Germanium-Laser für die Silizium-Photonik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Realisierung einer integrierten Lichtquelle aus Materialien der IV. Hauptgruppe auf einem Si-Substrat zählt zu den Forschungsschwerpunkten mit globalem Interesse. Genau dieser Schwerpunkt wird durch dieses Forschungsprojekt adressiert. Das Ziel dieses gemeinsamen Forschungsprojektes war es, das physikalische Verständnis der Anregung der direkten Ge-Lumineszenz zu verbessern und die technologischen Grundlagen für den Aufbau eines elektrisch gepumpten Ge-Lasers zu entwickeln. Dies konnte in vollem Umfang realisiert werden. Die experimentellen Arbeiten zur Lichtemission an vertikalen LEDs zeigten klar, dass sich eine maximale Lumineszenz bei einer Dotierung von 3·10^19 cm^-3 einstellt. Im direkten Vergleich mit einer baugleichen LED mit einem intrinsischen Gebiet ergab sich eine Steigerung um einen Faktor 4 durch die n-Typ-Dotierung. Gleichzeitig konnte in dieser Serie die Verkleinerung der Ge-Bandlücke bei steigender n-Dotierung gemessen werden. Dies liegt an dem bekannten Effekt des „Bandgap narrowings“ für hohe Dotierungen. Die vertikalen LEDs zeigten bereits erste Anzeichen der optischen Verstärkung der spontanen Emission. Mit diesen Ergebnissen konnten erfolgreich Ge-Kantenemitter hergestellt werden. Es gelang in kurzen Kantenemittern, Fabry-Perot-Oszillationen nachzuweisen. Bei steigendem Injektionsstrom ließ sich sogar die Transmission des Wellenleiters weiter erhöhen, was als „optical bleaching“ bezeichnet wird. Wird dieser Ge-Kantenemitter im gepulsten Betrieb gepumpt, lassen sich drei Bereiche beobachten: die spontane Emission unterhalb von 100 kA/cm2, bis 500 kA/cm2 die zusätzliche optische Verstärkung der spontanen Emission und oberhalb von 500 kA/cm2 die einsetzende stimulierte Emission. Das EL-Spektrum zeigt bei Stromdichten von 510 kA/cm2 schmale Laserpulse. Parallel zur Entwicklung der Kantenemitter wurde auch das vertikale Konzept für verfolgt. Hier gelang es, erste LEDs mit Resonatorstrukturen herzustellen. In den EL-Spektren konnten die Interferenzeffekte beobachtet werden. Experimentelle Arbeiten zur Unterätzung der aktiven Ge-Schichten in den Ge-LEDs zeigten, dass aufgrund der hohen Stromdichte der unterätzte Emitter deutlich effizienter ist als der direkt strukturierte Emitter. Leider ist es den Antragstellern im Rahmen dieses Projektes nicht mehr gelungen diese Ergebnisse in einem VCSEL-Aufbau zu verifizieren und damit dessen Funktionalität nachzuweisen. Die Arbeiten zu Heterostrukturen aus Materialien der Gruppe-IV-Elemente zeigten, dass LEDs mit Multi- Quantum-Wells (MQW) aus GeSn/Ge-Heterostrukturen Licht aus den GeSn-Schichten emittieren, das sich aus drei Linien zusammen setzt, deren physikalische Ursachen aufgeklärt werden konnten. Untersuchungen mit Photolumineszenz an den Ge/Si-MQW auf Si mit 5,5 Monolagen dünnen pseudomorphen Ge-Schichten haben gezeigt, dass sich die Position des Peak-Maximums durch die Injektionsdichte steuern lässt, zwischen etwa 0,68 eV für geringe und 0,79 eV für hohe Injektion. Die nichtstrahlende Rekombination an Versetzungen, die abgesehen von den Ge/Si-MQW, in den anderen untersuchten Bauelementstrukturen vorliegen, reduziert die Lumineszenz-Ausbeute erheblich. Die Durchstoßversetzungen beeinträchtigen zwar als Shunts die IU-Kennlinien, aber die Ge-basierten Bauelemente bleiben funktionstüchtig. Um die extrem hohen Stromdichten für das Lasen zu verkleinern, wurde versucht durch eine biaxiale Zugverspannung die Bandlücke zwischen dem direkten und dem indirektem Band des Ge weiter zu verkleinern. Dies konnte sowohl mit Tempern aber auch durch die Verwendung eines GeSn-VS erreicht werden. Die Experimente zeigten aber, dass sich mit diesen Verfahren auf Grund technologischer Randbedingungen kein direktes zugverspanntes Ge herstellen lässt. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Projektes ein komplett neuer Ansatz entwickelt. Dieser Ansatz basiert auf einer asymmetrisch dotierten Ge p+n-Rückwärts-/Zener-Tunneldiode für die Elektronenemission und einem pin-Übergang zur Löcherinjektion. Diese Struktur bezeichnen wir als Zener-Emitter. Die Zener-Tunneldiode arbeitet im Rückwärtsbetrieb, wo Elektronen in das direkte Leitungsband tunneln können. Mit einem Aufbau als Kantenemitter gelang es eine elektrooptische Verstärkung nachzuweisen. Es konnte sogar ein Laserpeak beobachtet werden. Das Besondere hier war, dass dafür nur eine Stromdichte von rund 6 kA/cm2 eingeprägt wurde. Dies sind fast zwei Größenordnungen weniger als bei der Verwendung von Ge-LEDs und zeigt das hohe Potential des Zener-Emitters. Die Antragsteller denken, dass dieses Thema ein enorm hohes Potential für die Realisierung eines integrierten Gruppe-IV-Lasers in den nächsten Jahren besitzt. Gleichzeitig wäre es eine geschickte Lösung um Licht auf der Chipebene direkt zu verstärken. Das Thema Zener-Emitter wurde auf der IEDM 2016 und auf der ICSI 2017 (International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures, Warwick) mit dem „Best Student Paper“ ausgezeichnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) Temperature dependence of luminescence from dislocated Ge on Si substrate. Materials Today: Proceedings 5 (6) 14712–14721
Schwartz, Bernhard; Reiche, Manfred; Kittler, Martin
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.03.061) - Dislocation luminescence in highly doped degenerated germanium at room temperature, Phys. Status Solidi C 10, 56 (2013)
T. Arguirov, O. Vyvenko, M. Oehme, J. Schulze, and M. Kittler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201200395) - “Direct bandgap narrowing in Ge LED’s on Si substrates”, Optics Express 21, 2206 (2013)
M. Oehme, M. Gollhofer, D. Widmann, M. Schmid, M. Kaschel, E. Kasper, and J. Schulze
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1364/OE.21.002206) - "Effect of heavy doping and strain on the electroluminescence of Ge-on-Si light emitting diodes”, Thin Solid Films 557, 351 (2014)
M. Schmid M. Oehme, M. Gollhofer, R. Körner, M. Kaschel, E. Kasper, J. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.041) - “Electroluminescence of germanium LEDs on silicon: Influence of antimony doping”, Phys. Status Solidi C 11 (11- 12), 1686 (2014)
B. Schwartz, A. Klossek, M. Kittler, M. Oehme, E. Kasper, J. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201400056) - “Electrically pumped lasing from Ge Fabry-Perot resonators on Si”, Optics Express 23, 14815 (2015)
R. Koerner, M. Oehme, M. Gollhofer, M. Schmid, K. Kostecki, S. Bechler, D. Widmann, E. Kasper, and J. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.23.014815) - “Electroluminescence of GeSn/Ge MQW LEDs on Si substrate”, Optics Letters 40, 3209 (2015)
B. Schwartz, M. Oehme, K. Kostecki, D. Widmann, M. Gollhofer, R. Koerner, S. Bechler, I. A. Fischer, T. Wendav, E. Kasper, J. Schulze, M. Kittler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OL.40.003209) - "Analysis of EL Emitted by LEDs on Si Substrates Containing GeSn/Ge Multi Quantum Wells as Active Layers", Solid State Phenomena 242, 361 (2016)
B. Schwartz, P. Saring, T. Arguirov, M. Oehme, K. Kostecki, E. Kasper, J. Schulze, M. Kittler
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.242.361) - “The Zener-Emitter: A Novel Superluminescent Ge Optical Waveguide-Amplifier with 4.7 dB Gain at 92 mA Based on Free- Carrier Modulation by Direct Zener Tunneling Monolithically Integrated on Si”, Electron Devices Meeting (IEDM), 2016 IEEE International, 22.5 (2016)
R. Koerner, D. Schwarz, I. Fischer, L. Augel, S. Bechler, L. Haenel, M. Kern, M. Oehme, E. Rolseth, B. Schwartz, D. Weisshaupt, W. Zhang und J. Schulze
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/IEDM.2016.7838474) - Tunnel-Modulated Ge LED/Laser Light Source and a Sub-Thermal Voltage Switching Detector for the Monolithic On-Chip Optical Transceiver, Electron Devices Meeting (IEDM), 2017 IEEE International, 597 (2017)
R. Koerner, I.A. Fischer, R. Soref, D. Schwarz, C.J. Clausen, L. Hänel, M. Oehme, J. Schulze,
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/IEDM.2017.8268453) - “Influence of strain, donor concentration, carrier confinement, and dislocation density on the efficiency of luminescence of Ge-based structures on Si substrate”, Phys. Status Solidi C, 1700018 (2017
B. Schwartz, M. Reiche, M. Kittler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201700018) - “Luminescence of strained Ge on GeSn virtual substrate grown on Si (001)”, Silicon Photonics XII, edited by Graham T. Reed, Andrew P. Knights, Proc. of SPIE 10108, 101080D-1 (2017)
B. Schwartz, M. Oehme, R. Koerner, S. Bechler, J. Schulze, M. Kittler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2249564)
