CN105610047B - GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GeSn多量子阱金属腔激光器，包括Si衬底、以及自下而上设置在Si衬底上Ge缓冲层、下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和Ge_0.88Sn_0.12缓冲层，有源层采用应变补偿量子阱结构，Ge_0.88Sn_0.12缓冲层、上分布布拉格反射镜、有源层和下分布布拉格反射镜刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面生长有氮化硅薄膜，所述Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅薄膜表面上涂有Ag金属层。本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够通过调整Sn组分的大小改变应力大小以实现锗锡光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率和光稳定性，加工简单、方便。

Description

GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，尤其涉及一种GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法。

背景技术

Si基半导体是现代微电子产业的基石，Si的互补金属氧化物半导体(complementary mental oxide semiconductor，CMOS)工艺技术已经形成了一个强大的微电子产业。随着技术的进步，Si基集成电路集成度越来越高，性能越来越好。但随着集成度的不断提高，器件特征尺寸的减小，一系列问题也随之产生，例如散热问题严重、电互联的功耗大、RC延迟导致电互联速度受限、小尺寸下的量子限制效应等，都限制着集成电路的进一步发展。以实现Si基光电集成(optoelectronic integrated circuit，OEIC)为目标的Si基光电子学(silicon photonics)有望解决这一难题。遗憾的是Si本身不具备良好的光学特性，在光电转换、电光调制、电光转换等方面有自身固有的缺陷，比如载流子迁移率低、具有高度对称性结构、线性电光系数为零、间接带隙材料、发光效率低。但是，十几年来，经过科学家们的共同努力，Si基光子学已经取得了很大进展，各种Si基光子学材料的制备和器件的制作都取得了可喜的突破。目前除了Si基光源外，人们在Si基光电探测器、电光调制器、波分复用/解复用器领域都有成熟的应用。因而高效的Si基光源，特别是Si基激光器，成为Si基OEIC中最具挑战、也是最重要的目标。

目前，对Si基光源并没有一个成熟有效的解决方案。要实现Si材料本身做发光源，需通过材料改性、能带工程等方法抑制非辐射复合，提高辐射复合概率，比如Si位错环发光、Si拉曼激光器、掺杂稀土离子等方法。但是这些方法或是工艺复杂，重复性稳定性较差，或是光抽运运作，对Si基光互联的贡献较小，还需要进一步创新。此外，可将发光性能良好的III-V族材料集成在Si上，实现Si基高效发光。然而III-V族的工艺与Si CMOS工艺兼容性差，因此不利于OEIC。

锗锡合金是近年来最受关注的一种IV族半导体材料，与Si、Ge、GeSi合金等已被广泛研究的具有间接带隙的IV族半导体材料不同，GeSn合金当Sn含量大于10％时将具有直接带隙，是唯一具有直接带隙的IV族二元合金半导体，这使得它在硅电子学尤其是Si基高效发光光源具有非常重要的研究意义，成为近年来一个新的研究热点。虽然Sn含量比较低(＜10％)时，GeSn合金是间接带隙的，但是低Sn组分的GeSn合金也具有重要的研究意义。GeSn合金具有比Ge更大的吸收系数，并且Sn的引入将使吸收边红移，同时它还是一种窄带隙材料，带隙在0至0.66eV之间可调。锗锡合金的带隙随Sn含量的增加而降低，其光学吸收边逐渐红移，D’Costa等的结果表明，即使Sn含量仅为0.02，锗锡合金也足以覆盖全通信波段，并且在该波段的吸收系数至少比Ge高10倍，有望被用于红外光电子器件，应用于红外探测成像等领域中。与传统的红外光电子材料(比如HgCdTe)相比，Ge_1-xSn_x合金具有无毒、无污染等优点，而且还与硅微电子工艺兼容，易于集成。所以，Ge_1-xSn_x合金在红外光电子学的发展有重要的意义。另外，锗锡合金具有较大的电子和空穴迁移率，可用来制作高性能微电子学器件，这使得这种材料适合作为高速CMOS的沟道材料。

目前，基于锗锡材料的激光器研究仍处于初级阶段，国内外所发表的基于锗锡材料激光器仍具有光电转换效率低，光稳定性不好等缺点，且目前只能使用脉冲光抽运来实现激射，合适的电抽运方式还有待寻找；GeSn合金激射的临界温度较低，距离实现室温应用还有一定距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法，旨在解决现有技术采用III-V族材料的金属腔激光器器件具有散热性较差、光稳定性差等缺点，仍无法满足片上光电集成系统对光源的要求，而锗锡激光器难以实现室温电注入的问题。

本发明是这样实现的，一种GeSn多量子阱金属腔激光器，包括Si衬底、以及自下而上设置在Si衬底上的Ge缓冲层、下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和Ge_0.88Sn_0.12缓冲层，所述有源层采用应变补偿量子阱结构，所述Ge_0.88Sn_0.12缓冲层、上分布布拉格反射镜、有源层和下分布布拉格反射镜刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面生长有氮化硅薄膜，所述Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅薄膜表面上涂有Ag金属层。

本发明的特点还在于，有源层由12层压应变的GeSn势阱及对应的13层张应变SiGeSn势垒组成。

本发明的特点还在于，下分布布拉格反射镜是由24.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的n型分布式布拉格反射镜，所述上分布布拉格反射镜是由8.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的p型分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，其中a+b+c＝1，0＜a＜0.1，0＜b＜0.8，0＜c＜0.3，x+y+z＝1，0＜x＜0.8，0＜y＜0.12，0＜z＜0.3。

本发明的特点还在于，圆柱形台面的刻蚀深度直至下分布布拉格反射镜上端，圆柱形台面的高度为3.5μm，圆柱形台面的半径为1μm。

上述GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法包括如下步骤：

步骤1、在Si衬底上利用低温分子束外延法生长一层Ge薄膜，作为Ge缓冲层；

步骤2、在Ge缓冲层上依次生长下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层；

步骤3、将步骤2获得的下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层刻蚀成圆柱形台面；

步骤4、在圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面利用低压化学气相沉积法生长氮化硅薄膜；

步骤5、在Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅薄膜表面涂Ag，形成Ag金属层。

本发明的有益效果如下：

本发明针对现有技术中采用III-V族材料的金属腔激光器器件散热性较差、光稳定性差等缺点，仍无法满足片上光电集成系统对光源的要求，提出了一种具有金属腔的柱状结构的GeSn多量子阱的激光器器件及其制作方法。本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够通过调整Sn组分的大小改变应力大小以实现锗锡光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率和光稳定性，加工简单、方便。

附图说明

图1是本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法中步骤1的加工示意图；

图3为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法中步骤2的加工示意图；

图4为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法中步骤3的加工示意图；

图5为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法中步骤4的加工示意图；

图6为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法中步骤5的加工示意图；

图中：1、Si衬底；2、Ge缓冲层；3、下分布布拉格反射镜；4、有源层；5、上分布布拉格反射镜，6、Ge_0.88Sn_0.12缓冲层，7、氮化硅薄膜，8、Ag金属层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1示出了本发明实施例提供的GeSn多量子阱金属腔激光器的结构。如图1所示，本发明实施例的一种GeSn多量子阱金属腔激光器，包括Si衬底1、以及自下而上设置在Si衬底1上的Ge缓冲层2、下分布布拉格反射镜3、有源层4、上分布布拉格反射镜5和Ge_0.88Sn_0.12缓冲层6，有源层4采用应变补偿量子阱结构，Ge_0.88Sn_0.12缓冲层6、上分布布拉格反射镜5、有源层4和下分布布拉格反射镜3刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜3表面生长有氮化硅薄膜7，Ge_0.88Sn_0.12缓冲层6和氮化硅薄膜7表面上涂有Ag金属层8。由于银的导热率和反射率都很高，因此用Ag金属来做金属腔，更有利于散热，同时具有更好的光反射率，对形成激光更有利。

在本发明实施例中，有源层4由12层压应变的GeSn势阱及对应的13层张应变SiGeSn势垒组成。量子阱结构可以有效地限制载流子，提高材料的载流子注入和发光的效率，合理的SiGeSn/GeSn/SiGeSn多量子阱结构，有利于实现高效发光。

在本发明实施例中，下分布布拉格反射镜3是由24.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的n型分布式布拉格反射镜，上分布布拉格反射镜5是由8.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的p型分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，其中a+b+c＝1，0＜a＜0.1，0＜b＜0.8，0＜c＜0.3，x+y+z＝1，0＜x＜0.8，0＜y＜0.12，0＜z＜0.3。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达99％以上。同时，该结构没有金属反射镜的吸收问题，又可以通过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。

在本发明实施例中，圆柱形台面的刻蚀深度直至下分布布拉格反射镜上端，圆柱形台面的高度为3.5μm，圆柱形台面的半径为1μm。

上述GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法，可按照图2-图6所示方式进行，具体包括如下步骤：

步骤1、在Si衬底上利用低温分子束外延法生长一层Ge薄膜，作为Ge缓冲层，Ge缓冲层的厚度为240nm；在本发明实施例中，采用低、高温两步法，先在Si衬底上250℃生长一层低温锗缓冲层后，升温至500℃生长高温锗缓冲层。

步骤2、在Ge缓冲层上依次生长下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层。

步骤3、将步骤2获得的下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层刻蚀成圆柱形台面。

步骤4、在圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面利用低压化学气相沉积法生长氮化硅薄膜。

步骤5、在Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅薄膜表面涂Ag，形成Ag金属层。

在本发明实施例中，步骤2中的上、下分布式布拉格反射镜是由两种折射率不同的材料以Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z(ABAB)的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。

在本发明实施例中，步骤2中的有源层为25层多量子阱，即12层压应变的GeSn势阱和13层张应变的SiGeSn势垒，每层势阱的厚度为6nm，每层势垒的厚度为8nm。基于应变平衡条件下，它最小化了总的应变能，从而减小多量子阱(MQWs)区应变失配位错密度；另外，使用MQWs结构能抵消镜像传输和金属损耗，从而获得足够大的光学增益。

在本发明实施例中，步骤2中的应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层的生长方法采用低温分子束外延法，其生长温度为200℃，厚度为300nm。

在本发明实施例中，步骤3中刻蚀方法为：用氮化硅(Si₃N₄)圆形掩膜来确定光刻区域，采用电感耦合的等离子体/反应离子刻蚀(PE/RIE)的方法形成柱体，然后刻蚀掉作为掩膜的Si₃N₄，其中所述氮化硅薄膜为适用于应变GeSn器件的高应力薄膜，用作各向异性腐蚀时保护图形的掩膜。圆形掩膜在低压、700℃条件下，采用LPCVD(低压化学气相沉积法)生长，半径为1μm。步骤3中离子刻蚀所用刻蚀剂可为氢氧化钾与异丙醇的混合溶液，配方为氢氧化钾∶异丙醇∶水＝1∶2∶2，刻蚀温度80℃，刻蚀时间大概90min，所形成的柱体高度为3.5μm；在180℃条件下用氢氟酸和磷酸的混合液刻蚀作为掩膜的Si₃N₄。

在本发明实施例中，步骤4中氮化硅薄膜的生长采用低压化学气相沉积法。步骤4中的氮化硅薄膜厚度为10nm。

在本发明实施例中，步骤5中所涂覆的Ag金属层为柱状，采用金属蒸发工艺制作，沉积速率为0.18nm/s。

本实施例中生长的Ge薄膜作为后续步骤生长GeSn合金的缓冲层，能减小外延失配，提高GeSn合金质量。其中的分布式布拉格反射镜(DBRs)是光学微腔的一部分，是由两种折射率不同的材料以Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z(ABAB)的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达99％以上。同时，该结构没有金属反射镜的吸收问题，又可以通过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。采用GeSn/SiGeSn交替生长的多量子阱介质作为有源区，在GeSn材料内引入压应力，SiGeSn内引入张应变，增大有源区光学增益从而提高金属腔激光器器件的发光效率。另可通过调整Sn组分的大小，根据需求调整各层的应力大小，提高光电转换效率以及制备特定光波长的GeSn/SiGeSn多量子阱激光器器件。由于银的导热率和反射率都很高，因此用Ag金属来做金属腔，更有利于散热，同时具有更好的光反射率，对形成激光更有利。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种GeSn多量子阱金属腔激光器，其特征在于，包括Si衬底、以及自下而上设置在Si衬底上的Ge缓冲层、下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和Ge_0.88Sn_0.12缓冲层，所述有源层采用应变补偿量子阱结构，所述Ge_0.88Sn_0.12缓冲层、上分布布拉格反射镜、有源层和下分布布拉格反射镜刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面生长有氮化硅薄膜，所述Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅掩膜表面上涂有Ag金属层；所述下分布布拉格反射镜是由24.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的n型分布式布拉格反射镜，所述上分布布拉格反射镜是由8.5对Si_aGe_bSn_c/Si_xGe_ySn_z材料交替组成的p型分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，其中a+b+c＝1，0＜a＜0.1，0＜b＜0.8，0＜c＜0.3，x+y+z＝1，0＜x＜0.8，0＜y＜0.12，0＜z＜0.3。

2.如权利要求1所述的GeSn多量子阱金属腔激光器，其特征在于，所述有源层由12层压应变的GeSn势阱及对应的13层张应变SiGeSn势垒组成。

3.如权利要求1所述的GeSn多量子阱金属腔激光器，其特征在于，所述圆柱形台面的刻蚀深度直至下分布布拉格反射镜上端，圆柱形台面的高度为3.5μm，圆柱形台面的半径为1μm。

4.如权利要求1-3任一所述GeSn多量子阱金属腔激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在Si衬底上利用低温分子束外延法生长一层Ge薄膜，作为Ge缓冲层；

步骤2、在Ge缓冲层上依次生长下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层；

步骤3、将步骤2获得的下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge_0.88Sn_0.12缓冲层刻蚀成圆柱形台面；

步骤4、在圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面利用低压化学气相沉积法生长氮化硅薄膜；

步骤5、在Ge_0.88Sn_0.12缓冲层和氮化硅薄膜表面涂Ag，形成Ag金属层。