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作者：马进阁西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着器件尺寸的不断缩小,一个限制硅基互连电路的最主要问题就是电互连。为了能够增加集成电路中互连线的密度、降低互连所消耗的能量和延迟,片间和片内的光互连被提出并得到了大量科研人员的探究。而在光互连中面临的最大挑战是集成的... 详细信息

随着器件尺寸的不断缩小,一个限制硅基互连电路的最主要问题就是电互连。为了能够增加集成电路中互连线的密度、降低互连所消耗的能量和延迟,片间和片内的光互连被提出并得到了大量科研人员的探究。而在光互连中面临的最大挑战是集成的光学器件要与传统的CMOS硅工艺兼容。在光互连系统中,光调制器、光探测器、波导等系统元件都已经通过使用硅材料或者锗材料制作出来,并且与硅工艺兼容。目前面临的主要问题就是缺少一个和硅工艺兼容的光源。主要原因在于硅材料本身是间接带隙半导体材料,具有很低的发光效率。然而锗的L能谷和Γ能谷最低点只相差130meV,通过掺杂、拉伸应变或者Si-Ge-Sn系统合金等措施来改变锗的能带结构,可以获得直接带隙半导体,这使得现在很多研究小组将研究重点聚焦在改变锗半导体的能带结构。本文主要专注于研究Si-Ge-Sn系统合金中的GeSn和sigesn两种合金,通过理论分析GeSn和sigesn合金能带随组分的变化,来设计基于sigesn的硅基半导体激光器,为硅基激光器的设计提供可行性方案。首先,根据sigesn合金具有固定晶格常数下能带宽度可调节、具有直接带隙和间接带隙的优点,设计了20个量子阱的sigesn/sigesn无应力多量子阱激光器。理论计算表明,在载流子浓度为5×10/cm时,最大光增益达到了2300/cm,等价的透明载流子浓度为0.5kA/cm。此外,讨论了光限制因子对模式增益的影响,发现模式增益敏感的依赖于量子阱的数目,在本质上主要是量子阱的数目会影响光限制因子。该量子阱激光器的模式增益在注入电流密度为3k A/cm时达到了1500/cm。结果表明用sigesn合金来设计硅基中红外激光器的可能性。其次,根据GeSn材料随Sn组分的增加可以转变为直接带隙半导体,且sigesn具有比GeSn更大的能带宽度。通过计算GeSn/sigesn量子阱能带结构的分布,根据量子阱阱层材料和垒层材料的选取原则,设计了GeSn/GeSiSn多量子阱激光器。激光器的衬底和n型GeSiSn层之间通过生长一层GeSiSn缓冲层来消除由于晶格不匹配带来的应力问题,上波导层采用脊型波导来降低阈值电流、增大注入效率。采用Silvaco TCAD软件对器件进行仿真,仿真得出量子阱的能带分布与理论分析结果一致。激光器的阈值电流为160mA,TE模增益达到了6600/cm,模式增益达到了110/cm,激射波长为2.4μm,仿真还给出了不同掺杂浓度下阈值电压的变化和不同量子阱数目下模式增益的变化。结果表明该激光器符合硅基激光器的设计要求,为中红外激光器以及硅基激光器的研究发展提供了新的方案。

关键词：硅基激光器 sigesn GeSn 多量子阱

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锗锡浓度对硅锗锡合金性能影响的研究

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原子与分子物理学报 2025年第5期42卷 163-174页

作者：顾永顺温淑敏内蒙古工业大学理学院呼和浩特010051

由于sigesn合金材料其具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,并且其结构具有较高的热力学稳定性,所以在光电子领域中是一种具有非常大应用潜力的半导体材料.本文采用密度泛函理论中的广义梯度近似GGA+U的方法,构建并计算了本征半导体... 详细信息

由于sigesn合金材料其具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,并且其结构具有较高的热力学稳定性,所以在光电子领域中是一种具有非常大应用潜力的半导体材料.本文采用密度泛函理论中的广义梯度近似GGA+U的方法,构建并计算了本征半导体Si_(96)与五组掺杂模型Si_(92)Ge_(2)Sn_(2)、Si_(88)Ge_(4)Sn_(4)、Si_(84)Ge_(6)Sn_(6)、Si_(80)Ge_(8)Sn_(8)、Si_(76)Ge_(10)Sn_(10)的电子结构及光学性质.通过对计算结果的分析可知,Ge,Sn的加入使得Si材料的带隙宽度减小,并且发生了由间接带隙向直接带隙的转变;Ge,Sn浓度最高的sigesn合金的形成能相对较高,稳定性相较于Ge,Sn含量低的材料较差;随着Ge,Sn掺杂浓度的提高,电子态密度图显示出越来越明显的杂化现象,并且态密度的峰值主要有Si原子的s轨道提供;Ge,Sn浓度的提高还使得sigesn合金的吸收系数在可见光及近红外区域内增加、反射率在可见光及以上波段范围内提高、折射率变低、消光系数曲线向红外区域移动等光学性质变化,表明可以通过调节Ge,Sn浓度来获得合适的光学特性,这为sigesn半导体在红外区域光电材料和器件的应用上提供了研究方向.

关键词： sigesn 电子特性光学性质

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Ge_(1-x-y)Si_(x)Sn_(y)合金能带结构和光学性质的理论研究

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人工晶体学报 2024年第12期53卷 2131-2140页

作者：顾永顺温淑敏内蒙古工业大学理学院呼和浩特010051

sigesn合金材料具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,能够与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容,并具有独特的光学性质和较高的热力学稳定性,是一类在光电子领域极具应用潜力的半导体材料。本文构建了总原子个数为144,Si、Sn原子个数... 详细信息

sigesn合金材料具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命,能够与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容,并具有独特的光学性质和较高的热力学稳定性,是一类在光电子领域极具应用潜力的半导体材料。本文构建了总原子个数为144,Si、Sn原子个数比接近3.7∶1的八种模型,采用密度泛函理论下的广义梯度近似GGA+U方法计算了电子结构及光学性质。结果表明,Si、Sn浓度较高的GeSiSn合金的结合能相对较高,稳定性相对较好。随着Si、Sn浓度的增加,GeSiSn合金的带隙减小,介电函数虚部峰向低能方向移动,静态介电常数减小,吸收光谱在可见光和近红外区域内发生变化,反射率在紫外波段范围内提高,折射率降低,消光系数向紫外区域移动,光电导率向紫外区域延伸。该结果为GeSiSn合金材料在光电材料和器件方面的应用提供了一定参考。

关键词： sigesn 能带结构光学性质第一性原理 GGA+U

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半导体能带调制的短波红外GeSn光电器件性能研究

半导体能带调制的短波红外GeSn光电器件性能研究

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作者：陈芊羽郑州轻工业大学

学位级别：硕士

Ⅳ族锗(Ge)L与Γ能谷之间的能差较小及能带的可塑性使硅基光源的最终实现成为可能,并有望成为推动短波红外硅基光电集成和光互连的理想材料。然而,Ge材料的L能谷位于Γ能谷之下和较低内量子效率制约了硅基Ge光子器件的光吸收及发射效率... 详细信息

Ⅳ族锗(Ge)L与Γ能谷之间的能差较小及能带的可塑性使硅基光源的最终实现成为可能,并有望成为推动短波红外硅基光电集成和光互连的理想材料。然而,Ge材料的L能谷位于Γ能谷之下和较低内量子效率制约了硅基Ge光子器件的光吸收及发射效率。IV族负带隙半导体锡(Sn)的加入可以使Ge Sn合金转变为直接带隙材料,但Sn在Ge中的低固溶度(sigesn/GeSn/sigesn双II型异质结光电探测器进行了结构设计和性能模拟计算,实现GeSn合金直接带隙在0.534 e V～0.461 e V连续可调,从而获得短波红外2.45μm～2.76μm的连续可调探测波长,为下一代光通信系统在短波红外集成提供了新的思路。

关键词：能带调制 GeSn sigesn 磁致伸缩应变可调发光二极管光电探测器

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Ge基红外量子阱激光器关键技术研究

Ge基红外量子阱激光器关键技术研究

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作者：张立涛西安电子科技大学

学位级别：硕士

Si基光互连的高效光源一般为III-V族激光器,但其工艺与Si-CMOS的工艺兼容性差,这一难题一直阻碍着其发展。同为IV族的Ge材料可以解决这一问题,因此Ge基激光器成为半导体激光器近年来研究的热点。其中GeSn激光器在Ge基激光器中极具应用潜... 详细信息

Si基光互连的高效光源一般为III-V族激光器,但其工艺与Si-CMOS的工艺兼容性差,这一难题一直阻碍着其发展。同为IV族的Ge材料可以解决这一问题,因此Ge基激光器成为半导体激光器近年来研究的热点。其中GeSn激光器在Ge基激光器中极具应用潜力,这是由于GeSn材料能够通过高Sn组分转变为直接带隙材料,从而极大地提高其激光器发光效率。GeSn激光器的有源区材料(GeSn、sigesn)与结构是影响其性能的主要因素,也是本文的研究重点。研究分析GeSn、sigesn材料的能带、晶格常数与其各元素组分的关系,设计了sigesn/GeSn的量子阱结构。根据半导体激光器工作机制分析了量子阱激光器有源区的特点,揭示了其结构对激光器光电性能的影响规律。在此基础上,分别设计了PiN激光器(i区为GeSn)、单量子阱激光器(阱层为sigesn/GeSn)、多量子阱激光器(阱层为sigesn/GeSn),并分析了这三种激光器几何结构参数与物理参数对其光电特性的影响,获得了优化的结构与物理参数:对于PiN激光器,其i区厚度100nm、P区掺杂浓度为1×10/cm时器件性能最优;对于单量子阱激光器,其阱层厚度100 nm、P区掺杂浓度为1×10/cm时器件性能最优;对于多量子阱激光器,阱层厚度为10 nm、垒层厚度为10 nm、量子阱个数为3、P区掺杂浓度为1×10/cm时器件性能最优。对上述三种激光器进行模拟仿真,结果表明:优化后的PiN激光器、单量子阱激光器、多量子阱激光器的阈值电流密度为3.42 kA/cm、2.21 kA/cm、1.9 kA/cm,在300 mA的外加电流下输出功率为4.8 mW、6.3 mW、8.5 mW,发光斜率效率分别为16 mW/A、21 mW/A、28.3 mW/A,发光波长范围在2410470 nm。在此基础上,建立了PiN激光器、单量子阱激光器、多量子阱激光器的特征温度模型,仿真结果得到三种激光器的特征温度为47.6 K、71.2 K、104 K。综上所述,多量子阱结构的激光器较于其它激光器性能最优。针对GeSn/sigesn多量子阱激光器,分析了腔面膜材料特征参数对其光电性能的影响,研究了增透膜与高反膜的反射率与输出功率的关系,获得了优化的增透膜与高反膜参数。其中增透膜材料选为SiO,膜厚度设计为414 nm,表面反射率为10.3%,高反膜选用Si/SiO组合膜,其厚度分别为178 nm与414 nm,并在组合膜前加入了378 nm的AlO薄膜增加其粘合性,当组合膜为3对时,其反射率超过95%。综上所述,获得了GeSn/sigesn多量子阱激光器优化的制备工艺。以上研究均为GeSn/sigesn量子阱激光器的研制提供理论基础,这为Si基光子学的发展提供了重要参考。

关键词：激光器 GeSn sigesn 量子阱阈值电流密度

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