CN110289281A - 一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倒装GaN基HEMT‑LED集成器件，自上而下依次包括衬底、缓冲层，缓冲层的下表面一部分设置有N型导电层，另一部分设置有氮化镓(GaN)沟道层，在N型导电层的下表面自上而下依次包括多量子阱有源区、P型导电层、P型欧姆接触反射镜、P电极和P电极基板，氮化镓(GaN)沟道层的下表面设置有铝镓氮(AlGaN)势垒层，铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面设置有源电极和栅电极，源电极和栅电极分别连接有源电极基板、栅电极基板，P电极基板、源电极基板和栅电极基板共同设置在散热基板上并与散热基板接触，本发明的集成器件与散热基板通过金属电极接触，热阻小，散热效果好，可以有效的降低HEMT‑LED器件的结温，提高器件发光效率、可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件及其制备方法，属于光电及半导体技术领域。
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。GaN基发光二极管(LED)是一种半导体发光器件，它具有寿命长、发光效率高、开关速度快等优点，在照明、显示以及可见光通信等领域都有重要的应用。目前技术一般采用分离的驱动电路对LED的开关和亮度进行控制，进而实现可见光通信。分离的驱动电路存在较大的寄生电容和电感，限制了光通信速率。
中国专利文献201610385080.6提供具有集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法。发光二极管包括：衬底、非掺杂GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、电流扩展层、P电极、高阻氮化镓沟道层、AlGaN势垒层、源电极、栅电极；本发明涉及具有集成放大电路的氮化镓基LED结构，避免了分离器件电路连接存在的寄生电容、电感，将控制LED通断的电极设计在芯片内部，可以有效改善发光器件整体的响应频率，提高基于氮化镓基LED的可见光通信速率。但是这种器件结构工作时，放大电路和LED芯片都会发出大量热量，导致器件结温升高，发光效率和可靠性下降。
中国专利文献201410276020.1公开了一种倒装LED芯片制备方法，采用一层隔离层进行隔离，然后刻蚀后再分别形成键合P电极、键合N电极，在简化工艺的前体下，形成具有电流分布均匀、电压低、亮度高等优点的倒装LED芯片，同时，由于形成的键合P电极和键合N电极位于同一平面，因此在将其封装至散热基板上时，无需在散热基板上形成金属凸点，可以直接封装在平面的散热基板表面。具有电流分布均匀、电压低、亮度高等优点。但是发光器件的开关需要额外驱动电路，导致系统体积和寄生电容增加，开关速度下降。
GaN材料还可以制备高电子迁移率晶体管(HEMT)，它可以作为放大器件控制LED的亮度和开关。因此可以将GaN基HEMT与LED进行片内集成，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。集成后对LED进行亮度和开关进行控制，但是片内集成HEMT与LED，其功率密度很高，器件发热量较大，导致器件有源区温度较高，导致器件的性能下降。
发明内容
针对现有GaN基HEMT与LED片内集成后功率密度高，器件发热量严重导致器件光电效率和可靠性下降的问题，本发明提供一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件，自上而下依次包括衬底、缓冲层，缓冲层的下表面一部分设置有N型导电层，另一部分设置有氮化镓(GaN)沟道层，在N型导电层的下表面自上而下依次包括多量子阱有源区、P型导电层、P型欧姆接触反射镜、P电极和P电极基板，氮化镓(GaN)沟道层的下表面设置有铝镓氮(AlGaN)势垒层，铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面设置有源电极和栅电极，源电极和栅电极分别连接有源电极基板、栅电极基板，P电极基板、源电极基板和栅电极基板共同设置在散热基板上并与散热基板接触，多量子阱有源区发出的光透过衬底出射到空气中。
根据本发明优选的，所述衬底为碳化硅衬底、硅衬底或者蓝宝石衬底中的一种。
根据本发明优选的，所述的缓冲层包含氮化铝缓冲层和氮化镓缓冲层，氮化铝缓冲层与衬底接触，其中氮化铝缓冲层的厚度为0-100nm，氮化镓缓冲层的厚度为100-4000nm。
根据本发明优选的，氮化镓(GaN)沟道层为非故意掺杂N型GaN层，厚度为100-1000nm。
根据本发明优选的，所述N型导电层为N型GaN导电层，厚度为1-4um，N型GaN导电层的硅掺杂浓度为5×1017-5×1019cm-3。
根据本发明优选的，所述多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，GaN势阱层的厚度5-20nm。
根据本发明优选的，所述P型导电层为Mg掺杂的GaN层，厚度50-500nm，掺杂浓度为5×1016cm-3-5×1019cm-3。
根据本发明优选的，所述P型欧姆接触反射镜为Ni/Ag/Ni合金反射镜,上层Ni的厚度为0.1-20nm，Ag厚度为20-500nm，下层Ni的厚度为0.1-100nm。
根据本发明优选的，所述P电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度为10-100nm，Au厚度100-1000nm。
根据本发明优选的，铝镓氮(AlGaN)势垒层厚度为5-50nm，铝组分含量为10％-40％。
根据本发明优选的，栅电极通过栅介质层设置在铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面。
根据本发明优选的，所述栅介质层为氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层或氧化铪层其中一种，厚度10-300nm。
根据本发明优选的，所述的栅电极为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚为度0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm。
根据本发明优选的，所述的源电极为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚度为0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm。
根据本发明优选的，源电极的一侧设置有绝缘介质层，绝缘介质层位于铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面。
根据本发明优选的，氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层、栅介质与N型导电层接触。
根据本发明优选的，所述散热基板为铜、铝、氮化铝陶瓷或碳化硅基板。
本发明还提供一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件的制备方法。
一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件的制备方法，包括步骤如下：
1)提供衬底，将衬底预处理，得预处理后衬底；
2)在预处理后衬底上依次生长形成氮化铝缓冲层、氮化镓缓冲层、氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层；
3)在步骤2)得到的样品表面生长厚度为100-3000nm的二氧化硅(SiO2)作为掩膜层，通过光刻和腐蚀技术对掩膜层进行图形化，去除一部分铝镓氮(AlGaN)势垒层、氮化镓(GaN)沟道层，图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层；
4)在图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层上面生长N型掺杂的GaN作为N型导电层；
5)在步骤4)所述样品的N型导电层上面依次生长多量子阱有源区、P型导电层，多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，In组分根据LED的发光颜色确定；
6)将步骤5)得到的样品放入氢氟酸水溶液浸泡去除SiO2掩模；
7)在步骤6)得到的样品铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积栅介质层，然后在铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积Ti/Al/Ti/TiN合金,通过光刻技术得到源电极；
8)将步骤7)的样品进行退火，退火后在P型导电层表面沉积Ni/Ag/Ni合金，得到P型欧姆接触反射镜；
9)将步骤8)的的样品进行退火，在栅介质层表面、P型欧姆接触反射镜表面分别沉积合金，通过光刻技术得到栅电极和P电极；
10)采用倒装焊技术，将步骤9)所述的样品焊接到散热基板上，得到倒装GaN基HEMT-LED集成器件。
根据本发明优选的，所述的预处理为：在温度1100度-1300度下，通入氢气，对衬底进行清洗表面，时间5-15分钟。
根据本发明优选的，生长氮化铝缓冲层的温度为800-1100℃，生长氮化镓缓冲层、氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层的温度分别为1000-1100℃。
根据本发明优选的，生长二氧化硅(SiO2)的温度为20-300℃。
根据本发明优选的，生长N型导电层的温度为1000-1100℃。
根据本发明优选的，步骤8)中退火温度为750-950℃，退火时间为30-300s。
根据本发明优选的，步骤9)中退火温度为400-600℃，退火时间为60-600s。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
本发明的倒装GaN基HEMT-LED集成器件结构及设置，克服了现有GaN基HEMT-LED电流密度高，散热功率大等问题，在P型导电层下表面设置有P型欧姆接触反射镜，并且器件与散热基板通过金属电极接触，热阻小，散热效果好，可以有效的降低HEMT-LED器件的结温，提高器件发光效率、可靠性和使用寿命，同时本发明的倒装GaN基HEMT-LED集成器件光输出功率与传统结构基本一致，并且散热效果好，光输出功率明显高于传统结构。
附图说明
图1为传统的HEMT-LED集成器件结构示意图；
图2为本发明的倒装GaN基HEMT-LED集成器件的结构示意图；
图3为本发明的倒装GaN基HEMT-LED集成器件与传统器件的光强-电流输出曲线，横坐标为电流，纵坐标为相对光强。
图中1为散热基板；2为P电极基板；3为P电极；4为P型欧姆接触反射镜；5为P型导电层；6为多量子阱有源区；7为N型导电层；8为缓冲层；9为衬底；10为氮化镓(GaN)沟道层；11为铝镓氮(AlGaN)势垒层；12为栅介质层；13为绝缘介质层；14为源电极；15为栅电极；16为源电极基板；17为栅电极基板，18、电流扩展层。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件，结构如图2所示，自上而下依次包括衬底9、缓冲层8，缓冲层8的下表面一部分设置有N型导电层7，另一部分设置有氮化镓(GaN)沟道层10，在N型导电层7的下表面自上而下依次包括多量子阱有源区6、P型导电层5、P型欧姆接触反射镜4、P电极3和P电极基板2，氮化镓(GaN)沟道层10的下表面设置有铝镓氮(AlGaN)势垒层11，铝镓氮(AlGaN)势垒层11的下表面设置有栅介质层12，栅介质层12下表面设置有栅电极15，铝镓氮(AlGaN)势垒层11的下表面还设置有源电极14，源电极和栅电极分别连接有源电极基板16、栅电极基板17，P电极基板2、源电极基板16和栅电极基板17共同设置在散热基板1上并与散热基板接触，多量子阱有源区发出的光透过衬底出射到空气中。氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层、栅介质与N型导电层接触。
缓冲层8包含氮化铝缓冲层和氮化镓缓冲层，氮化铝缓冲层与衬底接触，其中氮化铝缓冲层的厚度为0-100nm，氮化镓缓冲层的厚度为100-4000nm。氮化镓(GaN)沟道层10为非故意掺杂N型GaN层，厚度为100-1000nm。N型导电层7为N型GaN导电层，厚度为1-4um，N型GaN导电层的硅掺杂浓度为5×1017-5×1019cm-3。
多量子阱有源区6为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，GaN势阱层的厚度5-20nm。P型导电层5为Mg掺杂的GaN层，厚度50-500nm，掺杂浓度为5×1016cm-3-5×1019cm-3，P型欧姆接触反射镜4为Ni/Ag/Ni合金反射镜,上层Ni的厚度为0.1-20nm，Ag厚度为20-500nm，下层Ni的厚度为0.1-100nm。
铝镓氮(AlGaN)势垒层11厚度为5-50nm，铝组分含量为10％-40％。
栅电极15为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚为度0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm。
源电极16为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚度为0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm。
实施例2
一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件的制备方法，步骤如下：
1、将衬底放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中进行预处理底，通入氢气，清洗表面，时间15分钟，温度1100℃；
2、在预处理后衬底上生长氮化铝缓冲层，温度为800℃度；
3、在氮化铝缓冲层上，生长氮化镓缓冲层，温度1000℃；
4、在氮化镓缓冲层上生长GaN沟道层，温度1000℃，在GaN沟道层上生长铝镓氮(AlGaN)势垒层，温度1000℃；
5、将步骤4的样品从MOCVD设备取出，然后放入等离子增强化学气相沉积设备中，生长二氧化硅(SiO2)作为掩膜层,厚度100nm，生长温度20℃；
6、通过光刻和腐蚀技术对掩膜层进行图形化，去除一部分铝镓氮(AlGaN)势垒层、氮化镓(GaN)沟道层，图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层；
7、将步骤6的样品放入MOCVD设备，在图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层上面生长N型掺杂的GaN作为N型导电层；
8、在N型导电层上生长多量子阱有源区，多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，In组分根据LED的发光颜色确定；
9、在多量子阱有源区上生长Mg掺杂的GaN作为P型导电层；
10、将样品从MOCVD设备里取出，放入氢氟酸水溶液浸泡去除SiO2掩模；
11、在步骤10得到的样品铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积栅介质层，
12、然后在铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积Ti/Al/Ti/TiN合金,通过光刻技术得到源电极；
13、将步骤12的样品放入快速退火炉中退火，温度750℃，时间300s；
14、火后在P型导电层表面沉积Ni/Ag/Ni合金，得到P型欧姆接触反射镜；
15、将步骤14的样品放入快速退火炉中退火，温度400℃，时间600s；
16、在栅介质层表面、P型欧姆接触反射镜表面分别沉积合金，通过光刻技术得到栅电极和P电极
17、采用倒装焊技术，将16所述的样品焊接到散热基板上。
实施例3
一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件的制备方法，步骤如下：
1、将衬底放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中进行预处理底，通入氢气，清洗表面，时间5分钟，温度1300℃；
2、在预处理后衬底上生长氮化铝缓冲层，温度为1100℃度；
3、在氮化铝缓冲层上，生长氮化镓缓冲层，温度1100℃；
4、在氮化镓缓冲层上生长GaN沟道层，温度1100℃，在GaN沟道层上生长铝镓氮(AlGaN)势垒层，温度1100℃；
5、将步骤4的样品从MOCVD设备取出，然后放入等离子增强化学气相沉积设备中，生长二氧化硅(SiO2)作为掩膜层,厚度100nm，生长温度300℃；
6、通过光刻和腐蚀技术对掩膜层进行图形化，去除一部分铝镓氮(AlGaN)势垒层、氮化镓(GaN)沟道层，图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层；
7、将步骤6的样品放入MOCVD设备，在图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层上面生长N型掺杂的GaN作为N型导电层，温度1100℃；
8、在N型导电层上生长多量子阱有源区，多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，In组分根据LED的发光颜色确定；
9、在多量子阱有源区上生长Mg掺杂的GaN作为P型导电层；
10、将样品从MOCVD设备里取出，放入氢氟酸水溶液浸泡去除SiO2掩模；
11、在步骤10得到的样品铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积栅介质层，
12、然后在铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积Ti/Al/Ti/TiN合金,通过光刻技术得到源电极；
13、将步骤12的样品放入快速退火炉中退火，温度950℃，时间30s；
14、火后在P型导电层表面沉积Ni/Ag/Ni合金，得到P型欧姆接触反射镜；
15、将步骤14的样品放入快速退火炉中退火，温度600℃，时间60s；
16、在栅介质层表面、P型欧姆接触反射镜表面分别沉积合金，通过光刻技术得到栅电极和P电极
17、采用倒装焊技术，将16所述的样品焊接到散热基板上。
实验例：
将实施例1的倒装GaN基HEMT-LED集成器件与传统的HEMT-LED集成器件进行光强、电流测试，测得的光强-电流输出曲线如图3所示，通过图3可以看出，在注入电流比较小时，热量产生较小，本发明的倒装GaN基HEMT-LED集成器件光输出功率与传统结构基本一致，当电流超过200mA时，传统结构产热量非常大，而本发明的散热效果好，光输出功率明显高于传统结构。
Claims (10)
1.一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件，自上而下依次包括衬底、缓冲层，缓冲层的下表面一部分设置有N型导电层，另一部分设置有氮化镓(GaN)沟道层，在N型导电层的下表面自上而下依次包括多量子阱有源区、P型导电层、P型欧姆接触反射镜、P电极和P电极基板，氮化镓(GaN)沟道层的下表面设置有铝镓氮(AlGaN)势垒层，铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面设置有源电极和栅电极，源电极和栅电极分别连接有源电极基板、栅电极基板，P电极基板、源电极基板和栅电极基板共同设置在散热基板上并与散热基板接触，多量子阱有源区发出的光透过衬底出射到空气中。
2.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，所述衬底为碳化硅衬底、硅衬底或者蓝宝石衬底中的一种；所述的缓冲层包含氮化铝缓冲层和氮化镓缓冲层，氮化铝缓冲层与衬底接触，其中氮化铝缓冲层的厚度为0-100nm，氮化镓缓冲层的厚度为100-4000nm。
3.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，氮化镓(GaN)沟道层为非故意掺杂N型GaN层，厚度为100-1000nm。
4.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，所述N型导电层为N型GaN导电层，厚度为1-4um，N型GaN导电层的硅掺杂浓度为5×1017-5×1019cm-3；所述多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，GaN势阱层的厚度5-20nm。
5.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，所述P型导电层为Mg掺杂的GaN层，厚度50-500nm，掺杂浓度为5×1016cm-3-5×1019cm-3，所述P型欧姆接触反射镜为Ni/Ag/Ni合金反射镜,上层Ni的厚度为0.1-20nm，Ag厚度为20-500nm，下层Ni的厚度为0.1-100nm，所述P电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度为10-100nm，Au厚度100-1000nm。
6.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，铝镓氮(AlGaN)势垒层厚度为5-50nm，铝组分含量为10％-40％。
7.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，栅电极通过栅介质层设置在铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面，所述栅介质层为氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层或氧化铪层其中一种，厚度10-300nm，所述的栅电极为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚为度0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm，所述的源电极为Ti/Al/Ti/TiN合金电极,上层Ti厚度为0-100nm，Al厚度为0-1000nm，下层Ti厚度为10-300nm，TiN厚度为100-1000nm。
8.根据权利要求1所述的倒装GaN基HEMT-LED集成器件，其特征在于，源电极的一侧设置有绝缘介质层，绝缘介质层位于铝镓氮(AlGaN)势垒层的下表面，氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层、栅介质与N型导电层接触，所述散热基板为铜、铝、氮化铝陶瓷或碳化硅基板。
9.一种倒装GaN基HEMT-LED集成器件的制备方法，包括步骤如下：
1)提供衬底，将衬底预处理，得预处理后衬底；
2)在预处理后衬底上依次生长形成氮化铝缓冲层、氮化镓缓冲层、氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层；
3)在步骤2)得到的样品表面生长厚度为100-3000nm的二氧化硅(SiO2)作为掩膜层，通过光刻和腐蚀技术对掩膜层进行图形化，去除一部分铝镓氮(AlGaN)势垒层、氮化镓(GaN)沟道层，图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层；
4)在图形化后衬底暴露氮化镓缓冲层上面生长N型掺杂的GaN作为N型导电层；
5)在步骤4)所述样品的N型导电层上面依次生长多量子阱有源区、P型导电层，多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势垒层和GaN势阱层，所述InGaN势垒层的厚度为2-5nm，In组分根据LED的发光颜色确定；
6)将步骤5)得到的样品放入氢氟酸水溶液浸泡去除SiO2掩模；
7)在步骤6)得到的样品铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积栅介质层，然后在铝镓氮(AlGaN)势垒层表面沉积Ti/Al/Ti/TiN合金,通过光刻技术得到源电极；
8)将步骤7)的样品进行退火，退火后在P型导电层表面沉积Ni/Ag/Ni合金，得到P型欧姆接触反射镜；
9)将步骤8)的的样品进行退火，在栅介质层表面、P型欧姆接触反射镜表面分别沉积合金，通过光刻技术得到栅电极和P电极；
10)采用倒装焊技术，将步骤9)所述的样品焊接到散热基板上，得到倒装GaN基HEMT-LED集成器件。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述的预处理为：在温度1100度-1300度下，通入氢气，对衬底进行清洗表面，时间5-15分钟；生长氮化铝缓冲层的温度为800-1100℃，生长氮化镓缓冲层、氮化镓(GaN)沟道层、铝镓氮(AlGaN)势垒层的温度分别为1000-1100℃；生长二氧化硅(SiO2)的温度为20-300℃；生长N型导电层的温度为1000-1100℃，步骤8)中退火温度为750-950℃，退火时间为30-300s，步骤9)中退火温度为400-600℃，退火时间为60-600s。
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