在Si衬底上自组装生长Ge量子点研究进展

在Si衬底上自组装生长纳米尺度的Ge量子点，由于三维量子限制效应的贡献，能够在能带结构上对Si、Ge天然材料的间接带特性实施准直接带结构的改性，使激子行为和带间复合跃迁得到大幅度增强，同时Ge量子点的可控有序相关排列还有助于发展新一代的Si基电子波量子器件．文章回顾了自20世纪80年代末至今Ge／Si量子点生长研究的重要进展，对其潜在的重要应用作出了评述．结合作者自己的研究结果，着重介绍了Ge量子点的生长动力学及其形态的演变过程，指出自组装生长的Ge／Si量子点属Ⅱ型能带结构，其发光效率比一维量子阱有很大增强．探讨了用模板衬底实现对Ge量子点尺寸和分布的有序可控生长方法与途径．     

掺杂对多层Ge/Si(001)量子点光致发光的影响

利用超高真空化学气相沉积设备, 在Si (001) 衬底上外延生长了多个四层Ge/Si量子点样品. 通过原位掺杂的方法, 对不同样品中的Ge/Si量子点分别进行了未掺杂、磷掺杂和硼掺杂. 相比未掺杂的样品, 磷掺杂不影响Ge/Si量子点的表面形貌, 但可以有效增强其室温光致发光; 而硼掺杂会增强Ge/Si量子点的合并, 降低小尺寸Ge/Si量子点的密度, 但其光致发光会减弱. 磷掺杂增强Ge/Si量子点光致发光的原因是, 磷掺杂为Ge/Si量子点提供了更多参与辐射复合的电子. 关键词： Ge/Si量子点 磷掺杂 光致发光     

Si基IV族异质结构发光器件的研究进展

Si基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、可集成等特点, 有望解决集成电路的集成度在日益提高时电互连带来的问题. 在Si基光互连的关键器件中, 除了Si基光源尚未得到解决, 其他器件都已经实现, 因此Si基可集成高效光源具有十分重要的研究意义. 同为IV族元素的Ge 和GeSn因其与Si的可集成性及其独特的能带结构有望成为Si基光电集成回路中的光源. 虽然Ge是间接带隙材料, 但通过引入张应变、n型重掺杂, 或者引入Sn形成GeSn合金等能带工程手段来提高发光效率. 近年来, Si 基IV族发光材料和发光器件有许多重要进展, 本文就Si基Ge, GeSn材料发光研究中的几个关键技术节点——应变工程、掺杂技术、理论模型和器件研究——回顾了近几年国际和国内的研究进展, 并展望了Si基IV族激光器的发展趋势.     

N型掺杂应变Ge发光性质

应变锗材料具有准直接带特性,而且与标准硅工艺兼容,成为实现硅基发光器件重要的候选材料之一.本文基于vandeWalle形变势理论,计算了应变情况下半导体Ge材料的能带结构以及载流子在导带中的分布;通过分析载流子直接带和间接带间的辐射复合以及俄歇复合、位错等引起的非辐射复合的竞争,计算了N型掺杂张应变Ge材料直接带跃迁的内量子效率和光增益等发光性质.结果表明,张应变可有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光.在1.5%张应变条件下,N型掺杂Ge的最大内量子效率可以达到74.6%,光增益可以与III-V族材料相比拟.     

单根镓掺杂氧化锌微米线异质结基高亮黄光发光二极管EI北大核心CSCD

基于半导体低维微纳结构构筑的可见光发光器件,特别是位于500~600 nm波段的黄绿光光源,因具有较高的发光效率、长寿命和低功耗等特点,在超高分辨率显示与照明、单分子传感和成像等领域有着广泛的应用价值。由于高性能低维黄绿色发光器件在发光材料制备、器件结构以及发光器件的“Green/yellow gap”和“Efficiency droop”等方面受到严重限制,极大地影响了低维微纳结构黄绿光发光器件的开发和应用。本文采用单根镓掺杂氧化锌(ZnO∶Ga)微米线和p型InGaN衬底构筑了异质结基黄光发光二极管,其输出波长位于580 nm附近,半峰宽大约为50 nm。随注入电流的增加,光谱的峰位和半峰宽几乎没有任何变化,也没有观察到InGaN基光源中常见的量子斯塔克效应。器件相应的色坐标始终处于黄光色域范围。更为重要的是,器件的外量子效率在大电流注入下并没有出现较大的下降。结合单根ZnO∶Ga微米线和InGaN的光致发光光谱,以及n-ZnO∶Ga/p-InGaN异质结能带结构理论,可以推断该制备器件的发光来自于ZnO∶Ga微米线和InGaN结区界面处载流子的辐射复合,器件的Droop效应得到明显抑制。实验结果表明,n-ZnO∶Ga微米线/p-InGaN异质结可用于制备高性能、高亮度的低维黄光发光二极管。     

支撑光网络发展的硅基光电子技术研究

作为大规模集成电路和化合物半导体光电子器件的制造技术共同构成的一门高新技术 ,硅基光电子技术越来越受到重视 .文章着重介绍中国科学院半导体研究所外延生长SiGe/Si量子结构和Si基器件研究的结果 :采用自行设计的UHV/CVD系统 ,成功地生长出Ⅱ型SiGe/Si量子阱和量子点 ,直到 2 5 0K仍能观察到自组织生长Ge/Si(0 0 1 )量子点的发光峰 ;研制成功SiGe/Si谐振腔增强型光电二极管 (RCEPD)、Y分支MZI光调制器和多模干涉 -马赫 -曾德干涉型光开关等Si基光电子器件 ;1 .3μm处RCEPD的量子效率达到 4 .2 % ,- 5V偏压下暗电流密度 1 2 pA/ μm2 ;2× 2热光型光开关的响应时间小于 2 0 μs,两输出端关态串扰为 - 2 2dB ,通态串扰为 - 1 2dB .     

光子晶体对nc-Ge/Si岛发光增强的模拟

在Si基集成光电子学的发展中,高效的Si基光源是人们不懈追求的目标。但是Si材料的间接带隙特性导致其发光效率低,更谈不上受激发射。于是人们探索了多种Si基材料体系来提高Si材料的发光效率,并在不同程度上取得了重要的进展。在众多的Si基发光材料体系中,Ge/Si量子点材料,不仅生长工艺与标准的CMOS工艺有很好的兼容性,而且发光波长能够覆盖重要的光通信波段即1.3~1.55μm,因此成为实现Si基发光器件的重要途径之一。但是目前这种材料的发光效率仍很低,所以提高其发光效率自然成为人们关注的焦点。如果将光子晶体引入到nc-Ge/Si材料中,它不仅可以改变材料本身的自发发射特性,而且可以改变发射的光子的提取效率,从而使材料的发光效率得到增强。提出了在Ge/Si量子点材料中引入光子晶体结构来提高其发光效率,包括光子晶体点缺陷腔结构和带边模式工作的完整光子晶体结构,并从理论上分析了发光效率提高的原理。针对发光波长在1.5μm附近的材料结构,模拟出了相应的光子晶体的结构参数。从模拟结果可以看出,对于缺陷腔的光子晶体结构,采用单点缺陷微腔很好地实现了单模运作,但是微腔内有源材料的体积很小,因此得到的发光效率很低。而采用耦合缺陷腔的结构和H₂腔都增加了腔内有源区的体积。但是耦合腔与H₂腔相比,谐振腔模减少,主谐振模式的峰值强度增加,更容易实现单模发光。因而更适用于提高nc-Ge/Si的发光效率。而带边模式工作的光子晶体结构,尺寸较大,不需引入缺陷,工艺上更容易实现。     

离子束溅射Ge量子点的应变调制生长

采用离子束溅射技术制备了单层和双层Ge量子点, 通过原子力显微镜对比了不同Si隔离层厚度和不同掩埋量子点密度情况下表层量子点的尺寸和形貌差异, 系统研究了掩埋Ge量子点产生的应变对表层量子点的浸润层及形核的影响, 并用埋置应变模型对其进行解释. 实验结果表明, 覆盖Ge量子点的Si隔离层中分布着的应变场, 导致表层量子点浸润层厚度的降低, 从而增大点的体积; 应变强度随隔离层厚度的减小而增加, 造成表层量子点形状和尺寸的变化; 此外, 应变还调控了表层量子点的空间分布. 关键词： Ge量子点 埋层应变 离子束溅射     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

光器件应用改性Ge的能带结构模型

Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好.综合以上原因,准/直接带隙改性Ge具备了单片同层光电集成的应用潜力.能带结构是准/直接带隙改性Ge材料实现单片同层光电集成的理论基础之一,目前该方面的工作仍存在不足.针对该问题,本文主要开展了以下三方面工作:1)揭示了不同改性条件下Ge材料带隙类型转化规律,完善了间接转直接带隙Ge实现方法的相关理论; 2)研究建立了准/直接带隙改性Ge的能带E-k模型,据此所获相关结论可为发光二极管、激光器件仿真模型提供关键参数; 3)提出了准/直接带隙改性Ge的带隙调制方案,为准/直接带隙改性Ge单片同层光电集成的实现提供了理论参考.本文的研究结果量化,可为准/直接带隙改性Ge材料物理的理解,以及Ge基光互连中发光器件有源层研究设计提供重要理论依据.     

Efficiency droop alleviation in blue light emitting diodes using the InGaN/GaN triangular-shaped quantum well

The InGaN/GaN blue light emitting diode(LED) is numerically investigated using a triangular-shaped quantum well model,which involves analysis on its energy band,carrier concentration,overlap of electron and hole wave functions,radiative recombination rate,and internal quantum efficiency.The simulation results reveal that the InGaN/GaN blue light emitting diode with triangular quantum wells exhibits a higher radiative recombination rate than the conventional light emitting diode with rectangular quantum wells due to the enhanced overlap of electron and hole wave functions(above 90%) under the polarization field.Consequently,the efficiency droop is only 18% in the light emitting diode with triangular-shaped quantum wells,which is three times lower than that in a conventional LED.     

Room temperature direct-bandgap electroluminescence from a horizontal Ge ridge waveguide on Si

We report a lateral Ge-on-Si ridge waveguide light emitting diode(LED) grown by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition(UHV-CVD). Direct-bandgap electroluminescence(EL) of Ge waveguide under continuous current is observed at room temperature. The heat-enhancing luminescence and thermal radiation-induced superlinear increase of edge output optical power are found. The spontaneous emission and thermal radiation based on the generalized Planck radiation law are calculated and fit very well to the experimental results. The Ge waveguides with different lengths are studied and the shorter one shows stronger EL intensity.     

Temperature dependent direct-bandgap light emission and optical gain of Ge

Band structure, electron distribution, direct-bandgap light emission, and optical gain of tensile strained, n-doped Ge at different temperatures were calculated. We found that the heating effects not only increase the electron occupancy rate in the Γ valley of Ge by thermal excitation, but also reduce the energy difference between its Γ valley and L valley. However,the light emission enhancement of Ge induced by the heating effects is weakened with increasing tensile strain and n-doping concentration. This phenomenon could be explained by that Ge is more similar to a direct bandgap material under tensile strain and n-doping. The heating effects also increase the optical gain of tensile strained, n-doped Ge at low temperature, but decrease it at high temperature. At high temperature, the hole and electron distributions become more flat, which prevent obtaining higher optical gain. Meanwhile, the heating effects also increase the free-carrier absorption. Therefore, to obtain a higher net maximum gain, the tensile strained, n-doped Ge films on Si should balance the gain increased by the heating effects and the optical loss induced by the free-carrier absorption.     

Room-temperature SiGe light-emitting diodes

In the present paper the electroluminescence of PIN diodes with either strained SiGe/Si or Ge islands in the i-region has been investigated experimentally and by quantitative modelling. The modelling helped to improve the diode structure. Consequently, diodes with strained Si_0.80Ge_0.20 could be improved so as to reveal emission up to room temperature, if the thickness was high enough. To overcome the thickness limitation due to plastic relaxation, we used selective epitaxy on small areas. We also present results for diodes with Ge islands in the active region. The internal quantum efficiency of light emitting diodes with strained SiGe was at room temperature 10⁻⁴, while diodes with islands emitted ten times less light.     

第一性原理研究[112]硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似,本文利用第一性原理方法着重研究了[112]晶向硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质.能带结构计算表明:随着锗原子数的增加,[112]晶向硅锗纳米线的带隙逐渐减小;对Si_(36)Ge_(24)H_(32)纳米线施加单轴应变,其能量带隙随拉应变的增加而单调减小.光学性质计算则表明:随着锗原子数的增加,[112]硅锗纳米线介电函数的峰位和吸收谱的吸收边均向低能量区移动;而随着拉应变的增大,吸收系数峰值呈现出逐渐减小的趋势,且峰位不断向低能量区移动,上述结果说明锗原子数的增加与施加拉应变均导致[112]硅锗纳米线的吸收谱产生红移.本文的研究为硅锗异质结纳米线光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

掺纳米锗氧化硅的发光性能研究

由溶胶/凝胶法制备得到的GeO₂/SiO₂玻璃在700 ℃的条件下经H₂还原,得到具有奇特光致发光性质的Ge/SiO₂玻璃,该玻璃在室温条件下用246 nm（5.01 eV）的光激发时,能发射出很强的 392 nm（3.12 eV）、较强的 600 nm（2.05 eV）和次强的770 nm（1.60 eV） 的荧光.利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）及透射电镜（TEM）实验证明,该玻璃能够发射3种不 关键词： 2')" href="#">Ge/SiO₂ Ge纳米晶粒 溶胶/凝胶法 光致发光     

Influence of defects on the optical and structural properties of Ge dots embedded in an Si/Ge superlattice

In this work we studied the influence of high-energy proton irradiation on the optical and structural properties of an Si/Ge superlattice (SL) with embedded Ge quantum dots (QDs). The presence of QDs in the as-grown samples was established by transmission electron microscopy and photoluminescence (PL). The samples were irradiated with 2.0 MeV protons to fluences in the range 2×10¹²-2×10¹⁴ cm^-2. The structural characterization made by X-ray reciprocal space mapping, X-ray reflection and Rutherford backscattering/channelling has shown no changes in the as-grown heterostructure due to the irradiation. In spite of the expected high concentration of nonradiative recombination centres caused by the proton-induced damage, the PL emission from the Ge dots has been observed even for the highest irradiation fluence. The studied QD-in-SL structure has shown an extraordinarily high radiation hardness when compared with previously studied QD heterostructures.