底上優先生長LED外延膜103作為外延膜，然后將它轉移到金屬層102的上面。LED外延膜103的厚度可以是約2 ym，這足以得到穩定的 LED工作特性(例如，發光特性和電學特性)。該厚度比具有電極焊盤的LED陣列芯片的常規厚度(典型約300 iim)薄很多。在單獨互連線105中的斷路故障的概率隨LED外延膜 103的厚度以及在它們的邊緣處的最后的臺階高度的增加而增加。為了避免這種缺陷的產生，LED外延膜103的厚度優選小于10 u m。
集成電路薄膜104是其中制作有集成電路的半導體薄膜。如圖3所示，該集成電路包括了驅動單獨LED106的多個驅動電路107，該驅動電路107在集成電路中構成重復的電路單元。這些驅動電路107以規則間隔、面對多個LED106布置。除了驅動電路107之外， 集成電路薄膜104包括了用于LED106照明控制的共享電路。集成電路薄膜104的厚度與 LED外延膜103的厚度是相同的量級，如小于lOiim。
在第一實施例的變化中，例如聚酰亞胺薄膜的電介質薄膜用于平面化在LED外延膜103和集成電路薄膜104的邊緣處的臺階。然后LED外延膜103和集成電路薄膜104的厚度可以大于lOiim。
參考圖3，當LED106布置在具有陣列間距P1的單個行中時，驅動電路107優選布置在沿著相同方向延伸的陣列中(在圖中是X方向)，具有基本上相同的陣列間距P2，使得驅動電路107面對它們所驅動的LED。
單獨互連線105將LED外延膜103中的發光區域105的上表面與襯底101上的驅動電路107中的單個驅動端子107a電互連。單獨互連線105可以通過對半導體薄膜構圖而形成。適合的薄膜的具體實例包括單層金膜，具有鈦、鉬和金層的多層膜(Ti/Pt/Au膜)， 具有金和鋅層的多層膜(Au/Zn膜)，具有金層和金-鍺-鎳層的多層膜(AuGeNi/Au膜)， 單層鈀膜，具有鈀和金層的多層膜(Pd/Au膜)，單層鋁膜，具有鋁和鎳層的多層膜(Al/Ni 膜)，多晶硅膜，氧化銦錫膜(ITO)，氧化鋅膜(ZnO)和這些薄膜的各種組合。
當從薄膜形成單獨互連線105時，由于它們的寬度受到LED106的陣列間距P1限制，如果單獨互連線105太長的話，會產生相當大的電壓降，特別是在陣列間距P1相對小的緊密線性陣列中。如果必須通過例如5 ii m寬和0. 5 ii m厚的單獨互連線105提供幾毫安的驅動電流，那么單獨互連線的長度優選小于約200 y m。
單獨互連線105與LED外延膜103的頂表面和側表面之間、與金屬層102之間、與襯底101的表面之間和與驅動電路107之間的短路通過層間電介質膜(在圖4，6D和6E中所示的電介質薄膜117)來阻止，根據需要層間電介質薄膜使單獨互連線105與這些區域絕緣。
參考圖4，LED外延膜103包括，從底部向上，n型砷化鎵(GaAs)層111和三層n型砷化鋁鎵(AlGaAs)層一八1!^1_!^下部覆層112(0彡叉<1)41和1_>有源層113(0彡7<I)，和AlzGapzAs上部覆層114(0彡z < I)。在n型AlzGapzAs層114上形成第二 n型 GaAs接觸層，然后部分被去掉并且部分摻雜鋅(Zn)，以生成用于每個LED的p型GaAs接觸層115。每個LED還包括在n型AlyGai_yAs有源層113和n型AlzGa1=As上部覆層114中形成的P型Zn擴散區116。當提供的正向電流通過在p型和n型區之間的界面處的pn結時， 光被發射。去除包括Pn結的那部分第二 GaAs層，留下該p型GaAs接觸層115作為位于每個LED內的島。用上面提到的電介質薄膜117覆蓋包括pn結的那部分n型AlzGahAs上部覆層114，它可以看成是LED外延膜103的部分。
n 型 GaAs 層 111 約 IOnm(0. 01 u m)厚，n 型 AlxGa1^As 下部覆層 112 約 0. 5 u m 厚， n型AlyGa^As有源層113約I y m厚，n型AlzGapzAs上部覆層114約0. 5 y m厚，并且p型 GaAs接觸層115a約IOnm(0. 01 u m)厚。LED外延膜103的總厚度是約2. 02 u m。
AlGaAs層的Al成分比例x, y, z優選選擇為x > y并且z > y (如x = z = 0. 4, y = 0. I)，而且Zn擴散區116的擴散前沿優選位于n型AlyGai_yAs有源層113的內部。對于這種結構，通過pn結注入的少數載流子被限制在n型AlyGapyAs有源層113內和其中通過Zn擴散產生的p型AlyGapyAs區內，以便能獲得高的發光效率。圖4中所示的結構能夠使用大約2 u m薄的LED外延膜103來獲得高的發光效率。
LED外延膜103不局限于上面給出的厚度或材料。還可以使用其他材料，例如鋁鎵銦磷化物((AlxGa1J yliVyP，其中0彡x<l且0彡y<l)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁鎵(AlGaN) 和氮化銦鎵(InGaN)。在圖4中所示的LED具有雙異質結結構，但通過在單個的異質多層類型或單層類型的外延層中形成擴散區可以制作具有單異質結結構或同質結結構的LED。
下面將說明制作集成LED/驅動IC芯片100的方法。在這個方法中，正如圖5所示，多個集成LED/驅動IC芯片是在晶片襯底IOla上同時形成的。在圖6A到6E中說明了制作工藝步驟，這些圖示出了一個集成LED/驅動IC芯片的一部分。
在制作工藝中，在晶片襯底IOla上淀積第一金屬層，并且通過例如剝離來對其構圖以便在每個芯片形成區IOla中留下金屬層102，。如圖6B所示，在每個芯片形成區101b， LED外延膜103接合到每個金屬層102并且集成電路薄膜104接合到襯底101a。LED外延膜103和集成電路薄膜104可以以任一種順序被附著。正如圖6C所示，形成電介質薄膜 117以便覆蓋襯底101a、金屬層102、LED外延膜103和集成電路薄膜104的必要部分。如圖6D所示，通過光刻在電介質薄膜117上形成單獨互連線105。如圖6E所示，沿著圖5所示的切割線118將晶片襯底IOla切割并分離成單個的集成LED/驅動IC芯片100。
由電介質薄膜117覆蓋的區域不一定是在這些圖中所示的區域。例如，可以形成電介質薄膜117以便僅僅覆蓋LED外延膜103和金屬層102。
為了在金屬層102與LED外延膜103的下側上的公共端子區(不可見)之間，和在金屬層102與襯底101上的公共端子區(不可見)之間形成歐姆接觸，在與金屬層102 緊密接觸地布置LED外延膜103之后，在200°C到250°C的溫度下對晶片進行退火。該退火也增強了 LED外延膜103與金屬層102之間的接合。同樣地，在通過光刻形成單獨互連線 105之后，晶片在約200°C的溫度下進行退火以形成歐姆接觸。
下面將參考圖7到10說明LED外延膜103的制作工藝。該圖解說明的工藝同時產生用于接合多個集成LED/驅動IC芯片100的多個LED外延膜103。
參考圖7，制作工藝以在制作襯底120上形成LED外延層103a開始，形成LED外延層103a可以通過公知的技術，例如金屬有機化學汽相淀積(MOCVD)或分子束外延(MBE)。圖 7中的LED外延膜制作襯底120包括GaAs襯底121、GaAs緩沖層122、鋁鎵銦磷化物((AlGa) InP)腐蝕停止層123和砷化鋁(AlAs)犧牲層124。在AlAs犧牲層124上以此順序形成n 型 GaAs 接觸層 111、n 型 AlxGapxAs 下部覆層 112、n 型 AlyGapyAs 有源層 113、n 型 AlzGa1=As 上部覆層114和n型GaAs接觸層115a，建立LED外延層103a。
圖7中所示的結構可以進行修改。例如，可以增加各種層，并且如果不需要的話可以省略腐蝕停止層123。
參考圖8，現在形成層間電介質膜117a，其中形成開口，包括鋅(Zn)的p型雜質通過例如固相擴散方法穿過合適的開口擴散以生成Zn擴散區116。然后將用于固相擴散工藝的擴散源薄膜(沒有示出)除去以露出Zn擴散區116中的GaAs接觸層的表面。由于p型雜質擴散，在這些區域中的n型GaAs接觸層115a變成了 p型GaAs接觸層115。如圖8所示，通過腐蝕優選除去包括pn結的那部分GaAs接觸層。
參考圖9和10，現在將LED外延膜從制作襯底120分離。通過光刻和腐蝕在LED 外延層103a中形成平行槽125。為了簡化，在這些工藝中使用的光致抗蝕劑掩模在圖中沒有示出，并且僅僅示出一個槽125(在圖10)。腐蝕劑是磷酸和過氧化氫溶液，該溶液腐蝕 AlGaAs層112、113、114和GaAs層111、115、比腐蝕(AlGa) InP腐蝕停止層123快很多。形成槽125的腐蝕停止在腐蝕停止層123的表面。當形成槽125時，犧牲層124的部分表面應被暴露于腐蝕劑。盡管磷酸/過氧化氫溶液不必要腐蝕層間電介質薄膜117，但可以將層間電介質薄膜117從將要腐蝕出槽125的區域中除去。可以使用相同的光致抗蝕劑掩模用于從這些區域中除去電介質薄膜117和用于腐蝕槽125。(AlGa) InP腐蝕停止層123確保了槽腐蝕過程不會使GaAs襯底121凹陷。
圖9示出了沿圖10中的線S9-S9的剖面，圖9給出了成為一個LED外延薄膜103 的側視圖。圖10示意了兩個LED外延薄膜103的端部剖面圖。槽125之間的間隔限定了圖3中用W1表示的LED外延膜寬度。為了能夠制作薄的LED外延膜并且能夠在相對短時間內將它們從LED外延膜制作襯底120上分離，寬度W1優選小于300 u m。小的寬度W1 (例如前面提到的50 y m寬度)還提高了能夠同時形成的LED外延膜的數量，從而減少了材料成本和每個LED外延膜的整個制作成本。
參考圖9和10，在槽125形成之后，使用10%的氫氟酸(HF)溶液來選擇性地腐蝕 AlAs犧牲層124。因為HF對AlAs層124的腐蝕速率比對AlGaAs層112_114、GaAs層111、 115、121和122以及(AlGa) InP腐蝕停止層123的腐蝕速率快很多，所以能夠腐蝕AlAs犧牲層124而對這些其他層沒有顯著損傷。圖10示出了腐蝕過程中的中間階段，其中仍然留下部分Al As犧牲層124。到這個腐蝕過程的結束時，AlAs犧牲層124被完全除去，如圖9 所示，使得LED外延膜103從制作襯底120中分離出去。
在通過腐蝕完全除去AlAs犧牲層124后，用去離子水清洗LED外延膜103以便沒有腐蝕溶液殘余物留下。然后通過例如真空吸引夾具從制作襯底120提起每個LED外延薄膜103，轉移到襯底101上的金屬層102，并按如上面解釋的那樣與金屬層102接合。
為了在腐蝕過程中保護LED外延膜103并且便于在分離和附著過程中對它們的處理，在槽125形成之前可以在LED外延層103a上形成保護支持層(沒有示出)，并且在將外延層接合到金屬層102之后將保護支持層從LED外延膜103中去掉。
下面將參考圖IlA到IlC來說明集成電路薄膜104的制作。在所描述的工藝中， 集成電路薄膜104被制作在絕緣體上的硅(SOI)襯底130上，該絕緣體上的硅襯底130包含有娃襯底131、隱埋氧化層132和半導體娃層133。隱埋氧化層132是二氧化娃(SiO2) 層，也稱作是BOX層。半導體硅層133也稱作是SOI層。在圖IlA中，集成電路133a在靠近半導體硅層133的表面形成。接下來，如圖IlB所示，例如使用HF來選擇性地腐蝕SiO2 層132。圖IlB示出了腐蝕過程中的中間階段，當腐蝕過程結束時，SiO2層132被完全地除去。現在，通過例如真空吸引夾具從硅襯底131提起包括了集成電路133a的半導體硅層 133，將其轉移到晶片襯底IOla上所要求的位置，并且與晶片襯底IOla附著而成為集成電路薄膜104，如圖IlC所示。
為了在3102層132的腐蝕過程中保護集成電路133a，并且在分離和附著工藝中便于對集成電路薄膜104的處理，在腐蝕工藝之前在半導體硅層133上可以形成保護支持層 (沒有示出)，如圖IIB所示，并且在附著工藝之后去掉保護支持層，如圖IIC所示。
第一實施例的一個效果是，因為LED外延膜103通過薄膜單獨互連線105與集成電路薄膜104中的驅動電路107電連接，所以在LED外延膜103和驅動電路107之間不再需要制作引線接合連接。因此降低了裝配成本，并且降低了互連故障的發生率。
一個相關的效果是，由LED外延膜103所占據的區域比常規LED陣列芯片所占據的區域小許多，并且能夠減小由集成電路薄膜104所占據的區域，這是因為不再需要為這兩個區域之間的互連提供引線接合焊盤。此外，因為LED外延膜103受到襯底101的支撐， 不需要加厚來提供用于引線接合的強度，因此它們比常規的LED陣列芯片薄許多。這些結果導致材料成本的大幅度降低。特別是，即便考慮了制作襯底120，與常規的LED陣列芯片相比，大幅度減少了相對昂貴的化合物半導體材料的必需量，如砷化鎵。
另外一個效果是，因為在LED外延膜103中的LED106靠近它們的驅動電路107，單獨互連線105就能相應縮短，導致電阻降低，更不用說包含有LED和LED驅動電路的裝置的組合寬度的全面減小。這樣，集成LED/驅動IC芯片100與常規的成對LED陣列芯片和驅動器IC芯片相比，占據更少的空間并且能在較低功率下工作。
此外，在第一實施例的集成LED/驅動IC芯片100中，金屬層103被布置在外延膜 104的下面，并且外延膜具有極薄的厚度，例如，約2 u m的厚度。因此，光不僅從LED105直接向上發射而且從LED105向下發射的光被金屬層103的表面反射以便穿過外延膜104向上傳播。因此，集成LED/驅動IC芯片100的發光強度可被增加。
第二實施例
在圖12的局部平面圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第二實施例。這個集成LED/驅動IC芯片150不同于第一實施例中的集成LED/驅動IC芯片100，其中在位于 LED外延膜103和集成電路薄膜104之間的襯底101上提供了包括有導電材料的轉接端子區域151。單獨互連線105從LED外延膜103中的LED106的發光部分的上面延伸到襯底 101上的轉接端子區域151，然后延伸到集成電路薄膜104的單個端子區域107a。轉接端子區域151使得有可能改變LED外延膜103和集成電路薄膜104之間的位置關系例如，通過比較圖3和12所說明的，將它們分隔開較大的距離。
除了前面敘述的要點之外，第二實施例與上面說明的第一實施例相同。
第三實施例
在圖13的局部平面圖和在圖14的局部剖視圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第三實施例。這個集成LED/驅動IC芯片160不同于第一實施例中的集成LED/驅動IC 芯片100，其中在LED外延膜103和襯底101之間沒有金屬層。襯底101的上表面和LED外延膜103的下表面都通過適當的化學方法來處理以除去沾染物，和進行平面化，例如平面化到一個原子層的量級，在這之后通過加壓和加熱將兩個表面緊密接觸放置并且接合在一起。
盡管在第二實施例中為了實現安全接合所必需的加熱溫度比在第一實施例中要高，但是第二實施例消除了由于在第一實施例中插入在LED外延膜和娃襯底之間的金屬層中的不規則厚度所引起的接合缺陷的可能性。因為消除了與插入的金屬層相關的誤差，所以還能提高LED106的陣列與驅動電路107的陣列之間的對準精確度。
除了沒有金屬層之外，第三實施例與第一實施例是相同的。
第四實施例
在圖15的局部平面圖中、在圖16的局部透視圖中和在圖17的局部剖視圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第四實施例。在這個集成LED/驅動IC芯片170中，每個LED 是作為一單獨的LED外延膜171形成的。
每個LED外延膜171具有圖17所示的結構，包括p型GaAs下部接觸層172、p型 AlxGa1^xAs下部覆層173、p型AlyGai_yAs有源層174、n型AlzGa1=As上部覆層175、和n型 GaAs上部接觸層176。Al成分比例x、y、z可以滿足條件x > y且z > y (例如，x = z =0.4, y = 0. I)。電介質薄膜117形成在n型GaAs上部接觸層176上。將電介質薄膜177 的中央條紋除去以允許單獨互連線105以垂直于圖17紙面的方向、穿過LED外延膜171的整個寬度、與n型GaAs上部接觸層176的表面接觸。單獨互連線105延伸到對應驅動電路 107的端子區域107a，如圖15和16所示。
LED外延薄膜171不局限于圖17中所示的部分結構或者上面說明的成分比例。進行各種修改是可行的。
第四實施例的一個效果是，因為每個LED外延膜171非常的小，所以LED外延膜中由溫度引起的內部應力大幅度減小，而如果LED外延膜的熱膨脹系數遠遠不同于襯底101 的熱膨脹系數，則由溫度引起的內部應力非常大，而且基本上消除了導致LED失效的其中一個因素。從而提高了集成LED/驅動IC芯片170的可靠性。
因為每個LED外延膜171的接合區域小，所以LED外延膜171的小尺寸使得將它們與金屬層102接合的過程變得容易。不完全接觸缺陷的發生率因此減少。
另一個效果是，因為LED外延膜171除了發光區域之外不包括任何部分，所以LED 外延膜的寬度能夠被減小并且單獨互連線105的長度能夠相應地減小。
除了前面敘述的要點之外，第四實施例與第一實施例相同。
第五實施例
在圖18的局部透視圖中和在圖19的局部平面圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第五實施例。第五實施例的集成LED/驅動IC芯片180包括襯底181，在其上形成帶有端子區182a的電路圖案182 ;接合到襯底181表面的多個LED外延膜183 ;接合到襯底 181表面的多個集成電路薄膜184 ;和多個薄膜單獨互連線185和186 (在圖19中示出)。 在第五實施例中，每一個集成電路薄膜184與一個LED外延膜183面對,如圖18所不，并且具有端子區184a和184b，如圖19所示。
第一薄膜單獨互連線185從LED106外延膜183中的LED106延伸，越過襯底181 的表面，延伸到集成電路薄膜184，將LED106的發光部分與其面對著的集成電路薄膜184中的端子區184a電互連。層間電介質層(沒有示出)配置在第一單獨互連線185的下面，這里防止電學短路是必需的。
第二薄膜單獨互連線186從集成電路薄膜184延伸到襯底181上的電路圖案182，將集成電路薄膜184中的端子區184b與電路圖案182中的端子區182a電互連。這些單獨互連線186用于例如為集成電路薄膜184中的驅動電路提供電信號和功率的輸入與輸出。 層間電介質層(沒有示出)配置在第二單獨互連線186的下面，這里防止對電路圖案182 和集成電路薄膜184的電學短路是必需的。
因為常規的接合線被薄膜單獨互連線185和186所代替，能夠實現減少尺寸和材料，并且能夠降低互連故障率。與第一實施例相比，集成電路薄膜184減小的尺寸有助于它們附著于襯底。
除了前面敘述的要點之外，第五實施例是與第一實施例相同的。
第六實施例
在圖20局部平面圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第六實施例。根據第六實施例的集成LED/驅動IC芯片190包括襯底191，其上形成有電路圖案192 ;接合到襯底191表面的多個LED外延膜193 ;接合到襯底191表面的多個集成電路薄膜194 ;和多個薄膜單獨互連線195和196。第六實施例不同于與第五實施例，其中每個集成電路薄膜194 面對著三個LED外延膜193。集成電路薄膜194具有端子區，第一和第二單獨互連線195和 196都連接到該端子區。襯底191上的電路圖案192具有端子區，第二單獨互連線196連接到該端子區。
第一薄膜單獨互連線195從LED外延膜193中的LED延伸，越過襯底191的表面， 延伸到集成電路薄膜194，將LED的發光部分與其面對著的集成電路薄膜194中的端子區電互連。層間電介質層(沒有示出)配置在第一單獨互連線195的下面，這里防止電學短路是必需的。
第二薄膜單獨互連線196從集成電路薄膜194延伸到襯底191中的電路圖案192 的端子區，將集成電路薄膜194中的端子區與電路圖案192的端子區電互連。第二單獨互連線196用于例如為集成電路薄膜194中的驅動電路提供電信號和功率的輸入與輸出。層間電介質層(沒有示出)配置在第二單獨互連線196的下面，這里防止對電路圖案192和集成電路薄膜194的電學短路是必需的。
與第五實施例相比，第六實施例需要較少的第二單獨互連線，因為第六實施例的集成電路薄膜較少，能夠相應地簡化襯底上的電路圖案。
在其他方面，第六實施例與第五實施例基本上相同。因為常規的接合線被薄膜單獨互連線195和196所代替，所以能夠實現尺寸和材料的減少，并且能夠降低互連故障率。
第七實施例
在圖21局部平面圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第七實施例。根據第七實施例的集成LED/驅動IC芯片200包括襯底201，其上形成具有端子區202a的電路圖案 202 ;在襯底201上形成的金屬層201a并且它們緊密接觸；接合到金屬層201a表面的多個 LED外延膜203 ;接合到襯底201表面的集成電路薄膜204 ;和多個薄膜單獨互連線205和 206。集成電路薄膜204具有端子區204a和204b。根據第七實施例的集成LED/驅動器芯片200與圖18中(第五實施例)示出的集成LED/驅動IC芯片180不同在于每個LED106 是作為單獨的LED外延膜203形成的。LED外延膜203以規則的間隔、單一一行的方式接合到金屬層201a上。
電路圖案202是互連圖案,用于將位于襯底201上提供功率和電信號的輸入/輸出端子連接到集成電路薄膜204的端子區204b，并連接到集成電路薄膜204外部的其他電路元件的端子，例如電阻器、電容器和存儲器電路，這些其他電路元件配置在襯底201上用于驅動控制。電路圖案202還可以將集成電路薄膜204的端子區204b與這些電阻器、電容器、存儲器電路和其他電路元件連接。
第一單獨互連線205從LED外延膜203中的LED上面延伸，越過襯底201的表面， 延伸到集成電路薄膜204，將LED的發光部分與其面對著的集成電路薄膜204中的端子區 204a電互連。層間電介質薄膜(沒有示出)配置在單獨互連線205的下面，這里防止電學短路是必需的。
第二單獨互連線206從集成電路薄膜204延伸到襯底201上的電路圖案202，將集成電路薄膜204中的端子區204b與電路圖案202的端子區202a電互連。第二單獨互連線 206用于例如為集成電路薄膜204中的驅動電路提供電信號和功率的輸入與輸出。層間電介質層(沒有示出)配置在單獨互連線206的下面，這里防止對電路圖案202或集成電路薄膜204的電學短路是必需的。
除了前面所述的要點之外，第七實施例與上面說明的第五實施例相同。因為常規的接合線被薄膜單獨互連線205和206所代替，因此能夠減少尺寸和材料，并且能夠降低互連故障率。另外，LED外延膜203的小尺寸有助于它們安全接合到金屬層201a，能夠減小 LED外延膜的寬度，并且通過減小熱應力來降低LED的故障率。
第八實施例
在圖22平面圖中和在圖23的局部透視圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第八實施例。在第八實施例中的集成LED/驅動IC芯片210包括襯底211，其上形成有電路圖案212 ;在襯底211上形成的金屬層211a并且它們緊密接觸；接合到金屬層211a表面的多個LED外延膜213 ;接合到襯底211表面的集成電路薄膜214 ;和多個薄膜單獨互連線215 和216。LED外延膜213以單——行的方式接合到金屬層211a上面。用于單獨互連線215 和216的端子區配置在集成電路薄膜214中，并用于第二單獨互連線216的端子區配置在襯底211上的電路圖案212中。
第一薄膜單獨互連線215從LED外延膜213中的LED上面延伸，越過襯底211的表面，延伸到集成電路薄膜214，將LED的發光部分與其面對著的集成電路薄膜214中的端子區電互連。層間電介質薄膜(沒有示出)配置在單獨互連線215的下面，這里防止電學短路是必需的。
第二薄膜單獨互連線216從集成電路薄膜214延伸到襯底211上的電路圖案212， 將集成電路薄膜214中的端子區與電路圖案212的端子區電互連。第二單獨互連線216用于例如為集成電路薄膜214中的驅動電路提供電信號和功率的輸入與輸出。層間電介質層 (沒有示出)配置在單獨互連線216的下面，這里防止對電路圖案212和集成電路薄膜214 的電學短路是必需的。
因為常規的接合線被薄膜單獨互連線215和216所代替，所以能夠實現減少尺寸和材料，并且能夠降低互連故障率。
在圖24中示意性示出了在第八實施例中用于集成電路薄膜214的制作工藝。在例如玻璃襯底的制作襯底217上一起形成多個集成電路薄膜214。每個集成電路薄膜214 從玻璃襯底217中分離，然后接合到集成LED/驅動IC芯片210的襯底211。制作工藝包括了熱處理步驟，但是因為這些步驟是在玻璃襯底217上執行的，所以集成LED/驅動IC芯片 210的襯底211不需要有高耐熱性，這樣拓寬了襯底材料的選擇。
除了前面所述的要點之外，第八實施例與第一實施例相似。
第九實施例
在圖25平面圖中示意性示出了本發明半導體裝置的第九實施例。根據第九實施例的集成LED/驅動IC芯片220包括襯底221，其上形成有電路圖案222 ;在襯底221上形成的金屬層221a并且它們緊密接觸；接合到金屬層221a表面的多個LED外延膜223 ;接合到襯底221表面的一對集成電路薄膜224 ;和多個薄膜單獨互連線225和226。LED外延膜223以單一一行的方式接合到金屬層221a上。集成電路薄膜224具有用于第一和第二單獨互連線225和226的端子區，并且在襯底221上的電路圖案222具有用于第二單獨互連線226的端子區。
LED外延膜223的數量不局限于圖中示出的八個，并且集成電路薄膜224的數量不局限于兩個。例如，可以有三個或更多集成電路薄膜224。
第一薄膜單獨互連線225從LED外延膜223延伸，越過襯底221的表面，延伸到集成電路薄膜224，將LED外延膜223中的LED的發光部分與集成電路薄膜224中的端子區電互連。層間電介質薄膜(沒有示出)配置在單獨互連線225的下面，這里防止電學短路是必需的。
第二薄膜單獨互連線226從集成電路薄膜224延伸到襯底221上的電路圖案222， 將集成電路薄膜224中的端子區與電路圖案222的端子區電互連。第二單獨互連線226用于例如為集成電路薄膜224中的驅動電路提供電信號和功率的輸入與輸出。層間電介質薄膜(沒有示出)配置在單獨互連線226的下面，這里防止對電路圖案222和集成電路薄膜 224的電學短路是必需的。
除了集成電路薄膜被分成多個部分之外，第九實施例與第八實施例相似。因為常規的接合線被薄膜單獨互連線225和226所代替，所以能夠實現減少尺寸和材料，并且能夠降低互連故障率。集成電路薄膜被分成多個部分有助于對其的處理和附著。
LED打印頭
圖26示出了使用本發明的LED打印頭700的實例。LED打印頭700包括了基底 701，在其上安裝了 LED單元702。LED單元702包括了在前述實施例中的任何一個中所述類型的多個集成LED/驅動IC芯片702a，將其安裝成使得它們的發光部分位于棒形透鏡陣列703的下面。該棒形透鏡陣列703由支架704支撐。基底701、LED單元702和支架704 被夾具705固定在一起。在LED單元702中由發光元件發射的光被棒形透鏡陣列703中的棒形透鏡聚焦到例如電子照相打印機或復印機中的感光鼓上(沒有示出)。
使用集成LED/驅動IC芯片702a代替常規的成對LED陣列芯片和驅動器IC芯片使得LED單元702在尺寸上減小，并且減小了它們的裝配成本，這是由于要安裝的芯片較少。
LED打印機
圖27示出了可以使用本發明的全色LED打印機800的實例。該打印機800具有黃色(Y)處理單元801、深紅色(M)處理單元802、藍綠色(C)處理單元803和黑色(B)處理單元804，這些單元以級聯方式一個接一個地安裝。例如，藍綠色處理單元803包括感光鼓803a，它是按照箭頭所示的方向旋轉，向感光鼓803a提供電流以給其表面充電的充電單元803b，選擇性地照明感光鼓803a的充電表面以形成靜電潛象的LED打印頭803c，提供藍綠色調色劑顆粒給感光鼓803a的表面以顯影靜電潛像的顯影單元803d，和清洗單元803e， 該清洗單元803e在顯影過的圖像轉移到紙上之后將殘余的調色劑從感光鼓803a中清除。 LED打印頭803c具有例如圖26所示的結構，它包括上面九個實施例中的任何一個中所描述類型的集成LED/驅動IC芯片702a。其他處理單元801、802、804在結構上與藍綠色處理單元803相似，但是使用了不同顏色的調色劑。
紙805 (或其他媒介)在盒子806中被一頁一頁地堆起。跳躍輥807向成對的運輸輥810和壓緊輥808提供紙805，一次提供一張。紙805在這些輥之間傳遞后，輸送到記錄輥811和壓緊輥809，它們將紙提供給黃色處理單元801。
紙810依次通過處理單元801、802、803、804，進入到感光鼓和轉印輥812之間的每一個處理單元，轉印輥812是由例如半導電的橡膠制成。轉印輥812被充電以便在它和感光鼓之間產生電勢差。這個電勢差將感光鼓的調色劑圖像吸引到紙805上。經過四個階段一黃色處理單元801打印黃色圖像，深紅色處理單元802打印深紅色圖像，藍綠色處理單元803打印藍綠色圖象和黑色處理單元804打印黑色圖像，在紙805上建立全色圖像。
從黑色處理單元804，紙805行進通過熔凝器813，其中加熱輥和墊輥加熱加壓以便將轉印的調色劑圖像熔融到紙上。然后第一輸送輥814和壓緊輥816將紙805向上提供給第二輸送輥815和壓緊輥817，它們將打印過的紙輸送給位于打印機頂部的集紙箱818 上。
由發動機和傳動裝置(圖中沒有示出)來驅動這些感光鼓和不同的輥。發動機由控制單元(沒有示出)控制，該控制單元例如驅動運輸輥810并且暫停記錄輥811直到一頁紙805的前沿保持靠著記錄輥811齊平，然后驅動記錄輥811，從而確保了紙805在它通過處理單元801、802、803、804時被正確對準。運輸輥810、記錄輥811、輸送輥814、815和壓緊輥808、809、816、817都具有改變紙805的行走方向的功能。
LED打印頭占據了這種類型的LED打印機800的制造成本的相當大部分。通過使用高可靠的并且節省空間的集成LED/驅動IC芯片，并且通過使LED頭中的這些芯片和LED 單元由減少材料成本的簡化的制造工藝來生產，本發明能以相對低的成本來制作高質量的打印機。
在將本發明應用于全色復印機的情況下也能得到相類似的優點。本發明還能夠有利地用于單色打印機或復印機或多色打印機或復印機，但是它們的效果在全色圖像形成裝置(打印機或復印機)中尤其顯著，這是因為在這樣的裝置中需要大量的曝光裝置(打印頭)。
本發明不局限于前述的實施例。例如在多個實施例中使用的金屬層102可以用多晶硅薄膜或者其他任何適當的材料代替。
金屬層102被繪制成具有直邊和方角的矩形，但是該矩形形狀能夠修改成包括例如，切去角和邊曲折。該切去角能夠用作確定芯片定向的參考。該曲折能夠用作確定LED 位置的參考。
LED外延膜可以用半導體薄膜來代替，在薄膜中除了形成LED還形成半導體器件。 這些其他半導體器件的可行實例包括半導體激光器、光電探測器、霍爾元件和壓電器件。
LED外延膜不需要作為外延層生長在制作襯底上。可以使用任何可用的制作方法。
不需要相鄰于襯底上的集成電路薄膜安裝LED外延膜；只要在互連線中的電壓降不會成為問題，那么LED外延膜可以以任意距離與集成電路薄膜分隔開。
已經說明的集成電路薄膜是制作在SOI襯底上，但是能使用其他的制作方法。例如，集成電路薄膜可以是具有薄膜晶體管(TFT)的多晶硅薄膜。為了制作這種類型的薄膜， 可以通過例如化學氣相淀積(CVD)的方法、以相對低的淀積溫度在玻璃襯底上形成非晶硅薄膜，在玻璃襯底上已經形成有幾百納米厚的SiO2層。然后通過例如準分子脈沖激光照射對該非晶硅再結晶以得到多晶硅層。包含有例如晶體管的電路元件的集成電路圖案被形成在多晶硅層中。
形成在LED外延膜下側上的公共電極可以被分成多個電極，以便在不同時序驅動不同組的LED。
那些本領域的技術人員將認識到在由附屬權利要求書加以定義的本發明范圍內做進一步的變更是可能的。
權利要求
1.一種組合半導體裝置，包括襯底；多個第一半導體薄膜；以及第二半導體薄膜；多個第一單獨互連線，所述襯底具有實質上是平的表面，所述多個第一半導體薄膜布置并接合在所述襯底的表面，所述多個第一半導體薄膜分別僅具有一個發光元件并且為僅包含一個該發光元件所必須程度的尺寸，所述第二半導體薄膜接合在所述襯底的相同的表面，從該襯底突出地布置，所述第二半導體薄膜形成為比所述第一半導體薄寬度更寬，包含含有驅動所述發光元件的多個驅動元件群的集成電路和多個第一端子，所述第一以及所述第二半導體薄膜分別為IOu m以下的厚度，在與所述襯底之間形成該厚度的臺階，所述多個第一單獨互連線從所述第一半導體薄膜的上表面經由該第一半導體薄膜的臺階、所述襯底的表面上以及第二半導體薄膜的臺階在第二半導體薄膜的上表面延伸，形成薄膜，所述多個第一單獨互連線將所述第一半導體薄膜的光半導體器件與第二半導體薄膜的第一端子電連接，其結果是，多個驅動所述第二半導體薄膜。
2.權利要求I的組合半導體裝置，還包括布置在第一半導體薄膜和襯底之間的導電材料層，該導電材料層接合形成在襯底上且第一半導體薄膜接合于導電材料層，由此該第一半導體薄膜接合在襯底上。
3.權利要求2的組合半導體裝置，其中導電材料層是金屬層或者多晶硅層。
4.權利要求I的組合半導體裝置，其中作為襯底的主要材料有玻璃、樹脂、陶瓷、金屬或者半導體。
5.權利要求I的組合半導體裝置，還包括在襯底上形成的電路圖案，該電路圖案包括互連線、電阻器和電容器中的至少一種。
6.權利要求5的組合半導體裝置，還包括作為薄膜形成的第二單獨互連線，其中 所述第二半導體薄膜具有第二端子；在襯底上形成的電路圖案具有第三端子；和第二單獨互連線從第二半導體薄膜延伸到襯底上的電路圖案，它使第二端子與第三端子電互連。
7.權利要求6的組合半導體裝置，其中第二單獨互連線(186)是通過光刻形成的。
8.權利要求6的組合半導體裝置，其中第二單獨互連線(包括Au層、Ti/Pt/Au多層、 Au/Zn多層、AuGeNi/Au多層、Pd層、Pd/Au多層、Al層、Al/Ni多層、多晶硅層、ITO層和ZnO 層中的至少一種。
9.權利要求I的組合半導體裝置，其中作為第一半導體薄膜的主要材料有非晶硅、單晶硅、多晶硅、化合物半導體或者有機半導體。
10.權利要求I的組合半導體裝置，其中第一半導體薄膜是外延生長的化合物半導體膜。
11.權利要求10的組合半導體裝置，其中第一半導體薄膜至少包括AlxGahAs(0 ( x<I)，(AlxGa1J JrvyP (0 彡 x<l 且0 彡 y<l)，GaN, AlGaN 和 InGaN 中的一種。
12.權利要求I的組合半導體裝置，其中在第二半導體薄膜中的集成電路包括用于驅動發光元件的驅動器電路。
13.權利要求I的組合半導體裝置，其中第一半導體薄膜包括以規則間隔布置的多個發光元件，所述發光元件是該多個發光元件中的一個。
14.權利要求I的組合半導體裝置，其中第一半導體薄膜僅僅包括一個所述半導體器件。
15.權利要求I的組合半導體裝置，其中多個第一半導體薄膜接合到襯底的所述表面， 所述第一半導體薄膜是該多個第一半導體薄膜中的一個。
16.權利要求I的組合半導體裝置，其中作為第二半導體薄膜的主要材料有再結晶硅、 單晶硅、多晶硅、化合物半導體、有機半導體或者聚合物。
17.權利要求I的組合半導體裝置，其中多個第一半導體薄膜接合到襯底的所述表面， 所述第一半導體薄膜是該多個第一半導體薄膜中的一個，該多個第一半導體薄膜被布置在行陣列中，第二半導體薄膜的長度基本上與線性陣列的長度相等。
18.權利要求I的組合半導體裝置，其中第一單獨互連線是通過光刻形成的。的組合半導體裝置，其中第一單獨互連線包括Au層、Ti/Pt/Au多層、 Au多層、Pd層、Pd/Au多層、Al層、Al/Ni多層、多晶硅層、ITO層和ZnO
19.權利要求I Au/Zn 多層、AuGeNi/ 層中的至少一種。
20.權利要求度。
21.I的組合半導體裝置，其中第一和第二半導體薄膜小于或等于10微米厚權利要求I的組合半導體裝置，其中第一單獨互連線小于200微米長。
全文摘要
一種半導體裝置，包括接合到襯底的兩個半導體薄膜，和將第一半導體薄膜中例如發光器件的半導體器件與第二半導體薄膜中的集成電路電連接的薄膜互連線。通常，該集成電路驅動該半導體器件。兩個半導體薄膜與襯底分開形成。第一半導體薄膜可以包括半導體器件陣列。第一和第二半導體薄膜可以作為陣列被復制而接合到相同的襯底。與包含有陣列芯片和分離的驅動器芯片的常規半導體裝置相比，本發明裝置更小并且降低了材料成本。
文檔編號H01L33/00GK102529420SQ20111040528
公開日2012年7月4日 申請日期2003年11月13日 優先權日2002年11月13日
發明者佐久田昌明, 安孫子一松, 荻原光彥, 藤原博之 申請人:日本沖信息株式會社