本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)涉及一種GaN基集成器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

GaN材料擁有較大的禁帶寬度和電子遷移率，較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在功率和高頻領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景而受到關(guān)注和研究。同時(shí)，GaN基發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）器件具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于照明和顯示領(lǐng)域。

GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件具有良好的高頻特性和高輸出電流特性，因此可以作為L(zhǎng)ED器件的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于光電，可見(jiàn)光通信等領(lǐng)域。業(yè)界將HEMT器件與LED器件相集成的方式有兩類(lèi)，一類(lèi)是在封裝層次上通過(guò)引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)二者的集成，另一類(lèi)是在器件層次上，將二者集成在同一襯底上。相較于前者，單片集成方法可以大幅降低寄生電阻和寄生電容，減小封裝設(shè)計(jì)復(fù)雜度等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種GaN基集成器件及其制備方法。

本發(fā)明提供一種GaN基集成器件，包括：

GaN襯底；

發(fā)光二極管，位于所述GaN襯底的發(fā)光二極管器件區(qū)，自下而上依次包括n型GaN層、發(fā)光層、p型 GaN層和頂電極；以及

高電子遷移率晶體管，位于所述GaN襯底的高電子遷移率晶體管器件區(qū)，自下而上依次包括AlN阻擋層、AlGaN 勢(shì)壘層以及位于所述AlGaN勢(shì)壘層上的柵極和源極，其中，所述AlN阻擋層和所述AlGaN 勢(shì)壘層與所述n型GaN層相接觸。

優(yōu)選地，所述GaN襯底的發(fā)光二極管器件區(qū)的厚度與所述GaN襯底的高電子遷移率晶體管器件區(qū)的厚度相比，前者較小。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管還包括p型AlGaN層，該p型AlGaN層位于所述發(fā)光層與所述p型GaN層之間。

優(yōu)選地，所述發(fā)光二極管還包括電流散布層結(jié)構(gòu)，該電流散布層結(jié)構(gòu)位于所述p型GaN層與所述頂電極之間。

優(yōu)選地，所述發(fā)光層為多重量子阱結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供上述GaN基集成器件制備方法，包括以下步驟：

提供GaN襯底；

高電子遷移率晶體管疊層形成步驟，即在所述GaN襯底上依次形成AlN阻擋層、AlGaN 勢(shì)壘層；

分區(qū)步驟，即對(duì)所述高電子遷移率晶體管疊層進(jìn)行刻蝕，去除部分AlN阻擋層、AlGaN 勢(shì)壘層，暴露部分所述GaN襯底，分別形成LED器件區(qū)和高電子遷移率晶體管區(qū)；

發(fā)光二極管疊層形成步驟，即在所述發(fā)光二極管器件區(qū)中，依次形成n型GaN層,發(fā)光層、p型GaN層；

發(fā)光二極管刻蝕步驟，即對(duì)所述發(fā)光二極管疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，形成發(fā)光二極管臺(tái)面結(jié)構(gòu)；

高電子遷移率晶體管刻蝕步驟，即對(duì)所述高電子遷移率晶體管疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，形成高電子遷移率晶體管臺(tái)面結(jié)構(gòu)；

源極形成步驟，即在所述高電子遷移率晶體管臺(tái)面結(jié)構(gòu)上形成源極，與所述高電子遷移率晶體管臺(tái)面結(jié)構(gòu)形成歐姆接觸；

頂電極形成步驟，即在所述發(fā)光二極管臺(tái)面結(jié)構(gòu)上形成頂電極；以及

柵極形成步驟，即在所述高電子遷移率晶體管臺(tái)面結(jié)構(gòu)上形成柵極。

優(yōu)選地，在所述發(fā)光二極管疊層形成步驟中，還包括在所述發(fā)光層上形成p型AlGaN層的步驟。

優(yōu)選地，在所述頂電極形成步驟前還包括電流散布層結(jié)構(gòu)形成步驟，即在所述發(fā)光二極管臺(tái)面結(jié)構(gòu)上形成電流散布層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在所述分區(qū)步驟中，還包括進(jìn)一步刻蝕去除部分GaN襯底。

優(yōu)選地，所述刻蝕去除部分GaN襯底的深度為150-250納米，更優(yōu)選200納米。

本發(fā)明提供的GaN基集成器件能夠有效避免由于位錯(cuò)問(wèn)題導(dǎo)致的器件性能的退化，同時(shí)通過(guò)改變高電子遷移率晶體管的柵壓可以精確調(diào)控發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，有助于更好的應(yīng)用在智能照明領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1 是本發(fā)明GaN基集成器件的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明GaN基集成器件的第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明GaN基集成器件的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明GaN基集成器件的第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的流程圖。

圖6是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的高電子遷移率晶體管疊層形成步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是在本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的分區(qū)步驟中形成SiO₂掩膜層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是在本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的分區(qū)步驟中對(duì)SiO₂掩膜層進(jìn)行刻蝕后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的分區(qū)步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的發(fā)光二極管疊層形成步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的發(fā)光二極管刻蝕步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的高電子遷移率晶體管源極形成步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的發(fā)光二極管頂電極形成步驟后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14是執(zhí)行本發(fā)明GaN基集成器件制備方法的高電子遷移率晶體管柵極形成步驟后所形成的GaN基集成器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類(lèi)似的附圖標(biāo)記來(lái)表示。以下所述實(shí)施例是示例性的，為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，這些僅僅是示例，旨在解釋本發(fā)明而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，本發(fā)明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。除非在下文中特別指出，器件的各部分均可采用本領(lǐng)域公知的工藝和材料實(shí)現(xiàn)。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括其它的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。

以下，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行具體說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的GaN基集成器件包括，GaN襯底100；發(fā)光二極管區(qū)，位于GaN襯底100上，自下而上依次包括n型GaN層301、發(fā)光層302、p型 GaN層304和頂電極306；高電子遷移率晶體管區(qū)，位于GaN襯底100上，自下而上依次包括AlN阻擋層201、AlGaN 勢(shì)壘層202以及位于AlGaN勢(shì)壘層上的源極203和柵極204，其中AlN阻擋層201和AlGaN 勢(shì)壘層202與n型GaN層301相接觸。

GaN襯底100為絕緣襯底，厚度例如為300微米。n型GaN層301的厚度優(yōu)選為1.5微米，發(fā)光層302為量子阱或多重量子阱，優(yōu)選為包括InGaN/GaN疊層結(jié)構(gòu)，厚度優(yōu)選為15納米。P型GaN層304的厚度優(yōu)選為170納米。AlN阻擋層201的厚度優(yōu)選為1納米，AlGaN 勢(shì)壘層202的厚度優(yōu)選為20納米。LED器件頂電極306優(yōu)選采用Ti/Al/Ti/Au金屬體系，HEMT器件柵電極204優(yōu)選采用Ni/Au金屬體系，源電極203優(yōu)選采用Ti/Al/Ni/Au金屬體系。

圖2為GaN基集成器件第二實(shí)施方式的示意圖。如圖2所示，高電子遷移率晶體管器件所在的GaN襯底區(qū)高于發(fā)光二極管器件所在的GaN襯底區(qū)，也就是說(shuō)發(fā)光二極管器件所在的GaN襯底區(qū)被刻蝕去除部分GaN襯底，使得該區(qū)域的高度與高電子遷移率晶體管器件所在的GaN襯底區(qū)相比較低。優(yōu)選為，兩區(qū)域高度差為200納米。這樣的高度差能夠使n型GaN層301與AlN阻擋層201、 AlGaN 勢(shì)壘層202相接觸的區(qū)域中位錯(cuò)較少，能夠進(jìn)一步提高器件性能。

圖3為GaN基集成器件第三實(shí)施方式的示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的第三實(shí)施方式所涉及的GaN基集成器件中，發(fā)光二極管還包括電流散布層結(jié)構(gòu) 305，優(yōu)選為Ni/Au結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用電流散布層結(jié)構(gòu)，可以改善電流分布，提高器件性能。

圖4為GaN基集成器件第四實(shí)施方式的示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的第四實(shí)施方式所涉及的GaN基集成器件中，發(fā)光二極管還包括P型AlGaN層303。進(jìn)一步地，P型AlGaN層303的厚度優(yōu)選為15納米。通過(guò)引入P型AlGaN層可以減少因晶格失配導(dǎo)致的位錯(cuò)，從而能夠進(jìn)一步提高器件質(zhì)量。

圖5為GaN基集成器件制備方法的流程圖。圖6~圖14為GaN基集成器件制備方法過(guò)程各階段的器件剖面示意圖。以下將結(jié)合圖5~圖14，針對(duì)本發(fā)明的GaN基集成器件制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

在步驟S1中，選取厚度為300微米，直徑為2英寸的絕緣GaN襯底100。

接下來(lái)，在高電子遷移率晶體管疊層形成步驟S2中，首先，采用原子層沉積（ALD）方法在GaN襯底100表面淀積1納米厚的AlN阻擋層101；然后，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在AlN阻擋層101上外延一層約20納米厚的AlGaN勢(shì)壘層102，所得器件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

接下來(lái)，在分區(qū)步驟S3中，首先，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）法在AlGaN勢(shì)壘層102表面沉積約200納米厚的SiO₂掩膜層103，所得結(jié)構(gòu)如圖7所示。然后，懸涂光刻膠，采用常規(guī)光學(xué)光刻方法曝光出LED區(qū)域的窗口，用氧化硅刻蝕液（BOE）濕法腐蝕掉露出的SiO₂區(qū)域，所得結(jié)構(gòu)如圖8所示，保留高電子遷移率晶體管器件區(qū)的SiO₂掩膜層103＇。然后，選用BCl₃、Ar作為刻蝕氣體，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法（ ICP）刻蝕掉露出的AlGaN勢(shì)壘層102和AlN阻擋層101，并對(duì)GaN襯底100過(guò)刻約200納米。經(jīng)過(guò)分區(qū)步驟后，所得結(jié)構(gòu)如圖9所示，GaN襯底100分為了發(fā)光二極管器件區(qū)和高電子遷移率晶體管器件區(qū)，其中GaN襯底100的高電子遷移率晶體管器件區(qū)上形成有經(jīng)過(guò)刻蝕后的AlN阻擋層201、 AlGaN勢(shì)壘層102和SiO₂掩膜層103＇。

接下來(lái)，在發(fā)光二極管疊層形成步驟S4中，首先，采用MOCVD方法在GaN襯底100的發(fā)光二極管器件區(qū)依次外延約1.5微米厚度的n型摻雜GaN層；外延約15納米厚的多重量子阱發(fā)光層，例如是InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)；外延約15納米厚的p型摻雜AlGaN層；外延約170納米厚的P型摻雜GaN層。然后，將器件放入氧化硅刻蝕液（BOE）中，剝離掉SiO₂掩膜層103＇，得到GaN基集成器件的雛形，所得器件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

接下來(lái)，在高電子遷移率晶體管刻蝕步驟S5中，懸涂光刻膠，采用常規(guī)光刻工藝定義出LED器件的圖形，ICP刻蝕得到LED器件的臺(tái)面結(jié)構(gòu)。

接下來(lái)，在發(fā)光二極管刻蝕步驟S6中，懸涂光刻膠，采用常規(guī)光刻工藝定義出HEMT器件的圖形，ICP刻蝕得到HEMT臺(tái)面結(jié)構(gòu)，所得器件結(jié)構(gòu)如圖11所示。

接下來(lái)，在高電子遷移率晶體管源極形成步驟S7中，首先，懸涂光刻膠，曝光出HEMT器件源端的歐姆接觸圖形；然后，電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au電極，剝離后進(jìn)行快速熱處理（RTP）處理，例如在N₂氛圍下以850℃退火30s，得到良好的歐姆接觸。在圖12中示出了形成HEMT器件的源極203后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

接下來(lái)，在電流散布層結(jié)構(gòu)形成步驟S8中，首先，懸涂光刻膠，曝光出LED器件的上表面區(qū)域；然后，電子束蒸發(fā)Ni/Au，剝離得到電流散布層結(jié)構(gòu)305。

接下來(lái)，在LED器件頂電極形成步驟S9中，首先，懸涂光刻膠，曝光出LED器件的頂電極區(qū)域；然后，電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ti/Au，剝離得到LED器件的頂電極306。在圖13中示出了形成LED器件電流散布層結(jié)構(gòu)305和LED器件頂電極306后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

接下來(lái)，在HEMT器件柵極形成步驟S10中，首先，懸涂光刻膠，曝光出HEMT器件的柵極區(qū)域；然后，電子束蒸發(fā)Ni/Au，剝離得到良好的柵極接觸。最終得到單片集成結(jié)構(gòu)的GaN基HEMT/LED器件，如圖14所示。

以上，針對(duì)本發(fā)明的GaN基集成器件制備方法的具體實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明不限定于此。例如，部分步驟的順序可以調(diào)換，具體來(lái)說(shuō)比如可以先進(jìn)行分區(qū)步驟S3再外延高電子遷移率晶體管疊層形成步驟S2；另外，部分步驟可以省略，具體來(lái)說(shuō)比如可以省略電流散布層結(jié)構(gòu)形成步驟S8；另外，各步驟的具體實(shí)施方式根據(jù)情況可以不同，例如在發(fā)光二極管疊層形成步驟S4中，可以不進(jìn)行P型摻雜AlGaN層的外延；此外，外延方法、刻蝕的方法、器件各部分的材料、厚度等參數(shù)均可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

本發(fā)明能夠有效避免由于位錯(cuò)問(wèn)題導(dǎo)致的器件性能的退化，同時(shí)通過(guò)改變高電子遷移率晶體管的柵壓可以精確調(diào)控發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，有助于更好的應(yīng)用在智能照明領(lǐng)域。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。