[發(fā)明專利]一種完全垂直型的MOSFET-LED單片集成器件及其制備方法

在審

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• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號(hào): CN114220829A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉超;陳航
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/15
• 分類號(hào): H01L27/15
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 張宏松

本發(fā)明涉及一種完全垂直型MOSFET/LED單片集成器件，包括低阻雙拋GaN襯底，低阻雙拋GaN襯底下表面下方設(shè)置有LED結(jié)構(gòu)，上表面上方設(shè)置有MOSFET結(jié)構(gòu)。通過半導(dǎo)體工藝流程制備出完全垂直型的MOSFET/LED單片集成器件。該結(jié)構(gòu)的VMOSFET?LED通過GaN導(dǎo)電襯底將MOSFET漏極和LED陰極相連，形成上下貫通完全垂直結(jié)構(gòu)器件。該結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)FET?LED的電流擁擠問題，并有效提高了擊穿電壓，減小了集成模塊的面積與成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種完全垂直型的MOSFET-LED單片集成器件及其制備方法。

背景技術(shù)

目前，GaN材料由于其寬帶隙、高電子遷移率、高穩(wěn)定性等優(yōu)越的材料特性受到人們的廣泛關(guān)注和研究，并廣泛應(yīng)用于微電子和光電子器件領(lǐng)域。GaN材料主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：1)用于制備場效應(yīng)晶體管(FET)，如MOSFET、HEMT等，應(yīng)用于5G通信、航空航天、汽車電子、電源管理等；2)用于制備發(fā)光二極管(LED)，應(yīng)用于固態(tài)照明，顯示面板等領(lǐng)域。

由于兩者材料基礎(chǔ)一致，制備工藝兼容，將FET和LED進(jìn)行單片集成，F(xiàn)ET-LED器件應(yīng)運(yùn)而生。這種單片集成FET-LED，通過內(nèi)置FET作為LED的控制器件，控制LED的開關(guān)。與獨(dú)立LED器件相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)減小面積：可簡化外接控制模塊，有效減小了產(chǎn)品面積；2)減小成本：兩者工藝平臺(tái)兼容；3)提升模塊性能：減小了外接電路時(shí)的產(chǎn)生的寄生電容和寄生電阻；4)電壓控制：FET作為壓控器件，控制LED，提升了獨(dú)立LED器件作為電流控器件的可靠性。5)系統(tǒng)化應(yīng)用：作為集成模塊，可直接應(yīng)用于可見光通信、智能照明等領(lǐng)域。

FET-LED的設(shè)計(jì)和制備方法在國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域已有報(bào)道，如：選區(qū)刻蝕法，在襯底上直接外延HEMT+LED(或MOSFET+LED)結(jié)構(gòu)，通過選區(qū)刻蝕的方法，將HEMT(或MOSFET)區(qū)域上方的LED外延層刻蝕掉，再分別制備電極，形成橫向級(jí)聯(lián)的HEMT-LED(或MOSFET-LED)；選區(qū)外延法，先在襯底上生長HEMT外延層，再選定部分區(qū)域進(jìn)行刻蝕，再在該區(qū)域內(nèi)在進(jìn)行LED結(jié)構(gòu)的外延生長，制備電極后，形成HEMT-LED。

以上兩種方法都是基于橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的GaN基FET-LED器件，橫向結(jié)構(gòu)的器件由于其電流擴(kuò)展的不均勻，會(huì)嚴(yán)重影響器件的工作性能，并導(dǎo)致一些可靠性問題。如何實(shí)現(xiàn)其電流分布的優(yōu)化，改善其電流擴(kuò)展，對(duì)于提高GaN基FET-LED器件性能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

為解決以上技術(shù)上的不足，本發(fā)明提供了一種完全垂直型MOSFET-LED單片集成器件，形成上下貫通的器件，有效改善了器件的電流擁擠問題，且減小了器件面積。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種完全垂直型MOSFET-LED單片集成器件，包括GaN襯底，所述GaN襯底下表面設(shè)置有LED結(jié)構(gòu)，LED結(jié)構(gòu)完全覆蓋在GaN襯底下表面，GaN襯底上表面設(shè)置有MOSFET結(jié)構(gòu)，MOSFET結(jié)構(gòu)僅覆蓋一部分GaN襯底的上表面，未被MOSFET結(jié)構(gòu)覆蓋的GaN襯底上表面暴露在外，作為LED結(jié)構(gòu)的正面出光區(qū)域；所述MOSFET結(jié)構(gòu)包括由下向上依次疊加的n^--GaN漂移區(qū)、p-GaN溝道層、n⁺-GaN電流擴(kuò)展層，所述MOSFET結(jié)構(gòu)頂部嵌入有柵介質(zhì)層、源極和柵極金屬層，所述LED結(jié)構(gòu)包括由上往下依次疊加的InGaN/GaN層，p-AlGaN電子阻擋層、p-GaN空穴層。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的GaN襯底為低阻雙拋GaN襯底，電阻小于0.1Ω·cm。

GaN同質(zhì)外延相比異質(zhì)外延可顯著減少外延層的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量；低阻GaN buffer有利于LED陰極的電子注入。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述MOSFET結(jié)構(gòu)中，n-GaN漂移區(qū)厚度為3-8μm，p-GaN溝道層厚度為300-400nm，n⁺-GaN電流擴(kuò)展層厚度為200-280nm。