[发明专利]带有应变源的GeSn量子阱红外发光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器。

背景技术

随着光电子集成技术和光通信技术的迅猛发展，高效率、可大规模集成的红外发光器件成为一个人们迫切解决的问题。性能新颖的GeSn合金是有望解决这一问题的新材料。理论和实验显示GeSn具有比纯Ge材料更高的载流子迁移率。理论计算显示通过调节GeSn中Sn的组分和改变GeSn结构的应变情况，可以把间接带隙结构GeSn中Γ点下移（Physical Review B, vol. 75, pp. 045208, 2007）。

对于弛豫的GeSn材料，当Sn的组分达到6.5%~11%的时候，GeSn就会变成直接带隙(E_gΓ<E_gL)（Journal of Applied Physics, 113,073707, 2013以及其中的参考文献）。Sn在Ge中的固溶度很低（< 1%）,因此制备高质量、无缺陷的GeSn很难。现在用外延生长的方法可制备出Sn组分达到20%的GeSn材料[ECS Transactions, 41(7), pp.231, 2011; ECS Transactions, 50(9), pp.885, 2012]。因此通过改变Sn的组分可以改变GeSn半导体的带隙，实现其能带结构由间接带隙向直接带隙的转变。但是随着Sn组分的增加，材料质量和热稳定性都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。理论计算显示，在GeSn中引入双轴张应变有利于从间接带隙到直接带隙的转变，即在Sn组分就可以变成直接带隙材料（Applied Physics Letters,98,011111,2011）。

为实现双轴张应变GeSn，有人在晶格常数比较大的衬底材料上生长GeSn外延层，衬底材料可以是III-V族材料，比如InGaAs或者Sn组分更高的GeSn。

发明内容

本发明目的是提出一种带有应变源的GeSn量子阱红外发光器结构。其中应变源材料的晶格常数比有源区材料的小，对光吸收阵列GeSn材料形成沿z方向的单轴压应变，从而在xy平面内形成双轴张应变。这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙结构转化为直接带隙结构。应变源SiGe材料的禁带宽度大于有源区GeSn材料的禁带宽度，在有源区形成量子阱结构。直接带隙GeSn增加了Γ能谷中电子的数量，量子阱结构提高了电子、空穴的复合几率，从而实现高的发光效率。

本发明用以实现上述目的的技术方案如下：

本发明所提出的量子阱红外发光器具有两个第一电极、两个第二电极、一有源区、两个p⁺型应变源、两个n⁺型应变源。

其中，有源区为单晶GeSn材料，p⁺型应变源与n⁺型应变源为单晶SiGe材料成对分布在有源区四周区域，第一电极与n⁺型应变源相接触，第二电极与p⁺型应变源相接触。其关键是，应变源材料的晶格常数比光吸收区域材料的晶格常数小，从而形成对有源区材料的应变，使有源区GeSn由间接带隙变为直接带隙；有源区禁带宽度比应变源区禁带宽度小，使有源区能带形成量子阱结构。

本发明的优点分析如下：

由于本发明的有源区材料为单晶GeSn，应变源材料为单晶SiGe，通过改变GeSn中Sn的组分和SiGe中Ge的组分，使得应变源材料的晶格常数比有源区材料的晶格常数小，从而对有源区GeSn材料形成沿z轴方向的单轴压应变，沿xy平面的双轴张应变，这种应变状态有利于GeSn材料从间接带隙变成直接带隙；通过GeSn与SiGe形成异质结量子阱结构，实现电子-空穴快速高效的辐射复合。

附图说明

图1 为GeSn量子阱红外发光器的立体模式图。

图2 为GeSn量子阱红外发光器基于图1的YZ面剖面图。

图3为GeSn量子阱红外发光器的能带原理图。

图4为GeSn量子阱红外发光器制造的第一步。

图5为GeSn量子阱红外发光器制造的第二步。

图6为GeSn量子阱红外发光器制造的第三步。

图7为GeSn量子阱红外发光器制造的第四、五步。

图8为GeSn量子阱红外发光器制造的第六步。

具体实施方式