[发明专利]一种完全垂直型的MOSFET-LED单片集成器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种完全垂直型MOSFET/LED单片集成器件，包括低阻双抛GaN衬底，低阻双抛GaN衬底下表面下方设置有LED结构，上表面上方设置有MOSFET结构。通过半导体工艺流程制备出完全垂直型的MOSFET/LED单片集成器件。该结构的VMOSFET‑LED通过GaN导电衬底将MOSFET漏极和LED阴极相连，形成上下贯通完全垂直结构器件。该结构改善了传统FET‑LED的电流拥挤问题，并有效提高了击穿电压，减小了集成模块的面积与成本。

技术领域

本发明涉及一种完全垂直型的MOSFET-LED单片集成器件及其制备方法。

背景技术

目前，GaN材料由于其宽带隙、高电子迁移率、高稳定性等优越的材料特性受到人们的广泛关注和研究，并广泛应用于微电子和光电子器件领域。GaN材料主要应用于两个方面：1)用于制备场效应晶体管(FET)，如MOSFET、HEMT等，应用于5G通信、航空航天、汽车电子、电源管理等；2)用于制备发光二极管(LED)，应用于固态照明，显示面板等领域。

由于两者材料基础一致，制备工艺兼容，将FET和LED进行单片集成，FET-LED器件应运而生。这种单片集成FET-LED，通过内置FET作为LED的控制器件，控制LED的开关。与独立LED器件相比，具有如下优点：1)减小面积：可简化外接控制模块，有效减小了产品面积；2)减小成本：两者工艺平台兼容；3)提升模块性能：减小了外接电路时的产生的寄生电容和寄生电阻；4)电压控制：FET作为压控器件，控制LED，提升了独立LED器件作为电流控器件的可靠性。5)系统化应用：作为集成模块，可直接应用于可见光通信、智能照明等领域。

FET-LED的设计和制备方法在国内外相关研究领域已有报道，如：选区刻蚀法，在衬底上直接外延HEMT+LED(或MOSFET+LED)结构，通过选区刻蚀的方法，将HEMT(或MOSFET)区域上方的LED外延层刻蚀掉，再分别制备电极，形成横向级联的HEMT-LED(或MOSFET-LED)；选区外延法，先在衬底上生长HEMT外延层，再选定部分区域进行刻蚀，再在该区域内在进行LED结构的外延生长，制备电极后，形成HEMT-LED。

以上两种方法都是基于横向结构设计的GaN基FET-LED器件，横向结构的器件由于其电流扩展的不均匀，会严重影响器件的工作性能，并导致一些可靠性问题。如何实现其电流分布的优化，改善其电流扩展，对于提高GaN基FET-LED器件性能具有重要意义。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种完全垂直型MOSFET-LED单片集成器件，形成上下贯通的器件，有效改善了器件的电流拥挤问题，且减小了器件面积。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种完全垂直型MOSFET-LED单片集成器件，包括GaN衬底，所述GaN衬底下表面设置有LED结构，LED结构完全覆盖在GaN衬底下表面，GaN衬底上表面设置有MOSFET结构，MOSFET结构仅覆盖一部分GaN衬底的上表面，未被MOSFET结构覆盖的GaN衬底上表面暴露在外，作为LED结构的正面出光区域；所述MOSFET结构包括由下向上依次叠加的n^--GaN漂移区、p-GaN沟道层、n⁺-GaN电流扩展层，所述MOSFET结构顶部嵌入有栅介质层、源极和栅极金属层，所述LED结构包括由上往下依次叠加的InGaN/GaN层，p-AlGaN电子阻挡层、p-GaN空穴层。

根据本发明优选的，所述的GaN衬底为低阻双抛GaN衬底，电阻小于0.1Ω·cm。

GaN同质外延相比异质外延可显著减少外延层的位错密度，提高晶体质量；低阻GaN buffer有利于LED阴极的电子注入。

根据本发明优选的，所述MOSFET结构中，n-GaN漂移区厚度为3-8μm，p-GaN沟道层厚度为300-400nm，n⁺-GaN电流扩展层厚度为200-280nm。