CN107046086A - 发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管，包括：Si衬底；Ge、Si叠层材料形成的叠层结构，位于所述Si衬底表面的中心位置处；正电极，设位于所述叠层结构的上表面；负电极，设位于所述Si衬底的上表面并位于叠层结构两侧的位置处，以形成所述发光二极管。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；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。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种发光二极管。
背景技术
发光二极管简称为LED，具有长寿命、驱动电路简单与输出功率随温度变化不大等优点，被广泛用作中、短距离光通信系统的光源。近年来，与Si的CMOS工艺相兼容的Ge/Si异质结构发光器件取得很多重要的进展。随着高质量的Ge薄膜可以成功外延在Si衬底上，Ge薄膜在Si基发光领域取得了前所未有的进展。但是器件的发光效率仍然很低，离实用还有一定的距离。
因此，如何研制出一种高发光效率的Ge发光二极管变得至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种发光二极管，其中，包括：
Si衬底；
Ge、Si叠层材料形成的叠层结构，位于所述Si衬底表面的中心位置处；
正电极，设位于所述叠层结构的上表面；
负电极，设位于所述Si衬底的上表面并位于叠层结构两侧的位置处，以形成所述发光二极管。
在本发明的一个实施例中，所述Si衬底的材料为单晶Si。
在本发明的一个实施例中，所述叠层结构依次包括P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层、N型Si层，且所述P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层形成PiN结构。
在本发明的一个实施例中，所述P型晶化Ge层为经过激光再晶化工艺处理过的Ge层。
在本发明的一个实施例中，所述P型晶化Ge层包括晶化后Ge籽晶层和晶化后Ge主体层。
在本发明的一个实施例中，所述激光再晶化工艺的激光参数为：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P型晶化Ge层掺杂浓度为5×1018cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述N型Ge层掺杂浓度为1×1020cm-3。
在本发明的一个实施例中，还包括钝化层，所述钝化层设位于所述Si衬底及所述叠层结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。
在本发明的一个实施例中，所述正电极和所述负电极为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，由于激光再晶化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。
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
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激光再晶化工艺方法示意图；
图3a-图3l为本发明实施例的一种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；该发光二极管包括：
Si衬底01；
Ge、Si叠层材料形成的叠层结构，位于所述Si衬底表面的中心位置处；
正电极06，设位于所述叠层结构的上表面；
负电极07，设位于所述Si衬底01的上表面并位于叠层结构两侧的位置处，以形成所述发光二极管。
其中，所述Si衬底01的材料为单晶Si。
优选地，所述叠层结构依次包括P型晶化Ge层02、Ge层03、N型Ge层04、N型Si层05，且所述P型晶化Ge层02、Ge层03、N型Ge层03形成PiN结构。
其中，所述P型晶化Ge层02为经过激光再晶化工艺处理过的Ge层。
进一步地，所述P型晶化Ge层02包括晶化后Ge籽晶层和晶化后Ge主体层。
优选地，所述激光再晶化工艺的激光参数为：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P型晶化Ge层02掺杂浓度为5×1018cm-3。
可选地，所述N型Ge层03掺杂浓度为1×1020cm-3。
其中，还包括钝化层08，所述钝化层08设位于所述Si衬底01及所述叠层结构的上表面，用于隔离所述正电极06及所述负电极07。
其中，所述正电极06和所述负电极07为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。
本发明的发光二极管具有以下有益效果：
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。
实施例二
请参见图3a-图3l为本发明实施例的一种发光二极管的制备工艺示意图。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3a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3b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3c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3d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；
请进一步参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光再晶化工艺方法示意图，激光再晶化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，由于激光再晶化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3e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3f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3g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3h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3i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3j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3k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3l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发光二极管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)
1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
Si衬底；
Ge、Si叠层材料形成的叠层结构，位于所述Si衬底表面的中心位置处；
正电极，位于所述叠层结构的上表面；
负电极，位于所述Si衬底的上表面并位于叠层结构两侧的位置处，以形成所述发光二极管。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Si衬底的材料为单晶Si。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述叠层结构依次包括P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层、N型Si层，且所述P型晶化Ge层、Ge层、N型Ge层形成PiN结构。
4.根据根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述P型晶化Ge层为经过激光再晶化工艺处理过的Ge层。
5.根据根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述P型晶化Ge层包括晶化后Ge籽晶层和晶化后Ge主体层。
6.根据根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述激光再晶化工艺的激光参数为：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。
7.根据根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述P型晶化Ge层掺杂浓度为5×1018cm-3。
8.根据根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述N型Ge层掺杂浓度为1×1020cm-3。
9.根据根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层设位于所述Si衬底及所述叠层结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。
10.根据根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述正电极和所述负电极为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。
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