Defektverstärkte Quantenpunkte als Silizium-Lichtemitter
Silicon light emitters based on defect-enhanced quantum dots
Wissenschaftsdisziplinen
Nanotechnologie (35%); Physik, Astronomie (50%); Werkstofftechnik (15%)
Keywords
-
Silicon Photonics,
Optical Spectroscopy,
Nanolaser,
Germanium,
Quantum dots,
Semiconductor
Silizium, ein Element der Gruppe-IV im Periodensystem, ist das alles beherrschende Material der digitalen Welt, da alle integrierte Bauelementtechnologie (Chips) darauf basiert. Allerdings stößt die derzeit auf Siliziumelektronik basierte Digitalisierung bei der Datenübertragungsgeschwindigkeit und dem Energieverbrauch auf klar absehbare Grenzen. Durch die Miniaturisierung der einzelnen Bauteile werden immer längere und zugleich dünnere Leiterbahnen aus Kupfer benötigt, was die Datenübertragung limitiert und gleichzeitig die dazu benötigte Energie drastisch erhöht. Aus diesem Grund wird vermehrt nach auf Licht basierenden Möglichkeiten zur Übertragung von Daten auf Siliziumchips geforscht. Leider ist Silizium selbst aufgrund materialspezifischer Eigenschaften hauptsächlich wegen seiner indirekten Energielücke - ein denkbar schlechter Lichtemitter. In diesem Projekt wird ein grundsätzlich neuer Ansatz erforscht, Licht aus mit Silizium kompatiblen Gruppe-IV Materialien (z. B. Germanium) zu gewinnen. Die hier vorgestellte neue Materialklasse besteht aus epitaktisch gewachsenen Germanium Quantenpunkten, d.h. wenigen Atomlagen hohen verspannungsinduzierten Materialaufwerfungen, in die durch zusätzliche Ionenimplantation gezielt Störungen der Kristallstruktur eingebracht werden (Defekte). Wir konnten in Vorstudien zeigen, dass unser Ansatz die optischen Eigenschaften der Gruppe-IV Elemente gerade bei Raumtemperatur drastisch verbessert und dass Leuchtdioden, die sogar bis zu 100C effizient Licht aussenden, hergestellt werden können. Um in Zukunft diese Lichtemitter mit Silizium basierter Elektronik verknüpfen zu können, wird ein elektrisch gepumpter Laser benötigt. Das Materialsystem selbst, wie z. B. die verschiedenden möglichen Kristallstrukturstörungen sowie deren Zusammenspiel mit den strukturellen, chemischen und optoelektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde bisher nicht grundlegend erforscht. Aus den oben genannten Gründen ergeben sich folgende Ziele dieses Projektes: (1) Das System Quantenpunkt-Kristalldefekt muss sowohl experimentell als auch im Zusammenspiel mit einer Unterstützung durch die Theorie im Bezug auf die strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften erforscht werden. Dabei werden derzeit vorhandene Schwächen, wie z.B. das Ausmaß von Verlustmechanismen bestimmt und Strategien zu deren Verringerung entwickelt. (2) Um die Lichtausbeute der defektbasierten Quantenpunkte weiter zu erhöhen werden die Herstellungsparameter variiert und dadurch die vielversprechensten gefunden werden. (3) Die Arbeiten in (1) und (2) sind erforderlich um das eigentliche Ziel zu erreichen, einen mit der Siliziumtechnologie kompatiblen elektrisch gepumpten Diodenlaser herzustellen. Der Erfolg dieses Projektes könnte ein entscheidener Schritt zur Einbindung von siliziumbasierten Lichtquellen in moderne Halbleiterbauelemente sein.
- Universität Linz - 100%
- Brett Hallam, University of New South Wales - Australien
- Alexei Tchelnokov, CEA-LETI - Frankreich
- Jean-Michel Hartmann, CEA-LETI - Frankreich
- Antonio Polimeni, Universita di Roma La Sapienza - Italien
- Petr Klenovsky, Masarykova Univerzita - Tschechien
- Mark Lusk, Colorado School of Mines - Vereinigte Staaten von Amerika
Research Output
- 126 Zitationen
- 25 Publikationen
- 2 Künstlerischer Output
- 8 Disseminationen
- 1 Weitere Förderungen
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2024
Titel Epitaxial Group-IV Quantum Dots as Room-Temperature Light Emitters DOI 10.1149/ma2024-01221311mtgabs Typ Journal Article Autor Aberl J Journal ECS Meeting Abstracts -
2024
Titel High-Quality Ge-Rich Nanosheets on Silicon on Insulator Substrates Based on Ultra-Low Temperature Epitaxy DOI 10.1149/ma2024-01301500mtgabs Typ Journal Article Autor Prado-Navarrete E Journal ECS Meeting Abstracts -
2024
Titel (Invited) Emerging Opto-Electronics and Quantum-Photonics Based on Ultra-Low Temperature Epitaxy of Group-IV Nanolayers DOI 10.1149/ma2024-01221320mtgabs Typ Journal Article Autor Brehm M Journal ECS Meeting Abstracts -
2024
Titel Telecom Photon Emitters Based on Isolated Group-IV Quantum Dots Deterministically Coupled to High-Q Photonic Crystal Cavities DOI 10.1149/ma2024-01221318mtgabs Typ Journal Article Autor Aberl J Journal ECS Meeting Abstracts -
2024
Titel All epitaxial self-assembly of vertically-confined silicon color centers using ultra-low temperature epitaxy DOI 10.48550/arxiv.2402.19227 Typ Preprint Autor Aberl J Link Publikation -
2024
Titel Ge Epitaxy at Ultralow Growth Temperatures Enabled by a Pristine Growth Environment. DOI 10.1021/acsaelm.4c01678 Typ Journal Article Autor Aberl J Journal ACS applied electronic materials Seiten 9029-9039 -
2024
Titel All-Epitaxial Self-Assembly of Silicon Color Centers Confined Within Sub-Nanometer Thin Layers Using Ultra-Low Temperature Epitaxy. DOI 10.1002/adma.202408424 Typ Journal Article Autor Aberl J Journal Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.) -
2021
Titel Light-Emission from Ion-Implanted Group-IV Nanostructures DOI 10.1007/978-3-030-68222-4_2 Typ Book Chapter Autor Brehm M Verlag Springer Nature Seiten 67-103 -
2021
Titel Photoluminescence enhancement by deterministically site-controlled, vertically stacked SiGe quantum dots DOI 10.1038/s41598-021-99966-7 Typ Journal Article Autor Schuster J Journal Scientific Reports Seiten 20597 Link Publikation -
2021
Titel Light emission from direct band gap germanium containing split-interstitial defects DOI 10.1103/physrevb.103.085310 Typ Journal Article Autor Murphy-Armando F Journal Physical Review B Seiten 085310 Link Publikation -
2021
Titel Advanced hydrogenation process applied on Ge on Si quantum dots for enhanced light emission DOI 10.1063/5.0036039 Typ Journal Article Autor Spindlberger L Journal Applied Physics Letters Seiten 083104 Link Publikation -
2021
Titel Light-emission from ion-implanted group-IV nanostructures DOI 10.48550/arxiv.2101.07580 Typ Preprint Autor Brehm M -
2024
Titel A Run-Time Reconfigurable Ge Field-Effect Transistor With Symmetric On-States DOI 10.1109/jeds.2024.3350209 Typ Journal Article Autor Fuchsberger A Journal IEEE Journal of the Electron Devices Society -
2024
Titel A Reconfigurable Ge Transistor Functionally Diversified by Negative Differential Resistance DOI 10.1109/jeds.2024.3432971 Typ Journal Article Autor Fuchsberger A Journal IEEE Journal of the Electron Devices Society -
2024
Titel Light emission from ion-implanted SiGe quantum dots grown on Si substrates DOI 10.1016/j.mssp.2024.108616 Typ Journal Article Autor Aberl J Journal Materials Science in Semiconductor Processing -
2024
Titel Nanoheteroepitaxy of Ge and SiGe on Si: role of composition and capping on quantum dot photoluminescence. DOI 10.1088/1361-6528/ad7f5f Typ Journal Article Autor Aberl J Journal Nanotechnology -
2020
Titel In-Situ Annealing and Hydrogen Irradiation of Defect-Enhanced Germanium Quantum Dot Light Sources on Silicon DOI 10.3390/cryst10050351 Typ Journal Article Autor Spindlberger L Journal Crystals Seiten 351 Link Publikation -
2022
Titel Relaxation Delay of Ge-Rich Epitaxial SiGe Films on Si(001) DOI 10.1002/pssa.202200154 Typ Journal Article Autor Salomon A Journal physica status solidi (a) Link Publikation -
2022
Titel On-chip infrared photonics with Si-Ge-heterostructures: What is next? DOI 10.1063/5.0078608 Typ Journal Article Autor Fischer I Journal APL Photonics Seiten 050901 Link Publikation -
2022
Titel Epitaxial Growth of Planar Hutwires on Silicon-on-Insulator Substrates DOI 10.1002/pssa.202200145 Typ Journal Article Autor Aberl J Journal physica status solidi (a) Link Publikation -
2023
Titel Reconfigurable Field-Effect Transistor Technology via Heterogeneous Integration of SiGe with Crystalline Al Contacts DOI 10.1002/aelm.202201259 Typ Journal Article Autor Fuchsberger A Journal Advanced Electronic Materials -
2022
Titel (Invited) Light-Emitting Devices Based on Defect-Enhanced Group-IV Nanostructures DOI 10.1149/ma2022-01201080mtgabs Typ Journal Article Autor Brehm M Journal Electrochemical Society Meeting Abstracts Seiten 1080-1080 -
2023
Titel In situ TEM heating experiments on thin epitaxial GeSn layers: Modes of phase separation DOI 10.1063/5.0167407 Typ Journal Article Autor Martínez K Journal APL Materials -
2022
Titel Composition Dependent Electrical Transport in Si1-xGex Nanosheets with Monolithic Single-Elementary Al Contacts DOI 10.1002/smll.202204178 Typ Journal Article Autor Wind L Journal Small Seiten 2204178 Link Publikation -
2022
Titel Advanced preparation of plan-view specimens on a MEMS chip for in situ TEM heating experiments DOI 10.1557/s43577-021-00255-5 Typ Journal Article Autor Minenkov A Journal MRS Bulletin Seiten 359-370 Link Publikation
-
2017
Titel weekly newspaper: Emedia Typ A magazine, newsletter or online publication -
2016
Titel Newspaper articles Typ A magazine, newsletter or online publication -
2016
Link
Titel Science Slams Typ Participation in an activity, workshop or similar Link Link -
2018
Link
Titel Lange Nacht der Forschung Typ Participation in an activity, workshop or similar Link Link -
2024
Link
Titel Newspaper Typ A press release, press conference or response to a media enquiry/interview Link Link -
2019
Titel Traumberuf Technik Typ Participation in an activity, workshop or similar -
2023
Titel Participation in an activity, workshop or similar - Traumberuf Technik Typ Participation in an activity, workshop or similar -
2019
Link
Titel Movie Typ A broadcast e.g. TV/radio/film/podcast (other than news/press) Link Link
-
2020
Titel Silicon light emitters based on defect-enhanced quantum dots Typ Other Förderbeginn 2020 Geldgeber Austrian Science Fund (FWF)