CN107331747B - 脊状型led - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脊状型LED，包括：SOI衬底(101)、改性Ge层(1025)及SiO2钝化层(106)，所述改性Ge层(1025)及所述SiO2钝化层(106)依次层叠于所述SOI衬底(101)之上；本发明提供的改性Ge脊状波导型LED因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区，使得器件发光效率提升。
Description
技术领域
本发明属半导体器件制备技术领域，特别涉及一种脊状型LED。
背景技术
随着集成电路的不断发展，金属互连信号延迟与功耗的问题愈发突出，高速光互联技术是解决该问题的有效技术手段。实现高速光互联技术，需要解决诸多科学问题。其中，波导型发光器件(LED)集成发光器件与波导，是Si基单片光电集成中的一个重要研究内容。
Ge半导体为间接带隙半导体，通过改性技术(如应力、合金化等)，其可转变为准直接带隙或者直接带隙半导体，应用于Si基波导型LED发光效率高，且与Si工艺兼容，是当前领域内研究、应用的重点。
从目前该器件工艺实现的情况来看，利用Si衬底与Ge外延层之间的热膨胀系数不同，常规工艺过程中采用合理的热退火工艺制度，Si衬底上Ge外延层可以引入低强度张应变，进而实现准直接带隙Ge。然而，由于Si衬底与Ge外延层之间晶格失配较大，Si衬底上常规工艺制备的Ge外延层位错密度高，制约了器件性能的提升。
发明内容
为了提高现有发光器件的性能，本发明利用激光再晶化工艺，在SOI衬底上制备位错密度低、高质量直接带隙Ge外延层，形成了一种改性Ge脊状波导型LED。
本发明提供一种脊状型LED，包括：SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)及钝化层(104)，所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上。
在本发明提供的一个实施例中，还包括N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106)，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
在本发明提供的一个实施例中，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
在本发明提供的一个实施例中，还包括负电极(107)及正电极(108)，所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105)，所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
在本发明提供的一个实施例中，所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
在本发明提供的一个实施例中，所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层之后，通过对所述Ge外延层进行LRC工艺晶化并经过热退火工艺处理后形成的，其中，LRC工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s。
在本发明提供的一个实施例中，所述本征Ge层(103)的厚度为500～550nm。
在本发明提供的一个实施例中，所述本征Ge层(103)为脊型结构，脊型部分厚度为350nm，宽度为1μm。其中，脊型部分厚度为N型Ge区域与本征Ge层的高度差。
在本发明提供的一个实施例中，所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
在本发明提供的一个实施例中，所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
与现有技术相比，本发明提供的改性Ge脊状波导型LED具有以下有益效果：
1)本发明提供的改性Ge脊状波导型LED，因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区，使得器件发光效率提升。
2)本发明LED结构为脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN，有利于后续单片光电集成的实现。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供了一种改性Ge脊状波导型LED结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图；
图4a-图4m为本发明实施例的另外一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
图1为本发明实施例提供了一种改性Ge脊状波导型LED结构示意图，该脊状型LED包括：SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)及钝化层(104)，所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上。
进一步地，在上述实施例的基础上，该脊状型LED还包括N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106)，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
进一步地，在上述实施例的基础上，还包括负电极(107)及正电极(108)，所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105)，所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层之后，通过对所述Ge外延层进行LRC工艺晶化并经过热退火工艺处理后形成的，其中，LRC工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s。其中，LRC工艺指激光再晶化工艺。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述本征Ge层(103)的厚度为500～550nm。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述本征Ge层(103)为脊型结构，脊型部分厚度为350nm，宽度为1μm。其中，脊型部分厚度为为N型Ge区域与本征Ge层的高度差。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
与现有技术相比，本发明提供的改性Ge脊状波导型LED具有以下有益效果：
1)本发明提供的改性Ge脊状波导型LED，因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区，使得器件发光效率提升。
2)本发明LED结构为脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN，有利于后续单片光电集成的实现。
实施例二
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法流程图，LRC工艺指激光再晶化工艺。该制备方法流程包括：
(a)选取SOI衬底；
(b)利用CVD工艺在SOI衬底表面生长Ge外延层；
(c)利用CVD工艺在Ge外延层表面生长氧化层；
(d)利用LRC工艺晶化Ge外延层形成改性Ge外延层；
(e)利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层；
(f)利用CVD工艺在改性Ge外延层表面生长本征Ge层；
(g)选择性刻蚀本征Ge层形成脊型结构；
(h)在脊型结构的两侧分别注入P离子和B离子形成N型Ge区域和P型Ge区域；
(i)制备金属接触电极以完成改性Ge脊状波导型LED的制备。
优选地，步骤(b)可以包括：
(b1)在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在SOI衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
(b2)在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在Ge籽晶层表面生长厚度为120～150nm的Ge主体层以形成Ge外延层。
优选地，步骤(d)可以包括：
(d1)将包括SOI衬底、Ge外延层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃；
(d2)利用LRC工艺晶化Ge外延层；其中，LRC工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图。LRC工艺是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使Si衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，同时，由于LRC工艺可精确控制晶化区域，一方面避免了常规工艺中Si衬底与Ge外延层之间的Si、Ge互扩问题，另一方面Si/Ge之间材料界面特性好。
(d3)冷却整个衬底材料形成改性Ge外延层。
优选地，步骤(f)可以包括：在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在改性Ge外延层表面生长厚度为500～550nm的本征Ge层。
优选地，步骤(g)中，脊型部分厚度为350nm，宽度为1μm。
优选地，步骤(h)可以包括：
(h1)在本征Ge层表面淀积第一保护层，选择性刻蚀第一保护层形成N型离子注入窗口；
(h2)对N型离子注入窗口进行P离子注入，形成掺杂浓度为1×1019cm-3的N型Ge区域，高温退火，刻蚀掉第一保护层；
(h3)在本征Ge层表面淀积第二保护层，选择性刻蚀第二保护层形成P型离子注入窗口；
(h4)对P型离子注入窗口进行B离子掺杂，形成掺杂浓度为1×1019cm-3的P型Ge区域，高温退火，刻蚀掉第二保护层。
优选地，步骤(i)可以包括：
(i1)在N型Ge区域、P型Ge区域和本征Ge层表面淀积厚度为150～200nm的钝化层，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的钝化层形成金属接触孔；
(i2)利用电子束蒸发工艺在钝化层和金属接触孔上淀积厚度为150～200nm的Cr金属层；
(i3)利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的Cr金属层，利用化学机械抛光进行平坦化处理。
本发明提出采用LRC工艺，通过激光热处理，使SOI衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，获得低位错密度的Ge外延层，以提高器件性能。同时，本发明拟采用脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN，利于后续单片光电集成的实现。
实施例三
请参照图4a-图4m，图4a-图4m为本发明实施例的另外一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法工艺流程示意图，该制备方法包括如下步骤：
S101、衬底选取。如图4a所示，选取SOI衬底片001为初始材料；
S102、Ge外延层生长。
S1021、Ge籽晶层外延生长。如图4b所示，在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺外延生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层002；
S1022、Ge主体层生长。如图4c所示，在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在Ge籽晶层表面生长厚度为120～150nm的Ge主体层003；
S103、氧化层的制备。如图4d所示，利用CVD工艺在Ge主体层表面上淀积厚度为150nm SiO2氧化层004；
S104、Ge外延层的晶化及氧化层刻蚀；如图4e，将包括SOI衬底、Ge外延层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，采用LRC工艺晶化整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，冷却整个衬底材料。该方法降低了Ge材料的位错密度和表面粗糙度，提高了晶体质量。然后利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层004，得到激光晶化后的改性Ge外延层005；
S105、如图4f所示，在330℃温度下，利用减压CVD生长厚度为500～550nm的本征Ge层，(为了便于图示观看，将晶化后的Ge层以及晶化后生长的本征Ge层合为i-Ge层006)。由于此本征Ge层是在晶化后的Ge外延层上生长的，所以Ge的质量较好，晶格失配率较低。
S106、如图4g所示，选择性刻蚀i-Ge层，形成厚度为350nm，宽度为1μm的脊型结构；
S107、Ge区域N型离子注入。
S1071、如图4h所示，在i-Ge层表面淀积厚度为200nm的SiO2保护层，选择性刻蚀SiO2保护层得到SiO2保护层007；
S1072、如图4i所示，对i-Ge层进行P离子注入，形成掺杂浓度为1×1019cm-3的N型Ge区域008，高温退火，刻蚀掉SiO2保护层007；
S108、Ge区域P型离子注入。
S1081、如图4j所示，在i-Ge层和N型Ge区域表面淀积厚度为200nm的SiO2保护层，选择性刻蚀SiO2保护层得到SiO2保护层009，
S1082、如图4k所示，对i-Ge层进行B离子注入，形成掺杂浓度为1×1019cm-3的P型Ge区域010，高温退火，刻蚀掉SiO2保护层009；
S009、金属接触孔制备。如图4l所示，在i-Ge层、N型Ge区域和P型Ge区域表面淀积厚度为150～200nm的SiO2钝化层011，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域SiO2钝化层形成金属接触孔。
S010、金属互连制备。如图4m所示，利用电子束蒸发工艺在SiO2钝化层和金属接触孔淀积厚度为150～200nm的金属Cr层012。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr，采用化学机械抛光工艺(CMP)进行平坦化处理。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (8)
1.一种脊状型LED，其特征在于，包括：SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)、钝化层(104)、N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106)，所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上；所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层、氧化层之后，通过对整个衬底材料进行LRC工艺晶化处理，并刻蚀氧化层后形成的，其中，LRC工艺中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
2.如权利要求1所述的LED，其特征在于，所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
3.如权利要求2所述的LED，其特征在于，还包括负电极(107)及正电极(108)，所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105)，所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
4.如权利要求3所述的LED，其特征在于，所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
5.如权利要求1所述的LED，其特征在于，所述本征Ge层(103)的厚度为500～550nm。
6.如权利要求5所述的LED，其特征在于，所述本征Ge层(103)为脊型结构，脊型部分厚度为350nm，宽度为1μm。
7.如权利要求1所述的LED，其特征在于，所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
8.如权利要求1所述的LED，其特征在于，所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
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