第三章-硅基光电子材料与器件-part2

1光电子材料与器件OptoelectronicMaterialsandDevices第三章硅基光电子材料与器件课后阅读两篇文献2纳米晶硅嵌入SiO2结构的光增益2000年，L.Pavesi等报道了纳米晶硅嵌入SiO2结构中纳米晶硅的光增益现象，并认为这为实现硅基激光迈出了相当重要的一步。3三能级模型L.Pavesi等提出了如下图的三能级理论模型。即：纳米硅吸收泵浦光，使电子从价带顶跃迁到导带底，然后快速弛豫到导带底下方的界面态；而界面态上的电子的寿命很长，这样就可以实现粒子数反转，使得界面态到价带顶的电子-空穴复合有可能得到受激发射。4四能级修正模型A.Polman等从以往的实验和纳米晶硅嵌入SiO2结构的发光特性出发，认为光增益很可能来自纳米硅对二氧化硅中的缺陷或杂质的敏化作用。5•L.Pavesi等修正了他们的模型，引入了与氧有关的纳米硅晶表面态的四能级模型。•对于纳米硅光增益的真实物理内涵依然很模糊，还需进一步深入的研究。全硅拉曼激光器2005年初，加州Intel实验室和以色列耶路撒冷的科学家在单一硅芯片上研制成功紧凑型全硅拉曼激光器。6拉曼激光器的光腔是一个长约4.8cm，有效芯径为1.6um2的S形硅波导，硅波导的一面镀有高反射率膜，用1.536um的脉冲激光器通过一个长8m的光学纤维泵浦硅光腔，当超过阈值后，光腔开始激射输出1.6695um的激光。硅基拉曼激光器的研制成功，向硅基光电子迈出了重要的一步，具有深远的意义。7硅基异质结材料---第二代硅随着“能带工程”，“材料工程”的深入研究，Si基异质结构显示出越来越重要的作用，为我们裁剪能带、设计异质结构、调整电学和光学性质、制造新功能器件等提供了有力的工具。Si和Ge同为IV元素，同为金刚石结构，可以形成组分完全均匀分布的固熔体合金SixGe1-x，合金结构、光电学性质线性可调，国外有人把SixGe1-x称为第二代硅。将第二代硅的内涵进一步拓展，还报告SiGeC/Si、硅基III-V族化合物、SOI、硅基量子结构等。8SixGe1-x的晶格常数Vegard’sLaw9晶格常数偏离线性关系10SixGe1-x合金的有序结构采用MBE生长SiGe或SiGe/Si超晶格，实验观察到这三种有序结构。11晶格失配和SiGe的临界厚度晶格失配指的是两种晶格常数不同的材料一起构成异质结构的晶体材料时，由于两者晶格常数的不同，在异质结界面处不能完全互相吻合，因而不能完全互相匹配，会使得界面附近材料的晶格常数发生变化或引进缺陷和位错，这就是晶格失配。12失配度和应变失配度面内应变双轴(Biaxial)压应变，为负值张应变，为正值0//subsubmaaaflaxlaxaaaReRe////////全应变(strained)硅14晶格失配度15临界厚度(Criticalthickness)当一种材料外延生长在另一种材料上时，由于晶格常数的差异而导致外延层发生应变；随着外延层厚度的增加，应变层的厚度也逐渐增加，应变的程度也逐渐增加最终引进位错，将这种应变积累到一定程度并且最终引发位错刚刚产生的厚度定义为临界厚度。临界厚度依赖于异质结材料本身、晶格常数、异质结的组分x值、界面的晶向和温度等。16SixGe1-x/Si异质结构的临界厚度17异质外延层中的应变能当h增加到某个临界厚度时，积聚的能量就以失配位错（misfitdislocation)的形式释放出来。界面原子排列受破坏。分析临界厚度的两种物理模型：（1）力学平衡模型2.J.W.Matthews,etal.,J.Cryst.Growth27,118(1974)4.R.Pepople,Appl.Phys.Lett.47,322(1985)21[2]1hEEhGhMatthewsandBlakesleeforcebalancemodel基本点：位错的产生是力平衡的破坏所致。有两种力：（假设存在一根线位错）FG为失配引起的作用于位错线上的力（失配应力)FL为位错内部自身的张力（tension)当FGFL时，产生位错（位错线移动)当FG=FL时，得到应变临界厚度hc212()cos1(1cos)[ln()1]4(1)GmLFGbfhGbhFb21(1cos)[ln()1]8(1)cosccmhbhfbhc与失配度fm关系：反比（2）能量平衡模型基本点：失配位错是因为能量平衡破坏产生的设EH为应变层应变能量的密度ED为形成一个螺旋位错的能量密度VanderMerweModel:PeopleandBeanModel:当EHED时，产生位错当EH=ED时，临界值212()1HmEGfh2211ln()1162ccmhbhfba2ln()82DGbhEba29.5[]4DmGbEf211()81cmahfSixGe1-x/Si异质结构的失配位错位错沿着界面附近的（111）面滑移；平行于异质结界面处的刃位错；垂直于异质结界面的螺位错（或成一个角度）位错湮灭，形成闭环21SiGe体材料的能带结构强调的是SiGe体材料，不存在应变。在大多数情况下，SiGe体材料以及弛豫了的SiGe合金的能带结构类似于Si的能带结构。22应变对SiGe能带结构的影响如果在半导体材料上施加静压力,使得材料的原子间距发生微小的变化，就会促使其能带偏移；另一个效应是单轴应变或者双轴应变引起的，他们会使简并的能带发生分裂，主要发生在价带。23在轻空穴带和重空穴带中，空穴的有效质量不同，从而引起的载流子的输运性质有许多差别，因此可根据实际应用的需求来设计能带的结构，使得器件中载流子的有效质量、迁移率和量子结构中的限制作用表现出不同的物理性质，实现各种器件功能。这就是能带工程的研究对象。研究表明，外延层SixGe1-x在双轴压应力的作用下，带隙发生偏移。无论合金中Ge的组分，带隙偏移都将主要发生在价带中，价带位置的变化几乎完全等于禁带宽度的变化，而导带却几乎没有多大的变化。24不同衬底生长的应变SixGe1-x的禁带宽度25SiGe/Si异质结的能带偏移当两种禁带宽度不同的半导体晶体材料在一起构成异质结构时，就会在异质结的界面处引起禁带宽度的突变，显然异质结的带隙差∆Eg等于它们各自的禁带宽度之差，即∆Eg=Eg2-Eg1。禁带宽度的突变又进一步表现为导带的偏移∆Ec和价带的偏移∆Ev，并且∆Eg=∆Ec+∆Ev。26能带偏移可采用光反射谱、X射线光电子谱、DLTS等方法测量。SiGe的有效质量实验证明，SiGe合金中载流子的有效质量在整个范围内没有明显的变化。27Si基异质结构外延生长SiGe材料的生长手段广义上课分为物理外延和化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)。物理外延方法指的是分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,MBE)。它的最大优点是可以非常精确地控制外延层的厚度和组分。化学气相淀积方法同样用于生长高质量的SiGe/Si异质结构材料。CVD方法根据设备特点的不同，又有快速加热RTP-CVD，超高真空UHV-CVD，等离子增强PECVD等。28UHV-CVD设备29SiGe的光学性质30SiGe的光学性质由于SiGe的能带结构还是间接带隙，其发光效率很低，大大限制了作为发光材料的应用。即便如此SiGe的光学性质依然是人们非常关心的课题。31北大新任校长王恩哥的10句话：全场掌声把屋顶掀翻！第一句：结交“两个朋友”:一个是运动场，一个是图书馆。不断地“充电”、“蓄电”、“放电”。第二句：培养“两种功夫”:一个是本分，一个是本事。做人靠本分，做事靠本事，靠“两本”起家靠得住。第三句：乐于吃“两样东西”:一个是吃亏，一个是吃苦。做人不怕吃亏，做事不怕吃苦。吃亏是福，吃苦是福。第四句：具备“两种力量”:一种是思想的力量:一个叫理想，一个叫毅力。如果一个人有了这“两个翅膀”，他就能飞得高，飞得远。第七句：构建“两个支柱”:一个是科学，一个是人文。第八句：:一个叫运动，一个叫乐观。运动使你生理健康，乐观使你心理健康。日行万步路，夜读十页书。第九句：记住“两个秘诀”:一个是健康的秘诀在早上，一个是成功的秘诀在晚上。爱因斯坦说过：人的差异产生于业余时间。业余时间能成就一个人，也能毁灭一个人。第十句：追求“两个极致”:一个是把自身的潜力发挥到极致，一个是把自己的寿命健康延长到极致。自组装Ge量子点的生长材料的平衡生长模式有三种：Frank-vanderMerwe(FM，层状)Volmer-Weber(VE,岛状)Stranski-Krastanov(SK，层状+岛状)33为什么需要量子结构34增加材料的态密度，提高量子效率。S-K模式生长量子点Si衬底上生长Ge时，Ge的晶格常数比Si大，晶格失配为4.2%。Ge-Ge键比Si-Si键弱，所以Ge具有比Si小的界面能。这样，在Si上生长Ge时，开始时满足浸润条件，生长是层状生长，随生长厚度的增加，应变能增加，浸润条件不在满足，生长转化为岛状生长。所以Si衬底上生长Ge是典型的S-K生长模式。利用这一生长模式，控制好生长条件，就可以以自组装的方式生长出不同形状和分布的Ge量子点材料。35Ge量子点尺寸的控制和密度的提高大部分Ge量子点的应用（如硅基发光、量子计算、单电子晶体管等），一是要Ge岛的尺寸小，10nm以下；二是量子点的密度要大幅提高。采用S-K模型直接生长的Ge岛尺寸都在50nm以上，且密度很难突破1010cm-2.在衬底表面掺杂，利用杂质中心诱导成核是一个可行的技术路线。研究者先后采用了0.2分子层(ML)的C，或者硼原子B，使Ge岛的尺寸大幅减小，密度提高达到4.6*1010cm-2，其生长机制是杂质原子的引入会在浸润层上形成一个应力场，促使形成高密度的超小型Ge量子点，随着Ge厚度增加，杂质的应变补偿作用使得临界厚度增加，延缓Ge量子点形貌变化。36Ge量子点表面形貌及尺寸分布37Ge量子点的有序性控制在图形衬底上生长Ge量子点38生长在超晶格上的Ge量子点39Onsuperlattice(SL)DirectlyonSi利用Si表面的自组织性在邻晶面衬底上生长有序Ge量子点在应变的邻晶面上存在台阶与台阶之间的长程相互吸引作用，从而形成台阶束。利用这些台阶束形成的规则波纹状条纹，能自组织生长出规则分布的Ge量子点。40SiGe/SiMQWsRCE光电探测器以SiGe/SiMQWs(多量子阱)为吸收区，用谐振腔结构来多次利用入射光，从而设计制造出SiGeMQWsRCE(谐振腔增强)型光电二极管。41SiGe/Si量子阱光电响应特性吸收区为20周期的Si0.65Ge0.35/Si量子阱，由于Ge的组分x=0.35，已经将其禁带宽度Eg压缩至1.01eV，因而对1.3um波段的光波产生很强的光吸收。42Ge量子点光电探测器要应用于更长的波长，需要进一步提高SiGe合金中的Ge含量，这会因晶格失配引起位错缺陷，解决办法之一就是采用量子点来制作。43当Ge量子点结构的周期数为5时，探测器对820nm、1300nm.1550nm三个波长的响应度分别为130mA/W、0.16mA/W、0.08mA/W。通过增大Ge量子点结构的周期数，增大有源区的体积，响应度可以得到进一步提高。44硅基光波导器件多模干涉器和光波导耦合器高速光调制器SOI光波导开关列阵波导光栅45硅基III-V族半导体异质结构硅与III-V族材料的结构差异46Si：金刚石结构GaAs：闪锌矿结构GaN：纤锌矿结构异质外延生长难点晶格失配47热失配任何材料在制备的过程中，都要经历升温、降温过程；而器件在应用过程中也有一个工作温度。所以，必须要考虑两种材料由于线胀系数不同而引起的热失配。以GaAs为例，GaAs的线胀系数为6.0*10-5K-1,而Si的线胀系数为