[发明专利]带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法

说明书

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。

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E_G,Г为0.8eV，间接带隙E_G,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Ge_0.92Sn_0.08合金中直接与间接带隙的导带能量差为E_C,L-E_C,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Ge_0.92Sn_0.08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Tb_mDy_1-mFe_n，随着Tb和Fe之间含量的匹配，Tb_mDy_1-mFe_n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，Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.98的磁致伸缩系数达到1550ppm[ELSEVIER,385(1),pp.309,2004]。

发明内容