GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电子学技术领域，尤其涉及一种GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]Si基半导体是现代微电子产业的基石，Si的互补金属氧化物半导体(complementary mental oxide semiconductor，CM0S)工艺技术已经形成了一个强大的微电子产业。随着技术的进步，Si基集成电路集成度越来越高，性能越来越好。但随着集成度的不断提高，器件特征尺寸的减小，一系列问题也随之产生，例如散热问题严重、电互联的功耗大、RC延迟导致电互联速度受限、小尺寸下的量子限制效应等，都限制着集成电路的进一步发展。以实现Si基光电集成(optoelectronic integrated circuit，0EIC)为目标的Si基光电子学(silicon photonics)有望解决这一难题。遗憾的是Si本身不具备良好的光学特性，在光电转换、电光调制、电光转换等方面有自身固有的缺陷，比如载流子迀移率低、具有高度对称性结构、线性电光系数为零、间接带隙材料、发光效率低。但是，十几年来，经过科学家们的共同努力，Si基光子学已经取得了很大进展，各种Si基光子学材料的制备和器件的制作都取得了可喜的突破。目前除了Si基光源外，人们在Si基光电探测器、电光调制器、波分复用/解复用器领域都有成熟的应用。因而高效的Si基光源，特别是Si基激光器，成为Si基OEIC中最具挑战、也是最重要的目标。
[0003]目前，对Si基光源并没有一个成熟有效的解决方案。要实现Si材料本身做发光源，需通过材料改性、能带工程等方法抑制非辐射复合，提高辐射复合概率，比如Si位错环发光、Si拉曼激光器、掺杂稀土离子等方法。但是这些方法或是工艺复杂，重复性稳定性较差，或是光抽运运作，对Si基光互联的贡献较小，还需要进一步创新。此外，可将发光性能良好的II1-V族材料集成在Si上，实现Si基高效发光。然而II1-V族的工艺与Si CMOS工艺兼容性差，因此不利于0EIC。
[0004]锗锡合金是近年来最受关注的一种IV族半导体材料，与S1、Ge、GeSi合金等已被广泛研究的具有间接带隙的IV族半导体材料不同，GeSn合金当Sn含量大于1 %时将具有直接带隙，是唯一具有直接带隙的IV族二元合金半导体，这使得它在硅电子学尤其是Si基高效发光光源具有非常重要的研究意义，成为近年来一个新的研究热点。虽然Sn含量比较低(<10% )时，GeSn合金是间接带隙的，但是低Sn组分的GeSn合金也具有重要的研究意义。GeSn合金具有比Ge更大的吸收系数，并且Sn的引入将使吸收边红移，同时它还是一种窄带隙材料，带隙在O至0.66eV之间可调。锗锡合金的带隙随Sn含量的增加而降低，其光学吸收边逐渐红移，D’Costa等的结果表明，即使Sn含量仅为0.02，锗锡合金也足以覆盖全通信波段，并且在该波段的吸收系数至少比Ge高10倍，有望被用于红外光电子器件，应用于红外探测成像等领域中。与传统的红外光电子材料(比如HgCdTe)相比，Ge1-xSnx合金具有无毒、无污染等优点，而且还与硅微电子工艺兼容，易于集成。所以，Ge1-xSnx合金在红外光电子学的发展有重要的意义。另外，锗锡合金具有较大的电子和空穴迀移率，可用来制作高性能微电子学器件，这使得这种材料适合作为高速CMOS的沟道材料。
[0005]目前，基于锗锡材料的激光器研究仍处于初级阶段，国内外所发表的基于锗锡材料激光器仍具有光电转换效率低，光稳定性不好等缺点，且目前只能使用脉冲光抽运来实现激射，合适的电抽运方式还有待寻找;GeSn合金激射的临界温度较低，距离实现室温应用还有一定距离。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种GeSn多量子阱金属腔激光器及其制作方法，旨在解决现有技术采用II1-V族材料的金属腔激光器器件具有散热性较差、光稳定性差等缺点，仍无法满足片上光电集成系统对光源的要求，而锗锡激光器难以实现室温电注入的问题。
[0007]本发明是这样实现的，一种GeSn多量子阱金属腔激光器，包括Si衬底、以及自下而上设置在Si衬底上的Ge缓冲层、下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和Ge0.ssSn0.12缓冲层，所述有源层米用应变补偿量子讲结构，所述Ge0.ssSn0.12缓冲层、上分布布拉格反射镜、有源层和下分布布拉格反射镜刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面生长有氮化娃薄膜，所述Ge0.ssSn0.12缓冲层和氮化娃薄膜表面上涂有Ag金属层。
[0008]本发明的特点还在于，有源层由12层压应变的GeSn势阱及对应的13层张应变SiGeSn势皇组成。
[0009]本发明的特点还在于，下分布布拉格反射镜是由24.5对3丨仏说。/^^咖2材料交替组成的η型分布式布拉格反射镜，所述上分布布拉格反射镜是由8.5对SiaGebSnc/SixGeySnz材料交替组成的P型分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为中心反射波长的 1/4，其中a+b+c = l，0<a<0.l，0<b<0.8，0<c<0.3，x+y+z = l，0<x<0.8，0<y<0.12，0<ζ<0.3ο
[0010]本发明的特点还在于，圆柱形台面的刻蚀深度直至下分布布拉格反射镜上端，圆柱形台面的高度为3.5μηι，圆柱形台面的半径为Ιμπι。
[0011]上述GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法包括如下步骤:
[0012]步骤1、在Si衬底上利用低温分子束外延法生长一层Ge薄膜，作为Ge缓冲层；
[0013]步骤2、在Ge缓冲层上依次生长下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫Ge0.ssSn0.12缓冲层；
[0014]步骤3、将步骤2获得的下分布布拉格反射镜、有源层、上分布布拉格反射镜和应变弛豫GeQ.88SnQ.12缓冲层刻蚀成圆柱形台面；
[0015]步骤4、在圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜表面利用低压化学气相沉积法生长氮化硅薄膜；
[0016]步骤5、在Ge0.ssSn0.12缓冲层和氮化娃薄膜表面涂Ag，形成Ag金属层。
[0017]本发明的有益效果如下:
[0018]本发明针对现有技术中采用II1-V族材料的金属腔激光器器件散热性较差、光稳定性差等缺点，仍无法满足片上光电集成系统对光源的要求，提出了一种具有金属腔的柱状结构的GeSn多量子阱的激光器器件及其制作方法。本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够通过调整Sn组分的大小改变应力大小以实现锗锡光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率和光稳定性，加工简单、方便。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的结构示意图；
[0020]图2为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法中步骤I的加工示意图；
[0021]图3为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法中步骤2的加工示意图；
[0022]图4为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法中步骤3的加工示意图；
[0023]图5为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法中步骤4的加工示意图；
[0024]图6为本发明实施例GeSn多量子阱金属腔激光器的制造方法中步骤5的加工示意图；
[0025]图中:l、Si衬底;2、Ge缓冲层;3、下分布布拉格反射镜;4、有源层;5、上分布布拉格反射镜，6、Ge0.ssSn0.12缓冲层，7、氮化娃薄膜，8、Ag金属层。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案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。
[0027]图1示出了本发明实施例提供的GeSn多量子阱金属腔激光器的结构。如图1所示，本发明实施例的一种GeSn多量子阱金属腔激光器，包括Si衬底1、以及自下而上设置在Si衬底I上的Ge缓冲层2、下分布布拉格反射镜3、有源层4、上分布布拉格反射镜5和Ge0.ssSn0.12缓冲层6，有源层4米用应变补偿量子讲结构，Ge0.ssSn0.12缓冲层6、上分布布拉格反射镜5、有源层4和下分布布拉格反射镜3刻蚀成圆柱形台面，圆柱形台面的侧面以及下分布布拉格反射镜3表面生长有氮化硅薄膜7，Ge0.88Sn0.12缓冲层6和氮化硅薄膜7表面上涂有Ag金属层8。由于银的导热率和反射率都很高，因此用Ag金属来做金属腔，更有利于散热，同时具有更好的光反射率，对形成激光更有利。
[0028]在本发明实施例中，有源层4由12层压应变的GeSn势阱及对应