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Upcoming Conference: Mauterndorf Winterschool 2018

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20th International Winterschool on New Developments in Solid State Physics, Mauterndorf, Feb. 25 - March 2, 2018 ...  more of Upcoming Conference: Mauterndorf Winterschool 2018 (Titel)

Video zu Artikel "Free-running Sn precipitates..." (Gruppe Schäffler)

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Wir gratulieren Dr. Rinaldo Trotta zur Habilitation!

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"Zum Gral der Halbleitertechnik", in: Die Presse vom 8.4.2017

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© Johan Persson, DTU Kopenhagen ...  more of "Zum Gral der Halbleitertechnik", in: Die Presse vom 8.4.2017 (Titel)

Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta

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Bildquelle: Robert Herbst, POINT OF VIEW (http://pov.at). ...  more of Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta (Titel)

Video Online: "Embedding a Single Quantum Dot into a Photonic Crystal Cavity"

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Artikel OÖNachrichten: "Rinaldo Trotta: Der 1,5-Millionen-Euro-Forscher"

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DI Martin Glaser

MBE growth and analysis of group-IV semiconductors

Kurzfassung

Die Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen ermöglicht faszinierende neue Perspektiven sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Entwicklung neuer elektronischer und optischer Geräte. Da Silizium das heute meist verwendete Halbleitermaterial ist, stoßen kompatible Materialien und Technologien, wie etwa die Gruppe IV Materialien, auf großes Interesse. Molekularstrahlepitaxie (SiGe-MBE) erlaubt das Wachstum solcher Strukturen mit sehr genauen Dicken und Legierkonzentrationen bei hoher kristalliner Qualität.

In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum solcher Heterostrukturen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften untersucht, da dies die Kombination von optischen und elektronischen Komponenenten auf einem einzigen Mikrochip erlauben würde (``Silicon-Photonics''). Insbesondere das Nahe-Infrarote im Wellenlängenbereich zwischen 1.3-1.6µm ist interessant, weil dies mit den heutigen Telekommunikationsstandards kompatibel wäre. Die größte Herausforderung dabei ist, dass SiGe Strukturen eine indirekte Bandlücke besitzen.

Theoretische Berechnungen zeigen jedoch, dass sich die Bandstruktur von Germaniumschichten durch Verspannen oder Legieren verändert und so zu einem Material mit direkter Bandlücke werden könnte. Deshalb wurde in Germaniumschichten bis zu 1% Kohlenstoff und bis zu 15% Zinn eingebaut, was weit über deren jeweiligen Lösbarkeitsgrenze liegt. Charakterisiert wurden die Epischichten mittels Ellipsometrie, Rutherford Rückstreu Spektrometrie, Rasterkraftmikroskop, Sekundärionen Massenspektrometrie, Transmissionenelektronenmikroskopie und Röntgendiffraktion. Durch die unterschiedliche Gitterkonstanten der Materialien verspannen sich die Schichten und verändern damit die Bandstruktur. Deshalb wurden die Möglichkeiten relaxierte Strukturen zu wachsen zusätzlich untersucht.

Der niedrige Schmelzpunkt und der Phasenübergang vom zero-gapα-Sn zum metallischen β-Sn reduzieren die Möglichkeit für thermische Behandlung dieser gewachsenen Strukturen. Die schnelle und vollständige Entmischung der Schichten bei geringen Temperaturen (300°C) wurde erstmals mittels Elektronenstrahlmikroskopie während des Aufheizens der Probe in Echtzeit analysiert.

Alternativ wurden mittels Stranksi-Krastanow Wachstum hergestellte Ge Quantenpunkte (QDs) als potentielles aktives Material untersucht. Die Verwendung von Quantenpunkten verstärkt die Photolumineszenz, da die Reduzierung der Dimension auf Null mit diskreten Energieniveaus und einer deltaförmigen Zustandsdichte einhergeht.
MBE Wachstum an vorstrukturierten SOI Substraten ermöglicht die genaue Positionierung dieser Quantenpunkte sowie deren Zusammensetzung und Emissionsbereich.
Dadurch können die QDs als Emissionsquelle in einem photonischen Kristall eingebaut werden und kann durch Anpassung der Periodizität des Resonators eine Verstärkung der Photolumineszenzemission herbeigeführt werden, die die Untersuchung eines einzelnen Quantenpunktes erlaubt.

Sowohl die Weiterführung der bisherigen Methoden als auch die Entwicklung neuer Methoden, wie etwa SiGe basierte Quantenkaskadenstrukturen, sind Wege zur Realisierung des lang andauernden Strebens nach einer praktikablen Gruppe~IV Lichtquelle.

Abstract

The realization of semiconductor nanostructures offers fascinating perspectives both for fundamental science as well as the development of electronic and photonic devices. As silicon is the most used semiconductor material today, silicon compatible materials and technologies, are of wide interest. Molecular beam epitaxy (SiGe-MBE) allows the growth of group-IV heterostructures with high precision of thickness, alloying/doping and high crystalline quality.

In the current work, the growth of such semiconductor heterostructures for optoelectronic application is investigated. ``Silicon Photonics'', the combination of light and silicon technology, may allow the integration of optical and electrical components onto a single microchip. Especially the near-infrared spectral region from 1.3-1.6µm is of great interest due to the compatibility with the current communication standards. However, a severe limitation for optical devices on the silicon platform is the indirect band gap of SiGe structures.

Theoretical calculations predict that band-structure and strain engineering of Ge epilayers may change the layer into a direct bandgap material. Alloying of Ge with either carbon (C) or tin (Sn) aims towards the realization of a direct bandgap group IV semiconductor.
In this thesis GeC and GeSn structures with up to 1% carbon and 15% tin, which is far beyond the respective solubility limit, were successfully grown in a pseudomorphic manner and analyzed by ellipsometry, Rutherford back scattering (RBS), secondary ion mass spectroscopy (SIMS), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM) and x-ray diffraction (XRD). As the different materials are not lattice matched, strain builds up, which additionally shifts the bands, and therefore, the possibility of relaxation of these layers was investigated.

  The low melting point of tin as well as a phase transition from the semiconducting α-Sn to the metallic β-Sn reduces the thermal budget of the artificial layers. The fast and complete segregation of these layers at moderate temperature (300°C) was found, and for the first time real time observation of this precipitation and movement was analyzed by annealing experiments inside the scanning electron microscope (SEM).

As an alternative epitaxial germanium quantum dots (QD) produced in the Stranski-Krastanow growth mode exhibit a potential as gain material. The use of quantum dots as active regions enables enhanced photoluminescence because the reduction of the dimensionality to zero results in discrete energy levels and a peaked electronic density of states.
Epitaxial growth on pre-patterned SOI substrates allows the control of the position of the QDs as well as their homogeneity and spectral emission range.
It allows the desired positioning of the emitters inside a photonic crystal, which results in different photoluminescence enhancements and radiation patterns, and the investigation of a single Ge QD by carefully adjusting the periodicity of the cavity with the periodicity of the QDs.

Further investigations as well as new approaches (such as the growth of SiGe based quantum cascade structures) in the group-IV material system combined with additional modeling is expected to provide a new path toward the long-lasting effort for a practicable group IV light source.

Downoad

application/pdfPhD Glaser (22.1 MB, PhD Glaser)