Ge基发光器件关键技术研究

发布时间：2020-09-12 11:18

　　 随着电子科技行业的不断发展,传统电互连引起的信号延迟、电磁干扰以及能量损耗等问题变得越来越突出,从而阻碍了集成电路尺寸的进一步减少。用光互连取代电互连,是当代被广泛认可的突破传统电互连瓶颈的方案。III-V族材料的发光器件比较成熟,而且拥有良好的发光特性,但它难以与Si基CMOS工艺兼容,因此不适合用于Si基单片光电集成。基于Ⅳ族材料的发光器件却可以克服这个问题,是实现单片光电集成的发展方向。Ⅳ族材料中的Ge虽然不是直接带隙材料,但它的直接带隙和间接带隙的能量差只有0.136 eV,可以通过张应变、电子填充等方式实现直接带隙发光。本文基于Ge的材料特性和能带结构,总结分析了多种应力引入方法,得出了应变不仅可以降低直接带隙能谷,还可以提高价带极大值点、直接带隙能谷中的电子浓度以及载流子的迁移率,为Ge基LED和激光器的设计奠定了基础。基于LED的发光原理,结合外加应力源、微桥结构、掺锡和PIN异质结的优势提出了一种新型的应变Ge/Ge_(1-x)-x Sn_x/Ge PIN双异质结发光二极管,然后整合优化了工艺步骤并通过改变器件的材料物理参数进行实验分析。实验结果显示:GeSn发光特性随应力增加而增强;在Si_3N_4膜的应力为-1.38 GPa,Sn组分为4.5%时,最佳的n型和p型掺杂浓度为5×10~188 cm~(-3);同时在Ge材料中引入应力和Sn组分可以降低Ge转变为直接带隙材料所需的Sn组分。基于LED的研究基础,结合激光器的原理和对谐振腔的研究,采用Silvaco仿真工具设计了一种依靠Sn组分和超注入电子填充来实现发光的Ge/GeSn/Ge双异质结PIN VCSEL。仿真结果显示:其基本的光电特性满足激光器的特性,能带结构满足粒子数反转的要求,且光谱线宽不到1 nm;本征层厚度会影响超注入的水平从而影响器件的发光特性;适当增加掺杂浓度,减小温度可以提高激光器的发光特性;Sn组分与谐振腔结构相适应时发光强度最佳;不同Sn组分对应的最佳I区厚度也不同;当DBR谐振腔的设计与Sn组分相适应时,Sn组分越高,最佳I区厚度下的发光强度也最高。考虑到掺Sn的工艺难度,选择的最佳Sn组分是6%,此时DBR结构中SiO_2/Si的厚度为0.233μm/0.143μm,激光器的发光峰值波长约为2μm,发光效率与已发表的实验结果相比有明显的提升。考虑到目前普遍的工艺水平和成本问题提出了"双管齐下"的方案,即在使用新材料新工艺设计新型高性能发光器件的同时也考虑牺牲部分器件性能,设计出适合目前工艺水平的更经济的结构。为此,设计了新型Si_xGe_y/Ge/Si_(0.5)Ge_(0.5)发光管,并整合优化了工艺步骤,绘制了版图。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN312.4
【部分图文】：

究现状IT 小组分析了应变和 n 型掺杂对 Ge 材料光学增益的影 的直接带隙和间接带隙能带差减小，而来自高掺杂 N 接带隙能谷的占有率，促进辐射复合。此外，适当的促进 Ge 材料直接带隙中的粒子数反转。同时，当施浓度为 7.6×1019cm-3时，Ge 的净材料增益约为 400 cm光电集成的理想材料之一。14 年，德国斯图加特大学的 Michael Oehme 等人通过艺在 Ge 虚衬底制备了 Ge1-xSnx双异质结 PIN LED，有明显的电致发光现象，如图 1.1 所示。Sn 组分为 1.3光峰值波长相对于纯锗材料的 PIN LED 出现了 31 meV致发光峰值波长红移更显著，同时 Ge1-xSnxLED 的光

第一章 绪论验中能够观察到明显的电致发光光谱，且峰值在 0.57 eV 左右。此外，实验中也提高脉冲电流和降低器件温度都可以增强发光强度[9]。2016 年，西安电子科技大学的韩根全等人设计了一种应变 GeSn/SiGeSn 双异发光二极管。此结构结合了应力与掺锡的共同作用，在 3% Sn 组分时 GeSn 就转了直接带隙材料，显示出了优异的性能[10]。2017 年，厦门大学提出了由 n 型重掺杂的 Ge/GeSi 多量子阱（MQW）和 G层组成的双有源区垂直谐振腔发光二极管，如图 1.2 所示，此结构结合光泵浦和入的作用提高了发光效率[11]。此二极管中，MQW 结构在电注入下发光成为光泵，泵浦下面的 Ge 外延层，使 Ge 外延层结合光泵浦和电注入的共同作用实现直隙发光。同时还采用了垂直腔结构，利用光子在垂直腔中反射振荡有效地提高了浦的效率。这种发光二极管凭借其独特的结构，当注入电流密度大于 1.528 kA/，能在 Ge 外延层中观察到波长处于 1625-1700 nm 之间的光，为 Ge 基发光二极设计提供了新思路。

等方式可以将其往准直接带隙材料转变。本的特点，为下文 Ge 基发光器件的设计打下料的性能做了分析，以便在充分了解其材。带结构的半导体材料，其化学元素符号为 Ge，原体为金刚石结构，原子以四角形系统构成对，以共价键的形式连接，其结构如图 2不能参与导电，但是处于束缚态的电子能够为可以导电的自由电子，挣脱共价键所需 Ge 材料中掺入 V 族或者 III 族杂质时，这共价键中多出一个电子或者空穴，提高了

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本文编号：2817560