基于能带反折叠方法的锗锡合金材料能带结构与发光效率调控理论研究

Recently, GeSn alloy has been regarded as one of the most prospective materials in the field of Silicon-based optoelectronic integration. However, the high Sn concentration it required and its low lighting efficiency seriously limit its application. To solve this problem, the band structures and lighting properties of GeSn under composition regulation and strain regulation are investigated from theoretical perspectives. In this work, we put forward a method which combines the band unfolding theory with band correcting theory and momentum-transition-matrix calculation to solve the band folding and band underestimation problems in supercell calculations; Then this method is used to calculate the lattice structures, elastic properties, band structures and optical properties of GeSnY(Y=Pb,As,Sb and Bi); Lastly, the band structures and optical properties of GeSn and GeSnY under strain with different kinds (biaxial strain and uniaxial strain) and different directions( along (100),(110), (111) crystal surface, and [100], [110],[111] crystal direction) are calculated. These studies can not only perfect the supercell-simulation theory, but also announce the law of composition regulation and strain regulation for GeSn alloy, this can provide a theoretical guidance for its crystal growth and device applications.

锗锡（GeSn）合金是目前硅基光电集成领域的热点材料，但其所需的Sn浓度过高和发光效率不高限制了它的应用。针对此问题，本项目拟从理论出发研究GeSn在成分调控和应变调控下的能带和发光变化规律。首先建立一种将能带反折叠、能隙修正和动量跃迁矩阵元计算相结合的能带与光学性质计算方法，解决超胞模型计算中存在的能带折叠和能隙低估等问题；然后将其用于研究GeSn在掺入其它元素后所形成的GeSnY（Y=Pb、As、Sb和Bi）三元材料的晶体结构、弹性性能、能带结构和光学性质；最后研究GeSn和GeSnY在不同类型应变（(100)、(110)和(111)晶面的双轴应变，[100]、[110]和[111]晶向的单轴应变）作用下的能带结构和光学性质。本项目的研究不仅可完善超胞模拟理论，还可揭示GeSn材料的能带及发光调控规律，为其制定合理的生长和器件应用方案提供理论指导。

将成熟的硅基微电子技术和光电子技术结合，实现硅基光电集成，是克服摩尔定律极限的重要方法。在硅基光电集成领域中，硅基高效光源是最具挑战性的目标。目前，与微电子集成工艺兼容的GeSn合金，由于其能带结构可由组分调节进而实现高效发光，已成为该领域的热点材料。然而由于Ge与Sn之间的相互固溶度很低且Sn在生长过程中容易分凝等原因，GeSn很难获得高质量高组分的单晶。且Sn浓度越高，GeSn的温度稳定性越差，极大限制了其在硅基光电集成领域的应用。如果能在降低GeSn中Sn组分浓度的同时，获得直接带隙结构或提高发光效率，将极大的促进GeSn的应用。.针对以上问题，本项目建立了一种基于能带反折叠和能隙修正相结合的能带结构和光学性质计算方法，并编制了一套与vasp软件兼容的程序代码。利用此方法和程序，我们研究了GeSn、GePb、二维Germanane和二维GeSn在成分和应变调控下的能带结构和光学性质变化规律。.研究发现：1）GePb是一种性能优异的硅基发光材料，较GeSn合金具有更低的直接带隙组分转变点（3.4%）和更高的发光增益；在（111）双轴压应变的帮助下，其直接带转变组分可以进一步降低至2.1%；对于生长在（111）Ge缓冲层上的GePb合金，直接带隙转变组分为2.7%，发光增益随Pb组分迅速增加。.2）不同V族元素的掺杂对GeSn能带结构和发光增益的影响规律不同，按其对发光增益的提升程度来排序，依次为Bi>Sb>As>P；GeSn在注入载流子浓度约为1×1019/cm3时将达到最大净增益值。.3）层数会影响二维Germanane能带，当层数大于35时，其会转变为间接带隙结构；在双轴张应变下，二维Germanane呈现出直接带隙结构，而在双轴压应变e∈[-4%, -10%]下，则呈现出间接带隙结构；在单轴张应变下，二维Germanane呈现出直接带隙结构，而在单轴压应变e≤-4%下，二维Germanane呈现出间接带隙结构。.4）二维GeSn合金的晶格常数，弹性常数和带隙值随着Sn组分的变化规律均显著的偏离Vegard定律；对于张应变来说，单轴和双轴应变均呈现直接带隙结构，并且双轴应变的调控效率更高；对于压应变来说，单轴和双轴应变均有间接带隙区域，但分布形状不尽相同。