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西安电子科大郝跃院士和韩根全教授课题组:锗锡中红外光子器件的创新研究

2018-05-11

电子技术的高速发展使得电子速度已接近极致,速度更快的光子器件应运而生。工作波长在1.55 μm的锗探测器已经成功应用于光子集成和光通信等领域,这极大推动了半导体材料与器件技术的发展。通过引入锡元素,锗锡合金工作波长可覆盖中红外范围,实现2.0~5.0 μm中红外光子器件。2.0~5.0 μm中红外光子器件在自由空间激光通讯、雷达、光学相干断层扫描、传感器技术等方面具有巨大的潜在应用价值。但目前,关于锗锡中红外光子器件的技术研发严重滞后和不足。

西安电子科技大学郝跃院士和韩根全教授研究团队一直致力于锗锡材料与器件的研究和应用。郝院士和韩教授通过理论仿真与实践相结合,在高性能锗锡CMOS、Beyond CMOS和中红外光子器件方面做了大量创新性研究工作。其中对于应用于中红外波段锗锡器件的设计,主要通过调整材料的能带结构来改善器件的性能。主要方式为增加锡组分,减小材料带隙和提高吸收系数。同时引入应变,降低对锡组分的需求,缓解锡组分过高带来的消极影响。在光探测器方面,通过提高锡组分和引入张应力,能够降低Γ能带和实现价带去简并,从而减小带隙EG,Γ,提高光吸收系数和拓展器件工作波长,所设计的柱型探测器成功将截止频率拓展至4.35 μm;在激光器方面,通过在锗锡基器件外包裹氮化硅应变源,从而引入双轴拉伸应变,进而改变能带结构;同时增大锡组分来改变电子Γ和L能带的分布,减小阈值电流密度。所设计的激光器实现了阈值电流密度的大幅降低和光学增益的提升。对于锗锡器件的理论分析与设计,为研发中红外波段的半导体激光器和探测器以及推动其应用提供了理论基础和指导。

相关论文发表在《Opto-Electronic Advances》2018年第3期上,引用格式如下:
Fang C Z, Liu Y, Zhang Q F, Han G Q, Gao X et al. Germanium-tin alloys: applications for optoelectronics in mid-infraredspectra. Opto-Electronic Advances 1, 180004 (2018).
DOI:10.29026/oea.2018.180004

研究团队主要成员简介

郝跃,中国科学院院士,微电子学专家,国际IEEE学会高级会员,中国电子学会常务理事。他长期从事新型半导体材料和器件及其可靠性方面的科学研究与人才培养,是国家有突出贡献的中青年专家和微电子技术领域的著名专家。曾出版《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》等多部著作,在国内外著名期刊上发表学术论文500余篇。

韩根全,博士,陕西“百人计划”科学家,长期在半导体材料、器件研制方面从事科研和教学工作,积累了丰富的经验,取得了国际领先的研究成果。在高迁移率沟道CMOS以及Beyond CMOS器件方面取得多项突破性进展,包括创新实现高性能应变锗、锗锡、铟镓砷MOSFET器件,锗锡隧穿场效应晶体管和负电容晶体管。已经发表研究论文150多篇,申请专利30余项。受邀在国际会议作邀请报告10多次,并曾担任国际会议分会主席。

(来源:OEA光电进展



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