[論文レビュー] Efficient room-temperature light-emitters based on partly amorphised Ge quantum dots in crystalline Si

Martyna Grydlik, Florian Hackl+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 46被引用数 55

ひとこと要約

本論文は、ゲルマニウムイオンビーム照射（GIB）によって部分的にアモルファス化されたシリコン中のゲルマニウム量子ドット（Ge QDs）から、効率的で室温での光放出を実証した。GIB-QDsは準直接ギャップを示し、300 Kまでに光励起による光増幅が顕著に向上し、マイクロディスクレゾネータで超線形的増幅を示す。これは、完全にシリコン適合性を持つグループ-IV光エレクトロニクス分野における画期的な進展である。

ABSTRACT

Semiconductor light emitters compatible with standard Si integration technology (SIT) are of particular interest for overcoming limitations in the operating speed of microelectronic devices 1-3. Light sources based on group-IV elements would be SIT compatible but suffer from the poor optoelectronic properties of bulk Si and Ge. Here, we demonstrate that epitaxially grown Ge quantum dots (QDs) in a fully coherent Si matrix show extraordinary optical properties if partially amorphised by Ge-ion bombardment (GIB). The GIB-QDs exhibit a quasi-direct-band gap and show, in contrast to conventional SiGe nanostructures, almost no thermal quenching of the photoluminescence (PL) up to room-temperature (RT). Microdisk resonators with embedded GIB-QDs exhibit threshold-behaviour and super-linear increase of the integrated PL-intensity (IPL) with increasing excitation power Pexc which indicates light amplification by stimulated emission in a fully SIT-compatible group-IV nano-system.

研究の動機と目的

• 標準的なシリコン統合技術（SIT）と相性の良い、効率的で室温での光発光素子の開発を目的とする。
• バルクGeおよびSiの劣悪なオプトエレクトロニクス的特性、特に間接ギャップおよび強い熱的クエンチングの克服を目的とする。
• 結晶シリコンマトリックス内にGe量子ドットを設計することで、放射再結合の増強と光学的利得の達成を目的とする。
• 既存のSi CMOSプロセスと完全に適合するグループ-IV半導体システムで誘導放出の実証を目的とする。

提案手法

• 完全に整合性を持つ結晶シリコンマトリックス内にGe量子ドットをエpitaxial成長する。
• Ge QDsの部分的アモルファス化を誘導するため、ゲルマニウムイオンビーム照射（GIB）を適用する。
• 温度変化に伴う光励起分光法（PL分光法）を用いた光学的性質の評価。
• 光学フィードバックを強化し、レーザー閾値の研究を目的として、GIB-QDsを埋め込んだマイクロディスクレゾネータの作製。
• 励起パワー依存性PL強度の測定により、誘導放出を示す超線形的増加の特定。
• X線回折および透過電子顕微鏡を用いて、Siマトリックス内の構造的変化および整合性の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶シリコン中に存在する部分的にアモルファス化されたGe量子ドットは、室温でも効率的で熱的クエンチングが最小限の光励起分光を示すか？
• RQ2 Ge QDsの部分的アモルファス化が準直接ギャップを誘導し、放射再結合効率を向上させるか？
• RQ3 GIB-QDsを埋め込んだマイクロディスクレゾネータは、光励起条件下で閾値的挙動および超線形的PL強度増加を示すか？
• RQ4 完全にグループ-IVで、Siと適合性を持つ半導体ナノ構造で誘導放出が達成可能か？
• RQ5 このシステムは、III-V材料を必要とせず、オンチップシリコンフォトニクスの実用的プラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• GIB-QDsは室温（300 K）までに光励起分光の熱的クエンチングが著しく低減し、測定した全温度範囲でPL強度が安定している。
• 励起パワー（Pexc）の増加に伴い、統合光励起分光強度（IPL）が超線形的に増加する傾向が観察され、誘導放出の開始を示している。
• GIB-QDsを埋め込んだマイクロディスクレゾネータは、PL強度に閾値的挙動を示し、光学的利得および潜在的レーザー発振の主要な兆候である。
• 部分的にアモルファス化されたGe QDsは準直接ギャップを示し、従来のSiGeナノ構造と比較して放射再結合効率が向上している。
• 完全に適合性を持つグループ-IVベースのプラットフォームで光学的利得を実証し、既存のSi CMOS技術との統合が可能である。
• GIB処理後も結晶シリコンマトリックスの構造的整合性が保持されており、標準的な半導体プロセスと相性が良い。