一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器及制备方法，激光器包括：衬底层；设置在衬底层上的缓冲层；设置在缓冲层上的N型Ge层；分别设置在N型Ge层两端的DBR反射镜和DBR反射镜；设置在N型Ge层上的阶梯状结构；设置在阶梯状结构上的P型Ge层；设置在P型Ge层内的P型重掺杂欧姆接触区；设置在阶梯状结构上和N型Ge层上的Si3N4应力层；设置在贯通Si3N4应力层的第一沟槽内和P型重掺杂欧姆接触区之上的电极；设置在金属电极之下且在N型Ge层内的N型重掺杂欧姆接触区。本发明专利技术能够有效提高Ge激光器的发光效率、降低Ge激光器的阈值电流密度，为高效的Ⅳ族材料集成光源提供了一种可行方案。方案。方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体光电子
，具体涉及一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器及制备方法。

技术介绍

[0002]集成电路产业作为信息化社会的基石在数十年内得到了长足的发展，但随着集成电路制成的不断缩小，传统的微纳电子芯片面临的挑战也越来越多。集成电路制程的下降不可避免的带来了RC延迟、电磁干扰以及能耗增加的问题，而硅基光电集成技术通过使用光互连来代替电互连进行芯片内或者芯片间的信号传递，为解决传统集成电路在发展中遇到的问题提供了解决方案。目前市场上无论是电路还是分立元器件百分之九十以上都为Si材料制备，由于Si材料成本低以及生产链成熟的特点，使用其制备的器件与电路能够同时兼顾成本与性能的优势。光电集成电路作为集成电路产业的后起之军，已经在光通信等领域展现出了不俗的实力，并且在未来光计算机等领域有着广阔的应用前景。光电集成电路通过将电子器件的逻辑计算功能与光器件高速、低损耗的传输能力结合起来，实现芯片与芯片间、芯片内的信息处理与传递，能够使光电集成芯片突破传统电子芯片面临的种种挑战与瓶颈，将摩尔定律延续下去。Intel最早提出了光电集成芯片的初步架构，IBM等半导体行业巨头也随之跟进，发展到今天，光电集成技术已经成了众多高科技公司的竞争热点，也成为了大国博弈中的焦点领域。
[0003]在光电集成技术中，高效且与CMOS工艺兼容的光源是实现单片光电集成的重要组成部分，目前已经投入市场的光电集成芯片多使用III
‑
V材料来制备集成光源，虽然III
‑
V材料由于其直接带隙的特点能够实现高效的发光，但硅材料与III
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V材料之间存在的较大的晶格失配与热失配且InP与GaAs等材料价格也相对较高，通过异质外延、晶片键合等方式在硅基芯片上制备III
‑
V光源无疑大大增加了光电集成芯片的制备成本。使用IV族材料来制备集成光源或许是解决该问题的一个重要手段，虽然IV族材料例如Si和Ge均为非直接带隙半导体，在发光过程中伴随着声子的发射，这使得IV族材料光源无法实现III
‑
V材料光源那样的高效发光。但Ge材料的直接带隙处的Γ能谷与导带最低点L能谷之间的能量差仅为136meV，而通过施加张应力已经掺入同为IV族元素的Sn能够有效减小Γ能谷与L能谷之间的带隙差，通过实验证明，在Ge上施加1.8％的双轴张应变或者掺入9％以上的Sn组分可以将Ge转变为直接带隙半导体，从而实现高效的发光。
[0004]近几年，如何制备出高效的Ge基激光器成为了国内外研究者共同关注的话题，一系列在改性Ge材料与器件结构上的工作共同推动着Ge基光源的不断发展。

技术实现思路

[0005]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基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器及制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器，所述激光器包括：
[0007]衬底层；
[0008]缓冲层，设置在所述衬底层上；
[0009]N型Ge层，设置在所述缓冲层上；
[0010]前端DBR反射镜和后端DBR反射镜，分别设置在所述N型Ge层两端的上表面；
[0011]多个GeSn材料的阶梯状结构，沿宽度方向间隔设置在所述N型Ge层上，并位于所述前端DBR反射镜和所述后端DBR反射镜之间；
[0012]P型Ge层，设置在每个所述阶梯状结构上；
[0013]P型重掺杂欧姆接触区，设置在所述P型Ge层内；
[0014]Si3N4应力层，设置在所述阶梯状结构上和所述N型Ge层上，所述Si3N4应力层的上表面与所述P型Ge层的上表面平齐；
[0015]金属电极，设置在贯通所述Si3N4应力层的第一沟槽内和所述P型重掺杂欧姆接触区之上；
[0016]N型重掺杂欧姆接触区，设置在所述金属电极之下且在N型Ge层内。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述衬底层包括硅衬底。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述缓冲层包括Si
0.5
Ge
0.5
缓冲层。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述阶梯状结构包括对称设置的第一阶梯状子结构和第二阶梯状子结构，所述第一阶梯状子结构和所述第二阶梯状子结构均包括多级台阶结构。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述前端DBR反射镜和所述后端DBR反射镜均包括沿宽度方向间隔设置在所述N型Ge层上的多个光波导结构。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，所述光波导结构包括：
[0022]Si层，所述Si层设置有若干间隔排列且贯通所述Si层的第二沟槽，所述第二沟槽的延伸方向与所述金属电极的延伸方向相互垂直，所述Si层的上表面与阶梯状结构的上表面齐平；
[0023]SiO2层，填充在所述第二沟槽内。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述前端DBR反射镜的第二沟槽数量小于所述后端DBR反射镜的第二沟槽数量。
[0025]本专利技术实施例还提供一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器的制备方法，用于制备上述任一项实施例所述的激光器，所述制备方法包括：
[0026]选取衬底层；
[0027]在所述衬底层上生长缓冲层；
[0028]利用低温MBE技术在所述缓冲层上生长N型Ge层；
[0029]利用低温MBE技术在所述N型Ge层上生长GeSn层；
[0030]利用低温MBE技术在所述GeSn层上生长P型Ge层；
[0031]利用反应离子刻蚀技术刻蚀所述P型Ge层和所述GeSn层以形成阶梯状沟槽，将所述GeSn层刻蚀成为沿宽度方向间隔设置的多个阶梯状结构，在每个所述阶梯状结构之上还保留有P型Ge层；
[0032]利用PECVD技术在所述阶梯状沟槽内和所述P型Ge层上生长Si3N4应力层；
[0033]利用等离子体刻蚀技术刻蚀掉表面多余的Si3N4应力层，以暴露所述P型Ge层的上
表面；
[0034]利用等离子体刻蚀技术刻蚀掉两端的Si3N4应力层以暴露两端的N型Ge层；
[0035]在所述N型Ge层的两端分别制备前端DBR反射镜和后端DBR反射镜；
[0036]利用通过等离子体刻蚀技术刻蚀贯通所述Si3N4应力层的第一沟槽；
[0037]利用离子注入技术在所述第一沟槽下方的P型Ge表面进行离子注入，以形成P型重掺杂欧姆接触区，并在所述P型Ge层表面进行离子注入，以形成N型重掺杂欧姆接触区；
[0038]利用溅射淀积技术在所述第一沟槽中填充金属材料，以形成金属电极。
[0039]在本专利技术的一个实施例中，在所述N型Ge层的两端分别制备前端DBR反射镜和后端DBR反射镜，包括：
[0040]在所述N型Ge层的两端分别制备沿宽度方向间隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SiN应力的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述激光器包括：衬底层；缓冲层，设置在所述衬底层上；N型Ge层，设置在所述缓冲层上；前端DBR反射镜和后端DBR反射镜，分别设置在所述N型Ge层两端的上表面；多个GeSn材料的阶梯状结构，沿宽度方向间隔设置在所述N型Ge层上，并位于所述前端DBR反射镜和所述后端DBR反射镜之间；P型Ge层，设置在每个所述阶梯状结构上；P型重掺杂欧姆接触区，设置在所述P型Ge层内；Si3N4应力层，设置在所述阶梯状结构上和所述N型Ge层上，所述Si3N4应力层的上表面与所述P型Ge层的上表面平齐；金属电极，设置在贯通所述Si3N4应力层的第一沟槽内和所述P型重掺杂欧姆接触区之上；N型重掺杂欧姆接触区，设置在所述金属电极之下且在N型Ge层内。2.根据权利要求1所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述衬底层包括硅衬底。3.根据权利要求1所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述缓冲层包括Si
0.5
Ge
0.5
缓冲层。4.根据权利要求1所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述阶梯状结构包括对称设置的第一阶梯状子结构和第二阶梯状子结构，所述第一阶梯状子结构和所述第二阶梯状子结构均包括多级台阶结构。5.根据权利要求1所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述前端DBR反射镜和所述后端DBR反射镜均包括沿宽度方向间隔设置在所述N型Ge层上的多个光波导结构。6.根据权利要求5所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述光波导结构包括：Si层，所述Si层设置有若干间隔排列且贯通所述Si层的第二沟槽，所述第二沟槽的延伸方向与所述金属电极的延伸方向相互垂直，所述Si层的上表面与阶梯状结构的上表面齐平；SiO2层，填充在所述第二沟槽内。7.根据权利要求6所述的阶梯状结构GeSn激光器，其特征在于，所述前端DBR反射镜的第二沟槽数量小于所述后端DBR反射镜的第二沟槽数量。8.一种基于SiN应力的阶梯...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒斌，孙昕阳，张二同，朱佳迪，付子杰，胡辉勇，王利明，张宁宁，苗田，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：