[发明专利]一种高电子迁移率晶体管与垂直结构发光二极管的单片集成方法

说明书

本发明公开了一种高电子迁移率晶体管与垂直结构发光二极管的单片集成方法。在MOCVD外延生长全结构LED之后，继续原位生长HEMT异质结结构，得到集成外延芯片。然后通过选区刻蚀后金属互联的方式将HEMT的漏电极与LED的P电极连接，再转移衬底，实现垂直LED结构。最后通过开孔刻蚀的方法引出HEMT的源、栅电极结构，并制备LED的N电极结构，最终实现HEMT与垂直结构LED的单片集成。该集成单元不仅能够实现大功率垂直结构LED的电压控制，而且能够充分发挥GaN功率器件高频、高功率的优势，有利于实现集成电路中的微型化、低成本、高效率的智能照明、智能显示及可见光通信系统。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种高电子迁移率晶体管与垂直结构发光二极管的单片集成方法。

背景技术

相比于传统白炽灯和荧光灯照明，InGaN/GaN多量子阱发光二极管(LEDs)具有更高的发光效率、更长的使用寿命和节能环保的优势。这一系列优异的性能使得LED在智能照明、智能显示系统中具有极大的应用前景。另外，硅基垂直结构LED相比于传统蓝宝石基横向结构LED具有更均匀的电流分布、更大功率密度和更好的散热性，成为大功率、高性能LED的主流设计。但是，不同工艺制备的芯片级LED均为电流控制单元，其单一的工作模式无法满足目前的智能照明、智能显示系统。尤其在可见光通信领域，具有多功能、多模块的压控LED阵列是实现高效通信的必要条件。为了使LED能与传统功率集成电路(ICs)匹配，实现灵活驱动设计，实现LEDs电压控制是一种有效且必要的工艺路径。

在组件级别的集成是实现压控器件的重要方式。目前一般的集成方式有两种，一种是在封装层面上的异质集成，另一种是在芯片层面上的单片集成。GaN光电子和电子器件的单片集成可以有效降低封装的复杂程度，减少寄生组件，利于实现小尺寸、低成本的智能照明系统。GaN基器件由于其低导通电阻、低电容和高工作频率等特点，使其具有优异的器件性能，在功率放大器、开关模式电源方面具有潜在的应用。

为了充分发挥LEDs照明优势，也集合GaN基功率器件的器件优势，实现压控LEDs与集成电路灵活匹配，推进GaN基功率器件和LEDs的微型化集成具有重要的工业意义。共同的外延衬底同时也为单片集成提供了相同的材料平台。

目前，文献中报道的GaN HEMT与LEDs集成的工艺大致包括三种。一、选区外延层移除(SER)，即在LED全结构外延层之后生长HEMT异质结，通过选区刻蚀的方法暴露出LED，再进行集成工艺。这种方法工艺简单，但是刻蚀工艺控制难度大，等离子对芯片损伤强，器件性能低。二、选区生长(SAG)，即生长完HEMT异质结后，通过选区刻蚀，得到LED与HEMT的连接区，然后通过二次外延的方法生长LED全结构，最后进行集成工艺。这种方法工艺复杂，成品率低，二次生长使得成本明显上升。三、倒装键合(FCB)，即将两个分离的器件通过金属键合的方法集成起来。该方法对工艺要求极高，需要转移衬底和对准设备，产能低下。这些方法虽然可以实现HEMT和LED的单片集成，但是它们存在一个共同的缺点，即只能实现HEMT器件与横向结构LED集成。而硅基LED的一大优势在于高导热，适合制备大功率垂直结构芯片。目前，大功率垂直结构LED已经产业化，但是将垂直结构LED与GaN功率器件单片集成，实现大功率压控照明体系，推进智能照明、智能显示的高效化和微型化，仍是学术界和工业界的一大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电子迁移率晶体管与垂直结构发光二极管的单片集成方法，在推动智能照明芯片小型化的同时，实现智能照明系统的高效性。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种高电子迁移率晶体管与垂直结构发光二极管的单片集成方法，包括以下步骤：

(1)利用MOCVD技术，在Si衬底上外延生长LED全结构，继续原位外延生长HEMT异质结结构，得到集成外延芯片结构；