CN101557074A - 硅基锗电注入激光器及制作方法 - Google Patents

Abstract

硅基锗电注入激光器及制作方法。该激光器的有源层基于单晶硅片上外延锗基单晶层材料形成的p⁺－i－n⁺结构。一第一限制层位于有源层上部，一第二限制层位于有源层下部。该激光器通过在大电流注入下于注入电流大于等于激射阈值时利用俄歇效应和激光器谐振腔形成一个正反馈来调节锗L导带谷和Γ导带谷的电子浓度比例，实现锗Γ导带谷更高的电子浓度，从而实现高效率、低工作电流密度的基于锗直接带隙近红外(～1.55μm)发光的硅基锗电注入激光器。

Description

硅基锗电注入激光器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种硅基电注入激光器及制作方法，特别涉及一种基于锗直接带隙近红外(～1.55μm)发光的硅基锗电注入激光器及制作方法。

背景技术

众所周知，硅基超大规模集成电路(ULSI)是信息革命的基石。现今芯片的运算速度越来越快，相应信息传递的速度也会越来越快。不幸的是，现在靠改善单个晶体管或逻辑门的运算速度来提高总的集成电路芯片的运算速度却由于物理效应的限制就要达到极限；另一方面，随着集成度的提高，制约芯片运算速度的不再是单个晶体管或逻辑门的运算速度，更多的是来自于晶体管或/和逻辑门、集成单元之间信号传递的延迟(当然此时热效应也不可忽视)。所以在当前马上就要逼近半导体工艺节点极限的情况下，要增加集成电路芯片的运算速度，必须想办法改善芯片的晶体管或/和逻辑门、集成单元之间信号传递的效率。相对于利用电子来作为信号传输的载体而具有的不可避免的分布电容延迟效应，如果采用光子作为信号传输的载体，则可以有效的避免信号延迟的问题。在硅基芯片中如果能够实现利用光子部分代替电子来作为信息传递的载体，可以提高相应芯片的运算速度三个量级以上。

然而，硅基材料尽管是微电子器件极为优良的基质材料，但是由于硅基材料带隙的非直接特性以及晶格中心反演对称性，使硅基材料作为光子学器件的前途受到了极大的限制，无法实现高效的硅基材料发光以及高调制速率的光调制、光开关等非线性电光器件，严重制约了硅基光电子集成(OEIC)的发展。

幸运的是，在过去二十年中，由于国际上持续不断的努力，在硅基光电子集成所需的各个不同光子学单元中除了硅基高效光源之外都已经取得了接近实用化的巨大突破。成熟的SOI(绝缘体上硅材料，一般用键合办法制备)材料大的折射率差(接近2.0)允许在现有的微电子工艺条件下实现低损耗、极小尺寸的光波导结构的制备；美国Intel公司已经报道与现有CMOS(互补金属-氧化物-半导体)工艺兼容的调制速度40G的硅基MOS(金属-氧化物-半导体)结构电光调制器(美国Electronics Letters，v 43，n22，2007，p1196-1197)；美国MIT(麻省理工学院)Kimerling实验室已经报道了对1.54μm响应速度在10G的Ge/Si探测器(美国Applied Physics Letters，200587(10)p103501)。

然而，也正是由于硅基发光在硅基光电子集成领域的核心地位，现今国际上在这一领域也投入相当多的资源。2006年，美国AFOSR(Air Force Office ofScientific Research)支持两个有关硅基发光的大项目，每个600万美元，此外，美国DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)也支持有包括硅基发光的硅基集成光子学大项目EPIC(Electronic and Photonic Integrated Circuits)，欧盟也有支持硅基发光的项目“Light amplifiers with nanoclusters and erbium”。

日本，韩国，澳大利亚和中国台湾地区在硅基发光领域也有着相当富有特色的实力。

作为硅基材料发光研究的最终目标，毫无疑问应该是高效的高调制速率的近红外发光硅基电注入激光器。最近几年，在硅基激射材料和器件相关研究上取得了重大的进展。2000年意大利Pavesi小组第一次在镶嵌于二氧化硅中的纳米晶体系中实现了在强光泵条件下的光增益，增益系数约为100cm^-1(英国Nature，2000年V408(6811)：p440-444)，2004年台湾“中研院”蔡振水小组陈敏章博士报道实现了首例硅基电注入激射(美国Appl.Phys.Lett，2004年，v 84，n 12，p2163-2165)，2004年荷兰Polman小组实现了氧化硅掺铒环形谐振腔光泵激射(美国Appl.Phys.Lett 84 p1037-1039(2004年))，2005年美国布朗大学JimmyXu小组报道了基于硅基等电子掺杂的光泵激射(英国Nature materials 2005年，V4(12)：p887-891)，但是硅基等电子掺杂是一个多年未解决的老大难问题，到现在连室温发光都没有实现(美国Applied Physics Letters V90，081101(2007年))，短期内取得进一步重大突破的可能性微乎其微。2007年在日本东京召开的第四届IEEE GroupIV Photonics国际会议上美国Translucent公司报到了高浓度稀土离子硅基薄膜的室温电致发光(2007 4th IEEE International Conference onGroup IV Photonics，2007年，p246-248)，为利用稀土离子掺杂硅基薄膜实现电注入激射器件带来了一丝曙光。最新可能也是最值得期待的突破性进展来自于国立台湾大学光电所刘致为教授研究组，他们在去年12月IEEE IEDM上报到了MOS结构的锗激射器件(2007年IEEE IEDM，p659～662)，实现了极低阈值密度(0.5KA/cm²，可以与III-V族半导体激光器媲美)的锗激光器室温连续激射。美国MIT(麻省理工学院)Kimerling实验室2007年申请了关于基于锗直接带隙发光的锗激光器美国专利(US patent 20070105251，2007年5月10日)，主要思想是基于在n⁺区重掺从而将锗半导体材料L导带谷填满电子之后，会有更多的多余电子从L导带谷溢出从而部分填充锗材料布里渊区中心的Г导带谷，并在此基础上实现各种结构的锗半导体激光器。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于锗直接带隙近红外发光(～1.55μm)的高效率、低工作电流密度的硅基锗电注入激光器以及相应的制作方法。

众所周知，要真正实现硅基光电集成(OEIC)所需的硅基光互联用高调制速率激光光源应该满足两个要求：1、电学特性要好，工作电压低，能提供稳定工作的大电流，这样MOS结构器件就不适合；2、具有高效的近红外1.55μm左右的电注入高效激射发光，这样光信号能够低损耗地在硅基波导里面长距离传输，因此器件有源层材料的复合区应该为轻掺杂或本征材料，而靠美国MIT(麻省理工学院)Kimerling实验室2007年申请的关于基于锗直接带隙发光的锗激光器美国专利(US patent 20070105251，2007年5月10日)不能完全有效的解决这个问题，主要是因为靠锗材料重掺杂然后从L导带谷溢出的多余的电子不能提供高效率直接带隙发光所要求的高浓度的Г导带谷的电子。

从图1锗能带结构图可以看出，锗是非直接带隙半导体材料，最低导带谷位于布里渊区L点(<111>方向)，次低的导带谷位于布里渊区中心Г点(k＝0)，在<100>方向上还有第二次低的X点。Г导带谷与L导带谷的能隙差约为0.136eV(室温)，而X导带谷比Г导带谷高0.18eV左右(室温)。根据玻尔兹曼分布原理，在较高温度下除了在最低的L导带谷分布有主要的电子浓度之外，在Г导带谷也有比较大量的电子(不超过5％)。

然而，即使这样，在常规情况下，锗基材料没法实现高效的直接带隙发光，因而主要是基于间接带隙发光，而这是一个电子、声子和光子共同参与的二级乃至更多级的微扰过程，跃迁概率很低。要实现高效的激光光源，必须是基于直接带隙光发射过程。

Driel等人于1976年报道了在高强度激发情况下实现了锗的室温直接带隙发光(美国Solid state communications Vol 20，pp837～840，1976年)，而在低温下没有观察到相应的直接带隙发光，这与上述描述相符，即只有在温度比较高的时候才有可能在Г导带谷分布有少量的电子来提供直接带隙发光，而在温度比较低的时候电子主要冷冻在L导带谷，不能够参与直接带隙发光过程；Klingenstein等人于1978年报道了在高激发强度情况下观察到n型锗材料强的直接带隙光致发光(美国Solid state electronics Vol 21，pp1371～1374，1978年)，他们利用锗的俄歇系数很好的拟合了相关数据，主要思想就是在高激发情况下，锗材料中eeh俄歇过程加剧。在这个过程中，锗材料L导带谷的2个电子和价带顶的1个空穴发生俄歇复合效应，这样导致1个更高能量的电子将跃迁到更高的能量状态落在Г导带谷从而能够参与直接带隙发光。

对eeh俄歇过程而言，必需要满足动量守恒。对锗半导体材料中的L导带谷的2个电子，波矢俱为2π(1/2，1/2，1/2)/a，对于价带顶的空穴，波矢为2π(0，0，0)/a，因而，参与俄歇复合过程的2个电子和1个空穴的总的动量为2π(1，1，1)/a(也就是2π(0，0，0)/a)，即导致1个更高能量的电子跃迁到布里渊区中心(此电子动量为2π(0，0，0)/a)，进而这个在布里渊区中心的更高能量的电子最终会落入Г导带谷。而在正常热平衡情况下，高能量处的Г导带谷所能够容纳的电子总是一定的，通过eeh俄歇过程跃迁到Г导带谷的多余的处于比较高能量位置的电子总会通过快速的非辐射复合多声子驰豫过程将能量交给晶格(也就是声子)而跃迁到最低能量位置，也就是L导带谷。对普通锗材料电致发光器件而言，也就是Г导带谷的电子和价带顶的空穴的辐射复合速率是一定的，受到锗材料Г导带谷的稳定的电子浓度的限制，大量的通过eeh俄歇过程跃迁到Г导带谷的的高能量电子来不及参与辐射复合而跃迁到最低能量位置的L导带谷参与低效的非直接带隙发光。

因而，如果我们能够实现利用另一种机制来快速的消耗Г导带谷的电子参与直接带隙辐射复合发光而与快速的非辐射复合多声子驰豫过程相竞争，那么我们就可以实现更高浓度的Г导带谷的电子参与辐射复合发光过程。我们专利的基本思想就是通过利用常规的激射结构，在基于锗基材料的发光器件大电流注入情况下(此时，材料n区必须重掺杂)，俄歇效应加剧，大量的电子从L导带谷跃迁到Г导带谷(n⁺掺杂材料)。对发光过程而言，跃迁概率是与参与跃迁的电子和空穴密度成正比的。而对锗基材料而言，空穴总是分布于布里渊区中心的价带顶，因此直接带隙发光跃迁概率只是由参与跃迁的Г导带谷的电子密度所决定。对于锗基材料激光器直接带隙发光过程，同普通发光器件不同，在有谐振腔存在的情况下，在注入电流大于等于激射阈值时，发光效率激增，也就是Г导带谷的电子能够更快的参与直接带隙辐射复合过程，更多的Г导带谷的电子来不及通过多声子驰豫过程跃迁到L导带谷而能够参与基于直接带隙发光的辐射复合过程。这样，就形成了一个正反馈过程，即参与直接带隙跃迁的Г导带谷的电子浓度越来越高，直接带隙发光跃迁越来越强，跃迁速率越来越大，相应的光子寿命越来越短，更少的Г导带谷的电子非辐射复合跃迁到L导带谷，直到最终达到一个动态的平衡(而不是遵从热平衡分布的静态平衡)。这就是我们本专利的核心思想。

此外，为避免由于重掺杂带来的比较大的自由载流子吸收系数，我们设计一个简单的p⁺-i-n⁺结构作为激光器的有源层，大注入下的俄歇效应发生在n⁺区，电子和空穴注入到低掺或本征的i区参与基于直接带隙发光的辐射复合，也就是：

硅基锗电注入激光器，通过在大电流注入情况下于注入电流大于等于激射阈值时利用俄歇效应和激光器谐振腔形成一个正反馈来调节锗L导带谷(非直接带隙)和Г导带谷(直接带隙)的电子浓度比例，实现锗Г导带谷更高的电子浓度，从而实现高效率、低工作电流密度的基于锗直接带隙近红外(～1.55μm)发光的硅基锗电注入激光器，其特征在于，其中包括：

至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

一第一限制层位于有源层的上部；

一第二限制层位于有源层的下部。

有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。

一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于，其中包括：

形成一至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

在位于有源层的上部形成一第一限制层；

在位于有源层的下部形成一第二限制层。

有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。

一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图对本发明作一详细的描述，其中：

图1为锗半导体材料的能带结构图；

图2为硅基锗电注入激光器的结构截面示意图。

具体实施方式

从图1锗能带结构图可以看出，锗是非直接带隙半导体材料，最低导带谷位于布里渊区L点(<111>方向)，次低的导带谷位于布里渊区中心Г点(k＝0)，在<100>方向上还有第二次低的X点。Г导带谷与L导带谷的能隙差约为0.136eV(室温)，而X导带谷比Г导带谷高0.18eV左右(室温)。根据玻尔兹曼分布原理，在较高温度下除了在最低的L导带谷分布有主要的电子浓度之外，在Г导带谷也有比较大量的电子(不超过5％)。

然而，即使这样，在常规情况下，锗基材料没法实现高效的直接带隙发光，因而主要是基于间接带隙发光，而这是一个电子、声子和光子共同参与的二级乃至更多级的微扰过程，跃迁概率很低。要实现高效的激光光源，必须是基于直接带隙光发射过程。

Driel等人于1976年报道了在高强度激发情况下实现了锗的室温直接带隙发光(美国Solid state communications Vol 20，pp837～840，1976年)，而在低温下没有观察到相应的直接带隙发光，这与上述描述相符，即只有在温度比较高的时候才有可能在Г导带谷分布有少量的电子来提供直接带隙发光，而在温度比较低的时候电子主要冷冻在L导带谷，不能够参与直接带隙发光过程；Klingenstein等人于1978年报道了在高激发强度情况下观察到n型锗材料强的直接带隙光致发光(美国Solid state electronics Vol 21，pp1371～1374，1978年)，他们利用锗的俄歇系数很好的拟合了相关数据，主要思想就是在高激发情况下，锗材料中eeh俄歇过程加剧。在这个过程中，锗材料L导带谷的2个电子和价带顶的1个空穴发生俄歇复合效应，这样导致1个更高能量的电子将跃迁到更高的能量状态落在Г导带谷从而能够参与直接带隙发光。

对eeh俄歇过程而言，必需要满足动量守恒。对锗半导体材料中的L导带谷的参与俄歇复合过程的2个电子和价带顶的1个空穴的总的动量为2π(1，1，1)/a(也就是2π(0，0，0)/a)，即导致1个更高能量的电子跃迁到布里渊区中心(此电子动量为2π(0，0，0)/a)，进而这个在布里渊区中心的更高能量的电子最终会落入Г导带谷。而在正常热平衡情况下，高能量处的Г导带谷所能够容纳的电子总是一定的，通过eeh俄歇过程跃迁到Г导带谷的多余的处于比较高能量位置的电子总会通过快速的非辐射复合多声子驰豫过程将能量交给晶格(也就是声子)而跃迁到最低能量位置，也就是L导带谷。对普通锗材料电致发光器件而言，也就是Г导带谷的电子和价带顶的空穴的辐射复合速率是一定的，受到锗材料Г导带谷的稳定的电子浓度的限制，大量的通过eeh俄歇过程跃迁到Г导带谷的的高能量电子来不及参与辐射复合而跃迁到最低能量位置的L导带谷参与低效的非直接带隙发光。

在本专利中，我们利用常规的激射结构，在基于锗基材料的发光器件大电流注入情况下(此时，材料n区必须重掺杂)，俄歇效应加剧，大量的电子从L导带谷跃迁到Г导带谷(n⁺掺杂材料)。对发光过程而言，跃迁概率是与参与跃迁的电子和空穴密度成正比的。而对锗基材料而言，空穴总是分布于布里渊区中心的价带顶，因此锗材料直接带隙发光跃迁概率只是由参与跃迁的Г导带谷的电子密度所决定。对于锗基材料激光器直接带隙发光过程，同普通发光器件不同，在有激光器谐振腔存在的情况下，在注入电流大于等于激射阈值时，发光效率激增，也就是Г导带谷的电子能够更快的参与直接带隙辐射复合过程，更多的Г导带谷的电子来不及通过多声子驰豫过程跃迁到L导带谷而能够参与基于直接带隙发光的辐射复合过程。这样，就形成了一个正反馈过程，即参与直接带隙跃迁的Г导带谷的电子浓度越来越高，直接带隙发光跃迁越来越强，跃迁速率越来越大，相应的光子寿命越来越短，更少的Г导带谷的电子非辐射复合跃迁到L导带谷，直到最终达到一个动态的平衡(而不是遵从热平衡分布的静态平衡)。这就是我们本专利的核心思想。

此外，为避免由于重掺杂带来的比较大的自由载流子吸收系数，我们设计一个简单的p⁺-i-n⁺结构作为激光器的有源层，大注入下的俄歇效应发生在n⁺区，电子和空穴注入到低掺或本征的i区参与基于直接带隙发光的辐射复合。

具体的硅基锗电注入激光器结构如图2所示，其特征在于，其中包括：

至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

一第一限制层位于有源层的上部；

一第二限制层位于有源层的下部。

有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

如图2所示的硅基锗电注入激光器，它的制备方法的特征在于，其中包括：

形成一至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

在位于有源层的上部形成一第一限制层；

在位于有源层的下部形成一第二限制层。

有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。

一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

可以通过UHVCVD(超高真空化学气相淀积)或MBE(分子束外延)手段在n⁺硅单晶衬底上外延一层n⁺的SiGe缓冲层来充当有源层的光学限制层和电注入限制层，接着形成至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，在此基础上，外延一层p⁺的SiGe缓冲层来充当有源层的光学限制层和电注入限制层，最后外延一层P⁺的硅单晶层。这样硅基锗电注入激光器所需的基本材料如有源层、第一限制层和第二限制层都制备完毕。最后淀积不同的材料或腔面解理形成不同的谐振腔结构。当然，要形成硅基锗电注入激光器，还必须在上下淀积金属电极材料。

激光器谐振腔结构包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

同样也可以在p⁺单晶硅衬底上形成类似的结构。

尽管我们本专利的有源层材料只是基于外延的锗单晶层组成的p⁺-i-n⁺结构，而且也只是限定了几种最常用的半导体激光器结构(如边发射条形激光器，分布反馈DFB激光器，衍射布拉格反射DBR激光器以及面发射VCSEL激光器等)，但是这不妨碍将相关的有源层材料制作别的类似结构的半导体激光器。此外，有源层也不必限于p⁺-i-n⁺结构和锗外延层材料，锗块体材料和类似能带结构的半导体材料都可以，只要是直接带隙比间接带隙小的差值在0.5eV以内俱可以采用相关的思想，而且p⁺-i-n⁺结构中的i层也可以为相应的量子阱、量子线或量子点材料。再者，通过应变作用也可以减少锗等类似能带结构半导体材料Г导带谷与L导带谷的差值(Ishikawa Yasuhiko et al，Journal of Applied Physics，v 98，2005年，p 013501)，进一步降低工作电流密度。

Claims (18)

1、硅基锗电注入激光器，通过在大电流注入情况下于注入电流大于等于激射阈值时利用俄歇效应和激光器谐振腔形成一个正反馈来调节锗L导带谷(非直接带隙)和Γ导带谷(直接带隙)的电子浓度比例，实现锗Γ导带谷更高的电子浓度，从而实现高效率、低工作电流密度的基于锗直接带隙近红外(～1.55μm)发光的硅基锗电注入激光器，其特征在于，其中包括：

至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

一第一限制层位于有源层的上部；

一第二限制层位于有源层的下部。

2、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

3、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

4、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。

5、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

6、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

7、根据权利要求5所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

8、根据权利要求6所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

9、根据权利要求1所述的硅基锗电注入激光器，其特征在于：硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

10、硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于，其中包括：

形成一至少三层锗外延单晶层材料组成的p⁺-i-n⁺结构构成的有源层，此有源层实现近红外(～1.55μm)锗材料直接带隙光发射；

在位于有源层的上部形成一第一限制层；

在位于有源层的下部形成一第二限制层。

11、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：有源层中至少包含一层n⁺Ge，或n⁺Si_x1Ge_1-x1，或n⁺Ge_y1Sn_1-y1，其中0≤x1≤0.15，0.8≤y1≤1，n型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

12、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：有源层中至少包含一层p⁺Ge，或p⁺Si_x2Ge_1-x2，或p⁺Ge_y2Sn_1-y2，其中0≤x2≤0.15，0.8≤y2≤1，p型掺杂浓度≥1×10¹⁹/cm³。

13、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：有源层中至少包含一层本征、或n型或p型的Ge或Si_x3Ge_1-x3或Ge_y3Sn_1-y3，其中0≤x3≤0.15，0.8≤y3≤1，本征或n型或p型的掺杂浓度≤1×10¹⁸/cm³。

14、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：一位于有源层上部的第一限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

15、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：一位于有源层下部的第二限制层对有源层提供光场限制和载流子注入限制。

16、根据权利要求14所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：第一限制层包括p⁺Si和p⁺SiGe缓冲层。

17、根据权利要求15所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：第二限制层包括n⁺Si和n⁺SiGe缓冲层。

18、根据权利要求10所述的硅基锗电注入激光器的制备方法，其特征在于：硅基锗电注入激光器的谐振腔包含一沟道波导结构，或脊形波导结构，或环形谐振腔结构，或垂直腔面发射结构，或分布反馈结构，或衍射布拉格反射器结构。

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