CN100530726C - Ⅲ-ⅴ族金属氧化物半导体发光场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Ⅲ-ⅴ族金属氧化物半导体发光场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种III-V族金属氧化物半导体型发光场效应晶体管及其制备方法，包括纵向依次层叠的p型漏区、有源区、n型半导体层、缓冲层和衬底，所述的n型半导体层的横向台阶结构的左边为p型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的p型栅区上层叠有栅极氧化层和栅极电极，在p型栅区和栅极氧化层之间有MOS结构在栅区半导体表面形成的电子通道，所述的n型源区上有源极电极，所述的p型漏区上有漏极电极。本发明的台阶上的横向结构利用金属—氧化物—半导体接触的场效应用于控制器件的发光强度，纵向结构用于复合发光的产生，这样的结构具有高发光效率、高亮度，且控制方便。

Description

Ⅲ－Ⅴ族金属氧化物半导体发光场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种III-V族金属氧化物半导体发光场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
在现有技术中，发光二极管LED的基本结构是由p型电极、有源发光区和N型电极构成。将LED的p端和n端接入电路中，通过恒流源供电，调节LED的端电压即可控制LED的发光强度。目前，发光晶体管的制造技术还没有成熟，尚处于初始研究阶段。其主要方法有：一种是按照传统晶体管原理制造的NPN型发光晶体管器件，既利用器件的p型掺杂区发光，同时又作为基区进行控制，但是，由于基区很薄，绝大部分电子没有及时与基区中的空穴复合发光，而是直接穿过基区到达了n型掺杂集电区，大部分电子用来放大基区电流，只有少数电子参与发光，发光效率不高。另一种是实空间转移发光晶体管，是通过源极和漏极之间加正向电压时，电子在源极和漏极被加速到一定的能量后，就可以通过实空间转移效应，进入有源区，与栅极注入到有源区的空穴复合发光，但是，由于实空间转移效应的电子注入效率非常低，因此这种发光晶体管的发光效率也非常低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中发光晶体管的发光效率低的缺陷，提供一种高发光效率、高亮度的III-V族金属氧化物半导体发光场效应晶体管及其制备方法。
本发明可以通过以下技术方案予以实现：一种III-V族金属氧化物半导体型发光场效应晶体管，包括纵向依次层叠的p型漏区、有源区、n型半导体层、缓冲层和衬底，所述的n型半导体层的横向台阶结构的左边为p型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的p型栅区上层叠有栅极氧化层和栅极电极，在p型栅区和栅极氧化层之间有MOS结构在栅区半导体表面形成的电子通道，所述的n型源区上有源极电极，所述的p型漏区上有漏极电极。
本发明所述的III-V族化合物材料是采用III族的元素镓Ga、铝Al或铟In，以及V族的氮N、砷As或磷P组成的化合物，所述的衬底的材料采用蓝宝石、硅、炭化硅、砷化镓或磷化铟，所述的栅极电极的材料采用金属-氧化物-半导体。
本发明所述的III-V族金属氧化物半导体型发光场效应晶体管的制备方法，其步骤如下：
(1)、利用金属有机气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术，生长III-V族金属-氧化物-半导体材料。
(2)、选择一个衬底，生长缓冲层。
(3)、在缓冲层上生长掺杂浓度为1017～1019cm-3的n型材料。
(4)、继续生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源区。
(5)、在多量子阱有源区上生长掺杂浓度为1017～1019cm-3的p型漏区，得到MOS型发光场效应晶体管的外延片。
(6)、通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，在n型层表面刻蚀出台面结构。
(7)、在n型台面层沉积SiO2氧化层，然后在SiO2氧化层刻蚀出窗口进行离子注入或者扩散以制造出p型半导体区域，浓度为1015～1018cm-3，然后再除去该SiO2氧化层，再沉积栅极氧化层，再利用光刻的方法形成栅极电极图形，利用蒸发方法蒸镀Pt/Au合金材料，形成栅极电极。
(8)、在台阶的右边源区刻蚀出源极电极图形，利用蒸发方法蒸镀Ti/Al/Au合金材料，形成源极电极。
(9)、利用上述方法，在漏区制作漏极p型电极，得到带有控制端的III-V族金属-氧化物-半导体型发光场效应晶体管。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：本发明的台阶上的横向结构利用金属-氧化物-半导体接触的场效应用于控制器件的发光强度，纵向结构用于复合发光的产生，这样的结构具有高发光效率、高亮度，且控制方便，可以替代当前的发光二极管，也可应用于光电互连、光电集成器件中。
附图说明
图1是本发明的发光晶体管外延片经刻蚀后产生的台面结构图；
图2是本发明的发光晶体管结构示意图。
其中，1是衬底，2是缓冲层，3是n型半导体层，4是n型源区，5是源极电极，6是p型栅区，7是栅极氧化层，8是栅极电极，9是有源区，10是p型漏区，11是漏极电极，
12是MOS结构在栅区半导体表面形成的电子沟道，
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。
如图2所示，为本发明的发光晶体管结构示意图。本发明包括纵向依次层叠的p型漏区10、有源区9、n型半导体层3、缓冲层2、衬底1，所述的n型半导体层3的台阶结构的左边为p型栅区6，台阶结构的右边为n型源区4，所述的p型栅区6上层叠有栅极氧化层7和栅极电极8，在p型栅区6和栅极氧化层7之间有MOS结构在栅区半导体表面形成的电子通道12，所述的n型源区4上有源极电极5，所述的p型漏区10上有漏极电极11。本发明所述的n型源区4作为电子发射区，p型漏区10作为空穴发射区，p型栅区6作为沟通控制区，有源区8作为发光区。
本发明的工作原理是：施加在栅极上的正向电压，使得栅极氧化物-半导体界面处的能带发生弯曲，因此p型栅区6半导体表面的特性将从p型转化为n型，即在p型栅区6半导体表面产生了n型表面电子沟道。此时源极的电子就可以通过栅极的表面沟道，可以通过大的电流。当器件正常工作时，在漏极电极11和源极电极5之间加正向电压VDS，栅极电极8和源极电极5之间加正向电压VGS，电子由有源区4经过由栅极电极8控制表面沟道12进入n型半导体层3，当VGS增大时，栅区表面电子沟道12宽度变宽，更多电子可以通过p型栅区。因此VGS控制着栅极沟道的宽度，控制了通过栅区表面电子沟道12进入n型半导体层3的电子数量，起到了调节器件发光强度的作用。
实施例
利用III-V族化合物材料GaN材料制备MOS场效应晶体管。一种MOS型发光场效应晶体管，选用蓝宝石衬底，由源极、栅极、有源发光区和漏极构成。在蓝宝石材料衬底1上形成缓冲层2，再形成n型半导体层3，继续生长多量子阱有源发光层9和p型掺杂的漏区10，最后形成了外延片。然后刻蚀半导体层3形成台阶结构，台阶的左边区域采用离子注入方法制造出p型半导体栅区6，然后在p型栅区6上沉积MgO作为栅极氧化层7和栅极金属电极8，n型半导体层3的右端为n型源区4，n型源区4上为源极电极5，漏区型欧姆接触漏极11。
本实施例的发光晶体管的制备方法是：利用MOCVD技术，生长GaN材料。选择蓝宝石为半导体材料衬底1，生长0.5μm厚的GaN缓冲层2。缓冲层2继续生长Si材料掺杂浓度为1019cm-3的n型半导体层3。在生长In1-xGaxN材料时(0.03＜x＜0.95)，通过改变x的比值控制In材料的掺杂组分，在GaN的n型电半导体层3上继续生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源区9。在多量子阱有源区9上生长Mg掺杂浓度为1018cm-3的GaN的p型漏区10，得到晶体管的外延片。通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，在GaN的n型半导体层3上刻蚀出台面结构，再利用采用离子注入方法在n型源区半导体层3上制造出p型栅区6，然后在p型栅区6上沉积MgO作为栅极氧化层7，半导体层3的右端为n型源区4，最后分别在n型源区4，栅极氧化层7和漏区10上光刻出电极图形，然后分别蒸镀Ti/Al/Au合金、Au/Pt等合金等材料，形成源极电极5、栅极电极8和漏极电极11，得到带有栅极控制端的MOS型发光场效应晶体管。

Claims (3)

1、一种III-V族金属氧化物半导体型发光场效应晶体管，包括纵向依次层叠的p型漏区、有源区、n型半导体层、缓冲层和衬底，其特征在于：所述的n型半导体层被刻蚀成横向台阶结构，台阶结构的左边为p型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的p型栅区上层叠有栅极氧化层和栅极电极，在p型栅区和栅极氧化层之间有MOS结构在栅区半导体表面形成的电子通道，所述的n型源区上有源极电极，所述的p型漏区上有漏极电极。
2、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述的衬底的材料采用蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓或磷化铟。
3、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述的栅极电极的材料采用Au/Pt合金。
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