一种纵向结构LED及其制备工艺的制作方法

本发明属半导体器件制备技术领域，特别涉及一种纵向结构led及其制备工艺。

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。

ge半导体是间接带隙材料，通过引入低强度张应变结合n型重掺杂的能带工程手段，其可转变为准直接带隙半导体。理论上，基于其所制作的led发光器件效率将显著提升。

从目前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，常规工艺过程中利用合理的热退火工艺制度，si衬底上ge外延层是可以引入低强度张应变的。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；掺杂工艺方面，据文献报道，现有常规工艺水平下，ge外延层n型掺杂浓度最高10¹⁹，限制了n型重掺杂技术对ge能带结构的调制。

因此选择何种材料及工艺制备高质量的led变的尤为重要。

技术实现要素：

为了提高现有发光器件的性能，本发明提供了一种纵向结构led及其制备工艺；本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的实施例提供了一种纵向结构led的制备工艺，包括：

(a)选取n型单晶si衬底；

(b)在所述si衬底表面生长n型si外延层形成n⁺⁺-si结构；

(c)利用cvd工艺在所述si外延层表面连续生长ge籽晶层、ge主体层和氧化层；

(d)利用lrc工艺晶化包括所述si衬底、所述si外延层、所述ge籽晶层、所述ge主体层及所述氧化层的整个衬底材料；

(e)利用干法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层，在晶化后的所述ge主体层表面生长ge外延层形成张应变ge结构；

(f)在所述ge外延层生长p型ge层形成p⁺-ge结构；

(g)制作金属接触电极以完成所述n⁺⁺-si/张应变ge/p⁺-ge纵向结构led的制备。

其中，激光再晶化(laserre-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。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

在300℃温度下，利用化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)工艺在所述si衬底表面生长厚度为120～200nm的n型si外延层形成所述n⁺⁺-si结构，所述si外延层掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：

(c1)在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在所述si衬底表面生长所述ge籽晶层；

(c2)在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在所述ge籽晶层表面生长所述ge主体层；

(c3)利用cvd工艺在所述ge主体层表面上淀积sio2材料形成所述氧化层。

在本发明的一个实施例中，在步骤(c)中，所述ge籽晶层厚度为40～50nm；所述ge主体层厚度为150～200nm；所述氧化层厚度为100～150nm。

在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：

(d1)将包括所述si衬底、所述si外延层、所述ge籽晶层、所述ge主体层及所述氧化层的整个衬底材料加热至700℃；

(d2)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；

(d3)对所述整个衬底材料进行高温热退火。

在本发明的一个实施例中，步骤(e)包括：

(e1)利用干法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层；

(e2)在300-400℃温度下，利用cvd工艺在晶化后的所述ge主体层上生长厚度为400～450nm的ge材料形成所述ge外延层。

其中，由于所述ge外延层是在晶化后的ge层上生长的，所以ge的质量较好，晶格失配率较低。

在本发明的一个实施例中，所述p型ge层的掺杂浓度为0.5×10¹⁹～1×10¹⁹cm^-3，厚度为180～200nm。

在本发明的一个实施例中，步骤(g)包括：

(g1)采用刻蚀工艺，对所述si外延层、所述ge籽晶层、所述ge主体层、所述ge外延层及所述p型ge层进行台面刻蚀以露出部分区域的所述si衬底；

(g2)利用pecvd淀积技术，在所述p型ge层表面和露出的所述si衬底表面淀积sio2钝化层，利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的所述sio2钝化层形成接触孔；

(g3)在所述sio2钝化层和所述接触孔淀积金属cr层，利用刻蚀工艺选择性蚀掉指定区域的所述cr层，利用cmp进行平坦化处理以形成所述金属接触电极。

在本发明的一个实施例中，所述sio2钝化层厚度为150～200nm，所述cr层厚度为150～200nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明利用的激光再晶化技术，具有ge外延层位错密度低的优点。利用其作为si衬底上geled有源区，器件发光效率提升。

2)本发明基于lrc工艺条件下si衬底与ge外延层界面特性好的优势，利用n⁺⁺-si/张应变ge/p⁺-ge纵向结构，可解决现有常规工艺水平下ge外延层n型掺杂浓度低导致的器件性能退化问题。

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纵向结构led制备工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的一种lrc工艺方法示意图；

图3a-图3k为本发明实施例的一种纵向结构led制备工艺示意图；

图4为本发明实施例提供的一种纵向结构led结构示意图。

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纵向结构led制备工艺流程图，包括：

(a)选取n型单晶si衬底；

(b)在si衬底表面生长n型si外延层形成n⁺⁺-si结构；

(c)利用cvd工艺在si外延层表面连续生长ge籽晶层、ge主体层和氧化层；

(d)利用lrc工艺晶化包括si衬底、si外延层、ge籽晶层、ge主体层及氧化层的整个衬底材料；

(e)利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层，在晶化后的ge主体层表面生长ge外延层形成张应变ge结构；

(f)在ge外延层生长p型ge层形成p⁺-ge结构；

(g)制作金属接触电极以完成n⁺⁺-si/张应变ge/p⁺-ge纵向结构led的制备。

请参见图2，图2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。

优选地，步骤(b)可以包括：

在300℃温度下，利用cvd工艺在si衬底表面生长厚度为120～200nm的n型si外延层形成所述n⁺⁺-si结构，si外延层掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

优选地，步骤(c)可以包括：

(c1)在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在si衬底表面生长ge籽晶层；

(c2)在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在ge籽晶层表面生长ge主体层；

(c3)利用cvd工艺在ge主体层表面上淀积sio2材料形成氧化层。

其中，在步骤(c)中，ge籽晶层厚度为40～50nm；ge主体层厚度为150～200nm；氧化层厚度为100～150nm。

优选地，步骤(d)可以包括：

(d1)将包括si衬底、si外延层、ge籽晶层、ge主体层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃；

(d2)利用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；

(d3)对整个衬底材料进行高温热退火。

优选地，步骤(e)可以包括：

(e1)利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层；

(e2)在300-400℃温度下，利用cvd工艺在晶化后的ge主体层上生长400～450nm厚的ge材料形成ge外延层。

其中，由于ge外延层是在晶化后的ge层上生长的，所以ge的质量较好，晶格失配率较低。

优选地，p型ge层的掺杂浓度为0.5×10¹⁹～1×10¹⁹cm^-3，厚度为180～200nm。

优选地，步骤(g)可以包括：

(g1)采用刻蚀工艺，对所述si外延层、所述ge籽晶层、所述ge主体层、所述ge外延层及所述p型ge层进行台面刻蚀以露出部分区域的所述si衬底；

(g2)利用pecvd淀积技术，在所述p型ge层表面和露出的所述si衬底表面淀积sio2钝化层，利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的所述sio2钝化层形成接触孔；

(g3)在所述sio2钝化层和所述接触孔淀积金属cr层，利用刻蚀工艺选择性蚀掉指定区域的所述cr层，利用cmp进行平坦化处理以形成所述金属接触电极。

优选地，所述sio2钝化层厚度为150～200nm，所述cr层厚度为150～200nm。

本发明利用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，si/ge之间材料界面特性好，典型的p⁺-si衬底上p-ge/i-ge/n⁺⁺-geled器件结构可改变为，n⁺-si衬底上n⁺⁺-si外延层作为器件n区，张应变ge作为器件的i区，p⁺-ge制作器件的p区，解决现有常规工艺水平下ge外延层n型掺杂浓度低导致的器件性能退化问题。

实施例二

请参照图3a-图3k，图3a-图3k为本发明实施例的另外一种纵向结构led制备工艺示意图，该制备工艺包括如下步骤：

s101、选取掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的n型单晶硅(si)衬底片001，如图3a所示；

s102、在300℃温度下，利用cvd工艺在si衬底生长厚度为120～200nm的n型si外延层002，掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3，如图3b所示；

s103、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在si外延层表面生长厚度为40～50nm的ge籽晶层003，如图3c所示；

s104、在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在在ge籽晶层表面生长厚度为150～200nm的ge主体层004，如图3d所示；

s105、利用cvd工艺在ge主体层表面上淀积厚度为100～150nmsio2氧化层005，如图3e所示；

s106、将包括单晶si衬底、n型si外延层、ge籽晶层、ge主体层及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，利用激光再晶华技术晶化整个衬底材料，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，然后高温热退火，与此同时引入张应力；

s107、利用干法刻蚀工艺刻蚀氧化层005，得到激光晶化后的ge层006，如图3f所示；

s108、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在激光晶化后的ge层上生长厚度为400～450nm的ge外延层007，如图3g所示；

s109、在300-400℃温度下，利用cvd工艺在ge外延层表面生长厚度为180～200nm的p型ge层结构008，掺杂浓度为0.5×10¹⁹～1×10¹⁹cm^-3。如图3h所示；

s110、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950nm，使si衬底露出做金属接触，如图3i所示；

s111、利用等离子体增强化学气象淀积技术，淀积厚度为150～200nm的sio2钝化层009，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3j所示；

s112、利用电子束蒸发淀积厚度为150～200nm的cr/au层010。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属cr/au，利用化学机械抛光(cmp)进行平坦化处理，如图3k所示。

实施例三

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种纵向结构led结构示意图。该led利用上述如图3a-图3k所示的制备工艺制成。具体地，led包括：n⁺⁺-si结构、张应变ge结构、p⁺-ge结构305、sio2钝化层306以及金属cr/au层307。

其中n⁺⁺-si结构包括：si衬底301和si外延层302；

其中张应变ge结构包括：晶化后的ge层303和ge外延层304；

其中晶化后的ge层包括：ge籽晶层和ge主体层。

综上，本文中应用了具体个例对本发明一种一种纵向结构led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。