Z扫描法研究nc-Si／SiNx多量子阱材料非线性光学特性

采用射频磁控反应溅射技术与热退火处理制备了nc-Si/SiNx多量子阱材料。对样品进行了小角度XRD、Raman光谱、吸收光谱测试,研究了其结构和光学性质。采用皮秒脉冲激光单光束Z-扫描技术研究了样品在非共振吸收区的三阶非线性光学特性。实验结果表明,其非线性折射率为负值,非线性吸收属于双光子吸收。由实验数据计算得材料三阶非线性极化率为7.50×10-8esu,该值比体硅材料的三阶非线性极化率大4个数量级。对材料光学非线性产生的机理进行了探讨,认为材料的非线性极化率的增加来源于材料量子限制效应增强。

SiGe／Si量子阱结构材料的激子发光谱

在用分子束外延生长的ＳｉＧｅ／Ｓｉ多量子阱结构中，观察到激子发光光谱，从无声子参与的或ＴＯ－声子参与的激子发光峰位能量，计算了量子阱中合金的组份，并与通过Ｘ－射线衍射谱得到的结果作了比较，发现在Ｇｅ的组份比较小时，利用激子发光峰位能量确定合金组份比利用Ｘ－射线衍射谱更为方便和精确．

磁控共溅射法沉积的硅量子点SiNx薄膜的光谱特性

采用双极脉冲和射频磁控共溅射沉积法在不同温度的Si(100)衬底和石英衬底上制备了富硅SiNx薄膜。在氮气氛中,于1 050℃下采用快速光热退火热处理,获得了包含硅量子点的SiNx薄膜。采用Fourier变换红外光谱、Raman光谱、掠入射X射线衍射和光致发光光谱对退火后的薄膜样品进行了表征。结果显示:Fourier变换红外光谱中出现了富硅Si—N键,表明薄膜为富硅SiNx薄膜;当衬底温度不低于200℃时,薄膜样品的拉曼光谱中出现了硅纳米晶的Si—Si振动横光学模,掠入射X射线衍射中出现了明显的Si(111)和Si(311)的衍射峰,证实了硅量子点的形成;发现存在一最佳衬底温度(300℃),该条件下获得的硅量子点的数量和晶化率最高;衬底温度为300和400℃的样品的光致发光光谱中均有3个可见荧光峰,结合拉曼光谱结果,用纳米晶硅的量子限域效应和辐射复合缺陷态对荧光峰进行了合理解释;由光致发光光谱计算出的衬底温度为300和400℃的样品的硅量子点平均尺寸分别为3.5和3.4nm。这些结果有助于优化含硅量子点的SiNx薄膜的制备参数,在硅基光电子器件的应用方面有重要意义。

Si掺杂对AlGaInP/GaInP多量子阱性能的影响

采用LP MOCVD技术在n GaAs衬底上生长了AlGaInP/GaInP多量子阱红光LED外延片。以X射线双晶衍射技术和光致发光技术对外延片进行了表征 ,研究了Si掺杂对AlGaInP/GaInP多量子阱性能的影响。研究表明 :掺Si能大大提高 (Al0 .3 Ga0 .7) 0 .5In0 .5P/Ga0 .5In0 .5P多量子阱的发光强度。相对于未故意掺杂的样品 ,多量子阱垒层掺Si使多量子阱的发光强度提高了 13倍 ,阱层和垒层均掺Si使多量子阱的发光强度提高了 2 8倍。外延片的X射线双晶衍射测试表明 。

掺Si对AlGaInP/GaInP多量子阱发光性能的影响

研究了Si掺杂对MOCVD生长的(Al0.3Ga0.7)In0.5P/Ga0.5In0.5P多量子阱发光性能的影响.样品分为两类:一类只生长了(Al0.3Ga0.7)In0.5P/Ga0.5In0.5P多量子阱结构;另一类为完整的多量子阱LED结构.对于只生长了(Al0.3Ga0.7)In0.5P/Ga0.5In0.5P多量子阱结构的样品,掺Si没有改变量子阱发光波长,但使得量子阱发光强度略有下降,发光峰半高宽明显增大.这应是掺Si使量子阱界面质量变差导致的.而在完整LED结构的情况下,掺Si却大大提高了量子阱的发光强度.相对于未掺杂多量子阱LED结构,垒层掺Si使多量子阱的发光强度提高了13倍,阱层和垒层均掺Si使多量子阱的发光强度提高了28倍,并对这一现象进行了讨论.

GeSi/Si多量子阱光波导模特性分析和吸收层结构设计

根据普适于任意阱数的方波折射率分布的多量子阱光波导的模场分布函数和模特征方程，分析了在以ＧｅＳｉ／Ｓｉ多量子阱为波导芯、Ｓｉ为覆盖层的光波导结构中．Ｇｅ含量、周期数、占空度、厚度、折射率分布等参量对光波导传播常数的影响．并结合吸收特点对ＭＱＷ吸收层结构进行优化设计．

SiGe/Si多量子阱中垂直方向红外吸收及共振色散效应

用垂直入射的中红外光束调制非掺杂SiGe Si量子阱中光致子带间吸收 .氩离子激光器作为子带间跃迁的光泵浦源在阱中产生载流子 ,红外调制光谱用步进式傅立叶变换光谱仪记录 .实验中观察到明显的层间干涉效应及与子带间跃迁有关的色散效应 .理论和实验分析认为样品折射率变化造成的位相调制可以补偿吸收所造成的幅度调制 .

Ge_xSi_(1-x)/Si量子阱和超晶格红外光电压谱

采用电容耦合法,在18～300K 温度范围内测量了一系列 Ge_xSi_(1-x)/Si应变层多量子阱和 Ge/Si 超薄超晶格在不同温度下的红外光电压谱。实验结果表明,在长波段有强的光电压信号。文中还对 Ge_xSi_(1-x)/Si 量子阱和超晶格的能带排列和光伏效应作了讨论。

用光电压谱研究 GeSi/Si 量子阱的带间光跃迁

在１８～３００Ｋ温度范围内，测量了ｘ＝０．２和０．５两种不同结构的ＧｅｘＳｉ１－ｘ／Ｓｉ应变层多量子阱的光电压谱，观测到ＨＨ１，ＬＨ１，ＨＨ２等激子光吸收跃迁信号以及ＴＯ声子辅助ＨＨ１激子光吸收跃迁信号．低温下的光电压谱反映了量子阱台阶式的状态密度分布．方形势阱模型的理论计算结果与实验结果符合较好．

用于单片集成的硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器研究

硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征,是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产,具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点,广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外,硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟,但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下,本文从直接外延无偏角Ⅲ-Ⅴ/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术,以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展,重点介绍了本研究组在硅基外延Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点激光器方面的研究进展,包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

Ge/Si量子阱结构的C-V特性的模拟

采用有限深对称方势阱近似模型求解薛定谔方程得到Ge/Si量子阱中的子能级分布,并基于迭代法数值求解泊松方程模拟计算了量子阱结构样品在不同偏压下的载流子浓度分布和C-V特性.C-V曲线上电容平台的存在是量子阱结构C-V特性的显著特征,它与量子阱结构参数有密切的关系.随着覆盖层厚度的减小,C-V曲线上平台起始点的电容值增加,并且向低电压方向移动直至其消失.随着量子阱中的掺杂浓度提高,阱中的载流子浓度也会相应增加,那就需要更高的外加电压才能耗尽阱中的载流子,因此平台宽度也就随着掺杂浓度的增加而增加.当覆盖层厚度增加时,由于电压的分压作用,使得降在量子阱上的分压相应减少,因此需要更大的外加偏压才能使阱中载流子浓度全部耗尽,这就使平台的宽度增大.同样地,当覆盖层掺杂浓度增加时,覆盖层中更多的载流子转移到阱内,也就需要更高的外加偏压才能使阱中载流子全部耗尽,平台的宽度也就随之增大.

采用Ga(In,As)P异变缓冲层的GaP/Si衬底上InAs量子阱

本工作在GaP/Si衬底上基于In_(0.83)Al_(0.17)As异变缓冲层实现了InAs/In_(0.83)Al_(0.17)As量子阱的生长。研究了Ga_(x)In_(1-x)P和GaAs_(y)P_(1-y)递变缓冲层对量子阱结构材料性能的影响。采用Ga_(x)In_(1-x)P组分渐变缓冲层的样品X射线衍射倒易空间衍射峰展宽更小,表明样品中的失配位错更少。两个样品均在室温下实现了中红外波段的光致发光,而采用Ga_(x)In_(1-x)P组分渐变缓冲层的样品在不同温度下都具有更高的光致发光强度。这些结果表明在GaP/Si复合衬底上采用阳离子混合的渐变缓冲层对生长中红外InAs量子阱结构具有相对更优的效果。

垒层Si掺杂对多量子阱InGaN绿光LED性能的影响

InGaN系绿光LED的量子阱结构具有较高的In含量,InN与GaN之间较大的晶格失配度使得绿光器件的量子限制Stark效应更显著。对内建电场的屏蔽可以有效提高载流子的辐射复合效率。论文探讨了绿光多量子阱中垒层的Si掺杂对绿光器件性能的影响。研究发现,多量子阱中垒层适度Si掺杂(3.4×1016 cm-3)可以改善多量子阱结构界面质量和In组分波动,在外加正向电流的作用下更大程度地屏蔽极化电场;同时,还能够增强电流的横向扩展性,提高活化区的有效发光面积。然而,多量子阱中垒层的过度Si掺杂对于绿光LED器件的性能带来诸多的负面影响,比如加剧阱垒晶格失配、漏电途径明显增加等,致使器件光效大幅度降低。

硅基Si/Si0.65Ge0.35多量子阱APD响应特性的研究

以硅基材料为基底,外延生长20周期Si/Si0.65Ge0.35多量子阱结构的雪崩光电二极管(APD)探测器,分析了硅基量子阱结构的APD探测器能带对光子探测波长和响应灵敏度的影响。利用SilvacoTCAD进行工艺建模和光电性能仿真模拟。仿真结果表明,量子阱结构APD探测器响应峰值波长为0.95μm,探测响应截止波长为1.4μm,探测响应度提高了38%,实现了硅基APD探测器对微弱高频近红外光子的响应。

太赫兹Si/SiGe量子级联激光器的能带设计

使用nextnano^3模拟软件计算Si／Si1-xGex／Si量子阱的能带结构，对Si／SiGe量子级联激光器有源区的能带结构进行设计，结果表明使用Ge组分为0．27～0．3，量子阱宽度为3nm的SiGe合金与垒宽为3nm的Si层构成对称应变级联异质结构，有利于优化THz Si／SiGe量子级联激光器结构。

硅衬底InGaN多量子阱材料生长及LED研制

利用低压金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在Si(111)衬底上生长了InGaN 多量子阱LED外延片.为克服GaN与Si衬底之间巨大的晶格失配与热失配,引入了AlN低温缓冲层及富镓的GaN高温缓冲层,在Si(111)衬底上获得了无龟裂的InGaN 多量子阱LED外延材料.在两英寸外延片内LED管芯的工作电压在3.7～4.1V之间,电致发光波长在465～480nm之间,87%的LED管芯的反向漏电流不大于0.1μA,输出光强为18～30mcd.

硅锗量子阱结构在硅异质结太阳电池中应用的数值模拟

利用半导体工艺和器件仿真软件silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design),模拟研究了采用硅/硅锗合金(silicon/silicon germanium alloy,Si/Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构作为吸收层的薄膜晶体硅异质结太阳电池各项性能.模拟结果显示,长波波段光学吸收随锗含量的增加而增加,而开路电压则因Si_(1-x)Ge_x)层带隙的降低而下降.锗含量为0.25时,短路电流密度的增加补偿了开路电压的衰减,效率提升0.2%.氢化非晶硅/晶体硅(a-Si:H/c-Si)界面空穴密度以及Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体空穴载流子浓度制约着空穴费米能级的位置,进而影响到开路电压的大小.随着锗含量增加,a-Si:H/c-Si界面缺陷对开压的影响降低,Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体缺陷对开压的影响则相应增加.高效率含Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构的硅异质结太阳电池的制备需要a-Si:H/c-Si界面缺陷的良好钝化以及高质量Si_(1-x)Ge_x)量子阱的生长.

锗硅量子阱中近带边光跃迁的理论和实验研究

本文研究了SiGe/Si量子阱中近带边光跃迁的产生机制,对由杂质无规分布引起的近带边光跃迁给出了一个物理模型。用此模型计算了光跃迁偶极矩,给出了跃迁偶极矩的上限。提出了未掺杂SiGe/Si量子阱中近带边光跃迁的一种跃迁机制,认为是Ge原子周围波函数畸变的集体行为。用MBE方法生长了掺杂SiGe/Si量子阱材料,在低温下观测到近带边光跃迁。

Si基Ge异质结构发光器件的研究进展

近年来,与Si的CMOS工艺相兼容的Ge/Si异质结构发光器件取得很多重要的进展。本文概述了Si基Ge异质结构发光器件的最新成果,如Ge/Si量子点发光二极管、Si衬底上的Ge发光二极管及激光器和Ge/SiGe多量子阱发光二极管,分别描述了这些器件的特点和增强其发光特性的途径。最后展望了Si基Ge异质结构发光器件的发展趋势,指出尽管Si基Ge异质结构发光器件获得了很大的发展,但是器件的发光效率仍然很低,离实用还有一定距离,还需要在材料和器件的结构方面有更多的创新。