[发明专利]基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于GeSn/SiGeSi材料的应变多量子阱激光器及其制作方法，势垒层采用GeSiSn材料；势阱层采用GeSn材料。赝衬底(Ge)、缓冲层(GeSn)、有源区(GeSn/GeSiSn)在衬底(Si)上依次由下至上竖直分布，且Si₃N₄张应力薄膜包裹在赝衬底、缓冲层及有源区的周围。本发明激光器的制作方法包括：(1)采用低温固源分子束外延生长工艺生长GeSn及GeSiSn材料，(2)采用标准激光器制作工艺加工器件。本发明通过多量子阱结构和外加Si₃N₄应力薄膜引入的张应变，不仅使激光器的激光波长发生了红移，而且明显提高了激光器的光增益并极大的降低了阈值。

技术领域

本发明属于光电子技术领域，更进一步涉及半导体红外光源领域中的一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法。本发明可作为新型中红外光源应用于中红外光电集成系统中。

背景技术

随着微电子与光电子的技术不断发展，在硅基中红外光电集成系统中，中红外光源问题成为其面临的挑战之一。

与Si兼容的传统Ⅳ族材料及合金为间接带隙半导体，在倒易空间中其导带最低点偏离价带最高点。间接带隙材料中的复合主要为间接复合，复合过程中需要声子的辅助，这不利于材料的电致发光。近几年，美国和日本的研究小组通过高掺杂和高注入的方式实现了Ge材料的直接辐射复合。例如S.Saito发表的“Germanium fin light-emitting diode”(Applied Physics Letters,2011,99(24):241105)和S.L.Cheng发表的“Roomtemperature 1.6μm electroluminescence from Ge light emitting diode on Sisubstrate”(Optics Express,2009,17(12):10019-10024)等均有提及。然而，载流子在Ge半导体中主要分布在L能谷，导致了Ge发光器件的效率很低，此外，高注入还会引起器件的功耗增大。S.Gupta等发表的“Achieving direct band gap in germanium throughintegration of Sn alloying and external strain”(Journal of Applied Physics,2013,113(7):073707)等最近的研究表明，在Ge中引入Sn形成的GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，有利于促进载流子的直接复合和改善Ge发光器件的电致发光性能。但是其晶格常数比衬底Ge或Si的晶格常数大，器件制备过程中往往会引入压应变。

Ⅰ型双异质结能带结构可以有效的将载流子限制在GeSn这种窄带隙材料中，这种限制作用有利于材料内的辐射复合，还可以有效减少辐射光子在传输过程中的再吸收，是一种理想的可用于发光器件的能带结构。当其有源区厚度减小到一定程度时可转化为量子阱结构，是一种理想的激光器结构。然而，随着有源区厚度的减小，其光限制因子会急剧下降，减弱了激光器的光增益，此外，势阱内激光器阈值能会增加，在一定程度上增大了对载流子浓度的需求并使激光器蓝移。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中Si基中红外激光器光增益较低和阈值较高的缺点，通过一种基于GeSn/SiGeSn材料的应变多量子阱激光器及其制作方法，进一步提高了激光器增益并降低了激光器阈值。

实现本发明目的的具体思路是，根据材料特性研究表明，在常见IV族间接带隙材料Ge中引入一定组分的同为IV族的负带隙金属材料Sn，可以使GeSn合金由间接带隙转变为直接带隙材料。同时，我们采用多量子阱结构，利用其量子限制和能带分裂的特性来增大激光器的增益；并利用Si₃N₄作为应力薄膜产生张应变减小GeSn合金带隙等效应以降低激光器的阈值。