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(hào)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(jìn)一步減少。用光互連取代電互連,是當(dāng)代被廣泛認(rèn)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(gè)問題,是實(shí)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(yīng)變、電子填充等方式實(shí)現(xiàn)直接帶隙發(fā)光。本文基于Ge的材料特性和能帶結(jié)構(gòu),總結(jié)分析了多種應(yīng)力引入方法,得出了應(yīng)變不僅可以降低直接帶隙能谷,還可以提高價(jià)帶極大值點(diǎn)、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(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)�；贚ED的發(fā)光原理,結(jié)合外加應(yīng)力源、微橋結(jié)構(gòu)、摻錫和PIN異質(zhì)結(jié)的優(yōu)勢提出了一種新型的應(yīng)變Ge/Ge_(1-x)-x Sn_x/Ge PIN雙異質(zhì)結(jié)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:GeSn發(fā)光特性隨應(yīng)力增加而增強(qiáng);在Si_3N_4膜的應(yīng)力為-1.38 GPa,Sn組分為4.5%時(shí),最佳的n型和p型摻雜濃度為5×10~188 cm~(-3);同時(shí)在Ge材料中引入應(yīng)力和Sn組分可以降低Ge轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧纤璧腟n組分�；贚ED的研究基礎(chǔ),結(jié)合激光器的原理和對諧振腔的研究,采用Silvaco仿真工具設(shè)計(jì)了一種依靠Sn組分和超注入電子填充來實(shí)現(xiàn)發(fā)光的Ge/GeSn/Ge雙異質(zhì)結(jié)PIN VCSEL。仿真結(jié)果顯示:其基本的光電特性滿足激光器的特性,能帶結(jié)構(gòu)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的要求,且光譜線寬不到1 nm;本征層厚度會(huì)影響超注入的水平從而影響器件的發(fā)光特性;適當(dāng)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(jié)構(gòu)相適應(yīng)時(shí)發(fā)光強(qiáng)度最佳;不同Sn組分對應(yīng)的最佳I區(qū)厚度也不同;當(dāng)DBR諧振腔的設(shè)計(jì)與Sn組分相適應(yīng)時(shí),Sn組分越高,最佳I區(qū)厚度下的發(fā)光強(qiáng)度也最高�？紤]到摻Sn的工藝難度,選擇的最佳Sn組分是6%,此時(shí)DBR結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)新型高性能發(fā)光器件的同時(shí)也考慮犧牲部分器件性能,設(shè)計(jì)出適合目前工藝水平的更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。為此,設(shè)計(jì)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(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN312.4
【部分圖文】：

究現(xiàn)狀I(lǐng)T 小組分析了應(yīng)變和 n 型摻雜對 Ge 材料光學(xué)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(jìn)輻射復(fù)合。此外，適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn) Ge 材料直接帶隙中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。同時(shí)，當(dāng)施濃度為 7.6×1019cm-3時(shí)，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(xué)的 Michael Oehme 等人通過藝在 Ge 虛襯底制備了 Ge1-xSnx雙異質(zhì)結(jié) 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(shí) Ge1-xSnxLED 的光

第一章 緒論驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中也提高脈沖電流和降低器件溫度都可以增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度[9]。2016 年，西安電子科技大學(xué)的韓根全等人設(shè)計(jì)了一種應(yīng)變 GeSn/SiGeSn 雙異發(fā)光二極管。此結(jié)構(gòu)結(jié)合了應(yīng)力與摻錫的共同作用，在 3% Sn 組分時(shí) GeSn 就轉(zhuǎn)了直接帶隙材料，顯示出了優(yōu)異的性能[10]。2017 年，廈門大學(xué)提出了由 n 型重?fù)诫s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(jié)構(gòu)結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)合光泵浦和電注入的共同作用實(shí)現(xiàn)直隙發(fā)光。同時(shí)還采用了垂直腔結(jié)構(gòu)，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(dú)特的結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(shè)計(jì)提供了新思路。

等方式可以將其往準(zhǔn)直接帶隙材料轉(zhuǎn)變。本的特點(diǎn)，為下文 Ge 基發(fā)光器件的設(shè)計(jì)打下料的性能做了分析，以便在充分了解其材。帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，其化學(xué)元素符號(hào)為 Ge，原體為金剛石結(jié)構(gòu)，原子以四角形系統(tǒng)構(gòu)成對，以共價(jià)鍵的形式連接，其結(jié)構(gòu)如圖 2不能參與導(dǎo)電，但是處于束縛態(tài)的電子能夠?yàn)榭梢詫?dǎo)電的自由電子，掙脫共價(jià)鍵所需 Ge 材料中摻入 V 族或者 III 族雜質(zhì)時(shí)，這共價(jià)鍵中多出一個(gè)電子或者空穴，提高了

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本文編號(hào)：2817560