CN117895334A - 一种GeSn/SiGe量子阱激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GeSn/SiGe量子阱激光器及其制作方法。GeSn/SiGe量子阱激光器,其包括由下至上堆叠的:衬底,锗硅缓冲层,P型掺杂锗硅层,P型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;量子阱,量子阱由锗锡层和锗硅层交替堆叠多次而成,并且多个锗锡层中的锡含量由下至上逐层递增,锗锡层中锡质量百分比为6.5%~10%;N型掺杂锗硅层,N型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;氮化硅层。本发明可以明显减少激光器达到粒子反转所需的载流子数目,加强有源区受激辐射,同时弥补单层Ge光增益不高的缺点,有效提升激光器的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域,特别涉及一种GeSn/SiGe量子阱激光器及其制作方法。
背景技术
量子阱半导体激光器是一种基于量子力学原理设计和制造的半导体激光器。它具有许多优异的特性,如高效率、高功率、窄线宽和短脉冲宽度等,因此在通信、医疗、材料加工等领域得到广泛应用。常见的半导体激光器采用GaAs,它的直接能带带隙结构有利于电子与带隙中的空穴复合产生光。
锗(Ge)在具有高电子迁移率和高空穴迁移率条件下具有比GaAs更好的热导率的优势,Ge量子阱激光器具有较宽的光发射波长范围,可以通过精心设计的量子阱结构来实现波长调谐。同时与现有的硅器件工艺相兼容,制造成本更低。但是Ge为间接带隙结构,其电子与带隙中的空穴复合产生大量热量,极大地降低了发光效率。
为此,提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种GeSn/SiGe量子阱激光器及其制作方法,以提高电光转换效率,并且实现更高的输出功率。
为了实现以上目的,本发明提供了以下技术方案。
本发明的第一方面提供了一种GeSn/SiGe量子阱激光器,其包括由下至上堆叠的:
衬底,
锗硅缓冲层,
P型掺杂锗硅层,所述P型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
量子阱,所述量子阱由锗锡层和锗硅层交替堆叠多次而成,并且多个锗锡层中的锡含量由下至上逐层递增,所述锗锡层中锡质量百分比为6.5%~10%;
N型掺杂锗硅层,所述N型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
氮化硅层。
由此,本发明对激光器中顶层和底层的锗硅层采取不同掺杂形成基础的P-N结构(即P型掺杂锗硅层和N型掺杂锗硅层),同时将传统有源层单一Ge阱换成多层GeSn/SiGe量子阱。在量子阱中,通过锡浓度逐层提高的方式结合氮化硅施加张应力的方式获得高质量、高组分的锗锡层,并且将量子阱中GeSn的带隙改变为直接带隙,从而来弥补GeSn材料自身的缺陷,这样可以明显减少达到粒子反转所需的载流子数目,加强有源区受激辐射,同时弥补单层Ge光增益不高的缺点,有效提升激光器的输出功率。
在此基础上还可以进一步改进,例如下文列举。
进一步地,所述量子阱中的锗锡层的锡质量百分比为6.5%~8%。
进一步地,所述量子阱中锗锡层和锗硅层交替堆叠的次数为20~30。
进一步地,所述锗硅缓冲层中锗的摩尔百分比为40%~60%;和/或,所述量子阱中,锗硅层中的锗的摩尔百分比为40%~60%。
本发明的第二方面还提供了一种GeSn/SiGe量子阱激光器的制作方法,其包括:
在衬底上依次形成锗硅缓冲层、P型掺杂锗硅层;所述P型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
在所述P型掺杂锗硅层交叠形成锗锡层和锗硅层,锗锡层和锗硅层交叠堆叠形成量子阱,并且锗锡层中的锡含量由下至上逐层递增;所述锗锡层中锡质量百分比为6.5%~10%;
图形化处理量子阱;
在所述量子阱上逐次利用PECVD法沉积多层第一氮化硅层,并且由下至上沉积第一氮化硅层时PECVD法的沉积压强逐层提高,压强范围为1000~1600mTorr;
平坦化处理至量子阱的上表面裸露;
在量子阱上形成N型掺杂锗硅层,所述N型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
沉积钝化层。
由此,本发明对激光器顶层和底层的Si1-xGex采取不同掺杂形成基础的P-N结构,同时将传统有源层单一Ge阱换成多层GeSn/SiGe量子阱,并且在量子阱的制备过程中逐层提高锡浓度。通过以上过程达到了以下效果:
在向Ge材料中掺入Sn后,Sn本身可以在材料内部引入应力,从而改变Ge的能带结构,但是若直接添加则一般情况下要20%含量的锡组分,制备很困难。本发明通过逐层压强增大的方式沉积多层第一氮化硅层,可以引入张应力,从而可以用较少量的锡组分含量(6.5%~10%)将Ge的能带转变为直接带隙,这样可以明显减少激光器达到粒子反转所需的载流子数目,加强有源区受激辐射,同时弥补单层Ge光增益不高的缺点,有效提升激光器的输出功率。
进一步地,所述沉积压强逐层提高是:等梯度逐层提高。
进一步地,所述锗硅缓冲层中锗的摩尔百分比为40%~60%;和/或,所述量子阱中,锗硅层中的锗的摩尔百分比为40%~60%。
进一步地,所述钝化层包括第二氮化硅层,并且采用PECVD法沉积第二氮化硅层,沉积压强为1000~1200mTorr。
进一步地,在所述沉积多层第一氮化硅层之后和所述平坦化处理之前还包括:先进行等离子处理,后用紫外线和/或退火进行热处理。
进一步地,所述量子阱中的锗锡层的锡质量百分比为6.5%~8%。
综上,与现有技术相比,本发明达到了以下技术效果:
本发明在激光器的量子阱中引入SiGe和GeSn多层堆叠结构,可进一步提升电光转换效率,这种类型的激光通过将仅发生在带隙二维平面上的电子-空穴复合所产生的光,变为电子在穿过半导体结构堆叠发生复合产生光,大大提高复合几率。同时量子阱结构可以更好的将载流子限制在阱内,因此可以减少实现粒子数反转所需的载流子数目从而实现更低的阈值电流,因此在相同电流密度下,可以实现更高的输出功率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明提供的GeSn/SiGe量子阱激光器的结构示意图;
图2至图7为本发明提供的GeSn/SiGe量子阱激光器的制作方法各步骤得到的结构示意图。
具体实施方式
以下,将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中,当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时,该层/元件可以直接位于该另一层/元件上,或者它们之间可以存在居中层/元件。另外,如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”,那么当调转朝向时,该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
激光器以Ge为间接带隙结构时,其电子与带隙中的空穴复合产生大量热量,极大地降低了发光效率。为此,需要借助多种手段将锗转变为直接带隙半导体,例如,对锗施加4%以上单轴张应力,可以使Ge转化为直接带隙半导体,但是施加如此大的应力在工艺上很难实现,同时容易引起Ge/SiGe叠层的位错。
为此,本发明在锗中加入锡组分改变能带,再结合氮化硅应力进行调整,可以获得高组分锡、高质量且能带为直接带隙的锗锡材料,这样既可以提高电光转换效率,又可以将载流子限制在阱内,减少实现粒子数反转所需的载流子数目,从而实现更低的阈值电流,可以实现更高的输出功率。
具体地,本发明提供了一种如图1所示的GeSn/SiGe量子阱激光器,其包括由下至上堆叠的:衬底1,锗硅缓冲层2,P型掺杂锗硅层3,量子阱4,N型掺杂锗硅层5,氮化硅层6。
其中,锗硅缓冲层2中锗和硅的摩尔比通常接近等比例,例如锗的摩尔百分比为40%~60%。在一些实施方式中,可以是Si0.5Ge0.5,可以根据实际情况进行小幅度调整。该缓冲层有利于减小失配率。
N型掺杂锗硅层5中硅的摩尔百分比为5%~20%,掺杂的类型包括但不限于磷、砷和锑等。
P型掺杂锗硅层3中硅的摩尔百分比为5%~20%,掺杂的类型包括但不限于镓和铟等。
量子阱4由锗锡层和锗硅层交替堆叠多次而成,即GeSn层41/SiGe层42交替堆叠,并且多个GeSn层41中的锡含量由下至上逐层递增,量子阱中所有GeSn层41中锡质量百分比都控制在6.5%~10%范围内,在一些实施方式中锡质量百分比可以控制在6.5%~8%范围。通常,锡含量越高越利于改善电性能,然而Sn的增加可能会引起材料热稳定性的下降,可以根据产品要求适当调整。与传统激光器相比,该量子阱采用多组分,这样可以利用锗的低能耗、低阈值电流、低成本、高兼容性等优势,又可以将锗转化为直接带隙结构,避免间接带隙结构的低发光效率问题。对于GeSn层41/SiGe层42交替堆叠的次数,可根据情况调整,在一些实施方式中交替堆叠的次数为20~30。本申请中,“交替堆叠一次”代表增加一层GeSn以及一层SiGe。量子阱中SiGe层42的锗硅比例通常保持与锗硅缓冲层相近,例如锗的摩尔百分比为40%~60%。在一些实施方式中,可以是Si0.5Ge0.5
虽然在量子阱4中引入锡元素可以改变锗的能带,但是其受固溶度低的限制,导致生长高质量、高组分锡的GeSn层难度大,因此,本发明增加了氮化硅层6,这样可以向量子阱施加张应力,解决以上问题。此外,氮化硅层6还起到钝化、平整表面等作用。通常氮化硅层6包括覆盖N型掺杂锗硅层上表面的部分以及环绕量子阱侧壁的部分。
本发明还提供了一种可以制作出图1所示激光器的方法,主要包括层层沉积、刻蚀、等离子处理、热退火、紫外线曝光等工序,具体过程如下文描述。
首先,提供衬底1。该衬底1可以是本领域技术人员熟知的任何用以承载半导体集成电路组成元件的底材,例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)、体硅(bulksilicon)、碳化硅、锗、锗硅、砷化镓或者绝缘体上锗等,相应的顶层半导体材料为硅、锗、锗硅或砷化镓等,或者普通晶圆等。
接下来在衬底1上外延等方式形成一层SiGe缓冲层2。
之后生长一层SixGe1-x,离子注入形成P型重掺杂(例如,0.05≤x≤0.2),作为P型掺杂锗硅层3。
接下来交替沉积GeSn层41、SiGe层42,形成如图2所示的GeSn/SiGe量子阱4,并且由下至上Sn的含量逐层增大,呈梯度分布,重复生长20~30对GeSn/SiGe堆叠层,形成多量子阱结构。
然后以光刻胶为掩模,通过干法刻蚀将多重GeSn/SiGe量子阱4刻蚀出台面结构,如图3所示。
接下来利用压强逐层增加的方式沉积多层SiN。例如在一些实施方式中,在380℃下,分别在1200mTorr、1300mTorr、1400mTorr、1500mTorr的压强下PECVD沉积多层SiN(同等条件下压强越大,SiN膜张应力越大),如图4所示的累积的SiN层61。其中,每层沉后可以进行等离子后处理,最后进行紫外线辅助热处理提升薄膜性能,淀积多层SiN的目的在于均匀应力在多量子阱内的分布。热处理包括但不限于快速热退火、激光退火等工艺。等离子后处理可以消除膜层内的氢气等杂质,修复缺陷,使材料更致密。之后紫外线处理可以大面积消除缺陷。
之后平坦化处理,减薄SiN层61,使量子阱4的上表面裸露,如图5所示。
接下来在量子阱上形成N型掺杂锗硅层5。
形成N型掺杂锗硅层5的过程可以是:先生长一层SixGe1-x层,然后离子注入形成N型重掺杂(例如0.05≤x≤0.2)。同时对N型掺杂锗硅层图形化处理,例如以光刻胶为掩模,通过干法刻蚀将N型掺杂锗硅层刻蚀出台面结构,侧壁可以与量子阱齐平,如图6所示。
然后如图7所示,在较低的压强下PECVD沉积一层SiN 62,用于对整个量子阱的应力再平衡以及作为钝化层,该层施加的应力不宜过大以防多重量子阱结构产生位错。例如,在一些实施方式中,沉积条件为380℃,1200mTorr。之后进行常规的平坦化处理,以光刻胶为掩模,光刻刻蚀图案化(露出部分下方为量子阱),进行紫外线曝光处理,消除暴露部分的SiN薄膜中的H,使局部SiN薄膜更致密,改变顶层张应力分布,防止应力过分向边缘扩散,去除光刻胶。
最后进行常规外表层加工,例如在激光器的出光面镀一层SiO2作为激光器谐振腔的增透膜,通过在激光器后面淀积两对Si与SiO2的交叠层作为谐振腔的高反膜。增透膜、高反膜以及有源区共同组成了激光器的法布里珀罗谐振腔,谐振腔用以筛选合适波长的光。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是,这些实施例仅仅是为了说明的目的,而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围,本领域技术人员可以做出多种替代和修改,这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种GeSn/SiGe量子阱激光器,其特征在于,包括由下至上堆叠的:
衬底,
锗硅缓冲层,
P型掺杂锗硅层,所述P型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
量子阱,所述量子阱由锗锡层和锗硅层交替堆叠多次而成,并且多个锗锡层中的锡含量由下至上逐层递增,所述锗锡层中锡质量百分比为6.5%~10%;
N型掺杂锗硅层,所述N型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的GeSn/SiGe量子阱激光器,其特征在于,所述量子阱中的锗锡层的锡质量百分比为6.5%~8%。
3.根据权利要求1或2所述的GeSn/SiGe量子阱激光器,其特征在于,所述量子阱中锗锡层和锗硅层交替堆叠的次数为20~30。
4.根据权利要求1所述的GeSn/SiGe量子阱激光器,其特征在于,所述锗硅缓冲层中锗的摩尔百分比为40%~60%;和/或,所述量子阱中,锗硅层中的锗的摩尔百分比为40%~60%。
5.一种GeSn/SiGe量子阱激光器的制作方法,其特征在于,包括:
在衬底上依次形成锗硅缓冲层、P型掺杂锗硅层;所述P型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
在所述P型掺杂锗硅层交叠形成锗锡层和锗硅层,锗锡层和锗硅层交叠堆叠形成量子阱,并且锗锡层中的锡含量由下至上逐层递增;所述锗锡层中锡质量百分比为6.5%~10%;
图形化处理量子阱;
在所述量子阱上逐次利用PECVD法沉积多层第一氮化硅层,并且由下至上沉积第一氮化硅层时PECVD法的沉积压强逐层提高,压强范围为1000~1600mTorr;
平坦化处理至量子阱的上表面裸露;
在量子阱上形成N型掺杂锗硅层,所述N型掺杂锗硅层中硅的摩尔百分比为5%~20%;
沉积钝化层。
6.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述沉积压强逐层提高是:等梯度逐层提高。
7.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述锗硅缓冲层中锗的摩尔百分比为40%~60%;和/或,所述量子阱中,锗硅层中的锗的摩尔百分比为40%~60%。
8.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述钝化层包括第二氮化硅层,并且采用PECVD法沉积第二氮化硅层,沉积压强为1000~1200mTorr。
9.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,在所述沉积多层第一氮化硅层之后和所述平坦化处理之前还包括:先进行等离子处理,后用紫外线和/或退火进行热处理。
10.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述量子阱中的锗锡层的锡质量百分比为6.5%~8%。
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