[发明专利]用于ACLED的硅衬底上的氮化镓LED与氮化铝镓/氮化镓器件的集成

说明书

技术领域

本公开涉及半导体发光二极管，并且更具体地涉及具有衬底上的氮化铝镓/氮化镓器件的氮化镓发光二极管。

背景技术

发光二极管（LED）是需要恒定电压供给的直流（DC）器件。然而，基于LED的灯具从交流电压（AC）的市电电源运行。结果，基于LED的灯具包括能够操控大的AC并且将它转换成DC电压的LED驱动器。LED驱动器通常由硅器件制成，诸如横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）或者功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

发明内容

在本公开的一个或多个实施例中，一种用于制造外延结构的方法包括提供衬底和在衬底的第一侧上的异质结堆叠，以及在衬底的第二侧上形成GaN发光二极管堆叠。异质结堆叠包括衬底的第一侧之上的无掺杂氮化镓（GaN）层和无掺杂GaN层上的掺杂氮化铝镓（AlGaN）层。GaN发光二极管堆叠包括衬底的第二侧之上的n型GaN层、n型GaN层之上的GaN/氮化铟镓（InGaN）多量子阱（MQW）结构、n型GaN/InGaN MQW结构之上的p型AlGaN层，以及p型AlGaN层之上的p型GaN层。

附图说明

在附图中：

图1是用于将氮化镓（GaN）发光二极管（LED）与氮化铝镓（AlGaN）/GaN器件集成在硅衬底上的外延结构的截面视图；

图2是用于将GaN LED与AlGaN/GaN器件集成在蓝宝石衬底上的外延结构的截面视图；

图3是用于将GaN LED与AlGaN/GaN器件集成在碳化硅（SiC）衬底上的外延结构的截面视图；

图4是用于将GaN LED与AlGaN/GaN器件集成在GaN衬底上的外延结构的截面视图；

图5示出了由经受形成AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）和AlGaN/GaN肖特基二极管的附加处理的图2的结构导致的结构的截面视图；

图6是与LED串联连接的桥式整流器电路的电路图；以及

图7示出了所有根据本发明的实施例设置的由经受形成图6的桥式整流器电路的附加处理的图2的结构导致的结构的截面视图。

在不同附图中的相同参考数字的使用指示类似或者相同的元件。

具体实施方式

由于氮化镓（GaN）具有比硅（Si）更高的带隙，GaN晶体管具有比Si晶体管高得多的击穿电压，因此GaN晶体管可以操控高得多的电压和电流密度。这允许较小的GaN晶体管操控与较大的基于Si的功率晶体管相同的电压。随着Si上GaN（GaN-on-Si）技术的出现，生长在150mm（6英寸）硅衬底上的GaN晶体管与基于硅的功率器件相比具有价格竞争力并且提供更好的性能。通过将GaN发光二极管（LED）与GaN晶体管集成在硅衬底上，组合架构将比将GaN LED与分立的基于Si的电驱动器配对的常规方法更经济并且具有更高的AC-DC转换效率。

根据本公开的实施例，通过在衬底的一侧上形成GaN LED并且在衬底的另一侧上形成氮化铝镓（AlGaN）/GaN器件（或者反之亦然）来制作外延结构。AlGaN/GaN器件可以是异质结场效应晶体管（HFET）和肖特基二极管，其被用于AC-DC转换或者DC-DC向下转换（高电压到低电压转换）。若干LED和AlGaN/GaN器件可以取决于转换方案而串联或者并联连接。

注意，“在……之上”的使用包括在另一层或者层的堆叠上直接形成一层或层的堆叠。取决于结构位于衬底的顶侧还是背侧上，“在……之上”可以分别指示另一层或者层的堆叠上方或者下方的一层或者层的堆叠。可以可互换地使用术语堆叠或者层的堆叠。

图1是在本公开的一个或多个实施例中的用于将GaN LED与AlGaN/GaN器件集成在硅（Si）衬底102上的外延结构100的截面视图。由于归因于Ga和Si形成破坏Si衬底的共晶材料这一事实，GaN并不良好地适于Si衬底上的直接外延生长，因此无掺杂氮化铝（AlN）缓冲层104首先形成在硅衬底102的第一侧105（例如，如所示的顶侧）之上以充当GaN与硅之间的阻挡。薄AlN缓冲层104（例如，100埃至2微米）被用于降低缺陷密度。无掺杂Al_xGa_1-xN层106可以形成在无掺杂AlN缓冲层104之上以在Si与GaN之间提供附加的分离。