一种垂直栅极结构的发光晶体管及其制备方法

摘要

本发明公开了一种垂直栅极结构的发光晶体管及其制备方法。本发明的发光晶体管，在衬底上依次生长着缓冲层、高浓度n型层、本征层、多量子阱层、p型层；缓冲层、高浓度n型层和本征层的外侧依次包裹着氧化物层和金属铝层，在高浓度n型层形成源电极，在p型层上设置着漏电极，栅电极与金属铝层相连。本发明的垂直栅极结构的发光晶体管，栅极区在晶体管侧面外围，形成的沟道均匀，本征层不会形成短沟道效应，耐压性能得到提高。

权利要求

1.一种垂直栅极结构的发光晶体管，其特征在于：在衬底(9)上依次生长着缓冲层(8)、高浓度n型层(7)、本征层(6)、多量子阱层(3)、p型层(2)；在p型层(2)、多量子阱层(3)和本征层(6)的外侧开有第一凹口(15)，第一凹口(15)上设置着与高浓度n型层(7)相连的源电极(11)；缓冲层(8)、高浓度n型层(7)和本征层(6)的外侧依次包裹着第一氧化物层(4)和第一金属铝层(5)，第一凹口(15)的外侧除外；在p型层(2)和多量子阱层(3)的侧边开有第二凹口(14)，在第二凹口(14)上生长着第二氧化物层(41)，第一氧化物层(4)与第二氧化物层(41)相连；第二氧化物层(41)上面生长着第二金属铝层(51)，第一金属铝层(5)与第二金属铝层(51)相连；第二氧化物层(41)和第二金属铝层(51)与多量子阱层(3)不相连；在p型层(2)上设置着漏电极(1)，在第二金属铝层(51)上设置着栅电极(12)。

2.根据权利要求1所述的垂直栅极结构的发光晶体管，其特征在于所述衬底(9)为方形。

3.根据权利要求2所述的垂直栅极结构的发光晶体管，其特征在于所述衬底(9)的四个角均为圆滑倒角。

4.根据权利要求2或3所述的垂直栅极结构的发光晶体管，其特征在于所述第一凹口(15)和第二凹口(14)设置在不同的角上。

5.权利要求1所述垂直栅极结构的发光晶体管的制备方法，包括以下步骤：

(a)在衬底(9)上依次生长着缓冲层(8)、高浓度n型层(7)、本征层(6)、多量子阱层(3)、p型层(2)；

(b)刻蚀掉缓冲层(8)、高浓度n型层(7)、本征层(6)、多量子阱层(3)、p型层(2)的外侧面；

(c)在缓冲层(8)、高浓度n型层(7)、本征层(6)、多量子阱层(3)、p型层(2)的外侧面依次生长第一氧化物层(4)和第一金属铝层(5)，然后将多量子阱层(3)和p型层(2)的外侧面的第一氧化物层(4)和第一金属铝层(5)刻蚀掉；

(d)在p型层(2)的侧边选择第一凹口(15)位置，刻蚀至高浓度n型层(7)，第一凹口(15)外侧的第一氧化物层(4)和第一金属铝层(5)也刻蚀掉；

(e)在p型层(2)的侧边选择第二凹口(14)位置，刻蚀至本征层(6)；在第二凹口(14)上生长与第一氧化物层(4)相连的第二氧化物层(41)，然后再生长与第一金属铝层(5)相连的第二金属铝层(51)；

(f)在第一凹口(15)上制作与高浓度n型层(7)相连的源电极(11)；在第二金属铝层(51)上制作栅电极(12)；在p型层(2)上制作漏电极(1)。

说明书

技术领域

本发明涉及发光晶体管，具体是一种垂直栅极结构的发光晶体管及其制备方法。

背景技术

MOSFET晶体管无论对于分立器件还是集成电路，都占有主导地位，它们温度稳定性好、输入阻抗高、功耗低。尤其是各器件间存在天然隔离，最适宜制作大规模集成电路。由于MOSFET是电压控制器件，不需要任何输入电流，并且大量空穴和电子中仅一种用作MOSFET的工作载流子，所以没有载流子积累效应，从而使它在转换特性和抗击穿性能上非常好。
LED用于半导体照明领域越来越广，主要用来制作电子显示屏、LCD显示背光、大功率灯具与路灯、半导体照明灯具等，这些应用中LED数目较多，总控制电流较大，需要专门的控制电路，且控制电路纷繁复杂，迫切需要对发光二极管进行改进。

发明内容

本发明在传统的发光二极管上增加一个电极，将原来的两端电流控制改为三端电压控制，在多数量LED应用以及大功率LED应用时，利用该发光晶体管实现，可以节省大量传统LED电流专用电路，增加整体应用的可靠性，使应用成本大大降低。
然而，在发光二极管上增加电极可能占据较多发光面，降低发光效率，在尽可能少占用发光面的问题上，选取垂直栅极结构，这种结构较一般水平结构而言在发光晶体管外围形成栅极，可以大面积控制源漏极间的导电沟道，使发光面的光取出较均匀，并可以通过相关工艺很容易达到控制发光区的光取出。
本发明的目的在于提供一种光取出比较均匀、功耗低的垂直栅极结构的发光晶体管。
本发明还提供上述垂直栅极结构的发光晶体管的制备方法。
本发明的一种垂直栅极结构的发光晶体管，其特征在于：在衬底上依次生长着缓冲层、高浓度n型层、本征层、多量子阱层、p型层；在p型层、多量子阱层和本征层的外侧开有第一凹口，第一凹口上设置着与高浓度n型层相连的源电极；缓冲层、高浓度n型层和本征层的外侧依次包裹着第一氧化物层和第一金属铝层，第一凹口的外侧除外；在p型层和多量子阱层的侧边开有第二凹口，在第二凹口上生长着第二氧化物层，第一氧化物层与第二氧化物层相连；第二氧化物层上面生长着第二金属铝层，第一金属铝层与第二金属铝层相连；第二氧化物层和第二金属铝层与多量子阱层不相连；在p型层上设置着漏电极，在第二金属铝层上设置着栅电极。
上述衬底可为方形，优选圆滑倒角的方形衬底。进一步地，所述第一凹口和第二凹口设置在不同的角上。
本发明地一种垂直栅极结构的发光晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(a)在衬底上依次生长着缓冲层、高浓度n型层、本征层、多量子阱层、p型层；
(b)刻蚀掉缓冲层、高浓度n型层、本征层、多量子阱层、p型层的外侧面；
(c)在缓冲层、高浓度n型层、本征层、多量子阱层、p型层的外侧面依次生长第一氧化物层和第一金属铝层，然后将多量子阱层和p型层的外侧面的第一氧化物层和第一金属铝层刻蚀掉；
(d)在p型层的侧边选择第一凹口位置，刻蚀至高浓度n型层，第一凹口外侧的第一氧化物层和第一金属铝层也刻蚀掉；
(e)在p型层的侧边选择第二凹口位置，刻蚀至本征层；在第二凹口上生长与第一氧化物层相连的第二氧化物层，然后再生长与第一金属铝层相连的第二金属铝层；
(f)在第一凹口上制作与高浓度n型层相连的源电极；在第二金属铝层上制作栅电极；在p型层上制作漏电极。
本发明的垂直栅极结构的发光晶体管，栅极区在晶体管侧面外围，形成的沟道均匀，本征层不会形成短沟道效应，耐压性能得到提高。

附图说明

图1是实施例1生长主体部分的示意图；
图2是实施例1在主体侧面及表面生长氧化物的示意图；
图3是实施例1刻蚀掉漏电极区13和部分氧化物侧面的示意图；
图4是实施例1在氧化物侧面蒸镀金属铝并在13区形成漏电极的示意图；
图5是实施例1形成的发光晶体管沿中心的纵向剖面示意图；
图6是实施例1最终形成的发光晶体管的俯视图；
图7是图6中沿源电极及栅电极的中心连线的正视剖面图。
其中1是漏电极，2是p型层，3是多量子阱层，4是第一氧化物层，41为第二氧化物层，5是第一金属铝层，51是第二金属铝层，6是本征层，7是n型层，8是缓冲层，9是衬底，10是导电沟道，11是源电极，12是栅电极，13为漏电极区，14为第二凹口，15为第一凹口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明适用GaN、GaAlInP系材料，GaN材料发光颜色为绿色、蓝色，GaAlInP材料为红色、橙色、黄色。
实施例1
本实施例的制备方法如下：
(1)SiC与GaN的晶格匹配较好，且存在许多优良特性，选择SiC作衬底9；在衬底9上生长2.0um厚的GaN缓冲层8；在缓冲层上外延生长第一导电类型高浓度的掺Si的n型GaN层7作为电子发射区，生长温度约为1050度，厚度选取3um，其中Si的掺杂浓度1×1019原子/cm3；在n型GaN层7上形成本征GaN层6，为防止高浓度n型GaN层7中的电子向本征层6扩散，本征层6的厚度要远大于电子的扩散宽度，一般选取400～500nm为宜；在本征层6上继续生长InGaN/GaN超晶格结构，形成10～20个多量子阱层3作为高亮度有源发光区，生长温度大约750度，多量子阱层3的厚度一般选取150～300nm；在多量子阱层3上生长掺杂Mg的p型GaN材料形成p型层2，其中Mg的掺杂浓度为1×1019原子/cm3；生长温度约为900度，p型层2厚度为200nm，以上生长如附图1所示。
(2)如附图2所示，刻蚀主体侧面部分，然后生长第一氧化物层4，由于SiO2材料的生长及刻蚀工艺较成熟，该氧化物层选择以SiO2为材料，该层将p型层2、多量子阱层3、本征层6、n型层7、缓冲层8包裹起来，第一氧化物层4侧面厚度选择120～150nm，p型层2表面氧化物厚度大约80～100nm。
(3)通过图形曝光刻蚀掉距侧边60～70nm处一周的外围侧面及漏电极区13，如附图3所示；侧面刻蚀部分如图中所示，为下一步蒸镀铝作准备。
(4)然后将该主体利用蒸发方法蒸镀一层铝，在外侧面形成第一金属铝层5并欧姆接触形成漏电极1，如附图4所示。
(5)利用腐蚀、曝光工艺将p型层2、多量子阱层3两层侧面外围的金属和氧化物去掉，去除上表面的氧化物层，结构如附图5所示。
(6)通过刻蚀工艺，将p型层2的一个角刻蚀至高浓度n型GaN层7，形成第一凹口15，第一凹口15的刻蚀深度为n型层7表面或表面以下，保证在后期形成源电极能于该半导体层有优良接触即可，第一凹口15外围的第一氧化物层4和第一金属铝层5也刻蚀掉，将p型层2与第一凹口15相邻的一个角刻蚀至本征层6，刻蚀深度以本征层6和多量子阱层3的交界面为准，保证此处电子能通过沟道进入量子阱层，形成第二凹口14。
在第二凹口14上生长第二氧化物层41，第二氧化物可选取氧化铝做材料，直接将铝氧化即可生成该氧化物层，第二氧化物层41与第一氧化物层4相连，在第二氧化物层41上蒸镀第二金属铝层51，第二金属铝层51与第一金属铝层5相连。第二氧化物层41和第二金属铝层51与多量子阱层3不相连。
在第二金属铝层51形成栅电极12，第一凹口15上欧姆接触形成源电极11。其中栅电极12将主体侧面电极收归到第二凹口14上，并保证该金属层与侧面金属的优良接触，此处的第二氧化物层41用于隔离金属电极与本征层6的接触。
本实施例的垂直栅极结构的发光晶体管有如下特点：
(1)在发光区集成了栅电极、漏电极和源电极，将栅极区放在晶体管侧面外围节省了许多空间，使发光面得以大面积扩展。
(2)在晶体管侧面形成导电沟道10，光取出比较均匀，且功耗低。用很小的电压驱动就能控制沟道电流，进一步控制发光亮度。
(3)以本征层6阻隔用作漏极区的p型层2和用作源极区n型层7的接触，从而在栅极没有施加电压时，该发光晶体管p-i-n层是不导通的。
(4)发光晶体管要增加光取出效率可以通过增加内部量子效率。多量子阱层3大大提高了发光效率，多量子阱层3作为发光有源区生长在本征层6上，用多量子阱做有源发光区可以得到很小的临界电流，同时量子阱的材料可以改变晶格不匹配以产生压缩性或者伸张性应变，这些应变可以改变波长并减少临界电流。
(5)垂直结构的栅极区位于发光晶体管的侧面外围，氧化物层4形成于发光晶体管的侧面，金属铝层5则包围氧化物层4，最终将金属层5收归到晶体管的某个角落形成栅电极，当在栅电极上加电压，在本征层6形成导电沟道10，为电子进入多量子阱层3开辟通道。