Die Lumineszenz von Germanium-Strukturen auf Silizium-Substrat

Luminescence of germanium structures on silicon substrates

  • Um die technischen Limitierungen bezüglich der Geschwindigkeit und Verlustleistung aktueller Mikroprozessoren zu überwinden, sind neue Technologien notwendig. Eine Möglichkeit ist der Austausch klassischer metallischer Verbindungsleiter durch optische Übertragungswege. Als monolithisch integrierbare Lichtquellen kommen Germanium-basierte Leuchtdioden oder Laser auf Silizium-Substrat in Frage. Dafür ist eine intensive direkte Lumineszenz der Ge-Schicht nötig. Aus diesem Grund wurde der Einfluss von Donatorkonzentration, Verspannung, Quanten-Confinement und Versetzungsdichte auf die Lumineszenzintensität von Ge-Strukturen mittels Photo- und Elektrolumineszenz-Spektroskopie (PL bzw. EL) untersucht. Eine Antimon-Konzentration von 3e19/cm³ erhöhte die Intensität um das Vierfache im Vergleich zu einer intrinsischen Ge-Schicht. Eine zusätzliche Zugverspannung durch ein virtuelles Substrat aus GeSn erzielte nur eine geringfügige Intensitätssteigerung. Eine GeSn/Ge Multi-Quantum-Well (MQW) Struktur steigerte die Lumineszenz um den Faktor 16.Um die technischen Limitierungen bezüglich der Geschwindigkeit und Verlustleistung aktueller Mikroprozessoren zu überwinden, sind neue Technologien notwendig. Eine Möglichkeit ist der Austausch klassischer metallischer Verbindungsleiter durch optische Übertragungswege. Als monolithisch integrierbare Lichtquellen kommen Germanium-basierte Leuchtdioden oder Laser auf Silizium-Substrat in Frage. Dafür ist eine intensive direkte Lumineszenz der Ge-Schicht nötig. Aus diesem Grund wurde der Einfluss von Donatorkonzentration, Verspannung, Quanten-Confinement und Versetzungsdichte auf die Lumineszenzintensität von Ge-Strukturen mittels Photo- und Elektrolumineszenz-Spektroskopie (PL bzw. EL) untersucht. Eine Antimon-Konzentration von 3e19/cm³ erhöhte die Intensität um das Vierfache im Vergleich zu einer intrinsischen Ge-Schicht. Eine zusätzliche Zugverspannung durch ein virtuelles Substrat aus GeSn erzielte nur eine geringfügige Intensitätssteigerung. Eine GeSn/Ge Multi-Quantum-Well (MQW) Struktur steigerte die Lumineszenz um den Faktor 16. Jedoch wurde durch transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen der Strukturen eine hohe Dichte von Durchstoßversetzungen (threading dislocations) im Bereich von 1e9/cm² gefunden. Diese bewirken eine Reduzierung der Lumineszenzintensität um zwei Größenordnungen, wie PL-Messungen an pseudomorph gewachsenen Ge/Si-MQW-Schichten zeigen. Eine Analyse der Strom-Spannungs-Kurven ergab einen weitaus weniger schädlichen Einfluss von Durchstoßversetzungen im Germanium als dies für Silizium der Fall ist. Im Hinblick auf eine Steigerung der direkten Ge-Lumineszenz sollten dotierte MQW-Strukturen und eine Reduzierung der Versetzungsdichte Anwendung finden.show moreshow less
  • In order to address the technical bottleneck of speed and power loss in current microprocessors, new technologies are needed. One possibility is the rational exchange of metallic connections with optical on-chip interconnects. Therefore, a suitable light source is needed. Germanium-based light emitting diodes or lasers grown on silicon substrates are promising candidates for monolithically integrated light sources. This requires a strong direct luminescence of the Ge layer. This work studies the influence of donor concentration, strain, quantum confinement and dislocation density on the luminescence intensity of Ge-based structures by means of photo- and electroluminescence spectroscopy. An antimony concentration of 3e19/cm³ increases the intensity by a factor of four compared to an intrinsic Ge layer. Additional tensile strain introduced by a GeSn virtual substrate causes only a slight increase in intensity. A GeSn/Ge multi-quantum-well (MQW) structure exhibits a 16 times increase of the luminescence. However, transmission electronIn order to address the technical bottleneck of speed and power loss in current microprocessors, new technologies are needed. One possibility is the rational exchange of metallic connections with optical on-chip interconnects. Therefore, a suitable light source is needed. Germanium-based light emitting diodes or lasers grown on silicon substrates are promising candidates for monolithically integrated light sources. This requires a strong direct luminescence of the Ge layer. This work studies the influence of donor concentration, strain, quantum confinement and dislocation density on the luminescence intensity of Ge-based structures by means of photo- and electroluminescence spectroscopy. An antimony concentration of 3e19/cm³ increases the intensity by a factor of four compared to an intrinsic Ge layer. Additional tensile strain introduced by a GeSn virtual substrate causes only a slight increase in intensity. A GeSn/Ge multi-quantum-well (MQW) structure exhibits a 16 times increase of the luminescence. However, transmission electron microscopy studies of these structures revealed a high density of threading dislocations in the range of 1e9/cm². This causes a reduction of the luminescence intensity by two orders of magnitude, as photoluminescence measurements on pseudomorphically grown Ge/Si-MQW-layers show. Current-voltage characteristics of the Ge devices show a far less detrimental effect of dislocations than in case of Si devices. In order to increase the direct luminescence of Ge, the use of doped MQW structures and a reduction of the threading dislocation density should be favoured.show moreshow less

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Metadaten
Author: Bernhard Ewald Schwartz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48647
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-4864
Referee / Advisor:apl. Prof. Dr. sc. nat. Martin Kittler, Prof. Dr. techn. Weger Peter
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of final exam:2018/11/22
Release Date:2019/07/03
Tag:Germanium; LED; Si-Photonik; Silizium; Zinn
Luminescence; Silicon; Silicon photonics; Tin
GND Keyword:Germanium; Lumineszenz; Silicium; Photonik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Schaltkreisentwurf
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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