CN107331747B - 脊状型led - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脊状型LED,包括:SOI衬底(101)、改性Ge层(1025)及SiO2钝化层(106),所述改性Ge层(1025)及所述SiO2钝化层(106)依次层叠于所述SOI衬底(101)之上;本发明提供的改性Ge脊状波导型LED因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区,使得器件发光效率提升。

Description

脊状型LED
技术领域
本发明属半导体器件制备技术领域,特别涉及一种脊状型LED。
背景技术
随着集成电路的不断发展,金属互连信号延迟与功耗的问题愈发突出,高速光互联技术是解决该问题的有效技术手段。实现高速光互联技术,需要解决诸多科学问题。其中,波导型发光器件(LED)集成发光器件与波导,是Si基单片光电集成中的一个重要研究内容。
Ge半导体为间接带隙半导体,通过改性技术(如应力、合金化等),其可转变为准直接带隙或者直接带隙半导体,应用于Si基波导型LED发光效率高,且与Si工艺兼容,是当前领域内研究、应用的重点。
从目前该器件工艺实现的情况来看,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,进而实现准直接带隙Ge。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,制约了器件性能的提升。
发明内容
为了提高现有发光器件的性能,本发明利用激光再晶化工艺,在SOI衬底上制备位错密度低、高质量直接带隙Ge外延层,形成了一种改性Ge脊状波导型LED。
本发明提供一种脊状型LED,包括:SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)及钝化层(104),所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上。
在本发明提供的一个实施例中,还包括N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106),所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
在本发明提供的一个实施例中,所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
在本发明提供的一个实施例中,还包括负电极(107)及正电极(108),所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105),所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
在本发明提供的一个实施例中,所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
在本发明提供的一个实施例中,所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层之后,通过对所述Ge外延层进行LRC工艺晶化并经过热退火工艺处理后形成的,其中,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。
在本发明提供的一个实施例中,所述本征Ge层(103)的厚度为500~550nm。
在本发明提供的一个实施例中,所述本征Ge层(103)为脊型结构,脊型部分厚度为350nm,宽度为1μm。其中,脊型部分厚度为N型Ge区域与本征Ge层的高度差。
在本发明提供的一个实施例中,所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3
在本发明提供的一个实施例中,所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3
与现有技术相比,本发明提供的改性Ge脊状波导型LED具有以下有益效果:
1)本发明提供的改性Ge脊状波导型LED,因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区,使得器件发光效率提升。
2)本发明LED结构为脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN,有利于后续单片光电集成的实现。
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了一种改性Ge脊状波导型LED结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法流程图;
图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图;
图4a-图4m为本发明实施例的另外一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法工艺流程示意图。
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
图1为本发明实施例提供了一种改性Ge脊状波导型LED结构示意图,该脊状型LED包括:SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)及钝化层(104),所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上。
进一步地,在上述实施例的基础上,该脊状型LED还包括N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106),所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
进一步地,在上述实施例的基础上,还包括负电极(107)及正电极(108),所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105),所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层之后,通过对所述Ge外延层进行LRC工艺晶化并经过热退火工艺处理后形成的,其中,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。其中,LRC工艺指激光再晶化工艺。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述本征Ge层(103)的厚度为500~550nm。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述本征Ge层(103)为脊型结构,脊型部分厚度为350nm,宽度为1μm。其中,脊型部分厚度为为N型Ge区域与本征Ge层的高度差。
进一步地,在上述实施例的基础上,所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3
进一步地,在上述实施例的基础上,所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3
与现有技术相比,本发明提供的改性Ge脊状波导型LED具有以下有益效果:
1)本发明提供的改性Ge脊状波导型LED,因其具有改性Ge脊状波导型LED有源区,使得器件发光效率提升。
2)本发明LED结构为脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN,有利于后续单片光电集成的实现。
实施例二
请参见图2,图2为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法流程图,LRC工艺指激光再晶化工艺。该制备方法流程包括:
(a)选取SOI衬底;
(b)利用CVD工艺在SOI衬底表面生长Ge外延层;
(c)利用CVD工艺在Ge外延层表面生长氧化层;
(d)利用LRC工艺晶化Ge外延层形成改性Ge外延层;
(e)利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层;
(f)利用CVD工艺在改性Ge外延层表面生长本征Ge层;
(g)选择性刻蚀本征Ge层形成脊型结构;
(h)在脊型结构的两侧分别注入P离子和B离子形成N型Ge区域和P型Ge区域;
(i)制备金属接触电极以完成改性Ge脊状波导型LED的制备。
优选地,步骤(b)可以包括:
(b1)在275℃~325℃温度下,利用CVD工艺在SOI衬底表面生长厚度为40~50nm的Ge籽晶层;
(b2)在500℃~600℃温度下,利用CVD工艺在Ge籽晶层表面生长厚度为120~150nm的Ge主体层以形成Ge外延层。
优选地,步骤(d)可以包括:
(d1)将包括SOI衬底、Ge外延层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃;
(d2)利用LRC工艺晶化Ge外延层;其中,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;
请参见图3,图3为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图。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。
(d3)冷却整个衬底材料形成改性Ge外延层。
优选地,步骤(f)可以包括:在500℃~600℃温度下,利用CVD工艺在改性Ge外延层表面生长厚度为500~550nm的本征Ge层。
优选地,步骤(g)中,脊型部分厚度为350nm,宽度为1μm。
优选地,步骤(h)可以包括:
(h1)在本征Ge层表面淀积第一保护层,选择性刻蚀第一保护层形成N型离子注入窗口;
(h2)对N型离子注入窗口进行P离子注入,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的N型Ge区域,高温退火,刻蚀掉第一保护层;
(h3)在本征Ge层表面淀积第二保护层,选择性刻蚀第二保护层形成P型离子注入窗口;
(h4)对P型离子注入窗口进行B离子掺杂,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的P型Ge区域,高温退火,刻蚀掉第二保护层。
优选地,步骤(i)可以包括:
(i1)在N型Ge区域、P型Ge区域和本征Ge层表面淀积厚度为150~200nm的钝化层,用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的钝化层形成金属接触孔;
(i2)利用电子束蒸发工艺在钝化层和金属接触孔上淀积厚度为150~200nm的Cr金属层;
(i3)利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的Cr金属层,利用化学机械抛光进行平坦化处理。
本发明提出采用LRC工艺,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,获得低位错密度的Ge外延层,以提高器件性能。同时,本发明拟采用脊状p+-Ge/低强度张应变Ge/n+-Ge的横向结构PiN,利于后续单片光电集成的实现。
实施例三
请参照图4a-图4m,图4a-图4m为本发明实施例的另外一种基于LRC工艺的改性Ge脊状波导型LED的制备方法工艺流程示意图,该制备方法包括如下步骤:
S101、衬底选取。如图4a所示,选取SOI衬底片001为初始材料;
S102、Ge外延层生长。
S1021、Ge籽晶层外延生长。如图4b所示,在275℃~325℃温度下,利用CVD工艺外延生长厚度为40~50nm的Ge籽晶层002;
S1022、Ge主体层生长。如图4c所示,在500℃~600℃温度下,利用CVD工艺在在Ge籽晶层表面生长厚度为120~150nm的Ge主体层003;
S103、氧化层的制备。如图4d所示,利用CVD工艺在Ge主体层表面上淀积厚度为150nm SiO2氧化层004;
S104、Ge外延层的晶化及氧化层刻蚀;如图4e,将包括SOI衬底、Ge外延层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃,采用LRC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,冷却整个衬底材料。该方法降低了Ge材料的位错密度和表面粗糙度,提高了晶体质量。然后利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层004,得到激光晶化后的改性Ge外延层005;
S105、如图4f所示,在330℃温度下,利用减压CVD生长厚度为500~550nm的本征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本征Ge层合为i-Ge层006)。由于此本征Ge层是在晶化后的Ge外延层上生长的,所以Ge的质量较好,晶格失配率较低。
S106、如图4g所示,选择性刻蚀i-Ge层,形成厚度为350nm,宽度为1μm的脊型结构;
S107、Ge区域N型离子注入。
S1071、如图4h所示,在i-Ge层表面淀积厚度为200nm的SiO2保护层,选择性刻蚀SiO2保护层得到SiO2保护层007;
S1072、如图4i所示,对i-Ge层进行P离子注入,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的N型Ge区域008,高温退火,刻蚀掉SiO2保护层007;
S108、Ge区域P型离子注入。
S1081、如图4j所示,在i-Ge层和N型Ge区域表面淀积厚度为200nm的SiO2保护层,选择性刻蚀SiO2保护层得到SiO2保护层009,
S1082、如图4k所示,对i-Ge层进行B离子注入,形成掺杂浓度为1×1019cm-3的P型Ge区域010,高温退火,刻蚀掉SiO2保护层009;
S009、金属接触孔制备。如图4l所示,在i-Ge层、N型Ge区域和P型Ge区域表面淀积厚度为150~200nm的SiO2钝化层011,隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔,用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域SiO2钝化层形成金属接触孔。
S010、金属互连制备。如图4m所示,利用电子束蒸发工艺在SiO2钝化层和金属接触孔淀积厚度为150~200nm的金属Cr层012。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr,采用化学机械抛光工艺(CMP)进行平坦化处理。
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 (8)

1.一种脊状型LED,其特征在于,包括:SOI衬底(101)、改性Ge层(102)、本征Ge层(103)、钝化层(104)、N型Ge区域(105)和P型Ge区域(106),所述改性Ge层(102)、所述本征Ge层(103)及所述钝化层(104)依次层叠于所述SOI衬底(101)上;所述改性Ge层(102)是在所述SOI衬底(101)生长Ge外延层、氧化层之后,通过对整个衬底材料进行LRC工艺晶化处理,并刻蚀氧化层后形成的,其中,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,所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)分布在所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)的两侧。
2.如权利要求1所述的LED,其特征在于,所述N型Ge区域(105)及所述P型Ge区域(106)是通过对所述改性Ge层(102)和所述本征Ge层(103)进行离子注入形成的。
3.如权利要求2所述的LED,其特征在于,还包括负电极(107)及正电极(108),所述负电极(107)连接所述N型Ge区域(105),所述正电极(108)连接所述P型Ge区域(106)。
4.如权利要求3所述的LED,其特征在于,所述负电极(107)及所述正电极(108)的材料均为Cr-Au合金。
5.如权利要求1所述的LED,其特征在于,所述本征Ge层(103)的厚度为500~550nm。
6.如权利要求5所述的LED,其特征在于,所述本征Ge层(103)为脊型结构,脊型部分厚度为350nm,宽度为1μm。
7.如权利要求1所述的LED,其特征在于,所述P型Ge区域(106)的掺杂浓度为1×1019cm-3
8.如权利要求1所述的LED,其特征在于,所述N型Ge区域(105)的掺杂浓度为1×1019cm-3
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