一種新型GaN外延結構及其製備方法和應用與流程
2024-04-13 15:10:05
一種新型gan外延結構及其製備方法和應用
技術領域
1.本發明涉及一種新型gan外延結構，特別涉及一種led和fet共享一個相同的襯底材料平臺的gan外延結構，還涉及一種新型gan外延結構的製備方法和作為單片垂直集成發光器件的原料的應用，屬於半導體光電子技術領域。
背景技術：
2.當前，基於薄膜電晶體(tft)驅動的有源矩陣液晶顯示(lcd)屏和有機發光二極體(oled)顯示屏廣泛應用在電腦、電視和智慧型手機等與人們生活息息相關的電子產品中。tft充當開關的作用來單獨控制顯示屏中的每個像素，調節像素的明暗，從而在顯示屏上實現圖像顯示。但是，由於lcd的響應速度慢、色彩飽和度低以及oled快速老化、色純度低等缺點逐漸暴露， lcd和oled都有技術局限性，不能完全滿足高解析度、高亮度、高響應速度的顯示需求。
3.傳統gan基發光二極體(led)由於具有發光效率高、壽命長等優點，廣泛應用在照明、lcd顯示背光源等。當led的尺寸減小到一定程度形成微型發光二極體(micro-led，尺寸1~50μm)和次毫米發光二極體(mini-led，尺寸50~200 μm)，它們繼承了傳統gan基led的特性，主要用於製備顯示器。與lcd和oled相比，micro-led或mini-led顯示屏具有解析度高、響應速度快、功耗低等特點，被認為是下一代顯示技術的核心之一。
4.製備有源矩陣micro-led或mini-led顯示屏當前主要有兩種技術：(1) 通過巨量轉移技術將在gan外延晶圓上製備的數百萬的micro-led或mini-led發光像素精確轉移到驅動基板上，並與驅動基板上的電路互連；(2) 基於倒裝晶片鍵合技術，micro-led或mini-led像素晶圓以及cmos(用於驅動單個像素)分別製造，然後將兩個異質晶圓鍵合在一起。這兩種工藝都面臨一些挑戰，通過巨量轉移技術轉移像素需要高的精度和相當長的時間，產量通常非常低；倒裝晶片鍵合技術中，像素晶圓與互補金屬氧化物半導體(cmos)晶圓鍵合之前精確對位存在問題，限制了鍵合的成功率，增加了製造的成本。發光像素或像素晶圓與驅動基板電路互連或者與coms晶圓鍵合會使得元件互連引入寄生電感、電容和電阻使器件性能降低，且這兩種技術都難以實現產業化的應用。
技術實現要素：
5.針對現有技術中存在的問題，本發明的第一個目的在於首次提供一種新型的gan外延結構，該結構中led和fet在同一個襯底上單片垂直集成，共享一個相同的材料平臺，結構緊湊，為實現gan基垂直集成發光器件應用於有源矩陣micro-led和mini-led顯示屏打下結構基礎。
6.本發明的第二個目的在於提供一種新型的gan外延結構的製備方法，該製備方法工藝簡單，操作方便，為實現gan基製備有源矩陣micro-led或mini-led顯示屏的產業化應用提供一種新途徑。
7.本發明的第三個目的在於提供一種新型gan外延結構的應用，將其作為單片垂直
集成發光器件的原料應用於有源矩陣micro-led和mini-led顯示屏，不存在led與驅動電晶體之間的通過凸點鍵合，製備工藝簡單。
8.為了實現上述技術目的，本發明提供了一種新型gan外延結構，包括led-on-fet結構和fet-on-led結構；
9.所述led-on-fet結構包括襯底以及從下至上依次層疊在所述襯底上的gan緩衝層、u-gan層、n-gan層、p-gan層、n-gan層a 、量子阱層（mqw層）、p-gan層b 。
10.所述fet-on-led結構包括襯底以及從下至上依次層疊在所述襯底上的gan緩衝層、u-gan層、n-gan層a 、量子阱層（mqw層）、p-gan層b 、n-gan層、p-gan層、n-gan層a 。
11.該新型gan外延結構中，led全結構包括n-gan層a、mqw層和p-gan層b，fet全結構包括n-gan層、p-gan層和n-gan層a ，fet全結構和led全結構共享了一個相同的材料平臺，不僅實現了資源的最大利用化，而且在體積上遠遠小於分別構建而堆疊起來的結構，因而結構緊湊，為做成單片垂直集成發光器件提供結構基礎。
12.作為一種優選的方案，所述襯底為常規gan外延結構用來外延生長gan所使用的材料，包括藍寶石、矽、碳化矽、金屬中的一種，也可以為表面可以生長二維材料的其他襯底材料。
13.作為一種優選的方案，所述新型gan外延結構中gan緩衝層的厚度為2~4μm、u-gan層的厚度為1.5~2.5 μm、n-gan層的厚度為1.5~10μm、p-gan層的厚度為40~100nm、n-gan層a 的厚度為1.5~10um、mqw層中量子阱的厚度為15~225 nm、p-gan層b 的厚度為100~200 nm。p-gan層的厚度對單片垂直集成發光器件性能的影響較大，其厚度較小時，電晶體的擊穿電壓較低，電晶體性能會較差。
14.作為一種優選的方案，所述mqw層的周期數為1~15，進一步優選為5~8個周期。
15.本發明還提供了一種新型的gan外延結構的製備方法，該方法包括方案1或方案2；
16.方案1：採用mocvd技術在襯底上外延生長fet全結構，繼續原位生長led結構，得到新型led-on-fet外延結構；
17.方案2：採用mocvd技術在襯底上外延生長led全結構，繼續原位生長fet結構，得到新型fet-on-led外延結構；
18.作為一種優選的方案，採用mocvd技術製備 n-gan層時，控制溫度為1000~1200℃、控制反應物的流量tmga（三甲基鎵） 200~300 sccm、nh
3 6000~10000 sccm，控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種；
19.作為一種優選的方案，採用mocvd技術製備 p-gan層時，控制溫度為850~1150℃、控制反應物的流量為tmga 200~300 sccm、nh
3 4000~10000 sccm、控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種；
20.作為一種優選的方案，採用mocvd技術製備 n-gan層a 時，控制溫度為1000~1200℃、控制反應物的流量為tmga 200~300 sccm、nh
3 6000~10000 sccm，控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種；
21.作為一種優選的方案，採用mocvd技術製備 mqw層時，控制溫度為700~900℃、控制反應物的流量為tmga 80~100 sccm、tmin80~100 sccm、nh
3 4000~10000 sccm、控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種；
22.作為一種優選的方案，採用mocvd技術製備 p-gan層b時，控制溫度為850~1150℃、
控制反應物的流量為tmga 200~300 sccm、nh
3 4000~10000 sccm、控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種。
23.mocvd技術是通過熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，本發明通過採用mocvd技術可以實現fet全結構和fet全結構的高質量生長，且外延層的面積均勻性良好，且厚度可控。本發明的關鍵在於，通過mocvd技術外延生長了新型gan外延結構，經過半導體微納加工工藝製備單片垂直集成led-on-fet和fet-on-led器件。
24.作為一種優選的方案，在本發明中gan緩衝層通過mocvd方法製備，控制溫度為450~650℃、控制反應物的流量為tmga 40~80 sccm、nh
3 4000~8000 sccm，控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種；
25.作為一種優選的方案，u-gan層通過mocvd方法製備，控制溫度為1000~1200℃、控制反應物的流量為tmga 200~300 sccm、nh
3 6000~10000 sccm，控制載氣的流量為3000~6000sccm，所述載氣選自h2或n2中的至少一種。
26.作為一個優選的方案，所述fet全結構包括n-gan層、p-gan層和n-gan層a。
27.作為一個優選的方案，所述led全結構包括n-gan層a、mqw層和p-gan層。
28.本發明還提供了一種新型gan外延結構的應用，將新型gan外延結構作為單片垂直集成發光器件的原料應用於有源矩陣micro-led和mini-led顯示屏。
29.作為一個優選的方案，所述單片垂直集成發光器件的步驟包括：
30.步驟1）：在新型gan外延結構表面沉積一層電流擴展層，並進行高溫退火；
31.步驟2）：對電流擴展層的外延結構進行光刻、刻蝕，得到單片垂直集成發光器件結構；從的剖面圖上看，單片垂直集成發光器件結構中，一部分帶有電流擴展層，另一部分不帶電流擴展層；不帶電流擴展層的部分由襯底、gan緩衝層、u-gan層、n-gan層或n-gan層a構成；
32.步驟3）：在單片垂直集成發光器件結構沉積一層電絕緣層，通過光刻、刻蝕暴露器件開孔位置，同時得到柵級絕緣層；所述開孔位置包括開孔位置c和開孔位置d，其中開孔位置c位於電流擴展層上的位置，開孔位置d位於n-gan層或n-gan層a上且未覆蓋電絕緣層的位置；
33.步驟4）：採用光刻、電子束蒸發在步驟3）中開孔位置沉積led-on-fet結構中的p電極或fet-on-led結構中的漏極和源極以及柵級絕緣層沉積柵極；退火，即得；其中p電極或fet-on-led結構中的漏極設置在開孔位置c上並與電流擴展層接觸；源極設置在開孔位置d上並與n-gan層或n-gan層a接觸；在剖面圖上，柵級絕緣層沉積柵極呈「l」型，其與電絕緣層相接觸，且不與源極、p電極、漏極接觸。
34.作為一個優選的方案，所述電流擴展層為氧化銦錫(ito)、石墨烯、氧化鋅或氧化鎘錫中的一種，採用此種材料的原因在於其具有電阻率低、透明以及與電極形成低勢壘接觸等特點。
35.作為一個優選的方案，所述電絕緣層材料為sio2、al2o3、hfo2中的一種，也可以為其他絕緣性能佳的材料。
36.作為一個優選的方案，所述步驟2)所述的光刻和刻蝕過程為幹法刻蝕過程或溼法刻蝕過程。
37.作為一個優選的方案，所述p電極、漏極、源極和柵極為ni、ti、au中至少一種的金
屬材料。
38.作為一個優選的方案，所述步驟1）中的退火溫度為500~550℃，時間為1~15min，所述步驟4）中的退火溫度為200~250℃，時間為1~3min。
39.相對現有技術，本發明技術方案帶來的有益技術效果：
40.1）本發明提供的新型gan外延結構，led和fet在同一個襯底上單片集成，共享一個相同的材料平臺，結構緊湊，為實現gan基垂直集成發光器件應用於有源矩陣micro-led和mini-led顯示屏打下結構基礎。
41.2）本發明的製備新型gan外延結構的方法工藝簡單，操作方便，有工業化應用的潛力。
42.3）本發明提供的新型gan外延結構作為單片垂直集成發光器件的原料應用於有源矩陣micro-led和mini-led顯示屏，利用gan基fet驅動led，相比於成熟的si基fet，具有開關損耗低、頻率切換能力強等優點，同時不存在led與驅動電晶體在兩個晶圓上時，必須在二者之間通過轉移和現有技術中的凸點鍵合實現集成的棘手問題，製備工藝簡單。在現有技術中的凸點鍵合中，除了需要在led和驅動電晶體兩個晶圓的相應位置製備凸點外，還面臨以下問題：一是led與驅動電晶體通過凸點鍵合時，兩者的凸點陣列需要以微米級別的精度完成每對凸點的對準，難度很大；二是鍵合過程中需要對晶圓加一定的溫度和壓力使其接近準熔化狀態，由於凸點之間距離很小，相鄰凸點之間容易橋接造成短路，同時不同材料之間因熱膨脹係數差異會造成熱失配問題，在鍵合後的冷卻過程中會因內部應力較大而破碎，使鍵合過程失敗。這些問題都會降低製造良率，造成成本增大，而通過單片垂直集成發光器件製備有源矩陣顯示屏不存在這些問題。同時單片垂直集成發光器件結構可以做的非常緊湊，也可以用於微型化、微型化、智能化的照明、可見光通訊系統。
附圖說明
43.圖1是本發明提供的一種新型led-on-fet外延結構的剖面示意圖；
44.圖2是單片垂直集成led-on-fet器件的剖面示意圖；
45.圖3是單片垂直集成led-on-fet器件的頂部示意圖；
46.圖4是一種基於新型gan外延結構製備單片垂直集成led-on-fet器件的方法的流程示意圖；
47.圖5是單片垂直集成led-on-fet器件的等效電路圖；
48.圖6是本發明提供的一種新型fet-on-led外延結構的剖面示意圖；
49.圖7是單片垂直集成fet-on-led器件的剖面示意圖；
50.圖8是單片垂直集成fet-on-led器件的頂部示意圖；
51.圖9是一種基於新型gan外延結構製備單片垂直集成fet-on-led器件的方法的流程示意圖；
52.圖10是單片垂直集成fet-on-led器件的等效電路圖；
53.圖11是對比例提供的一種新型led-on-bjt外延結構的剖面示意圖；
54.圖12是單片垂直集成led-on-bjt器件的剖面示意圖；
55.圖13是一種基於新型gan外延結構製備單片垂直集成fet-on-bjt器件的方法的流程示意圖；
56.圖中：1-外延gan新型結構的襯底、2-gan緩衝層、3-u-gan層、4
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n-gan層、5-p-gan層、6-n-gan層a、 7-mqw層、8-p-gan層b、9-電流擴展層、10-電絕緣層、11-p電極(fet-on-led器件結構中為漏極)、12-柵極、13-源極、14-基極、15-發射極、100-新型led-on-fet外延結構、101-新型fet-on-led外延結構、102-新型led-on-bjt外延結構(與100相同)。
具體實施方式
57.下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
58.應該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本技術提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本技術所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
59.需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本技術的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
60.實施例1
61.如圖1所示，本實施例中的一種新型led-on-fet外延結構，包括襯底和設於襯底上的新型gan外延結構，包括gan的襯底、gan緩衝層、u-gan層、n-gan層、p-gan層、n-gan層a 、mqw層、p-gan層b 。其中n-gan層、p-gan層和n-gan層a 為製備fet的外延結構，n-gan層a 、mqw層和p-gan層b 為製備led的外延結構。
62.本實施例中，新型gan外延結構的外延襯底為藍寶石。gan緩衝層厚度為2.3 μm，u-gan層厚度為1.8μm，n-gan層厚度為6μm，p-gan層厚度為40nm，n-gan層a 厚度為2μm，mqw層中量子阱厚度為90 nm(6個周期)，p-gan層b 厚度為100 nm。
63.本實施例中，gan緩衝層通過mocvd方法製備，控制溫度為515℃、控制反應物的流量為tmga 50 sccm、nh
3 6000 sccm，控制載氣的流量為3000 sccm，載氣為n2；
64.u-gan層通過mocvd方法製備，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh38500 sccm，控制載氣的流量為3500sccm，載氣為n2。
65.本實施例中，新型led-on-fet外延結構採用mocvd技術在襯底上外延生長fet全結構，繼續原位生長led結構得到。
66.採用mocvd技術製備 n-gan層時，控制溫度為1150℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh39500 sccm、控制載氣的流量為3500sccm，載氣為n2；
67.採用mocvd技術製備 p-gan層時，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 220 sccm、nh39000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2；
68.採用mocvd技術製備 n-gan層a 時，控制溫度為1150℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh39500 sccm、控制載氣的流量為3500sccm，載氣為n2；
69.採用mocvd技術製備 mqw層時，控制溫度為850℃、控制反應物的流量為tmga 80 sccm、tmin 100 sccm、nh
3 6000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2；
70.採用mocvd技術製備 p-gan層b 時，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 220 sccm、nh39000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2。
71.通過本實施例生長的新型gan外延結構作為單片垂直集成發光器件的原料，其中
fet外延結構相同)，包括襯底和設於襯底上的新型gan外延結構，包括gan的襯底、gan緩衝層、u-gan層、n-gan層、p-gan層、n-gan層a、mqw層、p-gan層b。其中n-gan層、p-gan層和n-gan層a為製備bjt的外延結構，n-gan層a、mqw層和p-gan層b為製備led的外延結構。
97.本實施例中，新型gan外延結構的外延襯底為藍寶石。gan緩衝層厚度為2.3μm，u-gan層厚度為1.8 μm，n-gan層厚度為6μm，p-gan層厚度為40nm，n-gan層a 厚度為2μm，mqw層中量子阱厚度為90 nm(6個周期)，p-gan層b厚度100 nm。
98.本實施例中，gan緩衝層通過mocvd方法製備，控制溫度為515℃、控制反應物的流量為tmga 50sccm、nh
3 6000 sccm，控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2；
99.u-gan層通過mocvd方法製備，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh38500sccm，控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2。
100.本實施例中，新型led-on-bjt外延結構採用mocvd技術在襯底上外延生長bjt全結構，繼續原位生長led結構得到。
101.採用mocvd技術製備 n-gan層時，控制溫度為1150℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh39500 sccm、控制載氣的流量為3500sccm，載氣為n2；
102.採用mocvd技術製備 p-gan層時，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 220 sccm、nh39000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2；
103.採用mocvd技術製備 n-gan層a時，控制溫度為1150℃、控制反應物的流量為tmga 250 sccm、nh39500 sccm、控制載氣的流量為3500sccm，載氣為n2；
104.採用mocvd技術製備 mqw層時，控制溫度為850℃、控制反應物的流量為tmga 80 sccm、tmin 100 sccm、nh36000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2；
105.採用mocvd技術製備 p-gan層b時，控制溫度為1050℃、控制反應物的流量為tmga 220 sccm、nh39000 sccm、控制載氣的流量為3000sccm，載氣為n2。
106.通過本實施例生長的新型gan外延結構作為單片垂直集成發光器件的原料，其中單片垂直集成發光器件led-on-bjt器件的製備包括以下步驟，如圖12所示：
107.步驟1）：通過磁控濺射工藝在新型gan外延結構表面p-gan上沉積一層電流擴散層ito(厚度為75 nm)，並在n2氛圍500℃退火；時間為3 min；
108.步驟2）：通過標準的光刻工藝，製備光刻膠掩膜，採用icp刻蝕未保護區域的ito和gan外延結構(刻蝕至n-gan層)，形成單片垂直集成發光led-on-bjt器件結構的發射極；
109.步驟3）：通過標準的光刻工藝，製備光刻膠掩膜，採用icp刻蝕未保護區域gan外延結構(刻蝕至p-gan層)，形成單片垂直集成發光led-on-bjt器件結構的基極；
110.步驟4）：採用lift-off和電子束蒸發工藝，在開孔的位置沉積cr/al/ti/pt/au金屬，形成器件的p電極、基極、發射極，退火形成歐姆接觸，即得單片垂直集成發光led-on-bjt器件。
111.以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。