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基于GeSn/SiGeSn材料的应变多 量子阱 激光器及其制作方法

阅读：418发布：2024-01-28

专利汇可以提供基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法，势垒层采用GeSiSn材料；势阱层采用GeSn材料。赝衬底(Ge)、缓冲层 (GeSn)、有源区(GeSn/GeSiSn)在衬底(Si)上依次由下至上竖直分布，且Si3N4张应力薄膜包裹在赝衬底、缓冲层及有源区的周围。本发明激光器的制作方法包括：(1)采用低温固源分子束外延生长工艺生长GeSn及GeSiSn材料，(2)采用标准激光器制作工艺加工器件。本发明通过多量子阱结构和外加Si3N4 应力薄膜引入的张应变，不仅使激光器的激光波长发生了红移，而且明显提高了激光器的光增益并极大的降低了阈值。，下面是基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器，包括：衬底(1)、赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)、应力薄膜(5)以及金属电极(6)；所述的赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)在衬底(1)上依次由下至上竖直分布，且Si3N4应力薄膜(5)包裹在赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)的周围；其特征在于：所述赝衬底(2)采用N+掺杂的Ⅳ族材料Ge；缓冲层(3)采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料；有源区(4)采用通式为Ge1-y-zSiySnz和Ge1-xSnxIV族复合材料，在GeSn/SiGeSn界面处形成晶格匹配的I型量子阱结构；这里的量子阱个数为20；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.1；y表示SiGeSn中Si的组份，z表示SiGeSn中的Sn组分，这里采用的组分为：Ge0.695Si0.161Sn0.144。
2.根据权利要求1所述的基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器，其特征在于，所述的衬底(1)采用单晶Si材料。
3.根据权利要求1所述的基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器，其特征在于，+
所述的赝衬底(2)采用N掺杂的Ge材料。
4.根据权利要求1所述的基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器，其特征在于，所述激光器的制备方法包括如下步骤：
(1)制备赝衬底：
利用低、高温两步固源分子束外延工艺，在衬底Si上生长一层几百纳米厚的Ge作为赝衬底；这里低温为350℃，高温为600℃。
(1a)磷离子注入：
在Ge赝衬底中进行磷离子注入工艺，形成N+掺杂的Ge赝衬底；
(2)制备GeSn缓冲层：
利用低温固源分子束外延工艺，在Si衬底(1)上的Ge赝衬底(2)上外延生成一层500nm厚的Ge1-tSnt材料；这里及以下步骤的低温为180℃。
(2a)磷离子注入：
在GeSn层中进行磷离子注入工艺，形成GeSn N+缓冲层(3)；
(3)制备有源区(4)：
(3a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+缓冲层(3)上，外延生长一层200nm厚的SiGeSn；
(3b)磷离子注入：
在SiGeSn层中进行磷离子注入工艺，形成N+SiGeSn层；
(3c)利用低温固源分子束外延工艺，在N+SiGeSn层上外延生长一层7nm的GeSn作为势阱；
(3d)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn层上外延生长一层10nm的SiGeSn作为势垒；
(3e)进行(3c)和(3d)的工艺步骤共20次，形成20个量子阱；
(3f)利用低温固源分子束外延工艺，在多量子阱层上外延生长一层200nm厚SiGeSn；
(3g)硼离子注入：在SiGeSn层中进行硼离子注入工艺，形成P+SiGeSn层；
(4)有源区形成后，利用干法刻蚀工艺将除了Si衬底以外的所有材料层刻蚀成直径为5μm的圆柱形；
(5)利用湿法刻蚀工艺，刻蚀掉部分Ge赝衬底形成悬浮微盘结构；
(6)利用低温等离子体增强化学气相淀积工艺，在悬浮微盘结构外围沉积500nm厚具有残余压应变的Si3N4应力薄膜(5)；
(7)刻蚀沟槽：
在微盘顶部的Si3N4应力薄膜上和器件底部分别刻蚀沟槽；
(8)制备金属电极：
在刻蚀的沟槽中利用剥离工艺沉积形成金属电极(6)。
5.根据权利要求4所述的基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器制作方法，其特征在于，步骤(1)中以GeH4为Ge源，在350℃的环境中生长30nm厚Ge缓冲层后迅速将温度升至600℃再外延生长几百纳米Ge薄膜作为赝衬底。
6.根据权利要求4所述的基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器制作方法，其特征在于，步骤(1a)、(2a)和(3b)中所述磷离子注入工艺的条件为：能量50KeV；注入剂量
15 -2 +
10 cm ；注入离子P(31) ；衬底倾斜角度7°。
7.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的应变多量子阱激光器制作方法，其特征在于，步骤(3g)中所述硼离子注入工艺的条件为：能量20KeV；注入剂量1014cm-2；注入离子BF2+；衬底倾斜角度7°。

说明书全文

基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱 激光器及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电子技术领域，更进一步涉及半导体红外光源领域中的一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法。本发明可作为新型中红外光源应用于中红外光电集成系统中。

背景技术

[0002] 随着微电子与光电子的技术不断发展，在硅基中红外光电集成系统中，中红外光源问题成为其面临的挑战之一。

[0003] 与Si兼容的传统Ⅳ族材料及合金为间接带隙半导体，在倒易空间中其导带最低点偏离价带最高点。间接带隙材料中的复合主要为间接复合，复合过程中需要声子的辅助，这不利于材料的电致发光。近几年，美国和日本的研究小组通过高掺杂和高注入的方式实现了Ge材料的直接辐射复合。例如S.Saito发表的“Germanium fin light-emitting diode”(Applied Physics Letters,2011,99(24):241105)和S.L.Cheng发表的“Room temperature 1.6μm electroluminescence from Ge light emitting diode on Si substrate”(Optics Express,2009,17(12):10019-10024)等均有提及。然而，载流子在Ge半导体中主要分布在L能谷，导致了Ge发光器件的效率很低，此外，高注入还会引起器件的功耗增大。S.Gupta等发表的“Achieving direct band gap in germanium through integration of Sn alloying and external strain”(Journal of Applied Physics,2013,113(7):073707)等最近的研究表明，在Ge中引入Sn形成的GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，有利于促进载流子的直接复合和改善Ge发光器件的电致发光性能。但是其晶格常数比衬底Ge或Si的晶格常数大，器件制备过程中往往会引入压应变。

[0004] Ⅰ型双异质结能带结构可以有效的将载流子限制在GeSn这种窄带隙材料中，这种限制作用有利于材料内的辐射复合，还可以有效减少辐射光子在传输过程中的再吸收，是一种理想的可用于发光器件的能带结构。当其有源区厚度减小到一定程度时可转化为量子阱结构，是一种理想的激光器结构。然而，随着有源区厚度的减小，其光限制因子会急剧下降，减弱了激光器的光增益，此外，势阱内激光器阈值能会增加，在一定程度上增大了对载流子浓度的需求并使激光器蓝移。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有技术中Si基中红外激光器光增益较低和阈值较高的缺点，通过一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法，进一步提高了激光器增益并降低了激光器阈值。

[0006] 实现本发明目的的具体思路是，根据材料特性研究表明，在常见IV族间接带隙材料Ge中引入一定组分的同为IV族的负带隙金属材料Sn，可以使GeSn合金由间接带隙转变为直接带隙材料。同时，我们采用多量子阱结构，利用其量子限制和能带分裂的特性来增大激光器的增益；并利用Si3N4作为应力薄膜产生张应变减小GeSn合金带隙等效应以降低激光器的阈值。

[0007] 本发明的技术方案是：一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器，包括：衬底、赝衬底、缓冲层、有源区、Si3N4应力薄膜以及金属电极；赝衬底、缓冲层、有源区在衬底上依次由下至上竖直分布，且Si3N4应力薄膜包裹在赝衬底、缓冲层、有源区的周围；其特征在于，赝衬底采用N+掺杂的Ⅳ族材料Ge；缓冲层采用通式为Ge1-tSnt的IV族复合材料；有源区采用IV族材料Ge1-xSnx和Ge1-y-zSiySnz，在GeSn/SiGeSn界面处形成晶格匹配的I型量子阱结构；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.1；y表示SiGeSn中Si的组份，z表示SiGeSn中的Sn组分，这里采用的组分为：Ge0.695Si0.161Sn0.144；量子阱的个数可根据需求进行增减，本发明中的量子阱个数为20。

[0008] 本发明基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器制作方法，

[0009] 包括如下步骤：

[0010] (1)制备赝衬底：

[0011] 利用低、高温两步固源分子束外延工艺，在衬底Si上生长一层几百纳米厚的Ge作为赝衬底。

[0012] (1a)磷离子注入：

[0013] 在Ge赝衬底中进行磷离子注入工艺，形成N+掺杂的Ge赝衬底。

[0014] (2)制备GeSn缓冲层：

[0015] 利用低温固源分子束外延工艺，在衬底Si上的Ge赝衬底上外延生成一层500nm厚的Ge1-tSnt材料；

[0016] (2a)磷离子注入：

[0017] 在GeSn层中进行磷离子注入工艺，形成GeSn N+缓冲区；

[0018] (3)制备有源区：

[0019] (3a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+缓冲区上，外延生长一层200nm厚的SiGeSn；

[0020] (3b)磷离子注入：

[0021] 在SiGeSn层中进行磷离子注入工艺，形成N+SiGeSn层；

[0022] (3c)利用低温固源分子束外延工艺，在N+SiGeSn层上外延生长一层7nm的GeSn作为势阱；

[0023] (3d)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn层上外延生长一层10nm的SiGeSn作为势垒；

[0024] (3e)进行(3c)和(3d)的工艺步骤共20次，形成20个量子阱；

[0025] (3f)利用低温固源分子束外延工艺，在多量子阱层上外延生长一层200nm厚SiGeSn；

[0026] (3g)硼离子注入：在SiGeSn层中进行硼离子注入工艺，形成P+SiGeSn层；

[0027] (4)有源区形成后，利用干法刻蚀工艺将除了Si衬底以外的所有材料层刻蚀成直径为5μm的圆柱形；

[0028] (5)利用湿法刻蚀工艺，刻蚀掉部分Ge赝衬底形成悬浮微盘结构；

[0029] (6)利用低温等离子体增强化学气相淀积工艺，在悬浮微盘结构外围沉积500nm厚具有残余压应变的Si3N4应力薄膜；

[0030] (7)刻蚀沟槽：

[0031] 在微盘顶部的Si3N4应力薄膜上和器件底部分别刻蚀沟槽。

[0032] (8)制备金属电极：

[0033] 在刻蚀的沟槽中利用剥离工艺沉积形成金属电极。

[0034] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0035] 第一，本发明采用在IV族间接带隙材料Ge中，引入同为IV族的负带隙材料Sn而形成的GeSn合金，降低了材料的带隙并提高了吸收系数，克服了现有技术中同为IV族的Si和Ge探测器在近中红外探测波长范围较窄和较低的光吸收系数的缺点，因而红移了激光器的工作波长。

[0036] 第二，由于本发明采用了多量子阱结构，对载流子有很强的限制作用。在量子限制的作用下，势阱内低能级上的载流子有效状态密度减小，这有利于降低量子阱内发生粒子数反转的所需的注入载流子浓度，减弱了势阱内的俄歇复合，降低了激光器的阈值。然而随着有源区厚度的减小，量子阱结构的光限制因子会急剧下降进而减弱激光器的增益，而多量子阱结构可以有效提高光限制因子，提高激光器的增益。

[0037] 第三，在Si3N4应力薄膜的作用下，产生了1％残余压应变，GeSn合金的子能级带隙进一步减小，同时减小了GeSn合金内发生粒子数反转时所需的注入载流子浓度，有效降低了激光器的阈值。附图说明

[0038] 图1是本发明GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器的三维结构图。

[0039] 图2是本发明GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器的制作方法的流程图。

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

[0041] 参照图1，基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，包括：衬底(1)、赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)、Si3N4应力薄膜(5)、以及金属电极(6)；所述的赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)在衬底(1)上依次由下至上竖直分布，且Si3N4应力薄膜(5)环绕覆盖在赝衬底(2)、缓冲层(3)、有源区(4)的四周；其特征在于：所述赝衬底(2)采用Ⅳ族材料Ge；缓冲层(3)采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料；有源区(4)采用通式为Ge1-y-zSiySnz和Ge1-xSnxIV族复合材料，从而形成多量子阱结构，这里的量子阱个数为20；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.1；y表示SiGeSn中Si的组份，z表示SiGeSn中的Sn组分。虽然GeSn合金中随着Sn组份的不断增加，使GeSn合金由间接带隙转变可以转变为直接带隙材料，使其在较宽的波段(0～0.66eV)范围内实现带隙的连续可调，但是，由于Sn在Ge中固溶度较低，因而Sn组份难以实现大量掺杂，现今技术实现的最大掺杂Sn组份为0.15，Sn组份越高，实现技术难度越大，所以Sn组份的取值范围为0＜x＜0.1。

[0042] 衬底1采用单晶Si(001)。

[0043] 参照图2，本发明中基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器的制作方法。对本发明基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器中GeSn中Sn组份的取值为0.1和SiGeSn组分为Ge0.695Si0.161Sn0.144给出如下实例。

[0044] 实施例：Ge0.9Sn0.1/Ge0.695Si0.161Sn0.144应变多量子阱激光器制作方法。

[0045] 步骤1：制备Ge赝衬底。

[0046] 利用固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Si衬底(1)上，以GeH4为Ge源，在350℃的环境中生长30nm厚Ge缓冲层后迅速将温度升至600℃再外延生长几百纳米Ge薄膜作为赝衬底如图2(a)；

[0047] 步骤2：磷离子注入。

[0048] 在能量为50KeV、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为P(31)+的磷离子注入工艺，形成Ge N+型赝衬底(2)；

[0049] 步骤3：制备GeSn缓冲层。

[0050] 利用低温固源分子束外延工艺，在Ge N+型赝衬底上，在150℃、高纯Ge和Sn源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge0.9Sn0.1外延层作为GeSn缓冲层(3)，如图2(b)；

[0051] 步骤4：磷离子注入。

[0052] 利用硼离子注入工艺，在Ge0.9Sn0.1层中进行能量为50KeV、注入剂量为1015cm-2的P(31)+离子注入，形成GeSn N+型缓冲层(3)；

[0053] 步骤5：制备有源区N+SiGeSn层。

[0054] 利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+型缓冲层上，在150℃条件下外延生长一层200nm厚的SiGeSn，如图2(c)；

[0055] 步骤6：磷离子注入。

[0056] 在SiGeSn层中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的磷离子注入，形成SiGeSn N+层；

[0057] 步骤7：利用低温固源分子束外延工艺，在150℃、高纯Ge和Sn源条件下，在N+SiGeSn层上外延生长一层7nm的GeSn作为势阱；

[0058] 步骤8：利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn层上外延生长一层10nm的SiGeSn作为势垒；

[0059] 步骤9：进行步骤7和步骤8的工艺共20次，形成20个量子阱；

[0060] 步骤10：制备有源区P+SiGeSn。

[0061] 利用低温固源分子束外延工艺，在多量子阱层上外延生长一层200nm厚SiGeSn；

[0062] 步骤11：硼离子注入。

[0063] 在SiGeSn层中进行能量为20KeV、注入剂量为1014cm-2的磷离子注入，形成SiGeSn P+层；

[0064] 步骤12：制作微盘结构。

[0065] 利用干法刻蚀工艺将除了Si衬底以外的所有材料层刻蚀成直径为5μm的圆柱形，如图2(d)；下一步利用湿法刻蚀工艺，刻蚀掉部分Ge赝衬底形成悬浮微盘结构，如图2(e)；

[0066] 步骤13：淀积Si3N4应力薄膜。

[0067] 利用低温等离子体增强化学气相淀积工艺，在悬浮微盘结构外围沉积500nm厚具有残余压应变的Si3N4应力薄膜(5)，如图2(f)。

[0068] 步骤14：刻蚀沟槽。

[0069] 在微盘顶部的Si3N4应力薄膜上和器件底部分别刻蚀沟槽，如图2(g)；

[0070] 步骤15：制备金属电极。

[0071] 在刻蚀的沟槽中利用剥离工艺沉积TiN/Al形成金属电极(6)，如图2(h)。

[0072] 以上所述仅是本发明的一个优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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