一直以來,制約Si基光電集成的一個關(guān)鍵難題就是如何實現(xiàn)高效的光源器件。Ge材料具有與Si材料工藝相兼容,能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)變Ge材料特性入手,利用半導(dǎo)體器件仿真軟件Silvaco TCAD搭建了張應(yīng)變Ge LED器件模型并對結(jié)果進(jìn)行分析,并在實驗上制備出了Si-Ge-Si雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的LED,達(dá)到了研究目的。論文的工作主要分為張應(yīng)變Ge材料特性研究,LED器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、載流子的分布以及折射率等與發(fā)光相關(guān)的材料特性進(jìn)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(jié)構(gòu)在1.75%的張應(yīng)變作用下可以由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋�。根�?jù)電子在Ge材料中的分布統(tǒng)計規(guī)律,計算電子濃度與摻雜濃度、溫度及應(yīng)力的依賴關(guān)系。計算結(jié)果表明,通過引入張應(yīng)變,可以提高Ge材料的發(fā)光性能。此外,本工作還建立了應(yīng)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(jié)果與模型測試結(jié)果基本一致。進(jìn)一步,根據(jù)LED器件的工作原理,利用半導(dǎo)體仿真軟件TCAD對張應(yīng)變Ge LED器件模型進(jìn)行了仿真分析。首先,對比分析了Si-Ge-Si雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和體Ge兩種結(jié)構(gòu)的LED器件的性能。仿真結(jié)果表明,由于異質(zhì)結(jié)的超注入效應(yīng),i-Ge-Si雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件較體Ge結(jié)構(gòu)的器件,性能有較大的提升。因此采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)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(yīng)力等因素對于性能的影響。結(jié)果表明,提高摻雜濃度,有源區(qū)長度,工作溫度以及應(yīng)力可以獲得較高的發(fā)光強(qiáng)度。同時,設(shè)計張應(yīng)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(shù)。參考LED器件的仿真結(jié)果,利用RPCVD生長設(shè)備優(yōu)化應(yīng)變Ge材料的生長過程,完成Si-Ge-Si雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)LED器件的工藝制備。所制備出的張應(yīng)變Ge材料樣品的結(jié)晶質(zhì)量較好,材料張應(yīng)變?yōu)?.24%,表面粗糙度小于1nm。對器件進(jìn)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(qiáng)度隨注入電流的增大而增強(qiáng),實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN312.8
【部分圖文】：

分達(dá)到 1.2%，有效的調(diào)節(jié)了 Ge 材料的能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了發(fā)光性能。EL 測試結(jié)明，隨著注入電流的增大，發(fā)光波長同樣出現(xiàn)了些許紅移現(xiàn)象[24]。圖1.2 SiGe-GeSn-Si 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的 p-i-n LED 的示意圖[24]同年，Kevin Gallacher 等人通過 LEPECVD 生長設(shè)備在 Si 襯底上制備了 SiG子阱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖[23]2011 年，德國斯圖加特大學(xué)的 M. Oehme 在 Si 襯底上制作了 SiGe-GeSn-Si 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的 p-i-nLED，如圖 1.2 所示。通過 MBE 生長設(shè)備生長的 GeSn 合金中 Sn 組分達(dá)到 1.2%，有效的調(diào)節(jié)了 Ge 材料的能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了發(fā)光性能。EL 測試結(jié)構(gòu)表明，隨著注入電流的增大，發(fā)光波長同樣出現(xiàn)了些許紅移現(xiàn)象[24]。圖1.2 SiGe-GeSn-Si 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的 p-i-n LED 的示意圖[24]同年，Kevin Gallacher 等人通過 LEPECVD 生長設(shè)備在 Si 襯底上制備了 SiGe 量子阱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖加特大學(xué)的 M. Oehme 在 Si 襯底上制D，如圖 1.2 所示。通過 MBE 生長設(shè)備生的調(diào)節(jié)了 Ge 材料的能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了發(fā)增大，發(fā)光波長同樣出現(xiàn)了些許紅移現(xiàn)象
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