本發明涉及集成電路技術領域，特別涉及一種發光二極管及其制備方法。

背景技術：

半導體集成電路一直遵循著moore定律發展，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了傳輸延遲、帶寬密度等一系列問題。因此光互連成為現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，有望解決集成電路的集成度在日益提高時電互連帶來的問題。除了si基光源尚未得到解決，其他器件都已經基本實現，因此si基可集成高效光源具有十分重要的研究意義。

近年來隨著在si襯底上外延iii-v族材料等技術以及iii-v族發光管與si之間的鍵合技術的快速發展，si基鍵合發光器和si襯底上外延的iii-v族混合激光器也相繼獲得成功。但是其價格昂貴、導熱性能和機械性能較差，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基光電集成技術中的應用。值得注意的是，研究表明：雖然ge是間接帶隙材料，但通過高sn組分合金化，gesn合金為直接帶隙半導體，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，已成已成為光電領域內研究的熱點和重點。

si襯底上結晶質量良好的ge緩沖層，是制備高質量gesn外延層的物質基礎。目前，si襯底上ge外延層常規的兩步法工藝，存在ge/si界面差、熱預算高、工藝周期長、以及僅能制備厚膜ge外延層等問題。

技術實現要素：

因此，為解決現有技術存在的技術缺陷和不足，本發明提出一種發光二極管及其制備方法。

具體地，本發明一個實施例提出的一種發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襯底上連續生長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層的整個襯底材料加熱至700℃，利用lrc工藝晶化所述整個襯底材料，其中，激光波長為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動速度為25mm/s；

s105、自然冷卻所述整個襯底材料；

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400-450nm的ge層；

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

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組分達到8％，生長150～200nm的無摻雜的gesn層；

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

s111、在室溫下，在所述n型ge層上，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學溶劑，以穩定速率100nm/min進行臺面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現出所述p型晶化ge層；

s112、采用等離子體增強化學氣相淀積技術，在所述顯現出的所述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、利用電子束蒸發在所述接觸孔中淀積150～200nm的cr或au層，形成金屬電極。

本發明另一個實施例提出的一種發光二極管，包括：單晶si襯底、p型晶化ge層、無摻雜的gesn層、n型ge層和金屬接觸區；其中所述發光二極管上述實施例的方法制備形成。

本發明另一個實施例提出的另一種發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ge外延層；

在所述ge外延層上淀積保護層；

利用lrc工藝對所述si襯底、所述ge外延層和所述保護層進行晶化；

刻蝕所述保護層；

在所述ge外延層上生長ge并摻雜形成p型晶化ge層；

在所述p型晶化ge層上生長無摻雜的gesn層；

在所述無摻雜的gesn層上生長n型ge層；

制作金屬電極，形成發光二極管。

在發明的一個實施例中，在所述si襯底上生長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150～250nm的ge主體層。

在發明的一個實施例中，利用lrc工藝對所述si襯底、所述ge外延層和所述保護層進行晶化，包括：

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

自然冷卻所述整個襯底材料。

在本發明的一個實施例中，在所述ge外延層上生長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400-450nm的ge層；

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

在本發明的一個實施例中，在所述p型晶化ge層上生長無摻雜的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組分達到8％，生長150～200nm的無摻雜的gesn層。

在本發明的一個實施例中，在所述無摻雜的gesn層上生長n型ge層，包括：

利用n2作為運載氣體，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40～60nm的n型ge層。

在本發明的一個實施例中，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的化學溶劑，以穩定速率100nm/min進行臺面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現出所述p型晶化ge層；

利用等離子體增強化學氣相淀積工藝，在所述顯現出的所述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；

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

本發明另一個實施例提出的一種發光二極管，包括：單晶si襯底、p型晶化ge層、無摻雜的gesn層、n型ge層和金屬接觸區；其中所述發光二極管由上述實施例所述的方法制備形成。

上述實施例，本發明采用激光再晶化(laserre-crystallization，簡稱lrc)工藝是一種熱致相變結晶的方法，即通過連續激光輔助再晶化ge外延層，使si襯底上ge外延層熔化再結晶，橫向釋放ge外延層的位錯缺陷，不僅可獲得高質量的ge外延層，還可以克服常規兩步法工藝存在的問題。

通過以下參考附圖的詳細說明，本發明的其它方面和特征變得明顯。但是應當知道，該附圖僅僅為解釋的目的設計，而不是作為本發明的范圍的限定，這是因為其應當參考附加的權利要求。還應當知道，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明此處描述的結構和流程。

附圖說明

下面將結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細的說明。

圖1為本發明實施例提供的一種發光二極管的工藝流程圖；

圖2為本發明實施例提供的一種激光輔助再晶化工藝的示意圖；

圖3a-圖3l為本發明實施例提供的一種發光二極管的工藝示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

實施例一

請參見圖1，圖1為本發明實施例提供的一種發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ge外延層；

步驟c、在所述ge外延層上淀積保護層；

步驟d、利用lrc工藝對所述si襯底、所述ge外延層和所述保護層進行晶化；

步驟e、刻蝕所述保護層；

步驟f、在所述ge外延層上生長ge并摻雜形成p型晶化ge層；

步驟g、在所述p型晶化ge層上生長無摻雜的gesn層；

步驟h、在所述無摻雜的gesn層上生長n型ge層；

步驟i、制作金屬電極，形成發光二極管。

其中，對于步驟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150～250nm的ge主體層。

相應地，步驟d可以包括：

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

自然冷卻所述整個襯底材料。

其中，對于步驟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400-450nm的ge層；

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

其中，對于步驟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組分達到8％，生長150～200nm的無摻雜的gesn層。

其中，對于步驟h，可以包括：

利用n2作為運載氣體，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40～60nm的n型ge層。

其中，對于步驟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的化學溶劑，以穩定速率100nm/min進行臺面刻蝕，刻蝕的深度為250nm以內，刻蝕到所述p型晶化ge層，顯現出所述p型晶化ge層；

i2、利用等離子體增強化學氣相淀積工藝，在所述顯現出的所述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、利用電子束蒸發在所述接觸孔中淀積150～200nm的cr或au層，形成金屬電極。

請參見圖2，圖2為本發明實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，再用連續激光輔助晶化ge外延層，可有效降低ge虛襯底的位錯密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升ge虛襯底的質量從而得到更高質量的gesn外延層，進而可顯著提高發光器件的性能。

本發明的工作原理及有益效果具體為：

1)本發明采用的激光再晶化工藝，具有ge外延層晶體質量高，工藝步驟簡單，工藝周期短，熱預算低等優點。

2)本發明通過連續激光輔助晶化ge/si虛襯底，可有效降低ge/si虛襯底的位錯密度和表面粗糙度，可顯著提高后續gesn外延層的質量，進而可顯著提高發光器件的性能。

另外，需要強調說明的是，本發明的激光再晶化(laserre-crystallization,簡稱lrc)工藝與激光退火(laserannealing)工藝有顯著區別。激光退火工藝，屬于熱退火工藝范疇。其采用激光作為熱源，僅對半導體進行加熱處理，未產生相變過程。而本發明激光再晶化工藝處理過程中，半導體材料會發生兩次相變--熔融液化而后再固相結晶。因而，此二者工藝在本質上有顯著的區別。

實施例二

請參見圖3a-圖3l，圖3a-圖3l為本發明實施例提供的一種發光二極管的工藝示意圖，在上述實施例的基礎上，本實施例將較為詳細地對本發明的工藝流程進行介紹。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的整個襯底材料加熱至700℃，連續采用lrc工藝晶化整個襯底材料，其中激光波長為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動速度為25mm/s，自然冷卻整個襯底材料；

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400-450nm厚的ge層006，如圖3f所示；

s108、利用離子注入工藝對ge層006和lrc工藝晶化后的ge層005進行摻雜，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以及晶化后生長的ge層006合稱為p型晶化ge層007)，之后進行退火，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組分達到8％。生長150～200nm厚的無摻雜的ge0.92sn0.08層008，如圖3h所示；

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

s112、室溫下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學溶劑，以穩定速率100nm/min進行臺面刻蝕，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、采用等離子體增強化學氣相淀積技術，淀積150～200nm厚的sio2鈍化層010，隔離臺面與外界電接觸，用刻蝕工藝選擇性刻蝕掉指定區域的sio2形成接觸孔，如圖3k所示；

s112、利用電子束蒸發工藝，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域的金屬cr或au，采用化學機械拋光(cmp)進行平坦化處理，如圖3l所示。

實施例三

請參見圖3a-圖3l，圖3a-圖3l為本發明實施例提供的另一種發光二極管的工藝示意圖，在上述實施例的基礎上，本實施例將較為詳細地對本發明的工藝流程進行介紹。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的整個襯底材料加熱至700℃，連續采用lrc工藝晶化整個襯底材料，其中激光波長為808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率為1.5kw/cm²，激光移動速度為25mm/s，自然冷卻整個襯底材料；

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450nm厚的ge層006，如圖3f所示；

s108、利用離子注入工藝對ge層006和lrc工藝晶化后的ge層005進行摻雜，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以及晶化后生長的ge層006合稱為p型晶化ge層007)，之后進行退火，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組分達到8％。生長200nm厚的無摻雜的ge0.92sn0.08層008，如圖3h所示；

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

s112、室溫下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化學溶劑，以穩定速率100nm/min進行臺面刻蝕，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、利用等離子體增強化學氣相淀積工藝，淀積150nm厚的sio2鈍化層010，隔離臺面與外界電接觸，用刻蝕工藝選擇性刻蝕掉指定區域的sio2形成接觸孔，如圖3k所示；

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

綜上所述，本文中應用了具體個例對本發明發光二極管及其制備方法的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制，本發明的保護范圍應以所附的權利要求為準。