张应变Ge垂直结构LED研究

发布时间：2020-11-10 07:53

　　 一直以来,制约Si基光电集成的一个关键难题就是如何实现高效的光源器件。Ge材料具有与Si材料工艺相兼容,能带结构可调整等优点,有望利用其在Si衬底上制备LED作为光电集成的光源器件。为了本文从分析张应变Ge材料特性入手,利用半导体器件仿真软件Silvaco TCAD搭建了张应变Ge LED器件模型并对结果进行分析,并在实验上制备出了Si-Ge-Si双异质结结构的LED,达到了研究目的。论文的工作主要分为张应变Ge材料特性研究,LED器件结构的仿真分析以及LED器件的工艺制备三个方面。本文首先对Ge材料的能带结构、载流子的分布以及折射率等与发光相关的材料特性进行研究。利用Van de Walle势形变理论计算得到表明,Ge材料的能带结构在1.75%的张应变作用下可以由间接带隙转变为直接带隙。根据电子在Ge材料中的分布统计规律,计算电子浓度与掺杂浓度、温度及应力的依赖关系。计算结果表明,通过引入张应变,可以提高Ge材料的发光性能。此外,本工作还建立了应力大小与折射率之间的模型,通过椭圆偏振仪的测试获得的实验结果与模型测试结果基本一致。进一步,根据LED器件的工作原理,利用半导体仿真软件TCAD对张应变Ge LED器件模型进行了仿真分析。首先,对比分析了Si-Ge-Si双异质结结构和体Ge两种结构的LED器件的性能。仿真结果表明,由于异质结的超注入效应,i-Ge-Si双异质结结构的器件较体Ge结构的器件,性能有较大的提升。因此采用双异质结结构制备LED器件较为合适。随后,本文研究了掺杂浓度、有源区长度、工作温度以及有源区应力等因素对于性能的影响。结果表明,提高掺杂浓度,有源区长度,工作温度以及应力可以获得较高的发光强度。同时,设计张应变Ge LED时需要综合考虑性能、成本以及可行性来确定合适的器件参数。参考LED器件的仿真结果,利用RPCVD生长设备优化应变Ge材料的生长过程,完成Si-Ge-Si双异质结结构LED器件的工艺制备。所制备出的张应变Ge材料样品的结晶质量较好,材料张应变为0.24%,表面粗糙度小于1nm。对器件进行EL测试,成功观测到1640nm的红外发光峰,同时观测到电致发光强度随注入电流的增大而增强,实验结果与仿真结果一致。
【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】：TN312.8
【部分图文】：

分达到 1.2%，有效的调节了 Ge 材料的能带结构，增强了发光性能。EL 测试结明，随着注入电流的增大，发光波长同样出现了些许红移现象[24]。图1.2 SiGe-GeSn-Si 双异质结结构的 p-i-n LED 的示意图[24]同年，Kevin Gallacher 等人通过 LEPECVD 生长设备在 Si 衬底上制备了 SiG子阱结构的 LED 器件，如图 1.3 所示。该量子阱由 10 层 10nm 的 n 型 Ge 和 5nmSiGe 层交替生长形成。EL 测试表明，该器件的发光波长为 1.55um[25]。

第一章 绪论3图1.1 基于 Ge 材料制作的 n+/p LED 结构示意图[23]2011 年，德国斯图加特大学的 M. Oehme 在 Si 衬底上制作了 SiGe-GeSn-Si 双异质结结构的 p-i-nLED，如图 1.2 所示。通过 MBE 生长设备生长的 GeSn 合金中 Sn 组分达到 1.2%，有效的调节了 Ge 材料的能带结构，增强了发光性能。EL 测试结构表明，随着注入电流的增大，发光波长同样出现了些许红移现象[24]。图1.2 SiGe-GeSn-Si 双异质结结构的 p-i-n LED 的示意图[24]同年，Kevin Gallacher 等人通过 LEPECVD 生长设备在 Si 衬底上制备了 SiGe 量子阱结构的 LED 器件，如图 1.3 所示。该量子阱由 10 层 10nm 的 n 型 Ge 和 5nm 的SiGe 层交替生长形成。EL 测试表明

第一章 绪论图1.1 基于 Ge 材料制作的 n+/p LED 结构示意图加特大学的 M. Oehme 在 Si 衬底上制D，如图 1.2 所示。通过 MBE 生长设备生的调节了 Ge 材料的能带结构，增强了发增大，发光波长同样出现了些许红移现象
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本文编号：2877682