CN107068819B - 基于纵向结构的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于纵向结构的发光二极管(10)，包括：Si衬底(11)；Si、Ge叠层材料形成的PiN台阶结构(13)，设置于所述Si衬底(11)表面的中心位置处；正电极(15)，设置于所述PiN台阶结构(13)的上表面；负电极(17)，设置于所述Si衬底(11)的上表面并位于PiN台阶结构(13)两侧的位置处，以形成纵向结构的所述发光二极管(10)。本发明纵向结构的发光二极管，利用Si衬底与Ge外延层界面特性好的优势，利用N型Si/张应变Ge/P型Ge纵向结构，极大地提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种基于纵向结构的发光二极管。
背景技术
光通信技术是一种以光波为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。常用的光通信有：大气激光通信、光纤通信、蓝绿光通信、红外线通信、紫外线通信等。
对于红外通信，是利用红外线(波长300μm～0.76μm)传输信息的通信方式。可传输语言、文字、数据、图像等信息，适用于沿海岛屿间、近距离遥控、飞行器内部通信等。其通信容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好，设备结构简单，体积小、重量轻、价格低。
目前，发光效率是衡量红外LED的一个重要因素，采用何种LED结构来提高发光效率就变得极其重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于纵向结构的发光二极管10，其中，包括：
Si衬底11；
Si、Ge叠层材料形成的PiN台阶结构13，设置于所述Si衬底11表面的中心位置处；
正电极15，设置于所述PiN台阶结构13的上表面；
负电极17，设置于所述Si衬底11的上表面并位于PiN台阶结构13两侧的位置处，以形成纵向结构的所述发光二极管10。
在本发明的一个实施例中，所述Si衬底11为N型单晶Si材料。
在本发明的一个实施例中，所述PiN台阶结构13依次包括N型Si外延层、张应变Ge层、P型Ge层，且所述N型Si外延层、所述张应变Ge层及所述P型Ge层形成PiN结构。
在本发明的一个实施例中，所述N型Si外延层的厚度为120～200nm，且其掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述张应变Ge层包括晶化Ge层和Ge外延层。
在本发明的一个实施例中，所述晶化Ge层是由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成的。
在本发明的一个实施例中，所述晶化Ge层是由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成的。
在本发明的一个实施例中，所述Ge籽晶层厚度为40～50nm；所述Ge 主体层厚度为150～200nm。
在本发明的一个实施例中，所述晶化处理包括如下步骤：
将包括所述Si衬底11、所述N型Si外延层、所述Ge籽晶层、所述 Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；
利用LRC工艺晶化所述整个衬底材料；其中LRC工艺的激光波长为 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；
对所述整个衬底材料进行高温热退火处理以完成所述晶化处理。
在本发明的一个实施例中，所述Ge外延层为本征Ge材料，且其厚度为400～450nm。
在本发明的一个实施例中，所述P型Ge层的厚度为180～200nm，且其掺杂浓度为0.5×1019～1×1019cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述Si衬底及所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极15 及所述负电极17。
在本发明的一个实施例中，所述钝化层为SiO2材料，且其厚度为 150～200nm。
在本发明的一个实施例中，所述正电极15和所述负电极17为Cr或者 Au材料，且其厚度为150～200nm。
需要说明强调的是，激光再晶化(Laser re-crystallization,简称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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用n++-Si/张应变Ge/p+-Ge纵向结构，可解决现有常规工艺水平下Ge外延层N型掺杂浓度低导致的器件性能退化问题，且利用其作为 Si衬底上Ge LED有源区，使得发光二极管的发光效率明显提升；
2)本发明利用LRC工艺，使Si衬底与Ge外延层界面特性变优，具有 Ge外延层位错密度低的优点，从而进一步提高发光二极管的发光效率。
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的一种发光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺方法示意图。
图4为本发明实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图；
图5a-图5k为本发明实施例的一种基于纵向结构的发光二极管的制备工艺示意图。
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
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。该发光二极管10包括：
Si衬底11；
Si、Ge叠层材料形成的PiN台阶结构13，设置于所述Si衬底11表面的中心位置处；
正电极15，设置于所述PiN台阶结构13的上表面；
负电极17，设置于所述Si衬底11的上表面并位于PiN台阶结构13两侧的位置处，以形成纵向结构的所述发光二极管10。
其中，所述Si衬底11为N型单晶Si材料。
优选地，所述PiN台阶结构13依次包括N型Si外延层、张应变Ge 层、P型Ge层，且所述N型Si外延层、所述张应变Ge层及所述P型Ge 层形成PiN结构。
其中，所述N型Si外延层的厚度为120～200nm，且其掺杂浓度为 5×1019～1×1020cm-3。
其中，所述张应变Ge层包括晶化Ge层和Ge外延层。
进一步地，所述晶化Ge层是由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成的。
可选地，所述晶化Ge层是由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成的。
其中，所述Ge籽晶层厚度为40～50nm；所述Ge主体层厚度为 150～200nm。
优选地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图。所述晶化处理包括如下步骤：
步骤1、将包括所述Si衬底11、所述N型Si外延层、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；
步骤2、利用LRC工艺晶化所述整个衬底材料；其中LRC工艺的激光波长为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；
步骤3、对所述整个衬底材料进行高温热退火处理以完成所述晶化处理。
请进一步参见图3，图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺方法示意图，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。
可选地，所述Ge外延层为本征Ge材料，且其厚度为400～450nm。
可选地，所述P型Ge层的厚度为180～200nm，且其掺杂浓度为 0.5×1019～1×1019cm-3。
可选地，所述发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述Si衬底及所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极15及所述负电极17。
其中，所述钝化层为SiO2材料，且其厚度为150～200nm。
优选地，所述正电极15和所述负电极17为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。
本发明纵向结构的发光二极管，利用Si衬底与Ge外延层界面特性好的优势，利用N型Si/张应变Ge/P型Ge纵向结构，极大地提高发光二极管的发光效率。
实施例二
请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图。该发光二极管40包括n++-Si结构、张应变Ge结构、p+-Ge结构405、 SiO2钝化层406以及金属Cr/Au层407。
其中n++-Si结构包括：Si衬底401和Si外延层402；
其中张应变Ge结构包括：晶化后的Ge层403和Ge外延层404；
其中晶化后的Ge层在晶化前包括：Ge籽晶层和Ge主体层。
本发明实施例，利用LRC工艺具有解决现有工艺条件下Ge外延层质量低的问题。同时，由于LRC工艺可精确控制晶化区域，Si/Ge之间材料界面特性好，n+-Si衬底上n++-Si外延层作为器件n区，张应变Ge作为器件的i区，p+-Ge制作器件的p区，解决现有常规工艺水平下Ge外延层N型掺杂浓度低导致的器件性能退化问题。
实施例三
请参照图5a-图5k，图5a-图5k为本发明实施例的一种基于纵向结构的发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：
S101、选取掺杂浓度为5×1018cm-3的N型单晶硅(Si)衬底片001，如图5a所示；
S102、在300℃温度下，利用CVD工艺在Si衬底生长厚度为120～200nm 的N型Si外延层002，掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3，如图5b所示；
S103、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在Si外延层表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层003，如图5c所示；
S104、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在Ge籽晶层表面生长厚度为150～200nm的Ge主体层004，如图5d所示；
S105、利用CVD工艺在Ge主体层表面上淀积厚度为100～150nm SiO2氧化层005，如图5e所示；
S106、将包括单晶Si衬底、N型Si外延层、Ge籽晶层、Ge主体层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，利用激光再晶化技术晶化整个衬底材料，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，然后高温热退火，与此同时引入张应力；
S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层005，得到激光晶化后的Ge层006，如图5f所示；
S108、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在激光晶化后的Ge层上生长厚度为400～450nm的Ge外延层007，如图5g所示；其中，由于Ge 外延层是在晶化后的Ge层上生长的，所以Ge的质量较好，晶格失配率较低。
S109、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在Ge外延层表面生长厚度为180～200nm的P型Ge层结构008，掺杂浓度为0.5×1019～1×1019cm-3。如图5h所示；
S110、室温下，使用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以稳定速率 100nm/min进行台面刻蚀，刻蚀的深度控制在950nm，使Si衬底露出做金属接触，如图5i所示；
S111、利用等离子体增强化学气象淀积技术，淀积厚度为150～200nm 的SiO2钝化层009，隔离台面与外界电接触。用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2形成接触孔，如图5j所示；
S112、利用电子束蒸发淀积厚度为150～200nm的Cr/Au层010。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr/Au，利用化学机械抛光(CMP) 进行平坦化处理，如图5k所示。
综上，本文中应用了具体个例对本发明一种基于纵向结构的LED的结构及实施方式进行了阐述，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 (12)
1.一种基于纵向结构的发光二极管(10)，其特征在于，包括：
Si衬底(11)；
Si、Ge叠层材料形成的PiN台阶结构(13)，设置于所述Si衬底(11)表面的中心位置处，其中，所述PiN台阶结构(13)依次包括N型Si外延层、张应变Ge层、P型Ge层，且所述N型Si外延层、所述张应变Ge层及所述P型Ge层形成PiN结构；
正电极(15)，设置于所述PiN台阶结构(13)的上表面；
负电极(17)，设置于所述Si衬底(11)的上表面并位于PiN台阶结构(13)两侧的位置处，以形成纵向结构的所述发光二极管(10)。
2.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述Si衬底(11)为N型单晶Si材料。
3.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述N型Si外延层的厚度为120～200nm，且其掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述张应变Ge层包括晶化Ge层和Ge外延层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述晶化Ge层是由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成的。
6.根据权利要求5所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述Ge籽晶层厚度为40～50nm；所述Ge主体层厚度为150～200nm。
7.根据权利要求5所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述晶化处理包括如下步骤：
将包括所述Si衬底(11)、所述N型Si外延层、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；
利用LRC工艺晶化所述整个衬底材料；其中LRC工艺的激光波长为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；
对所述整个衬底材料进行高温热退火处理以完成所述晶化处理。
8.根据权利要求4所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述Ge外延层为本征Ge材料，且其厚度为400～450nm。
9.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述P型Ge层的厚度为180～200nm，且其掺杂浓度为0.5×1019～1×1019cm-3。
10.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层设置于所述Si衬底及所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极(15)及所述负电极(17)。
11.根据权利要求10所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述钝化层为SiO2材料，且其厚度为150～200nm。
12.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述正电极(15)和所述负电极(17)为Cr或者Au材料，且所述正电极(15)和所述负电极(17)的厚度均为150～200nm。
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