Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的研究進(jìn)展

劉 智，李傳波，薛春來，成步文

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的研究進(jìn)展

劉 智，李傳波，薛春來，成步文*

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

近年來，與Si的CMOS工藝相兼容的Ge/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件取得很多重要的進(jìn)展。本文概述了Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的最新成果，如Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管、Si襯底上的Ge發(fā)光二極管及激光器和Ge/SiGe多量子阱發(fā)光二極管，分別描述了這些器件的特點(diǎn)和增強(qiáng)其發(fā)光特性的途徑。最后展望了Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的發(fā)展趨勢，指出盡管Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件獲得了很大的發(fā)展，但是器件的發(fā)光效率仍然很低，離實(shí)用還有一定距離，還需要在材料和器件的結(jié)構(gòu)方面有更多的創(chuàng)新。

發(fā)光器件；發(fā)光二極管；Ge；Ge/Si量子點(diǎn)；Ge/SiGe量子阱

1 引 言

Si是半導(dǎo)體微電子工業(yè)中最重要的基礎(chǔ)材料。自從20世紀(jì)70年代開始，微電子集成電路的集成密度一直遵循著著名的摩爾定律飛速發(fā)展；但隨著集成電路特征尺寸的進(jìn)一步減小，Si集成電路即將到達(dá)物理極限。高集成密度帶來的量子效應(yīng)和高發(fā)熱問題，以及電互連的損耗和時延問題都限制著集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，而使用兼容CMOS技術(shù)的Si基光互連，用光子作為信息載體，是解決這些問題最有潛力的方式之一［1-2］。Si基光互連電路中最重要的基礎(chǔ)器件有Si基光源、波導(dǎo)、調(diào)制器和探測器，其中除了Si基光源外，其他的器件都有了有效的解決方案，這使得高效的Si基光源成為Si基光互連中最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)［3］。

Si是間接帶隙半導(dǎo)體材料，它的光輻射復(fù)合需要聲子參與，是一個多粒子過程，發(fā)光效率非常低。在體Si中，非輻射的粒子復(fù)合幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輻射復(fù)合，絕大多數(shù)的受激電子-空穴對的復(fù)合都為非輻射復(fù)合，這都限制了Si的發(fā)光。近幾十年，Si基光源有了許多進(jìn)展。2001年，Green等人利用在太陽能電池研究上的豐富經(jīng)驗(yàn)，制備了外量子效率為1%的室溫Si發(fā)光二極管［4］；雖然該Si發(fā)光二極管外量子效率高，然而工藝復(fù)雜，不能與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。同年Ng等人報道了采用位錯環(huán)局域化體Si中的電子和空穴，從而實(shí)現(xiàn)室溫電注入發(fā)光［5］；這種方法實(shí)現(xiàn)的器件的重復(fù)性和穩(wěn)定性還不能保證，需要高溫退火工藝。2005年，Intel公司的Rong等人報道的Si拉曼激光器實(shí)現(xiàn)了光泵浦的Si激光器［6-7］，但是拉曼激光器只能工作在光泵浦的條件下，極大地限制了Si拉曼激光器的應(yīng)用。另外，在Si襯底上鍵合或在Ge襯底上外延的Ⅲ-Ⅴ族激光器也得到了深入的研究［8-9］；但是Ⅲ-Ⅴ族的工藝無法與Si的CMOS工藝兼容，這也限制了該激光器在Si基光互連領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，更需要一種與現(xiàn)有Si工藝兼容的電泵浦運(yùn)作的Si基激光器。

同為Ⅳ族元素的Ge，完全兼容現(xiàn)有的Si工藝。并且，相比于Si，Ge在光電特性方面具有很多的優(yōu)勢。Ge具有比Si更高的電子和空穴遷移率：Ge電子和空穴的遷移率分別為3 900和1 900 cm2·V-1·s-1，而Si的電子和空穴遷移率分別為1 417和471 cm2·V-1·s-1。Ge與Si之間4.2%的晶格失配使得人們在Si上可以更簡單地獲得自組裝的Ge低維納米結(jié)構(gòu)——Ge量子點(diǎn)，而低維納米結(jié)構(gòu)正是提高間接帶隙材料發(fā)光的一種極為重要的途徑［10］。另外，盡管Ge也是間接帶隙的半導(dǎo)體材料，但其直接帶隙只比間接帶隙大140 meV（EL=0.66 eV）。電子在Ge的Γ能谷仍然具有一定的占據(jù)幾率，并且占據(jù)Γ能谷的電子具有極高的光輻射復(fù)合幾率。通過能帶工程，有效提高電子在Γ能谷的占據(jù)幾率，這使得高效的Si基Ge直接帶隙發(fā)光器件成為可能。

本文概述了應(yīng)用于Si基光互連的Ge/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的進(jìn)展，如Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管、Si基Ge發(fā)光二極管及激光器和Ge/SiGe量子阱發(fā)光二極管。

2 Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管

在低維Ge/Si量子結(jié)構(gòu)中，由于載流子被高度局域，其動量被拓展分布，易于達(dá)到躍遷中動量守恒的要求，從而可以大大提高間接帶隙材料的發(fā)光特性。近20年來，Ge/Si量子點(diǎn)的發(fā)光特性得到了深入的研究，證實(shí)了Ge/Si量子點(diǎn)的II型能帶結(jié)構(gòu)［11］，即在Ge/Si量子點(diǎn)材料中，Ge量子點(diǎn)只對空穴有很好的限制，而對電子的限制很弱。從2000年開始，就有研究人員陸續(xù)報道了Ge/Si量子點(diǎn)的電致發(fā)光［12-14］，但Ge/Si發(fā)光依然很弱，發(fā)光譜很寬，很多發(fā)光甚至只能在低溫時才能被觀察到。增強(qiáng)Ge/Si量子點(diǎn)的發(fā)光，可以從器件結(jié)構(gòu)和材料外延兩方面著手。在器件結(jié)構(gòu)方面，基于微腔和光子晶體的Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管有過報道［15-16］，由于微腔和光子晶體對光場的增強(qiáng)和選模作用，在室溫下觀察到了Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管較尖銳的發(fā)光峰。在材料外延方面，Ge/Si大部分的研究都集中在減小Ge量子點(diǎn)的尺寸、增大Ge量子點(diǎn)的面密度、量子點(diǎn)位置和大小控制方面，以改善其發(fā)光特性。小尺寸的量子點(diǎn)具有更好的量子限制效應(yīng)，可以減弱間接帶隙材料輻射復(fù)合的選擇定則［17］。Ge量子點(diǎn)尺寸的不均勻造成了Ge量子點(diǎn)發(fā)光峰位的展寬，但使用圖形襯底、表面雜質(zhì)誘導(dǎo)成核等方式可以有效提高Ge量子點(diǎn)尺寸的均勻性［18-19］。變溫生長方式是一種新的Ge/Si量子點(diǎn)的外延方式，即不改變Ge量子點(diǎn)的外延溫度，僅適當(dāng)提高Si覆蓋層的外延溫度的外延過程，一般變化溫度范圍在60℃左右，溫度過高則會加強(qiáng)Si和Ge之間的互混。通過變溫過程中Ge量子點(diǎn)的Ostwald熟化過程來控制Ge量子點(diǎn)的大小。變溫過程又類似于原位退火，可以有效地提高Ge/Si量子點(diǎn)的晶體質(zhì)量，避免后期高溫退火來帶的Si-Ge互混，從而提高Ge/Si量子點(diǎn)的發(fā)光特性，以及紅外吸收特性［20-21］。Ge/Si量子點(diǎn)的N型原位摻雜則是另一種提高Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光特性的方法［22］。在Ge量子點(diǎn)外延生長的同時，通入適量氫氣稀釋的磷烷，使得Ge量子點(diǎn)及其附近成為N型區(qū)域。N型摻雜可以為Ge量子點(diǎn)提供額外的電子，有效提高Ge量子點(diǎn)的光致發(fā)光和電致發(fā)光特性。圖1和圖2分別給出了外延的Ge/Si量子點(diǎn)多層結(jié)構(gòu)的STEM圖和發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)圖。Ge/Si量子點(diǎn)多層結(jié)構(gòu)具有很好的晶體質(zhì)量和Ge量子點(diǎn)縱向耦合。另外由于Ge量子點(diǎn)多層結(jié)構(gòu)一般不能承受高于外延溫度的后期退火，所以選用N+的Si襯底和原位B摻雜形成的P+區(qū)。

圖1 Ge/Si多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的STEM圖Fig.1 STEM image ofmultilayer Ge/SiQDs

圖2 Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cross-sectional view of Ge/Si QD LED

圖3 非摻雜和N型摻雜的Ge/Si多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光譜Fig.3 Photoluminescence spectra of undoped and phosphors-doped multilayer Ge/SiQDs

圖4 非摻雜和N型摻雜的Ge/Si量子點(diǎn)發(fā)光二極管的電致發(fā)光譜Fig.4 Electroluminescence spectra of undoped and phosphors-doped Ge/Si QD LEDs

圖3和圖4分別給出了N型摻雜引起的Ge/ Si量子點(diǎn)室溫光致發(fā)光和電致發(fā)光譜。相比不摻雜的樣品，N摻雜的Ge/Si量子點(diǎn)室溫光致發(fā)光和電致發(fā)光都有了顯著的提高。即使在40 A/cm2的小注入電流下，也能在室溫下觀察到Ge/Si量子點(diǎn)的電致發(fā)光。發(fā)光譜較寬，發(fā)光峰位在1 500 nm左右。

3 Si基Ge發(fā)光二極管及激光器

隨著高質(zhì)量的Ge薄膜可以成功外延在Si襯底上［23］，Ge薄膜在Si基發(fā)光領(lǐng)域獲得了前所未有的發(fā)展。2007年，Liu等人理論計算得出，通過對Ge進(jìn)行N型摻雜和引入張應(yīng)變，可以有效提高Ge的發(fā)光效率，在1 550 nm附近甚至可以獲得光增益［24］。根據(jù)形變勢理論，在Ge中引入張應(yīng)變時，Ge直接帶隙比間接帶隙縮小得更快，這就進(jìn)一步縮小了Ge直接和間接帶的差距，使得電子在Γ能谷的占據(jù)幾率更大。理論計算表明：在Ge中引入2%的張應(yīng)變時，Ge將轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧希?5］。最常見在Ge中引入張應(yīng)變的方法是利用Si與Ge之間的熱失配——在Si襯底上高溫外延弛豫的Ge薄膜，由于Ge的熱膨脹系數(shù)＞Si，降低至室溫時，在Ge中便引入了張應(yīng)變。Si與Ge熱脹系數(shù)差引起的Ge張應(yīng)變一般不超過0.26%［25］。Cheng等人也在實(shí)驗(yàn)中觀察到［26］了這種張應(yīng)變增強(qiáng)的Ge直接帶隙光致發(fā)光效應(yīng)。通過微機(jī)械的方法，可以在Ge中引入更大的張應(yīng)變。Lim等人和Jain等人通過微機(jī)械方式在Ge中引入機(jī)械應(yīng)變，研究了在機(jī)械應(yīng)變的影響下，Ge光學(xué)性能的變化［27-28］。研究證實(shí)了雙軸張應(yīng)變可以減小Ge直接帶隙寬度，進(jìn)一步增強(qiáng)直接帶隙光發(fā)射幾率和光增益：在2%的張應(yīng)變下可以達(dá)到1 077 cm-1的光增益。

對Ge進(jìn)行高濃度的N型摻雜，增加電子在導(dǎo)帶的填充，可以有效地提高電子的費(fèi)米能級，以提高電子在Γ能谷的占據(jù)幾率，從而提高直接帶隙的光輻射復(fù)合幾率，降低達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需要的注入電流。Sun等人觀察到了這種N型摻雜引起的Γ能谷的填充效應(yīng)以增強(qiáng)直接帶隙發(fā)光的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象［29］。

2009年，3個研究小組同時獨(dú)立研制出Ge發(fā)光二極管［30-33］。斯坦福大學(xué)小組使用N+/P結(jié)構(gòu)，利用Si-Ge之間的熱失配，并引入了0.2%的張應(yīng)變。在注入電流＞160 A/cm2時，器件在1.6μm波段的電致發(fā)光迅速增強(qiáng)。而且不同于一般發(fā)光器件的溫度特性，Ge的電致發(fā)光隨著溫度的升高而增強(qiáng)，這與Ge間接帶隙的特性有關(guān)。圖5顯示了本研究小組的Ge發(fā)光二極管的電致發(fā)光光譜，所使用的是PIN結(jié)構(gòu)，在1.1～2.5 V的正向偏置下，觀察到了在1 565 nm附近Ge的直接帶發(fā)光，發(fā)光峰半寬為90 meV。MIT研究小組使用的也是PIN結(jié)構(gòu)，他們在Ge中引入了0.2%～0.25%的張應(yīng)變，使Ge發(fā)光二極管的發(fā)射波長在1.6μm波段。同年，Liu等人在有SiO2窗口的Si襯底上選擇性外延面積為500μm2，N型摻雜濃度為1×1019cm-3的Ge圓臺，并引入了0.24%的熱失配張應(yīng)變。使用100 mW的1 480 nm連續(xù)激光器泵浦圓臺，利用可調(diào)諧激光器輸出信號光。圓臺后的探測器測量不同波長信號光透射過Ge圓臺后的光強(qiáng)變化，觀察到了在1 600～1 608 nm的光增益［34］，在1 605 nm獲得的最大光增益系數(shù)為56±25 cm-1。

圖5 Ge on Si發(fā)光二極管的電致發(fā)光譜Fig.5 Electroluminescence spectra of Ge on Si LED

2010年，第一個Si基Ge室溫光泵脈沖激光器被成功實(shí)現(xiàn)［35］。Liu等人在Si上選擇性外延生長了1.6μm×0.5μm×4.8 mm的Ge波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中摻雜濃度為1×1019cm-3。激光器有源區(qū)的Ge薄膜受到來自Ge-Si熱失配帶來的0.24%張應(yīng)變。泵浦光為1 064 nm的脈沖激光器，脈沖周期為1.5 ns，對Ge有源區(qū)的瞬間激發(fā)功率密度是300 kW/cm2。在脈沖功率為1.5μJ的泵浦下，觀測到了峰值波長分別在1 599、1 606和1 612 nm的光致發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度具有較明顯的激射閾值。

2012年，MIT研究小組成功實(shí)現(xiàn)了Si基Ge脈沖電注入的激光器［36］。該小組在Si上選擇性外延生長了Ge波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使用delta摻雜和退火的方法將Ge中的N型摻雜濃度提高到了4× 1019cm-3［37］。然后對Ge波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電化學(xué)拋光，將Ge波導(dǎo)的厚度減薄拋光至100～300 nm。在波導(dǎo)上沉積了P++多晶硅，最后蒸鍍了Ti/Al電極。器件泵浦所用的脈沖電源脈沖寬度為20μs～100 ms，占空比為4%。器件的溫度被溫控系統(tǒng)控制在15℃。當(dāng)注入電流密度＞280 kA/cm2時，觀察到了Ge的電致激射，激發(fā)波長在1 600 nm附近，隨Ge波導(dǎo)厚度的不同而變化。該Ge激光器可獲得的最大光功率在1 mW左右。

4 Ge/SiGe量子阱發(fā)光二極管

量子阱結(jié)構(gòu)對載流子有著良好的限制能力，是制作高效光源的常見結(jié)構(gòu)。2005年，Kuo等人在Ge/SiGe量子阱結(jié)構(gòu)中觀察到了很強(qiáng)的量子限制Stark效應(yīng)，并以此設(shè)計了Si基的高速電吸收調(diào)制器，證實(shí)了Ge/SiGe量子阱的的I型能帶結(jié)構(gòu)對載流子具有很好的限制能力［38］。2009年，Chen等人觀察到了利用Si基Ge虛襯底，外延了張應(yīng)變的Ge/SiGe量子阱，并觀察到了量子阱的直接帶隙室溫光致發(fā)光［39］。2011年，Chaisakul等人對Ge/SiGe波導(dǎo)調(diào)制器施加了正向電壓，在大注入的情況下（＞2.3 kA/cm2），觀察到了Ge/ SiGe量子阱直接帶隙的電注入發(fā)光［40］，發(fā)光峰位在0.87 eV，且具有TE偏振。發(fā)光強(qiáng)度隨著注入電流的增大而增強(qiáng)，發(fā)光峰位則隨之紅移，該紅移是由于溫度升高引起的帶隙縮小。同時觀察到了Ge/SiGe量子阱的發(fā)光隨著溫度的升高而增大的現(xiàn)象。2012年，Wu等人研究了Ge/SiGe量子阱在300～440 K時直接帶隙和間接帶隙的光致發(fā)光的變化［41］。直接帶隙發(fā)光強(qiáng)度與間接帶隙發(fā)光強(qiáng)度之比隨著溫度的增加而增大。同年，本課題組對Ge/Si量子阱進(jìn)行N型摻雜，通過摻雜為Ge/SiGe量子阱提供額外的復(fù)合電子。Ge/SiGe量子阱結(jié)構(gòu)也將進(jìn)一步加大Ge/SiGe量子阱中的電子濃度，從而提高Ge/Si量子阱的發(fā)光特性［42］。

圖6 Ge/SiGe多量子阱結(jié)構(gòu)的STEM圖Fig.6 STEM image of Ge/SiGe MQWs

圖7 Ge/SiGe多量子阱發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Cross-sectional view of Ge/SiGe MQW LED

圖8 Ge/SiGe多量子阱發(fā)光二極管的電致發(fā)光譜Fig.8 Electroluminescence spectra of Ge/SiGe MQW LED

圖6和圖7分別給出了結(jié)構(gòu)的STEM圖和器件結(jié)構(gòu)示意圖。Ge/SiGe量子阱的界面清晰，只觀察到少量穿透位錯，量子阱擁有很好的晶體質(zhì)量。圖8顯示了Ge/SiGe量子阱的電致發(fā)光的光譜圖。器件在大于0.6 V的正向偏壓下，對應(yīng)注入電流僅為390 A/cm2時，即觀察到了Ge/SiGe量子阱狹窄的室溫直接帶隙發(fā)光。發(fā)光峰位在0.835 eV，發(fā)光半寬為28 meV。當(dāng)注入電流密度變大時，發(fā)光強(qiáng)度增大，發(fā)光峰位紅移。

5 結(jié)束語

盡管Si基Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光器件獲得了前所未有的發(fā)展，但是器件的發(fā)光效率仍然很低，離實(shí)用還有一定的距離。Ge/Si量子點(diǎn)的發(fā)光是間接帶隙發(fā)光，存在載流子俘獲和量子限制效應(yīng)，晶體質(zhì)量和Si與Ge互混之間存在一些矛盾關(guān)系，需要進(jìn)一步解決這些問題。對于Si基Ge和Ge/ SiGe量子阱發(fā)光器件，發(fā)光對應(yīng)的是直接帶隙。直接帶隙發(fā)光效率很高，但是載流子占據(jù)幾率很小，需要更高的晶體質(zhì)量。對于張應(yīng)變和N型摻雜的Ge薄膜，還需要在材料和器件的結(jié)構(gòu)方面有更多的創(chuàng)新。

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Progress in Ge/Si heterostructures for light em itters

LIU Zhi，LIChuan-bo，XUE Chun-lai，CHENG Bu-wen*
（State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China）
*Corresponding author，E-mail：cbw@red.semi.ac.cn

Due to the compatibility of Si-based light emitterswith Si CMOS processes，Ge/Si heterostructures based light emitters have developed significantly.This paper reviews themost recent progress of this field，including Ge/SiQuantum Dot（QD）Light Emitting Diode（LED），Ge lightemitting diode on Si，Ge laser on Si，and Ge/SiGe Multiple Quantum Well（MQW）light emitting diode.It describes the characteristics of these light emitting devices and how to enhance their luminescent properties.Finally，it discusses the challenges and opportunities associated with these approaches and suggests thatmuch innovation should be promoted in material and device structures.

light emitter；light emitting diode；Ge；Ge/Si quantum dot；Ge/SiGemultiple quantum well

TN312.8；TN304.2

A

10.3788/CO.20130604.0449

劉 智（1987—），男，浙江建德人，博士研究生，2005年于太原理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長及發(fā)光器件的研究工作。E-mail：zhiliu@semi.ac.cn

李傳波（1976—），男，山東泰安人，博士，研究員，2005年于中科院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，2005年4月起，先后在愛爾蘭國立科克大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、日本國家材料研究所、倫敦帝國理工等機(jī)構(gòu)從事硅基納米材料在光電子器件及清潔能源器件等方面的研究。E-mail：cbli@ semi.ac.cn

薛春來（1979—），男，河南孟州人，博士，副研究員。2002年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于中科院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，主要從事硅基異質(zhì)材料及相關(guān)光電子器件等方面的研究。E-mail：clxue@semi.ac.cn

成步文（1967—），男，湖南婁底人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，1989年、1992年于北京師范大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2006年于中科院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，主要從事硅基光電子學(xué)材料和器件的研究工作。E-mail：cbw@red.semi. ac.cn

1674-2915（2013）04-0449-08

2013-04-14；

2013-06-17

國家重大基礎(chǔ)研究計劃（973計劃）資助項(xiàng)目（No.2013CB632103）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61036003，No.61176013，No.61177038）