CN106549031A - 一种基于体GaN材料的单片集成器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于体GaN材料的单片集成器件，包括：GaN衬底；发光二极管，位于所述GaN衬底上，自下而上依次包括n型GaN层、发光层、p型 GaN层和顶电极；以及Fin‑HEMT，位于所述GaN衬底上，包括多个鳍片、栅极和源极，其中，所述多个鳍片以一定间隔平行设置，所述栅极沿着垂直于所述鳍片的延伸方向而延伸，并且覆盖鳍片的侧面，所述源极位于所述鳍片的一端，所述鳍片的另一端与所述n型GaN层接触。本发明采用Fin‑HEMT器件作为LED器件的驱动，可以实现对LED器件发光强度的精确控制，同时单片集成有助于降低寄生电容，电阻，减小封装复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体来说涉及一种基于体GaN材料的单片集成器件及其制备方法。
背景技术
GaN材料拥有较大的禁带宽度和电子迁移率，较好的热稳定性和化学稳定性，因此在功率和高频领域有着广泛的应用前景而受到关注和研究。同时，GaN基发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED）器件具有发光效率高、使用寿命长、节能环保等诸多优点，可广泛应用于照明和显示领域。
GaN基鳍片-高电子迁移率晶体管（Fin-HEMT）器件具有良好的高频特性和高输出电流特性，因此可以作为LED器件的驱动应用于光电，可见光通信等领域。业界将HEMT器件与LED器件相集成的方式有两类，一类是在封装层次上通过引线键合实现二者的集成，另一类是在器件层次上，将二者集成在同一衬底上。相较于前者，单片集成方法可以大幅降低寄生电阻和寄生电容，减小封装设计复杂度等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于体GaN材料的单片集成器件及其制备方法，以实现对LED器件发光强度的精确控制，同时大幅降低寄生电容，电阻，减小封装复杂度。
本发明提供的基于体GaN材料的单片集成器件，包括： GaN衬底；发光二极管，位于所述GaN衬底上，自下而上依次包括n型GaN层、发光层、p型 GaN层和顶电极；以及Fin-HEMT，位于所述GaN衬底上，包括多个鳍片、栅极和源极，其中，所述多个鳍片以一定间隔平行设置，所述栅极沿着垂直于所述鳍片的延伸方向而延伸，并且覆盖鳍片的侧面，所述源极位于所述鳍片的一端，所述鳍片的另一端与所述n型GaN层接触。
优选为，所述发光二极管区的GaN衬底的厚度小于所述Fin-HEMT区的GaN衬底的厚度。
优选为，所述发光二极管还包括p型AlGaN层，位于所述发光层与所述p型GaN层之间。
优选为，所述发光二极管还包括电流散布层结构，位于所述p型GaN层与所述顶电极之间。
优选为，所述鳍片自下而上依次包括GaN层、AlN阻挡层和AlGaN势垒层。
本发明还提供基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，包括以下步骤：
提供GaN衬底；
Fin-HEMT叠层形成步骤：在所述GaN衬底上依次形成AlN阻挡层、AlGaN 势垒层；
分区步骤：对所述Fin-HEMT叠层进行刻蚀，去除部分AlN阻挡层、AlGaN 势垒层，暴露部分所述GaN衬底，分别形成发光二极管器件区和Fin-HEMT器件区；
发光二极管叠层形成步骤：在所述发光二极管器件区中，依次形成n型GaN层、发光层和p型GaN层；
发光二极管刻蚀步骤：对所述发光二极管叠层进行刻蚀，形成发光二极管台面结构；
Fin-HEMT刻蚀步骤：对所述Fin-HEMT叠层进行刻蚀，形成Fin-HEMT台面结构；
鳍片形成步骤：对Fin-HEMT台面结构进行刻蚀，，刻蚀形成多个以一定间隔平行分布的鳍片；
源极形成步骤：在所述鳍片的一端形成源极；
顶电极形成步骤：在所述发光二极管台面结构上形成顶电极；以及
栅极形成步骤：在所述鳍片上形成栅极，并且覆盖所述鳍片的侧面。
优选为，在所述发光二极管叠层形成步骤中，还包括在所述发光层上形成p型AlGaN层的步骤。
优选为，在所述顶电极形成步骤前还包括电流散布层结构形成步骤：在所述发光二极管台面结构上形成电流散布层结构。
优选为，在所述分区步骤中，还包括进一步刻蚀去除部分GaN衬底。
优选为，所述刻蚀去除部分GaN衬底的深度为200纳米。
本发明采用Fin-HEMT器件作为LED器件的驱动，可以实现对LED器件发光强度的精确控制，同时单片集成有助于降低寄生电容，电阻，减小封装复杂度。
附图说明
图1 是本发明基于体GaN材料的单片集成器件的第一实施方式的立体结构示意图。
图2是本发明基于体GaN材料的单片集成器件的第二实施方式的立体结构示意图。
图3是本发明基于体GaN材料的单片集成器件的第三实施方式的立体结构示意图。
图4是本发明基于体GaN材料的单片集成器件的第四实施方式的立体结构示意图。
图5是本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的流程图。
图6是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的Fin-HEMT叠层形成步骤后的器件剖面结构示意图。
图7是在本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的分区步骤中形成SiO2掩膜层后的器件剖面结构示意图。
图8是在本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的分区步骤中对SiO2掩膜层进行刻蚀后的器件剖面结构示意图。
图9是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的分区步骤后的器件剖面结构示意图。
图10是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的发光二极管叠层形成步骤后的器件剖面结构示意图。
图11是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的发光二极管刻蚀步骤后的器件剖面结构示意图。
图12是执行基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的鳍片形成步骤后的垂直鳍片延伸方向的器件剖面结构示意图。
图13是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的Fin-HEMT源极形成步骤后的器件剖面结构示意图。
图14是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的发光二极管顶电极形成步骤后的器件剖面结构示意图。
图15是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的Fin-HEMT栅极形成步骤后的器件的剖面结构示意图。
图16是执行本发明基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的Fin-HEMT栅极形成步骤后的垂直鳍片延伸方向的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的实施例，在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。以下所述实施例是示例性的，为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，这些仅仅是示例，旨在解释本发明而不能理解为对本发明的限制。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件的各部分均可采用本领域公知的工艺和材料实现。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括其它的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
以下，结合附图对本发明实施方式进行具体说明。如图1所示，本发明的第一实施方式所涉及的基于体GaN材料的单片集成器件包括，GaN衬底100。GaN衬底100为绝缘衬底，厚度例如为300微米。
发光二极管，位于GaN衬底100上，自下而上依次包括n型GaN层301、发光层302、p型GaN层304和顶电极306。n型GaN层301的厚度优选为1.5微米，发光层302为量子阱或多重量子阱，优选为包括InGaN/GaN叠层结构，厚度优选为15纳米。P型GaN层304的厚度优选为170纳米。LED器件顶电极306优选采用Ti/Al/Ti/Au金属体系。
Fin-HEMT，位于GaN衬底100上，包括多个鳍片、源极203和栅极204。其中，鳍片由GaN层200、AlN阻挡层201和AlGaN势垒层202构成，以一定间隔平行设置；栅极204垂直于鳍片200延伸方向而延伸，并且覆盖鳍片的侧面；源极203位于鳍片的一端，鳍片的另一端与n型GaN层301接触。 AlN阻挡层201的厚度优选为1纳米，AlGaN 势垒层202的厚度优选为20纳米。Fin-HEMT器件栅电极204优选采用Ni/Au金属体系，源电极203优选采用Ti/Al/Ni/Au金属体系。
图2为基于体GaN材料的单片集成器件第二实施方式的示意图。如图2所示，发光二极管器件所处的区域的GaN衬底的厚度小于Fin-HEMT器件所处的区域的GaN衬底的厚度，也就是说发光二极管器件所在的GaN衬底区被刻蚀去除部分GaN衬底，使得该区域的高度与Fin-HEMT器件所在的GaN衬底区相比较低。优选为，两区域高度差为200纳米。这样的高度差能够使n型GaN层301与AlN阻挡层201、 AlGaN 势垒层202相接触的区域中位错较少，能够进一步提高器件性能。
图3为基于体GaN材料的单片集成器件第三实施方式的示意图。如图3所示，本发明的第四实施方式所涉及的基于体GaN材料的单片集成器件中，发光二极管还包括P型AlGaN层303。进一步地，P型AlGaN层303的厚度优选为15纳米。通过引入P型AlGaN层可以减少因晶格失配导致的位错，从而能够进一步提高器件质量。
图4为基于体GaN材料的单片集成器件第四实施方式的示意图。如图4所示，本发明的第三实施方式所涉及的基于体GaN材料的单片集成器件中，发光二极管还包括电流散布层结构 305，优选为Ni/Au结构。通过采用电流散布层结构，可以改善电流分布，提高器件性能。
图5为基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的流程图。图6~图16为基于体GaN材料的单片集成器件制备方法过程各阶段的器件剖面结构示意图。以下将结合图5~图16，针对本发明的基于体GaN材料的单片集成器件制备方法进行详细说明。
在步骤S1中，选取厚度为300微米，直径为2英寸的绝缘GaN衬底100。
接下来，在Fin-HEMT叠层形成步骤S2中，首先，采用原子层沉积（ALD）方法在GaN衬底100表面淀积1纳米厚的AlN阻挡层101；然后，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在AlN阻挡层101上外延一层约20纳米厚的AlGaN势垒层102，所得器件结构如图6所示。
接下来，在分区步骤S3中，首先，采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）法在AlGaN势垒层102表面沉积约200纳米厚的SiO2掩膜层103，所得结构如图7所示。然后，悬涂光刻胶，采用常规光学光刻方法曝光出LED区域的窗口，用氧化硅刻蚀液（BOE）湿法腐蚀掉露出的SiO2区域，所得结构如图8所示，保留Fin-HEMT器件区的SiO2掩膜层103＇。然后，选用BCl3、Ar作为刻蚀气体，采用感应耦合等离子体刻蚀方法（ ICP）刻蚀掉露出的AlGaN势垒层102和AlN阻挡层101，并对GaN衬底100过刻约200纳米。经过分区步骤后，所得结构如图9所示，GaN衬底100分为了发光二极管器件区和Fin-HEMT器件区，其中GaN衬底100的Fin-HEMT器件区上形成有经过刻蚀后的AlN阻挡层201、 AlGaN势垒层202和SiO2掩膜层103＇。
接下来，在发光二极管叠层形成步骤S4中，首先，采用MOCVD方法在GaN衬底100的发光二极管器件区依次外延约1.5微米厚度的n型掺杂GaN层301；外延约15纳米厚的多重量子阱发光层302，例如是InGaN/GaN量子阱结构；外延约15纳米厚的p型掺杂AlGaN层303；外延约170纳米厚的P型掺杂GaN层304。然后，将器件放入氧化硅刻蚀液（BOE）中，剥离掉SiO2掩膜层103＇，得到基于体GaN材料的单片集成器件的雏形，所得器件结构如图10所示。
接下来，在Fin-HEMT刻蚀步骤S5中，悬涂光刻胶，采用常规光刻工艺定义出LED器件的图形，ICP刻蚀得到LED器件的台面结构。
接下来，在发光二极管刻蚀步骤S6中，悬涂光刻胶，采用常规光刻工艺定义出Fin-HEMT器件的图形，ICP刻蚀得到Fin-HEMT台面结构，所得器件结构如图11所示。
接下来，鳍片形成步骤S7中，悬涂电子束光刻胶，采用电子束光刻工艺定义出Fin-HEMT器件的Fin图形，ICP刻蚀得到Fin-HEMT的Fin结构。在图12中示出了垂直鳍片延伸方向的器件剖面结构示意图。
接下来，在Fin-HEMT源极形成步骤S8中，首先，悬涂光刻胶，曝光出HEMT器件源端的欧姆接触图形；然后，电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au电极，剥离后进行快速热处理（RTP）处理，例如在N2氛围下以850℃退火30s，得到良好的欧姆接触。在图13中示出了形成HEMT器件的源极203后的器件结构示意图。
接下来，在电流散布层结构形成步骤S9中，首先，悬涂光刻胶，曝光出LED器件的上表面区域；然后，电子束蒸发Ni/Au，剥离得到电流散布层结构305。
接下来，在LED器件顶电极形成步骤S10中，首先，悬涂光刻胶，曝光出LED器件的顶电极区域；然后，电子束蒸发Ti/Al/Ti/Au，剥离得到LED器件的顶电极306。在图14中示出了形成LED器件电流散布层结构305和LED器件顶电极306后的器件结构示意图。
接下来，在Fin-HEMT器件栅极形成步骤S11中，首先，悬涂光刻胶，曝光出HEMT器件的栅极区域；然后，电子束蒸发Ni/Au，剥离得到良好的栅极接触。最终得到单片集成结构的GaN基HEMT/LED器件，如图15、16所示。
以上，针对本发明的基于体GaN材料的单片集成器件制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。例如，部分步骤的顺序可以调换，具体来说比如可以先进行分区步骤S3再外延Fin-HEMT叠层形成步骤S2；另外，部分步骤可以省略，具体来说比如可以省略电流散布层结构形成步骤S8；另外，各步骤的具体实施方式根据情况可以不同，例如在发光二极管叠层形成步骤S4中，可以不进行P型掺杂AlGaN层的外延；此外，外延方法、刻蚀的方法、器件各部分的材料、厚度等参数均可根据实际情况进行选择。
本发明采用Fin-HEMT器件作为LED器件的驱动，可以实现对LED器件发光强度的精确控制，同时单片集成有助于降低寄生电容，电阻，减小封装复杂度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于体GaN材料的单片集成器件，其特征在于，包括：
GaN衬底；
发光二极管，位于所述GaN衬底上，自下而上依次包括n型GaN层、发光层、p型 GaN层和顶电极；以及
Fin-HEMT，位于所述GaN衬底上，包括多个鳍片、栅极和源极，其中，所述多个鳍片以一定间隔平行设置，所述栅极沿着垂直于所述鳍片的延伸方向而延伸，并且覆盖鳍片的侧面，所述源极位于所述鳍片的一端，所述鳍片的另一端与所述n型GaN层接触。
2.根据权利要求1所述的基于体GaN材料的单片集成器件，其特征在于，所述发光二极管区的GaN衬底的厚度小于所述Fin-HEMT区的GaN衬底的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的基于体GaN材料的单片集成器件，其特征在于，所述发光二极管还包括p型AlGaN层，位于所述发光层与所述p型GaN层之间。
4.根据权利要求3所述的基于体GaN材料的单片集成器件，其特征在于，所述发光二极管还包括电流散布层结构，位于所述p型GaN层与所述顶电极之间。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于体GaN材料的单片集成器件，其特征在于，所述鳍片自下而上依次包括GaN层、AlN阻挡层和AlGaN势垒层。
6.一种基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
提供GaN衬底；
Fin-HEMT叠层形成步骤：在所述GaN衬底上依次形成AlN阻挡层、AlGaN 势垒层；
分区步骤：对所述Fin-HEMT叠层进行刻蚀，去除部分AlN阻挡层、AlGaN 势垒层，暴露部分所述GaN衬底，分别形成发光二极管器件区和Fin-HEMT器件区；
发光二极管叠层形成步骤：在所述发光二极管器件区中，依次形成n型GaN层、发光层和p型GaN层；
发光二极管刻蚀步骤：对所述发光二极管叠层进行刻蚀，形成发光二极管台面结构；
Fin-HEMT刻蚀步骤：对所述Fin-HEMT叠层进行刻蚀，形成Fin-HEMT台面结构；
鳍片形成步骤：对所述Fin-HEMT台面结构进行刻蚀，形成多个以一定间隔平行分布的鳍片；
源极形成步骤：在所述鳍片的一端形成源极；
顶电极形成步骤：在所述发光二极管台面结构上形成顶电极；以及
栅极形成步骤：在所述鳍片上形成栅极，并且覆盖所述鳍片的侧面。
7.根据权利要求6所述的基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，其特征在于，在所述发光二极管叠层形成步骤中，还包括在所述发光层上形成p型AlGaN层的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，其特征在于，在所述顶电极形成步骤前，还包括电流散布层结构形成步骤：在所述发光二极管台面结构上形成电流散布层结构。
9.根据权利要求6或7所述的基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，其特征在于，在所述分区步骤中，还包括进一步刻蚀去除部分GaN衬底。
10.根据权利要求9所述的基于体GaN材料的单片集成器件的制备方法，其特征在于，所述刻蚀去除部分GaN衬底的深度为200纳米。
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