CN212209491U

CN212209491U - 衬底转移外延生长的hemt与led的单片集成器件

Info

Publication number: CN212209491U
Application number: CN201922349478.6U
Authority: CN
Inventors: 李国强; 姚书南; 孙佩椰; 万利军; 阙显沣
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2029-12-24

Abstract

本实用新型公开的衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，包括HEMT区以及LED区；其中，所述HEMT区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、栅源电极、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层和AlN/GaN缓冲层；所述LED区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、n‑GaN层、多量子阱层、p‑GaN层和p电极；所述HEMT区的AlGaN势垒层与GaN沟道层的界面处为HEMT区的AlGaN/GaN异质结；所述HEMT区的AlGaN/GaN异质结与LED区的n‑GaN层相连，实现器件导通，能够将电流驱动的LED转变为电压驱动。本实用新型利用GaN HEMT高频率、高功率的优势，可将原本由电流驱动的LED转变为电压驱动，且内部无需电极互联，减小器件寄生电阻，可用于实现集成化、微型化、稳定的可见光通信系统。

Description

衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，特别涉及衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件。

背景技术

GaN基化合物半导体已广泛用于发光二极管(LED)和高电子迁移率晶体管(HEMT)等电力电子器件。发光二极管(LED)具有功耗低、亮度大、寿命长、易调制、响应速度快等优点，在公路照明，智能显示等领域受到了广泛的应用。GaN基HEMT凭借其优异的耐压、耐高温特性和具有高电子迁移率的二维电子气在功率器件和射频器件中受到重点关注。

基于传统Si基CMOS驱动的LED阵列系统十分复杂，元器件互联所引入的寄生电阻、电容、电感使器件的性能降低。AlGaN/GaN HEMT器件具有高击穿和低导通电阻的特性，利用其高频和输出电流容量，可以作为固态照明，显示器和可见光通信等许多应用中的LED驱动晶体管。通过共享一个通用的材料平台，将III族氮化物基LED和HEMT单片集成在同一衬底上具有许多优势。例如，可以大大降低由于引线键合引起的寄生电阻和电容，从而提高了驱动电路的功率效率。此外，利用片上集成AlGaN/GaN HEMT驱动器，可以充分发挥GaN LED芯片的高寿命优势，提高LED系统的可靠性。

目前，现有技术中HEMT-LED单片集成方法大致有三种：一、选区外延去除(SER)，在LED外延片之上二次外延生长HEMT结构，通过选区刻蚀的方式利用ICP去除部分HEMT，并将LED区暴露出来，并进行集成工艺。该方法操作简单，但在ICP刻蚀过程中，刻蚀精度难以控制，易损害LED区的p-GaN，降低LED的器件性能；二、选区外延生长(SEG)，在HEMT外延片上通过选区刻蚀的方式，得到HEMT-LED的连接区，然后二次外延生长LED结构，并进行集成工艺，该方法工艺复杂，生长成本较高；三、倒装键合(FCB)，通过键合的方式将两种分立器件集成在一起。该方法对键合的工艺有极高的精度要求，且产能低下。此外，传统HEMT-LED单片集成方法的金属互联工艺，将引入寄生电阻，影响器件性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，该集成器件结构简单、稳定，制造工艺对核心结构的损伤小，避免寄生电容的引入，器件散热性能好，有利于实现器件的微型化的可见光系统。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，包括HEMT区以及LED区；其中，所述HEMT区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、栅源电极、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层和AlN/GaN缓冲层；所述LED区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和p电极；所述HEMT区的AlGaN势垒层与GaN沟道层的界面处(在外延生长过程中，并不需要专门生长这一层材料)为HEMT区的AlGaN/GaN异质结；所述HEMT区的AlGaN/GaN异质结与LED区的n-GaN层相连，实现器件导通，能够将电流驱动的LED转变为电压驱动。

上述HEMT区以及LED区的结构，是集成器件制备完成后的最终结构。

所述HEMT区，其外延结构包括在Si衬底上依次设置的2μm的AlN/GaN缓冲层、40-80nm的AlGaN背势垒层、60-120nm的GaN沟道层、20-30nm的AlGaN势垒层；所述AlGaN背势垒层的Al组分浓度为0.1-0.2，AlGaN势垒层的Al组分浓度为0.2-0.3。

所述LED区，其外延结构包括在SiO2钝化层上依次设置的1.5-2μm的n-GaN层、100-200nm的多量子阱层、150-200nm的p-GaN层。

所述SiO2钝化层厚度为100-200nm。

本实用新型所述衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，通过以下步骤集成：

(1)利用MOCVD技术，在Si衬底上外延生长HEMT全结构；

(2)通过光刻、显影，在选择区域使用ICP刻蚀，直至刻蚀掉预设深度的AlN/GaN缓冲层；

(3)利用MOCVD技术，在步骤(2)所刻蚀的LED区外延生长n-GaN层，使其与HEMT区的AlGaN/GaN异质结沟道相接触；

(4)通过光刻、电子束蒸发的方法，在HEMT区沉积源电极，并在指定温度下退火，形成欧姆接触；

(5)在步骤(2)所划分的HEMT、LED区再次进行光刻与ICP刻蚀，使器件与器件隔离；所述器件与器件隔离是指在一块晶圆片上，通过光刻、刻蚀工艺制备出若干个器件，为使器件与器件之间相互不影响，需要在器件之间使用ICP刻蚀出较深的沟道；

(6)通过光刻、电子束蒸发的方法，在步骤(5)所制备的源电极附近制备肖特基栅电极；

(7)在步骤(6)所得的芯片表面利用PECVD的方法沉积SiO2钝化层，起到对AlGaN/GaN异质结保护的作用；

(8)将步骤(7)制备好的Si基外延片与键合Si衬底通过金属键合的方式键合在一起，然后通过机械磨削减薄和化学腐蚀的方式去除外延Si衬底，并通过ICP干法刻蚀的方式，暴露出LED区的n-GaN层，达到衬底转移的目的；

(9)对步骤(8)衬底转移暴露的n-GaN上外延生长LED区的多量子阱层和p-GaN层；

(10)对步骤(9)所制得的芯片进行光刻、ICP处理，暴露出HEMT器件的源、栅电极，采用PECVD的方法生长SiO2钝化层，用于保护刻蚀后的GaN材料侧壁；

(11)对步骤(10)的基础上重复进行光刻、ICP刻蚀步骤，暴露出源、栅电极；

(12)采用光刻、电子束蒸发的方法蒸镀HEMT结构的源、栅引出电极，制备LED区的P电极，并进行退火处理。

步骤(1)中，所述HEMT全结构包括在Si衬底上依次设置的2μm的AlN/GaN缓冲层、40-80nm的AlGaN背势垒层、60-120nm的GaN沟道层、20-30nm的AlGaN势垒层；所述AlGaN背势垒层的Al组分浓度为0.1-0.2，AlGaN势垒层的Al组分浓度为0.2-0.3。此处Al组分浓度是指在AlGaN三元化合物中Al的含量占Al和Ga总量的比例，其他地方描述组分浓度依此类推。

步骤(3)和步骤(9)中，所述LED区，其外延结构包括在SiO2钝化层上依次设置的1.5-2μm的n-GaN层、100-200nm的多量子阱层、150-200nm的p-GaN层。

步骤(7)中，所述SiO2钝化层厚度为100-200nm。

步骤(8)中，所述金属键合是利用Au/Sn合金进行，键合温度为250-300℃，键合压力为4000-5000mbar，键合时间为30-60min。

步骤(10)和步骤(11)中，所述ICP刻蚀是对HEMT区的源极和栅极的部分分别进行第一、二次开孔刻蚀；在第一、二次开孔刻蚀中间，使用PECVD生长SiO2钝化层对HEMT器件进行保护，SiO2钝化层厚度为0.5μm。

步骤(12)中，所述LED区的P电极的金属层依次为1-5nm的Ni，50-100nm的Ag，20-50nm的Cr，100-200nm的Pt。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型所提供的制备方法实现了HEMT与Si基垂直结构LED单片集成，有效减小了驱动电路的体积，使器件同时具有较好的散热性和发光效率。

(2)本实用新型利用HEMT区的异质结直接与LED区的n-GaN层相连，避免额外寄生电容的引入，提高器件的稳定性。

(3)本实用新型利用MOCVD在衬底上生长全结构HEMT之后，经选区刻蚀确定LED区，在特定区域生长n-GaN，使之与HEMT的异质结相接触。在HEMT区制备源、栅电极后，进行衬底转移并减薄刻蚀原衬底及部分缓冲层。然后在LED区外延生长多量子阱层和p-GaN，形成垂直LED结构。最后通过开孔刻蚀的方法引出HEMT的源、栅电极，并在LED区制备p电极，实现HEMT与垂直LED的集成。本实用新型利用GaN HEMT高频率、高功率的优势，可将原本由电流驱动的LED转变为电压驱动，且内部无需电极互联，减小器件寄生电阻，可用于实现集成化、微型化、稳定的可见光通信系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例HEMT全结构的外延结构示意图；

图2为本实用新型实施例中在选区刻蚀后的外延层结构示意图，该刻蚀将HEMT区与LED区划分开；

图3为本实用新型的实施例的制备完HEMT栅电极、源电极之后的芯片顶部示意图；

图4为本实用新型的实施例的完成衬底转移之后的芯片截面示意图；

图5为本实用新型的实施例的制备完p电极之后的芯片截面示意图；

图6为本实用新型的实施例的最终集成系统芯片的截面示意图；

图7为本实用新型的实施例的最终集成系统芯片的顶部示意图。

其中，附图标记含义如下：

1-Si衬底、2-AlN/GaN缓冲层、3-AlGaN背势垒层、4-GaN沟道层、5-AlGaN势垒层、6-n-GaN层、7-SiO2钝化层、8-键合金属层、9-用于转移的Si衬底、10-HEMT栅电极、11-HEMT源电极、12-InGaN/GaN多量子阱层、13-p-GaN层、14-LED p-电极。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，如图6所示，所述集成器件分为HEMT以及LED两个区，HEMT区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、栅源电极、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层和AlN/GaN缓冲层，LED区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和p电极。

衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，通过以下步骤集成：

(1)利用MOCVD技术，在Si衬底1上外延生长HEMT全结构，依次是2.5μm的AlN/GaN缓冲层2、100nm的AlGaN背势垒层3(Al组分浓度为15％)、100nm的i-GaN沟道层4、20nmAlGaN势垒层5(Al组分浓度为15％)，外延结构如图1所示；

(2)在步骤(1)的外延结构上通过光刻、显影，在选择区域使用ICP刻蚀，直至刻蚀掉1.8μm深度的AlN/GaN缓冲层；

(3)利用MOCVD技术，在步骤(2)所刻蚀的LED区外延生长n-GaN层，使其与HEMT区的AlGaN/GaN异质结沟道相接触，如图2所示；

(4)通过光刻、电子束蒸发的方法，在HEMT区沉积多层金属Ti(20nm)/Al(120nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)，并在氮气氛围850℃的温度下退火30秒，形成源电极欧姆接触；

(5)在步骤(2)所划分的HEMT、LED区再次进行光刻与ICP刻蚀，使器件与器件隔离，刻蚀深度为300nm；

(6)通过光刻、电子束蒸发的方法，在步骤(5)所制备的源电极附近沉积Ni(100nm)/Au(200nm)双金属层，形成肖特基栅电极，电极分布情况如图3所示；

(7)在步骤(6)所得的芯片表面利用PECVD的方法沉积SiO2钝化层，钝化层厚度为150nm，起到对AlGaN/GaN异质结保护的作用,然后采用电子束蒸发和热蒸发的方式依次沉积金属Ni(1nm)/Ag(100nm)/Ti(100nm)/Cr(30nm)/Pt(150nm)/Ni(30nm)/Sn(500nm)/Au(300nm)/An(300nm)；

(8)将步骤(7)制备好的Si基外延片与同样沉积了Cr(30nm)/Au(300nm)/Sn(500nm)/Au(200nm)的多层金属Si衬底通过金属键合的方式键合在一起，键合温度为300℃，键合时间为4000mbar时间为40分钟。然后通过机械磨削减薄和化学腐蚀的方式去除外延Si衬底，并结合ICP干法刻蚀的方式，暴露出LED区的n-GaN层，达到衬底转移的目的；

(9)对步骤(8)衬底转移暴露的n-GaN上外延生长150nm InGaN/GaN多量子阱层12和180nm p-GaN层13,采用光刻加BOE溶液湿法腐蚀技术，在LED区生长AlN电流阻挡层(CBL)；

(10)对步骤(9)所制得的芯片进行光刻、ICP处理，暴露出HEMT器件的源、栅电极，采用PECVD的方法生长1000nm的SiO₂钝化层，用于保护刻蚀后的GaN材料侧壁；

(11)对步骤(10)的基础上重复进行光刻、BOE湿法腐蚀步骤，暴露出源、栅电极的pad，腐蚀时间为960s并保留侧壁的SiO₂钝化层；

(12)采用光刻、电子束蒸发的方法蒸镀HEMT结构的源、栅引出电极，电极结构为Ti(50nm)/Au(1000nm)；

(13)采用光刻、电子束蒸发、BOE腐蚀的方式制备具有叉指结构LED的P电极，P电极的金属结构为Ti(20nm)/Al(60nm)/Ti(30nm)/Au(40nm)，并在200℃的氮气气氛下进行退火处理1分钟，BOE(HF：NH₄F＝1：7体积比)的腐蚀时间为800秒，最终的集成系统如图6所示。

本实施例制备的HEMT-LED单片集成系统实现了利用HEMT器件的栅极电压来控制LED的工作电流，调整发光强度。相比于传统HEMT与横向LED单片集成方法，该系统的LED功率密度增大10％，散热性提升20％。

实施例2

本实施例提供了一种衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，如图6所示，所述集成器件分为HEMT以及LED两个区，从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、栅源电极、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层和AlN/GaN缓冲层，LED区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和p电极。

(1)利用MOCVD技术，在Si衬底1上外延生长HEMT全结构，依次是3μm的AlN/GaN缓冲层2、100nm的AlGaN背势垒层3(Al组分浓度为15％)、100nm的i-GaN沟道层4、20nmAlGaN势垒层5(Al组分浓度为15％)，外延结构如图1所示；

(2)在步骤(1)的外延结构上通过光刻、显影，在选择区域使用ICP刻蚀，直至刻蚀掉2μm深度的AlN/GaN缓冲层；

(7)在步骤(6)所得的芯片表面利用PECVD的方法沉积SiO2钝化层，钝化层厚度为200nm，起到对AlGaN/GaN异质结保护的作用,然后采用电子束蒸发和热蒸发的方式依次沉积金属Ni(1nm)/Ag(100nm)/Ti(100nm)/Cr(30nm)/Pt(150nm)/Ni(30nm)/Sn(500nm)/Au(300nm)/An(300nm)；

(8)将步骤(7)制备好的Si基外延片与同样沉积了Cr(30nm)/Au(300nm)/Sn(500nm)/Au(200nm)的多层金属Si衬底通过金属键合的方式键合在一起，键合温度为300℃，键合时间为5000mbar时间为30分钟。然后通过机械磨削减薄和化学腐蚀的方式去除外延Si衬底，并结合ICP干法刻蚀的方式，暴露出LED区的n-GaN层，达到衬底转移的目的；

(9)对步骤(8)衬底转移暴露的n-GaN上外延生长180nm InGaN/GaN多量子阱层12和200nm p-GaN层13,采用光刻加BOE溶液湿法腐蚀技术，在LED区生长AlN电流阻挡层(CBL)；

本实施例制备得到的HEMT-LED单片集成系统与实施例1类似，在此不再赘述。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，其特征在于：包括HEMT区以及LED区；其中，所述HEMT区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、栅源电极、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层和AlN/GaN缓冲层；所述LED区包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、钝化层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层和p电极；所述HEMT区的AlGaN势垒层与GaN沟道层的界面处为HEMT区的AlGaN/GaN异质结；所述HEMT区的AlGaN/GaN异质结与LED区的n-GaN层相连，实现器件导通，能够将电流驱动的LED转变为电压驱动。

2.根据权利要求1所述衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，其特征在于：所述HEMT区，其外延结构包括在Si衬底上依次设置的2μm的AlN/GaN缓冲层、40-80nm的AlGaN背势垒层、60-120nm的GaN沟道层、20-30nm的AlGaN势垒层。

3.根据权利要求1所述衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，其特征在于：所述LED区，其外延结构包括在SiO2钝化层上依次设置的1.5-2μm的n-GaN层、100-200nm的多量子阱层、150-200nm的p-GaN层。

4.根据权利要求3所述衬底转移外延生长的HEMT与LED的单片集成器件，其特征在于：所述SiO2钝化层厚度为100-200nm。