[发明专利]横向p-n-n微腔结构Ge发光器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种横向p‑n‑n微腔结构Ge发光器件包括有源层n‑Ge层，n‑Ge层下表面为Si/SiO2结构，n‑Ge层与Si/SiO2结构构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜，n‑Ge层上表面两侧设有p‑GeSi区、n‑GeSi区，中间为有源区，有源区底部暴露n‑Ge层，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜，p‑GeSi区、n‑GeSi区上设有低电阻导电材料的电极；发光器件表面设有氧化硅的钝化层。本发明在高掺杂n型GOI衬底上外延高锗组分的GeSi层，并实现横向p‑n‑n结构Ge发光器件，其中Ge组分0.85，在GeSi与Ge之间可以形成有效的势垒层，对电子和空穴都能起到有效的限制作用，进而增强Ge直接带发光效率。该方法具有工艺制备简单、与成熟的硅CMOS工艺兼容、可操作性强、发光性能优越等优点，极具应用价值。

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件及其制备方法。

背景技术

硅基发光器件是实现硅基光电集成电路的重要元器件之一。目前制备硅基发光器件的方法主要有两类，一类是Si基Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器的制备，另一类是新型Si基Ⅳ族发光器件的制备。对于Si基Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器主要研究方向可归纳为三种：第一，将成熟的Ⅲ-Ⅴ半导体激光器件通过倒装焊接技术封装在Si基芯片上，该方法虽然可以保证激光器具有良好的性能，但是技术水平要求高，目前工艺水平不足以量产。第二，将成熟的Ⅲ-Ⅴ半导体激光器件通过键合技术粘贴到Si基芯片上，该方法热稳定性差，且与硅CMOS工艺不兼容，同时生产成本过高。第三，通过设计合适的有源层，采用异质外延的方法，直接在Si衬底上外延Ⅲ-Ⅴ族直接带隙发光材料，由于Si与Ⅲ-Ⅴ材料晶格不匹配，因此外延难度比较大，同时该方法制备的激光器件性能有待提高。对于新型Si基Ⅳ族发光器件的制备主要研究方向有：Si、SiGe纳米结构发光器件的制备，该方法通过能带工程改性Si、SiGe纳米材料，获得直接带隙发光，然而其发光效率难以提高；另一种方法是能带改性Si基Ge直接带发光器件的制备，由于室温下Ge的直接带隙与间接带隙仅差136meV，是准直接带隙材料，因此Si基Ge材料被科学家认为是制备硅基光源的理想材料。

近年来，国内外研究小组采用不同的结构制备Si基Ge发光器件，得到了一系列重要的结果。常见器件结构多属于纵向Si基Ge异质结发光器件，该类型的器件一般是在Si衬底材料(或绝缘层上Si衬底，SOI材料)上外延生长Ge材料或GeSi量子阱材料，然后再外延或溅射Si材料形成Si/Ge异质结构，最后设计制备发光器件。由于Si与Ge的晶格失配高达4.2％，在Si衬底上外延Ge材料时，Si与Ge界面不可避免地引入过多的缺陷，不仅增加了非辐射复合中心，而且器件的漏电流也增加了；另外，这种纵向结构的器件，出光的方向与电流的方向是一致的，其产生的光经过金属电极附近时也会被金属电极所吸收，进一步降低了Ge的直接带发光效率。

发明内容

本发明的目的是设计一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种横向p-n-n微腔结构Ge发光器件，包括有源层n-Ge层，n-Ge层下表面为Si/SiO2结构，n-Ge层与Si/SiO2结构构成高掺杂n型GOI衬底，底部设有底部分布式布拉格反射镜，n-Ge层上表面两侧设有p-GeSi区、n-GeSi区，p-GeSi区、n-GeSi区中间为有源区，有源区底部暴露n-Ge层，有源区内设有顶部分布式布拉格反射镜，所述p-GeSi区、n-GeSi区上设有低电阻导电材料的电极；发光器件表面设有氧化硅的钝化层。

所述n-Ge层厚度为1um，Si/SiO2结构厚度为100.5um，底部分布式布拉格反射镜厚度为3.08um，顶部分布式布拉格反射镜厚度为1.54um。