CN107248542B - 基于横向结构的led - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于横向结构的LED(10),包括:SOI衬底(11);N型Si区域(12)与P型Si区域(13),设置于所述SOI衬底(11)上部并位于所述SOI衬底(11)的两侧位置处;N型晶化Ge层(14),设置于所述SOI衬底(11)表面并位于所述N型Si区域(12)与所述P型Si区域(13)的中间位置处;负电极(15),设置于所述N型Si区域(12)的表面;正电极(16),设置于所述P型Si区域(13)的表面。本发明纵向结构的LED,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LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明属半导体器件技术领域,特别涉及一种基于横向结构的LED。
背景技术
近年来,为克服大规模集成电路中金属互连信号延迟与功耗的问题, Si光电子技术作为高速光互联中的核心技术,已成为领域内研究发展的热点和重点。高质量的Si基片上光源器件,是实现Si基单片光电集成的一个重要环节。其中,基于低强度张应变结合n型重掺杂改性技术的Ge发光器件,即准直接带隙改性Ge发光器件,其工艺结构与现有Si工艺兼容。
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。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,且Si衬底与Ge外延层之间的界面特性差,进而影响器件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于横向结构的LED。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种基于横向结构的LED,其中,包括:
SOI衬底(11);
N型Si区域(12)与P型Si区域(13),设置于所述SOI衬底(11)上部并位于所述SOI衬底(11)的两侧位置处;
N型晶化Ge层(14),设置于所述SOI衬底(11)表面并位于所述N型 Si区域(12)与所述P型Si区域(13)的中间位置处;
负电极(15),设置于所述N型Si区域(12)的表面;
正电极(16),设置于所述P型Si区域(13)的表面。
在本发明的一个实施例中,所述N型Si区域(12)的掺杂浓度为 1×1019cm-3。
在本发明的一个实施例中,所述P型Si区域(13)的掺杂浓度为 1×1019cm-3。
在本发明的一个实施例中,所述N型晶化Ge层(14)由Ge籽晶层和 Ge主体层经过晶化处理后形成。
在本发明的一个实施例中,所述Ge籽晶层的厚度为40~50nm。
在本发明的一个实施例中,所述Ge主体层的厚度为150~250nm。
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SOI衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃;
利用激光再晶化工艺(Laserre-crystallization,简称LRC)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LED还包括钝化层,所述钝化层设置于所述SOI衬底及所述N型晶化Ge层台阶结构的上表面,厚度为 150~200nm,用于隔离所述负电极及所述正电极。
在本发明的一个实施例中,所述负电极(15)为Cr-Au合金,厚度为 150~200nm。
在本发明的一个实施例中,所述正电极(16)为Cr-Au合金,厚度为 150~200nm。
需要说明强调的是,激光再晶化工艺(Laserre-crystallization,简称LRC) 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,本发明的有益效果在于:
1)本发明改性Ge发光器件结构拟采用p+-Si/准直接带隙改性Ge/n+-Si 的横向结构PiN,准直接带隙改性Ge区域不仅可以发光,也是波导区;
2)本发明利用激光再晶化工艺(LRC),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,获得低位错密度的Ge外延层;同时,由于LRC工艺可精确控制晶化区域,Si与Ge之间材料界面特性好,从而提高了器件性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于横向结构的LED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4a-图4m为本发明实施例的一种基于横向结构的LED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内容做进一步的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1,图1是请参见图1,图1为本发明实施例提供的一种基于横向结构的LED的结构示意图。该LED包括:
SOI衬底11;
N型Si区域12与P型Si区域13,设置于所述SOI衬底11上部并位于所述SOI衬底的两侧位置处;
N型晶化Ge层14,设置于所述SOI衬底表面并位于所述N型Si区域与所述P型Si区域的中间位置处;
负电极15,设置于所述N型Si区域12的表面;
正电极16,设置于所述P型Si区域13的表面。
优选地,所述N型Si区域12的掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选地,所述P型Si区域13的掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选地,所述N型晶化Ge层14由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成。
其中,所述Ge籽晶层的厚度为40~50nm;所述Ge主体层的厚度为 150~250nm。
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SOI衬底、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,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SOI衬底与Ge外延层之间的Si、Ge互扩问题,另一方面Si与Ge之间材料界面特性好。
优选地,所述负电极15为Cr-Au合金,厚度为150~200nm。
优选地,所述正电极16为Cr-Au合金,厚度为150~200nm。
优选地,还包括钝化层17,所述钝化层设置于所述SOI衬底及所述N 型晶化Ge层台阶结构的表面,用于隔离所述负电极及所述正电极。
其中,所述钝化层的厚度为150~200nm。
本发明纵向结构的LED,利用SOI衬底与Ge外延层界面特性好的优势,采用p+-Si/准直接带隙改性Ge/n+-Si的横向结构PiN,极大地提高LED 的发光效率。
实施例二
请参照图4,图4a-图4m为本发明实施例的一种基于横向结构的LED 的制备方法示意图,该制备方法包括如下步骤:
第1步、选取SOI衬底001,如图4a所示。
第2步、在275℃~325℃温度下,利用CVD工艺,在所述SOI衬底001表面指定区域生长40~50nm的Ge籽晶层002,如图4b所示。
第3步、在500℃~600℃温度下,利用CVD工艺,在所述Ge籽晶层002上生长150~250nm的Ge主体层003,如图4c所示。
第4步、利用CVD工艺,在所述Ge主体层003上生长SiO2氧化层004,如图4d所示。
第5步、将包括所述SOI衬底001、所述Ge籽晶层002、所述Ge主体层003及所述SiO2氧化层004的整个衬底材料加热至700℃,连续利用激光再晶化工艺,处理所述整个衬底材料,然后再利用干法刻蚀工艺,刻蚀所述SiO2氧化层004得到晶化Ge层005,如图4e所示,其中,激光波长为808nm,激光光斑尺寸为100μm×100μm,激光功率为1.5kW/cm2,曝光时间为40ms。
第6步、在所述外延层及所述SOI衬底未生长所述外延层的区域上生长200nm的第一SiO2保护层006,然后利用刻蚀工艺,选择性刻蚀所述第一SiO2保护层006,形成第一待掺杂区域,如图4f所示。
第7步、在所述第一掺杂区域注入P离子,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的N型Si区域;将包括所述SOI衬底、所述外延层的整个材料进行退火处理,然后刻蚀掉所述第一SiO2保护层006,如图4g所示。
第8步、在所述外延层及所述SOI衬底未生长所述外延层的区域上生长200nm的第二SiO2保护层008,然后利用刻蚀工艺,选择性刻蚀所述第二SiO2保护层006,形成第二待掺杂区域,如图4h所示。
第9步、在所述第二待掺杂区域注入B离子,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的P型Si区域;将包括所述SOI衬底、所述外延层的整个材料退火,然后刻蚀掉所述第二SiO2保护层008,如图4i所示。
第10步、在所述外延层及所述SOI衬底未生长所述外延层的区域上生长200nm的第三SiO2保护层010,然后利用刻蚀工艺,选择性刻蚀所述第三SiO2保护层010,形成第三待掺杂区域,如图4j所示。
第11步、在所述N型晶化Ge层掺杂区域注入P离子,形成掺杂浓度为1.4×1019cm-3的P型晶化Ge层011;将包括所述SOI衬底、所述外延层的整个材料进行退火处理,然后刻蚀掉所述第三SiO2保护层010,如图4k 所示。
第12步、在所述N型Si层、所述P型Si层及所述P型晶化Ge层上生长150~200nm的SiO2钝化层012,利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的所述SiO2钝化层形成金属接触孔,如图4l所示。
第13步、利用电子束蒸发淀积工艺在所述金属接触孔区域生长 150~200nm的Cr-Au合金电极,如图4m所示。
综上所述,本文中应用了具体个例对本发明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 (9)
1.一种基于横向结构的LED,其特征在于,包括:
SOI衬底(11);
N型Si区域(12)与P型Si区域(13),设置于所述SOI衬底(11)上部并位于所述SOI衬底(11)的两侧位置处;
N型晶化Ge层(14),设置于所述SOI衬底(11)表面并位于所述N型Si区域(12)与所述P型Si区域(13)的中间位置处,所述N型晶化Ge层(14)由Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成;
负电极(15),设置于所述N型Si区域(12)的表面;
正电极(16),设置于所述P型Si区域(13)的表面。
2.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述N型Si区域(12)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述P型Si区域(13)的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述Ge籽晶层的厚度为40~50nm。
5.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述Ge主体层的厚度为150~250nm。
6.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述晶化处理包括如下步骤:
将包括所述SOI衬底(11)、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃;
利用激光再晶化工艺晶化所述整个衬底材料;其中激光再晶化工艺的激光波长为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。
7.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述负电极(15)为Cr-Au合金,厚度为150~200nm。
8.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,所述正电极(16)为Cr-Au合金,厚度为150~200nm。
9.根据权利要求1所述的LED,其特征在于,还包括钝化层,所述钝化层设置于所述SOI衬底(11)及所述N型晶化Ge层(14)的表面,厚度为150~200nm。
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