带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
带有磁致应变源的GeSn发光二极管及其制备方法


[0001]本专利技术属于光电子集成电路
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]理论研究指出，当GeSn合金中Sn组分为8at.％时，驰豫的Ge
0.92
Sn
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
×
10
26
eV
‑1cm
‑3s
‑1，内量子效率为0.5％；引入0.85％的张应变Ge
0.92
Sn
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
×
10
26
eV
‑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。
[0005]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
m
Dy1‑
m
Fe
n
，随着Tb和Fe之间含量的匹配，Tb
m
Dy1‑
m
Fe
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
0.3
Dy
0.7
Fe
1.98
的磁致伸缩系数达到1550ppm[ELSEVIER,385(1),pp.309,2004]。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了提高光互联集成电路中硅基光源发光效率，创新的提出一种带可调磁应变源的应变GeSn发光二极管。该发光二极管的应变源采用三元稀土超磁致伸缩材料Tb
m
Dy1‑
m
Fe
n
，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95，磁致伸缩系数约为2000ppm，能量转换效率约为56％，响应时间仅10
‑6s。本专利技术通过调节Tb和Dy之间的配比，及对外加磁场强度的调
控，在GeSn合金中引入可调应变，从而改变GeSn的能带结构，达到了提高GeSn发光二极管发光性能的目的。
[0007]本专利技术用以实现上述目的的技术方案如下：
[0008]带有磁应变源的GeSn发光二极管，其结构包括由下至上依次设置的衬底层、驰豫层和有源区，所述有源区包括由下至上依次设置的n
+
型层、本征层和p
+
型层；
[0009]所述驰豫层和有源区的材料均为GeSn；
[0010]所述有源区为空心结构、且有源区内设置有应变源，进一步的，有源区可以设置为空心圆柱形，应变源也呈圆柱形。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。所述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。所述应变源由超磁致伸缩材料组成。
[0011]所述p
+
型层上方即有源区顶部设置第一金属电极。所述驰豫层上设置第二金属电极。
[0012]更进一步的，所述有源区顶部的第一金属电极为环形；第二金属电极与弛豫层接触，第二金属电极的高度不超过n
+
型层且不与第一金属电极接触。
[0013]所述衬底层为GeOI衬底层，所述驰豫层为磷重掺杂的n
+
型GeSn驰豫层，所述绝缘层为SiO2绝缘薄膜。
[0014]所述有源区的GeSn材料通式为Ge1‑
x
Sn
x
，n
+
型层采用磷重掺杂Ge1‑
x
Sn
x
材料，本征层采用Ge1‑
x
Sn
x
材料，p
+
型层采用硼重掺杂Ge1‑
x
Sn
x
材料，驰豫层为磷重掺杂Ge1‑
y
Sn
y
材料，其中0.8≤x≤1.5，y＞x。
[0015]所述应变源采用超磁致伸缩材料Tb
m
Dy1‑
m
Fe
n
，其中0.2≤m≤0.3，1.92≤n≤1.95。
[0016]上述带有磁应变源的GeSn发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1：采用分子束外延生长工艺在衬底层上生长一层GeSn驰豫层；
[0018]步骤2：在驰豫层上依次生长一层n
+
型层、一层本征层和一层p
+
型层；其中其中p
+
型层是将GeSn材料采用硼离子注入工艺而形成；n
+
型层是将GeSn材料采用磷离子注入工艺形成；
[0019]步骤3：利用干法刻蚀将除衬底层以外的所有材料层刻蚀成空心结构，再对有源区的外周进行刻蚀使其外径小于驰豫层。
[0020]具体的，利用干法刻蚀将除衬底以外的所有材料层刻蚀成外直径为8μm，内直径为3μm的空心圆环柱体，再将有源区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底层（101）、驰豫层（102）和有源区，所述有源区包括由下至上依次设置的n
＋
型层（103）、本征层（104）和p
＋
型层（105）；所述驰豫层（102）和有源区的材料均为GeSn；所述有源区为空心结构，且有源区内设置有应变源（107），应变源（107）底部延伸至驰豫层（102），应变源（107）周围及底面用绝缘层（106）以隔离其与有源区和驰豫层（102）的接触；所述应变源（107）的材料为超磁致伸缩材料；所述有源区顶部设置第一金属电极（108），所述驰豫层（102）上设置第二金属电极（109）。2.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述有源区为空心圆柱形，应变源（107）呈圆柱形。3.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述衬底层（101）为GeOI衬底层，所述驰豫层（102）为磷重掺杂的n
＋
型GeSn驰豫层，所述绝缘层（106）为SiO2绝缘薄膜。4.根据权利要求1所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述有源区所采用的GeSn材料通式为Ge1‑
x
Sn
x
，n
＋
型层（103）为磷重掺杂Ge1‑
x
Sn
x
材料，本征层（104）采用Ge1‑
x
Sn
x
材料，p
＋
型层（105）采用硼重掺杂Ge1‑
x
Sn
x
材料，其中0.8≤x≤1.5。5.根据权利要求4所述的带有磁应变源的GeSn发光二极管，其特征在于，所述驰豫层（102）为磷重掺杂Ge1‑
y
Sn
y
材料，其中，y＞x。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆芳，陈芊羽，张吉涛，卢温翔，曹玲芝，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：