CN101197406A - Ⅲ-ⅴ族发光金属半导体场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ⅲ－Ⅴ族发光金属半导体场效应晶体管，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n型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的n型栅区上有栅极电极，在n型栅区和栅极电极之间有通过肖特基接触形成的耗尽区，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族发光金属半导体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族发光金属半导体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，克服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族发光金属半导体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族发光金属半导体场效应晶体管，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n型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的n型栅区上有栅极电极，在n型栅区和栅极电极之间有通过肖特基接触形成的耗尽区，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—半导体，所述的源极电极、漏极电极为欧姆接触电极，所述的栅极电极为肖特基接触电极。

本发明所述的III-V族发光金属半导体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族半导体材料。

(2)、选择一个衬底，生长缓冲层。

(3)、继续生长掺杂浓度为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型集电区，得到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ECR等方法刻蚀出n型半导体层的台面结构。

(7)、利用光刻的方法在n型台面上形成栅极肖特基接触和源极欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Au/Pt合金和Ti/Al/Au合金等材料，分别形成栅极肖特基接触电极和源极欧姆接触电极。

(8)、利用上述方法，制作p型漏极欧姆接触电极，得到带有控制端的发光场效应晶体管。

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是本发明晶体管外延片经刻蚀后产生的台面结构，

图2是本发明的剖面结构示意图。

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n型栅区，7是栅极电极，8是有源区，

9是p型漏区，10是漏极电极，

11是n型栅区6和栅极电极7通过肖特基接触形成的耗尽区。

具体实施方式

如图2所示，为本发明的剖面结构示意图。本发明包括纵向依次层叠的p型漏区9、有源区8、n型半导体层3、缓冲层2和衬底1，所述的n型半导体层3的横向台阶结构的左边为n型栅区6，台阶结构的右边为n型源区4，所述的n型栅区6上有栅极电极7，在n型栅区和栅极电极之间有通过肖特基接触形成的耗尽区11，所述的n型源区4上有源极电极5，所述的p型漏区上有漏极电极10。本发明的n型源区4作为电子发射区，源极电极为欧姆接触；p型漏区作为空穴发射区，漏极电极为欧姆接触；n型栅区作为沟道控制区，栅极电极为肖特基接触。有源区用于发光，采用III-V族化合物半导体材料。

本发明的发光金属半导体场效应晶体管的工作原理：金属半导体栅极接触在器件沟道中产生了一个耗尽区11，电子是不允许通过耗尽区11的。耗尽区11的宽度栅—源电压V_GS控制，耗尽区11宽度越大，栅区的n型电子沟道越窄，能够通过n型栅区的电子越少。器件正常工作时，在漏极电极10和源极电极5之间加正向电压V_DS，栅极7电极和源极电极5之间加电压V_GS，当V_GS逐渐增加，耗尽区11逐渐变窄，栅区电子沟道逐渐变宽，电子由n型源区4通过栅区电子沟道，进入n型半导体层3，n型半导体层3的电子在漏极电场的作用下进入有源区8，并与漏区9注入的空穴相遇复合发光。当栅极电极7加负偏压且达到一定值后，栅区沟道就完全耗尽，有源区和p型漏区之间的电流变得非常小，即此时从源区电子不能穿过n型栅区6进入有源区8，因此器件此时不能发光。

实施例

利用III-V族化合物材料GaN材料制备发光金属半导体场效应晶体管。选用蓝宝石衬底，由n型源区、n型栅区、有源发光区和p型漏区构成。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8和p型掺杂的漏区9，最后形成了外延片，通过半导体平面工艺技术，在n型源区半导体层4和n型栅区半导体层6上分别蒸镀Ti/Al/Au合金和Au/Pt合金等材料，形成源极欧姆接触电极5和栅极肖特基接触电极7。在p型GaN漏区形成欧姆接触电极10。

本实施例的发光金属半导体场效应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，继续生长Si材料掺杂浓度为10¹⁹cm^-3的n型GaN的n型半导体层3。在生长In_1-xGa_xN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8。在多量子阱有源区8上生长Mg掺杂浓度为10¹⁸cm^-3的GaN的p型漏区9，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，再利用光刻的方法在n型源区4和n型栅区6上分别形成肖特基接触和欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Au/Pt合金和Ti/Al/Au合金等材料，分别形成源极欧姆接触电极5和栅极肖特基接触电极7。利用上述方法，可以制作p型漏极电极10，得到带有栅极控制端的发光金属半导体场效应晶体管。

Claims (6)

1.一种III-V族发光金属半导体场效应晶体管，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型半导体层的横向台阶结构的左边为n型栅区，台阶结构的右边为n型源区，所述的n型栅区上有栅极电极，在n型栅区和栅极电极之间有通过肖特基接触形成的耗尽区，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。

3.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、炭化硅、砷化镓或磷化铟，

4.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金属—半导体，

5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述的源极电极、漏极电极为欧姆接触电极，所述的栅极电极为肖特基接触电极。

6.一种III-V族发光金属半导体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族半导体材料。

(2)、选择一个衬底，生长缓冲层。

(3)、继续生长掺杂浓度为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型集电区，得到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ECR方法刻蚀出n型半导体层的台面结构。

(7)、利用光刻的方法在n型台面上形成栅极肖特基接触和源极欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Au/Pt合金和Ti/Al/Au合金材料，分别形成栅极肖特基接触电极和源极欧姆接触电极。

(8)、利用上述方法，制作p型漏极欧姆接触电极，得到带有控制端的发光场效应晶体管。

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