橫向GeSn/SiGeSn量子阱光電發(fā)光器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光量子阱光電發(fā)光器件，可用于寬帶通信，醫(yī)療，監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外波段包含眾多特征譜線，工作在該波段的發(fā)光器件在寬帶通信、國防、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)影像等很多方面有重要的應(yīng)用前景。目前，用于的紅外發(fā)光器件的半導(dǎo)體材料主要為 II1-V 族材料 InGaAs、GaInAsSb、InGaSb 和 I1-VI 材料 HgCdTe。InGaAs 發(fā)光器件在近紅外波段性能優(yōu)異，HgxCdhTe發(fā)光器件是目前性能最好的中紅外發(fā)光器件，通過調(diào)節(jié)材料中Hg的組分可以實(shí)現(xiàn)帶隙0-0.8eV的連續(xù)可調(diào)。然而無論II1-V族或者I1-VI族材料，本身都會(huì)引起環(huán)境問題而且成本非常高，且與Si基技術(shù)不兼容。因此，IV族材料體系無毒、廉價(jià)、且易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的硅基集成成為了發(fā)光器件的主流方向之一。
[0003]Ge在1.3-1.55 μ m波段范圍內(nèi)有較高的發(fā)光效率，但是Ge材料為間接帶隙材料，這限制了其發(fā)光效率的進(jìn)一步提升。通過在Ge材料中引入Sn原子形成GeSn合金，GeSn合金具有比Ge更小的直接帶隙，因此吸收邊可以進(jìn)一步紅移，而且隨著Sn組分的加入，GeSn材料可以從間接帶隙結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成直接帶隙結(jié)構(gòu)，從而提高材料的發(fā)光效率。
[0004]從理論上說增加Sn的組分可以使GeSn材料的帶隙減小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低，即小于1%，因此制備高質(zhì)量、無缺陷的高Sn組分的GeSn很困難?，F(xiàn)在用低溫外延生長(zhǎng)的方法也只能制備出Sn組分為20?25 %的GeSn材料，見[ECSTransact1ns, 41 (7), pp.231, 2011 ；Photonics Research, I (2).pp.69, 2013]。并且隨著Sn組分的增加，Sn原子會(huì)偏析或者分凝，材料質(zhì)量和熱穩(wěn)定型都會(huì)變差，因此單純依靠提高Sn的組分實(shí)現(xiàn)較大范圍帶隙的調(diào)節(jié)比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，根據(jù)GeSn材料特性，提供一種橫向GeSn/SiGeSn量子講光電發(fā)光器件件及其制備方法，以減小光電發(fā)光器件原材料毒性，增大發(fā)光器件的吸收譜波長(zhǎng)范圍，提高器件發(fā)光內(nèi)量子效率。
[0006]理論研宄和實(shí)驗(yàn)證明在GeSn材料中引入張應(yīng)變可以導(dǎo)致材料直接帶隙減小，并有利于材料從間接帶隙結(jié)構(gòu)向直接帶隙轉(zhuǎn)變。根據(jù)此原理本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的橫向GeSn/SiGeSn量子講光電發(fā)光器件，包括:襯底、量子講、勢(shì)皇層、N型電極和P型電極，該量子阱和勢(shì)皇層組成發(fā)光有源區(qū)，其特征在于:
[0008]量子阱采用通式為Ge^Sn#應(yīng)變單晶材料，其中x為Sn的組分，O ^ x ^ 0.30 ；
[0009]勢(shì)皇層采用通式為Si1^GeySnz的單晶材料，其中，y為Ge的組分，z為Sn的組分，
O彡y彡1，0彡z彡0.30 ;
[0010]所述量子阱與所述勢(shì)皇層橫向交疊排列。
[0011]本發(fā)明制作上述橫向GeSn/SiGeSn量子阱光電發(fā)光器件的方法，包括如下步驟:
[0012]I)利用分子束外延工藝，在襯底上生長(zhǎng)Sn組分為O?0.3的弛豫本征GeSn單晶；
[0013]2)利用刻蝕工藝，將弛豫本征GeSn單晶刻成橫向量子阱，形成GeSn量子阱與間隙橫向排列的結(jié)構(gòu)；
[0014]3)利用分子束外延工藝，在橫向量子講的間隙中生長(zhǎng)Ge組分為O?1、Sn組分O?0.3的SiGeSn單晶材料，形成GeSn量子阱與間隙橫向排列的結(jié)構(gòu)，
[0015]4)利用離子注入，在SiGeSn單晶材料中不同區(qū)域分別注入劑量為1015cm_2，能量為20KeV的磷、硼元素，分別形成N型電極和P型電極，未被注入的SiGeSn單晶材料區(qū)域形成勢(shì)皇層。
[0016]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、利用應(yīng)變，提高了發(fā)光有源區(qū)材料帶隙調(diào)節(jié)效果
[0018]本發(fā)明采用GeSn單晶材料形成量子阱，并通過SiGeSn勢(shì)皇層在GeSn量子阱中引入張應(yīng)變，減小了 GeSn量子阱材料帶隙，并促進(jìn)GeSn由間接帶隙結(jié)構(gòu)向直接帶隙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，在不改變GeSn量子阱材料組分的情況下，不僅能有效調(diào)節(jié)器件吸收波長(zhǎng)范圍，而且還能通過減小GeSn量子阱和SiGeSn勢(shì)皇的厚度比，增強(qiáng)GeSn量子阱的應(yīng)變，從而提高了發(fā)光有源區(qū)材料帶隙調(diào)節(jié)效果。
[0019]2、采用材料價(jià)格低廉、無毒環(huán)保
[0020]本發(fā)明中所采用的材料均為IV族材料，同現(xiàn)有的II1-V族材料和I1-VI材料相比，IV族材料無毒環(huán)保、價(jià)格低廉。同時(shí)，目前半導(dǎo)體制造工業(yè)中的大部分生產(chǎn)設(shè)備是針對(duì)Si材料設(shè)計(jì)的，若采用II1-V族材料和I1-VI材料，則由于與Si工藝不兼容性，不容易實(shí)現(xiàn)Si基集成。而使用IV族材料，容易制備出Si基集成的GeSn光電發(fā)光器件。
[0021]相比其他光電發(fā)光器件，本發(fā)明使用GeSn量子講材料作為有源區(qū)材料的光電發(fā)光器件具有更好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明橫向GeSn/SiGeSn量子阱光電發(fā)光器件的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本發(fā)明橫向GeSn/SiGeSn量子講光電發(fā)光器件的截面結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3為本發(fā)明橫向GeSn/SiGeSn量子阱光電發(fā)光器件的制作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的橫向GeSn/SiGeSn量子講光電發(fā)光器件包括:襯底1、GeSn量子阱2、SiGeSn勢(shì)皇層3、N型電極4和P型電極5。量子阱2采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3的GeSn應(yīng)變單晶材料，其通式為Ge^Snx, O ^ x ^ 0.30 ;勢(shì)皇層3采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3、Ge組分為大于等于O小于等于I的單晶材料，其通式為Si1IzGeySrvO彡y彡1，O彡z彡0.30 ;該量子阱2與該勢(shì)皇層3橫向交疊排列位于襯底I上，N型電極4和P型電極5分別被量子阱2兩邊的勢(shì)皇層3包裹。
[0027]由于SiGeSn勢(shì)皇層3的晶格常數(shù)比GeSn量子阱2的晶格常數(shù)小，使得在GeSn量子阱2沿X方向產(chǎn)生的張應(yīng)變，減小了 GeSn量子阱的帶隙，并導(dǎo)致導(dǎo)帶Γ能谷相對(duì)L能谷下移，提高器件吸收譜波長(zhǎng)范圍和發(fā)光內(nèi)量子效率。
[0028]參照?qǐng)D3，本發(fā)明制作橫向GeSn/SiGeSn量子阱光電發(fā)光器件的方法，給出如下三種實(shí)施例。
[0029]實(shí)施例1:制作量子阱的Sn組分為0.3的，勢(shì)皇層的Ge組分為0，Si組分為0.7的橫向GeSn/SiGeSn量子講光電發(fā)光器件。
[0030]步驟1:在Si襯底I上，利用分子束外延工藝，以固體Ge和Sn作為蒸發(fā)源，用10_4pa的壓強(qiáng)，在180 °C環(huán)境下，生長(zhǎng)弛豫本征GeSn單晶，其中Sn組分為0.3，Ge組分為0.7，如圖3a。
[0031]步驟2:利用刻蝕技術(shù)，采用氯基離子基團(tuán)，在光刻膠掩蔽作用下，將本征GeSn單晶刻成橫向量子阱2結(jié)構(gòu)，如圖3b。
[0032]步驟3:利用分子束外延工藝，以固體S1、Ge和Sn作為蒸發(fā)源，用10_4pa的壓強(qiáng)，在180°C環(huán)境下，在GeSn量子阱之間間隙中生長(zhǎng)Si組分為0.7，Ge組分為0，Sn組分為0.3的SiGeSn單晶材料，如圖3c