发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器

摘要

一种发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器，方法是将发光二极管和激光器直接外延生长在单晶硅薄膜石英衬底上或外延生长在沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英衬底上。半导体发光二极管结构有与石英衬底键合单晶硅薄膜；形成在石英衬底上的单晶硅电极层；外延生长在单晶硅电极层上的LED的N层；位于LED的N层上的LED发光层；位于LED的发光层上的LED的P层；形成在P层上的LED顶部电极。半导体激光器结构有与石英衬底键合单晶硅薄膜；形成在石英衬底上的单晶硅电极层；外延生长在单晶硅电极层上的LD的N层；位于LD的N层之上的LD的有源层；位于LD的有源层之上的LD的P层；形成在LD的P层之上的LD的顶部电极。本发明可实现LED和LD器件的底发光，可提高LED和LD的发光效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体发光二极管和半导体激光器。特别是涉及一种在单晶硅薄膜石英衬底上外延生长半导体发光二极管和半导体激光器的发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器。

背景技术

目前GaN类的发光二极管(LED)通常制备在蓝宝石(Al₂O₃)(S.Nakamura，T.Mukai，and M.Senoh，Appl.Phys.Lett.，64，1687，1994)或碳化硅(SiC)衬底上(GROUPIII NITRIDE LED WITH SILICON CARBIDE SUBSTRATE，Edmond，John Adam；Doverspike，Kathleen Marie；Kong，Hua-shuang；Bergmann，Michael John；美国专利，20050040426)它们存在衬底价格比较贵、衬底直径通常只有2-4英寸、不能和成熟的硅(Si)微电子电路集成等不足之处。硅衬底具有较好的导热性、较好的导电性、直径可达到30厘米等优点。用体硅衬底做GaN LED的研究近来也受到人们的关注(Selective area depositedblue GaN-InGaN multiple-quantum well light emitting diodes over siliconsubstrates，J.W.Yang，A.Lunev，G.Simin，A.Chitnis，M.Shatalov，and M.AsifKhan，APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 76，NUMBER 3，273，2000)，其困难在于：Si和GaN类材料间的热失配和晶格失配会导致用GaN类的薄膜材料的龟裂和无法在其制备高性能的GaN LED；除此之外，体硅衬底在可见光范围内是不透明的，这就要求LED采用顶发射结构，从GaN有源层发射出的光子的50％有可能会被体硅衬底吸收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器。

本发明所采用的技术方案是：一种半导体发光二极管和激光器的制作方法，是将发光二极管和激光器是直接外延生长在单晶硅薄膜石英衬底上或外延生长在沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英衬底上。包括下述步骤：

(1)将单晶硅片化学机械抛光达到设定厚度后，在设定深度内，进行氢离子注入，在离单晶硅衬底的顶表面设定深度处形成一个含氢量的薄层；

(2)将单晶硅的抛光表面与抛光的石英衬底键合，通过高温退火过程，在氢含量的薄层处形成分离间隙，使薄层上的注入有氢离子的单晶硅薄膜与衬底分离，与石英衬底键合形成单晶硅薄膜石英衬底；

(3)对形成的单晶硅薄膜石英衬底进行高温退火，以加强薄膜的键合特性，恢复氢注入过程中在单晶硅薄膜中所产生的缺陷；

(4)对单晶硅薄膜石英的单晶硅膜进行减薄和表面抛光，形成外延不同种类半导体发光二极管和激光器所需厚度的单晶硅薄膜；

(5)对单晶硅薄膜进行剂量为5×10¹⁹-5×10²¹/立方厘米的磷离子注入掺杂，之后在700℃-1100℃高温活化，形成导电电极；

(6)用金属有机化合物化学气相沉积或分组束外延的方法依次外延生长半导体发光二极管和激光器的N层、有源发光层和P层；

(7)用溅射、蒸发或电子束蒸发的方法沉积高反射低电阻的金属层，形成半导体发光二极管和激光器的顶部电极。

在第(1)步所述的设定深度为100nm-300nm。

在第(1)步注入的氢离子剂量为4-6E16/cm²。

所述的高温退火温度为100-600℃。

在第(4)步所述的不同种类LED和LD包括有：以InGaN/GaN多量子阱为有源层的蓝光LED，或以InGaN/GaN多量子阱为有源层的绿光LED，或以InGaN/GaN，InGaAs/GaAs和InGaP/InP多量子阱为有源层的红光LED，或以InGaN/GaN、InGaAs/GaAs和InGaP/InP多量子阱为有源层的红外、红光、绿光、蓝光LD。

在第(4)步所述的不同种类半导体发光二极管和激光器所需厚度为：当外延蓝光半导体发光二极管或激光器时的单晶硅膜的厚度为30nm；当外延绿、红光的半导体发光二极管或激光器的单晶硅膜的厚度为50nm-100nm。

所述的单晶硅薄膜的晶向为<111>、<100>或<110>晶向。

在第(5步)中，还可在单晶薄膜上生长缓冲层，构成沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英(SOQ)衬底。

所述的缓冲层为AlN或ZnO或SiC薄膜，或这三种薄膜中的任意两种或三种的混合。

所述制得的半导体发光二极管和半导体激光器为于III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，以及有机高分子和小分子半导体发光二极管和半导体激光器。

所述的半导体发光二极管和激光器器件的顶部电极为Pb或Au或Ti或Al或Ag或Mg或Ca的金属电极。

本发明的采用半导体发光二极管和激光器的制作方法制作的半导体发光二极管，包括有与石英衬底键合单晶硅薄膜；加温活化后形成在石英衬底上的单晶硅电极层；外延生长在单晶硅电极层上的LED的N层材料；位于LED的N层材料之上的LED的发光层；位于LED的发光层之上的LED的P层；形成在P层之上的LED的顶部电极。

所述单晶硅薄膜的晶向为<111>或<100>或<110>晶向。

在所述的单晶硅诱导及电极层和LED的N层材料之间还可形成有缓冲层，而所述的LED的N层材料通过金属电极702与单晶硅电极层相连。

所述的缓冲层701是由AlN或ZnO或SiC构成。

所述的半导体发光二极管为III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或有机高分子和小分子半导体发光二极管。

本发明的采用半导体发光二极管和激光器的制作方法制作的半导体激光器，包括有与石英衬底键合单晶硅薄膜；加温活化后形成在石英衬底上的单晶硅电极层；外延生长在单晶硅电极层上的LD的N层材料；位于LD的N层材料之上的LD的有源层；位于LD的有源层之上的LD的P层；形成在LD的P层之上的LD的顶部电极。

所述单晶硅薄膜的晶向为<111>或<100>或<110>晶向。

在所述的单晶硅诱导及电极层和LD的N层材料之间还可形成有缓冲层，而所述的LD的N层材料通过金属电极702与单晶硅电极层相连。

所述的缓冲层是由AlN或ZnO或SiC构成。

所述的半导体激光器为III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体激光器，或II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或有机高分子和小分子半导体激光器。

本发明的发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器，运用石英上单晶硅薄膜具有的晶格应变性、晶格有序性、晶向可选择性、超薄硅薄膜对可见光的低吸收性、半透半反特性、掺杂硅薄膜的可导电性以及衬底材料的可高温加工等多项优良特性，以其为衬底，在其上外延生长半导体发光二极管和半导体激光器器件。用本发明制备的半导体发光二极管和半导体激光器，可与SOQ上形成的高性能单晶硅薄膜晶体管微电子器件和电路，集成于同一衬底上成为光电子集成系统，它可做为并不限于投影显示和近眼显示的高密度信息源。用本发明制备的红、绿、蓝LED半导体发光二极管和半导体激光器，可制备成照明光源，显示器光源或显示器的象素点。本发明综合了现已产品化的蓝宝石衬底LED和尚处于研究阶段的c-Si衬底LED的优点。使用该技术取代常规的蓝宝石，可大幅度可降低LED和LD的衬底成本，可实现和Si集成电路的一体化；和现在尚处于研究状态的单晶硅衬底相比，可实现LED和LD器件的底发光，可提高LED和LD的发光效率。

附图说明

图1是向体单晶硅片的设定厚度注入氢的示意图；

图2是体单晶硅片与石英衬底键合和氢诱导单晶硅薄膜剥离过程的示意图；

图3是SOQ衬底单晶硅薄膜表面的化学机械抛光示意图；

图4是不同厚度单晶硅薄膜的吸收谱；

图5是用于外延生长LED的不同衬底的剖面示意图

其中：a为单晶硅衬底b为蓝宝石衬底c为SQ衬底；

图6：在SOQ上无缓冲层外延LED器件结构示意图；

图7：在SOQ上有缓冲层外延LED器件结构示意图；

图8：在SOQ上无缓冲层外延LD器件结构示意图；

图9：在SOQ上有缓冲层外延LD器件结构示意图；

其中：

101：单晶硅片                102：高含氢量的薄层

103：单晶硅薄膜              104：氢离子注入

201：石英衬底                202：分离间隙

301：抛光薄膜                302：表面抛光

501：单晶硅衬底              502：蓝宝石(Al2O3晶体)

503：SOQ衬底                 601：LED的N层材料

602：发光层                  603：LED的P层

604：顶部电极                701：缓冲层

702：金属电极                801：LD的N层材料

802：LD的有源层              803：LD的P层

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的发光二极管和激光器制作方法及发光二极管和激光器做出详细说明。

本发明的半导体发光二极管(LED)和激光器(LD)的制作方法，所述的发光二极管和半导体激光器是直接外延生长在单晶硅薄膜石英(SOQ)衬底上或外延生长在沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英(SOQ)衬底上。

本发明的半导体发光二极管和激光器制作方法，具体包括下述步骤：

(1)将单晶硅片化学机械抛光(CMP)达到设定厚度，所述的设定厚度为100nm-300nm，之后在设定厚度内进行大剂量氢离子注入，注入的氢离子剂量为4-6E16/cm²，在离单晶硅衬底的顶表面设定厚度处形成一个高含氢量的薄层；

(2)将单晶硅的抛光表面与抛光的石英衬底键合，通过高温退火过程，所述的高温退火温度为100-600℃，在高氢含量的薄层处形成分离间隙，使薄层上的注入有氢离子的单晶硅薄膜与衬底分离，与石英衬底键合形成单晶硅薄膜石英衬底；

(3)对形成的单晶硅薄膜石英衬底进行高温退火，以加强薄膜的键合特性，恢复氢注入过程中在单晶硅薄膜中所产生的缺陷；

(4)对单晶硅薄膜石英的单晶硅膜进行减薄和表面抛光，形成外延不同种类LED和LD所需厚度的单晶硅薄膜。所述的单晶硅薄膜的晶向为<111>、<100>或<110>晶向。

所述的不同种类LED和LD包括有：以InGaN/GaN多量子阱为有源层的蓝光LED，或以InGaN/GaN多量子阱为有源层的绿光LED，或以InGaN/GaN，InGaAs/GaAs和InGaP/InP多量子阱为有源层的红光LED，或以InGaN/GaN、InGaAs/GaAs和InGaP/InP多量子阱为有源层的红外、红光、绿光、蓝光LD；

所述的不同种类LED所需厚度为：当外延蓝光LED和LD的单晶硅膜的厚度为30nm；当外延绿、红光的LED和LD的单晶硅膜的厚度为50nm-100nm。

(5)对单晶硅薄膜进行剂量为5×10¹⁹-5×10²¹/立方厘米的磷离子注入掺杂，之后在700℃-1100℃高温活化，形成导电电极；

当需要将发光二极管和激光器直接外延生长在沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英(SOQ)衬底上时，还可在单晶薄膜上生长缓冲层，构成沉积有缓冲层的单晶硅薄膜石英(SOQ)衬底。所述的缓冲层为AlN或ZnO或SiC薄膜，或这三种薄膜中的任意两种或三种的混合。

(6)用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积方法)或MBE(分子束外延方法)依次外延生长LED或LD的N层、有源发光层和P层；

(7)用溅射、蒸发或电子束蒸发的方法沉积高反射低电阻的金属层，形成LED或LD的顶部电极。(所述的LED和LD器件的顶部电极为Pb或Au或Ti或Al或Ag或Mg或Ca的高电导、高反射金属电极。

上述方法制得的半导体发光二极管和半导体激光器为于III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管和半导体激光器，以及有机高分子和小分子半导体发光二极管和半导体激光器。

如图1所示，外延LED所需的SOQ衬底的制备，可选用晶向为{111}的单晶硅片101，化学机械抛光(CMP)后，在选择的深度(100nm-300nm)上进行大剂量(4-6E16cm²)的氢离子注入104。这样，在单晶硅衬底101的顶部100-300nm的单晶硅薄膜103的底部，形成一个高含氢量的薄层102。

如图2所示，单晶硅薄膜103的表面与抛光的石英衬底201键合，之后，通过温度过程(100-600℃)，高氢含量的薄层102处将因氢的膨暴形成分离间隙202，使单晶硅薄膜103与单晶硅片101分离，单晶硅薄膜103与石英衬底201键合形成SOQ衬底。之后，对形成的SOQ衬底进行高温退火，以加强薄膜的键合特性，恢复氢注入过程中在单晶硅薄膜中所产生的缺陷。

如图3所示，对单晶硅膜薄膜103进行减薄和表面抛光302，形成外延不同种类LED所需厚度的抛光薄膜301，外延蓝光LED的单晶硅膜约为30nm，外延绿、红光的LED的单晶硅膜约50nm-100nm。

如图4所示，不同厚度的单晶硅薄膜具有不同的可见光吸收光谱，单晶硅薄膜具有较大的折射率n，为半透半反特性，可形成LED的微谐振腔，来增加LED的发光效率。

如图5所示，是LED外延所采用的不同衬底，{111}晶向的单晶硅衬底501(图5中的a)，蓝宝石(Al2O3晶体)502(图5中的b)和SOQ衬底503(图5中的c)。

其中，单晶硅衬底501价格便宜，可与硅基的微电子系统进行光电集成，其缺点之一是单晶硅衬底501与外延的LED(GaN etc)应力大，使LED薄膜容易龟裂，另外，此应力也会增加LED的缺陷态密度。缺点之二，单晶硅衬底501(0.55mm)对于可见光是不透明的，基本上是将进入到单晶硅中的可见光全部吸收掉。这样，光的损失率约占50％，而且，LED要采用顶部发光结构。

目前，成熟的制备技术是采用蓝宝石衬底502外延LED。但是，衬底的尺寸小(2-4inch)，且价格昂贵，不能进行光电子微电子集成。

采用SOQ衬底503，由于单晶硅薄膜很薄(30-100nm)，在高温过程中，结构的张伸与压缩受到石英衬底的直接影响，从而改善与LED的应力关系。30nm-50nm的单晶硅薄膜对于可见光的吸收较小，基本上为半透半反膜，这样可形成底部发光的LED结构，并与顶部的高反射金属电极形成微谐振腔，提高LED的发光效率。单晶硅本身可做为导电电极，而且可以形成SOQ微电子与LED光电子的集成系统。

上述几种衬底的优势和不足的比较列于表1中，从中可以看出，SOQ做为LED的外延衬底，具有明显的优势。

                    表1：外延生长LED的不同衬底的性能比较

  衬底  晶体结构  可见光透  过状态  LED结构  导电性  应力  光损失  C-Si  单晶  {111}  吸收  顶部发光  导电  差  大  Al2O3  单晶  透  底面发光  不导电  好  小  SOQ  单晶  {111}  半透半反  底面发光  谐振腔  导电  较好  小

如图6所示，本发明的采用半导体发光二极管和激光器制作方法制作的半导体发光二极管(LED)，包括有与石英衬底201键合单晶硅薄膜103；加温活化后形成在石英衬底201上的单晶硅电极层301；外延生长在单晶硅电极层301上的LED的N层材料601；位于LED的N层材料601之上的LED的发光层602；位于LED的发光层602之上的LED的P层603；形成在LED的P层603之上的LED的顶部电极604。所述LED的底部的单晶硅电极层301与顶部的高反射的顶部电极604形成可提高LED发光效率的微谐振腔。

上述单晶硅薄膜103的晶向为<111>或<100>或<110>晶向。

如图7所示，在所述的单晶硅诱导及电极层301和LED的N层材料601之间还可形成有缓冲层701，而所述的LED的N层材料601通过金属电极702与单晶硅电极层301相连。所述的缓冲层701是由AlN或ZnO或SiC构成。

上述的半导体发光二极管为III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或有机高分子和小分子半导体发光二极管。

如图8所示，本发明的采用半导体发光二极管和激光器制作方法制作的半导体激光器LD，包括有与石英衬底201键合单晶硅薄膜103；加温活化后形成在石英衬底201上的单晶硅电极层301；外延生长在单晶硅电极层301上的LD的N层材料801；位于LD的N层材料801之上的LD的有源层802；位于LD的有源层802之上的LD的P层803；形成在LD的P层803之上的LD的顶部电极604。

上述单晶硅薄膜103的晶向为<111>或<100>或<110>晶向。

如图9所示，在所述的单晶硅诱导及电极层301和LD的N层材料801之间还可形成有缓冲层701，而所述的LD的N层材料801通过金属电极702与单晶硅电极层301相连。所述的缓冲层701是由AlN或ZnO或SiC构成。

上述的半导体激光器为III-V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体激光器，或II-VI族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或V族异质结、量子阱、量子线和量子点半导体发光二极管，或有机高分子和小分子半导体激光器。

上述详细说明是有关本发明的具体说明，凡未脱离本发明权利要求所述的等效实施或变更，均属于本发明的内容范围。