光电材料与半导体器件23GeSi合金的等离子色散效应掺杂或注入都可.ppt

第二章GeSi异质结和超晶格的基本特性、本章内容、2.1GeSi变形层的临界厚度和超晶格的稳定性计算2.2GeSi合金的折射率、2.1GeSi变形层的临界厚度和超晶格的稳定性、Si和Ge的晶格常数分别为0.5431nm和0.563nm，两者之间的晶格不匹配为4.2GeSi合金的晶格常数与Ge含量x相关，如果x从0-1变化，则在0.5431-0.5646之间相应变化。只要有X0，GeSi合金和Si基板有晶格不匹配，就有应力生成。由于MBE、MOCVD和其他外延生长技术的发展。决策不匹配系统可以伴随增长。也就是说，在一定厚度范围内，外延层晶格常数被调整为不匹配应力，其晶格产生弹性变形，使生长平面中的外延层晶格常数等于基板晶格常数，基本上消除了外延层中的不匹配电位。因此，Si基板上的GeSi应变层生长具有临界厚度。外延层厚度超过临界厚度时，发生失配电位。1 .GeSi应变层的临界厚度，临界厚度计算一般有两种理论模型：机械平衡模型和能量平衡模型。在第一模型中，由于力平衡损伤，电位线的力FH大于电位内部重力FD时，不正确的定位产生电位，如图2-1所示。如果外延层厚度为ha，则接口一致性如图2-1中的曲线a所示，如果厚度为HB，则外延层处于电位的临界状态，接口如图2-1中的曲线b所示，如果外延层厚度为HC，则接口形成电位，并引入长度为LL 的不匹配电位线，如图2-1中的曲线c所示。如果两个介质的弹性常数相同，则FH为，(2-1)，电位的张力为，其中v为泊松比，g为切向变量，b为滑动距离(b-a/2)，h为应变层厚度，f为不匹配因素。FH=FD中获得的临界厚度HC假定图2-1GeSi临界厚度力学平衡模型的示意图，(2-2)，(2-3)，能量平衡模型中的不匹配电位发生在能量平衡破坏后。也就是说，如果薄膜的应变能表面密度超过螺旋电位形成所需的能量密度，就会产生电位。其中，外延层薄膜的应变能密度为，距离匹配接口h的螺旋电位表面密度为=，样式中的a(x)为GeSi合金的晶格常数，与Ge含量x相关。使用薄膜厚度达到临界厚度时，应变能和势能可近似为(2-4)、(2-5)、(2-6)、(2-6)，对于GexSi1-x系统，b=0.4nm(2-6)，以上HC为NC在Si方向外推的单层GexSi1-x的临界厚度可以测量为路德夫反射、双晶X-ray衍射、电子显微镜和共振传递等。据People等报道，能量平衡模型与实验很吻合。因此，使用该模型的分析结果计算GexSi1-x/Si变形层的临界厚度。图2-2Ge含量x与临界厚度HC的关系，(2-7)，(2-8)，2。变形超晶格的基本特性，1970年日本科学家姜子基(EsaKi)和华裔科学家朱相先提出了人工半导体超晶格概念，即克朗格庞尼模型的实施。MBE和MOCVD(金属有机化合物的化学气相沉积法)等方法不断改进，成功开发了性能优良的超晶格，对此的研究不断深入。超晶格结构(superlattice well)是两种不同物质的替代生长，由超薄层的一维周期结构组成。如果特征大小(如薄层的周期和厚度)减小到小于电子平均自由距离，整个材料的电子系统将进入量子区域，产生量子尺寸效应。当阻挡层宽度减小时，相邻量子阱之间的波函数减小到类似于电子德布罗意波长的波长时，由于相邻势阱中电子波函数的相互结合，多量子阱中的分裂能量扩展到波段。此材质称为超晶格。量子阱具有足够的厚度(例如200A)和高度(E0.5ev)，如果相邻井中的电子波函数不重叠，那么在结构材质中，电子的行为就像单个井中电子行为的简单总和。超晶格的两种材料的晶格常数一般是不相等的，实验结果表明，只要不差很大，超晶格的每一层厚度都不大，两种材料就会发生弹性变形，最后在平行和界面方向达到均匀平衡晶格常数，保持晶体的良好结构性。此超晶格称为变形层超晶格(SLS，strained-layersuperlatice)。3 .超晶格的稳定性和临界厚度，在超晶格的情况下，不仅要考虑各层的变形，还要考虑整个超晶格结构的变形，因此变形发射机制比较复杂。非发射变形超晶格的弹性变形场可以看作是图2-3(a)所示的振动变形场和稳定变形场的叠加。引入缺陷后，应变能被释放，稳定的应变场被移动，从而使稳定的应变能为零，如图2-3(b)所示。图2-3秒晶格变形场示意图，由层a和层b组成的n循环秒晶格，层a和层b的厚度分别为dA和dB，基板的界面平面变形电位之和。在未发射应变能的结构中，超晶格的弹性应变能为：在超晶格的任何层中，当单个外延层的厚度超过临界厚度时，应变能超过阈值，此界面引入了释放能量的缺陷。但是，如果各层的材料低于临界厚度，即使结构的总变形可能足够大，也可能引入缺陷。如果在基板和超晶格区域的界面引入规则排列的缺陷，超晶格的平均晶格常数将发生变化，如果基板的应变能和不匹配电位的能量被忽略，超晶格的弹性应变能是，是每个层的势能递减值，是晶格常数的函数，对于最小应变能Emin，可以推导为0。如果相应的Emax数小于不匹配电位核的临界应变能，则超晶格保持一致，不引入电位。假设，秒晶格处于孤立自由状态，两个变形的薄层晶格常数aA和aB，dA和dB非HC时间，合并的超晶格没有不匹配电位。如果两层弹性系统相同，厚的基板不受薄外延层的影响，那么根据能量平衡原则，超晶格层的最小能量条件是，如果两个超晶格层的晶格常数为AAV，那么超晶格层的平均元件xav，实际上，超晶格薄层必须支持基板，因此超晶格薄层受力作用，使与界面平行的晶格常数等于基板的晶格常数aSi。 在这种情况下，超晶格的临界厚度HC仍然可以表示为变形GexSi1-x/Si的变形层的临界厚度的公式，不匹配系数FM可以具有周期一致的超晶格来代替xav，xa，xB的值，这意味着组件可以计算为GexSi1-x单层，例如平均xAv，并且在基板的对称变形超晶格中，两层的组件具有相同的厚度，但方向相反GexSi1-x/Si超晶格的临界厚度为，计算2.2GeSi合金的折射率时，GeSi合金的折射率通常大于Si的折射率，其增量n可由两部分组成。其中nc是GeSi合金的Ge分量引起的折射率增加，ns是由于晶格失配系统增长而引起的应变增加。具有因空间而异的非均匀量，即单个轴性。Soref等实验是在Si衬底上生长厚度范围为1-10米的GeSi外延层中引入的ns约为0.001-0.021范围，当GeSi外延层厚度为9.6米时，通过变形产生的ns可以具有与nc相同的尺度，小于临界厚度的GeSi外延层nc是与Ge含量x相关的量，根据R.Asoref等红移理论，低成分x的GeSi合金的光吸收光谱与Si的光吸收光谱非常相似，但在长波段方向转换(红移)除外。因此，可以假定GeSi合金的折射率曲线可以由纯硅的折射率曲线转换。换句话说，在量子级HV中，GeSi的折射率等于在能量级HV Eg(x)中的Si的折射率。其中Eg(x)是Ge组件，条带变窄。根据，D.V.Lang等研究结果，Eg(x)可以表示为，其中Eg(0)是纯Si的间接带隙，Eg(x)是Ge含量为x的GeSi合金的间接带隙。图2-4为Ge含量x=0.1时，300K处非变形GeSi合金的红移。其中“”是纯Si的实验点，下面的曲线是纯Si实验点的拟合曲线。根据此模型，存在Ge含量x0.2时，可以用线性插值方法计算GexSi1-x合金的折射率。换句话说，GeSi合金折射率的各种计算模型为我们研究和分析这种材料的器件特性提供了理论依据。图2-4非变形Ge0.1Si0.9的300K处的红移和2.3GeSi合金的等离子体色散效应、掺杂或注入可以改变半导体的自由载流子浓度，存在于Si中的自由载流子可以影响称为等离子体色散效应的折射率。对于GeSi合金，锗含量为x0.85的GeSi合金材料的引线带结构仍与Si类似，从光吸收机制来看，GeSi合金的带结构与Si相同，但随着Ge元件的混合，带宽度变窄，光吸收光谱向长波方向移动，并且对红外段更透明，除此以外更好。此外，GeSi合金的光吸收光谱与Si非常相似。也就是说，GeSi合金的自由载体(自由载体)对其光学特性有显着的影响，还有等离子体分散效应。根据Drude的模型，GeSi的自由载体诱导等离子体散射效果可以写为：其中，电子电荷、真空介电常数、纯硅折射率、电子电导有效质量、霍尔电导有效质量和分别对固有浓度Ni的电子和空心浓度变化。NGeSi是GeSi合金的折射率。对于Si中间电子(基于电导有效质量的表示)，Si和Ge的电子电导有效质量分别为mc(Si)=0.2m