基于横向结构发光二极管的制作方法

本发明属半导体器件制备技术领域，特别涉及一种基于横向结构发光二极管。

背景技术：

近年来，随着光通信技术的发展，高速光纤通信系统对半导体发光二极管(light-emittingdiode,简称led)要求也越来越高，集成化的发展趋势要求半导体led与其他光电器件集成。如果能将它们集成在一个芯片上，信息传输速度，储存和处理能力将得到大大提高，这将使信息技术发展到一个全新的阶段。因此，对发光器件的研究，已成为当前领域内研究的热点和重点。

传统的纵向pin结构发光器件不适于波导兼容。若考虑光互联中发光器件与波导的集成，横向pin发光器件的i区不仅是器件的发光区域，也是光传输的波导区。因此，设计制造横向波导型led将是未来光电集成的重要方向之一。

然而，目前横向led由于制备工艺等限制，其发光效率仍然是一个限制led进一步发展的重要原因。因此如何提高发光效率就变得极其重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于横向结构发光二极管1，包括：

soi衬底11；

ge外延层12，设置于soi衬底11的上表面；

gesn层13，设置于ge外延层12的上表面的中间位置处；

n型ge区域14，由ge外延层12掺杂形成，位于gesn层13一侧；

p型ge区域15，由ge外延层12掺杂形成，位于gesn层13另一侧；

p型ge区域15、gesn层13和n型ge区域14形成脊形横向的pin结构：

正电极16，设置于p型ge区域15的上表面；

负电极17，设置于n型ge区域14的上表面，以形成基于横向结构发光二极管1。

在本发明的一个实施例中，ge外延层12包括ge籽晶层和ge主体层；将ge籽晶层和ge主体层经过晶化处理后形成ge外延层12。

在本发明的一个实施例中，晶化处理包括如下步骤：

将包括soi衬底11、ge籽晶层、ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；

采用激光再晶化(laserre-crystallization,简称lrc)工艺晶化整个衬底材料；其中lrc工艺激光波长为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；

对整个衬底材料进行高温热退火处理以完成晶化处理。

在本发明的一个实施例中，ge籽晶层厚度为40～50nm；ge主体层厚度为120～150nm。

在本发明的一个实施例中，gesn层13厚度为250～300nm。

在本发明的一个实施例中，n型ge区域掺杂源为p离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

在本发明的一个实施例中，p型ge区域掺杂源为b离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

在本发明的一个实施例中，还包括钝化层，钝化层设置于pin结构的上表面，用于隔离正电极16及负电极17。

在本发明的一个实施例中，钝化层为sio2材料，且其厚度为150～200nm。

在本发明的一个实施例中，正电极16和负电极17为cr或者au材料，且其厚度为150～200nm。

需要说明强调的是，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/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外延层位错密度低的优点，从而进一步提高发光二极管的发光效率。

2)本发明采用p⁺-ge/直接带隙gesn/n⁺-ge的横向波导型结构pin，不仅器件发光效率高，也有利于发光器件与波导的集成。

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基于横向结构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4为本发明实施例提供的另一种基于横向结构发光二极管的结构示意图；

图5a-图5l为本发明实施例的一种基于横向结构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基于横向结构发光二极管的结构示意图，包括：

soi衬底11；

ge外延层12，设置于soi衬底11的上表面；

gesn层13，设置于ge外延层12的上表面的中间位置处；

n型ge区域14，由ge外延层12掺杂形成，位于gesn层13一侧；

p型ge区域15，由ge外延层12掺杂形成，位于gesn层13另一侧；

p型ge区域15、gesn层13和n型ge区域14形成脊形横向的pin结构：

正电极16，设置于p型ge区域15的上表面；

负电极17，设置于n型ge区域14的上表面，以形成基于横向结构发光二极管1。

其中，ge外延层12包括ge籽晶层和ge主体层；将ge籽晶层和ge主体层经过晶化处理后形成ge外延层12。

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。晶化处理包括如下步骤：

步骤1、将包括soi衬底11、ge籽晶层、ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；

步骤2、采用激光再晶化(laserre-crystallization,简称lrc)工艺晶化整个衬底材料；其中lrc工艺激光波长为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、对整个衬底材料进行高温热退火处理以完成晶化处理。

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/ge之间材料界面特性好。

可选地，ge籽晶层厚度为40～50nm；ge主体层厚度为120～150nm。

可选地，gesn层13厚度为250～300nm。

可选地，n型ge区域掺杂源为p离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

可选地，p型ge区域掺杂源为b离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

优选地，还包括钝化层，钝化层设置于pin结构的上表面，用于隔离正电极16及负电极17。

其中，钝化层为sio2材料，且其厚度为150～200nm。

进一步地，正电极16和负电极17为cr或者au材料，且其厚度为150～200nm。

本发明采用激光再晶化工艺，在soi衬底上制备位错密度低ge外延层，并制备高质量直接带隙gesn层，然后实现一种p⁺-ge/直接带隙gesn/n⁺-ge的横向结构发光二极管，极大地提高发光二极管的发光效率。。

实施例二

请参照图4，图4为本发明实施例提供的另一种基于横向结构发光二极管的结构示意图。该发光二极管40包括：soi衬底401、p⁺-ge结构405、gesn层404、n⁺-ge结构406、sio2钝化层407以及金属接触电极408；

其中，p⁺-ge结构405和n⁺-ge结构406由ge外延层掺杂形成且分别位于gesn层404两侧；

进一步地，ge外延层包括ge籽晶层402和ge主体层403；将ge籽晶层402和ge主体层403采用lrc工艺晶化后形成ge外延层。

实施例三

请参照图5a-图5l，图5a-图5l为本发明实施例的一种基于横向结构发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

s201、衬底选取。如图5a所示，选取soi衬底片001为初始材料；

s202、ge籽晶层生长。如图5b所示，在275℃～325℃温度下，采用cvd工艺外延生长40～50nm的ge籽晶层002；

s203、ge主体层生长。如图5c所示，在500℃～600℃温度下，采用cvd工艺在在ge籽晶层002表面生长120～150nm的ge主体层003；

s204、氧化层的制备。如图5d所示，采用cvd工艺在ge主体层003表面上淀积150nmsio2层氧化层004；

s205、如图5e。将包括soi衬底001、ge籽晶层002、ge主体层003及氧化层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，自然冷却整个衬底材料，形成晶化ge外延层。采用激光工艺晶化后降低了ge材料的位错密度和表面粗糙度，提高了ge/soi衬底界面质量。然后采用干法刻蚀工艺刻蚀图5d中的sio2氧化层004。

s206、在晶化ge外延层005上进行选择性gesn层生长。如图5f所示，在h2氛围中将温度降到350℃以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，生长厚度为250～300nm的无掺杂的直接带隙gesn层006；

s207、ge区域n型离子注入。在gesn层006以及ge外延层005表面淀积厚度为200nm的sio2第一保护层007，选择性刻蚀sio2第一保护层007，如图5g所示；p离子注入，形成1×10¹⁹cm^-3n型ge区域008，高温退火，刻蚀掉sio2第一保护层007，如图5h所示；

s208、ge区域p型离子注入。如图5i所示，在gesn层006以及ge外延层005表面淀积厚度为200nm的sio2第二保护层009，选择性刻蚀sio2第二保护层009，b离子注入，形成浓度为1×10¹⁹cm^-3的p型ge区域010，高温退火，刻蚀掉sio2第二保护层009，如图5j所示；

s209、金属接触孔制备。如图5k所示，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sio2形成金属接触孔。

s210、金属互连制备。如图5l所示。采用电子束蒸发淀积厚度为150～200nm的cr或au金属层012。采用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的cr或au金属层，采用化学机械抛光(cmp)进行平坦化处理。

综上，本文中应用了具体个例对本发明一种基于横向结构发光二极管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，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。