光器件應用改性Ge的能帶結構模型?

楊雯 宋建軍 任遠 張鶴鳴

(西安電子科技大學微電子學院,寬禁帶半導體材料與器件重點實驗室,西安 710071)

(2018年6月12日收到；2018年7月24日收到修改稿)

1 引 言

Ge為間接帶隙半導體,通過改性技術可以轉換為準直接或者直接帶隙半導體.與間接帶隙的Ge相比,準/直接帶隙改性Ge半導體載流子輻射復合效率高,應用于光器件發光效率高；同時,準/直接帶隙改性Ge半導體載流子遷移率顯著高于Si半導體載流子遷移率,應用于電子器件工作速度快、頻率特性好.鑒于改性Ge半導體在光器件和電器件兩方面的應用優勢,其具備了單片同層光電集成的應用潛力,已成為該領域內研究的熱點和重點[1?6].

目前實現Ge改性的技術主要有兩種:一種是施加雙軸張應力使得Ge發生應變從而實現改性；另外一種就是摻Sn通過合金化的方法來實現改性[7?9].是否還有別的方法來實現Ge改性?為了解決這一問題,本文在研究改性Ge材料應變張量模型的基礎上,揭示不同改性條件下Ge帶隙類型轉化的規律,擬建立準/直接帶隙改性Ge帶隙類型轉化模型,完善間接轉直接帶隙Ge實現方法的相關理論.

準/直接帶隙改性Ge具備單片同層光電集成的應用潛力,且其工藝與Si兼容,為高速器件與電路提供了新的技術發展途徑.能帶結構是準/直接帶隙改性Ge材料實現單片同層光電集成的理論基礎之一,但據我們所知,目前該方面的工作仍存在不足.有鑒于此,我們在建立準/直接帶隙改性半導體應變張量和形變勢模型的基礎上,采用kp微擾法,擬建立準直接帶隙改性Ge能帶E-k模型以及直接帶隙弛豫Ge1?xSnx合金8帶kp模型,據此所獲相關結論可為發光二極管(LED)、激光器件仿真模型提供關鍵參數.

Ge與GeSn做光電器件已具有很大的競爭優勢[7?10],但是目前為止尚未做出成熟的Ge基同層單片光電集成.實現Ge基光互連要求其中發光管、探測器、波導有源層材料的禁帶寬度必須滿足:Eg,波導＞Eg,發光管＞Eg,探測器. 因此,為實現同層單片光電集成,必須對器件各部分有源層材料的能帶結構進行調制.但遺憾的是缺乏該方面的文獻報道.有鑒于此,本文基于固體能帶理論,研究不同改性條件下Ge半導體在單軸應力作用下禁帶寬度的變化規律,提出改性Ge單軸應力禁帶寬度調制方案,為準/直接帶隙改性Ge單片同層光電集成的實現提供理論參考.

本文的研究結果量化,可為準/直接帶隙改性Ge材料物理的理解以及Ge基光互連中發光器件有源層研究設計提供重要理論依據.

2 改性Ge帶隙類型轉化的規律

本節以改性Ge為研究對象,基于廣義胡克定律、形變勢原理,考慮各種改性致Ge帶隙類型轉化的情況,全面揭示改性Ge帶隙類型轉化的規律,建立準/直接帶隙改性Ge帶隙類型轉化模型,完善間接轉直接帶隙Ge實現方法的相關理論.

2.1 應變張量與形變勢模型

計算、分析Ge半導體間接轉直接帶隙,首先需要計算Ge及其合金半導體以應力為自變量的應變張量模型[11].基于廣義胡克定律,(001)襯底、(101)襯底和(111)襯底雙軸應變張量結果如(1)式所示,單軸應變張量結果如(2)式所示.

式中c11,c12,c44為彈性勁度系數；εxx,εyy,εzz,εxy,εxz,εyz,εxx為應變張量；T為應力.式中參數的具體數值見文獻[11].為了直觀地描述應力施加方式,我們給出(001)襯底、(101)襯底和(111)襯底單軸應力示意圖,如圖1所示,{x′,y′,z′}為輔助坐標系,{x,y,z}為原胞坐標系,θ為x與x′間夾角.

Ge半導體在應力作用下導帶各能級變化可由形變勢模型給出,合金化作用可由Sn和Ge相關參量的線性插值表征[12,13].(001),(101),(111)雙軸應變Ge導帶各能級變化公式如下(式中各參量物理意義和數值詳見表1):

圖1 單軸應力示意圖Fig.1.Diagram of uniaxial stress.

表1 IV族半導體導帶形變勢參數(所有物理量單位均為eV)[12,13]Table 1.Deformation potential parameters of IV semiconductors(all units of physical quantities are eV)[12,13].

2.2 帶隙類型轉化規律模型

Ge為間接帶隙半導體,通過改性技術可以轉換為準直接或者直接帶隙半導體.改性是指通過一定的方法與技術,調制Ge布里淵區中心的導帶底和決定其禁帶寬度處于布里淵區邊界[111]方向的導帶底能級相對位置,使其由間接帶隙材料變為直接帶隙材料.

2.2.1 應力致Ge帶隙類型轉化

在應力作用下,Ge半導體導帶L能谷能級與Γ能級之間相對位置會發生變化,進而引起Ge帶隙類型的轉變[14?17],Γ能谷能級與L能谷能級交叉處即為帶隙轉化交叉點.本節首先討論(001),(101),(111)雙軸張/壓應變Ge導帶各能級隨應力的變化關系,如圖2(a)—(c)所示.由圖可知,(001)雙軸張應變作用下,Ge半導體可實現間接轉直接帶隙.圖2(d)和圖2(e)給出了(001)單軸0?-[100]晶向、(001)單軸45?-[110]晶向張/壓應變導帶各能級隨應力的變化關系.由圖可知,(001)單軸0?張應變可實現帶隙類型轉化,說明除雙軸張應力外,單軸張應力也可實現帶隙類型的轉化.由圖2(f)可知,“較低強度”單軸力+“較低強度”雙軸力的復合應力模式下,也可實現帶隙類型轉化,這為我們實現Ge改性提供了新的方向.

圖2 張/壓應變Ge導帶各能級隨應力的變化關系 (a)(001)雙軸；(b)(101)雙軸；(c)(111)雙軸；(d)(001)單軸0?-[100]晶面；(e)(001) 單軸45?-[110]晶面；(f)(001)單軸0?+雙軸Fig.2.The relationship between conduction band energy levels of the tensile/compressive strained-Ge and stress intensity:(a)(001)biaxial strain；(b)(101)biaxial strain；(c)(111)biaxial strain；(d)(001)uniaxial strain 0?-[100]crystal surface；(e)(001)uniaxial strain 45?-[110]crystal surface；(f)(001)uniaxial strain 0? +biaxial strain.

圖3 (001)單軸0?+雙軸張應變Ge導帶能級隨應力的變化 (a)單軸；(b)雙軸；(c)二維等能圖Fig.3.The relationship between conduction band energy levels of the(001)uniaxial 0?+biaxial tensile strained-Ge and stress intensity:(a)Uniaxial strain；(b)biaxial strain；(c)two-dimensional equal energy graph.

值得注意的是,圖2(f)采用的是(001)單軸0?+雙軸張應變的復合應力模式,并不是復合應力施加的最優模式,下面對該問題做進一步探討.圖3(a)和圖3(b)分別為(001)單軸0?+雙軸復合應變Ge Γ能谷能級與L能谷能級隨單軸、雙軸應力變化的關系.由于變化率不同,Γ能谷能級與L能谷能級在帶隙轉化時將發生交叉,交叉處各單軸與雙軸應力點的組合均可實現Ge帶隙類型轉化,更為直觀的結果可參閱復合應力下Ge帶隙類型轉化等能圖(圖3(c)).

2.2.2 Sn合金化致Ge帶隙類型轉化

本小節將給出Sn合金化致Ge帶隙類型轉化的量化結論. 圖4(a)為弛豫Ge1?xSnx(Sn組分0—0.2)導帶各能級合金化作用條件下的變化情況.由圖可見,合金化約8%左右,Ge半導體可實現帶隙類型轉化,該結論與目前報道的結果基本一致.圖4(b)為(001)雙軸張應變Ge1?xSnx合金導帶各能級變化情況,圖中Γ能谷能級與L能谷能級交叉處即為帶隙轉化交叉點.由圖可見,合金化與張應力共同作用情況下,Ge半導體也可實現帶隙類型轉化,這為我們實現帶隙類型轉化提供了又一新的思路.

圖4 Ge1?xSnx致Ge帶隙類型轉化示意圖 (a)弛豫Ge1?xSnx導帶各能級隨合金化變化；(b)張應變Ge1?xSnx帶隙轉化情況Fig.4.Diagram of bandgap conversion of Ge1?xSnx:(a)The relationship between conduction band energy levels of the relaxation Ge1?xSnxand alloying；(b)the bandgap conversion of tensile strained-Ge1?xSnx.

綜合2.2.1及2.2.2小節的相關討論,我們得出結論:除了傳統的施加雙軸張應力或摻Sn合金化的方法來實現Ge改性之外,還可以通過單軸張應力、單雙軸復合應力、合金化與張應力共同作用來實現Ge改性.本節所獲結論為我們實現Ge帶隙轉化提供了新的途徑,比如單軸應力可以通過微加工技術在(100)GOI薄膜上引入；再比如應力與合金化共同作用實現的改性Ge由于特殊的能帶結構,其禁帶寬度可通過控制Sn組分來改變,且GeSn合金的光吸收系數高,可滿足Ge材料探測器件整個通信波段的要求.

3 準/直接帶隙改性Ge的能帶結構

能帶結構是光互連各分立器件以及光互連整體兼容設計的理論基礎,而要獲得改性Ge材料的能帶結構,重點是研究建立改性Ge材料能帶結構的E-k關系.本節在前節準/直接帶隙改性半導體應變張量和形變勢模型的基礎上,采用kp微擾法,建立準直接帶隙改性Ge能帶的E-k模型以及直接帶隙弛豫Ge1?xSnx合金8帶kp模型,據此所獲相關結論可為LED、激光器件仿真模型提供關鍵參數.

3.1 準直接帶隙改性Ge的能帶結構

準直接帶隙改性Ge導帶、價帶E-k關系解析模型分別如(4)和(5)式所示,相關參數見文獻[14—17].

圖5給出了低強度雙軸張應變Ge導帶、價帶各能級隨應力變化的物理模型.由5(a)可知,低強度張應變Ge半導體導帶Γ能谷能級與L能谷能級之間帶差減小.圖5(b)為導帶Γ與L能谷能級之差隨應力強度變化的關系,當應力強度達到0.3%時,二者之間的帶隙差減小約17%.由圖5(c)可知,雙軸低強度張應變Ge材料的帶邊(“重空穴帶”)和亞帶邊(“輕空穴帶”)發生分裂；同時隨著應力的增大,雙軸低強度張應變Ge的帶邊、亞帶邊、次帶邊Γ點處的能級均隨之增加.圖5(d)為禁帶寬度隨應力強度的變化規律,當應力強度達到0.3%時,低強度雙軸張應變Ge材料禁帶寬度減小約0.714 eV.

圖6為弛豫Ge價帶,0.1%,0.2%和0.3%雙軸張應變Ge價帶結構.由圖6(a)可見,弛豫Ge價帶頂兩個最高的帶(重空穴帶和輕空穴帶)在Γ點處4?簡并,第三支帶(旋軌劈裂帶)為2?簡并.弛豫Ge重空穴帶、輕空穴帶等能面雖為扭曲面,但同一晶向族內各晶向價帶結構相同.由圖6(b)—(d)可見,低強度雙軸張應變Ge材料在應力的作用下價帶頂簡并消除,且其劈裂能隨著應變的增加而逐漸增大.與k矢相關的“重空穴帶”和“輕空穴帶”價帶結構也發生了變化,同一晶向族內沿[001]和[100]兩個晶向的價帶結構在應力的作用下不再對稱,相應的空穴有效質量亦不相同,各向異性顯著.

圖5 雙軸低強度張應變能帶結構 (a)各個導帶能級隨應變的變化關系；(b)導帶Γ能谷與L能谷能級之差；(c)價帶Γ點能級隨應力的變化關系；(d)禁帶寬度隨應力的變化關系Fig.5.The band structure of biaxial tensile strain with low strength:(a)The relationship between conduction band energy levels and stress intensity；(b)the difference between the conduction band Γ and L energy valley；(c)the relationship between valence band point Γ energy level and stress intensity；(d)the relationship between the bandgap width and the stress intensity.

圖6 雙軸低強度張應變Ge價帶結構 (a)弛豫；(b)0.1%應變；(c)0.2%應變；(d)0.3%應變Fig.6.The valence band structure of biaxial tensile strained-Ge with low strength:(a)Relaxation；(b)0.1%strain；(c)0.2%train；(d)0.3%train.

圖7 雙軸低強度張應變Ge導帶Γ能谷與L能谷電子有效質量等能圖Fig.7.Equal energy graph of the conduction band Γ and L energy valley electron effective mass of biaxial tensile strained-Ge with low strength.

低強度張應變Ge導帶電子有效質量、價帶空穴有效質量是后續光器件與電子器件仿真需要的重要物理參量,等能面可以直觀地反映其各向異性.圖7(a)和圖(b)分別為低強度張應變Ge導帶L能谷與Γ能谷電子有效質量等能圖.由圖可知,L能谷電子有效質量等能圖仍為橢球型,其有效質量由橫、縱有效質量兩個指標表征；Γ能谷電子有效質量等能圖仍為球形,其有效質量為各向同性.圖8(a)—(c)分別給出了不同應力強度下雙軸張應變Ge材料帶邊、亞帶邊、次帶邊40 meV的二維、三維等能圖,其形狀直觀地反映了低強度雙軸張應變Ge材料帶邊、亞帶邊、次帶邊空穴各向異性有效質量.

3.2 弛豫GeSn合金能帶結構

Sn合金化是實現Ge帶隙類型轉化的另一種重要改性手段,且通過控制Sn組分還可以調節改性Ge的帶隙寬度.當Sn組分＞0.08時,Ge1?xSnx合金可形成直接帶隙改性Ge半導體,將其應用于光器件,發光效率將顯著提升；同時,Ge1?xSnx合金載流子遷移率高,應用于電子器件,可有效提高器件的工作速度與頻率特性.本節重點研究建立直接帶隙Ge1?xSnx合金(Sn組分＞0.08)能帶結構模型,包括導帶、價帶各能級以及禁帶寬度隨應力變化的物理模型.

直接帶隙Ge1?xSnx合金能帶kp本征值模型需同時包括導帶和價帶兩個部分,本征值矩陣維數至少為8[14?17](如(7)式).

其中

上式中Luttinger參數γ,γ,γ對應6帶kp模型參數；EΓg為Ge半導體Γ點導帶底與價帶頂能級差；?為Ge半導體旋軌分裂能；mc為Ge半導體導帶Γ點電子有效質量；kx,ky,kz為倒易空間波矢量,分別對應[001],[010],[100]晶向.

圖8 雙軸低強度張應變Ge價帶40 meV E等能圖 (a)帶邊；(b)亞帶邊；(c)次帶邊Fig.8.Equal energy graph of the valence band 40 meV Eof biaxial tensile strained-Ge with low strength:(a)The edge；(b)subband edge；(c)subband edge.

圖9 直接帶隙Ge1?xSnx合金導帶結構(a)(x＞0.08)導帶各能級隨Sn組分x的變化關系；禁帶寬度與Sn組分x的關系Fig.9.The conduction band structure of direct bandgap Ge1?xSnxalloy:(a)Relationship between(x＞0.08)conduction band energy levels and x；(b)relationship between the bandgap width and x.

導帶方面,圖9(a)為直接帶隙Ge1?xSnx合金(Sn組分＞0.08)導帶結構隨Sn組分x的變化關系.由圖可知,隨著Sn組分x的增加,直接帶隙Ge1?xSnx合金Γ能谷能級與L能谷能級均隨之減小,Γ能谷能級與L能谷能級之間的帶差隨之增加；圖9(b)為禁帶寬度隨應力強度的變化規律,隨著Sn組分的不斷增大,直接帶隙GeSn合金禁帶寬度隨之減小.價帶方面,圖10(a)—(d)分別為直接帶隙Ge0.92Sn0.08,Ge0.91Sn0.09,Ge0.90Sn0.10和Ge0.89Sn0.11合金價帶結構隨Sn組分x的變化關系,由圖可見,價帶帶邊和亞帶邊在Γ點處簡并,沿[001]和[100]兩個晶向的價帶結構對稱,同一晶向族內沿各晶向的空穴有效質量相同.

圖11為直接帶隙Ge0.92Sn0.08,Ge0.91Sn0.09,Ge0.90Sn0.10和Ge0.89Sn0.11合金Γ能谷電子有效質量40 meV二維、三維等能圖.由圖可知,直接帶隙Ge1?xSnx合金(Sn組分＞0.08)導帶Γ能谷電子有效質量等能圖仍為球形,有效質量為各向同性.圖12(a)—(c)分別給出了直接帶隙Ge1?xSnx合金(Sn組分＞0.08)帶邊、亞帶邊、次帶邊40 meV的二維、三維等能圖.由圖可知,直接帶隙Ge1?xSnx合金(Sn組分＞0.08)價帶40 meV等能面為扭曲等能圖,有效質量表現為各向異性.

本節主要解決LED、激光器件仿真模型等關鍵參數缺乏問題.通過建立準直接帶隙改性Ge能帶E-k模型以及直接帶隙弛豫Ge1?xSnx合金8帶kp模型,我們提供了改性Ge單片同層光電集成各種器件的參數,包括導帶、價帶各能級隨應力的變化關系、導帶Γ能谷能級與L能谷能級之差、禁帶寬度、導帶電子有效質量、價帶空穴有效質量等,其具體結果見圖5—圖12.

圖10 不同Sn組分下直接帶隙Ge1?xSnx合金價帶結構 (a)Sn組分0.08；(b)Sn組分0.09；(c)Sn組分0.10；(d)Sn組分0.11Fig.10.The valence band structure of direct bandgap Ge1?xSnxalloy with different Sn component:(a)Sn component 0.08；(b)Sn component 0.09；(c)Sn component 0.10；(d)Sn component 0.11.

圖11 不同Sn組分下直接帶隙Ge1?xSnx合金40 meV導帶等能圖Fig.11.Equal energy graph of the 40 meV conduction band of direct bandgap Ge1?xSnxalloy with different Sn component.

4 準/直接帶隙改性Ge帶隙調制模型

實現Ge基光互連,要求Ge基光互連中發光管、探測器、波導有源層材料的禁帶寬度必須滿足:Eg,波導＞Eg,發光管＞Eg,探測器. 尤其對于同層單片光電集成方式而言,各器件的有源層采用同一種半導體材料,所對應的禁帶寬度一致.因此,為實現同層單片光電集成,必須對器件各部分有源層材料的能帶結構進行調制[16?20].本節基于固體能帶理論,研究不同改性條件下Ge半導體在單軸應力作用下禁帶寬度的變化規律,提出改性Ge單軸應力禁帶寬度調制方案,旨在為準/直接帶隙改性Ge單片同層光電集成的實現提供理論參考.

4.1 準直接帶隙改性Ge禁帶寬度調制

本節建立了準直接帶隙改性Ge導帶、價帶Γ點各能級與單軸應力之間的物理模型.圖13(a),圖13(b)和圖13(c),圖13(d)分別為準直接帶隙改性Ge半導體0?和45?單軸應力作用下導帶、價帶Γ點各能級的變化情況.

為了更清晰地觀察單軸應力作用下準直接帶隙改性Ge半導體導帶、價帶Γ點各能級的變化情況,以雙軸應變張量0.2%時準直接帶隙改性Ge半導體為例,繪制了其導帶、價帶Γ點各能級與0?,45?單軸應力的函數關系.由圖14(a)可知,0?單軸張應力作用下,L能谷能級減小,且價帶帶邊能級隨之明顯增加；由圖14(c)可知,由于45?單軸應力作用下準直接帶隙改性Ge半導體導帶L能谷分裂,導帶最低能級顯著降低.圖14(b)和圖14(d)為0.2%雙軸張/壓應變準直接帶隙改性Ge半導體單軸應力禁帶調制量化模型.由圖14(b)可知,0?單軸張應力作用下準直接帶隙改性Ge半導體禁帶窄變,而在0?單軸壓應力作用下禁帶變寬；由圖14(d)可知,45?單軸應力作用下準直接帶隙改性Ge半導體禁帶僅會出現窄變一種情況.

圖13 準直接帶隙改性Ge導帶、價帶Γ點各能級與應力T的關系 (a)0?單軸應力下的導帶；(b)0?單軸應力下的價帶；(c)45?單軸應力下的導帶；(d)45?單軸應力下的價帶Fig.13.The relationship between conduction band,valence band point Γ energy level of quasi direct bandgap modified Ge and stress intensity T:(a)Conduction band under 0? uniaxial strain；(b)valence band under 0?uniaxial strain；(c)conduction band under 45? uniaxial strain；(d)valence band under 45? uniaxial strain.

圖14 (a),(c)0.2%雙軸應變準直接帶隙改性Ge導帶、價帶Γ點各能級與0?,45?單軸應力T的關系；(b),(d)禁帶寬度與0?,45?單軸應力T的關系Fig.14.(a),(c)The relationship between conduction band,valence band point Γ energy level of quasi direct bandgap modified Ge under 2%uniaxial strain and 0?,45? uniaxial stress intensity T；(b),(d)relationship between the bandgap width and 0?,45? uniaxial stress intensity T.

圖15 準直接帶隙改性Ge禁帶寬度0?單軸應力調制圖 (a)壓應力；(b)張應力Fig.15.0?uniaxial strain bandgap modulation diagram of quasi direct bandgap modified Ge:(a)Tensile stress；(b)compression stress.

此外,本文還給出了不同雙軸張應變情況下準直接帶隙改性Ge半導體的0?單軸應力禁帶調制等能圖,見圖15.

4.2 直接帶隙Ge1?xSnx合金禁帶寬度調制

本節進一步建立直接帶隙Ge1?xSnx合金導帶、價帶Γ點各能級與單軸應力之間的物理模型.圖16(a),圖16(b)和圖16(c),圖16(d)分別為直接帶隙Ge1?xSnx合金0?和45?單軸應力作用下導帶、價帶Γ點各能級的變化情況.

圖16 直接帶隙Ge1?xSnx合金導帶、價帶Γ點各能級與應力T的關系 (a)0?單軸應力下的導帶；(b)0?單軸應力下的價帶；(c)45?單軸應力下的導帶；(d)45?單軸應力下的價帶Fig.16.The relationship between conduction band,valence band point Γ energy levels of direct bandgap Ge1?xSnx alloy and stress intensity T:(a)Conduction band under 0? uniaxial strain；(b)valence band under 0? uniaxial strain；(c)conduction band under 45? uniaxial strain；(d)valence band under 45? uniaxial strain.

圖17 (a),(c)直接帶隙Ge0.92Sn0.08導帶、價帶Γ點各能級與0?及45?單軸應力T的關系；(b),(d)禁帶寬度與0?及45?單軸應力T的關系Fig.17.(a),(c)The relationship between conduction band,valence band pointΓ energy level of direct bandgap Ge1?xSnx alloy and 0?,45? uniaxial stress intensity T；(b),(d)relationship between the bandgap width and 0?,45? uniaxial stress intensity T.

圖18 直接帶隙Ge1?xSnx合金禁帶寬度0?單軸應力調制圖 (a)壓應力；(b)張應力Fig.18.0? uniaxial strain bandgap modulation diagram of direct bandgap Ge1?xSnxalloy:(a)Tensile stress；(b)compression stress.

同樣,我們以Sn組分x為0.08為例,繪制了直接帶隙Ge1?xSnx合金導帶、價帶Γ點各能級與0?及45?單軸應力的函數關系.由圖17(a)可知,單軸張應力作用下Ge0.92Sn0.08合金仍為直接帶隙半導體,而單軸壓應力作用下Ge0.92Sn0.08合金卻轉變為間接帶隙半導體；由圖17(c)可知,45?單軸應力作用下直接帶隙Ge0.92Sn0.08合金由直接帶隙半導體退變為間接帶隙半導體.圖17(b)和圖17(d)為.2%雙軸張/壓應變直接帶隙Ge0.92Sn0.08合金單軸應力禁帶調制量化模型.由圖17(b)可知,0?單軸張應力作用下直接帶隙Ge0.92Sn0.08合金禁帶變窄,而在0?單軸壓應力作用下禁帶變寬；由圖17(d)可知,45?單軸應力作用下直接帶隙Ge0.92Sn0.08合金禁帶寬度僅會出現變窄一種情況.

若對同層單片光電集成各器件進行能帶調制,單軸壓應力可應用于Ge0.92Sn0.08合金波導的帶隙調制,單軸張應力則不僅可應用于探測器的帶隙調制,還可應用于發光器件的帶隙調制.此外,本文還給出了不同Sn組分情況下直接帶隙Ge1?xSnx合金0?單軸應力禁帶調制等能圖,見圖18.

能帶調制結果將為改性Ge單片光電集成器件設計、制備提供有益的指導.實現Ge基光互連,要求Ge基光互連中發光管、探測器、波導有源層材料的禁帶寬度必須滿足:Eg,波導＞Eg,發光管＞Eg,探測器, 因此必須對器件各部分有源層材料的能帶結構進行調制.例如n+-Ge/i-GeSn/p+-Ge/p+-Si單片光電集成器件制備,使用II型DR-Ge1?xSnx光源,波導及探測器部分可以采用淀積氮化硅薄膜施加外力的方法實現能帶調制；再例如n+-Ge/i-Ge1?xSnx/p+-Ge/p+-Si單片光電集成器件制備,使用II型DR-Ge1?xSnx光源,波導及探測器部分采用Sn組分區域變化的方法實現能帶調制.

5 結 論

Ge為間接帶隙半導體,通過改性技術可以轉換為準直接或者直接帶隙半導體,準/直接帶隙改性Ge具備單片同層光電集成的應用潛力.能帶結構是準/直接帶隙改性Ge材料實現單片同層光電集成的理論基礎之一,本文針對該問題開展了三方面的工作:1)以改性Ge為研究對象,基于廣義胡克定律、形變勢原理,揭示了不同改性條件下Ge材料帶隙類型轉化的規律,完善了間接轉直接帶隙Ge實現方法的相關理論；2)在建立準/直接帶隙改性半導體應變張量和形變勢模型的基礎上,采用kp微擾法,建立了準直接帶隙改性Ge能帶E-k模型以及直接帶隙弛豫Ge1?xSnx合金8帶kp模型,據此所獲相關結論可為LED、激光器件仿真模型提供關鍵參數；3)基于固體能帶理論,研究了不同改性條件下Ge半導體在單軸應力作用下禁帶寬度的變化規律,提出改性Ge單軸應力禁帶寬度調制方案,為準/直接帶隙改性Ge單片同層光電集成的實現提供了理論參考.

本文的研究結果量化,可為準/直接帶隙改性Ge材料物理的理解以及Ge基光互連中發光器件有源層研究設計提供重要理論依據.