[發明專利]一種基于張應變Ge納米線的有源區結構及激光器

有效

• 申請號: 201710304793.X
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107039884B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 朱忠赟珅;宋禹忻;李耀耀;韓奕;張振普;張立瑤;王庶民
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本發明提供了一種基于張應變Ge納米線的有源區結構及激光器，該有源區結構包括第一勢壘層、Ge納米線和第二勢壘層，所述Ge納米線位于所述第一勢壘層和所述第二勢壘層之間。本發明通過將現有的CMOS工藝相兼容Ge材料轉化為直接帶隙，克服了硅不能直接帶隙以及III?V族發光器件與現有的CMOS工藝不兼容的問題，同時也有利于單片集成，降低成本，促進光通信行業的良性發展。

技術領域

本發明涉及半導體電子與光電子材料制備領域，具體而言，本發明涉及一種基于張應變Ge納米線的有源區結構及激光器。

背景技術

隨著以硅為基礎的集成電路的高速發展，晶體管特征尺寸不斷縮小，集成電路技術面臨著速度、功耗等的嚴峻挑戰。當傳統集成電路內部通訊方式由于電路和器件尺寸不斷減小而受到量子效應限制時，器件的可靠性會大大下降。而基于硅基光子學的光互聯技術與傳統集成電路的結合可以有效突破這一瓶頸，進而成為了半導體光電子材料與器件領域的一大研究熱點。

發展至今，以硅材料為載體而制造的光電子器件已有多種，如光學調制器、解調器、波導、以及光電探測器。然而，作為一種間接帶隙半導體材料，硅的發光效率極低，遠遠達不到作為硅基光源的基本要求。因此，硅基發光器件的研究成為了解決整個硅基光子學中光源問題的重要方向。

目前，硅基光源主要采用III-V發光器件與硅基底鍵合的方法，盡管該技術已經相對成熟，也投入了商業生產，但這種方法與現有的硅基CMOS工藝不兼容，難以實現單片集成的硅基光源。這會使硅基光互連的成本大大提升，不利于可持續長久發展。

發明內容

為了尋找到能夠直接帶隙發光同時兼容現有的CMOS工藝的光電子器件，本發明提供一種基于張應變Ge納米線的有源區結構及激光器。

考慮到作為IV族半導體材料的Ge本身的Γ能谷與L能谷相差不大，且可以通過張應變的引入來調節能帶，使其轉變為直接帶隙。而且，Ge材料價格與III-V材料相比較為便宜，用Ge材料作為有源區可以降低成本。同時，面內的Ge納米由于軸向長度遠大于其他兩個方向，該方向上的張應變量容易保持，其值約為與下一層材料的晶格失配度。因此，若提供給面內的雙軸張應變Ge納米線足夠的張應變且不產生位錯，則可實現IV族材料的直接帶隙發光，且可以通過改變不同的張應變量來調節發光波長。

本發明提供一種基于張應變Ge納米線的有源區結構，所述基于張應變Ge納米線的有源區結構包括第一勢壘層、Ge納米線和第二勢壘層，所述Ge納米線位于所述第一勢壘層和所述第二勢壘層之間。

優選地，所述Ge納米線為面內雙軸張應變Ge納米線。

優選地，所述面內雙軸張應變Ge納米線的軸向長度是寬度的至少30倍。

優選地，所述第一勢壘層和第二勢壘層分別為面內雙軸張應變Ge納米線提供至少2％的初始面內雙軸張應變。

優選地，所述第一勢壘層包括GeSn合金、SiGeSn三元半導體、III-V族二元或多元化合物半導體的一種或者多種。

優選地，所述第一勢壘層由GeSn構成。

優選地，所述GeSn中Sn含量至少為13％。

優選地，所述第一勢壘層由AlSb層和外延生長于其上的GaSb層構成。

優選地，所述第二勢壘層與所述第一勢壘層的材料組分相適應。

本發明還提供一種激光器，所述激光器包括襯底、生長在襯底上的N型晶體單元、有源區以及位于頂層的P型晶體單元，所述有源區為如上述任意一項所述的基于張應變Ge納米線的有源區結構。

與現有技術相比，本發明一種基于張應變Ge納米線的有源區結構及激光器具有如下有益效果：