JP4825269B2 - シリコン上のゲルマニウムレーザーの方法と構造 - Google Patents

Description

（優先権情報）本出願は、２００５年１０月２８日に出願された米国仮出願第６０／７３１，５４５号の優先権を主張し、同出願の全体を参照として本明細書に引用する。

本発明はＧｅレーザーの分野に関し、特に、Ｇｅの直接バンドギャップに基づき約１５５０ｎｍで高効率な発光を得るレーザー構造に関する。

Ｓｉ上の高効率なレーザー源は、Ｓｉ上で光電子集積回路（ＯＥＩＣ）を実現するための最も重要な装置である。この分野の研究は２０年以上にわたって続けられているが、高効率な電気励起レーザーはＳｉ上ではまだ実証されていない。従って、Ｓｉプラットフォーム上に高効率な電気励起光源を実現することには大きな意味がある。さらに、オンチップ光信号が長距離電気通信に容易に繋がるように光源が約１５５０ｎｍの波長で発光すれば理想的である。

ゲルマニウムは、直接ギャップと間接ギャップとの差がわずか０．１３６ｅＶである点で擬似（pseudo）直接バンドギャップ材料である。さらに魅力的なのは、Ｇｅの直接ギャップが０．８ｅＶであり、まさに１５５０ｎｍに相当している点である。この波長範囲においてＳｉ上のＧｅ光検出器が高効率であることは、この直接バンドギャップの吸収によって証明されてきた。

米国特許第６８１２４９５号明細書 米国特許第６９４６３１８号明細書 国際公開第２００５／０１０９６５号パンフレット ジェイ・アール・ヘインズら（J.R. HAYNES et al.)著，"ゲルマニウムにおける直接放射遷移およびライフタイムの解析におけるその利用"半導体における放射再結合("The Direct Radiative Transitions in Germanium and Their Use in the Analysis of Lifetime" Radiative Recombination in semiconductors)，第７回半導体物理国際会議の議事録の一部(Part of Proceedings of VIIth International Conference on Physics of Semiconductor)，パリ １９６４ ｐ．２１−３１(Paris 1964 p.21-31) オー・マデラング−ランドルト−ボルンスタイン，"半導体：グループＩＶエレメントおよびＩＩＩ−Ｖ，ＩＩ−Ｖ，およびＩ−ＶＩＩコンパウンドの固有特性"グループＩＩＩ(Semiconductors: Intrinsic Properties of Group IV Elements and III-V, II-V, and I-Vii Compounds" Group III)，ボリューム２２(Vol. 22)，１９８７，ベルリン(Berlin)，ｐ．２７５

本発明の一態様によれば、レーザー構造が提供される。本レーザー構造は、Ｇｅの直接バンドギャップに基づき約１５５０ｎｍで発光を生成するようにドープされたＧｅを含む少なくとも一つのアクティブ層を含む。第１の閉じ込め構造は、少なくとも一つのアクティブ層の上部領域に配置される。第２の閉じ込め構造は、少なくとも一つのアクティブ層の底部領域に配置される。

本発明の一態様によれば、レーザー構造を形成する方法が提供される。本方法は、Ｇｅの直接バンドギャップに基づき約１５５０ｎｍで発光を生成するようにドープされたＧｅを含む少なくとも一つのアクティブ層を形成することを含む。第１の閉じ込め構造は少なくとも一つのアクティブ層の上部領域に配置される。また、本方法は、少なくとも一つのアクティブ層の底部領域に配置される第２の閉じ込め構造を形成することを含む。

本発明は、Ｇｅの直接バンドギャップに基づき約１５５０ｎｍでの高効率な発光を得る技術を提供する。

図１に示されるＧｅのバンド構造は、Ｌ谷で間接バンドギャップ、Γ谷で直接バンドギャップを有する。Ｌ谷とΓ谷との差０．１３６ｅＶを補償するために、高濃度のｎ型ドーピングによりＬ谷の伝導帯にｌ×ｌ０²⁰／ｃｍ³の電子を注入することが可能である。そして、キャリアがこのｎ⁺型Ｇｅ材料へ注入された場合、電子はΓ谷を占有することになり、そしてこの直接バンドギャップ遷移を経て正孔と再結合し、これにより１５５０ｎｍでの発光が生じる。すなわち、ドーピング濃度が１０²⁰／ｃｍ³より高いｎ⁺型Ｇｅは、事実上、直接バンドギャップ材料となる。以上が本発明のＳｉ上のＧｅレーザーの基本原理である。

既にＳｉ上の伸張歪(tensile strained)Ｇｅの光検出器において証明されているように、Γ谷とＬ谷の差は、ＧｅとＳｉとの熱膨張差によってＧｅ層に伸張歪を導入することによって更に減少させることが可能である。Ｇｅに０．２５％の伸張歪を導入することによって、Γ谷とＬ谷間の差を０．１１２ｅｖへ減少させることができ、Γ谷を満たし始めるのに必要なｎ型のドーピング濃度は、６．７×１０¹⁹／ｃｍ³へ減少する。伝導帯のフリーキャリアが少なくなるほど、フリーキャリア吸収が減少し、レージングのための閾値電流密度が減少する。

Ｓｉ上のＧｅレーザーダイオード２の二重へテロ接合（ＤＨ）構造を図２Ａ〜図２Ｄに示す。図２Ａに示されるように、Ｓｉ基板４又はＳＯＩ基板上にｐ⁺型単結晶Ｓｉ層を設ける。超高真空化学気相成長（ＵＨＤ−ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、低圧化学的気相成長（ＬＰＣＶＤ）、又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって、薄膜ｐ⁺型Ｇｅ層６をｐ⁺型Ｓｉ上にエピタキシャルに成長させる。次に、１０¹⁹〜１０²⁰／ｃｍ³の範囲のドーピング濃度を有するエピタキシャルｎ⁺型Ｇｅ層８を、このｐ⁺型Ｇｅ層６の上部に成長させる。ドーピングは、Ｇｅ成長の間にその場で、又は、イオン注入によって実現される。Ｇｅ材料は、欠陥密度を減少させ伸張歪を増大させるためにアニールされてもよい。Ｇｅ層における電子閉じ込めを提供する何らかの半導体材料からなるｎ⁺型層１０が、ｎ⁺型Ｇｅ層８の上部に成長する。このキャリア閉じ込め層１０のための材料としては、例えば、Ｓｉ（適切に接合面処理されたもの）、適切に配合されたＳｉＧｅ合金（一例としてＳｉ_0.15Ｇｅ_0.85）、ナノ結晶Ｓｉ、ＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓがある。

図２Ａにおいて、Ｇｅ層８、６はアクティブレーザー材料として機能し、一方で、ｎ⁺型Ｇｅ層８やｐ⁺型Ｇｅ層６の上部１０及び底部４の材料は、そのバンドオフセットによって、またＧｅに比較して低い屈折率によって、キャリア及び光子の閉じ込めを提供する。装置構造２においてｐ⁺型Ｇｅ層６は任意である。ｐ⁺型Ｇｅ層６のない構造１４を図２Ｂに示す。高濃度ｐ型ドーピングされたＳｉＧｅバッファ層１２は、図２Ｃ〜２Ｄに示すようにｐ⁺型Ｓｉ基板４と純ｐ⁺型Ｇｅ層６との間に挿入することができる。

構造全体としては、側面発光レーザーダイオードを形成しており、これは、リッジ導波路、チャネル導波路、又はリング構造であってもよい。一例として、算出発光強度対注入電流（Ｌ−Ｉ）曲線を図３Ａに示す。伸張歪０．２５％のＧｅレーザーの閾値電流は３ｋＡ／ｃｍ²と判断され、全体効率は１０％より大きくなることが可能となり、これはＩＩＩ−Ｖ族レーザー装置に相当する。図３Ｂは低損失導波路１４に結合したＧｅリングレーザーの例を示している。直径の異なるＧｅリング１６があれば、複数の発光波長が同一の導波路１８に結合されることが可能となり、波長分割多重（ＷＤＭ）が実現される。

Ｓｉ上のＧｅレーザー２０の量子井戸（ＱＷ）構造を図４に示す。レーザー２０はｐ⁺型Ｓｉ基板２２を含む。ｐ⁺型ＳｉＧｅバッファ層３２の堆積が基板２２上に形成される。量子井戸（ＱＷ）２４がバッファ層３２上に形成される。なお、各ＱＷ３７はＳｉＧｅ層３６、３８の間に形成されるＧｅ層３４を含む。ｎ⁺型ＳｉＧｅ層２６の堆積が量子井戸２４上に形成される。ｎ⁺型Ｓｉ層３０がｎ⁺型ＳｉＧｅ層２６上に形成される。

この場合、適切に配合されたＳｉＧｅ薄膜層３６（例えば、Ｓｉ_0.15Ｇｅ_0.85）、３８は、Ｇｅ層３４におけるキャリア閉じ込めを提供する。これらのバリア層は、例えば、Ｓｉ（適切に接合面処理されたもの）、ＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓのようにＧｅ層３４におけるキャリア閉じ込めを提供するエピタキシャル半導体材料であればどんなものでも代用することができる。ＧｅのＱＷの状態密度はバルクＧｅよりはるかに少ないので、レージングのための閾値電流密度をさらに減少させることが可能であり、これはオンチップアプリケーションにとって非常に有益である。

垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）４０もまた、図５に示されるように分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ: diffracted Bragg reflectors）を使用することによって実現可能となる。レーザー４０は、ｐ⁺型Ｓｉ基板４２を含み、ｐ⁺型ＳｉＧｅバッファ層４４がその上に形成される。ｎ⁺型Ｇｅアクティブ層４６がバッファ層４４上に形成される。ｎ⁺型キャリア閉じ込め層４８がアクティブ層４６上に形成される。多数のｎ⁺型ＳｉＧｅ層５０がｎ⁺型キャリア閉じ込め層４８上に形成される。ｎ⁺型Ｓｉ層５２がバッファ層５０上に形成される。

ＳｉＧｅ傾斜組成バッファ層(SiGe graded buffer layers)４４及び５０は、それぞれの層において厚さλ／４を有し（λは各層における波長を指す）、底部ＤＢＲ４４と上部ＤＢＲ５０として機能する。バッファ層構成は、ＳｉのＣＭＯＳ技術における通常の金属接触が応用できるように、装置４０の最上層５２及び底部基板４２がいずれもＳｉ材料となるように設計されている。この場合、閉じ込め層４８は、ｎ⁺型Ｓｉ、ｎ⁺型ＳｉＧｅ、ｎ⁺型ＧａＡｓ、又はＧｅ層に電子を閉じ込めるのであればいかなる他の半導体材料であってもよい。層４８もまたλ／４の厚さを有する。アクティブＧｅ層４６はλ／２の厚さであるべきである。

ＶＣＳＥＬ６０の代替可能な例を図６に示すが、ここで底部ＤＢＲ６２は、ウェハの裏面のエッチングされた窪みに堆積されたλ／４のＳｉＯ₂とＳｉとの多層構造からなる。なお、本構造は、底部ＤＢＲ６２上に形成されたアクティブＧｅ層６４を含む。キャリア閉じ込め層６６はアクティブＧｅ層６４上に形成され、これは、Ｓｉ、適切に配合されたＳｉＧｅ合金（一例としてＳｉ_0.15Ｇｅ_0.85）、ナノ結晶Ｓｉ、ＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓであってもよい。バッファ層６８は閉じ込め層６６上に形成され、ｎ⁺型ＳｉＧｅ層を含む。ｎ⁺型Ｓｉ層７０は、バッファ層６８上に形成される。底部ＤＢＲ６２の材料は、上述されたものに限定されない。屈折率の異なる二つの材料であればどんなものであってもよい。

本明細書に記載されたレーザー構造におけるアクティブ材料は、ｎ⁺型やｐ⁺型のＧｅに限定されない。真性ｎ型及びｐ型のＧｅ、ＳｉＧｅ、ＧｅＳｎ、及び間接バンドギャップより小さい又は間接バンドギャップよりそれほど大きくない直接バンドギャップを有する半導体材料は、全て、キャリア注入レベルが十分に高い状態でのギャップの直接遷移に基づき、又は直接何らかの共鳴トンネル工程を経てΓ谷に電子を取り込むことによって発光することが可能である。また、アクティブ領域の構造は、量子井戸又はこれらの材料からなる量子ドットでもよい。

本明細書に記載されたレーザー構造は、Ｓｉ超大型集積回路（ＵＬＳＩ）における他の電子又は光電子構成要素に組み込むことが可能であり、１０Ｇｂ／ｓ超の超高速ネットワーク用の家庭向けファイバー（ＦＴＴＨ）に加えて、１０ＧＨｚ超の帯域幅を有するオンチップ（on-chip）、チップツーチップ（chip-to-chip）、及びボードツーボード（board-to-board）光接続などの領域において幅広く応用されることが可能である。本近赤外光源は医学的に応用されてもよい。

以上、いくつかの好適な実施形態に関して本発明を図示及び説明したが、本発明の精神及び範囲に逸脱しない範囲で形態及び細部における削除及び追加がなされてもよい。

Ｇｅのバンド構造を示すグラフである。 Ｓｉ上の側面発光二重へテロ接合（ＤＨ）Ｇｅレーザーを示す概略図である。 Ｓｉ上の弛緩及び伸張歪Ｇｅ材料の算出発光強度対注入電流（Ｌ−Ｉ）曲線を示すグラフである。 波長分割多重を実現するためのリングレーザー構造の概略図である。 Ｓｉ上の量子井戸Ｇｅレーザーを示す概略図である。 Ｓｉ上の垂直キャビティ面発光Ｇｅレーザー（ＶＣＳＥＬ）を示す概略図である。 Ｓｉ上の別の垂直キャビティ面発光Ｇｅレーザー（ＶＣＳＥＬ）を示す概略図である。

Claims (26)

1. ｌ×ｌ０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型にドープされたＧｅ、又は、０．２５％の伸張歪を導入し、６．７×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型にドープされたＧｅを含むアクティブ層と、
   前記アクティブ層の上部領域に配置される第１の閉じ込め構造と、
   前記アクティブ層の底部領域に配置される第２の閉じ込め構造と、を含むレーザー構造。
2. 前記第１の閉じ込め構造は、前記アクティブ層においてキャリア閉じ込めを提供する材料を含む、請求項１に記載のレーザー構造。
3. 前記第１の閉じ込め構造における前記材料は、Ｓｉ，ナノ結晶Ｓｉ、ＳｉＧｅ、 ＧａＡｓ、又は ＡｌＧａＡｓを含む、請求項２に記載のレーザー構造。
4. 前記第２の閉じ込め構造は、ｐ⁺型Ｓｉを含む、請求項２に記載のレーザー構造。
5. 前記第２の閉じ込め構造は、ｐ⁺型ＳｉＧｅバッファ層を有するバッファ層を含む、請求項２に記載のレーザー構造。
6. 前記第２の閉じ込め構造は、分布ブラッグ反射器を形成するためにウェハの裏面のエッチングされた窪みに堆積されたＳｉＯ₂とＳｉとの多層構造を含む、請求項２に記載のレーザー構造。
7. 前記第２の閉じ込め構造は、分布ブラッグ反射器を形成するために異なる屈折率をもつ二つの材料からなる多層構造を含む、請求項６に記載のレーザー構造。
8. 前記第１の閉じ込め構造は、ｎ⁺型ＳｉＧｅバッファ層を有するバッファ層を含む、請求項５に記載のレーザー構造。
9. 前記第１の閉じ込め構造は、ＳｉＧｅを含む、請求項１に記載のレーザー構造。
10. 前記第２の閉じ込め構造は、ＳｉＧｅを含む、請求項１に記載のレーザー構造。
11. 前記レーザー構造は、チャネル導波路、リッジ導波路、又はリング構造からなる側面発光装置を含む、請求項１に記載のレーザー構造。
12. 前記レーザー構造は、異なる波長で発光する異なる半径を有し、波長分割多重用の導波路に結合しているＧｅリングレーザーを含む、請求項１１に記載のレーザー構造。
13. 前記レーザー構造は垂直キャビディ面発光構造を含む、請求項１に記載のレーザー構造。
14. ｌ×ｌ０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型にドープされたＧｅ、又は、０．２５％の伸張歪を導入し、６．７×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型にドープされたＧｅを含むアクティブ層を形成すること、
    前記アクティブ層の上部領域に配置される第１の閉じ込め構造を形成すること、および
    前記アクティブ層の底部領域に配置される第２の閉じ込め構造を形成すること、を含むレーザー構造の形成方法。
15. 前記第１の閉じ込め構造は、前記アクティブ層においてキャリア閉じ込めを提供する材料を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の閉じ込め構造における前記材料は、Ｓｉ、ナノ結晶Ｓｉ、ＳｉＧｅ、 ＧａＡｓ、又は ＡｌＧａＡｓを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２の閉じ込め構造はｐ⁺型Ｓｉを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記第２の閉じ込め構造は、ｐ⁺型ＳｉＧｅバッファ層を有するバッファ層を含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記第２の閉じ込め構造は、ウェハの裏面のエッチングされた窪みに堆積されたＳｉＯ₂とＳｉとの多層構造を含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記第２の閉じ込め構造は、分布ブラッグ反射器を形成するために異なる屈折率をもつ二つの材料からなる多層構造を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の閉じ込め構造は、ｎ⁺型ＳｉＧｅバッファ層を有するバッファ層を含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第１の閉じ込め構造はＳｉＧｅを含む、請求項１４に記載の方法。
23. 前記第２の閉じ込め構造はＳｉＧｅを含む、請求項１４に記載の方法。
24. 前記レーザー構造は、チャネル導波路、リッジ導波路、又はリング構造からなる側面発光装置を含む、請求項１４に記載の方法。
25. 前記レーザー構造は、異なる波長で発光する異なる半径を有し、波長分割多重用の導波路に結合しているＧｅリングレーザーを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記レーザー構造は垂直キャビティ面発光構造を含む、請求項１４に記載の方法。

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