[发明专利]一种IV族直接带隙半导体超晶格材料及其应用

说明书

本发明公开了一种IV族直接带隙半导体超晶格材料及其应用。该超晶格材料是在Ge衬底或Si上外延虚拟Ge衬底上生长的GeSn/SiSn异质结，所述的GeSn/SiSn异质结与Ge晶格匹配形成超晶格结构，所述GeSn/SiSn异质结包括多个周期性重复的Si_1‑xSn_x层和Ge_1‑ySn_y层。本发明通过常规分子束外延生长方法，即可制备出与Ge晶格匹配的IV族直接带隙半导体超晶格材料，基于该超晶格材料制备的相应的激光器具有优异的性能，解决了现有技术中虚拟衬底生长难度大，以及高密度位错降低器件性能的问题。此外，本发明的制备工艺简单，易于控制，适合规模化生产及应用。

技术领域

本发明涉及一种IV族直接带隙半导体超晶格材料及其应用，属于半导体光电器件技术领域。

背景技术

随着信息时代数据传输的迅猛发展，集成电路中传统的铜互连方式电磁干扰和高延迟等问题，无法满足现今互联网高速数据传输的需求。同时，随着器件的尺寸不断缩小，铜线半径随之减小，从而导致电阻增大，功耗增大。针对上述问题，以光互联替代铜互联来传输信息是一种有效的解决方法。由于IV族元素均为间接带隙半导体材料，发光效率低下，目前主流商用的Si基光源为片外生长III-V族激光器，然后键合到Si基上，但这种方法增大了光源模块尺寸，限制了进一步的大规模集成。近年来，通过能带工程，将IV族材料转换为直接带隙半导体，实现Si基光源得到了极大的关注。在Ge中引入1.4％的双轴张应变，可使得Ge转变为直接带隙半导体。但基于张应变Ge的光电子器件制备工艺非常复杂，比如需要集成Si₃N₄应力源层，选择性湿法欠刻蚀等等。在Ge中掺入一定量的Sn元素，形成GeSn，当Sn组分超过8％时，GeSn也可转变为直接带隙材料。GeSn材料相对于应变Ge材料，具有更高的载流子迁移率，因此，成为了Si基电子与光电子器件的热门材料。目前，实验室中已成功制备了GeSn激光器。但由于GeSn与Si、Ge衬底的晶格失配度较大，无法直接在Si或者Ge衬底上直接外延生长GeSn激光器。科学家们通常首先在Si或者Ge上生长一层弛豫的GeSn虚拟衬底(virtual substrate，VS)，再在这层GeSn VS上外延GeSn激光器结构。而弛豫的材料，位错密度较大，对器件性能会带来不利影响。为了尽量减小位错对于上层器件性能的影响，需要严格控制GeSn VS中的位错为刃位错，不能产生其他方向的位错，否则，位错会移动至上层外延的器件中，导致器件无法发光。这种只具有刃位错的GeSn VS的生长难度极大，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的是：鉴于Si基光源的应用需求，提供一种与Ge衬底完全晶格匹配的半导体异质结材料及相应的激光器结构，用于解决现有技术中虚拟衬底生长难度大，以及高密度位错降低器件性能的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种IV族直接带隙半导体超晶格材料，该超晶格材料是在Ge衬底或Si上外延虚拟Ge衬底上生长的GeSn/SiSn异质结，所述的GeSn/SiSn异质结与Ge晶格匹配形成超晶格结构，所述GeSn/SiSn异质结包括多个周期性重复的Si_1-xSn_x层和Ge_1-ySn_y层；其中：

靠近衬底的一层为Si_1-xSn_x，周期性重复的最后一层Ge_1-ySn_y上覆盖有一层Si_1-xSn_x；

所述Si_1-xSn_x层中的Sn元素的原子百分含量为10-30％；所述Ge_1-ySn_y层中的Sn元素的原子百分含量为5-20％；