第三章 硅基光电子材料与器件 part2
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 。
35
Ge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.
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。
33
为什么需要量子结构
增加材料的态密度， 提高量子效率。
34
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。
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。 • 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。
5
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
28
UHV-CVD设备
29
SiGe的光学性质
30
SiGe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！
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。
42
Ge量子点光电探测器
当FG>FL时，产生位错（位错线移动) 当FG=FL时，得到应变临界厚度hc
h 1 b(1 cos 2 ) hc [ln( c ) 1] f m 8 (1 ) cos b
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 1 2 E 2 G ( ) f 设EH为应变层应变能量的密度 H m h
24
不同衬底生长的应变SixGe1-x的禁带宽度
25
SiGe/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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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， 能带偏移可采用光反射谱、 并且∆Eg= ∆Ec+ ∆Ev。 X射线光电子谱、DLTS等
16
SixGe1-x/Si异质结构的临界厚度
17
异质外延层中的应变能
1 2 Eh E h [2G ]h 1
当h增加到某个临界厚度时，积聚的能量就以失配位 错（misfit dislocation)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,et al., J. Cryst. Growth 27, 118 (1974) 4.R. Pepople, Appl. Phys. Lett. 47, 322 (1985)
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
1
ED为形成一个螺旋位错的能量密度 Gb ED 9.5 f m [ 2 ] Van der Merwe Model:
4
People and Bean Model:
Gb2 h ED ln( ) 8 2a b
当EH>ED时，产生位错 当EH=ED时，临界值
hc 1 a ( ) 2 8 1 f m 1
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，
12
失配度和应变
失配度
a // a sub fm 0 a sub
面内应变
a// aRe lax // aRe lax
双轴(Biaxial)
压应变， //
为负值
张应变， // 为正值
全应变(strained)硅
14
晶格失配度
15
临界厚度(Critical thickness)
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 。
Matthews and Blakeslee force balance model
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)
1 FG 2G ( )bf m h cos 1 Gb(1 cos 2 ) h FL [ln( ) 1] 4 (1 ) b
在衬底表面掺杂，利用杂质中心诱导成核是一个可
36
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。
Ge量子点表面形貌及尺寸分布
37
Ge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
Directly on Si On superlattice(SL)
39
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。
8
SixGe1-x的晶格常数
Vegard’s Law
9
晶格常数偏离线性关系
10
SixGe1-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。
26
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。
27
Si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(Chemical Vapor Deposition,CVD)。 物理外延方法指的是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, 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。
光电子材料与器件
Optoelectronic Materials and Devices
第三章 硅基光电子材料与器件
1
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。
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。
40
SiGe/Si MQWs RCE光电探测器
以SiGe/Si MQWs(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SiGe MQWs RCE(谐振腔增强)型光电二极管。
41
SiGe/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
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。
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。
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。
hc 1 1 b2 hc ln( ) 2 1 f m 16 2a b
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
21
SiGe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
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-van der Merwe(FM，层状) Volmer-Weber (VE, 岛状) Stranski-Krastanov(SK，层状+岛状)
组装的方式生长出不同形状和分布的Ge量子点材料 。
35
Ge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.
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。
33
为什么需要量子结构
增加材料的态密度， 提高量子效率。
34
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。
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。 • 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。
5
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
28
UHV-CVD设备
29
SiGe的光学性质
30
SiGe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！
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。
42
Ge量子点光电探测器
当FG>FL时，产生位错（位错线移动) 当FG=FL时，得到应变临界厚度hc
h 1 b(1 cos 2 ) hc [ln( c ) 1] f m 8 (1 ) cos b
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 1 2 E 2 G ( ) f 设EH为应变层应变能量的密度 H m h
24
不同衬底生长的应变SixGe1-x的禁带宽度
25
SiGe/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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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， 能带偏移可采用光反射谱、 并且∆Eg= ∆Ec+ ∆Ev。 X射线光电子谱、DLTS等
16
SixGe1-x/Si异质结构的临界厚度
17
异质外延层中的应变能
1 2 Eh E h [2G ]h 1
当h增加到某个临界厚度时，积聚的能量就以失配位 错（misfit dislocation)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,et al., J. Cryst. Growth 27, 118 (1974) 4.R. Pepople, Appl. Phys. Lett. 47, 322 (1985)
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
1
ED为形成一个螺旋位错的能量密度 Gb ED 9.5 f m [ 2 ] Van der Merwe Model:
4
People and Bean Model:
Gb2 h ED ln( ) 8 2a b
当EH>ED时，产生位错 当EH=ED时，临界值
hc 1 a ( ) 2 8 1 f m 1
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，
12
失配度和应变
失配度
a // a sub fm 0 a sub
面内应变
a// aRe lax // aRe lax
双轴(Biaxial)
压应变， //
为负值
张应变， // 为正值
全应变(strained)硅
14
晶格失配度
15
临界厚度(Critical thickness)
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 。
Matthews and Blakeslee force balance model
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)
1 FG 2G ( )bf m h cos 1 Gb(1 cos 2 ) h FL [ln( ) 1] 4 (1 ) b
在衬底表面掺杂，利用杂质中心诱导成核是一个可
36
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。
Ge量子点表面形貌及尺寸分布
37
Ge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
Directly on Si On superlattice(SL)
39
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。
8
SixGe1-x的晶格常数
Vegard’s Law
9
晶格常数偏离线性关系
10
SixGe1-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。
26
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。
27
Si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(Chemical Vapor Deposition,CVD)。 物理外延方法指的是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, 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。
光电子材料与器件
Optoelectronic Materials and Devices
第三章 硅基光电子材料与器件
1
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。
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。
40
SiGe/Si MQWs RCE光电探测器
以SiGe/Si MQWs(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SiGe MQWs RCE(谐振腔增强)型光电二极管。
41
SiGe/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
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。
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。
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。
hc 1 1 b2 hc ln( ) 2 1 f m 16 2a b
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
21
SiGe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
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-van der Merwe(FM，层状) Volmer-Weber (VE, 岛状) Stranski-Krastanov(SK，层状+岛状)