Silicium-basierte Lichtquellen im nahinfraroten Spektralbereich

Neue Standards für die optische Nachrichtenübertragung in Datenzentren und Supercomputern, aber auch integrierte optische Verbindungsstrecken auf Computerchips sowie quantenkryptographische Anwendungen erfordern optische Komponenten und Lichtquellen die kompatibel zur Siliziumtechnologie für integrierte Halbleiterchips sind. In zwei Teilprojekten des vorangegangenen Spezialforschungsbereichs SFB 025 IRoN konnten wir zeigen, daß Quantenpunkte aus Silizium- Germanium (SiGe) für derartige Anwendungen vielversprechende Kandidaten sind. Das gilt insbesondere dann, wenn die Quantenpunkte in spezielle optische Komponenten, sogenannte Photonische Kristalle oder -Resonatoren, eingebettet werden. Im vorliegenden Projekt versuchen wir, die beiden wichtigsten offenen Fragen dieses Ansatzes zu lösen. Zum einen streben wir an, die Linienbreiten und das Temperaturverhalten derartiger Lichtemitter zu verbessern, indem wir die Elektronen stärker an die Quantenpunkte binden. Dazu muß in einer Si-Deckschicht über dem Quantenpunkt eine definierte mechanische Zugspannung erzeugt werden, die durch das Übereinanderstapeln von zwei Quantenpunkten realisiert wird. Das Ziel dabei ist es, Lichtemission von einem einzelnen Quantenpunk-Stapel in einem Photonischen Resonator bei Zimmertemperatur zu demonstrieren. Parallel zu diesen Aktivitäten werden wir die Güte der verwendeten Resonatoren erheblich verbessern, die ein Maß für die erhöhte Lichtausbeute in Photonischen Strukturen ist. Dazu müssen die bereits entwickelten Prozeßschritte so modifiziert und ergänzt werden, daß die Oberflächenrauhigkeit der Photonischen Strukturen im Nanometer-Bereich kontrolliert werden kann. Zusätzlich muß nichtstrahlende Rekombination an den inneren Oberflächen der Strukturen durch geeignete Passivierungsschritte auf ein Minimum reduziert werden. Um diese Ziele zu erreichen sind umfassende strukturelle und optische Untersuchungen nötig, die mit Simulationen bezüglich der strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften der Photonischen Resonatoren mit eingebetteten Quantenpunkt-Emittern kombiniert werden. Dazu sind unter anderem Experimente am Transmissions-Elektronenmikroskop geplant, mit denen die lokalen Germaniumkonzentrationen in einem Quantenpunkt-Stapel quantitativ bestimmt werden können. Die Germaniumverteilung wird dann als Eingangsparameter für die Simulationen verwendet. Mit dem vorliegenden Projekt sollen die Grenzen von Quantenpunkt-Emittern auf Silicium- Germanium-Basis in einen Bereich verschoben werden, der sie für Bauelemente im Spektralbereich der Telekommunikations-Anwendungen geeignet macht. Langfristig werden die erwarteten Ergebnissee dazu beitragen, Silizium-basierter optische Bauelemente für die Quantenkryptographie oder für optische Datenübertragung innerhalb eines Chips monolithisch zu integrieren.

Die rapide zunehmenden Anforderungen an die Datenübertragung und -verarbeitung werden in rein elektronischen Halbleitersystemen zunehmend limitiert durch Ohmsche Leitungsverluste und eingeschränkte Übertragungsbandbreiten. Zur weiteren Leistungssteigerung wurden daher im letzten Jahrzehnt integrierte optoelektronische Komponenten auf der Basis von Silicium/Germanium und der etablierten CMOS-Technologie entwickelt. Da derzeit aber noch keine effizienten Lichtquellen in diesem Materialsystem verfügbar sind, wird vorübergehend auf Hybrid-Lösungen aus optoelektronischen Si/Ge-Komponenten mit eingesetzten Lichtquellen aus III-V-Verbindungshalbleitern zurückgegriffen. Für eine wirklich effiziente, monolithische CMOS- Integration ist jedoch nach wie vor eine Lichtquelle auf der Basis von Halbleitern aus der 4. Gruppe des Periodensystems erforderlich. In den letzten Jahren hat das Halbleiterphysik-Institut der Johannes Kepler Universität in Linz wichtige Beiträge zur Entwicklung von Gruppe-IV Lichtemittern geleistet. Diese Vorarbeiten beruhen auf der Verwendung von SiGe-Quantenpunkten (QDs), die per Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit Nanometerpräzision auf vorstrukturierten Silicon-on-Insulator-(SOI)-Substraten abgeschieden werden. Mit diesem Ansatz konnten wir 2017 erstmals Lichtemission von einem einzelnen SiGe-QD demonstrieren, der monolithisch in einen Photonischen Resonator (PhCR) integriert war. Als Weiterentwicklung wurden im vorliegenden Projekt die strukturellen und optischen Eigenschaften von vertikal gestapelten QD-Paaren untersucht, die nach wie vor präzise lateral positioniert werden können. Bei diesem Ansatz induziert der untere QD eine kontrollierte Verspannung in der näheren Umgebung des oberen QDs und beeinflußt so die dort erfolgende Lichtemission. Ziel der Stapelanordnung war es, die Lichtausbeute im Telekom-Bereich insbesondere bei höheren Temperaturen zu verbessern. Zur Ermittlung geeigneter Schichtenfolgen für den Probenaufbau wurden umfangreiche Simulationen der zu erwartenden elektronischen und optischen Eigenschaften durchgeführt. Die Simulationen ergaben, daß die separierend Si-Schicht zwischen den gestapelten QDs nur wenige nm dick sein darf, um zu verhindern, daß der untere QD in unerwünschter Weise selbst Licht emittiert. Mit dieser Erkenntnis wurden mehrere Probenserien hergestellt, bei denen die Schicht- und Wachstumsparameter systematisch variiert wurden. Für vergleichende Untersuchungen wurden ansonsten gleichartige Referenzproben mit nur einer QD-Lage realisiert. Die unter identischen Bedingungen durchgeführten Vergleichsmessungen ergaben, daß die Stapelanordnung zu einer signifikanten Verbesserung der Lichtausbeute bei Temperaturen oberhalb von 170K führt. Unter weiter optimierten Wachstumsbedingungen konnte an Proben mit gestapelten QDs auch Zimmertemperatur-Lichtemission im gewünschten Frequenzbereich nachgewiesen werden. Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse sind noch erhebliche Verbesserungen nötig, um einen konkurrenzfähigen Lichtemitter für die monolithische CMOS-Integration zu entwickeln. In einem nächsten Schritt soll die Stapelanordnung mit kontrollierter Implantation optisch aktiver Defekte kombiniert werden. Die Vorteile derart erzeugter Defekte ist bereits in mehreren Arbeiten des Instituts nachgewiesen worden. Allerding ließen sich mit diesem Ansatz bisher keine lateral geordneten Lichtemitter herstellen, wie sie für die CMOS-Integration unabdingbar sind. Erste Voruntersuchen zeigten jedoch, daß sich diese Einschränkung durch die Verwendung gestapelter QD-Anordnung umgehen lassen sollte.