搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge1-xSnx能带特性与迁移率计算

底琳佳 戴显英 宋建军 苗东铭 赵天龙 吴淑静 郝跃

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge1-xSnx能带特性与迁移率计算

底琳佳, 戴显英, 宋建军, 苗东铭, 赵天龙, 吴淑静, 郝跃
PDF
导出引用
导出核心图
  • 能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge1-xSnx合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge1-xSnx的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8kp方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge1-xSnx合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4% Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3% Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.
    [1]

    Morea M, Brendel C E, Zang K, Suh J, Fenrich C S, Huang Y C, Chung H, Huo Y, Kamins T I, Saraswat K C, Harris J S 2017 Appl. Phys. Lett. 110 091109

    [2]

    Senaratne C L, Wallace P M, Gallagher J D, Sims P E, Kouvetakis J, Menndez J 2016 J. Appl. Phys. 120 025701

    [3]

    Hart J, Adam T, Kim Y, Huang Y C, Reznicek A, Hazbun R, Gupta J, Kolodzey J 2016 J. Appl. Phys. 119 093105

    [4]

    Zhou Y, Dou W, Du W, Pham T, Ghetmiri S A, Al-Kabi S, Mosleh A, Alher M, Margetis J, Tolle J, Sun G, Soref R, Li B, Mortazavi M, Naseem H, Yu S Q 2016 J. Appl. Phys. 120 023102

    [5]

    Wirths S, Geiger R, Driesch N V D, Mussler G, Stoica T, Mantl S, Ikonic Z, Luysberg M, Chiussi S, Hartmann J M, Sigg H, Faist J, Buca D, Grtzmacher D 2015 Nat. Photonics 9 88

    [6]

    Liu Y, Yan J, Wang H, Cheng B, Han G 2015 Int. J. Thermophys. 36 980

    [7]

    Taoka N, Capellini G, Schlykow V, Montanari M, Zaumseil P, Nakatsuka O, Zaima S, Schroeder T 2017 Mater. Sci. Semicond. Process. 57 48

    [8]

    Huang Y S, Tsou Y J, Huang C H, Huang C H, Lan H S, Liu C W, Huang Y C, Chung H, Chang C P, Chu S S, Kuppurao S 2017 IEEE Trans. Electron Dev. 64 2498

    [9]

    Margetis J, Mosleh A, Al-Kabi S, Ghetmiri S A, Du W, Dou W, Benamara M, Li B, Mortazavi M, Naseem H A, Yu S Q, Tolle J 2017 J. Cryst. Growth 463 128

    [10]

    Mosleh A, Alher M A, Cousar L C, Du W, Ghetmiri S A, Pham T, Grant J M, Sun G, Soref R A, Li B, Naseem H A, Yu S Q 2015 Front. Mater. 2 30

    [11]

    Kurdi M E, Fishman G, Sauvage S, Boucaud P 2010 J. Appl. Phys. 107 013710

    [12]

    Liu L, Zhang M, Hu L, Di Z, Zhao S J 2014 J. Appl. Phys. 116 113105

    [13]

    Bai M, Xuan R X, Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Shu B 2015 Acta Phys. Sin. 64 038501 (in Chinese)[白敏, 宣荣喜, 宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 舒斌 2015 物理学报 64 038501]

    [14]

    D'Costa V R, Cook C S, Birdwell A G, Littler C L, Canonico M, Zollner S, Kouvetakis J, Menndez J 2006 Phys. Rev. B 73 125207

    [15]

    Madelung O, Rssler U, Schulz M 2002 SemiconductorsGroup IV Elements, IV-IV and Ⅲ- V Compounds. Part b-Electronic, Transport, Optical and Other Properties (Berlin: Springer) p2801, p3106

    [16]

    Bahder T B 1990 Phys. Rev. B 41 11992

    [17]

    Pryor C 1998 Phys. Rev. B 57 7190

    [18]

    Zhu Y H, Xu Q, Fan W J, Wang J W 2010 J. Appl. Phys. 107 073108

    [19]

    Ye L X 1997 Monte Carlo Simulation of the Small-Scale Semiconductor Devices (Beijing: Science Press) p318, 384 (in Chinese)[叶良修 1997 小尺寸半导体器件的蒙特卡罗模拟 (北京: 科学出版社) 第318页, 第384页]

    [20]

    Ye L X 2007 Semiconductor Physics (2nd Ed.) Part One (Beijing: Higher Education Press) p203 (in Chinese)[叶良修 2007 半导体物理学(第二版)上册 (北京: 高等教育出版社)第 203 页]

    [21]

    Sun Y, Thompson S E, Nishida T 2010 Strain Effect in Semiconductors: Theory and Device Applications (New York: Springer) pp193-201

    [22]

    Wang X Y, Zhang H M, Song J J, Ma J L, Wang G Y, An J H 2011 Acta Phys. Sin. 60 077205 (in Chinese)[王晓艳, 张鹤鸣, 宋建军, 马建立, 王冠宇, 安久华 2011 物理学报 60 077205]

    [23]

    Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Wang X Y, Wang G Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 057304 (in Chinese)[宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 王晓艳, 王冠宇 2012 物理学报 61 057304]

    [24]

    Nguyen P H, Hofmann K R 2003 J. Appl. Phys. 94 375

    [25]

    Fischetti M V, Laux S E 1996 J. Appl. Phys. 80 2234

    [26]

    Song P, Cai L C, Tao T J, Yuan S, Chen H, Huang J, Zhao X W, Wang X J 2016 J. Appl. Phys. 120 195101

    [27]

    Myers V W 1967 J. Phys. Chem. Solids 28 2207

    [28]

    Adachi S 2009 Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, Ⅲ- V and Ⅱ- VI Semiconductors (Chichester: John Wiley Sons Ltd.) p18

    [29]

    Chen R, Lin H, Huo Y, Hitzman C, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 181125

    [30]

    Dai X Y, Yang C, Song J J, Zhang H M, Hao Y, Zheng R C 2012 Acta Phys. Sin. 61 237102 (in Chinese)[戴显英, 杨程, 宋建军, 张鹤鸣, 郝跃, 郑若川 2012 物理学报 61 237102]

    [31]

    Lin H, Chen R, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 98 261917

    [32]

    Lin H, Chen R, Lu W, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2012 Appl. Phys. Lett. 100 102109

    [33]

    Gassenq A, Milord L, Aubin J, Guilloy K, Tardif S, Pauc N, Rothman J, Chelnokov A, Hartmann J M, Reboud V, Calvo V 2016 Appl. Phys. Lett. 109 242107

    [34]

    Lieten R R, Seo J W, Decoster S, Vantomme A, Peters S, Bustillo K C, Haller E E, Menghini M, Locquet J P 2013 Appl. Phys. Lett. 102 052106

    [35]

    Wirths S, Stange D, Pampilln M A, Tiedemann A T, Mussler G, Fox A, Breuer U, Baert B, Andrs E S, Nguyen N D, Hartmann J M, Ikonic Z, Mantl S, Buca D 2015 ACS Appl. Mater. Interfaces 7 62

  • [1]

    Morea M, Brendel C E, Zang K, Suh J, Fenrich C S, Huang Y C, Chung H, Huo Y, Kamins T I, Saraswat K C, Harris J S 2017 Appl. Phys. Lett. 110 091109

    [2]

    Senaratne C L, Wallace P M, Gallagher J D, Sims P E, Kouvetakis J, Menndez J 2016 J. Appl. Phys. 120 025701

    [3]

    Hart J, Adam T, Kim Y, Huang Y C, Reznicek A, Hazbun R, Gupta J, Kolodzey J 2016 J. Appl. Phys. 119 093105

    [4]

    Zhou Y, Dou W, Du W, Pham T, Ghetmiri S A, Al-Kabi S, Mosleh A, Alher M, Margetis J, Tolle J, Sun G, Soref R, Li B, Mortazavi M, Naseem H, Yu S Q 2016 J. Appl. Phys. 120 023102

    [5]

    Wirths S, Geiger R, Driesch N V D, Mussler G, Stoica T, Mantl S, Ikonic Z, Luysberg M, Chiussi S, Hartmann J M, Sigg H, Faist J, Buca D, Grtzmacher D 2015 Nat. Photonics 9 88

    [6]

    Liu Y, Yan J, Wang H, Cheng B, Han G 2015 Int. J. Thermophys. 36 980

    [7]

    Taoka N, Capellini G, Schlykow V, Montanari M, Zaumseil P, Nakatsuka O, Zaima S, Schroeder T 2017 Mater. Sci. Semicond. Process. 57 48

    [8]

    Huang Y S, Tsou Y J, Huang C H, Huang C H, Lan H S, Liu C W, Huang Y C, Chung H, Chang C P, Chu S S, Kuppurao S 2017 IEEE Trans. Electron Dev. 64 2498

    [9]

    Margetis J, Mosleh A, Al-Kabi S, Ghetmiri S A, Du W, Dou W, Benamara M, Li B, Mortazavi M, Naseem H A, Yu S Q, Tolle J 2017 J. Cryst. Growth 463 128

    [10]

    Mosleh A, Alher M A, Cousar L C, Du W, Ghetmiri S A, Pham T, Grant J M, Sun G, Soref R A, Li B, Naseem H A, Yu S Q 2015 Front. Mater. 2 30

    [11]

    Kurdi M E, Fishman G, Sauvage S, Boucaud P 2010 J. Appl. Phys. 107 013710

    [12]

    Liu L, Zhang M, Hu L, Di Z, Zhao S J 2014 J. Appl. Phys. 116 113105

    [13]

    Bai M, Xuan R X, Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Shu B 2015 Acta Phys. Sin. 64 038501 (in Chinese)[白敏, 宣荣喜, 宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 舒斌 2015 物理学报 64 038501]

    [14]

    D'Costa V R, Cook C S, Birdwell A G, Littler C L, Canonico M, Zollner S, Kouvetakis J, Menndez J 2006 Phys. Rev. B 73 125207

    [15]

    Madelung O, Rssler U, Schulz M 2002 SemiconductorsGroup IV Elements, IV-IV and Ⅲ- V Compounds. Part b-Electronic, Transport, Optical and Other Properties (Berlin: Springer) p2801, p3106

    [16]

    Bahder T B 1990 Phys. Rev. B 41 11992

    [17]

    Pryor C 1998 Phys. Rev. B 57 7190

    [18]

    Zhu Y H, Xu Q, Fan W J, Wang J W 2010 J. Appl. Phys. 107 073108

    [19]

    Ye L X 1997 Monte Carlo Simulation of the Small-Scale Semiconductor Devices (Beijing: Science Press) p318, 384 (in Chinese)[叶良修 1997 小尺寸半导体器件的蒙特卡罗模拟 (北京: 科学出版社) 第318页, 第384页]

    [20]

    Ye L X 2007 Semiconductor Physics (2nd Ed.) Part One (Beijing: Higher Education Press) p203 (in Chinese)[叶良修 2007 半导体物理学(第二版)上册 (北京: 高等教育出版社)第 203 页]

    [21]

    Sun Y, Thompson S E, Nishida T 2010 Strain Effect in Semiconductors: Theory and Device Applications (New York: Springer) pp193-201

    [22]

    Wang X Y, Zhang H M, Song J J, Ma J L, Wang G Y, An J H 2011 Acta Phys. Sin. 60 077205 (in Chinese)[王晓艳, 张鹤鸣, 宋建军, 马建立, 王冠宇, 安久华 2011 物理学报 60 077205]

    [23]

    Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Wang X Y, Wang G Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 057304 (in Chinese)[宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 王晓艳, 王冠宇 2012 物理学报 61 057304]

    [24]

    Nguyen P H, Hofmann K R 2003 J. Appl. Phys. 94 375

    [25]

    Fischetti M V, Laux S E 1996 J. Appl. Phys. 80 2234

    [26]

    Song P, Cai L C, Tao T J, Yuan S, Chen H, Huang J, Zhao X W, Wang X J 2016 J. Appl. Phys. 120 195101

    [27]

    Myers V W 1967 J. Phys. Chem. Solids 28 2207

    [28]

    Adachi S 2009 Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, Ⅲ- V and Ⅱ- VI Semiconductors (Chichester: John Wiley Sons Ltd.) p18

    [29]

    Chen R, Lin H, Huo Y, Hitzman C, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 181125

    [30]

    Dai X Y, Yang C, Song J J, Zhang H M, Hao Y, Zheng R C 2012 Acta Phys. Sin. 61 237102 (in Chinese)[戴显英, 杨程, 宋建军, 张鹤鸣, 郝跃, 郑若川 2012 物理学报 61 237102]

    [31]

    Lin H, Chen R, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2011 Appl. Phys. Lett. 98 261917

    [32]

    Lin H, Chen R, Lu W, Huo Y, Kamins T I, Harris J S 2012 Appl. Phys. Lett. 100 102109

    [33]

    Gassenq A, Milord L, Aubin J, Guilloy K, Tardif S, Pauc N, Rothman J, Chelnokov A, Hartmann J M, Reboud V, Calvo V 2016 Appl. Phys. Lett. 109 242107

    [34]

    Lieten R R, Seo J W, Decoster S, Vantomme A, Peters S, Bustillo K C, Haller E E, Menghini M, Locquet J P 2013 Appl. Phys. Lett. 102 052106

    [35]

    Wirths S, Stange D, Pampilln M A, Tiedemann A T, Mussler G, Fox A, Breuer U, Baert B, Andrs E S, Nguyen N D, Hartmann J M, Ikonic Z, Mantl S, Buca D 2015 ACS Appl. Mater. Interfaces 7 62

  • [1] 白敏, 宣荣喜, 宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 舒斌. 压应变Ge/(001)Si1-xGex空穴散射与迁移率模型. 物理学报, 2015, 64(3): 038501. doi: 10.7498/aps.64.038501
    [2] 骆杨, 段羽, 陈平, 臧春亮, 谢月, 赵毅, 刘式墉. 利用空间电荷限制电流方法确定三(8-羟基喹啉)铝的电子迁移率特性初步研究. 物理学报, 2012, 61(14): 147801. doi: 10.7498/aps.61.147801
    [3] 杨雯, 宋建军, 任远, 张鹤鸣. 光器件应用改性Ge的能带结构模型. 物理学报, 2018, 67(19): 198502. doi: 10.7498/aps.67.20181155
    [4] 戴中华, 钱一辰, 谢耀平, 胡丽娟, 李晓娣, 马海涛. 非对称双轴张应变对锗能带的影响. 物理学报, 2017, 66(16): 167101. doi: 10.7498/aps.66.167101
    [5] 高尚鹏, 祝桐. 基于自洽GW方法的碳化硅准粒子能带结构计算. 物理学报, 2012, 61(13): 137103. doi: 10.7498/aps.61.137103
    [6] 宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 宣荣喜, 戴显英. 应变Si1-xGex能带结构研究. 物理学报, 2009, 58(11): 7947-7951. doi: 10.7498/aps.58.7947
    [7] 马建立, 张鹤鸣, 宋建军, 王冠宇, 王晓艳. (001)面任意方向单轴应变硅材料能带结构. 物理学报, 2011, 60(2): 027101. doi: 10.7498/aps.60.027101
    [8] 宋建军, 张鹤鸣, 戴显英, 胡辉勇, 宣荣喜. 第一性原理研究应变Si/(111)Si1-xGex能带结构. 物理学报, 2008, 57(9): 5918-5922. doi: 10.7498/aps.57.5918
    [9] 代月花, 陈军宁, 柯导明, 孙家讹, 胡 媛. 纳米MOSFET迁移率解析模型. 物理学报, 2006, 55(11): 6090-6094. doi: 10.7498/aps.55.6090
    [10] G.Li, S.J.Chua, 李志锋, 陆 卫, 叶红娟, 袁先璋, 沈学础. GaN载流子浓度和迁移率的光谱研究. 物理学报, 2000, 49(8): 1614-1619. doi: 10.7498/aps.49.1614
    [11] 张金风, 王平亚, 薛军帅, 周勇波, 张进成, 郝跃. 高电子迁移率晶格匹配InAlN/GaN材料研究. 物理学报, 2011, 60(11): 117305. doi: 10.7498/aps.60.117305
    [12] 董海明. 低温下二硫化钼电子迁移率研究. 物理学报, 2013, 62(20): 206101. doi: 10.7498/aps.62.206101
    [13] 吕懿, 张鹤鸣, 胡辉勇, 杨晋勇, 殷树娟, 周春宇. 单轴应变SiNMOSFET源漏电流特性模型. 物理学报, 2015, 64(19): 197301. doi: 10.7498/aps.64.197301
    [14] 徐飘荣, 强蕾, 姚若河. 一个非晶InGaZnO薄膜晶体管线性区陷阱态的提取方法. 物理学报, 2015, 64(13): 137101. doi: 10.7498/aps.64.137101
    [15] 杨 靖, 李景镇, 孙秀泉, 龚向东. 硅烷低温等离子体阶跃响应的仿真(1). 物理学报, 2005, 54(7): 3251-3256. doi: 10.7498/aps.54.3251
    [16] 杨鹏, 吕燕伍, 王鑫波. AlN插入层对AlxGa1-xN/GaN界面电子散射的影响. 物理学报, 2015, 64(19): 197303. doi: 10.7498/aps.64.197303
    [17] 袁德荣, 乔灵芝. 带有非对称双阱势的氢键链中的扭结孤子激发. 物理学报, 2001, 50(3): 394-397. doi: 10.7498/aps.50.394
    [18] 王红培, 王广龙, 喻颖, 徐应强, 倪海桥, 牛智川, 高凤岐. 内嵌InAs量子点的δ掺杂GaAs/AlxGa1-xAs二维电子气特性分析. 物理学报, 2013, 62(20): 207303. doi: 10.7498/aps.62.207303
    [19] 於黄忠. 空间电荷限制电流法测量共混体系中空穴的迁移率. 物理学报, 2012, 61(8): 087204. doi: 10.7498/aps.61.087204
    [20] 彭景翠, 李宏建, 瞿述, 罗小华, 许雪梅. 载流子迁移率对单层有机发光二极管复合效率的影响. 物理学报, 2002, 51(10): 2380-2385. doi: 10.7498/aps.51.2380
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  491
  • PDF下载量:  134
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-05
  • 修回日期:  2017-10-20
  • 刊出日期:  2018-01-20

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge1-xSnx能带特性与迁移率计算

    基金项目: 

    国家部委重点基金(批准号:9140A08020115DZ01024)和中国博士后科学基金(批准号:2017M613061)资助的课题.

摘要: 能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge1-xSnx合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge1-xSnx的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8kp方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge1-xSnx合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge1-xSnx具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4% Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3% Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.

English Abstract

参考文献 (35)

目录

    /

    返回文章
    返回