CN104037275B - 具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗led器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件及其制备方法，包括硅衬底、埋层氧化物和横向P‑I‑N结构的锗膜，所述硅衬底为体硅材料衬底，所述埋层氧化物层为二氧化硅层，所述P‑I‑N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，所述P区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为350℃，退火时间为30分钟。本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够通过调整氮化硅膜的结构改变张应力大小以实现锗光源对不同波长光的需求，且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

具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件及其制备方法。
背景技术
目前，硅光电子技术的光互连技术被认为是解决极大规模集成电路持续发展所面临的互连瓶颈的理想方案。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，故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。锗材料是一种能够与集成电路工艺兼容的材料，锗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，而锗和锗硅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，锗同硅一样，也是间接带隙的半导体材料，然而锗材料能够通过引入张应变实现向直接带隙的转变，研究表明大于2％的张应变就能够使锗材料转变为完全直接带隙材料，然而此时的带隙对应发光波长已经达到几个微米的量级，偏离了1.55μm的通信窗口。当引入适量的张应变使带隙发生转变，而且将波长控制在通信波段时，带隙不足以实现完全直接带隙，此时需要采用N型重掺杂提高直接带隙的电子能带填充率，从而提高锗材料的发光特性。
锗的能带调制被认为是最有可能实现片上激光的技术。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，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。
目前制备发光的锗材料所采用的一般方法是CVD(化学气相淀积)生长的方法。在硅或者SOI(绝缘体上的硅)上热生长一层薄层的硅，然后再生长锗，利用两者的热膨胀系数差异，在冷却后自然产生张应变，这种方法能够在材料生长阶段就引入张应变，但是存在晶格失配，且应变大小不能任意调节等局限性。
目前制备应变锗LED的研究仍处于初级阶段，国内外均有所发表的应变锗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
本发明针对现有技术中采用各结构的应变锗LED器件目前具有光电转换效率低、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，提供了一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗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：
一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件，包括硅衬底、埋层氧化物和横向P-I-N结构的锗膜，所述硅衬底为体硅材料衬底，所述埋层氧化物层为二氧化硅层，所述P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，所述P区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为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结构锗膜内N区掺杂杂质为磷，所述N区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为750℃，退火时间为退火15秒。
上述一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件通过以下制备方法，包括如下步骤：
S1、通过清洗、光刻、显影和扩散等微电子工艺在绝缘体上锗材料中制备P-I-N结构，再利用氢氟酸去除绝缘体上锗的埋层氧化物，得到P-I-N结构的锗膜；
S2、取一硅衬底，在表面处做出氧化层，并在衬底中心处刻蚀出略小于锗膜的空洞；
S3、将步骤S1所得锗膜覆盖于空洞处，形成悬浮结构；
S4、在步骤S3悬浮结构上的锗膜上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、将步骤S4所得结构倒置，在背面镂空处再淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S6、在步骤S5所得结构的锗膜两侧，采用金属蒸发工艺制作电极，得到应变锗LED器件。
其中，所述S1步骤中采用氢氟酸溶液刻蚀氧化物。
其中，所述S2步骤中硅材料衬底采用氢氟酸刻蚀，空洞直径大小略小于P-I-N结构的锗膜。
其中，所述S4和S5步骤中的氮化硅薄膜为适用于应变锗器件的高应力薄膜，采用等离子体化学气相淀积法(PECVD)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为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为
其中，所述S6步骤中的电极采用金属蒸发工艺制作，所述电极的结构从下至上依次为钛、铝和金，所述工艺条件为，所述钛层厚度为20nm，生长速度为所述铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速度为所述金层厚度为20nm，生长速度为
本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够通过调整氮化硅膜的结构改变张应力大小以实现锗光源对不同波长光的需求，且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为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的结构示意图。
图2为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S1的加工示意图。
图3为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S2的加工示意图。
图4为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S3的加工示意图.
图5为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S4的加工示意图。
图6为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S5的加工示意图。
图7为本发明实施例具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法中步骤S6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1所示，本发明实施例提供一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件，包括硅衬底、埋层氧化物和横向P-I-N结构的锗膜，所述硅衬底为体硅材料衬底，所述埋层氧化物层为二氧化硅层，所述P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，所述P区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为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结构锗膜内N区掺杂杂质为磷，所述N区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为750℃，退火时间为退火15秒。
如图2-图7所示，本发明实施例还提供了一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过清洗、光刻、显影和扩散等微电子工艺在绝缘体上锗材料中制备P-I-N结构，再利用氢氟酸去除绝缘体上锗的埋层氧化物，得到P-I-N结构的锗膜；
S2、取一硅衬底，在表面处做出氧化层，并在衬底中心处刻蚀出略小于锗膜的空洞；
S3、将步骤S1所得锗膜覆盖于空洞处，形成悬浮结构；
S4、在步骤S3悬浮结构上的锗膜上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、将步骤S4所得结构倒置，在背面镂空处再淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S6、在步骤S5所得结构的锗膜两侧，采用金属蒸发工艺制作电极，得到应变锗LED器件。
所述S1步骤中采用氢氟酸溶液刻蚀氧化物。
所述S2步骤中硅材料衬底采用氢氟酸刻蚀，空洞直径大小略小于P-I-N结构的锗膜。
所述S4和S5步骤中的氮化硅薄膜为适用于应变锗器件的高应力薄膜，采用等离子体化学气相淀积法(PECVD)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为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为
所述S6步骤中的电极采用金属蒸发工艺制作，所述电极的结构从下至上依次为钛、铝和金，所述工艺条件为，所述钛层厚度为20nm，生长速度为所述铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速度为所述金层厚度为20nm，生长速度为
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 (5)

1.一种具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件，包括硅衬底、埋层氧化物和横向P-I-N结构的锗膜，所述硅衬底为体硅材料衬底，所述埋层氧化物层为二氧化硅层，所述P-I-N结构锗膜内P区掺杂杂质为硼，所述P区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为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结构锗膜内N区掺杂杂质为磷，所述N区通过热扩散形成，所述热扩散的烘烤温度为200℃，时间为20分钟，退火温度为750℃，退火时间为退火15秒；
所述具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、通过清洗、光刻、显影和扩散等微电子工艺在绝缘体上锗材料中制备P-I-N结构，再利用氢氟酸去除绝缘体上锗的埋层氧化物，得到P-I-N结构的锗膜；
S2、取一硅衬底，在表面处做出氧化层，并在衬底中心处刻蚀出略小于锗膜的空洞；
S3、将步骤S1所得锗膜覆盖于空洞处，形成悬浮结构；
S4、在步骤S3悬浮结构上的锗膜上方淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S5、将步骤S4所得结构倒置，在背面镂空处再淀积氮化硅薄膜，使其产生张应变；
S6、在步骤S5所得结构的锗膜两侧，采用金属蒸发工艺制作电极，得到应变锗LED器件。
2.根据权利要求1所述的具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中采用氢氟酸溶液刻蚀氧化物。
3.根据权利要求1所述的具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中硅材料衬底采用氢氟酸刻蚀，空洞直径大小略小于P-I-N结构的锗膜。
4.根据权利要求1所述的具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，所述S4和S5步骤中的氮化硅薄膜为适用于应变锗器件的高应力薄膜，采用等离子体化学气相淀积法生长，其工艺条件为：温度为370℃，反应腔压强为1500mτ，功率为10W，SiH4/NH3为0.75，淀积时间为4Min，生长厚度为
5.根据权利要求1所述的具有悬浮结构的氮化硅膜致应变的锗LED器件的制备方法，其特征在于，所述S6步骤中的电极采用金属蒸发工艺制作，所述电极的结构从下至上依次为钛、铝和金，所述工艺条件为，所述钛层厚度为20nm，生长速度为所述铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速度为所述金层厚度为20nm，生长速度为
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