CN111477527A - 一种功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率器件，包括至少一个真空封装的单元结构；其中，所述单元结构包括：硅衬底以及形成于所述硅衬底上的发射极、光调制极和集电极。一方面，由于整个器件采用统一的硅基工艺制备，解决传统冷阴极场发射的发射极在工艺制备过程中的不一致性的问题，提高器件内部精度和一致性，增强器件的可靠性；另一方面，基于硅基工艺引入了形成在所述硅衬底上的光调制极，增强了发射极的场发射效率，抵消发射极不均匀性造成的发射极尖端与集电极间距的不一致性，增加冷阴极发射电极的工艺冗余度，使得器件不需要完全依靠场发射原理来产生电子，降低场发射的负荷，进一步增强器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及真空微电子技术领域，尤其涉及一种功率器件及其制备方法。
背景技术
现有功率器件的耐压由半导体结(例如，PN结)的空间电场承担，限制了器件的导通电阻和工作效率。而现有的场致阴极发射的真空微电子功率器件虽然可以提高功率器件的耐压能力，但由于其电子发射完全靠电场致发射，其功率和可靠性都得不到保证，因而产品并不成熟。
发明内容
本申请实施例通过提供一种功率器件及其制备方法，解决了现有的功率器件可靠性低的技术问题。
一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种功率器件，包括至少一个真空封装的单元结构；其中，所述单元结构包括：
硅衬底；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的发射极；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的光调制极，所述光调制极用于产生光子以激发所述发射极发射电子；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的集电极，所述集电极用于激发所述接收所述发射极发射的电子。
可选的，所述单元结构还包括：
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的栅极，所述栅极用于产生电场以激发所述发射极发射电子。
可选的，所述光调制极为横向出光的LED结构。
可选的，所述光调制极为紫外LED。
可选的，所述紫外LED包括N型的半导体材料、P型的半导体材料以及所述N型的半导体材料与所述P型的半导体材料形成的谐振腔。
可选的，所述N型的半导体材料和所述P型的半导体材料为氮化镓、铟镓氮或铝镓氮。
可选的，所述发射极包括硅基微尖结构以及覆盖在所述硅基微尖结构上的金属层。
可选的，所述真空封装的压力为10-6Pa～10Pa。
可选的，所述功率器件包括至少两个所述单元结构，两个所述单元结构沿所述光调制极镜像集成。
可选的，沿所述光调制极镜像集成的两个所述单元结构上还形成有键合盖板。
另一方面，本申请通过本申请的另一实施例提供一种功率器件的制备方法，所述方法用于制备上述的单元结构；所述方法包括：
制备获得硅衬底；
在硅衬底上外延制备光调制极，所述光调制极的负极与所述硅衬底相连，所述光调制极的正极引出作为光调制控制极；
在所述光调制极旁的所述硅衬底上制备发射极；
将已制备的集电极通过硅片键合工艺与所述硅衬底组合，形成单元结构。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
功率器件的真空封装的单元结构，包括：硅衬底；利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的发射极；利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的光调制极，所述光调制极用于产生光子以激发所述发射极发射电子；利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的集电极，所述集电极用于激发所述接收所述发射极发射的电子。一方面，由于整个器件采用统一的硅基工艺制备，解决传统冷阴极场发射的发射极在工艺制备过程中的不一致性的问题，提高器件内部精度和一致性，增强器件的可靠性；另一方面，基于硅基工艺引入了形成在所述硅衬底上的光调制极，增强了发射极的场发射效率，抵消发射极不均匀性造成的发射极尖端与集电极间距的不一致性，增加冷阴极发射电极的工艺冗余度，使得器件不需要完全依靠场发射原理来产生电子，降低场发射的负荷，进一步增强器件的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种实施例的功率器件的一种单元结构示意图；
图2是本发明一种实施例的功率器件的另一种单元结构示意图；
图3是图1中的发射极结构示意图；
图4是本发明一种实施例的一种功率器件的结构示意图；
图5是本发明另一种实施例的一种功率器件的制备方法的流程图。
附图标记说明如下：
100、硅衬底，200、发射极，210、硅基微尖结构，220、金属层，300、光调制极，400、集电极，500、栅极，600、键合盖板。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种功率器件及其制备方法，解决了现有的功率器件可靠性低的技术问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种功率器件，包括至少一个真空封装的单元结构；其中，所述单元结构包括：硅衬底100；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的发射极200；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的光调制极300，所述光调制极300用于产生光子以激发所述发射极200发射电子；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的集电极400，所述集电极400用于激发所述接收所述发射极200发射的电子。
一方面，由于整个器件采用统一的硅基工艺制备，解决传统冷阴极场发射的发射极200在工艺制备过程中的不一致性的问题，提高器件内部精度和一致性，增强器件的可靠性；另一方面，基于硅基工艺引入了形成在所述硅衬底100上的光调制极300，增强了发射极200的场发射效率，抵消发射极200不均匀性造成的发射极200尖端与集电极400间距的不一致性，增加冷阴极发射电极的工艺冗余度，使得器件不需要完全依靠场发射原理来产生电子，降低场发射的负荷，进一步增强器件的可靠性。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
另外，文本中出现的“内”和“外”是常规意义的内和外，是为了便于描述清楚，并不是任何限定。
通过对现有技术的分析可知，传统功率器件依靠PN来承担偏压，大的偏压需要大的漂移区域，导致导通电阻增加，进而影响器件的工作效率。因此，试图利用阴极场发射原理来提高功率器件耐压，但是在工艺加工过程中由于工艺的不一致性导致阴极场发射阵列不能实现统一的场发射阈值，进而影响整个器件的功率提升以及长期工作的可靠性。因此，试图利用光调制原理增加场发射效率让场发射阈值裕度增加，但是现有光调制方法均采用光纤，碳纳米管等技术引入外部光源，其集成性与可调制性受到了极大的影响，因此，也不具备量产的可能性。
实施例一
如图1所示，本申请通过一个实施例提供一种功率器件，包括至少一个真空封装的单元结构；其中，所述单元结构包括：
硅衬底100；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的发射极200；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的光调制极300，所述光调制极300用于产生光子以激发所述发射极200发射电子；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的集电极400，所述集电极400用于激发所述接收所述发射极200发射的电子。
需要说明的是，本实施例的功率器件一般包括多个集成在一起的单元结构，这里首先对单个单元结构的内部结构进行描述。
参见图1，硅衬底100位于底部，发射极200、集电极400和光调制极300均利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上。一方面，由于采用统一的硅基工艺，解决传统冷阴极场发射的发射极200在工艺制备过程中的不一致性的问题，提高器件内部精度和一致性，增强器件的可靠性。另一方面，在工作时，发射极200与集电极400通过电场效应激发发射极200发射电子，集电极400则接收电子；同时，光调制极300通过光电效应，激发所述发射极200发射电子，对电场效应进行补充，使得器件不需要完全依靠场发射原理来产生电子，增加冷阴极发射电极的工艺冗余度，降低场发射的负荷，增强器件的可靠性。此外由于光调制极300应用了光调制，这就增加了调制频率，可以实现高频响应，甚至是高频大功率响应。
此外，光调制极300通过光电效应对场发射的补充作用还可以让场发射阈值裕度增加，使场发射阵列在发射阈值不统一的情况下仍可以在光辅助下正常工作，利于单元结构的阵列集成，进而提升器件的功率以及长期工作的可靠性。而光调制极300采用硅基工艺形成于硅衬底100上，可实现自发光，无需外部光纤或碳纳米管等技术引入外部光源，也形成了大规模集成的必要条件。
作为一种可选的结构，参见图2，所述单元结构还包括：利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的栅极500，所述栅极500用于产生电场以激发所述发射极200发射电子。
该结构中，栅极500位于集电极400和发射极200之间，用于产生电场以激发所述发射极200发射电子，而集电极400用于接收电子。增加栅极500的好处是：增加场发射调制效率，器件除了利用收集极400产生场发射电场外，利用离发射极距离更近的栅极500来增加调制电场，可以实现与光调制互为补充的电调制极。此外两个调制端的控制可以增加器件的可靠性，使两种控制参数都不需要工作在极端条件下。
需要说明的是，当存在栅极500时，光电效应补偿的是由于发射极200尖端与栅极500间距的不一致性。
在本实施例中，真空封装的压力为10-6Pa～10Pa，此设置范围的原因为：该器件电子从发射极200到达集电极400要经过一段距离，如果这段距离充满空气，则电子会与空气中的气体原子发生碰撞，进而影响电子到达集电极400.因此，必要的真空条件是保障器件正常工作的要求，另外根据加工工艺的不同栅极500与发射极200，或集电极400与发射，200之间的距离不同，因此为了达到场发射电场，施加的场发射电压正比于发射距离，反比于真空腔体的压强，因此压力是有一定范围的，气压下限一般由制作工艺能力限制，而且高压限制由器件可靠性决定，在场发射电压低于30V，发射效率1％时，压强最高可以到10Pa。
在清楚了单元结构的整体结构后，下面对具体的光调制极300和发射极200的具体结构进行描述。
参见图1和2，在本实施例中，所述光调制极300为横向出光的LED结构，便于向位于侧面的发射极200发送光子。光源类型可以根据需要进行选择，只要满足可产生光电效应，激发发射极发射电子即可，例如，根据发射极200金属类型不同(逸出功不同)可以加工不同波长的发光LED；示例性的，所述光调制极300为紫外LED。紫外光更短的波长可以更有效的产生光电效应。具体的，所述紫外LED包括N型的半导体材料、P型的半导体材料以及所述N型的半导体材料与所述P型的半导体材料形成的谐振腔。用于光调制极的半导体材料可以根据需要进行选择，例如，InGaN/AlGaN结构，示例性的，所述N型的半导体材料和所述P型的半导体材料为氮化镓、铟镓氮、铝镓氮。这里选择氮化镓、铟镓氮、铝镓氮的理由是宽的禁带宽度有利于形成波长较短的紫外光，直接的带隙有利于高的光发射效率，而且硅基氮化镓LED结构和工艺非常成熟。
在具体实施过程中，紫外LED可以引出电极，通过电压进行光强弱的控制，以对场发射的效率进行补充。
参见图3，在本实施例中，所述发射极200包括硅基微尖结构210以及覆盖在所述硅基微尖结构210上的金属层200。金属层200可以根据需要进行选择，例如钼。金属层200附着在硅基微尖结构210上，或者直接由金属层200刻蚀形成。
需要说明的是，在本实施例中，硅基工艺是指标准的以硅晶圆为衬底的加工制作工艺。在具体实施过程中，本实施例的单元结构具体可以通过如下方法制备获得：
1、在硅衬底100上外延氮化镓材料，制备发光二极管，发光二极管的负极与衬底相连，正极引出作为功率器件光调制极；
2、在发光二极管旁边利用Spindt方法制作钼尖的发射极，或利用氧化削尖工艺制作硅尖发射极200，发射极200与硅衬底100部分相连，共同形成器件的发射结构；
3、在另外一片硅衬底上蒸发金属形成集电极400；
4、通过硅片键合工艺将集电极400与已经制备好的其他部分在真空环境下组合在一起，形成收集电极的同时，提供真空环境的键合盖板600；其中，集电极400的金属面向其他部分进行键合，还可以利用没有蒸发金属的硅片键合形成集电极400；
5、通过硅加工工艺将各个电极引出，以备后续封装。
在在清楚了单个单元结构的具体构造后，下面对单元结构的工作原理进行说明：
图1和图2是两种功率器件的单元结构，图1是图2结构的一种简化，图1的调制极只有光调制极300提供的光调制，场发射电场由集电极400提供，集电极400提供的电场满足器件结构阵列中最小的场发射电场条件，也即提供一个基础电场，进而器件由光调制极300提供的光场助力发射极电子的激发，激发的电子由集电极400接收，接收电子的多少由光调制极300调制控制。而图2的器件由光调制极300提供的光调制和栅极500提供的电场调制，因此，图2中集电极400电压由于不再提供场发射电场可以根据电路工作需要适当减小，或者可以通过增加集电极400到发射极200的距离来实现更高的收集电压。此外，两个调制端的控制可以增加器件的可靠性，使两种控制参数都不需要工作在极端条件下。硅衬底100和发射极200为互联结构，为器件的发射极(阴极)，光调制极300的负极与结构100和200相连，光调制极300的正极也就是光调制极单独引出。集电极400和栅极500也单独引出分别形成集电极400或电调制极。
前面已经提到，在本实施例中，功率器件一般包括多个集成在一起的单元结构，在清楚了单个单元结构的具体构造和工作原理后，单元结构制备过程完成后，可以根据功率需要将多个单元结构进行阵列排布后进行-集成加工。下面提供一种单元结构集成的实施方案。
参见图4，作为一种可选的实施方式，所述功率器件包括至少两个所述单元结构，两个所述单元结构沿所述光调制极300镜像集成。具体的，沿所述光调制极300镜像集成的两个所述单元结构上还形成有键合盖板600。在图4的结构中，未形成栅极500，直接利用图1的单元结构集成。由于集成后集电极400产生场发射电场，光调制极300形成光电调制极，器件的收集电流变化受光调制极控制。此外，对阵的结构有利于形成可复制的阵列结构，形成功率大的器件。因此，可参照图4的集成方式，对若干个单元结构进行阵列集成，从而提升整体器件的功率。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本实施例的功率器件包括的真空封装的单元结构，包括：硅衬底100；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的发射极200；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的光调制极300，所述光调制极300用于产生光子以激发所述发射极200发射电子；利用硅基工艺形成在所述硅衬底100上的集电极400，所述集电极400用于激发所述接收所述发射极200发射的电子。一方面，由于整个器件采用统一的硅基工艺制备，解决传统冷阴极场发射的发射极200在工艺制备过程中的不一致性的问题，提高器件内部精度和一致性，增强器件的可靠性；另一方面，基于硅基工艺引入了形成在所述硅衬底100上的光调制极300，增强了发射极200的场发射效率，抵消发射极200不均匀性造成的发射极200尖端与集电极400间距的不一致性，增加冷阴极发射电极的工艺冗余度，使得器件不需要完全依靠场发射原理来产生电子，降低场发射的负荷，进一步增强器件的可靠性。
实施例二
基于与实施例一相同的发明构思，参见图5，本实施例提供一种功率器件的制备方法，所述方法用于制备实施例一中的单元结构；所述方法包括：
S102、制备获得硅衬底；
S104、在硅衬底上外延制备光调制极，所述光调制极的负极与所述硅衬底相连，所述光调制极的正极引出作为光调制控制极；
S106、在所述光调制极旁的所述硅衬底上制备发射极；
S108、将已制备的集电极通过硅片键合工艺与所述硅衬底组合，形成单元结构。
需要说明的是，本实施例的具体实施方式请参照实施例一，这里不再赘述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种功率器件，其特征在于，包括至少一个真空封装的单元结构；其中，所述单元结构包括：
硅衬底；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的发射极；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的光调制极，所述光调制极用于产生光子以激发所述发射极发射电子；
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的集电极，所述集电极用于激发所述接收所述发射极发射的电子。
2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述单元结构还包括：
利用硅基工艺形成在所述硅衬底上的栅极，所述栅极用于产生电场以激发所述发射极发射电子。
3.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述光调制极为横向出光的LED结构。
4.如权利要求3所述的功率器件，其特征在于，所述光调制极为紫外LED。
5.如权利要求4所述的功率器件，其特征在于，所述紫外LED包括N型的半导体材料、P型的半导体材料以及所述N型的半导体材料与所述P型的半导体材料形成的谐振腔。
6.如权利要求5所述的功率器件，其特征在于，所述N型的半导体材料和所述P型的半导体材料为氮化镓、铟镓氮或铝镓氮。
7.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述发射极包括硅基微尖结构以及覆盖在所述硅基微尖结构上的金属层。
8.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述真空封装的压力为10-6Pa～10Pa。
9.如权利要求1-8的任一项所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件包括至少两个所述单元结构，两个所述单元结构沿所述光调制极镜像集成。
10.一种功率器件的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备如权利要求1-9的任一项所述的单元结构；所述方法包括：
制备获得硅衬底；
在硅衬底上外延制备光调制极，所述光调制极的负极与所述硅衬底相连，所述光调制极的正极引出作为光调制控制极光调制控制极；
在所述光调制极旁的所述硅衬底上制备发射极；
将已制备的集电极通过硅片键合工艺与所述硅衬底组合，形成单元结构。
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