应变Ge材料器件总结

应变Ge材料器件总结一、研究背景和意义优势：张应变可以使Ge材料具有直接带隙特性，有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光，且与标准硅工艺兼容，因此，应变Ge可作为硅基发光器件重要的候选材料。（还有GeSn）理论分析：Ge属于间接带隙材料，由于间接带的辐射复合过程需要声子参与，因此其发光效率低于III-V族材料，而直接带的辐射复合效率要比间接带高3-5个数量级，如果能实现Ge的直接带隙发光，其发光效率将与III-V族材料相当。具体途径：使载流子更多地填充到直接带能谷中。实现方法：应变（Ge的直接带与间接带导带底之间仅相差136meV）和掺杂。文献2010Band-EngineeredGe-on-SiLasers能带变化：张应变使Ge价带轻空穴带上升，重空穴带下降，导带直接带底Γ能谷和间接带底L能谷同时下降，并且Γ能谷下降的更快。因此，张应变缩小了Γ能谷和L能谷之间的差距，当张应变为1.7%时，Ge由间接带隙材料转变为直接带隙材料，禁带宽度为0.5eV。不利影响：第一，应变太高容易损坏Ge的晶体质量，例如导致位错密度太大，表面粗糙等。第二，应变太高使Ge的禁带宽度减小，远离了光通信波段的应用，例如张应变为1.7%时，Ge变为直接带隙材料，禁带宽度对应的光波长为2.5um，不能满足光纤通信的需要。解决方案：通过掺杂填充间接带能谷。（文献2012N型掺杂应变Ge发光性质）二、国内外现状1.国外麻省理工：理论和实验都有。文献2007Tensile-strained,n-typeGeasagainmediumformonolithiclaserintegrationonSi张应变0.25%，N型掺杂7.6×1019/cm3，净增益~400cm-1，激光的开启电流密度达5.8kA/cm2，结果显示，张应变N型掺杂Ge是硅基集成激光器不错的候选材料。文献2010Band-EngineeredGe-on-SiLasersGe-on-Si激光器，张应变0.2-0.3%，N型掺杂1×1019/cm3，室温下发光，波长范围1590-1610nm。文献2010TowardaGermaniumLaserforIntegratedSiliconPhotonics张应变0.25%，N型掺杂7×1019/cm3，净增益达500cm-1，波长范围1520-1620nm。由左图可以看出，张应变1.7%时，Ge由间接带隙变为直接带隙。右图为张应变0.25%，N型掺杂7×1019/cm3时的能带结构，Γ能谷和L能谷差为110meV，浅红点和深红点分别为注入电子和热激发的外电子，浅蓝点和深蓝点分别为注入轻空穴和重空穴。斯图加特大学：文献2011Room-TemperatureElectroluminescenceFromGeSnLight-EmittingPinDiodesonSi采用低温MBE工艺，制备出GeSnPIN型发光二极管，Sn1.1%，与非应变的Ge发光管相比，电致发光的峰值向红外区移动40nm或20meV，该红移是由GeSn较窄的禁带宽度和应变导致。2.国内厦门大学和中科院上海微系统所：文献2012N型掺杂应变Ge发光性质（理论计算）当张应变为1.7%时，Ge由间接带隙材料转变为直接带隙材料，禁带宽度为0.5eV。张应变为1.5%，N型掺杂为1.4×1019cm−3时，Ge的最大内量子效率达74.6%，光增益可与III-V族材料相当。中科院半导体所：成步文，硅基Ge发光二极管，硅基GeSn材料与光电探测器。20131013问题与解答：1.张应变使轻重空穴带相差多少？参考打印资料。2.GeLED发光效率多少？参考打印资料。白炽灯光效在10-15lm、卤钨灯光效为12-24流明/瓦、荧光灯50-90流明/瓦,钠灯90-140流明/瓦、大部分的耗电变成热量损耗。3.红外通信波长范围？光通信波长范围？红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm之间。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长范围0.76~1.5um。光通信中的常用波长为：0.85um、1.31um、1.55um。（近红外区）可见光波长范围：390-770nm。4.张应变实现方法？方法1，威斯康星大学，高压气体：Ge膜覆盖在PI膜上，整体盖在空洞上，底部充入高压气体。方法2，威斯康星大学，氮化硅膜：Ge膜覆盖在空洞上，正反向分别淀积氮化硅薄膜。方法3，斯图加特大学，Sn掺杂：Ge中掺Sn，可使其能带变窄，引入压应变？张应变？方法4，麻省理工学院，低温冷却：将生长于Si衬底上的完全弛豫的Ge（生长温度650℃）冷却至室温，将使Ge产生0.24%的张应变。5.MIT课题组最近文章？文章集中在2003-1013，主要集中在光探测器，薄膜太阳电池的陷光结构，GeSn激光器。6.应变Ge电子器件有哪些？应变Ge沟道PMOS7.压应变使导带如何变化？8.张应变1.7%对应多少GPa应力？