[論文レビュー] Uniaxially stressed germanium with fundamental direct band gap

Richard Geiger, T. Zabel+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2015

Advanced MEMS and NEMS Technologies被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、高品質なゲルマニウムオブインソレータ（GeOI）基板から作製された一軸引張応力のかかったゲルマニウムマイクロブリッジにおいて、基本的な直接ギャップへの遷移を実証した。温度依存性フォトルミネッセンスを用いて、4.0%〜4.5%の一軸引張応力の間で間接ギャップから直接ギャップへの遷移を同定し、20 Kで強い直接ギャップ発光が観測され、理論的バンド湾曲予測と整合した。

ABSTRACT

We demonstrate the crossover from indirect- to direct band gap in tensile-strained germanium by temperature-dependent photoluminescence. The samples are strained microbridges that enhance a biaxial strain of 0.16% up to 3.6% uniaxial tensile strain. Cooling the bridges to 20 K increases the uniaxial strain up to a maximum of 5.4%. Temperature-dependent photoluminescence reveals the crossover to a fundamental direct band gap to occur between 4.0% and 4.5%. Our data are in good agreement with new theoretical computations that predict a strong bowing of the band parameters with strain.

研究の動機と目的

• 単体ゲルマニウムに基本的直接ギャップを確立し、モノリシックCMOS統合光通信素子を実現すること。
• 効率的な光放出を阻害するゲルマニウムの間接ギャップ特性を克服すること。
• 高応力マイクロブリッジと温度依存性フォトルミネッセンスを用いた実験的直接ギャップ遷移の検証。
• レーザーの実現可能性を評価するため、高品質なGeOI基板におけるキャリア寿命および再結合ダイナミクスの評価。
• 一軸応力下での強いバンド湾曲理論予測と実験結果の相関をとること。

提案手法

• スマートカット™技術を用いて、高品質な光学的GeOI基板から、アンダーマイクロブリッジを形成した。
• マイクロブリッジ構造に起因する幾何学的応力増幅により、一軸引張応力を印加し、20 Kで最大5.4%の応力を達成した。
• 20 Kから150 Kの温度範囲で、温度依存性フォトルミネッセンス（PL）測定を実施し、ギャップ特性を調査した。
• 有限要素法を用いて、マイクロブリッジ幾何構造内の応力分布をシミュレーションした。
• PL強度の傾向を応力レベルおよび温度と照合し、直接ギャップ発光の発生開始を特定した。
• 実験的PLデータを、応力下でのバンド構造計算と比較し、バンドパラメータの強い湾曲を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲルマニウムが間接ギャップから基本的直接ギャップに遷移する一軸応力はどの程度か？
• RQ2 温度依存性フォトルミネッセンスは、応力のかかったゲルマニウムに直接ギャップが存在することをどのように示すか？
• RQ3 キャリア拡산および表面再結合は、観測されたPL応答にどのように寄与しているか？
• RQ4 非常に高い応力下のゲルマニウムにおいて、フォノンボトルネック効果がL → Γ間のバリエーション間スキャッタリングに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 応力下でのバンド湾曲の理論的予測は、実験的観測とどの程度一致するか？

主な発見

• ゲルマニウムにおける間接ギャップから基本的直接ギャップへの遷移は、4.0%〜4.5%の一軸引張応力の間で発生する。
• 4.5%および5.4%の応力を持つ試料では、20 Kで強い直接ギャップフォトルミネッセンス発光が観測され、直接ギャップ特性が確認された。
• 20 Kでは、熱収縮により最大5.4%の一軸応力が達成され、応力誘起ギャップ遷移が強化された。
• 4.0%応力試料では、20 Kで直接ギャップ発光強度がノイズレベル以下に低下し、遷移の臨界付近にあることが示された。
• フォノンボトルネック効果が観測され、低温でL → Γ間のバリエーション間スキャッタリングが抑制された。これは、非単調なPL強度トレンドを説明する。
• 理論的予測による強いバンド湾曲は、実験データと良好に一致しており、観測されたギャップ遷移の妥当性を裏付けた。