基于12英寸硅衬底的红外锗锡LED发光器件研究

 

硅基光电集成(硅光子)具有超高速、低功耗、低时延的优势;无需过分追求工艺尺寸的缩小。硅光产业今年市场规模将突破28亿美元，未来可达数百亿美元。

 

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）在厦门国际会议中心盛大召开。期间，“半导体照明芯片，封装及光通信技术”分会上，中国科学院半导体所副研究员伍绍腾做了“基于12英寸硅衬底的红外锗锡LED发光器件研究”的主题报告。

过去的二十年来，硅光子学得到了蓬勃的发展。然而，片上集成的CMOS兼容的光源仍然是一个挑战。与Si间接带隙不一样，锗(Ge)是一种准直接带隙材料，其直接、间接带隙能谷底差异仅为 0.136 eV。

此外，由于为IV族材料且可直接在硅上生长，Ge近十年来逐渐成为实现CMOS兼容硅基光源的潜在材料。根据理论计算，通过>8% 的Sn掺杂方法，锗将改性成为直接带隙半导体，从而实现高效发光。

基于此，其研究使用商业通用的RPCVD 在12英寸硅衬底上采用赝晶生长策略外延了低位错Ge/GeSn LED外延薄膜，实现了整个发光材料领域范围内(包括GaN、InP等)光源器件罕见的12英寸大晶圆外延生长。由于锡掺杂降低了直接带隙与间接带隙的差异，该LED器件的发光强度是传统锗材料的28倍。大尺寸晶圆不仅可以大幅度提高LED外延片利用效率，并且更利于兼容成熟的硅IC设备及工艺、降低成本。该成果实验上证实了大尺寸、低成本硅基光源的可行性。

报告中详细分享了6-8英寸GeOI平台锗LED器件、12英寸硅平台的GeSn LED器件、8英寸 GeOI平台的GeSn垂直腔面光源器件等研究进展。其中，关于6-8英寸GeOI平台锗LED器件，采用直接晶圆键合法制备高质量6-8英寸完整GeOI晶圆。张应变锗器件方面，实现两种兼容PIN结的外力施加应变方法;应用于探测器，L波段探测率超过商用锗探测器2-3倍。

12英寸平台的GeSn LED器件方面，实现高质量CVD外延法6英寸GeSn生长突破，实现直接带隙GeSn薄膜;与美国应用材料公司合作，实现12英寸硅衬底Ge/GeSn MQW单晶薄膜生长。8英寸 GeOI平台的GeSn垂直腔面光源器件方面，设计并制备了绝缘层平台的GeSn 垂直腔面发光器件。GeSn LED光源器件在2微米波段实现了8倍增强的谐振峰，未来需要加强研究实现硅基GeSn 电注入激光器。

审核编辑：刘清