CN109449757B - 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为所述n型Si_1-xGe_x中Ge的摩尔组分，1-x为所述n型Si_1-xGe_x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n型Si_{1- x}Ge_x中Ge的摩尔组分，1-x为n型Si_1-xGe_x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_0.52，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_0.52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_0.52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_0.56，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_0.56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为所述n型Si_1-xGe_x中Ge的摩尔组分，1-x为所述n型Si_1-xGe_x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。