本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體集成電路一直遵循著moore定律發(fā)展，隨著最小特征尺寸按照摩爾定律不斷減小，集成電路的電互連出現(xiàn)了傳輸延遲、帶寬密度等一系列問(wèn)題。因此光互連成為現(xiàn)代集成電路更好的選擇，其中si基光互連具有高速度、高帶寬、低功耗、可集成等特點(diǎn)，有望解決集成電路的集成度在日益提高時(shí)電互連帶來(lái)的問(wèn)題。除了si基光源尚未得到解決，其他器件都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，因此si基可集成高效光源具有十分重要的研究意義。

近年來(lái)隨著在si襯底上外延iii-v族材料等技術(shù)以及iii-v族發(fā)光管與si之間的鍵合技術(shù)的快速發(fā)展，si基鍵合發(fā)光器和si襯底上外延的iii-v族混合激光器也相繼獲得成功。但是其價(jià)格昂貴、導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能較差，而且其工藝與sicmos的工藝兼容性方面存在一定的困難，限制了其在si基光電集成技術(shù)中的應(yīng)用。值得注意的是，研究表明：雖然ge是間接帶隙材料，但通過(guò)高sn組分合金化，gesn合金為直接帶隙半導(dǎo)體，且其與si的可集成性好，有望成為si基光電集成回路中的光源，已成已成為光電領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

si襯底上結(jié)晶質(zhì)量良好的ge緩沖層，是制備高質(zhì)量gesn外延層的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，si襯底上ge外延層常規(guī)的兩步法工藝，存在ge/si界面差、熱預(yù)算高、工藝周期長(zhǎng)、以及僅能制備厚膜ge外延層等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，本發(fā)明提出一種發(fā)光二極管及其制備方法。

具體地，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的一種發(fā)光二極管及其制備方法，包括：

s101、選取單晶si襯底材料；

s102、利用cvd工藝在所述單晶si襯底上連續(xù)生長(zhǎng)40～50nm的第一ge籽晶層和100～150nm的第二ge主體層，形成ge外延層；

s103、利用cvd工藝在所述ge外延層上淀積100～150nmsio2層；

s104、將包括所述單晶si襯底、所述ge外延層及所述sio2層的整個(gè)襯底材料加熱至700℃，利用lrc工藝晶化所述整個(gè)襯底材料，其中，激光波長(zhǎng)為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動(dòng)速度為25mm/s；

s105、自然冷卻所述整個(gè)襯底材料；

s106、利用干法刻蝕工藝刻蝕所述sio2層，以獲得激光晶化ge層；

s107、在300-400℃溫度下，利用cvd工藝在所述激光晶化ge層上生長(zhǎng)400-450nm的ge層；

s108、利用離子注入工藝對(duì)所述激光晶化ge層和所述ge層進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge層，之后進(jìn)行退火；

s109、在h2氛圍中350℃溫度以下，sncl4和geh4分別作為sn源和ge源，摻sn組分達(dá)到8％，生長(zhǎng)150～200nm的無(wú)摻雜的gesn層；

s110、利用n2作為運(yùn)載氣體，在350℃溫度以下，ph3作為p摻雜源，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，在所述無(wú)摻雜的gesn層上生長(zhǎng)40～60nm的n型ge層結(jié)構(gòu)；

s111、在室溫下，在所述n型ge層上，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學(xué)溶劑，以穩(wěn)定速率100nm/min進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內(nèi)，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現(xiàn)出所述p型晶化ge層；

s112、采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，在所述顯現(xiàn)出的所述p型晶化ge層和所述n型ge層上淀積150～200nm的sio2鈍化層，利用刻蝕工藝選擇性刻蝕sio2形成接觸孔；

s113、利用電子束蒸發(fā)在所述接觸孔中淀積150～200nm的cr或au層，形成金屬電極。

本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種發(fā)光二極管，包括：?jiǎn)尉i襯底、p型晶化ge層、無(wú)摻雜的gesn層、n型ge層和金屬接觸區(qū)；其中所述發(fā)光二極管上述實(shí)施例的方法制備形成。

本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的另一種發(fā)光二極管的制備方法，包括：

選取si襯底；

在所述si襯底上生長(zhǎng)ge外延層；

在所述ge外延層上淀積保護(hù)層；

利用lrc工藝對(duì)所述si襯底、所述ge外延層和所述保護(hù)層進(jìn)行晶化；

刻蝕所述保護(hù)層；

在所述ge外延層上生長(zhǎng)ge并摻雜形成p型晶化ge層；

在所述p型晶化ge層上生長(zhǎng)無(wú)摻雜的gesn層；

在所述無(wú)摻雜的gesn層上生長(zhǎng)n型ge層；

制作金屬電極，形成發(fā)光二極管。

在發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述si襯底上生長(zhǎng)ge外延層，包括：

在275℃～325℃溫度下，利用cvd工藝在所述si襯底上生長(zhǎng)40～50nm的ge籽晶層；

在500℃～600℃溫度下，利用cvd工藝在在所述ge籽晶層表面生長(zhǎng)150～250nm的ge主體層。

在發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用lrc工藝對(duì)所述si襯底、所述ge外延層和所述保護(hù)層進(jìn)行晶化，包括：

將包括所述si襯底、所述ge外延層和所述保護(hù)層進(jìn)行晶化的整個(gè)襯底材料加熱至700℃，利用lrc工藝晶化所述整個(gè)襯底材料，所述lrc工藝中的激光波長(zhǎng)為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動(dòng)速度為25mm/s；

自然冷卻所述整個(gè)襯底材料。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述ge外延層上生長(zhǎng)ge并摻雜形成p型晶化ge層，包括：

在300-400℃溫度下，利用cvd工藝在所述lrc工藝晶化后的所述ge外延層上生長(zhǎng)400-450nm的ge層；

利用離子注入工藝對(duì)所述ge層和所述lrc工藝晶化后的所述ge外延層進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述p型晶化ge層上生長(zhǎng)無(wú)摻雜的gesn層，包括：

在h2氛圍中350℃溫度以下，sncl4和geh4分別作為sn和ge源，摻雜sn組分達(dá)到8％，生長(zhǎng)150～200nm的無(wú)摻雜的gesn層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述無(wú)摻雜的gesn層上生長(zhǎng)n型ge層，包括：

利用n2作為運(yùn)載氣體，在350℃溫度以下，1％的ph3作為p摻雜源，p摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，生長(zhǎng)40～60nm的n型ge層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，制作金屬電極，包括：

在室溫下，在所述n型ge層上，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學(xué)溶劑，以穩(wěn)定速率100nm/min進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內(nèi)，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現(xiàn)出所述p型晶化ge層；

利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在所述顯現(xiàn)出的所述p型晶化ge層和所述n型ge層上淀積150～200nm的sio2鈍化層，采用刻蝕工藝選擇性刻蝕sio2形成接觸孔；

利用電子束蒸發(fā)在所述接觸孔中淀積150～200nm的cr或au層，形成金屬電極。

本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種發(fā)光二極管，包括：?jiǎn)尉i襯底、p型晶化ge層、無(wú)摻雜的gesn層、n型ge層和金屬接觸區(qū)；其中所述發(fā)光二極管由上述實(shí)施例所述的方法制備形成。

上述實(shí)施例，本發(fā)明采用激光再晶化(laserre-crystallization，簡(jiǎn)稱lrc)工藝是一種熱致相變結(jié)晶的方法，即通過(guò)連續(xù)激光輔助再晶化ge外延層，使si襯底上ge外延層熔化再結(jié)晶，橫向釋放ge外延層的位錯(cuò)缺陷，不僅可獲得高質(zhì)量的ge外延層，還可以克服常規(guī)兩步法工藝存在的問(wèn)題。

通過(guò)以下參考附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它方面和特征變得明顯。但是應(yīng)當(dāng)知道，該附圖僅僅為解釋的目的設(shè)計(jì)，而不是作為本發(fā)明的范圍的限定，這是因?yàn)槠鋺?yīng)當(dāng)參考附加的權(quán)利要求。還應(yīng)當(dāng)知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅力圖概念地說(shuō)明此處描述的結(jié)構(gòu)和流程。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種激光輔助再晶化工藝的示意圖；

圖3a-圖3l為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管的工藝示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例一

請(qǐng)參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管的工藝流程圖。該方法包括如下步驟：

步驟a、選取si襯底；

步驟b、在所述si襯底上生長(zhǎng)ge外延層；

步驟c、在所述ge外延層上淀積保護(hù)層；

步驟d、利用lrc工藝對(duì)所述si襯底、所述ge外延層和所述保護(hù)層進(jìn)行晶化；

步驟e、刻蝕所述保護(hù)層；

步驟f、在所述ge外延層上生長(zhǎng)ge并摻雜形成p型晶化ge層；

步驟g、在所述p型晶化ge層上生長(zhǎng)無(wú)摻雜的gesn層；

步驟h、在所述無(wú)摻雜的gesn層上生長(zhǎng)n型ge層；

步驟i、制作金屬電極，形成發(fā)光二極管。

其中，對(duì)于步驟b，可以包括：

步驟b1、在275℃～325℃溫度下，利用cvd工藝在所述si襯底上生長(zhǎng)40～50nm的ge籽晶層；

步驟b2、在500℃～600℃溫度下，利用cvd工藝在在所述ge籽晶層表面生長(zhǎng)150～250nm的ge主體層。

相應(yīng)地，步驟d可以包括：

將包括所述si襯底、所述ge外延層和所述保護(hù)層進(jìn)行晶化的整個(gè)襯底材料加熱至700℃，利用lrc工藝晶化所述整個(gè)襯底材料，所述lrc工藝中的激光波長(zhǎng)為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動(dòng)速度為25mm/s；

自然冷卻所述整個(gè)襯底材料。

其中，對(duì)于步驟f，可以包括：

f1、在300-400℃溫度下，利用cvd工藝在所述lrc工藝晶化后的所述ge外延層上生長(zhǎng)400-450nm的ge層；

f2、利用離子注入工藝對(duì)所述ge層和所述lrc工藝晶化后的所述ge外延層進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge層。

其中，對(duì)于步驟g，可以包括：

在h2氛圍中350℃溫度以下，sncl4和geh4分別作為sn和ge源，摻雜sn組分達(dá)到8％，生長(zhǎng)150～200nm的無(wú)摻雜的gesn層。

其中，對(duì)于步驟h，可以包括：

利用n2作為運(yùn)載氣體，在350℃溫度以下，1％的ph3作為p摻雜源，p摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，生長(zhǎng)40～60nm的n型ge層。

其中，對(duì)于步驟i，可以包括：

i1、在室溫下，在所述n型ge層上，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學(xué)溶劑，以穩(wěn)定速率100nm/min進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內(nèi)，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現(xiàn)出所述p型晶化ge層；

i2、利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在所述顯現(xiàn)出的所述p型晶化ge層和所述n型ge層上淀積150～200nm的sio2鈍化層，采用刻蝕工藝選擇性刻蝕sio2形成接觸孔；

i3、利用電子束蒸發(fā)在所述接觸孔中淀積150～200nm的cr或au層，形成金屬電極。

請(qǐng)參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種激光輔助再晶化工藝的示意圖。先用cvd工藝形成ge外延層，再用連續(xù)激光輔助晶化ge外延層，可有效降低ge虛襯底的位錯(cuò)密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升ge虛襯底的質(zhì)量從而得到更高質(zhì)量的gesn外延層，進(jìn)而可顯著提高發(fā)光器件的性能。

本發(fā)明的工作原理及有益效果具體為：

1)本發(fā)明采用的激光再晶化工藝，具有g(shù)e外延層晶體質(zhì)量高，工藝步驟簡(jiǎn)單，工藝周期短，熱預(yù)算低等優(yōu)點(diǎn)。

2)本發(fā)明通過(guò)連續(xù)激光輔助晶化ge/si虛襯底，可有效降低ge/si虛襯底的位錯(cuò)密度和表面粗糙度，可顯著提高后續(xù)gesn外延層的質(zhì)量，進(jìn)而可顯著提高發(fā)光器件的性能。

另外，需要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的是，本發(fā)明的激光再晶化(laserre-crystallization,簡(jiǎn)稱lrc)工藝與激光退火(laserannealing)工藝有顯著區(qū)別。激光退火工藝，屬于熱退火工藝范疇。其采用激光作為熱源，僅對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行加熱處理，未產(chǎn)生相變過(guò)程。而本發(fā)明激光再晶化工藝處理過(guò)程中，半導(dǎo)體材料會(huì)發(fā)生兩次相變--熔融液化而后再固相結(jié)晶。因而，此二者工藝在本質(zhì)上有顯著的區(qū)別。

實(shí)施例二

請(qǐng)參見(jiàn)圖3a-圖3l，圖3a-圖3l為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管的工藝示意圖，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例將較為詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明的工藝流程進(jìn)行介紹。該方法包括：

s101、選取單晶si襯底001，如圖3a所示；

s102、在275℃～325℃溫度下，利用cvd工藝在單晶si襯底001上生長(zhǎng)40～50nm的ge籽晶層002，如圖3b所示；

s103、在500℃～600℃溫度下，利用cvd工藝在ge籽晶層002表面生長(zhǎng)150～250nm的ge主體層003，如圖3c所示；

s104、利用cvd工藝在ge主體層003表面上淀積100～150nmsio2層004，如圖3d所示；

s105、將包括單晶si襯底001、ge籽晶層002、ge主體層003及sio2層004的整個(gè)襯底材料加熱至700℃，連續(xù)采用lrc工藝晶化整個(gè)襯底材料，其中激光波長(zhǎng)為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動(dòng)速度為25mm/s，自然冷卻整個(gè)襯底材料；

s106、利用干法刻蝕工藝刻蝕sio2層004，形成激光晶化后的ge層005，其中，ge層005代表激光晶化后的ge籽晶層002和ge主體層003的統(tǒng)稱，如圖3e所示；

s107、在溫度300-400℃下，利用cvd工藝在lrc工藝晶化后的ge層005上生長(zhǎng)400-450nm厚的ge層006，如圖3f所示；

s108、利用離子注入工藝對(duì)ge層006和lrc工藝晶化后的ge層005進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge層007(為了便于圖示觀看，將晶化后的ge層005以及晶化后生長(zhǎng)的ge層006合稱為p型晶化ge層007)，之后進(jìn)行退火，如圖3g所示；

s109、在h2氛圍中將溫度降到350℃以下，sncl4和geh4分別作為sn和ge源，摻sn組分達(dá)到8％。生長(zhǎng)150～200nm厚的無(wú)摻雜的ge0.92sn0.08層008，如圖3h所示；

s110、繼之前相同溫度下，繼續(xù)淀積ge層。p摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。用n2作為運(yùn)載氣體可以提高生長(zhǎng)速率，1％的ph3作為p摻雜源。生長(zhǎng)40～60nm厚的n型ge層結(jié)構(gòu)009，如圖3i所示；

s112、室溫下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學(xué)溶劑，以穩(wěn)定速率100nm/min進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，刻蝕的深度控制在500nm，使p型晶化ge層007露出做金屬接觸，如圖3j所示；

s111、采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，淀積150～200nm厚的sio2鈍化層010，隔離臺(tái)面與外界電接觸，用刻蝕工藝選擇性刻蝕掉指定區(qū)域的sio2形成接觸孔，如圖3k所示；

s112、利用電子束蒸發(fā)工藝，淀積150～200nm厚的cr或au層011，利用刻蝕工藝刻選擇性蝕掉指定區(qū)域的金屬cr或au，采用化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)進(jìn)行平坦化處理，如圖3l所示。

實(shí)施例三

請(qǐng)參見(jiàn)圖3a-圖3l，圖3a-圖3l為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種發(fā)光二極管的工藝示意圖，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例將較為詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明的工藝流程進(jìn)行介紹。該方法包括：

s101、選取單晶si襯底001，如圖3a所示；

s102、在275℃～325℃溫度下，利用cvd工藝在單晶si襯底001上生長(zhǎng)50nm的ge籽晶層002，如圖3b所示；

s103、在500℃～600℃溫度下，利用cvd工藝在ge籽晶層002表面生長(zhǎng)200nm的ge主體層003，如圖3c所示；

s104、利用cvd工藝在ge主體層003表面上淀積120nmsio2層004，如圖3d所示；

s105、將包括單晶si襯底001、ge籽晶層002、ge主體層003及sio2層004的整個(gè)襯底材料加熱至700℃，連續(xù)采用lrc工藝晶化整個(gè)襯底材料，其中激光波長(zhǎng)為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動(dòng)速度為25mm/s，自然冷卻整個(gè)襯底材料；

s106、利用干法刻蝕工藝刻蝕sio2層004，得到激光晶化后的ge層005，其中，ge層005代表激光晶化后的ge籽晶層002和ge主體層003的統(tǒng)稱，如圖3e所示；

s107、在溫度300-400℃下，利用cvd工藝在lrc工藝晶化后的ge層005上生長(zhǎng)450nm厚的ge層006，如圖3f所示；

s108、利用離子注入工藝對(duì)ge層006和lrc工藝晶化后的ge層005進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge層007(為了便于圖示觀看，將晶化后的ge層005以及晶化后生長(zhǎng)的ge層006合稱為p型晶化ge層007)，之后進(jìn)行退火，如圖3g所示；

s109、在h2氛圍中將溫度降到350℃以下，sncl4和geh4分別作為sn和ge源，摻sn組分達(dá)到8％。生長(zhǎng)200nm厚的無(wú)摻雜的ge0.92sn0.08層008，如圖3h所示；

s110、繼之前相同溫度下，繼續(xù)淀積ge層。p摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。用n2作為運(yùn)載氣體可以提高生長(zhǎng)速率，1％的ph3作為p摻雜源。生長(zhǎng)50nm厚的n型ge層結(jié)構(gòu)009，如圖3i所示；

s112、室溫下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學(xué)溶劑，以穩(wěn)定速率100nm/min進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，刻蝕的深度控制在500nm，使p型晶化ge層007露出做金屬接觸，如圖3j所示；

s111、利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，淀積150nm厚的sio2鈍化層010，隔離臺(tái)面與外界電接觸，用刻蝕工藝選擇性刻蝕掉指定區(qū)域的sio2形成接觸孔，如圖3k所示；

s112、利用電子束蒸發(fā)淀積工藝，150nm厚的cr或au層011，利用刻蝕工藝刻選擇性蝕掉指定區(qū)域的金屬cr或au，采用化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)進(jìn)行平坦化處理，如圖3l所示。

綜上所述，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明發(fā)光二極管及其制備方法的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。