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近几十年来,中远红外光电探测器因越来越广泛的应用而受到极大的重视,Ⅲ-Ⅴ族化合物(以GaAs为代表)经过多年的研究,基于此类材料的发光和探测器件已经实现。但这些器件有两个局限:一、它们不能直接耦合正入射光,需要增加复杂的光栅耦合结构;二、这些光电器件与以Si为基础发展起来的成熟微电子工艺并不兼容。而基于Ⅳ族元素的中远红外量子阱红外光电探测器(QwIP)却既可以直接耦合正入射光,又可以直接做在Si读出电路上,实现光电子器件的单片集成。随着人们对Si和SiGe合金研究的深入,P型Si/SiGe QWIP(尤其是张应变Si/SiGe QWIP)将展示出更加诱人的前景。
目前,基于空穴子带跃迁的Si/SiGe QWIP红外吸收效率较低,原因在于量子阱中基态上的空穴载流子有效质量偏大,本文通过在量子阱中引入不同类型的应变来改善量子阱的红外吸收特性。改变赝衬底中的Ge组分,可以在不直接影响量子阱带阶的情况下,研究应变对量子阱子带跃迁的影响。本论文开展了应变Si/SiGe量子阱价带空穴子带跃迁特性研究,主要工作和成果有:
1、使用6×6k·p理论系统研究了应变Si/SiGe量子阱的价带能带结构和赝衬底Ge组分对单量子阱能级和色散曲线的影响。研究发现单量子阱轻空穴能级随着赝衬底Ge组分的增加向低能方向移动。
2、计算了张应变Si/SiGe多量子阱的价带能带结构,定量分析了赝衬底Ge组分对多量子阱能级和色散曲线的影响,定量分析了势垒宽度对多量子阱子带能级的影响。针对阱宽为7nm、阱中Ge组分为0.46的4周期量子阱,优化了赝衬底Ge组分和势垒宽度,认为将势垒宽度选在5~10nm,有利于增强多量子阱的子带吸收。
3、根据价带子带跃迁光跃迁矩阵元和吸收系数计算理论,计算了应变量子阱的光跃迁矩阵元,讨论了赝衬底Ge组分对单量子阱光跃迁矩阵元的影响。计算表明:对于z偏振光,无应变量子阱子带光跃迁强度比压应变量子阱大,张应变量子阱子带光跃迁强度比无应变量子阱大。