發(fā)布時間：2020-11-10 07:53

　　 一直以來,制約Si基光電集成的一個關鍵難題就是如何實現高效的光源器件。Ge材料具有與Si材料工藝相兼容,能帶結構可調整等優(yōu)點,有望利用其在Si襯底上制備LED作為光電集成的光源器件。為了本文從分析張應變Ge材料特性入手,利用半導體器件仿真軟件Silvaco TCAD搭建了張應變Ge LED器件模型并對結果進行分析,并在實驗上制備出了Si-Ge-Si雙異質結結構的LED,達到了研究目的。論文的工作主要分為張應變Ge材料特性研究,LED器件結構的仿真分析以及LED器件的工藝制備三個方面。本文首先對Ge材料的能帶結構、載流子的分布以及折射率等與發(fā)光相關的材料特性進行研究。利用Van de Walle勢形變理論計算得到表明,Ge材料的能帶結構在1.75%的張應變作用下可以由間接帶隙轉變?yōu)橹苯訋�。根據電子在Ge材料中的分布統計規(guī)律,計算電子濃度與摻雜濃度、溫度及應力的依賴關系。計算結果表明,通過引入張應變,可以提高Ge材料的發(fā)光性能。此外,本工作還建立了應力大小與折射率之間的模型,通過橢圓偏振儀的測試獲得的實驗結果與模型測試結果基本一致。進一步,根據LED器件的工作原理,利用半導體仿真軟件TCAD對張應變Ge LED器件模型進行了仿真分析。首先,對比分析了Si-Ge-Si雙異質結結構和體Ge兩種結構的LED器件的性能。仿真結果表明,由于異質結的超注入效應,i-Ge-Si雙異質結結構的器件較體Ge結構的器件,性能有較大的提升。因此采用雙異質結結構制備LED器件較為合適。隨后,本文研究了摻雜濃度、有源區(qū)長度、工作溫度以及有源區(qū)應力等因素對于性能的影響。結果表明,提高摻雜濃度,有源區(qū)長度,工作溫度以及應力可以獲得較高的發(fā)光強度。同時,設計張應變Ge LED時需要綜合考慮性能、成本以及可行性來確定合適的器件參數。參考LED器件的仿真結果,利用RPCVD生長設備優(yōu)化應變Ge材料的生長過程,完成Si-Ge-Si雙異質結結構LED器件的工藝制備。所制備出的張應變Ge材料樣品的結晶質量較好,材料張應變?yōu)?.24%,表面粗糙度小于1nm。對器件進行EL測試,成功觀測到1640nm的紅外發(fā)光峰,同時觀測到電致發(fā)光強度隨注入電流的增大而增強,實驗結果與仿真結果一致。
【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】：TN312.8
【部分圖文】：

分達到 1.2%，有效的調節(jié)了 Ge 材料的能帶結構，增強了發(fā)光性能。EL 測試結明，隨著注入電流的增大，發(fā)光波長同樣出現了些許紅移現象[24]。圖1.2 SiGe-GeSn-Si 雙異質結結構的 p-i-n LED 的示意圖[24]同年，Kevin Gallacher 等人通過 LEPECVD 生長設備在 Si 襯底上制備了 SiG子阱結構的 LED 器件，如圖 1.3 所示。該量子阱由 10 層 10nm 的 n 型 Ge 和 5nmSiGe 層交替生長形成。EL 測試表明，該器件的發(fā)光波長為 1.55um[25]。

第一章 緒論3圖1.1 基于 Ge 材料制作的 n+/p LED 結構示意圖[23]2011 年，德國斯圖加特大學的 M. Oehme 在 Si 襯底上制作了 SiGe-GeSn-Si 雙異質結結構的 p-i-nLED，如圖 1.2 所示。通過 MBE 生長設備生長的 GeSn 合金中 Sn 組分達到 1.2%，有效的調節(jié)了 Ge 材料的能帶結構，增強了發(fā)光性能。EL 測試結構表明，隨著注入電流的增大，發(fā)光波長同樣出現了些許紅移現象[24]。圖1.2 SiGe-GeSn-Si 雙異質結結構的 p-i-n LED 的示意圖[24]同年，Kevin Gallacher 等人通過 LEPECVD 生長設備在 Si 襯底上制備了 SiGe 量子阱結構的 LED 器件，如圖 1.3 所示。該量子阱由 10 層 10nm 的 n 型 Ge 和 5nm 的SiGe 層交替生長形成。EL 測試表明

第一章 緒論圖1.1 基于 Ge 材料制作的 n+/p LED 結構示意圖加特大學的 M. Oehme 在 Si 襯底上制D，如圖 1.2 所示。通過 MBE 生長設備生的調節(jié)了 Ge 材料的能帶結構，增強了發(fā)增大，發(fā)光波長同樣出現了些許紅移現象
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