一种发光二极管及其制备方法与流程

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种发光二极管及其制备方法。

背景技术：

半导体集成电路一直遵循着moore定律发展，随着最小特征尺寸按照摩尔定律不断减小，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si基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、可集成等特点，有望解决集成电路的集成度在日益提高时电互连带来的问题。除了si基光源尚未得到解决，其他器件都已经基本实现，因此si基可集成高效光源具有十分重要的研究意义。

近年来随着在si衬底上外延iii-v族材料等技术以及iii-v族发光管与si之间的键合技术的快速发展，si基键合发光器和si衬底上外延的iii-v族混合激光器也相继获得成功。但是其价格昂贵、导热性能和机械性能较差，而且其工艺与sicmos的工艺兼容性方面存在一定的困难，限制了其在si基光电集成技术中的应用。值得注意的是，研究表明：虽然ge是间接带隙材料，但通过高sn组分合金化，gesn合金为直接带隙半导体，且其与si的可集成性好，有望成为si基光电集成回路中的光源，已成已成为光电领域内研究的热点和重点。

si衬底上结晶质量良好的ge缓冲层，是制备高质量gesn外延层的物质基础。目前，si衬底上ge外延层常规的两步法工艺，存在ge/si界面差、热预算高、工艺周期长、以及仅能制备厚膜ge外延层等问题。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种发光二极管及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种发光二极管及其制备方法，包括：

s101、选取单晶si衬底材料；

s102、利用cvd工艺在所述单晶si衬底上连续生长40～50nm的第一ge籽晶层和100～150nm的第二ge主体层，形成ge外延层；

s103、利用cvd工艺在所述ge外延层上淀积100～150nmsio2层；

s104、将包括所述单晶si衬底、所述ge外延层及所述sio2层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，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；

s105、自然冷却所述整个衬底材料；

s106、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述sio2层，以获得激光晶化ge层；

s107、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在所述激光晶化ge层上生长400-450nm的ge层；

s108、利用离子注入工艺对所述激光晶化ge层和所述ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层，之后进行退火；

s109、在h2氛围中350℃温度以下，sncl4和geh4分别作为sn源和ge源，掺sn组分达到8％，生长150～200nm的无掺杂的gesn层；

s110、利用n2作为运载气体，在350℃温度以下，ph3作为p掺杂源，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，在所述无掺杂的gesn层上生长40～60nm的n型ge层结构；

s111、在室温下，在所述n型ge层上，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，刻蚀的深度为250nm以内，刻蚀到所述p型晶化ge层，显现出所述p型晶化ge层；

s112、采用等离子体增强化学气相淀积技术，在所述显现出的所述p型晶化ge层和所述n型ge层上淀积150～200nm的sio2钝化层，利用刻蚀工艺选择性刻蚀sio2形成接触孔；

s113、利用电子束蒸发在所述接触孔中淀积150～200nm的cr或au层，形成金属电极。

本发明另一个实施例提出的一种发光二极管，包括：单晶si衬底、p型晶化ge层、无掺杂的gesn层、n型ge层和金属接触区；其中所述发光二极管上述实施例的方法制备形成。

本发明另一个实施例提出的另一种发光二极管的制备方法，包括：

选取si衬底；

在所述si衬底上生长ge外延层；

在所述ge外延层上淀积保护层；

利用lrc工艺对所述si衬底、所述ge外延层和所述保护层进行晶化；

刻蚀所述保护层；

在所述ge外延层上生长ge并掺杂形成p型晶化ge层；

在所述p型晶化ge层上生长无掺杂的gesn层；

在所述无掺杂的gesn层上生长n型ge层；

制作金属电极，形成发光二极管。

在发明的一个实施例中，在所述si衬底上生长ge外延层，包括：

在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在所述si衬底上生长40～50nm的ge籽晶层；

在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在在所述ge籽晶层表面生长150～250nm的ge主体层。

在发明的一个实施例中，利用lrc工艺对所述si衬底、所述ge外延层和所述保护层进行晶化，包括：

将包括所述si衬底、所述ge外延层和所述保护层进行晶化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，所述lrc工艺中的激光波长为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；

自然冷却所述整个衬底材料。

在本发明的一个实施例中，在所述ge外延层上生长ge并掺杂形成p型晶化ge层，包括：

在300-400℃温度下，利用cvd工艺在所述lrc工艺晶化后的所述ge外延层上生长400-450nm的ge层；

利用离子注入工艺对所述ge层和所述lrc工艺晶化后的所述ge外延层进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层。

在本发明的一个实施例中，在所述p型晶化ge层上生长无掺杂的gesn层，包括：

在h2氛围中350℃温度以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，掺杂sn组分达到8％，生长150～200nm的无掺杂的gesn层。

在本发明的一个实施例中，在所述无掺杂的gesn层上生长n型ge层，包括：

利用n2作为运载气体，在350℃温度以下，1％的ph3作为p掺杂源，p掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，生长40～60nm的n型ge层。

在本发明的一个实施例中，制作金属电极，包括：

在室温下，在所述n型ge层上，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，刻蚀的深度为250nm以内，刻蚀到所述p型晶化ge层，显现出所述p型晶化ge层；

利用等离子体增强化学气相淀积工艺，在所述显现出的所述p型晶化ge层和所述n型ge层上淀积150～200nm的sio2钝化层，采用刻蚀工艺选择性刻蚀sio2形成接触孔；

利用电子束蒸发在所述接触孔中淀积150～200nm的cr或au层，形成金属电极。

本发明另一个实施例提出的一种发光二极管，包括：单晶si衬底、p型晶化ge层、无掺杂的gesn层、n型ge层和金属接触区；其中所述发光二极管由上述实施例所述的方法制备形成。

上述实施例，本发明采用激光再晶化(laserre-crystallization，简称lrc)工艺是一种热致相变结晶的方法，即通过连续激光辅助再晶化ge外延层，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。

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发光二极管的工艺流程图；

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3a-图3l为本发明实施例提供的一种发光二极管的工艺示意图。

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

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工艺流程图。该方法包括如下步骤：

步骤a、选取si衬底；

步骤b、在所述si衬底上生长ge外延层；

步骤c、在所述ge外延层上淀积保护层；

步骤d、利用lrc工艺对所述si衬底、所述ge外延层和所述保护层进行晶化；

步骤e、刻蚀所述保护层；

步骤f、在所述ge外延层上生长ge并掺杂形成p型晶化ge层；

步骤g、在所述p型晶化ge层上生长无掺杂的gesn层；

步骤h、在所述无掺杂的gesn层上生长n型ge层；

步骤i、制作金属电极，形成发光二极管。

其中，对于步骤b，可以包括：

步骤b1、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在所述si衬底上生长40～50nm的ge籽晶层；

步骤b2、在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在在所述ge籽晶层表面生长150～250nm的ge主体层。

相应地，步骤d可以包括：

将包括所述si衬底、所述ge外延层和所述保护层进行晶化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，所述lrc工艺中的激光波长为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；

自然冷却所述整个衬底材料。

其中，对于步骤f，可以包括：

f1、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在所述lrc工艺晶化后的所述ge外延层上生长400-450nm的ge层；

f2、利用离子注入工艺对所述ge层和所述lrc工艺晶化后的所述ge外延层进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层。

其中，对于步骤g，可以包括：

在h2氛围中350℃温度以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，掺杂sn组分达到8％，生长150～200nm的无掺杂的gesn层。

其中，对于步骤h，可以包括：

利用n2作为运载气体，在350℃温度以下，1％的ph3作为p掺杂源，p掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，生长40～60nm的n型ge层。

其中，对于步骤i，可以包括：

i1、在室温下，在所述n型ge层上，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，刻蚀的深度为250nm以内，刻蚀到所述p型晶化ge层，显现出所述p型晶化ge层；

i2、利用等离子体增强化学气相淀积工艺，在所述显现出的所述p型晶化ge层和所述n型ge层上淀积150～200nm的sio2钝化层，采用刻蚀工艺选择性刻蚀sio2形成接触孔；

i3、利用电子束蒸发在所述接触孔中淀积150～200nm的cr或au层，形成金属电极。

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虚衬底的质量从而得到更高质量的gesn外延层，进而可显著提高发光器件的性能。

本发明的工作原理及有益效果具体为：

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/si虚衬底，可有效降低ge/si虚衬底的位错密度和表面粗糙度，可显著提高后续gesn外延层的质量，进而可显著提高发光器件的性能。

另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(laserre-crystallization,简称lrc)工艺与激光退火(laserannealing)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3a-图3l，图3a-图3l为本发明实施例提供的一种发光二极管的工艺示意图，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3a所示；

s102、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在单晶si衬底001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ge籽晶层002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003表面上淀积100～150nmsio2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，自然冷却整个衬底材料；

s106、利用干法刻蚀工艺刻蚀sio2层004，形成激光晶化后的ge层005，其中，ge层005代表激光晶化后的ge籽晶层002和ge主体层003的统称，如图3e所示；

s107、在温度300-400℃下，利用cvd工艺在lrc工艺晶化后的ge层005上生长400-450nm厚的ge层006，如图3f所示；

s108、利用离子注入工艺对ge层006和lrc工艺晶化后的ge层005进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层007(为了便于图示观看，将晶化后的ge层005以及晶化后生长的ge层006合称为p型晶化ge层007)，之后进行退火，如图3g所示；

s109、在h2氛围中将温度降到350℃以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，掺sn组分达到8％。生长150～200nm厚的无掺杂的ge0.92sn0.08层008，如图3h所示；

s110、继之前相同温度下，继续淀积ge层。p掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。用n2作为运载气体可以提高生长速率，1％的ph3作为p掺杂源。生长40～60nm厚的n型ge层结构009，如图3i所示；

s112、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007露出做金属接触，如图3j所示；

s111、采用等离子体增强化学气相淀积技术，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；

s112、利用电子束蒸发工艺，淀积150～200nm厚的cr或au层011，利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属cr或au，采用化学机械抛光(cmp)进行平坦化处理，如图3l所示。

实施例三

请参见图3a-图3l，图3a-图3l为本发明实施例提供的另一种发光二极管的工艺示意图，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3a所示；

s102、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在单晶si衬底001上生长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002表面生长200nm的ge主体层003，如图3c所示；

s104、利用cvd工艺在ge主体层003表面上淀积120nmsio2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，自然冷却整个衬底材料；

s106、利用干法刻蚀工艺刻蚀sio2层004，得到激光晶化后的ge层005，其中，ge层005代表激光晶化后的ge籽晶层002和ge主体层003的统称，如图3e所示；

s107、在温度300-400℃下，利用cvd工艺在lrc工艺晶化后的ge层005上生长450nm厚的ge层006，如图3f所示；

s108、利用离子注入工艺对ge层006和lrc工艺晶化后的ge层005进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层007(为了便于图示观看，将晶化后的ge层005以及晶化后生长的ge层006合称为p型晶化ge层007)，之后进行退火，如图3g所示；

s109、在h2氛围中将温度降到350℃以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，掺sn组分达到8％。生长200nm厚的无掺杂的ge0.92sn0.08层008，如图3h所示；

s110、继之前相同温度下，继续淀积ge层。p掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。用n2作为运载气体可以提高生长速率，1％的ph3作为p掺杂源。生长50nm厚的n型ge层结构009，如图3i所示；

s112、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007露出做金属接触，如图3j所示；

s111、利用等离子体增强化学气相淀积工艺，淀积150nm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；

s112、利用电子束蒸发淀积工艺，150nm厚的cr或au层011，利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属cr或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发光二极管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。