[发明专利]Ge/GeSn异质结激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ge/GeSn异质结激光器及其制备方法。该方法包括：在衬底的表面生长第一布拉格反射镜层；在第一布拉格反射镜层的表面生长第一n型Ge层；在第一n型Ge层的表面生长第二n型Ge层；在第二n型Ge层的表面生长GeSn层；在GeSn层的表面生长第一p型Ge层；在第一p型Ge层的表面生长第二p型Ge层；在第二p型Ge层的表面生长第二布拉格反射镜层；在得到的结构上刻蚀出第一柱体和第二柱体；在第一台阶及所述第二台阶形成电极；最终形成Ge/GeSn异质结激光器。本发明通过采用GeSn材料代替传统的单一Ge材料，提高了发光效率；通过采用P‑I‑N结构降低了阈值电流密度；另外，本发明的制备方法工艺简单。

技术领域

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

背景技术

众所周知，硅片上大规模集成电路显示了电子强大的信号处理功能，而全球范围的光纤通讯网络展示了光子优越的传输性能。硅基光电子集成则结合了电子的信号处理功能和光子的传输性能的两大优势以实现高速率，低能耗，无窜扰的芯片光互联。目前商用化的光电器件多采用III-V族半导体材料，其工艺与大规模集成工艺不兼容，并且采用晶片键合到硅片的技术成本昂贵，产量低，导致III-V族与芯片的光电异质集成不能被广泛接受。

半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命才长等突出特点，已被考虑到光电集成的应用中。然而由于工艺等方面的限制，还没有合适的片上光源。光互连可以减少电阻(RC)延迟时间和功耗，对于片上和短距离数据通信是非常重要的。III-V族半导体激光器拥有迄今为止最好的性能，但是它们具有成本高，产量低，集成度低的缺点，不适合大批量生产，所以III-V半导体需要很长时间才能进入主流的硅制造工厂。IV族材料一直被认为是硅基光电集成片上光源材料的未来的发展方向之一。Ge-on-Si激光器是大规模单片集成的另一个有竞争力的解决方案，因为它完全兼容互补金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOS)技术，可以大大降低工艺复杂性，成本和时间。2007年预测锗发光器件，将从张应变和高掺杂水平出发进行研究。

Ge材料由于其准直接带隙特性以及能带在很大范围内可调的特性成为硅基光电集成的研究热门。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。

2012年剑桥大学的Jurgen Michel的等人研究了高n型掺杂的Si/Ge/n⁺-Ge电泵浦激光器，其输出功率超1mw，增益谱宽近200nm；2012年达特茅斯学院塞耶工程学院的JifengLiu等人设计了一种Si/Ge/Si结构的激光器，输出波长范围为1530-1650nm，输出功率为1mW；2013年Yan Cai等人设计了双异质结Ge激光器，达到了1520-1700纳米宽的激光光谱，同时阈值电流密度估计为0.53kA/cm ²，材料增益可以达到1000cm^-1；2017年JIALIN JIANG等人设计了一种Ge/SiGe量子阱激光器，由于载流子注入效率低且4％的单轴拉伸应力下阈值电流密度高于1×10⁴kA/cm²，不具备较好的性能；2017年Jiaxin Ke等人设计了应变Si/Ge/Si，在载流子寿命(τp,n)＝1ns时，效率η_wp＝34.8％且阈值电流密度为J_th＝27kA/cm²。