_SiGe／Ge／SiGe pin二极管设计与模拟

_SiGe／Ge／SiGe pin二极管设计与模拟 毕业设计(论文) SiGe,Ge,SiGe pin二极管设计与模题 目: 拟 学 生, 指导老师, 院 系, 信息科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 专 业, 电子科学与技术 班 级, 学 号, 2015年6月 福建工程学院本科毕业论文作者承诺保证书 本人郑重承诺: 本篇毕业论文的内容真实、可靠。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名:郑焕辉 2015年 5月 22日 福建工程学院本科毕业论文指导教师承诺保证书 本人郑重承诺:我已按有关 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 对本篇毕业论文的选题与内容进行了指导和审核，该同学的毕业论文中未发现弄虚作假、抄袭的现象，本人愿承担指导教师的相关责任。 指导教师签名: 2015年 月 日 摘要 ................................................................................ 1 ABSTRACT ............................................................................ 2 1 引言 .............................................................................. 3 1.1 研究背景与意义 .............................................................. 3 1.1.1硅基光电集成遇到的问题 ................................................. 3 1.1.2硅基光源研究进展情况 ................................................... 4 1.1.3硅基锗发光器件研究进展情况及存在的问题 ................................. 5 1.2本论文的主要内容 ............................................................. 8 2 pin发光二极管基础 ................................................................. 8 2.1电致发光及原理 ............................................................... 8 2.1.1 电致发光过程 .......................................................... 9 2.1.2电致发光器件结构 ...................................................... 10 2.2 SiGe材料的性质 ............................................................. 12 2.2.1 SiGe材料的优势 ....................................................... 12 2.2.2 SiGe材料的结构及其性质 ............................................... 12 3 TCAD半导体仿真技术简介 ........................................................... 14 3.1 TCAD仿真软件简介 ........................................................... 14 3.2 器件模拟的原理与模型 ....................................................... 15 3.2.1 基本原理 ............................................................. 15 3.2.2 基本模型 ............................................................. 16 4 SiGe,Ge,SiGe pin二极管设计与模拟 ............................................... 17 4.1 SiGe,Ge,SiGe pin二极管的设计 ............................................. 17 4.2 SiGe,Ge,SiGe pin二极管的模拟 ............................................. 18 4.2.1器件结构 .............................................................. 18 .2.2能带特征及载流子分布 .................................................. 18 4 4.2.3 I-V特性 .............................................................. 19 4.2.4光谱特征 .............................................................. 22 总结 ....................................................................... 25 致谢 ....................................................................... 26 参考文献 ................................................................... 27 附录 ....................................................................... 27 SiGe,Ge,SiGe pin二极管设计与模拟 摘要 硅基光电子技术充分地利用微电子先进成熟的工艺技术、高集成度、成本低廉优势和光子互联高带宽、低功耗等的优点，将微电子技术与光子技术相结合，实现单片光电集成芯片，将有力推动信息时代的进步。但是硅是间接带隙材料,室温下电子不能在价带与导带之间直接跃迁,故单纯发光的效率极低，从而制约了硅基光电子技术的发展。因此制备与设计高效的硅基激光器件是解决这一问题的关键。本论文主要采用SiGe材料设计硅基光源问题，其主要结构安排如下: 第一章 引言部分。从光电集成电路的发展状况出发，指出当前光电子技术研究的热点方向以及硅基光源的研究进展，进而概括国内外对硅基锗发光器件研究进展情况及存在的问题。 第二章 介绍pin发光二极管基础，包括了电致发光过程，发光器件的结构以及本文所要研究的SiGe材料的优势和它的结构等性质。 第三章 介绍半导体仿真软件TCAD的基本器件模拟的原理与模型。包括了泊松方程、载流子连续性方程、输运方程、扩散漂移输运方程以及载流子产生复合模型、SRH复合模型等。 第四章 在第三章软件认识的基础上，利用半导体仿真软件TCAD进行SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管设计与模拟。 最后对本论文进行总结 关键字:半导体、载流子、异质结构 1 ABSTRACT Silicon Photonics technology full use of microelectronics advanced and mature technology, high integration, low cost advantages and advantages of Photonic interconnect bandwidth, low power consumption, the combination of microelectronics and Photonics realized monolithic optoelectronic integrated chip, will strongly promote the progress of the times. But Silicon has an indirect band gap material at room temperature in between the valence band and conduction band electron cannot jump directly, so pure and luminous efficiency is very low, thus restricting the development of SI-based optoelectronic technology. Preparation and design of efficient Silicon laser device is the key to solving this problem. In this paper using SiGe materials design of Silicon light problem, its structure is as follows: Chapter I introduction. Starting from the development of optoelectronic integrated circuits, pointed out that the current hot optoelectronic technology research direction and research progress of SI-based light sources, and general research on germanium on Silicon light emitting device development and existing problems. Chapter 2 PIN diode based, including Electroluminescent, organic light emitting devices as well as to study the structure of SiGe material advantages and its structural properties. Chapter 3 basic TCAD simulation software for semiconductor device simulation, principles and models. Includes continuity equation, Poisson's equation, carriers transport equation, diffusion drift transport equation and composite model, the SRH composite carrier model. Chapter 4 in the chapter software on the basis of the recognition of, SiGe/Ge/SiGe PIN using TCAD simulation software for semiconductor light emitting diode design and simulation. Finally, this paper summarizes key words: semiconductor, carriers, hetoro-structure 2 1 引言 1.1 研究背景与意义 1.1.1硅基光电集成遇到的问题 世界第一个晶体管被制造以来人们已经能制造出上百万的晶体管，微电子就迅速的发展，集成度成摩尔定律的趋势增长，而价格则相应地降低一半。微电子技术的材料基础是硅，但是，因为硅是间接带隙材料，电子与空穴不能在价带与导带之间直接跃迁复合，只能通过效率比直接跃迁效率小的多的二级跃迁的声子吸收或发射进行。另外，在室温条件下，由于受激的电子-空穴对通常通过Auger等快速的非辐射方式复合，在硅中很难形成光跃迁粒子数反转，因此硅材料的发光效率很低，这一特点极大的限制了它在光电领域的运用。为了实现硅基光电集成，近几十年来，基于微电子在运用领域越来越完善的基础上，科学家们在一块硅片上能够实现光器件和现有的微电子器件集成在一起的思潮中探索和寻找路径。出于对硅基光电材料研究前景与开发的需求，使得它成为近代材料科学研究的热潮。 另一方面，为了响应高度信息化的需求，集成光路以其光信号处理速度高，信号带宽大，不受电磁场干扰等优点也将在信息技术的发展中扮演着重要的角色。然而，目前集成光路仍然存在着许多技术问题等待突破，如器件之间连接处需要光波导的传输损耗，精确的耦合对准等。光逻辑和光处理器件的发展相对于集成电路而言仍处于初级阶段。 硅基光电子技术充分地利用微电子先进成熟的工艺技术、高集成度、成本便宜优势和光子互联高带宽、低消耗等的优点，将微电子技术与光子技术相结合，实现单片光电集成芯片，将有力推动信息时代的进步。 实现硅基单片光电子集成需要的关键器件包括了光耦合、光传输、光滤波等无源器件和光发射、光调制、光开关、光探测等有源器件，能够对光信息进行产生、传输、控制、转换以及处理等。目前，对硅基光电子集成所需的关键单元器件已经取得较大的进展。如:2004年康奈尔大学的研究人员在nature上发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了基于SOI波导微环谐振器的纳秒级全光开关;2008年，Nature Photonics 报道了GeSi雪崩光电探测器，其增益带宽达到340 GHz，性能达到了目前商用的?–?族化合物光电探测器的水平;2011年Gardes等采用传统的CMOS工艺制备出硅基电光调制器，实现了40 Gb/s的信号传输，达到了 3 目前商用?–?族调制器的水平;然而，Si基发光器件的发展却相对比较缓慢，其最主要的原因是Si属于间接带隙材料，发光效率比直接带隙化合物半导体小5~6个数量级，因此，硅基高效发光材料与器件是当前研究硅基光电集成技术的重中之重。 近年来，各国科学家均广泛而深入地开展了Si基Ge高效发光材料与器件的理论以及相应的实验方面的工作。Ge与Si虽然同属于间接带材料，幸运的是其室温下直接带带隙为0.8 eV，仅比间接带隙大0.136 eV，可以通过能带裁剪的办法，调控Ge的能带结构，使其变为准直接带材料，提高其辐射复合几率，将发光波长调制在光通信和光互连波段(1.55μm);此外，Ge器件的制作工艺几乎与Si CMOS工艺完全兼容，不仅易于与其它Si基光电器件实现片上集成，而且制作成本低。鉴于以上几个优点，Si基Ge材料被认为是未来Si基片上集成激光器最有希望的材料之一。 1.1.2硅基光源研究进展情况 最近几年，硅基光电子器件研究非常活跃，这主要是由信息处理技术对这种器件的需求而驱动的，例如硅基集成电路是迅速发展光纤通信技术迫切需要，技术上的困难和带宽限制是极大规模集成电路的高互连密度面临的空缺，也可以通过发展硅基集成电路来解决。但是，在室温下硅本身是一种发光效率低下的材料。因为间接带隙半导体导带底和价带顶分别位于波矢量的不一样的位置，根据满足动量守恒，空穴和电子在能带间跃迁时，要吸收或发射一个激发子，因此跃迁矩阵元比较小。不过这不只是导致的直接结果是长的辐射寿命而不是对辐射效率的基本限制。由计算可知，室温下一定掺杂浓度下硅的辐射寿命只有以毫秒为单位的范围，由于辐射衰减过程相当缓慢，注入的载流子将会无法规避的以其他非复合辐射复合，因此，辐射复合寿命会比净复合寿命长几个数量级。如果其它的复合过程(如表面态，深能级电子态等)不存在，硅将发射波长为1微米的光。虽然实验上可以通过一定的技术对硅进行处理，以减小表面复合，增加少数载流子的寿命，但是只能降低非复合辐射不能完全去除非复合辐射过程。因此，我们要改变硅材料的能带结构，使硅适合于用于制造光电器件，这样我们才能在硅材料上制造光电子器件。为此人们已经探索了改变硅能带结构的多种方法，其中有些方法已经取得很大的成果。 例如，多孔硅技术的发展，十分引人注目，现阶段与常规集成电路兼容的光电集成电路已经出现，但是这种电路的功耗、效率和高速光互连应用中的调制速度还存在诸多问题有待于进一步解决。能够集成其它的光电子器件也是使器件实用化需要解决的问 4 题。由于硅为间接带隙半导体，在载流子的复合过程中非辐射复合占绝对优势，因此单晶硅制造的发光器件发光效率低下，所以我们要通过掺杂或引入应力的方法改变硅材料的能带结，从而实现硅材料制造成硅基发光器件的可能。目前，科学家们通过在硅pn结中增加β-FeSi2埋层或掺饵，致使它发射1.54微米的光，这种波长的光在光纤通信领域非常有价值， 不过这种器件的发光效率仍然很低。目前还处于发光特性的探讨阶段的硅基超晶格结构，这种结构要发展实用化的器件还要做一系列的工作。现在相关学者及科学家们对半导体硅的广泛关注和研究，这种材料的研究将会有新的突破，但究竟哪一种技术能够捷足先登，在实用化的进程中迈出更大的步伐，还有待于看未来研究的发展。 自20世纪末，人们从通过观察在多孔硅，发现它具有发光现象，一次为契机，世界上科学家尝试各种办法来提高硅材料的发光效率，并取得了有目共睹的科研成果。如纳米硅结构中的发光与光增益、硅基张应变锗材料的发光、β-FeSi2的发光、稀土掺杂硅的发光等。其中，由于锗材料不仅具有准直接带的特性，其直接带Γ点导带底与间接带L点导带底在室温下相差仅136meV，易于通过能带工程将Ge转变为直接带隙材料;而且与成熟的硅工艺相兼容，制备成本较?-?族材料低，从而被认为是未来Si基片上集成激光器最有希望的材料之一。 目前对硅基发光器件的研究主要集中在可见光和红外两个领域。例如在可见光领域，一般通过采用多孔硅、超晶格、纳米硅等结构来实现硅的能带结构的改善;而在红外领域，掺铒硅等材料受到较多的关注 ，然而从工艺实现的角度来讲，这些材料的制备或多或少都不能与现有的成熟微电子工艺兼容，因此为光电器件的单片集成带来了一定的困难。 综上所述，只有利用标准的微电子工艺制作出来的硅基发光器件才能较好的解决工艺兼容性问题，从而使得器件的单片集成成为可能. 1.1.3硅基锗发光器件研究进展情况及存在的问题 近年来在Si基Ge发光器件的研究方面，国内外各研究小组进行了许多努力，也得 +到了许多不错的成果。2009年，斯坦福大学的Cheng等采用n-Ge/p-Ge同质结构制备 [25]Ge的电致发光器件。该器件结构是在RPCVD系统下生长的，采用了原位掺杂的技术 18 +-3对Ge材料进行掺杂，但是通过SIMS测试得到n-Ge层的掺杂浓度约为7.5×10cm， 19 其费米能级仅在Ge材料间接带导带底的边缘，离直接带导带底(掺杂浓度约为8×10 5 -3cm)还有相当距离。 ++同年，中科院半导体研究所采用p-Ge/i-Ge/n-Si异质结构制备了Ge的电致发光器[26]件。在正向偏压大于1.1V的情况下，观察到Ge的直接带发光光谱。但是该器件采用 +了离子注入的方式制备p-Ge层，破坏了晶体的周期性，在Ge材料中引入了缺陷，并且离子注入的载流子易于扩散，不稳定，从而会影响Ge材料的发光效率。 [27]++美国MIT研究小组采用p-Si/i-Ge/n -poly Si异质结构制备Si基Ge发光器件。该 +结构是在UHV/CVD下生长的，首先在p-Si衬底上通过选区外延的方式得到i-Ge层，然 +后淀积n -poly Si层再制备发光器件。当通过器件的电流增大时，他们观察到直接带电致发光的积分强度也随之增大。这是因为增大电流意味着注入到有源层锗层的电子和空穴的浓度也随着增大，那么电子占据锗材料直接带能谷的几率也随之增大，从而就可以有效地提高了Ge材料直接带辐射复合的机率。但是由于该小组在设计结构的时候没有在Ge层进行n型掺杂，只是引入了0.25%的张应变，理论上要实现Ge材料的直接带发光需要注入较高浓度的载流子，而高浓度的载流子有可能增加载流子的非辐射复合几率，进而降低Ge材料的直接带发光效率。 为了验证室温下Ge是否能成为直接带光增益的材料，他们于2010年3月，首次在 [28]国际上研制出Si基Ge薄膜光泵激光器，发表在Opt. Lett.上，如图1-1-1所示。其基 19 -3本原理是基于Si与外延Ge的热失配产生0.25%的张应变和1x10cm原位n型掺杂拉平Ge材料的直接带隙与间接带隙，通过引入应变改性能带结构把间接带隙Ge材料变为直接带隙材料,从而实现激光。这一鼓舞人心的结果表明张应变Ge薄膜是极具前景的Si基片上集成光源材料。 图1-1-1光波导结构的室温光致激射 6 正如?-?族激光器研究发展的历程一样，电注入激光器是继Ge光泵激光器后攻克的下一个目标。令人惊喜的是，2012年， 美国MIT研究小组又成功实现了室温电致Ge [29]激光器 ，如图1-1-2所示。 n-Ge材料由选区外延的方法制备于重掺杂的n-Si衬底上， 193-他们采用δ掺杂的方法，将Ge的掺杂浓度提高到4×10 cm。器件结构如1-1-2(a) 2所示。在511 kA/cm的电流注入时，器件发出波长约为1530 nm，线宽小于1.2 nm，功率约为1 mW的激光，如图1-1-2(b)所示。然而该激光器依然存在着阈值电流密度过高，器件工作不稳定等缺点，有待进一步优化设计。 (a) [29]图1-1-2 Si基Ge电泵激光器 (a)结构示意图 (b)激光光谱 1.2本论文的主要内容 本论文的主要结构安排如下: 第一章 引言部分。从光电集成电路的发展状况出发，指出当前光电子技术研究的热点方向以及硅基光源的研究进展，进而概括国内外对硅基锗发光器件研究进展情况及存在的问题。 第二章 介绍pin发光二极管基础，包括了电致发光过程，发光器件的结构以及本文所要研究的SiGe材料的优势和它的结构等性质。 第三章 介绍半导体仿真软件TCAD的基本器件模拟的原理与模型。包括了泊松方程、载流子连续性方程、输运方程、扩散漂移输运方程以及载流子产生复合模型、SRH复合模型等。 第四章 在第三章软件认识的基础上，利用半导体仿真软件TCAD进行SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管设计与模拟。 最后对本论文进行总结 7 2 pin发光二极管基础 2.1电致发光及其原理 2.1.1 电致发光的基本过程 在半导体器件当中，电致发光(Electroluminecence,EL)是指半导体PN结或者PIN结构在一定的电场作用下，电子和空穴发生辐射复合而引起的发光现象。电致发光它是一种能够将电能直接转化为光能的物理现象。在20世纪就发现了SiC晶体在电场的作用下能够发光。它是一种平面光源，发现之初就受到了人们的广泛兴趣并产生了极大的关注。这一发现人们开始探索照明光源从点光源转向面光源的转变。随之无机发光板磷砷化镓和硫化锌化合物的发现，电致发光开始被广泛的运用在很多领域，并且取得了瞩目的成就。 从材料角度上看，电致发光可分为无机电致发光和有机电致发光。而无机电致发光材料一般是半导体材料。 从发光原理区分，电致发光可以分高场电致发光和低场电致发光。高场电致发光是一种内发光效应，它是一种由半导体掺杂相应的杂质形成介点状态，在这种状态下与其他电极或介电状态接触，材料势垒处于反向，电极和界面的电子进入材料的高电场区被加速成为过热电子。过热电子碰撞发光中心使发光中心被激化，电子的能量在一些列的传递和运输，电子从激发态回到基态而发光。 低场电致发光是一种注入式发光，有些半导体材料的p-n结二极管在正向偏压的下会有少数载流子注入，注入的载流子会与p-n结周边的载流子进行复合而发光。这种发光方式会根据不同的半导体禁带宽度的不同而产生不同颜色的光。 理想的PN结二极管在正向偏压下的能带图如图2-1-1所示。处于平衡状态的PN结拥有一定的势垒宽度;在PN结两端施加一正向偏压，原本有一定势垒区受到偏压的影响，势垒便降低，内建电场也相应的减弱。空穴由p区注入n区，同时电子由n区注入到p区。这些进入n区的空穴和p区的电子进入到都是非平衡少数载流子。PN结势垒区和扩散区注入的非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。 8 P区 N区 图2-1-1 理想的PN结二极管在正向偏压下的能带图 半导体异质结构在能带结构和折射率方面与同质结相比有很大的优越性。一方面它提供了能带结构上的各种势垒、势阱，对载流子具有电学限制作用;另一方面它提供了折射率差，构成光波导结构，对半导体中的光波产生光学限制作用。异质结构能带图中的E-x关系图描述异质结中的能带E随位置x的不同变化，它清晰地描述不同位置的半导体的带隙E、导电类型以及pn结或界面处的能带变化等情况，为器件设计、工作原g 理、特性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 等提供了非常有力的工具。 2.1.2电致发光器件结构 电致发光器件结构一般有以下几种: (1)单层结构 1所示，它是最简单的、最基本的发光器件。其结构是发光 单层结构的器件如图1- 层夹在阳极与阴极间，发光层材料是一种单一的材料也可以是掺杂的材料。 对于有机材料而言，该结构制备的器件发光效率很低，因为大多数有机材料主要是单种载流子传输的，要么只传输电子，要么只传输空穴，所以单器件的载流子注入很不平衡。而且载流子迁移率的巨大差距，容易使得发光区域靠近电极，容易导致电极对发光的组，卒灭，所以器件效率很低，现在单层器件主要用来测量有机材料的电学和光学性质。 9 阴极 发光层 ITO 玻璃衬底 图(1-1)单层结构 (2)双层结构 如图1-2，双层结构器件有两种不同功能的有机材料共同构成的。双层结构又可以分两种，一种是发光层和电子传输层公用一层有机材料，空穴传输层单独为一层有机材料;另一种是发光层和空穴传输层共用一层有几层，而电子传输层单独为一层。 空穴传输层(或电子传输层)的引入可以使空穴(或电子)能有效的进入发光层，且远离电极。因此双层结构很大程度上解决了电极对发光的卒灭及电子和空穴的不平衡注入问题，极大的提高了器件的发光效率。 阴极 发射-电子传输层 空穴传输层 ITO 图(1-2)双层结构 (3)三层结构 如图1-3，三层结构器件是由电子传输、发光层及空穴传输层三层有机材料构成的。这种器件结构的优点是使三层功能层各行其职，电子传输层负责调节电子的注入速度和注入量，空穴传输层负责调节空穴的注入速度和注入量，电子和空穴在发光层复合发光。这样的结构对于选择材料和优化器件结构性能十分方便，是目前有机发光最常采用的器件结构。 10 阴极 电子传输层 发射极 空穴传输层 ITO 图(1-3)三层结构 (4)多层结构 如图1-4，多层结构器件是由电极缓冲层如图输层挡层、和发光层组成的。在实际的器件设计中，为了优化及平衡器件的各项性能，引入了多种不同作用的功能层从而形成多层结构，通常引用阴极缓冲层，空穴缓冲层，空穴阻挡层等有机功能层，这种结构不但保证了有机电致发光功能层与玻璃间的良好附着性，而且还使得来自阳极和金属阴极的载流子更容易注入到有机功能薄膜中，但由于大多数有机物具有绝缘性，只有在很高的电场强度下才能使载流子从一个分流向另一个分子，所以有机薄膜的总厚度不易过厚，否则器件的驱动电压太高，失去了使用价值。 阴极 阴极缓冲层 电子传输层 空穴阻挡层 发光层 电子阻挡层 空穴传输层 阳极缓冲层 ITO 图(1-4)多层结构 11 2.2 SiGe材料的性质 2.2.1 SiGe材料的优势 Si和Ge是性质非常相似?族元素的半导体材料，它们拥有相同的共价键和晶体结构。可以形成连续固溶体是SiGe合金最显著的特点，随组分变化其晶格常数、禁带宽度等物理性质也会连续改变。掺有锗的硅单晶在光电子、电力电子、微电子等领域的应用已显示出许多优异性能，相关学者的广泛关注其在光电、热电转换领域潜在的应用价值。 SiGe合金中，硅的成分一般比例较高，这是因为锗化硅中对带点离子散射作用小，对中性载流子散射作用大，因此现实采用锗化硅的硅含量较高的SiGe合金。另外硅含量较高的SiGe合金中还具备禁带宽度较大、热导率低、载流子浓度高、熔点较高等特点，这些特点都有利于材料获得较高的热电优值。SiGe合金组分改变也会相应的改变它的密度、德拜温度、晶格常数、熔点等，加以控制SiGe合金的组分可以得到许多不同 物理性质，以制备出不同用途的材料。 2.2.2 SiGe材料的结构及其性质 Si与Ge都是金刚石结构。Si的晶格常数A=5.431A，Ge的晶格常数A=5.658A，SiGesis是有Ge和Si原子按金刚石晶格结构进行随机地排列，可以根据不同的成分比例调配达到不同的功能。SiGe的晶格常数符合Vegrad定律表示为: 在室温下Si和Ge的失配是百分之4.18，随着温度的增加，失配也随之增加，幅度很小。Si和Ge异质外延层在Si衬底上生长失配可以通过两种方式来补偿:(1)是通过晶格结构中产生畸变:在晶格结构产生畸变的情况下，外延受双轴应力，此时的衬底晶格常数决定生长平面的晶格常数，由此导致了垂直方向上的立方晶体产生四方畸变。(2)在界面产生失配错位:在一定的条件下，失配错位可以形成核，在这种情况下会出现无应变或松弛状态的生长。 外延生长在Si衬底上的SiGe材料与Si衬底间的晶格失配可以用晶格的失配率f来表示 f,?k(as-af)?af ×100%, 12 af 表示外延膜晶胞参数,as表示衬底晶胞参数，k 为系数 失配率f的大小取决于锗的含量x，SiGe材料存在晶格失配，这意味着外延层有应1-xx 变。共格生长的晶格失配异质结构系统外延层存在着一个临界厚度hc，当外延层厚度小于这个临界厚度时，外延层可以通过产生四方畸变来保持与衬底的共格状态，如果外延层厚度超过这个临界厚度，外延层中的应变能积累过多，外延层将通过晶格的驰豫释放出来，共格状态不复存在。 SiGe/Si体系存在的晶格失配，这使我们能够对这材料的进行调制，达到更多的性能。1-xx Si和Ge的能带结构决定了SiGe材料的能带结构，具有间接带的特点。SiGe材料的1-xx1-xx能带结构不是固定的，它会随着x的变化而变化，当0x0.85时，材料的能带结构接近Si的能带结构:当0.85x1时，材料的能带结构接近Ge的能带结构。应变的引入不仅改变了材料的晶格常数，还影响到了材料的能带结构。在应变条件下，SiGe材料1-xx的导带顶和导带底都会分裂，价带顶解除简并，分裂成重空穴态和轻空穴态。导带底由六度简并态分裂成为一个四重态和一个二重态。 SiGe /Si异质结构的偏主要出现在价带边，而导带边的带偏很小，SiGe /Si材料的带隙的变化是由价带和导带的带偏共同决定的。在压应变状态，带隙会变小，在张应变状态，带隙会变大。一般情况下作为估算，可以忽略导带的带偏。 13 3 TCAD半导体仿真技术简介 3.1 TCAD仿真软件简介 本论文将使用Silvaco TCAD软件进行SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管设计与模拟。半导体仿真工具Silvaco TCAD是一款专门用来模拟半导体工艺过程和半导体器件设计的仿真工具。该仿真软件是基于一系列的物理模型及其方程而进行相应的数值计算，而这些物理模型及其方程中的一些变量又用其他的方程来进行描述，因此Silvaco TCAD的计算量通常比较大，在用它进行半导体工艺与器件的仿真计算时参数设置上需要在精确性、计算速度和收敛性之间取得折衷，进而提高效率。 组成Silvaco TCAD的组件包括了交互式工具DeckBuild和Tonyplot、器件仿真工具ATLAS、工艺仿真工具ATHENA和器件编辑器DevEdit,还有一些内部的模块。 各仿真器都是通过集成环境DeckBuild组织的。Silvaco传真流程如图3-1-1中所示。 图3-1-1 Silvaco传真流程 本论文主要采用了器件仿真工具ATLAS对二极管器件进行仿真与模拟，因此主要介绍这部分的内容: ATLAS器件仿真框架可以用来仿真半导体器件的电学、光学以及热学行为。ATLAS提供基于物理的模块化的易用的可扩展的平台，在此基础上分析2维或3维器件的DC/AC和时域响应，光-电，电-光转换特性。 ATLAS主要模块有:S-Pisces、Devces3D、Blaze2D/3D、TFT2D/3D、VCSEL、laser、luninous2D/3D、Ferro、Quantum、Giga2D/3D、NOISE、C-Literperter、Mixedmode和Devedit2D/3D。具体各种模块特性，可查器件仿真的手册或是查询官网的说明。 14 ATLAS的特性功能很丰富: ATLAS可以在Beckbulid交互式的运行环境中运行，允许ATHENA、SSUPREM3工艺仿真器输入，Devedlit器件编辑输入，和UTMOSTIII接口可以对器件参数进行提取和对器件建模等 3.2 器件模拟的原理与模型 3.2.1 基本原理 经过科学界的研究，用基于一些的数学计算来描述半导体特性的物理模型取得了不错的效果。泊松方程和连续方程是仿真的框架，电荷传输模型和电密方程一般用波尔曼兹相近。下面加以具体介绍: (1)泊松方程 泊松方程表达式描述了空间电荷与静电势的分布，可用下式表示: div()= 其中为介电常数，是静电势，空间电荷密度。 (2)电场强度 电场强度可用电势的梯度来表示: E=??φ (3)载流子连续性方程: 载流子的连续性方程是半导体载流子运动学当中非常重要的方程之一，它可以用下式表达: =1qdivJ+G-R nnn =divJ+G-R ppp (4)载流子的传输方程: 包括了电子和空穴的漂移与扩散模型，如下所示: J=?qμn Nn 15 J=n pp 其中，?n、?p是费米能级是电子空穴迁移率 np 3.2.2 基本模型 Silvaco TCAD所用的物理模型很多，因此设定合理的物理模型对仿真结果的准确性特别重要。这里要介绍与模拟过程中相关的主要物理模型，包括迁移率模型、载流子生成-复合模型和俄歇复合模型。 (1)迁移率模型 在低电场下，电子和空穴的迁移率模型为: -TMUN ,=MUN(T/300)n0L -TMUP ,=MUP(T/300)p0L 22其中，参数mun、mup默认值为1000cm/(V.s)、500cm/(V.s)，tmun、tmup默认值均 为1.5K。 (2)载流子产生-复合模型 ATLAS中载流子生成-复合模型包括了表面复合模型;Shockley-Read-Hall(SRH)复合模型;浓度依赖的寿命模型;陷阱增强遂穿模型;光生成-辐射复合模型;基本的俄歇复合模型;陷阱增强的俄歇复合模型;带隙变窄俄歇复合模型;温度和浓度系数俄歇复合模型等。 这里主要介绍常见的SRH复合和俄歇复合模型。 半导体在平衡条件下，本征载流子浓度满足下面的关系: 2Np=n 00i 则Shockley-Read-Hall(SRH)复合模型可以表示为: 2R=(pn-n)/{TAUPO[n+nexp(ETRAP/KT)]+TAUNO[p+nexp(-ETRAP/KT)]} SRHicicLic cL 其对应的参数如表3-2-1所示: 16 RSH复合模型参数表3-2-1 状态 参数 默认值 单位 material etrap ev 0 -7 110material taun0 s -7110 material taup0 s (3)俄歇复合模型: 载流子的俄歇复合模型可以用下式表示: 2222R=AUGN(pn-nn)+AUGP(pn-nn) Augericic 其中俄歇复合模型参数如表3-2-2所示 俄歇复合模型参数表3-2-2 状态 参数 默认值 单位 32 68.310material taun cm/s 3161.810 material taup cm/s 17 4 SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管设计与模拟 本章采用SiGe/Ge/SiGe pin异质结结构设计Si基Ge发光二极管器件。本次设计了SiGe/Ge/ SiGep-i-n异质结发光二极管，首先通过Silvaco软件模拟了该异0.80.20.80.2 质结构的能带图并讨论了费米能级和载流子在正向偏压下的分布情况;其次模拟了在外加正向偏压下器件的IV特性曲线以及在不同偏压条件下该发光器件有源区Ge层的电子分布情况;最后模拟了有源层锗层在不同注入载流子下的光学特性。 4.1 SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管的设计 半导体发光材料，产生光子净发射的条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过过剩非平衡载流子(过剩非平衡电子和空穴)的复合，才能形成发光。电致发光的过程就是由电流(电场)激发过剩载流子，是电能直接转变为光能的过程。一般采用PN结或PIN结等二极管结构比较容易通过电流注入的方式获得过剩载流子。 本次设计主要采用SiGe/Ge/ SiGep-i-n异质结构来实验有源层Ge的发光。 0.80.20.80.2 主要有以下几个优点:一方面SiGe/Ge可以构成异质结构，实现对电子和空穴的有0.80.2 效限制，从而提高有源区Ge层的载流子注入效率;另一方面，SiGe/Ge具有不同的0.80.2折射率，也能起到对光的限制作用;此外在实验制备方面，SiGe/Ge晶格失配较小，0.80.2容易从实验上制备，并且与标准的Si-CMOS工艺相兼容，制备成本较低。 4.2 SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管的模拟 4.2.1 器件结构 设计了SiGe/Ge/ SiGep-i-n异质结发光二极管。首先用Silvaco软件对 0.80.20.80.2 SiGe/Ge/ SiGep-i-n异质结构进行能带的模拟。其中: 第一区域:SiGe x.min =0 0.80.20.80.2 x.max =0.5 y.min =0 y.max =0.2 第二区域:SiO2 x.min =0.5 x.max =1.5 y.min =0 y.max =0.18 第三区域:SiGe x.min =1.5 x.max =2 y.min=0 y.max =0.2 第四区域:Ge x.min=0.5 x.max=1.5 y.min =0.18 y.max =0.2 第五区域:oxide x.min =0 x.max =2 y.min=0.2 y.max =0.6 第六区域: Si x.min =0 x.max =2 y.min =0.6 y.max =1 ，p、n 20-3区设计为SiGe材料，对应掺杂浓度均为2x10cm。其器件结构如图4-1-1所示。 0.80.2 18 图4-1-1 SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结构图 0.80.20.80.2 4.2.2 能带特征及载流子分布 -1-2为在准平衡条件下，SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结构的能带图及对应图40.80.20.80.2的载流子分布图。因为p区和n区多子向i区扩散， i区载流子浓度发生了变化，从而 导致能带发生弯曲。 图4-1-2 SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结构的能带图 0.80.20.80.2 及对应的载流子分布图 19 在正向1.0V电压下，SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结构的能带图及对应的载流0.80.20.80.2 子分布如图4-1-3所示。从能带图中可知，在正向1.0V电压下，电子和空穴的准费米能级发生了分离，分别进入了本征Ge层的导带和价带，因此在这种情况下，大量过剩载流子存在于本征Ge层中，并且载流子发生了粒子数反转，电子和空穴容易发生辐射复合现象。 图4-1-3 SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结在正向1.0V下的能带图 0.80.20.80.2 及对应的载流子分布图 从模拟结果可知，SiGe/Ge/ SiGe p-i-n异质结在正向1.0V的偏压下，有源0.820.180.820.18 层i区就可以实现粒子数反转，并且有源层i区两边的SiGe层起到了限制载流子的作用，有利于Ge实现直接带隙的发光。 4.2.3 I-V特性 在1V偏压下SiGe/Ge/SiGe pin二极的IV特性曲线如图4-2-3所示。 20 图4-2-3 pin二极管的IV特性曲线 如图所示，以阳极端电压V为横坐标，电流I为纵坐标，得到的I/V特性曲线。从图中可以看出，当给二极管施加的正向偏压小于0.8V时，阳极电流基本等于0，此时二极管处于非导通状态;施加电压大于0.8V时，二极管才导通。 在外加0-4V偏压的情况下的有源区i-Ge层的电子浓度与对应的电压关系如表4-2-1所示。为了便于观察，我们也将它用对数坐标的形式画成图4-2-2。 表4-2-1 外加偏压与有源区Ge层电子浓度的关系 -3-3V(v) n(cm) V(v) n(cm) 15 19 0.2 7.32x102.0 5.01x10 16 190.4 6.44x102.2 5.17 x10 17 190.6 6.82x102.4 5.29 x10 18190.8 8.66x10 2.6 5.43 x10 19 191.0 3.31x102.8 5.53 x10 19 191.2 4.17x103.0 5.65 x10 19 191.4 4.40x103.5 5.87 x10 19 191.6 4.65x104.0 6.06 x10 19 1.8 4.86x10 21 图4-2-2外加偏压与有源区Ge层电子浓度的关系曲线 图中显示的是pin二极管i区中间的位置处电子的浓度分布与外加正向偏压的关系。从图中可以看出，在pin二极管上外加正向偏压，注入到i区电子浓度具有如下特点:在0到1V左右，电子浓度随着电压的增大而增大，几乎呈现指数增长的趋势(在 193-对数坐标下看上去呈现的是线性的关系)，数量上可以达到10cm，该数量级的电子浓度能够有效地填充锗的间接带隙，有利于锗材料的直接带隙发光;在大于1V以后，电子浓度趋于饱和。 4.2.4 光谱特征 自发辐射理论可以用来模拟注入的电子浓度对Ge直接带自发辐射发光的影响。自 [45]发辐射发光的跃迁 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 如下所示: 1Rhvfhvfhvhv,,，, (3-5) ()()()[1()]()spcv,r -10[42],公式中的代表电子的辐射寿命，通过查阅文献可以取值为10s ，而代,()hvr fhv()fhv()表室温下Ge直接带的吸收系数，以及表示载流子的费米分布函数，可以将cv 22 它们改写成以下的形式: 1 (3-6) fhv,()cmrEhvEF，,,()cgcmn，exp[]1kT 1 (3-7) fhv,()vmrEhvEF,,,()vgvmp，exp[]1kT 其中m = mx m / ( m+m); m、m、 E、E、E、F、F分别表示室温下(300K)rn pnpnpcvgcv 锗材料的电子有效质量、空穴有效质量、导带底、价带顶、带隙、电子准费米能级、空穴准费米能级，为了计算方便，我们在计算中不考虑表面复合、Auger复合等非辐射复合。 18-3 2.05x10cm 18-3 2.26x10cm 18-3 4.01x10cm Intrinsic (a.u.)spR 12001300140015001600 Wavelength (nm) 图4-2-3不同注入载流子浓度下Ge的自发发射谱 图4-2-3为室温条件下，不同注入载流子浓度下Ge的自发发射谱。通过理论计算可以发现以下规律:随着注入载流子浓度的增加，Ge直接带发光的强度增强了。这说明大部分注入的电子可以跃迁到锗的直接带隙，从而实现它的直接带隙发光。 为了进一步了解注入载流子浓度对发光强度的影响，我们绘制如图3-16所示的归一划的自发发光强度与载流子的浓度关系图。计算了不同掺杂浓度下的自发发射谱，并提取其发光强度，绘制成曲线如图。 23 10 8 modeling 6 4 2 Intensity (a.u.) 0 -218191010-3Doping (cm) 图4-2-4发光峰强与注入载流子浓度的关系 18-3以掺杂浓度为4.01x10cm的发光强度为标准，进行理论数据的归一化处理，最终 得到的注入载流子浓度与锗材料直接带发光强度之间的关系如图4-2-4所示。从图中我 19-3们看到，理论计算表明，当注入到i区的载流子浓度高于1.0x10cm时，室温下锗直接 带发光强度将显著增强。 24 总结 毕业设计是检验学习成果的一种方式，是对大学四年所学知识的综合应用，也是作为学生的最后一次作业，能够培养和提高分析和解决问题的能力。 在做这个课题之前，对自己所选的课题有一定的了解，但是面对这方面的知识欠缺，让我对着课题有点力不从心。并且还从未接触TCAD仿真软件的应用，这对于我来说可以说是个挑战，也是对我学习能力的一种考验。不过就因为这样，在学习软件应用中出现的各种问题，我才能深刻的认识到自己的短板与不足。 一开始是知识的检索与查阅。利用中国知网，搜索一些与论文有关的文章和并查阅相关文献。慢慢接积累素材，进行了解和分析;熟练掌握光电集成电路的发展状况，指出当前光电子技术研究的热点方向以及硅基光源的研究，并且了解SiGe材料的性质，从中了解他的优势，认识硅基发光在微电子技术的研究前景。再而学习TCAD仿真软件的应用，并利用半导体仿真软件TCAD进行SiGe,Ge,SiGe pin发光二极管设计与模拟。 时间慢慢的流逝，毕业设计接近尾声，也意味着即将毕业。在老师的指点和帮助下我的毕业设计也顺利完成了。在此期间尽管遇到很多的困难，最后还是能够圆满完成，这让我有一种成就感，这要感谢老师跟同学们对我的帮助，不仅让我掌握了知识，还认识到自己的不足，收获了许多的东西。在整个设计过程中，培养了我学习能力和适应能力，也提大大题高了我对知识的获取，这也对今后出社会的适应与学习有很大的鼓励。 论文的完成，即是大学四年画上了一个完美的句号，这次的毕业设计的体验将会是我初入社会不懈努力的基石。 25 致谢 毕业设计已近接近尾声，大学的生活即将结束，值此毕业设计设计完成之际，我谨向所有关心我、帮助我的老师同学表示深深的感谢和真诚的祝福。 首先我要感谢我的指导老师黄诗浩老师。这次毕业设计是在我的导师黄诗浩老师悉心指导下完成的。在这期间黄老师常抽出时间指点我对仿真编程学习的不足，还不断地指出在毕业设计中存在的一个又一个的问题，并逐一的为我指点迷津，不断完善我的毕业论文，还纠正了我做事疏忽的态度。在黄老师的精心指导下，通过结合课本的学习慢慢的清晰了我的设计思路，使我顺利的完成了我的毕业设计，感谢他为我所付出努力与汗水，我发自内心的感激和尊敬。 其次我要感谢的是辅导员和教老师，他们在学习生活上对我们的关心和指导，感谢他在这四年对我的帮助和照顾，让我一步一步地完成了求学生涯，感谢他们默默地付出，让我顺利地完成了学业。陪伴了我们四年的大学美好时光。 同时，我也感谢一直支持我的家人，他们总是默默的关心和爱护我，让能够专心完成我的学业。 26 参考文献 [1] 余金中. 硅光子学[M]. 北京:科学出版社，2011. [2] Kurdi M, Kociniewski T, Ngo T, et al. Enhanced photoluminescence of heavily n-doped germanium [J]. Appl. Phys. Lett. , 2009, 94, 191107. [3] T. H. Cheng, C. Y. Ko, C. Y. Chen, et al. Competitiveness between Direct and Indirect Radiative Transitions of Ge [J], Appl Phys Lett, 2010, 96 . [4] M. El Kurdi, T. Kociniewski, T. P. Ngo, et al. Enhanced Photoluminescence of Heavily N-Doped Germanium [J], Appl Phys Lett, 2009, 94, 191107. [5] D. Nam, D. Sukhdeo, A. Roy, et al. Strained germanium thin film membrane on silicon substrate for optoelectronics [J], Opt. Express, 2011, 19, 25866-25872. [6] J. Liu, X. Sun, P. Becla, et al. Towards a Ge-based laser for CMOS applications [J] , in thProceedings of 5 IEEE International Conference on Group IV Photonics (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Italy), 2008, pp. 16-18. [7] S. L. Cheng, J. Lu, G. Shambat, et al. Room temperature 1.6 μm electroluminescence from 17, 10019-10024. Ge light emitting diode on Si substrate [J] , Opt. Express, 2009, [8] J. F. Liu, X. C. Sun, R. Camacho-Aguilera, et al. Ge-on-Si Laser Operating at Room Temperature [J], Opt Lett, 2010, 35, 679. [9] 张檀威. SiO和SiN薄膜的PECVD沉积及在半导体光电子器件中的应用究[D]. 北234 京:北京邮电大学，2010. [10]王启明;微电子、光电子高技术的发展源于固体能带的基础性研究[J];物理;1998年09期 [11]王启明;纳米技术与能带工程对Si基高效发光的促进[J];物理学进展;2002年04期 [12]黄昌俊,王启明;在Si衬底上自组装生长Ge量子点研究进展[J];物理;2003年08期 [13]王启明;突破间接带局限 创新Si基激光器[J];物理;2004年05期 [14]王启明;半导体集成光子学的研究与进展[J];自然科学进展;1997年02期 [15]黄昌俊,余金中,王启明;自组装Ge/Si量子点的研究进展[J];自然科学进展;2004年01期 [16] W. X. Hu, B. W. Cheng, C. L. Xue, H. Y. Xue, S. J. Su, A. Q. Bai, L. P. Luo, Y. D. Yu, and Q. M. Wang, Electroluminescence from Ge on Si substrate at room temperature [J], Appl Phys Lett, 27 2009, 95 (9), 092102. [17] J. Liu, X. Sun, D. Pan, X. Wang, L. C. Kimerling, T. L. Koch, and J. Michel, Tensile-strained, n-type Ge as a gain medium for monolithic laser integration on Si [J], Opt Express, 2007, 15 (18), 11272-11277. 28 附录 go atlas # # Rectangle Domain vs Cylindrical Domain # # Simulates a simple LED device # SILVACO International 1992, 1993, 1994, 1995, 2001, 2007 # # Rectangle Domain #网格 # 2 um X 1 um # mesh # x.mesh loc=0.0 spacing=0.1 x.mesh loc=0.5 spacing=0.1 x.mesh loc=1.5 spacing=0.1 x.mesh loc=2.0 spacing=0.1 # y.mesh loc=0.0 spacing=0.1 y.mesh loc=0.18 spacing=0.1 y.mesh loc=0.2 spacing=0.1 y.mesh loc=0.6 spacing=0.1 y.mesh loc=1.0 spacing=0.1 # # 区域与电极 # (graded heterojunctions outside of cladding layers) # region num=1 x.min=0 x.max=0.5 y.min=0 y.max=0.2 Material=SiGe x.comp=0.2 region num=2 x.min=0.5 x.max=1.5 y.min=0 y.max=0.18 Material=SiO2 # grad.12=0.1 region num=3 x.min=1.5 x.max=2 y.min=0 y.max=0.2 Material=SiGe x.comp=0.2 region num=4 x.min=0.5 x.max=1.5 y.min=0.18 y.max=0.2 Material=Ge region num=5 x.min=0 x.max=2 y.min=0.2 y.max=0.6 Material=oxide region num=6 x.min=0 x.max=2 y.min=0.6 y.max=1 Material=Si # grad.34=0.1 # elec name=anode x.min=0 x.max=0.5 y.min=0 y.max=0 elec name=cathode x.min=1.5 x.max=2.0 y.min=0 y.max=0 29 # 参杂 # doping uniform conc=2e20 p.type region=1 doping uniform conc=2e20 n.type region=3 save outf=sancai.str tonyplot sancai.str #材料 material material=Ge copt=5.3e-14 augn=3.0e-32 augp=7.0e-32 models fermi incomplete consrh auger optr print models region=4 fermi LI spontaneous auger output con.band val.band opt.intens save outf=pSiGe_iGe_nSiGe_LED.str #迁移率 mobility material=Ge \ BN.CVT=1E15 BP.CVT=1E15 \ CN.CVT=2.2E6 CP.CVT=1E-10 \ DN.CVT=0.333 DP.CVT=0.333 \ EN.CVT=1 EP.CVT=1 \ TAUN.CVT=0.125 TAUP.CVT=0.0317 \ KN.CVT=2 KP.CVT=2 \ DELN.CVT=1E15 DELP.CVT=3E14 \ FELN.CVT=1E50 FELP.CVT=1E50 \ ALPHN.CVT=0.63 ALPHP.CVT=0.71 \ BETAN.CVT=2 BETAP.CVT=2 \ CRN.CVT=8E16 CRP.CVT=1E17 \ CSN.CVT=0 CSP.CVT=0 \ GAMN.CVT=0 GAMP.CVT=0 \ MU0N.CVT=25 MU0P.CVT=52 \ MU1N.CVT=0 MU1P.CVT=0 \ MUMAXN.CVT=2600 MUMAXP.CVT=900 \ PCN.CVT=0 PCP.CVT=0 \ vsatn=6e6 vsatp=6e6 \ egley.p egley.r=2.79 #method gummel newton method newton maxtraps=10 solve init save outf=pSiGe_iGe_nSiGe_LED_ini.str 30 tonyplot pSiGe_iGe_nSiGe_LED_ini.str probe name=recombination integrate recomb probe name=radiative integrate radiative rname=Ge log outf=SiGe.log solve vstep=0.05 vfinal=1 name=anode save outf=SiGe_1p0.str save spectrum=SiGe_lp0.spc lmin=1.5 lmax=2 nsamp=100 tonyplot SiGe.log tonyplot SiGe_1p0.str #tonyplot SiGe_1p0.spc #extract init infile="pSiGe_iGe_nSiGe_LED.str" #extract name="Electron" curve(depth,impurity="Electron Conc" material="All") outfile="SiGe_1p0_Electron.dat" #extract name="Electron" curve(depth,impurity="Hole Conc" material="All") outfile="SiGe_1p0_Hole.dat" #tonyplot -overlay SiGe_1p0_Electron.dat SiGe_1p0_Hole.dat quit 31