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Stark-Effekt der D-Band-Lumineszenz von
Versetzungen in Si
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A U S G E w ä H L T E P R O J E K T E – S E L E C T E d P R O J E C T S
Unser Ziel war die Untersuchung der Möglichkeit für
eine elektrische Modulation der Versetzungs-Lumineszenz
in Si.
Der Einsatz der optischen Datenübertragung auf dem
Chip ist für zukünftige Schaltkreis-Generationen erforderlich.
Schlüsselkomponenten dafür, die mit der Si-
Technologie herstellbar und auf dem Chip integrierbar
sind, wurden bereits demonstriert. So haben wir einen
CMOS-kompatiblen elektrisch gepumpten Lichtemitter
entwickelt, der das 1,5-µm-Licht von Versetzungen ausnutzt.
Dabei ist es erstrebenswert, diese LED mit einem
schnellen elektro-optischen Modulator in einem Bauelement
kombinieren zu können.
Versetzungsreiche Gebiete mit entsprechender Lumineszenz
lassen sich reproduzierbar herstellen (a) durch
direktes Waferbonden, was zur Formierung eines Versetzungsnetzwerkes
führt, oder (b) durch Implantation
von Si-Ionen und anschliessende Ausheilung, was zur
Bildung von Versetzungsschleifen führt. Die elektrische
Anregung kann über das Tunneln von Ladungsträgern
durch eine dünne Oxidschicht (MOS-LED) oder über Trägerinjektion
durch einen pn-Übergang (pn-LED) in der
Nähe der aktiven Versetzungsregion erfolgen. Beispiele
für Elektrolumineszenz (EL) und Photolumineszenz
(PL) der bei verschiedenen Temparaturen von den Versetzungen
in einer pn-LED abgestrahlten Spektren sind
in Abb. 35 gezeigt. Die Abbildung zeigt die D1-D3-Banden,
wobei die D1-Linie dominiert. Es ist zu beobachten,
dass sich die Positionen der Linien in den EL- und
PL-Spektren bei zunehmender Injektion zu höherer
Energie verschieben.
Der diese Verschiebung verursachende Mechanismus
kann auf den quadratischen Stark-Effekt zurückgeführt
werden, der den Einfluss von lokalen elektrischen Feldern
auf die Energie von exzitonischen optischen Übergängen
beschreibt. Bei geringem Injektionsniveau,
„sehen“ die Zentren, die die Versetzungslumineszenz
verursachen, ein starkes elektrisches Feld am pn-Übergang.
Dadurch wird die Energie der optischen Übergänge
reduziert und die D-Linien werden rot verschoben.
Stark Effect for dislocation Related
d-band Luminescence in Si
our goal was to demonstrate a possibility for electrical
modulation of dislocation related D-band luminescence
in Si.
on-chip optical interconnects will be essential for
future integrated circuits. Many key components
that can be integrated on the chip have already been
demonstrated by Si technology. previously, we have
demonstrated a CMoS-compatible, electrically pumped
Si-based light emitter at 1.5 µm based on D-band
luminescence. For larger integration it would be advantageous
to combine the leD with a fast electrooptical
modulator within one device.
Dislocation-rich D-band active regions can be reproducibly
formed (a) by direct wafer bonding resulting
in formation of dislocation network or (b) by Si implantation
followed by an annealing, resulting in a
dislocation loop-rich region. the electrical excitation
could be realised by tunnelling of carriers through
an oxide layer (MoS-leD) or by carrier injection via
p-n junction (p-n leD) located close to the active region.
examples of the electroluminescence (el) and
photoluminescence (pl) D-band spectra from a pnleD
detected at various temperatures are presented
in Fig. 35. the figure shows strong D1-D3 lines with
prevailing D1 peak. note that the position of maximal
intensity of D-lines shifts to higher energies with an
increase in the carrier injection level in both el and
pl.
the mechanism responsible for the shift is related to
the quadratic Stark effect, i.e. an influence of local
electric fields on the energy of excitonic optical transitions.
At low carrier injection level, the centres responsible
for D-lines are in the strong electric field of
the neighbouring pn-junction. the transition energy
becomes smaller and D-band peaks are red-shifted.
An increase in the carrier injection level suppresses
the junction field leading to the blue shift of the Dband
peaks. the dependence of the shift magnitude
on the electric field of the junction corresponds well
to that predicted by the Stark effect (Fig. 36).