CN107316921B - 红外led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外LED及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；在Si衬底表面生长Ge外延层；在Ge外延层表面上淀积保护层；利用LRC工艺晶化Si衬底、Ge外延层、保护层；刻蚀保护层，形成晶化后的Ge层；对晶化后的Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层；在P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层；制作金属电极，最终形成红外LED。本发明采用激光再晶化(Laser Re‑Crystallization，简称LRC)工艺可有效降低Ge虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge虚衬底的质量。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种红外LED及其制备方法。
背景技术
半导体集成电路是电子工业的基础，人们对电子工业的巨大需求，促使了该领域的迅速发展。并一直遵循着Moore定律发展，随着特征尺寸逐渐减小，集成电路的电互连出现了传输延迟、带宽密度等一系列问题。因此光互连成为现代集成电路更好的选择，其中发光管将电信号转换为光信号是光电集成的关键器件之一。
目前，半导体光源主要使用III-V族半导体材料，但是其价格昂贵、导热性能和机械性能较差，以及与现有的成熟的Si工艺兼容性差等缺点，限制了其在Si基光电集成技术中的应用。而同为IV族元素的Ge材料因其与Si的可集成性及其独特的能带结构有望成为Si基光电集成回路中的光源。依据文献报道，利用Si衬底与Ge外延层之间的热失配，在Ge外延层中引入低强度张应变，同时结合n型重掺杂的能带工程手段，可使Si衬底上的Ge外延层材料由间接带隙转变为准直接带隙半导体材料，并基于该GeSi虚衬底材料制备了PiN结构的发光器件(LED)。
然而，由于Si衬底与Ge外延层之间的晶格失配较大(约4％)，采用常规两步法工艺制备的Ge外延层存在GeSi界面差、热预算高、工艺周期长、以及位错密度高等问题，制约了Ge红外LED发光器件性能的提升。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种红外LED及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种红外LED的制备方法，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长Ge外延层；
在所述Ge外延层表面上淀积保护层；
利用LRC(激光再晶化)工艺晶化所述Si衬底、所述Ge外延层、所述保护层；
刻蚀所述保护层，形成晶化后的Ge层；
对晶化后的所述Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层；
在所述P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层；
制作金属电极，最终形成所述红外LED。
在本发明的一个实施例中，在所述Si衬底表面生长Ge外延层，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD(化学气相淀积)工艺在所述Si衬底表面生长40～50nm厚度的Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长150～250nm厚度的Ge主体层。
在本发明的一个实施例中，在所述Ge外延层表面上淀积保护层，包括：
利用CVD工艺在所述Ge主体层表面淀积100～150nm厚度的SiO2层。
在本发明的一个实施例中，利用LRC工艺晶化所述Si衬底、所述Ge外延层、所述保护层，包括：
将所述Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层、所述SiO2层形成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，所述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；
对所述整个衬底材料退火。
在本发明的一个实施例中，晶化后的所述Ge层包括晶化后的所述Ge籽晶层和晶化后的所述Ge主体层。
在本发明的一个实施例中，对晶化后的所述Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层，包括：
利用离子注入工艺对晶化后的所述Ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3；
对掺杂后的所述Ge层进行退火。
在本发明的一个实施例中，在所述P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层，包括：
在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述P型晶化Ge层表面生长280-320nm厚度的所述Ge层；
在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Ge层；
在300℃温度下，利用CVD工艺在所述N型Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Si层。
在本发明的一个实施例中，制作金属电极，包括：
利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域；
利用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)工艺在所述P型晶化Ge层和所述N型Si层表面生长钝化层；
利用刻蚀工艺刻蚀所钝化层形成接触孔；
利用电子束蒸发工艺在所述接触孔淀积Cr/Au合金形成所述金属电极。
在本发明的一个实施例中，利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域，包括：
在室温下，利用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，露出P型晶化Ge层形成金属接触区域。
本发明另一个实施例提出的一种红外LED，包括：Si衬底、P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层、N型Si层与金属电极；其中，所述红外LED由上述实施例提供的方法制备形成。
上述实施例，本发明采用激光再晶化(Laser Re-Crystallization，简称LRC)工艺，即一种热致相变结晶的方法，通过连续激光热处理，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，还可以克服常规两步法工艺存在的问题。
因此，本发明拟通过激光再晶化技术获得低位错密度的GeSi虚衬底，解决常规工艺GeSi虚衬底质量差以及Ge红外LED发光效率低的问题。针对激光再晶化GeSi虚衬底结构，设计相应的Ge LED PiN几何结构参数和材料物理参数，并提出基于激光再晶化GeSi虚衬底的高性能红外LED实现方法。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
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红外LED的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种激光辅助再晶化工艺的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种红外LED结构示意图；
图4a-图4l为本发明实施例提供的一种红外LED的工艺示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种红外LED的制备方法的流程图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底表面生长Ge外延层；
步骤c、在所述Ge外延层表面上淀积保护层；
步骤d、利用LRC工艺晶化所述Si衬底、所述Ge外延层、所述保护层；
步骤e、刻蚀所述保护层，形成晶化后的Ge层；
步骤f、对晶化后的所述Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层；
步骤g、在所述P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层；
步骤h、制作金属电极，最终形成所述红外LED。
其中，步骤b可以包括：
步骤b1、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长40～50nm厚度的Ge籽晶层；
步骤b2、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长150～250nm厚度的Ge主体层。
其中，步骤c可以包括：
利用CVD工艺在所述Ge主体层表面淀积100～150nm厚度的SiO2层。
其中，步骤d可以包括：
步骤d1、将所述Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层、所述SiO2层形成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，所述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；
步骤d2、对所述整个衬底材料退火。
其中，步骤e中晶化后的所述Ge层包括晶化后的所述Ge籽晶层和晶化后的所述Ge主体层。
其中，步骤f可以包括：
步骤f1、利用离子注入工艺对晶化后的所述Ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3；
步骤f2、对掺杂后的所述Ge层进行退火。
其中，步骤g可以包括：
步骤g1、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述P型晶化Ge层表面生长280-320nm厚度的所述Ge层；
步骤g2、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Ge层；
步骤g3、在300℃温度下，利用CVD工艺在所述N型Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Si层。
其中，步骤h可以包括：
步骤h1、利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域；
步骤h2、利用PECVD工艺在所述P型晶化Ge层和所述N型Si层表面生长钝化层；
步骤h3、利用刻蚀工艺刻蚀所钝化层形成接触孔；
步骤h4、利用电子束蒸发工艺在所述接触孔淀积Cr/Au合金形成所述金属电极。
进一步地，步骤h中，利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域，可以包括：
在室温下，利用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，露出P型晶化Ge层形成金属接触区域。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光辅助再晶化工艺的示意图。先用CVD工艺形成Ge外延层，再用连续激光辅助晶化Ge外延层，可有效降低Ge虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge虚衬底的质量。
本发明的有益效果具体为：
1、本发明采用的激光再晶化工艺，具有Ge外延层晶体质量高，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；
2、本发明通过连续激光辅助晶化Ge外延层，可有效降低GeSi界面的位错密度和表面粗糙度，可显著提高后续器件的质量，进而可显著提高LED发光器件的性能。
另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本发明激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。
实施例二
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种红外LED结构示意图。该结构包括：
Si衬底01、P型晶化Ge层02、Ge层03、N型Ge层04、N型Si层05与金属电极06；其中，所述红外LED由上述实施例制备形成。
实施例三
请参见图4a-图4l为本发明实施例提供的一种红外LED的工艺示意图。在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S101、选取单晶Si衬底001，如图4a所示；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在单晶Si衬底上生长40～50nm的Ge籽晶层002，如图4b所示；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的Ge主体层003，如图4c所示；
S104、利用CVD工艺在Ge主体层表面上淀积100～150nm厚度的SiO2层004，如图4d所示；
S105、将包括单晶Si衬底001、Ge籽晶层002、Ge主体层003及SiO2层004的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光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，然后退火，与此同时引入张应力；
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀SiO2层004，得到所述激光晶化后的Ge层005，晶化后的Ge层005包括晶化后Ge籽晶层002和晶化后Ge主体层003，如图4e所示；
S107、利用离子注入工艺对晶化后Ge层005进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3，形成P型晶化Ge层006，之后进行退火，如图4f所示；
S109、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在P型晶化Ge层006上生长280-320nm厚的Ge层007，如图4g所示；
S110、在300-400℃温度下，利用CVD工艺在Ge层007上生长80-120nm厚的N型Ge层008，掺杂浓度为1×1020cm-3。如图4h所示；
S110、在300℃温度下，利用CVD工艺在N型Ge层008上生长80-120nm厚的N型Si层009，掺杂浓度为1×1020cm-3，如图4i所示；
S111、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500nm，使P型晶化Ge层006露出做金属接触，如图4j所示；
S112、采用PECVD(等离子体增强化学气象淀积)工艺，淀积150～200nm厚的SiO2钝化层010，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4k所示；
S113、利用电子束蒸发淀积150～200nm厚的Cr/Au层011。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr/Au，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理，如图4l所示。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明实施例提供的一种红外LED及其制备方法的原理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，综上所述，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 (10)
1.一种红外LED的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长Ge外延层；所述Ge外延层包括Ge籽晶层和所述Ge籽晶层上的Ge主体层；
在所述Ge外延层表面上淀积SiO2保护层；
利用LRC工艺晶化所述Si衬底、所述Ge外延层、所述保护层；
刻蚀所述保护层，形成晶化后的Ge层；
对晶化后的所述Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层；
在所述P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层；
制作金属电极，最终形成所述红外LED。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述Si衬底表面生长Ge外延层，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长40～50nm厚度的Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长150～250nm厚度的Ge主体层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述Ge外延层表面上淀积保护层，包括：
利用CVD工艺在所述Ge主体层表面淀积100～150nm厚度的SiO2层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用LRC工艺晶化所述Si衬底、所述Ge外延层、所述保护层，包括：
将所述Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层、所述SiO2层形成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，所述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；
对所述整个衬底材料退火。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，晶化后的所述Ge层包括晶化后的所述Ge籽晶层和晶化后的所述Ge主体层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对晶化后的所述Ge层进行掺杂形成P型晶化Ge层，包括：
利用离子注入工艺对晶化后的所述Ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3；
对掺杂后的所述Ge层进行退火。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述P型晶化Ge层表面连续生长Ge层、N型Ge层和N型Si层，包括：
在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述P型晶化Ge层表面生长280-320nm厚度的所述Ge层；
在300-400℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Ge层；
在300℃温度下，利用CVD工艺在所述N型Ge层表面生长80-120nm厚度、1×1020cm-3掺杂浓度的所述N型Si层。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制作金属电极，包括：
利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域；
利用PECVD工艺在所述P型晶化Ge层和所述N型Si层表面生长钝化层；
利用刻蚀工艺刻蚀所钝化层形成接触孔；
利用电子束蒸发工艺在所述接触孔淀积Cr/Au合金形成所述金属电极。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用刻蚀工艺刻蚀所述P型晶化Ge层形成金属接触区域，包括：
在室温下，利用HCl:H2O2:H2O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，露出P型晶化Ge层形成金属接触区域。
10.一种红外LED，其特征在于，包括：Si衬底、P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层、N型Si层与金属电极；其中，所述红外LED由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成。
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