基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构的制作方法
基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构。
【背景技术】
[0002]GaN(氮化镓)作为第三代半导体的典型代表，具有高功率、高效率、高工作温度等特点，已广泛地应用于电力转换、微波通信等各个领域。目前，太空通信、长距离的无线传感大多采用微波通信方式。
[0003]GaN基PIN光电探测器具有以下优点:不吸收可见光，不需要滤光系统，可探测紫外光；不需要做成浅结，可大大提高量子效率；耐高温，抗辐射能力强，可在极端环境下正常工作。因此，GaN基PIN光电探测器可广泛应用于宇宙探测、火灾预警、海面漏油探测、工业温度控制等领域，而这些领域一直以来是人们关注的重点。
[0004]为了进一步增加芯片功能，提高集成度，简化系统，降低尺寸和成本，目前采用光集成技术。光光集成和光电集成是光集成技术的两种方式。光光集成以集成光路为代表，从体结构的组合到以光波导形式实现光调制器和光开关等。光电集成指光子器件和电子器件均集成在同一衬底上得到光电集成电路。光光集成相对难度较小，而光电集成由于涉及结构兼容性、材料兼容性、工艺兼容性等一系列问题，一直是研宄难点和重点。而将GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT (高功率电子迀移晶体管)集成在一起，使得以下无线探测技术路线成为可能:由PIN光电探测器作为紫外光探测器，进行太空探测、海面漏油探测、工业温度控制、火灾预警等安防探测，最后由晶圆级集成的GaN基HEMT将信号放大后通过天线发射出去，以传递相关信息。
[0005]然而，GaN虽然在快速发展，但是仅为短短10年，加之光电集成难度较大，因此，目前GaN基PIN光电探测器方面的研宄刚刚兴起，亟需在GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT的光电集成方面取得突破。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构，能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于GaN的光电集成器件，包括:衬底；成核层，所述成核层形成在所述衬底上；GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述成核层上；AlGaN肖特基势皇层，所述AlGaN肖特基势皇层形成在所述GaN沟道层上，且所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气；隔离区，所述隔离区从所述AlGaN肖特基势皇层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部；其中，在所述隔离区一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，所述N+-GaN层上形成有N型电极，所述P+-GaN层上形成有P型电极，在所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上形成有栅电极、源电极和漏电极，并且所述N型电极与所述N+-GaN层之间、所述P型电极与所述P+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与所述AlGaN肖特基势皇层之间均形成欧姆接触。
[0008]优选地，所述衬底的厚度为50?1000微米，且所述衬底材料为S1、SiC, GaN,Diamond和蓝宝石中的一种或多种。
[0009]优选地，所述成核层的厚度为10?500纳米，且所述成核层材料为AlN和/或AlGaN0
[0010]优选地，所述GaN沟道层的厚度为I?3微米，且所述GaN沟道层与所述成核层构成异质结。
[0011]优选地，所述AlGaN肖特基势皇层的厚度5?200纳米，所述AlGaN肖特基势皇层与所述GaN沟道层构成异质结，且所述AlGaN肖特基势皇层中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1?0.5。
[0012]优选地，所述器件隔离层的厚度为20?1000纳米，且所述器件隔离层材料为氮化物介质薄膜。
[0013]优选地，所述N+-GaN层的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cm_3;所述P+-GaN层的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0014]优选地，所述1-AlGaN层的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于
IX 116Cm-3,且所述1-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;所述P-AlGaN层的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且所述P-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlzGai_zN，其中，Z为0.1?0.5。
[0015]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，包括由下而上依次形成的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，其中，所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气。
[0016]为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是:提供一种根据上述任一种的基于GaN的光电集成器件的制备方法，包括以下步骤:在衬底上由下而上依次形成成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，同时在所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气；采用离子注入或刻蚀工艺在所述P+-GaN层上形成隔离区，所述隔离区从所述P+-GaN层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部；采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在所述隔离区一侧的P+-GaN层上形成P型电极，并通过快速退火使所述P型电极与所述P+-GaN层之间形成欧姆接触；采用光刻或刻蚀工艺露出所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层以及在所述1-AlGaN层两侧露出所述N+-GaN层；采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述N+-GaN层上形成N型电极，以及在所述AlGaN肖特基势皇层上形成源电极和漏电极，并通过快速退火使所述N型电极与所述N+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与AlGaN肖特基势皇层之间形成欧姆接触；采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述AlGaN肖特基势皇层上的源电极和漏电极之间形成栅电极。
[0017]区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是:通过在同一衬底上集成GaN基PIN光电探测器和GaN基HEMT，并通过隔离区隔离，从而能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成，可以增加芯片功能，提高集成度，简化系统，降低尺寸和成本。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的结构示意图。
[0019]图2?图6是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的制备流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]请参见图1，是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的结构示意图。本发明实施例的基于GaN的光电集成器件包括:衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层 40、隔离区 50、器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P-AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层100。
[0022]成核层20形成在衬底10上。GaN沟道层30形成在成核层20上。AlGaN肖特基势皇层40形成在GaN沟道层30上，且AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。隔离区50从AlGaN肖特基势皇层40的上表面嵌入延伸至GaN沟道层30内部。其中，可以采用注入离子方式注入离子形成隔离区50或者采用刻蚀工艺形成刻蚀出隔离区50，隔离区50将AlGaN肖特基势皇层40和二维电子气31隔离为相互绝缘的两部分。
[0023]其中，在隔离区50 —侧的AlGaN肖特基势皇层40上由下而上依次形成有器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P-AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层 100。N+-GaN 层 70 上形成有N型电极71 ,P+-GaN层100上形成有P型电极101。在隔离区50另一侧的AlGaN肖特基势皇层40上形成有栅电极41、源电极42和漏电极43，并且N型电极71与N+-GaN层70之间、P型电极101与P+-GaN层100之间以及源电极42和漏电极43与AlGaN肖特基势皇层40之间均形成欧姆接触。其中，N型电极71和P型电极101均为两个，两个N型电极71分别位于1-AlGaN层80两侧的N+-GaN层70上。源电极42位于隔离区50和漏电极43之间，栅电极41位于源电极42和漏电极43之间。
[0024]在本实施例中，衬底10的厚度为50?1000微米，且衬底10材料为S1、SiC、GaN、Diamond和蓝宝石中的一种或多种。衬底10主要作用为基础支撑。
[0025]成核层20的厚度为10?500纳米，且成核层20材料为AlN和/或AlGaN。成核层20主要作用是封闭来自衬底10的缺陷，减小衬底10对产品的影响。
[0026]GaN沟道层30的厚度为I?3微米，且GaN沟道层30与成核层20构成异质结。
[0027]AlGaN肖特基势皇层40的厚度5?200纳米，AlGaN肖特基势皇层40与GaN沟道层30构成异质结，且AlGaN肖特基势皇层40中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1 ?0.5o
[0028]器件隔离层60的厚度为20?1000纳米，且器件隔离层60材料为氮化物介质薄膜，氮化物包括但不限于AlN和SiN。也就是说，氮化物可以为A1N、SiN中的一种，也可以同时包含两种。
[0029]N+-GaN层70的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11WiP +-GaN层100的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0030]1-AlGaN层80的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于lX1016cnT3，且1-AlGaN层80中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;P_AlGaN层90的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且P-AlGaN层90中AlGaN的化学式为AlzGa1J,其中，Z为0.1?0.5。
[0031]本发明实施例还提供一 种基于GaN的光电集成器件的制备方法，请参见图2至图6，该制备方法包括以下步骤:
[0032]S1:在衬底10上由下而上依次形成成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层 40、器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P_AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层 100，同时在AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。
[0033]其中，衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层40、器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100为依次层叠的结构，如图2所不O
[0034]衬底10的厚度为50?1000微米，且衬底10材料为S1、SiC, GaN, Diamond和蓝宝石中的一种或多种。衬底10主要作用为基础支撑。
[0035]成核层20的厚度为10?500纳米，且成核层20材料为AlN和/或AlGaN。成核层20主要作用是封闭来自衬底10的缺陷，减小衬底10对产品的影响。
[0036]GaN沟道层30的厚度为I?3微米，且GaN沟道层30与成核层20构成异质结。
[0037]AlGaN肖特基势皇层40的厚度5?200纳米，AlGaN肖特基势皇层40与GaN沟道层30构成异质结，且AlGaN肖特基势皇层40中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1 ?0.5o
[0038]器件隔离层60的厚度为20?1000纳米，且器件隔离层60材料为氮化物介质薄膜，氮化物包括但不限于AlN和SiN。也就是说，氮化物可以为A1N、SiN中的一种，也可以同时包含两种。
[0039]N+-GaN层70的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11WiP +-GaN层100的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0040]1-AlGaN层80的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于lX1016cnT3，且1-AlGaN层80中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;P_AlGaN层90的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且P-AlGaN层90中AlGaN的化学式为AlzGa1J,其中，Z为0.1?0.5。
[0041]S2:采用离子注入或刻蚀工艺在P+-GaN层100上形成隔离区50，隔离区50从P+-GaN层100的上表面嵌入延伸至GaN沟道层30内部。
[0042]其中，隔离区50将AlGaN肖特基势皇层40和二维电子气31隔离为相互绝缘的两部分，如图3所不。
[0043]S3:采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在隔离区50 —侧的P+-GaN层100上形成P型电极101，并通过快速退火使P型电极101与P+-GaN层100之间形成欧姆接触。
[0044]其中，P型电极101为两个，均位于隔离区50—侧的P+-GaN层100上，如图4所不O
[0045]S4:采用光刻或刻蚀工艺露出隔离区50另一侧的AlGaN肖特基势皇层40以及在1-AlGaN层80两侧露出N+-GaN层70。
[0046]其中，经过光刻或刻蚀后，器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100全部位于隔离区50的一侧，而隔离区50的另一侧仅仅露出AlGaN肖特基势皇层40，如图5所示。
[0047]S5:采用光刻、金属沉积或剥离工艺在N+-GaN层70上形成N型电极71，以及在AlGaN肖特基势皇层40上形成源电极42和漏电极43，并通过快速退火使N型电极71与N+-GaN层70之间以及源电极42和漏电极43与AlGaN肖特基势皇层40之间形成欧姆接触。
[0048]其中，N型电极71为两个，两个N型电极71分别位于i_AlGaN层80两侧的N+-GaN层70上。源电极42位于隔离区50和漏电极43之间，栅电极41位于源电极42和漏电极43之间，如图6所示。
[0049]S6:采用光刻、金属沉积或剥离工艺在AlGaN肖特基势皇层40上的源电极42和漏电极43之间形成栅电极41。
[0050]其中，形成栅电极41后，即得到前述实施例的基于GaN的光电集成器件，如图1所不O
[0051]本发明实施例还提供一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，该外延结构即为本发明实施例制备方法中步骤Si所得产物。该外延结构包括由下而上依次形成的衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层40、器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100，其中，AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。
[0052]通过上述方式，本发明具有芯片功能丰富，集成度高，系统简化，尺寸和成本低等优点，可用于太空探测、海面漏油探测、工业温度控制、火灾预警等方面。
[0053]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于GaN的光电集成器件，其特征在于，包括: 衬底； 成核层，所述成核层形成在所述衬底上； GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述成核层上； AlGaN肖特基势皇层，所述AlGaN肖特基势皇层形成在所述GaN沟道层上，且所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气； 隔离区，所述隔离区从所述AlGaN肖特基势皇层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部； 其中，在所述隔离区一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，所述N+-GaN层上形成有N型电极，所述P+-GaN层上形成有P型电极，在所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上形成有栅电极、源电极和漏电极，并且所述N型电极与所述N+-GaN层之间、所述P型电极与所述P+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与所述AlGaN肖特基势皇层之间均形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述衬底的厚度为50?1000微米，且所述衬底材料为S1、SiC、GaN、Diamond和蓝宝石中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述成核层的厚度为10?500纳米，且所述成核层材料为AlN和/或AlGaN。4.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为I?3微米，且所述GaN沟道层与所述成核层构成异质结。5.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述AlGaN肖特基势皇层的厚度5?200纳米，所述AlGaN肖特基势皇层与所述GaN沟道层构成异质结，且所述AlGaN肖特基势皇层中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1?0.5。6.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述器件隔离层的厚度为20?1000纳米，且所述器件隔离层材料为氮化物介质薄膜。7.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述N+-GaN层的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cm_3;所述P+-GaN层的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11W3O8.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述1-AlGaN层的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于I X 1016cm_3，且所述1-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;所述P-AlGaN层的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X1017cnT3，且所述P-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlzGai_zN，其中，Z为0.1?0.5。9.一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，其特征在于，包括由下而上依次形成的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，其中，所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气。10.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于GaN的光电集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 在衬底上由下而上依次形成成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，同时在所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气； 采用离子注入或刻蚀工艺在所述P+-GaN层上形成隔离区，所述隔离区从所述P+-GaN层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部； 采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在所述隔离区一侧的P+-GaN层上形成P型电极，并通过快速退火使所述P型电极与所述P+-GaN层之间形成欧姆接触； 采用光刻或刻蚀工艺露出所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层以及在所述1-AlGaN层两侧露出所述N+-GaN层； 采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述N+-GaN层上形成N型电极，以及在所述AlGaN肖特基势皇层上形成源电极和漏电极，并通过快速退火使所述N型电极与所述N+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与AlGaN肖特基势皇层之间形成欧姆接触； 采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述AlGaN肖特基势皇层上的源电极和漏电极之间形成栅电极。
【专利摘要】本发明提供一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构。该器件包括由下而上依次层叠的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势垒层，最上面两层之间形成二维电子气，肖特基势垒层上设有嵌入延伸至GaN沟道层内部的隔离区，在隔离区一侧的肖特基势垒层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、i-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，N+-GaN层上形成有N型电极，P+-GaN层上形成有P型电极，而另一侧的肖特基势垒层上形成有栅电极、源电极和漏电极，N型电极、P型电极、源电极和漏电极分别与其所在层形成欧姆接触。本发明能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成。
【IPC分类】H01L31/105, H01L31/0304, H01L27/144
【公开号】CN104900747
【申请号】CN201510353140
【发明人】陈一峰
【申请人】成都嘉石科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构。
【背景技术】
[0002]GaN(氮化镓)作为第三代半导体的典型代表，具有高功率、高效率、高工作温度等特点，已广泛地应用于电力转换、微波通信等各个领域。目前，太空通信、长距离的无线传感大多采用微波通信方式。
[0003]GaN基PIN光电探测器具有以下优点:不吸收可见光，不需要滤光系统，可探测紫外光；不需要做成浅结，可大大提高量子效率；耐高温，抗辐射能力强，可在极端环境下正常工作。因此，GaN基PIN光电探测器可广泛应用于宇宙探测、火灾预警、海面漏油探测、工业温度控制等领域，而这些领域一直以来是人们关注的重点。
[0004]为了进一步增加芯片功能，提高集成度，简化系统，降低尺寸和成本，目前采用光集成技术。光光集成和光电集成是光集成技术的两种方式。光光集成以集成光路为代表，从体结构的组合到以光波导形式实现光调制器和光开关等。光电集成指光子器件和电子器件均集成在同一衬底上得到光电集成电路。光光集成相对难度较小，而光电集成由于涉及结构兼容性、材料兼容性、工艺兼容性等一系列问题，一直是研宄难点和重点。而将GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT (高功率电子迀移晶体管)集成在一起，使得以下无线探测技术路线成为可能:由PIN光电探测器作为紫外光探测器，进行太空探测、海面漏油探测、工业温度控制、火灾预警等安防探测，最后由晶圆级集成的GaN基HEMT将信号放大后通过天线发射出去，以传递相关信息。
[0005]然而，GaN虽然在快速发展，但是仅为短短10年，加之光电集成难度较大，因此，目前GaN基PIN光电探测器方面的研宄刚刚兴起，亟需在GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT的光电集成方面取得突破。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构，能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于GaN的光电集成器件，包括:衬底；成核层，所述成核层形成在所述衬底上；GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述成核层上；AlGaN肖特基势皇层，所述AlGaN肖特基势皇层形成在所述GaN沟道层上，且所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气；隔离区，所述隔离区从所述AlGaN肖特基势皇层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部；其中，在所述隔离区一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，所述N+-GaN层上形成有N型电极，所述P+-GaN层上形成有P型电极，在所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上形成有栅电极、源电极和漏电极，并且所述N型电极与所述N+-GaN层之间、所述P型电极与所述P+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与所述AlGaN肖特基势皇层之间均形成欧姆接触。
[0008]优选地，所述衬底的厚度为50?1000微米，且所述衬底材料为S1、SiC, GaN,Diamond和蓝宝石中的一种或多种。
[0009]优选地，所述成核层的厚度为10?500纳米，且所述成核层材料为AlN和/或AlGaN0
[0010]优选地，所述GaN沟道层的厚度为I?3微米，且所述GaN沟道层与所述成核层构成异质结。
[0011]优选地，所述AlGaN肖特基势皇层的厚度5?200纳米，所述AlGaN肖特基势皇层与所述GaN沟道层构成异质结，且所述AlGaN肖特基势皇层中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1?0.5。
[0012]优选地，所述器件隔离层的厚度为20?1000纳米，且所述器件隔离层材料为氮化物介质薄膜。
[0013]优选地，所述N+-GaN层的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cm_3;所述P+-GaN层的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0014]优选地，所述1-AlGaN层的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于
IX 116Cm-3,且所述1-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;所述P-AlGaN层的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且所述P-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlzGai_zN，其中，Z为0.1?0.5。
[0015]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，包括由下而上依次形成的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，其中，所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气。
[0016]为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是:提供一种根据上述任一种的基于GaN的光电集成器件的制备方法，包括以下步骤:在衬底上由下而上依次形成成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，同时在所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气；采用离子注入或刻蚀工艺在所述P+-GaN层上形成隔离区，所述隔离区从所述P+-GaN层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部；采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在所述隔离区一侧的P+-GaN层上形成P型电极，并通过快速退火使所述P型电极与所述P+-GaN层之间形成欧姆接触；采用光刻或刻蚀工艺露出所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层以及在所述1-AlGaN层两侧露出所述N+-GaN层；采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述N+-GaN层上形成N型电极，以及在所述AlGaN肖特基势皇层上形成源电极和漏电极，并通过快速退火使所述N型电极与所述N+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与AlGaN肖特基势皇层之间形成欧姆接触；采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述AlGaN肖特基势皇层上的源电极和漏电极之间形成栅电极。
[0017]区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是:通过在同一衬底上集成GaN基PIN光电探测器和GaN基HEMT，并通过隔离区隔离，从而能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成，可以增加芯片功能，提高集成度，简化系统，降低尺寸和成本。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的结构示意图。
[0019]图2?图6是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的制备流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]请参见图1，是本发明实施例基于GaN的光电集成器件的结构示意图。本发明实施例的基于GaN的光电集成器件包括:衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层 40、隔离区 50、器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P-AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层100。
[0022]成核层20形成在衬底10上。GaN沟道层30形成在成核层20上。AlGaN肖特基势皇层40形成在GaN沟道层30上，且AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。隔离区50从AlGaN肖特基势皇层40的上表面嵌入延伸至GaN沟道层30内部。其中，可以采用注入离子方式注入离子形成隔离区50或者采用刻蚀工艺形成刻蚀出隔离区50，隔离区50将AlGaN肖特基势皇层40和二维电子气31隔离为相互绝缘的两部分。
[0023]其中，在隔离区50 —侧的AlGaN肖特基势皇层40上由下而上依次形成有器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P-AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层 100。N+-GaN 层 70 上形成有N型电极71 ,P+-GaN层100上形成有P型电极101。在隔离区50另一侧的AlGaN肖特基势皇层40上形成有栅电极41、源电极42和漏电极43，并且N型电极71与N+-GaN层70之间、P型电极101与P+-GaN层100之间以及源电极42和漏电极43与AlGaN肖特基势皇层40之间均形成欧姆接触。其中，N型电极71和P型电极101均为两个，两个N型电极71分别位于1-AlGaN层80两侧的N+-GaN层70上。源电极42位于隔离区50和漏电极43之间，栅电极41位于源电极42和漏电极43之间。
[0024]在本实施例中，衬底10的厚度为50?1000微米，且衬底10材料为S1、SiC、GaN、Diamond和蓝宝石中的一种或多种。衬底10主要作用为基础支撑。
[0025]成核层20的厚度为10?500纳米，且成核层20材料为AlN和/或AlGaN。成核层20主要作用是封闭来自衬底10的缺陷，减小衬底10对产品的影响。
[0026]GaN沟道层30的厚度为I?3微米，且GaN沟道层30与成核层20构成异质结。
[0027]AlGaN肖特基势皇层40的厚度5?200纳米，AlGaN肖特基势皇层40与GaN沟道层30构成异质结，且AlGaN肖特基势皇层40中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1 ?0.5o
[0028]器件隔离层60的厚度为20?1000纳米，且器件隔离层60材料为氮化物介质薄膜，氮化物包括但不限于AlN和SiN。也就是说，氮化物可以为A1N、SiN中的一种，也可以同时包含两种。
[0029]N+-GaN层70的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11WiP +-GaN层100的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0030]1-AlGaN层80的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于lX1016cnT3，且1-AlGaN层80中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;P_AlGaN层90的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且P-AlGaN层90中AlGaN的化学式为AlzGa1J,其中，Z为0.1?0.5。
[0031]本发明实施例还提供一 种基于GaN的光电集成器件的制备方法，请参见图2至图6，该制备方法包括以下步骤:
[0032]S1:在衬底10上由下而上依次形成成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层 40、器件隔离层 60、N+-GaN 层 70、1-AlGaN 层 80、P_AlGaN 层 90 和 P+-GaN 层 100，同时在AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。
[0033]其中，衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层40、器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100为依次层叠的结构，如图2所不O
[0034]衬底10的厚度为50?1000微米，且衬底10材料为S1、SiC, GaN, Diamond和蓝宝石中的一种或多种。衬底10主要作用为基础支撑。
[0035]成核层20的厚度为10?500纳米，且成核层20材料为AlN和/或AlGaN。成核层20主要作用是封闭来自衬底10的缺陷，减小衬底10对产品的影响。
[0036]GaN沟道层30的厚度为I?3微米，且GaN沟道层30与成核层20构成异质结。
[0037]AlGaN肖特基势皇层40的厚度5?200纳米，AlGaN肖特基势皇层40与GaN沟道层30构成异质结，且AlGaN肖特基势皇层40中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1 ?0.5o
[0038]器件隔离层60的厚度为20?1000纳米，且器件隔离层60材料为氮化物介质薄膜，氮化物包括但不限于AlN和SiN。也就是说，氮化物可以为A1N、SiN中的一种，也可以同时包含两种。
[0039]N+-GaN层70的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11WiP +-GaN层100的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。
[0040]1-AlGaN层80的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于lX1016cnT3，且1-AlGaN层80中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;P_AlGaN层90的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cnT3，且P-AlGaN层90中AlGaN的化学式为AlzGa1J,其中，Z为0.1?0.5。
[0041]S2:采用离子注入或刻蚀工艺在P+-GaN层100上形成隔离区50，隔离区50从P+-GaN层100的上表面嵌入延伸至GaN沟道层30内部。
[0042]其中，隔离区50将AlGaN肖特基势皇层40和二维电子气31隔离为相互绝缘的两部分，如图3所不。
[0043]S3:采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在隔离区50 —侧的P+-GaN层100上形成P型电极101，并通过快速退火使P型电极101与P+-GaN层100之间形成欧姆接触。
[0044]其中，P型电极101为两个，均位于隔离区50—侧的P+-GaN层100上，如图4所不O
[0045]S4:采用光刻或刻蚀工艺露出隔离区50另一侧的AlGaN肖特基势皇层40以及在1-AlGaN层80两侧露出N+-GaN层70。
[0046]其中，经过光刻或刻蚀后，器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100全部位于隔离区50的一侧，而隔离区50的另一侧仅仅露出AlGaN肖特基势皇层40，如图5所示。
[0047]S5:采用光刻、金属沉积或剥离工艺在N+-GaN层70上形成N型电极71，以及在AlGaN肖特基势皇层40上形成源电极42和漏电极43，并通过快速退火使N型电极71与N+-GaN层70之间以及源电极42和漏电极43与AlGaN肖特基势皇层40之间形成欧姆接触。
[0048]其中，N型电极71为两个，两个N型电极71分别位于i_AlGaN层80两侧的N+-GaN层70上。源电极42位于隔离区50和漏电极43之间，栅电极41位于源电极42和漏电极43之间，如图6所示。
[0049]S6:采用光刻、金属沉积或剥离工艺在AlGaN肖特基势皇层40上的源电极42和漏电极43之间形成栅电极41。
[0050]其中，形成栅电极41后，即得到前述实施例的基于GaN的光电集成器件，如图1所不O
[0051]本发明实施例还提供一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，该外延结构即为本发明实施例制备方法中步骤Si所得产物。该外延结构包括由下而上依次形成的衬底10、成核层20、GaN沟道层30、AlGaN肖特基势皇层40、器件隔离层60、N+-GaN层70、1-AlGaN层80、P-AlGaN层90和P+-GaN层100，其中，AlGaN肖特基势皇层40和GaN沟道层30之间形成二维电子气31。
[0052]通过上述方式，本发明具有芯片功能丰富，集成度高，系统简化，尺寸和成本低等优点，可用于太空探测、海面漏油探测、工业温度控制、火灾预警等方面。
[0053]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于GaN的光电集成器件，其特征在于，包括: 衬底； 成核层，所述成核层形成在所述衬底上； GaN沟道层，所述GaN沟道层形成在所述成核层上； AlGaN肖特基势皇层，所述AlGaN肖特基势皇层形成在所述GaN沟道层上，且所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气； 隔离区，所述隔离区从所述AlGaN肖特基势皇层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部； 其中，在所述隔离区一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，所述N+-GaN层上形成有N型电极，所述P+-GaN层上形成有P型电极，在所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层上形成有栅电极、源电极和漏电极，并且所述N型电极与所述N+-GaN层之间、所述P型电极与所述P+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与所述AlGaN肖特基势皇层之间均形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述衬底的厚度为50?1000微米，且所述衬底材料为S1、SiC、GaN、Diamond和蓝宝石中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述成核层的厚度为10?500纳米，且所述成核层材料为AlN和/或AlGaN。4.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为I?3微米，且所述GaN沟道层与所述成核层构成异质结。5.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述AlGaN肖特基势皇层的厚度5?200纳米，所述AlGaN肖特基势皇层与所述GaN沟道层构成异质结，且所述AlGaN肖特基势皇层中AlGaN的化学式为AlxGai_xN，其中，X为0.1?0.5。6.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述器件隔离层的厚度为20?1000纳米，且所述器件隔离层材料为氮化物介质薄膜。7.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述N+-GaN层的厚度为500?1500纳米，掺杂浓度大于或等于I X 1017cm_3;所述P+-GaN层的厚度小于或等于50纳米，掺杂浓度大于或等于I X 11W3O8.根据权利要求1所述的基于GaN的光电集成器件，其特征在于，所述1-AlGaN层的厚度为100?1500纳米，杂质浓度小于或等于I X 1016cm_3，且所述1-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlYGai_YN，其中，Y为O?I ;所述P-AlGaN层的厚度为50?800纳米，掺杂浓度大于或等于I X1017cnT3，且所述P-AlGaN层中AlGaN的化学式为AlzGai_zN，其中，Z为0.1?0.5。9.一种基于GaN的光电集成器件的外延结构，其特征在于，包括由下而上依次形成的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，其中，所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气。10.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于GaN的光电集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 在衬底上由下而上依次形成成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势皇层、器件隔离层、N+-GaN层、1-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，同时在所述AlGaN肖特基势皇层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气； 采用离子注入或刻蚀工艺在所述P+-GaN层上形成隔离区，所述隔离区从所述P+-GaN层的上表面嵌入延伸至所述GaN沟道层内部； 采用光刻、刻蚀、金属沉积或剥离工艺在所述隔离区一侧的P+-GaN层上形成P型电极，并通过快速退火使所述P型电极与所述P+-GaN层之间形成欧姆接触； 采用光刻或刻蚀工艺露出所述隔离区另一侧的所述AlGaN肖特基势皇层以及在所述1-AlGaN层两侧露出所述N+-GaN层； 采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述N+-GaN层上形成N型电极，以及在所述AlGaN肖特基势皇层上形成源电极和漏电极，并通过快速退火使所述N型电极与所述N+-GaN层之间以及所述源电极和漏电极与AlGaN肖特基势皇层之间形成欧姆接触； 采用光刻、金属沉积或剥离工艺在所述AlGaN肖特基势皇层上的源电极和漏电极之间形成栅电极。
【专利摘要】本发明提供一种基于GaN的光电集成器件及其制备方法、外延结构。该器件包括由下而上依次层叠的衬底、成核层、GaN沟道层、AlGaN肖特基势垒层，最上面两层之间形成二维电子气，肖特基势垒层上设有嵌入延伸至GaN沟道层内部的隔离区，在隔离区一侧的肖特基势垒层上由下而上依次形成有器件隔离层、N+-GaN层、i-AlGaN层、P-AlGaN层和P+-GaN层，N+-GaN层上形成有N型电极，P+-GaN层上形成有P型电极，而另一侧的肖特基势垒层上形成有栅电极、源电极和漏电极，N型电极、P型电极、源电极和漏电极分别与其所在层形成欧姆接触。本发明能够实现GaN基PIN光电探测器与GaN基HEMT之间的集成。
【IPC分类】H01L31/105, H01L31/0304, H01L27/144
【公开号】CN104900747
【申请号】CN201510353140
【发明人】陈一峰
【申请人】成都嘉石科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
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