CN114203866A - 预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法，其在衬底表面依次沉积缓冲层、发射区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层；在基区P型氮化镓层上沉积基区金属接触埋层，并在基区金属接触埋层上沉积绝缘层将其隔离；依次沉积集电区N型氮化镓层、量子阱层、P型氮化镓层；在P型氮化镓层上沉积P型氮化镓金属接触层；在集电区N型氮化镓层上沉积集电区金属接触层；在发射区N型氮化镓层上沉积发射区金属接触层。本发明利用预埋金属层和绝缘层，防止在器件制备过程中较薄的基区被刻穿，降低了发光三极管器件制备过程中引出基区电极时对刻蚀工艺精度的要求。

Description

预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法。
背景技术
目前Micro-LED光电集成有Si基CMOS器件的集成和薄膜晶体管（Thin FilmTransistor，TFT）的集成两类。基于传统Si基CMOS驱动的LED阵列系统非常复杂，在元件互联中会引入寄生电阻、寄生电容、寄生电感影响器件的性能。Micro-LED与TFT驱动的集成依赖复杂的巨量转移键合设备和工艺技术来实现，并且TFT需要有较强的驱动能力，这会提高系统在实际应用中的功率消耗。
由于GaN 材料性能的突出优势，并且GaN 电子器件驱动电路与 GaN基Micro-LED相同的材料和工艺体系，将Ⅲ族氮化物基LED和电子器件驱动电路集成在同一衬底上有许多的优势。例如，可以大大地降低由于键合引起的寄生电容和电阻，提高驱动电路的效率。此外，还可以发挥GaN LED芯片长寿命的优势，大大提高LED阵列系统的稳定性。有望实现高性能智能Micro-LED 显示器件、Micro-LED 背光源的动态调光以及智能照明应用。
常见的 Ⅲ 族氮化物基LED和电子器件驱动电路集成有以下几种方式：一种是基于GaN材料体系的发光二极管(LED)和高电子迁移率晶体管(High electron mobilitytransistor, HEMT)的单片集成。凭借GaN优异材料特性，具有高电子迁移率的二维电子气在应用中大大提高了器件的工作速度。另一种是基于GaN材料体系的发光二极管(LED)和金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)的单片集成。通过MOSFET的开关作用和控制电压信号的输入、放大、输出进而控制LED的导通和发光强度。但是HEMT和MOSFET本身的器件结构和工艺复杂，LED与HEMT或MOSFET等GaN电子器件驱动电路的单片集成存在着工艺难度大，发光单元开口率低，光输出功率难以调控等问题。因此，对于LED与电子器件驱动电路集成仍有许多问题亟需解决。当前，有一种垂直结构的GaN放大三极管与发光二极管的单片集成方法，集发光、开关、控制功能于一体的发光三极管(Light-emitting triode,LET)通过利用三极管对输入的小功率信号进行发大从而控制LED的发光。由于三极管的结构和工艺简单，与上述两种结构相比更易实现电子器件驱动与LED的集成。
为了提高发光三极管器件的性能，对三极管结构提出了一定的要求。三极管对输入小功率信号的放大能力受基区厚度的影响，较薄的基区宽度降低了电子在基区中的复合损耗，能够提高三极管器件的电流注入效率和电流放大系数。基区宽度过厚会使得三极管的电流放大系数下降，基区体电阻变大，器件的频率特性下降。因此，为提高三极管的电流放大能力和器件的响应速度，在三极管器件结构中基区的厚度相比之其他功能层应当更薄。有意的减少三极管基区的厚度有利于发光三极管器件整体性能提高。然而，在工艺中为了将三极管的基区连接金属接触层以引出时，由于外延工艺和刻蚀工艺的误差，基区薄层十分容易被刻穿使得整个器件短路，这对刻蚀设备精度和外延工艺的精度提出了很高的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法。其要解决的技术问题是：在发光三极管基区电极引出时，刻蚀工艺的误差易刻穿发光三极管基区造成短路。为解决上述问题，本发明绕开提高刻蚀精度的难点，提出在该器件的制备过程中，通过引入预埋金属层的设计方案，降低了发光三极管器件在引出基区金属接触层对刻蚀和外延工艺的设备要求。
其主要内容包括：在衬底表面依次沉积缓冲层、发射区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层；在基区P型氮化镓层上沉积基区金属接触埋层，并在基区金属接触埋层上沉积绝缘层将其隔离；依次沉积集电区N型氮化镓层、量子阱层、P型氮化镓层；刻蚀部分P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层和基区P型氮化镓层；刻蚀部分P型氮化镓层和量子阱层；刻蚀部分P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层及绝缘层；在P型氮化镓层上沉积P型氮化镓金属接触层；在集电区N型氮化镓层上沉积集电区金属接触层；在发射区N型氮化镓层上沉积发射区金属接触层。本发明利用预埋金属层和绝缘层，防止在器件制备过程中较薄的基区被刻穿，降低了发光三极管器件制备过程中引出基区电极时对刻蚀工艺精度的要求。
本发明具体采用以下技术方案：
一种预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：外延部分的功能层包括从上至下依次设置的：P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层和发射区N型氮化镓层；基区金属接触埋层介于所述基区P型氮化镓层与集电区N型氮化镓层之间，且与集电区N型氮化镓层之间通过绝缘层阻隔。
其中，绝缘层用于防止器件基区与集电区短路及在器件制备过程中保护基区不被刻蚀工艺刻穿。
进一步地，所述发射区N型氮化镓层经缓冲层设置在衬底上。
进一步地，P型氮化镓金属接触层设于所述P型氮化镓层上；集电区金属接触层设于所述集电区N型氮化镓层上；发射区金属接触层设于所述发射区N型氮化镓层上。
进一步地，所述基区P型氮化镓层的厚度在50nm至1000nm之间，可以通过调节基区P型氮化镓层的厚度以调控发光三极管的电流注入效率和电流放大系数；所述集电区N型氮化镓层的厚度在500nm至2000nm之间。
进一步地，所述量子阱层由5至8个周期的InGaN(3nm)/GaN(10nm)构成，其中，InGaN层的In组分浓度为0.15-0.20，所述In组分浓度指的是在InGaN三元化合物中In的含量占In和Ga总量的比例。
进一步地，所述基区P型氮化镓层的掺杂浓度在1e16/cm3至1e18/cm3之间。
进一步地，所述绝缘层的厚度在100nm至500nm之间。
进一步地，所述基区金属接触埋层的材料包括高熔点的金属材料，如钨和钼，以防止器件外延工艺中高温退火对电极造成损伤。
进一步地，所述P型氮化镓金属接触层、集电区金属接触层和发射区金属接触层的材料包括钛、镍、金、银、镉和铂中的一种或多种；所述绝缘层的材料包括氧化铝和氮化铝。
进一步地，根据以上预埋金属电极的垂直型发光三极管器件的制备方法，其特征在于：
步骤S1：在衬底表面沉积一层缓冲层，在所述缓冲层上采用金属有机化合物化学气相沉积氮化镓材料依次形成发射区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层；
步骤S2：在所述基区P型氮化镓层上采用电子束蒸发或溅射技术沉积基区金属接触埋层，并在基区金属接触埋层上沉积绝缘层；
步骤S3：在所述基区P型氮化镓层和绝缘层上依次沉积集电区N型氮化镓层、量子阱层、P型氮化镓层；
步骤S4：刻蚀部分所述P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层和基区P型氮化镓层，以形成在发射区N型氮化镓层上用于设置发射区金属接触层的裸露区；
步骤S5：刻蚀部分所述P型氮化镓层和量子阱层，以形成在集电区N型氮化镓层上用于设置集电区金属接触层的裸露区；
步骤S6：刻蚀部分所述P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层及绝缘层以引出基区金属接触埋层；
步骤S7：采用电子束蒸发或溅射技术，在所述P型氮化镓层上沉积P型氮化镓金属接触层；在集电区N型氮化镓层上沉积集电区金属接触层；在发射区N型氮化镓层上沉积发射区金属接触层。
与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：
1、 实现了垂直结构的发光二极管(LED)和GaN基三极管的单片集成，能够有效提高驱动电路的面积利用率，同时器件的有源区面积占比增大,提高了光输出功率。
2、 与常见的LED与HEMT或CMOSFET的单片集成相比，器件结构和制备工艺流程较为简单。
3、 可以通过输入小功率信号对LED发光进行控制。
4、 利用预埋金属层降低了器件制备过程中引出基区电极时对刻蚀工艺精度的要求。
5、 以垂直结构，将LED结构中的N型层和NPN三极管中的集电极共用，直接将三极管与LED级联，内部无需使用电极互联，减少了器件内部的寄生电阻和电容，使器件的频率特性更好，有利于器件在高频条件下工作更稳定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例提供的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件的结构示意图：
图2-图8是本发明实施例预埋金属电极的垂直型发光三极管器件的制备流程分步示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，是本发明实施例提供的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其主要结构包括：P型氮化镓金属接触层1、P型氮化镓层2、量子阱层3、集电区N型氮化镓层4、基区P型氮化镓层5、发射区N型氮化镓层6、缓冲层7、衬底8、集电区金属接触层9、基区金属接触埋层10、发射区金属接触层11、绝缘层12。
P型氮化镓金属接触层1形成于P型氮化镓层2上。
集电区金属接触层9设于集电区N型氮化镓层4之上。
基区金属接触埋层10介基区P型氮化镓层5与集电区N型氮化镓层4之间，且在集电区N型氮化镓层4之间以绝缘层12阻隔。
发射区金属接触层11设于发射区N型氮化镓层6上。
绝缘层12介于集电区N型氮化镓层和基区金属接触埋层之间。
如图2-图8所示，为本发明的预埋金属电极的垂直型发光三极管的制备流程示意图。
步骤一，如图2所示，在蓝宝石衬底101表面沉积一层未有意掺杂的缓冲层102，在缓冲层102上用金属有机化合物化学气相沉积法依次形成发射区N型氮化镓层103、基区P型氮化镓层104。
步骤二，如图3所示，在基区P型氮化镓层104上用电子束蒸发或溅射技术沉积基区金属接触埋层105，在基区金属接触埋层105上继续沉积绝缘层106。
步骤三，如图4所示，在基区P型氮化镓层104和绝缘层106上依次沉积集电区N型氮化镓层107、量子阱层108、P型氮化镓层109。
步骤四，如图5所示，刻蚀部分P型氮化镓层109、量子阱层108、集电区N型氮化镓层107和基区P型氮化镓层104。
步骤五，如图6所示，刻蚀部分P型氮化镓层109和量子阱层108。
步骤六，如图7所示，刻蚀部分P型氮化镓层109、量子阱层108、集电区N型氮化镓层107及绝缘层106以引出基区金属接触埋层105。
步骤七，如图8所示，采用电子束蒸发或溅射技术在P型氮化镓层109上沉积P型氮化镓金属接触层110，在集电区N型氮化镓层107上沉积集电区金属接触层111，在发射区N型氮化镓层103上沉积发射区金属接触层112。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：外延部分的功能层包括从上至下依次设置的：P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层和发射区N型氮化镓层；基区金属接触埋层介于所述基区P型氮化镓层与集电区N型氮化镓层之间，且与集电区N型氮化镓层之间通过绝缘层阻隔。
2.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述发射区N型氮化镓层经缓冲层设置在衬底上。
3.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：P型氮化镓金属接触层设于所述P型氮化镓层上；集电区金属接触层设于所述集电区N型氮化镓层上；发射区金属接触层设于所述发射区N型氮化镓层上。
4.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述基区P型氮化镓层的厚度在50nm至1000nm之间，通过调节基区P型氮化镓层的厚度以调控发光三极管的电流注入效率和电流放大系数；所述集电区N型氮化镓层的厚度在500nm至2000nm之间。
5.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述量子阱层由5至8个周期的InGaN/GaN构成，其中，InGaN层的In组分浓度为0.15-0.20，所述In组分浓度指的是在InGaN三元化合物中In的含量占In和Ga总量的比例。
6.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述基区P型氮化镓层的掺杂浓度在1e16/cm3至1e18/cm3之间。
7.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述绝缘层的厚度在100nm至500nm之间。
8.根据权利要求1所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述基区金属接触埋层的材料包括高熔点的金属材料。
9.根据权利要求3所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件，其特征在于：所述P型氮化镓金属接触层、集电区金属接触层和发射区金属接触层的材料包括钛、镍、金、银、镉和铂中的一种或多种；所述绝缘层的材料包括氧化铝和氮化铝。
10.根据权利要求1-9其中任一所述的预埋金属电极的垂直型发光三极管器件的制备方法，其特征在于：
步骤S1：在衬底表面沉积一层缓冲层，在所述缓冲层上采用金属有机化合物化学气相沉积氮化镓材料依次形成发射区N型氮化镓层、基区P型氮化镓层；
步骤S2：在所述基区P型氮化镓层上采用电子束蒸发或溅射技术沉积基区金属接触埋层，并在基区金属接触埋层上沉积绝缘层；
步骤S3：在所述基区P型氮化镓层和绝缘层上依次沉积集电区N型氮化镓层、量子阱层、P型氮化镓层；
步骤S4：刻蚀部分所述P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层和基区P型氮化镓层，以形成在发射区N型氮化镓层上用于设置发射区金属接触层的裸露区；
步骤S5：刻蚀部分所述P型氮化镓层和量子阱层，以形成在集电区N型氮化镓层上用于设置集电区金属接触层的裸露区；
步骤S6：刻蚀部分所述P型氮化镓层、量子阱层、集电区N型氮化镓层及绝缘层以引出基区金属接触埋层；
步骤S7：采用电子束蒸发或溅射技术，在所述P型氮化镓层上沉积P型氮化镓金属接触层；在集电区N型氮化镓层上沉积集电区金属接触层；在发射区N型氮化镓层上沉积发射区金属接触层。
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