直接带隙Ge1-xSnx本征载流子浓度研究

白敏; 宣荣喜; 宋建军; 张鹤鸣; 胡辉勇; 舒斌

doi:10.7498/aps.63.238502

摘要

通过合金化改性技术, Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体. 改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件, 极具发展潜力. 基于直接带隙Ge1-xSnx半导体合金8带Kronig-Penny模型, 重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度, 旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考. 研究结果表明: 直接带隙Ge1-xSnx合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小, 价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化. 与体Ge半导体相比, 直接带隙Ge1-xSnx合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级; 直接带隙Ge1-xSnx合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加, 比体Ge半导体高一个数量级以上.

关键词:

Abstract

Indirect bandgap Ge can be turned to a direct bandgap semiconductor by the alloy-modified technique, which can be applied to advanced photonic devices and electronic devices. Based on 8 bands Kronig-Penny Hamilton, this paper focuses on the physical parameters of direct bandgap Ge1-xSnx, such as conduction band effective density of states, valence band effective density of states and the intrinsic carrier concentration, and aims to provide valuable references for understanding the direct bandgap modified Ge materials and device physics as well as their applications. Results show that: conduction band effective density of states in direct bandgap Ge1-xSnx alloy decreases obviously with increasing Sn fraction, while its valence band effective density of states almost does not change with increasing Sn fraction. Compared with bulk Ge, the conduction band effective density of states and valence band effective density of states in direct bandgap Ge1-xSnx alloy are lower by two and one orders of magnitude respectively; the intrinsic carrier concentration in direct bandgap Ge1-xSnx alloy increases with increasing Sn fraction, and its value is an order of magnitude higher than that of bulk Ge.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西安电子科技大学微电子学院, 宽禁带半导体材料与器件重点实验室, 西安 710071

基金项目: 教育部博士点基金(批准号:JY0300122503)和陕西省自然科学基础研究计划(批准号:2014JQ8329)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Lab of Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices, School of Microelectronics, Xidian University, Xi'an 710071, China

Funds: Project supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. JY0300122503) and the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (Grant No. 2014JQ8329).

参考文献

[1]	Michael O, Konrad K, Tzanimir A, Gregor M 2014 IEEE Photon. Technol. Lett. 26 187
[2]	Zhang D L, Xue C, Cheng B, Su S J, Liu Z, Zhang X, Zhang G Z, Li C B, Wang Q M 2013 Appl. Phys. Lett. 102 141111
[3]	Tseng H H, Li H, Mashanov V, Yang Y J, Cheng H H, Chang G E, Soref R A, Sun G G 2013 Appl. Phys. Lett. 103 231907
[4]	Soref R A, Sun G, Cheng H H 2012 J. Appl. Phys. 111 123113
[5]	Tonkikh A A, Eisenschmidt C, Talalaev V G, Zakharov N D, Schilling J, Schmidt G, Werner P 2013 Appl. Phys. Lett. 103 032106
[6]	Gallagher J D, Xu C, Jiang L Y, Kouvetakis J, Menéndez J 2013 Appl. Phys. Lett. 103 202104
[7]	Yang B, Cai M 2011 Sci. China: Inform. Sci. 54 946
[8]	Michael O, Konrad K, Kaiheng Y, Stefan B, Kai U 2014 Opt. Express 22 839
[9]	Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Dai X Y, Xuan R X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2064 (in Chinese) [宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 戴显英, 宣荣喜 2010 物理学报 59 2064]
[10]	Song J J, Zhang H M, Dai X Y, Hu H Y, Xuan R X 2008 Acta Phys. Sin. 57 7228 (in Chinese) [宋建军, 张鹤鸣, 戴显英, 胡辉勇, 宣荣喜 2008 物理学报 57 7228]
[11]	Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Dai X Y, Xuan R X 2007 Chin. Phys. 16 3827
[12]	Kao K H, Verhulst A S, Put M V, Vandenberghe W G, Soree B, Magnus W, Meyer K D 2014 J. Appl. Phys. 115 044505
[13]	Kurdi M E, Fishman G, Sauvage S, Boucaud P 2010 J. Appl. Phys. 107 013710
[14]	Low K L, Yang Y, Han G, Fan W J, Yeo Y C 2012 J. Appl. Phys. 112 103715
[15]	Liu E K, Zhu B S, Luo J S 1994 Semiconductor Physics (Beijing: Defense Industry Press) p367 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1994 半导体物理学(北京: 国防工业出版社) 第367页]

施引文献

[1]	Michael O, Konrad K, Tzanimir A, Gregor M 2014 IEEE Photon. Technol. Lett. 26 187
[2]	Zhang D L, Xue C, Cheng B, Su S J, Liu Z, Zhang X, Zhang G Z, Li C B, Wang Q M 2013 Appl. Phys. Lett. 102 141111
[3]	Tseng H H, Li H, Mashanov V, Yang Y J, Cheng H H, Chang G E, Soref R A, Sun G G 2013 Appl. Phys. Lett. 103 231907
[4]	Soref R A, Sun G, Cheng H H 2012 J. Appl. Phys. 111 123113
[5]	Tonkikh A A, Eisenschmidt C, Talalaev V G, Zakharov N D, Schilling J, Schmidt G, Werner P 2013 Appl. Phys. Lett. 103 032106
[6]	Gallagher J D, Xu C, Jiang L Y, Kouvetakis J, Menéndez J 2013 Appl. Phys. Lett. 103 202104
[7]	Yang B, Cai M 2011 Sci. China: Inform. Sci. 54 946
[8]	Michael O, Konrad K, Kaiheng Y, Stefan B, Kai U 2014 Opt. Express 22 839
[9]	Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Dai X Y, Xuan R X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2064 (in Chinese) [宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 戴显英, 宣荣喜 2010 物理学报 59 2064]
[10]	Song J J, Zhang H M, Dai X Y, Hu H Y, Xuan R X 2008 Acta Phys. Sin. 57 7228 (in Chinese) [宋建军, 张鹤鸣, 戴显英, 胡辉勇, 宣荣喜 2008 物理学报 57 7228]
[11]	Song J J, Zhang H M, Hu H Y, Dai X Y, Xuan R X 2007 Chin. Phys. 16 3827
[12]	Kao K H, Verhulst A S, Put M V, Vandenberghe W G, Soree B, Magnus W, Meyer K D 2014 J. Appl. Phys. 115 044505
[13]	Kurdi M E, Fishman G, Sauvage S, Boucaud P 2010 J. Appl. Phys. 107 013710
[14]	Low K L, Yang Y, Han G, Fan W J, Yeo Y C 2012 J. Appl. Phys. 112 103715
[15]	Liu E K, Zhu B S, Luo J S 1994 Semiconductor Physics (Beijing: Defense Industry Press) p367 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1994 半导体物理学(北京: 国防工业出版社) 第367页]

[1]	肖志峰, 王守宇, 戴雅婷, 康新淼, 张振华, 刘卫芳. Ge掺杂增强Ruddlesden-Popper结构准二维Sr₃Sn₂O₇陶瓷杂化非本征铁电性的物理机制. 物理学报, 2024, 73(14): 147702. doi: 10.7498/aps.73.20240583
[2]	夏克伦, 管永年, 顾杰荣, 贾光, 仵苗苗, 沈祥, 刘自军. Ge₂₀Se_80–xTe_x 玻璃网络结构演变及理论带隙-玻璃性能评价. 物理学报, 2024, 73(14): 146303. doi: 10.7498/aps.73.20240637
[3]	周贤韬, 江英华. 带身份认证的量子安全直接通信方案. 物理学报, 2023, 72(2): 020302. doi: 10.7498/aps.72.20221684
[4]	王露璇, 刘奕彤, 史方圆, 祁纤雯, 沈涵, 宋瑛林, 方宇. $\boldsymbol\beta$-Ga₂O₃晶体本征缺陷诱导的宽带超快光生载流子动力学. 物理学报, 2023, 72(21): 214202. doi: 10.7498/aps.72.20231173
[5]	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. 物理学报, 2018, 67(2): 027101. doi: 10.7498/aps.67.20171969
[6]	孙晓晨, 何程, 卢明辉, 陈延峰. 人工带隙材料的拓扑性质. 物理学报, 2017, 66(22): 224203. doi: 10.7498/aps.66.224203
[7]	侯清玉, 李文材, 赵春旺. In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(6): 067101. doi: 10.7498/aps.64.067101
[8]	许镇潮, 侯清玉. GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(15): 157101. doi: 10.7498/aps.64.157101
[9]	毛斐, 侯清玉, 赵春旺, 郭少强. Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO2的带隙和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(5): 057103. doi: 10.7498/aps.63.057103
[10]	王辉, 沙威, 黄志祥, 吴先良, 沈晶. 有耗色散光子晶体带隙结构的本征值分析新方法. 物理学报, 2014, 63(18): 184210. doi: 10.7498/aps.63.184210
[11]	苏少坚, 张东亮, 张广泽, 薛春来, 成步文, 王启明. Ge(001)衬底上分子束外延生长高质量的Ge1-xSnx合金. 物理学报, 2013, 62(5): 058101. doi: 10.7498/aps.62.058101
[12]	罗晓东, 狄国庆. 溅射制备Ge,Nb共掺杂窄光学带隙和低电阻率的TiO2薄膜. 物理学报, 2012, 61(20): 206803. doi: 10.7498/aps.61.206803
[13]	王冠宇, 马建立, 张鹤鸣, 王晓艳, 王斌. [110]/(001)单轴应变Si本征载流子浓度模型. 物理学报, 2011, 60(7): 077105. doi: 10.7498/aps.60.077105
[14]	宋建军, 张鹤鸣, 胡辉勇, 戴显英, 宣荣喜. 应变Si/(001)S1－xGex本征载流子浓度模型. 物理学报, 2010, 59(3): 2064-2067. doi: 10.7498/aps.59.2064
[15]	李洪奇, 徐世民, 徐兴磊, 蒋继建. 基于p1-p2与a1+a2共同本征态的相干纠缠态表象的构建及性质. 物理学报, 2009, 58(6): 3806-3811. doi: 10.7498/aps.58.3806
[16]	林峰, 李缵轶, 王山鹰. TiO2纳米管的力学和电子学性质. 物理学报, 2009, 58(12): 8544-8548. doi: 10.7498/aps.58.8544
[17]	邵亮, 邵丹, 邵常贵, 张祖全. 体积算符对任意价顶角的本征作用与本征值谱. 物理学报, 2006, 55(11): 5629-5637. doi: 10.7498/aps.55.5629
[18]	李标, 褚君浩, 常勇, 桂永胜, 汤定元. Hg1-xCdxTe禁带以上的本征光吸收. 物理学报, 1996, 45(5): 747-753. doi: 10.7498/aps.45.747
[19]	程文芹, 梅笑冰, 刘双, 刘玉龙, 李永康, 周均铭. 掺杂浓度对p-GaAs的带隙变窄的影响. 物理学报, 1992, 41(6): 1032-1035. doi: 10.7498/aps.41.1032
[20]	张瑞勤, 戴国才, 关大任, 蔡政亭. a-Si:H中本征缺陷引起的赝隙态. 物理学报, 1989, 38(1): 163-169. doi: 10.7498/aps.38.163

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