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CN104993025B - 氮化硅膜致应变的锗锡中红外led器件及其制备方法 - Google Patents

氮化硅膜致应变的锗锡中红外led器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件及其制备方法，该红外LED器件包括硅衬底以及设置在硅衬底上的锗缓冲层，锗缓冲层上从左往右依次设有铝电极、横向P‑I‑N锗锡层、氮化硅层和铝电极，所述锗锡P‑I‑N结构上方淀积有氮化硅薄膜。本发明兼容了CMOS工艺，克服了目前高锡组分含量的锗锡合金生长困难的问题，且能通过调整氮化硅膜的结构改变张应力大小以实现锗锡材料光源对不同波长光的需求，具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。

Description

氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件制备领域，具体涉及一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件及其制备方法。
背景技术
随着技术要求日益提高，信息处理硬件的微细加工的极限开始显现出来，束缚了技术的日益发展。在过去的几十年发展中，微电子工艺一直按照摩尔定律进步着。进步的最显著特点就是工艺尺寸越来越小，集成度越来越高，成本越来越低。但是，随着微电子工艺尺寸向纳米级前进，各种物理效应带来的瓶颈也越来越明显。为了突破瓶颈，研究人员们把目光集中在了将微电子与光电子技术相结合的领域上，这就是光电集成(OEIC)。经过Intel、IBM等半导体巨头的不懈努力，硅光电子技术的诸多关键器件得以在集成电路平台上实现，包括高速硅光调制器、探测器和波导元件都得到了突破。然而由于硅是间接带隙材料导致难以实现直接发光，片上光源没有得到实现，这是硅光子技术一直以来所面临的最大难题。
III-V族和硅混合集成是比较有效的实现光源和无源器件结合的方案，但是III-V族材料存在与硅加工平台不兼容，特别是与CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)标准工艺平台不兼容，存在III-V族器件性能降低和加工成本高的问题。为实现材料自身的发光，有多种技术方案，包括采用硅纳米团簇、多孔硅、掺铒等手段，以上办法也都受限于发光效率低或者发光性能不稳定等因素，距离实用的片上光源仍有很大差距。
在研究人员寻找解决方案的过程中，锗锡合金进入了研究的视野。锗属于间接带隙半导体，锡属于金属，通过在锗材料掺锡可以使锗锡合金的带隙随锡组分的变化在红外波段的较宽范围内(0-0.66eV)连续可调。锗锡材料能够有效降低载流子的有效质量，不存在极性光学散射，因而其能够将载流子迁移率提升到比较大的值。因此，锗锡材料能够在高速电子器件，高效光子器件，红外光子器件等方面有着比较大的应用范围。另外，锗锡合金能够与现有的集成电路工艺兼容，基于锗锡材料的高迁移率晶体管已经在深亚微米集成电路技术中得到了广泛的应用，而基于锗锡合金材料的光电探测器和光调制器同样也得以在CMOS标准工艺平台上得到实现。
锗的能带调制被认为是最有可能实现片上激光的技术，通过掺锡来实现锗的能带调制是目前光电子研究领域的热点。如果能够在锗上实现CMOS兼容的片上激光，就能够实现完全的片上光互连，以光子而不是电子作为媒介在芯片之间和设备之间传输数据，既能发挥光互连速度快、带宽大、无干扰、密度高、功耗低等优点，同时又能充分利用微电子工艺成熟，高密度集成，高成品率，成本低廉等特点，基于锗材料的片上激光将推动新一代高性能计算机，光通信设施和消费类电子产品的发展，具有广阔的应用和市场前景。
目前制备发光的锗锡材料所采用的一般方法是化学气相沉积和分子束外延生长的方法。然而由于锡材料在锗内的低固溶度、锡材料与锗材料较大的晶格失配等原因，要实现高锡组分的锗锡合金器件所需要的工艺条件显的较为苛刻，因此要实现工业化量产显的十分困难。
目前基于锗材料的LED研究仍处于初级阶段，国内外均有所发表的基于锗材料LED器件仍具有光电转换效率低，光稳定性不好等缺点，无法满足片上光电集成系统对片上光源的要求。
发明内容
针对现有技术中采用各结构的基于锗锡材料的LED器件目前具有高锡组分掺杂难度高、光电转换效率低、光稳定性差等缺点，仍无法满足片上光电集成系统对光源的要求，本发明提供了一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件，包括硅衬底以及设置在硅衬底上的锗缓冲层，锗缓冲层上从左往右依次设有铝电极、横向P-I-N锗锡层、氮化硅层和铝电极，所述锗锡P-I-N结构上方淀积有氮化硅薄膜。
为解决上述问题，本发明还提供了一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用低、高温两步法，先在硅衬底上250℃生长一层低温锗缓冲层后，升温至500℃生长高温锗缓冲层；
S2、在步骤S1所得的锗缓冲层上生长一层锗锡材料；
S3、在步骤S2所得的锗锡材料上制备横向P-I-N结构；
S4、在步骤S3所得的锗锡P-I-N结构上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、在步骤S4所得的锗锡层两侧淀积铝电极，得到应变锗锡LED器件。
其中，所述步骤S1中的生长方法采用低温分子束外延法。
其中，所述步骤S1中的锗缓冲层的厚度为300nm。
其中，所述步骤S2中的锗锡材料的生长方法采用低温分子束外延法，其生长温度为200℃。
其中，所述步骤S2中的锗锡材料的厚度为300nm，锡组分为3.8％。
其中，所述步骤S3中的P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，采用热扩散工艺掺杂，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为350℃，退火时间为30分钟；所述P-I-N结构内N区掺杂杂质为磷，采用热扩散工艺掺杂，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为750℃，退火时间为15秒。
其中，所述步骤S4中淀积的条件为：温度为370℃，反应腔压强为1500mτ，功率为10W，SiH4/NH3的气体流量比为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为
其中，所述步骤S5的铝电极采用金属蒸发工艺制作，结构从下至上依次为钛、铝和金，钛层厚度为20nm，生长速度为铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速率为金层厚度为20nm，生长速率为
本发明具有以下有益效果：
兼容了CMOS工艺，克服了目前高锡组分含量的锗锡合金生长困难的问题，且能通过调整氮化硅膜的结构改变张应力大小以实现锗锡材料光源对不同波长光的需求，具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。
附图说明
图1为本发明实施例一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法中步骤S1的加工示意图。
图2为本发明实施例一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法中步骤S2的加工示意图。
图3为本发明实施例一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法中步骤S3的加工示意图。
图4为本发明实施例一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法中步骤S4的加工示意图。
图5为为本发明实施例一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法中步骤S5的加工示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图5所示，本发明实施例提供了一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件，包括硅衬底以及设置在硅衬底上的锗缓冲层，锗缓冲层上从左往右依次设有铝电极、横向P-I-N锗锡层、氮化硅层和铝电极，所述锗锡P-I-N结构上方淀积有氮化硅薄膜。
如图1-5所示，本发明实施例提供了一种氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用低、高温两步法，先在硅衬底上250℃生长一层低温锗缓冲层后，升温至500℃生长高温锗缓冲层；
S2、在步骤S1所得的锗缓冲层上生长一层锗锡材料；
S3、在步骤S2所得的锗锡材料上制备横向P-I-N结构；
S4、在步骤S3所得的锗锡P-I-N结构上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、在步骤S4所得的锗锡层两侧淀积铝电极，得到应变锗锡LED器件。
如图1所示，所述硅衬底为绝缘体上的硅材料或体硅材料衬底。本实施方案中，采取的是体硅材料衬底。锗缓冲层的生长方法为低温分子束外延法，采用低、高温两步法生长，先在250℃生长一层低温锗缓冲层，然后再将温度提高到500℃生长高温锗缓冲层。所述锗缓冲层的总厚度为300nm。
如图2所示，所述锗锡材料的生长方法为低温分子束外延法，其生长温度为200℃。所述锗锡材料的厚度为300nm，锡组分为3.8％。
如图3所示，所述P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，采用热扩散工艺，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，并采用退火工艺。所述退火工艺为，退火温度为350℃，退火时间为30分钟。所述P-I-N结构内N区掺杂杂质为磷，采用热扩散工艺，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，并采用快速退火工艺。所述快速退火工艺为，退火温度为750℃，退火时间为退火15秒。
如图4所示，所述氮化硅薄膜为适用于应变锗锡器件的高应力薄膜，采用PECVD(等离子体化学气相沉积法)生长，其工艺条件为：温度为370℃，反应腔压强为1500mτ，功率为10W，SiH4/NH3的气体流量比为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为通过在锗材料上覆盖高应力的氮化硅薄膜产生应力，引起锗材料的应变。
如图5所示，亦为本实用新型的具体结构示意图，所述铝电极采用金属蒸发工艺，其工艺条件为，20nm Tiand 130nm Al(in 10nm andin120nm)，20nm Au完成应变锗LED器件的制备。
本具体实施采用的是高应力氮化硅薄膜致应变。通过在锗锡LED器件上方生长高应力的氮化硅薄膜，在锗锡材料内引入张应力，将低锡组分的锗锡材料转换为直接带隙提高锗LED器件的发光效率。另我们可通过调整PECVD的工艺参数，以需求为导向调整氮化硅薄膜对锗薄膜的应力大小，提高光电转换效率以及制备特定光波长的应变锗LED器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用低、高温两步法，先在硅衬底上250℃生长一层低温锗缓冲层后，升温至500℃生长高温锗缓冲层；
S2、在步骤S1所得的锗缓冲层上生长一层锗锡材料；
S3、在步骤S2所得的锗锡材料上制备横向P-I-N结构；
S4、在步骤S3所得的锗锡P-I-N结构上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、在步骤S4所得的锗锡层两侧淀积铝电极，得到应变锗锡LED器件。
2.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的生长方法采用低温分子束外延法。
3.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的锗缓冲层的厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的锗锡材料的生长方法采用低温分子束外延法，其生长温度为200℃。
5.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的锗锡材料的厚度为300nm，锡组分为3.8％。
6.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中的P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质硼，采用热扩散工艺掺杂，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为350℃，退火时间为30分钟；所述P-I-N结构内N区掺杂杂质为磷，采用热扩散工艺掺杂，烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为750℃，退火时间为15秒。
7.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中淀积的条件为：温度为370℃，反应腔压强为1500mτ，功率为10W，SiH4/NH3的气体流量比为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为
8.根据权利要求1所述的氮化硅膜致应变的锗锡中红外LED器件的制备方法，其特征在于，
所述步骤S5的铝电极采用金属蒸发工艺制作，结构从下至上依次为钛、铝和金，钛层厚度为20nm，生长速度为铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速率为金层厚度为20nm，生长速率为
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