CN104900729A - 横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向GeSn/SiGeSn量子阱发光器件，主要解决现有红外发光器件材料毒性大，成本高的问题。其包括：衬底(1)、量子阱(2)、势垒层(3)、N型电极(4)和P型电极(5)。量子阱采用Sn组分为[0,0.3]的GeSn应变单晶材料；势垒层采用Sn组分为[0,0.3]、Ge组分为[0,1]的SiGeSn单晶材料；该量子阱与势垒层横向交叠排列组成发光有源区，且位于衬底上。本发明通过SiGeSn单晶材料在外延过程中的体积改变使GeSn量子阱材料产生横向张应变，减小了GeSn材料带隙，并使导带Γ能谷相对于L能谷下移，提高了发光器件的光谱响应和内量子效率，可用于制作大规模集成电路。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种光量子阱光电发光器件，可用于宽带通信，医疗，监测。
背景技术
红外波段包含众多特征谱线，工作在该波段的发光器件在宽带通信、国防、医疗、环境监测以及自动影像等很多方面有重要的应用前景。目前，用于的红外发光器件的半导体材料主要为III-V族材料InGaAs、GaInAsSb、InGaSb和II-VI材料HgCdTe。InGaAs发光器件在近红外波段性能优异，HgxCd1-xTe发光器件是目前性能最好的中红外发光器件，通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。然而无论III-V族或者II-VI族材料，本身都会引起环境问题而且成本非常高，且与Si基技术不兼容。因此，IV族材料体系无毒、廉价、且易实现大规模的硅基集成成为了发光器件的主流方向之一。
Ge在1.3-1.55μm波段范围内有较高的发光效率，但是Ge材料为间接带隙材料，这限制了其发光效率的进一步提升。通过在Ge材料中引入Sn原子形成GeSn合金，GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，因此吸收边可以进一步红移，而且随着Sn组分的加入，GeSn材料可以从间接带隙结构逐渐转变成直接带隙结构，从而提高材料的发光效率。
从理论上说增加Sn的组分可以使GeSn材料的带隙减小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低，即小于1％，因此制备高质量、无缺陷的高Sn组分的GeSn很困难。现在用低温外延生长的方法也只能制备出Sn组分为20～25％的GeSn材料，见[ECS Transactions,41(7),pp.231,2011；Photonics Research,1(2).pp.69,2013]。并且随着Sn组分的增加，Sn原子会偏析或者分凝，材料质量和热稳定型都会变差，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。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，根据GeSn材料特性，提供一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件件及其制备方法，以减小光电发光器件原材料毒性，增大发光器件的吸收谱波长范围，提高器件发光内量子效率。
理论研究和实验证明在GeSn材料中引入张应变可以导致材料直接带隙减小，并有利于材料从间接带隙结构向直接带隙转变。根据此原理本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，包括：衬底、量子阱、势垒层、N型电极和P型电极，该量子阱和势垒层组成发光有源区，其特征在于：
量子阱采用通式为Ge1-xSnx的应变单晶材料，其中x为Sn的组分，0≤x≤0.30；
势垒层采用通式为Si1-y-zGeySnz的单晶材料，其中，y为Ge的组分，z为Sn的组分，0≤y≤1，0≤z≤0.30；
所述量子阱与所述势垒层横向交叠排列。
本发明制作上述横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底上生长Sn组分为0～0.3的弛豫本征GeSn单晶；
2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构；
3)利用分子束外延工艺，在横向量子阱的间隙中生长Ge组分为0～1、Sn组分0～0.3的SiGeSn单晶材料，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构，
4)利用离子注入，在SiGeSn单晶材料中不同区域分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷、硼元素，分别形成N型电极和P型电极，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层。
本发明具有如下优点：
1、利用应变，提高了发光有源区材料带隙调节效果
本发明采用GeSn单晶材料形成量子阱，并通过SiGeSn势垒层在GeSn量子阱中引入张应变，减小了GeSn量子阱材料带隙，并促进GeSn由间接带隙结构向直接带隙结构转变，在不改变GeSn量子阱材料组分的情况下，不仅能有效调节器件吸收波长范围，而且还能通过减小GeSn量子阱和SiGeSn势垒的厚度比，增强GeSn量子阱的应变，从而提高了发光有源区材料带隙调节效果。
2、采用材料价格低廉、无毒环保
本发明中所采用的材料均为IV族材料，同现有的III-V族材料和II-VI材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。同时，目前半导体制造工业中的大部分生产设备是针对Si材料设计的，若采用III-V族材料和II-VI材料，则由于与Si工艺不兼容性，不容易实现Si基集成。而使用IV族材料，容易制备出Si基集成的GeSn光电发光器件。
相比其他光电发光器件，本发明使用GeSn量子阱材料作为有源区材料的光电发光器件具有更好的应用前景。
附图说明
图1为本发明横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的三维结构图；
图2为本发明横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的截面结构图；
图3为本发明横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作流程示意图。
具体实施方式
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，本发明的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件包括：衬底1、GeSn量子阱2、SiGeSn势垒层3、N型电极4和P型电极5。量子阱2采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3的GeSn应变单晶材料，其通式为Ge1-xSnx，0≤x≤0.30；势垒层3采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3、Ge组分为大于等于0小于等于1的单晶材料，其通式为Si1-y-zGeySnz，0≤y≤1，0≤z≤0.30；该量子阱2与该势垒层3横向交叠排列位于衬底1上，N型电极4和P型电极5分别被量子阱2两边的势垒层3包裹。
由于SiGeSn势垒层3的晶格常数比GeSn量子阱2的晶格常数小，使得在GeSn量子阱2沿X方向产生的张应变，减小了GeSn量子阱的带隙，并导致导带Γ能谷相对L能谷下移，提高器件吸收谱波长范围和发光内量子效率。
参照图3，本发明制作横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，给出如下三种实施例。
实施例1：制作量子阱的Sn组分为0.3的，势垒层的Ge组分为0，Si组分为0.7的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件。
步骤1：在Si衬底1上，利用分子束外延工艺，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.3，Ge组分为0.7，如图3a。
步骤2：利用刻蚀技术，采用氯基离子基团，在光刻胶掩蔽作用下，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱2结构，如图3b。
步骤3：利用分子束外延工艺，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，在GeSn量子阱之间间隙中生长Si组分为0.7，Ge组分为0，Sn组分为0.3的SiGeSn单晶材料，如图3c。
由于Si、Ge、Sn三者的晶格常数关系为：aSi<aGe<aSn，所以该SiGeSn单晶材料的晶格常数a1比GeSn单晶材料的晶格常数a2小，即a1<a2；在外延生长过程中，由于Y、Z方向的压应变导致了SiGeSn单晶材料体积的变化，从而会在GeSn量子阱2中形成沿X方向的张应变，形成GeSn应变单晶材料量子阱，从而减小GeSn带隙，使器件吸收边红移。
步骤4：利用离子注入，在量子阱两侧的SiGeSn单晶材料中分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素和硼元素，形成电极，即在注入磷元素的区域形成N型电极4，在注入硼元素的区域形成P型电极5，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层3，如图3d。
实施例2：制作量子阱的Sn组分为0.15的，势垒层的Ge组分为0.5，Si组分为0.35的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件。
步骤一：外延弛豫本征GeSn单晶
在SOI衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在温度为190℃，压强为10-4pa的环境下，外延Sn组分为0.15，Ge组分为0.85的弛豫本征GeSn单晶，如图3a。
步骤二：刻蚀量子阱
用氯基离子基团作为刻蚀剂，在光刻胶掩蔽作用下，对步骤一外延的弛豫本征GeSn单晶进行横向刻蚀，形成GeSn单晶材料量子阱2，如图3b。
步骤三：外延SiGeSn单晶材料
利用分子束外延工艺，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，在温度为190℃，压强为10-4pa的环境下，在GeSn量子阱之间的间隙中生长Si组分为0.35，Ge组分为0.5，Sn组分为0.15的SiGeSn单晶材料，如图3c。该SiGeSn单晶材料的晶格常数a1比GeSn单晶材料的晶格常数a2小，即a1<a2；
在外延生长过程中，由于SiGeSn材料体积改变，会在GeSn量子阱2中形成沿X方向的张应变，形成GeSn应变单晶材料量子阱，从而减小GeSn带隙，使器件吸收边向红移。
步骤四：离子注入形成电极和势垒层
利用离子注入，在量子阱两侧的SiGeSn单晶材料中分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素和硼元素，形成电极，即在注入磷元素的区域形成N型电极4，在注入硼元素的区域形成P型电极5，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层3，如图3d。
实施例3：制作量子阱的Sn组分为0的，势垒层的Ge组分为1，Si组分为0的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件。
步骤A：采用分子束外延工艺在Ge衬底1上，以固体Ge和Sn作为蒸发源，在温度为200℃，压强为10-4pa的环境下，外延Sn组分为0，Ge组分为1的弛豫本征GeSn单晶，如图3a。
步骤B：利用氯基离子基团为刻蚀剂，在光刻胶掩蔽作用下，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱结构，如图3b。
步骤C：利用分子束外延工艺，在GeSn量子阱之间间隙中生长Si组分为0，Ge组分为1，Sn组分为0的SiGeSn单晶材料，如图3c。其外延的工艺条件如下：
蒸发源：固体Si、Ge和Sn
温度：200℃，
压强：10-4pa。
该SiGeSn单晶材料的晶格常数a1比GeSn单晶材料的晶格常数a2小，即a1<a2；在外延生长过程中，由于SiGeSn材料体积改变，会在GeSn量子阱2中形成沿X方向的张应变，形成GeSn应变单晶材料量子阱，从而减小GeSn带隙，使器件吸收边向红移。
步骤D：利用离子注入方法，在量子阱两侧的SiGeSn单晶材料中分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷元素和硼元素，分别形成N型电极4和P型电极5，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层3，如图3d。
Claims (7)
1.一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，包括：衬底(1)、量子阱(2)、势垒层(3)、N型电极(4)和P型电极(5)，该量子阱(2)和势垒层(3)组成发光有源区，其特征在于：
量子阱(2)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3的GeSn应变单晶材料；
势垒层(3)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3、Ge组分为大于等于0小于等于1的单晶材料；
所述量子阱(2)与所述势垒层(3)横向交叠排列。
2.如权利要求1所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，其特征在于，势垒层(3)的单晶材料晶格常数a1比量子阱(2)的应变单晶材料的晶格常数a2小，即a1<a2。
3.如权利要求1所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，其特征在于：衬底(1)采用Si材料或其他单晶材料。
4.一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底(1)上生长Sn组分为0～0.3的弛豫本征GeSn单晶；
2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱(2)，形成GeSn量子阱与间隙横向交错排列的结构；
3)利用分子束外延工艺，在横向量子阱的间隙中生长Ge组分为0～1、Sn组分0～0.3的SiGeSn单晶材料；
4)利用离子注入，在量子阱两侧的SiGeSn单晶材料中分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的P元素和B元素，形成电极，即在再注入P元素的区域形成N型电极4和在注入B元素的区域形成P型电极5，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层(3)，形成量子阱。
5.权利要求4所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作方法：其中所述步骤1)的分子束外延工艺，是以固体Ge和Sn作为蒸发源，设工作温度为180～200℃，在10-4pa的压强下外延GeSn层。
6.如权利要求4所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作方法：其中所述步骤2)的刻蚀工艺，是利用氯基离子基团，在光刻胶掩蔽作用下刻蚀GeSn。
7.如权利要求4所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作方法：其中所述步骤3)的分子束外延工艺是，以固体Si、Ge和Sn作为蒸发源，设工作温度为180～200℃，在10-4pa的压强下外延SiGeSn层。
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| CN201510340862.3A CN104900729A (zh) | 2015-06-18 | 2015-06-18 | 横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107221582A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-29 | 厦门科锐捷半导体科技有限公司 | 一种发光二极管及其制备方法 |
| CN115537916A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-30 | 上海理工大学 | 一种iv族直接带隙半导体超晶格材料及其应用 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20140197376A1 (en) * | 2012-08-16 | 2014-07-17 | Institute of Microelectronics Chinese Academy of Sciences (IMECAS) | Semiconductor Device |
| CN104300049A (zh) * | 2014-05-05 | 2015-01-21 | 重庆大学 | 带有应变源的GeSn量子阱红外发光器 |
-
2015
- 2015-06-18 CN CN201510340862.3A patent/CN104900729A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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