CN107256910A - 纵向PiN Ge发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纵向PiN Ge发光二极管10。该发光二极管10包括：P型Si衬底11以及依次层叠于所述P型Si衬底11上的本征Ge层12及N型Si层13。本发明具有Ge外延层位错密度低的优点，且利用其作为Si衬底上Ge LED有源区，能够很好地提高器件发光效率。
Description
技术领域
本发明属半导体照明技术领域，特别涉及一种纵向PiN Ge发光二极管。
背景技术
红外发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)是一种将电能转换为光能的近红外发光器件，它具有体积小、功耗低、指向性好等一系列优点，泛用于遥控、遥测、光隔离、光开关、光电控制、目标跟踪等系统。
随着特殊细分应用，如安防、医疗、汽车等领域的出现，LED已经不单单满足于通用照明市场的份额，部分LED芯片厂商开始针对红外等领域市场布局，并持续推陈出新。随着越来越多企业参与进来，产品线越来越丰富，红外照明技术依旧面临诸多亟需突破的瓶颈，波长宽度、产品功耗以及稳定性，尤其是电光转换效率需进一步精进。因此，采用何种LED结构来提高红外LED的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，本发明提供了一种纵向PiN Ge发光二极管。
本发明的实施例提供了一种纵向PiN Ge发光二极管，包括：P型Si衬底11以及依次层叠于所述P型Si衬底11上的本征Ge层12及N型Si层13。
在本发明的一个实施例中，所述发光二极管10还包括正电极14和负电极15，所述正电极14连接所述P型Si衬底11，所述负电极15连接所述N型Si层13。
在本发明的一个实施例中，所述负电极15和所述正电极14为铝材料。
在本发明的一个实施例中，所述本征Ge层12依次包括Ge籽晶层121、晶化Ge层122以及Ge外延层123。
在本发明的一个实施例中，所述晶化Ge122层是位于所述Ge籽晶层121上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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150～250nm。
本发明的另一个实施例提供了一种纵向PiN Ge发光二极管20，包括：
N型Si衬底21；
本征Ge层22，层叠于所述N型Si衬底21上；
P型Si层23，层叠于所述本征Ge层22上；
正电极24，制备于所述P型Si层23上
负电极25，制备于所述N型Si衬底21上。
在本发明的一个实施例中，所述本征Ge层22依次包括Ge籽晶层、晶化Ge层以及Ge外延层。
在本发明的一个实施例中，所述晶化Ge层是位于所述Ge籽晶层上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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。
在本发明的一个实施例中，所述N型Si衬底21的掺杂浓度为1×1020cm-3，所述P型Si层23的掺杂浓度为5×1018cm-3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用的激光再晶化工艺形成的器件结构，具有Ge外延层位错密度低的优点，且利用其作为Si衬底上Ge LED有源区，能够很好地提高器件发光效率。
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纵向PiN Ge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本征Ge层的层结构示意图；
图3a-图3j为本发明实施例的一种纵向PIN Ge LED的制备工艺示意图；
图4为本发明实施例提供的一种LRC工艺方法示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种纵向PiN Ge发光二极管的结构示意图。
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纵向PiN Ge发光二极管的结构示意图。该纵向PiN Ge发光二极管10可以包括：P型Si衬底11以及依次层叠于所述P型Si衬底11上的本征Ge层12及N型Si层13。
其中，所述发光二极管10还包括正电极14和负电极15，所述正电极14连接所述P型Si衬底11，所述负电极15连接所述N型Si层13。
进一步地，所述负电极15和所述正电极14为铝材料。
可选地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种本征Ge层的层结构示意图。所述本征Ge层12可以依次包括Ge籽晶层121、晶化Ge层122以及Ge外延层123。
进一步地，所述晶化Ge122层是位于所述Ge籽晶层121上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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，所述Ge籽晶层厚度为40～50nm；所述Ge主体层厚度为150～250nm。
本发明实施例，通过LRC技术具有制备低位错密度Ge外延层的优势，形成的器件结构具有Ge外延层位错密度低的优点，且利用其作为Si衬底上Ge LED有源区，很好地提高器件发光效率。
实施例二
请参照图3a-图3j，图3a-图3j为本发明实施例的一种纵向PIN Ge LED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P型单晶硅(Si)衬底片001，如图3a所示。
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在Si衬底表面生长40～50nm的Ge籽晶层002，如图3b所示。
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在Ge籽晶层表面生长150～250nm的Ge主体层003，如图3c所示。
S104、利用CVD工艺在Ge主体层表面生长100～150nm SiO2氧化层004，如图3d所示。
S105、将包括单晶Si衬底、Ge籽晶层、Ge主体层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，连续利用激光再晶华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，然后高温退火，与此同时引入张应力。
具体地，请参见图4，图4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。
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层004，刻蚀氧化层形成Ge虚衬底005，如图3e所示。
S107、利用减压CVD生长1μm厚的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Ge层合为i-Ge层006)生长温度为330℃,如图3f所示。由于此外延层是在Ge虚衬底表面生长的，所以Ge的质量较好，晶格失配率较低。
S108、淀积90～110nm厚的N型多晶Si 007，掺杂浓度为1×1020cm-3，如图3g所示。
S109、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，使P型Si层露出做金属接触，如图3h所示。
S110、利用PECVD工艺，淀积150～200nm厚的钝化层008，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3i所示。
S111、利用电子束蒸发淀积150～200nm厚的Al层009。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Al，利用CMP技术进行平坦化处理，如图3j所示。
本实施例，基于LRC工艺条件下Si衬底与Ge外延层界面特性好的优势，利用p-Si/i-Ge/n++-Si结构LED，器件结构简单，工艺成本低。
实施例三
请参照图5，图5为本发明实施例提供的另一种纵向PiN Ge发光二极管的结构示意图。该纵向PiN Ge发光二极管20，包括：N型Si衬底21；本征Ge层22，层叠于所述N型Si衬底21上；P型Si层23，层叠于所述本征Ge层22上；正电极24，制备于所述P型Si层23上；负电极25，制备于所述N型Si衬底21上。
可选地，所述本征Ge层22依次包括Ge籽晶层、晶化Ge层以及Ge外延层。
另外，所述晶化Ge层是位于所述Ge籽晶层上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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。
可选地，所述N型Si衬底21的掺杂浓度为1×1020cm-3，所述P型Si层23的掺杂浓度为5×1018cm-3。
另外，该发光二极管20还包括钝化层26，该钝化层26可以为SiO2材料，其厚度为150～200nm。
可选地，所述正电极24和所述负电极25为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种纵向PiN Ge发光二极管(10)，其特征在于，包括：P型Si衬底(11)以及依次层叠于所述P型Si衬底(11)上的本征Ge层(12)及N型Si层(13)。
2.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，还包括正电极(14)和负电极(15)，所述正电极(14)连接所述P型Si衬底(11)，所述负电极(15)连接所述N型Si层(13)。
3.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述负电极(15)和所述正电极(14)为铝材料。
4.根据权利要求1所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述本征Ge层(12)依次包括Ge籽晶层(121)、晶化Ge层(122)以及Ge外延层(123)。
5.根据权利要求3所述的发光二极管(10)，其特征在于，所述晶化Ge(122)层是位于所述Ge籽晶层(121)上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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。
6.根据权利要求4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150～250nm。
7.一种纵向PiN Ge发光二极管(20)，其特征在于，包括：
N型Si衬底(21)；
本征Ge层(22)，层叠于所述N型Si衬底(21)上；
P型Si层(23)，层叠于所述本征Ge层(22)上；
正电极(24)，制备于所述P型Si层(23)上
负电极(25)，制备于所述N型Si衬底(21)上。
8.根据权利要求7所述的发光二极管(20)，其特征在于，所述本征Ge层(22)依次包括Ge籽晶层、晶化Ge层以及Ge外延层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管(20)，其特征在于，所述晶化Ge2层是位于所述Ge籽晶层2上的Ge主体层经过激光再晶化工艺形成的；其中，所述激光再晶化工艺的参数包括：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。
10.根据权利要求8所述的发光二极管(20)，其特征在于，所述N型Si衬底(21)的掺杂浓度为1×1020cm-3，所述P型Si层(23)的掺杂浓度为5×1018cm-3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
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Effective date of abandoning: 20191122 |