基于能带调制的高质量绝缘层上锗发光器件的制备和研究

A silicon-based monolithic laser source has long been envisioned as a key enabling component for large-scale electronic-photonic integration in future generations of high-performance computation and communication systems. Germanium emerges as the promising candidate for active devices in Si photonics due to its pseudo-direct gap behavior and compatibility with Si complementary metal oxide semiconductor (CMOS) processing. Band-engineering by the n-type doping proved an effective approach to enhance the direct band gap transition. The net optical gain of Ge is difficult to achieve due to the challenges of fabricating the high quality Ge films on Si and of realizing the n+ doping in Ge. In this project, the high quality germanium-on-insulator (GeOI) substrate fabricated by wafer bonding and chemical mechanical polishing from the bulk Ge will be used as the starting material. Then the n-type doping will be introduced to achieve the direct band gap transition in Ge, which is crucial for the high efficiency light emission from Ge in the communication window of 1.5-1.7um. The n+ doping in Ge can be achieved by multiple P and Sb doping via the spin-on-dopants (SOD) technique, or by bending the surface band of Ge to make the surface electrons in a strong accumulation state via adjusting the gate voltage of n-Ge MOS capacitor. After optimizing the aforementioned processes, the Ge film can be used as the active layer to accomplish the GeOI microdisk resonators, providing high efficiency light source compatible with the CMOS process. Further the nonlinear dynamics of the spectroscopy of this bandgap-engineered Ge will be investigated.

硅基单片激光光源是下一代高性能计算和通信系统大规模电-光集成的核心要素。锗由于其准直接禁带的能带结构和与硅CMOS工艺的兼容性，而成为硅基有源光子器件的优异候选者。通过n型重掺杂而实现的能带调制，可以有效提高锗的直接禁带发光。由于高质量硅上锗薄膜制备及锗中n型重掺实现等难点，使锗的净光增益很难获得。本项目将从单晶体锗减薄获得的高品质绝缘层上锗衬底作起始材料，结合重掺杂，获得来自锗直接禁带跃迁的高效发光并将发光波长维持在1.5-1.7微米通信波段。n型重掺杂将通过旋涂掺杂法多次掺杂磷和锑实现；或通过制备锗MOS电容，调节栅压使锗表面能带弯曲，费米能级上升，锗表面电子处于强积累状态来实现等效重掺杂。结合微腔结构，制备绝缘层上锗微盘谐振腔，为硅基发光提供与CMOS工艺兼容的高效光源。并在此基础上，研究能带调制锗发光的非线性动力学过程。

在硅基上实现光电单片集成，能为微电子器件提供大带宽的光互连，同时为光电子器件提供低廉的制造成本，这使得硅基光电子成为国际上半导体领域研究的热点。晶体硅由于间接带隙的能带结构不适用于制备光学有源器件，缺少与集成电路制造工艺兼容的硅基光源一直是制约硅基光电子发展的首要问题。锗由于其准直接禁带的能带结构而且其直接禁带能量恰为0.8 eV，是通信波段发光器件的优异候选材料。随着近十年来锗表面钝化工艺和高介电常数介质工艺的发展，锗材料的表面稳定性、晶体质量、n型重掺杂等难点的研究取得了充分进展，为锗材料发光性能的研究和发光器件的制备提供了良好基础。. 本项目基于微电子工艺平台开发高效锗发光器件。将锗基高性能电子器件的最新研究进展，如绝缘层上锗衬底技术、锗表面钝化工艺和高介电常数介质工艺引入到锗材料发光性能的研究中，提升锗的直接禁带发光效率，揭示电学性能与发光性能之间的关系。主要研究结果如下：. 1. 面向发光器件的应用，研究了新的硅基锗衬底制备技术。以单晶锗衬底为起始材料，通过键合、研磨方法制备了绝缘层上锗衬底，得到的锗薄膜接近体锗单晶质量，发光性能远优于硅上外延锗和氧化浓缩等方法制备的绝缘层上锗。. 2. 研究了晶体质量和掺杂对锗发光性能的影响。通过常规离子注入、旋涂掺杂工艺实现了锗中的n型重掺杂。发现锗的发光性能对晶格损伤非常敏感，如果没有彻底修复晶格损伤，即便实现了高浓度n型掺杂，依然无法提高锗的直接禁带发光。. 3. 提出了利用金属-氧化物-半导体结构来调控锗的子能带，实现锗的直接禁带发光的全新思路。设计了以石墨烯为透明栅极的金属-氧化物-半导体锗基电致发光器件，实验上首次获得了室温下基于金属-氧化物-半导体结构的锗的直接禁带电致发光，发光性能优于其他结构的锗基电致发光器件。. 4. 研究了锗和二氧化锗反应以及二氧化锗晶化的基本问题，揭示了锗表面钝化和介质材料网络结构改性对金属-氧化物-半导体结构锗器件的可靠性的重要影响。