Ionenbombardierte Germanium-Quantenpunktlaser auf Silizium

Die Erforschung und Entwicklung von hochwertigen, auf Silizium-basierenden Lichtequellen die auch vollständig mit der auf Silizium beruhenden Mikro- und Nanoelektronik kompatibel sind, wurde in den letzten Jahren weltweit mit großem Einsatz betrieben. In der Si-basierten Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden solche Lichtquellen, insbesondere LASER, benötigt, um Engpässe bei der Datenübertragung innerhalb eines Chips und auch zwischen Chips zu beheben. Diese Engpässe werden derzeit durch die Impedanz der Verdrahtung verursacht. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab mittels einer neue Art von teilweise amorphen Germanium-Quantenpunkten solche Laser zu verwirklichen, welche mit den Erfordernissen der Mikro- und Nanoelektronik kompatibel sind. Die Amorphisierung der Quantenpunkte entsteht während derGermanium-Abscheidungin einer Molekularstrahlepitaxieanlage durch Germaniumionenbeschuss. Daraufhin werden die Quantenpunkte in dieser Anlage durch Epitaxie in kristallines Silizium eingebettet. Durch die teilweise Amorphisierung der Quantenpunkte durch den Ionenbeschuss entstehen neue, effiziente Pfade für die Ladungsträgerrekombination und damit für Lichtemission bei Raumtemperatur. Im ersten Teil des Projektes liegt der Schwerpunkt auf der mikrostrukturellen Untersuchung der ionenbombardierten Quantenpunkte. Dabei wird der Einfluß der Form der Quantenpunkte, deren chemischer Zusammensetzung sowie der Energie und Dosis der Ionenimplantation auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte untersucht. Weiters wird die thermische Stabilität der Quantenpunkte eingehend untersucht, da dies ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer künfiger Bauelemente ist. Der zweite Teil des Projektes thematisiert die Herstellung und die optischen Eigenschaften von optischen Bauelementen mit ionenbombardierten Quantenpunkten, die auch präzise (auf einer Nanometerskala) auf einem Chip positioniert werden können. Letzteres soll in Zukunft für Laser, die auf photonischen Kristallen und Mikroscheibenresonatoren aufbauen, eingesetzt werden. Ein SiGe Quantenpunktlaser könnte einen entscheidenen Schritt zur Einbindung von Si- basierten Lichtquellen in moderne Halbleiterbauelemente bedeuten, um Datenübertragungs- geschwindigkeit und Transferraten erheblich zu verbessern.

Erst das Verständnis mikrostruktureller Eigenschaften auf atomarer Basis erlaubt die permanente Optimierung und funktionelle Weiterentwicklung von neuartigen Nanostrukturen. Das trifft insbesondere auf die in diesem FWF-Einzelprojekt untersuchten Halbleiterstrukturen zu, die aus der Vereinigung zweier unabhängiger niedrigdimensionaler Systeme besteht: Epitaktisch erzeugten Quantenpunkten und Punktdefekten, welche mit Vorsatz durch die Implantation von Germaniumionen in den Quantenpunkten erzeugt werden. Folglich bestehen diese ionenbombardierten Quantenpunkte rein aus Materialien der Gruppe-IV, den Kernelementen der digitalen Technologie, die in den letzten Jahrzehnten unsere Lebensweise transformiert hat. Aus Gründen derzeit limitierter Bandbreite und stetig steigendes Energieverbrauches wird daher weltweit intensiv nach Möglichkeiten optischer Datenübertragung auf- und zwischen Halbleiterchips geforscht. Um dieses Konzept der Silizium-basierten Photonik zum Leben zu erwecken wird allerdings noch ein alles entscheidendes Bauelement benötigt. Eine Lichtquelle - im besten Fall ein Laser - die mittels integrierter Technologie kostengünstig auf Silizium hergestellt werden kann. Als indirekter Halbleiter ist Silizium selbst allerdings nicht als Lichtemitter geeignet. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass die untersuchten ionenbombardierten Germanium Quantenpunkte sehr vielversprechende Eigenschaften als Lichtquellen auch bei 300 Kelvin, d.h. bei anwendungsrelevanten Temperaturen, haben. Dies kann durch die spezielle Defektstruktur erklärt werden, welche entsteht, wenn Germaniumionen auch im Quantenpunkt zum Halten kommen. Wir konnten zeigen, dass nach einer ersten Teilamorphisierung des Quantenpunktes durch die Implantation die Rekristallisationsphase in der Entstehung eines niederenergetischen Punktdefektes mündet, der von einer Gitterverzerrung umgeben ist. Für Letztere stellte sich heraus, dass sie sich stabilisierend auf die Temperaturabhängigkeit der strukturellen Eigenschaften des Quantenpunkt/Defekt-Komplexes auswirkt, sodass dieser auch hohe thermische Belastung von 600C über mehrere Stunden hinweg ohne wesentliche Änderung der optischen Eigenschaften übersteht. Weiters wurde der Zusammenhang zwischen der Form der Quantenpunkte, deren chemischer Zusammensetzung sowie der Energie und Dosis der Ionenimplantation auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte untersucht. Dabei ergab sich, dass die Lichtausbeute äußerst robust gegenüber Veränderung dieser Parameter ist, was sich für zukünftige Bauelemente als hilfreich erweisen wird. Die optischen Eigenschaften optoelektronischer Bauelemente mit ionenbombardierten Quantenpunkten als aktives Material wurden untersucht und die ersten Prototypen von Leuchtdioden mittels Siliziumtechnologie fertiggestellt. Bemerkenswerterweise funktionieren diese auch weit über Raumtemperatur hinaus, bis zu 100C was einzigartig für siliziumbasierte Leuchtquellen ist. Der Erfolg des Projektes hat gezeigt, dass Silizium-Germanium-basierte Quantenpunkte einen entscheidenden Schritt zur Einbindung von Silizium-basierten Lichtquellen in moderne Halbleiterbauelemente bedeuten, um zukünftig Datenübertragungsgeschwindigkeit und Transferraten erheblich zu verbessern.