阅读说明：本技术 一种基于氮化镓材料的光继电器 (Optical relay based on gallium nitride material ) 是由 郭伟玲 郭浩 蔺天宇 程海娟 朱彦旭 于 2020-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于氮化镓材料的光继电器,整个光继电器内部器件的制备方式是是氮化镓发光器件、氮化镓光电转换器件和氮化镓高电子迁移率晶体管制备于三个独立芯片,而后进行封装集成；相比较传统基于Si基器件的半导体继电器来说,基于GaN材料的器件光电转化效率高、器件响应速度提高,同时拥有了更高的击穿电压。此外,本发明还将GaN基发光和光电转换器件集成于同一衬底上以及将发光器件、光电转换器件、高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上并进行封装,这提高了器件性能,减少了集成封装步骤,同时减小了光电继电器的体积。(The invention discloses a gallium nitride material-based optical relay.A preparation method of an internal device of the whole optical relay is that a gallium nitride luminescent device, a gallium nitride photoelectric conversion device and a gallium nitride high electron mobility transistor are prepared in three independent chips and then are packaged and integrated; compared with the traditional semiconductor relay based on the Si-based device, the GaN-based device is high in photoelectric conversion efficiency, high in response speed and high in breakdown voltage. In addition, the GaN-based light emitting device and the photoelectric conversion device are integrated on the same substrate, and the light emitting device, the photoelectric conversion device and the high electron mobility transistor are integrated on the same substrate and packaged, so that the device performance is improved, the integrated packaging steps are reduced, and the size of the photoelectric relay is reduced.)

一种基于氮化镓材料的光继电器

技术领域

本发明涉及一种半导体装置的光继电器，特别是涉及一种使用GaN材料作为发光材料、光电转换材料，以及驱动器件的光继电器装置，属于电源管理技术领域。

背景技术

半导体继电器因其导通电阻小，能够控制微小模拟信号且小型，因此能应用于各种场景。

随着对Si基器件的结构和工艺不断优化和发展，Si材料的性能发展已接近极限，难以满足电力电子领域对电子器件更高性能的要求，想要继续通过器件结构和工艺的改进来提高器件的电气性能变得非常困难。

第三代半导体中，GaN是宽禁带半导体功率器件的研究热点，具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子漂移饱和速度高、导热率高以及化学稳定性好等特点，这些特点满足了未来功率半导体器件向着大功率、高频、高速、高可靠性和高集成的发展要求，特别适合未来功率电子器件的发展。与硅相比，氮化镓具有更高的击穿电场强度，它的电阻及击穿电压更有优势，容许器件在给定的击穿电压下，尺寸做的更小，这也更符合未来电力电子的发展趋势。

GaN作为半导体照明的核心材料，因其高发光效率和宽波长范围，在在半导体照明和超越照明领域有着十分重要的应用和意义。在光电转换方面，作为探测器，氮化镓因其有较宽的直接带隙，物理化学性质稳定，易于提高量子效率等优点而逐步突破硅基材料的应用方面的限制。随着AlGaN/GaN异质结电子材料的质量不断提高、外延尺寸不断扩大、工艺技术水平的逐步成熟，GaN HEMT电子器件的频率和性能不断提高，而其成本却不断降低，这也加速了氮化物电子器件在市场的应用推广和商业化。其中，增强模式将提供更快更稳定的开启和关断速度，无论是芯片级还是封装级，增强模式也更易集成。

因此，使用氮化镓材料替代传统半导体继电器中的硅基器件能提升光电转换效率，提高器件响应速度，并且提高输出能力。符合未来电力电子领域的发展需求。

图1是典型光继电器原理示意图。如图中所示，该光继电器A1包含一个发光元件L1、一个光电转换模块L2、以及包含两个金属氧化物场效应晶体管的输出模块L3。此发光元件L1，可用一发光二极管(LED)，连接至光继电器A1的输入端T1、T2以接收一电流信号，并依据此电流信号产生一光信号；此光电转换模块L2包含一感光二极管阵列和电路；输出模块L3中两个金属氧化物晶体管的源极相接，其漏极分别连接至光继电器A1的输出端T3、T4。光电转换模块L2的感光二极管阵列接收到来自发光元件L1产生的光信号后，产生相应的压降输出到金属氧化物场效应晶体管的栅、源电极进而控制二个金属氧化物场效应晶体管的导通状态，从而控制流经此二个半导体晶体管的电流。

发明内容

本发明目的在于满足电力电子领域发展需求，本发明提供一种基于GaN材料的新型光继电器。该继电器具备：一个以上的发光器件，一个以上的光电转换器件，两个以上的高电子迁移率晶体管。发光器件正对光电转换器件，上述光电转换器件输出端与上述高电子迁移率晶体管的输入端(即栅极与源极)相连接。并且全部所述器件均采用氮化镓材料生长制备。其中，氮化镓高电子迁移率晶体管既可以是增强型器件也可以是耗尽型器件。

由于全部器件采用氮化镓材料生长制备，因此将器件制备于同一衬底及芯片上可提高器件性能，减少集成封装步骤。

以正装GaN基LED为例的制备工艺流程为：首先清洗LED外延片。然后使用感应耦合等离子体刻蚀外延片直至露出N-GaN。接着使用等离子体增强化学气相沉积法淀积SiO₂作为电流阻挡层。使用电子束蒸发ITO薄膜，通过光刻、湿法腐蚀的方式得到ITO图形。接着使用PECVD淀积SiO₂作为钝化层。溅射Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Au叠层金属电极。

GaN基p-i-n型光电探测器制备工艺流程为：首先清洗外延片。使用电子束蒸发制备ITO导电层，接着使用感应耦合等离子刻蚀外延片露出N-GaN层，接着使用电子束蒸发在N型台面上淀积Ti/Al/Ni/Au金属电极，在P型层上方淀积Ni/Au的P金属电极，最后使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备SiO₂钝化层以隔离和保护器件。

GaN基增强型AlGaN/GaN HEMT工艺流程为：使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)制备GaN基增强型AlGaN/GaN HEMT，清洗蓝宝石衬底并烘干以后依次生长GaN低温层，GaN外延层和AlGaN层。AlGaN/GaN异质结制备完成后，通过光刻制备栅极下方的氟离子注入窗口，进行栅下氟离子注入以制备增强型AlGaN/GaN HEMT，通过电子束蒸发淀积Ti/Al/Ni/Au金属电极。

在制备得到GaN基LED、光电转换器件芯片和高迁移率电子晶体管以后，将GaN基发光器件芯片、光电转换器件芯片封装在半球形透明树脂中，在其上方覆盖高反射涂层，再与输出部分的GaN HEMT芯片封装，得到发光器件、光电转换器件集成在同一芯片的新型光继电器；对GaN基发光器件和光电转换器件进行COB封装或封装在半球形透明树脂中，然后将封装完成的GaN基发光器件、光电转换器件集成到GaN基高迁移率电子晶体管衬底的预留位置上，得到发光器件、光电转换器件和输出部分的GaN HEMT芯片集成在同一芯片的新型光继电器。

因此，器件的生长制备存在三种方式。整个光继电器内部器件的制备方式可以是是氮化镓发光器件、氮化镓光电转换器件和氮化镓高电子迁移率晶体管制备于三个独立芯片，而后进行封装集成；可以是氮化镓发光器件和氮化镓光电转换器件集成在同一衬底；可以是氮化镓发光器件、氮化镓光电转换器件和氮化镓高电子迁移率晶体管三者集成在同一衬底。

本发明提供一种GaN材料新型光电继电器，相比较传统基于Si基器件的半导体继电器来说，基于GaN材料的器件光电转化效率高、器件响应速度提高，同时拥有了更高的击穿电压。此外，本发明还将GaN基发光和光电转换器件集成于同一衬底上以及将发光器件、光电转换器件、高电子迁移率晶体管集成在同一衬底上并进行封装，这提高了器件性能，减少了集成封装步骤，同时减小了光电继电器的体积。

附图说明

与如下附图1起提供的后述实施方式的说明能够明确本发明的目的及特征。

图1为典型半导体光继电器等效电路图；

图2为本发明中GaN基倒装LED器件结构示意图；

图3为本发明中GaN基正装LED器件结构示意图；

图4为本发明中GaN光电转换器件结构示意图；

图5为本发明中GaN HEMT器件结构示意图；

图6为本发明中输出部分两个源极互联GaN HEMT器件的结构示意图；

图7是实施方式1中光继电器剖面结构示意图；

图8是实施方式2中光继电器剖面结构示意图；

图9是实施方式3中光继电器剖面结构示意图；

图10是实施方式3中光继电器剖面结构示意图；

图中：A1：光继电器

T1,T2,T5,T6：输入接脚

T3,T4,T7,T8：输出接脚

L1：发光元件

L2：光电转换模块

L3：输出模块

H1、H2：高电子迁移率晶体管

C1：光电转换元件电路

F1：树脂透明封装层

F2：高反射涂层

F3：光继电器外封装层

G：引线架

W1-W6：导线

X：衬底

P1：光继电器的发光元件与光电转换模块

P2：光继电器的输出模块

1：Si衬底

2：N-GaN

3：MQWS

4：P-GaN

5：P电极

6：基板

7：N电极

8：P电极

9：SiO₂

10：ITO

11：P-GaN

12：MQWs

13：N-GaN

14：i-GaN

15：衬底

16：N电极

17：P电极

18：ITO

19：P-GaN上限制层

20：i-GaN

21：N-GaN

22：i-GaN

23：衬底

24：N电极

25：源极金属

26：Si₃N₄钝化层

27：栅极金属

28：漏极金属

29：AlGaN缓冲层

30：i-GaN过渡层

31：GaN低温层

32：Si衬底

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体方式进行更详细的描述。需说明的是，附图均采用简化示意的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明的目的。

一种基于氮化镓材料的光继电器，包括一个以上的发光器件，一个以上的光电转换器件，两个以上的高电子迁移率晶体管；发光器件、光电转换器件和高电子迁移率晶体管均采用氮化镓材料生长制备；发光器件、光电转换器件芯片进行COB封装，将发光器件正对光电转换器件；或将发光器件和光电转换器件封装在表面具有高反射涂层的透明封装层中；发光器件连接至光继电器的输入端，光电转换器件输出端与上述高电子迁移率晶体管的输入端即栅极与源极相连接，两个高电子迁移率晶体管源极相接，其漏极连接至光继电器的输出端。

实施方式1

实施方式1的GaN光继电器如图7所示，其特征在于，发光器件、光电转换器件和输出部分两个HEMT器件均采用GaN材料进行外延生长和芯片制备，并且三种器件相互独立生长制备成三个独立芯片，而后进行封装集成。发光元件固定在封装结构上半部的引线架上，且发光元件发光面正对受光元件的受光面。所诉三种器件的结构图分别对应图3、图4和图6。

实施方式2

实施方式2的GaN光继电器的特征在于，GaN发光器件和GaN光电转换器件集成于同一衬底(光电继电器结构如图8所示)，而后再与输出部分的GaN HEMT芯片进行封装集成。

实施方式3

实施方式3的GaN光继电器的特征在于，GaN发光器件、GaN光电转换器件和输出部分的GaN HEMT器件集成于同一Si衬底上，其中GaN发光器件和GaN光电转换器件均采用COB封装(光电继电器结构如图9所示)，或将GaN发光器件芯片和GaN光电转换器件芯片封装在透明封装层内，并在其上方覆盖高反射涂层(光电继电器结构如图10所示)，整个GaN光继电器在同一衬底上进行封装集成。

以上所述，为本发明的具体实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。