氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外led器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件制備領(lǐng)域，具體涉及一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅 外LED器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著技術(shù)要求日益提高，信息處理硬件的微細(xì)加工的極限開始顯現(xiàn)出來，束縛了 技術(shù)的日益發(fā)展。在過去的幾十年發(fā)展中，微電子工藝一直按照摩爾定律進(jìn)步著。進(jìn)步的 最顯著特點(diǎn)就是工藝尺寸越來越小，集成度越來越高，成本越來越低。但是，隨著微電子工 藝尺寸向納米級(jí)前進(jìn)，各種物理效應(yīng)帶來的瓶頸也越來越明顯。為了突破瓶頸，研宄人員 們把目光集中在了將微電子與光電子技術(shù)相結(jié)合的領(lǐng)域上，這就是光電集成（OEIC)。經(jīng)過 Intel、IBM等半導(dǎo)體巨頭的不懈努力，硅光電子技術(shù)的諸多關(guān)鍵器件得以在集成電路平臺(tái) 上實(shí)現(xiàn)，包括高速硅光調(diào)制器、探測(cè)器和波導(dǎo)元件都得到了突破。然而由于硅是間接帶隙材 料導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)直接發(fā)光，片上光源沒有得到實(shí)現(xiàn)，這是硅光子技術(shù)一直以來所面臨的最 大難題。
[0003] III-V族和硅混合集成是比較有效的實(shí)現(xiàn)光源和無(wú)源器件結(jié)合的方案，但是 III-V族材料存在與娃加工平臺(tái)不兼容，特別是與CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）標(biāo)準(zhǔn)工藝平臺(tái)不兼容，存在III-V族器件性能降 低和加工成本高的問題。為實(shí)現(xiàn)材料自身的發(fā)光，有多種技術(shù)方案，包括采用硅納米團(tuán)簇、 多孔硅、摻鉺等手段，以上辦法也都受限于發(fā)光效率低或者發(fā)光性能不穩(wěn)定等因素，距離實(shí) 用的片上光源仍有很大差距。
[0004] 在研宄人員尋找解決方案的過程中，鍺錫合金進(jìn)入了研宄的視野。鍺屬于間接帶 隙半導(dǎo)體，錫屬于金屬，通過在鍺材料摻錫可以使鍺錫合金的帶隙隨錫組分的變化在紅外 波段的較寬范圍內(nèi)（0-0. 66eV)連續(xù)可調(diào)。鍺錫材料能夠有效降低載流子的有效質(zhì)量，不存 在極性光學(xué)散射，因而其能夠?qū)⑤d流子迀移率提升到比較大的值。因此，鍺錫材料能夠在高 速電子器件，高效光子器件，紅外光子器件等方面有著比較大的應(yīng)用范圍。另外，鍺錫合金 能夠與現(xiàn)有的集成電路工藝兼容，基于鍺錫材料的高迀移率晶體管已經(jīng)在深亞微米集成電 路技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，而基于鍺錫合金材料的光電探測(cè)器和光調(diào)制器同樣也得以在 CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝平臺(tái)上得到實(shí)現(xiàn)。
[0005] 鍺的能帶調(diào)制被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)片上激光的技術(shù)，通過摻錫來實(shí)現(xiàn)鍺的能帶 調(diào)制是目前光電子研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)。如果能夠在鍺上實(shí)現(xiàn)CMOS兼容的片上激光，就能夠?qū)?現(xiàn)完全的片上光互連，以光子而不是電子作為媒介在芯片之間和設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，既能 發(fā)揮光互連速度快、帶寬大、無(wú)干擾、密度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能充分利用微電子工藝 成熟，高密度集成，高成品率，成本低廉等特點(diǎn)，基于鍺材料的片上激光將推動(dòng)新一代高性 能計(jì)算機(jī)，光通信設(shè)施和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。
[0006] 目前制備發(fā)光的鍺錫材料所采用的一般方法是化學(xué)氣相沉積和分子束外延生長(zhǎng) 的方法。然而由于錫材料在鍺內(nèi)的低固溶度、錫材料與鍺材料較大的晶格失配等原因，要實(shí) 現(xiàn)高錫組分的鍺錫合金器件所需要的工藝條件顯的較為苛刻，因此要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)顯的 十分困難。
[0007]目前基于鍺材料的LED研宄仍處于初級(jí)階段，國(guó)內(nèi)外均有所發(fā)表的基于鍺材料 LED器件仍具有光電轉(zhuǎn)換效率低，光穩(wěn)定性不好等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足片上光電集成系統(tǒng)對(duì)片上 光源的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用各結(jié)構(gòu)的基于鍺錫材料的LED器件目前具有高錫組分摻雜 難度高、光電轉(zhuǎn)換效率低、光穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，仍無(wú)法滿足片上光電集成系統(tǒng)對(duì)光源的要 求，本發(fā)明提供了一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件及其制備方法。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0010] 一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件，包括硅襯底以及設(shè)置在硅襯底上的 鍺緩沖層，鍺緩沖層上從左往右依次設(shè)有鋁電極、橫向P-I-N鍺錫層、氮化硅層和鋁電極， 所述鍺錫P-I-N結(jié)構(gòu)上方淀積有氮化硅薄膜。
[0011] 為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的 制備方法，包括如下步驟：
[0012] S1、采用低、高溫兩步法，先在硅襯底上250°C生長(zhǎng)一層低溫鍺緩沖層后，升溫至 500°C生長(zhǎng)高溫鍺緩沖層；
[0013] S2、在步驟Sl所得的鍺緩沖層上生長(zhǎng)一層鍺錫材料；
[0014] S3、在步驟S2所得的鍺錫材料上制備橫向P-I-N結(jié)構(gòu)；
[0015] S4、在步驟S3所得的鍺錫P-I-N結(jié)構(gòu)上方淀積氮化硅薄膜，使其產(chǎn)生張應(yīng)變；
[0016] S5、在步驟S4所得的鍺錫層兩側(cè)淀積鋁電極，得到應(yīng)變鍺錫LED器件。
[0017] 其中，所述步驟Sl中的生長(zhǎng)方法采用低溫分子束外延法。
[0018] 其中，所述步驟Sl中的鍺緩沖層的厚度為300nm。
[0019] 其中，所述步驟S2中的鍺錫材料的生長(zhǎng)方法采用低溫分子束外延法，其生長(zhǎng)溫度 為 200°C。
[0020] 其中，所述步驟S2中的鍺錫材料的厚度為300nm，錫組分為3. 8%。
[0021] 其中，所述步驟S3中的P-I-N結(jié)構(gòu)鍺膜內(nèi)P區(qū)摻雜雜質(zhì)為硼，采用熱擴(kuò)散工藝摻 雜，烘烤溫度為200°C，時(shí)間為20分鐘，退火溫度為350°C，退火時(shí)間為30分鐘；所述P-I-N 結(jié)構(gòu)內(nèi)N區(qū)慘雜雜質(zhì)為憐，米用熱擴(kuò)散工乙慘雜，供烤溫度為200 C，時(shí)間為20分鐘，退火溫 度為750°C，退火時(shí)間為15秒。
[0022]其中，所述步驟S4中淀積的條件為：溫度為370°C，反應(yīng)腔壓強(qiáng)為1500mT，功率為 10W，SiH4/NH^氣體流量比為0. 75,淀積時(shí)間為4Min，生長(zhǎng)厚度為1306. 6 A。
[0023] 其中，所述步驟S5的鋁電極采用金屬蒸發(fā)工藝制作，結(jié)構(gòu)從下至上依次為鈦、 鋁和金，鈦層厚度為20nm，生長(zhǎng)速度為〇. 5 A/s;鋁層厚度為130nm，10nm內(nèi)生長(zhǎng)速率為 0. 5 A/s，l〇nm到130nm內(nèi)生長(zhǎng)速率為〇. 70. 5 A/s;金層厚度為20nm，生長(zhǎng)速率為0. 5 A/s〇
[0024] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] 兼容了 CMOS工藝，克服了目前高錫組分含量的鍺錫合金生長(zhǎng)困難的問題，且能通 過調(diào)整氮化硅膜的結(jié)構(gòu)改變張應(yīng)力大小以實(shí)現(xiàn)鍺錫材料光源對(duì)不同波長(zhǎng)光的需求，具有較 高的光電轉(zhuǎn)換效率，光穩(wěn)定性，加工簡(jiǎn)單、方便，為實(shí)現(xiàn)片上光源提供一個(gè)具體的結(jié)構(gòu)和實(shí) 施方案。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的制備方法中步 驟Sl的加工示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的制備方法中步 驟S2的加工示意圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的制備方法中步 驟S3的加工示意圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的制備方法中步 驟S4的加工示意圖。
[0030] 圖5為為本發(fā)明實(shí)施例一種氮化硅膜致應(yīng)變的鍺錫中紅外LED器件的制備方法中 步驟S5的加工示意圖。
【具體實(shí)施方式】