直接带隙Ge1-xSnx能带结构研究

摘要

随着光通信技术的持续发展，光电信号转换设备的小型化和低功耗问题变得亟需解决。Si基同层单片光电集成(MOEIC)是未来计算机和通信领域高性能、低功耗单片光电集成电路的重要解决方案。在光学器件、电学器件以及光电集成领域，Ⅲ-Ⅴ族半导体材料已经有了相当广泛的应用，但是，与现有的Si工艺不兼容、生产成本高和工艺周期较长等问题制约着其进一步的发展。因此，寻找与当前Si工艺相兼容，光电性能良好的新材料成为半导体领域关注的新热点。 Ge与Si同属IV族半导体，与Si工艺兼容。同时，Ge通过常见改性手段可由间接带隙转变为直接/准直接带隙材料：①采用合金化手段，当Sn组份x>8%，形成直接带隙弛豫Ge1-xSnx合金(DR-Ge1-xSnx)；②采用低强度张应变，形成准直接带隙Ge材料(PD-Ge)；③采用张应力与合金共同作用，形成直接带隙双轴张应变Ge1-xSnx合金(DBTS-Ge1-xSnx)。直接/准直接带隙型改性Ge（包括DR-Ge1-xSnx、DBTS-Ge1-xSnx和PD-Ge）相较于Ge半导体载流子辐射复合效率高，应用于发光器件（如LED、激光器）时器件发光效率显著提升。改性Ge由于其能级分裂、有效质量减小，载流子迁移率相较Ge载流子迁移率更高，其还可将其应用于电子器件。 综合来看，直接/准直接带隙型改性Ge材料可在同层实现发光器件、波导以及探测器件的集成，其在同层单片光电集成领域极具应用潜力。 能带结构是发展同层单片光电集成电路和器件，深入研究半导体材料根本特性的核心理论基础。目前，有关DR-Ge1-xSnx和DBTS-Ge1-xSnx能带结构报道比较缺乏(PD-Ge能带报道较多)。鉴于此，本文通过求解考虑形变势场的Schrdinger方程，采用8带kp方法，研究建立了DR-Ge1-xSnx和DBTS-Ge1-xSnx的导带和价带色散关系，并进一步获得了重空穴、轻空穴Γ点处价带能级、分裂能、沿各个波矢k方向的能带结构以及相应的各晶向空穴、电子和态密度有效质量等物理参量。研究结果表明：DR-Ge1-xSnx导带和价带结构沿不同晶向表现出各向异性，然而同一晶向族内各晶向导带和价带能级一样，空穴有效质量呈各向异性，电子有效质量呈各向同性；应变引起Г点处价带及导带能级移动，DBTS-Ge1-xSnx带边和亚带边在Г点处简并消除，载流子有效质量的各向异性愈发显著。 直接/准直接带隙型改性Ge材料在Si衬底上实现同层单片光电集成，各器件有源层材料的禁带宽度关系必须满足：Eg,波导＞Eg,发光管＞Eg,探测器。考虑国内外集成电路工艺实现水平因素，DR-Ge1-xSnx和PD-Ge这两种材料最有希望实现Si基同层单片光电集成。无论是利用DR-Ge1-xSnx还是PD-Ge实现同层单片光电集成，均需对二者能带结构进行调制来满足有源层禁带宽度关系。本文基于固体能带理论，结合应变张量模型和形变势模型，建立了DR-Ge1-xSnx和PD-Ge带隙宽度与工艺致应力关系模型，揭示了其在工艺致应力带隙调制下禁带宽度的变化规律。研究结果表明：对于DR-Ge1-xSnx和PD-Ge，0°单轴应力可实现其禁带变宽或变窄，可适用于波导或探测器的带隙调制，但45°张/压应变仅能使禁带宽度减小，因此只适用于探测器的带隙调制。 本文研究的直接/准直接带隙型改性Ge材料能带结构、各物理参量以及带隙调制的量化结果，可为后续Si基材料光电器件有源层研究设计以及同层单片光电集成电路的实现提供重要理论依据。

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