能带改性si基应变ge材料的制备及其发光特性

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1、能带改性Si基应变Ge材料的制备及其发光特性第一章绪论1.1研究背景与意义自从1947年12月16日，世界上第一支晶体管诞生以来，微电子技术一直成功地按照摩尔定律预测的趋势发展，即集成电路的集成度每18个月增长一倍，而价格则相应地降低一半。但是，随着集成电路集成度的不断提高，器件的尺寸将越来越小根据国际半导体技术蓝图（ITRS)2011年发布的半导体技术路线图预测，到2026年最小线宽将减小到5.8nm[i]微电子技术将面临诸多挑战，如芯片集成度提高导致散热问题严重，功耗大，互连速度受限，小尺寸下

2、的量子限制效应突显，工艺制备难度大等问题。另一方面，为了响应高度信息化的需求，集成光路以其光信号处理速度高，信号带宽大，不受电磁场干扰等优点也将在信息技术的发展中扮演着重要的角色。然而，目前集成光路仍然存在着许多技术问题亟待突破，如器件之间连接处需要精确的親合对准，光波导的传输损耗等[2]。光逻辑和光处理器件的发展相对于集成电路而言仍处于初级阶段。桂基光电子技术充分地利用微电子先进成熟的工艺技术、高集成度、成本低廉优势和光子互联高带宽、低功耗等的优点，将微电子技术与光子技术相结合，实现单片光电集成

3、芯片，将有力推动信息时代的进步。实现桂基单片光电子集成需要的关键单元器件如图1-1所示[3]。这些器件包括了光稱合、光传输、光滤波等无源器件和光发射、光调制、光开关、光探测等有源器件，能够对光信息进行产生、传输、控制、转换以及处理等。目前，对鞋基光电子集成所需的关键单元器件已经取得较大的进展。1.2Si基Ge材料发光性质及器件研究进展近年来，有关Si基Ge高效发光材料与器件的理论以及相应的实验工作得到了广泛而深入的开展。Ge与Si虽然同属于间接带材料，幸运的是其室温下直接带带隙为0.8eV，仅比间

4、接带隙大0.136eV,可以通过能带裁剪的办法，调控Ge的能带结构，使其变为准直接带材料，提高其福射复合几率，将发光波长调制在光通信和光互连波段（:i.55nm)；此外，Ge器件的制作工艺几乎与SiCMOS工艺完全兼容，不仅易于与其它Si基光电器件实现片上集成，而且制作成本低。鉴于以上几个优点，Si基Ge材料被认为是未来Si基片上集成激光器最有希望的材料之一。2007年，美国MIT研究小组[14]首次提出了基于张应变和n型重掺杂的Ge材料直接带发光的设想，如图1-2所示。通过张应变和n型掺杂来调控

5、Ge材料的能带结构，使其变为准直接带隙材料，可以极大地提高Ge材料在光通信波段1.55Mm附近的直接带发光效率。他们报道的桂基张应变n型Ge材料的光增益理论计算结果表明，对于Si衬底上外延Ge材料，由于热膨胀系数失配引起0.25%的张应变，在注入载流子浓度为?10i9cm_3的情况下，Ge材料可以实现直接带隙发光，其光增益可以达到1000cm.i，与III-V族材料可以相媲美。Kurdi[i5]等研宄人员利用30带k+p理论计算表明，3%张应变Ge材料，当载流子浓度为lOi8cm_3时，Ge材料的

6、光增益可以达到3000cm_i，这一结果比用同样的方法计算得到的直接带隙材料GaAs的光增益还要高。理论计算表明，提高Ge材料的n型掺杂浓度和增大Ge材料的张应变是提高Ge直接带隙发光效率的有效方法。..第二章Si基Ge高效发光材料的理论设计2.1应变Ge材料的能带结构众所周知，Ge属于间接带隙材料，间接带的福射复合过程需要声子的参与，因此其发光效率低于传统的III-V族材料。然而Ge的直接带与间接带导带底之间在室温下仅相差0.136eV，而直接带的福射复合效率要比间接带的高3-5个量级，如果能实

7、现Ge的直接带隙发光,它的直接带发光效率将和III-V族材料相当。其中关键的问题是如何使注入载流子更有效地填充到Ge的直接带能谷中。通过应变和掺杂的办法是解决这一关键问题的有效途径[8]。要实现Ge材料的高效发光，必须使Ge的直接带能谷占有大量的电子。在准平衡状态下，Ge直接带与间接带能谷的差值决定了直接带能谷占有电子数的多少。这个差值越小，则直接带能谷占有的电子数将越多。通过应变的作用，可以调节Ge的晶格结构，进而裁剪Ge的能带特性。对于应变Ge的能带结构，可以采用Vande测得10nmxlOp

8、m范围内表面粗糖度RMS低至0.45nm,是目前国际上报道的位错密度最低的材料之一。