能带改性锗材料高效发光机理研究

Silicon-based light emitting materials and devices with high efficiency are inarguably the most challenging elements in silicon photonics. Germanium has emerged as one of the most promising materials possibly to be integrated on silicon substrate for silicon photonics due to its quasi-direct band nature and compatible with conventional complementary metal oxide semiconductor technology..Applicant will carry out the mechanism of direct band gap emission from germanium based on band gap engineering, mainly focusing on how to improve the direct band gap luminous efficiency from germanium. First, the band structure of tensile-strained n-type germanium will be modified based on perturbation theory and experimental results. Second, the scattering mechanism and kinetic process of carriers will be modeled in the tensile-strained n-type germanium material. Third, the direct band-to-band optical transition and optical gain of germanium will be theoretically analyzed. . In this project, applicant attempt to provide a silicon-based solution to the light source by using the engineered germanium, which potentially meets the silicon photonics requirement. The expected results will enrich the theory of direct band gap emission from germanium material. It also provides a useful guidance on the optoelectronic applications of tensile-strained n-type germanium.

性能优越的硅基高效发光材料与器件的制备一直是硅基光电集成中最具挑战性的课题之一，因此受到了国内外专家的广泛关注。锗材料不仅与成熟的硅工艺相兼容，而且具有准直接带特性，通过能带工程有望实现高效发光，被认为是实现硅基激光器最有希望的材料。.本项目以提高锗材料直接带发光效率为目标，开展能带改性锗材料高效发光机理的相关基础科学研究。具体包括：采用微扰理论建立多变量因素对锗能带结构改性的物理模型并设计实验验证结果；研究载流子的散射机制及动力学过程；建立基于直接带跃迁发光的改性锗材料光增益与吸收定量预测模型。.本项目旨在揭示能带改性锗材料的发光增强机理和实现光增益的有效途径，预期成果将丰富锗光电子材料的发光机理，并能够为新型锗光电子材料与器件的研究提供新的思路与方法，具有较为重要的基础科学研究价值。

难以制备出硅基高效发光材料与器件是制约硅基光电集成技术发展的重要因素。锗材料不仅与成熟的硅工艺相兼容，而且具有准直接带特性，通过能带工程有望实现高效发光，被认为是实现硅基激光器最有希望的材料。.本项目主要围绕如何提高锗材料直接带发光效率而进行基础科学研究。得到的重要结果如下：.第一、研究了双轴(001)、(110)、(111)晶面以及单轴[001]、[110]、[111]晶向应变Ge材料导带结构，提出了利用双轴(001)、(110)晶面以及单轴[001]晶向张应变将Ge材料调制为直接带隙材料的策略，并且在(001)面情况下施加双轴应变可获得最低的应变值1.7%。.第二、构建了载流子在Ge材料导带双能谷结构中的不同晶格振动散射模型，结果表明，对Ge材料进行N型掺杂（1017cm-3到1019cm-3），有利于提高其直接带能谷导带底电子占有率，进而提高Ge材料直接带发光效率。.第三、建立了基于散射机制的谷间电子转移模型，在谷间声子的参与作用下，历经1ps的时间内，谷间电子就能实现电子在直接带能谷与间接带能谷之间的相互转移，该时间远远小于直接带辐射复合的时间。同时，相比于没有散射参与的情况下，直接带电子的占有率能够提高1到2个数量级，进一步提高了直接带电子的数目。该结果显示，谷间散射机制是实现提高应变锗材料直接带发光效率的有效途径。.本研究成果丰富了锗光电子材料的发光机理，能够为新型锗光电子材料与器件的研究提供新的思路与方法，具有较为重要的基础科学研究价值。