CN104300049B - 带有应变源的GeSn量子阱红外发光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器，其结构如下：在硅衬底上面为弛豫层GeSn，弛豫层上面是应变源势垒n⁺型SiGe与p⁺型SiGe，成对生长在有源区GeSn的四周区域，应变源势垒SiGe的一端为金属接触电极。应变源SiGe材料的晶格常数比有源区GeSn材料的小，从而对有源区GeSn材料形成沿z轴方向的单轴压应变，沿xy平面的双轴张应变，这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙变成直接带隙；通过GeSn与SiGe形成异质结量子阱结构，实现电子-空穴快速高效的辐射复合。这种结构能有效地将电子、空穴束缚在阱内，增大电子、空穴对的复合几率，从而提高发光器的发光效率。

Description

带有应变源的GeSn量子阱红外发光器

技术领域

本发明涉及一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器。

背景技术

随着光电子集成技术和光通信技术的迅猛发展，高效率、可大规模集成的红外发光器件成为一个人们迫切解决的问题。性能新颖的GeSn合金是有望解决这一问题的新材料。理论和实验显示GeSn具有比纯Ge材料更高的载流子迁移率。理论计算显示通过调节GeSn中Sn的组分和改变GeSn结构的应变情况，可以把间接带隙结构GeSn中Γ点下移（Physical Review B, vol. 75, pp. 045208, 2007）。

对于弛豫的GeSn材料，当Sn的组分达到6.5%~11%的时候，GeSn就会变成直接带隙(E _gΓ <E _gL )（Journal of Applied Physics, 113,073707, 2013以及其中的参考文献）。Sn在Ge中的固溶度很低（< 1%）,因此制备高质量、无缺陷的GeSn很难。现在用外延生长的方法可制备出Sn组分达到20%的GeSn材料[ECS Transactions, 41(7), pp.231, 2011; ECS Transactions, 50(9), pp.885, 2012]。因此通过改变Sn的组分可以改变GeSn半导体的带隙，实现其能带结构由间接带隙向直接带隙的转变。但是随着Sn组分的增加，材料质量和热稳定性都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。理论计算显示，在GeSn中引入双轴张应变有利于从间接带隙到直接带隙的转变，即在Sn组分就可以变成直接带隙材料（Applied Physics Letters,98,011111,2011）。

为实现双轴张应变GeSn，有人在晶格常数比较大的衬底材料上生长GeSn外延层，衬底材料可以是III-V族材料，比如InGaAs或者Sn组分更高的GeSn。

发明内容

本发明目的是提出一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器结构。其中应变源材料的晶格常数比有源区材料的小，对光吸收阵列GeSn材料形成沿z方向的单轴压应变，从而在xy平面内形成双轴张应变。这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙结构转化为直接带隙结构。应变源SiGe材料的禁带宽度大于有源区GeSn材料的禁带宽度，在有源区形成量子阱结构。直接带隙GeSn增加了Γ能谷中电子的数量，量子阱结构提高了电子、空穴的复合几率，从而实现高的发光效率。

本发明用以实现上述目的的技术方案如下：

本发明所提出的量子阱红外发光器具有两个第一电极、两个第二电极、一有源区、两个p⁺型应变源、两个n⁺型应变源。

其中，有源区为单晶GeSn材料，p⁺型应变源与n⁺型应变源为单晶SiGe材料成对分布在有源区四周区域，第一电极与n⁺型应变源相接触，第二电极与p⁺型应变源相接触。其关键是，应变源材料的晶格常数比光吸收区域材料的晶格常数小，从而形成对有源区材料的应变，使有源区GeSn由间接带隙变为直接带隙；有源区禁带宽度比应变源区禁带宽度小，使有源区能带形成量子阱结构。

本发明的优点分析如下：

由于本发明的有源区材料为单晶GeSn，应变源材料为单晶SiGe，通过改变GeSn中Sn的组分和SiGe中Ge的组分，使得应变源材料的晶格常数比有源区材料的晶格常数小，从而对有源区GeSn材料形成沿z轴方向的单轴压应变，沿xy平面的双轴张应变，这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙变成直接带隙；通过GeSn与SiGe形成异质结量子阱结构，实现电子-空穴快速高效的辐射复合。

附图说明

图1 为GeSn量子阱红外发光器的立体模式图。

图2 为GeSn量子阱红外发光器基于图1的YZ面剖面图。

图3为GeSn量子阱红外发光器的能带原理图。

图4为GeSn量子阱红外发光器制造的第一步。

图5为GeSn量子阱红外发光器制造的第二步。

图6为GeSn量子阱红外发光器制造的第三步。

图7为GeSn量子阱红外发光器制造的第四、五步。

图8为GeSn量子阱红外发光器制造的第六步。

具体实施方式

为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图和实施例详细说明本发明的结构和工艺实现：

参见图1和图2所示带有应变源的GeSn量子阱红外发光器，其包括：

有源区103和弛豫层102，有源区103位于弛豫层102之上。它们采用单晶GeSn材料，材料通式为Ge_1-x Sn _x （0≤x≤0.25），如可采用Ge_0.93Sn_0.07。

n⁺型应变源105与p⁺型应变源106，成对分布于有源区四周，采用单晶SiGe材料，材料通式为Si_1-x Ge _x （0≤x≤0.4），如可采用Si_0.7Ge_0.3。

两个第一电极107，与应变源105相连。

两个第二电极108，与应变源106相连。

由于该结构中，应变源SiGe材料的晶格常数比有源区GeSn材料的小，形成对有源区沿z方向的单轴压应变，该应变导致在xy平面内双轴张应变。这种应变有利于GeSn沟道Γ点下移，有利于间接带隙结构转化为直接带隙结构，且使Γ能谷中参与辐射复合的电子数目大大增加。应变源SiGe材料的禁带宽度大于有源区GeSn材料的禁带宽度，从而在有源区形成如图3所示的量子阱结构，通过GeSn与SiGe形成异质结量子阱结构，实现电子-空穴快速高效的辐射复合。这种结构能有效地将电子、空穴束缚在阱内，增大电子、空穴对的复合几率，从而提高发光器的发光效率。

    参见图4-图8，为上述带有应变源的GeSn量子阱红外发光器10的制造过程：

第一步如图4所示，在Si 基底101上，利用外延生长的技术，依次生长一层弛豫的Ge_1-x Sn _x （0< x <0.25）材料，形成弛豫层102，一层Ge_1-x Sn _x 材料。

第二步如图5所示，利用光刻和刻蚀使GeSn材料成为纳米柱，为方形柱，形成有源区103。

第三步如图6所示，利用外延生长技术，在GeSn材料有源区103周围，生长Si_1-x Ge _x （0≤x≤0.4）材料104，作为应变源的基础。

第四步如图7所示，利用光刻和刻蚀，刻蚀掉部分SiGe应变源材料104，形成在有源区103四周对称水平分布的四条长条形结构，四条长条形结构与有源区103相连的端面与有源区形状相同，且四个应变源互不接触。即应变源势垒n⁺型SiGe与p⁺型SiGe是成对生长在有源区GeSn的四周区域。

第五步如图7所示，利用原位掺杂技术对SiGe应变源材料104分别进行n型和p型掺杂，形成相邻n⁺型SiGe应变源105一对和相邻p⁺型SiGe应变源106一对。

第六步如图8所示，在n+型应变源105和p+型应变源106的外端形成金属第一电极107和第二电极108。

虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本发明，本发明的保护范围当视权利要求为准。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (3)

1.一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器，其特征在于，包括：

一弛豫层（102），生长在硅衬底（101）之上；

一有源区（103），为单晶GeSn材料，位于弛豫层（102）之上；

一第一应变源（105），为单晶n⁺型SiGe材料，与第二应变源（106），为单晶p⁺型SiGe材料，它们位于弛豫层（102）之上，并成对分布于有源区（103）四周区域；

一第一电极（107），与第一应变源（105）相连；

一第二电极（108），与第二应变源（106）相连；

其中应变源材料的晶格常数比有源区材料的晶格常数小；应变源材料的带隙比有源区材料的带隙宽;

所述有源区的单晶GeSn材料通式为Ge_1-x Sn _x （0≤x≤0.25）;

所述应变源区域为单晶SiGe材料，通式为Si_1-x Ge _x （0≤x≤0.4）;

所述有源区（103）为方形柱，所述第一应变源（105）和第二应变源（106）以有源区（103）为中心，分布在水平四个方向上，且相邻两个方向的应变源为一对，材料相同;

所述第一应变源（105）和第二应变源（106）均为水平分布的长条形，电极连接在应变源的外端。

2.如权利要求1所述的带有应变源的GeSn量子阱红外发光器，其特征在于，所述有源区（103）为方形柱，第一应变源（105）和第二应变源（106）与有源区（103）连接的端面与有源区形状相同，且四个应变源互不接触。

3. 如权利要求1或2所述的带有应变源的GeSn量子阱红外发光器，其特征在于，其中应变源通过半导体外延生长技术生长在有源区四周区域。