基于台阶结构的发光二极管的制作方法

本实用新型属半导体器件技术领域，特别涉及一种基于台阶结构的发光二极管。

背景技术：

光纤通信是利用半导体激光器(LD)或半导体发光二极管(LED)作为光源器件，把电信号转换为光信号进行传输，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的要求也越来越高，集成化的发展趋势要求半导体LED与其他光电器件集成。

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。目前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。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，本实用新型提供了一种基于台阶结构的发光二极管10，其中，包括：

单晶Si衬底11；

第一Ge层12，设置于所述单晶Si衬底11表面；

Ge基台阶结构13，设置于所述第一Ge层12表面的中心位置处；

正电极14，设置于所述第一Ge层12的上表面并位于台阶结构(13)两侧的位置处；

负电极15，设置于所述台阶结构13的上表面；

钝化层16，设置于所述第一Ge层(12)和所述Ge基台阶结构(13)的上表面以及所述正电极(14)和所述Ge基台阶结构(13)的中间，以形成所述发光二极管10。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一Ge层12包括Ge籽晶层、 Ge主体层和第二Ge层；其中，所述Ge主体层设置于所述Ge籽晶层上表面，所述第二Ge层设置于所述Ge主体层上表面。

在本实用新型的一个实施例中，所述Ge籽晶层的厚度为40～50nm；所述Ge主体层的厚度为150～250nm；所述第二Ge层的厚度为400-450nm。

在本实用新型的一个实施例中，所述Ge基台阶结构13包括GeSn层和第三Ge层；其中，所述第三Ge层设置于所述GeSn层上表面。

在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn层的厚度为150～200nm。

在本实用新型的一个实施例中，所述第三Ge层的厚度为40～60nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)本实用新型台阶结构的发光二极管，Si衬底上外延Ge层，制备出高质量GeSn层；

2)本实用新型在Ge/Si虚衬底，实现纵向PIN GeSn发光管的制备，从而进一步提高发光二极管的发光效率。

附图说明

下面将结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于台阶结构的发光二极管的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种LRC工艺方法示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种基于台阶结构的发光二极管的结构示意图；

图5a-图5l为本实用新型实施例的一种基于台阶结构的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实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型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10包括：

单晶Si衬底11；

第一Ge层12，设置于所述单晶Si衬底11表面；

Ge基台阶结构13，设置于所述第一Ge层12表面的中心位置处；

正电极14，设置于所述第一Ge层12的上表面并位于台阶结构13两侧的位置处；

负电极15，设置于所述台阶结构13的上表面；

钝化层16，设置于所述第一Ge层(12)和所述Ge基台阶结构(13)的上表面以及所述正电极(14)和所述Ge基台阶结构(13)的中间，以形成所述发光二极管10。

其中，所述第一Ge层12包括晶化Ge籽晶层、晶化Ge主体层和第二 Ge层；其中，所述Ge主体层设置于所述Ge籽晶层上表面，所述第二Ge 层设置于所述Ge主体层上表面。

优选地，所述Ge籽晶层的厚度为40～50nm；所述Ge主体层的厚度为 150～250nm；所述第二Ge层的厚度为400-450nm。

其中，所述晶化Ge籽晶层和所述晶化Ge主体层是经过LRC工艺晶化处理后形成的。

优选地，请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图。所述晶化处理包括：

步骤1、将包括所述单晶Si衬底11、所述Ge籽晶层和所述Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；

步骤2、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；

步骤3、自然冷却所述整个衬底材料。

请进一步参见图3，图3为本实用新型实施例提供的一种LRC工艺方法示意图，LRC工艺即激光再晶化(Laser Re-Crystallization，简称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。

其中，所述第一Ge层12为P型，且掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

其中，所述Ge基台阶结构13包括GeSn层和第三Ge层；其中，所述第三Ge层设置于所述GeSn层上表面。

优选地，所述GeSn层的厚度为150～200nm。

优选地，所述第三Ge层为N型，且厚度为40～60nm、掺杂浓度为 1×10¹⁹cm^-3。

优选地，所述正电极14和所述负电极15为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。

本实用新型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。

实施例二

请参见图4，图4为本实用新型实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图。该发光二极管40包括单晶Si衬底41、P型晶化Ge层42、无掺杂的GeSn层43、N型Ge层44和金属电极45。

其中P型晶化Ge层42包括：晶化Ge籽晶层401、晶化Ge主体层402 和第一Ge层403。

本实用新型实施例，利用LRC工艺具有解决现有工艺条件下Ge外延层质量低的问题。同时，由于LRC工艺可精确控制晶化区域，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。

实施例三

请参照图5a-图5l，图5a-图5l为本实用新型实施例的一种基于台阶结构的发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

S101、选取单晶Si衬底001，如图5a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5b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5c所示；

S104、利用CVD工艺在Ge主体层003表面上淀积120nm SiO₂层004，如图5d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5e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5f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5g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Ge_0.92Sn_0.08层 008，如图5h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5i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5j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5k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5l所示。

实施例四

请继续参照图5a-图5l，图5a-图5l为本实用新型实施例的一种基于台阶结构的发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法还包括如下步骤：

S101、选取单晶Si衬底001，如图5a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5b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5c所示；

S104、利用CVD工艺在Ge主体层003表面上淀积100～150nm SiO₂层 004，如图5d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5e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5f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5g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Ge_0.92Sn_0.08层008，如图5h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5i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5j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5k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5l所示。

综上，本文中应用了具体个例对本实用新型一种基于台阶结构的LED 的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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以所附的权利要求为准。