CN115548185A - 带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子集成电路技术领域，具体涉及带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法。发光二极管包括由下至上依次设置的衬底层、驰豫层和有源区，有源区包括由下至上依次设置的n＋型层、本征层和p＋型层；驰豫层和有源区的材料均为GeSn；有源区为空心结构、且有源区内设置有应变源，应变源底部延伸至驰豫层，应变源周围及底面用绝缘层隔离其与有源区、驰豫层的接触。应变源还可以延伸至驰豫层底部，应变源外的绝缘层将其与有源区、驰豫层和衬底层隔开。应变源由超磁致伸缩材料组成。有源区顶部设置第一金属电极。驰豫层上设置第二金属电极。本发明通过应变源可以向有源区引入较大的张应变，最终可以提高应变GeSn发光二极管的光发射效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子集成电路技术领域，具体涉及到一种基于GeSn材料的带有磁应变源的发光二极管及其制备方法。
背景技术
在摩尔定律的约束下，集成电路的集成度不断增大且器件尺寸逐渐减小，集成电路中器件间的电连接开始出现物理极限。随着光电子技术的迅猛发展，硅基光互联为解决芯片集成中电连接问题提供了新思路。近年来，硅基光电子在光电探测器、调制器、开关、波导等方面均取得了重要突破，但在高效发光光源方面进展却十分缓慢，究其原因为常用的VI族半导体Si、Ge、SiGe合金等均为间接带隙半导体，导带中的载流子几乎分布在间接带隙能谷中，很难实现直接带隙间的发光复合，因此注入载流子的发光效率很低。
Ge的直接带隙EG,Г为0.8eV，间接带隙EG,L为0.664eV，因其直接带隙与间接带隙相差仅136meV受到广泛关注，Sn为负能带结构材料，GeSn合金半导体可以通过调节Sn的组分减小直接带隙，改善发光二极管的发光效率，但由于Ge和Sn之间的固溶度非常低，并且晶格失配度较大(失配度ε＝4.2％)，导致Sn的偏析，使高Sn含量的GeSn较难获得，因此只依靠调节Sn的组分来实现GeSn合金带隙的变化比较困难。理论研究发现，引入应变也可以实现对GeSn合金带隙的调节，合理的应变有利于GeSn合金材料向直接带隙的转变。
理论研究指出，当GeSn合金中Sn组分为8at.％时，驰豫的Ge0.92Sn0.08合金中直接与间接带隙的导带能量差为EC,L-EC,Γ＝0.02eV，自发发射(电子自高能态自发地跃迁到低能态同时发射出光的现象)速率为0.2×1026eV-1cm-3s-1，内量子效率为0.5％；引入0.85％的张应变Ge0.92Sn0.08合金比驰豫状态下带隙能量差增大至0.1eV，自发发射速率提高至2.2×1026eV-1cm-3s-1，内量子效率也增加至0.9％[Opto-Electronic Advances,9(1),pp.180004,2018]。张应变的引入促进了GeSn合金由间接带隙向直接带隙材料的转变，增强了合金材料的发光性能。
超磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩系数，磁致伸缩性能强、机电转换率高、响应速度快，是一种较理想的可调磁应变源。超磁致伸缩材料的形变量可通过改变材料的磁化状态进行调控，稀土超磁致伸缩材料TbmDy1-mFen，随着Tb和Fe之间含量的匹配，TbmDy1-mFen晶体颗粒的取向性可由15.8％增加到89.3％，达到晶体颗粒较高取向性，进而优化材料的磁致伸缩性能。在磁场强度为14000Oe，6MPa的预压力下，Tb0.3Dy0.7Fe1.98的磁致伸缩系数达到1550ppm[ELSEVIER,385(1),pp.309,2004]。
发明内容
本发明为了提高光互联集成电路中硅基光源发光效率，创新的提出一种带可调磁应变源的应变GeSn发光二极管。该发光二极管的应变源采用三元稀土超磁致伸缩材料TbmDy1-mFen，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95，磁致伸缩系数约为2000ppm，能量转换效率约为56％，响应时间仅10-6s。本发明通过调节Tb和Dy之间的配比，及对外加磁场强度的调控，在GeSn合金中引入可调应变，从而改变GeSn的能带结构，达到了提高GeSn发光二极管发光性能的目的。
本发明用以实现上述目的的技术方案如下：
带有磁应变源的GeSn发光二极管，其结构包括由下至上依次设置的衬底层、驰豫层和有源区，所述有源区包括由下至上依次设置的n+型层、本征层和p+型层；
所述驰豫层和有源区的材料均为GeSn；
所述有源区为空心结构、且有源区内设置有应变源，进一步的，有源区可以设置为空心圆柱形，应变源也呈圆柱形。应变源底部延伸至驰豫层，应变源周围及底面用绝缘层隔离其与有源区、驰豫层的接触。所述应变源还可以延伸至驰豫层底部，应变源外的绝缘层将其与有源区、驰豫层和衬底层隔开。所述应变源由超磁致伸缩材料组成。
所述p+型层上方即有源区顶部设置第一金属电极。所述驰豫层上设置第二金属电极。
更进一步的，所述有源区顶部的第一金属电极为环形；第二金属电极与弛豫层接触，第二金属电极的高度不超过n+型层且不与第一金属电极接触。
所述衬底层为GeOI衬底层，所述驰豫层为磷重掺杂的n+型GeSn驰豫层，所述绝缘层为SiO2绝缘薄膜。
所述有源区的GeSn材料通式为Ge1-xSnx，n+型层采用磷重掺杂Ge1-xSnx材料，本征层采用Ge1-xSnx材料，p+型层采用硼重掺杂Ge1-xSnx材料，驰豫层为磷重掺杂Ge1-ySny材料，其中0.8≤x≤1.5，y＞x。
所述应变源采用超磁致伸缩材料TbmDy1-mFen，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95。
上述带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用分子束外延生长工艺在衬底层上生长一层GeSn驰豫层；
步骤2：在驰豫层上依次生长一层n+型层、一层本征层和一层p+型层；其中其中p+型层是将GeSn材料采用硼离子注入工艺而形成；n+型层是将GeSn材料采用磷离子注入工艺形成；
步骤3：利用干法刻蚀将除衬底层以外的所有材料层刻蚀成空心结构，再对有源区的外周进行刻蚀使其外径小于驰豫层。
具体的，利用干法刻蚀将除衬底以外的所有材料层刻蚀成外直径为8μm，内直径为3μm的空心圆环柱体，再将有源区刻蚀成外直径为5μm的圆环柱体；
步骤4：利用化学气相沉积法在空心结构内侧沉积一层绝缘层；
步骤5：利用磁控溅射工艺在空心结构内填充生长超磁致伸缩材料，形成应变源，应变源顶端不超过绝缘层顶端；
步骤6：利用带胶剥离工艺在有源区顶端及驰豫层上方分别形成第一金属电极和第二金属电极，其中第二金属电极顶端不超过n+型层顶端。
相比于现有器件，本发明的有益效果在于：
本发明设计了一种带有磁应变源的GeSn发光二极管，其中发光二极管有源区为GeSn p-i-n三明治空心结构，应变源在空心结构内填充生长，通过应变源可以向有源区引入较大的张应变。张应变的引入可增大有源区GeSn合金中导带EC,L-EC,Γ的能量差，进而改变导带中Γ能谷与L能谷中的载流子分布，增强载流子的直接复合率，提高应变GeSn发光二极管的光发射效率。
进一步的，本发明具有应变可调的应变GeSn发光二极管结构的应变源采用超磁致伸缩材料TbmDy1-mFen，超磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩系数，磁致伸缩性能强、机电转换率高、响应速度快，是一种较理想的可调磁应变源。通过调节Tb和Dy之间的配比，及调控Z轴方向的外加磁场，改变应变源的伸缩量，在二极管有源区GeSn合金中引入沿Z轴方向的可调张应变。
附图说明
图1为带有磁应变源的GeSn发光二极管的立体模式图。
图2为带有磁应变源的GeSn发光二极管的结构示意图。
图3为带有磁应变源的GeSn发光二极管的XZ剖面图。
图4为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤1的加工示意图。
图5为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤2的加工示意图。
图6为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤3的加工示意图。
图7为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤4的加工示意图。
图8为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤5的加工示意图。
图9为带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法的步骤6的加工示意图。
图10为实施例1～3的磁致伸缩应变图。
附图中标号：101—衬底层，102—驰豫层，103—n+型层，104—本征层，105—p+型层，106—绝缘层，107—应变源，108—第一金属电极，109—第二金属电极。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。
实施例1：带有磁应变源的GeSn发光二极管
如图1～3所示，带有磁应变源的GeSn发光二极管，其结构由下至上依次为衬底层101、驰豫层102和有源区，所述有源区包括由下至上依次设置的n+型层103、本征层104和p+型层105，所述有源区呈圆柱形、且其内设置有应变源107，所述应变源107也呈圆柱形且应变源107底部延伸至驰豫层102，当应变源107底部延伸至驰豫层102底部时，能把应变带到驰豫层102上。应变源107外周及底部设置有绝缘层106以隔离驰豫层102、有源区和衬底层101，且应变源107顶端不超过绝缘层106顶端。所述有源区的顶部设置有环形第一金属电极108，驰豫层102的上方设置有第二金属电极109，第二金属电极109的高度不超过n+型层103且不与第一金属电极108接触。
所述衬底层101为GeOI衬底层，所述驰豫层102为驰豫n+型Ge1-ySny层，所述n+型层103为n+型Ge1-xSnx层，所述本征层104为i Ge1-xSnx层，所述p+型层105为p+型Ge1-xSnx层，所述绝缘层106为SiO2绝缘薄膜，所述应变源107为三元稀土超磁致伸缩材料制成，通式为Tb0.3Dy0.7Fe1.95。
n+型Ge1-xSnx层、i Ge1-xSnx层和p+型Ge1-xSnx层构成发光二极管的有源区p-i-n结构，有源区Ge1-xSnx材料的通式为Ge0.92Sn0.08，驰豫n+型Ge1-ySny层材料的通式为Ge0.915Sn0.085。在0MPa预压力下，240kA/m外加磁场作用下磁致伸缩应变约达到1800ppm。
带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备：
步骤1：如图4所示，在GeOI衬底层101上，利用分子束外延工艺生长n+型Ge1-ySny驰豫层102；
步骤2：如图5所示，在驰豫层102上依次生长一层n+型Ge1-xSnx材料、一层本征Ge1- xSnx材料和一层p+型Ge1-xSnx材料；其中p+型Ge1-xSnx材料采用硼离子注入工艺，形成p+型层105；n+型Ge1-xSnx材料采用磷离子注入工艺，形成n+型层103；0.8≤x≤1.5，y＞x。
步骤3：利用干法刻蚀将除衬底层101以外的所有材料层刻蚀成外直径为8μm、内直径为3μm的空心圆环柱体，再将有源区刻蚀成外直径为5μm的圆环柱体，完成刻蚀后的结构如图6所示；
步骤4：如图7所示，利用化学气相沉积法在空心柱状结构内侧沉积一层SiO2薄膜，形成绝缘层106；
步骤5：如图8所示，利用磁控溅射工艺在空心柱状结构内填充生长超磁致伸缩材料TbmDy1-mFen，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95，形成应变源107，应变源107顶端不超过绝缘薄膜106顶端；
步骤6：如图9所示，利用带胶剥离工艺在圆环柱体顶端及驰豫层上方分别形成第一金属电极108和第二金属电极109，其中第二金属电极顶端不超过n+型层103顶端。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，所述应变源为三元稀土超磁致伸缩材料，通式为Tb0.27Dy0.73Fe1.95。在0MPa预压力下，240kA/m外加磁场作用下磁致伸缩应变约可达到1100ppm。对比实施例1，当改变Tb/Dy比例大小，磁致伸缩系数随之改变。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，改变外加磁场强度至60kA/m，此时磁致伸缩系数达到700ppm，这是由于在自由状态下，磁致伸缩应变与磁感应强度的关系为S＝β(B∥)*B，其中β(B∥)＝2CB∥为磁致伸缩应变常数，它与材料有关并与对材料施加的恒定磁感应强度B∥成正比，C为沿磁场方向和伸缩方向的弹性模量。通过改变外加磁场，从而实现对磁致伸缩应变的改变，也可以达到可调控应变源的目的。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (9)
1.带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底层（101）、驰豫层（102）和有源区，所述有源区包括由下至上依次设置的n＋型层（103）、本征层（104）和p＋型层（105）；
所述驰豫层（102）和有源区的材料均为GeSn；
所述有源区为空心结构，且有源区内设置有应变源（107），应变源（107）底部延伸至驰豫层（102），应变源（107）周围及底面用绝缘层（106）以隔离其与有源区和驰豫层（102）的接触；
所述应变源（107）的材料为超磁致伸缩材料；
所述有源区顶部设置第一金属电极（108），所述驰豫层（102）上设置第二金属电极（109）。
2.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述有源区为空心圆柱形，应变源（107）呈圆柱形。
3.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述衬底层（101）为GeOI衬底层，所述驰豫层（102）为磷重掺杂的n＋型GeSn驰豫层，所述绝缘层（106）为SiO2绝缘薄膜。
4.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述有源区所采用的GeSn材料通式为Ge1-x Sn x ，n＋型层（103）为磷重掺杂Ge1-x Sn x 材料，本征层（104）采用Ge1-x Sn x 材料，p＋型层（105）采用硼重掺杂Ge1-x Sn x 材料，其中0.8≤x≤1.5。
5.根据权利要求4所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述驰豫层（102）为磷重掺杂Ge1-y Sn y 材料，其中，y＞x。
6.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述应变源（107）采用超磁致伸缩材料Tb m Dy1-m Fe n ，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95。
7.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述有源区顶部的第一金属电极（108）为环形；第二金属电极（109）与弛豫层（102）接触，第二金属电极（109）的高度不超过n＋型层（103）。
8.带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用分子束外延生长工艺在GeOI衬底层（101）上生长一层GeSn驰豫层（102）；
步骤2：在驰豫层（102）上依次生长n＋型层（103）、本征层（104）和p＋型层（105）；其中p＋型层（105）是将GeSn材料采用硼离子注入工艺而形成；n＋型层（103）是将GeSn材料采用磷离子注入工艺形成；
步骤3：利用干法刻蚀将除衬底层（101）以外的所有材料层刻蚀成空心结构，再对有源区的外周进行刻蚀使其外径小于驰豫层（102）；
步骤4：利用化学气相沉积法在空心结构内侧沉积一层绝缘层（106）；
步骤5：利用磁控溅射工艺在空心结构内填充生长超磁致伸缩材料，形成应变源（107），应变源（107）顶端不超过绝缘层（106）顶端；
步骤6：利用带胶剥离工艺在有源区顶端及驰豫层（102）上方分别形成第一金属电极（108）和第二金属电极（109），其中第二金属电极（109）顶端不超过n＋型层（103）顶端。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3为：利用干法刻蚀将除衬底层（101）以外的所有材料层刻蚀成外直径为8μm、内直径为3μm的空心圆环柱体，再将有源区刻蚀成外直径为5 μm的圆环柱体。
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| CN202111517799.8A CN115548185A (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法 |
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| CN202111517799.8A CN115548185A (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
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2021
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| CN115274907A (zh) * | 2022-07-30 | 2022-11-01 | 郑州轻工业大学 | 带有张应变薄膜的中红外GeSn发光器 |
| CN115274907B (zh) * | 2022-07-30 | 2024-05-10 | 郑州轻工业大学 | 带有张应变薄膜的中红外GeSn发光器 |
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