锗（Ge）衬底用于LED光源制备

        在过去的数十年里，研究者投入了巨大的精力，旨在扩展当前基于硅的互补金属氧化物半导体CMOS电子技术的应用领域至集成光子学。特别是，IV族材料及其器件的单片整合已经引起了广泛的关注，这主要是由于它们与CMOS工艺的兼容性。尽管调制器、波导和探测器等关键光子器件已被成功地整合到硅基电子芯片上，但是硅的间接带隙特性限制了在其芯片上实现高效率光源的单片整合。相比之下，锗作为一种多谷间接带隙的半导体材料，兼具直接和间接的带间辐射复合，拥有更适合进行直接带隙反转的能带结构。锗已经被用于示范高性能的光电探测器、调制器、波导及其他光学组件。近期，在使用光学和电注入展现出光学增益和激光产生之后，锗作为IV族激光源的兴趣呈现出了显著的增长。可供锗单晶衬底用于LED光源的制造，具体参数详述如下：

1. 用于LED光源制备的锗衬底

CS240304 – GE

2. 如何增强锗的发光效率？

        尽管锗的直接带隙为0.8 eV，但由于位于ᴦ-导带谷下方0.136 eV的L导带的存在，它本质上是一种间接带隙材料，如图1（a）所示。这种能量差使锗成为低效的光发射器，因为大多数外部注入的电子将占据较低能量的L导带谷。当发射光子的复合率较低时，位于L导电谷的电子只能在声子的帮助下与空穴复合，但通过填充导带中的间接L谷，我们可以在 ᴦ- 点观察到直接复合。另一方面，位于ᴦ-传导谷的电子可以以更高的复合率与空穴复合。因此，通过使锗成为直接或伪直接带隙材料，我们从ᴦ-组合谷提高了载流子复合率，并使锗成为节能的光发射器。

        据报道，锗中的直接光学跃迁是一个非常快的过程，其辐射复合率比间接跃迁高五个数量级。这意味着锗的直接间隙发射与直接间隙半导体的效率一样高。通过利用锗的直接带隙跃迁，可以显著增强锗的发光。通常，通过引入拉伸应变、n型掺杂或锗与锡的合金，可以将锗从基本上间接的带隙材料转换为直接带隙材料，图1（b）。这两种方法都减少了锗中的带隙，即直接谷处的带隙以比间接L谷更高的速率减少，因此锗的带隙结构被改变，最终将锗变成能够吸收或发光的直接带隙材料。

图1锗带隙图：（a）体块锗和（b）使用拉伸应变和n型掺杂的锗的能带工程。拉伸应变减少了T和L谷之间的能量差，而n型掺杂补偿了剩余的能量差。应变也会引起轻空穴带和重空穴带的分裂

        随着张应力的增加，预期发光度会更大。理论上已经证明，可以通过张应力和n型掺杂来对锗进行工程化，以实现室温下更好的直接带隙光发射。通过张应力对锗的带隙进行工程化，为开发与硅技术完全兼容的新颖光电子器件提供了可能性，例如发光二极管LED、激光器、光学调制器等。锗已被用于各种各样的设备，从能量可调的光收集器（例如光电探测器）到高效的光电子器件。

3. 锗基光源的未来应用

        物联网(IOTs) 有望彻底改变我们使用全球传感器网络的通信方式，数据中心的通信需求呈指数级增长。对于全球数据中心、云计算和光纤到户（FTTH），非常希望实现集成在硅光子芯片上的单片光源，但对于光学互连的应用，必须克服严重的功率要求。使用硅光子学的有源光缆（AOC）已经被广泛使用，这些技术也将在具有光学输入/输出（I/O）的USB存储棒等消费品中实现。使用光学互连而不是金属布线的主要优点是除了更高的数据传输速率之外还降低了功率。需要与III-V激光一样高的量子效率才能被Ge基激光取代。如果未来开发的Ge激光器可以非常快地工作，这意味着至少快到10Gbps，理想情况下超过25Gbps，那么不使用调制器的直接调制将是可能的。在这种情况下，将不需要为调制器估计的能量消耗，这将略微放宽对量子效率的要求。

图2. 锗基光源的未来应用

        基于锗的光源还有许多其他可能的应用，如汽车局域网或生物传感。对于这些应用，只要Ge基LED的量子效率合理，激光操作可能不是必要的。例如，由于大约25Mbps的相对较慢的数据速率，LED被用于汽车中的LAN。使用基于Ge的光源的优点将是使用CMOS工艺的成本和集成能力。

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