CN108091744B - 横向p-n-n微腔结构Ge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p‑n‑n微腔结构Ge发光器件包括有源层n‑Ge层，n‑Ge层下表面为Si/SiO2结构，n‑Ge层与Si/SiO2结构构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜，n‑Ge层上表面两侧设有p‑GeSi区、n‑GeSi区，中间为有源区，有源区底部暴露n‑Ge层，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜，p‑GeSi区、n‑GeSi区上设有低电阻导电材料的电极；发光器件表面设有氧化硅的钝化层。本发明在高掺杂n型GOI衬底上外延高锗组分的GeSi层，并实现横向p‑n‑n结构Ge发光器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件及其制备方法。
背景技术
硅基发光器件是实现硅基光电集成电路的重要元器件之一。目前制备硅基发光器件的方法主要有两类，一类是Si基Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器的制备，另一类是新型Si基Ⅳ族发光器件的制备。对于Si基Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器主要研究方向可归纳为三种：第一，将成熟的Ⅲ-Ⅴ半导体激光器件通过倒装焊接技术封装在Si基芯片上，该方法虽然可以保证激光器具有良好的性能，但是技术水平要求高，目前工艺水平不足以量产。第二，将成熟的Ⅲ-Ⅴ半导体激光器件通过键合技术粘贴到Si基芯片上，该方法热稳定性差，且与硅CMOS工艺不兼容，同时生产成本过高。第三，通过设计合适的有源层，采用异质外延的方法，直接在Si衬底上外延Ⅲ-Ⅴ族直接带隙发光材料，由于Si与Ⅲ-Ⅴ材料晶格不匹配，因此外延难度比较大，同时该方法制备的激光器件性能有待提高。对于新型Si基Ⅳ族发光器件的制备主要研究方向有：Si、SiGe纳米结构发光器件的制备，该方法通过能带工程改性Si、SiGe纳米材料，获得直接带隙发光，然而其发光效率难以提高；另一种方法是能带改性Si基Ge直接带发光器件的制备，由于室温下Ge的直接带隙与间接带隙仅差136meV，是准直接带隙材料，因此Si基Ge材料被科学家认为是制备硅基光源的理想材料。
近年来，国内外研究小组采用不同的结构制备Si基Ge发光器件，得到了一系列重要的结果。常见器件结构多属于纵向Si基Ge异质结发光器件，该类型的器件一般是在Si衬底材料(或绝缘层上Si衬底，SOI材料)上外延生长Ge材料或GeSi量子阱材料，然后再外延或溅射Si材料形成Si/Ge异质结构，最后设计制备发光器件。由于Si与Ge的晶格失配高达4.2％，在Si衬底上外延Ge材料时，Si与Ge界面不可避免地引入过多的缺陷，不仅增加了非辐射复合中心，而且器件的漏电流也增加了；另外，这种纵向结构的器件，出光的方向与电流的方向是一致的，其产生的光经过金属电极附近时也会被金属电极所吸收，进一步降低了Ge的直接带发光效率。
发明内容
本发明的目的是设计一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件，包括有源层n-Ge层，n-Ge层下表面为Si/SiO2结构，n-Ge层与Si/SiO2结构构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜，n-Ge层上表面两侧设有p-GeSi区、n-GeSi区，p-GeSi区、n-GeSi区中间为有源区，有源区底部暴露n-Ge层，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜，所述p-GeSi区、n-GeSi区上设有低电阻导电材料的电极；发光器件表面设有氧化硅的钝化层。
所述n-Ge层厚度为1um，Si/SiO2结构厚度为100.5um，底部分布式布拉格反射镜厚度为3.08um，顶部分布式布拉格反射镜厚度为1.54um。
一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在锗基片表面通过扩散工艺形成高掺杂n型Ge片，掺杂浓度为3×1019cm-3；另取一片硅片，通过热氧化方法氧化一层500nm厚的SiO2，形成Si/SiO2结构，然后将高掺杂n型Ge片通过键合技术键合在Si/SiO2结构表面，并将表面锗层减薄到1um厚度，形成高掺杂n型GOI衬底；
2)高掺杂n型GOI衬底外延生长GeSi层；
3)分别在芯片正面两侧形成掺杂p-GeSi区和n-GeSi区；
4)采用光刻胶保护已经形成的掺杂p-GeSi区和n-GeSi区，在掺杂p-GeSi区和n-GeSi区的中心刻蚀出有源区，蚀刻去除外延生长的高锗组分的GeSi层，刻蚀深度为500nm，暴露出高掺杂n型Ge层；
5)在芯片的正面沉积2um的SiO2层，保护正面的器件，然后对芯片背面的硅表面进行减薄，保留约100um的硅厚度；再采用光刻胶保护非有源区正对着的衬底硅材料，再进行刻蚀去除有源区正对着的衬底硅材料，暴露出埋层SiO2材料，然后在该蚀刻区沉积底部分布式布拉格反射镜；
6)蚀刻去除芯片正面沉积的2um的SiO2层，暴露出有源层n-Ge层，并在该蚀刻区沉积顶部分布式布拉格反射镜；
7)在p-GeSi区、n-GeSi区采用低电阻导电材料将电极引出；同时采用化学气相沉积氮化硅对芯片进行钝化保护。
所述外延生长GeSi层，将高掺杂n型GOI衬底放入超高真空化学气相沉积系统里，气源使用锗烷和硅烷，通过调节气源流量和生长温度，使其生长锗组分为0.85，厚度为0.5um的GeSi层。
步骤3)具体包括：
3-1)通过光刻技术形成p-GeSi区域图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入硼离子，接着去除掉非p-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成p-GeSi区域；
3-2)通过光刻技术形成n-GeSi区域图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入磷离子，接着去除掉非n-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成n-GeSi区域；
3-3)最后通过快速热退火激活注入杂质，形成掺杂的p-GeSi区和n-GeSi区。
所述底部分布式布拉格反射镜由8对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别为115nm和270nm。
所述顶部分布式布拉格反射镜由4对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别为115nm和270nm。
本发明的有益效果是：
本发明在在高掺杂n型GOI衬底上外延高锗组分的GeSi层，并实现横向p-n-n结构Ge发光器件，其中Ge组分0.85，在GeSi与Ge之间可以形成有效的势垒层，对电子和空穴都能起到有效的限制作用，进而增强Ge直接带发光效率。该方法具有工艺制备简单、与成熟的硅CMOS工艺兼容、可操作性强、发光性能优越等优点，极具应用价值。
附图说明
图1为本发明的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的剖面结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的目的在于对Ge发光器件进行横向异质结构设计，并辅以微腔结构设计，借助有源层顶部和底部分布式布拉格反射镜(DBR)结构实现p-GeSi/n-Ge/n-GeSi横向结构高效率发光器件，提供一种工艺简单、与成熟的硅CMOS工艺相兼容、性能优越的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法。
如图1所示，一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件，包括有源层n-Ge层6，n-Ge层6下表面为Si/SiO2结构3，n-Ge层6与Si/SiO2结构3构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜7，n-Ge层6上表面两侧设有p-GeSi区4、n-GeSi区5，p-GeSi区4、n-GeSi区5中间为有源区，有源区底部暴露n-Ge层6，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜8，所述p-GeSi区4、n-GeSi区5上设有低电阻导电材料的电极1；发光器件表面设有氧化硅的钝化层2。
所述n-Ge层6厚度为1um，Si/SiO2结构3厚度为100.5um，底部分布式布拉格反射镜7厚度为3.08um，顶部分布式布拉格反射镜8厚度为1.5um。
横向p-n-n微腔结构Ge发光器件具体制备步骤如下：
1)在锗基片表面通过扩散工艺形高掺杂n型Ge片，掺杂浓度为3×1019cm-3，另取一片硅片，通过热氧化的方法氧化一层500nm厚的SiO2，形成Si/SiO2结构3，然后将高掺杂n型Ge片通过键合技术键合在Si/SiO2表面上，并将Ge减薄到1um厚度，形成高掺杂n型GOI衬底。高掺杂n型GOI衬底，还可以是通过其它方式(如通过MBE、超高真空化学气相沉积系统、RPCVD等)制备得到的n型掺杂浓度>1019cm-3的Ge材料。
2)将清洁的高掺杂n型GOI衬底放入超高真空化学气相沉积系统里，气源使用锗烷和硅烷，通过调节气源流量和生长温度，外延锗组分为0.85的GeSi层，厚度为0.5um。这样在GeSi与Ge之间可以形成有效的势垒层，对载流子起到有效的限制作用，增强发光效率。
3)通过光刻技术形成p-GeSi区域条状图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入硼(B)离子，接着去除掉非p-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成p-GeSi区4；同理，通过光刻技术形成n-GeSi区域图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入磷(P)离子，接着去除掉非n-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成n-GeSi区5；最后通过快速热退火激活注入杂质，形成掺杂p-GeSi区4和n-GeSi区5。
4)通过光刻技术采用光刻胶保护已经形成的掺杂p-GeSi区和n-GeSi区，在掺杂p-GeSi区4和n-GeSi区5中心刻蚀出有源区，去除外延生长的高锗组分的GeSi层，刻蚀深度为500nm，暴露出高掺杂n-Ge层6(有源层)。
5)在芯片的正面沉积2um的SiO2层保护正面的器件，然后对芯片背面(硅表面)进行减薄，保留约100um的硅厚度；再采用光刻胶保护非有源区正对着的衬底Si材料，再进行刻蚀去除有源区正对着的衬底Si材料，暴露出埋层SiO2材料。然后在该底部沉积底部分布式布拉格反射镜7，即底部DBR。底部分布式布拉格反射镜7由8对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别设计为115nm和270nm。
6)去除掉芯片的正面沉积的2um SiO2层，并在有源层n-Ge层6顶部沉积顶部分布式布拉格反射镜8，即顶部DBR。顶部分布式布拉格反射镜8由4对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别设计为115nm和270nm。
7)在p-GeSi区4、n-GeSi区5采用铝或其它低电阻导电材料将电极1引出；保护钝化层2可以采用化学气相沉积氮化硅或其它介质层对制得的发光器件进行钝化保护。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件，其特征在于，包括有源层n-Ge层，n-Ge层下表面为Si/SiO2结构，n-Ge层与Si/SiO2结构构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜，n-Ge层上表面两侧设有p-GeSi区、n-GeSi区，p-GeSi区、n-GeSi区中间为有源区，有源区底部暴露n-Ge层，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜，所述p-GeSi区、n-GeSi区上设有低电阻导电材料的电极；发光器件表面设有氧化硅的钝化层；
其中，所述的高掺杂n型GOI衬底为将高掺杂n型Ge片通过键合技术键合在Si/SiO2结构表面，并将表面锗层减薄到1um厚度；
高掺杂n型GOI衬底外延生长有GeSi层；
外延生长GeSi层，是将高掺杂n型GOI衬底放入超高真空化学气相沉积系统里，气源使用锗烷和硅烷，通过调节气源流量和生长温度，使其生长锗组分为0.85，厚度为0.5um的GeSi层。
2.根据权利要求1所述的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件，其特征在于，所述n-Ge层厚度为1um，Si/SiO2结构厚度为100.5um，底部分布式布拉格反射镜厚度为3.08um，顶部分布式布拉格反射镜厚度为1.54um。
3.一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在锗基片表面通过扩散工艺形成高掺杂n型Ge片，掺杂浓度为3×1019cm-3；另取一片硅片，通过热氧化方法氧化一层500nm厚的SiO2，形成Si/SiO2结构，然后将高掺杂n型Ge片通过键合技术键合在Si/SiO2结构表面，并将表面锗层减薄到1um厚度，形成高掺杂n型GOI衬底；
2）高掺杂n型GOI衬底外延生长GeSi层；
3）分别在芯片正面两侧形成掺杂p-GeSi区和n-GeSi区；
4）采用光刻胶保护已经形成的掺杂p-GeSi区和n-GeSi区，在掺杂p-GeSi区和n-GeSi区的中心刻蚀出有源区，蚀刻去除外延生长的高锗组分的GeSi层，刻蚀深度为500nm，暴露出高掺杂n-Ge层；
5）在芯片的正面沉积2um的SiO2层，保护正面的器件，然后对芯片背面的硅表面进行减薄，保留100um的硅厚度；再采用光刻胶保护非有源区正对着的衬底硅材料，再进行刻蚀去除有源区正对着的衬底硅材料，暴露出埋层SiO2材料，然后在该埋层SiO2材料上沉积底部分布式布拉格反射镜；
6）蚀刻去除芯片正面沉积的2um的SiO2层，暴露出有源层n-Ge层，并在有源层n-Ge层上沉积顶部分布式布拉格反射镜；
7）在p-GeSi区、n-GeSi区采用低电阻导电材料将电极引出；同时采用化学气相沉积氮化硅对芯片进行钝化保护。
4.根据权利要求3所述的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法，其特征在于，步骤3）具体包括：
3-1）通过光刻技术形成p-GeSi区域图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入硼离子，接着去除掉非p-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成p-GeSi区域；
3-2）通过光刻技术形成n-GeSi区域图形，并沉积SiO2做掩蔽，再用离子注入方式注入磷离子，接着去除掉非n-GeSi区域的光刻胶和SiO2掩蔽层，形成n-GeSi区域；
3-3）最后通过快速热退火激活注入杂质，形成掺杂的p-GeSi区和n-GeSi区。
5.根据权利要求3所述的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法，其特征在于，所述底部分布式布拉格反射镜由8对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别为115nm和270nm。
6.根据权利要求3所述的横向p-n-n微腔结构Ge发光器件的制备方法，其特征在于，所述顶部分布式布拉格反射镜由4对Si/SiO2材料通过E-Beam方法生长而成，厚度分别为115nm和270nm。
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