[发明专利]GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法

说明书

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。

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。