矽基鍺電注入雷射器及製作方法

2023-05-08 16:30:01 1

專利名稱：矽基鍺電注入雷射器及製作方法
技術領域：
本發明涉及一種矽基電注入雷射器及製作方法，特別涉及一種基於鍺直接帶
隙近紅外( 1.55 nm)發光的矽基鍺電注入雷射器及製作方法。
背景技術：
眾所周知，矽基超大規模集成電路(ULSI)是信息革命的基石。現今晶片的
運算速度越來越快，相應信息傳遞的速度也會越來越快。不幸的是，現在靠改 善單個電晶體或邏輯門的運算速度來提高總的集成電路晶片的運算速度卻由於
物理效應的限制就要達到極限；另一方面，隨著集成度的提高，制約晶片運算 速度的不再是單個電晶體或邏輯門的運算速度，更多的是來自於電晶體或/和邏 輯門、集成單元之間信號傳遞的延遲(當然此時熱效應也不可忽視)。所以在當 前馬上就要逼近半導體工藝節點極限的情況下，要增加集成電路晶片的運算速 度，必須想辦法改善晶片的電晶體或/和邏輯門、集成單元之間信號傳遞的效率。 相對於利用電子來作為信號傳輸的載體而具有的不可避免的分布電容延遲效 應，如果採用光子作為信號傳輸的載體，則可以有效的避免信號延遲的問題。 在矽基晶片中如果能夠實現利用光子部分代替電子來作為信息傳遞的載體，可 以提高相應晶片的運算速度三個量級以上。
然而，矽基材料儘管是微電子器件極為優良的基質材料，但是由於矽基材料 帶隙的非直接特性以及晶格中心反演對稱性，使矽基材料作為光子學器件的前 途受到了極大的限制，無法實現高效的矽基材料發光以及高調製速率的光調製、光開關等非線性電光器件，嚴重製約了矽基光電子集成(OEIC)的發展。
幸運的是，在過去二十年中，由於國際上持續不斷的努力，在矽基光電子集 成所需的各個不同光子學單元中除了矽基高效光源之外都已經取得了接近實用 化的巨大突破。成熟的SOI(絕緣體上矽材料，一般用鍵合辦法製備)材料大的折 射率差(接近2. 0)允許在現有的微電子工藝條件下實現低損耗、極小尺寸的光波 導結構的製備；美國Intel公司已經報導與現有CMOS (互補金屬一氧化物一半 導體)工藝兼容的調製速度40G的矽基MOS(金屬一氧化物一半導體)結構電 光調製器(美國Electronics Letters, v 43, n22， 2007, pll96-1197);美國MT (麻 省理工學院)Kimerling實驗室已經報導了對1. 54 pm響應速度在10G的Ge/Si 探測器(美國Applied Physics Letters, 2005 87(10) p103501 )。
然而，也正是由於矽基發光在矽基光電子集成領域的核心地位，現今國際上 在這一領域也投入相當多的資源。2006年，美國AFOSR(Air Force O伍ce of Scientific Research)支持兩個有關矽基發光的大項目，每個600萬美元，此夕卜，美 國DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)也支持有包括矽基發光 的矽基集成光子學大項目EPIC (Electronic and Photonic Integrated Circuits),歐 盟也有支持矽基發光的項目"Light amplifiers with nanoclusters and erbium"。
日本，韓國，澳大利亞和中國臺灣地區在矽基發光領域也有著相當富有特色 的實力。
作為矽基材料發光研究的最終目標，毫無疑問應該是高效的高調製速率的近 紅外發光矽基電注入雷射器。最近幾年，在矽基激射材料和器件相關研究上取 得了重大的進展。2000年義大利Pavesi小組第一次在鑲嵌於二氧化矽中的納米 晶體系中實現了在強光泵條件下的光增益，增益係數約為100cm—1 (英國Nature, 2000年V408 (6811): p440-444) ， 2004年臺灣"中研院"蔡振水小組陳敏章博 士報導實現了首例矽基電注入激射(美國Appl.Phys丄ett， 2004年，v 84, n 12， p2163-2165) ， 2004年荷蘭Polman小組實現了氧化矽摻鉺環形諧振腔光泵激射 (美國Appl.Phys丄ett 84 pl037-1039 (2004年))，2005年美國布朗大學Jimmy Xu小組報導了基於矽基等電子摻雜的光泵激射(英國Nature materials 2005年， V4 (12): p887-891)，但是矽基等電子摻雜是一個多年未解決的老大難問題，到 現在連室溫發光都沒有實現(美國Applied Physics Letters V90， 081101 (2007 年))，短期內取得進一步重大突破的可能性微乎其微。2007年在日本東京召開 的第四屆IEEE GroupIV Photonics國際會議上美國Translucent公司報到了高濃 度稀土離子矽基薄膜的室溫電致發光(2007 4th IEEE International Conference on Group IV Photonics, 2007年，p246-248)，為利用稀土離子摻雜矽基薄膜實現電 注入激射器件帶來了一絲曙光。最新可能也是最值得期待的突破性進展來自於 國立臺灣大學光電所劉致為教授研究組，他們在去年12月IEEE IEDM上報到 了MOS結構的鍺激射器件(2007年IEEE正DM，p659 662)，實現了極低閾值 密度(0.5KA/cm2，可以與III-V族半導體雷射器媲美)的鍺雷射器室溫連續激 射。美國MIT (麻省理工學院)Kimerling實驗室2007年申請了關於基於鍺直 接帶隙發光的鍺雷射器美國專利(USpatent20070105251， 2007年5月10日)， 主要思想是基於在n+區重摻從而將鍺半導體材料L導帶谷填滿電子之後，會有
更多的多餘電子從L導帶谷溢出從而部分填充鍺材料布裡淵區中心的r導帶谷，
並在此基礎上實現各種結構的鍺半導體雷射器。

發明內容

本發明的目的在於提供一種基於鍺直接帶隙近紅外發光( 1.55nm)的高效 率、低工作電流密度的矽基鍺電注入雷射器以及相應的製作方法。
眾所周知，要真正實現矽基光電集成(OEIC)所需的矽基光互聯用高調製速 率雷射光源應該滿足兩個要求1、電學特性要好，工作電壓低，能提供穩定工 作的大電流，這樣MOS結構器件就不適合；2、具有高效的近紅外1.55pm左右 的電注入高效激射發光，這樣光信號能夠低損耗地在矽基波導裡面長距離傳輸，因此器件有源層材料的複合區應該為輕摻雜或本徵材料，而靠美國MIT (麻省 理工學院)Kimerling實驗室2007年申請的關於基於鍺直接帶隙發光的鍺雷射器 美國專利(US patent 20070105251， 2007年5月10日)不能完全有效的解決 這個問題，主要是因為靠鍺材料重摻雜然後從L導帶谷溢出的多餘的電子不能
提供高效率直接帶隙發光所要求的高濃度的r導帶谷的電子。
從圖l鍺能帶結構圖可以看出，鍺是非直接帶隙半導體材料，最低導帶谷位
於布裡淵區l點(〈iii〉方向)，次低的導帶谷位於布裡淵區中心r點a=o)，在
方向上還有第二次低的X點。r導帶谷與L導帶谷的能隙差約為0.136 eV (室溫)，而X導帶谷比r導帶谷高0.18eV左右(室溫)。根據玻爾茲曼分布原
理，在較高溫度下除了在最低的L導帶谷分布有主要的電子濃度之外，在r導
帶谷也有比較大量的電子(不超過5%)。
然而，即使這樣，在常規情況下，鍺基材料沒法實現高效的直接帶隙發光， 因而主要是基於間接帶隙發光，而這是一個電子、聲子和光子共同參與的二級 乃至更多級的微擾過程，躍遷概率很低。要實現高效的雷射光源，必須是基於 直接帶隙光發射過程。
Driel等人於1976年報導了在高強度激發情況下實現了鍺的室溫直接帶隙發 光(美國Solid state communications Vol 20, pp837 840, 1976年)，而在低溫下沒 有觀察到相應的直接帶隙發光，這與上述描述相符，即只有在溫度比較高的時
候才有可能在r導帶谷分布有少量的電子來提供直接帶隙發光，而在溫度比較
低的時候電子主要冷凍在L導帶谷，不能夠參與直接帶隙發光過程；Klingenstein 等人於1978年報導了在高激發強度情況下觀察到n型鍺材料強的直接帶隙光致 發光(美國Solid state electronics Vol 21， ppl371 1374， 1978年)，他們利用鍺 的俄歇係數很好的擬合了相關數據，主要思想就是在高激發情況下，鍺材料中 eeh俄歇過程加劇。在這個過程中，鍺材料L導帶谷的2個電子和價帶頂的1個 空穴發生俄歇複合效應，這樣導致1個更高能量的電子將躍遷到更高的能量狀 態落在r導帶谷從而能夠參與直接帶隙發光。
8對eeh俄歇過程而言，必需要滿足動量守恆。對鍺半導體材料中的L導帶谷 的2個電子，波矢俱為27T(1/2， 1/2， 1/2) /a，對於價帶頂的空穴，波矢為2丌 (0， 0， 0) /a，因而，參與俄歇複合過程的2個電子和1個空穴的總的動量為 2丌(1， 1， 1) /a (也就是2tt (0， 0， 0) /a)，即導致1個更高能量的電子躍遷 到布裡淵區中心(此電子動量為2;r (0， 0， 0) /a)，進而這個在布裡淵區中心
的更高能量的電子最終會落入r導帶谷。而在正常熱平衡情況下，高能量處的r
導帶谷所能夠容納的電子總是一定的，通過eeh俄歇過程躍遷到r導帶谷的多 餘的處於比較高能量位置的電子總會通過快速的非輻射複合多聲子馳豫過程將 能量交給晶格(也就是聲子)而躍遷到最低能量位置，也就是L導帶谷。對普
通鍺材料電致發光器件而言，也就是r導帶谷的電子和價帶頂的空穴的輻射復 合速率是一定的，受到鍺材料r導帶谷的穩定的電子濃度的限制，大量的通過
eeh俄歇過程躍遷到r導帶谷的的高能量電子來不及參與輻射複合而躍遷到最低 能量位置的L導帶谷參與低效的非直接帶隙發光。
因而，如果我們能夠實現利用另一種機制來快速的消耗r導帶谷的電子參與
直接帶隙輻射複合發光而與快速的非輻射複合多聲子馳豫過程相競爭，那麼我
們就可以實現更高濃度的r導帶谷的電子參與輻射複合發光過程。我們專利的 基本思想就是通過利用常規的激射結構，在基於鍺基材料的發光器件大電流注
入情況下(此時，材料n區必須重摻雜)，俄歇效應加劇，大量的電子從L導帶 谷躍遷到r導帶谷(n+慘雜材料)。對發光過程而言，躍遷概率是與參與躍遷的
電子和空穴密度成正比的。而對鍺基材料而言，空穴總是分布於布裡淵區中心
的價帶頂，因此直接帶隙發光躍遷概率只是由參與躍遷的r導帶谷的電子密度
所決定。對於鍺基材料雷射器直接帶隙發光過程，同普通發光器件不同，在有 諧振腔存在的情況下，在注入電流大於等於激射閾值時，發光效率激增，也就
是r導帶谷的電子能夠更快的參與直接帶隙輻射複合過程，更多的r導帶谷的 電子來不及通過多聲子馳豫過程躍遷到l導帶谷而能夠參與基於直接帶隙發光 的輻射複合過程。這樣，就形成了一個正反饋過程，即參與直接帶隙躍遷的r
9導帶谷的電子濃度越來越高，直接帶隙發光躍遷越來越強，躍遷速率越來越大，
相應的光子壽命越來越短，更少的r導帶谷的電子非輻射複合躍遷到l導帶谷， 直到最終達到一個動態的平衡(而不是遵從熱平衡分布的靜態平衡)。這就是我 們本專利的核心思想。
此外，為避免由於重摻雜帶來的比較大的自由載流子吸收係數，我們設計
一個簡單的p+小n+結構作為雷射器的有源層，大注入下的俄歇效應發生在n+區， 電子和空穴注入到低慘或本徵的i區參與基於直接帶隙發光的輻射複合，也就 是
矽基鍺電注入雷射器，通過在大電流注入情況下於注入電流大於等於激射閾 值時利用俄歇效應和雷射器諧振腔形成一個正反饋來調節鍺l導帶谷(非直接
帶隙)和r導帶谷(直接帶隙)的電子濃度比例，實現鍺r導帶谷更高的電子
濃度，從而實現高效率、低工作電流密度的基於鍺直接帶隙近紅外(~1.55pm) 發光的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於，其中包括
至少三層鍺外延單晶層材料組成的？+:11+結構構成的有源層，此有源層實現 近紅外( 1.55pm)鍺材料直接帶隙光發射；
一第一限制層位於有源層的上部；
一第二限制層位於有源層的下部。
有源層中至少包含一層n+ Ge，或n+ SixlGei—xl，或n+ GeyiSn,，t，其中 0^x1^0.15， 0.8SylSl， n型摻雜濃度^lxlO"/cm3。
有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ Si^Ge卜x2,或p+ Ge^Sn—y"其中 0^x2^0.15， 0.8Sy2Sl， p型摻雜濃度^lxl(T/cm3。
有源層中至少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Gei-x3或Gey3Sni.y3， 其中05x3S0.15， 0.8^y3Sl，本徵或n型或p型的摻雜濃度^"1018/ 113。一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。 一位於有源層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。 第二限制層包括n+ Si和n+ SiGe緩衝層。
矽基鍺電注入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環 形諧振腔結構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器 結構。
矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於，其中包括 形成一至少三層鍺外延單晶層材料組成的0+-"11+結構構成的有源層，此有源 層實現近紅外( 1.55pm)鍺材料直接帶隙光發射； 在位於有源層的上部形成一第一限制層； 在位於有源層的下部形成一第二限制層。
有源層中至少包含一層n+ Ge，或n+ SixlGei—xl，或n+ Gey,Sn卜y,，其中 0^x1^0.15， 0.8^1^1， n型摻雜濃度^lxio力cm3。
有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ S^Geh2,或p+ Gey2Sni-y2，其中 032$0.15， 0.8^y2^1， p型摻雜濃度^lxlO力cm3。
有源層中至少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Gei-x3或Gey3Sni.y3， 其中0^x3^0.15， 0.8^3^1，本徵或n型或p型的摻雜濃度^lxio力cm3。
一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
一位於有源層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。
第二限制層包括n+ Si和n+ SiGe緩衝層。
矽基鍺電注入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環形諧振腔結構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器 結構。


為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實例及附圖對本發明作一詳細的 描述，其中
圖1為鍺半導體材料的能帶結構圖2為矽基鍺電注入雷射器的結構截面示意圖。
具體實施例方式
從圖l鍺能帶結構圖可以看出，鍺是非直接帶隙半導體材料，最低導帶谷位
於布裡淵區l點(〈iii〉方向)，次低的導帶谷位於布裡淵區中心r點a=o)，在
方向上還有第二次低的X點。r導帶谷與L導帶谷的能隙差約為0.136 eV (室溫)，而X導帶谷比r導帶谷高0.18eV左右(室溫)。根據玻爾茲曼分布原
理，在較高溫度下除了在最低的L導帶谷分布有主要的電子濃度之外，在r導
帶谷也有比較大量的電子(不超過5%)。
然而，即使這樣，在常規情況下，鍺基材料沒法實現高效的直接帶隙發光， 因而主要是基於間接帶隙發光，而這是一個電子、聲子和光子共同參與的二級 乃至更多級的微擾過程，躍遷概率很低。要實現高效的雷射光源，必須是基於 直接帶隙光發射過程。
Driel等人於1976年報導了在高強度激發情況下實現了鍺的室溫直接帶隙發 光(美國Solid state communications Vol 20， pp837~840， 1976年)，而在低溫下沒 有觀察到相應的直接帶隙發光，這與上述描述相符，即只有在溫度比較高的時
候才有可能在r導帶谷分布有少量的電子來提供直接帶隙發光，而在溫度比較低的時候電子主要冷凍在L導帶谷，不能夠參與直接帶隙發光過程；Klingenstein 等人於1978年報導了在高激發強度情況下觀察到n型鍺材料強的直接帶隙光致 發光(美國Solid state electronics Vol 21， ppl371 1374' 1978年)，他們利用鍺 的俄歇係數很好的擬合了相關數據，主要思想就是在高激發情況下，鍺材料中 eeh俄歇過程加劇。在這個過程中，鍺材料L導帶谷的2個電子和價帶頂的1個 空穴發生俄歇複合效應，這樣導致1個更高能量的電子將躍遷到更高的能量狀 態落在r導帶谷從而能夠參與直接帶隙發光。
對eeh俄歇過程而言，必需要滿足動量守恆。對鍺半導體材料中的L導帶谷 的參與俄歇複合過程的2個電子和價帶頂的1個空穴的總的動量為2;K1， 1， 1) /a(也就是27r(0， 0， 0) /a)，即導致1個更高能量的電子躍遷到布裡淵區中心 (此電子動量為2;r (0， 0， 0) /a)，進而這個在布裡淵區中心的更高能量的電
子最終會落入r導帶谷。而在正常熱平衡情況下，高能量處的r導帶谷所能夠
容納的電子總是一定的，通過eeh俄歇過程躍遷到r導帶谷的多餘的處於比較 高能量位置的電子總會通過快速的非輻射複合多聲子馳豫過程將能量交給晶格 (也就是聲子)而躍遷到最低能量位置，也就是L導帶谷。對普通鍺材料電致
發光器件而言，也就是r導帶谷的電子和價帶頂的空穴的輻射複合速率是一定
的，受到鍺材料r導帶谷的穩定的電子濃度的限制，大量的通過eeh俄歇過程
躍遷到r導帶谷的的高能量電子來不及參與輻射複合而躍遷到最低能量位置的
L導帶谷參與低效的非直接帶隙發光。
在本專利中，我們利用常規的激射結構，在基於鍺基材料的發光器件大電流
注入情況下(此時，材料n區必須重摻雜)，俄歇效應加劇，大量的電子從L導 帶谷躍遷到r導帶谷(n+摻雜材料)。對發光過程而言，躍遷概率是與參與躍遷 的電子和空穴密度成正比的。而對鍺基材料而言，空穴總是分布於布裡淵區中
心的價帶頂，因此鍺材料直接帶隙發光躍遷概率只是由參與躍遷的r導帶谷的
電子密度所決定。對於鍺基材料雷射器直接帶隙發光過程，同普通發光器件不 同，在有雷射器諧振腔存在的情況下，在注入電流大於等於激射閾值時，發光
13效率激增，也就是r導帶谷的電子能夠更快的參與直接帶隙輻射複合過程，更 多的r導帶谷的電子來不及通過多聲子馳豫過程躍遷到l導帶谷而能夠參與基 於直接帶隙發光的輻射複合過程。這樣，就形成了一個正反饋過程，即參與直 接帶隙躍遷的r導帶谷的電子濃度越來越高，直接帶隙發光躍遷越來越強，躍 遷速率越來越大，相應的光子壽命越來越短，更少的r導帶谷的電子非輻射復 合躍遷到l導帶谷，直到最終達到一個動態的平衡(而不是遵從熱平衡分布的 靜態平衡)。這就是我們本專利的核心思想。
此外，為避免由於重摻雜帶來的比較大的自由載流子吸收係數，我們設計一
個簡單的？+-"11+結構作為雷射器的有源層，大注入下的俄歇效應發生在n+區，
電子和空穴注入到低摻或本徵的i區參與基於直接帶隙發光的輻射複合。 具體的矽基鍺電注入雷射器結構如圖2所示，其特徵在於，其中包括 至少三層鍺外延單晶層材料組成的？+-"11+結構構成的有源層，此有源層實現
近紅外( 1.55pm)鍺材料直接帶隙光發射； 一第一限制層位於有源層的上部； 一第二限制層位於有源層的下部。
有源層中至少包含一層n+ Ge，或n+ Si^Ge卜xl，或n+ GeylSni-yl，其中 0&1$0.15， 0.8SylSl， n型摻雜濃度^lxio力cm3。
有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ Six2Ge卜x2,或p+ Gey2Sni—y2，其中 OSx2S0.15， 0.8^2^1， p型摻雜濃度^lxlO力cm3。
有源層中至少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Ge,—x3或Gey3Sni.y3， 其中0^x3^0.15， 0.8^y3^1，本徵或n型或p型的摻雜濃度Slxl018/0113。 ' 一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
一位於有源層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。
14第二限制層包括n+ Si和n+ SiGe緩衝層。
矽基鍺電注入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環 形諧振腔結構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器 結構。
如圖2所示的矽基鍺電注入雷射器，它的製備方法的特徵在於，其中包括 形成一至少三層鍺外延單晶層材料組成的？+-"11+結構構成的有源層，此有源 層實現近紅外( 1.55nrn)鍺材料直接帶隙光發射； 在位於有源層的上部形成一第一限制層； 在位於有源層的下部形成一第二限制層。
有源層中至少包含一層n+ Ge，或n+ SixlGei—xl，或n+ GeylSni-yl，其中 0&1$0.15， 0.8^ylSl， n型摻雜濃度^lxlO力cm3。
有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ Six2Ge卜x2,或p+ Ge^Sn—y2，其中 0^x2^0.15， 0.8^2^1, p型摻雜濃度^lxli9/cm3。
有源層中至少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Gei—x3或Gey3Sni.y3， 其中0^x3^0.15， 0.8^y3^1，本徵或n型或p型的摻雜濃度Slxii8/cm3。
一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
一位於有源層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。
第二限制層包括n+ Si和n+ SiGe緩衝層。
矽基鍺電注入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環 形諧振腔結構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器 結構。
可以通過UHVCVD (超高真空化學氣相澱積)或MBE (分子束外延)手段在n+矽單晶襯底上外延一層n+的SiGe緩衝層來充當有源層的光學限制層和電注 入限制層，接著形成至少三層鍺外延單晶層材料組成的p+小n+結構構成的有源 層，在此基礎上，外延一層P+的SiGe緩衝層來充當有源層的光學限制層和電注 入限制層，最後外延一層P+的矽單晶層。這樣矽基鍺電注入雷射器所需的基本 材料如有源層、第一限制層和第二限制層都製備完畢。最後澱積不同的材料或 腔面解理形成不同的諧振腔結構。當然，要形成矽基鍺電注入雷射器，還必須 在上下澱積金屬電極材料。
雷射器諧振腔結構包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環形諧振腔結 構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器結構。
同樣也可以在P+單晶矽襯底上形成類似的結構。
儘管我們本專利的有源層材料只是基於外延的鍺單晶層組成的？+-"11+結構， 而且也只是限定了幾種最常用的半導體雷射器結構(如邊發射條形雷射器，分 布反饋DFB雷射器，衍射布拉格反射DBR雷射器以及面發射VCSEL雷射器 等)，但是這不妨礙將相關的有源層材料製作別的類似結構的半導體雷射器。此 外，有源層也不必限於p+小n+結構和鍺外延層材料，鍺塊體材料和類似能帶結 構的半導體材料都可以，只要是直接帶隙比間接帶隙小的差值在0.5eV以內俱可 以採用相關的思想，而且？+-"11+結構中的i層也可以為相應的量子阱、量子線
或量子點材料。再者，通過應變作用也可以減少鍺等類似能帶結構半導體材料r
導帶谷與L導帶谷的差值(Ishikawa Yasuhiko et al， Journal of Applied Physics, v 98: 2005年,p 013501)，進一步降低工作電流密度。
1權利要求
1、矽基鍺電注入雷射器，通過在大電流注入情況下於注入電流大於等於激射閾值時利用俄歇效應和雷射器諧振腔形成一個正反饋來調節鍺L導帶谷(非直接帶隙)和Γ導帶谷(直接帶隙)的電子濃度比例，實現鍺Γ導帶谷更高的電子濃度，從而實現高效率、低工作電流密度的基於鍺直接帶隙近紅外(～1.55μm)發光的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於，其中包括至少三層鍺外延單晶層材料組成的p+-i-n+結構構成的有源層，此有源層實現近紅外(～1.55μm)鍺材料直接帶隙光發射；一第一限制層位於有源層的上部；一第二限制層位於有源層的下部。
2、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於有源層中至 少包含一層n+Ge，或n+SiwGe卜xl，或n+Ge^Sn卜y,，其中0$dS0.15， 0.8^1^1 ， n型摻雜濃度^lxl(y9/cm3。
3、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ Six2Ge卜x2，或p+ Gey2Sn卜y2，其中0^x2:^0.15， 0.8Sy2$l ， p型摻雜濃度^lxlW/cm3。
4、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於有源層中至 少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Gei—x3或Gey3Sni.y3，其中0^x3^0.15， 0.8^3^1 ，本徵或n型或p型的摻雜濃度SlxlO"/cm3。
5、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於 一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
6、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於 一位於有源 層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
7、 根據權利要求5所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。
8、 根據權利要求6所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於第二限制層 包括n+ Si和n+SiGe緩衝層。
9、 根據權利要求1所述的矽基鍺電注入雷射器，其特徵在於矽基鍺電注 入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環形諧振腔結構， 或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器結構。
10、 矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於，其中包括-形成一至少三層鍺外延單晶層材料組成的？+-"11+結構構成的有源層，此有源層實現近紅外( 1.55pm)鍺材料直接帶隙光發射； 在位於有源層的上部形成一第一限制層； 在位於有源層的下部形成一第二限制層。
11、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於 有源層中至少包含一層n+ Ge，或n+ Six!Ge卜y，或n+ GeylS -yl，其中0^x1^0.15， 0.8^yl^l， n型摻雜濃度^lxlW/cm3。
12、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於 有源層中至少包含一層p+ Ge，或p+ Si"Ge卜x2，或p+ Gey2Sni-y2,其中0$x2^).15， 0.8^y2^1 ， p型摻雜濃度三l x 1019/cm3。
13、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於 有源層中至少包含一層本徵、或n型或p型的Ge或Six3Ge卜d或Gey3SiiLy3，其 中0^x3^0.15， 0.8Sy3$l，本徵或n型或p型的摻雜濃度SlxlO"/cm3。
14、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於一位於有源層上部的第一限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
15、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於一位於有源層下部的第二限制層對有源層提供光場限制和載流子注入限制。
16、 根據權利要求14所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於:第一限制層包括p+ Si和p+ SiGe緩衝層。
17、 根據權利要求15所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於: 第二限制層包括n+ Si和n+ SiGe緩衝層。
18、 根據權利要求10所述的矽基鍺電注入雷射器的製備方法，其特徵在於: 矽基鍺電注入雷射器的諧振腔包含一溝道波導結構，或脊形波導結構，或環形 諧振腔結構，或垂直腔面發射結構，或分布反饋結構，或衍射布拉格反射器結 構。
全文摘要
矽基鍺電注入雷射器及製作方法。該雷射器的有源層基於單晶矽片上外延鍺基單晶層材料形成的p+-i-n+結構。一第一限制層位於有源層上部，一第二限制層位於有源層下部。該雷射器通過在大電流注入下於注入電流大於等於激射閾值時利用俄歇效應和雷射器諧振腔形成一個正反饋來調節鍺L導帶谷和Γ導帶谷的電子濃度比例，實現鍺Γ導帶谷更高的電子濃度，從而實現高效率、低工作電流密度的基於鍺直接帶隙近紅外(～1.55μm)發光的矽基鍺電注入雷射器。
文檔編號H01L21/00GK101557074SQ200810044579
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月10日 優先權日2008年4月10日
發明者張建國 申請人:電子科技大學