SiGeSn-Ternäre für effiziente Gruppe-IV-Heterostruktur-Lichtemitter
Jülich, 7. Februar 2017
Die Unfähigkeit der Gruppe-IV-Elemente Silizium (Si) und Germanium (Ge), die das Rückgrat heutiger elektronischer Schaltkreise bilden, effizient Licht zu erzeugen, behindert die Integration der Optoelektronik in großem Maßstab.
Die Zugabe des schwereren Gruppe-IV-Elements Zinn (Sn) zu der Mischung hat dazu beigetragen, dieses Hindernis zu überwinden, da optisch gepumptes Laserlicht bei etwa 2,2 µm in Si-kongruenten GeSn-Legierungen beobachtet wurde (Wirths und Geiger et al., Nature Photonics 2015). Effiziente elektrisch betriebene Lichtemitter wie LEDs und Laser benötigen zusätzlich Materialien mit größerer Bandlücke, um die injizierten Ladungsträger im aktiven Bereich einzuschließen und ihre effiziente strahlende Rekombination zu ermöglichen.
Forscher des Forschungszentrums Jülich (Deutschland) haben in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern vom Paul-Scherrer-Institut (Schweiz), der University of Leeds (Großbritannien) und CEA-Leti (Frankreich) die ternäre Gruppe-IV-Legierung SiGeSn zu diesem Zweck untersucht. Durch unabhängige Einstellung des Si- und Sn-Gehalts konnten sie die Bandlücke des Materials im kurzwelligen Infrarotspektrum von bis zu etwa 2,6 µm einstellen. Die breite Palette möglicher Legierungen könnte eine große Vielfalt von Anwendungen ermöglichen. Neben ihrer Verwendung als passive Schichten könnten sie auch alternative aktive Schichten für Detektoranwendungen im mittleren Infrarotbereich darstellen oder ausschließlich ternäre Lichtemitter ermöglichen.
Um wirklich zu beweisen, dass SiGeSn ein vielversprechendes Material ist, setzten die Forscher es als Barrierematerial in einer GeSn/SiGeSn-Multiquantentopf-Heterostruktur ein. Die vollständig CMOS-kompatible Verarbeitung von LEDs führte zu einer starken, elektrisch angetriebenen Lichtemission bei Raumtemperatur, was ihre Verwendung in der künftigen effizienten Gruppe-IV-Optoelektronik untermauert.
Artikel: Nils von den Driesch et al: SiGeSn Ternaries for Efficient Group IV Heterostructure Light Emitters
Artikel: Daniela Stange et al.: Short-wave infrared LEDs from GeSn/SiGeSn multiple quantum wells