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随着电子科技行业的不断发展,传统电互连引起的信号延迟、电磁干扰以及能量损耗等问题变得越来越突出,从而阻碍了集成电路尺寸的进一步减少。用光互连取代电互连,是当代被广泛认可的突破传统电互连瓶颈的方案。III-V族材料的发光器件比较成熟,而且拥有良好的发光特性,但它难以与Si基CMOS工艺兼容,因此不适合用于Si基单片光电集成。基于Ⅳ族材料的发光器件却可以克服这个问题,是实现单片光电集成的发展方向。Ⅳ族材料中的Ge虽然不是直接带隙材料,但它的直接带隙和间接带隙的能量差只有0.136 eV,可以通过张应变、电子填充等方式实现直接带隙发光。本文基于Ge的材料特性和能带结构,总结分析了多种应力引入方法,得出了应变不仅可以降低直接带隙能谷,还可以提高价带极大值点、直接带隙能谷中的电子浓度以及载流子的迁移率,为Ge基LED和激光器的设计奠定了基础。基于LED的发光原理,结合外加应力源、微桥结构、掺锡和PIN异质结的优势提出了一种新型的应变Ge/Ge1-x-x Snx/Ge PIN双异质结发光二极管,然后整合优化了工艺步骤并通过改变器件的材料物理参数进行实验分析。实验结果显示:GeSn发光特性随应力增加而增强;在Si3N4膜的应力为-1.38 GPa,Sn组分为4.5%时,最佳的n型和p型掺杂浓度为5×10188 cm-3;同时在Ge材料中引入应力和Sn组分可以降低Ge转变为直接带隙材料所需的Sn组分。基于LED的研究基础,结合激光器的原理和对谐振腔的研究,采用Silvaco仿真工具设计了一种依靠Sn组分和超注入电子填充来实现发光的Ge/GeSn/Ge双异质结PIN VCSEL。仿真结果显示:其基本的光电特性满足激光器的特性,能带结构满足粒子数反转的要求,且光谱线宽不到1 nm;本征层厚度会影响超注入的水平从而影响器件的发光特性;适当增加掺杂浓度,减小温度可以提高激光器的发光特性;Sn组分与谐振腔结构相适应时发光强度最佳;不同Sn组分对应的最佳I区厚度也不同;当DBR谐振腔的设计与Sn组分相适应时,Sn组分越高,最佳I区厚度下的发光强度也最高。考虑到掺Sn的工艺难度,选择的最佳Sn组分是6%,此时DBR结构中SiO2/Si的厚度为0.233μm/0.143μm,激光器的发光峰值波长约为2μm,发光效率与已发表的实验结果相比有明显的提升。考虑到目前普遍的工艺水平和成本问题提出了"双管齐下"的方案,即在使用新材料新工艺设计新型高性能发光器件的同时也考虑牺牲部分器件性能,设计出适合目前工艺水平的更经济的结构。为此,设计了新型SixGey/Ge/Si0.5Ge0.5发光管,并整合优化了工艺步骤,绘制了版图。