[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究展示了在高质量绝缘层上锗（GeOI）衬底制备的单轴应变锗微桥中，实现从间接带隙到基本直接带隙的根本性转变。通过温度依赖性光致发光测量，作者在4.0%至4.5%的单轴拉伸应变范围内识别出从间接带隙到直接带隙的转变，20 K时观察到强烈的直接带隙发光，且与理论带弯曲预测一致。

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.

研究动机与目标

• 在元素锗中建立基本直接带隙，以实现单片集成CMOS光子学。
• 克服锗中间接带隙限制导致的光致发光效率低下的问题。
• 通过高应变微桥和温度依赖性光致发光实验验证直接带隙转变。
• 评估高质量GeOI衬底中载流子寿命和复合动力学，以评估激光可行性。
• 将实验结果与单轴应变下强带弯曲的理论预测进行关联。

提出的方法

• 利用SmartCut™技术从高质量光学GeOI衬底中制备了悬空的GeOI微桥。
• 通过微桥结构中的几何应力增强实现单轴拉伸应变，最高达到20 K时5.4%的应变。
• 在20 K至150 K范围内进行温度依赖性光致发光（PL）测量，以探测带隙特性。
• 使用有限元建模模拟微桥几何结构中的应变分布。
• 将PL强度趋势与应变水平和温度相关联，以识别直接带隙发光的起始点。
• 将实验PL数据与显示强带参数随应变弯曲的理论能带结构计算进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 锗在何种单轴应变下从间接带隙转变为基本直接带隙？
• RQ2 温度依赖性光致发光如何揭示应变锗中直接带隙的存在？
• RQ3 载流子扩散和表面复合在塑造观测到的PL响应中起什么作用？
• RQ4 在高度应变的锗中，声子瓶颈在抑制L → Γ区间散射方面的影响有多大？
• RQ5 理论预测的应变下强带弯曲与实验观测在锗中的吻合程度如何？

主要发现

• 锗中从间接带隙到基本直接带隙的转变发生在4.0%至4.5%的单轴拉伸应变之间。
• 在20 K时，4.5%和5.4%应变的样品观察到强烈的直接带隙光致发光发射，证实了直接带隙特性。
• 在20 K时，最大单轴应变达到5.4%，这是由于热收缩所致，进一步增强了应变诱导的带隙转变。
• 4.0%应变样品在20 K时直接带隙发光强度降至噪声水平以下，表明其处于转变阈值附近。
• 观察到声子瓶颈效应，抑制了低温下L → Γ的区间散射，这解释了PL强度的非单调趋势。
• 理论预测的强带弯曲与实验数据高度一致，支持了观测到的带隙转变的有效性。