基于錫組分和雙軸張應(yīng)力調(diào)控的臨界帶隙應(yīng)變Ge1?xSnx能帶特性與遷移率計算?

底琳佳 戴顯英 宋建軍 苗東銘 趙天龍 吳淑靜 郝躍

(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國家重點學(xué)科實驗室,西安 710071)

1 引 言

光電集成技術(shù)用CMOS工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備,具有高集成度、高速率、低功耗的優(yōu)勢.目前,已有研究表明,鍺(Ge)的錫(Sn)合金化可以實現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控,在一定Sn組分條件下,Ge1?xSnx合金的直接帶隙寬度會小于間接帶隙寬度,實現(xiàn)間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變,使Ge1?xSnx合金在光電探測、光電導(dǎo)器件、發(fā)光二極管、激光器等光電集成領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用[1?5].

此外,Ge1?xSnx合金在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件中也表現(xiàn)出高遷移率特性[6?8].然而,Ge中Sn的固溶度限制以及Ge和Sn的晶格失配,使Ge1?xSnx合金中Sn組分難以任意增大,并為Ge1?xSnx合金的制備帶來了挑戰(zhàn)[9,10].應(yīng)變技術(shù)同樣可以調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)使Ge由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?其中以(001)面雙軸張應(yīng)變所需的應(yīng)力最小,并且載流子遷移率,特別是空穴遷移率會顯著增大[11?13].因此,考慮合金化和雙軸張應(yīng)力共同作用下的Ge材料,不僅可以有效減小直接帶隙轉(zhuǎn)變所需的Sn組分和應(yīng)力,也可進一步提升Ge1?xSnx合金的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì).

對雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx合金能帶結(jié)構(gòu)的研究是探索其光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的理論基礎(chǔ).本文根據(jù)形變勢理論分析了(001)面雙軸張應(yīng)力作用下Ge1?xSnx合金的帶隙轉(zhuǎn)變條件,給出了帶隙轉(zhuǎn)變臨界狀態(tài)下Sn組分和雙軸張應(yīng)力的關(guān)系;采用8k·p方法得到了臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx在布里淵區(qū)中心點附近的能帶結(jié)構(gòu),根據(jù)得到的能帶圖,由二階函數(shù)擬合的方法得到了電子、空穴有效質(zhì)量;基于載流子散射模型計算電子和空穴遷移率.相關(guān)結(jié)論可為高性能應(yīng)變Ge1?xSnx電子器件和光電子器件的設(shè)計提供參考.

2 計算方法

2.1 形變勢模型

在(001)面雙軸張應(yīng)力作用下,Ge1?xSnx合金的帶隙類型和禁帶寬度會隨著Sn組分和應(yīng)力而變化,其導(dǎo)帶能谷能量可由形變勢理論確定[11],導(dǎo)帶Δ能谷因在(001)面雙軸張應(yīng)力作用下不會成為帶邊能級而未被考慮,

式中c11,c12為彈性勁度系數(shù);σ為雙軸應(yīng)力,當(dāng)σ＞0時為雙軸張應(yīng)力,σ＜0時為雙軸壓應(yīng)力.

為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測Ge1?xSnx合金能谷能量隨Sn組分的變化情況,還需要用彎曲系數(shù)b對其進行二次修正[14],

式中x為Sn組分含量,EGe和ESn分別為Ge和Sn某一能谷能量,對于Γ,L能谷,相應(yīng)的彎曲系數(shù)分別為?2.15和?0.91 eV.其他參數(shù)的取值以線性插值的形式給出,對于Ge和Sn,相應(yīng)參數(shù)取值列于表1中[15].

表1 形變勢模型所需參數(shù)取值Table 1.The parameter values of deformation potential model.

2.2 8k·p方法

應(yīng)力作用下的金剛石型半導(dǎo)體,其哈密頓算符可簡單表示為

式中Hk為k·p哈密頓量,Hε為應(yīng)力引起的應(yīng)變哈密頓量.對于直接帶隙的Ge1?xSnx合金,由于導(dǎo)帶、價帶之間存在明顯的耦合作用,為了得到準(zhǔn)確的能帶結(jié)構(gòu),由微擾理論和空間群對稱性,可將Hk轉(zhuǎn)換為一個8階k·p矩陣,用來建立包含自旋軌道耦合在內(nèi)的導(dǎo)帶和價帶能量色散關(guān)系,矩陣形式為[16,17]

其中

式中Δv為價帶自旋軌道分裂能;Ec,Ev分別為未應(yīng)變的導(dǎo)帶和價帶能量;?為約化普朗克常數(shù);m0為電子有效質(zhì)量;γ1,γ2,γ3為修正的Luttinger參數(shù),它們與6k·p方法中Luttinger參數(shù),的關(guān)系為,,其中Eg為帶隙寬度,Ep為描述導(dǎo)帶與價帶耦合作用的Kane能量,與動量矩陣參數(shù)P0有關(guān),.

(6)式中第二項Hε具有與(7)式類似的形式[16,17],

其中

式中av,bv,dv為價帶形變勢參數(shù),j=x,y,z.

根據(jù)(6)—(8)式,通過對角化兩個哈密頓矩陣的和可以得到應(yīng)變Ge1?xSnx在布里淵區(qū)中心Γ點附近的能帶結(jié)構(gòu).表2列出了計算所需參數(shù)的具體數(shù)值[18].

表2 應(yīng)變Ge1?xSnx能帶結(jié)構(gòu)計算所需參數(shù)取值Table 2.The parameter values of energy band structure calculation for strained Ge1?xSnx.

2.3 載流子散射模型

載流子從狀態(tài)k散射到狀態(tài)k′的躍遷率Pk,k′可由費米黃金法則給出[19]:

式中?ωk與分別為載流子初態(tài)和終態(tài)能量,?ωq為引起散射的量子能量,?符號中“+”和“?”分別表示吸收或發(fā)射一個量子的能量,δ函數(shù)則表明在散射過程中能量守恒.Mk,k′為散射矩陣元,其形式為

式中?為晶格體積,V(r)為散射勢,φk為波函數(shù).

任何改變晶格周期性勢場的附加勢都會引起載流子的散射[20].其中一類散射勢,如晶格振動引起的各種散射勢,表現(xiàn)為隨時間t簡諧變化的波的形式:

式中r,q分別為位矢和格波波矢,ωq為振動角頻率,A+(q)與A?(q)互為復(fù)共軛.另一類散射勢,如電離雜質(zhì)的庫侖勢、混合晶體的無序勢等,不隨時間變化,傅里葉展開后具有如下形式:

應(yīng)變對載流子遷移率的影響體現(xiàn)在對電導(dǎo)有效質(zhì)量和動量弛豫時間的調(diào)控中,但并沒有改變載流子的散射機理.因此,在應(yīng)變Ge1?xSnx合金中,導(dǎo)帶Γ能谷存在離化雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射以及合金無序散射,價帶存在離化雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射、非極性光學(xué)聲子散射以及合金無序散射[21].

根據(jù)各散射機理的散射勢,由(14)式可以分別建立離化雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射、非極性光學(xué)聲子散射以及合金無序散射的物理模型(分別用PII,Pac,Pop,Palloy表示)[19,22,23]:

式中Ni為離化雜質(zhì)濃度,在計算中假設(shè)其為1017cm?3;m?為態(tài)密度有效質(zhì)量,e為自由電子的電荷量,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),kB為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度,Ξ為聲學(xué)聲子形變勢,D0為非極性光學(xué)形變勢,為縱向彈性常數(shù),nop={exp[?ω0/(kBT)]?1}?1為平均光學(xué)聲子數(shù),ΔE為Ge與Sn的帶隙差,N為單位體積內(nèi)的原子數(shù).由于Ge1?xSnx合金中Sn組分含量較小,因此Ξ和D0近似采用Ge的形變勢值[24].對于導(dǎo)帶Γ能谷,Ξ為7.5 eV;對于價帶,Ξ和D0分別為3.5 eV和2.4×108eV/cm.其他參數(shù)的具體含義和數(shù)值見表3.

表3 Ge1?xSnx載流子散射概率計算所需參數(shù)取值Table 3.The parameter values for Ge1?xSnxcarrier scattering rate calculation.

根據(jù)電子和空穴的總散射概率Ptotal以及可計算得到應(yīng)變Ge1?xSnx在Γ點處的電子、空穴遷移率,式中mc為電導(dǎo)有效質(zhì)量.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)形變勢理論,通過計算導(dǎo)帶Γ與L能谷之間的能量差可以判斷雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx的帶隙類型.即當(dāng)時,為間接帶隙;反之,為直接帶隙.圖1所示為(001)面雙軸張應(yīng)力作用下,Ge1?xSnxΓ與L能谷能量差隨應(yīng)力和Sn組分的變化情況.由圖可見,隨著雙軸張應(yīng)力從0增加至2.45 GPa,Ge1?xSnx帶隙特性轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的Sn組分含量將由7.6%變?yōu)?,計算結(jié)果與文獻[11,29]一致.若單獨考慮合金化或雙軸張應(yīng)力作用,帶隙類型轉(zhuǎn)變需要較大的Sn組分或應(yīng)力,這會給工藝實現(xiàn)帶來諸多難題,而在合金化與雙軸張應(yīng)力共同作用的情況下,低Sn組分和應(yīng)力的組合便可得到直接帶隙Ge1?xSnx.在帶隙類型轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)下,由可以得到Sn組分和雙軸張應(yīng)力近似呈線性關(guān)系:

式中σ＞0,單位為GPa.基于這一臨界條件,計算直接帶隙Ge1?xSnx(稱為臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx)的電學(xué)性質(zhì),提出具有高載流子遷移率的Sn組分與雙軸張應(yīng)力的組合.

圖1 (001)面雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ與L能谷能量差等值線圖(能量單位為eV)Fig.1.Contour plot of Ge1?xSnxbandgap difference betweenandfor biaxial tensile strain on the (001)plane.All energies are in eV.

圖2所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處的各能級偏移和禁帶寬度隨應(yīng)力的變化情況,圖中EcΓ,EV1,EV2,EV3分別表示導(dǎo)帶帶邊能級、價帶帶邊能級、價帶亞帶邊能級和自旋分裂能級.由圖2可見,由于雙軸張應(yīng)力的引入,價帶帶邊和亞帶邊能級發(fā)生分裂,且分裂能隨著應(yīng)力的增大而增大,禁帶寬度則隨著應(yīng)力的增大而減小.價帶頂能級的分裂將改變帶邊和亞帶邊能級間的耦合作用,影響能帶結(jié)構(gòu)及有效質(zhì)量.此外,空穴也會隨著價帶頂?shù)姆至讯匦屡挪?隨著分裂能的不斷增大,空穴越來越集中于價帶帶邊能級,這有利于減小態(tài)密度有效質(zhì)量和散射概率,提升空穴遷移率.

圖2 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處各能級偏移和禁帶寬度 (a)能級偏移;(b)禁帶寬度Fig.2. Energy level shift and bandgap of critical bandgap Ge1?xSnxat Γ for biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Energy level shift;(b)bandgap width.

為了探究雙軸張應(yīng)力對能帶結(jié)構(gòu)的影響,以(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge0.96Sn0.04為例(應(yīng)力約為1.16 GPa),給出其沿不同晶向的能帶結(jié)構(gòu),如圖3所示.從圖3可以清楚地看到,雙軸張應(yīng)力引起的Γ點處價帶簡并的消除和晶體對稱性的改變.

圖3 Ge0.096Sn0.04沿典型晶向的能帶結(jié)構(gòu) (a)未應(yīng)變情況;(b)(001)面雙軸張應(yīng)變情況Fig.3.Energy band structure of critical bandgap Ge0.096Sn0.04along typical crystal orientations:(a)Unstrained Ge0.096Sn0.04;(b)biaxial tensile strained Ge0.096Sn0.04on the(001)plane.

圖4所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx導(dǎo)帶Γ能谷、價帶帶邊能級和價帶亞帶邊能級的40 meV三維等能圖,其中Sn組分和雙軸張應(yīng)力的組合分別為7.6%-0 GPa,5.0%-0.84 GPa,4.0%-1.16 GPa,3.0%-1.48 GPa.等能面的曲率可以直觀反映出有效質(zhì)量的各向異性,特別是在(001)面雙軸張應(yīng)力作用下,各向異性更加顯著.因此,在計算電子與空穴的輸運特性時,為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,必須考慮能帶的各向異性.

圖5所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ能谷沿不同晶向的電子有效質(zhì)量以及Γ能谷電子態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量隨應(yīng)力的變化情況.由圖5(a)可以看出,未受應(yīng)力作用時,Ge1?xSnxΓ能谷是各向同性的,而在雙軸張應(yīng)力作用下,呈現(xiàn)明顯的各向異性.這一點也可從等能圖(圖4(a))中得到印證:Γ能谷由原來的球形等能面轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球等能面.因此,可采用類似于Δ和L能谷的計算方法來計算Γ能谷電子態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量,如圖5(b)所示.由圖5(b)可見,Γ能谷電子態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量隨應(yīng)力的增大而減小,這有利于增強電子輸運特性.

圖4 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx(a)導(dǎo)帶Γ能谷,(b)價帶帶邊能級和(c)價帶亞帶邊能級40 meV三維等能圖Fig.4.Constant energy surface of critical bandgap Ge1?xSnxat 40 meV for biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Γ valley;(b)the fi rst valence band edge level;(c)the second valence band edge level.

圖5 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ能谷電子有效質(zhì)量 (a)沿典型晶向的電子有效質(zhì)量;(b)電子態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量Fig.5.Γ valley electron effective mass of critical bandgap Ge1?xSnxfor biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Electron effective mass along typical crystal orientations;(b)electron density of states and conductance effective masses.

圖6所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處不同晶向的價帶帶邊能級和亞帶邊能級空穴有效質(zhì)量隨應(yīng)力的變化情況.同樣,雙軸張應(yīng)力也增強了空穴有效質(zhì)量的各向異性.對于帶邊能級,沿不同晶向的空穴有效質(zhì)量均顯著減小并趨于平緩,其中以沿[001]晶向有效質(zhì)量最低.對于亞帶邊能級,除[001]晶向空穴有效質(zhì)量在應(yīng)力作用下明顯增大外,其他晶向空穴有效質(zhì)量先增大后減小,但總體變化并不明顯.空穴有效質(zhì)量的顯著減小歸功于應(yīng)力對晶格對稱性的破壞,價帶帶邊能級和亞帶邊能級的分裂改變了它們之間的耦合作用,使得能帶發(fā)生翹曲,進而影響有效質(zhì)量.

建立價帶頂空穴態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量,需要價帶帶邊能級和亞帶邊能級的各向同性有效質(zhì)量.因此,采用球形近似的方法[30],得到了(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處價帶帶邊能級和亞帶邊能級的各向同性近似有效質(zhì)量,如圖7(a)所示.由圖7(a)可見,在雙軸應(yīng)力的作用下,價帶帶邊能級各向同性近似有效質(zhì)量顯著減小,而亞帶邊能級各向同性近似有效質(zhì)量略有增大.此外,當(dāng)雙軸張應(yīng)力增大到一定程度時,帶邊能級的各向同性近似有效質(zhì)量已經(jīng)小于亞帶邊能級,與弛豫狀態(tài)相比,傳統(tǒng)的重空穴、輕空穴的概念已失去意義.圖7(b)所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx價帶頂空穴態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量,兩種有效質(zhì)量均隨應(yīng)力增大而顯著減小,最終趨于平緩.可以看出,略大于1 GPa的雙軸張應(yīng)力足以得到較低的空穴態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量,從而增強空穴輸運特性.

圖6 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處價帶各向異性空穴有效質(zhì)量 (a)價帶帶邊能級空穴有效質(zhì)量;(b)價帶亞帶邊能級空穴有效質(zhì)量Fig.6.Hole anisotropic effective mass of critical bandgap Ge1?xSnxat Γ for biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Hole effective mass of the fi rst valence band edge level;(b)hole effective mass of the second valence band edge level.

圖7 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處空穴各向同性近似有效質(zhì)量、態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量 (a)價帶帶邊和亞帶邊能級各向同性近似有效質(zhì)量;(b)空穴態(tài)密度有效質(zhì)量和電導(dǎo)有效質(zhì)量Fig.7.Hole isotropic approximate effective mass,density of states effective mass and conductance effective mass of critical bandgap Ge1?xSnxat Γ for biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Isotropic approximate effective mass;(b)density of states and conductance effective masses.

圖8所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ能谷電子離化雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射、合金無序散射以及總散射概率隨應(yīng)力的變化情況.由于離化雜質(zhì)散射處于主導(dǎo)地位,總的電子散射概率隨著雙軸張應(yīng)力增大而增大,這是由于電子態(tài)密度有效質(zhì)量的減小使得電子受到雜質(zhì)中心散射的概率增大.

圖8 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ能谷電子散射概率 (a)離化雜質(zhì)散射;(b)聲學(xué)聲子散射;(c)合金無序散射;(d)總散射Fig.8.Γ valley electron scattering rates of critical bandgap Ge1?xSnxfor biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Ionized impurity scattering;(b)acoustic phonon scattering;(c)alloy scattering;(d)total scattering.

圖9所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處空穴離化雜質(zhì)散射、聲學(xué)聲子散射、非極性光學(xué)聲子散射、合金無序散射以及總散射概率隨應(yīng)力的變化情況,除離化雜質(zhì)散射外,其他散射的散射概率隨雙軸張應(yīng)力增大而減小,顯著降低了空穴總散射概率.相比于未應(yīng)變情況,臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx空穴遷移率將有較大幅度的提升.

圖10所示為(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx的電子和空穴平均遷移率隨應(yīng)力的變化情況.導(dǎo)帶Γ能谷較小的有效質(zhì)量使直接帶隙的Ge1?xSnx合金具有非常高的電子遷移率,并且電子遷移率隨著雙軸張應(yīng)力的增大而增大.空穴遷移率在較小的雙軸張應(yīng)力作用下即得到顯著提升.因此,較小的(001)面雙軸張應(yīng)力不僅可以在低Sn組分下實現(xiàn)Ge1?xSnx合金由間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變,而且通過對能帶的改性增強了載流子遷移率.

將Ge1?xSnx合金生長在不同晶格常數(shù)的襯底材料上,可以實現(xiàn)Ge1?xSnx合金中雙軸應(yīng)力的引入.當(dāng)Ge1?xSnx合金的晶格常數(shù)大于襯底材料時,會對Ge1?xSnx層引入壓應(yīng)力,當(dāng)Ge1?xSnx合金的晶格常數(shù)小于襯底材料時,會對Ge1?xSnx層引入張應(yīng)力.如文獻[31]將Ge1?xSnx(Sn組分含量4.7%±0.4%)通過分子束外延的方法生長在應(yīng)力弛豫的InyGa1?yAs緩沖層上,通過改變In組分的大小,對Ge1?xSnx層引入了?0.2%—0.88%的雙軸應(yīng)變量.根據(jù)本文計算結(jié)果,考慮工藝實現(xiàn)難度和材料性能兩個方面,或可以選擇4%Sn組分含量與1.2 GPa雙軸張應(yīng)力或3%Sn組分含量與1.5 GPa雙軸張應(yīng)力的組合來得到具有高載流子遷移率的直接帶隙Ge1?xSnx合金.

此外,為了驗證本文所得結(jié)果的準(zhǔn)確性,表4對比了不同Sn組分和雙軸應(yīng)變組合下Ge1?xSnx直接帶隙寬度的實驗值與本文計算值.其中組合4已使Ge1?xSnx轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?這與本文計算所得的6%Sn組分和0.516 GPa(0.377%)雙軸張應(yīng)力的組合基本一致,間接說明了本文所得結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖9 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnxΓ點處空穴散射概率 (a)離化雜質(zhì)散射;(b)聲學(xué)聲子散射;(c)非極性光學(xué)聲子散射;(d)合金無序散射;(e)總散射Fig.9.Hole scattering rates of critical bandgap Ge1?xSnxat Γ for biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Ionized impurity scattering;(b)acoustic phonon scattering;(c)non-polar optical phonon scattering;(d)alloy scattering;(e)total scattering.

圖10 (001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx載流子平均遷移率 (a)電子;(b)空穴Fig.10.Carrier mobility of critical bandgap Ge1?xSnxfor biaxial tensile strain on the(001)plane:(a)Electron;(b)hole.

表4 本文計算值與文獻實驗值對比結(jié)果(300 K)Table 4.The comparison between the calculated values in this paper and the experimental values in literatures(at 300 K).

4 結(jié) 論

研究了Ge1?xSnx合金在(001)面雙軸張應(yīng)力作用下帶隙特性和遷移率的變化情況.計算結(jié)果表明,在(001)面雙軸張應(yīng)力作用下,較小的Sn組分和雙軸張應(yīng)力的組合便可實現(xiàn)Ge1?xSnx帶隙特性的轉(zhuǎn)變,在臨界狀態(tài)下,Sn組分和雙軸張應(yīng)力近似呈線性關(guān)系x=?0.031σ+0.076.通過對(001)面臨界帶隙雙軸張應(yīng)變Ge1?xSnx能帶結(jié)構(gòu)的計算發(fā)現(xiàn),Ge1?xSnx合金的直接帶隙寬度受到雙軸張應(yīng)力的調(diào)制,會隨著應(yīng)力的增大而減小;直接帶隙Ge1?xSnx合金較小的電子有效質(zhì)量使其具有極高的電子遷移率,并且雙軸張應(yīng)力的作用有效降低了空穴有效質(zhì)量和散射概率,使得空穴遷移率顯著提升.考慮工藝實現(xiàn)難度和材料性能兩個方面,可以選擇4%Sn組分與1.2 GPa雙軸張應(yīng)力或3%Sn組分與1.5 GPa雙軸張應(yīng)力的組合用于高速器件和光電器件的設(shè)計.

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