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

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

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 硅基中远红外光电器件的研究背景和意义
  • 1.2 硅基中远红外光电器件的研究进展和存在的问题
  • 1.3 本文的工作及其组织结构
  • 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SiGe合金空穴有效质量
  • 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量子阱空穴子带跃迁特性
  • 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设计
  • 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
  • 相关论文文献

    • [1].复介质对光量子阱光传输特性的激活效应[J]. 中国光学 2020(02)
    • [2].多变量离子注入型量子阱混杂效应[J]. 激光与光电子学进展 2020(01)
    • [3].复介质光量子阱光传输特性的增益效应[J]. 激光与红外 2020(06)
    • [4].外电场下不对称阶梯型量子阱的等离激元特性[J]. 电子技术与软件工程 2016(22)
    • [5].无杂质空位诱导量子阱混杂研究及应用现状[J]. 激光与光电子学进展 2015(03)
    • [6].有限深对称量子阱中电子量子比特的性质[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学版) 2011(03)
    • [7].1053nm超辐射发光二极管量子阱的设计[J]. 半导体光电 2010(04)
    • [8].热退火中应变量子阱的扩散激活能的研究[J]. 电源技术 2009(09)
    • [9].1064nm应变量子阱的理论设计[J]. 江西通信科技 2009(03)
    • [10].量子阱器件的发展及其应用[J]. 科技创新导报 2009(32)
    • [11].复合左右手材料光量子阱的透射谱特性[J]. 科技通报 2016(02)
    • [12].实现高效光滤波与放大功能的掺激活杂质光量子阱[J]. 红外与激光工程 2013(12)
    • [13].一维周期量子阱中玻色-爱因斯坦凝聚的特性研究[J]. 山西大学学报(自然科学版) 2014(04)
    • [14].应变量子阱能带偏置的分析与计算[J]. 激光与光电子学进展 2013(05)
    • [15].玻色-爱因斯坦凝聚在一维周期量子阱中的有效质量研究[J]. 科学技术与工程 2012(07)
    • [16].光子晶体双量子阱的共振隧穿[J]. 物理学报 2011(07)
    • [17].不同参数的不对称阶梯型量子阱等离激元特性研究[J]. 中国锰业 2016(05)
    • [18].非对称半指数量子阱中极化子基态能量[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学版) 2017(01)
    • [19].左手介质对一维光量子阱透射谱的影响[J]. 广西物理 2013(03)
    • [20].含特异材料的光量子阱频率特性研究[J]. 物理学报 2012(13)
    • [21].量子阱混杂单片集成宽可调谐激光器与半导体光放大器(英文)[J]. 半导体学报 2008(09)
    • [22].抛物势对GaAs非对称半指数量子阱中极化子基态能量的影响[J]. 固体电子学研究与进展 2020(04)
    • [23].一维光量子阱滤波性能的研究[J]. 光电子技术 2009(02)
    • [24].结构周期数对光量子阱透射品质的影响研究[J]. 激光与光电子学进展 2013(01)
    • [25].应变量子阱能带结构数值分析[J]. 科技导报 2013(17)
    • [26].分数维方法研究有限深抛物量子阱中的极化子[J]. 北京师范大学学报(自然科学版) 2012(03)
    • [27].一维矩形受限光量子阱光传输特性的研究[J]. 光学技术 2011(03)
    • [28].本征GaAs量子阱中电子自旋扩散输运的时-空分辨吸收光谱研究[J]. 物理学报 2009(05)
    • [29].(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响[J]. 量子光学学报 2017(02)
    • [30].垒层周期不对称度对光量子阱透射谱的影响[J]. 激光与光电子学进展 2014(01)

    标签:;  ;  ;  ;  

    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
    下载Doc文档

    猜你喜欢