本文關(guān)鍵詞：基于GeSn合金的中紅外探測與發(fā)光器件應變工程研究

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【摘要】：鍺錫(Ge Sn)合金的禁帶寬度在0~0.66 e V內(nèi)連續(xù)可調(diào),并且當Sn組分大于6.7%時可轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽w,理論上利用Ge Sn合金可以將硅(Si)基光子器件的工作波長拓展至中紅外甚至遠紅外。然而,受Ge中Sn固溶度的限制,應用于光子器件的Ge Sn合金的Sn組分僅為13%左右,這使得Ge Sn光子器件的光響應邊界小于3μm。除了Sn組分,應變在Ge Sn合金能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)中也扮演著重要的角色。張應變有利于Ge Sn合金帶隙的減小和直接帶隙結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。基于此,本論文展開了對Ge Sn中紅外光子器件應變工程的研究,主要內(nèi)容與結(jié)果如下:(1)根據(jù)經(jīng)典彈性力學理論,建立適用于Ge Sn光子器件的應變仿真模型。設(shè)計不同類型的器件結(jié)構(gòu),利用氮化硅(Si_3N_4)應力薄膜在Ge Sn光子器件內(nèi)引入所需的張應變,并對應變分布進行研究。結(jié)果表明,Ge Sn鰭形光電探測器內(nèi)被引入了(100)晶面的雙軸張應變;Ge Sn波導型和陣列光電探測器中被引入的應變沿主軸方向均為張應變;而Ge Sn微盤型結(jié)構(gòu)內(nèi)則被引入了較大且均勻的(001)晶面的雙軸張應變。(2)利用k?p微擾理論,建立應變Ge Sn合金的能帶計算模型。研究應變、Sn組分對Ge Sn合金能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能的影響,根據(jù)器件需求設(shè)計能帶結(jié)構(gòu),根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)。在張應變的作用下,光子器件有源區(qū)Ge Sn合金內(nèi)發(fā)生了以下變化:1)Г能谷的下降速度大于L能谷,Ge Sn合金轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧纤鑃n組分降低。在張應變波導型探測器中,Ge Sn合金轉(zhuǎn)變成直接帶隙材料所需的Sn組分由弛豫狀態(tài)的6.7%減少到了3.5%,且在張應變Ge Sn/Si Ge Sn雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管中這種轉(zhuǎn)變僅需2.5%的Sn組分。2)直接帶隙(EG,Г)明顯減小。與弛豫Ge0.90Sn0.10相比,Tfin為100 nm的鰭形光電探測器、波導型光電探測器和Lpillar為100 nm的陣列光電探測器中的張應變Ge0.90Sn0.10的EG,Г分別減小到了0.31 e V、0.306 e V和0.285 e V,在微盤型結(jié)構(gòu)中張應變Ge0.90Sn0.10的EG,Г減少了約0.13 e V。3)載流子有效質(zhì)量減小,Г能谷中電子濃度比例(ne,Г/ne,total)增加。在微盤型雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管中,張應變Ge Sn合金內(nèi)的ne,Г/ne,total比弛豫Ge Sn合金的增加了十倍以上;ne,total為1017 cm-3時,微盤型多量子阱激光器中張應變Ge0.90Sn0.10合金內(nèi)的ne,Г/ne,total達到了65%。(3)利用Si_3N_4應力薄膜設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的張應變光電探測器。研究張應變對光電探測器探測范圍的影響。其中,Tfin為100 nm的張應變Ge0.90Sn0.10鰭形光電探測器、張應變Ge0.90Sn0.10波導型光電探測器和Lpillar為100 nm的張應變Ge0.90Sn0.10陣列光電探測器的截止探測波長分別拓展到了~4μm、4.06μm和4.35μm。在外電場的作用下,張應變波導型光子器件的光響應范圍覆蓋了整個2~5μm中紅外波段。(4)通過應變工程設(shè)計張應變Ge Sn/Si Ge Sn雙異質(zhì)結(jié)二極管。研究張應變對器件發(fā)光強度、發(fā)光峰及內(nèi)量子效率的影響。并對影響雙異質(zhì)結(jié)二極管發(fā)光性能的注入載流子濃度、有源區(qū)摻雜、有源區(qū)晶體質(zhì)量等因素進行綜合研究。(5)利用外加應變源設(shè)計張應變Ge Sn/Si Ge Sn雙異質(zhì)結(jié)激光器和多量子阱激光器。研究張應變對閾值電流、激光波長和光增益的影響。其中,光損耗為150 cm-1的張應變Ge0.90Sn0.10/Si0.161Ge0.695Sn0.144雙異質(zhì)結(jié)激光器(有源區(qū)厚度為250 nm)和多量子阱激光器(勢阱個數(shù)為20)的閾值電流Jth分別由296 A/cm2和346 A/cm2減小到了156 A/cm2和95 A/cm2。(6)利用固源MBE設(shè)備在Ge贗襯底上生長高質(zhì)量、高Sn組分的Ge Sn單晶材料,制備Si基Ge Sn中紅外光電探測器。全應變Ge_(0.92)Sn_(0.08)中紅外光電探測器的實驗工作波長為2μm,與理論仿真得到的該材料的截止波長結(jié)果2.04μm一致。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN215;TN15

【參考文獻】

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1 李亞明;劉智;薛春來;李傳波;成步文;王啟明;;基于Franz-Keldysh效應的倏逝波鍺硅電吸收調(diào)制器設(shè)計[J];物理學報;2013年11期

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本文編號：1286234