一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构及激光器

摘要

本发明提供了一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构及激光器，该有源区结构包括第一势垒层、Ge纳米线和第二势垒层，所述Ge纳米线位于所述第一势垒层和所述第二势垒层之间。本发明通过将现有的CMOS工艺相兼容Ge材料转化为直接带隙，克服了硅不能直接带隙以及III‑V族发光器件与现有的CMOS工艺不兼容的问题，同时也有利于单片集成，降低成本，促进光通信行业的良性发展。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体电子与光电子材料制备领域，具体而言，本发明涉及一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构及激光器。

背景技术

随着以硅为基础的集成电路的高速发展，晶体管特征尺寸不断缩小，集成电路技术面临着速度、功耗等的严峻挑战。当传统集成电路内部通讯方式由于电路和器件尺寸不断减小而受到量子效应限制时，器件的可靠性会大大下降。而基于硅基光子学的光互联技术与传统集成电路的结合可以有效突破这一瓶颈，进而成为了半导体光电子材料与器件领域的一大研究热点。

发展至今，以硅材料为载体而制造的光电子器件已有多种，如光学调制器、解调器、波导、以及光电探测器。然而，作为一种间接带隙半导体材料，硅的发光效率极低，远远达不到作为硅基光源的基本要求。因此，硅基发光器件的研究成为了解决整个硅基光子学中光源问题的重要方向。

目前，硅基光源主要采用III-V发光器件与硅基底键合的方法，尽管该技术已经相对成熟，也投入了商业生产，但这种方法与现有的硅基CMOS工艺不兼容，难以实现单片集成的硅基光源。这会使硅基光互连的成本大大提升，不利于可持续长久发展。

发明内容

为了寻找到能够直接带隙发光同时兼容现有的CMOS工艺的光电子器件，本发明提供一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构及激光器。

考虑到作为IV族半导体材料的Ge本身的Γ能谷与L能谷相差不大，且可以通过张应变的引入来调节能带，使其转变为直接带隙。而且，Ge材料价格与III-V材料相比较为便宜，用Ge材料作为有源区可以降低成本。同时，面内的Ge纳米由于轴向长度远大于其他两个方向，该方向上的张应变量容易保持，其值约为与下一层材料的晶格失配度。因此，若提供给面内的双轴张应变Ge纳米线足够的张应变且不产生位错，则可实现IV族材料的直接带隙发光，且可以通过改变不同的张应变量来调节发光波长。

本发明提供一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构，所述基于张应变Ge纳米线的有源区结构包括第一势垒层、Ge纳米线和第二势垒层，所述Ge纳米线位于所述第一势垒层和所述第二势垒层之间。

优选地，所述Ge纳米线为面内双轴张应变Ge纳米线。

优选地，所述面内双轴张应变Ge纳米线的轴向长度是宽度的至少30倍。

优选地，所述第一势垒层和第二势垒层分别为面内双轴张应变Ge纳米线提供至少2％的初始面内双轴张应变。

优选地，所述第一势垒层包括GeSn合金、SiGeSn三元半导体、III-V族二元或多元化合物半导体的一种或者多种。

优选地，所述第一势垒层由GeSn构成。

优选地，所述GeSn中Sn含量至少为13％。

优选地，所述第一势垒层由AlSb层和外延生长于其上的GaSb层构成。

优选地，所述第二势垒层与所述第一势垒层的材料组分相适应。

本发明还提供一种激光器，所述激光器包括衬底、生长在衬底上的N型晶体单元、有源区以及位于顶层的P型晶体单元，所述有源区为如上述任意一项所述的基于张应变Ge纳米线的有源区结构。

与现有技术相比，本发明一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构及激光器具有如下有益效果：

本发明采用能与CMOS工艺相兼容的Ge材料形成面内Ge纳米线，其在双轴张应变下，能带结构在空间分布上会部分或者全部转化为直接带隙，从而实现直接带隙发光，大大提高发光效率，克服了硅不能直接带隙以及III-V族发光器件与现有的CMOS工艺不兼容的问题，为作为光源应用于硅基光互联网络。此外，根据所提供的初始张应变量的不同而改变发光波长，可以将波长拓展到中红外波段。同时结构设计简单，可操作性强，器件制造难度低，发光范围可调控，有利于单片集成，降低成本，促进光通信行业的良性发展。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为显示本发明基于张应变Ge纳米线的有源区结构原理的截面示意图；

图2为图1中Ge纳米线和第一势垒层的俯视示意图；

图3为按照本发明实例一的截面结构示意图；

图4为按照本发明实例二的截面结构示意图；

图5为按照将本发明一种激光器的截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明提供一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构，其包括第一势垒层101、Ge纳米线103和第二势垒层105，其中，Ge纳米线103位于第一势垒层101和第二势垒层105之间。

在一些实施方式中，Ge纳米线103为面内双轴张应变Ge纳米线，第一势垒层101和第二势垒层105分别为面内双轴张应变Ge纳米线提供至少2％的初始面内双轴张应变。

在一些实施方式中，面内Ge纳米线的轴向长度是宽度的至少30倍。示例地，如图2所示的面内Ge纳米线的轴向长度L是宽度W的至少30倍。

优选地，第一势垒层101包括GeSn合金(其中，Sn含量大于13％)、SiGeSn三元半导体、III-V族二元或多元化合物半导体的一种或者多种。第二势垒层105与第一势垒层101的材料组分相适应。

下面解释说明本发明一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构的制备方式，应当理解的是，第二势垒层105与第一势垒层101的材料组分相适应，因此，此处仅以第一势垒层101为例进行描述，但是其效力应及于第二势垒层105。

实施例一

请参阅图3，首先，在硅衬底301衬底上外延生长作为第一势垒层101的完全弛豫的GeSn层303，其中，GeSn层303厚度为1—2μm；GeSn中的Sn的组分大于13％；然后在GeSn层303上外延生长Ge量子点；最后，通过高温原位退火使离散的Ge量子点通过定向扩散汇聚成Ge纳米线305。

由此得到包括GeSn层303和Ge纳米线305的基于张应变Ge纳米线的有源区结构。因为，当势垒层的晶格常数大于Ge且失配度为2％以上时，Ge纳米线可以实现直接带隙发光，而考虑到Ge与13％Sn含量的GeSn有2％的晶格失配度，因此，通过实施例一生成的基于张应变Ge纳米线的有源区结构也可以实现直接带隙发光。

实施例二

请参阅图4，本发明还可在硅衬底401上依次外延生长AlSb层和GaSb层共同作为第一势垒层101，其制备步骤如下：

首先，对硅衬底401进行斜切处理，使其产生双原子台阶，其中，斜切角度为2-5°；

继而，在已经斜切的硅衬底401上外延生长AlSb层403，其中AlSb层403厚度为5-10nm；

接着，在AlSb层403之上外延生长完全弛豫的GaSb层405，其中，GaSb层405厚度为200nm-2μm；

然后，在GaSb层405上外延生长Ge量子点；

最后，通过高温原位退火使离散的Ge量子点通过定向扩散汇聚成面内的Ge纳米线407。

由此得到的包括AlSb层403、GaSb层405以及Ge纳米线407的基于张应变Ge纳米线的有源区结构。因为，当势垒层的晶格常数大于Ge且失配度为2％以上时，Ge纳米线可以实现直接带隙发光，所以考虑到Ge与GaSb有7.7％的晶格失配度，因此，通过实施例一生成的基于张应变Ge纳米线的有源区结构也可以实现直接带隙发光。

与现有技术相比，本发明一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构具有如下有益效果：

本发明通过将现有的CMOS工艺相兼容Ge材料转化为直接带隙，克服了硅不能直接带隙以及III-V族发光器件与现有的CMOS工艺不兼容的问题，为作为光源应用于硅基光互联网络提供一种新型发光器件，同时也有利于单片集成，降低成本，促进光通信行业的良性发展。本发明通过根据所提供的初始张应变量的不同而改变发光波长，可以将波长拓展到中红外波段。

请参阅图5，基于同一种基于张应变Ge纳米线的有源区结构相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种激光器，其包括衬底501、生长在衬底上的N型晶体单元503、有源区505以及位于顶层的P型晶体单元507，其中，有源区505为上述的基于张应变Ge纳米线的有源区结构。

优选地，衬底501优选为进行了5°斜切的硅衬底。

在一些实施方式中，N型晶体单元503包括：

5032：5nm的AlSb形核层，该AlSb形核层的作用在于避免穿透位错的产生，从而有利于下一层GaSb接触层的生长；

5034：1μm强n型掺杂的GaSb接触层，其掺杂浓度约为2-5×10¹⁸cm-3；

5036：100nm的Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y渐变层，用于由GaSb接触层到下一层Al_0.9Ga_0.1As_0.07Sb_0.93波导层的能带过渡，有利于载流子的迁移。其中，0<x<0.9，0<y<0.07，该层为n型掺杂，其浓度约为5×10¹⁷cm-3；

5038：1μm的Al_0.9Ga_0.1As_0.07Sb_0.93波导层，主要作用为限制激光只存在于有源区内。该Al_0.9Ga_0.1As_0.07Sb_0.93波导层为n型掺杂，其浓度约为5×10¹⁷cm-3。

在一些实施方式中，有源区505包括：

5052：20nm的Al_0.35Ga_0.65As_0.03Sb_0.97势垒层，主要作用为限制载流子在Ge纳米线层中复合；

5053：30nm的Al_0.35Ga_0.65As_0.03Sb_0.97势垒层，作用同Al_0.35Ga_0.65As_0.03Sb_0.97势垒层406。

在一些实施方式中，P型晶体单元507包括：

5072：1μm的Al_0.9Ga_0.1As_0.07Sb_0.93波导层，作用同Al_0.9Ga_0.1As_0.07Sb_0.93波导层405。该层为p型掺杂，其浓度约为5×10¹⁷cm-3；

5074：100nm的Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y渐变层，作用同Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y渐变层404，0<x<0.9，0<y<0.07，该层为p型掺杂，其浓度约为5×10¹⁷cm-3；

5076：300nm强p型掺杂的GaSb接触层，其掺杂浓度约为3-5×10¹⁹cm-3。

以上所述结构中的p型和n型掺杂源只要满足掺杂的浓度要求，并不限定掺杂源的材料。本实施例只描述了利用本发明构成激光器的一种结构，但不仅限于这种结构，任何发光器件的发光材料只要由本发明涉及的结构构成，均可视为由本发明衍生的器件结构设计。

与现有技术相比，本发明一种激光器具有如下有益效果：

本发明通过将现有的CMOS工艺相兼容Ge材料转化为直接带隙，克服了硅不能直接带隙以及III-V族发光器件与现有的CMOS工艺不兼容的问题，为作为激光器应用于硅基光互联网络提供一种新型发光器件，同时也有利于单片集成，降低成本，促进光通信行业的良性发展。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。