横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种光量子阱光电发光器件，可用于宽带通信，医疗，监测。
【背景技术】
[0002]红外波段包含众多特征谱线，工作在该波段的发光器件在宽带通信、国防、医疗、环境监测以及自动影像等很多方面有重要的应用前景。目前，用于的红外发光器件的半导体材料主要为 II1-V 族材料 InGaAs、GaInAsSb、InGaSb 和 I1-VI 材料 HgCdTe。InGaAs 发光器件在近红外波段性能优异，HgxCdhTe发光器件是目前性能最好的中红外发光器件，通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。然而无论II1-V族或者I1-VI族材料，本身都会引起环境问题而且成本非常高，且与Si基技术不兼容。因此，IV族材料体系无毒、廉价、且易实现大规模的硅基集成成为了发光器件的主流方向之一。
[0003]Ge在1.3-1.55 μ m波段范围内有较高的发光效率，但是Ge材料为间接带隙材料，这限制了其发光效率的进一步提升。通过在Ge材料中引入Sn原子形成GeSn合金，GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，因此吸收边可以进一步红移，而且随着Sn组分的加入，GeSn材料可以从间接带隙结构逐渐转变成直接带隙结构，从而提高材料的发光效率。
[0004]从理论上说增加Sn的组分可以使GeSn材料的带隙减小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低，即小于1%，因此制备高质量、无缺陷的高Sn组分的GeSn很困难。现在用低温外延生长的方法也只能制备出Sn组分为20?25 %的GeSn材料，见[ECSTransact1ns, 41 (7), pp.231, 2011 ；Photonics Research, I (2).pp.69, 2013]。并且随着Sn组分的增加，Sn原子会偏析或者分凝，材料质量和热稳定型都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，根据GeSn材料特性，提供一种横向GeSn/SiGeSn量子讲光电发光器件件及其制备方法，以减小光电发光器件原材料毒性，增大发光器件的吸收谱波长范围，提高器件发光内量子效率。
[0006]理论研宄和实验证明在GeSn材料中引入张应变可以导致材料直接带隙减小，并有利于材料从间接带隙结构向直接带隙转变。根据此原理本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]本发明的横向GeSn/SiGeSn量子讲光电发光器件，包括:衬底、量子讲、势皇层、N型电极和P型电极，该量子阱和势皇层组成发光有源区，其特征在于:
[0008]量子阱采用通式为Ge^Sn#应变单晶材料，其中x为Sn的组分，O ^ x ^ 0.30 ；
[0009]势皇层采用通式为Si1^GeySnz的单晶材料，其中，y为Ge的组分，z为Sn的组分，
O彡y彡1，0彡z彡0.30 ;
[0010]所述量子阱与所述势皇层横向交叠排列。
[0011]本发明制作上述横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，包括如下步骤:
[0012]I)利用分子束外延工艺，在衬底上生长Sn组分为O?0.3的弛豫本征GeSn单晶；
[0013]2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构；
[0014]3)利用分子束外延工艺，在横向量子讲的间隙中生长Ge组分为O?1、Sn组分O?0.3的SiGeSn单晶材料，形成GeSn量子阱与间隙横向排列的结构，
[0015]4)利用离子注入，在SiGeSn单晶材料中不同区域分别注入剂量为1015cm_2，能量为20KeV的磷、硼元素，分别形成N型电极和P型电极，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势皇层。
[0016]本发明具有如下优点:
[0017]1、利用应变，提高了发光有源区材料带隙调节效果
[0018]本发明采用GeSn单晶材料形成量子阱，并通过SiGeSn势皇层在GeSn量子阱中引入张应变，减小了 GeSn量子阱材料带隙，并促进GeSn由间接带隙结构向直接带隙结构转变，在不改变GeSn量子阱材料组分的情况下，不仅能有效调节器件吸收波长范围，而且还能通过减小GeSn量子阱和SiGeSn势皇的厚度比，增强GeSn量子阱的应变，从而提高了发光有源区材料带隙调节效果。
[0019]2、采用材料价格低廉、无毒环保
[0020]本发明中所采用的材料均为IV族材料，同现有的II1-V族材料和I1-VI材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。同时，目前半导体制造工业中的大部分生产设备是针对Si材料设计的，若采用II1-V族材料和I1-VI材料，则由于与Si工艺不兼容性，不容易实现Si基集成。而使用IV族材料，容易制备出Si基集成的GeSn光电发光器件。
[0021]相比其他光电发光器件，本发明使用GeSn量子讲材料作为有源区材料的光电发光器件具有更好的应用前景。
【附图说明】
[0022]图1为本发明横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的三维结构图；
[0023]图2为本发明横向GeSn/SiGeSn量子讲光电发光器件的截面结构图；
[0024]图3为本发明横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的制作流程示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]参照图1和图2，本发明的横向GeSn/SiGeSn量子讲光电发光器件包括:衬底1、GeSn量子阱2、SiGeSn势皇层3、N型电极4和P型电极5。量子阱2采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3的GeSn应变单晶材料，其通式为Ge^Snx, O ^ x ^ 0.30 ;势皇层3采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3、Ge组分为大于等于O小于等于I的单晶材料，其通式为Si1IzGeySrvO彡y彡1，O彡z彡0.30 ;该量子阱2与该势皇层3横向交叠排列位于衬底I上，N型电极4和P型电极5分别被量子阱2两边的势皇层3包裹。
[0027]由于SiGeSn势皇层3的晶格常数比GeSn量子阱2的晶格常数小，使得在GeSn量子阱2沿X方向产生的张应变，减小了 GeSn量子阱的带隙，并导致导带Γ能谷相对L能谷下移，提高器件吸收谱波长范围和发光内量子效率。
[0028]参照图3，本发明制作横向GeSn/SiGeSn量子阱光电发光器件的方法，给出如下三种实施例。
[0029]实施例1:制作量子阱的Sn组分为0.3的，势皇层的Ge组分为0，Si组分为0.7的横向GeSn/SiGeSn量子讲光电发光器件。
[0030]步骤1:在Si衬底I上，利用分子束外延工艺，以固体Ge和Sn作为蒸发源，用10_4pa的压强，在180 °C环境下，生长弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分为0.3，Ge组分为0.7，如图3a。
[0031]步骤2:利用刻蚀技术，采用氯基离子基团，在光刻胶掩蔽作用下，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱2结构，如图3b。
[0032]步骤3:利用分子束外延工艺，以固体S1、Ge和Sn作为蒸发源，用10_4pa的压强，在180°C环境下，在GeSn量子阱之间间隙中生长Si组分为0.7，Ge组分为0，Sn组分为0.3的SiGeSn单晶材料，如图3c