本发明专利技术公开了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法。方法包括：在Si衬底的表面形成p型Si1‑xGex层；在p型Si1‑xGex层的表面形成SiN层；将SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端的SiN层和底部的p型Si1‑xGex层形成一凹槽；在凹槽内形成n型Ge层，且n型Ge层的厚度与SiN层的厚度相同；在SiN层表面和n型Ge层的表面形成n型Si1‑xGex层；在n型Si1‑xGex层的表面形成Si帽层；在Si帽层上形成电极。本发明专利技术的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器又具有较高的光电转换效率和较低的阈值电流密度，光稳定性好；其制备方法既能够兼容CMOS工艺，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。
【技术实现步骤摘要】
SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法。
技术介绍
目前来说，由于工艺制备技术以及Si基材料本身的约束，单片光电集成的发展主要集中在III-V族材料上面。但由于III-V族材料外延生长和器件工艺制作都有较高的成本，使的其应用范围比较狭窄，无法进行大规模批量生产。而Si基材料能够利用现有的工艺线大幅度降低制备成本，具有更加广阔的应用前景。同为IV族元素的Ge，由于其可以和Si的工艺完全兼容，近年来成为Si基发光研究的热点。Ge是一种准直接带隙半导体，室温下其直接带隙只比间接带隙大140meV。根据电子的费米-狄拉克分布，虽然大部分的电子在Ge的L能谷，但是由于Ge的两能谷之间的能量差比较小，在Ge的Γ能谷，电子仍然具有一部分占据几率。并且，占据Γ能谷的电子具有和III-V族材料一样高的辐射复合几率。因此，通过张应变等能带工程或其他途径进一步增加Ge在Γ能谷中的电子，有望实现高效Si基发光。当然这中间还有很长一段路要走。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，GeQD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。Ge基激光器中最重要的性能参数是阈值电流密度和效率。由于同质结半导体Ge基激光器的阈值电流密度高达104A/cm2量级，故只能在液氮温度下才能连续工作，因而毫无使用价值。德国Stuttgart大学的研究人员研制出Si基Ge室温电注入连续波长边发射激光器，值得注意的是该激光器中的Ge并无任何张应变，掺杂浓度为3×1019cm-3，采用Si/Ge/Si双异质结结构，当注入电流大于阈值电流密度510KAcm2时，能够观察到1682nm处线宽为1.1nm的极窄的光谱，带隙的红移主要是高掺杂引起的。用这种结构做出来的激光器存在发光效率太低，阈值电流密度太高的缺陷。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法，包括以下步骤：(1)在Si衬底的表面形成p型Si1-xGex层；其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(2)在所述p型Si1-xGex层的表面形成SiN层；(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN层的厚度；(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述SiN层的厚度相同；(5)在所述SiN层表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si1-xGex层；其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(6)在所述n型Si1-xGex层的表面形成Si帽层；(7)在所述Si帽层上形成电极。在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)包括：采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在Si衬底上生长所述p型Si1-xGex层。在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)包括：采用等离子体增强化学气相淀积法，在370～400℃生长温度下，在所述p型Si1-xGex层的表面生长所述SiN层。在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)包括：采用反应离子刻蚀的方法，将所述SiN层的中间区域刻蚀掉，使两端的SiN层和底部的p型Si1-xGex层形成一凹槽。在本专利技术的一个实施例中，步骤(4)包括：采用超高真空化学汽相淀积法，先在380～400℃生长温度下，在所述凹槽内p型Si1-xGex层的表面生长一层低温锗缓冲层，然后再在650～680℃生长温度下，在所述低温锗缓冲层的表面生长一层高温锗缓冲层；所述低温锗缓冲层和所述高温锗缓冲层的总厚度与所述SiN层的厚度相等。在本专利技术的一个实施例中，步骤(5)包括：采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在所述SiN层表面和所述n型Ge层的表面生长所述n型Si1-xGex层。在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中所述p型Si1-xGex层的掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3。在本专利技术的一个实施例中，步骤(4)中所述n型Ge层的掺杂浓度为2×1019～6×1019cm-3。在本专利技术的一个实施例中，步骤(5)中所述n型Si1-xGex层的掺杂浓度为1×1019～3×1020cm-3。本专利技术实施例还提供了一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，所述SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器由上述制备方法制备而成。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1.提高效率：本专利技术的激光器，利用两侧的高应力氮化硅膜向中间的有源区(Ge层)引入张应力，促使原本未间接带隙的Ge材料转变为直接带隙材料，有利于提高光电转换效率，还可以降低进行高掺杂的工艺难度；2.降低阈值电流密度：本专利技术的激光器，采用SiGe/Ge/SiGe双异质结结构进行光子限定，可有效降低阈值电流密度；3.本专利技术的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器，能够通过调节SiGe中Ge组分来调整所需要的晶格失配、折射率、带隙等，通过确定最优的Ge组分含量来选择最优的晶格失配、折射率、带隙等。4.适合单片光电集成：本专利技术的结构可以与CMOS工艺相兼容，适合单片光电集成；5.工艺简单：本专利技术的制备方法不需要做侧面解理镀膜等工艺，工艺简单。附图说明图1为本专利技术SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的截面示意图；图2为本专利技术Ge/GeSn异质结激光器的制备方法流程示意图；图3(a)-图3(f)为本专利技术实施例提供的SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1：基于传统的Ge基激光器所存在的发光效率并不高，阈值电流密度较大的缺陷，研究基于改性Ge的异质结结构很有意义。半导体Ge基激光器研究的技术问题是如何获得低阈值电流密度和高能量转换效率，同时提高光束质量并拥有良好的光谱特性。随着材料生长和器件制备工艺的发展和进步。半导体Ge基激光器的性能得到不断的提升，在不久的未来可以实现Ge基激光器的光电集成。本专利技术的研究意义在于得出基于SiGe/Ge/SiGe双异质结的一种新型激光器结构。从而可以着重改善阈值电流密度和效率并减小光损耗设计出具有较高性能的Ge基激光器。为了解决传统Ge基激光器发光效率并不高，阈值电流密度较大，其制备工艺难度大的问题，本实施例提供了一种SiGe/G本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在Si衬底的表面形成p型Si1‑xGex层；其中，x为所述p型Si1‑xGex层中Ge的摩尔组分，1‑x为所述p型Si1‑xGex层中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(2)在所述p型Si1‑xGex层的表面形成SiN层；(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN层的厚度；(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述SiN层的厚度相同；(5)在所述SiN层的表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si1‑xGex层；其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1‑x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(6)在所述n型Si1‑xGex层的表面形成Si帽层；(7)在所述Si帽层上形成电极。
【技术特征摘要】
1.一种SiGe/Ge/SiGe双异质结激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在Si衬底的表面形成p型Si1-xGex层；其中，x为所述p型Si1-xGex层中Ge的摩尔组分，1-x为所述p型Si1-xGex层中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(2)在所述p型Si1-xGex层的表面形成SiN层；(3)刻蚀所述SiN层的中间区域以形成凹槽，刻蚀厚度等于所述SiN层的厚度；(4)在所述凹槽内形成n型Ge层，且所述n型Ge层的厚度与所述SiN层的厚度相同；(5)在所述SiN层的表面和所述n型Ge层的表面形成n型Si1-xGex层；其中，x为SiGe中Ge的摩尔组分，1-x为SiGe中Si的摩尔组分，0＜x＜1；(6)在所述n型Si1-xGex层的表面形成Si帽层；(7)在所述Si帽层上形成电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：采用超高真空化学汽相淀积法，在380～400℃生长温度下，在Si衬底上生长所述p型Si1-xGex层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括：采用等离子体增强化学气相淀积法，在370～400℃生长温度下，在所述p型Si1-xGex层的表面生长所述SiN层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)包括：采用反应离子刻蚀的方法，将所...
【专利技术属性】
技术研发人员：舒斌，高玉龙，张利锋，胡辉勇，王斌，王利明，韩本光，张鹤鸣，
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
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