CN114203867B - 电场调控型发光三极管器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电场调控型发光三极管器件及其制备方法，其P型氮化镓层和三层N型氮化镓层、量子阱层、沟道层构成的功能层除位于最下层的第三N型氮化镓层外的部分，生长在第三N型氮化镓层上的部分区域，构成中心功能层；漏极金属接触层设置在所述中心功能层的顶部，源极金属接触层直接设置在所述第三N型氮化镓层上，栅极金属层通过介质层环绕设置于所述中心功能层的周部。实现了氮化镓基蓝光LED和氮化镓基垂直型MOSFET的单片集成，能够通过调控栅极电压和漏极电压对LED发光进行调控，将电流调控的LED转为更便于调控的电压。同时，对制备工艺进行改进，避免刻蚀工艺对器件表面造成的损伤。

Description

电场调控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，尤其涉及一种电场调控型发光三极管器件及其制备方法。
背景技术
氮化镓由于其优异的材料特性而被广泛应用于各种功率器件中，体积小、重量轻、长寿命的氮化镓基蓝光LED除了用于一般照明外，也在显示领域引起了研究人员的重视。高性能的氮化镓基蓝光LED能够广泛应用于全彩显示器、全彩指示器和液晶显示器的背光单元。目前Micro-LED与TFT驱动的集成需要依赖复杂的工艺技术和高精度的仪器设备来实现，并且传统驱动电路结构复杂，为了使其具有较强的驱动能力，不得不增加器件的功率消耗。由于氮化镓基的电子驱动器件与氮化镓基蓝光LED具有相同的材料和工艺制备体系，如MOSFET、HEMT与氮化镓基蓝光LED的单片集成器件。通过MOSFET的开关特性以及输入输出特性能够将电流调控型LED器件转化为更方便的电压调控器件，进而对LED的导通和光输出特性进行调控。
在制备氮化镓基功率器件的工艺流程中，为了满足特定的掩模图形设计需求，刻蚀技术作为半导体器件的基本制造工艺有着至关重要的作用。刻蚀主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀，由于氮化镓的高结合能和宽带隙使得其在常温下不受化学酸和碱等溶液的腐蚀，用化学腐蚀法对氮化镓进行刻蚀不论是腐蚀的速率还是各向异性都不太理想。因此在氮化镓基器件制备中往往采用干法刻蚀技术，其中感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术由于刻蚀速率快、选择比高、各向异性好等特点而被大量采用。
然而，ICP干法刻蚀存在着十分复杂的物理和化学过程，工艺中的ICP功率、RF功率、气体、压强等各项工艺参数都会对刻蚀结果产生决定性的影响。由于刻蚀过程中离子会对刻蚀表面进行轰击，因此刻蚀过程必然会使得材料晶格损伤，还会引入缺陷等不利因素。这些损伤会使得器件的光学特性和电学特性下降，例如LED器件的光输出功率和发光效率下降。为减少损伤引入以增强器件性能，还要保持一定的刻蚀速率，这对刻蚀工艺中各项参数的调节提出了严格的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种电场调控型发光三极管器件及其制备方法，其首先提出了一种新的电场调控型发光三极管器件结构，实现了氮化镓基蓝光LED和氮化镓基垂直型MOSFET的单片集成，能够通过调控栅极电压和漏极电压对LED发光进行调控，将电流调控的LED转为更便于调控的电压。与常用的LED和HEMT或MOSFET的横向单片集成相比，垂直结构更有利于载流子输运，避免了横向集成结构中因电场分布不均匀造成的电流拥挤现象。
此外，针对当前发光三极管器件制备过程中ICP干法刻蚀工艺对器件表面的损伤引起LED光输出功率和发光效率下降的问题，提出了改进型的制备工艺。以介质层和掩膜层的应用为基础，实现采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长发光三极管的功能层，避免了传统的器件制备工艺流程中ICP干法刻蚀工艺对器件表面造成的损伤及其引起的器件光电性能下降，并且简化了器件的工艺流程。
本发明具体采用以下技术方案：
一种电场调控型发光三极管器件，其特征在于：P型氮化镓层和三层N型氮化镓层、量子阱层、沟道层构成的功能层除位于最下层的第三N型氮化镓层外的部分，生长在第三N型氮化镓层上的部分区域，构成中心功能层；漏极金属接触层设置在所述中心功能层的顶部，源极金属接触层直接设置在所述第三N型氮化镓层上，栅极金属层通过介质层环绕设置于所述中心功能层的周部。
进一步地，所述第三N型氮化镓层通过缓冲层设置在衬底上。
进一步地，所述中心功能层包括自下而上依次生长的：第二N型氮化镓层、沟道层、第一N型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层；所述漏极金属接触层设置在P型氮化镓层上。
进一步地，其制备方法的要旨在于：以设置在所述第三N型氮化镓层上的掩膜层，通过对掩膜层的刻蚀形成中心功能层的生长通道，采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长中心功能层。
进一步地，所述中心功能层形成后去除掩膜层，并在中心功能层周部及第三N型氮化镓层上形成介质层，用于栅极金属层的设置。
进一步地，所述介质层和掩膜层的材质均为二氧化硅。
进一步地，所述介质层的厚度在10nm至100nm之间。调控（减少）介质层的厚度可以提高晶体管的工作速度和功率特性。
进一步地，所述掩膜层形成时的厚度大于等于中心功能层的厚度。
进一步地，所述第三N型氮化镓层在缓冲层上通过金属有机化合物化学气相沉积形成；所述掩膜层通过气相沉积法制作形成；刻蚀所述掩膜层的方法为ICP干法刻蚀；去除所述掩膜层的方法为湿法刻蚀，所用的腐蚀剂为氢氟酸；所述源极金属接触层生长于第三N型氮化镓层上介质层被刻蚀的部位，介质层通过ICP干法刻蚀或氢氟酸湿法刻蚀；所述漏极金属接触层、源极金属接触层和栅极金属层采用电子束蒸发或溅射技术沉积形成。
进一步地，所述沟道层为未有意掺杂的氮化镓层或P型氮化镓层，掺杂浓度在1e14/cm3至1e16/cm3之间；所述漏极金属接触层、源极金属接触层和栅极金属层的材料包括钼、钨、钛、镍、金、银、镉和铂当中的一种或多种。
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）实现了氮化镓基蓝光LED和氮化镓基垂直型MOSFET的单片集成，能够通过调控栅极电压和漏极电压对LED发光进行调控，将电流调控的LED转为更便于调控的电压。
（2）与常见的LED和HEMT或MOSFET的横向单片集成相比，垂直结构更有利于载流子输运，避免了横向集成结构中因电场分布不均匀造成的电流拥挤现象。
（3）以二氧化硅作为掩膜层或介质层，采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长发光三极管的功能层，避免了传统的器件制备工艺流程中ICP干法刻蚀工艺对器件表面造成的损伤及其引起的器件光电性能下降，并且简化了器件的工艺流程。
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电场调控型发光三极管器件的结构示意图：
图2-图8是本发明实施例电场调控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电场调控型发光三极管器件，其主要结构包括：P型氮化镓层1、量子阱层2、第一N型氮化镓层3、沟道层4、第二N型氮化镓层5、第三N型氮化镓层6、缓冲层7、衬底8、源极金属接触层9、环形栅极金属层10、漏极金属接触层11、介质层12。
其中，漏极金属接触层11设于P型氮化镓层1之上。
介质层12环绕于器件中心的功能层周围。
环形栅极金属层10环绕于介质层12之上。
源极金属接触层9设于第三N型氮化镓层6之上。
如图2-图8所示，为本发明实施例的电场调控型发光三极管器件的制备流程示意图。
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氮化镓缓冲层102，在氮化镓缓冲层上用金属有机化合物化学气相沉积法制作第三N型氮化镓层103，用物理或化学气相沉积法制作二氧化硅掩膜层104。
步骤二，如图3所示，用ICP干法刻蚀去除部分二氧化硅掩膜层104。
步骤三，如图4所示，以二氧化硅掩膜层104为掩模，在第三N型氮化镓层103上依次外延第二N型氮化镓层105、沟道层106、第一N型氮化镓层107、量子阱层108和P型氮化镓层109。
步骤四，如图5所示，用氢氟酸刻蚀去除上述二氧化硅掩膜层104。
步骤五，如图6所示，在器件表面沉积一层二氧化硅介质层110，作为栅极氧化层和器件的绝缘保护层，厚度应在10nm至100nm之间。
步骤六，如图7所示，刻蚀部分二氧化硅介质层110以引出电极层，刻蚀方法可以为ICP干法刻蚀或氢氟酸湿法刻蚀。
步骤七，如图8所示，采用电子束蒸发或溅射技术，第三N型氮化镓层103上沉积源极金属接触层112；在二氧化硅介质层110上沉积环形栅极金属层113；在P型氮化镓层109上沉积漏极金属接触层111。
至此，电场调控型发光三极管器件制备完成。
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电场调控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)

1.一种电场调控型发光三极管器件，其特征在于：P型氮化镓层和三层N型氮化镓层、量子阱层、沟道层构成的功能层除位于最下层的第三N型氮化镓层外的部分，生长在第三N型氮化镓层上的部分区域，构成中心功能层；漏极金属接触层设置在所述中心功能层的顶部，源极金属接触层直接设置在所述第三N型氮化镓层上，栅极金属层通过介质层环绕设置于所述中心功能层的周部；
以实现氮化镓基蓝光LED和氮化镓基垂直型MOSFET的单片集成，通过调控栅极电压和漏极电压对LED发光进行调控，将电流调控的LED转为更便于调控的电压；
以二氧化硅作为掩膜层或介质层，采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长发光三极管的功能层，以避免传统的器件制备工艺流程中ICP干法刻蚀工艺对器件表面造成的损伤及其引起的器件光电性能下降。
2.根据权利要求1所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述第三N型氮化镓层通过缓冲层设置在衬底上。
3.根据权利要求1所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述中心功能层包括自下而上依次生长的：第二N型氮化镓层、沟道层、第一N型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层；所述漏极金属接触层设置在P型氮化镓层上。
4.根据权利要求1所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：以设置在所述第三N型氮化镓层上的掩膜层，通过对掩膜层的刻蚀形成中心功能层的生长通道，采用金属有机化学气相沉积法直接外延生长中心功能层。
5.根据权利要求1所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述中心功能层形成后去除掩膜层，并在中心功能层周部及第三N型氮化镓层上形成介质层，用于栅极金属层的设置。
6.根据权利要求5所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述介质层和掩膜层的材质均为二氧化硅。
7.根据权利要求1-6其中任一所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述介质层的厚度在10nm至100nm之间。
8.根据权利要求4所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述掩膜层形成时的厚度大于等于中心功能层的厚度。
9.根据权利要求5所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述第三N型氮化镓层在缓冲层上通过金属有机化合物化学气相沉积形成；所述掩膜层通过气相沉积法制作形成；刻蚀所述掩膜层的方法为ICP干法刻蚀；去除所述掩膜层的方法为湿法刻蚀，所用的腐蚀剂为氢氟酸；所述源极金属接触层生长于第三N型氮化镓层上介质层被刻蚀的部位，介质层通过ICP干法刻蚀或氢氟酸湿法刻蚀；所述漏极金属接触层、源极金属接触层和栅极金属层采用电子束蒸发或溅射技术沉积形成。
10.根据权利要求4所述的电场调控型发光三极管器件，其特征在于：所述沟道层为未有意掺杂的氮化镓层或P型氮化镓层，掺杂浓度在1e14/cm3至1e16/cm3之间；所述漏极金属接触层、源极金属接触层和栅极金属层的材料包括钼、钨、钛、镍、金、银、镉和铂当中的一种或多种。
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