基于12英寸硅襯底的紅外鍺錫LED發(fā)光器件研究

硅基光電集成(硅光子)具有超高速、低功耗、低時(shí)延的優(yōu)勢;無需過分追求工藝尺寸的縮小。硅光產(chǎn)業(yè)今年市場規(guī)模將突破28億美元，未來可達(dá)數(shù)百億美元。

近日，第九屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）在廈門國際會(huì)議中心盛大召開。期間，“半導(dǎo)體照明芯片，封裝及光通信技術(shù)”分會(huì)上，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所副研究員伍紹騰做了“基于12英寸硅襯底的紅外鍺錫LED發(fā)光器件研究”的主題報(bào)告。

過去的二十年來，硅光子學(xué)得到了蓬勃的發(fā)展。然而，片上集成的CMOS兼容的光源仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。與Si間接帶隙不一樣，鍺(Ge)是一種準(zhǔn)直接帶隙材料，其直接、間接帶隙能谷底差異僅為 0.136 eV。

此外，由于為IV族材料且可直接在硅上生長，Ge近十年來逐漸成為實(shí)現(xiàn)CMOS兼容硅基光源的潛在材料。根據(jù)理論計(jì)算，通過>8% 的Sn摻雜方法，鍺將改性成為直接帶隙半導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光。

基于此，其研究使用商業(yè)通用的RPCVD 在12英寸硅襯底上采用贗晶生長策略外延了低位錯(cuò)Ge/GeSn LED外延薄膜，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)發(fā)光材料領(lǐng)域范圍內(nèi)(包括GaN、InP等)光源器件罕見的12英寸大晶圓外延生長。由于錫摻雜降低了直接帶隙與間接帶隙的差異，該LED器件的發(fā)光強(qiáng)度是傳統(tǒng)鍺材料的28倍。大尺寸晶圓不僅可以大幅度提高LED外延片利用效率，并且更利于兼容成熟的硅IC設(shè)備及工藝、降低成本。該成果實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了大尺寸、低成本硅基光源的可行性。

報(bào)告中詳細(xì)分享了6-8英寸GeOI平臺(tái)鍺LED器件、12英寸硅平臺(tái)的GeSn LED器件、8英寸 GeOI平臺(tái)的GeSn垂直腔面光源器件等研究進(jìn)展。其中，關(guān)于6-8英寸GeOI平臺(tái)鍺LED器件，采用直接晶圓鍵合法制備高質(zhì)量6-8英寸完整GeOI晶圓。張應(yīng)變鍺器件方面，實(shí)現(xiàn)兩種兼容PIN結(jié)的外力施加應(yīng)變方法;應(yīng)用于探測器，L波段探測率超過商用鍺探測器2-3倍。

12英寸平臺(tái)的GeSn LED器件方面，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量CVD外延法6英寸GeSn生長突破，實(shí)現(xiàn)直接帶隙GeSn薄膜;與美國應(yīng)用材料公司合作，實(shí)現(xiàn)12英寸硅襯底Ge/GeSn MQW單晶薄膜生長。8英寸 GeOI平臺(tái)的GeSn垂直腔面光源器件方面，設(shè)計(jì)并制備了絕緣層平臺(tái)的GeSn 垂直腔面發(fā)光器件。GeSn LED光源器件在2微米波段實(shí)現(xiàn)了8倍增強(qiáng)的諧振峰，未來需要加強(qiáng)研究實(shí)現(xiàn)硅基GeSn 電注入激光器。

審核編輯：劉清