CN219040483U

CN219040483U - 一种hemt与阵列led单片集成的大范围照明芯片

Info

Publication number: CN219040483U
Application number: CN202223330185.1U
Authority: CN
Inventors: 王文樑; 周润杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2032-12-09

Abstract

本发明属于半导体制造技术领域，公开了一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，包括HEMT区域及LED区域，HEMT区域包括高阻衬底、GaN缓冲层等；LED区域包括至少两个阵列设置的LED单元及第一金属连接桥，第一金属连接桥的两端分别用于连接相邻的LED单元的P电极与N电极，实现各LED单元的串联；HEMT区域的源电极通过第二金属连接桥与串联设置的LED单元的P电极相连，实现HEMT区域与LED区域的电学导通。本发明实现了通过控制电压来控制光照的功能，并提升了集成芯片的驱动电压和光输出功率；提升了器件的光照范围，降低了芯片的结电容，进而降低RC时间常数，可应用于更多对照明需求高的场景。

Description

一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片。

背景技术

工信部继“强基计划”后，再推电子元器件产业发展。2021年1月，工信部印发《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年)》，并指出要“重点发展高频率、高精度频率元器件，耐高温、耐高压、低损耗、高可靠半导体分立器件及模块等电路类元器件”。由此可见，半导体器件的发展刻不容缓。近年来，固态照明(SSL)和可见光通信(VLC)的发展受到了人们的广泛关注。相比于传统的射频无线通信，可见光通信没有电磁干扰和许可证限制，频谱资源丰富。用于照明和通信两用的白光光源，通常是基于蓝光发光二极管结合黄色荧光粉的LED，由于黄色荧光粉缓慢的响应速度，使得传统的白光LED的带宽仅为几MHz，这限制了其在可见光通信系统中的数据通信能力。

GaN HEMT器件可降低开关损耗，从而实现更小、更轻的设计。一方面，GaN HEMT器件具有高的能量密度，允许紧凑和模块化设计，另一方面，可以使用更小的散热器和更少的组件。此外，在某些应用中更高的开关频率可以减小无源元件的大小。在系统级，基于GaNHEMT功率器件的电源可以实现更高的功率密度，增加相同的体积内的功率能力。利用GaNHEMT器件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LED和HEMT单片集成在同一衬底上，可以大大地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，并利用片上集成AlGaN/GaN HEMT驱动器，可以充分发挥LED芯片的高寿命优势，提高LED系统的可靠性。

基于传统Si基CMOS(互补金属氧化物半导体)驱动的LED阵列系统十分复杂，以及集成芯片具有较低的光输出功率，限制其应用场景。为了进一步提高LED芯片的性能，从而扩大其应用场景，研制HEMT与阵列LED单片集成芯片有重要意义。

现有技术公开了一种HEMT与阵列LED单片集成芯片，包括HEMT区域及LED区域，HEMT区域包括高阻衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层及HEMT电极层；LED区域包括至少两个阵列设置的LED单元及第一金属连接桥，第一金属连接桥的两端分别用于连接相邻的LED单元的N电极与P电极，以实现各LED单元的串联；HEMT区域的源电极通过第二金属连接桥与串联设置的首个LED单元的P电极相连，以实现HEMT区域与LED区域的电学导通。

现有技术KR20040018502A公开了一种AlGaN/GaN HEMT，其具有用于减少俘获的薄膜AlGaN和用于增加栅极泄漏和最大驱动电流的附加层。HEMT在其上具有高电阻半导体层20和势垒半导体层18。阻挡层18具有比高电阻层20更宽的带隙，并且在这些层之间形成2DEG 22。源极和漏极接触13和14与阻挡层18接触，但是阻挡层18的一部分未被接触13和14覆盖。在势垒层18的未覆盖表面上包括绝缘层24，并且在绝缘层24上包括栅极接触16。绝缘层24形成对栅漏电流的势垒，并且还有助于增加HEMT的最大电流驱动。

现有技术公开了一种HEMT与嵌入式电极结构LED的单片集成器件，单片集成器件从下到上依次包括衬底、金属键合层、第一钝化层、组合区域、p GaN层、AlGaN电子阻挡层、InGaN/GaN多量子阱层、n GaN层和第二钝化层；组合区域分为HEMT区和LED区，HEMT区从下到上依次包括电极层、AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层、i GaN缓冲层；LED区从下到上依次包括P电极、Ag反射层；器件包括N电极，N电极贯穿于P电极等，N电极的两端延伸至金属键合层和n GaN层的内部。

然而，上述现有技术均存在着芯片阵列排布的方式使得LED的驱动电压、电功率以及光输出功率低等问题，以及无法降低RC时间常数也无法提高器件带宽。上述现有技术不适合应用于对照明需求高的场景等。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的问题，提供一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片。其通过添加HEMT器件将电流控制的LED芯片转变为电压控制，简化驱动电路，并通过LED区中各LED单元采用阵列串联的方法，进一步地提升了集成芯片的驱动电压和光输出功率，通过将LED阵列设置在外围，提升了器件的光照范围,可将集成的HEMT与阵列LED应用于更多对照明需求高的场景。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，包括HEMT区域和LED区域；

所述HEMT区域包括从下到上依次排列分布的高阻衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层及HEMT电极层，

所述HEMT电极层包括源电极、漏电极及栅电极；

所述LED区域包括至少两个阵列设置的LED单元及第一金属连接桥，

所述LED单元包括高阻衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、i-GaN层、n型GaN层、N电极、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN层、P电极及保护层，

所述第一金属连接桥的两端分别用于连接相邻的LED单元的N电极与P电极，以实现各LED单元的串联；

所述HEMT区域的源电极通过第二金属连接桥与串联设置的首个LED单元的P电极相连，实现HEMT区域与LED区域的电学导通。

优选地，n型GaN层设有台阶，并在n型GaN层的台阶处制备N电极，在p型GaN层的顶部设置P电极，构成所述LED单元。

优选地，第一金属连接桥穿设于所述LED单元的N电极上方的保护层和相邻的LED单元的P电极上方的保护层，LED单元的N电极和相邻的LED单元的P电极14相连，实现阵列设置的LED单元的串联。

优选地，第二金属连接桥穿设于HEMT区域的源电极上方的保护层和LED单元的P电极上方的保护层，源电极与LED单元的P电极14互联，实现HEMT区域与LED区域的电学导通。

优选地，HEMT区域在内，LED区域在外，形成LED区域围绕HEMT区域设置。

优选地，各所述LED单元的排布方式包括但不限于线性排布，整体排布成一个圆形。

优选地，所述源电极与所述AlGaN势垒层为欧姆接触；所述漏电极与所述AlGaN势垒层为欧姆接触；所述栅电极与所述AlGaN势垒层为肖特基接触；所述N电极的表面与所述n型GaN层为欧姆接触；所述P电极的表面与所述p型GaN层为欧姆接触。

优选地，所述源电极为Ti、Al、Ni、Au中的一种或者两种以上；所述漏电极为Ti、Al、Ni、Au中的一种或者两种以上；所述栅电极为Ni、Au中的一种或者两种。

所述N电极为Cr、Ti、Al、Au、Ag、Pt中的一种或者两种以上；所述P电极为Cr、Ti、Al、Au、Ag、Pt中的一种或者两种以上。所述第一金属连接桥、第二金属连接桥均为Au。

优选地，源电极10为Ti、Al、Ni、Au所形成的合金；

漏电极11为Ti、Al、Ni、Au所形成的合金；

栅电极12为Ni、Au所形成的合金。

优选地，所述N电极的厚度为1μm～5μm；所述P电极的厚度为1μm～5μm。

优选地，所述高阻衬底为高阻硅衬底，所述高阻硅衬底的厚度为500μm～1000μm；所述保护层为SiO₂钝化层，所述SiO₂钝化层的厚度为300nm～500nm。

优选地，所述HEMT区域与所述LED区域的面积比为1：2。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明的HEMT与阵列LED单片集成芯片通过将电流控制的LED芯片转变为电压控制，简化了驱动电路，实现了通过控制电压来控制光照的功能，并进一步地提升了集成芯片的驱动电压和光输出功率，提升了器件的光照范围，降低了芯片的结电容，进而降低RC时间常数，可用于制备适用于可见光通信的高带宽、高光输出功率的HEMT与阵列LED集成芯片，可将集成的HEMT与阵列LED应用于更多对照明需求高的场景。

其中，一方面，通过芯片阵列排布的方式，有效提升LED的驱动电压、电功率以及光输出功率，可应用于对亮度需求高的场景；另一方面，利用具有高电子迁移率和低导通电阻的AlGaN/GaN HEMT器件作为LED的驱动器实现电压控制，简化调制电路的复杂程度，串联阵列可降低LED芯片的结电容，从而降低RC时间常数，提高器件带宽，可广泛应用于智能显示和可见光通信系统中。

本发明的HEMT器件置于内部，有利于缩小HEMT器件的尺寸，提高和保证器件的开关频率和功率特性；将LED阵列置于外围，有利于应用于对照明场合更加广阔的场合。

本发明的HEMT与阵列LED单片集成芯片的制备方法，流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片的结构示意图；

图2为图1所示的HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片的俯视结构示意图；

图3为本发明的HEMT与LED集成的大范围照明芯片外延的结构示意图；

图4为在图3的HEMT与LED集成的大范围照明芯片外延结构上得到HEMT区域的源电极、漏电极、栅电极的结构示意图；

图5为在图4的结构上得到LED区域的P电极、N电极的结构示意图；

图6为在图5的结构上得到第一金属桥的结构示意图；

图7为在图6的结构上得到第二金属桥的结构示意图；

图中：1、高阻衬底；2、GaN缓冲层；3、GaN沟道层；4、AlGaN势垒层；5、i GaN层；6、n型GaN层；7、InGaN/GaN多量子阱层；8、AlGaN电子阻挡层；9、p型GaN层；10、源电极；11、漏电极；12、栅电极；13、N电极；14、P电极；15、保护层；16、第一金属连接桥；17、第二金属连接桥。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

本实用新型提供一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片的制备方法，包括如下步骤：

S1：取外延高阻衬底1，利用MOCVD设备在外延高阻衬底1上依次生长GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、i GaN层5、n型GaN层6、InGaN/GaN多量子阱层7、AlGaN电子阻挡层8和p型GaN层9，得到HEMT-LED集成外延片。即在外延高阻衬底1上依次生长HEMT全结构与LED全结构，如图3所示。

S2：在上述HEMT-LED集成外延片上通过选区刻蚀方法(即光刻和ICP刻蚀结合)，分为HEMT区域和LED区域；

S3：在HEMT区域上制备源电极10、漏电极11和栅电极12，如图4所示；

S4：在LED区域上通过刻蚀方法(即光刻和ICP刻蚀结合)，形成n型GaN层6台阶(如图2所示的台阶)，并在n型GaN层6台阶处制备N电极13，在p型GaN层9的顶部制备P电极14，得到第一LED单元；重复上述第一LED单元的制备步骤，得到至少一个阵列设置的第二LED单元，如图5所示；

S5：通过上述步骤S3、S4，得到HEMT-LED集成外延器件，在HEMT-LED集成外延器件的表面利用PECVD沉积保护层15；

S6：通过光刻和湿法腐蚀的结合方法制备第一金属连接桥16，使第一金属连接桥16穿设于第一LED单元的N电极13上方的保护层15和相邻的第二LED单元的P电极14上方的保护层15，将第一LED单元的N电极13和相邻的第二LED单元的P电极14相连，实现阵列设置的LED单元的串联；

S7：通过光刻和湿法腐蚀的结合方法制备第二金属连接桥17，使第二金属连接桥17穿设于HEMT区域的源电极10上方的保护层16和第一LED单元的P电极14上方的保护层15，将源电极10与第一LED单元的P电极14互联，实现HEMT区域与LED区域的电学导通；

S8：最后，通过光刻和湿法腐蚀的结合，引出HEMT区域的漏电极11和栅电极12，得到HEMT与阵列LED单片集成芯片，如图1所示。

本实施例中，在步骤S1中，利用MOCVD设备在外延高阻衬底101上生长各外延层；在步骤S3中，具体制备步骤为：在HEMT区域上通过光刻并沉积金属层，然后在N₂气氛和温度为850℃下退火30S，制备具有欧姆接触的源电极10和漏电极11，后通过光刻并沉积金属层，制备具有肖特基接触的栅电极12。

上述制备方法，流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。

实施例1

如图1和图2所示，HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片包括HEMT区域及LED区域，HEMT区域在内，LED区域在外，以形成LED区域围绕HEMT区域设置。其中，HEMT区域与LED区域的面积比为1：2。

HEMT区域包括从下到上依次排列分布的高阻衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4及HEMT电极层，HEMT电极层包括源电极10、漏电极11及栅电极12；

LED区域包括4个阵列设置的LED单元及第一金属连接桥16；

LED单元包括高阻衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、i GaN层5、n型GaN层6、N电极13、InGaN/GaN多量子阱层7、AlGaN电子阻挡层8、p型GaN层9、P电极14及保护层15。

第一金属连接桥16的两端分别用于连接相邻的LED单元的N电极13与P电极14，以实现各LED单元的串联，

LED单元的数量为4个，第一LED单元的N电极13与第二LED单元的P电极14通过第一金属连接桥16相连，第二LED单元的N电极15与第三LED单元的P电极14通过第一金属连接桥16相连，以此类推，形成阵列LED单元的串联。

HEMT区域的源电极10通过第二金属连接桥17与串联设置的第一LED单元的P电极14相连，以实现HEMT区域与LED区域的电学导通，实现HEMT与LED的集成，即HEMT区域的源电极10与第一LED单元的P电极14通过第二金属连接桥17相连，第一LED单元的N电极13与第二LED单元的P电极14通过第一金属连接桥16相连。

其中，由于LED单元的单元个数为4个，且各LED单元为阵列分布，因此各LED单元的排布方式环绕型排布，以有利于各LED单元的发光及散热。

在本实施例中，源电极10与AlGaN势垒层4为欧姆接触，源电极10为Ti、Al、Ni、Au所形成的合金；

漏电极11与AlGaN势垒层4为欧姆接触，漏电极11为Ti、Al、Ni、Au所形成的合金；

栅电极12与AlGaN势垒层4为肖特基接触，栅电极12为Ni、Au所形成的合金。

本实施例中，源电极10的厚度为1μm；漏电极11的厚度为1μm；栅电极12的厚度为1μm。

LED单元的P电极14位于LED区域的顶部，P电极14的表面与p型GaN层9为欧姆接触，P电极14为Cr、Ti、Al所形成的合金。P电极14的厚度为3μm。

LED单元的N电极13位于LED区域的台阶处，N电极13的表面与n型GaN层6为欧姆接触，N电极13为Cr、Ti、Al所形成的合金；N电极13的厚度为3μm。

高阻衬底1为高阻硅衬底，保护层15为SiO₂钝化层，SiO₂钝化层的厚度为300nm。高阻硅衬底的厚度为500μm。

本实施例中，第一金属连接桥16、第二金属连接桥17均为Au。

本实施HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片通过将电流控制的LED芯片转变为电压控制，简化驱动电路，并通过LED区中各LED单元采用阵列串联的方法，进一步地提升了集成芯片的驱动电压和光输出功率，通过LED单元串联阵列的方法，降低了芯片的结电容，进而降低RC时间常数，可用于制备适用于可见光通信的高带宽、高光输出功率的HEMT与阵列LED集成芯片，可将集成的HEMT与阵列LED应用于更多对照明需求高的场景。

实施例2

本实施例与实施例1的结构和制备方法基本相似，不同之处在于：

LED单元的数量为2个，第一LED单元的N电极13与第二LED单元的P电极14通过第一金属连接16相连；

在本实施例中，源电极10与AlGaN势垒层4为欧姆接触，源电极10为Ti、Au所形成的合金；

漏电极11与AlGaN势垒层4为欧姆接触，漏电极11为Ni、Au所形成的合金；

栅电极12与AlGaN势垒层4为肖特基接触，栅电极12为Ni。

LED单元的P电极14位于LED区域的顶部，P电极14的表面与p型GaN层9为欧姆接触，P电极14为Cr、Ag、Pt所形成的合金。P电极14的厚度为5μm。

LED单元的N电极13位于LED区域的台阶处，N电极13的表面与n型GaN层6为欧姆接触，N电极13为Cr、Ag、P所形成的合金；N电极13的厚度为5μm。

高阻衬底1包括但不限于高阻硅衬底，高阻硅衬底的厚度为1000μm；

保护层15为SiO₂钝化层，SiO₂钝化层的厚度为500nm。

实施例3

一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片的制备方法，包括如下步骤：

S1：取厚度为500μm的外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底1上依次生长GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、i GaN层5、n型GaN层6、InGaN/GaN多量子阱层7、AlGaN电子阻挡层8和p型GaN层9，得到HEMT-LED集成外延片；

S2：在上述HEMT-LED集成外延片上通过光刻和ICP刻蚀进行选取刻蚀，分为HEMT区域和LED区域；HEMT区域与LED区域的面积比为1：2；

S3：在HEMT区域通过光刻并依次沉积Ti、Al、Ni、Au多金属层，然后在N₂气氛和850℃下退火30s，制备具有欧姆接触的源电极10、漏电极11，源电极10的厚度为1μm，漏电极11的厚度为1μm；再在HEMT区域通过光刻并依次沉积Ni、Au多金属层，制备具有肖特基接触的栅电极12，栅电极12的厚度为1μm；

S4：在LED区域上通过光刻和ICP刻蚀，形成n型GaN层6台阶，并在该n型GaN层6台阶处通过光刻和沉积Ti、Cr、Au合金，制备厚度为3μm的N电极13，在p型GaN层109的顶部通过光刻和沉积Ti、Cr、Au合金，制备厚度为3μm的P电极14，得到第一LED单元；然后采用制备第一LED单元的方法得到第二LED单元，第一LED单元和第二LED单元的排布方式为线性排布；

S5：通过上述步骤S3、S4，得到HEMT LED集成外延器件，在HEMT-LED集成外延器件的表面利用PECVD沉积300nm厚的SiO₂钝化层；

S6：通过光刻和湿法腐蚀的结合方法制备第一金属连接桥16，使第一金属连接桥16穿设于第一LED单元的N电极13上方的保护层15和相邻的第二LED单元的P电极14上方的SiO₂钝化层，将第一LED单元的N电极13和相邻的第二LED单元的P电极14相连，实现阵列设置的LED单元的串联；其中，第一金属连接桥16为Au；

S7：通过光刻和湿法腐蚀的结合方法制备第二金属连接桥17，使第二金属连接桥17穿设于HEMT区域的源电极10上方的保护层15和第一LED单元的P电极14上方的SiO₂钝化层，将源电极10与第一LED单元的P电极14互联，实现HEMT区域与LED区域的电学导通；其中，第二金属连接桥17为Au；

S8：最后，通过光刻和湿法腐蚀的结合，引出HEMT区域的漏电极11和栅电极12，得到HEMT与阵列LED单片集成芯片。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，包括HEMT区域和LED区域；

所述HEMT电极层包括源电极、漏电极及栅电极；

2.根据权利要求1所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，n型GaN层设有台阶，并在n型GaN层的台阶处制备N电极，在p型GaN层的顶部设置P电极，构成所述LED单元。

3.根据权利要求1所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，第一金属连接桥穿设于所述LED单元的N电极上方的保护层和相邻的LED单元的P电极上方的保护层，LED单元的N电极和相邻的LED单元的P电极(14)相连，实现阵列设置的LED单元的串联。

4.根据权利要求1所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，第二金属连接桥穿设于HEMT区域的源电极上方的保护层和LED单元的P电极上方的保护层，源电极与LED单元的P电极(14)互联，实现HEMT区域与LED区域的电学导通。

5.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，HEMT区域在内，LED区域在外，形成LED区域围绕HEMT区域设置。

6.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，各所述LED单元的排布方式包括但不限于线性排布，整体排布成一个圆形。

7.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，所述源电极与所述AlGaN势垒层为欧姆接触；所述漏电极与所述AlGaN势垒层为欧姆接触；所述栅电极与所述AlGaN势垒层为肖特基接触；所述N电极的表面与所述n型GaN层为欧姆接触；所述P电极的表面与所述p型GaN层为欧姆接触。

8.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，所述N电极的厚度为1μm～5μm；所述P电极的厚度为1μm～5μm。

9.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，所述高阻衬底为高阻硅衬底，所述高阻硅衬底的厚度为500μm～1000μm；所述保护层为SiO₂钝化层，所述SiO₂钝化层的厚度为300nm～500nm。

10.根据权利要求1～4任意一项所述HEMT与阵列LED单片集成的大范围照明芯片，其特征在于，所述HEMT区域与所述LED区域的面积比为1：2。