Ge 매트릭스의 변형 공학 자기 조립 GeSn/GeSiSn 양자점은 중간 IR 범위에서 직접 밴드갭 방출에 대한 잠재력을 연구하기 위해 수치적으로 조사되었습니다. GeSn 양자점(QD)을 위한 주변 매체로 GeSiSn 합금을 사용하면 Si 및/또는 Sn 조성의 변화를 통해 QD 주변의 변형을 조정할 수 있습니다. 따라서 GeSn 양자점과 GeSiSn 주변 층 사이의 격자 불일치는 다양한 돔 모양의 QD 크기에 대한 Sn 장벽 조성의 변화를 통해 - 2.3 ~ - 4.5%로 조정되었습니다. 획득한 결과는 특정 QD 직접성 기준을 충족하는 방출 파장이 3~7μm의 넓은 중간 IR 범위에 걸쳐 연속적으로 조정될 수 있음을 보여주며 센싱 애플리케이션을 위한 Si 광자 시스템에 완전히 통합된 그룹 IV 레이저 소스에 대한 새로운 관점을 열어줍니다.
<섹션 데이터-제목="배경">최근에 Ge [1, 2] 및 SiGe [3, 4]와 주석의 합금을 통한 직접적인 밴드갭 IV족 재료의 시연은 광자 및 전자 효율적인 온칩에 대한 실제적이고 실질적으로 구현 가능한 기회로 인해 집중적인 연구 활동에 동기를 부여했습니다. 완성. 실제로 GeSn 합금은 L 밸리에 비해 Γ의 더 빠른 감소를 통해 특정 조성을 넘어서는 직접적인 밴드갭을 나타내는 것으로 나타났습니다[5,6,7,8]. 보고된 결과는 매우 고무적이지만 재료 특성과 응용 가능성은 아직 완전히 탐구되지 않았습니다. 실제로 GeSn 기반 반도체 레이저의 작동 파장을 증가시키기 위해 다양한 가스의 흡수선과 겹치는 대기 투명도 창으로 실제로 이용 가능한 주요 경로[9]에는 GeSn 층의 Sn 함량 증가가 포함됩니다[10, 11 ]. 그러나 Ge와 Sn 사이의 큰 격자 불일치(14%) 때문에 재료의 결정학적 품질을 보존하는 것이 이 목표를 방해하는 주요 과제로 나타납니다[12, 13]. 방출 파장을 증가시키고 나노와이어[14,15,16], 나노막대[17], 양자점[18]과 같은 저차원 구조에서 더 나은 캐리어 구속 릴레이를 보장하는 잠재적으로 흥미로운 솔루션입니다. 특정 직접성 기준 내에서 직접 밴드갭 대역간 방출 파장은 이론적으로 4.3μm로 제한됩니다[19]. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 IV족 기반 양자구조의 개념에 추가적인 자유도를 도입할 필요가 있다. 이는 적절한 Si 및 Sn 조성을 통합하여 변형 엔지니어링의 가능성을 제공하는 GeSn 양자점(QD)의 주변 재료로 삼원 GeSiSn 층[20,21,22]을 사용하여 보장할 수 있습니다. 따라서 GeSn QD 주변에 GeSiSn 스트레인 엔지니어링 레이어를 사용하면 더 넓은 범위의 접근 가능한 직접 밴드갭 방출 파장을 제공할 수 있을 것으로 예상됩니다.
이러한 맥락에서 우리는 직접적인 밴드갭 대역간 방출 파장에 대한 GeSn QD를 둘러싼 GeSiSn 층의 Sn 조성을 변화시켜 변형 공학의 효과에 대한 이론적 연구를 보고합니다.
2원 및 3원 Sn 함유 IV족 합금과 Ge 사이의 밴드 오프셋은 실험적으로 알려져 있지 않기 때문에 이 작업에 포함된 서로 다른 IV족 반도체 간의 상대적인 밴드 정렬은 Ge의 가전자대 가장자리에 대해 평가됩니다. D'Costa et al.에 의해 자세히 설명된 Jaros의 단순화된 대역 오프셋 이론 사용 [23]. [24]. Ge 기판과 GeSiSn 층 사이, GeSn QD와 주변 GeSiSn 물질 사이의 격자 불일치로 인해 발생하는 변형 효과는 전도대 및 가전자대 가장자리에 대해 평가되었습니다.
실제로 전도대 가장자리는 \( \delta {E}_c^i \)만큼 이동하고 가전자대의 가장자리는 δE만큼 이동합니다. v 식과 같이 (1) 및 (2):
$$ \delta {E}_c^i={a}_c^i\left({\varepsilon}_{xx}+{\varepsilon}_{yy}+{\varepsilon}_{zz}\right) $ $ (1) $$ \delta {E}_v={a}_v\left({\varepsilon}_{xx}+{\varepsilon}_{yy}+{\varepsilon}_{zz}\right)+ b\left({\varepsilon}_{xx}-{\varepsilon}_{zz}\right) $$ (2)여기서 i L 또는 Γ 계곡을 나타냅니다. a ㄷ 그리고 a v 는 각각 전도대 및 가전자대 변형 전위이며, b 전단 변형 가능성입니다. \( {\varepsilon}_{xx}={\varepsilon}_{yy}=\varepsilon =\left(\frac{a_s-{a}_{\mathrm{l}}}{a_{\mathrm{l }}}\right) \)는 계획 내 변형률이고 \( {\varepsilon}_{zz}=-2\frac{C_{12}}{C_{11}}{\varepsilon}_{xx} \)는 성장 방향의 변형률입니다. 아 s 그리고 a 나 는 각각 기판과 변형층의 격자 매개변수입니다. C 11 및 C 12 강성 상수입니다.
2원 및 3원 합금 재료 매개변수는 선형 보간에 의해 Ge, Si 및 Sn의 매개변수에서 파생됩니다. 이 매개변수는 참조 [11]에서 가져옵니다.
조성 종속 변형된 밴드갭은 Eq에 주어진 변형되지 않은 재료의 밴드갭에 상응하는 변형 생성 에너지 이동을 추가하여 평가할 수 있습니다. (3) GeSn 및 Eq. (4) GeSiSn의 경우:
$$ {E}_g^i\left({\mathrm{Ge}}_{1-{X}_d}{\mathrm{Sn}}_{X_d}\right)=\left(1-{X} _d\right){E}_g^i\left(\mathrm{Ge}\right)+{X}_d{E}_g^i\left(\mathrm{Sn}\right)-{b}^i{ X}_d\left(1-{X}_d\right) $$ (3) $$ {\displaystyle \begin{array}{l}{E}_g^i\left({\mathrm{Ge}}_ {1-{x}_b-y}{\mathrm{Si}}_y{\mathrm{Sn}}_{x_b}\right)=\left(1-{x}_b-y\right){E} _g^i\left(\mathrm{Ge}\right)+{x}_b{E}_g^i\left(\mathrm{Sn}\right)+{yE}_g^i\left(\mathrm{Si }\right)-{b}_{\mathrm{Ge}\mathrm{Sn}}^i{x}_b\Big(1-{x}_b-\\ {}y\Big)-{b}_ {\mathrm{Si}\mathrm{Sn}}^iy\left(1-{x}_b-y\right)-{b}_{\mathrm{Ge}\mathrm{Si}}^i{x} _by\end{어레이}} $$ (4)여기서 b 는 표 1에 요약된 이원 합금의 해당 밴드갭 보잉 매개변수입니다.
캐리어의 제한 상태를 결정하고 대역 간 전이 에너지를 추론하기 위해 단일 대역 유효 질량 슈뢰딩거 방정식은 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어에서 제공하는 유한 요소 방법에 의해 데카르트 좌표에서 해결되었습니다[25]:
$$ -\frac{{\mathrm{\hslash}}^2}{2}\nabla \left(\frac{1}{m^{\ast}\left(\overrightarrow{r}\right)}\ mathrm{\nabla \uppsi}\left(\overrightarrow{r}\right)\right)+V\left(\overrightarrow{r}\right)\uppsi \left(\overrightarrow{r}\right)=E\ uppsi \left(\overrightarrow{r}\right) $$ (5)이 캐리어의 에너지를 나타내고 ψ는 해당 파동 함수입니다. m* 캐리어의 유효 질량, ћ 는 축소된 플랑크 상수, \( \overrightarrow{r} \) 는 3차원 좌표 벡터, V 캐리어의 구속 전위(대역 불연속)입니다. QD 전자 구조의 계산 절차를 단순화하기 위해 변형률 분포 프로파일에 더 많은 정밀도를 제공할 수 있는 계산 비용이 많이 드는 원자 시뮬레이션 접근 대신 일정한 변형률 근사[26, 27]를 채택했습니다[28, 29]. 실제로, 우리는 압축 변형된 QD에서 변형률 불균일성이 전자 제한 상태에 미치는 영향을 최소화하기에 충분히 깊도록 캐리어를 제한하는 전위를 고려합니다[27]. 또한, 밴드갭 직접성을 연구할 수 있는 이 작업에서 가장 중요한 매개변수인 전도대 가장자리는 특히 상대적으로 낮은 격자 불일치가 고려될 때 변형률 불균일성에 덜 민감한 정수압 변형률에 의해서만 이동됩니다. [30].
우리는 주로 GeSn QD 주변의 변형률에 대한 영향을 우려하기 때문에 QD의 Sn 조성은 28%로 고정되고 GeSiSn의 Si 조성은 35%로 고정됩니다. 따라서 연구는 Sn 장벽 구성(x b ) 6~22% 사이의 변동. GeSiSn 층 또는 GeSn QD에서 생성된 평면 내 변형은 그림 1a에 나와 있습니다.
<그림>
아 Ge0.65-xb 간의 격자 불일치 Si0.35 Sn xb 및 Ge(채워진 원) 및 Ge0.72 사이 Sn0.28 및 Ge0.65-xb Si0.35 Sn xb (채워진 사각형) x의 함수 b . ㄴ Ge0.65-xb에 대한 L 및 G 계곡의 밴드 가장자리 Si0.35 Sn xb , Ge0.72 Sn0.28 , x의 함수로서의 Ge b
GeSiSn 재료의 2차원 층에서 평면 내 변형률은 0.6%(x b =6%) 및 - 1.7%(x b =22%). 우리는 이 층이 유사형상으로 변형되어 설계된 구조를 실험적으로 실현 가능하도록 유지한다고 가정합니다. GeSn은 - 2.3 ~ - 4.5% 범위의 격자 불일치로 GeSiSn 주변 물질 내에서 압축 변형되도록 선택되어 자체 조직 GeSn QD 형성에 유리한 조건을 보장합니다.
그림 1b는 Ge0.72의 L 및 Γ 지점에서 변형된 밴드갭의 의존성을 보여줍니다. Sn0.28 및 Ge(0.65-xb ) Si0.35 Sn xb x의 함수로 b . Ge0.72의 Γ 계곡 Sn0.28 재료는 L 계곡 아래에 남아 있으며, 조사된 전체 주석 장벽 구성 범위에 대해 유형 I을 증명합니다. 한편, 전자 구속을 고려할 때 유효 밴드갭이 증가하고 QD 크기 효과가 특히 크게 변형된 QD에 대해 결정적입니다[18]. 실제로 양자 구속이 있는 경우 Γ 대역의 최소값 대신 기저 상태 에너지를 고려해야 합니다. 따라서, 더 작은 크기의 QD는 L 밸리(및/또는 L 밸리의 기저 상태 전자 에너지 준위)를 초과할 수 있는 Γ 밸리에서 더 높은 제한 에너지 준위를 가질 것으로 예상됩니다. 따라서 특정 직접성 기준을 준수하는 QD 크기의 범위를 조사하는 것이 중요합니다.
모델링된 구조는 그림 2에 개략적으로 나와 있습니다. Ge0.72 Sn0.28 QD는 직경이 D인 원형 베이스가 있는 돔 모양으로 간주됩니다. 15~40nm 범위 및 고정 높이 대 직경 비율은 0.25입니다. QD는 35%의 Si 조성과 조정 가능한 Sn 조성을 갖는 15nm 두께의 GeSiSn 층 내부에 위치합니다. 이 구조는 Ge-buffered 기판에 형성되고 Ge 층으로 덮인 것으로 가정됩니다.
<사진>
높이(h)의 모델링된 GeSn QD의 도식 표현 ) 및 직경(D ) Ge 매트릭스의 GeSiSn 변형 감소층 내
더 나은 발광 소자 작동을 위한 일관된 QD 설계를 보장하기 위해 L 및 G 계곡에서 가장 낮은 QD 제한 에너지 준위 위치 사이의 에너지 간격을 고려하는 적절한 직접성 매개변수가 도입되었습니다[18]. 이 매개변수는 GSL로 표시됩니다. -GSΓ 열 활성화에 의한 캐리어 손실을 피하기 위해 실온 열 에너지보다 높아야 합니다. 여기서 GSL (GSΓ )은 가전자대 최대값에 대한 L 밸리(Γ 밸리)의 전자 바닥 상태 에너지 준위를 나타낸다. GSL 평가 -GSΓ 그림 3의 삽입에 도식적으로 설명되어 있습니다.
<그림>
직접성 매개변수(GSL -GSΓ ) Ge0.72 함수로서의 변동 Sn0.28 Ge0.65-x의 QD 크기 및 Sn 조성 Si0.35 Sn x 주변층. 점선은 실온에서의 열에너지를 나타냅니다. 삽입은 직접성 매개변수의 도식적 정의를 나타냅니다.
GeSiSn의 Sn 조성의 함수로 다양한 직경에 대한 Γ 및 L 밸리의 GeSn QD 전자 에너지 준위를 계산하면 해당 직접성 매개변수(GSL -GSΓ ). 결과는 그림 3에 표시됩니다. 주어진 x에 대해 b , GSL 값 -GSΓ 주로 QD 크기에 의해 결정됩니다. 따라서, 분명히 더 높은 제한된 에너지 상태를 갖는 더 작은 점은 직접성 기준을 충족하기 위해 변형률 감소를 통해 더 낮은 밴드갭 에너지를 필요로 합니다. 그림 3과 같이 더 큰 점(D> 25nm) GSL 충족 -GSΓ> 26 meV for x b 8% 이상. 그러나 x의 더 높은 값에 대해 작은 크기의 QD에서 효율적인 직접 밴드갭이 보장되는 것으로 나타났습니다. b (x b D의 경우 ≥ 14% =15nm).
이 작업에서 채택된 매개변수, 특히 이진 재료의 휨 매개변수 내에서 GeSiSn 재료의 Sn 함량 증가는 QD 주변의 얼룩을 줄이고 주변 재료 밴드갭도 감소시킵니다. 실제로 그림 1b에서 볼 수 있듯이 x b 6%에서 22%로 Γ 밸리에서 전도대 불연속성을 0.72eV에서 0.23eV로 줄입니다. 실제로 그림 4와 같이 양자점에서 바닥 상태 전자의 구형파 함수 \( {\left|\uppsi \left(\overrightarrow{r}\right)\right|}^2 \) 직경 35nm는 6%와 22%의 Sn 장벽 구성에 대한 xy 평면에 표시되어 있으며 전자는 장벽 구성(전도대의 불연속)에 관계없이 QD 내부에 완전히 국한되어 있는 것으로 나타났습니다. 강하게 구속된 전자는 Si 기판의 발광체를 위한 활성 매질로서 조사된 QD의 더 높은 신뢰성을 나타냅니다.
<그림>
35nm 직경 Ge0.72에 대한 제곱 전자 접지 상태 파동 함수 Sn0.28 a의 QD Xb =6% 및 b Xb =22%
주어진 x에 대한 QD 크기 제한 b 효율적인 직접 밴드갭 방출을 생성하는 것에 대해 QD 기저 상태 대역간 방출 파장을 평가했습니다. 결과는 그림 5에 나와 있으며, 여기서 방출 파장은 x에 대해 표시됩니다. b 다른 QD 크기에 대해. 이 작업에서 고려된 가장 큰 QD 크기(D =40nm)는 전자 바닥 상태와 첫 번째 여기 상태(26meV 미만) 사이에 작은 에너지 분리를 나타내므로 이 연구에서 무시되었습니다. 그럼에도 불구하고, x의 함수로 평가된 방출 파장 b 그림 5에 점선으로 표시되어 있습니다.
<그림>
직접 밴드갭 Ge0.72의 실온 바닥 상태 방출 파장 Sn0.28 Ge0.65-xb의 크기 및 Sn 조성의 함수로서의 QD Si0.35 Sn xb 주변 레이어
제안된 QD 설계에서 다룰 것으로 예상되는 파장 범위는 3~7μm입니다. 항복 범위는 가스 감지 응용 분야에서 매우 중요합니다. 이 구조의 실험적 구현은 CMOS 호환 QD 기반 중적외선 광전자공학의 새로운 관점을 제시하는 기존 마이크로전자 기술과 완전히 호환되는 재료로 전체 중적외선 범위를 처음으로 커버할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다.
Ge 매트릭스의 GeSiSn 변형 엔지니어링 층에서 GeSn QD는 QD 크기 및 주변 물질과의 격자 불일치의 함수로 조사되었습니다. GeSiSn 장벽 물질의 Sn 조성을 변경하여 GeSn QD 주변의 변형을 줄이면 직접 밴드갭 유형 I 방출 파장이 3에서 최대 7μm로 향상되는 것으로 나타났습니다. 설계된 구조는 Si 기술과 완전히 호환되는 mid-IR 발광체에 대한 새로운 시각을 열어줍니다.
상보성 금속 산화물 반도체
L 계곡의 바닥 상태 전자 준위
Γ 계곡의 바닥 상태 전자 준위
양자점
나노물질
오전 3시 33분, 제품 디자인의 악몽에서 정신없이 깨어난 자신을 발견했습니다. 추측해 보겠습니다. 프로토타입을 첫 번째 생산 실행으로 전환하는 것에 대해 우려하고 있습니까? 이 게시물에서는 반응 사출 성형(RIM)을 위해 설계할 때 사용할 수 있는 5가지 팁에 중점을 둡니다. 아직 확인하지 않았다면 이전 게시물인 반응 사출 성형이란 무엇인지 확인하십시오. 좋은 컨텍스트를 제공할 것입니다. 요약하면, 사출 및 주조 성형과 달리 RIM을 사용하면 우수한 엔지니어링 열경화성 폴리우레탄을 활용하면서 독특한 표면 마감으로 복잡하고 큰 형상
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