隨著電子科技行業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)電互連引起的信號延遲、電磁干擾以及能量損耗等問題變得越來越突出,從而阻礙了集成電路尺寸的進一步減少。用光互連取代電互連,是當代被廣泛認可的突破傳統(tǒng)電互連瓶頸的方案。III-V族材料的發(fā)光器件比較成熟,而且擁有良好的發(fā)光特性,但它難以與Si基CMOS工藝兼容,因此不適合用于Si基單片光電集成�；冖糇宀牧系陌l(fā)光器件卻可以克服這個問題,是實現(xiàn)單片光電集成的發(fā)展方向。Ⅳ族材料中的Ge雖然不是直接帶隙材料,但它的直接帶隙和間接帶隙的能量差只有0.136 eV,可以通過張應變、電子填充等方式實現(xiàn)直接帶隙發(fā)光。本文基于Ge的材料特性和能帶結構,總結分析了多種應力引入方法,得出了應變不僅可以降低直接帶隙能谷,還可以提高價帶極大值點、直接帶隙能谷中的電子濃度以及載流子的遷移率,為Ge基LED和激光器的設計奠定了基礎�；贚ED的發(fā)光原理,結合外加應力源、微橋結構、摻錫和PIN異質結的優(yōu)勢提出了一種新型的應變Ge/Ge_(1-x)-x Sn_x/Ge PIN雙異質結發(fā)光二極管,然后整合優(yōu)化了工藝步驟并通過改變器件的材料物理參數(shù)進行實驗分析。實驗結果顯示:GeSn發(fā)光特性隨應力增加而增強;在Si_3N_4膜的應力為-1.38 GPa,Sn組分為4.5%時,最佳的n型和p型摻雜濃度為5×10~188 cm~(-3);同時在Ge材料中引入應力和Sn組分可以降低Ge轉變?yōu)橹苯訋恫牧纤璧腟n組分�；贚ED的研究基礎,結合激光器的原理和對諧振腔的研究,采用Silvaco仿真工具設計了一種依靠Sn組分和超注入電子填充來實現(xiàn)發(fā)光的Ge/GeSn/Ge雙異質結PIN VCSEL。仿真結果顯示:其基本的光電特性滿足激光器的特性,能帶結構滿足粒子數(shù)反轉的要求,且光譜線寬不到1 nm;本征層厚度會影響超注入的水平從而影響器件的發(fā)光特性;適當增加摻雜濃度,減小溫度可以提高激光器的發(fā)光特性;Sn組分與諧振腔結構相適應時發(fā)光強度最佳;不同Sn組分對應的最佳I區(qū)厚度也不同;當DBR諧振腔的設計與Sn組分相適應時,Sn組分越高,最佳I區(qū)厚度下的發(fā)光強度也最高。考慮到摻Sn的工藝難度,選擇的最佳Sn組分是6%,此時DBR結構中SiO_2/Si的厚度為0.233μm/0.143μm,激光器的發(fā)光峰值波長約為2μm,發(fā)光效率與已發(fā)表的實驗結果相比有明顯的提升�？紤]到目前普遍的工藝水平和成本問題提出了"雙管齊下"的方案,即在使用新材料新工藝設計新型高性能發(fā)光器件的同時也考慮犧牲部分器件性能,設計出適合目前工藝水平的更經濟的結構。為此,設計了新型Si_xGe_y/Ge/Si_(0.5)Ge_(0.5)發(fā)光管,并整合優(yōu)化了工藝步驟,繪制了版圖。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN312.4
【部分圖文】：

究現(xiàn)狀IT 小組分析了應變和 n 型摻雜對 Ge 材料光學增益的影 的直接帶隙和間接帶隙能帶差減小，而來自高摻雜 N 接帶隙能谷的占有率，促進輻射復合。此外，適當?shù)拇龠M Ge 材料直接帶隙中的粒子數(shù)反轉。同時，當施濃度為 7.6×1019cm-3時，Ge 的凈材料增益約為 400 cm光電集成的理想材料之一。14 年，德國斯圖加特大學的 Michael Oehme 等人通過藝在 Ge 虛襯底制備了 Ge1-xSnx雙異質結 PIN LED，有明顯的電致發(fā)光現(xiàn)象，如圖 1.1 所示。Sn 組分為 1.3光峰值波長相對于純鍺材料的 PIN LED 出現(xiàn)了 31 meV致發(fā)光峰值波長紅移更顯著，同時 Ge1-xSnxLED 的光

第一章 緒論驗中能夠觀察到明顯的電致發(fā)光光譜，且峰值在 0.57 eV 左右。此外，實驗中也提高脈沖電流和降低器件溫度都可以增強發(fā)光強度[9]。2016 年，西安電子科技大學的韓根全等人設計了一種應變 GeSn/SiGeSn 雙異發(fā)光二極管。此結構結合了應力與摻錫的共同作用，在 3% Sn 組分時 GeSn 就轉了直接帶隙材料，顯示出了優(yōu)異的性能[10]。2017 年，廈門大學提出了由 n 型重摻雜的 Ge/GeSi 多量子阱（MQW）和 G層組成的雙有源區(qū)垂直諧振腔發(fā)光二極管，如圖 1.2 所示，此結構結合光泵浦和入的作用提高了發(fā)光效率[11]。此二極管中，MQW 結構在電注入下發(fā)光成為光泵，泵浦下面的 Ge 外延層，使 Ge 外延層結合光泵浦和電注入的共同作用實現(xiàn)直隙發(fā)光。同時還采用了垂直腔結構，利用光子在垂直腔中反射振蕩有效地提高了浦的效率。這種發(fā)光二極管憑借其獨特的結構，當注入電流密度大于 1.528 kA/，能在 Ge 外延層中觀察到波長處于 1625-1700 nm 之間的光，為 Ge 基發(fā)光二極設計提供了新思路。

等方式可以將其往準直接帶隙材料轉變。本的特點，為下文 Ge 基發(fā)光器件的設計打下料的性能做了分析，以便在充分了解其材。帶結構的半導體材料，其化學元素符號為 Ge，原體為金剛石結構，原子以四角形系統(tǒng)構成對，以共價鍵的形式連接，其結構如圖 2不能參與導電，但是處于束縛態(tài)的電子能夠為可以導電的自由電子，掙脫共價鍵所需 Ge 材料中摻入 V 族或者 III 族雜質時，這共價鍵中多出一個電子或者空穴，提高了

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本文編號：2817560