论文部分内容阅读
锗锡（Ge Sn）合金的禁带宽度在00.66 e V内连续可调,并且当Sn组分大于6.7%时可转变为直接带隙半导体,理论上利用Ge Sn合金可以将硅（Si）基光子器件的工作波长拓展至中红外甚至远红外。然而,受Ge中Sn固溶度的限制,应用于光子器件的Ge Sn合金的Sn组分仅为13%左右,这使得Ge Sn光子器件的光响应边界小于3μm。除了Sn组分,应变在Ge Sn合金能带结构的调节中也扮演着重要的角色。张应变有利于Ge Sn合金带隙的减小和直接带隙结构的转变。基于此,本论文展开了对Ge Sn中红外光子器件应变工程的研究,主要内容与结果如下:（1）根据经典弹性力学理论,建立适用于Ge Sn光子器件的应变仿真模型。设计不同类型的器件结构,利用氮化硅（Si3N4）应力薄膜在Ge Sn光子器件内引入所需的张应变,并对应变分布进行研究。结果表明,Ge Sn鳍形光电探测器内被引入了（100）晶面的双轴张应变;Ge Sn波导型和阵列光电探测器中被引入的应变沿主轴方向均为张应变;而Ge Sn微盘型结构内则被引入了较大且均匀的（001）晶面的双轴张应变。（2）利用k?p微扰理论,建立应变Ge Sn合金的能带计算模型。研究应变、Sn组分对Ge Sn合金能带结构及相关性能的影响,根据器件需求设计能带结构,根据仿真结果优化器件结构。在张应变的作用下,光子器件有源区Ge Sn合金内发生了以下变化:1)Г能谷的下降速度大于L能谷,Ge Sn合金转变为直接带隙材料所需Sn组分降低。在张应变波导型探测器中,Ge Sn合金转变成直接带隙材料所需的Sn组分由弛豫状态的6.7%减少到了3.5%,且在张应变Ge Sn/Si Ge Sn双异质结发光二极管中这种转变仅需2.5%的Sn组分。2)直接带隙（EG,Г）明显减小。与弛豫Ge0.90Sn0.10相比,Tfin为100 nm的鳍形光电探测器、波导型光电探测器和Lpillar为100 nm的阵列光电探测器中的张应变Ge0.90Sn0.10的EG,Г分别减小到了0.31 e V、0.306 e V和0.285 e V,在微盘型结构中张应变Ge0.90Sn0.10的EG,Г减少了约0.13 e V。3)载流子有效质量减小,Г能谷中电子浓度比例（ne,Г/ne,total）增加。在微盘型双异质结发光二极管中,张应变Ge Sn合金内的ne,Г/ne,total比弛豫Ge Sn合金的增加了十倍以上;ne,total为1017 cm-3时,微盘型多量子阱激光器中张应变Ge0.90Sn0.10合金内的ne,Г/ne,total达到了65%。（3）利用Si3N4应力薄膜设计不同结构的张应变光电探测器。研究张应变对光电探测器探测范围的影响。其中,Tfin为100 nm的张应变Ge0.90Sn0.10鳍形光电探测器、张应变Ge0.90Sn0.10波导型光电探测器和Lpillar为100 nm的张应变Ge0.90Sn0.10阵列光电探测器的截止探测波长分别拓展到了4μm、4.06μm和4.35μm。在外电场的作用下,张应变波导型光子器件的光响应范围覆盖了整个25μm中红外波段。（4）通过应变工程设计张应变Ge Sn/Si Ge Sn双异质结二极管。研究张应变对器件发光强度、发光峰及内量子效率的影响。并对影响双异质结二极管发光性能的注入载流子浓度、有源区掺杂、有源区晶体质量等因素进行综合研究。（5）利用外加应变源设计张应变Ge Sn/Si Ge Sn双异质结激光器和多量子阱激光器。研究张应变对阈值电流、激光波长和光增益的影响。其中,光损耗为150 cm-1的张应变Ge0.90Sn0.10/Si0.161Ge0.695Sn0.144双异质结激光器（有源区厚度为250 nm）和多量子阱激光器（势阱个数为20）的阈值电流Jth分别由296 A/cm2和346 A/cm2减小到了156 A/cm2和95 A/cm2。（6）利用固源MBE设备在Ge赝衬底上生长高质量、高Sn组分的Ge Sn单晶材料,制备Si基Ge Sn中红外光电探测器。全应变Ge0.92Sn0.08中红外光电探测器的实验工作波长为2μm,与理论仿真得到的该材料的截止波长结果2.04μm一致。