CN109449757A - SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法。方法包括：在Si衬底的表面形成p型Si_1‑xGe_x层；在p型Si_1‑xGe_x层的表面形成SiN层；将SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端的SiN层和底部的p型Si_1‑xGe_x层形成一凹槽；在凹槽内形成n型Ge层，且n型Ge层的厚度与SiN层的厚度相同；在SiN层表面和n型Ge层的表面形成n型Si_1‑xGe_x层；在n型Si_1‑xGe_x层的表面形成Si帽层；在Si帽层上形成电极。本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器又具有较高的光电转换效率和较低的阈值电流密度，光稳定性好；其制备方法既能够兼容CMOS工艺，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。

Description

SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激 光器及其制备方法。

背景技术

目前来说，由于工艺制备技术以及Si基材料本身的约束，单片光电集 成的发展主要集中在III-V族材料上面。但由于III-V族材料外延生长和 器件工艺制作都有较高的成本，使的其应用范围比较狭窄，无法进行大规 模批量生产。而Si基材料能够利用现有的工艺线大幅度降低制备成本，具 有更加广阔的应用前景。同为IV族元素的Ge，由于其可以和Si的工艺完 全兼容，近年来成为Si基发光研究的热点。Ge是一种准直接带隙半导体， 室温下其直接带隙只比间接带隙大140meV。根据电子的费米-狄拉克分布， 虽然大部分的电子在Ge的L能谷，但是由于Ge的两能谷之间的能量差比 较小，在Ge的Γ能谷，电子仍然具有一部分占据几率。并且，占据Γ能谷 的电子具有和III-V族材料一样高的辐射复合几率。因此，通过张应变等能 带工程或其他途径进一步增加Ge在Γ能谷中的电子，有望实现高效Si基 发光。当然这中间还有很长一段路要走。

Ge的能带工程最初由MIT小组提出，他们认为Γ和L点之间的能量 差可以通过引入张应变而减小，并且来自高掺杂n区的注入电子可以充分 填充Γ能谷促进辐射的发生。第一台光泵浦锗激光器于2010年首次实现， 2012年和2015展示了电泵浦锗激光器。其他类型的Ge激光器，如GeSn 激光器，Ge QD激光器近来已经被研究，这些都表明了Ge作为Si激光材 料的潜力。但是其阈值电流密度高达280kA/cm²，与期望值偏差较大。另 一方面，与硅同属IV族的锗半导体材料，被用来制造出世界上第一个晶体 管，因为硅源储藏丰富和良好的氧化硅表面钝化，硅半导体成为当今大规 模集成电路的主角。最近由于锗在硅上外延生长的技术的提高，锗半导体 材料重新成为研究的热点，特别是用Ge材料制备激光器作为片上光源更是 研究的前沿。

Ge基激光器中最重要的性能参数是阈值电流密度和效率。由于同质结 半导体Ge基激光器的阈值电流密度高达104A/cm²量级，故只能在液氮温 度下才能连续工作，因而毫无使用价值。

德国Stuttgart大学的研究人员研制出Si基Ge室温电注入连续波长边 发射激光器，值得注意的是该激光器中的Ge并无任何张应变，掺杂浓度为 3×10¹⁹cm^-3，采用Si/Ge/Si双异质结结构，当注入电流大于阈值电流密度 510KAcm²时，能够观察到1682nm处线宽为1.1nm的极窄的光谱，带隙的 红移主要是高掺杂引起的。

用这种结构做出来的激光器存在发光效率太低，阈值电流密度太高的 缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种SiGe/Ge/SiGe 双异质结激光器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方 案实现：

本发明实施例提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法， 包括以下步骤：

(1)在Si衬底的表面形成p型Si_1-xGe_x层；其中，x为SiGe中Ge的 摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(2)在所述p型Si_1-xGe_x层的表面形成SiN层；

(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN 层的厚度；

(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述 SiN层的厚度相同；

(5)在所述SiN层表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si_1-xGe_x层； 其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(6)在所述n型Si_1-xGe_x层的表面形成Si帽层；

(7)在所述Si帽层上形成电极。

在本发明的一个实施例中，步骤(1)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在Si衬底 上生长所述p型Si_1-xGe_x层。

在本发明的一个实施例中，步骤(2)包括：

采用等离子体增强化学气相淀积法，在370～400℃生长温度下，在所述 p型Si_{1- x}Ge_x层的表面生长所述SiN层。

在本发明的一个实施例中，步骤(3)包括：

采用反应离子刻蚀的方法，将所述SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端 的SiN层和底部的p型Si_1-xGe_x层形成一凹槽。

在本发明的一个实施例中，步骤(4)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，先在380～400℃生长温度下，在所述凹 槽内p型Si_1-xGe_x层的表面生长一层低温锗缓冲层，然后再在650～680℃生 长温度下，在所述低温锗缓冲层的表面生长一层高温锗缓冲层；所述低温 锗缓冲层和所述高温锗缓冲层的总厚度与所述SiN层的厚度相等。

在本发明的一个实施例中，步骤(5)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在所述SiN 层表面和所述n型Ge层的表面生长所述n型Si_1-xGe_x层。

在本发明的一个实施例中，步骤(1)中所述p型Si_1-xGe_x层的掺杂浓 度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，步骤(4)中所述n型Ge层的掺杂浓度为 2×10¹⁹～6×10¹⁹cm^-3。

在本发明的一个实施例中，步骤(5)中所述n型Si_1-xGe_x层的掺杂浓 度为1×10¹⁹～3×10²⁰cm^-3。

本发明实施例还提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，所述 SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器由上述制备方法制备而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.提高效率：本发明的激光器，利用两侧的高应力氮化硅膜向中间的 有源区(Ge层)引入张应力，促使原本未间接带隙的Ge材料转变为直接 带隙材料，有利于提高光电转换效率，还可以降低进行高掺杂的工艺难度；

2.降低阈值电流密度：本发明的激光器，采用SiGe/Ge/SiGe双异质结 结构进行光子限定，可有效降低阈值电流密度；

3.本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，能够通过调节SiGe中Ge 组分来调整所需要的晶格失配、折射率、带隙等，通过确定最优的Ge组分 含量来选择最优的晶格失配、折射率、带隙等。

4.适合单片光电集成：本发明的结构可以与CMOS工艺相兼容，适合 单片光电集成；

5.工艺简单：本发明的制备方法不需要做侧面解理镀膜等工艺，工艺 简单。

附图说明

图1为本发明SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的截面示意图；

图2为本发明Ge/GeSn异质结激光器的制备方法流程示意图；

图3(a)-图3(f)为本发明实施例提供的SiGe/Ge/SiGe双异质结激 光器的制备方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施 方式不限于此。

实施例1：

基于传统的Ge基激光器所存在的发光效率并不高，阈值电流密度较大 的缺陷，研究基于改性Ge的异质结结构很有意义。半导体Ge基激光器研 究的技术问题是如何获得低阈值电流密度和高能量转换效率，同时提高光 束质量并拥有良好的光谱特性。随着材料生长和器件制备工艺的发展和进 步。半导体Ge基激光器的性能得到不断的提升，在不久的未来可以实现 Ge基激光器的光电集成。本发明的研究意义在于得出基于SiGe/Ge/SiGe双 异质结的一种新型激光器结构。从而可以着重改善阈值电流密度和效率并 减小光损耗设计出具有较高性能的Ge基激光器。

为了解决传统Ge基激光器发光效率并不高，阈值电流密度较大，其制 备工艺难度大的问题，本实施例提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器 的制备方法和该方法制备的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器。

请参见图1，图1为本发明SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的截面示意 图。本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器结构自下而上依次为：衬底1、 p型Si_1-xGe_x层2、SiN层和SiN层中间区域的n型Ge层、n型Si_1-xGe_x层 和Si帽层；其中n型Ge层的厚度与SiN层的厚度相等。

本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的衬底1优选硅衬底1，硅衬 底为绝缘体上的硅材料或体硅材料衬底。

本发明的激光器，利用两侧的高应力氮化硅膜向中间的有源区(Ge层) 引入张应力，促使原本未间接带隙的Ge材料转变为直接带隙材料，有利于 提高光电转换效率，还可以降低进行高掺杂的工艺难度；本发明的激光器， 采用SiGe/Ge/SiGe双异质结结构进行光子限定，可有效降低阈值电流密度。 此外，本发明的结构可以与CMOS工艺相兼容，适合单片光电集成。

请参见图2，图2为本发明SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法 流程示意图。该方法包括如下步骤：

(1)在Si衬底的表面形成p型Si_1-xGe_x层；其中，x为SiGe中Ge的 摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(2)在所述p型Si_1-xGe_x层的表面形成SiN层；

(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN 层的厚度；

(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述 SiN层的厚度相同；

(5)在所述SiN层表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si_1-xGe_x层； 其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(6)在所述n型Si_1-xGe_x层的表面形成Si帽层；

(7)在所述Si帽层上形成电极。

对于步骤(1)，可以采用的具体方法为：采用超高真空化学汽相淀积 法，在380～400℃生长温度下，在Si衬底上生长掺杂浓度为1×10¹⁹～1× 10²⁰cm^-3的p型Si_1-xGe_x层。

对于步骤(2)，可以采用的具体方法为：采用等离子体增强化学气相 淀积法，在370～400℃生长温度下，在所述p型Si_1-xGe_x层的表面生长所述 SiN层。

对于步骤(3)，可以采用的具体方法为：采用反应离子刻蚀的方法， 将所述SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端的SiN层和底部的p型Si_1-xGe_x层形成一凹槽。

对于步骤(4)，可以采用的具体方法为：采用超高真空化学汽相淀积 法，先在380～400℃生长温度下，在所述凹槽内p型Si_1-xGe_x层的表面生长 一层掺杂浓度为2×10¹⁹～6×10¹⁹cm^-3的低温锗缓冲层，然后再在650～680℃ 生长温度下，在所述低温锗缓冲层的表面生长一层掺杂浓度为 2×10¹⁹～6×10¹⁹cm^-3的高温锗缓冲层；所述低温锗缓冲层和所述高温锗缓冲层 的总厚度与所述SiN层的厚度相等。

对于步骤(5)，可以采用的具体方法为：采用超高真空化学汽相淀积 法，在380～400℃生长温度下，在所述SiN层表面和所述n型Ge层的表面 生长掺杂浓度为1×10¹⁹cm³～3×10²⁰cm^-3的n型Si_1-xGe_x层。

本实施例的制备方法不需要做侧面解理镀膜等工艺，工艺简单。

实施例2：

本实施例的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，SiGe中的Ge的摩尔组分 为0.5，Si的Ge的摩尔组分为0.5；即SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器中SiGe 材料具体为Si_0.5G_0.5。该组分的确定是根据该器件结构的主体部分，即SiGe/Ge/SiGe双异质结各层的禁带宽度、厚度和掺杂浓度等参数，结合软 件仿真分析，反复优化后得到的结果。实验证明，Si_0.5G_0.5材料可以使 SiGe/Ge/SiGe双异质结需要的晶格失配、折射率、带隙等保持最优。

请参见3(a)～图3(f)，以及图1，本实施例在上述实施例的基础上， 对本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法及制备的 SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器进行详细说明如下：

步骤(1)，请参见图3(a)，选择绝缘体上的硅材料或体硅材料为衬 底1，本实施例中，硅衬底采用的是<100>晶向的单晶硅。通常衬底1选择 长方形。采用超高真空化学气相淀积(UHV-CVD)法，在400℃下生长一 层300nm厚的p型重掺杂的Si_0.5Ge_0.5 2，掺杂浓度在1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3范围内。生长过程中要求腔体的真空度在10^-6pa左右。通过该层Si_0.5Ge_0.5 2 的生长不仅可以给该激光器提供复合的空穴也可以为下一层Ge层的生长 引入一定的张应力。

步骤(2)，请参见图3(b)，在步骤(1)制备的结构的Si_0.5Ge_0.5 2 层上采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)法，在400℃生长一层400nm 的SiN 3。生长过程中要求腔体的真空度在10^-6pa左右。

步骤(3)，请参见图3(c)，在步骤(2)制备的结构的SiN层3的 中间区域，采用反应离子刻蚀(RIE)方法，在刻蚀气体为CHF₃和O₂，流 量分别为27sccm和3sccm的刻蚀条件下，刻蚀出宽度为1μm的区域用来 生长Ge层4；两端的SiN层3和底部的p型Si_0.5Ge_0.5层2形成一凹槽。

步骤(4)，请参见图3(d)，在步骤(3)制备的结构的凹槽内采用 低、高温两步法生长，生长两层Ge层5。具体方法为：采用超高真空化学 气相淀积(UHV-CVD)法，先在400℃下生长一层100nm的低温锗缓冲层， 然后再将温度提高到650℃生长一层300nm的高温锗缓冲层。所述锗层的 总厚度为400nm，锗层的掺杂浓度为2×10¹⁹～6×10¹⁹cm^-3的n型重掺杂。生长过程中要求腔体的真空度在10^-6pa左右。由于Ge层5作为激光器的有源 区是激光器发光的区域，因此高质量的Ge层5可以使激光器的发光效率提 高。此外，在Si_0.5Ge_0.5层2上生长Ge层5可以减少外延失配。

步骤(5)，请参见图3(e)，在步骤(4)制备的结构上表面采用超 高真空化学气相淀积(UHV-CVD)，在400℃下生长一层300nm厚的n型 掺杂的Si_0.5Ge_0.5 6，掺杂浓度在1×10¹⁹～3×10²⁰cm^-3。生长过程中要求腔体的 真空度在10^-6pa左右。在Ge层5生长SiGe层可以减少外延失配。此外， 该层作为pn结的n极可以提供复合的电子。

步骤(6)，请参见图3(f)，在步骤(5)制备的结构n型Si_0.5Ge_0.5 6 上，采用超高真空化学气相淀积(UHV-CVD)，生长过程中要求腔体的真 空度在10^-6pa左右，在400℃下生长一层100nm的硅帽层。

步骤(7)，将在Si帽层作为电极接触层。

本发明的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器结构，对有源区进行n型重掺 杂同时采用SiN对有源区引入张应力可以较容易使Ge变为准直接带隙。

本发明提供的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法既能够兼 容CMOS工艺，又能够通过调节SiGe中Ge组分来调整所需要的晶格失配、 折射率、带隙等，且具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方 便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在Si衬底的表面形成p型Si_1-xGe_x层；其中，x为所述p型Si_1-xGe_x层中Ge的摩尔组分，1-x为所述p型Si_1-xGe_x层中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(2)在所述p型Si_1-xGe_x层的表面形成SiN层；

(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN层的厚度；

(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述SiN层的厚度相同；

(5)在所述SiN层的表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si_1-xGe_x层；其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；

(6)在所述n型Si_1-xGe_x层的表面形成Si帽层；

(7)在所述Si帽层上形成电极。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在Si衬底上生长所述p型Si_1-xGe_x层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括：

采用等离子体增强化学气相淀积法，在370～400℃生长温度下，在所述p型Si_1-xGe_x层的表面生长所述SiN层。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)包括：

采用反应离子刻蚀的方法，将所述SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端的SiN层和底部的p型Si_1-xGe_x层形成一凹槽。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在所述凹槽内的所述p型Si_1-xGe_x层表面生长低温锗缓冲层；

在650～680℃生长温度下，在所述低温锗缓冲层的表面生长高温锗缓冲层，所述低温锗缓冲层和所述高温锗缓冲层的总厚度与所述SiN层的厚度相等。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)包括：

采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在所述SiN层的表面和所述n型Ge层的表面生长所述n型S_i0.5Ge_0.5层。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述p型Si_1-xGe_x层的掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述n型Ge层的掺杂浓度为2×10¹⁹～6×10¹⁹cm^-3。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述n型Si_1-xGe_x层的掺杂浓度为1×10¹⁹～3×10²⁰cm^-3。

10.一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，其特征在于，所述SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器由权利要求1～9任一项所述的制备方法制备而成。