硅基锗锡多量子阱材料制备及发光特性研究

GeSn alloy is the most promising Group Ⅳ alloys that can be a direct bandgap material, and has better materials and process compatibility with Silicon, easier to achieve compatibility with Si CMOS process. Thus the study of silicon-based GeSn light emitting device has been one of the important research direction of the silicon-on-chip light source. GeSn double heterojunction LED has low luminous efficiency, not lasing at room temperature and wavelength does not match communication system, the introduction of a multi-quantum well structure for solving the above problems provides a new technical solution that can effectively address the current GeSn light-emitting device is applied to the silicon source. This project aims to conduct research GeSn multiple quantum well structure and luminescence properties of materials, energy band structure, the band gap offset, gain characteristics and properties of transition mechanisms, and analysis of multi-quantum well structure can change with the light gain, carrier relations and rules carrier recombination mechanisms of life and extract quantitative relationship between different structural parameters and luminescence properties by controlling the composition, stress regulation and quantum well structure adjustment for optimized GeSn multiple quantum well light emitting structure, designed and constructed based on GeSn the light emitting device multi-quantum well structure for the study of light source on a silicon substrate has laid an important theoretical and material basis.

GeSn合金材料是目前最有希望实现直接带隙的Ⅳ族合金材料，并且与Si材料具有更好的材料和工艺兼容性，更易于实现与Si CMOS工艺的兼容，因而硅基GeSn发光器件的研究一直是实现片上硅基光源重要的研究方向之一。GeSn双异质结结构的发光器件存在发光效率低、不能室温激射以及波长不匹配等问题，多量子阱结构的引入为以上问题的解决提供了新的技术方案，可以有效解决目前GeSn发光器件应用于硅基光源所存在的技术问题。本项目旨在开展GeSn多量子阱结构材料和发光特性的研究，研究其能带结构、带隙偏移、增益特性以及跃迁机制等特性，分析多量子阱结构及能带变化与光增益、载流子寿命以及复合机制的关系和规律，提取不同结构参数与发光性能的量化关系，通过组分控制、应力调节以及量子阱结构调节获得优化的GeSn多量子阱发光材料结构，设计并构建基于GeSn多量子阱结构的发光器件，为硅基片上光源的研究奠定重要的理论和材料基础。

项目紧密围绕发展适用于硅基片上集成系统应用的新型发光器件这一主要目标，以能带工程理论为指导，系统的研究了GeSn多量子阱结构参数与能带结构的变化关系、GeSn多量子阱结构的光增益理论模型、高质量GeSn多量子阱结构的制备表征以及GeSn多量子阱发光器件的制备等。通过项目的实施，建立了支撑多量子阱发光器件设计的理论模型；研究了多量子阱体系中材料的位错产生机制以及界面控制技术，并利用优化的条件制备出界面清晰的GeSn/Ge和GeSn/SiGeSn多量子阱材料，相关材料参数达到了项目的指标要求；利用优化后高质量的GeSn多量子阱材料制备出发光器件了，并且实现了高效电致发光。例如首次提出利用石墨烯作为透明电极对有源层进行电注入，有效改善金属电极注入效率低、较差的热特性以及需要外延难度较高的SiGeSn合金材料作为隔离层等难题，制备了GeSn合金发光器件，实现了发光波长在2100 nm附近的硅基近红外发光器件；通过GeSn量子阱结构的能带调控和结构创新，利用应变补偿实现了Ⅰ型硅基Ge0.91Sn0.09/Ge多量子阱结构，增强电子在Γ能谷的占据几率，以Ⅰ型量子阱作为有源区采用横向波导结构制备了新型的发光器件，将硅基LED的发光功率提升到了2uW；采用原位掺杂的方式外延生长B掺杂的GeSn合金作为器件的P型掺杂层构建GeSn/SiGeSn多量子阱结构，实现了室温电注入发光波长分别为1980 nm和2060 nm的短波红外发光。发表文章14篇，其中SCI收录文章14篇，授权专利2项，申请专利2项；培养博士研究生4名，硕士生1名，达到了预期研究目标，圆满完成了计划任务书的主要任务。