【摘 要】
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单片同层光电集成是未来高性能计算机和5G高速通信、低功耗光电集成电路的解决方案,是国内外的研究热点之一。在当前微电子技术面临物理与工艺极限的挑战下,迫切需要研究与Si
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单片同层光电集成是未来高性能计算机和5G高速通信、低功耗光电集成电路的解决方案,是国内外的研究热点之一。在当前微电子技术面临物理与工艺极限的挑战下,迫切需要研究与Si工艺兼容、光电性能良好,且能够在不减小晶体管尺寸的条件下提高驱动电流的单片同层光电集成应用新材料、新方法。Ge与Si同属于IV族半导体材料,且具有与Si工艺相兼容的特点。通过Sn合金化技术,可以使Ge材料由间接带隙转变为直接带隙半导体,形成直接带隙弛豫Ge1-xSnx,即DR-Ge1-xSnx,实现Ge材料的改性需要Sn组分x>0.08。与间接带隙Ge材料相比,改性后的DR-Ge1-xSnx应用于光器件时,发光效率和载流子辐射复合效率均显著增强。DR-Ge1-xSnx材料载流子迁移率同样可以通过改性技术得以提高,因此还可应用于电子器件,具有单片同层光电集成的潜在应用价值,为集成电路及相关器件的高速低功耗化提供了新的技术发展途径。有鉴于此,本文针对DR-Ge1-xSnx的材料物理及单片同层光电集成应用MOS器件展开研究,建立DR-Ge1-xSnx合金及MOS反型层能带结构及载流子迁移率模型,设计并提出适用于DR-Ge1-xSnx单片同层光电集成应用的MOS器件。本课题主要展开了以下工作:1、DR-Ge1-xSnx合金能带与载流子迁移率研究:基于k·p微扰理论,本课题首先在研究DR-Ge1-xSnx能带E-k关系基础之上,根据能带结构模型计算各晶向族空穴以及电子有效质量,进而建立DR-Ge1-xSnx载流子迁移率的量化解析模型,通过PL谱与蒙特卡洛模拟分别验证其能带结构与载流子迁移率模型结果。2、DR-Ge1-xSnxMOS反型层能带结构与载流子迁移率研究:针对DR-Ge1-xSnx材料MOS器件仿真参数不完善的问题,本课题在DR-Ge1-xSnx能带E-k关系模型的基础之上,采用基于三角形势阱近似的包络函数方法,讨论DR-Ge1-xSnxMOS反型层量子化效应,研究反型层第一子带各有效质量变化的关键问题,建立DR-Ge1-xSnxMOS反型层能带结构模型。在此基础上,建立DR-Ge1-xSnxMOS反型层载流子迁移率模型。3、DR-Ge1-xSnxMOS器件TCAD仿真研究:针对DR-Ge1-xSnx材料相关器件的研究设计,本课题将研究DR-Ge1-xSnx材料器件几何、材料物理参数与器件性能之间的关系,基于器件仿真优化相关理论,提出性能优化的单片同层光电集成应用PMOS器件参数设计方案。通过TCAD仿真优化DR-Ge1-xSnxMOS器件结构,重点揭示其器件几何、材料物理参数与器件性能之间的关系。综上所述,本文完成了光电单片同层集成应用DR-Ge1-xSnx材料及MOS反型层能带结构、载流子迁移率模型的建立,并进行了相关器件的TCAD仿真及设计,为后续的光电器件制备奠定了良好的材料基础。同时,优化设计的DR-Ge1-xSnxMOS器件将为后续的器件制备提供有力的理论依据。本课题的研究结果量化,旨在为DR-Ge1-xSnx材料物理的理解,以及后续DR-Ge1-xSnxMOS相关器件以及同层单片光电集成应用DR-Ge1-xSnx材料的研究设计提供重要理论依据。
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