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近年来,随着微电子工艺尺寸向纳米级前进,器件线宽的进一步减小,电互连所固有的局限性使芯片的发热量迅速增加,引起串扰、噪声、功耗、时延等多方面的问题。为了突破瓶颈,研究人员把目光集中在了硅基光电集成技术,然而Si是间接带隙材料,在制作发光器件时发光效率特别低。Ge虽然也是间接带隙材料,但是可以通过张应变等能带调控技术将Ge转变为直接带隙材料,大大增加发光效率,这为高效Ge激光器的制作提供了可能。本文以本征Ge能带结构为基础,基于Van de Walle形变势理论计算了双轴张应变对Ge能带结构的影响,得到1.8%的双轴张应变可以使Ge转变为直接带隙材料。基于实际中对Ge引入1.8%双轴张应变的工艺难度太大,提出了通过双轴张应变和N型重掺杂共同作用实现Ge直接带隙发光的方案。通过分析双轴张应变与N型重掺杂共同作用对Ge能带结构的影响,发现N型重掺杂的填充作用可以降低Ge转变为直接带隙材料所需的应变量。而且增加Ge中的少数载流子寿命可以大大降低Ge中的非辐射复合,提高Ge的发光性能,这为设计高效Ge激光器奠定了基础。基于激光器的工作原理设计了Ge/SiGe双异质结激光器。该结构具有如下优势:通过在SiGe材料上外延可获得高质量的Ge材料,降低Ge中的非辐射复合;结合张应变与N型重掺杂的共同作用可以增加Ge中的直接带隙辐射复合。论文采用Silvaco仿真软件对所设计器件结构的光电特性进行了仿真,并研究了激光器N、P区掺杂浓度、张应变、有源区Ge层厚度、少数载流子寿命以及环境温度对激光器阈值电流密度和光谱特性的影响。仿真结果表明:该激光器结构具有良好的阈值特性和光谱响应特性;适当增加N、P区掺杂浓度可以大大降低激光器的阈值电流密度;温度的增加对阈值电流密度的影响呈指数关系递增;增加张应变和少数载流子寿命可以降低激光器的阈值电流密度并提高发光效率。通过优化器件结构参数得到最优的N、P区的掺杂浓度分别为4×10199 cm-3、3×10199 cm-3,最优的有源区厚度为300 nm,在此参数下激光器的阈值电流密度为11.2 kA/cm2,相比于国内外报道的实验结果有较大的提升。在Ge/SiGe双异质结激光器的研究基础上进行优化,提出了Ge/SiGe多量子阱激光器,并进行仿真分析。通过对比Ge/SiGe双异质结激光器的仿真结果,发现Ge/SiGe多量子阱激光器的性能整体好于Ge/SiGe双异质结激光器。鉴于Ge/SiGe多量子阱激光器的工艺难度太大,优选了Ge/SiGe双异质结激光器的方案,并整合优化了其工艺流程,为后期实验做准备。