Si/SiGe量子阱空穴子带跃迁及其在中远红外光发射/探测器中的应用研究

摘要

Si微电子技术已取得巨大成功，然而由于体材料Si的间接带隙特性，发光效率比直接带隙的GaAs等化合物材料低五个量级，如何在硅基材料系实现高效率发光，已成为发展硅基光电子学的一个重要课题，突破Si间接带隙限制的一条有希望的道路，是利用能带工程，使用Si/SiGe量子阱中的子带跃迁代替体材料中的带间跃迁。近年来，基于子带跃迁机理的硅基高效中远红外光电器件成为国内外学术界和产业界的一个研究热点。由于硅基光电子技术重大的产业背景，硅基高效中远红外光电子器件将具有更广泛的应用前景，对我国科技、工业和国防的发展具有重要的意义。本论文就是在这种背景下开展基于价带空穴子带跃迁、Si/SiGe量子级联激光器和Si/SiGe量子阱远红外探测器的基础研究，主要工作和研究成果有： (1)使用六带的k·p方法系统地研究了应变Si/SiGe材料的价带能带结构和空穴有效质量，定量计算分析了P型高掺杂Si/SiGe量子阱中的载流子分布、空穴子带跃迁矩阵元和量子阱空穴子带跃迁光吸收特性。 (2)进行基于空穴子带跃迁中远红外(含太赫兹)Si/SiGe量子级联激光器能带设计研究，使用Drude模型和FDTD方法计算了长波长Si/SiGe量子级联激光器波导的限制因子和损耗特性，得到同时具有高限制因子和低损耗系数的长波长Si/SiGe量子阱级联激光器结构。 (3)研究了基于空穴束缚态和准束缚态跃迁模型、应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带结构和品质因子。在国际上首次提出并从理论上论证使用张应变Si/SiGe量子阱红外探测器结构具有更高的吸收系数、更好的载流子输运特性和高探测灵敏度。 (4)探讨了使用UHV/CVD系统进行Si/SiGe量子阱红外探测器的材料结构生长的若干问题，在600℃生长温度下，得到高质量Si/SiGe量子阱红外探测器的材料结构。提出一种方法用于估算Si/SiGe量子阱各层生长速率和组分，实验证明这种方法可以方便、准确地估算各种生长条件下Si/SiGe量子阱各层的生长速率和Ge组分，还可以估算源气体进入生长室到稳定生长所需要的时间。 (5)研究正入射型Si/SiGe量子阱红外探测器的制备工艺，进行Si/SiGe量子阱红外探测器FTIR红外吸收谱测试和分析，得到吸收峰处于大气传输窗口3～5微米波段的量子阱红外探测器结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 Si基中远红外光电器件的研究背景和意义

1.2 Si基中远红外光电器件的研究进展和存在的问题

1.3本文工作及其组织结构

参考文献

第二章应变Si/SiGe量子阱空穴能级和子带跃迁

2.1 k·p方法计算应变Si/SiGe量子阱的能带结构

2.1.1理论方法

2.1.2能带计算参数

2.1.3 Si/SiGe量子阱的空穴能级

2.2压应变Si/SiGe空穴有效质量

2.3压应变Si/SiGe量子阱空穴子带跃迁与光吸收

2.3.1空穴子带跃迁动量矩阵元

2.3.2 p型掺杂量子阱空穴态密度和费米能级

2.3.3空穴子带跃迁光吸收谱

2.4张应变Si/SiGe量子阱空穴能级和子带光吸收

2.4.1张应变Si/SiGe量子阱空穴能级和有效质量

2.4.2 p型掺杂张应变Si/SiGe量子阱空穴态密度和费米能级

2.4.3张应变Si/SiGe量子阱空穴子带光吸收谱

2.5本章小结

参考文献

第三章Si/SiGe量子级联激光器的能带设计和波导优化

3.1 Si/SiGe量子级联激光器的能带计算

3.1.1 Si/SiGe量子级联激光器的工作原理

3.1.2 Si/SiGe量子阱空穴子带的能量间距

3.1.3中红外Si/SiGe量子级联激光器的能带设计

3.1.4太赫兹Si/SiGe量子级联激光器的能带设计

3.2 Si/SiGe量子级联激光器的增益系数

3.3太赫兹Si/SiGe量子级联激光器的波导和损耗

3.3.1太赫兹Si/SiGe量子级联激光器的波导结构

3.3.2 Drude模型和波导材料介电常数

3.3.3太赫兹波导的限制因子和模式损耗

3.4本章小结

参考文献

第四章B-QB模式Si/SiGe量子阱红外探测器优化设计

4.1压应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带设计

4.2 张应变Si/SiGe量子阱红外探测器的能带设计

4.3正入射Si/SiGe量子阱红外探测器的品质因子

4.3.1光电流和光电导增益

4.3.2响应度和捕获概率

4.3.3量子效率

4.3.4暗电流

4.3.5暗电流噪声和探测灵敏度

4.4张应变Si/SiGe量子阱红外探测器的品质因子

4.4.1量子效率和响应谱

4.4.2暗电流和探测灵敏度

4.5本章小结

参考文献

第五章正入射型Si/SiGe QWIP材料生长与器件研制

5.1 Si/SiGe量子阱红外探测器材料生长的若干问题探讨

5.1.1 UHV/CVD外延生长Si/SiGe异质结量子阱

5.1.2 Si/SiGe材料系的p型原位掺杂

5.1.3一种计算Si/SiGe异质结外延生长速率和组分的新方法

5.1.4 Si/SiGe量子阱红外探测器的材料结构

5.2正入射Si/SiGe量子阱红外探测器制作关键工艺

5.2.1器件版图设计

5.2.2工艺流程

5.2.3器件暗电流特性

5.3正入射Si/SiGe量子阱红外探测器的红外吸收测试

5.3.1傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)

5.3.2 p型衬底Si材料的红外光吸收

5.3.3自由载流子吸收

5.3.4不同温度下Si/SiGe量子阱红外探测器的红外光吸收谱

5.4本章小结

参考文献

第六章全文总结和展望

获奖和论文发表情况

致谢