硅基微纳材料生长机制与光电特性研究

发布时间：2018-03-07 10:12

  本文选题：硅基光电子　切入点：微纳材料　出处：《北京邮电大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着人们对硅物理特性认识的提高,硅光子学得以迅速发展。硅的克尔效应、热光效应、自由载流子效应、双光子吸收等非线性效应被充分开发利用,大大提高了一些光电器件的性能。同时硅材料的加工工艺也越来越成熟,器件的尺寸不断减小,而且与先进成熟的CMOS加工工艺相兼容,这非常有利于硅基器件的高度集成化。这些使硅基光子器件兼备了制备成本低廉、可电光集成化以及与CMOS工艺的高度兼容等优势,近年来逐渐成为最有可能实现大规模光电集成的材料。量子点和纳米线等微纳材料由于其独特的特性,在光电器件的应用中发挥了巨大的作用。结合硅基光电器件和微纳材料的特性,硅基微纳材料将表现出广阔的应用前景。本文主要研究了纳米岛生长的应变弛豫和电子结构,一维纳米线的水热生长调控,通过微纳结构双腔腔耦合系统的性能调控来实现单光子发射的应用,以及硅基微环谐振腔的主要三阶非线性效应分析,研究材料非线性效应对传输谱的影响,主要研究成果如下:1、在均匀组分条件下对Si (001)基图形衬底上异质外延GeSi纳米岛的弹性应变弛豫进行了全面、完整的研究。系统的分析了纳米岛高宽比θ、坑倾角α(ε = tanα)、和坑填充率f对应变弛豫的影响。首先在固定填充率下,研究几个特定高宽比纳米岛模型应变弛豫与坑倾角的关系,根据结果将固定填充率下的弛豫因子拟合为一个三项表达式。用有限元方法计算特定角度下不同高宽比纳米岛的弛豫速率,然后得到弛豫速率拟合表达式。通过弛豫因子和弛豫速率得到拟合方程,为预测系统应变弛豫提供了一个准确依据,可以更方便的判断纳米岛的成核位置。同时分析了纳米岛生长在坑内的电子结构,发现由于应变效应,基态波函数被限制在坑底部晶面附近。2、对生长在GaAs(001)图形衬底上的纯InAs和InGaAs纳米岛的电子结构进行了系统的研究。对于InAs纳米岛,在较浅的图形衬底坑内,各种高宽比下的纳米岛带间跃迁都会发生红移,同时改变重空穴的波函数形状,并使其更靠近异质结界面。对于InGaAs纳米岛,两种非均匀状态都会导致带间跃迁能减小。高宽比较大时,纳米岛各部分铟组分的变化会导致重空穴从倒锥形结构底端向上移动,使复合率上升。均匀组分下,纳米岛的电场图还会受到纳米岛尺寸的影响。最后我们还分析了坑倾角对应变弛豫的影响,结果显示在坑倾角较小时纳米岛生长在图形衬底坑内比生长在平面衬底上具有更好的应变弛豫。3、对硅基上生长氧化锌和碲化镉纳米线进行了研究。详细分析了影响纳米线片上外延生长质量的几个因素,得到了一套较好的在硅基衬底上外延生长氧化锌纳米棒的水热合成试验方法和条件,并对样品进行了表征分析。通过调整实验条件,成功利用水热反应合成碲化镉纳米线。4、设计了由空线性腔和二阶非线性腔耦合而成的双微腔系统,通过数值仿真详细的分析了系统的性能。调整优化两个激励源的强度,可以在一个很小的二阶非线性强度和一个合适的隧穿强度的条件下,得到很强的光子阻塞效应,从而实现双微腔耦合系统的单光子发射。5、利用耦合模理论研究了硅基微环谐振腔的一些基本传输特性。分析了全通滤波器型微环谐振腔和分插复用器型微环谐振腔的传输特性。通过理论推导,得出四种主要非线性效应:克尔效应、双光子吸收效应、自由载流子效应以及热光效应对微环谐振腔共振频率影响的表达式,研究其对谐振腔传输性能的影响。
[Abstract]:With the understanding of the physical properties of silicon, silicon photonic knowledge with rapid development. The Kerr effect, silicon thermo optical effect, free carrier effect, two-photon absorption and other nonlinear effects are fully exploited, greatly improving the performance of some photoelectric devices. At the same time the processing technology of silicon materials is more and more mature, the size of the device decreases, which is compatible with the CMOS advanced processing technology is mature, it is highly integrated to silicon. These make silicon photonic devices and the preparation cost is low, can be integrated with CMOS and electro-optical technology highly compatible with other advantages, in recent years has gradually become the most likely to achieve large-scale optoelectronic integration materials. Quantum dots and nanowires of micro nano materials because of its unique characteristics, has played a huge role in the application of optoelectronic devices. The combination of silicon based optoelectronic devices and micro nano material 鐗规，

本文编号：1579013