横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种横向GeSn/SiGeSn量子阱发光器件，主要解决现有红外发光器件材料毒性大，成本高的问题。其包括：衬底(1)、量子阱(2)、势垒层(3)、N型电极(4)和P型电极(5)。量子阱采用Sn组分为[0,0.3]的GeSn应变单晶材料；势垒层采用Sn组分为[0,0.3]、Ge组分为[0,1]的SiGeSn单晶材料；该量子阱与势垒层横向交叠排列组成发光有源区，且位于衬底上。本发明专利技术通过SiGeSn单晶材料在外延过程中的体积改变使GeSn量子阱材料产生横向张应变，减小了GeSn材料带隙，并使导带Γ能谷相对于L能谷下移，提高了发光器件的光谱响应和内量子效率，可用于制作大规模集成电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子器件
，特别涉及一种光量子阱光电发光器件，可用于宽带通信，医疗，监测。
技术介绍
红外波段包含众多特征谱线，工作在该波段的发光器件在宽带通信、国防、医疗、环境监测以及自动影像等很多方面有重要的应用前景。目前，用于的红外发光器件的半导体材料主要为III-V族材料InGaAs、GaInAsSb、InGaSb和II-VI材料HgCdTe。InGaAs发光器件在近红外波段性能优异，HgxCd1-xTe发光器件是目前性能最好的中红外发光器件，通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。然而无论III-V族或者II-VI族材料，本身都会引起环境问题而且成本非常高，且与Si基技术不兼容。因此，IV族材料体系无毒、廉价、且易实现大规模的硅基集成成为了发光器件的主流方向之一。Ge在1.3-1.55μm波段范围内有较高的发光效率，但是Ge材料为间接带隙材料，这限制了其发光效率的进一步提升。通过在Ge材料中引入Sn原子形成GeSn合金，GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，因此吸收边可以进一步红移，而且随着Sn组分的加入，GeSn材料可以从间接带隙结构逐渐转变成直接带隙结构，从而提高材料的发光效率。从理论上说增加Sn的组分可以使GeSn材料的带隙减小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低，即小于1％，因此制备高质量、无缺陷的高Sn组分的GeSn很困难。现在用低温外延生长的方法也只能制备出Sn组分为20～25％的GeSn材料，见[ECS Transactions,41(7),pp.231,2011；Photonics Research,1(2).pp.69,2013]。并且随着Sn组分的增加，Sn原子会偏析或者分凝，材料质量和热稳定型都会变差，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，根据GeSn材料特性，提供一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件件及其制备方法，以减小光电发光器件原材料毒性，增大发光器件的吸收谱波长范围，提高器件发光内量子效率。理论研究和实验证明在GeSn材料中引入张应变可以导致材料直接带隙减小，并有利于材料从间接带隙结构向直接带隙转变。根据此原理本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，包括：衬底、量子阱、势垒层、N型电极和P型电极，该量子阱和势垒层组成发光有源区，其特征在于：量子阱采用通式为Ge1-xSnx的应变单晶材料，其中x为Sn的组分，0≤x≤0.30；势垒层采用通式为Si1-y-zGeySnz的单晶材料，其中，y为Ge的组分，z为Sn的组分，0≤y≤1，0≤z≤0.30；所述量子阱与所述势垒层横向交叠排列。本专利技术制作上述横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，包括如下步骤：1)利用分子束外延工艺，在衬底上生长Sn组分为0～0.3的弛豫本征GeSn单晶；2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构；3)利用分子束外延工艺，在横向量子阱的间隙中生长Ge组分为0～1、Sn组分0～0.3的SiGeSn单晶材料，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构，4)利用离子注入，在SiGeSn单晶材料中不同区域分别注入剂量为1015cm-2，能量为20KeV的磷、硼元素，分别形成N型电极和P型电极，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势垒层。本专利技术具有如下优点：1、利用应变，提高了发光有源区材料带隙调节效果本专利技术采用GeSn单晶材料形成量子阱，并通过SiGeSn势垒层在GeSn量子阱中引入张应变，减小了GeSn量子阱材料带隙，并促进GeSn由间接带隙结构向直接带隙结构转变，在不改变GeSn量子阱材料组分的情况下，不仅能有效调节器件吸收波长范围，而且还能通过减小GeSn量子阱和SiGeSn势垒的厚度比，增强GeSn量子阱的应变，从而提高了发光有源区材料带隙调节效果。2、采用材料价格低廉、无毒环保本专利技术中所采用的材料均为IV族材料，同现有的III-V族材料和II-VI材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。同时，目前半导体制造工业中的大部分生产设备是针对Si材料设计的，若采用III-V族材料和II-VI材料，则由于与Si工艺不兼容性，不容易实现Si基集成。而使用IV族材料，容易制备出Si基集成的GeSn光电发光器件。相比其他光电发光器件，本专利技术使用GeSn量子阱材料作为有源区材料的光电发光器件具有更好的应用前景。附图说明图1为本专利技术横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的三维结构图；图2为本专利技术横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的截面结构图；图3为本专利技术横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本发明。参照图1和图2，本专利技术的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件包括：衬底1、GeSn量子阱2、SiGeSn势垒层3、N型电极4和P型电极5。量子阱2采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3的GeSn应变单晶材料，其通式为Ge1-xSnx，0≤x≤0.30；势垒层3采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3、Ge组分为大于等于0小于等于1的单晶材料，其通式为Si1-y-zGeySnz，0≤y≤1，0≤z≤0.30；该量子阱2与该势垒层3横向交叠排列位于衬底1上，N型电极4和P型电极5分别被量子阱2两边的势垒层3包裹。由于SiGeSn势垒层3的晶格常数比GeSn量子阱2的晶格常数小，使得在GeSn量子阱2沿X方向产生的张应变，减小了GeSn量子阱的带隙，并导致导带Γ能谷相对L能谷下移，提高器件吸收谱波长范围和发光内量子效率。参照图3，本专利技术制作横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，给出如下三种实施例。实施例1：制作量子阱的Sn组分为0.3的，势垒层的Ge组分为0，Si组分为0.7的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件。步骤1：在Si衬底1上，利用分子束外延工艺，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10-4pa的压强，在180℃环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.3，Ge组分为0.7，如图3a。步骤2：利用刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，包括：衬底(1)、量子阱(2)、势垒层(3)、N型电极(4)和P型电极(5)，该量子阱(2)和势垒层(3)组成发光有源区，其特征在于：量子阱(2)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3的GeSn应变单晶材料；势垒层(3)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3、Ge组分为大于等于0小于等于1的单晶材料；所述量子阱(2)与所述势垒层(3)横向交叠排列。

【技术特征摘要】
1.一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，包括：衬底(1)、量子阱(2)、势垒层(3)、N型电极(4)和P型电极(5)，该量子阱(2)和势垒层(3)组成发光有源区，其特征在于：
量子阱(2)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3的GeSn应变单晶材料；
势垒层(3)采用Sn组分为大于等于0小于等于0.3、Ge组分为大于等于0小于等于1的单晶材料；
所述量子阱(2)与所述势垒层(3)横向交叠排列。
2.如权利要求1所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，其特征在于，势垒层(3)的单晶材料晶格常数a1比量子阱(2)的应变单晶材料的晶格常数a2小，即a1<a2。
3.如权利要求1所述的横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件，其特征在于：衬底(1)采用Si材料或其他单晶材料。
4.一种横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作方法，包括如下步骤：
1)利用分子束外延工艺，在衬底(1)上生长Sn组分为0～0.3的弛豫本征GeSn单晶；
2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱(2)，形成GeSn量子阱与间隙横向交错...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩根全，张春福，周久人，张进城，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61